JP4173313B2 - バックライト装置およびバックライト生成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示パネルに対して光を照射するバックライト装置、および、バックライト装置により光を供給される表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のバックライト装置として、特開2000−231816号公報に開示されたものがある。この公報に開示されたバックライト装置について、図1を参照して説明する。図1は、従来技術にかかるバックライト装置の構成を示す模式図である。
【0003】
図1に示すバックライト装置は、赤色LED101と、緑色LED102と、青色LED103と、コリメータレンズ104〜106と、光ファイバ群107と、導光板112とを含む。
【0004】
赤色LED101、緑色LED102および青色LED103は、それぞれ、赤色光、緑色光および青色光を発する発光ダイオード(LED)である。コリメータレンズ104〜106は、それぞれ、赤色LED101〜青色LED103が発した放射状の光を平行な光に変化させる。
【0005】
光ファイバ群107は、赤色LEDに対応した光ファイバ108−1〜nと、緑色LEDに対応した光ファイバ109−1〜nと、青色LEDに対応した光ファイバ110−1〜nとを含む。光ファイバ108−1〜nの入射端は、赤色LED101に対向して設けられ、同様に、光ファイバ109−1〜n(110−1〜n)は、緑色LED102(青色LED103)に対向して設けられている。
【0006】
光ファイバ群107は、赤色LEDに対応した光ファイバの出射端、緑色LEDに対応した光ファイバの出射端、および、青色LEDに対応した光ファイバの出射端が、導光板112の入射側面111の一端(紙面上上部)から多端(紙面上下部)の方向に順次続くように、該入射側面111に対向して設けられる。すなわち、光ファイバ108−1、109−1、110−1、108−2、109−2、110−2、・・・、108−(n−1)、109−(n−1)、110−(n−1)、108−n、109−nおよび110−nが、上記一端から上記多端の方向に順次続くように、近接して配される。
【0007】
このような構成によれば、赤色LEDに対応した光ファイバを出射した赤色光、緑色LEDに対応した光ファイバを出射した緑色光、および、青色LEDに対応した光ファイバを出射した青色光が、混じり合うことにより、白色光が生成される。よって、入射側面111の全域にわたって、ほぼ白色に近い光が供給される。
【0008】
導光板112の入射側面111に入射した光は、直接または導光板112内で反射を繰り返した後に、導光板112の上部表面(図1に示す面)から出射する。導光板112の上部表面を出射した光は、該上部表面に対向するように設けられる(図示しない)表示パネルに入射する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のバックライト装置においては、次のような問題がある。すなわち、まず、表示パネルに映し出される画像に色のむらおよび明るさのむらが生じないようにするためには、バックライト装置における導光板112が表示パネルの略全域に対して均一な白色光を供給することが求められる。導光板112が均一な白色光を供給するためには、光ファイバ群107が導光板112の入射側面111に略均一な白色光を供給する必要がある。
【0010】
ここで、光ファイバ群107に着目すると、1本の光ファイバを出射する光は、結局、赤色光、緑色光および青色光のうちのいずれか1つでしかない。よって、入射側面111に均一な白色光を供給するためには、より細い光ファイバをより多く近接させて光ファイバ群107を構成して、赤色LEDに対応した1本の光ファイバ、緑色LEDに対応した1本の光ファイバ、および、青色LEDに対応した1本の光ファイバを1組とする単位光ファイバを、相対的に小さい白色光源としてみなすことができるようにする必要がある。
【0011】
ところが、光ファイバの許容最大曲率(すなわち許容最小曲率半径)は非常に小さいので、光ファイバを自在に曲げて配線することは事実上不可能である。よって、より多くの光ファイバを用いると、光ファイバ群107が占める面積が大きくなるので、この光ファイバ群107を備えるバックライト装置のサイズ自体が大きくなってしまう。さらには、バックライト装置の構造も複雑となる。これにより、バックライト装置の簡素化および小型化を実現することが困難となる。
【0012】
バックライト装置の小型化を図ろうとすれば、上述した光ファイバの性質上、用いる光ファイバの総数を抑えなければならない。しかしながら、光ファイバの数を少なくすれば、導光板112の入射側面111に均一な白色光を供給することが困難となり、ひいては、表示パネルに映し出される画像に色のむらまたは明るさのむらが生ずることとなる。
