JP2012074550A - 照明素子、照明素子を用いたバックライトおよび照明素子を用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長帯域が制限された表示装置およびそれに用いるバックライトおよび照明素子を実現する。
【解決手段】 発光ダイオード素子１と、
この発光ダイオード素子１の出力光のうち特定の範囲の波長のみを選択的に透過させるフィルタ部材３と、
このフィルタ部材３に導入される発光ダイオード素子１からの光を所定の入射角範囲に制限する入射角制限部材２と、
フィルタ部材３を透過した光を拡散する拡散部材４と、
この拡散部材４を光軸上に位置させたレンズ部材６と、
を備えることを特徴とする照明素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長帯域が制限された照明素子に関する。また、そのような照明素子を用いたバックライトおよび表示装置に関する。

液晶パネルを用いた表示装置（液晶表示装置）においては、液晶自体は発光しないため、液晶パネルを裏側から照らすバックライトが用いられる。バックライトの光源として、近年では発光ダイオード素子（以下、「ＬＥＤ」と記載する。）が多く利用されている。

図４は従来のＬＥＤを用いた照明素子の一部断面図であり、バックライトの光学部分を抽出して図示したものである。配線板１００は、複数の照明素子１０１が配列されるとともに、これらの照明素子１０１の周囲に反射シート１１０が敷きつめられている。照明素子１０１は、ＬＥＤ１０１ａと、このＬＥＤ１０１ａを覆う光学レンズ１０１ｂから構成されている。ＬＥＤ１０１ａは点光源として機能し、光学レンズ１０１ｂの作用により光が拡散され、照明素子１０１外へ出射される。照明素子１０１から出射された光は、導光板（図示せず）や拡散板２００などの光学部品を透過して面光源となり、液晶パネルの全面を均一に照射する。

下記特許文献１には、ＬＥＤとこれを覆う光学レンズを備える照明素子が記載されている。

特開２００６−２９３２７４号公報 図６、図７

表示装置の中には、航空機のコックピットに配備される表示装置のように、夜間運用時にパイロットが暗視装置（たとえば暗視ゴーグル）を装着した状態で使用されるものが存在する。
暗視装置は可視領域から近赤外領域の波長の微弱な光を数百万倍に増倍して投影するものであり、星明り程度の明るさでも外界を認識することを可能とするものである。逆に、暗視装置の感度帯域に通常人間が視認できる程度の明るさの光があると、この光が増倍され、本来見るべきものの微弱な光を識別することが不可能となってしまう。

図５は暗視装置の感度特性の一例を示す図である。図５は、MIL-STD-3009 ''LIGHTING, AIRCRAFT, NIGHT VISION IMAGING SYSTEM (NVIS) COMPATIBLE''(2 February 2001)に規定される、暗視装置に要求されるスペクトル特性を示したものである。図５には３種類のスペクトル特性（NVIS-A,NVIS-B,NVIS-C）が示されているが、いずれもおよそ６００ｎｍ〜９００ｎｍの波長帯域に高い感度を有している。したがって、暗視装置とともに使用される表示装置は、この波長帯域の光を発してはならない。同様の要求は、民間規格であるRTCA/DO-275''MINIMUM OPERATIONAL PERFORMANCE STANDARDS FOR INTEGRATED NIGHT VISION IMAGING SYSTEM EQUIPMENT''(12,October,2001)にも存在する。

表示装置から発せられる光のスペクトル特性は、概して、液晶パネルのカラーフィルタのスペクトル特性とバックライトのスペクトル特性を掛け合わせたものとなる。そのため、６００ｎｍ以上の波長帯域の光がカラーフィルタのスペクトル特性とバックライトのスペクトル特性のいずれにも含まれる場合には、その表示装置は暗視装置とともに使用することができない。

しかしながら、一般的なカラーフィルタは図６（「直視型，投射型ＬＣＤ用光源と色再現」、蕪木清幸，田川幸治、光技術情報誌「ライトエッジ」No.5（1996年3月発行）、光技術コンタクトVol.34 No.1（1996））の実線に示すようなスペクトル特性を有しており、暗視装置の感度域である６００ｎｍ以上の帯域の光（赤色光）を含んでいる。また、一般的なＬＥＤバックライトは図７（Philips Lumileds Lighting Company社データシート、LUXEON Rebel ES Datasheet DS61、2009年4月23日）に示すようなスペクトル特性を有しており、６００ｎｍ以上の波長帯域についても輝度を有している。したがって、このような通常のスペクトル特性を有するカラーフィルタおよびバックライトで構成された表示装置は、何らかの波長制限手段を用いない限り、暗視装置との併用には適合しない。

