JP7320094B1 - 面状照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直下型の面状照明装置において、輝度ムラや色度ムラの低減が可能であるとともに、レンズ枚数の削減を図ること。【解決手段】実施形態の面状照明装置１は、基板２と、第１の光学素子５ａと、第２の光学素子と、第３の光学素子と、一対の第４および第５の光学素子と、第６の光学素子１０ａとを備える。前記第１の光学素子は、前記複数の光源の出射側に配置され、前記複数の光源から出射された光を集光する。前記第２の光学素子は、出射面内の第１の軸方向に対して傾ける。前記第３の光学素子は，前記第１の軸方向に広げる。前記一対の第４および第５の光学素子は、出射面内で前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に光を広げる。前記第６の光学素子１０ａは、前記第２の光学素子と前記第３の光学素子とが複合されて前記第２の光学素子および前記第３の光学素子に代替される。【選択図】図１４

Description

本発明は、面状照明装置に関する。

液晶パネルのバックライト等に用いられる面状照明装置として、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の光源（点光源）が２次元に、例えば格子状に配置された直下型の面状照明装置がある。このような直下型の面状照明装置では、光源の部分と隣接する光源間の部分とで発光面の明暗差が生じる輝度ムラや、疑似白色のための混色が充分でないことによる色度ムラを抑制するために、拡散板が設けられる場合が多い。しかし、拡散板は全方向に光を拡散させてしまい、必要とされない方向に光が照射されてしまうため、光の利用効率が低下してしまう。そのため、拡散板に代え、所定の角度範囲に光を広げることができるレンチキュラーレンズが設けられる場合がある。レンチキュラーレンズは、一の方向に多数の細い凹凸の溝を有するものであり、水平方向および垂直方向に光を広げたい場合は出射面内の直交する２つの方向に対してそれぞれ設けられる。

また、このような直下型の面状照明装置では、一方向（例えば、ユーザからの直接または間接による出射面の目視時における横方向、水平方向）に凹凸の溝が延びるリニアフレネルレンズによって光源からの光を集光し、リニアフレネルレンズと同じ方向に凹凸の溝が延びるピークシフトプリズムによって光軸を傾けて、溝と直交する方向（例えば、縦方向、垂直方向）に狭い配光を実現する場合がある（例えば、特許文献１、２等を参照）。この場合、リニアフレネルレンズやピークシフトプリズムの溝の方向（例えば、横方向、水平方向）に対しては、集光が行われないため、広い配光となる。

前述のように、出射面内の直交する２つの方向に対してそれぞれレンチキュラーレンズが設けられるため、光源のピッチに起因する輝度ムラや色度ムラはある程度抑制されるが、配光が広い方向については、抑制が充分でない場合がある。すなわち、狭い配光とされた方向（例えば、縦方向、垂直方向）は集光されるために光源のピッチに起因する輝度ムラや色度ムラはあまり目立たないが、広い配光とされた方向（例えば、横方向、水平方向）は光源のピッチに起因する筋状（筋の方向は、例えば、縦方向、垂直方向）の輝度ムラや色度ムラが目立ってしまう。

なお、リニアフレネルレンズやピークシフトプリズムが設けられず、一方向が狭い配光とされない場合、すなわち両方向とも広い配光とされる場合には、光源のピッチに起因する格子状の輝度ムラや色度ムラが目立つことになる。

一方、前述のリニアフレネルレンズやピークシフトプリズムによる光軸の傾斜を行う構成では、レンズ機能面が増えることからレンズ枚数が多くなり、部品点数とコスト削減の観点から、レンズ枚数の削減が望まれる。また、レンズ枚数の削減により光の吸収や表面反射などによる損失が減るため、光の利用効率の向上が期待できる。

特開２０２０－１３４６３３号公報 特開２０１２－２０３０９２号公報

上述のように、従来の直下型の面状照明装置では、輝度ムラや色度ムラの低減が望まれるとともに、レンズ枚数の削減が望まれていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、直下型の面状照明装置において、輝度ムラや色度ムラの低減が可能であるとともに、レンズ枚数の削減を図ることができる面状照明装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る面状照明装置は、基板と、第１の光学素子と、第２の光学素子と、第３の光学素子と、一対の第４および第５の光学素子と、第６の光学素子とを備える。前記基板は、複数の光源が２次元に配置される。前記第１の光学素子は、前記複数の光源の出射側に配置され、前記複数の光源から出射された光を集光する。前記第２の光学素子は、前記第１の光学素子の出射側に配置され、前記第１の光学素子によって集光された光の配光を出射面内の第１の軸方向に対して傾ける。前記第３の光学素子は、前記第２の光学素子の出射側に配置され、前記第２の光学素子によって傾けられた光を前記第１の軸方向に広げる。前記一対の第４および第５の光学素子は、前記複数の光源の出射側に配置され、出射面内で前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に光を広げる。前記第６の光学素子は、前記第２の光学素子と前記第３の光学素子とが複合されて前記第２の光学素子および前記第３の光学素子に代替される。

