专利名称：光源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及构成笔记本个人计算机和液晶电视机中用作显示部的液晶显示装置等的侧照式光源装置，尤其涉及配置在导光体的光出射面侧的光偏转元件的改进。
背景技术：
近年来，彩色液晶显示装置作为便携式笔记本个人计算机和个人计算机等的监视器，或者作为液晶电视机和视频综合型液晶电视机等的显示部，在各种领域广泛使用。随着信息处理量增大、需求多样化、适应多媒体等，液品显示装置大力进行大屏幕化、高清晰化。
液晶显示装置基本上由背后照明部和液晶显示元件部组成。作为背后照明部，有光源配置在液晶显示元件部正下方的下照式和光源配置成与导光体侧端面对置的侧照式。从液晶显示装置小型化的角度看，多数采用侧照式。
然而，近年来，显示屏幕尺寸较小且用作观看方向范围较窄(例如便携电话机)的显示部的液晶显示装置等中，根据减少耗电的观点，作为侧照式背后照明部，为了有效利用一次光源发出的光量，一直利用的是尽可能减小屏幕出射光束的扩展角，使光集中在所需角度范围出射。
作为这样限定观看方向范围并且集中在较窄范围进行光出射以便提高一次光源的光量利用效率和减少耗电的光源装置，本申请人在日本特愿2000-265574号专利申请中，提出采用靠近导光体的光出射面且双面具有棱镜形成面的棱镜板。该双面棱镜板在作为一个面的入光面和作为另一个面的出光面分别形成相互平行的多个棱镜条，使入光面和出光面上棱镜条方向一致，并且在对应的位置配置各棱镜条。据此，从导光体的光出射面出射，在对该出射面倾斜的方向具有出射光峰值，并且分布在适当角度范围的光，从棱镜板入光面的一个棱镜面入射，并且在另一棱镜面往内部反射，进而在出光面的棱镜中受到折射作用，使光集中到比较窄的所需方向出射。
利用这种光源装置，可集中在较小的角度范围出射，但作为用作光偏转元件的棱镜板，必须使两面相互平行的多个棱镜条在入光面和出光面上棱镜条方向一致，并且将各棱镜条配置在相互对应的位置，其成形复杂。
特表平9-507584号公报、特开平9-105804号公报、特开平11-38209号公报、特开2000-35763号公报以用棱镜板使导光体出射光偏转时提高光汇聚性和方向性为目的，提出将构成棱镜板的棱镜条中远离光源侧的棱镜面做成凸曲面形状。然而，这些公报记载的凸曲面状棱镜面，其曲率半径均较大或较小，因而导光体的出射光分布或者不能达到视野足够窄，或者使视野非常窄，或者有时反而扩大视野。而且，这些公报记载的导光体不能赋予其光出射机构高方向性，出射的光分布范围较大，即使在棱镜板聚光，也不能达到亮度充分提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光源装置，将出射光分布控制得非常窄，一次光源的光量利用效率可提高(即，使一次光源发出的光集中到所需观看方向出射的效率提高)，亮度极高，而且结构简化，便于提高图像质量。
根据本发明，作为达到如上所述目的的装置，提高一种光源装置，该装置配备一次光源、具有入射该一次光源所发光的光入射面和引导入射光并将其出射的光出射面的导光体以及与该导光体的光出射面相邻配置的光偏转元件，其特征在于，该光偏转元件具有所处位置与所述导光体的光出射面对置的入光面和处于其相反侧的出光面，所述入光面上形成有相互平行配置的多个棱镜条，该棱镜条具有两个棱镜面，至少远离所述一次光源侧的棱镜面在设想多个虚拟棱镜条时，以所述虚拟棱镜条的形状为基准，形成凸曲面形状，该虚拟棱镜条使所述导光体光出射面出射的光的出射光分布中的峰值出射光从一个棱镜面进入，在另一棱镜面进行内部全反射后，从所述出光面往所希望的方向出射，并且按与所述光偏转元件中棱镜条排列间距相同的间距排列，其顶角θ为50度～70度；所述凸曲面形状按所述棱镜条的排列间距P归一化所得的曲率半径r的值(r/P)为7～30。
本发明的一形态中，所述光偏转元件中各棱镜条的凸曲面形状棱镜面和所述虚拟棱镜条棱镜面的最大距离d与所述棱镜条排列间距P的比(d/P)为0.05％～5％。本发明的一形态中，所述虚拟棱镜条的一次光源邻近侧棱镜面的倾斜角为45度以上。本发明的一形态中，所述虚拟棱镜条的截面是等腰三角形。本发明的一形态中，所述导光体的光出射面和/或其相反侧的背面是具有方向性光出射功能的面。本发明的一形态中，所述具有方向性光出射功能的面的平均倾斜角为0.5度～15度。本发明的一形态中，所述具有方向性光出射功能的面是粗糙面或多个棱镜条排列成的面。
根据本发明，为了达到如上所述的目的，提供一种光源装置，该装置配备一次光源、具有入射该一次光源所发光的光入射面和引导入射光并将其出射的光出射面的导光体以及与该导光体的光出射面相邻配置的光偏转元件，其特征在于，该光偏转元件具有所处位置与所述导光体的光出射面对置的入光面和处于其相反侧的出光面，所述入光面上形成有相互平行配置的多个棱镜条，该棱镜条具有两个棱镜面，至少远离所述一次光源侧的棱镜面在设想多个虚拟棱镜条时，以所述虚拟棱镜条的形状为基准，形成凸曲面形状，该虚拟棱镜条使所述导光体光出射面出射的光的出射光分布中的峰值出射光从一个棱镜面进入，在另一棱镜面进行内部全反射后，从所述出光面往所希望的方向出射，并且按与所述光偏转元件中棱镜条排列间距相同的间距排列，其顶角θ为50度～70度；所述凸曲面形状的棱镜面与所述虚拟棱镜条的棱镜面的最大距离d与所述棱镜条的排列间距P的比(d/P)为0.2％～2％。
