(57)【要約】複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部を備えた面光源装置に関する。光源部のレンズは、光軸を中心として発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有する。入射面は連続する凹面を有するとともに、出射面は連続する凸面を有する。かつレンズは、出射面上の任意の点と発光ダイオードの位置に対応する光軸上の基点とを結んだ直線が前記光軸となす角度をθｉ、光軸上の基点から出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはθｉの増加に伴ってｓａｇＹ０を最大として減少する。さらに出射面は、光軸の近傍を除いて、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が最小となるときのθｉをθｍｉｎとするとき、１０°＜θｍｉｎ＜３０°となる形状としている。
2011096192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部を備えた面光源装置において、前記光源部のレンズは、光軸を中心として発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、前記入射面は連続する凹面を有するとともに、前記出射面は連続する凸面を有し、かつ前記レンズは、前記出射面上の任意の点と前記発光ダイオードの位置に対応する光軸上の基点とを結んだ直線が前記光軸となす角度をθｉ、前記光軸上の基点から前記出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはθｉの増加に伴ってｓａｇＹ０を最大として減少し、さらに前記出射面は、前記光軸の近傍を除いて、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が最小となるときのθｉをθｍｉｎとするとき、１０°＜θｍｉｎ＜３０°となる形状としたことを特徴とする面光源装置。
【請求項２】
前記レンズは、θｍｉｎを境界として、０°から前記θｍｉｎまでの範囲を第１の角度範囲とし、前記θｍｉｎから９０°までの範囲を第２の角度範囲とするとき、前記微小区間の曲率Ｃは、前記第１の角度範囲において最大となることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
【請求項３】
前記レンズは、θｍｉｎを境界として、０°から前記θｍｉｎまでの範囲を第１の角度範囲とし、前記θｍｉｎから９０°までの範囲を第２の角度範囲とするとき、前記微小区間の曲率Ｃは、前記第２の角度範囲において最大となることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
【請求項４】
前記レンズの出射面は、中心部分の曲率は実質的にゼロであることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
【請求項５】
前記レンズは、前記発光ダイオードの発光面の最大幅をＤ、前記レンズの中心の厚みをｔとしたとき、０．３＜Ｄ／ｔ＜３．０となる形状としたことを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
【請求項６】
前記レンズは、前記発光ダイオードの発光面の最大幅をＤ、前記レンズの有効径をＤｅとしたとき、０．０３＜Ｄ／Ｄｅ＜０．３となる形状としたことを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
【請求項７】
複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部と、この光源部を収容する筐体と、この筐体の開口部を覆うように配置される拡散板と、前記光源部から出射した光を前記拡散板側に反射させる反射シートとを備え、前記光源部は、中央部に複数個のレンズを配列して配置することにより構成したことを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
【請求項８】
液晶表示パネルと、この液晶表示パネルの背面側に配置され、液晶表示パネルに対応する大きさの面光源装置とからなり、前記面光源装置は、複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部と、この光源部を収容する筐体と、前記液晶表示パネルと光源との間に配置される拡散板と、前記光源部から出射した光を前記拡散板側に反射させる反射シートとを備えた液晶ディスプレイ装置において、前記光源部は、中央部に複数個のレンズを配列して配置することにより構成し、前記光源部のレンズは、光軸を中心として発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、前記入射面は連続する凹面を有するとともに、前記出射面は連続する凸面を有し、かつ前記レンズは、前記出射面上の任意の点と前記発光ダイオードの位置に対応する光軸上の基点とを結んだ直線が前記光軸となす角度をθｉ、前記光軸上の基点から前記出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはθｉの増加に伴ってｓａｇＹ０を最大として減少し、さらに前記出射面は、前記光軸の近傍を除いて、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が最小となるときのθｉをθｍｉｎとするとき、１０°＜θｍｉｎ＜３０°となる形状としたことを特徴とする液晶ディスプレイ装置。
