JP5568263B2

JP5568263B2 - 液晶表示装置

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Publication number: JP5568263B2
Application number: JP2009183902A
Authority: JP
Inventors: 俊明田中
Original assignee: Panasonic Liquid Crystal Display Co Ltd; Japan Display Inc
Current assignee: Panasonic Liquid Crystal Display Co Ltd; Japan Display Inc
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2029-08-06
Also published as: JP2011039122A

Description

本発明は、バックライトにおける光源が液晶パネルの直下に配置された直下型の液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、液晶パネルと、バックライト光源モジュール（以下、本明細書では、単にバックライトとする。）と、を含んで構成される。この液晶表示装置の薄型化をする上では、バックライトを構成する拡散板や拡散シート、及びプリズムシートなどの光学フィルムの設計によって、光学的な均一性が維持又は向上されつつ、バックライトの薄型化がなされる。

また、バックライトは、光源と、導光部材、拡散板等の光学フィルムを含んで構成されて、その光源には、発光ダイオード光源等によって点状に発光する発光素子が用いられるようになってきている。そして、発光ダイオード光源が、液晶パネルの直下に配置されるいわゆる直下型の液晶表示装置も存在する。この直下型の液晶表示装置は、主に中型もしくは大型の液晶表示装置に用いられ、液晶パネルと発光ダイオード光源との間に挟まれるように、導光部材や拡散板等の光学フィルムが存在する。

バックライトの薄型化における光学的均一性の対策について、バックライトの光源等に対して行ってきた例がいくつかあり、例えば、特許文献１が知られている。特許文献１では、指向性が強い発光源と、該発光源の放射方向に放射面を有する導光体等によって構成されて、導光体の放射面には発光源からの光を所定の割合で反射させる放射側反射手段が備えられた面照明光源装置が記載されて、全体的に均一化された照明光が得られるとしている。

特開２００８−２７８８６号公報

ここで、直下型の液晶表示装置においても、その薄型化を図る場合には、バックライトの光源から液晶パネルまでの光学距離が縮小して、バックライトの輝度や色度のムラが顕著となりやすくなるため、薄型化と光学的均一性の両立を図ることが課題となる。また、発光ダイオード等が光源として用いられたバックライトにおいては、光学的均一性を向上させるために、その配光分布を考慮して設計する必要もある。

本発明は、上記課題に鑑みて、発光ダイオード光源等によって発光する発光素子を用いた直下型の液晶表示装置において、バックライトの薄型化がされる場合においても、光学的均一性を高くすることができる液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る液晶表示装置は、液晶パネルと、バックライトとを含む液晶表示装置であって、前記バックライトは、前記液晶パネルの下側に配置されて前記液晶パネルに向けて発光する発光素子と、該発光素子の上側であって前記液晶パネルの下側に配置される導光部材とを有し、前記導光部材は、前記発光素子からの光が導光されて面状に発光する発光面を前記液晶パネル側に有し、前記発光面には、前記発光素子の直上に凹部が形成されるとともに、光を出射させるためのドット状又はライン状のパターンが前記凹部から離れるのに応じて密になるように分布して、前記凹部は、該凹部の深さ方向に先細りとなるように傾斜する内面を有して形成される、ことを特徴とする。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記凹部は、前記発光面に対する傾斜角度αが、３５度≦α≦５５度で傾斜する前記内面によって、断面がＶ字状となるように形成されて、前記凹部は、前記発光素子が発光する部分よりもさらに広がるように形成されるとともに、前記凹部の中心部が、前記発光する部分の中心に合わせられるように配置される、ことを特徴としてもよい。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記凹部は、前記発光面に対する傾斜角度αが、４５度≦α≦５０度で傾斜する前記内面によって、断面がＶ字状に形成される、ことを特徴としてもよい。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記凹部は、該凹部の中心部分に位置して底部を形成する第１内面と、前記底部から前記凹部の縁に至るまでの側面部を形成する第２内面と、を含んで形成されて、前記第１内面と前記第２内面は、前記発光面に対して異なる傾斜角度を有して、前記第１内面における傾斜角度は前記第２内面における傾斜角度よりも急峻な角度であって、前記第１内面は、前記発光素子の発光する部分の中心に合わせられるように配置されるとともに該発光する部分にほぼ重複して形成され、前記第２内面は、前記第１内面の周囲であって該発光する部分からさらに広がるように形成される、ことを特徴としてもよい。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記凹部は、一方向に直線状に形成される溝型に形成されて、前記ドット状又はライン状のパターンは、直線状に形成される溝型の前記凹部から離れるにしたがって密となるように分布する、ことを特徴としてもよい。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記凹部は、円錐状に形成されて、前記ドット状又はライン状のパターンは、前記凹部から離れるにしたがって密となるように同心円状に分布する、ことを特徴としてもよい。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記内面は、円弧状に湾曲して形成され、前記凹部は、一方向に直線状となる溝型であって、円弧状に湾曲した前記内面によって先細りとなるように形成され、前記凹部は、前記発光素子が発光する部分よりもさらに広がるように形成されるとともに、前記凹部の中心部が、前記発光する部分の中心に合わせられるように配置され、前記ドット状又はライン状のパターンは、前記凹部から離れるにしたがって密となるように、直線状となる前記凹部に平行に分布する、ことを特徴としてもよい。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記凹部の中心部は、平坦に形成される、ことを特徴としてもよい。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記導光部材の前記凹部の下側には、白色を生成するために異なる発光色で発光する複数の発光素子が、直線状となる前記溝型に沿って配列されて、前記溝型に沿って配列された前記複数の発光素子と、前記溝部と異なる方向に隣接して配列される発光素子は、発光色が互いに補完されるように配列される、ことを特徴としてもよい。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記導光部材は、前記発光素子からの光を入射させる入射部を前記発光面に対して裏側となる裏面に有し、前記裏面には、前記入射部から離れた部分に拡散反射手段が設けられる、ことを特徴としてもよい。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記導光部材は、前記発光素子からの光を入射させる入射部を前記発光面に対して裏側となる裏面に有し、前記裏面には、前記発光面へと反射させて光を出射させるためのドット状又はライン状パターンが、前記入射部から離れるのに応じて密になるように分布する、ことを特徴としてもよい。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記発光素子は、前記液晶パネルに対して略垂直となる方向に光軸を有し、前記発光素子の出射輝度は、前記光軸に対して対称に分布するとともに、前記光軸に対して傾斜した方向にピークを有する、ことを特徴としてもよい。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記発光素子は、発光ダイオードと、該発光ダイオードを上側から覆うレンズ部とを有し、前記レンズ部は、前記導光部材側へ光を出射させる出射面が凹レンズ状に形成されるとともに、前記光軸に対して対称となるＶ字状の断面を有する凹部が形成されて、前記導光部材の前記凹部は、前記レンズ部の前記凹部の形状に対応する形状を有する、ことを特徴としてもよい。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記発光素子の出射輝度は、前記凹部が直線状の溝型に形成された方向に対して線対称に分布して、双峰性のピークを有する、ことを特徴としてもよい。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記発光素子は、前記液晶パネルに対して略垂直となる方向に光軸を有し、前記発光素子の出射輝度は、前記光軸に対して点対称に分布して、輪状のピークを有する、ことを特徴としてもよい。

