技術 薄型直接式バックライトのための超広配光発光ダイオード（ＬＥＤ）レンズ

0001

本開示は、概して、輝度の均一性を向上するための発光装置及び光学レンズに関する。

0002

発光ダイオード（ＬＥＤ）光源は、直接式バックライト照明のために一般的に且つ広く使用されている。コンピュータ、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、携帯電話機、及び薄型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）テレビ（ＴＶ）は、直接式ＬＥＤバックライトを使用するバックライトスクリーン装置の少数の例である。しかしながら、ＬＥＤの光強度分布範囲は狭いので、光を分布させることを助けるためにＬＥＤの上にレンズが使用されることがある。

0003

直接式バックライトでは、バックライト装置の表面においてより均一な光出力を提供するために、レンズのアレイが光源の前に配置される。レンズの直ぐ上の光スポットのサイズに依存して、又はレンズのラジアン角が狭い場合、膨大な数のＬＥＤが必要とされることがあり、したがってコストを増大させる。バックライトのために必要なＬＥＤの数は、各々の個々のＬＥＤ装置のスポットサイズを増大することにより削減できる。

0004

本開示は、光ホットスポットを生成することなく均一な光分布を達成し、必要な光源の数及び直接式バックライト装置の全体コストを削減する利点を有する光学レンズ及び発光装置設計を開示する。本開示は、目標表面において光の均一な分布を生成するための、光学レンズの上部にビームシェーピング要素を備える該光学レンズ、及びバックライト装置、又は該レンズ及びビームシェーピング要素を内蔵する他の発光装置に関する。開示のレンズ及び発光装置は、特に、バックライトの広い又は極めて広い転送機能が必要なとき、有用である。

0005

凹状光学レンズを備える例示的な発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面図である。
光学レンズ及びビームシェーピング要素を備える例示的なバックライト装置の断面図である。
図２に示した例示的なバックライト装置２００の３次元（３Ｄ）透視（側面）図である。
例示的なドットパターンを示す、図１に示した例示的なバックライト装置内のビームシェーピング要素の底面の平面図である。
例示的なドットパターンを示す、図１に示した例示的なバックライト装置内のビームシェーピング要素の底面の平面図である。
光学レンズ及びビームシェーピング要素を備える別の例示的なバックライト装置の断面図である。
図５に示した例示的なバックライト装置の３Ｄ透視（底面及び側面）図である。

0006

ここで、ＬＥＤ装置は、発光装置又はバックライト装置と同義的に使用されることがある。したがって、ＬＥＤ光源又はいかなる他の種類の光源も、発光装置内で同様に使用されてよい。直接式バックライト産業における急速な発展は、新規な、より広範な且つより均一なレンズ設計の必要を生み出している。ＬＥＤレンズにより提供される遙かに広い光分布は、バックライトにおいて必要なＬＥＤ装置の全体数を削減することにより、バックライトのコストを有意に低減できる。図１は、凹状光学レンズ１０２（Ｘ−Ｚ平面に示される断面）を備える、例示的なＬＥＤ装置１００（又は発光装置１００）の断面図である。ＬＥＤ装置１００は、限定ではないが、以下のコンポーネント：内側曲面１１２（光入射面１１２とも呼ばれる）及び外側曲面１２２（光出射面１２２とも呼ばれる）を含むレンズ１０、光源１０４（例えば、ＬＥＤ）、基本面１１４、及び／又は拡散板１１６（又はより一般的には光受信部１１６）、を含んでよい。

0007

光源１０４は、光学レンズ１０２の中心及び下側部分に配置されてよい（例えば、レンズ１０２の光学軸Ｚ上に中心がある）。例えば、赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ、又は緑色ＬＥＤは、光源１０４として利用されてよい。光源１０４は、電力を光源１０４に加えるためにソケット及び端子（図示しない）を通じて回路基板（図示しない）に電気的に結合されてよい。拡散板１１６は、スクリーンバックライトにおいて、明るいスポットを低減し又は除去するために、光源１０４からの光を均一に分布させるために使用されてよく、様々な厚さ、不透明度又は反射率の多数のプラスチックシートを有してよい。