波長制限手段としては帯域制限フィルタの使用が考えられる。図８に示すような、たとえば４００ｎｍ〜６００ｎｍまでの波長のみを透過させる帯域制限フィルタをバックライトと液晶装置の表示面との間に挿入し、バックライトの発光波長から６００ｎｍ以上の波長の光を阻止する。これにより、暗視装置の感度帯域にある光を非常に小さくでき、暗視装置の使用が可能になる。

帯域制限フィルタとしては、図８のように透過帯域と阻止帯域の境界が急峻なスペクトル阻止性能を有するものが理想的である。帯域制限フィルタは、色つきのガラスまたはプラスチックを用いる方法、または、ガラスまたはプラスチックなどの透明基材の上に薄膜を積層する（多層膜フィルタ）ことで形成される。しかし、前者の方法ではスペクトル素子性能はなだらかなものとなり急峻な境界を実現することはできない。そこで、多層膜フィルタを採用することになるが、優れたスペクトル阻止性能が発揮されるのは、フィルタ面に対する光の入射角度が特定の範囲にある場合に限られてしまう。

図９は実際の帯域制限フィルタのスペクトル特性の一例を示す図であり、図９の（ａ）はフィルタ面に対して光が垂直に入射する場合（入射角度＝０度）のスペクトル特性、図９の（ｂ）は光が斜めに入射する場合（入射角度＝７５度）のスペクトル特性である。
光が垂直に入射した場合には非常に優れた阻止性能を発揮するものの、斜めに入射する光に対してはスペクトル阻止帯域が崩れ、暗視装置の感度帯域においても光の透過が生じてしまい、暗視装置と併用するのは困難となる。

そこで、本発明は、波長帯域が制限され暗視装置と併用できる表示装置およびそれに用いるバックライトおよび照明素子を実現することを目的とする。

このような課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
発光ダイオード素子と、
この発光ダイオード素子の出力光のうち特定の範囲の波長のみを選択的に透過させるフィルタ部材と、
このフィルタ部材に導入される前記発光ダイオード素子からの光を所定の入射角範囲に制限する入射角制限部材と、
前記フィルタ部材を透過した光を拡散する拡散部材と、
この拡散部材を光軸上に位置させたレンズ部材と、
を備えることを特徴とする照明素子である。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の照明素子において、
前記入射角範囲は、前記フィルタ部材の入射角依存特性に基づいて設定されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、
請求項１または２に記載の照明素子において、
前記入射角制限部材は、前記発光ダイオード素子に対向する面が黒色であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の照明素子において、
前記拡散部材は、出射光にランバーシアン特性を持たせる拡散板であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、
請求項１〜４のいずれかに記載の照明素子において、
前記拡散部材が発光する面積および形状を前記発光ダイオード素子の発光部分と略同一に調整するマスク部材を備えることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、
請求項１〜５のいずれかに記載の照明素子を備えるバックライトである。

請求項７に記載の発明は、
請求項１〜５のいずれかに記載の照明素子を備える表示装置である。

本発明によれば、
発光ダイオード素子と、この発光ダイオード素子の出力光のうち特定の範囲の波長のみを選択的に透過させるフィルタ部材と、このフィルタ部材に導入される発光ダイオード素子からの光を所定の入射角範囲に制限する入射角制限部材と、フィルタ部材を透過した光を拡散する拡散部材と、この拡散部材を光軸上に位置させたレンズ部材と、を備えることにより、波長帯域が制限され暗視装置と併用できる照明素子を実現できる。また、この照明素子を用いることにより、波長帯域が制限され暗視装置と併用できるバックライトおよび表示装置を実現できる。

また、簡易な構造であるとともに前記フィルタ部材として一般的な多層膜フィルタを用いることができるため、新たに多層膜フィルタを開発する必要がなく、安価で良好なスペクトル阻止特性を実現できる。

本発明の実施例１の照明素子を示す図である。 帯域制限フィルタのスペクトル特性の一例を示す図である。 マスク部材の構成図である。 従来のＬＥＤを用いた照明素子の一部断面図である。 暗視装置の感度特性の一例を示す図である。 一般的なカラーフィルタのスペクトル特性の一例を示す図である。 一般的なＬＥＤバックライトのスペクトル特性の一例を示す図である。 理想的な帯域制限フィルタのスペクトル特性を示す図である。 実際の帯域制限フィルタのスペクトル特性の一例を示す図である。

図１は本発明の実施例１の照明素子を示す図である。本実施例では、暗視装置と併用される表示装置に用いる照明素子を想定し、およそ６００ｎｍ以上の波長帯域の光が含まれないように波長を制限する例について説明する。

