JP5511937B2 - 導光板及びこれを用いたエッジライト型バックライト - Google Patents
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Description
本発明は、導光板及びこれを用いたエッジライト型バックライトに関する。
従来より、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のバックライトは、冷陰極管（ＣＣＦＬ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）等が光源として用いられている。中でもＬＥＤは、消費電力が比較的低いとあって、液晶ディスプレイのバックライト用光源の主流になりつつある。
ＬＥＤをバックライト光源として用いた液晶ディスプレイでは、更にローカルディミング（local dimming）技術を組み合わせることにより、ダイナミックコントラストを上げることができる。ローカルディミングとは、光源をエリアごとに分けて点滅させることで各エリアの輝度を独立して制御することである。ＬＥＤは消費電力が低い上に、入力電流の変化に対する光出力の応答が速いので、ローカルディミングへの応用に適している。
しかし、ＬＥＤが放つ光は、広角度に散乱するものであり、平行光ではないので、バックライトの導光板にＬＥＤ光源から照射される光線は不完全でまた不均一なものとなる。
図５および図６は、特許文献１に示されているような、従来の液晶ディスプレイのエッジライト型バックライトを示しており、バックライトは、導光板７、複数の発光ダイオード８、導光板７の下方に設けられている反射シート（図示せず）、導光板７の上方に設けられているプリズムアレイ（図示せず）とを有している。また、導光板７は、互いに垂直である入光面７１と出光面７２とを有しており、発光ダイオード８から放出された光が入光面７１から導光板７に入射すると、導光板７内において反射或いは屈折することで出光面７２より出射する。また、該バックライトにはローカルディミングを実行するために各発光ダイオード８のオンオフを制御する制御ユニット（図示せず）も設けられている。例えば、図示におけるＡエリアを白表示に、Ｂエリアを黒表示にさせたい場合には、制御ユニットはＡエリアに光線を供与する発光ダイオード８を点灯させ、Ｂエリアに光線を供与する発光ダイオード８を消灯させる。
しかしながら、上述したようなバックライトでは、導光板７の出光面７２に集光効果を有する構造が特に設けられていないため、Ａエリアに光線を供与する発光ダイオード８からの光は、Ａエリアにおける出光面７２から、黒表示にさせたいＢエリアにまで拡散してしまうので、境界部分でハレーションが起きたり、画像の鮮明さが低下したりするという問題点があった。
本発明は、上記問題点を解決するために提案されたもので、集光効果を具えたことで、バックライトに用いられた際にローカルディミングの効率を向上できる導光板及びこれを用いたエッジライト型バックライトの提供を目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は、上面である出光面、前記出光面の反対側にある底面、前記出光面と前記底面に連結される入光面を有する導光板であって、前記出光面と前記底面とのいずれか一方の表面に設けられていると共に、それぞれ前記入光面側から前記出光面と平行する所定の長手方向に沿って延伸している複数の突起構造を更に具えており、前記複数の突起構造はそれぞれ先端側が弧部となっており、前記導光板の厚さに対する、前記弧部の弧面の曲率半径の比率が０．０４〜０．１５であり、且つ、前記突起構造の高さが２０μｍ〜３００μｍである上、集光比率が１％〜４０％となっていることを特徴とする導光板を提供する。
上記導光板においては、前記出光面と前記底面とのいずれか一方にドットアレイ構造が設けられていることが好ましい。
また、上記導光板においては、前記突起構造の高さを含めた全体の厚みが０．１ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましく、前記突起構造はレンチキュラーレンズ構造及びフレネルレンズ構造のいずれか一方になっているとよい。
