JP6714988B2 - 光束制御部材、発光装置、面光源装置および表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材、当該光束制御部材を有する発光装置、面光源装置および表示装置に関する。

近年、省エネルギーや小型化の観点から、照明用の光源として、発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」ともいう）が使用されている。そして、ＬＥＤと、ＬＥＤから出射された光の配光を制御する光束制御部材とを組み合わせた発光装置は、蛍光灯やハロゲンランプなどに代わり使用されている。また、液晶表示装置などの透過型画像表示装置では、バックライトとして格子状に当該発光装置を搭載した直下型の面光源装置が使用されている（例えば、特許文献１）。

図１は、特許文献１に記載の面光源装置１０の構成を示す図である。図１Ａは、面光源装置１０の模式的な平面図であり、図１Ｂは、面光源装置１０における発光装置３０の平面図であり、図１Ｃは、図１Ｂに示されるＡ−Ａ線の断面図である。図１Ａの破線は、発光装置３０から出射された光の照射範囲を模式的に示している。

図１Ａ〜Ｃに示されるように、特許文献１に記載の面光源装置１０は、プリント配線基板２０と、プリント配線基板２０上に長方格子状に配置された複数の発光装置３０とを有する。複数の発光装置３０は、それぞれ発光素子３５と、発光素子３５上を覆うように配置された導光部材（光束制御部材）４０とを含む。

導光部材４０は、略半球形状のレンズ部４１と、レンズ部４１を取り囲むように配置された鍔部４２とを有する。また、レンズ部４１は、裏側に配置された凹部４３の内面である入射面４４と、表側に配置された出射面４５とを有する。出射面４５は、中心軸ＣＡに互いに平行な２つの平面４６と、２つの平面４６の間に配置された上に凸な曲面４７とを含む。特許文献１に記載の面光源装置１０では、発光素子３５から出射された光は、導光部材４０によって、複数の発光装置３０の間隔が短い方向（長方格子の短辺方向；Ｙ方向）と比較して、複数の発光装置３０の間隔が長い方向（長方格子の長辺方向；Ｘ方向）に拡がるように制御される。よって、特許文献１に記載の面光源装置では、複数の発光装置３０が長方格子状に配置された場合であっても被照射面を均一に照射できるようになっている。

国際公開第２００９／１５７１６６号

しかしながら、特許文献１に記載の面光源装置１０では、平面４６から出射される光は、集光されるように制御される。一方、曲面４７から出射される光は、拡がるように制御される。これにより、平面４６から出射した光と、曲面４７から出射される光とは、被照射面までの光路上で交差しやすくなる。そのため、被照射面上において明部が生じてしまうおそれがある。

そこで、本発明の目的は、発光装置が格子状に配置された場合であっても、被照射面上における明部の発生を抑制できる光束制御部材を提供することである。また、本発明の別の目的は、当該光束制御部材を有する、発光装置、面光源装置および表示装置を提供することである。

