JP2016213051A - 面光源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】出射光の色がそれぞれ異なる複数の発光素子を光源とした面光源装置であって、波長変換物質を用いることなく色ムラを抑制できる面光源装置を提供すること。
【解決手段】面光源装置は、第1の方向および第2の方向について所定の配列で配置された複数の発光装置と、光拡散板とを有する。複数の発光装置は、第2の方向に配列された、出射光の色が互いに異なる複数の発光素子と、複数の発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材とをそれぞれ含む。光束制御部材は、入射面と、入射面での入射光の一部を、第1の方向と反対方向の第3の方向とに反射させる全反射面と、入射面での入射光の一部の光を第1の方向または第3の方向に導光する2つの導光部とを含む。ある発光装置における複数の発光素子の配列順序は、第1の方向または第2の方向において隣接する他の発光装置における複数の発光素子の配列順序と異なる。
【選択図】図5

Description

本発明は、面光源装置に関する。
液晶表示装置や看板などの透過型画像表示装置では、バックライトとして直下型の面光源装置を使用することがある。近年、光源として複数の発光素子を有する、直下型の面光源装置が使用されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載の直下型光源装置(面光源装置)は、光源基板と、光源基板上に配置された、青色の光を出射する複数の光源(発光素子)と、複数の光源と空気層を介して配置された、蛍光体や量子ドットなどの波長変換物質を含む波長変換シートと、を有する。特許文献1に記載の面光源装置では、光源から出射された青色の光が波長変換シートの内部に入射すると、青色の光の一部が波長変換物質により赤色の光および緑色の光に変換される。青色の光、赤色の光および緑色の光は、混色されて白色の光となり、波長変換シートから出射される。
特開2015−035336号公報
しかしながら、特許文献1に記載の面光源装置には、蛍光体や量子ドットなどの高価な波長変換物質を使用するため、製造コストが高くなってしまうという問題がある。
製造コストを削減する手段としては、三原色を生成するための波長変化物質を用いる代わりに、出射光の色がそれぞれ異なる複数の発光素子を組み合わせて用いることが考えられる。しかしながら、出射光の色がそれぞれ異なる複数の発光素子を組み合わせて用いた場合、色ムラなく混色させることが必要となる。特に、面光源装置を薄型化または発光素子(光源)を広ピッチ化した場合、十分に混色させることが困難となり、色ムラが生じやすい。
そこで、本発明の目的は、出射光の色がそれぞれ異なる複数の発光素子を光源とした面光源装置であって、波長変換物質を用いることなく色ムラを抑制できる面光源装置を提供することである。
本発明に係る面光源装置は、複数の発光装置と、前記複数の発光装置から出射された光を拡散させつつ透過させる光拡散板と、を有し、前記複数の発光装置は、第1の方向に配列された前記複数の発光装置からなる発光装置列が前記第1の方向に直交する第2の方向に複数列配置されるように配置されており、前記複数の発光装置のそれぞれは、前記第2の方向に配列された、出射光の色が互いに異なる複数の発光素子と、前記複数の発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材と、を含み、前記光束制御部材は、前記複数の発光素子からそれぞれ出射された光を入射させる入射面と、前記入射面で入射した光の一部を、前記第1の方向と前記第1の方向と反対方向の第3の方向とに反射させる全反射面と、前記入射面および前記全反射面を挟んで相対する位置に配置され、前記入射面で入射した光のうちの一部の光を前記第1の方向または第3の方向にそれぞれ導光する2つの導光部と、を含み、前記発光装置における前記複数の発光素子の配列順序は、前記第1の方向または前記第2の方向において隣接する他の前記発光装置における前記複数の発光素子の配列順序と異なる。
本発明によれば、出射光の色がそれぞれ異なる複数の発光素子を光源とした面光源装置であって、波長変換物質を用いることなく色ムラを抑制できる面光源装置を提供できる。