上記課題を解決するため、本発明にかかる液晶表示装置は、液晶パネルと、バックライトとを含む液晶表示装置であって、前記バックライトは、前記液晶パネルの下側に配列される複数の発光素子と、前記複数の発光素子の上側であって前記液晶パネルの下側に配置されて、前記複数の発光素子のうちの１つ又は複数の発光素子毎に設けられる複数の導光部材と、を有し、前記導光部材の各々は、前記１つ又は複数の発光素子からの光を導光し、面状に発光する発光面を前記液晶パネル側に有し、前記発光面には、前記発光素子の直上となる位置に凹部が形成されるとともに、光を出射させるためのドット状又はライン状パターンが前記凹部から離れるのに応じて密になるように分布して、前記凹部は、該凹部の深さ方向に先細りとなるように傾斜する内面を有して形成される、ことを特徴とする。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記導光部材は、前記発光素子が配置されている側の面よりも前記発光面が広がるように、前記導光部材の側面が傾斜する、ことを特徴としてもよい。

また本発明に係る液晶表示装置の一態様では、前記バックライトは、前記複数の発光素子が配列された基板を有し、前記導光部材は、前記１又は複数の発光素子の側方から上方を覆い被せるように、前記基板上に配置されて、前記導光部材が前記基板に接触する面においては、前記１又は複数の発光素子からの光を拡散して反射させる拡散反射手段が配置される、ことを特徴としてもよい。

本発明によれば、直下型の液晶表示装置において、バックライトの薄型化をしつつ、バックライトの光学的均一性を向上させることができる。

実施形態１に係る液晶表示装置の構成を示す断面図である。実施形態１に係る直下型バックライトの上面図である。実施形態１に係る発光ダイオードパッケージ光源（発光素子）の様子を示す断面図である。実施形態１に係る発光素子の放射角度分布を示すグラフである。実施形態１に係る発光素子の上面図である。実施形態１に係る発光素子の放射角分布を示すグラフである。実施形態１に係る発光素子と導光シートの断面の様子を示す図である。実施形態１に係る発光素子から放射角θと、放射角θで出射した光が凹部の内面によって反射されて発光面に入射する角度との関係を算出したグラフである。実施形態１に係る発光素子が図４に示すような放射角分布を有する場合に、凹部の内面が形成する各角度ｘと、発光面に入射する角度２ｘ−ψの強度を示すグラフである。実施形態１に係る発光素子の側壁から出射する角度と導光シートにおける屈折角度の関係を示すグラフである。実施形態１に係る発光素子と導光シートの変形例を示す断面図である。実施形態１に係る導光シートの発光面に、光を出射するためのドットパターンが凹部から遠ざかるに従って密となるように形成された様子を示す図である。実施形態１に係る導光シートの変形例であり、その発光面に、光を出射するための三角溝形状のパターンが凹部から遠ざかるに従って密となるように形成された様子を示す図である。実施形態１に係る導光シートの発光面上のドットパターンが配置された様子の一例を示す図である。実施形態１に係るバックライト筐体上に、複数の導光シートが並列して配置された様子を示す図である。実施形態２に係る導光シートと発光素子の断面の様子を示す図である。実施形態２に係る導光シートとＲＧＢに発光する３つの発光素子が配置されている様子を示す図である。実施形態２の変形例に係る導光シートとＲＧＢに発光する３つの発光素子が配置されている様子を示す図である。実施形態２の変形例に係る導光シートと発光素子が、バックライト筐体上に敷き詰めて配置された様子を示す図である。実施形態３に係る発光素子の上面図である。実施形態３に係る導光シートの発光面上にドットパターンが配置された様子を示す図である。実施形態３に係るバックライト筐体上に、複数の導光シートが並列して敷き詰めて配置された様子を示す図である。

以下、上記課題を解決するための本発明に係る各実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。以下において説明する本発明の各実施形態に係る液晶表示装置は、これらの実施形態によっては限定されず、その技術的思想の範囲内において異なる形態にて実施されて良いし、例えば、これらの各実施形態において開示されている形態を組み合わせた形態も本発明に含まれるものとする。

［実施形態１］
まず、図１から図１５を用いて、本発明に係る実施形態１を説明する。図１は、液晶パネルと、バックライトの光源となる発光ダイオードパッケージ光源と、導光部材と、プリズムシート等の光学フィルムと、を含む液晶表示装置の構成の断面を示す。本実施形態で示す液晶表示装置は、液晶パネルと、直下型のバックライトとを搭載する中型から大型の液晶表示装置である。図１では、バックライト筐体１と、プリント基板２、プリント基板２上に設けられる発光ダイオードパッケージ光源（発光素子）３、及び、白色反射シートを下地に有して発光素子３からの光を導光して面状に発光する導光部材である導光シート４とによって、バックライト光源系が構成される。

