JP2010186142A - 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と、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、第１出射面１２１上の点と基点Ｐとを結んだ線が光軸Ａとなす角度をθｉ度とした場合に、θｉ度が所定角度以上を満たす第１出射面１２１上の点に到達する放射光を、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。
【選択図】図１Ａ

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１５（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１５（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１５（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１６（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１６（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１６（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、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、互いに屈折率が異なる少なくとも２種類以上の部材で構成されており、且つ、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、前記第１出射面上の点と前記基点とを結んだ線が前記光軸となす角度をθｉ度とした場合に、前記θｉ度が所定角度以上を満たす前記第１出射面上の点に到達する放射光を、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いる、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、本発明の照明用レンズは、互いに屈折率が異なる少なくとも２種類以上の部材で構成されているので、レンズ内に部材間の界面が存在する。従って、本発明の照明用レンズには、第１出射面および第２出射面によって得られる上記の作用に、この界面による屈折作用がさらに加味されるため、光源の指向性をより一層広くすることができる。

（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。実施の形態１に係る照明用レンズについて、図１Ａは第１の構成例である照明用レンズ１を示し、図１Ｂは第２の構成例である照明用レンズ２を示す。照明用レンズ１，２は、指向性を有する光源（図１Ａおよび図１Ｂ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１，２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１，２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１，２とは、互いの光軸が合致するように配置される。

具体的に、照明用レンズ１，２は、光源からの光が入射する入射面１１，２１と、入射した光を出射させる出射面１２，２２とを有している。出射面１２，２２は光軸Ａに対して軸対称である。照明用レンズ１，２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１１，２１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１１，２１から照明用レンズ１，２内に入射した後に出射面１２，２２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１２，２２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１，２の入射面１１，２１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１，２の入射面１１，２１と接合剤を介して接していて、入射面１１，２１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１１，２１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。

出射面１２，２２は、光軸Ａ上の頂点に向かって凸となる第１出射面１２１，２２１と、この第１出射面１２１，２２１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１２２，２２２とからなる。入射面１１，２１から照明用レンズ１，２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１２１，２２１に到達し、光軸Ａからの角度が大きい光は第２出射面１２２，２２２に到達する。

照明用レンズ１，２は、互いに屈折率が異なる少なくとも２種類以上の部材によって構成されている。これらの部材は透明材料からなり、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂およびポリカーボネイト等の樹脂、シリコンゴム等のゴム、または、ガラス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。これらの部材の屈折率は、例えば１．４から２．１程度である。

照明用レンズ１は、出射面１２を形成する第１部材１３と、第１部材１３と光源との間に設けられる第２部材１４とによって構成されている。第１部材１３と第２部材１４とは、互いに光学的に接合されている。照明用レンズ１では、第１部材１３と第２部材１４との界面１５が出射面１２と略相似形となっている。一方、照明用レンズ２は、第１出射面２２１を形成する第１部材２３と、第２出射面２２２を形成する第２部材２４とによって構成されており、第１部材２３と第２部材２４とによって界面２５が形成されている。

照明用レンズ１，２では、第１部材１３，２３の屈折率が第２部材１４，２４の屈折率よりも高くなるように設計されている。そこで、第１部材１３，２３の屈折率をｎ_maxとし、第２部材１４，２４の屈折率をｎ_minとしたときに、以下の式（１）
０．０５＜ｎ_max−ｎ_min＜０．６ ・・・（１）
を満足するように、第１部材１３，２３および第２部材１４，２４の材料を選択することが望ましい。隣接する部材の屈折率の差は大きいほど光を曲げる力が大きくなる。そのため、第１部材１３，２３と第２部材１４，２４との屈折率差が大きいほど、照明用レンズ１，２の光の広配向化に有利となる。しかし、屈折率の差が０．６以上となると、照射面における色ムラが発生しやすくなるなどの悪影響が生じる場合がある。一方、屈折率の差が０．０５以下では、光を曲げる力が小さくなりすぎて、光の広配向化の充分な効果を得にくくなる。なお、本実施の形態においては、第１部材１３，２３の屈折率が第２部材１４，２４の屈折率よりも大きくなる設計例を示したが、これに限定されず、第１部材１３，２３の屈折率が第２部材１４，２４の屈折率よりも小さくなるように設計してもよい。

また、本実施の形態では、２種類の部材によって照明用レンズが構成されている例を示しているが、３種類以上の部材によって構成することも可能である。その場合は、照明用レンズを構成する部材のうち、最も屈折率の高い部材の屈折率をｎ_maxとし、最も屈折率の低い部材の屈折率をｎ_minとしたときに、上記式（１）を満足するように各部材を選択することが好ましい。

