(57)【要約】【課題】レンズの側面から出射する光の効率を増大させ得るＬＥＤ光源用レンズを提供する。【解決手段】底面と上部反射面を有するレンズの内部に内部空間を形成することで、内部空間を通過して進行する光は、空間とレンズ間の一部境界面（選択的透過面、内部反射面、内側反射面）で内部全反射により部分的に反射する。このような構造により、ＬＥＤ光源の光をレンズの側面に効率よく誘導することができる。【選択図】  図９
2006113556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面と、中心軸に対して対称に傾いた上部反射面と、前記上部反射面の外周端と前記底面の外周端を連結する側面とを有する本体を含み、
記本体内に、前記中心軸に対して対称な内部空間が形成され、前記内部空間の境界面の少なくとも一部には前記中心軸に対して対称に傾いた内部反射面が形成され、
前記底面を通して入射するＬＥＤ光源の光は、前記上部反射面と前記内部反射面のいずれか一つで反射した後、前記中心軸に対して直角方向に前記側面を通して出射することを特徴とするＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項２】
前記ＬＥＤ光源の光が入射する部分を除いた底面には、中心軸に対して対称な曲面を有する下部反射面が形成され、
前記内部反射面で反射された光の一部は、前記下部反射面で反射してから前記側面を通して出射することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項３】
前記内部空間は、前記中心軸が通過する領域を含むように形成され、
前記内部空間の下部境界面の中心には、前記底面から入射する光の一部を反射させる選択的透過面が形成されることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項４】
前記選択的透過面は、前記中心軸に対して直角の平面に形成されることを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項５】
前記透過的透過面は、前記上部反射面に向かって膨らみ上がったドーム形状に形成されることを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項６】
前記内部空間は、前記中心軸が通過する領域を除いて環状に形成され、
前記環状の内部空間の内側境界面は、中心軸に対して対称に傾いて形成され、
前記底面から入射する光の一部は、前記内側反射面及び前記上部反射面のそれぞれにより反射して前記側面を通して出射することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項７】
前記ＬＥＤ光源の光が入射する部分の除いた底面には、中心軸に対して対称な曲面を有する下部反射面が形成され、
前記内部反射面で反射した光の一部は、前記下部反射面で反射してから前記側面を通して出射することを特徴とする請求項６に記載のＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項８】
ＬＥＤ光源が結合される底面を含む下部レンズと、
前記下部レンズ上に積層結合され、中心軸に対して対称に傾いた上部反射面を有する上部レンズとを含み、
前記上部レンズと下部レンズは、その間に中心軸に対して対称に形成された内部空間を形成するように結合され、前記内部空間をなす前記下部レンズの上面の少なくとも一部には中心軸に対して対称に傾いた内部反射面が形成され、
前記底面から入射するＬＥＤ光源の光の一部は前記上部反射面で反射して、前記中心軸に対して直角方向に前記上部レンズを通して出射し、前記ＬＥＤ光源の光の一部は前記内部反射面で反射して、前記中心軸に対して直角方向に前記下部レンズを通して出射することを特徴とするＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項９】
前記レンズ内で生ずる光の反射は、内部全反射であることを特徴とする請求項８に記載のＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項１０】
前記上部レンズの下面の外周端及び前記下部レンズの上面の外周端上に少なくとも一対の突起部及び段差部がそれぞれ形成され、前記突起部と前記段差部の嵌め合いにより前記上部レンズと前記下部レンズが一体的に結合されることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項１１】
前記突起部と前記段差部は、その間に接着部材を介在して接着され、
