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JP6170072B2 - 液晶ディスプレイ用新形バックライトモジュール - Google Patents

液晶ディスプレイ用新形バックライトモジュール Download PDF

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Description

本発明は液晶ディスプレイ用バックライトモジュール、特に平行面ライトビームを発生させるための液晶ディスプレイ用新形バックライトモジュールに関する。
20世紀70年代から、低いコスト、高い分解能及び鮮やかなカラーなどの長所のある液晶ディスプレイは小寸法の腕時計から大寸法のTVまでほとんどの電子設備に利用されてきて、分解能が向上し、がっちり構成されていて、輝度が高く、コストが低い。但し、40年以上に成長してきたが、液晶ディスプレイは利用するバックライト源の不足に制限されていて、光源の低い利用率、分解能の低下、カラーウォッシュアウトなどの課題が解決されていない。
液晶ディスプレイパネルにおける液晶は自身に発光しなく、バックライトモジュールで光源を提供して、ディスプレイの表示効果に達成する。普通、バックライト源は発光ダイオード（LED）又は冷陰極管（CCFL）を光源にして、光源からの光が導光板（LGP）にカップリングされてディスプレイに入る。但し、光源の発散角度が大きく、実際にLGPに入り、利用されたエネルギーが10%以下にあるので、全ディスプレイの効率降下の原因となる。20世紀末に携帯電話、計算器、腕時計のような携帯式の小寸法液晶ディスプレイがたくさん開発された。これらの小寸法のディスプレイは軽量化、がっちりされた構成及び低消費電力が大事にされている。これらの需要はバックライト源の構成、光源の発光角度、光源の利用効率に関する更に高い要求を提出している。
ディスプレイのコントラスト及び表示品質に対する大寸法TVの成長、特にHDTV(高精細テレビ)の成長からの要求は更に高いものである。液晶（LC）スクリーンに垂直する法線を軸にして、バックライト源からの近軸の光線に対するLCの利用率が高いので、バックライト源の発散角度が大きい場合、光源の利用率が降下し、大きな角度で軸から離れる光線がコントラスト下降、光漏れ、color washout（カラーウォッシュアウト）などの原因である。
まとめて言うと、普通、小寸法の液晶スクリーンでも大寸法のTVでもバックライトモジュールからの光に関する所定の視準性上の要求がある。
2000年10月10日に米国で開示された発明特許US006130730で視準光が発生できるバックライトモジュール構成を開示した（図1）。このバックライトモジュール1は導光板10、プリズムピース12及び拡散ピース14を含む。光がライトイン面100から導光板10に入り、光の一部が直接にライトアウト面102から、他の一部が底面104から射出するが、ほとんどの光が導光板10の内部で1回又は数回に反射され、最終にライトアウト面102から導光板10を射出する。前記の導光板10のライトアウト面102からの光は前記のプリズム面122を経て前記のプリズムピース12に入り、大部分の方向が前記のプリズム面122にある複数のプリズム構成126に変えられ、前記のトップ124の法線の方向に沿って射出し、前記の拡散ピース14へ伝わる。
前記のバックライトモジュール1は視準光を提供できるが、提供する視準光の発散角が大きすぎ、効果的に少なくすることができない。前記の反射構成128の寸法が大きすぎる場合、反射された光の発散角が大きくなる。よって、射出光の発散角を小さくし、射出光の視準性を向上させるように、精細に前記の反射構成128を製作しなければいけないので、プロセスが難しくなり、コストが向上する。
2008年にPCTに開示された特許WO 2008/100443 A2に平行ライトビームが発生できるがっちりした視準反射膜（CCR）を開示した（図2）。この視準反射膜はバックライトモジュールの最下にあり、全体で船形構成に類似し、光源が当該視準反射膜の両端にある。視準反射膜は反射面でもあるライトイン面を含み、鋸の歯形の構成である。各鋸の歯に異なる角度及び傾斜率を設計し、光源からの異なる角度の光が異なる角度及び傾斜率の鋸の歯に反射されて、その方向を液晶スクリーンと垂直にする方向に変えて射出する。
