JP2010245295A - 発光装置及びバックライト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光素子から出射された光を高効率で拡散板に入射できる発光装置、及び、それを用いた高効率なバックライト装置を提供する。
【解決手段】 発光装置１０を、発光素子１１と、発光素子１１を表面に実装する基板１２と、一方が凹面で他方が凸面で構成された負の屈折力を有する第１光学レンズ１３と、正の屈折力を有し、正の屈折力が光軸より周辺部に向けて徐々に大きくなる第２光学レンズ１４を備えて構成し、第１光学レンズ１３の凹面に囲まれた内部空間１５に発光素子１１が位置するように、第１光学レンズ１３と発光素子１２を基板表面に配置し、第１光学レンズ１３の凸面側に第２光学レンズ１４を配置する。発光装置１０に拡散板２０を設けてバックライト装置１を構成する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、発光素子から出力された光が光学レンズを通して出射される発光装置、及び、当該発光装置を用いたバックライト装置に関する。

一般的な発光素子を複数用いて液晶ディスプレイ用のバックライト装置を作製する場合、各発光素子から出射される光を拡散板に均一に入射させる必要がある。しかし、発光素子から出射される光を拡散板に均一に入射させるには発光素子と拡散板間を相当距離離間させる必要があるため、液晶ディスプレイシステムが厚くなるという問題がある。また、通常よりも多くの発光素子を実装すれば、発光素子と拡散板間距離を短くでき液晶ディスプレイシステムの薄型化が可能であるが、コストが上昇するという問題が生じる。

斯かる問題を解決する一手段として、例えば、下記の特許文献１に開示されているような、発光素子の上部に光学レンズを配置することにより１つの点光源（発光素子）から出射される光を横方向に拡散させる方法がある。図１は、特許文献１に開示されている発光素子の上部に光学レンズを配置した構造のバックライト装置の断面図を示している。光学レンズ３０の内側面に囲まれる中空部３１内の基板１２上に発光素子１１が実装されており、発光素子１１から出射された光は光学レンズ３０で屈折されて外側に拡がって外部に出射されるため、拡散板２０のより広い範囲に向けて照射される。

特開２００７−０９６３１８号公報

しかしながら、発光素子の上部に光学レンズを配置した構造のバックライト装置において、１つの発光素子から出射される光が、拡散板のなるべく広い領域に入射できるようにするには、光学レンズから出射する光の向きをできるだけ拡散板に平行な向きに屈折させる必要がある。しかし、フレネル反射と呼ばれる現象により、光学レンズから出射する光の向き、つまり、拡散板に入射する光りの向きが、拡散板表面に平行な向きに近付くほど、入射光の拡散板表面での反射率が増加してしまい、発光素子が高輝度であっても拡散板に対して広範囲に効率的に入射させることが困難である。このため、液晶ディスプレイに対して平面状の光源となる拡散板の輝度が低下することになり、バックライト装置としての性能が低下することになる。

ここで、拡散板に対する光の入射角と反射率の関係について説明する。図２は、屈折率がｎ１である物質１を進む光が、屈折率がｎ２である物質２に入射された時に光が進む経路を示す図である。反射面に対して物質１から入射角αで入射した光は、屈折角βで進行する屈折光と反射角αで反射する反射光とに分けられる。このとき、ｐ波及びｓ波の各振幅反射率Ｒｐ、Ｒｓを求める下記の数１及び数２に示すフレネル反射式より、強度反射率Ｒは、下記の数３で与えられる。

［数１］
Ｒｐ＝｜ｔａｎ（α−β）／ｔａｎ（α＋β）｜
［数２］
Ｒｓ＝｜ｓｉｎ（α−β）／ｓｉｎ（α＋β）｜
［数３］
Ｒ＝１／２×［ｔａｎ｛２×（α−β）｝／ｔａｎ｛２×（α＋β）｝
＋ｓｉｎ｛２×（α−β）｝／ｓｉｎ｛２×（α＋β）｝］

更に、下記の数４に示すスネルの法則を用いれば、物質１と物質２の界面における強度反射率Ｒは、物質１の屈折率ｎ１、物質２の屈折率ｎ２、及び、物質１から物質２への入射角αによって決められる。

［数４］
ｎ１×ｓｉｎα＝ｎ２×ｓｉｎβ

従って、発光素子から拡散板に入射する光の強度反射率Ｒは、物質１が空気、物質２が拡散板の材質となるので、拡散板の材質をポリカーボネートとすると、屈折率ｎ１が１、屈折率ｎ２が１．５８１として、数３及び数４より、入射角αの関数として与えられる。尚、入射角αは、図３に示すように、入射光と拡散板表面と垂直な法線Ｐとの成す角度で規定される。

