JP4489843B2 - 照明用レンズおよびそれを用いた発光装置、面光源、液晶ディスプレイ装置 - Google Patents

照明用レンズおよびそれを用いた発光装置、面光源、液晶ディスプレイ装置 Download PDF

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Description

本発明は、例えば発光ダイオード等の光源の指向性を広くする照明用レンズ、およびこの照明用レンズを用いた照明装置に関する。さらに、本発明は、複数の照明装置を備える面光源、およびこの面光源がバックライトとして液晶パネル後方に配置された液晶ディスプレイ装置に関する。
従来の大型の液晶ディスプレイ装置のバックライトでは、冷陰極管が液晶パネル直下に多数配置され、これらの冷陰極管が拡散板や反射板等の部材と共に使われていた。近年では、バックライトの光源として発光ダイオードが使用されるようになっている。発光ダイオード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発光ダイオード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発光ダイオード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発光ダイオードを配置することとなる。多数の発光ダイオード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、発光ダイオードが多数必要で安価にできない問題があった。1個の発光ダイオードの出力を大きくし、発光ダイオード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、少ない数の発光ダイオード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。
特許第3875247号公報
少ない個数の発光ダイオードで均一な面光源を得るためには、1個の発光ダイオードが照明する被照明領域を大きくする必要がある。すなわち発光ダイオード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、チップ状の発光ダイオードの指向性を制御する平面視で円形状のレンズを発光ダイオード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。
発光ダイオードでは、発光ダイオード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発散させている。
ところで、特許文献1に開示されたレンズでは、光軸を含む断面における出射面の曲率半径が、凸面における凹面のすぐ近くの位置で最も小さくなっており、凸面の頂点から外側の部分はほぼ円錐面となっている。しかしながら、このような形状の出射面では、光源の指向性を広くするには限界がある。
本発明は、光源の指向性をより広くすることが可能な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。
上記目的を達成するために、本発明による照明用レンズは、光源からの光を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、光軸に対して回転対称な出射面と、を備え、前記出射面は、前記光軸と交差する凹面部と、前記凹面部の周囲に前記凹面部と連続して設けられた凸面部と、を有し、前記出射面は、前記光軸を含む断面における当該出射面上の微小区間の曲率Cが前記凸面部の中央よりも外側の位置で最大となるような形状に形成されていることを特徴とする。
なお、曲率Cの符号は、曲率中心が出射面よりも光源側にあるときを正とし、光源と反対側にあるとき負とする。
このように構成すると、光源からの光を被照射面における広い範囲に到達させることができ、光源の指向性を従来よりも広くすることが可能な照明用レンズを得ることができる。
また、本発明による発光装置は、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上記の照明用レンズと、を備えることを特徴とする。
このように構成することで、指向性が広い発光装置を得ることができる。
さらに、本発明による面光源は、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ことを特徴とする。
このように構成することで、面内での輝度ムラが少ない面光源を得ることができる。
また、本発明による液晶ディスプレイ装置は、上記の面光源と、前記面光源によって背面から光を照射される液晶パネルと、を備えることを特徴とする。
このように構成することで、輝度ムラの少ない液晶ディスプレイ装置を得ることができる。
本発明によれば、光源の指向性を従来よりもいっそう広げることができる。
本発明の実施の形態1に係る照明用レンズの構成図 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に係る発光装置から出射する光線の光路図 出射面の微小区間の曲率Cとその微小区間の位置を示すθiの説明図 (a)は微小区間の曲率Cの導出方法説明図、(b)は微小区間の拡大図 式(4)のパラメータ説明図 変形例の照明用レンズの構成図 実施例1の照明用レンズを用いた発光装置の照度分布 実施例1の照明用レンズの効果を比較するための発光ダイオードのみの照度分布 実施例1の照明用レンズのθiと微小区間の曲率Cとの関係図 実施例1の照明用レンズのθiとC×(n−1)×diとの関係図 実施例1の照明用レンズのθiと微小区間の曲率C及びサグ量との関係図 実施例1の照明用レンズのθiとΔθr/Δθiとの関係図 実施例1の照明用レンズの出射面から出射される光の光度分布 実施例2の照明用レンズを用いた発光装置の照度分布 実施例2の照明用レンズの効果を比較するための発光ダイオードのみの照度分布 実施例2の照明用レンズのθiと微小区間の曲率Cとの関係図 実施例2の照明用レンズのθiとC×(n−1)×diとの関係図 実施例2の照明用レンズのθiと微小区間の曲率C及びサグ量との関係図 実施例2の照明用レンズのθiとΔθr/Δθiとの関係図 実施例2の照明用レンズの出射面から出射される光の光度分布 実施例3の照明用レンズを用いた発光装置の照度分布。 