(57)【要約】      （修正有）【課題】発光素子から出射された光による輝度ムラの発生を最小限に抑えた発光装置を提供する。【解決手段】平面上に配置され平面の法線方向に光の出射方向を向けた発光ダイオード３３０と、発光ダイオード３３０上に配置された円形のレンズ３４０であって、円形の中心が発光ダイオード３３０から出射される光の光軸Ｌと一致するように配置され、レンズ３４０の光の出射面３４１に設けられ、光軸Ｌを中心とする環状の透過屈折面と、環状の反射面とが交互に配置され、発光ダイオード３３０から出射された光を屈折させて出射すると共に、反射面により内面反射させる第１の領域と光の出射面３４１に設けられ、光軸Ｌに対して第１の領域よりも外側に形成され、発光ダイオード３３０から出射された光を屈折させて出射するとともに、第１の領域の反射面で内面反射された光を反射させて発光ダイオード３３０が配置された平面側へ向かわせる第２の領域と、を備える。【選択図】図４
2011034770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面上に配置され平面の法線方向に光の出射方向を向けた発光素子と、
前記発光素子上に配置された円形のレンズであって、円形の中心が前記発光素子から出射される光の光軸と一致するように配置され、前記発光素子から出射された光を屈折させて出射するとともに、前記発光素子から出射された光の一部が内面反射されるレンズと、
前記レンズの光の出射面に設けられ、前記光軸を中心とする環状の透過屈折面と、前記光軸を中心とする環状の反射面とが交互に配置され、前記透過屈折面により前記発光素子から出射された光を屈折させて出射し、前記反射面により前記発光素子から出射された光を内面反射させる第１の領域と、
前記レンズの光の出射面に設けられ、前記光軸に対して前記第１の領域よりも外側に形成され、前記発光素子から出射された光を屈折させて出射するとともに、前記第１の領域の前記反射面で内面反射された光を反射させて前記発光素子が配置された平面側へ向かわせる第２の領域と、
を備える、発光装置。
【請求項２】
前記発光素子が配置される前記平面上に前記発光素子を被覆しない形状の乱反射部材が配置された、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記レンズを構成する面のうち前記発光素子が配置される平面側の面に微細な凹凸形状からなる乱反射面が設けられた、請求項１に記載の発光装置。
【請求項４】
前記レンズを構成する面のうち前記発光素子が配置される平面側の面に前記光軸を中心とする環状の突起形状が設けられた、請求項１に記載の発光装置。
【請求項５】
前記第１の領域において、前記透過屈折面と前記反射面とが階段状に設けられた、請求項１に記載の発光装置。
【請求項６】
前記第２の領域において、前記レンズの光の出射面が連続する曲面で構成された、請求項１に記載の発光装置。
【請求項７】
前記透過屈折面の傾斜角θａと前記透過屈折面aに対し光軸側に隣接する前記反射面の傾斜角θｂの関係は下記の（式１）を満たす、請求項１に記載の発光装置。
（式１）  θａ≧−π／２＋２・θｂ＋θ１
但し、θａ：光軸と透過屈折面の法線がなす角（透過屈折面の傾斜角）
θｂ：光軸と反射面の法線がなす角（反射面の傾斜角）
θ1：発光素子中心から発した光線が反射面に入射する際に光軸となす角
とする。
【請求項８】
前記反射面の傾斜角θｂと前記反射面に対し光軸側に隣接する前記透過屈折面の傾斜角θａの関係は下記の（式２）を満たす、請求項１に記載の発光装置。
（式２）  θｂ≦π／2＋θａ−ｓｉｎ−１｛ｎ・ｓｉｎ（θ１＋θａ）｝
但し、θａ：光軸と透過屈折面の法線がなす角（透過屈折面の傾斜角）
θｂ：光軸と反射面の法線がなす角（反射面の傾斜角）
θ1：発光素子中心から発した光線が透過屈折面に入射する際に光軸となす角
ｎ：レンズの屈折率
とする。
【請求項９】
前記発光素子から出射される光は前記光軸の方向にその最大強度をもち、前記光軸に対して４５°の角度範囲内の光が前記出射面に入射する領域に、前記第１の領域が含まれる、請求項１に記載の発光装置。
【請求項１０】
画像を表示する表示パネルと、
平面上に配置され平面の法線方向に光の出射方向を向けた複数の発光素子と、各発光素子上に配置された円形のレンズであって、円形の中心が前記発光素子から出射される光の光軸と一致するように配置され、前記発光素子から出射された光を屈折させて出射するとともに、前記発光素子から出射された光の一部が内面反射されるレンズと、前記レンズの光の出射面に設けられ、前記光軸を中心とする環状の透過屈折面と、前記光軸を中心とする環状の反射面とが交互に配置され、前記透過屈折面により前記発光素子から出射された光を屈折させて出射し、前記反射面により前記発光素子から出射された光を内面反射させる第１の領域と、前記レンズの光の出射面に設けられ、前記光軸に対して前記第１の領域よりも外側に形成され、前記発光素子から出射された光を屈折させて出射するとともに、前記第１の領域の前記反射面で内面反射された光を反射させて前記発光素子が配置された平面側へ向かわせる第２の領域と、を有し、前記表示パネルを背面から照射する面光源と、
を備える、表示装置。
【請求項１１】
前記発光素子が配置される前記平面上に前記発光素子を被覆しない形状の乱反射部材が配置された、請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１２】
前記レンズを構成する面のうち前記発光素子が配置される平面側の面に微細な凹凸形状からなる乱反射面が設けられた、請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１３】
前記レンズを構成する面のうち前記発光素子が配置される平面側の面に前記光軸を中心とする環状の突起形状が設けられた、請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１４】
