JPWO2011048735A1 - 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

Abstract

照明用レンズ（１）は、入射面（１１）、出射面（１２）、および底面（１３）を備えている。入射面（１１）は、光軸Ａと直交する、出射面（１２）側に凸な曲面の第１入射面（１１１）と、この第１入射面（１１１）の縁から広がりながら底面（１３）の内縁に斜めにつながる第２入射面（１１２）と、を有している。光拡張方向の断面において、光源（２０）の位置に対応する光軸Ａ上の基点Ｑから入射面（１１）に直接的に到達する仮想光が入射面（１１）を透過するときの屈折角をθ１とし、このθ１の符号を入射面（１１）の法線Ｎに対して光軸Ａ側を負、その反対側を正としたときに、第１入射面（１１１）ではθ１の符号が負となり、第２入射面（１１２）ではθ１の符号が正となる。

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（以下「ＬＥＤ」と言う。）が使用されるようになっている。ＬＥＤ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ＬＥＤ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ＬＥＤ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ＬＥＤを配置することとなる。多数のＬＥＤ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、ＬＥＤが多数必要で安価にできない問題があった。１個のＬＥＤの出力を大きくし、ＬＥＤ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ＬＥＤ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ＬＥＤで均一な面光源を得るためには、１個のＬＥＤが照明する照明領域を大きくする必要がある。すなわちＬＥＤ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ＬＥＤの指向性を制御する平面視で円形状のレンズをＬＥＤ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。

特許第３８７５２４７号公報

ＬＥＤでは、ＬＥＤ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。

ところで、特許文献１に開示されたレンズでは、入射面が光源を取り囲むような半球状または円柱状の凹面となっている。しかしながら、このようになっていると、光源から放射される光のうち光軸に対する角度が大きな光が入射面にほぼ垂直に入射し、出射面の最外周近くに到達するため、その光を出射面で屈折させて照明領域に向かわせるのは困難である。すなわち、特許文献１に開示されたレンズでは、光源から広い角度で放射される光を有効に配光させることができない。

本発明は、光源の指向性を広くしながらも、光源から広い角度で放射される光を有効に配光させることができる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、本発明は、光源からの光を光軸方向と直交する少なくとも一方向に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、前記入射面の外側で前記出射面と反対側を向く底面と、を備え、前記入射面は、前記光軸と直交する、前記出射面側に凸な曲面の第１入射面と、この第１入射面の縁から広がりながら前記底面の内縁に斜めにつながる第２入射面と、を有し、前記一方向に沿って前記光軸を通る断面において、前記光源の位置に対応する前記光軸上の基点から前記入射面に直接的に到達する仮想光が前記入射面を透過するときの屈折角をθ１とし、このθ１の符号を前記入射面の法線に対して前記光軸側を負、その反対側を正としたときに、前記第１入射面ではθ１の符号が負となり、前記第２入射面ではθ１の符号が正となる、照明用レンズを提供する。

また、本発明は、光を放射するＬＥＤと、前記ＬＥＤ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、光源の中心付近の光を第１入射面で広げることができる。また、光源から広い角度で放射される光を第２入射面で出射面側に大きく跳ね上げることができ、その光を出射面で屈折させて被照射面の所定エリアに到達させることができる。従って、本発明によれば、光源の指向性を広げつつ、光源から広い角度で放射される光を有効に配光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に示す照明用レンズの斜視図 変形例の照明用レンズの斜視図 他の変形例の照明用レンズの斜視図 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入射面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入射面に到達する光線の光路図 変形例の発光装置の構成図 実施例１の発光装置の構成図 実施例２の発光装置の構成図 実施例１の発光装置における照明用レンズの入射面および出射面形状を表す、θｉとｓａｇＸ，Ｙの関係を示すグラフ（表１をグラフ化） 実施例１の発光装置のθｉとθ１の関係を示すグラフ 図１３Ａは実施例１の発光装置の照度分布、図１３Ｂは実施例１の効果を確認するためのＬＥＤのみの照度分布 実施例２の発光装置における照明用レンズの入射面および出射面形状を表す、θｉとｓａｇＸ，Ｙの関係を示すグラフ（表２をグラフ化） 実施例２の発光装置のθｉとθ１の関係を示すグラフ 図１６Ａは実施例２の発光装置の照度分布、図１６Ｂは実施例２の効果を確認するためのＬＥＤのみの照度分布 実施例３の発光装置における照明用レンズの入射面および出射面形状を表す、θｉとｓａｇＸ，Ｙの関係を示すグラフ（表３をグラフ化） 実施例３の発光装置のθｉとθ１の関係を示すグラフ 図１９Ａは実施例３の発光装置の照度分布、図１９Ｂは実施例３の効果を確認するためのＬＥＤ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 図２２Ａは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、図２２Ｂは実施例１の効果を確認するためのＬＥＤのみで発光装置を構成した場合の面光源での照度分布 図２３Ａは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、図２３Ｂは実施例２の効果を確認するためのＬＥＤのみで発光装置を構成した場合の面光源での照度分布 変形例の面光源の構成図 図２５Ａは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、図２５Ｂは実施例３の効果を確認するためのＬＥＤのみで発光装置を構成した場合の面光源での照度分布 他の変形例の面光源の構成図 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

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態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２０と被照射面３との間に配置され、光源２０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２０の指向性が広くされる。本実施形態では、図２に示すように照明用レンズ１が光源２０を周囲から取り囲む形状を有しており、光源２０からの光が照明用レンズ１によって光軸Ａの回りに放射状に拡張される。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２０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２０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と反対側を向く環状の底面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。

入射面１１は、連続するすり鉢状の凹面である。入射面１１は、光軸Ａに対して回転対称であることが好ましいが、光軸Ａに対して回転対称でなくてもよい。例えば、光源２０が光軸方向から見たときに長方形である場合には、入射面１１は光軸方向から見て光源２０と同方向に延びる楕円形であってもよい。入射面１１を取り巻く底面１３は、本実施形態ではフラットである。

