JP2010510555A - Ｌｃｄバックライト内の光分布の均一性を高めるレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のバックライトに関し、より詳しくは、ＬＣＤバックライト内の光分布の均一性を高めるレンズ構成に関する。
【解決手段】ＬＣＤバックライトなどの照明構成で使用されるレンズは、導光領域とレンズ表面を含む。導光領域は、光源からの光をレンズの周辺に配置されたレンズの一領域に合焦させるような形状になっている。レンズ表面は、光源からの光をレンズ中に反射する反射領域と、光源からの光をレンズ外に透過する透過領域とを有する。幅など透過領域の特性は、光源に対して様々な距離に位置するレンズの諸区域に対してほぼ均一な平均光分布を生み出すように、光源の配置に応じて変わる。
【選択図】図５Ａ

Description

本発明は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のバックライトに関し、より詳しくは、ＬＣＤバックライト内の光分布の均一性を高めるレンズ構成に関する。

偏光板、液晶層、酸化インジウムスズ電極、支持体など、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルの能動部品は、比較的薄い。しかし、ＬＣＤ用の直下型またはエッジライト型バックライトアセンブリの標準設計品は、かさばり、ＬＣＤパネルサイズごとに特注設計する必要がある。事実、典型的な／従来のバックライト付きＬＣＤパネルの物理的体積のほとんどがバックライトアセンブリ自体で占められる。

バックライトアセンブリがかさばる理由は、均一に分布した光束によって液晶（ＬＣ）層が照射されるように、アセンブリ内のいくつかの離散点から発する光を完全にランダム化させる、すなわち拡散させるために空間が必要となるからである。表面サイズの制約のため、バックライティングシステムには少数のＬＥＤしか使用できない。これらのＬＥＤでＬＣＤ全体を照射する必要がある。したがって、少数のＬＥＤからの光の強度をＬＣスクリーン全体にわたって均一にするために、かさばる拡散板が必要となる。

バックライティングＬＣＤシステムに使用されるＬＥＤの数は増加させることができる。しかし、ＬＥＤの数が増加すると、コストが上昇し、エネルギー消費が増大し、信頼性の問題が生じる。さらに、どれだけのＬＥＤを使用するかに関わらず、各ＬＥＤは、ＬＥＤが発生する光の強度がＬＥＤからの距離に応じて低下するので、非常に不均一な局部的照明プロファイルを生じる。

開示された本出願の諸実施形態は、ＬＣＤバックライト構成内の光分布の均一性を高めるように構成されたレンズを使用してこれらおよび他の問題に対処する。

一態様において、本発明は、照明構成内で使用されるレンズを対象とする。レンズは、光源からの光をレンズの周辺に配置されたレンズの一領域に向けるような形状の導光領域と、光源からの光をレンズ中に反射する反射領域および光源からの光をレンズ外に透過する透過領域を有するレンズ表面とを備える。透過領域の特性は、光源に対して様々な距離に位置するレンズの諸区域に対してほぼ均一の平均光分布を生み出すように光源の配置に応じて変わる。

別の態様によれば、本発明は、あるパターンに配列された複数のレンズを備えるＬＣＤバックライトである。各レンズは、光源からの光をレンズの周辺に配置されたレンズの一領域に向けるような形状の導光領域と、光源からの光をレンズ中に反射する反射領域および光源からの光をレンズ外に透過する透過領域を有するレンズ表面とを含む。透過領域の特性は、光源に対して様々な距離に位置するレンズの諸区域に対してほぼ均一な平均光分布を生み出すように光源の配置に応じて変わる。

本発明の他の諸態様および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面と併せ読めば明らかとなるであろう。これらの図面は、本発明の範囲を限定するものではない。これらの図面において、同様の要素は、同様の参照番号を使用して参照される。