【請求項９】
発光ダイオードからの光を拡張するレンズにおいて、前記レンズは、光軸を中心として発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、前記入射面は連続する凹面を有するとともに、前記出射面は連続する凸面を有し、かつ前記レンズは、前記出射面上の任意の点と前記発光ダイオードの位置に対応する光軸上の基点とを結んだ直線が前記光軸となす角度をθｉ、前記光軸上の基点から前記出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはθｉの増加に伴ってｓａｇＹ０を最大として減少し、さらに前記出射面は、前記光軸の近傍を除いて、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が最小となるときのθｉをθｍｉｎとするとき、１０°＜θｍｉｎ＜３０°となる形状としたことを特徴とするレンズ。
【請求項１０】
前記θｍｉｎを境界として、０°から前記θｍｉｎまでの範囲を第１の角度範囲とし、前記θｍｉｎから９０°までの範囲を第２の角度範囲とするとき、前記微小区間の曲率Ｃは、前記第１の角度範囲において最大となることを特徴とする請求項９に記載のレンズ。
【請求項１１】
前記θｍｉｎを境界として、０°から前記θｍｉｎまでの範囲を第１の角度範囲とし、前記θｍｉｎから９０°までの範囲を第２の角度範囲とするとき、前記微小区間の曲率Ｃは、前記第２の角度範囲において最大となることを特徴とする請求項９に記載のレンズ。
【請求項１２】
前記出射面は、中心部分の曲率は実質的にゼロであることを特徴とする請求項９に記載のレンズ。
【請求項１３】
発光ダイオードの発光面の最大幅をＤ、前記レンズの中心の厚みをｔとしたとき、０．３＜Ｄ／ｔ＜３．０となる形状としたことを特徴とする請求項９に記載のレンズ。
【請求項１４】
発光ダイオードの発光面の最大幅をＤ、前記レンズの有効径をＤｅとしたとき、０．０３＜Ｄ／Ｄｅ＜０．３となる形状としたことを特徴とする請求項９に記載のレンズ。
【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レンズを用いた面光源装置および液晶ディスプレイ装置およびレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の大型の液晶ディスプレイ装置の面光源装置では、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シート等の部材と共に使われていた。近年では、面光源装置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面光源装置では、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、面光源装置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、少ない個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。【０００４】
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。【０００５】
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いる。特許文献１に開示されたレンズでは、光軸近傍の凹面で光源からの正面方向に向かう光を屈折により発散させている。これにより、被照射面における光軸近傍の照度を抑えて広がりのある照度分布にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３８７５２４７号公報
【発明の概要】
【０００７】
本発明の面光源装置は、複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部を備えた面光源装置に関する。光源部のレンズは、光軸を中心として発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、入射面は連続する凹面を有するとともに、出射面は連続する凸面を有する。かつレンズは、出射面上の任意の点と発光ダイオードの位置に対応する光軸上の基点とを結んだ直線が光軸となす角度をθｉ、光軸上の基点から出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはθｉの増加に伴ってｓａｇＹ０を最大として減少する。さらに出射面は、光軸の近傍を除いて、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が最小となるときのθｉをθｍｉｎとするとき、１０°＜θｍｉｎ＜３０°となる形状としている。
【０００８】
