JP4774035B2 - 面光源及び表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、導光板を備えた面光源と、該面光源により背面を照射される表示パネルとを備えた表示装置に関するものである。

液晶表示パネルを背面から照射するバックライトなどの面光源として、ＬＥＤなど光源と導光板とを備え、光源からの光を導光板の入射端面で受け、拡散して出射させる面光源が知られている。このような面光源は、出射面全体にわたって均一な発光強度が得られることが好ましいが、入射端面付近で発光強度が不均一となる問題があった。

特許文献１に記載の面光源によると、前記問題を解消すべく、入射端面に複数のプリズムを形成し、隣り合う該プリズム間の間隔やプリズムの傾斜角を適宜調整させている。これによると、入射端面近傍に形成される暗部を小さくできることが開示されている。
特開２００５−７１９７１

特許文献１に開示された面光源によると、発光強度の均一性の改善が不十分である。また、導光板の側端面からの漏光に対して配慮されておらず、この部分を介して光が漏れた場合、光の利用効率が悪くなる問題がある。

本発明の面光源は、光源と、導光板とを備え、前記光源から発した光が前記導光板の入射端面から入射し前記導光板の出射面から出射する面状光源であって、前記入射端面は複数の凹部を有し、前記導光板の屈折率はｎであり、前記複数の凹部がなす面と前記入射端面の接平面とのなす角度が（９０−２・ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ））度以下であることを特徴とする。

本発明の面光源は、前記光源は、前記導光板に対し前記入射端面の接平面よりも離れた位置に設置されていることが好ましい。

本発明の面光源は、前記凹部は略円弧状であることが好ましい。

本発明の面光源は、前記凹部は三角形状であることが好ましい。

本発明の液晶表示装置は、上記のいずれかに記載の面光源と、液晶表示パネルとを備え、該液晶表示パネルは前記面光源によって背面を照射されることを特徴とする。

本発明の面光源によれば、面光源の入射端面近傍における発光強度の均一化を図るとともに、光の利用効率の低下を抑制することができる。

（実施の形態１）
（発光装置）
図１は発光装置およびアレイ光源の形状を示す図である。光源である発光装置１００は、いわゆる樹脂モールドタイプのパッケージ形態を有するものであって、基板１１と、その上にダイボンディングされたチップ１２と、これらを被覆する樹脂１３とを備え、樹脂１３には予め蛍光体１４が分散されている。

チップ１２は発光ピーク波長が約４５０ｎｍの青色光である１次光を発する窒化物半導体発光素子である。

基板１１はチップ１２を駆動させたときの発熱を速やかに放熱させるため、熱伝導性の高い材質で形成され、セラミックなどの高放熱材料が好適に用いられる。また、チップ１２に通電するための配線などが予め形成されている。

樹脂１３は、１次光や２次光に対して耐久性の高いシリコーン樹脂などが好適に用いられる。樹脂１３には、１次光を吸収して、これと異なる波長である２次光を発する蛍光体１４が予め分散されている。

蛍光体１４は、１次光を吸収して、ピーク波長が約５６０ｎｍの黄色光である２次光を発する黄色蛍光体を用いることができる。

また、前述の黄色蛍光体に代えて、１次光を吸収して赤色および緑色の２次光を発する、赤色蛍光体および緑色蛍光体を用いることができる。

発光装置１００は、チップが発した１次光と、該１次光が樹脂１３を通過し、これに分散された蛍光体１４が１次光の一部を吸収して発する２次光とが混合されて白色の出射光を発するように形成されている。

また、青色光を発するチップ１２に代え、ＵＶ光である１次光を発するチップと、１次光を吸収し、赤色、緑色、および青色の２次光を発する蛍光体を組み合わせて用いることができる。

このように、樹脂１３に少なくとも２種類以上の蛍光体が分散されてなる構成とすることにより、出射光のスペクトル分布に赤色成分を十分に含ませることができ、黄色蛍光体のみを用いた場合に比べ、演色性を向上させることができる。

発光装置１００の発光強度の角度依存性は、その出射面の垂線方向、すなわち光軸に対する角度θに対してｃｏｓθとなるものであって、ランバーシアン分布と呼ばれるものである。この分布によると、発光強度は光軸方向成分が最も高く、側方成分は角度が大きくなるに従って徐々に低くなる。