実施例3の照明用レンズの効果を比較するための発光ダイオードのみの照度分布 実施例3の照明用レンズのθiと微小区間の曲率Cとの関係図 実施例3の照明用レンズのθiとC×(n−1)×diとの関係図 実施例3の照明用レンズのθiと微小区間の曲率C及びサグ量との関係図 実施例3の照明用レンズのθiとΔθr/Δθiとの関係図 実施例3の照明用レンズの出射面から出射される光の光度分布 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 発光装置の他の配置を示す平面図 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
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る照明用レンズついて、図面を参照しつつ説明する。図1は、実施の形態1に係る照明用レンズ100の構成図である。照明用レンズ100は、指向性を有する光源(図1では省略)と被照射面300との間に配置され、光源からの光を拡張して被照射面300に照射するものである。すなわち、照明用レンズ100によって光源の指向性が広くされる。被照射面300の照度分布は、照明用レンズ100の設計上の中心線である光軸近傍が最大で周囲に行くほど略単調に減少する。なお、光源と照明用レンズ100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100は、光源からの光が入射する入射面111と、入射した光を出射させる出射面120とを有している。また、照明用レンズ100は、入射面111の周囲で出射面120と反対側を向く底面112を有している。さらに、照明用レンズ100は、出射面120の外側に、出射面120の周縁と底面112の外周縁とをつなぐ外周面130を有している。
入射面111は光軸に対して回転対称である必要はない。本実施形態では、入射面111が当該入射面111を取り巻く環状の底面112よりも出射面120に近くにあり、それらの段差で形成される窪みに光源が嵌り込むようになっている。ただし、入射面111は、底面112と同一平面上に位置していてもよい。この場合には、光源と光学的に接合される領域が入射面111である。なお、入射面111は、必ずしも光源と直接接合される必要はなく、例えば光源との間に空気層が形成されるように半球状に窪んでいてもよい。
出射面120は光軸に対して回転対称である。出射面120は、光源の光量の所定量(例えば、90%)以上の光を制御する領域(図1に示す点Pから内側の領域)であり、出射面120を光軸方向から見たときの直径が照明用レンズ100の有効径Deである。
外周面130は、本実施形態では出射面120と連続する曲面を形成しているが、断面直線状のテーパー面となっていてもよい。あるいは、例えば図7に示すように、照明用レンズ100に出射面120の周縁から全周に亘って突出するリング部150が設けられていて、このリング部150の端面が外周面130となっていてもよい。また、外周面130は光軸に対して回転対称である必要はなく、例えば外周面130が光軸を挟んで互いに平行な一対のフラット部を有していて、照明用レンズ100が光軸方向から見たときに小判型となっていてもよい。
光源からの光は、入射面111から照明用レンズ100内に入射した後に出射面120から出射されて、被照射面300に到達する。光源から放射される光は、出射面120の作用で拡張され、被照射面300の広い範囲に到達するようになる。
光源としては、例えば発光ダイオードを採用することができる。発光ダイオードは矩形板状のチップであることが多く、照明用レンズ100の入射面111も発光ダイオードに密着可能なように発光ダイオードの形状に合わせた形状とすることが好ましい。発光ダイオードは、照明用レンズ1の入射面111と接合剤を介して接していて、入射面111と光学的に接合される。発光ダイオードは、通常は空気に触れないように封止樹脂で覆われている。従来の発光ダイオード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100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1.53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、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、発光ダイオード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。
出射面120は、光軸と交差する凹面部121と、この凹面部121の周囲に当該凹面部121と連続して設けられた凸面部122とを有している。入射面111から照明用レンズ100の内部に入射する光は大きな角度範囲を持っている。光軸からの角度が小さい光は凹面部121に到達し、光軸からの角度が大きい光は凸面部122に到達する。
より詳しくは、出射面120は、光軸を含む断面における当該出射面120上の微小区間の曲率Cが凸面部122の中央(図1に示す点M)よりも外側の位置で最大となるような形状に形成されている。