出射面１２は、連続する凸面である。出射面１２は、光軸Ａに対して回転対称であることが好ましいが、光軸Ａに対して回転対称でなくてもよい。例えば、図３に示すように、出射面１２は、光軸方向から見て楕円形であってもよい。また、光軸Ａを通る任意の断面において、出射面１２の中心部分の曲率は、実質的にゼロであることが好ましい。ここで、「中心部分」とは、光軸Ａから所定半径（例えば、光軸方向から見たときの出射面１２の最外周の半径（有効径）の１／４）以内の領域をいい、「実質的にゼロ」とは、光軸Ａ上の基点Ｑから出射面１２上の任意の点まで光軸方向に測った距離をサグ量（ｓａｇＹ）とした場合、前記中心部分における最大サグ量と最小サグ量の差が０．１ｍｍ以下のことをいう。このようになっていれば、成形がし易くなり、公差に強いレンズを作ることが可能となる。ただし、出射面１２の形状はこれに限られるものではなく、例えば半球状の凸面であってもよい。

照明用レンズ１の平面視における輪郭は、光軸Ａに対して回転対称である必要はない。例えば、リング部１５に光軸Ａを挟んで互いに平行な一対のフラット部が設けられていて、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２０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２０から放射される光は、入射面１１と出射面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２０としては、例えばＬＥＤを採用することができる。ＬＥＤ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ＬＥＤ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２．０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、硝子、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、ＬＥＤ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。

次に、入射面１１の詳細について説明する。

入射面１１は、光軸Ａと直交する、出射面１２側に凸な曲面の第１入射面１１１と、この第１入射面１１１の周縁から直線的に広がりながら底面１３の内周縁に斜めにつながる第２入射面１１２とを有している。光源２０から放射される光のうち光軸Ａからの角度が小さい光は第１入射面１１１に到達し、光軸Ａからの角度が大きい光は第２入射面１１２に到達する。

例えば、入射面１１は、双曲面形状であってもよい。このとき、光軸Ａを含む断面における第２入射面１１２の形状は、僅かに湾曲する円弧である。ただし、光軸Ａを含む断面における第２入射面１１２の形状は、直線であってもよい。また、入射面１１が光軸Ａに対して回転対称である場合は、第２入射面１１２は、第１出射面１１１の周縁から拡径しながら底面１３の内周縁に斜めにつながることになる。

ここで、光軸Ａを通る任意の断面において、光源２０の位置に対応する光軸Ａ上の基点Ｑから入射面１１に直接的に到達する仮想光が入射面１１を透過するときの屈折角をθ１とし、このθ１の符号を入射面１１の法線Ｎに対して光軸Ａ側を負、その反対側を正と定義すると、第１入射面１１１ではθ１の符号が負となり、第２入射面１１２ではθ１の符号が正となる。

「光源２０の位置に対応する光軸Ａ上の基点Ｑ」とは、光源２０から放射される光の中心とみなすことが可能な点のことであり、任意の位置に設定可能である。ただし、基点Ｑは、底面１３と同一平面上または底面１３よりも第１入射面１１１側にあることが好ましい。本実施形態では、光源２０が基板８に実装され、この基板８に照明用レンズ１の底面１３が接合される形態を想定しており、基点Ｑが底面１３と同一平面上に位置している。

光軸Ａを通る任意の断面において、第２入射面１１２上の任意の点における接線と光軸Ａとのなす角度は、配光特性の観点から、２０°以上７０°以下が好ましい。より好ましい角度は、３０°以上５０°以下である。

以上のような照明用レンズ１であれば、光源２０の中心付近の光を第１入射面１１１で広げることができる。また、光源２０から広い角度で放射される光を第２入射面１１２で出射面１２側に大きく跳ね上げることができ、その光を出射面１２で屈折させて被照射面３の所定エリアに到達させることができる。従って、本実施形態の照明用レンズ１によれば、光源２０の指向性を広げつつ、光源２０から広い角度で放射される光を有効に配光させることができる。

ここで、照明用レンズ１は、光軸Ａを通る任意の断面において、出射面１２上の任意の点と光軸Ａ上の基点Ｑとを結んだ直線と光軸Ａとの角度をθｉ、光軸Ａ上の基点Ｑから前記出射面１２上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ₀、θｉが６０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ₆₀としたときに、以下の式（１）
０．５＜ｓａｇＹ₆₀／ｓａｇＹ₀＜０．８・・・（１）
を満足することが好ましい。

本実施形態のように入射面１１の形状を設定することにより、光軸Ａ上の基点Ｑから出射面１２の最外周まで光軸方向に測った距離を大きくすることができる。これにより、照明用レンズ１のエッジの厚さをある程度確保することができ、照明用レンズ１を容易に射出成形できるようになる。また、光軸Ａ上の基点Ｑから出射面１２の最外周まで光軸方向に測った距離を大きくすることにより、例えば光源２０が実装される基板８と底面１３との間に隙間を確保することが可能になる。このようにすれば、光源２０により温められる空気をその隙間を通じて逃がすことができ、光源２０の過度な温度上昇を抑制することができる。式（１）の下限を超えると、照明用レンズ１のエッジが薄くなりすぎ、上限を超えると、照明用レンズ１のサイズ（例えば光軸方向から見たときの直径）が大きくなりすぎる。

