JP2012209087A - 光拡散板積層体及び直下型点光源バックライト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた輝度均一性を有する直下型バックライト装置を提供する。
【解決手段】複数の光源と、複数の光源の上方に配設される光拡散板積層体と、を備える直下型バックライト装置であって、光拡散板積層体は、それぞれ表面に凸型錐構造が賦形された少なくとも２枚の光拡散板を備え、少なくとも２枚の光拡散板は、凸型錐構造の向きが同じとなるように積み重ねられており、且つ、少なくとも２枚の光拡散板は、凸型錐構造の頂点が光源と対向するように配置されており、更に、複数の光源のそれぞれの光ピーク角度が、±３０〜８９°である、直下型バックライト装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、直下型バックライト装置に関する。

一般的に、液晶ディスプレイ用のバックライトとしては、エッジライト型バックライトと直下型バックライトと呼ばれる２つの方式があるが、大型の表示装置に対しては、安価で高輝度を実現できる直下型バックライトが多く用いられている。

直下型バックライトの光源としては、従来は冷陰極管のような線状光源が主流であったが、近年は、環境問題や光源の寿命、省電力、及び画質向上の観点から、冷陰極管に替わって、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような点光源が積極的に用いられている。

一般に光源としては、光ピーク角度が狭く直上光の光線強度が高い点光源（例えばランバーシャン出光分布を有する光源）と、光ピーク角度が広角出光分布を有する光源（以下、広角光源とする。）と、の２種類の光源が存在するが、輝度ムラ抑制の観点から広角光源が一般的に用いられることが多い。

しかし、近年液晶ディスプレイは、低コスト化の為に光源の数を少なく、そして薄型化の為に光源から拡散板までの距離を短くすることが求められており、広角光源を用いたとしても光源を均一な面光源に変換することは難しい。したがって、広角光源をいかに面光源に変換するかが課題となっている。

これに対し、光源の光量ムラを低減させる手法として、光拡散板の出射面側に、それぞれアクリル樹脂からなるコーナーキューブ形状を有する複数の微小なプリズムが隙間なく形成された厚さ１ｍｍのプリズムシートが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１０−２７４９４７号公報

しかしながら、特許文献１に提案されたプリズムシートでは、輝度及び輝度ムラについて十分な改善効果が得られない。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、広角光源を用いた直下型バックライトにおいて、所望のバックライト厚みを有し、かつ少ない個数の光源で、優れた輝度均一性を有する直下型バックライト装置を提供することである。

本発明の態様によれば、複数の光源と、複数の光源の上方に配設される光拡散板積層体と、を備える直下型バックライト装置であって、光拡散板積層体は、それぞれ表面に凸型錐構造が賦形された少なくとも２枚の光拡散板を備え、少なくとも２枚の光拡散板は、凸型錐構造の向きが同じとなるように積み重ねられており、且つ、少なくとも２枚の光拡散板は、凸型錐構造の頂点が光源と対向するように配置されており、更に、複数の光源のそれぞれの光ピーク角度が、±３０〜８９°である、直下型バックライト装置が提供される。

本発明によれば、所望のバックライト厚みを有し、かつ少ない個数の光源で、優れた輝度均一性を有する直下型バックライト装置を提供可能である。

実施の形態に係るバックライト装置の模式図である。 実施の形態に係る光拡散板積層体の第１の模式図である。 実施の形態に係る光拡散板の凸型錐構造も模式図である。 実施の形態に係る光拡散板積層体の第２の模式図である。 実施の形態に係る点光源の出光分布を示す第１のグラフである。 実施の形態に係る点光源の出光分布を示す第２のグラフである。 実施の形態に係る点光源の配置を示す模式図である。 比較例に係る点光源の出光分布を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」と言う。）について、詳細に説明する。なお、本発明は以下の記載に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施できる。