【0013】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、小型化を図りつつ、表示パネルの略全域に対して均一な光を供給することが可能なバックライト装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、まず、導光板を照射するためのLEDに対して、該導光板の入射面の略全域に光を照射させることに着目したが、LEDが発した光の入射面における密度が、このLEDの放射特性に起因して均一とならないことを認識した。そこで、本発明者らは、導光板の入射面とLEDとの間に、該LEDからの光の強度(強弱)に応じて該LEDからの光の屈折特性を変化させて上記入射面に照射される光の密度を均一とする光学素子を設けることに着目した。具体的には、本発明者らは、光学素子を用いて、LEDの光軸からの距離に応じて該LEDからの光の屈折特性を変化させることを見出し、本発明をするに至った。一実施形態として、本発明者らは、一実施形態として、LEDの光軸から所定距離内では、上記入射面に照射される照射光の密度を低下させること、および、LEDの光軸から所定距離を超える位置では、上記所定面に照射される光の密度を増加させることを見出した。この結果、1つのLEDが発した光の入射面における密度を略均一とすることができるので、当然に複数のLEDが発した各光の入射面における密度も略均一とすることができることから、例えば、赤色LED、緑色LEDおよび青色LEDを用いれば、入射面の略全域に均一な白色を供給することができる。
【0015】
すなわち、本発明の骨子は、発光素子と該発光素子に対向する所定面(具体的には例えば導光板の入射面)との間に、該発光素子からの光の強度に応じて該発光素子からの光の屈折特性を変化させて、上記所定面に照射される照射光の密度を均一とするように構成された光学素子を設けることである。
【0016】
本発明にかかるバックライト装置の1つの特徴は、発光ダイオードと、該発光ダイオードから出力される光を該発光ダイオードに対向する所定面に導くように、該発光ダイオードと該所定面との間に設けられた光学素子と、を備え、該光学素子が、上記発光ダイオードからの光の強度に応じて該発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させることにより、上記所定面に照射される照射光の密度が均一となるように構成されたことである。
【0017】
本発明にかかるバックライト装置の別の特徴は、上記光学素子が、上記発光ダイオードの光軸からの距離に応じて該発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させることである。
【0018】
本発明にかかるバックライト装置のさらに別の特徴は、上記光学素子が、上記発光ダイオードの光軸からの距離に応じて該発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させる複数のレンズ部分を備えており、上記複数のレンズ部分のうち上記発光ダイオードの光軸から所定距離内に配置されるレンズ部分が、上記所定面に照射される照射光の密度を低下させるようになっていることである。
【0019】
本発明にかかるバックライト装置のさらに別の特徴は、上記光学素子が、上記発光ダイオードの光軸からの距離に応じて上記発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させる複数のレンズ部分を備えており、上記複数のレンズ部分のうち上記発光ダイオードの光軸から所定距離を超える位置に配置されるレンズ部分は、上記所定面に照射される照射光の密度を増加させるようになっていることである。
【0020】
本発明にかかるバックライト装置のさらに別の特徴は、上記光学素子は、少なくとも1つの材料により形成されていることである。
【0021】
本発明にかかるバックライト装置のさらに別の特徴は、上記所定面と上記発光ダイオードとの間に設けられ、該発光ダイオードから出力される光を反射させる反射手段を備え、上記光学素子が、該反射手段に反射して上記所定面に入射する光に基づいて形成されることである。
【0022】
本発明にかかるバックライト装置のさらに別の特徴は、上記発光ダイオードが、赤色光を発する発光ダイオードと、緑色光を発する発光ダイオードと、青色光を発する発光ダイオードと、を含むことである。
【0023】
本発明にかかる液晶表示装置の1つの特徴は、上記いずれかのバックライト装置の上記光学素子を介して光が供給されることにより画面表示を行う液晶表示手段を備えることである。
【0024】
本発明にかかるバックライト生成方法の1つの特徴は、発光ダイオードを用いて、該発光ダイオードに対向する所定面に対して照射する照射工程と、上記所定面に照射される照射光の密度が均一となるように、該発光ダイオードと該所定面との間で、上記発光ダイオードからの光の強度に応じて該発光ダイオードからの光の屈折特性を変化させる屈折工程と、を備えたことである。
【0025】
本発明にかかるバックライト生成方法の別の特徴は、上記屈折工程が、上記発光ダイオードの光軸からの距離に応じて上記所定面に照射される照射光の密度を変化させることである。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0027】
(実施の形態1)
本実施の形態では、モノクロ方式の液晶表示ディスプレイ(LCD)に対して均一な光を供給する場合について説明する。
【0028】
図2(a)は、本発明の実施の形態1にかかるバックライト装置を示す正面図である。図2(b)は、本発明の実施の形態1にかかるバックライト装置を示す側面図である。
【0029】
本実施の形態にかかるバックライト装置200は、主に、略平板形状を有する基体201と、該基体201の上面における各辺に対して設けられた、対応する辺の長さと略同じ幅および所定の高さを有する平板状の4つの反射板204と、底面206が基体201の上面と対向し、底面から上面に向かうにつれて減少する厚さを有し、かつ、底面付近が完全に反射板204に囲まれるように設けられた板状の導光板205と、該導光板205の背面および上面を覆う反射シート207と、基体201の上面の略中央に設けられた発光ダイオード(LED)と、該LED202と導光板205の底面206との間に設けられた光学素子203と、を含む。
