JP6066810B2 - 面光源装置および液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は面光源装置およびこれを備える液晶表示装置に関する。

液晶表示装置に備わる液晶表示素子は、自ら発光しない。このため、液晶表示装置は液晶表示素子を照明する光源として、液晶表示素子の背面にバックライト装置を備えている。近年では、青色発光ダイオード（以下、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）という。）の性能が飛躍的に向上したことに伴い、光源に青色ＬＥＤを利用したバックライト装置が広く採用されている。

この青色ＬＥＤを利用した光源とは、青色のＬＥＤと、青色ＬＥＤから発する光を吸収し青色の補色となる光を発光する蛍光体とから成る。このようなＬＥＤを白色ＬＥＤと呼ぶ。青色の補色とは、すなわち、緑色と赤色を含む色で黄色である。白色ＬＥＤは、電気−光変換効率が高く、低消費電力化に有効である。しかしながら、白色ＬＥＤはその波長帯域幅が広く、色再現範囲が狭いという問題を有する。液晶表示装置は、その液晶表示素子の内部にカラーフィルタを備えている。液晶表示装置は、このカラーフィルタによって赤色、緑色および青色のスペクトル範囲だけを取り出して、色表現を行っている。白色ＬＥＤのように波長帯域幅の広い連続スペクトルを有する光源は、色再現範囲を広げるために、カラーフィルタの表示色の色純度を高める必要がある。つまり、カラーフィルタを透過する波長帯域は狭く設定される。しかし、カラーフィルタを透過する波長帯域を狭く設定すると、光の利用効率が低下する。なぜなら、液晶表示素子の画像表示に用いられない不要な光の量が多くなるからである。カラーフィルタによる光損失を最小限に抑制しながらも、色再現範囲を広げるためには、波長帯域幅の狭い光を発する光源を採用する必要がある。すなわち、色純度の高い光を発する光源を採用する必要がある。例えば、特許文献１では、白色光を出射する白色ＬＥＤと、単色光を出射する単色ＬＥＤをバックライト装置に備えることで、液晶表示装置の色再現範囲を向上させる技術が開示されている。

特開２００１−１３５１１８号公報

一般的に、ＬＥＤ素子は長時間点灯すると内部に充填された蛍光体が劣化し、輝度や色が変化する。上述の特許文献１のように、複数の異なる色のＬＥＤ素子を採用した場合、蛍光体の劣化によって、各ＬＥＤ素子の輝度や色が変化するため、液晶表示装置のホワイトバランスの調整が困難である。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、光源が劣化した場合であっても、劣化の影響を抑えて、ホワイトバランスを適切に調整することが可能であり、かつ色ムラの少ない面状光を出力する面光源装置、およびこれを備える液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る面光源装置は、光源の組を複数含む第１の光源と、第１の光源と異なる色の発光素子を含む第２の光源と、第１、第２の光源の出射光を受けて面状光を出力する面発光導光板と、を備え、組は、同じ色相でスペクトル分布の異なる複数種類のＬＥＤ素子から構成され、複数種類のＬＥＤ素子の各々のスペクトル分布は、少なくとも２つの発光ピークを有し、組は、面発光導光板の端面に等間隔に配置され、組を構成するＬＥＤ素子間の配置間隔は、組間の配置間隔よりも狭いことを特徴とし、第１の光源における複数種類のＬＥＤ素子の各発光量の割合を制御し、面状光のホワイトバランスを調整する制御部をさらに備える。

面光源装置における第１の光源は、同じ色相でスペクトル分布の異なる複数のＬＥＤ素子から構成されるため、長時間の点灯により、ＬＥＤ素子に充填された蛍光体が劣化しても、制御部が、複数種類のＬＥＤ素子の各発光量の割合を制御することによって、面光源装置から出力される面状光のホワイトバランスを調整することが可能である。

