JP2020056868A - 光束制御部材、発光装置、面光源装置および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】輝度ムラの発生を抑制しつつ、出射面で反射した光をより効率よく利用することができる光束制御部材を提供すること。【解決手段】本発明に係る光束制御部材は、光束制御部材の中心軸と交わるように裏側に配置された、発光素子から出射された光の一部を入射させる入射面と、入射面を取り囲むように裏側に配置された反射部と、中心軸と交わるように表側に配置された、入射面で入射した光を側方に向かって反射させる全反射面と、中心軸および全反射面を取り囲むように配置された、全反射面で反射した光を出射する出射面と、を有する。反射部は、出射面でフレネル反射して反射部に到達した光を反射させるための複数の凸条を有する。複数の凸条は、第１反射面、第２反射面および第１反射面と第２反射面との交線である稜線を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、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に関する。また、本発明は、前記光束制御部材を有する発光装置、前記発光装置を有する面光源装置、および前記面光源装置を有する表示装置に関する。

液晶表示装置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）。

図１Ａおよび１Ｂは、特許文献１に記載の面光源装置１０の構成を示す図である。図１Ａは、面光源装置１０の斜視図であり、図１Ｂは、面光源装置１０の部分拡大断面図である。なお、図１Ａでは、装置の内部を示すために光拡散部材１５の一部を省略している。

これらの図に示されるように、面光源装置１０は、筐体１１と、筐体１１内に配置された支持板１２と、支持板１２に固定された複数の実装基板１３と、実装基板１３に固定された複数の光源ユニット１４と、筐体１１の開口部に配置された光拡散部材１５とを有する。支持板１２および実装基板１３の表面は、光を反射させるために白色に塗装されている。光源ユニット１４は、ＬＥＤ１６と、ＬＥＤ１６の出射光の配光を制御する光学素子２０とを有し、スペーサー１７を介して実装基板１３に固定されている。

光学素子２０は、裏側に形成された平面形状の入射面２１と、表側に形成された朝顔形状の反射面２２と、入射面２１の外縁と反射面２２の外縁とを繋ぐように形成された側面２３とを有する。ＬＥＤ１６の出射光は、入射面２１で光学素子２０内に入射し、反射面２２で側面２３に向かって反射される。反射光は、側面２３で光学素子２０外に出射される。側面２３からの出射光の一部は、光拡散部材１５に向かい、側面２３からの出射光の他の一部は、支持板１２または実装基板１３に向かう。支持板１２または実装基板１３に到達した光は、支持板１２または実装基板１３の表面で拡散されつつ反射される。側面２３から光拡散部材１５に到達した光および支持板１２または実装基板１３から光拡散部材１５に到達した光は、光拡散部材１５を拡散しつつ透過する。

特開２００７−０４８８８３号公報

特許文献１に記載の光学素子２０では、側面（出射面）２３に到達した光の一部が、側面２３で反射し（フレネル反射）、光学素子（光束制御部材）２０の裏側の面（入射面２１）に到達する。入射面２１に到達した光が入射面２１で反射した場合、反射光は光学素子２０の直上に向かうため、輝度ムラが生じてしまう。また、入射面２１に到達した光が入射面２１を透過した場合、透過光がスペーサー１７に吸収されてしまうため、光の損失が大きい。このように、側面（出射面）２３で反射した光が、光学素子（光束制御部材）２０の直上に向かったり、吸収されたりすることは好ましくない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、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であって、輝度ムラの発生を抑制しつつ、出射面で反射した光をより効率よく利用することができ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、この光束制御部材を有する発光装置、面光源装置および表示装置を提供することも目的とする。

本発明に係る光束制御部材は、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であって、前記光束制御部材の中心軸と交わるように裏側に配置された、前記発光素子から出射された光の一部を入射させる入射面と、前記入射面を取り囲むように裏側に配置された反射部と、前記中心軸と交わるように表側に配置された、前記入射面で入射した光を側方に向かって反射させる全反射面と、前記中心軸および前記全反射面を取り囲むように配置された、前記全反射面で反射した光を出射する出射面と、を有し、前記反射部は、前記出射面でフレネル反射して前記反射部に到達した光を反射させるための複数の凸条を有し、前記複数の凸条は、第１反射面、第２反射面および前記第１反射面と前記第２反射面との交線である稜線を有する。