発光装置１００は基板１１の面やパッケージの外郭面で起こる全反射を除けば、チップ１２を取り囲むようなリフレクタ等の反射部材を備えていない。従って出射光の指向性が比較的広くなるものの、多重反射により光がパッケージ内に戻されて減衰する成分が少ないため、光の取り出し効率が高い。

図１（ｂ）はアレイ光源の形状を示す図である。アレイ光源２００は、実装基板２１と、この上に線状に配設された複数の発光装置１００を備え、後述する導光板の一辺に沿って出射光を導入させるように設計されており、短冊状の形状を有する。実装基板２１は、発光装置１００の発熱を速やかに放熱させるため、熱伝導性の高い材質で形成され、アルミニウムなどの高放熱材料が好適に用いられる。また、発光装置１００に通電するための配線などが予め形成されている。

なお発光装置１００は、青色光、緑色光、赤色光それぞれを出射する３種類以上のチップが一体的にパッケージングされ、混色して白色光を出射するように構成されたものでもよい。また発光装置１００は、青色光、緑色光、赤色光のいずれかを出射するものであって、これらを組合わせて備えることによりアレイ光源２００を構成してもよい。また、何れの構成であっても、発光装置１００の出射光が導光板内を走行する間に混色され、より色むらが緩和される。
（導光板）
図２は、面光源の構造を示す図である。面光源３００が有する導光板３０は、アレイ光源２００の出射光を受け、拡散して出射する部材であって、透明度の高いポリカーボネートやアクリルなどが好適に用いられる。また、導光板３０内には、出射光の取り出しや、発光強度の面内均一化を図ることを目的として、導光板内の光を散乱させるシリカやポリマーなどの散乱粒子（図示しない）が分散されている。

導光板３０の形状は平面図において矩形の形状を備え、光が出射する側の出射面３１と、裏面３２、導光板３０の長手方向であって、上下に互いに対向する一対の端面である入射端面３５、これに直交するとともに、導光板３０の左右に互いに対向する一対の端面である反射側面３９とを備える。

出射面３１は平坦であるが、裏面３２は中心線近傍の厚みが最も厚く、導光板３０の上下それぞれの端部に近づくに従って厚みが薄くなるような傾斜面を備える。従って、導光板３０は、後述する入射端面３５などの部分を除けば、縦断面は扁平な５角形で、概ねくさび状の形状を備えている。

導光板３０の上下それぞれの端部の一辺に沿う入射接平面３７には、複数の連続した凹状円弧を有する入射端面３５が形成されており、そのピッチは、入射端面３５に相対して配設されるアレイ光源２００に実装された発光装置１００のピッチと等しくなっている。

導光板３０の製造方法については、押し出し成形により断面が扁平な５角形である板を予め形成しておき、続いて入射接平面３７に入射端面３５を形成する方法がある。入射端面３５の形成方法として、レーザ加工により凹状円弧の形状を形成することができる。また、凹状円弧の形状の刃を備えた裁断装置で入射接平面３７を裁断することにより、形成することができる。

さらに別の方法として、導光板３０の形状である浅い皿状の凹部を有する雌型を用いた圧縮成形により製造することもできる。

なお本発明の主な特徴は、入射端面３５に所定の形状を備えることであるから、導光板３０の形状は前述のものに限定されない。例えば導光板３０の裏面３２が、中心線近傍の厚みが最も薄く、導光板３０の上下それぞれの端部に近づくに従って厚みが厚くなるような傾斜面を備えるものでもよい。また、導光板３０の上下何れか一方の端部に近づくに従って厚みが単調減少するような傾斜面を備え、後述するアレイ光源２００が何れか一方の端部に備えられるものでもよい。また、出射面３１と裏面３２とが平行なものであってもよい。

また、出射光の取り出しや、発光強度の面内均一化を図ることを目的として、前述の散乱粒子に代え、導光板３０の裏面３２にドットパターンやシボパターンを形成してもよい。また、出射光の取り出しなどを目的として、裏面３２に反射シートを備えてもよい。
（面光源）
図２に示す面光源３００は、フレーム４１、これに配設されるアレイ光源２００、その出射光を受け、拡散して出射する導光板３０などを備える。

