(57)【要約】【課題】  ＬＥＤアレイのＲＧＢ色を混色させて白色化するために余分な光学的なパスを設ける必要がなく、小型化でき、バックライト効率を向上させることが可能なＬＥＤバックライト用光学部材。【解決手段】  複数のＬＥＤ２Ｒ〜２Ｂを配列した光源１に近接して配置される導光板３を備え、導光板３のＬＥＤ配列に面した面には回折格子４が配置され、導光板３の反対側の面には飛び飛びに三角プリズム５、拡散パターン又は微小レンズ面が配置されており、回折格子４によってＬＥＤ配列からの光が回折されて導光板３内を全反射により導波され、導光板３の反対側の面に配置された三角プリズム５等によって導光板３の反対側の面から外に射出されるＬＥＤバックライト用光学部材９。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＬＥＤを配列した光源に近接して配置される導光板を備え、前記導光板のＬＥＤ配列に面した面には回折格子が配置され、前記導光板の前記回折格子とは反対側の面には飛び飛びに突起、拡散パターン又は微小レンズ面が配置されており、前記回折格子によって前記ＬＥＤ配列からの光が回折されて前記導光板内を全反射により導波され、前記導光板の前記回折格子とは反対側の面に配置された前記突起又は微小レンズ面によって前記導光板の前記回折格子とは反対側の面から外に射出されることを特徴とするＬＥＤバックライト用光学部材。
【請求項２】
前記回折格子として体積型ホログラムが使用されていることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤバックライト用光学部材。
【請求項３】
前記回折格子として、ＬＥＤ配列を構成するＬＥＤから発光される各波長に対応した複数の体積型ホログラムを積層してなる回折格子を用いていることを特徴とする請求項２記載のＬＥＤバックライト用光学部材。
【請求項４】
前記導光板の端面には導波光を反射させる反射層が設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のＬＥＤバックライト用光学部材。
【請求項５】
前記導光板の前記回折格子とは反対側の飛び飛びに突起が配置されている面の突起間の隙間には、平坦部が形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載のＬＥＤバックライト用光学部材。
【請求項６】
前記導光板の前記回折格子とは反対側の面に飛び飛びに配置されている突起が断面三角形又はその頂部を切り取った台形の形状のプリズムであることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載のＬＥＤバックライト用光学部材。
【請求項７】
前記導光板、前記突起の少なくとも一方の中に拡散剤が混入されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載のＬＥＤバックライト用光学部材。
【請求項８】
前記導光板の前記回折格子とは反対側の面に配置された前記拡散パターンが、前記導光板の表面に設けた微細な凹凸拡散面からなることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載のＬＥＤバックライト用光学部材。
【請求項９】
前記導光板の前記回折格子とは反対側の面に配置された前記拡散パターンが、微細なビーズを混入した樹脂を該面にパターン状に塗布・硬化させたものからなることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載のＬＥＤバックライト用光学部材。
【請求項１０】
請求項１から９の何れか１項記載のＬＥＤバックライト用光学部材と、前記ＬＥＤバックライト用光学部材の回折格子が配置された面に面して配置された複数のＬＥＤを配列した光源と、前記ＬＥＤバックライト用光学部材の突起、拡散パターン又は微小レンズ面が配置された面から射出した照明光の光路中に配置された透過型液晶表示素子とを備えてなることを特徴とする液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤバックライト用光学部材に関し、特に、液晶表示装置等の透過型表示装置を背面から光源としてＬＥＤを用いて照明するバックライト等に使用される導光板及び面光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表示装置として液晶表示装置（ＬＣＤ）は、既存のＣＲＴ方式の表示装置に比較し、薄型軽量であり、現在広く普及しつつある。ＬＣＤは自発光型の表示装置ではないため、別途これを照明する光源を配置する必要がある。低消費電力化や表示の明るさ向上といった要求が高まる中、この光源からの照明光をいかに効率良くＬＣＤに照射させるかが大きな課題となってきている。
【０００３】
