JP2006286906A - 発光ダイオード装置とこれを用いたバックライト装置及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤチップからレンズの中心軸に沿って放出される光の量を調整可能として、所望の角度分布をもって光が放射される発光ダイオード装置を提供し、これを用いることにより輝度むら、色むらが抑制されたバックライト装置及び液晶表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】発光ダイオードチップ１の周囲にレンズ３が覆われて成る発光ダイオード装置であって、発光ダイオードチップ１からレンズ３の中心軸に沿って進む光を調整する加工部１３を発光ダイオードチップ又はレンズ、もしくはレンズの直上に設ける構成とする。発光ダイオードチップ１にエッチングなどにより中心軸近傍を加工する。もしくはレンズの上に拡散材含有低屈折率材料部又は角度選択フィルムを設ける。
【選択図】図６

Description

本発明は、発光ダイオードチップを発光源とする発光ダイオード装置に関し、特に液晶表示パネルを背面から照明するバックライト装置に適用可能な発光ダイオード装置とこれを用いたバックライト装置及び液晶表示装置に関する。

近年、テレビジョン受像機用の表示装置として、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube、陰極線管）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）などの非常に薄型化された表示装置が提案され、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普及が進み、技術的な研究開発が進められている。

このような液晶表示装置においては、カラーフィルタを備えた透過型の液晶表示パネルを背面側から面状に照明するバックライト装置により照明することにより、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を発光する冷陰極蛍光管（ＣＣＦＬ：Cold Cathode Fluorescent Lamp）や、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）が有望視されている。
特に、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により、液晶表示パネルを介した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。更に、高出力の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを使用することによって、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。

このようにバックライト装置の光源にＬＥＤを用いる場合、直下型、すなわちＬＥＤを出射面の直下に配置すると、ＬＥＤが点光源であるため輝度むら、色むらが発生してしまう。
この問題を解決する手法として、全方向に光を放出するＬＥＤチップに対し、その周囲を取り囲むレンズを、真上に放出される光を横方向に反射させる形状として、主として横方向に光を取り出すサイドエミッタ型の発光ダイオード装置、いわゆるＬＥＤモジュールが提案されている（例えば非特許文献１参照。）。
このようなサイドエミッタ型の発光ダイオード装置を用いたバックライト装置はＲＧＢ（赤、緑及び青）の各色光の混色が容易であり、輝度むらや色むらを抑えることができるため有用である。

日経エレクトロニクス（日経ＢＰ社）、2004年12月20日号（第 889号）第123〜130頁

ところが、上述したように主として横方向に光を放射する発光ダイオード装置を用いても、依然としてＬＥＤの直上方向に出射させる光を完全に消光することはできない。
一例として、ＬＥＤを取り囲むレンズの形状が、主として横方向に光を放出させる形状とされた場合の概略断面構成を図２１に示す。図２１に示す例は、発光ダイオードチップ１がサブマウント２上に配置され、これを取り囲むレンズ３の形状を、横方向に突出する凸曲面とし、上部を凹曲面とした例である。
この例における典型的な光放射角度分布を図２２に示す。図２２中実線Ａで囲む角度範囲において微小なピークが見られるように、従来の発光ダイオードを用いた発光ダイオード装置では、レンズの真上方向に出る光が少なからず存在する。この真上に放出される光は、他のＬＥＤから放出される光と所望の割合で混合されず、色むらの原因になる。

このようにＬＥＤから真上に放出する光は、ＬＥＤチップからレンズ中心軸に沿って放出される光がレンズ内部で屈折せずに直進してきたものである。これは、レンズを射出成形等により製造する際に、レンズの例えば上部における鋭角部分が所望の角度に精度良く形成することができない場合に、上述したように真上に直進する光が完全に横方向に出射されず、上部に漏れてしまうためと考えられる。
これに対し、発光ダイオードのレンズ直上に反射コーティング面を設けるとか、または例えば上記非特許文献１に記載されているように、発光ダイオードの上部に透明基板を設け、光源の直上部分に光吸収材を印刷等によりパターン形成することによってＬＥＤの直上に放出する光の低減化を図る方法が考えられる。しかしながらこれらの方法では、例えば赤色ＬＥＤの直上において、赤色光は低減されるが、周囲からの緑色光、青色光が強くなり、これらの混色のシアン色の発光がみえてしまう場合がある。
したがって、上述したように上面を遮光する構成としても、表示装置としては十分ではなく、発光ダイオードのほぼ中心位置からの漏れ光による輝点、いわゆるホットスポットを完全になくし、かつ輝度むら、色むらをなくすことは難しい。このような輝度むらや色むらを十分低減するために、光源と表示パネルとの間隔を比較的大とする必要があり、バックライト装置及び液晶表示装置の薄型化を図り難い。また、反射コートや光吸収材の材料によっては、光の吸収量、無効量が多く、光の取り出し効率、利用効率の低下を招く場合がある。