ここで、発光素子３は、後述する図３で示すように、レンズ部２０を構成する樹脂或いは青色発光ダイオード素子である発光ダイオード１８近辺の樹脂において、蛍光体が導入されて、光励起させることによって白色光源が構成されている。また、バックライトでは、発光素子３の上側および側方を覆うように周囲に導光シート４が設けられて、当該導光シート４のさらに上側に、拡散板５と、拡散シート６と、プリズムシート７と、偏光反射シート８とによってバックライト光学系が構成される。さらに、液晶パネルについては、下部偏光板９、薄膜トランジスタとカラーフィルタ搭載の液晶封止ガラス基板１０、上部偏光板１１から構成される。

液晶表示装置の上面を見ると、図２に示すように、バックライト支持筐体１２、発光素子３と導光シート４とからなるエリア制御分割光源１３、及び駆動回路部１４で構成されている。本実施形態の液晶表示装置には、バックライトから液晶パネルに光を照射する領域が、表示する映像に応じて制御されるエリア制御が採用されている。駆動回路部１４において、エリア制御分割光源１３を映像信号に合せてバックライト光が必要な領域に光照射する動作条件を設定することにより、エリア制御対応のバックライト光源系を機能させることができる。本実施形態のバックライトでは、点光源である発光ダイオードを配列して導光部材によって面状に発光させて、上記エリア制御に対応するバックライトとしている。本実施形態の発光素子３は、発光ダイオード１８にレンズを搭載して、放射角度分布を拡大させる構成をとる。図３に、発光素子３の構成を示すが、樹脂或いはセラミックからなる基材１５の上に配線１６を形成し、その後ダイボンディング材１７を形成して、その上に発光ダイオード１８をマウント搭載し、その後Ａｕワイヤ１９によって配線１６と接続する。

次に、透明シリコーン樹脂によりレンズ部２０を発光ダイオード１８に密着させて構成する。本実施形態において透明樹脂により構成したレンズ部２０は、その上面が凹レンズ状に湾曲して形成されて、さらに発光ダイオード１８の直上にＶ字状の溝形状となる凹部を有している。発光素子３のレンズ部２０に設けられたＶ字状の凹部の先端部は、発光ダイオード１８の中心に重複するように位置しており、かつ、発光ダイオード１８とＡｕワイヤ１９に近接して、これらとの間隔が５０−１５０ミクロン程度まで接近して設けられる。なお、発光素子３は、そのレンズ部２０の実寸が５×５ｍｍ程度の大きさを保有している。

図４は、本実施形態にかかる発光ダイオード１８からの放射角分布を示したものであり、放射角６０°程度に双峰性となるピーク強度を有する発光分布を有している。同図における放射角分布は、レンズ部２０の溝型の凹部が直線状に形成される一方向に対して垂直な方向の分布となる。このような放射角分布のピーク強度を有する発光ダイオード１８の光を、導光シート４に入射させて、発光ダイオード１８の直上から広がるように伝播（導光）させていくことにより、横方向に放射光束を拡大し、面光源の均一性がさらに向上する。

図５は、本実施形態にかかるバックライトの発光素子３の上面を示す図であり、レンズ部２０における凹部は、上下方向に直線状となって、その断面が三角柱状となる溝型によって形成される。本実施形態にかかるレンズ部２０の凹部は、三角柱状の凹部形状となっているため、図５のような発光素子３の場合には、その放射角分布を左右方向にピークを有するように設定できる。また、図５の上下方向では、発光素子３の放射角分布は、図６に示すように、放射角の低い領域において出射輝度が略同程度のレベルとなるように設定される。

図７は、本実施形態にかかる発光素子３と導光シート４の断面の様子を示す図である。上記の発光素子３は、図７に示すように、まず白色反射シート２３が上側に設けられたプリント基板２２上に実装され、プリント基板２２に電気的に発光素子３が接続された後、発光素子３を覆い被せるように、導光シート４が設けられる。このとき、導光シート４には、発光素子３のレンズ部２０に対して、空気層を介して設けて覆っており、かつ発光素子３の直上（発光ダイオード１８の直上）には、Ｖ字状の三角溝型となる凹部が設けられている。図７で示されるように、レンズ部２０の凹部や発光ダイオード１８に対して、導光シート４の凹部は、さらに広がって形成されるとともに、レンズ部２０の凹部に応じて導光シート４の凹部が設けられ、本実施形態では、２つの凹部が一方向に延びる直線状の溝型で形成される。

ここで、発光素子３から出射角θで出射する光は、まず、導光シート４の入射面において角度ψをもって屈折して、Ｖ字状の三角溝における角度ｘを有する傾斜面に入射すると、角度２ｘ−ψで反射する。出射角θ、角度ψ、角度２ｘ−ψの３つの角度は、図７で示されるように、発光素子３の設置されたプリント基板２２に対して法線方向を基準とする角度である。また、導光シート４の凹部は、その深さ方向に先細りとなる内面を有して形成されて、本実施形態における凹部の内面は三角溝の斜面である。また、導光シート４の面状に発光する発光面に対して内面が傾斜する角度を、傾斜角度α（すなわちα＝９０度−ｘとなる）とする。導光シート４には、導光された光を発光面に出射させる後述の出射手段となるドットパターンが凹部から離れるに従って密となるように配置され、発光素子３から出射して導光シート４内に入射した光は、凹部の内面によって全反射されることにより、凹部からさらに広がるように図中左右方向（以下、横方向、或いは伝播される方向）に伝播して、面状に発光する発光面の均一性が向上する。

ここで、導光シート４としては、屈折率１．４〜１．６程度が用いられるが、本実施形態では導光シート４の屈折率が１．４であるものを用い、この場合には導光シート４においてその内部を導光される光が全反射する臨界角が４５．６度程度となる。また、導光シート４で屈折した角度ψの光が、凹部の内面によって全反射する条件は、α＋ψ≧４５．６度である。そしてさらに、凹部の内面によって全反射された光が導光シート４の上面（発光面）に全反射されることで、凹部からさらに広がるように伝播される。上面において全反射される条件は、２ｘ−ψ≧４５．６度であることから、角度２ｘ−ψを調整することにより、導光シート４の横方向に広げて伝播させるようにできる。