前記接着部材の屈折率は、前記上部レンズと前記下部レンズの屈折率と同一であることを特徴とする請求項１０に記載のＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項１２】
前記下部レンズの上面のうち、中心軸が通過する中心領域には選択的透過面が形成され、前記選択的透過面により、前記底面から入射するＬＥＤ光源の光が一部反射されることを特徴とする請求項８に記載のＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項１３】
前記下部レンズの底面は、前記中心軸に対して対称な曲面を有する下部反射面をさらに含み、前記選択的透過面で反射した光は前記下部反射面で反射することを特徴とする請求項１２に記載のＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項１４】
前記選択的透過面は、前記中心軸に対して直角の平面に形成されることを特徴とする請求項１３に記載のＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項１５】
前記選択的透過面は、前記上部レンズに向かって膨らみ上がったドーム状に形成されることを特徴とする請求項１３に記載のＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項１６】
ＬＥＤ光源が結合される底面を含む下部レンズと、
前記下部レンズ上に積層結合され、中心軸に対して対称に傾いた上部反射面を有する上部レンズとを含み、
前記上部レンズと前記下部レンズは、その間に中心軸に対して対称に環状の内部空間が形成されるように結合され、前記環状の内部空間の内側境界面には内側反射面が形成され、
前記底面から入射するＬＥＤ光源の光の一部は、前記内側反射面で反射して、前記中心軸に対して直角方向に出射することを特徴とするＬＥＤ光源用レンズ。
【請求項１７】
前記内側反射面で反射した光は、前記上部反射面で反射して、前記中心軸に対して直角方向に出射することを特徴とする請求項１６に記載のＬＥＤ光源用レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ光源用レンズに関し、より詳しくはディスプレイ及び照明光学系においてより効率よく使用可能な構造のＬＥＤ光源用レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、ディスプレイ及び照明光学系において、親環境性、高効率、及び長寿命を有する光源に対する要求が増大している。ＬＥＤの効率と輝度がますます増加するに従い、ＬＥＤを用いた代替光源が開発されており、次第にディスプレイ及び照明光学系などに適用されつつある。特に、親環境テレビジョンなどのようなプロジェクトなどが公表されるにつれて、ＬＥＤ光源を用いたＬＣＤディスプレイに関する研究開発がさらに増えている。このような技術的要求事項に応えて、ディスプレイ及び照明用光源としてより効率的な形態のＬＥＤ光源用レンズの開発の必要性がさらに増大している。
【０００３】
ＬＥＤ光源を用いた照明又はディスプレイの場合、白色ＬＥＤを用いるか、あるいは三原色（ＲＧＢ）を混合して白色光を作って使用する場合などがある。しかし、白色ＬＥＤの場合、白色光に対する再現性は良好であるが、ディスプレイに使用した場合、色相区分が良好でなく、色再現性が低下する問題があるため、高解像度ディスプレイ用として使用する光源はＲＧＢを混合して使用することが一般的である。
【０００４】
図１は、従来のディスプレイ用光源の一例を示す概略図で、具体的には三原色（ＲＧＢ）のＬＥＤ配列を用いて白色光を形成する場合を示している。
【０００５】
図１に示すように、三原色ＬＥＤ光源１０を用いたディスプレイの場合、各ＬＥＤ（例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂ）の光が重畳して白色光Ｗを形成するため、三原色ＬＥＤ１０からディスプレイスクリーン２０までの距離（Ｄ１：光の進行距離）が一定値以上に維持されなければならない。そのためディスプレイ機器の厚さが増加する。
【０００６】
図２は、従来のディスプレイ用光源の他の例を示す概略図で、具体的には光ガイドパネルを用いた場合を示している。
【０００７】
図２に示すように、光ガイドパネル４０の側面にＬＥＤ３０を配置した後、ＬＥＤからの光が進行する経路３２をガイドパネル内で繰り返し反射させることにより、均一度、色相調整などに優れたディスプレイを実現することができる。しかし、この場合、大画面には適用し難いとともに、光効率が減少する。
