(57)【要約】【課題】選択的な集光性を実現して見やすくすると共に、埃等による性能劣化を軽減しメンテナンスが容易なディスプレイ装置およびレンズを提供する。【解決手段】ディスプレイ装置は、複数の発光素子が略平面状に配置された表示部と、表示部と対向する位置に設けられ、表示部を構成する各発光素子の発光を偏光、収束して外部に放出するレンズ体とを備える。レンズ体は、発光素子と対向する面を、水平方向に延長された互いに略平行な複数の突出部を備える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に形成され、かつ外部に表出する面を略平面状に形成している。これによって、水平方向には広く垂直方向には狭い指向性を備える集光機能を実現すると共に、レンズを外部に表出させずに埃等から保護することが実現される。【選択図】  図１
2004342780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光素子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発光素子の発光を偏光、収束して外部に放出するレンズ体とを備えるディスプレイ装置であって、
前記レンズ体の備える光の集光性が、
前記表示部を構成する平面と平行な第１の方向において、
前記表示部を構成する平面と平行であって前記第１の方向と直交する第２の方向よりも大きく、かつ
前記集光性を奏するレンズ構造は前記表示部と対向する面に形成されてなり、なおかつ前記レンズ体の他方の面は略平面状であることを特徴とするディスプレイ装置。
【請求項２】
前記レンズ体が前記第２の方向における集光性を持たないことを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
【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記載のディスプレイ装置。
【請求項４】
前記表示部を構成する各発光素子が、Ｒ、Ｇ、Ｂいずれかに発光可能なＬＥＤであることを特徴とする請求項１から３のいずれか記載のディスプレイ装置。
【請求項５】
前記表示部を構成する各発光素子が、Ｒ、Ｇ、Ｂにそれぞれ発光可能な複数のＬＥＤチップを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか記載のディスプレイ装置。
【請求項６】
複数の発光素子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発光素子の発光を偏光、収束して外部に放出するレンズ体とを備えるディスプレイ装置であって、
前記レンズ体は、前記発光素子と対向する面を、水平方向に延長された互いに略平行な複数の突出部を備える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に形成され、かつ外部に表出する面を略平面状に形成したことを特徴とするディスプレイ装置。
【請求項７】
複数の発光素子が略平面状に配置された表示部を備えるディスプレイ装置に使用されるレンズであって、前記レンズは前記ディスプレイ装置の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発光素子の発光を偏光、収束して外部に放出するものであり、
前記レンズの備える光の集光性が、
前記表示部を構成する平面と平行な第１の方向において、
前記表示部を構成する平面と平行であって前記第１の方向と直交する第２の方向よりも大きく、かつ
前記集光性を奏するレンズ構造は前記表示部と対向する面に形成されてなり、なおかつ前記レンズの他方の面は略平面状であることを特徴とするディスプレイ装置用レンズ。
【請求項８】
前記レンズが前記第２の方向における集光性を持たないことを特徴とする請求項７記載のディスプレイ装置用レンズ。
【請求項９】
前記レンズの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７または８記載のディスプレイ装置用レンズ。
【請求項１０】
前記レンズは更に、前記発光素子と対向する面に形成されたレンズ構造が、水平方向に延長された互いに略平行な複数の突出部を備えてなり、前記発光素子を複数配置された状態で、隣接した発光素子に対して共通の光入射面をなすことを特徴とする請求項７から９のいずれか記載のディスプレイ装置用レンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面をレンズ体で被覆したディスプレイ装置、およびこのディスプレイ装置に使用されるレンズに関する。
【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、特定の一方向のみに配光するよう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、フレネルレンズ等がある。
【０００６】
【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