また、本発明の液晶ディスプレイ装置は、液晶表示パネルと、この液晶表示パネルの背面側に配置され、液晶表示パネルに対応する大きさの面光源装置とからなり、面光源装置は、複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部と、この光源部を収容する筐体と、液晶表示パネルと光源との間に配置される拡散板と、光源部から出射した光を拡散板側に反射させる反射シートとを備えた液晶ディスプレイ装置において、光源部は、中央部に複数個のレンズを配列して配置することにより構成し、光源部のレンズは、光軸を中心として発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、入射面は連続する凹面を有するとともに、出射面は連続する凸面を有し、かつレンズは、出射面上の任意の点と発光ダイオードの位置に対応する光軸上の基点とを結んだ直線が前記光軸となす角度をθｉ、光軸上の基点から出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはθｉの増加に伴ってｓａｇＹ０を最大として減少し、さらに出射面は、光軸の近傍を除いて、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が最小となるときのθｉをθｍｉｎとするとき、１０°＜θｍｉｎ＜３０°となる形状とした構成である。
【０００９】
また、本発明のレンズは、発光ダイオードからの光を拡張するレンズにおいて、前記レンズは、光軸を中心として発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、前記入射面は連続する凹面を有するとともに、前記出射面は連続する凸面を有し、かつ前記レンズは、前記出射面上の任意の点と前記発光ダイオードの位置に対応する光軸上の基点とを結んだ直線が前記光軸となす角度をθｉ、前記光軸上の基点から前記出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはθｉの増加に伴ってｓａｇＹ０を最大として減少し、さらに前記出射面は、前記光軸の近傍を除いて、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が最小となるときのθｉをθｍｉｎとするとき、１０°＜θｍｉｎ＜３０°となる形状としたことを特徴とするレンズ。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は一実施の形態による面光源装置を用いた液晶ディスプレイ装置の全体の概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】図２は図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図３】図３は面光源装置の光源部を示す平面図である。
【図４】図４は図３のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図５】図５はレンズの配列の一例を示す平面図である。
【図６】図６はレンズの構成図である。
【図７】図７はレンズにおける光の光路を説明する説明図である。
【図８】図８はレンズにおける光の光路を説明する説明図である。
【図９】図９は具体的な実施例１によるレンズを説明する構成図である。
【図１０】図１０は具体的な実施例２によるレンズを説明する構成図である。
【図１１】図１１は実施例１のレンズにおけるθｉとｓａｇＸ、Ｙの関係を示す図である。
【図１２】図１２は実施例１のレンズにおけるθｉと微小曲率Ｃの関係を示す図である。
【図１３】図１３は実施例２のレンズにおけるθｉとｓａｇＸ、Ｙの関係を示す図である。
【図１４】図１４は実施例２のレンズにおけるθｉと微小曲率Ｃの関係を示す図である。
【図１５Ａ】図１５Ａはレンズの光路を説明するための説明図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂはレンズの光路を説明するための説明図である。
【図１６】図１６は面光源装置の他の例を示す斜視図である。
【図１７】図１７は図１６に示す面光源装置の要部の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、一実施の形態による面光源装置およびその面光源装置を用いた液晶ディスプレイ装置について、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は一実施の形態による面光源装置を用いた液晶ディスプレイ装置の全体の概略構成を示す分解斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【００１３】
図１、図２に示すように、液晶ディスプレイ装置は、長方形の平板形状で透過型の液晶表示パネル１と、この液晶表示パネル１の背面側に配置され、液晶表示パネル１に対応する大きさの直方体形状の面光源装置２とにより構成されている。
【００１４】
面光源装置２は、液晶表示パネル１の長辺方向に沿って液晶表示パネル１の中央部と対向するように直線状に配置された光源部３と、この光源部３を収容する直方体形状の筐体４と、この筐体４の開口部を覆うように配置されるとともに、前記液晶表示パネル１と光源部３との間に配置される拡散板５と、前記光源部３から出射した光を液晶表示パネル１側、すなわち拡散板５側に反射させる反射シート６とを備えている。
【００１５】
拡散板５は、液晶表示パネル１との間の前面側に、液晶表示パネル１に対応する大きさの光学シート積層体７を備えている。この光学シート積層体７は、例えば、拡散板５からの入射光を前方の液晶表示パネル１側に向けて集光させるプリズムシート、拡散板５からの入射光をさらに拡散させる拡散シート、入射光の偏光面が液晶表示パネル１の偏光面に対応するように特定の偏光面を有する光を透過させる偏光シート等により構成されている。また、本実施の形態においては、光源部３が液晶表示パネル１の中央部に対向するように直線状に配置されることにより面光源装置２のほぼ中央部のみに配置されることとなる。
