(57)【要約】【課題】ＬＥＤ拡散レンズの製造に際して、金型製作及び成形の後、レンズを取り出し易くするとともに、ＬＥＤ発散光をレンズの中心方向、周辺方向及び側方向に均一に拡散させるためのＬＥＤ拡散レンズを提供する。【解決手段】ＬＥＤの発散光を拡散させるレンズであって、ＬＥＤの発散光が入射する底面と、レンズの中心軸上に軸方向に突出し、前記底面を通じて入射した光をレンズの中心方向に全反射させる円錐状の第１レンズ面と、前記円錐状の第１レンズ面の周縁から上向きに斜めに延長され、前記底面を通じて入射した光をレンズの周辺方向に全反射させる第２レンズ面と、前記第２レンズ面の外周縁から前記底面に延長され、前記底面を通じて入射した光を側方向に屈折させる第３レンズ面とを含む。【選択図】図２
2006332054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤの発散光を拡散させるレンズであって、
ＬＥＤの発散光が入射する底面と、
レンズの中心軸上に軸方向に突出し、前記底面を通じて入射した光をレンズの中心方向に全反射させる円錐状の第１レンズ面と、
前記円錐状の第１レンズ面の周縁から上向きに斜めに延長され、前記底面を通じて入射した光をレンズの周辺方向に全反射させる第２レンズ面と、
前記第２レンズ面の外周縁から前記底面に延長され、前記底面を通じて入射した光を側方向に屈折させる第３レンズ面と、を含むことを特徴とする、ＬＥＤ拡散レンズ。
【請求項２】
前記第１レンズ面と前記第２レンズ面はレンズの下向きに凹設されたＶ字形傾斜面を形成することを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤ拡散レンズ。
【請求項３】
前記上向きに突出した円錐状の第１レンズ面の中心部は曲面形状であることを特徴とする、請求項１または２に記載のＬＥＤ拡散レンズ。
【請求項４】
前記第１レンズ面は直線形状及び非球面形状のいずれか一つに製作されることを特徴とする、請求項１または２に記載のＬＥＤ拡散レンズ。
【請求項５】
前記第２レンズ面は直線形状及び非球面形状のいずれか一つに製作されることを特徴とする、請求項１または２に記載のＬＥＤ拡散レンズ。
【請求項６】
前記第３レンズ面は、レンズ中心側からの半径が拡大するように、前記第２レンズ面の外周縁から前記底面まで延長されることを特徴とする、請求項１または２に記載のＬＥＤ拡散レンズ。
【請求項７】
前記底面には、レンズの中心軸に沿って垂直に凹設され、ＬＥＤを収容するＬＥＤ収容部が形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のＬＥＤ拡散レンズ。
【請求項８】
半導体発光素子及びこれから発散する光を拡散させる拡散レンズからなる発光素子組立体において、前記拡散レンズは、
前記半導体発光素子から発散する光が入射する底面と、
レンズの中心軸上に軸方向に突出し、前記底面を通じて入射した光をレンズの中心方向に全反射させる円錐状の第１レンズ面と、
前記円錐状第１レンズ面の周縁から上向きに斜めに延長され、前記底面を通じて入射した光をレンズの周辺方向に全反射させる第２レンズ面と、
前記第２レンズ面の外周縁から前記底面に延長され、前記底面を通じて入射した光を側方向に屈折させる第３レンズ面とを含むことを特徴とする、発光素子組立体。
【請求項９】
前記第１レンズ面と前記第２レンズ面はレンズの下向きに凹設された非対称Ｖ字形傾斜面を形成することを特徴とする、請求項８に記載の発光素子組立体。
【請求項１０】