ところで、本発明の照明用レンズは、光源２０からの光を光軸方向と直交する少なくとも一方向に拡張するものであればよく、光源２０からの光を光軸Ａの回りに放射状に拡張するものに限られない。例えば、図４に示すように、光源（図示せず）を挟むような二股状の形状を有し、光源からの光を光軸方向と直交する第１方向のみに拡張する照明用レンズ１０を採用することも可能である。この場合、入射面１１は、光軸方向および第１方向と直交する第２方向に延びる筒状の凹面であり、底面１３は、第１方向において入射面の両側に位置している。そして、第２入射面１１２は、第１方向における第１入射面１１１の両辺から直線的に広がりながら第１方向における底面１３の内辺に斜めにつながっている。また、この場合、光源としては、第２方向に延びる長尺状のものを用いることが好ましい。

なお、照明用レンズ１０においても、光拡張方向である第１方向に沿って光軸Ａを通る断面（すなわち、図１と同じ断面）において、出射面１２の中心部分の曲率は、実質的にゼロであることが好ましい。また、第１方向に沿って光軸Ａを通る断面において、第２入射面１１２上の任意の点における接線と光軸Ａとのなす角度は、２０°以上７０°以下が好ましく、３０°以上５０°以下がより好ましい。さらに、照明用レンズ１０は、第１方向に沿って光軸を通る断面において、上述した式（１）：０．５＜ｓａｇＹ₆₀／ｓａｇＹ₀＜０．８を満足することが好ましい。

なお、本発明の照明用レンズは、ＬＥＤ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５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ＬＥＤ２と、ＬＥＤ２からの光を拡張して被照射面３に照射する照明用レンズとして、実施の形態１で説明した、光源からの光を放射状に拡張する照明用レンズ１（図１〜３参照）とを備えている。なお、発光装置７は、照明用レンズ１の代わりに、光源からの光を一方向のみに拡張する照明用レンズ１０（図４参照）を備えていてもよい。

ＬＥＤ２は、照明用レンズ１の入射面１１から離れて配置されている。照明用レンズ１の第２入射面１１２は、ＬＥＤ２の発光面の高さのバラつきにも対応できるように、光軸方向においてＬＥＤ２の発光面を超えるように広がっていることが好ましい。本実施形態では、ＬＥＤ２の発光面と反対側の面が照明用レンズ１の底面１３と同一平面上に位置していて、ＬＥＤ２の発光面と反対側の面（換言すれば、ＬＥＤ２が実装される基板の表面）と光軸Ａとの交点が実施の形態１で説明した基点Ｑとなっている。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。

ＬＥＤ２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ＬＥＤ２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６および図７は発光装置７の光路図である。図６は、ＬＥＤ２から光軸Ａに対して小さな角度で出射され、第１入射面１１１に到達する光線の光路を示す。ＬＥＤ２から出射した光は、第１入射面１１１を光軸Ａから離れる方向に屈折しながら透過し、その後に出射面１２に到達する。到達した光は、出射面１２を屈折しながら透過し、その後に被照射面３に到達する。図７は、ＬＥＤ２から光軸Ａに対して大きな角度で出射され、第２入射面１１２に到達する光線の光路を示す。ＬＥＤ２から出射した光は、第２入射面１１２を光軸Ａに近づく方向に屈折しながら透過し、その後に出射面１２に到達する。到達した光は、出射面１２を屈折しながら透過し、その後に被照射面３に到達する。

なお、ＬＥＤ２の発光面上には、図８に示すように、封止樹脂によりドーム型の封止部２１が形成されていてもよい。このようになっていれば、光源の指向性を更に広げることができ、また光の取り出し効率を上げることも可能となる。

以下、本発明の具体的な数値例として、本発明の実施の形態２の実施例１〜３を示す。実施例１および実施例２では、光源からの光を放射状に拡張する照明用レンズ１を採用し、実施例３では、光源からの光を一方向のみに拡張する照明用レンズ１０を採用する。

図９は、実施例１の発光装置の構成図であり、図１０は、実施例２の発光装置の構成図である。なお、実施例３の発光装置は、図１０に示す断面形状で紙面と直交する方向に延びるものであり、その構成図は省略する。本実施例１〜３は、汎用品のＬＥＤ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。実施例１におけるＬＥＤのパッケージサイズは３．０×２．０ｍｍであり、実施例２におけるＬＥＤのパッケージサイズは５．８×３．４ｍｍであり、実施例３におけるＬＥＤのパッケージサイズは３．０×３．０ｍｍである。なお、実施例１では、ＬＥＤの発光面にドーム型の封止部が形成されている。

図９および図１０中のθｉは、光軸Ａ上の基点Ｑと入射面１１および出射面１２上の任意の点とを結んだ直線と光軸Ａとの角度である。さらに、図９および図１０中のｓａｇＸは、光軸Ａ上の基点Ｑから前記入射面１１上の任意の点まで光軸方向に測った距離であり、ｓａｇＹは、光軸Ａ上の基点Ｑから前記出射面１２上の任意の点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１１は、表１のθｉとｓａｇＸおよびｓａｇＹについてグラフ化したものである。また、図１２に、θｉと基点Ｑからの仮想光の入射面１１での屈折角であるθ１の関係のグラフを示す。図１２は、本実施例１における第１入射面１１１と第２入射面１１２とでθ１の符号が反転していることを示している。

図１３Ａは、実施例１の発光装置を配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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１３Ｂは、図１３Ａのときと同じＬＥＤ（発光面上に封止部２１があるもの）のみを配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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１３Ａおよび図１３Ｂ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１３Ａと図１３Ｂを比較すると、光源を周囲から取り囲む形状を有する照明用レンズ１の効果で被照射面を広く照明できていることがわかる。

なお、実施例１では、出射面１２に関するｓａｇＹ₆₀／ｓａｇＹ₀が０．６７５となっている。

（実施例２）
次に実施例２の具体的な数値を表２に示す。

図１４は、表２のθｉとｓａｇＸおよびｓａｇＹについてグラフ化したものである。また、図１５に、θｉと基点Ｑからの仮想光の入射面１１での屈折角であるθ１の関係のグラフを示す。図１５は、上述した実施例１と同様に、本実施例２における第１入射面１１１と第２入射面１１２とでθ１の符号が反転していることを示している。

