JP6162280B1 - 発光装置および面光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出射される光が、発光素子の光軸近傍に適度に拡がりやすく、光軸から離れる方向には拡がりすぎない発光装置を提供する。【解決手段】発光装置は、発光素子と、光束制御部材とを有する。光束制御部材は、入射面と出射面とを有する。発光素子の光軸を含む前記発光装置の断面において、光束制御部材は、その中心軸と光軸とが一致し、かつ発光素子の発光中心を基点として光軸に対する角度をθ１としたとき、少なくともθ１＝８１°で発光素子の発光中心から出射する光が光束制御部材の裏面に入射するように配置され、かつ発光素子の発光中心から前記光軸に対して角度θ１で出射する光の前記出射面上への到達点を点Ｐとし、点Ｐにおける出射面の接線と、光軸と直交する線とがなす角度をθ２としたとき、出射面は、横軸をθ１、縦軸をθ２とするグラフの曲線が変曲点を有するように形成されている。【選択図】図７

Description

本発明は、発光装置および面光源装置に関する。

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、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、面光源装置内部の底面にマトリックス状に配置されている。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。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。

従来の面光源装置は、一の発光素子と他の発光素子の間の領域が暗くなることによる輝度ムラを抑制するために、発光素子から光束制御部材を介して出射される光が、発光素子の光軸から離れる方向（水平方向）に広く拡がるように設計されている。

図１は、従来の面光源装置の一部の構成を示す断面図である。図１に示されるように、従来の面光源装置１は、発光素子２と、第１光束制御部材３と、第２光束制御部材４とを含む（例えば特許文献１参照）。第１光束制御部材３は、発光素子２から出射された光が入射する入射面３Ａと、入射面３Ａに入射した光を外部に出射する出射面３Ｂとを有する。第２光束制御部材４は、第１光束制御部材３から出射した光が入射する入射面４Ａと、入射面４Ａで入射した光を外部に出射する出射面４Ｂとを有する。第２光束制御部材４の入射面４Ａは、発光素子２に対して凹形状の面であり、発光素子２の発光面と対向するように形成されている。そして、第２光束制御部材４の裏面は、発光素子２を保持するケーシングボディ５と接している。

そして、発光素子２から出射した光は、第１光束制御部材３に入射し、光軸ＬＡから離れる方向に屈折して出射される（点線）。第１光束制御部材３から出射した光は、第２光束制御部材４に入射し、光軸ＬＡからさらに離れる方向に屈折して出射される（点線）。それにより、発光素子２からの光を光軸ＬＡから離れる方向に広く拡げることができる。

ところで、近年、ローカルディミング機能を有する面光源装置が普及しつつある。ローカルディミング機能とは、ディスプレイの表示画面をいくつかの区画に分け、それぞれの区画に映し出される映像の明るさに合わせてバックライトの明るさを調整する技術である。つまり、ローカルディミング機能を発揮させるためには、面光源装置を構成する複数の発光素子の発光量を個々に制御する必要がある。したがって、発光素子から出射される光を拡げつつも、１つの発光素子から出射される光が、隣の発光素子から出射される光と干渉しないことが求められる。即ち、発光素子から光束制御部材を介して出射される光が、発光素子の光軸ＬＡ近傍に適度に拡がりやすく、かつ光軸ＬＡから離れる方向（水平方向）には拡がりすぎないことが求められる。

特表２００９−５１０７３１号公報

しかしながら、従来の面光源装置１では、発光素子２から第２光束制御部材４を介して出射した光は、光軸ＬＡから離れる方向に拡がりやすい。そのため、１つの発光素子から出射される光が、隣の発光素子から出射される光と干渉し、コントラストが低下しやすい。そのような面光源装置は、例えばローカルディミング機能を有するディスプレイの面光源装置としては適していない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、出射される光が、発光素子の光軸近傍に適度に拡がりやすく、かつ光軸から離れる方向には拡がりすぎない発光装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、この発光装置を有する面光源装置を提供することも目的とする。

本発明に係る発光装置は、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、その中心軸と交わるように裏側に形成された凹部の内面であって、前記発光素子から出射された光を入射する入射面と、前記中心軸と交わるように表側に形成された、前記入射面で入射した光を外部に出射する出射面とを有し、かつ前記発光素子の光軸を含む前記発光装置の断面において、前記光束制御部材は、その中心軸と前記光軸とが一致し、かつ前記発光素子の発光中心を起点として前記光軸に対する角度をθ１としたとき、少なくともθ１＝８１°で前記発光素子の発光中心から出射する光が前記光束制御部材の裏面に入射するように配置され、かつ前記発光素子の発光中心から前記光軸に対して角度θ１で出射する光の前記出射面上への到達点を点Ｐとし、前記点Ｐにおける前記出射面の接線と、前記光軸と直交する線とがなす角度をθ２としたとき、前記出射面は、横軸をθ１、縦軸をθ２とするグラフの曲線が変曲点を有するように形成されている、構成を採る。

