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JP2019040859A - 発光装置、面光源装置および光束制御部材 - Google Patents

発光装置、面光源装置および光束制御部材 Download PDF

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Abstract

【課題】出射面から下向きに出射される光に起因する輝度ムラを抑制し、光を遠くまで到達させることができる発光装置を提供すること。【解決手段】発光装置の光束制御部材は、入射面と、裏面と、反射面と、出射面と、第1凹部とを有する。第1凹部は、光軸から離れるにつれて表側に向かうように傾斜した第1傾斜面を含む。第1傾斜面の表側端部は、光軸に沿う方向において、発光素子の発光面の中心から出射され、入射面で入射し、反射面で反射して出射面に向かう光より裏側に位置し、かつ発光素子の発光面の端部から出射され、入射面で入射し、反射面を経由することなく直接出射面に向かう光より表側に位置している。【選択図】図7

Description

本発明は、発光装置、面光源装置および光束制御部材に関する。
液晶表示装置などの透過型画像表示装置では、バックライトとして直下型の面光源装置を使用することがある。近年、光源として複数の発光素子を有する、直下型の面光源装置が使用されるようになってきている。
たとえば、直下型の面光源装置は、基板、複数の発光素子、複数の光束制御部材(レンズ)および光拡散部材を有する。発光素子は、例えば白色発光ダイオードなどの発光ダイオード(LED)である。複数の発光素子は、基板上に、マトリクス状に配置(例えば複数の発光素子を含む列が複数列配置)されている。各発光素子の上には、各発光素子から出射された光を基板の面方向に拡げる光束制御部材が配置されている(例えば、特許文献1参照)。光束制御部材から出射された光は、光拡散部材により拡散され、被照射部材(例えば液晶パネル)を面状に照らす。
図1は、特許文献1の光モジュール(発光装置)の構成を示す図である。図1に示されるように、特許文献1の光モジュールは、発光素子40と、光方向変換素子10(光束制御部材)とを有する。光方向変換素子10は、発光素子40から出射された光を入射させる光入射面12b、12cと、光入射面12b、12cから入射した光を全反射させる光反射面12dと、光反射面12dで反射した光を側方へ出射させる光出射面12eとを有する。特許文献1の光モジュールでは、光拡散剤14を含む透明樹脂で光方向変換素子10を成形することで、一部の光を光反射面12dから出射させて、光方向変換素子10から出射された光の輝度の均一性を高めている。
ところで、近年、大型の面光源装置を安価に製造する観点から、発光素子の数を少なくすること(例えば複数の発光素子を含む列の数を少なくすること)が求められている。すなわち、複数の発光素子を含む列の数を少なくしても、面光源装置の隅々まで光を行き渡らせることが求められている。それに伴い、光束制御部材は、発光素子から出射された光をできるだけ遠くまで到達させることが求められる。
特開2015−181131号公報
しかしながら、特許文献1の光モジュールでは、光反射面12dから上向きに出射される光や光出射面12eから下向きに出射される光が多い。光出射面12eから下向きに出射される光は、光出射面12e近傍の基板や面光源装置の内側底面の反射面の表面で拡散反射されて、上向きに進行する。したがって、特許文献1の光モジュールでは、発光素子40から遠くまで到達する光が少ないだけでなく、光方向変換素子10近傍の輝度が高くなり、輝度ムラを生じやすいという問題があった。
また、近年の面光源装置では、隅々まで光を行き渡らせるため、発光素子の数を少なくした場合であっても(複数の発光素子を含む列の数を少なくしても)、光束制御部材は、長手方向(2つの光出射面12eの対向方向)に光を拡げるような配光特性を有すること(配光特性に異方性を持たせること)が望まれる。しかしながら、長手方向に光を拡げすぎる(配光特性に異方性を持たせすぎる)と、短手方向(光出射面12eの延在方向)へは光が拡がりにくくなる。それにより、面光源装置の四隅まで光が到達しにくく、面光源装置の中央部の輝度と四隅の輝度との間で輝度ムラを生じやすいという問題もあった。
そこで、本発明の目的は、出射面から下向きに出射される光に起因する輝度ムラを抑制し、光を遠くまで到達させることができる発光装置を提供することである。好ましくはさらに配光特性を維持しつつ、面光源装置の中央部の輝度と隅部の輝度との間の輝度ムラを小さくできる発光装置を提供することである。
また、本発明の別の目的は、この発光装置および発光装置を有する面光源装置と、発光装置に用いられる光束制御部材を提供することである。
本発明の発光装置は、発光素子と、前記発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材とを有する発光装置であって、前記光束制御部材は、前記発光素子の光軸と交わるように裏側に配置され、前記発光素子から出射された光を入射させる入射面と、前記入射面を取り囲むように前記入射面の外縁部から径方向外側に延在した裏面と、前記裏面と反対側の表側に配置され、前記入射面で入射した光を反射させる反射面と、前記裏面および前記反射面を繋ぐように配置され、前記入射面で入射した光を外部に出射させる出射面と、前記裏面に開口し、前記入射面よりも前記光軸から離れた位置に配置された第1凹部と、を有し、前記第1凹部は、前記光軸から離れるにつれて表側に向かうように傾斜した第1傾斜面を含み、前記第1傾斜面の表側端部は、前記光軸に沿う方向において、前記発光素子の発光面の中心から出射され、前記入射面で入射し、前記反射面で反射して前記出射面に向かう光より裏側に位置し、かつ前記発光素子の発光面の端部から出射され、前記入射面で入射し、前記反射面を経由することなく直接前記出射面に向かう光より表側に位置している。
本発明の面光源装置は、複数の本発明に係る発光装置と、前記発光装置から出射された光を拡散させつつ透過させる光拡散板と、を有する。
本発明の表示装置は、本発明に係る面光源装置と、前記面光源装置から出射された光を照射される表示部材と、を有する。
本発明の光束制御部材は、本発明に係る発光装置に用いられる。
