WO2012132872A1 - 照明装置 - Google Patents

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WO2012132872A1
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illumination lens
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light
illumination
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大介 関
賢元 池田
鈴木　隆敏
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ナルックス株式会社
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    • H01L33/58—Optical field-shaping elements

Definitions

  • the present invention relates to an illumination lens and an illumination module used in an illumination module.
  • a backlight illumination module using a light emitting diode is used as a large surface emitting illumination system such as a television backlight.
  • the backlight illumination modules using LEDs are arranged in the edge light type in which side-emitting LEDs are arranged on the periphery of the backlight, and light from these LEDs is converted into surface emission by a light guide plate, and a large number of directly above
  • the edge light type is advantageous in reducing the thickness.
  • the direct type is advantageous in terms of improving the image quality and saving energy because the light emission amount of each LED can be controlled reflecting the contrast of the screen to be displayed.
  • FIG. 1 is a plan view of an illumination module for a direct type backlight.
  • the direct-type backlight illumination module includes a housing 209, a reflection plate 203, a substrate 207, and an illumination lens 120.
  • a reflection plate 203 is installed on the bottom surface of the housing 209, and a plurality of linear substrates 207 are arranged on the reflection plate 203 in parallel with each other.
  • illumination lenses 120 including LEDs are arranged at regular intervals. As a result, the illumination lens 120 including the LEDs is arranged at the positions of the lattice points of the rectangular lattice as shown in FIG.
  • FIG. 2 is a side view of an illumination module for a direct type backlight.
  • the light emitted from the LED 201 reaches the diffusion plate 205 via the illumination lens 120.
  • a part of the light reaching the diffusion plate 205 is transmitted through the diffusion plate 205 and emitted.
  • the other part of the light reaching the diffusion plate 205 is reflected by the diffusion plate 205, reaches the reflection plate 203, is reflected by the reflection plate 203, reaches the diffusion plate 205 again, passes through the diffusion plate 205, and is emitted. Is done.
  • the illumination lens 120, the reflection plate 203, and the diffusion plate 205 are used to make the luminance of the light emitted from the diffusion plate 205 uniform over the entire area of the diffusion plate 205.
  • FIG. 3 is a side view of another type of direct-type backlight illumination module.
  • the light emitted from the LED 201 is reflected by the surface of the illumination lens 140, reaches the reflection plate 203, is reflected by the reflection plate 203, reaches the diffusion plate 205, passes through the diffusion plate 205, and is emitted.
  • the brightness of the diffusion plate of the conventional direct-type backlight illumination module has not been sufficiently uniformized.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining luminance unevenness of a diffusion plate of a conventional direct-type backlight illumination module.
  • the illumination lens 120 including the LED 201 is disposed at the position of a lattice point of a rectangular lattice.
  • the illumination range of the illumination lens 120 including the LED 201 is indicated by IL. Since the shape of the illumination lens 120 is axisymmetric, the illumination range IL is circular.
  • the plurality of illumination lenses 120 are arranged at the positions of the lattice points of the rectangular lattice, a bright portion R1 having a high luminance and a dark portion R2 having a low luminance are generated on the diffusion plate.
  • illumination lenses having a rectangular outer contour have been developed (Patent Document 1 and Patent Document 2).
  • the outer contour of the illumination lens is rectangular, the incident angle when the light beam from the light source is emitted from the lens is larger than that of the axially symmetric configuration, and the Fresnel reflection and total reflection components increase. Irradiance unevenness occurs on the irradiated surface. In order to avoid such illuminance unevenness, it is necessary to enlarge the lens.
  • Patent Documents 3 and 4 As another configuration for eliminating the luminance unevenness, a configuration in which light sources are arranged in a hexagonal lattice shape has been proposed (Patent Documents 3 and 4). However, in this configuration, the illumination area is also a hexagonal grid, so there is a mismatch in the end of the long rectangular illumination range required for general backlights used in televisions, etc., and the illumination light is used effectively. There is a problem that you can not.
  • an illumination lens for uniforming the luminance of an illumination module composed of light sources arranged in a rectangular grid and an illumination module with a uniform luminance composed of light sources arranged in a rectangular grid have been developed. Not.
  • an illumination lens for uniforming the luminance of an illumination module composed of light sources arranged in a rectangular grid, and an illumination module with uniform luminance composed of light sources arranged in a rectangular grid.
  • An illumination lens is an illumination lens that diffuses light from a light emitting element, and an incident surface that is a surface configured to cover the light emitting element located at the bottom; and An illumination lens including an axially symmetric exit surface that is located outside the entrance surface and emits light of the light emitting element that is incident from the entrance surface.
  • the axis of the exit surface is the z-axis
  • the entrance surface is the yz plane
  • the cross-sectional area of the cross section parallel to the xy plane of the incident surface decreases monotonously as the z coordinate increases, and the maximum value of the z coordinate of the incident surface is d
  • z
  • a and b are positive constants
  • the point (x, y) on the cross section of the incident surface is Represented by And Including points that satisfy a ⁇ 0.5r and b ⁇ 0.5r It is.