さらに、本発明に係る面光源装置においては、同じ色相でスペクトル分布の異なる複数のＬＥＤ素子により各組を構成し、各組における複数種類のＬＥＤ素子の配置間隔を、組間の配置間隔よりも狭くした。よって、各組において複数種類のＬＥＤ素子の出射光の混合が十分に行われるため、面状光の色ムラの発生を抑制することが可能である。

実施の形態１に係る面光源装置を含む液晶表示装置の分解斜視図である。 実施の形態１に係る面光源装置を含む液晶表示装置の断面図である。 実施の形態１に係る面光源装置の第１の面発光導光板の平面図である。 実施の形態１に係る面光源装置の第１の光源のスペクトル分布を示す図である。 実施の形態２に係る面光源装置の第１の面発光導光板の平面図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態１における、面光源装置２００を含む液晶表示装置１００の分解斜視図である。また、図２は図１の断面図である。説明を容易にするために、各図中にｘｙｚ直交座標系の座標軸を示す。以下の説明において、液晶表示素子を備えた液晶パネル１の表示面１ａの短辺方向をｙ軸方向（図２において紙面に垂直な方向）とし、液晶パネル１の表示面１ａの長辺方向をｘ軸方向（図１，２において紙面の左右方向）とし、ｘ軸及びｙ軸を含む平面であるｘｙ平面に垂直な方向をｚ軸方向（図１，２における紙面の上下方向）とする。

また、図１，２において、右から左に向かう方向を、ｘ軸の正方向（＋ｘ軸方向）とし、その反対方向を、ｘ軸の負方向（−ｘ軸方向）とする。また、図２が描かれている紙面の手前から紙面に向かう方向を、ｙ軸の正方向（＋ｙ軸方向）とし、その反対方向を、ｙ軸の負方向（−ｙ軸方向）とする。さらに、図１，２において、下から上に向かう方向を、ｚ軸の正方向（＋ｚ軸方向）とし、その反対方向を、ｚ軸の負方向（−ｚ軸方向）とする。さらに、液晶表示装置１００の表示面１ａの水平方向をｘ軸方向とし、表示面１ａの垂直方向をｙ軸方向とし、液晶表示装置１００の厚み方向をｚ軸方向とする。

図１，２に示すように、液晶表示装置１００は、透過型の液晶パネル１、第１の光学シート２、第２の光学シート３および面光源装置２００を備える。面光源装置２００は、第２の光学シート３および第１の光学シート２を介して液晶パネル１の背面１ｂに光を照射する。液晶パネル１、第１の光学シート２、第２の光学シート３および面光源装置２００は、−ｚ軸方向に向かって順に配列されている。

液晶パネル１の表示面１ａは、ｘｙ平面に平行な面である。液晶パネル１の液晶層は、ｘｙ平面に平行な方向に広がる面状の構造を有している。液晶パネル１の表示面１ａは、通常、矩形であり、表示面１ａの隣接する２辺（ｙ軸方向の短辺とｘ軸方向の長辺）は、直交している。ただし、表示面１ａの形状は、他の形状であってもよい。

図１，２に示すように、面光源装置２００は、薄板状の第１、第２の面発光導光板４，５、反射シート６、第１の光源７および第２の光源８を備える。第１、第２の面発光導光板４，５、反射シート６は＋ｚ軸方向から−ｚ軸方向に向けて順に配列されている。

第１の光源７は、光源の組７ａを複数備える。各組７ａは、同じ色相でスペクトル分布の異なる複数種類のＬＥＤ素子（即ち第１のＬＥＤ素子７１と第２のＬＥＤ素子７２）から構成される。第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２の各々のスペクトル分布は、少なくとも２つの発光ピークを有する。第２の光源８は第１の光源７とは異なる色の光を発する単色の赤色ＬＥＤ素子８１によって構成される。

