JP5254583B2 - Light distribution device and backlight device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、配光装置およびこれを用いたバックライト装置に関する。 The present invention relates to a light distribution device and a backlight device using the same.
光源から放射される光の方向を制御して所望の指向性を与える配光装置の適用例として、例えば、透過型液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)などに使用されるバックライト装置(以下単に「バックライト」ともいう)がある。液晶ディスプレイ自体は、IT時代の表示デバイスとして、今日、パソコンや携帯電話をはじめ多くの電子機器に不可欠なものとなっている。なお、本明細書では、以下、バックライトを必要とする透過型液晶ディスプレイ(LCD)および透過型LCDパネルを、単に「液晶ディスプレイ(LCD)」および「LCDパネル」と呼ぶことにする。 As an application example of a light distribution device that gives a desired directivity by controlling the direction of light emitted from a light source, for example, a backlight device (hereinafter simply referred to as a liquid crystal display (LCD)) or the like. Also called “backlight”. The liquid crystal display itself is indispensable for many electronic devices such as personal computers and mobile phones as a display device in the IT era. In the present specification, hereinafter, a transmissive liquid crystal display (LCD) and a transmissive LCD panel that require a backlight are simply referred to as “liquid crystal display (LCD)” and “LCD panel”.
図21は、従来の液晶ディスプレイの一般的な構造を示す概略断面図であり、図22は、図21のLCDパネルの表面構造を示す概略平面図である。 FIG. 21 is a schematic sectional view showing a general structure of a conventional liquid crystal display, and FIG. 22 is a schematic plan view showing a surface structure of the LCD panel of FIG.
図21に示すように、従来の液晶ディスプレイ1は、一般に、大別して、LCDパネル10およびバックライト20で構成されている。LCDパネル10は、2枚のガラス基板11、12の間に液晶セル13とカラーフィルタ14をそれぞれ規則正しく配列し、かつ、その2枚のガラス基板11、12の表面にそれぞれ1枚ずつ、計2枚の偏光シート(偏光フィルムや偏光膜とも呼ばれる)15、16を貼り付けた構造をしている。バックライト20は、通常、赤(R)、緑(G)、青(B)(以下「RGB」と略記する)の3原色の色成分を含む白色光を発する白色光源である。カラーフィルタ14は、透過させるべき光の色に応じて、赤(R)のカラーフィルタ14aと、緑(G)のカラーフィルタ14bと、青(B)のカラーフィルタ14cの3種類がある。各液晶セル13は、光の開閉機能を有し、図示しない制御素子(トランジスタなど)によって制御される。3つの液晶セル13によって1画素が構成される。
As shown in FIG. 21, the conventional
この構造において、バックライト20から出た白色光30は、パネル裏側の全面に照射される。この照射光は、偏光シート15および液晶セル13を通過し、RGBのカラーフィルタ14a〜14cのいずれかをそれぞれ通過する。カラーフィルタ14a〜14cを透過したRGBの光の強弱の混合によって1画素が構成される。換言すれば、1組のRGBのカラーフィルタ14a〜14cに対応する3つの液晶セル13によって、1画素が構成される。
In this structure, the
バックライト20の照射光は、液晶セル13を透過するが、液晶セル13以外は透過しない。よって、液晶セル13の領域は光透過領域17となり、液晶セル13以外の領域は光非透過領域18となる。光透過領域17は、透過する光の色に応じて、赤(R)の光透過領域17aと、緑(G)の光透過領域17bと、青(B)の光透過領域17cとがある。開口部(光透過領域17)以外の光非透過領域18に照射された光31は、吸収され、エネルギー損失となる。例えば、一般的なTFTパネルの場合、パネル開口率は50%程度であるため、光非透過領域18は全体面積の50%程度となり、光エネルギーは50%程度の損失を伴う。
Irradiation light from the
また、従来のバックライト20では、通常、白色光を使用している。白色光は、RGBの3原色の色成分を含んでいる。従来の液晶ディスプレイ1では、RGBの3色のカラーフィルタ14a〜14bに白色光を照射し、該当色以外の色を遮断して該当色のみをLCDパネル10の表面を透過させることにより、目的の色を得ている。例えば、1画素の中の赤(R)に対応する液晶セル13の部分(赤の光透過領域17a)にも、RGBのスペクトルを同時に含む白色光が照射されるが、赤(R)のカラーフィルタ14aによって赤(R)のスペクトル部分のみが透過光となる。このとき、元の光エネルギー(光透過領域17aに照射された光エネルギー)は、2/3の光エネルギーを失う。この事情は、光の色成分が緑(G)と青(B)の場合にも同様である。
In addition, the
このように、従来のバックライト20を用いた場合、光透過領域17において、偏光シート15を透過した白色光の全スペクトルの2/3の光が原理的に遮断されている。したがって、この場合、光透過領域17に照射された光は、その光エネルギーの2/3を失っている。このことから、偏光シート15透過後の光について、光非透過領域18での光エネルギー損失も含めて、有効に利用されている光エネルギー効率は、約1/6(=1/2×1/3)に過ぎない。一般的な液晶ディスプレイの場合、光エネルギーの透過率は8%程度であり、偏光シートによる光エネルギー損失は50%程度であるため、偏光シートによる光エネルギー損失を除いた実質的な光エネルギー効率は、16%程度(約1/6)となる。この数字から、上記の分析が妥当であることがわかる。
As described above, in the case where the
このように、従来の液晶ディスプレイ1では、光非透過領域18での光エネルギー損失とカラーフィルタ14透過時の光エネルギー損失とが大きく、有効に利用されている実質的な光エネルギー効率(偏光シートによる光エネルギー損失を除く)は、約1/6に過ぎない。したがって、表示輝度を確保するために、大量のエネルギーが必要である。特に、近年、RGBの発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)を用いたバックライト(一般に「LEDバックライト」と呼ばれる)が液晶ディスプレイに使用され始めており、かかる液晶ディスプレイは、色の鮮やかさの利点が認められている。しかし、かかる液晶ディスプレイも光エネルギー効率が悪いため、輝度確保のために多数のLEDを使用する。このため、大量の熱が発生する。よって、LEDバックライトを使用した液晶ディスプレイでは、光エネルギーの損失の問題とともに熱エネルギーの放出(放熱)の問題も解決が強く求められている。
As described above, in the conventional
例えば、大型LCDテレビ(LCD−TV)では、数千個程度のLEDが使用されている。LEDは、バックライト前面に均等に配置されている。面上に光源(LED)が分布している既存のバックライトは、色度と輝度の一様性を確保するために、個々のLEDの発光強度のバランスの調整制御を行う電子回路が必要である。このため、膨大な数のLED制御回路が必要になる。このような理由から、既存のLEDバックライトは、大型になると、LEDの数が多くなればなるほど、製造が困難になる。その結果、LEDバックライトは高価である。以上の理由から、LEDバックライトでは、光エネルギー効率を向上させるとともにLEDの数を少なくすることが強く求められている。 For example, a large LCD television (LCD-TV) uses about several thousand LEDs. The LEDs are evenly arranged on the front surface of the backlight. An existing backlight with light sources (LEDs) distributed on the surface requires an electronic circuit that controls the balance of the emission intensity of each LED to ensure uniformity in chromaticity and brightness. is there. For this reason, a huge number of LED control circuits are required. For this reason, as the existing LED backlight becomes larger, the more the number of LEDs increases, the more difficult it is to manufacture. As a result, LED backlights are expensive. For these reasons, there is a strong demand for LED backlights to improve light energy efficiency and reduce the number of LEDs.
