JP4160481B2 - 面状光源装置及び表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、面状光源装置及び表示装置に関し、特に、光源色の混色、輝度の均一性を効果的に制御することができる面状光源装置及び表示装置に関する。
パーソナルコンピュータ、その他各種モニタ用の画像表示装置として、液晶表示装置の普及は目覚しいものがある。液晶表示装置は、典型的には、液晶表示パネルと、その背面に配置されたバックライト・ユニットと、を有する。液晶表示パネルは、その透過光を制御することにより、画像表示を行う。いくつかのタイプの液晶表示装置の一つに、直下型バックライト・ユニットを有するものがある。これは、液晶表示装置の輝度を向上させるために光源を表示面の裏側に直下に配置したものである。直下型バックライト・ユニットの光源としては、冷陰極管や発光ダイオード(LED)が知られている。
発光ダイオードは、冷陰極管と比較して色特性において優れており、光源として好ましい特性を有していることから、バックライト・ユニットの光源として利用されることが増えてきている。発光ダイオードを光源として使用する場合、異なる色を放射する複数のLEDチップを使用することがある。典型的には、赤(R)、緑(G)、青(B)の3つの色の光を放射するLEDチップをそれぞれ用意し、各色の発光強度を調節することによって、所望の発光色を有する光源装置を得ることができる。液晶表示装置のバックライト・ユニットとして利用される場合、白色の光が得られるようにこれらLEDチップの発光強度が制御される。異なる色の光を発光する発光ダイオードを使用する場合、所望の色の光を得るためには、各発光ダイオードからの光を混色することが必要とされる。
LEDチップは、点状光源として機能し、又、指向性の強い光源である。したがって発光ダイオードからの光を混色することは難しく、その手段として、いくつかのものが知られている。一つの典型的な方法としては、赤、緑、青の発光ダイオード等の点光源を基板等に複数実装してなる光源装置を、光を拡散させるための拡散板の直下に配置し、その周囲を反射体で覆う構成からなる。ここでは、光源装置からの直接光と反射体からの反射光とを拡散板で拡散させることで光を混色して白色光とし、出射面から面状の出射光を出射する。
しかし、混色の出射光を出射する場合、各色に対応した複数の点光源から出射された複数の光は、混色する前に出射面から出射してしまうため、混色させることが難しく、色むらが生じる。さらに、直下型バックライト・ユニットにおいて導光板を使用しない場合、上述のように、発光ダイオードからの光は、光源から直接出るか反射板で一度反射した後、拡散板に入光する。このとき、発光ダイオードの持つ指向性によって光源付近のみが光るためホット・スポットと呼ばれる輝度むらを生じる。輝度むらを解消するため、発光ダイオードからの光を均一に液晶パネルに出射する手段としては、(1)拡散板を厚くして光源からの光を拡散させる方法、(2)ND(Neutral Density)フィルタ等で光源近辺の光を吸収させる方法、(3)光源からの光をハーフミラーの反射率・透過率を変えることによって出光を制御する方法(特許文献1)、(4)拡散板の光源側の面上で、光源からの光が強く当たる部分に反射拡散材を塗布あるいは印刷する方法などが知られている。 しかしながら、輝度むらを解消するために拡散板を厚くすると、拡散板での光吸収が大きくなり、輝度が下がってしまう。また、NDフィルタ、ハーフミラーあるいは反射拡散材を使用する場合も、やはり輝度が犠牲となる。
ところで、従来、バックライト・ユニットには、拡散板のたわみを防止するための支持ピンが、フレーム上に設置されている場合がある。このような拡散板のたわみは、液晶表示装置に衝撃が加わると発生し、拡散板が割れる恐れがある。また、たわみは拡散板が大型化するにつれ生じやすくなり、輝度むらの原因ともなる。前記支持ピンは、このようなたわみを矯正するために拡散板をフレーム上に設置され、拡散板を平面にするものである。