本発明によれば、出射面から下向きに出射される光に起因する輝度ムラを抑制し、光を遠くまで到達させることができる発光装置を提供することができる。
図1は、従来の発光装置の構成を示す図である。 図2A〜Cは、実施の形態1に係る面光源装置の構成を示す図である。 図3A、Bは、実施の形態1に係る面光源装置の構成を示す図である。 図4A〜Eは、実施の形態1に係る光束制御部材の構成を示す図である。 図5A〜Eは、実施の形態1の変形例1に係る光束制御部材の構成を示す図である。 図6A〜Eは、比較例の光束制御部材の構成を示す図である。 図7A〜Cは、発光装置における一部の光路図である。 図8は、光拡散板上における照度分布の結果を示すグラフである。 図9A〜Cは、発光素子の発光面の中央部および端部から出射される光の光路図である。 図10A〜Dは、実施の形態2に係る光束制御部材の構成を示す図である。 図11は、実施の形態2の変形例2に係る光束制御部材の断面図である。 図12A〜Fは、変形例3の光束制御部材の構成を示す図である。 図13A〜Dは、変形例4の光束制御部材の構成を示す図である。 図14A〜Gは、変形例3の光束制御部材を含む発光装置における光路図である。 図15A〜Gは、変形例4の光束制御部材を含む発光装置における光路図である。 図16は、図14および図15の結果をプロットしたグラフである。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
[実施の形態1]
(面光源装置の構成)
図2A〜Cおよび図3A、Bは、実施の形態1に係る面光源装置100の構成を示す図である。図2Aは、面光源装置100の平面図であり、図2Bは、側面図であり、図2Cは、正面図である。図3Aは、図2Aにおいて光拡散部材140を外した平面図であり、図3Bは、図2AのA−A線における部分拡大断面図である。光拡散部材140には、光拡散板や光学シート等が含まれる。
図2A〜Cおよび図3A、Bに示されるように、面光源装置100は、筐体110、基板120、複数の発光装置130および光拡散板140を有する。また、図2B、Cに示されるように、面光源装置100は、液晶パネルなどの表示部材(被照射部材)107(図2B、Cにおいて、点線で示している)と組み合わせることで、表示装置100’としても使用できる。
筐体110は、その内部に基板120および複数の発光装置130を収容するための、少なくとも一部が開口した箱である。筐体110は、水平面111と、水平面111を挟むように配置され、かつ光拡散板140に向かって傾斜した2つの第1斜面112と、水平面111および2つの第1斜面112を繋ぐ2つの第2斜面113とを有する。2つの第1斜面112および2つの第2斜面113は、発光装置130から略水平方向に出射される光を光拡散板140に向けて反射させて、発光装置130から出射される光を光拡散板140に集めやすくできる。水平面111に対する第1斜面112の傾斜角度は6〜9°であり、水平面111に対する第2斜面113の傾斜角度は40〜50°である。
発光装置130よりも一方の第1斜面112側の水平面111の一部(第1水平面111a)は、一方の第1斜面112とは逆向きに傾斜していてもよい。また、発光装置130よりも他方の第1斜面112側の水平面111の一部(第2水平面111b)は、他方の第1斜面112とは逆向きに傾斜していてもよい。すなわち、2つの第1斜面112の傾きは、2つの第1斜面112のそれぞれの法線が面光源装置100の表側で交わるように形成されるが、第1水平面111aおよび第2水平面111bの傾きは、第1水平面111aおよび第2水平面111bのそれぞれの法線が面光源装置100の裏側で交わるように形成される。そのように構成することにより、発光装置130近傍が明るくなりすぎるのを抑制することができる。
また、筐体110をこのような形状とすることで、面光源装置100の見かけの厚みを薄くすることもできる。筐体110の開口部の大きさは、光拡散板140に形成される発光領域の大きさに相当し、例えば400mm×700mm(32インチ)である。この開口部は、光拡散板140により塞がれる。水平面111の表面から光拡散板140までの高さ(空間厚さ)は、特に限定されないが、10〜40mm程度である。そして、筐体110は、例えば、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)やポリカーボネート(PC)などの樹脂や、ステンレス鋼やアルミニウムなどの金属などから構成される。
基板120は、筐体110の水平面111上に配置された、複数の発光装置130を筐体110内に所定の間隔で配置するための平板である。基板120の表面は、発光装置130から到達した光を光拡散板140に向けて反射させる。
複数の発光装置130は、基板120上に一列に配置されている。基板120上に配置される発光装置130の数は、特に限定されない。基板120上に配置される発光装置130の数は、筐体110の開口部により規定される発光領域(発光面)の大きさに基づいて適宜設定される。
複数の発光装置130は、発光素子131と、光束制御部材132とをそれぞれ有する。複数の発光装置130は、発光素子131から出射される光の光軸(後述する発光素子131の光軸OA)が、基板120の表面に対する法線に沿うようにそれぞれ配置されている。
発光素子131は、面光源装置100(および発光装置130)の光源である。発光素子131は、基板120上に配置されている。発光素子131は、例えば発光ダイオード(LED)である。発光素子131から出射される光の色は、適宜設定できる。発光素子131から出射される光の色は、白色であってもよいし、青色であってもよい。本実施の形態では、発光素子131から出射される光の色は、白色である。
光束制御部材132は、発光素子131から出射された光の配光を制御する。光束制御部材132は、その中心軸CAが発光素子131の光軸OAに一致するように、発光素子131の上に配置されている(図3B参照)。「発光素子131の光軸OA」とは、発光素子131からの立体的な出射光束の中心の光線を意味する。「光束制御部材132の中心軸CA」とは、例えば2回対称の対称軸を意味する。
