WO2011048735A1 - 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

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 Download PDF

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WO2011048735A1
WO2011048735A1 PCT/JP2010/004979 JP2010004979W WO2011048735A1 WO 2011048735 A1 WO2011048735 A1 WO 2011048735A1 JP 2010004979 W JP2010004979 W JP 2010004979W WO 2011048735 A1 WO2011048735 A1 WO 2011048735A1
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WO
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light
optical axis
light emitting
incident surface
light source
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PCT/JP2010/004979
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飯山智子
木村俊介
松木大三郎
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パナソニック株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0009—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only
    • G02B19/0014—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only at least one surface having optical power
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source
    • G02B19/0061—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source the light source comprising a LED
    • G—PHYSICS
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to an illumination lens that widens the directivity of a light source such as a light emitting diode, and an illumination device using the illumination lens. Furthermore, the present invention relates to a surface light source including a plurality of illumination devices, and a liquid crystal display device in which the surface light source is disposed behind a liquid crystal panel as a backlight.
  • a large number of cold cathode fluorescent lamps are arranged directly under the liquid crystal panel, and these cold cathode fluorescent lamps are used together with members such as a diffusion plate and a reflector.
  • a light emitting diode hereinafter referred to as “LED”
  • LEDs have been improved in efficiency in recent years, and are expected as light sources with low power consumption, which are replaced with fluorescent lamps.
  • the power consumption of the liquid crystal display device can be reduced by controlling the brightness of the LED according to the image.
  • Patent Document 1 proposes a lens that can obtain a uniform surface light source even with a small number of LEDs. .
  • a circular lens is arranged on the LED in a plan view for controlling the directivity of the chip-like LED.
  • the lens has a concave surface in the vicinity of the optical axis on the light exit surface that emits light, and a convex surface that is continuous with the concave surface on the outer side.
  • the LED the most light is emitted in the front direction of the LED chip, and in the lens disclosed in Patent Document 1, light directed in the front direction from the chip is diverged by refraction by a concave surface near the optical axis. Yes. Thereby, it is possible to suppress the illuminance in the vicinity of the optical axis on the surface to be irradiated and to form a broad illuminance distribution.
  • the incident surface is a hemispherical or cylindrical concave surface surrounding the light source.
  • the incident surface is a hemispherical or cylindrical concave surface surrounding the light source.
  • light having a large angle with respect to the optical axis is incident on the incident surface almost perpendicularly and reaches near the outermost periphery of the emission surface, and the light is emitted. It is difficult to refract the surface and direct it to the illumination area. That is, the lens disclosed in Patent Document 1 cannot effectively distribute light emitted from a light source at a wide angle.
  • the present invention provides an illumination lens capable of effectively distributing light emitted from a light source at a wide angle while widening the directivity of the light source, and a light emitting device and surface including the illumination lens.
  • An object is to provide a light source and a liquid crystal display device.
  • the present invention provides an illumination lens for irradiating a surface to be irradiated with light from a light source that extends in at least one direction orthogonal to the optical axis direction, and the light from the light source is incident thereon.
  • a first entrance surface having a convex surface and a second entrance surface extending from the edge of the first entrance surface and obliquely connected to the inner edge of the bottom surface, and passes through the optical axis along the one direction.
  • the refraction angle when virtual light that directly reaches the incident surface from the base point on the optical axis corresponding to the position of the light source is transmitted through the incident surface is ⁇ 1
  • the sign of ⁇ 1 is the sign of the incident
  • the optical axis side is negative and the opposite side is positive with respect to the surface normal
  • an illumination lens in which the sign of ⁇ 1 is negative on the first incident surface and the sign of ⁇ 1 is positive on the second incident surface.
  • this invention is a light-emitting device provided with LED which radiates
  • the said illumination lens is said illumination.
  • a light-emitting device which is a lens for use.
  • the present invention provides a plurality of light emitting devices arranged in a plane and a state in which light emitted from one surface of the plurality of light emitting devices is diffused from the other surface.
  • a surface light source comprising: a diffuser plate that radiates at a plurality of light emitting devices, wherein each of the plurality of light emitting devices provides the surface light source.
