JP2011228137A - 照明装置及び表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ローカルディミング駆動を可能としつつ、半導体発光素子が発生する熱も効率よく放熱することができる照明装置及びこれを備えた表示装置を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１２ａと、半導体発光素子１２ａから出射される光を反射させるための凸反射面１２ｄ（第１反射面）と、凸反射面１２ｄで反射した光を反射させるための傾斜面１１ａ（第２反射面）を有し、当該傾斜面１１ａで反射した光を内部に導光させるための導光板１１とを有する照明素子１０を複数個備える。半導体発光素子１２ａは、垂直方向の拡がり角が水平方向の拡がり角よりも大きい光を出射する。凸反射面１２ｄは、半導体発光素子１２ａから出射される光に対して湾曲する。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、液晶テレビ又は液晶モニタ等に内蔵される液晶表示装置のバックライト等として用いられる照明装置及び当該照明装置を備える表示装置に関する。
近年、薄型テレビ等に用いられる液晶表示装置の開発が盛んに行われている。液晶表示装置は、液晶パネルと、液晶パネルの光源である照明装置（バックライトユニット）とを備える。液晶表示装置に用いられる照明装置は、面状に光を放出する面状照明装置であって、冷陰極管（ＣＣＦＬ）等のバックライトと呼ばれる発光素子及び拡散板等で構成されている。液晶パネルは、画素と呼ばれる微小領域に保持されている個々の液晶に所定の電圧が印加されることにより照明装置からの光を透過及び遮蔽する。
このような液晶表示装置において、特に大型の液晶テレビ等に用いられる液晶表示装置では、デザイン性や環境性能をより向上させることが求められている。このような要望に対して、青色光を発光する半導体発光素子である青色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）に蛍光体を集積した白色ＬＥＤを液晶表示装置のバックライトとして用いることが提案されている。バックライトとして白色ＬＥＤを用いることは、液晶表示装置の薄型化や省エネ化、又は水銀レス化を実現するために有効であり、その開発が盛んに行われている。
白色ＬＥＤを用いた液晶表示装置用の照明装置は、大別すると２種類あり、液晶パネルの側面位置に複数の白色ＬＥＤを一次元的に配置するエッジ型と、液晶パネルの後方に白色ＬＥＤを二次元的に配置する直下型とに分けられる。これら２種類の照明装置にはそれぞれ長所と短所があり、エッジ型の照明装置は、薄型化が実現できるという長所があるが、その一方で、白色ＬＥＤが液晶パネルの側面に集中していることから放熱が難しく、また、省エネ駆動が可能なローカルディミング（領域毎調光・調色）駆動が難しいという短所がある。他方、直下型の照明装置は、比較的容易に放熱が可能であり、また、２次元のローカルディミング駆動が可能であるという長所がある一方、薄型化が難しいという短所がある。
このような中、エッジ型でありながらローカルディミング駆動を可能とする照明装置が特許文献１に開示されている。以下、特許文献１に開示される従来の照明装置について、図１５を用いて説明する。図１５は、従来の照明装置の断面図である。
図１５に示すように、従来の照明装置５００は、液晶表示装置のバックライトである面状照明装置であって、導光板５１０と、４個のＬＥＤである発光素子５２０ａ〜５２０ｄと、３つのライトガイド５３０ｂ〜５３０ｄとを有する。
導光板５１０は、薄い透明平板であって、その上面部は平坦である。一方、導光板５１０の下面部は、厚さが段階的に薄くなるように、段差部５１１ｂ〜５１１ｄが形成されている。また、導光板５１０の下面部は、段差部５１１ｂ〜５１１ｄの段差形状にしたがって、異なる高さに位置する下面５１２ａ〜５１２ｄによって構成されている。なお、導光板５１０の各下面５１２ａ〜５１２ｄには、酸化チタン等によって反射処理が施されている。
導光板５１０の厚みが薄い方の側面には、基板に固定された４個の発光素子５２０ａ〜５２０ｄが配置されている。各発光素子は、導光板５１０の厚み方向に並ぶようにして配置されて、上の発光素子５２０ａは、導光板５１０の側面に対向するように配置され、また、下の３つの発光素子５２０ｂ〜５２０ｄは、それぞれ導光板５１０の各段差部５１１ｂ〜５１１ｄに対向するようにして配置されている。
段差部５１１ｂ〜５１１ｄの各段差部と発光素子５２０ｂ〜５２０ｄの各発光素子との間には、透明平板であるライトガイド５３０ｂ〜５３０ｄが配置されている。
なお、導光板５１０の下面５１２ａ〜２１５ｄの下方には、反射シート５４０ａ〜５４０ｄが設けられている。
従来の照明装置５００によれば、発光素子５２０ａから出射した光は、導光板５１０の側面から入射して、導光板５１０内を反射しながら進行し、反射処理が施された導光板５１０の下面５１２ａにおいて屈折及び散乱する。これにより、導光板５１０に入射した光は、導光板５１０の下面５１２ａの反対側の上面から放射される。
また、発光素子５２０ｂ〜５２０ｄから出射した光は、各ライトガイド５３０ｂ〜５３０ｄの端部から入射して、反射シート５４０ｂ〜５４０ｄによって反射しながらライトガイドの他方の端部に導かれ、導光板５１０の段差部５１１ｂ〜５１１ｄに入射する。段差部５１１ｂ〜５１１ｄｃに入射した光は、反射処理が施された導光板５１０の下面５１２ｂ〜５１２ｄにおいて屈折及び散乱する。これにより、段差部５１１ｂ〜５１１ｄに入射した光は、それぞれ下面５１２ｂ〜５１２ｄに対応する導光板５１０の上面から放射される。
このように構成された従来の照明装置５００は、エッジ型の照明装置でありながらも、各発光素子５２０ａ〜５２０ｄから出射される光の光度を調節することによって、導光板５１０の下面５１２ａ〜５１２ｄに対応する領域毎に調光の制御を行うことができる。すなわち、ローカルディミング駆動を行うことができる。
特開２００９−１９３８９２号公報
しかしながら、従来の照明装置５００は、ローカルディミング駆動を可能とするために、導光板５１０の側面において発光素子を導光板の厚み方向に複数個配置している。