本発明に係る発光装置は、発光素子と、本発明に係る光束制御部材と、を有する。

本発明に係る面光源装置は、本発明に係る発光装置と、前記発光装置からの光を拡散させつつ透過させる光拡散部材と、を有する。

本発明に係る表示装置は、本発明に係る面光源装置と、前記面光源装置から出射された光を照射される表示部材と、を有する。

本発明に係る光束制御部材を有する面光源装置は、従来の光束制御部材を有する面光源装置に比べて、被照射面に均一にかつ高効率で光を照射することができる。したがって、本発明に係る面光源装置および表示装置は、従来の装置に比べて明るくかつ輝度ムラが少ない。

図１Ａおよび１Ｂは、特許文献１に記載の面光源装置の構成を示す図である。 図２Ａおよび２Ｂは、実施の形態１および２に係る面光源装置の構成を示す図である。 図３Ａおよび３Ｂは、実施の形態１および２に係る面光源装置の構成を示す断面図である。 図４は、図３Ｂの一部を拡大した部分拡大断面図である。 図５Ａ〜Ｄは、実施の形態１に係る光束制御部材の構成を示す図である。 図６Ａ〜Ｄは、実施の形態２に係る光束制御部材の構成を示す図である。 図７Ａ〜Ｄは、比較例に係る光束制御部材の構成を示す図である。 図８は、各光束制御部材の配光特性を示すグラフである。

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］
（面光源装置および発光装置の構成）
図２Ａ〜４は、本発明の実施の形態１に係る面光源装置１００の構成を示す図である。図２Ａは、面光源装置１００の平面図であり、図２Ｂは、面光源装置１００の正面図である。図３Ａは、図２Ｂに示されるＡ−Ａ線の断面図であり、図３Ｂは、図２Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。図４は、図３Ｂの一部を拡大した部分拡大断面図である。

図２Ａ、２Ｂ、３Ａおよび３Ｂに示されるように、本実施の形態に係る面光源装置１００は、筐体１１０、複数の発光装置２００および光拡散部材１２０を有する。また、図２Ｂに示されるように、面光源装置１００は、液晶パネルなどの表示部材（被照射部材）１０２（図２Ｂにおいて、破線で示している）と組み合わせることで、表示装置１００’としても使用できる。

図３Ａに示されるように、複数の発光装置２００は、筐体１１０の底板１１２の内面１１４上にマトリックス状に配置されている。ここで、底板１１２の内面１１４は、拡散反射面として機能する。また、筐体１１０の天板１１６には、開口部が設けられている。光拡散部材１２０は、この開口部を塞ぐように配置されており、発光面として機能する。発光面の大きさは、特に限定されないが、例えば、約４００ｍｍ×約７００ｍｍである。

図４に示されるように、複数の発光装置２００は、それぞれ光束制御部材３００の裏側に形成された図示しない脚部が底板１１２の内面１１４上に配置された基板１１５に固定されている。複数の発光装置２００は、それぞれ発光素子２１０および光束制御部材３００を有している。脚部の位置や数は、面光源装置１００の発光面への光学的な影響を最小限に抑制でき、かつ、基板１１５への安定的に固定されるように考慮の上、自由に設定することができる。

発光素子２１０は、面光源装置１００の光源である。発光素子２１０は、例えば、白色発光ダイオードなどの発光ダイオード（ＬＥＤ）である。

光束制御部材３００は、発光素子２１０から出射された光の配光を制御する。なお、本実施の形態では、光束制御部材３００の入射面３１０、反射部３４０、全反射面３２０および出射面３３０は、いずれも回転対称であり、かつこれらの回転軸は、一致する。本実施の形態では、これらの回転軸を「光束制御部材の中心軸ＣＡ」という。

光束制御部材３００は、一体成形により形成されている。光束制御部材３００の材料は、所望する波長の光を通過させ得る材料であれば特に限定されない。たとえば、光束制御部材３００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。

本実施の形態に係る面光源装置１００は、光束制御部材３００の構成に一つの特徴を有する。そこで、光束制御部材３００については、別途詳細に説明する。

光拡散部材１２０は、光拡散性を有する板状の部材であり、発光装置２００からの出射光を拡散させつつ透過させる。通常、光拡散部材１２０の大きさは、液晶パネルなどの被照射部材の大きさとほぼ同じである。たとえば、光拡散部材１２０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。光拡散部材１２０としては、光拡散性を付与するため、光拡散部材１２０の表面に微細な凹凸が形成されているものや、光拡散部材１２０の内部にビーズなどの光拡散子が分散しているもの等が知られている。

（光束制御部材の構成）
図５Ａ〜Ｄは、本実施の形態に係る光束制御部材３００の構成を示す図である。図５Ａは、光束制御部材３００の平面図である。図５Ｂは、図５Ａに示されるＡ−Ａ線の断面図である。図５Ｃは、光束制御部材３００の底面図である。図５Ｄは、光束制御部材３００の正面図である。なお、図５Ｂでは、ハッチングを省略している。