図１６Ａは、実施例２の発光装置を配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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１６Ｂは、図１６Ａのときと同じＬＥＤ（発光面上に封止部２１がないもの）のみを配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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１６Ａおよび図１６Ｂは、図１３Ａおよび図１３Ｂ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１６Ａと図１６Ｂを比較すると、光源を周囲から取り囲む形状を有する照明用レンズ１の効果で被照射面を広く照明できていることがわかる。

なお、実施例２では、出射面１２に関するｓａｇＹ₆₀／ｓａｇＹ₀が０．６２９となっている。

（実施例３）
次に実施例３の具体的な数値を表３に示す。

図１７は、表３のθｉとｓａｇＸおよびｓａｇＹについてグラフ化したものである。また、図１８に、θｉと基点Ｑからの仮想光の入射面１１での屈折角であるθ１の関係のグラフを示す。図１８は、上述した実施例１と同様に、本実施例３における第１入射面１１１と第２入射面１１２とでθ１の符号が反転していることを示している。

図１９Ａは、実施例３の発光装置を配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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１９Ｂは、図１９Ａのときと同じＬＥＤ（発光面上に封止部２１がないもの）のみを配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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１９Ａおよび図１９Ｂは、図１３Ａおよび図１３Ｂ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１９Ａと図１９Ｂを比較すると、光源を挟むような二股状の形状を有する照明用レンズ１０の効果で被照射面を広く照明できていることがわかる。

なお、実施例３では、出射面１２に関するｓａｇＹ₆₀／ｓａｇＹ₀が０．６６０となっている。

（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、光源からの光を放射状に拡張する照明用レンズ１（図１〜３参照）を含む複数の発光装置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２１に示すように、各発光装置７のＬＥＤ２が実装されている。本実施形態では、照明用レンズ１の底面１３が基板８に接合されており、基板８上に、照明用レンズ１を避けながら基板８を覆うように反射板６が配置されている。ただし、照明用レンズ１の底面１３は、必ずしも基板８に直接的に接合されている必要はなく、例えば支柱を介して基板８に接合されていてもよい。この場合、基板８と照明用レンズ１の底面１３との間には隙間が形成されるので、反射板６は、その隙間に入り込んでいてもよい。

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２２Ａは、実施例１の発光装置を３０ｍｍピッチで一直線上に４つ配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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を図２３Ａに示す。

図２２Ｂおよび図２３Ｂは、ＬＥＤのみを３０ｍｍピッチで一直線上に４つ配置し、ＬＥＤから２３ｍｍ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。なお、図２２Ｂでは発光面上に封止部があるＬＥＤ（パッケージサイズ：３．０×２．０ｍｍ）が用いられ、図２３Ｂでは発光面上に封止部がないＬＥＤ（パッケージサイズ：５．８×３．４ｍｍ）が用いられている。

図２２Ａと図２２Ｂおよび図２３Ａと図２３Ｂを比較すると、光源を周囲から取り囲む形状を有する照明用レンズ１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。

図２４は、変形例の面光源９の構成図である。この面光源９では、光源からの光を一方向（第１方向）のみ拡張する照明用レンズ１０（図４参照）を含む複数の発光装置７が、基板８の第１方向の中央位置で第１方向と直交する第２方向に一列に並ぶように、平面的に配置されている。なお、発光装置７は、一列に配列されている必要はなく、基板８を第１方向に均等に分割するような２本以上の直線上に配列されていてもよい。

図２５Ａは、実施例３の発光装置を３０ｍｍピッチで一直線上に４つ配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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。図２５Ｂは、ＬＥＤのみを３０ｍｍピッチで一直線上に４つ配置し、ＬＥＤから２３ｍｍ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。なお、図２５Ｂでは発光面上に封止部がないＬＥＤ（パッケージサイズ：３．０×３．０ｍｍ）が用いられている。図２５Ａと図２５Ｂを比較すると、光源を挟むような二股状の形状を有する照明用レンズ１０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。

なお、各発光装置７の照明用レンズ１０は、図２６に示すように、隣接する照明用レンズ１０と連続していて、１本のレンズ１００を構成していてもよい。

（実施の形態４）
図２７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、光源からの光を放射状に拡張する照明用レンズ１を含む面光源９（図２０参照）とを備えている。

ＬＥＤ２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。

なお、図示は省略するが、光源からの光を一方向のみに拡張する照明用レンズ１０を含む面光源９（図２４および図２６参照）を液晶パネル５の裏側に配置しても、液晶ディスプレイ装置を構成可能であることは言うまでもない。

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（以下「ＬＥＤ」と言う。）が使用されるようになっている。ＬＥＤ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ＬＥＤ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ＬＥＤ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ＬＥＤを配置することとなる。多数のＬＥＤ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、ＬＥＤが多数必要で安価にできない問題があった。１個のＬＥＤの出力を大きくし、ＬＥＤ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ＬＥＤ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ＬＥＤで均一な面光源を得るためには、１個のＬＥＤが照明する照明領域を大きくする必要がある。すなわちＬＥＤ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ＬＥＤの指向性を制御する平面視で円形状のレンズをＬＥＤ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。

特許第３８７５２４７号公報

ＬＥＤでは、ＬＥＤ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。

ところで、特許文献１に開示されたレンズでは、入射面が光源を取り囲むような半球状または円柱状の凹面となっている。しかしながら、このようになっていると、光源から放射される光のうち光軸に対する角度が大きな光が入射面にほぼ垂直に入射し、出射面の最外周近くに到達するため、その光を出射面で屈折させて照明領域に向かわせるのは困難である。すなわち、特許文献１に開示されたレンズでは、光源から広い角度で放射される光を有効に配光させることができない。

