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JPWO2012164790A1 - 面光源および液晶ディスプレイ装置 - Google Patents

面光源および液晶ディスプレイ装置 Download PDF

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Abstract

光源の指向性を広くしながらも、光源から広い角度で放射される光を有効に配光させることができるレンズ含む発光装置を提供するとともに、この発光装置を備える面光源、および液晶ディスプレイ装置を提供する。面光源（７）は、発光装置（１）を中央部に複数個配置する構成からなる。発光装置（１）は、光軸Ａを中心として光を放射するものであり、光源（２）と、光源（２）からの光を放射状に拡張するレンズ（３）とを備えている。レンズ（３）は、底面（３３）の一部に反射部（３４）を備えている。

Description

本発明は、例えば発光ダイオード（以下単に「ＬＥＤ」という。）等の光源からの光の方向性をレンズで広げる構成を有する面光源に関する。また、本発明は、この面光源がバックライトとして液晶パネル後方に配置され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、これらの冷陰極管は、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ＬＥＤが使用されるようになっている。ＬＥＤは、近年、発光効率が向上し、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ＬＥＤ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において、ＬＥＤ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ＬＥＤを配置することとなる。多数のＬＥＤを用いることでバックライト表面に均一な明るさを得ることができるが、多数のＬＥＤが必要なことから、安価にできない問題があった。この欠点を解決すべく、１個のＬＥＤの出力を大きくして、使用するＬＥＤの個数を減らす取り組みがなされている。例えば特許文献１では、少ない個数のＬＥＤでも均一な輝度の面光源が得られるようにする発光装置が提案されている。
少ない個数のＬＥＤで均一な輝度の面光源を得るためには、１個のＬＥＤで照明可能な照明領域を大きくする必要がある。このために特許文献１の発光装置では、ＬＥＤからの光をレンズで放射状に拡張している。これにより、ＬＥＤからの光の方向性が広げられ、被照射面において、ＬＥＤの光軸を中心とする広い範囲を照明することができる。具体的には、特許文献１の発光装置に用いられるレンズは、平面視で円形状をなしており、光入射面と光制御出射面とが共に光軸に対して回転対称な形状である。ここで、光入射面は、凹面にて形成され、光制御出射面は、光軸近傍部分が凹面で光軸近傍部分の外側部分が凸面にて形成されている。
一般的にＬＥＤでは、ＬＥＤのチップの正面方向に最も多くの光が発光する。特許文献１に開示されたレンズでは、光入射面及び光出射面における光軸近傍の凹面で、光源からの正面方向に向かう光を屈折により発散させている。これにより、被照射面における光軸近傍の照度を抑えて広がりのある照度分布を得ている。
特開２００６−９２９８３号公報
ＬＥＤの発光効率が向上しつつある近年においては、光源１つあたりの被照射面での照射面積を今まで以上に広げ、使用する光源の数を極限まで減らし、なおかつ、被照射面における照度が均一化された、低コストで省エネルギーの面光源が望まれる。
特許文献１に開示されたレンズでは、光制御出射面は、光軸近傍において凹面、光軸から離れるにつれ緩やかに凸面となる形状にとなっており、光入射面と光制御出射面とを結ぶ底面が平面となっている。このような形状になっていると、光源から放射される光を広げるパワーが大きくなるにつれ、光制御出射面において屈折されずに反射する光成分が多くなり、光制御出射面で反射した光成分がレンズ底面や、ＬＥＤ光源を実装した基板上面の反射シートで反射し、被照射面の光軸近傍に集まってくる。すなわち、特許文献１に開示されたレンズでは、レンズ面形状のみによって、被照射面において光軸近傍の照度を抑え、かつ広がりのある照度分布を作るには限界がある。また、このような特許文献１の発光装置では、極限まで光源数を減らし、なおかつ、被照射面における照度が均一化された、低コストで省エネルギーを実現する面光源を作ることは出来ない。
本発明は、上記の要望に鑑み、光源が照明する被照射面における照度を従来に比して均一化可能な面光源、および、この面光源を備えた液晶ディスプレイ装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明は、平面的に配置された複数の発光装置と、前記複数の発光装置を覆うように配置され、前記複数の発光装置から被照射面に照射された光を放射面から拡散した状態で放射する拡散板と、を備える面光源に関する。
また、本発明は、中央部に発光装置を複数個配置することにより構成し、光軸に直交した発光面を有する光源と、光源からの光を広げ、光源からの光を入射させる入射面と、入射した光を出射させる出射面と、入射面の周囲で出射面と反対側を向く底面と、底面に光軸に対し凹形状の反射部を有するレンズからなる発光装置を備えた面光源に関する。
さらに、本発明は、液晶パネルと、前記液晶パネルの裏側に配置された上記の面光源と、を備える液晶ディスプレイ装置に関する。
上記の構成によれば、光源からの光をレンズで拡張する発光装置および拡散板を有する面光源において、レンズの底面に凹形状の反射部を備えたことから、光源からの光を最大限に広げ、使用する光源数を極限まで減らすことができる。従って、本発明によれば、輝度の均一化された、低コスト省エネを実現することができる。
本発明の実施の形態１に係る液晶ディスプレイ装置の構成図、 図１のIIＡ（Ｘ）−IIＡ（Ｘ）にて切断した断面図、 図１に示す面光源の発光装置を示す平面図、 発光装置の配列の一例を示す平面図、 本発明の実施の形態２に係る面光源の構成図、 図５の面光源の部分的な断面図、 本発明の実施の形態３に係る発光装置の平面図、 図７のIIＡ−IIＡ線における断面図、 図７のIIＢ−IIＢ線における断面図、 本発明の実施の形態３に係る発光装置の平面図、 実施例１に係る発光装置の説明図、 実施例１の発光装置に用いられるレンズの入射面形状を表す、ＲとｓａｇＡＸ，ｓａｇＡＹの関係を示すグラフ（表１をグラフ化）、 実施例１の発光装置に用いられるレンズの入射面形状を表す、ＲとｓａｇＢの関係を示すグラフ（表１をグラフ化）、 実施例１の発光装置の照度分布を示すグラフ、 実施例１に係る発光装置の効果を確認するための、ＬＥＤのみで面光源を構成したときの照度分布を示すグラフ、 実施例１の発光装置の反射部が無い場合の照度分布を示すグラフ、 実施例１の発光装置の光路図、 実施例１の面光源の照度分布を示すグラフ、 光源のみの照度分布を示すグラフ、 図７に示す発光装置において、レンズに備わる反射部の効果を説明するための図、 図１８Ａと対比される図であって、レンズに反射部が無い場合の光路を示す図、 レンズに備わる反射部の一変形例を示す図、 レンズに備わる反射部の他の変形例を示す図。
