JP2014017245A - そのミキシング領域において一次元マイクロパターンを有する導光板 - Google Patents

そのミキシング領域において一次元マイクロパターンを有する導光板 Download PDF

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Abstract

【課題】低減したホットスポットを有する導光板を提供する。
【解決手段】導光板の入力面から終端面方向をY軸、Y軸の直交方向をX軸と定義すると、出力面はY軸に平行かつ入力面から終端面に延びる複数の伸長した溝を有し、Y=Yに対応する所定のラインから終端面に延びるコア領域とY=0からY=Yに延びるミキシング領域38bを底面17が有する。コア領域に分布させられたレンズ100、およびミキシング領域38bに分布したマイクロレンズ110の密度がX軸に沿って同じままであり、かつマイクロレンズ110のサイズおよび密度が、光源12からの光をY軸方向に変換し、どのY≧Yについても比率L/Lは0.9〜1.1である。
【選択図】図2B

Description

本発明は概して導光板に関し、より具体的には離散した光源によって引き起こされる望ましくないホットスポット欠陥を低減させるための、そのミキシング領域における一定のまたは一次元マイクロパターンを有する導光板に関する。
液晶ディスプレイ(LCD)は、多くのコンピュータ、器具およびエンターテイメント用途に好ましいディスプレイタイプになってきており、コストおよび性能面での改良が続けられている。典型的なLCD携帯電話、ノートブックおよびモニターは光源からの光を受け取り、その光を導光板(LGP)の光出力面にわたって均一に再分配するための導光板(LGP)を含む。従来長い線状の冷陰極蛍光ランプであった光源は、発光ダイオード(LED)のような複数の離散した光源に進化してきた。所定のサイズのLCDにおいては、コストを低減させるために、LEDの数が着実に少なくさせられてきた。その結果、複数のLEDのピッチはより長くなり、このことは、より顕著なホットスポット問題(すなわち、LCDの表示領域の最初の数ミリメートルにおいて、LED間よりも各LEDの近くにより多くの光が分配される)を生じさせることとなる。離散したLEDからの光が不均一にLGPに入り、すなわち、LED間よりもLEDの近くにより多くの光が分布させられるので、このホットスポット問題が起こる。
このホットスポット問題を抑制するために多くのLGPが提案されてきた。いくつかのLGPは、米国特許第7,097,341号(ツァイ(Tsai))に開示されるもののような、その端付近に複数の連続した溝を有する。いくつかのLGPはその光出力面上に異なるピッチの2組の線状溝を有し、いくつかのLGPは異なるサイズの2以上の組のドットを有し、他のLGPは異なるサイズの溝およびドットの双方を有することができる。
米国特許第7,097,341号明細書
先行技術のLGPはある程度までホットスポット問題を抑制することができるが、それらLGPの大量生産における複雑さのせいでそれらは依然として満足できるものではない。よって、容易に製造されることができかつホットスポット問題を抑制することができる導光板についての必要性が存在している。
本発明は、複数の離散した光源からの光を受け取るための入力面、光を放射するための出力面、前記出力面に対して反対側の底面、および前記入力面に対して反対側の終端面を含み、
前記入力面から前記終端面への方向がY軸と定義され、前記Y軸に対して直交しかつ前記離散した光源に対して平行な方向がX軸と定義され、前記Y軸に平行に走りかつY=0に対応する前記入力面から前記終端面に延びる複数の伸長した溝を前記出力面が有し、Y=Yに対応する所定のラインから前記終端面に延びるコア領域と、Y=0からY=Yに延びるミキシング領域とを前記底面が有し;並びに
前記コア領域に分布させられたレンズのセット、および前記ミキシング領域に分布させられたマイクロレンズのセットを含み、
前記マイクロレンズのセットの密度がX軸に沿って同じままであり、かつ前記マイクロレンズの選択されたサイズおよび密度が、前記離散した光源からの光をY軸の方に方向変換し、並びにどのY≧Yについても比率L/Lが0.9〜1.1である、低減したホットスポットを有する導光板を提供する。