図４は、上記要領で求められた発光素子から拡散板２０に入射する光の強度反射率Ｒと入射角αの関係を示す図である。図４より明らかなように、拡散板２０に対してα＝７０°を超える角度にて入射された光は、拡散板２０の表面での反射率が大きくなる。即ち、発光素子の上部に光学レンズを配置した構造において、上述の従来技術のように、光学レンズを用いてα＝７０°以上の角度に広げられ拡散板に入射された光は反射率が大きく、効率が低下することになる。

本発明は、上記した発光素子の上部に光学レンズを配置した構造の従来の発光装置の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、発光素子から出射された光を高効率で拡散板に入射できる発光装置、及び、それを用いた高効率なバックライト装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、発光素子と、前記発光素子を表面に実装する基板と、一方が凹面で他方が凸面で構成された負の屈折力を有する第１光学レンズと、正の屈折力を有し、正の屈折力が光軸より周辺部に向けて徐々に大きくなる第２光学レンズを備え、前記第１光学レンズの凹面に囲まれた内部空間に前記発光素子が位置するように、前記第１光学レンズと前記発光素子を前記基板表面に配置し、前記第１光学レンズの凸面側に前記第２光学レンズを配置してなることを特徴とする発光装置を提供する。

上記特徴の発光装置によれば、発光素子から出射される光が第１光学レンズによって横方向（基板と平行な方向）に拡がり、第１光学レンズからの出射光と基板に垂直な法線との成す角度で規定される出射角が、第１光学レンズの外側ほど大きくなるが、第２光学レンズの正の屈折力が光軸より周辺部に向けて徐々に大きくなっているため、第２光学レンズに入射する光は、周辺部ほど出射角が小さくなって第２光学レンズから出射されるため、出射角を一定範囲に抑制しつつ、発光素子から出射される光を横方向に広げることが可能となる。この結果、本発光装置を用いたバックライト装置において、第２光学レンズから出射された光が入射する拡散板への入射角が一定範囲に抑制されるため、上述したフレネル反射現象によって拡散板表面での反射率が増大するのが抑制され、高効率で拡散板に入射できる発光装置が提供できる。

更に、上記特徴の発光装置は、前記発光素子から出射される光の前記第１光学レンズと前記第２光学レンズを通過した後の前記基板表面に垂直な法線に対する出射角が０度以上７０度以下の範囲内にあることが好ましい。

このように、出射角が０度以上７０度以下の範囲内に抑制されることで、拡散板への入射角も同様に抑制され、図４に示すように、拡散板表面での反射率を約０．２以下に抑制でき、高効率で拡散板に入射できる発光装置が提供できる。

更に、上記特徴の発光装置は、前記第２光学レンズは一方が凹面で他方が凸面で構成され、前記第２光学レンズの凹面に囲まれた内部空間に、前記第１光学レンズと前記発光素子が配置されていることが好ましい。

このように、第２光学レンズの凹面に囲まれた内部空間に第１光学レンズと発光素子を配置することで、第１光学レンズからの出射光の出射角が９０度またはそれ以上でも、当該出射光が第２光学レンズに入射することで、当該９０度またはそれ以上の出射角を第２光学レンズで小さく修正することが可能となる。また、第２光学レンズの当該内部空間に第１光学レンズと発光素子を配置できることから、第２光学レンズの周縁部と基板表面を直接接着させて、第２光学レンズを基板表面に固定できるため、第２光学レンズを支持するための支持部材が不要となる。

更に、上記特徴の発光装置は、前記第２光学レンズが、凹面または凸面の少なくとも何れか一方面にフレネル加工が施されたフレネルレンズであることが好ましい。これにより、第２光学レンズの厚みを薄くできるため、発光装置の薄型化が図れる。

更に、上記特徴の発光装置は、前記発光素子が、前記基板表面に線状或いはアレイ状に複数配列して実装され、前記発光素子の夫々に、前記第１光学レンズと前記第２光学レンズが各別に設けられていることが好ましい。これにより、出射角を一定範囲に抑制しつつ、第２光学レンズから出射される領域を拡大でき、面積の大きい拡散板に対応可能な発光装置を提供できる。

更に、本発明では、上記特徴の発光装置と、前記基板表面側に前記基板表面と平行に配置された前記発光素子から入射した光を拡散させて出射する拡散板と、を備えてなることを特徴とするバックライト装置を提供する。