フレーム４１の上下それぞれの端部は、その一辺に沿って略直角に立ち上がり、立ち上がって互いに対向する面にアレイ光源２００が配設される。フレーム４１の上下それぞれの端部に配設された一対のアレイ光源２００の間に導光板３０が介設され、発光装置１００の出射面が導光板３０の入射端面３５と相対し、この面に対し略垂直な方向に光を入射させるように構成されている。また、入射端面３５と発光装置１００との間にはギャップが設けられており、この部分で、周囲温度の変化による導光板３０の寸法変化を吸収させることができる。

フレーム４１は、アレイ光源２００や導光板３０などを支持するとともに、面光源３００の温度上昇を抑制させるため、機械的強度が高く、かつ放熱性の高い金属などにより形成することが好ましい。

さらにフレーム４１の面に凹凸状のリブ４３を備えることにより、放熱に寄与する表面積が増すとともに機械的強度が増し、フレーム４１を薄肉化できる。なお、リブ４３の設置方向を縦方向とすることにより、フレーム４１の下部より上部へ向かう対流による放熱がなされ、より効果的である。

導光板３０の上下それぞれの端部には、アレイ光源２００と入射端面３５との間を覆うように反射部材３６が添設されており、アレイ光源２００からの出射光を反射部材３６により反射させ、効率良く導光板３０に導入させるよう構成されている。

なお導光板３０は、フレーム４１の上下それぞれの端部の一辺に沿って略直角に立ち上がった部分に配設されたクリップ４２により導光板３０の端部を押さえるように緩く装着され、周囲温度の変化による導光板３０の寸法変化や衝撃を吸収可能なようになっている。

続いて、面光源３００が備える作用と効果について説明する。

図３（ａ）は、入射端面３５の形状と、光の軌跡を示す図である。アレイ光源２００は、これに実装された複数の発光装置１００と、入射接平面３７に形成された複数の連続した凹状円弧を有する入射端面３５とが正対するように配設されている。

発光装置１００の出射光は入射端面３５に直接、あるいはギャップを覆う反射部材３６で反射されてから導光板３０へ入射し、この内部に含まれる散乱粒子によって散乱されつつ導光板３０内を走行し、そのまま、もしくは、傾斜面で反射した後、導光板３０の出射面３１より出射する。

続いて面光源３００が有する効果について説明する。

一つは、輝線を抑制する効果であって、入射端面３５を凹状の形状、例えば凹状円弧の形状とすることにより得られるものである。

ここで輝線について、大気と導光板の界面における入射角と反射角の関係を示す図４を用いて説明する。

入射端面３５において、図４（ａ）に示すように、導光板３０への入射角をθｉ、出射角をθｒとする。図４（ｂ）に示すようにスネルの法則に従い、θｉを０度から９０度まで増加させた場合、θｉの増加に従ってθｒも増加し、θｉが９０度のときθｒは、その上限である臨界角θｃとなる。例えば導光板の屈折率をｎ＝１．５９とすると、θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）＝３９度である。また、θｉが０度から６０度まで増加する場合、θｒは０度から３３度まで増加するから、θｉが１度増加する毎にθｒは０．５５度増加することになる。同様にして、θｉが６０度から９０度まで増加する場合、θｒは３３度から３９度まで増加するから、θｉが１度増加する毎にθｒは０．２度増加することになる。

このようにθｒの増加量は当初は直線的であるが、θｉの増加に従って徐々に小さくなる。すなわちθｒがθｃに近づくに従って光の密度が高くなるため、入射端面３５が平面である場合は、出射角が概ねθｃの角度をなして走行する光は輝線を発生させるのである。

例えば図３（ｂ）に示すように、入射端面３５が平面である場合は、上述の理由により輝線を発生させてしまう。さらに、界面の垂線に対して臨界角θｃより小さい領域で形成された円錐領域を外れた領域では暗部を発生させてしまう。

続いて、入射端面３５の断面形状を凹状円弧とした場合の作用を図と数式で説明する。

図５は入射端面を凹状円弧とした場合の光の軌跡を説明する図である。図５において、導光板３０は入射端面３５が形成される入射接平面３７を備える。なお図５は説明のため、光源を点光源とみなし、一つの入射端面についてのみ示されている。