以下、各発光装置130について、発光素子131の発光中心を原点として、発光素子131の光軸OAに平行な軸をZ軸とし、Z軸と直交し、かつ発光素子131の発光中心を含む仮想平面において、複数の発光装置130が並ぶ方向に平行な軸をY軸とし、前記仮想平面において、Y軸と直交する軸をX軸とする。また、発光装置130を、光軸OAとX軸とを含む第1仮想平面(XZ平面)で切断した断面を第1仮想断面とし、光軸OAとY軸とを含む第2仮想平面(YZ平面)で切断した断面を第2仮想断面とし、X軸とY軸とを含む第3仮想平面(XY平面)で切断した断面を第3仮想断面とする。実施の形態1において、光束制御部材132は、第1仮想平面(XZ平面)および第2仮想平面(YZ平面)に対してそれぞれ面対称である。また、光束制御部材132は、X軸を回転軸とした略回転対称の物体の一部である。
光束制御部材132の材料は、所望の波長の光を通過させ得るものであれば特に限定されない。たとえば、光束制御部材132の材料は、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)やポリカーボネート(PC)、エポキシ樹脂(EP)などの光透過性樹脂、またはガラスである。実施の形態1に係る面光源装置100は、光束制御部材132の構成に主たる特徴を有する。そこで、光束制御部材132については、別途詳細に説明する。
光拡散板140は、筐体110の開口部を塞ぐように配置されている。光拡散板140は、光透過性および光拡散性を有する板状の部材であり、光束制御部材132の出射面154からの出射光を拡散させつつ透過させる。光拡散板140は、例えば面光源装置100の発光面となり得る。
光拡散板140の材料は、光束制御部材132の出射面154からの出射光を拡散させつつ透過させ得るものであれば適宜選択できる。光拡散板140の材料の例には、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、ポリスチレン(PS)、スチレン・メチルメタクリレート共重合樹脂(MS)などの光透過性樹脂が含まれる。光拡散性を付与するため、光拡散板140は、光拡散板140の表面に微細な凹凸が形成されているか、または光拡散板140の内部にビーズなどの光拡散子が分散している。
実施の形態1に係る面光源装置100では、各発光素子131から出射された光は、光束制御部材132により光拡散板140の広範囲を照らすように、特に発光素子131の光軸OAに対して略垂直方向に、かつ互いに略反対向きである2つの方向(図3AにおけるX軸方向)に向かう光に変えられて出射される。各光束制御部材132から出射された光は、さらに光拡散板140により拡散されて、外部に出射される。それにより、面光源装置100の輝度ムラを抑制できる。
(光束制御部材の構成)
図4A〜Eは、光束制御部材132の構成を示す図である。図4Aは、光束制御部材132の平面図であり、図4Bは、正面図であり、図4Cは、底面図であり、図4Dは、側面図であり、図4Eは、図4Aに示されるA−A線の断面図である。
光束制御部材132は、発光素子131から出射された光の配光を制御する。図4A〜Eに示されるように、光束制御部材132は、入射面151、裏面152、2つの反射面153、2つの出射面154および2つの第1凹部155を有する。なお、本実施の形態では、上記構成に加え、2つの鍔部156および4つの脚部157をさらに有する。
入射面151は、発光素子131から出射された光を入射させる。入射面151は、光軸OAと交わるように、光束制御部材132の裏側(発光素子131側)に配置されている。入射面151の形状は、上記の機能を発揮できれば適宜設定できる。入射面151の形状は、平面であってもよいし、裏面152に開口した第2凹部158の内面であってもよい。本実施の形態では、入射面151の形状は、裏面152に開口した第2凹部158の内面である。
第2凹部158の形状も適宜設定できる。本実施の形態では、第2凹部158は、内天面158a(第1入射面)と、内側面158b(第2入射面)とを有する。内天面158aは、1つの面で構成されていてもよく、2つ以上の面で構成されてもよい。本実施の形態では、内天面158aは、2つの曲面で構成されている。内天面158a(第1入射面)は、光軸OAに交わるように配置されている。また、本実施の形態では、内側面158bは、2つの平面で構成されている。本実施の形態では、第2凹部158の内面(入射面151)は、2つ(1対)の内天面158aと、X軸方向おいて対向した2つ(1対)の内側面158bとを有する。内側面158b(第2入射面)は、内天面158a(第1入射面)および第2凹部158の開口縁部を接続する。第2凹部158は、他の面をさらに有していてもよい。
内天面158aの形状は、平面であってもよいし、曲面であってもよい。内天面158aは、入射した光を2つの反射面153に到達させやすくするためには、第1仮想断面において、裏側に凸となる曲面であることが好ましい。本実施の形態では、内天面158aは、X軸を回転軸とした回転対称面の一部である。内側面158bは、平面であってもよいし、曲面であってもよい。本実施の形態では、内側面158bは、第2仮想断面に平行な平面である。内側面158bは、X軸を回転軸とした回転対称面の一部でもある。すなわち、入射面131は、X軸を回転軸とした回転対称面の一部である。
2つの反射面153は、入射面151を挟んで発光素子131と反対側(光拡散板140側、すなわち表側)に配置されている。また、2つの反射面153は、少なくとも内天面158aで入射した光の少なくとも一部を、発光素子131の光軸OAと略垂直であり、かつ互いに略反対向きである2つの方向(いずれもX軸に沿う方向)に反射させる。2つの反射面153は、第1仮想断面において、光軸OAから離れるにつれ、X軸から離れるようにそれぞれ形成されている。具体的には、2つの反射面153は、発光素子131の光軸OAを含む断面において、発光素子131の光軸OAから端部(出射面154)に向かうにつれて、接線の傾きが徐々に小さくなるように(X軸に沿うように)それぞれ形成されている。本実施の形態では、2つの反射面153は、X軸を回転軸とした回転対称面の一部である。
2つの出射面154は、2つの反射面153を挟んでX軸方向おいて対向して配置されている。具体的には、2つの出射面154は、その下端が、X軸上に配置されている。2つの出射面154は、内天面158aで入射し、反射面153で反射した光と、内側面158bで入射し、直接到達した光と、をそれぞれ外部に出射させる。出射面154は、平面であってもよいし、曲面であってもよい。本実施の形態では、出射面154は、第2仮想平面に平行な平面である。また、出射面154は、第2仮想断面において、光軸OAから離れるにつれて、表側に向かうように形成されていてもよい。このように、出射面154が第2仮想断面において、光軸OAから離れるにつれて、表側に近づくように形成されることにより、光束制御部材132を射出成形で製造する場合において、離型しやすくなる。本実施の形態では、2つの出射面154は、X軸を回転軸とした回転対称面の一部である。
