JP5418969B2

JP5418969B2 - 発光装置及び画像表示システム

Info

Publication number: JP5418969B2
Application number: JP2009186069A
Authority: JP
Inventors: 順一木下
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-08-10
Also published as: JP2011039250A

Description

本発明は、発光装置及び画像表示システムに関する。

半導体発光装置を用いると、照明装置や表示装置の小型化及び薄型化が容易となる。

例えば、発光装置からの放出光を導光板の側面に入射し、その上面に設けられた光学シートで拡散された光を放出可能な照明装置をバックライト光源として用いると、液晶表示装置の小型化及び薄型化ができる。さらに、このようなバックライト光源は、冷陰極管のバックライト光源と比べて、水銀を用いないので環境上好ましく、長寿命化も容易となる。

照明装置や表示装置の発光面サイズをより大型化しかつ全面における輝度を均一としたい場合、発光装置を２次元的にアレイ状に配列することが多い。２次元配列では、発光装置の数が増加し、その消費電力の増大及びこれに伴う温度上昇による特性低下が問題となる。

多数個の発光ダイオードからの発生熱を効率的に放熱し、全面にわたって温度分布の均一化を図ったバックライト装置の技術開示例がある（特許文献１）。この例では、発光ダイオードで発生した熱が、ヒートパイプ、放熱プレート、を介して冷却ファンにより放出される。
しかしながら、この例を用いても、発光装置や表示装置の小型化、薄型化、及び低消費電力化、に対して十分とは言えない。

特開２００５−３１６３３７号公報

発光素子数を増やすことなく発光面サイズの大型化が容易な発光装置及び画像表示システムを提供する。

本発明の一態様によれば、劈開端面からビーム状の放出光を出射可能な発光素子と、前記劈開端面の垂直方向に延在し、光拡散性を有する透光板と、前記放出光を走査し、前記透光板を部分照射する走査光学部と、走査された前記放出光が入射し、前記透光板上の照射スポット形状の前記走査方向に沿った長さが前記走査位置の変化に対して近似的に等しくなるように、前記走査位置に応じて前記照射スポット形状を整形する補正光学部と、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、上記の発光装置と、前記発光装置からの前記放出光により、表示画素よりも大きな領域が部分照射され、映像信号に同期して微細な画素を開閉する表示ユニットと、前記映像信号が入力され、前記映像信号を分析して前記表示ユニットのうちの部分照射領域を最適輝度分布となるように、輝度変調信号及び位置制御信号を出力する走査制御回路と、前記発光素子の駆動電流を変化して輝度を変調する発光素子駆動回路と、を備えたことを特徴とする画像表示システムが提供される。

発光素子数を増やすことなく発光面サイズの大型化が容易な発光装置及び画像表示システムが提供される。

第１の実施形態にかかる発光装置の模式断面図比較例にかかる発光装置の模式断面図発光素子の模式斜視図第２の実施形態にかかる発光装置の模式断面図第３の実施形態にかかる発光装置の模式断面図第４の実施形態にかかる発光装置の模式斜視図第５の実施形態にかかる発光装置の模式斜視図第６の実施形態に発光装置の模式断面図第７の実施形態にかかる画像表示システムの部分切断模式斜視図画像表示システムのブロック図

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる発光装置の模式断面図、図１（ｂ）はその変形例の模式断面図、である。発光装置５は、発光素子１０、走査光学部１２、補正光学部１４、及び透光板１８、を備えている。透光板１８は、その表面方向に沿って透過光を拡散可能なシート状の材料であってもよい。

発光素子１０は、狭い指向性を有する光源とする。このような発光素子として、半導体レーザ素子（ＬＤ：Laser Diode）、面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity surface Emitting Laser)、及び半値全角の狭い面発光素子などとすることができるが、本実施形態ではＬＤであるものとする。