【0030】
具体的には、LED202は、単色、例えば、赤色、緑色および青色のうちのいずれか1色を発する。光学素子203は、導光板205の底面(すなわち入射面)206の略全域における照度が略均一となるように、LED202により出射される放射状の光を変換する。この光学素子203は、例えば、屈折レンズまたは回折光学素子のような光を曲げることが可能な任意の光学素子であり、その特性は、LED202の明るさ、色および放射特性等により決定される。
【0031】
導光板205は、例えばアクリル樹脂やポリカーボネート等の合成樹脂により形成されており、入射面206に入射した光を、直接または内部で反射させた後に該導光板205の正面から出射させる。なお、図2に示したもの以外の任意の形状を有する導光板を用いることが可能である。反射シート207は、該シートに入射した光を乱反射させて導光板205の正面から出射させる。
【0032】
反射板204は、LED202により出射された光のうち、導光板205の入射面206に直接入射しない光、および、光学素子203を通過しても入射面206に直接入射しない光を、反射させて入射面206に入射させる。また、この反射板204は、該反射板に入射する光を散乱(拡散)させることにより、導光板205の入射面206全域における照度を均一にする。この反射板204については、例えば、アルミニウム等の任意の材料で構成された板の表面上に、所望の反射率を有する反射材料を塗布することにより、形成することができる。
【0033】
なお、ここでは、LED202が発した光の利用効率を高めるために、図2に示すように、入射面206とLED202との間の空間を囲むように反射板204を設ける例を示しているが、その他の任意の構成を有する反射板を用いることも可能であることはいうまでもない。
【0034】
次いで、上記構成を有するバックライト装置の光学的動作について、図2に加えて図3を参照して説明する。図3は、本発明の実施の形態1にかかるバックライト装置におけるLEDが発した光の作用を示す模式図である。なお、図3における図2と同一の構成要素に対しては、図2におけるものと同一の符号が付されている。
【0035】
LED202が発した光の多くは、図3に示すように、光学素子203に直接入射する。LEDは、一般的に、光軸中心に近い部分で光線が密となり光軸中心から遠い部分で光線が疎となるような放射特性(配向パターン)を有する。なお、光軸中心からある一定の距離までは、光線の密度すなわち照度が均一となる。このようなLEDの特性によって、図3に示すように、光学素子203における光軸中心に近い部分では、入射する光線が密となる、すなわち、照度が高くなり、逆に、光学素子203における光軸中心から遠い部分では、入射する光線が疎となる、すなわち、照度が低くなる。
【0036】
したがって、光学素子203を設けず、LED202が発した光の多くが直接導光板205の入射面206に入射すると仮定すれば、LED202の上述したような特性によって、図4における曲線401で表現される照度分布、すなわち、光学素子が設けられていない場合の照度分布に示すように、入射面206における光軸中心に近い部分では照度が高くなり、逆に、入射面206における光軸中心から遠い部分では照度が低くなる傾向がある。すなわち、入射面206に均一な光を供給することが困難となる。なお、図4では、横軸は光軸中心からの距離を示し、縦軸は入射面における相対照度を示している。
【0037】
そこで、本実施の形態では、LED202が発した光の強度に応じて、該光の屈折特性を変化させる光学素子203を設けている。具体的には、LED202の光軸からの距離に応じて、該LED202が発した光の屈折特性を変化させる光学素子203を設けている。一実施形態として、光学素子203がないとした場合に入射面206における照度が基準値より高くなるであろう部分に入射する光の一部を入射面206における照度が基準値より低くなるであろう部分に入射させるように、入射する光を屈折させる光学素子203を、LED202と導光板205との間に設けている。別言すれば、LED202の光軸から所定距離内では、入射面206に照射される光の密度を低下させる光学素子203を、LED202と導光板205との間に設けている。
【0038】
具体的には、図4に着目すれば、光学素子203がないとした場合に入射面における照度が基準値(ここでは相対照度Z)より高くなるであろう部分、すなわち、入射面における光軸距離A〜―Aに対応する部分に入射する光の一部(すなわち、図4における斜線403に対応する光)を、入射面における照度が基準値(ここでは相対照度Z)より低くなるであろう部分、すなわち、入射面における光軸距離A〜Bに対応する部分および入射面における光軸距離―B〜―Aに対応する部分に入射させるように、光学素子203を設ける。これにより、光学素子203を設けた場合の照度分布は、破線402により表現される。なお、横軸と曲線401とにより囲まれた部分の面積と、横軸と破線402とにより囲まれた部分の面積とは等しくなっている。
【0039】
別言すれば、入射する光を導光板205の長辺の方向へ光を広げるように屈折させる光学素子203を設ける。この様子を図5に示す。図5は、光学素子203を通過した光により照射される入射面206の範囲の具体例を示す模式図である。なお、図5には、説明の簡略化のために反射板204を用いていない場合の様子が示されている。LED202は、入射面206における位置503に対向する基体201上に配置されている。図5に示すように、LED202による本来の照射範囲501が導光板205の長辺の方向に広げられた照射範囲502となるように、光学素子203はLED202が発した光を屈折させる。