図1Aは従来の導光板を含む複数の光学部品を含むLCDの側面図を示す。 図1Bは従来の導光板の上面図を示す。 図1Cは従来の導光板がその光出力面上にプリズム状溝を有することを示す。 図1Dは従来の導光板がその光出力面上に台形状溝を有することを示す。 図1Eは従来の導光板がその光出力面上にレンチキュラーレンズを有することを示す。 図1Fは従来の導光板で生じる逆ホットスポット問題のイメージを示す。 図1Gは別の従来の導光板で生じる通常のホットスポット問題のイメージを示す。 図1H−1は逆ホットスポット問題と通常のホットスポット問題との間のホットスポットコントラストを比較する。 図1H−2は逆ホットスポット問題と通常のホットスポット問題との間のホットスポットコントラストを比較する。 図1H−3は逆ホットスポット問題と通常のホットスポット問題との間のホットスポットコントラストを比較する。 図2Aは本発明の導光板を含む複数の光学部品を含むLCDの側面図を示す。 図2Bは本発明の導光板の底面図を示し、マイクロレンズがミキシング領域全体に分布させられている。 図2Cは本発明の導光板の底面図を示し、マイクロレンズがミキシング領域の一部分に分布させられている。 図3Aは、ミキシング領域におけるマイクロレンズのサイズが40μmでありかつミキシング領域全体に分布させられている場合の、様々な密度レベルでのホットスポット比率を示す。 図3Bは、ミキシング領域におけるマイクロレンズのサイズが66μmでありかつミキシング領域全体に分布させられている場合の、様々な密度レベルでのホットスポット比率を示す。 図3Cは、ミキシング領域におけるマイクロレンズのサイズが40μmでありかつミキシング領域の一部分に分布させられている場合の、様々な密度レベルでのホットスポット比率を示す。 図3Dは、ミキシング領域におけるマイクロレンズのサイズが66μmでありかつミキシング領域の一部分に分布させられている場合の、様々な密度レベルでのホットスポット比率を示す。
図1Aは、LCDパネル25およびバックライトユニット28を含むLCDディスプレイ装置30の側面図を概略的に示す。バックライトユニット28は、1もしくは2枚のプリズム膜20、20a、1もしくは2枚の拡散膜24、24a、下部反射膜22、上部反射部品26および導光板(LGP)10をはじめとする複数の光学部品を含む。LGP10は、それが1以上の光源12から放射された光をその入力面18を通して受け取り、その底面17、終端面14、出力面16、側面15a、15b(示されていない)および反射膜22によって放射光を方向変換し、そして最終的に光を比較的均一に他の光学部品に提供するという点で、他の光学部品とは異なっている。出力面16は複数の伸長した溝36を有する。目標にされる輝度均一性は、底面17上のレンズ100(場合によっては、離散した要素または光取り出し体(light extractor)とも称される)の密度、サイズおよび/または配向を制御することにより達成される。上部反射部品26は典型的にはLGP10を光入力面から約2〜5ミリメートルにわたって覆って、光の向上したミキシングを可能にする。上部反射部品26は高度に反射性の内面26aを有する。上部反射部品26は黒色外面26bを有していてよく、よって「黒色テープ」と称される。上部反射部品26は黒色テープ以外の任意の既知の反射体であってもよい。典型的には、バックライトの輝度は、上部反射部品26の端であるポイントAから評価され、そして表示領域を通って、LGPの反対側の終端まで進む。LGP10はその長さ方向に平行である第1の方向Y、およびその幅方向に平行である第2の方向X(図1Bに示される)を有する。出力面16および底面17の双方において、LGP10の入力面(Y=0)とラインY=Y(ポイントAを通過する)との間の区域は多くの場合、上部ミキシング領域38aおよび下部ミキシング領域38bと称される。Y=0とY=Yとの間の長さはミキシング領域の長さと称される。ラインY=Yと終端面14との間の表示領域はコア領域と称される。底面17上のミキシング領域38bにおいては、従来のLGPは典型的には何らマイクロレンズを有していない。ホットスポット問題を低減させるために従来のLGPがマイクロレンズを下部ミキシング領域38b上に(バンプ)またはその領域中に(ホール)有する場合には、そのマイクロレンズは典型的には二次元密度分布を有し、およびそのマイクロレンズ二次元密度は、各光源の中心におけるよりも、2つの隣り合った光源間の間隔の中央においてより高い。
