JP4937845B2 - 照明装置および表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置およびこれを用いた表示装置に関する。

近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や有機ＥＬ（Electro luminescence）素子などの自発光素子の開発が進み、蛍光灯と同等のエネルギー効率を達成するまでに至っている。そのため、このような自発光素子は、それぞれの特徴を生かし、白熱灯や蛍光灯などの従来型の照明に代わる照明としての利用が検討されている。ほとんどの照明は、白色光源として用いられているため、自発光素子を利用する場合にも、白色光とする必要がある。

しかしながら、自発光素子は通常、非常に狭い波長範囲の光しか発光することができない。このような自発光素子から白色光を得るための一つの方法として、波長すなわち色の異なる光を混合する方法がある。この方法では、それぞれの波長の光の発光強度を調節することにより、色再現性が非常に良好になるという利点を有する反面、小さな空間で光を混合することが難しく、照明装置が大型化してしまうという欠点があった。

一方、特許文献１には、ＬＥＤの表面を多数のビーズで覆うことにより、多方向に光を照射することができる発光体が開示されている。
特開２０００−４０５０号公報

上述のように、自発光素子を利用して所望の色の光を得るために、波長の異なる光を混合する場合、小さな空間で混合することが難しく、照明装置が大型化してしまう問題点あった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、２色以上の光源光を小さな空間で混合して、所望の色の光を得ることにより、小型、軽量な照明装置およびこれを用いた表示装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる照明装置は、基板上に形成され、互いに異なる波長の光を発光する複数の自発光素子と、前記発光素子を覆うように前記基板上に形成された半球状のレンズ構造体と、前記レンズ構造体の表面を覆う複数の透光性球状粒子とを備えるものである。

本発明によれば、２色以上の光源光を小さな空間で混合して、所望の色の光を得ることにより、小型、軽量な照明装置およびこれを用いた表示装置を提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載および図面は、適宜、省略および簡略化されている。

発明の実施の形態１．
図１に本発明にかかる照明装置の代表的な構成例を示す。本照明装置は基板１、発光素子２、レンズ構造体３、透光性球状粒子４、接着層５を備える。図１（ａ）は本照明装置の模式的断面図であり、図１（ｂ）は基板１、発光素子２およびレンズ構造体３の位置関係を示す平面図である。

本発明にかかる照明装置は、液晶表示装置のバックライトとして好適である。本発明によりバックライトを小型化できるので、より小型で軽量な液晶表示装置を実現することができる。

複数の発光素子２が基板１上に形成されている。発光素子２は点もしくは面発光する自発光素子であればよく、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Device）、有機ＥＬ（Organic Electro Luminescence）、無機ＥＬ（Inorganic Electro Luminescence）等が用いられる。
発光素子２は複数形成されている。これは波長すなわち色の異なる光を混合して所望の色の光を得るためであり、形成された発光素子２からは少なくとも２以上の色の光が発光される。具体的には、光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光を混合することにより所望の色が得られるが、これに限定されるものではない。

レンズ構造体３は透光性を有する樹脂またはガラス等からなり、発光素子２を覆うように半球状に形成されている。ここで、数学的に半球とは、球の中心を通過する平面で、当該球を分割した一方といえるが、本発明における半球状とは、完全に半球である必要はなく、半球に近い半楕円球、球の中心近傍を通過する平面で分割した一方、半球をダイヤモンドカットしたような多面体、半球と円柱の組み合わせ、その他の半球に近い形状を包含するものとする。
レンズ構造体３の焦点位置付近に発光素子２が集中していることが好ましい。特に、発光素子２が半径ｒの円状の領域内に形成されており、かつ、レンズ構造体３が球面であり、その半径をＲとした場合、Ｒ／ｒ＞１．８となるように構成することが好ましい。この理由の詳細については実施例において後述する。このような構成にすると、発光素子２からの光がレンズ構造体３の表面に垂直に近い角度で入射するため、全反射が起こらず、光の外部取り出し効率が向上する。

透光性球状粒子４は透明接着層５を介してレンズ構造体３に固定されている。透光性球状粒子４はレンズ構造体３表面上をほとんど隙間なく覆うように形成されている。透光性球状粒子４は透明な樹脂またはガラスからなるビーズである。透光性球状粒子の屈折率は高いほど散乱性能が向上し、光の色の混合が良好になる。

