JP2013016445A - 発光装置、表示装置、および反射部材の設計方法 - Google Patents

発光装置、表示装置、および反射部材の設計方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
被照射体に対して、輝度がその被照射体の面方向において均一となるように、光を照射することができる発光装置、表示装置、および反射部材の設計方法を提供する。
【解決手段】
バックライトユニット1に、プリント基板12と、基台111b、LEDチップ111a、およびレンズ112を有する複数の発光部111と、発光部111を取り囲む反射部材113とを設け、レンズ112の透過領域を透過して出射される光の量をαとし、レンズ112の全表面を透過して出射される光の量をβとし、レンズ112を光軸方向に平面視したときのレンズ112の面積をγとするときに、反射部材113を光軸方向に平面視したときの反射部材113の外形がなす図形の面積δを、γ×β/αに基づいて定める。
【選択図】 図2

Description

本発明は、発光装置、表示装置、および反射部材の設計方法に関する。
表示装置は、表示パネルを有する。表示パネルは、2枚の透明基板の間に液晶が封入され、電圧が印加されることにより液晶分子の向きが変えられて光透過率が変化し、予め定められた映像等を光学的に表示する。液晶自体は発光体ではないので、表示装置には、たとえば透過型の表示パネルの背面側に、冷陰極管(CCFL)、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)などを光源とし、表示パネルに光を照射する照明装置であるバックライトユニットが備えられる。
バックライトユニットには、冷陰極管やLED等の光源を底面に並べて光を出す直下型と、冷陰極管やLED等の光源を導光板と呼ばれる透明な板のエッジ部に配して、導光板エッジから光を通して背面に設けられたドット印刷やパターン形状によって前面に光を出すエッジライト型とがある。
LEDは、低消費電力、長寿命、水銀を使わないことによる環境負荷低減などの優れた特性を有するけれども、価格的に高価であることと、青色発光LEDが発明されるまでは白色発光LEDは無かったことと、さらに強い指向性を有していることとから、バックライトユニットの光源としての利用が遅れていた。しかしながら近年、照明用途で、高演色高輝度白色LEDが急速に普及しており、それに伴ってLEDが安価になってきているので、バックライトユニットの光源としては、冷陰極管からLEDへの移行が進んでいる。
LEDは強い指向性を有するので、表示パネルの表面の輝度が面方向において均一となるように光を照射するという観点では、直下型よりもエッジライト型が有効である。しかしながら、エッジライト型のバックライトユニットは、導光板のエッジ部に集中して光源が配置されることにより光源によって生じた熱が集中するという問題とともに、表示パネルのベゼル部が大きくなるという問題が生じる。さらに、エッジライト型のバックライトユニットは、表示画像の高品質化および省電力化が可能な制御方法として注目されている部分的な調光制御(ローカルディミング)についても制約が大きく、表示画像の高品質化および省電力化が達成可能な小分割領域の制御ができないという問題がある。
そこで、部分的な調光制御に有利な直下型のバックライトユニットにおいて、強い指向性を有するLEDを光源として用いた場合であっても、表示パネルの輝度が面方向において均一となるように、光を表示パネルに照射することが可能な方法の検討が進められている。輝度を均一化するものとして、たとえば、特許文献1には、被照射体において1つの被照射領域を画する箱状のフレーム部材と、フレーム部材の底面上に設けられるプリント基板と、フレーム部材によって囲繞される発光装置とを備える照明装置が記載されている。この発光装置は、プリント基板上に設けられる発光素子と、発光素子から出射された光の一部が上面から透過して出射され、他の一部が側面から透過して出射されるレンズと、フレーム部材上においてプリント基板が設けられる部分以外の部分に設けられる拡散反射シートとを含んでいる。
特開2010−238420号公報
特許文献1に記載の照明装置では、フレーム部材によって、被照射体である表示パネルの背面に1つの被照射領域が画される。被照射領域には、発光素子から出射され、レンズの上面を透過した光が直接照射される直接光被照射領域と、発光素子から出射され、レンズの側面を透過し、拡散反射シートで拡散した光が照射される拡散光被照射領域とがある。特許文献1に記載の照明装置は、発光素子から出射された光を表示パネルに直接照射するだけではなく、レンズによって、発光素子から出射された光を拡散反射シートの表面で拡散させて、拡散光を表示パネルに照射することにより、表示パネルの面方向における輝度の均一化を図っている。
しかしながら、特許文献1に記載の照明装置が備える発光装置は、発光素子から出射されて表示パネルに直接照射される光の量と、発光素子から出射されて拡散反射シートで拡散して表示パネルに照射される光の量とが好適に調整されていない。したがって、直接光被照射領域における単位面積あたりの光量と、拡散光被照射領域における単位面積あたりの光量とに大きな差が生じる場合があり、必ずしも照射光の均一化が達成されるものではない。
本発明の目的は、このような課題を解決することであり、被照射体に対して、輝度がその被照射体の面方向において均一となるように、光を照射することができる発光装置、表示装置、および反射部材の設計方法を提供することである。
本発明は、被照射体に光を照射するための発光装置であって、
光を出射する発光素子と
前記発光素子に対向し、光を透過する透過領域と、この透過領域の周囲を取り囲み、光を反射する反射領域とを有し、前記発光素子を被覆するレンズと、
前記レンズの周囲に設けられ、光を反射する反射部材であって、