図1Bは、出力面16上の伸長した溝36の上面図を示す。伸長した溝36はLGP10の先頭(Y=0)からLGP10の終端(Y=L)まで延び、ここでLはLGP10の長さである。そのようにして、伸長した溝36は上面または出力面上にあるミキシング領域38aを通って延びる。伸長した溝36はピッチPを有し、かつLGP10のその長さ方向に対して±5°以内で平行である。しかし、伸長した溝36は規則的なピッチを有する必要はない。また、図1Aに示される光源12に対応する3つの例示的な光源12a、12b、12cが図1Bに示される。光源12a、12bおよび12cはPのピッチを有する。
伸長した溝36は、図1Cに示されるようなプリズム状溝36a、図1Dに示されるような台形状溝36b、または図1Eに示されるようなレンチキュラーレンズ36cであることができる。これらフィーチャのそれぞれは高さH、幅D、ピッチPおよびギャップGを有し、ピッチP=D+Gである。ギャップGは0から2Dまで変動する。ギャップG=0の場合には、伸長した溝はぎっしり詰まっている。伸長した溝は他の既知の形状、例えば、丸められたプリズム、その長さに沿って高さが変動するプリズムなどを採ることができる。
先行技術のLGP10はその出力面16上に伸長した溝36を有することのいくつかの利点を有する。例えば、伸長した溝36は底面17上のレンズ100からの表面的な欠陥を隠すことができる。しかし、先行技術のLGP10はホットスポット問題に悩まされている。例えば、光源12のピッチPが6.6ミリメートル(mm)であり、ミキシング領域の長さが4ミリメートルであり、および伸長した溝36が高さH=11ミクロン、幅D=50ミクロン、およびギャップG=0を有するレンチキュラーレンズ36cである場合には、ホットスポットは表示領域に充分入るまで延びる。ホットスポットはY=7ミリメートルにおいて依然として目に見える。よって、その出力面上に伸長した溝を有する先行技術のLGP10は満足いくものではない。
図1Fは、その出力面16上に伸長した溝36を有する先行技術の導光板10で生じる逆ホットスポット問題のイメージを示す。図1Gは、その出力面16上に伸長した溝36を有しない導光板10と同じである別の先行技術の導光板で生じる通常のホットスポット問題のイメージを示す。
図1Fと図1Gとの比較は、その出力面上に伸長した溝を有する(図1F参照)かまたは有しない(図1G参照)導光板について、ホットスポット問題が明らかに異なっていることを示す。導光板がその出力面上に伸長した溝を有しない場合には、光源の中心を通りそしてY軸に沿って延びるライン、例えば、ライン0に沿った光束Lは常に、2つの隣り合った光源の中心間の中央を通りそしてY軸に沿って延びるライン、例えば、ライン1に沿った光束Lよりも高い。ホットスポットのこの第1のタイプは「通常の」ホットスポットと以下で称される。この通常のホットスポットは従来のホットスポット低減方法の標的であった。
これに対して、導光板がその出力面上に伸長した溝を有する場合には、少なくともラインY=YとラインY=Yとの間に画定される領域において、ライン0に沿った光束Lはライン1に沿った光束Lより低い。この第2のタイプのホットスポットは、「逆」ホットスポットと以下で称される。
図1H−1は、レンチキュラーレンズが導光板の出力面に追加される場合になぜ逆ホットスポット問題が起こるかについてさらに説明する。この検討においては、導光板は全て4mmのミキシング領域を有し、直径が66マイクロメートル(μm)の同じサイズのマイクロレンズがコア領域に分布させられる。このコア領域はミキシング領域の終端Y=4mmから終端面まで延びている。導光板は離散した光源から光を受け取り、その離散した光源は7.5mmのピッチおよび約2.5mmの放射幅を有する。ミキシング領域内にマイクロレンズは配置されていない。出力面16上の上部ミキシング領域38aにおけるレンチキュラーレンズ36cは全て、同じ半径R=43.0625μmおよびギャップG=0を有する(定義については図1Eを参照)。これら導光板は、その出力面16上のレンチキュラーレンズ36cの高さHが異なっている。