【０００８】
このような問題点を解決するため、ＬＥＤ光源の側面から光を出射させる構造をレンズが提案された（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１は、側面放射ＬＥＤ及びそのレンズに関するもので、反射面と屈折面を含み、ＬＥＤからの光がレンズの側面（屈折面）から出ることを特徴とするレンズの構造を開示する。このような構造の一例を図３に示す。
【０００９】
図３のレンズ５０は、底面５２と、反射面５４と、中心軸６０に対して傾いた第１屈折面５６と、底面５２と第１屈折面５６を連結する第２屈折面５８とを含み、底面５２の焦点Ｆから入る光の一部が反射面５４で反射されて第１屈折面５６を通して出射し、残りの光が第２屈折面５８を通して出射するように構成される。
【００１０】
図３のレンズは、光の大部分がレンズの側面（第１屈折面、第２屈折面）から出るようにして、ＬＥＤ光源の光が側面から出射することに特徴がある。しかし、中心軸に対して対称に形成された単一反射面５４のみにより光をレンズの側面に誘導するため、輝度向上のために比較的大きなＬＥＤ光源を用いる場合、側面のほかに上方に進行する光が多くなる。このことは、ディスプレイにおけるビーム均一化にとって問題点となる。
【特許文献１】米国特許第６６７９６２１Ｂ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の目的は、レンズの側面から出射する光の効率を増大させ得るＬＥＤ光源用レンズを提供することにある
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような目的を達成するため、本発明は、底面と、中心軸に対して対称に傾いた上部反射面と、前記上部反射面の外周端と前記底面の外周端を連結する側面とを有する本体を含み、前記本体内に、前記中心軸に対して対称な内部空間が形成され、前記内部空間の境界面の少なくとも一部には前記中心軸に対して対称に傾いた内部反射面が形成され、前記底面を通して入射するＬＥＤ光源の光は、前記上部反射面と前記内部反射面のいずれか一つにより反射した後、前記中心軸に対して直角方向に前記側面を通して出射するＬＥＤ光源用レンズを提供する。
【００１３】
本発明において、前記ＬＥＤ光源の光が入射する部分を除いた底面には、中心軸に対して対称な曲面を有する下部反射面が形成され、前記内部反射面で反射された光の一部は前記下部反射面で反射してから前記側面を通して出射することが好ましい。
【００１４】
また本発明において、前記内部空間は、前記中心軸が通過する領域を含むように形成され、前記内部空間の下部境界面の中心には、前記底面から入射する光の一部を反射させる選択的透過面が形成されることが好ましい。
【００１５】
また本発明において、前記選択的透過面は、前記中心軸に対して直角の平面に形成され、あるいは前記上部反射面への入射角を調節するため、所定の形状（ドーム状、台形状、ピラミッド状など）に形成されることが好ましい。
【００１６】
また本発明において、前記内部空間は、前記中心軸が通過する領域を除いて環状に形成され、前記環状の内部空間の内側境界面は、中心軸に対して対称に傾いて形成され、前記底面から入射する光の一部は、前記内側反射面及び前記上部反射面のそれぞれにより反射して前記側面を通して出射することが好ましい。
【００１７】
また本発明は、ＬＥＤ光源が結合される底面を含む下部レンズと、前記下部レンズ上に積層結合され、中心軸に対して対称に傾いた上部反射面を有する上部レンズとを含み、前記上部レンズと下部レンズは、その間に中心軸に対して対称に形成された内部空間を形成するように結合され、前記内部空間をなす前記下部レンズの上面の少なくとも一部には中心軸に対して対称に傾いた内部反射面が形成され、前記底面から入射するＬＥＤ光源の光の一部は前記上部反射面で反射して、前記中心軸に対して直角方向に前記上部レンズを通して出射し、前記ＬＥＤ光源の光の一部は前記内部反射面で反射して、前記中心軸に対して直角方向に前記下部レンズを通して出射するＬＥＤ光源用レンズを提供する。
【００１８】
本発明において、前記レンズ内で生ずる光の反射は内部全反射であることが好ましい。
【００１９】
また本発明において、前記上部レンズの下面の外周端及び前記下部レンズの上面の外周端上に少なくとも一対の突起部及び段差部がそれぞれ形成され、前記突起部と前記段差部の嵌め合いにより前記上部レンズと前記下部レンズが一体的に結合されることが好ましい。
【００２０】
また本発明において、前記突起部と前記段差部はその間に接着部材を介在して接着することが好ましい。
【００２１】