図1A、Bは、実施の形態1の面光源装置の構成を示す図である。 図2は、面光源装置の断面図である。 図3A〜Cは、光束制御部材の構成を示す図である。 図4は、発光装置における光路図である。 図5は、実施の形態1に係る面光源装置における発光装置の配置を示した図である。 図6は、比較例に係る面光源装置における発光装置の配置を示した図である。 図7A、Bは、光拡散板上における色度X値の測定結果である。 図8は、実施の形態2に係る面光源装置の断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
[実施の形態1]
(面光源装置の構成)
図1および図2は、実施の形態1に係る面光源装置100の構成を示す図である。図1Aは、面光源装置100の平面図であり、図1Bは、側面図である。図2は、図1Bに示されるA−A線の断面図である。図3は、光束制御部材132の構成を示す図である。図3Aは、光束制御部材132の平面図であり、図3Bは、底面図であり、図3Cは、図3Aに示されるA−A線の断面図である。
図1および図2に示されるように、面光源装置100は、筐体110、基板120、複数の発光装置130および光拡散板150を有する。
筐体110は、その内部に基板120および複数の発光装置130を収容するための、1つの面の少なくとも一部が開放した直方体状の箱である。筐体110は、天板と、天板に対向する底板と、天板および底板を繋ぐ4つの側板とから構成される。天板には、発光領域となる長方形状の開口部が形成されている。この開口部は、光拡散板150により塞がれる。開口部の大きさは、光拡散板150に形成される発光領域(発光面)の大きさに相当し、例えば400mm×700mm(32インチ)である。底板と、光拡散板150とは、平行に配置されている。底板の表面から光拡散板150までの高さ(空間厚さ)は、特に限定されないが、10〜25mm程度である。そして、筐体110は、例えば、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)やポリカーボネート(PC)などの樹脂や、ステンレス鋼やアルミニウムなどの金属などから構成される。
基板120は、発光装置130を筐体110内に所定の間隔で配置するための平板である。基板120は、筐体110の底板上に配置されている。基板120上に配置される発光装置130の数は、特に限定されない。基板120上に配置される発光装置130の数は、筐体110の開口部により規定される発光領域(発光面)の大きさに基づいて適宜設定される。発光装置130が配置される基板120の表面は、到達した光を光拡散板150に向けて反射させるように構成されている。
複数の発光装置130のそれぞれは、複数の発光素子131と、光束制御部材132とを有する。複数の発光装置130は、それぞれ発光素子131から出射される光の光軸が基板120の表面に対する法線に沿うように配置されている。複数の発光装置130は、発光装置列130Lとなるように第1の方向D1に配列されている(図5参照)。この発光素子列130Lは、さらに第1の方向に直交する第2の方向に複数列配置されている。
発光素子131は、面光源装置100(および発光装置130)の光源である。発光素子131は、基板120上に配置されている。発光素子131は、例えば発光ダイオード(LED)である。1つの発光装置130に含まれる複数の発光素子131は、出射光の色がそれぞれ異なる。発光素子131の出射光の色は、特に限定されない。本実施の形態では、1つの発光装置130は、赤色(R;red)の光を出射する発光素子131r、緑色(G;green)の光を出射する発光素子131gおよび青色(B;blue)の光を出射する発光素子131bを有する。また、3つの発光素子131r、131g、131bは、発光装置130において、発光素子列131Lとなるように第1の方向D1に垂直な第2の方向D2に沿って配列されている(図5参照)。
なお、本発明の特徴の一つは、各発光装置130の配置および当該発光装置130における発光素子131の配置であるため、これらについての詳細は後述する。
光束制御部材132は、発光素子131から出射された光の配光を制御する。図3A〜Cに示されるように、光束制御部材132は、入射面133、全反射面134、2つの導光部135、2つの出射面136およびカバー137を有する。なお、光束制御部材132は、基板120に固定するための脚部(図示省略)を有していてもよい。光束制御部材132は、少なくとも発光素子131から出射された光を、第1の方向D1と、第1の方向D1と反対側の第3の方向D3とに向かってある程度進行させた後、光拡散板150に向けて進行するように制御する(図4参照)。
