JP2017016995A - 発光装置、面光源装置および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の発光素子を使用しながらも、輝度ムラが小さい発光装置を提供すること。【解決手段】面光源装置は、複数の発光素子と、第１光束制御部材および第２光束制御部材を含む光束制御部材とを有する。前記第１光束制御部材は、前記第１光束制御部材の第１中心軸と交わるように、前記複数の発光素子と対向して配置された凹状の第１入射面と、前記第１中心軸と交わるように配置された内側出射面と、前記内側出射面を取り囲むように配置され、前記断面における形状が凸状の外側出射面とを有する、前記第１入射面の反対側に配置された第１出射面とを含む。第２光束制御部材は、第１光束制御部材から出射された光を第１中心軸に沿う方向に向かうように制御する。また、面光源装置は、第１光束制御部材の焦点距離をｆとし、第１中心軸と、第１中心軸から最も離れた発光素子における光軸との距離をｄとしたとき、−０．６＜ｄ／ｆ＜０を満たす。【選択図】図５

Description

本発明は、複数の発光素子を有する発光装置、当該発光装置を有する面光源装置および表示装置に関する。

近年、速度表示などの情報をスクリーン（例えば、車のフロントガラス）に直接表示することができるヘッドアップディスプレイ（Head-Up Display；以下単に「ＨＵＤ」ともいう）が使用されている。ＨＵＤには、発光素子からの出射光が、レンズ（光束制御部材）で配光を制御された後、液晶パネルなどを介してスクリーンに投影されるものがある。この場合、ユーザーは、スクリーンからの反射光により投影された情報を認識することができる。

ＨＵＤでは、複数の発光素子（例えば、ＬＥＤ）を使用した面光源装置が光源として採用されうる。しかし、複数の発光素子を使用した面光源装置では、面光源装置の出射面において輝度の高い領域と、輝度の低い領域とを有する輝度ムラが生じることがある。そこで、このような輝度ムラを解消する手段がいくつか提案されている（例えば、特許文献１）。

図１Ａは、特許文献１に記載の面光源装置１０の構成を示す断面図であり、図１Ｂは、特許文献１に記載の面光源装置１０に含まれるレンズアレイ１４の概略を示す平面図であり、図１Ｃは、特許文献１に記載のレンズアレイ１４からの出射光の輝度分布（相対輝度）を示すグラフであり、図１Ｄは、隣接する２つのレンズの境界線に凹凸形状を有しないレンズアレイからの出射光の輝度分布（相対輝度）を示すグラフである。

特許文献１に記載の面光源装置１０は、基板１１上に配置された複数のＬＥＤ１２と、レンズアレイ１４と、拡散部材１５とを有する。図１Ａに示されるように、面光源装置１０では、７個のＬＥＤ１２が一列に配置されている。また、図１Ｂに示されるように、レンズアレイ１４では、７個のＬＥＤ１２に対応して７個のレンズ１３が一列に配置されている。レンズアレイ１４の隣接する２つのレンズ１３の境界線１６上には、凹凸部１７が形成されている。特許文献１に記載の面光源装置１０は、ＬＥＤ１２からの出射光をレンズ１３でそれぞれ集束させ、集束させた光を拡散部材１５で拡散させる。このとき、凹凸部１７により、レンズアレイ１４から出射される光の輝度が平均化される。その結果、特許文献１に記載の面光源装置１０では、凹凸形状が形成されていない場合と比較して（図１Ｄ参照）、輝度が高い領域と輝度が低い領域とで輝度の差が小さくなる（図１Ｃ参照）。

特開２０１１−７６８３２号公報

しかしながら、図１Ｃに示されるように、特許文献１に記載の面光源装置１０では、十分に輝度ムラが低減されているとはいえないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、複数の発光素子を使用しながらも、輝度ムラが小さい発光装置を提供することである。また、本発明は、当該発光装置を有する面光源装置および表示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、複数の発光素子と、第１光束制御部材および第２光束制御部材を含み、前記複数の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、前記第１光束制御部材は、前記第１光束制御部材の第１中心軸と交わるように、前記複数の発光素子と対向して配置された凹状の第１入射面と、前記第１中心軸と交わるように配置された内側出射面と、前記内側出射面を取り囲むように配置され、前記第１中心軸を含む断面における形状が凸状の外側出射面とを有する、前記第１入射面の反対側に配置された第１出射面とを含み、前記第２光束制御部材は、前記第１光束制御部材から出射された光を前記第１中心軸に沿う方向に向かうように制御し、前記第１光束制御部材の焦点距離をｆとし、前記第１中心軸と、前記第１中心軸から最も離れた前記発光素子における光軸との距離をｄとしたとき、以下の式（１）を満たす。
−０．６＜ｄ／ｆ＜０ ・・・（１）