特開平6−265885号公報
本発明は上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の一つの目的は、光源色を効果的に混色し、かつ光出面における輝度分布を均一化することができる面状光源装置及び表示装置を提供することである。
本発明にかかる第1の面状光源装置は、反射面上に設けられた複数の点状光源と、当該点状光源を挟んで前記反射面と対向する側に設けられた拡散板とを備え、前記点状光源から出射された光を前記反射面側に反射する反射板を前記拡散板と前記点状光源との間に設け、前記反射板が、拡散板側に面する表面に拡散板支持部を備える。また、本発明にかかる第2の面状光源装置は、反射面上に設けられた複数の点状光源と、当該点状光源を挟んで前記反射面と対向する側に設けられた拡散板とを備え、前記点状光源から出射された光を前記反射面側に反射する反射板を設け、前記反射板は支柱を有し、この支柱は、前記反射面および前記反射面の下に設けられたフレームに設けられた穴に嵌め込まれ、前記複数の点状光源は異なる波長の光を放出する。これらの構成を有することにより、光源色は反射板と反射面との間で光源からの光が反射する空間(以下「反射板領域」という)で拡散反射を繰り返し、効果的に混色される。また、拡散板支持部または反射板の上部で拡散板のたわみを矯正し、光出面における輝度分布を均一化することができる。上記第2の面状光源装置において、反射面と前記フレームとを固定することができる。
上記第1及び第2の面状光源装置において、前記反射板は、前記点状光源から出射された光を前記反射板側に拡散反射する。この構造により、光源色は反射板領域で効果的に混色することができる。
上記第1及び第2の面状光源装置において、前記反射板は、前記反射面と離間して配置され、その側部に光を反射板の外部に射光するための隙間部を備える。この構造を有することにより、反射板領域で拡散反射を繰り返し、混色した白色光が、反射板領域の外部に出て、反射板領域の外部の輝度分布を均一化することができる。
上記第1及び第2の面状光源装置において、前記反射板は、拡散板側に面する表面において光を反射する。この構造により、反射板領域から出光した白色光は、前記反射層で正反射し、拡散板方向に向かうことができる。これによって、反射板部分の影による輝度の低下を防ぎ、光出面における輝度分布を均一化することができる。
上記第1の面状光源装置において、前記反射板は支柱を有し、この支柱は、前記反射面および前記反射面の下に設けられたフレームに設けられた穴に嵌め込まれている。この構成により、前記反射面と前記フレームとを固定することができる。
また、上記第1及び第2の面状光源装置は、前記点状光源が、発光ダイオードである。発光ダイオードは、冷陰極管と比較して、色再現範囲が広く、色調整が可能である利点がある。
さらに、本発明にかかる第1及び第2の表示装置は、上記の面状光源装置と、前記面状光源装置の光出射面側に設けられ、前記面状光源装置からの光の透過を制御することにより表示を行う表示パネルとを備える。この構成を有することにより、光源色を効果的に混色し、かつ光出面における輝度分布を均一化し、表示情報の視認性を高めることができる。
本発明は、光源色を効果的に混色し、かつ光出面における輝度分布を均一化することができる面状光源装置及び表示装置を提供することができる。
本発明の適用可能な実施の形態を以下に説明する。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであって、本発明の範囲が以下の形態に限定されるものではない。当業者は、本発明の範囲において、必要もしくは可能な変更、変換、追加もしくは省略を、以下の実施形態について行うことができる。又、以下の記載は、説明の明確化のため、実際の構成、寸法から、適宜、簡略もしくは変形がなされている。
発明の実施の形態1.