【0040】
なお、上述した基準値については、例えば、光学素子203を設けない場合の入射面における(例えば図4に示すような)照度分布、および、光学素子203を設けることにより入射面における均一となる照度、入射面206の面積等を含む様々な要素により、定めることができる。
【0041】
LED201が発した光をこのように屈折させるには、用いるLED202の配向パターン(光の指向性)等の様々な特性、LED202と導光板205との間の距離等の様々な要素を考慮して、光学素子203を構成する材料における各部の屈折率を決定する必要がある。このように各部の屈折率を決定するには、光学素子203を構成する材料における各部を異なる形状で形成させる手法を用いることもでき、光学素子203を構成する材料における各部を異なる材料で形成させる手法を用いることもでき、さらに各手法を組み合わせた手法を用いることもできる。
【0042】
ここでは、一例として、光学素子を構成する材料における各部を異なる形状で形成させる手法を用いる場合について、さらに図6を参照して説明する。図6は、本発明の実施の形態1にかかるバックライト装置における光学素子の具体的な構成例を示す模式図である。なお、図6において、導光板205および光学素子203については、それらの断面図が示されている。また、図6における図2と同一の構成要素に対しては、図2におけるものと同一の符号が付されている。図6において、光学素子203を設けない場合の光線は破線で表現され、光学素子203を設けた場合の光線は実線で表現されている。
【0043】
光学素子203は、光軸600を中心軸とする略円柱状の凹レンズ部604と、光軸600を中心軸とする少なくとも1つの略環状の凹レンズ部、すなわち、例えば略環状の凹レンズ部605〜610と、を組み合わせた形状を有する。この光学素子203は、例えば、プラスチックやガラス等の任意の材料を用いて、全体において均一となるように形成されている。
【0044】
凹レンズ部604は、光軸600を中心軸とし、半径x1を有する円柱状の凹レンズであって、上面を略平面とし底面を略凹面とする凹レンズである。この凹面は、所定の曲率半径を有する。
【0045】
凹レンズ部605は、光軸600を中心軸とし、内径x1および外径(x1+x2)を有する環状の凹レンズであって、上面を略凹面とし底面を略平面とする凹レンズである。同様に、凹レンズ部606〜610は、光軸600を中心軸とし、それぞれ、内径(x1+x2)および外径(x1+x2+x3)〜内径(x1+・・・+x6)および外径(x1+・・・+x7)を有する環状の凹レンズであって、上面を略凹面とし底面を略平面とする凹レンズである。なお、これら環状の凹レンズ部の凹面は、所定の曲率半径を有する。また、これら環状の凹レンズ部の底面は、凹レンズ部604の底面と略同一の平面に位置する。
【0046】
環状の各凹レンズ部の幅、すなわち、外径と内径との差は、光軸からの距離に応じて設けられている。ここでは、環状の各凹レンズ部の幅は、光軸からの距離が大きい凹レンズ部ほど、すなわち、大きい内径を有する凹レンズ部ほど、小さい幅を有するように設けられている。ここで、光軸600から各環状の凹レンズ部の方向(紙面上左側)へ向かって見れば、円柱状の凹レンズ部604も環状の凹レンズ部の一部としてみなすことができる。したがって、各凹レンズ部は、x1>x2>x3>x4>x5>x6>x7(式▲1▼)を満たすように、設けられている。円柱状の凹レンズ部604の半径、および、各環状の凹レンズ部の幅をこのように設けている理由は、以下の通りである。すなわち、図6でも明らかなように、光学素子203において、光軸600に近い部分ほど入射光の照度が高く、光軸600から離れた部分ほど入射光の照度が低い。よって、導光板205の入射面206における照度をより均一とするためには、LED202が発した光を単に発散させる凹レンズを設けるだけでは不充分であり、光軸600からの距離に応じて屈折の度合いを変化させる凹レンズ群を設ける必要がある。そこで、光軸600の距離に応じて光学素子203の屈折の度合いを変化させるために、上記式▲1▼を満たすように、円柱状の凹レンズ部604の半径、および、各環状の凹レンズ部の幅を設けている。
【0047】
各凹レンズ部は、凹レンズ固有の曲率半径を有することもできるが、ここでは、光学素子203の作製を容易とするために、凹レンズの曲面の曲率半径は、すべて略同一となっている。ここで、円柱状の凹レンズ部604の半径および各環状の凹レンズ部の幅を上記のように設定することに代えて、各凹レンズ部の凹面の曲率半径が凹レンズ部に固有の半径となるように、光学素子203を設けることもできる。これもまた、光軸600からの距離に応じて光学素子203の屈折の度合いを変化させることを意図したものであることはいうまでもない。
【0048】
なお、図6には、説明の簡略化のために、凹レンズ部605〜610の断面のうち、一方(紙面上左側)の部分のみが示され、他方(紙面上右側)の部分については、省略されている。当該部分についても、紙面上右隣に存在していることはいうまでもない。
【0049】
また、説明の簡略化のために、円柱状の凹レンズ部と少なくとも1つの環状の凹レンズ部とを結合した形状を有するものとして、光学素子203の形状を説明してきたが、光学素子203は、例えば一枚の板状の材料に対して切削および研磨等の任意の加工技術を施すことにより、図6に示すように作製される。
【0050】
