WO2023166826A1 - 面状照明装置 - Google Patents

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WO2023166826A1
WO2023166826A1 PCT/JP2022/047260 JP2022047260W WO2023166826A1 WO 2023166826 A1 WO2023166826 A1 WO 2023166826A1 JP 2022047260 W JP2022047260 W JP 2022047260W WO 2023166826 A1 WO2023166826 A1 WO 2023166826A1
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WO
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optical element
light
lens
light sources
illumination device
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Application number
PCT/JP2022/047260
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English (en)
French (fr)
Inventor
銀河 伊藤
雅也 藤原
Original Assignee
ミネベアミツミ株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S2/00—Systems of lighting devices, not provided for in main groups F21S4/00 - F21S10/00 or F21S19/00, e.g. of modular construction
    • 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 a planar lighting device.
  • planar lighting device used for the backlight of a liquid crystal panel
  • a direct type planar lighting device in which light sources (point light sources) such as LEDs (Light Emitting Diodes) are arranged two-dimensionally, for example in a grid pattern.
  • light sources point light sources
  • LEDs Light Emitting Diodes
  • luminance unevenness caused by a light-dark difference between the light source portion and the portion between the adjacent light sources, and chromaticity unevenness due to insufficient color mixture for pseudo-white are eliminated.
  • a diffuser plate is often provided for suppression. However, the diffusion plate diffuses the light in all directions, and the light is emitted in unnecessary directions, resulting in a decrease in light utilization efficiency.
  • a lenticular lens capable of spreading light over a predetermined angular range may be provided.
  • a lenticular lens has a large number of fine concave-convex grooves in one direction, and is provided in two directions perpendicular to each other in the emission surface when it is desired to spread light in the horizontal direction and the vertical direction.
  • a linear Fresnel lens having uneven grooves extending in one direction emits light from the light source.
  • the optical axis is tilted by a peak shift prism with concave and convex grooves extending in the same direction as the linear Fresnel lens, realizing a narrow light distribution in the direction perpendicular to the grooves (e.g., vertical and vertical directions).
  • a peak shift prism with concave and convex grooves extending in the same direction as the linear Fresnel lens, realizing a narrow light distribution in the direction perpendicular to the grooves (e.g., vertical and vertical directions).
  • the number of lenses increases because the number of lens functional surfaces increases.
  • the reduction in the number of lenses reduces losses due to light absorption and surface reflection, an improvement in light utilization efficiency can be expected.
  • JP 2020-134633 A Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2012-203092
  • the present invention has been made in view of the above.
  • the purpose is to provide an apparatus.
  • a planar illumination device includes a substrate, a first optical element, a second optical element, and a third optical element. , a pair of fourth and fifth optical elements, and a sixth optical element.
  • a plurality of light sources are two-dimensionally arranged on the substrate.
  • the first optical element is arranged on the emission side of the plurality of light sources and condenses the light emitted from the plurality of light sources.
  • the second optical element is arranged on the output side of the first optical element, and tilts the light distribution of the light condensed by the first optical element with respect to the first axial direction in the output surface. .
  • the third optical element is arranged on the output side of the second optical element and spreads the light tilted by the second optical element in the first axial direction.
  • the pair of fourth and fifth optical elements are arranged on the output side of the plurality of light sources and spread the light in a second axial direction orthogonal to the first axial direction within the emission surface.
  • the sixth optical element is a composite of the second optical element and the third optical element, and is substituted for the second optical element and the third optical element.
  • a planar lighting device can reduce luminance unevenness and chromaticity unevenness, and can reduce the number of lenses.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a planar lighting device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing the structure of the planar illumination device of FIG. 1.
  • FIG. 3A and 3B are cross-sectional views taken along line AA and line BB of the planar illumination device of FIG. 4 is a perspective view of the reflector shown in FIGS. 2 and 3;
  • FIG. 5 is a front view, CC cross-sectional view, and DD cross-sectional view of the reflector.
  • 6A and 6B are diagrams showing the behavior of light in cross-sectional views taken along lines AA and BB in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing a lens configuration example of a comparative example.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a planar lighting device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing the structure of the planar illumination device of FIG. 1.
  • FIG. 3A and 3B are cross-
  • FIG. 8 is the behavior of light in the comparative example of FIG. 7 and its enlarged view.
  • FIG. 9 shows the behavior of light and its enlarged view in the first embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view of a planar illumination device with a 5 ⁇ 5 light source array for simulation.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a luminance cross-sectional profile by single lighting.
  • FIG. 12 is a diagram showing a cross-sectional luminance profile with full lighting in the comparative example of FIG.
  • FIG. 13 is a diagram showing a cross-sectional luminance profile with full lighting in the first embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of the lens configuration of the planar lighting device according to the second embodiment; FIG.
  • FIG. 15 is an example of a cross section of a compound prism provided on the incident surface of the light distribution/field range adjusting lens.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of light behavior when no compound prism is used and an example of light behavior in the second embodiment where a compound prism is used.
  • FIG. 17 is a diagram showing a first modified example of a lens configuration including compound prisms.
  • FIG. 18 is a diagram showing a second modification of the lens configuration including compound prisms.
  • FIG. 19 is a diagram showing a third modification of the lens configuration including compound prisms.
  • FIG. 20 is a diagram showing a fourth modification of the lens configuration including compound prisms.
  • FIG. 21 is a diagram showing a first modification of the reflector.
  • FIG. 22 is a diagram showing a second modification of the reflector.
  • FIG. 23 is a diagram showing a first modified example of the condensing lens.
  • FIG. 24 is a diagram showing a second modification of the condensing lens
  • a planar illumination device will be described below with reference to the drawings.
  • this invention is not limited by this embodiment.
  • the dimensional relationship of each element in the drawings, the ratio of each element, and the like may differ from reality. Even between the drawings, there are cases where portions with different dimensional relationships and ratios are included.
  • the contents described in one embodiment and modification are in principle similarly applied to other embodiments and modifications.
  • FIG. 1 is a view showing a configuration example of a planar illumination device 1 according to the first embodiment, the center is a view from the direction facing the light emitting surface (output surface), the right is a sectional view along AA, and the top is is a BB sectional view.
  • the light emitting surface of the planar lighting device 1 is in the XY plane, and the thickness direction of the planar lighting device 1 is the Z direction.
  • the planar lighting device 1 has a substantially rectangular plate-like outer shape, and light is emitted from the inside of the opening 9 a of the frame 9 .
  • the outer shape of the planar illumination device 1 is not limited to that shown in the drawing.
  • the "optical axis shift" shown in the figure means that the optical axis is tilted. Optical axis shift is sometimes called peak shift. Note that the optical axis shift may not be performed depending on the application.
  • the optical axis is tilted to the negative direction side of the Y axis of the planar illumination device 1 (diagonally to the lower right in the figure), thereby realizing a narrower visual field range.
  • the light distribution characteristic in the X-axis direction of the planar illumination device 1 indicates that a wide visual field range is realized with the normal direction of the light emitting surface as the optical axis.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing the structure of the planar illumination device 1 of FIG. 3A and 3B are cross-sectional views taken along line AA and line BB of the planar illumination device 1 of FIG. 2 and 3, illustration of the frame 9 is omitted.
  • the planar illumination device 1 includes a substrate 2, a light source 3, a reflector 4, a condensing lens 5, a light distributing lens 6, and a viewing range adjusting lens 7.
  • a plurality of light sources 3 such as LEDs (Light Emitting Diodes) are arranged two-dimensionally, for example, in a grid pattern on a substantially rectangular substrate 2 .
  • Each of the plurality of light sources 3 is driven individually and can cope with so-called local dimming.
  • a reflector 4 is arranged on the emission side of the plurality of light sources 3 .
  • the structure of reflector 4 will be described later.
  • a condensing lens 5 is arranged on the emission side of the plurality of light sources 3 and the reflectors 4 .
  • the condenser lens 5 has a linear Fresnel lens 5a as a first optical element that extends in the X-axis direction and collects the light emitted from the plurality of light sources 3 in the Y-axis direction.
  • the linear Fresnel lens 5a is provided on the surface opposite to the surface facing the substrate 2 (the exit surface of the condenser lens 5).
  • the linear Fresnel lens 5a has a prism structure in which a cylindrical convex lens is a Fresnel lens, and has uneven grooves extending in the X-axis direction. In the linear Fresnel lens 5a, grooves are periodically formed in accordance with the pitch of the light sources 3 (pitch in the Y-axis direction) arranged directly below.
  • a light distribution lens 6 is arranged on the output side of the condenser lens 5 .
  • the light distributing lens 6 has a linear prism 6a extending in the X-axis direction as a second optical element that tilts the light distribution of the light condensed by the condensing lens 5 with respect to the Y-axis direction.
  • the linear prism 6a is provided on the surface opposite to the surface facing the condenser lens 5 (the exit surface of the light distribution lens 6).
  • the linear prisms 6a have a substantially triangular prism structure extending in the X-axis direction, and are arranged continuously in the Y-axis direction. As a result, uneven grooves extending in the X-axis direction are formed on the output surface of the light distributing lens 6 .
