(57)【要約】      （修正有）【課題】パネルの背後から照明するのに好適であり、比較的薄形でありながら白色光の色ムラを抑制でき、更に光の取り込み効率を高め、配光角の広角化を実現でき、しかも低コストで製造できる光学素子を備えた照明装置を提供する。【解決手段】ＬＥＤ光源２は光放出面２ａが平面の白色ＬＥＤで、光放出面２ａの外径φは２．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、光学素子１はＬＥＤ光源２からの光束が入射する入射面１ａと、入射面１ａに対向し前記光束を出射する出射面１ｂとを有し、入射面１ａの有効径は３．２ｍｍ以上４．０ｍｍ以下、光軸方向深さは１．０φｍｍ以上１．５φｍｍ以下であり、出射面１ｂの有効径は１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下、中央に凹部その周辺に凸部を有し、出射面１ｂの変曲点は光軸中心から光軸直交方向、出射面１ｂの有効半径の３３％以上４０％以下の位置にあり、光学素子１の軸上厚は０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。【選択図】図２
2014002951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、光学素子とを有する照明装置であって、
前記光源は出射面が平面の白色ＬＥＤであり、
前記光源の発光面の外径φは２．３ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下であり、
前記光学素子はプラスチックからなり、
前記光学素子は、前記光源からの光束が入射する入射面と、前記入射面に対向し、前記光束を前記光学素子から出射する出射面とを有し、
前記入射面の有効径は３．２ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下であり、
前記入射面の光軸方向深さは、１．０φｍｍ以上、１．５φｍｍ以下であり、
前記出射面の有効径は１０ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であり、
前記出射面は、中央に凹部、その周辺に凸部を有し、
前記出射面の変曲点は、光軸中心から光軸直交方向、前記出射面の有効半径の３３％以上、４０％以下の位置にあり、
前記光学素子の軸上厚は、０．５ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下であることを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的大面積の面部材の背面側に設置され、前記面部材を介して光が通過するように照明を行う照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の大型の液晶ディスプレイ装置では、液晶パネル背面に配置された多数の冷陰極管からの光を拡散板や反射板等を介して、液晶パネルの背面側に導光し、バックライトとして均一に照明することで明瞭に画像が視認できるようにしていた。これに対し近年では、省エネの観点から、バックライトの光源としてＬＥＤ光源が使用されるようになってきた。また、液晶ディスプレイ装置に表示される画像に応じて明暗を制御することができるという観点からも、ＬＥＤ光源は使いやすく、これにより更に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。
【０００３】
このように液晶ディスプレイ装置のバックライトとしてＬＥＤ光源を用いる場合、ＬＥＤ光源のチップ自体が小さく配光が狭いため、かかるチップを液晶パネルの背面側に直接配置しようとすると、均一な照度を確保するためには、無数のチップが必要になって現実的でない。そこで、ＬＥＤチップから放出された光を均一照度の照明光に変換する光学素子が必要になる。特許文献１，２には、ＬＥＤ光源からの光を入射してなるべく均一照度な照明光に変換することができる、液晶用バックライト用の光学素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2010-211246号公報
【特許文献２】特開2009-43628号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、一般的な液晶ディスプレイ装置は、大画面の割には薄形であることを長所とするので、そのバックライトも薄形（低背）であることが要求される。このため、光学素子も光軸方向の厚みを極力薄くすることが好ましく、従って特許文献１，２でも薄型の光学素子を開示している。
【０００６】
