JP6086766B2 - 面状発光装置および液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、導光板の一側部から入射した光を一主面から出射するエッジライト型の面状発光装置およびこれを備える液晶表示装置に関する。

ＬＥＤ（light emitting diode）などの半導体発光素子は、使用寿命が長く、消費電力も少ないことから、各種発光装置の光源として用いられている。発光装置としては、シーリングライトなどの照明装置や液晶表示装置のバックライト装置などがあり、いずれも面状に発光する。いわゆる面状発光装置である。面状発光装置には、半導体発光素子をマトリクス状に配置して、発光させる方向と出射方向とが平行となるように、各半導体発光素子から光を出射させるマトリクス型と、半導体発光素子から出射される光を導光板の一側部に入射させ、導光板の内部で反射、拡散させて一主面から出射させるエッジライト型とがある。

エッジライト型の面状発光装置は、マトリクス型と比べて、発光面積が同じ場合には、半導体発光素子の数を少なくすることができ、薄型化も容易である。

特許文献１記載の面状光源ユニットは、板状の導光体と、導光体の一方端面に配置され出射面と交差する方向において光を集光するレンズと、レンズを介して導光体の一方端面と対向するように配置される複数の光源と、導光体の他方端面に対向するように配置される反射鏡と、導光体の出射面と反対側の表面に配置される光拡散部とを備える。

光源からの光をレンズで集光することによって、導光体に入射する光の角度を所定の範囲内とすることができるので、導光体の内部で十分な回数反射されて光の混合が十分に行われる。これにより、色むらや濃淡の少ない均一な光を出射することができる。

特開２００６−３１９４１号公報

発光装置の内部は、光源が発光するときに発生する熱および光源への供給電流などを制御する集積回路が動作するときに発生する熱などにより、温度が一定せず変化する。導光板は、透明の合成樹脂材料で構成されるので、発光装置内部の温度変化によって、主面と平行な方向に伸縮する。

特許文献１記載の面状光源ユニットにおいて、通常バックライトに採用されるＬＥＤやＣＣＦＬ（冷陰極蛍光管）などは点発光源ではなく面発光光源であるため、完全な平行光にすることができず導光体が、温度変化によって伸縮すると、レンズと導光体との距離、光源とレンズとの距離などが変化してしまい入射面とは反対側の反射鏡に反射されるよりも前に、導光体の拡散パターンに反射されて導光体から液晶表示パネル面へ出射されることがある。これにより面輝度の変化や面輝度のむらが発生する場合がある。

本発明の目的は、温度変化に影響を受けず安定して均一な光を出射することができる面状発光装置およびこれを備える液晶表示装置を提供することである。

本発明は、発散光を出射する光源と、
前記光源から出射された発散光を略平行光に変換するレンズと、
前記レンズに対向する、前記略平行光が入射する一側部を有し、該一側部から入射した前記略平行光を少なくとも拡散または反射させて一主面から出射する導光板であって、前記一側部が入射した前記略平行光を該導光板内で集束させるように構成される導光板と、を有することを特徴とする面状発光装置である。

また本発明は、前記一側部の前記レンズに対向する表面が、前記レンズに向かって突出する凸状に形成されることを特徴とする。

また本発明は、前記一側部の前記レンズに対向する表面が、フレネルレンズ形状であることを特徴とする。

また本発明は、発散光を出射する光源と、
前記光源から出射された発散光を略平行光に変換するレンズと、
前記レンズに対向する、前記略平行光が入射する一側部を有し、該一側部から入射した前記略平行光を少なくとも拡散または反射させて一主面から出射する導光板であって、前記一側部が入射した前記略平行光を発散させるように構成され、前記一側部の前記レンズに対向する表面が、前記レンズから退避する凹状である導光板と、を有することを特徴とする面状発光装置である。

また本発明は、液晶表示パネルと、
前記液晶表示パネルに光を照射するバックライトと、を備え、
前記バックライトが、上記の面状発光装置であることを特徴とする液晶表示装置である。

本発明によれば、光源から出射された発散光をレンズで略平行光に変換し、この略平行光を導光板に入射させる。導光板は、入射した略平行光を少なくとも拡散または反射させて一主面から出射する。略平行光が入射される導光板の一側部は、入射した略平行光を集束または拡散させるように構成される。

