JP5416662B2 - 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。

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、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。

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、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、光軸と交差し前記光源側に向かって窪む第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、中心側に位置する領域であって前記光源から放射されて到達する光を透過させる透過領域と、前記透過領域の外周側に位置する領域であって前記光源から放射されて到達する光を全反射する全反射領域と、を含んでいる、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、光源から出射され、第１出射面の中心側に位置する透過領域に到達する光の多くは、透過領域で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全反射領域に到達する光の多くは、全反射領域で全反射され、例えば照明用レンズの入射面側に反射板が配設されている場合には、最終的に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。さらに、光源から出射され、第２出射面に到達する光の多くは、第２出射面で屈折して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、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。

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 変形例の照明用レンズの構成図 図７の要部拡大図 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

（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、照明用レンズ１は、出射面１２の外側に、出射面１２の周縁と底面１３の外周縁とをつなぐ外周面１４を有している。

入射面１１は光軸Ａに対して回転対称である必要はない。本実施形態では、入射面１１が当該入射面１１を取り巻く環状の底面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る。ただし、入射面１１は、底面１３と同一平面上に位置していてもよい。この場合には、光源と光学的に接合される領域が入射面１１である。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。

出射面１２は光軸Ａに対して回転対称である。出射面１２は、光源の光量の所定量（例えば、９０％）以上の光を制御する領域（図１に示す点Ｂから内側の領域）であり、出射面１２を光軸方向から見たときの直径が照明用レンズ１の有効径である。

外周面１４は、本実施形態では出射面１２と連続する曲面を形成しているが、断面直線状のテーパー面となっていてもよい。あるいは、図示は省略するが、照明用レンズ１に出射面１２の周縁から全周に亘って突出するリング部が設けられていて、このリング部の端面が外周面１４となっていてもよい。また、外周面１４は光軸Ａに対して回転対称である必要はなく、例えば外周面１４が光軸Ａを挟んで互いに平行な一対のフラット部を有していて、照明用レンズ１が光軸方向から見たときに小判型となっていてもよい。

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、入射面１１と光学的に接合される。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１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。

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から放射されて当該第１出射面１２１に到達す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から放射されて当該第１出射面１２１に到達す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から放射されて当該第２出射面１２２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。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。

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。

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（すなわち、全量を透過させる）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。

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、例えば照明用レンズ１の入射面１１側に反射板が配設されている場合には、最終的には被照射面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。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。

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（図１参照）は、以下の式（１）
２０°＜θｂ＜４０°・・・（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３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３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４０°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３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２０°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３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、第１出射面１２２が光軸Ａと交わる点を点Ｃ、さらに、点Ｃと基点Ｑとの間の距離をｄ、点Ｃと前述した点Ｐとを結ぶ直線の長さをａとしたときに、以下の式（２）
１．１０＜ａ／（ｄ×ｔａｎθｐ）＜１．３０・・・（２）
を満足することが好ましい。式（２）は、第１出射面１２１における透過領域１２３の範囲を規定した式であり、被照射面３における光軸近傍エリアに照射される光の量を表すものである。式（２）中の「ａ／（ｄ×ｔａｎθｐ）」が１．３０以上になると、透過領域１２３を透過する光の量が多くなりすぎ、被照射面３における光軸近傍エリアの照度が高くなって照度ムラが生じる。逆に、式（２）中の「ａ／（ｄ×ｔａｎθｐ）」が１．１０以下になると、透過領域１２３を透過する光の量が減りすぎ、被照射面３における光軸近傍エリアの照度が低くなって照度ムラを生じる。

さらには、図２に示すように、光軸Ａ上での照明用レンズ１の厚さ（すなわち、点Ｃから入射面１１までの距離）をｄ’、照明用レンズ１の最外径をＲとしたときに、以下の式（３）
ｄ’／２Ｒ＜０．２５・・・（３）
を満足し、かつ、照明用レンズ１によって被照射面３が照明された場合の、光軸中心照度を１として規格化したときの被照射面３上での照度分布曲線における照度０．２以上の分布幅をδ_L、光源のみによって被照射面３が照明された場合の、光軸中心照度を１として規格化したときの被照射面３上での照度分布曲線における照度０．２以上の分布幅をδ_Sとしたときに、以下の式（４）
２．０＜δ_L／δ_S＜４．０・・・（４）
を満足することが好ましい。

