JP4863357B2 - 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、複数の発光素子(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。

例えば、図19に示す従来の表示装置100は、基板101上に所定のピッチで複数のLED(発光素子)120を配置し、各LED120から出射する光を光拡散部材121を透過させた後、その光拡散部材121を透過した光で被照明部材(例えば、液晶表示パネル)3を面状に照明するようになっている。

特開平7−191311号公報(図3参照)

しかしながら、従来の表示装置100は、図10,図11,図15及び図17に示すように、各LED120に対応するように出現する照明光の輝度のばらつきが略波形形状で大きいため、各LED120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。

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等の点状光源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、特に等方的に光を出射する点状光源を用いた場合には不充分であった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個の点状光源を光源として使用するような場合でも、点状光源からの光を効率よく、所望の範囲まで非等方的に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、前記発光素子または封止部材に封止された前記発光素子からの光の入射面として前記光束制御部材の下面に開口する凹みと、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、を備えている。また、前記光制御出射面は、(1)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、前記光制御出射面から出射する光と前記基準光軸とのなす角である出射角θ5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、(2)前記基準光軸に直交する仮想平面に投影した輪郭形状において、前記基準光軸から最短距離に位置する最小輪郭部分が前記基準光軸の周囲に90°間隔で配置され、隣り合う前記最小輪郭部分間に前記基準光軸から最長距離に位置する最大輪郭部分が配置されるようになっており、(3)前記最小輪郭部分から前記最大輪郭部分に向かうにしたがって前記角度θ1に対する前記出射角θ5の値が増加するように形成された、ことを特徴としている。

請求項2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、前記発光素子または封止部材に封止された前記発光素子を収容する凹みと、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、を備えている。また、前記光制御出射面は、(1)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、前記光制御出射面から出射する光と前記基準光軸とのなす角である出射角θ5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、(2)前記基準光軸に直交する仮想平面に投影した輪郭形状において、前記基準光軸から最短距離に位置する最小輪郭部分が前記基準光軸の周囲に90°間隔で配置され、隣り合う前記最小輪郭部分間に前記基準光軸から最長距離に位置する最大輪郭部分が配置されるようになっており、(3)前記最小輪郭部分から前記最大輪郭部分に向かうにしたがって前記角度θ1に対する前記出射角θ5の値が増加するように形成された、ことを特徴としている。

請求項3の発明は、請求項2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、前記凹みを構成する内周面は、前記発光素子または前記発光素子を封止する前記封止部材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4の発明は、請求項2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、前記凹みを構成する内周面は、前記発光素子または前記発光素子を封止する前記封止部材の光出射面に密接するようになっている。

請求項5の発明は、請求項1乃至4のいずれか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、前記光制御出射面は、前記基準光軸近傍の第1の出射面とこの第1の出射面の周囲に位置する第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いることを特徴としている。

請求項6の発明は、前記請求項1乃至5のいずれかの発明に係る発光装置と、こ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7の発明は、前記請求項6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8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を出射する光束制御部材に関するものである。この光束制御部材は、前記発光素子からの光の入射面として前記光束制御部材の下面に開口する凹みと、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、を備えている。この光束制御部材において、前記光制御出射面は、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、前記光制御出射面から出射する光と前記基準光軸とのなす角である出射角θ5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、(2)前記基準光軸に直交する仮想平面に投影した輪郭形状において、前記基準光軸から最短距離に位置する最小輪郭部分が前記基準光軸の周囲に90°間隔で配置され、隣り合う前記最小輪郭部分間に前記基準光軸から最長距離に位置する最大輪郭部分が配置されるようになっており、(3)前記最小輪郭部分から前記最大輪郭部分に向かうにしたがって前記角度θ1に対する前記出射角θ5の値が増加するように形成された、ことを特徴としている。

請求項9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を収容する凹みと、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、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、前記光制御出射面から出射する光と前記基準光軸とのなす角である出射角θ5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、(2)前記基準光軸に直交する仮想平面に投影した輪郭形状において、前記基準光軸から最短距離に位置する最小輪郭部分が前記基準光軸の周囲に90°間隔で配置され、隣り合う前記最小輪郭部分間に前記基準光軸から最長距離に位置する最大輪郭部分が配置されるようになっており、(3)前記最小輪郭部分から前記最大輪郭部分に向かうにしたがって前記角度θ1に対する前記出射角θ5の値が増加するように形成された、ことを特徴としている。