この点、光エネルギーの利用効率を向上させる技術として、例えば、バックライトにプリズムシートを用いてバックライトの光を効率的に法線方向に向けることが知られている(例えば、特許文献1)。プリズムシートは、ベースフィルムの一側面上に複数のプリズムを一列に配列して構成されている。このプリズムシートは、光を表面に集光して正面輝度を高くするという機能を有する。すなわち、プリズムシートは、光を集光し正面に向かわせることによって光を有効に利用するものである。
しかしながら、プリズムシートを用いたバックライトであっても、バックライトに白色光を使用する以上、カラーフィルタは必要不可欠であり、カラーフィルタ透過時の光エネルギー損失は避けられない。また、プリズムシートを用いたとしても、やはりバックライト自体は面発光を行うため、光非透過領域での光エネルギー損失も避けられない。したがって、光エネルギーの利用効率の向上には一定の大きな限界がある。 However, even in a backlight using a prism sheet, a color filter is indispensable as long as white light is used for the backlight, and light energy loss during transmission of the color filter is inevitable. Even when a prism sheet is used, the backlight itself emits surface light, and thus light energy loss in the light non-transmissive region is unavoidable. Therefore, there is a certain big limit in improving the utilization efficiency of light energy.
なお、光エネルギーの利用効率を向上させることは、何もバックライトに限定されるわけではなく、広く配光装置一般に求められる要請である。 It should be noted that improving the utilization efficiency of light energy is not limited to a backlight, but is a request that is widely demanded by light distribution devices in general.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、光エネルギーの利用効率を大幅に向上することができる配光装置およびこれを用いたバックライト装置を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of this point, and it aims at providing the light distribution apparatus which can improve the utilization efficiency of optical energy significantly, and a backlight apparatus using the same.
本発明の配光装置は、全反射を用いて光を一方向に導く線状の導光路と、前記導光路上に配置され、全反射を繰り返しながら前記導光路の内部を進む光を、全反射を用いて所定の目的の方向に配光する配光路と、を有する構成を採る。 The light distribution device of the present invention includes a linear light guide that guides light in one direction using total reflection, and light that is disposed on the light guide and travels through the light guide while repeating total reflection. And a light distribution path that distributes light in a predetermined target direction using reflection.
本発明のバックライト装置は、上記の配光装置を有する構成を採る。 The backlight device of the present invention employs a configuration having the light distribution device described above.
本発明によれば、光エネルギーの利用効率を大幅に向上することができる。 According to the present invention, the utilization efficiency of light energy can be greatly improved.
特に、本発明の配光装置を液晶ディスプレイなどのバックライト装置に用いた場合には、バックライト装置における光エネルギーの利用効率を飛躍的に改善することができる。具体的には、バックライト装置における光エネルギーの利用効率を、理論値である約50%(偏光シートによる光エネルギー損失のみ)にすることができる。すなわち、例えば、プリズムシートを用いた場合と比較しても、約6倍の効率の向上が可能である。 In particular, when the light distribution device of the present invention is used in a backlight device such as a liquid crystal display, the light energy utilization efficiency in the backlight device can be dramatically improved. Specifically, the utilization efficiency of light energy in the backlight device can be reduced to a theoretical value of about 50% (only light energy loss due to the polarizing sheet). That is, for example, the efficiency can be improved by about 6 times compared to the case where a prism sheet is used.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る配光装置を用いたバックライト装置を含む液晶ディスプレイの概略構成を示すブロック図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a liquid crystal display including a backlight device using the light distribution device according to
図1に示す液晶ディスプレイ100は、大別して、バックライト部200およびLCDパネル部300で構成されている。バックライト部200は、LCDパネル部300内の液晶を背面から照射するものであり、本発明に係る分光分離構造を有する。具体的には、バックライト部200は、光源部210、入光部220、線状導光部230、法線配光部240、および集光レンズ部250で構成されている。なお、本発明に係る分光分離構造を有するバックライトを、従来の通常の構造を有するバックライトと比較して、「分光分離型バックライト」と呼ぶことにする。
The
光源部210は、単一色の光を生成する機能を有する。具体的には、光源部210は、白色光を分光して、所定の色(例えば、RGB)の光を生成し、または、所定の色(例えば、RGB)の発光ダイオード(LED)を用いて、当該所定の色の光を生成する。白色光は、例えば、自然光(太陽光)や白色ランプ、白色LEDなどによって提供される。
The
入光部220は、光源部210によって生成された各色(例えば、RGB)の光を線状導光部230に導く機能を有する。具体的には、入光部220は、光源部210によって生成された各色(例えば、RGB)の光を、その各色に対応する線状導光路の内部に、全反射可能な角度で入光させる機能を有する。なお、後述するように、線状導光部230は、複数の線状導光路によって構成されている。
The
線状導光部230は、光源部210によって生成された各色(例えば、RGB)に対応する線状構造の導光路(以下「線状導光路」という)を有する。この線状導光路は、全反射を用いて、対応する色の光を一方向に導く機能を有する。後で詳述するように、線状導光路は、互いに光学的に分離されており、例えば、基板上に印刷して形成されている。また、線状導光路は、外部への光照射位置に合わせて配置されている。例えば、線状導光路は、LCDパネル部300内の、対応する色の光が透過すべき場所、つまり、対応する色の光透過領域の下に配置されている。この結果、各色の光は、対応する色の光透過領域の真下に導かれる。
The linear
法線配光部240は、線状導光部230によって導光された光をバックライト部200(つまりLCDパネル部300)の法線方向に配光し、LCDパネル部300内の光透過領域を通過させる機能を有する。後で詳述するように、法線配光部240は、線状導光路上に配置された法線配光路を有する。法線配光路は、全反射を繰り返しながら線状導光路の内部を進む光を、所定の目的の方向(ここでは、LCDパネル部300内の目的の光透過領域を光が通過するように、バックライト部200つまりLCDパネル部300の法線方向)に配光する機能を有する。
The normal
集光レンズ部250は、集光レンズを用いて、法線配光部240から出射された光を、LCDパネル部300内の微小な光透過領域(液晶セルなど)を通過させる目的で集光する機能を有する。なお、集光レンズ部250は、必ずしも必要不可欠の構成要素ではなく、集光性を必要としない場合、集光レンズ部250は不要である。
The condensing
LCDパネル部300は、基本的には、従来のLCDパネル10(図21参照)と同様である。ただし、後述するように、本実施の形態に係るLCDパネル部300は、構造上、従来のLCDパネル10からカラーフィルタ14を除去することができる。
The
次に、バックライト部(分光分離型バックライト)200の具体的な構造について、図面を用いて詳細に説明する。 Next, a specific structure of the backlight unit (spectral separation type backlight) 200 will be described in detail with reference to the drawings.
図2は、分光分離型バックライトの構成の一例を示す概略斜視図である。また、図3は、図2に示す分光分離型バックライトを用いた液晶ディスプレイの構造の一例を示す概略断面図であり、図4は、図3のLCDパネル部の表面構造を示す概略平面図である。 FIG. 2 is a schematic perspective view showing an example of the configuration of the spectrally separated backlight. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a liquid crystal display using the spectrally separated backlight shown in FIG. 2, and FIG. 4 is a schematic plan view showing the surface structure of the LCD panel portion of FIG. It is.
