JP6837579B2 - バックライトユニットおよび液晶表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、面状照明装置および面状照明装置を備えた液晶表示装置に関する。

液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display)は、消費電力が小さく、省スペースの画像表示装置として年々その用途が広がっている。液晶表示装置は、一例として、バックライトユニット、バックライト側偏光板、液晶パネルおよび視認側偏光板などを、この順で設けられた構成となっている。

バックライトユニットとしては、例えば、導光板と、その端面に配置した光源とを備え、光源から端面に入射された光を導光して主面全体から液晶パネルに向け照射するエッジライト型（サイドライト型と称する場合もある）、および、導光板を用いず、液晶パネルの直下に光源を配置して、光源上に備えられた光拡散板の主面全体から液晶パネルに向け照射する直下型が知られている。

ＬＣＤの高画質化のためには、ローカルディミングが可能なバックライトが必須である。エッジライト型バックライトは導光板を複数並べることでディミングを可能とした構成が提案されており、バックライトユニットとしての厚みを１０ｍｍ以下にすることが可能である。一方で、エッジライト型バックライトでは分割数を大きくできないという課題がある。これに対し、従来の直下型バックライトは光源として複数の点光源を用いることにより、点光源の数のディミングが可能である。

しかしながら、直下型バックライトユニットは薄型化が困難であり、既存のものでは１５ｍｍ以上の厚みがある。直下型バックライトユニットに備えられている光拡散板は、光源からの光を拡散させることにより、出射光の面内における輝度ムラ（面内輝度の不均一性）を低減する目的で配置される。近年、光源として、省電力化および小型化の要請により、ＬＥＤ（light emitting diode）素子を用いることが主流であるが、このＬＥＤ素子は、指向性が強いため、特に直下型の場合には、ＬＥＤ素子直上が非常に明るくなり著しい輝度ムラが生じる。直下型バックライトユニットの薄型化が難しいのは、光出射面全体で輝度ムラの少ない照射光を得るために、光拡散板とＬＥＤ素子の距離を十分離す必要があるためである。

特開２０１４−１４６４１９号公報（以下において、特許文献１という。）には、点光源上に、点光源の光軸上の点から所定の範囲は開孔がなく、点光源の光軸上の点から遠くなるにしたがって透過率が高くなるように開孔が設けられている基板を配置することにより、点光源からの光を均一化して出射させる構成が提案されている。

また、特許４１０６８７６号公報（以下において、特許文献２という。）には、ＬＥＤ素子上に、上面に向かって徐々に広がるように傾斜部が形成された窪みを設けた導光板を備えることにより、ＬＥＤ素子からの光を速やかに横方向に広げ、均一化して導光板の上面から発光する発光装置が提案されている。

上記の特許文献１および特許文献２等の従来の技術においては、１つのＬＥＤ素子からの出射光を、直接出射させることなく、光を出射したＬＥＤ素子近傍において均一化して出射させる方法が提案されている。
他方、直下型バックライトの薄型化のために、点光源として、従来よりも小さいサイズのＬＥＤ素子、所謂ミニＬＥＤないしはマイクロＬＥＤ素子を用いることも検討されている。

マイクロＬＥＤ素子と特許文献１、あるいは特許文献２等に挙げられている光均一化の技術とを組み合わせることにより、直下型バックライトの薄型化が図られると考えられる。しかしながら、本発明者らの検討によれば、マイクロＬＥＤ素子は個体差が大きく、個々の輝度にばらつきがあり、この個体差に起因する輝度ムラが生じる恐れがあることが明らかになってきた。

本開示は、上記事情に鑑み、直下型のバックライトユニットであって、均一で輝度ムラが少ない照明光を出射することができ、かつ、薄型に構成可能なバックライトユニットおよび液晶表示装置を提供することを目的とする。

本開示のバックライトユニットは、互いに対向する入射面と出射面とを備えた導光体と、導光体の入射面に対向して２次元状に配置された複数の点光源を有する光源部とを備え、光源部からの光を導光体の入射面に入射し、出射面から光を出射させるバックライトユニットであって、複数の点光源のうち２つ以上の点光源を最小点灯単位としてローカルディミング駆動されるバックライトユニットであり、
導光体が、入射面の複数の点光源の各々に対向する各位置に設けられ、かつ導光体中を導光する方向に各々光の進行方向を変化させる複数の光進行方向変換部と、最小点灯単位に対応する単位領域毎に、単位領域内の周縁部における密度を、単位領域内の中央部における密度よりも高くして設けられ、かつ導光体を導光した光を出射させる複数の光取出部とを備えているバックライトユニットである。

本開示のバックライトユニットにおいては、複数の点光源のうち１つの点光源のみを点灯させた場合のその１つの点光源の近傍領域における光取出率が５０％未満であることが好ましい。

本開示のバックライトユニットにおいては、複数の点光源のうち１つの点光源のみ点灯させた場合のその１つの点光源を含む単位領域における光取出率が７０％以上であることが好ましい。