本発明に係る面発光装置は、本発明に係る発光装置と、前記発光装置からの光を拡散させつつ、透過させる光拡散部材とを有する、構成を採る。

本発明に係る発光装置は、出射される光が、発光素子の光軸近傍に適度に拡がりやすく、かつ光軸から離れる方向には拡がりすぎない。また、本発明に係る面光源装置は、前述の発光装置を含むため、区画ごとに明るさを調整しやすい。

図１は、従来の面光源装置の一部の構成を示す図である。 図２Ａ、Ｂは、本発明に係る面光源装置の構成を示す図である。 図３Ａ、Ｂは、本発明に係る面光源装置の構成を示す断面図である。 図４は、図３Ｂの一部を拡大した部分拡大断面図である。 図５は、発光素子から出射される光のうち、光束制御部材の裏面に入射する光の割合を示すイメージ図である。 図６Ａ〜Ｄは、本発明に係る発光装置における光束制御部材の構成を示す図である。 図７は、本発明に係る発光装置の光軸を含む断面において、θ２を定義する説明図である。 図８は、図６に示される光束制御部材を用いた発光装置の光路図である。 図９は、比較用の光束制御部材を用いた発光装置の光路図である。 図１０Ａ、Ｂは、本実施の形態に係る発光装置と比較用の発光装置のθ１とθ２の関係を示すシミュレーション結果である。 図１１Ａ、Ｂは、本実施の形態に係る発光装置と比較用の発光装置の配光分布のシミュレーション結果である。 図１２Ａ、Ｂは、本実施の形態に係る発光装置と比較用の発光装置における、発光素子から出射された光が光軸に対してなす角度（極角）を変えたときの、発光素子から出射された光が入射する光束制御部材の面の内訳を示すシミュレーション結果である。 図１３は、本実施の形態に係る発光装置における、極角毎の全光束に対する光束比率を示すシミュレーション結果である。 図１４Ａ、Ｂは、照度分布のシミュレーション結果である。

以下、本発明に係る光速制御部材、発光装置、面光源装置および表示装置について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、本発明に係る面光源装置の代表例として、液晶表示装置のバックライトなどに適する面光源装置について説明する。これらの面光源装置は、面光源装置からの光を照射される被照射部材（例えば液晶パネル）と組み合わせることで、表示装置として使用されうる。

［面光源装置および発光装置の構成］
図２〜図４は、本発明に係る面光源装置の構成を示す図である。図２Ａは、平面図であり、図２Ｂは、正面図である。図３Ａは、図２Ｂに示される３Ａ−３Ａ線の断面図であり、図３Ｂは、図２Ａに示される３Ｂ−３Ｂ線の断面図である。図４は、図３Ｂの一部を拡大した部分拡大断面図である。

図３、図４に示されるように、本発明に係る面光源装置１００は、筐体１１０、複数の発光装置２００および光拡散部材１２０を有する。筐体１１０は、底板１１２と、天板１１４とを有する。筐体１１０の底板１１２の内面は、拡散反射面として機能する。筐体１１０の底板１１２上には、複数の基板２１０が配置されており、各基板２１０上には、複数の発光装置２００がさらに配置されている。また、筐体１１０の天板１１４には、開口部が設けられている。光拡散部材１２０は、この開口部を塞ぐように配置されており、発光面として機能する。発光面の大きさは、例えば約４００ｍｍ×約７００ｍｍとすることができる。

図４に示されるように、複数の発光装置２００は、それぞれ発光素子２２０および光束制御部材３００を有している。

発光素子２２０は、面光源装置１００の光源であり、基板２１０上に実装されている。発光素子２２０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。

光束制御部材３００は、基板２１０上に固定されている。光束制御部材３００は、発光素子２２０から出射された光の配光を制御し、上記光の進行方向を面光源装置１００の面方向に拡げる。光束制御部材３００は、その中心軸ＣＡが発光素子２２０の光軸ＬＡに一致するように配置される。

本発明に係る面光源装置１００は、発光素子２２０に対する光束制御部材３００の配置と光束制御部材３００の構成とに主たる特徴を有する。そこで、まず発光素子２２０に対する光束制御部材３００の配置について、以下でさらに詳細に説明する。