以上の問題に鑑みて、本発明は、ＬＥＤチップからレンズの中心軸に沿って直上に放出される光の量を調整可能として、輝度むら、色むらを抑制した発光ダイオード装置を提供し、これを用いることにより輝度むら、色むらが抑制されたバックライト装置及び液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、発光ダイオードチップの周囲にレンズが覆われて成る発光ダイオード装置であって、発光ダイオードチップからレンズの中心軸に沿って進む光を調整する加工部を設ける構成とするものである。
そして、本発明においては、この加工部を、発光ダイオードチップに設けるか、或いはレンズ、もしくはその両方に設ける構成とするものである。
また、本発明によるバックライト装置及び液晶表示装置は、上述の本発明構成の発光ダイオード装置をバックライト装置の光源として用いる構成とするものである。
すなわち、本発明は、透過型の液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト装置であって、光源が、発光ダイオードチップの周囲にレンズが覆われて成る複数の発光ダイオード装置より構成され、発光ダイオードチップからレンズの中心軸に沿って進む光を調整する加工部を発光ダイオードチップ及び／又はレンズ上に設ける構成とする。

また、本発明による液晶表示装置は、上述の本発明構成の発光ダイオード装置を用いる構成とする。すなわち本発明は、透過型の液晶表示パネルと、この液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト装置とを備えて成る液晶表示装置において、バックライト装置の光源が、発光ダイオードチップの周囲にレンズが覆われて成る複数の発光ダイオード装置より構成され、発光ダイオードチップからレンズの中心軸に沿って進む光を調整する加工部を発光ダイオードチップ及び／又はレンズ上に設ける構成とする。

上述の本発明によれば、発光ダイオードチップか、又はその周囲を覆うレンズに、レンズの中心軸に沿って進む光を調整する加工部を設けるものである。
この加工部としては、発光ダイオードチップ自体に加工するか、又はレンズの上面、もしくはレンズの直上に光を調整する加工部を設けるもので、この加工部とは、光を遮光又は吸収する部材ではなく、発光ダイオードチップから放射される光の放射分布を制御するか、またはレンズの直上に放射される光を乱反射させるとか、或いは所望の角度に反射させることによって、発光ダイオード装置から放射される光の輝度分布を調整するものである。これにより、光を遮光ないしは吸収する場合と比較して、発光ダイオードの直上、すなわちレンズの中心軸に沿って放射される光を低減化するだけでなく、その光量を調整することができる。
したがって、このような発光ダイオード装置を光源として用いるバックライト装置及び液晶表示装置においては、輝度むら、色むらが改善される。

以上説明したように、本発明の発光ダイオード装置によれば、その直上に放射される光の量を調整することができる。
また、本発明のバックライト装置及び液晶表示装置によれば、輝度むら、色むらを改善することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
本発明は、例えば図１に示すような構成の透過型のカラー液晶表示装置１００に適用することができる。この透過型カラー液晶表示装置１００は、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、この透過型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。

透過型の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を設けた構成となっている。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。

再び、図１を用いて、透過型カラー液晶表示装置１００の構成について説明をする。透過型カラー液晶表示装置１００は、このような構成の透過型のカラー液晶表示パネル１１０を２枚の偏光板１３１，１３２で挟み、バックライト装置１４０により背面側から白色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。
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。図１に示すように、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白色光へと混色するためにバックライト筐体部１２０内に、拡散板１４１、拡散板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といった光学機能シート群１４５などを備えた構成となっている。
拡散板１４１は、バックライト筐体部１２０から出射された光を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に、バックライト筐体部１２０内の概略構成図を示す。この図３に示すように、バックライト筐体部１２０は、赤色光を発光する赤色発光ダイオード装置２１Ｒ、緑色光を発光する緑色発光ダイオード装置２１Ｇ、青色光を発光する青色発光ダイオード装置２１Ｂを光源として用いて、それぞれ後述する本発明構成の発光ダイオード装置を用いる。例えば、赤色発光ダイオード装置２１Ｒで発光される赤色光、緑色発光ダイオード装置２１Ｇで発光される緑色光、青色発光ダイオード装置２１Ｂで発光される青色光のピーク波長は、それぞれ６４０ｎｍ、５３０ｎｍ、４５０ｎｍ程度とされる。赤色発光ダイオード装置２１Ｒ、青色発光ダイオード装置２１Ｂで発光される赤色光、青色光のピーク波長は、それぞれ６４０ｎｍから長波長側へ、４５０ｎｍから短波長側へシフトしてもよい。このようにピーク波長を、長波長側、短波長側へシフトさせると、色域を広げることができるため、カラー液晶表示パネルに表示させる画像の色再現範囲を拡大することができる。
なお、以下の説明において、赤色発光ダイオード装置２１Ｒ、緑色発光ダイオード装置２１Ｇ、青色発光ダイオード装置２１Ｂを総称する場合は、単に発光ダイオード装置２１と呼ぶ。