ここで、微小区間の曲率Cについて、図4ならびに図5(a)および(b)を参照して説明する。図4は、出射面120の微小区間の曲率Cと、その微小区間の位置を示すθiを表している。光軸上の光源位置を基準として、微小区間の曲率Cは以下のように定義する。なお、「光軸上の光源位置」とは、光軸が光源の発光面と交わる位置である。
図5(a)および(b)に示すように、出射面120上の点Aと点Bの間の、光軸からn番目の微小区間を考え、点Aと光軸上の光源位置とを結んだ線と、光軸とのなす角度をθi(n)とし、点Bと光軸上の光源位置とを結んだ線と、光軸とのなす角度をθi(n+1)とする。ただし、θi(n+1)−θi(n)を0.5°程度とする。点Aでの出射面120の接線が光軸に垂直な面となす角度をθs(n)とし、点Bでの出射面120の接線が光軸に垂直な面となす角度をθs(n+1)とする。点Aと点Bとの間の出射面120の長さをΔd(n)とする。点Aと点Bの間の出射面120は、点Aと点Bの間隔が十分小さいとして、単一曲率半径Rで構成されるものとすると、Rの中心Oは点Aでの出射面120の法線と点Bでの出射面42の法線が交差したところであり、2つの法線のなす角度∠AOBはθs(n+1)−θs(n)で表せる。Oを中心とし、点Aと点Bの間の円弧の半径RはΔd(n)/(θs(n+1)−θs(n))で表せる。曲率Cは1/Rである。よって、n番目の微小区間の曲率Cは、(θs(n+1)−θs(n))/Δd(n)となる。ただし、θs(n)およびθs(n+1)はラジアンで計算する。また、上記の定義では、曲率Cの符号は、曲率中心Oが出射面120よりも光源側にあるときが正、その反対側にあるときが負となる。
本実施形態によれば、入射面111から入射した光を出射面120から広い範囲に出射する照明用レンズ100を実現できる。
本発明の目的は以上の構成により達成されるが、本実施形態の照明用レンズ100は、次の諸項目を満足させることが機能上さらに好ましい。
光軸を含む断面において、出射面120上の微小区間の曲率Cは、以下の式(1)で規定される範囲内において最大となることが好ましい。
60°<θi<80°・・・(1)
(より好ましくは、65°<θ<75°・・・(1)’)
ここで、
θi:微小区間の中心と光軸上の光源位置とを結んだ線Liと、光軸とのなす角度、すなわちθi≒(θi(n+1)+θi(n))/2
である(図4参照)。
式(1)(または式(1)’)は、出射面120上の光源位置からθiの位置に光源から放射された光線が入射したときの出射面120の形状を規定したものである。
式(1)(または式(1)’)の上限を超えると、配光特性を確保するための公差が厳しくなり、面光源としたときに面内での輝度ムラが大きくなる。下限を超えると、配光特性が狭くなり、面光源としたときに面内での輝度ムラが大きくなる。
または、光軸を含む断面において、出射面120上の微小区間の曲率Cは、以下の式(2)で規定される範囲内において最大となることが好ましい。
0.88<Yr<0.98・・・(2)
(より好ましくは、0.90<Yr<0.96・・・(2)’)
ここで、
Yr:照明用レンズ100の有効径Deの半分に対する、光軸から微小区間の中心までの距離Diの比、すなわちDi/0.5De
である(図4参照)。
式(2)(または式(2)’)は、出射面120上のYrの位置に光源から放射された光線が入射したときの出射面120の形状を規定したものである。
式(2)(または式(2)’)の上限を超えると、配光特性を確保するための公差が厳しくなり、面光源としたときに面内での輝度ムラが大きくなる。下限を超えると、配光特性が狭くなり、面光源としたときに面内での輝度ムラが大きくなる。
さらに、出射面120は、以下の式(3)を満足することが好ましい。
0.90<θmp/θmc<1.05・・・(3)
(より好ましくは、0.92<θmp/θmc<1.03・・・(3)’)
ここで、
θmc:微小区間のうち曲率Cが最大となる微小区間の中心と光軸上の光源位置とを結んだ線Lと、光軸とのなす角度
θmp:出射面120から出射される光を光軸に対する角度である出射角度ごとに見たときの最大の光度となる出射角度
である(図6参照)。
式(3)(または式(3)’)は、θmpとθmcとの比を規定したものである。式(3)(または式(3)’)の上限を超えると、θmcに対するθmpが大きくなりすぎ、放射強度が低下し、配光特性が狭くなる。下限を超えると配光特性に凹凸が発生し、輝度ムラの原因となる。
さらに前記出射面において、(4)式を満足することが好ましい。
0.9<Cm×(n−1)×d<1.5・・・(4)
(より好ましくは、0.95<Cm×(n−1)×d<1.45・・・(4)’)
ここで、
Cm:微小区間の曲率Cの最大値
n:照明用レンズ100の屈折率
d:光軸上の光源位置から、微小区間のうち曲率Cが最大となる微小区間の中心までの距離、すなわち線Lの長さ
である(図6参照)。
式(4)(または式(4)’)は出射面120の形状について曲率の最大値を光源位置から出射面120までの距離で正規化している。式(4)(または式(4)’)の上限を超えると放射強度が最大となる角度での放射強度が低下する。下限を超えると、放射強度が最大となる角度での放射強度が低下する。
さらに、出射面120のサグ量を当該出射面120が光軸と交差する位置で基準化したときに、出射面120は、以下の式(5)および式(6)を満足することが好ましい。
5°<θo<20°・・・(5)
25°<θs<45°・・・(6)
(より好ましくは、10°<θo<15°・・・(5)’
30°<θs<40°・・・(6)’)
ここで、
θo:出射面120上の曲率Cが負から正に変わる位置と光軸上の光源位置とを結んだ線と、光軸とのなす角度
θs:出射面120上のサグ量が最大になる位置と光軸上の光源位置とを結んだ線と、光軸とのなす角度
である。