本発明に係る光束制御部材は、発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材であって、前記光束制御部材の中心軸と交わるように、裏側に形成された凹部の内面である入射面と、前記入射面の反対側に配置された出射面と、を有し、前記出射面は、前記中心軸と交わるように配置された、裏側に向けて凸の第１出射面と、前記第１出射面を取り囲むように配置された、表側に向けて凸の第２出射面と、を含み、その発光中心が前記中心軸上に位置するように前記発光素子を前記凹部と対向するように配置し、かつ前記中心軸に直交するように前記出射面の上方に被照射面を配置した場合に、以下の式（１）を満たす。
［上記式（１）において、Ｄ１は、以下の式（２）により求められる、前記中心軸と、前記出射面の外縁のうち前記中心軸に最も近い点とを含む第１断面において、前記発光中心から第１発光角度で出射された第１光線の前記被照射面上の到達点の前記中心軸からの距離である第１到達距離である。Ｄ２は、以下の式（３）により求められる、前記中心軸と前記出射面の外縁のうち前記中心軸から最も遠い点とを含む第２断面において、前記発光素子の発光中心から第２発光角度で出射された第２光線の前記被照射面上の到達点の前記中心軸からの距離である第２到達距離である。前記第１発光角度は、以下の「第１発光角度の求め方」により求められる。前記第２発光角度は、以下の「第２発光角度の求め方」により求められる。］
［上記式（２）において、ｈ１ａは、前記第１断面において、前記発光中心と、前記第１光線の前記入射面における入射点である第１入射位置との間の、前記中心軸に沿う方向における距離である。ｈ２ａは、前記第１断面において、前記第１入射位置と、前記第１光線の前記出射面における出射点である第１出射位置との間の、前記中心軸に沿う方向における距離である。ｈ３ａは、前記第１断面において、前記第１出射位置と、前記第１光線の前記被照射面における到達点である第１被照射位置との間の、前記中心軸に沿う方向における距離である。θ１ａは、前記第１断面において、前記発光中心と前記入射面との間における前記第１光線の進行方向の前記中心軸に対する角度であり、前記第１発光角度である。θ２ａは、前記第１断面において、前記入射面と前記出射面との間における前記第１光線の進行方向の前記中心軸に対する角度である。θ３ａは、前記第１断面において、前記出射面と前記被照射面との間における前記第１光線の進行方向の前記中心軸に対する角度である。］
［上記式（３）において、ｈ１ｂは、前記第２断面において、前記発光中心と、前記第２光線の前記入射面における入射点である第２入射位置との間の、前記中心軸に沿う方向における距離である。ｈ２ｂは、前記第２断面において、前記第２入射位置と、前記第２光線の前記出射面における出射点である第２出射位置との間の、前記中心軸に沿う方向における距離である。ｈ３ｂは、前記第２断面において、前記第２出射位置と、前記第２光線の前記被照射面における到達点である第２被照射位置との間の、前記中心軸に沿う方向における距離である。θ１ｂは、前記第２断面において、前記発光中心と前記入射面との間における前記第２光線の進行方向の前記中心軸に対する角度であり、前記第２発光角度である。θ２ｂは、前記第２断面において、前記入射面と前記出射面との間における前記第２光線の進行方向の前記中心軸に対する角度である。θ３ｂは、前記第２断面において、前記出射面と前記被照射面との間における前記第２光線の進行方向の前記中心軸に対する角度である。］
［第１発光角度の求め方］
（１）前記第１断面において、前記発光中心から出射された任意の光線の前記発光中心と前記入射面との間における進行方向の前記中心軸に対する角度である発光角度θ１Ａと、当該任意の光線の前記出射面と前記被照射面との間における進行方向の前記中心軸に対する角度である出射角度θ３Ａとの関係を表す第１多項式近似関数を求める。
（２）前記第１多項式近似関数の１階微分に対応する第１曲線を求める。
（３）前記第１曲線の傾きがマイナスからプラスに変化する１または２以上の底点と、前記第１曲線の傾きがプラスからマイナスに変化する１または２以上の頂点とを求める。
（４）前記１または２以上の底点のそれぞれについて、前記１または２以上の頂点の中から、当該底点の発光角度θ１Ａよりも大きく、かつその発光角度θ１Ａが当該底点の発光角度θ１Ａに最も近い１つの頂点を特定する。
（５）前記１または２以上の底点の中から、対応する前記頂点との間の出射角度θ３Ａの微分値Δθ３Ａの差が最大の底点を特定し、特定された底点の発光角度θ１Ａを前記第１発光角度θ１ａとする。
［第２発光角度の求め方］
（１）前記第２断面において、前記発光中心から出射された任意の光線の前記発光中心と前記入射面との間における進行方向の前記中心軸に対する角度である発光角度θ１Ｂと、当該任意の光線の前記出射面と前記被照射面との間における進行方向の前記中心軸に対する角度である出射角度θ３Ｂとの関係を表す第２多項式近似関数を求める。
（２）前記第２多項式近似関数の１階微分に対応する第２曲線を求める。
（３）前記第２曲線の傾きがマイナスからプラスに変化する１または２以上の底点と、前記第２曲線の傾きがプラスからマイナスに変化する１または２以上の頂点とを求める。
（４）前記１または２以上の底点のそれぞれについて、前記１または２以上の頂点の中から、当該底点の発光角度θ１Ｂよりも大きく、かつその発光角度θ１Ｂが当該底点の発光角度θ１Ｂに最も近い１つの頂点を特定する。
（５）前記１または２以上の底点の中から、対応する前記頂点との間の出射角度θ３Ｂの微分値Δθ３Ｂの差が最大の底点を特定し、特定された底点の発光角度θ１Ｂを前記第２発光角度θ１ｂとする。

また、本発明に係る発光装置は、発光素子と、本発明に係る光束制御部材と、を有する。

また、本発明に係る面光源装置は、本発明に係る発光装置と、前記発光装置からの光を拡散させつつ透過させる光拡散板と、を有する。

また、本発明に係る表示装置は、本発明に係る面光源装置と、前記面光源装置から出射された光を照射される被照射部材と、を有する。

本発明に係る光束制御部材は、格子状に配置されても被照射面上における明部の発生を抑制することができる。また、本発明に係る発光装置、面光源装置および表示装置は、被照射面上における明部の発生を抑制できる光束制御部材を有するため、被照射面上に明部を生じさせにくい。

図１Ａ〜Ｃは、特許文献１に記載の面光源装置の構成を示す図である。 図２Ａ、Ｂは、本発明の一実施の形態に係る面光源装置の構成を示す図である。 図３Ａ、Ｂは、本発明の一実施の形態に係る面光源装置の断面図である。 図４は、本発明の一実施の形態に係る面光源装置の部分拡大断面図である。 図５Ａ〜Ｃは、本発明の一実施の形態に係る光束制御部材の構成を示す図である。 図６Ａ、Ｂは、発光装置における光路図である。 図７Ａ、Ｂは、式（１）〜式（３）を説明するための図である。 図８Ａ、Ｂは、第１発光角度の求め方を説明するためのグラフである。 図９Ａ、Ｂは、第２発光角度の求め方を説明するためのグラフである。 図１０は、面光源装置における輝度の測定結果を示すグラフである。 図１１Ａ、Ｂは、面光源装置における輝度のシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明に係る光束制御部材、発光装置、面光源装置および表示装置について、添付した図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、本発明の面光源装置の代表例として、液晶表示装置のバックライトなどに適する、発光装置が格子状に配置されている面光源装置について説明する。これらの面光源装置は、面光源装置からの光を照射される被照射部材（例えば液晶パネル）と組み合わせることで、表示装置として使用されうる。

