光束控制部件、发光装置、面光源装置及显示装置的制作方法

1.本发明涉及对从发光元件射出的光的配光进行控制的光束控制部件、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。


背景技术：

2.近年来，在液晶显示装置等的透射式图像显示装置中，使用具有多个发光元件作为光源的直下式的面光源装置。另外，在直下式的面光源装置中，有时为了向较宽范围照射光而配置较多发光元件。
3.在专利文献1中记载了一种面光源装置，该面光源装置具有：发光元件，配置于基板上，且具有规定大小的发光面；光束控制部件；以及漫射部件。光束控制部件具有：入射面，用于使从发光元件射出的光入射；反射面，使由入射面入射的光中的一部分的光向沿着基板的方向反射，而使另外的光透射；以及出射面，使由反射面反射后的光射出。反射面使从发光面的中心附近射出且由入射面入射的光向沿着基板的方向反射。另一方面，从远离发光面的中心的区域射出并由入射面入射的光的一部分不被反射面反射，而从反射面向光束控制部件的外部射出。
4.在专利文献1的面光源装置中，从发光元件射出的光由光束控制部件扩展，以照射漫射部件的宽范围。从光束控制部件射出的光进一步地由漫射板漫射。其结果为，专利文献1的面光源装置能够对面状的显示部件(例如，液晶面板)均匀地进行照射。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：美国专利申请公开第2014/167594号说明书。


技术实现要素：

8.发明要解决的问题
9.近年来，开发了具有比以往的发光元件的发光面更小的发光面的发光元件。若在专利文献1记载的面光源装置中应用发光面较小的发光元件，则从发光元件射出的光的大部分被反射面反射，而在反射面透射的光变少，因此，光束控制部件的正上方部成为暗部，有可能不能对显示部件均匀地进行照射。
10.本发明的目的在于提供即使在发光元件的发光面较小的情况下也能够抑制辉度不均的光束控制部件。另外，本发明的另外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。
11.解决问题的方案
12.本发明的光束控制部件用于对从配置于基板上的发光元件射出的光的配光进行控制，其包括：第一光学面，与所述发光元件相对配置，且用于使从所述发光元件射出的光入射；第二光学面，隔着所述第一光学面配置于与所述发光元件相反的一侧，且使由所述第一光学面入射的光中的一部分的光以远离所述发光元件的光轴的方式向侧方方向反射；第
三光学面，由所述第二光学面反射后的光中的一部分的光到达该第三光学面；以及第四光学面，以包围所述第一光学面的方式向远离所述第一光学面的方向延伸，由所述第三光学面反射后的光中的一部分的光到达该第四光学面，从所述发光元件射出且由所述第一光学面入射的光中的一部分的光在由所述第二光学面、所述第三光学面及所述第四光学面按此顺序进行内部反射后，从所述第二光学面向所述光束控制部件的外部射出，从所述发光元件射出且入射至所述第一光学面的光中的一部分的光进行菲涅尔反射，由所述基板的表面向所述第一光学面反射，在由所述第一光学面入射至所述光束控制部件的内部后，从所述第二光学面向所述光束控制部件的外部射出。
13.本发明的发光装置包括：配置于基板上的发光元件；以及配置于所述发光元件之上的本发明的光束控制部件。
14.本发明的发光装置包括：配置于基板上的多个发光元件；以及配置于所述多个发光元件之上的本发明的光束控制部件。
15.本发明的面光源装置包括：多个本发明的发光装置；以及使从所述多个本发明的发光装置射出的光漫射并透射的光漫射板。
16.本发明的显示装置包括：本发明的面光源装置；以及被照射从所述面光源装置射出的光的显示部件。
17.发明效果
18.根据本发明，能够提供即使在发光元件的发光面的大小较小的情况下也能够抑制辉度不均的光束控制部件。另外，根据本发明，能够提供具有上述光束控制部件的发光装置、面光源装置以及显示装置。
附图说明
19.图1a、图1b是表示实施方式1的面光源装置的结构的图；
20.图2a、图2b是表示实施方式1的面光源装置的结构的另一图；
21.图3是图2b的局部放大图；
22.图4a～图4d是表示实施方式1的光束控制部件的结构的图；
23.图5a～图5c是实施方式1的发光装置中的光路图；
24.图6a、图6b是表示实施方式2的面光源装置的结构的图；
25.图7a～图7c是表示实施方式2的光束控制部件的结构的图；
26.图8a～图8d是表示实施方式2的光束控制部件的结构的图；以及
