JP2010146986A - 照明用レンズ、発光装置、面光源および液晶ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の指向性をより広くすることのできる照明用レンズを提供する。
【解決手段】照明用レンズ１は、入射面１１および出射面１２を有している。出射面１２は、光軸Ａ上の頂点に向かって凸となる第１出射面１２１、第１出射面１２１の周縁部から外側に広がる第２出射面１２２とを有している。第１出射面１２１は、光軸Ａ上の光源位置である基点Ｐから放射されて第１出射面１２１に到達する放射光のうち光軸Ａからの角度が所定角度以上の放射光を、第１回目の到達点で全反射した後に、第２回目の到達点で屈折させて被照射面３に到達させる、形状を有している。第２出射面１２２は、基点Ｐから放射されて第２出射面１２２に到達する放射光をその到達点で屈折させて被照射面３に到達させる形状を有している。第２出射面１２２は、ｄ／ｐ＜０．４の領域では、０．２＜ｃｏｓθ₁・ｃｏｓ²θ₂＜０．９８を満足する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば発光ダイオード等の光源の指向性を広くする照明用レンズ、およびこの照明用レンズを用いた照明装置に関する。さらに、本発明は、複数の照明装置を備える面光源、およびこの面光源がバックライトとして液晶パネル後方に配置された液晶ディスプレイ装置に関する。

従来の大型の液晶ディスプレイ装置のバックライトでは、冷陰極管が液晶パネル直下に多数配置され、これらの冷陰極管が拡散板や反射板等の部材と共に使われていた。近年では、バックライトの光源として発光ダイオードが使用されるようになっている。発光ダイオードは近年効率が向上し、蛍光灯に変わる消費電力の少ない光源として期待されている。また液晶ディスプレイ装置用の光源としては映像に応じて発光ダイオードの明暗を制御することで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。

液晶ディスプレイ装置の発光ダイオードを光源とするバックライトでは、冷陰極管の代わりに多数の発光ダイオードを配置することとなる。多数の発光ダイオードを用いることでバックライト表面で均一な明るさを得ることができるが、発光ダイオードが多数必要で安価にできない問題があった。１個の発光ダイオードの出力を大きくし、発光ダイオードの使用する個数を減らす取り組みがなされており、例えば特許文献１では、少ない個数の発光ダイオードでも均一な面光源が得られるようにするレンズが提案されている。
特許第３８７５２４７号

少ない個数の発光ダイオードで均一な面光源を得るためには、１個の発光ダイオードが照明する被照明領域を大きくする必要がある。すなわち発光ダイオードからの光を拡張して指向性を広くすることが必要である。このために特許文献１では、チップ状の発光ダイオードの指向性を制御する平面視で円形状のレンズを発光ダイオードの上に配置している。このレンズの形状は、光を出射させる出射面における光軸近傍部分が凹面となっており、その外側部分が凹面と連続する凸面となっている。

発光ダイオードでは、発光ダイオードのチップの正面方向に最も多くの光が発光しており、特許文献１に開示されたレンズでは、図１７（ａ）に示すように、光軸近傍の凹面でチップからの正面方向に向かう光を屈折により発散させている。これにより、図１７（ｂ）に示すように、被照射面における光軸近傍の照度を抑えて広がりのある照度分布にすることができる。

ところで、発光ダイオードの発光は点ではなく、ある程度の発光領域を持っている。発光領域の周辺部より発光した光は、発光領域の中心部より発光した光とは違う経路をとる。図１７（ａ）では、発光領域の中心部より発光した光の経路を実線で示し、発光領域の周辺部より発光した光の経路を波線で示している。

照度分布をより広がりのあるものにするには、光軸近傍の凹面の曲率半径を小さくすることが考えられる。このようにすれば、発光領域中心部からの光の凹面への入射角が大きくなり、この光を図１８（ａ）中に実線で示すように周囲へ大きく屈折させることができる。しかしながら、発光領域周辺部からの光は図１８（ａ）中に波線で示すように凹面への入射角が局所的に大きくなりすぎて全反射を起こすようになる。このため、図１８（ｂ）に示すように、被照射面上の照度は局所的に低下し、リング状に暗所が形成される。その結果、面光源としたときに輝度ムラが生じるようになる。このように特許文献１に記載のレンズでは、発光領域周辺部の光の全反射の影響で光源の指向性を広くするには限界がある。

