JP4773477B2 - 面光源装置及びこれを備えるlcdバックライトユニット - Google Patents

面光源装置及びこれを備えるlcdバックライトユニット Download PDF

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Description

本発明は面光源装置及びこれを備えるLCDバックライトユニットに関するものであり、より詳しくは複数の発光素子の配置構造及び間隔を最適化して発光素子の数を減らした高効率の面光源装置及びこれを備えるLCDバックライトユニットに関する。

従来、LCDのバックライトの光源として、冷陰極蛍光ランプ(Cold Cathode Fluorescent Lamp:CCFL)が使われているが、これは、水銀ガスを使用するために環境汚染を引き起こす虞があり、また、応答速度が遅く、色再現性が低いだけでなく、LCDパネルの軽薄短小化に適切ではないという短所を有する。

これに比べてLEDは環境にやさしく、応答速度が数ナノ秒と高速な応答が可能であるため、ビデオ信号ストリームを行う上で有効であり、インパルシブ(Impulsive)駆動も可能である。また、LEDは、色再現性が100%以上で、赤色、緑色、青色LEDの光量を調整して輝度や色温度などを任意に変更できるだけでなく、LCDパネルの軽薄短小化に適している。このような長所を有することから、最近LCDパネルなどのバックライト用光源としてLEDが積極的に採用されているのが実情である。

このようにLEDを採用したLCDバックライトは、光源の位置によってエッジ型バックライトと直下型バックライトとに分けられる。エッジ型バックライトは横の長さが長いバー状の光源が側面に位置して導光板を用いてLCDパネルの全面に光を照射する方式を採択したものである。一方、直下型バックライトはLCDパネルの下部に位置してLCDパネルとほぼ同じ面積を有する面光源から直接LCDパネルの全面に光を照射する方式を採択したものである。

図1は、従来の技術による面光源装置において発光素子の配列構造を説明するための図である。図1に示すように、従来の直下型LCDパネルに使われる面光源装置100は、基板101上に複数のLED102が行と列で配列された構造である。換言すれば、上記複数のLED102は、隣接した4つのLED102が長方形を成すよう配列された構造と理解できる。

このような配列構造は同一の発光面積をカバーするために使われるLEDの数が不必要に多くなるという問題がある。

さらに、LED102と隣接した領域と、遠く離れた領域、具体的には上記4つのLED102が成す長方形において真ん中の領域とは、明るさに大きな差があり得るという点も問題点として指摘できる。発光領域内において多数のLED102が配列される場合には明るさの均一性に大きな問題は無いが、同発光領域内において効率性を図るためにLEDの数を減らす場合には、隣接したLED間の距離が長くなり明るさ分布の変化をもたらすことがある。

従って、LCDパネルなどに使われる面光源装置について、面光源装置に使われる発光素子の数を減らして装置の効率性を高め、明るさの差が大きくない、即ち輝度の均一度を確保することの出来る方案が求められる。

本発明は上記のような問題点を解決するためのもので、本発明の目的は、複数の発光素子の配置構造及び間隔を最適化して発光素子の数を減らして高効率の面光源装置及びこれを備えるLCDバックライトユニットを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の一態様は、基板上に複数の発光素子が行と列で配列された発光素子マトリックスを有する面光源装置であって、上記発光素子マトリックスは、複数の発光素子が行と列で配列された第1マトリックスと、上記第1マトリックスに含まれた相互隣接した4つの発光素子が成す長方形の内部に各発光素子が位置するよう複数の発光素子が行と列で配列された第2マトリックスとを含み、上記発光素子マトリックスに含まれた発光素子から最も隣接した他の発光素子までの距離(S)は、上記発光素子の光放出面から光学長さ(l)だけ離れた位置での輝度分布が均一であるよう次の式(1)を満たす。
ここで、−π/18≦α≦π/18で、θは上記発光素子の指向角であることを特徴とする面光源装置を提供する。

さらに、入射した光を満遍なく拡散させるため、上記発光素子の光放出経路上に配置された拡散シートをさらに含むことが出来る。

この場合、上記拡散シートは、上記発光素子の光放出面から上記光学長さだけ(l)離隔して配置されることが好ましい。

輝度の均一性の確保の側面で、上記第2マトリックスに含まれた発光素子は上記長方形の内部の真ん中に位置することが好ましい。また、上記発光素子は、好ましくは、白色光を発光するものであることが出来る。