27.图9a、图9b是实施方式2的发光装置中的光路图。
28.附图标记说明
29.100、200面光源装置
30.100’显示装置
31.102显示部件
32.110壳体
33.112底板
34.114顶板
35.120、220发光装置
36.130光漫射板
37.140基板
38.150发光元件
39.160、260光束控制部件
40.161第一光学面
41.162第二光学面
42.163、263第三光学面
43.164第四光学面
44.260a入射单元
45.260b出射单元
46.265出射面
47.266反射面
48.a轴
49.a1第一轴
50.a2第二轴
51.a3第三轴
52.a4第四轴
53.l1间隔
54.l2中心间距离
55.la光轴
具体实施方式
56.下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。在以下的说明中，作为本发明的面光源装置的代表例，对适合用作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被照射来自面光源装置的光的显示部件102(例如液晶面板)组合，能够作为显示装置100’使用(参照图1b)。
57.[实施方式1]
[0058]
(面光源装置及发光装置的结构)
[0059]
图1a、图1b、图2a、图2b及图3是表示本发明的实施方式1的面光源装置100的结构的图。图1a是实施方式1的面光源装置100的俯视图，图1b是主视图。图2a是图1b所示的a-a线的剖面图，图2b是图1a所示的b-b线的剖面图。图3是将图2b的一部分放大后的局部放大剖面图。在图3中，省略了用于将光束控制部件160固定于基板140的支脚部。
[0060]
如图1a、图1b、图2a、图2b及图3所示，实施方式的面光源装置100具有壳体110、多个发光装置120及光漫射板130。多个发光装置120在壳体110的底板112上配置为矩阵状。底板112的内表面作为漫射反射面发挥功能。另外。在壳体110的顶板114上设有开口部。光漫射板130以覆盖该开口部的方式配置，并作为发光面发挥功能。不特别地限定发光面的大小，例如为约400mm
×
约700mm。对于基板140与光漫射板130之间的间隔，不特别地进行限定。应予说明，基板140与光漫射板130之间的间隔较小的薄型的面光源装置100更容易得到本发明的效果。在如下的薄型的面光源装置100中，发光元件150上的部分更容易被识别为
暗部，该薄型的面光源装置100构成为，从一个发光元件150射出的光难以到达与位于相邻的另外一个发光元件150上的第二光学面162相对的光漫射板130的区域。但是，通过使用本发明的光学控制部件160，能够解决这样的问题。因此，基板140与光漫射板130之间的间隔优选在2mm～30mm的范围内，更优选为2mm～5mm。
[0061]
如图3所示，发光装置120固定于基板140上。基板140固定于壳体110的底板112上的规定位置。发光装置120具有发光元件150和光束控制部件160。
[0062]
发光元件150是面光源装置100的光源，安装于基板140上。发光元件150例如是白色发光二极管等发光二极管(led)。另外，不特别地限定发光元件150的种类。发光元件150优选为从顶面及侧面射出光的发光元件150(例如，cob型发光二极管)。在本实施方式中，使用具有比以往的发光元件的发光面更小的发光面的发光元件150。发光面的一边的长度例如在0.1mm～1.0mm的范围内。
[0063]
光束控制部件160是对从发光元件150射出的光的配光进行控制的光学部件。光束控制部件160固定于基板140上。光束控制部件160以其第一轴a1与发光元件150的光轴la重合的方式配置于发光元件150之上。此外，在本实施方式中，光束控制部件160以第一轴a1为旋转轴旋转对称。发光元件150的光轴la与第一光学面161的第一轴a1、第二光学面162的第二轴a2、第三光学面163的第三轴a3及第四光学面164的第四轴a4重合。另外，“发光元件150的光轴la”是指，来自发光元件150的立体的出射光束的中心的光线。在安装有发光元件150的基板140与光束控制部件160的背面之间，可以形成有用于使从发光元件150发出的热量向外部释放的间隙，也可以不形成这样的间隙。
[0064]