本発明の実施の形態にかかる面状光源装置および液晶表示装置について、図1、図2及び図3を用いて説明する。
図1は、本発明の実施の形態における液晶モジュールの全体構成を説明するための断面図である。図1は、直下型バックライト・ユニットを有する液晶モジュール100の概略を示している。図1において、101は直下型バックライト・ユニット、102は駆動回路(不図示)が取り付けられた液晶表示パネルである。103は透過光を拡散することによって表示面の輝度を均一化する拡散板である。拡散板103は、乳白色の樹脂からなり、例えばその厚みは約2mmである。104は入射した光を反射する反射面である。105は反射板であり、光源色を反射板と反射面との間で繰り返し拡散反射させ、効果的に混色させる。106は拡散板のたわみを矯正するための拡散板支持部である。107は反射板に隙間部を与えるための支柱である。
108は光源である。光源は、通常、点光源が使用され、典型的には、発光ダイオードが利用される。光源108としては、発光ダイオードに限定されるものではなく、異なる波長の光を出射する様々な光源を利用することができる。例えば、有機EL(Electro Luminescence)や無機ELなどを利用することができる。液晶表示パネル102、反射板105と他の光学部材は、フレーム109に収容され、表示パネル上面に配置されるベゼルによって外側から保持、保護される。
直下型バックライト・ユニット101は、拡散板103、反射面104、反射板105、光源106そしてフレーム109を備える。
反射面104は、樹脂製基材を発泡させたものや、樹脂製の基材シート上に銀(Ag)やアルミニウム(Al)など金属反射層を形成することによって構成することができる。また、AgやAlなどから形成される金属反射層のほかに、ポリエステル系樹脂を用いた多層膜フィルムや、液晶材料を使用した反射層を利用することができる。これらのほかに、白色の反射面などを使用することも可能である。フレーム109は、金属あるいは樹脂からなり、反射面104と一体で成形することができる。
液晶表示パネル102は、マトリックス状に配置された複数の画素から構成される表示領域とその外周領域である額縁領域とを有している。又、液晶表示パネル102は、アレイ回路が形成されたアレイ基板とその対向基板とを有し、その2つの基板の間に液晶が封入されている。カラー液晶表示装置は、対向基板上にRGBのカラー・フィルター層を有している。液晶表示パネル102の表示領域内の各画素は、RGBいずれかの色表示を行う。もちろん、白黒ディスプレイにおいては、白と黒のいずれかの表示を行う。アレイ基板上の表示領域内には、複数の信号線とゲート線がマトリックス状に配設されている。信号線とゲート線とはお互いにほぼ直角に重なるように配設されている。
ゲート・ドライバIC(不図示)から入力されるゲート電圧によって選択された各画素は、ソース・ドライバICから入力される表示信号電圧に基づき液晶に電界を印加する。ソース・ドライバICから入力される電圧が、TFTのソース/ドレインを介して画素電極に送られ、画素電極と共通電極とが液晶に電界を印加する。この電圧を変えることにより液晶への印加電圧を変化させることができ、液晶の光の透過率を制御する。共通電極に共通電位を与える回路は、制御回路基板(不図示)上に構成される。液晶表示パネルは、上記のアクティブマトリックス型の他に、スイッチング素子を有していない単純マトリックス型などが知られている。本発明は様々なタイプの液晶表示パネルに適用可能である。あるいは、面状光源装置からの光を、表示パネルによって制御する様々な表示装置に適用することができる。
直下型バックライト・ユニット101の光学的動作について説明する。光源108から出射されたR、G、Bの三色の光は、反射板105の反射面側の表面にて拡散・反射される。さらに拡散・反射された光は、反射面104より反射され、その一部が隣接する反射板105間を通過して拡散板103に入射する。他の一部は、再び反射板105の反射面側の表面にて拡散・反射される。このようにして反射板105の反射面側の表面と、反射面104間で繰り返し拡散・反射された光は、混色され、白色光となる。かかる白色光も拡散板103に入射する。拡散板103内に入射した光は、表示面の輝度が均一となるようにさらに拡散され、拡散板103の光出射面から出射し、液晶表示パネル102に入射する。