本発明によれば、発光素子から発せられた光の光束を、光束制御部材の光制御出射面により、非等方的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出射された光によって、非等方的な所定の範囲を効率的に照明することができる。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面光源装置に使用する場合、面光源装置における発光面上での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。

《第1実施形態》
[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2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線及びX3−X3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(LED)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の各パラメータを示す図である。ここで、基準光軸Lとは、発光装置9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、平面形状が丸みを帯びた略四角形状の光拡散部材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(例えばLED)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、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及び光束制御部材5によって発光装置9が構成されている。

[光束制御部材]
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4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及び図4(a)に示すように、平面形状が丸みを帯びた略四角形状を呈しており、4隅の比較的曲率半径の小さな曲面8aを比較的曲率半径の大きな曲面8bで接続するような形状に形成されている。そして、この光束制御部材5において、光軸Lに直交する仮想平面に投影した輪郭形状(平面形状)は、対向する比較的曲率半径の大きな曲面8b,8b間の寸法(図4(a)の直交軸方向の側面間寸法)L1よりも、対向する比較的曲率半径の小さな曲面8a,8a間の寸法(図4(a)の対角線方向の側面間寸法)L2の方が大きくなるように形成されている。すなわち、光束制御部材5の平面形状は、光軸Lから最短距離に位置する最小輪郭部分(曲面8bが位置する部分)が光軸Lの周囲に90°間隔で配置されており、隣り合う最小輪郭部分間に光軸Lから最長距離に位置する最大輪郭部分(曲面8aが位置する部分)が配置されている。そして、対向する最小輪郭部分間の寸法L1よりも最大輪郭部分間の寸法L2の方が大きくなるように形成されている。

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(d)のように、裏面側(図4(d)の下面側)に、発光素子4の発光中心を中心とする半径Rの半球状の凹み10が形成されている。この凹み10は、図4(a),(d)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の発光面部4aよりも上方の部分が発光素子4の発光中心を中心とする半球状の第1内周面10aであり、発光素子4の発光面部4aよりも下方の部分が第1内周面10aの下端から下方に延びて光束制御部材5の下面5aに開口する円筒状の第2内周面10bである。そして、凹み10の第1内周面10a及び第2内周面10bと発光素子4との間に空間が生じ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(d)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る。また、第2の出射面6bは、図4(d)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、第1の出射面6aの周囲を取り囲むように形成されている。

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(d)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、第3の出射面6cは、図4(d)に示すように、第2の出射面6bと下面5aの平面部とを滑らかに接続する曲面であるが、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、下面5aの平面部に直交する側面を一部に備えていてもよい。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へ入射する入射角(光制御出射面6へ入射する光Hと光軸Lとのなす角)をθ1とし、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H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14a,14b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。また、図5において、曲線14aは、図4(a)及び図7(a)の出射角φ=0°,90°におけるθ1とθ5との関係を示すものである。また、図5において、曲線14bは、図4(a)及び図7(a)の出射角φ=45°におけるθ1とθ5との関係を示すものである。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、拡散度合いの係数αは、図7(a)に示すように、出射角φ(図4(a)参照)に応じて変化するようになっており、φ=0°とφ=90°の間の出射角φ(0°<φ<90°、但し図7(a)においてはφ=45°)で最大値になるように設定される。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。

このようにして求められたθ3は、図6の曲線16a,16b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(図4(d)参照)、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。なお、図6において、曲線16aは、図4(a)及び図7(a)の出射角φ=0°,90°におけるθ1とθ3との関係を示すものである。また、図6において、曲線16bは、図4(a)及び図7(a)の出射角φ=45°におけるθ1とθ3との関係を示すものである。

拡散度合いの係数αは、図7(a)に詳細を示すように、本実施形態においてはsinカーブでその変化が表されるようになっており、出射角φ=0°,90°でα=1.0(αの最小値(αmin))となり、出射角φ=45°でα=1.1(αの最大値(αmax))となっている。そして、αmax−αmin=2βに設定されており、本実施形態においては2β=0.1に設定されている。なお、図7(b)は図3に対応する図であり、図7(c)はLEDの発光面部と出射角φの関係を示す図である。

