JP3875247B2 - 発光装置、面光源装置、表示装置及び光束制御部材 - Google Patents

発光装置、面光源装置、表示装置及び光束制御部材 Download PDF

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Description

本発明は、発光装置、面光源装置、表示装置及び光束制御部材に関し、例えば、液晶表示パネルの背面側から面状に照明するバックライトの光源や室内の一般照明など各種照明として用いられる発光装置、これを使用し、各種照明に用いられる面光源装置、この面光源装置を照明手段として被照明部材と組み合わせて使用する表示装置、及びこれら面光源装置や表示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、パーソナルコンピュータやテレビジョン等に使用される液晶表示モニタの照明手段として、複数の発光ダイオード(LED)を点光源として使用した面光源装置が知られている。この面光源装置は、液晶表示モニタの液晶表示パネルとほぼ同形状の板状の光束制御部材の裏面側に複数のLEDをマトリックス状に配置し、そのLEDからの光を光束制御部材の裏面側から光束制御部材の内部に入射させ、その光束制御部材の内部に入射した光を光束制御部材の裏面に対向する出射面から出射させて、その出射光によって液晶表示パネルをその背面側から面状に照明できるようになっている。
(第1従来例)
このようなLEDを光源とした面光源装置として、図12に示すようなものが知られている。この面光源装置100は、複数のLED101のそれぞれに一対一で対応するようにマイクロレンズアレイ102を配置し、LED101からの光をマイクロレンズアレイ102を介して平面に垂直な方向(上方)に出射するようになっている(特許文献1参照)。
(第2従来例)
また、LEDを光源とした発光表示装置として、図13に示すようなものが知られている。この発光表示装置103は、LED104からの光を凹レンズ105で拡散したのち、その凹レンズ105で拡散された光を凸レンズ106で集光し、LED104の光軸にほぼ平行な方向に光を出射するようになっている(特許文献2参照)。
(第3従来例)
また、LEDを光源とした表示装置として、図14に示すものが知られている。この表示装置107は、LED108からの光を集光レンズ110によって集光して前方に導き、その集光された光を拡散レンズ111で拡散するようになっている(特許文献3参照)。
(第4従来例)
また、図15に示す表示装置121は、出射面122が半球状の光束制御部材123をLED124の出射面側に固着してなるLEDチップ125を複数配置し、各LEDチップ125から出射する光を光拡散部材126を透過させた後、その光拡散部材126を透過した光で被照明部材(例えば、液晶表示パネル)127を面状に照明するようになっている。
特開2002−49326号公報(段落番号0015及び図4参照)。 特開昭59−226381号公報(第3頁左上欄第15行乃至同頁右上欄第2行、第6図参照)。 特開昭63−6702号公報(第2頁右上欄第20行乃至同頁左下欄第4行、第3図参照)。
しかしながら、第1従来例の面光源装置100においては、隣り合うLED101の中間部分であって、マイクロレンズアレイ102の形状が不連続になる部分の光の出射量が急激に変化するため、各マイクロレンズアレイ102の境目部分の出射光の明暗のばらつきが目立つという問題点が指摘されていた。
また、第2従来例の発光表示装置103は、凹レンズ105を複数連続的に接続して平面状にするようになっておらず、また、凸レンズ106を複数連続的に接続して平面状にするようになっていないため、液晶表示パネルのバックライト等として、広い面積の被照明部材に対して均一な面状照明を行うことが困難である。
また、第3従来例の表示装置107は、LED108からの光を集光レンズ110で集光した後、その集光レンズ110で集光されたLED108からの光を拡散レンズ111で拡散するようになっているため、特許文献1の面光源装置100のような光の明暗の差が目立ち難くなっているものの、隣り合う複数のLED108からの光同士が混ざり合いにくく、各LED108間の発光色のばらつきが目立つという問題点が指摘されていた。
また、第4従来例の表示装置121は、図10に示すように、各LED124に対応するように出現する照明光の輝度のばらつきが波形形状で大きいため、各LED124間の照明光に暗部が生じ、均一な面状照明を行うことが困難であった。また、第4従来例の表示装置121は、図10の線Bで示すように、各LEDチップ125から出射した光の光量がLED124の光軸L近傍に集中する傾向があるため、隣り合う複数のLED124からの光同士が混ざり合いにくく、各LED124間の発光色のばらつきが目立つという問題点が指摘されていた。
そこで、本発明は、光源として用いられる発光装置、複数のLEDを使用する面光源装置及びこの面光源装置を使用する表示装置において、各LEDの発光色のばらつきを目立ちにくくし、輝度ムラのない均一な面状照明を可能にすることを目的とする。また、本発明は、1個のLEDを光源として使用するような場合でも、LEDからの光を効率よく、所望の範囲まで滑らかに拡げることができるようにすることを目的とする。