一方、上記発光素子マトリックスに含まれた発光素子から最も隣接した発光素子までの距離(S)は何れも上記式を満足することが好ましい。

上記式(1)において、θは110°≦θ≦130°の範囲であることが好ましい。また、αは−π/90≦α≦π/90の範囲であることが好ましい。さらに、上記発光素子はLEDであることが好ましい。

本発明の他の態様は、LCDパネルの後面に付着されたLCDバックライトユニットであって、上記面光源装置と、上記面光源装置のLCDパネル側に備えられ、上記面光源装置から入射された光を均一に拡散させる拡散シート及び上記拡散シートのLCDパネル側に備えられ、上記拡散シートから拡散された光を上記LCDパネルの平面に垂直な方向に集光する少なくとも一つの集光シートを含むLCDバックライトユニットを提供する。

本発明によると、複数の発光素子の配置構造及び間隔を最適化して発光素子の数を減らすことにより高効率となった面光源装置及びこれを備えるLCDバックライトユニットを提供することが出来る。さらに、本発明によると、面光源装置の輝度を全体的に均一にすることが出来る。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な形態に変形することができ、本発明の範囲は以下に説明する実施形態によって限定されない。本発明の実施形態は当分野において平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のため誇張されることがあり、図面上の同一符号で表される要素は同じ要素を指す。

図2は、本発明の一実施形態による面光源装置の発光素子配列構造を表した概略図である。本実施形態による面光源装置200は、基板201上に配列された複数の発光素子202を備えて構成される。

発光素子202の配列構造は、行と列で配列されたマトリックスであってそれぞれの行と列がジグザグ形態を有する。これは、複数の発光素子が一直線上に行と列で配列された第1マトリックスの内部に同一形態の第2マトリックスが配置された構造であって、上記第1マトリックスに含まれた隣接した4つの発光素子が成す四角形の内部に上記第2マトリックスの各発光素子が位置するものである。

但し、面光源装置において輝度の均一性及び光効率をより向上させるため、必要に応じて上記第1及び第2マトリックスは、その配置構造及び間隔を相互に異なるようにすることも出来る。

このように、発光素子で構成された行と列を一直線上に配置せず、ジグザグに配置することにより、同一の発光面積に対して約15%〜25%程度発光素子の数を減らすことが出来るという長所がある。

一方、上記発光素子202は特に制限して選択されるものではないが、一般的にLEDが使用され、さらに光源装置として広く使われるために白色光を発光できる素子が採用されることが好ましい。

本実施形態では、上記のような複数の発光素子の配置方法の他に、上記面光源装置200において、隣接した発光素子202同士の距離S1,S2は、面光源装置200の輝度の均一度を確保するために最適化される。この場合、ある発光素子202を基準として最も隣接した発光素子までの距離Sは、次のような式(1)により定めることが出来る。

上記式(1)において、lは光学長さであり、発光素子202の光放出面から垂直方向に光が進行した距離に相当する。

この場合、上記光学長さ(l)に該当する位置には拡散シート(図示せず)が配置され、これにより光拡散機能を実現することが出来る。また、上記式(1)において、−π/18≦α≦π/18であり、θは発光素子202の指向角を表す。

式(1)は、面光源装置200の輝度を均一にするため導き出されたもので、以下にその原理を説明する。

先ず、図3を参照に、本明細書で使われる指向角の意味を説明する。図3は発光素子において光の発散角による相対強度を図示したものである。ここで、光の強度は光の入射面積に関係なく光速(Intensity)自体を意味するものと理解できる。

図3に示すように、発光素子202の光放出面を通して外部へ出た光は光放出面に対して0〜180°の角を有して広がる。この場合、光放出面に対して垂直上方向で光の強度I0が最も大きく、他の特定角度では最大光強度I0の半分の強度を有することが分かる。この際、最大光強度I0の半分の強度を有する角度の範囲が指向角となり、図3の場合には指向角はθである。

指向角は発光素子202自体の構造的特徴により左右されるが、一般構造の発光素子では約110〜130°範囲となることがある。但し、指向角がこのような範囲に無い場合にも本発明の式(1)の条件を満足させることに問題ない。

