JP4599988B2

JP4599988B2 - バックライトユニット

Info

Publication number: JP4599988B2
Application number: JP2004307817A
Authority: JP
Inventors: 恵理宮本
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2024-10-22
Also published as: JP2006120483A

Description

本発明は、光射出手段として回折格子を用いた導光板を備える、液晶表示装置用その他のバックライトユニットに関するものである。

現在、広く普及している携帯電話や携帯情報端末では、照明装置として主にバックライト方式が用いられている。このような液晶表示装置のバックライトは、高輝度でしかも輝度ムラがなく平面全体を照明する必要がある。

バックライトに用いられる導光板は、従来の白色ドット印刷方式に代わって、近年では、数十μｍオーダーのＶ字溝を加工する方式が主流となってきている。

また、輝度ムラの低減、高輝度化のために、さらに散乱性拡散板、プリズムシートなどの光学シートを用いるのが一般的である。

図５に従来の一般的なバックライトの構成を示す。このバックライトは、液晶パネルの背面に設けられ、発光ダイオード（ＬＥＤ）や冷陰極管ランプ（ＣＣＦＬ）などの白色光源１と、Ｖ字溝などの射出パターン３が配置された導光板２と、導光板２の裏面側に設けられた反射板４と、導光板２の表面側に設けられた散乱性拡散板５と、光を集光させるために散乱性拡散板の表面側に設けられたプリズムシート６からなっている。

光源１からの光は、導光板２の端面から導光板２に入射する。導光板２は、端面から入射した光を平面に広げて射出するための透明な板であり、主としてアクリル樹脂もしくはポリカーボネートが用いられる。導光板２の、主に下面にはドットパターンもしくはＶ字溝３が形成されている。導光板２に入射した光は、内部で全反射を繰り返して伝播していき、射出パターン３により散乱もしくは反射して導光板２の上面から射出される。

反射板４は導光板２の裏面側に設けられ、導光板２の裏面から漏れた光を導光板２の方へ戻す働きをしている。

散乱性拡散板５は、導光板２の射出面側に設けられ、輝度の面内分布を均一化する役割を持っている。導光板２の上面にも拡散パターンが設けられていることもあり、散乱性拡散板５とあわせて輝度ムラを低減させている。

プリズムシート６は、散乱性拡散板５の上側に設けられ、散乱性拡散板５から射出された光に指向性を持たせて射出面のピーク輝度を上げる働きをしている。また、散乱性拡散板５から射出される光の進行方向を導光板の表面にほぼ垂直な方向へ揃える役割を果たしている。

液晶表示装置のバックライトに求められる要素として、高輝度化の他に、薄型化およびコスト低減がある。部材削減のための新しい技術の一つとして、特許文献１に示されているような、光の射出手段として回折格子を用いる導光板がある。回折格子を用いることで、従来のドットパターンやＶ字溝に比べて、導光板からの光の射出角度を自由に制御できるため、プリズムシート等による光の制御を必要とせず、部材の削減が可能である。さらに、光の利用効率を制御することができるため、輝度ムラの低減が望める。

しかしながら、回折格子は光を回折する際に分光を生じるため、回折格子を射出パター
ンとして用いると、観察する角度に応じて色が変化し、白色光を得ることが難しいという問題点がある。

特許文献は以下の通り。
特開平７−２４８４９６号公報

本発明は、回折格子導光板を用いたバックライトユニットにおいて、回折格子によって生じた分光による色付きを緩和し、白色光を得ることで、本来の回折格子導光板のメリットであるプリズムシート等の部材の削減を可能とし、高輝度かつ低コストのバックライトの実現を目的とする。

本発明のバックライトユニットは、上記の目的を達成するために、光の射出面もしくはその対向面に、光の射出パターンとして回折格子を配置した導光板と、光の射出面側に、回折格子によって射出された光を、少なくとも導光板の平均導光方向に拡散するような拡散パターンを配置した拡散板を備えていることを特徴とするものである。

これにより、回折格子によって分光した光の複数の波長成分が混色し、さらに散乱成分も重なり、白色光を実現できる。

ここで平均導光方向とは、導光板に入射した光の巨視的な進行方向であることとする。導光板の入端面から入射した光は、ある程度の広がりを持っているため光の進行方向は様々であるが、一般に入射光は正面方向を中心とした光量分布となっている。そのため、入射光の正面方向、すなわち導光板の入端面に垂直な方向を巨視的な光の進行方向と捉えることができる。

