JP5380182B2 - 発光装置、面光源および液晶ディスプレイ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば液晶ディスプレイ装置のバックライトに用いられる発光装置、この発光装置を用いた面光源、およびこの面光源を用いた液晶ディスプレイ装置に関する。
従来の大型の液晶ディスプレイ装置のバックライトでは、冷陰極管が液晶パネル直下に多数配置され、これらの冷陰極管が拡散板や反射板等の部材と共に使われていた。近年では、バックライトの光源として発光ダイオードが使用されるようになっている。発光ダイオードは近年効率が向上し、蛍光灯に変わる消費電力の少ない光源として期待されている。また液晶ディスプレイ装置用の光源としては映像に応じて発光ダイオードの明暗を制御することで液晶ディスプレイ装置の消費電力を下げることができる。
液晶ディスプレイ装置の発光ダイオードを光源とするバックライトでは、冷陰極管の代わりに多数の発光ダイオードを配置することとなる。多数の発光ダイオードを用いることでバックライト表面において均一な明るさを得ることができるが、発光ダイオードが多数必要で安価にできない問題があった。１個の発光ダイオードの出力を大きくし、発光ダイオードの使用する個数を減らす取り組みがなされており、例えば特許文献１では、拡散板の裏側に、発光ダイオードの指向性を拡大するレンズを含む発光装置を配置した面光源が提案されている。
また、バックライト表面において均一な明るさを得るための構成として、例えば特許文献２では、光源から出射された光線の進行方向をバックライト出射面の法線方向に向ける光線方向変換素子を用いる構成が提案されている。
ところで、液晶ディスプレイ装置のバックライト用の面光源を構成する場合には、発光装置として白色光を発するものを採用することが好ましい。例えば、特許文献３には、図１２に示すような発光装置が開示されている。この発光装置では、発光ダイオードとして青色光を放射する青色ＬＥＤが用いられており、青色ＬＥＤ１０１とレンズ１０３との間に、青色光の一部を黄色光に変換することにより青色光から白色光を作り出す蛍光体層１０２が配置されている。
図１２に示すような発光装置を用いた場合、青色ＬＥＤ１０１よりも蛍光体層１０２の方が、表面積が大きくなる。このような構成において、青色ＬＥＤ１０１からの青色光と、蛍光体層１０２からの黄色光で、レンズの出射面に到達する光路に差が生じる。そのため、被照明領域において黄色と青色の照度分布が異なり、結果的に色ムラが生じてしまう。
また、特許文献２に記載の構成は、明るさを均一化させるための構成であり、上述した色ムラに対しては低減効果を有さない。
本発明は、このような事情に鑑み、色ムラの発生を抑えることのできる発光装置、この発光装置を用いた面光源、およびこの面光源を用いた液晶ディスプレイ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の発光装置は、被照射面に対して光を照射する発光装置であって、第１の色光を放射する発光素子と、前記発光素子上に前記発光素子から周囲に張り出す大きさで配置され、前記第１の色光を一部透過するとともに、前記第１の色光の他の一部を前記透過した第１の色光と混色することで白色光となる第２の色光に変換する蛍光体層と、前記発光素子および前記蛍光体層を覆うように配置され、入射した光の指向性を拡大して出射するレンズ部と、を備え、前記レンズ部は、前記第１および第２の色光が入射する入射面を形成するベース部と、前記第１および第２の色光を出射する出射面を形成する回折部であって前記第１の色光の前記被照射面における配光分布と前記第２の色光の前記被照射面における配光分布との差を低減する回折部と、を有する構成を採る。
また、本発明の面光源は、マトリクス状または千鳥状に配置された複数の前記発光装置と、前記複数の発光装置を覆うように配置された拡散板と、を備えた構成を採る。