また、サグ量の符号は、当該出射面120が光軸と交差する位置を基準として、出射面120が光源と反対側にあるときを正とし、光源側にあるときを負とする。
式(5)(または式(5)’)および式(6)(または式(6)’)は、出射面120の形状を規定したものである。
式(5)(または式(5)’)の上限を超えると、出射面120に向かう光線の入射角が大きくなり全反射が発生し、所望の輝度分布が得られず、面光源としたときに面内での輝度ムラが大きくなる。下限を超えると、被照射面300の中心に向かう光線が大きくなり、面光源としたときに面内での輝度のムラが大きくなる。
式(6)(または式(6)’)の上限を超えると、配光特性を確保するための公差が厳しくなる。下限を超えると、配光特性が狭くなり、面光源としたときに面内での輝度ムラが大きくなる。
さらに、出射面120は、光軸上の点を除いて連続していることが好ましい。なお、出射面120における凹面部121の光軸近傍部分は、光軸上の点に向かって円錐状に窪んでいてもよいし、光軸と直交するように滑らかに湾曲していてもよい。
このように構成することで、面光源としたときに滑らかな輝度分布を得ることができ、輝度のムラを少なくできる。
さらに、照明用レンズ100は、以下の式(7)を満足することが好ましい。
1.40<n<1.52・・・(7)
ここで、
n:照明用レンズ100の屈折率
である。
式(7)は、照明用レンズの屈折率を規定している。
式(7)の上限を超えると、出射面120での屈折作用が強くなり、配光特性が十分でなくなる。下限を超えると、出射面120での屈折作用が弱くなり、屈折作用を強くするために出射面120の形状を変更すると、公差が厳しくなる。
さらに、図3に示すように、光軸上の光源位置から光軸に対してθiの角度で放射された放射光が出射面120で屈折されたときの光軸に対する屈折角をθrとしたとき、θiの増加に伴うθiの増加量Δθiに対するθrの変化量Δθr(Δθr/Δθi)は、減少と増加を繰り返すことが好ましい。
光源はある程度の面積の発光面を有しているため、発光面の周縁部からの光は出射面120で全反射する。この全反射により照度分布が部分的に低下することになるが、出射面120を上記の条件を満たすように設計して光線密度を調整すれば、照度が低下する部分に光を導いて滑らかな照度分布を得ることができる。
(実施の形態2)
図2は、本発明の実施の形態2に係る発光装置700の構成図である。この発光装置700は、光を放射する発光ダイオード200と、発光ダイオード200からの光を拡張して被照射面300に照射する、実施の形態1で説明した照明用レンズ100とを備えている。
発光ダイオード200は、照明用レンズ100の入射面111に接合剤により密着して配置され、光学的に接合されている。照明用レンズ100の出射面120から出射した光は被照射面300に到達し、被照射面300を照明する。
発光ダイオード200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。このように発光ダイオード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100で指向性を広げることが必要である。
図3は発光装置700の光路図である。発光ダイオード200から出射した光は入射面111を透過し、出射面120に到達する。到達した光は、出射面120を屈折しながら透過し、被照射面300に到達する。
発光装置100は、以下の式(8)を満足することが好ましい。
0.3<D/t<0.9・・・(8)
(より好ましくは、0.37<D/t<0.87・・・(8)’)
ここで、
D:発光ダイオード200の発光面の最大幅(発光面が正方形である場合はその一辺の長さ、発光面が長方形である場合は長い方の辺の長さ)
t:照明用レンズ100の中心厚(光軸上の入射面111から出射面120までの距離)
である(図3および図4参照)。
式(8)(または式(8)’)は、照明用レンズ100の中心厚に対する発光ダイオード200の発光面の最大幅を規定している。
式(8)(または式(8)’)の上限を超えると、照明用レンズ100の大きさに対する発光ダイオード200のサイズが大きくなりすぎ、出射面120に向かう光線の入射角が大きくなるため全反射が発生し、所望の輝度分布が得られず、面光源としたときに面内での輝度ムラが大きくなる。下限を超えると、発光ダイオード200のサイズに対する照明用レンズ100の大きさが大きくなりすぎるため、発光装置が大型化しコストアップとなる。
さらに、発光装置700は、以下の式(9)を満足することが好ましい。
0.06<D/De<0.27・・・(9)
(より好ましくは、0.09<D/De<0.24・・・(9)’)
ただし、
D:発光ダイオード200の発光面の最大幅
De:照明用レンズ100の有効径
である。
式(9)は照明用レンズ100の有効径に対する発光ダイオード200の発光面の最大幅を規定している。式(9)(または式(9)’)の上限を超えると、照明用レンズ100の有効径に対する発光ダイオード200のサイズが大きくなりすぎ、出射面に向かう光線の入射角が大きくなるため全反射が発生し、所望の輝度分布が得られず、面光源としたときに面内での輝度ムラが大きくなる。下限を超えると、発光ダイオード200のサイズに対する照明用レンズ100の有効径が大きくなりすぎるため、発光装置が大型化しコストアップとなる。
(実施例)
以下、実施の形態2に係る発光装置700に用いられる照明用レンズ100の具体的な数値実施例として、実施例1〜3を示す。
各実施例において、後述する表中の長さの単位は全て「mm」であり、角度の単位は全て「°」である。また、各実施例の面データにおいて、rは曲率半径、dは面間隔または厚み、nはd線に対する屈折率である。また、各実施例において、*印を付した面は非球面であり、非球面形状は次の数式で定義される。