以下、本発明の一実施の形態による面光源およびその面光源を用いた液晶ディスプレイ装置について、図面を参照しながら説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る液晶ディスプレイ装置１０１の全体の概略構成を示す分解斜視図である。また、図２は、図１のIIＡ（Ｘ）−IIＡ（Ｘ）線で切断した断面図である。
図１、図２に示すように、液晶ディスプレイ装置１０１は、長方形の平板形状で透過型の液晶表示パネル９と、この液晶表示パネル９の背面９ａ側（反表示面側）に配置され、液晶表示パネル９に対応する大きさの直方体形状の面光源７とを備えて構成されている。ここで、面光源７は、液晶表示パネル９のバックライトとして機能するもので、光源としてＬＥＤを使用する。
面光源７は、液晶表示パネル９の長辺方向９ｂに沿って液晶表示パネル９の中央部と対向するように直線状に配置された複数の発光装置１と、この発光装置１を収容する直方体形状の筐体１０と、この筐体１０の開口部１０ａを覆うように配置されるとともに、前記液晶表示パネル９と発光装置１との間に配置される拡散板４と、筐体１０内に配置され、前記発光装置１から出射した光を液晶表示パネル９の背面９ａ側、すなわち拡散板４側に反射させる反射シート６とを備えている。尚、拡散板４は、発光装置１の光軸に直交して延在する。反射シート６は、本実施形態では、液晶表示パネル９の長辺方向９ｂに沿って湾曲した反射面が連続する円弧状のシート材で構成され、長辺方向９ｂにおける両端部には、面光源７の外側へ反った側板が設けられており、短辺方向に沿っても円弧ないし傾斜を有する。尚、反射シート６の形状は、本実施形態のような円弧状に限定するものではない。また、発光装置１は、後述の実施形態で詳しく説明するが、ＬＥＤ光源２と、光源２を覆って配置されるレンズ３とを有する。
拡散板４は、液晶表示パネル９の背面９ａに対面する放射面４ｂ（図６）、つまり光を放出する面に、液晶表示パネル９に対応する大きさの光学シート積層体８を備えている。尚、放射面４ｂに対向する、拡散板４の被照射面４ａ（図６）は、発光装置１から光が照射される面である。この光学シート積層体８は、例えば、拡散板４からの入射光を前方の液晶表示パネル９側に向けて集光させるプリズムシート、拡散板４からの入射光をさらに拡散させる拡散シート、入射光の偏光面が液晶表示パネル９の偏光面に対応するように特定の偏光面を有する光を透過させる偏光シート等により構成されている。また、本実施の形態においては、発光装置１が液晶表示パネル９の中央部に対向するように直線状に配置されることにより、発光装置１は、面光源７のほぼ中央部のみに配置されることとなる。
図３は、面光源７の発光装置１を示す平面図である。
発光装置１は、裏面側に所定の配線パターンを形成した短冊形状の絶縁性の基板５の表面上に、所定の間隔で配置される。
本実施の形態において、複数の発光装置１は、図４の（ａ）に示され上述したように、液晶表示パネル９および拡散板４の中央部に長辺方向９ｂに沿って直線状に２列に配置されている。なお、図４の（ａ）に示す例においては、複数個の発光装置１は、隣り合う列間において、千鳥状に配列しているが、千鳥状に配列しないで、隣り合う列間において、同じ位置になるように配列してもよい。また、配列する列数は、中央部に直線状に配置されていれば、１列（図４の（ｂ））でも３列でも良い。
このように面光源７において、発光装置１を中央部に直線状に複数個配置することにより、それぞれのレンズ列による輝度分布が交互に重なり、輝度分布のムラを減少させることができる。また、このような構成とすることにより、面光源７として十分な明るさを確保し、しかも少ない個数の光源２とレンズ３で構成することができ、安価に装置を構成することができる。
ところで、図１、図２に示すように、液晶表示パネル９の中央部と対向するように一列に直線状に複数の発光装置１を配置して構成した場合、本発明者らが実験により確認したところでは、面光源７の端部において、拡散板４から出射される光が少なく、十分な明るさを確保しにくくなる。このような場合は、出力が大きい光源２を使用すればよいが、価格が高くなってしまう。一方、液晶ディスプレイ装置１０１としては、画面の中央部が周辺部に比べてより明るいことが要求される。そのため、発光装置１の配置のピッチは一定ではなく、画面中心部から周辺にかけて、密、疎、密となるように配置されることが望ましい。このように配置することで、画面中央部に十分な明るさを持ちながら、端部まで必要な明るさを確保した、輝度分布ムラの少ない面光源７を構成することができる。
また、ＬＥＤ光源２は、青色光を発する発光素子をＹＡＧ系やＴＡＧ系などの蛍光体で封止することで疑似白色光を生成していることから、全方向に均一色を発するＬＥＤ光源は、コスト面から現時点では未だ使用されることがほとんどない。よって、色ムラが生じるが、異なる色の光の発光領域の差が大きいＸ方向を、直線状に配置する方向にあわせることで色ムラの重なる部分が増えるため、面光源７における色ムラを目立ちにくくすることができ、またレンズ３の屈折力の弱い方向も同様に揃えることで、色ムラが抑えられるだけでなく、面光源７の端部においても必要な明るさを確保することができる。また、このような色ムラに関する課題は、本実施形態のように、面光源７の中央部に列状にて発光装置１を配置する構成に起因して生じる課題であり、従来のバックライトのように、液晶表示パネルの側縁部に光源および導光板を配置する構成では、導光板で光が拡散されることから、発生しない。
尚、発光装置１を構成する光源２およびレンズ３については、以下の実施の形態３で詳しく説明する。
（実施の形態２）
ここでは、本発明の実施の形態２に係る面光源７について説明を行う。図５は、面光源７の構成図である。この面光源７は、実施の形態１で説明したように、光源２およびレンズ３を有し液晶表示パネル９の中央部に対向して長辺方向９ｂに沿って列状に配列された複数の発光装置１と、これらの発光装置１を覆うように配置された拡散板４とを備えている。尚、上述のように、発光装置１を構成する光源２およびレンズ３については、以下の実施の形態３にて詳しく説明する。
また、面光源７は、図６に示すように、発光装置１を挟んで拡散板４と対向して配置される基板５を備えている。基板５には、各発光装置１のＬＥＤ光源２が実装されている。この光源２を覆ってレンズ３が基板５に設置される。本実施形態では、レンズ３は、その底面３３が支柱５５を介して基板５に接合されている。さらに、基板５上には、光源２を避けながら基板５を覆うように、つまり光源２を露出させながら、基板５を覆うとともに基板５と拡散板４との間に反射シート６が配置されているか、基板５に反射シート６に代わる反射コーティングがされている。尚、反射シート６および反射コーティングは、反射用部材の一例に相当する。また、図１に示すように、反射シート６には、各発光装置１に対応して窓６ａが形成されている。また、レンズ３の底面３３は、必ずしも基板５に支柱５５を介して接合されている必要はなく、基板５に直接的に接合されていてもよい。また、支柱５５が、レンズ３と一体で形成されていてもよい。
発光装置１は、拡散板４の被照射面４ａに光を照射する。拡散板４は、被照射面４ａに照射された光を放射面４ｂから拡散された状態で放射する。個々の発光装置１からは拡散板４の被照射面４ａに広い範囲で均一化された照度の光が照射され、この光が拡散板４で拡散されることにより、面内での輝度ムラが少ない面光源ができる。