本发明的一形态中，所述棱镜条具有与所述虚拟棱镜条共同的底部，所述凸曲面形状是用所述棱镜条排列间距P归一化所得曲率半径r的值(r/P)为2～80的大致凸圆柱面形状。本发明的一形态中，所述虚拟棱镜条的一次光源邻近侧棱镜面的倾斜角为45度以上。本发明的一形态中，所述虚拟棱镜条的截面是等腰三角形。本发明的一形态中，所述导光体的光出射面和/或其相反侧的背面是具有方向性光出射功能的面。本发明的一形态中，所述具有方向性光出射功能的面的平均倾斜角为0.5度～15度。本发明的一形态中，所述具有方向性光出射功能的面是粗面或多个棱镜条排列成的面。
据本发明，作为达到上述目的的装置，提供一种光源装置，该装置配备主光源、具有入射该主光源所发光的光入射面和引导入射光并将其出射的光出射面的导光体以及与该导光体的光出射面相邻配置的光偏转元件，其特征在于，该光偏转元件具有所处位置与所述导光体的光出射面对置的入光面和处于其相反侧的出光面，所述入光面上形成有相互平行配置的多个棱镜条，该棱镜条具有两个棱镜面，至少一个棱镜面形成凸曲面形状，该形状具有的倾斜角大于如下所述的倾斜角，即该所述的倾斜角为，假设沿所述导光体光出射面所发光的出射光分布中峰值出射光方向掠过相邻虚拟棱镜条顶部的虚拟光，在相邻虚拟棱镜条另一棱镜面内部全反射，在比该全反射的位置接近所述出光面的位置，所述虚拟棱镜条的棱镜面的至少一部分对所述出光面形成的倾斜角。
本发明的一形态中，所述棱镜条具有与所述虚拟棱镜条共同的底部，所述凸曲面形状是用所述棱镜条排列间距P归一化所得曲率半径r的值(r/P)为2～80的大致凸圆柱面形状。本发明的一形态中，所述光偏转元件的各棱镜条凸曲面形状的棱镜面与所述虚拟棱镜条的棱镜面的最大距离d与所述棱镜条的排列间距P的比(d/P)为0.05％～5％。本发明的一形态中，所述虚拟透镜条的主光源邻近侧的棱镜面的倾斜角为45度以上。本发明的一形态中，所述虚拟棱镜条的截面是等腰三角形。在本发明的一形态中，所述导光体的光出射面和/或其相反侧的背面是具有方向性光出射功能的面。在本发明的一形态中，所述具有方向性光出射功能的面的平均倾斜角为0.5度-15度。本发明的一形态中，所述具有方向性光出射功能的面是粗面或多个棱镜条排列成的面。
根据本发明，作为达到上述目的的装置，提供一种光源装置，该装置配备一次光源、具有入射该一次光源所发光的光入射面和引导入射光并将其出射的光出射面的导光体以及与该导光体的光出射面相邻配置的光偏转元件，其特征在于，该光偏转元件具有所处位置与所述导光体的光出射面对置的入光面和处于其相反侧的出光面，所述入光面上形成有相互并列配置的多个棱镜条，该棱镜条具有两个棱镜面，至少一个棱镜面在设想多个虚拟棱镜条时，以所述虚拟棱镜条的形状为基准，形成凸曲面形状，该虚拟棱镜条使所述导光体光出射面出射的光的出射光分布中的峰值出射光从一个棱镜面进入，在另一棱镜面进行内部全反射后，从所述出光面往所希望的方向出射，并且按与所述光偏转元件中棱镜条排列间距相同的间距排列，其顶角θ为50度～70度；所述导光体的光出射面和/或其相反侧的背面是平均倾斜角为0.5度～15度的具有方向性光出射功能的面。
本发明的一形态中，所述棱镜条具有与所述虚拟棱镜条共同的底部，所述凸曲面形状是用所述棱镜条排列间距P归一化所得曲率半径r的值(r/P)为2～80的大致凸圆柱面形状。本发明的一形态中，所述光偏转元件的各棱镜条凸曲面形状的棱镜面与所述虚拟棱镜条的棱镜面的最大距离d与所述棱镜条的排列间距P的比(d/P)为0.05％～5％。本发明的一形态中，所述虚拟棱镜条的一次光源邻近侧的棱镜面的倾斜角为45度以上。本发明的一形态中，所述虚拟棱镜条的截面是等腰三角形。本发明的一形态中，所述具有方向性光出射功能的面是粗面或多个棱镜条排列成的面。
根据本发明，作为达到上述目的的装置，提供一种光源装置，其特征在于，配备一次光源、具有入射该一次光源所发光的光入射面和引导入射光并将其出射的光出射面的导光体以及与该导光体的光出射面相邻配置并且具有入光面和其相反侧的出光面的光偏转元件，该入光面位于与所述导光体光出射面相对的位置且形成有相互平行排列的多个棱镜条；所述导光体光出射面出射的光在与所述光入射面和光出射面垂直的面内的出射光分布的半值宽度B为36度以下，所述光偏转元件出光面出射的光在与所述光入射面和光出射面垂直的面内的出射光分布的半值宽度A为所述半值宽度B的30％～95％。
本发明的一形态中，所述光偏转元件出光面出射的光在与所述光入射面和光出射面垂直的面内的出射光分布的半值宽度A为所述半值宽度B的30％～80％。本发明的一形态中，所述光偏转元件出光面出射的光在与所述光入射面和光出射面垂直的面内的出射光分布的半值宽度A为所述半值宽度B的30％～70％。本发明的一形态中，所述光偏转元件出光面出射的光在与所述光入射面和光出射面垂直的面内的出射光分布的半值宽度A为5度～25度。
本发明的一形态中，所述光偏转元件的入光面上形成的棱镜条具有两个棱镜面，至少一个棱镜面在设想多个虚拟棱镜条时，以所述虚拟棱镜条的形状为基准，形成凸曲面形状，该虚拟棱镜条使所述导光体光出射面出射的光的出射光分布中的峰值出射光从一个棱镜面进入，在另一棱镜面进行内部全反射后，从所述出光面往所希望的方向出射，并且按与所述光偏转元件中棱镜条排列间距相同的间距排列，其顶角θ为50度～70度。
