JP2020518869A - 拡散レンズ及びこれを採用した発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入射光を均一に拡散できる拡散レンズと、これを採用した発光装置を提供する。【解決手段】本発明の拡散レンズは、レンズ本体の下面に凹んで引き込み形成され中央に第１凸部が形成された入射部と、レンズ本体の上面の中心部に凹んで形成された第１出射面と、第１出射面の周辺に凸に形成された第２出射面と、を備え、第１出射面の中央に第２凸部が形成された出射部と、レンズの本体の下面に形成され、入射部の周辺に位置してレンズの本体の内部で入射された光を反射させる反射部と、を含む。第１出射面は、光軸と、前記光軸から所定の距離離隔された位置まで形成された面として、二つの焦点が存在する楕円形状で形成され、第２出射面は、光軸から所定距離離隔された位置で第１出射面の外周に形成された面として、所定の半径を有する円形状で形成することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、拡散レンズ及びこれを採用した発光装置に係り、詳細には、入射光を均一に拡散できる拡散レンズと、これを採用した発光装置に関する。

一般的に、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、半導体素子として、ディスプレイ装置の画像表示用光源などに広く利用されている。

フラットパネルディスプレイの一つである液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＬＣＤ）は、自ら発光の能力がないので、外部から照射された照明光を選択的に透過させることによって画像を形成する。このため、液晶表示装置の背面には、光を照明するバックライトユニット（Ｂａｃｋ Ｌｉｇｈｔ Ｕｎｉｔ：ＢＬＵ）が設けられている。このバックライトユニットは、液晶パネルの前面にわたって均一光を照明することが要求されている。

ＢＬＵの光源として、上述のＬＥＤを使用することができる。この場合、ＢＬＵは、基板上に規則的に配列される多数のＬＥＤパッケージと、前記ＬＥＤパッケージから発散される光を拡散させる拡散板とを含んでいる。ＬＥＤパッケージは、ＬＥＤチップと、このＬＥＤチップから照射された光を、必要に応じて集束または発散するレンズと、を含んでいる。直下発光型タイプのＢＬＵを構成する場合、ＬＥＤパッケージのレンズは、拡散レンズで構成されている。

一方、ＬＥＤパッケージを構成する拡散レンズの設計が完全でない場合には、均一な照度の光を照射するのに限界がある。つまり、ＬＥＤから照射される光は、光軸の近傍の光束の密度が高い特性を有している。

したがって、拡散レンズを設計することにおいて、均一な照度の光を照射することができるように、拡散レンズの光軸の近傍の出光面で入射光と法線により生じる光拡散角度を大きくする必要がある。一方、光拡散角度を大きくすれば、フレネル反射損失量が増加し、これにより、光軸の近傍の照射面の照度が低くなる。これは照射面での色純度の低下をもたらし、出射光本来の白色に対して黄色がかったイエローリング（Ｙｅｌｌｏｗ−ｒｉｎｇ）現象が発生する問題がある。

本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、イエローリング現象の発生を抑制すると共に、均一な拡散光を照射することができる構造の拡散レンズ及びこれを採用した発光装置を提供することにその目的がある。

上述の目的を達成するために、本発明は、入射光を拡散させる拡散レンズにおいて、レンズの本体の下面に凹んで引き込み形成され、その中央に第１凸部が形成された入射部と、前記レンズの本体の上面の中心部に凹んで形成された第１出射面と、前記第１出射面の周辺に凸に形成された第２出射面と、を備え、前記第１出射面の中央に第２凸部が形成された出射部と、前記レンズの本体の下面に形成され、前記入射部の周辺に位置し、前記レンズの本体の内部で入射された光を反射させる反射部と、を含み、前記第１出射面は、光軸とこの光軸から所定の距離離隔された位置まで形成された面として、二つの焦点が存在する楕円形状で形成され、前記第２出射面は、前記光軸から所定の距離離隔された位置から前記第１出射面の外周に形成された面として、所定の半径を有する円形状で形成されている。

