(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードと、該発光ダイオードが配置されている底部を有する導光板とを備えたバックライトであって、
前記発光ダイオードは、前記底部のほぼ中心に、前記バックライトの発光方向と前記発光ダイオードの発光方向とを一致させて配置されており、
前記導光板は、前記底部と対向し、前記バックライトの発光方向と前記発光ダイオードとの発光方向にある面を発光方向の面としており、
該発光方向の面は、中心に２次曲面が設けられており、該２次曲面は、表面が２次曲面の凹部を設けることで設けられており、
前記底部は、前記中心から前記導光板の外周に向かって進むにつれて、前記発光方向の面に近づくと共に、前記発光ダイオードから出射され前記凹部によって反射された光を前記発光方向の面へ反射するプリズム状のグルーブが設けられていることを特徴とするバックライト。
【請求項２】
前記プリズム状のグルーブは、前記導光板の外周方向に、前記発光方向の面に対して平行に延びる面と、該延びる面に対して前記外周方向に進むにつれて前記発光方向の面に近づきながら傾斜している傾斜面とが、交互に連続して接続した階段形状であることを特徴とする請求項１に記載のバックライト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示装置等の受光型表示装置のバックライトに関し、特に携帯電話ＰＤＡ等の小型液晶ディスプレイ等に用いる、光利用効率及び照明光の指向性を高めたバックライトに関する。
【背景技術】
【０００２】
近来、蛍光表示管に比べ、寿命が長い、バックライト光の色度調整が容易等の利点があるため発光ダイオード（以下ＬＥＤと略記する）を光源としたバックライトが用いられ始めている。
図４は発光ダイオード（以下ＬＥＤと略記する）を用いたサイドライト型バックライトの従来例を示す図で、（ａ）が平面図、（ｂ）が側面図である。
図４におけるバックライトは、複数のＬＥＤ光源４０を略直方体の導光板４２の側面に配置し、該ＬＥＤ光源４０の出射光が導光板４２に入射し、導光板内で屈折を繰り返して伝播される。該伝播を繰り返すうちに、光の進行方向と導光板４２の面とがなす角度が臨界角よりも小さくなり、導光板から光が出射する。導光板４２から出射した光は、一般に表示装置とバックライト間に置かれたプリズムシートによって屈曲され表示装置側へと導かれる。  なお、図４（ａ）における点線はグルーブを示している。
このようにバックライトを薄型化するためＬＥＤ光源を導光板の側面に置くのが一般的になっていた。
なお以下の図において、同様の部材には同様の番号を付している。
【０００３】
しかしサイドライト型バックライトには特有の問題点がある、その状況を図５を用いて説明する。
図５は従来のサイドライト型バックライトの第１の問題点を説明する図で、ＬＥＤ光源４０の出射光４１は導光板４２に入射し、大部分の入射光は導光板４２の上面とグルーブ４４を設けた導光板４２の下面を屈折しながら伝播される。しかし図５に斜線で示した光４６のように、導光板４２の上下面に到達せずにそのまま導光板４２を透過してしまう光が存在する。この光はＬＥＤの出射光４１中で最も強度が強く、結果としてＬＥＤ４０の光量に対するバックライトの光利用効率を悪いものにしてしまう。
また導光板４２の右側端面４３に反射層を設けて光４６を反射して導光板４２内に戻したとしても、該反射層での反射時の光損失が問題となり、バックライトの光利用効率を悪化させる方向に変わりはない。
【０００４】
ＬＥＤを直下型バックライトの光源に用いるという提案はあまりないが、上部におかれた液晶表示装置を照明するバックライトにおいて、光源の光が外部に漏れないように反射する反射板を設け、光源はバックライトの直下もしくはサイド部に設けて該光源と前記液晶表示装置との間にハーフミラーを置き、該ハーフミラーの透過率と反射率と部分的に異ならせることにより、バックライト全面の輝度を一定に、すなわち輝度ムラを抑止するという提案はある（例えば特許文献１参照）。
このような手法はバックライトの輝度ムラを抑止するには一定の効果があるが、ハーフミラーは光の吸収が大きく、また反射板も光を反射する毎に一部の光を吸収してしまうという問題がある。本願は図４で説明したような導光板端面での反射ですら、光利用効率の低下と問題にしており、さらにハーフミラーを用いて大幅に光利用効率を低下させてしまうという特許文献１の提案は、本発明で目的とする光利用効率の向上とはかけ離れたものである。
【０００５】
図６は従来のサイドライト型バックライトの第２の問題点を説明する図である。
図６（ａ）は図４に示したような従来のバックライトの光学特性を表したグラフで、図６（ｂ）は座標軸を説明する図である。
図６（ｂ）に示すように、座標軸は導光板４２の平面に対して縦軸方向をＸ軸、横軸方向をＺ軸、導光板４２上面に垂直な方向で、Ｘ軸およびＺ軸と直交する軸をＹ軸とする。かつ導光板４２から照明光が出射される方向Ｙ’とＹ軸とが成す角を光放射角度θとする。
このように座標軸を定めて従来のバックライトの光学特性をグラフ化すると図６（ａ）のようになる。
