JP4671342B2 - Backlight - Google Patents
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Description
本発明は、液晶表示装置等の受光型表示装置のバックライトに関し、特に携帯電話PDA等の小型液晶ディスプレイ等に用いる、光利用効率及び照明光の指向性を高めたバックライトに関する。 The present invention relates to a backlight of a light-receiving display device such as a liquid crystal display device, and more particularly to a backlight with improved light utilization efficiency and directivity of illumination light used for a small liquid crystal display such as a cellular phone PDA.
近来、蛍光表示管に比べ、寿命が長い、バックライト光の色度調整が容易等の利点があるため発光ダイオード(以下LEDと略記する)を光源としたバックライトが用いられ始めている。
図4は発光ダイオード(以下LEDと略記する)を用いたサイドライト型バックライトの従来例を示す図で、(a)が平面図、(b)が側面図である。
図4におけるバックライトは、複数のLED光源40を略直方体の導光板42の側面に配置し、該LED光源40の出射光が導光板42に入射し、導光板内で屈折を繰り返して伝播される。該伝播を繰り返すうちに、光の進行方向と導光板42の面とがなす角度が臨界角よりも小さくなり、導光板から光が出射する。導光板42から出射した光は、一般に表示装置とバックライト間に置かれたプリズムシートによって屈曲され表示装置側へと導かれる。 なお、図4(a)における点線はグルーブを示している。
このようにバックライトを薄型化するためLED光源を導光板の側面に置くのが一般的になっていた。
なお以下の図において、同様の部材には同様の番号を付している。
In recent years, backlights using light-emitting diodes (hereinafter abbreviated as LEDs) as light sources have begun to be used because they have advantages such as longer lifetime and easier chromaticity adjustment of backlight light than fluorescent display tubes.
4A and 4B are diagrams showing a conventional example of a sidelight type backlight using a light emitting diode (hereinafter abbreviated as LED), where FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a side view.
The backlight in FIG. 4 has a plurality of
As described above, in order to reduce the thickness of the backlight, the LED light source is generally placed on the side surface of the light guide plate.
In the following drawings, the same members are denoted by the same numbers.
しかしサイドライト型バックライトには特有の問題点がある、その状況を図5を用いて説明する。
図5は従来のサイドライト型バックライトの第1の問題点を説明する図で、LED光源40の出射光41は導光板42に入射し、大部分の入射光は導光板42の上面とグルーブ44を設けた導光板42の下面を屈折しながら伝播される。しかし図5に斜線で示した光46のように、導光板42の上下面に到達せずにそのまま導光板42を透過してしまう光が存在する。この光はLEDの出射光41中で最も強度が強く、結果としてLED40の光量に対するバックライトの光利用効率を悪いものにしてしまう。
また導光板42の右側端面43に反射層を設けて光46を反射して導光板42内に戻したとしても、該反射層での反射時の光損失が問題となり、バックライトの光利用効率を悪化させる方向に変わりはない。
However, there are problems inherent in the sidelight type backlight, and the situation will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a diagram for explaining the first problem of the conventional sidelight type backlight. The emitted light 41 of the
Further, even if a reflection layer is provided on the right end face 43 of the
LEDを直下型バックライトの光源に用いるという提案はあまりないが、上部におかれた液晶表示装置を照明するバックライトにおいて、光源の光が外部に漏れないように反射する反射板を設け、光源はバックライトの直下もしくはサイド部に設けて該光源と前記液晶表示装置との間にハーフミラーを置き、該ハーフミラーの透過率と反射率と部分的に異ならせることにより、バックライト全面の輝度を一定に、すなわち輝度ムラを抑止するという提案はある(例えば特許文献1参照)。
このような手法はバックライトの輝度ムラを抑止するには一定の効果があるが、ハーフミラーは光の吸収が大きく、また反射板も光を反射する毎に一部の光を吸収してしまうという問題がある。本願は図4で説明したような導光板端面での反射ですら、光利用効率の低下と問題にしており、さらにハーフミラーを用いて大幅に光利用効率を低下させてしまうという特許文献1の提案は、本発明で目的とする光利用効率の向上とはかけ離れたものである。
There are not many proposals to use LEDs as a light source for direct type backlights, but in a backlight that illuminates a liquid crystal display device placed above, a reflector that reflects light so that light from the light source does not leak outside is provided. Is provided directly below or on the side of the backlight and a half mirror is placed between the light source and the liquid crystal display device, and the transmittance and reflectance of the half mirror are partially different from each other, so that the brightness of the entire backlight is There is a proposal to keep the brightness constant, that is, to suppress uneven brightness (see, for example, Patent Document 1).