上記の拡散構造は、散乱方向に制限を設けた一方向性拡散構造であることを特徴とするものである。また、上記の散乱方向に制限を設けた一方向性拡散構造は、レンチキュラーレンズであってもよい。

上記の拡散構造は、数ミクロン程度の長さおよび幅および深さ等をもつ細長い凹凸構造がランダムに配置されているものであり、凹凸構造の長軸方向が回折格子の格子線方向と概平行に設置されていることとする。

このような拡散構造では、細長い凹凸構造の短軸方向に強く拡散するため、凹凸構造の長軸方向を回折格子の格子線方向と概平行、すなわち凹凸構造の短軸方向を導光板の平均導光方向に概ね一致するように設置することによって、効果的に分光による色付きを緩和することができる。

また、拡散構造が導光板に一体成形されていると、拡散構造からの散乱光が多く発生し、光のロスが多くなるが、拡散構造を独立の一方向性拡散板とすることで、拡散構造からの散乱光の発生を抑え、効率的に光を拡散させることができる。

上記の回折格子は、断面が鋸歯状のブレーズド格子であってもよい。ブレーズド格子にすることによって、一次回折光の回折効率の向上など、回折光の回折効率ならびに回折角を高効率かつ厳密に制御することができ、照明装置としての光の利用効率を一層高めることができる。

上記のバックライトユニットは、一方向性拡散板の射出面側にさらに散乱性の拡散板を備えていてもよい。散乱性拡散板を併用することで、さらなる輝度ムラの低減が望める。

本発明によるバックライトユニットは、光の射出パターンとして回折格子を配置した導光板の光射出面側に一方向性拡散構造を配置した拡散板を設けることによって、回折格子によって生じる分光による色付きを緩和し、回折格子を用いた導光板においても白色光を得ることができる。そのため、射出角度や光利用効率を高度に制御できるという、本来の回折格子の特徴を生かした導光板が実現でき、薄型で高輝度なバックライトユニットの構築が可能である。

以下、本発明の導光板を実施例に基づいて説明する。

図１に回折格子導光板を用いたバックライトの構成を示す。このバックライトは、液晶パネルの背面に設けられ、発光ダイオード（ＬＥＤ）や冷陰極管ランプ（ＣＣＦＬ）などの白色光源１と、光の射出面もしくはその対向面に回折格子による射出パターン３１ａが設置された導光板２と、光の射出面側に、回折格子によって射出された光を少なくとも導光板の平均導光方向に拡散するような拡散パターン３１ｂが配置された一方向性拡散板７と、導光板２の裏面側に設けられた反射板４と、一方向性拡散板７の射出面側に設けられた散乱性拡散板５からなっている。

図２に示すように、光源１から導光板２に光が入射し伝播していくとき、伝播する光は、全反射条件を満たす角度で反射を繰り返して進んでいく。導光板２がアクリル樹脂からなる場合、その屈折率を約１．５とすると臨界角は４１．８°（≒４２°）であり、導光板の上面２１ａおよび下面２１ｂに４２°以上の角度で入射した光は全反射によって導光板内に閉じ込められ、伝播していく。

回折格子３１ａに光源からの光が入射すると、光は回折し、分光する。分光した光は、射出面側に設けられた一方向性拡散板の拡散パターン３１ｂによって拡散され、複数の波長成分が混色し、さらに散乱成分も重なり、白色光を実現できる。

このとき、設けられた拡散パターンは一方向性の拡散パターンであり、導光板の平均導光方向に光が特に強く拡散する構造である。そのため、回折格子によって分光した光を効率よく拡散する。通常、拡散が強くなるほど輝度が低下する傾向にあるが、一方向性拡散パターンでは、拡散の方向を制限しているため、輝度の低下が少なくてすむ。

また、拡散構造が導光板に一体成形されている場合、拡散構造に光が直接入射するため散乱光が多く発生する。このような散乱光はバックライトとしての光の利用効率を低下させる。しかし、拡散構造を独立の一方向性拡散板とすると、導光板と一方向性拡散板との間に空気層が存在し、拡散構造由来の散乱光が発生しにくくなり、効果的に光を拡散させることができる。