請求項1の発明は、発光素子からの光を光束制御部材を介して出射するようになっている発光装置に関するものである。この発光装置において、前記光束制御部材は、前記発光素子からの光が前記光束制御部材に入射する光入射面と、前記発光素子からの光の出射を制御する光制御出射面とを備え、前記発光装置の基準光軸に沿った方向から見た形状が略円形形状となるように形成されている。また、前記光制御出射面は、(1).前記発光装置の基準光軸近傍で且つ前記基準光軸を中心とする所定範囲に位置する球の一部を切り取ったような凹み形状の第1の出射面と、この第1の出射面の周囲に連続して形成される第2の出射面とを有し、これら第1の出射面と第2の出射面との接続部分が変曲点となっており、(2).前記発光素子から出射した光のうち、少なくともその最大強度の光が出射される方向から出射光の強度が最大強度の半分の値となる光が出射される方向までの角度範囲内に出射される光について、前記光束制御部材に入射して前記光制御出射面に到達した前記角度範囲内の光とその到達点(Px)を通り前記発光装置の基準光軸と平行な線とのなす角度θ1と(3).前記到達点(Px)を通り且つ前記基準光軸に直交する線(A)と前記到達点(Px)における輪郭線に対する接線(B)とのなす角度をθ3とし、(4).前記光制御出射面の前記到達点(Px)から出射する光の出射角θ5とすると、(5).前記第1の出射面における前記θ3が前記θ1の増加とともに徐々に減少し、前記第2の出射面における前記θ3が前記θ1の増加とともに徐々に増加するようになっており、(6).前記到達点(Px)からの出射光が、前記発光素子から出射される光のうちの前記基準光軸近傍の光を除き、θ5/θ1>1の関係を満足するとともに、このθ5/θ1の値をθ1の増加にしたがって徐々に小さくなる方向に変化させる形状に形成されている、ことを特徴としている。
請求項2の発明は、請求項1記載の発明に係る発光装置に関するものである。この発光装置において、前記光入射面は、前記発光素子の光出射面に密接していることを特徴としている。
請求項3の発明は、請求項1記載の発明に係る発光装置に関するものである。この発光装置において、前記光入射面は、前記発光素子の光出射面に隙間をもって係合するようになっている。
請求項の発明は、前記請求項1乃至のいずれかの発明に係る複数の発光装置と、これら複数の発光装置からの光を拡散・透過する光拡散部材とを備え、前記複数の発光装置が互いに等間隔で配置され、これら複数の発光装置のうちの隣り合う発光装置からの出射光が混ざり合う位置に前記光拡散部材が配置された、ことを特徴とする面光源装置に関するものである。
請求項の発明は、前記請求項に記載の面光源装置と、この面光源装置からの光を照射する被照明部材と、を備えたことを特徴とする表示装置に関するものである。
請求項の発明は、発光素子からの光を封止部材と光束制御部材を介して出射するようになっている発光装置に関するものである。この発光装置において、前記光束制御部材は、前記封止部材に封止された前記発光素子からの光が前記光束制御部材に入射する光入射面と、前記発光素子からの光の出射を制御する光制御出射面とを備え、前記発光装置の基準光軸に沿った方向から見た形状が略円形形状となるように形成されている。また、前記光制御出射面は、(1).前記発光装置の基準光軸近傍で且つ前記基準光軸を中心とする所定範囲に位置する球の一部を切り取ったような凹み形状の第1の出射面と、この第1の出射面の周囲に連続して形成される第2の出射面とを有し、これら第1の出射面と第2の出射面との接続部分が変曲点となっており、(2).前記発光素子から出射した光のうち、少なくともその最大強度の光が出射される方向から出射光の強度が最大強度の半分の値となる光が出射される方向までの角度範囲内に出射される光について、前記光束制御部材に入射して前記光制御出射面に到達した前記角度範囲内の光とその到達点(Px)を通り前記発光装置の基準光軸と平行な線とのなす角度θ1と(3).前記到達点(Px)を通り且つ前記基準光軸に直交する線(A)と前記到達点(Px)における輪郭線に対する接線(B)とのなす角度をθ3とし、(4).前記光制御出射面の前記到達点(Px)から出射する光の出射角をθ5とすると、(5).前記第1の出射面における前記θ3が前記θ1の増加とともに徐々に減少し、前記第2の出射面における前記θ3が前記θ1の増加とともに徐々に増加するようになっており、(6).前記到達点(Px)からの出射光が、前記発光素子から出射される光のうちの前記基準光軸近傍の光を除き、θ5/θ1>1の関係を満足するとともに、このθ5/θ1の値をθ1の増加にしたがって徐々に小さくなる方向に変化させる形状に形成されている、ことを特徴としている。
請求項の発明は、請求項の発明に係る発光装置に関するものである。この発光装置において、前記光入射面は、前記封止部材に封止された前記発光素子の光出射面に密接するようになっている。
請求項の発明は、請求項の発明に係る発光装置に関するものである。この発光装置において、前記光入射面は、前記封止部材に封止された前記発光素子の光出射面に隙間をもって係合するようになっている。
請求項の発明は、請求項乃至のいずれかの発明に係る複数の発光装置と、これら複数の発光装置からの光を拡散・透過する光拡散部材とを備え、前記複数の発光装置が互いに等間隔で配置され、これら複数の発光装置のうちの隣り合う発光装置からの出射光が混ざり合う位置に前記光拡散部材が配置された、ことを特徴とする面光源装置に関するものである。