前記透過領域を透過して前記レンズから出射される光の光量をα[lm・s]とし、前記レンズの全表面を透過して前記レンズから出射される光の光量をβ[lm・s]とし、前記レンズを前記光軸方向に平面視したときの前記レンズの面積をγ[cm]とするときに、
前記反射部材を前記光軸方向に平面視したときの前記反射部材の外形がなす図形の面積δ[cm]が、γ×β/αに基づいて定められることを特徴とする発光装置である。
また本発明は、前記面積δ[cm]は、下記式(1)を満たすことを特徴とする。
γ×β/α×90%≦δ≦γ×β/α×100% …(1)
また本発明は、前記透過領域に、光を拡散する拡散部が形成されることを特徴とする。
また本発明は、前記レンズは、前記反射領域の周囲を取り囲み、前記透過領域を透過する光よりも前記光軸から離れる向きに光が進行するように、光を透過する第2の透過領域を有することを特徴とする。
また本発明は、表示パネルと、
表示パネルに背面側から光を照射するための、前記発光装置を備える照明装置とを含むことを特徴とする表示装置である。
また本発明は、光を出射する発光素子と、前記発光素子に対向し、光を透過する透過領域、および、この透過領域の周囲を取り囲み、光を反射する反射領域を有し、前記発光素子を被覆するレンズと、前記レンズの周囲に設けられ、光を反射する反射部材とを備える発光装置の前記反射部材を設計する設計方法であって、
前記透過領域を透過して前記レンズから出射される光の光量α[lm・s]を測定するステップと、
前記レンズの全表面を透過して前記レンズから出射される光の光量β[lm・s]を測定するステップと、
前記レンズを前記光軸方向に平面視したときの前記レンズの面積γ[cm]を測定するステップと、
γ×β/α×90%を下限値とし、γ×β/α×100%を上限値として、下限値以上上限値以下の範囲内で、前記反射部材を前記光軸方向に平面視したときの前記反射部材の外形がなす図形の面積δ[cm]を設定し、この設定を満たすように前記反射部材を設計するステップとを有することを特徴とする反射部材の設計方法である。
本発明によれば、面積δが、γ×β/αに基づいて定められ、より具体的には、γ×β/αの90%〜100%であるので、発光素子によって光が照射される領域である被照射領域全体における単位面積あたりの光量が、被照射領域のうちのレンズに臨む領域における単位面積あたりの光量と同程度になる。すなわち、被照射体におけるレンズに臨む領域に照射される光の光量が、他の領域に照射される光の光量と比較して際立って多くなってしまうことを、抑えることができる。よって、被照射体に対して、輝度がその被照射体の面方向において均一となるように、光を照射することができる。
また本発明によれば、透過領域に拡散部が形成されることで、透過領域を透過してきた光を広い範囲で拡散させて、被照射体に照射することができ、その結果、被照射体に対して、輝度がその被照射体の面方向においてより均一となるように、光を照射することができる。
また本発明によれば、レンズの第2の透過領域によって、被照射体においてレンズからより遠い領域に透過光を照射することができ、その結果、被照射体に対して、輝度がその被照射体の面方向においてより均一となるように、光を照射することができる。
また本発明によれば、前記発光装置を備える照明装置によって、表示パネルに均一な光を照射することができるので、高画質な画像を表示することができる。
また本発明によれば、被照射体に対して輝度がその被照射体の面方向において均一となるように光を照射することができる発光装置を、効率的に設計することができる。
液晶表示装置100の構成を示す分解斜視図である。 図1における切断面線A−Aで切断したときの液晶表示装置100の断面の一部を模式的に示す図である。 基台111bに支持されたLEDチップ111aとレンズ112との位置関係を示す図である。 基台111bとLEDチップ111aとを示す図である。 プリント基板12に実装されたLEDチップ111aおよび基台111bを示す図である。 LEDチップ111aから出射された光の光路を説明するための図である。 反射部材113およびレンズ112の斜視図である。 LEDチップ111aから出射された光の発光強度を示す図である。 本発明の効果を説明するための図である。
図1は、本発明の実施形態に係る液晶表示装置100の構成を示す分解斜視図である。図2は、図1における切断面線A−Aで切断したときの液晶表示装置100の断面の一部を模式的に示す図である。本発明に係る表示装置である液晶表示装置100は、テレビジョンまたはパーソナルコンピュータなどにおいて、画像情報を出力することによって画像を表示画面に表示する装置である。表示画面は、液晶素子を有する透過型の表示パネルである液晶パネル2によって形成され、液晶パネル2は、矩形平板状に形成される。液晶パネル2において、厚み方向の2つの面を、前面21および背面22とする。液晶表示装置100は、画像を、前面21から背面22に向かう方向に見て視認可能に表示する。
液晶表示装置100は、液晶パネル2と、バックライトユニット1とを備える。液晶パネル2は、バックライトユニット1が備えるフレーム部材13の底部131の底面131aと平行に、側壁部132により支持される。液晶パネル2は、2枚の基板を含み、厚み方向から見て長方形の板状に形成される。液晶パネル2は、TFT(thin film transistor)等のスイッチング素子を含み、2枚の基板の隙間には液晶が注入されている。液晶パネル2は、背面22側に配置されるバックライトユニット1からの光がバックライトとして照射されることによって、表示機能を発揮する。前記2枚の基板には、液晶パネル2における画素の駆動制御用のドライバ(ソースドライバ)、種々の素子および配線が設けられている。
また、液晶表示装置100において、液晶パネル2とバックライトユニット1との間には、拡散板3が、液晶パネル2に平行に配置される。なお、液晶パネル2と拡散板3との間に、プリズムシートを配置してもよい。
