JP4394564B2

JP4394564B2 - 直下型バックライト

Info

Publication number: JP4394564B2
Application number: JP2004353843A
Authority: JP
Inventors: 篤史羽生
Original assignee: NEC LCD Technologies Ltd
Current assignee: Tianma Japan Ltd
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2024-12-07
Also published as: JP2006164719A

Description

この発明は、直下型バックライトに関する。

液晶表示装置等に用いられるバックライトとして従来知られるものに、サイドライト型のバックライトと、直下型のバックライトとがある。このうち直下型バックライトはサイドライト型よりも大型化に適しておりかつ高輝度を得やすい。
一般的な直下型バックライトは、光源と接近した対面状とされてかつその光源側から順に拡散板と光学シートとが設けられている。具体的には例えば特許文献１に示すように、光源（ランプ）と、開口部を有し光源が収容されているフレームと、フレームの開口部側に設けられて光源からの光を透過拡散させる拡散板と、拡散板に重ねて設けられる光学シートとを備えている。光源は、直線状の冷陰極管タイプの蛍光灯が用いられており、複数本が平行に設けられている。

特開２００４−１９２９１２号公報（図４）

直下型バックライトは高輝度を得るために極めて効率の良い構造であるが、光学シートと拡散板とのすぐ下部（奥部）にランプが配置されているためランプイメージが見えやすくなる。このランプイメージを改善するために光透過率の低い拡散板を使用することが考えられるが、輝度を低下させてしまうという問題点を有している。そして、輝度を高めるためにランプの本数を増加させるとコスト高となり、さらに発熱量が大きくなってこの直下型バックライトを液晶表示装置用として用いると液晶パネルの表示品位劣化の原因となる。なお、発熱対策として放熱板やフィンを採用するとコストが高くなる。または輝度を高めるためにランプの管電流を高くすることが考えられるが、ランプ寿命を短くしてしまうという問題点を有している。さらに、ランプイメージを改善するためにランプと拡散板との距離を離す構造が考えられるが、この場合製品厚さが厚くなり、液晶表示装置用の直下型バックライトとしての製品価値を低下させてしまう。つまり、ランプイメージを改善しつつ輝度を高めるという構造は非常に困難であり、これらを改善させるために拡散板において行う操作には限界がある。

この発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、ランプイメージを改善でき、かつ輝度を高め、視野角特性が広い直下型バックライトを提供することを目的とする。

前記目的を達成するためのこの発明の直下型バックライトは、光源と接近した対面状とされてかつ当該光源側から順に拡散板と光学シートとが設けられた直下型バックライトであって、前記光学シートの拡散板側となる裏面にレンチキュラーレンズが設けられ、この光学シートの発光側の表面にマイクロレンズが設けられていることを特徴としている。

このような構成の直下型バックライトによれば、拡散板の直下に光源が設けられていても、光学シートの受光面側となる裏面のレンチキュラーレンズにより、輝度を高めかつランプイメージが改善される。つまりレンチキュラーレンズにより、光源からの光を広い範囲で取り込むことができ輝度を高めることができる。さらに、高い拡散性を有しているため取り込んだ光の方向を広げることができる。従って、このレンチキュラーレンズにより輝度分布の均整度を高めることができかつ明るい発光面を得ることができる。
さらに、光学シートの発光面側となる表面のマイクロレンズにより輝度を向上させることができる。つまりレンチキュラーレンズにより取り込まれた多くの光に指向性を持たせることができ、正面輝度を特に向上させることができる。

また、前記レンチキュラーレンズは、断面湾曲形状とされた多数の単位レンズ条が並設されてなるのが好ましい。この構成によれば、光源から進入してくる光の角度が例えば平滑面では反射されてしまうような小さい入射角度（光が全反射されてしまう臨界角よりも小さい入射角度）であっても、断面湾曲形状とされているため実質の入射角度を臨界角よりも大きくできる。従って、レンチキュラーレンズは、幅広い範囲にわたって光を効率良く取り入れることができ、輝度を高めることができる。さらに、断面が湾曲形状であるため取り込まれた光は高い拡散性を有しており、広範囲に光を分散させて発光面側となる光学シートの表面における輝度分布の均整度を高めることができ、ランプイメージを改善できる。