本発明に係る面光源装置は、本発明に係る発光装置と、前記発光装置と空気層を介して配置された拡散板と、を有する。

本発明に係る表示装置は、本発明に係る面光源装置と、前記面光源装置から出射された光を照射される表示部材と、を有する。

本発明によれば、複数の発光素子を使用しながらも、輝度ムラが少ない発光装置、当該発光装置を有する面光源装置および表示装置を提供できる。

図１Ａ、Ｂは、特許文献１に記載の面光源装置の構成を説明するための図であり、図１Ｃ、Ｄは、レンズアレイからの出射光の輝度分布を説明するためのグラフである。 図２Ａは、本発明の実施の形態１に係る表示装置の断面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示される表示装置の表示領域を示す図である。 図３Ａ〜Ｄは、第１光束制御部材の構成を示す図である。 図４Ａ〜Ｄは、第２光束制御部材の構成を示す図である。 図５は、表示装置の光路を示す図である。 図６Ａ、Ｂは、光束制御部材と、発光素子との関係を説明するための図である。 図７Ａ、Ｂは、照射領域を説明するための図である。 図８は、式（２）および式（３）を説明するための図である。 図９は、式（４）および式（５）を説明するための図である。 図１０は、実施例１および実施例２で使用した表示装置の構成を示す模式図である。 図１１Ａ〜Ｃは、被照射部材の表示領域における輝度分布を示すグラフである。 図１２Ａ〜Ｃは、被照射部材の表示領域における輝度分布を示すグラフである。 図１３は、表示装置におけるｄ／ｆと、均斉度との関係を示すグラフである。 図１４Ａ〜Ｃは、代表的な表示装置の表示領域における輝度分布を示すグラフである。 図１５は、表示装置におけるθ４と、均斉度（５°）／均斉度（０°）との関係を示すグラフである。 図１６Ａ、Ｂは、Ｎｏ．１９の表示装置の光路を示す図である。 図１７Ａ、Ｂは、Ｎｏ．２３の表示装置の光路を示す図である。 図１８Ａ、Ｂは、Ｎｏ．３１の表示装置の光路を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、ＨＵＤにおいて、スクリーンに情報を表示するために使用されうる表示装置について説明する。ＨＵＤは、表示装置と、表示装置からの光を適切にスクリーンに投影するための投影レンズと、スクリーンとを有する。表示装置からの出射光は、投影レンズなどを含む投影光学系を経てスクリーンに照射される。

［実施の形態１］
（面光源装置および表示装置の構成）
図２Ａは、本発明の実施の形態１に係る表示装置１００の断面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示される表示装置１００の表示領域１２１を示す図である。図２Ａでは、第１脚部を省略している。

図２Ａ、Ｂに示されるように、実施の形態１に係る表示装置１００は、面光源装置１１０と、表示部材１２０とを有する。

面光源装置１１０は、表示装置１００の光源である。面光源装置１１０は、発光装置１３０と、拡散板１４０とを有する。発光装置１３０は、複数の発光素子１１２と、第１光束制御部材１１４および第２光束制御部材１１５を含む光束制御部材１１３とを有し、基板１１１上に配置されている。

基板１１１は、複数の発光素子１１２と、光束制御部材１１３とを支持する。基板１１１の種類は、特に限定されない。基板１１１は、発光素子１１２に電気を供給する観点から、回路基板を用いることが好ましい。たとえば、基板１１１は、ガラスコンポジット基板やガラスエポキシ基板、Ａｌ基板などである。

複数の発光素子１１２は、面光源装置１１０の光源であり、基板１１１上に固定されている。たとえば、発光素子１１２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。複数の発光素子１１２から出射される光の色は、それぞれ同じであってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。本実施の形態では、複数の発光素子１１２から出射される光の色は、全て同じである。また、発光素子１１２から出射される光の色は、特に限定されない。発光素子１１１２から出射される光の色の種類には、白、赤、青、緑などが含まれる。通常は、発光素子１１２は、発光素子１１２の発光面に対する法線方向に最も強く光を出射する。発光素子１１２の数は、表示部材１２０の大きさや、基板１１１と表示部材１２０との間の距離などに応じて適宜変更されうる。本実施の形態では、発光素子１１２の数は、３つである。複数の発光素子１１２の配置は、特に限定されない。複数の発光素子１１２は、直線上に配置されていてもよく、多角形の頂点に対応する位置に配置されていてもよく、円環状に配置されていてもよい。本実施の形態では、複数の発光素子１１２は、直線上に配置されている。また、本実施の形態では、中央部に配置されている発光素子１１２の光軸と、第１中心軸ＣＡ１（第２中心軸ＣＡ２）とが一致するように配置されている。ここで、「発光素子１１２の光軸」とは、発光素子１１２から立体的に出射された全光束の中心における光の進行方向をいう。また、「複数の発光素子１１２の光軸」とは、複数の発光素子１１２から立体的に出射された全光束の中心における光の進行方向をいう。また、隣接する発光素子１１２間の間隔（隣接する発光素子１１２の光軸間距離）は、特に限定されない。

光束制御部材１１３は、発光素子１１２からの出射光の配光を制御する。光束制御部材１１３は、第１光束制御部材１１４および第２光束制御部材１１５を含む。第１光束制御部材１１４の第１中心軸ＣＡ１と、第２光束制御部材１１５の第２中心軸ＣＡ２とは一致していてもよいし、一致していなくてもよい。本実施の形態では、第１光束制御部材１１４の第１中心軸ＣＡ１と、第２光束制御部材１１５の第２中心軸ＣＡ２とは一致している。第１光束制御部材１１４は、発光素子１１２側に配置されており、第２光束制御部材１１５は、発光素子１１２に対して第１光束制御部材１１４より離れた位置（拡散板１４０側）に配置されている。第１光束制御部材１１４（第１入射面１３１および第１出射面１３２）は、第１中心軸ＣＡ１を回転軸とする回転対称であり、第２光束制御部材１１５（第２入射面１４１および第２出射面１４２）は、第２中心軸ＣＡ２を回転軸とする回転対称である。第１光束制御部材１１４および第２光束制御部材１１５は、第１中心軸ＣＡ１および第２中心軸ＣＡ２が一致するように配置されている。

第１光束制御部材１１４および第２光束制御部材１１５の材料は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。第１光束制御部材１１４および第２光束制御部材１１５の材料の例には、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）などの光透過性樹脂や、光透過性のガラスなどが含まれる。また、第１光束制御部材１１４および第２光束制御部材１１５は、例えば射出成形により製造される。第１光束制御部材１１４および第２光束制御部材１１５の構成については、後述する。

拡散板１４０は、面光源装置１１０から出射された光を拡散させつつ、透過させる。拡散板１４０の例には、光拡散処理（例えば、粗面化処理）が行われた透明な板状の部材、およびビーズなどの散乱子が配合された透明な板状の部材が含まれる。

表示部材１２０は、例えば液晶パネルである。表示部材１２０は、スクリーンに投影する画像が表示される表示領域１２１を有する。表示領域１２１には、面光源装置１１０によって制御された光が均一に照射される。なお、本実施の形態では、表示部材１２０の長辺をＸ、短辺をＹで表した場合、０．８Ｘ×０．８Ｙで表される領域を表示領域１２１とした（図２Ｂ参照）。

発光素子１１２から出射された光は、第１光束制御部材１１４および第２光束制御部材１１５によって配光が制御される。第２光束制御部材１１５から出射された光は、拡散板１４０によって拡散されつつ透過され、表示部材１２０を均一に照らす。