本発明の一態様に係る面状照明装置は、輝度ムラや色度ムラの低減を図ることができるとともに、レンズ枚数の削減を図ることができる。

図１は、第１の実施形態にかかる面状照明装置の構成例を示す図である。 図２は、図１の面状照明装置の構成を模式的に示す斜視図である。 図３は、図１の面状照明装置のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。 図４は、図２および図３に示されるリフレクタの斜視図である。 図５は、リフレクタの正面図、Ｃ－Ｃ断面図およびＤ－Ｄ断面図である。 図６は、図３のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図における光のふるまいを示す図である。 図７は、比較例のレンズ構成例を示す図である。 図８は、図７の比較例における光のふるまいとその拡大図である。 図９は、第１の実施形態における光のふるまいとその拡大図である。 図１０は、シミュレーションのための５×５の光源の配列の面状照明装置の平面図である。 図１１は、単一点灯による輝度断面プロファイルの例を示す図である。 図１２は、図７の比較例における全点灯による輝度断面プロファイルを示す図である。 図１３は、第１の実施形態における全点灯による輝度断面プロファイルを示す図である。 図１４は、第２の実施形態にかかる面状照明装置のレンズ構成例を示す図である。 図１５は、配光・視野範囲調整レンズの入射面に設けられる複合プリズムの断面の例である。 図１６は、複合プリズムが用いられていない場合の光のふるまいの例と、複合プリズムが用いられた第２の実施形態における光のふるまいの例とを示す図である。 図１７は、複合プリズムを含むレンズ構成の第１の変形例を示す図である。 図１８は、複合プリズムを含むレンズ構成の第２の変形例を示す図である。 図１９は、複合プリズムを含むレンズ構成の第３の変形例を示す図である。 図２０は、複合プリズムを含むレンズ構成の第４の変形例を示す図である。 図２１は、リフレクタの第１の変形例を示す図である。 図２２は、リフレクタの第２の変形例を示す図である。 図２３は、集光レンズの第１の変形例を示す図である。 図２４は、集光レンズの第２の変形例を示す図である。

以下、実施形態に係る面状照明装置について図面を参照して説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、１つの実施形態や変形例に記載された内容は、原則として他の実施形態や変形例にも同様に適用される。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態にかかる面状照明装置１の構成例を示す図であり、中央は発光面（出射面）に対面する方向からの図、右はＡ－Ａ断面図、上はＢ－Ｂ断面図である。図１では、便宜上、面状照明装置１の発光面がＸ－Ｙ平面内にあり、面状照明装置１の厚み方向がＺ方向とされている。

図１において、面状照明装置１は、略長方形状の板状の外形を有しており、フレーム９の開口９ａの内側から光が出射するようになっている。なお、面状照明装置１の外形は図示のものに限られない。図に示される「光軸シフト」は、光軸が傾けられることを意味している。光軸シフトは、ピークシフトと呼ばれる場合もある。なお、用途によっては光軸シフトが行われない場合もある。

図１に示される一例では、面状照明装置１のＹ軸の負方向側（図では斜め右下）に光軸が傾けられ、更に狭い視野範囲が実現されていることを示している。一方、図１に示される一例では、面状照明装置１のＸ軸方向における配光特性として、発光面の法線方向を光軸として広い視野範囲が実現されていることを示している。

図２は、図１の面状照明装置１の構成を模式的に示す斜視図である。図３は、図１の面状照明装置１のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。なお、図２および図３において、フレーム９の図示は省略されている。

図２および図３において、面状照明装置１は、基板２と、光源３と、リフレクタ４と、集光レンズ５と、配光レンズ６と、視野範囲調整レンズ７とを備えている。略矩形状の基板２の上には、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等による複数の光源３が例えば格子状に２次元に配置されている。複数の光源３それぞれは、個別に駆動が行われ、いわゆるローカルディミングに対応することができる。

複数の光源３の出射側には、リフレクタ４が配置されている。リフレクタ４の構造は後述される。

複数の光源３およびリフレクタ４の出射側には、集光レンズ５が配置されている。集光レンズ５は、Ｘ軸方向に延在し、複数の光源３から出射された光をＹ軸方向に対して集光するリニアフレネルレンズ５ａを第１の光学素子として有する。リニアフレネルレンズ５ａは、基板２に対向する面とは反対側の面（集光レンズ５の出射面）に設けられている。リニアフレネルレンズ５ａは、シリンダ状の凸レンズがフレネルレンズとされたプリズム構造を有しており、Ｘ軸方向に延びる凹凸の溝を有している。リニアフレネルレンズ５ａは、直下に配置される光源３のピッチ（Ｙ軸方向のピッチ）に合わせて溝が周期的に形成されている。

