(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードから出射される光線の進行方向とは逆方向に突出し、前記光線の光軸と同一線上に軸を有し、前記発光ダイオードの軸と近い方向の角度で放出された光線を収容するように形成されている第１凸面と、
前記第１凸面の端部から延在し前記光軸に平行な方向の壁面で形成され、前記第１凸面に入射される光線より大きい角で前記発光ダイオードから放出された光線を収容するように形成されている第２シリンダー面と、
前記光線の光軸と同一線上の軸を有する円錐形状であり、前記第１凸面に入射された光線を収容し全反射するための内部面と反射された光線を出射させる外部面を有し、前記光線の光軸に対して法線方向に光を出射する円錐部と、
前記円錐部から連続して形成され、かつ、前記第２シリンダー面と向かい合うように形成され、前記第２シリンダー面に入射された光を収容し、前記第２シリンダー面から反射された光線を、前記光線の光軸に対して法線方向に出射させる曲面部と、を含むことを特徴とする発光ダイオード用偏向レンズ。
【請求項２】
前記円錐部の外部面の頂角は、６３．３５°であることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード用偏向レンズ。
【請求項３】
前記曲面部は、非球面であることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード用偏向レンズ。
【請求項４】
前記曲面部の外部曲線は、中心軸による距離の関数であることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード用偏向レンズ。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード用偏向レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードに基づいたカラー液晶表示装置の照明システムは、多くの長所を有している。ランプによる他の照明システムと比較して注目する点としては、カラーの範囲が広く、より大きい幅の照度比率を有している点である。
バックライト照明装置、例えば、液晶表示装置のバックライト照明装置として発光ダイオード照明システムを設計する時に現れる最も大きい問題点としては、隔離して配置されている発光ダイオードの発光を効果的に組み合わせて維持しつつ、厚みの薄い照明装置でスクリーンの発光を均一化することにある。
【０００３】
このような問題を解決するために、発光ダイオードを使用する場合において、発光ダイオードの発光プラットホームによって発生された光の方向を、高輝度スクリーン（highlighted screen）と主に平行な面の方向に変得る特別なレンズを形成する方法がある。それによって、発光ダイオードから発生された光は、形成された前記レンズの装着によって、スクリーンと平行な方向に焦点を絞ったウェーブガイドに進行する。ウェーブガイドでは、画面に向かう発光のミキシングプロセス及び後続的な出力が発生し、この過程でスクリーンに対する照明は均一に供給される。
【０００４】
本請求された発明と最も類似な技術的な解決方法は、特許文献１に開示されたレンズの形成である。図１は、従来技術の偏向レンズの断面図である。図１のレンズは、発光ダイオードから発光された光を、レンズの軸方向ａ−ａから９０°に偏向し、狭い方向性を有する図形を形成する。
【特許文献１】米国特許第６，６７９，６２１  Ｂ２（０１／２４／２００２）  前記レンズは、内部（Ａ）と外部（Ｂ＋Ｃ）の３つを面を含み、機能的には中央部と周辺部とに分けられる２つのパートで構成されている。発光ダイオード（Ｆ）の発光プラットホームによって生成された光線２はレンズの中央部を通過し、最初に前記内部表面で反射される。その後、前記光線２は、外部表面のセクター（Ｂ）で内部全反射を行いながら反射され、レンズの外部表面のセクター（Ｃ）で反射して、レンズの軸方向ａ−ａと主に法線である方向にレンズから出射される。
【０００５】
レンズの周辺部を通過する光線１は、レンズの内部表面（Ａ）及び外部表面（Ｃ）で反射され、レンズの軸方向ａ−ａと主に法線である方向にレンズから出射される。
表面（Ｂ）での光線２の内部全反射を確実に行うために、レンズの表面（Ｂ）はエッジが発光ダイオードの発光プラットホームに向かうようにする円錐形状を有する。円錐状の周辺は、円錐形の中央部よりもレンズの光軸に対してより法線状である。前記の形状によって、発光プラットホームの軸以外の部分から入射される光線の一部は表面（Ｂ）で全反射せず、レンズの軸方向の法線というよりもむしろ、レンズの軸方向ａ−ａに近い角度でレンズから出射される。