Such a technique has a certain effect in suppressing the luminance unevenness of the backlight, but the half mirror absorbs a large amount of light, and the reflector also absorbs some light each time it reflects light. There is a problem. In the present application, even the reflection at the end face of the light guide plate as described with reference to FIG. 4 is problematic in that the light utilization efficiency is lowered, and further, the light utilization efficiency is greatly reduced by using a half mirror. The proposal is far from improving the light utilization efficiency aimed at by the present invention.
図6は従来のサイドライト型バックライトの第2の問題点を説明する図である。
図6(a)は図4に示したような従来のバックライトの光学特性を表したグラフで、図6(b)は座標軸を説明する図である。
図6(b)に示すように、座標軸は導光板42の平面に対して縦軸方向をX軸、横軸方向をZ軸、導光板42上面に垂直な方向で、X軸およびZ軸と直交する軸をY軸とする。かつ導光板42から照明光が出射される方向Y’とY軸とが成す角を光放射角度θとする。
このように座標軸を定めて従来のバックライトの光学特性をグラフ化すると図6(a)のようになる。
図6(a)における横軸は光放射角度θで、縦軸は光強度の相対値であり、図のθ=0の左側はX−Y平面における照明光の方向と照明光の強度の関係、θ=0の右側はZ−Y平面における照明光の方向と照明光の強度の関係を示している。したがって横軸がθ=0の点は導光板42と直交する方向の照明光強度を示しており、θ=90の点は導光板42の面と平行な方向の照明光強度を示している。
図6(a)のグラフが示すように従来のバックライトはX−Y平面での特性46、Z−Y平面での特性48ともに、導光板42の表面に対して垂直な方向の光が最も強いものの、例えば垂直方向から30°の角度の光も垂直方向光の60%程度の光強度を有しており、光の指向性が不十分であった。
FIG. 6 is a diagram for explaining a second problem of the conventional sidelight type backlight.
6A is a graph showing the optical characteristics of the conventional backlight as shown in FIG. 4, and FIG. 6B is a diagram for explaining the coordinate axes.
As shown in FIG. 6B, the coordinate axes are the X axis in the vertical axis direction, the Z axis in the horizontal axis direction, and the direction perpendicular to the upper surface of the
FIG. 6A is a graph showing the optical characteristics of the conventional backlight with the coordinate axes determined in this way.
The horizontal axis in FIG. 6A is the light emission angle θ, the vertical axis is the relative value of the light intensity, and the left side of θ = 0 in the figure is the relationship between the direction of the illumination light and the intensity of the illumination light on the XY plane. The right side of θ = 0 indicates the relationship between the direction of illumination light and the intensity of illumination light in the ZY plane. Therefore, the point with the horizontal axis θ = 0 indicates the illumination light intensity in the direction orthogonal to the
As shown in the graph of FIG. 6A, in the conventional backlight, the light in the direction perpendicular to the surface of the
図7はバックライトの特性を説明するために設けた参考図で、図6(a)と同様の座標軸を用いている。
図7(a)は理想的な指向性を有した場合の特性を示しており、X−Y平面での特性、Z−Y平面での特性ともに50で示したように、すべての光がθ=0である導光板の面に対して垂直な方向となっている。
図7(b)は全く指向性がない場合の特性で、X−Y平面での特性52、Z−Y平面での特性54ともに、導光板の面に対する各角度での光強度が一定となってしまっている。
本発明は図7(a)に示した特性50に近い特性を持ったバックライトを実現することを目的としている。
FIG. 7 is a reference diagram provided for explaining the characteristics of the backlight, and uses the same coordinate axes as in FIG.
FIG. 7A shows the characteristics in the case of having ideal directivity. As indicated by 50 in both the characteristics on the XY plane and the characteristics on the ZY plane, all light is θ. The direction is perpendicular to the surface of the light guide plate where = 0.
FIG. 7B shows characteristics when there is no directivity. The light intensity at each angle with respect to the surface of the light guide plate is constant for both the characteristic 52 on the XY plane and the
The object of the present invention is to realize a backlight having a characteristic close to the characteristic 50 shown in FIG.
