光束控制部件、发光装置、面光源装置以及显示装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及光束控制部件、发光装置、面光源装置以及显示装置，具体涉及控制从发光元件（210）射出的光的光度分布的光束控制部件（100）、具有光束控制部件（100）的发光装置（200）、以及具有发光装置（200）的照明装置（面光源装置（300））。光束控制部件（100）包括：包含形成为与发光元件（210）的光轴（LA）相交的出射凹部（111）的出射面（110）；构成形成在出射凹部（111）的相反侧的入射凹部（121）的内表面的入射面（120）；以及从入射凹部（121）的开口缘部在与光轴（LA）正交的方向延伸的背面（130）。出射面（110）和入射面（120）的至少一方的与光轴（LA）正交的剖面为椭圆形状。
【专利说明】光束控制部件、发光装置、面光源装置以及显示装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及控制从发光元件射出的光的光度分布的光束控制部件。另外，本发明涉及具有所述光束控制部件的发光装置、具有所述发光装置的面光源装置、以及具有所述面光源装置的显示装置。
【背景技术】
[0002]在液晶显示装置等透射型图像显示装置中，有时使用直下型的面光源装置作为背光源。近年来，逐渐使用具有多个发光元件作为光源的直下型面光源装置。
[0003]例如，直下型的面光源装置包括基板、多个发光元件、多个光束控制部件(透镜)以及光扩散部件。多个发光元件呈矩阵状配置在基板上。在各发光元件上配置有使从各发光元件射出的光沿基板的面方向扩散的光束控制部件。从各光束控制部件射出的光被光扩散部件扩散，呈面状照射被照射部件(例如液晶面板)。
[0004]另一方面，在专利文献I中公开了一种控制从发光元件射出的光的光度分布的光束控制部件，其能够在与发光元件的光轴正交、并且相互之间正交的2个方向上分别单独地控制光度分布。图1是表示记载于专利文献I中的具有发光元件20和光束控制部件(透镜)30的发光装置10的结构的图。图1A是发光装置10的俯视图，图1B是图1A所示的A-A线的剖面图，图1C是图1A所示的B — B线的剖面图。在这些图中，将发光元件的光轴CA的方向设为z轴方向。另外，将与z轴正交、并且相互之间正交的2个方向设为X轴方向和Y轴方向。
[0005]如图1A所示，光束控制部件30包括2个凸曲面部32、配置在2个凸曲面部32之间的圆角部34。2个凸曲面部32和圆角部34为连续的曲面。如图1C所示，在光束控制部件30的与Xz平面平行的剖面中，圆角部34为凹形形状。因此，光束控制部件30能够使从发光元件20射出的光沿X轴方向扩散。另一方面，如图1B所示，在光束控制部件30的与yz平面平行的剖面中，整体为凸形形状。因此，光束控制部件30使从发光元件20射出的光在光轴LA侧向y轴方向汇聚。这样，记载于专利文献I中的光束控制部件30能够在X轴方向和y轴方向分别单独地控制光度分布。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献I日本特开2011 - 040315号公报
【发明内容】
[0008]如上所述，记载于专利文献I中的光束控制部件30使从发光元件20射出的光在X轴方向扩散，但在I轴方向汇聚。因此，将记载于专利文献I中的光束控制部件30适用于直下型的面光源装置时，出现了无法对光扩散部件均匀地照射光，容易产生亮部的问题。
[0009]本发明的目的在于，提供一种光束控制部件，其控制从发光元件射出的光的光度分布，能够在与发光兀件的光轴正交、并且相互之间正交的2个方向上,分别单独地控制光度分布，并能够抑制亮度不均的产生。[0010]另外，本发明的目的在于，提供具有该光束控制部件的发光装置、具有该发光装置的面光源装置、以及具有该面光源装置的显示装置。
[0011 ] 为了实现上述目的，本发明的光束控制部件为控制从发光元件射出的光的光度分布的光束控制部件，其包括:出射面，其包含形成为与所述发光元件的光轴相交的出射凹部；入射面，其构成形成在所述出射凹部的相反侧的入射凹部的内表面；以及背面，其从所述入射凹部的开口边缘部在与所述光轴正交的方向延伸，所述出射面和所述入射面的至少一方的与所述光轴正交的剖面为椭圆形状。
