JP3828402B2

JP3828402B2 - 背面照明装置およびこれを用いた液晶表示装置並びに液晶表示装置の照明方法

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Publication number: JP3828402B2
Application number: JP2001342850A
Authority: JP
Inventors: 斉谷口; 康夫日良; 鉄男鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2021-11-08
Also published as: US6700634B2; CN1417625A; JP2003140150A; KR20030038294A; US20030086030A1; KR100517089B1; CN1213332C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は背面照明装置（バックライト）等の液晶表示装置用部材およびこれを用いた液晶表示装置及び液晶表示装置の照明技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯情報端末や携帯電話の小型化、低価格化、低消費電力が推進され広く普及している。これらの表示装置には、通常反透過型液晶表示装置が用いられている。これは、日中野外における視認性と、暗所における視認性を両方備える必要がある為である。携帯情報端末や携帯電話のカラー化や動画対応に伴い、このような表示装置の背面照明装置としての光源は、輝度が高くしかも輝度斑がなく平面全体を照明する必要がある。
【０００３】
従来の携帯情報端末や携帯電話の小型液晶表示素子用の背面照明装置としては、図２に示すものがある。
図２は従来の背面照明装置を示す斜視図である。図に示すように、光源１として消費電力や実装スペースなどの点から主に発光ダイオードが用いられ、これを透過性材料からなる導光板２の端面に配し、導光板の下面及び上面に光を反射、透過、散乱させるドット３及び光を反射させる反射板４、導光板２の上面に照明面の輝度を面全体に渡って均一化するための光散乱効果を有する乳白色の合成樹脂からなる拡散板５が設けられている。更にその上面には、拡散光をある程度収束して、表示装置の正面の輝度を向上させるための第１のプリズムシート６、第２のプリズムシート７が配置されている。なお、９は光源１からの出射光である。導光板２の光源１が配置される近傍部分は明暗の部分が存在するため、フレーム（図示せず）で目隠ししている。
【０００４】
しかし、光源１である発光ダイオードは、点光源であるため表示面の光源１の近くに輝度斑が出てしまい表示品位を劣化させるという問題がある。こうした表示面の輝度斑を少なくするためには、光源１の発光ダイオードの数を増加させる、光源１と表示面の距離を長くする等の対策がある。しかし、光源１を増加させれば消費電力やコストが大きくなり、光源１と表示面の距離を長くすれば、表示エリアが減少してしまう問題がある。
【０００５】
さらに、上記問題を回避する従来技術としては、特開平９−２５９６２３号公報、特開２００１−１１０２２４号公報、特開２００１−１３５１２１号公報に示すように、導光板の光導入部の形状を工夫して、輝度斑を低減することが知られている。しかし、発光ダイオードや導光板の取り付け精度が要求されること、光導入部からの光が広がる為に輝度が低下すること、表示エリアが狭くなること、バックライトの設計自由度が減少すること、光学設計が困難であること、金型製造が困難であること等の問題がる。
一方、特開平１１−２４９５７９号公報に示すように、点光源を線光源化する導光体を用いて、輝度斑を低減する従来技術が知られている。しかし、点光源を線光源化する導光体の効率が低く、輝度が低下することや部品点数が増加してコストが高くなるなどの問題がある。
【０００６】
さらに、特開平８−２５４６１８号公報に示すように、導光板の光導入面にプリズムを形成し輝度斑を低減する従来技術が知られている。しかし、輝度斑防止効果は十分とは言えず光源からの輝線が発生すること、入光面にプリズムを形成するのは金型の製造の点から困難であること、さらに、斜面部で光を反射させる時に全反射でなくさらに光源に戻る光が多く輝度が低い等の問題がある。
また、特開平２０００−２９９０１２号公報に示すように、導光板の側面の形状を工夫して、輝度斑を低減する従来技術が知られている。しかし、光学設計が困難であること、導光板の固定が困難であること、バックライトの設計自由度が減少すること、金型製造が困難であること等の問題がる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では、輝度斑は減少できるがそれに伴い様々な問題が生じる欠点があり、これを解決することは困難である。
【０００８】
本発明の目的はこのような現状を打開するためになされたもので、従来の欠点を改善して、輝度斑の低減を図ることのできる背面照明技術を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的を達成するために、液晶表示装置は、導光板、該導光板の側面に配置された光源、該導光板の上面及び下面の一方の該光源近傍に形成され、光を該導光板の面に沿って拡散しながら該面の方向に伝達する光指向性拡散素子を有する背面照明装置と、液晶素子とを備え、該背面照明装置から出射された光を該液晶素子に照射するように構成されている。
【００１０】
光指向性拡散素子はホログラム素子、回折格子、シリンドリカルレンズアレー、またはマイクロレンズアレーである。