本開示のバックライトユニットにおいては、導光体の単位領域の中央部において、点光源の配置が疎な箇所に対応する領域に、点光源の配置が密な箇所に対応する領域よりも高い密度で光取出部が備えられていることが好ましい。

本開示のバックライトユニットにおいては、単位領域において、複数の点光源が２次元格子状に配列されていることが好ましい。
ここで、「２次元格子状に配列されている」とは、２次元格子の格子点に点光源が配置されることを意味する。

本開示のバックライトユニットにおいては、導光体の単位領域の中央部において、２次元格子状に配列されている複数の点光源の対角線の交点で光取出部の密度分布が極大値を有することが好ましい。

本開示のバックライトユニットにおいては、光進行方向変換部が、出射面に対して非平行な面を有する凹部を備えた構成であってもよい。

本開示のバックライトユニットにおいては、光進行方向変換部が、入射面もしくは出射面に設けられた半球状、円錐状もしくは多角錐状の凹部を備えていてもよい。
光進行方向変換部が凹部を備える場合には、凹部が出射面に備えられており、凹部が出射面において広い開口を有し、対向する点光源に向かって先細る形状であることが好ましい。

本開示のバックライトユニットにおいては、光進行方向変換部が、入射面から出射面に貫通する貫通孔と、貫通孔の出射面側に配置された光反射部材、光拡散部材もしくは光吸収部材とを備えていてもよい。

本開示の液晶表示装置は、液晶表示素子と、本開示のバックライトユニットを備えた液晶表示装置である。

本開示のバックライトユニットは、上記構成の導光体を備えているので、直下型でありながら非常に薄型な形状を実現することができ、かつ均一で輝度ムラが少ない照明光を出射することができる。

本発明の一実施形態の液晶表示装置の概略構成を示す断面模式図である。 バックライトユニットの光源部の一部を示す平面模式図である。 バックライトユニットの導光体の一部を示す平面模式図である。 図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。 単位領域を示す模式図である。 単位領域における光強度プロファイルを示す図である。 第１の態様の光進行方向変換部および点光源を示す拡大模式図である。 第２の態様の光進行方向変換部および点光源を示す拡大模式図である。 第３の態様の光進行方向変換部および点光源を示す拡大模式図である。 第４の態様の光進行方向変換部および点光源を示す拡大模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜変更している。また、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、特に断りが無い限り「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。

図１は本発明の一実施形態の液晶表示装置１の概略構成を示す断面図である。
液晶表示装置１は、液晶表示素子５０と、液晶表示素子５０のバックライト入射面側に配置された、本発明の一実施形態のバックライトユニット２とを備えている。

液晶表示素子５０は、液晶パネル、液晶パネルの視認側に設けられた視認側偏光板、およびバックライト入射面側に設けられたバックライト側偏光板などを含む。

バックライトユニット２は、互いに対向する入射面２０ａと出射面２０ｂとを備えた導光体２０と、導光体２０の入射面２０ａに対向して２次元状に配置された複数の点光源１４を有する光源部１０とを備えている。このバックライトユニット２は、光源部１０からの光を導光体２０の入射面２０ａに入射し、導光体２０により均一化した光を出射面２０ｂから出射させる。バックライトユニット２は、導光体２０と液晶表示素子５０との間に、図示しないプリズムシート、拡散シート、蛍光体シートおよび輝度向上シートなどを含んでいてもよい。

バックライトユニット２は、複数の点光源１４のうちの少なくとも２つの点光源１４を最小点灯単位とするローカルディミング方式による駆動（以下において、「ローカルディミング駆動」とする。）が可能とされている。直下型のバックライトユニットの場合、一般には、ローカルディミング駆動の最小単位は１つの点光源である。これに対し、本開示のバックライトユニットは直下型であるが、２つ以上の点光源をローカルディミング駆動における最小点灯単位としている。

以下、バックライトユニット２の各構成要素について説明する。

＜光源部＞
まず、図１および図２を参照して光源部１０について説明する。図２は、光源部１０の一部を示す平面模式図である。
光源部１０は、点光源１４が配置されている反射板１２を含む。図２に示すように点光源１４は、反射板１２上に２次元状に配置されている。そして、光源部１０は、反射板１２の周縁に設けられた、内側に反射面を有する側壁１３を備えている。

本実施形態においては、一例として、図２に破線で示す領域毎の４×４の計１６個の点光源１４を最小点灯単位としてローカルディミング駆動がなされる。最小点灯単位である１６個の点光源１４は、同時にオンオフ駆動がなされる。最小点灯単位に含まれる点光源の数は２つ以上であればよく、ローカルディミングの１領域としてどの程度の大きさを設定するかによって適宜定めればよい。なお、バックライトユニット２を、導光体２０の出射面２０ｂ側から平面視した場合において、この最小点灯単位に対応する領域を単位領域２２という。単位領域２２の定義は後記する。