次に、第１出射面１２１，２２１および第２出射面１２２，２２２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１１，２１から上述した接合剤の厚み分だけ離れている。照明用レンズ１の場合、基点Ｐから放射される放射光は、入射面１１から第２部材１４内に入射され、界面１５を通過する際に屈折作用を受けて第１部材１３内に入り、出射面１２（第１出射面１２１，第２出射面１２２）に到達する。一方、照明用レンズ２の場合は、基点Ｐから放射される放射光のうち第１出射面２２１に到達する放射光は、入射面２１から第２部材２４内に入射され、界面２５を通過する際に屈折作用を受けて第１部材２３内に入り、第１出射面２２１に到達する。また、照明用レンズ２において基点Ｐから放射される放射光のうち第２出射面２２２に到達する放射光は、入射面２１から第２部材２４内に入射され、第２出射面２２２に到達する。

第１出射面１２１，２２１は、基点Ｐから放射されて第１出射面１２１，２２１に到達する放射光のうち、第１出射面１２１，２２１上の点と基点Ｐとを結んだ線が光軸Ａとなす角度をθｉ度とした場合に、θｉ度が所定角度θｆ以上を満たす第１出射面１２１，２２１上の点に到達する放射光を、放射光が最初に到達する第１回目の到達点１３１（図３Ａ参照），２３１（図３Ｂ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３Ａ参照），２３２（図３Ｂ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１２１，２２１に到達した、θｉ度が所定角度θｆ以上を満たす第１出射面１２１，２２１上の点に到達する放射光は、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１３１，２３１と第２回目の到達点１３２，２３２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１３１，２３１から第２回目の到達点１３２，２３２に至る光線は光軸Ａと交差することが好ましい。

第１出射面１２１，２２１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１２１，２２１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１２１，２２１は、基点Ｐから放射されて第１出射面１２１，２２１に到達する放射光のうち、前記θｉ度が所定角度θｆ未満を満たす第１出射面１２１，２２１上の点に到達する放射光を、その到達点１３４（図５Ａ参照），２３４（図５Ｂ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１２１，２２１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。

ここで、θｉ度の最大値をθｉmax度としたとき、θｉmax度は、１５〜２５度であることが好ましい。θｉmax度が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場合がある。θｉmax度が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場合がある。

一方、第２出射面１２２，２２２は、基点Ｐから放射されて第２出射面１２２，２２２に到達する放射光をその到達点１３３（図４Ａ参照），２３３（図４Ｂ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。放射光を第２出射面１２２で全反射させないためには、放射光が第２出射面１２２に入射する入射角を大きくさせないことが必要である。そのため、第２出射面１２２の形状は、光軸Ａより遠くなるに従って凸面になるように設計される。

以上説明したように、第１出射面１２１，２２１は、図３Ａおよび図３Ｂ中に示すように、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、光源の発光領域周辺部からの光も第１出射面１２１，２２１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１２１，２２１によれば、第１出射面１２１，２２１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１２２，２２２によれば、第２出射面１２２，２２２に到達する光を被照射面３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、本実施の形態１の照明用レンズ１，２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１，２は、互いに屈折率が異なる少なくとも２種類以上の部材（第１部材１３，２３および第２部材１４，２４）で構成されているので、レンズ内に部材間の界面１５，２５が存在する。従って、本実施の形態１の照明用レンズ１，２には、第１出射面１２１，２２１および第２出射面１２２，２２２によって得られる上記の作用に、この界面１５，２５による屈折作用がさらに加味されるため、光源の指向性をより一層広くすることができる。本発明の照明用レンズを構成する各部材の形状、部材数および界面形状等は、図１Ａおよび図１Ｂに示したものに限定されず、適宜調整できる。例えば、各部材の形状、部材数、界面形状および部材の屈折率の組み合わせ等を適宜調整することによって、照明光の色のバラツキを抑制することも可能となる。

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）にも適用可能である。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る発光装置ついて、図面を参照しつつ説明する。実施の形態２に係る発光装置について、図２Ａは第１の構成例である発光装置７を示し、図２Ｂは第２の構成例である発光装置８を示す。発光装置７は、光を放射する発光ダイオード１０と、発光ダイオード１０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。発光装置８は、実施の形態１で説明した照明用レンズ２を備えている点以外は、発光装置７と同じ構成を有する。

発光ダイオード１０は、照明用レンズ１，２の入射面１１，２１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１，２の出射面１２，２２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１０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１０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１，２で指向性を広くすることが必要である。