凹部の内面の傾斜角度αが緩やかである場合には、発光素子３からの高角度側の放射角で出射した光を全反射して凹部からさらに広がるように横方向に導光し、一方、傾斜角度αが急峻となる場合には、発光素子３からの低角度側の放射角で出射した光を全反射して横方向に広がるように導光しやすくする。したがって例えば、発光素子３の直上となる中心部分に位置する凹部の底部（第１内面）においては、傾斜角度を急峻にし、凹部の中心部分に位置する底部から縁の間に位置する側面部（第２内面）においては、底部の傾斜角度よりも傾斜角度を緩やかにするというように、複数回の段階に分けて内面の傾斜角度を設定してもよい。この場合においては、具体的には、導光シート４の発光面への入射角２ｘ−ψも考慮して、凹部の中心部における傾斜角度αを４０度以上６０度以下に、凹部の側面部における傾斜角度αを２５度以上４５度以下に設定するというように２段階に傾斜させる。

ここで、図８は、発光素子３からの出射角θと、凹部の内面によって反射された角度２ｘ−ψの関係を算出した結果である。ここで、凹部の内面によって反射された角度は、２ｘ−ψ＝２ｘ−sin^-1(sinθ/ｎ)で表される。ｎは導光シート４における材料の屈折率であり、ｎ＝１．４としている。図８から、Ｖ字状に先細りとなる断面を有する内面の傾斜角度は、３５度≦α≦５５度の場合（３５度≦ｘ≦５５度となる場合）が適しており、さらに好適には、４５度≦α≦５０度の場合（４０度≦ｘ≦４５度となる場合）であると判断される。図８においては、Ｖ字状溝の先端角の半分となる角度ｘが２５度〜４５度における関係が示されているが、角度ｘ＝５０度以上となる場合が省略されている。ｘ＝５０度や５５度の場合は、ｘ＝４５度の場合よりも凹部における内面が発光面に対して緩やかな傾斜となるため、発光素子３の光軸方向となる出射角θ＝０度、およびその付近の光が全反射されにくくなるが、他の部分の出射角の光が凹部と発光面に全反射されて、凹部から横方向に伝搬して広がるように導光されて発光面の光学的均一性が向上するため、Ｖ字状の凹部の内面の傾斜角度として適している。

図９は、発光素子３が図４に示すような放射角分布を有する場合に、ｘ＝３０度、３５度、４０度、４５度となる内面を有するＶ字状の三角溝型の凹部に反射されて、発光面に入射する角度２ｘ−ψと、その相対強度の関係を示す図である。同図は、図４における角度０〜９０度の範囲の放射角分布の右側半分に相応するものであり、発光面に入射する角度２ｘ−ψが横軸に、その相対強度が縦軸に示されている。例えばｘ＝４５度においては、ピーク強度を有する出射角度θ＝６０度の光線が２ｘ−ψ＝５０度程度となることが示されている。なお、同図の結果が算出される過程においては、導光シート４内に入射し、屈折及び全反射することでの光損失はないものと仮定している。図９の結果では、角度ｘの値が４０度〜４５度の間を境として、発光面において全反射する角度４５.６°以上に、発光素子３の放射角分布のピーク強度を設定できることが判る。即ち、ピーク強度付近の大部分の光強度を全反射させて導光シート４に導入し、横方向に伝播させることになり、効率よくバックライト光を導光シート４の面内に拡大することを意味する。これにより２ｘ−sin^-1(sinθ/ｎ)≧sin^-1(1/ｎ)となる関係を満たすように、Ｖ字状溝における先端角半分の角度ｘと、導光シートの屈折率ｎ、及び発光素子３のピークとなる放射角度θの調整設定を行うことにより、効率よく横方向の伝播光に変換できる。

また、レンズ部２０の側壁から出射して発光ダイオード１８の出射光については、レンズ部２０から導光シート４に入射した後の屈折角度ψを見積もると、90-sin^-1(sin(90-θ)/ｎ)と求まる。この場合においては、発光ダイオード１８の出射光の出射角度θ、及び、導光シート４に入射後の屈折角度ψは、レンズ部２０の側壁に対して垂直となる方向を基準とするのではなく、上記と同様にプリント基板２２の法線方向を基準として求めている。発光素子３のレンズ部２０の側壁から出射した光は、図７で示すように、空気層を経て導光シート４の内側壁に入射している。ここで、横軸には、レンズ部２０の側壁からの出射角度θを、縦軸には、上記の屈折角度90-sin^-1(sin(90-θ)/ｎ)をプロットすると、図１０のようになる。この結果、レンズ部２０の側壁から出射した光は、ほとんどの出射角において、導光シート４の全反射角よりも大きくなっており、導光シート４の発光面やその裏面に全反射して、伝播していく光成分となっていることが判る。なお、導光シート４と発光素子３との間に介在する空気層は、少なくとも発光素子３の上側に設けられていればよく、発光素子３の側方部分は導光シート４と接していてもよい。

また、導光シート４の外側の側面は、発光面側に広がるように逆台形状に傾斜して形成されるのがよく、特に４５度に傾斜して形成されるのが好適である。側面が傾斜せずに発光面に対して略垂直に形成される場合には、導光シート４内を発光面に対して略平行に導光される光は当該側面から出射されることとなるが、側面が４５度に傾斜して形成される場合には全反射されやすくなる。発光面に対して略平行に導光される光は、白色反射シート２３や発光面における反射を経て、発光面に形成されたドットパターンに入射して発光面から出射され、発光面における発光効率が向上する。

