JP2011009052A - 面光源および液晶ディスプレイ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度変化による輝度ムラの発生を抑えることのできる面光源を提供する。
【解決手段】面光源は、複数の発光装置4と、拡散板8と、発光装置4と拡散板8との間に配置された蛍光体層8とを備えている。各発光装置4は、基本光を放射する発光素子5と、発光素子5の指向性を拡大するレンズ6を含む。レンズ6は、入射面6aを形成するベース部61と、出射面6bを形成する回折部62とを有している。回折部62は、基本光に対して温度変化に伴うパワー変化を抑制する。
【選択図】図2
【解決手段】面光源は、複数の発光装置4と、拡散板8と、発光装置4と拡散板8との間に配置された蛍光体層8とを備えている。各発光装置4は、基本光を放射する発光素子5と、発光素子5の指向性を拡大するレンズ6を含む。レンズ6は、入射面6aを形成するベース部61と、出射面6bを形成する回折部62とを有している。回折部62は、基本光に対して温度変化に伴うパワー変化を抑制する。
【選択図】図2
Description
本発明は、例えば液晶ディスプレイ装置のバックライトに用いられる面光源、およびこれを用いた液晶ディスプレイ装置に関する。
従来の大型の液晶ディスプレイ装置のバックライトでは、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。近年では、バックライト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。また液晶ディスプレイ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ディスプレイ装置の消費電力を下げることができる。
液晶ディスプレイ装置の発光ダイオードを光源とするバックライトでは、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、拡散板の裏側に、発光ダイオードの指向性を拡大するレンズを含む発光装置を配置した面光源が提案されている。
ところで、液晶ディスプレイ装置のバックライト用の面光源を構成する場合には、発光装置として白色光を発するものを採用することが好ましい。例えば、特許文献2には、図9に示すような発光装置が開示されている。この発光装置では、発光ダイオードとして青色光を放射する青色LEDが用いられており、青色LED11とレンズ13との間に、青色光の一部を黄色光に変換することにより青色光から白色光を作り出す蛍光体層12が配置されている。
図9に示すような発光装置を用いた面光源では、面光源が連続稼働する場合に、青色LED11が高温になる。青色LED11が高温になると、青色LED11が放射する青色光の波長が長波長側にシフトする。また、青色LED11によりレンズ13が加熱されるため、レンズ13が膨張するとともに、レンズ13の屈折率が変化する。そうすると、レンズ13からの青色光と黄色光の出射角度が共に変化することにより拡散板(図示せず)上での照度分布が変化し、面光源に輝度ムラが生じる。
これを解決するためには、レンズ13の出射面に回折部を設けることが考えられるが、青色光と黄色光とで適した回折形状が異なるため、回折部をどちらに合わせて設計したとしても、温度変化による輝度ムラの発生を抑えることはできない。
本発明は、このような事情に鑑み、温度変化による輝度ムラの発生を抑えることのできる面光源、およびこの面光源を用いた液晶ディスプレイ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に、本発明は、平面的に配置された複数の発光装置であって各々が青色光または紫外線である基本光を放射する発光素子および前記発光素子の指向性を拡大するレンズを含む発光装置と、前記複数の発光装置を覆うように配置された拡散板と、前記複数の発光装置と前記拡散板との間に配置された、前記基本光から白色光を作り出すための蛍光体層と、を備え前記レンズは、前記発光素子からの基本光が入射する入射面を形成するベース部と、前記発光素子からの基本光を出射する出射面を形成する回折部であって前記基本光に対して温度変化に伴うパワー変化を抑制する回折部とを有する、面光源を提供する。
また、本発明は、液晶パネルと、前記液晶パネルの裏側に配置された上記の面光源と、を備える液晶ディスプレイ装置を提供する。