（面光源装置および発光装置の構成）
図２〜図４は、本発明の一実施の形態に係る面光源装置１００の構成を示す図である。図２Ａは、本発明の一実施の形態に係る面光源装置１００の平面図であり、図２Ｂは、正面図である。図３Ａは、図２Ｂに示されるＡ−Ａ線の断面図であり、図３Ｂは、図２Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。図４は、面光源装置１００の部分拡大断面図である。

図２Ａ、Ｂ、図３Ａ、Ｂおよび図４に示されるように、面光源装置１００は、筐体１１０と、複数の発光装置２００と、光拡散板（被照射面）１２０とを有する。複数の発光装置２００は、筐体１１０の底板１１２上の基板２１０に格子状（本実施の形態では、正方格子状）に配置されている。底板１１２の内面は、拡散反射面として機能する。また、筐体１１０の天板１１４には、開口部が設けられている。光拡散板１２０は、この開口部を塞ぐように配置されており、発光面として機能する。発光面の大きさは、例えば約４００ｍｍ×約７００ｍｍとすることができる。

複数の発光装置２００は、それぞれ基板２１０上に一定の間隔で配置されている。複数の基板２１０は、それぞれ筐体１１０の底板１１２上の所定の位置に固定されている。複数の発光装置２００は、それぞれ発光素子２２０および光束制御部材３００を有する。

発光素子２２０は、面光源装置１００の光源であり、基板２１０上に実装されている。発光素子２２０は、例えば白色発光ダイオードなどの発光ダイオード（ＬＥＤ）である。

光束制御部材３００は、レンズであり、基板２１０上に固定されている。光束制御部材３００は、発光素子２２０から出射された光の配光を制御し、当該光の進行方向を基板２１０の面方向に拡げる。光束制御部材３００は、その中心軸ＣＡが発光素子２２０の光軸ＯＡに一致するように、発光素子２２０の上に配置されている（図４参照）。また、光束制御部材３００は、発光素子２２０の光軸ＯＡに沿う方向において、発光素子２２０の発光中心（発光面）が後述する入射面３２０の頂部近傍に対する曲率中心に位置するように配置されている（図４参照）。なお、後述する光束制御部材３００の入射面３２０および出射面３３０は回転対称（入射面３２０は円対称、出射面３３０は４回対称）であり、かつこの回転軸は発光素子２２０の光軸ＯＡと一致する。この入射面３２０および出射面３３０の回転軸を「光束制御部材の中心軸ＣＡ」という。また、「発光素子の光軸ＯＡ」とは、発光素子２２０からの立体的な出射光束の中心の光線を意味する。

光束制御部材３００は、一体成形により形成することができる。光束制御部材３００の材料は、所望の波長の光を通過させ得る材料であればよい。たとえば、光束制御部材３００の材料は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート（ＰＣ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、シリコーン樹脂などの光透過性樹脂、またはガラスである。本実施の形態に係る面光源装置１００は、光束制御部材３００の構成に主たる特徴を有する。そこで、光束制御部材３００の備えるべき特徴については、別途詳細に説明する。

光拡散板１２０は、光拡散性を有する板状の部材であり、発光装置２００からの出射光を拡散させつつ透過させる。光拡散板１２０は、複数の発光装置２００の上に基板２１０と略平行に配置されている。通常、光拡散板１２０は、液晶パネルなどの被照射部材とほぼ同じ大きさである。たとえば、光拡散板１２０は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、スチレン・メチルメタクリレート共重合樹脂（ＭＳ）などの光透過性樹脂により形成される。光拡散性を付与するため、光拡散板１２０の表面に微細な凹凸が形成されているか、または光拡散板１２０の内部にビーズなどの光拡散子が分散している。

本発明に係る面光源装置１００では、各発光素子２２０から出射された光は、光束制御部材３００により光拡散板１２０の広範囲を照らすように拡げられる。後述するように、光束制御部材３００の配光特性は、発光装置２００の配列格子に沿った方向（Ｘ方向およびＹ方向）と、配列格子の対角線方向とで異なっているため、光拡散板１２０の内面は略均一に照らされる。各光束制御部材３００から光拡散板１２０に到達した光は、拡散されつつ光拡散板１２０を透過する。その結果、本発明に係る面光源装置１００は、面状の被照射部材（例えば液晶パネル）を均一に照らすことができる。

（光束制御部材の構成）
図５Ａ〜Ｃは、本発明の一実施の形態に係る光束制御部材３００の構成を示す図である。図５Ａは、光束制御部材３００の平面図であり、図５Ｂは、底面図であり、図５Ｃは、図５Ａに示されるＡ−Ａ線の断面図である。

図５Ａ〜Ｃに示されるように、光束制御部材３００は、凹部３１０の内面である入射面３２０と、出射面３３０とを有する。また、光束制御部材３００は、光束制御部材３００の取り扱いを容易にするための鍔部と、発光素子２２０から発せられる熱を外部に逃がすための間隙を形成するとともに、光束制御部材３００を基板２１０に位置決めして固定するための脚部（いずれも図示省略）とを有していてもよい。本実施の形態における光束制御部材３００の平面視形状は、Ｒ面取りした略方形である。