図５Ａ〜Ｄに示されるように、光束制御部材３００は、光束制御部材３００の中心軸ＣＡと交わるように裏側に配置された入射面３１０と、入射面３１０を取り囲むように裏側に配置された反射部３４０と、中心軸ＣＡと交わるように表側に配置された全反射面３２０と、中心軸ＣＡおよび全反射面３２０を取り囲むように配置された出射面３３０と、を有する。ここで、「表側」とは、光拡散部材１２０側を意味し、「裏側」とは、底板１１２側（発光素子２１０側）を意味する。

入射面３１０は、光束制御部材３００の中心軸ＣＡと交わるように裏側に配置された、略三角錐状の凹部の内面である。また、入射面３１０は、発光素子２１０から出射された光を光束制御部材３００内に入射させる。入射面３１０は、入射した光の大部分が全反射面３２０に向かうように構成されている。

全反射面３２０は、中心軸ＣＡと交わるように表側に配置され、入射面３１０で入射した光を側方（出射面３３０側）に向かって反射させる。本実施の形態では、全反射面３２０は、入射面３１０と対向する位置に配置された第１全反射面３２２と、第１全反射面３２２を取り囲むように配置された第２全反射面３２４とを含む。第１全反射面３２２は、入射面３１０の頂部に対向する位置に頂部を有するように形成されている略三角錐状の凹部の内面である。第２全反射面３２４は、円環状の平面である。

出射面３３０は、中心軸ＣＡおよび全反射面３２０を取り囲むように配置されている。出射面３３０は、光束制御部材３００の裏側の面の外縁と表側の面の外縁とを繋ぐ側面である。出射面３３０は、全反射面３２０で反射した光を側方（光束制御部材３００の中心軸ＣＡから離れる方向）に出射する。このとき、出射面３３０に到達した光の一部は、内部反射して反射部３４０に向かう。

反射部３４０は、入射面３１０と同様に光束制御部材３００の裏側に配置され、出射面３３０で内部反射して反射部３４０に到達した光をさらに内部反射させる。本実施の形態では、反射部３４０は、入射面３１０を取り囲む位置に配置された第１反射部３４１と、第１反射部３４１を取り囲むように配置された第２反射部３４２とを含む。反射部３４０（第１反射部３４１および第２反射部３４２）は、出射面３３０から到達した光を反射させるための複数の凸条を有する。複数の凸条は、それぞれ、第１反射面３４３、第２反射面３４４、および第１反射面３４３と第２反射面３４４との交線である稜線３４５を有しており、全反射プリズムのように機能する。各凸条の断面形状は、略三角形状である。

本実施の形態では、第１反射部３４１および第２反射部３４２のいずれにおいても、複数の凸条は、稜線３４５の延長線が中心軸ＣＡと交差するように、かつ稜線３４５が中心軸ＣＡに向かうに従って表側に向かうように配置されている。第１反射部３４１における各凸条（稜線）の傾斜角度は、特に限定されないが、到達した光を直上に反射させず、かつ透過させない観点からは、底板１１２を基準として０〜１０°程度であることが好ましい。また、第２反射部３４２における各凸条（稜線）の傾斜角度も、特に限定されないが、到達した光を直上に反射させず、かつ透過させない観点からは、底板１１２を基準として５〜１５°程度であることが好ましい。

（面光源装置における光路）
本実施の形態に係る面光源装置１００では、各発光装置２００において発光素子２１０から出射された光の配光が光束制御部材３００によって制御される。各発光装置２００では、発光素子２１０から出射された光は、入射面３１０を透過し、全反射面３２０で反射され、出射面３３０に到達する。出射面３３０に到達した光の大部分は、出射面３３０から側方に出射される。一方、出射面３３０に到達した光の一部は、出射面３３０で内部反射し、反射部３４０（第１反射部３４１または第２反射部３４２）に到達する。反射部３４０に到達した光は、全反射プリズムのように機能する凸条で内部反射し、直上ではなく側方に向かって進行し、出射面３３０などから側方に向かって出射される。各発光装置２００の光束制御部材３００から側方に出射された光は、底板１１２の内面１１４で拡散反射して光拡散部材１２０に到達するか、または光拡散部材１２０に直接到達する。光拡散部材１２０は、発光装置２００からの出射光を拡散させつつ透過させる。

