JP2011228226A - 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】光源の指向性を広くしながらも、光源から広い角度で放射される光を有効に配光させることが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（１１０）と出射面（１２０）とを備え、出射面は、光源の光軸上の点に向かって窪む第１出射面（１２１）と、第１出射面の周縁部から外側に形成される第２出射面（１２２）と、第２出射面の外側周縁部から光軸側に向かって形成される第３出射面（１２３）と、第３出射面の光軸側周縁部から外側に広がりながら凸面を形成する第４出射面（１２４）と、を有している。
【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発光装置に関する。さらに、本発明は、複数の発光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。

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。

特許第３８７５２４７号公報

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に開示された面光源では、照明用レンズを用いて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、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。

しかしながら、特許文献１の面光源では、レンズによって光源からの光を屈折させる必要性から凹面と凸面との間の高低差をある程度小さく抑える必要があり、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が可能な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、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出射面と、を備え、前記出射面は、前記光源の光軸上の点に向かって窪む第１出射面と、前記第１出射面の周縁部から外側に広がりながら形成される第２出射面と、前記第２出射面の外側周縁部から前記光軸側に向かって形成される第３出射面と、前記第３出射面の光軸側周縁部から外側に広がりながら凸面を形成する第４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る放射光のうち前記光軸からの角度が所定角度未満の放射光を透過させ、前記第２出射面は、前記基点から放射される放射光のうち前記光軸からの角度が前記所定角度以上の放射光を全反射させ、前記第３出射面は、前記第２出射面で全反射された光を屈折して透過させ、前記第４出射面は、前記基点から放射される放射光を屈折して透過させる、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、光源から出射され、第１出射面に到達する光の多くは、屈折して被照射面におけるレンズの光軸を中心とするエリアに照射される。一方、光源から出射され、第１出射面の外周側に位置する第２出射面に到達する光は、全反射し、第３出射面から遠方に出射される。さらに、光軸から出射され、第４出射面に到達する光の多くは、被照射面におけるレンズの光軸から離れたエリアに照射される。従って、本発明によれば、第２出射面に到達した光が全反射されて外側へ広げられて第３出射面から遠方に出射されるため、光源の指向性をより広くすることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る照明用レンズの構成図 照明用レンズの形状を説明するための説明図 本発明の実施の形態２に係る発光装置の第１出射面に到達する光線の光路図 本発明の実施の形態２に係る発光装置の第２出射面に到達する光線の光路図 本発明の実施の形態２に係る発光装置の第４出射面に到達する光線の光路図 本発明の実施の形態３に係る面光源の構成を示す斜視図 本発明の実施の形態３に係る面光源の構成を示す断面図 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を示す斜視図 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を示す断面図

（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３００との間に配置され、光源からの光を拡張して被照射面３００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３００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。

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１１０と、入射した光を出射させる出射面１２０とを有している。また、照明用レンズ１は、入射面１１０の周囲で出射面１２０と反対側を向く底面１３０を有している。本実施の形態においては、出射面１２０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１１０は光軸Ａに対して軸対称である必要はない。入射面１１０を取り巻く環状の底面１３０は、フラットであることが好ましい。図例では、入射面１１０と底面１３０とが同一平面上に位置しているが、入射面１１０と底面１３０との間に段差があってもよい。例えば、入射面１１０が底面１３０よりも出射面１２０に近くにあり、それらの段差で形成される窪みに光源が嵌り込むようになっていてもよい。

光源からの光は、入射面１１０から照明用レンズ１内に入射した後に出射面１２０から出射されて、被照射面３００に到達する。光源から放射される光は、出射面１２０の作用で拡張され、被照射面３００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、通常は空気に触れないように封止樹脂で覆われている。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２．０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、硝子、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１２０は、光軸Ａ上の点に向かって窪む第１出射面１２１と、第１出射面１２１の周縁部から外側に広がりながら形成される第２出射面１２２と、第２出射面１２２の外側周縁部から光軸Ａ側に向かって形成される第３出射面１２３と、第３出射面１２３の光軸Ａ側周縁部から外側に広がりながら凸面を形成する第４出射面１２３と、を有する。入射面１１０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からの角度が大きくなると、光は第２出射面１２２で全反射して第３出射面１２３に、もしくは、第４出射面１２４に到達する。第１出射面１２１は、光軸Ａ上の光源の位置を基点としたときに、基点から放射される放射光のうち光軸Ａからの角度が所定角度未満の放射光を透過させる。第２出射面１２２は、基点から放射され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全反射させる。第３出射面１２３は、第２出射面１２２で全反射された光を屈折して透過させる。第４出射面１２４は、基点から放射される放射光を屈折して透過させる。