ここで、前記反射部と接する前記第２出射面の下端部は、前記反射部に対して垂直に形成され、前記レンズの本体の内部で入射される光を反射させることによって、前記出射部を通じて出射される光の光拡散分布が均一になるようにできる。

また、上述の目的を達成するために、入射光を拡散させる拡散レンズにおいて、レンズの本体の下面に凹んで引き込み形成され、その中央に第１凸部が形成された入射部と、前記レンズの本体の上面の中心部に凹んで形成された第１出射面と、前記第１出射面の周辺に凸に形成された第２出射面と、を備え、前記第１出射面の中央に第２凸部が形成された出射部と、前記レンズの本体の下面に形成され、前記入射部の周辺に位置し、前記レンズの本体の内部で入射された光を反射させる反射部と、を含み、環状の凹曲面を有する複数の環状パターンが前記反射面に同心円状で形成されて、光の拡散性を向上させることができるように構成されている。

前記複数の環状パターンのそれぞれは、同じ深さの凹曲面と同じ幅で形成することができる。

また、前記複数の環状パターンのそれぞれは光軸に近い環状パターンから離れるほど、各環状パターンの幅が徐々に増加または減少するように形成することができる。

また、前記入射部の全体または一部の表面には、散乱パターンを形成することができる。前記散乱パターンはヘイズ（Ｈａｚｅ）値が４０％以内の値を有することができる。

また、前記レンズの本体の材質は、屈折率が１.４以上である第１透明材料と、屈折率が１.４以上であり、前記第１材料とは異なる屈折率を有する第２透明材質で構成され、前記第２透明材質は、１０％以下の体積比で混合され、前記レンズの本体を通過する光が、前記レンズの本体の内部で進行する時に散乱されるようにできる。

また、上述の目的を達成するために、本発明に係る発光装置は、前記ベースに実装され、光を照射する発光ダイオードと、前記ベース上に前記発光ダイオードに対向して設けられ、上述の技術的特徴を有する拡散レンズと、を含み、前記発光ダイオードから照射された光が拡散レンズを通じて広い領域にわたって均一に出射されるようにできる。

本発明に係る拡散レンズは、入射部、出射部または反射部の構造やレンズの本体の材質を変更することにより、イエローリング現象の発生を抑制すると共に、広角の均一な拡散光を照射することができる。

また、本発明に係る拡散レンズを採用した発光装置においては、発光ダイオードから照射された光を広角の均一な拡散光を変更して照射することができるので、表示装置のバックライトユニットとして活用可能であるという利点がある。

図１は、本発明の第１実施形態に係る拡散レンズを示す概略的な断面図である。 図２ａは、第１実施形態に係る拡散レンズの第１出射面と第２出射面の形状を説明するための図である。 図２ｂは、第１実施形態に係る拡散レンズの第１出射面と第２出射面の形状を説明するための図である。 図３は、第１実施形態に係る拡散レンズの第１と第２出射面を通過する光の光線を図式的に示す図である。 図４は、本発明の第２実施形態に係る拡散レンズを示す概略的な断面図である。 図５ａは、比較例に係る拡散レンズと本発明の第２実施形態に係る拡散レンズを透過した光分布を示すシミュレーション結果である。 図５ｂは、比較例に係る拡散レンズと本発明の第２実施形態に係る拡散レンズを透過した光分布を示すシミュレーション結果である。 図６ａは、図５ａのビームプロファイルを簡素化して示す図である。 図６ｂは、図５ｂのビームプロファイルを簡素化して示す図である。 図７は、本発明の第３実施形態に係る拡散レンズを示す概略的な断面図である。 図８は、本発明の第３実施形態に係る拡散レンズの底面斜視図である。 図９は、図７の拡散レンズの変形例を示す概略的な断面図である。 図１０は、図７の拡散レンズの変形例を示す概略的な断面図である。 図１１は、本発明の第４実施形態に係る拡散レンズ及びこれを製造する金型を示す概略図である。 図１２は、本発明の第４実施形態に係る拡散レンズ及びこれを製造する金型を示す概略図である。 図１３は、本発明の第５実施形態に係る拡散レンズを示す概略的な断面図である。 図１４は、本発明の実施形態に係る発光装置を示す概略的な断面図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る拡散レンズを示す概略的な断面図である。
図１を参照すると、本発明の第１実施形態に係る拡散レンズは、単一のレンズの本体１０からなり、入射部１１と、出射部１７と、反射部１９と、を含んでいる。前記入射部１１は、レンズの本体１０の下面に凹んで引き込み形成されており、その中央に第１凸部１２が形成されている。すなわち、前記第１凸部１２は、光軸Ｚ線上に形成され、後述する第２凸部１４と共に拡散レンズによって高広角に拡散される光の中央部分にホワイトスポット（ｗｈｉｔｅ ｓｐｏｔ）の形成を防止する。