また本発明において、前記下部レンズの上面のうち、中心軸が通過する中心領域には選択的透過面が形成され、前記選択的透過面により、前記底面から入射するＬＥＤ光源の光が一部反射されることが好ましい。
【００２２】
また本発明において、前記下部レンズの底面は、前記中心軸に対して対称な曲面を有する下部反射面をさらに含み、前記選択的透過面で反射した光は前記下部反射面で反射することが好ましい。
【００２３】
また本発明は、ＬＥＤ光源が結合される底面を含む下部レンズと、前記下部レンズ上に積層結合され、中心軸に対して対称に傾いた上部反射面を有する上部レンズとを含み、前記上部レンズと前記下部レンズは、その間に中心軸に対して対称に環状の内部空間が形成されるように結合され、前記環状の内部空間の内側境界面には内側反射面が形成され、前記底面から入射するＬＥＤ光源の光の一部は、前記内側反射面で反射して、前記中心軸に対して直角方向に出射するＬＥＤ光源用レンズを提供する。
【００２４】
本発明において、前記内側反射面で反射した光は、前記上部反射面で反射して、前記中心軸に対して直角方向に出射することが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
以上のような本発明に係るＬＥＤ光源用レンズは、底面及び上部反射面を有するレンズの内部に内部空間を形成することで、内部空間を通して進行する光が内部空間とレンズ間の一部境界面で内部全反射により部分的に反射することができる。これにより、ＬＥＤ光源の光は、レンズの側面に効率よく誘導されて出射される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、添付図面に基づいて本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００２７】
図４は本発明の第１実施形態に係るＬＥＤ光源用レンズを示す概略断面図であり、図５は図４に示すレンズの分解斜視図である。
【００２８】
本発明の第１実施形態に係るＬＥＤ光源用レンズ１１０は、レンズ本体１２０を含み、レンズ本体１２０は、底面１５０と、上部反射面１３２と、前記底面１５０の外周端と前記上部反射面１３２の外周端を連結する側面１２４とを備える。また、レンズ１１０には、本体内に中心軸１１２に対して対称に内部空間Ｓが形成され、その内部空間Ｓの境界面の少なくとも一部、例えば内部空間Ｓの下部境界面の少なくとも一部には、中心軸に対して対称に傾いた形態の内部反射面１４２が形成される。このように、本発明によるレンズ１１０は、上部反射面１３２に加え、内部反射面１４２をさらに備えるので、ＬＥＤ光源１６０の光の一部は上部反射面１３２で反射され、ほかの一部は内部反射面１４２で反射されて側面１２４を通過する。
【００２９】
内部反射面１４２の中心部、すなわち中心軸１１２が通過する部分は中心軸に対して直角の平面に形成され、ＬＥＤ光源１６０の光を部分的に反射させる選択的透過面１４８を構成する。また、底面において、ＬＥＤ光源が結合される中心部を除いた部分はレンズの中心軸に対して対称な曲面を有する下部反射面１４６を形成する。選択的透過面１４８は、選択的透過面を境界として対面する媒質（例えば、レンズ本体１２０と空気）の屈折率が相違するので、ＬＥＤ光源から選択的透過面１４８に入射する光の角度に応じて、光の一部は透過し、一部は反射する。
【００３０】
ＬＥＤ光源の光のうち、選択的透過面１４８を透過した光は、内部空間Ｓの上部境界面を通過してレンズ本体内に入射した後、上部反射面１３２で反射されてレンズの側面１２４から出る。上部反射面１３２は、その傾斜角度によって、上部反射面１３２に入射する大部分の光を反射して、レンズの側面１２４、例えば上部側面１３４に進行させるように構成される（矢印Ｌ１）。
【００３１】
ＬＥＤ光源の光のうち、選択的透過面１４８を透過せずに反射される光は、下部反射面１４６で反射された後、レンズの側面１２４、例えば下部側面１４４に進行し、あるいは選択的透過面１４８で反射されて直接レンズの側面に進行することができる（矢印Ｌ２）。
【００３２】
このように、本発明により形成される内部反射面１４２又は選択的透過面１４８は、本体内に内部空間内に内部空間を形成することにより、その境界面の一部のみが内部反射面及び選択的透過面として用いられる。
【００３３】
詳細には、内部空間の境界面のうち、下部境界面を通過する光は屈折率の高い媒質であるレンズから屈折率の低い媒質である内部空間（空気）に進行するため、下部境界面自体が内部反射面又は選択的透過面として機能するものである。一方、内部空間の境界面のうち、上部境界面は、光の屈折率の低い内部空間（空気）から屈折率の高いレンズに進行するため、光を反射させずに大部分の光を通過させる。このように、レンズ本体の内部に内部空間を形成することにより、既存の上部反射面に加え、内部反射面又は選択的透過面を形成することで、レンズの側面に進行する光の効率を高めることができる。