図５は、発光素子２２０から出射される光のうち、光束制御部材３００の裏面３４０（図６Ｄ参照）に入射する光の割合を示すイメージ図である。

仮想半球体Ｑは、発光素子２２０の発光中心を含み、かつ光軸ＬＡと直交する平面を底面とする半球体である。光束制御部材３００は、さらに、発光素子２２０から出射する光のうち、仮想半球体Ｑの球冠表面積の少なくとも底面側から１５％までの領域（塗りつぶし部分）の上限ラインＬ１を通る光が、後述する光束制御部材３００の裏面３４０に入射するように、発光素子２２０の上に配置されている（構成１、図４および図５参照）。

「仮想半球体Ｑの球冠表面積の少なくとも底面側から１５％までの領域の上限ラインＬ１を通る光」は、図４において、発光素子２２０の発光中心から光軸ＬＡに対してθ１＝８１°の角度で出射する光に相当する。即ち、少なくとも発光素子２２０の発光中心から光軸ＬＡに対してθ１＝８１°の角度（好ましくはθ１≧７７°）で出射する光が、後述する光束制御部材３００の裏面３４０に入射するように、光束制御部材３００が配置されている。θ１は、発光素子２２０の発光中心を起点として光軸ＬＡに対してなす角度である。

つまり、本発明に係る発光装置２００では、発光素子２２０から出射された光のうち後述する光束制御部材３００の裏面３４０に入射する光の割合が、従来の発光装置よりも多い。後述する光束制御部材３００の裏面３４０に入射する光は、光束制御部材３００内で立ち上がりやすいので、後述する出射面３３０から出射される光は、光軸ＬＡから離れる方向に拡がりにくい。光束制御部材３００の裏面３４０に入射する光を多くするためには、例えば発光素子２２０からの光束制御部材３００の裏面３４０の高さを高くすればよい。

なお、後述する光束制御部材３００の入射面３２０および出射面３３０はいずれも回転対称（円対称）であり、かつこれらの回転軸は一致する。この入射面３２０および出射面３３０の回転軸を「光束制御部材の中心軸ＣＡ」という。また、「発光素子の光軸ＬＡ」とは、発光素子２２０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３００は、一体成形により形成することができる。光束制御部材３００の材料は、所望の波長の光を通過させ得る材料であればよい。たとえば、光束制御部材３００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）、シリコーン樹脂などの光透過性樹脂、またはガラスである。

光束制御部材３００については、別途詳細に説明する。

光拡散部材１２０は、光拡散性を有する板状の部材（拡散板）であり、発光装置２００からの出射光を拡散させつつ透過させる。通常、光拡散部材１２０は、液晶パネルなどの被照射部材とほぼ同じ大きさである。たとえば、光拡散部材１２０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により形成される。光拡散性を付与するため、光拡散部材１２０の表面に微細な凹凸が形成されているか、または光拡散部材１２０の内部にビーズなどの光拡散子が分散している。

本発明に係る面光源装置１００では、各発光素子２２０から出射された光は、光束制御部材３００により光軸ＬＡ近傍に拡がり、光軸ＬＡから離れた方向に拡がりすぎない。したがって、１つの発光素子２２０から出射された光は、隣の発光素子２２０から出射する光との干渉が最小限に抑えられた状態で光拡散部材１２０に入射する。光拡散部材１２０に入射した光は、さらに光拡散部材１２０により拡散される。その結果、本発明に係る面光源装置１００は、面状の被照射部材（例えば液晶パネル）を、区画毎に個々に照らすことができる。

［光束制御部材の構成］
図６は、本発明に係る光束制御部材３００の構成を示す図である。図６Ａは、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、図６Ａに示される６Ｄ−６Ｄ線の断面図である。

図６Ｄに示されるように、光束制御部材３００は、入射面３２０を形成する凹部３１０、出射面３３０、裏面３４０、鍔部３５０、および脚部３６０を有する。

凹部３１０は、光束制御部材３００の裏側（発光素子２２０側）の中央部に形成されている。凹部３１０の内面は、入射面３２０として機能する。入射面３２０は、発光素子２２０から出射された光の大部分を、その進行方向を制御しつつ光束制御部材３００の内部に入射させる。入射面３２０は、光束制御部材３００の中心軸ＣＡと交わり、中心軸ＣＡを軸として回転対称（円対称）である。光軸ＬＡから離れる方向に光が拡がりすぎるのを抑制する観点から、入射面３２０の頂点付近（光軸ＬＡ近傍）の傾斜は、従来の光束制御部材の入射面の頂点付近の傾斜よりも緩やかに形成されていることが好ましい（構成２）。

出射面３３０は、光束制御部材３００の表側（光拡散部材１２０側）に、鍔部３５０から突出するように形成されている。出射面３３０は、光束制御部材３００内に入射した光を、進行方向を制御しつつ外部に出射させる。出射面３３０は、中心軸ＣＡと交わり、中心軸ＣＡを軸として回転対称（円対称）である。