また、白色反射シート２３は、導光シート４の発光面に対する反対側の面に反射手段として設けられているが、さらにこの白色反射シート２３は、入射した光をランダムな方向に反射させる拡散反射手段であることが望ましい。発光素子３で発光した光は、導光シート４の凹部に反射されて横方向に伝播され、当該横方向に伝搬される光は、拡散反射手段に入射して、ランダムな方向に反射される。横方向へと導光される光が、ランダムな方向に拡散反射されるため、導光シート４の凹部から均一に広がりやすくなる。そして、発光面から光を出射させる出射手段となるドットパターンが、凹部から遠ざかるに従って密に分布することで、導光される光は凹部から近い部分では横方向に広がりやすく、凹部から遠い部分では出射されやすくなって、発光面の光学的均一性が向上することとなる。なお、導光シート４に設ける凹部の形状は、図１１に示すように、Ｖ字状の内面を有する溝型の形状でなく、断面が円弧状となってその中心部が鍋底状となり、一方向に直線状に形成される半円柱状の溝型であってもよい。この場合においては、発光素子３の放射角分布を、半円柱状の溝型となる凹部に適するように、そのピーク位置を調整してもよく、或いは、発光素子３の出射角θ＝０度方向の相対強度が０．５よりもさらに弱くなるようにしてもよい。発光素子３からの出射光を全反射して、横方向に拡大し伝播光とすることができる形状であれば、その他の形状、例えば、断面が曲面状となるような形状であってもよい。

導光シート４の発光面には、パターン密度を変化させることにより、伝播光を少しずつ取り出すことができるように、導光された光を出射するための形状が設けられている。図１２は、本実施形態にかかる導光シート４の発光面に、光を出射するためのドットパターンが凹部から遠ざかるに従って密となるように設けられた様子を示す図である。導光シート４の上面側には、伝播する方向に遠ざかるに従って、ドットパターンの密度が大きくなっている。図１３は、本実施形態にかかる導光シート４の変形例であり、その発光面に、光を出射するためのライン状のパターンが凹部から遠ざかるに従って密となるように設けられた様子を示す図である。導光シート４の上面側には、光を出射するための断面三角形状の溝状に形成されたライン状のパターンを設けてあり、発光素子３からの光が伝播される方向に遠ざかるに従って、断面三角状の溝形状パターンの密度を大きくしてある。これらのドット状あるいはライン状のパターンは、ナノ〜ミクロンオーダの小さい微粒子が入って構成される散乱材が、スクリーン印刷によって導光シート４にペースト状に植え付けられて形成される。ドットパターンとして導光シート４に植え付けるのは、シリカやアルミナ等であり、導光シート４よりも屈折率が低くなる材料を用いることとする。伝播光は、これらのドットパターンに入射するとその一部が上側に散乱して出射する。導光シート４の伝播方向では、上側に出射する光成分の強度がほぼ均一になるように、形状パターンの密度や大きさが調整されて設けられる。なお、発光面に対する反対側の面にも、上記のようなドットパターンが、形成されてもよく、当該ドットパターンによって乱反射されることで導光された光が発光面から出射される。

次に、図６に示すレンズ部２０の形状に対応して、図１４に示すように、白色反射シートを搭載するプリント基板２２上に、発光素子３を配置し、発光素子３における発光ダイオード１８に対して、中心を位置合わせした三角柱状の凹部とドットパターンとを有する導光シート４をプリント基板２２に構成する。ここで、ドットパターンは、発光素子３の中央線に対して線対称となるように配置されている。図１４は、本実施形態にかかる導光シート４の発光面上のドットパターンが配置された様子の一例を示す図であり、ドットパターンが線状に並んで構成されている。発光素子３に近い距離では、線状に並んで構成するドットパターンとドットパターンの間隔は大きくとってあり、発光素子３から遠く離れるにつれて、当該間隔が狭く設定される。

また、エリア制御に対応する領域に対して、図１５に示すように、一つの導光シート４を対応させる構成とし、複数の導光シート４を並列させ、バックライト支持筐体１２上に敷き詰めて配置する。同図で示されるように、バックライトにおいて配列された発光素子３は、表示される画像に応じてその発光がそれぞれ制御されて、発光素子３毎に、１つの導光シート４が設けられる。そして、導光シート４のそれぞれの発光面は、液晶表示装置においてバックライトの発光が制御される一単位となるエリアにそれぞれ対応している。発光が制御される一単位となる各エリアに対応して導光シート４が設けられることで、照射領域がエリア外にハロー状に拡大するのが抑制される。したがって、バックライトがエリア制御される際に、光が照射されるエリアと照射されないエリアとの間において、境界が鮮明となりコントラストが向上する。

ここで、本実施形態における導光シート４内では、図１５で示すように、主として左右方向に対して光強度が大きくなり、異方的に光照射する光線２８からなる２次元面光源が形成されている。

本実施形態では、上記のように、導光シート４からなる薄型の２次元面光源を構成したバックライトを作製でき、液晶表示装置全体を薄型化することができる。さらに、導光シート４内を多重反射させ伝播させた光照射により、輝度及び色度の高い均一性を有したバックライトを製造できる。また、複数設けられた導光シート４によってバックライトが分割される分だけ、エリア制御に対応する領域が構成でき、エリアに対応して独立に発光素子３による発光が制御されることで消費電力を低減できる。

これらにより、本実施形態では、液晶表示装置において、照射エリアのコントラストの高いバックライト光を設定し、かつ光利用効率の高く低消費電力のバックライトを提供することができる。その用途として、大型テレビ用の液晶表示装置や、中型のパーソナルコンピュータ用や車載カーナビゲーション用の液晶表示装置に適用される。

なお、本実施形態にかかる液晶表示装置には、表示する映像に応じてバックライトから液晶パネルに光を照射する領域が制御されるエリア制御が採用されているが、採用されなくてもよいのはいうまでもなく、上記のような発光素子と導光部材の構成によって光学的均一性が向上する。

なお、本実施形態にかかる液晶表示装置は、１つの発光素子３に対応して、これを覆い被せるように導光シート４が配置されているが、例えば、全ての発光素子、或いは、全発光素子３のうちの複数の発光素子３毎に共通するように導光部材を設けてもよい。この場合において、バックライト支持筐体１２を基板として実装された全ての発光素子３の上側に、共通する一枚の導光板が導光部材として設けられてもよいし、配列された発光素子３の一列ごとに共通する導光板が導光部材として設けられてもよい。また、こういった場合において、液晶表示装置にエリア制御が採用されてもよく、複数のエリアに跨って導光部材が設けられて、エリアの境界となる部分には、その境界を鮮明にするような手段が別途設けられてよい。