（効果）
以上のように、本実施の形態に係る面光源装置１００では、光束制御部材３００が、出射面３３０で内部反射した光をさらに内部反射させるための反射部３４０を有している。このため、出射面３３０で内部反射した光が、光束制御部材３００の裏面で直上方向に反射したり、光束制御部材３００の裏面を透過して底板１１２の内面１１４に吸収されたりすることがない。したがって、本実施の形態に係る光束制御部材３００を有する面光源装置１００は、従来の光束制御部材を有する面光源装置に比べて、被照射面に均一にかつ高効率で光を照射することができる。したがって、本実施の形態に係る面光源装置１００および表示装置１００’は、従来の装置に比べて明るくかつ輝度ムラが少ない。

［実施の形態２］
（面光源装置および発光装置の構成）
実施の形態２に係る面光源装置は、実施の形態１に係る光束制御部材３００の代わりに実施の形態２に係る光束制御部材４００を有する点においてのみ、実施の形態１に係る面光源装置１００と異なる。そこで、本実施の形態では、実施の形態２に係る光束制御部材４００についてのみ説明する。

（光束制御部材の構成）
実施の形態２に係る光束制御部材４００は、反射部４１０の形状のみが実施の形態１に係る光束制御部材３００と異なる。そこで、実施の形態１に係る光束制御部材３００と同一の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。

図６Ａ〜Ｄは、本実施の形態に係る光束制御部材４００の構成を示す図である。図６Ａは、光束制御部材４００の平面図である。図６Ｂは、図６Ａに示されるＡ−Ａ線の断面図である。図６Ｃは、光束制御部材４００の底面図である。図６Ｄは、光束制御部材４００の正面図である。なお、図６Ｂでは、ハッチングを省略している。

図６Ａ〜Ｄに示されるように、光束制御部材４００は、光束制御部材４００の中心軸ＣＡと交わるように裏側に配置された入射面３１０と、入射面３１０を取り囲むように裏側に配置された反射部４１０と、中心軸ＣＡと交わるように表側に配置された全反射面３２０と、中心軸ＣＡおよび全反射面３２０を取り囲むように配置された出射面３３０と、を有する。

反射部４１０は、入射面３１０と同様に光束制御部材４００の裏側に配置され、出射面３３０で内部反射して反射部４１０に到達した光をさらに内部反射させる。本実施の形態では、反射部４１０は、入射面３１０を取り囲む位置に配置された第１反射部４１１と、第１反射部４１１を取り囲むように配置された第２反射部４１２とを含む。反射部４１０（第１反射部４１１および第２反射部４１２）は、出射面３３０から到達した光を反射させるための複数の凸条を有する。複数の凸条は、それぞれ、第１反射面４１３、第２反射面４１４、および第１反射面４１３と第２反射面４１４との交線である稜線４１５を有しており、全反射プリズムのように機能する。各凸条の断面形状は、略三角形状である。

本実施の形態では、第１反射部４１１および第２反射部４１２のいずれにおいても、複数の凸条は、稜線４１５の延長線が中心軸ＣＡと交差するように、かつ稜線４１５が中心軸ＣＡに向かうに従って裏側に向かうように配置されている。第１反射部４１１における各凸条（稜線）の傾斜角度は、特に限定されないが、到達した光を直上に反射させず、かつ透過させない観点からは、底板１１２を基準として７５〜８５°程度であることが好ましい。また、第２反射部４１２における各凸条（稜線）の傾斜角度も、特に限定されないが、到達した光を直上に反射させず、かつ透過させない観点からは、底板１１２を基準として７０〜８０°程度であることが好ましい。

（面光源装置における光路）
本実施の形態に係る面光源装置でも、実施の形態１に係る面光源装置１００と同様に、各発光装置において発光素子２１０から出射された光の配光が光束制御部材４００によって制御される。各発光装置では、発光素子２１０から出射された光は、入射面３１０を透過し、全反射面３２０で反射され、出射面３３０に到達する。出射面３３０に到達した光の大部分は、出射面３３０から側方に出射される。一方、出射面３３０に到達した光の一部は、出射面３３０で内部反射し、反射部４１０（第１反射部４１１または第２反射部４１２）に到達する。反射部４１０に到達した光は、全反射プリズムのように機能する凸条で内部反射し、直上ではなく側方に向かって進行し、出射面３３０などから側方に向かって出射される。各発光装置の光束制御部材４００から側方に出射された光は、底板１１２の内面１１４で拡散反射して光拡散部材１２０に到達するか、または光拡散部材１２０に直接到達する。光拡散部材１２０は、発光装置からの出射光を拡散させつつ透過させる。

