JP2011198479A - 面光源および液晶ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】輝度ムラ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。
【解決手段】実装基板（２０）の実装面上に取付けられた複数の発光素子（１１０）と、光の入射面と出射面を有し、前記発光素子の各々の発光面を前記入射面が覆うように前記実装面に取付けられた複数のレンズ（１００）と、を備え、前記複数のレンズは、前記複数の発光素子における前記実装面から前記発光面までの高さのバラつきによる前記発光面と前記入射面との距離のバラつきを低減するように、前記実装面に取付けられている。
【選択図】図４

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として用いられる面光源、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る。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発光ダイオードが使用されるようになってきている。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、発光ダイオードは点光源であるため、二次元状に配置することで、映像に応じて発光ダイオードの明暗を制御することができる。このような構成によれば、映像のコントラストを高めたり、液晶ディスプレイ装置の消費電力を下げたりすることができる。

発光ダイオードを光源とするバックライトでは、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。しかし、発光ダイオードが多数必要になるため安価にできない問題があった。これに対し、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いる。例えば、特許文献１では、発光ダイオードの指向性を拡大するレンズを配置した面光源が提案されている。

特許第３８７５２４７号公報

しかしながら、発光ダイオードが実装基板上に配置されるとき、半田付けの条件等によって主に光軸方向の取り付け高さにばらつきが生じる。これに伴い、レンズで広配向化するときに個々の輝度分布にばらつきが生じる。そのため、複数の発光ダイオードで面光源を構成した際に輝度ムラの要因となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、発光ダイオードの取り付け位置が光軸方向にばらついていても、輝度ムラを抑えることのできる面光源、及び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、本発明の面光源は、実装基板の実装面上に取付けられた複数の発光素子と、光の入射面と出射面を有し前記発光素子の各々の発光面を前記入射面が覆うように前記実装面に取付けられた複数のレンズと、を備え、前記複数のレンズは、前記複数の発光素子における前記実装面から前記発光面までの高さのバラつきによる前記発光面と前記入射面との距離のバラつきを低減するように、前記実装面に取付けられている。

また、本発明の液晶ディスプレイ装置は、背面から照射された光を変調して画像を表示する液晶パネルと、前記液晶パネルの背面側に配置され、前記液晶パネルに対して光を照射する前記面光源と、を備えた構成を採る。

本発明によれば、発光ダイオードの取り付け位置が光軸方向にばらついていても、輝度ムラを抑えることのできる面光源および液晶ディスプレイ装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る面光源１の概略構成を示す斜視図 面光源１の部分断面図 発光装置近傍の拡大図 レンズの高さ調整を説明するための図 変形例にかかる発光装置近傍の拡大図 レンズの高さ調整をしなかった場合の面光源の輝度分布を示す図 レンズの高さ調整をした場合の面光源の輝度分布を示す図 発光装置の千鳥状配置を示す図 本発明の実施の形態２に係る液晶ディスプレイ装置の構成を示す斜視図

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る面光源ついて、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る面光源１の概略構成を示す斜視図である。図２は、面光源１の発光装置１０を含む部分断面図である。

面光源１は、複数の発光装置１０と、実装基板２０と、反射板３０と、拡散板４０とを備えている。

発光装置１０は、発光素子１１０と、レンズ１００とを有する。発光装置１０は、実装基板２０上にマトリクス状に配置されている。発光装置１０は、発光素子１１０から発せられる白色光をレンズ１００で広げて拡散板４０に向けて照射する。

拡散板４０は、実装基板２０と対向して配置される。拡散板４０は、発光装置１０から照射された白色光を入射する。拡散板４０は、入射した白色光を内部で拡散し、前面から出射する。これにより、面光源１から面状の白色光が発せられる。

反射板３０は、発光装置１０の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実装基板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、白色の拡散反射面を有している。

図３は、発光装置１０の実装状態を説明する拡大図である。発光素子１１０は、実装基板２０の実装面２１上に取付けられている。発光素子１１０は、青色光を放射する青色ＬＥＤ１１１と、青色ＬＥＤ１１１を覆うように形成された蛍光体層１１２とを有している。蛍光体層１１２は、青色ＬＥＤ１１１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、青色ＬＥＤ１１１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。青色ＬＥＤ１１１および蛍光体層１１２の作用により、発光素子１１０は、発光面１１３から白色光を発する。

青色ＬＥＤ１１１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。蛍光体層１１２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。