また、表示装置においては情報漏れを防ぐため、左右方向の視野角を出来る限り狭くするということが必要な用途もある。
図8は表示装置の左右方向の視野角を狭くする一手段を示した図で、図8(a)が表示基板の斜視図、(b)が側面図である。
図8において表示装置は液晶表示装置であり、該液晶表示装置は下方からバックライト61で照明され、液晶パネルの基板60上の各列毎には光吸収部材性の遮光部材62が設けられている。
バックライト61の照明光63は液晶パネルの基板60を透過し、そのうちバックライト61の表面に垂直だった光66及び垂直に近かった光68は遮光部材62に遮られることなく通過し視認される光となるが、垂直方向から傾いた光64,66は遮光部材62に吸収されてしまう。このようにして表示装置の左右方向の視野角を狭くしており、視野角の広さは遮光部材62の高さhで設定するという手段がある。
Also, there are applications in which display devices need to narrow the viewing angle in the left-right direction as much as possible in order to prevent information leakage.
8A and 8B are diagrams showing one means for narrowing the viewing angle in the left-right direction of the display device. FIG. 8A is a perspective view of the display substrate, and FIG. 8B is a side view.
In FIG. 8, the display device is a liquid crystal display device. The liquid crystal display device is illuminated from below by a backlight 61, and a light-
The illumination light 63 of the backlight 61 is transmitted through the
このような表示装置においては、バックライト61の表面に垂直だった光もしくは垂直に近かった光のみが視認光となりその他の光は吸収されて損失となってしまうため、バックライト61の垂直方向指向性が高くないと、バックライトを含めた表示装置の光利用効率が大きく落ちてしまうという問題もあった。 In such a display device, only light that is perpendicular to the surface of the backlight 61 or light that is nearly perpendicular becomes visible light, and other light is absorbed and lost. If the performance is not high, there is a problem that the light use efficiency of the display device including the backlight is greatly reduced.
解決しようとする課題はバックライトの光利用効率を高めることと、垂直方向の指向性を上昇させることである。 The problem to be solved is to increase the light utilization efficiency of the backlight and to increase the directivity in the vertical direction.
本発明のバックライトは、発光ダイオードと、該発光ダイオードが配置されている底部を有する導光板とを備えたバックライトであって、前記発光ダイオードは、前記底部のほぼ中心に、前記バックライトの発光方向と前記発光ダイオードの発光方向とが一致するように配置されており、前記導光板は、前記底部と対向し、前記バックライトの発光方向と前記発光ダイオードとの発光方向にある面を、発光方向の面としており、該発光方向の面は、中心に2次曲面が設けられており、該2次曲面は、表面が2次曲面の凹部を設けることで設けられており、前記底部は、前記中心から前記導光板の外周に向かって進むにつれて、前記発光方向の面に近づいており、前記発光ダイオードから出射され前記凹部によって反射された光を前記発光方向の面へ反射するプリズム状のグルーブが設けられていることを特徴とする。
The backlight of the present invention includes a light emitting diode, a backlight and a light guide plate having a bottom light emitting diode is arranged, the light emitting diode is approximately in the center of the bottom of the backlight a light emitting direction and emitting direction of the light emitting diodes are arranged to coincide, the light guide plate opposite to the bottom surface in the light emitting direction of the backlight of the light emitting direction and the light emitting diode The surface of the light emitting direction is provided with a secondary curved surface at the center, and the secondary curved surface is provided by providing a concave portion with a secondary curved surface, and the bottom portion Is closer to the surface of the light emitting direction as it proceeds from the center toward the outer periphery of the light guide plate, and the light emitted from the light emitting diode and reflected by the concave portion is reflected in the light emitting direction. Wherein the prismatic grooves for reflecting the surface is provided.
また本発明のバックライトは、前記プリズム状のグルーブは、前記導光板の外周方向に、前記発光方向の面に対して平行に延びる面と、該延びる面に対して前記外周方向に進むにつれて前記発光方向の面に近づきながら傾斜している傾斜面とが、交互に連続して接続した階段形状であることを特徴とする。 Further, in the backlight of the present invention, the prism-shaped groove has a surface extending in parallel to the surface in the light emitting direction in the outer peripheral direction of the light guide plate, and the outer surface in the outer peripheral direction with respect to the extending surface. It is characterized by a staircase shape in which the inclined surfaces that are inclined while approaching the surface in the light emitting direction are alternately and continuously connected .
本発明によれば、光利用効率が高くしたがって輝度が高く、指向性が狭いバックライトを実現することが出来る。 According to the present invention, it is possible to realize a backlight having high light utilization efficiency and therefore high luminance and narrow directivity.