  • the present invention also provides a liquid crystal display device comprising a liquid crystal panel and the surface light source disposed on the back side of the liquid crystal panel.
  • the light near the center of the light source can be spread on the first incident surface. Further, light emitted from a light source at a wide angle can be greatly jumped to the exit surface side at the second entrance surface, and the light can be refracted at the exit surface to reach a predetermined area of the irradiated surface. Therefore, according to the present invention, it is possible to effectively distribute light emitted from a light source at a wide angle while expanding the directivity of the light source.
  • FIG. 6 is an optical path diagram of light rays reaching the first incident surface of the light emitting device according to Embodiment 2 of the invention.
  • FIG. 7 is an optical path diagram of light rays that reach the second incident surface of the light-emitting device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • Configuration diagram of light emitting device of modification Configuration diagram of light-emitting device of Example 1 Configuration diagram of light-emitting device of Example 2
  • FIG. 13A shows the illuminance distribution of the light emitting device of Example 1
  • FIG. 13B shows the illuminance distribution of only the LEDs for confirming the effect of Example 1.
  • the graph which shows the relationship between (theta) i and sagX, Y showing the entrance surface and exit surface shape of the lens for illumination in the light-emitting device of Example 2 (graphing Table 2).
  • FIG. 16A shows the illuminance distribution of the light emitting device of Example 2
  • FIG. 16B shows the illuminance distribution of only the LEDs for confirming the effect of Example 2.
  • FIG. 22A is an illuminance distribution when the light emitting device of Example 1 is used as a surface light source according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 22B is a light emitting device composed of only LEDs for confirming the effects of Example 1.
  • Illuminance distribution with surface light source FIG. 23A shows an illuminance distribution when the light emitting device of Example 2 is used as a surface light source according to Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 23B shows that the light emitting device is configured by only LEDs for confirming the effect of Example 2.
  • FIG. 25A is an illuminance distribution when the light emitting device of Example 3 is used as a surface light source according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 25B is a light emitting device composed of only LEDs for confirming the effects of Example 3.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an illumination lens 1 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the illumination lens 1 is disposed between the directional light source 20 and the irradiated surface 3 and extends the light from the light source 20 to irradiate the irradiated surface 3. That is, the directivity of the light source 20 is widened by the illumination lens 1.
  • the illumination lens 1 has a shape surrounding the light source 20 from the periphery, and the light from the light source 20 is radially expanded around the optical axis A by the illumination lens 1.
  • the illuminance distribution on the irradiated surface 3 decreases substantially monotonically as the distance on the optical axis A, which is the design center line of the illumination lens 1, reaches the maximum.
  • the light source 20 and the illumination lens 1 are arranged so that their optical axes coincide with each other.
  • the illumination lens 1 has an incident surface 11 on which light from the light source 20 is incident and an output surface 12 that emits the incident light.
  • the illumination lens 1 has an annular bottom surface 13 facing the exit surface 12 around the entrance surface 11.
  • a ring portion 15 that projects radially outward is provided between the emission surface 12 and the bottom surface 13, and the outer periphery of the emission surface 12 is an outer surface having a substantially U-shaped cross section. And the outer peripheral edge of the bottom surface 13 are connected.
  • the ring portion 15 can be omitted, and the peripheral edge of the emission surface 12 and the outer peripheral edge of the bottom surface 13 may be connected by an end surface having a linear cross section or an arc shape.
  • the incident surface 11 is a continuous mortar-shaped concave surface.
  • the incident surface 11 is preferably rotationally symmetric with respect to the optical axis A, but may not be rotationally symmetric with respect to the optical axis A.
  • the incident surface 11 may be an ellipse extending in the same direction as the light source 20 when viewed from the optical axis direction.
  • the bottom surface 13 surrounding the incident surface 11 is flat in this embodiment.
  • the exit surface 12 is a continuous convex surface.
  • the exit surface 12 is preferably rotationally symmetric with respect to the optical axis A, but may not be rotationally symmetric with respect to the optical axis A.
  • the emission surface 12 may be elliptical when viewed from the optical axis direction. In any cross section passing through the optical axis A, it is preferable that the curvature of the central portion of the emission surface 12 is substantially zero.