本発明は、光源の指向性をより広くすることのできる照明用レンズを提供するとともに、この照明用レンズを含む発光装置、面光源、および液晶ディスプレイ装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の発明者は、発光ダイオードのチップの正面方向に行く、強い光を如何に周囲に配光するかが指向性をより広くするために重要であると考え、意図的に全反射を使って発光ダイオードのチップの正面方向に行く光を周囲に配光することを思い付いた。本発明はこのような観点からなされたものである。

すなわち、本発明は、所定の光軸間距離ｐで配置され、光源からの光を拡張して被照射面に照射する照明用レンズであって、光源からの光が入射する入射面と、入射した光を出射させる、光軸に対して軸対称な出射面と、を備え、前記出射面は、前記光軸上の頂点に向かって凸となる第１出射面と、この第１出射面の周縁部から外側に広がりながら凸面を形成する第２出射面と、を有し、前記第１出射面は、前記光軸上の前記光源の位置を基点としたときに、前記基点から放射されて当該第１出射面に到達する放射光のうち前記光軸からの角度が所定角度以上の放射光を、放射光が最初に到達する第１回目の到達点で全反射した後に、全反射された放射光が到達する第２回目の到達点で屈折させて前記被照射面に到達させる、形状を有しており、前記第２出射面は、前記基点から放射されて当該第２出射面に到達する放射光をその到達点で屈折させて前記被照射面に到達させる形状を有しており、前記基点から放射される放射光の光線と前記光軸とのなす角度をθ₁、前記基点からθ₁の角度で放射され、前記第２出射面で屈折した放射光の光線と前記光軸とのなす角度をθ₂、前記基点からθ₁の角度で放射され、前記第２出射面で屈折した放射光が前記被照射面に到達する位置から前記光軸までの距離をｄとしたときに、前記第２出射面は、ｄ／ｐ＜０．４の領域では、以下の式
０．２＜ｃｏｓθ₁・ｃｏｓ²θ₂＜０．９８
を満足する、照明用レンズを提供する。

また、本発明は、光を放射する発光ダイオードと、前記発光ダイオードからの光を拡張して被照射面に照射する照明用レンズと、を備える発光装置であって、前記照明用レンズは、上記の照明用レンズである、発光装置を提供する。

さらに、本発明は、平面的に配置された複数の発光装置と、前記複数の発光装置を覆うように配置され、前記複数の発光装置から一方面に照射された光を他方面から拡散した状態で放射する拡散板と、を備える面光源であって、前記複数の発光装置のそれぞれは、上記の発光装置である、面光源を提供する。

また、本発明は、液晶パネルと、前記液晶パネルの裏側に配置された上記の面光源と、を備える液晶ディスプレイ装置を提供する。

上記の構成によれば、第１出射面は、光源の発光領域中央部からの光をいったん全反射させた後に出射させる凸面になっている。このため、光源の発光領域周辺部からの光も第１出射面で全反射した後に被照射面に到達するようになる。すなわち、第１出射面によれば、第１出射面に到達する光の略全量を被照射面におけるレンズの光軸を中心とするより広い領域に照射することができる。一方、凸面を形成する第２出射面によれば、第２出射面に到達する光を被照射面におけるレンズの光軸から離れた領域に照射することができる。従って、本発明によれば、従来のような制約を伴うことなく、換言すれば光源から正面方向に行く強い光を有効に配光して、光源の指向性をより広くすることができる。

さらに本発明では、第２出射面が特定の条件を満たしているので、光源からの光をより広く配光することができる。従って、照明用レンズを所定の光軸間距離ｐで被照射面に平行な方向に平面的に複数配置したときには、光軸間距離ｐを大きくするとともに個々のレンズによる照射範囲を広くしても被照射面を均一に照明することができる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る照明用レンズついて、図面を参照しつつ説明する。図１は、実施の形態１に係る照明用レンズ１の構成図である。照明用レンズ１は、指向性を有する光源（図１では省略）と被照射面３との間に配置され、光源からの光を拡張して被照射面３に照射するものである。すなわち、照明用レンズ１によって光源の指向性が広くされる。被照射面３の照度分布は、照明用レンズ１の設計上の中心線である光軸Ａ上が最大で周囲に行くほど略単調に減少する。なお、光源と照明用レンズ１とは、互いの光軸が合致するように配置される。また、実際には、図１３に示すように、複数の照明用レンズ１が所定の光軸間距離ｐで被照射面３に平行な方向に平面的に配置される。ここで、光軸間距離ｐとは、最も近接する照明用レンズ１同士の光軸間距離のことであり、例えば、照明用レンズ１がマトリクス状に配置される場合は、照明用レンズ１の縦横のピッチのうち小さい方（それらが同じであってもよい）のピッチが光軸間距離ｐとなり、照明用レンズ１が千鳥状に配置される場合は、照明用レンズ１が最小間隔で並ぶ列におけるピッチが光軸間距離ｐとなる。

