JP4499750B2 - 光混合性能が向上されたバックライトユニット - Google Patents

Description

本発明は、多数の光学素子を用いた液晶表示装置（以下、ＬＣＤとする）バックライトユニット（ｂａｃｋｌｉｇｈｔ ｕｎｉｔ）に関するものであって、より詳細には、光学素子から出力された光を効果的に分散させて相互混合することにより、色むらが無く均一な白色光が得られる光混合性能が向上されたバックライトユニットに関する。

従来のＬＣＤバックライトの光源として使用された冷陰極蛍光ランプ（Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ：ＣＣＦＬ、以下ＣＣＦＬとする）は、水銀ガスを使用するため環境汚染を引き起こすことができ、応答速度が遅く、色再現性が低いと共にＬＣＤパネルの軽薄短小化に適していないという短所を有する。

これに比べＬＥＤは、親環境で、応答速度が数ナノ秒と高速応答が可能で、ビデオ信号ストリームに効果的である。また、インパルシブ（Ｉｍｐｕｌｓｉｖｅ）駆動が可能で、色再現性が１００％以上で、赤色、緑色、青色ＬＥＤ素子の光量を調整して輝度、色温度などを任意で変更することが出来ると同時に、ＬＣＤパネルの軽薄短小化に適した長所を有するので、最近ＬＣＤパネルなどのバックライト用光源として積極的に採用されている実情である。

このようにＣＣＦＬまたはＬＣＤバックライトは、ＬＣＤパネルとほぼ同一の面積を有する面光源から直接ＬＣＤパネルの前面へ光を照射する方式を採択したものである。

従来のＬＣＤバックライト２００は、図１に図示された通り、多数の緑色、青色、赤色ＬＥＤの光学素子２１０が配列された面光源２２０を設け、その上部側には上記面光源２２０から入射された光を外部へ出力させる光学シート２３０を含んでいる。

上記従来のＬＣＤバックライト２００において、面光源２２０の上部側に配置された光学シート２３０は、上記光学素子２１０から入射された光を均一に拡散させる拡散シート２３６を含み、上記拡散シート２３６から拡散された光を上記ＬＣＤパネル２１０の平面に垂直の方向に集光する少なくとも一つの集光シート２３８等を含む。

さらに、このような従来のＬＣＤバックライトユニット２００は、上記集光シート２３８上に配置され、下部の光学構造物を保護するための保護シート２４０をさらに含むことが出来る。

また上記面光源２２０は、基板２５０の上面に形成され光学素子２１０から放出された光を上部へ反射する反射層２５６を具備する。

従って、上記のような従来のＬＣＤバックライト２００は、図２に図示された通り、赤色、緑色、青色の光を混合して白色光を生成するために、多数の光学素子２１０が配列された面光源２２０を採用し、その上部側に光学シート２３０を固定したものである。

このような従来のＬＣＤバックライト２００は、面光源２２０の光学素子２１０から放出された光が光学シート２３０を通過し外部へ出力される過程において、光学素子２１０が位置した部分とそれ以外の部分での出力光量の差がひどく、色むらが生じるものであった。

即ち、従来のＬＣＤバックライト２００は、製品競争力を具備するためには、製品の原価の側面での競争力と共に、品質の側面でも競争力を有すべきであり、その一つが色むらの無い均一な白色光を出力できる能力である。

従って、従来のＬＣＤバックライト２００は、原価の側面での製品競争力を有するためには、単位面積当たり少ない数の光学素子２１０を備えることが好ましく、これによって光学素子２１０との間のピッチ間隔（Ｄ）は大きくなる。

このように光学素子２１０のピッチ間隔（Ｄ）が大きくなると、図２に図示された通り、光学素子２１０との間の空間から出力される光量は、光学素子２１０の直上部側の光量より非常に少なくなり、従来のＬＣＤバックライトの面光源２２０は、色むらと共に均一な白色光を出力することが出来ない。

即ち、従来のＬＣＤ用バックライト２００は、光学素子２１０から出力された光量の殆どが光学シート２３０を通過する過程で、殆どがそのまま通過して外部へ出力される。

光学シート２３０が光学素子２１０からの光を分散させて相互混合させる機能をしてはいるが、その効果は少ない。

従って、図２にグラフで図示された通り、従来のＬＣＤ用バックライト２００の場合、光学素子２１０の直上部（Ｐ１）と、上記光学素子２１０の間の空間部分（Ｐ２）の光量の差が大きく存在し、色むらと均一な白色光の分布を得られないという問題点を有する。