走査光学部１２は、例えばポリゴンミラー１２ａとすることができる。ポリゴンミラー１２ａを回転させることにより、ビーム状の放出光は反射板１６の近傍照射領域ＲＮと、遠方照射領域ＲＦと、の間を走査方向ＤＳに沿って機械的に走査可能とされる。また、図示しないガルバノミラーやポリゴンミラーなどを設けることにより、図１の紙面に対して垂直な方向にも、発光素子１０からの放出光を走査することができる。これは、後に説明する図４〜図１０に表した具体例においても、同様である。

補正光学部１４は、例えば図１に例示したように非点対称断面形状を有するガラスや樹脂などの透光体からなる。補正光学部１４は、その周囲との屈折率の差に応じて入射した光の広がり角度や進行方向を適宜変化させる。なお、補正光学部１４は、図１の紙面に対して垂直な方向には、図示した断面形状を維持したまま延在するロッド状に形成することができる。反射板１６上への照射スポット形状は、発光素子１０から離間するほど反射板１６への入射角θ１が大きくなるので図１（ａ）の断面の横方向に広がろうとする。このために、補正光学部１４を設けて、スポット形状を整形し等方的なスポット形状に近づける。すなわち、補正光学部１４は、発光素子１０からの距離が長くなるほどスポット形状を走査方向ＤＳに沿ってより圧縮して整形可能である。ビームは、反射板１６により反射され、透光板１８を介して出射光Ｇとして放出される。つまり、補正光学部１４から出射した放出光は、透光板１８を部分照射しつつ、透光板１８の上を走査される。このようにして、透光板１８上において出射光Ｇの輝度分布が均一となる。また、発光素子１０とポリゴンミラー１２ａとの間に集光レンズ２０を介挿すると、ビームを絞りより高輝度とすることが容易となる。

また、図１（ｂ）は第１の実施形態の変形例の模式断面図である。
反射板１６の断面は、発光素子１０からの距離が長くなるにともなってその傾きが大きくなる様に上に向かって凹となる断面とされる。このようにすると、スポット形状の横方向変化の補正がより容易となる。この結果、透光板１８上において出射光Ｇの輝度分布を均一とすることがより容易となる。

また、発光素子１０は、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、及び青色光（Ｂ）を放射可能な複数の発光素子としてもよい。例えば、１つの領域にＲＧＢの３色をそれぞれ照射すると、透光板１８の発光面１８ａをそれらの混合色の白色光などとすることができる。

図２は、比較例にかかる発光装置の模式断面図である。
発光素子１１０からの放出光は集光レンズ１２０により集光されポリゴンミラー１１２により走査されるが、照射スポット形状は補正されない。遠方照射領域ＲＦＦにおける反射板１１６への入射角θ２は大きくなるので、そのスポット形状は近傍照射領域ＲＮＮのスポット形状よりも横方向に広がる。このために遠方照射領域ＲＦＦにおいて輝度が低下する。すなわち、透光板１１８上で出射光ＧＧを均一な輝度分布とすることが困難となる。

図３は、発光素子の模式斜視図である。
発光素子（ＬＤ）１０は、ｎ型クラッド層５４、活性層５０、ｐ型クラッド層５２、基板５５、などを有している。

ｐ型クラッド層５２の上方には、その両側がＳｉＯ_２などの絶縁膜５８で挟まれ、リッジ幅が数μｍのストライプ状共振器６０が設けられている。このために、屈折率ガイド構造となっており、発光面積が略５μｍ^２と小さく、かつ高い発光効率とできる。

この構造により劈開端面（前面）５６ａからの放出光６２のＦＦＰ（Far Field Pattern)が制御可能とされる。ビーム広がり角は、光強度が最大値の２分の１となる角度で表す。例えば、活性層５０に対して垂直方向へのビーム広がり角Ｆｖは３０±１度、水平方向へのビーム広がり角Ｆｈは１０±１度などとすることができる。すなわち、発光素子１０をＬＤとすると狭いビーム状の放出光６２を得ることが容易となる。