[0012]本发明的发光装置包括发光元件和本发明的光束控制部件。
[0013]本发明的面光源装置包括本发明的发光装置和使从所述发光装置射出的光扩散并透射的光扩散部件。
[0014]本发明的显示装置包括本发明的面光源装置和被照射从所述面光源装置射出的光的显示部件。
[0015]发明的效果
[0016]本发明的光束控制部件，能够在与发光元件的光轴正交、并且相互之间正交的2个方向上，分别单独地控制光度分布。具有本发明的光束控制部件的发光装置与以往的发光装置相比，能够使光均匀地照射。因此，本发明的面光源装置和显示装置与以往的装置相t匕，亮度不均少。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1A?图1C是表示记载于专利文献I中的以往的发光装置的结构的图。
[0018]图2A和图2B是表示实施方式I的面光源装置和发光装置的结构的图。
[0019]图3A?图3C是表示实施方式I的光束控制部件的结构的图。
[0020]图4A?图4C是表示实施方式I的光束控制部件的结构的图。
[0021]图5是实施方式I的变形例的光束控制部件的底面图。
[0022]图6A和图6B是实施方式I的变形例的光束控制部件的底面图。
[0023]图7A?图7C是表示实施方式2的光束控制部件的结构的图。
[0024]图8A和图8B是表示实施方式2的光束控制部件的结构的图。
[0025]图9是实施方式2的变形例的光束控制部件的底面图。
[0026]图10是用于说明模拟条件的图。
[0027]图1lA?图1lE是用于模拟的光束控制部件的俯视示意图。
[0028]图12是表示Θ =15°时的模拟结果的曲线图。
[0029]图13是表示Θ =30°时的模拟结果的曲线图。
[0030]图14是表示Θ =45°时的模拟结果的曲线图。
[0031]图15是表示Θ =60°时的模拟结果的曲线图。
[0032]标号说明
[0033]100,400 光束控制部件
[0034]110,410 出射面
[0035]111,411 出射凹部
[0036]112,412 第一出射面[0037]113,413 第二出射面
[0038]114，414 第三出射面
[0039]120,420 入射面
[0040]121，421 入射凹部
[0041]130背面
[0042]140凸缘部
[0043]141烧口痕迹
[0044]142 突出部
[0045]150 脚部
[0046]200 发光装置
[0047]210 发光元件
[0048]300 面光源 装置
[0049]310 基板
[0050]320 光扩散部件
[0051]LA 发光元件的光轴
[0052]CA 光束控制部件的中心轴
【具体实施方式】
[0053]以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。在以下的说明中，作为本发明的面光源装置的代表例，对适于液晶显示装置的背光源等的面光源装置进行说明。这些面光源装置通过与液晶面板等显示部件组合，能够作为显示装置使用。
[0054][实施方式I]
[0055](面光源装置和发光装置的结构)
[0056]图2是表示实施方式I的面光源装置300和发光装置200的结构的图。图2A是实施方式I的面光源装置300的俯视图，示出面光源装置300内的发光装置200的配置。图2B是实施方式I的面光源装置300的局部剖面放大图。在图2A中，将多个发光装置200的位置以“ X ”示意地示出，以虚线示意地示出由各发光装置200所照射的区域。
[0057]如图2所示，本发明的面光源装置300包括基板310、多个发光装置200以及光扩散部件320。多个发光装置200以规定的排列和间隔配置在基板310之上。多个发光装置200各自包括发光元件210和光束控制部件100 (参照图2B)。
[0058]发光元件210是面光源装置300 (和发光装置200)的光源，被固定在基板310上。发光元件210例如是白色发光二极管等发光二极管(LED)。