拡散板3は、バックライトユニット1から照射される光を、面方向に拡散することによって、輝度が局所的に偏ることを防止する。プリズムシートは、拡散板3を介して背面22側から到達した光の進行の向きを、前面21側に向ける。拡散板3では、輝度が面方向に偏ることを防ぐために、光の進行方向は、ベクトル成分として、面方向の成分を多く含む。これに対しプリズムシートは、面方向のベクトル成分を多く含む光の進行方向を、厚み方向の成分を多く含む光の進行方向に変換する。具体的には、プリズムシートは、レンズまたはプリズム状に形成される部分が面方向に多数並んで形成され、これによって、厚み方向に進行する光の拡散度を小さくする。したがって、液晶表示装置100による表示において、輝度を上昇させることができる。
バックライトユニット1は、液晶パネル2に背面22側から光を照射する直下型のバックライト装置である。バックライトユニット1は、液晶パネル2に光を照射する複数の発光装置11と、複数のプリント基板12と、フレーム部材13とを含む。
フレーム部材13は、バックライトユニット1の基本構造体であり、液晶パネル2と予め定められた間隔をあけて対向する平板状の底部131と、底部131に連なり底部131から立ち上がる側壁部132とからなる。底部131は、厚み方向から見て長方形に形成され、その大きさは液晶パネル2よりも少し大き目である。側壁部132は、底部131のうち短辺を成す2つの端部と、長辺を成す2つの端部とから液晶パネル2の前面21側に立ち上がって形成される。これによって、平板状の側壁部132が底部131の周囲に4つ、形成される。
プリント基板12は、フレーム部材13の底部131の底面131aに固定される。このプリント基板12の実装面12aには、後述する複数の発光部111が設けられる。プリント基板12は、長手形状の部材であり、長手方向に直交する、幅方向の長さがたとえば10mm、厚み方向の長さがたとえば0.8mmに設定される。複数のプリント基板12は、幅方向に並列して、たとえば30mm離間して設けられる。プリント基板12は、たとえば、導電層が両面に形成されたガラスエポキシからなる基板である。
プリント基板12は、その長手方向において、フレーム部材13の側壁部132まで延びて設けられる。この側壁部132には、プリント基板12に電力を供給するためのコネクタが設けられており、プリント基板12はこのコネクタに接続され、プリント基板12上の導電層を介して各発光装置11に電力が供給される。
複数の発光装置11は、液晶パネル2に光を照射するための装置である。本実施形態では、複数の発光装置11を1つの群として、拡散板3を介して液晶パネル2の背面22の全体にわたって対向するように、複数の発光装置11が設けられたプリント基板12が複数並列して設けられることで、発光装置11がマトリクス状に設けられる。各発光装置11は、フレーム部材13の底部131に垂直なX方向に平面視したときに正方形状に形成され、拡散板3の液晶パネル2側の面の輝度が6000cd/mとなるように設けられ、正方形状の一辺の長さは、たとえば40mmである。
複数の発光装置11は、それぞれ、発光部111と、発光部111の周囲に設けられる反射部材113とを備える。発光部111は、発光素子である発光ダイオード(LED)チップ111aと、LEDチップ111aを支持する基台111bと、光学部材であるレンズ112とを含む。
反射部材113は、フレーム部材13の底部131の底面131a上に、底面131aに平行に設けられる基部114と、基部114を取り囲み、発光部111から遠ざかるにつれてプリント基板12から遠ざかるように傾斜して設けられる傾斜部115とを有する。各発光装置11における各反射部材113によって、被照射体上に、各発光装置11に対応する各被照射領域が画される。バックライトユニット1は、部分的な調光制御(ローカルディミング)を可能とするために、被照射体上における各被照射領域の面積と、X方向に平面視したときにおける反射部材113の外形がなす図形の面積とがほぼ同じ大きさとなるように設けられる。なお、本実施形態における被照射体は拡散板3であり、拡散板3に光が照射される結果、液晶パネル2に光が照射され、画像が表示されることになる。
図3−1は、基台111bに支持されたLEDチップ111aとレンズ112との位置関係を示す図である。
基台111bは、LEDチップ111aを支持するための部材である。この基台111bは、LEDチップ111aを支持する支持面が、X方向に平面視したときに正方形に形成され、正方形の一辺の長さL1は、たとえば3mmである。また、基台111bの高さは、たとえば1mmである。
図3−2は、基台111bとLEDチップ111aとを示す図であり、図3−2(a)が平面図であり、図3−2(b)が正面図であり、図3−3(c)が底面図である。図3−2に示すように、基台111bは、セラミックスからなる基台本体111gと、基台本体111cに設けられる2つの電極111cとを含んでおり、LEDチップ111aは、基台111bの支持面となる基台本体111gの上面中央部に、接着部材111fで固定されている。2つの電極111cは、互いに離間しており、それぞれ、基台本体111gの上面、側面、および底面に亘って設けられる。
LEDチップ111aの図示しない2つの端子と、2つの電極111cとは、2つのボンディングワイヤ111dによってそれぞれ接続されている。そして、LEDチップ111aおよびボンディングワイヤ111dは、シリコン樹脂などの透明樹脂111eによって封止されている。