図2に記載の構成でも視準ライトビームを発生できるが、光源からの光が連続する大角度の発散光であり、視準反射膜の反射膜が連続しない鋸の歯形の構成であるので、視準光の視準効果は望ましくない。更に、連続しない鋸の歯の構成が精細であり、各鋸の歯に所定の角度及び傾斜率があるので、加工が非常に難しく、製作コストがとても高い。
本発明は目的が射出光の視準性でも光線利用率でも高い液晶ディスプレイ用新形バックライトモジュールを提供することにある。
順序に液晶スクリーンの前に設置された光源、ライトビームを発生させるための三角形のくさび形部品、反射コンポーネント及び偏わい視準コンポーネントを含み、前記の三角形のくさび形部品がライトイン面No.1、ライトアウト面No.1及びライトアウト面No.2を含み、前記のライトアウト面No.1及びライトアウト面No.2の間の角が5°を超えなく、前記のライトイン面No.1が前記の光源と向き合い、前記の反射コンポーネントが前記のライトアウト面No.1側に設置されていて、前記のライトアウト面No.1からの光線を前記の三角形のくさび形部品に反射するためのものであり、前記の偏わい視準コンポーネントが前記のライトアウト面No.2と前記の液晶スクリーンとの間に設置されていて、前記のライトアウト面No.2からの平行ライトビームを前記の液晶スクリーン表面と垂直にする光線に屈折するためのものであり、前記の偏わい視準コンポーネントは、複数の平行して排列された平行四辺形のプリズムからなる偏わいプリズムユニット及び視準プリズムを含み、前記の偏わいプリズムユニットは、1次元方向で互いに近接して排列された平行四辺形の陣列となり、前記の平行四辺形のプリズムの鋭角が少なくとも45°であり、前記の平行四辺形のプリズムがライトイン面No.2及びライトアウト面No.3を含み、前記のライトイン面No.2が前記のライトアウト面No.2と平行し、前記の平行四辺形のプリズムの前記のライトイン面No.2側の鋭角No.1が前記のライトイン面No.2側の鈍角No.1より前記のライトイン面No.1に近く、前記のライトアウト面No.3側の鈍角No.2が前記のライトアウト面No.3側の鋭角No.2より前記のライトイン面No.1に近く、前記の平行四辺形のプリズムが、さらに、前記鈍角No.1と前記鋭角No.2の間の反射面を含むことを特徴とする液晶ディスプレイ用新形バックライトモジュールを提供する。
前記の視準プリズムがライトイン面No.3及びライトアウト面No.4を含み、前記のライトイン面No.3が前記のライトアウト面No.3と平行し、前記のライトアウト面No.4が並列する複数の鋸の歯からなり、1次元方向で対称しない鋸の歯形であり、前記の鋸の歯の斜面と前記のライトイン面No.3との角が10°を超えない。
前記の偏わいプリズムユニットと前記の視準プリズムは結び合わせて偏わい視準プリズムとなることができ、前記のライトイン面No.3が前記のライトアウト面No.3と重なり合う。
前記の視準プリズムがライトイン面No.3及びライトアウト面No.5を含み、前記のライトイン面No.3が前記のライトアウト面No.3と平行し、前記のライトアウト面No.5が前記の液晶スクリーンに平行し、前記のライトイン面No.2と前記のライトアウト面No.5との間のくさび角が10°をこえない。
前記の偏わいプリズムユニットと前記の視準プリズムは結び合わせてくさび形プリズムとなることができ、前記のライトイン面No.3が前記のライトアウト面No.3と重なり合う。
前記の反射コンポーネントは光学材料製の反射膜であり、前記の反射膜の表面が金属又は媒質にめっきされて反射面を構成し、前記の反射面が前記のライトアウト面No.1と平行する。
前記の三角形のくさび形部品は光学材料製の三角形のくさび形膜である。
前記の平行四辺形のプリズムは光学材料製の平行四辺形のプリズム膜、前記の視準プリズムは光学材料製の視準プリズム膜である。