なお、劈開端面（後面）５６ｂ側に多層膜を設けてその反射率を高めると、劈開端面（前面）５６ａ側からの光出力を高めることが容易となる。

発光素子１０をＩｎＧａＡｌＮ系材料とすると、例えば発光波長が３５０〜５４０ｎｍの紫外〜緑色光を放出可能である。なお、本明細書において、「ＩｎＧａＡｌＮ系」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＧａ_ｚＡｌ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。

また、本実施形態において、発光素子１０をＩｎＧａＡｌＰ系またはＧａＡｌＡｓ系などの材料とすると発光波長が、例えば５００〜７５０ｎｍの範囲の可視光を放出可能である。なお、本明細書において、「ＩｎＧａＡｌＰ系」とは、Ｉｎ_ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。また、「ＧａＡｌＡｓ系」とは、Ｇａ_ｘＡｌ_１−ｘＡｓ（ただし、０≦ｘ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。

図４（ａ）は第２の実施形態にかかる発光装置の模式断面図、図４（ｂ）はその変形例の模式断面図である。
図４（ａ）のように、反射板１６の上面に、蛍光体層２２が設けられている。発光素子１０をＩｎＧａＡｌＮ系レーザとし、その放出光が、波長４０５ｎｍの青紫光とする。また、蛍光体層２２が、例えば黄色蛍光体であると、青紫色である放出光を吸収し黄色光である波長変換光を放出する。このために、透光板１８の上方において、青紫光と黄色光の混合光として、例えば白色光を得ることができる。つまり、白色光が透光板１８を部分照射しつつ透光板１８の上を走査される。この白色光の輝度分布は、透光板１８上において均一とすることができる。

なお、蛍光体層２２は、ＲＧＢを放出可能なＹＡＧ（Yttrium-Aluminum-Garnet)などの材料であってもよい。また、蛍光体層２２は、例えば透光性樹脂に分散して配置されていてもよい。

また、図４（ｂ）のように、発光素子１０からの距離が長くなるとともに反射板１６の傾きを急峻にし上に向かって凹となる断面となるようにすると、照射スポット形状を等方的に保つことがより容易となる。

図５（ａ）は、本発明の第３の実施形態にかかる発光装置の模式断面図、図５（ｂ）はその変形例にかかる発光装置の模式断面図である。
発光素子１０からの放出光は、ポリゴンミラー１２ａにより走査され、補正光学部１４により整形されたのち、透光板１８を照射可能である。つまり、補正光学部１４から出射された放出光は、透光板１８を部分照射しつつ透光板１８の上を走査される。このために、放出光の輝度分布は、透光板１８の上方において均一とすることが容易である。蛍光体層２２は、透光板１８の上側及び下側のいずれの側に設けられてもよい。なお、単色光の場合、蛍光体層を省略できる。

また、透光板１８の下方に破線で表すように導光板１９を設けると、導光板１９の側面から効率よく放出光を入射させることができる。さらに導光板１９の下方に反射板を設けると、導光板１９の側方から入射した放出光は、導光板１９から透光板１８へ入射する光と、下方の反射板で反射され、導光板１９を介して透光板１８へ入射する光と、を含むので光取り出し効率をさらに高めることが容易となる。

図５（ｂ）は第３の実施形態の変形例にかかる発光装置の模式断面図である。
発光素子１０からの距離が長くなるとともに、透光板１８の下面の傾きが急峻な下に向かって凹となる断面となるようにする。このようにすると、照射スポット形状がより等方的となるように整形できる。このために、透光板１８上において出射光Ｇの輝度分布が均一となる。

第１から第３の実施形態において、走査方向ＤＳを１次元として説明した。しかし、走査方向を２次元とすることもできる。

図６は、第４の実施形態にかかる発光装置の部分切断模式斜視図である。
本実施形態は、放出光を２次元的走査する場合である。すなわち、ポリゴンミラー１２ａの面に角度を設けるか、ポリゴンミラー１２ａとガルバノミラーとの組み合わせなどにより、反射板１６上を走査方向ＤＳ、これと略直交する走査方向ＤＴ、の２次元的に走査する。補正光学部１４は、２次元的に走査された放出光を等方的に近づくように補正して反射板１６上にビーム状放出光を照射する。つまり、補正光学部１４から出射された放出光は、透光板１８を部分照射しつつ透光体１８の上を走査される。このようにして、透光板１８上の輝度分布を均一とすることが容易となる。