このため、複数の発光素子を配置するために厚み方向のスペースが必要となり、本来であれば薄型であるエッジ型の照明装置の長所をいかしきれず、当該照明装置が組み込まれた液晶表示装置全体として薄くできないとい問題がある。また、従来の照明装置５００が組み込まれた液晶表示装置において、画面サイズを大きくし、しかも下面５１２ｂ〜５１２ｄに対応する領域毎の調光さらには調色をより細かく制御しようとすると、発光素子の数を増やす必要があり液晶表示装置全体がさらに厚くなって薄型化ができなくなる。
さらに、従来の照明装置５００は、導光板５１０の一方の側面に発光素子を集中させて配置しているので、発光素子において発生する熱を効率よく放熱することができないという問題もある。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、装置全体を厚くすることなくローカルディミング駆動を可能としつつ、半導体発光素子が発生する熱も効率よく放熱することができる照明装置及びこれを備えた表示装置を提供することを目的とする。
上記問題を解決するために、本発明に係る照明装置の一態様は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子から出射される光を反射させるための第１反射面と、前記第１反射面で反射した光が入射し、入射した当該光を反射させるための第２反射面を有し、当該第２反射面で反射した光を導光するための導光板と、を有する照明素子を複数個備え、前記半導体発光素子は、当該半導体発光素子の垂直方向の拡がり角が水平方向の拡がり角よりも大きい光を出射し、前記第１反射面は、前記半導体発光素子から出射される前記光に対して湾曲した凸反射面である、ものである。
このように、半導体発光素子と導光板とを有する照明素子を複数備えることにより、装置全体を厚くすることなくローカルディミング駆動を可能とし、さらに、半導体発光素子が発生する熱も効率よく放熱することができる。
さらに、本発明に係る照明装置の一態様において、前記第２反射面は、前記導光板の矩形端面によって構成され、前記導光板の下面に対する前記矩形端面の傾斜角が略４５度であり、前記半導体発光素子の光軸が前記矩形端面の長手方向と略平行であることが好ましい。
これにより、導光板に進行する光の光度の面内分布を均一にすることができる。
さらに、本発明に係る照明装置の一態様において、前記照明素子は、前記半導体発光素子を複数個有することが好ましい。
これにより、導光板に進行する光の光度の面内分布を均一にすることができる。さらに、導光板内に入射する光を増加させることもでき、光度を大きくすることもできる。
さらに、本発明に係る照明装置の一態様は、放熱板を備え、前記半導体発光素子が、前記放熱板上に配置されることが好ましい。
これにより、半導体発光素子において発生する熱を効率良く放熱させることができる。
さらに、本発明に係る照明装置の一態様において、前記半導体発光素子は、前記第１反射面を有するパッケージに配置されることが好ましい。
これにより、半導体発光素子と第１反射面とを高い位置精度で配置することができる。従って、半導体発光素子からの光を効率よく導光板に導くことができ、半導体発光素子における余分な発熱を低減させることができる。
さらに、本発明に係る照明装置の一態様において、前記半導体発光素子が、半導体レーザであることが好ましい。
これにより、半導体発光素子から出射される光を効率良く取り出すことができる。従って、半導体発光素子からの余分な発熱を低減させることができる。
また、本発明に係る照明装置の一態様において、前記半導体発光素子が、スーパールミネッセントダイオードであっても構わない。
これにより、半導体発光素子から出射される光を効率良く取り出すことができる。従って、半導体発光素子からの余分な発熱を低減させることができる。
さらに、本発明に係る照明装置の一態様において、前記半導体発光素子の光軸上に前記第１反射面が配置されることが好ましい。
これにより、半導体発光素子からの光を効率よく導光板内に拡げることができるので、導光板に進行する光の光度の面内分布を均一にすることができる。
さらに、本発明に係る照明装置の一態様において、前記放熱板の前記半導体発光素子が配置された面とは反対側の面に配置された放熱フィンを備えることが好ましい。
これにより、半導体発光素子等で発生した熱を、放熱フィンを介して開口部から筐体外部に容易に放熱することができる。従って、照明装置の温度上昇を抑えることができる。
さらに、本発明に係る照明装置の一態様において、前記導光板の端部に凹部が設けられており、前記パッケージの一部が前記凹部の一部に当接して配置されることが好ましい。
これにより、パッケージを導光板の凹部に嵌めるようにして位置決めをすることができるので、半導体発光素子と導光板の傾斜角との位置精度を向上させることができる。
さらに、本発明に係る照明装置の一態様において、複数の前記半導体発光素子は、赤色の光を発光する半導体発光素子と、緑色の光を発光する半導体発光素子と、青色の光を発光する半導体発光素子とを含むことが好ましい。
これにより、容易に白色光を放出させることができる。
さらに、本発明に係る照明装置の一態様において、前記赤色の光を発光する半導体発光素子と、前記緑色の光を発光する半導体発光素子と、前記青色の光を発光する半導体発光素子とが前記放熱板上に配置され、前記放熱板上に、前記赤色の光を発光する半導体発光素子と、前記緑色の光を発光する半導体発光素子と、前記青色の光を発光する半導体発光素子とに独立に電力を供給する配線が形成されることが好ましい。
これにより、領域毎に白色光の調光、調色を容易にすることができる。
また、本発明に係る表示装置の一態様は、上記本発明に係る照明装置を備えるものである。
これにより、ローカルディミング駆動を可能とする薄型の表示装置を実現することができる。
本発明に係る照明装置によれば、半導体発光素子と導光板とを有する照明素子を複数備えているので、複数の光放出領域を構成することができ、装置全体を厚くすることなく、液晶表示装置においてローカルディミング駆動を可能とすることができる。さらに、半導体発光素子を導光板の片側のみに集中配置させる必要がないので、半導体発光素子の熱を効率よく放熱することができる。