前記第１の領域において、前記透過屈折面と前記反射面とが階段状に設けられた、請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１５】
前記第２の領域において、前記レンズの光の出射面が連続する曲面で構成された、請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１６】
前記透過屈折面の傾斜角θａと前記透過屈折面aに対し光軸側に隣接する前記反射面の傾斜角θｂの関係は下記の（式１）を満たす、請求項１０に記載の表示装置。
（式１）  θａ≧−π／２＋２・θｂ＋θ１
但し、θａ：光軸と透過屈折面の法線がなす角（透過屈折面の傾斜角）
θｂ：光軸と反射面の法線がなす角（反射面の傾斜角）
θ1：発光素子中心から発した光線が反射面に入射する際に光軸となす角
とする。
【請求項１７】
前記反射面の傾斜角θｂと前記反射面に対し光軸側に隣接する前記透過屈折面の傾斜角θａの関係は下記の（式２）を満たす、請求項１０に記載の表示装置。
（式２）  θｂ≦π／2＋θａ−ｓｉｎ−１｛ｎ・ｓｉｎ（θ１＋θａ）｝
但し、θａ：光軸と透過屈折面の法線がなす角（透過屈折面の傾斜角）
θｂ：光軸と反射面の法線がなす角（反射面の傾斜角）
θ1：発光素子中心から発した光線が透過屈折面に入射する際に光軸となす角
ｎ：レンズの屈折率
とする。
【請求項１８】
前記発光素子から出射される光は前記光軸の方向にその最大強度をもち、前記光軸に対して４５°の角度範囲内の光が前記出射面に入射する領域に、前記第１の領域が含まれる、請求項１０に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置及び表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テレビジョン受像機等の画像表示装置においては、表示パネルの大型化に伴い、表示パネルの直下に複数の発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）が配置されたバックライト型の発光装置が利用されることが多い。ＬＥＤはその指向特性により、ＬＥＤの中央付近ほど明るく光る特性を有する。このため、表示パネルを照明するまでに十分に光を拡散させ、表示パネルにおける輝度ムラを低減させることが要求される。
【０００３】
輝度ムラの発生を防止する方法としては、例えば、下記の特許文献１，２に記載された技術がある。特許文献１には、内面反射を低減させるレンズ形状とすることにより拡散性を向上させる技術が記載されている。また、特許文献２には、光の反射面と出射面を交互に配置し、ＬＥＤの直上から抜ける光量を抑制する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−４４０１６号公報
【特許文献２】特開２００５−２５９９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、内面反射を低減させるために、ＬＥＤ側のレンズ凹面を深く急峻に形成する必要があり、結果としてレンズの厚みが増大してしまう問題がある。また、レンズ面での屈折によってＬＥＤ直上から離れる方向に光線を向かわせようとしてもその角度に限度があり、内面反射を低減させたとしても、出射面で界面反射した光線が発光素子側の面で反射して出射されてしまうため、ＬＥＤの直上の輝度が高くなり、輝度ムラを改善することは困難である。
【０００６】
また、特許文献２に記載された技術は、光線をコリメートさせることを目的としており、光を拡散させるものではないため、テレビジョン受像機等の表示パネルに直接適用することはできない。また、階段状の反射面で反射された光が更に反射されて望ましくない方向に出射されてしまうため、輝度ムラ、輝度バラツキの発生を抑えることは困難である。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、発光素子から出射された光による輝度ムラの発生を最小限に抑えることが可能な、新規かつ改良された発光装置及び表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、平面上に配置され平面の法線方向に光の出射方向を向けた発光素子と、前記発光素子上に配置された円形のレンズであって、円形の中心が前記発光素子から出射される光の光軸と一致するように配置され、前記発光素子から出射された光を屈折させて出射するとともに、前記発光素子から出射された光の一部が内面反射されるレンズと、前記レンズの光の出射面に設けられ、前記光軸を中心とする環状の透過屈折面と、前記光軸を中心とする環状の反射面とが交互に配置され、前記透過屈折面により前記発光素子から出射された光を屈折させて出射し、前記反射面により前記発光素子から出射された光を内面反射させる第１の領域と、前記レンズの光の出射面に設けられ、前記光軸に対して前記第１の領域よりも外側に形成され、前記発光素子から出射された光を屈折させて出射するとともに、前記第１の領域の前記反射面で内面反射された光を反射させて前記発光素子が配置された平面側へ向かわせる第２の領域と、を備える、発光装置が提供される。
【０００９】
また、前記発光素子が配置される前記平面上に前記発光素子を被覆しない形状の乱反射部材が配置されたものであってもよい。
【００１０】
また、前記レンズを構成する面のうち前記発光素子が配置される平面側の面に微細な凹凸形状からなる乱反射面が設けられたものであってもよい。
【００１１】
また、前記レンズを構成する面のうち前記発光素子が配置される平面側の面に前記光軸を中心とする環状の突起形状が設けられたものであってもよい。
【００１２】