次いで、図4は発光素子から光学長さlだけ離れた距離において発光素子からの距離による輝度を説明するためのもので、図3の場合が対称構造であるという点を考えて指向角の半分の範囲のみ表したものである。

発光素子202から放出された光は、上述のように様々な方向に広がり、図4では、種々の放出光の中で垂直上方に放出された光と垂直上方に対してθ/2の角度で放出された光とが、発光素子202から光学長さlだけ離れた拡散シート(図示せず)に到達したことが図示されている。

本実施形態において、図3からみた光の強度は、上述のように光の入射面積を考えていないもので、実質的に光の強さを表現するために、光速を光の入射面積で分けた値を輝度として使用することにする。

先ず、垂直上方に放出された光は光学長さlを進行して上記拡散シートへ到達する。この場合、小さい角度範囲δ内で放出された光を考えると、角度範囲δの光が上記拡散シートに入射する長さL1はl×δに近似することが出来る。これは角度δに比べて光が進行した距離lが著しく大きいということを仮定したものである。これによって、垂直上方に放出された光が拡散シートに入射する面積はL1×L1となり、輝度(L0)はI0/(l×δ)2となる。

同様の方式でθ/2の角度で放出された光の拡散シートでの輝度を計算すると、上記放出光が拡散シートまで進行した距離Dはl/{cos(θ/2)}に近似することができ、拡散シートに入射する長さL2は、l×δ/{cos(θ/2)}となる。さらに、上記θ/2の角度で放出された光が拡散シートに入射する面積はL2×L2であるため、これは(l×δ)2/{cos(θ/2)}2と表すことができる。これにより、θ/2の角度に対する輝度はI0×{cos(θ/2)}2/{2×(l×δ)2}となり、これを垂直上方の輝度で表現すると、L0/2×{cos(θ/2)}2となる。

上述の内容をみると、θ/2の角度で放出される光の場合、光速自体は垂直上方に放出された光の半分の大きさを有するが、均一な輝度を有するための目標地点と言える拡散シートまで進行した場合には輝度が非常に小さくなる。これを、図5を参照して説明すると、図5は光放出角度及び発光素子における水平距離による拡散シートでの光速及び輝度の変化を表したものである。

図5に示すように、θ/2の角度で放出される光の最大値に対する相対輝度は1/2に全く至らないことが分かる。これは、{cos(θ/2)}2が1より小さいためであり、例えば、一般的に考えられる指向角として、θが120°の場合、相対輝度は1/8しかならない。図5においてdcで表された距離は、θ/2の角度で放出される光が拡散シートに到達するまで発光素子202に対して水平に進行した距離を表し、その値は、l/{tan(θ/2)}となる。

従って、複数の発光素子が配列された面光源装置において、輝度均一性を向上させるため隣接した発光素子同士の距離を調整する場合、隣接した発光素子で上記dcに該当する位置を一致させる方法を使用すれば、両発光素子により合計した相対輝度は1に全く至らない値となる。即ち、面光源装置の輝度均一性を向上させるためには、上記光学長さlに該当する地点での輝度分布が均一でなければならない。従って、隣接した2つの発光素子の相対輝度を合計した値は1に近接しなければならないが、これより非常に小さい値を有する。例えば、θが120°の場合を考えると、1/4(1/8+1/8)となることが分かる。

従って、隣接した発光素子同士の距離はより近くなる必要があり、具体的な内容については図6を参照して説明する。

図6は、距離Sだけ離れた隣接した両発光素子の輝度を共に図示したものである。図6を参照すると、両発光素子同士の距離がSの場合に各発光素子から相対輝度が1/2の地点がほぼ一致することが分かり、これによって、Sがdcより大きい場合に比べて、輝度の均一性が大きく向上される。

この場合、上記S値の範囲はdcの半分程度の大きさで適切に調整することができ、dcはl/{tan(θ/2)}であるため、式(1)と類似な式が得られる。

一方、本説明では2つの発光素子の光が混ぜられる場合のみを考えているが、面光源装置には数多くの発光素子が配置されるため、遠い距離にある他の発光素子の影響を考える必要がある。即ち、隣接した発光素子は図6のSより多少遠く離れていても均一な輝度を得るには無理はない。