（点光源）
点光源１４は、ＬＥＤであっても良いし、レーザー光源であってもよい。色再現性の向上と、より効率良く光を面内方向に拡げることができる点で、レーザー光源が好ましい。また、点光源１４は白色光源であっても良いし、異なる発光色の光源が複数使用されてもよい。さらに、点光源１４は単色光源であっても良い。単色光源を用いる場合には、バックライトユニット、もしくは液晶表示素子が蛍光体を含む部材を有し、単色光源から出射した光を蛍光体で波長変換することによって、白色光やその他所望の発光色を得ることができる。たとえば、点光源として青色または紫外線を発光するＬＥＤを用い、蛍光体として量子ドット蛍光体を用いることができる。点光源の数はローカルディミングのエリア分割数に直結するため、エリア分割数を上げるためには、点光源の数を増加させればよい。より小さいサイズの点光源を用いることにより、個数を増加させることができる。このような点光源としては、サイズＳが１．０ｍｍ以下、好ましくは０．６ｍｍ以下、より好ましくは０．１５ｍｍ以下のミニＬＥＤないしはマイクロＬＥＤが好適である。

（点光源の配置）
点光源の配置は、２次元格子状に配列された格子状配置が好適であるが、三角形配置および六角形配置などでもよく、本発明はこれらに限定されない。なお、ここで「２次元格子状に配列された格子状配置」とは、一方向に一定のピッチで複数の点光源が配列された光源列が、その一方向に交差する方向に複数列配列され、２次元格子の格子点に点光源が位置した配置を意味する。上記一方向と交差する方向とが直交しており、光源列における点光源のピッチと光源列の配列ピッチとが同一である場合、図２に示すように格子が正方形となり、光源列における点光源のピッチと光源列の配置ピッチとが相違する場合、格子が長方形となる。また、上記一方向と交差する方向が直交していない場合、格子は平行四辺形となる。このように点光源は、規則的に配列されていることが好ましいが、発明の効果を得られる範囲で不規則に配列されていてもよい。なお、最も近い点光源同士の間隔Ｐは２ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。規則配列されている場合には、点光源同士の間隔は配置ピッチを意味する。

点光源の配置は、規則的であることが好ましいが、この場合、各単位領域２２内において規則的に配置されていればよく、隣接単位領域間では周期が不連続となっていてもよい。

（点光源配置用の基板）
点光源１４が配置される基板は反射板に限らない。しかしながら、点光源１４から導光体２０に向けて出射された光のうち、導光体２０により反射された光をさらに反射させて光の利用効率を上げるために、点光源１４を反射板１２上に配置することが好ましい。反射板１２は、特に制限なく、公知のものが、各種、利用可能である。光を効率的に用いるために、吸収が小さく反射率が高い反射面を有することが好ましい。例えば、白色ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、または、ポリエステル系樹脂を用いた多層膜フイルムからなる反射面を有するものが好適であるが、これに限るものではない。ポリエステル系樹脂を用いた多層膜フイルムとしては、例えば、３Ｍ社製のＥＳＲ（商品名）が挙げられる。

＜導光体＞
次に、図１〜図４を参照して導光体２０について説明する。図３は、導光体２０の一部を示す平面模式図であり、図４は、図３に示す導光体２０のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
導光体２０は、入射面２０ａに入射された光源部１０からの光の輝度を均一化して出射面２０ｂから出射する面状の部材である。

（導光体の素材）
導光体２０としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂、ベンジルメタクリレート、ＭＳ樹脂（ポリメタクリルスチレン）、シクロオレフィンポリマ、シクロオレフィンコポリマ、およびセルロースジアセテートあるいはセルローストリアセテートなどのセルロースアシレート等、公知のバックライト装置に用いられる導光板と同様の透明性が高い樹脂で形成された導光シートが挙げられる。上記樹脂は熱可塑性樹脂に限らず、例えば、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂等の電離放射線硬化性樹脂あるいは熱硬化性樹脂であってもよい。
また、導光体２０の素材としては、上記の樹脂の他、ガラスを用いてもよい。

（導光体の厚み）
導光体２０の厚みｄは、１００μｍ〜５００μｍが好ましい。

（導光体の厚みに対する点光源のピッチの比)
導光体２０の厚みｄに対する点光源１４の配置ピッチＰの比ｄ／Ｐは１：２〜１：６０が好ましく、１：５〜１：２０がより好ましい。

（導光体の構成）
導光体２０には、複数の点光源１４の各々に対向する各位置に光進行方向変換部３０が設けられている。光進行方向変換部３０は、導光体２０中を導光する方向に、対応する点光源１４から出射された光の進行方向を変化させる。すなわち、光進行方向変換部３０は、対応する点光源１４から出射された光の進行方向を、その光が導光体２０内で面内方向に拡がって伝搬されるように変化させる。光進行方向変換部３０としては、対応する点光源１４から出射され、光進行方向変換部３０に入射された光の進行方向を、導光体２０中を導光する方向に変化させる機能を奏するものであれば、その形態は限定されない。「導光体２０中を導光する方向」とは、その方向に進む光が導光体２０の入射面２０ａあるいは出射面２０ｂに対して全反射する角度で入射する方向である。