図６（ａ）における横軸は光放射角度θで、縦軸は光強度の相対値であり、図のθ＝０の左側はＸ−Ｙ平面における照明光の方向と照明光の強度の関係、θ＝０の右側はＺ−Ｙ平面における照明光の方向と照明光の強度の関係を示している。したがって横軸がθ＝０の点は導光板４２と直交する方向の照明光強度を示しており、θ＝９０の点は導光板４２の面と平行な方向の照明光強度を示している。
図６（ａ）のグラフが示すように従来のバックライトはＸ−Ｙ平面での特性４６、Ｚ−Ｙ平面での特性４８ともに、導光板４２の表面に対して垂直な方向の光が最も強いものの、例えば垂直方向から３０°の角度の光も垂直方向光の６０％程度の光強度を有しており、光の指向性が不十分であった。
【０００６】
図７はバックライトの特性を説明するために設けた参考図で、図６（ａ）と同様の座標軸を用いている。
図７（ａ）は理想的な指向性を有した場合の特性を示しており、Ｘ−Ｙ平面での特性、Ｚ−Ｙ平面での特性ともに５０で示したように、すべての光がθ＝０である導光板の面に対して垂直な方向となっている。
図７（ｂ）は全く指向性がない場合の特性で、Ｘ−Ｙ平面での特性５２、Ｚ−Ｙ平面での特性５４ともに、導光板の面に対する各角度での光強度が一定となってしまっている。
本発明は図７（ａ）に示した特性５０に近い特性を持ったバックライトを実現することを目的としている。
【０００７】
また、表示装置においては情報漏れを防ぐため、左右方向の視野角を出来る限り狭くするということが必要な用途もある。
図８は表示装置の左右方向の視野角を狭くする一手段を示した図で、図８（ａ）が表示基板の斜視図、（ｂ）が側面図である。
図８において表示装置は液晶表示装置であり、該液晶表示装置は下方からバックライト６１で照明され、液晶パネルの基板６０上の各列毎には光吸収部材性の遮光部材６２が設けられている。
バックライト６１の照明光６３は液晶パネルの基板６０を透過し、そのうちバックライト６１の表面に垂直だった光６６及び垂直に近かった光６８は遮光部材６２に遮られることなく通過し視認される光となるが、垂直方向から傾いた光６４，６６は遮光部材６２に吸収されてしまう。このようにして表示装置の左右方向の視野角を狭くしており、視野角の広さは遮光部材６２の高さｈで設定するという手段がある。
【０００８】
このような表示装置においては、バックライト６１の表面に垂直だった光もしくは垂直に近かった光のみが視認光となりその他の光は吸収されて損失となってしまうため、バックライト６１の垂直方向指向性が高くないと、バックライトを含めた表示装置の光利用効率が大きく落ちてしまうという問題もあった。
【０００９】
【特許文献１】特開平６−２６５８８５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
解決しようとする課題はバックライトの光利用効率を高めることと、垂直方向の指向性を上昇させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のバックライトは、発光ダイオードと、該発光ダイオードが配置されている底部を有する導光板とを備えたバックライトであって、前記発光ダイオードは、前記底部のほぼ中心に、前記バックライトの発光方向と前記発光ダイオードの発光方向とが一致するように配置されており、前記導光板は、前記底部と対向し、前記バックライトの発光方向と前記発光ダイオードとの発光方向にある面を、発光方向の面としており、該発光方向の面は、中心に２次曲面が設けられており、該２次曲面は、表面が２次曲面の凹部を設けることで設けられており、前記底部は、前記中心から前記導光板の外周に向かって進むにつれて、前記発光方向の面に近づいており、前記発光ダイオードから出射され前記凹部によって反射された光を前記発光方向の面へ反射するプリズム状のグルーブが設けられていることを特徴とする。
【００１２】
また本発明のバックライトは、前記プリズム状のグルーブは、前記導光板の外周方向に、前記発光方向の面に対して平行に延びる面と、該延びる面に対して前記外周方向に進むにつれて前記発光方向の面に近づきながら傾斜している傾斜面とが、交互に連続して接続した階段形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光利用効率が高くしたがって輝度が高く、指向性が狭いバックライトを実現することが出来る。
【００１４】
またバックライトの光利用効率が高くなるため、液晶表示装置に従来と同じカラーフィルターを用いれば、従来と同じ消費電力で画面を明るくすることが出来るし、従来よりも濃いカラーフィルターを用いれば、従来と同じ消費電力で従来の明るさを保ちながら色再現性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のバックライトは、導光板のほぼ中心に、バックライトの発光方向と発光ダイオードとの発光方向とが一致するように発光ダイオードを配置し、かつ導光板の中心に２次曲面を設けた。また前記導光板の発光方向の面に、表面が２次曲面の凹部を設けることで前記２次曲面を実現した。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明によるバックライトの実施例図で、図１（ａ）が平面図、図１（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明によるバックライトは、導光板１０のほぼ中心に、バックライトの発光方向（上方）とＬＥＤとの発光方向（上方）とが一致するようにＬＥＤ１４を配置し、かつ導光板１０の底部にはプリズム状のグルーブ１２を設け、中心部に２次曲面１６を設けている。該グルーブ１２は図１（ａ）の点線で示すように、同心円状に設けられている。