図3−3に、プリント基板12に実装されるLEDチップ111aおよび基台111bを示す。LEDチップ111aは、基台111bを介してプリント基板12に実装され、プリント基板12から離れる方向に光を出射する。LEDチップ111aの光軸Sの方向は、X方向に平行な方向である。LEDチップ111aは、発光装置11をX方向に平面視したときに、基台111bの中央部に位置する。複数の発光装置11において、それぞれのLEDチップ111aによる光の出射の制御は、互いに独立して制御可能である。これによって、バックライトユニット1は、部分的な調光制御(ローカルディミング)が可能である。
プリント基板12へLEDチップ111aおよび基台111bを実装するときは、まず、プリント基板12が備える導電層パターンの2つの接続端子部121の上に、それぞれ、はんだを付け、そのはんだに、基台本体111gの底面に設けられる2つの電極111cがそれぞれ合致するように、たとえば図示しない自動機によって、プリント基板12に、基台111bおよび基台111bに固定されているLEDチップ111aを載せる。基台111bおよび基台111bに固定されているLEDチップ111aを載せたプリント基板12は、赤外線を照射するリフロー槽に送られ、はんだは約260℃に熱せられ、基台111bとプリント基板12とがはんだ付けされる。
レンズ112は、LEDチップ111aおよびLEDチップ111aを支持する基台111bを被覆するように、LEDチップ111aに、インサート成形により、当接して設けられ、LEDチップ111aから出射した光を複数の方向に反射または屈折させる。レンズ112は、透明なレンズであり、たとえばシリコン樹脂やアクリル樹脂などからなる。
レンズ112において、液晶パネル2に対向する面である上面112aは、中央部に凹みを有して湾曲している。また、側面112bは、LEDチップ111aの光軸Sを軸線方向とする円柱側面状に形成される。レンズ112において、光軸Sに直交する断面における直径L2は、たとえば10mmであり、レンズ112は、基台111bに対して外方に延出して設けられている。すなわち、レンズ112は、LEDチップ111aの光軸Sに直交する方向に関して基台111bよりも大きい(レンズ112の直径L2は、基台111bの支持面の一辺の長さL1よりも大きい)。このように、レンズ112が基台111bに対して外方に延出して設けられることによって、LEDチップ111aから出射した光をレンズ112により広範囲に拡散させることができる。
また、レンズ112の高さH1は、たとえば4.5mmであり、直径L2よりも小さい。換言すれば、レンズ112は、LEDチップ111aの光軸Sに直交する方向の長さ(直径L2)が、高さH1よりも大きい。このレンズ112に入射した光は、レンズ112の内部において光軸Sに交差する方向に拡散される。
上記のように、直径L2を高さH1よりも大きく設定するのは、バックライトユニット1の薄型化と液晶パネル2への光の均一照射のためである。バックライトユニット1を薄型化するためには、レンズ112の高さH1を小さく、すなわち、レンズ112を極力薄くする必要がある。しかしながら、レンズ112を薄くすると、液晶パネル2の背面22に照度むらが発生し易くなり、その結果、液晶パネル2の前面21に輝度むらが発生し易くなる。特に、隣接するLED111aの間の距離が長い場合、液晶パネル2の背面22において隣接するLEDチップ111aの間の領域は、LEDチップ111aから遠く離れており、照射光量が少なくなるので、その領域とLEDチップ111aに近接する領域との間で、照度むら(輝度むら)が生じ易くなる。LEDチップ111aから照射された光を、レンズ112を介して、LEDチップ111aから遠く離れた領域に照射させるには、レンズ112の直径L2をある程度大きくする必要があり、本実施形態では、レンズ112の直径L2を、高さH1よりも大きくすることで、バックライトユニット1の薄型化と液晶パネル2への光の均一照射とを可能にしている。
なお、仮に、レンズ112の高さH1よりも、レンズ112の直径L2を小さくした場合、薄型化および均一照射が困難となるばかりでなく、LEDチップ111aに合わせてレンズ112を成形するインサート成形において、バランスが悪くなり易いという課題が生じる。また、LEDチップ111aおよび基台111bと、インサート成形されたレンズ112とからなる発光部111をプリント基板12にはんだ付けする際に、バランスを崩し易く、組立上にも課題が生じる。
レンズ112の上面112aは、LEDチップ111aに対向し、拡散板3に平行な中央部分1121と、中央部分1121を取り囲む第1湾曲部分1122と、第1湾曲部分を取り囲む第2湾曲部分1123とを含む。レンズ112の表面において、上面112aの中央部分1121および第2湾曲部分1123ならびに側面112bは、LEDチップ111aから出射され、レンズ112の内部を通って到達した光を透過する透過領域となる。また、上面112aの第1湾曲部分1122は、LEDチップ111aから出射され、レンズ112の内部を通って到達した光を側面112bに向けて反射する反射領域となる。なお、本実施形態では、レンズ112は、その底面が、反射部材113の基部114に当接しており、底面から光が出射しないように構成されている。
中央部分1121は、液晶パネル2に対向する上面112aの中央部に形成され、中央部分1121の中心(すなわち、レンズ112の光軸)は、LEDチップ111aの光軸S上に位置する。中央部分1121は、LEDチップ111aの発光面に平行な円形状に形成され、その直径L3は、たとえば1mmである。中央部分1121の面方向中央部には、光を拡散させる拡散部が形成されることが好ましい。拡散部は、中央部分1121の面方向中央部の表面に粗し加工を施すことによって形成されてもよいし、透明の樹脂中に、屈折率が異なる他の透明樹脂ビーズを分散させた円盤状部材を、中央部分1121の面方向中央部上に設けることで、形成されてもよい。なお、本発明の他の実施形態としては、中央部分1121の形状を、上記円形状の代わりに、上記円形状を仮想的な底面とし、この底面からLEDチップ111aに向かって突出する円錐の側面形状にしてもよい。