〔直下型バックライト装置〕
本実施形態に係る直下型バックライト装置は、図１に示すように、複数の光源１Ａ、１Ｂ、１Ｃと、複数の光源１Ａ、１Ｂ、１Ｃの上方に配設される光拡散板積層体２と、を備える。光拡散板積層体２は、図２に示すように、それぞれ表面に凸型錐構造が賦形された２枚の光拡散板Ａ、Ｂを備える。２枚の光拡散板Ａ、Ｂは、それぞれの凸型錐構造の向きが同じとなるよう、積み重ねられている。また、図１に示すように、光拡散板積層体２は、２枚の光拡散板Ａ、Ｂのそれぞれの凸型錐構造の頂点が、複数の光源１Ａ、１Ｂ、１Ｃと対向するように設けられている。さらに、複数の光源１Ａ、１Ｂ、１Ｃのそれぞれの光ピーク角度は、±３０〜８９°である。

光拡散板Ａ、Ｂのそれぞれの凸型錐構造としては、角錐、円錐等が挙げられ、特に限定されないが、輝度均一性の観点から、三角錐が好ましい。凸型三角錐構造は、頂点と、底面の三角形の中心と、を結んだ直線（中心軸）が、底面と垂直であることが好ましいが、斜三角錐であってもよい。また、底面の三角形は正三角形であることが好ましい。

凸型三角錐構造の側面の底面に対する傾斜角θ（以下、単に傾斜角θとする。）は３０〜７０度が好ましく、４０〜６５度がより好ましく、５０〜６２度更に好ましく、５５〜６０度が特に好ましい。なお、斜三角錐である場合には、傾斜角θは、３つの側面と底面がなす角のうち最も大きな角とする。

凸型錐構造の側面は、本実施形態の効果を損なわない範囲で曲面であってもよく、その頂点は、本実施形態の効果を損なわない範囲で曲面を有していてもよい。なお、凸型三角錐において側面が曲面を含む場合は、図３に示すように、凸型三角錐の底面と、凸型三角錐の頂点及び凸型三角錐の底面を構成する三角形の頂点のうちの２点を通る平面と、のなす角度を傾斜角θとする。

凸型三角錐の大きさについて特に限定は無いが、輝度均一性の観点からは凸型三角錐の大きさは小さいほど好ましい。しかし、凸型三角錐の大きさは小さいほど製造は困難になる。輝度均一性と、製造容易性と、のバランスから、凸型三角錐の底面の三角形の一辺は５０μｍ〜６００μｍ程度が好ましく、より好ましくは１５０μｍ以上５００μｍ以下が更に好ましく、１５０μｍ以上４００μｍ以下が特に好ましい。また、凸型三角錐の高さは５０μ以上３００μ以下が好ましく、より好ましくは８０μ以上２５０μｍ以下である。

凸型錐構造の屈折率は、輝度、色ムラ特性、正面輝度均一性、及び斜視輝度均一性の観点から１．４３以上であることが好ましく、１．４９以上がより好ましく、１．５３以上が更に好ましく、１．５５以上が特に好ましい。屈折率の上限は特に無いが、輝度、色ムラ特性、正面輝度均一性、及び斜視輝度均一性の観点から屈折率は１．７１以下であることが好ましく、１．６５以下であることがより好ましい。

光拡散板Ａ、Ｂのそれぞれを構成する材料については、限定はないが、光透過性の高い樹脂が好ましく用いられる。例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、及びポリエチレンナフタレート等のポリエステル樹脂、並びにこれらの共重合体；ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、及び脂環式ポリオレフィン等のポリオレフィン樹脂；ポリスチレン、スチレンーアクリロニトリル共重合体、スチレン−メタクリル酸共重合体、メチルメタクリレート−スチレン共重合体、及びアルファメチルスチレン共重合体等のスチレン系樹脂；ポリメチルメタクリレート、及びポリエチルアクリレート等のアクリル系樹脂；メタクリル酸エステル樹脂、及びポリカーボネート樹脂等が挙げられる。