出射部１７は、配置の位置及び形状によって、第１出射面１３と、第２出射面１５と、第２凸部１４からなっている。前記第１出射面１３は、レンズの本体１０の上面の中心部に凹んで形成されており、第２出射面１５は、前記第１出射面１３の周辺に凸に形成されている。前記第２凸部１４は、前記第１出射面１３の中央に形成されている。つまり、第２凸部１４は、光軸Ｚ線上に形成されて、上述のように、高広角に拡散される光の中央部分にホワイトスポット（ｗｈｉｔｅ ｓｐｏｔ）が形成されることを防止する。

反射部１９は、前記レンズの本体１０の下面に形成されており、前記入射部１１の周辺に位置している。この反射部１９は、前記レンズの本体１０の内部で入射された光を反射させることによって、光の損失を最小化し、且つ均一光が出射されるようにガイドする。

ここで、レンズの中心から第１出射面１３と第２出射面１５の交差点までの距離Ｗは式１を満足する。

（式１）
Ｌ＜Ｗ＜Ｈ
ここで、Ｌは、レンズの中心から入射部１１と反射部１９との交差点までの距離であり、Ｈは、レンズの本体の高さである。

図２ａと図２ｂのそれぞれは、第１実施形態に係る拡散レンズの第１出射面と第２出射面の形状を説明するための図である。

図２ａを参照すると、第１出射面１３は、光軸Ｚと、この光軸Ｚから所定の距離Ｗ離隔された位置まで形成される面として、二つの焦点が存在する楕円形状で形成されている。すなわち、第１出射面１３は、前記第２凸部１４と隣接する位置から所定の距離Ｗ離隔された位置まで形成されることで、長軸ａと短縮ｂとを有する。短縮ｂは所定の距離Ｗ離隔された位置で光軸Ｚと並んで形成されている。ここで、長軸ａは、所定の距離Ｗより二倍以上の長さを有し、レンズの本体１０の高さＨの二倍の長さを有することができる。

このように、出射部の中心部に楕円形状で凹んで第１出射面１３を形成することにより、第１出射面１３で屈折出射される光が広角に拡散されるようにすることができる。

図２ｂを参照すると、第２出射面１５は、光軸Ｚで所定の距離Ｗ離隔された位置から前記第１出射面１３の外周の全体にわたって形成された面として、所定の半径Ｒを有する円形状で形成されている。つまり、円の中心がレンズの中心からＷの距離離れた位置であり、半径Ｒの円形状で形成されている。このように、第２出射面１５を円形状で形成することにより、出射光の角度を調節することができる。