また、本発明の液晶ディスプレイ装置は、液晶パネルと、前記液晶パネルの裏側に配置された前記面光源と、を備えた構成を採る。
本発明によれば、色ムラの発生を抑えることのできる発光装置、この発光装置を用いた面光源、およびこの面光源を用いた液晶ディスプレイ装置を提供することができる。
（実施の形態）
本発明の一実施の形態に係る発光装置を有する面光源について、図面を参照して説明する。図１は、面光源１の概略斜視図、図２は、面光源１を発光装置１０の光軸を含むｙ−ｚ平面で切断した部分断面図である。なお、図１および図２では本実施の形態の特徴的な構成のみを示しており、その他の部分については記載を一部省略している。ここで、ｘ軸の方向を「横方向」又は「左右方向」、面光源１の光の出射方向であるｙ軸の正の方向を「正面方向」又は「前方向」、ｙ軸の負の方向を「背面方向」又は「後方向」、ｚ軸の正の方向を「上方向」、ｚ軸の負の方向を「下方向」と呼ぶ。また、各構成要件における正面方向側の面を「正面」又は「前面」と呼ぶ場合がある。
本発明の一実施の形態に係る発光装置を有する面光源について、図面を参照して説明する。図１は、面光源１の概略斜視図、図２は、面光源１を発光装置１０の光軸を含むｙ−ｚ平面で切断した部分断面図である。なお、図１および図２では本実施の形態の特徴的な構成のみを示しており、その他の部分については記載を一部省略している。ここで、ｘ軸の方向を「横方向」又は「左右方向」、面光源１の光の出射方向であるｙ軸の正の方向を「正面方向」又は「前方向」、ｙ軸の負の方向を「背面方向」又は「後方向」、ｚ軸の正の方向を「上方向」、ｚ軸の負の方向を「下方向」と呼ぶ。また、各構成要件における正面方向側の面を「正面」又は「前面」と呼ぶ場合がある。
面光源１は、マトリクス状に配置された発光装置１０と、発光装置１０が実装される基材２０と、発光装置１０を露出させるように基材２０の前面に設けられた反射層３０と、発光装置１０を覆うように、基板２０から所定距離だけ離れて配置された拡散板４０と、を備えている。
発光装置１０は、図３に示すように、発光素子としての青色ＬＥＤ１１と、青色ＬＥＤ１１上に配置された蛍光体層１２と、青色ＬＥＤ１１および蛍光体層１２を覆うように配置された、入射した光の指向性を拡大して出射するレンズ部１３と、を有する。青色ＬＥＤ１１は、第１の色光である青色光を放射する。蛍光体層１２は、青色光によって励起されて、青色光を第２の色光である黄色光に変換する蛍光体を有している。そして、蛍光体層１２は、青色ＬＥＤ１１から出射した青色光を一部透過させるとともに、他の一部を黄色光に変換する。青色光と、変換された黄色光とは、補色関係にあり、混色されると白色光となる。青色ＬＥＤ１１から放射される青色光は、４００〜５２０ｎｍの波長域内にピーク波長を有することが好ましく、４５０〜５００ｎｍの波長域内にピーク波長を有することがより好ましい。一方、蛍光体層１２が発する黄色光は、５５０〜６１０ｎｍの波長域内にピーク波長を有することが好ましく、５７０〜５９０ｎｍの波長域内にピーク波長を有することがより好ましい。
蛍光体層１２は青色ＬＥＤ１１上に青色ＬＥＤ１１から周囲に張り出す大きさで形成されるため、黄色光の発光面積は、青色光の発光面積よりも大きい。具体的には、図４に示すように、青色ＬＥＤ１１から出る青色光Ｂよりも蛍光体層１２から出る黄色光Ｙの方が、より光軸Ｌから離れた位置から出射する成分を有する。
蛍光体層１２を出射した青色光と黄色光は、レンズ部１３によって、指向性が拡大される。具体的には、青色光および黄色光が光軸Ｌに対する角度が大きくなる方向に屈折され、これによりそれらの光が進む範囲が拡大される。
