(57)【要約】【課題】光源からレンズを通過して観察者の目に観察される光が、うねったように見えることなく均一で高品質な発光装置およびディスプレイを提供する。【解決手段】発光装置は、光源と、表示部と対向する位置に設けられ、光源からの発光を偏光、収束して外部に放出するレンズ体とを備える。発光装置は、レンズ体の焦点距離Ｆが、レンズ体と光源の発光面との距離Ｌに対して１．３Ｌ〜３Ｌとなるように、レンズ体と光源とを配置してなる。この構成によって、レンズ体の焦点が光源よりも奥に焦点を結ぶので、焦点範囲が光源の発光面をカバーする範囲に拡大され、光源からの光は均一な光となって観察者に観察されるので、高品質な発光装置が実現される。【選択図】  図１
2004342781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｒ、Ｇ、Ｂにそれぞれ発光可能な３以上のＬＥＤチップを備える光源と、前記光源と対向する位置に設けられ、前記光源からの発光を偏光あるいは収束して外部に放出するレンズ体とを備える発光装置であって、
前記レンズ体の焦点距離Ｆが、前記レンズ体と前記光源の発光面との距離Ｌよりも大きくなるように、前記レンズ体と前記光源とを配置してなることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記レンズ体の焦点距離Ｆが、前記レンズ体と前記光源の発光面との距離Ｌに対して１．３Ｌ〜３Ｌとなるように、前記レンズ体と前記光源とを配置してなることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記レンズ体のレンズ構造がフレネルレンズ形状、シリンドリカルレンズ形状、またはプリズムレンズ形状のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
複数の光源が略平面状に配置された表示部と、前記表示部と対向する位置に設けられ、前記表示部を構成する各光源の発光を偏光あるいは収束して外部に放出するレンズ体とを備えるディスプレイ装置であって、
前記レンズ体の焦点距離Ｆが、前記レンズ体と前記光源の発光面との距離Ｌよりも大きくなるように、前記レンズ体と前記光源とを配置してなることを特徴とするディスプレイ装置。
【請求項５】
前記レンズ体の焦点距離Ｆが、前記レンズ体と前記光源の発光面との距離Ｌに対して１．３Ｌ〜３Ｌとなるように、前記レンズ体と前記光源とを配置してなることを特徴とする請求項４に記載のディスプレイ装置。
【請求項６】
前記レンズ体のレンズ構造がフレネルレンズ形状、シリンドリカルレンズ形状、またはプリズムレンズ形状のいずれかであることを特徴とする請求項４または５に記載のディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズを備える発光装置およびディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ、以下「ＬＥＤ」とも呼ぶ。）等の高輝度の発光素子が、光の三原色である赤（Ｒｅｄ）、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）のＲＧＢそれぞれにつき開発されたため、大型の自発光型フルカラーディスプレイが作製されるようになっている。中でも、ＬＥＤディスプレイは軽量、薄型化が可能で且つ消費電力が低い等の特徴を有し、屋外でも使用可能な大型ディスプレイとして需要が急激に増加している。また、その用途も多様化しつつあり、大型テレビ、広告、ビルボード、交通情報、立体表示器、照明用等あらゆるアプリケーションに柔軟に対応できるシステムが求められている。
【０００３】
上述のＬＥＤディスプレイにおいては、例えば、砲弾型のリードフレームタイプのＬＥＤランプが用いられている。このようなＬＥＤランプは、全周囲に対してほぼ同じ指向性を備えている。よってこのＬＥＤランプを使用したＬＥＤディスプレイの輝度を高めるため、各ＬＥＤランプの前面にレンズを配置して集光性を高めることが行われている（例えば特許文献１）。
【０００４】
一方で、ＬＥＤディスプレイを見る観察者の視点に対して上下方向には配光の範囲を広くとる必要がないため、上述のように範囲を絞って集光させることで輝度を高めたいという要望があるが、逆に左右方向の配光は広範囲であることが一般に好ましい。例えば、観察者の視点は、上下方向については観察者の身長で決まるためほぼ一定の範囲内に収まるのに対し、左右方向については様々な位置からディスプレイを観察できるよう広く配光させ、広い視野を確保したいという要求がある。
【０００５】
このような要求に対し、ＬＥＤディスプレイの表面に、一方向の配光のみを集光させる性質のレンズを設けることが行われている。一方向の光出射指向性がそれと直角方向の光出射指向性よりも強い特性を有するレンズとしては、例えば、特許文献２、４に示すような半円柱状のシリンドリカルレンズや、特許文献３に示すようなプリズム状のレンズ、特許文献５に示すようなフレネルレンズ等がある。
【０００６】