尚、本発明を実施するための最良の形態においては、光束制御部材5の裏面側の発光素子4を収容する凹み10が、発光素子4の発光中心を中心とする半径Rの半球状に形成されていることによって、発光素子4からの出射角(図7(b)参照)と光束制御部材5の光制御出射面6への入射角(図3参照)とがθ1で一致している。凹み10の形状が半球状でない場合には、光制御出射面6への入射角θ1として、前述のθ1とθ5の関係、θ1とθ3の関係を満たすように光制御出射面6を設定する。

そして、拡散度合いの係数αは、φ>φ1(90°≧φ>φ1)の範囲において、数3のように表すことができる。また、拡散度合いの係数αは、φ≦φ1(0°≦φ≦φ1)の範囲において、数4のように表すことができる。なお、本実施形態においては、φ1=45°に設定されている。

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19に示す従来の発光素子120から出射される光束に比較し、所望の照射範囲内に向けて滑らかに拡げて出射させられる。

(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9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の発光面部4aから光制御出射面6の第1の出射面6aまでの光軸L方向の距離)、各発光素子4のピッチ間距離p、光束制御部材5の出射面(第1の出射面6a)から光拡散部材7までの光軸L方向の距離Lh、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の半径R)等によって、光束制御部材5の輪郭寸法L1,L2、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=7.17mm、L2=7.71mm、d=2.3mm、R=1.5mm、Lh=24mm、p=45mmに設定されている。δ2はφ=0°からφ=90°まで徐々に変化し、φ=0°,90°においてθ1=δ2=12°、φ=45°においてθ1=δ2=13°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=75°となるように形成されている。

(その他の態様)
なお、上述の実施形態の光束制御部材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、上述の実施形態の光束制御部材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。

また、上述の実施形態において、拡散度合いの係数αは、図7(a)において例示したように、φ1=45°において最大値になるように設定されているが、これに限られず、0°<φ1<90°(90°<φ1<180°、180°<φ1<270°、270°<φ1<360°)の範囲内において最適な角度位置に設定される。

また、上述の実施形態において、拡散度合いの係数αは、照射範囲内における照度分布が滑らかな変化となるように、図7(a)に示したsinカーブにしたがって変化する態様を例示したが、これに限られず、要求される条件に応じた曲線又は直線で表される変化(φの変化に対応する変化)をさせるようにしてもよい。その結果、平面形状が丸みを帯びた四角形状にならなくてもよい。

また、上述の実施形態において、図1に示すように、発光装置9を縦方向及び横方向に等ピッチで3個、合計9個配置する態様を例示したが、図9に示すように、隣り合う発光装置9間のピッチが全て等間隔となるように、合計7個配置するようにしてもよい。この図9に示す表示装置1と図1に示す表示装置1とを比較すると、図1に示す表示装置1は、コーナー部分に対応して発光装置9が配置されるため、コーナー部分を明るく照明できる。一方、図9に示す表示装置1は、発光装置9がコーナー部分に対応して配置されず、図1の表示装置1よりも照明光がコーナー部分に到達し難い。

また、上述の実施形態において、発光素子4と光束制御部材5の凹み10との隙間に樹脂を充填し、発光素子4と光束制御部材5との隙間を無くすようにしてもよい。

[光拡散部材]
図8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8(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8(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8(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8(d)の光拡散部材7は、図8(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8(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8(c),図8(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8(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8(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及び図11は、本発明が適用される表示装置1において、図1に示すような発光素子4の配置とした場合の被照明部材3に照射される光の出射光量分布(照度分布)を示す図である。

