JP2011009052A

JP2011009052A - 面光源および液晶ディスプレイ装置

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Publication number: JP2011009052A
Application number: JP2009151005A
Authority: JP
Inventors: Daizaburo Matsuki; 大三郎松木; Shunsuke Kimura; 俊介木村; Tomoko Iiyama; 智子飯山
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2011-01-13

Abstract

【課題】温度変化による輝度ムラの発生を抑えることのできる面光源を提供する。
【解決手段】面光源は、複数の発光装置４と、拡散板８と、発光装置４と拡散板８との間に配置された蛍光体層８とを備えている。各発光装置４は、基本光を放射する発光素子５と、発光素子５の指向性を拡大するレンズ６を含む。レンズ６は、入射面６ａを形成するベース部６１と、出射面６ｂを形成する回折部６２とを有している。回折部６２は、基本光に対して温度変化に伴うパワー変化を抑制する。
【選択図】図２

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面光源、およびこれ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で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。

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２には、図９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ＬＥＤ１１とレンズ１３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１２が配置されている。

特許第３８７５２４７号公報特開２００８−５４５２６９号公報

図９に示すような発光装置を用いた面光源では、面光源が連続稼働する場合に、青色ＬＥＤ１１が高温になる。青色ＬＥＤ１１が高温になると、青色ＬＥＤ１１が放射する青色光の波長が長波長側にシフトする。また、青色ＬＥＤ１１によりレンズ１３が加熱されるため、レンズ１３が膨張するとともに、レンズ１３の屈折率が変化する。そうすると、レンズ１３からの青色光と黄色光の出射角度が共に変化することにより拡散板（図示せず）上での照度分布が変化し、面光源に輝度ムラが生じる。

これを解決するためには、レンズ１３の出射面に回折部を設けることが考えられるが、青色光と黄色光とで適した回折形状が異なるため、回折部をどちらに合わせて設計したとしても、温度変化による輝度ムラの発生を抑えることはできない。

本発明は、このような事情に鑑み、温度変化による輝度ムラの発生を抑えることのできる面光源、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に、本発明は、平面的に配置された複数の発光装置であって各々が青色光または紫外線である基本光を放射する発光素子および前記発光素子の指向性を拡大するレンズを含む発光装置と、前記複数の発光装置を覆うように配置された拡散板と、前記複数の発光装置と前記拡散板との間に配置された、前記基本光から白色光を作り出すための蛍光体層と、を備え前記レンズは、前記発光素子からの基本光が入射する入射面を形成するベース部と、前記発光素子からの基本光を出射する出射面を形成する回折部であって前記基本光に対して温度変化に伴うパワー変化を抑制する回折部とを有する、面光源を提供する。

また、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を提供する。

上記の構成によれば、回折部により基本光の温度変化によるパワー変化を抑制することができる。これにより、レンズからの基本光の出射を安定させることができる。しかも、蛍光体層がレンズよりも拡散板側に配置されているので、蛍光体層が発する光がレンズの温度変化による影響を受けることは殆どない。従って、本発明によれば、温度変化による輝度ムラの発生を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る面光源の斜視図図１に示す面光源の部分的な断面図図１に示す面光源に用いられるレンズの断面図数値実施例の発光装置の常温時の照度分布数値実施例の発光装置の高温時の照度分布発光装置の他の配置を示す平面図変形例の面光源の部分的な断面図図１に示す面光源を用いた液晶ディスプレイ装置の斜視図従来の発光装置の断面図

図１に、本発明の一実施形態に係る面光源１を示す。この面光源１は、平面的に配置された複数の発光装置４と、これらの発光装置４を覆うように配置された拡散板８とを備えている。また、発光装置４と拡散板８との間には、図２に示すように、後述する青色光（基本光）から白色光を作り出すための蛍光体層７が配置されている。

本実施形態の面光源１では、連続稼動によって温度上昇しても、被照射面である拡散板８の背面における照度分布は殆ど変化せず、その照度は光軸上が最大で周辺部に行くほど略単調に減少する。

発光装置４は、支持板２で支持された基板３に固定されている。発光装置４は、本実施形態ではマトリクス状に配置されているが、図６に示すように千鳥状に配置されていてもよい。

各発光装置４は、図２に示すように、基板３に実装された発光素子５と、基板３に接合されて発光素子５を覆い、発光素子５の指向性を拡大するレンズ６とを含んでいる。本実施形態では、発光素子５として、青色光を放射する青色ＬＥＤが用いられている。

本実施形態の面光源１は、発光素子５と拡散板８との間に、後述するベース部６１および回折部６２を有するレンズ６と蛍光体層７を配置することで、発光素子５の指向性を拡大しつつ、連続稼動時においても輝度が均一な面光源を実現している。

レンズ６は、発光素子５からの青色光が入射する入射面６ａと、発光素子５からの青色光を出射する出射面６ｂを有している。入射面６ａは、発光素子５に密着可能なように発光素子５の形状に合わせた形状とすることが好ましい。入射面６ａは、発光素子５と接合材により光学的に接合されている。一方、出射面６ｂはレンズ６の光軸Ａに対して軸対称である。