（光束制御部材の構成）
図３は、第１光束制御部材１１４の構成を示す図である。図３Ａは、第１光束制御部材１１４の平面図であり、図３Ｂは、底面図であり、図３Ｃは、側面図であり、図３Ｄは、図３Ａに示されるＡ−Ａ線の断面図である。図４は、第２光束制御部材１１５の構成を示す図である。図４Ａは、第２光束制御部材１１５の平面図であり、図４Ｂは、底面図であり、図４Ｃは、側面図であり、図４Ｄは、図４Ａに示されるＡ−Ａ線の断面図である。

前述したように、光束制御部材１１３は、第１光束制御部材１１４と、第２光束制御部材１１５と、を有する。

第１光束制御部材１１４は、発光素子１１２から出射された光の配光を制御する。図３Ａ〜Ｄに示されるように、第１光束制御部材１１４は、第１入射面１３１と、第１出射面１３２を有する。なお、第１光束制御部材１１４には、第１フランジ１３３が設けられていてもよい。また、第１フランジ１３３の裏側には、第１光束制御部材１１４を基板１１１に固定するための第１脚部（図示省略）が設けられていてもよい。第１光束制御部材１１４は、発光素子１１２と対向して配置されている。第１光束制御部材１１４を基板１１１に固定する方法は、特に限定されず、接着固定、ネジ止め、ホルダーでの固定等が採用されうる。たとえば、第１光束制御部材１１４および基板１１１は、第１脚部を接着剤により基板１１１に接着することで互いに固定されうる。

第１入射面１３１は、発光素子１１２から出射された光を第１光束制御部材１１４の内部に入射させるとともに、入射した光を第１出射面１３２に向けて屈折させる。第１入射面１３１は、発光素子１１２の発光面と対向して第１中心軸ＣＡ１と交わるように配置されている。第１入射面１３１の形状は、前述の機能を発揮できれば、特に限定されない。本実施の形態では、第１入射面１３１は、発光素子１１２に対向して配置された第１凹部１３４の内面である。第１入射面１３１の表面は、球面であってもよく、非球面であってもよい。本実施の形態では、第１入射面１３１は、発光素子１１２から出射された光のうち、一部の光に対して負のパワーを有する。すなわち、第１入射面１３１の形状は、凹レンズ形状であり、第１入射面１３１は、非球面である。

第１出射面１３２は、第１光束制御部材１１４の内部を進行した光を外部に出射させる。第１出射面１３２は、第１入射面１３１の反対側（第２光束制御部材１１５側）に配置されている。第１出射面１３２は、内側第１出射面１３２ａと、外側第１出射面１３２ｂと、を有する。

内側第１出射面１３２ａは、第１中心軸ＣＡ１と交わるように配置されている。内側第１出射面１３２ａの形状は、第１中心軸ＣＡ１に対して拡げられるように光が出射されれば特に限定されない。すなわち、内側第１出射面１３２ａの形状は、内側第１出射面１３２ａに到達する光束を第１中心軸ＣＡに対してさらに拡げる場合には、凹状に形成される。この場合、内側第１出射面１３２ａに到達した光に対して負のパワーを有する。一方、内側第１出射面１３２ａに到達する光束を第１中心軸ＣＡに対して拡がりすぎないようにする場合には、浅い凸条に形成される。この場合、内側第１出射面１３２ａに到達した光に対して正のパワーを有する。いずれの場合であっても、内側第１出射面１３２ａから出射される光は、第１中心軸ＣＡ１に対して拡げられるように制御される。

外側第１出射面１３１ｂは、内側第１出射面１３１ａを取り囲むように、第１中心軸ＣＡ１に対して内側第１出射面１３１ａより離れた位置に配置されている。外側第１出射面１３１ｂは、第１入射面１３１で入射した光のうち、一部の光を第１中心軸ＣＡ１側に向けて屈折（集光）させる。言い換えると、外側第１出射面１３１ｂは、発光素子１１２から出射された光のうち、第１中心軸ＣＡ１に対する出射角度が大きい光に対して、正のパワーを有する。外側第１出射面１３１ｂの形状は、凸レンズ形状であり、外側第１出射面１３１ｂは、非球面である。

第２光束制御部材１１５は、第１光束制御部材１１４から出射された光を略平行光となるように制御する。図４Ａ〜Ｄに示されるように、第２光束制御部材１１５は、第２入射面１４１と、第２出射面１４２と、を有する。第２光束制御部材１１５の形状は、前述の機能を発揮できれば特に限定されない。第２光束制御部材１１５は、第２入射面１４１に凸レンズ面を有していてもよいし、第２出射面１４２に凸レンズ面を有していてもよい。また、小型化する観点から、第２光束制御部材１１５は、屈折型のフレネルレンズ部を有していてもよいし、反射型のフレネルレンズ部を有していてもよい。本実施の形態では、第２光束制御部材１１５は、第２出射面１４２に屈折型のフレネルレンズ部１４５を有している。屈折型のフレネルレンズ部１４５を有する第２光束制御部材１１５は、反射型のフレネルレンズ部を有する第２光束制御部材１１５と比較して、組み立て誤差を吸収できる。なお、第２光束制御部材１１５には、第２フランジ１４３が設けられていてもよい。また、第２フランジ１４３の裏側には、第２光束制御部材１１５を基板１１１に固定するための第２脚部（図示省略）が設けられていてもよい。第２光束制御部材１１５を基板１１１に固定する方法は、特に限定されず、接着固定、ネジ止め、ホルダーでの固定などが採用されうる。たとえば、第２光束制御部材１１５および基板１１１は、第２脚部を接着剤により基板１１１に接着することで互いに固定されうる。

第２入射面１４１は、第１光束制御部材１１４から出射された光を第２光束制御部材１１５の内部に入射させるとともにフレネルレンズ部１４５に向けて屈折させる。第２入射面１４１の形状は、前述の機能を発揮できれば、特に限定されない。本実施の形態では、第２入射面１４１は、平面である。