入射端面３５は中心をＯとし、曲率半径がｒ０である円弧からなる面であって、その深さはｈである。また、入射接平面３７に対する垂線で中心Ｏを通る線をｚ軸とする。点光源の発光点Ｌは入射接平面３７とｚ軸の交点に備えられるものとする。また、発光点Ｌより出射角がγ’で出射した光が入射端面３５と交わる点を入射点Ｐとする。

γとγ’は補角の関係にあるから、加法定理より、
ｓｉｎγ＝ｓｉｎγ’
三角形ＯＬＰにおいて、正弦定理より、
ｒ０／ｓｉｎγ＝ｂ／ｓｉｎβ
式を整理すると
ｓｉｎβ＝（ｂ／ｒ０）・ｓｉｎγ’ ・・・（１）
スネルの法則より
ｓｉｎβ＝ｎ・ｓｉｎβ’
従って
ｓｉｎβ’＝（１／ｎ）・ｓｉｎβ
＝（１／ｎ）・（ｂ／ｒ０）・ｓｉｎγ’ ・・・（２）
β＋θ＝γ’より、
θ＝γ’−β ・・・（３）
よって式（１）から（３）より、γ’が決まるとθ、β’が求まる。すなわち導光板３０内を走行する光がｚ軸とのなす角（θ＋β’）は、発光点Ｌより出射する光の出射角γ’に対して一意的に求まるのである。

前述の方法に従って求めた光の軌跡を図３（ａ）に示す。これによると、入射端面３５を凹状円弧の形状とすることにより、光の密度が均一化され、輝線の発生を抑制することができる。また、入射点Ｐが凹状円弧全体にわたって分散されるため、明部と暗部の発光強度の差が緩和される。

上記説明によると、指向性が比較的広い樹脂モールドタイプの発光装置を、平坦な入射平面３５に直接入射させると輝線や明暗部が発生する。しかしながら入射端面３５が凹状円弧の形状を備えると、輝線や明暗部の発生が抑制され、発光強度の均一化を図ることができる。

なお図２（ａ）によると、アレイ光源２００と入射接平面３７とが接し、発光装置１００が入射端面３５の凹状円弧の内側に配設されているが、必ずしもこれに限定されない。例えば図２（ｂ）に示すように、発光装置１００を入射端面３５の凹状円弧の内側に一部分だけ入るように配設したり、あるいは発光装置１００を入射端面３５から離して配設してもよい。

また図２（ａ）によると、発光装置１００の配設されるピッチと入射端面３５の凹状円弧が形成されるピッチとが一致し、個々が正対しているが、必ずしもこれに限定されない。例えば図２（ｃ）に示すように、発光装置１００の光軸と入射端面３５の凹状円弧の中心線がずれていてもよい。この場合、光の軌跡が左右対称ではなくなるものの、輝線や明暗部の発生を抑制する効果を得ることができる。

さらに、入射端面３５を粗面とすることによっても、輝線や明暗部の発生を抑制する効果を得ることができる。

さらに本面光源のもう一つの効果は、光の利用効率が高いことである。

図６は入射端面と反射側面との間を走行する光の軌跡を説明する図である。例えば円弧の曲率半径ｒ０に対して深さｈが大きくなると、光は反射側面３９に対して直角に近い角度で入射し、全反射の条件が破られる。そのため、この部分を介して大気中に光が漏れてしまうのである。従って、光を反射側面３９で全反射させ導光板内を走行するように曲率半径ｒ０に対し適切な深さｈを設定すると、光の利用効率を高めることができる。

導光板内の光が反射側面３９において全反射する条件を満たす設計として、例えば円弧と入射接平面３７の交点において、入射接平面３７と円弧の接線とのなす角が（９０−２・θｃ）度となるように設定することが好ましい。その理由を説明する。

図６において、凹状円弧の形状を備える入射端面３５と入射接平面３７との交点を入射点Ｐとし、ここにおいて、凹状円弧の接平面と入射接平面３７とのなす角をαとする。なお反射側面３９で全反射する条件を求める場合、反射側面３９へ最も垂直に近い角度で入射する光の軌跡について考慮すれば足りるため、入射点Ｐへ入射した光の軌跡について考察する。

