JP5130613B2

JP5130613B2 - バックライト装置及び液晶表示装置

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Publication number: JP5130613B2
Application number: JP2005221521A
Authority: JP
Inventors: 和広横田; 清孝若宮
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: JP2007034229A

Description

本発明は、バックライト装置及び液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）に関し、詳しくは、光の有効利用効率を大幅に向上させたバックライト装置及びこのバックライト装置を備える液晶表示装置に関する。

テレビジョン放送が開始されてから長年使用されてきたＣＲＴ（Cathode Ray Tube）に代わり、液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）や、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ：Plasma Display Panel）といった非常に薄型化されたテレビジョン受像機が考案、実用化されている。特に、液晶表示パネルを用いた液晶表示装置は、低消費電力での駆動が可能であることや、大型の液晶表示パネルの低価格化などに伴い、加速的に普及することが考えられ、今後の更なる発展が期待できる表示装置である。

液晶表示装置は、カラーフィルタを備えた透過型又は半透過型の液晶表示パネルを背面側からバックライト装置にて照明することでカラー画像を表示させるバックライト方式が主流となっている。バックライト装置の光源としては、蛍光管を使った白色光又は可視波長域に適当な分光スペクトルを有する光を発光するＣＣＦＬ（Cold Cathode Fluorescent Lamp）といった蛍光ランプが多く用いられている。

また、ＣＣＦＬは、蛍光管内に水銀を封入するため、環境への悪影響が考えられるため、ＣＣＦＬに代わるバックライト装置の光源として発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）が有望視されている（例えば、特許文献１参照）。

青色発光ダイオードの開発により、光の三原色である赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ発光する発光ダイオードが揃ったことになり、これらの発光ダイオードから出射される赤色光、緑色光、青色光を混色することで、色純度の高い白色光を得ることができる。したがって、この発光ダイオードをバックライト装置の光源とすることで、液晶表示パネルを介した色光の色純度が高くなるため、色再現範囲をＣＣＦＬと比較して大幅に広げることができる。

バックライト装置の光源として用いる発光ダイオードとしては、高出力の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを使用した発光ダイオードが有効であり、この発光ダイオードを用いることで、バックライト装置の輝度を大幅に向上させることができる。

特開平７−１９１３１１号公報

液晶表示パネルを照明する照明光を出射するバックライト装置は、光源の配置位置によって、直下型と、エッジライト型との２つに大別される。直下型は、液晶表示パネルの背面側直下に拡散板を介して光源を配置させるタイプのバックライト装置であり、サイドエッジ型は、液晶表示パネルの背面側直下に光を導光する導光板を配し、導光板の側面部に光源を配置させるタイプのバックライト装置である。

ところで、図９に示すような構成のエッジライト型のバックライト装置５００では、光源５１０から発する光Ｌが導光板５２０に入射する際に、その入射端面５２０Ａにてフレネル損失が発生しており、その大きさは、入射角に依存するが、入射角０°の場合、入射光の約４％に達している。さらに入射角が大きくなるに比例して、フレネル損失の理論のとおりに損失は大きくなっている。

また、図１０に示すような構成の直下型バックライト装置６００に使用されている拡散板６２０においても、同様のことが言え、光源６１０から発する光Ｌが拡散板６２０に入射する際に、その入射面６２０Ａにてフレネル損失が発生しており、光の有効利用効率の低下の原因となっている。

そこで、本発明は、上述したような従来の問題を解決するために案出されたものであり、フレネル損失を最小限に留め、光の有効利用効率を大幅に向上させたバックライト装置及びこのバックライト装置を備える液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本発明は、透過型又は半透過型の液晶表示パネルを背面側から白色光又は可視波長域に適当な分光スペクトルを有する光で照明するバックライト装置において、上記液晶表示パネルの背面側直下に配される導光板と、上記導光板の側面部に配置された光源を備え、上記光源と対向する上記導光板の側面部を可視光波長の２分の１以下の径及び高さを有する略円錐形状の凸部又は凹部からなる微小光学素子を多数設けたモスアイ状の入射端面としたことを特徴とする。

また、本発明は、透過型又は半透過型の液晶表示パネルを背面側から白色光又は可視波長域に適当な分光スペクトルを有する光で照明するバックライト装置において、上記液晶表示パネルの背面側直下に配される拡散板と、上記拡散板直下に配置された光源を備え、上記光源と対向する上記拡散板の平面部を可視光波長の２分の１以下の径及び高さを有する略円錐形状の凸部又は凹部からなる微小光学素子を多数設けたモスアイ状の入射面としたことを特徴とする。