装置内で温度変化が生じると、導光板が伸縮し、従来の技術では輝度むらや漏れ光などが発生していたが、導光板に入射する光を略平行光としたことにより、導光板が伸縮しても、輝度むらや漏れ光が発生せず、出射する光量が変化しないので、温度変化が生じても均一な面状光を安定して照射することができる。

また本発明によれば、一側部のレンズに対向する表面が凸状に構成されている。これにより、一側部から入射した略平行光を導光板の内部で容易に集束させた後、拡散させて出射させることができる。

また本発明によれば、フレネルレンズ形状とすることにより、入射側部のレンズに向かう突出量を小さくすることができる。これにより、入射側部とレンズとの距離を近付けることができる。

また本発明によれば、光源から出射された発散光をレンズで略平行光に変換し、この略平行光を導光板に入射させる。導光板は、入射した略平行光を少なくとも拡散または反射させて一主面から出射する。略平行光が入射される導光板の一側部は、入射した略平行光を発散させるように一側部のレンズに対向する表面が凹状に構成されている。

導光板に入射する光を略平行光としたことにより、導光板が伸縮しても、漏れ光が発生せず、出射する光量が変化しないので、温度変化が生じても均一な面状光を安定して照射することができる。また、一側部のレンズに対向する表面が凹状に構成されている。これにより、一側部から入射した略平行光を導光板の内部で容易に拡散および反射させて出射させることができる。

また本発明によれば、液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルに光を照射するバックライトとして上記の面状発光装置を備える。

これにより、温度変化が生じても均一な面状光を安定して照射することができるので、これを備える液晶表示装置は、装置内部に温度変化が生じても表示される画像の画質は変動せず高画質画像を安定して表示することができる。

本発明の第１実施形態である面状発光装置１の構成を示す模式図である。 面状発光装置１の構成を示す平面図である。 本発明の第２実施形態である面状発光装置１Ａの構成を示す模式図である。 面状発光装置１Ａの構成を示す平面図である。 本発明の他の実施形態である液晶表示装置１０の構成を示す概略図である。

図１は、本発明の第１実施形態である面状発光装置１の構成を示す模式図である。図１（ａ）は、相対的に装置内部の温度が低い状態を示し、図１（ｂ）は、相対的に装置内部の温度が高い状態を示す。図２は、面状発光装置１の構成を示す平面図である。各図において、実線で示している光線は、光束に含まれる複数の光線のうち、光軸を含む平面を通る光線の一部を図示している。

面状発光装置１は、発光素子２、実装基板３、レンズ４、導光板５、放熱筐体６、反射シート７およびフレーム８を有する。

発光素子２は、たとえば、ＬＥＤ（light emitting diode）などの白色光を出射する半導体発光素子で実現され、発散光を出射する光源である。実装基板３は、複数の発光素子２を直線状に配列して実装し、各発光素子２に電流供給するための電源配線などが設けられる。レンズ４は、たとえば導光板厚み方向に集光させるシリンダレンズなどで実現され、発光素子２から出射される発散光を略平行光に変換する。発光素子２から出射されるのは発散光であり、発光素子２とレンズ４との距離が変化すると、レンズ４に入射する入射光が変化してしまい、略平行光に変換できなくなるので、発光素子２とレンズ４との位置関係が変化しないように、発光素子２に対してレンズ４を固定することが望ましいが、レンズ透過後の光を若干集光させるように設計することで発光素子２とレンズ４との位置変化に対するマージンの確保が可能となる。

導光板５は、矩形板状に形成され、レンズ４で略平行光となった光を、レンズ４に対向させた一側部である入射側部５ａから入射させ、入射させた光を内部で拡散、反射させて一主面から面状の光として出射する。導光板５の材質には、たとえば、メタクリル系樹脂またはポリカーボネート系樹脂などの合成樹脂が主に用いられる。合成樹脂は、熱膨張係数が比較的大きいため、わずかな温度変化でも大きく伸縮する。板状部材では、厚み方向よりも主面に平行な面方向に伸縮しやすい。