加えて、本発明は、前記導光板と、前記入光面に向かって光を放出するよう前記入光面に沿って互いに隣り合うように配列されている複数の発光ダイオードと、前記導光板の前記底面に設けられている反射シートと、を具えていることを特徴とするエッジライト型バックライトをも提供する。
本発明に係る導光板によれば、導光板の出光面と底面とのいずれか一方の表面に突起構造が設けられていることで、該導光板の集光効果が大幅に高められている。これにより、該導光板を組み込んだバックライトによれば、ローカルディミングを行った際のディスプレイ性能を向上することができる。
以下、本発明を、好ましい実施形態とそれを示す図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明に係るバックライトの一実施形態を示す分解図であり、図２は該バックライトに組み込まれている導光板１を示す側面図である。本発明に係るバックライトは、導光板１、複数の発光ダイオード２、拡散シート３、プリズム構造４、反射シート５を含んでいる。
導光板１は、図示において上面である出光面１２と、図示において下面つまり出光面１２の反対側にある底面１３と、出光面１２と底面１３に連結される入光面１１と、出光面１２の表面に設けられていると共に、それぞれ入光面１１側から出光面１２と平行する所定の長手方向に沿って延伸している複数の突起構造６とを有する。
図３は、図２の側面図における突起構造６の拡大図である。図示されているように、突起構造６は、本実施形態においては、出光面１２の表面に近い側となる台形部６２１と、台形部６２１から先細るように延伸して出光面１２の表面から遠い側、つまり先端側となる弧部６１１とからそれぞれなっている。
本実施形態においてはそれぞれの突起構造６がレンチキュラーレンズ構造となるように、弧部６１１は横断面視において弧状を呈しており、台形部６２１は横断面視において台形を呈している。なお、台形部６２１を省いてもよく、要は突起構造６全体でレンズ形状をなせばよいので、例えば全体が弧部６１１となるように構成しても構わない。
また、本実施形態においては、複数の突起構造６を上述のように出光面１２の表面に設けたが、同様の構造をもって底面１３の表面に設けることも可能であり、また突起構造６がフレネルレンズ構造となるように構成しても構わない。
図２及び図３に示されているように、導光板１の全体の厚さ、即ち、底面１３と弧部６１１の最先端６０２との距離をＴとし、弧部６１１の弧面の曲率半径をＲとした場合、導光板の厚さ（Ｔ）に対する弧部６１１の弧面の曲率半径（Ｒ）の比率、即ちＲ／Ｔは０．０４〜０．１５である。また、突起構造６の高さ、本実施形態においては即ち出光面１２と弧部６１１の最先端６０２との距離（Ｈ）は２０μｍ〜３００μｍである。更に本発明に係る導光板は、突起構造６の高さを含めた全体の厚み、即ち、底面１３と弧部６１１の最先端６０２との距離（Ｔ）が０．１ｍｍ〜５ｍｍであるとよく、より好ましくは１ｍｍ〜３ｍｍである。また、下記にて詳述するが、本発明に係る導光板は集光比率が１％〜４０％となっている。
理論上、弧部６１１の弧面は単一の円弧を形成でき、また円弧の曲率半径の測量においては、円弧状に任意の２つの切点を定義した上で、それら切点にそれぞれ切線と該切線に垂直な法線を描き、それぞれこれら２つの切点を通る２本の法線が交わる点を円心とすると、該切点から円心までの距離が即ち曲率半径である。しかし、実際に弧部６１１の弧面を製作するに当たっては多少の誤差が出ることで、弧部６１１の弧面は実際には幾つかの異なる円弧が連なるように構成され、各円弧の曲率半径に差異があるが、その差異は僅かなものである。
導光板１は、熱可塑性樹脂を材料として形成されており、該熱可塑性樹脂としては、（メチル）アクリル酸エステル((methyl)acrylic acid ester)系樹脂、ポリスチレン(polystyrene)樹脂、ポリカーボネート(polycarbonate)樹脂、メチルメタクリレートスチレンコポリマー(methyl methacrylate-styrene copolymer)、アクリロニトリルスチレンコポリマー(acrylonitrile-styrene copolymer)、ポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate)からなる群より選ばれるとよい。