具体的に、照明用レンズ１は、光源からの光が入射する入射面１１と、入射した光を出射させる出射面１２とを有している。出射面１２は光軸Ａに対して軸対称である。照明用レンズ１の平面視における輪郭は、光軸Ａに対して軸対称である必要はない。入射面１１は光軸Ａに対して軸対称である必要はない。光源からの光は、入射面１１から照明用レンズ１内に入射した後に出射面１２から出射されて、被照射面３に到達する。光源から放射される光は、出射面１２の作用で拡張され、被照射面３の広い範囲に到達するようになる。

光源としては、例えば発光ダイオードを採用することができる。発光ダイオードは矩形板状のチップであることが多く、照明用レンズ１の入射面１１も発光ダイオードに密着可能なように発光ダイオードの形状に合わせた形状とすることが好ましい。発光ダイオードは、照明用レンズ１の入射面１１と接合剤を介して接していて、入射面１１と光学的に接合されている。発光ダイオードは、通常は空気に触れないように封止樹脂で覆われているが、照明用レンズ１が封止樹脂の役割を果たすため、別途封止樹脂を配置する必要はない。従来の発光ダイオードの封止樹脂としては、エポキシ樹脂またはシリコンゴム等が用いられている。

照明用レンズ１は、所定の屈折率を有する透明材料で構成される。透明材料の屈折率は、例えば１．４から１．５程度である。このような透明材料としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネイト等の樹脂、またはシリコンゴム等のゴムを用いることができる。中でも、発光ダイオードの封止樹脂として用いられるエポキシ樹脂またはシリコンゴム等を用いることが好ましい。

出射面１２は、光軸Ａ上の頂点に向かって凸となる第１出射面１２１と、この第１出射面１２１の周縁部から外側に広がりながら凸面を形成する第２出射面１２２とからなる。入射面１１から照明用レンズ１の内部に入射する光は大きな角度範囲を持っている。光軸Ａからの角度が小さい光は第１出射面１２１に到達し、光軸Ａからの角度が大きい光は第２出射面１２２に到達する。

次に、第１出射面１２１および第２出射面１２２の形状について説明する。そのために、まず基点Ｐを規定し、この基点Ｐから放射される放射光を観念する。ここで、基点Ｐとは、光軸Ａ上の光源の位置のことであり、光源として発光ダイオードを採用した場合は光軸Ａと発光ダイオードの正面である出射面との交点となる。すなわち、基点Ｐは、入射面１１から上述した接合剤の厚み分だけ離れている。そして、基点Ｐから放射される放射光は、第１出射面１２１と第２出射面１２２の境界と基点Ｐとを結んだ線と光軸Ａとのなす角度θｂを境に第１出射面１２１と第２出射面１２２のそれぞれに到達する。

第１出射面１２１は、基点Ｐから放射されて第１出射面１２１に到達する放射光のうち光軸Ａからの角度が所定角度θｆ（図５参照）以上の放射光を、放射光が最初に到達する第１回目の到達点１３１（図３参照）で全反射した後に、全反射された放射光が到達する第２回目の到達点１３２（図３参照）で屈折させて被照射面３に到達させる、形状を有している。このように第１出射面１２１に到達した、光軸Ａからの角度が所定角度θｆ以上の基点Ｐからの放射光は、１回の全反射と１回の屈折作用を受けて、大きく進路を変更し、被照射面３に照射されるようになる。ここで、第１回目の到達点１３１と第２回目の到達点１３２は、光軸Ａを挟んで反対側に位置することが好ましい。すなわち、第１回目の到達点１３１から第２回目の到達点１３２に至る光線は光軸と交差することが好ましい。