発光ダイオード装置２１は、前述した図１８に示すような放射指向特性となるＬＥＤチップ、もしくは前述の特許文献１に記載されているレンズ形状のＬＥＤチップなどの横方向に主として光を放射するレンズ機能を有するサイドエミッティングタイプのものが使用される。
この発光ダイオード装置２１を、図３に示すように、基板２２上に所望の順番で列状に複数配列させることで、発光ダイオードユニット２１ｎ（ｎは、自然数。）が形成される。
発光ダイオードユニット２１ｎを形成するために、基板２２上に発光ダイオード装置２１を配列する順番は、図３に示すような、赤色発光ダイオード装置２１Ｒ、緑色発光ダイオード装置２１Ｇ、青色発光ダイオード装置２１Ｂを繰り返し単位とする最も基本的な配列の仕方や、図示しないが、例えば、緑色発光ダイオード装置２１Ｇを等間隔で配列させ、隣り合う緑色発光ダイオード装置２１Ｇの間に、赤色発光ダイオード装置２１Ｒ、青色発光ダイオード装置２１Ｂを交互に配列させるような順番など様々な配列の仕方がある。
バックライト筐体部１２０内への発光ダイオードユニット２１ｎの配列の仕方は、図３に示すように、発光ダイオードユニット２１ｎの長手方向が、水平方向となるように配列してもよいし、図示しないが、発光ダイオードユニット２１ｎの長手方向が垂直方向となるように配列してもよいし、両者を組み合わせても良い。
なお、発光ダイオードユニット２１ｎの長手方向を、水平方向或いは垂直方向とするように配列する手法は、従来までのバックライト装置の光源として利用していたＣＣＦＬの配列の仕方と同じになるため、蓄積された設計ノウハウを利用することができ、コストの削減や、製造までに要する時間を短縮することができる。
バックライト筐体部１２０の内壁面１２０ａは、発光ダイオード装置２１から発光された光の利用効率を高めるために反射加工がなされた反射面となっている。

図４に、透過型カラー液晶表示装置１００を組み上げた際に、図１に示す透過型カラー液晶表示装置１００に付したＸＸ線で切断した際の断面図を一部示す。図４に示すように、液晶表示装置１００を構成するカラー液晶表示パネル１１０は、透過型カラー液晶表示装置１００の外部筐体となる外部フレーム１０１と、内部フレーム１０２とによって、スペーサ１０３ａ，１０３ｂを介して挟み込むように保持される。また、外部フレーム１０１と、内部フレーム１０２との間には、ガイド部材１０４が設けられており、外部フレーム１０１と、内部フレーム１０２によって挟まれたカラー液晶表示パネル１１０が長手方向へずれてしまうことを抑制している。
一方、透過型カラー液晶表示装置１００を構成するバックライト装置１４０は、上述したように光学機能シート群１４５が積層された拡散板１４１を備えている。また、拡散板１４１と、バックライト筐体部１２０との間には、反射シート１２６が配されている。
反射シート１２６は、その反射面が、拡散板１４１の光入射面１４１ａと対向するように、且つ発光ダイオード装置２１の発光方向よりもバックライト筐体部１２０側となるように配されている。反射シート１２６は、例えば、シート基材上に銀反射膜、低屈折率膜、高屈折率膜を順に積層することで形成された銀増反射膜などを用いることができる。またこの反射シート１２６は、主に発光ダイオード装置２１から発光され、その放射角度分布によって下向きに放射された光や、バックライト筐体部１２０の反射加工を施され反射面とされた内壁面１２０ａにて反射された光などを反射する。
拡散板１４１は、バックライト筐体部１２０に設けられたブラケット部材１０８で保持される。

このような構成の透過型カラー液晶表示装置１００は、例えば、図５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、当該透過型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からの映像信号とともに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の光源である各発光ダイオード装置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装置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。バックライト駆動制御部２８０は、この輝度制御信号に応じて、パルス幅変調信号のデューティ比を、赤色発光ダイオード装置２１Ｒ、緑色発光ダイオード装置２１Ｇ、青色発光ダイオード装置２１Ｂ毎に変えて、赤色発光ダイオード装置２１Ｒ、緑色発光ダイオード装置２１Ｇ、青色発光ダイオード装置２１Ｂを駆動制御することになる。

次に、本発明による発光ダイオードの詳細な構成について図面を参照して説明する。以下の説明において、レンズの中心軸とは、レンズが回転対称な構造である場合その回転軸を示す。射出成形時の製造誤差により非回転対称となる場合、また非対称な形状とする場合は、上面からみた発光の輝度分布の略中心となる位置を中心軸に相当する位置から発光ダイオードチップに向かう垂線としてよい。なお、本発明による発光ダイオード装置はレンズの形状を問わない。

