专利名称：面光源装置和液晶显示器装置及透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及使例如发光二极管等的光源的指向性扩展的透镜得以运用的面光源装置和液晶显示器装置及透镜。
背景技术：
在现有的大型的液晶显示器装置的面光源装置中，冷阴极管被大量配置在液晶面板正下方，这些冷阴极管与扩散板和反射片一起被使用。近年来，作为面光源装置的光源所使用的是发光二极管。发光二极管近年来效率提高，被期待作为取代荧光灯的消耗功率少的光源。另外就作为液晶显示器装置用的光源而言，能够根据映像控制发光二极管的明暗， 而使液晶显示装置的消耗功率降低。在以液晶显示装置的发光二极管为光源的面光源装置中，会配置大量的发光二极管来替代冷阴极管。通过使用大量的发光二极管，能够在面光源装置表面得到均勻的亮度， 但大量需要发光二极管则不能确保价格低廉的问题存在。于是试图加大单个发光二极管的输出功率，以减少发光二极管的使用个数，例如在专利文献1中提出一种按照少量个数的发光二极管也能够得到均勻的面光源的方式构成的透镜。为了获得在少量个数的发光二极管下均勻的面光源，需要使一个发光二极管照明的照明区域增大。即，需要通过使来自发光二极管的光扩张而使指向性扩展。为此在专利文献1中，将用于控制芯片状发光二极管的指向性的且在俯视下为圆形的透镜配置在发光二极管之上。就该透镜的形状而言，在使光出射的出射面中的光轴邻域部分成为凹面，其外侧部分成为与凹面接连的凸面。在发光二极管中，在发光二极管的芯片的正面方向发出最多的光。在专利文献1 所公开的透镜中，经由光轴邻域的凹面使来自光源的朝向正面方向的光通过折射得以发散。由此，能够抑制在被照射面的光轴邻域的照度，从而得到有扩展的照度分布。先行技术文献专利文献专利文献1 专利第3875247号
发明内容
本发明的面光源装置，涉及具有由多个发光二极管和使来自该发光二极管的光扩张的透镜所构成的光源部的面光源装置。光源部的透镜具有以光轴为中心地入射来自发光二极管的光的入射面、和使入射的光扩张并出射的出射面；入射面具有连续的凹面，并且出射面具有连续的凸面。并且，透镜中sagY从最大值SagYtl随着θ i的增加而减少，其中，由使出射面上的任意的点和发光二极管的位置所对应的光轴上的基点得以连结的直线与光轴所形成的角度设为θ i，从光轴上的基点至出射面上的任意的点沿光轴方向测量的距离设为sagY，在9 1为0°时的sagY设为SagYtl;再有，出射面除了光轴的邻域采用满足10° < θπ η<30°的形状，其中，在包含光轴的断面中的该出射面上的微小区间的曲率C达到最小时的θ 设为θπ η。另外，本发明的液晶显示器装置，由液晶显示面板、和在该液晶显示面板的背面侧所配置且大小与液晶显示面板相对应的面光源装置构成。并且，面光源装置具有由多个发光二极管和使来自该发光二极管的光扩张的透镜构成的光源部；使该光源部得以收容的框体；在液晶显示面板和光源之间所配置的扩散板；使从光源部出射的光反射到扩散板侧的反射片。在该液晶显示器装置中，光源部按照在中央部排列配置多个透镜的方式构成；光源部的透镜具有以光轴为中心地入射来自发光二极管的光的入射面、和使入射的光扩张并出射的出射面，入射面具有连续的凹面，并且出射面具有连续的凸面。并且，透镜中SagY从最大值SagYtl随着θ i的增加而减少，其中，由使出射面上的任意的点和发光二极管的位置所对应的光轴上的基点得以连结的直线与光轴所形成的角度设为θ i，从光轴上的基点至出射面上的任意的点沿光轴方向测量的距离设为sagY，在θ i为0°时的sagY设为SagYtl ；再有，出射面除了光轴的邻域采用满足10° < θπ η<30°的形状，其中，在包含光轴的断面中的该出射面上的微小区间的曲率C达到最小时的θ 设为θπ η。