光拡散板Ａ、Ｂのそれぞれは光拡散剤を含んでもよい。光拡散剤としては、例えば、アクリル系樹脂架橋微粒子、スチレン系樹脂架橋微粒子、シリコーン系樹脂架橋微粒子、ＭＳ（メチルメタクリレート・スチレン共重合体）系架橋微粒子、フッ素樹脂微粒子、ガラス微粒子、シリカ微粒子、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、酸化チタン、アルミナ、タルク、及びマイカ等が挙げられ、これらは単独もしくは併用して使用することができる。

光拡散剤の形状としては、真球状、楕円状、不定形状、針状、板状、中空状、柱状、及び錐状等の形状が挙げられる。光拡散剤の平均粒径としては、輝度均一性、及び易製造の観点から１〜２０μｍが好ましく、２〜１０μｍが最も好ましい。平均粒径は、粒径分布計により求めることができる。

光拡散板積層体２を構成する２枚の光拡散板Ａ、Ｂの間には、光をランダムに拡散させる層が無い方が輝度均一性の観点から好ましい。具体的には、図２に示すように、光拡散板積層体２を構成する２枚の光拡散板Ａ、Ｂが接しており、２枚の光拡散板Ａ、Ｂの間には固体又は液体が存在せず、真空又は気体のみが存在することが好ましい。

図４に示すように、光拡散板積層体２を構成する２枚の光拡散板Ａ、Ｂの間に別の層３を設ける場合、その層３のＪＩＳ Ｋ−７３６１に準拠して測定した全光線透過率Ｔｂは、輝度均一性の観点から、７５％以上が好ましく、より好ましくは８５％以上であり、特に好ましくは９０％である。

光拡散板積層体２を構成する２枚の光拡散板Ａ、Ｂのそれぞれの凸型錐構造が賦形された面に対して反対側の面は、輝度均一性の観点から、平坦であることが好ましい。具体的には、光拡散板積層体２を構成する２枚の光拡散板Ａ、Ｂのそれぞれの凸型錐構造の反対側の面の表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１によって測定した算術平均粗さ（Ｒａ）で１０μｍ以下が好ましく、より好ましくは５μｍ以下、更に好ましくは２μｍ以下、特に好ましくは０．５μｍ以下である。

複数の凸型錐構造は、輝度均一性の観点から、周期的に設けられていることが好ましい。また、複数の凸型錐構造は、光拡散板Ａ、Ｂのそれぞれの一面の総てにあることが好ましい。また、光拡散板積層体２の上方又は下方に、更に他の光拡散部材を組み合わせてもよい。

傾斜角θは、レーザー顕微鏡やＳＥＭ（電子顕微鏡）を用いて、拡散板表面の断面形状を観察することにより求めることができる。屈折率は、凸型錐構造を形成する部位を切断分離し、その後、熱プレス等で表面が平滑なフィルムを作製し、ＪＩＳ Ｋ７１４２に準拠してアッベ屈折計を用いることにより求めることができる。また、凸型錐構造を平滑化できない場合は、凸型錐構造を切断した後、切断部位を粉砕して、ベッケ法により求めることもできる。

図１に示す本実施形態に係るバックライトに使用する複数の光源１Ａ、１Ｂ、１Ｃのそれぞれの光ピーク角度は、輝度均一性の観点から、±３０〜８９°の広角であり、±５０〜８９°がより好ましく、±６０〜８９°が更に好ましく、±７０〜８５°が特に好ましい。なお、光のピーク角度とは、点光源の出光角度と、その出光角度における光強度と、の分布（以下出光分布とする。）において、最も光強度が大きい出光角度のことである。図５に例示する出光分布を持つ点光源の場合、ピーク角度は７５度となる。なお、図５のグラフは、ピーク角度における光強度が１となるように正規化されている。

また、複数の光源１Ａ、１Ｂ、１Ｃのそれぞれの、光ピーク角度における出光強度をＥｐ、０度の出光強度をＥ０とした時の、Ｅ０／Ｅｐの値は、輝度均一性の観点から、２％以上５０％以下とすることが好ましい。図６に示すグラフの場合、ピーク角度における相対出光強度を１００％としているため、点１で示す０度の相対出光強度がＥ０／Ｅｐの値となり、６％である。Ｅ０／Ｅｐの値の下限値としては３％以上が好ましく、上限値としては４０％以下がより好ましく、さらに好ましくは２０％以下、特に好ましくは１０％以下である。