また、前記レンチキュラーレンズピッチが２０μｍ以上５００μｍ以下とされているのが好ましい。この構成によれば、光源と拡散板とを接近させた場合でも、幅広い範囲にわたって光を効率良く取り入れることができかつ広範囲に光を分散させランプイメージを改善させることができる。つまり、直下型バックライトの厚さを薄くすることができる。

また、前記マクロレンズの底面は円形とされ、この底面の直径が２０μｍ以上５００μｍ以下とされているのが好ましい。この構成によれば、マイクロレンズの底面が円形となるようすることでマイクロレンズ同士が重なり合わないで配置される。これにより発光面の輝度を高めることができる。つまり、マイクロレンズ同士が重なり合うと輝度を低くしてしまう。また、マイクロレンズを千鳥状に配置させることにより、相互が接近した密の状態で多数のマイクロレンズを設けることができる。

また、前記光源が直線状の発光体とされ、前記レンチキュラーレンズの稜線の方向が前記発光体の長手方向に対して０°〜４５°の角度をもって配置されているのが好ましい。この構成によれば、発光体の長手方向とレンチキュラーレンズの稜線の方向とを一致させた場合に最も発光品位が良くなる。また、光源と拡散板との距離やランプイメージの状態に応じて相互の間に前記所定の角度（４５°以下）を設けることにより、ランプイメージを改善させることができると共に、発光品位を低下させることがない。

また、前記光源は、平行に配設された複数の直線状の発光体とされており、前記拡散板の発光側の面において、前記直線状発光体に近くて輝度の高い部分に対する、隣り合う前記直線状発光体の間に対応する位置であって当該直線状発光体から離れて輝度の低い部分の輝度の差の比が１％以上となるよう前記拡散板の光透過率が高められているのが好ましい。この構成によれば、拡散板の光透過率を高めることにより輝度を向上させることができる。しかも、輝度の高い部分と輝度の低い部分との輝度の差の（輝度が高い部分に対する）比が１％以上とされても光学シートのレンチキュラーレンズによりランプイメージを改善させることができる。

また、前記光源は、平行に配設された複数の直線状の発光体とされており、前記拡散板の発光側の面において、前記直線状発光体に近くて輝度の高い部分に対する、隣り合う前記直線状発光体の間に対応する位置であって当該直線状発光体から離れて輝度の低い部分の輝度の差の比が１％以上となるよう前記光源と前記拡散板との距離を接近させているのが好ましい。この構成によれば、光源と拡散板との距離を接近させることにより直下型バックライト全体の厚さを薄くすることができる。しかも、光源と拡散板との距離が接近しても光学シートのレンチキュラーレンズによりランプイメージを改善させることができる。

本発明の直下型バックライトによれば、ランプイメージが改善されると共に輝度を高めかつ視野角特性を広くすることができる。また、直下型バックライト全体を薄型化させることができる。さらに、輝度を高めることができることにより光源の数を少なくさせたり、光源における消費電力を抑えることができる。つまり、低イニシャルコスト、低ランニングコストが可能となる。

以下、この発明の実施の形態について添付図面を参照しながら詳述する。
図１はこの発明の実施の一形態に係る直下型バックライトの概略を示す断面側面図である。この直下型バックライトは、光源（ランプ）１と、開口部９を有し光源１が収容されている薄い箱型のフレーム８と、フレーム８の開口部９側に設けられている拡散板２と光学シート（光学フィルム）３とを備えている。光源１は例えば冷陰極管タイプの蛍光灯（ＣＣＦＬ）が用いられる。そして、光源１側から順に拡散板２と光学シート３とが設けられている。光学シート３が重ねられた拡散板２は光源１と接近した対面状とされており、光源１が発光面（光学シート３）の直下に位置している。

拡散板２は、光源１が収容されているフレーム８の開口部９を施蓋するよう設けられている。拡散板２は光源１からの光を透過拡散させるものであり、拡散板２の材質は特に限定されないが、透過光拡散機能に優れかつ外方に対する遮熱性に優れたものが良い。具体的には白色系（乳白色）のポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリプロピレン樹脂等が好ましい。なお、外方とは、フレーム８の底壁１０側に設けられた光源１から開口部９側へ向かう方向であり、光源１からの発光面側へ向く方向である。