出射面３３０は、光軸ＬＡ（または中心軸ＣＡ）と交わる位置に配置された第１出射面３３０ａと、第１出射面３３０ａの周囲に連続して配置された第２出射面３３０ｂと、第２出射面３３０ｂと鍔部３５０とを接続する第３出射面３３０ｃとを有する（図６Ｄ参照）。第１出射面３３０ａは、表側に凹の曲面である。第２出射面３３０ｂは、第１出射面３３０ａの周囲に位置する、表側に凸の滑らかな曲面である。第２出射面３３０ｂの形状は、円環状の凸形状である。第３出射面３３０ｃは、第２出射面３３０ｂの周囲に位置する曲面である。図６Ｄに示される断面において、第３出射面３３０ｃの断面は、直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。また、１つの発光装置２００からの出射光による被照射領域が狭い場合には、第１出射面３３０ａにおける光を拡げる効果は弱くてもよいため、第１出射面３３０ａを表側に凹の曲面にする必要はなく、光軸ＬＡに直交する平面や、第２出射面３３０ｂよりも曲率半径の大きな凸曲面であってもよい。

出射面３３０は、従来の出射面よりも傾斜が緩やかに形成されている。図７は、本発明に係る発光装置の光軸ＬＡを含む断面において、θ２を定義する説明図である。

θ２は、出射面３３０の傾きを示すものであり、発光素子２２０の発光中心から光軸ＬＡに対して角度θ１で出射し、入射面３２０から光束制御部材３００へ入射する光の出射面３３０上への到達点Ｐにおける出射面３３０の接線Ｌ２と、点Ｐを通り、かつ光軸ＬＡと直交する線Ｌ３とがなす角度のうち小さい方として規定される（図７参照）。本実施の形態では、発光素子２２０の発光中心から出射する光のうち、θ１が０°〜７５°の範囲の光が入射面３２０へ入射する。この入射面３２０を経由した光の出射面３３０上への到達点Ｐにおける出射面の傾きθ２は、本実施の形態では約−４０°〜５°の範囲である。θ２の符号は、図７において、点Ｐにおける出射面３３０の接線Ｌ２と光軸ＬＡとの交点が、線Ｌ３（点Ｐを通り、かつ光軸ＬＡと直交する線）よりも上にある場合を負とし、点Ｐにおける出射面３３０の接線Ｌ２と光軸ＬＡとの交点が、線Ｌ３よりも下にある場合を正とする。そして、出射面３３０は、横軸をθ１、縦軸をθ２とするグラフの曲線が変曲点（例えば図１０Ａの点Ｘ）を有するように形成されている（構成３、後述する図１０Ａ参照）。

変曲点とは、上に凸の曲線部分と下に凸の曲線部分とを有する曲線において、上に凸の曲線部分から下に凸の曲線部分へと切り替わる点、または下に凸の曲線部分から上に凸の曲線部分へと切り替わる点をいう。変曲点は、曲線を二階微分して平均変化率（曲線の傾き）の変化を算出したときに、平均変化率（曲線の傾き）が増加から減少に切り替わる点、または平均変化率（曲線の傾き）が減少から増加へ切り替わる点として求めることができる。

後述する図１０Ａにおいては、θ１＝０°でのθ２は、第１出射面３３０ａの中心におけるθ２に対応し、θ１＝２０°付近でのθ２は、第２出射面３３０ｂの基板２１０からの高さが最も高くなる最高点におけるθ２に対応する（図６Ｄ参照）。θ１が約４４°以上に大きくなると、θ１の増加に伴い、θ２の変化率が徐々に減少している。つまり、第２出射面３３０ｂの最高点付近から出射面３３０の外縁（第３出射面３３０ｃ）へと向かうにつれ、出射面３３０の傾斜の変化率が徐々に減少している。それにより、出射面３３０に到達した光が、光軸ＬＡの近傍で出射する光は適度に拡がり、かつ光軸ＬＡから離れた位置で出射する光は拡がりにくくなる。

裏面３４０は、光束制御部材３００の裏側に形成されており、凹部３１０の開口縁部から径方向に延在する平面である。図６Ｃでは、裏面３４０が、プリズム形状を有している。

鍔部３５０は、出射面３３０の外周部と光束制御部材３００の裏面３４０の外周部との間に位置し、中心軸ＣＡに対して外側に突出している。鍔部３５０の形状は、略円環状である。鍔部３５０は、必須の構成要素ではないが、鍔部３５０を設けることで、光束制御部材３００の取り扱いおよび位置合わせが容易になる。鍔部３５０の厚みは、出射面３３０の必要面積や鍔部３５０の成形性などを考慮して決定されうる。