図３は、第１実施形態に係る拡散レンズの第１と第２出射面を通過する光のビームを図式的に示す図である。

図３を参照すると、発光ダイオードのような点光源Ｏから照射された光は、入射部１１を通じてレンズの本体１０の内部に屈折入射される。第１出射面１３に向ける光Ｒａ１は入射部１１を透過しながら屈折光Ｒａ１１になり、第１出射面１３上の点Ｐ１と接するようになる。この時、スネルの法則に基づいて、一部の光Ｒａ１２は、屈折透過され、残りの光Ｒａ１３は、レンズの本体１０の内部に反射される。このように反射された光は、反射部１９または第２出射面１５の一部の領域に入射される。ここで、第１出射面１３を楕円状で形成することによって、Ｒａ１２光線の屈折角を大きくすることができる。また、一部の光線Ｒａ１３がレンズの本体１０の内部に反射され、前記反射部１９または第２出射面１５で逆反射して、他の角度で出射されるようにすることによって、出射光の均一度を向上させることができる。

第２出射面１５に向ける光Ｒａ２は、入射部１１を透過しながら屈折光Ｒａ２１になり、第２出射面１５の点Ｐ２と接するようになる。この時、第２出射面１５は、円形状で形成されており、その位置が第１出射面１３の外周縁に形成されているので、Ｒａ２１光線はＲａ２２光線として表示したように、第２出射面１５を屈折透過する。

図４は、本発明の第２実施形態に係る拡散レンズを示す概略的な断面図である。

図４を参照すると、本発明の第２実施形態に係る拡散レンズは、単一のレンズの本体１０からなり、入射部１１と、出射部１７と、反射部１９と、を含み、第１実施形態に係る拡散レンズと比較すれば、出射部１７の第２出射面１５'の形状の変更以外、他の構成要素は、同様である。即ち、前記反射部１９と接する第２出射面１５'の下端部１５ａは、前記反射部１９に対して垂直に形成されている。このように第２出射面１５'の下端部１５ａを形成することによって、レンズの本体１０の内部で入射される光を反射させて前記出射部１７を通じて出射される光の光拡散分布が均一になるようにできる。

ここで、第２出射面の下端部１５ａの垂直の高さは１ｍｍ以下の高さで形成することができ、表面の状態が５０％〜９０％のヘイズ（Ｈａｚｅ）値を有するようにすることによって、反射光が散乱されるようにすることができる。前記ヘイズ値は、全透過光（＝拡散透過光＋平行透過光）対比拡散透過光の割合を示したものである。拡散透過光は、第２出射面の下端部１５ａで拡散透過される光の量を示し、平行透過光は、第２出射面の下端部１５ａを直進して透過する光の量を示す。

図５ａと図５ｂのそれぞれは比較例に係る拡散レンズと、本発明の第２実施形態に係る拡散レンズを透過した光分布を示したシミュレーション結果であり、図６ａと図６ｂのそれぞれは、図５ａと図５ｂのビームプロファイルを簡素化して表現したものである。

図５ａと図６ａを参照すると、比較例に係る拡散レンズは、光軸Ｚから一部離隔された位置で環状の模様Ｐが発生することによって、光均一性が低下することが分かる。ここで、ｒはレンズの中心部からの距離を示す。

一方、図５ｂ及び図６ｂを参照すると、本発明の第２実施形態に係る拡散レンズを、比較例と比較すれば、環状の模様が発生しないことによって、光拡散分布がより均一になることが分かる。

図７は、本発明の第３実施形態に係る拡散レンズを示す概略的な断面図であり、図８は、本発明の第３実施形態に係る拡散レンズの底面斜視図である。

図７と図８を参照すると、本発明の第３実施形態に係る拡散レンズは、単一のレンズの本体１０からなり、入射部１１と、出射部１７と、反射部１９'とを含んでいる。第１と第２実施形態に係る拡散レンズと比較すれば、反射部１９'の構成を変更した点以外、他の構成要素は同様である。