【０００６】
図２では、前述したレンズが装着された発光ダイオードの光の強度の典型的な分布を示している。図２でのグラフから、レンズは、レンズの光学的な軸方向（図２中、発光角０°の地点）からの発光ダイオードの発光偏向を完全に解決できないことがわかる。特に、軸方向での発光ダイオードの光の強度と軸から±４０°の範囲の光の強度は、相対的な強度が最高２０％の範囲に位置している。これは、軸方向と法線方向に発生される発光流れの配分が減少することを意味する。つまり、図２において、＋９０°及び−９０°付近にピークを有する強度が弱まってしまうことを意味している。このように±４０°の範囲において光の強度分布が存在するため、前記のレンズを有する発光ダイオードは、明るい点としてスクリーンを通じて観察される。
【０００７】
前記の明るい点を除去するために、付加的に不透明なスクリーンを発光ダイオード上に設置する必要性がある。このようなスクリーンのサイズは、レンズのサイズより少し超過するようになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記の欠点の発生を防止するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発光ダイオードの放射経路に沿って配置された内部表面、外部表面を含み、前記内部表面のうち、レンズの軸と隣接した中央部の内部表面は外部表面との距離が離れることにより、発光ダイオードの発光プラットホームのイメージを伝達する光出力を含み、前記外部表面は、発光ダイオードの発光プラットホームと逆方向に頂点部分に向かうようにする円錐形状を含み、前記外部表面の構造は、外部表面での一番目屈折が全反射が発生されるようにし、外部表面での二番目屈折がレンズの軸方向と主に法線方向に屈折されるようにする外部表面の構造を含む順次に設置された表面を含む発光ダイオードの発光形成用レンズによって形成されたレンズから軸方向付近への発光流れの分配が減少され、与えられた技術的問題を解決する。
【００１０】
発明１は、発光ダイオードから光線を入射する少なくとも１つの第１凸面及び第２シリンダー面と、前記第１凸面に入射された光線を収容するための内部面と反射された光線を出射させる外部面を有する円錐部と、前記第２シリンダー面と向かい合うように形成され、前記第２シリンダー面に入射された光を収容し、前記第２シリンダー面から反射された光線を出射させる曲面部と、を含むことを特徴とする発光ダイオード用偏向レンズを提供する。このような本発明のレンズによれば、レンズから軸方向付近への発光流れの分布が減少し、発光ダイオードからの光が明るい点として観察されるのを抑制する
発明２は、発明１において、前記発光ダイオードの軸と前記第１凸面の軸が同一線上にあることを特徴とする。
【００１１】
発明３は、発明２において、前記第１凸面は、前記発光ダイオードの軸と近い方向の角度で放出された光線を収容するように形成されることを特徴とする。
発明４は、発明３において、前記第２シリンダー面は、前記第１凸面に入射される光線より大きい角で放出された光線を収容するように形成されることを特徴とする。
発明５は、発明１において、前記第１凸面に入射された光線は、いずれも前記円錐部の内部面で全反射されることを特徴とする。
【００１２】
発明６は、発明２において、前記円錐部から出射する光線は、前記発光ダイオードの軸に法線方向であることを特徴とする。
発明７は、発明４において、前記曲面部から出射される光線は、前記発光ダイオードの軸に法線方向であることを特徴とする。
発明８は、発明１において、前記円錐部の外部面の頂角は、６３．３５°であることを特徴とする。
【００１３】
発明９は、発光ダイオードの軸と近い方向の角度で放出された光線を収容するように形成された第１凸面と、前記第１凸面に入射される光線より大きい角で放出された光線を収容するように形成された第２シリンダー面と、前記第１凸面に入射された光を収容し全反射して、前記発光ダイオードの軸に法線方向に光線を出射するように形成された円錐部と、前記第２シリンダー面に入射された光を収容し、前記発光ダイオードの軸に法線方向に光線を出射するように形成された曲面部と、を含むことを特徴とする発光ダイオード用偏向レンズを提供する。このような本発明のレンズによれば、レンズから軸方向付近への発光流れの分布が減少し、発光ダイオードからの光が明るい点として観察されるのを抑制する
【００１４】