【００３４】
このように、本発明によるレンズの構造において、レンズを構成する物質と空気の境界面（例えば、上部反射面、内部反射面、選択的透過面、及び下部反射面）で行われる光の反射は、内部全反射（ＴＩＲ：Total International Reflection）を用いる。
【００３５】
一般に、光が性質の異なる媒質を通過する場合に屈折が生じ、両媒質の種類と通過する光の入射角によって、任意の条件では屈折が発生せず、光が媒質の境界面で全部反射できる。このような反射を内部全反射（又は全反射）という。内部全反射が発生する条件は次のようになる。
【００３６】
第１には、光が屈折率の高い媒質から屈折率の低い媒質に進行すること。
【００３７】
第２には、媒質の境界面に入射する光の入射角が臨界角以上であること。
【００３８】
臨界角（θｃ）は二つの媒質の屈折率によって決定されるもので、例えばスネルの法則（Snell's law）によって決定できる。
【００３９】
二つの媒質をガラスと空気と仮定し、ガラスの屈折率をｎ１、空気の屈折率をｎ２、ガラスでの入射角を臨界角（θｃ）と、空気での屈折角９０°と仮定し、前記スネルの法則に適用すると、次のような式（１）が得られる。
【００４０】
【数１】
2006113556.tif 000003
【００４１】
上記式（１）を臨界角に関する式に変形すると、次のような式（２）となる。
【００４２】
【数２】
2006113556.tif 000004
【００４３】
空気−ガラスの相対屈折率が約１．５０であるので、前記式（２）に適用すると、空気−ガラスの境界面での臨界角は４２°であることが分かる。
【００４４】
このように、二つの媒質の種類（屈折率）と光の入射角を考慮すると、本発明の上部反射面、内部反射面、選択的透過面、及び下部反射面に適した傾斜又は曲率を求めることができる。したがって、本発明によるＬＥＤ光源用レンズ（より詳しくは、レンズ本体）を構成する材質に好適な形状の反射面を形成することができる。
【００４５】
このようなレンズ１１０は、上部レンズ１３０と下部レンズ１４０の組合せで構成されることが好ましい。例えば、上部反射面１３２を有する上部レンズが、ＬＥＤ光源が結合される底面を有する下部レンズ１４０上に積層されて結合されることにより、本発明によるレンズ本体１２０を形成することができる。図５は上部レンズと下部レンズの結合に必要な手段、例えば上部レンズ１３０の下端外周部に形成された段差部１５６と下部レンズ１４０の上端外周部に形成された突起部１５４を示す。
【００４６】
図６ａ〜図６ｃは、それぞれ上部レンズと下部レンズの組合せの例を示すもので、図６ａ〜図６ｃに基づいてその結合形態と詳細部を説明する。
【００４７】
図６ａは、図５の場合のように、上部レンズ１３０に段差部１５６が形成され、下部レンズ１４０に突起部１５４が形成され、この段差部と突起部が結合される例を示す。
【００４８】
下部レンズ１４０は、ＬＥＤ光源が結合される凹部１５２（図６ａ）及び凹部を中心に形成された下部反射面１４６からなる底面１５０と、底面凹部１５２に対応して形成される選択的透過面１４８及び選択的透過面を中心に対称状に形成された内部反射面１４２と、内部反射面１４２の外周端と下部反射面１４６の外周端を連結するように形成される下部側面１４４とを含む。
【００４９】
上部レンズ１３０は、下部レンズ１４０上に積層されて結合されるもので、具体的には、選択的透過面１４８に対応して所定の間隔を隔てて配置される下部面１３６と、中心軸１１２に対して対称に傾いた上部反射面１３２と、下部面１３６の外周端と上部反射面１３２の外周端を連結するように形成される上部側面１３４とを含む。
【００５０】
上部レンズ１３０と下部レンズ１４０は、下部レンズ１４０の底面に結合されるＬＥＤ光源１６０と同じ中心軸１１２を有するように結合され、下部レンズ１４０の選択的透過面１４８と内部反射面１４２と上部レンズ１３０の下部面１３６は互いに連結され、結果として本体１２０（図４参照）内に内部空間Ｓ（図４参照）が形成される。
【００５１】
また、上部レンズ１３０と下部レンズ１４０は、互いに対応する外周部に少なくとも一つの突起部１５４と段差部１５６が形成され、これら突起部及び段差部の嵌め合いにより、上部レンズ１３０が下部レンズ１４０に積層されて結合されることにより、単一のレンズ本体１２０（図４参照）となる。
【００５２】