入射面３２０、出射面３３０および鍔部３５０の表面の少なくとも一つは、粗面であることが好ましい（構成４）。これらの表面が粗面であると、これらの面に入射した光が、その近傍で散乱されるため、光軸ＬＡから離れる方向に拡がる光を少なくすることができる。粗面の表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１；２００１）は、０．０５〜１．０μｍであることが好ましく、０．１〜０．３μｍであることがより好ましい。また、鍔部３５０の表面粗さＲａは、入射面３２０と出射面３３０の表面粗さＲａよりも大きいことが好ましい。鍔部３５０の表面粗さＲａを大きくすることで、鍔部３５０から出射する光を散乱させやすくし、光軸ＬＡから離れる方向に拡がりにくくしうるからである。鍔部３５０の表面粗さＲａは、０．１〜０．５μｍであることが好ましい。粗面の表面粗さＲａは、表面粗さ測定機により測定できる。

鍔部３５０の表面が粗面であるとき、鍔部３５０の上端部３５０Ａは、入射面３２０の頂点よりも高いことが好ましい（図６Ｄ参照）。鍔部３５０の上端部３５０Ａを、入射面３２０の頂点よりも高くすると、鍔部３５０の粗面の面積を増やすことができるので、散乱効果をより高めることができる。それにより、光軸ＬＡから離れる方向に拡がる光をより低減しうる。鍔部３５０の領域まで出射面３３０を延長し、出射面３３０の延長部分を粗面化するよりも、出射面３３０とは区分して鍔部３５０を形成し、鍔部３５０の表面を粗面化するほうが製造も容易である。

このように、発光装置２００から出射される光が、光軸ＬＡ近傍では光が拡がりやすく、かつ光軸ＬＡから離れる位置では光が拡がりにくくするためには、前述の通り、少なくとも１）光束制御部材が、少なくとも発光素子２２０からθ１＝８１°で出射する光が後述する光束制御部材３００の裏面に入射するように配置されており（構成１）、かつ２）出射面３３０が、横軸をθ１、縦軸をθ２とするグラフの曲線が変曲点を有するように形成されていること（構成３）が好ましい。さらに、３）入射面３２０、出射面３３０および鍔部３５０の表面の少なくとも一つが粗面であること（構成４）、４）入射面３２０の頂点付近（光軸ＬＡ近傍）の傾斜が従来よりも緩やかに形成されていること（構成２）、の少なくとも一方をさらに満たすことがより好ましい。

任意に形成される複数の脚部３６０は、光束制御部材３００の裏側から突出している略円柱状の部材である。複数の脚部３６０は、発光素子２２０に対して適切な位置に光束制御部材３００を支持する（図６Ｂおよび図６Ｃ参照）。

本実施の形態に係る光束制御部材の作用について、図８と図９を対比しながら説明する。図８は、図６に示される光束制御部材の光路図であり、図９は、比較用の光束制御部材の光路図である。なお、図８および図９において、発光素子の発光中心から出射される光の光軸ＬＡに対する角度は同じである。

従来の発光装置１０は、光束制御部材１４の裏面２０の発光素子１２からの高さが低く、θ１＝８１°で出射する光は、光束制御部材１４の裏面２０に入射せず、入射面１６に入射する。したがって、光束制御部材１４の裏面２０に入射する光の割合は少ない。また、入射面１６に入射した光は、光束制御部材１４内を通った後、鍔部２２に入射し、光軸ＬＡから離れる方向（水平方向）に拡がるように出射される（図９参照）。さらに、光束制御部材１４の出射面１８は、横軸をθ１、縦軸をθ２とするグラフの曲線が変曲点を有しない（後述する図１０Ｂ参照）。つまり、出射面１８（特に第２出射面１８ｂの最高点から第３出射面１８ｃにわたる部分）の傾斜の変化率が徐々に増大するように形成されている。したがって、入射面１６の上方に入射した光は、出射面１８で光軸ＬＡから離れる方向に拡がるように出射されやすい。

これに対し、本実施の形態に係る発光装置２００では、光束制御部材３００の裏面の発光素子２２０からの高さが高く、θ１＝８１°で出射する光が、光束制御部材３００の裏面３４０に入射する。したがって、発光素子２２０から出射する光のうち光束制御部材３００の裏面３４０に入射する光の割合が、従来の発光装置よりも多い。光束制御部材３００の裏面３４０に入射した光は、光束制御部材３００内で立ち上がるように屈折される（図８参照）。
さらに、本実施の形態に係る発光装置２００では、光束制御部材３００の出射面３３０が、横軸をθ１、縦軸をθ２とするグラフの曲線が変曲点を有するように形成されている（図１０Ａ参照）。つまり、出射面３３０（特に、図６Ｄの第２出射面３３０ｂの最高点から第３出射面３３０ｃにわたる部分）の傾斜の変化率が徐々に減少するように形成されている。したがって、入射面３２０で入射して光軸ＬＡ近傍で出射面３３０から出射する光は適度に拡がりやすく、かつ入射面３２０で入射して光軸ＬＡから離れた位置で出射する光は拡がりにくい。このように、出射面３３０の形状を、横軸をθ１、縦軸をθ２とするグラフの曲線が変曲点を有するように形成することで、入射面３２０から光束制御部材３００に入射した光を出射面３３０から出射させるときに、拡がり過ぎないようにすることができる。