本発明の実施の形態１に係る照明装置の平面図 本発明の実施の形態１に係る照明装置の断面図（図１ＡのＡ−Ａ線に沿って切断した断面図） 本発明の実施の形態１に係る表示装置の断面図 本発明の実施の形態１に係る照明装置における発光装置の外観斜視図 本発明の実施の形態１に係る照明装置において光学素子を除いたときの外観斜視図 本発明の実施の形態１に係る照明装置における発光装置の断面図（図２ＡのＡ−Ａ線に沿って切断したＹＺ平面における断面図） 本発明の実施の形態１に係る照明装置において、光源から出射した光の進行を示す図 本発明の実施の形態１に係る照明装置における半導体発光素子の外観斜視図 本発明の実施の形態１に係る照明装置における第１反射面によって光が反射する様子を示す図 本発明の実施の形態１に係る照明装置における第２反射面によって光が反射する様子を示す図 本発明の実施の形態１に係る照明装置において、Ｙ軸に垂直な平面における光の進行と光分布を示す図 本発明の実施の形態１に係る照明装置において、Ｘ軸に垂直な平面における光の進行と光分布を示す図 本発明の実施の形態１に係る照明装置において、Ｚ軸に垂直な平面における光の進行と光分布を示す図 本発明の実施の形態１に係る照明装置において光が伝搬する様子を示す図 本発明の実施の形態１に係る照明装置において、導光板上方の所定の位置における照明装置の光度を示す図 拡がり角が大きいＬＥＤを用いた場合の比較例に係る照明装置において光が伝搬する様子を示す図 図７Ａの比較例に係る照明装置において、導光板上方の所定の位置における照明装置の光度を示す図 照明装置における発光素子と導光板との位置関係を示す図 発光素子Ａ及び発光素子Ｂから出射される光の配向特性を示す図 図８Ｂに示す発光素子Ａと発光素子Ｂの導光板結合ロスを示した図 本発明の実施の形態１に係る照明装置の製造方法において、発光装置を放熱板上に配置する工程を示す図 本発明の実施の形態１に係る照明装置の製造方法において、導光板を配置する工程を示す図 本発明の実施の形態１に係る照明装置の製造方法において、複数の導光板を配置する様子を示す図 本発明の実施の形態２に係る照明装置の断面図 本発明の実施の形態２に係る表示装置の断面図 本発明の実施の形態２に係る照明装置に用いられる放熱板の一例を示す斜視図（図１１（ａ））及び同放熱板の他の例を示す斜視図（図１１（ｂ）） 本発明の実施の形態２に係る表示装置２００Ａを背面から見たときの状態を模式的に示した一部切り欠き平面図 本発明の実施の形態３に係る照明装置の要部拡大断面図 本発明の実施の形態３に係る照明装置における導光板端部周辺の拡大断面図 本発明の実施の形態４に係る照明装置の要部外観斜視図 従来の照明装置の断面図
以下、本発明の実施形態に係る照明装置及び表示装置について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る照明装置について、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る照明装置の平面図である。また、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ線に沿って切断した断面図であって、本発明の実施の形態１に係る照明装置の断面図である。なお、図１Ｂは、本実施形態に係る照明装置（実線部分）を筐体に組み込んで表示装置を構成した場合を示しており、照明装置以外の構成要素については破線で示している。
図１Ａに示すように、本発明の実施の形態１に係る照明装置１００は、面状に光を放射する面状照明装置であって、面状型の複数の照明素子１０によって構成される。各照明素子は、一枚の導光板１１と複数の発光装置１２とを備える。
照明素子１０は、図１Ａに示すように、マトリクス状に二次元的に配置されている。本実施形態では、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ４枚配置している。
導光板１１は、矩形状の薄い透明平板であり、照明素子１０の二次元配置と連動して、マトリクス状に二次元的に配列されている。
各導光板１１の側部には、導光板１１に入射させるための光を出射する発光装置１２が複数配置されている。本実施形態では、各導光板１１に対して３個の発光装置１２がＹ軸方向に等間隔で配列されている。
さらに、本実施形態に係る照明装置１００は、図１Ｂに示すように、放熱板２０及び反射シート３０を備える。
放熱板２０は、例えば、アルミニウム等の金属からなる金属板上に絶縁膜を介して配線パターン（不図示）が形成された基板である。放熱板２０の端部には、他の放熱板２０や外部回路に電気的に接続可能なように外部端子（不図示）が形成されている。また、放熱板２０上には、複数の発光装置１２がＸ軸方向に周期的に実装されている。
反射シート３０は、複数の導光板１１のそれぞれに対向するようにして、放熱板２０上に配置される。また、反射シート３０は、隣り合う照明素子１０における発光装置１２の間に配置されている。
また、導光板１１は、発光装置１２の対向する端部が傾斜面１１ａを有するように構成されている。傾斜面１１ａは、矩形状の平面であり、後述する発光装置１２の第１反射面で反射した光を反射する第２反射面であり、導光板１１の下面に対して所定の傾斜角を有する。本実施形態において、傾斜面１１ａの傾斜角は４５度となるように構成されている。また、導光板１１の下面には、導光板内の光を導光板外に放射させるために、複数の反射ドット１１ｂが形成されている。
なお、放熱板２０及び反射シート３０は、筐体６０内に配置される。また、放熱板２０の裏面には、発光装置１２の半導体発光素子や液晶パネル１０１を駆動させるための駆動ＩＣ１０３が設けられている。
図１Ｃは、本発明の実施の形態１に係る表示装置１００Ａの断面図である。
図１Ｃに示すように、本発明の実施の形態１に係る表示装置１００Ａは、同図中に破線で示す本実施形態に係る照明装置１００と、第１光学シート４０と、第２光学シート５０と、液晶パネル１０１とを備える。さらに、表示装置１００Ａは、筐体６０とカバー１０２とを備える。 第１光学シート４０は、例えば、光を拡散させるための拡散板であって、複数の導光板１１全体を覆うようにして配置される。