ホログラム素子の場合、素子高さが３〜３０μｍ、素子高さ÷素子間隔が０．１５以上とする。回折格子の場合、回折格子の高さが３〜３０μｍ、格子高さ÷格子間隔が０．１５以上とする。シリンドリカルレンズアレーの場合、レンズ高さが３〜３０μｍ、レンズ高さ÷格子間隔が０．１５以上、レンズ断面形状が楕円の一部、レンズ間の平坦部の長さが２〜１０μｍとする。マイクロレンズアレーの場合、マイクロレンズ平面形状を、円形又は楕円形又は六角形又は四角形又は角丸四角形として、そのレンズ高さを３〜３０μｍ、レンズ高さ÷レンズ間隔が０．１５以上とする。
【００１１】
さらに、導光板の該光源の近傍を除く上面及び、または下面に、光源からの光を光出射面方向にその進行方向を変化させるための複数の小凸部あるいは小凹部からなるマイクロドットを成型し、且つホログラム素子高さまたは回折格子の格子高さまたはクロレンズのレンズ高さとドット高さ（深さ）が実質的に同一とする。
【００１２】
マイクロドットの平面形状は、楕円形もしくは角丸四角形として、長径（長辺）の長さが２０〜１００μｍ、長径÷短径の値が１〜５、該ドットの断面形状が楕円の一部、ドット高さが３〜３０μｍとする。さらに、必要に応じてドットの数及びまたは形状及びまたは大きさを変化させることにより、輝度分布の均一化を図る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、実施例を用い、図を参照して説明する。
図１は本発明による背面照明装置の第１の実施例を示す斜視図である。図に示すように、導光板２の上面及びまたは導光板２の下面の光源近傍にホログラム素子、回折格子、シリンドリカルレンズアレー、またはマイクロレンズアレー等の光指向性拡散素子８を形成する。なお、本実施例において、導光板２の上面及び、または導光板２の下面における光源１の近傍とは、導光板２の上面及び又は導光板２の下面で光源１からの距離が６ｍｍ以下の領域で液晶表示装置に組み立てた時に液晶素子の表示部分と重ならない領域をいう。
導光板２の上面及び、または導光板２の下面の光源１の近傍にホログラム素子、回折格子、シリンドリカルレンズアレー、またはマイクロレンズアレー等から構成さえる光指向性拡散素子８を必要以上に形成すると光が広がりすぎて輝度が低下する原因となるので、その面積と場所は、必要に応じて導光板上面及びまたは導光板下面の光源近傍の範囲で調整する必要がある。
なお、本発明において、光指向性拡散素子とは、光源近傍の導光板２の上面又は下面に、光源からの光の光軸方向に複数の導光部を並列に並べることによって、光源からの光を導光板の面に沿うように指向性を持たせ、かつ導光板の平面に沿って拡散させる素子をいう。
【００１４】
図３はホログラムの有無による光の拡散状態を説明するための模式図であり、図３（ａ）は図３（ｂ）、（ｃ）を得るための配置図であり、図３（ｂ）は導光板にホログラム素子を形成しない場合を、図３（ｃ）は導光板にホログラム素子等の光指向性拡散素子を形成した場合を示す。図３（ｂ）、（ｃ）は図３（ａ）に示すように、ＬＥＤ等の光源１からの光を、導光板２を透過させ、カメラ５１で撮影した図であり、導光板２にホログラム素子を形成しない図３（ｂ）の場合には点光源となり、図３（ｂ）のように、導光板２上にホログラム素子を形成した場合には、点光源１は面光源化する。この様に点光源は、ホログラム素子により線光源化される。この効果を利用して点光源前方の輝度斑を防いでいる。
【００１５】
図４はホログラム素子による輝度斑低減効果を説明するための模式図であり、光源１近傍の導光板２内を進行する導光板導波光の光線軌跡を示したものである。図４において、光源１からの出射光９は導光板２の入光部に設けられた光指向性拡散素子、例えば、ホログラム素子１０ａ、１０ｂに当たり点光源からの光を線光源化して点光源１間の領域に導く。なお、ホログラム素子１０ａ、１０ｂに当たらない光１１は、点光源のままである。この為、図４の導光板光源部は、図５に示す導光板光源部に近似できる。
【００１６】
図５は図４に示す導光板光源部を光源で近似した場合の導光板光源部である。図において、５２はホログラム素子１０ａ、１０ｂによって線光源化された光源である。点光源１と導光板２の上下に線光源化された電源５２ａ、５２ｂが設けられたのと同じ効果をもつ。線光源の発光強度と位置は、ホログラム素子の面積と位置により制御可能であり、ドット密度の分布による輝度斑低減と併せてホログラム素子の面積と位置を最適化する必要がある。この時、ホログラム素子の面積を増加させすぎると輝度斑の低減の点では有利であるが、輝度の点では不利となる為、ドット密度分布の最適化を行った後、ホログラム素子の面積を段階的に増加させて輝度斑の無くなる最適解を求めることが望ましい。
【００１７】
ホログラム素子１０としては、種々の物が使用できるが、代表的な物としては、図６に示す波形ホログラム素子が利用できる。
図６は本発明による背面照明装置に使用するホログラム素子の一実施利を示す斜視図である。本実施例では、光指向性拡散素子としてホログラム素子１０が使用されている。図に示す波形ホログラム素子１０の高さＨ１は３〜４０μｍ、素子間隔Ｌ１は、１０〜１２０μｍの範囲とし、さらに、素子高さ÷素子間隔（Ｈ１／Ｌ１）が０．１５〜１．０の範囲とするのが望ましい。さらに好ましくは、ホログラム素子１０の高さＨ１が３〜２５μｍ、素子間隔Ｌ１は、２０〜６０μｍの範囲とし、さらに、素子高さ÷素子間隔（Ｈ１／Ｌ１）が０．１５〜０．５の範囲とするのが望ましい。なお、波形ホログラム素子１０において、谷の間の山形が導光部を形成する。また、この導光部は、複数の光源１から出射される光の光軸方向に並列に並べられている。
【００１８】