先ず、以下の第１〜第５の実施の形態例においては、発光ダイオードチップ自体にその直上に向かって進む光を調整する加工部を設ける場合の各例について説明する。
（１）第１の実施形態例
図６Ａは本発明の発光ダイオード装置の一例の基板１側からみた概略平面構成図、図６Ｂは本発明の発光ダイオード装置の一例の概略断面構成図である。発光ダイオードチップ１は、図６Ｂに示すように、基板１１の上にバッファ層、第１クラッド層、活性層、第２クラッド層、キャップ層（図示せず）等が積層された発光構造部１２が結晶成長法により形成されて構成される。そして、この発光ダイオードチップ１の図示しない電極にワイヤボンディング等により配線が接続されてモールド上に配置され、発光ダイオードチップ１の周囲を取り囲む所望の形状のレンズが発光ダイオードチップを覆って固定されて発光ダイオード装置が構成される。
この例においては、レンズ（図示せず）の中心軸に対向する位置を図６Ａにおいて一点鎖線の交点Ｃで示し、この点Ｃを取り囲む破線で示す領域に対応する位置の発光構造部１２に減光構造又は非発光構造とされた加工部１３を設ける。図６Ｂにおいてこの加工部１３に斜線を付して示す。
この場合加工部１３としては、発光構造部１２を作製する際に、この部分が発光しないもしくは発光の少ないパターンに形成してもよく、また、通常の発光ダイオードチップと同様に作製したのち、この部分の発光領域に達する深さにパターンエッチング又はレーザ加工により除去して加工部１３としてもよい。
また他の方法としては、この部分にイオンなどの注入を行って活性層を不活性化してもよい。
なお、加工部１３を設けることによって必ずしもこの領域を非発光とする必要はなく、減光構造でもよい。
また、図示の例においては、発光ダイオードチップ１の基板１１をレンズ３側に配置した例を示すが、この例においては、基板１１をレンズ３とは反対側に配置して、活性層などの発光構造部１２を上側、すなわちレンズ３側に配置する構成の発光ダイオード装置にも適用可能である。
そして、このように発光ダイオードチップ１の中央部分に微小な非発光（又は減光）構造を設けても、全体としての発光効率はそれ程低下しない。例えば１ｍｍ×１ｍｍ角の発光ダイオードチップの中央部に直径１μｍの非発光構造を設けても発光効率は殆ど変わらない。
加工部１３の平面形状は、図６Ａにおいては円形としているが、その他四角形などでもよく、またその面積は、この発光ダイオード装置を利用する装置の目的や発光ダイオードのレンズ形状、発光ダイオード装置の個数や配置などを考慮して適宜選定することが望ましい。
このような構成とすることによって、発光ダイオードチップ１自体から、その直上すなわちこれを覆うレンズの中心軸に沿って直上に放射される光の量を調整可能とすることができる。このため、前述したように、直上に進む光を完全に遮光することがなく、周囲の他の色の光との混色を良好に行うことが可能であり、ホットスポットを良好に抑制することが可能となって、輝度むら、色むらを良好に抑えることができる。このため、従来は輝度むら、色むら改善のために発光ダイオード装置を設けるバックライト装置の厚さを例えば５０ｍｍ程度と比較的厚く形成していたが、この厚さを薄くすることが可能となり、バックライト装置やこれを用いた液晶表示装置の薄型化が可能となる。また、この発光ダイオードチップ１から出射される光は、その一部が吸収されることなく、効率よく利用することができる。

（２）第２の実施形態例
次に、上述の第１の実施形態例と同様に発光ダイオードチップに加工部を設ける他の実施形態例について図７Ａ及びＢを参照して説明する。
この例においては、発光ダイオードチップ１の基板１１をレンズ３側に配置する構成とし、この基板１１のレンズの中心軸と対向する位置に、この中心軸と直交しない接線を有する曲面又は傾斜面を設けて加工部１３として構成する例を示す。図７Ａ及びＢにおいて、図６Ａ及びＢと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図７Ａに示すように、加工部１３として、点Ｃで示すレンズの中心軸に対向する位置に平面四角形の凹部を設け、図７Ｂに示すように、その一断面が三角形となる傾斜面より構成して、レンズの中心軸と直交しない面とする例である。この凹部状の加工部１３は、中心軸と交差する位置の接線が中心軸と直交しない形状であれば凹状曲面としてもよく、その他中心軸の近傍で中心軸と非対称な形状であれば良い。またこの場合も図７Ａに示す平面形状は、その他の形状でもよく、またその面積は適宜選定することが望ましい。
この加工部１３は、フェムト秒レーザ等の超短パルスレーザを用いて基板１１をレーザ加工することにより、所望の形状に精度良く形成することができる。
この場合、発光ダイオードチップ１からレンズの中心軸に沿って放射される光は、傾斜面や曲面の傾きにしたがって、斜め上方向に放射されことから、直上に放射される光の量を調整可能とすることができる。また、この発光ダイオードチップ１から出射される光は、その一部が吸収されることなく、効率よく利用することができる。

（３）第３の実施形態例
この例においては、上述の第２の実施形態例と同様に、発光ダイオードチップ１の基板１１をレンズ３側に配置する場合で、この基板１１のレンズの中心軸と対向する位置に、この中心軸と直交しない接線を有する曲面を設けて加工部１３として構成する例で、図８Ａ及びＢに示すように、点Ｃで示す中心軸と対向する位置の近傍に凸状の加工部１３を設ける例を示す。図８Ａ及びＢにおいて、図６Ａ及びＢと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
このような凸状の加工部１３は、樹脂等を滴下して固化して形成することができる。なお、その形状は、中心軸と対向する位置で接線が中心軸と直交しないように、例えばその頂部を中心軸からずらして配置したものである。
この場合においても、発光ダイオードチップ１からレンズの中心軸に沿って放射される光は、傾斜面や曲面の傾きにしたがって、斜め上方向に放射されることから、直上に放射される光の量を調整可能とすることができる。また、この発光ダイオードチップ１から出射される光は、その一部が吸収されることなく、効率よく利用することができる。

（４）第４の実施形態例
この例においては、図９Ａ及びＢに示すように、発光ダイオードチップ１の基板１１をレンズ３側に配置する場合で、基板１１のレンズの中心軸と対向する位置Ｃを粗面化して、加工部１３とした例である。このような加工部１３は、選択的エッチングや、発光ダイオードチップ１のサイズによっては例えば機械加工、ドライエッチングなどを用いて部分的に表面を粗面化して比較的容易に形成することができる。また、加工する面積は、上述の各実施形態例と同様に、利用する目的、発光ダイオードの数、配置、レンズ形状等に合わせて適宜選択することが望ましい。
この場合は、発光ダイオードチップ１からレンズの中心軸に沿って放射される光は、粗面化された加工部１３で乱反射され、直上に放射される光の量を調整可能とすることができる。また、この発光ダイオードチップ１から出射される光は、その一部が吸収されることがなく、効率よく利用することができる。

