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JPWO2012081184A1 - バックライト装置および液晶表示装置ならびにレンズ - Google Patents

バックライト装置および液晶表示装置ならびにレンズ Download PDF

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JPWO2012081184A1 JP2012548627A JP2012548627A JPWO2012081184A1 JP WO2012081184 A1 JPWO2012081184 A1 JP WO2012081184A1 JP 2012548627 A JP2012548627 A JP 2012548627A JP 2012548627 A JP2012548627 A JP 2012548627A JP WO2012081184 A1 JPWO2012081184 A1 JP WO2012081184A1
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大三郎 松木
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賢治 長谷川
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博史 山口
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Abstract

複数個の発光ダイオード（９）およびこの発光ダイオード（９）からの光を拡張するレンズ（１０）からなる光源部（３）と、この光源部（３）を収容する筐体（４）と、この筐体（４）の開口部（６ａ）を覆うように配置される拡散板（５）と、光源部（３）から出射した光を拡散板（５）側に反射させる反射シート（６）とを備えたバックライト装置（２）であって、光源部（３）の複数個の発光ダイオード（９）は中央部に一列または複数列に配列され、光源部（３）のレンズ（１０）は、発光ダイオード（９）からの光が入射する入射面（１１）と入射した光を拡張して出射する出射面（１２）とを有し、出射面（１２）の配列方向の側面から見た光軸（Ｚ）を含む断面において、出射面（１２）上の微小区間の曲率（Ｃ）が微小区間の中心と光軸（Ｚ）上の光源の位置とを結んだ線（Ｌｉ）と光軸（Ｚ）とのなす角度（θｉ）が６０°＜θｉ＜８０°の範囲内で最大となる。

Description

本発明は、発光ダイオードを光源として用いるバックライト装置および液晶表示装置ならびにレンズに関するものである。
従来の大型の液晶表示装置のバックライト装置では、冷陰極管が液晶パネル直下に多数配置され、これらの冷陰極管が拡散板や反射板等の部材と共に使われていた。また、近年では、バックライト装置の光源として発光ダイオードが使用されるようになっている。発光ダイオードは近年効率が向上し、蛍光灯に変わる消費電力の少ない光源として期待されている。また液晶表示装置用の光源としては映像に応じて発光ダイオードの明暗を制御することで液晶表示装置の消費電力を下げることができる。
液晶表示装置において、発光ダイオードを光源とするバックライト装置では、冷陰極管の代わりに多数の発光ダイオードを配置することとなる。多数の発光ダイオードを用いることで、バックライト装置表面で均一な明るさを得ることができるが、発光ダイオードが多数必要で安価にできない問題があった。１個の発光ダイオードの出力を大きくし、発光ダイオードの使用する個数を減らす取り組みがなされており、例えば特許文献１では、少ない個数の発光ダイオードでも均一な面光源が得られるようにするレンズが提案されている。
また、特許文献２のように１次元的に並べて配置された複数の点光源と、その複数の点光源上に設けられた、長い形状のシリンドリカルレンズとを有する光源も知られている。
日本国特許公報「特許第３８７５２４７号公報」 日本国公開特許公報「特開２００６−２８６６０８号公報」
本発明はこのような現状に鑑みなされたもので、発光ダイオードを用いたバックライト装置において、十分な明るさを確保しながら簡単な構成で安価なバックライト装置および液晶表示装置ならびにレンズを提供することを目的とする。
このような目的を達成するために本発明のバックライト装置は、複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部と、この光源部を収容する筐体と、この筐体の開口部を覆うように配置される拡散板と、前記光源部から出射した光を前記拡散板側に反射させる反射シートとを備えたバックライト装置であって、前記光源部の前記複数個の発光ダイオードは、中央部に一列または複数列に配列されており、前記レンズは、発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、前記レンズの出射面は、配列方向の側面から見た光軸を含む断面において、出射面上の微小区間の曲率Ｃが、前記微小区間の中心と前記光軸上の光源の位置とを結んだ線と、前記光軸とのなす角度が６０°＜θｉ＜８０°で規定される範囲内において最大となるように構成したことを特徴とする。
また、本発明の液晶表示装置は、液晶表示パネルと、この液晶表示パネルの背面側に配置され、液晶表示パネルに対応する大きさのバックライト装置とからなり、前記バックライト装置は、複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部と、この光源部を収容する筐体と、この筐体の開口部を覆うように配置される拡散板と、前記光源部から出射した光を前記拡散板側に反射させる反射シートとを備えた液晶表示装置であって、前記光源部の前記複数個の発光ダイオードは、中央部に一列または複数列に配列されており、前記レンズは、発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、前記レンズの出射面は、配列方向の側面から見た光軸を含む断面において、出射面上の微小区間の曲率Ｃが、前記微小区間の中心と前記光軸上の光源の位置とを結んだ線と、前記光軸とのなす角度が６０°＜θｉ＜８０°で規定される範囲内において最大となるように構成したことを特徴する。
また、本発明のレンズは、複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部を有する、バックライト装置に使用されるレンズであって、前記光源部の前記複数個の発光ダイオードは、中央部に一列または複数列に配列されており、前記レンズは、発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、前記出射面は、配列方向の側面から見た光軸を含む断面において、出射面上の微小区間の曲率Ｃが、前記微小区間の中心と前記光軸上の光源の位置とを結んだ線と、前記光軸とのなす角度が６０°＜θｉ＜８０°で規定される範囲内において最大となるように構成したことを特徴とする。
本発明によれば、発光ダイオードを用いたバックライト装置において、液晶表示パネルの中央部と対向するように直線状に複数個のレンズを配列して光源部を構成したことにより、十分な明るさを確保しながら簡単な構成で安価なバックライト装置および液晶表示装置を提供することができる。