素子の大きさを上記の範囲に限定するのは、以下の理由による。ホログラム素子１０の高さＨ１が４０μｍ以上の場合、スタンパ制作時のレジスト厚さが厚くなりすぎて製造が困難となる為である。さらに好ましくは、ホログラム素子１０の高さＨ１を２５μｍにするのが良い。これは、ドット３とホログラム素子１０の金型同時作成を考慮するとドット高さとホログラム素子高さＨ１を同じにする必要があり、ホログラム素子高さＨ１を２５μｍ以上にした場合、ドットサイズが大きくなりすぎドット見えの原因となる為である。ホログラム素子１０の高さは、３μｍ以上が好ましい。これは、ドット３とホログラム素子１０の金型同時作成を考慮するとドット高さとホログラム素子の高さＨ１を同じにする必要があり、ホログラム素子１０の高さＨ１が３μｍ以下の場合、ドットの斜面面積が小さくなり、輝度分布の均一化が困難となる為である。
【００１９】
ホログラム素子１０の間隔Ｌ１は、１２０μｍ以下が好ましい。これは、ホログラム素子間隔Ｌ１が１２０μｍ以上の場合、単なる凸凹になってしまいホログラム素子１０としての機能が期待できないためである。さらに好ましくは、ホログラム素子１０の間隔Ｌ１を６０μｍ以下にするのが良い。これは、ホログラム素子高さを容易に製造できる範囲に抑えつつ十分なホログラム素子効果を出すためには、ホログラム素子１０の間隔Ｌ１を６０μｍ以下にする必要が有る為である。ホログラム素子の間隔Ｌ１が１０μｍ以下の場合、安価なマスクや密着露光機が使用できず製造コストが大きくなる。なお、安価なフィルムマスクを用いる場合には、ホログラム素子間隔Ｌ１を２０μｍ以上とするのが望ましい。ホログラム素子高さ÷ホログラム素子間隔（Ｈ１／Ｌ１）は、大きくすることによりホログラム素子１０の効果を大きくすることができる。しかし、この値を１．０以上とした場合、射出成型が困難となり、さらに、ホログラム素子１０の効果が大きくなりすぎて輝度の低下が起きるので好ましくない。なお、射出成型時の転写性を考えると、この値は、０．５以下がさらに好ましい。なお、ホログラム素子高さ÷ホログラム素子間隔（Ｈ１／Ｌ１）を０．１５以下とした場合、単なる凸凹になってしまいホログラム素子１０として機能は期待できない。
【００２０】
光指向性拡散素子８の一つである回折格子は、種々の物が使用できるが、代表的な物としては、図７に示す矩形型回折格子が利用できる。
図７は本発明による背面照明装置に使用する回折格子の一実施利を示す斜視図である。本実施例では、光指向性拡散素子として回折格子が使用されている。図において、７１は回折格子であり、７２は導光部である。回折格子７１の高さＨ２が３〜４０μｍ、回折格子間隔Ｌ２は、１０〜１２０μｍの範囲とし、さらに、回折格子高さ÷回折格子間隔（Ｈ２／Ｌ２）が０．１５〜１．０の範囲とするのが望ましい。さらに好ましくは、回折格子の高さＨ２が３〜２５μｍ、回折格子間隔Ｌ２は、２０〜６０μｍの範囲とし、さらに、回折格子高さ÷回折格子間隔（Ｈ２／Ｌ２）が０．１５〜０．５の範囲とするのが望ましい。
【００２１】
回折格子の大きさを上記範囲に限定するのは、以下の理由による。回折格子の高さＨ２が４０μｍ以上の場合、スタンパ制作時のレジスト厚さが厚くなりすぎて製造が困難となる為である。さらに好ましくは、回折格子高さＨ２を２５μｍ以下にするのが良い。これは、ドット３（図１参照）と回折格子の金型同時作成を考慮するとドット高さと回折格子高さＨ２を同じにする必要があり、回折格子高さＨ２を２５μｍ以上にした場合、ドット３のサイズが大きくなりすぎドット見えの原因となる為である。回折格子の高さＨ２は、３μｍ以上が好ましい。これは、ドットと回折格子の金型同時作成を考慮するとドット高さと回折格子高さＨ２を同じにする必要があり、回折格子の高さＨ２が３μｍ以下の場合、ドットの斜面面積が小さくなり、輝度分布の均一化が困難となる為である。
【００２２】
回折格子の間隔Ｌ２は、１２０μｍ以下が好ましい。これは、回折格子間隔Ｌ２が１２０μｍ以上の場合、単なる凸凹になってしまい回折格子７１としての機能は期待できないためである。さらに好ましくは、ホログラム素子の間隔Ｌ２を６０μｍ以下にするのが良い。これは、回折格子高さＨ２を容易に製造できる範囲に抑えつつ十分な回折格子効果を出すためには、回折格子７１の間隔Ｌ２を６０μｍ以下にする必要が有る為である。回折格子７１の間隔Ｌ２が１０μｍ以下の場合、安価なマスクや密着露光機が使用できず製造コストが大きくなる。なお、安価なフィルムマスクを用いる場合には、回折格子間隔Ｌ２を２０μｍ以上とするのが望ましい。回折格子高さ÷回折格子間隔（Ｈ２／Ｌ２）を大きくすることにより回折格子７１の効果を大きくすることができる。しかし、この値を１．０以上とした場合、射出成型が困難となり、さらに、回折格子７１の効果が大きくなりすぎて輝度の低下が起きるので好ましくない。なお、射出成型時の転写性を考えると、この値は、０．５以下がさらに好ましい。なお、回折格子高さ÷回折格子間隔（Ｈ２／Ｌ２）を０．１５以下とした場合、単なる凸凹になってしまい回折格子７１として機能は期待できない。
【００２３】
シリンドリカルレンズアレーは、図８に示す構造の素子が利用できる。
図８は本発明による背面照明装置に使用するシリンドリカルレンズアレーの一実施利を示す斜視図である。本実施例では光指向性拡散素子としてシリンドリカルレンズアレーを使用した場合を示す。図において、８１はシリンドリカルレンズアレー、８２はシリンドリカルレンズであり、導光部として働く。各シリンドリカルレンズの高さをＨ４、シリンドリカルレンズ間の間隔をＬ４、レンズ間の平坦部の長さＤ４とすると、レンズ高さＨ４が３〜４０μｍ、レンズ高さ÷レンズ間隔（Ｈ４／Ｌ４）が０．１５〜１．０、レンズ間の平坦部Ｄ４の長さが２〜１０μｍで、レンズ断面形状が楕円の一部となることが望ましい。
さらに好ましくは、シリンドリカルレンズ高さＨ４が３〜２５μｍ、シリンドリカルレンズ間隔Ｌ４は２０〜６０μｍの範囲とし、さらに、レンズ高さ÷レンズ間隔（Ｈ４／Ｌ４）が０．１５〜０．５の範囲とするのが望ましい。