青色ＬＥＤ１１内での発光は指向性を持たない発光であるが、発光領域の屈折率は２．０以上であり、屈折率が低い領域に光が侵入すると、界面の屈折の影響で、界面の法線方向に最大の強度を持ち、法線方向から角度が大きくなるほど、光の強度は小さくなる。このように青色ＬＥＤ１１は指向性を持っており、広い範囲を照明するためにはレンズ部１３で指向性を拡大することが必要である。
青色ＬＥＤ１１および蛍光体層１２は、通常封止樹脂で覆われているが、レンズ１３が封止樹脂の役割を果たすため、別途封止樹脂を配置する必要はない。従来の発光ダイオードの封止樹脂としては、エポキシ樹脂またはシリコンゴム等が用いられている。
レンズ部１３は、所定の屈折率を有する透明材料で構成される。透明材料の屈折率は、例えば１．４０から１．５３程度である。このような透明材料としては、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の樹脂、またはシリコンゴム等のゴムを用いることができる。中でも、発光ダイオードの封止樹脂として用いられるエポキシ樹脂またはシリコンゴム等を用いることが好ましい。
レンズ部１３は、青色光および黄色光を入射する入射面１３３を形成するベース部１３１と、青色光および黄色光を出射する出射面を形成する回折部１３２と、を有している。本実施の形態のレンズ部１３は、ベース部１３１と回折部１３２とが一体に形成されたものである。回折部１３２は、回折の作用により、到達する光の角度、色（波長）によって出射角を異ならせる。より具体的には、第１の色光である青色光が被照射面である拡散板４０の入射面を照射するときの配光分布（照度分布）と、第２の色光である黄色光が拡散板４０の入射面を照射するときの配光分布との差を低減するように作用する。
発光装置１０においては、上述したように青色光の発光面積と黄色光の発光面積が異なることによって、結果的に被照射面上での配光分布に差が生じる。すなわち、色ムラが発生する。回折部１３２によって、この配光分布の差を小さくすることができ、結果として色ムラを低減することができる。
図２に戻って、反射層３０は、発光装置１０に対応する部分に開口を有し、発光装置１０が露出するようにして基材２０上に貼り付けられる。反射層３０は、発光装置１０から出射して拡散板４０等で反射されて戻ってきた光を再度拡散板４０側へ反射させる。反射層３０は、拡散板４０側を向く、白色の拡散反射面を有している。
拡散板４０は、基材２０と対向して配置される。拡散板４０は、背面から入射する光を拡散させる。そして、一部の光は拡散板４０を透過して前面から出射し、一部の光は反射して背面方向側へ戻る。拡散板４０では、入射した青色光と黄色光が拡散作用によってより混色し、略均一な白色光となって前面側から出射される。
以上では、本実施形態の面光源１の基本的な態様について説明したが、以下では、面光源１の好ましい態様について説明する。
レンズ部１３は、１．４０を超え１．５２未満の屈折率を有することが好ましい。レンズ１３の屈折率が１．５２以上になると、出射面での屈折作用が強くなり、光束の広配光化が十分でなくなる。レンズ１３の屈折率が１．４０以下になると、出射面での屈折作用が弱くなり、屈折作用を強くするために出射面の形状を変更すると、公差が厳しくなる。
さらに、発光装置１０のピッチをＰ、青色ＬＥＤ１１から拡散板４０までの距離をＨとしたときに、面光源１は、以下の式を満足することが好ましい。
０．２＜Ｈ／Ｐ＜０．６
ここで、「発光装置１０のピッチＰ」とは、発光装置１０が並ぶ方向における発光装置１０の光軸間距離をいい、発光装置１０が並ぶ方向とは、図１に示すようなマトリクス状配置の場合には、直交する縦横の２方向であり、図５に示すような千鳥状配置の場合には、横および斜めの２方向である。なお、それらの２方向でのピッチは必ずしも一致している必要はないが、一致していることが好ましい。