このうち、図10は、図1のB方向に沿って測定した照度分布線図を示すものであり、S1で示す線図が図1乃至図4に示した本発明の実施態様における照度分布線図である。また、この図10において、S2で示す線図は、図19に示す従来例の発光素子120を図1に示す本発明の表示装置1の発光素子4と同一の配置にして点灯し、本発明の観測位置に対応させて測定した照度分布を示す線図である。図11は、図1のA方向に沿って測定した照度分布線図を示すものであり、S3で示す線図が図1乃至図4に示した本発明の実施態様における照度分布線図である。また、この図11において、S4で示す線図は、図19に示す従来例の発光素子120を図1に示す本発明の表示装置1の発光素子4と同一の配置にして点灯し、本発明の観測位置に対応させて測定した照度分布を示す線図である。そして、これら図10における観測位置B1,B2,B3が図1における発光素子4の発光中心位置(光軸Lの位置)B1,B2,B3に対応しており、図11における観測位置A1,A2,A3が図1におけるA1,A2,A3に対応している。これらの図に示されるように、従来例は発光素子4上と発光素子4,4間とで照度の差が極めて大きいが、本発明は発光素子4上と発光素子4,4間とで照度の差が極めて小さい。すなわち、本発明は、従来例に比較して照度分布が均一化する。

(LED単灯の場合)
図12は、本発明の表示装置1において、9個の発光素子4のうちの1個の発光素子4のみを発光させた場合に、被照明部材3に照射される光の照度分布を立体的に示す図である。また、図13は、図19に示す従来例の発光素子120を1個のみ発光させた場合に、被照明部材3に照射される光の照度分布を立体的に示す図である。これら図12及び図13を比較して分かるように、本発明によれば、光束制御部材5の機能によって出射光の光束が発光素子4の近傍に広く拡がっており、発光素子4の出射光を滑らかに拡げて被照明部材3に照射させることができる。一方、従来例によれば、発光素子120の直上近傍に出射光の光束が集中している。

(LED複灯の場合)
図14は、図1に示す本発明の表示装置1において、9個の発光素子4の全てを発光させた場合に、被照明部材3に照射される光の照度分布を立体的に示す図である。また、図15は、図19に示す従来例の発光素子120を図1に示す本発明の表示装置1の発光素子4と同様の配置で9個を全て発光させた場合に、被照明部材3に照射される光の照度分布を立体的に示す図である。これら図14及び図15を比較して分かるように、本発明によれば、光束制御部材5の機能によって出射光の光束が発光素子4のピッチが狭いA方向とピッチが広いB方向(図1参照)との差を考慮して非等方的に、且つ光束制御部材5を使用しない場合に発光素子4の直上を局所的に明るく照射する光が発光素子4,4間、特にピッチの広いB方向における発光素子4,4間のような暗部となり易い領域に振り分けられて広く拡がっており、隣り合う発光素子4の光束が混ざり合って、被照明部材3の被照射領域の全域にわたって照度が均一化している。一方、従来例によれば、発光素子4の直上近傍が局所的に明るく照射され、各発光素子4の直上近傍と各発光素子4,4間とで大きな照度差を生じている。

なお、図16は、図9に示す本発明の表示装置1において、7個の発光素子4の全てを発光させた場合に、被照明部材3に照射される光の照度分布を立体的に示す図である。また、図17は、図19に示す従来例の発光素子120を図9に示す本発明の表示装置1の発光素子4と同様の配置で7個全て発光させた場合に、被照明部材3に照射される光の照度分布を立体的に示す図である。これら図16及び図17を比較して分かるように、本発明によれば、光束制御部材5の機能によって出射光の光束のうち、光束制御部材5を使用しない場合に発光素子4の直上を局所的に明るく照射する光が発光素子4,4間のような暗部となり易い領域に振り分けられて広く拡がっており、隣り合う発光素子4,4の光束が混ざり合って、被照明部材3の被照射領域の全域にわたって照度が均一化している。一方、従来例によれば、発光素子120の直上近傍が局所的に明るく照射され、各発光素子120の直上近傍と各発光素子120間とで大きな照度差を生じている。

(本実施形態の効果)
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14及び図16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、各発光素子(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。

なお、図18(a)は、図1乃至図4に示した本願発明に係る表示装置1において、9個の発光素子4を全て点灯した場合に、被照明部材3に照射される光のうちで照度の低い部分を斜線で示した図である。また、図18(b)は、図18(a)の光束制御部材(図4(a)参照)に代えて、平面形状が円形であり且つ光軸L回りのθ5/θ1の数値が図7(c)の出射角φに拘わらず一定である光束制御部材を使用した場合に、被照明部材3に照射される光のうちで照度の低い部分を斜線で示した図である。これらの図18(a)及び(b)を比較して分かるように、図18(a)の態様の本願発明に係る表示装置1の照度分布の方が図18(b)の態様の表示装置1よりも広範囲に均一化する。