第１出射面１２１が基点Ｐからの放射光を全反射させる始角である所定角度θｆは、第１出射面１２１に到達する基点Ｐからの放射光の殆どがいったん全反射されるように、略０度となっていてもよい。ここで、略０度とは、１度未満の角度をいう。これを実現するには、第１出射面１２１の頂点を鋭く尖らせればよい。このようにすれば、被照射面３における光軸Ａの近傍部分に到達する光量を抑えて、光源からの光をより周囲に配光することができる。

ただし、複数の発光ダイオードを用いて面光源を構成する場合は、所定角度θｆを３〜７度とすることが好ましい。θｆが３度未満だと被照射面３における光軸Ａの近傍部分が暗くなりすぎ、θｆが７度を超えると被照射面３における光軸Ａの近傍部分が明るくなりすぎ、いずれの場合も面光源としたときに均一な照度分布を実現し難くなるからである。

さらに、所定角度θｆが３〜７度である場合、第１出射面１２１は、基点Ｐから放射されて第１出射面１２１に到達する放射光のうち光軸Ａからの角度が所定角度θｆ未満の放射光をその到達点１３３（図５参照）で屈折させて被照射面３に到達させる形状を有していることが好ましい。これを実現するには、第１出射面１２１の頂点近傍部分の曲率半径を大きくすればよい。このようにすれば、被照射面３における光軸Ａの近傍部分を照明することができ、面光源としたときに面内での輝度ムラを少なくすることができる。

なお、第１出射面１２１と第２出射面１２２の境界と基点Ｐとを結んだ線と光軸Ａとのなす角度θｂ（これは第１出射面１２１の終角でもあり第２出射面１２２の始角でもある）は、１５〜２５度の範囲内にあることが好ましい。θｂが１５度未満の場合は、第１出射面１２１による効果が小さくなり、大きな拡散効果が得られない。θｂが２５度を超える場合は、被照射面３における光軸Ａの近傍部分が明るくなりすぎる。

一方、第２出射面１２２は、基点Ｐから放射されて第２出射面１２２に到達する放射光をその到達点１４（図４参照）で屈折させて被照射面３に到達させる形状を有している。第２出射面１２２の外側に行くほど基点Ｐからの放射光と光軸Ａとの角度は大きくなるが、放射光が第２出射面１２２に到達した到達点１４での法線に対する放射線の光線の角度（後述するθ₁−θ₃）は第２出射面１２２に対する入射角であり、入射角が大きくなりすぎると全反射してしまう。全反射させないためには入射角を大きくさせないことが必要で、第２出射面１２２の形状は、光軸Ａより遠くなるに従って、法線と光軸Ａとの角度が大きくなるような形状、すなわち凸面になる。

なお、第２出射面１２２の形状は、次のようにも表すことができる。図１に示すように、基点Ｐから放射される放射光の光線Ｂ₁と光軸Ａとのなす角度をθ₁、基点Ｐからθ₁の角度で放射される放射光の光線Ｂ₁と出射面１２との交点Ｑにおける出射面１２の法線Ｎと光軸Ａとのなす角度をθ₃、レンズの屈折率をｎ₁、レンズの周囲の屈折率をｎ₂とする。第２出射面１２２は、以下の式（１）
ｎ₁・ｓｉｎ（θ₁−θ₃）＜ｎ₂・・・（１）
を満足する。式（１）は、第２出射面１２２の範囲を規定した式であり、第２出射面１２２の範囲を基点Ｐからの角度(極座標)で定義し、基点Ｐから放射された放射光が第２出射面１２２に到達したときに第２出射面１２２が光軸と平行であると仮定した時の全反射しない範囲を与えている。式（１）の左辺の値が式（１）の右辺の値以上になると、第２出射面１２２で全反射するようになる。