また、図３に示すように、３種類の空間周波数を持つ回折格子セル３１ｃをマトリクス状に配置することにより、Ｒ、Ｇ、Ｂ成分から成る白色光を目的の角度で回折させることができ、より白色光を得やすくなる。空間周波数の種類は、３種類以上でもよく、種類が多いほど白色光に近くなる。

このような回折格子パターンの作製は、例えば以下のようにして行われる。ガラス基板などの上に感光材料層を形成したものに、電子ビームによって回折格子を描画することに
よって、任意の空間周波数の回折格子セルを作製することができる。もしくは、感光材料を使用した二光束干渉法、および金属刃によるバイト切削等によって得ることができる。一方向性拡散構造についても、同様の方法で得ることができる。

回折格子および拡散構造が形成された基板を、例えば電鋳などにより金属版にすれば、射出成形やＵＶ樹脂による複製などによって大量に複製することができる。

ここで、上記一方向性拡散構造は、レンチキュラーレンズであってもよく、同様の色補正効果が得られる。

また、回折格子を断面が鋸歯状のブレーズド格子にすることで、一次回折光の回折効率の向上など、回折光の回折効率ならびに回折角を高効率かつ厳密に制御することができ、照明装置としての光の利用効率を一層高めることができる。

図４に本発明によるバックライトユニットにおける、光の拡散の様子を示す。ここでは、導光板の下面に回折格子が設けられているものとする。導光板２の下面に設けられた回折格子３１ａによって回折した光は、導光板の平均導光方向に強く分光する。分光した光は、光射出面側に設けられた一方向性拡散板の拡散構造３１ｂによって導光板の平均導光方向に特に強く拡散されるため、分光による色付きが緩和される。さらに、一方向性拡散板の光射出面側に設けた散乱性拡散板５によって、全方向に均一に拡散される。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限られるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内での各種変更が含まれるものとする。例えば、マトリックスタイプに替えてストライプタイプも可能だが、マトリックスタイプはＥＢ描画による回折格子の形成では、描画可能な領域サイズの限度もあり、セル単位の構造の方が、作製しやすい。

本発明は、液晶表示装置用その他のフルカラー表示装置のバックライトユニットに関するものである。

本発明の平面照明装置の概念断面図である。本発明の平面照明装置において、導光板内への光の入射と導光板内での光の伝播とを示す概念断面図である。本発明における、回折格子の配置例を示す平面図である。本発明における、光の拡散の様子を示す概念斜視図である。従来の一般的な平面照明装置の概念断面図である。

符号の説明

１：光源
２：導光板
２１ａ：導光板上面
２１ｂ：導光板下面
３：ドットパターンもしくはプリズムパターン
３１ａ：回折格子パターン
３１ｂ：拡散パターン
３１ｃ：回折格子セル
４：反射板
５：散乱性拡散板
６：プリズムシート
７：一方向性拡散板

Claims

少なくとも一つの光源と導光板より構成されるバックライトユニットにおいて、光の射出面もしくはその対向面に、光の射出手段として回折格子を配置した導光板と、光の射出面側に、光が少なくとも導光板の平均導光方向に拡散するような拡散パターンを配置した拡散板とを備え、前記拡散板の拡散構造が、散乱方向に制限を設けた一方向性拡散構造であることを特徴とすることを特徴とするバックライトユニット。
前記散乱方向に制限を設けた一方向性拡散構造が、数ミクロン程度の長さおよび幅および深さ等をもつ細長い凹凸構造がランダムに配置されている構成の表面レリーフ型拡散板であることを特徴とする請求項１記載のバックライトユニット。
前記散乱方向に制限を設けた一方向性拡散構造が、レンチキュラーレンズであることを特徴とする請求項２記載のバックライトユニット。
前記回折格子が、断面が鋸歯状のブレーズド格子であることを特徴とする請求項１乃至３何れか記載のバックライトユニット。
前記回折格子は、３種類の空間周波数を持つ回折格子セルをマトリクス状に配置することにより、Ｒ、Ｇ、Ｂ成分から成る白色光を目的の角度で回折させられるものであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか記載のバックライトユニット。
前記バックライトユニットにおいて、拡散板の射出面側に、さらに散乱性の拡散板を備えることを特徴とする請求項１乃至５何れか記載のバックライトユニット。