典型的な液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）デバイスの構成を示す図である。 典型的な液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）デバイスの構成を示す図である。 典型的なバックライト付きのＬＣＤデバイス用の直下型バックライト照射構成を示す図である。 典型的なバックライト付きのＬＣＤデバイス内で使用される方形タイル中の点光源の光分布を示す図である。 本発明の一実施形態による、ＬＣＤバックライト用のレンズ内で使用される光源空洞の構成を示す上面図である。 本発明の一実施形態による、ＬＣＤバックライト用のレンズ内で使用される、図４Ａに示す光源空洞の断面図である。 本発明の一実施形態による、ＬＣＤバックライト用のレンズを示す上面図である。 本発明の一実施形態による、図５Ａに示すＬＣＤバックライト用のレンズを示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による、ＬＣＤバックライト用の方形レンズを示す図である。 本発明の一実施形態による、ＬＣＤバックライト用のレンズのタイルマトリックス構成を示す図である。

本発明の諸態様は、以下の説明で添付の図を参照してより具体的に示されている。図１Ａおよび１Ｂは、バックライティングを有する典型的な液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）デバイスの構成を示す。

図１Ａに示すように、典型的なＬＣＤデバイス１は、２つの偏光フィルタ３０Ａと３０Ｂ（以下「偏光板」）に挟まれた液晶（ＬＣ）層２０を含む。ＬＣ層は、透明の前面保護シート１０、たとえばガラス板、によって保護される。ＬＣ層および偏光層の後ろには、光拡散フィルム４０（以下「拡散板」）、バックライト光源５０、および反射表面６０がある。上記の層を所定位置に保持するために、ケーシングすなわち容器７０が設けられている。図１Ｂは上述のＬＣＤ層のスタックの分解図を示す。本明細書では、これらの層をまとめてバックライト付きＬＣＤデバイスの「ＬＣＤスタック」（拡散板４０とバックライト光源５０を含む）という。

典型的なバックライト付きＬＣＤデバイス（「透過型」ＬＣＤデバイスともいう）において、バックライトは光源５０から直接放出され、反射表面６０から拡散板４０に反射される。拡散板４０は、この光を拡散して、強度すなわち輝度がＬＣＤ全体にわたってより均一になるようにする。偏光板３０Ａおよび３０Ｂは互いに直交偏光される。

したがって、偏光板３０Ｂによって偏光されたバックライトは、偏光板３０Ａを通過するためにＬＣ層２０によってある程度回転されなければならない。ＬＣ層２０が光を回転させる度合いは、ＬＣ層２０内の様々な液晶分子の両端間に印加される電圧の量に依存する。たとえば、１対の電極（図示せず）を、各ＬＣセルの両側に配置して適切な電圧を印加し、それによって対応するＬＣ分子に「ねじれ」を与え、それによってバックライトを回転させて通過させることができる。

図２は、典型的なバックライト付きＬＣＤデバイスの直下型バックライト照射方式を示す。図２に示す直下型バックライト方式では、ＬＥＤ ＰＣＢ１４０と拡散板４０Ａの間に十分に厚いスペーサボックス１３０が必要である。ＬＥＤ ＰＣＢ１４０はＬＥＤ５２Ａを支持する。スペーサボックス１３０と拡散板４０Ａは、ＬＥＤ５２Ａから発する光をランダム化し、均一に分布された光束を生み出すのに使用される。

図３は、典型的なバックライト付きＬＣＤデバイス内で使用される方形タイル中の点光源の分布を示す。良好な品質のバックライトの重要な特性は、光出力の分布が均一で薄型であることである。しかし、ＬＥＤなどの１組の離散した点光源を使用して均一な光出力分布および薄型を実現するのは困難である。この困難さは、点光源によって発生される光の強度が光源からの距離に応じて低下することから生じる。図３に示すように、点Ａ５が点Ａ３よりも点光源Ａ１から離れているので、点光源Ａ１の光の強度は、点Ａ５における方が点Ａ３におけるよりも低い。