  • an illumination lens that makes the luminance of the illumination module composed of light sources arranged in a rectangular lattice shape uniform.
  • the illumination lens according to the first embodiment of the first aspect of the present invention further includes a reflecting surface, and at least a part of light from the light emitting element incident from the incident surface is reflected by the reflecting surface. It is configured to reach the emission surface.
  • the illumination lens of the present embodiment it is possible to realize an illumination module that is thinner and has a more uniform luminance distribution.
  • the incident surface has a vertex on the z axis, and a point of coordinates (x, y) on the incident surface from the vertex.
  • the incident surface can be simply expressed by the term x i y j .
  • the incident surface is formed of a quadrangular frustum having a chamfered or filleted portion on the side.
  • the illumination module covers the light emitting elements arranged in a rectangular lattice pattern on the surface and the respective light emitting elements so that the directions of the two sides of the rectangle coincide with the x axis and the y axis.
  • the illumination lens according to any one of the first aspects, and a diffusion plate formed so as to cover the illumination lens.
  • the illumination module according to this aspect uses the illumination lens according to any one of the first aspect of the present invention, the luminance of the illumination module composed of light sources arranged in a rectangular lattice can be made uniform.
  • the illumination module according to the first embodiment of the second aspect of the present invention is the illumination module of the second aspect, wherein the interval between the light emitting elements in the x-axis direction is lx, and the interval between the light emitting elements in the y-axis direction is ly.
  • B / a is defined as a function of lx / ly.
  • an illumination module that makes the luminance uniform in accordance with the interval 1x between the light emitting elements in the x-axis direction and the interval ly between the light emitting elements in the y-axis direction.
  • FIG. 1 is a perspective view, a side view, and a plan view of an illumination lens of Example 1.
  • FIG. 4 is a perspective view, a side view, and a plan view of an illumination lens of Example 2.
  • FIG. It is the perspective view, side view, and top view of the lens for illumination of the comparative example 1.
  • 4 is a diagram for explaining a function of an illumination lens of Example 1.
  • FIG. It is a figure for demonstrating the function of the lens for illumination of the comparative example 1.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an illumination lens according to an embodiment of the present invention.
  • the illumination lens is an incident surface 101 that is configured to cover an LED, which is a light emitting element (not shown) located at the bottom, and is positioned on the outer side of the incident surface 101, and the LED light incident from the incident surface 101 is received. And an axisymmetric emission surface 103 that emits light.
  • the lens for illumination of this invention can be used also for light sources other than LED, such as a laser diode and an organic electroluminescent light.
  • Let r be the radius of the cross section of the exit surface 103 at z 0.
  • the incident surface 101 is symmetric with respect to the yz plane and the xz plane, and the cross-sectional area of the cross section of the incident surface 101 parallel to the xy plane decreases monotonously as the z coordinate increases.
  • d is the maximum z coordinate of the incident surface 101.
  • the cross-sectional shape becomes a shape between an ellipse and a rhombus.
  • A shows a cross-sectional shape.
  • the angles formed by the straight line connecting the intersection of A and C and the origin (0, 0) with the x-axis are ⁇ 1 and ⁇ 2 , respectively.
  • ⁇ 1 is about 10 degrees and ⁇ 2 is about 55 degrees. Therefore, f ( ⁇ ) of A is continuously smaller than 0.95 in the region of about 10 degrees to about 55 degrees, and is 0.95 or more at angles other than that region.
  • the light beam from the incident surface 101 has a large incident angle with respect to the exit surface 103.
  • the Fresnel reflection component increases.
  • there may be a path of light rays incident on the exit surface 103 at a critical angle or more. Since the reflected light generated in this way causes uneven illumination, the cross-sectional size of the incident surface 101 should be sufficiently smaller than the lens outer shape. Therefore, the cross-sectional shape of the incident surface 101 at the position of z (1/3) d is set to a ⁇ 0.5r and b ⁇ 0.5r as described above.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the function of the illumination lens of the present embodiment.
  • the light beam radiated in the direction (vertical direction in FIG. 6) is transmitted and refracted on the incident surface 101 and travels in the diagonal direction. Therefore, light rays radiated from the individual light sources in the x direction or the y direction are transmitted and refracted at the incident surface and travel in the diagonal direction.
  • the illumination area IL of the individual illumination lens approaches a rectangular shape similar to that of the light source arrangement, thereby reducing the entire illuminance unevenness and improving the distribution.
  • the cross-sectional shape is determined between the ellipse and the rhombus by adjusting f ( ⁇ ) while satisfying the expressions (2) and (3) so as to improve the luminance uniformity.
  • the ratio of a and b is determined so as to correspond to ly / lx.
  • a / b k (ly / lx)
  • Example 1 7 is a perspective view, a side view, and a plan view of the illumination lens of Example 1.
  • the illumination lens 100A of the first embodiment is located on the bottom surface of the incident surface 101A that is configured to cover the LED that is a light emitting element (not shown), and is located outside the incident surface 101A and is incident from the incident surface 101A.
  • the axis of the exit surface 103A is the z-axis
  • the height of the illumination lens 100A and the height (depth) of the incident surface 101A are set to h and d, respectively (FIG. 7B).