既述の通り、光進行方向変換部３０は、光が導光体２０の入射面２０ａおよび出射面２０ｂで全反射を繰り返して導光される条件を満たすように、光の進行方向を変化させる。但し、光進行方向変換部３０は、すべての光が導光体２０で全反射して導光される条件で光の進行方向を変化させるものである必要ない。しかしながら、より多くの光が導光体２０中で全反射して導光される条件で導光体２０に光を入射させることが好ましい。

光進行方向変換部３０による光の進行方向を変化させる機構は反射、屈折あるいは散乱のいずれであってもよい。図１において、光進行方向変換部３０は、出射面２０ｂに備えられた凹部であって、出射面２０ｂにおいて最大の開口を有し、点光源１４に向かって先細りする円錐状の凹部である。点光源１４から導光体２０に入射した光は、円錐状の凹部を形成する側面で少なくとも一部が反射され、導光体２０内を面内方向に伝搬され、面内方向に拡げられる。凹部の側面は出射面２０ｂに対して非平行な面であり、この側面の出射面となす角度は、光源からの光の多くが全反射角以上で入射する角度で適宜定めればよい。

また、導光体２０は、導光体２０を導光した光を出射面２０ｂから出射させるための複数の光取出部４０を備えている。

図１および図４に示すように、本実施形態の導光体２０において設けられている光取出部４０は凹部であるが、光取出部４０は凹部に限らず凸部であってもよい。また、光取出部４０を構成する凹部あるいは凸部の形状は、特に限定されず、四角錐状（ピラミッド形状）半球状、円錐状、多角錐状、円錐台状、あるいは多角錐台状などであってもよい。凹部あるいは凸部の形状を有する光取出部４０は、導光体２０の入射面２０ａおよび出射面２０ｂの一方にのみ備えられていてもよいし、両方に備えられていてもよい。１つの導光体２０に備えられている複数の光取出部４０の形状および大きさは、同一であってもよいし、一部が異なっていてもよいし、個々に異なっていてもよい。

また、光取出部４０は、内部または表面に設けられた光散乱構造であってもよい。導光体２０が光散乱構造を有する場合、導光体２０中を導光されている光を光散乱構造で散乱させて出射させることができる。光散乱構造は、導光体２０の内部または表面に光散乱粒子を配置すること、あるいは、表面に微細な凹凸構造を設けること等によって、作製することができる。また、光散乱構造は、導光体内を面内に拡がる光の量と、導光体から出射する光の量とのバランスが適切になるように、その形成密度を適宜調整することが好ましい。

導光体を導光する光が光取出部４０に入射すると、その少なくとも一部は光取出部４０において、反射、屈折あるいは散乱されて進行方向が変化して、全反射条件を満たさなくなる。そのため、導光体２０内を導光することができなくなり、導光体２０の入射面２０ａあるいは出射面２０ｂから出射されることとなる。導光体２０の入射面２０ａ側から出射された光は、反射板１２で反射されて再度導光体２０に入射され、最終的には出射面２０ｂから出射される。

光取出部４０は、導光体２０の表面または内部にランダムに配置されていてもよいし、周期的に配置されていてもよい。但し、光取出部４０は、単位領域２２内において、その単位領域２２内の周縁部２２ａにおける密度が、単位領域２２内の中央部２２ｂにおける密度よりも高くなるように設けられている（図３および図５参照）。このように周辺部２２ａと中央部２２ｂとで光取出部４０の密度に差を生じさせることにより、中央部２２ｂでは光を拡げ、周縁部２２ａでは光を積極的に出射させることができる。ここで、光取出部４０の密度に差があるとは、周縁部２２ａと中央部２２ｂとの間で光取出部４０の占有面積比率に１％以上の差があることを意味する。なお、光取出部４０の占有面積比率は、平面視における対象領域（周縁部もしくは中央部）の面積の２倍（すなわち、入射面における面積＋出射面における面積）に対する、その領域内の入射面および出射面に設けられた光取出部の総面積の割合である。

周縁部における密度が中央部における密度に対して１．０５倍以上であることが好ましく、１．１倍以上であることがより好ましく、１．５倍以上であることがさらに好ましい。

ここで、図５を参照して、点光源の近傍領域、単位領域、単位領域内の周縁部および単位領域内の中央部の定義を説明する。図５は、導光体２０の出射面２０ｂの１つの単位領域を模式的に示す平面図であり、導光体２０の入射面に対向して配置されている点光源１４を破線で示している。図５中において、導光体２０における光進行方向変換部および光取出部は省略されている。

点光源の近傍領域を、出射面の各位置（座標）を、その位置から最も近い距離にある点光源にそれぞれ帰属させた場合において、対象とする点光源に帰属する位置の集合からなる領域と定義する。ここで、出射面における各位置から点光源までの距離は、平面視における直線距離を意味する。図５において、右上がり斜線で示す領域２５が、その領域２５に含まれている点光源１４Ａの近傍領域２５である。図５においては、点光源１４が縦横に同一ピッチの格子状に配列されているため、点光源の近傍領域は正方形であるが、格子状であっても縦横のピッチが異なればその点光源の近傍領域は長方形で囲まれた領域となる。また、点光源１４が不規則に配置されている場合には、近傍領域の形状も矩形でなく、多角形状となる場合もある。