本发明的一形态中，所述棱镜条具有与所述虚拟棱镜条共同的底部，并且所述凸曲面形状是按所述棱镜条的排列间距P归一化所得的曲率半径r的值(r/P)为2～80的大致凸圆柱状。本发明的一形态中，所述光偏转元件的各棱镜条凸曲面形状的棱镜面与所述虚拟棱镜条的棱镜面的最大距离d与所述棱镜条的排列间距P的比(d/P)为0.05％～5％。本发明的一形态中，所述虚拟棱镜条的一次光源邻近侧的棱镜面的倾斜角为45度以上。本发明的一形态中，所述虚拟棱镜条的截面是等腰三角形。本发明的一形态中，所述导光体的光出射面和/或其相反侧的背面是具有方向性光出射功能的面。本发明的一形态中，所述具有方向性光出射功能的面的平均倾斜角为0.5度～15度。本发明的一形态中，所述具有方向性光出射功能的面是粗糙面或多个棱镜条排列成的面。
根据本发明，作为达到如上所述目的的装置，提供一种光源装置，其特征在于，配备一次光源、具有入射该一次光源所发光的光入射面和引导入射光并将其出射的光出射面的导光体以及与该导光体的光出射面相邻配置并且具有入光面和其相反侧的出光面的光偏转元件，该入光面位于与所述导光体光出射面相对的位置且形成有相互并列排列的多个棱镜条；所述导光体光出射面出射的光在与所述光入射面和光出射面垂直的面内的出射光分布的半值宽度B超过36度，所述光偏转元件出光面出射的光在与所述光入射面和光出射面垂直的面内的出射光分布的半值宽度A为所述半值宽度B的30％～70％。
本发明的一形态中，所述光偏转元件出光面出射的光在与所述光入射面和光出射面垂直的面内的出射光分布的半值宽度A为所述半值宽度B的30％～60％。本发明的一形态中，所述光偏转元件出光面出射的光在与所述光入射面和光出射面垂直的面内的出射光分布的半值宽度A为所述半值宽度B的30％～50％。本发明的一形态中，所述光偏转元件出光面出射的光在与所述光入射面和光出射面垂直的面内的出射光分布的半值宽度A为25度以下。
本发明的一形态中，所述光偏转元件的入光面上形成的棱镜条具有两个棱镜面，至少一个棱镜面在设想多个虚拟棱镜条时，以所述虚拟棱镜条的形状为基准，形成凸曲面形状，该虚拟棱镜条使所述导光体光出射面出射的光的出射光分布中的峰值出射光从一个棱镜面进入，在另一棱镜面进行内部全反射后，从所述出光面往所希望的方向出射，并且按与所述光偏转元件中棱镜条排列间距相同的间距排列，其顶角θ为50度～70度。
本发明的一形态中，所述棱镜条具有与所述虚拟棱镜条共同的底部，并且所述凸曲面形状是按所述棱镜条的排列间距P归一化所得的曲率半径r的值(r/P)为2～80的大致凸圆柱状。本发明的一形态中，所述光偏转元件的各棱镜条凸曲面形状的棱镜面与所述虚拟棱镜条的棱镜面的最大距离d与所述棱镜条的排列间距P的比(d/P)为0.05％～5％。本发明的一形态中，所述虚拟棱镜条的一次光源邻近侧的棱镜面的倾斜角为45度以上。本发明的一形态中，所述虚拟棱镜条的截面是等腰三角形。本发明的一形态中，所述导光体的光出射面和/或其相反侧的背面是具有方向性光出射功能的面。本发明的一形态中，所述具有方向性光出射功能的面的平均倾斜角为0.5度～15度。本发明的一形态中，所述具有方向性光出射功能的面是粗糙面或多个棱镜条排列成的面。
图1是示出本发明的面光源装置的图解立体图；图2是光偏转元件入光面中棱镜条形状的说明图；图3是示出本发明的面光源装置的图解立体图。
具体实施例方式
下面，参照
本发明的实施形态。
图1是示出本发明的面光源装置一实施形态的图解立体图。如图1所示，本发明的面光源装置的组成部分包含将至少一个侧端面作为光入射面31并且将与其大致正交的一个表面作为光出射面33的导光体3、配置成与该导光体3的光入射面31对置并且用光源反射器2覆盖的一次光源1、配置在导光体3的光出射面上方的光偏转元件4和配置成与导光体3中光出射面33的背面34对置的光反射元件5。
导光体3配置成与XY面平行，整体上为矩形板状。导光体3有4个侧端面，其中与YZ面平行的一对侧端面中的至少一个侧端面为光入射面31。光入射面31配置成与光源1对置，光源1发的光从光入射面31入射到导光体3内。本发明中光源也可配置在例如与光入射面31相对的侧端面32等其他侧端面。
导光体3中与光入射面31大致正交的两个主面分别与XY面大致平行，其中任何一个面(图中为上表面)为光出射面33。赋予该光出射面33或其背面34的至少一方由粗糙面构成的方向性光出射功能部或由将棱镜条、双凸棱镜条、V状槽等多个棱镜条排列得与光入射面31大致平行而形成的透镜面构成的方向性光出射功能部等，将从光入射面31入射的光引导到导光体3，同时从光出射面33出射与光入射面31和光出射面33垂直的面(XZ面)内的出射光分布中有方向性的光。该XZ面内分布的出射光分布峰值方向与光出射面31形成的角度为α。该角度α等于10度～40度为佳，出射光分布的半值宽度等于10度～40度为佳。
导光体3表面上形成的粗糙面或棱镜条依据ISO4287/1-1984，平均倾斜角θa取为0.5度～15度的范围，从谋求光出射面33内的亮度均匀性的角度看，属佳。平均倾斜角θa范围为1度～12度较佳，1.5度～11度的范围更佳。该平均倾斜角θa根据导光体3的厚度(t)和入射光传播方向的长度(L)的比(L/t)设定最佳范围为佳。也就是说，作为导光体3，L/t采用20～200左右时，平均倾斜角θa取0.5度～7.5度为合适，取1度～5度的范围较佳，取1.5度～4度的范围更佳。作为导光体3，L/t采用20以下时，平均倾斜角θa取7度～12度为合适，取8度～11度的范围较佳。