レンズ１００は、発光面１１３から出射した光を入射する入射面１０１と、入射した光を出射する出射面１０２を有している。入射面１０１は、発光素子１１０との間に空気層を挟む形状とすることが好ましい。入射面１０１および出射面１０２は、レンズ１００の光軸Ａに対して軸対称である。入射面１０１は、光軸を含む中心部から連続して形成された凹面形状を有している。また、出射面１０２は、光軸を含む中心部から連続して形成された凸面形状を有している。

入射面１０１からレンズ１００内に入射した光は、出射面１０２より出射される。入射面１０１からレンズ１００内に入射した光は、出射面１０２の作用で広げられ、拡散板４０の広い範囲に到達するようになる。図２に示す点線の矢印は、出射面１０２の作用で広げられて出射する光の様子を示している。

発光素子１１０は指向性を有している。具体的には、光軸Ａの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１１０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１００で指向性を拡大することが必要である。

レンズ１００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。特に、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１００は、実装基板２０の実装面２１に取付けられている。ここで、発光素子１１０の実装においては、半田付けの条件等によって主に光軸Ａ方向の取り付け高さにバラつきが生じる。従って、レンズ１００を実装基板２０に取付けた際に、発光面１１３と入射面１０１との距離のバラつきが生じる。レンズ１００は、発光面１１３と入射面１０１との距離が所定の値において最適な配光特性を有するように設計されている。よって、発光面１１３と入射面１０１との距離のバラつきが生じると、レンズ１００から出射される光の配光にバラつきが生じる。結果として、面光源１に輝度ムラが発生することになる。

このような輝度ムラを低減するため、レンズ１００は、実装面２１から発光面１１３までの高さｄ１のバラつきによる発光面１１３と入射面１０１との距離ｄ２のバラつきを低減するように、実装面２１に取付けられている。すなわち、面光源１内のレンズ１００は、発光面１１３と入射面１０１との距離ｄ２ができるだけバラつかないように（ｄ１がバラついたとしてもｄ２を一定に保つように）、発光装置１０毎に高さを調整して取付けられている。

本実施の形態においては、実装基板２０は、実装面２１上に複数の凹部２２を有している。凹部２２は、実装基板２０を貫く開口部であってもよい。凹部２２は、実装面２１側に開口する円筒状の凹みである。レンズ１００は、凹部２２に嵌り込む円筒形状の凸部１０３を有している。凸部１０３は、レンズ１００の実装面２１側に位置する底面に形成されている。凸部１０３は、レンズ１００の光軸を中心に、周囲に２〜４箇所程度設けられている。凸部１０３は、凹部２２内に挿入され、図示しない接着剤等で固定されている。凹部２２の深さは、少なくとも凸部１０３が全て挿入できる以上の深さがあることが好ましい。本実施の形態においては、レンズ１００は、凹部２２に対する凸部１０３の挿入量を調整することで発光面１１３と入射面１０１との距離ｄ２のバラつきを低減できる。

図４は、レンズ１００の高さ調整を説明するための図である。ここでは、隣接する発光装置であって、発光面の高さがバラついている発光素子１１０ａ、１１０ｂをそれぞれ備えた発光装置１０ａ、１０ｂを示している。発光面の高さｄ１は、それぞれｄ１ａとｄ１ｂであり、ｄ１ａの方が大きいとする。このとき、レンズ１００ａ、１００ｂの高さを調整せずに実装面基板２０に取付けた場合には、発光面と入射面との距離ｄ２に差が出てしまう。すなわち、発光面と入射面との距離ｄ２にバラつきが生じてしまう。図４に示すように、発光装置１０ａのレンズ１００ａは、発光面と入射面との距離ｄ２に差が生じないように、その高さをｄ１ａ−ｄ１ｂに相当する分だけ高く設定している。

同様にして、面光源１内における発光装置１０のｄ２ができるだけ一定になるように、レンズ１００の高さを調整することで、面光源１の輝度ムラを低減できる。

なお、レンズ１００の高さ調整については、凹部２２と凸部１０３とによる高さ調整に限られるものではない。要するに、高さ方向の調製が可能な構成であれば、他の構成であってもよい。例えば、図５に示すように、別途レンズ高さ調整用の冶具６０を備えた構成であってもよい。図５の構成は、調整用の冶具６０が、実装基板２０に実装される。レンズ１００は、冶具６０に取付けられ、その高さ方向の位置を調整できるようになっている。ただし、本実施の形態のように、レンズの高さ調整を、凹部２２と凸部１０３とによるものとすれば、比較的容易かつ低コストでレンズの高さ調整を行うことが出来る。