光源の種類は線状光源、点光源が考えられるが、光源の寿命、省電力、又画質向上の観点から、ＬＥＤのような点光源が好ましい。

以下に、具体的な実施例及び比較例について説明する。まず、実施例で使用した評価方法を説明する。
［評価方法］
（１）表面形状の測定
以下で説明する実施例で作製した光拡散板Ａ、Ｂのそれぞれの表面をレーザー顕微鏡（キーエンス社製、ＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＩＩＶＫ−９７００）で観察し、凸略三角錐の傾斜
角を算出した。

（２）ＬＥＤ出光分布の測定
ＬＥＤを実装したＬＥＤ基板（ＰＣＢ）を基準面とし、基準面において出光側の法線方向を０度としたときの光の出光分布を分光放射輝度計（コニカミノルタ社製、ＣＳ２０００）で−９０度〜９０度の範囲で測定した。光ピーク角度とは、得られた出光分布の中で、最大の強度を示す角度を表す。また、０度出光強度は、光ピーク角度の出光強度に対する法線方向の出光強度を相対強度で表したもので、光ピーク角度の出光強度を１００％とした場合の百分率で表す。

（３）輝度及びランプムラの評価
（３−１）評価装置
ＬＥＤ基板上に白色ＬＥＤを図７に示すように、縦方向に間隔Ｌ１＝５４ｍｍ、横方向に間隔Ｌ２＝５４ｍｍをおいて格子状に３６個実装し、画面サイズが３２４ｍｍ×３２４ｍｍのＬＥＤ光源バックライト評価装置を作製した。

図１に示すように、ＬＥＤ光源バックライト評価装置には、個々の白色ＬＥＤの背面に反射板（東レ製、Ｅ６ＳＶ）を配置し、さらに、白色ＬＥＤ上に光拡散板Ｂ、光拡散板Ａ、及び２枚の拡散フィルム（東レセーハン社製、ＴＤＦ１２７）をこの順に配置した。反射板からＬＥＤ最上部までの距離は１．８ｍｍ、ＬＥＤ最上部から光拡散板Ｂの入光面までの距離は１１．５ｍｍであった。

（３−２）輝度の測定
２次元色彩輝度計（サイバネット社製、ＰｒｏＭｅｔｒｉｃ）をＬＥＤ光源バックライト評価装置から法線方向に１ｍ離れた位置に設置し、画面中央部の３００ｍｍ×３００ｍｍの範囲の正面輝度を測定した。

（３−３）ランプムラ値Ｘの算出
上記で測定した３００ｍｍ×３００ｍｍ範囲の輝度データを用いて、ランプムラ値Ｘを算出した。以下にその算出方法を示す。

３００ｍｍ×３００ｍｍ範囲の輝度データにおいて、ＬＥＤ直上の位置を画面の垂直方向に直線で結び、その直線上にある輝度データを画面中心に最も近い方から４本選択した。この４本の垂直方向輝度データを水平方向に平均化した。これにより、画面垂直方向におけるＬＥＤ直上ラインの平均輝度分布が得られた。この平均輝度分布に対して移動平均を算出し、平均輝度分布を算出した移動平均で除した。得られた分布は画面全体にわたって存在する輝度のうねりによって規格化されたＬＥＤ直上ラインの輝度分布である。そして、この規格化された輝度分布に対して標準偏差を算出した。