図18(c)は、図9に示した本願発明に係る表示装置1の7個の発光素子4を全て点灯した場合に、被照明部材3に照射される光の照射範囲を点線で示す図である。また、図18(d)は、図18(c)の光束制御部材(図4(a)参照)に代えて、平面形状が円形であり且つ光軸L回りのθ5/θ1の数値が図7(c)の出射角φに拘わらず一定である光束制御部材を使用した場合に、被照明部材3に照射される光のうちで照度の低い部分を斜線で示した図である。これらの図18(c)及び(d)を比較して分かるように、図9に示した本発明の表示装置1は、図18(c)に示すように光の照射範囲が重なり合って、被照明部材3に照射される光の照度が均一化する。これに対し、図18(d)の表示装置1は、各発光素子4間に照度の低い部分(斜線部分)が生じる。なお、本発明の光束制御部材5(図4参照)を使用する表示装置1は、被照明部材3へ照射される照明光の平面形状が略四角形状である(図18(a),(c)参照)。

《第2実施形態》
図20は、本発明を適用した発光装置9の第2実施形態を示すものであり、図20(a)が発光装置9の平面図、図20(b)が発光装置9の側面図、図20(c)が図20(a)のX3−X3線に沿って切断して示す断面図である。なお、図20に示す本実施形態の発光装置9は、上記第1実施形態に係る発光装置9と実質的に同一の構成には同一符号を付し、上記第1実施形態に係る発光装置9の説明と重複する説明を省略して詳述する。

この図20に示すように、本実施形態の発光装置9は、発光素子4が基板20に埋設され、基板表面20aと発光素子4の発光面部4aとがほぼ同一面になっており、光束制御部材5が発光素子4の発光面部4aを覆うように基板20上に取り付けられている。

光束制御部材5は、その中心が発光素子4の発光中心から延びる光軸L上に位置しており、半球状の凹み10が発光素子4に対応するように形成されている。すなわち、光束制御部材5の凹み10は、発光素子4の発光中心を中心とする半球状の内周面(第1実施形態における光束制御部材5の凹み10を構成する第1内周面10a)のみからなっており、その内部が空間になっている。

光束制御部材5の下面5a側の外周には、鍔部21が形成されている。この光束制御部材5の鍔部21は、平面形状が略四角形状であり、コーナー部22の外縁が丸められ(R面取りされ)、各コーナー部22の下面に突起23が突出形成されている。光束制御部材5の鍔部21の下面に形成された突起23は、基板20に形成された位置決め穴24に係合され、光束制御部材5の中心を発光素子4の中心に対して位置決めする位置決め機能を有している。

鍔部21は、光束制御部材5の第2の出射面6bを減ずることがない厚さ寸法に形成されており、光束制御部材5の光出射機能を損なうことがない形状になっている。すなわち、鍔部21は、その上面21aと光束制御部材5の光制御出射面6との接続部25が光軸Lから75°以上(β>75°)の位置になるように形成されている。

その結果、本実施形態の光束制御部材5は、発光素子4からの光が鍔部21に回り込むのを少なくすることができ、第1の出射面6a及び第2の出射面6bが第1実施形態の光束制御部材5と同様の光出射機能を発揮する。なお、光束制御部材5は、鍔部21を含めた下面(突起23を除いた下面)5aの全体が基板表面20aに密接するような平坦面になっている。

このような第2実施形態の光束制御部材5は、鍔部21の下面の突起23を基板20の位置決め穴24に係合し、その下面5aを基板表面20aに密接させた状態で固定される。光束制御部材5と基板20の固定は、突起23を位置決め穴24に圧入するか、又は、光束制御部材5の下面5aと基板表面20aとを接着剤(透明や白色の接着剤であって、反射性や遮光性を考慮し、光照射機能に悪影響を及ぼし難い接着剤)で接着することが考えられる。