また、本発明は、透過型又は半透過型の液晶表示パネルを背面側から白色光又は可視波長域に適当な分光スペクトルを有する光で照明するバックライト装置とを備える液晶表示装置において、上記バックライト装置は、上記液晶表示パネルの背面側直下に配される導光板と、上記導光板の側面部に配置された光源を備え、上記光源と対向する上記導光板の側面部を可視光波長の２分の１以下の径及び高さを有する略円錐形状の凸部又は凹部からなる微小光学素子を多数設けたモスアイ状の入射端面としたことを特徴とする。

さらに、本発明は、透過型又は半透過型の液晶表示パネルと、上記液晶表示パネルを背面側から白色光又は可視波長域に適当な分光スペクトルを有する光で照明するバックライト装置とを備える液晶表示装置において、上記バックライト装置は、上記液晶表示パネルの背面側直下に配される拡散板と、上記拡散板直下に配置された光源を備え、上記光源と対向する上記拡散板の平面部を可視光波長の２分の１以下の径及び高さを有する略円錐形状の凸部又は凹部からなる微小光学素子を多数設けたモスアイ状の入射面としたことを特徴とする。

本発明では、フレネル損失を最小限に留め、光の有効利用効率を大幅に向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明をする。なお、本発明は、以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、例えば図１に示すような構成のカラー液晶表示装置１００に適用される。

このカラー液晶表示装置１００は、透過型又は半透過型のカラー液晶表示パネル１１０と、このカラー液晶表示パネル１１０の背面側に設けられたバックライト装置１４０とからなる。また、図示しないが、このカラー液晶表示装置１００は、地上波や衛星波を受信するアナログチューナー、デジタルチューナーといった受信部、この受信部で受信した映像信号、音声信号をそれぞれ処理する映像信号処理部、音声信号処理部、音声信号処理部で処理された音声信号を出力するスピーカといった音声信号出力部などを備えていてもよい。

カラー液晶表示パネル１１０は、ガラス等で構成された２枚の透明な基板（ＴＦＴ基板１１１、対向電極基板１１２）を互いに対向配列させ、その間隙に、例えば、ツイステッドネマチック（ＴＮ）液晶を封入した液晶層１１３を設け、さらに、ＴＦＴ基板１１１、対向電極基板１１２を、２枚の偏光板１３１、１３２によって挟むことで構成された透過型又は半透過型のカラー液晶表示パネルである。ＴＦＴ基板１１１には、マトリックス状に配列された信号線１１４と、走査線１１５と、この信号線１１４、走査線１１５の交点に配列されたスイッチング素子としての薄膜トランジスタ１１６と、画素電極１１７とが形成されている。薄膜トランジスタ１１６は、走査線１１５により、順次選択されると共に、信号線１１４から供給される映像信号を、対応する画素電極１１７に書き込む。一方、対向電極基板１１２の内表面には、対向電極１１８及びカラーフィルタ１１９が形成されている。

カラーフィルタ１１９は、各画素に対応した複数のセグメントに分割されている。例えば、図２に示すように、３原色である赤色フィルタＣＦＲ、緑色フィルタＣＦＧ、青色フィルタＣＦＢの３つのセグメントに分割されている。カラーフィルタ１１９の配列パターンは、図２に示すようなストライプ配列の他に、図示しないが、デルタ配列、正方配列などがある。

このカラー液晶表示装置１００は、このような構成の透過型又は半透過型のカラー液晶表示パネル１１０を、バックライト装置１４０により背面側から白色光又は可視波長域に適当な分光スペクトルを有する光を照射した状態で、アクティブマトリックス方式で駆動することによって、所望のフルカラー映像を表示させることができる。

そして、バックライト装置１４０は、上記カラー液晶表示パネル１１０を背面側から照明する。バックライト装置１４０は、ここでは図示していない光源や、光源から出射された光を、光の利用効率を保ちながら、色ムラ、輝度ムラを抑制するように十分拡散させる機能などが組み込まれたバックライト筐体部１２０内に、導光板１４１や、導光板１４１上に重ねて配列される拡散シート１４２、プリズムシート１４３、偏光変換シート１４４といった光学シート群１４５などを備えた構成となっている。