なお、本実施形態にかかる発光素子３は、図４に示すように双峰性のピークを有する光源となっており、上記のような凹部とドットパターンとを有する導光シート４と組み合わせることにより光学的均一性を向上させることができて好適である。しかし、発光素子３のピークが双峰性を有しておらず、出射角０度となる方向にピークを有する場合であっても、発光素子３からの光が導光シート４の凹部から広がるように伝播して光学的均一性が向上される。なお、出射角０度となる方向は、発光素子３における光軸の方向に相当し、当該光軸の方向は液晶パネルに対して略垂直となる方向である。

［実施形態２］
次に、図１６から図１９を用いて、本発明に係る実施形態２を説明する。図１６は、実施形態２にかかる導光シート４と発光素子３の断面の様子を示す図であり、図１７は、実施形態２にかかる導光シート４と発光素子２９〜３１が配置されている様子を示す図である。断面構成を示す図１６と平面的構成を示す図１７で示すように、発光素子３には、赤色発光素子２９、緑色発光素子３０、青色発光素子３１の三原色ＲＧＢの光源が適用される。ここでは、各発光素子２９〜３１の形状は正方形であり、等方的な放射角分布となる発光分布を有しており、各発光素子２９〜３１における発光ダイオード１８を封止する樹脂は透明樹脂としている。すなわち実施形態２は、白色を生成するための複数種類の発光色の発光素子が導光シート４における凹部を形成する溝に沿って並設されており、実施形態１は白色に発光する１つの発光素子３が当該凹部を形成する溝に沿って設けられている点で異なるが、その他の点についてはほぼ同様であるため、説明を省略する。

また、図１８は、実施形態２の変形例にかかる導光シート４と発光素子３の上面の様子を示す図であり、図１９は、実施形態２の変形例に係る導光シート４や発光素子３を、バックライト支持筐体１２上に敷き詰めて配置する様子を示す図である。三原色ＲＧＢの発光素子３２〜３４は、図１８の断面構成と図１９の上面構成に示すように、長方形の形状を有してもよい。図１８及び図１９で示すように、赤色発光素子３２、緑色発光素子３３、青色発光素子３４の三原色ＲＧＢ色の光源が適用される。また、図１８及び図１９に示すように、長方形の発光素子３２〜３４における長手方向は、導光シート４に設けられたＶ字溝状の凹部の溝方向に沿って設けられる。導光シート４の凹部から遠ざかるに従って密に配置されるドットパターンは、凹部に沿って並設されるようにライン状に配置されて、発光素子３２〜３４の長手方向の側面に沿ってライン状に配置されることとなる。このように配置することにより、発光素子３２〜３４の長手方向の側面から出射される高い光強度が導光シート４に伝播され、図１９における導光シート４の上下方向よりも左右方向から、光強度が大きく異方的に光照射する光線２８をバックライト光として取り出せることになる。上記のように、長方形の発光素子３２〜３４を適用し、図１８に示す導光シート４を用いることにより、左右方向に異方性の高い２次元平面光源が形成される。このような左右方向に異方性の高い２次元平面光源を用いることで、エリア制御の際に左右方向の境界において高いコントラストが生じることとなる。

実施形態２における各発光素子は、例えば図１９で示されるように、互いに隣接する導光シート４の凹部に配置される各発光素子は、その発光色が互いに補完させるように配置される。具体的には、実施形態２における各発光素子は、縦方向（溝方向）に沿って互いに異なる発光色の発光素子が隣接するように規則的に配列されると共に、横方向（溝に対して垂直方向）に配列される各発光素子も、互いに異なる発光色となる発光素子が隣接するように規則的に配列されることとなる。

実施形態２では、三原色ＲＧＢ色それぞれの発光素子を搭載し、導光シート４内を伝播させて混色させることにより、輝度と色度を調整した白色光源を得ることができる。三原色ＲＧＢ色それぞれの発光素子は、独立に制御することにより、それぞれ原色の光源としてもバックライトとして活用することができる。また実施形態１と同様に、導光シート４からなる薄型の２次元面光源を構成したバックライトを作製でき、液晶表示装置全体を薄型化することができる。さらに、導光シート４内を多重反射させ伝播させた光照射により、輝度及び色度の高い均一性を有したバックライトを達成できる。また、複数設けられた導光シート４によってバックライトが分割される分だけ、エリア制御の対応する領域が構成でき、エリアに対応して独立に発光素子３による発光が制御されることで消費電力を低減できる。

これらにより、実施形態２では、液晶表示装置において、照射エリアのコントラストの高いバックライト光を設定し、かつ光利用効率の高く低消費電力のバックライト光源と光学系を提供することができる。用途として、大型テレビ用の液晶パネル表示装置や、中型のパーソナルコンピュータ用や車載カーナビゲーション用液晶パネル表示装置に適用される。

［実施形態３］
上記の実施形態１及び２では、図５や図１４で示されるような平面的構成を有する発光素子３や導光シート４が用いられるが、実施形態３では、図２０や図２１で示されるような平面的構成を有する発光素子３や導光シート４が用いられる点で異なっているが、発光素子３と導光シート４に関する点以外については、ほぼ同様となっているため、説明を省略する。

発光素子３のレンズ部２０の凹部は、図２０で示されるように発光ダイオード１８の直上に位置してスポット状に形成される。当該凹部は、発光ダイオード１８の中心となる位置に円錐状に形成される。発光素子３におけるレンズ部２０が円錐状の凹部形状を有しているため、発光ダイオード１８からの放射光束を等方的に拡げる光学分布となる。従って、上記の実施形態１及び２における放射角分布は、図４及び図６のように双峰性のピークを有していたが、実施形態３における発光素子３は、リング状のピークを有することとなり、リング状のピークは、出射角０度となる発光素子３の光軸方向に対してほぼ点対称となる。