最小点灯単位に対応する単位領域とは、最小点灯単位を構成する点光源の近傍領域を合わせた領域である。例えば、図５の例の場合、縦横に４×４配列した１６個の点光源１４を最小点灯単位としており、この１６個の点光源１４の近傍領域を合せた長破線で囲まれた領域が単位領域２２である。図５においては、点光源１４が縦横に同一ピッチの格子状に配列されているため、単位領域も正方形であるが、正方形状に限られない。最小点灯単位に含める点光源の数および配置によって、単位領域の形状は異なる。

単位領域内の周縁部とは、単位領域内における周縁領域であって、単位領域内の最も外側の点光源に沿って最小点灯単位で点灯する複数の点光源を囲む線と、隣接単位領域との境界線との間の領域である。図５の例の場合、１６個の点光源１４の外周を囲む一点鎖線と単位領域を示す長破線で囲まれる、右下がり斜線で示す領域が単位領域内の周縁部２２ａである。

そして、単位領域内の中央部とは、単位領域内の周縁部の内側の領域である。図５の例の場合、１６個の点光源１４の外周を囲む一点鎖線の内側、すなわち、周縁部２２ａの内側の領域が単位領域内の中央部２２ｂである。

さらに、導光体２０の単位領域２２の中央部２２ｂにおいて、点光源１４の配置が疎な箇所に対応する領域に、点光源１４の配置が密な箇所に対応する領域よりも高い密度で光取出部４０が備えられていることが好ましい（図３参照）。

なお、点光源の配置の疎密は、例えば以下のように判断することができる。１つの単位領域２２内における点光源について、各点光源毎に最も近い点光源との距離を求め、その距離の平均値を算出する。各点光源を中心として平均値の１／２の半径の円を描いた場合に、いずれの円にも含まれない領域は、点光源の配置が疎な領域であり、複数の円が重なる領域は、点光源の配置が密な領域であると判断できる。

点光源１４が縦横に同一ピッチの格子状に配列されている場合には、格子に配置されている点光源１４の対角線の交点において最も近い点光源との距離が最長となる。したがって、点光源１４が本実施形態のように２次元格子状に配列されている場合には、光取出部４０は、導光体２０の単位領域２２の点光源１４の対角線の交点で密度分布が極大値となるように設けられていることが好ましい。なお、密度分布の極大値は対角線の交点と正確に一致している必要はなく、その交点付近にあればよい。

本バックライトユニット２においては、上記の通り、導光体２０が点光源１４に対向する位置に光進行方向変換部３０を備えているので、点光源１４からの光を導光体２０の面内方向へ導光させることができる。すなわち、光を出射した点光源１４から離間する方向に光を拡げることができる。そして、導光体２０を導光する光は、導光体２０に備えられた光取出部４０において反射、屈折あるいは散乱されて出射面２０ｂから出射される。単位領域２２において、各点光源１４から発せられた光は、その光を出射した点光源の近傍領域を超えて伝搬され、単位領域２２内の複数の点光源１４からの光が互いに混じり合い出射されるため、点光源１４の個体差による輝度ムラを効果的に抑制することができる。

一方で、単位領域２２内の周縁部２２ａにおいて、中央部２２ｂと比較して高い密度で光取出部４０が設けられているため、隣接する単位領域２２への伝搬は抑制されることとなる。したがって、ローカルディミング駆動時に単位領域２２の輪郭がぼやけるのを抑制することができる。また、バックライトユニット２は、全面照射時においても、面内均一性の高いバックライト出力することができる。

図６は、上記構成のバックライトユニット２について、シミュレーションにより求めた、図５のＡ−Ａ線における導光板出射面から出力される光の光強度プロファイルの一例を示す図である。理解の容易のため、Ａ−Ａ線方向の点光源１４の配置状態を併せて示している。図６において、実線は、１つの単位点灯領域中の光源（ここでは１６個）を全て同時に点灯させた場合の光強度プロファイルを示し、破線、鎖線は、それぞれいずれか１つの点光源のみを点灯させた場合の光強度プロファイルを示す。

なお、バックライトユニット２は、複数の点光源のうち１つの点光源のみを点灯させた場合の、その１つの点光源の近傍領域における光取出率が５０％未満であることが好ましい。点光源の近傍領域での光取出率を下げることで、単位領域内で面内方向の広い範囲に導光される光量を多くすることができ、点光源の個体ばらつきに起因する輝度の不均一性を抑制し、輝度均一化をさらに向上させることができる。点光源１４に対向する位置に配置された光進行方向変換部３０の形状、および各単位領域２２の中央部２２ｂにおける光取出部４０の密度分布を調整することにより、１つの点光源の近傍領域における光取出率を制御することができる。