図６に上述の半円柱形状のシリンドリカルレンズを用いたＬＥＤランプ５００の概略図を示す。図６（ａ）はＬＥＤランプ５００を光出射側から見た正面図である。図６（ｂ）はＬＥＤランプ５００を図６（ａ）において一点波線ＶＩｂから見た横断面図である。図６（ｃ）はＬＥＤランプ５００を図６（ａ）において波線ＶＩｃから見た縦断面図である。ＬＥＤランプ５００は、ＬＥＤチップ５２０と、レンズ５１０とを備える。ＬＥＤチップ５２０は上面全体を発光面として表示している。レンズ５１０は、半円柱形状、いわゆる蒲鉾形状のレンズ部５１１と、ＬＥＤチップ５２０を内部に備えるベース部５１２とから構成される。レンズ部５１１はシリンドリカルレンズ構造とし、図６（ｃ）に示すようにＬＥＤチップ５２０から光入射面５１３に入射される光が、光出射面５１４から出射される際に平行光となるように、レンズの曲率が設定されている。レンズ部５１１は平面状の光入射面５１３と非平面状の光出射面５１４とを有し、光出射面５１４の形状は図６（ａ）の縦方向に関しては光入射面５１３からの高さが円弧状に変化し、横方向に関してはどの点をとっても光入射面５１３からの高さが一定である。レンズ部５１１は、その光出射面５１４をこのように蒲鉾形状に形成することにより、図６（ａ）において横方向に関しては出射光に指向性が小さく、縦方向に関しては出射光の指向性が大きい構成とすることができる。
【０００７】
同様に、図７に上述のフレネルレンズを用いたＬＥＤランプ６００の概略図を示す。図７（ａ）はＬＥＤランプ６００を光出射側から見た正面図である。図７（ｂ）はＬＥＤランプ６００を図７（ａ）において一点波線ＶＩＩｂから見た横断面図である。図７（ｃ）はＬＥＤランプ６００を図７（ａ）において波線ＶＩＩｃから見た縦断面図である。ＬＥＤランプ６００は、ＬＥＤチップ６２０と、レンズ６１０とを備える。レンズ６１０は、部分的な円柱形状の突出部６１１ａが形成されたフレネルレンズとしてのレンズ部６１１と、ＬＥＤチップ６２０を内部に備えるベース部６１２とから構成される。レンズ部６１１はフレネルレンズ構造とし、図７（ｃ）に示すようにＬＥＤチップ６２０から光入射面６１３に入射される光が、光出射面６１４から出射される際に平行光となるように、フレネルの角度が設定されている。レンズ部６１１は、平面状の光入射面６１３と非平面状の光出射面６１４とを有し、光出射面６１４の形状は図７（ａ）の縦方向に関しては光入射面６１３からの高さがフレネルレンズ形状に変化し、横方向に関してはどの点をとっても光入射面６１３からの高さが一定である。このようにレンズ部６１１を形成することにより、図７（ａ）の横方向に関しては出射光に指向性が小さく、縦方向に関しては出射光の指向性が大きい構成とすることができる。
【０００８】
上述のようなＬＥＤランプ５００、６００においては、一般にＬＥＤチップ５２０がレンズ５１０、６１０の焦点に配置される。レンズ部５１１、６１１の下面５１１ｂ、６１１ｂとＬＥＤチップ５２０との距離を、レンズ５１０、６１０の焦点距離Ｆと一致させることで、レンズから出射される光は光軸上の光量が増し高輝度となる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−４３６２９号公報
【特許文献２】
特開平６−１０４４８８号公報
【特許文献３】
特開２００２−２５３２６号公報
【特許文献４】
特開２００１−１７７１５６号公報
【特許文献５】
特表２０００−５０２５００号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＬＥＤランプにおいては、正面からの光は高輝度で観察できるものの、それ以外の位置では発光が均一に観察できないという問題があった。レンズの焦点をＬＥＤチップ上に結ぶと、レンズの形状に沿って平行光が出力される。出力光の光量すなわち輝度の分布は、一般にレンズの光軸に近付くほど集光が高密度となって高輝度となり、光軸上で光量が最大となり輝度が最高となるピーク状の分布を示す。したがって、光軸上では高輝度の光が観察されるが、光軸のずれた位置では輝度が大きく低下する。この輝度低下の度合いは、レンズの焦点距離とレンズと光源との距離が合致するほど著しい。しかしながら、人間の目は左右２つあるため、レンズの正面に観察者が位置したとしても、レンズの光軸が両目に合致することはできない。その結果、左右いずれかの目でレンズの光軸に近い方が光量が多くなる。観察者の右目と左目とで入射される光量が著しく異なると、正しく光が観察できず、うねったように見えて正しく再現できないという問題が生じる。
【００１１】
特に、ＬＥＤチップをＲ、Ｇ、Ｂそれぞれに発光可能な３つのチップを備える１つのパッケージとすることで、混色によりフルカラー表示が可能となるが、このタイプを使用する場合、隣接する３つのチップのいずれかに焦点を結ぶように配置すると、他のチップの色が観察者の目に正しく再現されないおそれがある。例えば図８および図９に示すように、Ｒ、Ｇ、ＢのＬＥＤチップを一直線上に並べた場合、中央のチップに焦点を結ぶように配置すると、中央のチップからの出力光のみが光量が多くなり、逆に左右のチップから観察者の目に届く光は正しく再現できず、その結果ＲＧＢの混色が正しく行われず、均一な光とならずに品質が低下するという問題が生じる。
【００１２】
また、上記のＬＥＤランプ５００においては、半円柱形状に形成されたレンズ部５１１がベース部５１２の図６（ａ）の横方向の端部まで形成されていないため、図６（ｂ）、図８（ｂ）に示すようにＬＥＤチップ５２０とレンズ部５１１の横方向の端部とのなす角θ１の範囲に光の取り出しロスが生じる。同様に、フレネルレンズの形状に形成されたレンズ部６１１を有するＬＥＤランプ６００においても、図７（ｂ）、図９（ｂ）に示すようにＬＥＤチップ５２０とレンズ部６１１の横方向の端部とのなす角θ２の範囲に比較的大きな光の取り出しロスが生じる。