以上のような構成を有する光学素子203によれば、光学素子203を構成する各凹レンズ部のうち、光学素子203がない場合に入射面206における照度が基準値より高くなる部分に入射する光を入射する部分(以下「特定レンズ部」という。)は、この入射する光を、この光学素子203がない場合に入射面206における照度が基準値より低くなる部分に入射させるように屈折させる。図6に示す例では、各特定レンズ部は、入射する光を入射面206の長辺方向、すなわち、矢印Yの方向に屈折させる。
【0051】
例えば、LED202が発した光のうち光路601−1を通る光は、光学素子203がない場合には、光路603−1を通って入射面206に入射する。ここで、光学素子203がない場合に入射面206における光路603−1を通る光が入射する部分の照度は、基準値より高いとする。よって、光学素子203における光路601−1を通る光を入射する凹レンズ部604は、特定レンズ部である。よって、この凹レンズ部604は、光路601−1を通って入射する光を、光学素子203がない場合に入射面206における照度が基準値より低くなる部分に入射させるよう屈折させる。この凹レンズ部604は、入射面206に照射される照射光の密度を低下させているということもできる。これにより、この凹レンズ部604を通った光は、光路603−1を矢印Yの方向に屈折させた光路602−1を通って入射面206に入射する。
【0052】
光路601−1を通る光を入射する凹レンズ部604だけでなく、光学素子203がない場合に入射面206における照度が基準値より高くなる部分に入射する光を入射するその他の特定部分(すなわち、凹レンズ部605)もまた、その入射する光が光学素子203のない場合に通る光路を矢印Yの方向に屈折させた光路を通るように、その入射する光を屈折させる形状を有する。
【0053】
他方、LED202が発した光のうち光路601−2を通る光は、光学素子203がない場合には、光路603−2を通って入射面206に入射する。ここで、光学素子203がない場合に入射面206における光路603−2を通る光が入射する部分の照度は、基準値より低いとする。よって、光学素子203における光路601−2を通る光を入射する凹レンズ部606は、特定レンズ部ではない。この凹レンズ部606は、例えば、光路601−2を通って入射する光を、光路603−2を矢印Yと逆の方向に屈折させた光路602−2を通るように屈折させる。この凹レンズ部606は、入射面206に照射される照射光の密度を増加させているということもできる。
【0054】
以上、光学素子203を構成する材料における各部を異なる形状で形成させて、図6に示すように、入射する光を屈折させる場合について説明したが、光学素子203を構成する材料における各部を異なる材料で形成させても、入射する光を同様に屈折させることも可能である。
【0055】
このような光学素子203をLED202と導光板205との間に設けることにより、図3および図6に示すように、導光板205の入射面206の略全域における照度が均一となる。
【0056】
次に、図2を参照するに、導光板205の入射面206に入射した光は、この導光板205を形成する材料を介して、直接導光板205の正面から出射する。あるいは、導光板205の入射面206に入射した光は、上記材料を介して、反射シート207に入射することにより乱反射した後、または、反射シート207への入射および乱反射を繰り返した後、導光板205の正面から出射する。以上、本実施の形態にかかるバックライト装置の光学的動作について説明した。
【0057】
次に、本実施の形態にかかるバックライト装置を備えたLCD表示装置について、図7を参照して説明する。図7は、本発明の実施の形態1にかかるバックライト装置を備えたモノクロ方式のLCD表示装置の具体例を示す模式図である。なお、図7における図2と同様の構成要素に対しては、図2におけるものと同一の符号が付されている。
【0058】
本実施の形態にかかるバックライト装置200の導光板205の正面に対向するように光学シート701が設けられる。この光学シート701に対してその背面が対向するように、すなわち、導光板205の正面に対してその背面が対向するように、モノクロ方式のLCDパネル702が設けられる。この構成によれば、導光板205の正面を出射した光は、光学シート701を通過することにより散乱された後、LCDパネル702の背面に供給される。上述したように、導光板205の入射面206の略全域において略均一な光が入射するので、光学シート701およびLCDパネル702の略全域に対しても略均一な光が入射するということはいうまでもない。この結果、LCDパネル702の表示面全域における明るさを略均一とすることができる。
【0059】
なお、本実施の形態では、LEDが一例として図3に示すような放射特性を有する場合について説明してきた。LEDがこれ以外の放射特性を有する場合であっても、LEDが発した光の強度に応じて該光を屈折させる光学素子203を用いることにより、導光板の入射面における照度を均一とすることができる。さらに、一実施形態として、光学素子がないとした場合に入射面における照度が基準値より高くなるであろう部分に入射する光の一部を入射面における照度が基準値より低くなるであろう部分に入射させるように、入射する光を屈折させる光学素子203を用いることにより、導光板の入射面における照度を均一とすることができる。
【0060】