また、前記第１の領域において、前記透過屈折面と前記反射面とが階段状に設けられたものであってもよい。
【００１３】
また、前記第２の領域において、前記レンズの光の出射面が連続する曲面で構成されたものであってもよい。
【００１４】
また、前記透過屈折面の傾斜角θａと前記透過屈折面aに対し光軸側に隣接する前記反射面の傾斜角θｂの関係は下記の（式１）を満たすものであってもよい。
（式１）  θａ≧−π／２＋２・θｂ＋θ１
但し、θａ：光軸と透過屈折面の法線がなす角（透過屈折面の傾斜角）
θｂ：光軸と反射面の法線がなす角（反射面の傾斜角）
θ1：発光素子中心から発した光線が反射面に入射する際に光軸となす角
とする。
【００１５】
また、前記反射面の傾斜角θｂと前記反射面に対し光軸側に隣接する前記透過屈折面の傾斜角θａの関係は下記の（式２）を満たすものであってもよい。
（式２）  θｂ≦π／2＋θａ−ｓｉｎ−１｛ｎ・ｓｉｎ（θ１＋θａ）｝
但し、θａ：光軸と透過屈折面の法線がなす角（透過屈折面の傾斜角）
θｂ：光軸と反射面の法線がなす角（反射面の傾斜角）
θ1：発光素子中心から発した光線が透過屈折面に入射する際に光軸となす角
ｎ：レンズの屈折率
とする。
【００１６】
また、前記発光素子から出射される光は前記光軸の方向にその最大強度をもち、前記光軸に対して４５°の角度範囲内の光が前記出射面に入射する領域に、前記第１の領域が含まれるものであってもよい。
【００１７】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、画像を表示する表示パネルと、平面上に配置され平面の法線方向に光の出射方向を向けた複数の発光素子と、各発光素子上に配置された円形のレンズであって、円形の中心が前記発光素子から出射される光の光軸と一致するように配置され、前記発光素子から出射された光を屈折させて出射するとともに、前記発光素子から出射された光の一部が内面反射されるレンズと、前記レンズの光の出射面に設けられ、前記光軸を中心とする環状の透過屈折面と、前記光軸を中心とする環状の反射面とが交互に配置され、前記透過屈折面により前記発光素子から出射された光を屈折させて出射し、前記反射面により前記発光素子から出射された光を内面反射させる第１の領域と、前記レンズの光の出射面に設けられ、前記光軸に対して前記第１の領域よりも外側に形成され、前記発光素子から出射された光を屈折させて出射するとともに、前記第１の領域の前記反射面で内面反射された光を反射させて前記発光素子が配置された平面側へ向かわせる第２の領域と、を有し、前記表示パネルを背面から照射する面光源と、を備える、表示装置が提供される。
【００１８】
また、前記発光素子が配置される前記平面上に前記発光素子を被覆しない形状の乱反射部材が配置されたものであってもよい。
【００１９】
また、前記レンズを構成する面のうち前記発光素子が配置される平面側の面に微細な凹凸形状からなる乱反射面が設けられたものであってもよい。
【００２０】
また、前記レンズを構成する面のうち前記発光素子が配置される平面側の面に前記光軸を中心とする環状の突起形状が設けられたものであってもよい。
【００２１】
また、前記第１の領域において、前記透過屈折面と前記反射面とが階段状に設けられたものであってもよい。
【００２２】
また、前記第２の領域において、前記レンズの光の出射面が連続する曲面で構成されたものであってもよい。
【００２３】
また、前記透過屈折面の傾斜角θａと前記透過屈折面aに対し光軸側に隣接する前記反射面の傾斜角θｂの関係は下記の（式１）を満たすものであってもよい。
（式１）  θａ≧−π／２＋２・θｂ＋θ１
但し、θａ：光軸と透過屈折面の法線がなす角（透過屈折面の傾斜角）
θｂ：光軸と反射面の法線がなす角（反射面の傾斜角）
θ1：発光素子中心から発した光線が反射面に入射する際に光軸となす角
とする。
【００２４】
また、前記反射面の傾斜角θｂと前記反射面に対し光軸側に隣接する前記透過屈折面の傾斜角θａの関係は下記の（式２）を満たすものであってもよい。
（式２）  θｂ≦π／2＋θａ−ｓｉｎ−１｛ｎ・ｓｉｎ（θ１＋θａ）｝
但し、θａ：光軸と透過屈折面の法線がなす角（透過屈折面の傾斜角）
θｂ：光軸と反射面の法線がなす角（反射面の傾斜角）
θ1：発光素子中心から発した光線が透過屈折面に入射する際に光軸となす角
ｎ：レンズの屈折率
とする。
【００２５】
また、前記発光素子から出射される光は前記光軸の方向にその最大強度をもち、前記光軸に対して４５°の角度範囲内の光が前記出射面に入射する領域に、前記第１の領域が含まれるものであってもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、発光素子から出射された光による輝度ムラの発生を最小限に抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の各実施形態にかかる画像表示装置の構成を示す斜視図である。
【図２】画像表示装置の構成を示す断面図である。
【図３】表示装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図４】図２中の領域Ａ１における、発光ダイオードの周辺を拡大して示す断面図である。
【図５】第１の領域における光の出射面の形状を示す模式図である。
【図６】第１の領域の出射面を拡大して示す模式図である。
【図７】第１の領域の出射面を拡大して示す模式図である。
【図８】反射面で反射した光線が隣接する透過屈折面で反射されて面の方向に向かう様子を示す模式図である。
【図９】反射光が再び出射面に戻り、出射面から出射されてしまう様子を示す模式図である。
【図１０】第２の実施形態に係るレンズの構成を示す模式図である。
【図１１】第１及び第２の実施形態において、第１の領域と第２の領域の境界を設定する手法を説明するための模式図である。