図1H−1は、様々なH/R(ここで、HおよびRはレンチキュラーレンズ36cの高さおよび半径である)についてのホットスポット比率L/Lのプロットを示す。LおよびLは離散した光源12の中心線「ライン0」および各光源12の間の中央線「ライン1」にそれぞれ沿った、出力面16で測定された放射光束である。通常のホットスポットは比率L/L<1の場合に明らかである。比率L/L>1は逆ホットスポットを示し、並びに比率L/L=1はライン0およびライン1に沿った等しい光束を示す。実際には、比率L/Lが約0.9から1.1までの間にある場合には、拡散膜24および24aのヘイズに応じてホットスポットは許容可能である場合がある。言い換えれば、通常のホットスポットは比率L/L<0.9の場合に気付きうるが、その一方で、逆ホットスポットは比率L/L>1.1の場合に気付きうる。以下において、Yから2Yまでの間の少なくともいくつかのYについて比率L/L>1.1の場合には、逆ホットスポットが存在すると見なされ、一方、Yから2Yまでの間の少なくともいくつかのYについてL/L<0.9の場合には、通常のホットスポットが存在すると見なされる。
図1H−1は、レンチキュラーレンズの高さ/レンチキュラーレンズの半径の比率がゼロに等しい、すなわち、H/R=0、すなわち、レンチキュラーレンズがない場合には、通常のホットスポットが導光板にY=約7.5mmまで延びることをさらに示す。このH/R比率が0.0012(すなわち、H=0.05μm、H/D=0.0120)まで増大する場合には、Yから2Yまでの間の少なくともいくつかのYについてL/Lのいくつかの部分が1を超え始める。
Figure 2014017245
およびDが図1C〜1Eに示されるようなレンチキュラーレンズのサイズであることに留意されたい。H/R比率が0.1858(すなわち、H=8μm、H/D=0.1600)まで増大する場合には、YからYまでの間のYについてL/Lが1を超える(ここで、YはL/L=1から決定される)。H/R比率がさらに増大するにつれて、比率L/Lがさらに小さくなる。H/R比率が0.5806(すなわち、H=25μm、H/D=0.3298)まで増大する場合には、Yから2Yまでの間の少なくともいくつかのYについて、L/Lの最大値がちょうど1を超える。H/R比率が0.8128(すなわち、H=35μm、H/D=0.4137)までさらに増大する場合には、0から4mmまでの間、およびそれを超えるYについてL/Lが0.6より小さい。H/R=0についての曲線およびHR=0.8128についての曲線は両方とも通常のホットスポットの例であり、そこでは、Yから2Yまでの間のいくつかのYについてL/L<0.9であり、および0から2YまでのどのYについてもL/L<1.1である。H/R=0.0012についての曲線およびHR=0.1858についての曲線も通常のホットスポットの例であり、そこでは、Yから2Yまでの間のいくつかのYについてL/L<0.9であり、および0から2Yまでの間のどのYについてもL/L<1.1である。H/R=0.1858についての曲線は、0から2Yまでの間のいくつかのYについてL/L>1.1なので、逆ホットスポットの例である。より具体的には、H/R=0.1858についての曲線は0からYまでの間のYについて、および約5mmから約8mmまでの間のYについて、通常のホットスポットを示し、並びに少なくともYからYまでの間のYについて逆ホットスポットを示す。