上記特徴の発光装置を用いてバックライト装置を構成することで、第１及び第２光学レンズを通過して出射される光の出射角が、個々の発光素子において夫々一定範囲に抑制されることから、第２光学レンズから出射される光の拡散板表面での反射率の低下が、拡散板表面の全面において抑制され、高効率なバックライト装置を提供できる。

更に、上記特徴のバックライト装置は、前記発光装置の前記基板表面に実装された複数の前記発光素子の隣接する２つの前記発光素子から出射される光が、前記拡散板の入射面側で部分的に重なり合うように、隣接する２つの前記発光素子の配列間隔が設定されていることが好ましい。これにより、拡散板表面に入射する光の単位面積当たりの入射強度が、各発光素子の対応する第２光学レンズの光軸から外側に離間した周縁部では拡散板表面への入射光の入射角が大きくなるため低下するが、隣接する２つの発光素子からの入射光が拡散板表面で重なり合うことで、当該低下を補完し合い、拡散板表面全体での入射強度のバラツキが抑制される。

更に、上記特徴のバックライト装置は、前記発光装置の前記基板表面に実装された複数の前記発光素子の隣接する２つの前記発光素子から出射された光が前記拡散板の入射面上の同一点に入射する場合の夫々の入射角と夫々の前記発光素子から当該入射点までの経路長の関数として算出される当該入射点での照度が、当該入射点を夫々の前記入射角が７０度以下となる条件下で、当該入射点を一方の前記発光素子からの光の入射角が０度の位置から、他方の前記発光素子からの光の入射角が０度の位置まで直線的に移動させた場合の前記照度の変動幅または変動率が一定範囲内となるか、或いは、最小となるように、前記基板表面と前記拡散板の入射面間の距離と前記配列間隔が設定されていることが好ましい。或いは、上記特徴のバックライト装置は、前記発光装置の前記基板表面に、前記基板表面と平行で互いに直交する２方向に同じ間隔でアレイ状に配列して実装された複数の前記発光素子の配列間隔を１辺とする正方形の各頂点に位置する４つの前記発光素子から出射された光が前記拡散板の入射面上の同一点に入射する場合の夫々の入射角と夫々の前記発光素子から当該入射点までの経路長の関数として算出される当該入射点での照度が、当該入射点を夫々の前記入射角が７０度以下となる条件下で、当該入射点を４つの前記発光素子の夫々から前記拡散板の入射面への光の入射角が０度となる位置を頂点とする正方形内で移動させた場合の前記照度の変動幅または変動率が一定範囲内となるか、或いは、最小となるように、前記基板表面と前記拡散板の入射面間の距離と前記配列間隔が設定されていることが好ましい。これにより、拡散板表面に重なり合って入射する複数の発光素子からの光の合成照度が、拡散板表面でより確実に均一化されるため、拡散板表面全体での入射強度のバラツキが抑制される。

発光素子の上部に光学レンズを配置した構造の従来のバックライト装置の概略の断面構造を示す要部断面図 フレネル反射を説明する光経路図 拡散板に入射する光の入射経路及び入射角を説明する図 入射角と強度反射率の関係を示す図 本発明による発光装置及びバックライト装置の一実施形態における概略の断面構造を示す要部断面図 本発明による発光装置及びバックライト装置の一実施形態の概略の断面構造を示す他の要部断面図 本発明によるバックライト装置の一実施形態の概略構成を示す斜視図 本発明によるバックライト装置の一実施形態の他の概略構成を示す斜視図 ２つの発光素子から拡散板に入射する光の入射位置と照度の関係を説明する図 ４つの発光素子から拡散板に入射する光の入射位置と照度の関係を説明する図 本発明による発光装置及びバックライト装置の別実施形態における概略の断面構造を示す要部断面図 本発明による発光装置及びバックライト装置の他の別実施形態における概略の断面構造を示す要部断面図

本発明に係る発光装置及びその発光装置を用いたバックライト装置の実施形態につき、図面に基づいて説明する。尚、以下において、説明の理解の容易のため、図１に示す従来のバックライト装置と共通する部位には同じ符号を付して説明する。

図５及び図６に、本発明によるバックライト装置の概略の断面構造を示す。図５及び図６に示すように、バックライト装置１は、複数の発光素子１１、複数の発光素子１１を表面に実装する基板１２、第１光学レンズ１３、及び、第２光学レンズ１４を備えてなる発光装置１０と、拡散板２０を備えて構成される。図５は、１個の発光素子１１に係る断面構造を拡大表示した要部断面図で、図６は、３個の隣接する発光素子１１に係る断面構造を拡大表示した要部断面図である。何れも、各構成要素の位置関係を明確に示すために、部分的に強調表示しているため、各部の寸法比は実際の寸法比と必ずしも一致していない。尚、図５及び図６において矢印付き実線は、発光素子１１から出射された光が拡散板２０に入射するまでの軌跡を模式的に示している。