発明１０は、発光ダイオードの軸と同一線上にある共通軸を有する４つの面を含む偏向レンズにおいて、中心部と周辺部とを含み、中心部は前記軸に近接するように形成された曲面で形成された第１面と、曲面で形成された第２面と、第１面に入射した光線を収容し出射する第３面と、第２面に入射した光線を収容し出射する第４面と、を含み、前記第３面及び第４面を出射する光線は、前記軸に法線方向であることを特徴とする発光ダイオード用偏向レンズを提供する。このような本発明のレンズによれば、レンズから軸方向付近への発光流れの分布が減少し、発光ダイオードからの光が明るい点として観察されるのを抑制する
発明１１は、発明１０において、前記第１面は、凸な面であることを特徴とする。
【００１５】
発明１２は、発明１０において、前記第２面は、シリンダー型であることを特徴とする。
発明１３は、発明１０において、前記第３面は、円錐型であることを特徴とする。
発明１４は、発明１０において、前記第４面は、曲面であることを特徴とする。
発明１５は、発明１０において、前記第４面は、非球面であることを特徴とする。
【００１６】
発明１６は、発明１０において、前記第４面の外部曲線は、中心軸による距離の関数であることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
＜発明の概要＞
発光ダイオードの放射経路に沿って配置された内部表面、外部表面を含む。内部表面は、レンズの軸と隣接した中央部の内部表面は外部表面との距離が離れることにより、発光ダイオードの発光プラットホームのイメージを伝達する光出力を含む。
外部表面は、発光ダイオードの発光プラットホームと逆方向に頂点部分に向かうようにする円錐形状を含む。外部表面の構造は、外部表面での一番目の屈折により光を全反射させ、外部表面での二番目の屈折がレンズの軸方向と主に法線方向に屈折されるように形成されている。
【００１８】
このような本発明のレンズによれば、レンズから軸方向付近への発光流れの分布が減少し、発光ダイオードからの光が明るい点として観察されるのを抑制する。
＜実施例＞
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例をより詳細に説明する。
図３は、本発明によって形成されたレンズ３０において、光線の経路を示す図である。前記光線の経路は、本発明のレンズ機能の原理を説明する。本発明と最も近い類似発明のように、光線１は、形成されたレンズの周辺部を通過する。この時にそれぞれ内部表面と外部表面で２回の連続的な屈折を行いながら、レンズによって光軸方向に対して主に法線方向に屈折される。レンズの中央部を通過する光線２は、最初に内部表面で屈折され、その後に外部表面によって反射される。この時には、外部表面で光は全反射された後、外部表面を通じて通過する時に、外部表面で更に屈折されて、結果的に光軸と主に法線方向に屈折され出射される。
【００１９】
中央部の外部表面で反射と屈折が全部行われるようにするために、レンズは上部が発光ダイオードの発光プラットホームに向かうようにする円錐形状を有する。発光部と頂点との距離が増加することにより、結果的にレンズの光軸付近に広がる放射の分配がより減少することになる。
レンズ中央部の内部表面が光学的出力を有しているので、発光部で外部面からより遠くなる方向に光が伝達され、又、レンズからレンズの軸付近に行く発光の分布は減少する。
【００２０】
以下に、再び図３を用いてより具体的に説明する。
ＬＥＤ１０は、主軸Ｉに沿って光線を出射する。異なる方向に出射される光線も存在するが、発明の説明を簡単にするために省略する。レンズ３０の光軸ＩＩは、ＬＥＤ１０の主要な光軸Ｉの直線状に位置している。
レンズ３０は、４種類の面を有している。凸面３１は、ダイオード１０から出射された光に対して曲面状の凸面を呈した光入射面であり、ダイオード１０からの光の光軸に近い角度で放出された光線を収容するように形成されている。また、凸面３１は、中央部と周辺部とを有しており、中央部は周辺部よりもダイオード１０に近接している。また、凸面３１の中央部を通る軸と、ダイオード１０の光軸Ｉとは同一線上に位置している。
【００２１】
また、レンズ３０は、凸面３１を取り囲むような円筒形状のシリンダー面３２を有しており、シリンダー面３２は、凸面３１に入射される光線より光軸から離れた角度で放出された光線を収容するように形成されている。
また、レンズ３０は、凸面３１と対向する位置に形成された円錐部を有しており、円錐部はそれを構成する円錐面３３を有しており、円錐面３３は、凸面３１に入射された光線を収容するための内部面と反射された光線を出射させる外部面とを有する。
【００２２】
さらに、レンズ３０は、シリンダー面３２に向かい合って取り囲むように形成され、シリンダー面３２に入射された光を収容し、シリンダー面３２で反射された光線を出射させる曲面３４を有している。曲面３４は、非球面で形成されている。