なお、上記（メチル）アクリル酸エステル((methyl)acrylic acid ester)系樹脂は、（メチル）アクリル酸エステル((methyl)acrylic acid ester)系モノマーからなるアクリル酸エステル(acrylic acid ester)系樹脂及びメタクリル酸エステル(methacrylate ester)系樹脂を含んでおり、例えばポリメタクリル酸メチル樹脂(polymethyl methacrylate: PMMA)である。ここでいう（メチル）アクリル酸エステル((methyl)acrylic acid ester)系モノマーとはアクリル酸エステル系モノマー(acrylic acid ester based monomer)またはメタクリル酸エステル系モノマー(methyl acrylic acid ester based monomer)を指しており、非限定的な具体例としては、メチルメタクリレートモノマー(methyl methacrylate monomer)、エチルメタクリレートモノマー(ethyl methacrylate monomer)、イソプロピルメタクリレートモノマー(isopropyl methacrylate monomer)、ｎ−ブチルアクリレートモノマー(n-butyl acrylate monomer)、メチルアクリレートモノマー(methyl acrylate monomer)、エチルアクリレートモノマー(ethyl acrylate monomer)、イソプロピルアクリレートモノマー(isopropyl acrylate monomer)が挙げられる。この内、好ましい例はメチルメタクリレートモノマー(methyl methacrylate monomer)及びメチルアクリレートモノマー(methyl acrylate monomer)である。
なお、導光板１は、突起構造６も含めた全体が同じ材料の熱可塑性樹脂で形成されてもよく、或いは突起構造６と導光板１のその他の部分とが別の材料の熱可塑性樹脂で形成されてもよい。
また、導光板１を形成する熱可塑性樹脂には、光拡散剤、蛍光剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤などの添加剤を添加してもよい。光拡散剤は、具体的には無機微粒子や有機微粒子であり、無機微粒子の例としては硫酸バリウム(BaSO4)、二酸化チタン(TiO2)などが挙げられ、有機微粒子の例としてはポリスチレン樹脂、（メチル）アクリル酸樹脂、シロキサン樹脂などが挙げられる。
本発明に係る導光板１は液晶ディスプレイのエッジライト型バックライトに用いられるものであり、導光板１に設けられている突起構造６は、導光板１からディスプレイパネルに放出される光の拡散範囲を比較的に狭くさせるように光を収束することで、導光板１の集光効果を高めるためのものである。突起構造６は、スタンパやロールを用いて導光板１の出光面１２の表面あるいは底面１３の表面に直接加圧転写することで導光板１と一体的に形成することができる。スタンパを用いる場合は、成形型で基板の表面を加圧すると共に加熱して、該表面に突起構造を形成する。ロールを用いる場合は、一種類の樹脂を押出成形により単層構造体とし或いは二種類の樹脂を押出し成形により複層構造体として、これら構造体の表面に所望の形状をエンボスロールにより加熱しながら転写することにより該表面に突起構造を形成する。
複数の発光ダイオード２は、それぞれ導光板１の入光面１１に向かって光を放出するように入光面１１に沿って互いに隣り合うように配列されている。また、本発明に係る導光板１をローカルディミングに応用する際には、一つ一つの発光ダイオード２で一つのローカルディミングエリアとすることができる。
発光ダイオードは、入力電流の変化に対する光出力の応答が速いだけでなく、点光源であることにより配置自由度が高い。これに加えて、本発明では上述のように導光板１に突起構造６が設けられて光の拡散が防がれているので、人の視覚による残像効果の発生を防ぐことができ、つまりは液晶ディスプレイのちらつきを防ぐことができる。