通过一体成型来形成光束控制部件160。对于光束控制部件160的材料，只要是能够使所希望的波长的光通过的材料即可，不特别地进行限定。例如，光束控制部件160的材料是聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或聚碳酸酯(pc)、环氧树脂(ep)等透光性树脂或玻璃。
[0065]
本实施方式的面光源装置100的主要的特征在于光束控制部件160的结构。因此，对于光束控制部件160，将另行详细说明。
[0066]
光漫射板130是具有光漫射性的板状的部件，使来自发光装置120的出射光漫射并透射。通常，光漫射板130的大小与液晶面板等显示部件的大小几乎相同。光漫射板130例如由聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯(pc)、聚苯乙烯(ps)、苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物树脂(ms)等透光性树脂形成。为了赋予光漫射性，在光漫射板130的表面形成有细微的凹凸，或在光漫射板130的内部分散有珠粒等光漫射子。
[0067]
在本实施方式的面光源装置100中，从各发光元件150射出的光由光束控制部件160扩展，以对光漫射板130的宽范围进行照射。从各光束控制部件160射出的光进一步被光漫射板130漫射。其结果为，本实施方式的面光源装置100能够对面状的显示部件(例如液晶面板)均匀地进行照射。
[0068]
(光束控制部件的结构)
[0069]
在此，对光束控制部件160的结构进行说明。图4a是光束控制部件160的俯视图，图4b是仰视图，图4c是主视图，图4d是图4a所示的a-a线的剖面图。
[0070]
如图4a～图4d所示，本实施方式的光束控制部件160具有第一光学面161、第二光学面162、第三光学面163及第四光学面164。
[0071]
第一光学面161与发光元件150相对地配置于光束控制部件160的背面侧。第一光
学面161使从发光元件150射出的光入射至光束控制部件160的内部，或使到达了第一光学面161的另外的光透射，或使到达了第一光学面161的另外的光反射。对于第一光学面161的形状，只要能够发挥上述的功能即可，不特别地进行限定。在本实施方式中，第一光学面161是形成于光束控制部件160的背面侧的凹部的内表面。第一光学面161的形状是与发光元件150的光轴la相交且关于第一光学面161的第一轴a1旋转对称(圆对称)的形状。更具体地，在本实施方式中，第一光学面161的形状是以随着远离发光元件150的光轴la而距基板140的距离逐渐变短的方式形成的形状。更具体地，第一光学面161的形状是随着远离光轴la而切线相对于光轴的角度逐渐变大的形状。第一光学面161可以包含从发光元件150的发光面的中心射出的光相对于第一光学面161的入射角度为60
°
以上的区域。在该角度为60
°
以上时，从发光元件150射出的光中的一部分的光由第一光学面161反射，但是，即使在这样的情况下，本实施方式的光束控制部件160也能够适当地对配光进行控制。
[0072]
第二光学面162配置于隔着第一光学面161与发光元件150相对的位置(正面侧)。第二光学面162使由第一光学面161入射的光向沿着基板140的表面的方向进行内部反射，或使到达了第二光学面162的另外的光的一部分透射。对于第二光学面162的形状，只要能够发挥上述的功能即可，不特别地进行限定。在本实施方式中，第二光学面162的形状是与发光元件150的光轴la相交且关于第二光学面162的第二轴a2旋转对称(圆对称)的形状。更具体地，第二光学面162的形状是构成为随着远离发光元件150的光轴la而远离基板140的形状。通过构成为这样的形状，第二光学面162抑制从发光元件150射出且由第一光学面161入射的光直接从上方射出至光束控制部件160的外部，从而防止在发光元件150的正上方产生亮部，并且将光引导至发光元件150之间而防止在发光元件150之间产生暗部。
[0073]
从该旋转对称的中心部分到外周部分的母线为相对于第二光学面162的第二轴a2倾斜的曲线或直线。第二光学面162是以第二轴a2为旋转轴将该母线旋转360
°
后的状态的凹面。
[0074]
如上所述，在本实施方式中，使用具有比以往的发光元件150的发光面更小的发光面的发光元件150。在本实施方式中，与第二光学面162相比，发光元件150的发光面的大小非常小。具体而言，优选地，俯视时的第二光学面162的面积与发光元件150的发光面的面积之比在80：1～5：1的范围内。当该比率不在上述范围内的情况下，有可能向光束控制部件160的正上方部行进的光较多，从而导致在光束控制部件160的正上方部产生亮部。