発光素子１１は、アノード及びカソードの２つの電極端子を下面側に備えた発光ダイオード等のチップ型素子で、発光が素子上面側から上面側空間に向けて放射される。基板１２は、発光素子１１を表面実装するプリント配線基板で、発光素子１１の２つの電極端子と電気的に接続するための電極配線が予め施されている。図５及び図６では図示されていないが、発光素子１１と基板１２は、発光素子１１の２つの電極端子と基板１２に設けられた電極とが半田付け等により接続され、２つの電極端子と電極配線が電気的に接続している。

第１光学レンズ１３は、下面側が凹面で上面側が凸面で構成された負の屈折力を有するメニスカスレンズで、発光素子１１の発光波長域の光を透過する合成樹脂素材でできている。第１光学レンズ１３の凹面で囲まれた第１中空部１５の第１光学レンズ１３の光軸が通過する位置に、発光素子１１が配置されている。第１光学レンズ１３の光軸は、基板１２の表面と直交している。

第２光学レンズ１４は、下面側が凹面で上面側が凸面で構成された正の屈折力を有するメニスカスレンズで、発光素子１１の発光波長域の光の波長を透過する合成樹脂素材でできている。第２光学レンズ１４の凹面で囲まれた第２中空部１６内に、第１光学レンズ１３と発光素子１１が配置されている。第２光学レンズ１４の光軸は、基板１２の表面と直交し、第１光学レンズ１３の光軸と同軸上或いはほぼ同軸上に配置されている。第２光学レンズ１４の凹面形状または凹面形状は、正の屈折力が光軸より周辺部に向けて徐々に大きくなるように形成されている。

第１光学レンズ１３と第２光学レンズ１４は何れも、基板１２の表面とは接着剤で固定されており、基板１２の表面と接着している外周の形状は円形である。また、本実施形態では、図６に示すように、複数の発光素子１１の夫々に対して、各別に第１光学レンズ１３と第２光学レンズ１４が設けられている。

発光素子１１は、基板１２の表面に線状或いはアレイ状に複数配列して実装されており、図７は線状に配列されている場合の一例を、図８はアレイ状に配列されている場合の一例を、夫々斜視図によって模式的に示している。尚、図７及び図８では、基板１２と第２光学レンズ１４だけを示しているが、発光素子１１と第１光学レンズ１３は、夫々第２光学レンズ１４の内側に存在している。

拡散板２０は、従来のバックライト装置で使用されているものと同じものである。拡散板２０は、下面側の表面が基板１２の表面と平行になるように設置されている。

図５及び図６に示すように、複数の発光素子１１の夫々から出射された光は、負の屈折力を有する第１光学レンズ１３によって光軸から半径方向外側に向けて屈折して横方向に広がって出射する。更に、第２光学レンズ１４は、正の屈折力が光軸より周辺部に向けて徐々に大きくなっているため、第１光学レンズ１３の凸面の外周部から出射する光ほど、第２光学レンズ１４によって大きく光軸寄りに屈折して、基板１２及び拡散板２０の表面と垂直な法線に対する出射角が、光軸から離間するほど大きく低減される。

上述のように、発光素子１１から順に、負の屈折力を有する第１光学レンズ１３と正の屈折力が光軸より周辺部に向けて徐々に大きくなっている第２光学レンズ１４を配置することで、発光素子１１の夫々から出射された光を、外周側で出射角が大きくなり過ぎるのを抑制しつつ、横方向に広げることができるため、拡散板２０の下面側に入射する光の反射率を抑制することができる。

本実施形態では、第２光学レンズ１４の凸面側から出射する光の出射角は０〜７０度の範囲内となるように、第１光学レンズ１３と第２光学レンズ１４の大きさや形状が設計されている。この結果、拡散板２０の素材がポリカーボネートの場合では、図４に示すように、拡散板２０の下面での反射率が約０．２以下に抑制される。更に、第２光学レンズ１４の凸面側から出射する光の出射角を０〜６０度の範囲内となるように設計することで、拡散板２０の下面での反射率が約０．１以下に抑制される。