集光レンズ５の出射側には、配光レンズ６が配置されている。配光レンズ６は、集光レンズ５によって集光された光の配光をＹ軸方向に対して傾ける第２の光学素子として、Ｘ軸方向に延在するリニアプリズム６ａを有する。リニアプリズム６ａは、集光レンズ５に対向する面とは反対側の面（配光レンズ６の出射面）に設けられる。リニアプリズム６ａは、Ｘ軸方向に延在する略三角柱状のプリズム構造を有し、Ｙ軸方向に連続して配置される。これにより、配光レンズ６の出射面には、Ｘ軸方向に延びる凹凸の溝が形成される。リニアプリズム６ａのＹ－Ｚ面の断面形状は、三角形であり、底辺のＹ軸の正方向側の点と頂点とを結ぶ辺の底角は、底辺のＹ軸の負方向側の点と頂点とを結ぶ辺の底角より小さい。Ｙ軸方向は第１の軸方向の一例である。Ｘ軸方向は第２の軸方向の一例である。

また、配光レンズ６は、複数の光源３から出射された光をＸ軸方向に広げる第４の光学素子として、Ｙ軸方向に延在するレンチキュラーレンズ６ｂを有する。レンチキュラーレンズ６ｂは、集光レンズ５に対向する面（配光レンズ６の入射面）に設けられる。レンチキュラーレンズ６ｂは、Ｙ軸方向に延在するかまぼこ状の微細半円筒型のプリズム構造を有している。レンチキュラーレンズ６ｂによる光の拡散度合いは、微細半円筒型のプリズム構造の接触角によって調整する。

配光レンズ６の出射側には、視野範囲調整レンズ７が配置されている。視野範囲調整レンズ７は、第２の光学素子であるリニアプリズム６ａよって傾けられた光をＹ軸方向に広げる第３の光学素子として、Ｘ軸方向に延在するレンチキュラーレンズ７ａを有する。レンチキュラーレンズ７ａは、配光レンズ６に対向する面（入射面）に設けられる。レンチキュラーレンズ７ａは、Ｘ軸方向に延在するかまぼこ状の微細半円筒型のプリズム構造を有している。レンチキュラーレンズ７ａによる光の拡散度合いは、微細半円筒型のプリズム構造の接触角によって調整する。要求される視野範囲が狭い場合は接触角を小さく設定する。

また、視野範囲調整レンズ７は、第４の光学素子であるレンチキュラーレンズ６ｂと対をなす第５の光学素子として、Ｙ軸方向に延在するレンチキュラーレンズ７ｂを有する。レンチキュラーレンズ７ｂは、配光レンズ６に対向する面とは反対側の面（視野範囲調整レンズ７の出射面）に設けられる。レンチキュラーレンズ７ｂは、Ｙ軸方向に延在するかまぼこ状の微細半円筒型のプリズム構造を有している。レンチキュラーレンズ７ｂによる光の拡散度合いは、微細半円筒型のプリズム構造の接触角によって調整する。要求される視野範囲が広い場合は接触角を大きく設定する。

実施形態では、基板２の短手方向（Ｙ軸方向）に対する集光のみを行うため、基板２の長手方向（Ｘ軸方向）に延在する一軸のリニアフレネルレンズ５ａのみを採用している。その結果、実施形態では、長辺方向のレンズ位置ずれを無視することができる。なお、実施形態では、視野範囲調整レンズ７において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の双方においてレンチキュラーレンズを設けているが、レンチキュラーレンズは同一形状パターンのため、レンズ位置ずれの考慮は不要である。

なお、図３には示されていないが、視野範囲調整レンズ７の外側に、更に拡散シートや偏光反射シート等の光学シートが配置される場合もある。

図４は、図２および図３に示されるリフレクタ４の斜視図である。図５は、リフレクタ４の正面図、Ｃ－Ｃ断面図およびＤ－Ｄ断面図である。

図４および図５において、リフレクタ４の壁部４ｃは、Ｙ軸方向に延在する複数の第１の壁部４ｃ－１とＸ軸方向に延在する複数の第２の壁部４ｃ－２とが格子状に組み立てられた形状となっている。なお、壁部４ｃは、第１の壁部４ｃ－１の底面と第２の壁部４ｃ－２の底面とが面一となるように組み立てられる。

反射面４ａは、壁部４ｃの壁面である。Ｘ軸方向で隣り合う２つの第１の壁部４ｃ－１の間で対向する２つの反射面４ａ－１は、Ｚ軸正方向に向かうにつれて互いに離れるように傾斜している。また、Ｙ軸方向で隣り合う２つの第２の壁部４ｃ－２の間で対向する２つの反射面４ａ－２は、Ｚ軸正方向に向かうにつれて互いに離れるように傾斜している。リフレクタ４は、反射の効果を高めるため、例えば、白色の樹脂等により形成される。実施形態のリフレクタ４は、射出成型による成形品である。

第１の壁部４ｃ－１の高さは、Ｘ軸方向に対する視野範囲により規定され、第２の壁部４ｃ－２の高さは、Ｙ軸方向に対する視野範囲により規定される。実施形態では、Ｙ軸方向においては、狭視野特性が求められるため、図５のＣ－Ｃ断面図に示されるように、第２の壁部４ｃ－２の高さが高くされている。第２の壁部４ｃ－２が高くされることで、光源３からの広い配光成分を反射面４ａ－２で反射させ、個々の光源３に対応するセグメントのリニアフレネルレンズ５ａに集めることができる。