放熱筐体６は、発光素子２が実装された実装基板３を固定するための筐体であり、さらに発光素子２の動作により発生した熱を、実装基板３を介して伝熱させ、外表面から放熱することで、発光素子２および実装基板３を冷却する。放熱性を高めるために、放熱筐体６は、たとえばアルミニウムなど伝熱抵抗の小さい金属材料で構成される。

反射シート７は、導光板５の主面のうち光を出射させる一方主面（以下では、「出射面」ということがある）とは反対側の他方主面に対向するように設けられ、導光板５の内部に入射した光が他方主面から出射された場合に、出射された光を反射した再度導光板５内部に入射させる。反射シート７は、拡散反射する高反射率を有するものであればどのような構成であってもよく、たとえば樹脂シートの表面に金属薄膜を蒸着させて形成される。

フレーム８は、面状発光装置１の全体形状を規定する骨格筐体であり、枠部および底部からなり、底部に対向する上面部は、導光板５から出射される光を外部に照射するために開放されている。また、複数の発光素子２が直線状に配置される枠部の一つの辺部分は、放熱筐体６に置き換えられている。

装置内部の温度が比較的低い場合には、図１（ａ）に示すように、導光板５が面方向に収縮して、入射側部５ａがレンズ４から離れることとなり、装置内部の温度が比較的高い場合には、図１（ｂ）に示すように、導光板５が面方向に伸張して、入射側部５ａがレンズ４に近づくこととなる。

レンズ４から出射される略平行光の光軸は、導光板５の主面の面方向に平行であり、すなわち導光板５の面方向の伸縮により入射側部５ａの位置が変化する方向に平行である。したがって、導光板５の伸縮によりレンズ４と導光板５の入射側部５ａとの距離が変化しても、導光板５の入射側部５ａの表面における略平行光束の断面は不変である。レンズ４から出射される光の略平行光束が、入射側部５ａの表面よりも小さければ、導光板５が伸縮しても、レンズ４から出射される略平行光は全て入射側部５ａの表面に照射され、漏れ光が生じることはない。

本実施形態では、入射側部５ａは、入射した略平行光が導光板５の内部で集束するように構成される。具体的には、入射側部５ａのレンズ４に対向する表面の光軸部分がレンズ４に向かって突出する凸状に形成される。導光板は通常、矩形板状に構成され、２つの主面と発光素子２およびレンズ４に対向する側端面を含む４つの側端面とがいずれも平坦面からなる。レンズ４から出射される略平行光を、その光軸に直交する側端面から導光板に入射させると、導光板５の内部でもほぼ略平行光のまま進行することになり、導光板５内部での光の拡散および反射が生じにくく、出射面から一様な光を出射することが難しい。

第１実施形態では、入射側部５ａの表面を平坦面とせず、レンズ４に向かって突出する凸状に形成することで、入射側部５ａが凸レンズとして機能し、レンズ４から出射される略平行光をなるべく反射させずに、導光板５の内部に取り込むことができる。入射側部５ａは、導光板５の内部に入射した光を集束させる特性を有しているので、レンズ４から出射された略平行光は、入射側部５ａから入射し、導光板５の内部で焦点に集束する。この焦点の位置には壁面も界面もないので、光は焦点位置を超えて、発散しながら導光板５の内部を光軸方向にさらに進行する。導光板５の内部で発散した光は、主面および側端面に達し、主面および側端面で反射するか、主面または側端面から出射することになる。

導光板５の出射面から一様に光が出射するためには、入射側部５ａから入射した光が、導光板５の内部で拡散され、主面および側端面で十分な回数反射することが必要となる。そのためには、入射側部５ａから入射した光が焦点を超えて発散したのち、主面および側面に入射する入射角を制御する必要がある。入射側部５ａから入射した光の光軸が、主面および側端面に平行であり、焦点を超えて発散する発散角によって主面および側端面への入射角が決まる。焦点に集束する光の集束角と焦点を超えて発散する光の発散角とは同じであるので、レンズ４から出射された略平行光を集束させる入射側部５ａの凸状表面を適宜設定することで、導光板５の内部で十分に拡散、反射され出射面から一様に面状光を出射することができる。