この点光源の挙動によって２つの問題が生じる。第一に、たとえ拡散板を使用したとしても、点光源に近い方が点光源から離れているよりも光出力がかなり強くなることである。第二に、バックライトを基本的な（たとえば、方形の）タイルで構築した場合、たとえ完璧な拡散板を方形タイルに使用したとしても、タイルの頂点における光の強度は、中辺部よりも低くなることである。たとえば、図３に示すタイル２１０の場合、タイルの中心に配置された点光源Ａ１では、タイルの頂点Ａ３１、Ａ３３、Ａ３５、およびＡ３７における光の強度のほうが、タイルの中辺部Ａ２１、Ａ２３、Ａ２５、およびＡ２７における光の強度よりも低い。

図４Ａは、本発明の一実施形態による、ＬＣＤバックライト用のレンズ内で使用される、光源空洞３３０Ａの構成の上面図を示す。図４Ａでは、方形領域３３３はレンズの一部分である。光源５２Ｃは、ＬＥＤ光源、あるいはＬＣＤまたは他の電子および光学の適用分野に使用できるその他の種類の光源でよい。

図３を参照して説明したように、中心光源を使用するタイルの場合、タイルの頂点における光の強度は、通常、中辺部より低い。光源空洞３３０Ａは、対角部（タイルの頂点）に沿った光の強度を補償するように設計されているので、対角部と中辺部の光の強度の差は最小限に抑えられる。図４Ａに示す光源空洞３３０Ａは、中辺部の区域からの光の一部を対角部の区域に方向転換させるような形状になっている。

レンズの光源空洞３３０Ａの形状の上面図を図４Ａに示す。この上断面図は、光源空洞３３０Ａの側壁が４つの凹レンズと交互配置された４つの凸レンズを形成していることを示している。凹レンズは３０５Ａ、３０５Ｂ、３０５Ｃおよび３０５Ｄであり、凸レンズは３１１Ａ、３１１Ｂ、３１１Ｃおよび３１１Ｄである。光源空洞３３０Ａを凹凸部を持たせた形状にすることによって、正および負の光パワーを有する複数の部分が得られる。凸部は方形領域３３３の隅部の方を向き、凹部は辺の中心の方を向く。凸部は光線を発散させるのではなく収束させる。凸レンズはタイルの隅部に向けて（対角部に向けて）光をおおまかに合焦させ、４つの凹レンズは中辺部から離れるように光を発散させる。たとえば、光線Ｒ３２２はタイルの隅部（対角部の頂点）に向けられるが、光線Ｒ３２１は中辺部から離れるように向けられる。光源空洞３３０Ａのこの形状は、タイルの隅部がタイルの中辺部ほど明るくないという問題に対処する。したがって、図４Ａの光源空洞３３０Ａの形状は、方形タイルに関連した光強度の回転非対象を補償する。

図４Ｂは、本発明の一実施形態による、ＬＣＤバックライト用のレンズ内で使用される、図４Ａに示す光源空洞３３０Ａの断面図を示す。図４Ｂに示すように、光源空洞３３０Ａの頂部は、光源５２Ｃの中心軸Ａ３５０から離れるように光を横方向に広げる凹レンズ部分３５１を備える。たとえば、光線Ｒ３６１およびＲ３６３は、光源５２Ｃの中心軸Ａ３５０から離れるように向けられる。したがって、光源空洞３３０Ａの内部表面の構成によって、光源５２Ｃからの光がより均一に広がる。表面３５２は光線を収束させる凸レンズである。光源空洞３３０Ａの形状は、光源空洞の中心に存在するＬＥＤ光源の特性にも依存する。

図５Ａは、本発明の一実施形態による、ＬＣＤバックライト用のレンズ４００Ａの上面図を示す。図５Ｂは、本発明の一実施形態による、図５Ａに示すＬＣＤバックライト用のレンズ４００Ａの側断面図を示す。方形レンズ４００Ａは方形タイルであり、それによって複数のタイルをＬＣＤバックライトアセンブリに含めることができる。図４Ａおよび４Ｂで説明した光源空洞３３０Ａは、レンズ４００Ａの中心に配置される。光源５２Ｃは、光源空洞３３０Ａの中心に配置される。