また、第２の壁部４ｃ－２を高くすることは、隣接するセグメントのリニアフレネルレンズ５ａへ入り込む光を遮断する役割も担っており、意図しない配光が発生することを回避する機能も有する。

一方、実施形態では、Ｘ軸方向においては、広視野特性が求められるため、図５のＤ－Ｄ断面図に示されるように、第１の壁部４ｃ－１の高さが低くされることで光源３からの広い配光成分が遮断せずに利用されている。実施形態では、Ｘ軸方向（長手方向）に延びる第２の壁部４ｃ－２の高さは、Ｙ軸方向（短手方向）に延びる第１の壁部４ｃ－１の高さより高い。

そして、実施形態のリフレクタ４は、図３に示されるように、光源３側の開口４ｂが光源３の発光面より出射側に位置するように配置されている。光源３の発光面は、光源３の上面に対応する。換言すると、リフレクタ４の壁部４ｃの底面４ｄは、図３に示されるように、光源３の発光面より高い位置になるように、基板２から浮いた状態で配置される。

仮にリフレクタ４が基板２に接地された場合、リフレクタ４の壁部４ｃと光源３とが近接した状態となり、リフレクタ４と光源３とが膨張伸縮した際に、互いに干渉してしまう可能性がある。これに対して、実施形態では、リフレクタ４の開口４ｂが光源３の発光面から高い位置に配置されているので、リフレクタ４と光源３とが膨張伸縮しても、リフレクタ４の壁部４ｃと光源３とが接触する可能性がない。

光源３の間隔が狭いことから、リフレクタ４の底面４ｄが基板２の上に配置されると、底面４ｄを大きくすることができず、射出成型の成形性の観点からリフレクタ４の壁部４ｃを高くすることが困難である。一方、実施形態では、リフレクタ４の開口４ｂは、上面視において、光源３の発光面よりも大きいのであれば、光源３の外周よりも小さくすることができる。すなわち、実施形態では、開口４ｂを小さくすることができる。換言すると、実施形態では、底面４ｄを大きくすることができ、その結果、射出成型で作成されるリフレクタ４の壁部４ｃを高くすることができる。このようなことから、実施形態では、ローカルディミング時の高コントラスト化、不必要な配光の除去という効果が得られる。

図６は、図３のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図における光のふるまいを示す図である。図６のＡ－Ａ断面図おいて、光源３から出射された光は、集光レンズ５に入射し、集光レンズ５の出射面に設けられたリニアフレネルレンズ５ａによって屈折し、略平行光となって出射する。そして、集光レンズ５から出射された略平行光は、配光レンズ６に入射し、配光レンズ６の出射面に設けられたリニアプリズム６ａによって光軸が傾けられて出射する。なお、配光レンズ６の入射面に設けられたレンチキュラーレンズ６ｂは、Ｙ軸方向には作用しないため、リニアフレネルレンズ５ａによる集光やリニアプリズム６ａによるピークシフトには影響しない。

配光レンズ６から出射された光は、視野範囲調整レンズ７に入射し、視野範囲調整レンズ７の入射面に設けられたレンチキュラーレンズ７ａによって広げられ、Ｙ軸方向の要求される視野範囲が確保される。なお、視野範囲調整レンズ７の出射面に設けられたレンチキュラーレンズ７ｂは、Ｙ軸方向には作用しないため、レンチキュラーレンズ７ａが光を広げる作用には影響しない。配光レンズ６から出射された光がすでに要求される視野範囲を満足している場合は、レンチキュラーレンズ７ａを設ける必要はない。

一方、図６のＢ－Ｂ断面図おいて、光源３から出射された光は、集光レンズ５に入射して、集光レンズ５の出射面に設けられたリニアフレネルレンズ５ａによって屈折されずに出射する。リニアフレネルレンズ５ａはＸ軸方向には作用しないからである。

集光レンズ５から出射された光は、配光レンズ６に入射し、配光レンズ６の入射面に設けられたレンチキュラーレンズ６ｂによって広げられる。配光レンズ６の出射面に設けられたリニアプリズム６ａはＸ軸方向に作用しない。

配光レンズ６から出射された光は、視野範囲調整レンズ７に入射し、視野範囲調整レンズ７の出射面に設けられたレンチキュラーレンズ７ｂによって広げられる。視野範囲調整レンズ７の入射面に設けられたレンチキュラーレンズ７ａはＸ軸方向に作用しない。

このように、光源３から出射された光のＸ軸方向におけるふるまいとしては、全体として広い配光となっており、更に一対のレンチキュラーレンズ６ｂ、７ｂによって２段階に広げられるため、光が混ざり合い、光源３のピッチに起因する輝度ムラや色度ムラが緩和される。実施形態では、レンチキュラーレンズ６ｂよりもレンチキュラーレンズ７ｂの方の接触角を大きく設定することで、効率向上を図っている。

図７は、比較例のレンズ構成例を示す図である。図７において、左側の図は図３および図６の左側のＡ－Ａ断面図に対応し、右側の図は図３および図６の右側のＢ－Ｂ断面図に対応している。図７の比較例の面状照明装置１においては、配光レンズ６の入射面にレンチキュラーレンズ６ｂが設けられておらず、その他の構成は図３および図６と同様である。

