JP2022144845A - 発光装置、面光源装置および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光装置の間の距離を拡げても輝度ムラが発生することを抑制することができる発光装置を提供すること。
【解決手段】基板上に配置された複数の発光素子と、前記複数の発光素子の上に配置され、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ための光束制御部材と、を有する発光装置であって、前記発光素子は、前記光束制御部材を平面視した場合に、前記光束制御部材の重心と当該発光素子の光軸との長さをＬ１とし、前記光束制御部材の重心と当該発光素子に対応する前記入射ユニットの中心軸との長さをＬ２としたときに、前記Ｌ１がＬ２より長くなるように配置されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、発光装置、面光源装置および表示装置に関する。

液晶表示装置などの透過型画像表示装置では、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。また、発光素子は広い範囲に光を照射するために数多く配置されることがある。

特許文献１は複数の発光素子上に配置されるのに適した光束制御部材（マイクロアレイレンズ）を開示している。このマイクロアレイレンズでは複数のレンズが支持プレートによって連なっており、基板に配置された複数の発光素子（ミニＬＥＤ）上に１つのマイクロアレイレンズが配置される。このようにすることで個々の発光素子上に個々のレンズを配置する必要がなく、実装時のハンドリング性が良好になり実装が容易になる。

中国特許出願公開第１１０２０８９８４号明細書

本発明者らは、上記のような複数の発光素子およびその上に配置された光束制御部材を含む発光装置が多数配置された面光源装置において、発光装置の間の距離を拡げて、発光素子の数を少なくすることを試みた。発光素子の数を少なくするには、発光素子からの光を光束制御部材によってより広い範囲に拡げる必要があると考えられる。

具体的には、本発明者らは、図１に示されるように、発光装置２００’と発光装置２００’との間の距離を拡げていった。すると、発光装置２００’内と発光装置２００’外との光量のバランスが悪くなってしまい、輝度ムラが生じることがわかった。

本発明の目的は、発光装置の間の距離を拡げても輝度ムラが発生することを抑制することができる発光装置を提供することである。また、本発明の目的は、この発光装置を有する面光源装置および表示装置を提供することである。

本発明の発光装置は、基板上に配置された複数の発光素子と、前記複数の発光素子の上に配置され、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ための光束制御部材と、を有する発光装置であって、前記光束制御部材は、前記複数の発光素子から出射された光をそれぞれ入射させるための複数の入射ユニットと、前記基板に沿う方向において前記複数の入射ユニットの間に配置され、前記複数の入射ユニットで入射した光を導光しながら出射させる出射ユニットと、を有し、前記複数の入射ユニットは、それぞれ前記光束制御部材の裏側に配置され、前記発光素子から出射された光を入射させる入射面と、前記光束制御部材の表側において前記入射面を挟んで前記発光素子と対向する位置に配置され、前記入射面で入射した光を前記発光素子の光軸から離れるように側方方向に反射させる反射面と、を有し、前記発光素子は、前記光束制御部材を平面視した場合に、前記光束制御部材の重心から当該発光素子の光軸へ垂線を引いた時の前記重心から前記光軸上の点までの長さをＬ１とし、前記光束制御部材の重心から当該発光素子に対応する前記入射ユニットの中心軸へ垂線を引いた時の前記重心から前記中心軸上の点までの長さをＬ２としたときに、前記Ｌ１が前記Ｌ２より長くなるように配置されている。

本発明の面光源装置は、複数の、上記の発光装置と、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、を有する。

本発明の表示装置は、上記の面光源装置と、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。

本発明によれば、発光装置の間の距離を拡げても輝度ムラが発生することを抑制することができる発光装置を提供することができる。

また、本発明によれば、上記の光束制御部材を有する面光源装置および表示装置を提供することができる。

図１は、発光装置と発光装置との間の距離を拡げたときの様子を説明するための図である。 図２Ａ、Ｂは、実施の形態に係る面光源装置を示す図である。 図３Ａ、Ｂは、実施の形態に係る面光源装置の断面図である。 図４は、図３Ｂの部分拡大断面図である。 図５Ａ～Ｅは、実施の形態に係る光束制御部材を示す図である。 図６は、実施の形態に係る発光装置を示す図である。 図７Ａは比較例に係る面光源装置の照度分布を示し、図７Ｂは実施の形態に係る面光源装置の照度分布を示す。