人間は赤色の色差に対する感度が高い。そのため、赤色における波長帯域幅の差は、人間の視覚にはより顕著な差となって感じられる。ここで、波長帯域幅の差は色純度の差である。従来、液晶表示装置に光源として使用されていた白色ＬＥＤは、特に６００ｎｍから７００ｎｍ帯の赤色のスペクトルのエネルギー量が少ない。つまり、波長域幅の狭いカラーフィルタを用いて純赤として好ましい６３０〜６４０ｎｍの波長領域で色純度を高めようとすると、極めて透過光量が減少し、光の利用効率が低下する。従って、著しく輝度が低下するという問題が発生する。

そこで、本実施の形態の面光源装置２００において、第２の光源８を、赤色の光を発する複数の赤色ＬＥＤ素子８１により構成する。赤色ＬＥＤ素子８１は、第２の面発光導光板５の光入射面５１ｃ（＋ｘ軸方向）に対向して配置されている。第２の光源８は、赤色ＬＥＤ素子８１を、ｙ軸方向に１次元配列して成る。

赤色ＬＥＤ素子８１より出射された赤色ＬＥＤ光線は、第２の面発光導光板５の光入射面５１ｃより第２の面発光導光板５内へ入射する。例えば、第２の面発光導光板５は、アクリル樹脂（例えば、ＰＭＭＡ）などの透明材料で作製された部品である。また、第２の面発光導光板５は、厚み３ｍｍの板状部材である。第２の面発光導光板５は、第１の面発光導光板４と反射シート６の間に積層され、液晶パネル１の表示面１ａに対して平行に配置されている。

第２の光源８、即ち赤色ＬＥＤ素子８１より出射された赤色ＬＥＤ光線は、第２の面発光導光板５によって液晶パネル１の背面１ｂを均一な強度分布で照らす面状の照明光Ｌ８０に変換される。第２の面発光導光板５の背面５１ｂ（−ｚ軸方向）には例えば凸レンズ形状をした微小光学素子５２が配置され、微小光学素子５２の配置密度を面発光導光板５の裏面５１ｂにおいてｘｙ平面内で変化させる。配置密度とは、微小光学素子の単位面積当たりの数や微小光学素子の大きさなどである。この微小光学素子の配置密度の変化により、赤色照明光Ｌ８０の面内輝度分布を制御することができる。

第１の光源７は、複数の組７ａをｙ軸方向に１次元配列して成る。各組７ａは、同じ色相でスペクトル分布の異なる、第１のＬＥＤ素子７１と第２のＬＥＤ素子７２から構成される。図３に示すように、第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２の発光部は、第１の面発光導光板４の光入射面４１ｃに対向して配置されている。図１および図３に示す様に、組７ａを構成する第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２間の配置間隔は、組７ａ間の配置間隔よりも狭い。

第１の光源７は、青緑色のＬＥＤ光線を出射する。この青緑色の光は、例えば図４（ａ）のように４５０ｎｍ付近と５３０ｎｍ付近にピークを有し、４２０ｎｍから５８０ｎｍの帯域に連続的なスペクトルを有する光である。第１の光源７に備わる第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２は、例えば青色の光を発する青色ＬＥＤチップを備えたパッケージに、この青色の光を吸収して緑色の光を発する緑色蛍光体を充填したものである。

第１のＬＥＤ素子７１と第２のＬＥＤ素子７２は、色相が同じで、かつ異なるスペクトル分布を持つＬＥＤ素子である。また、第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２はともに、４５０ｎｍ付近と５３０ｎｍ付近にピークを有するスペクトル分布を持つ。