（５）第５の実施の形態例
この例においては、図１０Ａ及びＢに示すように、発光ダイオードチップ１の基板１１をレンズ３側に配置する場合で、基板１１のレンズの中心軸と対向する位置に回折格子を設けて加工部１３とした例である。この回折格子構造は、パターンエッチング等により形成することができる。また、加工する面積は、上述の各実施形態例と同様に、利用する目的、発光ダイオードの数、配置、レンズ形状等に合わせて適宜選択することが望ましい。
このように回折格子構造の加工部１３を設ける場合は、発光ダイオードチップ１からレンズの中心軸に沿って放射される光は、回折格子のピッチを出射光の波長に対し適切に選定することによって、直上に放射される光の量を調整可能とすることができる。また、この発光ダイオードチップ１から出射される光は、その一部が吸収されることがなく、効率よく利用することができる。

次に、発光ダイオードからレンズ中心軸に沿って出射される光を調整する加工部をレンズに設ける実施の形態の各例について説明する。
（６）第６の実施形態例
この例においては、図１１にその一例の概略断面構成図を示すように、発光ダイオードチップ１がモールド５上に配置され、その周囲にレンズ３が設けられて成り、加工部１３として、このレンズ３の上面の少なくとも中心軸を取り囲む領域に、レンズ３の屈折率に比して低い屈折率の低屈折率材料に、光を拡散させる拡散材を分散させた拡散材含有低屈折率材料部１４を被着した例を示す。
なお、上記特許文献１に記載のレンズ形状をはじめ、放射分布を制御して横方向に放射する発光ダイオードのレンズ形状としては、レンズの直上へ放射される光を空気との界面の全反射を用いるものが多いが、全反射のみでは発光ダイオードの直上に生じる輝点、いわゆるホットスポットを完全になくすことは難しい。
例えばレンズの直上面を散乱面とすることによってある程度ホットスポットを低減することは可能であるが、空気の界面との全反射の条件を満たすことが困難となり、横方向へ反射する反射光の光量は低下してしまう。

これに対し、本発明においては、レンズ３の屈折率に比して低い屈折率の材料を用いて、その中にビーズ等の拡散材を分散させて拡散材含有低屈折率材料部１４をレンズ３の上面に設けることによって、レンズ３とこの拡散材含有低屈折率材料部１４との界面において全反射条件を構成し、更に漏れてきた光を拡散材によって乱反射させることによって、よりレンズ３の直上に向かう光を調整することができる。すなわち、図１１において太線矢印Ｌｖ０で模式的に示すように、発光ダイオードチップ１から直上に放射される強い光を、加工部１３によって大部分は全反射を利用して横方向に反射すると共に、レンズ３上に漏れてきた光を分散させて矢印Ｌｖｔで示すように散乱させる。このとき、ごく一部の光は直上に矢印Ｌｖ１で示すように放射されるが、全反射を利用するのみの形状、または散乱面を設ける場合と比べて直上に向かう光の光量を低減するとともに、拡散材の大きさや分散量を調整することによって、この光量を精度良く調整することができる。
このため、前述の各例と同様に、発光ダイオードの直上に進む光と周囲の他の色の光との混色を良好に行うことが可能であり、ホットスポットを良好に抑制することが可能となって、輝度むら、色むらを良好に抑えることができる。これにより、上述の各例と同様に、この発光ダイオード装置を用いるバックライト装置の厚さを薄くすることが可能となり、バックライト装置やこれを用いた液晶表示装置の薄型化が可能となる。
また低屈折率材料部においてある程度の吸収は生じるものの、反射膜や光吸収材料を設ける場合と比較すると吸収量は格段に少なく、光の利用効率は改善され、輝度の均一化を図り、輝度むら、色むらの発生をより良好に抑制することができる。

上述の低屈折率材料との屈折率差を確保するために、レンズ３の材料はできる限り屈折率の高い材料が望ましく、１．５以上程度のものが好適である。また、低屈折率材料の屈折率は１．４以下程度が望ましい。なお、拡散材と低屈折率材料との屈折率差により拡散の度合いが変化するので、拡散材の材料は、この屈折率差を考慮して選定する。例えばより拡散の度合いを大とするには、屈折率を比較的高くすることが望ましい。レンズ３との界面に拡散材が付着する場合を考慮して、低屈折率材料を最初にレンズ３の上面に塗布して界面を形成した後、拡散材含有低屈折率材料を塗布して拡散材含有低屈折率材料部１４を形成してもよい。
なお、この例においては、レンズ３の形状をドーム型として示すが、レンズ３の形状はこれに限定されることなく、その他種々の形状のレンズに適用することができる。