導光板の側面に発光素子を配列しその放出光を入射させる構造では、画面が大型化すると導光板の上面の輝度を均一とすることが困難となる。このために、発光素子を透光板の直下にアレイ状に多数配置する構造とすることが多い。しかしながら、発光素子の数が増加し、その消費電力が増大する。これに対して、本実施形態では発光素子の数を低減するので、その消費電力を低減するとともに、発光装置の小型化、薄型化が容易となる。

図７は、第５の実施形態にかかる発光装置の部分切断模式斜視図である。
発光素子１１は、複数の発光素子であってもよい。発光素子１１ａからの放出光は、補正光学部１４により反射板１６上の領域１１１、発光素子１１ｂからの放出光は照射領域１１２、発光素子１１ｃからの放出光は照射領域１１３、発光素子１１ｄからの放出光は領域１１４、にそれぞれ照射される。すなわち、発光素子１１を逐次電気的に駆動することにより、放出光は照射領域１１１、１１２、１１３、１１４の順に１次元的に走査可能となる。さらに、補正光学部１４により２次元的な走査が可能である。そして、補正光学部１４から出射された放出光は、透光体１８を部分照射しつつ透光板１８の上を走査される。

図８は、第６の実施形態の発光装置の模式断面図である。発光素子１０の放出光を光ファイバ５００の一方の端部へ入射し伝送したのち、光ファイバ５００の他方の端部からポリゴンミラー１２ａへ入射してもよい。発光素子１０が狭い指向特性であるので、光ファイバ５００からの放出光を用いても均一な輝度分布とすることが容易となる。

図９は、本発明の第７の実施形態にかかる画像表示システムの部分切断模式斜視図である。
また、図１０は、本画像表示システムのブロック図である。
画像表示システムは、バックライト光源となる発光装置５と、液晶装置などを用いた画像表示ユニット８０と、走査制御回路８２と、発光素子駆動回路８４と、を備えている。

発光装置５の反射板１６上には、ビーム状の放出光が部分照射されつつ、走査される。
画像表示システムの入力端子Ｖｉｎへ入力された映像信号ＳＩは、画像表示ユニット８０へ入力されると共に走査制御回路８２へ入力される。走査制御回路８２は、分割された画像領域への信号出力と同期した位置制御信号ＳＰを発光装置５へ出力する。発光装置５の走査光学部１２は、位置制御信号ＳＰに応じて放出光を走査し所定の領域に部分照射を行う。

黒表示の場合、バックライトが漏れ、走査制御回路８２が映像信号ＳＩによりその画像領域が明るくなることを判別すると、発光素子駆動回路８４へ向けて輝度変調信号ＳＢを出力する。発光素子駆動回路８４は、輝度変調信号ＳＢに応じて、発光素子１０の輝度を低下する。他方、走査制御回路８２が映像信号ＳＩによりその画像領域が暗いことを判別すると、発光素子駆動回路８４に向けて輝度変調信号ＳＢを出力する。発光素子駆動回路８４は、輝度変調信号ＳＢに応じて、発光素子１０の輝度を高める。このようにすると、画像のコントラストが改善できる。また、発光素子１０における消費電力が低減できる。

放出光を走査しないで均一な輝度である大型画面を得るには、通常、発光素子を２次元的に多数配列する。この場合、その領域の画像の明るさに応じて、個別またはブロック毎に発光素子の輝度を制御するローカルディミング（Local Area Dimming）方式を用いることができる。