第２光学シート５０は、光の偏光方向を一方向に揃える機能を有する光学シートであって、例えば、３Ｍ社製のＤＢＥＦ（Ｄｕａｌ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｍ）であり、第１光学シート４０の上方に配置される。
なお、本実施形態において、第１光学シート４０及び第２光学シート５０は、一枚ずつとしたが、これに限るものではない。光拡散特性や偏光特性を向上させるために、複数枚の第１光学シート４０及び第２光学シート５０を用いても構わない。
また、第２光学シート５０の上には、液晶パネル１０１が配置される。
第１光学シート４０、第２光学シート５０及び液晶パネル１０１は、筐体６０内に配置される。筐体６０は、上面に開口を有する箱形状であり、側内面には照明装置１００と液晶パネル１０１とを保持するために少なくとも２つの段差が形成されている。また、液晶パネル１０１を保持するために、液晶パネル１０１の端部を覆うようにして筐体６０の側面にカバー１０２が取り付けられている。
次に、発光装置１２の詳細構造について、図２Ａ〜図２Ｃを用いて説明する。図２Ａは、本発明の実施の形態１に係る照明装置における発光装置の外観斜視図である。図２Ｂは、図２Ａに示す発光装置において光学素子を除いたときの外観斜視図である。図２Ｃは、図２Ａに示すＡ−Ａ線に沿って切断したＹＺ平面おける断面図であって、図２Ａに示す発光装置の断面図である。
図２Ａに示すように、発光装置１２は、パッケージ１２ｂ上に光学素子１２ｅを備える。また、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、発光装置１２は、半導体発光素子１２ａを備える。半導体発光素子１２ａは、パッケージ１２ｂに形成された凹部１２ｃ内に配置されており、本実施形態では、パッケージ１２ｂの底部に形成された凸部に配置されている。半導体発光素子１２ａは、導波路を有する端面出射型の発光素子であり、例えば、波長４３０〜４８０ｎｍの青色光を発光する発光層がＩｎＧａＮ（インジウム・ガリウム・窒素）系材料で構成される半導体レーザ又はスーパールミネッセントダイオードである。
また、発光装置１２は、半導体発光素子１２ａから出射される光を反射させるための第１反射面である凸反射面１２ｄを有する。凸反射面１２ｄは、半導体発光素子１２ａから出射される光に対して湾曲したＹ軸方向に凸状の反射面であり、凹部１２ｃの内面形状によって構成されている。凸反射面１２ｄは、入射した光の進行方向を９０度変えるように構成されており、半導体発光素子１２ａに向かって膨出した反射面である。
また、図２Ａ及び図２Ｃに示される光学素子１２ｅは、例えば、イットリウムアルミニウムガーネット（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12:ＹＡＧ）にＣｅ3+をドープしたＹＡＧ蛍光体（ＹＡＧ：Ｃｅ3+）などの蛍光体を含有したガラス板、もしくは、ガラス上にＹＡＧ蛍光体（ＹＡＧ：Ｃｅ3+）を含んだシリコーン樹脂を塗布した光学素子である。光学素子１２ｅは、半導体発光素子１２ａの出射光を吸収して、一部の光を、波長５８０ｎｍをピークとする黄色光に変換する。これにより、半導体発光素子１２ａから出射された青色光は、光学素子１２ｅを透過する際に、半導体発光素子１２ａの青色光と、当該青色光が蛍光体により変換された黄色光とが混ざった白色光となり、当該白色光が発光装置１２から放射される。
次に、本発明の実施の形態１に係る照明装置において、光源から出射した光の進行について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る照明装置において、光源から出射した光の進行を示す図である。
図３に示すように、発光装置１２から出射した光は、Ｚ軸方向に進行して導光板１１に入射し、傾斜面１１ａ（第２反射面）によって反射する。傾斜面１１ａで反射した光は導光板１１の内部に伝達する。その後、導光板１１内に伝達する光は、反射ドット１１ｂによって散乱し、導光板１１の上面から放射して照明装置から放射される。そして、導光板１１から放射する光は、第１光学シート４０及び第２光学シート５０によって所定の出射角度及び偏光特性を有した光となる。
次に、図２Ｂの発光装置１２に示される半導体発光素子１２ａ及び凸反射面１２ｄと、図３に示される傾斜面１１ａとにおいて、光が進行する様子をそれぞれ図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃを用いて説明する。図４Ａは、本発明の実施の形態１に係る照明装置における半導体発光素子の外観斜視図である。また、図４Ｂは、本実施形態の照明装置における凸反射面（第１反射面）によって光が反射する様子を示す図である。図４Ｃは、本実施形態の照明装置における傾斜面（第２反射面）によって光が反射する様子を示す図である。
ここで、図４Ａに示すように、本実施形態に係る半導体発光素子１２ａが、基板１２ａ１上の半導体層１２ａ２にエッチング等によって導波路１２ａ３が形成された半導体レーザである場合について説明する。半導体発光素子１２ａの一方の端面は反射端面１２ａ４であり、他方の端面は出射端面１２ａ５である。半導体発光素子１２ａによって生成された光は、導波路１２ａ３によって出射方向が調整され、出射光Ｌとなって出射端面１２ａ５から出射する。出射端面１２ａ５から出射された出射光Ｌは指向性を有した光であり、その指向特性は水平方向（レーザ光の短軸方向）の拡がり角θHLと垂直方向（長軸方向）の拡がり角θVLによって表される。
半導体発光素子１２ａの出射光Ｌにおける水平方向の拡がり角θHL及び垂直方向の拡がり角θVLは、導波路１２ａ３の幅Ｌｗ及び厚みＬｔを変化させることによって調整することができる。本実施形態では、図４Ａに示すように、垂直方向の拡がり角θVLが水平方向の拡がり角θHLよりも大きくなるように調整されており、縦長楕円形状のレーザ光となるように調整されている。