上記の構成によれば、回折部により基本光の温度変化によるパワー変化を抑制することができる。これにより、レンズからの基本光の出射を安定させることができる。しかも、蛍光体層がレンズよりも拡散板側に配置されているので、蛍光体層が発する光がレンズの温度変化による影響を受けることは殆どない。従って、本発明によれば、温度変化による輝度ムラの発生を抑えることができる。
図1に、本発明の一実施形態に係る面光源1を示す。この面光源1は、平面的に配置された複数の発光装置4と、これらの発光装置4を覆うように配置された拡散板8とを備えている。また、発光装置4と拡散板8との間には、図2に示すように、後述する青色光(基本光)から白色光を作り出すための蛍光体層7が配置されている。
本実施形態の面光源1では、連続稼動によって温度上昇しても、被照射面である拡散板8の背面における照度分布は殆ど変化せず、その照度は光軸上が最大で周辺部に行くほど略単調に減少する。
発光装置4は、支持板2で支持された基板3に固定されている。発光装置4は、本実施形態ではマトリクス状に配置されているが、図6に示すように千鳥状に配置されていてもよい。
各発光装置4は、図2に示すように、基板3に実装された発光素子5と、基板3に接合されて発光素子5を覆い、発光素子5の指向性を拡大するレンズ6とを含んでいる。本実施形態では、発光素子5として、青色光を放射する青色LEDが用いられている。
本実施形態の面光源1は、発光素子5と拡散板8との間に、後述するベース部61および回折部62を有するレンズ6と蛍光体層7を配置することで、発光素子5の指向性を拡大しつつ、連続稼動時においても輝度が均一な面光源を実現している。
レンズ6は、発光素子5からの青色光が入射する入射面6aと、発光素子5からの青色光を出射する出射面6bを有している。入射面6aは、発光素子5に密着可能なように発光素子5の形状に合わせた形状とすることが好ましい。入射面6aは、発光素子5と接合材により光学的に接合されている。一方、出射面6bはレンズ6の光軸Aに対して軸対称である。
入射面6aからレンズ6内に入射した青色光は、出射面6bより出射される。発光素子5からの青色光は、出射面6bの作用で広げられ、蛍光体層7で白色光となった後に拡散板5の広い範囲に到達するようになる。
青色LEDである発光素子5内での発光は指向性を持たない発光であるが、発光領域の屈折率は2.0以上であり、屈折率が低い領域に光が侵入すると、界面の屈折の影響で、界面の法線方向に最大の強度を持ち、法線方向から角度が大きくなるほど、光の強度は小さくなる。このように発光素子5は指向性を持っており、広い範囲を照明するためにはレンズ6で指向性を拡大することが必要である。
発光ダイオードは、通常は空気に触れないように封止樹脂で覆われているが、レンズ6が封止樹脂の役割を果たすため、別途封止樹脂を配置する必要はない。従来の発光ダイオードの封止樹脂としては、エポキシ樹脂またはシリコンゴム等が用いられている。
レンズ6は、所定の屈折率を有する透明材料で構成される。透明材料の屈折率は、例えば1.40から1.53程度である。このような透明材料としては、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、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。
より詳しくは、レンズ6は、入射面6aを形成するベース部61と、出射面6bを形成する回折部62とを有している。本実施形態のレンズ6は、ベース部61と回折部62とが一体に形成されたものである。
ベース部61は、図3に示すように、回折部62に対向する、レンズ6の光軸Aに対して軸対称な対向面61aを有している。対向面61aは、光軸Aと交差する凹面部61bと、凹面部61bの周縁部から外側に広がる凸面部61cとを含んでいる。入射面6aからレンズ6の内部に入射する青色光は大きな角度範囲を持っている。光軸Aからの角度が小さい青色光は凹面部61bに到達し、光軸Aからの角度が大きい青色光は凸面部61cに到達する。
一方、回折部62は、発光素子5が放射する青色光に対して温度変化に伴うパワー変化を抑制するものである。具体的には、回折部62は、温度上昇が起きたときに、温度上昇に伴うレンズ6の形状変化および屈折率変化によるパワー変化を、温度上昇に伴う発光素子5が放射する青色光の波長変化によるパワー変化で補正する形状を有している。この回折部62の形状設定により、温度上昇の前後でレンズ6の全体的なパワー変化が抑制される。
なお、回折部62のブレーズ波長は、発光素子5が常温で放射する青色光のピーク波長と一致していることが好ましい。ここで、「常温」とは、面光源1が設置される環境における平均気温をいう。