更に、図６に示すように、本実施形態では、隣接する２つの発光素子１１から出射される光が、拡散板２０の下面の入射面において部分的に重なり合うように、隣接する２つの発光素子１１の配列間隔が設定されている。このように、隣接する２つの発光素子１１から出射される光が重なり合う領域（領域Ａ）では、拡散板２０の下面への入射角が、各発光素子１１に対応する第１光学レンズ１３と第２光学レンズ１４の光軸と交差する領域（領域Ｂ）より大きいため、単位面積当たりの入射強度が低下するが、隣接する２つの発光素子１１からの光が重なり合うことで、入射強度の低下が補完され合う。この結果、拡散板２０の下面側から入射する光の反射率が、拡散板２０の全面に亘って約０．２以下（或いは、約０．１以下）に抑制されるとともに、拡散板２０の下面側表面内での入射強度のバラツキが抑制されるため、拡散板２０の全面に亘って、従来と比べてより均質な入射光とすることができる。

次に、基板１２の表面と拡散板２０の下面側表面間の距離ｄ、及び、隣接する２つの発光素子１１間の離間距離ｒ（上述の配列間隔に相当）の決定方法について、図９を参照して具体的に説明する。

拡散板２０の下面側表面の任意の点Ａにおける照度について考える。ここで、距離ｄと距離ｒの比（ｄ／ｒ）が比較的小さく、且つ、拡散板２０の下面への入射角が７０度（または６０度）以下となる場合を想定しているため、点Ａに入射する光は、点Ａを挟んで両側に位置する２つの発光素子１１ａ，１１ｂからのみと考える。つまり、発光素子１１ａから出射した光は、他方の発光素子１１ｂの直上点Ａ２（発光素子１１ｂから基板１２の表面に対して垂直方向に出射した光の拡散板２０の下面への入射点。入射角は０度となる。）より遠方には届かず入射しない場合を想定している。同様に、発光素子１１ｂから出射した光は、他方の発光素子１１ａの直上点Ａ１（発光素子１１ａから基板１２の表面に対して垂直方向に出射した光の拡散板２０の下面への入射点。入射角は０度となる。）には届かず入射しないか、入射しても入射角が７０度を超えて反射率が高くなる場合を想定している。

図９において、発光素子１１ａから出射して点Ａに入射する光の入射角をθ_１とする。但し、０°＜θ_１≦７０°である。ここで、発光素子１１ａから出射して点Ａに入射する光の経路の長さの和をＬ_１、該光の経路の基板１２の表面と平行な成分の和をＬ_１ｘ、該光の経路の基板１２の表面と垂直な成分の和をＬ_１ｚ（＝ｄ）とする。

照度は入射光の入射面に対して垂直な成分に比例し、光源からの距離の２乗に反比例するから、点Ａにおける発光素子１１ａからの入射光の照度Ｓ_Ａ１は、比例定数をｋとして、以下の数５で与えられる。

[数５]
Ｓ_Ａ１＝ｋ×ｃｏｓθ_１／Ｌ_１ ^２

同様に、発光素子１１ｂから出射して点Ａに入射する光の入射角をθ_２とし（但し、０°＜θ_２≦７０°）、発光素子１１ｂから出射して点Ａに入射する光の経路の長さの和をＬ_２、該光の経路の基板１２の表面と平行な成分の和をＬ_２ｘ、該光の経路の基板１２の表面と垂直な成分の和をＬ_２ｚ（＝ｄ）とすると、点Ａにおける発光素子１１ｂからの入射光の照度Ｓ_Ａ２は、比例定数をｋとして、以下の数６で与えられる。

[数６]
Ｓ_Ａ２＝ｋ×ｃｏｓθ_２／Ｌ_２ ^２

従って、点Ａにおける照度Ｓ_Ａは、以下の数７で与えられる。

[数７]
Ｓ_Ａ＝Ｓ_Ａ１＋Ｓ_Ａ２＝ｋ×（ｃｏｓθ_１／Ｌ_１ ^２＋ｃｏｓθ_２／Ｌ_２ ^２）

或る与えられた距離ｄ（＝Ｌ_１ｚ＝Ｌ_２ｚ）と距離ｒ（＝Ｌ_１ｘ＋Ｌ_２ｘ）の条件下で、点Ａの位置を拡散板２０の下面側表面上の直上点Ａ１とＡ２を結ぶ直線に沿って移動させた場合の、数７で与えられる照度Ｓ_Ａの変動幅或いは変動率（例えば、最大照度に対する変動幅の比）を求め、当該変動幅或いは変動率が一定範囲内（例えば、変動率で１０％以内）に収まるように、或いは、最小となるように、距離ｄと距離ｒを決定することができる。尚、上記計算の前提として第１光学レンズ１３と第２光学レンズ１４を通過する際の照度の損失は小さく、無視できると仮定している。また、入射角θ_１及び入射角θ_２は７０度以下となるように設定されており、直上点Ａ１とＡ２を結ぶ直線の点に２つの発光素子１１ａ，１１ｂの内の一方からの光が入射しない場合があるので、その場合は、数７における照度Ｓ_Ａ１と照度Ｓ_Ａ２の何れか一方を０とする。