0008

凹状光学レンズ１０２の形状は、矢印により示すように、光源１０４から放射される光の光散乱角を増大し、それにより、ＬＥＤ装置１００の上の光スポットを拡大する。光源１０４から放射された光は、先ず光入射面１１２で、次にレンズ１０２の光出射面１２２で屈折される。その結果、光源１０４からの光線は、扇形に広げられ、（例えば、レンズを有しない単一のＬＥＤ光源と比べて）より広い領域に渡り分布される。一例では、外側曲面１２２は、レンズ１０２の光入射面１１２に向かって内側にへこんだ、光学Ｚ軸上に中心のある陥凹部を含んでよい。

0009

しかしながら、光源１０４から生成された光の一部は、大部分は光出射面１２２の中心に周り（Ｚ軸）にあるレンズ−空気の接触面で生じる全体的な内部反射のために反射される可能性がある。反射光の一部は、更に底面により反射されて、照明領域の中心に戻され、したがって、照明領域の中心における（Ｚ軸の周りの）極めて強い光の「ホットスポット」に貢献する。したがって、レンズ１０２は、必要な放射角が広すぎないとき、光を分布するために良好に機能する。しかしながら、所要のスポットサイズが十分に大きいとき、凹状レンズ１０２を用いるバックライト装置１００は、満足できない不均一な光分布パターンを生み出すことがある。

0010

省エネルギ方針の導入により、コスト削減は重要な課題になっている。多くの用途において、使用されるＬＥＤ及びレンズの数を削減することによりコストを節約するために、スポットサイズ要件が増大している。したがって、ＬＥＤ装置におけるホットスポットの低減は、既存のレンズ構造及びＬＥＤ装置設計に伴う未解決の課題であり続ける。コストを削減する例示的なアプローチは、高出力ＬＥＤを置き換えるための、低コスト中出力ＬＥＤの使用である。しかしながら、（高出力ＬＥＤの小さなダイサイズと比べて）中出力ＬＥＤにより標準的に採用される大きなダイサイズは、ホットスポット現象を更に悪化させることがある。コストを削減するための他の例示的なアプローチは、限定ではないが、使用されるＬＥＤ、印刷回路基板（ＰＣＢ）、及び／又はフォイル（フィルム）の数を削減することを含み得る。

0011

したがって、本開示の目的は、既存の光学レンズの前述の欠点を緩和し照明領域における均一な光分布を達成できる、光源のための光学レンズを提供することである。直接式バックライト産業における急速な発展は、新規な、より広範な且つより均一なレンズ設計の必要を生じている。

0012

ここに開示されるレンズ設計は、光ホットスポットを生成することなく、均一な光分布を可能にし、したがって、他のレンズと比べて、光のより広い転送機能を有し、直接式バックライト装置の全体コストを低減する。

0013

本開示は、目標表面において光の均一な分布を生成するための、ＬＥＤレンズの上部表面にビームシェーピング要素を備える該ＬＥＤレンズ、及びバックライト装置、又は該レンズを内蔵する他の発光装置に関する。発光装置は、光源（例えば、ＬＥＤ光源）、及びレンズ本体、を含む。したがって、ＬＥＤ光源は、その入射面内に収容され、ＬＥＤ光源から放射された光は、レンズ本体の垂直方向に放射される。ビームシェーピング要素は、レンズ本体の上部に固定され、レンズ本体の出射面（光出力表面）を通じて放射される光ビームを調整するよう構成される。垂直方向に放射される光の量は、少なくともビームシェーピング要素を用いて、バックライトの要件に従い調整されてよい。ビームシェーピング要素は、光を後方に又は他の方向へと放射して、中心の強度を低減し、発光装置の照明領域にあるホットスポットを軽減し、したがって、全体的なバックライトの均一性を向上する。開示のレンズは、バックライトの極めて広い転送機能が必要なとき、特に有用である。本開示は、以下に詳細に説明される。本開示は、バックライト装置及びＬＥＤ光源に関して記載されるが、開示のレンズ設計は、他の光源及び光源装置と共に同様に使用され得ることが当業者により理解される。

