JP5033545B2

JP5033545B2 - 映像表示装置

Info

Publication number: JP5033545B2
Application number: JP2007229652A
Authority: JP
Inventors: 長吉真弓; 大内敏; 村田誠治; 都留康隆
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2027-09-05
Also published as: CN101382701B; JP2009063684A; US7940351B2; US20090059125A1; CN101382701A

Description

本発明は、液晶表示素子を用いた映像表示装置に係り、特に、液晶表示素子に光を照射するためのバックライトユニットの改良に関する。

特開２００４−２７２０５５号公報には、導光板と、導光板に光を照射するＬＥＤ光源とを備え、導光板は側面側に円弧状の光入射用凹部を有し、凹部内にＬＥＤ光源が収納されているサイドライト型面光源装置において、導光板は、光入射用凹部が形成されている側面から遠ざかるに従って幅が大きくなる略台形状の形状をなし、光入射用凹部と対向する側面側に光出射面を有し、光出射面に光拡散部が選択的に設けられた構成が開示されている。また、特開２００４−２７２０５５号公報には、導光板の光出射面１４の第１の領域１５には光拡散部としてのプリズム面１３が形成されており、第２の領域１６、１７には平面部１８、１９が形成されているため、各領域における出射光の透過、散乱の程度が異なる構成が開示されている。

特開２００４−２７２０５５号公報

特開２００４−２７２０５５号公報では、導光板の光出射面の全面に設けられた拡散部で、光を透過又は反射するため、特に拡散部のＬＥＤ光源の真上に該当する部分については、ＬＥＤ光源からの出射光の内でも輝度が高い状態で入射することになり、サイドライト面の全体において、輝度を均一化して映像を表示することが困難であった。

また、特開２００４−２７２０５５号公報では、導光板は、光入射用凹部が形成されている側面から遠ざかるに従って幅が大きくなる略台形状の形状であるため、装置の薄型化が困難であった。

本発明は、上記した課題に鑑みて成されたもので、装置の薄型化が可能な映像表示装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、例えば、特許請求の範囲に記載されたように構成すればよい。

表示する映像の輝度を均一にすること及び装置の薄型化が可能となる。

以下、実施例について、添付の図面を参照して説明する。尚、各図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度説明したものについてはその説明を省略する。

図１に、バックライトユニットを用いた液晶テレビの概略図を示す。液晶テレビのバックライトユニットは、液晶パネル１と光学ユニット２とから成る。また、光学ユニット２は、基板上に配列された光源３と、光源３の上面に配置された光学素子４とから成る。光学素子４は、複数個が接着されて１枚のシート状に加工されても、各々がバラバラに加工されてもよい。

図２は、光学ユニット２の平面図である。実施例において、光源３として、例えば、ＬＥＤ光源、レーザ光源を用いる。また、例えば、使用する光源の色について、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）、黄色（Ｙ）の単色光源を用いてもよいし、白色（Ｗ）の光源を用いてもよい。例えば、図２（ａ）に示すように、ＲＧＢの３個の光源を用いる場合には、光源３を三角形状に配置し、図２（ｂ）に示すように、ＲＧＢＹ又はＲＧ₁Ｇ₂Ｂの４個の光源を用いる場合には、四角形状に配列してもよい。複数個の光源を用いることで、色再現範囲が拡大し、高画質な映像を得ることが可能となる。以下説明する実施例では、光源３を３個又は４個用いた場合について説明するが、光源３に用いる光源の数は、これに限られるものではないことは言うまでもない。また、光学素子４は、例えば、ＰＭＭＡ、ゼオノア、ＯＺ、ポリカ、ガラス、シリコン等で加工される。

図３は、光学素子４の液晶パネル１と対向する面に設けられた平行化部１０を示す図である。平行化部１０は、例えば、図３（ａ）に示すように複数個のレンズアレイ等の光を平行化するレンズから成る。また、平行化部１０は、例えば、図３（ｂ）に示すようにレンチキュラーレンズで構成してもよい。この平行化部１０により、液晶パネル１の面に対して、光を平行化することにより、略垂直に入射させ、高輝度な映像を表示することが可能となる。