［シミュレーション］
（１．光束制御部材の出射面形状のシミュレーション）
図８の発光装置２００において、入射面３２０、出射面３３０を表面粗さＲａ０．１μｍの粗面とし、鍔部３５０の表面を表面粗さＲａ０．４μｍの粗面とし、光束制御部材３００の裏面３４０の発光素子２２０の発光中心からの高さ（光束制御部材３００と発光素子２２０との隙間）を０．４ｍｍとし、実施の形態１に係る発光装置Ａとした。さらに、比較のため、光束制御部材３００を図９に示される光束制御部材に変更した以外は発光装置Ａと同様に構成したものを、比較用の発光装置Ｄとした。

そして、実施の形態１に係る発光装置Ａと比較用の発光装置Ｄについて、θ１を０°から７５°まで変化させたときのθ２の変化をシミュレーションした。各発光装置における光束制御部材のパラメーターを以下のように設定した。
（共通のパラメーター）
・光束制御部材の外径：１５ｍｍ
・出射面の外径：１４ｍｍ
・凹部の開口径：３．５ｍｍ
・発光素子の高さ：０．５ｍｍ
・発光素子の大きさ：２．５ｍｍ×２．５ｍｍ

図１０Ａは、実施の形態１に係る発光装置Ａのシミュレーション結果であり、図１０Ｂは、比較用の発光装置Ｄのシミュレーション結果である。

図１０Ｂに示される曲線は、変曲点を有しない。特に、θ１が２０°付近を超えてからは、θ１の増加に伴い、θ２の変化率が徐々に増大している。つまり、第２出射面１８ｂの最高点から第３出射面１８ｃにわたる面の傾斜の変化率が、θ１の増加に伴い、徐々に増大していることがわかる（図８参照）。

これに対して、図１０Ａに示される曲線は、変曲点を有している。特に、変曲点を過ぎて下に凸となる曲線付近では、θ１の増加に伴い、θ２の変化率が徐々に減少している。つまり、第２出射面３３０ｂの最高点から第３出射面３３０ｃにわたる面の傾斜の変化率が、θ１の増加に伴い、徐々に減少していることがわかる（図６Ｄ参照）。

（２．配向分布のシミュレーション）
前述の（１．光束制御部材の出射面形状のシミュレーション）で設定した発光装置Ａと、入射面３２０、出射面３３０および鍔部３５０の表面のすべてを鏡面とした以外は発光装置Ａと同様に構成したものを実施の形態２に係る発光装置Ｂとし、光束制御部材３００の裏面３４０の発光中心からの高さ（光束制御部材３００と発光素子２２０との隙間）を０．２ｍｍとした以外は発光装置Ａと同様に構成したものを実施の形態３に係る発光装置Ｃとした。さらに、比較のため、前述の（１．光束制御部材の出射面形状のシミュレーション）で設定した比較用の発光装置Ｄと、出射面３３０および鍔部３５０の表面のすべてを鏡面とし、かつ光束制御部材の裏面の発光中心からの高さを０．２ｍｍとした以外は発光装置Ｄと同様としたものを比較用の発光装置Ｅとした。

これらの発光装置Ａ〜Ｅの配向分布をシミュレーションした。まず、発光装置Ａ〜Ｅの発光素子２２０の発光中心を原点とする仮想半球を設定した。この仮想半球の原点を通る光軸ＬＡを含む断面（方位角０°）において、測定機と発光素子２２０の発光中心とを結ぶ線が光軸ＬＡに対してなす角度（極角）が−９０°〜＋９０°となるように、測定機を仮想半球の周面上に沿って動かしながら、２°毎に光度を測定した。さらに、前述の断面と直交する仮想半球の断面（方位角９０°）についても、同様の測定を行った。そして、方位角が０°のときの分布と、方位角が９０°のときの分布との平均値をとり、配向分布とした。各発光装置における発光素子と光束制御部材のパラメーターは、前述の（１．光束制御部材の出射面形状のシミュレーション）と同様とした。また、仮想半球の半径は、１ｍとした。