突起部１５４と段差部１５６は互いに係合するように形成される。突起部１５４と段差部１５６の結合対の数は、外周部に一つ以上形成してもよい。好ましくは、図５に示すように、上部レンズ１３０と下部レンズ１４０の外周部に沿って環状に形成できる。
【００５３】
また、突起部１５４と段差部１５６が嵌め合わせられるとき、突起部１５４と段差部１５６間に接着剤のような接合部材を介在させることにより、上部レンズ１３０を下部レンズレンズ１４０に接合することができる。その際、接合部材は、上部レンズ１３０と下部レンズ１４０を構成する媒質の屈折率と同一値の屈折率を有する物質であることが好ましい。例えば、レンズがガラスから形成される場合、ガラスの屈折率と同一値の屈折率を有するエポキシ成分の接合部材が使用できる。
【００５４】
また、下部レンズ１４０の底面１５０の中心には凹部１５２が形成され、凹部１５２内には、基板１６２に固定されたＬＥＤ光源が結合される。図６ａにおいて、基板１６２が凹溝１５２内に挿合される形態を示しているが、これとは異なり、下部レンズ１４０の全体を支持する大きさに形成することもできる。突起部１５４と段差部１５６の間に同一の屈折率を有する接合部材を適用することと同様に、ＬＥＤ光源１６０が固定された基板１６２と下部レンズ１４０の凹部１５２との間にもレンズの屈折率と同一値の屈折率を有する接合部材又は充填部材を用いて密封することが好ましい。
【００５５】
図６及び図６ｃは、図５の上部レンズ１３０と下部レンズ１４０が結合される他の例をそれぞれ示す。図６ｂは、下部レンズ１４０の側面１４４に突起部１５４が形成され、上部レンズ１３０の側面１３４の下端１５６′が突起部１５４内に直接に嵌め合せられ、上部レンズ１３０が下部レンズ１４０上に積層されて結合される場合を示す。もちろん、これとは異なり、上部レンズ１３０に突起部が形成され、下部レンズ１４０の側面上端が上部レンズ１３０の突起部内に嵌め合せられる方式で結合することもできる。
【００５６】
次に、図６ｃは、図６ａの場合とは反対に、上部レンズ１３０の側面１３４の下端に突起部１５４が形成され、下部レンズ１４０の側面１４４の上端に段差部１５６が形成され、この突起部１５４と段差部１５６が係合することにより、上部レンズ１３０が下部レンズ１４０に結合される場合を示す。
【００５７】
図７は、本発明に係るレンズを用いたディスプレイ用光源を示す概略図である。図７に示すディスプレイ用光源は、本発明の第１実施形態によるＬＥＤ光源用レンズ１１０を適用したもので、従来のディスプレイ用光源１０（図１参照）に比べ、基板１７０に付着されたＬＥＤ光源１１０の光の進行距離が大きく減少するように形成されていることが分かる。したがって、ディスプレイ用のスクリーン１８０までの距離（Ｄ２）が大きく減少し、結果としてディスプレイ機器自体の厚さ（大きさ）を大幅に減らすことができる。
【００５８】
また、図７によるディスプレイ用光源は、スクリーンに対して比較的均一な強度の光が照射されることが分かる。同時に、大画面スクリーンに適用する場合にも、光効率が大きく低下しない利点を有する。
【００５９】
図８は、図４のＬＥＤ光源用レンズの第１変形例を示す概略断面図である。図９は、図４のＬＥＤ光源用レンズの第２変形例を示す概略断面図である。図８のレンズ１１０ａは、図４のレンズ１１０と比較して、選択的透過面１４８ａの形状が異なることに特徴がある。すなわち、図８は、選択的透過面１４８ａが内部空間Ｓに向かって膨らみ上がったドーム状に形成された例を示す図である。このように選択的透過面１４８ａが凸状の曲面を有するため、ＬＥＤ光源１６０の光が選択的透過面１４８ａで反射される比率が、平面状の選択的透過面１４８（図４参照）とは異ならせることができ、また曲面の形状を調節することで、上部レンズ面に入射する角度を調節することができる。例えば、選択的透過面１４８ａの曲面形状は、図８に示すドーム状の他に、ピラミッド状や台形状などにも形成可能である。
【００６０】
図９のレンズ１１０ｂは、図８のレンズ１１０ａに比べ、上部レンズ１３０の下部面１３６の中心部が内部空間Ｓに向かって突出したことに特徴がある。突出面１３６ｂの役割は、下部レンズ１４０から入射した光のうち、入射角の大きい光が突出面１３６ｂで反射されて反射面１３２に入射する角度を調節することである。すなわち、突出面１３６ｂと下部面１３６間を連結する傾斜境界面が内側反射面１２６をなし、入射角の大きい光が内側反射面１２６で反射された後、上部反射面に伝達され、上部反射面で反射されて側面に誘導できる。
【００６１】