【図１２】光の強度を示す模式図である。
【図１３】発光ダイオードの光軸Ｌからの距離と輝度との関係を示す模式図である。
【図１４】比較例のレンズを示す模式図である。
【図１５】隣接して配置される４つの発光ダイオードについて、輝度の分布を示す特性図である。
【図１６】表示パネル側からレンズを見た状態を示す平面図である。
【図１７】図１６中の一点鎖線Ｉ−Ｉ’に沿った６つの発光ダイオードによる輝度分布を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２９】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．第１の実施形態
（１）本発明の各実施形態にかかる表示装置の全体構成
（２）第１の実施形態に係るレンズの構成
２．第２の実施形態
（１）第２の実施形態に係るレンズの構成
３．第１の領域の大きさを設定する手法について
４．輝度分布のシミュレーション結果
【００３０】
１．第１の実施形態
［（１）本発明の各実施形態にかかる表示装置の全体構成］
図１は、本発明の各実施形態にかかる画像表示装置１００の構成を示す斜視図である。また、図２は、画像表示装置１００の構成を示す断面図であって、図１中の一点鎖線Ｉ−Ｉ’に沿った断面を示している。画像表示装置１００は、筐体１０２の内部に所要の各部が配置されてなる。筐体１０２は、フロントパネル１０４とリアパネル１０６を備えている。フロントパネル１０４とリアパネル１０６は前後で結合されている。
【００３１】
筐体１０２のフロントパネル１０４には、前後に貫通された開口が形成され、該開口を内側から閉塞する位置に画像を表示する表示パネル２００が配置されている。表示パネル２００は、例えば、透過型のカラー液晶パネルを前後から２枚の偏光板で挟みこむことにより構成され、アクティブマトリックス方式で駆動することでフルカラー映像を表示する。表示パネル２００は液晶パネルに限定されるものではなく、本実施形態は面発光光源により裏面から照射される全ての表示パネル２００に適用することができるが、以下の説明では表示パネル２００として液晶パネルを例示する。
【００３２】
図２に示すように、筐体１０２の内部には面光源装置（バックライト、発光装置）３００が配置されている。面光源装置３００は、筐体３０２に所要の各部が配置されてなる。筐体３０２は、熱伝導性の高い金属材料等により、表示装置１００の前後方向に扁平な、前方に開口された箱状に形成されている。筐体３０２の前端部には光学シート３０８と拡散板３２０が取り付けられている。
【００３３】
光学シート３０８は、後述する発光ダイオード３３０から出射された光を屈折させて所定の方向へ導くプリズムシート、偏光方向を変換する偏光方向変換シート等の所定の光学機能を有する各種のシートが層状に配置されて構成されている。
【００３４】
光学シート３０８は拡散板３２０の前面に貼り付けられ、拡散板３２０は発光ダイオード３３０に対向して配置されている。拡散板３２０は発光ダイオード３３０から出射された光を筐体３０２の内部で拡散して表示パネル２００を裏面から照射し、表示パネル２００における輝度バラツキの低減を図る機能を有する。
【００３５】
筐体３０２の底面には、回路基板３１０が配置されている。回路基板３１０には複数の発光ダイオード３３０がマトリクス状に配置されている。
【００３６】
発光ダイオード３３０は、例えば白色の光を出射するものであるが、白色の光を出射するものに限られることはなく、赤色、青色、緑色の光を出射するものであってもよい。例えば、一組の発光ユニットとして構成された、赤色の光を出射する発光ダイオード３３０と青色の光を出射する発光ダイオード３３０と２つの緑色の光を出射する発光ダイオード３３０とがマトリクス状に複数配置されていても良い。このように、発光ダイオード３３０の数及び出射する光の色に関しては任意である。
【００３７】
発光ダイオード３３０よりも表示パネル２００側には、個々の発光ダイオード３３０に対してレンズ３４０が装着されている。レンズ３４０は、例えばアクリル等の透明な樹脂材料から構成されている。
【００３８】
発光ダイオード３３０の光を拡散板３２０に直接照射すると、発光ダイオード３３０の点光源の領域が表示画面に現れてしまい、表示パネル２００の面内での輝度にバラツキが生じてしまう。しかし、レンズ３４０を介して拡散板３２０を照射することで、表示画面上に点光源の領域が現れてしまうことを確実に抑止できる。また、レンズ３４０を介して発光ダイオード３３０の光を拡散板３２０へ照射することで、表示画面上で点光源の領域が生じることを抑止できるため、発光ダイオード３３０と拡散板３２０とを近接させることができ、表示装置１００の薄型化を図ることができる。
【００３９】
図３は、表示装置１００の構成を示す機能ブロック図である。表示装置１００は、カラーフィルタ基板、液晶層などを有する表示パネル２００、表示パネル２００の背面側に配置される面光源装置３００、表示パネル２００及び面光源装置３００を制御する制御部４００、並びに、電源供給部４１０により構成されている。なお、制御部４００、電源供給部４１０については、表示装置１００と一体に構成されていても良いし、表示装置１００とは別体に構成されていても良い。
【００４０】
表示装置１００は、画像信号に対応する原画像を所定の表示領域（表示パネル２００の表示部２０２に対応する領域）に表示する。なお、表示装置１００に入力される入力画像信号は、例えば、６０Ｈｚのフレームレートの画像（フレーム画像）に対応するものである。
【００４１】
表示パネル２００は、面光源装置３００からの白色光を透過させる開口部が複数配列されている表示部２０２を備えている。また、表示パネル２００は、表示部２０２の開口部それぞれに設けられているトランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（不図示））に駆動信号を送出するソースドライバ２０４及びゲートドライバ２０６を備えている。