遵照ISO4287/1-1984，用触针式表面粗糙度计测定粗糙面形状，并将测量方向的坐标取为x，获得斜率函数f(x)后，可用以下的式(1)和式(2)求出导光体3上形成的粗糙面的平均倾斜角θa。式中，Δa是平均倾斜角θa的正切，L是测量长度。
Δa=(1/L)∫0L|(d/Dx)f(x)|dx---(1)]]>
θa＝tan-1(Δa) (2)作为导光体3，其光出射率在0.5％～5％的范围为合适，在1％～3％的范围较佳。这是因为光出射率小于0.5％，则从导光体3出射的光量少，存在得不到足够亮度的趋势，而光出射率大于5％，则在光源1附近出射大量的光，光出射面33内的X方向上光衰减显著，存在光出射面33中亮度均匀性降低的趋势。这样，通过将导光体3的光出射率取为0.5％～5％，可从导光体3出射方向性高的出射特性的光，并且可在光偏转元件4使该出射方向有效偏转，从而能提供具有高亮度的面光源元件。该出射特性使光出射面所出射光的出射光分布中峰值光的角度α在10度～40度的范围，与光入射面和光出射面两者垂直的XZ面中的出射光分布半值宽度为10度～40度。
本发明中，导光体3的光出射率定义如下。设导光体3的厚度(Z方向的尺寸)为t，则光出射面33中光入射面31侧的边缘上的出射光强度(Io)与离开光入射面31侧边缘为L的位置上的出射光强度(I)满足以下式(3)的关系。
I＝I0·a(1-a)L/t(3)式中，常数α是光出射率，等于光出射面33中与光入射面31正交的X方向上每单位长度(与导光体厚度t相当的长度)从导光体3出射光的比率(％)。该光出射率利用分别在纵轴和横轴标出光出射面33出射光强度的对数和(L/t)，根据其斜率可求出。
未赋予方向性光出射功能的其他主面上，为了控制与导光体3出射光的光源1平行的面(YZ面)中的方向性，最好形成排有在对光入射面31大致垂直的方向(X方向)延伸的多个棱镜条的透镜面。图1所示的实施形态中，光出射面33形成粗糙面，背面34形成对光入射面31大致垂直的方向(X方向)上延伸的多个棱镜条排列成的透镜面。本发明中，也可与图1所示的形态相反，在光出射面33形成透镜面，而背面34做成粗糙面。
如图1所示，导光体3的背面34或光出射面33形成棱镜条时，作为该棱镜条，可以是在大致X方向延伸的棱镜条双凸棱镜条及V字形槽等，但最好做成YZ方向的剖面为大致三角形的棱镜条。
本发明中作为导光体3上形成的棱镜条形成棱镜条时，最好将其顶角做成70度～150度的范围。这是因为顶角做成该范围能充分汇聚导光体3的出射光，达到充分提高面光源元件的亮度。即，利用将棱镜的顶角做在该范围内，能对包含出射光分布中的峰值光，在与XZ面垂直的面汇聚的出射光分布半值宽度为35度～65度的出射光进行出射，能使面光源元件的亮度提高。光出射面33上形成棱镜条时，顶角最好做成80度～100度的范围，背面34上形成棱镜条时，顶角最好做成70度～80度或100度～150度的范围。
也可利用在导光体内部掺入光扩散性微粒子来赋予方向性光出射功能，代替上述那样在光出射面33或其背面34形成光出射功能部或与该功能部同时使用。作为导光体3，不限于图1所示的形状，可用楔状、船状等各种形状。
光偏转元件4配置在导光体3的光出射面33上。光偏转元件4的两个主面41和42相互相对，各自处在整体上与XY面平行的位置。主面41和42中的一个(位于导光体的光出射面33侧的主面)为入光面41，另一个为出光面42。出光面42做成与导光体3的光出射面33平行的平坦面。入光面41为多个在Y方向延伸的棱镜条相互平行排列成的棱镜形成面。棱镜形成面可在相邻棱镜条之间设置宽度较窄的平坦部(例如宽度与棱镜条间距大致相同或小于该间距的平坦部)，但从提高光利用效率的角度看，最好连续形成棱镜条，不设平坦部。
图2是光偏转元件4中入光面41的棱镜条形状的说明图。入光面41的棱镜条形状设定如下。
即，首先，取棱镜条排列间距为P，设定三角形剖面的虚拟棱镜条I。设该虚拟棱镜条I的两个棱镜面I-1和I-2形成的角度(即虚拟棱镜顶角)为θ。将该虚拟棱镜顶角θ设定成从导光体3的光出射面33来的光在XZ面内强度分布中的峰值出射光(倾斜角α)入射到虚拟棱镜条I，并且由虚拟棱镜面I-2进行内面全反射后，进到例如出光面42的法线方向。虚拟棱镜顶角θ在例如从光偏转元件4的出光面42出射的光的峰值出射光朝向出光面42的法线方向附近(例如离开法线方向±10度范围内)时，做成50度～70度为宜，在55度～70度的范围较佳，在60度～70度的范围更佳。虚拟棱镜条中一个棱镜面的倾斜角(对出光面42形成的角度)由于要用光偏转元件4使导光体3的出射光偏转到效率高的所希望方向，做成45度以上为宜，47度以上较佳，50度以上更佳。
接着，以上文那样设定形状的虚拟棱镜条I的形状为基准，决定实际的棱镜条形状，使至少一个棱镜面为凸曲面形状。具体而言，最好如以下那样决定实际棱镜条的形状。设定从导光体3中光出射面33出射的光的出射光分布峰值出射光(倾斜角α)掠过一次光源1侧相邻虚拟棱镜条的顶部，并入射到虚拟棱镜条I的虚拟光，将该虚拟光通过虚拟棱镜面I-1的位置取为K1，到达虚拟棱镜面I-2的位置则为K2。