另外，本发明的透镜，是使来自发光二极管的光扩张的透镜，其中，所述透镜具有以光轴为中心地入射来自发光二极管的光的入射面、和使入射的光扩张并出射的出射面， 入射面具有连续的凹面，并且出射面具有连续的凸面。并且，所述透镜中SagY从最大值 SagY0随着θ i的增加而减少，其中，由使所述出射面上的任意的点和所述发光二极管的位置所对应的光轴上的基点得以连结的直线与所述光轴所形成的角度设为θ i，从所述光轴上的基点至所述出射面上的任意的点沿光轴方向测量的距离设为sagY，在9 1为0°时的 sagY设为SagYtl;再有，所述出射面除了所述光轴的邻域采用满足10° < θπ η<30°的形状，其中，在包含所述光轴的断面中的该出射面上的微小区间的曲率C达到最小时的θ i 设为9min。
图1是表示使用了一实施方式的面光源装置的液晶显示器装置的整体的概略结构的分解立体图。图2是沿图1的A-A线切断的剖面图。图3是表示面光源装置的光源部的平面图。图4是沿图3的A-A线切断的剖面图。图5是表示透镜的排列的一例的平面图。图6是透镜的结构图。图7是说明透镜的光的光路的说明图。图8是说明透镜的光的光路的说明图。图9是说明具体的实施例1的透镜的结构图。图10是说明具体的实施例2的透镜的结构图。图11是表示实施例1的透镜的θ i和sagX、Y的关系的图。图12是表示实施例1的透镜的θ i和微小曲率C的关系的图。图13是表示实施例2的透镜的θ i和sagX、Y的关系的图。图14是表示实施例1的透镜的θ i和微小曲率C的关系的图。
图15A是用于说明透镜的光路的说明图。图15B是用于说明透镜的光路的说明图。图16是表示面光源装置的另一例的立体图。图17是表示图16所示的面光源装置的要部的结构的剖面图。
具体实施例方式以下，一边参照附图，一边对于一实施方式的面光源装置和使用了该面光源装置的液晶显示器装置进行说明。图1是表示使用了一实施方式的面光源装置的液晶显示器装置的整体的概略结构的分解立体图，图2是沿图1的A-A线切断的剖面图。如图1、图2所示，液晶显示器装置由以下部件构成为长方形的平板形状的透射型的液晶显示面板1 ；和在该液晶显示面板1的背面侧所配置、且与液晶显示面板1对应的大小的长方体形状的面光源装置2。面光源装置2具有沿着液晶显示面板1的长边方向按照与液晶显示面板1的中央部对向的方式以直线状配置的光源部3 ；收容该光源部3的长方体形状的框体4 ；以覆盖该框体4的开口部的方式配置、且配置在所述液晶显示面板1和光源部3之间的扩散板5 ； 使从所述光源部3出射的光反射到液晶显示面板1侧、即扩散板5侧的反射片6。扩散板5在与液晶显示面板1之间的前面侧、具有大小与液晶显示面板1相对应的光学片层叠体7。该光学片层叠体7例如由如下构成使来自扩散板5的入射光朝向前方的液晶显示面板1会聚的棱镜片；使来自扩散板5的入射光进一步扩散的扩散片；按照使入射光的偏振面对应液晶显示面板1的偏振面的方式，使具有特定的偏振面的光透过的偏振片等。另外，在本实施方式中，光源部3按照与液晶显示面板1的中央部对向的方式以直线状配置，由此仅被配置在面光源装置2的大致中央部。图3是表示面光源装置的光源部的平面图，图4是沿图3的A-A线切断的剖面图。光源部3其构成如下在背面侧形成有规定的配线图案的狭条状的绝缘性的基板 8的表面上，以规定的间隔贴装多个发光二极管9 ；与该各个发光二极管9对应地，将使圆柱沿着长轴方向切割成一半的大致半圆柱形状的多个透镜10以盖在所述发光二极管9上的方式配置。还有，虽然未图示，但发光二极管9以不接触空气的方式，由环氧树脂或硅橡胶等的包封用的树脂覆盖。透镜10使来自作为光源的发光二极管9的光扩张并照射到被照射体上，例如由具有1. 4至2. 0左右的折射率的透明的材料构成。作为构成透镜10的透明材料，能够使用环氧树脂、硅树脂、丙烯酸树脂、聚碳酸酯等的树脂，玻璃，或者硅橡胶等的橡胶。