蛍光体層7は、発光素子5から放射される青色光の一部を黄色光に変換することにより、発光素子5から放射される青色光から白色光を作り出すものである。本実施形態では、蛍光体層7がレンズ6の出射面6bに積層されている。
発光素子5から放射される青色光は、400〜520nmの波長域内にピーク波長を有することが好ましく、450〜500nmの波長域内にピーク波長を有することがより好ましい。一方、蛍光体層7が発する黄色光は、550〜610nmの波長域内にピーク波長を有することが好ましく、570〜590nmの波長域内にピーク波長を有することがより好ましい。
拡散板8の背面には、蛍光体層7を透過した青色光と蛍光体層7で変換された黄色光との混色により得られた白色光が照射される。拡散板8は、背面に照射された白色光を前面から拡散された状態で放射する。これにより、面光源1から白色光が発せられる。
以上では、本実施形態の面光源1の基本的な態様について説明したが、以下では、面光源1の好ましい態様について説明する。
レンズ6は、1.40を超え1.52未満の屈折率を有することが好ましい。レンズ6の屈折率が1.52以上になると、出射面6bでの屈折作用が強くなり、光束の広配向化が十分でなくなる。レンズ6の屈折率が1.40以下になると、出射面6bでの屈折作用が弱くなり、光束を十分に広配向化させるために出射面6bの形状を変更すると、公差が厳しくなる。
さらに、発光装置4のピッチをP、発光素子5から拡散板8までの距離をHとしたときに、面光源1は、以下の式を満足することが好ましい。
0.2<H/P<0.6
0.2<H/P<0.6
ここで、「発光装置4のピッチP」とは、発光装置4が並ぶ方向における発光装置4の光軸間距離をいい、発光装置4が並ぶ方向とは、図1に示すようなマトリクス状配置の場合には、直交する縦横の2方向であり、図6に示すような千鳥状配置の場合には、横および斜めの2方向である。なお、それらの2方向でのピッチは必ずしも一致している必要はないが、一致していることが好ましい。
H/Pが0.6以上になると、発光装置4のピッチPに対して発光装置4から拡散板8までの距離が大きくなるため、面光源が大型化してしまう。H/Pが0.2以下になると、拡散板8の背面での照度分布の均一性を確保するのが困難になり、輝度ムラが生じる。
(実施例)
以下、面光源1に用いられるレンズ6の具体的な数値例として、実施例を示す。なお、実施例において、後述する表中の長さの単位は全て「mm」であり、角度の単位は全て「°」である。また、実施例の面データにおいて、rは曲率半径、dは面間隔または厚み、nはλ=465nmに対する屈折率である。また、実施例において、ベース部の対向面は非球面であり、その形状は次の数式で定義される。
以下、面光源1に用いられるレンズ6の具体的な数値例として、実施例を示す。なお、実施例において、後述する表中の長さの単位は全て「mm」であり、角度の単位は全て「°」である。また、実施例の面データにおいて、rは曲率半径、dは面間隔または厚み、nはλ=465nmに対する屈折率である。また、実施例において、ベース部の対向面は非球面であり、その形状は次の数式で定義される。
ただし、数式中の各符号の意味は以下の通りである。
X:光軸からの高さがhの非球面上の点から、非球面頂点の接平面までの距離
h:光軸からの高さ
C:非球面頂点の曲率(Cj=1/Rj)
K:円錐定数
An:n次の非球面係数
X:光軸からの高さがhの非球面上の点から、非球面頂点の接平面までの距離
h:光軸からの高さ
C:非球面頂点の曲率(Cj=1/Rj)
K:円錐定数
An:n次の非球面係数
また、回折部は位相関数をφ(h)として、レンズの出射面と光軸との交点を原点とし、光軸からの高さをhとしたとき、次式で定義される。
ただし、数式中の各符号の意味は以下の通りである。
h:光軸からの高さ
C1〜C5:位相多項式係数
λ:465nm
h:光軸からの高さ
C1〜C5:位相多項式係数
λ:465nm
本実施例のレンズは、図2に対応する断面形状を有する。本実施例は、0.45mm角の青色LEDを光源とし、その指向性を拡大することを目的とした設計例である。実施例のレンズにおけるベース部の面データを表1に、非球面データを表2に示す。
[表1]面データ
面 r d n
入射面 ∞ 1.2 1.42
対向面 1.088E-12 6.8
拡散板 ∞
面 r d n
入射面 ∞ 1.2 1.42
対向面 1.088E-12 6.8
拡散板 ∞
[表2]非球面データ
K=-1.0268E+01,A3=1.5843E+00,A4=-5.9328E+00,A5=1.0800E+01
