光源装置及び平面表示装置

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【発明の名称】	光源装置及び平面表示装置
【発明者】	【氏名】梶浦信孝【氏名】小川修
【要約】	【課題】光源からの出射光の利用効率を高め、平面表示装置の視認性を向上でき、しかも、経済性に優れた光源装置及び平面表示装置を提供する。【解決手段】ＦＰＤ１００は、表示パネル１の背面側に本発明の光源装置が設けられたＬＣＤである。光源装置は、導光板２の後段に配置された光源３と集光光学系１０を備えて成る。集光光学系１０は、一方端が導光板２の側壁に結合されたプリズム３０の他方端が光源３の周囲に配置された集光部２０の両側端に結合されたものである。かかる構成のＦＰＤ１００では、光源３からの出射光の殆どの部分が、集光部２０によりプリズム３０に集光され、反射面３１，３２等で反射されて導光板２へ入射する。よって、出射光の利用効率が格段に高められ、且つ、導光板の使用により照射ムラを防止できる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】液晶表示層を有する表示パネルの背面側に設けられる光源装置であって、前記表示パネルに対向するように設置される光源と、前記表示パネルと前記光源との間に設けられた導光板と、前記光源の周囲を覆うように配置され、且つ、前記導光板における互いに対向する側壁のそれぞれに光学的に結合された集光光学系と、を備える光源装置。
【請求項２】前記光源は、前記導光板と略同軸状に配置された単一のものであり、前記集光光学系は、前記光源が略中心に位置するように配置され、且つ、該光源近傍から互いに対向する側端部に向かって断面厚さが漸次小さくされており、該側端部に前記光源からの出射光が集光される第１の光学部と、断面台形状を成し、且つ、底面が第１の光学部における互いに対向する側端部と前記導光板における互いに対向する側壁とに光学的に結合された第２の光学部と、を有するものである請求項１記載の光源装置。
【請求項３】前記第１の光学部は、前記光源の近傍部位に形成された凹部を有するものである請求項２記載の光源装置。
【請求項４】前記第２の光学部が、当該第２の光学部の底面に対して所定角を成し且つ前記導光板の側壁に対向する第１の反射面と、当該第２の光学部の底面に対して所定角を成し且つ前記第１の光学部の側端部に対向する第２の反射面とを有しており、前記導光板の厚さが前記第２の反射面の高さ以上とされており、前記第１の光学部の側端部の厚さが前記第１の反射面の高さ以下とされている、請求項２又は３記載の光源装置。
【請求項５】前記第２の光学部が、当該第２の光学部の底面に対して４５°の角度を有し且つ前記導光板の側壁に対向する第１の反射面と、当該第２の光学部の底面に対して４５°の角度を有し且つ前記第１の光学部の側端部に対向する第２の反射面とを含んでおり、下記式（１）；
ｈ×√２≦Ｌ≦ｄ×√２ …（１）
Ｌ：前記第２の光学部の断面における前記第１及び第２の反射面の長さ、ｈ：前記第１の光学部の側端部の厚さ、ｄ：前記導光板の厚さで表される関係を満たすように設けられたものである請求項２又は３記載の光源装置。
【請求項６】液晶表示層が基板に保持されて成る表示パネルと、前記表示パネルの背面側に設けられた請求項１～５のいずれか一項に記載の光源装置と、を備える平面表示装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光源装置及び平面表示装置に関し、詳しくは、液晶表示層を有する表示パネルに用いられるいわゆるバックライト型の光源装置、及び当該光源装置を備える液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）といった平面表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】スイッチング素子や光学素子を用いた平面表示装置（フラットパネルディスプレイ；ＦＰＤ）は、軽量、省スペース、且つ省エネルギーといった優れた特徴を備えており、近年、ブラウン管（ＣＲＴ）に代替する平面表示装置の主流となっている。ＦＰＤのなかで液晶を用いたＬＣＤは、自己発光特性を有しないことから、外部の光源（人工光源又は自然光源）が必要であり、かかる光源のタイプとしては、主として透過型及び反射型が採用されている。特に、高照度による視認性及び安定性等の観点からは、看者に対して液晶表示層の裏面側（背面側）から光を透過させるバックライト型の光源装置が有利である場合が多い。