請求項10発明は、前記請求項の発明に係る面光源装置と、この面光源装置からの光を照射する被照明部材と、を備えたことを特徴とする表示装置に関するものである。
請求項11の発明は、発光素子または封止部材に封止された発光素子からの光が入射する光入射面と、前記発光素子からの光の出射を制御する光制御出射面とを備え、前記発光素子と共に発光装置を構成するようになっており、前記発光装置の基準光軸に沿った方向から見た形状が略円形形状となるように形成された光束制御部材に関するものである。この光束制御部材において、前記光制御出射面は、(1).前記発光装置の基準光軸近傍で且つ前記基準光軸を中心とする所定範囲に位置する球の一部を切り取ったような凹み形状の第1の出射面と、この第1の出射面の周囲に連続して形成される第2の出射面とを有し、これら第1の出射面と第2の出射面との接続部分が変曲点となっており、(2).前記発光素子から出射した光のうち、少なくともその最大強度の光が出射される方向から出射光の強度が最大強度の半分の値となる光が出射される方向までの角度範囲内に出射される光について、前記光束制御部材に入射して前記光制御出射面に到達した前記角度範囲内の光とその到達点(Px)を通り前記発光装置の基準光軸と平行な線とのなす角度をθ1とし、(3).前記到達点(Px)を通り且つ前記基準光軸に直交する線(A)と前記到達点(Px)における輪郭線に対する接線(B)とのなす角度をθ3とし、(4).前記光制御出射面の前記到達点(Px)から出射する光の出射角をθ5とすると、(5).前記第1の出射面における前記θ3が前記θ1の増加とともに徐々に減少し、前記第2の出射面における前記θ3が前記θ1の増加とともに徐々に増加するようになっており、(6).前記到達点(Px)からの出射光が、前記発光素子から出射される光のうちの前記基準光軸近傍の光を除き、θ5/θ1>1の関係を満足するとともに、このθ5/θ1の値をθ1の増加にしたがって徐々に小さくなる方向に変化させる形状に形成されている。
本発明によれば、発光素子から発せられた光の光束は、光束制御部材の光制御出射面により、効率的に且つ広範囲に滑らかに拡げることができ、光束制御部材の出射面から広範囲に照明光を出射することができる。したがって、本発明によれば、複数の発光素子を光源として使用する場合、各発光素子からの光が混じり易くなり、各発光素子の発光色にばらつきがあったとしても、光束制御部材を介して出射される各発光素子の発光色のばらつきが目立ちにくくなると共に、出射光輝度も均一化し、高品質の照明が可能になる。
以下、本発明が適用可能な発光素子、面光源装置及び表示装置の最良の実施の形態を図面に基づいて説明する。
[面光源装置及び表示装置の概略構成]
図1〜図3は、本実施の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を示すものである。なお、図1は被照明部材(例えば、液晶表示パネル)3等を取り外して示す表示装置1の平面図(面光源装置の平面図)である。また、図2は、表示装置1の概略を示す断面図であり、図1のX1−X1線に沿って切断して示す表示装置1の断面図である。また、図3は、発光素子4の基準光軸Lを含む表示装置1の一部断面図であり、光束制御部材5の光制御出射面6の形状を説明するために図2の一部を拡大して示す図である。ここで、基準光軸Lとは、発光装置からの立体的な出射光束の中心における光の進行方向をいう。なお、本実施の形態においては、発光素子4の光軸(発光素子4からの立体的な出射光束の中心における光の進行方向)と基準光軸Lが一致している場合を例にして説明する。したがって、以下の説明において、基準光軸Lを光軸Lと言い換えて説明する。
これらの図に示すように、本実施の形態の表示装置1は、平面形状が略矩形形状の光拡散部材7の裏面側にほぼ等間隔に(ピッチPで)複数配置された点光源としての発光素子4もしくは封止部材9に封止された発光素子4(例えばLED19)と、光拡散部材7の出射面(裏面と反対側の面)側に配置された被照明部材3と、を備えている。なお、本実施の形態においては、発光素子4もしくは封止部材9で封止された発光素子4、光束制御部材5及び光拡散部材7によって面光源装置2が構成されている。また、発光素子4もしくは封止部材9で封止された発光素子4及び光束制御部材5によって発光装置29が構成されている。
[光束制御部材]
(第1態様)
このような表示装置1を構成する光束制御部材5は、図1乃至図3に示すような形状をしており、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。
この光束制御部材5は、図1に示すように、平面形状が略円形形状である。また、この光束制御部材5は、図4(a)のX2−X2線に沿って切断して示す図4(b)のように、裏面側(図4(b)の下面側)に、発光素子4の光出射面8に密着する凹み10が形成されている。この凹み10は、図4(b),(c)に示すように、光束制御部材5の裏面側の中心に位置し、発光素子4の半球状の光出射面8に密着するような半球状に形成されている。そして、このような光束制御部材5は、裏面側の平面部11が発光素子4の取付基板12に接着固定されると共に、その裏面側の凹み10が発光素子4の光出射面8に接着固定されるようになっている。