（７）第７の実施形態例
次に、加工部として、図１２にその一例の概略断面構成図を示すように、レンズ３の上面の少なくとも中心軸を取り囲む領域に、入射される所定の波長帯域の色光に対して入射角に応じた透過率を有する角度選択フィルタ１５を被着して構成する例を示す。図１２において、図１１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この例において用いる波長選択フィルタ１５としては、低屈折率を有する低屈折率層と高い屈折率を有する高屈折率層とを交互に複数積層させた誘電体多層膜より構成することができ、発光ダイオードチップの発光する光の波長帯域、目的とする透過率の角度分布に応じて設計を変更することができる。
またこの角度選択フィルタ１５は、レンズ３の上面に直接スパッタ法などを用いて成膜することができる。
例えば図１２に示す例の場合には、レンズ３の形状をドーム型とした場合であるが、発光ダイオードチップ１の例えば中心部分から矢印Ｌｖ０で示すように、レンズ３の中心軸に沿って出射される光に対して、その波長帯域と、レンズの中心軸近傍の角度選択フィルタ１５の入射角度を考慮して、所望の透過率をもって矢印Ｌｖ１で示すように光を透過させ、その他の光を矢印Ｌｒで示すように反射させる。これにより、レンズ３の直上に放射される光の量を調整可能とすることができる。このため、上述の例と同様に、輝度むら、色むらを抑制し、これを用いたバックライト装置及び液晶表示装置の薄型化が可能となる。

（８）第８の実施形態例
次に、加工部として、図１３にその一例の概略断面構成図を示すように、レンズ３の上面の少なくとも中心軸を取り囲む領域に、光エネルギーから電気エネルギーへ変換する例えばフォトダイオードより成る光電変換部１７を、加工部１３として設ける例を示す。図１３において、図１１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図１３に示すように、光電変換部１７より成る加工部１３を設けることによって、発光ダイオードチップ１から、矢印Ｌｖで示すようにレンズ３の中心軸に沿って進む光、及びその近傍の光をフォトダイオード等の光電変換部１７に吸収させる。これにより、全体としてレンズの中心軸から離間した方向に出射される矢印Ｌｏで示す光と比較して、レンズ３の中心軸に沿って進む光の光量を低減化することができる。
更に、この発光ダイオード装置をバックライト装置や液晶表示装置に用いる場合には、このフォトダイオード等の光電変換を行う加工部１３の出力電流によって、発光ダイオードチップの駆動電流を自動的に制御する機能を発光ダイオード装置、もしくは外部の駆動回路に設けることによって、例えば各色の発光ダイオード装置の出力を常に一定に、もしくは各色光の混色を良好に行うためにそれぞれ所望の出力値に調整することができる。また、上述の各例と同様に、レンズ３の直上に放射される光の量を調整可能とすることができる。このため、上述の例と同様に、輝度むら、色むらを抑制し、これを用いたバックライト装置及び液晶表示装置の薄型化が可能となる。

（９）第９の実施形態例
次に、図１４の概略断面構成図を参照して本発明によるバックライト装置の一実施形態例を説明する。この例においては、図１４に示すように、発光ダイオード装置ではなく、例えば前述の図４において説明したバックライト装置の内部において、発光ダイオード装置のレンズ３の直上に、光透過性支持基体１６が配置される。光透過性支持基体１６の材料は、各色発光ダイオード装置から出射される光を少なくとも透過する材料であればよい。
発光ダイオード装置の発光ダイオードチップ１の周囲にレンズ３が設けられ、このレンズ３の少なくとも中心軸を取り囲む領域に対向する位置、すなわち光透過性支持基体１６のこの場合上面に、レンズ３の屈折率に比して低い屈折率の低屈折率材料に、光を拡散させる拡散材を分散させた拡散材含有低屈折率材料部１を被着して、加工部１３として構成する。図１４において、図１１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この場合においても、前述の第６の実施の形態例と同様に、発光ダイオードチップ１からレンズ３の中心軸に沿って直上に放射された光は、拡散材含有低屈折率材料部１４に入射されると内部の拡散材により乱反射され、一部の光のみが光透過性支持基体１６を透過してレンズ３の直上、中心軸に沿う方向に出射される。
これにより、前述の第６の実施形態例と同様に、レンズ３の直上に出射されるホットスポットの原因となる光を調整することができ、輝度むら、色むらを抑制して、バックライト装置及び液晶表示装置の薄型化が可能となる。また、この場合も全体として光の利用効率を改善することができる。

（１０）第１０の実施形態例
図１５の概略断面構成を参照して本発明によるバックライト装置の他の実施形態例を説明する。この例においては、図１５に示すように、バックライト装置内の発光ダイオード装置の直上に、光透過性支持基体１６が配置され、発光ダイオード装置のレンズ３の上面の少なくとも中心軸を取り囲む領域に対向する位置に、入射される所定の波長帯域の色光に対して入射角に応じた透過率を有する角度選択フィルタ１５を設ける構成とする。図１５において、図１４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この場合、角度選択フィルタ１５は、平坦な光透過性支持基体１６の上に部分的にスパッタ法等によってパターン形成し、バックライト装置内に配列した発光ダイオード装置に対応してその直上にそれぞれ配置する構成とすればよく、比較的簡単に作製可能である。
この場合においても、前述の第７の実施形態例と同様に、レンズ３の直上に放射される光の量を調整可能とすることができ、輝度むら、色むらを抑制して、バックライト装置及び液晶表示装置の薄型化が可能となる。