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。以下の説明では、本発明に係る面光源装置の代表例として、液晶表示装置のバックライトなどに適する面光源装置について説明する。これらの面光源装置は、面光源装置からの光を照射される表示部材１０２（例えば液晶パネル）と組み合わせることで、表示装置１００’として使用されうる（図２Ｂ参照）。

（面光源装置および発光装置の構成）
図２Ａ、２Ｂは、本発明の実施の形態に係る面光源装置１００の構成を示す図である。図２Ａは、平面図であり、図２Ｂは、正面図である。図２Ａ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～３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および光拡散板１２０を有する。複数の発光装置２００は、筐体１１０の底板１１２上に格子状（マトリックス状）に配置されている。底板１１２の内面は、拡散反射面として機能する。また、筐体１１０の天板１１４には、開口部が設けられている。光拡散板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、発光装置２００は、基板２１０上に固定されている。基板２１０は、筐体１１０の底板１１２上の所定の位置に固定されている。発光装置２００は、複数の発光素子２２０および光束制御部材３００を有している。

発光素子２２０は、面光源装置１００の光源であり、基板２１０上に実装されている。本実施の形態において、複数の発光素子２２０が格子状（マトリックス状）に配置されている。また、本実施の形態において、発光装置２００内において発光素子２２０が配置されるピッチよりも、発光装置２００間の発光素子２２０が配置されるピッチの方が長い。発光素子２２０は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）である。また、発光素子２２０の種類は、特に制限されないが、天面および側面から光を出射する発光素子２２０（例えば、ＣＯＢ型発光ダイオード）などが、本発明の実施の形態に係る発光装置２００において好適に用いられる。発光素子２２０の色は、特に制限されないが、例えば白色、青色、ＲＧＢ等が挙げられる。発光素子２２０のサイズは、特に制限されないが、０．１ｍｍ～０．６ｍｍであることが好ましい。また、０．１ｍｍ～０．３ｍｍであることがより好ましい。

光束制御部材３００は、複数の発光素子２２０から出射された光の配光を制御する光学部材であり、基板２１０上に固定されている。なお、本実施の形態において、光束制御部材３００は４つの発光素子２２０から出射された光の配光を制御する。光束制御部材３００は、複数の入射ユニット３１０を有する。各入射ユニット３１０（入射面３２０）は、後述するように、発光素子２２０から出射された光を入射させる入射面３２０と、入射面３２０で入射した光を出射ユニット３３０に向けて反射させる第１反射面３２１とを有する。本実施の形態に係る光束制御部材３００において、光束制御部材３００の入射ユニット３１０（入射面３２０および第１反射面３２１）は回転対称である。この入射ユニット３１０の回転軸を「入射ユニット３１０の中心軸」という。また、「発光素子２２０の光軸ＬＡ」とは、発光素子２２０からの立体的な出射光束の中心の光線を意味する。発光素子２２０が実装された基板２１０と光束制御部材３００の裏面との間には、発光素子２２０から発せられる熱を外部に逃がすための隙間が形成されていてもよいし、形成されていなくてもよい。

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、所望の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。なお、光束制御部材の構成については後述する。

光拡散板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、光拡散板１２０は、液晶パネルなどの表示部材とほぼ同じ大きさである。たとえば、光拡散板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。光拡散性を付与するため、光拡散板１２０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１２０の内部にビーズなどの光拡散子が分散している。

本実施の形態に係る面光源装置１００では、各発光素子２２０から出射された光は、光束制御部材３００により光拡散板１２０の広範囲を照らすように拡げられる。各光束制御部材３００から出射された光は、さらに光拡散板１２０により拡散される。その結果、本実施の形態に係る面光源装置１００は、面状の表示部材（例えば液晶パネル）を均一に照らすことができる。

（光束制御部材の構成）
図５Ａは本実施の形態に係る発光装置２００が有する光束制御部材３００の平面図であり、図５Ｂは光束制御部材３００の底面図であり、図５Ｃは光束制御部材３００の斜視図であり、図５Ｄは光束制御部材３００の側面図であり、図５Ｅは図５ＡのＥ－Ｅ線の断面図である。以下、光束制御部材３００の構成について説明する。

