(57)【要約】  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）とを備えている。出射面（１２０）は、光軸と交差する凹面部（１２１）と、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。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。
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【特許請求の範囲】
【請求項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いる、
照明用レンズ。
【請求項２】
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、請求項１に記載の照明用レンズ。
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。
【請求項３】
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、請求項１に記載の照明用レンズ。
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。
【請求項４】
前記出射面は、以下の式（３）を満足する、請求項１に記載の照明用レンズ。
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。
【請求項５】
前記出射面は、以下の式（４）を満足する、請求項１に記載の照明用レンズ。
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。
【請求項６】
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、請求項１に記載の照明用レンズ。
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。
【請求項７】
前記出射面は、前記光軸上の点を除いて連続している、請求項１に記載の照明用レンズ。
【請求項８】
以下の式（７）を満足する、請求項１に記載の照明用レンズ。
１．４０＜ｎ＜１．５２・・・（７）
ここで、
ｎ：照明用レンズの屈折率
である。
【請求項９】
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、請求項１に記載の照明用レンズ。
【請求項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請求項１に記載の照明用レンズと、
を備える発光装置。
【請求項１１】
以下の式（８）を満足する、請求項１０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。
【請求項１２】
以下の式（９）を満足する、請求項１０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。
【請求項１３】
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１０に記載の発光装置である、面光源。
【請求項１４】
以下の式（１０）を満足する、請求項１３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。
【請求項１５】
以下の式（１１）の条件を満足する、請求項１０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。
【請求項１６】
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１３に記載の面光源。
【請求項１７】
請求項１３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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８７５２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る照明用レンズの構成図
【図２】本発明の実施の形態２に係る発光装置の構成図
【図３】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
【図４】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
【図５】（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
【図６】式（４）のパラメータ説明図
【図７】変形例の照明用レンズの構成図
【図８】実施例１の照明用レンズを用いた発光装置の照度分布
【図９】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
【図１０】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
【図１１】実施例１の照明用レンズのθｉとＣ×（ｎ−１）／ｄｉとの関係図
【図１２】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
【図１３】実施例１の照明用レンズのθｉとΔθｒ／Δθｉとの関係図
【図１４】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
【図１５】実施例２の照明用レンズを用いた発光装置の照度分布
【図１６】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
【図１７】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
【図１８】実施例２の照明用レンズのθｉとＣ×（ｎ−１）／ｄｉとの関係図
【図１９】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
【図２０】実施例２の照明用レンズのθｉとΔθｒ／Δθｉとの関係図
【図２１】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
【図２２】実施例３の照明用レンズを用いた発光装置の照度分布。
【図２３】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
【図２４】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
【図２５】実施例３の照明用レンズのθｉとＣ×（ｎ−１）／ｄｉとの関係図
【図２６】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
【図２７】実施例３の照明用レンズのθｉとΔθｒ／Δθｉとの関係図
【図２８】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
【図２９】本発明の実施の形態３に係る面光源の構成図
【図３０】本発明の実施の形態３に係る面光源の部分的な断面図
【図３１】発光装置の他の配置を示す平面図
【図３２】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
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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）。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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）。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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）。
【００４１】
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。
【００４２】
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）。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
式（７）は、照明用レンズの屈折率を規定している。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
（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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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）。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
（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。
【００６５】
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。
【００６６】
【数１】
2010016199.tif 000003
【００６７】
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
【００６８】
（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。
【００６９】
［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            ∞
【００７０】
［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
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
（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。
【００８０】
［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            ∞
【００８１】
［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
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
（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。
【００９１】
