JP2013201243A - 拡散レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】面光源装置及びこれを備えた表示装置の薄型化や軽量化を図る際に、発光装置の個数を増加させることなく拡散板上における照明光の輝度均一化を実現することで、製品価格の高騰、及び、消費電力の増加を抑えることが可能になる光束制御部材を提供することを目的とする。
【解決手段】光束制御部材４は、発光素子７からの光を入射させる光入射部４１と、前記光入射部４１から入射した光のうち前記発光素子の光軸から所定範囲内の光の出射を制御し、前記光束制御部材４から出射されずに前記光束制御部材４内部へ反射された光を、１回または複数回反射させて前記光束制御部材４から出射させるよう形成された光制御出射部４２を備えている。
【選択図】図２

Description

この発明は、発光素子（例えば、ＬＥＤ）を使用した発光装置、この発光装置を使用した面光源装置や表示装置、及び、発光素子と共に発光装置を構成する光束制御部材に関するものである。

従来から、図６に示すように、光源１ａ〜１ｃからの光を導光板２ａ〜２ｃ内に入射させ、その光を導光板２ａ〜２ｃ内を通して出射面３ａ〜３ｃまで導き、出射面３ａ〜３ｃから面状に出射させるようになっている発光装置４ａ〜４ｃが知られている。そして、これらの発光装置４ａ〜４ｃを図示しない反射部材上に複数組み合わせて配置し、これらの発光装置４ａ〜４ｃから出射される面状の光によって光制御部材（拡散板やプリズムシート等）５を通して被照明部材（液晶表示パネルや広告パネル等）６を背面側から照明する面光源装置７が知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、この特許文献１に開示された面光源装置７は、各発光装置４ａ〜４ｃを構成する導光板２ａ〜２ｃの形状がそれぞれ異なり（特許文献１の特に図８、図１３参照）それぞれ別個に製作しなければならないため、製品コストが嵩むという問題があった。また、特許文献１に開示された面光源装置７は、複数種の発光装置４ａ〜４ｃ（特に導光板２ａ〜２ｃ）を直列に組み合わせて構成されており、複数種の発光装置４ａ〜４ｃの組立が困難であるため、生産工数が嵩むという問題を有していた。

また、図７（イ）に示すように、基板８上に複数の配置された光源の発光素子（ＬＥＤ）８から発光された光を、拡散板９１を通して図示しない被照明部材（液晶表示パネル）に背面側から面状に照射する面光源装置２１０が知られている。なお、この面光源装置２１０と同様の技術が特許文献２に開示されている。

この図７（イ）に示す面光源装置２１０を構成する発光素子７の、基板８から所定間隔Ｌだけ離れた位置に配置された拡散板９１上における出射光特性は、発光素子７の光軸Ａの直上付近の輝度が最大となる急峻な山形形状の輝度分布Ｂ１〜Ｂ３になっている（図７（ロ）参照）。なお、図７（ロ）における輝度比とは、裏面を被照射面１２とする拡散板９１上の最大輝度を１とした場合の相対輝度を示す無次元値である。

このような面光源装置２１０は、複数の発光素子７からの光を重ね合わせて被照射面１２を照明したとしても、発光素子７の真上付近が最も明るくなり、隣り合う発光素子７の中間付近で最も暗くなる傾向があった（図７（ハ）の輝度分布Ｂ参照）。その結果、このような面光源装置２１０は、被照明部材に照射される照明光によって拡散板上で均一な面状照明とならないという問題を有していた。

また、従来から、図８（イ）に示すような面光源装置２２０が知られている。この面光源装置２２０は、発光素子７一個に光束制御部材（レンズ）２２１を一個被せて発光装置２２２を構成し、光束制御部材２２１で発光素子７からの光の進行方向を光軸Ａから離れる方向へ変換して、拡散板９１の被照射面１２に照射するようになっている。なお、このような面光源装置２２０と同様の技術が特許文献３に開示されている。