通常将比位置K2接近出光面42的整个面做成凸曲面形状为佳。另一方面，比虚拟棱镜条I中棱镜面I-2内部全反射位置K2接近入光面41的位置(即远离出光面42的位置)可为平面状，也可为凸曲面状。任一情况下，做成使位置K2的出光面42侧附近的棱镜面形状伸长的形状为佳，棱镜条顶部与虚拟棱镜条顶部也可不一致。
棱镜条形状最好在比虚拟棱镜条I中棱镜面I-2的内部全反射位置K2接近出光面42的位置上，其至少一部分或全部成为凸曲面形状，具有棱镜面倾斜角大于虚拟棱镜条I中棱镜面I-2倾斜角的倾斜角。
z＝{(P·tana·cot[θ/2]/(tana+cot[θ/2])}·[cot[θ/2]+{cotθ/(cot[θ/2]-cotθ)}]这相当于图2所示尺寸z(棱镜条顶点与虚拟棱镜面I-2内部反射位置K2间在Z方向的距离)在上式所示值以上的Z方向位置上，实际棱镜面具有大于下式所示虚拟棱镜条I中棱镜面I-2的倾斜角(式中，n是棱镜条的折射率)。
ncos[3θ/2]＝sin(a-[θ/a])这样设定入光面41的棱镜条形状，能减小从光偏转元件4出射的光的分布角度(半值宽度)。其理由如下。即，比虚拟棱镜条I中棱镜面I-2内部全反射位置接近出光面42的位置上到达的光是从一次光源侧相邻虚拟棱镜条顶部下方以大于α的倾斜角入射的光线的集合。因此，其分布峰值的方向是大于α的倾斜方向，其内部全反射光的分布峰值方向为从出光面42的法线方向沿内部全反射的虚拟棱镜面的方向倾斜的方向。这种光起的作用是扩展出光面42的出射光的角度分布。因此，为了将光量集中到特定方向出射，在比虚拟棱镜条I中棱镜面I-2内部全反射位置K2接近出光面42的位置，对其至少一部分，使实际棱镜条中棱镜面的倾斜角大于相应区域棱镜面的倾斜角，从而能修正成使该区域中实际内部全反射光的行进方向移动到比虚拟棱镜面上的反射光更接近出光面42法线方向的部位，可提高亮度和集中视野。
可在比虚拟棱镜条I中棱镜面I-2内部全反射位置K2接近出光面42的整个位置形成上述凸曲面形状，而在比内部全反射面K2远离出光面42的位置为虚拟棱镜条中棱镜面I-2的原状，也可包含比内部全反射位置K2远离出光面42的位置在内，使整个棱镜面为凸曲面形状。作为这种凸曲面形状，可例举出与虚拟棱镜条至少底部共同的曲率半径为r的凸圆柱面形状。
这里，作为用间距P归一化的曲率半径r的值(r/P)，其范围取2～80为宜，7～30的范围较佳，7.5～20的范围更佳，8～15的范围尤佳。这是因为将r/P取为该范围，能使从光偏转元件4中出光面42出射的出射光分布的半值宽度足够窄，可充分提高光源装置的亮度。例如，棱镜条的间距为40μm～60μm时，曲率半径r取250μm～3000μm的范围为宜，取350μm～1000μm的范围较佳，取350μm～700μm的范围更佳。
作为光偏转元件4中各棱镜条的凸曲面形状，虚拟棱镜条棱镜面和凸曲面形状棱镜面的最大距离d与上述棱镜条排列间距P的比(d/P)为0.05％～5％范围的这种比较缓变的曲面形状为宜，0.1％～3％的范围较佳，0.2％～2％的范围更佳，0.7％～1.5％的范围尤佳。这是因为d/P超过5％，则光偏转元件4的聚光效应受损，存在产生光发散的趋势，趋向于不能使光偏转元件4中出光面出射的出射光分布半值宽度充分缩小。反之，d/P不到0.05％，则光偏转元件4的聚光效应不充分，趋向于不能使光偏转元件4中出光面出射的出射光分布半值宽度充分缩小。
在本发明中，光偏转元件4的各棱镜条的凸曲面形状不限于如上所述的曲率半径r的剖面圆弧状，如果是在上述那样的d/p的范围内，也可以是非球面状的凸曲面形状。
本发明中，上述那样的凸曲面形状的棱镜面至少形成在远离一次光源1侧的面为佳。这样，在导光体3的端面32也配置一次光源时，能充分减小从光偏转元件4出射的光的分布角度。凸曲面形状的棱镜面当例如导光体3传播的光在与光入射面31相反侧的端面32进行反射而返回的比例较大时，接近一次光源1侧的棱镜面也做成凸曲面形状较佳。将接近一次光源1侧的棱镜面做成对出光面42的法线方向与虚拟棱镜面I-2对应的实际棱镜面对称的形状尤佳。反之，凸曲面形状的棱镜面在例如导光体3传播的光在与光入射面31相反侧的端面32进行反射而返回的比例较小时，接近一次光源1侧的棱镜面也可为平面。为了抑制对导光体3装光偏转元件4时产生卡阻现象而需要使棱镜条顶部呈尖形(明显地形成顶部前端的棱边)时，使接近一次光源1侧的棱镜面为平面，与两个棱镜面均为凸面时相比，能较正确地做成用于形成棱镜条的成型模构件中形状复制面的形状，棱镜条顶部容易形成尖状，因而较佳。
本发明的光偏转元件中，为了在精确制作所希望棱镜形状，取得稳定光学性能的同时，抑制组装作业时和作为面光源装置使用时的棱镜顶部磨损和变形，可在棱镜条的顶部形成平坦部或曲面部。这时，从抑制产生作为面光源装置时亮度降低和卡阻现象造成的亮度不均匀图案的角度看，棱镜顶部所形成平坦部或曲面部的宽度取3μm以下为宜，取2μm以下较佳，取1μm以下更佳。
本发明中，为了提高质量，可调整作为面光源装置时的视野角，或者在光偏转元件的出光面侧形成光扩散面，使棱镜条中含有光扩散剂。作为光扩散层，其形成方法可为在光偏转元件的出光面侧装光扩散板，或者在出光面侧与光偏转元件合为一体地形成光扩散层。这时，为了尽可能不妨碍光偏转元件视野窄带来的亮度提高效果，最好形成异向扩散性光扩散层，使光在所希望的方向扩散。作为分散在棱镜条中的光扩散剂，可用折射率与棱镜条中不同的透明微粒子。这时，选择光扩散剂的含有量、粒径、折射率等，以便尽可能不妨碍光偏转元件使视野窄带来的亮度提高效果。