発光装置１からの光は、拡散板４で散乱されて、発光装置１側へ戻ったり拡散板４を透過したりする。発光装置１側へ戻って反射シート６に入射する光は、反射シート６で反射されて、拡散板４に再度入射する。
（実施の形態３）
ここでは、本発明の実施の形態３に係る発光装置１について、詳しく説明を行う。図７並びに図８Ａおよび図８Ｂは、発光装置１の構成を示す図である。この発光装置１は、既に説明したように、光源２と、光源２からの光を放射状に拡張するレンズ３とを備え、例えば拡散板４の被照射面４ａに、光軸Ａを中心として略円形状に光を放射するものである。すなわち、光源２からの光の方向性がレンズ３で広げられ、これにより拡散板４の被照射面４ａにおける光軸Ａを中心とする広い範囲が照明される。被照射面４ａの照度分布は、光軸Ａ上が最大で、周囲に行くほど略単調に減少する。
レンズ３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１．４から２．０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、硝子、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、従来からＬＥＤの封止樹脂として用いられてい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。
具体的に、レンズ３は、図８Ａに示すように、光源２からの光を該レンズ３内に入射させる入射面３１と、該レンズ３内に入射した光を出射させる出射面３２とを有している。出射面３２の最外径は、レンズ３の有効径を規定する。また、レンズ３は、入射面３１の周囲に位置し光軸方向において出射面３２と反対側に位置する底面３３を有している。この底面３３には、光軸Ａを中心とした円状、あるいは楕円状に反射部３４が設けられている。さらに、本実施形態では、出射面３２と底面３３との間に径方向外側に張り出すリング部３５が設けられている。このリング部３５の断面形状は、略コ字状で、出射面３２の外周縁と底面３３の外周縁とがリング部３５によってつながれている。ただし、リング部３５は省略可能であり、出射面３２の外周縁と底面３３の外周縁とが断面直線状または円弧状の端面でつながれていてもよい。以下に、レンズ３の上述の各構成部分について、さらに詳しく説明する。
入射面３１は、本実施形態では連続する凹面であり、図７に示すように、Ｘ方向とＹ方向とで湾曲態様が異なるアナモフィックな曲面であることにより、Ｘ方向の屈折力とＹ方向の屈折力が異なるようになっている。入射面３１は、Ｘ方向とＹ方向で屈折力を常に変える必要は無く、光源２の特性に合わせ、光軸Ａに対して回転対称な形状にしても良い。
ここで注意すべき点は、上記屈折力とは、光学系の設計や撮像系の設計で一般的に使用されるレンズ「パワー」の概念、つまり非球面レンズならば光軸近傍でのレンズの曲率が異なるという意味ではない。本明細書及び請求範囲で使用する「屈折力」とは、回転楕円体の表面に相当する形状の入射面３１において、光軸Ａに直交する断面の形状は、光軸方向におけるいずれの位置にあっても楕円となる、換言するとＸ方向とＹ方向とで光軸Ａからの距離が異なる、あるいは、光源２からの入射面３１への入射角が同じ光であってもＸ方向とＹ方向とでは入射面３１からの光の放出方向が異なる、つまり配光方向が異なるという形態を意味する。また、このような形態の曲面を、ここでは「アナモフィック」と称している。
詳細には、図８Ａ、図８Ｂに示すように、入射面３１は、光軸Ａ上に頂点Ｑを有している。そして、入射面３１は、頂点Ｑから入射面３１上の点Ｐまでの光軸Ａに沿った距離（すなわち、光軸方向の距離）をサグ量（符号は頂点Ｑから光源２側が負、頂点Ｑから光源２と反対側が正）としたときに、光軸Ａから径方向に同じ距離Ｒだけ離れた位置（すなわち、光軸Ａを中心とする同一円周上）では、Ｘ方向におけるサグ量ｓａｇＡＸと、Ｙ方向におけるサグ量ｓａｇＡＹとが異なるような、形状を有している。なお、入射面３１は、サグ量が光軸Ａの近傍ではプラスとなるように頂点Ｑからいったん光源２の反対側に後退した後に、光源２側に延びていてもよい。
反射部３４は、入射面３１の外周ないし、出射面３２の外周に対し同心円状に設けられている。反射部３４は、断面において出射面３２側に凸の三角形状をしており、この三角形状の頂点３４ａよりレンズ外周側の斜面３４ｂの方が光軸Ａ側の斜面３４ｃよりも大きく、傾斜も緩くなっている。
また、反射部３４の底面３３とのなす角θは、１５°＜θ＜４５°が好ましい。１５°以下になると、拡散板４の被照射面４ａの光軸近傍における照度を抑える効果が小さくなり、４５°以上になると、光源２から出射した光が直接反射部３４にあたり、被照射面４ａでの照度ムラの原因となる。
また、反射部３４は、光軸Ａからレンズ３の有効径の６５％以上の外側に位置することが望ましい。これは、出射面３２側で反射した光が底面３３の外側に集中することから、これらの光を効率的に出射面３２側へ反射させるためであり、光軸Ａに近い位置に設けても効果が少ないためである。
また、図１８Ａには、光源２から出射された光の内、反射部３４で反射された光６２の一例としての光路を図示している。出射面３２でレンズ３の内側へ反射した光であっても、反射部３４によって再びレンズ３の外周方向へ反射され、光源２からの光をより広範囲に広げる方向へ配向させることができる。
一方、図１８Ｂに示すように、レンズ３に反射部３４を設けない場合には、出射面３２でレンズ３の内側へ反射した光６３は、レンズ３を透過し、基板５の反射シート６等の反射用部材で反射し、再びレンズ３に入射して出射面３２で再び光源２側へ反射してしまう場合も生じる。図１８Ａおよび図１８Ｂから分かるように、反射部３４を設けることで、光源２からの光をレンズ３の外周側へ最大限に広げることができ、それによって使用する光源数を極限まで減らすことが可能になる。
反射部３４は、図９に示すように、底面３３に多数設けても良く、その際、反射部３４の頂点３４ａの高さは、光軸Ａに近づくほど低く、光軸Ａから離れるほど高いのが好ましい。
さらにまた、反射部３４の形状は、図８Ａや図８Ｂ等に示すものに限定されない。例えば図１９に示すように、光軸Ａ側の斜面３４ｃをレンズ３の外周側へ傾斜させてもよく、また、図２０に示すように、レンズ外周側の斜面３４ｂを出射面３４側へ円弧状に凸面として形成してもよい。さらにまた、図８、図１９、図２０に示す形状を適宜組み合わせた形状を採ることもできる。
このような形状にてなる反射部３４によっても、光源２からの光を最大限に広げ、使用する光源数を極限まで減らすことが可能になる。
但し、光軸Ａ側の斜面３４ｃを光軸Ａ側へ傾斜させる形態は、光源２からの光を広げる作用が得難いことから、好ましくない。
光源２は、レンズ３の入射面３１と離れて配置されている。出射面３２は、本実施形態では、光軸Ａに対して回転対称な連続する凸面である。入射面３１を取り巻く環状の底面３３は、フラットであることが好ましい。本実施形態では、光源２の発光面２１が、フラットな底面３３と光軸Ａが延びる光軸方向において同程度の位置にある。