図１は、本発明の一実施の形態によるバックライト装置を用いた液晶表示装置の全体の概略構成を示す分解斜視図である。 図２は、図１のＡ１−Ａ１線で切断した断面図である。 図３は、バックライト装置の光源部を示す平面図である。 図４は、図３のＡ２−Ａ２線で切断した断面図である。 図５は、本発明の一実施の形態によるバックライト装置において、光源部の基本構成を説明するための説明図である。 図６は、レンズを配列方向の側面から見た断面図である。 図７は、レンズの光路を説明するための説明図である。 図８は、レンズの具体的な実施例を示す断面図である。 図９は、レンズの具体的な他の実施例を示す断面図である。 図１０は、図８に示すレンズの配光特性を示す図である。 図１１は、図９に示すレンズの配光特性を示す図である。 図１２は、レンズの配列の一例を示す平面図である。 図１３は、拡散板の一例を示す平面図である。 図１４は、同じく拡散板の一例を示す平面図、Ｘ方向の断面図およびＹ方向の断面図である。
以下、本発明の一実施の形態によるバックライト装置およびそのバックライト装置を用いた液晶表示装置ついて、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施の形態によるバックライト装置を用いた液晶表示装置の全体の概略構成を示す分解斜視図、図２は図１のＡ１−Ａ１線で切断した断面図である。
図１、図２に示すように、液晶表示装置は、長方形の平板形状で透過型の液晶表示パネル１と、この液晶表示パネル１の背面側に配置され、液晶表示パネル１に対応する大きさの直方体形状のバックライト装置２とにより構成されている。
バックライト装置２は、液晶表示パネル１の長辺方向に沿って液晶表示パネル１の中央部と対向するように直線状に配置された光源部３と、この光源部３を収容する直方体形状の筐体４と、この筐体４の開口部６ａを覆うように配置されるとともに、前記液晶表示パネル１と光源部３との間に配置される拡散板５と、前記光源部３から出射した光を液晶表示パネル１側、すなわち拡散板５側に反射させる反射シート６とを備えている。
拡散板５は、液晶表示パネル１との間の前面側に、液晶表示パネル１に対応する大きさの光学シート積層体７を備えている。この光学シート積層体７は、例えば、拡散板５からの入射光を前方の液晶表示パネル１側に向けて集光させるプリズムシート、拡散板５からの入射光をさらに拡散させる拡散シート、入射光の偏光面が液晶表示パネル１の偏光面に対応するように特定の偏光面を有する光を透過させる偏光シート等により構成されている。
図３はバックライト装置の光源部を示す平面図、図４は図３のＡ２−Ａ２線で切断した断面図である。
光源部３は、裏面側に所定の配線パターンを形成した短冊形状の絶縁性の基板８の表面上に、複数個の発光ダイオード９を所定の間隔で実装し、その個々の発光ダイオード９に対応させて、円柱を長軸方向に半分に切断したほぼ半円柱形状の複数個のレンズ１０を前記発光ダイオード９に被せるように配置することにより構成されている。なお、図示していないが、発光ダイオード９は、空気に触れないように、エポキシ樹脂またはシリコンゴム等の封止用の樹脂で覆われている。
レンズ１０は、光源である発光ダイオード９からの光を拡張して被照射体に照射するもので、例えば１．４から２．０程度の屈折率を有する透明な材料で構成されている。レンズ１０を構成する透明材料としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネイト等の樹脂、硝子、またはシリコンゴム等のゴムを用いることができる。中でも、発光ダイオードの封止用の樹脂として用いられるエポキシ樹脂またはシリコンゴム等を用いることが好ましい。
ここで、図１〜図４においては、前記光源部３は、複数個の発光ダイオード９とそれぞれに対応するように複数個のレンズ１０を一列に配列した状態の例を示しているが、複数個の発光ダイオード９と複数個のレンズ１０を二列、三列となるように複数列で配列することにより配置してもよく、また、複数列で配列する場合の配列形状も、隣り合う列間で千鳥状となるように配列してもよい。要は、液晶表示パネル１の中央部のみに対向するように直線状に配置されればよい。また、本実施の形態においては、光源部３が液晶表示パネル１の中央部に対向するように配置されることによりバックライト装置２のほぼ中央部のみに配置されることとなる。以下の図５から図１３の内容は、上記のように複数個の発光ダイオード９を一列に配列する場合にも複数列に配列する場合にも適用される。
次に、光源部３のレンズ１０の構成について、さらに詳細に説明する。
図５は本発明の一実施の形態によるバックライト装置において、光源部３の基本構成を説明するための図である。図６はレンズを配列方向の側面から見た断面図である。
まず、図５に示すように、光源である発光ダイオード９とレンズ１０とは、互いの光軸Ｚが合致するように配置されている。レンズ１０は、発光ダイオード９からの光を拡張して被照射面Ｇに照射するもので、被照射面Ｇの照度分布は、レンズ１０の設計上の中心線である光軸Ｚ上が最大で、周囲に行くほどほぼ単調に減少する。
レンズ１０は、発光ダイオード９からの光が入射する入射面１１と、入射した光を出射させる出射面１２とを有している。また、レンズ１０は、入射面１１の周囲で出射面１２と反対側を向く底面１３を有している。さらに、出射面１２と底面１３との間には、外側に張り出す外縁部１４が設けられており、この外縁部１４の外面で出射面１２の周縁と底面１３とがつながれている。なお、外縁部１４は設けなくてもよく、出射面１２の周縁と底面１３とが直線状または円弧状の端面でつながれていてもよい。
発光ダイオード９からの光は、入射面１１からレンズ１０内に入射した後、出射面１２から出射されて、被照射面Ｇに到達するもので、発光ダイオード９から放射される光は、入射面１１と出射面１２の作用で拡張され、被照射面Ｇの広い範囲に到達することとなる。
また、図６に示すように、レンズ１０の入射面１１は、連続する凹面で、上面からの投影形状が光軸Ｚに対して楕円形である。また、入射面１１の周囲の底面１３は、平らな平面であるが、底面１３にピラミッド状の加工面や摺り状の加工面などを形成してもよい。
レンズ１０の出射面１２は、上面および正面から見た投影形状が長方形などの四角形状で、レンズ１０の配列方向の側面から見た投影形状が連続する凸面部を有するほぼ円弧状の形状である。この出射面１２において、側面から見たときの中心部分の曲率は、実質的にゼロであることが好ましい。ここで、「中心部分」とは、光軸Ｚから所定半径、例えば、光軸方向から見たときの出射面１２の最外周の半径（有効径）の１／１０以内の領域をいい、「実質的にゼロ」とは、光軸Ｚ上の基点Ｑから出射面１２上の任意の点まで光軸方向に測った距離をサグ量（ｓａｇＹ）とした場合、前記中心部分における最大サグ量と最小サグ量の差が０．１ｍｍ以下のことをいう。このような形状であれば、成形がし易くなり、公差に強いレンズを作ることが可能となる。
また、図６に示すように、レンズ１０の出射面１２は、光軸を含む断面における出射面１２０上の微小区間の曲率Ｃが、凸面部間であるｘ−ｙ間の中央Ｍよりも外側の位置で最大となるような形状に形成されている。図６において、θｉは、微小区間の位置を表しており、微小区間の中心と光軸Ｚ上の光源位置とを結んだ線Ｌｉと、光軸Ｚとのなす角度、すなわちθｉ≒（θｉ（ｎ＋１）＋θｉ（ｎ））／２である。
すなわち、本発明におけるレンズ１０の出射面１２は、配列方向の側面から見た光軸を含む断面において、出射面１２上の微小区間の曲率Ｃは、６０°＜θｉ＜８０°で規定される範囲内において最大となるように構成されている。なお、より好ましくは、出射面１２上の微小区間の曲率Ｃは、６５°＜θｉ＜７５°で規定される範囲内において最大となるように構成すればよい。
出射面１２上の微小区間の曲率Ｃが、６０°＜θｉ＜８０°で規定される範囲の上限を超えると、配光特性を確保するための公差が厳しくなり、面光源としたときに面内での輝度ムラが大きくなる。下限を超えると、配光特性が狭くなり、面光源としたときに面内での輝度ムラが大きくなる。