また、図４Ｂに示すように、半導体発光素子１２ａから出射した出射光Ｌは、Ｙ軸方向に進行し、発光装置１２の凸反射面１２ｄ（第１反射面）によって反射して第１反射光Ｒ１となる。このとき、半導体発光素子１２ａから出射した出射光Ｌは、凸反射面１２ｄによって進行方向が９０度変えられる。すなわち、半導体発光素子１２ａから出射した出射光Ｌの光軸と、凸反射面１２ｄで反射した第１反射光Ｒ１の光軸とは直交している。第１反射光Ｒ１は、Ｙ軸方向を長軸とし、Ｘ軸方向を短軸とする横長楕円形状のレーザ光となる。
なお、第１反射光Ｒ１の指向特性は、第１反射光Ｒ１の光進行方向において、水平方向（Ｙ軸方向）の拡がり角θHR1と垂直方向（Ｘ軸方向）の拡がり角θVR1によって表すことができる。本実施形態では、第１反射光Ｒ１は、凸反射面１２ｄによって、垂直方向の拡がり角θVR1が水平方向の拡がり角θHR1よりも小さくなるように変化する。
さらに、図４Ｃに示すように、凸反射面１２ｄによって反射した第１反射光Ｒ１は、傾斜面１１ａ（第２反射面）によって反射して第２反射光Ｒ２となる。第２反射光Ｒ２は、導光板内部に向かうようにして進行する。このとき、第１反射光Ｒ１は、傾斜面１１ａによって進行方向が導光板の下面に向かうように変えられる。本実施形態では、傾斜面１１ａの傾斜角が４５度であるので、第１反射光Ｒ１の進行方向は４５度変えられる。
なお、第２反射光Ｒ２の指向特性は、水平方向の拡がり角θHR2と垂直方向の拡がり角θVR2によって表すことができる。本実施形態では、第２反射光Ｒ２は、垂直方向の拡がり角θVR2が水平方向の拡がり角θHR2よりも小さい。
次に、図５Ａ〜図５Ｃを用いて、半導体発光素子から出射した出射光について、光が進行する様子とそのときの光分布について説明する。図５Ａ〜図５Ｃは、本発明の実施の形態１に係る照明装置において、それぞれ、Ｙ軸に垂直な平面、Ｘ軸に垂直な平面及びＺ軸に垂直な平面における光の進行と光分布を示す図である。
図５Ａ〜図５Ｃに示すように、半導体発光素子１２ａから出射した出射光Ｌは、凸反射面１２ｄ（第１反射面）で反射して第１反射光Ｒ１となる。第１反射光Ｒ１は、光学素子１２ｅを透過し白色光となって、導光板１１の傾斜面１１ａ（第２反射面）で反射して第２反射光Ｒ２となる。その後、第２反射光Ｒ２は、導光板１１内を進行する。
このとき、Ｚ軸方向に進行する第１反射光Ｒ１については、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、垂直方向（Ｘ軸方向）の拡がり角θVR1は小さく、水平方向（Ｙ軸方向）の拡がり角θHR1は非常に大きくなっている。このため、第１反射光Ｒ１の大部分を傾斜面１１ａ（第２反射面）に入射させることができる。
また、導光板の下面に向かう第２反射光Ｒ２については、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、垂直方向の拡がり角θVR2は小さく、水平方向の拡がり角θHR2は非常に大きくなっている。このため、第２反射光Ｒ２は、導光板内部を効率良く伝搬させることができる。さらに、図５Ｃに示すように、第２反射光Ｒ２は、導光板の面内に対して広い範囲で広がって伝搬するので、導光板の上部から放射する光の光度分布を非常に均一なものとすることができる。
また、本実施形態において、傾斜面１１ａ（第２反射面）に到達する光の分布は、半導体発光素子１２ａと凸反射面１２ｄ（第１反射面）と傾斜面１１ａ（第２反射面）との位置関係によって調整することができる。特に、隣り合う照明素子１０における半導体発光素子１２ａの間隔を調整することにより、照明装置の光光度の面内分布を均一に調整することができる。
この効果について、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ及び図７Ｂを用いて説明する。図６Ａは、本発明の実施の形態１に係る照明装置において光が伝搬する様子を示す図であり、図６Ｂは、本実施形態に係る照明装置において、導光板上方の所定の位置における照明装置の光度を示す図である。また、図７Ａは、拡がり角が大きいＬＥＤを用いた場合の比較例に係る照明装置において光が伝搬する様子を示す図であり、図７Ｂは、同比較例に係る照明装置において、導光板上方の所定の位置における照明装置の光度を示す図である。また、光度は、所定の基準位置ｌａからＸ軸方向における距離ｄの位置に配置された検出器によって測定した。なお、図６Ａと図７Ａとは、光源以外の構成は同じである。
図６Ａに示すように、本実施形態に係る照明装置１００は、半導体発光素子１２ａからの出射光の大部分を傾斜面１１ａに照射させることができる。従って、図６Ｂに示すように、本実施形態に係る照明装置１００においては、導光板１１内部に光を均一に効率よく分布させることができる。
一方、図７Ａに示すように、比較例に係る照明装置６００は、ＬＥＤからの出射光の拡がり角が大きいので、出射光の一部は傾斜面１１ａに照射されず傾斜面１１ａの外部に進むことになる。この結果、傾斜面１１ａに照射されなかった光は、導光板１１を通過してそのまま導光板１１の外部へと放射されることになる。従って、図７Ｂに示すように、光度分布にピークが発生し、面内分布の均一性を低下させてしまうことになる。この場合、光度のピークを解消させるために導光板１１の厚みを厚くしなければならなくなり、光取り出し効率が低下する。
このように、本実施形態に係る照明装置１００は、導波路を有する発光素子を用いているので、発光素子から出射する出射光Ｌの水平方向の拡がり角θHLを小さくすることができる。従って、凸反射面１２ｄ（第１反射面）で反射した第１反射光Ｒ１の垂直方向の拡がり角θVR1を十分小さくすることができるとともに、傾斜面１１ａ（第２反射面）で反射した第２反射光Ｒ２の垂直方向の拡がり角θVR2も十分小さくすることができる。これにより、半導体発光素子１２ａから出射した光のほとんど全ての光を導光板１１の傾斜面１１ａで反射させることができるので、導光板１１内に効率よく光を広げることができる。従って、図６Ｂに示すように、照明装置における光度分布の面内分布の均一性を向上させることができる。
次に、光度の面内分布の均一性のシミュレーション結果について、図８Ａ〜図８Ｃを用いて詳述する。図８Ａは、照明装置における発光素子と導光板との位置関係を示す図である。