導光板１４１は、光源から出射された光を、伝達及び内部拡散させることで、面発光における輝度の均一化を行う。

一般に、光学機能シート群は、例えば、入射光を直交する偏光成分に分解する機能、光波の位相差を補償して広角視野角化や着色防止を図る機能、入射光を拡散させる機能、輝度向上を図る機能などを備えたシートで構成されており、バックライト装置１４０から面発光された光をカラー液晶表示パネル１１０の照明に最適な光学特性を有する照明光に変換するために設けられている。したがって、光学機能シート群１４５の構成は、上述した拡散シート１４２、プリズムシート１４３、偏光変換シート１４４に限定されるものではなく、様々な光学機能シートを用いることができる。

図３の（Ａ），（Ｂ）にバックライト筐体部１２０内の概略構成図を示す。

このカラー液晶表示装置１００におけるバックライト装置１４０は、カラー液晶表示パネル１１０の背面側直下に配した導光板３０の側面部に光源２０を配置したエッジライト型のバックライト装置であって、バックライト筐体部１２０内に光源２０と導光板３０が設けられている。

光源２０は、少なくとも赤色光を発光する赤色発光ダイオード２１Ｒ、緑色光を発光する緑色発光ダイオード２１Ｇ、青色光を発光する青色発光ダイオード２１Ｂを直線状に複数配設した発光ダイオードユニットもしくは上記赤色発光ダイオードとその補色となる色の蛍光体との組み合わせによって実現される白色発光ダイオード、もしくは上記緑色発光ダイオードとその補色となる色の蛍光体との組み合わせによって実現される白色発光ダイオード、もしくは上記青色発光ダイオードとその補色となる色の蛍光体との組み合わせによって実現される白色発光ダイオード、もしくは赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、青色発光ダイオードを1個のLED内部に併せ持つ構造にて白色を実現するダイオードからなる。なお、以下の説明において、赤色発光ダイオード２１Ｒ、緑色発光ダイオード２１Ｇ、青色発光ダイオード２１Ｂ、及び上記白色ダイオードを総称して、発光ダイオード２１と呼ぶ。

光源２０は、アクリル樹脂などによって形成された導光板３０の側面部に設けられ、その背面側が半円筒形状又はその断面形状が長方形をなす反射板２２にて覆われている。反射板２２には、反射率の高い銀、アルミニウムなどを蒸着することで光反射面が形成されている。

導光板３０は、アクリルやポリカーボネート等の透明樹脂によって形成されている。

この導光板３０の上記光源２０と対向する側面部は、その一部を拡大した斜視図及び正面図を図４及び図５に示すように、可視光波長（３８０〜７８０ｎｍ）の２分の１以下の微小光学素子３１として微小凸部、又は、その反転形状としての凹部を多数設けた所謂ＭＯＴH・Ｅｙｅ状の入射端面３０Ａとなっている。

このように、可視光波長の2分の1以下の微小光学素子３１として微小凸部又は凹部を多数設けた所謂ＭＯＴＨ・Ｅｙｅ状の入射端面３０Ａを備える導光板３０は、光Ｌの入射に際して発生するフレネル損失を最小限に留め、光の有効利用効率を大幅に向上させることができる。

ここで、図６に、カラー液晶表示装置１００を組み上げた際に、図１に示すカラー液晶表示装置１００に付したＸＸ線で切断した際の概略断面図を示す。

この導光板３０に入射された各色の光は、導光板３０内で全反射を繰り返しながら内部拡散し導光板３０内を導光される。このとき光出射面３０ｚに導光板内部から入射された色光のうち、臨界角（アクリル樹脂：約４２度）以下となった光の成分のみが光学シート群１４５へと出射されることになる。このような導光板３０を用いることで光学シート群１４５の前段で光がバックライト筐体部１２０内全体、つまり液晶表示パネル１１０全面に行き渡るため輝度ムラ、色ムラが低減される。

なお、導光板３０は、底面３０ａと、３つの側面３０ｂに、それぞれ反射シート４０Ａ、４０Ｂが設けられている。ただし、3つの側面３０ｂには高反射特性を有する樹脂にて成形された材料が対抗している場合もある。反射シート４０Ａ、４０Ｂは、その基材となるシートに反射率の高い銀、アルミニウムなどを蒸着することで光反射面が形成されたもの、もしくは多層膜により十分な反射特性を得たものとなっている。この反射シート４０Ａ、４０Ｂは、導光板３０内を導光しながら拡散する光が、光出射面３０ｚ以外の面から漏れ出て、光の利用効率が低下してしまうことを防止する。