  • the parameters representing the illumination lens 100A of Example 1 are as follows. Height h: 5.0 Incident surface depth d: 3.0 Lens radius r: 9.3 Incident surface 101A (xy polynomial)
  • Sag is the amount of sag and represents the distance in the z-axis direction from the vertex of the incident surface on the z-axis to the point on the surface.
  • I and j are positive integers, and c, k and A i, j are constants.
  • the point (x, y) on the cross section of the incident surface 101A is It is represented by here, And Including points that satisfy a ⁇ 0.5r and b ⁇ 0.5r It is.
  • FIG. 8 (a) shows the above cross-sectional shape The curve is shown.
  • FIG. 8B is a graph showing the relationship between ⁇ and f ( ⁇ ).
  • the horizontal axis of the graph indicates ⁇ , and the vertical axis indicates f ( ⁇ ).
  • f ( ⁇ ) is continuously smaller than 0.95 in the range of 21 degrees to 69 degrees, and is 0.95 or more in the other ranges.
  • FIG. 9 is a perspective view, a side view, and a plan view of the illumination lens of the second embodiment.
  • the illumination lens 100B of Example 2 is positioned to face the incident surface 101B, which is a surface configured to cover the LED, which is a light-emitting element (not shown) located at the bottom, and from the incident surface 101B.
  • a reflection surface 105B that reflects incident LED light, and an axially symmetric emission surface 103B that is located on the side surface and emits LED light reflected by the reflection surface 105B are provided.
  • the height of the central portion of the illumination lens 100B and the height (depth) of the incident surface 101B are h and d, respectively.
  • the incident surface 101B has a shape in which a quadrangular frustum having a side surface with a large inclination is stacked on a quadrangular frustum having a side surface with a small inclination with respect to the xy plane.
  • the light emitted from the LED is diffused in the direction away from the optical axis (z-axis) by the incident surface 101B and is deflected diagonally from the x-axis direction and the y-axis direction.
  • the light transmitted through the incident surface 101B is totally reflected by the reflecting surface 105B and is emitted from the emitting surface 103B to the side.
  • the optical path is divided and causes uneven illuminance and uneven color. Therefore, it is used after chamfering or filleting.
  • the cross section at z 0.3d of the incident surface 101B of the illumination lens 100B of the second embodiment, as shown in FIG. 9C, the cross section is a square (diamond). (3) is satisfied.
  • F ( ⁇ ) in the formula (1) is continuously smaller than 0.95 in the range of 21.2 to 78.8 degrees, and is 0.95 or more in the other ranges.
  • the portion 1051B around the z-axis of the reflective surface 105B is composed of a circular surface perpendicular to the z-axis.
  • the diameter of the circle is 3.2.
  • Reflective paint or mirror coating is applied to the surface on the light source side of the portion 1051B so as to reduce the amount of light that passes through the reflecting surface 105B and irradiates directly above it, thereby making the luminance more uniform.
  • Comparative Example 1 10 is a perspective view, a side view, and a plan view of an illumination lens of Comparative Example 1.
  • the illumination lens 100X of Comparative Example 1 is incident on the incident surface 101X, which is a surface configured to cover the LED, which is a light emitting element (not shown) located at the bottom, and on the outer side of the incident surface 101X, and is incident from the incident surface 101X.
  • an axially symmetric emission surface 103 ⁇ / b> X that emits the light of the LED.
  • the height of the illumination lens 100X and the height (depth) of the incident surface 101X are h and d, respectively (FIG. 10B).
  • Let r be the radius of the cross section of the exit surface 103X at z 0 (FIG. 10C).
  • the shape of the exit surface 103X of the illumination lens 100X of Comparative Example 1 is the same as the shape of the exit surface 103A of the illumination lens 100A of Example 1.
  • the parameters representing the illumination lens 100X of Example 1 are as follows. Height h: 5.0 Incident surface depth d: 3.0 Lens radius r: 9.3 Incident surface (axisymmetric aspheric surface)
  • Sag is the amount of sag and represents the distance in the z-axis direction from the vertex of the incident surface to a point on the surface.
  • I is a positive integer
  • c, k, and ⁇ i are constants.
  • Example 1 Comparison between Example 1 and Comparative Example 1
  • the function of the illumination lens 101A of Example 1 and the function of the illumination lens 101X of Comparative Example 1 will be compared and described.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the function of the illumination lens 101A of the first embodiment.
  • FIG. 11A is a plan view of an illumination module 100A in which four illumination lenses 101A are arranged.
  • the shading in FIG. 11A represents the luminance of the surface of the illumination module 100A. The closer to white, the higher the brightness.
  • FIG. 11B is a diagram showing the luminance of the cross section A of FIG. The variation in luminance is in the range of about 8%.
  • FIG. 11 (c) is a diagram showing the luminance of the cross section B of FIG. 11 (a).
  • the variation in luminance is in the range of about 8%.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining the function of the illumination lens 101X of the first comparative example.
  • FIG. 12A is a plan view of an illumination module 100X in which four illumination lenses 101X are arranged.
  • the shading in FIG. 12A represents the luminance of the surface of the illumination module 100A. The closer to white, the higher the brightness.
  • FIG. 12B is a diagram showing the luminance of the cross section A of FIG. The brightness variation is greater than 20%. On the cross section A, the brightness of the intermediate point between the light sources is high.
  • FIG. 12C is a diagram showing the luminance of the cross section B of FIG. The variation in brightness is greater than 15%. On the cross section B, the brightness of the intermediate point between the light sources is low.
  • Example 11 is compared with FIG. 12, it can be seen that the illumination lens 101A of Example 1 significantly reduces the luminance variation of the illumination module as compared to the illumination lens 101X of Comparative Example 1.