凹部３１０は、光束制御部材３００の中心軸ＣＡ（発光素子２２０の光軸ＯＡ）と交わるように裏面３０５の中央部に配置されている（図４参照）。凹部３１０の内面は、入射面３２０として機能する。すなわち、入射面３２０は、中心軸ＣＡ（光軸ＯＡ）と交わるように配置されている。入射面３２０は、発光素子２２０から出射された光のうち、大部分の光を、その光の進行方向を制御するとともに、光束制御部材３００の内部に入射させる。入射面３２０は、光束制御部材３００の中心軸ＣＡと交わり、中心軸ＣＡを回転軸とした回転対称（本実施の形態では円対称）である。

裏面３０５は、光束制御部材３００の裏側に位置し、凹部３１０の開口縁部から径方向に延在する平面である。

出射面３３０は、光束制御部材３００の表側（光拡散板１２０側）に配置されている。出射面３３０は、光束制御部材３００内に入射した光を、進行方向を制御しつつ外部に出射させる。出射面３３０は、中心軸ＣＡと交わり、中心軸ＣＡを回転軸とした回転対称（本実施の形態では４回対称）である。

出射面３３０は、中心軸ＣＡを中心とする所定範囲に位置する第１出射面３３０ａと、第１出射面３３０ａの周囲に連続して形成される第２出射面３３０ｂを有する。第１出射面３３０ａは、裏側に凸の曲面である。第１断面における第１出射面３３０ａの曲率と、第２断面における第１出射面３３０ａの曲率との大きさは特に限定されない。本実施の形態では、第１断面における第１出射面３３０ａの曲率と、第２断面における第１出射面３３０ａの曲率とは同一である。ここで、「第１断面」とは、中心軸ＣＡと、出射面３３０の外縁のうち中心軸ＣＡに最も近い点とを含む断面であり、図５ＡにおけるＡ−Ａ線の断面をいう。また、「第２断面」とは、中心軸ＣＡと出射面３３０の外縁のうち中心軸ＣＡから最も遠い点とを含む断面である。なお、本実施の形態において「第２断面」とは、中心軸ＣＡを軸として、第１断面を４５°回転させた断面であり、図５ＡにおけるＢ−Ｂ線の断面をいう。

第２出射面３３０ｂは、第１出射面３３０ａの周囲に位置する、表側に凸の滑らかな曲面である。また、本実施の形態では、第１断面における第２出射面３３０ｂの曲率と、第２断面における第２出射面３３０ｂの曲率とは異なる。第２出射面３３０ｂは、中心軸ＣＡを含む断面において、第２曲面３３０ｂは、中心軸から最も離れた位置にオーバーハング部３３０ｃを有する。ここで、「オーバーハング部」とは、中心軸ＣＡに垂直な方向において、第２出射面３３０ｂの外側端部が、中心軸ＣＡに沿う方向における第２出射面３３０ｂの下側端部よりさらに外側に張り出している部分をいう。本実施の形態では、第２出射面３３０ｂが当該オーバーハング部３３０ｃを有することにより、発光素子２２０から出射される光のうち、光軸ＯＡに対する角度が大きい光も有効に光拡散板１２０（被照射面）を照明する光として利用できるように制御している。

（発光装置の配光特性）
図６Ａ、Ｂは、発光装置２００における光路図である。図６Ａは、第１断面における発光装置２００の光路図を示しており、図６Ｂは、第２断面における発光装置２００の光路図を示している。なお、図６Ａ、Ｂでは、光路を示すため発光素子２２０および光束制御部材３００へのハッチングを省略している。また、図６Ａ、Ｂに示される光路を示す光線は、出射角度が０°から８０°まで５°刻みの各光線を示している。さらに、図６Ａ、Ｂでは、発光装置２００の被照射領域を示すために光拡散板１２０を配置している。

図６Ａ、Ｂに示されるように、第１断面および第２断面において、発光素子２２０から出射された、出射角度が比較的小さな光は、拡げられつつ、光拡散板１２０に形成される被照射領域の中央部分（光束制御部材３００の中心軸ＣＡの近傍の領域）に向かうように制御される。これにより、発光装置２００から出射された光は、被照射面の中央部分に過度に明るい部分を作ることなく被照射面の中央部分を均一に照射する。一方、発光素子２２０から出射された、出射角度の大きな光は、集光されつつ、被照射領域の端部に向かうように制御される。これにより、発光装置２２０から出射された光は、１灯当りの出射光によって照明されるべき被照射領域の端部に照射され、隣接する発光装置２２０空の出射光による被照射領域と端部が重なり合ったときに、被照射領域の中央部と同程度の明るさとなるように制御される。

光束制御部材３００のより具体的な形状については、光束制御部材３００は、前述の入射面３２０と、前述の第１出射面３３０ａおよび前述の第２出射面３３０ｂを含む前述の出射面３３０と有し、以下に説明する式（１）〜式（３）を満たすことが必要である。

図７Ａ、Ｂは、式（１）〜式（３）を説明するための図である。図７Ａは、式（１）および式（２）を説明するための図であり、前述の第１断面に相当する。図７Ｂは、式（１）および式（３）を説明するための図であり、前述の第２断面に相当する。なお、図７Ａ、Ｂでは、図面を簡略化するため、発光素子２２０から出射される光の光路を直線で示している。