式（３）中の「ｄ’／２Ｒ」が０．２５以上になって式（３）を満たさなくなると、出射面１２における第１出射面１２１と第２出射面１２２のバランスが崩れ、照度ムラが発生する。

式（４）中の「δ_L／δ_S」は照明用レンズの有無による照度分布の比を表しており、これが４．０以上になると、指向性は広くなるが、照明範囲が広くなりすぎて照度不足が生じる。逆に、２．０以下になると、また、レンズ自体が大きくなり、コンパクト性およびコストパフォーマンスが悪くなる。指向性が狭くなる。

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。

＜変形例＞
次に、図７および図８を参照して、変形例の照明用レンズ１’を説明する。なお、上述した照明用レンズ１と同一構成部分には、同一符号を付している。

この照明用レンズ１’では、第１出射面１２１が、全反射領域１２４（図２参照）の代わりに、反射層１２６で覆われた正反射領域１２５を有している。従って、基点Ｑから放射されて当該第１出射面１２１に到達する放射光のうち光軸Ａからの角度が所定角度θｐ以上の放射光は、反射層１２６により正反射される。なお、正反射された放射光の光路は、全反射された場合と同様である。反射層１２６は、正反射領域１２５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、正反射領域１２５に貼着した反射シートで構成してもよい。

本変形例のように正反射を利用した場合は、全反射を利用した場合よりも第１出射面１２１の角度を緩くすることができ、レンズ形状の設計の自由度を大きくすることができる。なお、正反射領域１２５は、全反射領域１２４と同一の形状を有していてもよい。すなわち、正反射領域１２５は、反射層１２６がないときに、基点Ｑから放射されて第１出射面１２１に到達す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可能な形状となっていてもよい。

（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、照明用レンズ１内で反射を１回以上繰り返すことにより、出射面１２を屈折しながら透過し、被照射面３に到達する。

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９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、０．４５ｍｍ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９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９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９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１０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１３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：レンズ最外半径（図９参照））。

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１．４１であるため、θｉ−θｎが４５．１７２°以上である。よって、図１３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１３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２に示すｄが０．４８５ｍｍ、θｐが４．２°、ａが０．０４２ｍｍとなっている。従って、ａ／（ｄ×ｔａｎθｐ）＝１．１７となり、上記式（２）を満たしている。

さらに、本実施例１では、図２に示すｄ’が０．４８ｍｍ、Ｒが１．９５ｍｍとなっている。従って、ｄ’／２Ｒ＝０．１２となり、上記式（３）を満たしている。

図１６は、実施例１の発光装置（図１０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１９は、図１６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。なお、図１６と図１９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１６と図１９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。

さらに、図１６中の照度分布曲線における照度０．２以上の分布幅δ_Lは０．４８となっており、図１９中の照度分布曲線における照度０．２以上の分布幅δ_Sは０．２となっている。従って、δ_L／δ_S＝２．４となり、上記式（４）を満たしている。

（実施例２）
次に実施例２の具体的な数値を表２に示す。

図１１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１４に、ｒ／Ｒとθｉ−θｎの関係のグラフを示す。図１４中のｒ／Ｒおよびθｉ−θｎも、図１３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１．４１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４５．１７２°以上である。よって、図１４は、本実施例２では実施例１よりも広い範囲が透過領域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１４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２では、図２に示すｄが０．６４７ｍｍ、θｐが９．３°、ａが０．１２３ｍｍとなっている。従って、ａ／（ｄ×ｔａｎθｐ）＝１．１６となり、上記式（２）を満たしている。

さらに、本実施例２では、図２に示すｄ’が０．６４２ｍｍ、Ｒが２．１ｍｍとなっている。従って、ｄ’／２Ｒ＝０．１５となり、上記式（３）を満たしている。

図１７は、実施例２の発光装置（図１１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。なお、図１７は、図１６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１７と図１９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。

さらに、図１７中の照度分布曲線における照度０．２以上の分布幅δ_Lは０．５となっている。従って、δ_L／δ_S＝２．５となり、上記式（４）を満たしている。

（実施例３）
次に実施例３の具体的な数値を表３に示す。

図１２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１５に、ｒ／Ｒとθｉ−θｎの関係のグラフを示す。図１５中のｒ／Ｒおよびθｉ−θｎも、図１３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１．４１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３と同様にθｉ−θｎが４５．１７２°以上である。よって、図１５は、本実施例３では実施例１よりも広い範囲が透過領域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１５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３では、図２に示すｄが０．８ｍｍ、θｐが６．０°、ａが０．１０３ｍｍとなっている。従って、ａ／（ｄ×ｔａｎθｐ）＝１．２２となり、上記式（２）を満たしている。