以上のように、本実施の形態によれば、LEDのような発光素子と、該LEDが発した光の強度に応じてこの発光素子が発した光を屈折させる光学素子とを、該発光素子と導光板との間に設けることにより、導光板の入射面の略全域に対して略均一な光を供給することができるので、表示パネルの背面の略全域に対して均一な光を供給することができる。さらに、本実施の形態によれば、占める面積が大きくなるような光ファイバを用いるのではなく、LEDのような発光素子および光学素子を用いて導光板の入射面に光を入射させるので、バックライト装置の簡素化および小型化を図ることができる。よって、本実施の形態によれば、小型化を図りつつ、表示パネルの略全域に対して均一な光を供給することが可能なバックライト装置を提供することができる。
【0061】
(実施の形態2)
上記実施の形態1では、モノクロ方式のLCDに均一な光を供給することが目的であるので、例えば、赤色、緑色および青色等のいずれか1色の光を発するLEDを用いている。ところが、カラー方式のLCDに対しては白色の光を供給する必要がある。そこで、本実施の形態では、カラー方式のLCDに対して均一な白色光を供給する場合について、図8を参照して説明する。図8は、本発明の実施の形態2にかかるバックライト装置の構成を示す模式図である。なお、図8における図2と同一の構成については、図2におけるものと同一の符号を付して、詳しい説明を省略する。
【0062】
図8において、基体201の上面の略中央に、すなわち、導光板205の入射面206の中央部分に対向する基体201上に、緑色光を発するLED801−2が配置されている。さらに、基体201の上面において、LED801−2と所定間隔を隔てた位置に、赤色光を発するLED801−1および青色光を発するLED801−3が配置されている。好ましくは、LED801−1〜801−3は、本バックライト装置の構成を簡単にするために、略同一直線上に配置される。
【0063】
LED801−2と導光板205の入射面206との間には、光学素子802−2が設けられ、同様に、LED801−1(801−3)と入射面206との間には光学素子802−1(802−3)が設けられる。光学素子802−1〜802−3として、実施の形態1で説明した光学素子203と同様の性質を有する光学素子を用いることができる。例えば、光学素子802−2については、光学素子802−2がないとした場合に入射面206における緑色光の照度が基準値より高くなるであろう部分に入射する緑色光の一部を入射面206における緑色光の照度が基準値より低くなるであろう部分に入射させるように、入射する緑色光を屈折させる光学素子を用いる。同様に、光学素子802−1(802−3)については、光学素子802−1(802−3)がないとした場合に入射面206における赤(青)色光の照度が基準値より高くなるであろう部分に入射する赤(青)色光の一部を入射面206における赤(青)色光の照度が基準値より低くなるであろう部分に入射させるように、入射する赤(青)色光を屈折させる光学素子を用いる。
【0064】
さらに具体的には、図8および図2(a)を比較すれば明らかであるように、LED801−2およびLED202が配置される位置は相互に略同一であるので、LED801−2としては光学素子203をそのまま利用することができる。
【0065】
一方、LED801−1は、LED801−2と異なり、基体201の上面の中央には配置されていない、すなわち、基体201の上面における中央から一端方向へ所定間隔を隔てた位置に配置されている。よって、光学素子802−1については、入射面206の略全域に対して略均一な赤色光を入射させるために、光学素子203に比べて、入射する光を導光板205の長辺の方向へさらに大きく広げて屈折させるように形成する必要がある。さらに、LED801−1が発した光をより効率的に利用するという観点から、単に入射する光を導光板205の長辺の方向へさらに大きく広げて屈折させるように形成するだけでなく、光学素子802−1がないとした場合に入射面206に直接入射しないであろう赤色光(すなわち、紙面上左側へ放射する赤色光)をより入射面206方向(すなわち、紙面上右方向)に向かうように、入射する赤色光を屈折させるよう、光学素子802−1を形成することが好ましい。
【0066】
他方、LED801−3は、LED801−2を基準として、LED801−1と逆の位置に配置されている。よって、光学素子802−3については、この位置関係を考慮した上で、光学素子802−1と同様に形成することができる。
【0067】
この構成によれば、赤色光、緑色光および青色光は、それぞれ、導光板205の入射面206の略全域に対して略均一に入射しうる。ただし、入射面206の略全域における各色光毎の照度が均一であったとしても、LED801−1〜801−3のそれぞれの位置関係、または、光学素子802−1〜802−3のそれぞれの位置関係によっては、各色光の照度の高さがすべて等しいとは限らない。すなわち、入射面206の略全域における各色光毎の照度は均一であったとしても、緑色光の照度が、赤色光および青色光の照度よりも高くなるかもしれない。よって、この場合には、各色光の照度の高さがすべて等しくなるように、LED801−1〜801−3のそれぞれの発光強度を個別に設定することができる。
【0068】
以上のような構成によれば、入射面206に入射した各色の光は、この入射面の付近または導光板205の内部で互いに混じり合うことにより、カラー方式のLCDに供給するのに適した白色光が生成される。
【0069】
