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［ｃｍ２］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［ｃｍ２］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［ｃｍ２］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［ｃｍ２］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［ｃｍ２］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／ｍ２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［ｃｍ２］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［ｃｍ２］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、１６ｃｍ２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１ｃｍ２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［ｃｍ２］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［ｃｍ２］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［ｃｍ２］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［ｃｍ２］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［ｃｍ２］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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