図８Ａにおいて、傾斜面１１ａの傾斜角θは４５度と固定し、同図に示す発光素子の発光点から光が出射するものとする。また、発光点から導光板１１までの距離をｄとし、導光板１１の厚みをｔとする。さらに、発光点から光は傾斜面１１ａの中央部分に到達するものとし、計算を簡単にするために、導光板１１の屈折率は１とする。なお、図中の角度θｃ１及びθｃ２は、発光点からの光が傾斜面１１ａの範囲に到達するための臨界角を表している。
図８Ｂは、発光素子Ａ及び発光素子Ｂから出射される光の配向特性を示す図である。発光素子Ａは、発光素子の光軸からの角度θLを用いてｃｏｓθLで表される光分布を有する発光素子であり、発光素子Ｂは、当該発光素子Ｂから出射する出射光の半値幅が１０度であるガウス分布の広がり角を有する発光素子である。発光素子Ｂが、本実施形態に係る照明装置に用いられる発光素子に相当する。
また、図８Ｂにおいて、発光点からの光の角度が臨界角θｃ１以下の場合は、導光板結合ロスＡとなり、発光点からの光の角度が臨界角θｃ２以上の場合は、導光板結合ロスＢとなる。
図８Ｃは、図８Ａに示す上記のパラメータｄ、ｔ、θｃ１、θｃ２に具体的な数値を入れて、図８Ｂに示す発光素子Ａと発光素子Ｂに関して、導光板結合ロスＡ、Ｂを示した図である。
図８Ｃに示すように、３つのパターンの条件で発光素子Ａと発光素子Ｂの導光板結合ロス（発光素子からの光のうち傾斜面１１ａで反射されない光量）を計算すると、発光素子Ａの場合は、導光板結合ロスＢ（傾斜面１１ａに反射されない光で導光板を通過する光）がいずれも３０％以上のロスが生じていることが分かる。この導光板結合ロスＢで傾斜面１１ａで反射されない光は、図７Ｂに示すような光度分布のピークとなり照明装置の発光分布を悪化させる。また、発光素子Ａの導光板結合ロスＡ（傾斜面１１ａに反射されない光で隣の導光板に入射する光）は、３〜９％生じていることが分かる。一方、発光素子Ｂの場合は、いずれのパターンにおいても導光板結合ロスＡ、Ｂはともに０％であり、光利用効率が非常に高いことが分かる。従って、発光素子Ｂに係る本発明の照明装置１００では、優れた光利用効率と均一な発光分布を得ることができる。
次に、本発明の実施の形態１に係る照明装置の製造方法について、図９Ａ〜図９Ｃを用いて説明する。なお、図９Ａ及び図９Ｂにおいては、１つの照明素子１０のみを抽出して説明する。
まず、図９Ａに示すように、アルミニウム合金からなる絶縁性の放熱板２０上に、等間隔で３個の発光装置１２を配置する。本実施形態では、半導体発光素子１２ａと凸反射面１２ｄとを取り扱いやすくし、かつ堅牢なものとするために、図２に示すようにパッケージ１２ｂの内部に半導体発光素子１２ａと凸反射面１２ｄとを集積化した発光装置１２を用いた。なお、放熱板２０には、その表面又は裏面のいずれか一方もしくは両方に、半導体発光素子１２ａに給電するための配線パターンが形成されている（不図示）。本実施形態では、ライン状に配置された複数の発光装置１２の下に配線パターンが位置するように形成されている。
その後、図示しないが、放熱板２０上の発光装置１２が配置される部分のみが切り取られた反射シートを放熱板２０上に配置する。
次に、図９Ｂに示すように、発光装置１２と反射シート（不図示）とを覆うように導光板１１を配置する。このとき、導光板１１の傾斜面１１ａが発光装置１２と対向するように位置決めされる。なお、図９Ｃに示すように、放熱板２０上には複数枚の導光板１１が配置固定される。また、導光板１１は図９Ｃ中の手前側の導光板１１から順に配置される。
この後、導光板１１上に第１光学シート４０及び第２光学シート５０を順次配置する。これにより、照明装置１００を完成させることができる。
以上、本発明の実施の形態１に係る照明装置によれば、半導体発光素子と導光板とを有する照明素子を複数備えているので、半導体発光素子を導光板の厚み方向に複数個配置することなく、ローカルディミング駆動を可能とすることができる。さらに、半導体発光素子を導光板の一箇所に集中させることがなく、また、半導体発光素子を放熱板の全面において均等に配置することができるので、半導体発光素子が発生する熱も効率よく放熱することができる。しかも、導光板に進行する光の光度の面内分布を均一にすることもできる。
なお、上記において半導体発光素子１２ａを半導体レーザとしたが、半導体発光素子１２ａを出射光の干渉性の低いスーパールミネッセントダイオードを用いた場合でも同様の効果が得られる。特に、スーパールミネッセントダイオードを用いることで、干渉性の低い青色光を高い指向性で放射させることができるため、半導体発光素子からの余分な発熱を低減させるとともに、照明装置からの発光光のスペックルノイズを低減することができる。
なお、本実施形態に係る発光装置１２では、光学素子１２ｅに含有される蛍光体をＹＡＧＣｅ3+蛍光体としたが、これに限定されない。青色光〜赤色光の範囲の波長の光によって半導体発光素子及び蛍光体から出射される合成光が白色光となればよい。例えば、サイアロン系の蛍光体やＺｎＳ／ＣｄＳなどの量子ドットを用いた蛍光体などを用いてもよい。また、特に液晶表示装置のバックライト用の光源としては、青色光、緑色光、赤色光の３原色が必要であることから、光学素子１２ｅとしては、例えば、緑色蛍光体（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ）、赤色蛍光体（Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ）などの２種類の蛍光体を含んだ構成としてもよい。さらには、半導体発光素子として、波長３５０ｎｍ〜４１０ｎｍの紫外領域の光を放射する光源を用いて、前述の赤色蛍光体や緑色蛍光体、及び、（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ10Ｏ17：Ｅｕ等の青色蛍光体の３種類の蛍光体を含んだ光学素子を用いるような構成としてもよい。