【００１３】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、観察者において光が正しく再現されて観測される高品質な発光装置およびディスプレイ装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発光装置は、Ｒ、Ｇ、Ｂにそれぞれ発光可能な３以上のＬＥＤチップを備える光源と、前記光源と対向する位置に設けられ、前記光源からの発光を偏光あるいは収束して外部に放出するレンズ体とを備える発光装置であって、前記レンズ体の焦点距離Ｆが、前記レンズ体と前記光源の発光面との距離Ｌよりも大きくなるように、前記レンズ体と前記光源とを配置してなることを特徴とする。
【００１５】
この構成によって、レンズ体の焦点が光源よりも奥に焦点を結ぶので、焦点の合う範囲を点状から面状にして焦点範囲が拡大され、光源からの光は均一な光となって観察者に観察されるので、高品質な発光装置が実現される。特に３以上のＬＥＤチップを焦点範囲に含むことができるので、各色のＬＥＤチップにそれぞれ焦点を合わせて混色が正しく行われ、色ずれの少ない高品質な発光装置が実現される。このように本発明は、複数の発光チップを含むパッケージタイプの発光デバイスに好適に使用できる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に記載される発光装置は、請求項１に加えて、前記レンズ体の焦点距離Ｆが、前記レンズ体と前記光源の発光面との距離Ｌに対して１．３Ｌ〜３Ｌとなるように、前記レンズ体と前記光源とを配置してなることを特徴とする。
【００１７】
この構成によって、レンズ体の焦点が光源よりも奥に焦点を結ぶので、焦点範囲が光源の発光面をカバーする範囲に拡大され、光源からの光は均一な光となって観察者に観察されるので、高品質な発光装置が実現される。
【００１８】
さらに、本発明の請求項３に記載される発光装置は、請求項１または２に加えて、前記レンズ体のレンズ構造がフレネルレンズ形状、シリンドリカルレンズ形状、またはプリズムレンズ形状のいずれかであることを特徴とする。
【００１９】
この構成によって、レンズ体の焦点が光源よりも奥に焦点を結ぶので、焦点範囲が光源の発光面をカバーする範囲に拡大され、光源からの光は均一な光となって観察者に観察されるので、高品質な発光装置が実現される。
【００２０】
さらにまた、本発明の請求項４に記載されるディスプレイ装置は、複数の光源が略平面状に配置された表示部と、前記表示部と対向する位置に設けられ、前記表示部を構成する各光源の発光を偏光あるいは収束して外部に放出するレンズ体とを備えるディスプレイ装置であって、前記レンズ体の焦点距離Ｆが、前記レンズ体と前記光源の発光面との距離Ｌよりも大きくなるように、前記レンズ体と前記光源とを配置してなることを特徴とする。
【００２１】
この構成によって、レンズ体の焦点が光源よりも奥に焦点を結ぶので、焦点の合う範囲を点状から面状にして焦点範囲が拡大され、光源からの光は均一な光となって観察者に観察されるので、高品質なディスプレイ装置が実現される。このように本発明を複数の光源を有するディスプレイ装置に利用すると、複数の光源の内、レンズ体の焦点の近傍に配置された特定の光源からの発光の輝度が特に強くなって観察者の目に正しく観察できなくなる事態を回避できる。さらに、３以上のＬＥＤチップを焦点範囲に含むことができるので、各色のＬＥＤチップにそれぞれ焦点を合わせて混色が正しく行われ、色ずれの少ない高品質なディスプレイ装置が実現される。このように本発明は、特に複数の発光チップを含むパッケージタイプの発光デバイスに好適に使用できる。
【００２２】
さらに、本発明の請求項５に記載されるディスプレイ装置は、請求項４に加えて、前記レンズ体の焦点距離Ｆが、前記レンズ体と前記光源の発光面との距離Ｌに対して１．３Ｌ〜３Ｌとなるように、前記レンズ体と前記光源とを配置してなることを特徴とする。
【００２３】
この構成によって、レンズ体の焦点が光源よりも奥に焦点を結ぶので、焦点範囲が光源の発光面をカバーする範囲に拡大され、光源からの光は均一な光となって観察者に観察されるので、高品質なディスプレイ装置が実現される。
【００２４】
さらにまた、本発明の請求項６に記載されるディスプレイ装置は、請求項４または５に加えて、前記レンズ体のレンズ構造がフレネルレンズ形状、シリンドリカルレンズ形状、またはプリズムレンズ形状のいずれかであることを特徴とする。
【００２５】
この構成によって、レンズ体の焦点が光源よりも奥に焦点を結ぶので、焦点範囲が光源の発光面をカバーする範囲に拡大され、光源からの光は均一な光となって観察者に観察されるので、高品質なディスプレイ装置が実現される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置およびディスプレイ装置を例示するものであって、本発明は、発光装置およびディスプレイ装置を以下のものに特定しない。
【００２７】
また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を随時省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００２８】
さらに本明細書において発光装置、およびディスプレイ装置とは、文字情報を表示する電光掲示板や動画、静止画等を表示させるモニタ等の表示装置の他、照明用途やその他の光源として使用する照明装置を含む意味で使用する。また本明細書において発光素子には、その名称に関わらずＬＥＤ等の発光素子や発光チップ等を組み込んだ発光デバイスも含むものとする。
【００２９】
［第一の実施の形態］