図５Ａに示されるように、本実施の形態において、光束制御部材３００は、平面視したときに角が丸い矩形状の略板状の部材である。

図５Ａ～Ｅに示されるように、本実施の形態に係る光束制御部材３００は、基板２１０上に配置された複数の発光素子２２０から出射された光の配向を制御するための光束制御部材３００であって、複数の入射ユニット３１０と、出射ユニット３３０とを有する。複数の入射ユニット３１０は、発光素子２２０の配列に対応して格子状に配置されている。出射ユニット３３０は、基板２１０に沿う方向において複数の入射ユニット３１０の間に配置されている。

複数の入射ユニット３１０は、発光素子２２０から出射された光をそれぞれ入射させる。入射ユニット３１０は、発光素子２２０から出射された光を入射させる入射面３２０と、入射面３２０で入射した光を出射ユニット３３０に向けて反射させる第１反射面３２１とを有する。

入射面３２０は、光束制御部材３００の裏側に配置され、発光素子２２０と対向する位置に形成されている凹部の内面である。入射面３２０は、発光素子２２０から出射された光の大部分を、その進行方向を制御しつつ光束制御部材３００の内部に入射させる。入射面３２０は、発光素子２２０の光軸ＬＡと交わり、中心軸ＣＡに対して回転対称（円対称）である。入射面３２０の形状は、特に限定されず、入射面３２０で入射した光が第１反射面３２１および出射面３３３に向かうように設定される。本実施の形態では、入射面３２０は、発光素子２２０の光軸ＬＡから離れるにつれて基板２１０からの距離が徐々に短くなるような形状である。

第１反射面３２１は、光束制御部材３００の表側において入射面３２０を挟んで発光素子２２０と対向する位置に配置され、入射面３２０で入射した光を発光素子２２０の光軸ＬＡから離れるように側方方向に反射させる。より具体的には、第１反射面３２１は発光素子２２０の発光面の中心から出射された光が実質的に全て第１反射面で反射することが好ましい。ここで、側方方向とは、光束制御部材の外縁方向を意味しているのではなく、光軸を中心に３６０°径方向の外へ向かうことを意味する。

このようにすることで、第１反射面３２１は、入射面３２０で入射した光が上方に抜けるのを抑制して発光素子２２０の直上に明部が発生するのを防ぐとともに、発光素子２２０間に光を導いて発光素子２２０間に暗部が発生するのも防ぐ。第１反射面３２１の形状は入射面３２０から入射した光を側方に反射させることができれば特に制限されない。第１反射面３２１は、たとえば、発光素子２２０の中心軸ＣＡに対して回転対称（円対称）であり、かつ、発光素子２２０の光軸ＬＡから離れるにつれて表側に向かう（基板２１０から離れる）ように構成されている。

この回転対称の中心部分から外周部分にかけての母線は、中心軸ＣＡに対して傾斜した曲線または直線である。第１反射面３２１は、入射面３２０の中心軸ＣＡを回転軸として、この母線を３６０°回転させた状態の凹面である。

本実施の形態において、入射面３２０および第１反射面３２１は、それぞれ凹部の内面であり、平面視したときに、入射面を構成する凹部の開口縁の面積に対して、第１反射面を構成する凹部の開口縁の面積は、０．５倍～２．０倍であることが好ましい。また、０．５倍～１．５倍であることがより好ましく、０．５倍～１．３倍であることが特に好ましい。

出射ユニット３３０は、複数の入射ユニット３１０で入射した光を導光しながら出射させる。出射ユニット３３０内を導光されている光の一部は、光束制御部材３００の側面に到達し、外部に出射される。本実施の形態では、４つの入射ユニット３１０が仮想四角形の各角に配置されているとした場合、光束制御部材３００は、仮想四角形の４つの辺に対応する位置にそれぞれ各辺に沿うように配置されている４つの出射ユニット３３０と、仮想四角形に取り囲まれるように配置されている１つの出射ユニット３３０とを有している。各出射ユニット３３０は、図５Ｅに示されるように、光束制御部材３００の裏側に配置され、入射ユニット３１０の第１反射面３２１からの光を反射させる第２反射面３３２を有する。また、出射ユニット３３０は、光束制御部材３００の表側において第２反射面３３２と対向して配置され、入射ユニット３１０からの光の一部を反射させ、他の一部を出射させる出射面３３３を有する。