【０００３】このようなバックライト型の光源装置としては、以下に示す如く、種々のものがある。すなわち；
（１）特公平３－７２９６８号公報には、液晶表示パネルの背面側に設けられた線状光源を備えており、その光源とパネルとの間に中央部が厚くされた特徴的な形状を有する光散乱体が配置されたものが記載されている。
（２）実公平８－５４５４号公報には、液晶セルの背面側に設けられた導光体（ライトガイド）の後段に、斜面を含む透反板を有する透明板を介して光源が配置されたものが記載されている。
（３）特許第２５４０５４９号公報には、光拡散板の下方面側に対象配置された内面フレネル形状を有する二つの楔型導光体のそれぞれに線状光源が設けられたものが記載されている。また、特公平６－４２０２８号公報には、内面フレネル形状等を有する一つの略楔型導光体に線状光源が設けられたものが記載されている。
（４）特公平７－１１３７１８号公報には、光乱反射層を有する導光板の側方に単一又は複数の線状光源が配置されたものが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】これら従来の光源装置のなかで、液晶セル等の表示層（パネル）の背面側に光源が位置する上記（１），（２）のタイプの場合、表示層に出射される光強度ひいては表示層における照度の面内分布を均一化して照度ムラを解消すべく、光源と導光体との間に一定の厚みを有する光散乱体や特徴的な透明板が配置されている。したがって、原理的に装置全体の厚みが不都合に増大してしまう傾向にある。なお、表示層又は導光体の直後方に複数の光源を配置することも考えられるが、照度ムラを十分に解消するには、実質的に理想的な面光源とする必要があり、また、この場合には、光源自体の部材コスト及び製造工数の増大を招いてしまう。
【０００５】一方、上記（３），（４）のタイプのものは、パネルの背面に設けた導光板の側方に光源が配置されているので、ＬＣＤの薄型化の観点ではより優れている。また、光源の周囲を反射体で覆うことにより、出射光の大部分を導光板へ導入して光の利用効率の向上が図られている。しかし、光源の制約から、単一光源ではＬＣＤに要求される十分な照度が担保し難いこともあり、複数光源とせざるを得ない場合があり、光源自体の部材コスト及び製造工数が増大するという不都合がある。
【０００６】加えて、近時更なる薄型化という市場の要求が高まってきており、これに応えるべく導光板の薄層化が加速している。これに対し、同等の光強度を有する光源サイズの縮小化には限界があるため、複数の光源を用いたとしても、従来と同様の光学系を使用する限り、出射光を導光板へ効率よく入射させることが困難である。よて、光の利用効率が低下し、ＬＣＤの照度が低下して表示面の視認性が悪化するおそれがある。
【０００７】そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、光源からの出射光の利用効率を高め、平面表示装置の視認性を向上でき、しかも、経済性に優れた光源装置及び平面表示装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明による光源装置は、液晶表示層を有する表示パネルの背面側に設けられるものであって、表示パネルに対向するように設置される光源と、表示パネルと光源との間に設けられた導光板と、光源の周囲を覆うように配置され且つ導光板における互いに対向する側壁のそれぞれに光学的に結合された集光光学系とを備えることを特徴とする。
【０００９】このように構成された光源装置においては、光源から発せられた光が、表示パネルに直接導入されずに、光源の周囲に配置された集光光学系で集められ、その内部を導波し、集光光学系に光学結された導光板に入射する。よって、光源からの出射光の利用効率が極めて高められる。したがって、光源を複数光源としなくても表示パネルに要求される十分な輝度が実現される。