本発明は、上記のような従来の問題点を解消するためのものであって、その目的は、光学素子から出力された光を効果的に分散させて相互混合することにより、色むらが無く均一な白色光が得られる光混合性能が向上されたバックライトユニットを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、面光源上において色むらが無く均一な白色光が得られることにより、完成品の品質を大きく高めることができ、製品競争力が向上できる光混合性能が向上されたバックライトユニットを提供することにある。

上記のような目的を達成すべく、本発明は、多数の光学素子から出力された光を光源として使用するバックライトユニット（ＢＬＵ）において、
上記多数の光学素子が装着され反射面を有する面光源と、
上記面光源の前方側に配置された光学シートと、
上記面光源と光学シートとの間に配置され上記光学素子からの光入射角に応じてその反射率が異なる反射層と、を設けて上記光学素子から出力された光を混合するよう構成されることを特徴とする光混合性能が向上されたバックライトユニットを提供する。

また好ましくは、上記光学シートは、ＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙ Ｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）シートから成り、上記反射層は上記光学シートに被覆形成されたものであることを特徴とする光混合性能が向上されたバックライトユニットを提供する。

また本発明は、好ましくは、上記光学素子の上部側に透明材料の蓋を形成し上記蓋に反射層を被覆したものであることを特徴とする光混合性能が向上されたバックライトユニットを提供する。

また好ましくは、上記蓋は、水平の上部面を形成し、上記上部面に反射層を被覆したものであることを特徴とする光混合性能が向上されたバックライトユニットを提供する。

また好ましくは、上記反射層は、入射角が小さい光線は反射し、入射角が大きい光線は通過させることを特徴とする光混合性能が向上されたバックライトユニットを提供する。

また好ましくは、上記反射層は、上記光学素子からの光入射角が０°の場合９０％を反射し１０％を透過させ、６０°の場合３０％を反射し７０％を透過させ、９０°の場合５％を反射し９５％を透過させることを特徴とする光混合性能が向上されたバックライトユニットを提供する。

本発明によると、光学素子から出力された光を入射角に応じて反射率が異なる反射層によって効果的に分散させて相互混合することにより、色むらが無く均一な白色光が得られる効果がある。

また本発明は、面光源上において色むらが無く均一な白色光が得られることにより、バックライトユニットの完成品の品質を大きく高めることができ、原価及び品質の側面での製品競争力を大きく向上させることが出来る。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照にさらに詳しく説明する。
本発明による光混合性能が向上されたバックライトユニット１は、図３に図示された通り、多数の光学素子１０が装着され反射面１２が備えられた面光源２０を有する。

上記面光源２０は、上記光学素子１０が装着された背面に反射面１２を形成して上記光学素子１０から出力された光をその前面に反射させる。

上記において光学素子１０は、ＬＥＤ素子だけでなく、ランプ（Ｌａｍｐ）のような素子を含む。

そして、本発明による光混合性能が向上されたバックライトユニット１は、上記面光源２０の前方側に配置された光学シート３０を備え、上記光学シート３０は好ましくはＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙ Ｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）シートから成り、上記光学シート３０に反射層３２が被覆形成されたものである。

上記反射層３２は、上記面光源２０と光学シート３０との間に配置され入射角（θ）が小さい光線は反射し、入射角（θ）が大きい光線は通過させる。

このような反射層３２は、図３及び図４に図示された通りである。
即ち、光学素子１０から出射された光は、その前方側の反射層３２に対して入射角（θ）を形成しながら進入する。上記において入射角（θ）は、上記反射層３２の平面に対して垂直の方向と上記光学素子１０から出射された光が形成される角度である。

このような入射角（θ）は、上記反射層３２において各々上記光学素子１０から出射された光の反射率を異なるようにする。

これは図４に図示された通り、入射角（θ）が小さいほど、即ち上記反射層３２の平面に対して垂直な方向に近づくほど上記反射層３２の反射率は高くなり、透過率は少なくなる。ところが、上記入射角（θ）が大きいほど、即ち上記反射層３２の平面に近付いて入射するほど上記反射層３２の反射率は少なくなり透過率は大きくなる。

例えば本発明は、好ましくは、上記反射層３２が上記光学素子１０からの光入射角（θ）が０°の場合９０％を反射し１０％を透過させ、６０°の場合３０％を反射し７０％を透過させ、９０°の場合５％を反射し９５％を透過させるものに形成されることが出来る。