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のＬＥＤランプをＬＥＤディスプレイに適用した場合、半円柱形状、プリズム形状、フレネルレンズ形状がＬＥＤディスプレイの水平方向に延出した形で配置されることから、これらの段部の上面に埃やゴミ等が溜まりやすいという問題があった。その結果レンズの透明度が低下し、輝度が低下する。また汚れた場合の掃除や手入れが、凹凸があるため困難であるという問題もある。
【０００８】
さらに、レンズ部分が外部にさらされる構造のため、レンズに傷が付きやすく、運搬時や設置時においても突出するレンズ部分が接触し易くなり破損するおそれもあった。
【０００９】
次に、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。なお、図６（ｂ）中、ｔ１はレンズ部５１１の平面状の光入射面５１３に対する最大高さを示している。
【００１０】
さらに上述のＬＥＤランプ５００を詳細に検討すると、このＬＥＤランプ５００は、図６（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ５２０の発光面である上面から放出される光は、波線の矢印で示す範囲内の光のみがレンズ部５１１から外部に出射され、配光される。いいかえると、波線の外側の領域においては、ＬＥＤチップ５２０から放出された光がレンズ部５１１に正しく入射されず、よって配光も正しく行われずロスとなる。すなわち、図６（ｂ）においては、θ５で示す範囲、より詳細にはＬＥＤチップ５２０の発光面である上面と、ＬＥＤチップ５２０の上面端部からレンズ部５１１の同じく上面端部を通る直線とのなす角θ５の範囲において、光の取り出しロスが生じる。このロスはレンズ部５１１の両端において発生するため、ＬＥＤランプ５００の出力光を有効利用できない領域が比較的広範囲に生じてしまい、効率が悪く輝度を向上できないという問題がある。
【００１１】
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。なお、図７（ｂ）中、ｔ２はレンズ部６１１の平面状の光入射面６１３に対する最大高さを示している。
【００１２】
さらに、このＬＥＤランプ６００についても詳細に検討を行う。ＬＥＤランプ６００においては、厚いレンズと同様の光学的性質を持つように階段状に作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たレンズ部６１１の最大高さｔ２は、半円柱形状に形成された上述のレンズ部５１１の最大高さｔ１やプリズム形状に形成されたレンズ部の高さよりも小さい。このため、レンズ部６１１の両端において光の取り出しロスが発生する範囲θ６は、上述の半円柱形状に形成されたレンズ部５１１における角度θ５よりは小さいものの、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は、図７（ｂ）に示すようにＬＥＤチップ６２０とレンズ部６１１の横方向の端部とのなす角θ６の範囲に依然として比較的大きな光の取り出しロスが生じる。このようなロスは、いずれもＬＥＤランプの出力の利用効率が悪いという問題となっていた。
【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、レンズ部分を保護して長期間にわたって集光性能を維持できるディスプレイ装置およびディスプレイ装置用レンズ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、本発明の面状光源は、複数の発光素子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発光素子の発光を偏光、収束して外部に放出するレンズ体とを備えるディスプレイ装置であって、前記レンズ体の備える光の集光性が、前記表示部を構成する平面と平行な第１の方向において、前記表示部を構成する平面と平行であって前記第１の方向と直交する第２の方向よりも大きく、かつ前記集光性を奏するレンズ構造は前記表示部と対向する面に形成されてなり、なおかつ前記レンズ体の他方の面は略平面状であることを特徴とする。この構成によって、レンズ体のレンズ構造を外部に表出させず保護することができる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に記載されるディスプレイ装置は、請求項１に記載される特徴に加えて、前記レンズ体が前記第２の方向における集光性を持たないことを特徴とする。この構成によって、選択的な集光性が実現され、見やすさを維持しつつ輝度の向上を図ることができ、特に屋内のディスプレイ用途に好適に利用できる。
【００１６】
さらに、本発明の請求項３に記載されるディスプレイ装置は、請求項１または２に記載される特徴に加えて、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。この構成によって、例えば左右方向には広く上下には狭い指向性を有するとともに、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、またはプリズム形状等の非平面状の光入射面を発光デバイス等の光源の直近に配置することができ、レンズ体の側面付近における光の取り出しロスを低減することができる。
【００１７】