図2は、本実施の形態における光源装置の概略構成を説明する平面図、A−A断面図およびB−B断面図である。図2において、図1において使用された符号と同一の符号が付されたものは同一の要素を意味し、説明が省略される。
本発明の実施の形態においては、発光ダイオードを光源として利用する例が説明される。直下型バックライト・ユニット101は、光源108として、異なる波長の光を放出する複数のLEDチップを備えている。典型的には、赤(R)、緑(G)、青(B)の3種類のLEDチップが実装される。各色のLEDチップについては、要求される色度と輝度を有する光が光源装置から出射するように、適切な数や配置が選択される。実装される発光ダイオードの種類は、RGBの3色に限らず、他の色の複数種類のLEDチップを利用することができる。
又、3つの異なる波長の光を放出するLEDチップに限らず、2種類もしくは4種類以上の異なる波長の光を放出するLEDチップを利用することができる。多くの色度を有する光を出射しすることができることから、光源装置は3色以上の光源を有することが好ましい。又、制御容易性や部品点数の観点から、3色の光源を有することが好ましい。表示装置の光源装置としては、白色光を形成することができる3色の光源または3色一体型の白色光源を有することが好ましい。
本発明の実施の形態においては、赤(R)、緑(G)、青(B)の3色のLEDチップを使用しており、図2に示すように、3色のLEDチップは、1つの反射板105の下に配置されている。これは、3色のLEDチップをお互いに近くに配置し、光源色を効果的に混色させるためである。また、3色のLEDチップは、1つの反射板105に覆われた状態で配置されている。LEDチップが反射板領域から出ていると、反射板領域から出ている部分のLEDチップから光が、直接拡散板103に入光して、色むらの原因となるからである。さらに、3色のLEDチップは、1つの反射板105の下に円周方向に均等に120度の角度で配置されている。これは、光源色を効果的に混色して色むらを防ぎ、かつ光出面における輝度分布を均一化するためである。LEDチップの直径は、通常、1〜10mmである。LEDチップとして白色発光ダイオードを使用する場合は、1つの反射板105の下に1つ以上設置すればよい。
本発明の実施の形態においては、例えば、液晶表示パネル102の大きさを15インチと想定して、反射面104の上に縦5列、横4列で計20個の反射板105を配置している。各列内の個々の反射板105は、図2のように直線状でもよいし、ジグザグに配列してもよい。
本発明の実施の形態にかかる光源装置について、図3を用いて説明する。
図3は、拡散板支持部および支柱を備えた反射板の斜視図、上面図および断面図である。図3において、図1において使用された符号と同一の符号が付されたものは同一の要素を意味し、説明が省略される。301は反射板領域、302は隙間部である。図3において斜線部分で示された反射板領域301は、反射板と反射面の間の空間を指す。この反射板領域内に光源108が配置される。反射板領域内の光源色はここで繰り返し拡散反射され、効果的に混色することができる。
本発明の実施の形態において反射板105は、半球体であり、その直径は、例えば、約20mm〜30mmである。反射板105の形状は、半球状でなくとも、例えば、半球体、直方体、立方体、三角錐、四角錐、円柱、円錐などであってもよく、拡散板103に対向する面が平らなものより丸みを帯びたものの方がよい。反射板105の大きさとしては、光源を覆うことができれば特に制限はない。
隙間部302は、混色した光を反射板領域の外に出すために設けられている。本形態において隙間部302は、反射板105を支柱107で支持することにより設けられている。このときの反射板105の外周は、発光ダイオード頂点より、例えば、約3mm〜5mm高く位置していればよい。
反射板105の拡散板103側に面する表面には、アルミ製等のシールが反射板105の全面に貼られている。このシールにより、反射板105の上部に入光してきた光を拡散板103に正反射して、反射板105の上部にできる反射板105の陰による輝度の低下を防ぐことができる。シールは、反射板105の拡散板103に面する表面の一部に貼り付けてもよい。反射板105の表面に入光してきた光を拡散板103に反射するためには、この他に、反射板の成形時に反射板105の拡散板103側に面する金型に直接パターン形状を設定し、もしくはブラスト処理などの後加工などの処理方法がある。