[0059]光束控制部件100是用于控制从发光元件210射出的光的光度分布的扩散透镜。光束控制部件100以其中心轴CA与发光元件210的光轴LA —致的方式被配置在发光元件210之上(参照图2B)。此外，后述的光束控制部件100的出射面110和入射面120均为二重(two-fold)对称，并且它们的旋转轴一致。将该出射面110和入射面120的旋转轴称为“光束控制部件的中心轴CA”。另外，“发光元件的光轴LA”指的是来自发光元件210的立体射出光束的中心的光线。安装有发光元件210的基板310和光束控制部件100的背面130之间形成有间隙，该间隙用于使从发光元件210发出的热释放到外部(参照图2B)。[0060]光束控制部件100通过一体成形而形成。光束控制部件100的材料只要是能够使所希望波长的光通过的材料，则没有特别限定。例如，光束控制部件100的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PO、环氧树脂(EP)等光透射性树脂或玻璃。
[0061]本发明的面光源装置300在光束控制部件100的结构中具有主要的特征。因此，对光束控制部件100的细节另行说明。
[0062]光扩散部件320是具有光扩散性的平板状的部件，使来自光束控制部件100的射出光扩散并使其透过。通常情况下，光扩散部件320的尺寸与液晶面板等被照射部件大致相同。例如，光扩散部件320由如下的光透射性树脂形成，即聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、苯乙烯.甲基丙烯酸甲酯共聚树脂(MS)等。为了赋予光扩散性，在光扩散部件320的表面形成有微细的凹凸，或者在光扩散部件320的内部分布有珠子(beads)等的光扩散件。
[0063]在本发明的面光源装置300中，利用光束控制部件100，使从各发光元件210射出的光扩展为照射光扩散部件320的大范围。此时，从发光元件210射出的光的光度分布与发光兀件210的光轴LA正交,并且相互正交的2个方向(在图2A的例子中为上下方向和左右方向)分别被单独地控制(参照图2A)。从各光束控制部件100射出的光进一步被光扩散部件320所扩散。其结果是，本发明的面光源装置300与现有的面光源装置相比，能够更均匀地照射面状的被照射部件(例如液晶面板)。
[0064](光束控制部件的结构)
[0065]接着，说明本实施方式的光束控制部件100的结构。
[0066]图3和图4是表示实施方式I的光束控制部件100的结构的图。图3A是光束控制部件100的俯视图，图3B是光束控制部件100的右侧面图，图3C是光束控制部件100的背面图。图4A是光束控制部件100的底面图，图4B是图4A所示的C 一 C线的剖面图，图4C是图4A所示的D — D线的剖面图。
[0067]如图3和图4所示，光束控制部件100包括出射面110、入射面120、背面130、凸缘部140以及多个脚部150。
[0068]出射面110控制射入光束控制部件100内部的光的光度分布，并使该光射出到外部。出射面110向凸缘部140的更上侧(光扩散部件320侧)突出(参照图3B和图3C)，并且其包括出射凹部111，该出射凹部111形成为与发光元件210的光轴LA相交(参照图4B和图4C)。另外，出射面110的外缘为椭圆形状，出射面110的形状是以中心轴CA为轴呈二重对称的形状(参照图3A)。
[0069]出射面110包括:位于中心轴CA的周边的第一出射面112、在第一出射面112的周围连续形成的第二出射面113、连接第二出射面113和凸缘部140的第三出射面114 (参照图4B和图4C)。第一出射面112是出射凹部111的内面，为凸向下侧(发光元件210侦D的平滑的曲面。第二出射面113是位于第一出射面112的周围、凸向上侧(光扩散部件320侦D的平滑曲面。第三出射面114是位于第二出射面113的周围的平滑的曲面。在图4B和图4C所示的剖面中，第三出射面114的剖面既可以是直线状，也可以是曲线状。