このような構成のカラー液晶表示装置１００は、例えば、図７に示すような駆動回路２００により駆動される。駆動回路２００は、カラー液晶表示パネル１１０や、バックライト装置１４０の駆動電源を供給する電源部２１０、カラー液晶表示パネル１１０を駆動するＸドライバ回路２２０及びＹドライバ回路２３０、外部から供給される映像信号や、当該構成のカラー液晶表示装置１００が備える図示しない受信部で受信され、映像信号処理部で処理された映像信号が、入力端子２４０を介して供給されるＲＧＢプロセス処理部２５０、このＲＧＢプロセス処理部２５０に接続された画像メモリ２６０及び制御部２７０、バックライト装置１４０を駆動制御するバックライト駆動制御部２８０などを備えている。

この駆動回路２００において、入力端子２４０を介して入力された映像信号は、ＲＧＢプロセス処理部２５０により、クロマ処理などの信号処理がなされ、さらに、コンポジット信号からカラー液晶表示パネル１１０の駆動に適したＲＧＢセパレート信号に変換されて、制御部２７０に供給されるとともに、画像メモリ２６０を介してＸドライバ２２０に供給される。

また、制御部２７０は、上記ＲＧＢセパレート信号に応じた所定のタイミングで、Ｘドライバ回路２２０及びＹドライバ回路２３０を制御して、上記画像メモリ２６０を介してＸドライバ回路２２０に供給されるＲＧＢセパレート信号で、カラー液晶表示パネル１１０を駆動することにより、上記ＲＧＢセパレート信号に応じた映像を表示する。

バックライト駆動制御部２８０は、電源２１０から供給される電圧から、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成し、バックライト装置１４０の光源である光学ユニット２１ｍｎが有する各発光ダイオード２１を駆動する。一般に発光ダイオードの色温度は、動作電流に依存するという特性がある。したがって、所望の輝度を得ながら、忠実に色再現させる（色温度を一定とする）には、パルス幅変調信号を使って発光ダイオード２１を駆動し、色の変化を抑える必要がある。

ユーザインターフェース３００は、上述した図示しない受信部で受信するチャンネルを選択したり、同じく図示しない音声出力部で出力させる音声出力量を調整したり、カラー液晶表示パネル１１０を照明するバックライト装置１４０からの白色光又は可視波長域に適当な分光スペクトルを有する光の輝度調節、ホワイトバランス調節などを実行するためのインターフェースである。

例えば、ユーザインターフェース３００から、ユーザが輝度調節をした場合には、駆動回路２００の制御部２７０を介してバックライト駆動制御部２８０に輝度制御信号が伝わる。

このように、バックライト装置１４０は、赤色発光ダイオード２１Ｒ、緑色発光ダイオード２１Ｇ、青色発光ダイオード２１Ｂ、もしくは赤色発光ダイオードとその補色となる色の蛍光体との組み合わせによって実現される白色発光ダイオード、もしくは緑色発光ダイオードとその補色となる色の蛍光体との組み合わせによって実現される白色発光ダイオード、もしくは上記青色発光ダイオードとその補色となる色の蛍光体との組み合わせによって実現される白色発光ダイオード、もしくは赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、青色発光ダイオードを１個のＬＥＤ内部に併せ持つ構造にて白色を実現するダイオードから出射される赤色光、緑色光、青色光の放射角度分布を、導光板３０といった光学部材を設けることで制御し、拡散板１４１へ入射される前段において液晶表示パネル１１０全面に渡って均一に拡散させる。そして、導光板３０に、反射シート４０Ａ、４０Ｂを介して、あるいは直接に形成された拡散反射領域により、導光板３０外へと出射される光が増加される。

したがって、このようなバックライト装置１４０から出射された照明光で液晶表示パネル１１０を照明すると、低消費電力であっても液晶表示パネル１１０には、色再現性がよく非常に明るい画像を表示させることができる。

ここで、本発明は、図８に示すように、直下型のバックライト装置４００に適用することもできる。

このバックライト装置４００は、液晶表示パネルの背面側直下に配される拡散板４１０を介して配された冷陰極蛍光管（ＣＣＦＬ：Cold Cathode Fluorescent Lamp）４２０、あるいは赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、青色発光ダイオード、もしくは上記赤色発光ダイオードとその補色となる色の蛍光体との組み合わせによって実現される白色発光ダイオード、もしくは上記緑色発光ダイオードとその補色となる色の蛍光体との組み合わせによって実現される白色発光ダイオード、もしくは上記青色発光ダイオードとその補色となる色の蛍光体との組み合わせによって実現される白色発光ダイオード、もしくは赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、青色発光ダイオードを1個のＬＥＤ内部に併せ持つ構造にて白色を実現するダイオードを光源とする直下型のバックライト装置であって、上記拡散板４１０の光源側の平面に可視光波長の２分の１以下の微小光学素子４１１として微小凸部を多数設けた所謂ＭＯＴＨ・Ｅｙｅ状の入射面４１０Ａとなっている。