A6=-1.3014E+01,A7=1.0470E+01,A8=-4.6299E+00,A9=-2.1226E-02
A10=9.6894E-01,A11=-7.9260E-02,A12=-2.3661E-01,A13=-1.8210E-03
A14=6.4025E-02,A15=1.2197E-03,A16=-1.0393E-02,A17=-1.3892E-04
A18=8.1619E-05,A19=6.2396E-04,A20=-1.5184E-04
K=-1.0268E+01,A3=1.5843E+00,A4=-5.9328E+00,A5=1.0800E+01
A6=-1.3014E+01,A7=1.0470E+01,A8=-4.6299E+00,A9=-2.1226E-02
A10=9.6894E-01,A11=-7.9260E-02,A12=-2.3661E-01,A13=-1.8210E-03
A14=6.4025E-02,A15=1.2197E-03,A16=-1.0393E-02,A17=-1.3892E-04
A18=8.1619E-05,A19=6.2396E-04,A20=-1.5184E-04
また、実施例のレンズにおける回折部の位相多項式係数を表3に示す。
[表3]位相多項式係数
C1=2.7566E-02,C2=-4.1265E-03,C3=1.2316E-03
C4=-2.2625E-04,C5=2.7277E-05
C1=2.7566E-02,C2=-4.1265E-03,C3=1.2316E-03
C4=-2.2625E-04,C5=2.7277E-05
図4は、本実施例のレンズと青色LEDを配置し、青色LEDから8mmの位置に被照射面を配置したときの、常温時(25℃)における計算で求めた被照射面での照度分布を表す。図5は、同一の配置での、高温時(135℃)における計算で求めた被照射面での照度分布を表す。
図4と図5を比較すると、温度補償機能を有する本実施例のレンズの効果で、高温時においても照度分布がそれほど変化せず、被照射面を広く照明できていることがわかる。
なお、本実施例のレンズを用いた場合、発光装置を例えばピッチPがH/P=0.291となるようにマトリクス状または千鳥状に配置すればよい。
(変形例)
前記実施形態では、ベース部61と回折部62とが一体に形成されたレンズ6が採用されているが、図7に示す変形例の面光源1’のように、レンズ6を2枚のレンズで構成し、それぞれのレンズに指向性を広げる機能と温度補償機能を分担させることもできる。具体的には、図7中のレンズ6は、ベース部61を構成する第1レンズ6Aと、回折部62を構成する第2レンズ6Bとを有している。そして、第1レンズ6Aの出射面でベース部61の対向面61aが構成されている。
前記実施形態では、ベース部61と回折部62とが一体に形成されたレンズ6が採用されているが、図7に示す変形例の面光源1’のように、レンズ6を2枚のレンズで構成し、それぞれのレンズに指向性を広げる機能と温度補償機能を分担させることもできる。具体的には、図7中のレンズ6は、ベース部61を構成する第1レンズ6Aと、回折部62を構成する第2レンズ6Bとを有している。そして、第1レンズ6Aの出射面でベース部61の対向面61aが構成されている。
なお、レンズ6のベース部61の対向面61aは、必ずしも凹面部61bを有している必要はなく、全体に亘って凸面となっていてもよい。
また、前記実施形態では、蛍光体層7がレンズ6の出射面6bに積層されていたが、図7に示すように、蛍光体層7は、拡散板8の背面に積層されていてもよい。
さらに、前記実施形態では、蛍光体層7を、青色光を受けたときに赤色光、緑色光を発するRG蛍光体で構成してもよい。
さらに、前記実施形態では、発光素子5として青色光を放射する青色LEDが用いられているが、発光素子5としては、紫外線を放射する紫外線LEDを用いることも可能である。この場合には、蛍光体層7を、紫外線を受けたときに赤色光、緑色光および青色光を発するRGB蛍光体で構成すればよい。
(液晶ディスプレイ装置)
図8は、図1に示す面光源1を用いた液晶ディスプレイ装置9の斜視図である。この液晶ディスプレイ装置9は、液晶パネル91と、液晶パネル91の裏側に配置された面光源1とを備えている。
図8は、図1に示す面光源1を用いた液晶ディスプレイ装置9の斜視図である。この液晶ディスプレイ装置9は、液晶パネル91と、液晶パネル91の裏側に配置された面光源1とを備えている。
平面的に配置された複数の発光装置4によって拡散板8が照明される。拡散板8の背面には照度が均一化された白色光が照射され、この白色光が拡散板8によって拡散されて液晶パネル91が照明される。