【００４２】
表示部２０２の開口部を通過した白色光は、カラーフィルタ基板（不図示）上に形成されているカラーフィルタによって赤色、緑色、または青色の光に変換される。この赤色、緑色、および青色の光を発する３つの開口部からなる組が表示部２０２の１画素に対応する。
【００４３】
面光源装置３００は、表示部２０２に対応する発光領域において白色光を発する。面光源装置３００の発光領域を複数のブロック（領域）に分割し、分割された複数のブロックのそれぞれについて個別に発光を制御しても良い（分割発光駆動）。
【００４４】
制御部４００は、表示輝度算出部４０２、光源制御部４０４、および表示パネル制御部４０６により構成される。表示輝度算出部４０２には、各フレーム画像に対応する画像信号が供給される。表示輝度算出部４０２は、供給された画像信号からフレーム画像の輝度分布を求め、さらにフレーム画像の輝度分布から、ブロックごとに、必要な表示輝度を算出する。算出された表示輝度は、光源制御部４０４及び表示パネル制御部４０６に供給される。
【００４５】
光源制御部４０４は、表示輝度算出部４０２から供給された表示輝度に基づいて、面光源装置３００のバックライト輝度を算出する。分割発光駆動を行う場合、光源制御部４０４は、表示輝度算出部４０２から供給された各ブロックの表示輝度に基づいて、面光源装置３００の各ブロックにおけるバックライト輝度を算出する。そして、光源制御部４０４は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御により、算出されたバックライト輝度となるように、各ブロックの発光ダイオード３３０の発光量を制御する。このように、入力画像信号に応じて面光源装置３００の発光輝度をブロック毎に制御することで、表示パネル２００に表示される画像に応じた最適な発光が可能となる。
【００４６】
また、光源制御部４０４は、バックライト３００内に配置されているセンサによって検出された各ブロックの発光輝度または色度に基づいて、発光輝度または色度の補正を行うための発光制御も行う。ここで、センサは、照度センサまたはカラーセンサなどである。
【００４７】
光源制御部４０４で算出された面光源装置３００の各ブロックのバックライト輝度は、表示パネル制御部４０６に供給される。表示パネル制御部４０６は、表示輝度算出部４０２から供給されるブロック毎の表示輝度と、光源制御部４０４から供給されるブロックごとのバックライト輝度に基づいて、表示部２０２の各画素の液晶開口率を算出する。そして、表示パネル制御部４０６は、算出された液晶開口率となるように、表示パネル２００のソースドライバ２０４およびゲートドライバ２０６に駆動信号を供給し、表示部２０２の各画素のＴＦＴを駆動制御する。また、電源供給部４１０は、表示装置１００の各部に所定の電源を供給する。
【００４８】
［（２）第１の実施形態に係るレンズの構成］
図４は、図２中の領域Ａ１における、発光ダイオード３３０の周辺を拡大して示す断面図である。発光ダイオード３３０は、回路基板３１０上に実装されており、その平面形状は例えば正方形とされている。発光ダイオード３３０には発光部３３０ａが設けられている。図４に示すように、発光部３３０ａを通り、回路基板３１０の面に対して垂直な直線を発光ダイオード３３０の光軸Ｌとする。
【００４９】
発光ダイオード３３０の上部には、レンズ３４０が配置されている。レンズ３４０は、個々の発光ダイオード３３０に対応して１つずつ設けられている。レンズ３４０は、表示パネル２００側から見た場合に、その外形が円形とされており、円形の外形の中心は光軸Ｌの位置と一致している。
【００５０】
レンズ３４０の表示パネル２００側の面３４１は、発光ダイオード３３０の光を出射する出射面とされている。面３４１には、光軸Ｌの近傍に、発光ダイオード３３０側に凹んだ凹部３４２が設けられている。凹部３４２は、光軸Ｌを中心して回転対称な曲面から構成されている。また、レンズ３４０の発光ダイオード３３０側には、光軸Ｌを中心して回転対称な曲面から構成された屈折面３４４が設けられている。レンズ３４０の発光ダイオード３３０側の面３４５は、平面からなり、屈折面３４４は面３４５に対して凹状に形成されている。
【００５１】
図４では、発光ダイオード３３０から出射された光がレンズ３４０にて屈折されて表示パネル２００側へ向かう様子を示している。図４に示すように、発光ダイオード３３０の発光部３３０ａから出射された光は、放射状に進み、先ず屈折面３４４において、光軸Ｌとのなす角度がより広くなる方向、すなわち光の進行方向が回路基板３１０の面方向により近くなる方向に屈折する。屈折面３４４で屈折された光は、レンズ３４０の中を進み、面３４１から出射される。
【００５２】
図４に示すように、レンズ３４０の面３４１には、光軸Ｌを中心として第１の領域と第２の領域が規定されている。第１の領域は、光軸Ｌを中心とする所定の半径の円で規定される領域である。また、第２の領域は、第１の領域よりも外側の領域である。
【００５３】
本実施形態では、レンズ３４０に入射した光が面３４１から出射する際に、第１の領域と第２の領域とで異なる挙動を示すように面３４１の表面形状を規定している。図５は、第１の領域における面３４１の形状を示す模式図である。図５に示すように、第１の領域では、面３４１が階段状とされ、回路基板３１０の面方向（光軸Ｌと直交する方向）に対して傾斜の緩い透過屈折面３４６と傾斜の急な反射面３４８が交互に階段状に設けられる。透過屈折面３４６及び反射面３４８は、表示パネル２００側から見た場合に、いずれも光軸Ｌを中心として環状に設けられている。
【００５４】