第２出射面１４２は、第２光束制御部材１１５の内部を進行した光を外部に出射させるとともに、当該光を第１中心軸ＣＡ１に対して略平行光となるように屈折させる。第２出射面１４２は、フレネルレンズ部１４５を有する。フレネルレンズ部１４５は、同心に配置された平面視形状が円状の複数の凸部１４６を有する。

複数の凸部１４６は、それぞれ、入射した光を屈折させる屈折面１４７と、隣接する屈折面１４７を接続する接続面１４８と、を有する。凸部１４６において、屈折面１４７は、外側に配置されており、接続面１４８は、内側（第２中心軸ＣＡ２側）に配置されている。なお、複数の屈折面１４７は、第１光束制御部材１１４（第２光束制御部材１１５）の第１中心軸ＣＡ１（第２中心軸ＣＡ２）と光軸ＯＡが一致するように配置された発光素子１１２から出射された光が平行光となるように設計されている。

発光素子１１２から出射された光は、第１光束制御部材１１４および第２光束制御部材１１５によって、表示領域１２１を均一に照射するように制御される。発光素子１１２から出射される光の利用効率を向上させる観点から、第１光束制御部材１１４から出射された光のうち、大部分の光は、第２光束制御部材１１５に入射することが好ましい。よって、第１光束制御部材１１４から出射された光のうち、大部分の光が第２光束制御部材１１５に入射するように、第１光束制御部材１１４と、第２光束制御部材１１５との間隔が設定されている。

図５は、表示装置１００の光路を示す図である。図５では、光路を示すため、ハッチングを省略している。図５に示されるように、各発光素子１１２から出射された光は、第１光束制御部材１１４で混ざり合うように制御され、第１出射面１３２から出射される。第１光束制御部材１１４から出射された光は、第２光束制御部材１１５に到達する。このとき、第２光束制御部材１１５に到達した光の光線密度は、中央部では低く、周辺部では高くなるように制御される。言い換えると、第２光束制御部材１１５の第２入射面１４１では、中央部の光度は低く、周辺部の光度は高い。第２光束制御部材１１５に到達した光は、第２光束制御部材１１５により略平行光となるように（表示部材１２０の全面に対して光線密度が均一となるように）制御され、第２出射面１４２から出射される。第２出射面１４２から出射された光は、輝度が均一となるように表示部材１２０を照らす。

前述した表示装置１００において、発光素子１１２と、光束制御部材１１３とは、以下の式（１）を満たすように配置される。
−０．６＜ｄ／ｆ＜０ ・・・（１）
ここで、ｄは、第１光束制御部材１１４の第１中心軸ＣＡ１と、第１光束制御部材１１４の中心軸ＣＡ１から最も離れた発光素子１１２における光軸ＯＡとの距離（以下、単に「距離ｄ」ともいう）である。また、ｆは、第１光束制御部材１１４の焦点距離（以下、単に「焦点距離ｆ」ともいう）である。

図６を参照して、発光素子１１２と、光束制御部材１１３との関係について説明する。図６Ａは、第１光束制御部材１１４の焦点距離ｆを説明するための図であり、図６Ｂは、焦点距離ｆと、距離ｄとの関係を説明するための図である。図７Ａ、Ｂは、照射領域Ｓを説明するための図である。図７Ａは、距離ｄが大きい場合の照射領域を説明するための図であり、図７Ｂは、距離ｄが小さい場合の照射領域を説明するための図である。

本実施の形態に係る第１光束制御部材１１４は、レンズ全体として発光素子１１２から出射された光を拡げる方向に機能するため、以下のように焦点距離ｆが定義される。図６Ａに示されるように、第１光束制御部材１１４の焦点距離ｆについては、まず、第１光束制御部材１１４の第１中心軸ＣＡ１と平行な仮想入射光Ｌ１を第１入射面１３１側から入射させると仮定する。次いで、仮想入射光Ｌ１が第１出射面１３２から出射する仮想出射光Ｌ１’を想定する。次いで、仮想入射光Ｌ１を入射方向に延在させるとともに、仮想出射光Ｌ１’を出射方向とは逆に延在させたときの交点を主点Ａとする。次いで、第１出射面１３２から出射する仮想出射光Ｌ１’をさらに出射方向とは逆に延在させた仮想線と、第１光束制御部材１１４の第１中心軸ＣＡ１との交点を焦点Ｆとする。このとき主点Ａと焦点Ｆとの第１中心軸ＣＡ１に沿う距離が焦点距離ｆとなる。なお、本実施の形態では、焦点距離ｆは、マイナスの値となる。

次いで、焦点距離ｆと、距離ｄとの関係について説明する。図６Ｂに示されるように、ここでは、１列に光軸の中心間距離が距離ｄずつ離れて配列された３個の発光素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃと、１個の第１光束制御部材１１４とを想定する。また、中心に配置された発光素子１１２ｂの光軸ＯＡｂは、第１光束制御部材１１４の第１中心軸ＣＡ１と一致しているとする。すなわち、第１光束制御部材１１４の第１中心軸ＣＡ１から最も離れた発光素子１１２は、発光素子１１２ａ（発光素子１１２ｃ）である。さらに、各発光素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃから出射された仮想出射光の仮想被照射面Ｑ（本実施の形態の拡散板１４０に相当する）における到達点をそれぞれＰａ、Ｐｂ、Ｐｃとする。

図６Ｂに示されるように、第１光束制御部材１１４の第１中心軸ＣＡ１と、第１中心軸ＣＡ１から最も離れた発光素子１１２ａ（１１２ｃ）における光軸ＯＡとの距離（隣接する発光素子１１２の中心間距離）ｄが長くなると、各発光素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃから出射された光線の仮想平面における到達点間の距離Ｄが長くなることが分かる。ここで、発光素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃから出射された光は、仮想平面の所定の領域（照射領域Ｓ）を照らすため、各発光素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃによって照射される照射領域Ｓ同士が重なる面積が小さくなる（図７Ａ参照）。逆に、距離ｄが短くなると、各発光素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃによって照射される照射領域Ｓ同士が重なる面積が大きくなる（図７Ｂ参照）。このように、距離ｄを調整することで、各発光素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃによって照射される領域同士が重なる面積を調整できる。