0014

図２は、本開示による、例示的な発光装置２００（例えば、バックライト装置）の断面図である。バックライト装置２００は、限定ではないが、以下のコンポーネント：光入射面１１２（内側曲面２１２とも呼ばれる）及び光出射面２２２（外側曲面２２２とも呼ばれる）を含む光学レンズ２０２、レンズ２０２に結合されたＬＥＤ光源２０４、レンズ２０２及びＬＥＤ光源２０４に結合された基板２０６、及び／又はレンズ２０２の上に置かれ突起２１４によりレンズ２０２の上部に固定されたビームシェーピング要素２１０、を含んでよい。バックライト装置２００は、図示されない他の要素を更に含んでよい。例えば、バックライト装置２００は、ビームシェーピング要素２１０の上に置かれてよい拡散板（図示しない）を含んでよい。

0015

ＬＥＤ光源２０４は、円の中心（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標に位置し、レンズ２０２の光学軸Ｚ上に中心がある。レンズ２０２の入射面２１２は、その下側部分にＬＥＤ光源２０４を収容するよう構成される。

0016

ＬＥＤ光源２０４は、基板２０６の上に形成されてよい。基板２０６は、平面板であってよく、限定ではないが、以下の例示的な材料：セラミック、シリコン、サファイア、及び／又は炭化ケイ素を含む電気的絶縁材料により作られてよい。基板２０６の上面は、ＬＥＤ光源２０４と電気的に結合し、ＬＥＤ光源２０４に電力を提供する。

0017

レンズ２０２は、Ｚ軸に関して中心対称である。入射面２１２は、ＬＥＤ光源２０４の中心部分に位置し、ＬＥＤ光源２０４から出てくる光を受ける。光出射面２２２は、所定の光分布を形成するよう配置され、中心Ｚ軸に関して対称でもある。入射面２１２及び光出射面２２２の曲面及び相対位置は、バックライト装置２００の放射角要件に従い調整されてよい。一例では、光出射面２２２は、レンズ１０２の光入射面１１２に向かって内側にへこんだ、光学Ｚ軸上に中心のある陥凹部を含んでよい。ビームシェーピング要素２１０は、レンズ２０２の光出射面２２２の上部に突起２１４により固定されてよい。その結果、レンズ２０２及びビームシェーピング要素２１０は、それら個々の光拡散機能をより正確に実行できる。

0018

ビームシェーピング要素２１０のために使用される材料の例は、ポリメタクリル酸メチル（polymethyl methacrylate：PMMA）、テレフタル酸ポリエチレン（polyethylene terephthalate：PET）、ポリカーボネート（polycarbonate：PC）、ポリスチレン（polystyrene：PS）、又はガラスを含む。ビームシェーピング要素２１０のために使用される材料は、レンズ２０２のために使用される材料と同じ又は異なってよい。一例では、３つ以上の突起２１４が、ビームシェーピング要素２１０をレンズ２０２に固定するために使用されてよいが、任意の数の突起２１４が使用されてよい。一例では、複数の突起２１４の各々の高さは、ビームシェーピング要素２１０を基板２０６に水平にするために同じであってよい。別の例では、突起２１４は、光を遮るのを防ぐために可能な限り薄くされてよい。別の例では、突起２１４は、紫外線（ultra−violet：UV）接着剤、又は他の接着材料により、レンズ２０２に固定されてよい。しかしながら、突起の高さ、厚さ、及び数は、本開示の範囲内で他の値に調整されてよい。

0019

ビームシェーピング要素２１０は、光出射面２２２の中心部に固定されてよく、光学Ｚ軸上に中心があってよい。本開示によると、光源２０４から生じ光出射面２２２から放射される光の一部は、ビームシェーピング要素２１０により反射され、一方で該光の他の部分は、ビームシェーピング要素２１０を通じて直接放射される。これは、ビームシェーピング要素２１０の底面２１６を、光の一部を放射し一部を反射するよう形成することにより達成され得る。一例では、ビームシェーピング要素２１０は、ビームシェーピング要素２１０の底面２１６上のドットパターンにより形成されてよい。したがって、ドットパターンは、光の一部を、ビームシェーピング要素２１０を通じて（例えば、ドットの間の空間を通じて）放射させ、一方では、光の他の部分を（例えば、ドットにより）反射させる。図４Ａ及び４Ｂを参照して、ドットパターンの例示的な設計を以下に更に詳述する。ビームシェーピング要素２１０のサイズ及び／又は位置は、レンズ２０２の中心部における光ホットスポットを減少させ又は除去するために、レンズ２０２から出てくるホットスポットサイズに従い調整されてよい。