また、この光束制御部材5は、その外表面側に光制御出射面6が形成されている。この光制御出射面6は、光軸Lを中心とする所定範囲に位置する第1の出射面6aと、この第1の出射面6aの周囲に連続して形成される第2の出射面6bと、からなっている。このうち、第1の出射面6aは、図4(b)の断面形状に示すように、下に凸の滑らかな曲面形状であり、球の一部を切り取ったような凹み形状になっている。また、第2の出射面6bは、図4(b)の断面形状に示すように、第1の出射面6aに連続して形成される上に凸の滑らかな曲面形状であり、その平面形状が第1の出射面6aを取り囲む略中空円板形状に形成されている(図4(a)参照)。そして、これら第1の出射面6aと第2の出射面6bが滑らかに接続され、その両出射面6a,6bの接続部分が変曲点Poになっている。また、光制御出射面6を構成する第2の出射面6bの外周側には、図4(b)の断面形状に示すように、第2の出射面6bと裏面の平面部11とを接続する第3の出射面6cが形成されている。なお、図4(b)の断面形状では、ほぼ直線状の傾斜面からなる第3の出射面6cを示したが、これに限られず、光束制御部材5からの広範囲且つ均一な出射を妨げる形状でなければ曲線でもよい。ここで、光軸Lから出射面6bと6cの接続点Paまでの角度をδ1とし、光軸Lから変曲点Poまでの角度をδ2とする。
このような光束制御部材5の光制御出射面6の詳細を図3に基づき説明する。この図3において、発光素子4の光軸Lに直交する水平面を基準面Cとすると、発光素子4から出射して光束制御部材5内を伝播した光Hが光制御出射面6から出射する位置(図3の断面における光制御出射面6と光Hとの交点Px)で基準面Cに平行に引いた線をAとする。また、この図3において、発光素子4からの光Hが光制御出射面6から出射する位置Pxにおける光制御出射面6の輪郭線に対する接線Bと線Aとのなす角をθ3とする。そして、この図3において、光束制御部材5の内部を伝播した発光素子4からの光Hが光束制御部材5の光制御出射面6から出射する出射角(光制御出射面6から出射する光Hと光軸Lとのなす角)をθ5とする。
この図3に示す光制御出射面6は、発光素子4から出射される光のうちで、少なくとも最大強度の光が出射される方向(光軸Lに沿った方向であって、基準面Cの法線方向に沿った方向)から最大強度の半分の値となる光が出射される方向までの角度範囲を含む所定の範囲内(図5において、θ1<δ1の角度範囲内)において、法線(図3における光軸L)の近傍の光を除き、θ1とθ5の関係が(θ5/θ1)>1となるように形成されており、このθ5/θ1の値をθ1の増加にしたがって徐々に減少させるような形状に形成されている(図5の曲線14参照)。なお、図5において、点線で示す線15は、(θ5/θ1)=1の線である。ここで、光束制御部材5の拡散度合いの係数をαとすると、θ1<δ1の範囲内において、θ5は数1のように表すことができ、θ3は数2のように表すことができる。また、上述の法線(図3における光軸L)の近傍は、例えば、θ1が±5°以内程度とされることが好ましい。
Figure 0003875247
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このようにして求められたθ3は、図6の曲線16に示すように、光軸Lの近傍からθ1=δ2となるまでは、θ3はθ1の増加とともに徐々に減少し、θ1>δ2の範囲では、θ3はθ1の増加とともに徐々に増加するようになっている。そして、θ1がδ1に合致すると、θ3=θ1となる。
次に、図2及び図3に基づいて、光束制御部材5の光制御出射面6による作用を説明する。これらの図に示すように、発光素子4からの光Hは、光束制御部材5の内部を伝播した後、光制御出射面6から外部(空気中)にスネルの法則にしたがって出射することになる。この際、本発明に係る光束制御部材5から出射される発光素子4からの光束は、図15に示す従来の半球状の光束制御部材123から出射される光束に比較し、発光素子4の直上などで局部的に出射されず、照射範囲内に向けて均一に且つ滑らかに拡げて出射させられる。
(第1態様の実施例)
次に、本発明の第1態様に係る光束制御部材5を用いた発光装置29の実施例を図1乃至図4を参照しつつ説明する。これらの図に示した光束制御部材5の光制御出射面6は、発光素子4の発光特性(発光素子4からの出射光束の広がり角度であって、特に出射光の強度が最大強度の半分の値の光の出射角)、光束制御部材5の光軸L方向の厚さd(特に、発光素子4の発光部4aから光制御出射面6までの光軸L方向の距離d1)、各発光素子4のピッチ間距離p、光束制御部材5の外径寸法Do、光制御出射面6から光拡散部材7までの光軸L方向の距離L1、光束制御部材5の屈折率n、光束制御部材5の入射面凹部形状(凹み10を構成する凹面形状)、発光素子4から出射した光が光束制御部材5に入射するまでの間に通過する部材(隙間)の屈折率に応じて、第1の出射面6a及び第2の出射面6bの形状等が決定されるようになっている。例えば、光束制御部材5は、入射面凹部形状が半球状で、屈折率n=1.49の透明樹脂材料で形成されており、L1=13.89mm、p=24.25mm、d=3.31mm、d1=2.11mm、Do=7.85mmに設定されている。また、光束制御部材5と発光素子4の間は、光束制御部材5と屈折率の等しい材質で構成されている。この光束制御部材5は、第1の出射面6aと第2の出射面6bの接続部分におけるθ1が、θ1=δ2=16°となるように、また、第2の出射面6bと第3の出射面6cの接続部分におけるθ1が、θ1=δ1=85°となるように形成されている。そして、第3の出射面6cは、第2の出射面6bの外周端の接線を光軸Lの周りに360°回転させて形成されるようになっている。ここで、図4(b)において、θ1≦δ2の範囲が第1の出射面6aの範囲であり、δ2≦θ1≦δ1の範囲が第2の出射面6bの範囲であり、δ1≦θ1の範囲が第3の出射面6cの範囲である。