2つの第1凹部155は、到達した光を表側に向けてそれぞれ屈折させる。2つの第1凹部155は、X軸方向において、入射面151を挟むように配置されており、それぞれ裏面152にのみ開口している。第1凹部155は、第1傾斜面155aおよび第2傾斜面155bを有する。
第1傾斜面155aは、光軸OA(中心軸CA)側に配置されている。第1傾斜面155aは、第1仮想断面において、光軸OAから離れるにつれて、表側に向かうように形成されている。第1傾斜面155aは、1つの面であってもよいし、複数の面であってもよい。また、第1傾斜面155aは、平面であってもよいし、曲面であってもよい。本実施の形態では、第1傾斜面155aは、1つの曲面である。より具体的には、第1傾斜面155aは、X軸を回転軸とした回転面対称の一部である。
第1仮想断面において、光軸OAと第1傾斜面155aとのなす角度のうち、小さい角度A1は、抜きテーパとして機能するように、0°超であれば特に限定されない。しかしながら、前述したように、到達した光を表側に向けて屈折させる観点から、角度A1は、10〜25°であることが好ましく、15〜20°であることが好ましい。光軸OAと第1傾斜面155aとのなす角度A1が10°以上であると、第1傾斜面155aに到達した光を上向きに出射させやすい。一方、光軸OAと第1傾斜面155aとのなす角度A1が25°以下であると、第1傾斜面155aに到達した光を上向きに出射させすぎることなく、また第1傾斜面155aに到達した光が第1傾斜面155aで全反射されるのを抑制できる。
第1傾斜面155aの表側端部は、光軸OAに沿う方向において、発光素子131の発光面の中心から出射され、入射面151で入射し、反射面153で反射して出射面154に向かう光より裏側に位置している。ここで「第1傾斜面155aの表側端部」とは、第1傾斜面155aのうち最も表側に位置する点を意味する。また、2つの内天面158a(第1入射面)や2つの反射面153のそれぞれの交わる位置がエッジで構成されているものとし、「光軸OAに沿う方向において、発光素子131の発光面の中心から出射され(る光)」が必ず反射面153で反射して出射面154へ向かうものとして第1傾斜面155aの表側端部の位置が特定される。詳細は後述するが、発光素子131の発光面の中心から出射され、入射面151で入射し、反射面153で反射して出射面154から出射される光は、基板120と略平行に進行する。よって、当該光が第1傾斜面155aに入射すると、発光装置130の上方に向かって進行する光が多くなり、輝度ムラが生じてしまうおそれがある。
一方、第1傾斜面155aの表側端部は、発光素子131の発光面の端部から出射され、入射面151で入射し、反射面152を経由することなく直接出射面154に向かう光より表側に位置している。発光素子131の発光面の中心以外の位置から出射され、入射面151で入射し、反射面152を経由することなく直接出射面154に向かう光を制御することで、発光素子131から出射される光の利用効率を高めることができる。
第2傾斜面155bは、第1傾斜面155aと対向しており、かつ第1傾斜面155aより光軸OAから離れて配置されている。第2傾斜面155bは、第1仮想断面において、光軸OAから離れるにつれて、裏側(裏面152)に向かうように形成されている。第2傾斜面155bは、1つの面であってもよいし、複数の面であってもよい。また、外第1傾斜面155bは、平面であってもよいし、曲面であってもよい。本実施の形態では、第2傾斜面155bは、1つの曲面である。より具体的には、第2傾斜面155bは、X軸を回転軸とした回転対称面の一部である。
前述したように、第2傾斜面155bは、到達した光を表側に向けて屈折させる観点から、第1仮想断面において、光軸OAと第2傾斜面155bとのなす角度のうち、小さい角度A2は、25°以下であることが好ましく、5〜25°であることがより好ましく、10〜25°であることが特に好ましい。光軸OAと第2傾斜面155bとのなす角度A2が5°以上であると、第2傾斜面155bに到達した光を上向きに出射させやすい。面光源装置100の大きさや厚み等の仕様により、どの程度、上向きに出射させるべきかが決まるため、第1傾斜面155aと第2傾斜面155bの両方の角度で調整することが好ましい。一方、光軸OAと第2傾斜面155bとのなす角度A2が25°以下であると、第2傾斜面155bに到達した光を上向きに出射させすぎるのを抑制できる。
前記A1および前記A2は、面光源装置100の厚みや大きさに合わせて被照射領域の範囲や照度分布を調整するために適宜調整される。
2つの出射面154は、裏面152および反射面154を繋ぐように径方向外側に配置されている。出射面154は、入射面151で入射した光を外部に出射させる。出射面154は、第1仮想断面において、光軸OAと略平行な面である。また、出射面154は、平面であってもよいし、曲面であってもよい。「光軸OAと略平行」とは、第1仮想断面において、光軸OAと出射面154そのなす角度のうち小さい角度D3が0〜3°以下であることを意味する。なお、出射面154が曲面の場合には、前記D3は、光軸OAと、出射面154の第1仮想断面における曲線の接線とのなす角度のうち小さい角度を意味する。本実施の形態では、出射面154は、第1仮想断面において、光軸OAから離れるにつれて、裏側に向かうように形成された平面である。より具体的には、出射面154は、X軸を回転軸とした回転対称面の一部である。
2つの鍔部156は、光軸OA近傍の2つの反射面153の間に位置し、光軸OAに対してY軸方向に突出している。鍔部156は、光束制御部材132の取り扱いおよび位置合わせを容易にさせる。なお、鍔部156の形状は、鍔部156に入射した光を制御して出射できるような形状にしてもよい。