図１は、本発明の第一の実施の形態に係る発光装置として、フレネルレンズを用いた光源およびレンズの部分を拡大して表示した概略図である。図１（ａ）はＬＥＤランプ１を光出射側から見た正面図である。図１（ｂ）はＬＥＤランプ１の図１（ａ）の一点波線Ｉｂにおける横断面図である。図１（ｃ）はＬＥＤランプ１の図１（ａ）の点線Ｉｃにおける縦断面図である。ＬＥＤランプ１は、発光デバイス２と、レンズ１０とを備える。発光デバイス２とレンズ１０とは実装基板（図示せず）上に配置される。発光デバイス２は上面全体を発光面として表示している。レンズ１０は、部分的な円柱形状の突出部１１ａがレンズの外周方向（図１（ｃ）において縦方向）に形成されたフレネルレンズとしてのレンズ部１１と、発光デバイス２を内部に備える側壁からなるベース部１２とから構成される。レンズ１０は、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネイト、エポキシ樹脂等種々の透光性材料から構成することができる。レンズ１０は無色透明とするが、使用態様によっては着色してもよい。
【００３０】
レンズ部１１は、非平面状の光入射面１３と略平面状の光出射面１４とを有する。レンズ部１１はフレネルレンズ構造とし、図１（ｃ）に示すように発光デバイス２から光入射面１３に入射される光が、光出射面１４から出射される際に平行光となるように、フレネルレンズの突出部１１ａの角度が設定されている。さらにフレネルレンズの角度を調整することで、任意の配光を外部に取り出すことも可能である。光入射面１３に形成されたレンズ構造形状は、図１（ａ）に示すように複数の突出部１１ａが略平行に形成され、レンズ１０の内面、すなわち発光デバイス２に向かって突出している。この形状のレンズ１０は、図１（ａ）の縦方向に関しては図１（ｃ）に示すように光入射面１３からの高さがフレネルレンズ形状に変化する一方、図１（ａ）の横方向に関しては図１（ｂ）に示すようにどの点をとっても光出射面１４からの高さが一定である。このようにレンズ部１１を形成することにより、図１（ａ）において横方向に関しては出射光に指向性が小さく、縦方向に関しては出射光の指向性が大きい構成とすることができる。
【００３１】
本発明の第一の実施の形態に係る発光装置としてのＬＥＤランプ１おいては、発光デバイス２がレンズ１０の焦点距離Ｆよりも近い距離Ｌに配置されている。これによって、ＬＥＤランプ１からの光は集光の軸上の点近傍における輝度の変化を小さくすることができる。したがって、観察される輝度の人間の左目と右目の位置の違いによる差が小さくなり、観察者に対してレンズ内部に配置された発光デバイスからの光がうねったように見えることなく均一に観察される。また、発光デバイス２がレンズ１０の焦点距離Ｆよりも近い距離Ｌに配置されているため、輝度が著しく低下することを防止できる。レンズ１０の焦点距離Ｆと、レンズ１０と発光デバイス２との距離Ｌ、ここではレンズ部１１の下面１１ｂと発光デバイス２の発光面である上面との距離Ｌとの関係は、Ｆ＝１．５Ｌ〜３Ｌに設定される。これは本願発明の発明者が、レンズ１０の焦点距離Ｆに対して発光デバイスの距離Ｌを変更し、複数の観察者によってＬＥＤランプの発光を観察する実験を行ったところ、レンズ１０の焦点距離Ｆが、レンズ１０と発光デバイス２の発光面との距離Ｌに対して１．５Ｌ〜３Ｌとなるように設定することによって、好ましい発光が得られるという知見を得たことに基づく。レンズ１０の焦点距離Ｆよりも、レンズ１０と発光デバイス２の発光面との距離Ｌを近付けることによって、焦点が点から面状に拡大し、発光デバイス２の発光面の広範囲にわたって焦点が合うようになったためと考えられる。
【００３２】
ＦとＬの関係をＦ＝ｋＬとするとき、好ましくは１．３＜ｋ＜３、より好ましくは１．４＜ｋ＜２．０、さらに好ましくは１．５＜ｋ＜１．８、最も好ましくはｋを１．５付近の値に設定する。ｋの値を１に近付けるほど発光デバイス２はレンズの焦点距離Ｆに近づき、焦点の合う範囲は絞られる。逆にｋを大きくするほど焦点距離から遠くなり、焦点の合う範囲は広くなる。また発光デバイス２がレンズ１０近づくため、より多くの光を取り出すことができる。本発明者が実験したところ、ｋが１．５付近の位置では輝度分布が良くなり均一な光が観測されることが判明した。特に、光源としてＲ、Ｇ、Ｂに発光可能な３つのＬＥＤチップを一のパッケージとした発光素子を使用すると、ｋが１．５付近の位置で輝度分布が良くなるとともに、混色が正しく行われたムラのない均一な光が観測される。このように本実施の形態は、特にフルカラー発光可能なＲ、Ｇ、ＢそれぞれのＬＥＤチップを供えるディスプレイ装置に好適に利用できる。
【００３３】
本発明の第一の実施の形態に係るレンズ部１１は、ベース部１２の所定の方向、ここでは図１（ａ）の横方向の端部まで形成される。このため、図１（ｂ）に示すように発光デバイス２とレンズ部１１の横方向の端部とのなす角θを十分に小さくすることができ、光の取り出しロスを大きく低減することができる。特に、光出射面１３とベース部１２の内側の側壁１５（図１（ａ）の横方向の面）との接続部Ａが、発光デバイス２とレンズ部１１の横方向の端部を結ぶ線Ｌよりも外側にあることが好ましい。光の取り出しロスを低減する効果を十分に確保できるからである。また、光出射面１３とベース部１２の内側の側壁１５とをＲ面にして接続する構成とすることによって、光の取り出しロスを低減する効果を十分に確保できる構成としてもよい。
【００３４】
特に、第一の実施の形態に係る発光装置としてのＬＥＤランプ１は、レンズ部１１が、厚いレンズと同等の光学的性質を持つように階段状に形成された薄いレンズであるフレネルレンズの形状に形成されている。したがって、半円柱形状やプリズム形状に形成されたレンズ部がベース部の横方向の端部まで形成されたレンズを用いた発光装置と比較して、より一層、光の取り出しロスを低減することができる。