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、請求項１から３のいずれかに記載される特徴に加えて、前記表示部を構成する各発光素子が、Ｒ、Ｇ、Ｂいずれかに発光可能なＬＥＤであることを特徴とする。この構成によって、カラーディスプレイが実現されると共に、ＬＥＤを保護して長寿命のディスプレイ装置が実現できる。
【００１８】
さらにまた、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１から３のいずれかに記載される特徴に加えて、前記表示部を構成する各発光素子が、Ｒ、Ｇ、Ｂにそれぞれ発光可能な複数のＬＥＤチップを備えることを特徴とする。この構成によって、フルカラーディスプレイが実現されると共に、ＬＥＤを保護して長寿命のディスプレイ装置が実現できる。
【００１９】
さらに、本発明の請求項６に記載されるディスプレイ装置は、複数の発光素子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発光素子の発光を偏光、収束して外部に放出するレンズ体とを備えるディスプレイ装置であって、前記レンズ体は、前記発光素子と対向する面を、水平方向に延長された互いに略平行な複数の突出部を備える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に形成され、かつ外部に表出する面を略平面状に形成したことを特徴とする。この構成によって、レンズを外部に表出させず保護することができる。
【００２０】
また、本発明の請求項７に記載されるディスプレイ装置用レンズは、複数の発光素子が略平面状に配置された表示部を備えるディスプレイ装置に使用されるレンズであって、前記レンズは前記ディスプレイ装置の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発光素子の発光を偏光、収束して外部に放出するものであり、前記レンズの備える光の集光性が、前記表示部を構成する平面と平行な第１の方向において、前記表示部を構成する平面と平行であって前記第１の方向と直交する第２の方向よりも大きく、かつ前記集光性を奏するレンズ構造は前記表示部と対向する面に形成されてなり、なおかつ前記レンズの他方の面は略平面状であることを特徴とする。この構成によって、レンズ体のレンズ構造を外部に表出させず保護することができる。
【００２１】
また、本発明の請求項８に記載されるディスプレイ装置用レンズは、請求項７に記載される特徴に加えて、前記レンズが前記第２の方向における集光性を持たないことを特徴とする。この構成によって、選択的な集光性が実現され、見やすさを維持しつつ輝度の向上を図ることができ、特に屋内のディスプレイ用途に好適に利用できる。
【００２２】
さらにまた、本発明の請求項９に記載されるディスプレイ装置用レンズは、請求項７または８に記載される特徴に加えて、前記レンズの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。この構成によって、例えば左右方向には広く上下には狭い指向性を有するとともに、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、またはプリズム形状等の非平面状の光入射面を発光デバイス等の光源の直近に配置することができ、レンズ体の側面付近における光の取り出しロスを低減することができる。
【００２３】
さらにまた、本発明の請求項１０に記載されるディスプレイ装置用レンズは、請求項７から９のいずれかに記載される特徴に加えて、前記レンズは更に、前記発光素子と対向する面に形成されたレンズ構造が、水平方向に延長された互いに略平行な複数の突出部を備えてなり、前記発光素子を複数配置された状態で、隣接した発光素子に対して共通の光入射面をなすことを特徴とする。この構成によって、レンズ構造をシンプルとして製造が容易でコストを抑えたレンズとすることができる。
【００２４】
【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ディスプレイ装置およびディスプレイ装置用レンズを例示するものであって、本発明はディスプレイ装置およびディスプレイ装置用レンズを以下のものに特定しない。
【００２５】
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。
【００２６】
さらに本明細書において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。
【００２７】
［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フレネルレンズを用いたディスプレイ装置を構成する発光素子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３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。
【００２８】
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から光出射面１４まで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。
【００２９】
図１（ｂ）において、実線１３ａで表した線は、非平面状の光入射面１３の最も内側の位置、ここでは突出部１１ａの先端を示し、破線１３ｂで表した線は非平面状の光入射面１３の最も外側の位置、ここでは突出部と突出部の間の谷の部分を示す。