【００１６】
図３は面光源装置の光源部を示す平面図、図４は図３のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【００１７】
光源部３は、裏面側に所定の配線パターンを形成した短冊形状の絶縁性の基板８の表面上に、複数個の発光ダイオード９を所定の間隔で実装し、その個々の発光ダイオード９に対応させて、円柱を長軸方向に半分に切断したほぼ半円柱形状の複数個のレンズ１０を前記発光ダイオード９に被せるように配置することにより構成されている。なお、図示していないが、発光ダイオード９は、空気に触れないように、エポキシ樹脂またはシリコンゴム等の封止用の樹脂で覆われている。
【００１８】
レンズ１０は、光源である発光ダイオード９からの光を拡張して被照射体に照射するもので、例えば１．４から２．０程度の屈折率を有する透明な材料で構成されている。レンズ１０を構成する透明材料としては、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、硝子、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９の封止用の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。
【００１９】
本実施の形態において、光源部３は、図５に示すように、複数個の発光ダイオード９と複数個のレンズ１０が少なくとも２列に配列されるように複数列で配置することにより構成されている。なお、図５に示す例においては、光源部３の複数個のレンズ１０は、隣り合う列間において、千鳥状に配列しているが、千鳥状に配列しないで、隣り合う列間において、同じ位置に来るように配列してもよい。また、配列する列数は、少なくとも２列であればよく、３列、４列の配列としてもよい。
【００２０】
このように面光源装置２において、光源部３は、中央部に直線状に複数個の発光ダイオード９と複数個のレンズ１０を配置することにより構成され、かつ前記複数個の発光ダイオード９と複数個のレンズ１０が少なくとも２列に配列されるように配置したことにより、それぞれのレンズ列による輝度分布が交互に重なり、輝度分布のムラを減少させることができる。
【００２１】
ここで、図４に示すように、上記実施の形態においては、光源部３は、レンズ１０の配列方向の長さＬと、隣り合うレンズ１０間の間隔ｌとの関係がＬ＜ｌで、かつレンズ１０間の間隔ｌがほぼ均等となるように配列している。このような構成とすることにより、面光源装置２として十分な明るさを確保し、しかも少ない個数のレンズ１０で光源部３を構成することができ、安価に装置を構成することができる。
【００２２】
ところで、図１、図２に示すように、液晶表示パネル１の中央部と対向するように一列に直線状に配置して光源部３を構成した場合、本発明者らが実験により確認したところでは、面光源装置２の端部において、拡散板５から出射される光が少なく、十分な明るさを確保しにくくなる。このような場合は、出力が大きい発光ダイオード９を使用すればよいが、価格が高くなってしまう。一方、液晶ディスプレイ装置としては、画面の中央部が周辺部に比べてより明るいことが要求される。
【００２３】
本実施の形態においては、図５に示すように、複数個のレンズ１０は、中央部における個々のレンズ１０の配置間隔を狭くして他の部分より密に配置することにより光源部３の個々の光源の配置間隔を変更することで、全体的に均一な明るさで発光する面光源とすることができ、また液晶ディスプレイ装置の画面の明るさに対する要求も満足させることができる。
【００２４】
すなわち、図５に示すように、本実施の形態の光源部３は、中央部３ａと周辺部３ｂにおける個々のレンズ１０の配置間隔を狭くして密に配置し、中央部３ａと周辺部３ｂの間の中間部３ｃにおける個々のレンズ１０の配置間隔については、前記中央部３ａおよび周辺部３ｂに比べて広くなるように配置している。また、中央部３ａと中間部３ｃとの境、および中間部３ｃと周辺部３ｂとの境については、徐々にレンズ１０の間隔が変化するように配置している。
【００２５】
次に、光源部３のレンズ１０の構成について、さらに詳細に説明する。
【００２６】
図６は、レンズの構成図、図７は図６に示すレンズ１０の光路を示す図である。
【００２７】
照明用のレンズ１０は、指向性を有する光源としての発光ダイオード９からなる被照射面としての拡散板５との間に配置され、光源からの光を拡張して被照射面に照射するものである。すなわち、レンズ１０によって光源の指向性が広くされる。被照射面の照度分布は、レンズ１０の設計上の中心線である光軸Ａ上が最大で周囲に行くほど略単調に減少する。なお、光源とレンズ１０とは、互いの光軸が合致するように配置される。
【００２８】
具体的に、レンズ１０は、光源からの光が入射する入射面１１と、入射した光を出射させる出射面１２とを有している。また、レンズ１０は、入射面１１の周囲で出射面１２と反対側を向く環状の底面１３を有している。さらに、本実施の形態では、出射面１２と底面１３との間に径方向外側に張り出すリング部１４が設けられており、このリング部１４の断面略コ字状の外面で出射面１２の周縁と底面１３の外周縁とがつながれている。ただし、リング部１４は省略可能であり、出射面１２の周縁と底面１３の外周縁とが断面直線状または円弧状の端面でつながれていてもよい。