【００３５】
光源には発光素子や発光デバイスが利用できる。発光デバイス２は、砲弾型のＬＥＤやＬＥＤチップ等を利用できる。一方、例えばＬＥＤを用いたディスプレイにおいては、高精細且つ広視野角に発光可能なディスプレイが求められていることから、より高密度実装が可能な表面実装型ＬＥＤデバイスを発光デバイス２として用いることが好ましい。表面実装型ＬＥＤデバイスは、基板上に貫通孔等を設ける必要なく、直接半田により固定可能であるため高密度実装が比較的容易となるからである。
【００３６】
（表面実装型ＬＥＤデバイス）
次に、本発明の第一の実施の形態に係るＬＥＤランプ１に用いられる発光デバイス２の一例として、表面実装型ＬＥＤデバイスを説明する。表面実装型ＬＥＤデバイスとは、積載される実装基板上に貫通孔等を設ける必要なく実装基板上に固定可能なＬＥＤデバイスである。具体的には、図２（ａ）〜（ｄ）に示すような種々の発光デバイスが挙げられる。図２（ａ）の表面実装型ＬＥＤデバイスは、ＬＥＤチップ４０１そのものを表面実装型ＬＥＤデバイスとして利用したものである。具体例として、サファイア基板４０５上にＰＮ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体４０４を堆積させたＬＥＤチップが利用できる。Ｐ型導電性を有する半導体及びＮ型導電性を有する半導体のそれぞれに電極４０３が形成されている。図において電極は、同一表面側に設けられている。また、電極間は半田付けにより短絡しないよう保護膜４０２を形成している。ＬＥＤチップの電極４０３と実装基板とは半田付け、導電性接着剤や異方性導電膜により固定することができる。これにより極めて小さい表面実装型ＬＥＤデバイスとすることができる。
【００３７】
図２（ｂ）の表面実装型ＬＥＤデバイスは、デバイス基板４１５に配置させた外部電極４１３ａ上にＬＥＤチップ４１１を配置させたものである。ＬＥＤチップ４１１とデバイス基板４１５上の外部電極４１３ｂとは、金、銀や銅の細線や金、銀、カーボン等の導電性部材が含有された導電性接着剤により電気的に接続されている。ＬＥＤチップ上には、ＬＥＤチップ等を保護する透光性樹脂４１６が形成されている。
【００３８】
図２（ｃ）の表面実装型ＬＥＤデバイスは、前面に開口部を有する絶縁性樹脂ケース４２７底面にＬＥＤチップ４２１を配置させたものである。デバイス基板４２５には、ＬＥＤチップ４２１に電力が供給できるよう外部から内部に配置された外部電極４２３ａ、ｂが設けられている。ＬＥＤチップ４２１の各電極と外部電極４２３ａ、ｂとは、導電性ワイヤや導電性ペーストを利用して電気的に接続されている。また、開口部は透光性樹脂４２６によって封止されている。
【００３９】
また図２（ｄ）の表面実装型ＬＥＤデバイスは、ＬＥＤチップ４３１の電極形成面をデバイス基板４３５の外部電極４３３ａ、ｂと対向させ、半田付けや導電性接着材を介して直接載置するフリップチップ実装を採用している。絶縁性樹脂ケース４３７の開口部は同様に透光性樹脂４３６によって封止される。このようなフリップチップ型の表面実装型ＬＥＤデバイスを用いると、ワイヤによる配線の必要がなく、さらに光出射側にワイヤや電極面がないためこれらの部材で光が妨げられることもなく、光の取り出し効率が改善される。
【００４０】
以上の図２（ｂ）〜（ｄ）の表面実装型ＬＥＤデバイスにおいては、レンズ１０の発光デバイスとの距離Ｌは、レンズ部１１の下面１１ｂとＬＥＤチップの発光面である上面との距離に相当する。発光デバイスは、ＬＥＤチップを１種類で複数配置することもできるし、２種類以上配置することもできる。また、ＲＧＢのＬＥＤチップを配置させることにより、フルカラー発光が可能な表面実装型ＬＥＤデバイスとすることができる。特に、本発明の実施の形態に係る発光装置は、複数の発光素子として、例えばＲＧＢのＬＥＤチップを配置する発光デバイスを用いる発光装置に対して好適である。観察者に対して、複数の発光素子の内、レンズの焦点近傍に配置された特定の発光素子からの発光の輝度が特に強くなることが防止されるからである。
【００４１】
さらに、青色が発光可能なＬＥＤチップと、それによって励起され黄色が発光可能な蛍光物質を利用することにより１種類のＬＥＤチップを用いて白色光が発光可能な表面実装型ＬＥＤデバイスとすることもできる。白色光が発光可能な表面実装型ＬＥＤデバイスは、例えば透光性樹脂中に蛍光物質を含有させることにより容易に形成させることができる。蛍光物質としては、ペリレン系誘導体やセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウムガーネット系蛍光体が好適に利用できる。青色系が発光可能なＬＥＤチップとしては、窒化物系化合物半導体が好適に利用できる。
【００４２】
表面実装型ＬＥＤデバイスに用いられるＬＥＤチップとしては、その発光色や用途により種々のものを選択できる。ＬＥＤチップに用いられる発光層の半導体材料としては、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等が挙げられる。また、半導体の構造もＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構造のものが挙げられる。発光装置およびディスプレイ装置においては、半導体層の材料やその混晶度により発光波長を紫外光から赤外光まで種々選択することができる。さらに、量子効果を持たせるため発光層を単一量子井戸構造、多重量子井戸構造とさせてもよい。
【００４３】
（ＬＥＤディスプレイ）