其中，优选使用作为发光二极管9的包封用的树脂所使用的环氧树脂或硅橡胶等。在本实施方式中，光源部3如图5所示，通过如下方式构成使多个发光二极管9 和多个透镜10以至少排列成2列的方式按多列配置。还有，在图5所示的示例中，光源部3 的多个透镜10，在相邻的列间交错状地排列，但也可以不交错状排列而在相邻的列间使之处在相同的位置而进行排列。另外，排列的列数至少是2列即可，也可以排列3列、4列。如此在面光源装置2中，光源部3按照在中央部直线状配置多个发光二极管9和多个透镜10的方式构成，并且所述多个发光二极管9和多个透镜10按照至少排列成2列的方式配置，由此，各个透镜列所对应的亮度分布交替重叠，能够减少亮度分布的不均勻。在此，如图4所示，在上述实施方式中，光源部3其排列方式为，透镜10的排列方向的长度L和相邻的透镜10间的间隔1的关系为L < 1，并且透镜10间的间隔1大致均等。通过成为这样的结构，作为面光源装置2就能够确保充分的亮度，而且能够以很少的个数的透镜10构成光源部3，能够廉价地构成装置。可是，如图1、图2所示，在按照与液晶显示面板1的中央部对向的方式按一列以直线状配置来构成光源部3时，本发明者们通过实验确认到的结果中，在面光源装置2的端部，从扩散板5出射的光少，难以确保充分的亮度。这种情况下，使用输出功率大的发光二极管9即可，但价格高。另一方面，作为液晶显示器装置，要求画面的中央部与周边部相比更亮。在本实施方式中，如图5所示，多个透镜10中使中央部的各个透镜10的配置间隔变窄而比其他部分更密地配置，由此改变光源部3的各个光源的配置间隔，从而能够成为以整体上均勻的亮度发光的面光源，另外，也能够满足对于液晶显示器装置的画面的亮度的要求。S卩，如图5所示，本实施方式的光源部3其配置方式为，将在中央部3a和周边部北中的各个透镜10的配置间隔变窄而紧密地配置，并且在中央部3a和周边部北之间的中间部3c的各个透镜10的配置间隔按照比所述中央部3a和周边部北宽的方式配置。另外， 在中央部3a和中间部3a的边界、和中间部3c和周边部北的边界，按照逐渐使透镜10的间隔变化的方式配置。接着，对于光源部3的透镜10的结构，更详细地进行说明。图6是透镜的结构图，图7是表示图6所示的透镜10的光路的图。照明用的透镜10在作为具有指向性的光源的发光二极管9与作为被照射面的扩散板5之间被配置、且使来自光源的光扩张并照射到被照射面。S卩，经由透镜10使光源的指向性得以扩展。被照射面的照度分布中，在透镜10的设计上的作为中心线的光轴A上最大，越向周围进展就越大致单一调地减少。还有，光源和透镜10按彼此的光轴一致的方式进行配置。具体来说，透镜10具有入射来自光源的光的入射面11、和使入射的光出射的出射面12。另外，透镜10具有在入射面11的周围朝向与出射面12相反侧的环状的底面13。此外在本实施方式中，设有在出射面12和底面13之间朝着径向外侧胀出的环部14，由该环部 14的断面大致二字状的外面将出射面12的周边和底面13的外周边连接。但是，环部14可以省略，出射面12的周边和底面13的外周边由断面直线状或圆弧状的端面连接也可。发光二极管9以与透镜10的入射面11接近的方式配置。优选透镜10的入射面 11能够也对应发光二极管9的发光面的高度的偏差，如此在光轴方向以超过发光二极管9 的发光面的方式扩展。在本实施方式中，与发光二极管9的发光面相反侧的面位于与照明用透镜的底面13的同一平面上，与发光二极管9的发光面相反侧的面(换言之，就是贴装发光二极管9的基板8的表面)与光轴A的交点为基点Q。从透镜10的出射面12出射的光到达被照射面而照明被照射面。发光二极管9内的发光不具有指向性，但若发光区域的折射率为2. 0以上，光侵入折射率低的区域，则在界面的折射的影响下，在界面的法线方向具有最大的强度，从法线方向角度变得越大，光的强度越小。