【００２９】
発光ダイオード９は、レンズ１０の入射面１１に近接して配置されている。レンズ１０の入射面１１は、発光ダイオード９の発光面の高さのバラつきにも対応できるように、光軸方向において発光ダイオード９の発光面を超えるように広がっていることが好ましい。本実施の形態では、発光ダイオード９の発光面と反対側の面が照明用レンズの底面１３と同一平面上に位置していて、発光ダイオード９の発光面と反対側の面（換言すれば、発光ダイオード９が実装される基板８の表面）と光軸Ａとの交点が基点Ｑとなっている。レンズ１０の出射面１２から出射した光は被照射面に到達し、被照射面を照明する。
【００３０】
発光ダイオード９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９は指向性を持っており、広い範囲を照明するためにはレンズ１０で指向性を広くすることが必要である。なお、発光ダイオード９の発光面上に、封止樹脂によりドーム型の封止部を形成することにより、光源としての指向性をさらに広げることができ、また光の取り出し効率を上げることも可能となる。
【００３１】
レンズ１０の入射面１１は、連続する凹面である。入射面１１は、光軸Ａに対して回転対称であることが好ましいが、光軸Ａに対して回転対称でなくてもよい。例えば、光源が光軸方向から見たときに長方形である場合には、入射面１１は光軸方向から見て光源と同方向に延びる楕円形であってもよい。入射面１１を取り巻く底面１３は、本実施の形態ではフラットである。
【００３２】
また、出射面１２は、連続する凸面であり、光軸Ａに対して回転対称であることが好ましいが、光軸Ａに対して回転対称でなくてもよい。例えば、光源が光軸方向から見たときに長方形である場合には、出射面１２は光軸方向から見て光源と同方向に延びる楕円形であってもよい。本実施の形態においては、出射面１２は光軸Ａに対して回転対称である。出射面１２の中心部分の曲率は、実質的にゼロであることが好ましい。ここで、「中心部分」とは、光軸Ａから所定半径（例えば、光軸方向から見たときの出射面１２の最外周の半径（有効径）の１／１０）以内の領域をいい、「実質的にゼロ」とは、光軸Ａ上の基点Ｑから出射面１２上の任意の点まで光軸方向に測った距離をサグ量（ｓａｇＹ）とした場合、前記中心部分における最大サグ量と最小サグ量の差が０．１ｍｍ以下のことをいう。このようになっていれば、成形がし易くなり、公差に強いレンズ１０を作ることが可能となる。
【００３３】
なお、レンズ１０の平面視における輪郭は、光軸Ａに対して回転対称である必要はない。例えば、リング部１４に光軸Ａを挟んで互いに平行な一対のフラット部が設けられていて、レンズ１０が光軸方向から見たときに小判型となっていてもよい。
【００３４】
図７に示すように、発光ダイオード９の光軸Ａ付近から出射され、レンズ１０の入射面１１に到達する光線の光路を示す。発光ダイオード９から出射した光は、レンズ１０の入射面１１を光軸Ａから離れる方向に屈折しながら透過し、その後に出射面１２に到達する。到達した光は、出射面１２を屈折しながら透過し、その後に被照射面の広い範囲に到達する。
【００３５】
ここで、レンズ１０は、出射面１２上の任意の点と光軸Ａ上の基点Ｑとを結んだ直線と光軸Ａとの角度をθｉ、光軸Ａ上の基点Ｑから前記出射面１２上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはｓａｇＹ０を最大として単調に減少し、出射面１２は、光軸Ａの近傍を除き、出射面１２上の微小区間の曲率Ｃが最小となるときのθｉをθｍｉｎとするとき、θｍｉｎは以下の式（１）を満足することが好ましい。なお、「光軸Ａの近傍」とは、光軸Ａから所定角度（例えば、θｉ＝２°）以内の領域をいう。
【００３６】
１０°＜θｍｉｎ＜３０°・・・（１）
レンズ１０の出射面１２について、式（１）の条件を満足させることにより、発光ダイオード９のサイズが変化することによって同時に変動するフレネル反射成分が少なくなる。一方、式（１）の下限を超えると、上述のフレネル反射成分が発生し易くなり、上限を超えると、レンズ１０のサイズ（例えば光軸方向の長さ）が大きくなりすぎる。
【００３７】
図８は、発光ダイオード９の端面付近から光軸Ａに対して大きな角度で出射され、入射面１１に到達する光線の光路を示す。発光ダイオード９から出射した光は、入射面１１を屈折しながら透過し、その後に出射面１２に到達する。到達した光は、出射面１２を屈折しながら透過し、その後に被照射面に到達する。図８において、発光ダイオード９の発光面の最大幅をＤ、レンズ１０の中心厚をｔとするとき、以下の式（２）を満足することが好ましい。
【００３８】
０．３＜Ｄ／ｔ＜３．０・・・（２）
このような条件を満足させることにより、発光ダイオード９のサイズが変化することによって変動するフレネル反射成分が少なくなる。一方、式（２）の下限を超えると、レンズ１０のサイズ（例えば光軸方向の長さ）が大きくなり、上限を超えると、上述のフレネル反射成分が発生し易くなる。
【００３９】
また、発光ダイオード９の発光面の最大幅をＤ、レンズ１０の有効径をＤｅとするとき、以下の式（３）を満足することが好ましい。
【００４０】
０．０３＜Ｄ／Ｄｅ＜０．３・・・（３）
このような条件を満足させることにより、発光ダイオード９のサイズが変化することによって同時に変動するフレネル反射成分が少なくなる。また、式（３）の下限を超えると、レンズ１０のサイズ（例えば光軸と垂直方向の長さ）が大きくなり、上限を超えると、上述のフレネル反射成分が発生し易くなる。