次に、ＬＥＤランプ１をディスプレイ装置に用いる例を説明する。このディスプレイにおいては、複数のＬＥＤランプ１を、レンズ部１１の端部にわたってフレネルレンズ形状の突出部１１ａが形成される所定の方向（図１（ａ）における横方向）がＬＥＤディスプレイの観察者に対して水平方向になるように、マトリックス状に配置することによって、マトリックスディスプレイが構成される。特に、上述のＬＥＤランプ１は、光の取り出しロスが少なく、かつ、左右方向には広く上下には狭い指向性を有するという特徴を有することから、ＬＥＤランプをマトリックス状に複数配置したマトリックスディスプレイに好適である。一般に、ディスプレイは複数人の観察者によって任意の位置から観察されるが、各観察者の視線の高さには大差がない。したがって、ディスプレイは、左右方向については広い指向性を備えていることが好ましいが、上下方向については狭い指向性で足りるからである。マトリックスディスプレイにおいては、画素に対応するＬＥＤランプごとに発光がマトリックス制御され、文字、静止画、動画等種々の表示を行うことができる。
【００４４】
例えば、本発明の実施の形態に係るＬＥＤランプ１を用いたディスプレイを、フルカラーＬＥＤディスプレイとして構成する場合、ＲＧＢが発光可能なＬＥＤランプ１を実装基板上に１６×３２画素分配置するものなどが挙げられる。この場合、ＲＧＢそれぞれを個々のＬＥＤランプから構成してもよいし、また、ＲＧＢを一つのＬＥＤランプで発光可能なＬＥＤランプを用いることもできる。もちろん、単色のＬＥＤランプを用いた単色ディスプレイ、あるいは２色以上のＬＥＤランプを用いたマルチカラーディスプレイとして構成することもできる。
【００４５】
以上の例では、発光デバイス２として表面実装型ＬＥＤデバイスを用いる例を示したが、リードを基板のリード穴に貫通させて半田付けするタイプの発光デバイスを用いることもできる。
【００４６】
［第二の実施の形態］
次に、図３に本発明の第二の実施の形態に係る発光装置を構成するＬＥＤランプ１００の概略図を示す。図３（ａ）はＬＥＤランプ１００を光出射側から見た正面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）の一点波線ＩＩＩｂにおけるＬＥＤランプ１００の横断面図である。図３（ｃ）は図３（ａ）の波線ＩＩＩｃにおけるＬＥＤランプ１００の縦断面図である。この図に示すＬＥＤランプ１００も、発光デバイス２と、レンズ１１０とを備える。発光デバイス２とレンズ１１０とは実装基板（図示せず）上に配置される。レンズ１１０は、シリンドリカルレンズを構成する半円柱形状、いわゆる蒲鉾形状に形成されたレンズ部１１１と、発光デバイス２を内部に備える側壁からなるベース部１１２とから構成される。レンズ部１１１は、略平面状の光入射面１１３と非平面状の光出射面１１４とを有する。レンズ部１１１は半円柱状のシリンドリカルレンズ構造とし、図３（ｃ）に示すように発光デバイス２から光入射面１１３に入射される光が、光出射面１１４から出射される際に平行光となるように、レンズの曲率が設定されている。光出射面１１４の形状は、図３（ａ）の縦方向に関しては図３（ｃ）に示すように光入射面１１３からの高さが円弧状に変化し、横方向に関しては図３（ｂ）に示すようにどの点をとっても光入射面１１３からの高さが一定である。レンズ部１１１は、その光出射面１１４をこのように蒲鉾形状に形成することにより、図３（ａ）の横方向に関しては出射光の指向性が小さく、縦方向に関しては出射光の指向性が大きい構成とすることができる。ここでは、レンズ部１１１の外側の光出射面１１４を非平面上の半円柱形状に形成したシリンドリカルレンズ構造の例を示したが、これに限られずフレネルレンズ構造やフレネルレンズ以外のプリズム形状、あるいは球面状に形成することもできる。
【００４７】
本発明の第二の実施の形態に係る発光装置としてのＬＥＤランプ１００においても、発光デバイス２がレンズ１１０の焦点距離Ｆよりも近い距離Ｌに配置されている。図１０に、レンズ１１０と発光デバイス２の配置によって、発光デバイス２から出射される光の軌跡が変化する様子を示す。図１０において、点線は焦点距離Ｆに合致するように発光デバイス２を配置した場合の出射光の軌跡を、実線は焦点距離から発光デバイス２をレンズ１１０に近付けた場合の出射光の軌跡をそれぞれ示している。図１０に示すように、焦点距離Ｆと距離Ｌとの関係は上記第一の実施の形態と同様に、レンズ１１０と発光デバイス２との距離Ｌ、ここではレンズ部１１１の下面１１１ｂと発光デバイス２の発光面である上面２ａとの距離Ｌに対して、焦点距離Ｆが１．５Ｌ≦Ｆ≦３Ｌとなるように設定される。この範囲に発光デバイス２とレンズ１１０を配置することで、光は平行光から広がって出射されるようになり、視野角が広がる。また、フルカラー表示可能な複数のＬＥＤチップを備える発光デバイス２の場合は、各色の色ムラも改善される。
【００４８】
本発明の第二の実施の形態に係るレンズ部１１１は、ベース部１１２の所定の方向、ここでは図３（ａ）の横方向の端部まで形成される。このため、図３（ｂ）において角度θで示される、発光デバイス２から外部に出射される光の取り出しロスを低減することができる。ここでθは、発光デバイス２の発光面である上面の延長線と、発光デバイス２の右上端部とレンズ部１１１の右上端部とを通過する直線Ｌとがなす角度であり、図示しないが図３（ｂ）の左側においても生じる。θの範囲では発光デバイス２からの出射光を有効に外部に取り出すことができないため、光の取り出しロスとなる。光の取り出しロスをできるだけ低減するためには、図３（ｂ）に示すように光入射面１１３とベース部１１２の内面をなす側壁１１５との接合部Ａが、直線Ｌよりも外側に位置するよう構成することが好ましい。接合部Ａが直線Ｌよりも内側に位置すると、発光デバイス２から接合部Ａより外側に出射される光が有効に外部に取り出しできないためであり、上記の構成によって光の取り出しロスを低減する効果を十分に確保できる。また、光入射面１１３とベース部１１２の内側をなす側壁１１５との接合部ＡをＲ面にして接続する構成とすることによって、光の取り出しロスを低減する効果を十分に確保できる構成としてもよい。