以上より、数７に示す照度の導出式を用いて、基板１２の表面と拡散板２０の下面側表面間の距離ｄ、及び、隣接する２つの発光素子１１間の離間距離ｒを決定することで、任意の隣接する２つの発光素子１１において、拡散板２０の下面側表面の直上点を結ぶ直線上において均質な入射照度を得ることができる。このことは、基板１２の表面に発光素子１１を図８に示すようにアレイ状に配列した場合には、１辺ｒの正方形の頂点に夫々配置された４個の発光素子１１について、各辺上において均質な入射照度を得ることができることになる。また、当該正方形内部においては、２つの発光素子１１からの合成照度は低下するが、他の２つの発光素子１１からの照度が加算されるため、照度の低下が補完されるため、当該正方形面内における４つの発光素子１１からの合成照度のバラツキは、各辺上の照度の変動を抑制することで抑制される。

次に、基板１２の表面と拡散板２０の下面側表面間の距離ｄ、及び、隣接する２つの発光素子１１間の離間距離ｒ（上述の配列間隔に相当）の別の決定方法について、図１０を参照して具体的に説明する。

上述の決定方法（第１の決定方法）では、基板１２の表面に発光素子１１を図８に示すようにアレイ状に配列した場合において、１辺ｒの正方形の頂点に夫々配置された４個の発光素子１１について、数７を用いて正方形の各辺上において均質な入射照度を得るように距離ｄと距離ｒを決定することで、正方形面内全体において均質な入射照度を得るようにした。以下に説明する別方法（第２の決定方法）では、１辺ｒの正方形の頂点に夫々配置された４個の発光素子１１から出射された光が拡散板２０の下面側表面の点Ｂに入射する場合の合成照度Ｓ_Ｂを考える。ここで、点Ｂから基板１２の表面に向けた垂線と当該表面の交点Ｃとし、第１の決定方法と同様に、距離ｄと距離ｒの比（ｄ／ｒ）が比較的小さく、且つ、拡散板２０の下面への入射角が７０度（または６０度）以下となる場合を想定しているため、点Ｂに入射する光は、交点Ｃを囲む正方形の４頂点に配置された４つの発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄからのみと考える。

ここで、発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから基板１２の表面に対して垂直方向に夫々出射した光の拡散板２０の下面への入射点（入射角は０度となる）を、夫々発光素子１１ａの直上点Ｂ１、発光素子１１ｂの直上点Ｂ２、発光素子１１ｃの直上点Ｂ３、発光素子１１ｄの直上点Ｂ４とすると、点Ｂは、４つの直上点Ｂ１〜Ｂ４を頂点とする正方形内にある。

図１０において、発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから出射して点Ｂに入射する各光の入射角をθ_１，θ_２，θ_３，θ_４とし、発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから出射して点Ｂに入射する各光の経路の長さの和を夫々Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４、該各光の経路の基板１２の表面と平行な成分の和を夫々Ｌ_１ｒ，Ｌ_２ｒ，Ｌ_３ｒ，Ｌ_４ｒ、該各光の経路の基板１２の表面と垂直な成分の和をＬ_１ｚ，Ｌ_２ｚ，Ｌ_３Ｚ，Ｌ_４Ｚ（＝ｄ）とすると、各発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄからの入射光の照度Ｓ_Ｂ１，Ｓ_Ｂ２，Ｓ_Ｂ３，Ｓ_Ｂ４は、比例定数をｋとして、以下の数８で与えられる。また、合成照度Ｓ_Ｂは照度Ｓ_Ｂ１，Ｓ_Ｂ２，Ｓ_Ｂ３，Ｓ_Ｂ４の合計として、数９で与えられる。

[数８]
Ｓ_Ｂ１＝ｋ×ｃｏｓθ_１／Ｌ_１ ^２
Ｓ_Ｂ２＝ｋ×ｃｏｓθ_２／Ｌ_２ ^２
Ｓ_Ｂ３＝ｋ×ｃｏｓθ_３／Ｌ_３ ^２
Ｓ_Ｂ４＝ｋ×ｃｏｓθ_４／Ｌ_４ ^２