図６及び図７は、第１の領域の面３４１を拡大して示す模式図である。図６に示すように、透過屈折面３４６は、その法線が光軸Ｌとなす角度θａが比較的小さく、光軸Ｌと直交する方向に対する傾斜が緩いため、透過屈折面３４６に入射した光は透過屈折面３４６で屈折して表示パネル２００側へ出射される。なお、透過屈折面３４６に入射した光のごく一部は、界面反射光として透過屈折面３４６で反射されるが、光線の殆どは表示パネル２００側へ出射される。
【００５５】
一方、図７に示すように、反射面３４８は、その法線が光軸Ｌとなす角度θａが比較的大きく、光軸Ｌと直交する方向に対する傾斜が急であるため、反射面３４８に入射した光は反射面３４８で全反射される。そして、図７に示すように、反射面３４８で反射された光は、レンズ３４０の外形の方向（光軸と直交する方向）に向かって進む。
【００５６】
これにより、発光ダイオード３３０の発光部３３０ａから出射されて第１の領域の面３４１に入射した光線の一部は、反射面３４８で反射されることによって、面３４１から表示パネル２００側には出射されない状態となる。従って、第１の領域内の面３４１からの出射光を低減することができ、第１の領域からの出射光の強度が強くなることによる輝度のムラを確実に抑えることが可能である。
【００５７】
通常、発光ダイオード３３０から出射される光の強度は、光軸Ｌの近辺の光線ほど強くなる。本実施形態では、光の強度が高くなる第１の領域において、光線の一部を反射面３４８で反射させて、表示パネル２００側に出射しないようにしている。従って、光軸Ｌの近辺に光の強度の高い出射光が集中することによる輝度ムラの発生を確実に抑えることが可能である。
【００５８】
図４に示すように、第１の領域に設けられた反射面３４８で反射した光線は、レンズ３４０の外形の方向（光軸と直交する方向）に向かって進み、第２の領域の面３４１に入射する。そして、反射面３４８で反射した光線は、第２の領域の面３４１で更に反射されて、回路基板３１０側の面３４５に向かって進む。また、透過屈折面３４６で反射した界面反射光も、回路基板３１０側の面３４５に向かって進む。そして、反射面３４８からの全反射光及び透過屈折面３４６の界面反射光は、レンズ３３０の外縁の近辺で面３４５に入射する。
【００５９】
面３４５には、乱反射面が形成されている。乱反射面は、例えば面３４５に微細な凹凸面を形成することによって構成される。レンズ３４０が樹脂成形品で成形される場合、金型にサンドブラスト処理を施すことによって、面３４５に乱反射面（梨地面）を設けることができる。これにより、反射面３４８からの全反射光及び透過屈折面３４６からの界面反射光は、乱反射面で乱反射されて、レンズ３４０内で拡散される。従って、光軸Ｌの近傍の強度の強い光を反射面３４８で反射させて、更にレンズ３４０内で拡散させることができるため、表示パネル２００側からレンズ３４０を見た場合に、特定の領域で輝度にピークが生じてしまうことを抑止することができる。
【００６０】
また、回路基板３１０上には、発光ダイオード３３０を被覆しない形状の乱反射部材３５２が配置されている。乱反射部材３５２は、面３４５の乱反射面と同様に、レンズ３４０から入射した光線を乱反射させる。従って、レンズ３４０の内部から面３４５を透過した光線については、乱反射部材３５２で乱反射させることにより、光線が面３４１から再び出射されることを抑止でき、輝度のピークが生じてしまうことを特徴とするを回避できる。
【００６１】
一方、第２の領域では、面３４１は、図４に示すような連続した曲面で形成されている。そして、第２の領域の面３４１に対しては、光軸Ｌとのなす角度がより大きい光線が入射する。このため、第２の領域では、面３４１に対して浅い角度で光が入射するため、面３４１に入射した光線は面３４１で屈折されて表示パネル２００側へ出射される。そして、第２の領域で面３４１に入射する光線は、第１の領域で面３４１に入射する光線よりも光の強度が低い。このため、光線の全てを面３４１から表示パネル２００の方向に出射させたとしても、第２の領域での輝度が過度に高くなることはなく、輝度バラツキの要因とはならない。従って、第１の領域では面３４１に入射した光線の一部を反射面３４８で反射させ、第２の領域では、面３４１に入射した光線を表示パネル２００側へ出射させることで、レンズ３４０から表示パネルへ出射される光線の輝度ムラの発生を確実に抑止できる。
【００６２】
図７において、光軸Ｌに対して環状に設けられた透過屈折面３４６の傾斜角θａと透過屈折面３４６に対し光軸側に隣接する環状の反射面３４８の傾斜角θｂの関係は、以下の式（１）を満たすものとする。
θａ≧−π／２＋２・θｂ＋θ１
なお、式（１）において、
θａ：光軸Ｌと環状の透過屈折面３４６の法線がなす角（透過屈折面３４６の傾斜角）
θｂ：光軸Ｌと環状の反射面３４８の法線がなす角（反射面３４８の傾斜角）
θ１：発光ダイオード３３０の発光部３３０ａの中心から発した光線が環状の反射面３４８に入射する際に光軸となす角
である。
【００６３】
式（１）を満たすことにより、反射面３４８で反射された光線は、外側に隣接する透過屈折面３４６に入射することがなく、反射面３４８で反射された光を確実にレンズ３４０の外形の方向に向かわせることが可能である。ここで、反射面３４８で反射された光線が、外側に隣接する透過屈折面３４６へ入射してしまうと、光線が更に透過屈折面３４６で反射されて面３４５の方向に向かって進む。この場合、光線が面３４５で反射されて再び第１の領域に戻り、表示パネル２００側に出射されてしまい、光軸Ｌの近辺での輝度ムラの発生要因となる。従って、式（１）を満たすことで、反射面３４８で反射された光線が、レンズ３４０内で反射されて第１の領域に戻ってしまうことを確実に回避できる。
【００６４】
また、図６において、光軸Ｌに対して環状に設けられた反射面３４８の傾斜角θｂと、反射面３４８に対して光軸Ｌ側に隣接する透過屈折面３４６の傾斜角θａの関係は、以下の式（２）を満たすものとする。なお、式（２）において、ｎはレンズの屈折率である。また、θ１は、透過屈折面３４６に入射する光の方向と光軸Ｌとのなす角度である。