次に、本実施の形態の面光源１における輝度ムラの低減効果についてグラフを用いて説明する。

図６は、比較例であり、レンズ１００の取り付け高さを調整せずに取付けた場合の拡散板４０での輝度分布を示す図である。図７は、本実施の形態における拡散板４０での輝度分布を示す図である。なお、図６、図７いずれの場合も発光素子１１０の取付けバラつき（実装面２１から発光面１１３までの高さｄ１のバラつき）を有しているものとする。バラつきの程度は図６、図７で同じである。

このように、図６に比べて図７の方が、輝度ムラが低減できていることが分かる。すなわち、発光素子１１０を基板２０に取り付けた際に発生する、光軸方向の高さバラつきがあっても、レンズ１００の高さ調整によって拡散板４０での輝度ムラを低下させることができることがわかる。結果として、面光源１としての輝度ムラを低減することができる。

なお、本実施の形態においては、発光面１１３と入射面１０１との距離ｄ２に差が生じないようにしているが、完全に全ての発光装置でバラつきをゼロにすることは困難である。実質的には、発光面１１３と入射面１０１との距離ｄ２の目標設計値をｄとし、各発光装置１０におけるｄ２とｄとの差分をΔｄとした場合、Δｄは、｜Δｄ／ｄ｜＜０．１を満足することが好ましい。このようにすれば、発光装置から出射する照度分布が十分に均一化され、輝度ムラをより低減することができる。

以上では、本実施の形態１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１００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１００の屈折率が１．５２以上になると、出射面１０２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１００の屈折率が１．４０以下になると、出射面１０２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１０２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、発光素子１１０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８に示すように、一行毎の発光素子の位置が行方向にずれた配置（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。

また、本実施の形態では、蛍光体層１１２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。このような構成によれば、蛍光体層１１２を透過した青色光と、蛍光体層１１２で励起された赤色光および緑色光とが混色し、白色光を生成することができる。

さらに、本実施の形態では、青色光を放射する青色ＬＥＤ１１１が用いられているが、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１１２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。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る液晶ディスプレイ装置について、図９を用いて説明する。

図９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。この液晶ディスプレイ装置２は、背面から照射された光を変調して画像を表示する液晶パネル５０と、液晶パネル５０の背面側に配置され、液晶パネル５０に対して光を照射する面光源１とを備えている。

平面的に配置された複数の発光装置１０によって拡散板４０が照明される。拡散板４０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４０によって拡散されて液晶パネル５０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。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板３０に入射する光は、反射板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。

本発明は、輝度ムラを低減した液晶ディスプレイ装置、および当該液晶ディスプレイ装置に用いるバックライトとしての面光源として好適である。

１ 面光源
２ 液晶ディスプレイ装置
１０ 発光装置
２０ 実装基板
２１ 実装面
２２ 凹部
３０ 反射板
４０ 拡散板
５０ 液晶パネル
６０ 冶具
１００ レンズ
１０１ 入射面
１０２ 出射面
１０３ 凸部
１１０ 発光素子
１１１ 青色ＬＥＤ
１１２ 蛍光体層
１１３ 発光面

Claims (4)

1. 実装基板の実装面上に取付けられた複数の発光素子と、
   光の入射面と出射面を有し、前記発光素子の各々の発光面を前記入射面が覆うように前記実装面に取付けられた複数のレンズと、を備え、
   前記複数のレンズは、前記複数の発光素子における前記実装面から前記発光面までの高さのバラつきによる前記発光面と前記入射面との距離のバラつきを低減するように、前記実装面に取付けられている、
   面光源装置。
2. 前記発光素子の光軸上での前記入射面と前記発光面との目標間隔をｄ、前記目標間隔からのずれ量をΔｄとしたとき、前記複数のレンズは、以下の（１）式を満足するように前記実装面に取付けられている、
   請求項１記載の面光源。
   ｜Δｄ／ｄ｜＜０．１ ・・・（１）
3. 前記実装基板は、前記実装面上に複数の凹部または開口部を有し、
   前記レンズの各々は、前記凹部または前記開口部に嵌り込む凸部を有し、
   前記複数のレンズは、前記凹部または前記開口部に対する前記凸部の挿入量を調整することで前記発光面と前記入射面との距離のバラつきを低減する、
   請求項１記載の面光源。
4. 背面から照射された光を変調して画像を表示する液晶パネルと、
   前記液晶パネルの背面側に配置され、前記液晶パネルに対して光を照射する請求項１乃至３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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