また、従来、光源として冷陰極管（ＣＣＦＬ）が主流であったが、色再現性、小型化、低消費電力化に優れた発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源に用いたものが市場にも導入されてきている。ＬＥＤの利用は、現在は、主に小型ＬＣＤ用途においての採用が多いが、今後、中大型ＬＣＤに対しても採用が進むと考えられている。
【０００４】
しかし、特にＲＧＢ各色のＬＥＤを交互に並べてＬＣＤ用バックライトとして用いる場合、混色させて白色化する必要があり、これを適切に行わないと、面内で色むら、輝度ムラが発生することとなる。
【０００５】
従来、この混色を行うためにはＬＥＤアレイと導光板との間に十分混色できるスペースを設けたり、直下型においてはコーン状のミラーをＬＥＤ上部に配置し広範囲に光を拡散させる等の工夫が必要であった。
【０００６】
特許文献１には、点光源であるＬＥＤを使用したときにより均一な面光としてＬＣＤを照明させるレンズが開示されている。この特許文献１に記載の発明では、各ＬＥＤの上部にじょうご形状のレンズを設置することで、ＬＥＤからの光をまず水平方向に拡散させ、他のＬＥＤからの光と十分に混合させた後にＬＣＤを照明するようにしている。
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の発明は、上記レンズが複雑な形状をしており、設計及び製造が困難であるという問題があった。
【０００８】
また、一度水平方向へ伝播させた光をＬＣＤ方向へ立ち上げるため、光の利用効率が低下してしまうという問題があった。
【０００９】
また、導光板タイプにおいて、混色させる手法として、非特許文献１に記載されているように、本来の導光板の裏面端部に折返し部を設け、ＬＥＤアレイは裏面に配置し、ＬＥＤからの光は裏面から折り返して導光板に入り、その間のパスの中で色が混ぜ合わされるものを紹介している。
【００１０】
しかしながら、この構成では、バックライト全体が厚くなり、携帯して使用するノートＰＣ等の用途では非常に不具合を生じる。
【特許文献１】特開２００３−８０６８号公報
【特許文献２】特開平１１−３２９０３０号公報
【非特許文献１】ＳＩＤ(Society For Information Display) 2003,43.3 "High-efficiency Slim LED Backlight System with Mixing Light Guide”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は従来技術のこれらの課題を解消するためになされたものであり、その目的は、ＬＥＤアレイのＲＧＢ色を混色させて白色化するために余分な光学的なパスを設ける必要がなく、小型化でき、バックライト効率を向上させることが可能なＬＥＤバックライト用光学部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成する本発明のＬＥＤバックライト用光学部材は、複数のＬＥＤを配列した光源に近接して配置される導光板を備え、前記導光板のＬＥＤ配列に面した面には回折格子が配置され、前記導光板の前記回折格子とは反対側の面には飛び飛びに突起、拡散パターン又は微小レンズ面が配置されており、前記回折格子によって前記ＬＥＤ配列からの光が回折されて前記導光板内を全反射により導波され、前記導光板の前記回折格子とは反対側の面に配置された前記突起又は微小レンズ面によって前記導光板の前記回折格子とは反対側の面から外に射出されることを特徴とするものである。
【００１３】
この場合、前記回折格子として体積型ホログラムを使用することが好ましい。
【００１４】
そして、前記回折格子として、ＬＥＤ配列を構成するＬＥＤから発光される各波長に対応した複数の体積型ホログラムを積層してなる回折格子を用いることが好ましい。
【００１５】
また、前記導光板の端面には導波光を反射させる反射層が設けられていることが望ましい。
【００１６】
また、前記導光板の前記回折格子とは反対側の飛び飛びに突起が配置されている面の突起間の隙間には、平坦部が形成されていることが望ましい。
【００１７】
また、前記導光板の前記回折格子とは反対側の面に飛び飛びに配置されている突起は、例えば断面三角形又はその頂部を切り取った台形の形状のプリズムである。
【００１８】
また、前記導光板、前記突起の少なくとも一方の中に拡散剤を混入してもよい。
【００１９】
また、前記導光板の前記回折格子とは反対側の面に配置された前記拡散パターンは、前記導光板の表面に設けた微細な凹凸拡散面から構成することができる。
【００２０】
あるいは、前記導光板の前記回折格子とは反対側の面に配置された前記拡散パターンは、微細なビーズを混入した樹脂を該面にパターン状に塗布・硬化させたものから構成することができる。
【００２１】