さらに、本実施形態の第２出射面１２２は、基点Ｐからθ₁の角度で放射され、第２出射面１２２で屈折した放射光の光線Ｂ₂と光軸Ａとのなす角度をθ₂、基点Ｐからθ₁の角度で放射され、第２出射面１２２で屈折した放射光が被照射面３に到達する位置から光軸Ａまでの距離をｄ（図１３参照）としたときに、ｄ／ｐ＜０．４の領域では、以下の式（２）
０．２＜ｃｏｓθ₁・ｃｏｓ²θ₂＜０．９８・・・（２）
を満足する。式（２）は、第２出射面１２２の部分範囲を規定した式であり、第２出射面１２２から出射された光の分布範囲を定義している。式（２）中の「ｃｏｓθ₁・ｃｏｓ²θ₂」が０．９８以上になると、被照射面３における光軸Ａ上の照度が高くなりすぎ、０．２以下になると、被照射面３における光軸Ａ近傍の照度が増し、光源の指向性をあまり広げることができない。よって、式（２）を満足しなければ、光の配光分布に偏りを生じ、光源を光軸間距離ｐで配置した際に、被照射面３において照度ムラを生じてしまう。

さらに、第２出射面１２２の局所曲率は、６０°＜θ₁＜８０°となる範囲で最大の極大値を有することが好ましい。第２出射面１２２の局所曲率がθ₁≦６０°となる範囲で最大の極大値を有する場合には、第２出射面１２２から出射する光を広範囲に配光できなくなり、８０°≦θ₁となる範囲で最大の極大値を有する場合には、被照射面において照度ムラを少なくする配光分布特性が得られなくなり、照度ムラの原因となるからである。

以上説明したように、第１出射面１２１は、図３中に実線で示すように光源の発光領域中央部からの光をいったん全反射させた後に出射させる凸面になっている。このため、図３中に波線で示すように光源の発光領域周辺部からの光も第１出射面１２１で全反射した後に被照射面３に到達するようになる。すなわち、第１出射面１２１によれば、第１出射面１２１に到達する光の略全量を被照射面３におけるレンズの光軸Ａを中心とするより広い領域に照射することができる。一方、凸面を形成する第２出射面１２２によれば、第２出射面１２２に到達する光を被照射面３におけるレンズの光軸Ａから離れた領域に照射することができる。従って、本実施の形態１の照明用レンズ１によれば、従来のような制約を伴うことなく、換言すれば光源から正面方向に行く強い光を有効に配光して、光源の指向性をより広くすることができる。

さらに、本実施の形態１の照明用レンズ１では、第２出射面１２２がｄ／ｐ＜０．４の領域で上記の式（２）を満足しているので、光源からの光をより広く配光することができる。従って、照明用レンズ１を所定の光軸間距離ｐで被照射面３に平行な方向に平面的に複数配置したときには、光軸間距離ｐを大きくするとともに個々のレンズ１による照射範囲を広くしても被照射面３を均一に照明することができる。

なお、本発明の照明用レンズは、発光ダイオード以外の光源（例えば、レーザーまたは有機ＥＬ）にも適用可能である。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る発光装置７の構成図である。この発光装置７は、光を放射する発光ダイオード２と、発光ダイオード２からの光を拡張して被照射面３に照射する、実施の形態１で説明した照明用レンズ１とを備えている。

発光ダイオード２は、照明用レンズ１の入射面１１に接合剤により密着して配置され、光学的に接合されている。照明用レンズ１の出射面１２から出射した光は被照射面３に到達し、被照射面３を照明する。

発光ダイオード２内での発光は指向性を持たない発光であるが、発光領域の屈折率は２．０以上であり、屈折率が低い領域に光が侵入すると、界面の屈折の影響で、界面の法線方向に最大の強度を持ち、法線方向から角度が大きくなるほど、光の強度は小さくなる。このように発光ダイオード２は指向性を持っており、広い範囲を照明するためには照明用レンズ１で指向性を広くすることが必要である。

図３は発光装置７の光路図である。図３では光源からの光のうち小さな角度で出射して、第１出射面１２１に到達する光線の光路を説明する。発光ダイオード２から出射した光は入射面１１を透過し、第１出射面１２１に到達する。第１の出射面１２１上で光が到達した位置を第１回目の到達点１３１とする。第１回目の到達点１３１では発光ダイオード２からの光は大きな入射角で第１出射面１２１に入射するため第１出射面１２１を透過することができず、すべて反射する。反射した光は光軸と交差し、再度第１出射面１２１に到達する。第１の出射面１２１上で再度光が到達した位置を第２回目の到達点１３２とする。第２回目の到達点１３２では第１回目の到達点１３１で反射された光は小さな入射角で第１出射面１２１に入射するため、屈折作用を受けながら第１出射面１２１を透過する。透過した光は被照射面３に到達する。