【００２４】
シリンドリカルレンズ８２の大きさを上記範囲に限定するのは、以下の理由による。レンズの高さＨ４が４０μｍ以上の場合、スタンパ制作時のレジスト厚さが厚くなりすぎて製造が困難となる為である。さらに好ましくは、シリンドリカルレンズ高さＨ４を２５μｍ以下にするのが良い。これは、ドット３（図１参照）とシリンドリカルレンズ８２の金型同時作成を考慮するとドット３の高さとシリンドリカルレンズ高さＨ４を同じにする必要があり、シリンドリカルレンズ高さＨ４を２５μｍ以上にした場合、ドット３のサイズが大きくなりすぎ、ドット見えの原因となる為である。シリンドリカルレンズ８２の高さＨ４は、３μｍ以上が好ましい。これは、ドット３とシリンドリカルレンズ８２の金型同時作成を考慮すると、ドット高さとレンズ高さＨ４を同じにする必要があり、レンズの高さＨ４が３μｍ以下の場合、ドットの斜面面積が小さくなり、輝度分布の均一化が困難となる為である。レンズ高さ÷レンズ間隔（Ｈ４／Ｌ４）を大きくすることによりシリンドリカルレンズアレー８１の効果を大きくすることができる。しかし、この値を１．０以上とした場合、射出成型が困難となり、さらに、シリンドリカルレンズアレー８１の効果が大きくなりすぎて輝度の低下が起きるので好ましくない。なお、射出成型時の転写性を考えると、この値は、０．５以下がさらに好ましい。なお、レンズ高さ÷レンズ間隔（Ｈ４／Ｌ４）を０．１５以下とした場合、単なる凸凹になってしまいシリンドリカルレンズアレー８１として機能は小さくなりすぎるので好ましくない。
【００２５】
図９は本発明による背面照明装置に使用するマイクロレンズアレーの一実施利を示す斜視図である。本実施例では光指向性拡散素子としてマイクロレンズアレーを使用した場合を示す。図において、９１はマイクロレンズアレーであり、９２ａ、９２ｂはマイクロレンズであり、２つのマイクロレンズ９２ａ、９２ｂで一つの導光部を形成する。
各マイクロレンズ９２の高さをＨ５、マイクロレンズ間の間隔をＬ５とすると、マイクロレンズアレーは、種々のマイクロレンズアレーが使用できる。マイクロレンズの平面形状は、種々の形状が利用できるが、円形、楕円形、六角形、四角形、角丸四角形がレンズの被服率を十分に上げることができるため適切な形状である。そのレンズ高さＨ５が３〜４０μｍ、レンズ高さ÷レンズ間隔（Ｈ５／Ｌ５）が０．１５〜１．０とするのが望ましい。さらに好ましくは、レンズ高さＨ５が３〜２５μｍ、レンズ高さ÷レンズ間隔（Ｈ５／Ｌ５）が０．１５〜０．５の範囲とするのが望ましい。
【００２６】
レンズの大きさを上記範囲に限定するのは、以下の理由による。レンズの高さＨ５が４０μｍ以上の場合、スタンパ制作時のレジスト厚さが厚くなりすぎて製造が困難となる為である。さらに好ましくは、レンズ高さＨ５を２５μｍ以下にするのが良い。これは、ドット３（図１参照）とマイクロレンズアレー９１の金型同時作成を考慮するとドット高さとレンズ高さＨ５を同じにする必要があり、レンズ高さＨ５を４０μｍ以上にした場合、ドットサイズが大きくなりすぎドット見えの原因となる為である。レンズの高さは、３μｍ以上が好ましい。これは、ドット３とレンズの金型同時作成を考慮するとドット高さとレンズ高さを同じにする必要があり、レンズの高さが３μｍ以下の場合、ドットの斜面面積が小さくなり、輝度分布の均一化が困難となる為である。レンズ高さ÷レンズ間隔（Ｈ５／Ｌ５）は、大きくすることによりマイクロレンズアレーの効果を大きくすることができる。しかし、この値を１．０以上とした場合、射出成型が困難となり、さらに、マイクロレンズアレーの効果が大きくなりすぎて輝度の低下が起きるので好ましくない。なお、射出成型時の転写性を考えると、この値は、０．５以下がさらに好ましい。なお、レンズ高さ÷レンズ間隔（Ｈ５／Ｌ５）を０．１５以下とした場合、単なる凸凹になってしまいマイクロレンズアレーとして機能は小さくなりすぎるので好ましくない。
【００２７】
図１０は本発明による光指向性拡散素子の導光板内を進行する導光板導波光の光線軌跡の一実施例を示す模式図である。光源１からの入射光は光源側端面１９で導光板２への入射光として光指向性拡散素子８を有する導光板２に入射され、導光板導波光２０となり、その一部は、光指向性拡散素子８（例えば、ホログラム素子）により線光源化される。その後、他方の端面に向かって、導光板下面および導光板光出射面で全反射を繰り返しながら進行する。導波光のうち、導光板２の下面の小凸部傾斜面に入射した光は、反射して光出射面にあたり、そこで屈折して光出射面から出射して出射光として出射する。そして、反射しなかった光は、ドット２１の斜面透過光となり反射板で反射し再び導光板２に入射され、その一部は光出射面から出射され、残りは再び導光板導波光２０となる。あるいは、導光板上面の小凸部傾斜面に入射した光は、屈折して光出射面から出射して出射光として出射される。そして、反射しなかった光は、ドット斜面透過光となり反射板４で反射し再び導光板に入射され、その一部は光出射面から出射され、残りは再び導光板導波光２０となる。出射した光は、拡散板５及び第１のプリズムシート６、及び第２のプリズムシート７により集光され、液晶素子を照明する。従って、導光板２のドット３を適正に配置することにより、導波光を徐々に導光板から出射させて液晶表示素子を照明することができる。
【００２８】
以下、ドット３の形状例について、図１１を用いて説明する。