ここで、「発光装置１０のピッチＰ」とは、発光装置１０が並ぶ方向における発光装置１０の光軸間距離をいい、発光装置１０が並ぶ方向とは、図１に示すようなマトリクス状配置の場合には、直交する縦横の２方向であり、図５に示すような千鳥状配置の場合には、横および斜めの２方向である。なお、それらの２方向でのピッチは必ずしも一致している必要はないが、一致していることが好ましい。
Ｈ／Ｐが０．６以上になると、発光装置１０のピッチＰに対して発光装置１０から拡散板４０までの距離が大きくなるため、面光源が大型化してしまう。Ｈ／Ｐが０．２以下になると、拡散板４０の背面での照度分布の均一性を確保するのが困難になり、輝度ムラが生じる。
以下、面光源１に用いられるレンズ部の具体的な数値例として、実施例を示す。なお、実施例において、後述する表中の長さの単位は全て「ｍｍ」であり、角度の単位は全て「°」である。また、実施例の面データにおいて、ｒは曲率半径、ｄは面間隔または厚み、ｎはλ＝４７０ｎｍに対する屈折率である。また、実施例において、ベース部の対向面（回折部との対向面）は非球面であり、その形状は次の数式で定義される。
ただし、数式中の各符号の意味は以下の通りである。
Ｘ：光軸からの高さがｈの非球面上の点から、非球面頂点の接平面までの距離
ｈ：光軸からの高さ
Ｃ：非球面頂点の曲率（Ｃｊ＝１／Ｒｊ）
Ｋ：円錐定数
Ａn：ｎ次の非球面係数
また、回折部は位相関数をφ（ｈ）として、レンズの出射面と光軸との交点を原点とし、光軸からの高さをｈとしたとき、次式で定義される。
ｈ：光軸からの高さ
Ｃ：非球面頂点の曲率（Ｃｊ＝１／Ｒｊ）
Ｋ：円錐定数
Ａn：ｎ次の非球面係数
また、回折部は位相関数をφ（ｈ）として、レンズの出射面と光軸との交点を原点とし、光軸からの高さをｈとしたとき、次式で定義される。
ただし、数式中の各符号の意味は以下の通りである。
ｈ：光軸からの高さ
Ｃ n ：位相多項式係数
λ：４７０ｎｍ
本実施例のレンズ部は、図３に対応する断面形状を有する。本実施例は、０．５ｍｍ角の青色ＬＥＤから青色光（波長４７０ｎｍ）が、０．６５ｍｍ角サイズの蛍光体層から黄色光（波長５９０ｎｍ）が発せられることを想定し、それらの光の進む範囲を拡大しつつ照度分布（配光分布）の色ムラを抑えることを目的とした設計例である。なお、レンズ部の屈折率は１．４１７である。実施例のレンズ部におけるベース部の面データを表１に、非球面データを表２に示す。
Ｃ n ：位相多項式係数
λ：４７０ｎｍ
本実施例のレンズ部は、図３に対応する断面形状を有する。本実施例は、０．５ｍｍ角の青色ＬＥＤから青色光（波長４７０ｎｍ）が、０．６５ｍｍ角サイズの蛍光体層から黄色光（波長５９０ｎｍ）が発せられることを想定し、それらの光の進む範囲を拡大しつつ照度分布（配光分布）の色ムラを抑えることを目的とした設計例である。なお、レンズ部の屈折率は１．４１７である。実施例のレンズ部におけるベース部の面データを表１に、非球面データを表２に示す。
［表１］面データ
面 ｒ ｄ ｎ
入射面 ∞ 1.2 1.417
対向面 -2.29057 6.8
拡散板 ∞
［表２］非球面データ
K= 1.4339
また、実施例のレンズ部における回折部の位相多項式係数を表３に示す。
面 ｒ ｄ ｎ
入射面 ∞ 1.2 1.417
対向面 -2.29057 6.8
拡散板 ∞
［表２］非球面データ
K= 1.4339
また、実施例のレンズ部における回折部の位相多項式係数を表３に示す。
［表３］位相多項式係数
C1=4.6996E-01, C2=-7.7459E-01, C3=1.1120E+00
C4=-6.3412E-01, C5=-7.6651E-01, C6=1.6392E+00
C7=-1.2505E+00, C8=4.8621E-01, C9=-9.4687E-02
C10=7.1650E-03