中央部分1121は、被照射体である拡散板3において、中央部分1121に対向する領域に光を照射するために形成されている。ただし、中央部分1121はLEDチップ111aに対向する部分であるので、LEDチップ111aから出射される光の大半が中央部分1121に到達し、その大半の光がそのまま透過した場合、中央部分1121に対向する領域の照度が際立って大きくなる。そこで、本実施形態では、上記拡散部により、光量の調整を行っている。なお、中央部分1121の形状を、上記円錐の側面形状とした場合、大半の光が中央部分1121で反射され、中央部分1121を透過する光は少なくなるので、拡散部による光量の調整は必須ではない。
第1湾曲部分1122は、中央部分1121の外周縁端部に連なり、外方に向かうにつれてLEDチップ111aの光軸S方向の一方(液晶パネル2に向かう方向)に延び、内方および光軸S方向の一方に凸となるように湾曲した環状の曲面である。第1湾曲部分1122は、反射領域とするために、曲面の形状が、LEDチップ111aから出射された光が全反射するように設計される。
より詳細には、LEDチップ111aから出射された光のうち、第1湾曲部分1122に到達した光は、第1湾曲部分1122で全反射した後、レンズの側面112bを透過し、反射部材113へ向かう。反射部材113に到達した光は、反射部材113で拡散され、被照射体である拡散板3において、LEDチップ111aに対向していない領域に照射される。これにより、LEDチップ111aに対向していない領域への照射光量を増加させることができる。
第1湾曲部分1122は、LEDチップ111aから出射された光を全反射するために、LEDチップ111aから出射された光の入射角度が、臨界角φ以上となるように形成される。たとえば、レンズ112の材質をアクリル樹脂とするとき、アクリル樹脂の屈折率は1.49であり、空気の屈折率は1であるので、sinφ=1/1.49となる。この式から、臨界角φは42.1°となり、第1湾曲部分1122は、入射角度が42.1°以上となる形状に形成される。
第2湾曲部分1123は、第1湾曲部分1122の外周縁端部に連なり、外方に向かうにつれてLEDチップ111aの光軸S方向の他方(液晶パネル2から離反する方向)に延び、外方および光軸S方向の一方に凸となるように湾曲した環状の曲面である。
LEDチップ111aから出射された光のうち、第2湾曲部分1123に到達した光は、第2湾曲部分1123を透過するときに、発光部111に向かう方向に屈折して、拡散板3および反射部材113に向かう。反射部材113に到達した光は、拡散して拡散板3に向かう。このように第2湾曲部分1123により拡散板3へ向かう光は、拡散板3において、中央部分1121および第1湾曲部分1122により光が照射される領域とは異なる領域に主に照射され、これによって光量の補完が行われる。なお、第2湾曲部分1123は、光を透過する必要があるので、LEDチップ111aから出射された光を全反射しないように、入射角度が42.1°未満となる形状に形成される。
このように、レンズ112は、中央部分1121の外周縁端部に、LEDチップ111aから出射された光をレンズ112の側面112bへ向けて全反射させる第1湾曲部分1122が形成され、その第1湾曲部分1122の外周縁端部に、LEDチップ111aから出射された光を屈折させる第2湾曲部分1123が形成されている。LEDチップ111aは一般的に指向性が強く、光軸S付近の光量が極めて大きく、光軸Sに対する光の出射角度が大きくなればなるほど光量が小さくなる。したがって、LEDチップ111aの光軸S(すなわち、レンズ112の光軸)から比較的遠い領域への照射光量を大きくするためには、光軸Sに対する出射角度が大きな光を、この領域へ向けるのではなく、出射角度が小さな光を、この領域へ向ける必要がある。本実施形態では、上記のように、光軸Sが通る中央部分1121の周囲に、上記領域へ向けて光を全反射させる第1湾曲部分1122が隣接して形成されるので、この領域への照射光量を大きくすることができる。これに対して、仮に、中央部分1121の周囲に、第2湾曲部分1123を隣接させて形成し、その第2湾曲部分1123の周囲に、第1湾曲部分1122を隣接して形成した場合、第1湾曲部分1122へ向かう光の光軸Sに対する出射角度が大きくなり、その結果、第1湾曲部分1122で全反射されて上記領域に照射される光の量は少なくなってしまう。
図4は、LEDチップ111aから出射された光の光路を説明するための図である。LEDチップ111aから出射した光は、レンズ112に入射し、このレンズ112で拡散される。具体的には、レンズ112に入射した光のうち、被照射体である拡散板3に対向する上面112aにおいて中央部分1121に到達した光は、拡散板3に向けて矢符A1方向などに出射される。中央部分1121を透過した光は、拡散板3に直接照射されることになる。被照射体である拡散板3の背面において、各発光装置11によって光が照射される領域であって、反射部材113とほぼ同じ広さの領域を被照射領域と称し、中央部分1121を透過した光が直接照射される領域を被照射領域中央部と称し、被照射領域中央部以外の領域を被照射領域周辺部と称する。発光装置11と、被照射体である拡散板3との間の距離は、拡散板3においてレンズ112に臨む領域である被照射領域中央部の面積が、X方向に平面視したときにレンズ112の外形がなす図形の面積、すなわち直径L2の円形の面積と等しくなるように設定される。