図1H−2および図1H−3は、離散した光源のピッチPが7.5mm(図1H−1)から6.6mm(図1H−2)におよび5.5mm(図1H−3)に変化する以外は、図1H−1と同じである。図1H−2および1H−3についての一般的な結論は図1H−1についての結論と同じである。図1H−1から1H−3の比較は、H/R比率についての曲線が、離散した光源のピッチPと共に変化することを示す。例えば、同じH/R=0.1858について、Yは図1H−1における約2.2mmから図1H−2における約2.8mmに、および図1H−3における約1.6mmに変化する。図1H−1から1H−3は、導光板がその出力面上に入力面から終端面まで延びる特定の伸長した溝を有する場合に、逆ホットスポットが存在することを示す。逆ホットスポットのこれらの例は約0.0012から0.5806までの間のH/R比率を有するレンチキュラーレンズについて与えられるが、図1C〜1Dに示されるような他の種類の伸長した溝も、H/RまたはH/Dのような比率によって定義されるようなその形状が特定の範囲内にある場合には、同様に逆ホットスポットを引き起こすことが考えられる。
図2AはLCDパネル25およびバックライトユニット28aを含むLCDディスプレイ装置30aの側面図を概略的に示す。バックライトユニット28aは、バックライトユニット28aがLGP10aを含み、このLGP10aがその底面17上のミキシング領域38bに一次元(一定の)マイクロレンズ110を有する以外は、バックライトユニット28がLGP10を含み、そのLGP10がその底面17上のミキシング領域38にマイクロレンズを有しない図1Aに示されるバックライトユニット28と同じである。
図2Bを参照すると、レンズ100はYからLまでの間のYについてコア領域に分布させられている。例示の目的のために、Yから2Yまでの間のYについてコア領域に分布させられているレンズ100のみが示されている。レンズ100はサイズS1およびY付近の面密度D1を有する。比較として、0からYまでの間のYについて下部ミキシング領域38bに分布させられたマイクロレンズ110はサイズS2および面密度D2を有する。面密度D2は一定であるか、またはXに従うのではなく、Yに従って変動する一次元密度であり、その結果、所定のYにおいて密度D2はライン1において、ライン0におけるのと同じである。対照的に、先行技術の導光板におけるようにマイクロレンズが下部ミキシング領域に配置される場合には、マイクロレンズの密度は二次元的であり、X方向およびY方向の両方において変動し、そこでは、この二次元密度は、所定のYについて、ライン0において最大値を、およびライン1において最小値を有する。図2Bにおいては、マイクロレンズ110は、0からYまでの間のYについて下部ミキシング領域の全体において一定の密度を有する。図2Cはマイクロレンズ110が、YからYまでの間のYについて下部ミキシング領域38bの一部分のみに分布させられている別の実施形態を示す。Y=0からYまでの領域にはマイクロレンズがない。Yは、図1H−1を参照して論じられるような、ミキシング領域にマイクロレンズを有する導光板についてのホットスポット比率L/L=1から決定されることに留意されたい。
図3Aおよび3Bはマイクロレンズ110が図2Bに示されるように下部ミキシング領域38b全体に分布させられる場合のシミュレーション結果における、下部ミキシング領域のマイクロレンズサイズS2および密度D2が、ホットスポット比率L/L対Yに及ぼす影響を示す。光源のピッチPは6.6mmである。出力面上のレンチキュラーレンズは高さH=11μmおよび半径R=39.9μmを有する。コア領域におけるレンズ100は66μmのサイズS1および密度D1=4%を有する。ミキシング領域の長さはY=4mmである。図3Aにおいては、レンズサイズS2=40μmであり、D2は変動する。D2=0%、すなわち、ミキシング領域にマイクロレンズが存在しない場合には、Y<2mmについて比率L/L<0.9であり、これは通常のホットスポットを示す。約2mmから4mmまでの範囲におけるYについて比率L/L>1.1は逆ホットスポットを示す。4.2mmから6.5mmまでの間のYについて、L/L<0.9は通常のホットスポットを示す。
D2がサイズS2=40μmについて適切に選択される場合には、例えば、D2=10%、15%、または20%である場合には、ホットスポット比率L/L曲線は1により近づく。より具体的には、全てのY>Yについて、0.9<L/L<1.1である。密度D2=15%の場合には、ホットスポット比率L/Lは、2.5mmから4mmまでの間のYでさえ、0.9から1.1までの間である。