図８（ロ）に示すように、図８（イ）に示すこの面光源装置２２０は、各発光装置２２２毎の拡散板９１上における照射光の輝度分布Ｂ１〜Ｂ３が、図７（ロ）における各発光素子７毎の照射光の輝度分布Ｂ１〜Ｂ３よりもなだらかな山形形状の輝度分布になっている。その結果、図８（イ）に示す面光源装置２２０は、複数の発光装置２２２からの光を重ね合わせて拡散板９１の被照射面１２を照明すると、拡散板９１上における照明光の輝度分布Ｂが均一となる（図８（ハ）参照）。

このような従来技術３に係る面光源装置２２０は、複数の発光装置２２２を共通化することができるため、従来技術１の問題点を解消できる。また、このような従来技術３に係る面光源装置２２０は、複数の発光装置２２２からの光を重ね合わせることによって均一な面状照明とできることから、従来技術２の問題点をも解消できる。

特開２００１−３１２９１６号公報 特開２００９−５４５６３号公報 特開２００９−１５２１４２号公報

ところで、従来技術３に係る面光源装置２２０は、隣り合う発光装置２２２からの光を重ね合わせて被照射面１２に照射し、輝度が均一な面状照明となるよう、各発光装置２２２間の距離（ピッチＰ）、及び、基板９から拡散板９１までの距離Ｌが決定されている（図８（イ）参照）。

したがって、従来技術３に係る面光源装置２２０は、図９（イ）に示すように、薄型化や軽量化を目的として基板８から拡散板９１までの距離を短くすると、複数の発光装置２２２から出射した光を被照射面１２において十分に重ね合わせることができない。その結果、図９（ハ）に示すように、発光素子７の拡散板９１上における照明光の輝度は、発光素子７の直上付近ににおいて高くなるのに対して、隣り合う発光素子７の中間付近で低くなり、拡散板９１上における照明光の輝度分布Ｂが十分均一とならない。

このような問題を解決するためには、発光装置２２２の単位面積当たりの配置個数を増加させ、各発光装置２２２間のピッチＰを小さくすることで、隣り合う発光装置２２２からの光を被照射面１２で十分に重ね合わせ、輝度を均一化した面状照明とすることが考えられる。

しかしながら、このような場合、発光装置２２２の個数が増加することで製品価格が高騰したり、消費電力が増加するといった問題を生じる。

そこで、本発明は、面光源装置及びこれを備えた表示装置の薄型化や軽量化を図る際に、発光装置の個数を増加させることなく拡散板上における照明光の輝度均一化を実現することで、製品価格の高騰、及び、消費電力の増加を抑えることが可能になる光束制御部材を提供することを目的とする。また、本発明は、このような光束制御部材を備えた発光装置、この発光装置を備えた面光源装置、及びこの面光源装置を備えた表示装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、発光素子７からの光を光束制御部材４を通して出射するようになっている発光装置３に関するものである（図１参照）。この発明において、前記光束制御部材４は、前記発光素子７からの光を入射させる光入射部４１と、前記光入射部４１から入射した光の出射を制御する光制御出射部４２とを有している。そしてこの光制御出射部は、ここから出射されずに反射された光を、１回または複数回反射させることによって前記光入射部４１へ導光し、この光制御出射部から光を射出するように機能する。

本発明は、発光素子からの光を、光束制御部材の光入射部，及び、光制御出射部の機能によって、高い効率で、発光素子の光軸Ａから離れた方向に広範囲に拡げて出射させることができるため、面光源装置及びこれを備えた表示装置の薄型化や軽量化を図る際に、発光装置の個数を増加させずに光制御部材上における照明光の輝度を均一化させることができるために、製品価格を抑えることができ、消費電力の増加を抑えることができる。