透光性球状粒子４が単層の場合、その一部が透明接着層５に埋まって固定されている。透光性球状粒子４が透明接着層５に埋まっている部分の比率が大きくなると、透光性球状粒子４とその周囲との屈折率差が小さくなり、散乱能力が減少する。このため、埋まっている部分の体積はできるだけ小さい方が好ましい。すなわち、透明接着層５は透光性球状粒子４を接着する機能を有しつつ、できる限り薄く塗布することが重要である。また、透明接着層５の屈折率は空気の屈折率に近いほうが好ましい。なお、透光性球状粒子４の表面が薄い透明皮膜で覆われていても性能に大きな差は生じない。

透光性球状粒子４を２層構造とすることもできる。単層構造の場合、レンズ構造体３表面に透光性球状粒子４を稠密に配列しても隙間が存在する。この隙間から光が透光性球状粒子４を通過せずにすなわち屈折されずに外部へ出射される。したがって、一部の光は混合されない。２層構造とすれば、１層目に存在する隙間上に２層目の透光性球状粒子４を配置することができ、より光を散乱させることができ、光の色の混合がさらに良好になる。透光性球状粒子４が２層の場合も、透光性球状粒子４ができる限り透明接着層５から露出していることが好ましい。図４に示す一層目の透光性球状粒子４では、全体が透明接着層５中に埋まり、２層目の透光性球状粒子４では、大部分が露出している。ただし、一層目の透光性球状粒子４も部分的に露出している方が好ましい。また、透光性球状粒子４を３層以上にすると光取り出し効率が低下するため、単層または２層構造が好ましい。

また、単層の場合は粒度分布が２つ以上のピークを有する透光性球状粒子４を用いることが好ましい。この場合、粒度分布の最大ピーク値に対し、粒度分布の最小ピーク値を１／２以下とすることによって、最大ピーク値の透光性球状粒子の間に最小ピーク値の透光性球状粒子が入り込み、大きな透光性球状粒子が作る隙間を埋める。この結果、単層でも２層に近い性能を得ることができる。

次に、本発明にかかる照明装置の機能について説明する。発光素子２から発せられた光は、レンズ構造体３を通過した後、透光性球状粒子４に入射し、透光性球状粒子４と空気との屈折率差によりその進行方向を大きく曲げられ、散乱する。この結果、発光素子２からの異なる波長を有する光が混合し、白色光となる。ここで、隣接する透光性球状粒子４同士の間に隙間があると、その隙間では、発光素子２から発せられた光が透光性球状粒子４を通過せずに、照明装置から出射されるため、光の混合が不十分となる。したがって、透光性球状粒子４はレンズ構造体３表面上を隙間なく覆うことが重要となる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
実施例１．
図２に実施例１にかかる照明装置の断面模式図を示す。まず、光学素子２として外形０．３ｍｍ×０．３ｍｍ、高さ０．１ｍｍの赤（Ｒｅｄ）、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）３色のＬＥＤを用い、赤１個、緑２個、青１個の計４個を、図１（ｂ）に示すように、０．３ｍｍ間隔でシリコンからなる基板１上に配置した。

次に、この４個のＬＥＤを屈折率１．５１の透明シリコン樹脂（信越化学工業社製ＬＰＳ−５５００）で封止し、封止層３１を形成した。次に、図２に示すように、封止層３１上に屈折率１．４９、半径Ｒのアクリル半球レンズ３２を配置した。封止層３１とアクリル半球レンズ３２が半球状のレンズ構造体３を構成する。このレンズ構造体３表面に、それ以外の場所に透明接着剤が付着しないようにマスクを被覆した状態で、透明接着剤５を厚さ約５μｍスプレー塗布した。透明接着剤５が乾燥する前に直径約３０μｍ、屈折率１．９３のガラスビーズである透光性球状粒子４を押しつけ、レンズ構造体３表面を隙間無く覆うように接着し、図２に示す照明ユニット１０を製造した。

図３に示すように、この照明ユニット１０を筐体２１内に３ｃｍ間隔で３列、６行、計１８ユニット並べ、筐体２１内部の照明ユニット１０が存在しない部分を反射率９６％の白色反射フィルム２２で覆った。一方、筐体２１の光放射開口部に拡散板２３を置き、その上に拡散フィルム２４、集光フィルム２５、集光フィルム２６の順に配置して照明装置２０を製造した。拡散フィルム２４としては、きもと社製ＧＭ２を、集光フィルム２５としては住友３Ｍ社製ＢＥＦＩＩを、集光フィルム２６としては住友３Ｍ社製ＤＢＥＦを用いた。この照明装置２０について輝度特性を測定した。

輝度特性の測定時、赤（Ｒｅｄ）、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）３色のＬＥＤに加える電力は照明装置の色がほぼ白くなるように調整した。この照明装置をバックライトとして、図９に示すように液晶パネル２７を載せて液晶バックライトとして用いて問題ないことを確認した。
また、この照明装置を用いて、ＬＥＤに加える電力を、前記白くなる電力から緑のＬＥＤの電力のみを５０％カットした時の色味と青のＬＥＤの電力のみを５０％カットした時の色味も測定した。