図８は、図７の比較例における光のふるまいとその拡大図である。図９は、第１の実施形態における光のふるまいとその拡大図である。図８の比較例でのＸ軸方向における光のふるまいとしては、視野範囲調整レンズ７の出射面におけるレンチキュラーレンズ７ｂによる光の広がりだけである。これに対し、図９の第１の実施形態でのＸ軸方向における光のふるまいとしては、配光レンズ６の入射面におけるレンチキュラーレンズ６ｂによる光の広がりと、視野範囲調整レンズ７の出射面におけるレンチキュラーレンズ７ｂによる光の広がりとの２段階となる。そのため、光源３のピッチに起因する筋状の輝度ムラが低減され、発光面均一性が改善される。

また、一般にＬＥＤ等の光源から放射される光は、光源の中心部と周辺部とで色が変化する現象があり、特に集光系レンズなどを用いた場合に色度ムラが顕著に出る傾向がある。バックライトの場合は発光面（視野範囲調整レンズ７の出射面か、その外側に更に光学シートが設けられる場合は光学シートの出射面）で輝度ムラや色度ムラが評価されることが多い。図９の第１の実施形態では一対のレンチキュラーレンズ（２重レンチキュラーレンズ）とすることにより、配光レンズ６の入射面から視野範囲調整レンズ７の出射面までの光の広がりの距離Ｌが長くなり、発光面上において光が混ざり合う幅Ｄが増加するため、色度ムラを軽減することができる。

図１０は、シミュレーションのための５×５の光源３の配列の面状照明装置１の平面図である。図１１は、単一点灯による輝度断面プロファイルの例を示す図であり、横軸は光源３が配置されるＸ軸方向の位置、縦軸は輝度である。また、実線は１重レンチキュラー（比較例）のレンズ構成の場合、破線は２重レンチキュラー（第１の実施形態）の場合を示している。図１２は、図７の比較例における全点灯による輝度断面プロファイルを示す図であり、輝度断面プロファイルについては図１１の実線のプロファイルを図１０のようにＸ軸方向に５個の光源３をずらして配置した場合の合計値である。図１３は、第１の実施形態における全点灯による輝度断面プロファイルを示す図であり、輝度断面プロファイルについては図１１の破線のプロファイルを図１０のようにＸ軸方向に５個の光源３をずらして配置した場合の合計値である。

図１１において、１重レンチキュラーの単一点灯による輝度断面プロファイルは放物線に近いのに対し、２重レンチキュラーでは、２つのレンチキュラーの接触角の調整により、プロファイルの中心部が下がり周辺部の拡がりが大きくなるようにすることが可能となる。この点、１重レンチキュラーのみではプロファイル形状調整の自由度が小さいため、そのような調整は困難である。これにより、プロファイルを重ね合わせた場合のプロファイルの山谷が軽減し、複数の光源３が点灯した場合の発光面均一性が向上する。

比較例の図１２と第１の実施形態の図１３との対比から明らかなように、比較例では位置に対して輝度の変化が大きく、輝度ムラが大きいことが分かるが、第１の実施形態では位置に対して輝度の変化が小さく、輝度ムラが小さいことが分かる。

＜第１の実施形態の変形例＞
第１の実施形態においては、一対の第４の光学素子（レンチキュラーレンズ６ｂ）と第５の光学素子（レンチキュラーレンズ７ｂ）は、複数の光源３の出射側に配置されればよく、種々のレンズ構成の変更が可能である。例えば、図３におけるレンチキュラーレンズ６ｂが集光レンズ５の入射面に配置されてもよい。なお、集光レンズ５のリニアフレネルレンズ５ａの集光効率の観点からは、図３のように、リニアフレネルレンズ５ａの後段にレンチキュラーレンズ６ｂが配置される方が好ましい。また、リニアフレネルレンズ５ａの集光効率の観点からは、図３のように、集光レンズ５の出射面にリニアフレネルレンズ５ａが設けられる方が好ましいが、集光レンズ５の入射面にリニアフレネルレンズ５ａが設けられるのでもよい。また、レンズ構成には、次に説明される第２の実施形態の複合プリズム１０ａが含まれていてもよい。

＜第２の実施形態＞
前述の図３に示される第１の実施形態の面状照明装置１では、集光、ピークシフトおよび輝度ムラ・色度ムラ対策のために、合計３枚のレンズ（５、６、７）が必要となっており、部品点数とコスト削減の観点から、レンズ枚数の削減が望まれる。第２の実施形態では、同様の機能を、少ないレンズ枚数で実現できるようにしたものである。第２の実施形態における面状照明装置１の外観形状は図１と同様である。

図１４は、第２の実施形態にかかる面状照明装置１のレンズ構成例を示す図である。図１４において、面状照明装置１は、基板２と、光源３と、リフレクタ４と、集光レンズ５と、配光・視野範囲調整レンズ１０とを備えている。基板２、光源３およびリフレクタ４については、前述の第１の実施形態と同様である。

