JP5325639B2

JP5325639B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP5325639B2
Application number: JP2009091001A
Authority: JP
Inventors: 博史山口
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-04-03
Also published as: US20100254145A1; US8147100B2; JP2010244790A

Description

本発明は、液晶ディスプレイのバックライトなどに用いるのに好適な発光装置に関する。

近年ＬＥＤの高効率化、低コスト化の進展は目覚しく、中小型液晶ディスプレイのバックライト用光源としては従来の蛍光管に代わってＬＥＤが主流となり、更に大画面液晶ディスプレイ用光源または一般照明用途に普及しつつある。

液晶ＴＶの様な大画面液晶ディスプレイのバックライトにおいては、中小型液晶ディスプレイで一般的なエッジライト方式ではなく直下型と呼ばれる照明方式が主流になっている。これは、エッジライト方式には次のような問題があるからである。

導光板の側面に光源を配置し、前記導光板の光出射側に更にプリズムシート、拡散シートなどの光学フィルムを配置してなるエッジライト方式は薄型化が可能である反面、大画面に対しては対角画面サイズに対して面積とともに必要光量が２次関数的に増加する。しかし、光源を配置可能な側面長さは１次関数であり、大画面になるほど必要な光量線密度が増加して光源配置が困難になるとともに、発熱密度が大きくなり放熱が困難になる。

その点、液晶パネルの直下に面上に多数の光源を配置して、光源と液晶パネルとの間に拡散板およびプリズムシート、拡散フィルムなどの光学フィルムを配置する直下型では、画面が大きくなっても必要な光量密度は一定である。従って、発熱密度も一定で、大画面に適している。

上記直下型バックライトあるいは電気スタンドのように平面に対する照明をＬＥＤ光源のような略点光源で行う場合、光源から照明対象平面に下ろした垂線からの角度をθ、そのθ方向に放射される光の光度をＫ（θ）とすると、θ方向の照射面での照度Ｌ（θ）は以下のようになる。
Ｌ（θ）＝Ａ×Ｋ（θ）×Ｃｏｓ³（θ）・・・（式１）
ここで、Ａは光源から照射面までの距離に依存する定数である。

ＬＥＤ光源は、基板上にＬＥＤ素子を実装し、その周囲を透明樹脂で封止して構成するのが一般的である。すなわち、透明樹脂によってレンズを形成する。このとき封止樹脂の形状をＬＥＤ素子を中心とする半球状とすると、その出射配光特性は略ランバーシャンになる。ランバーシャンとは、光軸方向に最大光度Ｋ０を有し、光軸からなす角度がθ方向の相対放射光度Ｋ（θ）／Ｋ０がＣｏｓ（θ）になるような配光特性である。

上記ランバーシャン光源を用いて平面を照射したときの照度は、上記式１にＫ（θ）＝Ｋ０×Ｃｏｓ（θ）を代入して以下のようになる。
Ｌ（θ）＝Ａ×Ｋ０×Ｃｏｓ⁴（θ）

ここで、光軸方向の照度Ｌ０はＡ×Ｋ０であり、光軸方向の照度Ｌ０で規格化した相対照度分布Ｌ（θ）／Ｌ０は以下の様になる。
Ｌ（θ）／Ｌ０＝Ｃｏｓ⁴（θ）
その相対照度分布を図３に示す。

図３に示すように、照射面での照度は、角度増加に対して急激に低下する。ここで、光源から照射面までの距離をＤとすると光軸からｘ離れた位置の照射角度θは次の式で表される。
Ｔａｎ（θ）＝ｘ／Ｄ

従って、ｘ＝Ｄ×Ｔａｎ（θ）として図３の横軸を書き換えれば空間照度分布になり、光軸上が明るくそこから離れるに従って急激に暗くなる。

直下型バックライトに用いるＬＥＤ光源としては、少ない個数で均一な照明を行う為に極力広い範囲を均一に照明する特性を求められ、上記のような特性は好ましくない。また、バックライト以外でも電気スタンドなど特定の領域を均一に照明する特性が有効な場合がある。

一つの点光源で平面を均一に照明するための条件は、式１の右辺がθによらず一定値Ｌ０になること、すなわち、
Ａ×Ｋ（θ）×Ｃｏｓ³（θ）＝Ｌ０
となることであり、これを変形すると、
Ｋ（θ）＝Ｌ０／Ａ×Ｃｏｓ^-3（θ）
となる。