このように入射角（θ）によって反射率が異なる反射層３２は、光学素子１０からの光を相互混合して色むらを減少させるにおいて非常に効果的である。

光学素子１０から光学シート３０へ入射される光は、図３に図示された通り、入射角（θ）の大きさによって一部は透過して残りは反射層３２で反射される。上記反射層３２で１回反射された光は、面光源２０の反射面１２へ入射されて透過することなく上記光学シート３０側へ２回反射される。

また、上記光学シート３０側に２回反射される光は、入射角（θ）の大きさによって一部は透過されて残りは上記反射層３２へ反射され、上記反射面１２に３回反射された後に上記光学シート３０側へ戻る。

これによって、上記光学素子１０とこれに隣接する光学素子から出力される光は、入射角（θ）によって反射率が異なる反射層３２により効果的に分散されて相互に混合されるので、均一な白色光を形成することになる。

本発明による光混合性能が向上されたバックライトユニット１は、図５に図示された通り、光学素子１０との間の空間部分（Ｐ２）から出力される光量が光学素子１０直上部分（Ｐ１）側の光量とその差が著しく減少し、その結果、色むらが少なくなり均一な白色光を出力することが出来る。

図６には、本発明による光混合性能が向上されたバックライトユニット１の変形実施例が図示されている。

本発明による光混合性能が向上されたバックライトユニット１は、上記光学素子１０の上部側に透明材料の蓋５０を形成し上記蓋５０に反射層３２を被覆した構造である。

上記蓋５０は、光学素子１０の上部側に形成されたものであって、透明な材料で形成されることにより光学素子１０の光が透過することが出来る。また、上記蓋５０は、水平構造の上部面を形成し、上記上部面に反射層３２を被覆したものである。

このような構造は、光学シート３０とは別個で蓋５０を形成し、この蓋５０に反射層３２を形成したものであって、図３の構造に関して説明した構造と等しい効果を得ることが出来る。

即ち、蓋５０内の光学素子１０から出射された光のうち、入射角（θ）が小さいのはその一部のみ反射層３２を透過し、残りは反射層３２から反射面１２へ戻った後、再び反射層３２に入射され、また反射層３２からその一部分の光量が透過され、残りはまた２回反射される。

このように２回次で反射された光は、再度反射面側へ向かうようになり、反射面１２によって３回次で反射され透明材料から成る蓋５０を通過し光学シート３０側へ向かって出力される。

従って、図５に図示されたような本発明による光混合性能が向上されたバックライトユニット１は、光学素子１０との間の空間部分（Ｐ２）から出力される光量が光学素子１０の直上部部分（Ｐ１）側の光量とその差が著しく減少する。その結果、本発明による光混合性能が向上されたバックライトユニット１は、色むらが少なくなり均一な白色光を出力することが出来る。

本発明の効果をより具体的に分かるため一連の実験を行った。
本発明と従来技術の比較実験は、コンピューター模擬実験（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）を通じて成されたものであって、本実験において使用されたソフトウェアはＳＰＥＯＳ（Ｒａｙ Ｔｒａｃｉｎｇ Ｓｏｆｔｗａｒｅ）であった。

本発明と比較される従来の技術は、図３に図示された構造から反射層３２が除去されたものであって、光学素子１０が配置された面光源２０に１００％反射面１２が形成されたもので、上記反射面１２から光学シート３０までの高さ（Ｈ）は３０ｍｍであった。

上記において光学シート３０は、２ｍｍ厚さのＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙ Ｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）シートから成り、その表面特性は反射率２０％、透過率７０％、吸収率１０％であった。

また光学素子１０は、ＬＥＤ素子を利用したものであって、図７の（ａ）に図示されたような特定波長と、図７の（ｂ）に図示されたような指向角プロファイル（指向角当たり光量）を有するものであった。

また本発明に設けられた反射層３２は、上記光学シート３０に被覆形成されたものであって、上記反射層３２は光の入射角（θ）に応じてその反射率が異なるもので、上記光学素子１０からの光入射角（θ）が０°の場合９０％を反射し１０％を透過させ、６０°の場合３０％を反射し７０％を透過させ、９０°の場合５％を反射し９５％を透過させるものであった。

本発明の比較対象としては、光の入射角（θ）とは関係なく固定された割合の反射率を有する反射層３２を光学シート３０に形成したものであって、このような従来の反射率固定型反射層は8５％反射率と１５％の透過率を有するものであった。

その結果が図８に図示されている。
図８ａに図示された写真とグラフは、反射層を有しない従来の構造を図示したものであって、光学素子１０の直上部側に光量が集中され、光学素子１０との間の空間から出力される光量は少ないもので、その結果色むらが発生し均一な白色光を出力できないものであった。