  • the cross-sectional shape of the YZ plane of the linear prism 6a is a triangle, and the base angle of the side connecting the point on the positive Y-axis side of the base and the vertex is the point on the negative Y-axis side of the base and the vertex. smaller than the base angle of the side connecting
  • the Y-axis direction is an example of a first axial direction.
  • the X-axis direction is an example of a second axial direction.
  • the light distribution lens 6 also has a lenticular lens 6b extending in the Y-axis direction as a fourth optical element that spreads the light emitted from the plurality of light sources 3 in the X-axis direction.
  • the lenticular lens 6b is provided on the surface facing the condenser lens 5 (the incident surface of the light distribution lens 6).
  • the lenticular lens 6b has a semicylindrical fine semicylindrical prism structure extending in the Y-axis direction. The degree of diffusion of light by the lenticular lens 6b is adjusted by the contact angle of the fine semicylindrical prism structure.
  • a visual field range adjusting lens 7 is arranged on the output side of the light distribution lens 6 .
  • the visual field range adjusting lens 7 has a lenticular lens 7a extending in the X-axis direction as a third optical element that spreads the light tilted by the linear prism 6a, which is the second optical element, in the Y-axis direction.
  • the lenticular lens 7a is provided on a surface (incident surface) facing the light distributing lens 6 .
  • the lenticular lens 7a has a semicylindrical fine semicylindrical prism structure extending in the X-axis direction. The degree of diffusion of light by the lenticular lens 7a is adjusted by the contact angle of the fine semicylindrical prism structure. If the required viewing range is narrow, set the contact angle small.
  • the visual field range adjusting lens 7 also has a lenticular lens 7b extending in the Y-axis direction as a fifth optical element paired with the lenticular lens 6b as the fourth optical element.
  • the lenticular lens 7b is provided on the surface opposite to the surface facing the light distributing lens 6 (the output surface of the viewing range adjusting lens 7).
  • the lenticular lens 7b has a semicylindrical fine semicylindrical prism structure extending in the Y-axis direction. The degree of diffusion of light by the lenticular lens 7b is adjusted by the contact angle of the fine semicylindrical prism structure. If the required field of view is wide, set a large contact angle.
  • the visual field range adjusting lens 7 is provided with lenticular lenses in both the X-axis direction and the Y-axis direction. However, since the lenticular lenses have the same shape and pattern, there is no need to consider lens displacement.
  • an optical sheet such as a diffusion sheet or a polarizing reflection sheet may be arranged outside the visual field range adjusting lens 7 in some cases.
  • FIG. 4 is a perspective view of the reflector 4 shown in FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 5A and 5B are a front view, a CC sectional view, and a DD sectional view of the reflector 4.
  • FIG. 5A and 5B are a front view, a CC sectional view, and a DD sectional view of the reflector 4.
  • the wall portion 4c of the reflector 4 includes a plurality of first wall portions 4c-1 extending in the Y-axis direction and a plurality of second wall portions 4c-2 extending in the X-axis direction. are assembled in a grid pattern.
  • the wall portion 4c is assembled so that the bottom surface of the first wall portion 4c-1 and the bottom surface of the second wall portion 4c-2 are flush with each other.
  • the reflective surface 4a is the wall surface of the wall portion 4c.
  • the two reflecting surfaces 4a-1 facing each other between the two first walls 4c-1 adjacent in the X-axis direction are inclined away from each other toward the positive Z-axis direction.
  • Two reflecting surfaces 4a-2 facing each other between two second wall portions 4c-2 adjacent in the Y-axis direction are inclined away from each other toward the positive Z-axis direction.
  • the reflector 4 is made of, for example, white resin or the like in order to enhance the effect of reflection.
  • the reflector 4 of the embodiment is an injection-molded product.
  • the height of the first wall portion 4c-1 is defined by the viewing range in the X-axis direction
  • the height of the second wall portion 4c-2 is defined by the viewing range in the Y-axis direction.
  • the height of the second wall portion 4c-2 is increased as shown in the CC sectional view of FIG.
  • increasing the height of the second wall portion 4c-2 also plays a role of blocking light entering the linear Fresnel lens 5a of the adjacent segment, and also has a function of avoiding unintended light distribution. .
  • the height of the second wall portion 4c-2 extending in the X-axis direction (longitudinal direction) is higher than the height of the first wall portion 4c-1 extending in the Y-axis direction (lateral direction).
  • the reflector 4 of the embodiment is arranged so that the opening 4b on the light source 3 side is located on the emission side of the light emitting surface of the light source 3, as shown in FIG.
  • a light emitting surface of the light source 3 corresponds to the top surface of the light source 3 .
  • the bottom surface 4d of the wall portion 4c of the reflector 4 is positioned above the light emitting surface of the light source 3, floating above the substrate 2. As shown in FIG.
  • the wall 4c of the reflector 4 and the light source 3 would be close to each other, and when the reflector 4 and the light source 3 expand and contract, they may interfere with each other. .
  • the opening 4b of the reflector 4 is arranged at a position higher than the light emitting surface of the light source 3, even if the reflector 4 and the light source 3 expand and contract, the wall portion 4c of the reflector 4 and There is no possibility of contact with the light source 3.
  • the opening 4b of the reflector 4 can be made smaller than the outer periphery of the light source 3 as long as it is larger than the light emitting surface of the light source 3 in top view. That is, in the embodiment, the opening 4b can be made smaller.
  • the bottom surface 4d can be enlarged, and as a result, the walls 4c of the reflector 4, which are made by injection molding, can be raised. For this reason, in the embodiment, effects such as high contrast during local dimming and elimination of unnecessary light distribution can be obtained.
  • FIG. 6 is a diagram showing the behavior of light in the AA cross-sectional view and the BB cross-sectional view of FIG. 6, the light emitted from the light source 3 enters the condensing lens 5, is refracted by the linear Fresnel lens 5a provided on the exit surface of the condensing lens 5, and becomes substantially parallel light. and emitted.
  • the substantially parallel light emitted from the condensing lens 5 enters the light distributing lens 6, and is emitted with the optical axis tilted by the linear prism 6a provided on the light emitting surface of the light distributing lens 6.
  • the lenticular lens 6b provided on the incident surface of the light distributing lens 6 does not act in the Y-axis direction, so it does not affect the light collection by the linear Fresnel lens 5a and the peak shift by the linear prism 6a.
  • the light emitted from the light distributing lens 6 enters the viewing range adjusting lens 7 and is expanded by the lenticular lens 7a provided on the incident surface of the viewing range adjusting lens 7 to ensure the required viewing range in the Y-axis direction. be done.
  • the lenticular lens 7b provided on the exit surface of the viewing range adjusting lens 7 does not act in the Y-axis direction, so it does not affect the light spreading action of the lenticular lens 7a. If the light emitted from the light distribution lens 6 already satisfies the required viewing range, the lenticular lens 7a need not be provided.
  • the light emitted from the light source 3 enters the condenser lens 5 and is not refracted by the linear Fresnel lens 5a provided on the exit surface of the condenser lens 5. to This is because the linear Fresnel lens 5a does not act in the X-axis direction.
  • the light emitted from the condenser lens 5 enters the light distribution lens 6 and is spread by the lenticular lens 6 b provided on the incident surface of the light distribution lens 6 .
  • a linear prism 6a provided on the exit surface of the light distributing lens 6 does not act in the X-axis direction.
  • the light emitted from the light distribution lens 6 enters the viewing range adjusting lens 7 and is spread by the lenticular lens 7 b provided on the output surface of the viewing range adjusting lens 7 .
  • the lenticular lens 7a provided on the incident surface of the visual field range adjusting lens 7 does not act in the X-axis direction.
  • the behavior of the light emitted from the light source 3 in the X-axis direction is a wide light distribution as a whole, and is further spread in two stages by the pair of lenticular lenses 6b and 7b, so that the light is mixed. , luminance unevenness and chromaticity unevenness caused by the pitch of the light sources 3 are alleviated.
  • the efficiency is improved by setting the contact angle of the lenticular lens 7b larger than that of the lenticular lens 6b.
  • FIG. 7 is a diagram showing a lens configuration example of a comparative example.
  • the left drawing corresponds to the AA sectional view on the left side of FIGS. 3 and 6, and the right drawing corresponds to the BB sectional view on the right side of FIGS.
  • the lenticular lens 6b is not provided on the incident surface of the light distributing lens 6, and the rest of the configuration is the same as in FIGS.
  • FIG. 8 is the behavior of light in the comparative example of FIG. 7 and its enlarged view.
  • FIG. 9 shows the behavior of light and its enlarged view in the first embodiment.
  • the behavior of light in the X-axis direction in the comparative example of FIG. On the other hand, the behavior of light in the X-axis direction in the first embodiment of FIG.
  • the light emitted from a light source such as an LED has a phenomenon in which the color changes between the center and the periphery of the light source.