  • the “center portion” refers to a region within a predetermined radius from the optical axis A (for example, 1 ⁇ 4 of the outermost radius (effective diameter) of the emission surface 12 when viewed from the optical axis direction), “Substantially zero” means the maximum sag amount in the central portion when the distance measured in the optical axis direction from the base point Q on the optical axis A to any point on the exit surface 12 is defined as the sag amount (sagY). And the difference in the minimum sag amount is 0.1 mm or less. If it becomes like this, it will become easy to shape
  • the shape of the emission surface 12 is not limited to this, and may be, for example, a hemispherical convex surface.
  • the outline of the illumination lens 1 in plan view need not be rotationally symmetric with respect to the optical axis A.
  • the ring portion 15 may be provided with a pair of flat portions parallel to each other across the optical axis A, and the illumination lens 1 may be of an oval shape when viewed from the optical axis direction.
  • the light from the light source 20 is incident on the illumination lens 1 from the incident surface 11, is then emitted from the emission surface 12, and reaches the irradiated surface 3.
  • the light emitted from the light source 20 is expanded by the action of the entrance surface 11 and the exit surface 12 and reaches a wide range of the illuminated surface 3.
  • the light source 20 for example, an LED can be adopted.
  • the LED is usually covered with a sealing resin so as not to touch air.
  • a sealing resin As a conventional LED sealing resin, epoxy resin, silicon rubber, or the like is used.
  • the illumination lens 1 is made of a transparent material having a predetermined refractive index.
  • the refractive index of the transparent material is, for example, about 1.4 to 2.0.
  • an epoxy resin, a silicon resin, an acrylic resin, a resin such as polycarbonate, a glass, or a rubber such as silicon rubber can be used.
  • an epoxy resin or silicon rubber used as a sealing resin for the LED it is preferable to use an epoxy resin or silicon rubber used as a sealing resin for the LED.
  • the incident surface 11 is a curved first incident surface 111 that is orthogonal to the optical axis A and is convex toward the exit surface 12, and obliquely extends to the inner periphery of the bottom surface 13 while spreading linearly from the periphery of the first incident surface 111. And a second incident surface 112 connected thereto.
  • light having a small angle from the optical axis A reaches the first incident surface 111, and light having a large angle from the optical axis A reaches the second incident surface 112.
  • the incident surface 11 may have a hyperboloid shape.
  • the shape of the second incident surface 112 in the cross section including the optical axis A is a slightly curved arc.
  • the shape of the second incident surface 112 in the cross section including the optical axis A may be a straight line.
  • the second incident surface 112 is obliquely connected to the inner periphery of the bottom surface 13 while expanding from the periphery of the first exit surface 111. .
  • a refraction angle when virtual light that directly reaches the incident surface 11 from the base point Q on the optical axis A corresponding to the position of the light source 20 passes through the incident surface 11.
  • Is defined as ⁇ 1 the sign of ⁇ 1 is defined as negative on the optical axis A side with respect to the normal N of the incident surface 11, and the opposite side is defined as positive.
  • the sign of ⁇ 1 is negative
  • the sign of ⁇ 1 is positive.
  • the “base point Q on the optical axis A corresponding to the position of the light source 20” is a point that can be regarded as the center of the light emitted from the light source 20, and can be set at an arbitrary position.
  • the base point Q is preferably on the same plane as the bottom surface 13 or closer to the first incident surface 111 than the bottom surface 13. In the present embodiment, it is assumed that the light source 20 is mounted on the substrate 8 and the bottom surface 13 of the illumination lens 1 is joined to the substrate 8, and the base point Q is located on the same plane as the bottom surface 13. .
  • an angle formed by a tangent at an arbitrary point on the second incident surface 112 and the optical axis A is preferably 20 ° or more and 70 ° or less from the viewpoint of light distribution characteristics.
  • a more preferable angle is 30 ° or more and 50 ° or less.