また、導光板１０の発光方向の面に、表面が２次曲面１６の凹部１７を設けることで導光板１０上の２次曲面１６を実現している。
なお凹部１７は円錐上であり、したがってＢ−Ｂ’断面もほぼ図１（ｂ）と同様の形状の凹部を有する。
【００１７】
本発明によるバックライトにおける光源光の軌跡を図２を用いて説明する。
図２において、ＬＥＤ光源１４から上方に向けて出射された、屈折されたことのない０次光１８は、導光板１０に入射されて若干角度を変えた光２０となった後２次曲面１６に達する。ここで導光板１０の２次曲面１６から直接出射する光２４と２次曲面で屈折する光に分かれ、該屈折した光は左方に進んで導光板１０の底面で屈折されて出射する光２２となる。図示した他の光も同様に進行する。ここで２次曲面１６においては、一部の光は出射し、一部の光は屈折するよう角度を設定する。ＬＥＤ１４からの０次光は非常に強い光であるためこのような設定も可能になる。
また、ＬＥＤ１４は点光源であり０次光は非常に強い光であるため、導光板全体の輝度を一定にするためには、これを弱め導光板のあらゆる方向へ光を分配する必要があり、このため２次曲面が設けられている。２次曲面の形状、導光板底面のグルーブ形状を具体的にどう設定するかは設計上決めればよい。
【００１８】
本発明のバックライトにおいては、ＬＥＤから出射された０次光とバックライトの出射光との方向が一致しているため、非常に強い０次光を有効に照明光とすることが出来、光利用効率を大幅に高めることが出来る。この点がサイドライト型のバックライトに対する顕著な効果となっている。
また、線光源である蛍光表示管の場合は、蛍光表示管を分散して配置することにより、比較的容易に輝度の均一性が得られたが、点光源であるＬＥＤの場合は本発明のように導光板中に２次曲面を設けることで、ＬＥＤを分散配置しないでも輝度の均一性を得ることが出来た。
さらに、導光板底面のプリズム状のグルーブで光の出射角度を設定出来るため、バックライトの出射光の指向性を高めることが出来た。
【００１９】
図３は本発明によるバックライトによって得られた光学特性を示した図である。
図３は図６（ａ）、図７と同様な座標軸上に描いた光学特性であるが、Ｘ−Ｙ平面での特性２６、Ｚ−Ｙ平面での特性２８ともに、図６（ａ）と比べると光放射角度θが０°の近傍に出射光が集中している。このように本発明によるバックライトの特性は、理想とする図７（ａ）の特性に近似した、垂直方向への指向性が高いものとなっている。
このように、本発明のバックライトは指向性を狭くすることが出来たので、従来と同じ消費電力でバックライトの輝度を高めることが出来る。
また従来よりも濃いカラーフィルターを用いれば、従来と同じ消費電力で従来の明るさを保ちながら色再現性を高めることができる。
さらに、図８で説明したような左右方向の視野角を狭くする手段を用いた表示装置のバックライトとして用いると大幅に光利用効率を高めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明によるバックライトの実施例図である。
【図２】本発明によるバックライトにおける光源光の軌跡を説明する図である。
【図３】本発明によるバックライトによって得られる光学特性を示した図である。
【図４】発光ダイオードを用いたサイドライト型バックライトの従来例を示す図である。
【図５】従来のサイドライト型バックライトの第１の問題点を説明する図である。
【図６】従来のサイドライト型バックライトの第２の問題点を説明する図である。
【図７】バックライトの特性を説明するために設けた参考図である。
【図８】表示装置の指向性を上昇させるための一手段を示した図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０  導光板
１４  発光ダイオード
１６  ２次曲面
１７  表面が２次曲面の凹部
２４  ２次曲面における出射光
２２  ２次曲面における屈折光
【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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【図７】
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【図８】
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