JP4635863B2

JP4635863B2 - 面発光装置

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Publication number: JP4635863B2
Application number: JP2005371974A
Authority: JP
Inventors: 公司中野; 智昭犬塚
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2025-12-26
Also published as: JP2006228710A

Description

本発明は、複数の光源を用いた面発光装置、特に、比較的大面積の発光面を有する面発光装置に関する。

現在、液晶表示装置が携帯電子機器や各種画像表示機器に広く利用されている。液晶表示装置は、液晶セル、プリズムシート、拡散シート及びバックライト等を主要な構成要素として構成され、このバックライト光源には、ＬＥＤを用いたバックライト光源や冷陰極管を用いたバックライト光源などがある。これらのバックライト光源にはそれぞれ特色があり、比較的大型の液晶表示装置には冷陰極管を用いたバックライト光源が多く用いられ、例えば、携帯電話に用いられる小型の液晶表示装置にはＬＥＤを用いたバックライト光源が多く使用されるなど、用途に応じて使い分けられている。

また、これらのバックライト光源は、いずれも導光板を用いて、線光源である冷陰極型蛍光ランプ又は点光源である発光ダイオードからの光を発光面全体に拡げて面発光させるものであり、発光面全体が均一な輝度になるように種々の工夫がなされている。
しかしながら、このバックライト光源にとって必須の構成要素である導光板が、比較的大型の液晶表示装置用のバックライト光源の軽量化や薄型化の妨げとなっていた。
このような状況の下、光が導波する部分を中空にした、導光板レス（導光板を有しない）のバックライト光源も開発され始めている（特許文献１の図１３、図１４）。
特開２００３−５７６２２号公報

しかしながら、導光板を用いることなく、点光源又は線光源から出射される光を面発光させようとした場合、発光面における輝度にむらが生じ均一性に劣るという問題があった。
特に、光源として点光源である発光ダイオードを用いた場合には、その問題が顕著であった。

そこで、本発明は、薄型化・軽量化が可能でかつ発光面における輝度の均一性が高い面発光装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る面発光装置は、複数の光源と、それぞれ前記光源を覆う第１の面と照射される光を反射させる第２の面とを有する複数の反射体と、前記複数の光源と前記複数の反射体とが設けられた基板と、を備え、前記反射体はそれぞれ、当該第１の面で前記光源から出射される光を隣接する反射体に設けられた第２の面に照射させるように配置され、該第２の面で反射された光を出射することを特徴とする。
このように構成された本発明に係る面発光装置では、前記各反射体の第１の面が光源を覆っており、その第１の面で光源が出射する光を反射して隣接した反射体に設けられた第２の面で反射することにより拡げて出射することができる。
これにより、導光板を用いることなく面発光させることが可能になる。
また、本発明に係る発光装置では、光源が反射体の第１の面で覆われて、光源の光が直接外部に出射されることがない。

従って、本発明に係る面発光装置は、導光板を用いることなく面発光させることが可能であり、導光板を使用した面発光装置に比較して軽量化が図れ、かつ薄型にできる。
また、本発明に係る面発光装置は、光源の光が直接外部に出射されることがないので、直接光による輝点又は輝線の発生が防止できる。

以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態の面発光装置について説明する。
図１は、本発明に係る実施の形態の面発光装置１００の構成を示す分解斜視図である。尚、図１には、面発光装置１００の上にさらに液晶ユニット１１を設けた、液晶表示装置の一部として、面発光装置１００を表している。

本実施の形態の面発光装置は、図１等に示すように、導光板を用いることなく、発光ダイオード５と反射体９が設けられた保持基板７と、プリズムシート１３，１５とを用いて構成されている。

具体的には、本実施の形態の面発光装置において、図２Ａに示すように、保持基板７には、複数の発光ダイオード５が、例えばマトリクス状に配列されており、各反射体９は、１つの列に配列された発光ダイオード５を一括して覆うように設けられている。この反射体９はそれぞれ、発光ダイオード５の発光面に対向する第１の面１（第１の反射面）と上面に当たる第２の面３とを有しており、反射体の第１の面１で反射された発光ダイオード５の光が隣の反射体９の第２の面に入射（照射）されるように配列されている。そして、反射体９の第２の面３は入射された発光ダイオードの光を上方にあるプリズムシート１５の方向に反射させるように形成され、プリズムシート１５及びプリズムシート１３によって前方に出射される。