上述の第９及び第１０の実施形態例においては、拡散材含有低屈折率材料部１４及び角度選択フィルタ１５を光透過性支持基体１６の上面、すなわち発光ダイオード装置とは反対側に設けたが、その下面に設けることも可能である。
一例として、光透過性支持基体１６の上面に設ける場合と、光透過性支持基体１６の下面に設ける場合の発光ダイオード装置１０からの入射光の反射角度の違いについて説明する。
図１６は、発光ダイオード装置１０の直上に光透過性支持基体１６を配置し、その上面、すなわち発光ダイオード装置１０とは反対側の面に上述の角度選択フィルタ１５を加工部１３として設ける場合の概略断面構成図である。
この場合、発光ダイオード装置１０から出射された矢印Ｌ１で示す光が、光透過性支持基体１６の表面に角度θ１で入射されるとすると、屈折率差によって、光透過性支持基体１６と角度選択フィルタ１５との界面において矢印Ｌ２で示すように、上述の角度θ１より小さい角度θ２で入射される。この界面で反射される矢印Ｒθ２で示す光は角度θ２で反射され、光透過性支持基体１６から外部へ矢印Ｒ１で示すように出射される。
一方、図１７に示すように、光透過性支持基体１６の下面に角度選択フィルタ１５より成る加工部１３を設ける場合は、発光ダイオード装置１０から出射された矢印Ｌ１で示す光は、角度選択フィルタ１５の下側の表面で入射角度θ１と同じ角度をもって矢印Ｒ２で示すように反射される。図１７において、図１６と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
ここで、角度選択フィルタ１５が、入射角度が低いほど高い反射率をもつ構成である場合は、図１６中矢印Ｒθ２で示す反射光の光量は、図１７中矢印Ｒ２で示す反射光の光量より大となる。したがって、角度選択フィルタ１５を光透過性支持基体１６の上面に設ける場合は、発光ダイオード装置の真上側に出射される光のうちより多くの光を下側に反射させることができる。下側に反射された光は、例えば発光ダイオード装置を配置する面に散乱面等を設けることによって、再利用することができる。
加工部１３として、拡散材含有低屈折率材料部１４を設ける場合においても、同様である。
なお、光透過性支持基体と加工部の配置位置関係は、適用するバックライト装置、液晶表示装置に対応してその他適宜選定することが可能である。

以上説明した各実施形態例においては、レンズの形状をドーム型に図示した例であるが、上述したようにレンズ３の形状は種々の形状とすることができ、例えば図１８に一例の概略断面構成図を示すように、横方向に凸状曲面として、上面を凹状曲面としたレンズ３にも適用可能であり、例えばその上面の凹部内を埋め込むように前述の図１１及び図１４で説明した例と同様の拡散材含有低屈折率材料部１４を被着してもよい。
また、同様に、図１９に一例の概略断面構成図を示すように、図１８に示す例と同様の形状のレンズ３の凹状の上面に角度選択フィルタ１５を被着してもよい。図１８及び図１９において、図１１及び図１２と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
これらの例においても、前述の各例と同様の効果が得られることはいうまでもない。
このように、レンズの形状を変えても上述の各実施形態例において説明したのと同様の効果を得ることができる。

更に、本発明においては、上述した各実施形態例における加工部を組み合わせて設ける構成とすることも可能である。
前述の図６〜図１０に示す各例において説明した発光ダイオードチップ１を利用して、更にレンズ３の上面又は直上に、上述した拡散材含有低屈折率材料部又は角度選択フィルタを設ける構成としてもよい。
また、図２０に他の例の概略断面構成図を示すように、レンズ３の上面において、角度選択フィルタ１５をスパッタ法等により被着し、この上に拡散材含有低屈折率材料部１４を被着する構成としてもよい。この例においては、レンズ３が横方向に凸状曲面とされ、上部において漏斗型曲面を有する形状とした場合で、角度選択フィルタ１５及び拡散材含有低屈折率材料部１４は、それぞれ漏斗状の上面において、発光ダイオード１からレンズ３の直上に放射される光を反射させる領域に広く被着されることが望ましく、この例においては、上面の縁部までを覆って全面的に被着されることが望ましい。
このように、角度選択フィルタ１５と拡散材含有低屈折率材料部１４とを２層構成とする場合は、更に効果的に直上に放射される光を抑えてホットスポットの発生を抑制することができる。２つの加工部１３によって、より細かい光量の調整が可能であり、良好に輝度むら、色むらを抑制して、バックライト装置及び液晶表示装置の薄型化が可能となる。
また、その他の各例による加工部１３を複数組み合わせた構成とする場合も同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、発光ダイオードからレンズの中心軸に沿って真上に放射される光の量を調整可能とすることができる。バックライト装置、液晶表示装置に用いる場合に、輝度むら、色むらを抑制することができて、これらの薄型化が可能となる。また、光を吸収する場合と比較して光の利用効率を改善することができる。

なお、本発明は、以上説明した例に限定されるものではなく、発光ダイオードチップの構成、レンズの外側及び内側の形状など、またその他の構成において、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。