また、図4に示すように、第1湾曲部分1122に到達した光は、第1湾曲部分1122で全反射して側面112bに向かい、側面112bから矢符A2方向などに出射される。矢符A2方向などに出射された光は、レンズ112の周囲に設けられる反射部材113に到達し、反射部材113によって反射されて、被照射体である拡散板3に照射される。第2湾曲部分1123に到達した光は、外方(LEDチップ111aから遠ざかる方向)に屈折して拡散板3に向けて矢符A3方向などに出射される。なお、一般的にLEDから出射される光は指向性が強いので、LEDチップ111aから出射されてレンズ112の側面112bに直接向かう光はほとんど存在しない。したがって、LEDチップ111aから出射される光のうち、レンズ112の上面112aの中央部分1121を透過する光以外の大部分の光は、上記のように、レンズ112の側面112bを透過して反射部材113に向かい、反射部材113によって反射されて拡散板3に向かう光か、または、第2湾曲部分1123を透過して直接拡散板3に向かう光のいずれかであり、拡散板3において被照射領域周辺部に照射されることになる。
本実施形態では、LEDチップ111aとレンズ112とは、レンズ112の中心(すなわち、レンズ112の光軸)がLEDチップ111aの光軸S上に位置し、レンズ112がLEDチップ111aに当接するように、予め高精度に位置合わせされて形成されている。このように、LEDチップ111aとレンズ112とを、予め位置合わせして形成する方法としては、インサート成形、所定の形状に成形されたレンズ112に、基台111bに支持されたLEDチップ111aを嵌合させる方法などを挙げることができる。本実施形態では、LEDチップ111aとレンズ112とは、インサート成形により、予め位置合わせされて形成されている。
インサート成形する際には、大きく分けて、上面金型と下面金型とを使用する。上面金型と下面金型とを合わせた際に形成される空間に、LEDチップ111aを保持した状態で、レンズ112の原料となる樹脂を樹脂流入口から注入することにより成形する。なお、上面金型と下面金型とを合わせた際に形成される空間に、基台111bに支持されたLEDチップ111aを保持した状態で、レンズ112の原料となる樹脂を樹脂注入口から注入することにより成形するようにしてもよい。このように、LEDチップ111aとレンズ112とをインサート成形により形成することによって、レンズ112がLEDチップ111aに当接するように、高精度に位置合わせすることができる。これによって、バックライトユニット1は、LEDチップ111aから出射した光を、LEDチップ111aに当接したレンズ112により、精度よく反射および屈折させることができるので、拡散板3からプリント基板12までの距離が小さい薄型化された液晶表示装置100においても、輝度がその面方向において均一となるように、光を液晶パネル2に照射することができる。
次に、図2および図5を用いて反射部材113について説明する。図5は、反射部材113およびレンズ112の斜視図であり、レンズ112に被覆されるLEDチップ111aおよび基台111bは省略している。反射部材113は、X方向に平面視したときの外形状が多角形状、たとえば正方形状である。反射部材113は、中心に開口部が設けられた、1辺の長さが38.8mmの正方形平板状の基部114と、基部114を取り囲み、LEDチップ111aから遠ざかるにつれてプリント基板12から遠ざかるように傾斜して形成される傾斜部115とを有する。基部114と傾斜部115とによって構成される反射部材113は、レンズ112を中心とした逆ドーム状に設けられる。
本実施形態では、反射部材113は、X方向に平面視したときの外形状が正方形状であり、その正方形状の対角線について線対称に構成される。また、正方形状の中心点について90°回転対称に構成される。
基部114は、X方向に平面視したときの正方形状の各辺が、マトリクス状に配置される複数のLEDチップ111aの行方向または列方向と平行になるように形成される。また、基部114は、プリント基板12に沿って形成され、X方向に平面視したときに、中央部に正方形状の開口部が設けられる。この正方形状の開口部の1辺の長さは、LEDチップ111aを支持する基台111bの1辺の長さL1と同程度であり、この開口部に基台111bが挿通される。
傾斜部115は、主面が等脚台形状の4つの等脚台形状平板116の総称である。各等脚台形状平板116において、互いに平行な対向する2つの辺部のうちの短い方の辺部116aは、正方形状である基部114の各辺部にそれぞれ連なり、長い方の辺部116bは、X方向において、基部114よりもプリント基板12から離間した位置に設けられる。隣接する等脚台形状平板116同士は、互いに非平行な対向する2つの辺部116c同士が連なり、これによって、傾斜部115は枠状になる。
図2に示す、傾斜部115とプリント基板12との間の傾斜角度θは、たとえば80°である。また、図2に示す、X方向における傾斜部115の高さH2は、たとえば5mmである。なお、本発明の他の実施形態としては、傾斜角度θは45°〜90°の範囲内のいずれの角度であってもよく、反射部材113は傾斜部115を備えなくてもよい。
基部114および傾斜部115は、高輝性PET(PolyEthylene Terephthalate)、アルミニウムなどからなる。高輝性PETとは、蛍光剤を含有した発泡性PETであり、たとえば、東レ株式会社製のE60V(商品名)などを挙げることができる。基部114および傾斜部115の厚みは、たとえば0.1〜0.5mmである。
本実施形態では、基部114および傾斜部115の、発光部111に臨む面の全反射率は、94%である。基部114および傾斜部115の全反射率は、90%以上であり、好ましくは100%である。全反射率は、JIS H 0201:1998で規定されているように、鏡面反射率と拡散反射率との和であり、JIS K 7375に準拠して測定することができる。