図４は、液晶パネル１と光源３との配置関係を示し、図５は、光源３を２個並列に配置した場合の光源３から出射した光のエネルギー分布を示す図である。図４のように、光源３の発光角度をθとし、光源３から液晶パネル１に対して引いた垂線の距離をｈ、隣り合う光源３の間の距離をｄ、隣り合う光源３の間の距離の半分の距離をｘとし、光源からの光の分布をcos⁴θ則に近似した場合、光源２個を並列に配置した場合の発光エネルギー分布を図５に示す。これより、
（数１）
Ｅ(θ)＝Ｅ₀cos⁴θ
（数２）
ｘ＝ｈtanθ
（数３）
ｄ＝２ｘ
（数６）
cos²θ＝１／１＋tan²θ
が成り立つ。ｈ≦２０のとき、例えば、図６に示すように、この光源３を備えた光学素子４を千鳥格子状に複数個配置して、光源３から距離ｘの点Ａで輝度ムラを測定した場合、ｄ≧ｈ／０．５８が成り立つ。以下に、理由を説明する。

我々の実験より、光学素子４を用いなくとも、ｄ=１２mm、ｈ=２５mmの場合における輝度を均一化することが可能であることは明らかであった。しかし、ｈ≦２０の場合、光源３のみで輝度を均一化することは困難であった。これは、光源３からの直接光の影響が強くなり、ピークが強く出る。従って、ｈ≦２０の場合において、輝度を均一化させるためには、ｈ及びdの関係を定義する必要がある。例えば、図６に示すように、光学素子４に設けられた４個の光源をひと纏まりとし、点Ａに対して正六角形である光学素子４が１０個寄与しているとした場合、（数１）、（数２）、（数６）及び図４より、下記（数４）が成立する。

（数４）により、厚みhとピッチdの関係は、下記（数５）を満たす。

（数５）
ｄ＝ｈ／０．５８
以上の点から、光源３から出射した光の輝度分布が互いに重なり合った場合に、隣り合う光源３の間の最も暗くなる部位が、ピーク輝度と同等になるため、映像表示装置の薄型化をするとともに、表示する映像の輝度の均一化が可能となる。

また、液晶パネル１の照射面と光源３との間には、光を拡散する特性を有する光学フィルム、シート、プリズムシート等が配置されてもよい。以上の点を踏まえて、映像表示装置の具体的な実施例について説明する。

以下、実施例１について、図７を用いて説明する。

図７は、図２のＸ−Ｘ’部の断面を示す図である。図７において、１は液晶パネル、２は光学ユニット、３は光を出射する光源、４は光学素子、５は導光部、６は光源用凹穴、７は光均一部、８は全反射部、９は第１の光拡散部、１０は平行化部である。

図７において、全反射部８は光源３の上方に設けられ、第１の光拡散部９は、全反射部８よりも液晶パネル１側に近い場所に設けられている。また、図７において、映像の観察する側（矢印の方向）から見て、液晶パネル１、平行化部１０、第１の光拡散部９、全反射部８、導光部５、光源３の順番に配置されている。さらに、全反射部８を、光源３側に向かって凹形状で形成することにより、全反射部８で反射した光が導光部５の全体に行きわたるため、表示する映像の均一化が可能となる。

光源３から出射した光は、光均一部７で均一化され、光学素子４に入射し、光学素子４に入射した光は、全反射部８で反射され、導光部５に導かれ、導光部５で反射した光は、第１の光拡散部９で拡散され、平行化部１０で平行化され、液晶パネル１に入射する。

図７において、半球形状の光源用凹穴６を設け、光源３を光学素子４に非接触で設置することにより、光源３を安定して設置することが可能となる。光源用凹穴６の形状は、半球形状で形成することにより、光源３から出射した光に対して、屈折が起こらないように光学素子４に入射させることが可能となり、光の利用効率が向上する。

また、図７において、映像表示装置の製造時に、光源３を設置する場所に誤差やズレが発生した場合において、光均一部７を設け、光源３の光軸を光学素子４の中心軸に補正することにより、表示する映像の輝度ムラ・色ムラを低減することが可能となる。

さらに、図７において、光均一部７は、半径の異なる円錐又は円錐台を、１個又は複数個を重ね合わせて形成される。図７に示すように、全反射部８が平面である場合には、全反射部８に光拡散部、反射部、遮光部を設けても良い。全反射部８で反射した光は、トロイド、レンズ、プリズム、回折格子等で形成された導光部５に入射し、導光部５で複数の方向に反射して拡散され、光学素子４内に広がり、第１の光拡散部９に入射する。

