JP3952859B2

JP3952859B2 - 導光シートとそれを用いたディスプレイ照明装置

Info

Publication number: JP3952859B2
Application number: JP2002155431A
Authority: JP
Inventors: ルイス・マヌエル・ムリジョ−モラ
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2022-05-29
Also published as: JP2003344672A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過型画像表示素子などの表示画面を用いたディスプレイにおける内蔵光源からの照明光を、表示画面内で均一に照射するための照明装置の改良に関し、特に液晶表示装置（ＬＣＤ）の照明装置において、導光体内を光源からの照射光を伝送させる手法を採用した薄板の導光シートを用いたディスプレイ照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内蔵の照明光源を備える表示装置（ディスプレイ）のうち、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）の普及が顕著であり、表示光を生成するための光源（バックライトやエッジライト）からの照明光を、表示画面内での輝度や照射方向を均一にするための導光ユニットを備えるタイプの装置の普及も著しい。
【０００３】
本明細書では、表示画面の背面（観察者と反対側）から、直接表示画面を照明するタイプの照明手段を「直下型バックライト」、表示画面の外（側面など）に配置された光源からの照明光を、表示画面の背面に配置された導光ユニットを経由させた上で表示画面を照明するタイプの照明手段を「エッジライト型バックライト（以下、単にエッジライトとする）」と称することとする。
【０００４】
液晶ディスプレイ用バックライトにはエッジライト方式が多く用いられており、透光性材料からなる導光板と、その側面端部に設けられた冷陰極管等からなる線光源と、導光板の下面と線光源を覆うように配置された光反射フィルムと、出光面となる導光板の上面に配置された光拡散フィルムやレンズシートで構成される導光ユニットが代表的である。
【０００５】
光源からの距離に起因する出光量の不均一を改善するため、導光板の裏面には光拡散インキからなるドット状のパターンが、光源から離れるにしたがって大きくなるように印刷されるなどの手法が採用される。
光拡散フィルムは、光を均一に拡散し、導光板の裏面に印刷されたドット状パターンを見えなくすることを主目的として配置され、レンズシートは導光板から出射した光を効率良く液晶パネルの正面方向に集光するために、光拡散フィルムの上面もしくは光拡散フィルムと導光板の間に１枚もしくは２枚配される。
【０００６】
上記レンズシートとしては、放射光を所望の角度範囲内で均一等方的に拡散させるために、三角プリズム型の単位レンズ部を多数平行に配置したレンズシート（プリズムシート）が用いられており、ＢＥＦ（Brightness Enhancement Film：商品名住友３Ｍ製）と称されている。
【０００７】
また、エッジライト方式などにおける他の導光ユニットとして、光ファイバーを用いる各種手法が公知である。
光ファイバーを用いる利点としては、光源からの照明光を、照明対象まで損失を少なく伝送可能である点や、光源から照明対象に至る光路を曲げることも可能であるため、導光ユニットの構成上の自由度が向上することにある。
光ファイバーを用いた導光ユニットが記載された文献を以下に例示する。
【０００８】
特開平６− 222362
液晶表示装置を背後から照明する照明装置において、微小収束レンズアレーと各微小収束レンズの焦点に配置された微小２次光源とからなり、ほぼ平行な光を照射することを特徴とする液晶表示装置用照明装置。
【０００９】
特開平９− 252825
赤緑青三原色に対応する画素が設けられたＬＣＤパネルと、前記ＬＣＤパネルを背面からの透過光で照明するバックライト光源ユニットと、前記ＬＣＤパネルの前記画素に対し夫々の画素が対応する原色のみが透過するものとする波長選択手段とが設けられて成るフルカラーＬＣＤ表示装置において、前記バックライト光源ユニットは発光面が前記ＬＣＤパネルの前記画素に対応して赤緑青の発光ブロックに分割されて前記波長選択手段とされていることを特徴とするフルカラーＬＣＤ表示装置。
【００１０】
特開平 10 − 288782