次に、画面水平方向についても垂直方向と同様の手順で輝度データを選択し、平均輝度分布の算出を算出し、規格化された輝度分布を得た。また、標準偏差の算出も行った。

最後に、上記で算出した垂直方向及び水平方向の標準偏差を平均し、得られた値をランプムラ値Ｘとした。ランプムラ値Ｘは小さいほどランプムラが見えにくく画面全体の明るさがより均一であることを表している。
また、ランプムラの評価は、以下の基準に従って、目視によっても行った。
目視ランク◎（目視でランプムラが全く見えない）：Ｘ≦０．００３５
目視ランク○（目視でランプムラがほとんど見えない）：０．００３５＜Ｘ≦０．００５０
目視ランク△（目視でランプムラが少し見える）０．００５０＜Ｘ≦０．０１００
目視ランク×（目視でランプムラがはっきり見える）：０．０１００＜Ｘ

［実施例１］
（原板Ａ）
透光性樹脂としてポリスチレン樹脂（ＰＳジャパン社製、ＧＰＰＳ：屈折率１．５９）を押出機に投入した。押出機で溶融混練された樹脂をシート用Ｔダイ金型で拡幅吐出し、３本の冷却ロールに巻きつけ、接触させることによって、板厚１．５ｍｍのシートに成形した。

（原板Ｂ）
透光性樹脂としてポリスチレン樹脂（ＰＳジャパン社製、ＧＰＰＳ）１００重量部に、拡散材としてシリコーン系架橋微粒子（信越化学社製、ＫＭＰ、平均粒子径２μｍ）１重量部を配合し、押出機に投入した。押出機で溶融混練された樹脂をシート用Ｔダイ金型で拡幅吐出し、３本の冷却ロールに巻きつけ、接触させることによって、板厚１．５ｍｍのシートに成形した。

（プレス成形）
原板Ａのシートを約１５０℃に加熱した後、表面に所定形状が掘り込まれた金型と、鏡面の金型と、でシートを挟み、シートの両面に金型を熱圧着して、図１に示す拡散板Ａを得た。また、原板Ｂのシートも原板Ａと同様にしてプレス成形し、図１に示す拡散板Ｂを得た。

得られた拡散板Ａ及び拡散板Ｂは、いずれも表面に複数の凸三角錐形状が周期的に配列していた。この凸三角錐の底面形状は一辺の長さが３４６μｍの正三角形で、三角錐の側面の底面に対する傾斜角は５５度、三角錐の高さは１４３μｍであった。

上記のようにして得られた拡散板Ａ及び拡散板Ｂを、いずれも凸略三角錐形状が形成された面がＬＥＤと相対する位置になり、かつ、拡散板ＢがＬＥＤ側に近くなるように２枚を重ねて、図１に示すようにＬＥＤ光源バックライト評価装置に配置した。ＬＥＤには光ピーク角度が８０度、０度出光強度が５％である白色ＬＥＤを使用した。

ＬＥＤ光源バックライト評価装置の輝度を測定し、ランプムラ値を算出したところ、ランプムラ値は０．００１９で、目視でもランプムラはほとんど見えなかった。評価結果を表１に示す。

［実施例１〜１８］
実施例１で作製した拡散板Ａ及び拡散板Ｂをそれぞれ表１に示した特性を有するＬＥＤを使用して評価した。表１に示すように、実施例１乃至１３に係るＬＥＤと、拡散板Ａ、Ｂと、の組み合わせを用いた場合、いずれもランプムラが良好に抑制された。実施例１４乃至１８に係るＬＥＤと、拡散板Ａ、Ｂと、の組み合わせを用いた場合は、わずかにランプムラが確認されたが、実用上問題とならないレベルであった。

［実施例１９〜３６］
プレス金型を変更した以外は実施例１と同様にして、原板Ａから拡散板Ａ’を、原板Ｂから拡散板Ｂ’をそれぞれ作製した。各実施例で得られた拡散板は、いずれも表面に複数の凸三角錐形状が周期的に配列していた。この凸三角錐の底面形状は一辺の長さが３４６μｍの正三角形で、三角錐の側面の底面に対する傾斜角は６０度、三角錐の高さは１７３μｍであった。得られた拡散板をそれぞれ表２に示す特性を有するＬＥＤを使用して評価した。表２に示すように、実施例１９乃至３１に係るＬＥＤと、拡散板Ａ、Ｂと、の組み合わせを用いた場合、いずれもランプムラが良好に抑制された。実施例３２乃至３６に係るＬＥＤと、拡散板Ａ、Ｂと、の組み合わせを用いた場合は、わずかにランプムラが確認されたが、実用上問題とならないレベルであった。