前記の偏わい視準プリズムは光学材料製の偏わい視準プリズム膜である。
前記の偏わいくさび形プリズムは光学材料製のくさび形プリズム膜である。
従来の技術より、本発明は従来の液晶ディスプレイの光漏れ、カラーウォッシュアウト及びコントラスト低下の課題を解決し、バックライトモジュールにおける各コンポーネントの構成が簡単であり、製作しやすく、コストが低く、発生した平行ライトビーム視準性がよく、光源の利用率が非常に高い。
従来の技術によるバックライトモジュールの横断面の構成図 従来の他の技術バックライトモジュールの横断面構成図 本発明の実例1のバックライトモジュールの構成図 本発明の三角形のくさび形膜・部品の工作原理図 本発明の光源の発光分布図 本発明の三角形のくさび形膜・部品を経た光線角度分布図 光線の1本が本発明の実例1の三角形のくさび形膜・部品及び平行四辺形のプリズム（膜）を経た軌跡 スネル法則により作成した密集光から散在光までの反射グラフ 本発明の実例1の平行四辺形のプリズム（膜）の動作原理図 本発明の実例1の視準プリズム（膜）の動作図 実例1の偏わいプリズム（膜）ユニットを視準プリズム（膜）と更に結び合わせて本発明の実例2の偏わい視準プリズム（膜）を構成した構成図 ソフトウェアで光源からの光が本発明のバックライトモジュールを経てからライトビームを射出する過程を模擬した図 本発明の実例3の構成図 実例3の構成を更に本発明の実例4のバックライトモジュールに簡単にした構成図
次に図と実例を利用して本発明について詳細に説明する。
図3のとおりに、順序に液晶スクリーン1の前に設置されたLED光源2、光源反射マスク3、ライトビームを発生させるための光学材料製の三角形のくさび形膜4、光学材料製の反射膜5、光学材料製の偏わいプリズム膜ユニット6及び光学材料製の視準プリズム膜7を含む液晶ディスプレイ用新形バックライトモジュール。三角形のくさび形膜4はライトイン面No.1の41、ライトアウト面No.1の42及びライトアウト面No.2の43を含み、ライトアウト面No.1の42及びライトアウト面No.2の43の間の角θが5°であり、ライトイン面No.1の41は光源2と向き合い、反射膜5がライトアウト面No.1の42側に設置されていて、反射膜5の表面が金属めっきを行われて反射面51を構成し、反射面51がライトアウト面No.1の42と平行し、ライトアウト面No.1の42からの光線を三角形のくさび形膜4に反射するものであり、ライトアウト面No.2の43と液晶スクリーン1との間に順序に設置された平行四辺形のプリズム膜ユニット6と視準プリズム膜7が偏わい視準コンポーネントを構成し、ライトアウト面No.2の43からの平行ライトビームを液晶スクリーン1の表面に垂直である光線に屈折するためのものである。偏わいプリズム膜ユニット6は複数の平行四辺形のプリズム膜61が1次元方向で排列して平行四辺形のプリズム陣列となり、平行四辺形のプリズム膜61の鋭角αが65°であり、平行四辺形のプリズム膜61がライトイン面No.2の62及びライトアウト面No.3の63を含み、ライトイン面No.2の62がライトアウト面No.2の43と平行し、平行四辺形のプリズム膜61とライトイン面No.2の62と隣り合う鋭角αがライトイン面No.1の41側にあり、鈍角βがライトアウト面No.1の42とライトアウト面No.2の43との交差点に近く、視準プリズム膜7がライトイン面No.3の71及びライトアウト面No.4の72を含み、ライトイン面No.3の71がライトアウト面No.3の63と平行し、ライトアウト面No.4の72が並列する複数の鋸の歯73からなり、1次元方向で対称しない鋸の歯形であり、鋸の歯73の斜面とライトイン面No.3の71との角γが10°である。
図4は本発明の重要な部品である三角形のくさび形膜4の動作原理図であり、光源からの異なる角度の光線が三角形のくさび形膜4に入ってから数回に全反射をして三角形のくさび形膜4で伝わり、最終に、媒質における光線の入射角が全反射限界角を越えなくなる場合、光線が三角形のくさび形膜4のライトアウト面No.2の43から射出する。この三角形のくさび形膜4は光源2からの大きな発散角のある発散光を数回に全反射をして全反射限界角に近い平行ライトビームに集め、三角形のくさび形膜4を射出するためのものである。