図４は発光装置７の光路図である。図４では光源からの光のうち大きな角度で出射して、第２出射面１２２に到達する光線の光路を説明する。発光ダイオード２から出射した光は入射面１１を透過し、第２出射面１２２に到達する。第２出射面１２２では光線は屈折作用を受けて透過し、被照射面３に到達する。

図５は発光装置７の光路図である。図５では光源からの光のうち光軸近傍の小さな角度で出射して、第１出射面１２１に到達する光線の光路を説明する。発光ダイオード２から出射した光は入射面１１を透過し、第１出射面１２１に到達する。第１出射面１２１では光線は屈折作用を受けて透過し、被照射面３に到達する。このように、第１出射面１２１の光軸近傍に入射した光が全反射せず、屈折作用を受けて透過して、被照射面３に到達することで、被照射面３における光軸近傍部分の照度が必要以上に暗くなることを防ぐことができる。

以下、本発明の具体的な数値例として、実施例１を示す。

（実施例１）
図６は、本発明の実施の形態２の実施例１に係る発光装置の構成図である。本実施例１は、０．５ｍｍ角の発光ダイオードを光源とし、指向性を広げることを目的とした設計例である。図６中のθ₁は、光軸Ａ上の光源位置（基点Ｐ）と出射面１２上の任意の位置とを結んだ直線と光軸Ａとの角度である。また、図６中のθ₃は、前記出射面１２上の任意の位置での出射面１２の法線、換言すれば光軸Ａ上の光源位置（基点Ｐ）からθ₁の角度方向に放射された光が出射面１２に到達する位置での出射面１２の法線が、光軸Ａとなす角度である。さらに、図６中のθ₂は、光軸Ａ上の光源位置（基点Ｐ）からθ₁の角度方向に放射され、第２出射面１２２で屈折した光の光線と光軸Ａとのなす角度である。また、図６中のｓａｇＹは、光軸Ａ上の光源位置（基点Ｐ）から前記出射面１２上の任意の位置まで光軸方向に測った距離である。

次に具体的な数値を表１に示す。

図７は、表１のθ₁とｓａｇＹについてグラフ化したものである。

本具体例１では、レンズを屈折率１．４１（ｎ₁＝１．４１）の材料で構成しており、出射面１２は空気（ｎ₂＝１）に面している。これを上記式（１）に代入すると、第２出射面１２２では、θ₁−θ₃が４５．１７２度未満となる。ここで、図８に、ｒ／Ｒとθ₁−θ₃の関係のグラフを示す。ｒ／Ｒは、光軸Ａから前記出射面１２上の任意の位置までの入射面１１に平行な方向の距離をレンズ最外半径で規格化した値である（ｒ：光軸から前記出射面上の任意の位置までの入射面に平行な方向の距離、Ｒ：レンズ最外半径）。図８は、第２出射面１２２ではθ₁−θ₃が４５．１７２度未満となっていて式（１）が満たされていることを示している。また、図８は、第１出射面１２１が光軸Ａ上の光源位置（基点Ｐ）から放射された光を光軸Ａ近傍以外で全反射する形状であることをも示している。

さらに、図９に、ｄ／ｐとｃｏｓθ₁・ｃｏｓ²θ₂の関係のグラフを示す。上記式（２）は、第２出射面１２２ではｄ／ｐ＜０．４の領域でｃｏｓθ₁・ｃｏｓ²θ₂が０．２と０．９８の範囲内にあることを規定しているが、図９はこれが満たされていることを示している。なお、本実施例１では、ｐを２０ｍｍに設定しており、発光ダイオード２から被照射面３までの距離Ｄ（図１３参照）を８ｍｍに設定している。

また、図１０に、θ₁と局所曲率の関係のグラフを示す。図１０から、第２出射面１２２の局所曲率は、θ₁が約７０度の位置で最大の極大値を有していることが分かる。すなわち、図１０は、第２出射面１２２の局所曲率は、６０°＜θ₁＜８０°となる範囲で最大の極大値を有することを示している。

図１１は、具体例１の発光装置（実施例１の照明用レンズと発光ダイオード）を配置し、発光ダイオードから８ｍｍ離れた位置に被照射面を配置したときの計算で求めた被照射面での照度分布を表す。図１２は、図１１のときと同じ発光ダイオードのみを配置し、発光ダイオードから８ｍｍ離れた位置に被照射面を配置したときの計算で求めた被照射面での照度分布を表す。図１１と図１２を比較すると、照明用レンズの効果で被照射面を広く照明できていることがわかる。