図2に示す分光分離型バックライト(以下単に「バックライト」という)200aは、光源部210として、RGBの発光ダイオード(LED)211を有する。具体的には、バックライト200aは、光源部210として、赤(R)のLED211aと、緑(G)のLED211bと、青(B)のLED211cとを有する。RGBのLED211a〜211cから放射された各色の光は、対応する入光路221a、221b、221cを通って線状導光部230に導かれる。
A spectrally separated backlight (hereinafter simply referred to as “backlight”) 200 a illustrated in FIG. 2 includes an RGB light emitting diode (LED) 211 as the
バックライト200aは、線状導光部230として、複数の線状導光路231を有する。線状導光路231は、上記のように、全反射を用いて、対応する色の光を一方向に導く機能を有する。赤(R)のLED211aから放射された赤(R)の光は、入光路221aを通って、赤(R)用の線状導光路231aに導かれる。緑(G)のLED211bから放射された緑(G)の光は、入光路221bを通って、緑(G)用の線状導光路231bに導かれる。青(B)のLED211cから放射された青(B)の光は、入光路221cを通って、青(B)用の線状導光路231cに導かれる。複数の線状導光路231a〜231cは、互いに光学的に分離されている。
The
また、バックライト200aは、法線配光部240として、複数の法線配光路241を有する。法線配光路241は、上記のように、全反射を繰り返しながら線状導光路231の内部を進む光を、所定の目的の方向(ここでは、バックライト200aの法線方向)に配光する機能を有する。法線配光路241は、線状導光路231上に配置されている。赤(R)用の線状導光路231aの内部を進む赤(R)の光は、赤(R)用の法線配光路241aによって配光され、バックライト200aの法線方向に出射される。緑(G)用の線状導光路231bの内部を進む緑(G)の光は、緑(G)用の法線配光路241bによって配光され、バックライト200aの法線方向に出射される。青(B)用の線状導光路231cの内部を進む青(B)の光は、青(B)用の法線配光路241cによって配光され、バックライト200aの法線方向に出射される。
Further, the
入光路221、線状導光路231、および法線配光路241は、いずれも、全反射により内部を光が伝播するため、可視光での屈折率が同一であることが理想的である。このため、基本的には、入光路221、線状導光路231、および法線配光路241は、例えば、同一成分の樹脂、好ましくは、紫外線硬化樹脂を用いて形成されている。紫外線硬化樹脂は、一般に、プレポリマー、モノマー、光開始剤、増感剤、着色剤、および各種添加剤をブレンドして構成されている。紫外線硬化樹脂は、紫外線(UV光)の照射を受けると、光開始剤が紫外線を吸入して光重合反応を開始し、モノマーやプレポリマーをポリマーに転換して網目状の架橋構造を生成する。紫外線硬化樹脂を用いる場合、入光路221、線状導光路231、および法線配光路241と接する周囲の物質(媒質)270は、例えば、空気、または窒素などの不活性気体であることが好ましい。ただし、気体の種類はこれに限定されるわけではない。基本的には、気体であれば屈折率は1.0付近であるため、任意の気体を用いることができる。
The
また、好ましくは、線状導光路231は、例えば、透明のシート基板260上に印刷により形成され、法線配光路241は、線状導光路231上に印刷により形成されている。線状導光路231および法線配光路241は、例えば、入光路221を含めて、周知のスクリーン印刷法を用いて形成される。具体的な製造方法の一例は、後で詳述する。
Preferably, the linear
図3および図4は、LCDパネル310の1画素と線状導光路231と法線配光路241との位置関係を示している。図3および図4に示すように、線状導光路231は、外部への光照射位置、具体的には、LCDパネル310内の対応する色の光透過領域317の下に線状に伸張して配置されている。例えば、赤(R)用の線状導光路231aは、直線上に配列された複数の赤(R)の光透過領域317aの下に配置され、緑(G)用の線状導光路231bは、直線上に配列された複数の緑(G)の光透過領域317bの下に配置され、青(B)用の線状導光路231cは、直線上に配列された複数の青(B)の光透過領域317cの下に配置されている。また、線状導光路231上の法線配光路241も、外部への光照射位置、具体的には、LCDパネル310内の対応する色の光透過領域317の下に配置されている。例えば、赤(R)用の法線配光路241aは、個々の赤(R)の光透過領域317aの下に配置され、緑(G)用の法線配光路241bは、個々の緑(G)の光透過領域317bの下に配置され、青(B)用の法線配光路241cは、個々の青(B)の光透過領域317cの下に配置されている。
3 and 4 show the positional relationship among one pixel of the LCD panel 310, the linear
この構成により、各色の光は、対応する色の光透過領域317の直下に導かれる。例えば、赤(R)の光は、赤(R)用の線状導光路231a内を通り、赤(R)の光透過領域317aの真下に導かれる。赤(R)の光透過領域317aの真下に導かれた赤(R)の光は、赤(R)用の法線配光路241aにより、バックライト200aの法線方向に出射される。バックライト200aの法線方向に出射された赤(R)の光130aは、赤(R)の光透過領域317aのみを通過し、光非透過領域318ならびに緑(G)および青(B)の光透過領域317b、317cには出射されない。同様に、緑(G)および青(B)の出射光130b、130cも、対応する色の光透過領域317b、317cのみを通過する。この結果、従来の液晶ディスプレイにおける光エネルギー損失の大きな原因である光非透過領域での光エネルギー損失およびカラーフィルタ透過時の光エネルギー損失を解消することができる。
With this configuration, the light of each color is guided directly below the light transmission region 317 of the corresponding color. For example, the red (R) light passes through the red (R)
なお、図3に示すLCDパネル310は、図21に示す従来のLCDパネル10と同様の基本的構成を有する。具体的には、LCDパネル310は、2枚のガラス基板311、312の間に液晶セル313を規則正しく配列し、かつ、その2枚のガラス基板311、312の表面にそれぞれ1枚ずつ、計2枚の偏光シート315、316を貼り付けた構造をしている。ただし、LCDパネル310では、従来のLCDパネル10で必要なカラーフィルタは不要である。この場合も、各液晶セル313は、光の開閉機能を有し、図示しない制御素子(トランジスタなど)によって制御される。3つの液晶セル313によって1画素が構成される点は、従来のLCDパネル10と同じである。
3 has a basic configuration similar to that of the
図5は、図3および図4に示す分光分離型バックライトにおける光の伝播原理を説明するための図である。 FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of light propagation in the spectrally separated backlight shown in FIGS. 3 and 4.
任意の色のLED211から放射された光は、対応する入光路221を通って、対応する線状導光路231に導かれる。入光路221から線状導光路231に入光した光110は、線状導光路231の内部を全反射により伝播する。ここで、全反射とは、屈折率界面におけるエネルギー損失のない完璧な反射のことである(反射率=100%)。例えば、線状導光路231を紫外線硬化樹脂で形成し、周囲の媒質が空気である場合には、後で説明するように、入射光に対して屈折光がなくなる(反射光のみなる)臨界角は、約42°になる。したがって、線状導光路231の内部を全反射により伝播する光110は、水平方向から約±48°(=90°−42°)以内の傾斜角で伝播する。そして、線状導光路231内の内部を伝播する光110は、このうち、線状導光路231と法線配光路241との接触面(境界面)280で0°から48°までの傾斜角を持つ光が法線配光路241に入光する。線状導光路231から法線配光路241に入光した光120は、法線配光路241の内部を全反射により伝播し、最終的に、法線配光路241の上面から、バックライト200aの法線方向に出射される。すなわち、法線配光路241から出射する光130は、線状導光路231内の光110をバックライト200aの法線方向に配光したものとなる。
The light emitted from the
なお、全反射により伝播する光は外部に漏れないため、外部から見ると線状導光路231は透明に見える。これは入光路221および法線配光路241についても同様である。ただし、法線配光路241から出射される光130は、視認することができる。光の伝達において、外部から見えるということは、光エネルギーの損失を意味する。
Note that light propagating by total reflection does not leak to the outside, so that the linear
図6は、全反射の原理を説明するための図である。 FIG. 6 is a diagram for explaining the principle of total reflection.
