JP5735669B2

JP5735669B2 - 光学レンズ

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Publication number: JP5735669B2
Application number: JP2014004217A
Authority: JP
Inventors: ヘウンジョン; 秀訓野中
Original assignee: J TEK Co Ltd; JEONG Hae Woon
Current assignee: J TEK Co Ltd; JEONG Hae Woon
Priority date: 2013-05-01
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2034-01-14
Also published as: KR101301206B1; TW201443368A; JP2014220230A; US20140328069A1; US9488814B2; CN104132304A

Description

本発明は光学レンズに関し、より詳しくは発光素子の光を拡散させる過程で光軸部位における光量減少を最小化して被照明部材における輝度分布を均一にすることで光の明るさを向上させた光学レンズに関する。

従来よりパソコンやテレビなどに使われる液晶表示モニターの照明手段として、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を点光源として用いた面光源装置が知られている。

この面光源装置は、液晶表示パネルとほぼ同一の形状の板状の光束制御部材（光学レンズ）を有し、その裏面側に複数のＬＥＤがマトリックス状に配置されている。

これらのＬＥＤからの光は光束制御部材の裏面側から光束制御部材の内部に入射されて、その裏面に対向する出射面から出射される。

そして、その出射光によって液晶表示パネルがバックライトされる。

このような技術を開示している幾つかの文献を示すと、次の通りである。

（第１の従来例）
これは特許文献１に開示された従来例である。この従来例によれば、図１Ａに示したように、面光源装置１０には複数のＬＥＤ１１の各々に１対１で対応するようにマイクロレンズアレイ１２が配置され、ＬＥＤ１１からの光はマイクロレンズアレイ１２を介して平面に垂直な方向（上方）に出射される。

（第２の従来例）
これは特許文献２に開示された従来例である。この従来例によれば、図１Ｂに示したように発光表示装置１３は、ＬＥＤ１１、凹レンズ１４、及び凸レンズ１５を具備している。