複数の光源３およびリフレクタ４の出射側には、集光レンズ５が配置されている。集光レンズ５の入射面（光源３およびリフレクタ４に対向する面）には、複数の光源３から出射された光をＸ軸方向に広げる第４の光学素子として、Ｙ軸方向に延在するレンチキュラーレンズ５ｄが設けられている。レンチキュラーレンズ５ｄは、図３におけるレンチキュラーレンズ６ｂに対応しており、構造も同様である。

図１４において、集光レンズ５の出射面には、リニアフレネルレンズ５ａが設けられている。リニアフレネルレンズ５ａは、図３におけるリニアフレネルレンズ５ａに対応しており、構造も同様である。

図１４において、集光レンズ５の出射側には、配光・視野範囲調整レンズ１０が配置されている。配光・視野範囲調整レンズ１０の入射面には、リニアプリズム（図３のリニアプリズム６ａに対応）とレンチキュラーレンズ（図３のレンチキュラーレンズ７ａに対応）とが複合された複合プリズム１０ａが設けられている。

配光・視野範囲調整レンズ１０の出射面には、レンチキュラーレンズ１０ｂが設けられている。レンチキュラーレンズ１０ｂは、図３におけるレンチキュラーレンズ７ｂに対応しており、構造も同様である。

なお、図１４には示されていないが、配光・視野範囲調整レンズ１０の外側に、更に拡散シートや偏光反射シート等の光学シートが配置される場合もある。また、図１４では、図３と同様にフレーム９の図示が省略されている。

図１５は、配光・視野範囲調整レンズ１０の入射面に設けられる複合プリズム１０ａの断面の例である。図１５において、複合プリズム１０ａは、レンズ外側（図における下方向、Ｚ軸の負方向）に向けて凸となる円弧部１０ａ１と、円弧部１０ａ１の図における最も下の終点部１０ａ３からレンズ内側に戻る懸崖部１０ａ４とを有している。円弧部１０ａ１の曲率形状により、光を傾斜させる機能と光を広げる機能とを同時に実現することができる。

図１６は、複合プリズム１０ａが用いられていない場合の光のふるまいの例と、複合プリズム１０ａが用いられた第２の実施形態における光のふるまいの例とを示す図である。図１６において、上の図は、複合プリズム１０ａが用いられていない図３と同様の構成である。この場合、配光レンズ６の出射面のリニアプリズム６ａによって光軸が傾けられ、視野範囲調整レンズ７の入射面のレンチキュラーレンズ７ａによって光が広げられる。

これに対し、図１６の下の図は、複合プリズム１０ａが用いられた図１４の構成である。この場合、配光・視野範囲調整レンズ１０の入射面の複合プリズム１０ａによって、光軸が傾けられるとともに、広げられる。このように、一つのレンズ面によって２つのレンズ機能が実現されるため、レンズ枚数の削減が可能となる。すなわち、図１６の上の構成では合計３枚であったものが、図１６の下の構成では合計２枚に削減が可能である。

＜第２の実施形態の変形例＞
図１７は、複合プリズム１０ａを含むレンズ構成の第１の変形例を示す図である。図１７の面状照明装置１は、図１４の面状照明装置１から集光レンズ５の入射面のレンチキュラーレンズ５ｄが除去されたものである。第１の実施形態におけるＸ軸方向の輝度ムラ・色度ムラの低減が不要である場合に採用が可能である。他の構成は図１４と同様である。

図１８は、複合プリズム１０ａを含むレンズ構成の第２の変形例を示す図である。図１８の面状照明装置１は、図１４の面状照明装置１における集光レンズ５の表と裏とが反対にされたものであり、入射面にリニアフレネルレンズ５ａが設けられ、出射面にレンチキュラーレンズ５ｄが設けられている。光源３からの光がリニアフレネルレンズ５ａに先に入るため、その点では集光特性の向上が期待されるが、リニアフレネルレンズ５ａの懸崖部に直接に光が入射するため、その点では集光特性が低下するおそれもある。他の構成は図１４と同様である。

図１９は、複合プリズム１０ａを含むレンズ構成の第３の変形例を示す図である。図１９の面状照明装置１は、図１７の面状照明装置１における集光レンズ５の入射面にＹ軸方向に作用するレンチキュラーレンズ５ｅが設けられたものである。Ｙ軸方向の視野範囲の拡大が要望される場合に採用が可能である。他の構成は図１７と同様である。

図２０は、複合プリズム１０ａを含むレンズ構成の第４の変形例を示す図である。図２０の面状照明装置１は、図１４の面状照明装置１における配光・視野範囲調整レンズ１０の表と裏とが反対にされたものであり、入射面にレンチキュラーレンズ１０ｂが設けられ、出射面に複合プリズム１０ａが設けられている。他の構成は図１４と同様である。

なお、複合プリズム１０ａは、円弧部１０ａ１の曲率形状を変化させることにより、光の拡散度合いを調整することが可能であるが、光を広げる機能が不要な場合は、始点部１０ａ２と終点部１０ａ３とを結ぶ直線形状としてもよい。