光学シート３は一枚のみが拡散板２の外方側面に重ねられて設けられており、図２又は図３に示すように、光学シート３の拡散板２側となる裏面３ｂにレンチキュラーレンズ４が設けられており、さらに、この光学シート３の発光側の表面３ａにマイクロレンズ５が設けられている。なお、レンチキュラーレンズ４は一般的に知られているものであるが、このレンチキュラーレンズ４は断面湾曲形状とされた多数の単位レンズ条が並設されてなるものである。つまり、一方向に断面形状が変化せずかつその断面形状が湾曲凸形状又は湾曲凹形状とされた単位レンズ条が多数平行に並んで設けられてなるレンズ集合体である。従って、断面形状が湾曲凸形状の場合（図２）はその頂部を通る線が稜線７とされる。また、断面形状が湾曲凹形状の場合（図３）は凹部の両側部において稜線７，７が形成される。

レンチキュラーレンズ４の単位レンズ条の断面形状は半円形状乃至円弧形状とされており、図２においては断面が湾曲凸形状の正レンチキュラーレンズ４とされており、図３においては断面が湾曲凹形状の逆レンチキュラーレンズ４とされている。レンチキュラーレンズ４は、その稜線７に直角な方向から進入する光を広範囲にわたって取り込むことができ、かつ取り込んだ光を多方向に屈折させることができ、発光面側に現れるランプイメージを改善させることができる。

このレンチキュラーレンズ４における作用を説明する。図４（ａ）は本発明のレンチキュラーレンズ４が形成された光学シート３の説明図であり、図４（ｂ）は比較例であり裏面３ｂが平滑面とされた光学シート３１の図である。なお、両者とも説明を容易にするため光源１と光学シート３，３１との間の拡散板２（図１参照）を省略している。また、光源１は複数本の直線状の発光体６とされており、これら直線状発光体６はフレーム８内に相互が平行となって収容されている。さらに、この発光体６の長手方向とレンチキュラーレンズ４の稜線７（単位レンズ条）とが平行となるようが配置されている。

図４（ａ）と図４（ｂ）において、発光体６から出た光は放射状に均等に出射される。図４（ｂ）の比較例においては光学シート３１の光の入射面が平滑面であるため、発光体６からの光のうち、範囲Ｌ２内の光は直接光学シート３１に取り込まれるが範囲Ｌ２外の光は全て反射される。これは光学シート３１の屈折率と空気の屈折率の差によるものであり、範囲Ｌ２外の入射角度の小さい（臨界角より小さい）光は全反射が生ずる。なお、破線は反射した光を表している。
一方、図４（ａ）の本発明においては、レンチキュラーレンズ４に入射する光は、光学シート３の光の入射面が平滑面ではなく断面湾曲形状とされているため、発光体６の長手方向に直交する方向（紙面の左右方向）において、図４（ｂ）で示した範囲Ｌ２よりも広い幅の範囲Ｌ１にわたって光を直接光学シート３に取り込むことができる。つまり、比較例のように発光体６からの光の角度が平滑面では反射されてしまうような小さい入射角度（光が全反射されてしまう臨界角より小さい入射角度）であっても、レンチキュラーレンズ４では断面湾曲形状とされているため実質の入射角度を臨界角よりも大きくできるからである。従って、レンチキュラーレンズ４は効率良く光を取り入れることができ、輝度を高めることができる。つまり、図４（ａ）と図４（ｂ）とにおいて、範囲Ｌ１と範囲Ｌ２は臨界角以上の光の入射角を有する範囲を示している。
さらに、レンチキュラーレンズ４の断面が湾曲形状であるため、取り込まれた光は高い拡散性を有しており光の広がりが大きく、広範囲に光を分散させることができる。従って、発光面側となる光学シートの表面３ａの輝度分布の均整度を高めることができ、ランプイメージを改善できる。