本発明の実施形態に係る被照明部材及び光制御部材を取り外して示した表示装置の平面図（面光源装置の平面図）。 本発明の実施形態に係る図１のＡ１−Ａ１線に沿って切断して示した表示装置の断面図。 発光素子を複数個取り付けた状態を示した基板の平面図。 本発明の実施形態に係る図４（イ）が光束制御部材の平面図、図４（ロ）が光束制御部材の側面図、図４（ハ）が図４（イ）のＡ２−Ａ２線に沿って切断して示した光束制御部材の断面図、図４（ニ）が光束制御部材の裏面図。 （イ）は図２に示した表示装置の一部を省略して模式的に示した断面図、図５（ロ）は単独の発光装置の光によって照明された拡散板上の輝度分布を示した図、図５（ハ）は複数個の発光装置の光が拡散板上で重ね合わされた状態の輝度分布を示した図。 （イ）は従来技術３に係る表示装置を模式的に示した断面図、図８（ロ）は単独の発光素子の光によって照明された拡散板上の輝度分布を示した図、図８（ハ）は複数個の発光素子の光が拡散板上で重ね合わされた状態の輝度分布を示した図。 従来技術１の面光源装置を示した図。 （イ）は従来技術２に係る表示装置を模式的に示した断面図、図７（ロ）は単独の発光素子の光によって照明された拡散板上の輝度分布を示した図、図７（ハ）は複数個の発光素子の光が拡散板上で重ね合わされた状態の輝度分布を示した図。 イ）は従来技術３に係る表示装置の拡散板と基板との距離をＬ／２にした場合を模式的に示した断面図、図９（ロ）は単独の発光素子の光によって照明された拡散板上の輝度分布を示した図、図９（ハ）は複数個の発光素子の光が拡散板上で重ね合わされた状態の輝度分布を示した図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳述する。

（発光装置、面光源装置及び表示装置）
図１及び図２で、本実施形態に係る表示装置１及びこの表示装置１を構成する面光源装置２を示す。図１は、被照明部材（例えば、液晶表示パネル、広告パネル）１１及び光制御部材９を除去した表示装置１の平面図（面光源装置２の平面図）である。図２は、図１のＡ１−Ａ１線に沿って切断した表示装置１の断面図であり、発光装置３の基準光軸Ａ１を含む断面図となっている。ここで、基準光軸Ａ１とは、発光装置３から立体的に出射する光束の中心における光の進行方向をいう。なお、本実施形態においては、発光装置３の基準光軸Ａ１と発光素子（例えば、ＬＥＤ）６の光軸Ａ（発光素子７から立体的に出射する光束の中心における光の進行方向）とが一致する場合を例とするため、基準光軸Ａ１を光軸Ａと言い換えて説明を行う。また、本実施形態において、発光素子７には、ＬＥＤ及び封止部材によって封止されたＬＥＤを含むものとする。

これらの図に示すように、本実施形態の表示装置１は、平面形状が四角形状の光制御部材９の裏面側（図２の下方側）に所定の間隔で配置される基板８と、この基板８上に所定の間隔（ピッチＰ）で複数配置された発光装置３と、光制御部材９の出射面側（光制御部材９の裏面側と反対の表面側であって、図２の上方側）に配置される被照明部材１１と、を備えている。なお、本実施形態においては、基板８の上に反射シート８１が重ねて配置され、発光装置３から基板８側に射出された光を反射シート８１で反射し、光の利用効率をさらに高めている。ただし、基板８の表面が反射機能を有する場合には、反射シート８１を省略してもよい。

また、本実施形態において、発光素子７一個に対して発光装置３一個を配置した光束制御部材４とで構成されている。

また、本実施形態において、基板８，発光装置３及び光制御部材９は、被照明部材１１を面状に照明する面光源装置２を構成している。

また、本実施形態において、面光源装置２と被照明部材１１とによって表示装置１が構成されている。

そして、本実施形態における光制御部材９は、光束制御部材４側に位置する拡散板９１から構成される。この拡散板９１は、発光装置３からの光が透過する際に拡散させる機能を有している。

なお、図３に示すように、発光素子７は、基板８に等間隔（ピッチＰ）で複数（３行３列のマトリックス状に合計９個）固定されているが、これに限定されるものではなく、基板８上に配置する個数の単位面積当たりの密度を部分毎に変えて配置したり、被照射面（図２に示す拡散板９１の下面）１５に照射される照明光の輝度を変化させてもよい。

（光束制御部材）
図４は、本実施形態に係る表示装置１を構成する光束制御部材４を示す図である。なお、図４（イ）が光束制御部材４の平面図であり、図４（ロ）が光束制御部材４の側面図であり、図４（ハ）が図４（イ）のＡ２−Ａ２線に沿って切断して示す光束制御部材４の断面図であり、図４（ニ）が光束制御部材４の裏面図である。