【００４１】
ところで、出射面１２が凹面であるレンズ１０を用いた場合、発光ダイオード９から出射した光は、入射面１１を屈折しながら透過し、その後に出射面１２に到達する。到達した光の一部は、出射面１２でフレネル反射をおこし、レンズ１０の底面１３で屈折したのち、基板８に向かう。光は、基板８で拡散反射され、底面１３で再び屈折したのち、出射面１２で屈折しながら透過し、その後に被照射面に到達することとなる。このようなフレネル反射しやすい形状では、発光ダイオード９のサイズが変化すると、フレネル反射成分の影響が変化するために、被照射面における照度分布が大きく変化するので、発光ダイオード９のサイズに制約を受ける。
【００４２】
これに対し、本実施の形態によるレンズ１０では、フレネル反射は発生し難いので、フレネル反射の影響を低減することができ、発光ダイオード９のサイズや形状の制約を緩和できる。
【００４３】
次に、具体的な実施例について説明する。
【００４４】
図９は実施例１によるレンズ１０の構成図、図１０は実施例２によるレンズ１０の構成図である。この実施例１、２は、汎用品の発光ダイオード９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、２における発光ダイオード９の発光面のサイズは、例えば３．０×３．０ｍｍである。その他、例えば、発光面の小さい１．０×１．０ｍｍや、発光面が長方形である３．０×１．０ｍｍ等であってもよい。
【００４５】
図９および図１０において、θｉは、光軸Ａ上の基点Ｑと入射面１１および出射面１２上の任意の点とを結んだ直線と光軸Ａとの角度である。ｓａｇＸは、光軸Ａ上の基点Ｑから入射面１１上の任意の点まで光軸方向に測った距離であり、ｓａｇＹは、光軸Ａ上の基点Ｑから出射面１２上の任意の点まで光軸方向に測った距離である。
【００４６】
まず、実施例１の具体的な数値を表１に示す。
【００４７】
【表１】
2011096192.tif 000003
【００４８】
図１１は、表１のθｉとｓａｇＸとｓａｇＹとについて、グラフで表したもので、ｓａｇＹは、ｓａｇＹ０を最大として単調に減少することを示している。
【００４９】
また、図１２は、θｉと出射面１２上の微小区間の曲率Ｃとの関係を示すグラフであり、実施例１におけるレンズ１０のθｍｉｎが、上記式（１）の範囲にあることを示している。さらに、微小区間の曲率Ｃは、０°からθｍｉｎまでの範囲（第１の角度範囲）において最大となることを示している。
【００５０】
ここで、「微小区間の曲率Ｃ」の算出方法について、図１５を用いて説明する。図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、出射面１２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と光源とを結ぶ線について、光軸に対する角度をθｉ（ｎ）とし、点Ｂと光源とを結ぶ線について、光軸に対する角度をθｉ（ｎ＋１）とする。ただし、θｉ（ｎ＋１）−θｉ（ｎ）を０．１°程度とする。また、出射面１２の点Ａでの接線と、光軸に対して垂直な面との間の角度をθｓ（ｎ）とし、点Ｂでの接線と、光軸に対して垂直な面との間の角度をθｓ（ｎ＋１）とする。また、点Ａと点Ｂとの間の長さをΔｄ（ｎ）とする。さらに、点Ａと点Ｂの間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での法線と点Ｂで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。
【００５１】
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１２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。
【００５２】
次に、実施例２の具体的な数値を表２に示す。
【００５３】
【表２】
2011096192.tif 000004
【００５４】
図１３は、表２のθｉとｓａｇＸとｓａｇＹについて、グラフで表したもので、ｓａｇＹは、ｓａｇＹ０を最大として単調に減少することを示している。
【００５５】
また、図１４は、θｉと出射面１２上の微小区間の曲率Ｃの関係のグラフであり、実施例２におけるレンズ１０のθｍｉｎが、上記式（１）の範囲にあることを示している。さらに、微小区間の曲率Ｃは、θｍｉｎから９０°までの範囲（第２の角度範囲）において最大となることを示している。
【００５６】
この実施例１、２のレンズ１０において、上記式（１）〜（３）の条件に対する数値は、表３に示すとおりである。
【００５７】
【表３】
2011096192.tif 000005
【００５８】
図１６は面光源装置の他の例を示す斜視図、図１７はその要部の構成を示す断面図である。図１６、図１７に示す面光源装置２は、発光ダイオード９とレンズ１０とを備えた光源を、装置全面に均等に点在するように、複数個配置したものである。なお、複数個の光源は、図１６に示すように、マトリクス状に配置されていてもよいし、千鳥状に配置されていてもよい。
【００５９】