本発明を実施するための最良の形態として示すカラー液晶表示装置の一例の概略分解斜視構成図である。 本発明を実施するための最良の形態として示すカラー液晶表示装置が備えるカラー液晶表示パネルのカラーフィルタの一例の概略平面構成図である。 本発明を実施するための最良の形態として示すカラー液晶表示装置が備えるバックライト装置の概略斜視構成図である。 本発明を実施するための最良の形態として示すカラー液晶表示装置の一例における概略断面構成図である。 本発明を実施するための最良の形態として示すカラー液晶表示装置を駆動する駆動回路の一例の概略ブロック構成図である。 Ａは本発明による発光ダイオード装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による発光ダイオード装置の一実施形態例の概略断面構成図である。 Ａは本発明による発光ダイオード装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による発光ダイオード装置の一実施形態例の概略断面構成図である。 Ａは本発明による発光ダイオード装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による発光ダイオード装置の一実施形態例の概略断面構成図である。 Ａは本発明による発光ダイオード装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による発光ダイオード装置の一実施形態例の概略断面構成図である。 Ａは本発明による発光ダイオード装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による発光ダイオード装置の一実施形態例の概略断面構成図である。 本発明による発光ダイオード装置の一例の概略断面構成図である。 本発明による発光ダイオード装置の一例の概略断面構成図である。 本発明による発光ダイオード装置の一例の概略断面構成図である。 本発明によるバックライト装置の一例の要部の概略断面構成図である。 本発明によるバックライト装置の一例の要部の概略断面構成図である。 本発明によるバックライト装置の一例の要部の概略断面構成図である。 本発明によるバックライト装置の一例の要部の概略断面構成図である。 本発明による発光ダイオード装置の一例の概略断面構成図である。 本発明による発光ダイオード装置の一例の概略断面構成図である。 本発明による発光ダイオード装置の一例の概略断面構成図である。 発光ダイオード装置の一例の概略断面構成図である。 発光ダイオード装置の一例の放射角度分布を示す図である。

符号の説明

１．発光ダイオードチップ、２．サブマウント、３．レンズ、１０．発光ダイオード装置、１１．基板、１２．発光構造部、１３．加工部、１４．拡散材含有低屈折率材料部、１５．角度選択フィルタ、１６．光透過性支持基体、１７．光電変換部、２１．発光ダイオード装置、２１Ｒ．赤色発光ダイオード装置、２１Ｇ．緑色発光ダイオード装置、２１Ｂ．青色発光ダイオード装置、１００．カラー液晶表示装置、１１０．カラー液晶表示パネル、１２０．バックライト筐体部、１２６．反射シート、１４０．バックライト装置、１４１．拡散板

Claims (12)

1. 発光ダイオードチップの周囲にレンズが覆われて成る発光ダイオード装置であって、
   上記発光ダイオードチップから上記レンズの中心軸に沿って進む光を調整する加工部が上記発光ダイオードチップ及び／又はレンズに設けられて成る
   ことを特徴とする発光ダイオード装置。
2. 上記発光ダイオードチップの発光構造部の上記レンズの中心軸と対向する位置が減光構造又は非発光構造とされて上記加工部とされて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置。
3. 上記発光ダイオードチップの基板が上記レンズ側に配置され、
   上記発光ダイオードチップの基板の上記レンズの中心軸と対向する位置に上記中心軸と直交しない接線を有する曲面又は傾斜面が設けられて上記加工部とされて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置。
4. 上記発光ダイオードチップの基板が上記レンズ側に配置され、
   上記発光ダイオードチップの基板の上記レンズの中心軸と対向する位置が粗面化されて上記加工部とされて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置。
5. 上記発光ダイオードチップの基板が上記レンズ側に配置され、
   上記発光ダイオードチップの基板の上記レンズの中心軸と対向する位置に回折格子が設けられて上記加工部とされて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置。
6. 上記加工部として、上記レンズの上面の少なくとも中心軸を取り囲む領域に、上記レンズの屈折率に比して低い屈折率の低屈折率材料に、光を拡散させる拡散材を分散させた拡散材含有低屈折率材料部が被着されて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置。
7. 上記加工部として、上記レンズの上面の少なくとも中心軸を取り囲む領域に、入射される所定の波長帯域の色光に対して入射角に応じた透過率を有する角度選択フィルタが被着されて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置。
8. 上記加工部として、上記レンズの上面の少なくとも中心軸を取り囲む領域に、光電変換部が設けられて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置。
9. 透過型の液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト装置であって、
   光源が、発光ダイオードチップの周囲にレンズが覆われて成る複数の発光ダイオード装置より構成され、
   上記発光ダイオードチップから上記レンズの中心軸に沿って進む光を調整する加工部が上記発光ダイオードチップ及び／又は上記レンズ上に設けられて成る
   ことを特徴とするバックライト装置。
10. 上記加工部として、上記レンズの直上に光透過性支持基体が配置され、上記レンズの少なくとも中心軸を取り囲む領域に対向する位置に、上記レンズの屈折率に比して低い屈折率の低屈折率材料に、光を拡散させる拡散材を分散させた拡散材含有低屈折率材料部が被着されて成る
    ことを特徴とする請求項９記載のバックライト装置。
11. 上記加工部として、上記レンズの直上に光透過性支持基体が配置され、上記レンズの上面の少なくとも中心軸を取り囲む領域に対向する位置に、入射される所定の波長帯域の色光に対して入射角に応じた透過率を有する角度選択フィルタが被着されて成る
    ことを特徴とする請求項９記載のバックライト装置。
12. 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照明するバックライト装置とを備えて成る液晶表示装置において、
    上記バックライト装置の光源が、発光ダイオードチップの周囲にレンズが覆われて成る複数の発光ダイオード装置より構成され、
    上記発光ダイオードチップから上記レンズの中心軸に沿って進む光を調整する加工部が上記発光ダイオードチップ及び／又は上記レンズ上に設けられて成る
    ことを特徴とする液晶表示装置。
    

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