また、底面３３は、光軸Ａからレンズ３の外側に向けて傾斜していてもよい。図９では、レンズ３の外側に比べてレンズ３の内側が凹となるように、底面３３は、傾斜している。これとは逆の傾斜を底面３３は有しても良い。
光源２からの光は、入射面３１からレンズ３内に入射した後に出射面３２から出射されて、拡散板４の被照射面４ａに到達する。光源２から放射される光は、入射面３１と出射面３２との屈折作用で拡張され、被照射面４ａの広い範囲に到達するようになる。
以上のような発光装置１であれば、レンズのサイズも小さく、光源２からの光を最大限に広げることができる。
以下、本発明の具体的な数値例として、発光装置１の実施例１を示す。
図１０は、実施例１の発光装置１の断面図である。実施例１では、入射面３１の全面がアナモフィックな曲面であり、出射面３２が回転対称なレンズ３が採用されている。
なお、図１０中のＱ、Ｐ、ｓａｇＡＸ（ｓａｇＡＹ）は、図８Ａおよび図８Ｂ中に示したものと同じである。また、図１０中のｓａｇＢは、光軸Ａから距離Ｒ離れた位置での出射面３２のサグ量である。
・実施例１
実施例１において、光源２は、発光面２１の大きさが、おおよそφ３．０ｍｍの汎用品のＬＥＤを採用し、光源２からの光の方向性を広げ、色ムラを抑えることを目的としている。実施例１において、レンズ３の有効径は、２０．７ｍｍとなっている。また、光軸中心でのレンズの厚みが１．２ｍｍとなっている。実施例１の具体的な数値を表１に示す。
Figure 2012164790
図１１Ａは、表１の、Ｘ軸、Ｙ軸の値（Ｒ）と、ｓａｇＡＸおよびｓａｇＡＹとについて、グラフ化したものであり、図１１Ｂは、表１の、Ｘ軸、Ｙ軸の値（Ｒ）と、ｓａｇＢとについてグラフ化したものである。
図１２は、実施例１の発光装置１を用い、光源２の発光面２１から光軸方向において３５ｍｍ離れた位置に、拡散板４の被照射面４ａを配置したときの、被照射面４ａでの照度分布を表す。図１２において、縦軸は、照度を最大値で規格化したものを示し、横軸は、光軸からの距離（ｍｍ）を示している。
図１３は、実施例１に係る発光装置１の効果を確認するための、レンズ３を用いずにＬＥＤのみで面光源を構成したときの照度分布を表す。
図１４は、実施例１の発光装置１に用いられるレンズ３の反射部３４を無くした場合における、拡散板４の被照射面４ａでの照度分布を表す。
図１４に示すように、反射部３４を設けることで、被照射面４ａにおける光軸近傍の照度を抑えることができ、光源２からの光を効率よく広げることができる。
図１５は、光源２の端面付近から光軸Ａに対して大きな角度で出射され、入射面３１に到達する光線の光路６１を示す。光源２から出射した光は、入射面３１を屈折しながら透過し、その後に出射面３２に到達する。到達した光は、出射面３２を屈折しながら透過し、その後に拡散板４の被照射面４ａに到達する。図１５において、光源２の発光面２１の最大幅をＤ、レンズ３の中心厚をｔとするとき、以下の式（１）を満足することが好ましい。尚、発光面２１の最大幅Ｄとは、平面視において発光面２１が円形の場合には直径が相当し、角形の場合には対角距離が相当する。
０．３＜Ｄ／ｔ＜３．０・・・（１）
このような条件を満足させることにより、光源２のサイズが変化することによって変動するフレネル反射成分が少なくなる。一方、式（１）の下限を超えると、レンズ３のサイズ（例えば光軸方向の長さ）が大きくなり、上限を超えると、上述のフレネル反射成分が発生し易くなる。
また、光源２の発光面の最大幅をＤ、レンズ３の有効径をＤｅとするとき、以下の式（２）を満足することが好ましい。
０．０３＜Ｄ／Ｄｅ＜０．３・・・（２）
このような条件を満足させることにより、光源２のサイズが変化することによって同時に変動するフレネル反射成分が少なくなる。また、式（２）の下限を超えると、レンズ３のサイズ（例えば光軸と垂直方向の長さ）が大きくなり、上限を超えると、上述のフレネル反射成分が発生し易くなる。
ところで、出射面３２が凹面であるレンズ３を用いた場合、光源２から出射した光は、入射面３１を屈折しながら透過し、その後に出射面３２に到達する。到達した光の一部は、出射面３２でフレネル反射をおこし、レンズ３の底面３３で屈折したのち、基板５に向かう。光は、基板５で拡散反射され、底面３３で再び屈折したのち、出射面３２で屈折しながら透過し、その後に拡散板４の被照射面４ａに到達することとなる。このようなフレネル反射しやすい形状では、光源２のサイズが変化すると、フレネル反射成分の影響が変化するために、被照射面４ａにおける照度分布が大きく変化するので、光源２のサイズに制約を受ける。
これに対し、本実施の形態によるレンズ３では、フレネル反射は、発生し難いので、フレネル反射の影響を低減することができ、光源２のサイズや形状の制約を緩和できる。
図１６は、入射面３１の全面がアナモフィックな曲面であるレンズ３を採用した実施例１の発光装置１を２４ｍｍピッチでＸ方向に一直線上に２５個、Ｙ方向に２個配置し、光源２の発光面２１から光軸方向において３５ｍｍ離れた位置に拡散板４の被照射面４ａを配置したときの、被照射面４ａでの照度分布を表す。
図２７は、レンズ３を用いずにＬＥＤ光源のみを２４ｍｍピッチでＸ方向に一直線上に２５個、Ｙ方向に２個配置し、光源２の発光面２１から光軸方向において３５ｍｍ離れた位置に拡散板４の被照射面４ａを配置したときの、被照射面４ａでの照度分布を表す。
図１６と図１７を比較すると、レンズ３の効果で被照射面４ａにおいて、より均一に照明ができていることがわかる。
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
又、２０１１年５月３１日に出願された、日本国特許出願Ｎｏ．特願２０１１−１２１３７１号の明細書、図面、特許請求の範囲、及び要約書の開示内容の全ては、参考として本明細書中に編入されるものである。
以上のように本発明によれば、十分な明るさの面光源を提供する上で有用な発明である。
１ 発光装置
２ 光源
３ レンズ
４ 拡散板
５ 基板
６ 反射シート ないし 反射コーティング膜
７ 面光源
８ 光学シート積層体
９ 液晶表示パネル
１０ 筐体
２１ 発光面
３１ 入射面
３２ 出射面
３３ 底面
３４ 反射部
３５ リング部
本発明は、例えば発光ダイオード（以下単に「ＬＥＤ」という。）等の光源からの光の方向性をレンズで広げる構成を有する面光源に関する。また、本発明は、この面光源がバックライトとして液晶パネル後方に配置され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、これらの冷陰極管は、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ＬＥＤが使用されるようになっている。ＬＥＤは、近年、発光効率が向上し、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ＬＥＤ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において、ＬＥＤ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ＬＥＤを配置することとなる。多数のＬＥＤを用いることでバックライト表面に均一な明るさを得ることができるが、多数のＬＥＤが必要なことから、安価にできない問題があった。この欠点を解決すべく、１個のＬＥＤの出力を大きくして、使用するＬＥＤの個数を減らす取り組みがなされている。例えば特許文献１では、少ない個数のＬＥＤでも均一な輝度の面光源が得られるようにする発光装置が提案されている。