導光板５内部を進行する光の側端面および主面への入射角は、導光板５の寸法、材質の屈折率、略平行光の幅（入射側部５ａの凸状表面への入光高さ）などによって好ましい値が変わるので、入射側部５ａの凸状表面の形状は、これらに応じて設定すればよいが、導光板５入光後に導光板５の内部を進行する光が導光板５の上下の主面に入射するときに全反射する（臨界角を超えない）ように、入射側部５ａの凸状表面の形状を設定する必要がある。

上記のように、導光板５の出射面から一様に光を出射するためには、導光板５の内部で光を拡散させることが好ましい。導光板５の内部に微小粒子や微小突起を設けることで導光板５の内部を進行する光を散乱させることができる。微小粒子および微小突起は、導光板５を構成する材質の屈折率とは異なる屈折率を有する材料からなるものであればよい。微小粒子および微小突起の大きさは、使用する光源や導光板５の寸法、導光板の材質などによって適宜決定される。微小粒子および微小突起は、導光板５の内部に一様に分散させてもよく、入射側部５ａからの距離に応じて含有量を変化させてもよい。

また、導光板５内部を進行する光のうち他方主面に到達した光を散乱させてもよい。たとえば、導光板５と反射シート７との間に光を散乱させる散乱部材を設ける。散乱部材は、導光板５の他方主面に部分的に拡散反射率の高い光拡散物質を貼り付けたり、塗布したりしてもよい。また、他方主面の一部を粗面化してもよい。

入射側部５ａから入射した光が導光板５の内部を進行し、他方主面に到達したときに散乱部材があれば、そこで光が散乱反射され、出射面に向かう光の一様性が増すことになる。

またさらに、導光板５の入射側部５ａとは反対側に位置する側端面（以下、反対端面という）に対向するように、反射鏡を設けてもよい。導光板５の内部を進行する光は、各主面および入射側部５ａに直交する両側端面で反射されながら、反対端面にまで進み、一部の光が反対端面から出射される。この出射光は、反対端面に対向して設けられた反射鏡で鏡面反射され、反射光が反対端面から再度導光板５の内部に入射する。導光板５の内部に反対端面から再度入射した光は、導光板５の内部で拡散および反射を繰り返し、出射面から出射することになる。また、反対端面に光を入射させる別の光源を設置して両側入光タイプのエッジライト型発光装置としても良い。

本実施形態では、入射側部５ａの表面形状を凸状としたが、フレネルレンズ形状であってもよい。フレネルレンズは、プリズムが同心円状に形成された形状を有し、特性は凸レンズと同じである。入射側部５ａを凸レンズ形状に代えて、フレネルレンズ形状とすると、入射する略平行光の集束性は凸レンズ形状と同じで、入射側部５ａのレンズ４に向かう突出量を凸レンズ形状の場合よりも小さくすることができる。これにより、入射側部５ａとレンズ４との距離を近付けることができる。入射側部５ａのレンズ４に対する距離は、装置内の温度上昇により導光板５が伸張した場合であってもレンズ４と入射側部５ａとが接触しない距離に設定される。入射側部５ａの突出量が小さければ、その分だけ、導光板５をレンズ４に近づけることができる。

図３は、本発明の第２実施形態である面状発光装置１Ａの構成を示す模式図である。図３（ａ）は、相対的に装置内部の温度が低い状態を示し、図３（ｂ）は、相対的に装置内部の温度が高い状態を示す。図４は、面状発光装置１Ａの構成を示す平面図である。各図において、実線で示している光線は、光束に含まれる複数の光線のうち、光軸を含む平面を通る光線の一部を図示している。

面状発光装置１Ａは、発光素子２、実装基板３、レンズ４、導光板９、放熱筐体６、反射シート７およびフレーム８を有する。

本実施形態の面状発光装置１Ａは、第１実施形態の面状発光装置１と類似の構成を有しており、導光板９の構成が第１実施形態の導光板５の構成と異なる点以外は、第１実施形態の面状発光装置１と共通の構成を有している。本実施形態の説明において、発光素子２など第１実施形態の面状発光装置１と共通の各構成については、第１実施形態の面状発光装置１と同じ参照符号を付して、説明を省略する場合がある。