【００１０】また、光源は、導光板と略同軸状に配置された単一のものであり、集光光学系は、光源が略中心に位置するように配置され、且つ、光源近傍から互いに対向する側端部に向かって断面厚さが漸次小さくされており、側端部に光源からの出射光が集光される第１の光学部と、断面台形状を成し且つ底面が第１の光学部における互いに対向する側端部と導光板における互いに対向する側壁とに光学的に結合された第２の光学部とを有するものであると好ましい。
【００１１】こうした場合、第１の光学部によって、光源からの出射光が光源近傍つまり断面厚さが大きな中心部からより薄い（幅が狭い）側端部に向かって集光される。このように狭い範囲（領域）に収束された光は、断面略台形状を成す一種のプリズムとして機能する第２の光学部に入射し、その内部で反射・導光されて導光板に導入される。よって、第２の光学部のダウンサイズが図られると共に、導光板の厚さが薄くとも、その側壁への光入射が平易である。
【００１２】さらに、第１の光学部が、光源の近傍部位に形成された凹部を有するものであるとより好ましい。第１の光学部における光源近傍の部位には、光源からの出射光が深い角度で照射される傾向にあるため、その部位に凹部が形成されていれば、当該凹部による反射又は散乱により、その反射光や散乱光が光源から遠方に導光され易くなる。よって、第２の光学部に入射する光量が一層増大される。
【００１３】より具体的には、第２の光学部が、当該第２の光学部の底面に対して所定角を成し且つ導光板の側壁に対向する第１の反射面と、第２の光学部の底面に対して所定角を成し且つ第１の光学部の側端部に対向する第２の反射面とを有しており、導光板の厚さが第２の反射面の高さ以上とされており、第１の光学部の側端部の厚さが第１の反射面の高さ以下とされていると好適である。
【００１４】或いは、第２の光学部が、当該第２の光学部の底面に対して４５°の角度を有し且つ導光板の側壁に対向する第１の反射面と、当該第２の光学部の底面に対して４５°の角度を有し且つ第１の光学部の側端部に対向する第２の反射面とを含んでおり、下記式（１）；
ｈ×√２≦Ｌ≦ｄ×√２ …（１）
で表される関係を満たすように設けられたものである。ここで、式中、Ｌは第２の光学部の断面における第１及び第２の反射面の長さを示し、ｈは第１の光学部の側端部の厚さを示し、ｄは導光板の厚さを示す。
【００１５】このように構成すれば、第２の反射面の高さ（Ｌ／√２）に比して第１の光学部の側端部の厚さ（高さ）が同等又はそれより小さいので、第１の光学部で集められた光が第２の光学部へ入射する際の損失が抑えられる。この入射光は、第２の反射面等で反射されて、第１の反射面側に向かい、そこで反射されて導光体へ入射する。このとき、第１の反射面の高さ（Ｌ／√２）に比して導光体の厚さ（側壁の高さ）が同等又はそれより大きいので、第２の反射面等で反射され導光された光が導光体へ入射する際の損失が抑えられる。
【００１６】また、本発明による平面表示装置は、液晶表示層が基板に保持されて成る表示パネルと、この表示パネルの背面側に設けられた本発明による光源装置とを備えることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。
【００１８】図１は、本発明による光源装置を備える本発明の平面表示装置の第一実施形態を示す摸式断面図である。ＦＰＤ１００（平面表示装置）は、バックライト型ＬＣＤであって、表示パネル１の後方（看者９から見て表示パネル１の背面側）に本発明による光源装置が設けられたものである。表示パネル１は、それぞれ電極が設けられた透明基板１１，１２（基板）間に、例えば数十～数百μｍピッチで配設された液晶セルアレイを有する液晶表示層１３が挟持されて成る。また、看者９側の表面には必要に応じて偏光体１４が被着される。