＜リフレクタおよび集光レンズの変形例＞
図２１は、リフレクタ４の第１の変形例を示す図である。前述のように、リフレクタ４の第１の壁部４ｃ－１の高さは、Ｘ軸方向の視野範囲に合わせて調整され、第２の壁部４ｃ－２の高さは、Ｙ軸方向の視野範囲に合わせて調整されていた。図２１に示されるリフレクタ４の第１の変形例では、Ｙ軸方向もＸ軸方向も同程度の視野範囲であることから、第１の壁部４ｃ－１の高さと第２の壁部４ｃ－２の高さとが同じ高さとなっている。

図２２は、リフレクタ４の第２の変形例を示す図である。リフレクタ４の第２の変形例は、図２２に示されるように、広視野となる方向であるＸ軸方向については、隣り合う光源３の間にＹ軸方向に延在する反射面を設けないリフレクタ構造となる。

すなわち、図２２に示されるように、壁部４ｃは、Ｘ軸方向に延在し、複数の光源３がＹ軸方向において配置される間隔に合わせて、Ｙ軸方向に沿って複数配置される。そして、壁部４ｃの高さは。Ｙ軸方向に対する視野範囲により規定される。

図２３は、集光レンズ５の第１の変形例を示す図である。前述の図３等における集光レンズ５は、基板２のＹ軸方向に対する集光のみを行っていたが、要求される配光特性を実現できるのであれば、基板２のＸ軸方向に対する集光も行ってもよい。

集光レンズ５の第１の変形例では、図２３に示されるように、第１光学素子として、Ｘ軸方向に延在し、Ｙ軸方向に対して集光する第１のリニアフレネルレンズ５ａと、Ｙ軸方向に延在し、Ｘ軸方向に対して集光する第２のリニアフレネルレンズ５ｂとを有する。第２のリニアフレネルレンズ５ｂは、シリンダ状の凸レンズをフレネルレンズとしたプリズム構造を有しており、Ｙ軸方向に延びる溝を有している。第２のリニアフレネルレンズ５ｂは、直下に配置される光源３のＸ軸方向のピッチに合わせて溝が周期的に形成されている。図２３に示される集光レンズ５の第１の変形例は、入射側に第２のリニアフレネルレンズ５ｂが設けられ、出射側に第１のリニアフレネルレンズ５ａが設けられているが、逆の配置としてもよい。なお、この変形例は、集光レンズ５のリニアフレネルレンズ５ａと反対側の面が他のレンズ機能に用いられていない場合に限られる。

図２４は、集光レンズ５の第２の変形例を示す図である。集光レンズ５の第２の変形例は、図２３の第１の変形例とは異なるプリズム構造で、Ｙ軸方向もＸ軸方向も集光する集光レンズ５の変形例である。

図２４に示されるように、第１光学素子として、Ｙ軸方向およびＸ軸方向に対して集光する同心円フレネルレンズ５ｃを有する。同心円フレネルレンズ５ｃは、凸レンズを同心円状の領域に分割し厚みを減らしたレンズであり、のこぎり状の断面を持つ。同心円フレネルレンズ５ｃは、直下に配置される光源３に対応して、光源３の灯数分設けられる。図２４に示される集光レンズ５の第２の変形例は、出射側に同心円フレネルレンズ５ｃが設けられているが、入射側に設けられるものでもよい。

なお、上記の実施形態や変形例では、要求される配光特性を実現するため、リニアフレネルレンズ５ａ、第１のレンチキュラーレンズ７ａ、第２のレンチキュラーレンズ７ｂ等のプリズムによる配光制御と、リフレクタ４の壁の高さによる配光制御とが組み合わされた場合を説明したが、これに限定されない。要求される配光特性を実現するのであれば、プリズムによる配光制御のみを行ってもよいし、リフレクタ４の壁の高さによる配光制御のみを行ってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

以上のように、実施形態に係る面状照明装置は、複数の光源が２次元に配置された基板と、複数の光源の出射側に配置され、複数の光源から出射された光を集光する第１の光学素子と、第１の光学素子の出射側に配置され、第１の光学素子によって集光された光の配光を出射面内の第１の軸方向に対して傾ける第２の光学素子と、第２の光学素子の出射側に配置され、第２の光学素子によって傾けられた光を第１の軸方向に広げる第３の光学素子と、複数の光源の出射側に配置され、出射面内で第１の軸方向と直交する第２の軸方向に光を広げる一対の第４および第５の光学素子と、第２の光学素子と第３の光学素子とが複合されて第２の光学素子および第３の光学素子に代替される第６の光学素子と、を備える。これにより、輝度ムラや色度ムラの低減を図ることができるとともに、レンズ枚数の削減を図ることができる。

また、複数の光源が２次元に配置された基板と、複数の光源の出射側に配置され、複数の光源から出射された光を集光する第１の光学素子と、第１の光学素子の出射側に配置され、第１の光学素子によって集光された光の配光を出射面内の第１の軸方向に対して傾ける第２の光学素子と、第２の光学素子の出射側に配置され、第２の光学素子によって傾けられた光を第１の軸方向に広げる第３の光学素子と、第２の光学素子と第３の光学素子とが複合されて第２の光学素子および第３の光学素子に代替される第６の光学素子と、を備えるものとすることができる。これにより、レンズ枚数の削減を図ることができる。