拡散シート３は、導光板１の出光面１２からの光を均一にするため、出光面１２上に、本実施形態においては突起構造６の上に設けられている。
プリズム構造４は、集光のために拡散シート３上に設けられている。
反射シート５は反射面を有しており、底面１３に向かった光を反射して出光面１２側に向かわせるために導光板１の底面１３下にその反射面が底面１３と対面するように設けられている。これにより出光面１２から放出される光の量を増やすことができる。また、反射シート５の反射面は導光板１の底面１３に対して傾斜するように設けられることが好ましく、例えば反射面の両端から中央に向かって上方に傾斜して凸状を呈すように、または該両端の一方から他方に向かって傾斜するように設けることができる。この際、反射シート５の反射面の傾斜角度としては、導光板１の底面１３に対して、３０°以下、好ましくは２０°以下、更に好ましくは１０°以下とすると良い。更に、反射シート５の反射面は、マット加工された乱反射面か、レーザー加工やエンボス加工されたホログラフィック面であることが好ましい。
また、本実施形態においては、導光板１の底面１３に、ドットアレイ構造１４が設けられている。ドットアレイ構造１４は、プリント方式によっても非プリント方式によっても形成できる。プリント方式の例としては、反射率が高く光吸収性を有しない材料を導光板１の底面１３にスクリーンプリントにより一つ一つのドットが円形状または矩形状となるようにプリントする方法が挙げられる。この場合、ドットアレイ構造１４を形成する材料としてはこれに限定されないが例えば透明な接着剤に二酸化チタン(TiO2)の粉末を分散したものを用いることができる。非プリント方式の例としては、顆粒状でありそれぞれ屈折率の異なる複数の材料を熱可塑性樹脂に少量加えて、その熱可塑性樹脂を導光板１の底面１３に点状に射出する方法が挙げられる。
なお、ドットアレイ構造１４は導光板１の底面１３ではなく、出光面１２に設けることも可能である。
また、図３における突起構造６の拡大側面図をみると、上の弧部６１１と下の台形部６２１との間に６１２で番号付けされている線があり、この線は弧部６１１と台形部６２１とを分ける仮想的な分線（以下分線６１２と称す）である。また、分線６１２に６１３で番号付けされている点は分線６１２の中点（以下中点６１３と称す）である。また、６１４で番号付けされている点は分線６１２を長さで八等分した場合の各等分点（以下おのおの等分点６１４と称す）を指しており、その内の最も中間に位置する一つは中点６１３でもある。また、６０１で番号付けされている点は、図３のように突起構造６を側面視した場合に、分線６１２と直交するように且つ各等分点６１４をそれぞれ通るように直線を引いた際に該直線がそれぞれ弧部６１１の弧線と交わる箇所に仮想的に記された節点（以下おのおの節点６０１と称す）であり、その内の最も中間に位置する一つは最先端６０２でもある。本実施例においては、弧部６１１の側面図（または横断面図）における弧線において一段の円弧を、該円弧の両端がそれぞれ最先端６０２の両側に位置する端点６０３となるように画定する。各端点６０３は最先端６０２とそれに隣接する左右それぞれの節点６０１の中間に位置するものであり、このように画定された該円弧の曲率半径をＲとする。つまり、該円弧の円心と最先端６０２の間の距離が即ちここで定義するＲである。任意の一つの節点６０１から該円弧の円心までの距離と、該任意の一つの節点６０１と隣接する他の一つの節点６０１から該円弧の円心までの距離の差は、いずれも１０μｍより小さい。言い換えれば、隣り合う節点６０１における該円弧の円心までの距離の差はいずれも１０μｍより小さい。具体的に最先端６０２の図示における右側に位置する３つの節点６０１を例とし、最先端６０２から該円弧の円心までの距離をＲとし、各節点６０１から該円弧の円心までのそれぞれの距離を最先端６０２から近い側から順にＲ１、Ｒ２、Ｒ３とすると、本実施形態ではＲ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３がそれぞれ以下の関係となるように、単一の円弧面に近い面を有する弧部６１１が形成されている。