[0070]第一出射面112、第二出射面113和第三出射面114的与中心轴CA(发光元件210的光轴LA)正交的剖面均为椭圆形状。即，出射面110的与中心轴CA (发光元件210的光轴LA)正交的剖面呈椭圆形状。另外，第一出射面112、第二出射面113和第三出射面114的与中心轴CA (发光元件210的光轴LA)正交的剖面所构成的椭圆、以及由出射面110的外缘构成的椭圆相互相似。此时，第一出射面112、第二出射面113和第三出射面114的剖面(椭圆)的长轴与出射面110的外缘(椭圆)的长轴相互平行。
[0071]入射面120是形成在出射凹部111的相反侧的入射凹部121的内表面。入射面120使从发光元件210射出的光中的大部分(在相对于发光元件210的光轴LA为规定的角度的范围内射出的光(主光线))射入光束控制部件100的内部。入射凹部121形成在光束控制部件100的下侧(发光元件210侧)的中央部。入射面120是以中心轴CA为中心的旋转对称面。
[0072]背面130位于出射面110的相反侧，是从入射凹部121的开口边缘部向与中心轴CA (发光兀件210的光轴LA)正交的方向延伸的平面。背面130使离开基板310、从发光兀件210射出的光中的主光线以外的光(副光线)射入光束控制部件100的内部。此外，也可以是，如图5的底面图所示，对背面130实施粗糙化处理。通过这样构成，能够防止从背面130射入的光汇聚到特定的方向。另外，若不需要考虑从发光元件210发出的热的释放，则也可以将光束控制部件100配置成背面130与基板310接触。
[0073]凸缘部140位于出射面110的外周部与背面130的外周部之间，向与中心轴CA(发光元件210的光轴LA)正交的方向突出。虽然并不一定需要凸缘部140，但通过设置凸缘部140，光束控制部件100的操作和对位变得容易。凸缘部140的厚度没有特别限定，考虑出射面110的所需面积、凸缘部140的成形性等而确定该厚度。在通过射出成形来制造光束控制部件100时，有时在凸缘部140形成浇口痕迹141。另外，也可以是，在凸缘部140上形成有多个突出部142，该多个突出部142用于面光源装置300的制造装置识别光束控制部件100的朝向。
[0074]多个脚部150是在入射凹部121的周围从背面130向下侧(发光元件210侦彳)突出的圆柱状的部件。多个脚部150具有如下功能:在相对于发光元件210适当的位置上对光束控制部件100进行定位。
[0075](变形例)
[0076]此外，入射面120也可以不是以中心轴CA为中心的旋转对称面。例如，也可以如图6A和图6B的底面图所示，以入射凹部121的开口部和与中心轴CA (发光元件210的光轴LA)正交的剖面为椭圆形状的方式形成有入射凹部121。即，也可以是，出射面110的剖面和入射面120的剖面均为椭圆形状。此时，出射面110的剖面(椭圆)的长轴与入射面120的剖面(椭圆)的长轴也可以是平行的(参照图6A)。另外，出射面110的剖面(椭圆)的长轴和入射面120的剖面(椭圆)的短轴也可以是平行的(参照图6B)。
[0077](效果)
[0078]本实施方式的光束控制部件100形成为至少与出射面110的中心轴CA (发光元件210的光轴LA)正交的剖面呈椭圆形状。因此，光束控制部件100能够对于与发光元件210的光轴LA正交、并且相互正交的2个方向(X轴方向和y轴方向)分别单独地控制光度分布。另外，在本实施方式的光束控制部件100中，在出射面110的中央部形成有出射凹部111，因此能够使到达出射凹部111 (第一出射面112)的、从发光元件210在相对于光轴LA为较小的角度范围内射出的光在与光轴LA正交的所有方向上扩展。因此，具有光束控制部件100的本实施方式的发光装置200能够在具有任意椭圆率的椭圆形状的区域上照射光。即使在没有等间隔(正方格形状)地配置发光装置200的情况下，本实施方式的面光源装置300也能够抑制亮度不均。
[0079][实施方式2]