θｂ≦π／２＋θａ−ｓｉｎ−１｛ｎ・ｓｉｎ（θ１＋θａ）｝      ・・・（２）
【００６５】
式（２）を満たすことにより、透過屈折面３４６から表示パネル２００側に出射した光線が反射面３４８に入射してレンズ３４０の内部に侵入してしまうことを確実に抑止できる。従って、第１の領域において、透過屈折面３４６から出射された光を確実に表示パネル２００に到達させることができ、透過屈折面３４６から出射した光線がレンズ３４０内に戻ることによる光軸Ｌの近傍での輝度の低下を抑えることができる。
【００６６】
図８は、反射面３４８で反射した光線が隣接する透過屈折面３４６で反射されて面３４５の方向に向かう様子を示す模式図である。図８に示すように、反射面３４８で反射された光線が透過屈折面３４６で反射されると、光線が面３４５に向かい、面３４５にて反射される。この場合、面３４５にて反射した光が再び面３４１に戻り、図９に示すように、面３４１から出射されてしまう場合があり、輝度ムラの要因となってしまう。本実施形態では、式（２）を満たすことにより、図８及び図９に示す状態が発生してしまうことを確実に抑えることが可能である。また、面３４５には乱反射面を設けているため、仮に反射面３４８で反射した光線が隣接する透過屈折面３４６で反射されて面３４５の方向に向かったとしても、乱反射面で乱反射させることにより、輝度ムラの発生を抑えることができる。
【００６７】
以上説明したように第１の実施形態によれば、発光ダイオード３３０の光を出射するレンズ３４０の出射面３４１を２つの領域に分け、光軸Ｌに近い第１の領域では透過屈折面３４６と反射面３４８の２つを交互に設けた。これにより、光の強度の強い光軸Ｌの近傍においては、反射面３４８で光を反射させることにより、輝度を低下させることができる。これにより、光軸Ｌの近傍で輝度が高くなることを抑えることができ、輝度にピークが生じてしまうことを抑止できる。また、第２の領域に入射する光線は強度が比較的低いため、面３４１に入射した光線を表示パネル２００側へ出射させることで、レンズ３４０の周辺領域で輝度の低下を抑えることができ、輝度ムラの発生を確実に抑止できる。
【００６８】
２．第２の実施形態
［（１）第２の実施形態に係るレンズの構成］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１０は、第２の実施形態に係るレンズ３４０の構成を示す模式図である。第２の実施形態に係るレンズ３４０の面３４１の形状は第１の実施形態と同様である。すなわち、第２の実施形態に係るレンズ３４０においても、第１の領域では、面３４１に反射面３４８と透過屈折面３４６が交互に設けられている。また、第２の領域では、面３４１が連続した曲面とされている。
【００６９】
図１０に示すように、第２の実施形態に係るレンズ３４０は、面３４５に突起形状３５０が設けられている。突起形状３５０は、光軸Ｌに対して環状に設けられ、反射面３４８で反射された光線をレンズ３４０の側面の外周方向に屈折させる機能を有する。
【００７０】
第１の実施形態と同様に、第１の領域に設けられた反射面３４８で反射した光線は、レンズ３４０の外周の方向に進み、第２の領域の面３４１で反射されて、レンズ３４０の外形よりも内側の位置で面３４５に入射する。そして、突起形状３５０は、反射面３４８で反射した光線が面３４５に入射する領域の近辺に設けられている。第１の実施形態で説明したように、透過屈折面３４６からの界面反射光は、反射面３４８からの全反射光と同様の位置で面３４５へ入射するため、界面反射光も突起形状３５０に入射する。
【００７１】
突起形状３５０へ入射した光線は、図１０に示すように、レンズ３４０の外部へ出射される。図１０に示すように、突起形状３５０は、反射面３４８からの全反射光及び透過屈折面３４６からの界面反射光のいずれもが、突起形状３５０で反射をすることなく透過する形状に設けられている。従って、面３４５に突起形状３５０を設けたことにより、反射面３４８で反射した光が面３４５で更に反射して面３４１の方向に戻ることを確実に回避できる。これにより、表示パネル２００側からレンズ３４０側を見た場合に、反射面３４８の全反射光が表示パネル２００側に戻ることによる輝度ムラの発生を確実に抑止できる。
【００７２】
以上説明したように第２の実施形態によれば、レンズ３４０の面３４５に突起形状３５０を設けたことにより、反射面３４８で反射した光をレンズ３４０の側面または背面から出射させて排出することができる。従って、輝度ムラの要因となる光をレンズ３４０の外に排出することができるため、輝度ムラの発生を確実に抑止することが可能となる。
【００７３】
３．第１の領域の大きさを設定する手法について
図１１は、第１及び第２の実施形態において、第１の領域と第２の領域の境界を設定する手法を説明するための模式図である。図１１に示すように、発光ダイオード３３０から出射される光のうち、光軸Ｌに対する角度がθｃ以下の光線が面３４１から出射される領域を第１の領域とし、その外側を第２の領域とする。ここで、θｃは、乱反射面３４５での全反射光のうち、その半分の光量に該当する光軸寄りの角度範囲とする。乱反射面での反射光が完全拡散の場合はθｃ=４５°である。
【００７４】
これは、第１及び第２の実施形態では、第１の領域では発光ダイオード３３０の光を反射面３４８で全反射させて下側の面３４５で拡散光に変換させることになるが、拡散光の平均的な角度成分よりも平面３４５側に傾いた成分を変換してしまうと逆効果になるためである。
【００７５】
図１２は、光の強度を示す模式図である。反射光の光度をＩ（θ)とするとき、全光束Ｆは以下の式（３）で表すことができる。
【００７６】
【数１】
2011034770.tif 000003
【００７７】
反射光が完全拡散の場合は、Ｉ（θ)＝ｃｏｓθであり、全光束Ｆは以下の式（４）で表すことができる。