図１１Ａは、配向分布を示すグラフである。図１１Ａにおいて、横軸は極角（°）を、縦軸は光度（ｃｄ）を示している。図１１Ｂは、光度がピークとなる極角を、サンプル毎にまとめたグラフである。図１１Ｂにおいて、横軸はサンプルの種類を、縦軸は光度がピークとなる極角（°）を示している。

図１１Ａから、実施の形態１〜３に係る発光装置Ａ〜Ｃは、極角が０°での光度が、比較用の発光装置ＤおよびＥよりも高く、光度がピークとなる極角が、比較用の発光装置ＤおよびＥよりも小さいことがわかる。つまり、比較用の発光装置ＤおよびＥでは、水平方向に近い部分（−８０°および８０°付近）で光度がピークとなるのに対し、実施の形態１〜３に係る発光装置Ａ〜Ｃでは、直上方向に近い部分（−６０°または６０°付近）で光度がピークとなることがわかる（図１１Ｂ参照）。また、実施の形態１〜３に係る発光装置Ａ〜Ｃの光度は、水平方向に近い部分（約−９０°〜−１００°の範囲および約９０°〜１００°の範囲）では、比較用の発光装置ＤおよびＥの光度よりも低いことがわかる。つまり、実施の形態１〜３に係る発光装置Ａ〜Ｃは、比較用の発光装置ＤおよびＥよりも発光素子２２０の光軸ＬＡ近傍で光が拡がりやすく、かつ光軸ＬＡから離れる方向へは光が拡がりにくいことがわかる。

（３．光線到達面のシミュレーション）
前述の（２．配向分布のシミュレーション）における、実施の形態１に係る発光装置Ａと比較用の発光装置Ｄの測定結果から、発光素子２２０から出射された光が、光束制御部材に入射する面の内訳を、それぞれシミュレーションした。各発光装置における発光素子と光束制御部材のパラメーターは、前述の（１．光束制御部材の出射面形状のシミュレーション）と同様とした。

図１２Ａは、発光素子２２０から出射された光が光軸ＬＡに対してなす角度（極角）を変えたときの、発光素子２２０から出射された光が入射する光束制御部材の面の内訳を示す計算結果である。図１２Ａにおいて、横軸は発光素子から出射される光の出射位置を、縦軸は光軸に対する角度、即ち極角（°）を示している。図１２Ａにおいて、中心（Ｃ）は、発光素子２２０の発光中心から出射された光について、＋側（Ｒ）は、発光素子２２０の発光中心からプラス側の発光面の端部から出射された光について、−側（Ｌ）は、発光素子２２０の発光中心からマイナス側の発光面の端部から出射された光について、それぞれ示したものである（図１２Ｂ参照）。図１３は、発光素子から出射される光について、光軸方向（０°）から任意の極角までの円錐状の範囲内に出射される光束の全光束に対する比率を示す計算結果（積み上げグラフ）である。図１３において、横軸は極角（°）を、縦軸は極角毎の全周全光束に対する光束比率（積算値）（％）を示している。

図１２Ａから、実施の形態１に係る発光装置Ａは、比較用の発光装置Ｄよりも、光束制御部材の裏面に入射する光の割合（斜線部分）が多いことがわかる。

具体的には、比較用の発光装置Ｄでは、極角が０°以上８６°未満の光が光束制御部材の入射面に入射し、極角が８６°〜９０°の光が光束制御部材の裏面に入射することがわかる（図１２Ａの比較用の中心（Ｃ）参照）。また、図１３から、極角が０°以上８６°未満の光は、全光束に対して約９５％に相当し、極角が８６°〜９０°の光は、全光束に対して約５％に相当することがわかる。これらのことから、全光束に対して約９５％に相当する光が光束制御部材の入射面に入射し、全光束に対して約５％に相当する光が光束制御部材の裏面に入射することがわかる。

これに対して実施の形態１の発光装置Ａでは、極角が０°以上７７°未満の光が光束制御部材の入射面に入射し、極角が７７°〜９０°の光が光束制御部材の裏面に入射することがわかる（図１２Ａの本実施の形態の中心（Ｃ）参照）。また、図１３から、極角が０°以上７７°未満の光は、全光束に対して約８５％に相当し、極角が７７°〜９０°の光は、全光束に対して約１５％に相当することがわかる。これらのことから、全光束に対して約８５％に相当する光が光束制御部材の入射面に入射し、全光束に対して約１５％に相当する光が光束制御部材の裏面に入射することがわかる。

（４．照度分布のシミュレーション）
前述の（２．配向分布のシミュレーション）において、実施の形態１〜３に係る発光装置Ａ〜Ｃと比較用の発光装置Ｄ〜Ｅをそれぞれ配置したときの、発光装置上の仮想領域（面光源装置における光拡散部材上に相当）における照度分布をシミュレーションした結果を示す。