本実施の形態に係る光束制御部材３００は、その発光中心が中心軸ＣＡ上に位置するように発光素子２２０を凹部３１０と対向するように配置し、かつ中心軸ＣＡに直交するように、出射面３３０の上方に被照射面を配置した場合に、以下の式（１）を満たす。
上記式（１）において、Ｄ１は、以下の式（２）により求められる、中心軸ＣＡと、出射面３３０の外縁のうち中心軸ＣＡに最も近い点とを含む第１断面において、発光素子２２０の発光中心Ｐ０から第１発光角度θ１ａで出射された第１光線Ｌ１の被照射面上の到達点Ｐ３ａの中心軸ＣＡからの距離である第１到達距離である。Ｄ２は、以下の式（３）により求められる、中心軸ＣＡと出射面３３０の外縁のうち中心軸ＣＡから最も遠い点とを含む第２断面において、発光素子２２０の発光中心Ｐ０から第２発光角度θ１ｂで出射された第２光線Ｌ２の被照射面上の到達点Ｐ３ｂの中心軸からの距離である第２到達距離である。第１発光角度θ１ａは、以下の「第１発光角度の求め方」により求められる。第２発光角度θ１ｂは、以下の「第２発光角度の求め方」により求められる。本実施の形態では、上記式（１）は、被照射面（光拡散板１２０）上に形成される正方形の被照射領域の四隅には、発光素子２２０から出射された光が到達しないことを示している。

ここで、第１到達距離Ｄ１の求め方について説明する。第１到達距離Ｄ１は、以下の式（２）により求められる。
図７Ａに示されるように、上記式（２）におけるｈ１ａは、第１断面において、発光中心Ｐ０と、第１光線Ｌ１の入射面３２０における入射点である第１入射位置Ｐ１ａとの間の、中心軸ＣＡに沿う方向における距離である。ｈ２ａは、第１断面において、第１入射位置Ｐ１ａと、第１光線Ｌ１の出射面３３０における出射点である第１出射位置Ｐ２ａとの間の、中心軸ＣＡに沿う方向における距離である。ｈ３ａは、第１断面において、第１出射位置Ｐ２ａと、第１光線Ｌ１の被照射面における到達点である第１被照射位置Ｐ３ａとの間の、中心軸ＣＡに沿う方向における距離である。θ１ａは、発光中心Ｐ０と入射面３２０との間における第１光線Ｌ１の進行方向の中心軸ＣＡに対する角度であり、第１発光角度である。θ２ａは、第１断面において、入射面３２０と出射面３３０との間における第１光線Ｌ１の進行方向の中心軸ＣＡに対する角度である。θ３ａは、第１断面において、出射面３３０と被照射面との間における第１光線Ｌ１の進行方向の中心軸ＣＡに対する角度である。すなわち、第１到達距離Ｄ１は、第１断面において、中心軸ＣＡと、後述の方法で算出される第１発光角度θ１ａで出射された光の被照射面における第１被照射位置Ｐ３ａとの、中心軸ＣＡに直交する方向における距離である。

次いで、第１発光角度θ１ａの求め方について説明する。図８Ａ、Ｂは、第１発光角度θ１ａの求め方を説明するためのグラフである。図８Ａは、発光素子２２０の発光中心から出射された光線の発光角度θ１Ａと当該光線の出射角度θ３Ａとの関係を示す第１多項式近似関数Ｃ１を示すグラフであり、図８Ｂは、第１多項式近似関数Ｃ１の１階微分に対応する第１曲線Ｃ１’を示すグラフである。図８Ａの横軸は、発光角度θ１Ａ（°）を示しており、縦軸は、発光角度θ３Ａ（°）を示している。また、図８Ｂの横軸は、発光角度θ１Ａ（°）を示しており、縦軸は、発光角度θ３Ａ（°）の１階微分値を示している。

第１発光角度θ１ａは、以下の方法によって求められる。
（１）中心軸ＣＡと、出射面３３０の外縁のうち中心軸ＣＡに最も近い点とを含む第１断面において、発光中心Ｐ０から出射された任意の光線の発光中心Ｐ０と入射面３２０との間における進行方向の中心軸ＣＡに対する角度である発光角度θ１Ａと、当該任意の光線の出射面３３０と被照射面との間における進行方向の中心軸ＣＡに対する角度である出射角度θ３Ａとの関係を表す第１多項式近似関数Ｃ１を求める（図８Ａ参照）。

（２）第１多項式近似関数の１階微分に対応する第１曲線Ｃ１’を求める（図８Ｂ参照）。

（３）第１曲線Ｃ１’の接線の傾きがマイナスからプラスに変化する１または２以上の底点と、接線の傾きがプラスからマイナスに変化する１または２以上の頂点とを求める。なお、図８Ｂでは、底点を実線矢印で示しており、頂点を破線矢印で示している。

（４）１または２以上の底点のそれぞれについて、１または２以上の頂点の中から、当該底点の発光角度θ１Ａよりも大きく、かつその発光角度θ１Ａが当該底点の発光角度θ１Ａに最も近い１つの頂点を特定する。すなわち、図８Ｂのグラフにおいて、当該底点の右隣に位置する頂点を特定する。

（５）１または２以上の底点の中から、対応する頂点との間の出射角度θ３Ａの微分値Δθ３Ａの差が最大の底点を特定し、特定された底点の発光角度θ１Ａを第１発光角度θ１ａとする。