ここで、微小区間の曲率Ｃについて、図６および図７の（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。光軸上の光源位置を基準として、微小区間の曲率Ｃは次のように定義する。なお、「光軸上の光源位置」とは、光軸が光源の発光面と交わる位置である。
図７の（ａ）、（ｂ）に示すように、出射面１２上の点Ａと点Ｂの間の、光軸からｎ番目の微小区間を考え、点Ａと光軸上の光源位置とを結んだ線と、光軸とのなす角度をθｉ（ｎ）とし、点Ｂと光軸上の光源位置とを結んだ線と、光軸とのなす角度をθｉ（ｎ＋１）とする。ただし、θｉ（ｎ＋１）−θｉ（ｎ）を０．１°程度とする。点Ａでの出射面１２の接線が光軸に垂直な面となす角度をθｓ（ｎ）とし、点Ｂでの出射面１２の接線が光軸に垂直な面となす角度をθｓ（ｎ＋１）とする。点Ａと点Ｂとの間の出射面１２０長さをΔｄ（ｎ）とする。点Ａと点Ｂの間の出射面１２は、点Ａと点Ｂの間隔が十分小さいとして、単一曲率半径Ｒで構成されるものとすると、Ｒの中心Ｏは点Ａでの出射面１２の法線と点Ｂでの出射面１２の法線が交差したところであり、２つの法線のなす角度∠ＡＯＢはθｓ（ｎ＋１）−θｓ（ｎ）で表せる。Ｏを中心とし、点Ａと点Ｂの間の円弧の半径ＲはΔｄ（ｎ）／（θｓ（ｎ＋１）−θｓ（ｎ））で表せる。曲率Ｃは１／Ｒである。よって、ｎ番目の微小区間の曲率Ｃは、（θｓ（ｎ＋１）−θｓ（ｎ））／Δｄ（ｎ）となる。ただし、θｓ（ｎ）およびθｓ（ｎ＋１）はラジアンで計算する。また、上記の定義では、曲率Ｃの符号は、曲率中心Ｏが出射面１２よりも光源側にあるときが正、その反対側にあるときが負となる。
このような構成により、入射面１１から入射した光を出射面１２から広い範囲に出射するレンズ１０を実現することができる。
さらに、本発明におけるレンズ１０の出射面１２は、出射面１２上の任意の点と光軸Ｚ上の基点Ｑとを結んだ直線と光軸Ｚとの角度をθ、光軸Ｚ上の基点Ｑから前記出射面１２上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはｓａｇＹ０を最大として単調に減少し、出射面１２は、光軸Ｚの近傍を除き、出射面１２上の微小区間の曲率Ｃが最小となるときのθをθｍｉｎとするとき、θｍｉｎは、１０°＜θｍｉｎ＜３０°の範囲を満足することが好ましい。ここで、「光軸Ｚの近傍」とは、光軸Ｚから所定角度（例えば、θ＝２°）以内の領域をいう。
このように出射面１２の形状を規定することにより、発光ダイオード９のサイズが変化することによって同時に変動するフレネル反射成分が少なくなる。また、出射面１２上の微小区間の曲率Ｃが最小となるθｍｉｎが、１０°＜θｍｉｎ＜３０°の範囲の下限を超えると、上述のフレネル反射成分が発生し易くなり、上限を超えると、レンズ１０のサイズ、例えば光軸方向の長さが大きくなりすぎる。
図８〜図１１にレンズ１０の具体的な実施例を示している。なお、汎用品の発光ダイオードを光源とし、指向性を広げることを目的とした例であり、発光ダイオードの発光面のサイズは、例えば、３．０×３．０ｍｍであり、１．０×１．０ｍｍであってもよく、３．０×１．０ｍｍであってもよい。
図８および図９中のθは、光軸Ｚ上の基点Ｑと入射面１１および出射面１２上の任意の点とを結んだ直線と光軸Ｚとの角度である。さらに、図中のｓａｇＸは、光軸Ｚ上の基点Ｑから前記入射面１１上の任意の点まで光軸方向に測った距離であり、ｓａｇＹは、光軸Ｚ上の基点Ｑから前記出射面１２上の任意の点まで光軸方向に測った距離である。
図１０は、図８に示す実施例のレンズ１０について、θと、ｓａｇＸおよびｓａｇＹについてグラフ化したもので、ｓａｇＹはｓａｇＹ０を最大として単調に減少する形状であることを示している。
図１１は、図９に示す実施例のレンズ１０について、θと、ｓａｇＸおよびｓａｇＹについてグラフ化したもので、ｓａｇＹはｓａｇＹ０を最大として単調に減少する形状であることを示している。
ところで、上記実施の形態においては、光源部３は、ほぼ半円柱形状の複数個のレンズ１０を配列して構成したが、液晶表示パネル１の長辺の長さに対応する長さの長尺のレンズ１０で構成してもよい。この構成の場合も、発光ダイオード９は複数個配置し、その発光ダイオード９に対応する入射面１１を複数個形成した構成とする。複数個の発光ダイオード９が複数列で配列される場合には、上記長尺のレンズ１０を発光ダイオードの列数に合わせて複数列設けてもよいし、複数個の発光ダイオード９が一列で配列される場合と同様に、１つの長尺のレンズを、複数個の発光ダイオード９の各々に対応する入射面１１を形成した構成として設けてもよい。
なお、長尺のレンズ１０で構成する場合に比べ、複数個のレンズ１０を配列して構成した場合は、レンズ１０を成形により作製する際の加工が容易で、安価に作製することができる。また、画面サイズの異なる液晶表示パネル１に対しても、液晶表示パネル１の長辺方向についてはレンズ１０の配列する個数などを調整するだけで対応可能であり、液晶表示装置としても安価に提供することが可能である。
次に、光源部３の個々の光源の配列について説明する。
図３、図４に示すように、上記実施の形態においては、光源部３は、図５に示す構成のレンズ１０の配列方向の長さＬと、隣り合うレンズ１０間の間隔ｌとの関係がＬ＜ｌで、かつレンズ１０間の間隔ｌがほぼ均等となるように配列している。このような構成とすることにより、バックライト装置として十分な明るさを確保し、しかも少ない個数のレンズ１０で光源部３を構成することができ、安価に装置を構成することができる。
ところで、図１、図２に示すように、液晶表示パネル１の中央部と対向するように一列に直線状に配置して光源部３を構成した場合、本発明者らが実験により確認したところでは、バックライト装置の端部において、拡散板５から出射される光が少なく、十分な明るさを確保しにくくなる。このような場合は、出力が大きい発光ダイオード９を使用すればよいが、価格が高くなってしまう。一方、液晶表示装置としては、画面の中央部が周辺部に比べてより明るいことが要求される。
本発明においては、図１２に示すように、光源部３の個々の光源の配置間隔を変更することで、全体的に均一な明るさで発光する面光源とすることができ、また液晶表示装置の画面の明るさに対する要求も満足させることができる。
すなわち、図１２に示すように、本発明の光源部３は、中央部３ａと周辺部３ｂにおける個々のレンズ１０の配置間隔を狭くして密に配置し、中央部３ａと周辺部３ｂの間の中間部３ｃにおける個々のレンズ１０の配置間隔については、前記中央部３ａおよび周辺部３ｂに比べて広くなるように配置している。また、中央部３ａと中間部３ｃとの境、および中間部３ｃと周辺部３ｂとの境については、徐々にレンズ１０の間隔が変化するように配置している。
さらに、本発明において、液晶表示パネル１の中央部と対向するように直線状に複数個のレンズ１０を配列して光源部３を構成することにより、画面サイズの異なる液晶表示パネル１に対しても、液晶表示パネル１の長辺方向についてはレンズ１０の配列する個数などを調整することで対応可能であるが、液晶表示パネル１の短辺方向を含めた画面全体の明るさについては、本発明者らが実験により確認した結果によると、レンズ１０の外形形状と、レンズ１０の配置間隔を所定の条件を満足するように構成することにより、十分に満足させることができることがわかった。