Figure 0004489843
ただし、数式中の各符号の意味は以下の通りである。
X:光軸からの高さがhの非球面上の点から、非球面頂点の接平面までの距離
h:光軸からの高さ
Cj:第j面の非球面頂点の曲率(Cj=1/Rj)
Kj:第j面の円錐定数
Aj,n:第j面のn次の非球面係数
(実施例1)
実施例1の照明用レンズは、図3に示した形状に対応する。本実施例は、0.5mm角の発光ダイオードを光源とし、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の照明用レンズの面データを表1に、非球面データを表2に示す。
[表1]面データ
面番号 r d n
物面 ∞ 0.964 1.41
1* 8.373E-13 7.036
像面 ∞
[表2]非球面データ
第1面
K= -1.0268E+01 ,A3= 1.9628E+00 ,A4= -8.3686E+00 ,A5= 1.9670E+01
A6= -3.6276E+01 ,A7= 4.6681E+01 ,A8= -3.0918E+01 ,A9= -1.0909E-01
A10= 1.0608E+01 ,A11= -7.0489E-03 ,A12= -4.5201E+00 ,A13= 1.2256E-02
A14= 1.4688E+00 ,A15= 3.4825E-04 ,A16= -3.1939E-01 ,A17= -7.9209E-04
A18= 4.0742E-02 ,A19= 3.5721E-05 ,A20= -2.2613E-03
図8は、実施例1の照明用レンズと発光ダイオードを配置し、発光ダイオードの発光面から8mmの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9は、同一の発光ダイオードのみ配置し、発光ダイオードの発光面から8mmの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8と図9を比較すると、実施例1の照明用レンズの効果で被照射面を広く照明できていることがわかる。
図10に、実施例1の照明用レンズにおける微小区間の曲率Cを示す。横軸は、微小区間の中心と光軸上の光源位置とを結んだ線Liと光軸とのなす角度θiである(図4参照)。曲率Cは、13.77°で符号が反転し、69.8°で最大値をとる。
図11に、実施例1の照明用レンズにおける式(4)に関連するC×(n−1)×diを示す。なお、diとは、光軸上の光源位置から微小区間の中心までの距離、すなわち図4中の線Liの長さのことである。C×(n−1)×diは、θiが69.8°で最大となり、その値は1.51である。
図12に、実施例1の照明用レンズにおける微小区間の曲率Cとサグ量を示す。θoは13.77°、θsは37.06°、θmcは69.8°である。
図13に、実施例1の照明用レンズにおけるθiの増加に伴うΔθr/Δθiの推移を示す。Δθr/Δθiは、θiが増加するに従って密な波形となっている。
図14に、実施例1の照明用レンズの出射面から出射される光を出射角度ごとに見たときの光度を相対光度で示す。図14では、θmpは67.7°である。従って、θmp/θmcは0.97である。
(実施例2)
実施例2の照明用レンズは、図3に示した形状に対応する。本実施例は、0.65mm角の発光ダイオードを光源とし、指向性を広げることを目的とした設計例である。実施例2の照明用レンズの面データを表3に、非球面データを表4に示す。
[表3]面データ
面番号 r d n
物面 ∞ 1.2 1.41
1* 1.088E-12 6.8
像面 ∞
[表4]非球面データ
第1面
K= -1.0268E+01 ,A3= 1.5843E+00 ,A4= -5.9328E+00 ,A5= 1.0800E+01
A6= -1.3014E+01 ,A7= 1.0470E+01 ,A8= -4.6299E+00 ,A9= -2.1226E-02
A10= 9.6894E-01 ,A11= -7.9260E-02 ,A12= -2.3661E-01 ,A13= -1.8210E-03
A14= 6.4025E-02 ,A15= 1.2197E-03 ,A16= -1.0393E-02 ,A17= -1.3892E-04
A18= 8.1619E-05 , A19= 6.2396E-04 ,A20= -1.5184E-04
図15は、実施例2の照明用レンズと発光ダイオードを配置し、発光ダイオードの発光面から8mmの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16は、同一の発光ダイオードのみ配置し、発光ダイオードの発光面から8mmの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15と図16を比較すると、実施例2の照明用レンズの効果で被照射面を広く照明できていることがわかる。
図17に、実施例2の照明用レンズにおける微小区間の曲率Cを示す。横軸は、微小区間の中心と光軸上の光源位置とを結んだ線Liと光軸とのなす角度θiである。曲率Cは、12.5°で符号が反転し、67.2°で最大値をとる。
図18に、実施例2の照明用レンズにおける式(4)に関連するC×(n−1)×diを示す。C×(n−1)×diは、θiが67.2°で最大となり、その値は1.53である。
図19に、実施例2の照明用レンズにおける微小区間の曲率Cとサグ量を示す。θoは12.5°、θsは35.38°、θmcは67.2°である。
図20に、実施例2の照明用レンズにおけるθiの増加に伴うΔθr/Δθiの推移を示す。Δθr/Δθiは、θiが増加するに従って密な波形となっている。
図21に、実施例1の照明用レンズの出射面から出射される光を出射角度ごとに見たときの光度を相対光度で示す。図21では、θmpは62.5°である。従って、θmp/θmcは0.93である。