这样。在导光体3的光出射面33上装上述那样的光偏转元件4，使其棱镜条形成面成为入光面侧，能进一步缩小导光体3中光出射面33出射的方向性出射光在XZ面的出射光分布，可达到作为光源装置时亮度高、视野窄。来自这种光偏转元件4的出射光在XZ面内的出射光分布，其半值宽度在5度～25度的范围为宜，10度～20度的范围较佳，12度～18度的范围更佳。这是因为如果该半值宽度为5度以上，造成视野极端窄，会失去图像等的难见度，而25度以下，则能达到提高亮度和缩小视野。
本发明中光偏转元件4的缩小视野影响导光体3中光出射面33的出射光分布(XZ面内)的扩展程度(半值宽度)，因而光偏转元件4中出光面42的出射光分布半值宽度A相对于导光体3中光出射面33的出射光分布半值宽度B的比率随该半值宽度B变化。例如，该半值宽度B不到26度时，半值宽度A在半值宽度B的30％～95％的范围为宜，在半值宽度B的30％～80％的范围较佳，在半值宽度B的30％～70％的范围更佳。该半值宽度B为26度以上时，半值宽度A在半值宽度B的30％～80％的范围为宜，在半值宽度B的30％～70％的范围较佳，在半值宽度B的30％～60％的范围更佳。尤其是，该半值宽度B为26度～36度时，半值宽度A在半值宽度B的30％～80％的范围为宜，在半值宽度B的30％～70％的范围较佳，在半值宽度B的30％～60％的范围更佳。来自导光体3的出射光分布的半值宽度B超过36度时，半值宽度A在半值宽度B的30％～70％的范围为宜，在半值宽度B的30％～60％的范围较佳，在半值宽度B的30％～50％的范围更佳。
这样，本发明中，导光体3的出射光分布半值宽度越大，视野缩小的效果越大，因而在缩小视野的效率方面，将光偏转元件与出射光分布半值宽度B为26度以上的导光体组合使用为宜，该半值宽度B超过36度的导光体较佳。导光体3的出射光分布半值宽度小时，缩小视野的效果小，但导光体3的出射光分布半值宽度越小，越能实现高亮度，因而在提高亮度方面，将光偏转元件与出射光分布半值宽度B不到26度的导光体组合使用为佳。
一次光源1是在Y方向延伸的线状光源，作为该一次光源1，可用例如荧光灯或冷阴极管。本发明中，作为一次光源1，不限于线状光源，可用LED光源、卤素灯、金属卤化物灯等点光源。尤其用于便携电话机和便携信息终端设备等的屏幕尺寸较小的显示装置时，用LED等小型点光源为佳，一次光源1不仅如图1所示设置在导光体3的一个侧端面，而且根据需要，还可以进一步设置在相对的另一侧端面。
光源反射器2是将一次光源1的光低损耗地引导到导光体3的部件。作为其材料，可用例如表面具有金属蒸镀反射层的塑料膜。如图中所示，光源反射器2从光反射元件5的端缘部外表面经一次光源1的外表面卷绕到光偏转元件4的出光面端缘部。另外，光源反射器2也可避开光偏转元件4，从光反射元件5的端缘部外表面经一次光源1的外表面卷绕到导光体3的出光面端缘部。
也可在导光体3的侧端面31以外的侧端面添加与这种光源反射器2相同的反射构件。作为光反射元件5，可用例如表面具有金属蒸镀反射层的塑料板。本发明中，作为光反射元件5，可以是利用金属蒸镀等在导光体3的背面34形成的光反射层等，以代替反射板。
本发明的导光体3和光偏转元件4可由光透射率高的合成树脂组成。作为这种合成树脂，其例子有甲基丙烯树脂、丙烯树脂、聚碳酸酯类树脂、聚酯树脂、聚氯乙烯类树脂。尤其甲基丙烯树脂，其光透射率高，耐热性、力学特性、成形加工性优良，最合适。作为这种甲基丙烯树脂，是以甲基丙烯酸甲酯为主成分的树脂，甲基丙烯酸甲酯达80重量％以上的为佳。在形成导光体3和光偏转元件4中粗糙面的表面结构或棱镜条等的表面结构时，可以用具有所需表面结构的模具以热压形成透明合成树脂板，也可用丝网印刷、挤压成形和注塑成形等，在成形的同时赋予形状。又能用热固化或光固化树脂等，形成结构面。还可在聚酯类树脂、丙烯类树脂、聚碳酸酯类树脂、聚氯乙烯类树脂、聚甲基丙烯酰亚胺类树脂等组成的透明膜或板等透明基材上，在表面形成活性能量线固化型树脂构成的粗糙面结构或棱镜条排列结构，也可用粘接、融接等方法，在个体透明基材上将这种薄板接合为一体。作为活性能量线固硬化型树脂，可用多官能(甲基)丙烯酸化合物、聚乙烯化合物、(甲基)丙烯酸酯类、烯丙化合物、(甲基)丙烯酸的金属盐化合物等。
在以上那样的一次光源1、光源反射器2、导光体3、光偏转元件4和光反射元件5组成的面光源装置的发光面(光偏转元件4的出光面42)上，配置液晶显示元件，从而构成液晶显示装置。观看者从图1的上方通过液晶显示元件观看液晶显示装置。本发明中，由于能从面光源装置将分布足够窄的光入射到液晶显示元件，液晶显示元件中无灰度反相等，能得到亮度、色相均匀性良好的图像显示，同时能得到集中在所需方向的光照射，可提高对该方向照明的一次光源所发光量的利用率。
图3是示出本发明的面光源装置另一实施形态的示意立体图。此实施形态与对上述图1、图2说明的实施形态的不同点仅在于导光体3的背面34为平坦面，形成从光入射端面31到相反侧端面32的方向上厚度逐渐减小的楔状，并且一次光源1附近配置防止亮光和暗光用的遮光件6。
以上的实施形态对面光源装置进行了说明，但本发明也可用于Y方向尺寸为例如导光体3厚度的5倍以下的X方向细长的棒状光源装置。这时，作为一次光源1，可用LED等大致点状的光源装置。