以下、本実施の形態の面発光装置における各要素について詳細に説明する。
＜保持基板７＞
保持基板７は、例えば、ガラエポ基板からなり、発光ダイオード５に電圧を印加するための電源配線が設けられた基板である。保持基板７の実装面には、発光ダイオード５が所定の配列で実装され、反射体９が所定の位置に取り付けられる。
保持基板として、アルミベース基板や銅ベース基板を用いても良い。アルミベース基板とは、アルミニウムの板に対して実装面側を絶縁膜で覆い、絶縁膜上に発光ダイオードパッケージ５のための配線パターンが設けられているものである。銅ベース基板はアルミベース基板のアルミニウムの部分が銅に置き換わったものを言う。

＜発光ダイオード＞
発光ダイオード５は、ピンタイプ又は表面実装タイプのどちらのタイプでも使用することができるが、薄型化を考慮すると表面実装タイプの発光ダイオードを用いることが好ましい。また、発光ダイオードの発光色も適用される液晶表示装置の用途及び組み合わされる液晶ユニットの特性を考慮して種々の発光色のものを選択し得る。通常、バックライト用の面発光装置としては白色の光源が使用される。白色の発光ダイオードは、大別すると、特定の波長の発光ダイオードチップと蛍光体を組み合わせたタイプと、１つのパッケージの中にＲＧＢの３つの発光ダイオードチップを設けたタイプがあるが、本実施の形態では、いずれのタイプであっても用いることができる。
また、本発明では、発光色が赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）である３種類の発光ダイオード５を用いて、反射体９の第１の面及び第２の面によってそれら３色の光が混ざり合うように反射させて出射することで白色の面発光光源を実現することも可能である。

また、発光ダイオード５は、図２に示すように、例えば、保持基板７上にＺ方向及びＸ方向に一定間隔に配列（本明細書において、マトリクス配置という。）されるように実装される。尚、本発明において、発光ダイオード５の配列は、マトリクス配置に限定されるものではなく、例えば、Ｚには直線上に配列する一方、Ｘ方向には隣接間でＺ座標を異ならせて配置（例えば、ジグザグに配置）してもよい。

＜反射体９＞
反射体９は、その第１の面１でＺ方向に配列された発光ダイオード５を一括して覆い、第２の面で隣接する反射体の第１の面から入射される光を上方に（プリズムシート１５に向けて）反射させる。尚、実施の形態では、第２の面が鏡面の反射面である場合の例で説明するが、本発明では、入射される光を乱反射させるような反射面であっても良い。
反射体９の第１の面１は、その面で覆っている発光ダイオード５が出射する光を隣接する反射体９の第２の面３に向けて反射させる面である。

以上の反射体９は、Ｚ方向に配列された発光ダイオード５を一括して覆うために、その長手方向がＺ方向に一致するように、発光ダイオードが配列された各列に対応して保持基板７の実装面に取り付けられる。
尚、反射体９の第１の面１及び第２の面３の面形状の具体例、表面形態の具体例及びバリエーションについての詳細は後述する。

反射体の材料としては、大型ディスプレイへの応用が期待されていることから軽量材料であることが好ましい。また、第１の面及び第２の面は、光を反射するために、反射率の高い材料を用いることや、表面に金属コーティングすることが好ましい。具体的な材料として、樹脂として、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、非晶性ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ノルボルネン系樹脂、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）等が挙げられる。反射体の材料としてＡｌ等の金属を使用してもよい。Ａｌを使用する場合、表面処理をしても使用できるが、鏡面処理をしても使用可能となる。