本実施の形態において、以上のように求めることができる第１発光角度θ１ａは、約６３°である（図８Ｂ参照）。

上記のように求めた第１発光角度θ１ａは、図８Ａに示される第１多項式近似関数Ｃ１において傾きが大きく変化する角度（図８Ａ実線矢印参照）である。第１発光角度θ１ａより発光角度θ１が小さい領域では、出射面３３０から出射される光は、集光するように制御される。一方、第１発光角度θ１ａより発光角度θ１が大きい領域では、出射面３３０から出射される光は、拡散するように制御される。すなわち、第１断面において、第１発光角度θ１ａで発光された光の被照射領域における到達位置は、明部と暗部との境界である。

次いで、第２到達距離Ｄ２の求め方について説明する。第２到達距離Ｄ２は、以下の式（３）により求められる。
図７Ｂに示されるように、上記式（３）におけるｈ１ｂは、第２断面において、発光中心Ｐ０と、第２光線Ｌ２の入射面における入射点である第２入射位置Ｐ１ｂとの間の、中心軸ＣＡに沿う方向における距離である。ｈ２ｂは、第２断面において、第２入射位置Ｐ１ｂと、第２光線Ｌ２の出射面３３０における出射点である第２出射位置Ｐ２ｂとの間の、中心軸ＣＡに沿う方向における距離である。ｈ３ｂは、第２断面において、第２出射位置Ｐ２ｂと、第２光線Ｌ２の被照射面における到達点である第２被照射位置Ｐ３ｂとの間の、中心軸ＣＡに沿う方向における距離である。θ１ｂは、第２断面において、発光中心Ｐ０と入射面３２０との間における第２光線Ｌ２の進行方向の中心軸ＣＡに対する角度であり、第２発光角度である。θ２ｂは、第２断面において、入射面３２０と出射面３３０との間における第２光線Ｌ２の進行方向の中心軸に対する角度である。θ３ｂは、出射面３３０と被照射面との間における第２光線Ｌ２の進行方向の中心軸に対する角度である。すなわち、第２断面において、第２到達距離Ｄ３は、中心軸ＣＡと、後述の方法で算出される第２発光角度θ１ｂで出射された光の被照射面における第２被照射位置Ｐ３ｂとの、中心軸ＣＡに直交する方向における距離である。

次いで、第２発光角度θ２ｂの求め方について説明する。図９Ａ、Ｂは、第２発光角度θ２ｂの求め方を説明するためのグラフである。図９Ａは、発光素子２２０の発光中心から出射された光線の発光角度θ１Ｂと当該光線の出射角度θ３Ｂとの関係を示す第１多項式近似関数Ｃ２を示すグラフであり、図９Ｂは、第２多項式近似関数Ｃ２の１階微分に対応する第２曲線Ｃ２’を示すグラフである。図９Ａの横軸は、発光角度θ１Ｂ（°）を示しており、縦軸は、発光角度θ３Ｂ（°）を示している。また、図９Ｂの横軸は、発光角度θ１Ｂ（°）を示しており、縦軸は、発光角度θ３Ａ（°）の１階微分値を示している。

第２発光角度θ１ｂは、以下の方法によって求められる。
（１）中心軸ＣＡと出射面３３０の外縁のうち中心軸ＣＡから最も遠い点とを含む第２断面において、発光中心Ｐ０から出射された任意の光線の発光中心Ｐ０と入射面３２０との間における進行方向の中心軸に対する角度である発光角度θ１Ｂと、当該任意の光線の出射面３３０と被照射面との間における進行方向の中心軸に対する角度である出射角度θ３Ｂとの関係を表す第２多項式近似関数を求める。

（２）第２多項式近似関数の１階微分に対応する第２曲線Ｃ２’を求める（図９Ｂ参照）。

（３）第２曲線Ｃ’の接線の傾きがマイナスからプラスに変化する１または２以上の底点と、接線の傾きがプラスからマイナスに変化する１または２以上の頂点とを求める。なお、図９Ｂでは、底点を実線矢印で示しており、頂点を破線矢印で示している。

（４）１または２以上の底点のそれぞれについて、１または２以上の頂点の中から、当該底点の発光角度θ１Ｂよりも大きく、かつその発光角度θ１Ｂが当該底点の発光角度θ１Ｂに最も近い１つの頂点を特定する。すなわち、図９Ｂのグラフにおいて、当該底点の右隣に位置する頂点を特定する。

（５）１または２以上の底点の中から、対応する頂点との間の出射角度θ３Ｂの微分値Δθ３Ｂの差が最大の底点を特定し、特定された底点の発光角度θ１Ｂを第２発光角度θ１ｂとする。

本実施の形態において、以上のように求めることができる第２発光角度θ１ｂは、約６５°である（図９Ｂ参照）。

上記のように求めた第２発光角度θ１ｂは、図９Ａに示される第２多項式近似関数Ｃ２において傾きが大きく変化する角度（図９Ａ実線矢印参照）である。第２発光角度θ１ｂより発光角度θ１が小さい領域では、出射面３３０から出射される光は、集光するように制御される。一方、第２発光角度θ１ｂより発光角度θ１が大きい領域では、出射面３３０から出射される光は、拡散するように制御される。すなわち、第２断面において、第２発光角度θ２ａで発光された光の被照射領域における到達位置は、明部と暗部との境界である。