前記第３レンズ面は、レンズ中心側からの半径が拡大するように、前記第２レンズ面の外周縁から前記底面まで延長されることを特徴とする、請求項８または９に記載の発光素子組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＬＥＤ拡散レンズに係り、より詳しくは、ＬＣＤのバックライト用光源として採用されるＬＥＤの発散光をレンズの中心方向、周辺方向及び側方向に均一に拡散させるためのＬＥＤ拡散レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＣＤのように、自体発光機能がない表示装置の場合には、別途のバックライト用光源を使用しなければならない。このために、従来には、ＣＣＦＬのような蛍光灯が主に使用されたが、最近になって発光ダイオード（ＬＥＤ；Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｏｄｅ、以下“ＬＥＤ"という）の明るさ及び性能が向上してＬＣＤのバックライトに適用される事例が増加している。
【０００３】
ところが、ＬＥＤは一つの点位置で発光する点光源であるから、ＬＣＤと光源間の短い離隔距離で照明面積を増やし均一な照度を得るためには、ＬＥＤチップから発散する光を拡散させるための拡散レンズ（"Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｌｅｎｓ"ともいう）を使用する。
【０００４】
図１は従来技術によるＬＥＤ拡散レンズの形状及びＬＥＤ発散光の軌跡を例示したものである。
【０００５】
図示のように、従来のＬＥＤ拡散レンズは、ＬＥＤチップＬを収容する底面１０と、レンズの中心軸から上向きに斜めに伸びる第１レンズ面２０と、前記第１レンズ面２０の周縁から延長され、レンズの中心軸からの半径が下方に行くほど減少する第２レンズ面３０と、前記第２レンズ面の下端から前記底面まで緩やかな傾斜で延長されている第３レンズ面４０とからなっている。
【０００６】
まず、レンズの底面１０には、ＬＥＤチップＬを収容するための収容凹部１５が形成され、この収容凹部の界面に沿ってＬＥＤ発散光が入射する。
【０００７】
第１レンズ面２０は、レンズの中心軸（点線で表示）から上向きに伸びる傾斜面を形成し、第２レンズ面３０とともに漏斗状（ｆｕｎｎｅｌ  ｓｈａｐｅｄ）に突出面を形成している。これにより、レンズの中心軸に隣接した範囲では、底面１０を通過したＬＥＤ発散光が第１レンズ面２０に臨界角（θC）未満で入射してレンズの上方に屈折される。一方、ＬＥＤ発散光の入射角度が臨界角以上の場合には、第１レンズ面で全反射され、続いて第２レンズ面３０を通過してレンズの周辺方向に拡散する。
【０００８】
第２レンズ面３０と第３レンズ面４０は、図示のように、側面が縮径した絞り部を形成しており、第２レンズ面３０に直接入射するＬＥＤ発散光はその面で屈折されてレンズの周囲に進行する。
【０００９】
このような従来の拡散レンズは、その形状が非常に複雑であるから、ガラスを研磨加工して製作するのには適しなく、プラスチックを材料として射出成形で製造するのが一般的である。しかし、プラスチック射出成形工程を採用しても、漏斗状の突出部及び側面絞り部のため、プラスチックレンズの成形が完了した後、金型からレンズを取り出すことが難しいだけでなく、レンズ金型の製作も容易でない欠点がある。
【００１０】
また、第１レンズ面２０に入射するＬＥＤ発散光はレンズ中心軸に近い範囲で中心方向に屈折され、これより側方向に入射する場合には全反射されるから、第１レンズ面で屈折される上部屈折光を利用してレンズ中央部の照明光量を調節することが容易でない。すなわち、第１レンズ面に入射するＬＥＤ発散光は大部分全反射され、レンズの中心軸付近でだけ極めて制限的に屈折されるため、レンズの中央部が周辺部に比べて暗い現象が発生しやすい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述した問題点を解決するために、本発明は、ＬＥＤ拡散レンズの製造に際して、金型製作及び成形の後、レンズを取り出し易くするとともに、ＬＥＤ発散光をレンズの中心方向周辺方向及び側方向に均一に拡散させるためのＬＥＤ拡散レンズの形状を