入射面133は、発光素子131から出射された光の一部を入射させる。入射面133は、光束制御部材132の底面(発光素子131側の面)142の中央部に形成された第1凹部141の内面である。第1凹部141の形状は、特に限定されない。第1凹部141の形状は、半球状や半楕円体状などのように、エッジを含まない曲面であってもよいし、天面および側面を有するエッジを含む面であってもよい。本実施の形態では、第1凹部141の形状は、天面および側面を有する。
全反射面134は、入射面133を挟んで発光素子131と反対側(光拡散板150側)に配置されている。また、全反射面134は、入射面133から入射した光の一部を、発光装置130が配列された第1の方向D1と、第3の方向D3とに反射させる。全反射面134は、第1の方向D1(第3の方向D3)に沿う直線と中心線CAを含む平面で切断した断面において、中心軸CAを境界として、中心軸CAから両端部に向かうにつれて、底面142(基板120)からの高さが高くなるように形成されている。より具体的には、全反射面134は、当該平面で切断した断面において、中心軸CAから端部に向かうにつれて、接線の傾きが徐々に小さくなるようにそれぞれ形成されている。
2つの導光部135は、入射面133および全反射面134を挟んで相対する位置に形成されている。導光部135は、入射面133から入射した光の一部および全反射面134で反射した光を、少しずつ外部に出射させながら、入射面133および全反射面134から離れる方向(第1の方向D1または第3の方向D3)に導光する。また、2つの導光部135を繋ぐように、一対の補強部材143が配置されている。導光部135の光拡散板150側の面は、導光された光を外部に出射する出射面136として機能する。導光部135内には、出射面136から出射される光量を均一にする観点から、ビーズなどの散乱子が分散していてもよい。
出射面136は、第1の方向D1および第3の方向D3に沿う方向において中心軸CAに対して全反射面134より離れた位置にそれぞれ配置されている。出射面136は、入射面133から入射した光の一部および全反射面134で反射した光を外部に出射させる。また、出射面136に光拡散処理(例えば、粗面化処理)が施されていてもよい。
導光部135の形状は、特に限定されない。本実施の形態では、導光部135は、ロッド状の部材である。導光部135の短軸方向の断面積は、特に限定されない。本実施の形態では、導光部135の短軸方向の断面積は、全反射面134から離れるにつれて小さくなるように形成されている。また、2つの導光部135は、補強部材143により連接されている。さらに、2つの導光部135の側面には、ガイド係合溝145がそれぞれ形成されている。
また、導光部135の底面(発光素子131側の面)142には、第2凹部144がそれぞれ形成されている。第2凹部144を形成することで、射出成形時におけるヒケの発生を抑制することができるとともに、製造コストを削減することができる。2つの第2凹部144は、いずれも光束制御部材132の長軸方向に沿って形成されているが、第1凹部141とは連通していない。第2凹部144の大きさおよび形状は、所望の配光特性(本発明の効果を損ねない配光特性)が得られ、かつ光束制御部材132に要求される強度を確保することができれば、特に限定されない。また、本実施の形態において、第2凹部144の平面視形状および深さも特に限定されず、適宜設定されうる。なお、光束制御部材132を射出成形により成形する場合、第2凹部144は、ヒケが発生するおそれがある部位に形成することが好ましい。
補強部材143は、光束制御部材132の強度を向上させる。補強部材143の位置および形状は、光束制御部材132の全反射面134の機能を大きく阻害せず、かつ光束制御部材132の強度を向上させることができれば、特に限定されない。本実施の形態では、補強部材143は、光束制御部材132の底面(発光素子131側の面)142側に配置されており、導光部135同士を連接している。
ガイド係合溝145は、第1の方向D1および第3の方向D3に沿う方向において中心軸CAに対して補強部材143より離れた位置にそれぞれ配置されている。ガイド係合溝145は、後述するカバー137の係合突起146が係合することで、光束制御部材132に対してカバー137を位置決めするための溝である。