  • luminance unevenness and chromaticity unevenness are often evaluated on the light emitting surface (the output surface of the viewing range adjusting lens 7 or the output surface of the optical sheet if an optical sheet is further provided outside thereof).
  • the light spread distance L from the incident surface of the light distribution lens 6 to the output surface of the viewing range adjusting lens 7 is long.
  • the width D in which the light is mixed on the light-emitting surface is increased, so that the chromaticity unevenness can be reduced.
  • FIG. 10 is a plan view of the planar illumination device 1 with a 5 ⁇ 5 array of light sources 3 for simulation.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a cross-sectional luminance profile for single lighting, where the horizontal axis is the position in the X-axis direction where the light source 3 is arranged, and the vertical axis is the luminance. Further, the solid line indicates the case of a single lenticular (comparative example) lens configuration, and the dashed line indicates the case of a double lenticular (first embodiment).
  • FIG. 12 is a diagram showing a luminance cross-sectional profile by full lighting in the comparative example of FIG. 7. Regarding the luminance cross-sectional profile, the solid line profile in FIG. This is the total value when the FIG. 13 is a diagram showing a luminance cross-sectional profile with full lighting in the first embodiment. Regarding the luminance cross-sectional profile, the dotted line profile in FIG. This is the total value when the
  • the cross-sectional luminance profile of the single lenticular due to single lighting is close to a parabola, whereas in the double lenticular, the central part of the profile is lowered by adjusting the contact angle of the two lenticulars, and the peripheral part spreads greatly. It is possible to make it In this regard, since the degree of freedom of profile shape adjustment is small with only a single lenticular, such adjustment is difficult. As a result, peaks and valleys of the profiles when the profiles are superimposed are reduced, and the uniformity of the light emitting surface is improved when the plurality of light sources 3 are turned on.
  • the pair of fourth optical element (lenticular lens 6b) and fifth optical element (lenticular lens 7b) may be arranged on the exit side of the plurality of light sources 3, and various lenses Configuration changes are possible.
  • the lenticular lens 6b in FIG. 3 may be placed on the incident surface of the condenser lens 5. From the viewpoint of the light collection efficiency of the linear Fresnel lens 5a of the condenser lens 5, it is preferable to dispose the lenticular lens 6b behind the linear Fresnel lens 5a as shown in FIG.
  • the linear Fresnel lens 5a may be provided on the exit surface of the condenser lens 5 as shown in FIG.
  • a Fresnel lens 5a may be provided.
  • the lens configuration may also include the compound prism 10a of the second embodiment described below.
  • ⁇ Second embodiment> In the planar illumination device 1 of the first embodiment shown in FIG. 3 described above, a total of three lenses (5, 6, 7) are provided for light collection, peak shift, and countermeasures against luminance unevenness and chromaticity unevenness. From the viewpoint of reducing the number of parts and cost, it is desirable to reduce the number of lenses. In the second embodiment, a similar function can be realized with a small number of lenses.
  • the external shape of the planar illumination device 1 according to the second embodiment is the same as that shown in FIG.
  • FIG. 14 is a diagram showing a lens configuration example of the planar illumination device 1 according to the second embodiment.
  • a planar lighting device 1 includes a substrate 2, a light source 3, a reflector 4, a condenser lens 5, and a light distribution/view range adjusting lens 10. As shown in FIG. The substrate 2, the light source 3 and the reflector 4 are the same as those of the first embodiment.
  • a condensing lens 5 is arranged on the emission side of the plurality of light sources 3 and the reflectors 4 .
  • a lenticular lens 5d is provided.
  • the lenticular lens 5d corresponds to the lenticular lens 6b in FIG. 3 and has the same structure.
  • a linear Fresnel lens 5a is provided on the exit surface of the condenser lens 5. As shown in FIG. The linear Fresnel lens 5a corresponds to the linear Fresnel lens 5a in FIG. 3 and has the same structure.
  • a light distribution/view range adjusting lens 10 is arranged on the output side of the condenser lens 5 .
  • the incident surface of the light distribution/field range adjusting lens 10 is provided with a composite prism 10a that is a combination of a linear prism (corresponding to the linear prism 6a in FIG. 3) and a lenticular lens (corresponding to the lenticular lens 7a in FIG. 3). ing.
  • a lenticular lens 10b is provided on the exit surface of the light distribution/view range adjusting lens 10.
  • the lenticular lens 10b corresponds to the lenticular lens 7b in FIG. 3 and has the same structure.
  • an optical sheet such as a diffusion sheet or a polarizing reflection sheet may be arranged outside the light distribution/view range adjusting lens 10 in some cases. 14, illustration of the frame 9 is omitted as in FIG.
  • FIG. 15 is an example of a cross section of a compound prism 10a provided on the incident surface of the light distribution/field range adjusting lens 10.
  • the compound prism 10a has an arc portion 10a1 that is convex toward the outside of the lens (downward direction in the figure, the negative direction of the Z axis), and an arc portion 10a1 that extends from the lowest terminal point 10a3 in the figure to the inside of the lens. It has a back cliff part 10a4.
  • the curvature shape of the arc portion 10a1 can simultaneously realize the function of tilting light and the function of spreading light.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of light behavior when the compound prism 10a is not used and an example of light behavior in the second embodiment using the compound prism 10a.
  • the upper diagram is the same configuration as FIG. 3 without using the compound prism 10a.
  • the optical axis is tilted by the linear prism 6a on the exit surface of the light distributing lens 6, and the light is spread by the lenticular lens 7a on the entrance surface of the viewing range adjusting lens 7.
  • the lower diagram of FIG. 16 is the configuration of FIG. 14 using the compound prism 10a.
  • the optical axis is tilted and widened by the compound prism 10a on the incident surface of the light distribution/view range adjusting lens 10.
  • FIG. Since two lens functions are realized by one lens surface in this manner, the number of lenses can be reduced. That is, the total number of sheets in the upper structure of FIG. 16 can be reduced to 2 in the structure shown in the lower part of FIG.
  • FIG. 17 is a diagram showing a first modification of the lens configuration including the compound prism 10a.
  • the planar illumination device 1 of FIG. 17 is obtained by removing the lenticular lens 5d on the incident surface of the condenser lens 5 from the planar illumination device 1 of FIG. This can be adopted when it is not necessary to reduce the luminance unevenness and chromaticity unevenness in the X-axis direction in the first embodiment.
  • Other configurations are the same as in FIG.
  • FIG. 18 is a diagram showing a second modification of the lens configuration including the compound prism 10a.
  • the planar illumination device 1 of FIG. 18 is obtained by turning the condenser lens 5 in the planar illumination device 1 of FIG. 14 upside down. is provided with a lenticular lens 5d. Since the light from the light source 3 enters the linear Fresnel lens 5a first, an improvement in the light-gathering characteristics can be expected. There is also a possibility that optical characteristics may deteriorate.
  • Other configurations are the same as in FIG.
  • FIG. 19 is a diagram showing a third modification of the lens configuration including the compound prism 10a.
  • the planar illumination device 1 shown in FIG. 19 has a lenticular lens 5e acting in the Y-axis direction on the incident surface of the condenser lens 5 in the planar illumination device 1 shown in FIG. It can be used when it is desired to expand the viewing range in the Y-axis direction.
  • Other configurations are the same as in FIG.
  • FIG. 20 is a diagram showing a fourth modification of the lens configuration including the compound prism 10a.
  • the planar illumination device 1 of FIG. 20 is the same as the planar illumination device 1 of FIG. , a compound prism 10a is provided on the exit surface.
  • Other configurations are the same as in FIG.
  • the degree of diffusion of light can be adjusted by changing the curvature shape of the arc portion 10a1. It is good also as a linear shape which connects with.
  • FIG. 21 is a diagram showing a first modification of the reflector 4.
  • the height of the first wall portion 4c-1 of the reflector 4 is adjusted according to the viewing range in the X-axis direction, and the height of the second wall portion 4c-2 is adjusted in the Y-axis direction. Adjusted for field of view.
  • the height of the first wall portion 4c-1 and the second wall portion 4c -2 has the same height.
  • FIG. 22 is a diagram showing a second modification of the reflector 4.
  • the second modification of the reflector 4 does not provide a reflective surface extending in the Y-axis direction between the adjacent light sources 3 in the X-axis direction, which is the direction in which the field of view is widened. It becomes a reflector structure.
  • the wall portions 4c extend in the X-axis direction, and a plurality of wall portions 4c are arranged along the Y-axis direction in accordance with the intervals at which the plurality of light sources 3 are arranged in the Y-axis direction. . And what is the height of the wall portion 4c? It is defined by the viewing range in the Y-axis direction.
  • FIG. 23 is a diagram showing a first modified example of the condenser lens 5.
  • FIG. The condensing lens 5 in FIG. 3 and the like described above collects light only in the Y-axis direction of the substrate 2. You can also go
  • the first optical element is a first linear Fresnel lens 5a extending in the X-axis direction and condensing in the Y-axis direction. and a second linear Fresnel lens 5b extending in the Y-axis direction and condensing light in the X-axis direction.