また、バックライトユニット２は、複数の点光源のうち１つの点光源のみ点灯させた場合の、その１つの点光源を含む単位領域における光取出率が７０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましく、９０％以上であることがさらに好ましい。上記光進行方向変換部３０の形状、各単位領域２２内の中央部２２ｂにおける光取出部４０の配置、さらには、各単位領域２２内の周縁部２２ａにおける光取出部４０の密度分布を調整することにより、単位領域における光取出率を制御することができる。

なお、バックライトユニット２の出射光の面内の輝度均一性は、２次元輝度計（プロメトリック）を用いることによって測定することができる。また、２次元輝度計を用いることにより、１つの点光源のみ点灯させた場合の、その近傍領域における光取出率、および１つの単位領域中の全ての点光源を点灯させた場合の、単位領域における光取出率を測定することができる。

バックライトユニット２は、上記導光体２０を備えているので、単位領域毎に輝度が均一化された光を出射することができ、全域に亘って均一化された輝度で出射光を得ることができる。そのため、光源部１０と導光体２０との間に厚い空間は不要である。したがって、直下型バックライトでありながら従来と比べて非常に薄くすることができる。

バックライトユニット２は、直下型であるため、備えられている点光源の数だけの多分割のローカルディミングが可能である。しかしながら、本開示においては、ローカルディミング制御における最小単位として２以上の点光源を含むこととして、単位領域内に含まれる複数の点光源からの光を混色させることにより、点光源の個体差による輝度ムラを平均化し、単位領域内および単位領域間での輝度ムラを効果的に抑制して、輝度均一化を実現している。

また、バックライトユニット２の薄型化により、液晶表示装置１全体としての薄型化も実現できる。さらに、バックライトユニット２から輝度の均一性が十分に高いバックライトを出射させることができるため、バックライトユニット２と液晶表示素子５０との間隔も狭くすることが可能であり、液晶表示装置のさらなる薄型化を図ることができる。

上記実施形態において、光進行方向変換部３０は、導光体２０の出射面２０ｂに設けられた円錐状の凹部から構成されてなるものとして説明したが、本発明の光進行方向変換部は上記形態に限らない。光進行方向変換部の形状は円錐状の凹部に限らず、半球状あるいは多角錐状の凹部などであってもよい。

以下、光進行方向変換部の他の態様について図７〜図１０を参照して説明する。なお図７〜図１０は、バックライトユニットの一部の拡大模式図であり、１つの点光源１４とその点光源１４に対向して配置される１つの光進行方向変換部を含む導光体２０の領域とを示している。図７および図８において、それぞれ上図Ａは断面図であり、下図Ｂは導光板の出射面側から視認した平面図である。図９および図１０は、いずれも断面図である。

図７に示す第１の態様において、光進行方向変換部３０Ａは、導光体２０の出射面２０ｂに設けられた凹部３２からなる。凹部３２は点光源１４から離れるにつれて徐々に広がる形状であり、凹部３２を構成する面３３は導光体２０の出射面２０ｂに対して傾きを有する傾斜面（以下において、傾斜面３３とする。）である。点光源１４からの光は入射面２０ａから導光体２０内に入射され、凹部３２の傾斜面３３に入射する。本実施形態の光進行方向変換部３０Ａは、全反射角以上の入射角度で傾斜面３３に入射した光を傾斜面３３で全反射して、光の進行方向を変化させて、導光体２０中の面方向に拡がるように導光させることができる。なお、傾斜面３３は点光源１４からの入射光の多くが全反射角度以上で入射される面となるように設定されている。

図８に示す第２の態様において、光進行方向変換部３０Ｂは、第１の態様における凹部３２に加えて、点光源１４と対向する導光体２０の入射面２０ａに第２の凹部３６を備えている。第２の凹部３６を備えることで、点光源からの光が導光体２０に入射する際に、第２の凹部３６により光を屈折させることができ、入射光を面方向にさらに拡げる効果を得ることができる。このように、第２の凹部３６により導光体２０の入射面２０ａ側で光を面方向に拡げた上で、導光体２０の出射面２０ｂに設けられた凹部３２に入射させることにより、凹部３２の中央（最も深い部分）に入射する光量を減少させることができる。このように凹部３２の中央からの光漏れ、すなわち凹部３２の中央から直接出射される光の量を抑制することができるので、さらなる輝度均一化を図ることができる。

第１および第２の態様の光進行方向変換部３０Ａおよび３０Ｂに備えられている凹部３２の形状は、点光源１４から出射面に垂直な直線を回転軸として、軸対称であることが好ましい。図７および図８の例においては、上述の凹部を出射面に垂直な方向から視認した場合の形状（平面投影形状）は円形であるが、円形に限らず正多角形、星型など任意の形状を取りうる。しかしながら、点光源１４の発光を等方的に導光させる観点から、凹部の平面投影形状円形であることが好ましい。凹部３２は、凹部３２がなく表面が平坦な平行平板状の導光体において、点光源から導光体の出射面に入射する光の角度が、全反射角度を満たさない領域に設けることが好ましい。