図７において、第１の光拡散部９は、大きさの異なる複数の粒子が光学素子４に埋め込まれており、第１の光拡散部９での光の透過率は３０〜１００％である。第１の光拡散部９で光学素子４からの光を拡散することにより、表示する映像の輝度の均一化が可能となる。

第１の光拡散部９から出射した光は、平行化部１０に入射し、平行化部１０で、液晶パネル１の面に垂直方向に入射するように、光の角度が補正され、液晶パネル１の外から観察したときに、高輝度・高画質な映像が得られる。

また、実施例１において、光拡散層を光学素子４に埋め込む例について説明したが、光学素子４の上面に第１の光拡散部９を形成し、その上面に平行化部１０を形成すれば、液晶パネル１に入射する光が増加するとともに、輝度を均一にすることが可能となる。

また、実施例１において、導光部５は、図１１に示すように平面形状であってもよいし、図１２に示すように球面形状であってもよいし、図１３に示すように複数個のプリズムで形成してもよい。

図８は、実施例２を示す図であって、図７と同様に、図２のＸ−Ｘ’部の断面を示す図である。なお、実施例２では、実施例１と同じ点については、簡略化のため、説明を省略する。

実施例２において、実施例１と異なる点は、光均一部７に円柱又は角柱のライトパイプを設けた点である。その他の部品は、実施例１と同様である。

光均一部７であるライトパイプは、光学樹脂等から成る。光均一部７のライトパイプの下面を凹レンズ形状にすることにより、実施例１と同様に、光の利用効率の向上が可能となる。また、光均一部７であるライトパイプの両端が平行となるように形成すれば、光源３への戻り光を防ぐことが可能となる。

また、光源３として、Ｒ用光源、Ｇ用光源、Ｂ用光源等の異なる色の単色光源を複数個使用する場合、これらの光源から出射した光を効率良く反射し、色を混ぜ合わせるためには、光均一部７の幅をＷとし、光均一部７の長さをＨとした場合、W≒Hとすることにより、実現可能となる。映像表示装置の更なる薄型化を図るために、Ｗ＞Ｈとする場合には、光均一部７の側面に、アルミニウム等の反射膜を施す処理をして、光を反射させる必要がある。

図９は、実施例３を示す図であって、図７と同様に、図２のＸ−Ｘ’部の断面を示す図である。なお、実施例３では、実施例２と同じ点については、簡略化のため、説明を省略する。

実施例３において、実施例２と異なる点は、光均一部７であるライトパイプの内部に光を拡散させるための第２の光拡散部１１を設けた点である。その他の部品は、実施例２と同様である。光源３として、Ｒ用光源、Ｇ用光源、Ｂ用光源等の異なる色の単色光源を複数個使用する場合、これらの光源から出射した光を効率良く反射し、これらの色を均等に混ぜ合わせる必要があり、ライトパイプの内部に光を拡散させるための第２の光拡散部１１を設けることにより、第１の光拡散部９及び第２の光拡散部１１で光源からの光を拡散し、更なる光の均一化を図るとともに、表示する映像の色ムラの低減を図ることが可能となる。

図１０は、実施例４を示す図であって、図７と同様に、図２のＸ−Ｘ’部の断面を示す図である。なお、実施例４では、実施例３と同様に、実施例１と同じ点については、簡略化のため、説明を省略する。

実施例４において、実施例１と異なる点は、全反射部８の先端を光源３に向かって尖らせ、平行化部１０をレンチキュラーレンズで形成し、平行化部１０の上面に第１の光拡散部９である膜をコーティングする処理をした点である。

全反射部８の先端を光源側に尖らせることで、光源３からの光を導光部５の前面に対して均等に入射させることが可能となり、表示する映像の輝度の均一化を図ることができる。

図１４は、実施例５を示す図であって、図７と同様に、図２のＸ−Ｘ’部の断面を示す図である。なお、実施例５では、実施例４と同様に、実施例１と同じ点については、簡略化のため、説明を省略する。