少ない個数のＬＥＤで均一な輝度の面光源を得るためには、１個のＬＥＤで照明可能な照明領域を大きくする必要がある。このために特許文献１の発光装置では、ＬＥＤからの光をレンズで放射状に拡張している。これにより、ＬＥＤからの光の方向性が広げられ、被照射面において、ＬＥＤの光軸を中心とする広い範囲を照明することができる。具体的には、特許文献１の発光装置に用いられるレンズは、平面視で円形状をなしており、光入射面と光制御出射面とが共に光軸に対して回転対称な形状である。ここで、光入射面は、凹面にて形成され、光制御出射面は、光軸近傍部分が凹面で光軸近傍部分の外側部分が凸面にて形成されている。
一般的にＬＥＤでは、ＬＥＤのチップの正面方向に最も多くの光が発光する。特許文献１に開示されたレンズでは、光入射面及び光出射面における光軸近傍の凹面で、光源からの正面方向に向かう光を屈折により発散させている。これにより、被照射面における光軸近傍の照度を抑えて広がりのある照度分布を得ている。
特開２００６−９２９８３号公報
ＬＥＤの発光効率が向上しつつある近年においては、光源１つあたりの被照射面での照射面積を今まで以上に広げ、使用する光源の数を極限まで減らし、なおかつ、被照射面における照度が均一化された、低コストで省エネルギーの面光源が望まれる。
特許文献１に開示されたレンズでは、光制御出射面は、光軸近傍において凹面、光軸から離れるにつれ緩やかに凸面となる形状にとなっており、光入射面と光制御出射面とを結ぶ底面が平面となっている。このような形状になっていると、光源から放射される光を広げるパワーが大きくなるにつれ、光制御出射面において屈折されずに反射する光成分が多くなり、光制御出射面で反射した光成分がレンズ底面や、ＬＥＤ光源を実装した基板上面の反射シートで反射し、被照射面の光軸近傍に集まってくる。すなわち、特許文献１に開示されたレンズでは、レンズ面形状のみによって、被照射面において光軸近傍の照度を抑え、かつ広がりのある照度分布を作るには限界がある。また、このような特許文献１の発光装置では、極限まで光源数を減らし、なおかつ、被照射面における照度が均一化された、低コストで省エネルギーを実現する面光源を作ることは出来ない。
本発明は、上記の要望に鑑み、光源が照明する被照射面における照度を従来に比して均一化可能な面光源、および、この面光源を備えた液晶ディスプレイ装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明は、平面的に配置された複数の発光装置と、前記複数の発光装置を覆うように配置され、前記複数の発光装置から被照射面に照射された光を放射面から拡散した状態で放射する拡散板と、を備える面光源に関する。
また、本発明は、中央部に発光装置を複数個配置することにより構成し、光軸に直交した発光面を有する光源と、光源からの光を広げ、光源からの光を入射させる入射面と、入射した光を出射させる出射面と、入射面の周囲で出射面と反対側を向く底面と、底面に光軸に対し凹形状の反射部を有するレンズからなる発光装置を備えた面光源に関する。
さらに、本発明は、液晶パネルと、前記液晶パネルの裏側に配置された上記の面光源と、を備える液晶ディスプレイ装置に関する。
上記の構成によれば、光源からの光をレンズで拡張する発光装置および拡散板を有する面光源において、レンズの底面に凹形状の反射部を備えたことから、光源からの光を最大限に広げ、使用する光源数を極限まで減らすことができる。従って、本発明によれば、輝度の均一化された、低コスト省エネを実現することができる。
本発明の実施の形態１に係る液晶ディスプレイ装置の構成図、 図１のIIＡ（Ｘ）−IIＡ（Ｘ）にて切断した断面図、 図１に示す面光源の発光装置を示す平面図、 発光装置の配列の一例を示す平面図、 本発明の実施の形態２に係る面光源の構成図、 図５の面光源の部分的な断面図、 本発明の実施の形態３に係る発光装置の平面図、 図７のIIＡ−IIＡ線における断面図、 図７のIIＢ−IIＢ線における断面図、 本発明の実施の形態３に係る発光装置の平面図、 実施例１に係る発光装置の説明図、 実施例１の発光装置に用いられるレンズの入射面形状を表す、ＲとｓａｇＡＸ，ｓａｇＡＹの関係を示すグラフ（表１をグラフ化）、 実施例１の発光装置に用いられるレンズの入射面形状を表す、ＲとｓａｇＢの関係を示すグラフ（表１をグラフ化）、 実施例１の発光装置の照度分布を示すグラフ、 実施例１に係る発光装置の効果を確認するための、ＬＥＤのみで面光源を構成したときの照度分布を示すグラフ、 実施例１の発光装置の反射部が無い場合の照度分布を示すグラフ、 実施例１の発光装置の光路図、 実施例１の面光源の照度分布を示すグラフ、 光源のみの照度分布を示すグラフ、 図７に示す発光装置において、レンズに備わる反射部の効果を説明するための図、 図１８Ａと対比される図であって、レンズに反射部が無い場合の光路を示す図、 レンズに備わる反射部の一変形例を示す図、 レンズに備わる反射部の他の変形例を示す図。
以下、本発明の一実施の形態による面光源およびその面光源を用いた液晶ディスプレイ装置について、図面を参照しながら説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る液晶ディスプレイ装置１０１の全体の概略構成を示す分解斜視図である。また、図２は、図１のIIＡ（Ｘ）−IIＡ（Ｘ）線で切断した断面図である。
図１、図２に示すように、液晶ディスプレイ装置１０１は、長方形の平板形状で透過型の液晶表示パネル９と、この液晶表示パネル９の背面９ａ側（反表示面側）に配置され、液晶表示パネル９に対応する大きさの直方体形状の面光源７とを備えて構成されている。ここで、面光源７は、液晶表示パネル９のバックライトとして機能するもので、光源としてＬＥＤを使用する。
面光源７は、液晶表示パネル９の長辺方向９ｂに沿って液晶表示パネル９の中央部と対向するように直線状に配置された複数の発光装置１と、この発光装置１を収容する直方体形状の筐体１０と、この筐体１０の開口部１０ａを覆うように配置されるとともに、前記液晶表示パネル９と発光装置１との間に配置される拡散板４と、筐体１０内に配置され、前記発光装置１から出射した光を液晶表示パネル９の背面９ａ側、すなわち拡散板４側に反射させる反射シート６とを備えている。尚、拡散板４は、発光装置１の光軸に直交して延在する。反射シート６は、本実施形態では、液晶表示パネル９の長辺方向９ｂに沿って湾曲した反射面が連続する円弧状のシート材で構成され、長辺方向９ｂにおける両端部には、面光源７の外側へ反った側板が設けられており、短辺方向に沿っても円弧ないし傾斜を有する。尚、反射シート６の形状は、本実施形態のような円弧状に限定するものではない。また、発光装置１は、後述の実施形態で詳しく説明するが、ＬＥＤ光源２と、光源２を覆って配置されるレンズ３とを有する。