  • the illumination lens 1 as described above, the light near the center of the light source 20 can be spread by the first incident surface 111. Further, the light emitted from the light source 20 at a wide angle can be greatly jumped to the exit surface 12 side by the second entrance surface 112, and the light is refracted by the exit surface 12 to reach a predetermined area of the illuminated surface 3. Can be made. Therefore, according to the illumination lens 1 of the present embodiment, it is possible to effectively distribute light emitted from the light source 20 at a wide angle while expanding the directivity of the light source 20.
  • the illumination lens 1 has an angle between a straight line connecting an arbitrary point on the emission surface 12 and a base point Q on the optical axis A and an optical axis A in an arbitrary cross section passing through the optical axis A, ⁇ i
  • the distance measured in the optical axis direction from the base point Q on the optical axis A to the arbitrary point on the exit surface 12 is sagY, sagY when ⁇ i is 0 °, sagY 0 , and sagY when ⁇ i is 60 ° is sagY.
  • the following formula (1) 0.5 ⁇ sagY 60 / sagY 0 ⁇ 0.8 (1) Is preferably satisfied.
  • the distance measured in the optical axis direction from the base point Q on the optical axis A to the outermost periphery of the exit surface 12 can be increased.
  • the thickness of the edge of the illumination lens 1 can be secured to some extent, and the illumination lens 1 can be easily injection molded.
  • a gap is secured between the substrate 8 on which the light source 20 is mounted and the bottom surface 13. It becomes possible.
  • the air warmed by the light source 20 can be escaped through the clearance gap, and the excessive temperature rise of the light source 20 can be suppressed. If the lower limit of Expression (1) is exceeded, the edge of the illumination lens 1 becomes too thin, and if the upper limit is exceeded, the size of the illumination lens 1 (for example, the diameter when viewed from the optical axis direction) becomes too large.
  • the illumination lens of the present invention only needs to expand the light from the light source 20 in at least one direction orthogonal to the optical axis direction, and expands the light from the light source 20 radially around the optical axis A.
  • the illumination lens 10 has a bifurcated shape sandwiching a light source (not shown) and extends light from the light source only in a first direction orthogonal to the optical axis direction.
  • the incident surface 11 is a cylindrical concave surface extending in the optical axis direction and a second direction orthogonal to the first direction, and the bottom surface 13 is located on both sides of the incident surface in the first direction.
  • the second incident surface 112 is obliquely connected to the inner side of the bottom surface 13 in the first direction while linearly extending from both sides of the first incident surface 111 in the first direction.
  • the curvature of the central portion of the exit surface 12 is substantially equal in the cross section passing through the optical axis A along the first direction that is the light expansion direction (that is, the same cross section as FIG. 1). Preferably it is zero.
  • an angle formed by a tangent at an arbitrary point on the second incident surface 112 and the optical axis A is preferably 20 ° or more and 70 ° or less, and 30 ° or more. 50 degrees or less is more preferable.
  • the illumination lens 10 satisfies the above-described formula (1): 0.5 ⁇ sagY 60 / sagY 0 ⁇ 0.8 in a cross section passing through the optical axis along the first direction.
  • the illumination lens of the present invention can also be applied to light sources other than LEDs (for example, laser or organic EL).
  • FIG. 5 is a configuration diagram of the light-emitting device 7 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the light emitting device 7 radially expands the light from the light source described in the first embodiment as the LED 2 that emits light and the illumination lens that expands the light from the LED 2 and irradiates the irradiated surface 3.
  • an illumination lens 1 see FIGS. 1 to 3.
  • the light emitting device 7 may include an illumination lens 10 (see FIG. 4) that expands light from the light source only in one direction, instead of the illumination lens 1.
  • the LED 2 is disposed away from the incident surface 11 of the illumination lens 1. It is preferable that the second incident surface 112 of the illumination lens 1 extends so as to exceed the light emitting surface of the LED 2 in the optical axis direction so as to cope with the variation in the height of the light emitting surface of the LED 2.
  • the surface opposite to the light emitting surface of the LED 2 is located on the same plane as the bottom surface 13 of the illumination lens 1, and the surface opposite to the light emitting surface of the LED 2 (in other words, the LED 2 is mounted).