なお、図示は省略するが、液晶パネル91と拡散板8との間には拡散シート、プリズムシート等の光学シートが配置されているとともに、基板3上の発光装置4が存在しない部分には拡散反射板が配置されていることが好ましい。発光装置4からの光は、拡散板8で散乱されて、発光装置側へ戻ったり拡散板8を透過したりする。発光装置側へ戻って拡散反射板に入射する光は、拡散反射板で反射されて、拡散板8に再度入射する。拡散板8を透過した光は、光学シートでさらに拡散されて、液晶パネル91を照明する。
1 面光源
4 発光装置
5 発光素子
6 レンズ
61 ベース部
61a 対向面
61b 凹面部
61c 凸面部
62 回折部
6A 第1レンズ
6B 第2レンズ
7 蛍光体層
8 拡散板
9 液晶ディスプレイ装置
91 液晶パネル
4 発光装置
5 発光素子
6 レンズ
61 ベース部
61a 対向面
61b 凹面部
61c 凸面部
62 回折部
6A 第1レンズ
6B 第2レンズ
7 蛍光体層
8 拡散板
9 液晶ディスプレイ装置
91 液晶パネル
Claims (13)
- 平面的に配置された複数の発光装置であって各々が青色光または紫外線である基本光を放射する発光素子および前記発光素子の指向性を拡大するレンズを含む発光装置と、
前記複数の発光装置を覆うように配置された拡散板と、
前記複数の発光装置と前記拡散板との間に配置された、前記基本光から白色光を作り出すための蛍光体層と、を備え
前記レンズは、前記発光素子からの基本光が入射する入射面を形成するベース部と、前記発光素子からの基本光を出射する出射面を形成する回折部であって前記基本光に対して温度変化に伴うパワー変化を抑制する回折部とを有する、
面光源。 - 前記回折部は、温度上昇が起きたときに、前記温度上昇に伴う前記レンズの形状変化および屈折率変化によるパワー変化を、前記温度上昇に伴う前記発光素子が放射する基本光の波長変化によるパワー変化で補正する形状を有している、請求項1に記載の面光源。
- 前記発光素子は、前記基本光として青色光を放射するものであり、
前記蛍光体層は、前記青色光の一部を黄色光に変換することにより、前記青色光から白色光を作り出すものである、請求項1または2に記載の面光源。 - 前記青色光は、400〜520nmの波長域内にピーク波長を有し、前記黄色光は、550〜610nmの波長域内にピーク波長を有する、請求項3に記載の面光源。
- 前記回折部のブレーズ波長は、前記発光素子が常温で放射する基本光のピーク波長と一致している、請求項1〜4のいずれか一項に記載の面光源。
- 前記レンズは、前記ベース部と前記回折部とが一体に形成されたものである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の面光源。
- 前記レンズは、前記ベース部を構成する第1レンズと、前記回折部を構成する第2レンズとを含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の面光源。
- 前記蛍光体層は、前記レンズに積層されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の面光源。
- 前記蛍光体層は、前記拡散板に積層されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の面光源。
- 前記レンズは、1.40を超え1.52未満の屈折率を有する、請求項1〜9のいずれか一項に記載の面光源。
- 前記ベース部は、前記回折部に対向する、前記レンズの光軸に対して軸対称な対向面を有し、
前記対向面は、前記光軸と交差する凹面部と、前記凹面部の周縁部から外側に広がる凸面部とを含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の面光源。 - 前記発光装置は、マトリクス状または千鳥状に配置されており、前記発光装置のピッチをP、前記発光素子から前記拡散板までの距離をHとしたときに、以下の式
0.2<H/P<0.6
を満足する、請求項1〜11のいずれか一項に記載の面光源。 - 液晶パネルと、前記液晶パネルの裏側に配置された請求項1〜11のいずれか一項に記載の面光源と、を備える液晶ディスプレイ装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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