本発明は、光源の指向性を広くしながらも、光源から広い角度で放射される光を有効に配光させることができる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、本発明は、光源からの光を光軸方向と直交する少なくとも一方向に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、前記入射面の外側で前記出射面と反対側を向く底面と、を備え、前記入射面は、前記光軸と直交する、前記出射面側に凸な曲面の第１入射面と、この第１入射面の縁から広がりながら前記底面の内縁に斜めにつながる第２入射面と、を有し、前記一方向に沿って前記光軸を通る断面において、前記光源の位置に対応する前記光軸上の基点から前記入射面に直接的に到達する仮想光が前記入射面を透過するときの屈折角をθ１とし、このθ１の符号を前記入射面の法線に対して前記光軸側を負、その反対側を正としたときに、前記第１入射面ではθ１の符号が負となり、前記第２入射面ではθ１の符号が正となる、照明用レンズを提供する。

また、本発明は、光を放射するＬＥＤと、前記ＬＥＤ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、光源の中心付近の光を第１入射面で広げることができる。また、光源から広い角度で放射される光を第２入射面で出射面側に大きく跳ね上げることができ、その光を出射面で屈折させて被照射面の所定エリアに到達させることができる。従って、本発明によれば、光源の指向性を広げつつ、光源から広い角度で放射される光を有効に配光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に示す照明用レンズの斜視図 変形例の照明用レンズの斜視図 他の変形例の照明用レンズの斜視図 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入射面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入射面に到達する光線の光路図 変形例の発光装置の構成図 実施例１の発光装置の構成図 実施例２の発光装置の構成図 実施例１の発光装置における照明用レンズの入射面および出射面形状を表す、θｉとｓａｇＸ，Ｙの関係を示すグラフ（表１をグラフ化） 実施例１の発光装置のθｉとθ１の関係を示すグラフ 図１３Ａは実施例１の発光装置の照度分布、図１３Ｂは実施例１の効果を確認するためのＬＥＤのみの照度分布 実施例２の発光装置における照明用レンズの入射面および出射面形状を表す、θｉとｓａｇＸ，Ｙの関係を示すグラフ（表２をグラフ化） 実施例２の発光装置のθｉとθ１の関係を示すグラフ 図１６Ａは実施例２の発光装置の照度分布、図１６Ｂは実施例２の効果を確認するためのＬＥＤのみの照度分布 実施例３の発光装置における照明用レンズの入射面および出射面形状を表す、θｉとｓａｇＸ，Ｙの関係を示すグラフ（表３をグラフ化） 実施例３の発光装置のθｉとθ１の関係を示すグラフ 図１９Ａは実施例３の発光装置の照度分布、図１９Ｂは実施例３の効果を確認するためのＬＥＤ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 図２２Ａは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、図２２Ｂは実施例１の効果を確認するためのＬＥＤのみで発光装置を構成した場合の面光源での照度分布 図２３Ａは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、図２３Ｂは実施例２の効果を確認するためのＬＥＤのみで発光装置を構成した場合の面光源での照度分布 変形例の面光源の構成図 図２５Ａは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、図２５Ｂは実施例３の効果を確認するためのＬＥＤのみで発光装置を構成した場合の面光源での照度分布 他の変形例の面光源の構成図 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

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態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２０と被照射面３との間に配置され、光源２０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２０の指向性が広くされる。本実施形態では、図２に示すように照明用レンズ１が光源２０を周囲から取り囲む形状を有しており、光源２０からの光が照明用レンズ１によって光軸Ａの回りに放射状に拡張される。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２０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２０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と反対側を向く環状の底面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。

入射面１１は、連続するすり鉢状の凹面である。入射面１１は、光軸Ａに対して回転対称であることが好ましいが、光軸Ａに対して回転対称でなくてもよい。例えば、光源２０が光軸方向から見たときに長方形である場合には、入射面１１は光軸方向から見て光源２０と同方向に延びる楕円形であってもよい。入射面１１を取り巻く底面１３は、本実施形態ではフラットである。

出射面１２は、連続する凸面である。出射面１２は、光軸Ａに対して回転対称であることが好ましいが、光軸Ａに対して回転対称でなくてもよい。例えば、図３に示すように、出射面１２は、光軸方向から見て楕円形であってもよい。また、光軸Ａを通る任意の断面において、出射面１２の中心部分の曲率は、実質的にゼロであることが好ましい。ここで、「中心部分」とは、光軸Ａから所定半径（例えば、光軸方向から見たときの出射面１２の最外周の半径（有効径）の１／４）以内の領域をいい、「実質的にゼロ」とは、光軸Ａ上の基点Ｑから出射面１２上の任意の点まで光軸方向に測った距離をサグ量（ｓａｇＹ）とした場合、前記中心部分における最大サグ量と最小サグ量の差が０．１ｍｍ以下のことをいう。このようになっていれば、成形がし易くなり、公差に強いレンズを作ることが可能となる。ただし、出射面１２の形状はこれに限られるものではなく、例えば半球状の凸面であってもよい。

照明用レンズ１の平面視における輪郭は、光軸Ａに対して回転対称である必要はない。例えば、リング部１５に光軸Ａを挟んで互いに平行な一対のフラット部が設けられていて、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２０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２０から放射される光は、入射面１１と出射面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２０としては、例えばＬＥＤを採用することができる。ＬＥＤ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ＬＥＤ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２．０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、硝子、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、ＬＥＤ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。

次に、入射面１１の詳細について説明する。

入射面１１は、光軸Ａと直交する、出射面１２側に凸な曲面の第１入射面１１１と、この第１入射面１１１の周縁から直線的に広がりながら底面１３の内周縁に斜めにつながる第２入射面１１２とを有している。光源２０から放射される光のうち光軸Ａからの角度が小さい光は第１入射面１１１に到達し、光軸Ａからの角度が大きい光は第２入射面１１２に到達する。