  • the base point Q described in the first embodiment is an intersection between the surface of the substrate and the optical axis A. The light emitted from the emission surface 12 of the illumination lens 1 reaches the illuminated surface 3 and illuminates the illuminated surface 3.
  • the light emission in the LED 2 is light having no directivity, but the refractive index of the light emitting region is 2.0 or more.
  • the interface method is affected by the influence of refraction at the interface. The maximum intensity in the line direction and the greater the angle from the normal direction, the smaller the light intensity.
  • the LED 2 has directivity, and it is necessary to widen the directivity with the illumination lens 1 in order to illuminate a wide range.
  • FIG. 6 and 7 are optical path diagrams of the light-emitting device 7.
  • FIG. FIG. 6 shows an optical path of a light beam emitted from the LED 2 at a small angle with respect to the optical axis A and reaching the first incident surface 111.
  • the light emitted from the LED 2 passes through the first incident surface 111 while being refracted in the direction away from the optical axis A, and then reaches the emission surface 12.
  • the reached light passes through the exit surface 12 while being refracted, and then reaches the irradiated surface 3.
  • FIG. 7 shows an optical path of a light beam emitted from the LED 2 at a large angle with respect to the optical axis A and reaching the second incident surface 112.
  • the light emitted from the LED 2 passes through the second incident surface 112 while being refracted in a direction approaching the optical axis A, and then reaches the emission surface 12.
  • the reached light passes through the exit surface 12 while being refracted, and then reaches the irradiated surface 3.
  • the dome-shaped sealing part 21 may be formed with the sealing resin on the light emission surface of LED2. In this way, the directivity of the light source can be further expanded, and the light extraction efficiency can be increased.
  • Example 1 and Example 2 the illumination lens 1 that expands the light from the light source radially is adopted, and in Example 3, the illumination lens 10 that expands the light from the light source only in one direction is adopted.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of the light emitting device of the first embodiment
  • FIG. 10 is a configuration diagram of the light emitting device of the second embodiment.
  • the light-emitting device of Example 3 has a cross-sectional shape shown in FIG. 10 and extends in a direction perpendicular to the paper surface, and a configuration diagram thereof is omitted.
  • Examples 1 to 3 are design examples aiming at widening directivity using a general-purpose LED as a light source.
  • the package size of the LED in Example 1 is 3.0 ⁇ 2.0 mm
  • the package size of the LED in Example 2 is 5.8 ⁇ 3.4 mm
  • the package size of the LED in Example 3 is 3.0. ⁇ 3.0 mm.
  • a dome-shaped sealing portion is formed on the light emitting surface of the LED.
  • ⁇ i is an angle between the optical axis A and a straight line connecting the base point Q on the optical axis A and any point on the incident surface 11 and the outgoing surface 12.
  • sagX in FIGS. 9 and 10 is a distance measured in the optical axis direction from a base point Q on the optical axis A to an arbitrary point on the incident surface 11, and sagY is a base point Q on the optical axis A. To an arbitrary point on the emission surface 12 measured in the optical axis direction.
  • Example 1 Next, specific numerical values of Example 1 are shown in Table 1.
  • FIG. 11 is a graph of ⁇ i, sagX, and sagY in Table 1.
  • FIG. 12 shows a graph of the relationship between ⁇ i and the refraction angle ⁇ 1 of the virtual light incident surface 11 from the base point Q.
  • FIG. 12 shows that the sign of ⁇ 1 is inverted between the first incident surface 111 and the second incident surface 112 in the first embodiment.
  • FIG. 13A shows the illuminance distribution on the irradiated surface obtained by calculation when the light emitting device of Example 1 is arranged and the irradiated surface is arranged at a position 23 mm away from the light emitting surface of the LED.
  • 13B is obtained by calculation when only the same LED (with the sealing portion 21 on the light emitting surface) as in FIG. 13A is arranged, and the irradiated surface is arranged at a position 23 mm away from the light emitting surface of the LED.
  • 13A and 13B show illuminance distribution curves on the irradiated surface when the optical axis center illuminance is normalized as 1.
  • FIG. Comparing FIG. 13A and FIG. 13B it can be seen that the illuminated surface can be widely illuminated by the effect of the illumination lens 1 having a shape surrounding the light source from the surroundings.