図１１は導光板に設けられるドットの実施例を示す斜視図であり、図１１（ａ）は楕円形のドットの例を示し、図１１（ｂ）は角丸四角形の例を示す。特に制限は無く、各種ドットが使用できるが、その平面形状は図１１（ａ）に示す楕円形のドット３ａもしくは図１１（ｂ）に示す角丸四角形のドット３ｂが望ましい。これは、光源からの光を効率的に反射できるからである。ドット３ａ、３ｂの各長径（長辺）の長さＬ６、Ｌ７は、２０〜１００μｍ、長径（Ｌ６、Ｌ７）÷短径（Ｗ１、Ｗ２）の値（Ｌ６／Ｗ１、又はＬ７／Ｗ２）は１〜５が望ましい。長径（Ｌ６、Ｌ７）の長さを１００μｍ以上にした場合ドット見えが問題となる。また、２０μｍ以下とした場合は、ドット数が多くなりすぎ製造が困難となる。長径÷短径の値（Ｌ６／Ｗ１、又はＬ７／Ｗ２）を５以上とした場合、短径が小さくなりすぎ製造が困難となる。ドット３の断面形状を楕円の一部とするのが望ましく、これによりドットの反射効率を高めることができる。さらに、導光板２の導光板上面及びまたは導光板下面に成型するドット３とホログラム素子１０、回折格子７１、シリンドリカルレンズアレー８１、またはマイクロレンズアレー９１などの光指向性拡散素子８の高さ（レンズ高さ）を実質的に同一とするのが望ましい。
【００２９】
これにより、図１３、図１４、図１５に示し、後述する製造プロセスによりホログラム素子１０、回折格子７１、シリンドリカルレンズアレー８１、またはマイクロレンズアレー９１等の光指向性拡散素子８とマイクロドット３を同時に作成でき、コストを抑えることができる。もし、ホログラム素子１０、回折格子７１、シリンドリカルレンズアレー８１、またはマイクロレンズアレー９１を機械加工等で作成しようとした場合、そのコストはきわめて大きくなる。複数回の試作を行うことを考慮すると機械加工等で作成するのは現実的でない。
【００３０】
以下本発明の実施例とその効果を示す比較例を図面に基づき説明する。
本発明による液晶表示装置の実施例１としては、図１に示す背面照明装置に、図６に示す光指向性拡散素子８としてのホログラム素子１０と、図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示すドット３ａ、３ｂを組み込んだものである。
【００３１】
本実施例の背面照明装置は、光源１、導光板２、反射板４を最小構成要素としている。実施例１では、基本構成要素以外に正面輝度の向上、表示品位の向上のため、拡散板５、第１及び第２のプリズムシート６、７を用いている。図６に示すホログラム素子１０が図１に示すように導光板２の上面と導光板２の下面の光源近傍に製作されている。また、導光板２には、導光板２の下面及び上面に図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示すドット３ａ、３ｂがランダムに配置形成されている。反射板４、拡散板５、第１、第２のプリズムシート６，７、光源１のＬＥＤに関しては、特に限定はなく一般的な物が利用できる。
【００３２】
比較例１は、実施例１において、ホログラム素子１０を省略したものである。それ以外の構成や部材は、実施例１と同様である。
比較例２は、実施例１のホログラム素子１０を図１２に示すプリズムに置き換えたものである。
図１２は光指向性拡散素子の代わりとして用いるプリズムの斜視図であり、プリズム１２１の高さを２０μｍ、プリズム１２１の間の間隔を１６０μｍとしている。
【００３３】
図１３は本発明の効果を説明するための相対輝度を示す特性図であり、横軸はＸ軸（ｍｍ）であり、複数の光源１が配置された点から６ｍｍ離れた場所から光源１に沿った線であるＸ軸（図１のＺ軸に平行な線）を示し、縦軸は相対輝度（ａｂ.）を示す。図では、光源１としてＬＥＤ４個を使用し、光源１近くの輝度斑を評価するため、実施例１、比較例１、比較例２において、光源から６ｍｍ地点の正面輝度を光源の並びと平行に測定した結果を示す。図において、比較例１を曲線１３１で示し、比較例２を曲線１３２で示し、実施例１を曲線１３３で示す。また、後述する実施例２は実施例３と実質的に同じなので、実施例３として曲線１３４で示す。
図１３の特性図で、実施例１は曲線１３３で示すように、比較例１の曲線１３１と比べて４箇所の入光部の輝度斑が大きく低減されている。また、比較例２の曲線１３２と比較例１の曲線１３１と比較すると、比較例２の方が輝度斑を低減しているが、実施例１の輝度斑低減効果と比較するとその効果は小さい。
【００３４】
実施例２は、実施例１の波形ホログラム素子１０を図７に示す回折格子７１に置き換えたものである。実施例１に比べて若干劣るが比較例１や比較例２に比較してその効果は大きい。また、回折格子７１は、波形ホログラム素子１０に比べて制作が容易である利点がある。
【００３５】
実施例３は、実施例１の波形ホログラム素子１０を図８のシリンドリカルレンズアレー８１に置き換えたものである。実施例２と実施例３とは略同じ相対輝度を示すため、図面上で曲線が判別できなくなる個とを避けるために、実施例２の特性曲線は省略した。図１３に示すように、実施例１の曲線１３３と実施例３の曲線１３４を比較すると、輝度斑に対する効果は、実施例１に比べて若干劣るが、比較例１や比較例２に比較してその効果は大きい。実施例３は実施例１に比べて、輝度斑については、若干劣るが回折格子を用いた実施例２と同等の効果を持っている。また、シリンドリカルレンズアレー８１の製造は、回折格子７１や波形ホログラム素子１０に比べて制作が容易である利点がある。特に、レンズ間の平坦部を作ることにより製造時の露光のばらつきの影響を小さくすることが出来る。この平坦部の長さは、マスクの解像度を考慮すると３μｍ以上が望ましい。また、輝度斑低減効果を考えると２０μｍ以下が望ましい。この平坦部が２０μｍ以上有ると図１２のプリズムと同程度の輝度斑低減効果しか得られない。
【００３６】
次に、本発明の背面照明装置用導光板の製造方法について、図１４〜図１６を用いて説明する。