  • the second linear Fresnel lens 5b has a prism structure using a cylindrical convex lens as a Fresnel lens, and has grooves extending in the Y-axis direction. In the second linear Fresnel lens 5b, grooves are periodically formed in accordance with the pitch in the X-axis direction of the light source 3 arranged directly below.
  • the first modification of the condensing lens 5 shown in FIG. 23 has the second linear Fresnel lens 5b on the incident side and the first linear Fresnel lens 5a on the outgoing side. It may be arranged. This modification is limited to the case where the surface of the condenser lens 5 opposite to the linear Fresnel lens 5a is not used for other lens functions.
  • FIG. 24 is a diagram showing a second modification of the condenser lens 5.
  • FIG. A second modification of the condenser lens 5 is a modification of the condenser lens 5 that has a prism structure different from that of the first modification of FIG. 23 and collects light in both the Y-axis direction and the X-axis direction.
  • the first optical element has a concentric Fresnel lens 5c that collects light in the Y-axis direction and the X-axis direction.
  • the concentric Fresnel lens 5c is a lens obtained by dividing a convex lens into concentric regions to reduce the thickness, and has a serrated cross section.
  • the concentric Fresnel lenses 5c are provided for the number of light sources 3 corresponding to the light sources 3 arranged directly below.
  • the second modification of the condensing lens 5 shown in FIG. 24 is provided with the concentric Fresnel lens 5c on the output side, it may be provided on the incident side.
  • light distribution control is performed by prisms such as the linear Fresnel lens 5a, the first lenticular lens 7a, the second lenticular lens 7b, and the reflector.
  • prisms such as the linear Fresnel lens 5a, the first lenticular lens 7a, the second lenticular lens 7b, and the reflector.
  • the planar illumination device includes a substrate on which a plurality of light sources are arranged two-dimensionally, and a substrate arranged on the emission side of the plurality of light sources to condense the light emitted from the plurality of light sources. a first optical element; and a second optical element disposed on the output side of the first optical element for tilting the light distribution of the light condensed by the first optical element with respect to the first axial direction in the output surface.
  • an optical element a third optical element arranged on the output side of the second optical element and expanding the light tilted by the second optical element in the first axial direction, and an optical element arranged on the output side of the plurality of light sources , a pair of fourth and fifth optical elements for spreading light in a second axial direction orthogonal to the first axial direction in the exit surface, and the second optical element and the third optical element are combined. and a sixth optical element that replaces the second optical element and the third optical element.
  • a substrate on which a plurality of light sources are arranged two-dimensionally; a pair of fourth and fifth optical elements arranged on the emission side of the plurality of light sources to spread light in a second axial direction in the emission surface; can be provided. This makes it possible to reduce luminance unevenness and chromaticity unevenness.
  • the first optical element is a condensing lens
  • the second optical element is a light distributing lens
  • the third optical element is a viewing range adjusting lens.
  • a linear Fresnel lens is provided on one of the entrance surface or the exit surface of the condensing lens
  • a linear prism is provided on one of the entrance surface or the exit surface of the light distribution lens
  • the incident surface or the exit surface of the field range adjustment lens is provided.
  • a lenticular lens is provided on one of the surfaces.
  • the fourth and fifth optical elements are lenticular lenses. Thereby, an optical element can be embodied.
  • the sixth optical element has an arc portion that is convex toward the outside of the lens and a steep cliff that extends from one end of the arc portion toward the inside of the lens.
  • the present invention is not limited by the above-described embodiment.
  • the present invention also includes those configured by appropriately combining the respective constituent elements described above. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, broader aspects of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible.