一方で、液晶パネルで表示される画像を自然な色で発色させるために、白色光を発光させるＬＥＤ光源が用いられる。このように白色光を発光させるＬＥＤ光源としては、現在のところ、青色光線を放出する青色ＬＥＤチップと、青色ＬＥＤチップから発せられた青色光線によって黄色に発光する蛍光体を組み合わせたものが広く用いられている。
【０００７】
しかるに、青色ＬＥＤチップと蛍光体とを用いた白色ＬＥＤ光源の特性として、蛍光体を通過した白色光において光軸を中心としたイエローリングと呼ばれる色ムラが生じる恐れがあり、このような色ムラが生じた白色光を液晶パネルの背面に照射すると、液晶パネルに表示される画像の自然な発色を損なう恐れがある。但し、このようなＬＥＤ光源からの白色光であっても、光軸方向の厚みが比較的厚い光学素子に入射させた場合には、拡散効果により或る程度の混色が生じて色ムラが目立たなくなる場合もあるが、特に薄形の光学素子では、光学素子内の光路長が短いため、そのような拡散効果を本来的に期待できない。しかしながら特許文献１，２のいずれも、配光角を広げ輝度ムラを低減するものであって、白色光における色ムラをどのようにして解消するか、全く言及していない。
【０００８】
加えて、バックライトとして用いられる照明装置においては、光の取り込み効率を高め、配光角の広角化を実現でき、しかも低コストで製造できる光学素子が必要とされる。しかしながら、引用文献１，２では、そのような光学素子については言及されていない。
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、パネルの背後から照明するのに好適であり、比較的薄形でありながら白色光の色ムラを抑制でき、更に光の取り込み効率を高め、配光角の広角化を実現でき、しかも低コストで製造できる光学素子を備えた照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の照明装置は、光源と、光学素子とを有する照明装置であって、
前記光源は出射面が平面の白色ＬＥＤであり、
前記光源の発光面の外径φは２．３ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下であり、
前記光学素子はプラスチックからなり、
前記光学素子は、前記光源からの光束が入射する入射面と、前記入射面に対向し、前記光束を前記光学素子から出射する出射面とを有し、
前記入射面の有効径は３．２ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下であり、
前記入射面の光軸方向深さは、１．０φｍｍ以上、１．５φｍｍ以下であり、
前記出射面の有効径は１０ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であり、
前記出射面は、中央に凹部、その周辺に凸部を有し、
前記出射面の変曲点は、光軸中心から光軸直交方向、前記出射面の有効半径の３３％以上、４０％以下の位置にあり、
前記光学素子の軸上厚は、０．５ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
前記光源として現在入手しやすい白色ＬＥＤは、その発光面の外径φが２．３ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下であるものが多い。このような白色ＬＥＤを用いた場合に、前記光学素子の入射面の有効径を３．２ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下とすると、色ムラの発生を防止でき、前記光源からの光の取り込み効率を大きくでき、光量ロスを防止できると共に、前記光学素子の大径化を防止できる。この点について詳述する。
【００１２】
まず、前記光源からの光の取り込み効率を大きくするという観点では、前記光源からの光を余すところなく光学素子に取り込む為に、前記光学素子の入射面の大きさを発光面の外径より大きくする必要がある。しかし、前記入射面の大きさを大きくし過ぎると、今度はそれにつれて前記出射面を大きくせざるを得ず、前記光学素子が大径化してしまう。そこで、前記入射面の大きさを前記発光面の外径より、僅かに大きくすることが好ましいと考え、その様な設計を行ったところ、今度は色ムラが発生してしまう事に、本発明者は気づいた。このような知見から本発明者は、前記光源の光を十分に取り込むことで取り込み効率を大きく確保でき、それでいて、色ムラを発生させず、前記光学素子の大径化を抑制するのに、前記入射面の有効径のサイズを上述のように規定することが有効であることを見出したのである。
【００１３】