導光板の製造方法としては、基本的には、金型を製作し、プラスチック成形して製造する。該金型の製造方法としては、種々の機械加工法、例えば、ドリル加工、切削、研削等の手法を用いることが出来る。また放電加工法も有効な手段である。ただし、本発明のホログラム素子、回折格子、シリンドリカルレンズアレー、マイクロレンズアレーを上記方法で製造するのはコスト的が高くなるので望ましくない。
本発明においては、以下に述べる製造方法を適用することにより、導光板下面及び又は下面のドットと上記素子を同時に金型上に成型でき金型製造コストを大きく低下させることができる。
図１４は本発明による導光板を製造するための各工程の第１の実施例を説明するための断面図である。
図１４（ａ）では、基板２２にホトレジスト２３を形成する。図１４（ｂ）では、ドット３及びホログラム素子１０のパターンを有したホトマスク２４を基板２２上に配置し、マスク２４の上方から紫外線２５を照射したあとホトレジスト２３を現像して、図１４（ｃ）に示すように、基板２２にドット３のパターンとホログラム素子１０のパターン２６を形成する。図１４（ｄ）で、パターン２６上に金属メッキを施して金属膜２７を形成する。図１４（ｅ）で、金属膜２７上に金属メッキを施してメッキ層２８を形成した後、このメッキ層２８を分離して図１４（ｆ）に示すように、プラスチック成形用スタンパ２９を形成する。図１４（ｇ）に示すように、スタンパ２９を用いて、プラスチック成形し、導光板２を得る。
【００３７】
ここで、基板２２としては、厚さ２から１０ｍｍ程度の鏡面研磨したガラス板等が用いられる。ホトレジスト２３を形成する前に、シラン系の接着性向上剤をあらかじめ塗布しておくことができる。ホトレジスト材料としては、液状あるいはフィルム状のポジ型、ネガ型材料が使用可能である。図１４ではポジ型材料を使用した場合の工程を示した。その形成方法としては、スピンコーティング法、ロールコーティング法がある。ホトレジストの厚さをコントロールすることにより小凸部の高さや小凹部の深さを変化させることが可能である。
【００３８】
また露光、現像条件を工夫することにより、断面傾斜角度をコントロールすることが出来る。ホトマスクは、クロムマスク、フィルムマスク、エマルジョンマスクなど各種マスクが使用可能であり、あらかじめ設計したドットの大きさ、数、分布等のデータを作成しておき電子ビーム、レーザビーム等により描画することにより作成できる。メッキ層を形成するまえに、導電膜を形成しておくと、メッキ工程のむらがなくなり、良好なメッキ層すなわちスタンパが形成できる。導電層、メッキ層の材料としては種々の金属が使用できるが、均一性、機械的性能の点でＮｉが最適な材料である。得られたメッキ層は、基板から物理的に容易に剥離することが可能であり、必要に応じて、研磨仕上げしてスタンパとして使用する。得られたスタンパ２９は、例えば射出成形機の母型にマグネット、真空チャック等で固定する。
【００３９】
図１４には射出成形機により導光板を製作する方法を示したが、これ以外の方法として、押し出し成形、圧縮成形、真空成形等で導光板を成形することが可能である。
【００４０】
導光板を構成する材料としては、透明なプラスチック材料全般が使用可能である。具体例としては、アクリル系プラスチック、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリウレタン系樹脂、紫外線硬化型のプラスチック材料がある。このうちアクリル系材料は、透明性、価格、成形性の点で優れており本発明に適した材料である。
【００４１】
図１５は本発明による導光板を製造するための各工程の第２の実施例を説明するための断面図である。まず、図１５（ａ）に示すように、スタンパ原盤３０にホトレジスト膜２３を形成する。次に、図１５（ｂ）に示すように、ドットのパターンを有するホトマスク２４を基板３０上に配置し、マスク上方から紫外線２５を照射したあと現像して、図１５（ｃ）に示すように、スタンパ原盤３０に光指向性拡散素子８やドット３のパターン４６を形成する。次に、図１５（ｄ）に示すように、パターン４６をマスクにして、スタンパ原盤３０をドライエッチングしてスタンパ２９を形成する。次に、図１５（ｅ）に示すように、スタンパ２９上のホトマスク２４を取り除いて、スタンパ２９を完成させ、図１５（ｇ）に示すように、スタンパ２９を用いて、プラスチック成形によって導光板２を製造する。
【００４２】
本製造方法は、メッキ工程を用いず、金属板を加工する点が図１４の工程と異なる。ここで、スタンパ原盤３０は、例えばＮｉ等の鏡面仕上げた金属板である。ホトマスクパターンをマスクにしてスタンパ原盤をエッチングする方法としては、ウェットエッチングの他、各種のドライエッチング法が使用できる。とりわけ、イオンビームを所定の角度から入射させて、断面傾斜角度を制御することができるイオンミリング法はこれに適した方法である。なお、スタンパ原盤３０の代わりに一般的に使用される金型材料を用いて上記製造法で直接金型を製造することもできる。
【００４３】
図１６は本発明による導光板を製造するための各工程の第３の実施例を説明するための断面図である。図１６（ａ）に示すように、基板２２にホトレジスト膜２３を形成する。次に、図１６（ｂ）に示すように、小凸部または小凹部のドットの平面形状のパターンまたは反転パターンを有したホトマスク２４をホトレジスト膜２３上に配置し、マスク２４の上方から紫外線２５を照射したあと現像して、図１６（ｃ）に示すように、基板２２に小凸部または小凹部からなるドットのパターン２３ａを形成する。次に、図１６（ｄ）に示すように、パターン２３ａを１５５〜２００℃に加熱し、レジストをメルトフローしてパターン２３ｂ形成する。次に、図１６（ｅ）で、パターン２３ｂに金属メッキ２７を施し、次に、図１６（ｆ）に示すように、この金属メッキ２７上にメッキ層２８を形成して、図１６（ｇ）に示すプラスチック成形用金属スタンパ２９を形成する。図１６（ｈ）に示すように、このスタンパ２９を用いて、プラスチック成形して導光板２を形成する。