＜プリズムシート１３，１５＞
プリズムシート１３，１５は、例えば、ポリカーボネートからなるシートにプリズムパターンを形成したもの又はポリエステルからなるシートにアクリル樹脂からなるシートにプリズムパターンを形成したものを張り合わせたものからなり、反射体９の第２の面で反射された光の進行方向を、液晶ユニット１１の法線方向に向けるものであり、プリズムシート１３，１５は、形成されているプリズムの方向が互いに直交するように配置されている。ここでは、プリズムシート１５は、上面に、断面形状が三角形である複数のプリズムがＺ方向に形成されており、第２の面３で反射された光のうちのＸＹ面内成分の進行方向を液晶ユニット１１の法線方向に向ける。
また、プリズムシート１５は、上面に、断面形状が三角形である複数のプリズムがＸ方向に形成されており、第２の面３で反射された光のうちのＹＺ面内成分の進行方向を液晶ユニット１１の法線方向に向ける。
これにより、第２の面３で反射された光は、プリズムシート１３，１５を通過することで、液晶ユニット１１の液晶ユニットの法線方向に向けられる。

本発明に係る実施の形態の面発光装置は、以上のような構成により、導光板を使用することなく、実質的に点光源と見なされる発光ダイオードの光を拡げて面発光させるものである。この実施の形態の面発光装置では、例えば、反射体９の形状、特に、第１の面１と第２の面３の面形状と大きさ、反射体９の隣接間の間隔などを適切な形状、配置とすることにより、発光ダイオードの発光を効果的に面発光させかつ発光面における光量分布を均一にできる。

＜各要素の形状、個数及び相互の配置＞
本実施の形態において、使用する発光ダイオードの個数は、バックライト光源の発光面の大きさと、求められている輝度等に基づいて設定する。
個数を設定したら、保持基板７の実装面における、発光ダイオードの配列位置を設定する。ここで、発光ダイオードは、等間隔に配置することが好ましい。

反射体９の第１の面１は、上述したように、好ましくは、そこで反射した光を実質的に全て隣接する反射体９の第２の面に入力させるものであるから、その面形状及び発光ダイオードの発光面との相対位置は、隣接する反射体９の第２の面の位置、大きさ及び形状を考慮して設定される。

反射体９の第２の面３は、その面で反射した第１の面１からの光をプリズムシート１５，１３に入射させるものであり、当該第１の面１の形状及び第１の面１の位置を考慮して設定されるものであることは言うまでもないが、さらに、他の反射体９の第２の面との関係も考慮して、形状、大きさ及び位置を設定する。すなわち、複数の反射体の第２の面３で反射された光が、プリズムシート１５，１３に入射される時点のＸＺ平面内において光量分布が均一になるように第２の面３の形状と相対位置を設定すると、均一な面発光が可能な面発光装置が実現できる。尚、第２の反射面３はその端が発光ダイオード５の端まで達していても良い。

例えば、発光中心軸近傍に出射される光の強度が高く、発光中心軸から離れるにしたがって（発光中心軸との角度が大きくなるにしたがって）光の強度が減衰するような指向特性を持った発光ダイオードを用いた場合、以下のようにして、均一な面発光が実現できる。

第１の方法．
上述したように、発光ダイオードから出射した光は、第１の面１と第２の面３で２回反射された後、プリズムシート１５に到達する。そこで、発光ダイオードから出射される発光中心軸近傍の強度が高い光の広がりを、発光中心軸から離れた比較的強度の低い光に比較して大きくするように第１の面１と第２の面３の各面形状及び相対位置を設定する。すなわち、発光ダイオードの指向特性を考慮して、発光ダイオードの出射光がプリズムシート面に均一な光量分布で照射されるように、第１の面１と第２の面３の各面形状及び相対位置を設定すると、均一な面発光が実現できる。

第２の方法．
また、隣接する第２の面から反射される光がプリズムシート１５に到達する際に重なるようにして光量分布の均一化を図ってもよい。
例えば、隣接する一方の第２の面から反射される光の発光中心軸から離れた強度の低い光と、他方の第２の面から反射される光の発光中心軸から離れた強度の低い光が重なり合って光量を補完しあうように、第１の面１と第２の面３の各面形状及び相対位置を設定する。このようにしても、均一な面発光が実現できる。
さらに本発明では、第１の方法と第２の方法を組み合わせて均一な面発光を実現してもよい。