上式で定数Ｌ０／Ａはθ＝０度の場合の光度、即ち軸上光度であり軸上光度Ｋ０で規格化した相対光度分布Ｋ（θ）／Ｋ０が以下の式２
Ｋ（θ）／Ｋ０＝Ｃｏｓ^-3（θ）・・・（式２）
を満たすことが均一照度を実現するための配光特性となる。その出射光度分布を図４に示す。

図４から明らかな様に、角度が増加するに従い均一照明に必要な光度は急激に増加する。このため、±９０度の範囲内の全領域で上記式２を満たすことは不可能であり、極力広い範囲でこれに近い特性を実現することが目標となる。

その為に、封止する透明樹脂表面での屈折や反射を利用して配光特性を改善する封止樹脂形状の工夫が様々なされている。例えば、特許文献１には、光軸近傍に凹面を有し、その外側に凸面を有する封止樹脂の形状が開示されている。

特開２００６−０９２９８３号公報

しかしながら、図４に示すような角度の増加とともに急激に出射光度が増加するような特性を実現するのは容易では無い。特に、有限の大きさを有するＬＥＤを用いて限られたサイズの封止樹脂で上記のような特性を得ようとする場合、その困難さはますます増大する。

本発明は、上記の問題を考慮し、簡便な方法で出射角度増加に対して急激に出射光度が増加する特性を実現できる発光装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の発光装置は、基板と、前記基板上に実装されたＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子を覆うように前記基板上に配置された、光軸に対して略回転対称な出射面を有するレンズと、を備え、前記出射面は、前記光軸から広がる第１出射面と、この第１出射面の周縁部から前記基板に至る第２出射面とを有し、前記出射面を前記光軸を含む平面で切った曲線は、前記第１出射面と前記第２出射面の境界上に傾斜率が不連続に低下する変化点を有し、前記変化点と前記ＬＥＤ素子の発光中心とを結ぶ線分と前記光軸とのなす角度は、前記出射面から出射される光を前記光軸に対する角度である出射角度ごとに見たときの最大の光度となる出射角度とほぼ等しいことを特徴とするものである。

ここで、「傾斜率」とは、光軸からの距離の増加に対する出射面の高さ（前記基板から出射面までの距離）の増加率をいう。

本発明の発光装置によれば、出射角度増加に対して急激に出射光度が増加する特性を実現することにより、より広い範囲を均一に近い照度で照明することが可能になり、例えば液晶のバックライトに用いて装置の薄型化に貢献することが期待できる。

本発明の一実施形態に係る発光装置の断面図図１の発光装置の配光特性を示すグラフランバーシャン光源を用いた場合の照度分布を示すグラフ１つの光源で平面を均一照度で照明するための条件を示すグラフ

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る発光装置（面状照明装置）の断面図である。この発光装置は、実装基板１と、実装基板１上に実装されたＬＥＤ素子２と、ＬＥＤ素子２を覆うように実装基板１上に配置されたレンズ４とを備えている。

本実施形態では、ＬＥＤ素子２として青色ＬＥＤチップが用いられている。また、ＬＥＤ素子２の周囲には、青色の光を黄色の光に変換する蛍光体層３がＬＥＤ素子２を実装基板１と反対側から包み込むように設けられている。

また、本実施形態では、ＬＥＤ素子２および蛍光体層３が透明樹脂で封止されており、この透明樹脂によってレンズ４が形成されている。透明樹脂による封止を行う際に、金型によって透明樹脂の空気との界面となる表面を特定の形状に成形し、光軸Ａに対して略回転対称な出射面（配光制御面）４１を形成する。透明樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネイト等を用いることができる。あるいは、シリコンゴム等でレンズ４を構成することも可能である。

ＬＥＤ素子（青色ＬＥＤチップ）２で発光した青色の光の一部は蛍光体層３を透過し、他の一部は蛍光体の作用により黄色の光に変換される。これにより、蛍光体層３からは白色光が放射される。蛍光体層３から放射された白色光は、レンズ４に入射した後に、出射面４１において出射面４１に対する入射角に応じて屈折し、出射面４１から所定の方向に出射される。

出射面４１の形状は、まず所定の関数形式で表現した連続面で目標配光に近くなるように設定した形状を光軸Ａを中心とする円筒面で切断して得ている（図１では切断前の形状を二点鎖線で示している）。すなわち、出射面４１は、光軸Ａから広がる第１出射面４１ａと、第１出射面４１ａの周縁部から実装基板１に至る第２出射面４１ｂとを有している。本実施形態の第１出射面４１ａは、光軸Ａ近傍に凹面を有し、その外側に凸面を有している。一方、第２出射面４１ｂは、円筒面となっている。そして、出射面４１を光軸Ａを含む平面で切った曲線は、第１出射面４１ａと第２出射面４１ｂの境界上に傾斜率が不連続に低下する変化点Ｐを有している。