  • Example 1 sagY 60 / sagY 0 related to the emission surface 12 is 0.675.
  • Example 2 Next, specific numerical values of Example 2 are shown in Table 2.
  • FIG. 14 is a graph of ⁇ i, sagX, and sagY in Table 2.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between ⁇ i and ⁇ 1 which is the refraction angle of the virtual light incident surface 11 from the base point Q.
  • FIG. 15 shows that the sign of ⁇ 1 is inverted between the first incident surface 111 and the second incident surface 112 in the second embodiment, as in the first embodiment.
  • FIG. 16A shows the illuminance distribution on the irradiated surface obtained by calculation when the light emitting device of Example 2 is arranged and the irradiated surface is arranged at a position 23 mm away from the light emitting surface of the LED.
  • FIG. 16B is obtained by calculation when only the same LED (without the sealing portion 21 on the light emitting surface) as in FIG. 16A is disposed and the irradiated surface is disposed at a position 23 mm away from the light emitting surface of the LED.
  • 16A and 16B show illuminance distribution curves on the irradiated surface when the optical axis center illuminance is normalized as 1, similarly to FIGS. 13A and 13B.
  • sagY 60 / sagY 0 related to the emission surface 12 is 0.629.
  • Example 3 Next, specific numerical values of Example 3 are shown in Table 3.
  • FIG. 17 is a graph of ⁇ i, sagX, and sagY in Table 3.
  • FIG. 18 is a graph showing the relationship between ⁇ i and ⁇ 1 which is the refraction angle of the virtual light incident surface 11 from the base point Q.
  • FIG. 18 shows that the sign of ⁇ 1 is inverted between the first incident surface 111 and the second incident surface 112 in the third embodiment, as in the first embodiment.
  • FIG. 19A shows the illuminance distribution on the irradiated surface obtained by calculation when the light emitting device of Example 3 is disposed and the irradiated surface is disposed at a position 23 mm away from the light emitting surface of the LED.
  • FIG. 19B is obtained by calculation when only the same LED (without the sealing portion 21 on the light emitting surface) as in FIG. 19A is disposed and the irradiated surface is disposed at a position 23 mm away from the light emitting surface of the LED.
  • 19A and 19B show illuminance distribution curves on the irradiated surface when the optical axis center illuminance is normalized as 1, as in FIGS. 13A and 13B. Comparing FIG. 19A and FIG. 19B, it can be seen that the illuminated surface can be widely illuminated by the effect of the illumination lens 10 having a bifurcated shape sandwiching the light source.
  • Example 3 sagY 60 / sagY 0 related to the emission surface 12 is 0.660.
  • FIG. 20 is a configuration diagram of the surface light source 9 according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the surface light source 9 includes a plurality of light emitting devices 7 including the illumination lens 1 (see FIGS. 1 to 3) arranged in a plane and extending the light from the light source radially as described in the second embodiment, And a diffusing plate 4 arranged so as to cover these light emitting devices 7.
  • the light emitting devices 7 may be arranged in a matrix as shown in FIG. 20 or may be arranged in a staggered manner.
  • the surface light source 9 includes a substrate 8 that faces the diffusion plate 4 with the light emitting device 7 interposed therebetween. As shown in FIG. 21, the LED 2 of each light emitting device 7 is mounted on the substrate 8.
  • the bottom surface 13 of the illumination lens 1 is bonded to the substrate 8, and the reflector 6 is disposed on the substrate 8 so as to cover the substrate 8 while avoiding the illumination lens 1.
  • the bottom surface 13 of the illumination lens 1 does not necessarily have to be directly joined to the substrate 8 and may be joined to the substrate 8 via a support, for example. In this case, since a gap is formed between the substrate 8 and the bottom surface 13 of the illumination lens 1, the reflection plate 6 may enter the gap.
  • the light emitting device 7 irradiates light to the one surface 4 a of the diffusion plate 4. That is, one surface 4a of the diffusion plate 4 is the irradiated surface 3 described in the first and second embodiments.
  • the diffusing plate 4 radiates light irradiated on the one surface 4a in a state of being diffused from the other surface 4b.