反射部材113を構成する基部114および傾斜部115は一体的に成形されることが好ましく、さらに、複数の発光装置11にそれぞれ備えられる各反射部材113は、互いに一体的に成形されることが好ましい。複数の反射部材113を一体成形する方法としては、反射部材113が発泡性PETにより構成されている場合には押出し成型加工を挙げることができ、反射部材113がアルミニウムにより構成されている場合にはプレス加工を挙げることができる。このように、複数の発光装置11にそれぞれ備えられる反射部材113を一体成形することによって、複数の発光装置11のプリント基板12に対する配置位置の精度を向上することができるとともに、バックライトユニット1の組立作業時に、反射部材113を取り付ける作業数を低減することができるので、組立作業の効率を向上することができる。
本発明に係る反射部材113は、X方向に平面視したときに反射部材113の外形がなす図形の面積δ[cm]が、下記式(1)を満たすことを特徴とする。
γ×β/α×90%≦δ≦γ×β/α×100% …(1)
ここで、レンズ112の上面112aの中央部分1121を透過してレンズ112から出射される光の光量をα[lm・s]とし、レンズ112の全表面を透過してレンズ112から出射される光の光量、すなわち、レンズ112の上面112aおよび側面112bを透過してレンズ112から出射される光の光量をβ[lm・s]とし、レンズ112をX方向に平面視したときにレンズ112の外形がなす図形の面積をγ[cm]とする。
本実施形態では、X方向に平面視したときに基部114および傾斜部115を含む反射部材113の外形がなす図形は、1辺の長さが40mmの正方形であり、面積δは、16cmである。なお、本発明の他の実施形態として、傾斜部115が設けられない場合、X方向に平面視したときに基部114の外形がなす図形の面積が、面積δとなる。
また本実施形態では、レンズ112をX方向に平面視したときにレンズ112の外形がなす図形は、直径L2の円形であり、面積γは1cmである。したがって、上記式(1)より、光量α/光量βは、0.05625〜0.0625の範囲内となる。これは、レンズ112の上面112aの中央部分1121を透過してレンズ112から出射される光の光量αが、レンズ112の上面112aおよび側面112bを透過してレンズ112から出射される光の光量βに対して、5.625%〜6.25%の割合となることを意味しており、LEDチップ111aの発光強度の分布が、たとえば、図6に示すようなグラフGとなることを示す。なお、グラフGは、レンズ112が設けられない場合における発光強度分布を示している。
図6に示すように、レンズ112の上面112aの各部分1121〜1123に充分な量の光が到達するように、LEDチップ111aから出射される光の強度分布に合わせて、レンズ112が設計される。レンズ112が設計されると、面積γおよび光量α,βを測定することができる。光量α,βは、積分球と光量計とを用いて測定することが可能であり、光量αを測定する場合には、レンズ112の上面112aの中央部分1121以外の部分を、光を吸収して遮断する黒色部材で被覆して、光量を測定すればよい。面積γおよび光量α,βが測定されれば、上記式(1)に基づいて面積δを設定することが可能となり、本発明に係る反射部材113を設計することができる。
すなわち、本実施形態では、レンズ112およびLEDチップ111aを先に用意し、光量α,βおよび面積γを測定し、その後、上記式(1)に基づいて面積δの上限値および下限値を算出し、それによって規定される範囲内で面積δの値を設定することで、反射部材113が設計される。なお、上記式(1)を満たしていれさえすれば、このような手順で反射部材113を設計する必要は無く、たとえば、反射部材113の面積δを設定した後に、レンズ112を設計することも可能である。ただし、上述したように、レンズ112はLEDチップ111aの特性に合わせて設計する必要があるので、レンズ112を先に用意する方が、発光装置11全体をより効率的に製造することができる。
以上のように構成されるバックライトユニット1の効果について、図7を用いて説明する。図7は、図2に対応する。
図7に示すように、LEDチップ111aから出射し、レンズ112に入射した光のうち、被照射体である拡散板3に対向する上面112aの中央部分1121に到達した光は、この中央部分1121を透過する。そして、透過光B1は、拡散板3の被照射領域C1中のレンズ112に臨む被照射領域中央部C2に照射される。また、レンズ112に入射した光のうち、拡散板3に対向する上面112aの第1湾曲部分1122に到達した光は、この第1湾曲部分1122で全反射してレンズ112内を側面112bに向かって進み、側面112bに到達して側面112bを透過する。透過光B2は、反射部材113の基部114に到達して、基部114で拡散する。そして、拡散光B3は、拡散板3の被照射領域C1中の被照射領域中央部C2を取り囲む被照射領域周辺部C3に照射される。また、レンズ112に入射した光のうち、拡散板3に対向する上面112aの第2湾曲部分1123に到達した光は、この第2湾曲部分1123を透過する。そして、透過光B4は、拡散板3の被照射領域周辺部C3中の外周領域C4に照射される。
透過光B1の光量は、上記式(1)のαに相当し、透過光B1,B2,B4の光量の総和は、上記式(1)のβに相当する。また、透過光B1,B4と拡散光B3との光量の総和をε[lm・s]とする。なお、LEDチップ111aから出射される光は、図6に示すように指向性が強く、主に拡散板3に向かって進むので、LEDチップ111aからレンズ112の側面112bに直接到達する光の量は微量である。
レンズ112は、拡散板3の被照射領域中央部C2の面積とレンズ112をX方向に平面視したときにおけるレンズ112の外形がなす図形の面積γとが等しくなるように設計されており、被照射領域中央部C2に照射される透過光B1の光量はαであるので、被照射領域中央部C2における単位面積あたりの光量は、α/γとなる。これに対して、バックライトユニット1は、拡散板3の被照射領域C1の面積と反射部材113をX方向に平面視したときにおける反射部材113の外形がなす図形の面積δとが等しくなるように設けられており、被照射領域C1に照射される透過光B1,B4と拡散光B3との光量の総和をεとしているので、被照射領域C1における単位面積あたりの光量は、ε/δとなる。