0020

図３は、図２に示した例示的なバックライト装置２００の３次元（３Ｄ）透視（側面）図である。レンズ２０２の光出射面２２２から放射された光は、ビームシェーピング要素２１０の底へ入射し、ビームシェーピング要素２１０の底面２１６上のパターン（例えば、ドットパターン）の分布に従い光が調節される光領域を形成する。例えば、ドットパターンが使用される場合、光の一部は、ドットがある場所で反射され、光の別の部分は、ドットが存在しない場所で、ビームシェーピング要素２１０を通じて放射される。結果として、輝度（つまり、所与の方向に表面から放射される単位面積当たりの光の強度）がレンズ２０２の中心Ｚ軸に集中することが防がれ、したがって、レンズ２０２の上のホットスポットを除去する。ビームシェーピング要素２１０のサイズ、高さ、及び／又は厚さは、例えばバックライト装置２００の要件に基づき、変化し、調整されてよい。

0021

一例では、ビームシェーピング要素２１０は、組立許容範囲内で可能な限りレンズ２０２に近く配置されてよい（例えば、レンズ２０２からビームシェーピング要素２１０までの距離又はその間が０．２ｍｍ）。別の例では、ビームシェーピング要素２１０の厚さは、より多くの光を吸収することを回避するために可能な限り薄くされてよい。ビームシェーピング要素２１０のサイズは、レンズ２０２のホットスポットサイズに従い最適化されてよい。例えば、ビームシェーピング要素２１０のサイズは、ホットスポットサイズに比例してよい（例えば、大きなビームシェーピング要素２１０ほど、大きなホットスポットサイズのために使用される）。

0022

図４Ａ及び図４Ｂは、図２に示した例示的なバックライト装置２００内のビームシェーピング要素２１０の底面２１６の平面図であり、例示的なドットパターン２１３Ａ及び２１３Ｂを示す。上述のように、ドットパターン２１３Ａ又は２１３Ｂのようなパターンは、ビームシェーピング要素２１０の底面２１６上に形成されてよい。ドットパターン２１３Ａ及び２１３Ｂは、光が明るすぎる場合、光がビームシェーピング要素２１０の底面２１６上のドットにより反射されるように、分布される。ドットパターンは、ドットの数、サイズ、位置、及び／又は形状を変化することにより、実施されてよい。例えば、ドットパターン２１３Ａは、ドットパターン２１３Ｂと比べて、互いにより近く大きなドットを示す。円形ドットが示されるが、他の形状のドットが使用されてよい（例えば、ダイヤモンド形、楕円形、長方形、等）。さらに、ドットパターン２１３Ａ及び２１３Ｂは、規則的であるように示されるが、不規則なドットパターンが使用されてよい。一例では、ドットパターンは、光を伝える代わりに光を反射するアルミめっきを施された表面（アルミニウムフィルム）のような、反射コーティングを用いて生成されてよい。例えば、アルミニウムフィルムは、入射してくる光の８５％より多くを反射してよい。別の例では、ドットは、入射してくる光の一部（例えば、光の４０％〜５０％）を吸収し及び光の残りの部分を反射するインクコーティングを用いて生成されてよい。

0023

図５は、本開示による、別の例示的な発光装置５００（例えば、バックライト装置）の断面図である。バックライト装置５００は、限定ではないが、以下のコンポーネント：光入射面５１２（内側曲面５１２とも呼ばれる）と、光出射面５２２（外側曲面５２２とも呼ばれる）と、支持土台５３８と、底面５４０とを含むレンズ５０２、レンズ５０２に結合されたＬＥＤ光源５０４、レンズ５０２及びＬＥＤ光源５０６に結合された基板５０４、及び／又は内面５３２と外面５３４とを含むビームシェーピング要素５３０、を含んでよい。バックライト装置２００は、図示されない他の要素を更に含んでよい。