図４に示すように、光束制御部材４は、全体形状が略円板形状であり、その平面形状が円形形状であって、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＥＰ（エポキシ樹脂）等の透明樹脂材料や透明なガラスで形成されている。

そして、図４に示すように、この光束制御部材４は、前記発光素子７からの光を入射させる光入射部４１と、前記光入射部４１から入射した光の出射を制御する光制御出射部４２とを有している。そしてこの光制御出射部は、ここから出射されずに反射された光を、１回または複数回反射させることによって再びこの光制御出射部４２へ導光しここから光を射出する。

光入射部）
この光束制御部材４の光入射部４１として機能する凹み４１１は、発光素子７に対向する面側（図４（ハ）の下方側）に形成されおり、発光素子７からの光を光束制御部材４の内部に入射させるようになっている。

光入射面４１２は、発光素子７側（図４（ハ）の下方側）へ向かって開く略円錐形状の側面である。ここで、光入射部４１としての形状を略円錐形状としたのは、母線が直線である側面で形作られる円錐形状の曲面はもちろん、側面が発光素子７側に向かって凸の曲面か又は発光素子７側に向かって凹の曲面で形作られる円錐に似た形状の曲面をも含ませるためである（図２及び図４参照）。なお、この光入射面４１１から光束制御部材４の内部に入射した発光素子７からの光が、光制御出射部４２によって出射制御される光となる。

（光制御出射部）
光束制御部材４の光制御出射部４２は、図４（ハ）に示すように、光制御出射面４２１、光制御出射面４２２、及び、光制御出射面４２３とから形成される。光制御出射面４２１は、略円錐形状の凹形状に形成されている。光制御出射面４２２は、光制御出射面４２１に連続して形成され、中心軸Ａの周りに略円弧状の曲線を３６０度回転して形成される曲面形状である。ここで略円弧状の曲線としたのは、円弧はもちろん、線分、折れ線、及び、円弧に似た曲線を含ませるためである。光制御出射面４２３は、光制御出射面４２２、及び、光入射面４１２と連続して形成され、中心軸Ａを中心とする略中空円盤形状である。なお、光制御出射面４２３を取り除いて、光制御出射面４２２と光入射面４１２とを直接連続して形成してもよい。光制御出射部４２から出射しなかった光は、光制御出射面４２１、光制御出射面４２２、または、光制御出射面４２３のうちの１つまたは複数の面を１回または複数回反射し、最終的には、光束制御部材４を光入射面４１２から１度出て再び光入射面４１２から入射して光制御出射部４２から出射する。

（本実施形態の効果）
以上のように構成された面光源装置２において、光束制御部材４の光入射部４１，及び、光制御出射部４２の各機能が発揮されることにより、個々の発光装置３から出射されて拡散板９１（光制御部材９）の被照射面１２を照射する光の輝度分布（発光装置３の個別の輝度分布）は、図５（イ），（ロ）に示すように、図９に示した従来例と比較して、上底が広範囲にわたり平坦な台形形状になっており、発光素子７の光軸Ａから離れた位置の輝度が高く、発光素子７の光軸Ａから離れた位置での輝度の低下もなだらかである。しかも、本実施形態の面光源装置２は、図５（イ）に示すように、基板８と被照射面１２との間隔がＬからＬ／２へ短縮され、且つ、隣り合う発光装置３，３間のピッチが図９（イ）に示した従来例の面光源装置２２０と同様Ｐであるにもかかわらず、各発光装置３から出射した光が被照射面１２で重ね合わされて、拡散板９１上において照明光の輝度がほぼ均一の面状のとなる（図５（ハ）参照）。なお、図５（イ）において、Ｂ１〜Ｂ３の曲線は、それぞれの発光装置３からの光が重ね合わされることなく拡散板９１の被照射面１２に照射された場合の拡散板９１上の輝度分布を示すものである。また、図５（ハ）において、Ｂで示す線は、複数の発光装置３からの光（例えば、Ｂ１〜Ｂ３）が拡散板９１の被照射面１５及び拡散板９１内で重ね合わされた場合の拡散板９１上の輝度分布を示すものであり、輝度分布がほぼ一定となっている。ここで、図５（ロ），（ハ）において、輝度比とは、図７に示した従来例における発光素子７の直上の拡散板９１から出射された光の最高輝度（最も高い測定輝度）を１とした場合の相対輝度をいう。また、図７に示す従来の面光源装置２１０及び図８および図９に示した従来の面光源装置２２０において、本実施形態の面光源装置２と同一の構成部分には、本実施形態の面光源装置２と同一の符号を付してある。