カバー137は、入射面133を挟んで発光素子131と反対側に配置されている。カバー137は、全反射面134で反射せずに透過した光を拡散させつつ、透過させる。カバー137の形状は、前述の機能を発揮することができれば特に限定されない。カバー137の形状の例には、半円筒形状や釣り鐘様形状(逆U字型)などが含まれる。本実施の形態では、カバー137の形状は、鐘様形状である。カバー137の発光素子131側の端部には、ガイド係合溝145と係合する係合突起146が配置されている。
光束制御部材132の材料は、所望の波長の光を通過させ得るものであれば特に限定されない。たとえば、光束制御部材132の材料は、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)やポリカーボネート(PC)、エポキシ樹脂(EP)などの光透過性樹脂、またはガラスである。
光拡散板150は、筐体110の開口部を塞ぐように配置されている。光拡散板150は、光拡散性を有する板状の部材であり、導光部135からの出射光を拡散させつつ透過させる。通常、光拡散板150は、液晶パネルなどの被照射部材とほぼ同じ大きさである。たとえば、光拡散板150は、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、ポリスチレン(PS)、スチレン・メチルメタクリレート共重合樹脂(MS)などの光透過性樹脂により形成される。光拡散性を付与するため、光拡散板150の表面に微細な凹凸が形成されているか、または光拡散板150の内部にビーズなどの光拡散子が分散している。
次いで、発光装置130において、各発光素子131から出射される光の光束制御部材132における光の光路について説明する。図4は、発光装置130における光路図である。
ここでは、図4に示されるように、光束制御部材132の長軸が第1の方向D1に沿う方向に配置された発光装置130について説明する。また、当該発光装置130における複数の発光素子131は、第2の方向D2について、青色を出射させる発光素子131b、緑色を出射させる発光素子131g、赤色を出射させる発光素子131rの順番で配列されている。
図4の実線で示されるように、青色の光を出射する発光素子131bから出射されて入射面133で入射した光のうち一部の光は、全反射面134で反射することなく第2の方向D2とその反対側の第4の方向D4の全反射面134から青色の光として出射される。また、青色の光を出射する発光素子131bから出射されて入射面133で入射した光のうち他の一部の光は、導光部135を進行して導光部135の表面で内部反射して、導光部135の端面から第2の方向に向かって青色の光として出射される。また、図4の破線で示されるように、赤色の光を出射する発光素子131rから出射されて入射面133で入射した光のうち一部の光は、全反射面134で反射することなく第2の方向D2の全反射面から赤色の光として出射される。また、赤色の光を出射する発光素子131rから出射されて入射面133で入射した光のうち他の一部の光は、導光部135を進行して導光部135の表面で内部反射して、導光部135の端面から第4の方向D4に向かって赤色の光として出射される。このように、本実施の形態に係る面光源装置100の発光装置130では、複数の発光素子131から出射される光が光束制御部材132の内部で混色しきれずに、光束制御部材132の外部に出射されてしまう。そのため、面光源装置100の光拡散板150上において、各色の光成分バランスに偏りが生じ、図4の実線で示される領域は青味のある白色を呈し、破線で示される領域は赤味のある白色を呈する。
本発明者らは、発光素子131から出射された光を互いに反対の2つの方向に導光する光束制御部材132を用いた場合に、光拡散板150上に色ムラが生じないようにするために、発光装置130の配置と、各発光装置130内における発光素子131の配置とについて検討した。
(発光装置の配置)
ここで、面光源装置100における発光装置130(発光素子131)の配置について具体的に説明する。図5は、面光源装置100における発光装置130(発光素子131)の配置を説明するための模式図である。図5に示されるように、実施の形態1に係る面光源装置100では、第1の方向D1に発光装置130(光束制御部材132)の長軸が沿うように複数の発光装置130が発光装置列130Lとして配列されている。また、当該発光装置列130Lが第1の方向D1に直交する第2の方向D2に複数配置されている。ある発光装置130に含まれる複数の発光素子131(発光素子列131L)は、第2の方向D2に沿って見たときに、第2の方向D2において当該発光装置130を含む発光装置列130Lに隣接する発光装置列130Lに含まれる他の発光装置130に含まれる複数の発光素子131(発光素子列131L)に重なるように配置されている。