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前述した目的を達成するための本発明の第１観点によれば、ＬＥＤの発散光を拡散させるレンズであって、ＬＥＤの発散光が入射する底面と、レンズの中心軸上に軸方向に突出し、前記底面を通じて入射した光をレンズの中心方向に全反射させる円錐状の第１レンズ面と、前記円錐状の第１レンズ面の周縁から上向きに斜めに延長され、前記底面を通じて入射した光をレンズの周辺方向に全反射させる第２レンズ面と、前記第２レンズ面の外周縁から前記底面に延長され、前記底面を通じて入射した光を側方向に屈折させる第３レンズ面とを含むことを特徴とするＬＥＤ拡散レンズが提供される。
【００１３】
前記第１レンズ面と前記第２レンズ面はレンズの下向きに凹設されたＶ字形傾斜面を形成することが望ましく、前記軸方向に突出した円錐状の第１レンズ面の中心部は曲面形状であることができる。
【００１４】
前記第１レンズ面及び／または第２レンズ面は直線形状及び非球面形状のいずれか一つに製作されることができ、前記第３レンズ面はレンズの中心軸から半径が拡大するように、前記第２レンズ面の外周縁から前記底面まで延長されることが望ましい。そして、前記底面には、レンズの中心軸に沿って垂直に凹設され、ＬＥＤを収容するＬＥＤ収容部が形成されることが望ましい。
【００１５】
前記目的を達成するための本発明の第２観点によれば、半導体発光素子及びこれから発散する光を拡散させる拡散レンズからなる発光素子組立体において、前記拡散レンズは、前記半導体発光素子から発散する光が入射する底面と、レンズの中心軸上に軸方法に突出し、前記底面を通じて入射した光をレンズの中心方向に全反射させる円錐状の第１レンズ面と、前記円錐状第１レンズ面の周縁から上向きに斜めに延長され、前記底面を通じて入射した光をレンズの周辺方向に全反射させる第２レンズ面と、前記第２レンズ面の外周縁から前記底面に延長され、前記底面を通じて入射した光を側方向に屈折させる第３レンズ面とを含むことを特徴とする、発光素子組立体が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、従来の拡散レンズ構造とは異なり、側面の絞り部を具備しないから、ＬＥＤ拡散レンズを製造するための金型の製作が容易であるだけでなく、成形後にレンズを取り出すことも容易である。
【００１７】
また、ＬＥＤからの発散光をレンズの中心方向と周辺方向に拡散させるレンズ面が別に備えられているので、レンズの中央部の照明光量を調節することが容易であり、このようなレンズ形状によって提供される第１〜第３レンズ面の大きさ及び傾斜度を調節することで、レンズの中心方向、周辺方向及び側方向に光を均一に拡散させることができる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面に基づいて本発明の望ましい実施例を説明する。
【００１９】
図２は本発明の望ましい実施例によるＬＥＤ拡散レンズの形状及び拡散軌跡を例示するものであって、図示のように、公知の方法によってＬＥＤチップＬとともに一つの発光素子組立体にパッケージングされることができる。
【００２０】
図示のように、本発明の望ましい実施例によるＬＥＤ拡散レンズは、ＬＥＤ発散光が入射する底面１１０と、レンズの中心軸上に軸方向に突出する円錐状の第１レンズ面１２０と、前記円錐状の第１レンズ面１２０の周縁から上向きに斜めに延長された第２レンズ面１３０と、前記第２レンズ面の外周縁から前記底面に延長された側面の第３レンズ面１４０とからなっている。
【００２１】
まず、レンズの底面１１０は、ＬＥＤチップＬを収容するための収容凹部１５０が中央に形成されており、この収容凹部の界面に沿ってＬＥＤ発散光が入射する。収容凹部１５０はレンズの中心軸（点線で示す）に沿って垂直に凹設され、収容凹部の天井部がレンズの底面と水平を成している。
【００２２】