図８に示すように、凹部３２の出射面２０ｂにおける円形開口の直径をＬ_１、導光体２０の厚みをｄ、導光体２０の全反射角をθ_ｃ、点光源の対角線の長をＬ_３とした場合に、
（ｄ×ｔａｎθ_ｃ）×２＋Ｌ_３＜Ｌ_１ 式Ｉ
を満たすことが好ましい。上式Ｉを満たす十分な大きさの凹部を設けることで、より多くの光源の発光を面方向に広げることができる。
さらに、
Ｌ_１＜（ｄ×ｔａｎθ_ｃ）×３＋Ｌ_３ 式II
を満たすことがより好ましい。上式IIを満たす大きさの凹部とすることで、導光体２０の加工を最小限に留めることができる。

凹部３２は点光源１４から離れるにつれて開口径が広がる形状、すなわち、出射面２０ｂにおいて最大開口径を有し、点光源１４に近づくにつれて先細る形状である。
凹部３２を構成する傾斜面３３が出射面２０ｂとなす角度θは、点光源１４の直上で最も大きく、点光源から離れるに従って小さくなっていることが好ましい。
傾斜面３３が出射面２０ｂとなす角度θは、凹部３２からの光漏れを低減し、より多くの光を面方向に導光させる観点から、４０°以上であることが好ましい。また加工の容易さから５０°以下であることが好ましく、より好ましくは４２°〜４５°である。

点光源１４の直上に位置する凹部３２の中央は尖っていることが好ましい。一方で加工の制約により、凹部３２の中央は丸くなることがある。その場合の中央部の曲率半径Ｒは、凹部中央からの光漏れを抑制するために、１００μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以下であることがより好ましい。また、図８に示す角度ψは４５°以上であることが好ましい。

第２の態様のように、導光体２０の入射面２０ａに第２の凹部３６を備える場合、第２の凹部３６は任意の形状を取りうるが、円錐ないしは四角錐形状が好ましい。図８においては、第２の凹部３６が円錐形状である。この円錐の底面すなわち第２の凹部３６の入射面２０ａにおける円形開口の直径をＬ_２、正方形状の点光源の一辺の長さをＳとした場合、
Ｓ×√２×１．５≦Ｌ_２ 式III
を満たすことが好ましい。
また、第２の凹部３６を構成する円錐の側面３７と底面のなす角度φは４５°以上であることが好ましい。

図８に示すように、出射面２０ｂおよび入射面２０ａの両面に凹部をそれぞれ備える場合には、出射面２０ｂ側の凹部３２の深さｄ_１が導光体２０の厚みｄの４０〜６０％であることが好ましく、入射面２０ａ側の凹部３６の深さｄ_２が導光体２０の厚みｄの１０〜３０％であることが好ましい。

図９に示す第３の態様において、光進行方向変換部３０Ｃは、導光体２０の入射面２０ａから出射面２０ｂに貫通する貫通孔１３２と、貫通孔１３２の出射面２０ｂ側に配置された光反射部材１３４とを備えている。貫通孔１３２を構成する側面１３３は導光体２０の出射面２０ｂと非平行な面である。ここでは、貫通孔１３２は、貫通孔１３２の側面１３３に入射する光を屈折もしくは反射して導光体２０内に導く光入射部として機能する。光反射部材１３４は、点光源１４からの光が貫通孔１３２を通過してそのまま出射面側から出射されるのを抑制する。

点光源１４から出射され、貫通孔１３２の側面１３３から導光体内に入射した光は、側面１３３で屈折されて進行方向が変化される。この際、側面１３３で屈折して導光体２０に入射された光のうち、導光体２０の出射面２０ｂあるいは入射面２０ａに全反射角以上の入射角で入射した光が、導光体２０中で全反射を繰り返して面内方向に導光される。

また、点光源１４から出射され、貫通孔１３２を通過した光は、光反射部材１３４で側面１３３もしくは反射板１２側に反射される。なお、点光源１４の直上において一定の輝度を確保するために、光反射部材１３４に入射する光の一部を透過させることが好ましい。したがって、光反射部材１３４として、５０％以上の光を反射するが、少なくとも０％よりも大きい量の光を透過する部材を用いることが好ましい。

貫通孔１３２には、低屈折材料が充填されていてもよいが、点光源１４からの光の多くを導光体２０に入射させ、かつ導光させるためには、低屈折材料と導光体２０との屈折率差は大きい方が好ましい。したがって、貫通孔１３２は空気で満たされた空隙であることがもっとも好ましい。

また、貫通孔１３２の側面１３３は、反射防止処理がなされていてもよい。反射防止処理としては、特定の屈折率および膜厚を有する薄層を積層することや、表面にモスアイ構造を設けること等が含まれ得る。反射防止処理を施すことにより、点光源１４からの光をより多く導光体２０に入射させることができる。