【００３０】
この図に示すようにレンズ部１１の突出部１１ａを内面に配置し、外面を平面状とすることで、レンズを保護できる構成となる。凹凸のあるレンズ部分が外部に表出する構造では、レンズの隙間にゴミや埃、砂塵等が溜まりやすく、レンズの透明度が低下し、光の取り出し効率が悪くなる原因となる。溜まった砂塵はレンズに傷を付ける原因ともなるため、さらに輝度が低下する。またレンズの掃除や手入れも、凹凸の突起が邪魔となり作業が困難となる。これに対し本発明のように外部に表出しない内面にレンズの凹凸条を配置することによって、外部からのゴミや埃といった異物の侵入が抑制され、レンズを保護することができる。またレンズの凹凸条が外部に突出しないので、ディスプレイ装置の運搬時や設置時においてもレンズが破損する危険性を回避できる。さらにまた、レンズの反対側を平面状とすることで、この部分が外部に晒されても埃が溜まることなく、また清掃作業も簡単に行うことができるというメリットが得られる。このように、本実施の形態に係るディスプレイ装置は、特に屋外で使用される使用環境において、埃による性能劣化を極減し、さらに清掃等の管理作業を容易にできるという優れた特長が実現される。
【００３１】
発光デバイス２は、発光素子として砲弾型の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。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。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。
【００３９】
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。
【００４０】
［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ディスプレイ装置を構成する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３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。
【００４１】
図３（ｂ）において、実線１１３ａで表した線は、非平面状の光入射面１３の最も内側の位置、円柱部分の最上部を示し、破線１１３ｂで表した線は非平面状の光入射面１３の最も外側の位置、ここでは円柱部分とベース部１１２との接続部を示す。ここでは、レンズ部１１１の内側が半円柱形状に形成された例を示したが、フレネルレンズ以外のプリズム形状に形成することもできる。また、略球面状に形成してもよい。
【００４２】
ここで、本発明の第一の実施の形態に係るレンズ１と、本発明の第二の実施の形態に係るレンズ１００との光の取り出しロスについて説明する。本発明の第一の実施の形態に係るレンズ部１１は、図１（ａ）において横方向に延長されており、ベース部１２の内面まで形成されると共に、フレネルレンズ形状の突出部１１ａが形成された非平面状の光入射面１３がレンズ１０の内側、すなわち発光デバイス２側に配置されている。このため、図１（ｂ）に示すように、集光機能を実現するフレネルレンズ形状の突出部１１ａが発光デバイス２に接近するように配置される。したがって、発光デバイス２からの出射光がレンズ１で集光されて取り出される範囲は、図１（ｂ）に示すように発光デバイス２の右上点と、突出部１１ａの先端１３ａとベース部１２とが交差する接合部とを通過する直線で決定される。この直線と発光デバイス２の発光面である上面とがなす角をθ１とすると、θ１は外部に取り出しできない光の範囲を示す。一方、フレネルレンズの谷部１３ｂについて、発光デバイス２の上面となす角をθ２とする。図６、図７と比較すると、上記の構成によってθ１、θ２は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。
【００４３】
一方、本発明の第二の実施の形態に係るレンズ部１１１は、図３（ａ）の横方向のベース部１１２の内面の端部まで形成されるとともに、円柱状に形成された非平面状の光入射面１１３がレンズ１１０の内側、すなわち発光デバイス２側に配置されている。このため、図３（ｂ）に示すように、集光機能を実現する非平面状の光入射面１１３を発光デバイス２に接近して配置することができる。光入射面１１３の最上部１１３ａの横方向の端部と発光デバイス２とのなす角をθ３、および光入射面１１３の接続部１１３ｂと発光デバイス２とのなす角をθ４とすると、これらの角度は上記の構成によって、図６、図７と比較して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。
【００４４】
上述した光の取り出しロスを示す角度の差Δθ（θ２−θ１、θ４−θ３）の範囲では、部分的に偏光が行われ、一部の光はロスとなる。本発明の第一の実施の形態に係るレンズ１においては、レンズ部１１は、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、図１に示す第一の実施の形態に係る薄手のレンズ１における光の取り出しロスが生じる角度の差Δθ（＝θ２−θ１）は、半円柱形状や三角形状のプリズム形状に形成された第二の実施の形態に係る厚手のレンズ１００において光の取り出しロスの生じる角度の差Δθ（＝θ４−θ３）よりも小さい。