カラーディスプレイ用光ファイバーバックライトモジュールであって、光源と、前記光源に接続されて並行に配列され、前記光源からの放射光を伝送し、側面から光を放射して第一層の光ファイバーを形成する複数の側面放射光ファイバーと、前記側面放射光ファイバーが隣接する間に設けられた複数のコラム隔離部品とを有することを特徴とするカラーディスプレイ用光ファイバーバッツクライトモジュール。
【００１１】
特開 2000 − 231816
少なくとも１つのＬＥＤと、出射端をほぼ直線状に配すると共に入射端を前記ＬＥＤに対向するように配した複数の光ファイバーと、前記ＬＥＤと前記光ファイバーの入射端を光学的に連結する光連結手段とを有することを特徴とする光源装置。
【００１２】
上記で例示した何れの導光ユニットにおいても、導光体としての光ファイバーは、一端から光線を入射させ、他端から照明対象に向けて照明光を出射する構成となっている。
上記構成の場合、表示画面全体を照明するには、画面サイズが大きくなるほど、多数本の光ファイバーを要することになり、導光ユニットのコストアップを招くだけでなく、入射側から射出側までのファイバー長さおよび多数本のファイバー束に応じて、導光ユニットが大がかりな構造となり、表示装置全体の厚さ・重量などの増大に及ぼす影響は大きい。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、光源からの照明光を、照明対象まで損失を少なく伝送可能な導光体を用い、光源から照明対象に至る光路を自在に形成することが可能で、導光ユニットの構成上の自由度が向上するだけでなく、構造がコンパクトな導光ユニットを提供することを主な目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によるディスプレイ照明装置は、
線状の導光体を、表示画面とほぼ平行な基材表面でパターニングして配置した構成の導光シートと、照明光源とを備え、
前記導光体の端部から入射した光が前記導光体の複数箇所で照明対象に向って照明光として射出することを特徴とする。
【００１５】
上記ディスプレイ照明装置における導光シートで、導光体が配置されるパターンとしては、
（１）１本の導光体が、基材表面でほぼ全面に渡って往復を繰り返してなる構成。（２）１本の導光体が、基材表面でほぼ全面に渡って旋回を繰り返してなる構成。（３）導光体が複数箇所で分岐することにより、基材表面でほぼ全面に延び渡っている構成。
（４）同一基材の表面で、上記（１）〜（３）に記載される少なくとも１種類のパターンを組み合わせてなる構成。
などが採用される。
【００１６】
また、異なる基材表面に、それぞれ導光体をパターニングして配置した別々の導光シートを複数枚重ね合わせることにより、１枚の導光シートとしても良い。
【００１７】
照明光の射出箇所は、表示画面内で均等な間隔で配置されていることが、画面内での均一な輝度での照明の上で好ましい。
【００１８】
また、平板状の基材表面に導光体を配置するにあたって、基材表面近傍に埋め込んだ状態でパターン状に配置しても良い。
【００１９】
導光体を構成する材料としては、基材よりも屈折率の大きい放射線硬化型樹脂の硬化物を用いても良い。
【００２０】
また、ディスプレイ照明装置の使用形態としては、照明光源は、複数本の導光体それぞれの端部から、導光体に応じて異なる表示色を規定する選択的な波長幅の光を入射して伝送する構成としても良い。
表示色を規定する選択的な波長幅の光としては、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色が一般的である。
【００２１】
上記のディスプレイ照明装置を搭載してなる表示装置としては、照明光の出射箇所は、画素単位で選択的に透過／非透過を規定することにより、表示パターンが決定される表示画面の画素と対応した構成であることが好適であり、前記表示画面としては、ＬＣＤが一般的である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面により詳細に説明する。
＜実施形態１＞
図１は、本発明によるディスプレイ照明装置10の一実施形態に係る概略を示す説明図である。
導光シート11は、基材２の表面で導光体３をパターニングして配置した構成であり、照明光源１からの光線が、前記導光体３の端部から入射して伝送される際に、前記導光体３の複数箇所の射出口４から出射して、表示画面に向って照明光となるように機能する。
【００２３】
同図に示される本実施形態における導光体３が形成されるパターンとしては、１本の導光体３が、基材２の表面でほぼ全面に渡って往復を繰り返してなる構成であり、射出口４を図示のように配置することによって、表示画面（図示せず）の全面に渡って均一に照明光が照射されることになる。
【００２４】