スネルの法則(屈折の法則)によれば、媒質Aから媒質Bへの入射角をθ1、媒質Aから媒質Bへの屈折角をθ3、媒質Aの絶対屈折率をnA、媒質Bの絶対屈折率をnBとすると、以下の関係が成り立つ。
sinθ1/sinθ3=nB/nA
ここで、絶対屈折率とは、光波における真空に対する物質固有の相対屈折率のことである。屈折が起こる最大の入射角である臨界角(θ3=90°となる)では、屈折光がなくなり、反射光のみとなる。上記の公式から、臨界角の大きさは、媒質の屈折率によって定まることがわかる。nA>nBで、光が媒質Aから媒質Bに入射するとき、臨界角θm(媒質Aから媒質Bへの入射角)は、次のようになる。
sinθm=sinθm/sin90°=nB/nA
したがって、媒質Aから媒質Bへの入射角θ1について、
θ1>θm
という関係を満たすことが、全反射の起こる条件となる。なお、反射の法則によれば、境界面(反射面)で反射する光の入射角θ1と反射角θ2は等しい(θ1=θ2)。
According to Snell's law (the law of refraction), the incident angle from the medium A to the medium B is θ 1 , the refraction angle from the medium A to the medium B is θ 3 , the absolute refractive index of the medium A is n A , and the medium B When the absolute refractive index of n is n B , the following relationship holds.
sin θ 1 / sin θ 3 = n B / n A
Here, the absolute refractive index is a relative refractive index specific to a substance with respect to vacuum in a light wave. At the critical angle (θ 3 = 90 °), which is the maximum incident angle at which refraction occurs, there is no refracted light and only reflected light. From the above formula, it can be seen that the magnitude of the critical angle is determined by the refractive index of the medium. When n A > n B and light enters the medium B from the medium A, the critical angle θ m (incident angle from the medium A to the medium B) is as follows.
sin θ m = sin θ m / sin 90 ° = n B / n A
Therefore, for the incident angle θ 1 from the medium A to the medium B,
θ 1 > θ m
Satisfying this relationship is a condition for total reflection. Note that, according to the law of reflection, the incident angle θ 1 and the reflection angle θ 2 of the light reflected by the boundary surface (reflecting surface) are equal (θ 1 = θ 2 ).
例えば、媒質Aを紫外線硬化樹脂、媒質Bを空気とすると、紫外線硬化樹脂の絶対屈折率は約1.5、空気の絶対屈折率は約1.0であるため、臨界角θmは、sinθm=1.0/1.5から、θm=41.8103°となり、約42°となる。したがって、この臨界角(約42°)以上で入射する光、つまり、境界面に対して約48°以下の角度で入射する光は、すべて反射光となる(全反射)。 For example, when the medium A is an ultraviolet curable resin and the medium B is air, the absolute refractive index of the ultraviolet curable resin is about 1.5 and the absolute refractive index of air is about 1.0. Therefore, the critical angle θ m is sin θ From m = 1.0 / 1.5, θ m = 41.8103 °, which is about 42 °. Accordingly, light incident at a critical angle (about 42 °) or more, that is, light incident at an angle of about 48 ° or less with respect to the boundary surface is all reflected light (total reflection).
本実施の形態は、このような全反射の原理、具体的には、例えば、紫外線硬化樹脂から空気へ光が入射する場合に、水平角約±48°以内で入射する光はすべて境界面で全反射され進行方向に伝播するという原理を、平面上に印刷した導光路での光の伝播に利用したものである。 In this embodiment, the principle of total reflection, specifically, for example, when light is incident on the air from an ultraviolet curable resin, all light incident within a horizontal angle of about ± 48 ° is at the boundary surface. The principle of total reflection and propagation in the traveling direction is used for the propagation of light in a light guide printed on a plane.
通常、線状導光路231を伝播する光は、導光路を形成する材料と不純物により吸収と散乱が起こり、徐々に減衰する。減衰の要因には、光が伝播する媒質の光学特性や、導光路の表面均一性などの要因もある。例えば、紫外線硬化樹脂では、伝播光の強度は、1m当たり10%程度減衰する。そのため、光源からの距離に比例して伝播光の強度が減衰する。そして、伝播光の減衰特性に応じて、バックライトから出射される光の輝度が変化する。
Usually, light propagating through the linear
そこで、本実施の形態では、例えば、線状導光路231と法線配光路241との接触面積(接触面280の面積)を変化させて、減衰特性による輝度変化を解消するようにしている。すなわち、上記のように、線状導光路231を伝播する光110は、その一部が、線状導光路231と法線配光路241との接触面280から法線配光路241に入光する。法線配光路241に入光する光の光量は、接触面280の面積に比例する。したがって、これを利用して、接触面280の面積を調整することにより、上記の輝度差を解消することができる。具体的には、接触面280から法線配光路241に入光する光の光量がすべての接触面280で等しくなるように接触面280の面積を調整する。例えば、線状導光路231を伝播する光の減衰特性に応じて、光源からの距離が大きくなるほど、接触面280の面積を大きくする。
Therefore, in this embodiment, for example, the contact area between the linear
次に、入光路221について、さらに詳しく説明する。
Next, the
図7は、本実施の形態におけるRGBのLEDを用いた分光分離型バックライトの要部を示す概略平面図である。また、図8は、本実施の形態におけるRGBのLEDを用いた分光分離型バックライトの要部を示す概略断面図である。図8(A)は、LEDの高さが線状導光路の高さよりも高い場合であり、図8(B)は、LEDの高さが線状導光路の高さよりも低い場合である。 FIG. 7 is a schematic plan view showing a main part of a spectrally separated backlight using RGB LEDs in the present embodiment. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a main part of a spectrally separated backlight using RGB LEDs in the present embodiment. FIG. 8A shows the case where the height of the LED is higher than the height of the linear light guide, and FIG. 8B shows the case where the height of the LED is lower than the height of the linear light guide.
入光路221は、入光部220として、上記のように、RGBのLED211の光が、対応する線状導光路231の内部で全反射するように、LED211から線状導光路231に入光する光線(ビーム)の角度を調整する機能を有する。
As described above, the
具体的には、RGBのLED211から放射される光の放射角度分布は、LEDの形状に大きく依存する。しかし、近年では、LEDの放射角度分布は、±30°程度に収まっている。入光路221の機能は、LED211の光を水平角約±48°以内で線状導光路231に導くことである。しかし、通常、LED211の形状と線状導光路231の入口(入光面)の形状は相違している。よって、入光路221は、その相違に応じて、LED211からの光を線状導光路231に効果的に導く形状を持っている。入光路221の具体的な形状は、全反射を前提とした幾何光学によるシミュレーションによって決定されるが、さらに、LED211の放射角度分布も考慮することが必要である。入光路221の形状の具体例は、例えば、図7および図8に示す通りである。なお、入光路221の形状を決定するとき、光の屈折は考慮する必要がないため、色ごとに個別の調整を行う必要はない。
Specifically, the radiation angle distribution of the light emitted from the
次に、法線配光路241について、さらに詳しく説明する。
Next, the normal
図9は、法線配光路の形状の具体例を示す概略断面図である。特に、図9(A)は、最も簡単な構成例を示し、図9(B)は、理想的な形状を有する構成例を示し、図9(C)は、両者の中間レベルの構成例を示している。 FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a specific example of the shape of the normal light distribution path. In particular, FIG. 9A shows the simplest configuration example, FIG. 9B shows an example configuration having an ideal shape, and FIG. Show.