すなわち、本発明の光源部３において、レンズ１０の配列方向に直交するレンズ１０の短辺の長さをｄ１とし、レンズ１０の配置間隔ｌの最小間隔をｄ３とした場合、ｄ３＜（２×ｄ１）とすることにより、画面全体における明るさを十分に確保することができる。さらに、前記条件に加え、レンズ１０の配列方向の長辺の長さをｄ２とした場合、ｄ２＜（２×ｄ１）とするのがより好ましい。さらには、レンズ１０の光軸Ｚ上における厚みをｄ０とした場合、ｄ０＜（ｄ１／３）とする条件も組み合わせることが好ましい。
次に、バックライト装置２の拡散板５の構成について、さらに詳細に説明する。
バックライト装置２において、拡散板５は、光源部３側の裏面である被照射面Ｇに照射された光を表面側の面から拡散された状態で光を放射する。光源部３の個々の光源、すなわちレンズ１０からは拡散板５の被照射面Ｇに広い範囲で均一化された照度の光が照射され、この光が拡散板５で拡散されることにより、面内での輝度ムラが少ない面光源ができる。また、光源部３からの光は、拡散板５で散乱されて、光源部３側へ戻ったり、拡散板５を透過したりする。光源部３側へ戻って反射シート６に入射する光は、反射シート６で反射されて再度拡散板５に入射することとなる。
このような拡散板５は、例えばアクリル樹脂などの板状体からなり、一方の面から入射した光を拡散させて他方の面から出射させるために、表面に凹凸形状を有し、微小な粒子を分散させた半透明な樹脂板により構成されている。
また、図１３に示すように、拡散板５は、光源部３に対応する中央部側ほど透過率が低く、周辺部側ほど透過率が高くなるように、光源部３側の裏面である被照射面Ｇに透過率分布層５ａが設けられている。この透過率分布層５ａは、白色顔料を含有する白色インキなどからなる反射する部材によって形成され、前記反射パターンは中央部側ほど面積占有率が大きく、周辺部側ほど面積占有率が小さくなるように形成されている。白色インキは、透明バインダ内に酸化チタンなどの高屈折率透明材料からなる微粉末を分散したインキにより構成され、スクリーン印刷により所定のパターンの透過率分布層５ａが形成されている。
このような構成により、中央部からの光出射を抑制して、約５０ｍｍ程度の比較的薄い構造で前記適切な輝度分布を実現することができる。
また、この拡散板５としては、図１４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、光源部３側の裏面である被照射面Ｇにシリンドリカルレンズ部５ｂを形成してもよい。
すなわち、拡散板５の水平方向をＸ、垂直方向をＹとすると、Ｘ方向およびＹ方向にアナモフィック曲面などの曲率を持ち、拡散板５の四隅の厚みが薄くなるように成形することにより、拡散板５の光源部３側の裏面である被照射面Ｇに、シリンドリカルレンズ部５ｂを形成している。
本発明による具体的な実施例として、アナモフィック曲面によるシリンドリカルレンズ部５ｂを形成した本発明による拡散板５と、曲面を形成していない比較例の拡散板５とを作製し、それぞれの拡散板５を図１、図２に示すように配置し、それぞれの輝度を求め、中心値に対する輝度分布を測定したところ、本発明による拡散板５は、比較例のものと比較して、四隅の値が約５％程度向上することがわかった。
このように拡散板５の光源部３側の裏面である被照射面Ｇに、所定の配光特性を有するシリンドリカルレンズ部５ｂを形成することにより、所望の輝度分布を持つバックライト装置を実現することができる。なお、拡散板５の曲面形状をアナモフィック曲面で形成したが、他の自由曲面で構成してもよい。なお、上記曲面形状のシリンドリカルレンズと平板状部材とを貼り合せて拡散板５を構成してもよい。
次に、バックライト装置２の反射シート６の構成について、さらに詳細に説明する。
図１、図２に示すように、反射シ−ト６は、光源部３を中心にして、バックライト装置２の長辺側端部に向かって湾曲したほぼ円筒面状の形状を有し、光源部３の個々のレンズ１０に対応する部分に開口部６ａを設けた構成である。
本発明においては、反射シート６の中央部、すなわち光源部３の発光ダイオード９の発光面と、反射シート６の湾曲した先端部、すなわちバックライト装置２の長辺側端部とを結ぶ線が、光源部３のレンズ１０の光軸Ｚに対して、６０°≦θｍ≦８０°の範囲内の角度となるように構成されている。
すなわち、本発明者らが実験した結果に基づき、検討した結果、図１、図２に示すように、液晶表示パネル１の中央部と対向するように、直線状に複数個のレンズ１０を配列して光源部３を構成したバックライト装置において、反射シート６の中央部と、反射シート６の湾曲した先端部とを結ぶ線が、光源部３のレンズ１０の光軸Ｚに対して、６０°≦θｍ≦８０°の範囲内の角度となるように構成することにより、輝度ムラが少なく、しかも十分な明るさを持つ面光源とすることができる。
なお、上記実施の形態においては、反射シート６の形状が、光源部３を中心にして、バックライト装置２の長辺側端部に向かって湾曲した形状としたが、湾曲した形状でなく、直線状の形状であってもよい。
以上説明したように本発明によれば、発光ダイオードを用いたバックライト装置において、液晶表示パネルの中央部と対向するように直線状に複数個のレンズを配列して光源部を構成したことにより、十分な明るさを確保しながら簡単な構成で安価なバックライト装置および液晶表示装置を提供することができる。
以上のように本発明によれば、十分な明るさを確保しながら簡単な構成で安価なバックライト装置および液晶表示装置を得る上で有用な発明である。
１ 液晶表示パネル
２ バックライト装置
３ 光源部
４ 筐体
５ 拡散板
６ 反射シート
７ 光学シート積層体
８ 基板
９ 発光ダイオード
１０ レンズ
１１ 入射面
１２ 出射面
１３ 底面
１４ 外縁部
本発明は、発光ダイオードを光源として用いるバックライト装置および液晶表示装置ならびにレンズに関するものである。
従来の大型の液晶表示装置のバックライト装置では、冷陰極管が液晶パネル直下に多数配置され、これらの冷陰極管が拡散板や反射板等の部材と共に使われていた。また、近年では、バックライト装置の光源として発光ダイオードが使用されるようになっている。発光ダイオードは近年効率が向上し、蛍光灯に変わる消費電力の少ない光源として期待されている。また液晶表示装置用の光源としては映像に応じて発光ダイオードの明暗を制御することで液晶表示装置の消費電力を下げることができる。
液晶表示装置において、発光ダイオードを光源とするバックライト装置では、冷陰極管の代わりに多数の発光ダイオードを配置することとなる。多数の発光ダイオードを用いることで、バックライト装置表面で均一な明るさを得ることができるが、発光ダイオードが多数必要で安価にできない問題があった。１個の発光ダイオードの出力を大きくし、発光ダイオードの使用する個数を減らす取り組みがなされており、例えば特許文献１では、少ない個数の発光ダイオードでも均一な面光源が得られるようにするレンズが提案されている。
また、特許文献２のように１次元的に並べて配置された複数の点光源と、その複数の点光源上に設けられた、長い形状のシリンドリカルレンズとを有する光源も知られている。
日本国特許公報「特許第３８７５２４７号公報」 日本国公開特許公報「特開２００６−２８６６０８号公報」
本発明はこのような現状に鑑みなされたもので、発光ダイオードを用いたバックライト装置において、十分な明るさを確保しながら簡単な構成で安価なバックライト装置および液晶表示装置ならびにレンズを提供することを目的とする。