図２は、基材２の表面に導光体３を形成する状態を拡大して示す説明図であり、平坦な基材２の表面に導光体３を形成する場合をａ）に、導光体３が形成される箇所の基材２の表面を溝状に加工して、その溝部に導光体３を埋め込んだ状態で形成する場合をｂ）に示す。
【００２５】
基材２と導光体３は、共に透光性がある場合には、両者の界面で全反射を繰り返しながら光が伝送する上では、屈折率の異なる材質である必要があり、一般に導光体３の屈折率が大きい方が好ましい。
射出口４以外からの導光体３内部での伝送される光の損失を防ぐために、射出口４以外の部分を光反射性の高い物質で被覆するなどの手法も、適宜採用される。この場合は、基材２と導光体３の屈折率に差異は必要ない。
【００２６】
導光体３に要求される特性として、
（１）光源からの入射光が損失少なく伝送される。
（２）各射出口４で、所望の光線（光量，波長，方向など）が適切に出射する。
（３）結果として、表示画面全面での照明光の輝度分布が均一になる。
などが挙げられる。
【００２７】
導光体３によるパターンの形成手段の例としては、基材２の表面に、フォトレジストなどによる感光性樹脂層を全面に形成し、所望パターン状に感光性樹脂層をパターニングするフォトリソ法による手法や、元々ファイバー形状の導光体３を基材表面にパターン状に張り巡らす手法などが考えられる。樹脂によるパターン形成の別手法として、基材表面に、予めパターンに対応する溝部を形成しておき、前記溝部にのみ導光体３となる樹脂を埋め込む手法も考えられる。
導光体３の断面形状は、同図に示すように矩形に限られるものではない。
【００２８】
図３は、導光体３中を伝送する光線と、射出口４にあたる導光体３の側面から射出する光線などの光路を示す説明図である。
導光体３の一端（同図左側）から入射する光線が、他端（同図右側）に向って伝播する過程で、光線は、導光体３中で周囲との界面で反射（主に、全反射）を繰り返しながら進行する。
【００２９】
この際、導光体３が均質ならば、導光体３の一端からの入射光線は、殆ど損失することなく他端から射出するが、本発明では、導光体３の複数箇所に射出口４を形成するため、射出口４にあたる導光体３の一部から照明光５を射出しながら伝送していく。
射出口４は、導光体３中に不均質な箇所があると、その部分での全反射が生じず、導光体３内部から漏れ、表示画面へと射出するように機能する。
射出しなかった成分の光は、その後も導光体３内を伝送し続ける。
【００３０】
導光体３内部から射出光を生じさせるための不均質な部分の形態としては、
１）その部分のサイズ（幅・厚さなど）を変更する。
２）その部分の屈折率を変更する。
３）その部分に微細凹凸などの機械的な加工を施し、前記凹凸に応じた光散乱や回折が生じるようにする。
などが考えられる。
【００３１】
上記パターンでは、入射光線が損失なく導光体３の入射端から他端に至るまで伝送するためには、往復を繰り返すためのコーナーにおいて、表示のための照明光とはならない光が導光体３内から射出しない構成，および伝送される光が逆に戻らない構成である必要があり、前記コーナー部分での導光体３に光が漏洩しないための反射処理などが施される必要がある。
【００３２】
＜実施形態２＞
図４は、本発明によるディスプレイ照明装置10の第２の実施形態に係る概略を示す説明図である。
同図では、同一の構成要素については同一の符号を付しており、それらの機能や形成方法なども共通であるため、説明は省略するが、実施形態１との相違は、本実施形態では、１本の導光体３が、基材２表面でほぼ全面に渡って旋回を繰り返してなる構成である点にある。
同図に示す構成でも、入射光線が損失なく導光体３の入射端から他端に至るまで伝送するためには、コーナーにおいて、表示のための照明光とはならない光が導光体３内から射出しない構成，および伝送される光が逆に戻らない構成である必要がある。
【００３３】
＜実施形態３＞
図５は、本発明によるディスプレイ照明装置10の第３の実施形態に係る概略を示す説明図である。
本実施形態は、図５ａ）に示すように、導光体３が複数箇所で分岐することにより、基材２表面でほぼ全面に延び渡っている構成である点が特徴である。
同図に示す構成でも、入射光線が損失なく導光体３の入射端から分岐されたそれぞれの終端に至るまで伝送するためには、コーナーにおいて、表示のための照明光とはならない光が導光体３内から射出しない構成，および伝送される光が逆に戻らない構成である必要がある。
【００３４】
＜実施形態４＞
本実施形態（第４の実施形態）は、図５ｂ）に示すように、導光体３のパターンが、図５ａ）のような櫛歯状で多数の端部（非入射側）を有する構成ではなく、開放された端部を持たない構成である点が特徴である。
同図に示すように、導光体３のパターンの一端からだけでなく、表示画面内で最も遠い位置にある他端からも光線を入射させて、表示画面内での照明光による輝度の分布の均一化を図ることも、好適な改良である。