なお、本実施の形態では、説明の簡単化のために、各色に対応するLEDを1つずつ用いる場合について説明したが、各色毎に複数のLEDを用いることが可能であることはいうまでもない。具体的には、白色光を供給するLCDパネル(小型ディスプレイ〜大型ディスプレイ)の大きさに応じて、各色毎に用いるLEDの数を増加させることができる。この場合には、図8に示したように1つのLEDを1つの光学素子に対応させて設けることもできるが、複数のLEDを1つの光学素子に対応させて設けることもできる。いずれの手法を用いる場合であっても、対応する1つまたは複数のLEDの放射特性と、該LEDと導光板の入射面との間の位置関係とに基づいて、当該光学素子がないとした場合に入射面における照度が基準値より高くなるであろう部分に入射する光の一部を入射面における照度が基準値より低くなるであろう部分に入射させるように、入射する光を屈折させるよう各光学素子を設けて、入射面における各色光の照度を均一とすることが好ましい。さらに入射面における各色光の照度の高さがすべて等しくなるように、各LEDの発光強度、および、各LEDと入射面との間の距離を、必要に応じて適宜設定することもできる。
【0070】
なお、光学素子間に隔てる距離については限定はない。光学素子間に所定の距離を隔てることもできるし、複数の光学素子を連結してレンズアレイのように1つのレンズとして構成することもできる。
【0071】
さらに、本実施の形態では、複数のLEDの放射特性と、該LEDと導光板の入射面との間の位置関係とを容易に考慮できるようにするために、これら複数のLEDを略同一直線上に配置する場合について説明したが、複数のLEDの配置場所について特に限定はない。
【0072】
また、本実施の形態にかかるバックライト装置を備えたLCD表示装置は、図7におけるバックライト装置200に代えて本実施の形態にかかるバックライト装置を設けることにより、実現することができる。
【0073】
以上のように、本実施の形態によれば、LEDのような発光素子と、この発光素子が発した光を屈折させる光学素子とを、該発光素子と導光板との間に設けることにより、導光板の入射面の略全域に対して略均一な光を供給することができる。さらに、導光板の入射面の略全域において各色(赤色、緑色および青色)の光の輝度をすべて略均一とすることもできるので、表示パネルの背面の略全域に対して均一な白色光を供給することができる。さらに、本実施の形態によれば、占める面積が大きくなるような光ファイバを用いるのではなく、LEDのような発光素子および光学素子を用いて導光板の入射面に光を入射させるので、バックライト装置の簡素化および小型化を図ることができる。よって、本実施の形態によれば、小型化を図りつつ、表示パネルの略全域に対して均一な白色光を供給することが可能なバックライト装置を提供することができる。
【0074】
なお、上述した実施の形態1でも、説明を簡単にするために、LEDと光学素子とを1つずつ設ける場合について説明したが、本実施の形態で説明したように複数のLEDおよび複数の光学素子を用いることができることはいうまでもない。実施の形態1では、モノクロ方式のLCDに対して光を供給することを目的としているので、バックライト装置の構成を簡単にするためには、ある1色のLEDを1つ以上用いることが好ましいであろう。
【0075】
上述した実施の形態1および実施の形態2において、光学素子がないとした場合に入射面における照度が基準値より高くなるであろう部分に入射する光の一部を入射面における照度が基準値より低くなるであろう部分に入射させるように、入射する光を屈折させる光学素子を形成するということは、反射板を用いている際には、LEDが発した光のうち反射板を反射して入射面に入射する光による影響をも考慮して光学素子を形成するということを、当然に含んでいる。以下、この点について図9を参照して説明する。図9は、一般的なLEDが発した光による入射面における照射範囲の一例を示すグラフである。図9において、横軸は光軸中心からの距離を示し、縦軸は入射面における相対照度を示している。
【0076】
図9に示すように、一般的なLEDの照度分布において、入射面における光軸中心からある距離(図9では距離X)までは照度が一定となっていることがわかる。すなわち、一般的なLEDの均一照度面は、半径をXとする円形となる。ところが、導光板の入射面は円形ではなく長方形であるので、このLEDを用いてそのまま導光板の入射面に入射させると、LEDが発した光の一部は、導光板の入射面に直接入射せずにこの入射面からはみ出すことになる。よって、LEDが発した光のロスが大きくなる。そこで、このロスを抑えるために、はみ出した光を再度入射面に入射させるように一般的に反射板が用いられる。この結果、入射面において直接入射した光と反射板を反射して入射した光とが重なることにより、この重なった領域の照度が高くなるので、上記ロスは低減されるということができる。しかしながら、LEDの均一照射面がもともと円形であることに起因して、上記のような直接入射した光と反射板を反射して入射した光とが重なる部分は、入射面における中心部分に集中する傾向がある。このため、入射面の中心に近い部分の照度はその他の部分に比べて高くなる。この様子は、先に用いた図4にも現われている。結果として、反射板を用いることによって、上述したようなLEDの放射特性によってのみならず、反射板の影響によっても、入射面の略全域にわたって略均一な光を供給することが困難になってしまう。
【0077】
ところが、上述したように、実施の形態1および実施の形態2では、光学素子がないとした場合に入射面における照度が基準値より高くなるであろう部分に入射する光の一部を入射面における照度が基準値より低くなるであろう部分に入射させるように、入射する光を屈折させる光学素子203を形成する。ここで、「入射面における照度が基準値より高くなるであろう部分」には、上述したLEDの放射特性に起因する「入射面における光軸中心に近い部分」だけでなく、ここで説明した「入射面において直接入射した光と反射板を反射して入射した光とが重なる領域」も含まれることが明らかである。