次に、第１出射面１２１および第２出射面１２２、第３出射面１２３、第４出射面１２４の形状について図２を参照して説明する。そのために、まず基点Ｑを規定し、この基点Ｑから放射される放射光を観念する。ここで、基点Ｑとは、光軸Ａ上の光源２００の位置のことであり、光源２００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。また、基点Ｑから放射される放射光のうち、第１出射面１２１と第２出射面１２２の境界、第３出射面と第４出射面の境界、のそれぞれに到達する放射光が光軸Ａとのなす出射角度をそれぞれθｂ、θｃとする。基点Ｑから放射される放射光は、θｂ、θｃを境に、第１出射面１２１に到達する光、第２出射面１２２を全反射して第３出射面１２３に到達する光、第４出射面１２４に到達する光のそれぞれに分けられる。本実施の形態では、第３出射面１２３は、基点Ｑから放射されて入射面１１０を入射した光のうち第３出射面１２３の光源側周縁部に到達する光の光路と平行な面である。

第１出射面１２１は、基点Ｑから放射される放射光のうち光軸からの角度がθｂまでの放射光を透過させる。第１出射面１２１は、到達した光を光軸から外側に広げる方向に屈折させて出射する。また、第２出射面１２２は、基点Ｑから放射される放射光のうち光軸Ａからの角度がθｂからθｃまでの放射光を全反射し、第３出射面１２３を透過させる。

一方、第４出射面１２４は、基点Ｑから放射される放射光を全面に亘って透過させる形状を有している。第４出射面１２４の外側に行くほど基点Ｑ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４出射面１２４に到達する点での法線に対する放射線の光線の角度は第４出射面１２４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４出射面１２４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。

以上のような照明用レンズ１であれば、光源から出射され、第１出射面１２１の透過領域に到達する光の多くは、第１出射面１２１で屈折して被照射面３００におけるレンズの光軸Ａを中心とするエリアに照射される。一方、光源から出射され、第１出射面１２１の外周側に位置する第２出射面１２２に到達する光は、全反射され、第３出射面１２３に到達した後、第３出射面で屈折して被照射面３００におけるレンズの光軸Ａから離れたエリアに照射される。さらに、光軸から出射され、第４出射面１２４に到達する光の多くは、第４出射面１２４で屈折して被照射面３００におけるレンズの光軸Ａから離れたエリアに照射される。従って、本実施形態の照明用レンズ１によれば、光源の指向性をより広くすることが可能である。このため、凹面で屈折だけさせる従来のレンズと比べて、レンズの外径をより小さくすることも可能である。

以上では、本実施形態の照明用レンズ１の基本的な態様について説明したが、以下では、本実施形態の照明用レンズ１の好ましい態様について説明する。

前述した角度θｂ（図２参照）は、以下の式（１）、
５°＜θｂ＜２０°・・・（１）
を満足することが好ましい。式（１）は、第１出射面１２１の範囲を規定した式であり、第１出射面１２１の範囲を基点Ｑからの角度(極座標)で定義し、被照射面３００におけるレンズの光軸Ａを中心とするエリア（以下「光軸近傍エリア」という）に照射される光と被照射面３００におけるレンズの光軸Ａから離れたエリア（以下「外周エリア」という）に照射される光を適量に分割することのできる範囲を与えている。θｂが２０°以上になると、第１出射面１２１の範囲が大きくなり、光源からの光軸近傍の光が外側に過大に分配されるため、被照射面３００における光軸近傍エリアの照度不足が発生し、照度ムラが生じてしまう。また、θｂが５°以下になると、第１出射面１２１の範囲が小さくなり、被照射面３００における光軸近傍エリアに照射される光が多くなる一方で外周エリアに照射される光が不足するため、照度ムラが生じるだけでなく、指向性も狭くなる。

また、図２に示すように、角度θｃは、以下の式（２）、
３５°＜θｃ＜６５°・・・（２）
を満足することが好ましい。式（２）は、透過領域である第４出射面１２４の範囲を規定した式である。θｃが６５°以上になると、第２出射面１２２の範囲が大きくなり、光源からの光軸近傍の光が外側に過大に分配されるため、被照射面３００における光軸近傍エリアの照度不足が発生し、照度ムラが生じてしまう。また、θｃが３５°以下になると、第２出射面１２２の範囲が小さくなり、被照射面３００における光軸近傍エリアに照射される光が多くなる一方で外周エリアに照射される光が不足するため、照度ムラが生じるだけでなく、指向性も狭くなる。