【００３５】
＜実施形態５＞
本実施形態（第５の実施形態）は、図６に示すように、実施形態３に記載されるような１本の導光体が櫛歯状に分岐してなる構成の導光体パターンが、同一基材２の表面で２種類組み合わせてなる（３ａと３ｂ）構成のパターンを有する場合に係る説明である。
それぞれの導光体パターン３ａと３ｂには、射出口４ａ，４ｂがそれぞれ複数箇所に形成される。
【００３６】
同一基材２の表面で複数種類の導光体パターンを組み合わせる手法は、本実施形態のように、実施形態３に記載されるような１本の導光体が分岐してなる構成のパターン同士に限らず、実施形態１，２，３から選択される少なくとも１種類のパターンが２種類以上組み合わせてなる構成（１−１，１−２，１−３，２−２，２−３など。１−１−２，１−１−３，１−２−３など３種類の組み合わせも可能。）であっても良い。
【００３７】
本実施形態によれば、ディスプレイ照明装置の使用形態としては、照明光源は、複数本の導光体それぞれの端部から、導光体に応じて異なる表示色を規定する選択的な波長幅の光を入射して伝送する構成とすることが可能となる。
例えば、図６の場合、パターン３ａの始端から、赤に対応する波長の光線を発する光源１ａにより赤色の光線を入射させ、射出口４ａから赤色の照明光を射出させ、図示しない表示画面における射出口４ａに対応する画素は、フルカラー画像のうち赤を表示する画素が配置された構成とし、パターン３ｂの始端からは、別な色（青または緑）に対応する波長の光線を伝送させるような使用形態である。
導光パターンが３種類存在し、それぞれからの射出口が、表示画面の３原色を表す画素と対応していると、フルカラー画像の表示の上で、カラーフィルターを必要としない画期的なディスプレイが実現される。（図７参照）
【００３８】
＜実施形態６＞
本実施形態（第６の実施形態）は、図８ａ）に示すように、実施形態１に記載されるような１本の導光体が往復を繰り返してなる構成の導光体パターンを、異なる基材表面にそれぞれ配置した別々の導光シート11，12とを重ね合わせることにより、１枚の導光シートとした場合に係る説明である。
このように、複数枚の導光シートを積層することで、１枚の基材だけでは導光体パターンの形成密度（さらには、射出口４の配置密度）を高くする上で困難であっても、別々の基材に配置した導光体パターン（および射出口４）を重ね合わせることで、高密度化への対応が容易になる。
図８ｂ）に例示するように、導光シート11上の導光体パターン３ａ，射出口４ａ（矩形）と、導光シート12上の導光体パターン３ｂ，射出口４ｂ（十字形）とを組み合わせてなる照明装置が１枚の表示画面に対応し、例えば、４ａは赤，４ｂは青の画素に対応させるなど、異なる色の照明光を対応する画素に照明する用途に用いる上でも好適である。
本実施形態において、導光シートを２枚でなく、それぞれが赤，緑，青に対応する３枚の導光シートを重ね合わせることが、フルカラーの画像表示の上で好ましい。
【００３９】
上記何れかの実施形態に基づく導光シートを有する照明装置を、液晶表示装置の照明ユニットに適用する様子を、図９に概念的に示す。
図９ａ）に示すように、照明装置の導光シート11を、液晶表示素子（液晶パネル）30の背面に配置する。
この際、導光シート11からの照明光の射出箇所（射出口４）と、液晶パネル30の画素とを、両者の数が等しい場合には１：１で、後者の数が多い場合には１：ｎで均等に対応するように配置することが望ましい。
【００４０】
図９ｂ）は、液晶パネル30の画素33（矩形）と導光シート1の射出口４（十字形）との対応関係を示す平面図である。
同図では、ＬＣＤの画素配列がマトリクス配列された場合を例示したが、図10に示すように、
ａ）ストライプ状
ｂ）マトリクス状
ｃ）デルタ状
などの各種形態がある。
【００４１】
画素それぞれが、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色に対応する画素に分割され、フルカラー画像を表示する場合には、上記ａ）のストライプ・パターンは、３原色それぞれに対応した色の配列であり、各色に対応する波長の照明をストライプ単位で行ない、１本のストライプ内に配置された複数の画素を同じ色で表示する。
【００４２】
図９では、ディスプレイとしてＬＣＤを例示したが、それに限られるものではなく、画素単位で選択的に透過／非透過を規定することにより、表示パターンが決定される透過型画像表示素子については、本発明による照明装置が適用できる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明により、光源からの照明光を、照明対象まで損失を少なく伝送することや、光源から照明対象に至る光路を自在に形成することが可能であるだけでなく、導光ユニットの構成上の自由度が向上し、構造がコンパクトで表示装置のコストアップを招くことがない導光ユニットが提供される。