｜Ｒ−Ｒ１｜＜１０μｍ
｜Ｒ１−Ｒ２｜＜１０μｍ
｜Ｒ２−Ｒ３｜＜１０μｍ
｜Ｒ１−Ｒ２｜＜１０μｍ
｜Ｒ２−Ｒ３｜＜１０μｍ
以上の構成により、本発明に係る導光板１がバックライトに使用された際、各発光ダイオード２から放たれた光は、入光面１１より導光板１内に入り、ドットアレイ構造１４及び反射シート５により反射されることで出光面１２へと向けられ、出光面１２から外部に向かって放出する。導光板１はその出光面１２に高さやＲ／Ｔ値が上述のように形成された突起構造６が設けられており集光効果が高いので、導光板１から放出される光の拡散範囲が従来のものよりも狭められている。これによりローカルディミングを行った際の効率を大幅に向上させることができる。
なお、上述した「集光比率」の定義は以下の通りである。
図４では、複数の光源９を、それぞれ図示における上方に発光面が向くように平行に配列し集光比率を計測する態様を概略的に示している。図中、９’は複数の光源９の内最も中間に位置する中間光源を指している。またＬＣは、中間光源９’から所定の距離ｄを置いて且つ中間光源９’と位置対応する所定の測定位置で測定された中間光源９’の輝度（luminance）を、また、ＬＬ及びＬＲは、それぞれ中間光源９’の両隣の光源９から所定の距離ｄを置いて且つ該両隣の光源９と位置対応する所定の測定位置で測定された中間光源９’の輝度をそれぞれ指している。なお、上述の測定は複数の光源９の内、中間光源９’のみを点灯しそれ以外の光源９を消灯させて行うもので、該所定の距離ｄは１．５ｍ〜２ｍとした。これら輝度の単位はカンデラ毎平方メートル(cd/m2)である。以上の条件で測定された各輝度ＬＣ、ＬＬ、ＬＲを以って、
｛［（ＬＬ＋ＬＲ）／２］／ＬＣ｝×１００％
として求められた数値を集光比率とした。
｛［（ＬＬ＋ＬＲ）／２］／ＬＣ｝×１００％
として求められた数値を集光比率とした。
ここでは集光比率の数値が低いほど、中間のＬＣと、その両隣のＬＬ及びＬＲとの間の輝度差が大きいことを示しており、集光効果が高いことを示している。即ち、集光比率の数値が低いほど、隣接する光源からの干渉が少なく、ローカルディミングの効果が高くなる。なお、上記光源９は、本実施形態においては発光ダイオード２と導光板１を含んだものであり、よって上記発光面は導光板１の出光面１２に相当する。
以下、表１に、導光板の厚さ（Ｔ）、突起構造６の高さ（Ｈ）、弧部６１１の弧面の曲率半径（Ｒ）をそれぞれ変化させた導光板を用いた各バックライトの実施例１〜１０（Ｅ１〜Ｅ１０）、並びに比較例１、２（ＣＥ１、ＣＥ２）それぞれの集光比率を測定した結果を示した。なお、実施例１〜１０は上記各条件（特にＨ及びＲ／Ｔ）を本発明の範囲内としたものであり、比較例１、２は該範囲から外れた例である。
表１から見て取れるように、導光板１の厚さ（Ｔ）に対する弧部６１１の弧面の曲率半径の比率Ｒ／Ｔが０．０４〜０．１５、突起構造６の高さ（Ｈ）が２０μｍ〜３００μｍの範囲内、即ち本発明の範囲内である実施例１〜実施例５では、突起構造６の高さ（Ｈ）が増加すると共にＲ／Ｔが減少するに従って、集光比率も実施例１での３６％から実施例５での９％に減少した。一方、比較例１のバックライトでは突起構造６の高さ（Ｈ）が０、即ち突起構造が設けられていなかった結果、集光比率が６９％と実施例１〜５と比べて大幅に高かった。つまり、実施例１〜５は集光効果が高く、ローカルディミングの効果も高い。一方、比較例１は集光効果が低く、これをローカルディミングに用いても、隣接するエリア間で光源からの光の干渉が発生し、効果が低い。また、実施例６〜１０と比較例２との対比も同様であり、本発明の範囲内である実施例６〜１０は集光比率が６％〜２８％であり、突起構造６の高さ（Ｈ）が０、即ち突起構造が設けられていない比較例２の集光比率６８％と比べると、集光効果が大幅に高められていることがわかる。