貫通孔１３２の開口は、点光源１４のサイズと同一以上の大きさであり、平面視において、点光源１４を内包できる大きさである。

図９に示す態様では貫通孔１３２の径は入射面２０ａから出射面２０ｂまで一様であるが、入射面２０ａから出射面２０ｂまでの間で径が変化していてもよい。この場合、入射面２０ａから出射面２０ｂに近づくにつれて径が大きく、あるいは、小さくなるように徐々に変化していてもよい。
なお、光反射部材１３４に代えて光吸収部材を備えていてもよい。光吸収部材としては、５０％以上の光を吸収するが、少なくとも０％よりも大きい量の光を透過する部材を用いればよい。また、光反射部材１３４に代えて、入射光を拡散する拡散部材を備えていてもよい。

図１０に示す第４の態様の光進行方向変換部３０Ｄは、導光体２０の入射面２０ａ側に開口を有する円錐状の凹部１３８から構成されている。円錐状の凹部１３８は、凹部を構成する側面１３９に入射する光を屈折もしくは反射して導光体２０内に導く光入射部として機能する。

円錐状の凹部１３８の開口は円錐の底面に当たる部分であり、開口と点光源１４が対面して配置されている。開口サイズは点光源１４のサイズ以上であることが好ましい。

点光源１４から出射した光の一部は、光進行方向変換部３０Ｄを構成する円錐状の凹部１３８の側面１３９に入射して屈折され、導光体２０内に導かれる。その屈折した光が導光体２０内で全反射を繰り返しながら導光されるように、出射面２０ｂと側面１３９とがなす角度は調整されている。

いずれの態様の場合にも、光進行方向変換部３０Ａ〜３０Ｃによる作用によって、面内方向に導光された光は光取出部の作用により最終的には導光体２０の出射面から出射される。

光進行方向変換部および光取出部を有する導光体は、例えば、モールドを用いたインプリントにより作製することができる。また、平板状の導光体の表裏面に、機械切削、またはレーザー照射により凹部または貫通孔を形成して作製することができる。

なお、上記実施形態において、バックライトユニットは導光体を１層のみ備えているが、導光体を複数積層して備えてもよい。また、複数の導光体を備える場合には、導光体同士の間に間隙を設け、空気層を備えることが好ましい。

本開示のバックライトユニットは、上述した液晶表示装置におけるバックライトユニットとしてのみならず、看板、標識などのバックライト、室内灯などとしても用いることが可能である。

２０１８年１月１２日に出願された日本出願特願２０１８−００３３８０の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (10)

1. 互いに対向する入射面と出射面とを備えた導光体と、該導光体の前記入射面に対向して２次元状に配置された複数の点光源を有する光源部とを備え、前記光源部からの光を前記導光体の前記入射面に入射し、前記出射面から光を出射させるバックライトユニットであって、前記複数の点光源のうち２つ以上の点光源を最小点灯単位としてローカルディミング駆動されるバックライトユニットであり、
   前記導光体が、前記入射面の前記複数の点光源の各々に対向する各位置に設けられ、かつ前記導光体中を導光する方向に各々光の進行方向を変化させる複数の光進行方向変換部と、前記最小点灯単位に対応する単位領域毎に、該単位領域内の周縁部における密度を、該単位領域内の中央部における密度よりも高くして設けられ、かつ該導光体を導光した光を出射させる複数の光取出部とを備えているバックライトユニット。
2. 前記複数の点光源のうち１つの点光源のみを点灯させた場合の該１つの点光源の近傍領域における光取出率が５０％未満である請求項１に記載のバックライトユニット。
3. 前記複数の点光源のうち１つの点光源のみ点灯させた場合の該１つの点光源を含む前記単位領域における光取出率が７０％以上である請求項１または２に記載のバックライトユニット。
4. 前記導光体の前記単位領域の前記中央部において、前記点光源の配置が疎な箇所に対応する領域に、前記点光源の配置が密な箇所に対応する領域よりも高い密度で前記光取出部が備えられている請求項１から３のいずれか１項に記載のバックライトユニット。
5. 前記単位領域において、前記複数の点光源が２次元格子状に配列されている請求項１から４のいずれか１項に記載のバックライトユニット。
6. 前記導光体の前記単位領域の前記中央部において、前記２次元格子状に配列されている前記複数の点光源の対角線の交点において前記光取出部の密度分布が極大値を有する請求項５に記載のバックライトユニット。
7. 前記光進行方向変換部が、前記出射面に対して非平行な面を有する凹部を備えている請求項１から６いずれか１項に記載のバックライトユニット。
8. 前記凹部が前記出射面に備えられており、該凹部が前記出射面において広い開口を有し、対向する前記点光源に向かって先細る形状である請求項７に記載のバックライトユニット。
9. 前記光進行方向変換部が、前記入射面から前記出射面に貫通する貫通孔と、該貫通孔の前記出射面側に配置された光反射部材、光拡散部材もしくは光吸収部材とを備えている請求項１から６いずれか１項に記載のバックライトユニット。
10. 液晶表示素子と、
    請求項１から９のいずれか１項に記載のバックライトユニットとを備えた液晶表示装置。