4つの脚部157は、裏面152から裏側に突出している略円柱状の部材である。脚部157は、発光素子131に対して適切な位置に光束制御部材132を支持する(図3B参照)。脚部157を、基板120に形成した穴部に嵌合させて位置決めに用いてもよい。また、脚部157は、光学的に悪影響が及ばないように考慮された上で、光束制御部材132を基板120に安定して固定できればよく、脚部157の位置、形状および数は適宜設定される。本実施の形態では、脚部157は、X軸方向において、入射面151および第1凹部155の間にそれぞれ2つずつ、合計4つ配置されている。
なお、面と面とが接するエッジ部分は、金型作成上、成形上、または光学特性上、製品に僅かなR形状が付与されていてもよい。特に、発光素子131の光軸OAと交わる線分で示される箇所は、光学特性上、完全なエッジ(R0)の場合、発光装置直上が暗くなるため、明るさを補うためにR0.05〜0.07程度のR形状を設けることが好ましい。
(変形例1)
次に、本実施の形態の変形例1について、図5を参照して説明する。変形例1に係る面光源装置は、光束制御部材232の構成のみが実施の形態1に係る面光源装置100と異なる。そこで、ここでは主として光束制御部材232について説明する。
図5A〜Eは、実施の形態1の変形例1に係る光束制御部材232の構成を示す図である。図5Aは、光束制御部材232の平面図であり、図5Bは、正面図であり、図5Cは、底面図であり、図5Dは、側面図であり、図5Eは、図5Aに示されるA−A線の断面図である。
変形例1に係る光束制御部材232は、入射面151と、裏面152と、反射面153と、出射面154と、第1凹部255とを有する。変形例1に係る光束制御部材232では、第1凹部255は、裏面152に加え、出射面254にも開口している。よって、第1傾斜面155aは、出射面254の一部としても機能する。
(配光特性)
実施の形態1に係る発光装置130と、変形例1に係る発光装置230との光路について説明する。また、比較のため、比較例に係る発光装置530における光路についても説明する。
図6A〜Eは、比較例の発光装置530における光束制御部材532の構成を示す図である。図6Aは、光束制御部材532の平面図であり、図6Bは、正面図であり、図6Cは、底面図であり、図6Dは、側面図であり、図6Eは、図6Aに示されるA−A線の断面図である。
図6A〜Eに示されるように、比較例の発光装置530における光束制御部材532は、入射面151と、裏面152と、反射面153と、出射面154とを有する。すなわち、比較例の発光装置530における光束制御部材532は、第1凹部155を有しない点を除けば、実施の形態1に係る発光装置100の光束制御部材132と同じである。
図7A〜Cは、発光装置130、230、530の光路図である。図7Aは、実施の形態1に係る発光装置130の光路図であり、図7Bは、変形例1に係る発光装置230の光路図であり、図7Cは、比較例に係る発光装置530の光路図である。図7A〜Cでは、第1凹部155、255の効果を分かりやすく示すため、一部の光路のみを示している。図7A〜Cでは、発光素子131の発光面の中心以外の箇所(端部)から出射された光の光路を示している。
図7Aに示されるように、実施の形態1に係る発光装置130では、発光素子131から出射された光は、入射面151で入射する。入射面151(内天面158a)で入射した光のうち一部の光は、2つの反射面153で反射されて、発光素子131の光軸OAと略垂直であり、かつ互いに略反対向きである2つの方向に進行し、2つの第1凹部155の第1傾斜面155aに到達する。一方、入射面151(内側面158b)で入射した光のうち一部の光は、2つの第1凹部155の第1傾斜面155aに他の面を経由せずに直接到達する。第1傾斜面155aは、光軸OAから離れるにつれて表側に向かうように形成されているため、入射面151で入射し、反射面153を介して到達した光および入射面151(内側面158b)で入射し、直接到達した光は、上向きに屈折するとともに、一度光束制御部材132の外部に出射される(図7A参照)。次いで、第1傾斜面155aで屈折された光は、第2傾斜面155bに到達する。第2傾斜面155bは、光軸OAから離れるにつれて裏側に近づくように形成されているため、第2傾斜面155bに到達した光は、上向きに屈折するとともに、再度光束制御部材132の内部に入射する。再度光束制御部材132の内部に入射した光は、出射面154から上向きに光束制御部材132の外部に出射される。それにより、出射面154から下向きに出射される光を少なくでき、基板120の表面で反射される光を少なくできる。その結果、第1凹部155を経由した光は、適度に表側に向けて出射されるため、発光装置130の近くが過度に明るくなり過ぎず、出射面154から出射される光が遠くまで届きやすく、輝度ムラを少なくできる。
また、図7Bに示されるように、変形例1に係る発光装置230では、発光素子131から出射された光は、入射面151で入射する。入射面151で入射した光のうち一部の光は、2つの反射面153で反射されて、発光素子131の光軸OAと略垂直であり、かつ互いに略反対向きである2つの方向に進行し、2つの第1凹部255の第1傾斜面155aに到達する。一方、入射面151で入射した光のうち一部の光は、2つの第1凹部155の第1傾斜面155aに他の面を経由せずに直接到達する。第1傾斜面155aは、光軸OAから離れるにつれて表側に近づくように形成されているため、入射面151で入射し、反射面153を介して到達した光および入射面151で入射し、直接到達した光は、上向きに屈折するとともに、光束制御部材232の外部に出射される(図7B参照)。
一方、図7Cに示されるように、比較例の発光装置530では、発光素子131から出射された光は、入射面151で入射する。入射面151で入射した光のうち一部の光は、2つの反射面153で反射されて、発光素子131の光軸OAと略垂直であり、かつ互いに略反対向きである2つの方向に進行し、2つの出射面154に到達する。一方、入射面551で入射した光のうち一部の光は、2つの出射面154に直接到達する。2つの出射面154に到達したこれらの光は、2つの出射面154から出射される。2つの出射面154は、光軸OAに略平行な垂直面からなり、第1傾斜面155aを有しない(図7C参照)。したがって、出射面154から出射される光のうち、一部の光は、下向きに進行し、基板120の周囲に反射シートが配置されている場合は反射シートの表面で、基板120が大きな面積を有する場合は基板120の表面で、それぞれ反射されやすい。その結果、拡散反射された光が発光装置530の直上近傍の被照射面に到達しやすくなるため、発光装置530の近くが過度に明るくなり、輝度ムラを生じやすい。