光線が三角形のくさび形膜4を経る前後の角度分布図は図5(a)及び図5（b）に示す。図5（a）にLED光源2の発光角度の分布を示し、発散角が±60°程度であり、角形くさび形膜4を経てから±5°程度の平行ライトビームに集められる（図5(b)）。
図6に詳細に光線の1本が本発明における三角形のくさび形膜4及び平行四辺形のプリズム膜61を経た軌跡を示す。三角形のくさび形膜4の動作原理はスネル法則に基づくものである。
n1sinθ1=n2sinθ2
式の中、
n1：媒質1の屈折率
θ1：入射角
n2：媒質2の屈折率
θ2：屈折角
光源2からの光線00は三角形のくさび形膜4のライトイン面No.1の41を経て三角形のくさび形膜4に入り、屈折光線01となる。光線01はライトアウト面No.2の43に照射して全反射が発生し、反射光線02となり、反射光線02は三角形のくさび形膜4のライトアウト面No.1の42に照射してから再び全反射が発生し、反射光線03となる。図7のスネル法則により作成された密集光から散在光までの反射率グラフによると、媒質の屈折率が1.5である場合、全反射限界角が42°程度である。よって、光線03がライトアウト面No.2の43に照射する場合、光線03と法線との角θ3が全反射限界角を超えないと、ライトアウト面No.2の43から射出し、光線04となる。
三角形のくさび形膜4のライトアウト面No.1の43から全反射限界角からの光線04に近付け、液晶スクリーン1と形成する入射角で液晶スクリーン1の使用上の需要に満たすことができないので、偏わい視準コンポーネントを追加して光線を液晶スクリーン1に垂直な正入射平行ライトビームに反射しなければいけない。図6で、平行四辺形のプリズム膜61の反射面64は三角形のくさび形膜4中からの光線04を平行四辺形のプリズム膜61のライトアウト面No.2の63と大体に垂直な光線05に反射して射出する。
図8に三角形のくさび形膜4及び平行四辺形のプリズム膜61における光線の1本の軌跡を示す。実際に、三角形のくさび形膜4中からの平行ライトビームは発散角がとても小さい。図8に示したとおりに、光線の1束が三角形のくさび形膜4のライトアウト面No.2の43から平行四辺形のプリズム膜61のライトイン面No.2の62に照射し、光線06及び07がこの束の光線の限界光線の2本であり、光線061が06と平行する光線である。図によると、ライトアウト線06と07は完全に平行していなく、とても小さな角がある。光線の利用率を向上し、エネルギーの損失を避けるように、三角形のくさび形膜4から平行四辺形のプリズム膜61に射出する全ての光線が次の条件に満たさなければいけない。その1、全ての光線が平行四辺形のプリズム膜61に入ってから平行四辺形のプリズム膜61の反射面64に反射されなければいけない。その2、平行四辺形のプリズム膜61の反射面64に反射される全ての光線が平行四辺形のプリズム膜61の反対側の反射面65に射出してはいけない。
図8によると、前記の限界条件の2つに満たす射出光線10と11が平行四辺形のプリズム膜61のライトアウト面No.3の63の法線に対して所定の偏わいがある。よって、視準プリズム膜7を追加してそれを法線方向に屈折し、即ち液晶スクリーン1に垂直な方向から射出しなければいけない。
図9は視準プリズム膜7の動作図である。本文前記の視準プリズム膜7は射出式の三プリズムであり、平行四辺形のプリズム膜61からの大体に液晶スクリーン1に垂直な平行ライトビームを液晶スクリーン1に垂直な平行面ライトビームに屈折するためのものである。
図11はソフトウェアで模擬するLED光源2からの大角度の発散光が本発明の図3に示すバックライトモジュールを経てから射出する光線の図である。ソフトウェアによる模擬結果によると、光源からの大角度の発散光が三角形のくさび形膜4、反射膜5、偏わいプリズム膜ユニット6及び視準プリズム膜7を経てから液晶スクリーン1に垂直な平行ライトビームとなる。
図10に示したとおりに、他の構成が実例1と同じあであるが、偏わいプリズム膜ユニット6と視準プリズム膜7が偏わい視準プリズム膜70に結び合わせ、ライトイン面No.3の71とライトアウト面No.3の63が重なり合うことでことなる。