図3Bは、レンズサイズS2=66μmである以外は図3Aと同じである。密度D2が、図3Aと同様に適切な範囲であるように選択される場合には、ホットスポットは抑制され、ホットスポット比率L/L曲線が1により近づく。D2=4%、7%、または10%の場合には、ホットスポット比率L/Lは、4mmを超えるYについて、0.9から1.1までの間の範囲である。
図3Cおよび3Dは、図2Cに示されるように、マイクロレンズ110がY=2mmからY=4mmまでの間の下部ミキシング領域の一部分のみに分布させられる場合のシミュレーションにおける、ホットスポット比率L/L対Yに及ぼす、サイズS2および密度D2の影響を示す。図3Cにおいては、S2=40μmである。D2=10%、15%、または30%である場合には、ホットスポット比率L/L曲線は、D2=0%と比較して、1により近づく。図3Dにおいては、S2=66μmである。D2=4%、7%、または10%である場合には、ホットスポット比率L/L曲線は、D2=0%と比較して、1により近づく。
まとめると、マイクロレンズの実際の密度およびサイズは光源のピッチPおよび伸長した溝の形状に応じて変動しうるが、下部ミキシング領域におけるマイクロレンズ110の密度およびサイズは逆ホットスポットおよび通常のホットスポットを抑制するように選択されうる。
10、10a 導光板(LGP)
12、12a、12b、12c 光源
14 終端面
16 出力面
17 底面
18 入力面
20、20a プリズム膜
22 下部反射膜
24、24a 拡散膜
25 LCDパネル
26 上部反射部品
26a 内面
26b 外面
28、28a バックライトユニット
30、30a LCDディスプレイ装置
36 伸長した溝
36a プリズム状溝
36b 台形状溝
36c レンチキュラーレンズ
38a 上部ミキシング領域
38b 下部ミキシング領域
100 レンズ
110 マイクロレンズ

Claims (10)

  1. 複数の離散した光源からの光を受け取るための入力面、光を放射するための出力面、前記出力面に対して反対側の底面、および前記入力面に対して反対側の終端面を含み、
    前記入力面から前記終端面への方向がY軸と定義され、前記Y軸に対して直交しかつ前記離散した光源に対して平行な方向がX軸と定義され、前記Y軸に平行に走りかつY=0に対応する前記入力面から前記終端面に延びる複数の伸長した溝を前記出力面が有し、Y=Yに対応する所定のラインから前記終端面に延びるコア領域と、Y=0からY=Yに延びるミキシング領域とを前記底面が有し;並びに
    前記コア領域に分布させられたレンズのセット、および前記ミキシング領域に分布させられたマイクロレンズのセットを含み、
    前記マイクロレンズのセットの密度がX軸に沿って同じままであり、かつ前記マイクロレンズの選択されたサイズおよび密度が、前記離散した光源からの光をY軸の方に方向変換し、並びにどのY≧Yについても比率L/Lが0.9から1.1までの間である、
    低減したホットスポットを有する導光板。
  2. 前記マイクロレンズのセットのサイズが前記レンズのセットのサイズよりも小さい、請求項1の導光板。
  3. 前記マイクロレンズのセットの密度が、Y=YからY=2Yまでの間に分布させられた前記レンズのセットの密度よりも大きい、請求項1の導光板。
  4. 前記マイクロレンズのセットがY=2mmからY=Yまでの間に分布させられているが、Y=0からY=2mmまでの間には分布させられていない、請求項1の導光板。
  5. 前記マイクロレンズのセットの密度がY軸に沿って変動する請求項1の導光板。
  6. 前記マイクロレンズのセットの密度がY軸に沿って同じままである請求項1の導光板。
  7. 前記伸長した溝が線状プリズム、線状台形、またはレンチキュラーレンズである請求項1の導光板。
  8. 前記伸長した溝の、高さ/サイズの比率が0.012から0.3298までの間である請求項1の導光板。
  9. 前記マイクロレンズのサイズが30μmから60μmまでの間であり、かつ前記マイクロレンズの密度が10%から20%までの間である請求項1の導光板。
  10. からYまでの間のどのYについても前記比率L/Lが0.9から1.1までの間である請求項1の導光板。
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