  • 1 planar illumination device 2 substrate, 3 light source, 4 reflector, 4a, 4a-1, 4a-1 reflecting surface, 4b aperture, 4c, 4c-1, 4c-2 wall, 4d bottom surface, 5 condenser lens, 5a, 5b Linear Fresnel lens, 5c Concentric Fresnel lens, 5d Lenticular lens, 5e Lenticular lens, 6 Light distribution lens, 6a Linear prism, 6b Lenticular lens, 7 View range adjustment lens, 7a, 7b Lenticular lens, 9 Frame, 9a Aperture , 10 light distribution/field range adjusting lens, 10a compound prism, 10b lenticular lens, 10a1 arc portion, 10a2 start point portion, 10a3 end point portion, 10a4 cliff portion

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Abstract

実施形態の面状照明装置（１）は、基板（２）と、第１の光学素子（５ａ）と、第２の光学素子（６ａ）と、第３の光学素子（７ａ）と、一対の第４および第５の光学素子（６ｂ、７ｂ）と、第６の光学素子（１０ａ）とを備える。前記基板（２）は、複数の光源（３）が２次元に配置される。前記第１の光学素子（５ａ）は、前記複数の光源（３）の出射側に配置され、前記複数の光源（３）から出射された光を集光する。前記第２の光学素子（６ａ）は、前記第１の光学素子（５ａ）の出射側に配置され、前記第１の光学素子（５ａ）によって集光された光の配光を出射面内の第１の軸方向に対して傾ける。前記第３の光学素子（７ａ）は、前記第２の光学素子（６ａ）の出射側に配置され、前記第２の光学素子（６ａ）によって傾けられた光を前記第１の軸方向に広げる。前記一対の第４および第５の光学素子（６ｂ、７ｂ）は、前記複数の光源（３）の出射側に配置され、出射面内で前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に光を広げる。前記第６の光学素子（１０ａ）は、前記第２の光学素子（６ａ）と前記第３の光学素子（７ａ）とが複合されて前記第２の光学素子（６ａ）および前記第３の光学素子（７ａ）に代替される。

Description

面状照明装置
　本発明は、面状照明装置に関する。
　液晶パネルのバックライト等に用いられる面状照明装置として、ＬＥＤ（Light　Emitting　Diode）等の光源（点光源）が２次元に、例えば格子状に配置された直下型の面状照明装置がある。このような直下型の面状照明装置では、光源の部分と隣接する光源間の部分とで発光面の明暗差が生じる輝度ムラや、疑似白色のための混色が充分でないことによる色度ムラを抑制するために、拡散板が設けられる場合が多い。しかし、拡散板は全方向に光を拡散させてしまい、必要とされない方向に光が照射されてしまうため、光の利用効率が低下してしまう。そのため、拡散板に代え、所定の角度範囲に光を広げることができるレンチキュラーレンズが設けられる場合がある。レンチキュラーレンズは、一の方向に多数の細い凹凸の溝を有するものであり、水平方向および垂直方向に光を広げたい場合は出射面内の直交する２つの方向に対してそれぞれ設けられる。
　また、このような直下型の面状照明装置では、一方向（例えば、ユーザからの直接または間接による出射面の目視時における横方向、水平方向）に凹凸の溝が延びるリニアフレネルレンズによって光源からの光を集光し、リニアフレネルレンズと同じ方向に凹凸の溝が延びるピークシフトプリズムによって光軸を傾けて、溝と直交する方向（例えば、縦方向、垂直方向）に狭い配光を実現する場合がある（例えば、特許文献１、２等を参照）。この場合、リニアフレネルレンズやピークシフトプリズムの溝の方向（例えば、横方向、水平方向）に対しては、集光が行われないため、広い配光となる。
　前述のように、出射面内の直交する２つの方向に対してそれぞれレンチキュラーレンズが設けられるため、光源のピッチに起因する輝度ムラや色度ムラはある程度抑制されるが、配光が広い方向については、抑制が充分でない場合がある。すなわち、狭い配光とされた方向（例えば、縦方向、垂直方向）は集光されるために光源のピッチに起因する輝度ムラや色度ムラはあまり目立たないが、広い配光とされた方向（例えば、横方向、水平方向）は光源のピッチに起因する筋状（筋の方向は、例えば、縦方向、垂直方向）の輝度ムラや色度ムラが目立ってしまう。
　なお、リニアフレネルレンズやピークシフトプリズムが設けられず、一方向が狭い配光とされない場合、すなわち両方向とも広い配光とされる場合には、光源のピッチに起因する格子状の輝度ムラや色度ムラが目立つことになる。
　一方、前述のリニアフレネルレンズやピークシフトプリズムによる光軸の傾斜を行う構成では、レンズ機能面が増えることからレンズ枚数が多くなり、部品点数とコスト削減の観点から、レンズ枚数の削減が望まれる。また、レンズ枚数の削減により光の吸収や表面反射などによる損失が減るため、光の利用効率の向上が期待できる。
特開２０２０－１３４６３３号公報 特開２０１２－２０３０９２号公報
　上述のように、従来の直下型の面状照明装置では、輝度ムラや色度ムラの低減が望まれるとともに、レンズ枚数の削減が望まれていた。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、直下型の面状照明装置において、輝度ムラや色度ムラの低減が可能であるとともに、レンズ枚数の削減を図ることができる面状照明装置を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る面状照明装置は、基板と、第１の光学素子と、第２の光学素子と、第３の光学素子と、一対の第４および第５の光学素子と、第６の光学素子とを備える。前記基板は、複数の光源が２次元に配置される。前記第１の光学素子は、前記複数の光源の出射側に配置され、前記複数の光源から出射された光を集光する。前記第２の光学素子は、前記第１の光学素子の出射側に配置され、前記第１の光学素子によって集光された光の配光を出射面内の第１の軸方向に対して傾ける。前記第３の光学素子は、前記第２の光学素子の出射側に配置され、前記第２の光学素子によって傾けられた光を前記第１の軸方向に広げる。前記一対の第４および第５の光学素子は、前記複数の光源の出射側に配置され、出射面内で前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に光を広げる。前記第６の光学素子は、前記第２の光学素子と前記第３の光学素子とが複合されて前記第２の光学素子および前記第３の光学素子に代替される。
　本発明の一態様に係る面状照明装置は、輝度ムラや色度ムラの低減を図ることができるとともに、レンズ枚数の削減を図ることができる。
図１は、第１の実施形態にかかる面状照明装置の構成例を示す図である。 図２は、図１の面状照明装置の構成を模式的に示す斜視図である。 図３は、図１の面状照明装置のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。 図４は、図２および図３に示されるリフレクタの斜視図である。 図５は、リフレクタの正面図、Ｃ－Ｃ断面図およびＤ－Ｄ断面図である。 図６は、図３のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図における光のふるまいを示す図である。 図７は、比較例のレンズ構成例を示す図である。 図８は、図７の比較例における光のふるまいとその拡大図である。 図９は、第１の実施形態における光のふるまいとその拡大図である。 図１０は、シミュレーションのための５×５の光源の配列の面状照明装置の平面図である。 図１１は、単一点灯による輝度断面プロファイルの例を示す図である。 図１２は、図７の比較例における全点灯による輝度断面プロファイルを示す図である。 図１３は、第１の実施形態における全点灯による輝度断面プロファイルを示す図である。 図１４は、第２の実施形態にかかる面状照明装置のレンズ構成例を示す図である。 図１５は、配光・視野範囲調整レンズの入射面に設けられる複合プリズムの断面の例である。 図１６は、複合プリズムが用いられていない場合の光のふるまいの例と、複合プリズムが用いられた第２の実施形態における光のふるまいの例とを示す図である。 図１７は、複合プリズムを含むレンズ構成の第１の変形例を示す図である。 図１８は、複合プリズムを含むレンズ構成の第２の変形例を示す図である。 図１９は、複合プリズムを含むレンズ構成の第３の変形例を示す図である。 図２０は、複合プリズムを含むレンズ構成の第４の変形例を示す図である。 図２１は、リフレクタの第１の変形例を示す図である。 図２２は、リフレクタの第２の変形例を示す図である。 図２３は、集光レンズの第１の変形例を示す図である。 図２４は、集光レンズの第２の変形例を示す図である。
　以下、実施形態に係る面状照明装置について図面を参照して説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、１つの実施形態や変形例に記載された内容は、原則として他の実施形態や変形例にも同様に適用される。
＜第１の実施形態＞
　図１は、第１の実施形態にかかる面状照明装置１の構成例を示す図であり、中央は発光面（出射面）に対面する方向からの図、右はＡ－Ａ断面図、上はＢ－Ｂ断面図である。図１では、便宜上、面状照明装置１の発光面がＸ－Ｙ平面内にあり、面状照明装置１の厚み方向がＺ方向とされている。