一方、図６Ｂに示されるように、第１光束制御部材１１４の焦点距離ｆが短くなると、各発光素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃから出射された光線の仮想平面における到達点間の距離Ｄが長くなることが分かる。ここで、発光素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃから出射された光は、仮想平面の所定の領域（照射領域Ｓ）を照らすため、各発光素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃによって照射される照射領域Ｓ同士が重なる面積が小さくなる（図７Ａ参照）。逆に、焦点距離ｆが長くなると、各発光素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃによって照射される照射領域Ｓ同士が重なる面積が大きくなる（図７Ｂ参照）。このように、焦点距離ｆを調整することで、各発光素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃによって照射される領域同士が重なる面積を調整できる。

前述したように、焦点距離ｆと、第１光束制御部材１１４の第１中心軸ＣＡ１から最も離れた発光素子１１２の光軸との距離ｄは、後述する表示部材１２０における均斉度に大きく影響する。より具体的には、ｄが大きくなることによりｄ／ｆが−０．６以下となる場合には、前述の発光素子１１２からの出射光の照射領域Ｓ同士の重なりが小さくなる。特に長方形の画面の場合、短手（短辺）方向と比べて、長手（長辺）方向の重なりが少なくなるため長手方向の端部において輝度を十分に確保できない。一方、ｆを小さくして周辺を明るくしようとする場合には、ｄ／ｆの絶対値がさらに小さくなるため、ますます照射領域Ｓ同士の重なりが小さくなってしまう。

ｄ／ｆが０超の場合、第１光束制御部材１４の正のパワーが強くなりすぎてしまい、中心部の光線密度が周辺部の光線密度より高くなり、中心部の輝度が上昇してしまう。

一方、ｄ／ｆが−０．６＜ｄ／ｆ＜０を満たす場合には、発光素子１１２からの出射光の照射領域同士が適切に重なり合うため、輝度ムラが抑制される。

（効果）
以上のように実施の形態１に係る面光源装置を有する表示装置１００では、第１光束制御部材１１４の焦点距離ｆと、第１光束制御部材１１４の第１中心軸ＣＡ１および第１光束制御部材１１４の第１中心軸ＣＡ１から最も離れた発光素子１１２における光軸ＯＡとの距離ｄとは、−０．６＜ｄ／ｆ＜０を満たす。後述する実施例１に示されるように、ｄ／ｆを所定の値の範囲内とすることで、複数の発光素子１１２を使用する場合であっても表示部材１２０を均一に照らすことができる。

また、第２光束制御部材１１５は、屈折型のフレネルレンズ部１４５を有するため、表示装置１００を組み付ける場合に、組み付け誤差を吸収することができる。

［実施の形態２］
実施の形態２では、実施の形態１に係る表示装置１００における、表示領域１２１の正面から見た場合だけでなく、表示領域１２１の正面からずれた位置から見た場合であっても、輝度ムラが生じないための条件について説明する。なお、表示装置１００の構成は、実施の形態１に係る表示装置１００と同じであるため、同じ符号を付してその説明を省略する。

前述したように、表示装置１００は、面光源装置１１０と、表示領域１２１を含む表示部材１２０とを有する（図２Ａ参照）。また、面光源装置１１０は、発光装置１３０と、拡散板１４０とを有する。また、発光装置１３０は、複数の発光素子１１２と、第１光束制御部材１１４および第２光束制御部材１１５を含む光束制御部材１１３とを有し、基板１１１上に配置されている。

実施の形態２では、複数の発光素子１１２のうち、１つの発光素子１１２は、光軸ＯＡが第１光束制御部材１１４の第１中心軸ＣＡ１および第２光束制御部材１１５の第２中心軸ＣＡ２と一致するように配置されている。また、複数の発光素子１１２は、第１中心軸ＣＡ１に沿う方向に最も強く光を出射する。

また、前述したように、表示装置１００において、発光素子１１２と、光束制御部材１１３とは、以下の式（１）を満たすように配置される。
−０．６＜ｄ／ｆ＜０ ・・・（１）

実施の形態２に係る表示装置１００は、前述した式（１）に加え、以下の式（２）〜式（５）をさらに満たすように構成される。

図８は、式（２）および式（３）を説明するための図である。図９は、式（４）および式（５）を説明するための図である。なお、図８では、光路を示すため、基板１１１、発光素子１１２および第１光束制御部材１１４のハッチングを省略している。また、図９では、光路を示すため、基板１１１、発光素子１１２、第１光束制御部材１１４および第２光束制御部材１１５のハッチングを省略している。

図８に示されるように、発光装置１３０は、光軸ＯＡが第１中心軸ＣＡ１と一致するように配置された発光素子１１２の発光中心から出射された第１光線Ｌ１の出射角度をθ１_ｎとし、第１光線Ｌ１が第１光束制御部材１１４で制御された後、第１光束制御部材１１４から出射されることで生成される第２光線Ｌ２の第１中心軸ＣＡ１に対する角度をθ２_ｎとした場合、実施の形態２に係る発光装置１３０は、以下の式（２）をさらに満たす。また、ｎは、第１中心軸ＣＡおよび第２中心軸ＣＡ２と含む断面における任意の光線の番号を示す。

式（２）において、０°＜θ１_ｎ＜θ１_ｎ＋１＜６０°、θ２_ｎはθ１_ｎに対応する光線の角度とする。

このように、実施の形態２に係る照明装置１００では、θ１_ｎの増加に伴って、θ２_ｎも増加するように構成される。これにより、第１光束制御部材１１４の第１出射面１３２から出射されることにより生成される第２光線Ｌ２が重ならないため、連続した光を第２光束制御部材１１５に入射させることができる。

また、実施の形態２に係る発光装置１３０は、以下の式（３）をさらに満たす。

式（３）において、０°＜θ１_ｎ−１＜θ１_ｎ＜θ１_ｎ＋１＜６０°とする。

このように、発光装置１３０は、θ１_ｎの増加に伴って、θ１_ｎの増加に対するθ２_ｎの増加量の比率が小さくなるように構成される。これは、第１中心軸ＣＡ１側を中央部とし、第１フランジ１３３側を周辺部とした場合、第１出射面１３２の周辺部から出射された第２光線Ｌ２は、第１出射面１３２の中央部から出射された第２光線Ｌ２と比較して、より光線密度が密となるように出射されることを意味している。したがって、強度の強い光線が到達する中央部の光線密度は疎となり、強度の弱い光線が到達する周辺部の光線密度は密となる。これにより、第２光束制御部材１１５の第２入射面１４１における照度が均一になる。