本発明は、以上のようなＬＥＤバックライト用光学部材と、前記ＬＥＤバックライト用光学部材の回折格子が配置された面に面して配置された複数のＬＥＤを配列した光源と、前記ＬＥＤバックライト用光学部材の突起、拡散パターン又は微小レンズ面が配置された面から射出した照明光の光路中に配置された透過型液晶表示素子とを備えてなる液晶表示装置を含むものである。
【発明の効果】
【００２２】
上記の本発明のＬＥＤバックライト用光学部材によれば、ＬＥＤアレイのＲＧＢ色を混色させて白色化するために余分な光学的なパスを設ける必要がなく、小型化でき、バックライト効率を向上させることが可能なＬＥＤバックライト用光学部材を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明のＬＥＤバックライト用光学部材は、ＬＥＤアレイと導光板又は拡散板との間に挿入するだけで、ＬＥＤアレイのＲＧＢ色を効率良く混色させて白色化することが可能な光学部材であり、回折格子と拡散パターン又はプリズム形状とを上下に配置してなる光学部材である。以下、この本発明のＬＥＤバックライト用光学部材を実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
図１は、導光板型バックライトに本発明の光学部材を適応した液晶表示装置の１実施例の要部の上面図であり、図２は図１の配置の液晶表示装置全体を横から見た側面図である。この実施例は、通常の透過型液晶表示素子（液晶パネル）２０の背面にパネル用導光板１１が配置され、そのパネル用導光板１１の一端１２から照明光を導入して、パネル用導光板１１の前面１３から照明光を一様に射出させて液晶パネル２０を照明する導光板型バックライトの光源部に本発明の光学部材を用いた実施例である。
【００２５】
この実施例においては、それぞれ赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を発光するＲ発光ＬＥＤ２Ｒ、Ｇ発光ＬＥＤ２Ｇ、Ｂ発光ＬＥＤ２Ｂを周期的に１列に配列したＬＥＤアレイ１に近接して平行に導光板３を配置する。この導光板３のＬＥＤアレイ１に面した面には回折格子４が配置され、導光板３の回折格子４とは反対側の面には多数の微細な例えば断面二等辺三角形形状の三角プリズム５が相互に離間して配置されている。また、導光板３の周囲の端面には導波光を端面で反射させて有効に利用するための反射層６が設けられている。このように、導光板３に回折格子４、三角プリズム５、反射層６を配置してＬＥＤバックライト用光学部材９が構成されている。
【００２６】
そして、この実施例の場合、導光板３の三角プリズム５が配置されている側の前方には、パネル用導光板１１の一端１２が面するようにパネル用導光板１１が配置され、そのパネル用導光板１１の前面にプリズムシート２１、他の光学部材２２等を介して液晶パネル２０が配置されている。
【００２７】
本発明の１実施例のＬＥＤバックライト用光学部材９はこのような構成であるので、ＬＥＤアレイ１の各ＬＥＤ２Ｒ、２Ｇ、２Ｂから発光されたそれぞれＲ、Ｇ、Ｂの光１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは、導光板３の回折格子４に入射して導光板３の表面に対して臨界角以上の角度になるように導光板３内へ回折される。その回折されたＲ、Ｇ、Ｂの光１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは、このように導光板３の表面に対して臨界角を越えるような角度であるので、導光板３内を全反射を繰り返しながら図１の左右へガイドされる光として導波されるようになる。
【００２８】
導光板３の回折格子４とは反対側の表面には、この実施例の場合、飛び飛びに三角プリズム５が配置されていので、導光板３内を導波されている光の中の一部の光は三角プリズム５の斜面からパネル用導光板１１の一端１２に向かって射出する。導光板３の回折格子４とは反対側の表面には三角プリズ５と導光板３の表面の平坦部７とが交互に存在するので、光は導光板３内を導波される従い除々に全ての光がパネル導光板１１側へ射出されることになる。
【００２９】
上記のＲ、Ｇ、Ｂの光１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂに対しては、何れも同様に作用するので、導光板３から射出されるまでの間に互いに略均一に混ざり合って白色光１０Ｗとなってから、パネル用導光板１１の一端１２に入射させることが可能となる。
【００３０】
ここで、回折格子４の種類としては、角度選択性を有するものが望ましい。例えば体積型回折格子あるいは体積型ホログラムが適当である。
【００３１】
そして、ＬＥＤ２Ｒ、２Ｇ、２Ｂからの光１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの波長を選択的に回折する３つの体積型ホログラムを積層してなる３層の体積型ホログラムから回折格子４を構成すると、異なる波長の光１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂを効率良く導波光として導光板３に導入することができる。