入射点Ｐにおいて、最も大きな入射角で入射した光は、入射接平面３７の垂線に対し、（α＋θｃ）度なる角度で導光板３０内を走行し、９０−（α＋θｃ）度なる入射角で反射側面３９に到達する。

導光板３０内を走行する光が反射側面３９で全反射する条件は、この入射角が臨界角θｃより大であればよいため、
９０−（α＋θｃ）＞θｃ［度］、これを整理して、（９０−２・θｃ）＞α［度］
となる。

なお、入射点Ｐに最も大きな入射角で入射する光は、凹状円弧の表面に沿って入射する光であるが、実際の面光源においては発光点Ｌが凹状円弧より離れた位置にあるため、αの値は上記より、やや大きめの値であってもよい。

このように、入射端面３５より入射した光は凹状円弧で拡げられ、反射側面３９まで到達し、全反射して再び導光板内を走行する。従って、光の利用効率が高い。
（実施の形態２）
図７は液晶表示装置の断面図である。

液晶表示装置４００は面光源３００と、その直上に配設された液晶表示パネル５１とを備え、これを背面から照射するように構成されている。液晶表示装置４００は面光源３００を備えることにより、発光強度むらの少ない良好な表示を得ることができる。特に入射接平面３７近傍の発光強度むらが少ない。また、低消費電力化を図ることができる。
（実施の形態３）
図８は面光源の入射端面近傍を示す図である。

本実施の形態の特徴は、導光板３０が、その中心線を含む導光板３０ａと、入射端面３５ａを含む複数の導光板３０ｂとに、ギャップを隔てて分離されているところである。さらに導光板３０ｂの入射接平面３７に、断面が凹状円弧の形状を有する入射端面３５に代え、三角形状の入射端面３５ａが形成されている。なお、導光板３０ａ、３０ｂ間のギャップを覆うように反射部材３６を備えることが好ましい。

発光装置１００の出射光は導光板３０ｂによって進行方向が曲げられ、ギャップを介して導光板３０ａの端面へ直接、または、反射部材３６により反射されて入射する。

面光源３００の周囲温度が変化した場合、導光板３０と、複数の発光装置１００が実装される実装基板２１は、それぞれが備える線膨張率の差異により寸法変化を生じ、発光装置１００と入射端面３５の間で位置ずれを発生させる場合がある。しかしながら導光板３０はギャップを備えることにより、寸法変化を吸収することができる。また、複数の導光板３０ｂは個々の反射側面で全反射が起こるため、ギャップの部分で光が漏れる影響が少ない。

また、入射接平面３７に対して三角形状の入射端面３５ａの傾斜角は、凹状円弧である入射端面３５を形成した場合と同様の理由により、（９０−２・θｃ）度となるように設定することが好ましい。

なお、導光板３０を導光板３０ａと３０ｂとに分離することと、入射接平面３７に入射端面３５ａを形成することは、同時に実施されても、または何れか一方が実施されるものであっても良い。

また、導光板３０ａに散乱粒子を含むようにし、導光板３０ｂに散乱粒子を含まないように構成することにより、光の利用効率を高くすることができる。三角形状の入射端面３５ａは、入射した光が反射側面３９において全反射する条件を満たすように形成されている。一方散乱粒子は、導光板内で光を散乱させることにより出射光の取り出しを図る等の作用が有るものの、一部の光が反射側面３９において全反射する条件を破り、光が大気へ漏れる場合がある。従って、導光板３０ｂに散乱粒子を含まないように構成することが好ましい場合がある。

また、導光板３０の製造において、入射端面３５ａのように複雑な形状を備える導光板３０ｂと、これに対して単純な形状である導光板３０ａとが分離されているため、製造が容易である。例えば寸法の小さく複雑な断面形状を備える導光板３０ｂを、導光板３０ａとは別に製造することにより、加工精度や製造歩留の向上を図る上で有利である。

本実施例は、導光板３０の入射端面３５に複数の連続した凹状円弧を有する場合の面光源の実施例である。図３は入射端面を凹状円弧とした場合の光の軌跡を示す図である。

入射接平面３７には複数の連続した凹状円弧を有する入射端面３５が形成されており、隣り合う入射端面とのピッチは９ｍｍである。また、円弧の曲率半径はｒ０＝２０．５９ｍｍ、深さｈ＝０．５ｍｍである。また導光板３０の材質はポリカーボネートであって、その屈折率ｎ＝１．５９、臨界角θｃ＝３９度である。従って、入射接平面３７と円弧の接線とのなす角は、（９０−２・θｃ）＝１２度以下となるように形成する。