また、表示画面の画素に合わせて照明光を射出させることができるため、光源からの光の利用効率が高く、輝度の高い表示が可能となる。
さらに、本発明による照明装置は、導光体毎にそれから出射する光を、選択的に（赤，緑，青の３原色のように）使い分けることにより、フルカラー画像表示用に適した構成に応用することも可能であり、カラーフィルターを必要としない新規な構成のフルカラー・ディスプレイの実現にもつながる。
【００４４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるディスプレイ照明装置10の一実施形態に係る概略を示す説明図。
【図２】基材２の表面に導光体３を形成する状態を拡大して示す説明図。
【図３】導光体３中を伝送する光線と、射出口４にあたる導光体３の一部から射出する光線などの光路を示す説明図。
【図４】本発明によるディスプレイ照明装置10の第２の実施形態に係る概略を示す説明図。
【図５】本発明によるディスプレイ照明装置10の第３，第４の実施形態に係る概略を示す説明図。
【図６】本発明によるディスプレイ照明装置10の第５の実施形態に係る概略を示す説明図。
【図７】本発明によるディスプレイ照明装置10の第５の実施形態を、３原色の組み合わせによるフルカラー画像の表示用ディスプレイに適用する状態の一例を示す説明図。
【図８】本発明によるディスプレイ照明装置10の第６の実施形態に係る概略を示す説明図。
【図９】本発明による導光シートを有する照明装置を、液晶表示装置の照明ユニットに適用する様子を概念的に示す説明図。
【図１０】液晶パネルにおける画素配列の各種形態を示す説明図。
【符号の説明】
１…照明光源
２…基材
３…導光体
３ａ，３ｂ…導光体パターン
４…射出口
10…ディスプレイ照明装置
11，12…導光シート

Claims

基材よりも屈折率の大きい放射線硬化型樹脂の硬化物からなる線状の導光体を、前記基材表面でフォトリソ法によりパターニングして配置した構成の導光シートと、
照明光源とを備え、
前記導光シートを、照明対象である表示画面とほぼ平行に配置し、
前記導光体の端部から入射した光が前記導光体の複数箇所で照明対象に向って照明光として射出することを特徴とするディスプレイ照明装置。
前記導光体が配置されるパターンとして、１本の導光体が、前記基材表面でほぼ全面に渡って往復を繰り返してなる構成であることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ照明装置に用いられる導光シート。
前記導光体が配置されるパターンとして、１本の導光体が、前記基材表面でほぼ全面に渡って旋回を繰り返してなる構成であることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ照明装置に用いられる導光シート。
前記導光体が配置されるパターンとして、導光体が複数箇所で分岐することにより、基材表面でほぼ全面に延び渡っている構成であることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ照明装置に用いられる導光シート。
前記導光体が配置されるパターンとして、複数本の導光体により、請求項２，３，４に記載される少なくとも１種類のパターンを組み合わせてなる構成であることを特徴とする導光シート。
異なる基材表面に、それぞれ導光体をパターニングして配置した構成の請求項２〜５の何れかに記載の導光シートを、複数枚重ね合わせて用いることを特徴とする導光シート。
照明光の射出箇所は、表示画面内で均等な間隔で配置されていることを特徴とする請求項２〜６の何れかに記載の導光シート。
照明光源は、複数本の導光体それぞれの端部から、導光体に応じて異なる表示色を規定する選択的な波長幅の光を入射して伝送する構成であることを特徴とする請求項５または６に記載の導光シートを用いたディスプレイ照明装置。
表示色を規定する選択的な波長幅の光として、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色が用いられることを特徴とする請求項８記載のディスプレイ照明装置。
請求項１，８，９の何れかに記載のディスプレイ照明装置を搭載してなる表示装置であって、
照明光の射出箇所は、画素単位で選択的に透過／非透過を規定することにより、表示パターンが決定される表示画面の画素と対応した構成であることを特徴とする表示装置。
前記表示画面は、ＬＣＤである請求項１０記載の表示装置。