図９に示されるように、発光装置１３０は、第２光線Ｌ２が第２光束制御部材１１５で制御された後、第２光束制御部材１１５の第２出射面１４２から出射されることで生成される第３光線Ｌ３の第１中心軸ＣＡ１に対する角度をθ３とした場合、以下の式（４）を満たすことが好ましい。
−６°＜θ３＜１０° ・・・（４）
式（４）において、０°＜θ１＜４０°、θ３は、に対応する光線が第２光束制御部材１１５から出射した第３光線Ｌ３の第１中心軸ＣＡに対する角度とする。θ３は、第１中心軸ＣＡ１と平行に進行する光Ｌ０の角度を０°として、第１中心軸ＣＡ１に近づくように進行する第３光線Ｌ３の第１中心軸ＣＡ１に対する角度をマイナス「−」の値とし、第１中心軸ＣＡ１から離れるように進行する第１中心軸ＣＡ１に対する第３光線Ｌ３の角度をプラス「＋」の値とする。

このように、第２光束制御部材１１５から出射されることで生成される第３光線Ｌ３は、第１中心軸ＣＡ１と略平行となるように出射される。なお、θ３が１０°以上の場合、発散度合いが大きくなり、第３光線Ｌ３が第１中心軸ＣＡ１から著しく離れるように進行してしまう。これにより、第１中心軸ＣＡ１側（中央部）が暗くなってしまう。一方、θ３が−６°未満の場合、集光度合いが大きくなり、第３光線Ｌ３が第１中心軸ＣＡ１に向かうように進行する。これにより、第１中心軸ＣＡ１から離れた領域（周辺部）が暗くなってしまう。

また、実施の形態２に係る発光装置１３０は、第１中心軸ＣＡ１から最も離れた発光素子１１２の発光中心から第１中心軸ＣＡ１と平行な方向に出射された第４光線Ｌ４が第１光束制御部材１１４および第２光束制御部材１１５で制御された後、第２光束制御部材１１５から出射されることで生成される第５光線Ｌ５の第１中心軸ＣＡ１に対する角度をθ４とした場合、以下の式（５）をさらに満たす。
３°＜θ４＜１０° ・・・（５）
式（５）において、前記第１中心軸と平行に進行する光の角度を０°として、前記第１中心軸に近づくように進行する前記第５光線の前記第１中心軸に対する角度をプラス「＋」の値とし、前記第１中心軸から離れるように進行する前記第５光線の前記第１中心軸に対する角度をマイナス「−」の値とする。

このように、発光装置１３０では、第１中心軸ＣＡ１から最も離れた発光素子１１２から出射された光の一部は、第１中心軸ＣＡ１に対して傾斜するように、第２光束制御部材１１５から出射されるため、表示領域１２１を斜めから見た場合であっても、輝度ムラを抑制することができる。なお、θ４が３°以下の場合、第１中心軸ＣＡ１に対して斜めに出射する光が少なくなるため、表示領域１２１を斜めから見たときに輝度ムラが生じてしまう。一方、θ４が１０°以上の場合、第２光束制御部材１１５から出射した光は、過度に第１中心軸ＣＡ１側に向かうため、正面からみた場合に周辺部が暗くなってしまう。

（効果）
以上のように実施の形態２に係る面光源装置を有する表示装置１００では、発光装置１３０が、前述の式（２）〜式（５）をさらに満たす。後述する実施例２に示されるように、発光装置１３０が前述の式（２）〜式（５）をさらに満たすことで、表示領域１２１を正面からみた場合だけでなく、表示領域１２１を斜めから見た場合であっても、輝度ムラが抑制される。

以下、本発明について実施例を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。

［実施例１］
実施例１では、前述した表示装置１００における、焦点距離ｆに対する距離ｄと、表示部材１２０の表示領域１２１における輝度分布との関係について調べた。

（表示装置の構成）
図１０は、実施例で使用した表示装置１００の構成を示す模式図である。図１０に示されるように、表示装置１００は、面光源装置１１０と、表示部材１２０とを有する。面光源装置１１０は、発光素子１１２と、光束制御部材１１３とを含む。光束制御部材１１３は、第１光束制御部材１１４と、第２光束制御部材１１５とを有する。なお、図１０における寸法は、後述のＮｏ．７の表示装置の表示装置における寸法（ｍｍ）を示している。

（輝度の算出）
次に、各表示装置の表示領域における輝度分布をシミュレーションにより求めた。シミュレーションでは、表１に示される１６種類の表示装置についての輝度分布を求めた。表１に各表示装置における焦点距離ｆと、距離ｄと、距離ｄ／焦点距離ｆとについて示す。

図１１および図１２は、代表的な表示装置の表示領域における輝度分布を示すグラフである。図１１Ａは、Ｎｏ．１の表示装置における輝度分布を示しており、図１１Ｂは、Ｎｏ．７の表示装置における輝度分布を示しており、図１１Ｃは、Ｎｏ．１１の表示装置における輝度分布を示している。また、図１２Ａは、Ｎｏ．１２の表示装置における輝度分布を示しており、図１２Ｂは、Ｎｏ．１３の表示装置における輝度分布を示しており、図１２Ｃは、Ｎｏ．１６の表示装置における輝度分布を示している。各グラフにおいて縦軸は、Ｎｏ．７の表示装置における最大輝度を１とした場合に対する相対輝度を示しており、横軸は、表示領域の中心からの距離を示している。また、各グラフにおける実線は、図２Ｂに示される表示領域の長辺方向における相対輝度を示しており、破線は、図２Ｂに示される表示領域の短辺方向における相対輝度を示している。