発光装置130における複数の発光素子131の配列順序は、第1の方向D1または第2の方向D2において隣接する他の発光装置130における複数の発光素子131の配列順序と異なる。本実施の形態では、第2の方向D2において隣接する2つの発光装置130における複数の発光素子131の配列順序は、同じである。一方、第1の方向D1において隣接する2つの発光装置130における発光素子131の配列順序は、異なっている。
具体的には、図5に示されるように、ある発光装置130では、第2の方向D2について、青色の光が出射される発光素子131b、緑色の光が出射される発光素子131g、赤色の光が出射される発光素子131rの順番となるように配列されている。また、この発光装置130に第2の方向D2において隣接する発光装置130では、発光素子131の配列順序は、同じである。
一方、この発光装置130に第1の方向D1において隣接する発光装置130では、赤色の光が出射される発光素子131r、緑色の光が出射される発光素子131g、青色の光が出射される発光素子131bの順番となるように配列されている。
このように発光装置130が配置された面光源装置100では、ある発光装置130から出射される光の色味のパターンと、第1の方向D1または第2の方向D2において当該発光装置130に隣接する他の発光装置130から出射される光の色味のパターンとが異なるため、光束制御部材132内での混色に加えて、発光装置130と光拡散板150との間においても混色が生じて、色ムラが抑制される。
(色度X値の測定)
次に、光拡散板150上における色度X値について測定した。また、比較のため、比較例に係る発光装置130における光拡散板150上における色度X値についても測定した。図6は、比較例に係る面光源装置における発光装置130(発光素子131)の配置を示した図である。図6に示されるように、比較例に係る面光源装置100では、すべての発光装置130において、発光素子131の配列順序が同じである。
図7Aは、実施の形態1に係る面光源装置100の光拡散板150上の色度X値を示したグラフであり、図7Bは、比較例に係る面光源装置の光拡散板150上の色度X値を示したグラフである。図7A、Bの横軸は、光拡散板150上における測定位置を示しており、測定位置「0」は、第1の方向D1における発光素子131の位置を示しており、測定位置「100」は、第1の方向D1において隣接する発光素子131の位置を示している。また、色度X値の測定は、図5および図6に示される3箇所(線分a〜c)について行った。
図7Aに示されるように、実施の形態1に係る面光源装置100の光拡散板150上では、線分a〜cのいずれの部分であっても色度X値がほぼ同じであった(色ムラがなかった)。これは、ある発光装置130から出射される光の色味のパターンが隣接する他の発光装置130から出射される光の色味のパターンと異なるため、発光装置130から出射された光が十分に混色するためであると考えられる。
一方、図7Bに示されるように、比較例に係る面光源装置の光拡散板150上では、線分a〜cの各部分で色度X値が異なっていた(色ムラがあった)。これは、ある発光装置130から出射される光の色味のパターンが隣接する他の発光装置130から出射される光の色味のパターンと同じであったため、同じ色の色味が混ざり合い、強調されたためであると考えられる。
(効果)
以上のように、本実施の形態に係る面光源装置100は、ある発光装置130における発光素子131の配列順序が、第1の方向D1または第2の方向D2において隣接する他の発光装置130における発光素子131の配列順序と異なるため、発光装置130から出射される光の色味のパターンが隣接する発光装置130から出射される光の色味のパターンと異なる。よって、発光装置130から出射された光が混色するため、色ムラを抑制することができる。
(実施の形態2)
次に、図8を参照して、実施の形態2に係る面光源装置について説明する。実施の形態2に係る面光源装置200は、発光装置130(発光素子131)の配置のみが実施の形態1に係る面光源装置100と異なる。そこで、実施の形態1の面光源装置100と同じ構成要素については同一の符番を付して、その説明を省略する。