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Abstract

　底部に位置する該発光素子を覆うように構成された面である入射面と、該入射面の外側に位置し、該入射面から入射した該発光素子の光を出射する、軸対称な出射面と、を備えた照明用レンズであって、該出射面の軸をｚ軸とし、該照明用レンズの底部の位置をｚ＝０としてｚ＝０を含みｚ軸に直交する面内にｘ、ｙ軸を定め、該入射面は、ｙｚ面及びｘｚ面に関して対称であり、該入射面のｘｙ面に平行な断面の断面積は、ｚ座標が増加するにしたがって単調に減少し、該入射面のｚ座標の最大値をｄとして、ｚ＝（１／３）ｄの位置における該入射面の断面上の点（ｘ、ｙ）は、以下の式で表せ、ｆ（θ）≦０．９５を満足する断面上の点が存在する。ただし、該出射面のｚ＝０における断面の半径をｒ、ａ，ｂを正の定数、θ＝ｔａｎ－１（ｙ／ｘ）、ｆ（０）＝ｆ（π／２）＝１．０として、ａ＜０．５ｒかつｂ＜０．５ｒである。

Description

照明装置
　本発明は、照明モジュールに使用される照明用レンズ及び照明モジュールに関する。
　照明モジュールの一例として、発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用したバックライト用照明モジュールが、テレビのバックライトなどの大型の面発光照明系として使用されている。ＬＥＤを使用したバックライト用照明モジュールは、側面発光のＬＥＤをバックライトの周縁部に配置し、これらのＬＥＤからの光を導光板によって面発光に変換するエッジライト型のものと、多数の直上方向へ発光するＬＥＤを面上に配列することで面光源を実現する直下型のものとの二種類がある。エッジライト型のものは薄型化するのに有利である。他方、直下型のものは、表示する画面のコントラストを反映して個々のＬＥＤの発光量を制御することができるので、画質の向上や省エネルギーの点で有利である。
　図１は、直下型バックライト用照明モジュールの平面図である。直下型バックライト用照明モジュールは、筐体２０９と、反射板２０３と、基板２０７と照明用レンズ１２０と、を含む。筐体２０９の底面に反射板２０３が設置され、反射板２０３上に複数の線状の基板２０７が互いに平行に配置される。基板２０７上には、一定の間隔でＬＥＤを含む照明用レンズ１２０が配置される。この結果、ＬＥＤを含む照明用レンズ１２０は、図１に示すように矩形格子の格子点の位置に配置される。
　図２は、直下型バックライト用照明モジュールの側面図である。ＬＥＤ２０１から放出された光は、照明用レンズ１２０を経由して拡散板２０５に達する。拡散板２０５に達した光の一部は、拡散板２０５を透過して出射される。拡散板２０５に達した光の他の部分は、拡散板２０５で反射され、反射板２０３に至り、反射板２０３で反射された後、再び拡散板２０５に達し、拡散板２０５を透過して出射される。このように、拡散板２０５から放出される光の輝度を、拡散板２０５の全域にわたり均一化するために、照明用レンズ１２０、反射板２０３及び拡散板２０５が使用される。
　図３は、別のタイプの直下型バックライト用照明モジュールの側面図である。ＬＥＤ２０１から放出された光は、照明用レンズ１４０の面で反射され、反射板２０３に至り、反射板２０３で反射された後、拡散板２０５に達し、拡散板２０５を透過して出射される。このような構成によって、より薄型で、より均一な輝度分布の直下型バックライト用照明モジュールを実現することができる。
　しかし、従来の直下型バックライト用照明モジュールの拡散板の輝度は十分に均一化されていなかった。
　図４は、従来の直下型バックライト用照明モジュールの拡散板の輝度ムラを説明するための図である。図４において、ＬＥＤ２０１を含む照明用レンズ１２０は、矩形格子の格子点の位置に配置されている。図４において、ＬＥＤ２０１を含む照明用レンズ１２０の照明範囲をＩＬで示す。照明用レンズ１２０の形状は軸対称であるので、照明範囲ＩＬは、円形である。一方、上述のように複数の照明用レンズ１２０は、矩形格子の格子点の位置に配置されているので、拡散板上には輝度の高い明部Ｒ１と輝度の低い暗部Ｒ２とが生じる。
　このような輝度ムラを解消するために、外側の輪郭を矩形状とした照明用レンズが開発されている（特許文献１、特許文献２）。しかし、照明用レンズの外側の輪郭を矩形状とすると、軸対称の構成と比べて光源からの光線がレンズから射出するときの入射角が大きくなり、フレネル反射や全反射の成分が増加し、照射面に照度ムラが発生する。このような照度ムラを避けるためにはレンズを大型化する必要がある。
　また、輝度ムラを解消する別の構成として、光源を六角格子状に配置する構成が提案されている（特許文献３、特許文献４）。しかし、この構成の場合、照明領域も六角格子状になるので、テレビなどに使用する一般的なバックライトで要求される長矩形の照明範囲と端部においてミスマッチを生じ、照明光を有効に活用できないという問題がある。
　このように、矩形格子状に配置された光源から構成される照明モジュールの輝度を均一とする照明用レンズ、及び矩形格子状に配置された光源から構成される輝度の均一な照明モジュールは開発されていない。
特許４８６３３５７号公報 特許４８４２１０７号公報 特開２００５－１１５３７２号公報 特許４３３２５３９号公報
　したがって、矩形格子状に配置された光源から構成される照明モジュールの輝度を均一とする照明用レンズ、及び矩形格子状に配置された光源から構成される輝度の均一な照明モジュールに対するニーズがある。
　本発明の第１の態様の照明用レンズは、発光素子からの光を拡散する照明用レンズであって、底部に位置する該発光素子を覆うように構成された面である入射面と、該入射面の外側に位置し、該入射面から入射した該発光素子の光を出射する、軸対称な出射面と、を備えた照明用レンズである。該出射面の軸をｚ軸とし、該照明用レンズの底部の位置をｚ＝０としてｚ＝０を含みｚ軸に直交する面内にｘ、ｙ軸を定め、該入射面は、ｙｚ面及びｘｚ面に関して対称であり、該入射面のｘｙ面に平行な断面の断面積は、ｚ座標が増加するにしたがって単調に減少し、該入射面のｚ座標の最大値をｄとして、ｚ＝（１／３）ｄの位置における該入射面の断面について、該出射面のｚ＝０における断面の半径をｒ、ａ，ｂを正の定数、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 として、該入射面の該断面上の点（ｘ、ｙ）は、

Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 で表され、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 であり、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 を満足する点を含み、
　ａ＜０．５ｒかつｂ＜０．５ｒ
である。
　本態様によれば、矩形格子状に配置された光源から構成される照明モジュールの輝度を均一とする照明用レンズが得られる。
　本発明の第１の態様の第１の実施形態の照明用レンズは、さらに反射面を備え、該入射面から入射した該発光素子からの光の少なくとも一部が該反射面に反射されてから該出射面に至るように構成されている。
　本実施形態の照明用レンズを使用することにより、より薄型で、より均一な輝度分布を有する照明モジュールを実現することができる。
　本発明の第１の態様の第２の実施形態の照明用レンズにおいては、該入射面は、ｚ軸上に頂点を有し、該頂点から該入射面上の座標（ｘ、ｙ）の点までのｚ軸方向の距離Ｓａｇが、ｉ、ｊは正の整数であり、ｃ、ｋ及びＡｉ，ｊは、定数であるとして、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 で表される。
　本実施形態によれば、ｘｉｙｊの項によって入射面を簡単に表現することができる。
　本発明の第１の態様の第３の実施形態の照明用レンズにおいては、該入射面が、辺の部分に面取り加工やフィレット加工を施した四角錐台で構成されている。
　本実施形態によれば、四角錐台からなる形状とすることにより、入射面を簡単に設計することができる。
　本発明の第１の態様の第４の実施形態の照明用レンズにおいては、ｆ（θ）がθ＝π／４において最小値を有する連続関数である。
　本発明の第２の態様による照明モジュールは、面上に矩形の格子状に配置された発光素子と、それぞれの発光素子を覆い、矩形の２辺の方向がｘ軸及びｙ軸と一致するように配置された第１の態様のいずれかの照明用レンズと、該照明用レンズを覆うように形成された拡散板とを備えている。
　本態様の照明モジュールは、本発明の第１の態様のいずれかの照明用レンズを使用するので、矩形格子状に配置された光源から構成される照明モジュールの輝度を均一とすることができる。
　本発明の第２の態様の第１の実施形態による照明モジュールは、第２の態様の照明モジュールであって、ｘ軸方向の発光素子の間隔をｌｘ、ｙ軸方向の発光素子の間隔をｌｙとして、ｂ／ａをｌｘ／ｌｙの関数として定めている。
　本実施形態によれば、ｘ軸方向の発光素子の間隔ｌｘ、ｙ軸方向の発光素子の間隔ｌｙに対応して、輝度を均一にする照明モジュールを実現することができる。
直下型バックライト用照明モジュールの平面図である。 直下型バックライト用照明モジュールの側面図である。 別のタイプの直下型バックライト用照明モジュールの側面図である。 従来の直下型バックライト用照明モジュールの拡散板の輝度ムラを説明するための図である。 本発明の一実施形態の照明用レンズの構成を示す図である。 本実施形態の照明用レンズの機能を説明するための図である。 実施例１の照明用レンズの斜視図、側面図及び平面図である。 実施例１の照明用レンズのｚ＝０．３ｄにおける断面形状を説明するための図である。 実施例２の照明用レンズの斜視図、側面図及び平面図である。 比較例１の照明用レンズの斜視図、側面図及び平面図である。 実施例１の照明用レンズの機能を説明するための図である。 比較例１の照明用レンズの機能を説明するための図である。
　図５は、本発明の一実施形態の照明用レンズの構成を示す図である。照明用レンズは、底部に位置する図示しない発光素子であるＬＥＤを覆うように構成された面である入射面１０１と、入射面１０１の外側に位置し、入射面１０１から入射したＬＥＤの光を出射する、軸対称な出射面１０３と、を備える。なお、本発明の照明用レンズは、レーザーダイオードや有機エレクトロルミネセンスライトなどＬＥＤ以外の光源にも使用することができる。