反射板105の反射面104側に面する表面には、拡散・反射するための処理が施されている。この拡散反射処理により、光源色を効果的に拡散し、混色することができる。拡散反射処理の方法としては、反射板105の反射面104側に面する表面に拡散反射材を貼り付ける方法がよい。あるいは、反射板成形時、反射板105の反射面104側に面する金型に直接パターン形状を設定し、もしくはブラスト処理などの後加工で処理することができる。
反射板105の上部には、円錐形の拡散板支持部106が設置されている。この拡散板支持部106により、拡散板103のたわみを矯正し、出光面における輝度分布を均一化することが可能となる。また拡散板103の破損を防ぐことができる。拡散板103が平らな形状を保っているときは、拡散板103と拡散板支持部106の先端は、接触しておらず隙間が開いている。拡散板103にたわみが生じたときに、拡散板支持体106は拡散板103と接してこれを支える。拡散板支持体106の形状は、円錐形でなくとも、例えば、円錐、円柱、三角錐、四角錐、四角柱などであればよい。円錐など先端が細いほうが、拡散板103に進む光が入りやすい理由で好ましい。拡散板支持部106の先端は、尖っていてもよいし、丸み、欠損があってもよい。
本発明の実施の形態において、反射板105、拡散板支持部106および支柱107を含めた全体の高さは、例えば、約20mm〜50mmである。光源として冷陰極管を使用した直下型バックライトの場合、ランプとフレームの間隔は約15mmで、反射面と拡散板の間隔は約40mm〜50mmとなる。反射面と拡散板の間隔が狭くなると、ランプが点灯しないなど不都合が生じる。一方、光源として発光ダイオードを使用した場合は、リーク量が少なく、反射面104と拡散板103の間隔を狭くして直下型バックライト・ユニット101を薄くすることができる。
本発明の実施の形態において、支柱107は、反射面104およびフレーム109に設けられた穴に嵌め込まれ、反射面104とフレーム109の固定を兼ねている。固定部分は、フレーム109の穴の内面側で支柱107と溶着して、あるいは接着剤で接着してもよい。この他に、反射板105は反射面104に貼り付けて固定される。
本発明の実施の形態において、反射板105の材料は、白色のポリカーボネートである。そのほかの材料としては、例えば、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、などがあげられる。
反射板の製造方法は、特に限定されないが、反射板105は、拡散板支持部106、支柱107を有する場合、全体を一体射出成形で製造する。これにより、部品件数を減少させることができる。
光源は、R、G、Bの3色の発光ダイオード108を使用している。各色の発光ダイオードは、1つの反射板105の反射板領域内で円周方向に均等に120度の間隔で設置されている。1つのLEDチップの大きさは、例えば、1mm〜10mmである。
発明の実施の形態2.
本発明の実施の形態にかかる面状光源装置について、図4を用いて説明する。
図4は、拡散板支持部の機能を内在する反射板の斜視図、上面図および断面図である。図4の面状光源装置は、図3の面状光源装置とは、反射板の形状および使用している光源が異なる。図4において、図1において使用された符号と同一の符号が付されたものは同一の要素を意味し、説明が省略される。
本実施の形態にかかる反射板105は、その断面の形状がアルファベットの「r」の形状を有し、横に張り出した部分が反射板105として作用する。また、この横に張り出した部分が拡散板支持部106として機能する。つまり、横に張り出した部分の拡散板103側に対向する面でたわんだ拡散板103を支えることができる。
本実施の形態で使用される発光ダイオード108は、白色の発光ダイオードである。このように白色ダイオードを使用した場合は、1つの反射板の下に1つ以上を設置すればよい。白色発光ダイオードは混色する必要はないが、強い指向性による輝度むらを解消するため、光を反射板105で拡散反射し、光出面における輝度分布を均一化している。
発明の実施の形態3.