入射面６ａからレンズ６内に入射した青色光は、出射面６ｂより出射される。発光素子５からの青色光は、出射面６ｂの作用で広げられ、蛍光体層７で白色光となった後に拡散板５の広い範囲に到達するようになる。

青色ＬＥＤである発光素子５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。このように発光素子５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６で指向性を拡大することが必要である。

発光ダイオードは、通常は空気に触れないように封止樹脂で覆われているが、レンズ６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６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。

より詳しくは、レンズ６は、入射面６ａを形成するベース部６１と、出射面６ｂを形成する回折部６２とを有している。本実施形態のレンズ６は、ベース部６１と回折部６２とが一体に形成されたものである。

ベース部６１は、図３に示すように、回折部６２に対向する、レンズ６の光軸Ａに対して軸対称な対向面６１ａを有している。対向面６１ａは、光軸Ａと交差する凹面部６１ｂと、凹面部６１ｂの周縁部から外側に広がる凸面部６１ｃとを含んでいる。入射面６ａからレンズ６の内部に入射する青色光は大きな角度範囲を持っている。光軸Ａからの角度が小さい青色光は凹面部６１ｂに到達し、光軸Ａからの角度が大きい青色光は凸面部６１ｃに到達する。

一方、回折部６２は、発光素子５が放射する青色光に対して温度変化に伴うパワー変化を抑制するものである。具体的には、回折部６２は、温度上昇が起きたときに、温度上昇に伴うレンズ６の形状変化および屈折率変化によるパワー変化を、温度上昇に伴う発光素子５が放射する青色光の波長変化によるパワー変化で補正する形状を有している。この回折部６２の形状設定により、温度上昇の前後でレンズ６の全体的なパワー変化が抑制される。

なお、回折部６２のブレーズ波長は、発光素子５が常温で放射する青色光のピーク波長と一致していることが好ましい。ここで、「常温」とは、面光源１が設置される環境における平均気温をいう。

蛍光体層７は、発光素子５から放射される青色光の一部を黄色光に変換することにより、発光素子５から放射される青色光から白色光を作り出すものである。本実施形態では、蛍光体層７がレンズ６の出射面６ｂに積層されている。

発光素子５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７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。

拡散板８の背面には、蛍光体層７を透過した青色光と蛍光体層７で変換された黄色光との混色により得られた白色光が照射される。拡散板８は、背面に照射された白色光を前面から拡散された状態で放射する。これにより、面光源１から白色光が発せられる。

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６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６の屈折率が１．５２以上になると、出射面６ｂでの屈折作用が強くなり、光束の広配向化が十分でなくなる。レンズ６の屈折率が１．４０以下になると、出射面６ｂでの屈折作用が弱くなり、光束を十分に広配向化させるために出射面６ｂの形状を変更すると、公差が厳しくなる。

さらに、発光装置４のピッチをＰ、発光素子５から拡散板８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４のピッチＰ」とは、発光装置４が並ぶ方向における発光装置４の光軸間距離をいい、発光装置４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６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４のピッチＰに対して発光装置４から拡散板８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８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。

（実施例）
以下、面光源１に用いられるレンズ６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＝４６５ｎｍ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
Ａ_n：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
Ｃ₁〜Ｃ₅：位相多項式係数
λ：４６５ｎｍ

本実施例のレンズは、図２に対応する断面形状を有する。本実施例は、０．４５ｍｍ角の青色ＬＥＤを光源とし、その指向性を拡大することを目的とした設計例である。実施例のレンズ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ｒｄｎ
入射面 ∞ 1.2 1.42
対向面 1.088E-12 6.8
拡散板 ∞

［表２］非球面データ
Ｋ＝-1.0268E+01，Ａ₃＝1.5843E+00，Ａ₄＝-5.9328E+00，Ａ₅＝1.0800E+01
Ａ₆＝-1.3014E+01，Ａ₇＝1.0470E+01，Ａ₈＝-4.6299E+00，Ａ₉＝-2.1226E-02
Ａ₁₀＝9.6894E-01，Ａ₁₁＝-7.9260E-02，Ａ₁₂＝-2.3661E-01，Ａ₁₃＝-1.8210E-03
Ａ₁₄＝6.4025E-02，Ａ₁₅＝1.2197E-03，Ａ₁₆＝-1.0393E-02，Ａ₁₇＝-1.3892E-04
Ａ₁₈＝8.1619E-05，Ａ₁₉＝6.2396E-04，Ａ₂₀＝-1.5184E-04

また、実施例のレンズ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＝2.7566E-02，Ｃ₂＝-4.1265E-03，Ｃ₃＝1.2316E-03
Ｃ₄＝-2.2625E-04，Ｃ₅＝2.7277E-05

図４は、本実施例のレンズと青色ＬＥＤを配置し、青色ＬＥＤから８ｍｍの位置に被照射面を配置したときの、常温時（２５℃）における計算で求めた被照射面での照度分布を表す。図５は、同一の配置での、高温時（１３５℃）における計算で求めた被照射面での照度分布を表す。