【００４９】
以上の実施の形態においては、一のレンズと一の発光デバイスについて説明したが、本発明の実施の形態においては、これらを複数配置して使用することができる。例えば図１、図３に示すレンズを連結したり一体的に成形する等して、縦または／および横方向に延長したレンズとすることができる。図４および図５に、本発明の第三の実施の形態に係るディスプレイ装置を示す。これらの図に示すディスプレイ装置２００のレンズ２１０は、第一の実施の形態に係るレンズ１を複数、側壁１２を共有する状態で一体化した構造を備える。図４のレンズは、一つのレンズ２１０に、光源として複数個の発光デバイスが配置可能に構成されており、この例では発光デバイスを配置する光源配置部としての発光デバイス配置部２０１が５×５個のマトリックス状に配置されている。レンズ２１０においては、複数の発光デバイス配置部２０１にまたがって、レンズ２１０の端部から端部にわたって連続的にフレネルレンズ形状の突出部２１１ａが所定の方向（図４におけるｘ方向）に形成されている。
【００５０】
第三の実施の形態に係るディスプレイ装置においても、発光デバイス２は第一の実施の形態において説明した発光デバイスと同様のものを用いることができる。第一の実施の形態と同様、複数の発光デバイス２を、レンズ部２１１の突出部２１１ａの延長方向（図１（ａ）における横方向）がディスプレイ装置の観察者に対して水平方向となるように配置することによって、マトリックスディスプレイが構成される。また図４に示すディスプレイ装置用レンズは、フレネルレンズ形状の突出部１１ａに円弧状の面を設けない平面のみで構成しているが、図１等と同様に部分的に円弧状の面を有する構成としてもよいことはいうまでもない。
【００５１】
図５は、本発明の第三の実施の形態に係るディスプレイ装置の概略的な断面図である。図５（ａ）は、図４のｘ方向における断面図であり、発光デバイス配置部２０１におけるレンズ２１０の構造を示している。また図５（ｂ）は、図４のｙ方向における断面図である。レンズ部２１１は、部分的な円柱形状の突起部２１１ａが、レンズ２１０の表面の端部から端部にわたって連続してｘ方向に形成されている。レンズ２１０は平面状の光入射面２１３と非平面状の光出射面２１４とを有し、光出射面２１４の形状は図４のｙ方向に関しては光入射面２１３からの高さがフレネルレンズ形状に変化し、ｘ方向に関してはどの点をとっても光入射面２１３からの高さが一定である。このようにレンズ２１０を形成することにより、図４のｘ方向に関しては出射光に指向性が小さく、ｙ方向に関しては出射光の指向性が大きい構成とすることができる。なお、各発光デバイス配置部２０１は仕切り部２１６によって仕切られて形成されている。
【００５２】
本発明の第三の実施の形態に係るレンズ２１０は、複数の発光デバイス配置部２０１にまたがって、連続的にフレネルレンズ形状の突出部２１１ａが所定の方向（図４におけるｘ方向）に形成されている。このため、図５（ａ）に示すように、光出射面２１３と発光デバイス配置部２０１の内側の側壁２１５との接続部Ａとのなす角θ’まで光の取り出しロスが生じない。したがって、本発明の第三の実施の形態に係るレンズ２１０は、光の取り出しロスをより大きく低減することができる。また、光出射面２１３と発光デバイス配置部２０１の内側の側壁２１５とをＲ面にして接続する構成とすることによって、光の取り出しロスを低減する効果を十分に確保できる構成としてもよい
【００５３】
ここでは、レンズ２１０が複数の発光デバイス配置部２０１にまたがって、レンズ２１０の端部から端部にわたって連続的にフレネルレンズ形状の突出部１１ａが所定の方向（図３におけるｘ方向）に形成されている例を示した。ただ、光源を配置可能な複数の光源配置部を少なくとも所定の方向に配列するレンズにおいては、フレネルレンズ形状の突出部は少なくとも光源配置部に形成されていればよい。たとえば、各列の端部に配置された光源配置部よりも外側にフレネルレンズ形状の突出部を形成しない構成とすることもできる。さらに、フレネルレンズ形状に限られず、複数の発光デバイス配置部２０１にまたがって、レンズの端部から端部にわたって半円柱形状あるいはフレネルレンズ構造でないプリズム形状に形成された非平面状の光出射面を有するレンズとして構成することもできる。
【００５４】
以上説明した本発明の第三の実施の形態に係るディスプレイ装置は、大きな光量を発生することができることから、例えば、照明光源として用いることができる。また、画素に対応する発光デバイスごとに発光がマトリックス制御され、文字、静止画、動画等種々の表示を行うディスプレイとして構成することができる。ここでは、レンズ２１０が、仕切り部２１６によって各発光デバイス配置部２０１を形成する例を示したが、仕切り部２１６がない構成とすることもできる。すなわち、平面状のプレート部材の表面にレンズの端部から端部にわたって連続的にフレネルレンズ形状の突出部２１１ａを所定の方向に形成する構成としてもよい。また、このように、レンズの端部から端部にわたって連続的にフレネルレンズ形状の突出部２１１ａが所定の方向に形成されたプレート部材の四辺に側壁を形成して筐体状に構成してもよい。この場合、発光デバイスはこれらの突出部２１１ａの下に所定の方向にわたって配置される。