また、図１６、図１７に示す面光源装置２は、拡散板５と対向するように配線パターンを有する絶縁性の基板１５が設けられ、その基板１５上に、発光ダイオード９が実装され、配線パターンに電気的に接続されている。また、レンズ１０は、底面１３が基板１５に接合されることにより配置されている。さらに、基板１５上には、レンズ１０が配置された部分を除き、基板１５を覆うように反射シート１６が配置されている。ここで、レンズ１０の底面１３は、必ずしも基板１５に直接に接合されていなくてもよく、例えばレンズ１０を支持する別の支持部材を介して基板１５に接合されていてもよい。この場合、基板１５とレンズ１０の底面１３との間には隙間が形成されるため、反射シート１６は、その隙間に配置すればよい。
【００６０】
図１７において、発光ダイオード９とレンズ１０とを備えた光源は、拡散板５の一方面５ａに光を照射する。拡散板５は、一方面５ａに照射された光を他方の面５ｂから拡散した状態で放射する。また、光源からの光は、拡散板５で散乱されて、光源側に戻ったり、拡散板５を透過する。光源側に戻った光は、反射シート１６で反射されて、拡散板５に再度入射する。このような光の放射、反射を繰り返すことにより、拡散板５の他方の面５ｂから十分な光量の光を放出させることができる。また、個々の光源からは、拡散板５の一方面５ａ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５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を形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上のように本発明によれば、十分な明るさの面光源装置を提供する上で有用な発明である。
【符号の説明】
【００６２】
１    液晶表示パネル
２    面光源装置
３    光源部
４    筐体
５    拡散板
６    反射シート
７    光学シート積層体
８    基板
９    発光ダイオード
１０    レンズ
１１    入射面
１２    出射面
１３    底面
１４    リング部
１５    基板
１６    反射シート
【図１】
2011096192.tif 000006
【図２】
2011096192.tif 000007
【図３】
2011096192.tif 000008
【図４】
2011096192.tif 000009
【図５】
2011096192.tif 000010
【図６】
2011096192.tif 000011
【図７】
2011096192.tif 000012
【図８】
2011096192.tif 000013
【図９】
2011096192.tif 000014
【図１０】
2011096192.tif 000015
【図１１】
2011096192.tif 000016
【図１２】
2011096192.tif 000017
【図１３】
2011096192.tif 000018
【図１４】
2011096192.tif 000019
【図１５Ａ】
2011096192.tif 000020
【図１５Ｂ】
2011096192.tif 000021
【図１６】
2011096192.tif 000022
【図１７】
2011096192.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成25年2月22日(2013.2.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
また、本発明のレンズは、発光ダイオードからの光を拡張するレンズにおいて、前記レンズは、光軸を中心として発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面と、前記入射面の周囲で前記出射面と反対側を向く環状の底面と、を有し、前記入射面は連続する凹面を有するとともに、前記出射面は連続する凸面を有し、かつ前記レンズは、前記底面の中心と光軸との交点を基点としたとき、前記出射面上の任意の点と前記基点とを結んだ直線が前記光軸となす角度をθｉ、前記光軸上の基点から前記出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはθｉの増加に伴ってｓａｇＹ０を最大として減少し、さらに前記出射面は、前記光軸の近傍を除いて、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が最小となるときのθｉをθｍｉｎとするとき、１０°＜θｍｉｎ＜３０°となる形状としたことを特徴とするレンズ。
【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】
複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部を備えた面光源装置において、前記光源部のレンズは、光軸を中心として発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、前記入射面は連続する凹面を有するとともに、前記出射面は連続する凸面を有し、かつ前記レンズは、前記出射面上の任意の点と前記発光ダイオードの位置に対応する光軸上の基点とを結んだ直線が前記光軸となす角度をθｉ、前記光軸上の基点から前記出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはθｉの増加に伴ってｓａｇＹ０を最大として減少し、さらに前記出射面は、前記光軸の近傍を除いて、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が最小となるときのθｉをθｍｉｎとするとき、１０°＜θｍｉｎ＜３０°となる形状としたことを特徴とする面光源装置。
【請求項２】