またバックライトの光利用効率が高くなるため、液晶表示装置に従来と同じカラーフィルターを用いれば、従来と同じ消費電力で画面を明るくすることが出来るし、従来よりも濃いカラーフィルターを用いれば、従来と同じ消費電力で従来の明るさを保ちながら色再現性を高めることができる。 In addition, since the light utilization efficiency of the backlight is increased, if the same color filter as the conventional one is used for the liquid crystal display device, the screen can be brightened with the same power consumption as the conventional one, and if a darker color filter than the conventional one is used, Color reproducibility can be improved while maintaining the conventional brightness with the same power consumption as before.
本発明のバックライトは、導光板のほぼ中心に、バックライトの発光方向と発光ダイオードとの発光方向とが一致するように発光ダイオードを配置し、かつ導光板の中心に2次曲面を設けた。また前記導光板の発光方向の面に、表面が2次曲面の凹部を設けることで前記2次曲面を実現した。 In the backlight according to the present invention, the light emitting diode is arranged at substantially the center of the light guide plate so that the light emitting direction of the backlight and the light emitting diode coincide with each other, and the secondary curved surface is provided at the center of the light guide plate. . Further, the secondary curved surface is realized by providing a concave portion having a secondary curved surface on the surface in the light emitting direction of the light guide plate.
図1は本発明によるバックライトの実施例図で、図1(a)が平面図、図1(b)が(a)のA−A’断面図である。
図1(a)、(b)に示すように、本発明によるバックライトは、導光板10のほぼ中心に、バックライトの発光方向(上方)とLEDとの発光方向(上方)とが一致するようにLED14を配置し、かつ導光板10の底部にはプリズム状のグルーブ12を設け、中心部に2次曲面16を設けている。該グルーブ12は図1(a)の点線で示すように、同心円状に設けられている。
また、導光板10の発光方向の面に、表面が2次曲面16の凹部17を設けることで導光板10上の2次曲面16を実現している。
なお凹部17は円錐上であり、したがってB−B’断面もほぼ図1(b)と同様の形状の凹部を有する。
1A and 1B are diagrams illustrating an embodiment of a backlight according to the present invention, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
As shown in FIGS. 1A and 1B, in the backlight according to the present invention, the light emission direction (upper) of the backlight coincides with the light emission direction (upper) of the LED substantially at the center of the
In addition, the secondary
The
本発明によるバックライトにおける光源光の軌跡を図2を用いて説明する。
図2において、LED光源14から上方に向けて出射された、屈折されたことのない0次光18は、導光板10に入射されて若干角度を変えた光20となった後2次曲面16に達する。ここで導光板10の2次曲面16から直接出射する光24と2次曲面で屈折する光に分かれ、該屈折した光は左方に進んで導光板10の底面で屈折されて出射する光22となる。図示した他の光も同様に進行する。ここで2次曲面16においては、一部の光は出射し、一部の光は屈折するよう角度を設定する。LED14からの0次光は非常に強い光であるためこのような設定も可能になる。
また、LED14は点光源であり0次光は非常に強い光であるため、導光板全体の輝度を一定にするためには、これを弱め導光板のあらゆる方向へ光を分配する必要があり、このため2次曲面が設けられている。2次曲面の形状、導光板底面のグルーブ形状を具体的にどう設定するかは設計上決めればよい。
The locus of the light source light in the backlight according to the present invention will be described with reference to FIG.
In FIG. 2, the 0th-order light 18, which has been refracted and emitted upward from the LED light source 14, is incident on the
Further, since the LED 14 is a point light source and the 0th order light is very strong light, in order to make the entire light guide plate have a constant luminance, it is necessary to weaken this and distribute the light in all directions of the light guide plate. For this reason, a quadric surface is provided. How to set the shape of the secondary curved surface and the groove shape of the bottom surface of the light guide plate may be determined in design.
本発明のバックライトにおいては、LEDから出射された0次光とバックライトの出射光との方向が一致しているため、非常に強い0次光を有効に照明光とすることが出来、光利用効率を大幅に高めることが出来る。この点がサイドライト型のバックライトに対する顕著な効果となっている。
また、線光源である蛍光表示管の場合は、蛍光表示管を分散して配置することにより、比較的容易に輝度の均一性が得られたが、点光源であるLEDの場合は本発明のように導光板中に2次曲面を設けることで、LEDを分散配置しないでも輝度の均一性を得ることが出来た。
さらに、導光板底面のプリズム状のグルーブで光の出射角度を設定出来るため、バックライトの出射光の指向性を高めることが出来た。
In the backlight of the present invention, since the directions of the 0th-order light emitted from the LED and the emitted light of the backlight coincide with each other, very strong 0th-order light can be effectively used as illumination light. Use efficiency can be greatly increased. This is a remarkable effect on the sidelight type backlight.