　図１において、面状照明装置１は、略長方形状の板状の外形を有しており、フレーム９の開口９ａの内側から光が出射するようになっている。なお、面状照明装置１の外形は図示のものに限られない。図に示される「光軸シフト」は、光軸が傾けられることを意味している。光軸シフトは、ピークシフトと呼ばれる場合もある。なお、用途によっては光軸シフトが行われない場合もある。
　図１に示される一例では、面状照明装置１のＹ軸の負方向側（図では斜め右下）に光軸が傾けられ、更に狭い視野範囲が実現されていることを示している。一方、図１に示される一例では、面状照明装置１のＸ軸方向における配光特性として、発光面の法線方向を光軸として広い視野範囲が実現されていることを示している。
　図２は、図１の面状照明装置１の構成を模式的に示す斜視図である。図３は、図１の面状照明装置１のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。なお、図２および図３において、フレーム９の図示は省略されている。
　図２および図３において、面状照明装置１は、基板２と、光源３と、リフレクタ４と、集光レンズ５と、配光レンズ６と、視野範囲調整レンズ７とを備えている。略矩形状の基板２の上には、ＬＥＤ（Light　Emitting　Diode）等による複数の光源３が例えば格子状に２次元に配置されている。複数の光源３それぞれは、個別に駆動が行われ、いわゆるローカルディミングに対応することができる。
　複数の光源３の出射側には、リフレクタ４が配置されている。リフレクタ４の構造は後述される。
　複数の光源３およびリフレクタ４の出射側には、集光レンズ５が配置されている。集光レンズ５は、Ｘ軸方向に延在し、複数の光源３から出射された光をＹ軸方向に対して集光するリニアフレネルレンズ５ａを第１の光学素子として有する。リニアフレネルレンズ５ａは、基板２に対向する面とは反対側の面（集光レンズ５の出射面）に設けられている。リニアフレネルレンズ５ａは、シリンダ状の凸レンズがフレネルレンズとされたプリズム構造を有しており、Ｘ軸方向に延びる凹凸の溝を有している。リニアフレネルレンズ５ａは、直下に配置される光源３のピッチ（Ｙ軸方向のピッチ）に合わせて溝が周期的に形成されている。
　集光レンズ５の出射側には、配光レンズ６が配置されている。配光レンズ６は、集光レンズ５によって集光された光の配光をＹ軸方向に対して傾ける第２の光学素子として、Ｘ軸方向に延在するリニアプリズム６ａを有する。リニアプリズム６ａは、集光レンズ５に対向する面とは反対側の面（配光レンズ６の出射面）に設けられる。リニアプリズム６ａは、Ｘ軸方向に延在する略三角柱状のプリズム構造を有し、Ｙ軸方向に連続して配置される。これにより、配光レンズ６の出射面には、Ｘ軸方向に延びる凹凸の溝が形成される。リニアプリズム６ａのＹ－Ｚ面の断面形状は、三角形であり、底辺のＹ軸の正方向側の点と頂点とを結ぶ辺の底角は、底辺のＹ軸の負方向側の点と頂点とを結ぶ辺の底角より小さい。Ｙ軸方向は第１の軸方向の一例である。Ｘ軸方向は第２の軸方向の一例である。
　また、配光レンズ６は、複数の光源３から出射された光をＸ軸方向に広げる第４の光学素子として、Ｙ軸方向に延在するレンチキュラーレンズ６ｂを有する。レンチキュラーレンズ６ｂは、集光レンズ５に対向する面（配光レンズ６の入射面）に設けられる。レンチキュラーレンズ６ｂは、Ｙ軸方向に延在するかまぼこ状の微細半円筒型のプリズム構造を有している。レンチキュラーレンズ６ｂによる光の拡散度合いは、微細半円筒型のプリズム構造の接触角によって調整する。
　配光レンズ６の出射側には、視野範囲調整レンズ７が配置されている。視野範囲調整レンズ７は、第２の光学素子であるリニアプリズム６ａよって傾けられた光をＹ軸方向に広げる第３の光学素子として、Ｘ軸方向に延在するレンチキュラーレンズ７ａを有する。レンチキュラーレンズ７ａは、配光レンズ６に対向する面（入射面）に設けられる。レンチキュラーレンズ７ａは、Ｘ軸方向に延在するかまぼこ状の微細半円筒型のプリズム構造を有している。レンチキュラーレンズ７ａによる光の拡散度合いは、微細半円筒型のプリズム構造の接触角によって調整する。要求される視野範囲が狭い場合は接触角を小さく設定する。
　また、視野範囲調整レンズ７は、第４の光学素子であるレンチキュラーレンズ６ｂと対をなす第５の光学素子として、Ｙ軸方向に延在するレンチキュラーレンズ７ｂを有する。レンチキュラーレンズ７ｂは、配光レンズ６に対向する面とは反対側の面（視野範囲調整レンズ７の出射面）に設けられる。レンチキュラーレンズ７ｂは、Ｙ軸方向に延在するかまぼこ状の微細半円筒型のプリズム構造を有している。レンチキュラーレンズ７ｂによる光の拡散度合いは、微細半円筒型のプリズム構造の接触角によって調整する。要求される視野範囲が広い場合は接触角を大きく設定する。
　実施形態では、基板２の短手方向（Ｙ軸方向）に対する集光のみを行うため、基板２の長手方向（Ｘ軸方向）に延在する一軸のリニアフレネルレンズ５ａのみを採用している。その結果、実施形態では、長辺方向のレンズ位置ずれを無視することができる。なお、実施形態では、視野範囲調整レンズ７において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の双方においてレンチキュラーレンズを設けているが、レンチキュラーレンズは同一形状パターンのため、レンズ位置ずれの考慮は不要である。
　なお、図３には示されていないが、視野範囲調整レンズ７の外側に、更に拡散シートや偏光反射シート等の光学シートが配置される場合もある。
　図４は、図２および図３に示されるリフレクタ４の斜視図である。図５は、リフレクタ４の正面図、Ｃ－Ｃ断面図およびＤ－Ｄ断面図である。
　図４および図５において、リフレクタ４の壁部４ｃは、Ｙ軸方向に延在する複数の第１の壁部４ｃ－１とＸ軸方向に延在する複数の第２の壁部４ｃ－２とが格子状に組み立てられた形状となっている。なお、壁部４ｃは、第１の壁部４ｃ－１の底面と第２の壁部４ｃ－２の底面とが面一となるように組み立てられる。
　反射面４ａは、壁部４ｃの壁面である。Ｘ軸方向で隣り合う２つの第１の壁部４ｃ－１の間で対向する２つの反射面４ａ－１は、Ｚ軸正方向に向かうにつれて互いに離れるように傾斜している。また、Ｙ軸方向で隣り合う２つの第２の壁部４ｃ－２の間で対向する２つの反射面４ａ－２は、Ｚ軸正方向に向かうにつれて互いに離れるように傾斜している。リフレクタ４は、反射の効果を高めるため、例えば、白色の樹脂等により形成される。実施形態のリフレクタ４は、射出成型による成形品である。
　第１の壁部４ｃ－１の高さは、Ｘ軸方向に対する視野範囲により規定され、第２の壁部４ｃ－２の高さは、Ｙ軸方向に対する視野範囲により規定される。実施形態では、Ｙ軸方向においては、狭視野特性が求められるため、図５のＣ－Ｃ断面図に示されるように、第２の壁部４ｃ－２の高さが高くされている。第２の壁部４ｃ－２が高くされることで、光源３からの広い配光成分を反射面４ａ－２で反射させ、個々の光源３に対応するセグメントのリニアフレネルレンズ５ａに集めることができる。
　また、第２の壁部４ｃ－２を高くすることは、隣接するセグメントのリニアフレネルレンズ５ａへ入り込む光を遮断する役割も担っており、意図しない配光が発生することを回避する機能も有する。
　一方、実施形態では、Ｘ軸方向においては、広視野特性が求められるため、図５のＤ－Ｄ断面図に示されるように、第１の壁部４ｃ－１の高さが低くされることで光源３からの広い配光成分が遮断せずに利用されている。実施形態では、Ｘ軸方向（長手方向）に延びる第２の壁部４ｃ－２の高さは、Ｙ軸方向（短手方向）に延びる第１の壁部４ｃ－１の高さより高い。
　そして、実施形態のリフレクタ４は、図３に示されるように、光源３側の開口４ｂが光源３の発光面より出射側に位置するように配置されている。光源３の発光面は、光源３の上面に対応する。換言すると、リフレクタ４の壁部４ｃの底面４ｄは、図３に示されるように、光源３の発光面より高い位置になるように、基板２から浮いた状態で配置される。
　仮にリフレクタ４が基板２に接地された場合、リフレクタ４の壁部４ｃと光源３とが近接した状態となり、リフレクタ４と光源３とが膨張伸縮した際に、互いに干渉してしまう可能性がある。これに対して、実施形態では、リフレクタ４の開口４ｂが光源３の発光面から高い位置に配置されているので、リフレクタ４と光源３とが膨張伸縮しても、リフレクタ４の壁部４ｃと光源３とが接触する可能性がない。
　光源３の間隔が狭いことから、リフレクタ４の底面４ｄが基板２の上に配置されると、底面４ｄを大きくすることができず、射出成型の成形性の観点からリフレクタ４の壁部４ｃを高くすることが困難である。一方、実施形態では、リフレクタ４の開口４ｂは、上面視において、光源３の発光面よりも大きいのであれば、光源３の外周よりも小さくすることができる。すなわち、実施形態では、開口４ｂを小さくすることができる。換言すると、実施形態では、底面４ｄを大きくすることができ、その結果、射出成型で作成されるリフレクタ４の壁部４ｃを高くすることができる。このようなことから、実施形態では、ローカルディミング時の高コントラスト化、不必要な配光の除去という効果が得られる。
　図６は、図３のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図における光のふるまいを示す図である。図６のＡ－Ａ断面図おいて、光源３から出射された光は、集光レンズ５に入射し、集光レンズ５の出射面に設けられたリニアフレネルレンズ５ａによって屈折し、略平行光となって出射する。そして、集光レンズ５から出射された略平行光は、配光レンズ６に入射し、配光レンズ６の出射面に設けられたリニアプリズム６ａによって光軸が傾けられて出射する。なお、配光レンズ６の入射面に設けられたレンチキュラーレンズ６ｂは、Ｙ軸方向には作用しないため、リニアフレネルレンズ５ａによる集光やリニアプリズム６ａによるピークシフトには影響しない。
　配光レンズ６から出射された光は、視野範囲調整レンズ７に入射し、視野範囲調整レンズ７の入射面に設けられたレンチキュラーレンズ７ａによって広げられ、Ｙ軸方向の要求される視野範囲が確保される。なお、視野範囲調整レンズ７の出射面に設けられたレンチキュラーレンズ７ｂは、Ｙ軸方向には作用しないため、レンチキュラーレンズ７ａが光を広げる作用には影響しない。配光レンズ６から出射された光がすでに要求される視野範囲を満足している場合は、レンチキュラーレンズ７ａを設ける必要はない。
