JP5342938B2 - 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

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。

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。

また、特許文献２には、より均一な面光源を得るためのレンズとして、レンズの出射面でフレネル反射して入射面側に戻る反射光を全反射により再度反射して被照射面に向かわせるレンズが提案されている。

特許第３８７５２４７号公報 特開２００８−３０５９２３号公報

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、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のレンズでは、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。この点は、特許文献２のレンズでも、屈折によってチップからの光の配光化を図るものであるため、同様である。

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、本発明の発明者らは、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。そこで、本発明の発明者らは、次のような照明用レンズを考え出した。

その照明用レンズは、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り、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、を備えている。前記出射面は、前記光軸上の点に向かって窪む第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、を有している。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未満の放射光を透過させる透過領域と、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以上の放射光を全反射する全反射領域と、を含んでいる。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の略全量を透過させる形状を有している。

この照明用レンズによれば、全反射を積極的に利用することで、光源の指向性をより広くすることができる。ところで、この照明用レンズでは、図１７に示すように、出射面１１２における第１出射面の全反射領域で全反射した光は、第１出射面の外側にある第２出射面でも全反射を繰り返し、入射面１１１の周囲で出射面１１２と反対側を向く底面１１３に到達するものもある。このように底面１１３に到達する光は、底面１１３を透過し、底面１１３と対向する部材１３０（例えば、基板）で反射されて被照射面に向かうようになる。この場合、部材１３０で反射される光の被照射面への到達位置は、底面１１３と部材１３０との間のクリアランスによって決定されるが、そのクリアランスを高精度に保つにはコストが高くなる。そこで、より安価な構成で被照射面上での照度を安定させることが望まれる。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、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、前記入射面の周囲で前記出射面と反対側を向く底面と、を備え、前記出射面は、前記光軸上の点に向かって窪む第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未満の放射光を透過させる透過領域と、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以上の放射光を全反射する全反射領域と、を含み、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の略全量を透過させるとともに、前記全反射領域で全反射されて当該第２出射面に到達する放射光の略全量を全反射する形状を有しており、前記底面上には、前記光源からの光のうち前記出射面で全反射を繰り返して当該底面に到達する光を反射する反射層が形成されている、照明用レンズを提供する。

ここで、「略全量」とは、全量の９０％以上のことをいい、全量であってもよいし全量よりも僅かに少ない量であってもよい。

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。

本発明によれば、光源の指向性をより広くすることができるだけでなく、底面に反射層を形成するという安価な構成で、被照射面上での照度を安定させることができる。

本発明の実施の形態１に係る照明用レンズの構成図 図１の要部拡大図 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出射面の透過領域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１出射面の全反射領域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１〜３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、θｉ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２の出射面形状を表す、θｉとｓａｇＹの関係を示すグラフ（表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３の出射面形状を表す、θｉとｓａｇＹの関係を示すグラフ（表３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θｉ−θｎ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ｒ／Ｒとθｉ−θｎ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３のｒ／Ｒとθｉ−θｎ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 本発明の実施の形態２に係る発光装置の実施例３の照度分布 実施例１〜３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に係る面光源の部分的な断面図 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 本発明の実施の形態３に係る面光源で実施例３の発光装置を用いたときの照度分布 実施例１〜３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 以前に考え出された照明用レンズの構成図

（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。

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。また、照明用レンズ１は、入射面１１の周囲で出射面１２と反対側を向く底面１３を有している。さらに、本実施形態では、出射面１２と底面１３との間に径方向外側に張り出すリング部１５が設けられており、このリング部１５の断面略コ字状の外面で出射面１２の周縁と底面１３の外周縁とがつながれている。ただし、リング部１５は省略可能であり、出射面１２の周縁と底面１３の外周縁とが断面直線状または円弧状の端面でつながれていてもよい。

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。本実施形態では、光源と光学的に接合される領域が入射面１１である。入射面１１を取り巻く環状の底面１３は、フラットであることが好ましい。図例では、入射面１１と底面１３とが同一平面上に位置しているが、入射面１１と底面１３との間に段差があってもよい。例えば、入射面１１が底面１３よりも出射面１２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。なお、入射面１１は、必ずしも光源と直接接合される必要はなく、例えば光源との間に空気層が形成されるように半球状に窪んでいてもよい。

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。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上の点に向かって窪む第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Ｑ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Ｑ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Ｑ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、図２に示すように、基点Ｑから放射される放射光のうち光軸Ａからの角度が所定角度θｐ未満の放射光を透過させる透過領域１２３と、基点Ｑから放射される放射光のうち光軸Ａからの角度が所定角度θｐ以上の放射光を全反射する全反射領域１２４とからなる。すなわち、θｐは、透過領域１２３と全反射領域１２４の境界上の点を点Ｐとしたときに、点Ｐと基点Ｑとを結んだ線と光軸Ａとのなす角度である。