また、本実施の形態において、出射ユニット３３０は、第２反射面３３２と出射面３３３との間を進む光が出射することを促進するための出射促進部３４０を有する。出射促進部３４０は、第２反射面３３２および出射面３３３のうちの少なくとも一方に配置されている。

本実施の形態では、図５Ｅに示されるように、出射促進部３４０は、出射面３３３に形成されており、出射面３３３と第２反射面３３２との間隔は、入射ユニット３１０から離れるほど小さくなっている。このような構成により、入射ユニット３１０から導かれた光は入射ユニット３１０から離れるほど出射面３３３から出射されやすくなる。

出射面３３３の形状は、特に制限されない。本実施の形態では、仮想四角形の４つの辺に対応する位置に配置されている４つの出射面３３３は、仮想四角形の辺に沿う方向では曲率を有し、この辺に垂直な方向では曲率を有しない凹面である（図５Ａ～Ｅ参照）。一方、仮想四角形に取り囲まれるように配置されている出射面３３３は、上下逆に配置された円錐台の上底および側面の一部により構成される凹面である（図５Ｃ参照）。

また、本実施の形態において、上記の出射面３３３の他に、入射ユニット３１０の側面および出射ユニット３３０の側面からも発光装置２００間の空間に向けて光が出射される。

（発光素子と入射ユニットとの位置関係）
図６は、発光装置２００において、発光素子２２０と光束制御部材３００の入射ユニット３１０との位置関係を説明するための図である。なお、図６は説明のためのものであり、実際の縮尺等を表したものではない。

図６に示されるように、本実施の形態に係る発光装置２００において、発光素子２２０は、光束制御部材３００を平面視した場合に、光束制御部材３００の重心ＣＢから発光素子２２０の光軸ＬＡへ垂線を引いた時の重心ＣＢから光軸ＬＡ上の点までの長さをＬ１とし、光束制御部材３００の重心ＣＢから発光素子２２０に対応する入射ユニット３１０の中心軸ＣＡへ垂線を引いた時の重心から中心軸ＣＡ上の点までの長さをＬ２としたときに、Ｌ１がＬ２より長くなるように配置されている。ここで、入射ユニット３３０の中心軸とは、入射面３２０の中心と反射面（第１反射面３２１）の中心とを結んだ線のことである。上記のような配置により、発光素子２２０は、入射ユニット３１０の中心軸よりも光束制御部材３００の外側に向けて少しずらして配置されている。このように発光素子２２０が配置されることで、発光素子２２０からの光がより多く発光装置２００間の空間に向けて出射され、発光装置２００の直上に向かう光の光量と発光装置２００間に向かう光の光量とのバランスがよくなり、発光面（光拡散板１２０）における輝度ムラが生じることを抑制できる。なお、本実施の形態では、Ｌ１はＬ２より７１μｍ長い。

光束制御部材３００を平面視したときにＬ１とＬ２とは重なっていてもよいし、重なっていなくてもよい。本実施の形態においては、図６に示されるようにＬ１とＬ２とは重なる。なお、Ｌ１とＬ２とが重ならない場合、Ｌ１とＬ２とがなす角度は小さい方が好ましく、例えば５°以下が好ましい。

また、本実施の形態において、発光素子２２０は、発光素子２２０の発光面の中心から出射された光が実質的に全て第１反射面３２１で全反射されるように配置されている。このように発光素子２２０が配置されることで、発光素子２２０からの光が第１反射面３２１を透過して第１反射面３２１の直上に輝点を生じさせてしまうこと（輝度ムラが生じること）を抑制できる。

（照度分布）
本実施の形態に係る光束制御部材３００の効果を確認するために、本実施の形態に係る発光装置２００を有する面光源装置１００と、比較例に係る発光装置を有する面光源装置において、光拡散板１２０の裏面（発光装置２００側の面）における照度分布を測定した。