一方、照明装置をバックライトとして用いるには、配光角の広角化という課題もクリアしなくてはならないが、色ムラを発生させず、大きな配光角を持つ光学素子を得るためには、透過光量が最も多くなる光軸付近の成形精度を高く保つ必要がある。しかるに、前記光学素子の軸上厚を薄くし過ぎると、樹脂成形時に樹脂が適切に充填されず、金型の転写精度が低くなってしまい、重要な光軸付近の成形精度が低下してしまい、色ムラの発生や配光角の狭角化を招く恐れがある。これに対し、前記光学素子の軸上厚を厚くすると、金型内へ樹脂が充填されやすくなるが、樹脂の冷却が不十分だとヒケ・ソリが発生し易く、一方、樹脂を十分に冷却するためにはサイクルタイムが長くなり、成形効率が低下してしまう。
【００１４】
そこで、本発明者は、色ムラの問題や配光角の問題を起こさない程度に成形精度を高めつつ、サイクルタイムを短くでき、大量の量産に適した形状として、前記光学素子の軸上厚を０．５mm以上、１．０ｍｍ以下とすることが好ましいことを見出したのである。
【００１５】
配光角を大きくするためには、前記光学素子の入射面と出射面が共にパワーを有することが好ましく、その観点から前記入射面はある程度深くすることが好ましく、例えば、前記入射面の光軸方向深さは、前記光源の発光面の外径をφｍｍとしたときに、１．０φｍｍ以上、１．５φｍｍ以下とすることが好ましい。更に、好ましい配光分布を得るために、前記出射面の変曲点は、光軸中心から光軸直交方向、出射面の有効半径の３３％以上、４０％以下の位置にあることが望ましいこともまた、本発明者は見出したのである。
【００１６】
本発明に係る照明装置は、光源と、光学素子と、を有するものである。光源は、出射面がフラットな形状を有する白色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）である。
【００１７】
白色ＬＥＤとしては、青色ＬＥＤチップと青色ＬＥＤチップから発せられた青色光線によって黄色に発光するＹＡＧ蛍光体等の蛍光体を組み合わせたものが好ましく用いられる。白色ＬＥＤとしては、例えば特開２００８−２３１２１８号公報に記載されたものを用いることができるが、これに限られない。
【００１８】
白色ＬＥＤは、具体的には、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを覆うようにしてその上に形成された蛍光体層から構成されている。ＬＥＤチップは、第１の所定波長の光（第１の色の光）を出射するものであり、本実施の形態においては青色光を出射するようになっている。但し、本発明のＬＥＤチップの波長及び蛍光体の出射光の波長は限定されず、ＬＥＤチップによる出射光の波長と、蛍光体による出射光の波長とが補色関係にあり合成された光が白色光となる組合せであればものであれば、使用可能である。
【００１９】
なお、このようなＬＥＤチップとしては、公知の青色ＬＥＤチップを用いることができる。青色ＬＥＤチップとしては、ＩｎxＧａ1-xＮ系をはじめ既存のあらゆるものを使用することができる。青色ＬＥＤチップの発光ピーク波長は４４０〜４８０ｎｍのものが好ましい。また、ＬＥＤチップの形態としては、基板上にＬＥＤチップを実装し、そのまま上方または側方に放射させるタイプ、又は、サファイア基板などの透明基板上に青色ＬＥＤチップを実装し、その表面にバンプを形成した後、裏返して基板上の電極と接続する、いわゆるフリップチップ接続タイプなど、どのような形態のＬＥＤチップでも適用することが可能である。
【００２０】
蛍光体層は、ＬＥＤチップから出射される第１の所定波長の光を第２の所定波長の光（第２の色の光）に変換する蛍光体を有している。後述する実施の形態では、ＬＥＤチップから出射される青色光を黄色光に変換するようになっている。
【００２１】
このような蛍光体層に用いられる蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｌａ及びＧａの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して加圧し成形体を得る。成形体を坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０℃の温度範囲で２〜５時間焼成して、蛍光体の発光特性を持った焼結体を得ることができる。
【００２２】
ＬＥＤの光源は、高出力ＬＥＤ光源であることが好ましい。ここで、高出力ＬＥＤ光源としては、出力が０．５ワット以上のＬＥＤにより構成することができる。
【００２３】
光源の発光面の外径φは、２．３ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下である。ここで、発光面の外径とは、発光面が多角形である場合、その内接円の直径をいうものとする。
【００２４】