図３Ａは発光装置７の光路図である。図３Ａ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１０から出射した光は、入射面１１を透過し、第２部材１４内を通過し、第２部材１４と第１部材１３との界面１５を屈折作用を受けながら通過し、さらに第１部材１３内を通過して第１出射面１２１に到達する。第１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１０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４Ａは発光装置７の光路図である。図４Ａ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１０から出射した光は入射面１１を透過し、第２部材１４内を通過し、第２部材１４と第１部材１３との界面１５を屈折作用を受けながら通過し、さらに第１部材１３内を通過して第２出射面１２２に到達する（到達点１３３）。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５Ａは発光装置７の光路図である。図５Ａ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１０から出射した光は入射面１１を透過し、第２部材１４内を通過し、第２部材１４と第１部材１３との界面１５を屈折作用を受けながら通過し、さらに第１部材１３内を通過して第１出射面１２１に到達する（到達点１３４）。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。

一方、発光装置８の光線経路は、図３Ｂ、図４Ｂおよび図５Ｂに示されている。図３Ｂ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２２１に到達する光線の光路を説明する。発光ダイオード１０から出射した光は、入射面２１を透過し、第２部材２４内を通過し、第２部材２４と第１部材２３との界面２５を屈折作用を受けながら通過し、さらに第１部材２３内を通過して第１出射面２２１に到達する。第１出射面２２１上で光が到達した位置を第１回目の到達点２３１とする。第１回目の到達点２３１では発光ダイオード１０からの光は大きな入射角で第１出射面２２１に入射するため第１出射面２２１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２２１に到達する。第１出射面２２１上で再度光が到達した位置を第２回目の到達点２３２とする。第２回目の到達点２３２では第１回目の到達点２３１で反射された光は小さな入射角で第１出射面２２１に入射するため、屈折作用を受けながら第１出射面２２１を透過する。透過した光は被照射面３に到達する。

図４Ｂ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２２２に到達する光線の光路を説明する。発光ダイオード１０から出射した光は入射面２１を透過し、第２部材２４内を通過して第２出射面２２２に到達する（到達点２３３）。第２出射面２２２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５Ｂ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２２１に到達する光線の光路を説明する。発光ダイオード１０から出射した光は入射面２１を透過し、第２部材２４内を通過し、第２部材２４と第１部材２３との界面２５を屈折作用を受けながら通過し、さらに第１部材２３内を通過して第１出射面２２１に到達する（到達点２３４）。第１出射面２２１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２２１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、実施例を示す。

（実施例）
図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の実施の形態２の発光装置７の具体例（実施例１）および発光装置８の具体例（実施例２）をそれぞれ示す構成図である。本実施例１，２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６Ａおよび図６Ｂ中のθ１は、光軸Ａ上の光源位置（基点Ｐ）と出射面１２，２２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６Ａおよび図６Ｂ中のｓａｇＹは、光軸Ａ上の光源位置（基点Ｐ）から前記出射面上の任意の位置まで光軸方向に測った距離である。また、第１部材１３，２３と第２部材１４，２４との界面１５，２５についても、同様に、ｓａｇＹ（光軸Ａ上の光源位置（基点Ｐ）から界面１５，２５上の任意の位置まで光軸方向に測った距離）を求めた。この場合のθ１は、光軸Ａ上の光源位置（基点Ｐ）と界面１５，２５上の任意の位置とを結んだ直線と、光軸Ａとの角度となる。

次に、実施例１の発光装置７について、ｓａｇＹの具体的な数値を表１−１（出射面のｓａｇＹ）および表１−２（界面のｓａｇＹ）に示す。また、実施例２の発光装置８について、ｓａｇＹの具体的な数値を表２−１（出射面のｓａｇＹ）および表２−２（界面のｓａｇＹ）に示す。

図７Ａは、表１−１および表１−２のθ１とｓａｇＹについてグラフ化したものである。図７Ｂは、表２−１および表２−２のθ１とｓａｇＹについてグラフ化したものである。

図８Ａに実施例１の発光装置７におけるθ₁-θ₃とｒ/Ｒの関係を示し、図８Ｂに実施例２の発光装置８におけるθ₁−θ₃とｒ/Ｒの関係を示す。ｒ/Ｒは、光源位置（基点Ｐ）から出射面１２，２２上の任意の点までの距離における、入射面１１，２１に平行な成分の距離を、レンズ最外半径で規格化した値である。ｒは、光源位置（基点Ｐ）から出射面１２，２２上の任意の点までの距離における、入射面１１，２１に平行な成分の距離を示している。Ｒは、レンズ最外半径を示している。θ₃は、出射面１２，２２上の任意の点における法線と光軸Ａとのなす角である。なお、θ₃の符号は、出射面１２，２２上の任意の点における法線のうち、レンズの内側向きの部分が光軸Ａと交差する場合はプラス、当該法線のうちレンズの外側向きの部分が光軸Ａと交差する場合はマイナスとする。