　出射面１０３の軸をｚ軸とし、照明用レンズの底部の位置をｚ＝０としてｚ＝０を含みｚ軸に直交する面内にｘ、ｙ軸を定める。出射面１０３のｚ＝０における断面の半径をｒとする。入射面１０１は、ｙｚ面及びｘｚ面に関して対称であり、入射面１０１のｘｙ面に平行な断面の断面積は、ｚ座標が増加するにしたがって単調に減少する。入射面１０１のｚ座標の最大値をｄとして、ｚ＝（１／３）ｄの位置における入射面１０１の断面上の点（ｘ、ｙ）は、ａ，ｂを定数、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 として、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 で表され、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 であり、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 を満足する点を含み、
　ａ＜０．５ｒかつｂ＜０．５ｒ
である。
　ここで、式（２）及び（３）を満足させながらｆ（θ）を調整することにより、断面形状は楕円と菱形の間の形状となる。図５において、Ａは断面形状を示す。Ｂ及びＣは、ｆ（θ）＝１の場合及びｆ（θ）＝０．９５の場合の楕円を示す。図５において、ＡとＣとの交点と原点（０，０）とを結ぶ直線がｘ軸となす角度を、それぞれ、θ１及びθ２とする。θ１は約１０度であり、θ２は約５５度である。したがって、Ａのｆ（θ）は、約１０度から約５５度の領域で連続して０．９５より小さく、その領域以外の角度では０．９５以上となっている。
　入射面１０１のサイズがレンズの外形に比べて十分に小さくないと、入射面１０１からの光線が出射面１０３に対して大きな入射角度を有することになる。光線が出射面１０３に対して大きな入射角度を有するとフレネル反射の成分が増加する。また、臨界角以上で出射面１０３に入射する光線の経路が生じる場合もある。このようにして生じた反射光線は照度ムラの原因となるので、入射面１０１の断面サイズはレンズ外形に対して十分に小さくすべきである。そこで、ｚ＝（１／３）ｄの位置における入射面１０１の断面形状について、上述のようにａ＜０．５ｒかつｂ＜０．５ｒとした。
　図６は、本実施形態の照明用レンズの機能を説明するための図である。本実施形態の照明用レンズの、ｚ＝（１／３）ｄの位置における入射面１０１の断面形状は、菱形に近い形状であるので、光源２０１からｘ方向（図６の水平方向）あるいはｙ方向（図６の鉛直方向）に放射された光線は、入射面１０１で透過屈折し対角方向へ向かう。したがって、個々の光源からｘ方向あるいはｙ方向に放射された光線は、入射面で透過屈折し対角方向へ向かう。この結果、個々照明用レンズの照明領域ＩＬが光源配置と同様の矩形に近付き、全体の照度ムラを減少させ、分布を改善することができる。
　ｆ（θ）を調整することにより、断面形状を楕円から菱形に近づけるとｘ方向及びｙ方向から対角方向へ向けられる光線の量が増加する。しかし、完全な菱形とすると、ｘ方向及びｙ方向へ向かう光線の量が不足し、ｘ方向及びｙ方向の光源間の中間点に暗部が生じる場合がある。そこで、輝度の均一度を向上させるように、式（２）及び（３）を満足させながらｆ（θ）を調整することによって、楕円と菱形との間で断面形状を定める。
　ここで、ａとｂとの比の定め方について説明する。図１に示すように、ｘ方向（図１の水平方向）及びｙ方向（図１の鉛直方向）のＬＥＤの間隔を、それぞれ、ｌｘ及びｌｙとする。ＬＥＤから拡散板までの距離をＤとして、ｌｘ／Ｄ及びｌｙ／Ｄの大きさに対応するように、それぞれ、ｄ／ａ及びｄ／ｂの大きさを定める。すなわち、ｌｘ／ｌｙの大きさとｂ／ａの大きさとは対応する。そこで、ａとｂとの比は、ｌｙ／ｌｘに対応するように定める。具体的には、たとえば、ｋは、０．６７（＝２／３）から１．５（＝３／２）の範囲の値として、
　ａ／ｂ＝ｋ（ｌｙ／ｌｘ）
とする。
　以下において、本発明の実施例及び比較例について説明する。以下の実施例及び比較例においては、ａ＝ｂとしている。また、長さの単位は他に記載のない限りミリメータである。
実施例１
　図７は、実施例１の照明用レンズの斜視図、側面図及び平面図である。
　実施例１の照明用レンズ１００Ａは、底部に位置する図示しない発光素子であるＬＥＤを覆うように構成された面である入射面１０１Ａと、入射面１０１Ａの外側に位置し、入射面１０１Ａから入射したＬＥＤの光を出射する、軸対称な出射面１０３Ａと、を備える。出射面１０３Ａの軸をｚ軸とし、照明用レンズの底部の位置をｚ＝０としてｚ＝０を含みｚ軸に直交する面内にｘ、ｙ軸を定める。照明用レンズ１００Ａの高さ及び入射面１０１Ａの高さ（深さ）を、それぞれ、ｈ及びｄとする（図７（ｂ））。入射面１０１Ａは、ｚ軸上に最も高い点、すなわち頂点を有する。出射面１０３Ａのｚ＝０における断面の半径をｒとする（図７（ｃ））。
　実施例１の照明用レンズ１００Ａを表すパラメータは以下のとおりである。