また、複数の光源が２次元に配置された基板と、複数の光源の出射側に配置され、出射面内の第２の軸方向に光を広げる一対の第４および第５の光学素子と、を備えるものとすることができる。これにより、輝度ムラや色度ムラの低減を図ることができる。

また、第１の光学素子は集光レンズであり、第２の光学素子は配光レンズであり、第３の光学素子は視野範囲調整レンズである。これにより、光学素子を具体化することができる。

また、集光レンズの入射面または出射面の一方にはリニアフレネルレンズが設けられ、配光レンズの入射面または出射面の一方にはリニアプリズムが設けられ、視野範囲調整レンズの入射面または出射面の一方にはレンチキュラーレンズが設けられる。これにより、光学素子を具体化することができる。

また、第４および第５の光学素子はレンチキュラーレンズである。これにより、光学素子を具体化することができる。

また、第６の光学素子は、レンズ外側に向けて凸となる円弧部と、円弧部の一端からレンズ内側に戻る懸崖部とを有する。これにより、光学素子を具体化することができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１ 面状照明装置，２ 基板，３ 光源，４ リフレクタ，４ａ、４ａ－１、４ａ－１ 反射面，４ｂ 開口，４ｃ、４ｃ－１、４ｃ－２ 壁部，４ｄ 底面，５ 集光レンズ，５ａ、５ｂ リニアフレネルレンズ，５ｃ 同心円フレネルレンズ，５ｄ レンチキュラーレンズ，５ｅ レンチキュラーレンズ，６ 配光レンズ，６ａ リニアプリズム，６ｂ レンチキュラーレンズ，７ 視野範囲調整レンズ，７ａ、７ｂ レンチキュラーレンズ，９ フレーム，９ａ 開口，１０ 配光・視野範囲調整レンズ，１０ａ 複合プリズム，１０ｂ レンチキュラーレンズ，１０ａ１ 円弧部，１０ａ２ 始点部，１０ａ３ 終点部，１０ａ４ 懸崖部

Claims (8)

1. 複数の光源が２次元に配置された基板と、
   前記複数の光源の出射側に配置され、前記複数の光源から出射された光を集光する第１の光学素子と、
   前記第１の光学素子の出射側に配置され、前記第１の光学素子によって集光された光の配光を出射面内の第１の軸方向に対して傾ける第２の光学素子と、
   前記第２の光学素子の出射側に配置され、前記第２の光学素子によって傾けられた光を前記第１の軸方向に広げる第３の光学素子と、
   前記複数の光源の出射側に配置され、出射面内で前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に光を広げる一対の第４および第５の光学素子と、
   前記第２の光学素子と前記第３の光学素子とが複合されて前記第２の光学素子および前記第３の光学素子に代替される第６の光学素子と、
   を備える面状照明装置。
2. 複数の光源が２次元に配置された基板と、
   前記複数の光源の出射側に配置され、前記複数の光源から出射された光を略平行光に集光する第１の光学素子と、
   前記第１の光学素子の出射側に配置され、前記第１の光学素子によって集光された光の配光を出射面内の第１の軸方向に対して傾ける第２の光学素子と、
   前記第２の光学素子の出射側に配置され、前記第２の光学素子によって傾けられた光を前記第１の軸方向に広げる第３の光学素子と、
   前記第２の光学素子と前記第３の光学素子とが複合されて前記第２の光学素子および前記第３の光学素子に代替される第６の光学素子と、
   を備える面状照明装置。
3. 複数の光源が２次元に配置された基板と、
   前記複数の光源の出射側に配置され、前記複数の光源から出射された光を第１の軸方向に集光する第１の光学素子と、
   前記複数の光源の出射側に配置され、出射面内で前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に光を広げる一対の第４および第５の光学素子と、
   を備える面状照明装置。
4. 前記第４および第５の光学素子は、互いに光を広げる度合いが異なる、
   請求項３に記載の面状照明装置。
5. 前記第１の光学素子は集光レンズであり、
   前記第２の光学素子は配光レンズであり、
   前記第３の光学素子は視野範囲調整レンズである、
   請求項１または２に記載の面状照明装置。
6. 前記集光レンズの入射面または出射面の一方にはリニアフレネルレンズが設けられ、
   前記配光レンズの入射面または出射面の一方にはリニアプリズムが設けられ、
   前記視野範囲調整レンズの入射面または出射面の一方にはレンチキュラーレンズが設けられる、
   請求項５に記載の面状照明装置。
7. 前記第４および前記第５の光学素子はレンチキュラーレンズである、
   請求項１または３に記載の面状照明装置。
8. 前記第６の光学素子は、レンズ外側に向けて凸となる円弧部と、円弧部の一端からレンズ内側に戻る懸崖部とを有する、
   請求項１、２、５、６のいずれか一つに記載の面状照明装置。

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