［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            ∞
【００９２】
［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
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
【表７】
2010016199.tif 000004
【０１０３】
（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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
【表８】
2010016199.tif 000005
【０１１４】
（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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【図１】
2010016199.tif 000006
【図２】
2010016199.tif 000007
【図３】
2010016199.tif 000008
【図４】
2010016199.tif 000009
【図５】
2010016199.tif 000010
【図６】
2010016199.tif 000011
【図７】
2010016199.tif 000012
【図８】
2010016199.tif 000013
【図９】
2010016199.tif 000014
【図１０】
2010016199.tif 000015
【図１１】
2010016199.tif 000016
【図１２】
2010016199.tif 000017
【図１３】
2010016199.tif 000018
【図１４】
2010016199.tif 000019
【図１５】
2010016199.tif 000020
【図１６】
2010016199.tif 000021
【図１７】
2010016199.tif 000022
【図１８】
2010016199.tif 000023
【図１９】
2010016199.tif 000024
【図２０】
2010016199.tif 000025
【図２１】
2010016199.tif 000026
【図２２】
2010016199.tif 000027
【図２３】
2010016199.tif 000028
【図２４】
2010016199.tif 000029
【図２５】
2010016199.tif 000030
【図２６】
2010016199.tif 000031
【図２７】
2010016199.tif 000032
【図２８】
2010016199.tif 000033
【図２９】
2010016199.tif 000034
【図３０】
2010016199.tif 000035
【図３１】
2010016199.tif 000036
【図３２】
2010016199.tif 000037
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月22日(2009.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８７５２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る照明用レンズの構成図
【図２】本発明の実施の形態２に係る発光装置の構成図
【図３】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
【図４】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
【図５】（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
【図６】式（４）のパラメータ説明図
【図７】変形例の照明用レンズの構成図
【図８】実施例１の照明用レンズを用いた発光装置の照度分布
【図９】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
【図１０】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
【図１１】実施例１の照明用レンズのθｉとＣ×（ｎ−１）／ｄｉとの関係図
【図１２】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
【図１３】実施例１の照明用レンズのθｉとΔθｒ／Δθｉとの関係図
【図１４】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
【図１５】実施例２の照明用レンズを用いた発光装置の照度分布
【図１６】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
【図１７】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
【図１８】実施例２の照明用レンズのθｉとＣ×（ｎ−１）／ｄｉとの関係図
【図１９】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
【図２０】実施例２の照明用レンズのθｉとΔθｒ／Δθｉとの関係図
【図２１】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
【図２２】実施例３の照明用レンズを用いた発光装置の照度分布。
【図２３】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
【図２４】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
【図２５】実施例３の照明用レンズのθｉとＣ×（ｎ−１）／ｄｉとの関係図
【図２６】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
【図２７】実施例３の照明用レンズのθｉとΔθｒ／Δθｉとの関係図
【図２８】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
【図２９】本発明の実施の形態３に係る面光源の構成図
【図３０】本発明の実施の形態３に係る面光源の部分的な断面図
【図３１】発光装置の他の配置を示す平面図
【図３２】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
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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）。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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）。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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）。
【００４１】
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。
【００４２】
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）。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
式（７）は、照明用レンズの屈折率を規定している。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
（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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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）。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
（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。
【００６５】
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。
【００６６】
【数１】
2010016199.tif 000038
【００６７】
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
【００６８】
（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。
【００６９】
［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            ∞                                              
【００７０】
［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
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
（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。
【００８０】
［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            ∞  
【００８１】
［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
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
（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。
【００９１】
［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            ∞                                              
【００９２】
［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
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
【表７】
2010016199.tif 000039
【０１０３】