これに対してビーム状の放出光を走査し発光素子の数を低減可能な本実施形態の画像表示システムでは、画像のコントラストを改善しつつ、消費電力の低減、装置の小型、薄型化が容易となる。

以上、図面を参照しつつ、本実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明を構成する発光素子、走査光学部、補正光学部、反射板、透光板、蛍光体層、画像表示ユニット、走査制御回路、発光素子駆動回路、の材質、サイズ、形状、配置などに関して、当業者が各種設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

５発光装置、１０、１１発光素子、１２走査光学部、１４補正光学部、１６反射板、１８透光板、２２蛍光体層、６２放出光、８０画像表示ユニット、８２走査制御回路、８４発光素子駆動回路、Ｇ出射光、ＳＩ映像信号、ＳＰ位置制御信号、ＳＢ輝度変調信号

Claims

劈開端面からビーム状の放出光を出射可能な発光素子と、
前記劈開端面の垂直方向に延在し、光拡散性を有する透光板と、
前記放出光を走査し、前記透光板を部分照射する走査光学部と、
走査された前記放出光が入射し、前記透光板上の照射スポット形状の走査方向に沿った長さが走査位置の変化に対して近似的に等しくなるように、前記走査位置に応じて前記照射スポット形状を整形する補正光学部と、
を備えたことを特徴とする発光装置。
前記補正光学部は、前記走査方向に平行かつ前記透光板の上面に垂直な断面において前記走査位置に応じて前記照射スポット形状の前記長さを変化可能な曲線形状を有する透光体からなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記透光板は、前記発光素子の前記劈開端面からの距離が長くなるに従い傾きが急峻となるように下に向かって凹となる断面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
前記発光素子は、第１の発光波長を有する放出光を放出する第１の発光素子と、前記第１の発光波長とは異なる第２の発光波長を有する放出光を放出する第２の発光素子と、を含み、
前記第１の発光素子からの前記放出光と前記第２の発光素子からの前記放出光とは混合されて前記透光板を部分照射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。
前記透光板の前記上面及び下面のいずれかに設けられ、前記補正光学部から出射された前記放出光を吸収して波長変換光を前記透光板の上方へ出射可能な蛍光体層をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。
前記透光板と離間して下方に設けられ、前記補正光学部から出射された前記放出光を前記透光板に向かって反射可能な反射板をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
前記反射板上に設けられ、前記補正光学部から出射された前記放出光を吸収して波長変換光を前記透光板の上方に出射可能な蛍光体層をさらに備えたことを特徴とする請求項６記載の発光装置。
前記反射板は、前記発光素子の前記劈開端面からの前記距離が長くなるにともない傾きが急峻となるよう上に向かって凹となる断面を有することを特徴とする請求項６または７に記載の発光装置。
劈開端面からビーム状の放出光をそれぞれ出射可能な第１および第２の領域を有する発光素子であって、前記第１および第２の領域を電気的に逐次駆動可能な発光素子と、
前記劈開端面に対して垂直方向に延在し、光拡散性を有する透光板と、
前記放出光がそれぞれ入射し、前記透光板の異なる領域をそれぞれ部分照射する補正光学部であって、前記第１の領域からの放出光の第１照射スポット形状の前記垂直方向に沿った長さと、前記第２の領域からの放出光の第２照射スポット形状の前記垂直方向に沿った長さと、が近似的に等しくなるように、前記第１および第２の照射スポット形状をそれぞれ整形する補正光学部と、
を備えたことを特徴とする発光装置。
請求項１〜９のいずれか１つに記載の発光装置と、
前記発光装置からの前記放出光により、表示画素よりも大きな領域が部分照射され、映像信号に同期して微細な画素を開閉する表示ユニットと、
前記映像信号が入力され、前記映像信号を分析して前記表示ユニットのうちの部分照射領域を最適輝度分布となるように、輝度変調信号及び位置制御信号を出力する走査制御回路と、
前記発光素子の駆動電流を変化して輝度を変調する発光素子駆動回路と、
を備えたことを特徴とする画像表示システム。