なお、本態様において、発光素子4側の封止部材9が透明樹脂又は透明ガラスで形成されている場合には、光束制御部材5の材料も発光素子4の封止部材9側と同様のものが使用される。このようにすれば、発光素子4から出射した光Hが光制御出射面6にそのまま到達する。しかしながら、この態様に限定されるものでなく、発光素子4の封止部材9となる材料と光束制御部材5側の材料を、それぞれ屈折率の異なる材料を使用し、材料の屈折率の違いによる光束制御を行うようにしてもよい。
(第2態様)
図7は、本発明に係る光束制御部材5を用いた発光装置29の第2態様を示す図である。この第2態様の光束制御部材5は、発光素子4との係合構造を除き、第1態様の光束制御部材5と同様である。
すなわち、この第2態様の光束制御部材5は、図7に示すように、LED19の断面が矩形形状の光出射面17を有する場合に使用されるものであり、この矩形形状の光出射面17に密接する矩形形状の凹み18が裏面側の中央部に形成されている。そして、この光束制御部材5は、裏面側の平面部11が発光素子4の取付基板12に接着固定されると共に、その裏面側の凹み18が発光素子4の光出射面17に接着固定されるようになっている。このような構成の本態様に係る光束制御部材5は、第1態様の光束制御部材5と同様の作用効果を得ることができる。なお、図7では発光素子4を封止した封止部材9(LED19)の断面形状が矩形の場合を示したが、これに限られず、LED19の形状が半球状やその他異形形状でもよい。
(第3態様)
図8は、本発明に係る光束制御部材5の第3態様を示す図である。この第3態様の光束制御部材5は、発光素子4との係合構造を除き、第1態様の光束制御部材5と同様である。
すなわち、この第3態様の光束制御部材5は、図8に示すように、発光素子4と隙間をもって係合する半球状の光入射面(凹み23の凹面)20が基準面Cから図中上方側に形成されており、この半球状の光入射面20の図中下方側に、発光素子4と隙間をもって係合する円筒状のLED収容部21が形成されている。そして、この光束制御部材5は、発光素子4にキャップを被せるようにして、発光素子4をLED収容部21内の所定位置に収容した後、発光素子4が取り付けられた基板22上に下面側の平面部11が接着固定される。
このような構成によれば、発光素子4から出射された光Hは、空気層を介して光束制御部材5の半球状の光入射面20から光束制御部材5の内部に入射し、光束制御部材5の内部を伝播した後、光制御出射面6から外部に出射する。このような本態様の光束制御部材5は、空気層と光束制御部材5との屈折率の違い、及び光束制御部材5の入射面凹部形状を考慮して、光制御出射面6による光束制御を行うことで第1態様の光束制御部材5と同様の作用効果を得ることができる。
なお、前述の第2態様及び第3態様は、発光素子4と封止部材9を一体にしたLED19に換えて、発光素子4のみでもよい。また、第1及び第2態様の発光装置29は、発光素子4、封止部材9及び光束制御部材5より構成される場合を示したが、これに限られず、封止部材9無し、あるいは封止部材9が光束制御部材5を兼ねてもよい。更に、封止部材9と光束制御部材5は、接着されても、接するだけの状態でもよい。
(その他の態様)
なお、上述の第1乃至第3態様の光束制御部材5において、光制御出射面6にシボ面を形成し、光制御出射面6から出射する光を拡散させるようにしてもよい。
また、上述の第1乃至第3態様の光束制御部材5は、光拡散物質(例えば、シリコーン粒子や酸化チタン)を含む材料で形成するようにしてもよい。
[光拡散部材]
図9は、本実施の形態に係る表示装置1の光拡散部材7を示すものである。この図において、(a)〜(f)の各光拡散部材7は、光透過性に優れたPMMAやPC等の樹脂材料によってシート状あるいは平板形状に形成されており、被照明部材(液晶表示パネル、広告表示パネル、標識表示パネル等)3の平面形状とほぼ同様の大きさ(面積)に形成されている。
図9(a)の光拡散部材7は、シート状母材7aの表裏両面にエンボス加工或いはビーズコート等の拡散処理を施してあり、シート状母材7aの表裏両面に微細な凹凸7b,7bを形成してある。
また、図9(b)の光拡散部材7は、シート状母材7aに拡散材7cを混入すると共に、シート状母材7aの表裏両面にエンボス加工或いはビーズコート等の拡散処理を施して、シート状母材7aの表裏両面に凹凸7b,7bを形成してある。
また、図9(c)の光拡散部材7は、シート状母材7aの光束制御部材5に面する側にエンボス加工或いはビーズコート等の拡散処理を施して凹凸7bを形成し、そのエンボス加工或いはビーズコート等の拡散処理を施した面と反対側のシート状母材7aの表面に紙面の垂直方向に沿って延びるプリズム突起7dを多数連続して形成してある。
また、図9(d)の光拡散部材7は、図9(c)の光拡散部材7のシート状母材7aに拡散材7cを混入した構造を呈しており、図9(c)の光拡散部材7と同様に、シート状母材7aの光束制御部材5に面する側にエンボス加工或いはビーズコート等の拡散処理を施して凹凸7bを形成し、そのエンボス加工或いはビーズコート等の拡散処理を施した面と反対側のシート状母材7aの表面にプリズム突起7dを多数連続して形成してある。