　高さh：5.0
　入射面深さｄ：3.0
　レンズ半径ｒ：9.3

入射面１０１Ａ（ｘｙ多項式）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 　ここで、Sagとはサグ量であり、ｚ軸上の入射面の頂点から面上の点までのｚ軸方向の距離を表す。また、ｉ、ｊは正の整数であり、ｃ、ｋ及びＡｉ，ｊは、定数である。
　ｃ：0.667
　ｋ：-5
　Ａ２０：-1.45
　Ａ０２：-1.45
　Ａ４０：0.2
　Ａ２２：0.1
　Ａ０４：0.2
　Ａ６０：-0.01
　Ａ０６：-0.01

出射面１０３Ａ（軸対称非球面）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 　ここで、Sagとはサグ量であり、出射面の頂点から面上の点までのｚ軸方向の距離を表す。また、ｉ、ｊは正の整数であり、ｃ、ｋ及びαｉ，ｊは、定数である。
　ｃ：0
　ｋ：0
　α２：-6.0E-3
　α４：-5.0E-4
　α６：-1.0E-6
　図８は、実施例１の照明用レンズ１００Ａの入射面１０１Ａのｚ＝０．３ｄにおける断面形状を説明するための図である。
　図８（ａ）は、実施例１の照明用レンズ１００Ａの入射面１０１Ａのｚ＝０．３ｄにおける断面形状を示す図である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 として、入射面１０１Ａの断面上の点（ｘ、ｙ）は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 で表される。ここで、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
 であり、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
 を満足する点を含み、
　ａ＜０．５ｒかつｂ＜０．５ｒ
である。
　図８（ａ）は、上記の断面形状の他に
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
 の曲線を示す。
　図８（ａ）から明らかなように、上記の式（２）及び式（３）は満足される。
　図８（ｂ）は、θとｆ（θ）との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、θを示し、縦軸はｆ（θ）を示す。ｆ（θ）は、θが２１度から６９度の範囲で連続して０．９５より小さく、その他の範囲で０．９５以上である。
　断面形状のｘ方向切片ａ＝１．５６、ｙ方向切片ｂ＝１．５６であり、共に０．５ｒ＝４．６５よりも十分に小さく、ａ＜０．５ｒかつｂ＜０．５ｒを満足する。
実施例２
　図９は、実施例２の照明用レンズの斜視図、側面図及び平面図である。
　実施例２の照明用レンズ１００Ｂは、底部に位置する図示しない発光素子であるＬＥＤを覆うように構成された面である入射面１０１Ｂと、入射面１０１Ｂに対向して位置し、入射面１０１Ｂから入射したＬＥＤの光を反射する反射面１０５Ｂと、側面に位置し、反射面１０５Ｂによって反射されたＬＥＤの光を出射する、軸対称な出射面１０３Ｂと、を備える。出射面１０３Ｂの軸をｚ軸とし、照明用レンズの底部の位置をｚ＝０としてｚ＝０を含みｚ軸に直交する面内にｘ、ｙ軸を定める。照明用レンズ１００Ｂの中心部の高さ及び入射面１０１Ｂの高さ（深さ）を、それぞれ、ｈ及びｄとする。出射面１０３Ｂの最大高さにおけるｘｙ面と平行な断面の半径をｒとする（図９（ｃ））。
　入射面１０１Ｂは、ｘｙ面に対する傾きの小さな側面を有する四角錐台の上に傾きの大きな側面を有する四角錐台を重ねた形状である。ＬＥＤから放射された光は、入射面１０１Ｂによって、光軸（ｚ軸）から離れる方向に拡散されるとともに、ｘ軸方向及びｙ軸方向から対角方向へ偏向される。入射面１０１Ｂを透過した光は、反射面１０５Ｂによって全反射され、出射面１０３Ｂから側方へ出射される。
　実施例２の照明用レンズ１００Ｂを表すパラメータは以下のとおりである。

　中心高さh：3.06
　入射面深さｄ：2.26
　レンズ半径ｒ：11.0
　
入射面（四角錐台）
　０＜ｚ＜０．９７５
　断面サイズ（ｚ＝０）：　　　　１辺7.5の正方形（菱形）
　断面サイズ（ｚ＝０．９７５）：１辺2.9の正方形（菱形）
　０．９７５＜ｚ＜２．２６
　断面サイズ（ｚ＝０．９７５）：１辺2.9の正方形（菱形）
　断面サイズ（ｚ＝２．２６）：　１辺1.0の正方形（菱形）

反射面（軸対称非球面）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
 　ここで、Sagとはサグ量であり、ｚ＝２．５２から面上の点までのｚ軸方向の距離を表す。また、ｉは正の整数であり、ｃ、ｋ及びαｉは、定数である。
　ｃ：0
　ｋ：0
　α１：0.55
　α２：-0.053
　α３：1.81E-3

出射面（トーラス面）
　内径：4.9
　回転径：12.83
　入射面１０１Ｂの四角錐台の辺（エッジ）の部分は、そのまま使用すると光路が分割され、照度ムラや色ムラの原因となるので、面取り加工やフィレット加工などを行って使用する。
　実施例２の照明用レンズ１００Ｂの入射面１０１Ｂのｚ＝０．３ｄにおける断面について、図９（ｃ）に示すように、断面は正方形（菱形）であるので、上述の式（２）及び式（３）は満足される。
　式（１）のｆ（θ）は、θが２１．２度から７８．８度の範囲で連続して０．９５より小さく、その他の範囲で０．９５以上である。
　式（１）のａ及びｂは、１．５６であり、共に０．５ｒ＝５．５よりも十分に小さく、ａ＜０．５ｒかつｂ＜０．５ｒを満足する。
　反射面１０５Ｂのｚ軸の周りの部分１０５１Ｂは、ｚ軸に垂直な円形の面から構成されている。円の直径は３．２である。反射面１０５Ｂを透過して直上に照射される光量を減少させ輝度をより均一化するように、部分１０５１Ｂの光源側の面には、反射性塗料または鏡面コートが施されている。
比較例１
　図１０は、比較例１の照明用レンズの斜視図、側面図及び平面図である。
　比較例１の照明用レンズ１００Ｘは、底部に位置する図示しない発光素子であるＬＥＤを覆うように構成された面である入射面１０１Ｘと、入射面１０１Ｘの外側に位置し、入射面１０１Ｘから入射したＬＥＤの光を出射する、軸対称な出射面１０３Ｘと、を備える。出射面１０３Ｘの軸をｚ軸とし、照明用レンズの底部の位置をｚ＝０としてｚ＝０を含みｚ軸に直交する面内にｘ、ｙ軸を定める。照明用レンズ１００Ｘの高さ及び入射面１０１Ｘの高さ（深さ）を、それぞれ、ｈ及びｄとする（図１０（ｂ））。出射面１０３Ｘのｚ＝０における断面の半径をｒとする（図１０（ｃ））。
　比較例１の照明用レンズ１００Ｘの出射面１０３Ｘの形状は、実施例１の照明用レンズ１００Ａの出射面１０３Ａの形状と同じである。入射面１０１Ｘの形状は、ｘ＝０及びｙ＝０断面で照明用レンズ１００Ａの入射面１０１Ａの形状と同じで、軸対称な形状である。
　実施例１の照明用レンズ１００Ｘを表すパラメータは以下のとおりである。