導光板９は、矩形板状に形成され、レンズ４で略平行光となった光を、レンズ４に対向させた一側部である入射側部９ａから入射させ、入射させた光を内部で拡散、反射させて一主面である出射面から面状の光として出射する。導光板９の材質には、たとえば、メタクリル系樹脂またはポリカーボネート系樹脂などの合成樹脂が主に用いられる。導光板９も第１実施形態の導光板５と同様の板状部材であり、厚み方向よりも主面に平行な面方向に伸縮しやすい。

装置内部の温度が比較的低い場合には、図３（ａ）に示すように、導光板９が面方向に収縮して、入射側部９ａがレンズ４から離れることとなり、装置内部の温度が比較的高い場合には、図３（ｂ）に示すように、導光板９が面方向に伸張して、入射側部９ａがレンズ４に近づくこととなる。

レンズ４から出射される略平行光の光軸は、導光板９の主面の面方向に平行であって、導光板９の伸縮によりレンズ４と導光板９の入射側部９ａとの距離が変化しても、導光板９の入射側部９ａの表面における略平行光束の断面は不変である。レンズ４から出射される光の略平行光束が、入射側部９ａの表面よりも小さければ、導光板９が伸縮しても、レンズ４から出射される略平行光は全て入射側部９ａの表面に照射されるので、本実施形態も第１実施形態と同様に漏れ光が生じることはない。

本実施形態では、入射側部９ａは、入射した略平行光が導光板９の内部で発散するように構成される。具体的には、入射側部９ａのレンズ４に対向する表面の光軸部分がレンズ４から退避する凹状に形成される。

第２実施形態では、入射側部９ａの表面を平坦面とせず、レンズ４から退避する凹状に形成することで、入射側部９ａが凹レンズとして機能し、レンズ４と導光板５とをより近づけることが可能になり、また導光板５の入射側部９ａに発散特性があるため、導光板５に入光した光が短距離で導光板５の厚み方向に広がり、有効範囲外の距離（一般的な表示装置ではベゼル幅）を小さくすることができる。入射側部９ａは、導光板９の内部に入射した光を発散させる特性を有しているので、レンズ４から出射された略平行光は、入射側部９ａから入射し、導光板９の内部で発散する。導光板９の内部を進行する光は、凹レンズ状の入射側部９ａから発散しながら光軸方向に進行する。導光板９の内部で発散した光は、主面および側端面に達し、主面および側端面で反射するか、主面または側端面から出射することになる。

導光板９の出射面から一様に光が出射するためには、入射側部９ａから入射した光が、導光板９の内部で拡散され、主面および側端面で十分な回数反射することが必要となる。そのためには、入射側部９ａから入射した光が発散したのち、主面および側面に入射する入射角を制御する必要がある。入射側部９ａから入射した光の光軸は、主面および側端面に平行であり、発散角によって主面および側端面への入射角が決まる。レンズ４から出射された略平行光を拡散させる入射側部９ａの凹状表面の形状を適宜設定することで、導光板９の内部で十分に拡散、反射され出射面から一様に面状光を出射することができる。

導光板９内部を進行する光の側端面および主面への入射角は、導光板９の寸法、材質の屈折率、略平行光の幅（入射側部９ａの凹状表面への入光高さ）などによって好ましい値が変わるので、入射側部９ａの凹状表面の形状は、これらに応じて設定すればよいが、導光板５入光後に導光板５の内部を進行する光が導光板５の上下の主面に入射するときに全反射する（臨界角を超えない）ように、入射側部９ａの凹状表面の形状を設定する必要がある。

上記のように、導光板９の出射面から一様に光を出射するためには、導光板９の内部で光を拡散させることが好ましい。第１実施形態の導光板５と同様に、導光板９の内部にも微小粒子や微小突起を設けることで導光板９の内部を進行する光を散乱させることができる。微小粒子および微小突起は、導光板９を構成する材質の屈折率とは異なる屈折率を有する材料からなるものであればよい。微小粒子および微小突起の大きさは、使用する光源や導光板９の寸法、導光板の材質などによって適宜決定される。微小粒子および微小突起は、導光板９の内部に一様に分散させてもよく、入射側部９ａからの距離に応じて含有量を変化させてもよい。