このように、可視光波長の2分の１以下の微小光学素子４１１として微小凸部を多数設けた所謂ＭＯＴＨ・Ｅｙｅ状の入射端面４１０Ａを備える拡散板４１０は、光Ｌの入射に際して発生するフレネル損失を最小限に留め、光の有効利用効率を大幅に向上させることができる。

本発明を適用したカラー液晶表示装置の要部構成を模式的に示す分解斜視図である。上記カラー液晶表示装置に備えられた液晶表示パネルに設けられるカラーフィルタの構成を示す図である。上記カラー液晶表示装置に備えられた液晶表示用バックライト装置の要部構成を示す模式的な横断平面図（Ａ）及び縦断正面図（Ｂ）である。上記液晶表示用バックライト装置に備えられた導光板の入射端端面の一部を拡大した斜視図である。上記導光板の入射端端面の一部を拡大して示す正面図である。カラー液晶表示装置を図１に示したＸＸ線で切断した際の縦断面図である。上記カラー液晶表示装置を駆動する駆動回路の構成を示すブロック図である。本発明を適用した直下型のバックライト装置の要部構成を示す模式的な縦断面図である。従来のエッジライト型のバックライト装置の要部構成を示す模式的な縦断面図である。従来の直下型のバックライト装置の要部構成を示す模式的な縦断面図である。

符号の説明

２０光源、２１Ｒ赤色（Ｒ）発光ダイオード、２１Ｇ緑色（Ｇ）発光ダイオード、２１Ｂ青色（Ｂ）発光ダイオード、２１発光ダイオードユニット、２２反射板、３０導光板、３０Ａ入射端面、３１，４１１微小光学素子、液晶表示装置、１４０，４００液晶表示用バックライト装置、４１０拡散板、４１０Ａ入射面、４２０ＣＣＦＬ

Claims

透過型又は半透過型の液晶表示パネルを背面側から白色光又は可視波長域に適当な分光スペクトルを有する光で照明するバックライト装置において、
上記液晶表示パネルの背面側直下に配される導光板と、
上記導光板の側面部に配置された光源を備え、
上記光源と対向する上記導光板の側面部を可視光波長の２分の１以下の径及び高さを有する略円錐形状の凸部又は凹部からなる微小光学素子を多数設けたモスアイ状の入射端面としたことを特徴とするバックライト装置。
透過型又は半透過型の液晶表示パネルを背面側から白色光又は可視波長域に適当な分光スペクトルを有する光で照明するバックライト装置において、
上記液晶表示パネルの背面側直下に配される拡散板と、
上記拡散板直下に配置された光源を備え、
上記光源と対向する上記拡散板の平面部を可視光波長の２分の１以下の径及び高さを有する略円錐形状の凸部又は凹部からなる微小光学素子を多数設けたモスアイ状の入射面としたことを特徴とするバックライト装置。
透過型又は半透過型の液晶表示パネルと、上記液晶表示パネルを背面側から白色光又は可視波長域に適当な分光スペクトルを有する光で照明するバックライト装置とを備える液晶表示装置において、
上記バックライト装置は、上記液晶表示パネルの背面側直下に配される導光板と、上記導光板の側面部に配置された光源を備え、上記光源と対向する上記導光板の側面部を可視光波長の２分の１以下の径及び高さを有する略円錐形状の凸部又は凹部からなる微小光学素子を多数設けたモスアイ状の入射端面としたことを特徴とする液晶表示装置。
透過型又は半透過型の液晶表示パネルと、上記液晶表示パネルを背面側から白色光又は可視波長域に適当な分光スペクトルを有する光で照明するバックライト装置とを備える液晶表示装置において、
上記バックライト装置は、上記液晶表示パネルの背面側直下に配される拡散板と、上記拡散板直下に配置された光源を備え、上記光源と対向する上記拡散板の平面部を可視光波長の２分の１以下の径及び高さを有する略円錐形状の凸部又は凹部からなる微小光学素子を多数設けたモスアイ状の入射面としたことを特徴とする液晶表示装置。