法線配光路241は、上記のように、全反射を繰り返しながら線状導光路231の内部を進む光を、所定の目的の方向(ここでは、LCDパネル部300内の目的の光透過領域317を光が通過するように、バックライト200aの法線方向)に配光する機能を有する。法線配光路241による法線方向への配光の原理については、後で詳述するが、図9(A)に示す法線配光路242は、最も簡単な構成(形状)を有する場合である。具体的には、法線配光路242は、線状導光路231内の光伝播方向に対して、例えば、前方の反射面が傾き45°のみの1段階に、後方の反射面が傾き30°のみの1段階にそれぞれ形成されている。
As described above, the normal
ここで、後方の反射面の角度は、次のように決定することができる。まず、後方の反射面の傾きは、48°未満でなければならない。48°以上の角度では、線状導光路231の伝播光は、後方の反射面に照射されないためである。例えば、上記のように傾きが30°の場合、進行角48°の光は、後方の反射面で反射されて12°の方向に進み、さらに、前方の反射面で反射されて78°の方向に進む。すなわち、進行角48°の光は、2回の反射で進行方向が78°の方向に変化する。後方の反射面の最適な角度は、線状導光路231の伝播光の角度分布に依存する。しかし、あまり角度を小さくすると、法線配光路241の高さが低くなりすぎて、光量の調整が困難になる。そこで、現実的には、20°〜30°付近の角度が好ましい。
Here, the angle of the rear reflecting surface can be determined as follows. First, the tilt of the rear reflective surface must be less than 48 °. This is because, at an angle of 48 ° or more, the propagation light of the linear
図9(B)に示す法線配光路243は、理想的な形状を有する場合である。理想的な形状は、放物線である。現実には、法線配光路243に入光する光の開始点は開口部(ここでは接触面280)のライン上に分布するため、開口部(接触面280)の中点を仮想光源として法線配光路243の形状を設計することが実際的である。図9(B)に示す例において、法線配光路243は、例えば、線状導光路231内の光伝播方向に対して、例えば、前方の反射面が順次傾き45°、55°、…と変化する多段階に、後方の反射面が順次傾き60°、…と変化する多段階にそれぞれ形成されている。すなわち、図9(B)に示す法線配光路243では、放物線を近似する形状として、前方の反射面および後方の反射面をそれぞれ多段階で形成している。
A normal
ここで、法線配光路243の理想的な形状が放物線である理由は、次の通りである。図10(A)に示すように、曲線Cが点Fを焦点とする放物線である場合、焦点Fから出た光は、曲線Cで反射されると、すべての光が法線方向に反射される。すなわち、放物線の焦点から出る点光源の光は、法線方向に反射される。この原理を本実施の形態に適用すると、次のようになる。図10(B)に示すように、放物線Cの焦点Fを開口部(接触面280)の中点に置いた場合を考える。この場合、焦点Fの位置から出た光121は、上記の原理により法線方向に反射される。これに対し、開口部(接触面280)のライン上ではあるが焦点Fではない位置から出た光121、123は、法線方向からずれて反射される。したがって、放物線Cの焦点Fの位置に微小な接触面280を持つように法線配光路243の設計を行えば、法線配光路243から出射される光130は、ほとんど法線方向に出射されることになる。すなわち、法線配光路243の形状を放物線とした場合、線状導光路231と法線配光路243との接触面280が小さくなるほど法線方向の角度の分散が小さくなる。なお、この場合、微小な接触面280以外の部分は、光が透過しないようにマスクする必要がある。
Here, the reason why the ideal shape of the normal
図9(C)に示す法線配光路244は、図9(A)の法線配光路242と図9(B)の法線配光路243の間の中間レベルの構成例であり、図9(B)の法線配光路243に比べて比較的容易に実現できる形状である。具体的には、法線配光路244は、線状導光路231内の光伝播方向に対して、例えば、前方の反射面が傾き45°と60°の2段階に、後方の反射面が傾き20°と90°の2段階にそれぞれ形成されている。
A normal
法線配光路241からの出射光の角度分布は、法線配光路241の形状によって異なる。すなわち、上記各法線配光路242〜244は、互いに、出射光の角度分布が異なる。
The angular distribution of the emitted light from the normal
なお、上記のように法線配光路241は微細な立体構造を有するため、法線配光路241の上面を保護するために、保護シート245を設けることが好ましい。保護シート245は、例えば、数十ミクロン(μm)程度の厚さを持つ透明な樹脂シートである。また、
保護シート245は、例えば、法線配光路241を形成する工程とは別の工程で、紫外線硬化樹脂を用いて形成することも可能である。
Since the normal
For example, the
ここで、法線配光路241による法線方向への配光の原理について、図面を用いて説明する。図11は、線状導光路を伝播する光の角度分布を示す図である。図12は、法線配光路による法線方向への配光の原理を説明するための図である。
Here, the principle of light distribution in the normal direction by the normal
上記のように、線状導光路231の伝播光110は、水平方向に対して±48°以内の傾きであれば、全反射して一部が法線配光路241に入光し、法線配光路241からバックライト200aの法線方向に出射される。このとき、線状導光路231の伝播光110は、図11に示すように、±48°の角度範囲においてガウス分布に近い光強度の分布を有する。図12では、便宜上、45°としている。このような分布を持つ線状導光路231の伝播光110は、線状導光路231と法線配光路241との接触面(境界面)280で、その一部(つまり、0°から48°までの傾斜角を持つ光)が法線配光路241に入光する。このとき、上記のように、入光する光の光量は、接触面280の面積に比例する。線状導光路231から法線配光路241に入光した光120は、法線配光路241の内部を全反射により伝播し、最終的に、法線配光路241の上面から、バックライト200aの法線方向に出射される。すなわち、法線配光路241から出射する光130は、線状導光路231内の光110をバックライト200aの法線方向に配光したものとなる。このとき、最も簡単な構成において、法線配光路241の形状、例えば、線状導光路231内の光伝播方向に対する前方の反射面の傾斜角は、線状導光路231の伝播光110の角度分布を考慮して、48°以下の最適な角度を決定すればよい。図12の例では、45°としている。
As described above, the propagating light 110 in the linear
法線配光路241の形状は、法線配光路241内の伝播光120の効率を考慮して、さらに複雑な形状にすることが考えられる。この具体例が、上記した図9(B)および図9(C)に示す形状である。特に、図9(B)は、より多くの光を法線方向に反射させることを考えると、放物線形状になることを示している。
The shape of the normal
さらに、図13を用いて、法線配光路241の形状の決め方(設計思想、基準)について説明する。 Furthermore, how to determine the shape of the normal light distribution path 241 (design concept, standard) will be described with reference to FIG.
まず、図13(A)において、線状導光路231の伝播光110は、進行角度分布が±48°であり、そのうち、0°〜48°の光が法線配光路241に入光する。ここでは、この光の進行方向を法線方向に変化させることを考える。伝播光110の角度分布を考慮すると、上記のように、0°付近の光強度が最大である(図11参照)。したがって、進行角が0°の光を全反射により法線方向(90°の方向)に変化させるためには、その光が、進行方向に対して45°の傾斜角を持つ反射面に入射する必要がある。このとき、進行角θの伝播光は、上記45°の傾斜角を持つ反射面によって(90°−θ)の方向に伝播方向が変化する。このとき、法線方向に出射される光130の角度分布は、42°〜90°の範囲になる。実際の出射角は、屈折の法則により、例えば、20°の角度を持つ伝播光は30°方向に出射される。実際の出射光は、0°から90°の範囲に分布する。ただし、実際の伝播光110において、角度0°の伝播光に対する反射面の断面積は小さいため、全出射光に対する角度0°の伝播光の寄与率は最大でなく、角度15°程度の伝播光の寄与率が最大であると考えられる。
First, in FIG. 13A, the
このように、実際の伝播光110において、角度0°の伝播光に対する反射面の断面積は小さく、全出射光に対する角度0°の伝播光の寄与率は最大でない。伝播光110の角度分布に依存するものの、全出射光に対する寄与率は、角度15°程度の伝播光が最大であると考えられる。この角度の伝播光を法線方向(90°の方向)に反射させるためには、次の計算式から、
2*α−θ=90°
θ=15°
∴α=52.5°
となる。現実には、チューニングパラメータではあるが、出射光の法線方向の対称性を考慮して、95°程度に反射するように反射面の角度を考慮すると、
2*α−θ°=95°
θ=15°
∴α=55°
となる。したがって、図13(B)に示すように、図13(A)に示す上記の単一角度反射面よりも、この2段傾斜角反射面のほうが、より一層効率的に、線状導光路231の伝播光110を法線方向に出射することができる。なお、この場合、法線配光路241の上面から出射される角度は、屈折の法則により、
1.5*sin(5°)=1.0*sin(θ)
∴θ=7.5°
となるため、97.5°の方向に出射される。
Thus, in the actual propagating light 110, the cross-sectional area of the reflecting surface with respect to the propagating light with an angle of 0 ° is small, and the contribution ratio of the propagating light with the angle of 0 ° with respect to all the outgoing light is not the maximum. Although it depends on the angular distribution of the propagating light 110, it is considered that the propagating light having an angle of about 15 ° is the largest in the contribution ratio to the total emitted light. In order to reflect the propagating light of this angle in the normal direction (90 ° direction), from the following formula:
2 * α-θ = 90 °
θ = 15 °
∴α = 52.5 °
It becomes. In reality, it is a tuning parameter, but considering the symmetry of the normal direction of the emitted light, and considering the angle of the reflecting surface to reflect to about 95 °,
2 * α-θ ° = 95 °
θ = 15 °
∴α = 55 °
It becomes. Therefore, as shown in FIG. 13B, the two-step inclined angle reflecting surface is more efficiently produced by the linear
1.5 * sin (5 °) = 1.0 * sin (θ)
∴θ = 7.5 °
Therefore, it is emitted in the direction of 97.5 °.