如此发光二极管9具有指向性，为了照明宽阔的范围，需要由透镜10扩展指向性。还有，在发光二极管9的发光面上，由包封树脂形成穹顶型的包封部，由此能够进一步扩展作为光源的指向性，且也可以提高光的引出效率。透镜10的入射面11是连续凹面。入射面11优选相对于光轴A旋转对称，但也可以不是相对于光轴A旋转对称的。例如，如果光源从光轴方向看时为长方形，则入射面11 从光轴方向看也可以是与光源同方向延长的椭圆形。围绕入射面11的底面13在本实施方式中是平面。另外，出射面12是连续的凸面，优选相对于光轴旋转对称，但也可以不是相对于光轴A旋转对称的。例如，如果光源从光轴方向看时为长方形，则出射面12从光轴方向看也可以是与光源同方向延长的椭圆形。在本实施方式中，出射面12相对于光轴A旋转对称。 出射面12的中心部分的曲率优选实质上为0。在此，所谓“中心部分”是指，从光轴A至规定半径(例如，从光轴方向看时的出射面12的最外周的半径(有效直径)的1/10)以内的区域。所谓“实质上为0”是指，在从光轴A上的基点Q至出射面12上的任意的点为止在光轴方向测量的距离设为凹陷量(sagY)时，所述中心部分的最大凹陷量和最小凹陷量的差是0. Imm以下。据此，可以制作成形容易、公差强的透镜10。还有，透镜10的俯视下的轮廓，不需要相对于光轴A旋转对称。例如，也可以在环部14以夹隔光轴A的方式设有相互平行的一对平面部，使透镜10从光轴方向看时为椭圆形。如图7所示，表示从发光二极管9的光轴A附近出射且到达透镜10的入射面11 的光线的光路。从发光二极管9出射的光，经由透镜10的入射面11 一边折射到偏离光轴 A的方向一边透过，其后到达出射面12。到达的光由出射面12 —边折射一边透过，其后到达被照射面的宽阔范围。0035在此，就透镜10而言，由使出射面12上的任意的点和光轴A上的基点Q得以连结的直线与光轴所形成的角度设为θ i，从光轴A上的基点Q至所述出射面12上的任意的点为止沿光轴方向测量的距离设为sagY，θ i为0°时的sagY设为SagYtl的情况下，sagY以 SagY0为最大且单调地减少；就出射面12而言，除了光轴A的邻域，出射面12上的微小区间的曲率C达到最小时的设为θπ η的情况下，优选θπ η满足下式(1)。还有，所谓 “光轴A的邻域”，是指距光轴A为规定角度(例如θ i = 2° )以内的区域。10° < θ min < 30° …(1)关于透镜10的出射面12，通过满足式(1)的条件，发光二极管9的尺寸发生变化， 由此同时变动的菲涅尔反射成分变少。另一方面，若超过式(1)的下限，则上述的菲涅尔反射成分容易发生，若超过上限，则透镜10的尺寸(例如光轴方向的长度)变得过大。图8表示从发光二极管9的端面附近相对于光轴A以大角度出射、到达入射面11 的光线的光路。从发光二极管9出射的光，一边经由入射面11折射一边透过，其后到达出射面12。到达的光一边经由出射面12折射一边透过，其后到达被照射面。在图8中，发光二极管9的发光面的最大宽度设为D，透镜10的中心厚度设为t时，优选满足下式(2)。0. 3 < D/t < 3. 0... (2)通过满足这样的条件，发光二极管9的尺寸变化，从而变动的菲涅尔反射成分变少。另一方面，若超过式O)的下限，则透镜10的尺寸(例如光轴方向的长度)变大，若超过上限，则上述的菲涅尔反射成分容易发生。0. 03 < D/De < 0. 3…(3)通过满足这样的条件，发光二极管9的尺寸变化，由此同时变动的菲涅尔反射成分变少。另外，若超过式(3)的下限，则透镜10的尺寸(例如与光轴垂直方向的长度)变大，若超过上限，则上述的菲涅尔反射成分容易发生。可是，使用出射面12为凹面的透镜10时，从发光二极管9出射的光，经由入射面 11 一边折射一边透过，其后到达出射面12。