さらに、蛍光体に関しては、発光装置１２の半導体発光素子１２ａ上に配置する構成としたが、この限りではない。例えば、導光板と反射シートの間、又は導光板と第２の光学シートの間に、シート状の蛍光体含有樹脂を配置する構成としてもよい。さらには、第１光学シートもしくは第２光学シートの表面や内部に、又は、反射シートの表面や内部に、蛍光体を含有させる構成としてもよい。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る照明装置及び表示装置について、図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて説明する。図１０Ａは、本発明の実施の形態２に係る照明装置の断面図である。また、図１０Ｂは、本発明の実施の形態２に係る表示装置の断面図である。なお、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、図１Ｂ及び図１Ｃに示す本発明の実施の形態１に係る照明装置及び表示装置と同じ構成については同じ符号を付しており、その説明は簡略化又は省略する。なお、図１Ｂと同様に図１０Ａは、本実施形態に係る照明装置（実線部分）を筐体に組み込んで表示装置を構成した場合を示しており、照明装置以外の構成要素については破線で示している。
図１０Ａに示すように、本発明の実施の形態２に係る照明装置２００は、発光装置１２の下方に、放熱板２０を介して放熱フィン７０が設けられている。放熱フィン７０は、例えば、図１１（ａ）又は図１１（ｂ）に示すように、垂直方向にウィングを有する構造を有しており、これにより、放熱板２０の熱を効果的に空気中に放熱させることができる。
また、図１０Ｂに示すように、本発明の実施の形態２に係る表示装置２００Ａは、筐体６０の下面に、開口部８０が形成されたものである。開口部８０は、放熱フィン７０に対向する位置に形成される複数の孔群で構成されており、これにより、照明装置２００の放熱性を高めることができる。
図１２は、本発明の実施の形態２に係る表示装置２００Ａを背面から見たときの状態を模式的に示した一部切り欠き平面図である。なお、図１２において、切り欠き線を境界線として、同図の上側部分は、表示装置２００Ａを背面から見たときの状態を示しており、同図の下側部分は、筐体６０を取り除いた場合に表示装置２００Ａを背面から見たときの状態を示している。
図１２に示すように、開口部８０は、筐体６０の背面に、複数のライン状の孔によって構成されている。これにより、空気の循環を効率よく行うことができるとともに、ごみなどが筐体６０の内部に侵入することを防止することができる。また、放熱フィン７０は、発光装置１２が配置された放熱板２０の丁度真後ろに位置するようにして設置される。これにより、発光装置１２から発生した熱を、放熱フィン７０を介して効率よく空気中に放熱することができる。
以上、本発明の実施の形態２に係る照明装置２００によれば、放熱フィン７０が設けられているので、発光装置１２及び駆動ＩＣ１０３で発生した熱は、放熱板２０を通って容易に放熱フィン７０に伝達されて放熱される。また、本実施形態に係る表示装置２００Ａによれば、放熱フィン７０に対向配置された開口部８０を備えるので、放熱フィン７０に伝達された熱は、開口部８０から筐体６０の外部に放熱される。これにより、照明装置又は当該照明装置を備えた液晶表示装置において、温度上昇を抑制することができる。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る照明装置について、図１３Ａ及び図１３Ｂを用いて説明する。図１３Ａは、本発明の実施の形態３に係る照明装置の要部拡大断面図であり、図１３Ｂは、本実施形態に係る照明装置における導光板端部周辺の拡大断面図である。なお、図１３Ａ及び図１３Ｂにおいて、図１Ｂに示す本発明の実施の形態１に係る照明装置と同じ構成については同じ符号を付しており、その説明は簡略化又は省略する。
図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、本発明の実施の形態３に係る照明装置３００は、導光板１１の傾斜面１１ａが形成される側の先端部分に凹部１１ｃが形成されている。凹部１１ｃは、発光装置１２を収納するために、発光装置１２のパッケージ形状に合わせて形成されている。また、図１３Ｂの拡大断面図に示すように、発光装置１２の導光板１１側の側壁部分と凹部１１ｃの発光装置１２側の側壁部分とは接触するように構成されている。
本発明の実施の形態３に係る照明装置３００によれば、当該照明装置３００を組み立てる際に、導光板１１の凹部１１ｃの側壁部分を、放熱板２０に配置された発光装置１２の側壁部分に当接するようにして配置することができる。この結果、発光装置１２を導光板１１の凹部１１ｃに嵌めるようにして位置決めをすることができるので、発光装置１２と導光板１１の傾斜面１１ａとの位置精度を向上させることができる。
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る照明装置について、図１４を用いて説明する。図１４は、本発明の実施の形態４に係る照明装置の要部外観斜視図である。なお、図１４において、図１Ａ及び図１Ｂに示す本発明の実施の形態１に係る照明装置と同じ構成については同じ符号を付しており、その説明は簡略化又は省略する。
図１４に示すように、本発明の実施の形態４に係る照明装置４００は、赤色の光を発光する例えば発光層がＡｌＩｎＧａＰ（アルミニウム・インジウム・ガリウム・リン）系材料で構成される半導体発光素子を備えた赤色発光装置１２Ｒと、緑色の光を発光する例えば発光層がＩｎの組成比が高いＩｎＧａＮ系材料で構成される半導体発光素子を備えた緑色発光装置１２Ｇと、青色の光を発光する半導体発光素子を備えた青色発光装置１２Ｂとを備える。
本実施形態における赤色発光装置１２Ｒと緑色発光装置１２Ｇと青色発光装置１２Ｂとは、図１Ａ及び図１Ｂに示す実施の形態１の発光装置の一つの照明素子１０における３つの発光装置１２に対応する。すなわち、照明素子１０、すなわち、１つの導光板１１に対して、赤色発光装置１２Ｒ、緑色発光装置１２Ｇ及び青色発光装置１２Ｂの３色の光を発光する発光装置が配置されている。
さらに、本実施例において放熱板２０には、赤色発光装置１２Ｒ、緑色発光装置１２Ｇ、青色発光装置１２Ｂに対して独立に電力を供給することができる配線（不図示）が形成される。