なお、図示しないが光学シート３の光の入射面側にレンチキュラーレンズ４ではなく四角錐形状のプリズムを設けた場合、取り込まれた光はある程度指向性を持って一方向に進むため、レンチキュラーレンズ４に比べて光の拡散性に乏しい。従って、ランプイメージを改善させる作用は小さく、さらに視野角が狭くなってしまう。またプリズムを用いると光学シート３が非常に高価なものとなってしまう。

そして、本発明においてこのレンチキュラーレンズ４の単位レンズ条のピッチＰが２０μｍ以上５００μｍ以下とされている。つまり、レンチキュラーレンズ４の稜線７，７のピッチＰを２０μｍ以上５００μｍ以下の範囲に設定している。このピッチＰが５００μｍを超えると、ランプイメージが見えやすくなり、また、レンズのピッチが見えてしまい品位を低下させるおそれがある。さらに、このピッチＰが２０μｍ未満であると、レンズの形状を出しにくく製作コストが高くなる。なお、レンチキュラーレンズ４はそのピッチＰが小さいほどランプの像の分解能が上がるが、ピッチＰが２００μｍ未満では分解能を上げる効果はさほど期待できない。従ってピッチＰの下限値は２００μｍとしてもよく、特に１００μｍ未満では同等品位となるため、下限値を１００μｍとすることもできる。

また、図５に示すように、マイクロレンズ５は、その底面が円形となるよう形成されており、同一面上に多数のマイクロレンズ５を千鳥状として配置することができる。マイクロレンズ５は、隣り合うマイクロレンズ５と重なり合わないで配置されており、また、相互が接するよう密に配置させてもよく、１つのマイクロレンズ５は隣接する６つのマイクロレンズ５と接するよう配置されている。これにより発光面（光学シート３の表面３ａ）における指向性を高めることができる。または図示しないが、多数のマイクロレンズ５を格子状に配置してもよい。そして、マイクロレンズ５の底面の直径ｄが２０μｍ以上５００μｍ以下とされている。直径ｄが５００μｍを超えると、マイクロレンズ５のエッジが高輝度化に効果を奏するため、品位ムラ（輝度のバラツキ）が生じ、マイクロレンズ５が目立ってしまい品位が悪くなる。また、直径ｄが２０μｍ未満となると、製作が困難となりコスト高となる。なお、マイクロレンズ５の底面の直径ｄは小さいほど発光面を均一の輝度にすることができるが、直径ｄが１００μｍ未満であると、この効果はさほど期待できず、直径ｄの下限値を１００μｍとしてもよい。

図２と図３に示すように、光学シート３は光透過率の高い透明な樹脂シートにより構成されており、平面状のシート本体１１の一面側に多数のマイクロレンズ５を連続して並んで設けており、シート本体１１の他面側にレンチキュラーレンズ４をその稜線７が一方向となるよう設けている。光学シート３の具体的な材質としては、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリメタクリル酸メチル樹脂、シクロオレフィンポリマ等とすることができる。
また、マイクロレンズ５、レンチキュラーレンズ４はシート本体１１に直接形成されてもよく、または、マイクロレンズ５及びレンチキュラーレンズ４を別部材のシートとして形成し、これをシート本体１１に貼り合わせて構成してもよい。さらに、この光学シート３の最大厚さｔは５０μｍ以上５００μｍ以下とされている。この厚さｔが５０μｍ未満であると薄すぎて撓みが生じ良好な輝度品位が得られないおそれがある。また、５００μｍを超えても良好な輝度品位が得られない。そして、この光学シート３は拡散板２のすぐ上に重ねて配置されており、本発明では光学シート３は１枚のみでよく、従来では２枚以上設けることが多かったが本発明では光学シート３の枚数を減らすことができる。