拡散板４は、液晶表示パネル９の背面９ａに対面する放射面４ｂ（図６）、つまり光を放出する面に、液晶表示パネル９に対応する大きさの光学シート積層体８を備えている。尚、放射面４ｂに対向する、拡散板４の被照射面４ａ（図６）は、発光装置１から光が照射される面である。この光学シート積層体８は、例えば、拡散板４からの入射光を前方の液晶表示パネル９側に向けて集光させるプリズムシート、拡散板４からの入射光をさらに拡散させる拡散シート、入射光の偏光面が液晶表示パネル９の偏光面に対応するように特定の偏光面を有する光を透過させる偏光シート等により構成されている。また、本実施の形態においては、発光装置１が液晶表示パネル９の中央部に対向するように直線状に配置されることにより、発光装置１は、面光源７のほぼ中央部のみに配置されることとなる。
図３は、面光源７の発光装置１を示す平面図である。
発光装置１は、裏面側に所定の配線パターンを形成した短冊形状の絶縁性の基板５の表面上に、所定の間隔で配置される。
本実施の形態において、複数の発光装置１は、図４の（ａ）に示され上述したように、液晶表示パネル９および拡散板４の中央部に長辺方向９ｂに沿って直線状に２列に配置されている。なお、図４の（ａ）に示す例においては、複数個の発光装置１は、隣り合う列間において、千鳥状に配列しているが、千鳥状に配列しないで、隣り合う列間において、同じ位置になるように配列してもよい。また、配列する列数は、中央部に直線状に配置されていれば、１列（図４の（ｂ））でも３列でも良い。
このように面光源７において、発光装置１を中央部に直線状に複数個配置することにより、それぞれのレンズ列による輝度分布が交互に重なり、輝度分布のムラを減少させることができる。また、このような構成とすることにより、面光源７として十分な明るさを確保し、しかも少ない個数の光源２とレンズ３で構成することができ、安価に装置を構成することができる。
ところで、図１、図２に示すように、液晶表示パネル９の中央部と対向するように一列に直線状に複数の発光装置１を配置して構成した場合、本発明者らが実験により確認したところでは、面光源７の端部において、拡散板４から出射される光が少なく、十分な明るさを確保しにくくなる。このような場合は、出力が大きい光源２を使用すればよいが、価格が高くなってしまう。一方、液晶ディスプレイ装置１０１としては、画面の中央部が周辺部に比べてより明るいことが要求される。そのため、発光装置１の配置のピッチは一定ではなく、画面中心部から周辺にかけて、密、疎、密となるように配置されることが望ましい。このように配置することで、画面中央部に十分な明るさを持ちながら、端部まで必要な明るさを確保した、輝度分布ムラの少ない面光源７を構成することができる。
また、ＬＥＤ光源２は、青色光を発する発光素子をＹＡＧ系やＴＡＧ系などの蛍光体で封止することで疑似白色光を生成していることから、全方向に均一色を発するＬＥＤ光源は、コスト面から現時点では未だ使用されることがほとんどない。よって、色ムラが生じるが、異なる色の光の発光領域の差が大きいＸ方向を、直線状に配置する方向にあわせることで色ムラの重なる部分が増えるため、面光源７における色ムラを目立ちにくくすることができ、またレンズ３の屈折力の弱い方向も同様に揃えることで、色ムラが抑えられるだけでなく、面光源７の端部においても必要な明るさを確保することができる。また、このような色ムラに関する課題は、本実施形態のように、面光源７の中央部に列状にて発光装置１を配置する構成に起因して生じる課題であり、従来のバックライトのように、液晶表示パネルの側縁部に光源および導光板を配置する構成では、導光板で光が拡散されることから、発生しない。
尚、発光装置１を構成する光源２およびレンズ３については、以下の実施の形態３で詳しく説明する。
（実施の形態２）
ここでは、本発明の実施の形態２に係る面光源７について説明を行う。図５は、面光源７の構成図である。この面光源７は、実施の形態１で説明したように、光源２およびレンズ３を有し液晶表示パネル９の中央部に対向して長辺方向９ｂに沿って列状に配列された複数の発光装置１と、これらの発光装置１を覆うように配置された拡散板４とを備えている。尚、上述のように、発光装置１を構成する光源２およびレンズ３については、以下の実施の形態３にて詳しく説明する。
また、面光源７は、図６に示すように、発光装置１を挟んで拡散板４と対向して配置される基板５を備えている。基板５には、各発光装置１のＬＥＤ光源２が実装されている。この光源２を覆ってレンズ３が基板５に設置される。本実施形態では、レンズ３は、その底面３３が支柱５５を介して基板５に接合されている。さらに、基板５上には、光源２を避けながら基板５を覆うように、つまり光源２を露出させながら、基板５を覆うとともに基板５と拡散板４との間に反射シート６が配置されているか、基板５に反射シート６に代わる反射コーティングがされている。尚、反射シート６および反射コーティングは、反射用部材の一例に相当する。また、図１に示すように、反射シート６には、各発光装置１に対応して窓６ａが形成されている。また、レンズ３の底面３３は、必ずしも基板５に支柱５５を介して接合されている必要はなく、基板５に直接的に接合されていてもよい。また、支柱５５が、レンズ３と一体で形成されていてもよい。
発光装置１は、拡散板４の被照射面４ａに光を照射する。拡散板４は、被照射面４ａに照射された光を放射面４ｂから拡散された状態で放射する。個々の発光装置１からは拡散板４の被照射面４ａに広い範囲で均一化された照度の光が照射され、この光が拡散板４で拡散されることにより、面内での輝度ムラが少ない面光源ができる。
発光装置１からの光は、拡散板４で散乱されて、発光装置１側へ戻ったり拡散板４を透過したりする。発光装置１側へ戻って反射シート６に入射する光は、反射シート６で反射されて、拡散板４に再度入射する。
（実施の形態３）
ここでは、本発明の実施の形態３に係る発光装置１について、詳しく説明を行う。図７並びに図８Ａおよび図８Ｂは、発光装置１の構成を示す図である。この発光装置１は、既に説明したように、光源２と、光源２からの光を放射状に拡張するレンズ３とを備え、例えば拡散板４の被照射面４ａに、光軸Ａを中心として略円形状に光を放射するものである。すなわち、光源２からの光の方向性がレンズ３で広げられ、これにより拡散板４の被照射面４ａにおける光軸Ａを中心とする広い範囲が照明される。被照射面４ａの照度分布は、光軸Ａ上が最大で、周囲に行くほど略単調に減少する。
レンズ３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１．４から２．０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、硝子、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、従来からＬＥＤの封止樹脂として用いられてい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。
具体的に、レンズ３は、図８Ａに示すように、光源２からの光を該レンズ３内に入射させる入射面３１と、該レンズ３内に入射した光を出射させる出射面３２とを有している。出射面３２の最外径は、レンズ３の有効径を規定する。また、レンズ３は、入射面３１の周囲に位置し光軸方向において出射面３２と反対側に位置する底面３３を有している。この底面３３には、光軸Ａを中心とした円状、あるいは楕円状に反射部３４が設けられている。さらに、本実施形態では、出射面３２と底面３３との間に径方向外側に張り出すリング部３５が設けられている。このリング部３５の断面形状は、略コ字状で、出射面３２の外周縁と底面３３の外周縁とがリング部３５によってつながれている。ただし、リング部３５は省略可能であり、出射面３２の外周縁と底面３３の外周縁とが断面直線状または円弧状の端面でつながれていてもよい。以下に、レンズ３の上述の各構成部分について、さらに詳しく説明する。