（均斉度の算出）
次いで、表示領域１２１における均斉度を算出した。均斉度は、以下の式（２）で算出した。
均斉度＝最小輝度／平均輝度 ・・・（２）
最小輝度は、表示領域における輝度の最小値であり、平均輝度は、表示領域における輝度の平均値である。ＨＵＤに用いられる場合に必要とされる均斉度は０．７以上とされているため、本実施例では０．７以上を合格とした。

各表示装置における距離ｄ／焦点距離ｆと、均斉度との関係を表２および図１３に示す。図１３は、表２にまとめた結果をプロットしたグラフである。図１３における横軸は、距離ｄ／焦点距離ｆ（ｄ／ｆ）を示しており、縦軸は、均斉度（evenness）を示している。

表２および図１３に示されるように、ｄ／ｆが−０．８１６のＮｏ．１２の表示装置は、均斉度が０．５７であった。これは、隣接する発光素子の光軸間距離ｄに対して、第１光束制御部材の負のパワーが強くなりすぎて、被照射部材（表示領域）における中央部分の光線密度が周辺部の光線密度より低くなったためと考えられた（図１２Ａ参照）。

また、ｄ／ｆが正の値であるＮｏ．１３〜１６の表示装置は、表２および図１３に示されるように、均斉度が０．７未満であった。これは、隣接する発光素子の光軸間距離ｄに対して、第１光束制御部材の正のパワーが強くなりすぎて、被照射部材（表示領域）における中央部分の光線密度が周辺部の光線密度より高くなり、周辺部が暗くなってしまったためと考えられた（図１２Ｂ、Ｃ参照）。

一方、−０．６＜ｄ／ｆ＜０を満たすＮｏ．１〜１１の表示装置は、表２および図１３に示されるように、均斉度が０．７以上であった。これは、被照射部材（表示領域）における中央部分の光線密度と、周辺部の光線密度とが同じ程度となり、被照射部材の輝度が全体として均一になったことを示している（図１１Ａ〜Ｃ参照）。

以上のように、第１光束制御部材１１４の焦点距離ｆと、第１光束制御部材１１４の第１中心軸ＣＡ１および第１光束制御部材１１４の第１中心軸ＣＡ１から最も離れた発光素子１１２における光軸ＯＡとの距離ｄとが、−０．６＜ｄ／ｆ＜０を満たせば、表示領域を輝度ムラが小さく、均一に照らすことができることが分かった。

［実施例２］
実施例２では、前述した表示装置１００におけるθ４と、表示領域１２１を正面から見たときの均斉度に対する表示領域１２１を５°傾斜した位置から見たときの均斉度の割合と、の関係について調べた。なお、実施例２で使用した表示装置１００の構成は、実施例１における表示装置１００と同じである。

（輝度の算出）
各表示装置の表示領域における輝度分布をシミュレーションにより求めた。シミュレーションでは、表３に示される１６種類の表示装置についての輝度分布を求めた。図１４は、代表的な表示装置の表示領域における輝度分布を示すグラフである。図１４Ａは、Ｎｏ．１９の表示装置における輝度分布を示したグラフであり、図１４Ｂは、Ｎｏ．２３の表示装置における輝度分布を示したグラフであり図１４Ｃは、Ｎｏ．３１の表示装置における輝度分布を示したグラフである。各グラフにおいて縦軸は、各表示装置における最大輝度を１とした場合に対する相対輝度を示しており、横軸は、図２Ｂに示される表示領域の長辺方向における中心からの距離を示している。また、各グラフにおける実線は、表示領域を正面から見た場合の相対輝度を示しており、破線は、表示領域を５°傾斜した位置から見た場合の相対輝度を示している。

（均斉度の算出）
次いで、表示領域における均斉度を実施例１と同様に算出した。各表示装置におけるθ４と、均斉度（５°）／均斉度（０°）との関係を表３および図１５に示す。図１５は、表３にまとめた結果をプロットしたグラフである。図１５における横軸は、θ４を示しており、縦軸は、均斉度（５°）／均斉度（０°）を示している。ここで、「均斉度（０°）」とは、表示領域を正面からみた場合の均斉度を意味している。また、「均斉度（５°）」とは、５°傾斜した位置から表示表域を見たときの均斉度を意味している。なお、特に示していないが、Ｎｏ．１７〜３２の表示装置は、前述の式（２）〜（４）を満たしている。また、ＨＵＤに用いられる場合を想定して、本実施例では「均斉度（５°）／均斉度（０°）」が０．７以上を合格とした。

図１６〜図１８は、代表的な表示装置の光路を示している。図１６は、Ｎｏ．１９の表示装置の光路を示す図である。図１６Ａは、光軸ＯＡが第１中心軸ＣＡ１と一致して配置された発光素子１１２の発光中心から出射された光の光路を示しており、図１６Ｂは、第１中心軸ＣＡ１から最も離れた発光素子１１２の発光中心から出射された光の光路を示す図である。図１７は、Ｎｏ．２３の表示装置の光路を示している。図１７Ａは、光軸ＯＡが第１中心軸ＣＡ１と一致して配置された発光素子１１２の発光中心から出射された光の光路を示しており、図１７Ｂは、第１中心軸ＣＡ１から最も離れた発光素子１１２の発光中心から出射された光の光路を示している。図１８は、Ｎｏ．３１の表示装置の光路を示す図である。図１８Ａは、光軸ＯＡが第１中心軸ＣＡ１と一致して配置された発光素子１１２の発光中心から出射された光の光路を示しており、図１８Ｂは、第１中心軸ＣＡ１から最も離れた発光素子１１２の発光中心から出射された光の光路を示している。図１６〜図１８では、光路を示すため、発光素子１１２、第１光束制御部材１１４および第２光束制御部材１１５のハッチングを省略している。

表３、図１４Ｃおよび図１８に示されるように、第５光線Ｌ５の第１中心軸ＣＡ１に対する角度θ４が３°以下であったＮｏ．３１の表示装置は、均斉度(５°)／均斉度(０°)が０．６５であった。これは、第１中心軸ＣＡ１と略平行に進行してしまい、表示領域１２１において、第１中心軸ＣＡ１に対して斜めに出射する光が少なくなったためと考えられる。また、θ４が１０°以上であったＮｏ．３２の表示装置は、均斉度(５°)／均斉度(０°)が０．６７であった。これは、第５光線が過度に第１中心軸ＣＡ１側に進行してしまい、表示領域１２１において、適切な角度で斜めに出射する光が少なくなったためと考えられる。