また図１と図６に示すように光源１は複数本の直線状の発光体６とされている。そして、これら直線状発光体６はフレーム８内に相互が平行となって収容されており、フレーム８の底壁１０内面に沿って設けられている。フレーム８の内面と光源１（複数の直線状発光体６）との間には図示しない反射層が設けられており外方へ向かって光を反射させている。つまり、フレーム８の底壁１０の内面、側壁１３の内面に反射シートを設けている。
そして、図６において矢印ａはレンチキュラーレンズ４の稜線７（図２又は図３参照）の方向を示しており、レンチキュラーレンズ４の稜線７の方向は発光体６の長手方向に沿うよう配置させるのが好ましいが、稜線７の方向を発光体６の長手方向に対して０°〜４５°の角度をもって配置させている。つまり、光学シート３を正面から見て、レンチキュラーレンズ４の稜線７の直線方向（矢印ａ方向）と、直線状の発光体６の長手方向とを同一方向、又は、所定角度Θで交差するよう構成している。レンチキュラーレンズ４の稜線７方向と発光体６の長手方向が同一方向の場合、最も発光品位が良くなる。また、光源１と拡散板２との距離や拡散板２におけるランプイメージの状態に応じて、相互の間に前記所定の角度Θ（４５°以下）を設けることにより、ランプイメージを改善できると共に発光品位を低下させることがない。つまり、前記所定角度Θが４５°を超えると発光品位を低下させるおそれがある。

図７は拡散板２上の発光側の面１２における輝度の高低を説明する説明図であり、二点差線により示す波形線ｅは発行側の面１２における輝度の高低を表している。つまり、光源１が、所定の間隔で平行に配設された複数の直線状の発光体６とされているため、拡散板２上の発光側の面１２において、直線状発光体６に近い部分（符号ｈの部分）は輝度が高いが、隣り合う直線状発光体６，６の間に対応する位置であって直線状発光体６から離れた部分（符号ｉの部分）は輝度が低くなり、これがランプイメージとして現れる。そして、本発明の拡散板２は、この輝度が高い部分と輝度が低い部分との輝度の差の、輝度が高い部分に対する比（百分率）が１％以上となるよう拡散板２の光透過率を高めている。輝度が高い部分の輝度をｍとし輝度の低い部分の輝度をｎとした場合、（ｍ−ｎ）／ｍ×１００≧１（％）となるよう拡散板２の光透過率を高めている。つまり、拡散板２の光透過率を高めると拡散板２の発光側の面１２において発光体６に近い部分（符号ｈ）はより輝度が高まり、発光体６から離れている部分（符号ｉ）の輝度との差が大きくなる。そこで、本発明では、できるだけ拡散板２の光透過率を高めて全体の輝度を向上させつつ、光学シート３のレンチキュラーレンズ４により輝度の差によるランプイメージを改善させている。さらに、輝度の差の比が５％以下となるよう光透過率を設定するのが好ましく、輝度の差の比が５％を超えると、本発明の光学シート３を設けていてもランプイメージを改善させるのが困難となってしまう。なお、具体的な拡散板２の光透過率は５０％以上９０％以下とすることができる。

さらに、本発明の直下型バックライトは、拡散板２上の発光側の面１２において、直線状発光体６に近くて輝度の高い部分に対する、隣り合う直線状発光体６，６の間に対応する位置であって直線状発光体６から離れて輝度の低い部分の輝度の差の比が１％以上となるよう光源１と拡散板２との距離を接近させている。つまり、光源１（直線状発光体６）と拡散板２との距離を接近させると拡散板２の発光側の面１２において発光体６に近い部分（図７の符号ｈ）はより輝度が高まり、発光体６から離れている部分（符号ｉ）の輝度との差が大きくなる。そこで、本発明では、発光体６と拡散板２との距離を接近させて全体の輝度を向上させつつ、光学シート３のレンチキュラーレンズ４によりこの輝度の差によるランプイメージを改善させている。これにより直下型バックライト（フレーム８）の厚さを薄くすることができる。

さらにこの直下型バックライトは、拡散板２上の発光側の面１２において、直線状発光体６に近くて輝度の高い部分に対する、隣り合う直線状発光体６，６の間に対応する位置であって直線状発光体６から離れて輝度の低い部分の輝度の差の比が１％以上となるよう複数の直線状発光体６の間隔を広げている。つまり、直線状発光体６の本数を減少させている。そして、直線状発光体６の数を減らして省電力化を図りつつ、光学シート３のレンチキュラーレンズ４によりランプイメージを改善させている。