【００１９】ここで、ＬＣＤの駆動方式としては、パッシブ方式及びアクティブ方式のいずれも採用され得るが、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、薄膜ダイオード(ＴＦＤ)等のスィッチング素子を画素セル毎に備えるアクティブ方式が、表示性能により優れる点で好適である。また、カラー表示を行う場合には、各スイッチング素子に対応して例えばピクセル単位でＲＧＢ等のカラーフィルタが配設される。また、透明基板１１，１２としては、可視光（波長が概ね４００～７５０ｎｍ程度）に対する透光性を有する樹脂体、例えば（メタ）アクリル系樹脂、ポリカーボネート、シクロオレフィン系樹脂等、或いは、各種ガラス材等を適宜選択して用いることが可能である。さらに、必要に応じて、例えば無機系の防湿層を設けてもよい。
【００２０】また、本発明による光源装置は、表示パネル１に対向するように配置された導光板２と、更にその後段に配置された光源３及び集光光学系１０を備えている。つまり、光源３は、導光板２を介して表示パネル１の背面にそれらと同軸状に設けられたバックライトである。なお、光源３の形状は特に制限されず、例えば、線状光源でも点状光源でもよい。以下においては、線状光源として説明する。また、導光板２は、側壁から導入された光を表示パネル１側へ照射するためのものであり、内面に例えばフレネル形状の散乱体、分散体、或いは反射体等が形成された一般に用いられるものを使用できる。
【００２１】集光光学系１０は、光源３の周囲を覆うように設けられた集光部２０（第１の光学部）とプリズム３０（第２の光学部）とから構成されている。集光部２０は、内面が反射面であり且つ光源３を挟んで対称に対向配置された二つの反射体２１ａから成る筐体２１と、光源３と同軸状に設けられた円筒部２２との間に、集光媒体２３を有して成る。集光媒体２３としては、例えば、空気その他のガス、或いは、所定の屈折率を有する透明部材等が挙げられ、適宜選択できる。また、集光部２０は、光源３の近傍の断面幅が最大とされており、端部に向かってその幅が漸次狭くされている。
【００２２】また、プリズム３０は、断面台形状を成しており、底面３０ａが導光板２の側端面２ａ及び集光部２０の側端面１０ａと光学的に接合されている。さらに、プリズム３０における導光板２側に位置する反射面３１（第１の反射面）及び集光部２０側に位置する反射面３２（第２の反射面）は、底面３０ａに対する内角θが４５°とされている。また、これらの反射面３１，３２は、上記式（１）を満たすように設けられている。なお、本実施形態においては、式中のＬは、反射面３１，３２の断面長さを示し、ｈは集光部２０の側端面の厚さを示し、ｄは導光板２の厚さを示す。つまり、反射面３１の高さ（Ｌ／√２）は、導光板２の厚さｄ以下とされる一方で、反射面３２の高さ（Ｌ／√２）は、集光部２０の側端面１０ａの厚さｈ以上とされている。
【００２３】このように構成されたＦＰＤ１００及びこれに備わる光源装置においては、光源３からの出射光（一例を図示矢印で示す。）の一部がプリズム３０へ入射すると共に、他の大部分が反射体２１ａの反射面で反射されて集光部２０の両側端側へ導波し、プリズム３０内へ入射する。よって、光源３から全周方向へ発せられる光の略全部が、集光部２０の両側端部に集光され、プリズム３０内へ入射する。この入射光は、プリズム３０の反射面３１，３２等で反射され、導光板２へ導入される。そして、導光板２内で分散、反射等された光が表示パネル１側へ出射される。
【００２４】このように、ＦＰＤ１００によれば、光源３から全周方向に出射された光の殆ど（実質的に略全部）が導光板２内へ導入されるので、従来に比して、出射光の利用効率を格段に高めることができる。よって、光源を複数用いず単一の光源３のみでも、導光板２から表示パネル１側へ照射される光量が増大し、表示パネル１の輝度が増し、その表示性、視認性及び色調を格別に改善できる。また、導光板２を用いるので、表示パネル１上での照度ムラを防止できる。
【００２５】さらに、光源３からの出射光を、幅が狭い集光部２０の両側端部に集光し、光束フルエンス（フラックス）を高めるので、プリズム３０の小型化を図り得る。またさらに、プリズム３０を小型化により、反射面３１の長さＬを短小化できるので、導光板２の厚さｄが極薄い場合にも、導光板２の側壁へ十分な光量を導入し易くなる。さらにまた、この点において、アライメントが簡便となる。またさらに、光源３を単色化することにより、経済性をも向上できる。