本発明の実施の形態にかかる面状光源装置について、図5および図6を用いて説明する。図5および図6に記載されている面状光源装置は、図3の面状光源装置とは反射板の隙間部および拡散板支持部が異なる。
図5は、隙間部501として穴を備えた反射板105の斜視図である。図5において、図1において使用された符号と同一の符号が付されたものは同一の要素を意味し、説明が省略される。反射板105の側面に穴をあけて設けられた隙間部501によって、反射板領域内で混色した光が、反射板領域外に出てくることができる。このとき、隙間部501の形、数等は特に制限されない。本発明の実施の形態においては、拡散板支持体106が設けられていない。その代わり、反射板105の構造として半球体を用いたことにより、半球体の頂点が拡散板支持部106の役割を果たすことができる。つまり、拡散板103にたわみが生じた場合、半球体の頂点でたわみを支えることができる。
図6は、拡散板側の表面に反射処理を施された反射板の斜視図である。図6において、図1において使用された符号と同一の符号が付されたものは同一の要素を意味し、説明が省略される。601の斜線部は、反射処理された部分であり、反射処理としては円形のアルミ製等のシールが貼り付けられている。なお、図面の中の点線部は隙間部501であり、反射板105がさらに隙間部501を有する場合を意味する。
以上のように、本発明の実施の形態は、光源色を反射板と反射面の間で繰り返し拡散反射させることによって効果的に混色し、白色光を反射板領域から出光し、さらに反射面と反射板上での反射によって光を拡散板に反射して、反射板領域の外部の輝度分布を均一化することができる。
本発明は、上に説明した形態に限らず、様々な光源装置に適用することができる。また、表示装置の光源装置に限定されず、様々な用途の光源装置に適用することができる。
尚、上述の例における反射板は、光源からの光を完全に反射するものである必要はなく、一部の光が透過、吸収する構成であってもよい。
第1の実施形態に係る液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。 第1の実施形態に係る光源装置の概略構成を示すブロック図である。 第1の実施形態に係る反射板の斜視図および断面図である。 第2の実施形態に係る反射板の斜視図および断面図である。 第3の実施形態に係る反射板の斜視図である。 第3の実施形態に係る反射板の斜視図である。
符号の説明
100 液晶モジュール
101 直下型バックライト・ユニット
102 液晶表示パネル
103 拡散板
104 反射面
105 反射板
106 拡散板支持部
107 支柱
108 点状光源
109 フレーム
301 反射板領域
302 隙間部
501 隙間部
601 反射処理された部分

Claims (10)

  1. 反射面上に設けられた複数の点状光源と、当該点状光源を挟んで前記反射面と対向する側に設けられた拡散板とを備えた面状光源装置であって、
    前記点状光源から出射された光を前記反射面側に反射する反射板を前記拡散板と前記点状光源の間に設け、
    前記反射板が、拡散板側に面する表面に拡散板支持部を備えた面状光源装置。
  2. 反射面上に設けられた複数の点状光源と、当該点状光源を挟んで前記反射面と対向する側に設けられた拡散板とを備えた面状光源装置であって、
    前記点状光源から出射された光を前記反射面側に反射する反射板を設け、
    前記反射板は支柱を有し、この支柱は、前記反射面および前記反射面の下に設けられたフレームに設けられた穴に嵌め込まれ、
    前記複数の点状光源は異なる波長の光を放出することを特徴とする面状光源装置。
  3. 前記複数の点状光源は、赤(R)、緑(G)、青(B)の光を放出することを特徴とする請求項2に記載の面状光源装置。
  4. 前記反射板は、前記複数の点状光源を覆う形状であることを特徴とする請求項3に記載の面状光源装置。
  5. 前記反射板は支柱を有し、この支柱は、前記反射面および前記反射面の下に設けられたフレームに設けられた穴に嵌め込まれていることを特徴とする請求項に記載の面状光源装置。
  6. 前記反射板は、前記点状光源から出射された光を前記反射面側に拡散反射することを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の面状光源装置。
  7. 前記反射板は、前記反射面と離間して配置され、その側部に光を反射板の外部に射光するための隙間部を備えたことを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の面状光源装置。
  8. 前記反射板は、拡散板側に面する表面において光を反射することを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の面状光源装置。
  9. 前記点状光源は、発光ダイオードである請求項1乃至8のいずれか1項に記載の面状光源装置。
  10. 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の面状光源装置と、
    前記面状光源装置の光出射面側に設けられ、前記面状光源装置からの光の透過を制御することにより表示を行う表示パネルとを備えた表示装置。
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