図８ｂに図示された写真とグラフは、8５％の反射率と１５％の透過率を有する反射率固定型反射層３２を形成したものであって、光学素子１０の直上部側の光量が光学素子１０との間の空間へ多少分散され、光学素子１０の直上部側に出力される光量と光学素子１０との間の空間から出力される光量の差はある程度改善されてはいるが、依然として色むらが発生し均一な白色光を出力できないものであった。

図８ｃに図示された写真とグラフは、本発明による写真とグラフであって、光学素子１０の直上部側の光量が光学素子１０との間の空間へ大きく分散され、光学素子１０の直上部側に出力される光量と光学素子１０との間の空間から出力される光量の差が大きく改善され、色むらが殆ど発生せず均一な白色光が得られた。

上記の本発明は、特定の実施例に関して図示し説明されたが、これは単なる例示として本発明を説明するため記載されたもので、本発明をこのような特定構造で制限するのではない。当業界において通常の知識を有している者であれば、添付の特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域を外れない範囲内で本発明を多様に修正及び変更できることが分かる。しかし、このような修正及び変形構造は全て本発明の権利範囲内に含まれることを明らかにする。

従来の技術によるバックライトユニットを図示した分解断面図である。 従来の技術によるバックライトユニットにおいて、光学素子の直上部と光学素子との間の空間部分における光量の差を図示した説明図である。 本発明による光混合性能が向上されたバックライトユニットを図示した断面図である。 本発明による光混合性能が向上されたバックライトユニットに備えられた反射層の特性を図示したものであって、（ａ）図は入射角と反射率の比較グラフ図で、（ｂ）図は入射角による反射率と透過率を図示した図表である。 本発明によるバックライトユニットにおいて、光学素子の直上部と光学素子との間の空間部分における少なくなった光量の差を図示した説明図である。 本発明の変形実施例による光混合性能が向上されたバックライトユニットを図示した断面図である。 本発明による光混合性能が向上されたバックライトユニットの実験例から使用された光学素子の特性を示した図面として、（ａ）図は波長グラフ図で、（ｂ）図は指向角による光量プロファイルを図示したグラフ図である。 本発明による光混合性能が向上されたバックライトユニットの実験例から得られた結果を図示した写真及びグラフとして、従来技術によって得られた写真及びグラフ図である。 本発明による光混合性能が向上されたバックライトユニットの実験例から得られた結果を図示した写真及びグラフとして、比較対象に対する写真及びグラフ図である。 本発明による光混合性能が向上されたバックライトユニットの実験例から得られた結果を図示した写真及びグラフとして、本発明に対する写真及びグラフ図である。

符号の説明

１ 本発明による光混合性能が向上されたバックライトユニット
１０ 光学素子
１２ 反射面
２０ 面光源
３０ 光学シート
３２ 反射層
５０ 蓋
２００ 従来のＬＣＤバックライト
２１０ 光学素子
２２０ 面光源
２３０ 光学シート
２３６ 拡散シート
２３８ 集光シート
２４０ 保護シート
２５０ 基板
２５６ 反射層
Ｄ ピッチ間隔
Ｐ１ 光学素子の直上部
Ｐ２ 光学素子の間の空間部分
θ 入射角

Claims (4)

1. 多数の光学素子から出力された光を光源として使用するバックライトユニット（ＢＬＵ）において、
   前記多数の光学素子が装着され反射面を有する面光源と、
   前記面光源の前方側に配置された光学シートと、
   前記光学素子の側面にそれぞれ備えられる垂直構造の側壁と、前記側壁により保持され、前記光学素子の上部側に所定の高さで隔離されて配置され前記光学素子を内部に収容するように水平構造の上部面を形成する蓋と、
   前記面光源と光学シートとの間に配置され前記光学素子からの光入射角に応じてその反射率が異なる反射層と、を設け、
   前記蓋は透明材料からなり、表面に前記反射層を被覆して前記光学素子から出力された光を混合するよう構成されることを特徴とするバックライトユニット。
2. 前記光学シートは、ＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙ Ｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）シートから成り、前記反射層は前記光学シートに被覆形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載のバックライトユニット。
3. 前記反射層は、入射角が小さいほど光線の反射率は高くなり、透過率は少なくなることを特徴とする請求項１または２に記載のバックライトユニット。
4. 前記反射層は、前記光学素子からの光入射角が０°の場合９０％を反射し１０％を透過させ、６０°の場合３０％を反射し７０％を透過させ、９０°の場合５％を反射し９５％を透過させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のバックライトユニット。