到达的光的一部分在出射面12发生菲涅尔反射，由透镜10的底面13折射后，朝向基板8。光被基板8扩散反射，由底面13再折射后， 由出射面12 —边折射一边透过，其后到达被照射面。在容易发生这样的菲涅尔反射的形状中，若发光二极管9的尺寸变化，则菲涅尔反射成分的影响发生变化，因此被照射面的照度分布发生很大变化，因此发光二极管9的尺寸受到制约。相对于此，在实施方式的透镜10中，菲涅尔反射难以发生，因此能够降低菲涅尔反射的影响，能够缓解对于发光二极管9的尺寸和形状的制约。接着，对于具体的实施例进行说明。图9是实施例1的透镜10的结构图，图10是实施例2的透镜10的结构图。该实施例1、2是以通用品的发光二极管9作为光源且以扩展指向性为目的的设计例。实施例 1、2的发光二极管9的发光面的尺寸例如为3.0X3. 0mm。此外，也可以是例如发光面小的 1. 0X1. 0mm、或发光面为长方形的3. OX 1. Omm等。在图9和图10中，θ i是使光轴A上的基点Q与入射面11和出射面12上的任意的点得以连结的直线与光轴A所形成的角度。sagX是从光轴A上的基点Q到入射面11上的任意的点为止沿光轴方向测量的距离，sagY是从光轴A上的基点Q到出射面12上的任意的点为止沿光轴方向测量的距离。首先，实施例1的具体的数值表示在表1中。[表 1]
权利要求
1.一种面光源装置，具有由多个发光二极管和使来自该发光二极管的光扩张的透镜构成的光源部，其特征在于，所述光源部的透镜具有以光轴为中心地入射来自发光二极管的光的入射面、和使入射的光扩张且出射的出射面；所述入射面具有连续的凹面，所述出射面具有连续的凸面；并且，所述透镜中sagY从最大值SagYtl随着θ i的增加而减少，其中，由使所述出射面上的任意的点和所述发光二极管的位置所对应的光轴上的基点得以连结的直线与所述光轴所形成的角度设为θ i，从所述光轴上的基点至所述出射面上的任意的点沿光轴方向测量的距离设为sagY，在9 1为0°时的sagY设为SagYtl;所述出射面除了所述光轴的邻域采用满足 10° < θπ η<30°的形状，其中，在包含所述光轴的断面中的该出射面上的微小区间的曲率C达到最小时的θ 设为θπ η。
2.根据权利要求1所述的面光源装置，其特征在于，所述透镜中，在以θπ η为边界、将从0°至所述θ min的范围设为第一角度范围且将从所述θπ η至90°的范围设为第二角度范围时，所述微小区间的曲率C在所述第一角度范围中达到最大。
3.根据权利要求1所述的面光源装置，其特征在于，所述透镜中，在以θ min为边界、将从0°至所述θ min的范围设为第一角度范围且将从所述θπ η至90°的范围设为第二角度范围时，所述微小区间的曲率C在所述第二角度范围中达到最大。
4.根据权利要求1所述的面光源装置，其特征在于，所述透镜的出射面中，中心部分的曲率实质上为0。
5.根据权利要求1所述的面光源装置，其特征在于，所述透镜采用满足0. 3 < D/t < 3. 0的形状，其中，所述发光二极管的发光面的最大宽度设为D，所述透镜的中心厚度设为t。
6.根据权利要求1所述的面光源装置，其特征在于，所述透镜采用满足0. 03 < D/De < 0. 3的形状，其中，所述发光二极管的发光面的最大宽度设为D，所述透镜的有效直径设为De。
7.根据权利要求1所述的面光源装置，其特征在于，具有由多个发光二极管和使来自该发光二极管的光扩张的透镜构成的光源部；使该光源部得以收容的框体；以覆盖该框体的开口部的方式配置的扩散板；使从所述光源部出射的光反射到所述扩散板侧的反射片，并且，所述光源部按照在中央部排列配置多个透镜的方式构成，