【００４４】
次に、液晶表示装置の構成を説明する。
図１７は本発明による液晶表示装置の一実施例を示す斜視図である。図１を用いて説明した本発明による背面照明装置の上面には偏向板３１、液晶素子３２、カラーフィルタ３３、偏光板３１が設置される。この構成は液晶表示装置の一般例を示したものであり、表示装置の用途によっては、背面照明装置を含めて、種々の構成が考えられる。
例えば、パーソナルコンピュータのディスクトップ型液晶表示装置、あるいはテレビモニタには、特に広い視野角が要求されるがこの場合には、照明光を散乱させて視野角を拡大させる拡散板５を適当な位置に配置することが出来る。また、第１、第２のプリズムシート６、７を配置して更に指向性の高い照明光を液晶素子３２に照射したあと、視野角を広げるために光り拡散効果のあるシートを配置したり、光出射面を加工して光散乱機能を持たせたりして視野角を広げることもできる。
【００４５】
光源１の具体例としては、ＬＥＤが挙げられる。
本発明に用いる液晶素子３２ないしは液晶セルについては特に限定はなく、公知の素子、パネルが使用できる。一般的な液晶セルとしては、ツイストネマティック型やスーパーツイストネマティック型、ホモジニアス型、薄膜トランジスタ型のもの、またアクティブマトリックス駆動型や単純マトリックス駆動型のものなどが挙げられる。
なお、必要に応じて用いられる輝度均一化マスク（図示せず）は、光源からの距離差による輝度のムラを補償するためのもので、例えば光の透過率を変化させたシートなどとして形成されるもので、輝度均一化マスクは、導光板上の任意の位置に配置することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、点光源に起因する輝度斑を効果的に防止でき、均一で明るい輝度を得ることができる。
また、コストの低減を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による背面照明装置の第１の実施例を示す斜視図である。
【図２】従来の背面照明装置を示す斜視図である。
【図３】ホログラムの有無による光の拡散状態を説明するための模式図である。
【図４】ホログラム素子による輝度斑低減効果を説明するための模式図である。
【図５】図４に示す導光板光源部を光源で近似した場合の導光板光源部である。
【図６】本発明による背面照明装置に使用するホログラム素子の一実施利を示す斜視図である。
【図７】本発明による背面照明装置に使用する回折格子の一実施利を示す斜視図である。
【図８】本発明による背面照明装置に使用するシリンドリカルレンズアレーの一実施利を示す斜視図である。
【図９】本発明による背面照明装置に使用するマイクロレンズアレーの一実施利を示す斜視図である。
【図１０】本発明による光指向性拡散素子の導光板内を進行する導光板導波光の光線軌跡の一実施例を示す模式図である。
【図１１】導光板に設けられるドットの実施例を示す斜視図である。
【図１２】光指向性拡散素子の代わりとして用いるプリズムの斜視図である。
【図１３】本発明の効果を説明するための相対輝度を示す特性図である。
【図１４】本発明による導光板を製造するための各工程の第１の実施例を説明するための断面図である。
【図１５】本発明による導光板を製造するための各工程の第２の実施例を説明するための断面図である。
【図１６】本発明による導光板を製造するための各工程の第３の実施例を説明するための断面図である。
【図１７】本発明による液晶表示装置の一実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…光源、２…導光板、３…ドット、４…反射板、５…拡散板、６…第１のプリズムシート、７…第２のプリズムシート、８…光指向性拡散素子、９…光源からの出射光、１０…ホログラム素子、１１…ホログラム素子に当たらない光、１９…光源側端面、２０…導光板導波光、２１…ドット、２２…基板、２３…ホトレジスト、２４…ホトマスク、２５…紫外線、２６…パターン、２７…金属膜、２８…メッキ層、２９…スタンパ、３０…スタンパ原盤、３１…偏光板、３２…液晶素子、３３…カラーフィルタ、３４…偏光板、５１…カメラ、５２ａ、５２ｂ…ホログラム素子により線光源化された光源、５３…回折格子、７１…回折格子、７２…導光部、８１…シリンドリカルレンズアレー、８２…シリンドリカルレンズ、９１…マイクロレンズアレー、９２…マイクロレンズ。

Claims

導光板、
前記導光板の側面に配置された複数の点光源からなる光源、及び
前記導光板の上面及び下面の一方の前記光源近傍に位置する第１領域内に該導光板の表面形状として形成され、前記光源からの光を前記導光板の平面に沿って拡散させながら該平面沿いに伝達するために前記光源からの光の光軸方向に延び且つ該導光板の前記側面沿いに並ぶ凸部として形成された複数の導光部からなる光指向性拡散素子を有する背面照明装置と、
液晶素子とを備え、
前記導光板の前記上面及び下面の一方における前記第１領域は該導光板の前記側面沿いに前記液晶素子の表示部分に重ならず、且つ該導光板の該上面及び下面の一方における該第１領域よりも該側面から離れた第２領域には前記光源からの光の進行方向を該導光板の光出射面に変化させる複数のドットが形成され、
前記背面照明装置から出射された光を前記液晶素子に照射することを特徴とする液晶表示装置。