なお、図9(c),図9(d)に示すプリズム突起7dは、断面形状が略二等辺三角形の突起になるように形成されているが、これに限られず、ほぼ三角形状を呈していればよい。
また、図9(e)に示すように、光拡散部材7は、シート状母材7aの出射面側に円錐形状の突起7eを複数形成し、この突起7eでシート状母材7aを透過する光を拡散するようにしてもよい。
また、図9(f)に示すように、光拡散部材7は、シート状母材7aの出射面側に角錐(三角錐,四角錐,六角錐等の角錐)形状の突起7fを複数形成し、この突起7fでシート状母材7aを透過する光を拡散するようにしてもよい。
このような構造の光拡散部材7は、光束制御部材5の光制御出射面6から出射した光を透過しながら拡散し、被照明部材3に照射される光を均一化する。
また、このような光拡散部材7は、被照明部材3の発光素子4側の面に取り付けても良いし、また、被照明部材3とは別に(分離した状態で)、被照明部材3の発光素子4側の面側に配置するようにしてもよい。
[光拡散部材から出射する光の出射光量]
図10は、本発明が適用される表示装置1の被照明部材3に照射される光の出射光量分布を示す図である。
(LED単灯の場合)
この図10において、線Aは、本発明の光束制御部材5を使用した場合の出射光量を示しており、1個の光束制御部材5から出射した発光素子4の光が光拡散部材7を透過した後の光量を示している。また、この図10において、線Bは、図15に示す従来の光束制御部材123を使用した場合の出射光量を示しており、1個の光束制御部材123から出射したLED124の光が光拡散部材126を透過した後の光量を示している。
この図10に示すように、本発明の光束制御部材5を使用した場合の出射光量(線A)と図15で示す従来の光束制御部材123を使用した場合の出射光量(線B)とを比較すると、線Aは光軸L近傍で急激に立ち上がる線Bに比較してなだらかな山形形状を呈しており、線Aは光軸L近傍で線Bよりも出射光量が少なく、光軸Lから離れた位置まで分配される光量が増加(線Aと線Bとの差Δだけ増加)することが分かる。すなわち、本発明の光束制御部材5を使用すると、発光素子4からの光を従来例よりも均一に分布させることができる。
(LED複灯の場合)
また、図10において、線Cは、本発明の光束制御部材5を発光素子4に対応させて複数配置し、これら複数の光束制御部材5から出射した発光素子4からの光が光拡散部材7を透過した後に測定された光量を示している(図1乃至図2参照)。また、図10において、線Dは、図15に示す従来の光束制御部材123をLED124に対応させて複数配置し、これら複数の光束制御部材123から出射したLED124からの光が光拡散部材126を透過した後に測定された光量を示している。
この図10に示すように、本発明の光束制御部材5を使用した場合の出射光量(線C)と図15に示す従来の光束制御部材123を使用した場合の出射光量(線D)とを比較すると、線DがLED124に対応して輝度のばらつきが波形形状に大きく繰り返して出現するのに対し、線Cは発光素子4に対応して出現する輝度のばらつきが極めて小さい。これは、図10のA線で示すように、本発明の光束制御部材5を使用すると、発光素子4から発せられた光が光束制御部材5の光制御出射面6から出射する際に、光軸L近傍の出射光量が抑えられる一方、光軸Lから離れた位置の出射光量が増加させられるようになっているため、隣り合う発光素子4からの光が混ざり合い、光拡散部材7を透過した光の光量が光拡散部材7の出射面側において均一化するものと考えられる。
以上のように、本願発明に係る表示装置1によれば、光束制御部材5の光制御出射面6の作用により、光束制御部材5から出射する光が滑らかに且つ十分に拡がり、周囲の複数の発光素子4から発せられた光と混ざり合い、図10のC線に示すような均一輝度の照明光が得られる。
また、本願発明の表示装置1は、各LED(例えば、白色発光するLED)4の発生する光の色にばらつき(例えば、黄色味を帯びた色の濃淡)があったとしても、複数の発光素子4の光が広く混ざり合うため、発光素子4の発光色のばらつきが目立たなくなり、高品質の照明が可能になる。
[カラー用面光源装置及び表示装置]
図11は、本発明を適用できるカラー発光用面光源装置2及びこれを備えた表示装置1を示すものである。このうち、図11(a)は、カラー発光用面光源装置2及びこれを備えた表示装置1の平面図を示すものである。また、図11(b)は、図11(a)のX4−X4線に沿って切断して示す断面図である。
この図11に示すように、R,G,Bの各色の発光素子4R,4G,4Bを交互に配置し、これら発光素子4R,4G,4Bからの光を光束制御部材5の光制御出射面6から出射し、その出射光を光拡散部材7を介して被照明部材3に照射して、カラー照明を可能にしている。
このような構成によれば、発光素子4R,4G,4Bの全てを発光させた場合はもちろんのこと、発光素子4R,4G,4Bのうちのいずれかを単一発光させた場合でも、出射光が隣り合うLEDを越えてさらに遠い距離にあるLEDまで到達し、各LEDからの光が混ざり合い、輝度が均一化した高品質の照明が可能になる。