ＬＥＤ１１からの光は、凹レンズ１４によって拡散した後、凸レンズ１５によって集光されてＬＥＤ１１の光軸にほぼ平行方向に出射される。

ここで光軸とは、点光源であるＬＥＤ１１からの立体的な出射光束の中心における光の進行方向を言う。

（第３の従来例）
これは特許文献３に開示された従来例である。この従来例は、図１Ｃに示したように、ＬＥＤ１１を光源とした表示装置１６を提供している。

ＬＥＤ１１からの光は、集光レンズ１７によって集光されて前方へ導かれ、次いで拡散レンズ１８によって拡散する。

（第４の従来例）
この従来例は、図２に示したような表示装置２０を提供する。

表示装置２０は、複数のＬＥＤチップ２１と、光拡散部材２２と、光拡散部材２２を透過した光により照明される被照明部材（例えば、液晶表示パネル）２３とで構成される。

各ＬＥＤチップ２１は、半球状の出射面２４を有する光束制御部材２５をＬＥＤ２６の出射面２４側に固着させたものであって、等間隔で配置される。

各ＬＥＤチップ２１から出射された光は、光拡散部材２２を透過した後、被照明部材２３に供給される。

しかし、これらの従来例は次のような問題があった。

（１）第１の従来例：面光源装置１０では、隣接するＬＥＤ１１の中間部分であって、マイクロレンズアレイ１２の形状が不連続となる部分が存在する。

この部分で光の出射量が急激に変化するため、各マイクロレンズアレイ１２の境界部分で出射光の明暗のばらつきが大きくなり、目立つことになる。

（２）第２の従来例：発光表示装置１３での複数の凹レンズ１４は連続的に接続して平面を形成していると認め難い。

また、複数の凸レンズ１５も複数個が連続的に接続して平面を形成していると認め難い。

したがって、例えば大型の液晶表示パネルのように広い面積の被照明部材に対して均一な面状照明を供給することが困難である。

（３）第３の従来例：表示装置１６では、ＬＥＤ１１からの光を集光レンズ１１８によって集光した後、拡散レンズ１８によって拡散させている。

したがって、従来例１に比べると、光の明暗差はよく目立たないようになる。

しかし、隣接する複数のＬＥＤ１１からの光同士が互いに混じりにくく、各ＬＥＤ１１間の発光色のばらつきが目立つという問題があった。

（４）第４従来例：第４の従来例の表示装置２０は、図３に示したように、各ＬＥＤ２６に対応するように出現する照明光の輝度のばらつきが波形状に大きくなる。

このため、各ＬＥＤ２６間の照明光に暗部が生じて均一な面状照明をすることが困難であった。

また、第４の従来例では、図３の曲線Ａで示したように、各ＬＥＤチップ２１から出射された光の光量（光強度）がＬＥＤ２６の光軸Ｌ近傍で局所的に大きくなる傾向がある。

このため、隣接する複数のＬＥＤ２６からの光同士が互いに混じりにくく、各ＬＥＤ２６間の発光色のばらつきの目立つという問題があった。

このような問題点を解消するために、点光源から出射される光を拡散させてＬＥＤから出射される光を互いに混ぜ合うことにより、発光色のばらつきを減らす光束制御部材（光学レンズ）が大韓民国登録特許１０−０９７１６３９号、大韓民国登録特許１０−０９７７３３６号などに開示されている。

これらから分かるように、ＬＥＤを広角照明に用いる場合、ＬＥＤから放出される光を広角に変換する光学素子（光束制御部材）をＬＥＤの前面に配置することが一般的である。

すなわち、光学素子の材質による屈折率及びスネルの法則(Ｓｎｅｌｌ’ｓｌａｗ)によってＬＥＤから出射される光を、光学素子を介して出射することで広角拡散光に変換して使用することである。

このような光束制御部材は、点光源であるＬＥＤから出射される光をＬＥＤの中心垂直線（光軸）に対してほぼ１２０度の拡散を有する光で出射させるようになる。

すなわち、ＬＥＤの光が出射される光量が強い部分、すなわち図４のａ角の光がｃの角のようにさらに大きく拡散するように光学設計されたものである。

しかし、前記した従来の技術による光束制御部材（光学レンズ）は次のような問題があった。

点光源であるＬＥＤから出射される光を広角光で拡散させることは可能である、出射光ａ部分の光が広角光に変換された後、図５に示されているように光量の減少をもたらすという問題があった。

これによって、光の光度が極大化できなくなり、それに伴い、効率性が劣るという問題点があり、これをバックライトに適用させる場合、光度を極大化するためにプリズムシートのような拡散板を追加で構成することによって製造コストの節減という次元での経済性が劣るという問題点があった。

特開２００２−４９３２６号公報特開昭５９−２２６３８１号公報特開昭６３−６７０２号公報

本発明は前記した問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、屈折防止部を出射面の中央部位に形成し、入射した光が屈折防止部を通過しながら屈折されることなく直進して出射されるようにすることで光軸部位における光量減少を最小化して被照明部材における輝度を均一にして光度を向上させた光学レンズを提供することにある。

本発明の他の態様によれば、発光素子の光を受け入れるための凹部と、凹部を形成し、発光素子の光が入射する入射面と、入射面を介して入射した光が出射される出射面とを含む光学レンズであって、前記出射面には出射面から一体に突出形成され、出射面を介して出射される光軸Ｌ付近の光を屈折させることなく直進させる屈折防止部が形成され、前記屈折防止部は、入射面を介して入射した光の進行方向に対して直交するいずれか一つの母線を有する円錐状に形成され、前記屈折防止部は、出射面に複数個で形成されていることを特徴とする光学レンズを提供する。

本発明による光学レンズは次のような効果がある。

出射面を介して被照明部材に出射された出射光の輝度が均一に照明されるという効果がある。

すなわち、光学レンズの内部から出射面を介して出射された光が屈折されることなく直進可能に出射面上に複数の屈折防止部を形成することで、出射面の屈折防止部を通過した光は屈折されることなく照明しようとする被照明部材の面状の中央に向けるようになって面状の中央部位における光量減少を最小化することができる。

これによって、光学レンズの特性上、光を広角で拡散させるによる中央部位における光量減少を減らすことができるので、照明しようとする面状の中央部位における輝度分布を平均化することができ、光の明るさをさらに向上させることができるという効果がある。

さらに、発光素子の輝度分布を均一にするためのプリズムシートなどの拡散板の構成がなくても、バックライトの明るさを向上させることができるので、製造コストの節減による経済性を高めることができるという効果がある。