例えば、入射面１１は、双曲面形状であってもよい。このとき、光軸Ａを含む断面における第２入射面１１２の形状は、僅かに湾曲する円弧である。ただし、光軸Ａを含む断面における第２入射面１１２の形状は、直線であってもよい。また、入射面１１が光軸Ａに対して回転対称である場合は、第２入射面１１２は、第１入射面１１１の周縁から拡径しながら底面１３の内周縁に斜めにつながることになる。

ここで、光軸Ａを通る任意の断面において、光源２０の位置に対応する光軸Ａ上の基点Ｑから入射面１１に直接的に到達する仮想光が入射面１１を透過するときの屈折角をθ１とし、このθ１の符号を入射面１１の法線Ｎに対して光軸Ａ側を負、その反対側を正と定義すると、第１入射面１１１ではθ１の符号が負となり、第２入射面１１２ではθ１の符号が正となる。

「光源２０の位置に対応する光軸Ａ上の基点Ｑ」とは、光源２０から放射される光の中心とみなすことが可能な点のことであり、任意の位置に設定可能である。ただし、基点Ｑは、底面１３と同一平面上または底面１３よりも第１入射面１１１側にあることが好ましい。本実施形態では、光源２０が基板８に実装され、この基板８に照明用レンズ１の底面１３が接合される形態を想定しており、基点Ｑが底面１３と同一平面上に位置している。

光軸Ａを通る任意の断面において、第２入射面１１２上の任意の点における接線と光軸Ａとのなす角度は、配光特性の観点から、２０°以上７０°以下が好ましい。より好ましい角度は、３０°以上５０°以下である。

以上のような照明用レンズ１であれば、光源２０の中心付近の光を第１入射面１１１で広げることができる。また、光源２０から広い角度で放射される光を第２入射面１１２で出射面１２側に大きく跳ね上げることができ、その光を出射面１２で屈折させて被照射面３の所定エリアに到達させることができる。従って、本実施形態の照明用レンズ１によれば、光源２０の指向性を広げつつ、光源２０から広い角度で放射される光を有効に配光させることができる。

ここで、照明用レンズ１は、光軸Ａを通る任意の断面において、出射面１２上の任意の点と光軸Ａ上の基点Ｑとを結んだ直線と光軸Ａとの角度をθｉ、光軸Ａ上の基点Ｑから前記出射面１２上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ₀、θｉが６０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ₆₀としたときに、以下の式（１）
０．５＜ｓａｇＹ₆₀／ｓａｇＹ₀＜０．８・・・（１）
を満足することが好ましい。

本実施形態のように入射面１１の形状を設定することにより、光軸Ａ上の基点Ｑから出射面１２の最外周まで光軸方向に測った距離を大きくすることができる。これにより、照明用レンズ１のエッジの厚さをある程度確保することができ、照明用レンズ１を容易に射出成形できるようになる。また、光軸Ａ上の基点Ｑから出射面１２の最外周まで光軸方向に測った距離を大きくすることにより、例えば光源２０が実装される基板８と底面１３との間に隙間を確保することが可能になる。このようにすれば、光源２０により温められる空気をその隙間を通じて逃がすことができ、光源２０の過度な温度上昇を抑制することができる。式（１）の下限を超えると、照明用レンズ１のエッジが薄くなりすぎ、上限を超えると、照明用レンズ１のサイズ（例えば光軸方向から見たときの直径）が大きくなりすぎる。

ところで、本発明の照明用レンズは、光源２０からの光を光軸方向と直交する少なくとも一方向に拡張するものであればよく、光源２０からの光を光軸Ａの回りに放射状に拡張するものに限られない。例えば、図４に示すように、光源（図示せず）を挟むような二股状の形状を有し、光源からの光を光軸方向と直交する第１方向のみに拡張する照明用レンズ１０を採用することも可能である。この場合、入射面１１は、光軸方向および第１方向と直交する第２方向に延びる筒状の凹面であり、底面１３は、第１方向において入射面の両側に位置している。そして、第２入射面１１２は、第１方向における第１入射面１１１の両辺から直線的に広がりながら第１方向における底面１３の内辺に斜めにつながっている。また、この場合、光源としては、第２方向に延びる長尺状のものを用いることが好ましい。

なお、照明用レンズ１０においても、光拡張方向である第１方向に沿って光軸Ａを通る断面（すなわち、図１と同じ断面）において、出射面１２の中心部分の曲率は、実質的にゼロであることが好ましい。また、第１方向に沿って光軸Ａを通る断面において、第２入射面１１２上の任意の点における接線と光軸Ａとのなす角度は、２０°以上７０°以下が好ましく、３０°以上５０°以下がより好ましい。さらに、照明用レンズ１０は、第１方向に沿って光軸を通る断面において、上述した式（１）：０．５＜ｓａｇＹ₆₀／ｓａｇＹ₀＜０．８を満足することが好ましい。

なお、本発明の照明用レンズは、ＬＥＤ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５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ＬＥＤ２と、ＬＥＤ２からの光を拡張して被照射面３に照射する照明用レンズとして、実施の形態１で説明した、光源からの光を放射状に拡張する照明用レンズ１（図１〜３参照）とを備えている。なお、発光装置７は、照明用レンズ１の代わりに、光源からの光を一方向のみに拡張する照明用レンズ１０（図４参照）を備えていてもよい。

ＬＥＤ２は、照明用レンズ１の入射面１１から離れて配置されている。照明用レンズ１の第２入射面１１２は、ＬＥＤ２の発光面の高さのバラつきにも対応できるように、光軸方向においてＬＥＤ２の発光面を超えるように広がっていることが好ましい。本実施形態では、ＬＥＤ２の発光面と反対側の面が照明用レンズ１の底面１３と同一平面上に位置していて、ＬＥＤ２の発光面と反対側の面（換言すれば、ＬＥＤ２が実装される基板の表面）と光軸Ａとの交点が実施の形態１で説明した基点Ｑとなっている。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。