なお、本実施形態は、鍔部21の外縁の平面形状が略四角形状のものを例示したが、これに限られず、鍔部21の外縁の平面形状が円形のものやその他の形状のものでもよい。

また、本実施形態は、突起23を鍔部21の各コーナー部22にそれぞれ(合計4個)形成する態様を例示したが、少なくとも、対角線上のコーナー部22に一対(合計2個)の突起23を形成すればよい。

また、本実施形態は、突起23を鍔部21の下面に形成する態様を例示したが、これに限られず、図21に示すように、鍔部21を形成せず、突起23を光束制御部材5の下面5aに形成するようにしてもよい。

また、本実施形態は、発光素子4の発光面部4aと基板表面20aとがほぼ同一平面になる態様を例示したが、第2の出射面6bの領域を減ずることがない範囲において、発光素子4の発光面部4aを基板表面20aから所定寸法δ1だけ引っ込めるようにしてもよく(図22(a)参照)、また、発光素子4の発光面部4aを基板表面20aから所定寸法δ2だけ出っ張らせるようにしてもよい(図22(b)参照)。

また、本実施形態は、光束制御部材5の鍔部21を含めた下面(但し、突起23を除く)5aの全体を基板表面20aに密接させる態様を例示したが、これに限られず、発光素子4の発光面部4aを取り囲む環状のシール面が形成され、光束制御部材5の外部の埃が発光素子4の発光面部4a及び凹み10内に進入するのを阻止できるようなものであれば、光束制御部材5の下面5aの一部のみを基板表面20aに密接させるようにしてもよい。

また、本実施形態は、基板20側に位置決め穴24を形成し、この位置決め穴24に係合する突起23を光束制御部材5側に形成する態様を例示したが、基板20側に突起を形成し、この突起に係合する位置決め穴を光束制御部材5側に形成するようにしてもよい。

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、被照明部材を省略して示す平面図である。 図1のX1−X1線及びX3−X3線に沿って切断して示す表示装置の断面図である。 発光素子(LED)の光軸を含む表示装置の一部断面図であり、各パラメータ(θ1,θ3,θ5,δ1,δ2等)を説明する図である。 光束制御部材を示す詳細図であり、(a)が平面図、(b)が(a)の下側面図、(c)が(a)の左側面図、(d)が(a)のX2−X2線に沿って示す断面図である。 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 本発明の光束制御部材の拡散度合いの係数αを説明する図であり、(a)が出射角φと拡散度合いの係数αとの関係を示す図、(b)が図3に対応する図、(c)が出射角φを説明する図である。 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変形例を示す図である。 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(図1のB方向に沿って測定した出射光量分布)を、従来例の出射光量分布と比較して示す図である。 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(図1のA方向に沿って測定した出射光量分布)を、従来例の出射光量分布と比較して示す図である。 図1に示す本発明の表示装置において、9個の発光素子のうちの1個の発光素子のみを発光させた場合に、被照明部材に照射される光の照度分布を立体的に示す図である。 図19に示す従来例の発光素子を1個のみ発光させた場合に、被照明部材に照射される光の照度分布を立体的に示す図である。 図1に示す本発明の表示装置において、9個の発光素子の全てを発光させた場合に、被照明部材に照射される光の照度分布を立体的に示す図である。 図19に示す従来例の発光素子の9個を全て発光させた場合に、被照明部材に照射される光の照度分布を立体的に示す図である。 図9に示す本発明の表示装置において、7個の発光素子の全てを発光させた場合に、被照明部材に照射される光の照度分布を立体的に示す図である。 図19に示す従来例の発光素子を7個全て発光させた場合に、被照明部材に照射される光の照度分布を立体的に示す図である。 発光素子からの出射光によって照射される面内において照度の低い部分を説明する図である。 従来の表示装置を示す図である。 本発明の第2実施形態に係る発光装置を示す図であり、図20(a)が発光装置の平面図、図20(b)が発光装置の側面図、図20(c)が図20(a)のX3−X3線に沿って切断して示す断面図である。 本発明の第2実施形態の第1変形例を示す図であり、図21(a)が発光装置の平面図、図21(b)が発光装置の側面図、図21(c)が図21(a)のX4−X4線に沿って切断して示す断面図である。 図22(a)が第2実施形態に係る発光装置の第2変形例を示す断面図(図20(a)に対応する図)であり、図22(b)が第2実施形態に係る発光装置の第3変形例を示す断面図(図20(a)に対応する図)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(LED)、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、9……発光装置、10……凹み、10a……第1内周面、10b……第2内周面、L……光軸(基準光軸)、Po……変曲点、α……拡散度合いの係数