このような目的を達成するために本発明のバックライト装置は、複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部と、この光源部を収容する筐体と、この筐体の開口部を覆うように配置される拡散板と、前記光源部から出射した光を前記拡散板側に反射させる反射シートとを備えたバックライト装置であって、前記光源部の前記複数個の発光ダイオードは、中央部に一列または複数列に配列されており、前記レンズは、発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、前記レンズの出射面は、配列方向の側面から見た光軸を含む断面において、出射面上の微小区間の曲率Ｃが、前記微小区間の中心と前記光軸上の光源の位置とを結んだ線と、前記光軸とのなす角度が６０°＜θｉ＜８０°で規定される範囲内において最大となるように構成したことを特徴とする。
また、本発明の液晶表示装置は、液晶表示パネルと、この液晶表示パネルの背面側に配置され、液晶表示パネルに対応する大きさのバックライト装置とからなり、前記バックライト装置は、複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部と、この光源部を収容する筐体と、この筐体の開口部を覆うように配置される拡散板と、前記光源部から出射した光を前記拡散板側に反射させる反射シートとを備えた液晶表示装置であって、前記光源部の前記複数個の発光ダイオードは、中央部に一列または複数列に配列されており、前記レンズは、発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、前記レンズの出射面は、配列方向の側面から見た光軸を含む断面において、出射面上の微小区間の曲率Ｃが、前記微小区間の中心と前記光軸上の光源の位置とを結んだ線と、前記光軸とのなす角度が６０°＜θｉ＜８０°で規定される範囲内において最大となるように構成したことを特徴する。
また、本発明のレンズは、複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部を有する、バックライト装置に使用されるレンズであって、前記光源部の前記複数個の発光ダイオードは、中央部に一列または複数列に配列されており、前記レンズは、発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、前記出射面は、配列方向の側面から見た光軸を含む断面において、出射面上の微小区間の曲率Ｃが、前記微小区間の中心と前記光軸上の光源の位置とを結んだ線と、前記光軸とのなす角度が６０°＜θｉ＜８０°で規定される範囲内において最大となるように構成したことを特徴とする。
本発明によれば、発光ダイオードを用いたバックライト装置において、液晶表示パネルの中央部と対向するように直線状に複数個のレンズを配列して光源部を構成したことにより、十分な明るさを確保しながら簡単な構成で安価なバックライト装置および液晶表示装置を提供することができる。
図１は、本発明の一実施の形態によるバックライト装置を用いた液晶表示装置の全体の概略構成を示す分解斜視図である。 図２は、図１のＡ１−Ａ１線で切断した断面図である。 図３は、バックライト装置の光源部を示す平面図である。 図４は、図３のＡ２−Ａ２線で切断した断面図である。 図５は、本発明の一実施の形態によるバックライト装置において、光源部の基本構成を説明するための説明図である。 図６は、レンズを配列方向の側面から見た断面図である。 図７は、レンズの光路を説明するための説明図である。 図８は、レンズの具体的な実施例を示す断面図である。 図９は、レンズの具体的な他の実施例を示す断面図である。 図１０は、図８に示すレンズの配光特性を示す図である。 図１１は、図９に示すレンズの配光特性を示す図である。 図１２は、レンズの配列の一例を示す平面図である。 図１３は、拡散板の一例を示す平面図である。 図１４は、同じく拡散板の一例を示す平面図、Ｘ方向の断面図およびＹ方向の断面図である。
以下、本発明の一実施の形態によるバックライト装置およびそのバックライト装置を用いた液晶表示装置について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施の形態によるバックライト装置を用いた液晶表示装置の全体の概略構成を示す分解斜視図、図２は図１のＡ１−Ａ１線で切断した断面図である。
図１、図２に示すように、液晶表示装置は、長方形の平板形状で透過型の液晶表示パネル１と、この液晶表示パネル１の背面側に配置され、液晶表示パネル１に対応する大きさの直方体形状のバックライト装置２とにより構成されている。
バックライト装置２は、液晶表示パネル１の長辺方向に沿って液晶表示パネル１の中央部と対向するように直線状に配置された光源部３と、この光源部３を収容する直方体形状の筐体４と、この筐体４の開口部６ａを覆うように配置されるとともに、前記液晶表示パネル１と光源部３との間に配置される拡散板５と、前記光源部３から出射した光を液晶表示パネル１側、すなわち拡散板５側に反射させる反射シート６とを備えている。
拡散板５は、液晶表示パネル１との間の前面側に、液晶表示パネル１に対応する大きさの光学シート積層体７を備えている。この光学シート積層体７は、例えば、拡散板５からの入射光を前方の液晶表示パネル１側に向けて集光させるプリズムシート、拡散板５からの入射光をさらに拡散させる拡散シート、入射光の偏光面が液晶表示パネル１の偏光面に対応するように特定の偏光面を有する光を透過させる偏光シート等により構成されている。
図３はバックライト装置の光源部を示す平面図、図４は図３のＡ２−Ａ２線で切断した断面図である。
光源部３は、裏面側に所定の配線パターンを形成した短冊形状の絶縁性の基板８の表面上に、複数個の発光ダイオード９を所定の間隔で実装し、その個々の発光ダイオード９に対応させて、円柱を長軸方向に半分に切断したほぼ半円柱形状の複数個のレンズ１０を前記発光ダイオード９に被せるように配置することにより構成されている。なお、図示していないが、発光ダイオード９は、空気に触れないように、エポキシ樹脂またはシリコンゴム等の封止用の樹脂で覆われている。
レンズ１０は、光源である発光ダイオード９からの光を拡張して被照射体に照射するもので、例えば１．４から２．０程度の屈折率を有する透明な材料で構成されている。レンズ１０を構成する透明材料としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネイト等の樹脂、硝子、またはシリコンゴム等のゴムを用いることができる。中でも、発光ダイオードの封止用の樹脂として用いられるエポキシ樹脂またはシリコンゴム等を用いることが好ましい。
ここで、図１〜図４においては、前記光源部３は、複数個の発光ダイオード９とそれぞれに対応するように複数個のレンズ１０を一列に配列した状態の例を示しているが、複数個の発光ダイオード９と複数個のレンズ１０を二列、三列となるように複数列で配列することにより配置してもよく、また、複数列で配列する場合の配列形状も、隣り合う列間で千鳥状となるように配列してもよい。要は、液晶表示パネル１の中央部のみに対向するように直線状に配置されればよい。また、本実施の形態においては、光源部３が液晶表示パネル１の中央部に対向するように配置されることによりバックライト装置２のほぼ中央部のみに配置されることとなる。以下の図５から図１３の内容は、上記のように複数個の発光ダイオード９を一列に配列する場合にも複数列に配列する場合にも適用される。
次に、光源部３のレンズ１０の構成について、さらに詳細に説明する。
図５は本発明の一実施の形態によるバックライト装置において、光源部３の基本構成を説明するための図である。図６はレンズを配列方向の側面から見た断面図である。
まず、図５に示すように、光源である発光ダイオード９とレンズ１０とは、互いの光軸Ｚが合致するように配置されている。レンズ１０は、発光ダイオード９からの光を拡張して被照射面Ｇに照射するもので、被照射面Ｇの照度分布は、レンズ１０の設計上の中心線である光軸Ｚ上が最大で、周囲に行くほどほぼ単調に減少する。