入射面３１は、本実施形態では連続する凹面であり、図７に示すように、Ｘ方向とＹ方向とで湾曲態様が異なるアナモフィックな曲面であることにより、Ｘ方向の屈折力とＹ方向の屈折力が異なるようになっている。入射面３１は、Ｘ方向とＹ方向で屈折力を常に変える必要は無く、光源２の特性に合わせ、光軸Ａに対して回転対称な形状にしても良い。
ここで注意すべき点は、上記屈折力とは、光学系の設計や撮像系の設計で一般的に使用されるレンズ「パワー」の概念、つまり非球面レンズならば光軸近傍でのレンズの曲率が異なるという意味ではない。本明細書及び請求範囲で使用する「屈折力」とは、回転楕円体の表面に相当する形状の入射面３１において、光軸Ａに直交する断面の形状は、光軸方向におけるいずれの位置にあっても楕円となる、換言するとＸ方向とＹ方向とで光軸Ａからの距離が異なる、あるいは、光源２からの入射面３１への入射角が同じ光であってもＸ方向とＹ方向とでは入射面３１からの光の放出方向が異なる、つまり配光方向が異なるという形態を意味する。また、このような形態の曲面を、ここでは「アナモフィック」と称している。
詳細には、図８Ａ、図８Ｂに示すように、入射面３１は、光軸Ａ上に頂点Ｑを有している。そして、入射面３１は、頂点Ｑから入射面３１上の点Ｐまでの光軸Ａに沿った距離（すなわち、光軸方向の距離）をサグ量（符号は頂点Ｑから光源２側が負、頂点Ｑから光源２と反対側が正）としたときに、光軸Ａから径方向に同じ距離Ｒだけ離れた位置（すなわち、光軸Ａを中心とする同一円周上）では、Ｘ方向におけるサグ量ｓａｇＡＸと、Ｙ方向におけるサグ量ｓａｇＡＹとが異なるような、形状を有している。なお、入射面３１は、サグ量が光軸Ａの近傍ではプラスとなるように頂点Ｑからいったん光源２の反対側に後退した後に、光源２側に延びていてもよい。
反射部３４は、入射面３１の外周ないし、出射面３２の外周に対し同心円状に設けられている。反射部３４は、断面において出射面３２側に凸の三角形状をしており、この三角形状の頂点３４ａよりレンズ外周側の斜面３４ｂの方が光軸Ａ側の斜面３４ｃよりも大きく、傾斜も緩くなっている。
また、反射部３４の底面３３とのなす角θは、１５°＜θ＜４５°が好ましい。１５°以下になると、拡散板４の被照射面４ａの光軸近傍における照度を抑える効果が小さくなり、４５°以上になると、光源２から出射した光が直接反射部３４にあたり、被照射面４ａでの照度ムラの原因となる。
また、反射部３４は、光軸Ａからレンズ３の有効径の６５％以上の外側に位置することが望ましい。これは、出射面３２側で反射した光が底面３３の外側に集中することから、これらの光を効率的に出射面３２側へ反射させるためであり、光軸Ａに近い位置に設けても効果が少ないためである。
また、図１８Ａには、光源２から出射された光の内、反射部３４で反射された光６２の一例としての光路を図示している。出射面３２でレンズ３の内側へ反射した光であっても、反射部３４によって再びレンズ３の外周方向へ反射され、光源２からの光をより広範囲に広げる方向へ配向させることができる。
一方、図１８Ｂに示すように、レンズ３に反射部３４を設けない場合には、出射面３２でレンズ３の内側へ反射した光６３は、レンズ３を透過し、基板５の反射シート６等の反射用部材で反射し、再びレンズ３に入射して出射面３２で再び光源２側へ反射してしまう場合も生じる。図１８Ａおよび図１８Ｂから分かるように、反射部３４を設けることで、光源２からの光をレンズ３の外周側へ最大限に広げることができ、それによって使用する光源数を極限まで減らすことが可能になる。
反射部３４は、図９に示すように、底面３３に多数設けても良く、その際、反射部３４の頂点３４ａの高さは、光軸Ａに近づくほど低く、光軸Ａから離れるほど高いのが好ましい。
さらにまた、反射部３４の形状は、図８Ａや図８Ｂ等に示すものに限定されない。例えば図１９に示すように、光軸Ａ側の斜面３４ｃをレンズ３の外周側へ傾斜させてもよく、また、図２０に示すように、レンズ外周側の斜面３４ｂを出射面３４側へ円弧状に凸面として形成してもよい。さらにまた、図８、図１９、図２０に示す形状を適宜組み合わせた形状を採ることもできる。
このような形状にてなる反射部３４によっても、光源２からの光を最大限に広げ、使用する光源数を極限まで減らすことが可能になる。
但し、光軸Ａ側の斜面３４ｃを光軸Ａ側へ傾斜させる形態は、光源２からの光を広げる作用が得難いことから、好ましくない。
光源２は、レンズ３の入射面３１と離れて配置されている。出射面３２は、本実施形態では、光軸Ａに対して回転対称な連続する凸面である。入射面３１を取り巻く環状の底面３３は、フラットであることが好ましい。本実施形態では、光源２の発光面２１が、フラットな底面３３と光軸Ａが延びる光軸方向において同程度の位置にある。
また、底面３３は、光軸Ａからレンズ３の外側に向けて傾斜していてもよい。図９では、レンズ３の外側に比べてレンズ３の内側が凹となるように、底面３３は、傾斜している。これとは逆の傾斜を底面３３は有しても良い。
光源２からの光は、入射面３１からレンズ３内に入射した後に出射面３２から出射されて、拡散板４の被照射面４ａに到達する。光源２から放射される光は、入射面３１と出射面３２との屈折作用で拡張され、被照射面４ａの広い範囲に到達するようになる。
以上のような発光装置１であれば、レンズのサイズも小さく、光源２からの光を最大限に広げることができる。
以下、本発明の具体的な数値例として、発光装置１の実施例１を示す。
図１０は、実施例１の発光装置１の断面図である。実施例１では、入射面３１の全面がアナモフィックな曲面であり、出射面３２が回転対称なレンズ３が採用されている。
なお、図１０中のＱ、Ｐ、ｓａｇＡＸ（ｓａｇＡＹ）は、図８Ａおよび図８Ｂ中に示したものと同じである。また、図１０中のｓａｇＢは、光軸Ａから距離Ｒ離れた位置での出射面３２のサグ量である。
・実施例１
実施例１において、光源２は、発光面２１の大きさが、おおよそφ３．０ｍｍの汎用品のＬＥＤを採用し、光源２からの光の方向性を広げ、色ムラを抑えることを目的としている。実施例１において、レンズ３の有効径は、２０．７ｍｍとなっている。また、光軸中心でのレンズの厚みが１．２ｍｍとなっている。実施例１の具体的な数値を表１に示す。
Figure 2012164790
図１１Ａは、表１の、Ｘ軸、Ｙ軸の値（Ｒ）と、ｓａｇＡＸおよびｓａｇＡＹとについて、グラフ化したものであり、図１１Ｂは、表１の、Ｘ軸、Ｙ軸の値（Ｒ）と、ｓａｇＢとについてグラフ化したものである。
図１２は、実施例１の発光装置１を用い、光源２の発光面２１から光軸方向において３５ｍｍ離れた位置に、拡散板４の被照射面４ａを配置したときの、被照射面４ａでの照度分布を表す。図１２において、縦軸は、照度を最大値で規格化したものを示し、横軸は、光軸からの距離（ｍｍ）を示している。
図１３は、実施例１に係る発光装置１の効果を確認するための、レンズ３を用いずにＬＥＤのみで面光源を構成したときの照度分布を表す。
図１４は、実施例１の発光装置１に用いられるレンズ３の反射部３４を無くした場合における、拡散板４の被照射面４ａでの照度分布を表す。