従来の技術による面光源装置の第１例を示した概略図である。従来の技術による面光源装置の第２例を示した概略図である。従来の技術による面光源装置の第３例を示した概略図である。従来の技術による面光源装置の第４例を示した概略図である。従来の技術による面光源装置の光が被照明部材に照射される光の強度分布を示したグラフである。従来の技術による第１例〜第４例の問題点を解決するために、発光素子の光を広角で拡散させる状態を示した発光素子の光が出射される方向を示した概略図である。従来の技術による光学レンズを介して発光素子の光が広角に変換されて拡散する過程で、光軸に近いほど光量が減少されて不均一な輝度分布を示した概略図である。本発明の第１の実施例による光学レンズを示した斜視図である。本発明の第１の実施例による光学レンズの要部を拡大して示した断面図である。本発明の第１の実施例による光学レンズを示した断面図である。本発明の実施例による光学レンズを透過する発光素子の光が屈折されることなく直進する状態を示した図である本発明の第２の実施例による光学レンズを示した斜視図である。本発明の第２の実施例による光学レンズの要部を拡大して示した断面図である。本発明の第３実施例による光学レンズを示した斜視図である。本発明の第３実施例による光学レンズの要部を拡大して示した断面図である。本発明の実施例による光学レンズを透過する発光素子の光が屈折されることなく直進する状態を示した拡大図である。図１４の要部を拡大して示したものであって、本発明の実施例による光学レンズを透過する光が屈折防止部に直交する平らな面を屈折されることなく直進して透過される状態を示した拡大図である。

本願明細書及び特許請求範囲に使用された用語や単語は、通常的若しくは辞書的な意味で限定解釈されず、発明者は自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に即して本発明の技術的思想に符合する意味と概念と解されるべきである。

次に、図６〜図１５を参照して本発明の望ましい実施例による光学レンズについて説明する。

光学レンズは光学素子または光束制御部材とも呼び、発光素子から照射された光を広角で拡散させる役割をする。

光学レンズは発光素子と共に発光装置と呼び、液晶表示パネルなどのディスプレー装置のバックライト装置として用いられる。

本発明による光学レンズは、発光素子の光を広角で拡散させ、発光素子の光が広角で拡散する過程で光量が減少されることができる光軸に近い部位において、光量が減少されないようにすることで被照明部材における輝度分布を均一にすることができるという技術的特徴がある。

この時、光軸とは、発光素子から出射される光の立体的な出射光束の中心における光の進行方向を言う。

これによって、光学レンズを介して出射された光の明るさを向上させることができるようになる。

光学レンズは光軸を中心に回転対称の形状に形成されることが望ましいが、発光素子に対しては必ず回転対称である必要はない。すなわち、発光素子は直方体状に形成されてもよい。

この時、光学レンズの材質は、光透過性に優れる熱可塑性樹脂であることが望ましい。

例えば、光学レンズの材質は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、エポキシ樹脂などの透明樹脂や透明ガラスなどからなるものが望ましい。

この時、光学レンズの屈折率は、通常、１．４５以上１．６５以下で提供される。

光学レンズは、図６〜図８に示されているように、内表面である入射面１００と、外表面である出射面２００と、入射面１００と出射面２００とを連結する底面３００と、出射面に形成された屈折防止部４００とで構成される。

入射面１００は、発光素子５００から出射された光が光学レンズを透過するために最初に入射する部位であり、光学レンズの内側に設けられる。

この時、入射面１００の断面形状は、図８に示されているように、光軸Ｌと垂直に交差され、光軸Ｌ付近では輪郭線の傾斜が大きく変化し、光軸Ｌから離隔した部分では輪郭線の変化が大きくないので前記入射面１００は凹んでいる凹部を形成する。

この時、入射面１００の断面形状は、釣鐘の形状と類似する。

次に、出射面２００は、入射面１００を介して光学レンズの内部に入射した光が光学レンズを透過して外部へ出射される部位であり、光学レンズの表面を形成する。

この時、出射面２００の断面形状は、光軸Ｌ付近での輪郭線の傾斜が光軸Ｌとほぼ垂直であって、傾斜変化が小さく、光軸Ｌから離隔した部分では輪郭線の傾斜変化が大きくなりつつ徐々に光軸Ｌと平行な方向に変わる形状で構成される。

また、出射面２００における光軸Ｌ付近の形状は、凹状であるが、これに限定されるものではない。

すなわち、光学レンズは入射面１００と出射面２００の両面ともが光の方向を変化させるので、光軸Ｌ付近の形状は限定されないで、光軸Ｌ付近の形状を凸状に形成させることもできる。