例えば第１のＬＥＤ素子７１は図４（ｂ）のようなスペクトル分布を持つ。第１のＬＥＤ素子７１のスペクトル分布（図４（ｂ））は、図４（ａ）のスペクトル分布に比べ５３０ｎｍ付近のピークが高く、緑色が強い青緑色の光を発する。また、第２のＬＥＤ素子７２は図４（ｃ）のようなスペクトル分布を持つ。第２のＬＥＤ素子７２のスペクトル分布（図４（ｂ））は、図４（ａ）のスペクトル分布に比べ５３０ｎｍ付近のピークが低く、青色が強い青緑色の光を発する。ここで、緑色の強い第１のＬＥＤ素子７１と、青色の強い第２のＬＥＤ素子７２は、例えば、各ＬＥＤ素子に充填された緑色の蛍光体の調合量を調整することによって実現できる。第１の光源７は、第１のＬＥＤ素子７１と第２のＬＥＤ素子７２を組み合わせることで、図４（ａ）のようなスペクトル分布を有する光を発する。

第１のＬＥＤ素子７１より出射された光と第２のＬＥＤ素子７２より出射された光は、第１の面発光導光板４によって、隣接する光と混ざり合いながら、液晶パネル１の背面１ｂを均一な強度で照らす面状の照明光Ｌ７０に変換される。

第１、第２のＬＥＤ素子はともに、４５０ｎｍ付近と５３０ｎｍ付近に発光ピークを有するスペクトル分布を持つが、発光ピークの強度比が異なるため、色相は同じでも、発光色は異なる。そのため、各組７ａにおいて第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２の間隔が離れていると、第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２から発する光の混合が不十分となり、色ムラが発生する。

この色ムラの発生を抑制するために、本実施の形態では、第１のＬＥＤ素子７１と第２のＬＥＤ素子７２の各１個を１つの組７ａとして、各組７ａを構成する第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２の配置間隔が、組７ａの配置間隔よりも狭くなる構成とした。異なる色の光を発する第１のＬＥＤ素子７１と第２のＬＥＤ素子７２は、近接して配置されているほど、光の混合が容易になる。各組７ａにおいて十分に光の混合が行われることによって、組７ａ間の光の混合が不十分であっても、色ムラは発生しない。以上の構成により、第１の光源７として、発光色の異なる２種類のＬＥＤ素子７１，７２用いているにもかかわらず、色ムラが少なく、均一性の高い発光を実現できる。

第１の面発光導光板４の裏面４１ｂ（−ｚ軸方向）には例えば凸レンズ形状をした微小光学素子４２が配置される。微小光学素子４２の配置密度は、面発光導光板４の裏面４１ｂのｘｙ平面内で変化している。配置密度とは、微小光学素子４２の単位面積当たりの数や微小光学素子の大きさなどである。この微小光学素子の配置密度の変化により、照明光Ｌ７０の面内輝度分布を制御することができる。

第１の面発光導光板４は、例えば、アクリル樹脂（例えば、ＰＭＭＡ）などの透明材料で作製された部品である。また、面発光導光板４は、厚み３ｍｍの板状部材である。第１の面発光導光板４は、面発光導光板５と反射シート６の間に積層され、液晶パネル１の表示面１ａに対して平行に配置されている。

第１の光源７による照明光Ｌ７０と、第２の光源８からの照明光Ｌ８０は、第２の光学シート３と第１の光学シート２を介して液晶パネル１の背面１ｂ方向へ進む途中で混色され、白色の照明光Ｌ９０となり液晶パネル１へ到達する。ここで、第１の光学シート２とは、第１、第２の面発光導光板４，５から放射された光を液晶パネル１の表示面１ａに対する法線方向に集光する作用を有するものである。また、第２の光学シート３とは、細かな照明むらなどの光学的影響を抑制するものである。

第２の面発光導光板５の直下には反射シート６が配置されている。第１、第２の面発光導光板４，５から背面側に放射された光は、反射シート６で反射され、液晶パネル１の背面１ｂを照射する照明光として利用される。反射シート６としては、たとえば、ポリエチレンテレフタラートなどの樹脂を基材とした反射シートや、基板の表面に金属を蒸着させた反射シートを使用することができる。