（効果）
本実施の形態に係る面光源装置は、実施の形態１に係る面光源装置１００と同様の効果を有する。

［照度分布の比較］
実施の形態１の光束制御部材３００および実施の形態２の光束制御部材４００の効果を確認するために、実施の形態１の面光源装置１００および実施の形態２の面光源装置における、１つの発光装置についての光拡散部材１２０上の照度分布を測定した。また、比較のため、反射部３４０、４１０を有しない比較例に係る光束制御部材５００を用いた面光源装置における、１つの発光装置についての光拡散部材１２０上の照度分布も測定した。

図７Ａ〜Ｄは、比較例に係る光束制御部材５００の構成を示す図である。図７Ａは、光束制御部材５００の平面図である。図７Ｂは、図７Ａに示されるＡ−Ａ線の断面図である。図７Ｃは、光束制御部材５００の底面図である。図７Ｄは、光束制御部材５００の正面図である。なお、図７Ｂでは、ハッチングを省略している。図７Ａ〜Ｄに示されるように、比較例に係る光束制御部材５００は、反射部３４０、４１０を有しない点のみが実施の形態１の光束制御部材３００および実施の形態２の光束制御部材４００と異なる。

図８は、実施の形態１の光束制御部材３００、実施の形態２の光束制御部材４００および比較例に係る光束制御部材５００についての、光拡散部材１２０上の照度分布を示すグラフである。横軸は、光束制御部材の中心軸ＣＡからの距離を示し、縦軸は、照度（ｌｘ）を示している。

図８から、実施の形態１の光束制御部材３００または実施の形態２の光束制御部材４００を用いることにより、比較例に係る光束制御部材５００を用いた場合に比べて、光束制御部材の直上における明部の発生を抑制できることがわかる。すなわち、実施の形態１の光束制御部材３００または実施の形態２の光束制御部材４００を用いることにより、比較例に係る光束制御部材５００を用いた場合に比べて、面光源装置の輝度ムラを軽減できることがわかる。

本発明に係る光束制御部材、発光装置、面光源装置および表示装置は、例えば、液晶表示装置のバックライトや一般照明などに適用することができる。

１０ 面光源装置
１１ 筐体
１２ 支持板
１３ 実装基板
１４ 光源ユニット
１５ 光拡散部材
１６ ＬＥＤ
１７ スペーサー
２０ 光学素子
２１ 入射面
２２ 反射面
２３ 側面
１００ 面光源装置
１００’ 表示装置
１０２ 表示部材（被照射部材）
１１０ 筐体
１１２ 底板
１１４ 内面（拡散反射面）
１１５ 基板
１１６ 天板
１２０ 光拡散部材（発光面）
２００ 発光装置
２１０ 発光素子
３００、４００、５００ 光束制御部材
３１０ 入射面
３２０ 全反射面
３２２ 第１全反射面
３２４ 第２全反射面
３３０ 出射面
３４０、４１０ 反射部
３４１、４１１ 第１反射部
３４２、４１２ 第２反射部
３４３、４１３ 第１反射面
３４４、４１４ 第２反射面
３４５、４１５ 稜線
ＣＡ 光束制御部材の中心軸

Claims (7)

1. 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であって、
   前記光束制御部材の中心軸と交わるように裏側に配置された、前記発光素子から出射された光の一部を入射させる入射面と、
   前記入射面を取り囲むように裏側に配置された反射部と、
   前記中心軸と交わるように表側に配置された、前記入射面で入射した光を側方に向かって反射させる全反射面と、
   前記中心軸および前記全反射面を取り囲むように配置された、前記全反射面で反射した光を出射する出射面と、
   を有し、
   前記反射部は、前記出射面でフレネル反射して前記反射部に到達した光を反射させるための複数の凸条を有し、
   前記複数の凸条は、第１反射面、第２反射面および前記第１反射面と前記第２反射面との交線である稜線を有する、
   光束制御部材。
2. 前記複数の凸条は、前記稜線の延長線が前記中心軸と交差するように配置されている、請求項１に記載の光束制御部材。
3. 前記複数の凸条は、前記稜線が前記中心軸に向かうに従って表側に向かうように配置されている、請求項２に記載の光束制御部材。
4. 前記複数の凸条は、前記稜線が前記中心軸に向かうに従って裏側に向かうように配置されている、請求項２に記載の光束制御部材。
5. 発光素子と、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の光束制御部材と、
   を有する、発光装置。
6. 請求項５に記載の発光装置と、
   前記発光装置からの光を拡散させつつ透過させる光拡散部材と、
   を有する、面光源装置。
7. 請求項６に記載の面光源装置と、
   前記面光源装置から出射された光を照射される表示部材と、
   を有する、表示装置。

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