一方、第２出射面１２２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２出射面１２２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２出射面１２２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は、基点Ｑから放射される放射光を必ずしも全面に亘って透過させる必要はなく、基点Ｑから放射される放射光の一部を全反射し、残りを透過させる形状を有していてもよい。

さらに、本実施形態では、図１に示すように、底面１３上に、環状の反射層１０が形成されている。反射層１０は、光軸Ａを中心とするリング状をなしていることが好ましい。光源からの光は、第１出射面１２１の全反射領域１２４で全反射された後に、第２出射面１２２に到達する（図５参照）。第２出射面１２２に到達した光の一部は第２出射面１２２を透過するが、残りの大半は第２出射面１２２で１回または複数回再度全反射される。第２出射面１２２で１回または複数回再度全反射された光は、第２出射面１２２に沿って底面１３に到達する。反射層１０は、このようにして底面１３に到達した光を反射する。すなわち、反射層１０は、出射面１２（第１出射面１２１の全反射領域１２４および第２出射面１２２）で全反射を繰り返して底面１３に到達する光を反射する。

反射層１０は、底面１３に反射性の材料を塗布して硬化させた反射膜で構成してもよいし、底面１３に貼着した反射シートで構成してもよい。なお、反射層１０の反射率は、６５％以上であることが好ましい。反射率が６５％未満になると、反射層１０による光の損失が大きくなり、照射効率の低下や照度ムラを生じる原因となるからである。

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の中心側に位置する透過領域１２３に到達する光の多くは、透過領域１２３で屈折して被照射面３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全反射領域１２４に到達する光の多くは、全反射領域１２４で全反射され、その大半が底面１３に到達して反射層１０で反射され、被照射面３へ照射される。さらに、光源から出射され、第２出射面１２２に到達する光の多くは、第２出射面１２２で屈折して被照射面３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。

さらに、本実施形態では、底面１３に反射層１０を形成するという安価な構成で、底面１３に到達する光を確定的に被照射面３に向かわせることができ、被照射面３上での照度を安定させることができる。

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。

反射層１０は、円形の環状であり、以下の式（１）および式（２）を満足することが好ましい。
Ｒ_LS／Ｒ＜Ｒ_in／Ｒ＜０．７８・・・（１）
０．７５＜Ｒ_out／Ｒ・・・（２）
ただし、
Ｒ_in：反射層の内半径
Ｒ_out：反射層の外半径
Ｒ_LS：光源に外接する最小円の半径
Ｒ：照明用レンズの最外周半径
である。

式（１）および式(２)は、反射層１０の底面１３に占める割合を規定した式であり、被照射面３において照射される光を適量に調整できる範囲を与えている。式（１）に関しては、Ｒ_in／ＲがＲ_LS／Ｒ以下になると、レンズと光源の間に反射層が介在することになり、光源からの光の出射量が低下することになる。また、反射層が反射シートである場合、反射シートをレンズ底面に接着する際にシートの穴径が小さいとレンズに反射シートが綺麗に接着できず、ヨレなどによりレンズと光源との間に空気などが混入し光学的に密着した構成が取れなくなったり、接着時にレンズの偏心が生じたりしてしまい、照度ムラの原因となる。また、Ｒ_in／Ｒが０．７８以上になると、反射層が光に与える影響が小さくなり、照射効率の低下や照度ムラを調整できなくなる。式（２）に関しては、Ｒ_out／Ｒが０．７５以下になると、反射層が光に与える影響が小さくなり、照射効率の低下や照度ムラを調整できなくなる。

また、反射層１０は、底面１３に到達する光を正反射するものであってもよいが、底面１３に到達する光を乱反射するものであることが好ましい。このようになっていれば、反射層１０の反射特性で照度を容易に調整することができる。

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小さな角度で出射して、第１出射面１２１の透過領域１２３（図２参照）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の透過領域１２３に到達する。到達した光は、第１出射面１２１の透過領域１２３を屈折しながら透過し、その後被照射面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小さな角度で出射して、第１出射面１２１の全反射領域１２４（図２参照）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の全反射領域１２４に到達する。第１出射面１２１の全反射領域１２４では到達した光が全反射する。光軸Ａに近い光は、全反射によって第２出射面１２２に到達した後、第２出射面１２２を屈折しながら透過する。そして、照明用レンズ１の入射面１１側に反射板が配設されている場合には、第２出射面１２２を透過する光は略全量が被照射面３に到達する。一方、光軸Ａから離れた光は、全反射によって第２出射面１２２に到達した後、第２出射面１２２で全反射を１回以上繰り返すことにより底面１３に到達し、反射層１０で反射されることにより最終的に被照射面３に照射される。