【００４５】
このように、ＬＥＤランプ１００の内面に凹レンズを設ける構造では、図３（ｂ）に示すようにレンズの肉厚が厚くなる。図１（ｂ）と対比すれば明らかなとおり、光の取り出しロスを低減するにはレンズの面積が広いほど、またレンズの肉厚が薄いほど好ましい。したがって内面にフレネルレンズを設ける構成は好ましい。本発明の第一の実施の形態に係るレンズ１は、図１（ｂ）のＬＥＤランプ１の端部における光の取り出しロスのばらつきが小さいので、第二の実施の形態より一層、均質かつ効率的に光を取り出し、かつ集光することができるという極めて優れた効果を奏する。
【００４６】
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に、本発明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を示す。図４（ａ）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。レンズ２１０において、共有された側壁１２は、発光デバイス２を配置する発光デバイス配置部２０１を形成する仕切り部２１２を構成する。各発光デバイス配置部２０１における突出部２１１ａは同じ方向に形成される。レンズ２１０においては、複数の発光デバイスに対して共通の平面状の光出射面２１４を備えることから、複数の発光デバイスが個々に光出射面を備えるディスプレイ装置よりも、より一層埃が溜まり難く、清掃が容易となる。個々の発光デバイスの光出射面間の隙間がないからである。レンズ２１０の非平面状の光入射面２１３は、レンズ１の非平面状の光入射面１３と同様に構成される。
【００４７】
図４（ａ）の例では、発光デバイス配置部２０１が図１（ａ）における縦方向に複数配列された構成を示したが、横方向に複数配列してもよく、また、ｍ×ｎ個のマトリックス状に複数配列してもよい。例えば、図８に示すディスプレイ装置用レンズ８１０は、図４（ａ）のレンズ２１０において発光デバイス配置部２０１を紙面を貫く方向に延長し、発光デバイスを一列に複数配置できるようにしたものである。これによって発光デバイスをマトリクス状に配置することができる。特にこの構成においては、レンズ構造を集光性を有しない方向に延長しているため、この方向における光の取り出しロスを極減することができる。また、各発光デバイス配置部２０１には、発光デバイスを２列以上配置できるように、各発光デバイス配置部２０１に設けられる光入射面のパターンを、フレネルレンズ構造を２列以上連続させたものに変更してもよい。
【００４８】
また図９に示すディスプレイ装置用レンズ９１０は、図８と９０°異なる方向に発光デバイス配置部２０１を延長した例を示している。この構造では、各発光デバイス配置部２０１に発光デバイスを２列以上配置する場合、レンズ構造を変更する必要がない。さらに図１０に示すディスプレイ装置用レンズ１０１０は、縦横に発光デバイス配置部を形成する仕切り部を構成している。
【００４９】
図４（ｂ）に示すディスプレイ装置３００のレンズ３１０は、第一の実施の形態に係る複数のレンズ１００が側壁１１２を共有して一体化した構造を備える。レンズ３１０において、共有された側壁１１２は、発光デバイス２を配置する発光デバイス配置部３０１を形成する仕切り部３１２を構成する。各発光デバイス配置部３０１における半円柱形状あるいはプリズム形状は同じ方向に形成される。レンズ３１０においては、複数の発光デバイスに対して共通の平面状の光出射面３１４を備えることから、複数の発光デバイスが個々に光出射面を備えるディスプレイ装置よりも、より一層埃が溜まり難く、清掃が容易となる。個々の発光デバイスの光出射面間の隙間がないからである。レンズ３１０の非平面状の光入射面３１３は、レンズ１００の非平面状の光入射面１１３と同様に構成される。図４（ｂ）の例では、発光デバイス配置部３０１が図２（ａ）における縦方向に複数配列された構成を示したが、上述した図４（ａ）と同様、横方向に複数配列してもよく、また、ｍ×ｎ個のマトリックス状に複数配列してもよい。さらに後述するように、発光デバイス配置部等の区画を省略してもよい。さらにまた、後述する図５、図８〜図１０のいずれにおいても、図４（ａ）のレンズ構造と図４（ｂ）のレンズ構造を任意に組み合わせて使用してもよい。例えば一行おきにフレネルレンズ構造とシリンドリカルレンズ構造を交互に成形する構成とすることができる。
【００５０】
以上説明した本発明の実施の形態に係るレンズ２１０、３１０の各発光デバイス配置部２０１、３０１に発光デバイスを配置して、複数の発光デバイスを有するディスプレイ装置として構成することができる。このような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、３１０が、仕切り部２１２、３１２によって各発光デバイス配置部２０１、３０１を形成する例を示したが、仕切り部２１２、３１２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内側の表面にレンズの端部から端部にわたって連続的に非平面状の光入射面２１３、３１３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非平面状の光入射面２１３、３１３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非平面状の光入射面２１３、３１３の下に所定の方向にわたって配置される。