本発明に係る反射部材113は、面積δが上記式(1)を満たすように構成されている。上記式(1)は、面積δがγ×β/αと略同一であることを示しており、具体的には、面積δがγ×β/αの90%〜100%であることを示している。また、拡散光B3は、全反射率90%〜100%の反射部材113によって透過光B2が拡散されて生じたものであるので、光量εは、光量βの90%〜100%程度となる。
したがって、被照射領域C1における単位面積あたりの光量ε/δは、被照射領域中央部C2における単位面積あたりの光量α/γと同程度になる。すなわち、発光装置11によれば、被照射体におけるレンズ112に臨む領域に照射される光の光量が、他の領域に照射される光の光量と比較して際立って多くなってしまうことを、抑えることができる。よって、発光装置11は、被照射体に対して、輝度がその被照射体の面方向において均一となるように、光を照射することができる。
さらに本実施形態では、レンズ112の第2湾曲部分1123によって、被照射領域周辺部C3の外周領域C4に透過光B4を照射することができる。これによって、被照射領域周辺部C3において拡散光B3が到達し難い領域である外周領域C4に照射される光の光量を増加させることができ、被照射領域周辺部C3内における光量の均一性を向上することができる。その結果、被照射体に対して、輝度がその被照射体の面方向においてより均一となるように、光を照射することができる。
また、上述したように、レンズ112の中央部分1121の面方向中央部には、光を拡散する拡散部が形成されることが好ましい。面方向中央部に拡散部が形成されることで、透過光B1のうち、この面方向中央部を透過してきた光を、被照射領域中央部C2に対して広い範囲で拡散させて照射することができ、被照射領域中央部C2内における光量の均一性を向上することができる。その結果、被照射体に対して、輝度がその被照射体の面方向においてより均一となるように、光を照射することができる。
以上に説明したようなバックライトユニット1を備える液晶表示装置100によれば、バックライトユニット1によって、被照射体である拡散板3に対して、輝度がその拡散板3の面方向において均一となるように、光を照射することができるので、拡散板3に平行に設けられる液晶パネル2に対して、輝度がその液晶パネル2の面方向において均一となるように、光を照射することができる。これにより、液晶表示装置100は、高画質の画像を表示することができる。
1 バックライトユニット
2 液晶パネル
12 プリント基板
12a 実装面
100 液晶表示装置
111a LEDチップ
111b 基台
112 レンズ
112a 上面
112b 側面
113 反射部材
114 基部
115 傾斜部
1121 中央部分
1122 第1湾曲部分
1123 第2湾曲部分

Claims (6)

  1. 被照射体に光を照射するための発光装置であって、
    光を出射する発光素子と
    前記発光素子に対向し、光を透過する透過領域と、この透過領域の周囲を取り囲み、光を反射する反射領域とを有し、前記発光素子を被覆するレンズと、
    前記レンズの周囲に設けられ、光を反射する反射部材であって、
    前記透過領域を透過して前記レンズから出射される光の光量をα[lm・s]とし、前記レンズの全表面を透過して前記レンズから出射される光の光量をβ[lm・s]とし、前記レンズを前記光軸方向に平面視したときの前記レンズの面積をγ[cm]とするときに、
    前記反射部材を前記光軸方向に平面視したときの前記反射部材の外形がなす図形の面積δ[cm]が、γ×β/αに基づいて定められることを特徴とする発光装置。
  2. 前記面積δ[cm]は、下記式(1)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
    γ×β/α×90%≦δ≦γ×β/α×100% …(1)
  3. 前記透過領域に、光を拡散する拡散部が形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の発光装置。
  4. 前記レンズは、前記反射領域の周囲を取り囲み、前記透過領域を透過する光よりも前記光軸から離れる向きに光が進行するように、光を透過する第2の透過領域を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の発光装置。
  5. 表示パネルと、
    表示パネルに背面側から光を照射するための、請求項1〜4のいずれか1つに記載の発光装置を備える照明装置とを含むことを特徴とする表示装置。
  6. 光を出射する発光素子と、前記発光素子に対向し、光を透過する透過領域、および、この透過領域の周囲を取り囲み、光を反射する反射領域を有し、前記発光素子を被覆するレンズと、前記レンズの周囲に設けられ、光を反射する反射部材とを備える発光装置の前記反射部材を設計する設計方法であって、
    前記透過領域を透過して前記レンズから出射される光の光量α[lm・s]を測定するステップと、
    前記レンズの全表面を透過して前記レンズから出射される光の光量β[lm・s]を測定するステップと、
    前記レンズを前記光軸方向に平面視したときの前記レンズの面積γ[cm]を測定するステップと、
    γ×β/α×90%を下限値とし、γ×β/α×100%を上限値として、下限値以上上限値以下の範囲内で、前記反射部材を前記光軸方向に平面視したときの前記反射部材の外形がなす図形の面積δ[cm]を設定し、この設定を満たすように前記反射部材を設計するステップとを有することを特徴とする反射部材の設計方法。
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