次に、線状導光路231および法線配光路241の製造方法について、図面を用いて説明する。図14は、線状導光路231の製造方法の一例を示す工程別断面図である。また、図15は、法線配光路241の製造方法の一例を示す工程別断面図である。なお、ここでは、簡単化のため、法線配光路241として、図9(A)に示す最も簡単な構成(形状)を有する法線配光路242を製造する場合を例とって説明する。また、ここでは、一例として、例えば、スクリーン印刷を利用して、線状導光路231および法線配光路241を製造する場合について説明する。
Next, the manufacturing method of the linear
まず、図14を用いて、スクリーン印刷により透明のシート基板260上に線状導光路231を形成(印刷)する場合について説明する。
First, the case where the linear
まず、図14(A)に示すように、線状導光路231のパターンを形成するためのアルミニウム箔シート290を用意し、この線状導光路パターン用アルミニウム箔シート290に紫外線透過パターン部(切り抜き部)291を形成する。具体的には、例えば、YAGレーザ刻印機により、線状導光路231のパターン形状に合わせて線状導光路パターン用アルミニウム箔シート290を切り抜く。線状導光路パターン用アルミニウム箔シート290は、好ましくは、その厚さを無視できる程度の厚さ、例えば、数十ミクロン(μm)程度の厚さを有する。
First, as shown in FIG. 14A, an
そして、図14(B)に示すように、シート基板260上に図14(A)の線状導光路パターン用アルミニウム箔シート290を設置した後、線状導光路パターン用アルミニウム箔シート290の切り抜き部291に液状の紫外線硬化樹脂292を充填塗布する。
Then, as shown in FIG. 14 (B), after the
そして、図14(C)に示すように、法線方向から紫外線(UV光)を照射する。これにより、切り抜き部291内の紫外線硬化樹脂292は、硬化して、線状導光路231のパターンが形成される。
And as shown in FIG.14 (C), an ultraviolet-ray (UV light) is irradiated from a normal line direction. Thereby, the ultraviolet
そして、図14(D)に示すように、シート基板260上の線状導光路パターン用アルミニウム箔シート290を除去する。これにより、シート基板260上に線状導光路231のパターンが印刷される。
Then, as shown in FIG. 14D, the linear light guide pattern
次に、図15を用いて、スクリーン印刷により線状導光路231上に法線配光路241を形成(印刷)する場合について説明する。
Next, the case where the normal
まず、図15(A)に示すように、法線配光路241のパターンを形成するためのアルミニウム箔シート295を用意し、この法線配光路パターン用アルミニウム箔シート295に紫外線透過パターン部(切り抜き部)296を形成する。具体的には、例えば、YAGレーザ刻印機により、法線配光路241のパターン形状に合わせて法線配光路パターン用アルミニウム箔シート295を切り抜く。法線配光路パターン用アルミニウム箔シート295は、好ましくは、その厚さを無視できる程度の厚さ、例えば、数十ミクロン(μm)程度の厚さを有する。
First, as shown in FIG. 15A, an
そして、図15(B)に示すように、線状導光路231のパターンが印刷されたシート基板260上に、液状の紫外線硬化樹脂297を所定の厚さで充填塗布する。このとき、液状の紫外線硬化樹脂297上には、図15(A)の法線配光路パターン用アルミニウム箔シート295が設置されている。その後、この状態において、例えば、法線方向から60°傾斜した方向から、法線配光路パターン用アルミニウム箔シート295の裏面の製造用透明基板シート298に向けて、紫外線(UV光)を照射する。この紫外線は、切り抜き部296を通過して液状の紫外線硬化樹脂297に到達する。これにより、液状の紫外線硬化樹脂297は、紫外線が照射された部分241aのみが硬化する。
Then, as shown in FIG. 15B, a liquid ultraviolet
そして、図15(C)に示すように、今度は、紫外線の照射角度を変えて、例えば、法線方向から45°傾斜した方向から、同じく法線配光路パターン用アルミニウム箔シート295の裏面の製造用透明基板シート298に向けて、紫外線(UV光)を照射する。この紫外線は、切り抜き部296を通過して別の領域の液状の紫外線硬化樹脂297に到達する。これにより、最終的に、法線配光路241のパターンに相当する部分の紫外線硬化樹脂297が硬化して、法線配光路241のパターンが形成される。
Then, as shown in FIG. 15C, this time, by changing the irradiation angle of the ultraviolet rays, for example, from the direction inclined 45 ° from the normal direction, the back surface of the
そして、図15(D)に示すように、法線配光路パターン用アルミニウム箔シート295を除去し、さらに、非硬化樹脂、つまり、残存する液状の紫外線硬化樹脂297を洗浄して除去する。これにより、線状導光路231のパターン上に法線配光路241のパターンが印刷される。
Then, as shown in FIG. 15D, the normal light distribution path pattern
なお、紫外線硬化樹脂を用いた印刷方法として、上記したスクリーン印刷技術のほかに、インクジェット印刷技術やオフセット印刷技術などを利用することもできる。すなわち、紫外線の照射角度を複数回変えて硬化させることによりシート上に微細な立体構造を形成することができる印刷技術であれば、どのような印刷技術を利用してもよい。印刷技術を用いた場合には、安価に大量に製造できるという利点があるが、それ以外にも、例えば、LSIなどの製造に用いられるフォトリソグラフィーやスパッタリング、エッチングなどの技術を用いて、線状導光部を製造できるという利点がある。また、特に線状導光路231の形成方法については、上記の印刷技術のほかに、一般的なプラスチック成型技術を利用することも可能である。
In addition to the screen printing technique described above, an inkjet printing technique, an offset printing technique, or the like can be used as a printing method using an ultraviolet curable resin. That is, any printing technique may be used as long as it can form a fine three-dimensional structure on the sheet by changing the irradiation angle of the ultraviolet rays a plurality of times and curing it. When printing technology is used, there is an advantage that it can be manufactured in large quantities at a low cost, but in addition to this, for example, using techniques such as photolithography, sputtering, etching, etc. used for manufacturing LSI etc., linear There exists an advantage that a light guide part can be manufactured. In particular, for the method of forming the linear
このように、本実施の形態によれば、線状導光路231および法線配光路241を設けて光源部210からの光を色ごとに法線方向(所望の方向)に配光できるようにしたため、光エネルギーの利用効率を大幅に向上することができる。
Thus, according to the present embodiment, the linear
特に、液晶ディスプレイ用のバックライトに適用した場合には、従来の液晶ディスプレイにおける光エネルギー損失の大きな原因である光非透過領域での光エネルギー損失およびカラーフィルタ透過時の光エネルギー損失を解消することができ、光エネルギーの利用効率を、理論値である約50%(偏光シートによる光エネルギー損失のみ)にすることができる。これは、例えば、プリズムシートを用いた場合と比較しても、約6倍の効率向上である。すなわち、バックライト部200の光源部210の光エネルギーを最も効率的に液晶ディスプレイの表面を通過させることができ、偏光シートによるエネルギー損失である50%の損失以外の損失のない、理想的なバックライトを実現することができる。
In particular, when applied to a backlight for a liquid crystal display, eliminate the light energy loss in the light non-transmission region and the light energy loss when transmitting the color filter, which are the major causes of light energy loss in the conventional liquid crystal display. And the utilization efficiency of light energy can be reduced to a theoretical value of about 50% (only light energy loss by the polarizing sheet). This is, for example, an improvement in efficiency of about 6 times compared to the case where a prism sheet is used. That is, it is possible to pass the light energy of the
また、既存の液晶ディスプレイのカラーフィルタを除去することができ、液晶ディスプレイのコストの削減とさらなるエネルギー効率の向上を図ることができる。 Moreover, the color filter of the existing liquid crystal display can be removed, and the cost of the liquid crystal display can be reduced and further energy efficiency can be improved.