また、第１実施形態の導光板５と同様に、導光板９内部を進行する光のうち他方主面に到達した光を散乱させてもよい。たとえば、導光板９と反射シート７との間に光を散乱させる散乱部材を設ける。散乱部材は、導光板９の他方主面に部分的に拡散反射率の高い光拡散物質を貼り付けたり、塗布したりしてもよい。また、他方主面の一部を粗面化してもよい。

入射側部９ａから入射した光が導光板９の内部を進行し、他方主面に到達したときに散乱部材があれば、そこで光が散乱反射され、出射面に向かう光の一様性が増すことになる。

またさらに、第１実施形態の導光板５と同様に導光板９の反対端面に対向するように、反射鏡を設けてもよい。導光板９の内部を進行する光の一部の光が反対端面から出射され、反対端面に対向して設けられた反射鏡で鏡面反射され、この反射光が反対端面から再度導光板９の内部に入射する。導光板９の内部に反対端面から再度入射した光は、導光板９の内部で拡散および反射を繰り返し、出射面から出射する。

図５は、本発明の他の実施形態である液晶表示装置１０の構成を示す概略図である。本実施形態では、上記の第１実施形態の面状発光装置１または第２実施形態の面状発光装置１Ａをバックライトとして備える。

以下では、第１実施形態の面状発光装置１を備える液晶表示装置１０を例として説明するが、面状発光装置１に代えて第２実施形態の面状発光装置１Ａを備えてもよい。

液晶表示装置１０は、装置筐体１１の内部に、画像を表示するための透過型または半透過型の液晶表示パネル１２と、液晶表示パネル１２の画像を表示する表示画面の背面側から面状の光を照射するためのバックライトとして面状発光装置１とが収納されている。

面状発光装置１は、導光板５の出射面が、液晶表示パネルの背面に対向するように、設けられており、出射面から出射された均一な面状光が液晶表示パネル１２を透過する。液晶表示パネル１２が、透過光の一部を遮断、一部を透過させることで表示画面に画像を表示させる。

面状発光装置１は、上記のように、温度変化が生じても均一な面状光を安定して照射することができるので、これを備える液晶表示装置１０は、装置内部に温度変化が生じても表示される画像の画質は変動せず高画質画像を安定して表示することができる。

上記では、発光素子２として白色光を出射する素子について説明したが、これに限らず、赤色光、青色光および緑色光をそれぞれ出射する複数種類ＬＥＤを発光素子２として用いてもよい。出射光の色が異なるＬＥＤを用いた場合は、導光板５，９の内部で拡散、反射を繰り返すことで、各色の光が十分に混色されて、白色光として出射面から出射することができる。

１，１Ａ 面状発光装置
２ 発光素子
３ 実装基板
４ レンズ
５，９ 導光板
５ａ，９ａ 入射側部
６ 放熱筐体
７ 反射シート
８ フレーム
１０ 液晶表示装置
１１ 装置筐体
１２ 液晶表示パネル

Claims (5)

1. 発散光を出射する光源と、
   前記光源から出射された発散光を略平行光に変換するレンズと、
   前記レンズに対向する、前記略平行光が入射する一側部を有し、該一側部から入射した前記略平行光を少なくとも拡散または反射させて一主面から出射する導光板であって、前記一側部が入射した前記略平行光を該導光板内で集束させるように構成される導光板と、を有することを特徴とする面状発光装置。
2. 前記一側部の前記レンズに対向する表面が、前記レンズに向かって突出する凸状であることを特徴とする請求項１記載の面状発光装置。
3. 前記一側部の前記レンズに対向する表面が、フレネルレンズ形状であることを特徴とする請求項１記載の面状発光装置。
4. 発散光を出射する光源と、
   前記光源から出射された発散光を略平行光に変換するレンズと、
   前記レンズに対向する、前記略平行光が入射する一側部を有し、該一側部から入射した前記略平行光を少なくとも拡散または反射させて一主面から出射する導光板であって、前記一側部が入射した前記略平行光を発散させるように構成され、前記一側部の前記レンズに対向する表面が、前記レンズから退避する凹状である導光板と、を有することを特徴とする面状発光装置。
5. 液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルに光を照射するバックライトと、を備え、
   前記バックライトが、請求項１〜４のいずれか１つに記載の面状発光装置であることを特徴とする液晶表示装置。

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