  • Each light emitting device 7 irradiates light having a uniform illuminance over a wide range on one surface 4a of the diffusion plate 4, and this light is diffused by the diffusion plate 4 so that there is little luminance unevenness in the surface.
  • a surface light source is created.
  • the light from the light emitting device 7 is scattered by the diffusion plate 4 and returns to the light emitting device side or passes through the diffusion plate 4.
  • the light that returns to the light emitting device side and enters the reflection plate 6 is reflected by the reflection plate 6 and then enters the diffusion plate 4 again.
  • FIG. 22A shows a diffusion plate incident surface (light emitting device) obtained by calculation when four light emitting devices of Example 1 are arranged on a straight line at a pitch of 30 mm and a diffusion plate is arranged at a position 23 mm away from the light emitting surface of the LED. Illuminance distribution on one side of the side). This is because fine waves are seen in the illuminance distribution, but the number of light rays to be evaluated is insufficient in executing the illuminance calculation.
  • FIG. 23A shows the illuminance distribution obtained in the same manner and using the light emitting device of Example 2.
  • FIG. 22B and FIG. 23B show the illuminance distribution on the diffusion plate incident surface obtained by calculation when four LEDs are arranged in a straight line at a pitch of 30 mm and the diffusion plate is arranged at a position 23 mm away from the LED.
  • an LED having a sealing portion on the light emitting surface (package size: 3.0 ⁇ 2.0 mm) is used
  • an LED having no sealing portion on the light emitting surface (package size: 5. 8 ⁇ 3.4 mm) is used.
  • the diffusion plate incident surface can be uniformly illuminated by the effect of the illumination lens 1 having a shape surrounding the light source from the periphery.
  • FIG. 24 is a configuration diagram of a surface light source 9 according to a modification.
  • a plurality of light emitting devices 7 including an illumination lens 10 (see FIG. 4) that expands light from the light source only in one direction (first direction) are arranged at the center position in the first direction of the substrate 8. They are arranged in a plane so as to be arranged in a row in a second direction orthogonal to the one direction.
  • the light-emitting devices 7 do not have to be arranged in a line, and may be arranged on two or more straight lines that divide the substrate 8 evenly in the first direction.
  • FIG. 25A shows a diffusion plate incident surface (light emitting device) obtained by calculation when four light emitting devices of Example 3 are arranged in a straight line at a pitch of 30 mm and a diffusion plate is arranged at a position 23 mm away from the light emitting surface of the LED. Illuminance distribution on one side of the side).
  • FIG. 25B represents the illuminance distribution on the diffusion plate incident surface obtained by calculation when four LEDs are arranged in a straight line at a pitch of 30 mm and the diffusion plate is arranged at a position 23 mm away from the LED.
  • an LED package size: 3.0 ⁇ 3.0 mm
  • Comparing FIG. 25A and FIG. 25B it can be seen that the diffusion plate incident surface can be illuminated uniformly by the effect of the illumination lens 10 having a bifurcated shape sandwiching the light source.
  • each light-emitting device 7 may be continuous with the adjacent illumination lens 10 to constitute one lens 100 as shown in FIG.
  • FIG. 27 is a configuration diagram of a liquid crystal display device according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the liquid crystal display device includes a liquid crystal panel 5 and a surface light source 9 including an illumination lens 1 that is disposed on the back side of the liquid crystal panel 5 and radially expands the light from the light source described in the third embodiment (FIG. 20). Reference).
  • a plurality of light emitting devices 7 composed of the LEDs 2 and the illumination lens 1 are arranged in a plane, and the light diffusing plate 4 is illuminated by these light emitting devices 7.
  • the back surface (one surface) of the diffusion plate 4 is irradiated with light with uniform illuminance, and this light is diffused by the diffusion plate 4 to illuminate the liquid crystal panel 5.
  • an optical sheet such as a diffusion sheet or a prism sheet is preferably disposed between the liquid crystal panel 5 and the surface light source 9. In this case, the light transmitted through the diffusion plate 4 is further diffused by the optical sheet to illuminate the liquid crystal panel 5.
  • the device can be configured.

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

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
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　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。
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