Claims (9)

  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、
    前記発光素子または封止部材に封止された前記発光素子からの光の入射面として前記光束制御部材の下面に開口する凹みと、
    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、
    前記光制御出射面は、
    (1)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、前記光制御出射面から出射する光と前記基準光軸とのなす角である出射角θ5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、
    (2)前記基準光軸に直交する仮想平面に投影した輪郭形状において、前記基準光軸から最短距離に位置する最小輪郭部分が前記基準光軸の周囲に90°間隔で配置され、隣り合う前記最小輪郭部分間に前記基準光軸から最長距離に位置する最大輪郭部分が配置されるようになっており、
    (3)前記最小輪郭部分から前記最大輪郭部分に向かうにしたがって前記角度θ1に対する前記出射角θ5の値が増加するように形成された、
    ことを特徴とする発光装置。
  2. 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、前記発光素子または封止部材に封止された前記発光素子を収容する凹みと、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、
    前記光制御出射面は、
    (1)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、前記光制御出射面から出射する光と前記基準光軸とのなす角である出射角θ5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、
    (2)前記基準光軸に直交する仮想平面に投影した輪郭形状において、前記基準光軸から最短距離に位置する最小輪郭部分が前記基準光軸の周囲に90°間隔で配置され、隣り合う前記最小輪郭部分間に前記基準光軸から最長距離に位置する最大輪郭部分が配置されるようになっており、
    (3)前記最小輪郭部分から前記最大輪郭部分に向かうにしたがって前記角度θ1に対する前記出射角θ5の値が増加するように形成された、
    ことを特徴とする発光装置。
  3. 前記凹みを構成する内周面は、前記発光素子または前記発光素子を封止する前記封止部材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2記載の発光装置。
  4. 前記凹みを構成する内周面は、前記発光素子または前記発光素子を封止する前記封止部材の光出射面に密接していることを特徴とする請求項2記載の発光装置。
  5. 前記光制御出射面は、前記基準光軸近傍の第1の出射面とこの第1の出射面の周囲に位置する第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いることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の発光装置。
  6. 前記請求項1乃至5のいずれかに記載の発光装置と、この発光装置からの光を拡散・透過する光拡散部材と、を備えたことを特徴とする面光源装置。
  7. 前記請求項6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。
  8. 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を出射する光束制御部材であって、
    前記発光素子からの光の入射面として前記光束制御部材の下面に開口する凹みと、
    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、
    前記光制御出射面は、
    (1)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、前記光制御出射面から出射する光と前記基準光軸とのなす角である出射角θ5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、
    (2)前記基準光軸に直交する仮想平面に投影した輪郭形状において、前記基準光軸から最短距離に位置する最小輪郭部分が前記基準光軸の周囲に90°間隔で配置され、隣り合う前記最小輪郭部分間に前記基準光軸から最長距離に位置する最大輪郭部分が配置されるようになっており、
    (3)前記最小輪郭部分から前記最大輪郭部分に向かうにしたがって前記角度θ1に対する前記出射角θ5の値が増加するように形成された、
    ことを特徴とする光束制御部材。
  9. 発光素子または封止部材に封止された発光素子を収容する凹みと、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、を備えた光束制御部材であって、
    前記光制御出射面は、
    (1)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、前記光制御出射面から出射する光と前記基準光軸とのなす角である出射角θ5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、
    (2)前記基準光軸に直交する仮想平面に投影した輪郭形状において、前記基準光軸から最短距離に位置する最小輪郭部分が前記基準光軸の周囲に90°間隔で配置され、隣り合う前記最小輪郭部分間に前記基準光軸から最長距離に位置する最大輪郭部分が配置されるようになっており、
    (3)前記最小輪郭部分から前記最大輪郭部分に向かうにしたがって前記角度θ1に対する前記出射角θ5の値が増加するように形成された、
    ことを特徴とする光束制御部材。
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