8.一种液晶显示器装置，由液晶显示面板、和在该液晶显示面板的背面侧所配置且大小与液晶显示面板相对应的面光源装置构成，所述面光源装置具有由多个发光二极管和使来自该发光二极管的光扩张的透镜构成的光源部；使该光源部得以收容的框体；在所述液晶显示面板和光源之间所配置的扩散板；使从所述光源部出射的光反射到所述扩散板侧的反射片，所述液晶显示器装置中，其特征在于，所述光源部按照在中央部排列配置多个透镜的方式构成；所述光源部的透镜具有以光轴为中心入射来自发光二极管的光的入射面、和使入射的光扩张并出射的出射面；所述入射面具有连续的凹面，所述出射面具有连续的凸面；并且，所述透镜中sagY从最大值SagYtl 随着θ i的增加而减少，其中，由使所述出射面上的任意的点和所述发光二极管的位置所对应的光轴上的基点得以连结的直线与所述光轴所形成的角度设为θ i，从所述光轴上的基点至所述出射面上的任意的点沿光轴方向测量的距离设为sagY，在9 1为0°时的sagY 设为SagYtl ；所述出射面除了所述光轴的邻域采用满足10° < θπ η<30°的形状，其中， 在包含所述光轴的断面中的该出射面上的微小区间的曲率C达到最小时的设为θπ η。
9.一种使来自发光二极管的光扩张的透镜，其特征在于，所述透镜具有以光轴为中心地入射来自发光二极管的光的入射面、和使入射的光扩张并出射的出射面；所述入射面具有连续的凹面，所述出射面具有连续的凸面；并且，所述透镜中sagY从最大值SagYtl随着θ i的增加而减少，其中，由使所述出射面上的任意的点和所述发光二极管的位置所对应的光轴上的基点得以连结的直线与所述光轴所形成的角度设为θ i，从所述光轴上的基点至所述出射面上的任意的点沿光轴方向测量的距离设为 sagY，在9 1为0°时的sagY设为SagYtl;所述出射面除了所述光轴的邻域采用满足10° < θπ η<30°的形状，其中，在包含所述光轴的断面中的该出射面上的微小区间的曲率C 达到最小时的设为θπ η。
10.根据权利要求9所述的透镜，其特征在于，在以所述θπ η为边界、将从0°至所述θ min的范围设为第一角度范围且将从所述 θ min至90°的范围设为第二角度范围时，所述微小区间的曲率C在所述第一角度范围中达到最大。
11.根据权利要求9所述的透镜，其特征在于，在以所述θ min为边界、将从0°至所述θ min的范围设为第一角度范围且将从所述 θ min至90°的范围设为第二角度范围时，所述微小区间的曲率C在所述第二角度范围中达到最大。
12.根据权利要求9所述的透镜，其特征在于，所述出射面中，中心部分的曲率实质上为0。
13.根据权利要求9所述的透镜，其特征在于，采用满足0. 3 < D/t < 3. 0的形状，其中，所述发光二极管的发光面的最大宽度设为D， 所述透镜的中心厚度设为t。
14.根据权利要求9所述的透镜，其特征在于，采用满足0. 03 < D/De < 0. 3的形状，其中，所述发光二极管的发光面的最大宽度设为 D，所述透镜的有效直径设为De。
全文摘要
本发明涉及一种面光源装置，其具有由多个发光二极管和使来自该发光二极管的光扩张的透镜构成的光源部。光源部的透镜具有以光轴为中心地入射来自发光二极管的光的入射面、和使入射的光扩张并出射的出射面。入射面具有连续的凹面，并且出射面具有连续的凸面。并且，透镜中sagY从最大值sagY0随着θi的增加而减少，其中，由使出射面上的任意的点和发光二极管的位置所对应的光轴上的基点得以连结的直线与光轴所形成的角度设为θi，从光轴上的基点至出射面上的任意的点沿光轴方向测量的距离设为sagY，在θi为0°时的sagY设为sagY0；出射面除了光轴的邻域采用满足10°＜θmin＜30°的形状，其中，在包含光轴的断面中的该出射面上的微小区间的曲率C达到最小时的θi设为θmin。
文档编号F21V5/00GK102369390SQ20118000162
公开日2012年3月7日 申请日期2011年2月1日 优先权日2010年2月2日
发明者松木大三郎, 笠野真弘, 饭山智子 申请人:松下电器产业株式会社