レンズ１０は、発光ダイオード９からの光が入射する入射面１１と、入射した光を出射させる出射面１２とを有している。また、レンズ１０は、入射面１１の周囲で出射面１２と反対側を向く底面１３を有している。さらに、出射面１２と底面１３との間には、外側に張り出す外縁部１４が設けられており、この外縁部１４の外面で出射面１２の周縁と底面１３とがつながれている。なお、外縁部１４は設けなくてもよく、出射面１２の周縁と底面１３とが直線状または円弧状の端面でつながれていてもよい。
発光ダイオード９からの光は、入射面１１からレンズ１０内に入射した後、出射面１２から出射されて、被照射面Ｇに到達するもので、発光ダイオード９から放射される光は、入射面１１と出射面１２の作用で拡張され、被照射面Ｇの広い範囲に到達することとなる。
また、図６に示すように、レンズ１０の入射面１１は、連続する凹面で、上面からの投影形状が光軸Ｚに対して楕円形である。また、入射面１１の周囲の底面１３は、平らな平面であるが、底面１３にピラミッド状の加工面や摺り状の加工面などを形成してもよい。
レンズ１０の出射面１２は、上面および正面から見た投影形状が長方形などの四角形状で、レンズ１０の配列方向の側面から見た投影形状が連続する凸面部を有するほぼ円弧状の形状である。この出射面１２において、側面から見たときの中心部分の曲率は、実質的にゼロであることが好ましい。ここで、「中心部分」とは、光軸Ｚから所定半径、例えば、光軸方向から見たときの出射面１２の最外周の半径（有効径）の１／１０以内の領域をいい、「実質的にゼロ」とは、光軸Ｚ上の基点Ｑから出射面１２上の任意の点まで光軸方向に測った距離をサグ量（ｓａｇＹ）とした場合、前記中心部分における最大サグ量と最小サグ量の差が０．１ｍｍ以下のことをいう。このような形状であれば、成形がし易くなり、公差に強いレンズを作ることが可能となる。
また、図６に示すように、レンズ１０の出射面１２は、光軸を含む断面における出射面１２上の微小区間の曲率Ｃが、凸面部間であるｘ−ｙ間の中央Ｍよりも外側の位置で最大となるような形状に形成されている。図６において、θｉは、微小区間の位置を表しており、微小区間の中心と光軸Ｚ上の光源位置とを結んだ線Ｌｉと、光軸Ｚとのなす角度、すなわちθｉ≒（θｉ（ｎ＋１）＋θｉ（ｎ））／２である。
すなわち、本発明におけるレンズ１０の出射面１２は、配列方向の側面から見た光軸を含む断面において、出射面１２上の微小区間の曲率Ｃは、６０°＜θｉ＜８０°で規定される範囲内において最大となるように構成されている。なお、より好ましくは、出射面１２上の微小区間の曲率Ｃは、６５°＜θｉ＜７５°で規定される範囲内において最大となるように構成すればよい。
出射面１２上の微小区間の曲率Ｃが、６０°＜θｉ＜８０°で規定される範囲の上限を超えると、配光特性を確保するための公差が厳しくなり、面光源としたときに面内での輝度ムラが大きくなる。下限を超えると、配光特性が狭くなり、面光源としたときに面内での輝度ムラが大きくなる。
ここで、微小区間の曲率Ｃについて、図６および図７の（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。光軸上の光源位置を基準として、微小区間の曲率Ｃは次のように定義する。なお、「光軸上の光源位置」とは、光軸が光源の発光面と交わる位置である。
図７の（ａ）、（ｂ）に示すように、出射面１２上の点Ａと点Ｂの間の、光軸からｎ番目の微小区間を考え、点Ａと光軸上の光源位置とを結んだ線と、光軸とのなす角度をθｉ（ｎ）とし、点Ｂと光軸上の光源位置とを結んだ線と、光軸とのなす角度をθｉ（ｎ＋１）とする。ただし、θｉ（ｎ＋１）−θｉ（ｎ）を０．１°程度とする。点Ａでの出射面１２の接線が光軸に垂直な面となす角度をθｓ（ｎ）とし、点Ｂでの出射面１２の接線が光軸に垂直な面となす角度をθｓ（ｎ＋１）とする。点Ａと点Ｂとの間の出射面１２の長さをΔｄ（ｎ）とする。点Ａと点Ｂの間の出射面１２は、点Ａと点Ｂの間隔が十分小さいとして、単一曲率半径Ｒで構成されるものとすると、Ｒの中心Ｏは点Ａでの出射面１２の法線と点Ｂでの出射面１２の法線が交差したところであり、２つの法線のなす角度∠ＡＯＢはθｓ（ｎ＋１）−θｓ（ｎ）で表せる。Ｏを中心とし、点Ａと点Ｂの間の円弧の半径ＲはΔｄ（ｎ）／（θｓ（ｎ＋１）−θｓ（ｎ））で表せる。曲率Ｃは１／Ｒである。よって、ｎ番目の微小区間の曲率Ｃは、（θｓ（ｎ＋１）−θｓ（ｎ））／Δｄ（ｎ）となる。ただし、θｓ（ｎ）およびθｓ（ｎ＋１）はラジアンで計算する。また、上記の定義では、曲率Ｃの符号は、曲率中心Ｏが出射面１２よりも光源側にあるときが正、その反対側にあるときが負となる。
このような構成により、入射面１１から入射した光を出射面１２から広い範囲に出射するレンズ１０を実現することができる。
さらに、本発明におけるレンズ１０の出射面１２は、出射面１２上の任意の点と光軸Ｚ上の基点Ｑとを結んだ直線と光軸Ｚとの角度をθ、光軸Ｚ上の基点Ｑから前記出射面１２上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはｓａｇＹ０を最大として単調に減少し、出射面１２は、光軸Ｚの近傍を除き、出射面１２上の微小区間の曲率Ｃが最小となるときのθをθｍｉｎとするとき、θｍｉｎは、１０°＜θｍｉｎ＜３０°の範囲を満足することが好ましい。ここで、「光軸Ｚの近傍」とは、光軸Ｚから所定角度（例えば、θ＝２°）以内の領域をいう。
このように出射面１２の形状を規定することにより、発光ダイオード９のサイズが変化することによって同時に変動するフレネル反射成分が少なくなる。また、出射面１２上の微小区間の曲率Ｃが最小となるθｍｉｎが、１０°＜θｍｉｎ＜３０°の範囲の下限を超えると、上述のフレネル反射成分が発生し易くなり、上限を超えると、レンズ１０のサイズ、例えば光軸方向の長さが大きくなりすぎる。
図８〜図１１にレンズ１０の具体的な実施例を示している。なお、汎用品の発光ダイオードを光源とし、指向性を広げることを目的とした例であり、発光ダイオードの発光面のサイズは、例えば、３．０×３．０ｍｍであり、１．０×１．０ｍｍであってもよく、３．０×１．０ｍｍであってもよい。
図８および図９中のθは、光軸Ｚ上の基点Ｑと入射面１１および出射面１２上の任意の点とを結んだ直線と光軸Ｚとの角度である。さらに、図中のｓａｇＸは、光軸Ｚ上の基点Ｑから前記入射面１１上の任意の点まで光軸方向に測った距離であり、ｓａｇＹは、光軸Ｚ上の基点Ｑから前記出射面１２上の任意の点まで光軸方向に測った距離である。
図１０は、図８に示す実施例のレンズ１０について、θと、ｓａｇＸおよびｓａｇＹについてグラフ化したもので、ｓａｇＹはｓａｇＹ０を最大として単調に減少する形状であることを示している。
図１１は、図９に示す実施例のレンズ１０について、θと、ｓａｇＸおよびｓａｇＹについてグラフ化したもので、ｓａｇＹはｓａｇＹ０を最大として単調に減少する形状であることを示している。
ところで、上記実施の形態においては、光源部３は、ほぼ半円柱形状の複数個のレンズ１０を配列して構成したが、液晶表示パネル１の長辺の長さに対応する長さの長尺のレンズ１０で構成してもよい。この構成の場合も、発光ダイオード９は複数個配置し、その発光ダイオード９に対応する入射面１１を複数個形成した構成とする。複数個の発光ダイオード９が複数列で配列される場合には、上記長尺のレンズ１０を発光ダイオードの列数に合わせて複数列設けてもよいし、複数個の発光ダイオード９が一列で配列される場合と同様に、１つの長尺のレンズを、複数個の発光ダイオード９の各々に対応する入射面１１を形成した構成として設けてもよい。