また、光エネルギーの利用効率の向上に伴い、例えば、より少ない数のLEDで一定の輝度を確保することができ、バックライトに使用するLEDの数を抑制することができる。この結果、消費電力の低減や放熱の問題の解消も図ることができる。 In addition, with the improvement of the utilization efficiency of light energy, for example, a constant luminance can be ensured with a smaller number of LEDs, and the number of LEDs used for the backlight can be suppressed. As a result, it is possible to reduce power consumption and solve the problem of heat dissipation.
(実施の形態2)
実施の形態2は、集光レンズ部250を有する場合である。
(Embodiment 2)
The second embodiment is a case where the
図16は、本発明の実施の形態2に係る配光装置を用いたバックライト装置(分光分離型バックライト)を用いた液晶ディスプレイの構造の一例を示す概略断面図である。なお、この液晶ディスプレイ100bは、図3に示す実施の形態1に対応する液晶ディスプレイ100aと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a liquid crystal display using a backlight device (spectral separation type backlight) using the light distribution device according to Embodiment 2 of the present invention. The
本実施の形態では、LCDパネル310としてTFTパネル310aが使用されており、RGBの光透過領域317a〜317cにRGBのカラーフィルタ314a、314b、314cがそれぞれ設けられている。また、この例では、TFTパネル310aのガラス基板311の厚さが500ミクロン(μm)程度であるのに対し、RGBの光透過領域317a〜317cがそれぞれ100ミクロン(μm)程度になっている。そのため、法線配光路241から出射された光を、集光レンズ251で集光して光透過領域317を通過させるようにしている。具体的には、赤(R)用の法線配光路241aから出射された赤(R)の光は、集光レンズ251aで集光して赤(R)の光透過領域317aを通過させる。また、緑(G)用の法線配光路241bから出射された緑(G)の光は、集光レンズ251bで集光して緑(G)の光透過領域317bを通過させる。また、青(B)用の法線配光路241cから出射された青(B)の光は、集光レンズ251cで集光して青(B)の光透過領域317cを通過させる。この結果、微小な光透過領域を持つLCDパネル310(TFTパネル310a)の光利用効率をさらに向上することができる。なお、図16において、符号「400」は拡散シートである。
In this embodiment, a
集光レンズ251は、紫外線硬化樹脂をインクとして使用したインクジェット印刷技術を用いて、例えば、偏光シート315上に、レンズ形状に印刷することができる。また、集光レンズ251の製造方法は、インクジェット印刷技術に限定されるわけではなく、任意の適当な製造方法を適用することができる。例えば、スクリーン印刷技術やプラスチック成形技術、光成形技術なども適用可能である。
The condenser lens 251 can be printed in a lens shape, for example, on the
このように、本実施の形態によれば、集光レンズ251cを設けて法線配光路241からの出射光を集光させるため、微細な光透過領域を通過させることができる。この結果、例えば、微小な光透過領域を持つLCDパネル310(TFTパネル310a)の光利用効率をさらに向上することができる。
As described above, according to the present embodiment, the condensing
(実施の形態3)
実施の形態3は、光源部210が白色光源を有する場合である。すなわち、本実施の形態は、光源部210が、白色光を分光して、所定の色(例えば、RGB)の光を生成する場合である。
(Embodiment 3)
The third embodiment is a case where the
図17は、本発明の実施の形態3に係る配光装置を用いたバックライト装置(分光分離型バックライト)を用いた液晶ディスプレイの構造の一例を示す概略断面図である。また、図18は、図17のバックライト装置(分光分離型バックライト)の要部を示す概略断面図である。なお、この液晶ディスプレイ100cは、図16に示す実施の形態2に対応する液晶ディスプレイ100bと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a liquid crystal display using a backlight device (spectral separation type backlight) using the light distribution device according to
本実施の形態では、白色光源212から放射された白色光140を入光部500に導く。入光部500は、白色光源212からの白色光140をシート状に配光し、分岐し、分岐後の白色光をプリズムによりRGBの各色に分光し、各色に対応する線状導光部231a〜231cに入光させる機能を有する。そのため、入光部500は、白色光配光部510、集光レンズ部520、光整形/分光部530、および配光部540で構成されている。なお、図17では、便宜上、簡単化のため、線状導光路231と法線配光路241をまとめて符号「235」で示している。また、白色光140は、太陽光であってもよい。
In the present embodiment, the
白色光配光部510は、白色光140を全反射を利用して伝播させる。集光レンズ部520は、白色光配光部510を伝播する白色光140の一部を分岐し、かつ、分岐した光を光整形/分光部530の光整形部(非球面凹レンズ)531に焦点を結ぶように集光する。集光レンズ部520は、放物線の形状を有する部分521と、非球面凸レンズ522とで構成されている。光整形/分光部530の光整形部(非球面凹レンズ)531は、集光レンズ部520からの光を、平行光の小さな光線(ビーム)に変換して光整形/分光部530の分光部532に送る。光整形/分光部530の分光部532は、平行光の光線を分光プリズムによりRGBのスペクトルに分解する。配光部540a〜540cは、分解された各色の光を、対応する線状導光路231a〜231cに導光する。
The white
このような微小光学系は、従来の立体形状のレンズやプリズムなどで構成することは困難であるが、スクリーン印刷などの印刷技術を利用して平面状に構成することにより、容易に実現することができる。 Such a micro-optical system is difficult to configure with conventional three-dimensional lenses and prisms, but can be easily realized by using a printing technique such as screen printing to form a flat surface. Can do.
このように、本実施の形態によれば、白色光を利用するため、太陽光などの周辺光を利用することが可能になり、電気エネルギーを使用しない配光装置やバックライトを提供することが可能になる。 Thus, according to the present embodiment, since white light is used, ambient light such as sunlight can be used, and a light distribution device and a backlight that do not use electric energy can be provided. It becomes possible.
なお、本実施の形態には、いくつか変形例が考えられる。 It should be noted that several modifications can be considered for this embodiment.
図19および図20は、その変形例の一例を示す図である。なお、図19および図20の液晶ディスプレイ100dは、図17および図18に示す液晶ディスプレイ100cと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
19 and 20 are diagrams showing an example of the modification. The
この変形例では、入光部600を構成する集光レンズ部610の構造が相違している。この構造では、白色光配光部510a内を配光される白色光140は、集光レンズ部610で反射作用により集光されるため、集光レンズ部610には、白色光140を曲面上で鏡面反射する処理が施されている。
In this modification, the structure of the condensing
本発明に係る配光装置およびこれを用いたバックライト装置は、光エネルギーの利用効率を大幅に向上することができる配光装置およびバックライト装置として有用である。 The light distribution device according to the present invention and the backlight device using the light distribution device are useful as a light distribution device and a backlight device that can significantly improve the utilization efficiency of light energy.