本実施形態に係る面光源装置２を使用した表示装置１は、薄型化や軽量化を図った場合にも、光制御部材９から出射した光を被照明部材１１に面状に照射する場合にその輝度を均一化でき、被照明部材１１の画像表示品質を向上できる。

これに対し、図９（イ）に示した従来例の面光源装置２２０は、各発光装置２２２から出射した光が被照射面１２で十分に重ね合わせることができず、発光素子７の光軸Ａの直上付近の拡散板９１上における照明光の輝度が高くなり、発光装置２２２，２２２間の拡散板９１上における照明光の輝度が低くなるため、拡散板９１上における照明光の輝度が十分均一とならない（図９（ｃ）参照）。

その結果、本実施形態に係る面光源装置２を使用した表示装置１は、薄型化や軽量化を図る際に、発光装置３の個数を増加させずに拡散板９１上における照明光の輝度を均一化でき、製品価格を抑え、消費電力の増加を抑えることができる。

（変形例１）
光束制御部材４の平面形状は、前記実施形態に例示した円形形状や、ｎ回対称（中心軸Ａの周りに（３６０／ｎ）度回転すると自らと重なる。ここで、ｎは２以上の整数）の形状に限定するものではなく、回転対称性のない形状に形成してもよい。

本発明に係る発光装置３は、液晶テレビや、その他の液晶表示装置、広告板等を背面側から面状に照明する面光源装置の光源等として広く使用することが可能である。また、本発明に係る発光装置３は、広告板等を表面側から照明する照明装置として使用することができる。また、本発明に係る発光装置３は、電球の代わりに室内灯等として単独で使用することが可能である。

１……表示装置、２……面光源装置、１１……被照明部材、９……光制御部材、３……発光装置、７……発光素子（例えばＬＥＤ）、８……基板、４……光束制御部材、４１……光入射部、４１１……凹み、４１２……光入射面、４２……光制御出射部、４２１……光制御出射面１、４２２……光制御出射面２、４２３……光制御出射面３

Claims (4)

1. 発光素子からの光を光束制御部材を通して出射するようになっている発光装置において、前記光束制御部材は、前記発光素子からの光を入射させる光入射部と、前記光入射部から入射した光のうち前記発光素子の光軸から所定範囲内の光の出射を制御する光制御出射部と、を備え、前記光入射部は、前記発光素子に一対一で対応する略円錐形状の凹みであり、前記発光素子からの光を前記発光素子の光軸から離れる方向へ偏向させて入射させる光入射面を有し、前記光制御出射部は、前記光束制御部材を前記発光素子の前記光軸を含んで断面として見た場合に、前記発光素子の前記光軸から遠ざかる方向に凸の略円弧状である光制御出射面を有し、前記光入射面から入射した光のうち、前記光制御出射部から出射されずに前記光束制御部材内部へ反射された光を、１回または複数回反射させて前記光制御出射部から出射させるよう形成された、ことを特徴とする発光装置。
2. 前記光制御出射面は、前記発光素子の前記光軸の周りに前記発光素子の前記光軸から遠ざかる方向に凸の略円弧状の曲線を３６０度回転して形成される曲面形状である請求項１記載の発光装置。
3. 前記光制御出射面は、前記発光素子の前記光軸の周りにｎ回対称（前記光軸の周りに（３６０／ｎ）度回転すると自らと重なる。ここで、ｎは２以上の整数）の曲面形状である請求項１記載の発光装置。
4. 前記光制御出射面は、その平面形状は、前記発光素子の前記光軸の周りに回転対称でない多角形形状である請求項１記載の発光装置。