［比較例１］
実施例１と同様にして拡散板Ｂを作製した。拡散板Ａと組み合わせずに、得られた拡散板Ｂを表１に示した特性を有するＬＥＤを使用して評価した。結果、表３に示すように、ランプムラ値は０．０２００であり、ランプムラがはっきりと見えた。

［比較例２］
ＬＥＤにＣｒｅｅ社製の光ピーク角度が、図８に示すように、０度である白色ＬＥＤ（ＬＭ６−ＥＷＮ１−０３−Ｎ３）を使用した以外は実施例１と同様にして評価を行った。結果、表３に示すように、ランプムラ値は０．０２１５であり、ランプムラがはっきりと見えた。

［比較例３］
ＬＥＤにＣｒｅｅ社製の光ピーク角度が、図８に示すように、０度である白色ＬＥＤ（ＬＭ６−ＥＷＮ１−０３−Ｎ３）を使用した以外は実施例３と同様にしてバックライト装置を作成して評価を行った。結果、表３に示すように、ランプムラ値は０．０２３３であり、ランプムラがはっきりと見えた。

［実施例３７］
実施例１で作製した拡散板Ａ２枚と、拡散板Ｂ１枚と、を、いずれも凸略三角錐形状が形成された面がＬＥＤと相対する位置で、かつ、拡散板ＢがＬＥＤ側に最も近くなるように３枚を重ねて、光拡散板積層体２を作成した以外は実施例１と同様にバックライト装置を作成して評価を行った。結果、表３に示すように、ランプムラ値は０．００２１であり、ランプムラは良好に抑制された。

Claims (11)

1. 複数の光源と、
   前記複数の光源の上方に配設される光拡散板積層体と、
   を備える直下型バックライト装置であって、
   前記光拡散板積層体は、それぞれ表面に凸型錐構造が賦形された少なくとも２枚の光拡散板を備え、
   前記少なくとも２枚の光拡散板は、前記凸型錐構造の向きが同じとなるように積み重ねられており、且つ、
   前記少なくとも２枚の光拡散板は、前記凸型錐構造の頂点が前記光源と対向するように配置されており、更に、
   前記複数の光源のそれぞれの光ピーク角度が、±３０〜８９°である、直下型バックライト装置。
2. 前記光源の光ピーク角度における出光強度をＥｐ、０度の出光強度をＥ０とした時の、
   Ｅ０／Ｅｐの値が２％以上５０％以下である、請求項１に記載の直下型点光源バックライト装置。
3. 前記Ｅ０／Ｅｐの値が３％以上１０％以下である、請求項２に記載の直下型バックライト装置。
4. 前記点光源の光ピーク角度が±７０〜８５°である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の直下型バックライト装置。
5. 前記光拡散板積層体を構成する前記２枚の光拡散板が接している、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の直下型バックライト装置。
6. 前記凸型錐構造が凸型三角錐構造である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の直下型バックライト装置。
7. 前記凸型三角錐構造の側面の底面に対する傾斜角が３０度以上７０度以下である、請求項６に記載の直下型バックライト装置。
8. 前記凸型三角錐構造の側面の底面に対する傾斜角が５５度以上６０度以下である、請求項７に記載の直下型バックライト装置。
9. 前記光源が点光源である、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の直下型バックライト装置。
10. 表面に凸型錐構造が賦形された２枚の光拡散板を前記凸型錐構造の向きが同じとなるように積み重ねた、光ピーク角度が±３０〜８９°の光源用光拡散板積層体。
11. 前記凸型錐構造の側面の底面に対する傾斜角が３０度以上７０度以下の三角錐構造である、請求項１０に記載の光源用光拡散板積層体。