下面，用实施例具体说明本发明。以下的实施例中，各种性能的测量进行如下。
面光源元件法线亮度、发光强度半值宽度的测量将冷阴极管用作光源，对逆变器(HARISON公司制造的HIU-742A)施加直流12V，以高频使其点亮。亮度方面，将面光源装置或导光体表面按20mm的正方形划分成3×5个，求各正方形法线方向亮度值对15的平均值。发光强度半值宽度方面，在面光源装置或导光体的表面固定具有φ4mm的针孔的黑纸，使针孔位于表面的中央，并且调整距离，使亮度计测量的圆为8mm～9mm，又进行调节，使测角器的旋转轴在冷阴极管纵轴的垂直方向和平行方向以针孔为中心进行旋转。使旋转轴分别在各方向以0.5度的间隔从+80度旋转到-80度，同时用亮度计测量出射光的发光强度分布，求出法线方向的亮度、发光强度分布的半值宽度(半峰值分布的扩展角)。
平均倾斜角(θa)的测量遵照ISO4287/1-1987，以触针采用010-2528(R为1μm且55度的圆锥形金刚石)的触针式表面粗糙度计(东京精器株式会社制造的SAHCOM570A)，用0.03mm/秒的驱动速度测量粗糙面的表面粗糙度。从该测量所得的记录曲线以平均值的差校正其斜率，根据上述式(1)和式(2)计算并求出平均倾斜角。
借助用丙烯树脂(三菱REYON株式会社制造的ACRYPET VH5#000)进行注塑成形，制作一个面为粗糙面(平均倾斜角3.0度)的导光板。该导光板形成195mm×253mm、厚度3mm至1mm的楔板状。在该导光体的镜面侧用丙烯类紫外线固化树脂形成相连并排着的顶角140度、间隔50μm的棱镜条的棱镜层，使其与导光体中长度为195mm的边(短边)平行。配置冷阴极管，沿其长边用光源反射器(丽光公司制造的银反射膜)覆盖，并且使该冷阴极管与导光体中长度为53mm的边(长边)相应的一个侧端面(厚度3mm侧的端面)对置。再在另一侧端面粘贴光扩散反射膜(TORAY公司制造的E60)，并且在棱镜条阵列(背面)配置反射板。将以上的结构体装入壳体。该导光体的光出射率为1.5％，出射光的发光强度分布最大峰值相对于光出射面法线方向为70度，半值宽度(半值宽度B)为24.5度。
另一方面，制作棱镜板，该板在厚度50μm的聚酯膜的一个表面用折射率1.5064的丙烯类紫外线固化树脂形成相连并排着多个棱镜条的棱镜条形成面，这些棱镜条的两个棱镜面的整个面均分别为表1所示曲率半径的凸曲面形状，并且棱镜条的间距为50μm。这时，作为虚拟棱镜条，设定间距50μm，且顶角65.4度的等腰三角形剖面的棱镜条，使棱镜板的出射光在其出光面的法线方向。
装配所得的各棱镜板，使棱镜条形成面朝向上述导光体的光出射面侧，并且棱镜条的棱线与导光体的光入射面平行。求出以上那样制作的面光源装置的峰值亮度的强度比和与冷阴极管垂直方向面内的出射光分布半值宽度(半值宽度A)，其结果示于表1。
除棱镜板的形成有棱镜条的棱镜面为平面外，与实施例1相同，制作棱镜板，该板在一个表面形成间距为50μm，且顶角65.4度的等腰三角形剖面的棱镜条。装配该棱镜板，使棱镜条形成面朝向实施例1中所得导光体的光出射面侧，并且棱镜条的棱线与导光体的光入射面平行。求出以上那样制作的面光源装置的峰值亮度的强度比和与冷阴极管垂直方向面内的出射光分布半值宽度(半值宽度A)，其结果示于表1。
用丙烯树脂(三菱REYON株式会社制造的ACRYPET VH5#000)进行注塑成形，制作一个面为粗糙面(平均倾斜角8.0度)的导光板。该导光板形成195mm×253mm、厚度3mm至1mm的楔板状。在该导光体的镜面侧用丙烯类紫外线固化树脂形成相连并排着顶角140度、间距50μm的棱镜条的棱镜层，使其与导光体中长度为195mm的边(短边)平行。配置冷阴极管，沿其长边用光源反射器(丽光公司制造的银反射膜)覆盖，并且使该冷阴极管与导光体中长度为53mm的边(长边)相应的一个侧端面(厚度3mm侧的端面)对置。再在另一侧端面粘贴光扩散反射膜(TORE公司制造的E60)，并且在棱镜条阵列(背面)配置反射板。将以上的结构体装入壳体。该导光体的光出射率为4.5％，出射光的发光强度分布最大峰值对光出射面法线方向为61度，半值宽度(半值宽度B)为39度。
另一方面，制作棱镜板，该板在厚度50μm的聚酯膜的一个表面用折射率1.5064的丙烯类紫外线固化树脂形成相连并排着多个棱镜条的棱镜条形成面，这些棱镜条的两个棱镜面的整个面均分别为表2所示曲率半径的凸曲面形状，并且棱镜条的间距为50μm。这时，作为虚拟棱镜条，设定间距50μm，且顶角65.4度的等腰三角形剖面的棱镜条，使棱镜板的出射光在其出光面的法线方向。
装配所得的各棱镜板，使棱镜条形成面朝向上述导光体的光出射面侧，并且棱镜条的棱线与导光体的光入射面平行。求出以上那样制作的面光源装置的峰值亮度的强度比和冷阴极管垂直方向面内的出射光分布半值宽度(半值宽度A)，其结果示于表2。
除棱镜板的形成有棱镜条的棱镜面为平面外，与实施例1相同，制作棱镜板，该板在一个表面形成间距为50μm，且顶角65.4度的等腰三角形剖面的棱镜条。装配该棱镜板，使棱镜条形成面朝向实施例2中所得导光体的光出射面侧，并且棱镜条的棱线与导光体的光入射面平行。求出以上那样制作的面光源装置的峰值亮度的强度比和与冷阴极管垂直方向面内的出射光分布半值宽度(半值宽度A)，其结果示于表2。