In the case of a fluorescent display tube that is a line light source, luminance uniformity can be obtained relatively easily by dispersing and arranging the fluorescent display tube. However, in the case of an LED that is a point light source, Thus, by providing the secondary curved surface in the light guide plate, it was possible to obtain luminance uniformity without disperse the LEDs.
Furthermore, since the light emission angle can be set by the prismatic groove on the bottom surface of the light guide plate, the directivity of the emitted light from the backlight can be improved.
図3は本発明によるバックライトによって得られた光学特性を示した図である。
図3は図6(a)、図7と同様な座標軸上に描いた光学特性であるが、X−Y平面での特性26、Z−Y平面での特性28ともに、図6(a)と比べると光放射角度θが0°の近傍に出射光が集中している。このように本発明によるバックライトの特性は、理想とする図7(a)の特性に近似した、垂直方向への指向性が高いものとなっている。
このように、本発明のバックライトは指向性を狭くすることが出来たので、従来と同じ消費電力でバックライトの輝度を高めることが出来る。
また従来よりも濃いカラーフィルターを用いれば、従来と同じ消費電力で従来の明るさを保ちながら色再現性を高めることができる。
さらに、図8で説明したような左右方向の視野角を狭くする手段を用いた表示装置のバックライトとして用いると大幅に光利用効率を高めることが出来る。
FIG. 3 is a diagram showing optical characteristics obtained by the backlight according to the present invention.
FIG. 3 shows optical characteristics drawn on the same coordinate axes as in FIGS. 6A and 7, but both the
Thus, since the directivity of the backlight of the present invention can be narrowed, the luminance of the backlight can be increased with the same power consumption as in the prior art.
If a darker color filter is used than before, the color reproducibility can be improved while maintaining the conventional brightness with the same power consumption as before.
Furthermore, when it is used as a backlight of a display device using a means for narrowing the viewing angle in the left-right direction as described in FIG. 8, the light utilization efficiency can be greatly improved.
10 導光板
14 発光ダイオード
16 2次曲面
17 表面が2次曲面の凹部
24 2次曲面における出射光
22 2次曲面における屈折光
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記発光ダイオードは、前記底部のほぼ中心に、前記バックライトの発光方向と前記発光ダイオードの発光方向とを一致させて配置されており、
前記導光板は、前記底部と対向し、前記バックライトの発光方向と前記発光ダイオードとの発光方向にある面を発光方向の面としており、
該発光方向の面は、中心に2次曲面が設けられており、該2次曲面は、表面が2次曲面の凹部を設けることで設けられており、
前記底部は、前記中心から前記導光板の外周に向かって進むにつれて、前記発光方向の面に近づくと共に、前記発光ダイオードから出射され前記凹部によって反射された光を前記発光方向の面へ反射するプリズム状のグルーブが設けられていることを特徴とするバックライト。 A backlight comprising a light emitting diode and a light guide plate having a bottom portion on which the light emitting diode is disposed,
The light emitting diode, the approximate center of the bottom, are arranged to match the light emitting direction of the light emitting diode and the light emitting direction of the backlight,
The light guide plate faces the bottom and has a surface in the light emitting direction as a light emitting direction of the backlight and a light emitting direction of the light emitting diode,
The surface in the light emitting direction is provided with a quadric surface at the center, and the quadric surface is provided by providing a concave portion with a quadric surface on the surface,
The bottom portion approaches a surface in the light emitting direction as it proceeds from the center toward the outer periphery of the light guide plate, and reflects the light emitted from the light emitting diode and reflected by the concave portion to the surface in the light emitting direction. A backlight characterized in that a groove is provided .
The prism-shaped groove is inclined in the outer peripheral direction of the light guide plate, extending in parallel to the light emitting direction surface, and approaching the light emitting direction surface as it proceeds in the outer peripheral direction with respect to the extending surface. The backlight according to claim 1, wherein the inclined surface is in a staircase shape in which the inclined surfaces are connected alternately and continuously .
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