本実施形態に係る拡散レンズの反射部１９'には、環状の凹曲面を有する複数の環状パターン１９ａが同心円状に形成されている。このように環状パターン１９ａを形成する場合、光の拡散性を増加させて、光の均一性を向上させることができる。

図７と図８は、複数の環状パターン１９ａとして、同一の深さＨ１の凹曲面を同じ幅Ｗ１で形成したことを示す。

一方、複数の環状パターン１９ａは、図９と図１０に示すように、変形して実施することができる。つまり、前記複数の環状パターン１９ａのそれぞれは、光軸に近い環状パターンから離れるほど、各環状パターンの幅が徐々に増加または減少するように形成することができる。

図９を参照すると、レンズの中心部側に幅Ｗ２が最も広い環状パターンがあり、レンズ中心部から離れるほど徐々に幅が狭くなる環状パターンが配列されるように構成されている。

図１０を参照すると、レンズの中心部側に幅Ｗ３が最も狭い環状パターンがあり、レンズ中心部から離れるほど、徐々に幅が広くなる環状パターンが配列されるように構成されている。

上述のように構成することによって、前記レンズの本体１０の反射面１９'を通過した光が、レンズの本体１０に再入射される時に、環状パターン１９ａを有する拡散レンズは、平面で構成された拡散レンズ対比光拡散性を増加させることになり、拡散板（図示せず）上で、さらに均一な正面輝度分布を得ることができる。

図１１と図１２のそれぞれは、本発明の第４実施形態に係る拡散レンズ及びこれを製造する金型を示す概略図である。

本発明の第４実施形態に係る拡散レンズは、単一のレンズの本体１０からなり、入射部１１'と、出射部１７と、反射部１９と、を含んでいる。第１〜第３実施形態に係る拡散レンズと比較すれば、入射部１１'の構成を変更した点以外に他の構成要素は、同様である。

図１１に示すように、入射部１１'の全体の表面、または図１２に示すように、入射部１１'の一部の表面に散乱パターン１１ａを形成することができる。上述の散乱パターン１１ａは、拡散レンズの製作時に使用される金型２０に、散乱パターンに対応するパターンによって形成することができる。

このように入射部１１'を鏡面ではなく、散乱パターン１１ａを形成して、入射部１１の曲面形状によって屈折される光が散乱されるようにして、図５ｂに示すように、環状の模様がない均一な輝度分布を得ることができる。

前記散乱パターンは、４０％以内のヘイズ（Ｈａｚｅ）値を有するように形成することができる。ここで、ヘイズ値は、全透過光（＝拡散透過光＋平行透過光）対比拡散透過光の割合を示す。拡散透過光は拡散レンズの入射部で拡散透過される光の量を示し、平行透過光は拡散レンズの入射部を直進して透過する光の量を示す。

図１３は、本発明の第５実施形態に係る拡散レンズを示す概略的な断面図である。

本発明の第５実施形態に係る拡散レンズは、単一のレンズの本体１０'からなり、入射部１１と、出射部１７と、反射部１９と、を含んでいる。第１〜第４実施形態に係る拡散レンズと比較すれば、レンズの本体１０'の材質を限定した点以外に、他の構成要素は、同様である。

前記レンズの本体１０'は、屈折率が１.４以上である第１透明材質ｍ１と、屈折率ｎ２が１.４以上であり、前記第１材料とは異なる屈折率を有する第２透明材質ｍ２で構成することができる。前記第２透明材質は、１０％以下の体積比で混合され、前記レンズの本体を通過する光が、前記レンズの本体の内部で進行する時に散乱されるようにする。このように拡散レンズを構成することによって、入射部１１を通じて入射された光がレンズの本体１０'の内部で進行する時、散乱効果を有するようになり、図５ｂに示すように、環状の模様がない輝度分布を得ることができる。