(実施例3)
実施例3の照明用レンズは、図3に示した形状に対応する。本実施例は、0.95mm角の発光ダイオードを光源とし、指向性を広げることを目的とした設計例である。実施例3の照明用レンズの面データを表5に、非球面データを表6に示す。
[表5]面データ
面番号 r d n
物面 ∞ 2.462 1.492
1* 2.177E-12 13.538
像面 ∞
[表6]非球面データ
第1面
K= -2.8085E+01 ,A3= 8.1962E-01 ,A4= -1.3756E+00 ,A5= 1.0351E+00
A6= -4.6852E-01 ,A7= 1.5092E-01 ,A8= -3.3498E-02 ,A9= 6.6020E-04
A10= 1.9319E-03 ,A11= -1.0865E-04 ,A12= -1.2491E-04 ,A13= -1.2357E-06
A14= 7.9995E-06 ,A15= 2.0909E-07 ,A16= -3.0106E-07 ,A17= -2.5477E-09
A18= -6.1609E-10 ,A19= 2.0427E-09 ,A20= -2.1669E-10
図22は、実施例3の照明用レンズと発光ダイオードを配置し、発光ダイオードの発光面から16mmの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23は、同一の発光ダイオードのみ配置し、発光ダイオードの発光面から16mmの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22と図23を比較すると、実施例3の照明用レンズの効果で被照射面を広く照明できていることがわかる。
図24に、実施例3の照明用レンズにおける微小区間の曲率Cを示す。横軸は、微小区間の中心と光軸上の光源位置とを結んだ線Liと光軸とのなす角度θiである。曲率Cは、13.56°で符号が反転し、69.52°で最大値をとる。
図25に、実施例3の照明用レンズにおける式(4)に関連するC×(n−1)×diを示す。C×(n−1)×diは、θiが69.52°で最大となり、その値は1.47である。
図26に、実施例3の照明用レンズにおける微小区間の曲率Cとサグ量を示す。θoは13.56°、θsは35.66°、θmcは69.52°である。
図27に、実施例3の照明用レンズにおけるθiの増加に伴うΔθr/Δθiの推移を示す。Δθr/Δθiは、θiが増加するに従って密な波形となっている。
図28に、実施例1の照明用レンズの出射面から出射される光を出射角度ごとに見たときの光度を相対光度で示す。図28では、θmpは69.52°である。従って、θmp/θmcは1.00である。
各実施例の照明用レンズにおける式(1)〜(9)の条件に対する対応値は、以下の表7のとおりである。
Figure 0004489843
(実施の形態3)
図29は、本発明の実施の形態3に係る面光源800の構成図である。この面光源800は、平面的に配置された、実施の形態2で説明した複数の発光装置700と、これらの発光装置700を覆うように配置された拡散板400とを備えている。なお、発光装置700は、図29に示すようにマトリクス状に配置されていてもよいし、図31に示すように千鳥状に配置されていてもよい。
また、面光源800は、発光装置700を挟んで拡散板400と対向する基板650を備えている。基板650には、図30に示すように、各発光装置700の発光ダイオード200が実装されている。本実施形態では、基板650上に、発光ダイオード200を避けながら基板650を覆うように反射板600が配置されている。なお、本実施形態では、照明用レンズ100の入射面111とその周囲の底面112とが同一平面上に位置している。
発光装置700は、拡散板400の一方面(入射面)に光を照射する。すなわち、拡散板400の一方面は、実施の形態1および実施の形態2で説明した被照射面300となっている。拡散板400は、一方面に照射された光を他方面(出射面)から拡散された状態で放射する。個々の発光装置700からは拡散板400の一方面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400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700からの光は、拡散板400で散乱されて、発光装置側へ戻ったり拡散板400を透過したりする。発光装置側へ戻って反射板600に入射する光は、反射板600で反射されて、拡散板400に再度入射する。
面光源800は、以下の式(10)を満足することが好ましい。
0.2<h/p<0.4・・・(10)
(より好ましくは、0.25<h/p<0.35・・・(10)’)
ここで、
h:発光装置700中の発光ダイオード200の発光面から拡散板400の入射面までの距離
p:発光装置700の配置ピッチ
である。
式(10)(または式(10)’)は、発光装置700の配置ピッチに対する、発光装置700内の発光面と拡散板400との距離を規定している。ここで、「配置ピッチ」とは、発光装置700が並ぶ方向における発光装置700の光軸間距離をいい、発光装置700が並ぶ方向とは、図29に示すようなマトリクス状配置の場合には、直交する縦横の2方向であり、図31に示すような千鳥状配置の場合には、横および斜めの2方向である。なお、それらの2方向でのピッチは必ずしも一致している必要はないが、一致していることが好ましい。
式(10)(または式(10)’)の上限を超えると、発光装置700の配置ピッチに対して拡散板400が発光装置700から離れすぎるため、面光源が大型化してしまう。下限を超えると、拡散板400上での輝度分布の均一性を確保するのが困難になり、面内での輝度ムラが大きくなる。