次に、屈折防止部４００は入射面１００を介して出射面２００に透過された発光素子５００の光を屈折させないで直進させる役割をする。

これは、被照明部材における光軸Ｌ付近の光量の減少を最小化するためである。

図９に示しされているように、光学レンズの特性上、発光素子５００から照射された光が入射面１００を介して光学レンズの内部に入射しながら形成した広角θ２は、発光素子５００から入射面１００までの広角θ１に比べて大きく形成され、出射面２００および該出射面２００を介して出射された広角θ４は、光学レンズの内部に入射した光と出射面２００とがなす広角θ３に比べて大きく形成されるが、これは光の屈折現象に起因する。

このような技術的特徴は大韓民国登録特許１０−０９７７３３６号及び大韓民国登録特許１０−０９７１６３９号に開示されており、これについての詳細な説明は省略することにする。

一方、前記のように、光学レンズを透過した光は拡散しながら光軸Ｌ付近の光量が減少されるので、光軸Ｌ付近の出射面３００を透過した光が屈折されることなく光学レンズの内部入射角のまま進行させることで、図９及び図１４に示されているように、光軸Ｌ付近の光量減少を最小化することができる。

このような技術的特徴を有する屈折防止部４００は、出射面２００の光軸Ｌ付近に形成され、出射面２００から一体に突出形成される。

この時、屈折防止部４００は、出射面２００の中央から同心円の方向に沿って形成される。

この時、出射面２００上に形成される屈折防止部４００の最大形成範囲は、図９に示されているように、発光素子５００から入射面１００に出射された光の中で半値にあたる光の角ａから前記光が光学レンズの内部に屈折された入射角ｂまでの出射面の面積に対する２０％範囲内であることが望ましい。

このような範囲は、光学レンズを介した発光素子５００の光拡散時に光量の減少が最も多い範囲であって、前記部位に屈折防止部４００を形成することで出射面２００を介した光は屈折防止部４００を介して透過される過程で屈折されることなく直進することである。

その結果、被照明部材における光量減少を最小化して光の明るさを向上させることができるようになる。

一方、屈折防止部４００の形状は、図６〜図８に示されているように、円周状に形成されることができる。

これを本発明の第１の実施例で提示する。

本発明の第１の実施例による屈折防止部４００は、前述のように出射面２００の中央から同心円の方向に沿って円周状に形成される。

すなわち、屈折防止部４００は年輪のような形状で形成される。
この時、屈折防止部４００の最大形成範囲は、前述のごとく、発光素子５００から入射面１００に出射された光の中で半値にあたる光の角ａから前記光が光学レンズの内部に屈折された入射角ｂまでの出射面２００面積に対する２０％範囲内になる。

また、屈折防止部４００の表面は、図１５に示されているように入射面１００を介して入射した光の進行方向、すなわち光線に対して直交する直交面４１０を形成する。

すなわち、入射面１００を介して入射した光が出射面２００を介して出射される過程で、面取り状の出射面２００を通過する時には光が屈折されるが、光が屈折防止部４００の表面の一側を形成する直交面４１０を通過することにより、屈折されることなくそのまま直進できる。

これは、直進する光がこの光の進行方向に対して直交する面を通過する時、その光は屈折されることなく直進するという科学的原理に基づく。

この時、屈折防止部４００の断面形状は、三角状に形成されることが望ましいが、これに限定されるものではない。

前記屈折防止部４００は、入射面１００を通過した光に対して直交、すなわち、直角の表面を形成する形状であればよい。

そして、屈折防止部４００の形状は、図１０及び図１１に示されているように、円錐状に形成されてもよい。

これを本発明の第２の実施例で提示する。

本発明の第２の実施例による屈折防止部４００は、前記したように円錐状に形成され、出射面２００の中央から出射面２００の周縁方向に向けて複数個で形成される。

すなわち、円錐状に形成された屈折防止部４００の表面は、頂点から出射面２００に向けて傾くように形成された母線の集合であるから、円錐状の表面のいずれか一つの母線は、入射面１００を介して入射した光の進行方向に対して直交する地点を形成するようになり、前記屈折防止部４００を介して出射される数多くの光のうちいずれか一つは屈折されることなく直進をするようになる。

一方、この時にも屈折防止部４００の最大形成範囲は前述のように、発光素子５００から入射面１００に放出された光の中で半分にあたる光の角ａから前記光が光学レンズ内部に屈折された入射角ｂまでの出射面２００面積に対する２０％範囲内になる。