次に、第１の面１及び第２の面３の面形状について説明する。
本実施の形態の面発光装置において、第１の面１及び第２の面３の面は、上述の機能が実現できる面であれば、平面であっても曲面であってもよい。しかしながら、均一な面発光を実現するためには、発光ダイオードから出射方向に応じて光の拡散度合いを調整しえる曲面であることが好ましい。本実施の形態において、曲面とする場合には、例えば、放物柱面の一部、双曲柱面の一部又は楕円柱面の一部により構成することができるし、さらには球面であっても良い。このような曲面を用いると光学設計を容易にできる。

ここで、放物柱面とは、基準面からの距離とその基準面に平行な焦点軸からの距離（焦点軸に直交する面内における距離）が、等しい点の集まりとして定義される曲面である。また、双曲柱面とは、互いに平行な２つの焦点軸からの距離（焦点軸に直交する面内における距離）の差が一定である点の集まりとして定義される曲面である。楕円柱面とは互いに平行な２つの焦点軸からの距離（焦点軸に直交する面内における距離）の和が一定である点の集まりとして定義される面である。
すなわち、放物柱面では、任意のｘｙ平面において断面が放物線であり、
双曲柱面では、任意のｘｙ平面において断面が双曲線であり、楕円柱面では、任意のｘｙ平面において断面が楕円である。

図３Ａ〜図３Ｃには、それぞれ第１の面１を放物柱面にした場合について示している。また、図３Ｃでは、発光ダイオード５を焦点軸ｆ１上に配置した場合を示し、図３Ａには、発光ダイオード５を焦点軸上よりも第１の面に近づけて配置した場合を示している。図３Ｂは、それらの中間に発光ダイオード５を配置した例である。図３Ａ〜図３Ｃから明らかなように、第１の面１が同じ形状であっても第１の面１に対する発光ダイオード５の位置を変更することにより、第１の面１で反射された後の光の広がりを制御することができることがわかる。

例えば、焦点軸上に発光ダイオード５を配置した図３Ｃの場合では、発光ダイオードの光は反射された後、平行になる。このようにすると、第２の面の形状設計が容易になるとともに、隣接する反射体間の相対位置の誤差による影響を少なくできる。
また、発光ダイオード５を第１の面に近づけると、発光ダイオードの光は反射後の拡散範囲を広くできる。

図４Ａ及び図４Ｂには、第１の面１と第２の面３をいずれも双曲柱面とした場合について示している。この図４Ａ及び図４Ｂではいずれも発光ダイオード５は、第１の面の焦点軸上に配置している。第１の面を双曲柱面とした場合であっても、第１の面１を放物柱面にした場合と同様、第１の面に対する発光ダイオードの相対位置を変更することにより、第１の面で反射された後の光の広がり度合いを制御できる。
図４Ａと図４Ｂの間では、第２の面における焦点軸ｆ２の位置が異なっている。具体的には、図４Ａでは、図４Ｂの第２の面より、焦点軸から離れた部分にある双曲柱面の一部利用して第２の面が構成されており、図４Ｂに示す第２の面は、図４Ａに示す第２の面より曲率が大きく、図４Ａに示す第２の面の方がより平面に近い曲面になっている。その結果、第２の面で反射された後の光の広がりは、図４Ｂの方が大きくなっている。

このように、双曲柱面や放物柱面を用いて、焦点軸の位置及び発光ダイオードの配置位置等により、反射方向及び光の拡散を種々変更できるので、それらのパラメータを逐次変更しながら最適化することにより、均一な面発光を実現できる。
また、楕円柱面を用いた場合も同様に、焦点軸の位置、発光ダイオードの配置位置等によって均一な面発光が可能である。

尚、本発明では、第１の面及び第２の面は、ミラーボールのような、複数の平面の集合体からなる擬似的な曲面であってもよい。

以上、詳細に説明したように、本発明に係る実施の形態の面発光装置は、以下のような特有の効果を有する。
第１に、本発明に係る実施の形態の面発光装置は、複数の反射体９を用いて、点光源である発光ダイオードの光を拡げているので、導光板を用いることなく面発光させることができ、発光面の面積が大きくかつ薄型で軽量の面発光装置を実現できる。