このような導光板においては導光板３０内を走行する光が反射側面３９で全反射され、再び導光板３０内を走行するために、光の利用効率が高い。また、入射接平面３７近傍の発光強度むらが少ない。

本実施例は、導光板３０の入射端面３５に複数の連続した三角形状を有する場合の面光源の実施例である。図９は入射端面を三角形状とした場合の光の軌跡を説明する図である。

入射接平面３７には複数の連続した三角形状を有する入射端面３５ａが形成されており、隣り合う入射端面とのピッチは９ｍｍ、深さｈ＝０．９６ｍｍである。また導光板３０の材質はポリカーボネートであって、その屈折率ｎ＝１．５９、臨界角θｃ＝３９度である。従って、入射接平面３７と入射端面３５ａとのなす角は、（９０−２・θｃ）＝１２度以下となるように形成する。このような構成によっても、実施例１と同等の作用と効果を得ることができる。

本実施例は、実施の形態１に記載のアレイ光源２００に代えて、線状光源２００ａを備えたことを特徴とするものである。図１０は線状光源およびこれを備えた面光源の入射端面近傍を示す図である。以下、実施の形態１に記載の構成と同一の部分については説明を省略し、異なる部分について説明する。

線状光源２００ａは、実装基板２１にダイボンディングされた複数のチップ１２と、これを個々に被覆する樹脂１３ａと、さらにこれらを一体的に被覆する樹脂１３ｂを備える。樹脂１３ａには蛍光体１４（図示しない）が分散されており、チップ１２が発した１次光と、この一部を吸収して蛍光体１４が発する２次光とが混合されて白色光を発するように形成されている。

さらに樹脂１３ｂの表面は、チップ１２の直上、および隣り合うチップの間に断面Ｖ字状の凹部を備え、長手方向の発光強度の均一性向上が図られている。なお、樹脂１３ｂは導光作用を得るためのものであって、蛍光体１４が分散されていなくともよい。

面光源３００においては、入射端面３５と、線状光源２００の出射面とが相対するように配設されている。このような構成によっても実施例１と同等の作用と効果を得ることができる。

発光装置およびアレイ光源の形状を示す図である。 面光源の構造を示す図である。 入射端面を凹状円弧とした場合の光の軌跡を示す図である。 大気と導光板の界面における入射角と反射角の関係を示す図である。 入射端面を凹状円弧とした場合の光の軌跡を説明する図である。 入射端面と反射側面との間を走行する光の軌跡を説明する図である。 液晶表示装置の断面図である。 面光源の入射端面近傍を示す図である。 入射端面を三角形状とした場合の光の軌跡を説明する図である。 線状光源およびこれを備えた面光源の入射端面近傍を示す図である。

符号の説明

１１ 基板
１２ チップ
１４ 蛍光体
１００ 発光装置
２００ アレイ光源
２１ 実装基板
３００ 面光源
３０ 導光板
３１ 出射面
３２ 裏面
３５ 入射端面
３６ 反射部材
３７ 入射接平面
３９ 反射側面
４１ フレーム
４３ リブ
４００ 液晶表示装置
５１ 液晶表示パネル

Claims (5)

1. 光源と、導光板とを備え、前記光源から発した光が前記導光板の入射端面から入射し前記導光板の出射面から出射する面状光源であって、
   前記入射端面は複数の凹部を有し、
   前記導光板の屈折率はｎであり、前記複数の凹部がなす面と前記入射端面の接平面とのなす角度が（９０−２・ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ））度以下である面光源。
2. 前記光源は、前記導光板に対し前記入射端面の接平面よりも離れた位置に設置されている、請求項１に記載の面光源。
3. 前記凹部は略円弧状である、請求項１に記載の面光源。
4. 前記凹部は三角形状である、請求項１に記載の面光源。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の面光源と、液晶表示パネルとを備え、
   該液晶表示パネルは前記面光源によって背面を照射されることを特徴とする液晶表示装置。