[0080]本发明的实施方式2的面光源装置和发光装置与实施方式I的实施方式I的面光源装置300和发光装置200的不同点在于，取代光束控制部件100而具有实施方式2的光束控制部件400。因此，在本实施方式中，仅对实施方式2的光束控制部件400进行说明。此外，实施方式2的光束控制部件400主要是其出射面410和入射面420的形状与实施方式I的光束控制部件100不同。因此，对于与实施方式I的光束控制部件100相同的结构元素，标以相同的标号而省略其说明。
[0081](光束控制部件的结构)
[0082]图7和图8是表示实施方式2的光束控制部件400的结构的图。图7A是光束控制部件400的俯视图，图7B是光束控制部件400的右侧面图，图7C是光束控制部件400的底面图。图8A是图7A所示的E — E线的剖面图，图8B是图7A所示的F — F线的剖面图。
[0083]如图7和图8所示，光束控制部件400包括出射面410、入射面420、背面130、凸缘部140以及多个脚部150。
[0084]出射面410控制射入光束控制部件400的内部的光的光度分布，并使该光射出到外部。出射面410向凸缘部140的更上侧(光扩散部件320侧)突出(参照图7B)，并且包括形成为与发光元件210的光轴LA相交的出射凹部411(参照图8A和图8B)。出射面410是以中心轴CA为轴呈旋转对称(圆对称)的面(参照图7A)。
[0085]出射面410包括位于中心轴CA的周边的第一出射面412、在第一出射面412的周围连续形成的第二出射面413、以及连接第二出射面413和凸缘部140的第三出射面414(参照图8A和图SB)。第一出射面412是出射凹部411的内表面，为凸向下侧(发光元件210侦D的平滑曲面。第一出射面412的形状为切取出球面的一部分而成的凹形状。第二出射面413是位于第一出射面412的周围、凸向上侧(光扩散部件320侧)的平滑曲面。第三出射面414是位于第二出射面413的周围的平滑曲面。在图8A和图8B所示的剖面中，第三出射面114的剖面既可以是直线状也可以是曲线状。
[0086]如上所述，在本实施方式的光束控制部件400中，出射面410是以中心轴CA为轴呈旋转对称(圆对称)的面。因此，第一出射面412、第二出射面413和第三出射面414均是与中心轴CA (发光元件210的光轴LA)正交的剖面为圆形形状。
[0087]入射面420是形成在出射凹部411的相反侧的入射凹部421的内表面。入射面420使从发光元件210射出的光中的大部分(在相对于发光元件210的光轴LA为规定的角度的范围内射出的光(主光线))射入光束控制部件400的内部。入射凹部421形成在光束控制部件400的下侧(发光元件210侧)的中央部。
[0088]在本实施方式的光束控制部件400中，以入射凹部421的开口部和与中心轴CA(发光元件210的光轴LA)正交的剖面呈椭圆形状的方式形成有入射凹部421 (参照图7C)。即，在本实施方式的光束控制部件400中，出射面410的剖面为圆形形状，但入射面420的剖面为椭圆形状。
[0089]此外，如图9的底面图所示，也可以在实施方式2的光束控制部件400中，背面130也被实施粗糙化处理。[0090](效果)
[0091]本实施方式的光束控制部件400具有与实施方式I的光束控制部件100同样的效
果O
[0092](光束控制部件的光度分布特性的模拟)
[0093]对本发明的光束控制部件的光度分布特性进行了模拟。图10是用于说明模拟条件的图。
[0094]如图10所示，假设光线从原点O以角度(θ，φ )射出。角度Θ是相对于z轴的光线的角度(Θ =15°、30° >45° >60° )。另外,角度Φ是相对于xy平面的第一象限中的X轴的光线的角度(Φ = 0°、15°、30°、45°、60°、75°、90° )。假定光束控制部件配置成在xy平面上其中心轴CA与z轴相一致。光束控制部件的出射面的最大外径为17.7mm、入射面的最大外径为4.2mm、最大高度(距离光束控制部件的背面的高度)为4.5mm。另外，假设从xy平面向z轴方向移动30mm的位置处的、与xy平面平行的面(x’ y’面)为被照射面。在本模拟中，查询了在特定的角度Θ下使角度φ变化时，光线到达被照射面的哪一位置。
[0095]图11是在本模拟中使用的5种光束控制部件的平面示意图。在这些图中，以实线表示出射面和入射面的外边缘。另外，以虚线表示作为出射面和入射面的外边缘的基准的圆。在以下的说明中，将与出射面或入射面的中心轴正交的剖面简称为“水平剖面”。