【００３２】
なお、パネル用導光板１１から後の構成は一般に知られた構成と同じで構わないが、この実施例では、照明側から、パネル用導光板１１、プリズムシート２１、他の光学部材２２、液晶パネル２０の順に配置され、パネル用導光板１１は、その一端１２から入射した光１０Ｗをウエッジ状になっている表面１３と裏面１４の間で多重反射させながら、表面１３から斜めに射出させるものであり、プリズムシート２１は、例えば特許文献２に記載されているように、パネル用導光板１１から斜めに射出された光１０Ｗを液晶パネル２０の正面方向に向けるためのものであり、他の光学部材２２は商品名ＢＥＦ、ＤＢＥＦ（住友スリーエム（株））等として知られている照明光の角度分布を狭くして輝度を向上させるプリズムシート等である。
【００３３】
なお、導光板３の回折格子４とは反対側の表面には、その中を導波されている光１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂを除々にパネル導光板１１側へ射出させる手段として、三角プリズム５の代わりに、飛び飛びの拡散パターンや飛び飛びの微小レンズ面を用いてもよい。
【００３４】
図３は、上記実施例の構成のＬＥＤバックライト用光学部材９を直下型バックライトに適応した場合の実施例の側面図である。この例において、ＬＥＤバックライト用光学部材９は図１の場合と同様であり、導光板３の三角プリズム５が配置されている側の前方に、拡散板２３を介して直接に液晶パネル２０を略平行に配置している。ただし、この構成では、図４にバックライト部の斜視図を示すように、ＬＥＤアレイ１とＬＥＤバックライト用光学部材９の組は１列でなく、液晶パネル２０の表示面をカバーするように、例えば平行に複数列に配置して全パネル面を覆うようにすることが望ましい。
【００３５】
なお、本発明のＬＥＤバックライト用光学部材９としては、導光板３の回折格子４とは反対側の面に、三角プリズム５の代わりに、図５に示すように、飛び飛びの拡散パターン８を設けてもよい。ここで、拡散パターン８は、導光板３の回折格子４とは反対側の平面に拡散パターン８に対応する領域のみに微細な凹凸拡散面を設けて構成してもよいし、凹凸形状を得るために、屈折率が近似した微細なビーズを樹脂に混入し、これを導光板３の回折格子４とは反対側の平面の拡散パターン８に対応する領域に塗布・硬化させてもよい。
【００３６】
さらに、本発明のＬＥＤバックライト用光学部材９内でのＲ、Ｇ、Ｂの光１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの混色度合いを高めるために、導光板３と三角プリズム５の少なくとも一方にの中に白色微粒子等の拡散剤を混入するようにしてもよい。
【００３７】
なお、図５は、このＬＥＤバックライト用光学部材９を図３のような直下型バックライトに適応させるために、ＬＥＤアレイ１とＬＥＤバックライト用光学部材９の組を平行に複数列配置して全パネル面を覆うようにした場合のバックライト部の斜視図である。
【００３８】
以上のように、本発明により、ＬＥＤアレイのＲＧＢ色を混色させて白色化するために余分な光学的なパスを設ける必要がなく、小型化でき、バックライト効率を向上させることが可能なＬＥＤバックライト用光学部材を実現することができる。
【００３９】
なお、以上の説明では、導光板３の回折格子４とは反対側の表面に飛び飛びに配置して、導光板３内を導波されている光を射出する突起部材として三角プリズム５を用いるようにしているが、その他の断面台形状の突起や円錐状、角錐状、あるいは、円錐台状、角錐台状、屋根状等、各種の突起部材を用いることができる。
【００４０】
次に、本発明のＬＥＤバックライト用光学部材の具体的な実施例について説明する。
【００４１】
〔実施例１〕
実施例１は、混色用導光板の下面に体積型ホログラムを、上面にはプリズムアレイを配置した構成である。
【００４２】
以下に、そのホログラム、プリズムアレイの仕様を示す。
（ホログラム）
・ホログラム記録光学系：ホログラム記録媒体（フォトポリマー）の面に対して入射角０°と５０°（屈折率ｎ＝１．５０の媒質中での入射角）の２つの平行光束を入射させて干渉させた。
・屈折率変調Δｎ：ホログラム記録媒体中の記録された干渉縞の屈折率変調Δｎは０．０４であった。
・感材厚み：ホログラム記録媒体の厚さは５μｍであった。
・記録波長：干渉縞記録のための２つの平行光束の波長は５３２ｎｍであった。
（プリズムアレイ）
・側面傾斜角度：導光板の上面に対するプリズムの斜面の傾斜角度は８２°であった。
・プリズムのピッチ：プリズムの繰り返しピッチは０．２５ｍｍであった。
・プリズム高さ：断面二等辺三角形形状の三角プリズムの頂部はカットされ台形状にされており、その台形の高さは０．１２５ｍｍであった。
・プリズムの底辺の長さ：台形状のプリズムの底辺の長さは０．１２５ｍｍであった。したがって、プリズム間の平坦部の長さも０．１２５ｍｍであった。