従って、本実施形態では、指向角に近接した範囲で角度を調節できるようにし、これによって式(1)のような式を提案することが出来る。この場合、このような調節手段として作用するファクタである上記α値は−π/18≦α≦π/18範囲で、図2のような構造から実験で得た最も好ましい値は約π/90である。本実施形態において、α値は発光素子の指向角、発光素子の間の距離及び配置構造などにより変わることがある。

上記のような本発明の面光源装置は、LCDパネルの後面光を照射するLCDバックライトユニット300に採用できる。

図7は、本発明の一実施形態によるLCDバックライトユニット300を図示した分解側面図である。図7に示すように、LCDパネルの後面に付着した本発明によるLCDバックライトユニット300は、前述の本発明による面光源装置1を備え、面光源装置1のLCDパネル310側に備えられ、面光源装置1から入射した光を均一に拡散させる拡散シート316を含む。

また、拡散シート316のLCDパネル310側に備えられ、拡散シート316から拡散された光をLCDパネル310の平面に垂直な方向に集光する少なくとも一つの集光シート314などを含んで構成される。さらに、LCDバックライトユニット300は、集光シート314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312をさらに含むことが出来る。

また、面光源装置1は、基板351と、基板351上に前述の本発明によるマトリックス構造で配置された複数個の発光素子352を含む。さらに、基板351の上面の縁で上記マトリックス構造で配置された発光素子352を囲うよう形成され、発光素子352が配置された方向に傾斜面を有する側壁354と、基板351の上面に形成され発光素子352から放出された光を上部へ反射する反射層356をさらに備えることが出来る。

また、側方向に放出される光を上部に放出できるよう側壁354の傾斜面にも反射物質354aが塗布されることが好ましい。

一方、面光源装置1の上部に位置した拡散シート316は、面光源装置1から入射する光を分散させることにより、光が部分的に密集することを防ぐ。また、拡散シート316は第1集光シート314a側に進行する光の方向を調整して第1集光シート314aに対する傾斜角を減らす役割も共に行う。この場合、上述のように、面光源装置1に含まれた発光素子352から拡散シート316までの距離は、式(1)の光学長さlに該当するため、発光素子352の配置構造によって定められる。逆に、発光素子352から拡散シート316までの距離によって発光素子352の配置構造を定めることも出来る。

第1集光シート314aと第2集光シート314bはそれぞれ上部面に三角柱状のプリズムが一定の配列を有して形成され、第1集光シート314aのプリズム配列と第2集光シート314bのプリズム配列は相互所定の角度(例えば、90°)でずれるよう配置される。第1及び第2集光シート314a,314bはそれぞれ拡散シート316から拡散された光をLCDパネル310の平面に垂直な方向に集光する役割をし、これによって第1及び第2集光シート314a,314bを通過した光の保護シート312に対する垂直入射性がほぼ完璧に得られる。これによって、第1及び第2集光シート314a,314bを通過する光はほとんどが垂直に進行することになり保護シート312上の輝度分布は均一に得られる。図7には2つの集光シートを使用する一例を図示したが、場合によって一つの集光シートのみ使用する場合もある。

第2集光シート314bの上部に形成される保護シート312は、第2集光シート314bの表面を保護する役割をするだけでなく、光の分布を均一にするため光を拡散させる役割をする。LCDパネル310は保護シート312上に設けられる。

このように、本実施形態によるLCDバックライトユニット300は、放出光の輝度分布が均一化した面光源装置1を採用して、LCDパネルの領域による明るさの変化を最少化することが出来る。

図8a〜図8cは、本発明の一実施形態の面光源装置と従来の技術による面光源装置から測定された輝度の均一度を比較するための図である。

先ず、図8aに図示された発光素子の配列構造は図2で説明した構造と同一であり、それぞれの発光素子同士の距離は上記した式(1)の条件を満足する。また、実験のため、図2のような配列構造の面光源装置を図7のような40インチのバックライトユニットに採用した。40インチのバックライトユニットの例だと、図2のような配列構造を有することにより、従来の技術に比べて発光素子の数を約25%程度減らすことが出来る。