【００７８】
【数２】
2011034770.tif 000004
【００７９】
Ｆ／２（全光束Ｆの半分の光量）に該当する光軸寄りの角度範囲をθｃとすると、Ｆ／２は以下の式（５）で表すことができ、この結果θｃ＝π／４＝４５°となる。
【００８０】
【数３】
2011034770.tif 000005
【００８１】
４．輝度分布のシミュレーション結果
次に、上述した第１及び第２の実施形態のレンズ３４０による輝度の分布について説明する。図１３は、発光ダイオード３３０の光軸Ｌからの距離と輝度との関係のシミュレーション結果を示す模式図である。ここで、縦軸の輝度は、光軸Ｌの方向から（表示パネル２００側から）発光ダイオード３３０を見た場合の輝度の分布を示す模式図である。図１３において、０は光軸Ｌの位置を示している。図１３の特性に示すように、光軸Ｌから離れるほど輝度は低下する。
【００８２】
図１３では、第１の実施形態のレンズ３４０による輝度分布（図１３中において○で示す）、第２の実施形態のレンズ３４０による輝度分布（図１３中において△で示す）、比較例のレンズによる輝度分布（図１３中において×で示す）をそれぞれ示している。ここで、比較例は、図１４に示す形状のレンズでの輝度分布のシミュレーション結果を示している。図１４に示すレンズは、前述した特許文献１に記載されたレンズに相当するものであり、面３４１が連続した曲面で形成されているものである。
【００８３】
図１３に示すように、第１及び第２の実施形態のレンズ３４０を用いた場合は、第１の領域の反射面３４８で光線が反射されるため、光軸Ｌの近辺の輝度を低下させることができる。従って、光軸Ｌの周辺で輝度のピークが発生することを抑えることができ、表示パネル２００の面方向において、輝度のムラ、輝度のバラツキの発生を最小限に抑えることができる。
【００８４】
一方、比較例のレンズ３４０では、光軸Ｌの近辺の光は、基本的に面３４１では全反射されないため、発光ダイオード３３０から出射された光は、面３４１で屈折された後、表示パネル２００側へ出射される。上述したように、光軸Ｌの近辺では光の強度（光度）が高いため、比較例のレンズ３４０では、光軸Ｌの近辺の光線が表示パネル２００側へ出射されることにより、光軸Ｌの近辺の輝度が高くなり、輝度にムラが生じてしまう。
【００８５】
図１５は、隣接して配置される４つの発光ダイオード３３０について、輝度の分布を示す特性図であり、縦軸は輝度を示している。また、図１６は、表示パネル２００側から回路基板３１０及びレンズ３４０を見た状態を示す平面図である。図１６に示すように、レンズ３４０は、発光ダイオード３３０の位置に対応してマトリクス状に配置される。そして、図１５は、図１６に示す領域Ｂ内の４つの発光ダイオード３３０及びレンズ３４０による輝度の分布を示している。ここで、図１５（Ａ）は、図１４に示す比較例のレンズによる輝度の分布を示している。また、図１５（Ｂ）は、第１の実施形態のレンズ３４０による輝度の分布を示しており、図１５（Ｃ）は、第２の実施形態のレンズ３４０による輝度の分布を示している。このように、図１５の結果によれば、比較例に対して、第１の実施形態のレンズ３４０を使用した場合は、４つの発光ダイオード３４０による輝度のピークを低下させることができる。また、第２の実施形態のレンズ３４０を使用した場合は、輝度のピークを更に低下させることができる。
【００８６】
また、図１７は、図１６中の一点鎖線Ｉ−Ｉ’に沿った発光ダイオード３３０のうち、中央に位置する６つの発光ダイオード３３０による輝度分布を示す特性図である。図１３と同様に、図１７では、第１の実施形態のレンズ３４０による輝度分布（図１７中において○で示す）、第２の実施形態のレンズ３４０による輝度分布（図１７中において△で示す）、及び図１４の比較例のレンズによる輝度分布（図１７中において×で示す）をそれぞれ示している。
【００８７】
図１７に示す特性においても、比較例に対して、第１の実施形態のレンズ３４０を使用した場合は、６つの発光ダイオード３４０による輝度のピークを低下させることができる。また、第２の実施形態のレンズ３４０を使用した場合は、輝度のピークを更に低下させることが可能である。なお、通常は、回路基板３１０の中心に比べて、周辺に向かうほど輝度は低下するため、図１７の特性では、端に位置する発光ダイオード３４０の輝度は、中心よりも緩やかに低下している。
【００８８】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００８９】
１００    画像表示装置
２００    表示パネル
３００    面光源装置（バックライト）
３３０    発光ダイオード  ３４０    レンズ
３４１    出射面
３４６    透過屈折面
３４８    反射面
【図１】
2011034770.tif 000006
【図２】
2011034770.tif 000007
【図３】
2011034770.tif 000008
【図４】
2011034770.tif 000009
【図５】
2011034770.tif 000010
【図６】
2011034770.tif 000011
【図７】
2011034770.tif 000012
【図８】
2011034770.tif 000013
【図９】
2011034770.tif 000014
【図１０】
2011034770.tif 000015
【図１１】
2011034770.tif 000016
【図１２】
2011034770.tif 000017
【図１３】
2011034770.tif 000018
【図１４】
2011034770.tif 000019
【図１５】
2011034770.tif 000020
【図１６】
2011034770.tif 000021
【図１７】
2011034770.tif 000022