なお、本発明の発光装置29に、第3の出射面6cの部分で、2つ以上の発光装置29を繋ぎ合わせて一体化してもよい。LED19(あるいは発光素子4)のピッチが短い場合には、面光源装置2とするための組立が容易になる。また、大型の発光装置29を作製する場合には、1つの発光素子4に使用する光束制御部材5を、あらかじめ複数個のブロックに分割して各ブロックを個々に形成しておき、これらを組み立てることで1つの光束制御部材としてもよい。
また、上述の各実施形態の態様は、例えば、図3で例示したように、発光素子4から出射された光の光軸Lと法線方向とが一致する構成を示しているが、本願発明は、発光素子4の品質のばらつきや、発光素子4を含む各部品の組立誤差等により、発光素子4から出射される光の光軸Lと法線方向とが僅かにズレを生じる場合にも適用でき、上述の各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
この発明に係る発光装置は、テレビモニターやパーソナルコンピュータのモニターのバックライトに使用したり、室内表示灯や各種照明などの用途に広く使用することができる。
本発明が適用できる面光源装置及びこれを備えた表示装置を示すものであり、被照明部材及び光拡散部材を省略して示す平面図である。 図1のX1−X1線に沿って切断して示す表示装置の断面図である。 LEDの光軸を含む表示装置の一部断面図であり、図2の一部を拡大して示す図である。 光束制御部材の第1態様を示す詳細図であり、(a)が平面図、(b)が(a)のX2−X2線に沿って示す断面図、(c)が光束制御部材とLEDとを分解して示す図である。 光束制御部材のLED出射角θ1と出射角θ5との関係を示す図である。 光束制御部材のLED出射角θ1とレンズ面傾斜角θ3との関係を示す図である 本発明の第2態様に係る光束制御部材の詳細図であり、(a)が平面図、(b)が(a)のX3−X3線に沿って示す断面図、(c)が光束制御部材とLEDとを分解して示す図である。 本発明の第3態様に係る光束制御部材を使用した表示装置の断面図であり、図2に対応させて示す断面図である。 光拡散部材を拡大して示す側面図である。(a)は光拡散部材の第1例を示す側面図、(b)は光拡散部材の第2例を示す側面図、(c)は光拡散部材の第3例を示す側面図、(d)は光拡散部材の第4例を示す側面図、(e)は光拡散部材の第5例を示す側面図、(f)は光拡散部材の第6例を示す側面図、(g)は表示装置の一部拡大断面図である。 本発明が適用される表示装置の被照明部材に照射される光の出射光量分布を、第4従来例の出射光量分布と比較して示す図である。 本発明を適用できるカラー発光用面光源装置及びこれを備えた表示装置1を示す図である。(a)は、被照明部材を取り除いて示す面光源装置及びこれを備えた表示装置の平面図であり、(b)は、(a)のX4−X4線に沿って切断して示す断面図である。 第1従来例を示す模式的構造図である。 第2従来例を示す模式的構造図である。 第3従来例を示す模式的構造図である。 第4従来例を示す表示装置の断面図である。
符号の説明
1……表示装置、2……面光源装置、3……被照明部材(液晶表示パネル)、4……発光素子、5……光束制御部材、6……光制御出射面、6a……第1の出射面、6b……第2の出射面、7……光拡散部材、8,17……光出射面、9……封止部材、10,18、23……凹み、19……LED、20……光入射面(凹面)、29……発光装置、L……光軸(基準光軸)、Po……変曲点

Claims (11)

  1. 発光素子からの光を光束制御部材を介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が前記光束制御部材に入射する光入射面と、前記発光素子からの光の出射を制御する光制御出射面とを備え、前記発光装置の基準光軸に沿った方向から見た形状が略円形形状となるように形成されており、
    前記光制御出射面は、
    前記発光装置の基準光軸近傍で且つ前記基準光軸を中心とする所定範囲に位置する球の一部を切り取ったような凹み形状の第1の出射面と、この第1の出射面の周囲に連続して形成される第2の出射面とを有し、これら第1の出射面と第2の出射面との接続部分が変曲点となっており、
    前記発光素子から出射した光のうち、少なくともその最大強度の光が出射される方向から出射光の強度が最大強度の半分の値となる光が出射される方向までの角度範囲内に出射される光について、前記光束制御部材に入射して前記光制御出射面に到達した前記角度範囲内の光とその到達点(Px)を通り前記発光装置の基準光軸と平行な線とのなす角度θ1と
    前記到達点(Px)を通り且つ前記基準光軸に直交する線(A)と前記到達点(Px)における輪郭線に対する接線(B)とのなす角度をθ3とし、
    前記光制御出射面の前記到達点(Px)から出射する光の出射角θ5とすると
    記第1の出射面における前記θ3が前記θ1の増加とともに徐々に減少し、前記第2の出射面における前記θ3が前記θ1の増加とともに徐々に増加するようになっており、
    前記到達点(Px)からの出射光が、前記発光素子から出射される光のうちの前記基準光軸近傍の光を除き、θ5/θ1>1の関係を満足するとともに、このθ5/θ1の値をθ1の増加にしたがって徐々に小さくなる方向に変化させる形状に形成されている、
    ことを特徴とする発光装置。
  2. 前記光入射面は、前記発光素子の光出射面に密接していることを特徴とする請求項1記載の発光装置。