また、本発明に係る実施の形態の面発光装置では、発光ダイオードを２次元的（例えば、マトリクス状）に配列することができるので、構造に起因する制約を受けることなく、要求される輝度に応じて発光ダイオードの個数を設定することができ、高い輝度の面発光を容易に実現できる。
すなわち、導光板を使用する従来のタイプでは、導光板の側面に発光ダイオードを配列することになるので、使用することができる発光ダイオードの数が制限される。
従って、発光ダイオードを用いた高輝度でかつ大型のバックライト光源を容易に構成でき、大型の液晶表示装置に利用し得る面発光装置を提供できる。

さらに、本発明に係る実施の形態の面発光装置では、第１の面１と第２の面３の各面形状及び相対位置により、均一な面発光をさせることができる。
特に、本実施の形態の構造では、第１の面１と第２の面３により２段階で反射させて発光ダイオードの光を拡散させているので、点光源である発光ダイオードを光源として用いた場合であっても、容易に２次元的な面に拡げることができる。
また、発光ダイオードは、消費電力が小さく長寿命であることから、発光ダイオードを光源として使用した場合には、低消費電力でかつ寿命の長い面発光光源が実現できる。

以上、実施の形態の面発光装置に基づいて、本発明について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の範囲内において種々の変形が可能である。
以下、代表的な変形例について説明する。

変形例１．
本発明に係る実施の形態の面発光装置では、第２の面３を滑らかな反射面（鏡面）としたが、本発明では、第２の面が入射される光を散乱させる散乱面（例えば、粗面）であってもよい。
このように構成された変形例１の面発光装置を、例えば、液晶表示装置以外の用途（発光面に対して直交する方向に出射する必要がない用途）に用いる場合には、プリズムシートを用いることなく構成することが可能であり、構成を簡単にできる。

変形例２．
実施の形態の面発光装置では、マトリクス状に配列した発光ダイオードを用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、発光ダイオードに代えて、同じく点光源であるハロゲンランプやHIDランプを用いてもよい。
また、本発明では、発光ダイオードに代えて、線光源である、冷陰極蛍光ランプ（CCFL）や熱陰極蛍光ランプ（HCFL）、外部電極蛍光ランプ、有機EL、無機ELなどを用いて構成することもできる。
さらに、本発明では、光源として、点光源と線光源を組み合わせて用いてもよい。

変形例３．
以上の実施の形態の面発光装置では、第１の面１と第２の面３とを備えた反射体を用いて構成したが、第１の面１を備えた構造体と第２の面３を備えた構造体を別体の構造体としてもよい。以上のようにしても実施の形態と同様の作用効果が得られる。

変形例４．
本実施の形態では、１列に配列された複数の発光ダイオードを一括して覆う反射体を設けたが、本発明はこれに限られるものではなく、１つの発光ダイオードに対して１つの反射体を設けるようにしてもよい。
以上、代表的な変形例を挙げたが、本発明はこれらの実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の範囲内においてさらに種々の変形が可能である。

本発明の実施例１の構成要素を以下に詳述する。
保持基板７としてはアルミベース基板を使用する。
反射体９は、材料として白色のポリカーボネート樹脂を使用する。第１の面１に鏡面加工を施し、第２の面３にブラスト加工を施す。反射体の形状としては、図４Ａのように第１の面１と第２の面３を共に双曲柱面として形成する。光源としての発光ダイオードは第１の面１の焦点に配置する。反射体の大きさは、短手方向（図２のｘ軸方向）の長さを３２ｍｍ、長手方向（図２のｚ軸方向）の長さを２００ｍｍとする。１反射体が覆う発光ダイオード５の数を４つとする。短手方向に１５の反射体９を配置し、長手方向に４の反射体９を配置する、すなわち縦１５×横４（１５行４列）に形成する。さらに反射体の直上に２枚のプリズムシートをプリズム面を上向きに直行させて配置する。このようにして４０ｉｎｃｈ用の面発光装置が完成する。
１発光ダイオード５当たり、動作電圧（Ｖｆ）を４．３Ｖ、動作電流（Ｉｆ）を３５０ｍＡで駆動させる。このように配置した面発光装置は一部に極端に明るい異常発光等は見られず、略６０００ｃｄ／ｍ２となる。