前記レンズは、θｍｉｎを境界として、０°から前記θｍｉｎまでの範囲を第１の角度範囲とし、前記θｍｉｎから９０°までの範囲を第２の角度範囲とするとき、前記微小区間の曲率Ｃは、前記第１の角度範囲において最大となることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
【請求項３】
前記レンズは、θｍｉｎを境界として、０°から前記θｍｉｎまでの範囲を第１の角度範囲とし、前記θｍｉｎから９０°までの範囲を第２の角度範囲とするとき、前記微小区間の曲率Ｃは、前記第２の角度範囲において最大となることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
【請求項４】
前記レンズの出射面は、中心部分の曲率は実質的にゼロであることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
【請求項５】
前記レンズは、前記発光ダイオードの発光面の最大幅をＤ、前記レンズの中心の厚みをｔとしたとき、０．３＜Ｄ／ｔ＜３．０となる形状としたことを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
【請求項６】
前記レンズは、前記発光ダイオードの発光面の最大幅をＤ、前記レンズの有効径をＤｅとしたとき、０．０３＜Ｄ／Ｄｅ＜０．３となる形状としたことを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
【請求項７】
複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部と、この光源部を収容する筐体と、この筐体の開口部を覆うように配置される拡散板と、前記光源部から出射した光を前記拡散板側に反射させる反射シートとを備え、前記光源部は、中央部に複数個のレンズを配列して配置することにより構成したことを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
【請求項８】
液晶表示パネルと、この液晶表示パネルの背面側に配置され、液晶表示パネルに対応する大きさの面光源装置とからなり、前記面光源装置は、複数個の発光ダイオードおよびこの発光ダイオードからの光を拡張するレンズからなる光源部と、この光源部を収容する筐体と、前記液晶表示パネルと光源との間に配置される拡散板と、前記光源部から出射した光を前記拡散板側に反射させる反射シートとを備えた液晶ディスプレイ装置において、前記光源部は、中央部に複数個のレンズを配列して配置することにより構成し、前記光源部のレンズは、光軸を中心として発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面とを有し、前記入射面は連続する凹面を有するとともに、前記出射面は連続する凸面を有し、かつ前記レンズは、前記出射面上の任意の点と前記発光ダイオードの位置に対応する光軸上の基点とを結んだ直線が前記光軸となす角度をθｉ、前記光軸上の基点から前記出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはθｉの増加に伴ってｓａｇＹ０を最大として減少し、さらに前記出射面は、前記光軸の近傍を除いて、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が最小となるときのθｉをθｍｉｎとするとき、１０°＜θｍｉｎ＜３０°となる形状としたことを特徴とする液晶ディスプレイ装置。
【請求項９】
発光ダイオードからの光を拡張するレンズにおいて、前記レンズは、光軸を中心として発光ダイオードからの光が入射する入射面と、入射した光を拡張して出射する出射面と、前記入射面の周囲で前記出射面と反対側を向く環状の底面と、を有し、前記入射面は連続する凹面を有するとともに、前記出射面は連続する凸面を有し、かつ前記レンズは、前記底面の中心と光軸との交点を基点としたとき、前記出射面上の任意の点と前記基点とを結んだ直線が前記光軸となす角度をθｉ、前記光軸上の基点から前記出射面上の任意の点まで光軸方向に測った距離をｓａｇＹ、θｉが０°のときのｓａｇＹをｓａｇＹ０、としたときに、ｓａｇＹはθｉの増加に伴ってｓａｇＹ０を最大として減少し、さらに前記出射面は、前記光軸の近傍を除いて、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が最小となるときのθｉをθｍｉｎとするとき、１０°＜θｍｉｎ＜３０°となる形状としたことを特徴とするレンズ。
【請求項１０】
前記θｍｉｎを境界として、０°から前記θｍｉｎまでの範囲を第１の角度範囲とし、前記θｍｉｎから９０°までの範囲を第２の角度範囲とするとき、前記微小区間の曲率Ｃは、前記第１の角度範囲において最大となることを特徴とする請求項９に記載のレンズ。
【請求項１１】
前記θｍｉｎを境界として、０°から前記θｍｉｎまでの範囲を第１の角度範囲とし、前記θｍｉｎから９０°までの範囲を第２の角度範囲とするとき、前記微小区間の曲率Ｃは、前記第２の角度範囲において最大となることを特徴とする請求項９に記載のレンズ。
【請求項１２】
前記出射面は、中心部分の曲率は実質的にゼロであることを特徴とする請求項９に記載のレンズ。
【国際調査報告】
2011096192.tif 000024
2011096192.tif 000025
2011096192.tif 000026
2011096192.tif 000027