さらに、本実施例３では、図２に示すｄ’が０．７９５ｍｍ、Ｒが２．５５ｍｍとなっている。従って、ｄ’／２Ｒ＝０．１６となり、上記式（３）を満たしている。

図１８は、実施例３の発光装置（図１２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。なお、図１８は、図１６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１８と図１９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。

さらに、図１８中の照度分布曲線における照度０．２以上の分布幅δ_Lは０．５６となっている。従って、δ_L／δ_S＝２．８となり、上記式（４）を満たしている。

（実施の形態３）
図２０は、本発明の実施の形態３に係る面光源８の構成図である。この面光源８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２０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８は、発光装置７を挟んで拡散板４と対向する基板６５を備えている。基板６５には、図２１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６５上に、発光ダイオード２を避けながら基板６５を覆うように反射板６が配置されている。なお、本実施形態では、照明用レンズ１の入射面１１とその周囲の底面１３とが同一平面上に位置している。

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２２は、図１０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。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２３および図２４にそれぞれ示す。

図２５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２２〜図２４と図２５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２６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８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８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。

１，１’ 照明用レンズ
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
１２５ 正反射領域
１２６ 反射層
２ 発光ダイオード（光源）
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 発光装置
８ 面光源
Ａ 光軸
Ｑ 基点

Claims (12)

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、光軸と交差し前記光源側に向かって窪む第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、中心側に位置する領域であって前記光源から放射されて到達する光を透過させる透過領域と、前記透過領域の外周側に位置する領域であって前記光源から放射されて到達する光を全反射する全反射領域と、を含んでおり、
   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. 前記光軸上の前記光源の位置を基点とするとともに、
   前記第１出射面と前記第２出射面の境界と前記基点とを結んだ線と前記光軸とのなす角度をθｂとしたときに、以下の式
   ２０°＜θｂ＜４０°
   を満足する、請求項１に記載の照明用レンズ。
3. 前記光軸上の前記光源の位置を基点とするとともに、
   前記第１出射面が前記光軸と交わる点を点Ｃ、前記透過領域と前記全反射領域の境界上の点を点Ｐとし、さらに、前記点Ｃと前記基点との間の距離をｄ、前記点Ｐと前記基点とを結んだ線と前記光軸とのなす角度をθｐ、前記点Ｃと前記点Ｐとを結ぶ直線の長さをａとしたときに、以下の式
   １．１０＜ａ／（ｄ×ｔａｎθｐ）＜１．３０
   を満足する、請求項１に記載の照明用レンズ。
4. 前記光軸上の前記光源の位置を基点としたときに、
   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に記載の照明用レンズ。
5. 前記光軸上の前記光源の位置を基点としたときに、
   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に記載の照明用レンズ。
6. 前記光軸上での前記照明用レンズの厚さをｄ’、前記照明用レンズの最外径をＲとしたときに、以下の式
   ｄ’／２Ｒ＜０．２５
   を満足し、かつ、
   前記照明用レンズを介して前記被照射面が照明された場合の、光軸中心照度を１として規格化したときの前記被照射面上での照度分布曲線における照度０．２以上の分布幅をδ_L、前記光源のみによって前記被照射面が照明された場合の、光軸中心照度を１として規格化したときの前記被照射面上での照度分布曲線における照度０．２以上の分布幅をδ_Sとしたときに、以下の式
   ２．０＜δ_L／δ_S＜４．０
   を満足する、請求項１に記載の照明用レンズ。
7. 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、光軸と交差し前記光源側に向かって窪む第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、中心側に位置する領域であって前記光源から放射されて到達する光を透過させる透過領域と、前記透過領域の外周側に位置する領域であって前記光源から放射されて到達する光を正反射する反射層で覆われた正反射領域と、を含んでいる、
   照明用レンズ。
8. 前記光軸上の前記光源の位置を基点としたときに、
   前記正反射領域は、前記反射層がないときに、前記基点から放射されて前記第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以上の放射光を全反射可能な形状を有している、請求項７に記載の照明用レンズ。
9. 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または７に記載の照明用レンズである、発光装置。
10. 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９に記載の発光装置である、面光源。
11. 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１０に記載の面光源。
12. 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１０に記載の面光源と、を備える液晶ディスプレイ装置。

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