実施例２．
図４に実施例２にかかる照明装置の断面模式図を示す。図４に示すように、実施例１の照明ユニット１０の外表面をさらに実施例１に用いた透光性球状粒子４により覆い、透光性球状粒子４を２層構造とした以外は実施例１と同様にして照明ユニット１０を製造した。

２層目の透光性球状粒子４は、マスクを被覆した状態で透明接着剤を１層目の透光性球状粒子４が露出しない程度の厚さに再度スプレー塗布した後、透明接着剤５が乾かないうちに、アクリル半球レンズ３２表面を隙間無く覆うように接着した。

照明ユニット１０を用いて実施例１と同様の照明装置２０を製造し、その輝度特性を測定した。

実施例３．
図５に実施例３にかかる照明装置の断面模式図を示す。図５に示すように、透光性球状粒子４は、透光性球状粒子４１、４２からなり、粒度分布に２つのピークを有すガラスビーズである。具体的には、直径３０μｍ前後、屈折率１．９３の透光性球状粒子４１と直径１０μｍ前後、屈折率１．９３の透光性球状粒子４２とをほぼ同数混合したものをレンズ構造体３表面に接着した以外は実施例１と同様にして照明ユニット１０を製造した。

照明ユニット１０を用いて実施例１と同様の照明装置２０を製造し、その輝度特性を測定した。

実施例４．
図８に実施例４にかかる照明装置の断面模式図を示す。まず、光学素子２として外形０．３ｍｍ×０．３ｍｍ、高さ０．１ｍｍの赤（Ｒｅｄ）、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）３色のＬＥＤを用い、赤１個、緑２個、青１個の計４個を、図８（ｂ）に示すように、０．３ｍｍ間隔で８列、シリコンからなる基板１上に配置した。

次に、この４個のＬＥＤを屈折率１．５１の透明シリコン樹脂（信越化学工業社製ＬＰＳ−５５００）で封止し、封止層３１を形成した。次に、封止層３１上に屈折率１．４９、半径０．６ｍｍ、長さ３ｍｍのレンチキュラー形状アクリル半球レンズ３２をピッチ１ｍｍで配置した。封止層３１とアクリル半球レンズ３２が半球状のレンズ構造体３を構成する。このレンズ構造体３表面に、それ以外の場所に透明接着剤が付着しないようにマスクを被覆した状態で、透明接着剤５を厚さ約５μｍスプレー塗布した。透明接着剤５が乾燥する前に直径約３０μｍ、屈折率１．９３のガラスビーズである透光性球状粒子４を押しつけ、レンズ構造体３表面を隙間無く覆うように接着し、照明ユニット１０を製造した。

図３に示すように、この照明ユニット１０を筐体２１内に３ｃｍ間隔で３列、６行、計１８ユニット並べ、筐体２１内部の照明ユニット１０が存在しない部分を反射率９６％の白色反射フィルム２２で覆った。一方、筐体２１の光放射開口部に拡散板２３を置き、その上に拡散フィルム２４、集光フィルム２５、集光フィルム２６の順に配置して照明装置２０を製造した。拡散フィルム２４としては、きもと社製ＧＭ２を、集光フィルム２５としては住友３Ｍ社製ＢＥＦIIを、集光フィルム２６としては住友３Ｍ社製ＤＢＥＦを用いた。この照明装置２０について輝度特性を測定した。

比較例１．
レンズ構造体３表面に透光性球状粒子４を接着する工程を省いた以外は実施例１と同様にして照明装置２０を製造し、その輝度特性を測定した。

比較例２．
図６に比較例２にかかる照明装置の断面模式図を示す。まず、発光素子２として、外形０．３ｍｍ×０．３ｍｍ、高さ０．１ｍｍの赤（Ｒｅｄ）、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）３色のＬＥＤを用い、赤１個、緑２個、青１個の計４個の発光素子２を、図１（ｂ）に示すように、０．３ｍｍ間隔でシリコンからなる基板１上に配置した。

この４個のＬＥＤ周辺を屈折率１．５１の透明シリコン樹脂（信越化学工業社製ＬＰＳ−５５００）で封止し、半楕円球状の封止層３１を形成した。透明シリコン樹脂の厚さ（発光素子表面から透明シリコン樹脂表面までの距離）は０．５ｍｍ前後とした。この封止層３１の表面にそれ以外の場所に透明接着剤が付着しないようにマスクを被覆した状態で透明接着剤５を厚さ５μｍ前後スプレー塗布した。透明接着剤５が乾かないうちに直径３０μｍ前後、屈折率１．５０のアクリルビーズを押しつけ、透明シリコン樹脂表面を隙間無く覆うように接着し、図６に示す照明ユニット１０を製造した。
照明ユニット１０を用いて実施例１と同様に照明装置２０を製造し、その輝度特性を測定した。