図１の（ａ）は照明素子の構成を説明するための断面図、図１の（ｂ）はＬＥＤからの光の帯域制限フィルタへの入射角度を説明するための図である。図１において、１はＬＥＤ、２は入射角制限部材、３は帯域制限フィルタ、４は拡散部材、５はマスク部材、６は光学レンズである。

ＬＥＤ１は、基台上に形成された発光部分１ａを備えている。入射角制限部材２は、このＬＥＤ１を上から覆うように配置される。入射角制限部材２は、ＬＥＤ１の発光部分１ａの上部にあたる位置に孔２ａが形成されている。孔２ａは、この孔から入射角制限部材２の外に出ていくＬＥＤ１の直接光が所定の角度θ以内に制限されるように、ＬＥＤ１との位置関係や孔の深さ、孔の径が設定される。

入射角制限部材２のＬＥＤ１に対向する内壁（孔２ａ部分の内壁も含む）は、光の乱反射を抑えるため、黒色に塗装される。これにより孔２ａから外に出て行く光はＬＥＤ１の直接光のみに限定される。

孔２ａの上部には、孔２ａを中心とした凹部２ｂが形成されている。帯域制限フィルタ３、拡散部材４およびマスク部材５は、この凹部２ｂ内側の形状に合わせて形成され、ＬＥＤ１に近い側から帯域制限フィルタ３、拡散部材４、マスク部材５の順に凹部２ｂ内に密着して配置される。凹部２ｂは、凹部２ｂ内に帯域制限フィルタ３、拡散部材４、マスク部材５を配置した際にマスク部材５の上面と凹部２ｂの壁面の高さが一致するように形成される。

マスク部材５は中央部に開口部５ａが設けられており、この開口部５ａの面積および形状を光学レンズ６の軸（光軸）方向から見たときのＬＥＤ１の発光部分１ａと同一に設定する。

帯域制限フィルタ３には、図９に示すスペクトル特性を有するような、従来と同様の一般的な多層膜フィルタからなる帯域制限フィルタを用いる。ここで、ＬＥＤ１から帯域制限フィルタ３へ入射する光は、入射角度が最大で角度θとなる。帯域制限フィルタ３のスペクトル阻止性能は光の入射角によって変化していくため、角度θの大きさは、帯域制限フィルタ３が所定のフィルタ性能（すなわち本実施例では、６００ｎｍ以上の波長帯域において暗視装置と併用可能な程度にスペクトルを阻止すること）を発揮することができる入射角範囲内から決定する。

図２は、図９に示すスペクトル特性を有する帯域制限フィルタの、入射角＝４５度におけるスペクトル特性の一例を示す図である。入射角度＝４５度では、入射角度＝０度の場合（図９の（ａ））と比較して６００ｎｍ以上の波長帯域に多少の光の透過が生じているが、透過量は暗視装置との併用が十分可能な程度である。したがって、本実施例では、たとえば、角度θの上限は４５度とする。
また、角度θは、角度が大きいほどＬＥＤ１の光の利用効率が上がるため、できるだけ大きな角度とするのが望ましい。そこで、本実施例では角度θ＝４５度とする。

図３はマスク部材５の構成図であり、図３の（ａ）はＬＥＤ１の平面図、図３の（ｂ）はマスク部材５の平面図を示している。

ＬＥＤ１の発光部分１ａは光軸方向から見たときに一辺の長さがｄの正方形形状であったとした場合に、マスク部材５の開口部５ａは発光部分１ａと同様に一辺の長さがｄの正方形形状に形成する。これにより、マスク部材５を拡散部材４上に設置した際に、拡散部材４から発せられる光の発光位置、発光面積および形状がＬＥＤ１と同一となる。

拡散部材４には、出射光にランバーシアン特性を持たせる拡散板を用いる。ＬＥＤの多くは角度特性としてランバーシアン特性を有していることから、入射角制限部材２の出射面側に拡散部材４を配置することで、開口部５ａからはランバーシアン特性を持った光が出て行く。なお、ランバーシアン特性を持たせる拡散板は一般的なものでよい。

帯域制限フィルタ３を透過した光は拡散部材４によって拡散される。さらに、拡散部材４から発せられる光は、拡散部材４を光軸上に位置させた光学レンズ６でさらに拡散され、照明素子の外部へと出射される。

拡散部材４から発せられる光のレイアウト特性（発光位置、発光面積および形状）をＬＥＤ１と揃えることにより、帯域制限フィルタ３の有無に関わらず、従来と同じ光学レンズを流用できるという利点がある。