レンズ４００Ａは、光源５２Ｃからの光の光学分布の均一性を改善する。レンズの断面は、反射、部分反射、または内部全反射により、光のほとんどがレンズ４００Ａ中に跳ね返る部分をレンズ４００Ａが有する輪郭にする。これらの部分は、図５Ａに示す反射区域４０５である。レンズ４００Ａのレンズ材料の屈折率は、内部全反射を実現するように設計することができる。レンズ４００Ａ全体にわたって一定である高い屈折率をこの目的に使用することができる。一実施形態においては、レンズ４００Ａは、プラスチック材料で製作され、それによりレンズ製作コストが低減される。

さらに、透過チャネル４０７が、光の均一な平均分布を確実にするように選択された位置に作り出される。本実施形態における透過チャネル４０７は、レンズ４００Ａの輪郭を局部的に傾斜させることによって作り出され、したがって内部全反射状態がもはや満足されなくなる。傾斜部４２１、４２２、４２３、４２４、４２５、４２６、４２７、および４２８がレンズ４００Ａの光透過チャネル４０７である、階段状チャネルの輪郭を図５Ｂに示す。

交互チャネルをレンズ４００Ａの普通なら平らな輪郭に切り込むことができる。チャネル４０７の傾斜部（または幅）の開口は、中心に配置された光源５２Ｃの近くではより小さく、中心５２Ｃから離れるとより大きくなる。一実施形態においては、ｎ本のチャネル４０７のチャネル長をｄ_１、ｄ_２、ｄ_３、．．．、ｄ_ｎ、同じｎ本のチャネル４０７のチャネル幅（傾斜部）をｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、．．．、ｔ_ｎとすると、式（１）、（２）、．．．、（ｎ）が満足される。

式中、Ａはレンズの幾何形状（チャネルの形状、サイズ、数、および間隔など）によって決まる定数である。このように中心５２Ｃからの距離（ｄ_１／２、ｄ_２／２、ｄ_３／２、．．．、ｄ_ｎ／２）に応じて開口のサイズ（ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、．．．、ｔ_ｎ）を増大させると、中心５２Ｃからの距離による光の強度のばらつきが補償される。これは、内側の開口（チャネル）が外側の開口（チャネル）より明るいが、狭く、したがって内側と外側のチャネルからの光の強度が等しくなるために起きる。レンズ４００Ａには８本の透過チャネルを示してあるが、レンズ４００Ａからの所望の平均光強度に応じて、より多いまたはより少ない透過チャネル４０７を使用してもよい。

拡散板をまだ使用してもよいが、光の均一性を良好にするために、典型的な拡散板を光源の間隔と同等の距離に配置する必要があるので、全バックライトをずっと薄くすることができる。光源の間隔とは、光源５２Ｃと隣接する光源（図示せず）との距離である。傾斜部の開口すなわちチャネル４０７の間隔は光源の間隔よりずっと小さいので、拡散板をレンズ４００構成により近く位置させることができる。

方形タイルのタイル対角部とタイル中辺部との光強度の差を最小限に抑えるために、図４Ａおよび４Ｂで説明した光源空洞３３０Ａを使用することによって一部の光をタイル中辺部の区域から対角部の区域に方向転換させることができる。光源空洞３３０Ａをレンズ４００Ａ内に配置し、光源５２Ｃを光源空洞３３０Ａ内に挿入することによって、空間の節約効果が達成される。

本発明の代替諸実施形態においては、ＬＣＤバックライトに使用されるレンズの表面は、中心光源からの光分布の均一性を改善する他の幾何形状を有することができる。たとえば、レンズ表面上の透過区域は、図５Ａに示す同心方形の形状以外の他の形状を有することができる。レンズ表面上の透過区域は、「タップポイント」すなわちレンズ表面の開口を用いて、様々な位置に作り出すことができる。レンズ表面上の欠陥または他のフィーチャは、透過光と内部反射光の比が所望の通りに変化し制御されるような形状および構成にすることができる。