θ₁−θ₃は、照明用レンズ１が同じθ₁の角度で入射した光線が到達した出射面上の任意の点における法線と光軸とのなす角を表している。第１出射面１２１，２２１において、第１回目の到達点１３１，２３１で全反射するθ₁−θ₃の条件は、発光装置７の例（第１出射面１２１の屈折率：１．４１）で４５．２度以上、発光装置８の例（第１出射面２２１の屈折率：１．５）で４１．８度以上である。よって、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、本実施例の発光装置では、第１出射面に到達した光線は光軸近傍で透過し、それ以外では第１回目の到達点で全反射するように設計されていることになる。また、第２出射面１２２，２２２において、光線は第２出射面１２２，２２２で屈折作用を受けて透過することを示している。

図９Ａは、実施例１の発光装置７で用いた照明用レンズと発光ダイオードとを配置し、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９Ｂは、実施例２の発光装置８で用いた照明用レンズと発光ダイオードとを配置し、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１０は、図９Ａおよび図９Ｂ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９Ａおよび図９Ｂと図１０とを比較すると、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１１Ａは、本発明の実施の形態３に係る面光源９の構成図である。この面光源９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。

また、図１１Ｂに示すように、発光装置７の代わりに発光装置８を用いて面光源９を構成してもよい。

図１２Ａは、実施例１の発光装置７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。図１２Ｂは、実施例２の発光装置８を用いて、同様の方法で測定した照度分布である。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１３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１２Ａおよび図１２Ｂと図１３とを比較すると、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１４Ａおよび図１４Ｂ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９とを備えている。なお、図１４Ａに示す液晶ディスプレイでは発光装置７を用いており、図１４Ｂに示す液晶ディスプレイでは発光装置８を用いている。

図１４Ａに示す液晶ディスプレイは、発光ダイオード１０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１４Ａに示すように、液晶パネル５と面光源９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。

図１４Ｂに示す液晶ディスプレイは、図１４Ａに示す液晶ディスプレイにおいて発光装置７を発光装置８に置き換えた点のみ異なるが、他の構成は同じである。

本発明の実施の形態１に係る照明用レンズの一例を示す構成図 本発明の実施の形態１に係る照明用レンズの他の例を示す構成図 本発明の実施の形態２に係る発光装置の一例を示す構成図 本発明の実施の形態２に係る発光装置の他の例を示す構成図 本発明の実施の形態２に係る図２Ａに示した発光装置の第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に係る図２Ｂに示した発光装置の第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に係る図２Ａに示した発光装置の第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に係る図２Ｂに示した発光装置の第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に係る図２Ａに示した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に係る図２Ｂに示した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２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の出射面形状と界面形状とを表す、θ１とｓａｇＹの関係を示すグラフ（表１−１および表１−２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２の出射面形状と界面形状とを表す、θ１とｓａｇＹの関係を示すグラフ（表２−１および表２−２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θ₁-θ₃とｒ/Ｒと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２のθ₁-θ₃とｒ/Ｒと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 本発明の実施の形態２に係る発光装置の実施例２の照度分布 実施例１および実施例２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に係る面光源の一例を示す構成図 本発明の実施の形態３に係る面光源の他の例を示す構成図 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 本発明の実施の形態３に係る面光源で実施例２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一例を示す構成図 本発明の実施の形態４に係る液晶ディスプレイの他の例を示す構成図 （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

１，２ 照明用レンズ
１１，２１ 入射面
１２，２２ 出射面
１２１，２２１ 第１出射面
１２２，２２２ 第２出射面
１３１，２３１ 第１回目の到達点
１３２，２３２ 第２回目の到達点
１３３，２３３ 到達点
１３４，２３４ 到達点
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
７，８ 発光装置
９ 面光源
１０ 発光ダイオード（光源）
Ａ 光軸
Ｐ 基点

Claims (7)

1. 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、
   互いに屈折率が異なる少なくとも２種類以上の部材で構成されており、且つ、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、前記第１出射面上の点と前記基点とを結んだ線が前記光軸となす角度をθｉ度とした場合に、前記θｉ度が所定角度以上を満たす前記第１出射面上の点に到達する放射光を、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いる、
   照明用レンズ。
2. 前記所定角度は、略０度である、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θｉ度が前記所定角度未満を満たす前記第１出射面上の点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いる、請求項１に記載の照明用レンズ。
4. 前記部材のうち、最も屈折率の高い部材の屈折率をｎ_maxとし、最も屈折率の低い部材の屈折率をｎ_minとしたときに、以下の式
   ０．０５＜ｎ_max−ｎ_min＜０．６
   を満足する、請求項１〜３の何れか１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の何れか１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。