次に、本発明の直下型バックライトと、従来の直下型バックライトとの比較について説明する。本発明のものは図１及び図２に示した直下型バックライトであり、光源１側から順に拡散板２と光学シート３とが設けられており、光学シート３の裏面３ｂにレンチキュラーレンズ４が設けられ、表面３ａにマイクロレンズ５が設けられている。また、従来例としては、本発明の光学シート３の変わりに２枚の光学シート（ＢＳ７００：恵和株式会社製）を設けたものである。そして、両者とも光源１となる直線状発光体６をΦ３ｍｍのものとし、直線状発光体６の間隔を２４ｍｍとしている。本発明はフレーム８の底壁１０から拡散板２までの距離を１５ｍｍとし、従来例はその距離を１８ｍｍとした。なお、フレーム８の底壁１０から直線状発光体６の中心までの距離を１．５ｍｍとしている。拡散板２は両者とも同一のものとした（ＲＭ４０１：住友化学株式会社製）。
発光品位は両者とも良好であったが、輝度については従来例が７５００ｃｄ／ｍ^２であるのに対して本発明のものは１１０８０ｃｄ／ｍ^２であり、本発明の直下型バックライトは、発光品位が良好であり輝度を高くすることができた。さらに、薄型化させてもランプイメージを改善させることができた。

また、本発明の直下型バックライトは、図示する形態に限らずこの発明の範囲内において他の形態のものであっても良い。また、上述した実施の形態は液晶表示装置用の直下型バックライトを例示したが、これ以外にライトボックスやシャウカステン等にも用いることができる。

本発明の実施の一形態に係る直下型バックライトの概略を示す断面側面図である。光学シートを説明するための模式図である。光学シートの変形例を説明するための模式図である。レンチキュラーレンズの作用を説明する説明図であり、（ａ）は本発明の光学シートを示し、（ｂ）は比較例を示す。光学シートの拡大平面図である。直下型バックライトの概略を示す平面図である。拡散板の発光側の面における輝度の高低を説明する説明図である。

符号の説明

１光源
２拡散板
３光学シート
３ａ表面
３ｂ裏面
４レンチキュラーレンズ
５マイクロレンズ
６発光体
７稜線
１２拡散板の発光側の面
ｄ直径
ｐピッチ

Claims

光源と接近した対面状とされてかつ当該光源側から順に拡散板と光学シートとが設けられた直下型バックライトであって、前記光学シートの拡散板側となる裏面にレンチキュラーレンズが設けられ、この光学シートの発光側の表面にマイクロレンズが設けられていることを特徴とする直下型バックライト。
前記レンチキュラーレンズは、断面湾曲形状とされた多数の単位レンズ条が並設されてなる請求項１に記載の直下型バックライト。
前記レンチキュラーレンズのピッチが２０μｍ以上５００μｍ以下とされている請求項１又は２に記載の直下型バックライト。
前記マクロレンズの底面は円形とされ、この底面の直径が２０μｍ以上５００μｍ以下とされている請求項１〜３のいずれか一項に記載の直下型バックライト。
前記光源が直線状の発光体とされ、前記レンチキュラーレンズの稜線の方向が前記発光体の長手方向に対して０°〜４５°の角度をもって配置されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の直下型バックライト。
前記光源は、平行に配設された複数の直線状の発光体とされており、前記拡散板の発光側の面において、前記直線状発光体に近くて輝度の高い部分に対する、隣り合う前記直線状発光体の間に対応する位置であって当該直線状発光体から離れて輝度の低い部分の輝度の差の比が１％以上となるよう前記拡散板の光透過率が高められている請求項１〜５のいずれか一項に記載の直下型バックライト。
前記光源は、平行に配設された複数の直線状の発光体とされており、前記拡散板の発光側の面において、前記直線状発光体に近くて輝度の高い部分に対する、隣り合う前記直線状発光体の間に対応する位置であって当該直線状発光体から離れて輝度の低い部分の輝度の差の比が１％以上となるよう前記光源と前記拡散板との距離を接近させている請求項１〜５のいずれか一項に記載の直下型バックライト。