　高さh：5.0
　入射面深さｄ：3.0
　レンズ半径ｒ：9.3

入射面（軸対称非球面）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
 　ここで、Sagとはサグ量であり、入射面の頂点から面上の点までのｚ軸方向の距離を表す。また、ｉは正の整数であり、ｃ、ｋ及びαｉは、定数である。
　ｃ：0.667
　ｋ：-5
　α２：-1.45
　α４：0.2
　α６：-0.01

出射面（軸対称非球面）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
 　ここで、Sagとはサグ量であり、出射面の頂点から面上の点までのｚ軸方向の距離を表す。また、ｉは正の整数であり、ｃ、ｋ及びαｉは、定数である。
　ｃ：0
　ｋ：0
　α２：-6.0E-3
　α４：-5.0E-4
　α６：-1.0E-6
実施例１と比較例１との比較
　実施例１の照明用レンズ１０１Ａの機能と比較例1の照明用レンズ１０１Ｘの機能とを比較しながら説明する。
　図１１は、実施例１の照明用レンズ１０１Ａの機能を説明するための図である。
　図１１（ａ）は、４個の照明用レンズ１０１Ａが配置された照明モジュール１００Ａの平面図である。図１１（ａ）の濃淡は、照明モジュール１００Ａの面の輝度を表す。白に近いほど輝度が高いことを示す。
　図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の断面Ａの輝度を示す図である。輝度のばらつきは、約８％の範囲に収まっている。
　図１１（ｃ）は、図１１（ａ）の断面Ｂの輝度を示す図である。輝度のばらつきは、約８％の範囲に収まっている。
　図１２は、比較例１の照明用レンズ１０１Ｘの機能を説明するための図である。
　図１２（ａ）は、４個の照明用レンズ１０１Ｘが配置された照明モジュール１００Ｘの平面図である。図１２（ａ）の濃淡は、照明モジュール１００Ａの面の輝度を表す。白に近いほど輝度が高いことを示す。
　図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の断面Ａの輝度を示す図である。輝度のばらつきは、２０％より大きい。断面Ａ上において光源間の中間点の輝度が高くなっている。
　図１２（ｃ）は、図１２（ａ）の断面Ｂの輝度を示す図である。輝度のばらつきは、１５％よりも大きい。断面Ｂ上において光源間の中間点の輝度が低くなっている。
　図１１と図１２とを比較すると、実施例１の照明用レンズ１０１Ａは、比較例１の照明用レンズ１０１Ｘよりも照明モジュールの輝度のばらつきを大幅に低下させることがわかる。

Claims (7)

  1. 　発光素子からの光を拡散する照明用レンズであって、底部に位置する該発光素子を覆うように構成された面である入射面と、
    　該入射面の外側に位置し、該入射面から入射した該発光素子の光を出射する、軸対称な出射面と、を備えた照明用レンズであって、
    　該出射面の軸をｚ軸とし、該照明用レンズの底部の位置をｚ＝０としてｚ＝０を含みｚ軸に直交する面内にｘ、ｙ軸を定め、
    　該入射面は、ｙｚ面及びｘｚ面に関して対称であり、該入射面のｘｙ面に平行な断面の断面積は、ｚ座標が増加するにしたがって単調に減少し、
    　該入射面のｚ座標の最大値をｄとして、ｚ＝（１／３）ｄの位置における該入射面の断面上の点（ｘ、ｙ）は、該出射面のｚ＝０における断面の半径をｒ、ａ，ｂを正の定数、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     として、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     で表され、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     であり、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     を満足する点を含み、
    　ａ＜０．５ｒかつｂ＜０．５ｒ
    である照明用レンズ。
  2. 　さらに反射面を備え、該入射面から入射した該発光素子からの光の少なくとも一部が該反射面に反射されてから該出射面に至るように構成された請求項１に記載の照明用レンズ。
  3. 　該入射面は、ｚ軸上に頂点を有し、該頂点から該入射面上の座標（ｘ、ｙ）の点までのｚ軸方向の距離Ｓａｇが、ｉ、ｊは正の整数であり、ｃ、ｋ及びＡｉ，ｊは、定数であるとして、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
     で表される請求項１または２に記載の照明用レンズ。
  4. 　該入射面が、辺の部分に面取り加工やフィレット加工を施した四角錐台で構成される請求項１または２に記載の照明用レンズ。
  5. 　ｆ（θ）がθ＝π／４において最小値を有する連続関数である請求項１に記載の照明用レンズ。
  6. 　面上に矩形の格子状に配置された発光素子と、それぞれの発光素子を覆い、矩形の２辺の方向がｘ軸及びｙ軸と一致するように配置された請求項１から５のいずれかに記載の照明用レンズと、該照明用レンズを覆うように形成された拡散板とを備えた、照明モジュール。
  7. 　ｘ軸方向の発光素子の間隔をｌｘ、ｙ軸方向の発光素子の間隔をｌｙとして、ｂ／ａをｌｘ／ｌｙの関数として定めた請求項６に記載の照明モジュール。
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