[数９]
Ｓ_Ｂ＝Ｓ_Ｂ１＋Ｓ_Ｂ２＋Ｓ_Ｂ３＋Ｓ_Ｂ４
＝ｋ×（ｃｏｓθ_１／Ｌ_１ ^２＋ｃｏｓθ_２／Ｌ_２ ^２
＋ｃｏｓθ_３／Ｌ_３ ^２＋ｃｏｓθ_３／Ｌ_３ ^２）

ここで、１辺ｒの正方形の各頂点に配置した４つの発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから交点Ｃまでの距離は、夫々Ｌ_１ｒ，Ｌ_２ｒ，Ｌ_３ｒ，Ｌ_４ｒとなるので、夫々の各辺と平行な方向成分（ｘ方向成分またはｙ方向成分）については、夫々の方向に隣接する２つの頂点に対応する成分の和が距離ｒとなる関係にある。

或る与えられた距離ｄ（＝Ｌ_１ｚ＝Ｌ_２ｚ＝Ｌ_３ｚ＝Ｌ_４ｚ）と距離ｒ（Ｌ_１ｒ，Ｌ_２ｒ，Ｌ_３ｒ，Ｌ_４ｒと距離ｒとの上記関係）の条件下で、点Ｂを４つの直上点Ｂ１〜Ｂ４を頂点とする１辺ｒの正方形面内で移動させた場合について、数９で与えられる照度Ｓ_Ｂの変動幅或いは変動率（例えば、最大照度に対する変動幅の比）を求め、当該変動幅或いは変動率が一定範囲内（例えば、変動率で１０％以内）に収まるように、或いは、最小となるように、距離ｄと距離ｒを決定することができる。尚、上記計算の前提として第１光学レンズ１３と第２光学レンズ１４を通過する際の照度の損失は小さく、無視できると仮定している。また、入射角θ_１，θ_２，θ_３，θ_４は夫々７０度以下となるように設定されおり、上記正方形面内の任意の点Ｂにおいて、４つの発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの内の少なくとも１つの発光素子からの光が入射しない場合があるので、その場合は、入射しない光の照度（Ｓ_Ｂ１，Ｓ_Ｂ２，Ｓ_Ｂ３，Ｓ_Ｂ４）を０とする。

以上より、数９に示す照度の導出式を用いて、基板１２の表面と拡散板２０の下面側表面間の距離ｄ、及び、隣接する２つの発光素子１１間の離間距離ｒを決定することで、拡散板２０の下面側表面全体において均質な入射照度を得ることができる。

次に、本発明装置の別実施形態について説明する。

〈１〉上記実施形態では、発光装置１０の第２光学レンズ１４が、光軸に近い中央部ほどレンズ厚の厚い正のメニスカスレンズとして構成される場合を説明したが、レンズ厚を薄くするために、図１１に示すように、第２光学レンズ１４に代えて、下面側の凹面または上面側の凸面の何れか一方をフレネル加工したフレネルレンズの第２光学レンズ１７を用いて発光装置１８を構成するのも好ましい。図１１では、一例として、第２光学レンズ１７の上面側の凸面がフレネル加工されている。

これにより、発光装置１８の厚みを発光装置１０より薄くでき、第２光学レンズ１７からの出射角を７０度以下で調整することで、バックライト装置１の薄型化が図れる。第１光学レンズ１３については、レンズ厚が中央部ほど薄いため、フレネルレンズとする効果は、第２光学レンズ１７と同等ではないが、下面側が凹面で上面側が凸面で構成されている限りにおいて、フレネルレンズとしても構わない。

〈２〉上記実施形態では、第２光学レンズ１４は、発光素子１１毎に個別に成型されたものを使用したが、図１２に示すように、隣接する第２光学レンズ１４間を連結して一体化したもの使用するのも好ましい。これにより、第２光学レンズ１４を発光素子１１毎に取り付ける必要がなく、製造工程が簡略化される。第１光学レンズ１３についても同様に一体化しても構わない。また、図１１に示すフレネルレンズの第２光学レンズ１７についても、隣接する第２光学レンズ１７間を連結して一体化したもの使用するのも好ましい。

〈３〉上記実施形態で例示した各部の材質や形状については、一例であり例示したものに限定されるものではない。また、基板１２上に実装する発光素子１１の個数も、図示した個数に限定されるものではない。