上記連続面を切断する位置は、ＬＥＤ素子２の発光中心を通り光軸Ａとθcutの角をなす直線と上記連続面との交点部分であり、上記θcutは予め設計した連続面形状で極大光度を示す出射角度θｐとほぼ一致する様に設定する。ここで、「出射角度」とは、レンズ４から出射される光の光軸Ａに対する角度をいい、「極大光度を示す出射角度」とは、連続面から出射される光を出射角度ごとに見たときの最大の光度となる出射角度をいう。

このように切断することにより、変化点ＰとＬＥＤ素子２の発光中心とを結ぶ線分Ｌと光軸Ａとのなす角度は、上記θcutとなる。そして、このθcutは、上記θｐとほぼ等しいために、出射面４１から出射される光を出射角度ごとに見たときの最大の光度となる出射角度ともほぼ等しくなる。

図２は、上記予め設計した連続面による配光特性と、その連続面形状を円筒面で切断した最終形状での配光特性、すなわち本実施形態の発光装置の配光特性とを示すグラフである。図２の横軸は発光装置から放射される光の出射角度、縦軸はその角度方向に放射される光の光度を光軸方向の光度で規格化した相対光度である。

図２から明らかな様に、円筒面で切断した最終形状による配光特性は予め設計した連続面形状による配光特性に比べθｐ方向のピーク光度が増加し、θｐ近傍で出射角度増加に対して出射光度が急激に増加して均一照射条件Ｃｏｓ^-3（θ）の曲線により近くなっている。

これは、切断した円筒面（第２出射面４１ｂ）に入射した光が図１に点線で示したように前記θｐ方向およびそれに近い方向に屈折され、θｐ方向周辺の光線密度が増加するためである。すなわち、出射角度がθｐとなる光は、第１出射面４１ａから出射された光だけでなく第２出射面４１ｂから出射された光をも含む。

なお、上記例では連続面を光軸Ａを中心とする円筒面で切断して円筒面となる第２出射面４１ｂを形成したが、出射面４１がＬＥＤ素子２の発光中心から前記θｐ方向またはこれに近い方向の位置で傾斜率が不連続に低下する形状であればθｐ方向のピーク光度を増加する効果が期待でき、例えば第２出射面４１ｂを実装基板１に向かって拡径するテーパー面としてもよい。

また、上記例では青色ＬＥＤと蛍光体を用いて白色を得る構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、赤、青、緑の３原色ＬＥＤを光軸付近に近接配置してこれらを覆うようにレンズを形成して白色光源を得ることも可能である。また、赤、青、緑のＬＥＤそれぞれにレンズを設けて単色光源を形成し、これを面上に複数配置して照明面上で重ね合わせて白色面光源としても良い。

上記構成により出射角度の増加に対して出射光度が急激に増加する特性を容易に得ることが可能になる。

本発明によれば、照射面をより広い範囲で均一に近く照明することが可能になり、液晶のバックライトの光源などに用いて照明ムラが小さく薄型の装置を実現することが出来る。

１実装基板
２ＬＥＤ素子
３蛍光体層
４レンズ
４１出射面（配光制御面）
４１ａ第１出射面
４１ｂ第２出射面
Ａ光軸
Ｌ線分
Ｐ変化点

Claims

基板と、前記基板上に実装されたＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子を覆うように前記基板上に配置された、光軸に対して略回転対称な出射面を有するレンズと、を備え、
前記出射面は、前記光軸から広がる第１出射面と、この第１出射面の周縁部から前記基板に至る第２出射面とを有し、前記出射面を前記光軸を含む平面で切った曲線は、前記第１出射面と前記第２出射面の境界上に、前記光軸からの距離の増加に対する前記出射面の高さの増加率である傾斜率が不連続に低下する変化点を有し、
前記変化点と前記ＬＥＤ素子の発光中心とを結ぶ線分と前記光軸とのなす角度は、前記出射面から出射される光を前記光軸に対する角度である出射角度ごとに見たときの最大の光度となる出射角度とほぼ等しい、発光装置。
前記レンズは、透明樹脂で構成されている、請求項１に記載の発光装置。
前記第２出射面は、円筒面またはテーパー面をなしている、請求項１または２に記載の発光装置。