本発明の一実施形態においては、レンズ４００は、光のほとんどがレンズ表面上の鏡面（全反射）部分４０５によってレンズ中に跳ね返るように構成される。さらに、透過チャネル４０７は、均一な平均光分布を確実にするように選択された位置に作り出される。本実施形態においては、透過チャネル４０７は、レンズ４００の上面から鏡面部分を除去することによって作り出される。したがって、光透過チャネル４０７は鏡面の不在に相当し、反射区域４０５は鏡面領域に相当する。この設計は、レンズ表面を鏡面で覆い、次いで鏡面部分を切り出して透過チャネル４０７を得ることによって実現することができる。

図６は、本発明の別の実施形態による、ＬＣＤバックライト用の方形レンズ４００Ｃを示す。レンズ４００Ｃは、方形タイルの対角部と中辺部との光強度の差を最小限に抑え、方形タイルの光の均一性を実現するために、図４Ａおよび４Ｂに示す構成の代替構成で設計される。図６に示すように、レンズ４００Ｃは、中辺部（点６１１および６１３など）においてより薄く、対角部すなわちタイル隅部（点６２２、６２４および６２６など）に沿ってより厚くなるように設計される。ＬＥＤをレンズ４００Ｃの中央に配置する。レンズ４００Ｃの上面は、透過チャネルおよび内部全反射区域を得るために、図５Ａ、５Ｂに示すように、階段状の輪郭を有することができる。

図７は、本発明の一実施形態による、ＬＣＤバックライト用のレンズのタイルマトリックス構成８００を示す。タイルマトリックス構成８００は、レンズ４００＿１、４００＿２、４００＿３、４００＿４、４００＿５、４００＿６、４００＿７、４００＿８、４００＿９、４００＿１０、４００＿１１、および４００＿１２を含む。レンズ４００＿１、４００＿２、４００＿３、４００＿４、４００＿５、４００＿６、４００＿７、４００＿８、４００＿９、４００＿１０、４００＿１１、および４００＿１２は、図５Ａ、５Ｂ、および６を参照して上述した本発明の諸実施形態に従って設計することができる。ＬＥＤ光源５２＿１、５２＿２、５２＿３、５２＿４、５２＿５、５２＿６、５２＿７、５２＿８、５２＿９、５２＿１０、５２＿１１、および５２＿１２は、レンズ４００＿１、４００＿２、４００＿３、４００＿４、４００＿５、４００＿６、４００＿７、４００＿８、４００＿９、４００＿１０、４００＿１１、および４００＿１２の中心に存在する。ＬＣＤバックライトは、このようなＬＥＤによって駆動される薄い方形タイルで構築することができる。異なる数のこのようなタイルを様々なサイズのパネルに使用することができる。本発明によるＬＣＤバックライト用のレンズは、レンズを使用して碁盤目パターンが得られる方形ではなく、他の形状を有することができる。

本出願に記載した装置は、光分布の均一性を高めるように構成された薄くてスタック可能なレンズを実施する。一体形のレンズは、点光源からの光の均一な分布に必要なすべての導光表面を組み込むことができる。複数のレンズを、単一のシートに埋め込んで、または積み重ねて、任意のサイズのバックライトを作り出すことができる。

本発明の詳細な諸実施形態および諸実装形態を上記に説明してきたが、様々な変更が本発明の趣旨および範囲を逸脱せずに可能であることは明らかとなるはずである。たとえば、本発明の諸態様をＬＣＤバックライトの文脈で説明してきたが、本発明の原理は他の光学および電子システムに適用可能であり得ることは理解されるべきである。

Claims (10)