このように求めた第１発光角度θ１ａおよび第２発光角度θ１ｂに基づいて求められた前述の式（１）は、略正方形の被照射領域の四隅が他の領域と比較して暗いことを示している。

上記の例では、第１発光角度θ１ａおよび第２発光角度θ１ｂは、第２発光角度θ１ｂが第１発光角度θ１ａよりも大きかったが、これに限らず、第１発光角度θ１ａが第２発光角度θ１ｂよりも大きくてもよいし、第２発光角度θ１ｂが第１発光角度θ１ａと略同じでもよい。いずれの場合であっても、前述の式（１）〜式（３）を満たせば所望の配光特性を得ることができる。

（面光源装置の輝度測定）
次に、前述した光束制御部材３００を用いた面光源装置１００の輝度分布を測定した。図１０は、面光源装置１００の被照射面（光拡散板１２０）における輝度の測定結果を示すグラフである。図１０の横軸は、第１断面における被照射面の中心（中心軸ＣＡ）からの距離（ｍｍ）を示しており、縦軸は、輝度（ｃｄ／ｍ^２）を示している。本測定では、基板２１０から２０ｍｍの位置に、中心軸ＣＡに直交するように、光拡散板１２０（被照射面）を配置した。また、本測定では、複数の発光装置２００を正方格子状に配置し、一つの発光装置２００のみを発光させた。

図１０に示されるような、前述の式（１）〜（３）を満たす本実施の形態に係る光束制御部材３００を有する面光源装置１００では、以下に示す通り、被照射面上（光拡散板１２０）における明部の発生を抑制できた。

（シミュレーション）
前述した光束制御部材３００を用いた面光源装置１００の輝度分布のシミュレーションを行った。本シミュレーションでは、複数の発光装置２００を格子状に配置した面光源装置１００において、複数の発光装置２００を点灯させた。なお、比較として、被照射面の形状が矩形の光束制御部材を用いた面光源装置（以下「比較例に係る面光源装置」ともいう）についても同様にシミュレーションした。なお、本実施の形態に係る面光源装置１００における発光装置２００の配置と、比較例に係る面光源装置における発光装置の配置とは、同じである。

図１１Ａは、本実施の形態に係る面光源装置における輝度分布のシミュレーション結果を示す図であり、図１１Ｂは、比較例に係る面光源装置における輝度分布のシミュレーション結果を示す図である。

図１１Ａに示されるように、本実施の形態に係る面光源装置１００では、複数の発光装置２００を正方格子状（マトリックス状）に配置することで、被照射面上（光拡散板１２０）において明部の発生を抑制できることが示唆された。これは、１つの発光装置２００で照射される被照射面における被照射領域の四隅の輝度が他の部分の輝度と比較して低いため、隣接する発光装置２００との被照射領域が部分的に重なっても明部が生じにくいためだと考えられた。

一方、図１１Ｂに示されるように、比較例に係る面光源装置では、被照射面の形状が矩形であるため、各発光装置における光の被照射領域の四隅が重なり合い、明部が生じてしまった。

（効果）
以上のように、本実施の形態に係る光束制御部材３００は、前述の式（１）〜（３）を満たすため、格子状に配置された場合であっても、被照射面上における明部の発生を抑制できる。また、当該光束制御部材３００を有する発光装置、面光源装置および表示装置では、被照射面上における明部の発生を抑制できる。

本発明に係る光束制御部材、発光装置および面光源装置は、例えば、液晶表示装置のバックライトや一般照明などに適用することができる。

１０ 面光源装置
２０ プリント配線基板
３０ 発光装置
３５ 発光素子
４０ 導光部材
４１ レンズ部
４２ 鍔部
４３ 凹部
４４ 入射面
４５ 出射面
４６ 平面
４７ 曲面
１００ 面光源装置
１１０ 筐体
１１２ 底板
１１４ 天板
１２０ 光拡散板
２００ 発光装置
２１０ 基板
２２０ 発光素子
３００ 光束制御部材
３０５ 裏面
３１０ 凹部
３２０ 入射面
３３０ 出射面
３３０ａ 第１出射面
３３０ｂ 第２出射面
３３０ｃ オーバーハング部
ＣＡ 光束制御部材の中心軸
ＯＡ 発光素子の光軸

Claims (4)