  3. 前記光入射面は、前記発光素子の光出射面に隙間をもって係合していることを特徴とする請求項1記載の発光装置。
  4. 前記請求項1乃至3のいずれかに記載された複数の発光装置と、これら複数の発光装置からの光を拡散・透過する光拡散部材と、を備え、
    前記複数の発光装置が互いに等間隔で配置され、
    れら複数の発光装置のうちの隣り合う発光装置からの出射光が混ざり合う位置に前記光拡散部材が配置された、
    ことを特徴とする面光源装置。
  5. 前記請求項4に記載の面光源装置と、この面光源装置からの光を照射する被照明部材と、を備えたことを特徴とする表示装置。
  6. 発光素子からの光を封止部材と光束制御部材を介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、前記封止部材に封止された前記発光素子からの光が前記光束制御部材に入射する光入射面と、前記発光素子からの光の出射を制御する光制御出射面とを備え、前記発光装置の基準光軸に沿った方向から見た形状が略円形形状となるように形成されており、
    前記光制御出射面は、
    前記発光装置の基準光軸近傍で且つ前記基準光軸を中心とする所定範囲に位置する球の一部を切り取ったような凹み形状の第1の出射面と、この第1の出射面の周囲に連続して形成される第2の出射面とを有し、これら第1の出射面と第2の出射面との接続部分が変曲点となっており、
    前記発光素子から出射した光のうち、少なくともその最大強度の光が出射される方向から出射光の強度が最大強度の半分の値となる光が出射される方向までの角度範囲内に出射される光について、前記光束制御部材に入射して前記光制御出射面に到達した前記角度範囲内の光とその到達点(Px)を通り前記発光装置の基準光軸と平行な線とのなす角度をθ1とし、
    前記到達点(Px)を通り且つ前記基準光軸に直交する線(A)と前記到達点(Px)における輪郭線に対する接線(B)とのなす角度をθ3とし、
    前記光制御出射面の前記到達点(Px)から出射する光の出射角をθ5とすると、
    前記第1の出射面における前記θ3が前記θ1の増加とともに徐々に減少し、前記第2の出射面における前記θ3が前記θ1の増加とともに徐々に増加するようになっており、
    前記到達点(Px)からの出射光が、前記発光素子から出射される光のうちの前記基準光軸近傍の光を除き、θ5/θ1>1の関係を満足するとともに、このθ5/θ1の値をθ1の増加にしたがって徐々に小さくなる方向に変化させる形状に形成されている、
    ことを特徴とする発光装置。
  7. 前記光入射面は、前記封止部材に封止された前記発光素子の光出射面に密接していることを特徴とする請求項6の発光装置。
  8. 前記光入射面は、前記封止部材に封止された前記発光素子の光出射面に隙間をもって係合していることを特徴とする請求項6記載の発光装置。
  9. 前記請求項6乃至8のいずれかに記載された複数の発光装置と、これら複数の発光装置からの光を拡散・透過する光拡散部材と、を備え
    前記複数の発光装置が互いに等間隔で配置され、
    これら複数の発光装置のうちの隣り合う発光装置からの出射光が混ざり合う位置に前記光拡散部材が配置された、
    ことを特徴とする面光源装置。
  10. 前記請求項9に記載の面光源装置と、この面光源装置からの光を照射する被照明部材と、を備えたことを特徴とする表示装置。
  11. 発光素子または封止部材に封止された発光素子からの光が入射する光入射面と、前記発光素子からの光の出射を制御する光制御出射面とを備え、前記発光素子と共に発光装置を構成するようになっており、前記発光装置の基準光軸に沿った方向から見た形状が略円形形状となるように形成された光束制御部材であって、
    前記光制御出射面は、
    前記発光装置の基準光軸近傍で且つ前記基準光軸を中心とする所定範囲に位置する球の一部を切り取ったような凹み形状の第1の出射面と、この第1の出射面の周囲に連続して形成される第2の出射面とを有し、これら第1の出射面と第2の出射面との接続部分が変曲点となっており、
    前記発光素子から出射した光のうち、少なくともその最大強度の光が出射される方向から出射光の強度が最大強度の半分の値となる光が出射される方向までの角度範囲内に出射される光について、前記光束制御部材に入射して前記光制御出射面に到達した前記角度範囲内の光とその到達点(Px)を通り前記発光装置の基準光軸と平行な線とのなす角度をθ1とし、
    前記到達点(Px)を通り且つ前記基準光軸に直交する線(A)と前記到達点(Px)における輪郭線に対する接線(B)とのなす角度をθ3とし、
    前記光制御出射面の前記到達点(Px)から出射する光の出射角をθ5とすると、
    前記第1の出射面における前記θ3が前記θ1の増加とともに徐々に減少し、前記第2の出射面における前記θ3が前記θ1の増加とともに徐々に増加するようになっており、
    前記到達点(Px)からの出射光が、前記発光素子から出射される光のうちの前記基準光軸近傍の光を除き、θ5/θ1>1の関係を満足するとともに、このθ5/θ1の値をθ1の増加にしたがって徐々に小さくなる方向に変化させる形状に形成されている、
    ことを特徴とする光束制御部材。
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