図６は、本実施例のレンズ部を配置し、青色ＬＥＤから８ｍｍの位置に被照射面である拡散板を配置したときの、被照射面における計算で求めた照度分布を表す。図７は、同様の構成だが、回折部を有さない従来の広配光レンズを用いた場合の照度分布を表す。さらに比較のため、図８には、広配光化の機能を有さない従来の砲弾型レンズを用いた場合の照度分布を表す。各図において、実線が青色光、破線が黄色光の照度分布を示す。なお、図８においては実線と破線がほぼ一致している。
C1=4.6996E-01, C2=-7.7459E-01, C3=1.1120E+00
C4=-6.3412E-01, C5=-7.6651E-01, C6=1.6392E+00
C7=-1.2505E+00, C8=4.8621E-01, C9=-9.4687E-02
C10=7.1650E-03
図６は、本実施例のレンズ部を配置し、青色ＬＥＤから８ｍｍの位置に被照射面である拡散板を配置したときの、被照射面における計算で求めた照度分布を表す。図７は、同様の構成だが、回折部を有さない従来の広配光レンズを用いた場合の照度分布を表す。さらに比較のため、図８には、広配光化の機能を有さない従来の砲弾型レンズを用いた場合の照度分布を表す。各図において、実線が青色光、破線が黄色光の照度分布を示す。なお、図８においては実線と破線がほぼ一致している。
図７は、図８に比べて光が広配光化されていることが分かる。しかし、図７では、光軸近傍で青色光の照度に比べて黄色光の照度が強くなっていることが分かる。このとき、光軸近傍では色ムラが発生している。これに対して図６では、図７と同程度の広配光化の効果を得つつ、黄色光と青色光の照度分布はほぼ一致しており、色ムラが十分抑えられていることが分かる。
なお、本実施例のレンズ部を用いた場合、発光装置を例えばピッチＰがＨ／Ｐ＝0.291となるようにマトリクス状または千鳥状に配置すればよい。
（変形例）
前記実施の形態では、ベース部１３１と回折部１３２とが一体に形成されたレンズ部１３が採用されているが、図９に示す変形例の発光装置１０ａのように、レンズ部１３ａを２枚のレンズで構成することもできる。具体的には、図９中のレンズ部１３ａは、ベース部１３１ａと、回折部１３２ａとを有している。このように回折機能を別構成としてもよい。
前記実施の形態では、ベース部１３１と回折部１３２とが一体に形成されたレンズ部１３が採用されているが、図９に示す変形例の発光装置１０ａのように、レンズ部１３ａを２枚のレンズで構成することもできる。具体的には、図９中のレンズ部１３ａは、ベース部１３１ａと、回折部１３２ａとを有している。このように回折機能を別構成としてもよい。
なお、本実施の形態において、レンズ部１３のベース部１３１は、略半球形状を有しているが、必ずしもこの形状に限られない。例えば、ベース部１３１は、光軸を含む中心付近に凹部を有しているような形状であってもよい。このような形状であれば、さらに光を広配光化させることができる。
また、本実施の形態において、蛍光体層１２は、青色光を第２の色光として黄色光に変換する蛍光体を有していたが、これに限られない。例えば、蛍光体層１２は、第２の色光として赤色光に変換する蛍光体と、緑色光に変換する蛍光体とを有していてもよい。この構成によれば、発光素子からの青色光と、蛍光体層からの赤色光および緑色光とが混色して白色光を生成することができる。
（液晶ディスプレイ装置）
図１０は、図１に示す面光源１を用いた液晶ディスプレイ装置２の斜視図である。図１１は、図１０において発光装置の光軸を含むｙ−ｚ平面の部分断面図である。この液晶ディスプレイ装置２は、上述した面光源１と、その前方に配置された液晶パネル５０と、を備えている。
図１０は、図１に示す面光源１を用いた液晶ディスプレイ装置２の斜視図である。図１１は、図１０において発光装置の光軸を含むｙ−ｚ平面の部分断面図である。この液晶ディスプレイ装置２は、上述した面光源１と、その前方に配置された液晶パネル５０と、を備えている。
平面的に配置された複数の発光装置１０によって拡散板４０が照明される。照射された光は拡散板４０によって拡散される。そして、液晶パネル５０には、照度が均一化された白色光が照明される。