第１レンズ面１２０は第２レンズ面１３０とともにレンズの上面を構成するもので、レンズの中心軸付近から底面１１０を通じて入射した光をレンズの中心部に対応する中心方向に全反射させる。ここで、中心方向とは、レンズの中心軸からどの角度範囲内の領域を含む方向を意味する。図２には、上向きに突出した第１レンズ面１２０の中心部が尖っているものとして示されているが、その代案として、図３に示すように、中心部を曲面状に成形することができる。
【００２３】
第２レンズ面１３０は第１レンズ面より緩やかな傾斜で伸びて、第１レンズ面１２０ととともに、レンズの下方に凹設された非対称Ｖ字形傾斜面を形成する。底面を通じて入射する光は収容凹部１５０の天井部で１次に屈折された後、第２レンズ面で全反射される。これにより、第２レンズ面１３０で全反射されて進行するＬＥＤ発散光は、第１レンズ面１２０で全反射された光の拡散範囲より外郭側の周辺方向に拡散する。
【００２４】
第２レンズ面に入射する光は、第１レンズ面１２０に比べて、入射角が相対的に大きいため、第２レンズ面を第１レンズ面より緩やかな傾斜で設計することができ、これにより、レンズの中心軸を基準とする時、第１レンズ面の全反射光より大きな角度で拡散させるのに有利である。
【００２５】
すなわち、第１レンズ面１２０に入射した光がレンズ中心軸に対して第１角度（θ１）で全反射されて進行する場合、第２レンズ面１３０に入射した光は前記第１角度より大きな第２角度（θ２）（θ２＞θ１）で全反射されてレンズの周辺方向に拡散させることができる。
【００２６】
一方、図１においては、第１レンズ面及び第２レンズ面が直線状に製作されているが、その代案として、これら全体またはその一部が非球面形状を取ることができる。
【００２７】
最後に、第３レンズ面１４０はレンズの側面を構成し、レンズ中心側からの半径が拡径するように、前記第２レンズ面の外周縁から前記底面に延長される。第３レンズ面で入射した光は第２レンズ面１３０の全反射光より大きな範囲で拡散するように側方向に屈折される。ここで、側方向とは、レンズの軸に対する直角方向より小さな角度範囲の領域を含む方向を意味する。
【００２８】
すなわち、第３レンズ面１４０に入射した光は、レンズ中心軸に対して前記第２角度より大きな第３角度（θ３）（θ３＞θ２）で屈折されて進行し、第３角度が９０度に近接すれば、屈折光はレンズの側方向に進行する。一方、第３レンズ面１４０で屈折されるＬＥＤ発散光は、先に収容凹部１５０の側壁で１次に屈折された後、第３レンズ面に入射することができ、これにより、より大きな屈折角度を確保することができる。
【００２９】
図２は本発明の望ましい実施例によるＬＥＤ拡散レンズの断面のみを例示したが、当業者であれば、例えば、レンズの中心軸を中心に回転対称、左右対称及び／または面対称となるようにレンズを設計することができることが理解できる。そして、このような拡散レンズ形状において、第１レンズ面、第２レンズ面及び第３レンズ面の大きさ及び／または傾斜度を調節することで、中心方向、周辺方向及び側方向に拡散する光を適切に配分して、全領域にわたって光を均一に拡散させることができる。
【００３０】
次に、本発明の望ましい実施例によるＬＥＤ拡散レンズの設計パラメータに具体的な数値を適用してその効果を調べる。
【００３１】
図４は本発明の望ましい実施例によるＬＥＤ拡散レンズの３次元形状を示すもので、ＬＥＤ拡散レンズの第１レンズ面及び第２レンズ面は非球面形状でなり、当業者には知られているように、次の数学式１のような非球面方程式を満足させる。
【００３２】
［数学式１］
2006332054.tif 000003
【００３３】
ここで、Ｚはｓａｇ量、Ｈは光軸基準高さ、Ｒは曲率半径、ｋは円錐定数（ｃｏｎｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）、そして、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは非球面係数である。