各発光装置における発光素子と光束制御部材のパラメーターは、前述の（１．光束制御部材の出射面形状のシミュレーション）と同様とした。さらに、各発光装置におけるパラメーターを、以下のように設定した。
（共通のパラメーター）
・基板表面から仮想領域までの距離：２０ｍｍ
・発光素子の中心同士の間隔：４０ｍｍ

図１４Ａは、実施の形態１〜３に係る発光装置Ａ〜Ｃおよび比較用の発光装置Ｄ〜Ｅの照度分布のシミュレーション結果である。図１４Ｂは、図１４Ａにおける発光装置Ａの各相対照度での分布幅を１としたときの、発光装置ＢおよびＣの同一の相対照度での分布幅を示すシミュレーション結果である。図１４Ａにおいて、横軸は光軸ＬＡからの水平方向の距離（ｍｍ）を、縦軸は照度（ｌｘ）を示している。図１４Ｂにおいて、横軸は光軸ＬＡでの照度を１００としたときの相対照度（％）を、縦軸は発光装置Ａの各相対照度での分布幅に対する発光装置Ｂ及びＣの同一の相対照度での分布幅を示している。

図１４Ａから、比較用の発光装置ＤおよびＥは、発光素子２２０の光軸ＬＡ近傍の照度が低く、ブロードな照度分布を有することがわかる。これに対して実施の形態１〜３に係る発光装置Ａ〜Ｃは、発光素子２２０の光軸ＬＡ近傍の照度が高く、シャープな照度分布を有することがわかる。

図１４Ｂから、発光装置Ａは、発光装置ＢおよびＣよりも相対照度９０〜７０％での分布幅が広く、相対照度５０〜３０％での分布幅が狭いことがわかる。つまり、発光装置Ａは、発光装置ＢおよびＣよりも、光軸ＬＡ近傍で照度が高く、かつ光軸ＬＡから離れた領域では照度が低くなっている。したがって、発光装置Ａ〜Ｃの中でも、発光装置Ａが特に好ましい。

なお、本実施の形態では、光束制御部材３００の裏面３４０が、プリズム形状を有しているが、これに限定されず、プリズム形状を有しない鏡面であってもよい。

本発明に係る発光装置および面光源装置は、例えば、液晶表示装置のバックライトなどに適用することができる。

１０ 発光装置
３、４、１４ 光束制御部材
３Ａ、４Ａ、１６ 入射面
３Ｂ、４Ｂ、１８ 出射面
１８ａ 第１出射面
１８ｂ 第２出射面
１８ｃ 第３出射面
２０ 裏面
２２ 鍔部
１００ 面光源装置
１１０ 筐体
１１２ 底板
１１４ 天板
１２０ 光拡散部材
２００ 発光装置
２１０ 基板
２２０ 発光素子
３００ 光束制御部材
３１０ 凹部
３２０ 入射面
３３０ 出射面
３３０ａ 第１出射面
３３０ｂ 第２出射面
３３０ｃ 第３出射面
３４０ 裏面
３５０ 鍔部
３６０ 脚部
ＣＡ 光束制御部材の中心軸
ＬＡ 発光素子の光軸

Claims (5)

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、その中心軸と交わるように裏側に形成された凹部の内面であって、前記発光素子から出射された光を入射する入射面と、
   前記中心軸と交わるように表側に形成された、前記入射面で入射した光を外部に出射する出射面とを有し、かつ
   前記発光素子の光軸を含む前記発光装置の断面において、
   前記光束制御部材は、その中心軸と前記光軸とが一致し、かつ前記発光素子の発光中心を起点として前記光軸に対する角度をθ１としたとき、少なくともθ１＝８１°で前記発光素子の発光中心から出射する光が前記光束制御部材の裏面に入射するように配置され、かつ
   前記発光素子の発光中心から前記光軸に対して角度θ１で出射する光の前記出射面上への到達点を点Ｐとし、前記点Ｐにおける前記出射面の接線と、前記光軸と直交する線とがなす角度をθ２としたとき、
   前記出射面は、横軸をθ１、縦軸をθ２とするグラフの曲線が変曲点を有するように形成されている、
   発光装置。
2. 前記出射面は、
   前記光軸と交わる位置に配置された凹曲面である第１出射面と、
   前記第１出射面の周囲に配置された凸曲面である第２出射面と、
   前記第２出射面の周囲に配置された曲面である第３出射面とを有する、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記入射面及び前記出射面の少なくとも一方が粗面である、請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記光束制御部材は、前記出射面の外周部と前記裏面の外周部との間に設けられた鍔部をさらに有し、
   前記鍔部の表面が粗面である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光装置と、
   前記発光装置からの光を拡散させつつ、透過させる光拡散部材とを有する、
   面光源装置。

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