実施例１で製造した照明装置２０のＬＥＤ光の外部への光取り出し効率のＲ／ｒ依存性を図７に示す。ここで、図１（ｂ）に示すように、Ｒは半球状のレンズ構造体３の半径、ｒは発光素子２の形成領域の半径である。図７の実線で示されたグラフが実施例１におけるＬＥＤ光の外部への光取り出し効率の測定結果である。Ｒ／ｒが１．８より小さくなると、光取り出し効率が８０％を下回り、かつ、急激に低下する。換言すれば、発光素子２をレンズ構造体３の焦点位置付近に偏在させることにより、光取り出し効率が向上する。
また、白くなる電力から緑のＬＥＤの電力のみを５０％カットした時の色味は赤紫色となり、青のＬＥＤの電力のみを５０％カットした時の色味はオレンジ色となった。

実施例１〜４および比較例１でＲ／ｒ＝２．２として製造した照明装置２０の色度均一性（ΔＵＶ）および光取り出し効率を表１に示す。実施例の照明装置では、Ｒ／ｒ＞１．８を満たし、発光素子から発した光が透光性球状粒子４により大きく進行方向を曲げられて３種類の波長の光が十分混合し、均一になるためΔＵＶの値がいずれも低く０．００５未満である。これに対して比較例１では、透光性球状粒子４がないため、ＲＧＢ３色が分離しており、ΔＵＶの値は大きい。また、実施例および比較例１では、発光素子２がレンズ構造体３の焦点位置付近に偏在するため、光取り出し効率がいずれも８０％を超えているが、比較例２では、レンズ構造体３が半球状でないため光取り出し効率が低い。

本発明にかかる照明装置の一構成例を示す模式図である。 実施例１にかかる照明装置を示す模式的断面図である。 実施例１〜３および比較例１、２にかかる照明装置を示す模式的断面図である。 実施例２にかかる照明装置を示す模式的断面図である。 実施例３にかかる照明装置を示す模式的断面図である。 比較例２にかかる照明装置を示す模式的断面図である。 実施例１にかかる照明装置の外部取り出し効率を示すグラフである。 実施例４にかかる照明装置を示す模式的断面図である。 本発明にかかる照明装置を用いた液晶表示装置の模式的断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 発光素子
３ レンズ構造体
３１ 封止層
３２ アクリル半球レンズ
４ 透光性球状粒子
４１ 大径の透光性球状粒子
４２ 小径の透光性球状粒子
５ 透明接着剤
１０ 照明ユニット
２０ 照明装置
２１ 筐体
２２ 白色反射フィルム
２３ 拡散板
２４ 拡散フィルム
２５、２６ 集光フィルム
２７ 液晶パネル

Claims (10)

1. 基板上に形成された、互いに異なる波長の光を発光する複数の自発光素子と、
   前記自発光素子を覆うように前記基板上に形成された半球状のレンズ構造体と、
   前記レンズ構造体の表面を覆う複数の透光性球状粒子とを備え、
   前記複数の自発光素子が半径ｒの円状の領域内に設けられ、かつ、前記レンズ構造体が半径Ｒの半球状であって、Ｒ／ｒ＞１．８が成立することを特徴とする照明装置。
2. 前記透光性球状粒子の粒度分布が２つ以上のピークを有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記粒度分布の最大ピーク値に対して最小ピーク値が１／２以下であることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記透光性球状粒子が２層に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
5. 前記透光性球状粒子が樹脂またはガラスからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 赤、緑、青の光を発光する少なくとも３つの前記自発光素子を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記自発光素子が前記レンズ構造体の焦点位置近傍に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の照明装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の照明装置をバックライトとして備えた表示装置。
9. 基板上に形成された、互いに異なる色の光を発光する複数の自発光素子と、
   前記自発光素子を覆うように前記基板上に形成された半球状のレンズ構造体と、
   前記レンズ構造体の表面を覆う複数の透光性球状粒子とを備え、
   前記複数の自発光素子が半径ｒの円状の領域内に設けられ、かつ、前記レンズ構造体が半径Ｒの半球状であって、Ｒ／ｒ＞１．８が成立し、任意の色の光を発することを特徴とする照明装置。
10. 前記任意の色の光とは、前記複数の自発光素子の発光する光の色が混色された光であることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。

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