　一方、図６のＢ－Ｂ断面図おいて、光源３から出射された光は、集光レンズ５に入射して、集光レンズ５の出射面に設けられたリニアフレネルレンズ５ａによって屈折されずに出射する。リニアフレネルレンズ５ａはＸ軸方向には作用しないからである。
　集光レンズ５から出射された光は、配光レンズ６に入射し、配光レンズ６の入射面に設けられたレンチキュラーレンズ６ｂによって広げられる。配光レンズ６の出射面に設けられたリニアプリズム６ａはＸ軸方向に作用しない。
　配光レンズ６から出射された光は、視野範囲調整レンズ７に入射し、視野範囲調整レンズ７の出射面に設けられたレンチキュラーレンズ７ｂによって広げられる。視野範囲調整レンズ７の入射面に設けられたレンチキュラーレンズ７ａはＸ軸方向に作用しない。
　このように、光源３から出射された光のＸ軸方向におけるふるまいとしては、全体として広い配光となっており、更に一対のレンチキュラーレンズ６ｂ、７ｂによって２段階に広げられるため、光が混ざり合い、光源３のピッチに起因する輝度ムラや色度ムラが緩和される。実施形態では、レンチキュラーレンズ６ｂよりもレンチキュラーレンズ７ｂの方の接触角を大きく設定することで、効率向上を図っている。
　図７は、比較例のレンズ構成例を示す図である。図７において、左側の図は図３および図６の左側のＡ－Ａ断面図に対応し、右側の図は図３および図６の右側のＢ－Ｂ断面図に対応している。図７の比較例の面状照明装置１においては、配光レンズ６の入射面にレンチキュラーレンズ６ｂが設けられておらず、その他の構成は図３および図６と同様である。
　図８は、図７の比較例における光のふるまいとその拡大図である。図９は、第１の実施形態における光のふるまいとその拡大図である。図８の比較例でのＸ軸方向における光のふるまいとしては、視野範囲調整レンズ７の出射面におけるレンチキュラーレンズ７ｂによる光の広がりだけである。これに対し、図９の第１の実施形態でのＸ軸方向における光のふるまいとしては、配光レンズ６の入射面におけるレンチキュラーレンズ６ｂによる光の広がりと、視野範囲調整レンズ７の出射面におけるレンチキュラーレンズ７ｂによる光の広がりとの２段階となる。そのため、光源３のピッチに起因する筋状の輝度ムラが低減され、発光面均一性が改善される。
　また、一般にＬＥＤ等の光源から放射される光は、光源の中心部と周辺部とで色が変化する現象があり、特に集光系レンズなどを用いた場合に色度ムラが顕著に出る傾向がある。バックライトの場合は発光面（視野範囲調整レンズ７の出射面か、その外側に更に光学シートが設けられる場合は光学シートの出射面）で輝度ムラや色度ムラが評価されることが多い。図９の第１の実施形態では一対のレンチキュラーレンズ（２重レンチキュラーレンズ）とすることにより、配光レンズ６の入射面から視野範囲調整レンズ７の出射面までの光の広がりの距離Ｌが長くなり、発光面上において光が混ざり合う幅Ｄが増加するため、色度ムラを軽減することができる。
　図１０は、シミュレーションのための５×５の光源３の配列の面状照明装置１の平面図である。図１１は、単一点灯による輝度断面プロファイルの例を示す図であり、横軸は光源３が配置されるＸ軸方向の位置、縦軸は輝度である。また、実線は１重レンチキュラー（比較例）のレンズ構成の場合、破線は２重レンチキュラー（第１の実施形態）の場合を示している。図１２は、図７の比較例における全点灯による輝度断面プロファイルを示す図であり、輝度断面プロファイルについては図１１の実線のプロファイルを図１０のようにＸ軸方向に５個の光源３をずらして配置した場合の合計値である。図１３は、第１の実施形態における全点灯による輝度断面プロファイルを示す図であり、輝度断面プロファイルについては図１１の破線のプロファイルを図１０のようにＸ軸方向に５個の光源３をずらして配置した場合の合計値である。
　図１１において、１重レンチキュラーの単一点灯による輝度断面プロファイルは放物線に近いのに対し、２重レンチキュラーでは、２つのレンチキュラーの接触角の調整により、プロファイルの中心部が下がり周辺部の拡がりが大きくなるようにすることが可能となる。この点、１重レンチキュラーのみではプロファイル形状調整の自由度が小さいため、そのような調整は困難である。これにより、プロファイルを重ね合わせた場合のプロファイルの山谷が軽減し、複数の光源３が点灯した場合の発光面均一性が向上する。
　比較例の図１２と第１の実施形態の図１３との対比から明らかなように、比較例では位置に対して輝度の変化が大きく、輝度ムラが大きいことが分かるが、第１の実施形態では位置に対して輝度の変化が小さく、輝度ムラが小さいことが分かる。
＜第１の実施形態の変形例＞
　第１の実施形態においては、一対の第４の光学素子（レンチキュラーレンズ６ｂ）と第５の光学素子（レンチキュラーレンズ７ｂ）は、複数の光源３の出射側に配置されればよく、種々のレンズ構成の変更が可能である。例えば、図３におけるレンチキュラーレンズ６ｂが集光レンズ５の入射面に配置されてもよい。なお、集光レンズ５のリニアフレネルレンズ５ａの集光効率の観点からは、図３のように、リニアフレネルレンズ５ａの後段にレンチキュラーレンズ６ｂが配置される方が好ましい。また、リニアフレネルレンズ５ａの集光効率の観点からは、図３のように、集光レンズ５の出射面にリニアフレネルレンズ５ａが設けられる方が好ましいが、集光レンズ５の入射面にリニアフレネルレンズ５ａが設けられるのでもよい。また、レンズ構成には、次に説明される第２の実施形態の複合プリズム１０ａが含まれていてもよい。
＜第２の実施形態＞
　前述の図３に示される第１の実施形態の面状照明装置１では、集光、ピークシフトおよび輝度ムラ・色度ムラ対策のために、合計３枚のレンズ（５、６、７）が必要となっており、部品点数とコスト削減の観点から、レンズ枚数の削減が望まれる。第２の実施形態では、同様の機能を、少ないレンズ枚数で実現できるようにしたものである。第２の実施形態における面状照明装置１の外観形状は図１と同様である。
　図１４は、第２の実施形態にかかる面状照明装置１のレンズ構成例を示す図である。図１４において、面状照明装置１は、基板２と、光源３と、リフレクタ４と、集光レンズ５と、配光・視野範囲調整レンズ１０とを備えている。基板２、光源３およびリフレクタ４については、前述の第１の実施形態と同様である。
　複数の光源３およびリフレクタ４の出射側には、集光レンズ５が配置されている。集光レンズ５の入射面（光源３およびリフレクタ４に対向する面）には、複数の光源３から出射された光をＸ軸方向に広げる第４の光学素子として、Ｙ軸方向に延在するレンチキュラーレンズ５ｄが設けられている。レンチキュラーレンズ５ｄは、図３におけるレンチキュラーレンズ６ｂに対応しており、構造も同様である。
　図１４において、集光レンズ５の出射面には、リニアフレネルレンズ５ａが設けられている。リニアフレネルレンズ５ａは、図３におけるリニアフレネルレンズ５ａに対応しており、構造も同様である。
　図１４において、集光レンズ５の出射側には、配光・視野範囲調整レンズ１０が配置されている。配光・視野範囲調整レンズ１０の入射面には、リニアプリズム（図３のリニアプリズム６ａに対応）とレンチキュラーレンズ（図３のレンチキュラーレンズ７ａに対応）とが複合された複合プリズム１０ａが設けられている。
　配光・視野範囲調整レンズ１０の出射面には、レンチキュラーレンズ１０ｂが設けられている。レンチキュラーレンズ１０ｂは、図３におけるレンチキュラーレンズ７ｂに対応しており、構造も同様である。
　なお、図１４には示されていないが、配光・視野範囲調整レンズ１０の外側に、更に拡散シートや偏光反射シート等の光学シートが配置される場合もある。また、図１４では、図３と同様にフレーム９の図示が省略されている。
　図１５は、配光・視野範囲調整レンズ１０の入射面に設けられる複合プリズム１０ａの断面の例である。図１５において、複合プリズム１０ａは、レンズ外側（図における下方向、Ｚ軸の負方向）に向けて凸となる円弧部１０ａ１と、円弧部１０ａ１の図における最も下の終点部１０ａ３からレンズ内側に戻る懸崖部１０ａ４とを有している。円弧部１０ａ１の曲率形状により、光を傾斜させる機能と光を広げる機能とを同時に実現することができる。
　図１６は、複合プリズム１０ａが用いられていない場合の光のふるまいの例と、複合プリズム１０ａが用いられた第２の実施形態における光のふるまいの例とを示す図である。図１６において、上の図は、複合プリズム１０ａが用いられていない図３と同様の構成である。この場合、配光レンズ６の出射面のリニアプリズム６ａによって光軸が傾けられ、視野範囲調整レンズ７の入射面のレンチキュラーレンズ７ａによって光が広げられる。
　これに対し、図１６の下の図は、複合プリズム１０ａが用いられた図１４の構成である。この場合、配光・視野範囲調整レンズ１０の入射面の複合プリズム１０ａによって、光軸が傾けられるとともに、広げられる。このように、一つのレンズ面によって２つのレンズ機能が実現されるため、レンズ枚数の削減が可能となる。すなわち、図１６の上の構成では合計３枚であったものが、図１６の下の構成では合計２枚に削減が可能である。
＜第２の実施形態の変形例＞
　図１７は、複合プリズム１０ａを含むレンズ構成の第１の変形例を示す図である。図１７の面状照明装置１は、図１４の面状照明装置１から集光レンズ５の入射面のレンチキュラーレンズ５ｄが除去されたものである。第１の実施形態におけるＸ軸方向の輝度ムラ・色度ムラの低減が不要である場合に採用が可能である。他の構成は図１４と同様である。
　図１８は、複合プリズム１０ａを含むレンズ構成の第２の変形例を示す図である。図１８の面状照明装置１は、図１４の面状照明装置１における集光レンズ５の表と裏とが反対にされたものであり、入射面にリニアフレネルレンズ５ａが設けられ、出射面にレンチキュラーレンズ５ｄが設けられている。光源３からの光がリニアフレネルレンズ５ａに先に入るため、その点では集光特性の向上が期待されるが、リニアフレネルレンズ５ａの懸崖部に直接に光が入射するため、その点では集光特性が低下するおそれもある。他の構成は図１４と同様である。
　図１９は、複合プリズム１０ａを含むレンズ構成の第３の変形例を示す図である。図１９の面状照明装置１は、図１７の面状照明装置１における集光レンズ５の入射面にＹ軸方向に作用するレンチキュラーレンズ５ｅが設けられたものである。Ｙ軸方向の視野範囲の拡大が要望される場合に採用が可能である。他の構成は図１７と同様である。