ＬＥＤ２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ＬＥＤ２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６および図７は発光装置７の光路図である。図６は、ＬＥＤ２から光軸Ａに対して小さな角度で出射され、第１入射面１１１に到達する光線の光路を示す。ＬＥＤ２から出射した光は、第１入射面１１１を光軸Ａから離れる方向に屈折しながら透過し、その後に出射面１２に到達する。到達した光は、出射面１２を屈折しながら透過し、その後に被照射面３に到達する。図７は、ＬＥＤ２から光軸Ａに対して大きな角度で出射され、第２入射面１１２に到達する光線の光路を示す。ＬＥＤ２から出射した光は、第２入射面１１２を光軸Ａに近づく方向に屈折しながら透過し、その後に出射面１２に到達する。到達した光は、出射面１２を屈折しながら透過し、その後に被照射面３に到達する。

なお、ＬＥＤ２の発光面上には、図８に示すように、封止樹脂によりドーム型の封止部２１が形成されていてもよい。このようになっていれば、光源の指向性を更に広げることができ、また光の取り出し効率を上げることも可能となる。

以下、本発明の具体的な数値例として、本発明の実施の形態２の実施例１〜３を示す。実施例１および実施例２では、光源からの光を放射状に拡張する照明用レンズ１を採用し、実施例３では、光源からの光を一方向のみに拡張する照明用レンズ１０を採用する。

図９は、実施例１の発光装置の構成図であり、図１０は、実施例２の発光装置の構成図である。なお、実施例３の発光装置は、図１０に示す断面形状で紙面と直交する方向に延びるものであり、その構成図は省略する。本実施例１〜３は、汎用品のＬＥＤ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。実施例１におけるＬＥＤのパッケージサイズは３．０×２．０ｍｍであり、実施例２におけるＬＥＤのパッケージサイズは５．８×３．４ｍｍであり、実施例３におけるＬＥＤのパッケージサイズは３．０×３．０ｍｍである。なお、実施例１では、ＬＥＤの発光面にドーム型の封止部が形成されている。

図９および図１０中のθｉは、光軸Ａ上の基点Ｑと入射面１１および出射面１２上の任意の点とを結んだ直線と光軸Ａとの角度である。さらに、図９および図１０中のｓａｇＸは、光軸Ａ上の基点Ｑから前記入射面１１上の任意の点まで光軸方向に測った距離であり、ｓａｇＹは、光軸Ａ上の基点Ｑから前記出射面１２上の任意の点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１１は、表１のθｉとｓａｇＸおよびｓａｇＹについてグラフ化したものである。また、図１２に、θｉと基点Ｑからの仮想光の入射面１１での屈折角であるθ１の関係のグラフを示す。図１２は、本実施例１における第１入射面１１１と第２入射面１１２とでθ１の符号が反転していることを示している。

図１３Ａは、実施例１の発光装置を配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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１３Ｂは、図１３Ａのときと同じＬＥＤ（発光面上に封止部２１があるもの）のみを配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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１３Ａおよび図１３Ｂ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１３Ａと図１３Ｂを比較すると、光源を周囲から取り囲む形状を有する照明用レンズ１の効果で被照射面を広く照明できていることがわかる。

なお、実施例１では、出射面１２に関するｓａｇＹ₆₀／ｓａｇＹ₀が０．６７５となっている。

（実施例２）
次に実施例２の具体的な数値を表２に示す。

図１４は、表２のθｉとｓａｇＸおよびｓａｇＹについてグラフ化したものである。また、図１５に、θｉと基点Ｑからの仮想光の入射面１１での屈折角であるθ１の関係のグラフを示す。図１５は、上述した実施例１と同様に、本実施例２における第１入射面１１１と第２入射面１１２とでθ１の符号が反転していることを示している。

図１６Ａは、実施例２の発光装置を配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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１６Ｂは、図１６Ａのときと同じＬＥＤ（発光面上に封止部２１がないもの）のみを配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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１６Ａおよび図１６Ｂは、図１３Ａおよび図１３Ｂ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１６Ａと図１６Ｂを比較すると、光源を周囲から取り囲む形状を有する照明用レンズ１の効果で被照射面を広く照明できていることがわかる。

なお、実施例２では、出射面１２に関するｓａｇＹ₆₀／ｓａｇＹ₀が０．６２９となっている。

（実施例３）
次に実施例３の具体的な数値を表３に示す。

図１７は、表３のθｉとｓａｇＸおよびｓａｇＹについてグラフ化したものである。また、図１８に、θｉと基点Ｑからの仮想光の入射面１１での屈折角であるθ１の関係のグラフを示す。図１８は、上述した実施例１と同様に、本実施例３における第１入射面１１１と第２入射面１１２とでθ１の符号が反転していることを示している。

図１９Ａは、実施例３の発光装置を配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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１９Ｂは、図１９Ａのときと同じＬＥＤ（発光面上に封止部２１がないもの）のみを配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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１９Ａおよび図１９Ｂは、図１３Ａおよび図１３Ｂ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１９Ａと図１９Ｂを比較すると、光源を挟むような二股状の形状を有する照明用レンズ１０の効果で被照射面を広く照明できていることがわかる。