【００２６】また、反射面３２の高さ（Ｌ／√２）に比して集光部２０の側端部の厚さ１０ａ（高さ）ｈが同等又はそれより小さくされているので、集光部２０で集光された光束がプリズム３０へ入射する際の損失を十分に抑制できる。よって、反射面３２への入射効率を高めることができる。さらに、反射面３１の高さ（Ｌ／√２）に比して導光板２の厚さｄ（側壁の高さ）が同等又はそれより大きくされているので、反射面３１等で反射された光が導光板２へ入射する際の損失を十分に抑制できる。よって、光の利用効率を更に一層向上できる。
【００２７】図２は、本発明による光源装置を備える本発明の平面表示装置の第二実施形態を示す摸式断面図である。ＦＰＤ２００（平面表示装置）は、集光光学系１０の代わりに、光源３を挟んで対称に対向配置された二つの反射体４１ａから成る筐体４１を有する集光光学系４０を備えること以外は、図１に示すＦＰＤ１００と同等に構成されたものである。また、図３は、本発明による光源装置を備える本発明の平面表示装置の第三実施形態を示す摸式断面図である。ＦＰＤ３００（平面表示装置）は、集光光学系１０の代わりに、光源３を挟んで対称に対向配置された二つの反射体６１ａから成る筐体６１を有する集光光学系６０を備えること以外は、図１に示すＦＰＤ１００と同等に構成されたものである。
【００２８】これらＦＰＤ２００，３００に用いられる集光光学系４０，６０の反射体４１ａ，６１ａは、光源３の近傍部位、具体的には光源の図示上方及び下方部位にそれぞれ凹部Ｋ１，Ｋ２が形成されている。凹部Ｋ１は、断面弧状を成す一方で、凹部Ｋ２は、断面「く」の字状を成している。このように凹部Ｋ１，Ｋ２が形成された部位には、光源３からの出射光が深い角度で照射されるため、そのような照射光は当該凹部Ｋ１，Ｋ２によって反射，散乱等され、その反射光や散乱光が光源３から遠方に導光され易くなる。よって、集光光学系４０，６０の両側端面１０ａへの集光効率がより高められる。したがって、同じ光源３を用いても、出射光の利用効率を更に向上できる利点がある。なお、ＦＰＤ１００が奏するのと同様の他の作用・効果については、重複を避けるため、ここでの説明は省略する。
【００２９】なお、本発明は上述した各実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、集光光学系１０，４０，６０の各集光部２０及びプリズム３０の形状、凹部Ｋ１，Ｋ２の形状等は、図示に限定されず、また、プリズム３０の一部又は全部に代わりに、ファイバ等の柔軟性を有する導光路を用いてもよい。さらに、光源３として、よりサイズの小さいものを集光光学系１０，４０，６０の各集光部２０内に配置しても構わない。またさらに、ＬＣＤの表示性及び視認性を一層高めるべく、透明基板１２における例えば導光板２の対向面にＡＲコートを施してもよい。これにより、看者９側から入射する反射光によるコントラストの低下を抑えることができる。さらにまた、偏光体１４はなくてもよい。
【００３０】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明による光源装置によれば、表示パネルの背面に配置される光源の周囲を覆い且つ導光板に光学結合された集光光学系を有するので、導光板が薄型化しても、光源からの出射光の利用効率を格別に高めることができる。よって、この光源装置を備える平面表示装置の照度ムラを防止し且つ高輝度及び高照度を両立でき、これにより視認性を向上できる。また、出射光の利用効率が高まるので、単一光源で十分な光量を得ることができ、経済性の向上をも図ることが可能となる。

【出願人】	【識別番号】５０２０５７５８８【氏名又は名称】有限会社梶浦【識別番号】０００２１４２７２【氏名又は名称】長瀬産業株式会社
【出願日】	平成１４年２月１８日（２００２．２．１８）
【代理人】	【識別番号】１０００８８１５５【弁理士】【氏名又は名称】長谷川芳樹（外１名）
【公開番号】	特開２００３－２４２８２０（Ｐ２００３－２４２８２０Ａ）
【公開日】	平成１５年８月２９日（２００３．８．２９）
【出願番号】	特願２００２－４０４３９（Ｐ２００２－４０４３９）