ここで、凸面３１に入射される光線は、円錐部の内部面で全反射され、円錐部の外部面からの光線は、ダイオード１０からの光線の光軸の法線方向に沿って出射される。さらに、曲面３４から出射される光線もまた、ダイオード１０からの光線の光軸の法線方向に沿って出射される。
【００２３】
以下に、軸Ｉに近い角度でダイオード１０から出射される光線Ｂ１と、軸Ｉから拡がった角度でダイオード１０から出射される光線Ｂ２と、のレンズ３０を通過するときの挙動を説明する。
光線Ｂ１は、軸Ｉに近い角度でダイオード１０から出射し、凸面３１に入射する。光線は、Ｂ１’として反射され、円錐面３３に入射される。円錐面３３では、全て内部反射され、光線Ｂ１’’となる。光線Ｂ１’’は、再び円錐面３３に入射されて反射され、光線Ｂ１’’’となる。ここで、光線Ｂ１’’’は、軸ＩＩに対して実質的に法線方向の光線となっている。
【００２４】
一方、光線Ｂ２は、軸Ｉからそれた角度でダイオード１０から出射し、円筒形であるレンズ３０のカーブしたシリンダー面３２に入射する。光線Ｂ２は、シリンダー面３２で反射されてＢ２’となり、非球面の面３４に入射される。そして、面３４で反射されて光線Ｂ２’’となる。ここで、光線Ｂ２’’は、軸ＩＩに対して実質的に法線方向の光線となっている。
【００２５】
レンズ形成の実質的な実施例の一例として、図４にレンズの軸方向セクションが図示されている。Ｈはレンズの総長さで、αとｈはそれぞれレンズの頂点の角度と外部表面の円錐部の高さを示し、Ｄはレンズ底の外部直径を示し、ｄはレンズ底の円筒形表シリンダー面３２の内部直径を示し、ｒはレンズの中心部の内部表面の曲線の曲率を示す。
軸Ｚ及びＲはデカルト座標系の軸を示し、軸Ｚ付近に回転する外部非球面の輪郭が関数Ｚ＝ｆ（Ｒ）に成立するように設定されている。ここで、Ｒは主直径に沿った距離である。表１は、レンズの実際実施例のうち、１つの技術的な変数の値を示す。非球面３４の座標は、主直径Ｒ及びＺ＝ｆ（Ｒ）で与えられ、そのうちの３４ポイントに対する座標が表２に示している。
【００２６】
表１は、図４の多様な実施例に対する設計データで、表２は、図４の多様な実施例のうち、非球面レンズ表面に対する構造である。
【００２７】
【表１】
0005294557.tif 000002
【００２８】
【表２】
0005294557.tif 000003
図５は、本発明の前記のレンズを装着した発光ダイオードの光出力配分を示すグラフである。グラフからわかるように、本発明の技術的な解決方法は、±４５°角度範囲内で８回以上の折れた曲線を示す残存発光水準を低くすることにある。±４５°角度範囲内での周辺発光のＲＭＳ（ｒｏｏｔ−ｍｅａｎ−ｓｑｕａｒｅ）値は、前述した類似発明と比較して、３０回以上の折れた曲線を示しながら減少される。つまり、図５に示されるように、±４５°の範囲内では、光の分布はほぼ０に近くなる。このよに、本発明によれば、発光ダイオードの光軸（図５の０°）付近では、光の分布がなくなり、発光ダイオードからの光が明るい点として観察されるのが抑制される。
【００２９】
上記の本発明のレンズを装着した発光ダイオードは、例えば一例として、本発明のレンズから出射される光の方向に対して、その平面方向が平行な導光板に適用することができる。そして、導光板からは、平面方向に対して垂直に光が出射されて表示装置に提供される。
以上、本発明の実施例によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、発光ダイオードを用いた表示装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来技術の偏向レンズの断面図である。
【図２】従来の発光ダイオードの光の強度の分配を示すグラフである。
【図３】本発明の発光ダイオードのためのレンズの垂直断面図である。
【図４】図３で説明したレンズの多様な実施例の断面図である。
【図５】本発明の発光ダイオードの光の強度の分配を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
Ａ    内部面
Ｂ    外部面１
Ｃ    外部面２
Ｆ    発光ダイオード
１    光線１
２    光線２
Ｈ    レンズの総長さ
Ｄ    レンズ底の外部直径
ａ    レンズの頂点の角度
ｈ    外部表面の円錐部の高さ
ｒ    レンズの中心部の内部表面の曲線の曲率
ｄ    レンズ底の内部直径
Ｚ、Ｒ    デカルト座標系の軸
【図１】
0005294557.tif 000004
【図２】
0005294557.tif 000005
【図３】
0005294557.tif 000006
【図４】
0005294557.tif 000007
【図５】
0005294557.tif 000008