さらに、面光源800は、以下の式(11)を満足することが好ましい。
0.04<D/h<0.15・・・(11)
(より好ましくは、0.05<D/h<0.13・・・(11)’)
ただし、
D:発光ダイオード200の発光面の最大幅
h:発光装置700中の発光ダイオード200の発光面から拡散板400の入射面までの距離
である。
式(11)(または式(11)’)は発光装置700内の発光面と拡散板400との距離に対する発光ダイオード200のサイズを規定している。式(11)(または式(11)’)の上限を超えると、発光装置700内の発光面と拡散板400との距離に対する発光ダイオード200のサイズが大きくなりすぎ、照明用レンズ100で広配向化するために要するレンズパワーを確保するのが困難となる。下限を超えると、発光ダイオード200のサイズに対する発光装置700内の発光面と拡散板400との距離が大きくなりすぎるため、面光源が大型化してしまう。
なお、実施の形態2で示した実施例1〜3を採用したときの式(10)および式(11)の対応値は、次の表8のようになる。
Figure 0004489843
(実施の形態4)
図32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500と、液晶パネル500の裏側に配置された、実施の形態3で説明した面光源800とを備えている。
発光ダイオード200と照明用レンズ100で構成される発光装置が平面状に多数配置され、これらの発光装置700によって拡散板400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500と面光源800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400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。

Claims (16)

  1. 光源からの光を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、光軸に対して回転対称な出射面と、を備え、
    前記出射面は、前記光軸と交差する凹面部と、前記凹面部の周囲に前記凹面部と連続して設けられた凸面部と、を有し、
    前記出射面は、前記光軸を含む断面における当該出射面上の微小区間の曲率Cが前記凸面部の中央よりも外側の位置で最大となるような形状に形成されており、
    前記光軸を含む断面において、前記出射面上の微小区間の曲率Cは、以下の式(1)で規定される範囲内において最大となる、照明用レンズ。
    60°<θi<80°・・・(1)
    ここで、
    θi:前記微小区間の中心と前記光軸上の光源位置とを結んだ線と、前記光軸とのなす角度
    である。
  2. 光源からの光を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、光軸に対して回転対称な出射面と、を備え、
    前記出射面は、前記光軸と交差する凹面部と、前記凹面部の周囲に前記凹面部と連続して設けられた凸面部と、を有し、
    前記出射面は、前記光軸を含む断面における当該出射面上の微小区間の曲率Cが前記凸面部の中央よりも外側の位置で最大となるような形状に形成されており、
    前記光軸を含む断面において、前記出射面上の微小区間の曲率Cは、以下の式(2)で規定される範囲内において最大となる、照明用レンズ。
    0.88<Yr<0.98・・・(2)
    ここで、
    Yr:照明用レンズの有効径の半分に対する、前記光軸から前記微小区間の中心までの距離の比
    である。
  3. 光源からの光を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、光軸に対して回転対称な出射面と、を備え、
    前記出射面は、前記光軸と交差する凹面部と、前記凹面部の周囲に前記凹面部と連続して設けられた凸面部と、を有し、
    前記出射面は、前記光軸を含む断面における当該出射面上の微小区間の曲率Cが前記凸面部の中央よりも外側の位置で最大となるような形状に形成されており、
    前記出射面は、以下の式(3)を満足する、照明用レンズ。
    0.90<θmp/θmc<1.05・・・(3)
    ここで、
    θmc:前記微小区間のうち曲率Cが最大となる微小区間の中心と前記光軸上の光源位置とを結んだ線と、前記光軸とのなす角度
    θmp:前記出射面から出射される光を前記光軸に対する角度である出射角度ごとに見たときの最大の光度となる出射角度
    である。
  4. 光源からの光を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、光軸に対して回転対称な出射面と、を備え、
    前記出射面は、前記光軸と交差する凹面部と、前記凹面部の周囲に前記凹面部と連続して設けられた凸面部と、を有し、
    前記出射面は、前記光軸を含む断面における当該出射面上の微小区間の曲率Cが前記凸面部の中央よりも外側の位置で最大となるような形状に形成されており、
    前記出射面は、以下の式(4)を満足する、照明用レンズ。
    0.9<Cm×(n−1)×d<1.5・・・(4)
    ここで、
    Cm:前記微小区間の曲率Cの最大値
    n:照明用レンズの屈折率
    d:前記光軸上の光源位置から、前記微小区間のうち曲率Cが最大となる微小区間の中心までの距離
    である。
  5. 光源からの光を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、光軸に対して回転対称な出射面と、を備え、