図６は発光装置７の光路図である。図６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。到達した光は、第２出射面１２２が一部の光を全反射させる形状を有しない場合には、略全量が第２出射面１２２を屈折しながら透過し、その後被照射面３に到達する。

以下、本発明の具体的な数値例として、実施例１〜３を示す。

図７は、本発明の実施の形態２の実施例１〜３に係る発光装置の構成図である。本実施例１は、0.8mm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７中のθｉは、光軸Ａ上の光源位置（基点Ｑ）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７中のθｎ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Ｑ）からθｉ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７中のｓａｇＹは、光軸Ａ上の光源位置（基点Ｑ）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。

（実施例１）
次に実施例１の具体的な数値を表１に示す。

図８Ａは、表１のθｉとｓａｇＹについてグラフ化したものである。また、図９Ａに、ｒ／Ｒとθｉ−θｎの関係のグラフを示す。ここで、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周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：レンズ最外周半径（図７参照））。

θｉ−θｎは、θｉの角度で放射された放射光が出射面１２に到達した点での法線に対する放射線の光線の角度であり、出射面１２への入射角を表している。第１出射面１２１の全反射領域１２４の条件は、本実施例１のレンズを構成する透明材料の屈折率は1.492であるため、θｉ−θｎが42.1deg以上である。よって、図９Ａは、本実施例１では第１出射面１２１における光軸近傍の狭い範囲が透過領域１２３となっており、光軸から離れた広い範囲が全反射領域１２４となっていることを示している。また、図９Ａは、本実施例１では第２出射面１２２が基点Ｑから放射される放射光を全面に亘って全反射することも示している。

また、本実施例１では、図７に示すＲ_inが4.5、Ｒ_outが5.5、Ｒ_LSが1.41、Ｒが6.95となっている。従って、Ｒ_in／Ｒ＝0.65、Ｒ_out／Ｒ＝0.79となり、上記式（１）および式（２）を満たしている。さらに、本実施例１では、反射層１０の反射率が67.7％となっている。

図１０Ａは、実施例１の発光装置（図８Ａ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16.4mm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は、図１０Ａ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16.4mm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。なお、図１０Ａと図１１は、光軸中心照度を１として規格化したときの被照射面上での照度分布曲線を示している。図１０Ａと図１１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。

（実施例２）
次に実施例２の具体的な数値を表２に示す。

図８Ｂは、表２のθｉとｓａｇＹについてグラフ化したものである。また、図９Ｂに、ｒ／Ｒとθｉ−θｎの関係のグラフを示す。図９Ｂ中のｒ／Ｒおよびθｉ−θｎも、図９Ａ中のものと同じである。

本実施例２でも、上述した実施例１と同様に、レンズを屈折率1.492の材料で構成している。従って、第１出射面１２１の全反射領域１２４の条件は、実施例１と同様にθｉ−θｎが42.1deg以上である。よって、図９Ｂは、本実施例２では実施例１と同程度の範囲が透過領域１２３となっており、実施例１よりも狭い範囲が全反射領域１２４となっていることを示している。また、図９Ｂは、本実施例２では第２出射面１２２が基点Ｑから放射される放射光の一部を全反射し、残りを透過させることも示している。

また、本実施例２では、図７に示すＲ_inが2.50、Ｒ_outが5.90、Ｒ_LSが1.41、Ｒが6.00となっている。従って、Ｒ_in／Ｒ＝0.42、Ｒ_out／Ｒ＝0.98となり、上記式（１）および式（２）を満たしている。さらに、本実施例２では、反射層１０の反射率が97.7％となっている。

図１０Ｂは、実施例２の発光装置（図８Ｂ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16.4mm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。なお、図１０Ｂは、図１０Ａと同様に、光軸中心照度を１として規格化したときの被照射面上での照度分布曲線を示している。図１０Ｂと図１１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。

（実施例３）
次に実施例３の具体的な数値を表３に示す。

図８Ｃは、表３のθｉとｓａｇＹについてグラフ化したものである。また、図９Ｃに、ｒ／Ｒとθｉ−θｎの関係のグラフを示す。図９Ｃ中のｒ／Ｒおよびθｉ−θｎも、図９Ａ中のものと同じである。