＜動作＞
一般に、ＬＥＤ素子は点灯時間の経過によって蛍光体が劣化する。その結果、ＬＥＤ素子の輝度や色が変化する。具体的には本実施の形態では第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２は緑色の蛍光体を使用しているため、蛍光体の劣化により緑色の発光が低下する。緑色蛍光体の劣化によってＬＥＤ素子の輝度、色が変化すると表示画像のホワイトバランスが崩れる。

そこで、本実施の形態では緑色の強い青緑色の第１のＬＥＤ素子７１と、青色の強い青緑色の第２のＬＥＤ素子７２とを足し合わせる割合を適切に制御することで、時間が経過しても図４（ａ）のような理想とするスペクトルを有する青緑色のＬＥＤ光を作ることができる構成とした。面光源装置２００は、制御部（図示せず）をさらに備える。制御部が行う制御として、例えば、出荷当初は第１のＬＥＤ素子７１に比べ第２のＬＥＤ素子７２の発光の割合を高くし、長時間の点灯によって第１の光源７の緑色が変化した際には第１のＬＥＤ素子７１の発光の割合を高くするように、第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２の出力を制御する。このように、制御部が第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２の発光量の割合を制御することにより、蛍光体の劣化によるホワイトバランスの崩れを抑制できる。

＜効果＞
本実施の形態における面光源装置２００は、光源の組７ａを複数含む第１の光源７と、第１の光源７と異なる色の発光素子を含む第２の光源８と、第１、第２の光源７，８の出射光を受けて面状光を出力する面発光導光板と、を備え、組７ａは、同じ色相でスペクトル分布の異なる複数種類のＬＥＤ素子（即ち第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２）から構成され、複数種類のＬＥＤ素子の各々のスペクトル分布は、少なくとも２つの発光ピークを有し、組７ａは、面発光導光板の端面に等間隔に配置され、組７ａを構成するＬＥＤ素子間の配置間隔は、組７ａ間の配置間隔よりも狭いことを特徴とし、第１の光源７における複数種類のＬＥＤ素子の各発光量の割合を制御し、面状光のホワイトバランスを調整する制御部をさらに備える。

従って、面光源装置２００における第１の光源７は、同じ色相でスペクトル分布の異なる第１のＬＥＤ素子７１と第２のＬＥＤ素子７２から構成されるため、長時間の点灯により、第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２に充填された蛍光体が劣化しても、制御部１１が、第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２の発光量の割合を制御することによって、面光源装置２００から出力される面状光のホワイトバランスを調整することが可能である。

さらに、本実施の形態では、同じ色相でスペクトル分布の異なる第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２により各組７ａを構成し、第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２の配置間隔を、組７ａ間の配置間隔よりも狭くした。よって、各組７ａにおいて第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２の出射光の混合が十分に行われるため、色ムラの発生を抑制することが可能である。

また、本実施の形態における面光源装置２００において、複数種類のＬＥＤ素子（即ち第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２）のパッケージには蛍光体が充填されていることを特徴とする。

従って、ＬＥＤ素子のパッケージに蛍光体を充填することで、ＬＥＤ素子による発光色と、蛍光体による発光色を得ることが可能であり、異なる波長にピークを持つスペクトル分布を実現することが可能である。

また、本実施の形態における面光源装置２００において、第１、第２の光源７，８は、互いに補色の関係にある光をそれぞれ発する。

従って、青緑色の光を発する第１の光源７と、赤色の光を発する第２の光源８とは補色関係にあるため、これらの光を混ぜることにより白色光が得られる。よって、面光源装置２００を液晶パネル１のバックライトとして使用するのに適している。

また、本実施の形態における液晶表示装置１００は、面光源装置２００を備える。従って、従って、液晶表示装置１００において、面光源装置２００をバックライトとして用いた画像表示が可能となる。