1. 照明構成で使用するためのレンズ（４００）であって、
   光源からの光を前記レンズ（４００）の周辺に配置された前記レンズ（４００）の一領域に向けるような形状の導光領域（３０５、３１１）と、
   前記光源（５２）からの光を前記レンズ中に反射する反射領域（４０５）および前記光源（５２）からの光を前記レンズ（４００）外に透過する透過領域（４０７）を有するレンズ表面とを備え、前記透過領域（４０７）の特性が、前記光源（５２）に対して様々な距離に位置する前記レンズ（４００）の諸区域に対してほぼ均一な平均光分布を生み出すように前記光源（５２）の配置に応じて変わる、レンズ（４００）。
2. 請求項１に記載のレンズであって、
   導光空洞（３３０）をさらに備え、前記導光領域（３０５、３１１）が、前記導光空洞（３３０）内に位置する前記光源（５２）からの光を前記レンズの前記周辺に向けるような形状の前記導光空洞（３３０）の表面として形成されている、レンズ。
3. 請求項２に記載のレンズであって、
   前記レンズ（４００）が多角形を有し、
   前記導光空洞（３３０）が、
   前記多角形レンズ（４００）の中辺部の方を向き、前記多角形レンズ（４００）の前記中辺部から離れるように光を方向転換させる凹レンズ部分（３０５Ａ、３０５Ｂ、３０５Ｃ、３０５Ｄ）と、
   前記多角形レンズ（４００）の頂点の方を向き、前記光源（５２）からの光を前記多角形レンズ（４００）の前記頂点に向けて合焦させる凸レンズ部分（３１１Ａ、３１１Ｂ、３１１Ｃ、３１１Ｄ）とを備える、レンズ。
4. 請求項１に記載のレンズ（４００）であって、前記透過領域（４０７）が、それぞれ前記光源（５２）からの距離に応じて増加する幅を有する、レンズ（４００）。
5. 請求項１に記載のレンズ（４００）であって、
   多角形を有し、
   前記レンズ（４００）の中辺部（６１１、６１３）におけるよりも厚さが厚い前記多角形の頂点（６２２、６２４、６２６）において複数の導光領域とを有する、レンズ（４００）。
6. ＬＣＤバックライト（１）であって、
   あるパターンに配列された複数のレンズ（４００）であって、それぞれが、
   光源（５２）からの光を前記レンズ（４００）の周辺に配置された前記レンズ（４００）の一領域に向けるような形状の導光領域（３０５、３１１）と
   前記光源（５２）からの光を前記レンズ（４００）中に反射する反射領域（４０５）および前記光源（５２）からの光を前記レンズ（４００）外に透過する透過領域（４０７）を有するレンズ表面とを含むレンズ（４００）を備え、前記透過領域（４０７）の特性が、前記光源（５２）に対して様々な距離に位置する前記レンズの諸区域に対してほぼ均一な平均光分布を生み出すように前記光源（５２）の配置に応じて変わる、ＬＣＤバックライト（１）。
7. 請求項６に記載のＬＣＤバックライト（１）であって、それぞれのレンズ（４００）が、
   導光空洞（３３０）をさらに備え、前記導光領域（３０５、３１１）が、前記導光空洞（３３０）内に位置する前記光源（５２）からの光を前記レンズ（４４０）の前記周辺に向けるような形状の前記導光空洞（３３０）の表面として形成されている、ＬＣＤバックライト（１）。
8. 請求項６に記載のＬＣＤバックライト（１）であって、前記複数のレンズ（４００）が、それぞれ多角形を有し、碁盤目パターンに配列されている、ＬＣＤバックライト（１）。
9. 請求項７に記載のＬＣＤバックライト（１）であって、前記導光空洞（３３０）の頂部が、前記光源（５２）からの光を前記導光空洞（３３０）の中心軸から離れるように横方向に広げる凹レンズ部分（３５１）を備える、ＬＣＤバックライト（１）。
10. 請求項６に記載のＬＣＤバックライト（１）であって、前記透過チャネル（４０７）が、それぞれ前記光源（５２）からの距離に応じて増加する幅を有する、ＬＣＤバックライト（１）。

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