一方、θ４が３°＜θ４＜１０°を満たすＮｏ．１７〜３０の表示装置は、表３、図１４Ａ、図１４Ｂ、図１６および図１７に示されるように、均斉度（５°）／均斉度（０°）が０．７以上であった。これは、被照射部材（表示領域）に対して垂直な方向からみた場合と、被照射部材（表示領域）に対して垂直な方向から５°ずれた方向からみた場合とであっても、被照射部材の輝度が全体として均一になったことを示している。

以上のように、前述の式（１）〜（５）を満たせば、実施の形態１に係る表示装置の効果に加え、表示領域を正面から見た場合だけでなく、表示装置を斜めから見た場合であっても、表示領域の輝度ムラが小さくなることが分かった。

本発明に係る面光源装置は、例えば、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の光源として有用である。また、本発明に係る表示装置は、例えば、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）などとして有用である。

１０ 面光源装置
１１ 基板
１２ ＬＥＤ
１４ レンズアレイ
１５ 拡散部材
１６ 境界線
１７ 凹凸部
１００ 表示装置
１１０ 面光源装置
１１１ 基板
１１２ 発光素子
１１３ 光束制御部材
１１４ 第１光束制御部材
１１５ 第２光束制御部材
１２０ 表示部材
１２１ 表示領域
１３０ 発光装置
１３１ 第１入射面
１３２ 第１出射面
１３２ａ 内側第１出射面
１３２ｂ 外側第１出射面
１３３ 第１フランジ
１３４ 第１凹部
１４０ 拡散板
１４１ 第２入射面
１４２ 第２出射面
１４３ 第２フランジ
１４５ フレネルレンズ部
１４６ 凸部
１４７ 屈折面
１４８ 接続面

Claims (7)

1. 複数の発光素子と、第１光束制御部材および第２光束制御部材を含み、前記複数の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、
   前記第１光束制御部材は、
   前記第１光束制御部材の第１中心軸と交わるように、前記複数の発光素子と対向して配置された凹状の第１入射面と、
   前記第１中心軸と交わるように配置された内側出射面と、前記内側出射面を取り囲むように配置され、前記第１中心軸を含む断面における形状が凸状の外側出射面とを有する、前記第１入射面の反対側に配置された第１出射面とを含み、
   前記第２光束制御部材は、前記第１光束制御部材から出射された光を前記第１中心軸に沿う方向に向かうように制御し、
   前記第１光束制御部材の焦点距離をｆとし、前記第１中心軸と、前記第１中心軸から最も離れた前記発光素子における光軸との距離をｄとしたとき、以下の式（１）を満たす、
   発光装置。
   −０．６＜ｄ／ｆ＜０ ・・・（１）
2. 前記第２光束制御部材は、
   前記第１出射面と対向して配置された第２入射面と、
   前記第２入射面の反対側に配置され、入射した光を前記第１中心軸に沿う方向に向かうように出射させる屈折型のフレネルレンズ部を有する第２出射面と含む、
   請求項１に記載の発光装置。
3. 前記第１中心軸と、前記第２光束制御部材の第２中心軸とは、一致している、請求項１または請求項２に記載の発光装置。
4. 前記第１入射面および前記第１出射面は、前記第１中心軸を回転軸とする回転対称であり、
   前記第２入射面および前記第２出射面は、前記第２中心軸を回転軸とする回転対称である、
   請求項３に記載の発光装置。
5. 前記複数の発光素子のうち、１つの発光素子は、光軸が前記第１中心軸および前記第２光束制御部材の第２中心軸と一致するように配置され、
   前記複数の発光素子は、前記第１中心軸に沿う方向に最も強く光を出射し、
   前記第１中心軸および前記第２中心軸を含む断面において、
   前記光軸が前記第１中心軸と一致するように配置された前記発光素子の発光中心から出射された第１光線の出射角度をθ１とし、
   前記第１光線が前記第１光束制御部材で制御された後、前記第１光束制御部材から出射されることで生成される第２光線の前記第１中心軸に対する角度をθ２とし、
   前記第２光線が前記第２光束制御部材で制御された後、前記第２光束制御部材から出射されることで生成される第３光線の前記第１中心軸に対する角度をθ３とし、
   前記第１中心軸から最も離れた発光素子の発光中心から前記第１中心軸と平行な方向に出射された第４光線が第１光束制御部材および第２光束制御部材で制御された後、前記第２光束制御部材から出射されることで生成される第５光線の前記第１中心軸に対する角度をθ４とした場合、さらに以下の式（２）〜式（５）を満たす、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光装置。
   ［式（２）において、０°＜θ１_ｎ＜θ１_ｎ＋１＜６０°、θ２_ｎはθ１_ｎに対応する光線の角度とする。］
   ［式（３）において、０°＜θ１_ｎ−１＜θ１_ｎ＜θ１_ｎ＋１＜６０°とする。］
   −６°＜θ３＜１０° ・・・（４）
   ［式（４）において、０°＜θ１＜４０°、θ３は、θ１に対応する光線の角度とする。θ３は、前記第１中心軸と平行に進行する光の角度を０°として、前記第１中心軸に近づくように進行する前記第３光線の前記第１中心軸に対する角度をマイナスの値とし、前記第１中心軸から離れるように進行する前記第１中心軸に対する前記第３光線の角度をプラスの値とする。］
   ３°＜θ４＜１０° ・・・（５）
   ［式（５）において、θ４は、前記第１中心軸と平行に進行する光の角度を０°として、前記第１中心軸に近づくように進行する前記第５光線の前記第１中心軸に対する角度をプラスの値とし、前記第１中心軸から離れるように進行する前記第５光線の前記第１中心軸に対する角度をマイナスの値とする。］
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光装置と、
   前記発光装置と空気層を介して配置された拡散板と、
   を有する、面光源装置。
7. 請求項６に記載の面光源装置と、
   前記面光源装置から出射された光を照射される表示部材と、
   を有する、表示装置。