導光シート４の形状パターンを上面で見た場合、図２０に示すレンズ部２０に対応して、図２１に示すように、白色反射シート２３を搭載するプリント基板２２上に、発光素子３が配置される。導光シート４には、発光素子３に対して、中心を位置合わせされて、その断面がＶ字状に先細りとなる内面を有して凹部が形成される。実施形態３にかかる導光シート４は、発光素子３の直上となる位置に凹部は円錐状に形成されて、当該凹部から離れるに従って密となるドットパターンを有して、導光シート４は、発光素子３を覆うように基板に被せて構成される。ここで、ドットパターンは、発光素子３における発光ダイオード１８の中心に点対称としてあり、その一例として、ドットパターンが図２１に示すように四角形に並んで構成される。さらに、四角形に並んで構成されるドットパターンとドットパターンの間隔は、発光素子３から離れるにつれて狭くなっており、発光素子３から近い距離では当該間隔が広く、発光素子３から遠くなるにつれて、当該間隔が狭く設定される。実施形態３では、導光シート４内で導光される光を発光面に出射させる出射手段となるドットパターンが四角形状に分布して配置されているが、発光ダイオード１８を中心として同心円状に分布して配置されていてもよい。

また、図２２に示すように、エリア制御に対応する領域に、一つの導光シート４を対応させる構成とし、複数の導光シート４が並列されて配置され、バックライト支持筐体１２上に敷き詰められる。これにより、発光素子３に対応したエリア制御のバックライトが構成される。このようにして、導光シート４内で等方的に伝幡する光線２８を出射する２次元面光源が形成される。

なお、実施形態３では、凹部が円錐状に先細りとなる形状で形成されるが、例えば、球状などの曲面によって先細りとなる内面を有して形成されてもよく、この場合においては、発光素子３の放射角分布を、当該凹部に適するように、そのピーク位置を調整するようにし、或いは、発光素子３の出射角θ＝０度方向の相対強度が０．５よりもさらに弱くなるようにしてもよい。また、導光シート４の凹部が、実施形態３のようにＶ字状の断面を有する円錐状に形成される場合、あるいは実施形態１や実施形態２のように、三角溝形状に形成される場合において、その中心部となる先端を平坦に形成することで、発光素子３の光軸方向に発光する光量を多くするように調整してもよい。

本発明は、大型液晶テレビ用の液晶表示装置や携帯電話やパソコン用などの中小型液晶表示装置における光学系とバックライト光源として適用できる。また、照明装置の光学系及び光源として適用しても、成立する内容であることは言うまでもない。本内容は、発光ダイオード素子を用いて説明したが、半導体レーザーダイオード素子を蛍光体材料の励起光源として適用しても、成立する内容であることは言うまでもない。

１バックライト筐体、２白色反射シートを有するプリント基板、３発光ダイオードパッケージ光源（発光素子）、４導光シート、５拡散板、６拡散シート、７プリズムシート、８偏光反射シート、９下部偏光板、１０薄膜トランジスタとカラーフィルタ搭載の液晶封止ガラス基板１１上部偏光板、１２バックライト支持筐体、１３発光素子と導光シートからなるエリア制御対応分割光源、１４駆動回路、１５樹脂モールド材やセラミック材から構成される基材、１６配線、１７ダイボンド材、１８発光ダイオード、１９Ａｕワイヤ、２０レンズ部、２１三角柱状の凹部を有するレンズ部、２２プリント基板、２３白色反射シート、２６ドットパターン、２７三角溝パターン、２８光線、２９赤色正方形発光ダイオードパッケージ光源、３０緑色正方形発光ダイオードパッケージ光源、３１青色正方形発光ダイオードパッケージ光源、３２赤色長方形発光ダイオードパッケージ光源、３３緑色長方形発光ダイオードパッケージ光源、３４青色長方形発光ダイオードパッケージ光源。