光学素子は、光源の光放出側に配置されており、光源からの発光光が入射する凹状の入射面と、光源からの発光光を外部に出射する全体的に凸状の出射面を有すると好ましい。また、光学素子の凹状の入射面は、光放出面の中心における法線が通過する非球面の屈折面を有すると好ましい。レンズの入射面と光源の光放出面は非接触となっていると好ましく、また入射面と光源との間は空気により充填されていることが好ましい。入射面の有効径は３．２ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下であると好ましい。又、入射面の光軸方向深さは、１．０φｍｍ以上、１．５φｍｍ以下であることが望ましい。
【００２５】
光学素子の底面は拡散面であると好ましい。拡散面としては、例えば金型の転写面の一部にショットピーニングやシボ加工などの粗し加工を施して面粗度を荒くした上で、樹脂等を転写成形することで得ることができる。
【００２６】
光学素子の底面は、光源を設けた基板に当接する脚部を有し、この脚部の高さは前記光源の高さより低いと好ましい。この脚部は、周方向に不連続に形成されていると好ましい。
【００２７】
光学素子の出射面の有効径は、１０ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。出射面は、中央に凹部、その周辺に凸部を有していると好ましく、出射面の変曲点は、光軸中心から光軸直交方向、前記出射面の有効半径の３３％以上、４０％以下の位置にあると好ましい。出射面における有効径位置でのサグ量は２．６１ｍｍ以上であると好ましい。又、入射面も変曲点を持つと好ましい。光学素子の軸上厚は、０．５ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下である。
【００２８】
光学素子は、プラスチックで構成されていると好ましい。光学素子を構成するプラスチックとしては、例えばポリカーボネートやアクリルを用いることができる。ポリカーボネートやアクリルを用いることで、射出成形により製造でき、製造コストを大幅に低減させることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、パネルの背後から照明するのに好適であり、比較的薄形でありながら白色光の色ムラを抑制でき、更に光の取り込み効率を高め、配光角の広角化を実現でき、しかも低コストで製造できる光学素子を備えた照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置を出射面側から見た図である。
【図２】図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。
【図３】本実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置を入射面側から見た図である。
【図４】図４（ａ）は、横軸に有効半径、縦軸に入射面のサグ量（面頂点からの光軸方向変位量）をとって示す図であり、図４（ｂ）は、横軸に有効半径、縦軸に入射面のサグ量の１階微分値をとって示す図である。
【図５】図５（ａ）は、横軸に有効半径、縦軸に出射面のサグ量（面頂点からの光軸方向変位量）をとって示す図であり、図５（ｂ）は、横軸に有効半径、縦軸に出射面のサグ量の１階微分値をとって示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施の形態にかかる照明装置を出射面側から見た図である。図２は、図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。図３は、本実施の形態にかかる照明装置を入射面側から見た図である。図中の数字は、寸法（ｍｍ）である。
【００３２】
本実施の形態にかかる照明装置は、光学素子１と、回路基板３上に形成されたＬＥＤ光源２を有している。図示していないが、ＬＥＤ光源２は、青色光を放出するＬＥＤチップと、その光放出側に設けられた黄色蛍光体とを積層してなり、全体的に正方形板状を有し、光放出面（出射面）２ａはフラットになっている。
【００３３】
光学素子１は、プラスチックとしてポリカーボネート又はアクリルを用いている。さらに、光学素子１は、ＬＥＤ光源２の光放出側に配置されており、ＬＥＤ光源２からの発光光が入射する凹状の入射面１ａと、入射面１ａに対向し入射した光を外部に放出する全体的に凸状の出射面１ｂと、基板３に対向する底面１ｄと、出射面１ｂの外周に設けられた円筒面もしくは円錐面である外周面１ｆとを有する。外周面１ｆは、光学素子１を射出成形する際に、ゲートが設けられる部位である。
【００３４】
凹状の入射面１ａは、ＬＥＤ光源２の光放出面２ａの中心における法線が通過する非球面の屈折面である。