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、レーザーまたは有機ＥＬ）にも適用可能である。

（実施の形態２）
図３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２００と、発光ダイオード２００からの光を拡張して被照射面３００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２００は、照明用レンズ１の入射面１１０からドーム状の空間を空けて離れて配置されている。照明用レンズ１の出射面１２０から出射した光は被照射面３００に到達し、被照射面３００を照明する。

発光ダイオード２００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２００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２００から出射した光は入射面１１０を透過し、第１出射面１２１に到達する。到達した光は、第１出射面１２１を屈折しながら透過し、その後被照射面３００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θｂ（図２参照）よりも大きい角度で出射して全反射領域の第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２００から出射した光は入射面１１０を透過し、全反射領域である第２出射面１２２に到達する。全反射領域の第２出射面１２２では到達した光が全反射する。全反射によって第３出射面１２３に到達した光は、第３出射面１２３を屈折しながら透過する。そして、第３出射面１２３を透過する光は、一部は光源２００側に設けられる反射板等で反射されるなどして、第３出射面１２３を透過する光の略全量が被照射面３００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θｃ（図２参照）よりも大きな角度で出射して、第４出射面１２４に到達する光線の光路を説明する。発光ダイオード２００から出射した光は入射面１１０を透過し、第４出射面１２４に到達する。到達した光は、第４出射面１２４を屈折しながら透過し、その後被照射面３００に到達する。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係る面光源９の構成を示す斜視図である。また、図７はその断面図である。この面光源９は、基板８上に平面的に配置された、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４００とを備えている。また基板８上には、発光装置７を避ける形で反射板６が設けられている。発光装置７は、実施の形態２で説明した発光装置である。なお、発光装置７は、本実施の形態に示すように基板８上に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３００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。

（実施の形態４）
図８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を示す斜視図である。また、図９はその断面図である。この液晶ディスプレイ装置１０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。

基板８上に発光装置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に照射された光は、拡散されて液晶パネル５に照射される。

なお、拡散シート４以外に、プリズムシート等の他の光学シートが配置されていてもよい。発光装置７からの光は、拡散板４で散乱されて、発光装置７側へ戻ったり、拡散板４を透過したりする。発光装置７側へ戻った光は、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、液晶パネル５を照明する。

このような構成により、光源の指向性をより広くすることが可能な照明用レンズを含む液晶ディスプレイ装置を提供することができる。

以上、実施の形態について説明した。なお、以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されない。つまり、上記発光装置、面光源および液晶ディスプレイ装置の構成及び作用についての説明は例であり、本発明の範囲においてこれらの例に対する様々な変更及び追加が可能であることは明らかである。

本発明は、例えば、液晶ディスプレイ装置のバックライト等に用いられる照明用レンズとして好適である。

１ 照明用レンズ
１１０ 入射面
１２０ 出射面
１２１ 第１出射面
１２２ 第２出射面
１２３ 第３出射面
１２４ 第４出射面
２００ 発光ダイオード（光源）
３００ 被照射面
４ 拡散板
５ 液晶パネル
６ 反射板
７ 発光装置
８ 基板
９ 面光源
１０ 液晶ディスプレイ装置
Ａ 光軸
Ｑ 基点

Claims (5)

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、
   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出射面と、を備え、
   前記出射面は、前記光源の光軸上の点に向かって窪む第１出射面と、前記第１出射面の周縁部から外側に広がりながら形成される第２出射面と、前記第２出射面の外側周縁部から前記光軸側に向かって形成される第３出射面と、前記第３出射面の光軸側周縁部から外側に広がりながら凸面を形成する第４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る放射光のうち前記光軸からの角度が所定角度未満の放射光を透過させ、
   前記第２出射面は、前記基点から放射される放射光のうち前記光軸からの角度が前記所定角度以上の放射光を全反射させ、
   前記第３出射面は、前記第２出射面で全反射された光を屈折して透過させ、
   前記第４出射面は、前記基点から放射される放射光を屈折して透過させる、
   照明用レンズ。
2. 前記第３出射面は、前記基点から放射されて前記入射面を入射した光のうち前記第３出射面の光源側周縁部に到達する光の光路と平行な面である、
   請求項１記載の照明用レンズ。
3. 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１〜２のいずれか一項に記載の照明用レンズである、
   発光装置。
4. 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３に記載の発光装置である、
   面光源。
5. 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４に記載の面光源と、を備えた、
   液晶ディスプレイ装置。

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