本実施例３でも、上述した実施例１と同様に、レンズを屈折率1.492の材料で構成している。従って、第１出射面１２１の全反射領域１２４の条件は、実施例１と同様にθｉ−θｎが42.1deg以上である。よって、図９Ｃは、本実施例３では実施例１と同程度の範囲が透過領域１２３となっており、実施例１と同程度の範囲が全反射領域１２４となっていることを示している。また、図９Ｃは、本実施例３では第２出射面１２２が基点Ｑから放射される放射光を全面に亘って全反射することも示している。

また、本実施例３では、図７に示すＲ_inが1.60、Ｒ_outが6.25、Ｒ_LSが1.41、Ｒが6.25となっている。従って、Ｒ_in／Ｒ＝0.26、Ｒ_out／Ｒ＝1.00となり、上記式（１）および式（２）を満たしている。さらに、本実施例３では、図７に示す反射層１０の反射率が98.7％となっている。

図１０Ｃは、実施例３の発光装置（図８Ｃ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16.4mm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。なお、図１０Ｃは、図１０Ａと同様に、光軸中心照度を１として規格化したときの被照射面上での照度分布曲線を示している。図１０Ｃと図１１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１２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、図１２に示すよう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。

また、面光源９は、発光装置７を挟んで拡散板４と対向する基板８を備えている。基板８には、図１３に示すように、各発光装置７の発光ダイオード２が実装されている。本実施形態では、基板８上に、発光ダイオード２を避けながら基板２を覆うように反射板６が配置されている。

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。

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反射板６に入射する光は、反射板６で反射されて、拡散板４に再度入射する。

図１４Ａは、図８Ａの照明用レンズと発光ダイオードからなる実施例１の発光装置を60mmピッチで一直線上に５つ配置し、発光ダイオードから16.4mm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。同様にして求めた、実施例２の発光装置を用いたときの照度分布と実施例３の発光装置を用いたときの照度分布を、図１４Ｂおよび図１４Ｃにそれぞれ示す。

図１５は、発光ダイオードのみを60mmピッチで一直線上に５つ配置し、発光ダイオードから16.4mm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１４Ａ〜図１４Ｃ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９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、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光学シートが配置されていることが好ましい。この場合、拡散板４を透過した光は、光学シートでさらに拡散されて、液晶パネル５を照明する。

１ 照明用レンズ
１０ 反射層
１１ 入射面
１２ 出射面
１２１ 第１出射面
１２２ 第２出射面
１２３ 透過領域
１２４ 全反射領域
１３ 底面
２ 発光ダイオード（光源）
３ 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
Ａ 光軸
Ｑ 基点

Claims (10)

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、光軸に対して軸対称な出射面と、前記入射面の周囲で前記出射面と反対側を向く底面と、を備え、
   前記出射面は、前記光軸上の点に向かって窪む第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未満の放射光を透過させる透過領域と、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以上の放射光を全反射する全反射領域と、を含み、
   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の略全量を透過させるとともに、前記全反射領域で全反射されて当該第２出射面に到達する放射光の略全量を全反射する形状を有しており、
   前記底面上には、前記光源からの光のうち前記出射面で全反射を繰り返して当該底面に到達する光を反射する反射層が形成されており、
   前記透過領域における前記第１出射面の傾きは、前記透過領域が前記光軸に近づくに従い減少する、
   照明用レンズ。
2. 前記底面は、フラットであり、
   前記反射層は、前記光軸を中心とするリング状をなしており、以下の式を満足する、請求項１に記載の照明用レンズ。
   Ｒ_LS／Ｒ＜Ｒ_in／Ｒ＜０．７８
   ０．７５＜Ｒ_out／Ｒ
   ただし、
   Ｒ_in：反射層の内半径
   Ｒ_out：反射層の外半径
   Ｒ_LS：光源に外接する最小円の半径
   Ｒ：照明用レンズの最外周半径
   である。
3. 前記反射層の反射率は、６５％以上である、請求項１または２に記載の照明用レンズ。
4. 前記反射層は、前記底面に到達する光を乱反射するものである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明用レンズ。
5. 前記第２出射面は、前記基点から放射される放射光を全面に亘って透過させるものである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明用レンズ。
6. 前記第２出射面は、前記基点から放射される放射光の一部を全反射し、残りを透過させるものである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明用レンズ。
7. 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１〜６のいずれか一項に記載の照明用レンズである、発光装置。
8. 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７に記載の発光装置である、面光源。
9. 前記複数の発光装置を挟んで前記拡散板と対向する基板であって前記複数の発光装置のそれぞれの前記発光ダイオードが実装された基板と、前記発光ダイオードを避けながら前記基板を覆うように前記基板上に配置された反射板と、をさらに備える、請求項８に記載の面光源。
10. 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８または９に記載の面光源と、を備える液晶ディスプレイ装置。
    

Images