実施の形態2に係る面光源装置200の発光装置130に含まれる複数の発光素子131からなる発光素子列131Lは、第2の方向D2に沿って見たときに、第2の方向D2において当該発光装置130を含む発光装置列130Lに隣接する発光装置列130Lに含まれる、第1の方向D1において互いに隣接する2つの発光素子列131Lの間に配置されている。
また、発光装置130における複数の発光素子131の配列順序は、第1の方向D1または第2の方向D2において隣接する他の発光装置130における複数の発光素子131の配列順序と異なる。例えば、第1の方向D1において隣接する2つの発光装置における複数の発光素子131の配列順序は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。当該複数の発光素子131の配列順序が同じ場合、第2の方向D2において隣接する2つの発光装置における複数の発光素子131の配列順序は、異なっている。
特に図示しないが、実施の形態2に係る面光源装置200でも、発光装置130が配置された面光源装置100では、発光装置130から出射される光の色味のパターンと、第1の方向D1および第2の方向D2に隣接する発光装置130から出射される光の色味のパターンとが異なるため、発光装置130から出射された光が十分に混色されて、色ムラが抑制される。
本発明に係る光束制御部材を有する面光源装置は、例えば、液晶表示装置のバックライトや看板、一般照明などに適用することができる。
100、200 面光源装置
110 筐体
120 基板
130 発光装置
130L 発光装置列
131 発光素子
131L 発光素子列
132 光束制御部材
133 入射面
134 全反射面
135 導光部
136 出射面
137 カバー
141 第1凹部
142 底面
143 補強部材
144 第2凹部
145 ガイド係合溝
146 係合突起
150 光拡散板
CA 中心軸
D1 第1の方向
D2 第2の方向
D3 第3の方向
D4 第4の方向

Claims (4)

  1. 複数の発光装置と、
    前記複数の発光装置から出射された光を拡散させつつ透過させる光拡散板と、を有し、
    前記複数の発光装置は、第1の方向に配列された前記複数の発光装置からなる発光装置列が前記第1の方向に直交する第2の方向に複数列配置されるように配置されており、
    前記複数の発光装置のそれぞれは、
    前記第2の方向に配列された、出射光の色が互いに異なる複数の発光素子と、
    前記複数の発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材と、
    を含み、
    前記光束制御部材は、
    前記複数の発光素子からそれぞれ出射された光を入射させる入射面と、
    前記入射面で入射した光の一部を、前記第1の方向と前記第1の方向と反対方向の第3の方向とに反射させる全反射面と、
    前記入射面および前記全反射面を挟んで相対する位置に配置され、前記入射面で入射した光のうちの一部の光を前記第1の方向または第3の方向にそれぞれ導光する2つの導光部と、
    を含み、
    前記発光装置における前記複数の発光素子の配列順序は、前記第1の方向または前記第2の方向において隣接する他の前記発光装置における前記複数の発光素子の配列順序と異なる、
    面光源装置。
  2. 前記光束制御部材は、前記入射面を挟んで前記発光素子と反対側に配置された、前記全反射面で反射せずに透過した光を拡散させつつ、透過させるカバーをさらに有する、請求項1に記載の面光源装置。
  3. 前記発光装置に含まれる前記複数の発光素子からなる発光素子列は、前記第2の方向に沿って見たときに、前記第2の方向において当該発光装置を含む前記発光装置列に隣接する前記発光装置列に含まれる、前記第1の方向において互いに隣接する2つの前記発光素子列の間に配置されている、請求項1または請求項2に記載の面光源装置。
  4. 前記発光装置に含まれる前記複数の発光素子からなる発光素子列は、前記第2の方向に沿って見たときに、前記第2の方向において当該発光装置を含む前記発光装置列に隣接する前記発光装置列に含まれる前記発光素子列に重なる、請求項1または請求項2に記載の面光源装置。
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