なお、長尺のレンズ１０で構成する場合に比べ、複数個のレンズ１０を配列して構成した場合は、レンズ１０を成形により作製する際の加工が容易で、安価に作製することができる。また、画面サイズの異なる液晶表示パネル１に対しても、液晶表示パネル１の長辺方向についてはレンズ１０の配列する個数などを調整するだけで対応可能であり、液晶表示装置としても安価に提供することが可能である。
次に、光源部３の個々の光源の配列について説明する。
図３、図４に示すように、上記実施の形態においては、光源部３は、図５に示す構成のレンズ１０の配列方向の長さＬと、隣り合うレンズ１０間の間隔ｌとの関係がＬ＜ｌで、かつレンズ１０間の間隔ｌがほぼ均等となるように配列している。このような構成とすることにより、バックライト装置として十分な明るさを確保し、しかも少ない個数のレンズ１０で光源部３を構成することができ、安価に装置を構成することができる。
ところで、図１、図２に示すように、液晶表示パネル１の中央部と対向するように一列に直線状に配置して光源部３を構成した場合、本発明者らが実験により確認したところでは、バックライト装置の端部において、拡散板５から出射される光が少なく、十分な明るさを確保しにくくなる。このような場合は、出力が大きい発光ダイオード９を使用すればよいが、価格が高くなってしまう。一方、液晶表示装置としては、画面の中央部が周辺部に比べてより明るいことが要求される。
本発明においては、図１２に示すように、光源部３の個々の光源の配置間隔を変更することで、全体的に均一な明るさで発光する面光源とすることができ、また液晶表示装置の画面の明るさに対する要求も満足させることができる。
すなわち、図１２に示すように、本発明の光源部３は、中央部３ａと周辺部３ｂにおける個々のレンズ１０の配置間隔を狭くして密に配置し、中央部３ａと周辺部３ｂの間の中間部３ｃにおける個々のレンズ１０の配置間隔については、前記中央部３ａおよび周辺部３ｂに比べて広くなるように配置している。また、中央部３ａと中間部３ｃとの境、および中間部３ｃと周辺部３ｂとの境については、徐々にレンズ１０の間隔が変化するように配置している。
さらに、本発明において、液晶表示パネル１の中央部と対向するように直線状に複数個のレンズ１０を配列して光源部３を構成することにより、画面サイズの異なる液晶表示パネル１に対しても、液晶表示パネル１の長辺方向についてはレンズ１０の配列する個数などを調整することで対応可能であるが、液晶表示パネル１の短辺方向を含めた画面全体の明るさについては、本発明者らが実験により確認した結果によると、レンズ１０の外形形状と、レンズ１０の配置間隔を所定の条件を満足するように構成することにより、十分に満足させることができることがわかった。
すなわち、本発明の光源部３において、レンズ１０の配列方向に直交するレンズ１０の短辺の長さをｄ１とし、レンズ１０の配置間隔ｌの最小間隔をｄ３とした場合、ｄ３＜（２×ｄ１）とすることにより、画面全体における明るさを十分に確保することができる。さらに、前記条件に加え、レンズ１０の配列方向の長辺の長さをｄ２とした場合、ｄ２＜（２×ｄ１）とするのがより好ましい。さらには、レンズ１０の光軸Ｚ上における厚みをｄ０とした場合、ｄ０＜（ｄ１／３）とする条件も組み合わせることが好ましい。
次に、バックライト装置２の拡散板５の構成について、さらに詳細に説明する。
バックライト装置２において、拡散板５は、光源部３側の裏面である被照射面Ｇに照射された光を表面側の面から拡散された状態で光を放射する。光源部３の個々の光源、すなわちレンズ１０からは拡散板５の被照射面Ｇに広い範囲で均一化された照度の光が照射され、この光が拡散板５で拡散されることにより、面内での輝度ムラが少ない面光源ができる。また、光源部３からの光は、拡散板５で散乱されて、光源部３側へ戻ったり、拡散板５を透過したりする。光源部３側へ戻って反射シート６に入射する光は、反射シート６で反射されて再度拡散板５に入射することとなる。
このような拡散板５は、例えばアクリル樹脂などの板状体からなり、一方の面から入射した光を拡散させて他方の面から出射させるために、表面に凹凸形状を有し、微小な粒子を分散させた半透明な樹脂板により構成されている。
また、図１３に示すように、拡散板５は、光源部３に対応する中央部側ほど透過率が低く、周辺部側ほど透過率が高くなるように、光源部３側の裏面である被照射面Ｇに透過率分布層５ａが設けられている。この透過率分布層５ａは、白色顔料を含有する白色インキなどからなる反射する部材によって形成され、前記反射パターンは中央部側ほど面積占有率が大きく、周辺部側ほど面積占有率が小さくなるように形成されている。白色インキは、透明バインダ内に酸化チタンなどの高屈折率透明材料からなる微粉末を分散したインキにより構成され、スクリーン印刷により所定のパターンの透過率分布層５ａが形成されている。
このような構成により、中央部からの光出射を抑制して、約５０ｍｍ程度の比較的薄い構造で前記適切な輝度分布を実現することができる。
また、この拡散板５としては、図１４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、光源部３側の裏面である被照射面Ｇにシリンドリカルレンズ部５ｂを形成してもよい。
すなわち、拡散板５の水平方向をＸ、垂直方向をＹとすると、Ｘ方向およびＹ方向にアナモフィック曲面などの曲率を持ち、拡散板５の四隅の厚みが薄くなるように成形することにより、拡散板５の光源部３側の裏面である被照射面Ｇに、シリンドリカルレンズ部５ｂを形成している。
本発明による具体的な実施例として、アナモフィック曲面によるシリンドリカルレンズ部５ｂを形成した本発明による拡散板５と、曲面を形成していない比較例の拡散板５とを作製し、それぞれの拡散板５を図１、図２に示すように配置し、それぞれの輝度を求め、中心値に対する輝度分布を測定したところ、本発明による拡散板５は、比較例のものと比較して、四隅の値が約５％程度向上することがわかった。
このように拡散板５の光源部３側の裏面である被照射面Ｇに、所定の配光特性を有するシリンドリカルレンズ部５ｂを形成することにより、所望の輝度分布を持つバックライト装置を実現することができる。なお、拡散板５の曲面形状をアナモフィック曲面で形成したが、他の自由曲面で構成してもよい。なお、上記曲面形状のシリンドリカルレンズと平板状部材とを貼り合せて拡散板５を構成してもよい。
次に、バックライト装置２の反射シート６の構成について、さらに詳細に説明する。
図１、図２に示すように、反射シ−ト６は、光源部３を中心にして、バックライト装置２の長辺側端部に向かって湾曲したほぼ円筒面状の形状を有し、光源部３の個々のレンズ１０に対応する部分に開口部６ａを設けた構成である。
本発明においては、反射シート６の中央部、すなわち光源部３の発光ダイオード９の発光面と、反射シート６の湾曲した先端部、すなわちバックライト装置２の長辺側端部とを結ぶ線が、光源部３のレンズ１０の光軸Ｚに対して、６０°≦θｍ≦８０°の範囲内の角度となるように構成されている。
すなわち、本発明者らが実験した結果に基づき、検討した結果、図１、図２に示すように、液晶表示パネル１の中央部と対向するように、直線状に複数個のレンズ１０を配列して光源部３を構成したバックライト装置において、反射シート６の中央部と、反射シート６の湾曲した先端部とを結ぶ線が、光源部３のレンズ１０の光軸Ｚに対して、６０°≦θｍ≦８０°の範囲内の角度となるように構成することにより、輝度ムラが少なく、しかも十分な明るさを持つ面光源とすることができる。
なお、上記実施の形態においては、反射シート６の形状が、光源部３を中心にして、バックライト装置２の長辺側端部に向かって湾曲した形状としたが、湾曲した形状でなく、直線状の形状であってもよい。