    前記出射面は、前記光軸と交差する凹面部と、前記凹面部の周囲に前記凹面部と連続して設けられた凸面部と、を有し、
    前記出射面は、前記光軸を含む断面における当該出射面上の微小区間の曲率Cが前記凸面部の中央よりも外側の位置で最大となるような形状に形成されており、
    前記曲率Cの符号を、曲率中心が出射面よりも光源側にあるときを正、その反対側にあるときを負とし、前記出射面のサグ量を当該出射面が前記光軸と交差する位置で基準化したときに、
    前記出射面は、以下の式(5)および式(6)を満足する、照明用レンズ。
    5°<θo<20°・・・(5)
    25°<θs<45°・・・(6)
    ここで、
    θo:前記出射面上の曲率Cが負から正に変わる位置と前記光軸上の光源位置とを結んだ線と、前記光軸とのなす角度
    θs:前記出射面上のサグ量が最大になる位置と前記光軸上の光源位置とを結んだ線と、前記光軸とのなす角度
    である。
  6. 光源からの光を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、光軸に対して回転対称な出射面と、を備え、
    前記出射面は、前記光軸と交差する凹面部と、前記凹面部の周囲に前記凹面部と連続して設けられた凸面部と、を有し、
    前記出射面は、前記光軸を含む断面における当該出射面上の微小区間の曲率Cが前記凸面部の中央よりも外側の位置で最大となるような形状に形成されており、
    前記光軸上の光源位置から前記光軸に対してθiの角度で放射された放射光が前記出射面で屈折されたときの前記光軸に対する屈折角をθrとしたとき、
    前記θiの増加に伴う前記θiの増加量に対する前記θrの変化量は、減少と増加を繰り返す、照明用レンズ。
  7. 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請求項1〜6のいずれか一項に記載の照明用レンズと、
    を備える発光装置。
  8. 以下の式(8)を満足する、請求項7に記載の発光装置。
    0.3<D/t<0.9・・・(8)
    ここで、
    D:前記発光ダイオードの発光面の最大幅
    t:前記照明用レンズの中心厚
    である。
  9. 以下の式(9)を満足する、請求項7に記載の発光装置。
    0.06<D/De<0.27・・・(9)
    ただし、
    D:前記発光ダイオードの発光面の最大幅
    De:照明用レンズの有効径
    である。
  10. 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であって、
    前記発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を出射させる、光軸に対して回転対称な出射面と、を備え、
    前記出射面は、前記光軸と交差する凹面部と、前記凹面部の周囲に前記凹面部と連続して設けられた凸面部と、を有し、
    前記出射面は、前記光軸を含む断面における当該出射面上の微小区間の曲率Cが前記凸面部の中央よりも外側の位置で最大となるような形状に形成されている、照明用レンズと、を備え、
    以下の式(8)を満足する、発光装置。
    0.3<D/t<0.9・・・(8)
    ここで、
    D:前記発光ダイオードの発光面の最大幅
    t:前記照明用レンズの中心厚
    である。
  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であって、
    前記発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を出射させる、光軸に対して回転対称な出射面と、を備え、
    前記出射面は、前記光軸と交差する凹面部と、前記凹面部の周囲に前記凹面部と連続して設けられた凸面部と、を有し、
    前記出射面は、前記光軸を含む断面における当該出射面上の微小区間の曲率Cが前記凸面部の中央よりも外側の位置で最大となるような形状に形成されている、照明用レンズと、を備え、
    以下の式(9)を満足する、発光装置。
    0.06<D/De<0.27・・・(9)
    ただし、
    D:前記発光ダイオードの発光面の最大幅
    De:照明用レンズの有効径
    である。
  12. 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7〜11のいずれか一項に記載の発光装置である、面光源。
  13. 以下の式(10)を満足する、請求項12に記載の面光源。
    0.2<h/p<0.4・・・(10)
    ここで、
    h:前記発光装置中の発光ダイオードの発光面から前記拡散板の前記一方面までの距離
    p:前記発光装置の配置ピッチ
    である。
  14. 以下の式(11)の条件を満足する、請求項12に記載の面光源。
    0.04<D/h<0.15・・・(11)
    ただし、
    D:前記発光ダイオードの発光面の最大幅
    h:前記発光装置中の発光ダイオードの発光面から前記拡散板の前記一方面までの距離
    である。
  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、前記発光ダイオード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12に記載の面光源。
  16. 請求項12〜15のいずれか一項に記載の面光源と、前記面光源によって背面から光を照射される液晶パネルと、を備えた、液晶ディスプレイ装置。
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