【００５５】
特に、フレネルレンズの場合は、厚いレンズの光学的性質をもつように階段状につくられた薄いレンズであるフレネルレンズの形状に形成されていることから、フルカラーディスプレイに好適である。フレネルレンズは、半円柱形状やプリズム形状に形成された部分がレンズの表面の端部から端部にわたって連続してｘ方向に形成されているレンズと比較して、光出射面２１４から光が出射する面積を小さくすることができるからである。これによって隣の発光デバイスからの光と混合されることが少なくなり、より高精彩なディスプレイを構成することが可能となる。隣の画素を構成する発光デバイスからの光と混色されることが少ないからである。
【００５６】
［第四の実施の形態］
図１１に本発明の第四の実施の形態に係るフレネルレンズを用いたディスプレイを示す。この図に示すディスプレイは、実装基板３上に複数の発光デバイス２を５×５のマトリックス状に配置し、その上部にフレネルレンズ１０を配置している。図において可視部分は太線で、非可視部分は細線でそれぞれ示している。この図に示すレンズ１０は、複数条の突出部１１ａを略平行に、内面側に形成した一体のレンズであり、レンズ１０の端部から端部まで連続的に突出部１１ａが設けられている。このレンズ１０は一のレンズで複数の発光デバイス２に対して共通の光入射面として機能する。この例では、複数配置されたＬＥＤデバイス毎に仕切り部等で発光デバイス配置部を区画することなく、隣接する発光デバイス２を同一のレンズ１０で集光させている。またこの図に示すディスプレイ装置用レンズは、フレネルレンズ形状の突出部１１ａに円弧状の面を設けない平面のみで構成しているが、図１等と同様に部分的に円弧状の面を有する構成としてもよいことはいうまでもない。このレンズは形状を極めて簡単にでき、製造が容易でコストを安価に抑えることができる。また構造が単純になる分、埃の付着もより一層低減され、ゴミ等が溜まり難く、かつ清掃が容易なレンズとすることができる。さらに、集光機能を実現するフレネルレンズ形状、シリンドリカルレンズ形状、プリズム形状等の非平面状の光入射面を発光デバイスの直近に配置することができ、レンズ部分の側面において生じる光の取り出しロスも低減される。
【００５７】
以上の説明では、光源となる発光デバイスとしてＬＥＤデバイスを例に説明したが、ＥＬ素子、白熱電球等種々の発光デバイスを用いることができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の発光装置およびディスプレイ装置は、観察者が光源からの光を高品質な状態で正しく観察できる。それは、本発明の発光装置およびディスプレイ装置が、光源をレンズの焦点距離Ｆよりも近い距離Ｌに配置しているからである。これによって、焦点の合う範囲が光源の発光面上で拡大されるので、光軸上近辺における位置の変化による輝度変化の度合いを低減することができる。したがって、観察者の左目と右目の位置の違いによる輝度の差が小さくなり、光が両目で均一に正しく観察され、高品質な光の再現性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態に係る発光装置の平面図及び断面図である。
【図２】本発明の第一の実施の形態に係る発光装置およびディスプレイ装置に使用可能なＬＥＤ発光デバイスを示す断面図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態に係る発光装置の平面図及び断面図である。
【図４】本発明の第三の実施の形態に係るディスプレイ装置用レンズの概略斜視図である。
【図５】本発明の第三の実施の形態に係るディスプレイ装置の断面図である。
【図６】従来のシリンドリカルレンズを用いたＬＥＤランプの平面図及び断面図である。
【図７】従来のフレネルレンズを用いたＬＥＤランプの平面図及び断面図である。
【図８】従来のシリンドリカルレンズを用いたＲ、Ｇ、ＢのＬＥＤチップを並べたＬＥＤランプの平面図及び断面図である。
【図９】従来のフレネルレンズを用いたＲ、Ｇ、ＢのＬＥＤチップを並べたＬＥＤランプの平面図及び断面図である。
【図１０】レンズと発光デバイスの配置によって、発光デバイスから出射される光の軌跡が変化する様子を示す概念図である。
【図１１】本発明の第四の実施の形態に係るフレネルレンズを用いたディスプレイの概略的な斜視図である。
【符号の説明】
１、１００、５００、６００・・・ＬＥＤランプ
２・・・発光デバイス
２ａ・・・上面
１０、１１０、２１０、５１０、６１０・・・レンズ
１１、１１１、２１１、５１１・・・レンズ部
１１１ｂ・・・下面
１１ａ、２１１ａ、６１１ａ・・・突出部
１２、１１２、５１２、６１２・・・ベース部
１３、１１３、２１３、５１３、６１３・・・光入射面
１４、１１４、２１４、５１４、６１４・・・光出射面
１５、１１５、２１５・・・側壁
２００・・・ディスプレイ装置
４０１、４１１、４２１、４３１、５２０、６２０・・・ＬＥＤチップ
４０２・・・保護膜
４０３、４０３ａ、ｂ・・・電極
４０４・・・窒化ガリウム系化合物半導体
４０５・・・サファイア基板
４１３ａ，ｂ、４２３ａ，ｂ、４３３ａ，ｂ・・・外部電極
４１５、４２５、４３５・・・デバイス基板
４１６、４２６、４３６・・・透光性樹脂
４２７、４３７・・・絶縁性樹脂ケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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