このような構造のレンズにおいて、ＬＥＤ光源１６０の光のうち、内部空間Ｓを通過して上部反射面１３２に入射する光は上部反射面１３２で反射されて側面１２４の上部から出射し（矢印Ｌ４）、ＬＥＤ光源１６０の光の一部は内部反射面１４２で反射されて側面１２４の下部から出射し（矢印Ｌ５）、そしてＬＥＤ光源１６０の光の一部は選択的透過面１４８ａを通過した後、上部レンズ１３０に大きな入射角で入射して内側反射面１２６で反射した後、上部反射面１３２で反射されて側面１２４から出射する（矢印Ｌ６）。
【００６２】
このように、上部レンズ１３０の下部面中心部１３６ｂを選択的透過面１４８ａに向けて突出させることにより、入射角の大きい光が上部反射面で反射されず、直接側面に出射するか又は上部反射面に大きな角度で入射するので、望まない方向に出射する光量を減らすことができる。上部レンズ１３０の下部面の中心部１３６ｂを突出させることで内側反射面１２６をさらに形成することにより、ＬＥＤ光源１６０が比較的広い発光面を有する場合にも、すなわち上部レンズ１３０への入射角が大きくなる場合にも、光がレンズの側面から出射するようになる（矢印Ｌ６）。
【００６３】
図１０ａ〜図１０ｃは、特定のＬＥＤ光源に対してそれぞれ図４、図８及び図９に示すレンズ１１０、１１０ａ、１１０ｂを用いた場合の光分布を測定した相対値を示すグラフである。すなわち、各レンズから出る光の明るさ（照度）をレンズの上部で平面上位置（Ｘ−側面基準）によって測定した後、その値をグラフで示したもので、同一機器及び実験条件でレンズの形態のみを変更し、その結果を相対値で示している。基準として最高の明るさを１に設定し、これに基づいた近似値でその結果を示している。
【００６４】
図１０ａの場合においては、レンズの中心（位置を示す軸上で０の地点）付近は約１の明るさ、レンズの周辺部（位置を示す軸上で±４０の地点）は約０．２５の明るさで、その偏差があることが分かる。図１０ｂの場合においては、レンズの中心（位置軸上で０の地点）付近は約０．６の明るさ、レンズの周辺部（位置軸上で±４０の地点）は約０．２５の明るさで、その偏差が図１０ａの場合に比べて小さくなっていることが分かる。図１０ｃの場合においては、レンズの中心（位置軸上で０の地点）付近は約０．４の明るさ、レンズの周辺部（位置軸上で±４０の地点）は約０．２７の明るさで、その偏差が最も小さくなっていることが分かる。
【００６５】
このようにＬＥＤ光源が特定された状態で、レンズの形状（本発明においては、レンズ本体内に形成される内部空間の形状）を変化させることにより、ＬＥＤ光源から放射される光を、レンズを中心に均等に分散させることができる。
【００６６】
図１１は、本発明の第２実施形態に係るＬＥＤ光源用レンズを示す概略断面図である。図１１に示すＬＥＤ光源用レンズ２１０は、レンズ本体２２０を含み、レンズ本体２２０は、ＬＥＤ光源２６０が固定された基板２６２に当接して結合される底面２５０と、中心軸２１２に対して対称に傾いた上部反射面２３２と、前記底面２５０の外周端及び前記上部反射面２３２の外周端を連結するように形成される側面２２４とを備える。レンズ本体２２０内には、内部空間Ｓが形成されている。内部空間Ｓの境界面のうち、下部境界面は内部反射面２４２と選択的透過面２４８とを有し、ＬＥＤ光源の光を反射させるか又は透過させることができる。上部反射面２３２で反射される光は、側面の上部である上部側面２３４から出射し、選択的透過面２４８及び内部反射面２４２で反射される光は、側面の下部である下部側面２４４から出射する。
【００６７】
このような構造のレンズは、第１実施形態（図４参照）と比較すると、下部反射面１４６（図４参照）が形成されていない点を除き、実質的に同一構造である。本実施形態において、下部反射面を除去することによる損失は、下部レンズの突出面の形状を変形させることで補償することができる。レンズの底面に結合されるＬＥＤ光源２６０は、底面２５０の中心凹部（図示せず）に嵌め合い方式で結合されるもので、その詳細の説明は省略する。
【００６８】
次に、図１２は、本発明の第３実施形態に係るＬＥＤ光源用レンズを示す概略断面図である。図１２に示すＬＥＤ光源用レンズ３１０は、レンズ本体３２０を含み、レンズ本体３２０は、ＬＥＤ光源３６０が固定された基板３６２に当接して結合される底面３５０と、中心軸３１３に対して対称に傾いた上部反射面３３２と、前記底面３５０の外周端と前記上部反射面３３２の外周端を連結するように形成される側面３２４とを備える。レンズ本体３２０内には、内部空間Ｓが形成されている。
【００６９】
図１２に示すように、本発明の第３実施形態に係るレンズは、環状の内部空間Ｓが形成されることを特徴とする。すなわち、中心軸３１２が通過する領域は上下に一体的に形成され、この一体的に連結された部分を中心に環状の内部空間Ｓが形成された構造である。この構造において、内部空間Ｓの境界面のうち、中心軸に臨む内側境界面は内側反射面３２６をなし、下部境界面は内部反射面３４２をなす。