〈４〉上記実施形態では、特に言及しなかったが、拡散板２０の下面側の表面に公知の反射防止膜を形成することで、更に、反射率の低減を図ることができ好ましい。

〈５〉上記実施形態では、基板１２上に複数の発光素子１１を実装する場合を説明したが、発光素子１１が１個の場合であっても、第２光学レンズ１７の直径を大きくして、外周部から出射される光の出射角の抑制を更に強くすることで、拡散板２０での反射率の増大を抑制しつつ、拡散板２０への入射領域を拡大できる。

〈６〉上記実施形態では、第１光学レンズ１３の凹面で囲まれた第１中空部１５内には、１つの発光素子１１が配置されている場合を説明したが、第１中空部１５内に配置される発光素子１１の個数は２以上であっても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

本発明に係る発光装置及びバックライト装置は、液晶ディスプレイ用のバックライト装置に利用可能である。

１： バックライト装置
１０，１８： 発光装置
１１： 発光素子
１２： 基板
１３： 第１光学レンズ
１４： 第２光学レンズ
１５： 第１中空部
１６： 第２中空部
１７： 第２光学レンズ（フレネルレンズ）
２０： 拡散板
３０： 光学レンズ
３１： 中空部
Ｐ： 拡散板表面に垂直な法線

Claims (9)

1. 発光素子と、
   前記発光素子を表面に実装する基板と、
   一方が凹面で他方が凸面で構成された負の屈折力を有する第１光学レンズと、
   正の屈折力を有し、正の屈折力が光軸より周辺部に向けて徐々に大きくなる第２光学レンズを備え、
   前記第１光学レンズの凹面に囲まれた内部空間に前記発光素子が位置するように、前記第１光学レンズと前記発光素子を前記基板表面に配置し、
   前記第１光学レンズの凸面側に前記第２光学レンズを配置してなることを特徴とする発光装置。
2. 前記発光素子から出射される光の前記第１光学レンズと前記第２光学レンズを通過した後の前記基板表面に垂直な法線に対する出射角が０度以上７０度以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記第２光学レンズは一方が凹面で他方が凸面で構成され、
   前記第２光学レンズの凹面に囲まれた内部空間に、前記第１光学レンズと前記発光素子が配置されてい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。
4. 前記第２光学レンズが、凹面または凸面の少なくとも何れか一方面にフレネル加工が施されたフレネルレンズであることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
5. 前記発光素子が、前記基板表面に線状或いはアレイ状に複数配列して実装され、
   前記発光素子の夫々に、前記第１光学レンズと前記第２光学レンズが各別に設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の発光装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の発光装置と、前記基板表面側に前記基板表面と平行に配置された前記発光素子から入射した光を拡散させて出射する拡散板と、を備えてなることを特徴とするバックライト装置。
7. 前記発光装置の前記基板表面に実装された複数の前記発光素子の隣接する２つの前記発光素子から出射される光が、前記拡散板の入射面側で部分的に重なり合うように、隣接する２つの前記発光素子の配列間隔が設定されていることを特徴とする請求項６に記載のバックライト装置。
8. 前記発光装置の前記基板表面に実装された複数の前記発光素子の隣接する２つの前記発光素子から出射された光が前記拡散板の入射面上の同一点に入射する場合の夫々の入射角と夫々の前記発光素子から当該入射点までの経路長の関数として算出される当該入射点での照度が、当該入射点を夫々の前記入射角が７０度以下となる条件下で、当該入射点を一方の前記発光素子からの光の入射角が０度の位置から、他方の前記発光素子からの光の入射角が０度の位置まで直線的に移動させた場合の前記照度の変動幅または変動率が一定範囲内となるか、或いは、最小となるように、前記基板表面と前記拡散板の入射面間の距離と前記配列間隔が設定されていることを特徴とする請求項７に記載のバックライト装置。
9. 前記発光装置の前記基板表面に、前記基板表面と平行で互いに直交する２方向に同じ間隔でアレイ状に配列して実装された複数の前記発光素子の配列間隔を１辺とする正方形の各頂点に位置する４つの前記発光素子から出射された光が前記拡散板の入射面上の同一点に入射する場合の夫々の入射角と夫々の前記発光素子から当該入射点までの経路長の関数として算出される当該入射点での照度が、当該入射点を夫々の前記入射角が７０度以下となる条件下で、当該入射点を４つの前記発光素子の夫々から前記拡散板の入射面への光の入射角が０度となる位置を頂点とする正方形内で移動させた場合の前記照度の変動幅または変動率が一定範囲内となるか、或いは、最小となるように、前記基板表面と前記拡散板の入射面間の距離と前記配列間隔が設定されていることを特徴とする請求項７に記載のバックライト装置。

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