図１４に示すように、反射部３４を設けることで、被照射面４ａにおける光軸近傍の照度を抑えることができ、光源２からの光を効率よく広げることができる。
図１５は、光源２の端面付近から光軸Ａに対して大きな角度で出射され、入射面３１に到達する光線の光路６１を示す。光源２から出射した光は、入射面３１を屈折しながら透過し、その後に出射面３２に到達する。到達した光は、出射面３２を屈折しながら透過し、その後に拡散板４の被照射面４ａに到達する。図１５において、光源２の発光面２１の最大幅をＤ、レンズ３の中心厚をｔとするとき、以下の式（１）を満足することが好ましい。尚、発光面２１の最大幅Ｄとは、平面視において発光面２１が円形の場合には直径が相当し、角形の場合には対角距離が相当する。
０．３＜Ｄ／ｔ＜３．０・・・（１）
このような条件を満足させることにより、光源２のサイズが変化することによって変動するフレネル反射成分が少なくなる。一方、式（１）の下限を超えると、レンズ３のサイズ（例えば光軸方向の長さ）が大きくなり、上限を超えると、上述のフレネル反射成分が発生し易くなる。
また、光源２の発光面の最大幅をＤ、レンズ３の有効径をＤｅとするとき、以下の式（２）を満足することが好ましい。
０．０３＜Ｄ／Ｄｅ＜０．３・・・（２）
このような条件を満足させることにより、光源２のサイズが変化することによって同時に変動するフレネル反射成分が少なくなる。また、式（２）の下限を超えると、レンズ３のサイズ（例えば光軸と垂直方向の長さ）が大きくなり、上限を超えると、上述のフレネル反射成分が発生し易くなる。
ところで、出射面３２が凹面であるレンズ３を用いた場合、光源２から出射した光は、入射面３１を屈折しながら透過し、その後に出射面３２に到達する。到達した光の一部は、出射面３２でフレネル反射をおこし、レンズ３の底面３３で屈折したのち、基板５に向かう。光は、基板５で拡散反射され、底面３３で再び屈折したのち、出射面３２で屈折しながら透過し、その後に拡散板４の被照射面４ａに到達することとなる。このようなフレネル反射しやすい形状では、光源２のサイズが変化すると、フレネル反射成分の影響が変化するために、被照射面４ａにおける照度分布が大きく変化するので、光源２のサイズに制約を受ける。
これに対し、本実施の形態によるレンズ３では、フレネル反射は、発生し難いので、フレネル反射の影響を低減することができ、光源２のサイズや形状の制約を緩和できる。
図１６は、入射面３１の全面がアナモフィックな曲面であるレンズ３を採用した実施例１の発光装置１を２４ｍｍピッチでＸ方向に一直線上に２５個、Ｙ方向に２個配置し、光源２の発光面２１から光軸方向において３５ｍｍ離れた位置に拡散板４の被照射面４ａを配置したときの、被照射面４ａでの照度分布を表す。
図２７は、レンズ３を用いずにＬＥＤ光源のみを２４ｍｍピッチでＸ方向に一直線上に２５個、Ｙ方向に２個配置し、光源２の発光面２１から光軸方向において３５ｍｍ離れた位置に拡散板４の被照射面４ａを配置したときの、被照射面４ａでの照度分布を表す。
図１６と図１７を比較すると、レンズ３の効果で被照射面４ａにおいて、より均一に照明ができていることがわかる。
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
又、２０１１年５月３１日に出願された、日本国特許出願Ｎｏ．特願２０１１−１２１３７１号の明細書、図面、特許請求の範囲、及び要約書の開示内容の全ては、参考として本明細書中に編入されるものである。
以上のように本発明によれば、十分な明るさの面光源を提供する上で有用な発明である。
１ 発光装置
２ 光源
３ レンズ
４ 拡散板
５ 基板
６ 反射シート ないし 反射コーティング膜
７ 面光源
８ 光学シート積層体
９ 液晶表示パネル
１０ 筐体
２１ 発光面
３１ 入射面
３２ 出射面
３３ 底面
３４ 反射部
３５ リング部

Claims (11)

  1. 光源（２）およびこの光源を覆って配置され光源からの光を拡張するレンズ（３）を有する発光装置（１）と、発光装置に対向して配置され光源の光軸に直交して延在する拡散板（４）とを備えた面光源（７）において、
    前記発光装置は、拡散板の中央部に対向して拡散板の一辺に沿って複数個が列状に配置され、
    前記レンズは、前記光源からの光を該レンズ内に入射させる入射面（３１）と、該レンズ内に入射した光を出射させる出射面（３２）と、前記入射面の周囲に位置し前記出射面と反対側に位置する底面（３３）を有し、
    前記底面は、前記光軸に沿って凹形状の反射部（３４）を有する、
    面光源。
  2. 前記反射部は、光軸を中心とした円状又は楕円状に配置されている、請求項１に記載の面光源。
  3. 前記反射部は、三角形の凹状である、請求項２に記載の面光源。
  4. 前記反射部は、前記反射部の傾斜面（３４ｂ）と前記底面とがなす角θが次の条件式、
    １５°＜θ＜４５°
    を満足する、請求項１に記載の面光源。
  5. 前記反射部は、前記レンズの有効半径の６５％以上、光軸から外側の位置に少なくとも１つ配置されている、請求項１に記載の面光源。
  6. 前記反射部は、前記底面に、大きさを異にして光軸を中心として連続して同心円状に配置されている、請求項１に記載の面光源。
  7. 前記反射部を有する底面は、光軸から離れるにつれ傾斜を有する、請求項１に記載の面光源。
  8. 前記光源の発光面（２１）の最大幅をＤ、前記レンズの有効径をＤｅとしたとき、次の条件式、
    ０．０３＜Ｄ／Ｄｅ＜０．３
    を満足する、請求項１に記載の面光源。
  9. 前記光源の発光面（２１）の最大幅をＤ、前記レンズの中心の厚みをｔとしたとき、次の条件式、
    ０．３＜Ｄ／ｔ＜３．０
    を満足する、請求項１に記載の面光源。
  10. 前記複数の発光装置におけるそれぞれの前記光源が実装され、前記拡散板に対向して配置される基板（５）と、
    前記光源を露出させながら前記基板を覆うとともに基板と拡散板との間に配置される反射用部材（６）と、をさらに備える、請求項１に記載の面光源。
  11. 液晶表示パネル（９）と、該液晶表示パネルの背面側に配置され、該液晶表示パネルに対応する大きさの面光源（７）とを備えた液晶ディスプレイ装置であって、前記面光源は、複数個の光源（２）および該光源を覆って配置され光源からの光を拡張するレンズ（３）を有する発光装置（１）と、発光装置に対向して前記液晶表示パネルに隣接して配置され光源の光軸に直交して延在する拡散板（４）と、前記発光装置から出射した光を前記拡散板側に反射させる反射用部材（６）と、前記発光装置および前記反射用部材を収容し前記拡散板で閉止される筐体（１０）とを有する、液晶ディスプレイ装置（１０１）において、
    前記発光装置は、拡散板の中央部に対向して拡散板の一辺に沿って複数個が列状に配置され、
    前記レンズは、前記光源からの光を該レンズ内に入射させる入射面（３１）と、該レンズ内に入射した光を出射させる出射面（３２）と、前記入射面の周囲に位置し前記出射面に対向する底面（３３）を有し、
    前記底面は、前記光軸に沿って凹形状の反射部（３４）を有する、
    ことを特徴とした、液晶ディスプレイ装置。
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