三角形のくさび形膜4からの光線041が偏わい視準プリズム膜70に照射し、ライトイン面No.2の62に屈折されて光線042となり、光線042が偏わい視準プリズム膜70の反射面701に反射されて光線043となり、反射光線043が偏わい視準プリズム膜70のライトアウト面No.4の72に屈折されて偏わい視準プリズム膜70のライトイン面No.2の702に垂直な光線044となり、偏わい視準プリズム膜70から射出する。
図12に示したとおりに、順序に液晶スクリーン1の前に設置されたLED光源2、光源反射マスク3、ライトビームを発生させるための光学材料製の三角形のくさび形膜4、光学材料製の反射膜5、光学材料製の偏わいプリズム膜ユニット6及び光学材料製の視準プリズム膜8を含む液晶ディスプレイ用新形バックライトモジュールを提供し、三角形のくさび形膜4はライトイン面No.1の41、ライトアウト面No.1の42及びライトアウト面No.2の43を含み、ライトアウト面No.1の42及びライトアウト面No.2の43の間の角θが3°であり、ライトイン面No.1の41は光源2と向き合い、反射膜5がライトアウト面No.1の42側に設置されていて、反射膜5表面に媒質がめっきされていて反射面51を構成し、反射面51がライトアウト面No.1の42と平行しライトアウト面No.1の42からの光線を三角形のくさび形膜4に反射するものであり、偏わいプリズム膜ユニット6は複数の平行四辺形のプリズム膜61が1次元方向で排列して平行四辺形のプリズム陣列となり、平行四辺形のプリズム膜61の鋭角αが55°であり、平行四辺形のプリズム膜61がライトイン面No.2の62及びライトアウト面No.3の63を含み、ライトイン面No.2の62がライトアウト面No.2の43と平行し、平行四辺形のプリズム膜61がライトイン面No.2の62と隣り合う鋭角がライトイン面No.1の41側にあり、鈍角βがライトアウト面No.1の42とライトアウト面No.2の43との交差点に近く、視準プリズム膜8がライトイン面No.3の81及びライトアウト面No.5の82を含み、ライトイン面No.3の81がライトアウト面No.3の63と平行し、ライトアウト面No.5の82が液晶スクリーン1に平行する平面であり、ライトイン面No.3の81とライトアウト面No.5の82との間のくさび角δが3°である。
図13に示したとおりに、液晶ディスプレイ用新形バックライトモジュール、他の構成が実例3と同じであるが、偏わいプリズム膜ユニット6と視準プリズム膜8がくさび形プリズム膜80に結び合わせて、ライトイン面No.3の81とライトアウト面No.3の63が重なり合うこととなる。
図8のとおりに、図3に示した構成を利用し、平行四辺形のプリズム膜61からの平行ライトビームと液晶スクリーン1の法線との間に所定の角があり、視準プリズム膜7を追加するまで更に液晶スクリーン1に垂直な平行ライトビームに屈折できない。図12〜13に示した構成を利用すると、予め三角形のくさび形膜4を所定の角度に回し、ライトイン面No.2の63と三角形のくさび形膜4のライトアウト面No.2の43と平行する。よって、ライトアウト面No.5の82からの平行ライトビームは液晶スクリーン1に垂直であるという条件に満たすものである。
図13に示したバックライトモジュール構成は機能が本発明の図12に該当するバックライトモジュール構成と同じであり、更に簡単であり、視準プリズム膜を利用しなく、加工が容易になり、コストが大いに降下する。

Claims (10)

  1. 順序に液晶スクリーンの前に設置された光源、ライトビームを発生させるための三角形のくさび形部品、反射コンポーネント及び偏わい視準コンポーネントを含み、前記の三角形のくさび形部品がライトイン面No.1、ライトアウト面No.1及びライトアウト面No.2を含み、前記のライトアウト面No.1及びライトアウト面No.2の間の角が5°を超えなく、前記のライトイン面No.1が前記の光源と向き合い、前記の反射コンポーネントが前記のライトアウト面No.1側に設置されていて、前記のライトアウト面No.1からの光線を前記の三角形のくさび形部品に反射するためのものであり、前記の偏わい視準コンポーネントが前記のライトアウト面No.2と前記の液晶スクリーンとの間に設置されていて、前記のライトアウト面No.2からの平行ライトビームを前記の液晶スクリーン表面と垂直にする光線に屈折するためのものであり、