Claims

液晶パネルと、バックライトとを含む液晶表示装置において、
前記バックライトは、前記液晶パネルの下側に配置されて前記液晶パネルに向けて発光する発光素子と、該発光素子の上側であって前記液晶パネルの下側に配置される導光部材とを有し、
前記導光部材は、前記発光素子からの光が導光されて面状に発光する発光面を前記液晶パネル側に有し、
前記発光面には、前記発光素子の直上に凹部が形成されるとともに、光を出射させるためのドット状又はライン状のパターンが前記凹部から離れるのに応じて密になるように分布して、
前記凹部は、該凹部の深さ方向に先細りとなるように傾斜する内面を有して形成され、
前記凹部は、前記発光面に対する傾斜角度αが、３５度≦α≦５５度で傾斜する前記内面によって、断面がＶ字状となるように形成されて、
前記凹部は、前記発光素子が発光する部分よりもさらに広がるように形成されるとともに、前記凹部の中心部が、前記発光する部分の中心に合わせられるように配置され、
前記発光素子は、発光ダイオードと、該発光ダイオードを上側から覆うレンズ部とを有し、前記レンズ部には前記発光ダイオードの直上となる位置に凹部が形成され、
前記レンズ部と前記導光部材の間には空気層が介在して、前記導光部材は、前記空気層を介して前記レンズ部を覆う、
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１に記載された液晶表示装置において、
前記導光部材の前記凹部は、前記発光面に対する傾斜角度αが、４５度≦α≦５０度で傾斜する前記内面によって、断面がＶ字状に形成される、
ことを特徴とする液晶表示装置。
液晶パネルと、バックライトとを含む液晶表示装置において、
前記バックライトは、前記液晶パネルの下側に配置されて前記液晶パネルに向けて発光する発光素子と、該発光素子の上側であって前記液晶パネルの下側に配置される導光部材とを有し、
前記導光部材は、前記発光素子からの光が導光されて面状に発光する発光面を前記液晶パネル側に有し、
前記発光面には、前記発光素子の直上に凹部が形成されるとともに、光を出射させるためのドット状又はライン状のパターンが前記凹部から離れるのに応じて密になるように分布して、
前記凹部は、該凹部の深さ方向に先細りとなるように傾斜する内面を有して形成され、
前記凹部は、該凹部の中心部分に位置して底部を形成する第１内面と、前記底部から前記凹部の縁に至るまでの側面部を形成する第２内面と、を含んで形成されて、
前記第１内面と前記第２内面は、前記発光面に対して異なる傾斜角度を有して、前記第１内面における傾斜角度は前記第２内面における傾斜角度よりも急峻な角度であって、
前記第１内面は、前記発光素子の発光する部分の中心に合わせられるように配置されるとともに該発光する部分にほぼ重複して形成され、前記第２内面は、前記第１内面の周囲であって該発光する部分からさらに広がるように形成され、
前記発光素子は、発光ダイオードと、該発光ダイオードを上側から覆うレンズ部とを有し、前記レンズ部には前記発光ダイオードの直上となる位置に凹部が形成され、
前記レンズ部と前記導光部材の間には空気層が介在して、前記導光部材は、前記空気層を介して前記レンズ部を覆う、
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載された液晶表示装置において、
前記導光部材の前記凹部は、一方向に直線状に形成される溝型に形成されて、
前記ドット状又はライン状のパターンは、前記導光部材の前記凹部から離れるにしたがって密となるように分布する、
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載された液晶表示装置において、
前記導光部材の前記凹部は、円錐状に形成されて、
前記ドット状又はライン状のパターンは、前記導光部材の前記凹部から離れるにしたがって密となるように同心円状に分布する、
ことを特徴とする液晶表示装置。
液晶パネルと、バックライトとを含む液晶表示装置において、
前記バックライトは、前記液晶パネルの下側に配置されて前記液晶パネルに向けて発光する発光素子と、該発光素子の上側であって前記液晶パネルの下側に配置される導光部材とを有し、
前記導光部材は、前記発光素子からの光が導光されて面状に発光する発光面を前記液晶パネル側に有し、
前記発光面には、前記発光素子の直上に凹部が形成されるとともに、光を出射させるためのドット状又はライン状のパターンが前記凹部から離れるのに応じて密になるように分布して、
前記凹部は、該凹部の深さ方向に先細りとなるように傾斜する内面を有して形成され、
前記内面は、円弧状に湾曲して形成され、
前記凹部は、一方向に直線状となる溝型であって、円弧状に湾曲した前記内面によって先細りとなるように形成され、
前記凹部は、前記発光素子が発光する部分よりもさらに広がるように形成されるとともに、前記凹部の中心部が、前記発光する部分の中心に合わせられるように配置され、
前記ドット状又はライン状のパターンは、前記凹部から離れるにしたがって密となるように、直線状となる前記凹部に平行に分布し、
前記発光素子は、発光ダイオードと、該発光ダイオードを上側から覆うレンズ部とを有し、前記レンズ部には前記発光ダイオードの直上となる位置に凹部が形成され、
前記レンズ部と前記導光部材の間には空気層が介在して、前記導光部材は、前記空気層を介して前記レンズ部を覆う、
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１に記載された液晶表示装置において、
前記導光部材の前記凹部の中心部は、平坦に形成される、
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項４又は６のいずれか一項に記載された液晶表示装置において、
前記導光部材の前記凹部の下側には、白色を生成するために異なる発光色で発光する複数の発光素子が、直線状となる前記溝型に沿って配列されて、
前記溝型に沿って配列された前記複数の発光素子と、前記溝部と異なる方向に隣接して配列される発光素子は、発光色が互いに補完されるように配列される、
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１、３、６のいずれか一項に記載された液晶表示装置において、
前記導光部材は、前記発光素子からの光を入射させる入射部を前記発光面に対して裏側となる裏面に有し、
前記裏面には、前記入射部から離れた部分に拡散反射手段が設けられる、
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１、３、６のいずれか一項に記載された液晶表示装置において、
前記導光部材は、前記発光素子からの光を入射させる入射部を前記発光面に対して裏側となる裏面に有し、
前記裏面には、前記発光面へと反射させて光を出射させるためのドット状又はライン状パターンが、前記入射部から離れるのに応じて密になるように分布する、
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１〜１０のいずれか一項に記載された液晶表示装置であって、
前記発光素子は、前記液晶パネルに対して略垂直となる方向に光軸を有し、
前記発光素子の出射輝度は、前記光軸に対して対称に分布するとともに、前記光軸に対して傾斜した方向にピークを有する、
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１１に記載された液晶表示装置において、
前記レンズ部は、前記導光部材側へ光を出射させる出射面が凹レンズ状に形成されるとともに、前記光軸に対して対称となるＶ字状の断面を有するように前記レンズ部の前記凹部が形成されて、
前記導光部材の前記凹部は、前記レンズ部の前記凹部の形状に対応する形状を有する、
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項４又は６のいずれか一項に記載された液晶表示装置において、
前記発光素子の出射輝度は、前記凹部が直線状の溝型に形成された方向に対して線対称に分布して、双峰性のピークを有する、
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項５に記載された液晶表示装置において、
前記発光素子は、前記液晶パネルに対して略垂直となる方向に光軸を有し、
前記発光素子の出射輝度は、前記光軸に対して点対称に分布して、輪状のピークを有する、
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１、３、６のいずれか一項に記載された液晶表示装置において、
前記バックライトは、１又は複数の前記発光素子毎に設けられる前記導光部材を複数箇所に備え、
複数箇所に備えられた前記導光部材のそれぞれは、エリア制御に対応する領域を構成し、隣接する導光部材と互いに離れて配置される、
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１５に記載された液晶表示装置において、
前記導光部材は、前記発光素子が配置されている側の面よりも前記発光面が広がるように、前記導光部材の側面が傾斜する、
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１５に記載された液晶表示装置において、
前記バックライトは、
前記１又は複数の発光素子が、複数箇所に配列された基板を有し、
前記導光部材は、前記１又は複数の発光素子の側方から上方を覆い被せるように、前記基板上に配置されて、
前記導光部材が前記基板に接触する面においては、前記１又は複数の発光素子からの光を拡散して反射させる拡散反射手段が配置される、
ことを特徴とする液晶表示装置。