＜実施の形態２＞
＜構成＞
図５に、本実施の形態における面光源装置の第１の面発光導光板４の平面図を示す。第１の面発光動向板４の光入射面４１ｃの両端には、補助ＬＥＤ素子７３が１個ずつ配置される。補助ＬＥＤ素子７３は、図４（ａ）に示したスペクトル分布を有するとする。つまり、補助ＬＥＤ素子７３は、第１、第２のＬＥＤ素子７１，７２と同じ色相の光を発する。その他の構成は実施の形態１と同じため、説明を省略する。

実施の形態１においては、面発光導光板４の光入射面４１ｃの端部付近には、面発光導光板４の外側には光源が配置されていない。よって、光源配置の対称性・連続性が崩れ、端部付近のごく狭い領域で、第１のＬＥＤ素子７１と第２のＬＥＤ素子７２の異なる発光色の影響が残留し、わずかに色ムラが生じる可能性があった。

そこで、本実施の形態においては、面発光動向板４の光入射面４１ｃの両端に補助ＬＥＤ素子７３を１個ずつ追加配置する構成とする。この構成によって、光源配置の対称性・連続性を確保して、色ムラをさらに低減することが可能である。

＜効果＞
本実施の形態における面光源装置は、第１の光源７を構成する組７ａの発する光と同じスペクトル分布を持つ光を発する補助ＬＥＤ素子７３をさらに備え、補助ＬＥＤ素子７３は、面発光導光板（即ち第１の面発光導光板４）の端面（即ち光入射面４１ｃ）の両端に配置されることを特徴とする。

従って、第１の面発光導光板４の光入射面４１ｃの両端に補助ＬＥＤ素子７３を配置することによって、光入射面４１ｃの両端において発生する可能性のある色ムラを抑制することが可能となる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 液晶パネル、１ａ 表示面、１ｂ 背面、２ 第１の光学シート、３ 第２の光学シート、４ 第１の面発光導光板、５ 第２の面発光導光板、６ 反射シート、７ 第１の光源、８ 第２の光源、４１ａ，５１ａ 光出射面、４１ｂ，５１ｂ 裏面、４１ｃ，５１ｃ 光入射面、４２，５２ 微小光学素子、７１ 第１のＬＥＤ素子、７２ 第２のＬＥＤ素子、７３ 補助ＬＥＤ素子、８１ 赤色ＬＥＤ素子、７０Ｌ，８０Ｌ，９０Ｌ 照明光、１００ 液晶表示装置、２００ 面光源装置。

Claims (5)

1. 光源の組を複数含む第１の光源と、
   前記第１の光源と異なる色の発光素子を含む第２の光源と、
   前記第１、第２の光源の出射光を受けて面状光を出力する面発光導光板と、
   を備え、
   前記組は、同じ色相でスペクトル分布の異なる複数種類のＬＥＤ素子から構成され、
   前記複数種類のＬＥＤ素子の各々のスペクトル分布は、少なくとも２つの発光ピークを有し、
   前記組は、前記面発光導光板の端面に等間隔に配置され、
   前記組を構成するＬＥＤ素子間の配置間隔は、前記組間の配置間隔よりも狭いことを特徴とし、
   前記第１の光源における前記複数種類のＬＥＤ素子の各発光量の割合を制御し、前記面状光のホワイトバランスを調整する制御部をさらに備える、
   面光源装置。
2. 前記複数種類のＬＥＤ素子のパッケージには蛍光体が充填されていることを特徴とする、
   請求項１に記載の面光源装置。
3. 前記組の発する光と同じスペクトル分布を持つ光を発する補助ＬＥＤ素子をさらに備え、
   前記補助ＬＥＤ素子は、前記面発光導光板の前記端面の両端に配置されることを特徴とする、
   請求項１または請求項２に記載の面光源装置。
4. 前記第１、第２の光源は、互いに補色の関係にある光をそれぞれ発する、
   請求項１〜３のいずれかに記載の面光源装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の面光源装置を備える、液晶表示装置。

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