【００３５】
底面１ｄは、拡散面１ｈと同様に、金型の対応する転写面の粗度を高めることで、拡散作用を持つ粗し面とできる。また、外周面１ｆも、金型の対応する転写面の粗度を高めることで、拡散作用を持つ粗し面とできる。
【００３６】
本実施の形態では、図３に示すように、底面１ｄが、周方向に等間隔に３つの脚部１ｊを有しており、脚部１ｊを基板３の表面に直接当接させて、もしくは間接的に台座（図２では不図示）を介して取り付けられている。脚部１ｊを周方向に不連続に配置することで、ＬＥＤ光源２を密封することが抑制され、ＬＥＤ光源２の配線の引き出しや通気性の確保を行える。脚部１ｊ全体は、拡散面１ｈと同様に、金型の対応する転写面の粗度を高めることで、拡散作用を持つ粗し面とできる。
【００３７】
光学素子１をＬＥＤ光源２に対して取り付けたとき、底面１ｄと、ＬＥＤ光源２の光放出面２ａとの間には、光軸方向にスキマが形成される。これにより、光放出面２ａから放出された光が、底面１ｄ側に回り込むようにできる。
【００３８】
光学素子１の外径が１０〜２０ｍｍであり、ＬＥＤ光源２の光放出面２ａの外径φは２．３〜３．０ｍｍであり、光学素子１の入射面１ａの有効径は３．２〜４．０ｍｍであり、入射面１ａの光軸方向深さは、１．０φ〜１．５φｍｍであり、光学素子１の軸上厚は、０．５〜１．０ｍｍである。出射面１ｂは、中央に凹部、その周辺に凸部を有し、出射面１ｂの変曲点は、光軸中心から光軸直交方向、前記出射面の有効半径の３３％以上、４０％以下の位置にある。
【００３９】
本実施の形態では、ＬＥＤ光源２の光放出面２ａから出射した光のうち中心付近の混色された光は、入射面１ａから入射する一方で、周辺の光は底面１ｄから入射する。光学素子１に入射した光は、７５〜８５度の位置に配光角のピークを持った状態で出射面１ｂより出射する。ここで、黄色成分を含むことが多い周辺の光を、拡散作用を備えた底面１ｄを介して入射させることで拡散効果が生じ、黄色成分の偏りが消失する。これにより、高品質な白色光を出射できる。
【００４０】
次に、光学素子の好適な実施例について説明する。本実施例は、図１〜３に記載の形状を有する。入射面（Ｓ１とする）と出射面（Ｓ２とする）は、非球面形状である。非球面の形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にＸ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをｈとして以下の「数１」で表す。
【００４１】
【数１】
2014002951.tif 000003
ただし、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
Ｒ  ：曲率半径
Ｋ  ：円錐定数
【００４２】
表１に、非球面形状係数を示す。なお、これ以降（表のレンズデータを含む）において、１０のべき乗数（たとえば２．５×１０-02）を、Ｅ（たとえば２．５Ｅ−０２）を用いて表すものとする。
【００４３】
【表１】
2014002951.tif 000004
【００４４】
本実施例において、光源の光放出面の外径φは２．５ｍｍ、光学素子の外径は１５．４０ｍｍ、入射面の有効径は３．７９ｍｍ、入射面の底面からの光軸方向深さは２．９５（１．１８φ）ｍｍ、軸上厚さは０．８１ｍｍ、配光角は７７°である。
【００４５】
図４（ａ）は、横軸に有効半径、縦軸に入射面のサグ量（面頂点からの光軸方向変位量）をとって示す図であり、図４（ｂ）は、横軸に有効半径、縦軸に入射面のサグ量の１階微分値をとって示す図である。図５（ａ）は、横軸に有効半径、縦軸に出射面のサグ量（面頂点からの光軸方向変位量）をとって示す図であり、図５（ｂ）は、横軸に有効半径、縦軸に出射面のサグ量の１階微分値をとって示す図である。サグ量の１階微分値の符号が逆転する位置が変曲点になる。出射面の変曲点は２．７５ｍｍ（出射面の有効半径の３６％）の位置である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えば、本発明は液晶パネルの照明用だけでなく、看板照明用の照明装置としても用いることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 光学素子
１ａ 入射面
１ｂ 出射面
１ｄ 底面
１ｆ 外周面
１ｊ 脚部
２ ＬＥＤ光源
２ａ 光放出面
３ 回路基板
【図１】
2014002951.tif 000005
【図２】
2014002951.tif 000006
【図３】
2014002951.tif 000007
【図４】
2014002951.tif 000008
【図５】
2014002951.tif 000009