図４と図５を比較すると、温度補償機能を有する本実施例のレンズの効果で、高温時においても照度分布がそれほど変化せず、被照射面を広く照明できていることがわかる。

なお、本実施例のレンズを用いた場合、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）
前記実施形態では、ベース部６１と回折部６２とが一体に形成されたレンズ６が採用されているが、図７に示す変形例の面光源１’のように、レンズ６を２枚のレンズで構成し、それぞれのレンズに指向性を広げる機能と温度補償機能を分担させることもできる。具体的には、図７中のレンズ６は、ベース部６１を構成する第１レンズ６Ａと、回折部６２を構成する第２レンズ６Ｂとを有している。そして、第１レンズ６Ａの出射面でベース部６１の対向面６１ａが構成されている。

なお、レンズ６のベース部６１の対向面６１ａは、必ずしも凹面部６１ｂを有している必要はなく、全体に亘って凸面となっていてもよい。

また、前記実施形態では、蛍光体層７がレンズ６の出射面６ｂに積層されていたが、図７に示すように、蛍光体層７は、拡散板８の背面に積層されていてもよい。

さらに、前記実施形態では、蛍光体層７を、青色光を受けたときに赤色光、緑色光を発するＲＧ蛍光体で構成してもよい。

さらに、前記実施形態では、発光素子５として青色光を放射する青色ＬＥＤが用いられているが、発光素子５としては、紫外線を放射する紫外線ＬＥＤを用いることも可能である。この場合には、蛍光体層７を、紫外線を受けたときに赤色光、緑色光および青色光を発するＲＧＢ蛍光体で構成すればよい。

（液晶ディスプレイ装置）
図８は、図１に示す面光源１を用いた液晶ディスプレイ装置９の斜視図である。この液晶ディスプレイ装置９は、液晶パネル９１と、液晶パネル９１の裏側に配置された面光源１とを備えている。

平面的に配置された複数の発光装置４によって拡散板８が照明される。拡散板８の背面には照度が均一化された白色光が照射され、この白色光が拡散板８によって拡散されて液晶パネル９１が照明される。

なお、図示は省略するが、液晶パネル９１と拡散板８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とともに、基板３上の発光装置４が存在しない部分には拡散反射板が配置されていることが好ましい。発光装置４からの光は、拡散板８で散乱されて、発光装置側へ戻ったり拡散板８を透過したりする。発光装置側へ戻って拡散反射板に入射する光は、拡散反射板で反射されて、拡散板８に再度入射する。拡散板８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９１を照明する。

１面光源
４発光装置
５発光素子
６レンズ
６１ベース部
６１ａ対向面
６１ｂ凹面部
６１ｃ凸面部
６２回折部
６Ａ第１レンズ
６Ｂ第２レンズ
７蛍光体層
８拡散板
９液晶ディスプレイ装置
９１液晶パネル

Claims

平面的に配置された複数の発光装置であって各々が青色光または紫外線である基本光を放射する発光素子および前記発光素子の指向性を拡大するレンズを含む発光装置と、
前記複数の発光装置を覆うように配置された拡散板と、
前記複数の発光装置と前記拡散板との間に配置された、前記基本光から白色光を作り出すための蛍光体層と、を備え
前記レンズは、前記発光素子からの基本光が入射する入射面を形成するベース部と、前記発光素子からの基本光を出射する出射面を形成する回折部であって前記基本光に対して温度変化に伴うパワー変化を抑制する回折部とを有する、
面光源。
前記回折部は、温度上昇が起きたときに、前記温度上昇に伴う前記レンズの形状変化および屈折率変化によるパワー変化を、前記温度上昇に伴う前記発光素子が放射する基本光の波長変化によるパワー変化で補正する形状を有している、請求項１に記載の面光源。
前記発光素子は、前記基本光として青色光を放射するものであり、
前記蛍光体層は、前記青色光の一部を黄色光に変換することにより、前記青色光から白色光を作り出すものである、請求項１または２に記載の面光源。
前記青色光は、４００〜５２０ｎｍの波長域内にピーク波長を有し、前記黄色光は、５５０〜６１０ｎｍの波長域内にピーク波長を有する、請求項３に記載の面光源。
前記回折部のブレーズ波長は、前記発光素子が常温で放射する基本光のピーク波長と一致している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の面光源。
前記レンズは、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１〜５のいずれか一項に記載の面光源。
前記レンズは、前記ベース部を構成する第１レンズと、前記回折部を構成する第２レンズとを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の面光源。
前記蛍光体層は、前記レンズに積層されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の面光源。
前記蛍光体層は、前記拡散板に積層されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の面光源。
前記レンズは、１．４０を超え１．５２未満の屈折率を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の面光源。
前記ベース部は、前記回折部に対向する、前記レンズの光軸に対して軸対称な対向面を有し、
前記対向面は、前記光軸と交差する凹面部と、前記凹面部の周縁部から外側に広がる凸面部とを含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の面光源。
前記発光装置は、マトリクス状または千鳥状に配置されており、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１〜１１のいずれか一項に記載の面光源。
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１〜１１のいずれか一項に記載の面光源と、を備える液晶ディスプレイ装置。