図8bは、図1のように従来の技術による面光源装置から放出された光の輝度分布を光放出方向に垂直な方向に対して表したグラフで、図8cは図8aの実施形態による上記の結果を示したグラフである。ここで、図8b及び図8cのグラフの横軸は図4〜図6のように特定の発光素子を基準に左右方向の距離を表したものである。

図8b及び図8cを参照すると、本実施形態による面光源装置の場合、輝度の大きさが従来の場合に比べてほとんど差がなく、発光素子の数が約25%減ったことを考えると、効率性は大きく向上したことが分かる。

また、従来の技術に比べて発光素子の数の減少により平均的な発光素子同士の距離が遠くなったにも係わらず輝度分布の均一性は全く問題にならず、かえって以前より向上されたことが確認できる。

本発明は上述の実施形態及び添付の図面により限定されず、添付の請求範囲により限定される。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で当技術分野の通常の知識を有する者により様々な形態の置換、変形及び変更が可能で、これもまた本発明の範囲に属するといえる。

従来の技術による面光源装置において発光素子の配列構造を表した概略図である。 本発明の一実施形態による面光源装置の発光素子の配列構造を表した概略図である。 発光素子において光の発散角による相対強度を示した図である。 発光素子から光学長さだけ離れた距離において発光素子からの距離による輝度を説明するための図である。 光放出角度及び発光素子における水平距離による拡散シートでの光速及び輝度の変化を表した図である。 距離Sだけ離れた隣接した両発光素子の輝度分布を共に示した図である。 本発明の一実施形態によるLCDバックライトユニット300を図示した分解側面図である。 本発明の一実施形態の面光源装置の発光素子の配置構造を示した図である。 従来の技術による面光源装置の発光素子の輝度分布を示したグラフ図である。 本発明の一実施形態の面光源装置の発光素子の輝度分布を示したグラフ図である。

符号の説明

201 基板
202 発光素子
1 面光源装置
310 LCDパネル
312 保護シート
314 集光シート
316 拡散シート

Claims (8)

  1. 基板上に複数の発光素子が行と列で配列された発光素子マトリックスを有する面光源装置であって、
    前記発光素子マトリックスは、複数の発光素子が行と列で配列された第1マトリックスと、前記第1マトリックスに含まれた相互隣接した4つの発光素子が成す四角形の内部に各発光素子が位置するよう複数の発光素子が行と列で配列された第2マトリックスと
    前記複数の発光素子の光放出経路上に配置された拡散シートと
    を含み、
    前記発光素子マトリックスに含まれた発光素子から最も隣接した他の発光素子までの距離(S)は、前記発光素子の光放出面から光学長さ(l)だけ離れた位置での輝度分布が均一であるように以下の式を満たし、
    ここで、αは、−π/18≦α≦π/18で、θは、前記発光素子の指向角であり、
    前記拡散シートは、前記発光素子の光放出面から前記光学長さ(l)だけ離隔されて配置されたことを特徴とする面光源装置。
  2. 前記第2マトリックスに含まれた発光素子は、前記四角形の内部の真ん中に位置することを特徴とする請求項に記載の面光源装置。
  3. 前記発光素子は、白色光を発光することを特徴とする請求項1または2に記載の面光源装置。
  4. 前記発光素子マトリックスに含まれた発光素子から最も隣接した発光素子までの距離(S)は、何れも前記式を満足することを特徴とする請求項1〜のいずれか一つに記載の面光源装置。
  5. 前記θは、110°≦θ≦130°の範囲であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一つに記載の面光源装置。
  6. 前記αは、−π/90≦α≦π/90の範囲であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一つに記載の面光源装置。
  7. 前記発光素子は、LEDであることを特徴とする請求項1〜のいずれか一つに記載の面光源装置。
  8. LCDパネルの後面に付着したLCDバックライトユニットであって、
    請求項1〜のいずれか一つに記載の面光源装置と、
    前記面光源装置のLCDパネル側に備えられ、前記面光源装置から入射した光を均一に拡散させる拡散シートと、
    前記拡散シートの前記LCDパネル側に備えられ、前記拡散シートから拡散した光を前記LCDパネルの平面に垂直な方向に集光する少なくとも一つの集光シートと、
    を含むことを特徴とするLCDバックライトユニット。
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