なお、図示は省略するが、液晶パネル５０と拡散板４０との間には拡散シート、プリズムシート等の光学シートが配置されていることが好ましい。発光装置１０からの光は、拡散板４０で散乱されて、発光装置側へ戻ったり拡散板４０を透過したりする。発光装置側へ戻って反射層３０に入射する光は、反射層３０で反射されて、拡散板４０に再度入射する。拡散板４０を透過した光は、光学シートでさらに拡散されて、液晶パネル５０を照明する。
以上、実施の形態について説明した。なお、以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されない。つまり、上記発光装置、面光源および液晶ディスプレイ装置の構成及び作用についての説明は例であり、本発明の範囲においてこれらの例に対する様々な変更及び追加が可能であることは明らかである。
本発明は、色ムラを低減した液晶ディスプレイ装置、これに用いるバックライト、更にはこのバックライトに用いる発光装置に好適である。
１ 面光源
２ 液晶ディスプレイ装置
１０、１０ａ 発光装置
１１ 青色ＬＥＤ
１２ 蛍光体層
１３、１３ａ レンズ部
１３１、１３１ａ ベース部
１３２、１３２ａ 回折部
１３３ 入射面
２０ 基材
３０ 反射層
４０ 拡散板
５０ 液晶パネル
２ 液晶ディスプレイ装置
１０、１０ａ 発光装置
１１ 青色ＬＥＤ
１２ 蛍光体層
１３、１３ａ レンズ部
１３１、１３１ａ ベース部
１３２、１３２ａ 回折部
１３３ 入射面
２０ 基材
３０ 反射層
４０ 拡散板
５０ 液晶パネル
Claims (9)
- 被照射面に対して光を照射する発光装置であって、
第１の色光を放射する発光素子と、
前記発光素子上に前記発光素子から周囲に張り出す大きさで配置され、前記第１の色光を一部透過するとともに、前記第１の色光の他の一部を前記透過した第１の色光と混色することで白色光となる第２の色光に変換する蛍光体層と、
前記発光素子および前記蛍光体層を覆うように配置され、入射した光の指向性を拡大して出射するレンズ部と、を備え、
前記レンズ部は、 前記第１および第２の色光が入射する入射面を形成するベース部と、
前記第１および第２の色光を出射する出射面を形成する回折部であって前記第１の色光の前記被照射面における配光分布と前記第２の色光の前記被照射面における配光分布との差を低減する回折部と、を有し、
前記第１の色光の波長は、前記第２の色光の波長よりも小さい波長であり、
前記回折部が前記第１の色光を回折させる際の回折角度よりも、前記回折部が前記第２の色光を回折させる際の回折角度の方が大きい、
発光装置。 - 前記レンズ部は、前記ベース部と前記回折部とが一体に形成されたものである、
請求項１記載の発光装置。 - 前記レンズ部は、前記ベース部と前記回折部とが別体となったものである、
請求項１記載の発光装置。 - 前記第１の色光は、青色光であり、
前記第２の色光は、黄色光である、
請求項１記載の発光装置。 - 前記第１の色光は、青色光であり、
前記第２の色光は、赤色光および緑色光である、
請求項１記載の発光装置。 - 前記レンズ部は、１．４０を超え１．５２未満の屈折率を有する、
請求項１記載の発光装置。 - マトリクス状または千鳥状に配置された複数の請求項１乃至６に記載の発光装置と、
前記複数の発光装置を覆うように配置された拡散板と、を備えた、
面光源。 - 前記発光装置のピッチをＰ、前記発光素子から前記拡散板までの距離をＨとしたときに、以下の式
０．２＜Ｈ／Ｐ＜０．６
を満足する、
請求項７に記載の面光源。 - 液晶パネルと、
前記液晶パネルの裏側に配置された請求項７又は８に記載の面光源と、を備えた、
液晶ディスプレイ装置。
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