　図２０は、複合プリズム１０ａを含むレンズ構成の第４の変形例を示す図である。図２０の面状照明装置１は、図１４の面状照明装置１における配光・視野範囲調整レンズ１０の表と裏とが反対にされたものであり、入射面にレンチキュラーレンズ１０ｂが設けられ、出射面に複合プリズム１０ａが設けられている。他の構成は図１４と同様である。
　なお、複合プリズム１０ａは、円弧部１０ａ１の曲率形状を変化させることにより、光の拡散度合いを調整することが可能であるが、光を広げる機能が不要な場合は、始点部１０ａ２と終点部１０ａ３とを結ぶ直線形状としてもよい。
＜リフレクタおよび集光レンズの変形例＞
　図２１は、リフレクタ４の第１の変形例を示す図である。前述のように、リフレクタ４の第１の壁部４ｃ－１の高さは、Ｘ軸方向の視野範囲に合わせて調整され、第２の壁部４ｃ－２の高さは、Ｙ軸方向の視野範囲に合わせて調整されていた。図２１に示されるリフレクタ４の第１の変形例では、Ｙ軸方向もＸ軸方向も同程度の視野範囲であることから、第１の壁部４ｃ－１の高さと第２の壁部４ｃ－２の高さとが同じ高さとなっている。
　図２２は、リフレクタ４の第２の変形例を示す図である。リフレクタ４の第２の変形例は、図２２に示されるように、広視野となる方向であるＸ軸方向については、隣り合う光源３の間にＹ軸方向に延在する反射面を設けないリフレクタ構造となる。
　すなわち、図２２に示されるように、壁部４ｃは、Ｘ軸方向に延在し、複数の光源３がＹ軸方向において配置される間隔に合わせて、Ｙ軸方向に沿って複数配置される。そして、壁部４ｃの高さは。Ｙ軸方向に対する視野範囲により規定される。
　図２３は、集光レンズ５の第１の変形例を示す図である。前述の図３等における集光レンズ５は、基板２のＹ軸方向に対する集光のみを行っていたが、要求される配光特性を実現できるのであれば、基板２のＸ軸方向に対する集光も行ってもよい。
　集光レンズ５の第１の変形例では、図２３に示されるように、第１光学素子として、Ｘ軸方向に延在し、Ｙ軸方向に対して集光する第１のリニアフレネルレンズ５ａと、Ｙ軸方向に延在し、Ｘ軸方向に対して集光する第２のリニアフレネルレンズ５ｂとを有する。第２のリニアフレネルレンズ５ｂは、シリンダ状の凸レンズをフレネルレンズとしたプリズム構造を有しており、Ｙ軸方向に延びる溝を有している。第２のリニアフレネルレンズ５ｂは、直下に配置される光源３のＸ軸方向のピッチに合わせて溝が周期的に形成されている。図２３に示される集光レンズ５の第１の変形例は、入射側に第２のリニアフレネルレンズ５ｂが設けられ、出射側に第１のリニアフレネルレンズ５ａが設けられているが、逆の配置としてもよい。なお、この変形例は、集光レンズ５のリニアフレネルレンズ５ａと反対側の面が他のレンズ機能に用いられていない場合に限られる。
　図２４は、集光レンズ５の第２の変形例を示す図である。集光レンズ５の第２の変形例は、図２３の第１の変形例とは異なるプリズム構造で、Ｙ軸方向もＸ軸方向も集光する集光レンズ５の変形例である。
　図２４に示されるように、第１光学素子として、Ｙ軸方向およびＸ軸方向に対して集光する同心円フレネルレンズ５ｃを有する。同心円フレネルレンズ５ｃは、凸レンズを同心円状の領域に分割し厚みを減らしたレンズであり、のこぎり状の断面を持つ。同心円フレネルレンズ５ｃは、直下に配置される光源３に対応して、光源３の灯数分設けられる。図２４に示される集光レンズ５の第２の変形例は、出射側に同心円フレネルレンズ５ｃが設けられているが、入射側に設けられるものでもよい。
　なお、上記の実施形態や変形例では、要求される配光特性を実現するため、リニアフレネルレンズ５ａ、第１のレンチキュラーレンズ７ａ、第２のレンチキュラーレンズ７ｂ等のプリズムによる配光制御と、リフレクタ４の壁の高さによる配光制御とが組み合わされた場合を説明したが、これに限定されない。要求される配光特性を実現するのであれば、プリズムによる配光制御のみを行ってもよいし、リフレクタ４の壁の高さによる配光制御のみを行ってもよい。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
　以上のように、実施形態に係る面状照明装置は、複数の光源が２次元に配置された基板と、複数の光源の出射側に配置され、複数の光源から出射された光を集光する第１の光学素子と、第１の光学素子の出射側に配置され、第１の光学素子によって集光された光の配光を出射面内の第１の軸方向に対して傾ける第２の光学素子と、第２の光学素子の出射側に配置され、第２の光学素子によって傾けられた光を第１の軸方向に広げる第３の光学素子と、複数の光源の出射側に配置され、出射面内で第１の軸方向と直交する第２の軸方向に光を広げる一対の第４および第５の光学素子と、第２の光学素子と第３の光学素子とが複合されて第２の光学素子および第３の光学素子に代替される第６の光学素子と、を備える。これにより、輝度ムラや色度ムラの低減を図ることができるとともに、レンズ枚数の削減を図ることができる。
　また、複数の光源が２次元に配置された基板と、複数の光源の出射側に配置され、複数の光源から出射された光を集光する第１の光学素子と、第１の光学素子の出射側に配置され、第１の光学素子によって集光された光の配光を出射面内の第１の軸方向に対して傾ける第２の光学素子と、第２の光学素子の出射側に配置され、第２の光学素子によって傾けられた光を第１の軸方向に広げる第３の光学素子と、第２の光学素子と第３の光学素子とが複合されて第２の光学素子および第３の光学素子に代替される第６の光学素子と、を備えるものとすることができる。これにより、レンズ枚数の削減を図ることができる。
　また、複数の光源が２次元に配置された基板と、複数の光源の出射側に配置され、出射面内の第２の軸方向に光を広げる一対の第４および第５の光学素子と、を備えるものとすることができる。これにより、輝度ムラや色度ムラの低減を図ることができる。
　また、第１の光学素子は集光レンズであり、第２の光学素子は配光レンズであり、第３の光学素子は視野範囲調整レンズである。これにより、光学素子を具体化することができる。
　また、集光レンズの入射面または出射面の一方にはリニアフレネルレンズが設けられ、配光レンズの入射面または出射面の一方にはリニアプリズムが設けられ、視野範囲調整レンズの入射面または出射面の一方にはレンチキュラーレンズが設けられる。これにより、光学素子を具体化することができる。
　また、第４および第５の光学素子はレンチキュラーレンズである。これにより、光学素子を具体化することができる。
　また、第６の光学素子は、レンズ外側に向けて凸となる円弧部と、円弧部の一端からレンズ内側に戻る懸崖部とを有する。これにより、光学素子を具体化することができる。
　また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
　１　面状照明装置，２　基板，３　光源，４　リフレクタ，４ａ、４ａ－１、４ａ－１　反射面，４ｂ　開口，４ｃ、４ｃ－１、４ｃ－２　壁部，４ｄ　底面，５　集光レンズ，５ａ、５ｂ　リニアフレネルレンズ，５ｃ　同心円フレネルレンズ，５ｄ　レンチキュラーレンズ，５ｅ　レンチキュラーレンズ，６　配光レンズ，６ａ　リニアプリズム，６ｂ　レンチキュラーレンズ，７　視野範囲調整レンズ，７ａ、７ｂ　レンチキュラーレンズ，９　フレーム，９ａ　開口，１０　配光・視野範囲調整レンズ，１０ａ　複合プリズム，１０ｂ　レンチキュラーレンズ，１０ａ１　円弧部，１０ａ２　始点部，１０ａ３　終点部，１０ａ４　懸崖部

Claims (7)

  1. 　複数の光源が２次元に配置された基板と、
    　前記複数の光源の出射側に配置され、前記複数の光源から出射された光を集光する第１の光学素子と、
    　前記第１の光学素子の出射側に配置され、前記第１の光学素子によって集光された光の配光を出射面内の第１の軸方向に対して傾ける第２の光学素子と、
    　前記第２の光学素子の出射側に配置され、前記第２の光学素子によって傾けられた光を前記第１の軸方向に広げる第３の光学素子と、
    　前記複数の光源の出射側に配置され、出射面内で前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に光を広げる一対の第４および第５の光学素子と、
    　前記第２の光学素子と前記第３の光学素子とが複合されて前記第２の光学素子および前記第３の光学素子に代替される第６の光学素子と、
    を備える面状照明装置。
  2. 　複数の光源が２次元に配置された基板と、
    　前記複数の光源の出射側に配置され、前記複数の光源から出射された光を集光する第１の光学素子と、
    　前記第１の光学素子の出射側に配置され、前記第１の光学素子によって集光された光の配光を出射面内の第１の軸方向に対して傾ける第２の光学素子と、
    　前記第２の光学素子の出射側に配置され、前記第２の光学素子によって傾けられた光を前記第１の軸方向に広げる第３の光学素子と、
    　前記第２の光学素子と前記第３の光学素子とが複合されて前記第２の光学素子および前記第３の光学素子に代替される第６の光学素子と、
    を備える面状照明装置。
  3. 　複数の光源が２次元に配置された基板と、
    　前記複数の光源の出射側に配置され、出射面内の第２の軸方向に光を広げる一対の第４および第５の光学素子と、
    を備える面状照明装置。
  4. 　前記第１の光学素子は集光レンズであり、
    　前記第２の光学素子は配光レンズであり、
    　前記第３の光学素子は視野範囲調整レンズである、
    請求項１または２に記載の面状照明装置。
  5. 　前記集光レンズの入射面または出射面の一方にはリニアフレネルレンズが設けられ、
    　前記配光レンズの入射面または出射面の一方にはリニアプリズムが設けられ、
    　前記視野範囲調整レンズの入射面または出射面の一方にはレンチキュラーレンズが設けられる、
    請求項４に記載の面状照明装置。
  6. 　前記第４および前記第５の光学素子はレンチキュラーレンズである、
    請求項１または３に記載の面状照明装置。
  7. 　前記第６の光学素子は、レンズ外側に向けて凸となる円弧部と、円弧部の一端からレンズ内側に戻る懸崖部とを有する、
    請求項１、２、４、５のいずれか一つに記載の面状照明装置。
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