    前記の偏わい視準コンポーネントは、複数の平行して排列された平行四辺形のプリズムからなる偏わいプリズムユニット及び視準プリズムを含み、前記の偏わいプリズムユニットは、1次元方向で互いに近接して排列された平行四辺形の陣列となり、前記の平行四辺形のプリズムの鋭角が少なくとも45°であり、前記の平行四辺形のプリズムがライトイン面No.2及びライトアウト面No.3を含み、前記のライトイン面No.2が前記のライトアウト面No.2と平行し、前記の平行四辺形のプリズムの前記のライトイン面No.2側の鋭角No.1が前記のライトイン面No.2側の鈍角No.1より前記のライトイン面No.1に近く、前記のライトアウト面No.3側の鈍角No.2が前記のライトアウト面No.3側の鋭角No.2より前記のライトイン面No.1に近く、前記の平行四辺形のプリズムが、さらに、前記鈍角No.1と前記鋭角No.2の間の反射面を含むことを特徴とする液晶ディスプレイ用新形バックライトモジュール。
  2. 前記の視準プリズムがライトイン面No.3及びライトアウト面No.4を含み、前記のライトイン面No.3が前記のライトアウト面No.3と平行し、前記のライトアウト面No.4が並列する複数の鋸の歯からなり、1次元方向で対称しない鋸の歯形であり、前記の鋸の歯の斜面と前記のライトイン面No.3との角が10°を超えないことを特徴とする請求項1に記載の液晶ディスプレイ用バックライトモジュール。
  3. 前記の偏わいプリズムユニットと前記の視準プリズムが偏わい視準プリズムに結び合わせ、前記のライトイン面No.3が前記のライトアウト面No.3と重なり合うことを特徴とする請求項2に記載の液晶ディスプレイ用バックライトモジュール。
  4. 前記の視準プリズムがライトイン面No.3及びライトアウト面No.5を含み、前記のライトイン面No.3が前記のライトアウト面No.3と平行し、前記のライトアウト面No.5が前記の液晶スクリーンに平行し、前記のライトイン面No.2と前記のライトアウト面No.5との間のくさび角が10°をこえないことを特徴とする請求項1に記載の液晶ディスプレイ用バックライトモジュール。
  5. 前記の偏わいプリズムユニットと前記の視準プリズムが偏わいくさび形プリズムに結び合わせ、前記のライトイン面No.3が前記のライトアウト面No.3と重なり合うことを特徴とする請求項4に記載の液晶ディスプレイ用バックライトモジュール。
  6. 前記の反射コンポーネントは光学材料製の反射膜であり、前記の反射膜の表面が金属又は媒質にめっきされて反射面を構成し、前記の反射面が前記のライトアウト面No.1と平行することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の液晶ディスプレイ用バックライトモジュール。
  7. 前記の三角形のくさび形部品が光学材料製の三角形のくさび形膜であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の液晶ディスプレイ用バックライトモジュール。
  8. 前記の平行四辺形のプリズムが光学材料製の平行四辺形のプリズム膜、前記の視準プリズムが光学材料製の視準プリズム膜であることを特徴とする請求項2又は4に記載の液晶ディスプレイ用バックライトモジュール。
  9. 前記の偏わい視準プリズムが光学材料製の偏わい視準プリズム膜であることを特徴とする請求項3に記載の液晶ディスプレイ用バックライトモジュール。
  10. 前記の偏わいくさび形プリズムが光学材料製の偏わいくさび形プリズム膜であることを特徴とする請求項5に記載の液晶ディスプレイ用バックライトモジュール。
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