100、100a、100b、100c、100d 液晶ディスプレイ(LCD)
110、120 伝播光
130 出射光
140 白色光
200 バックライト部
200a 分光分離型バックライト
210 光源部
211a、211b、211c LED
212 白色光源
220、500、600 入光部
221a、221b、221c 入光路
230 線状導光部
231a、231b、231c 線状導光路
240 法線配光部
241a、241b、241c、242、243、244 法線配光路
250 集光レンズ部
251a、251b、251c 集光レンズ
260 シート基板
270 空気
280 接触面
300 LCDパネル部
310 LCDパネル
311、312 ガラス基板
313 液晶セル
314a、314b、314c カラーフィルタ
315、316 偏光シート
317a、317b、317c 光透過領域
318 光非透過領域
400 拡散シート
510、510a 白色光配光部
520、610 集光レンズ部
521 放物線形状部
522 非球面凸レンズ
530 光整形/分光部
531 光整形部(非球面凹レンズ)
532 分光部
540a、540b、540c 配光部
100, 100a, 100b, 100c, 100d Liquid crystal display (LCD)
110, 120 Propagating light 130
212 White
532
Claims (18)
前記導光路上に配置され、前記導光路の内部を進む光を、全反射を用いて所定の目的の方向に配光する配光路であって、前記導光路の伸張方向と前記所定の目的の方向の両者に沿った面を断面とした場合に、前記配光路を構成する反射面のうち、少なくとも光源から見て後方側の反射面の断面形状が放物線の形に形成された配光路と、
を有する配光装置。 A linear light guide that guides light in one direction using total reflection;
A light distribution path that is disposed on the light guide path and distributes light traveling through the light guide path in a predetermined target direction using total reflection, the light distribution path extending in the light guide path and the predetermined target direction. When the surface along both of the directions is a cross section, among the reflection surfaces constituting the light distribution path, at least the light distribution path in which the cross-sectional shape of the reflection surface on the rear side as viewed from the light source is formed in the shape of a parabola,
A light distribution device.
前記導光路上に配置され、前記導光路の内部を進む光を、全反射を用いて所定の目的の方向に配光する配光路であって、前記導光路の伸張方向と前記所定の目的の方向の両者に沿った面を断面とした場合に、前記配光路を構成する反射面のうち、少なくとも光源から見て後方側の反射面の断面形状が、放物線を近似する形状であって、前記後方側反射面の前記導光路伸張方向に対する傾き角が前記放物線をなぞるように多段階に増してゆく形状に形成された配光路と、
を有する配光装置。 A linear light guide that guides light in one direction using total reflection;
A light distribution path that is disposed on the light guide path and distributes light traveling through the light guide path in a predetermined target direction using total reflection, the light distribution path extending in the light guide path and the predetermined target direction. When the surface along both of the directions is a cross section, the cross-sectional shape of the reflective surface on the rear side as viewed from the light source among the reflective surfaces constituting the light distribution path is a shape approximating a parabola, A light distribution path formed in a shape in which the inclination angle of the rear-side reflection surface with respect to the light guide path extension direction increases in multiple stages so as to trace the parabola;
A light distribution device.
請求項1または2記載の配光装置。 The focal point of the parabola is located in the light guide on the opening that allows light in the light guide to enter the light distribution path,
The light distribution device according to claim 1 or 2.
請求項3記載の配光装置。 The focal point of the parabola is located at the midpoint of the opening,
The light distribution device according to claim 3.
請求項3記載の配光装置。 The inclination angle of the connecting portion of the rear reflective surface with the opening with respect to the light guide path extension direction is less than an angle defined by a critical angle at which refracted light disappears with respect to incident light.
The light distribution device according to claim 3.
請求項5記載の配光装置。 The area of the opening is determined based on angular dispersion of the light when light is distributed in the predetermined target direction by the light distribution path.
The light distribution device according to claim 5.
請求項1または2記載の配光装置。 Area of the opening, the light guiding path in response to the attenuation characteristics of the propagating light, as the distance along the light guiding direction from the light entrance of the light guide path becomes longer, increases,
The light distribution device according to claim 1 or 2.
基板上に、外部への光照射位置に合わせて線状に伸張して配置され、
前記配光路は、
前記導光路上に、前記光照射位置に合わせて配置されている、
請求項1または2記載の配光装置。 The light guide is
On the substrate, it is arranged extending linearly according to the light irradiation position to the outside,
The light distribution path is
Arranged on the light guide path according to the light irradiation position,
The light distribution device according to claim 1 or 2.
前記配光路は、前記第1のシートと第2のシートとの間に充填塗布した前記紫外線硬化樹脂に対して、前記配光路のパターン形状を有する前記第2のシートの切り抜き部を通して照射角度を可変にした紫外線を照射し、残存する非硬化樹脂を洗浄して除去する印刷により、前記導光路上に形成されている、
請求項8記載の配光装置。 The light guide path is formed on the substrate by printing that irradiates the ultraviolet curable resin filled in the cutout portion of the first sheet cut out in accordance with the pattern shape of the light guide path,
The light distribution path has an irradiation angle through the cutout portion of the second sheet having a pattern shape of the light distribution path with respect to the ultraviolet curable resin filled and applied between the first sheet and the second sheet. It is formed on the light guide path by printing that irradiates variable ultraviolet rays and cleans and removes the remaining non-cured resin.
The light distribution device according to claim 8.
同一成分の樹脂を用いて形成されている、
請求項9記載の配光装置。 The light guide path and the light distribution path are:
It is formed using the resin of the same component,
The light distribution apparatus according to claim 9.
光の色別に設けられ、かつ、各々が互いに光学的に分離されており、
前記導光路の各々に供給する光を生成する光源部、
をさらに有する請求項1または2記載の配光装置。 The light guide is
Provided for each color of light, and each is optically separated from each other,
A light source unit that generates light to be supplied to each of the light guides;
The light distribution device according to claim 1, further comprising:
白色光を分光して、前記導光路の各々に供給する単一色の光を生成する、
請求項11記載の配光装置。 The light source unit is
White light is split to produce a single color of light that is supplied to each of the light guides;
The light distribution apparatus according to claim 11.
前記導光路の各々に供給する単一色の光を放射する複数の発光素子を含み、
前記複数の発光素子を用いて、前記導光路の各々に供給する単一色の光を生成する、
請求項11記載の配光装置。 The light source unit is
A plurality of light emitting elements that emit light of a single color supplied to each of the light guides;
Using the plurality of light emitting elements to generate light of a single color supplied to each of the light guides;
The light distribution apparatus according to claim 11.
をさらに有する請求項12または13記載の配光装置。 A light incident part for entering light of a single color generated by the light source part into the corresponding light guide path at an angle allowing total reflection;
The light distribution device according to claim 12 or 13, further comprising:
をさらに有する請求項1または2記載の配光装置。 A condensing lens part for condensing the light emitted from the light distribution path by a lens action;
The light distribution device according to claim 1, further comprising:
光の色別に設けられ、かつ、各々が互いに光学的に分離されており、
白色光をプリズムによりRGBの各色に分光して、前記導光路の各々に供給する単一色の光を生成する光源部と、
前記分光されたRGBの各色の光を、前記RBGの各色に対応する導光路の内部に全反射可能な角度でそれぞれ入光させる入光部と、
をさらに有する請求項1または2記載の配光装置。 The light guide is
Provided for each color of light, and each is optically separated from each other,
A light source unit that splits white light into RGB colors using a prism and generates light of a single color that is supplied to each of the light guides;
A light incident part that makes the light of each of the separated RGB colors enter the interior of a light guide corresponding to each color of the RBG at an angle that allows total reflection;
The light distribution device according to claim 1, further comprising:
前記バックライト装置から照射される光の透過を画素毎に制御する液晶セルの配列により構成される液晶表示部と、を有し、
前記配光路は、前記導光路の内部を進む光を、対応する前記液晶セルの光透過部の方向に配光する、
液晶表示装置。
The backlight device according to claim 17,
A liquid crystal display unit configured by an array of liquid crystal cells for controlling the transmission of light emitted from the backlight device for each pixel, and
The light distribution path distributes the light traveling inside the light guide path in the direction of the corresponding light transmission portion of the liquid crystal cell.
Liquid crystal display device.
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