[0096]图1lA所示的光束控制部件是出射面和入射面的外边缘以及水平剖面为圆形形状的比较例的光束控制部件。图1lB所示的光束控制部件是出射面的外边缘和水平剖面为椭圆形状、入射面的外边缘和水平剖面为圆形形状的本发明的光束控制部件。图1lC所示的光束控制部件是入射面的外边缘和水平剖面为圆形形状、出射面的外边缘和水平剖面为椭圆形状的本发明的光束控制部件。如图1lD所示的光束控制部件是出射面和入射面的外边缘和水平剖面均为椭圆形状、并且出射面的剖面的长轴与入射面的剖面的短轴平行的本发明的光束控制部件。图1lE所示的光束控制部件是出射面和入射面的外边缘和水平剖面均为椭圆形状、并且出射面的剖面的长轴与入射面的剖面的长轴平行的本发明的光束控制部件。
[0097]图12?图15是表示模拟结果的曲线图。这些曲线图表示被照射面(图10所示的X’y’平面)中的各光线(Φ = 0° ,15° ,30° ,45° ,60° ,75° ,90° )的到达位置。图12是Θ = 15°时的模拟结果。图13是Θ =30°时的模拟结果。图14是Θ =45°时的模拟结果。图15是Θ =60°时的模拟结果。图12?图15中的曲线图的横轴表示图10所示的从O’到X’轴方向的距离(D1)，纵轴表示图10中的从O’到y’轴方向的距离(D2)。另夕卜，在图12?图15中，涂黑的圆形符号表示不使用光束控制部件时的光线的到达位置，漏白的正方形符号表示使用图1lA的光束控制部件时的光线的到达位置，漏白的三角形符号表示使用图1lB的光束控制部件时的光线的到达位置，漏白的菱形符号表示使用图1lC的光束控制部件时的光线的到达位置，漏白的圆形符号表示使用图1lD的光束控制部件时的光线的到达位置，X字符号表示使用图1lE的光束控制部件时的光线的到达位置。
[0098]从图12?图15可知，在不使用光束控制部件时，从原点O射出的光仅到达被照射面的狭小区域。另外，可知在使用了比较例的光束控制部件(图11A)时，光在X轴方向和y轴方向以相同的程度扩展。另一方面，可知在使用了本发明的光束控制部件(图1lB?图HE)时，X轴方向的光的扩展程度与y轴方向的光的扩展程度不同。
[0099]另外，在发光元件为LED时，根据发光元件内的半导体芯片的配置或密封树脂的形状等而出射光的光度分布特性不同。能够与该发光元件的光度分布特性相一致地调整本发明的光束控制部件的配置(水平剖面中的出射面或入射面的椭圆形状的朝向)，得到所希望的被照射区域。
[0100]工业实用性
[0101 ] 本发明的光束控制部件、发光装置和面光源装置能够适用于例如液晶显示装置的背光源或普通照明等。
【权利要求】
1.一种光束控制部件，其控制从发光元件射出的光的光度分布，包括:出射面，其包含出射凹部，该出射凹部形成为与所述发光元件的光轴相交；入射面，其构成形成在所述出射凹部的相反侧的入射凹部的内表面；以及背面，其从所述入射凹部的开口边缘部向与所述光轴正交的方向延伸，所述出射面和所述入射面的至少一方的与所述光轴正交的剖面为椭圆形状。
2.如权利要求1所述的光束控制部件，其中，所述出射面的所述剖面和所述入射面的所述剖面均为椭圆形状。
3.如权利要求2所述的光束控制部件，其中，所述出射面的所述剖面的长轴与所述入射面的所述剖面的长轴平行。
4.如权利要求2所述的光束控制部件，其中，所述出射面的所述剖面的长轴与所述入射面的所述剖面的短轴平行。
5.一种发光装置，包括:发光元件；和权利要求1-4中任一项所述的光束控制部件。
6.一种面光源装置，包括:权利要求5所述的发光装置；和光扩散部件，其使从所述发光装置射出的光扩散并透射。
7.一种显示装置，包括:权利要求6所述的面光源装置；和显示部件，从所述面光源装置射出的光照射到该显示部件。
【文档编号】F21Y101/02GK103527974SQ201310273314
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年7月2日 优先权日:2012年7月4日
【发明者】福田康幸 申请人:恩普乐股份有限公司