図７Ａは、比較例に係る面光源装置の照度分布を示す。図７Ａの面光源装置における発光装置は、発光素子２２０の光軸ＬＡと入射ユニット３１０の中心軸ＣＡとが一致しており、平面視したときにＬ１の長さとＬ２の長さが同じである。一方、図７Ｂは、実施の形態に係る面光源装置１００の照度分布を示す。図７Ｂの面光源装置１００における発光装置２００は、図６に示したように、発光素子２２０の光軸ＬＡと入射ユニット３１０の中心軸ＣＡとがずれており、平面視したときにＬ１がＬ２より長い。

なお、図７Ａ、Ｂでは面光源装置においては多数配置された発光装置２００のうちの、格子状に配置された４個の発光装置２００を示している。そして４個の発光装置２００のそれぞれに含まれる４個の発光素子２２０を点灯した場合の光拡散板１２０上の照度分布を示している。図７Ａ、Ｂにおいて、下側のグラフは、上の２個の発光装置２００と下の２個の発光装置２００との間における横方向の照度分布を示し、右側のグラフは右側に配置された発光装置２００において、横方向に配置された２つの発光素子２２０の間を通る縦方向の照度分布を示す。

図７Ａ、Ｂの比較から、比較例に係る面光源装置では、発光装置２００の直上の領域と、発光装置２００の間の領域の照度の差が大きいのに対して、実施例に係る面光源装置１００では、この差が小さいことがわかる。また、比較例に係る面光源装置では、格子状に配置された４個の発光装置の間の領域が暗いのに対して、本実施の形態に係る面光源装置１００では比較的明るいことがわかる。

（効果）
本実施の形態の発光装置２００によれば、発光装置２００内と発光装置２００外との光量のバランスが良いため、輝度ムラを抑制しつつ発光装置２００の間の距離を拡げることができる。

本発明の発光装置および面光源装置は、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。

１００ 面光源装置
１００’ 表示装置
１０２ 表示部材
１１０ 筐体
１１２ 底板
１１４ 天板
１２０ 光拡散板
２００、２００’ 発光装置
２１０ 基板
２２０ 発光素子
３００ 光束制御部材
３１０ 入射ユニット
３２０ 入射面
３２１ 第１反射面
３３０ 出射ユニット
３３２ 第２反射面
３３３ 出射面
３４０ 出射促進部
ＣＡ 中心軸
ＬＡ 光軸
ＣＢ 重心

Claims (5)

1. 基板上に配置された複数の発光素子と、前記複数の発光素子の上に配置され、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ための光束制御部材と、を有する発光装置であって、
   前記光束制御部材は、
   前記複数の発光素子から出射された光をそれぞれ入射させるための複数の入射ユニットと、
   前記基板に沿う方向において前記複数の入射ユニットの間に配置され、前記複数の入射ユニットで入射した光を導光しながら出射させる出射ユニットと、
   を有し、
   前記複数の入射ユニットは、それぞれ
   前記光束制御部材の裏側に配置され、前記発光素子から出射された光を入射させる入射面と、
   前記光束制御部材の表側において前記入射面を挟んで前記発光素子と対向する位置に配置され、前記入射面で入射した光を前記発光素子の光軸から離れるように側方方向に反射させる反射面と、
   を有し、
   前記発光素子は、前記光束制御部材を平面視した場合に、前記光束制御部材の重心から当該発光素子の光軸へ垂線を引いた時の前記重心から前記光軸上の点までの長さをＬ１とし、前記光束制御部材の重心から当該発光素子に対応する前記入射ユニットの中心軸へ垂線を引いた時の前記重心から前記中心軸上の点までの長さをＬ２としたときに、前記Ｌ１が前記Ｌ２より長くなるように配置されている、
   発光装置。
2. 前記光束制御部材を平面視したときに、前記Ｌ１と前記Ｌ２とは重なる、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記発光素子は、前記発光素子の発光面の中心から出射された光が実質的に全て前記反射面で全反射されるように配置されている、請求項１または２に記載の発光装置。
4. 複数の、請求項１～３のいずれかに記載の発光装置と、
   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、
   を有する、面光源装置。
5. 請求項４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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