前記光指向性拡散素子は、ホログラム素子として前記導光板の前記上面及び下面の一方に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記光指向性拡散素子は、前記導光板の前記上面及び下面の一方に形成された回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記光指向性拡散素子は、シリンドリカルレンズアレーとして前記導光板の前記上面及び下面の一方に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記光指向性拡散素子は、前記導光板の前記上面及び下面の一方に形成されたマイクロレンズアレーであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記ホログラム素子の素子高さが３〜３０μｍ、該素子高さ÷素子間隔が０．１５以上で有ることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示装置。
前記回折格子の高さが３〜３０μｍ、該格子高さ÷格子間隔が０．１５以上で有ることを特徴とする請求項３に記載の液晶表示装置。
前記シリンドリカルレンズアレーのレンズ高さが３〜３０μｍ、該レンズ高さ÷レンズ間隔が０．１５以上、該シリンドリカルレンズの断面形状が楕円の一部、該シリンドリカルレンズを隔てるレンズ間の平坦部の長さが２〜１０μｍで有ることを特徴とする請求項４に記載の液晶表示装置。
前記マイクロレンズアレーのマイクロレンズの平面形状は、円形、楕円形、六角形、四角形、角丸四角形であり、そのレンズ高さが３〜３０μｍ、該レンズ高さ÷レンズ間隔が０．１５以上で有ることを特徴とする請求項５に記載の液晶表示装置。
前記複数のドットは複数の小凸部あるいは小凹部からなり、且つ前記光指向性拡散素子の素子の高さと該ドットの高さとは略同じであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記複数のドットは複数の小凸部あるいは小凹部からなるマイクロドットとして形成され、前記ホログラム素子の素子の高さと該マイクロドットの該小凸部の高さ又は該小凹部の深さとは略同等であることを特徴とする請求項２又は６記載の液晶表示装置。
前記複数のドットは複数の小凸部あるいは小凹部からなるマイクロドットとして形成され、前記回折格子の高さと該マイクロドットの該小凸部の高さ又は該小凹部の深さとは略同等であることを特徴とする請求項３又は７記載の液晶表示装置。
前記複数のドットは複数の小凸部あるいは小凹部からなるマイクロドットとして形成され、前記シリンドリカルレンズアレーのレンズ高さと該マイクロドットの該小凸部の高さ又は該小凹部の深さとは略同等であることを特徴とする請求項４又は８記載の液晶表示装置。
前記複数のドットは複数の小凸部あるいは小凹部からなるマイクロドットとして形成され、前記マイクロレンズアレーのレンズ高さと該マイクロドットの該小凸部の高さ又は該小凹部の深さとは略同等であることを特徴とする請求項５又は９記載の液晶表示装置。
前記複数のドットの平面形状が楕円形もしくは角丸四角形であり、且つその長径又は長辺が２０〜１００μｍ、長径又は長辺÷短径の値が１〜５、該ドットの断面形状が楕円の一部、該ドットの高さが３〜３０μｍであることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれかに記載の液晶表示装置。
側面とこれに接する上面及び下面を有する導光板、
前記導光板の前記側面沿いに配置された複数の点光源からなる光源、及び
前記導光板の上面及び下面の一方の前記光源近傍に位置する第１領域内に該導光板の表面形状として形成され、且つ前記光源から該導光板の前記側面に入射した光を該導光板の上面及び下面の一方の該第１領域より該側面から離れた第２領域に向けて拡散させながら伝達するために該光源からの光の光軸方向に延び且つ該導光板側面沿いに並ぶ凸部として形成された複数の導光部からなる光指向性拡散素子を備え、
前記導光板の前記上面及び下面の一方における前記第２領域には、前記光指向性拡散素子は形成されず、且つ前記光源からの光の進行方向を該導光板の光出射面に変化させる複数のドットが形成されていることを特徴とする背面照射装置。
前記複数のドットは複数の小凸部あるいは小凹部からなり、且つ前記光指向性拡散素子の素子の高さと該ドットの高さは略同じであることを特徴とする請求項１６記載の背面照明装置。
導光板の側面に複数の点光源を並べて光源を配置し、該光源からの光を該導光板側面に入射させるステップと、
前記導光板側面に入射した光を、該導光板の前記光源近傍に位置し且つ前記導光板側面沿いに延びる第１領域にて、該導光板の上面又は下面に形成され且つ該光源からの該光の光軸方向に延び且つ該導光板側面沿いに並ぶ凸部として形成された複数の導光部からなる光指向性拡散素子により、前記複数の点光源の間へ拡散させて該複数の点光源に夫々対応する輝度斑を低減させながら該導光板の該第１領域より該光源から離れた第２領域へ伝達させるステップと、
前記導光板の前記第２領域に伝達した光の進行方向を、該導光板の該第２領域の上面又は下面に形成された複数のドットにより該導光板の光出射面方向に変えるステップと、
前記導光板の前記第２領域から出射された光を液晶素子に入射するステップとを備え、
前記光を拡散しながら前記導光板の前記第２領域に伝達させるステップは、該導光板における前記第１領域を前記液晶素子の表示部分に重ならない領域として行われることを特徴とする液晶表示装置の照明方法。
前記導光板の第２領域に伝達した光の進行方向を該導光板の光出射面方向に変えるステップにおいて、前記複数のドットを複数の小凸部又は小凹部として該導光板の該第２領域の上面又は下面に形成し、前記光指向性拡散素子の素子の高さと該ドットの該小凸部の高さ又は該小凹部の深さとを略同等にしたことを特徴とする請求項１８に記載の液晶表示装置の照明方法。