（実施の形態３）
図１３は、本発明の実施の形態３に係る面光源８の構成図である。この面光源８は、平面的に配置された、実施の形態２で説明した複数の発光装置７と、これらの発光装置７を覆うように配置された拡散板４とを備えている。なお、発光装置７は、マトリクス状に配置されていてもよいし、千鳥状に配置されていてもよい。

発光装置７は、拡散板４の一方面４ａに光を照射する。すなわち、拡散板４の一方面４ａは、実施の形態１および実施の形態２で説明した被照射面３となっている。拡散板４は、一方面４ａに照射された光を他方面４ｂから拡散された状態で放射する。個々の発光装置７からは拡散板４の一方面４ａに広い範囲で均一化された照度の光が照射され、この光が拡散板４で拡散されることにより、面内での輝度ムラが少ない面光源ができる。

ここで、発光ダイオード２から拡散板４の一方面４ａである被照射面３までの距離Ｄと照明用レンズ１の光軸間距離ｐの関係については、０．３＜Ｄ／ｐ＜０．５となっていることが好ましい。

図１４は、実施例１の照明用レンズと発光ダイオードからなる発光装置を２０ｍｍピッチで一直線上に４つ配置し、発光ダイオードから８ｍｍ離れた位置に拡散板を配置したときの計算で求めた拡散板入射面（発光装置側の一方面）での照度分布を表す。照度分布に細かな波が見られるが照度計算を実行する上で、評価する光線数が不足しているためである。図１５は、発光ダイオードのみを２０ｍｍピッチで一直線に４つ配置し、発光ダイオードから８ｍｍ離れた位置に拡散板を配置したときの計算で求めた拡散板入射面での照度分布を表す。図１４と図１５を比較すると、照明用レンズの効果で拡散板入射面を均一に照明できていることがわかる。

（実施の形態４）
図１６は、本発明の実施の形態４に係る液晶ディスプレイ装置の構成図である。この液晶ディスプレイ装置は、液晶パネル５と、液晶パネル５の裏側に配置された、実施の形態３で説明した面光源８とを備えている。

発光ダイオード２と照明用レンズ１で構成される発光装置７が平面的に複数配置され、これらの発光装置７によって拡散板４が照明される。拡散板４の裏面（一方面）は、照度が均一化された光が照射され、この光が拡散板４によって拡散されて液晶パネル５が照明される。

なお、図１６に示すように、液晶パネル５と面光源８との間には拡散シート、プリズムシート等のシート４１が配置されているとともに、発光装置７が存在しない部分には拡散反射板６が配置されていることが好ましい。発光装置７からの光は、拡散板４で散乱されて、発光装置側へ戻ったり拡散板４を透過したりする。発光装置側へ戻って拡散反射板６に入射する光は、拡散反射板６で反射されて、拡散板４に再度入射する。拡散板４を透過した光は、シート４１でさらに拡散されて、液晶パネル５を照明する。

本発明の実施の形態１に係る照明用レンズの構成図 本発明の実施の形態２に係る発光装置の構成図 本発明の実施の形態２に係る発光装置の第１出射面から出射する光線の光路図 本発明の実施の形態２に係る発光装置の第２出射面から出射する光線の光路図 本発明の実施の形態２に係る発光装置の光軸近傍の第１出射面から出射する光線の光路図 本発明の実施の形態２に係る発光装置の実施例１を説明する構成図 本発明の実施の形態２に係る発光装置の実施例１の出射面形状を表す、θ₁とｓａｇＹの関係を示すグラフ（表１をグラフ化） 本発明の実施の形態２に係る発光装置の実施例１のｒ／Ｒとθ₁−θ₃の関係を示すグラフ 本発明の実施の形態２に係る発光装置の実施例１のｄ／ｐとｃｏｓθ₁・ｃｏｓ²θ₂の関係を示すグラフ 本発明の実施の形態２に係る発光装置の実施例１のθ₁と局所曲率の関係を示すグラフ 本発明の実施の形態２に係る発光装置の実施例１の照度分布 実施例１の効果を確認するための発光ダイオードのみの照度分布 本発明の実施の形態３に係る面光源の構成図 本発明の実施の形態３に係る面光源で実施例１の発光装置を用いたときの照度分布 実施例１の効果を確認するための発光ダイオードのみで発光装置を構成した場合の面光源での照度分布 本発明の実施の形態４に係る液晶ディスプレイの構成図 （ａ）は従来の照明用レンズの光路図、（ｂ）は従来の照明用レンズを用いたときの照度分布 （ａ）および（ｂ）は従来の照明用レンズの限界を説明する説明図