以上説明したように本発明によれば、発光ダイオードを用いたバックライト装置において、液晶表示パネルの中央部と対向するように直線状に複数個のレンズを配列して光源部を構成したことにより、十分な明るさを確保しながら簡単な構成で安価なバックライト装置および液晶表示装置を提供することができる。
以上のように本発明によれば、十分な明るさを確保しながら簡単な構成で安価なバックライト装置および液晶表示装置を得る上で有用な発明である。
１ 液晶表示パネル
２ バックライト装置
３ 光源部
４ 筐体
５ 拡散板
６ 反射シート
７ 光学シート積層体
８ 基板
９ 発光ダイオード
１０ レンズ
１１ 入射面
１２ 出射面
１３ 底面
１４ 外縁部

Claims (12)

  1. 複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部と、この光源部を収容する筐体と、この筐体の開口部を覆うように配置される拡散板と、前記光源部から出射した光を前記拡散板側に反射させる反射シートとを備えたバックライト装置であって、
    前記光源部の前記複数個の発光ダイオードは、中央部に一列または複数列に配列されており、
    前記レンズは、発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、
    前記レンズの出射面は、配列方向の側面から見た光軸を含む断面において、出射面上の微小区間の曲率Ｃが、前記微小区間の中心と前記光軸上の光源の位置とを結んだ線と、前記光軸とのなす角度が６０°＜θｉ＜８０°で規定される範囲内において最大となるように構成したことを特徴とするバックライト装置。
  2. 前記レンズの出射面は、出射面上の任意の点と前記光軸上の光源の位置とを結んだ直線と前記光軸との角度をθ、前記光軸上の光源の位置から出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはｓａｇＹ０を最大として単調に減少し、出射面は、前記光軸から所定角度以内の領域を除き、出射面上の前記微小区間の曲率Ｃが最小となるときのθをθｍｉｎとするとき、θｍｉｎは、１０°＜θｍｉｎ＜３０°の範囲を満足することを特徴とする請求項１に記載のバックライト装置。
  3. 前記レンズの前記出射面において、側面から見たときの前記光軸から所定半径以内の領域の曲率は、前記光軸上の光源の位置から前記出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をサグ量とした場合、前記所定半径以内の領域における最大サグ量と最小サグ量の差が０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のバックライト装置。
  4. 前記出射面は上面および正面から見た投影形状が四角形状で、レンズの配列方向の側面から見た投影形状がほぼ円弧形状であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載のバックライト装置。
  5. 液晶表示パネルと、この液晶表示パネルの背面側に配置され、液晶表示パネルに対応する大きさのバックライト装置とからなり、前記バックライト装置は、複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部と、この光源部を収容する筐体と、この筐体の開口部を覆うように配置される拡散板と、前記光源部から出射した光を前記拡散板側に反射させる反射シートとを備えた液晶表示装置であって、
    前記光源部の前記複数個の発光ダイオードは、中央部に一列または複数列に配列されており、
    前記レンズは、発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、
    前記レンズの出射面は、配列方向の側面から見た光軸を含む断面において、出射面上の微小区間の曲率Ｃが、前記微小区間の中心と前記光軸上の光源の位置とを結んだ線と、前記光軸とのなす角度が６０°＜θｉ＜８０°で規定される範囲内において最大となるように構成したことを特徴する液晶表示装置。
  6. 前記レンズの出射面は、出射面上の任意の点と前記光軸上の光源の位置とを結んだ直線と前記光軸との角度をθ、前記光軸上の光源の位置から出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはｓａｇＹ０を最大として単調に減少し、出射面は、前記光軸から所定角度以内の領域を除き、出射面上の前記微小区間の曲率Ｃが最小となるときのθをθｍｉｎとするとき、θｍｉｎは、１０°＜θｍｉｎ＜３０°の範囲を満足することを特徴とする請求項５に記載の液晶表示装置。
  7. 前記レンズの前記出射面において、側面から見たときの前記光軸から所定半径以内の領域の曲率は、前記光軸上の光源の位置から前記出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をサグ量とした場合、前記所定半径以内の領域における最大サグ量と最小サグ量の差が０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５または６に記載の液晶表示装置。
  8. 前記出射面は上面および正面から見た投影形状が四角形状で、レンズの配列方向の側面から見た投影形状がほぼ円弧形状であることを特徴とする請求項５から７までのいずれか１項に記載の液晶表示装置。
  9. 複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部を有する、バックライト装置に使用されるレンズであって、
    前記光源部の前記複数個の発光ダイオードは、中央部に一列または複数列に配列されており、
    前記レンズは、発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、
    前記出射面は、配列方向の側面から見た光軸を含む断面において、出射面上の微小区間の曲率Ｃが、前記微小区間の中心と前記光軸上の光源の位置とを結んだ線と、前記光軸とのなす角度が６０°＜θｉ＜８０°で規定される範囲内において最大となるように構成したことを特徴とするレンズ。
  10. 前記レンズの出射面は、出射面上の任意の点と前記光軸上の光源の位置とを結んだ直線と前記光軸との角度をθ、前記光軸上の光源の位置から出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはｓａｇＹ０を最大として単調に減少し、出射面は、前記光軸から所定角度以内の領域を除き、出射面上の前記微小区間の曲率Ｃが最小となるときのθをθｍｉｎとするとき、θｍｉｎは、１０°＜θｍｉｎ＜３０°の範囲を満足することを特徴とする請求項９に記載のレンズ。
  11. 前記レンズの前記出射面において、側面から見たときの前記光軸から所定半径以内の領域の曲率は、前記光軸上の光源の位置から前記出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をサグ量とした場合、前記所定半径以内の領域における最大サグ量と最小サグ量の差が０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項９または１０に記載のレンズ。
  12. 前記出射面は上面および正面から見た投影形状が四角形状で、レンズの配列方向の側面から見た投影形状がほぼ円弧形状であることを特徴とする請求項９から１１までのいずれか１項に記載のレンズ。
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