(シミュレーション1)
シミュレーション1では、実施の形態1に係る面光源装置100と、変形例1に係る発光装置230を有する面光源装置とにおける光拡散板140上における照度分布を調べた。光路と光拡散板140上における照度分布の解析は、1つの発光素子131のみを点灯した面光源装置100を用いて行った。また、比較のため、比較用の発光装置530を有する面光源装置における光拡散板上における照度分布も調べた。
(パラメータ)
・光束制御部材の外径:X軸方向の長さ18mm、Y軸方向の長さ14.3mm
・光束制御部材の高さ:6.8mm
・発光素子全体の大きさ:一辺1.6mmの略正方形
・基板120と光拡散板140との間隔:30mm
・水平面111と第1斜面112とのなす角度:7°
図8は、第1仮想断面における、実施の形態1に係る面光源装置100と、変形例1に係る発光装置230を用いた面光源装置と、比較用の発光装置を用いた面光源装置の、光拡散板140上における照度分布の結果を示すグラフである。グラフの横軸は、光拡散板140における、発光素子131の光軸OAからの距離(X軸方向の距離;mm)を示し、縦軸は、光拡散板140における照度を示している。実線は、実施の形態1に係る面光源装置100における結果を示しており、点線は、変形例1の面光源装置における結果を示しており、一点鎖線は、比較用の面光源装置における結果を示している。
前述したように、実施の形態1に係る面光源装置100では、出射面154から出射される光のうち多くの光は、適度に上向きに進行する。その結果、図8の実線に示されるように、発光装置130の近傍(光軸OAからの距離が−70mm〜70mmの領域)が過度に明るくなることがなく、輝度ムラを抑制できることがわかる。また、光軸OAからの距離が±80mm近傍の領域において、小さなピークが生じることが分かった。これにより、光拡散板140上の全体を見たときに、光軸OAからの距離が±100mmまでの領域において、照度がより均一になる。
また、前述したように、変形例1に係る面光源装置では、実施の形態1に係る面光源装置100ほどではないものの、出射面154から出射される光のうち多くの光は、適度に上向きに進行することが分かる。その結果、図8の点線に示されるように、発光装置130の近傍(光軸OAからの距離が−70mm〜70mmの領域)が過度に明るくなることがなく、照度ムラを抑制できることがわかる。
一方、比較用の面光源装置では、光束制御部材532の出射面154から出射される光の多くは、下向きに進行する。光束制御部材532の出射面154から出射された光は、基板120の表面で、それぞれ反射される。その結果、図8の一点鎖線に示されるように、発光装置530の近傍(光軸OAからの距離が−70mm〜70mmの領域)が過度に明るくなり、輝度ムラが生じることがわかる。
(シミュレーション2)
本シミュレーションでは、発光素子131の発光面の中央から出射された光と、発光面の端部から出射された光との光路について調べた。LEDなどの発光素子131では、発光面の中央部分から出射される光の色味と、発光面の端部から出射される光の色味が異なる場合がある。よって、発光素子131から出射された光が光拡散板140に到達するまでに、混ざり合わないと、光拡散板140上において、色ムラが生じてしまうためである。
図9A〜Cは、発光素子の発光面の中央部および端部から出射される光の光路図である。図9Aは、実施の形態1に係る発光装置130における光路を示しており、図9Bは、変形例1に係る発光装置230における光路を示しており、図9Cは、比較用の面光源装置における光路を示している。なお、図9A〜Cでは、発光素子の発光面の中央部および端部から出射される光の光路図を分かりやすく示すため、一部の光路のみを示している。また、図9A〜Cでは、発光面の中央部から出射された光を破線で示し、発光面の端部から出射された光を実線で示している。
図9Aに示されるように、実施の形態1に係る発光装置130では、発光素子131の発光面の端部から出射された光のうち、一部の光が第1凹部155(第1傾斜面155aおよび第2傾斜面155b)により基板120に対して略平行に進行するように制御されるため、発光素子の発光面の中央部および端部から出射される光が混ざりあうことが分かる。よって、光拡散板140上において、より色ムラが生じないことが分かる。
図9Bに示されるように、変形例1に係る発光装置230では、実施の形態1に係る発光装置130ほどではないものの、発光素子131の発光面の端部から出射された光のうち、一部の光が第1凹部255(第1傾斜面155a)によって、発光装置230から離れた基板120に到達するように進行するように制御されるため、発光素子の発光面の中央部および端部から出射される光が混ざりあうことが分かる。よって、光拡散板140上において、色ムラが生じにくいことが分かる。
図9Cに示されるように、比較例に係る発光装置530では、発光素子131の発光面の端部から出射された光のうち、一部の光が出射面154から発光装置530の近傍にも出射されるため、発光素子の発光面の中央部および端部から出射される光があまり混ざりあうことないことが分かる。よって、光拡散板140上において、色ムラが生じてしまうことが分かる。
(効果)
以上のように、実施の形態1に係る発光装置130、230の光速制御部材132、232は、第1凹部155、255を有する。これにより、第1傾斜面155aから出射される光の多くを上向きに屈折させることができるので、下向きに出射される光を少なくできる。それにより、発光装置130の近傍が過度に明るくなることがなく、遠くまで光を届きやすくできるので、輝度ムラを抑制できる。また、実施の形態1に係る発光装置130は、光拡散板140上における色ムラも解消できる。
[実施の形態2]
次に、実施の形態2に係る面光源装置について説明する。実施の形態2に係る面光源装置は、発光装置の配置と、光束制御部材632の構成が実施の形態1に係る面光源装置100と異なる。そこで、実施の形態1に係る面光源装置と同様の構成については、同様の符号を付してその説明を省略する。
(面光源装置の構成)