（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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
【表８】
2010016199.tif 000040
【０１１４】
（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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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いる、
照明用レンズ。
【請求項２】
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、請求項１に記載の照明用レンズ。
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。
【請求項３】
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、請求項１に記載の照明用レンズ。
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。
【請求項４】
前記出射面は、以下の式（３）を満足する、請求項１に記載の照明用レンズ。
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。
【請求項５】
前記出射面は、以下の式（４）を満足する、請求項１に記載の照明用レンズ。
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。
【請求項６】
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、請求項１に記載の照明用レンズ。
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。
【請求項７】
前記出射面は、前記光軸上の点を除いて連続している、請求項１に記載の照明用レンズ。
【請求項８】
以下の式（７）を満足する、請求項１に記載の照明用レンズ。
１．４０＜ｎ＜１．５２・・・（７）
ここで、
ｎ：照明用レンズの屈折率
である。
【請求項９】
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、請求項１に記載の照明用レンズ。
【請求項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請求項１に記載の照明用レンズと、
を備える発光装置。
【請求項１１】
以下の式（８）を満足する、請求項１０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。
【請求項１２】
以下の式（９）を満足する、請求項１０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。
【請求項１３】
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１０に記載の発光装置である、面光源。
【請求項１４】
以下の式（１０）を満足する、請求項１３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。
【請求項１５】
以下の式（１１）の条件を満足する、請求項１０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。
【請求項１６】
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１３に記載の面光源。
【請求項１７】
請求項１３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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010016199.tif 000041
【図２】
2010016199.tif 000042
【図３】
2010016199.tif 000043
【図４】
2010016199.tif 000044
【図５】
2010016199.tif 000045
【図６】
2010016199.tif 000046
【図７】
2010016199.tif 000047
【図８】
2010016199.tif 000048
【図９】
2010016199.tif 000049
【図１０】
2010016199.tif 000050
【図１１】
2010016199.tif 000051
【図１２】
2010016199.tif 000052
【図１３】
2010016199.tif 000053
【図１４】
2010016199.tif 000054
【図１５】
2010016199.tif 000055
【図１６】
2010016199.tif 000056
【図１７】
2010016199.tif 000057
【図１８】
2010016199.tif 000058
【図１９】
2010016199.tif 000059
【図２０】
2010016199.tif 000060
【図２１】
2010016199.tif 000061
【図２２】
2010016199.tif 000062
【図２３】
2010016199.tif 000063
【図２４】
2010016199.tif 000064
【図２５】
2010016199.tif 000065
【図２６】
2010016199.tif 000066
【図２７】
2010016199.tif 000067
【図２８】
2010016199.tif 000068
【図２９】
2010016199.tif 000069
【図３０】
2010016199.tif 000070
【図３１】
2010016199.tif 000071
【図３２】
2010016199.tif 000072
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月24日(2009.12.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【手続補正書】
【提出日】平成22年1月21日(2010.1.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る照明用レンズの構成図
【図２】本発明の実施の形態２に係る発光装置の構成図
【図３】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
【図４】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
【図５】（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
【図６】式（４）のパラメータ説明図
【図７】変形例の照明用レンズの構成図
【図８】実施例１の照明用レンズを用いた発光装置の照度分布
【図９】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
【図１０】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
【図１１】実施例１の照明用レンズのθｉとＣ×（ｎ−１）×ｄｉとの関係図
【図１２】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
【図１３】実施例１の照明用レンズのθｉとΔθｒ／Δθｉとの関係図
【図１４】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
【図１５】実施例２の照明用レンズを用いた発光装置の照度分布
【図１６】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
【図１７】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
【図１８】実施例２の照明用レンズのθｉとＣ×（ｎ−１）×ｄｉとの関係図
【図１９】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
【図２０】実施例２の照明用レンズのθｉとΔθｒ／Δθｉとの関係図
【図２１】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
【図２２】実施例３の照明用レンズを用いた発光装置の照度分布。
【図２３】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
【図２４】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
【図２５】実施例３の照明用レンズのθｉとＣ×（ｎ−１）×ｄｉとの関係図
【図２６】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
【図２７】実施例３の照明用レンズのθｉとΔθｒ／Δθｉとの関係図
【図２８】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
【図２９】本発明の実施の形態３に係る面光源の構成図
【図３０】本発明の実施の形態３に係る面光源の部分的な断面図
【図３１】発光装置の他の配置を示す平面図
【図３２】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
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
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）。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
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。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
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。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０２】
【表７】
2010016199.tif 000073
【手続補正６】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項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。
【国際調査報告】
2010016199.tif 000074
2010016199.tif 000075
2010016199.tif 000076