なお、実施例３では、出射面１２に関するｓａｇＹ₆₀／ｓａｇＹ₀が０．６６０となっている。

（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、光源からの光を放射状に拡張する照明用レンズ１（図１〜３参照）を含む複数の発光装置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２１に示すように、各発光装置７のＬＥＤ２が実装されている。本実施形態では、照明用レンズ１の底面１３が基板８に接合されており、基板８上に、照明用レンズ１を避けながら基板８を覆うように反射板６が配置されている。ただし、照明用レンズ１の底面１３は、必ずしも基板８に直接的に接合されている必要はなく、例えば支柱を介して基板８に接合されていてもよい。この場合、基板８と照明用レンズ１の底面１３との間には隙間が形成されるので、反射板６は、その隙間に入り込んでいてもよい。

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２２Ａは、実施例１の発光装置を３０ｍｍピッチで一直線上に４つ配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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を図２３Ａに示す。

図２２Ｂおよび図２３Ｂは、ＬＥＤのみを３０ｍｍピッチで一直線上に４つ配置し、ＬＥＤから２３ｍｍ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。なお、図２２Ｂでは発光面上に封止部があるＬＥＤ（パッケージサイズ：３．０×２．０ｍｍ）が用いられ、図２３Ｂでは発光面上に封止部がないＬＥＤ（パッケージサイズ：５．８×３．４ｍｍ）が用いられている。

図２２Ａと図２２Ｂおよび図２３Ａと図２３Ｂを比較すると、光源を周囲から取り囲む形状を有する照明用レンズ１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。

図２４は、変形例の面光源９の構成図である。この面光源９では、光源からの光を一方向（第１方向）のみ拡張する照明用レンズ１０（図４参照）を含む複数の発光装置７が、基板８の第１方向の中央位置で第１方向と直交する第２方向に一列に並ぶように、平面的に配置されている。なお、発光装置７は、一列に配列されている必要はなく、基板８を第１方向に均等に分割するような２本以上の直線上に配列されていてもよい。

図２５Ａは、実施例３の発光装置を３０ｍｍピッチで一直線上に４つ配置し、ＬＥＤの発光面から２３ｍｍ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。図２５Ｂは、ＬＥＤのみを３０ｍｍピッチで一直線上に４つ配置し、ＬＥＤから２３ｍｍ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。なお、図２５Ｂでは発光面上に封止部がないＬＥＤ（パッケージサイズ：３．０×３．０ｍｍ）が用いられている。図２５Ａと図２５Ｂを比較すると、光源を挟むような二股状の形状を有する照明用レンズ１０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。

なお、各発光装置７の照明用レンズ１０は、図２６に示すように、隣接する照明用レンズ１０と連続していて、１本のレンズ１００を構成していてもよい。

（実施の形態４）
図２７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、光源からの光を放射状に拡張する照明用レンズ１を含む面光源９（図２０参照）とを備えている。

ＬＥＤ２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。

なお、図示は省略するが、光源からの光を一方向のみに拡張する照明用レンズ１０を含む面光源９（図２４および図２６参照）を液晶パネル５の裏側に配置しても、液晶ディスプレイ装置を構成可能であることは言うまでもない。

Claims (16)

1. 光源からの光を光軸方向と直交する少なくとも一方向に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、前記入射面の外側で前記出射面と反対側を向く底面と、を備え、
   前記入射面は、前記光軸と直交する、前記出射面側に凸な曲面の第１入射面と、この第１入射面の縁から広がりながら前記底面の内縁に斜めにつながる第２入射面と、を有し、
   前記一方向に沿って前記光軸を通る断面において、前記光源の位置に対応する前記光軸上の基点から前記入射面に直接的に到達する仮想光が前記入射面を透過するときの屈折角をθ１とし、このθ１の符号を前記入射面の法線に対して前記光軸側を負、その反対側を正としたときに、前記第１入射面ではθ１の符号が負となり、前記第２入射面ではθ１の符号が正となる、
   照明用レンズ。
2. 前記第２入射面は、前記第１入射面の縁から直線的に広がっている、請求項１に記載の照明用レンズ。
3. 前記入射面は、すり鉢状の凹面であり、前記底面は、前記入射面の周囲に位置している、請求項１に記載の照明用レンズ。
4. 前記入射面は、筒状の凹面であり、前記底面は、前記入射面の両側に位置している、請求項１に記載の照明用レンズ。
5. 前記第１方向に沿って前記光軸を通る断面において、前記第２入射面上の任意の点における接線と前記光軸とのなす角度は、２０°以上７０°以下である、請求項１に記載の照明用レンズ。
6. 前記入射面は、前記光軸に対して回転対称であり、前記第２入射面は、前記第１入射面の周縁から拡径しながら前記底面の内周縁に斜めにつながっている、請求項３に記載の照明用レンズ。
7. 前記出射面は、連続する凸面であり、前記一方向に沿って前記光軸を通る断面において、前記出射面の中心部分の曲率は実質的にゼロである、請求項１に記載の照明用レンズ。
8. 前記一方向に沿って前記光軸を通る断面において、前記出射面上の任意の点と前記光軸上の基点とを結んだ直線と前記光軸との角度をθｉ、前記光軸上の基点から前記出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ₀、θｉが６０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ₆₀としたときに、以下の式
   ０．５＜ｓａｇＹ₆₀／ｓａｇＹ₀＜０．８
   を満足する、請求項１に記載の照明用レンズ。
9. 前記底面は、フラットである、請求項１に記載の照明用レンズ。
10. 前記光軸上の基点は、前記底面と同一平面上または前記底面よりも前記第１出射面側にある、請求項９に記載の照明用レンズ。
11. 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に記載の照明用レンズである、発光装置。
12. 前記第２入射面は、光軸方向において前記発光ダイオードの発光面を超えるように広がっている、請求項１１に記載の発光装置。
13. 前記発光ダイオードの発光面上には、封止樹脂によりドーム型の封止部が形成されている、請求項１１に記載の発光装置。
14. 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１１に記載の発光装置である、面光源。
15. 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、前記照明用レンズ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１４に記載の面光源。
16. 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１４に記載の面光源と、を備える液晶ディスプレイ装置。

Images