特に図示しないが、本実施の形態に係る面光源装置における発光装置は、基板120上にマトリックス状に配置されている。複数の発光装置をマトリックス状に配置する場合のX軸方向における発光装置の中心間距離(ピッチ)と、Y軸方向における発光装置の中心間距離(ピッチ)との比率は、たとえば1:1程度である。
(光束制御部材の構成)
図10は、実施の形態2に係る光束制御部材632の構成を示す図である。図10Aは、実施の形態2に係る光束制御部材632の平面図であり、図10Bは、正面図であり、図10Cは、底面図であり、図10Dは、図5Aに示されるA−A線の断面図であり、図11は、実施の形態2の変形例2に係る光束制御部材732の中心軸OAを含む断面図である。
図10A〜Dに示されるように、本実施の形態に係る光束制御部材632は、入射面651、裏面652、反射面653、出射面654および第1凹部655を有する。なお、本実施の形態では、上記構成に加え、鍔部656および4つの脚部157をさらに有する。
入射面651、反射面653、出射面654および第1凹部655は、光軸OAを回転軸とした円対称である。
入射面651の形状は、平面であってもよいし、裏面652に開口した第2凹部658の内面であってもよい。本実施の形態では、入射面651の形状は、第2凹部658の内面である。また、本実施の形態では、第2凹部658は、1つの内天面658aおよび1つの内側面658bを有する。内天面658aは、中心軸CAを含む断面において、中央部分が表側に凸となり、外縁部分が裏側に凸の形状である。内側面658bは、筒状に形成されている。
裏面652は、第2凹部658を取り囲むように第2凹部658の外縁部から径方向外側に延在した平面である。裏面652には、第1凹部655が形成されている。
第1凹部655は、第2凹部658(入射面651)を取り囲むように形成された円環状の溝部である。第2凹部は、円環状に形成された第1傾斜面655aと、円環状に形成され、第1傾斜面655aより径方向外側に配置された第2傾斜面655bとを有する。出射面654は、光軸OAと平行な筒状に形成されている。
中心軸CAを含む断面において、第1傾斜面655aは、光軸OAから離れるにつれて表側に向かうように傾斜ており、第2傾斜面655bは、光軸OAから離れるにつれて裏側に向かうように傾斜している。また、第1傾斜面655aの表側端部は、光軸OAに沿う方向において、発光素子131の発光面の中心から出射され、入射面651で入射し、反射面653で反射して出射面654に向かう光より裏側に位置し、かつ発光素子131の発光面の端部から出射され、入射面651で入射し、反射面653を経由することなく直接出射面654に向かう光より表側に位置している。
なお、図11に示されるように、光束制御部材732は、第1凹部755の第2傾斜面を有さず、第1傾斜面655aのみを有していてもよい。
また、特に図示しないが、実施の形態2に係る面光源装置も、出射面654から出射される光が遠くまで届きやすいため、輝度ムラを少なくできる。また、実施の形態2に係る面光源装置は、光拡散板140上に置いて色ムラが生じにくい。
(効果)
以上のように、実施の形態2に係る面光源装置は、実施の形態1に係る面光源装置100と同様の効果を有する。
[実施の形態1および実施の形態2の比較]
(シミュレーション3)
シミュレーション3では、実施の形態1に係る面光源装置および実施の形態2に係る面光源装置について、発光素子131から出射された光線の光拡散板140上における到達位置をそれぞれ調べた。実施の形態1に係る面光源装置では、変形例3の光束制御部材832を使用し、実施の形態2に係る面光源装置では、変形例4の光束制御部材932を使用した。まず、光束制御部材832および光束制御部材932について説明する。
図12A〜Fは、シミュレーション3で使用した変形例3の光束制御部材832の構成を示す図である。図12Aは、変形例3の光束制御部材832の平面図であり、図12Bは、正面図であり、図12Cは、底面図であり、図12Dは、図12Aに示されるA−A線の断面図であり、図12Eは、図12Cに示されるB−B線の断面図であり、図12Fは、右側面図である。
図12A〜Fに示されるように、シミュレーション3で使用した変形例3の光束制御部材832は、入射面151、裏面152、2つの反射面153、2つの出射面154および2つの第1凹部855を有する。変形例3の光束制御部材832は、第1傾斜面855aの傾斜角度が実施の形態1の光束制御部材132と異なる。本実施の形態における第1傾斜面855aの傾斜角度は、抜きテーパ程度の角度である。
図13A〜Dは、シミュレーション3で使用した変形例4の光束制御部材932の構成を示す図である。図13Aは、変形例4の光束制御部材932の平面図であり、図13Bは、正面図であり、図13Cは、底面図であり、図13Dは、図13Aに示されるA−A線の断面図である。
図13A〜Dに示されるように、シミュレーション3で使用した変形例4の光束制御部材932は、入射面651、裏面652、反射面653、出射面654および第1凹部955を有する。変形例4の光束制御部材932は、第1傾斜面955aの傾斜角度が実施の形態2の光束制御部材632と異なる。変形例3の光束制御部材932おける第1傾斜面955aの傾斜角度は、抜きテーパ程度の角度である。図12Dと図13Dとを比較するとわかるように、変形例3の光束制御部材832の断面形状と変形例4の光束制御部材932の断面形状とは同一である。
図14A〜Gは、変形例3の光束制御部材832を有する発光装置における光線の光路図である。各光線は、発光素子131の光軸に対して80°の角度で発光素子131から出射された光線である。図14Aは、平面視したときにX軸に沿って出射された光線の光路を示しており、図14Bは、平面視したときにX軸に対して5°傾いて出射された光線の光路を示しており、図14Cは、平面視したときにX軸に対して10°傾いて出射された光線の光路を示しており、図14Dは、平面視したときにX軸に対して15°傾いて出射された光線の光路を示しており、図14Eは、平面視したときにX軸に対して20°傾いて出射された光線の光路を示しており、図14Fは、平面視したときにX軸に対して25°傾いて出射された光線の光路を示しており、図14Gは、平面視したときにX軸に対して30°傾いて出射された光線の光路を示している。