【００３４】
例えば、ＬＥＤ発光部からＬＣＤまでの距離が２５ｍｍであると仮定すると、図４の第１レンズ面及び第２レンズ面は表１のように設計することができ、第３レンズ面はレンズの中心軸と１１度の角度で傾くようにすることができる。
［表１］
2006332054.tif 000004
【００３５】
図５ａ〜図５ｂは、前述した図４のＬＥＤ拡散レンズにおいて、第１レンズ面、第２レンズ面及び第３レンズ面、そして全体レンズ面による光量分布をそれぞれ示すものである。
【００３６】
まず、図５ａを参照すれば、本発明の望ましい実施例によるＬＥＤ拡散レンズの第１レンズ面で全反射された光はレンズの中心方向、すなわちレンズの中心軸（光軸）を基準として２５ｍｍの範囲で０．０２５Ｌｕｍｅｎｓ／ｃｍ２の均一な照度分布を持っており、レンズの中心軸光軸を基準として２５〜５０ｍｍの範囲で急激に減少している。
【００３７】
これに対し、第２レンズ面による全反射光、及び第３レンズ面による屈折光は、図５ｂに示すように、レンズの中心方向及び側方向に拡散する。すなわち、第２レンズ面及び第３レンズ面による光は、レンズの中心軸（光軸）を基準として２５〜５０ｍｍの範囲で急激に増加し、５０〜１００ｍｍの範囲で０．０２５Ｌｕｍｅｎｓ／ｃｍ２の均一な照度分布を持っている。
【００３８】
最後に、レンズ全体を調べると、図５ｃに示すように、第１レンズ面、第２レンズ面及び第３レンズ面による光量分布が重畳することから、レンズの中心方向、周辺方向及び側方向に拡散する光が均一な分布を成していることを確認することができる。
【００３９】
以上本発明による望ましい実施例を説明したが、これは例示的なものに過ぎなく、当該分野で通常の知識を持った者であれば、これから多様な変形及び均等なそのほか実施例が可能であることが理解できるであろう。したがって、本発明の保護範囲は、特許請求範囲によって決まらなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、ＬＥＤ拡散レンズの製造に際して、金型製作及び成形の後、レンズを取り出し易くするとともに、ＬＥＤ発散光をレンズの中心方向、周辺方向及び側方向に均一に拡散させるためのＬＥＤ拡散レンズに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来技術によるＬＥＤ拡散レンズの断面形状及びＬＥＤ発散光の軌跡を示す図である。
【図２】本発明の望ましい実施例によるＬＥＤ拡散レンズの断面形状及びＬＥＤ発散光の軌跡を示す図である。
【図３】本発明のほかの実施例によるＬＥＤ拡散レンズの断面形状及びＬＥＤ発散光の軌跡を示す図である。
【図４】本発明の望ましい実施例によるＬＥＤ拡散レンズの３次元斜視図である。
【図５ａ】本発明の望ましい実施例によるＬＥＤ拡散レンズの第１レンズ面による光量分布を示すグラフである。
【図５ｂ】本発明の望ましい実施例によるＬＥＤ拡散レンズの第２レンズ面及び第３レンズ面による光量分布を示すグラフである。
【図５ｃ】本発明の望ましい実施例によるＬＥＤ拡散レンズの全体レンズ面による光量分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１０、１００    底面
１５、１５０    収容凹部（収容部）
２０、１２０    第１レンズ面
３０、１３０    第２レンズ面
４０、１４０    第３レンズ面
Ｌ    ＬＥＤチップ
【図１】
2006332054.tif 000005
【図２】
2006332054.tif 000006
【図３】
2006332054.tif 000007
【図４】
2006332054.tif 000008
【図５ａ】
2006332054.tif 000009
【図５ｂ】
2006332054.tif 000010
【図５ｃ】
2006332054.tif 000011