【００４３】
導光板としては、アクリル樹脂からなる１．０ｍｍの厚板を使用した。
【００４４】
このアクリル板に対して紫外線硬化樹脂を塗布し、上記プリズムアレイの形状を形成してある金型をその紫外線硬化樹脂に押し付け、アクリル板の裏面側より紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化させ、その後金型を剥離して、プリズムアレイ形状を賦形した。
【００４５】
ホログラムについては、上記条件で作製したホログラムをアクリル板のプリズム成型面と反対側にやはり紫外線硬化型樹脂を用いて貼り合わせ、本実施例のＬＥＤバックライト用光学部材を完成させた。
【００４６】
図６に、そのＬＥＤバックライト用光学部材９の断面と、そのホログラム（回折格子）４側の面の前方に配置したＬＥＤ２から発した波長５５０ｎｍの光が導光板３内に入り導波され、導光板３内を導波される従いプリズム５の斜面からで除々に全ての光が射出される様子とを示す。この場合のＬＥＤ２からの中心光線の導光板３内での角度は５１°（導光板３の面に対する角度）で、プリズム５から空気中への射出角度は２０°となっている。なお、この場合の光路は光線追跡による。
【００４７】
そして、ＬＥＤアレイのＲ、Ｇ、ＢのＬＥＤのピーク波長は、それぞれおよそ６２５ｎｍ、５４０ｎｍ、４６０ｎｍにピークを持つものを使用した。このそれぞれの波長における回折角度は４１．５°、５１．０°、６４．２°（媒質中) であった。
【００４８】
このＬＥＤバックライト用光学部材９を、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のＬＥＤが独立して配列されたＬＥＤアレイの直上に配置したところ、各色が略均一に混ざり、白色化してプリズム５を設けた面から略均一な輝度で射出することが確認できた。
【００４９】
この実施例のＬＥＤバックライト用光学部材９を用いることにより、不要に長い光学パスを必要とせずに、ＲＧＢ各色のＬＥＤからの光を白色化してバックライトとすることが可能となった。
【００５０】
〔実施例２〕
実施例２では、ホログラム、導光板は実施例１と同じものを使用し、上面のプリズムアレイの代わりに、拡散パターンを形成した構成である。
【００５１】
アクリル板上面に拡散層をパターニングするために、スクリーン印刷法を用いてドットパターンを印刷した。印刷するインクとしては、紫外線硬化型樹脂に拡散ビーズを混入させたものを使用した。ドットパターンは直径０．２ｍｍ、そのドットパターンの導光板上面全体面積に対する面積比率としては５０％とした。
【００５２】
導光板に実施例１と同様にホログラムを貼り合わせ、本実施例のＬＥＤバックライト用光学部材を完成させた。
【００５３】
このＬＥＤバックライト用光学部材を、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のＬＥＤが独立して配列されたＬＥＤアレイの直上に配置したところ、各色が略均一に混ざり、白色化して拡散パターンを設けた面から略均一な輝度で射出することが確認できた。
【００５４】
この実施例のＬＥＤバックライト用光学部材を用いることにより、不要に長い光学パスを必要とせずに、ＲＧＢ各色のＬＥＤからの光を白色化してバックライトとすることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】導光板型バックライトに本発明の光学部材を適応した液晶表示装置の１実施例の要部の上面図である。
【図２】図１の配置の液晶表示装置全体を横から見た側面図である。
【図３】図１の実施例の構成のＬＥＤバックライト用光学部材を直下型バックライトに適応した場合の実施例の側面図である。
【図４】図３の実施例のバックライト部の斜視図である。
【図５】三角プリズムの代わりに飛び飛びの拡散パターンを設けた場合の図４と同様の図である。
【図６】本発明の実施例１のＬＥＤバックライト用光学部材の断面と、その中に導入され射出される光の様子とを示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…ＬＥＤアレイ
２…ＬＥＤ
２Ｒ…Ｒ発光ＬＥＤ
２Ｇ…Ｇ発光ＬＥＤ
２Ｂ…Ｂ発光ＬＥＤ
３…導光板
４…回折格子
５…三角プリズム
６…反射層
７…平坦部
８…拡散パターン
９…ＬＥＤバックライト用光学部材
１０Ｒ…Ｒの光
１０Ｇ…Ｇの光
１０Ｂ…Ｂの光
１０Ｗ…白色光
１１…パネル用導光板
１２…パネル用導光板の一端
１３…パネル用導光板の前面
１４…パネル用導光板の裏面
２０…透過型液晶表示素子（液晶パネル）
２１…プリズムシー
２２…他の光学部材
２３…拡散板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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