図15A〜Gは、変形例4の光束制御部材932を有する発光装置における光線の光路図である。各光線は、発光素子131の光軸に対して80°の角度で発光素子131から出射された光線である。図15Aは、平面視したときにある方向に沿って出射された光線の光路を示しており、図15Bは、平面視したときに図15Aのある方向に対して5°傾いて出射された光線の光路を示しており、図15Cは、平面視したときに図15Aのある方向に対して10°傾いて出射された光線の光路を示しており、図15Dは、平面視したときに図15Aのある方向に対して15°の光線の光路を示しており、図15Eは、平面視したときに図15Aのある方向に対して20°傾いて出射された光線の光路を示しており、図15Fは、平面視したときに図15Aのある方向に対して25°傾いて出射された光線の光路を示しており、図15Gは、平面視したときに図15Aのある方向に対して30°傾いて出射された光線の光路を示している。
図16は、発光素子131から出射された各光線の光拡散板140上における到達位置をプロットしたグラフである。図16の横軸は、光拡散板140上における光軸との交点からのX方向の距離(mm)を示しており、縦軸は、光拡散板140上における光軸との交点からのY方向の距離(mm)を示している。図16における白抜き丸シンボルは、変形例3の光束制御部材832を有する発光装置から出射された光線の到達位置を示しており、図16における黒塗り四角シンボルは、変形例4の光束制御部材932を有する発光装置から出射された光線の到達位置を示している。また、各シンボルに符した数字は、各光線が発光素子131から出射されたときのX軸に対する角度を示している。
図14A〜G、図15A〜Gおよび図16に示されるように、変形例3の光束制御部材832を有する発光装置と、変形例4に係る光束制御部材932を有する発光装置とを比較すると、変形例3の光束制御部材832を有する発光装置では、変形例4に係る光束制御部材932を有する発光装置よりも、光拡散板140に到達する光が散らばっていることが分かる。これは、発光素子131からX軸に対して大きな角度で出射された光線は、第1傾斜面855aに到達しないため、光拡散板140側に向けて屈折させられないためと考えられる。よって、変形例3の光束制御部材を有する発光装置を用いた面光源装置では、変形例4の光束制御部材を有する発光装置を用いた面光源装置よりもより輝度ムラが発生しにくい。
本発明に係る光束制御部材を有する面光源装置は、例えば、液晶表示装置のバックライトや看板、一般照明などに適用できる。
100 面光源装置
100’ 表示装置
107 表示部材
110 筐体
120 基板
130、230、530 発光装置
131 発光素子
132、232、532、632、732、832、932 光束制御部材
140 光拡散板
151、651 入射面
152、652 裏面
153、653 反射面
154、254、654 出射面
155、255、655、755、855、955 第1凹部
155a、655a、855a、955a 第1傾斜面
155b、655b 第2傾斜面
156、656 鍔部
157 脚部
158、658 第2凹部
158a、658a 内天面
158b、658b 内側面

Claims (10)

  1. 発光素子と、前記発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材とを有する発光装置であって、
    前記光束制御部材は、
    前記発光素子の光軸と交わるように裏側に配置され、前記発光素子から出射された光を入射させる入射面と、
    前記入射面を取り囲むように前記入射面の外縁部から径方向外側に延在した裏面と、
    前記裏面と反対側の表側に配置され、前記入射面で入射した光を反射させる反射面と、
    前記裏面および前記反射面を繋ぐように配置され、前記入射面で入射した光を外部に出射させる出射面と、
    前記裏面に開口し、前記入射面よりも前記光軸から離れた位置に配置された第1凹部と、を有し、
    前記第1凹部は、前記光軸から離れるにつれて表側に向かうように傾斜した第1傾斜面を含み、
    前記第1傾斜面の表側端部は、前記光軸に沿う方向において、前記発光素子の発光面の中心から出射され、前記入射面で入射し、前記反射面で反射して前記出射面に向かう光より裏側に位置し、かつ前記発光素子の発光面の端部から出射され、前記入射面で入射し、前記反射面を経由することなく直接前記出射面に向かう光より表側に位置している、
    発光装置。
  2. 前記第1凹部は、前記出射面にも開口し、
    前記第1傾斜面は、前記出射面の一部としても機能する、
    請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記第1凹部は、前記裏面のみに開口し、
    前記第1凹部は、前記第1傾斜面よりも前記光軸から離れた位置に配置され、前記光軸から離れるにつれて裏側に向かうように傾斜した第2傾斜面をさらに有する、請求項1に記載の発光装置。
  4. 前記入射面は、前記光軸と交わるように前記裏面に開口した第2凹部の内面である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の発光装置。
  5. 前記入射面は、前記光軸に交わるように配置された第1入射面と、前記第1入射面および前記第2凹部の開口縁部を接続した第2入射面と、を含む、請求項4に記載の発光装置。
  6. 前記反射面、前記出射面および前記第1凹部は、それぞれ、前記光軸に垂直であって前記入射面より裏側に位置する直線を回転軸とした回転対称面の一部である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の発光装置。
  7. 前記入射面、前記反射面、前記出射面および前記第1凹部は、それぞれ、前記光軸を回転軸とした円対称である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の発光装置。
  8. 複数の請求項1〜7のいずれか一項に記載の発光装置と、
    前記発光装置から出射された光を拡散させつつ透過させる光拡散板と、
    を有する、面光源装置。
  9. 請求項8に記載の面光源装置と、
    前記面光源装置から出射された光を照射される表示部材と、を有する、
    表示装置。
  10. 請求項1〜7のいずれか一項に記載の発光装置に用いられる、光束制御部材。
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