また、帯域制限フィルタ３と拡散部材４を発光部分１ａのサイズと同程度の小さな部品で構成すると、部品が取り扱いにくく製造しにくいが、マスク部材５を設けて発光面積および形状を調整するようにしたことにより、帯域制限フィルタ３と拡散部材４を発光部分１ａよりも大きな部材で構成でき、部品の取扱いが容易になり製造しやすいという利点がある。

本実施例は以上のように構成され、
ＬＥＤ１と、このＬＥＤ１の光のうち特定の範囲の波長のみを選択的に透過させる帯域制限フィルタ３と、この帯域制限フィルタ３に導入されるＬＥＤ１からの光の入射角を角度θ以内に制限する入射角制限部材２と、帯域制限フィルタ３から出射される光にランバーシアン特性を持たせる拡散部材４と、この拡散部材４を光軸上に位置させた光学レンズ６とを備えることにより、波長帯域が６００ｎｍ以下に制限された照明素子を実現できる。
したがって、暗視装置と併用される表示装置に用いても、照明素子の光が暗視装置の障害となることなく、暗視装置は本来検出すべき微弱な光を識別することが可能となる。

また、簡易な構造であるとともに帯域制限フィルタ３として一般的な多層膜フィルタを用いることができるため、新たに多層膜フィルタを開発する必要がなく、安価で良好なスペクトル阻止特性を実現できる。

また、角度θは、帯域制限フィルタ３の入射角依存特性に基づいて設定されるため、従来と同様の帯域制限フィルタ３を使用した場合であっても確実に良好なスペクトル特性が得られる。

また、入射角制限部材２は、ＬＥＤ１に対向する面が黒色であるため、光の乱反射が抑えられ、孔２ａから角度θより入射角の大きな光が出射されるのを防止できる。

また、拡散部材４が発光する面積および形状をＬＥＤ１の発光部分１ａと略同一に調整するマスク部材を備えるため、従来と同じ光学レンズを流用でき、新たな開発コストが不要となる。

なお、本実施例では、ＬＥＤ１の発光部分１ａの形状が一辺の長さｄの正方形形状であった場合について説明したが、発光部分１ａの形状は正方形に限らず、矩形状や円形であってもよい。
また、マスク部材５の開口部５ａの形状は発光部分１ａの形状に合わせて一辺の長さｄの正方形としたが、発光部分１ａの面積と略同一面積の矩形状や円形に形成してもよい。発光部分１ａの形状が矩形状や円形である場合も同様である。

また、本実施例では、マスク部材５の外形形状を円形形状として説明したが、凹部２ｂの形状次第で、正方形や矩形形状としてもよい。

以上のような照明素子を用いてバックライトを構成すれば、発光波長が所望の波長帯域に制限され暗視装置と併用できるバックライトを実現できる。
また、そのようなバックライトを用いて液晶表示装置を構成すれば、表示部の発光波長が所望の波長帯域に制限され暗視装置と併用できる液晶表示装置を実現できる。

本実施例におけるＬＥＤ１は特許請求の範囲における発光ダイオード素子に相当し、帯域制限フィルタ３はフィルタ部材に相当し、角度θ以内の角度は所定の入射角範囲に相当し、光学レンズ６はレンズ部材に相当する。

１ ＬＥＤ（発光ダイオード素子）
１ａ 発光部分
２ 入射角制限部材
３ 帯域制限フィルタ（フィルタ部材）
４ 拡散部材
５ マスク部材
６ 光学レンズ（レンズ部材）

Claims (7)

1. 発光ダイオード素子と、
   この発光ダイオード素子の出力光のうち特定の範囲の波長のみを選択的に透過させるフィルタ部材と、
   このフィルタ部材に導入される前記発光ダイオード素子からの光を所定の入射角範囲に制限する入射角制限部材と、
   前記フィルタ部材を透過した光を拡散する拡散部材と、
   この拡散部材を光軸上に位置させたレンズ部材と、
   を備えることを特徴とする照明素子。
2. 前記入射角範囲は、前記フィルタ部材の入射角依存特性に基づいて設定されることを特徴とする請求項１に記載の照明素子。
3. 前記入射角制限部材は、前記発光ダイオード素子に対向する面が黒色であることを特徴とする請求項１または２に記載の照明素子。
4. 前記拡散部材は、出射光にランバーシアン特性を持たせる拡散板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の照明素子。
5. 前記拡散部材が発光する面積および形状を前記発光ダイオード素子の発光部分と略同一に調整するマスク部材を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の照明素子。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の照明素子を備えるバックライト。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の照明素子を備える表示装置。