0024

ＬＥＤ光源５０４は、円の中心（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標に位置し、レンズ５０２の光学軸Ｚ上に中心がある。図５に示すように、レンズ５０２及びビームシェーピング要素５３０は、中心Ｚ軸に関して中心対称である。ビームシェーピング要素５３０は、レンズ５０２の支持土台５３８に固定されてよい。ビームシェーピング要素５３０の内面５３２は、レンズ５０２の光出射面５２２から離れていてよい。言い換えると、ビームシェーピング要素５３０の内面５３２とレンズ５０２の光出射面５２２との間にギャップがあってよい。例えば、ギャップは、ビームシェーピング要素５３０及びレンズ５０２の組立衝突を回避するために、０．２ｍｍ以上であってよい。

0025

ビームシェーピング要素５３０の外面５３４は、光出射面５２２の曲率と同じ又は異なる曲率を有してよい。一例では、外面５３４、内面５３２、及び光出射面５２２は、同じ曲率を有しなくてよい。例えば、外面５３４又は内面５３２のいずれかが、光出射面５２２と同じ曲率を有してよく、或いは、外面５３４及び内面５３２の両方が出射面５２２と異なる曲率を有する。

0026

ＬＥＤ光源５０４から生成された光は、光入射面５１２を通って、レンズ５０２へと屈折する。光の一部は、光出射面５２２を通ってビームシェーピング要素５３０上へと、レンズ５０２の外へ直接屈折し、一方で、光の一部又は大部分は、全体的な内部反射により、光出射面５２２により反射される。反射光の一部は、レンズ５０２の底面５４０により、ビームシェーピング要素５３０の内面５３２を通じて、ビームシェーピング要素５３０の中心部（Ｚ軸の周り）へと更に反射される。ビームシェーピング要素５３０へ屈折された光は、ビームシェーピング要素５３０を通じて更に伝達する。外面５３４の空気−表面の境界における全体的な内部反射の臨界角より大きな入射角を有する光は、全体的な内部反射のために反射される。したがって、ビームシェーピング要素５３０による反射は、発光装置５００の上のホットスポットを除去する。

0027

一例では、ビームシェーピング要素５３０の内面５３２及び外面５３４は、滑らかな面であってよい。ビームシェーピング要素５３０は、Ｚ軸の周りの中心部においてへこんでよい。その結果、ビームシェーピング要素５３０の中心軸Ｚを通る垂直断面は、実質的に「Ｍ」形の構成を有する。一例では、ビームシェーピング要素５３０は、材料を節約し及び材料吸収を低減するために、最も薄い位置において可能な限り薄くされてよい。例えば、ビームシェーピング要素５３０は０．４ｍｍの厚さであってよい。ビームシェーピング要素５３０とレンズ５０２との間の空間又はギャップは、組立許容範囲を考慮して、少なくとも０．２ｍｍであってよい。

0028

図６は、図５に示した例示的なバックライト装置５００からのビームシェーピング要素５３０（左側）及びレンズ５０２（右側）の３Ｄ透視（底面及び側面）図である。ＬＥＤ光源５０４から放射された光は、レンズ５０２の入射面５１２及び光出射面５２２により、次にビームシェーピング要素５３０の内面５３２及び外面５３４により、順に拡散される。光は、レンズ５０２及びビームシェーピング要素５３０により異なる程度で相違して拡散され、したがって、より不均一に分布されるようになる。ビームシェーピング要素５３０は、レンズ５０２の支持土台５３８の上面に固定されてよい。

0029

本開示によると、レンズを通じて放射された光の一部は、光学レンズのビームシェーピング要素から更に反射され屈折される。その結果、ホットスポットが除去される。上述の実施形態は、開示されたビームシェーピング要素の例を提供した。したがって、他の形状、材料、及び構造が、本開示の範囲内で光を方向付けるために使用されてよい。

0030

本開示では、光学レンズ及び／又はビームシェーピング要素は、限定ではないが、以下の材料：ＰＭＭＡ、ＰＥＴ、及び／又はガラスを含むいかなる材料から生成されてよい。ビームシェーピング要素のために使用される材料は、レンズのために使用される材料と同じ又は異なってよい。本開示は、例示的な実施形態を含む。したがって、当業者は、記載の要素を変更し、修正し、省略し、又は等価な要素により置き換えることができる。