実施例１と異なる点は、光均一部７の内側を空洞にし、光均一部７の側面に反射膜１２を設け、光源３を光均一部７の空洞に設けた点である。

また、図１５に示すように、光源用凹穴６の内部に、光均一部７を形成しても、同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、図示はしないが、光源３に３６０°方向に光を出射する点光源を用いる場合には、光均一部７の底部に反射ミラーを設け、点光源から出射された光のうち、液晶パネル１と逆方向に向かう光を液晶パネル１へ光が向かうように反射することにより、光の利用効率を向上させることが可能となる。

液晶テレビの概略図である。光学ユニット２の平面図である。光学素子４の上面図である。液晶パネル１と光源３との配置関係を示す図である。光源３を２個並列に配置した場合の光源３から出射した光のエネルギー分布を示す図である。複数個の光学素子４を千鳥格子状に配置した図である。実施例１を示す図である。実施例２を示す図である。実施例３を示す図である。実施例４を示す図である。実施例１のその他の例を示す図である。実施例１のその他の例を示す図である。実施例１のその他の例を示す図である。実施例５を示す図である。実施例５のその他の実施例を示す図である。

符号の説明

１…液晶パネル、２…光学ユニット、３…光源、４…光学素子、５…導光部、６…光源用凹穴、７…光均一部、８…全反射部、９…第１の光拡散部、１０…平行化部、１１…第２の光拡散部、１２…反射膜。

Claims

光を出射する複数個の光源と、光を映像信号に応じて光学像に変調して表示する液晶パネルと、前記複数の光源と前記液晶パネルとの間に配置された光学素子とを備え、前記光学素子は、前記光源側の一方の面側から前記複数の光源からの光が入射され、その内部を透過して、前記液晶パネルと対向する他方の面から前記液晶パネルへ出射するように構成された映像表示装置において、
前記光学素子は、
前記一方の面側に設けられた、前記複数個の光源から出射された光を均一にする光均一部と、
前記複数個の光源の上方に配置され、前記光均一部からの光を全反射するための、前記光源側に向かって凹形状を有する全反射部と、
前記一方の面側に設けられた、前記全反射部で全反射された光を反射して前記他方の面側へ導光する導光部と、
前記他方の面側に設けられた、前記導光部からの光を拡散して出射する拡散部と、
前記拡散部の前記液晶パネル側に設けられた、前記拡散部からの光を平行化して前記液晶パネル側に出射する平行化部と、を含むことを特徴とする映像表示装置。
請求項１に記載の映像表示装置において、映像を観察する側から、前記液晶パネル、前記平行化部、前記拡散部、前記全反射部、前記導光部、前記均一部、前記複数個の光源の順に配置されたことを特徴とする映像表示装置。
請求項１又は２に記載の映像表示装置であって、
前記凹形状を有する全反射部の前記光源側の部分が、平面或いは尖らせた形状を有することを特徴とする映像表示装置。
請求項１又は２に記載の映像表示装置であって、
前記拡散部及び平行化部は、前記光学素子の他方の面の、前記全反射部が形成されていない領域に設けられ、前記平行化部は、複数個のレンズアレイ又はレンチキュラーレンズであることを特徴とする映像表示装置。
請求項１又は２に記載の映像表示装置であって、
前記光均一部はライトパイプであり、
前記ライトパイプの長さと前記ライトパイプの幅は、略同じであることを特徴とする映像表示装置。
請求項５に記載の映像表示装置であって、
前記複数個の光源は、互いに色の異なる複数個の光源で形成され、
前記ライトパイプの側面に、前記光源からの光を拡散する第２の拡散部が設けられたことを特徴とする映像表示装置。
請求項１又は２に記載の映像表示装置であって、
前記光均一部の内部を空洞とし、前記複数個の光源は、前記光均一部の空洞内に配置されたことを特徴とする映像表示装置。
請求項７に記載の映像表示装置であって、
前記導光部の底部に、反射ミラーが設けられたことを特徴とする映像表示装置。
請求項１又は２に記載の映像表示装置であって、
前記複数個の光源の何れかの光源と前記液晶パネルとの間の距離をｈ、前記複数個の光源の各々の間の距離をｄとし、ｈ≦２０ｍｍの場合、ｄ≧ｈ／０．５８の関係を満たすことを特徴とする映像表示装置。