【0078】
したがって、上記各実施の形態にかかるバックライト装置では、LEDが発した光のロスを低減するべく反射板を用いても、導光板の入射面の略全域に対して均一な光を供給することができる。なお、実施の形態2にかかるバックライト装置では、反射板に入射した光は該反射板によって拡散することにより、赤色光、緑色光および青色光の混ざり具合が良好となるので、より適正な白色光をLCDに供給することができる、ということはいうまでもない。
【0079】
上記各実施の形態では、説明の簡略化のために、光学素子に入射する光を入射面の長辺方向のみ(例えば図2(a)における紙面上左右方向のみ)に屈折させる場合について説明しているが、光学素子に入射する光を入射面の短辺方向(例えば図2(b)における紙面上左右方向)にも同様な手法で屈折させることも可能である。
【0080】
上記各実施の形態では、発光素子の一例としてLEDを用いた場合について説明してきた。しかしながら、本発明は、LEDに限らずその他の発光素子を用いた場合にも適用可能なものである。すなわち、本発明によれば、用いる発光素子からの強度に応じて該発光素子からの光の屈折特性を変化させる光学素子を設けることにより、該発光素子に対向する所定面における照度を均一とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術にかかるバックライト装置の構成を示す模式図
【図2】(a)本発明の実施の形態1にかかるバックライト装置を示す正面図
(b)本発明の実施の形態1にかかるバックライト装置を示す側面図
【図3】本発明の実施の形態1にかかるバックライト装置におけるLEDが発した光の作用を示す模式図
【図4】光学素子を設けない場合における一般的なLEDが発した光による入射面における照射範囲の一例を示すグラフ。
【図5】本発明の実施の形態1にかかる光学素子を通過した光により照射される入射面の範囲の具体例を示す模式図
【図6】本発明の実施の形態1にかかるバックライト装置における光学素子の具体的な構成例を示す模式図
【図7】本発明の実施の形態1にかかるバックライト装置を備えたモノクロ方式のLCD表示装置の具体例を示す模式図
【図8】本発明の実施の形態2にかかるバックライト装置の構成を示す模式図
【図9】反射板を設けない場合における一般的なLEDが発した光による入射面における照射範囲の一例を示すグラフ
【符号の説明】
202、801−1〜801−3 LED
203、802−1〜802−3 光学素子
204 反射板
206 入射面
205 導光板
701 反射シート
702 LCDパネル
Claims (6)
- 発光ダイオードと、
該発光ダイオードから出力される光を該発光ダイオードに対向する所定面に導くように、該発光ダイオードと該所定面との間に設けられた光学素子と、を備え、
該光学素子が、同一の中心軸及び同一の曲率半径を有する複数の環状凹レンズ部であって、各々の環状凹レンズ部の外径が外側に隣接する環状凹レンズ部の内径と一致するように、かつ、各々の環状凹レンズ部の外径と内径との差が該環状凹レンズ部と前記中心軸との間の距離に反比例した大きさとなるように設けられた複数の環状凹レンズ部、を含んでいることにより、
前記発光ダイオードにより出力された光のうち、該複数の環状凹レンズ部における前記中心軸から所定の距離内の部分に入射した光は、前記中心軸から離れる方向に屈折させられ、前記複数の環状凹レンズ部における前記中心軸から所定の距離外の部分に入射した光は、前記中心軸に近づく方向に屈折させられるようになっており、
これによって、前記光学素子が前記所定面に照射される照射光の密度を均一にする、ことを特徴とするバックライト装置。 - 前記光学素子が、少なくとも1つの材料により形成されている、請求項1に記載のバックライト装置。
- 前記所定面と前記発光ダイオードとの間に設けられ、該発光ダイオードから出力される光を反射させる反射手段を備え、
前記光学素子は、前記発光ダイオードが発した光のうち前記反射手段を反射して前記所定面に入射する光による影響をも考慮して形成されている、請求項1又は請求項2に記載のバックライト装置。 - 前記発光ダイオードが、赤色光を発する発光ダイオードと、緑色光を発する発光ダイオードと、青色光を発する発光ダイオードと、を含む、請求項1から請求項3のいずれかに記載のバックライト装置。
- 請求項1から請求項4のいずれかに記載のバックライト装置の前記光学素子を介して光が供給されることにより画面表示を行う液晶表示手段を備えることを特徴とする液晶表示装置。
- 発光ダイオードと該発光ダイオードに対向する所定面との間に、同一の中心軸及び同一の曲率半径を有する複数の環状凹レンズ部であって、各々の環状凹レンズ部の外径が外側に隣接する環状凹レンズ部の内径と一致するように、かつ、各々の環状凹レンズ部の外径と内径との差が該環状凹レンズ部と前記中心軸との間の距離に反比例した大きさとなるように設けられた複数の環状凹レンズ部、を含む光学素子を配置する工程と、
前記発光ダイオードにより出力された光のうち、該複数の環状凹レンズ部における前記中心軸から所定の距離内の部分に入射した光を、前記中心軸から離れる方向に屈折させ、前記複数の環状凹レンズ部における前記中心軸から所定の距離外の部分に入射した光を、前記中心軸に近づく方向に屈折させることにより、前記所定面に照射される照射光の密度を均一にする工程と、
を含むことを特徴とするバックライト生成方法。
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