本発明の実施の形態４に係る照明装置４００によれば、赤色、緑色及び青色の３色の光を発光する発光装置が備えられているので、１つの導光板１１において白色の光を伝達させることができる。従って、白色の光を放出する照明装置１００を得ることができる。特に、ディスプレイの３原色である赤色、緑色、青色に関して、色純度が高い光をそれぞれ供給することができるため、照明装置の出射光の演色性を向上させることができる。
さらに本実施形態においては、赤色発光装置１２Ｒ、緑色発光装置１２Ｇ、青色発光装置１２Ｂに対して独立に電力を供給することにより、赤色、緑色、青色に関して、個々に出射光強度を設定できる。これにより、この照明装置を用いた表示装置において、表示画像に合わせて、領域毎に調光・調色することができるため、表示装置の消費電力を大幅に低減させることができる。
なお、本実施形態に示す赤色発光装置１２Ｒ、緑色発光装置１２Ｇ、青色発光装置１２Ｂの構成としては、図２Ａに示す実施の形態１に係る光学素子１２ｅを、例えばＢＫ７のような波長４００〜８００ｎｍまでの範囲の光に対して透明であるガラス板としてもよい。この構成により、各発光装置の半導体発光素子が外気に触れることを防止することができるので、異物等による半導体発光素子の劣化を防止することができる。また、赤色発光装置１２Ｒ、緑色発光装置１２Ｇ、青色発光装置１２Ｂのその他の構成としては、例えば、図２Ｂに示すように、図２Ａの発光装置から光学素子を除いたような構成としてもよい。
以上、本発明に係る照明装置及び表示装置について実施の形態に基づいて説明したが、本発明に係る照明装置及び表示装置は、上記の各実施の形態に限定されるものではない。
例えば、各実施形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
本発明に係る発光装置は、液晶テレビ又は液晶モニタに備えられる液晶パネルのバックライトモジュールのバックライト等として有用である。また、その他、照明用途としても有用である。
１０ 照明素子
１１、５１０ 導光板
１１ａ 傾斜面（第２反射面）
１１ｂ 反射ドット
１１ｃ 凹部
１２ 発光装置
１２Ｒ 赤色発光装置
１２Ｇ 緑色発光装置
１２Ｂ 青色発光装置
１２ａ 半導体発光素子
１２ｂ パッケージ
１２ｃ 凹部
１２ｄ 凸反射面（第１反射面）
１２ｅ 光学素子
１２ａ１ 基板
１２ａ２ 半導体層
１２ａ３ 導波路
１２ａ４ 反射端面
１２ａ５ 出射端面
２０ 放熱板
３０、５４０ａ、５４０ｂ、５４０ｃ、５４０ｄ 反射シート
４０ 第１光学シート
５０ 第２光学シート
６０ 筐体
７０ 放熱フィン
８０ 開口部
１００、２００、３００、４００、５００、６００ 照明装置
１００Ａ、２００Ａ 表示装置
１０１ 液晶パネル
１０２ カバー
１０３ 駆動ＩＣ
５１１ｂ、５１２ｃ、５１２ｄ 段差部
５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃ、５１２ｄ 下面
５２０ａ、５２０ｂ、５２０ｃ、５２０ｄ 発光素子
５３０ｂ、５３０ｃ、５３０ｄ ライトガイド

Claims (13)

  1. 半導体発光素子と、
    前記半導体発光素子から出射される光を反射させるための第１反射面と、
    前記第１反射面で反射した光が入射し、入射した当該光を反射させるための第２反射面を有し、当該第２反射面で反射した光を導光するための導光板と、
    を有する照明素子を複数個備え、
    前記半導体発光素子は、当該半導体発光素子の垂直方向の拡がり角が水平方向の拡がり角よりも大きい光を出射し、
    前記第１反射面は、前記半導体発光素子から出射される前記光に対して湾曲した凸反射面である
    照明装置。
  2. 前記第２反射面は、前記導光板の矩形端面によって構成され、
    前記導光板の下面に対する前記矩形端面の傾斜角が略４５度であり、
    前記半導体発光素子の光軸が前記矩形端面の長手方向と略平行である
    請求項１に記載の照明装置。
  3. 前記照明素子は、前記半導体発光素子を複数個有する
    請求項１又は請求項２に記載の照明装置。
  4. さらに、放熱板を備え、
    前記半導体発光素子が、前記放熱板上に配置される
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明装置。
  5. 前記半導体発光素子は、前記第１反射面を有するパッケージに配置される
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明装置。
  6. 前記半導体発光素子が、半導体レーザである
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明装置。
  7. 前記半導体発光素子が、スーパールミネッセントダイオードである
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明装置。
  8. 前記半導体発光素子の光軸上に前記第１反射面が配置される
    請求項１〜７のいずれか１項に記載の照明装置。
  9. さらに、前記放熱板の前記半導体発光素子が配置された面とは反対側の面に配置された放熱フィンを備える
    請求項４に記載の照明装置。
  10. 前記導光板の端部に凹部が設けられており、
    前記パッケージの一部が前記凹部の一部に当接して配置される
    請求項５に記載の照明装置。
  11. 複数の前記半導体発光素子は、赤色の光を発光する半導体発光素子と、緑色の光を発光する半導体発光素子と、青色の光を発光する半導体発光素子とを含む
    請求項３に記載の照明装置。
  12. 前記赤色の光を発光する半導体発光素子と、前記緑色の光を発光する半導体発光素子と、前記青色の光を発光する半導体発光素子とが前記放熱板上に配置され、前記放熱板上に、前記赤色の光を発光する半導体発光素子と、前記緑色の光を発光する半導体発光素子と、前記青色の光を発光する半導体発光素子とに独立に電力を供給する配線が形成される
    請求項１１に記載の照明装置。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の照明装置を備える
    表示装置。
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