【００７０】
このような構造のレンズにおいて、ＬＥＤ光源３６０の光のうち、環状の内部空間Ｓの中心に一体的に連結された部分を通して上部反射面３３２に入射する光は、上部反射面３３２で反射されて側面３２４の上部である上部側面３３４から出射し（矢印Ｌ７）、ＬＥＤ光源３６０の光の一部は、内側反射面３２６で反射され、さらに上部反射面３３２で反射されて上部側面３３４から出射し（矢印Ｌ８）、ＬＥＤ光源３６０の光の一部は、内部反射面３４２で反射されて、側面３２４の下部である下部側面３４４から出射する（矢印Ｌ９）。
【００７１】
以上のように本発明では、レンズの内部に内部空間を形成し、内部空間の境界面の一部を反射面として用いることにより、ＬＥＤ光源の光が側面から効率よく出射するようにしている。
【００７２】
また、上記実施形態では説明していないが、本発明の上部レンズ及び下部レンズの結合に加え、上部反射面を有する上部レンズと下部レンズ間に介在される中間レンズを設けることができ、これにより形成される追加の内部反射面を活用することができる。
【００７３】
この場合、光の一部は実質的に厚い媒質（上部レンズ、中間レンズ、下部レンズなど）を通過して進行するため、全体的な光効率が低下して光損失をもたらし得ることに配慮する必要がある。
【００７４】
以上のような本発明によると、大画面のスクリーンに対して均等に分布する照明フィールドを形成することにより、ディスプレイ及び照明光学系に効率よく使用可能な構造のＬＥＤ光源用レンズを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明によるＬＥＤ光源用レンズは、ディスプレイ及び照明光学系に効率よく適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】従来のディスプレイ用光源の一例を示す概略図である。
【図２】従来のディスプレイ用光源の他の例を示す概略図である。
【図３】従来の側面放射型ＬＥＤ光源用レンズを示す概略断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るＬＥＤ光源用レンズを示す概略断面図である。
【図５】図４のレンズを示す分解斜視図である。
【図６ａ】図５の上部レンズと下部レンズの結合例を示す概略断面図である。
【図６ｂ】図５の上部レンズと下部レンズの他の結合例を示す概略断面図である。
【図６ｃ】図５の上部レンズと下部レンズのさらに他の結合例を示す概略断面図である。
【図７】図４のレンズを用いたディスプレイ用光源を示す概略図である。
【図８】図４のＬＥＤ光源用レンズの第１変形例を示す概略断面図である。
【図９】図４のＬＥＤ光源用レンズの第２変形例を示す概略断面図である。
【図１０ａ】図４に示すレンズによる輝度分布を示すグラフである。
【図１０ｂ】図８に示すレンズによる輝度分布を示すグラフである。
【図１０ｃ】図９に示すレンズによる輝度分布を示すグラフである。
【図１１】本発明の第２実施形態に係るＬＥＤ光源用レンズを示す概略断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係るＬＥＤ光源用レンズを示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１１０、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｂ、２１０、３１０    レンズ
１１２、２１２、３１２    中心軸
１２０、１２０ａ、２２０ａ、３２０    本体
１２４、２２４、３２４    側面
１２６、３２６    内側反射面
１３０    上部レンズ
１３２、２３２、３３２    上部反射面
１３４、２３４、３３４    上部側面
１３６、１３６ｂ    下部面
１４０    下部レンズ
１４２、２４２、３４２    内部反射面
１４４、２４４、３４４    下部側面
１４６    下部反射面
１４８、１４８ａ、２４８、３４８    選択的透過面
１５０、２５０、３５０    底面
１５２    凹部
１５４    突起部
１５６、１５６′    段差部
１６０、２６０、３６０    ＬＥＤ光源
１６２、１７０、２６２、３６２    基板
１８０    スクリーン
Ｌ１〜Ｌ９    光の進行経路
Ｓ    内部空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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