そして、屈折防止部４００の形状は図１２及び図１３に示されているように、出射面２００から突出形成されたドット状に形成され、該ドットの縦断面の形状は三角状である。

これを本発明の第３実施例で提示する。

この際にも、屈折防止部４００は出射面の中央から出射面２００の周縁部に向けて複数個で形成され、その最大形成範囲は前述のように、発光素子５００から入射面２００に放出された光の中で半値にあたる光の角ａから前記光が光学レンズ内部に屈折された入射角ｂまでの出射面２００面積に対する２０％範囲内になる。

この時、屈折防止部４００の表面も、入射面１００を介して入射した光の進行方向に対して直交する直交面４１０を形成するので、前記屈折防止部４００の直交面４１０を介して出射される光は屈折されることなく光の進行方向のまま直進するようになる。

このように屈折防止部４００を有する光学レンズの設置された発光装置の光の拡散について説明する。

光学レンズの下方に発光素子５００が設けられ、発光素子５００は入射面１００に向けて光を発光する。

この時、光は入射面１００を介して光学レンズの内部に屈折されながら入射する。

その後、光は出射面２００を介して光学レンズの外側に出射されるが、図１４に示されているように、屈折防止部４００が形成されていない出射面２００を介して出射される光は、再び屈折されて光を拡散させ、屈折防止部４００が形成されている部位を介して出射される光は、前記屈折防止部４００によって屈折されることなくそのまま出射される。

すなわち、光の進行方向に対して直交する屈折防止部４００の直交面４１０を透過した光は屈折されることなくそのまま上方に直進して出射されることによって、光軸Ｌ部位の光量減少を最小化することができる。

前述のような本発明による光学レンズは、出射面２００に複数の屈折防止部４００を人為的に一体に形成したという技術的特徴がある。

すなわち、発光素子５００から発光された光を拡散させる過程で光量が減少される部位である光学レンズの光軸Ｌ部位に入射面を介して入射した光に対して直交する直交面４１０を有する複数の屈折防止部４００が形成されることで、前記屈折防止部４００を透過した光は屈折されることなく上方にそのまま直進するようになる。

これによって、光学レンズの光軸Ｌ部位における光量減少を最小化できるので、被照明部材における輝度分布を均一化でき、その結果、光の明るさを向上させることができるようになる。

以上、本発明を記載された具体例について詳しく説明したが、本発明の技術思想の範囲内で多様な変形及び修正が可能であることは当業者にとって明白なことであり、このような変形及び修正は添付された特許請求の範囲に属することは言うまでもない。

１００入射面
２００出射面
３００底面
４００屈折防止部
４１０直交面
５００発光素子
Ｌ光軸

Claims

発光素子(５００)の光を受けるための凹部と、該凹部を形成し、発光素子(５００)の光が入射する入射面(１００)と、入射面(１００)を介して入射した光が出射される出射面(２００)とを含む光学レンズであって、
前記出射面(２００)には出射面１００から一体に突出形成され、出射面２００を介して出射される光軸Ｌ付近の光を屈折させることなく直進させる屈折防止部(４００)が形成され、
前記屈折防止部(４００)は、入射面(１００)を介して入射した光の進行方向に対して直交するいずれか一つの母線を有する円錐状に形成され、前記屈折防止部(４００)は出射面(２００)に複数個で形成されていることを特徴とする光学レンズ。
発光素子(５００)の光を受けるための凹部と、該凹部を形成し、発光素子(５００)の光が入射する入射面(１００)と、入射面(１００)を介して入射した光が出射される出射面(２００)とを含む光学レンズであって、
前記出射面(２００)には出射面(１００)から一体に突出形成され、出射面２００を介して出射される光軸Ｌ付近の光を屈折させることなく直進させる屈折防止部(４００)が形成され、
光が出射される屈折防止部(４００)の表面は、入射面１００を介して入射した光の進行方向に対して直交する直交面４１０を有し、
屈折防止部(４００)の直交面(４１０)を介して出射される光は、屈折されることなく入射面(１００)を介して入射した方向のまま直進して出射され、
前記屈折防止部(４００)は出射面(２００)の光軸Ｌを中心に複数のドット(ｄｏｔ)状に形成され、
前記ドットの縦断面は、入射面（１００）を介して入射した光の進行方向に対して直交する直交面(４１０)を有する三角状であることを特徴とする光学レンズ。