1. 発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材であって、
   前記光束制御部材の中心軸と交わるように、裏側に形成された凹部の内面である入射面と、
   前記入射面の反対側に配置された出射面と、
   を有し、
   前記出射面は、前記中心軸と交わるように配置された、裏側に向けて凸の第１出射面と、前記第１出射面を取り囲むように配置された、表側に向けて凸の第２出射面と、を含み、
   その発光中心が前記中心軸上に位置するように前記発光素子を前記凹部と対向するように配置し、かつ前記中心軸に直交するように前記出射面の上方に被照射面を配置した場合に、以下の式（１）を満たす、
   光束制御部材。
   ［上記式（１）において、Ｄ１は、以下の式（２）により求められる、前記中心軸と、前記出射面の外縁のうち前記中心軸に最も近い点とを含む第１断面において、前記発光中心から第１発光角度で出射された第１光線の前記被照射面上の到達点の前記中心軸からの距離である第１到達距離である。Ｄ２は、以下の式（３）により求められる、前記中心軸と前記出射面の外縁のうち前記中心軸から最も遠い点とを含む第２断面において、前記発光素子の発光中心から第２発光角度で出射された第２光線の前記被照射面上の到達点の前記中心軸からの距離である第２到達距離である。前記第１発光角度は、以下の「第１発光角度の求め方」により求められる。前記第２発光角度は、以下の「第２発光角度の求め方」により求められる。］
   ［上記式（２）において、ｈ１ａは、前記第１断面において、前記発光中心と、前記第１光線の前記入射面における入射点である第１入射位置との間の、前記中心軸に沿う方向における距離である。ｈ２ａは、前記第１断面において、前記第１入射位置と、前記第１光線の前記出射面における出射点である第１出射位置との間の、前記中心軸に沿う方向における距離である。ｈ３ａは、前記第１断面において、前記第１出射位置と、前記第１光線の前記被照射面における到達点である第１被照射位置との間の、前記中心軸に沿う方向における距離である。θ１ａは、前記第１断面において、前記発光中心と前記入射面との間における前記第１光線の進行方向の前記中心軸に対する角度であり、前記第１発光角度である。θ２ａは、前記第１断面において、前記入射面と前記出射面との間における前記第１光線の進行方向の前記中心軸に対する角度である。θ３ａは、前記第１断面において、前記出射面と前記被照射面との間における前記第１光線の進行方向の前記中心軸に対する角度である。］
   ［上記式（３）において、ｈ１ｂは、前記第２断面において、前記発光中心と、前記第２光線の前記入射面における入射点である第２入射位置との間の、前記中心軸に沿う方向における距離である。ｈ２ｂは、前記第２断面において、前記第２入射位置と、前記第２光線の前記出射面における出射点である第２出射位置との間の、前記中心軸に沿う方向における距離である。ｈ３ｂは、前記第２断面において、前記第２出射位置と、前記第２光線の前記被照射面における到達点である第２被照射位置との間の、前記中心軸に沿う方向における距離である。θ１ｂは、前記第２断面において、前記発光中心と前記入射面との間における前記第２光線の進行方向の前記中心軸に対する角度であり、前記第２発光角度である。θ２ｂは、前記第２断面において、前記入射面と前記出射面との間における前記第２光線の進行方向の前記中心軸に対する角度である。θ３ｂは、前記第２断面において、前記出射面と前記被照射面との間における前記第２光線の進行方向の前記中心軸に対する角度である。］
   ［第１発光角度の求め方］
   （１）前記第１断面において、前記発光中心から出射された任意の光線の前記発光中心と前記入射面との間における進行方向の前記中心軸に対する角度である発光角度θ１Ａと、当該任意の光線の前記出射面と前記被照射面との間における進行方向の前記中心軸に対する角度である出射角度θ３Ａとの関係を表す第１多項式近似関数を求める。
   （２）前記第１多項式近似関数の１階微分に対応する第１曲線を求める。
   （３）前記第１曲線の傾きがマイナスからプラスに変化する１または２以上の底点と、前記第１曲線の傾きがプラスからマイナスに変化する１または２以上の頂点とを求める。
   （４）前記１または２以上の底点のそれぞれについて、前記１または２以上の頂点の中から、当該底点の発光角度θ１Ａよりも大きく、かつその発光角度θ１Ａが当該底点の発光角度θ１Ａに最も近い１つの頂点を特定する。
   （５）前記１または２以上の底点の中から、対応する前記頂点との間の出射角度θ３Ａの微分値Δθ３Ａの差が最大の底点を特定し、特定された底点の発光角度θ１Ａを前記第１発光角度θ１ａとする。
   ［第２発光角度の求め方］
   （１）前記第２断面において、前記発光中心から出射された任意の光線の前記発光中心と前記入射面との間における進行方向の前記中心軸に対する角度である発光角度θ１Ｂと、当該任意の光線の前記出射面と前記被照射面との間における進行方向の前記中心軸に対する角度である出射角度θ３Ｂとの関係を表す第２多項式近似関数を求める。
   （２）前記第２多項式近似関数の１階微分に対応する第２曲線を求める。
   （３）前記第２曲線の傾きがマイナスからプラスに変化する１または２以上の底点と、前記第２曲線の傾きがプラスからマイナスに変化する１または２以上の頂点とを求める。
   （４）前記１または２以上の底点のそれぞれについて、前記１または２以上の頂点の中から、当該底点の発光角度θ１Ｂよりも大きく、かつその発光角度θ１Ｂが当該底点の発光角度θ１Ｂに最も近い１つの頂点を特定する。
   （５）前記１または２以上の底点の中から、対応する前記頂点との間の出射角度θ３Ｂの微分値Δθ３Ｂの差が最大の底点を特定し、特定された底点の発光角度θ１Ｂを前記第２発光角度θ１ｂとする。
2. 発光素子と、
   請求項１に記載の光束制御部材と、を有する、
   発光装置。
3. 請求項２に記載の発光装置と、
   前記発光装置からの光を拡散させつつ透過させる光拡散板と、
   を有する、面光源装置。
4. 請求項３に記載の面光源装置と、
   前記面光源装置から出射された光を照射される被照射部材と、
   を有する、表示装置。