【００５１】
［第三の実施の形態］
（ディスプレイ装置用レンズ）
次に、本発明の第三の実施の形態に係るディスプレイ装置の構成例を、図５に基づいて説明する。図５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、その上部にディスプレイ装置用レンズ１０を配置した状態を示している。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。図５の例では、複数の発光デバイス２は５×５のマトリックス状に配置されているが、上述の実施の形態とは異なり、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。
【００５２】
以上のディスプレイ装置用レンズを使用したディスプレイ装置においては、レンズの突出部１１ａの並ぶ方向が、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される。特に、以上説明したディスプレイ装置は、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見られるが、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。
【００５３】
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等が挙げられる。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。
【００５４】
以上の説明では、発光素子としてＬＥＤデバイスを例に説明したが、本発明はＬＥＤに限られず、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。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、選択的な集光性を実現してディスプレイを見やすくすると共に、埃等による性能劣化を軽減しメンテナンスが容易なディスプレイ装置およびディスプレイ装置用レンズが実現される。それは、本発明のディスプレイ装置およびディスプレイ装置用レンズが、レンズの突出部を発光素子と対向する面に設けることにより、直接外部に晒されないようにして保護できるからである。レンズの突出部を外部に表出させないことで、砂塵や埃の侵入が低減され、レンズの透明度悪化による輝度の低下が防止され、性能劣化の少ない高品質なディスプレイ装置およびディスプレイ装置用レンズが実現される。
【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ディスプレイ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ディスプレイ装置の平面図及び断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るディスプレイ装置を示す概略断面図である。
【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を示す概略斜視図である。
【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】本発明の実施の形態に係るディスプレイ装置用レンズを示す概略斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態に係るディスプレイ装置用レンズを示す概略斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係るディスプレイ装置用レンズを示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１、１００、５００、６００・・・ＬＥＤランプ
２・・・発光デバイス
３・・・実装基板
１０、１１０、２１０、３１０、５１０、６１０、８１０、９１０、１０１０・・・レンズ
１１、１１１、５１１、５１２・・・レンズ部
１１ａ、６１１ａ・・・突出部
１３ｂ・・・谷部
１２、１１２、５１２、６１２・・・ベース部
１３、１１３、２１３、５１３、６１３・・・光入射面
１４、１１４、２１４、３１４、５１４、６１４・・・光出射面
２００、３００・・・ディスプレイ装置
２０１、３０１・・・発光デバイス配置部
２１２、３１２・・・仕切り部
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】
2004342780.tif 000003
【図２】
2004342780.tif 000004
【図３】
2004342780.tif 000005
【図４】
2004342780.tif 000006
【図５】
2004342780.tif 000007
【図６】
2004342780.tif 000008
【図７】
2004342780.tif 000009
【図８】
2004342780.tif 000010
【図９】
2004342780.tif 000011
【図１０】
2004342780.tif 000012