本発明の実施例２の構成要素を以下に詳述する。以下に言及しない部分に関しては実施例１の構成と同様とする。
反射体９は、材料としてアクリル樹脂を使用する。図３Ｃのように第１の面１を放物柱面とし、且つ、Ａｇを蒸着して鏡面化させる。第２の面３は平面とし、且つ、白色のポリカーボネート製の拡散性のシートを配置する。
このような構成を有し、他の部分は実施例１と同様の構成とする。駆動させた場合、実施例１と同程度の特性が得られる。

本発に係る面発光装置は、主として、チャネルレターやコンピュータ、ワードプロセッサ、テレビジョン等の画像表示に用いる液晶表示素子のバックライト光源などに利用されるが、他の用途にも幅広く適用し得る。

本発明に係る実施の形態の面発光装置の分解斜視図である。実施の形態の面発光装置における、発光ダイオードと反射体が実装された保持基板の構成を示す斜視図である。実施の形態の面発光装置において、放物柱面の一部からなる第１の面での反射の様子を示す図（その１）である。実施の形態の面発光装置において、放物柱面の一部からなる第１の面での反射の様子を示す図（その２）である。実施の形態の面発光装置において、放物柱面の一部からなる第１の面での反射の様子を示す図（その３）である。実施の形態の面発光装置において、双曲柱面の一部からなる第１の面と双曲柱面の一部からなる第１の面とによる反射の様子を示す図（その１）である。実施の形態の面発光装置において、双曲柱面の一部からなる第１の面と双曲柱面の一部からなる第１の面とによる反射の様子を示す図（その２）である。

符号の説明

１・・・第１の面
３・・・第２の面
５・・・発光ダイオード
７・・・保持基板
９・・・反射体
１１・・・液晶ユニット
１３，１５・・・プリズムシート
１００・・・面発光装置
２００・・・液晶表示装置

Claims

複数の光源と、
それぞれ前記光源を覆う第１の面と照射される光を反射させる第２の面とを有する複数の反射体と、前記複数の光源と前記複数の反射体とが設けられた基板と、を備え、
前記反射体はそれぞれ、当該第１の面で前記光源から出射される光を隣接する反射体に設けられた第２の面に照射させるように配置され、該第２の面で反射された光を出射することを特徴とする面発光装置。
前記第２の面は、照射される光を乱反射させる反射面である請求項１記載の面発光装置。
前記第１の面は、曲面である反射面を含む請求項１又は２記載の面発光装置。
前記各反射体の第１の面はそれぞれ、１つの直線上に配列された光源を覆っており、前記反射体はその長手方向が互いに平行になるように配置されている請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の面発光装置。
前記曲面は、前記直線に平行な焦点軸を有する放物柱面の一部である請求項４記載の面発光装置。
前記曲面は、前記直線に平行な焦点軸を有する双曲柱面の一部である請求項４記載の面発光装置。
前記曲面は、前記直線に平行な焦点軸を有する楕円柱面の一部である請求項４記載の面発光装置。
前記第２の面は、粗面である請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の面発光装置。
前記第２の面は、反射により照射される光を散乱させる請求項８記載の面発光装置。
前記光源は、発光ダイオードである請求項１〜９のうちのいずれか１つに記載の面発光装置。
前記発光ダイオードは、発光色が白色である請求項１０記載の面発光装置。
前記発光ダイオードは、発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップからの光を波長変換する蛍光物質とを有してなる請求項１１記載の面発光装置。
前記発光ダイオードは、発光色の異なる複数の発光ダイオードチップを含む請求項１１記載の面発光装置。
前記第２の面上に１又は２以上のプリズムシートを有する請求項１〜１３のうちのいずれか１つに記載の面発光装置。