図１４は、本発明の実施形態に係る発光装置を示す概略的な断面図である。

図１４を参照すると、本発明の実施形態に係る発光装置は、ベース３１と、前記ベース３１に実装され、光を照射する発光ダイオード３５と、拡散レンズ４０とを含んでいる。

前記拡散レンズ４０は、前記ベース３１上に前記発光ダイオード３５に対向するように設置されており、前記発光ダイオード３５から照射された光が広角に拡散されるようにするとともに、均一光が出射されるようにする。ここで、拡散レンズ４０は、図１〜図１３を参照して説明したように、実際同一であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の実施形態に係る発光装置は、構造が改善された拡散レンズを採用することによって、イエローリングや、環状の模様がない広角の均一光を照射することができる。したがって、直下発光型液晶表示装置のバックライトユニットとして適用可能である。

上述の実施形態は、例示的なものに過ぎず、本発明が属する技術分野で通常の知識を持った人であれば、これから様々な変形及び均等な他の実施形態が可能である。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想により定められなければならない。

Claims (8)

1. 入射光を拡散させる拡散レンズにおいて、
   レンズの本体の下面に凹んで引き込み形成され、その中央に第１凸部が形成された入射部と、
   前記レンズの本体の上面中心部に凹んで形成された第１出射面と、前記第１出射面の周辺に凸に形成された第２出射面と、を備え、前記第１出射面の中央に第２凸部が形成された出射部と、
   前記レンズの本体の下面に形成され、前記入射部の周辺に位置し、前記レンズの本体の内部で入射された光を反射させる反射部と、を含み、
   前記第１出射面は、前記第２凸部と隣接した位置から光軸Ｚで所定の距離Ｗ離隔された位置まで形成された面として、二つの焦点が存在し、長軸ａと短縮ｂとを有する楕円形状で形成され、
   前記第２出射面は、前記光軸から所定の距離Ｗ離隔された位置から前記第１出射面の外周に形成された面として、前記光軸Ｚから所定の距離Ｗ離隔された位置と前記反射部の交点を原点とし、所定の半径Ｒを有する円形状で形成され、
   前記第１出射面の前記短縮ｂは、前記所定の距離Ｗ離隔された位置で光軸Ｚと並んで形成され、前記長軸ａは、前記所定の距離Ｗより２倍以上の長さを有することを特徴とする拡散レンズ。
2. 前記反射部と接する前記第２出射面の下端部は、前記反射部に対して垂直に形成され、前記レンズの本体の内部で入射される光を反射させることによって、前記出射部を通じて出射される光の光拡散分布が均一になるようにすることを特徴とする請求項１に記載の拡散レンズ。
3. 前記反射部には、環状の凹曲面を有する複数の環状パターンが同心円状に形成されて、光の拡散性を向上させることができることを特徴とする請求項１に記載の拡散レンズ。
4. 前記複数の環状パターンのそれぞれは、
   光軸に近い環状パターンから離れるほど、各環状パターンの幅が徐々に減少するように形成されることを特徴とする請求項３に記載の拡散レンズ。
5. 前記入射部の一部の表面には散乱パターンが形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の拡散レンズ。
6. 前記散乱パターンは、
   ヘイズ値が４０％以内の値を有することを特徴とする請求項５に記載の拡散レンズ。
7. 前記レンズの本体の材質は、
   屈折率が１.４以上である第１透明材料と、屈折率が１.４以上であり、前記第１透明材料とは異なる屈折率を有する第２透明材質で構成され、
   前記第２透明材質は、１０％以下の体積比で混合され、前記レンズの本体を通過する光が、前記レンズの本体の内部で進行する時に散乱されるようにすることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の拡散レンズ。
8. ベースと、
   前記ベースに実装され、光を照射する発光ダイオードと、
   前記ベース上に前記発光ダイオードに対向するように設けられ、第１項乃至第７項のうちのいずれか一項による拡散レンズと、を含み、
   前記発光ダイオードから照射された光が拡散レンズを通じて広い領域にわたって均一に出射されるようにすることを特徴とする発光装置。