生产上的可用性如以上所说明，根据本发明，以按照导光体峰值出射光倾斜角设定的虚拟棱镜条形状为基准，将光偏转元件的入光面上形成的棱镜条的至少一个棱镜面做成凸面形状，因而能提供使一次光源发的光向所需观看方向集中出射的效率(一次光源的光量利用率)得到提高，而且光偏转元件出光面为平坦面简化得便于成形的光源装置。尤其在本发明中，对光偏转元件中入光面的棱镜面倾斜角做成在比根据导光体峰值出射光倾斜角设定的虚拟棱镜条的位置接近出光面的位置，具有大于虚拟棱镜面倾斜角的倾斜角的凸曲面形状，因而能提供提高将一次光源发的光集中到所需观看方向出射的效率(一次光源的光量利用率)而且光偏转元件出光面按平坦面简化得便于成形的光源装置。
权利要求
1.一种光源装置，配备一次光源、具有入射该一次光源所发光的光入射面和引导入射光并将其出射的光出射面的导光体以及与该导光体的光出射面相邻配置的光偏转元件，该光源装置为侧照式，其特征在于，该光偏转元件具有所处位置与所述导光体的光出射面对置的入光面和处于其相反侧的出光面，所述入光面上形成有相互并列配置的多个棱镜条，该棱镜条具有两个棱镜面，至少远离所述一次光源侧的棱镜面在比进行内部全反射的位置要靠近所述出光面的位置，至少一部分棱镜面为凸曲面形状，所述内部全反射位置是指，在所述导光体光出射面所出射光的出射光分布中、沿峰值光的方向掠过相邻棱镜条的顶部后从靠近一次光源侧的棱镜面入射的光在远离所述一次光源侧的棱镜面进行内部全反射的位置。
2.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述光偏转元件的各棱镜条的凸曲面形状是曲率半径r与所述棱镜条的排列间距P之比(r/P)为2～30的大致凸圆柱面形状。
3.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述光偏转元件的各棱镜条凸曲面形状的棱镜面与连接该棱镜面的顶部和底部的平面间的最大距离d与所述棱镜条的排列间距P的比(d/P)为0.05％～5％。
4.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述光偏转元件的各棱镜条的靠近一次光源侧的棱镜面，连接该棱镜面的顶部和底部的平面的倾斜角为大于等于45度。
5.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述光偏转元件的各棱镜条的顶角为50度～70度。
6.如权利要求1～5中任一项权利要求所述的光源装置，其特征在于，所述导光体的光出射面和/或其相反侧的背面是具有方向性光出射功能的面。
7.如权利要求6所述的光源装置，其特征在于，所述具有方向性光出射功能的面的平均倾斜角为0.5度～15度。
8.如权利要求6所述的光源装置，其特征在于，所述具有方向性光出射功能的面是粗糙面或多个棱镜条排列而成的面。
9.一种光源装置，配备一次光源、具有入射该一次光源所发光的光入射面和引导入射光并将其出射的光出射面的导光体、以及与该导光体的光出射面相邻配置的光偏转元件，其特征在于，该光偏转元件具有所处位置与所述导光体的光出射面对置的入光面和处于其相反侧的出光面，所述入光面上形成有相互并列配置的多个棱镜条，该棱镜条具有两个棱镜面，至少远离所述一次光源的棱镜面的至少一部分为曲率半径r与所述棱镜条的排列间距P之比(r/P)为7～30的凸曲面形状；所述导光体的光出射面和/或其相反侧的背面是平均倾斜角为0.5度～15度的具有方向性光出射功能的面。
10.如权利要求9所述的光源装置，其特征在于，所述光偏转元件的各棱镜条的凸曲面形状是曲率半径r与所述棱镜的排列间距P之比(r/P)为2～30的大致凸圆柱面形状。
11.如权利要求9所述的光源装置，其特征在于，所述光偏转元件的各棱镜条凸曲面形状的棱镜面与连接该棱镜面的顶部和底部的平面的最大距离d与所述棱镜条的排列间距P的比(d/P)为0.05％～5％。
12.如权利要求9所述的光源装置，其特征在于，所述光偏转元件的各棱镜条的一次光源邻近侧的棱镜面，连接该棱镜面的顶部和底部的平面的倾斜角为大于等于45度。
13.如权利要求9所述的光源装置，其特征在于，所述光偏转元件的各棱镜条的顶角为50度～70度。
14.如权利要求9～13中任一项权利要求所述的光源装置，其特征在于，所述具有方向性光出射功能的面是粗糙面或多个棱镜条排列而成的面。
全文摘要
具有引导一次光源的光并且从出射面(33)倾斜出射的导光体(3)和与光出射面相邻配置的光偏转元件(4)。光偏转元件的入光面(41)上形成并排的多个棱镜条。远离该一次光源侧的棱镜面在设想虚拟棱镜条(I)时，以所述虚拟棱镜条的形状为基准，形成凸曲面形状，该虚拟棱镜条使导光体光出射面出射的光的出射光分布中的峰值出射光从一个棱镜面进入，在另一棱镜面进行内部全反射后，从出光面(42)往所希望的方向出射，并且按与光偏转元件中棱镜条排列间距相同的间距排列，其顶角θ为50度～70度。用棱镜条排列间距P归一化后的曲率半径r的值(r/P)为7～30，棱镜面与虚拟棱镜条(I)的棱镜面的最大距离d与棱镜条的排列间距P的比(d/P)为0.05％～5％。
文档编号G02B5/04GK1737663SQ20051009170
公开日2006年2月22日 申请日期2001年12月11日 优先权日2000年12月13日
发明者山下友羲, 千葉一清 申请人:三菱丽阳株式会社