以上の測定結果から導かれるように、導光板全体の厚さ（Ｔ）が同じ場合、突起構造の高さ（Ｈ）をより高くすると共にＲ／Ｔをより低くすると、集光比率の数値もより低くなり、つまりは優れた集光効果を得ることができる。よって、本発明に係る導光板およびこれを用いたエッジライト型バックライトによれば、優れた集光効果により高い輝度が得られる上に、従来よりもはるかに高いローカルディミング効果を得ることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態および実施例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
本発明に係る導光板は、集光効果が大幅に高められているので、これを組み込んだバックライトを用いてローカルディミングを行った際の画面表示性能が高く、よって液晶ディスプレイや液晶テレビ、更には３Ｄ立体ディスプレイにも利用することができる。
１ 導光板
１１ 入光面
１２ 出光面
１３ 底面
１４ ドットアレイ構造
２ 発光ダイオード
３ 拡散シート
４ プリズム構造
５ 反射シート
６ 突起構造
６０１ 節点
６０２ 最先端
６１１ 弧部
６１２ 分線
６１３ 中点
６１４ 等分点
６２１ 台形部
１１ 入光面
１２ 出光面
１３ 底面
１４ ドットアレイ構造
２ 発光ダイオード
３ 拡散シート
４ プリズム構造
５ 反射シート
６ 突起構造
６０１ 節点
６０２ 最先端
６１１ 弧部
６１２ 分線
６１３ 中点
６１４ 等分点
６２１ 台形部
Claims (8)
- 上面である出光面、前記出光面の反対側にある底面、前記出光面及び前記底面に連結される入光面とを有する導光板であって、
前記出光面と前記底面とのいずれか一方の表面に設けられていると共に、それぞれ前記入光面側から前記出光面と平行する所定の長手方向に沿って延伸している複数の突起構造を更に具えており、
前記複数の突起構造はそれぞれ先端側が弧部となっており、
前記導光板の厚さに対する、前記弧部の弧面の曲率半径の比率が０．０４〜０．１５であり、
且つ、前記突起構造の高さが２０μｍ〜３００μｍである上、集光比率が１％〜４０％となっていることを特徴とする導光板。 - 前記出光面と前記底面とのいずれか一方にドットアレイ構造が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
- 前記突起構造の高さを含めた全体の厚みが０．１ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の導光板。
- 前記突起構造はレンチキュラーレンズ構造及びフレネルレンズ構造のいずれか一方になっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の導光板。
- 請求項１〜４のいずれか一項に記載の導光板と、
前記入光面に向かって光を放出するよう前記入光面に沿って互いに隣り合うように配列されている複数の発光ダイオードと、
前記導光板の前記底面に設けられている反射シートと、
を具えていることを特徴とするエッジライト型バックライト。 - 前記導光板の前記出光面に、拡散シートが設けられていることを特徴とする請求項５に記載のエッジライト型バックライト。
- 前記拡散シート上に、プリズム構造が設けられていることを特徴とする請求項６に記載のエッジライト型バックライト。
- 前記導光板は、アクリル酸エステル(acrylic acid ester)系樹脂、メタクリル酸エステル(methacrylate ester)系樹脂、ポリスチレン(polystyrene)樹脂、ポリカーボネート(polycarbonate)樹脂、メチルメタクリレートスチレンコポリマー(methyl methacrylate-styrene copolymer)、アクリロニトリルスチレンコポリマー(acrylonitrile-styrene copolymer)、ポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate)からなる群より選ばれる熱可塑性樹脂を材料として形成されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のエッジライト型バックライト。
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