符号の説明

１ 照明用レンズ
１１ 入射面
１２ 出射面
１２１ 第１出射面
１２２ 第２出射面
１３１ 第１回目の到達点
１３２ 第２回目の到達点
１３３ 到達点
１４ 到達点
２ 発光ダイオード（光源）
３ 被照射面
４ 拡散板
４１ 拡散シートまたはプリズムシート
５ 液晶パネル
６ 拡散反射板
７ 発光装置
８ 面光源
Ａ 光軸
Ｂ₁，Ｂ₂ 光線
Ｎ 法線
Ｐ 基点
Ｑ 交点

Claims (7)

1. 所定の光軸間距離ｐで配置され、光源からの光を拡張して被照射面に照射する照明用レンズであって、
   光源からの光が入射する入射面と、入射した光を出射させる、光軸に対して軸対称な出射面と、を備え、
   前記出射面は、前記光軸上の頂点に向かって凸となる第１出射面と、この第１出射面の周縁部から外側に広がりながら凸面を形成する第２出射面と、を有し、
   前記第１出射面は、前記光軸上の前記光源の位置を基点としたときに、前記基点から放射されて当該第１出射面に到達する放射光のうち前記光軸からの角度が所定角度以上の放射光を、放射光が最初に到達する第１回目の到達点で全反射した後に、全反射された放射光が到達する第２回目の到達点で屈折させて前記被照射面に到達させる、形状を有しており、
   前記第２出射面は、前記基点から放射されて当該第２出射面に到達する放射光をその到達点で屈折させて前記被照射面に到達させる形状を有しており、
   前記基点から放射される放射光の光線と前記光軸とのなす角度をθ₁、前記基点からθ₁の角度で放射され、前記第２出射面で屈折した放射光の光線と前記光軸とのなす角度をθ₂、前記基点からθ₁の角度で放射され、前記第２出射面で屈折した放射光が前記被照射面に到達する位置から前記光軸までの距離をｄとしたときに、
   前記第２出射面は、ｄ／ｐ＜０．４の領域では、以下の式
   ０．２＜ｃｏｓθ₁・ｃｏｓ²θ₂＜０．９８
   を満足する、照明用レンズ。
2. 前記基点からθ₁の角度で放射される放射光の光線と前記出射面との交点における前記出射面の法線と前記光軸とのなす角度をθ₃、レンズの屈折率ｎ₁を、レンズの周囲の屈折率ｎ₂としたときに、
   前記第２出射面は、以下の式
   ｎ₁・ｓｉｎ（θ₁−θ₃）＜ｎ₂
   を満足する、請求項１に記載の照明用レンズ。
3. 前記所定角度は、３〜７度であり、
   前記第１出射面は、前記基点から放射されて当該第１出射面に到達する放射光のうち前記光軸からの角度が前記所定角度未満の放射光をその到達点で屈折させて前記被照射面に到達させる形状を有している、請求項１または２に記載の照明用レンズ。
4. 前記第２出射面の局所曲率は、６０°＜θ₁＜８０°となる範囲で最大の極大値を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明用レンズ。
5. 光を放射する発光ダイオードと、前記発光ダイオードからの光を拡張して被照射面に照射する照明用レンズと、を備える発光装置であって、
   前記照明用レンズは、請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明用レンズである、発光装置。
6. 平面的に配置された複数の発光装置と、前記複数の発光装置を覆うように配置され、前記複数の発光装置から一方面に照射された光を他方面から拡散した状態で放射する拡散板と、を備える面光源であって、
   前記複数の発光装置のそれぞれは、請求項５に記載の発光装置である、面光源。
7. 液晶パネルと、前記液晶パネルの裏側に配置された請求項６に記載の面光源と、を備える液晶ディスプレイ装置。

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