[0075]
第三光学面163与第二光学面162及第四光学面164连接。第三光学面163使由第二光学面162反射后的光向基板140(第四光学面164)进行内部反射，或使到达了第三光学面163的另外的光透射。在本实施方式中，第三光学面163是光束控制部件160的侧面，配置于比第二光学面162更靠外侧的位置。对于第三光学面163的形状，只要能够发挥上述的功能即可，不特别地进行限定。在本实施方式中，第三光学面163的形状是关于第三光学面163的第三轴a3旋转对称(圆对称)的形状。更具体地，在本实施方式中，第三光学面163的形状与第三轴a3大致平行。
[0076]
第四光学面164是光束控制部件160的背面，且以包围第一光学面161的方式向远离第四光学面164的第四轴a4的方向延伸。第四光学面164使由第三光学面163反射后的光中的一部分的光向第二光学面162反射。在本实施方式中，第四光学面164与第一光学面161的外缘部连接，配置为与发光元件150的发光面大致平行。在本实施方式中，第四光学面164
的外缘部连接有第三光学面163。
[0077]
(配光特性)
[0078]
图5a～图5c是发光装置120的光路图。图5a表示从发光元件150的发光面的中心射出的光的光路，图5b表示从发光元件150的发光面的中心射出的光中的一部分的光的光路，图5c表示从发光元件150的发光面的中心射出的光中的另一部分的光的光路。在图5a～图5c中，为了表示从发光元件150射出的光的光路，省略了剖面线。
[0079]
如图5a所示，从发光元件150的发光面的中心射出的光主要由第一光学面161入射至光束控制部件160的内部。由第一光学面161入射的光由第二光学面162向沿着基板140的方向进行内部反射。由第二光学面162进行内部反射后的光从第三光学面163向光束控制部件160的外部射出。此外，从第三光学面163射出的光比后述的从第二光学面162射出的光更多。
[0080]
如图5b所示，从发光元件150的发光面的中心射出的光中的一部分的光从第一光学面161入射至光束控制部件160的内部。由第一光学面161入射的光中的一部分的光由第二光学面162向第三光学面163进行内部反射。到达第三光学面163的光由第三光学面163向第四光学面164进一步地进行内部反射。到达第四光学面164的光向第二光学面162进行内部反射。到达第二光学面162的光从第二光学面162向光束控制部件160的外部射出。这样，从发光元件150的发光面的中心射出的光中的出射角度较大的一部分的光在由第二光学面162、第三光学面163及第四光学面164按此顺序进行内部反射后，从第二光学面162向光束控制部件160的外部射出。此时，从第二光学面162射出的光以接近发光元件150的光轴la的方式行进。此外，虽未特别地进行图示，但是，有时即使是从发光元件150的发光面的中心以外的部分射出的光，也与上述的光同样地行进，并从第二光学面162射出。
[0081]
如图5c所示，从发光元件150的发光面的中心射出的另一部分的光由第一光学面161向基板140进行菲涅尔反射(外部反射)。由第一光学面161进行外部反射后的光由基板140的表面向第一光学面161反射。由基板140的表面反射并到达第一光学面161的光由第一光学面161入射至光束控制部件160的内部。入射至光束控制部件160的内部的光从第二光学面162向光束控制部件160的外部射出。此时，从第二光学面162射出的光以沿着发光元件150的光轴la的方式行进。此外，虽未特别地进行图示，但是，有时即使是从发光元件150的发光面的中心以外的部分射出的光，也与上述的光同样地行进，并从第二光学面162射出。
[0082]
(效果)
[0083]
如以上所述，根据本发明，从发光元件150的发光面的中心射出的光主要从第三光学面163射出，从发光元件150的发光面的中心射出的光中的另一部分的光从第二光学面162向光束控制部件160的上部射出，因此，即使在发光元件150的发光面较小的情况下，也能够适当地将光扩展，而不会在光束控制部件160的上部产生暗部。因此，本发明对局部调光是有效的。
[0084]
[实施方式2]
[0085]
接着，对实施方式2的面光源装置200进行说明。本实施方式的面光源装置200与实施方式1的面光源装置100不同之处仅在于光束控制部件260的结构、以及发光元件150与光束控制部件260的对应关系。因此，在本实施方式中，主要对光束控制部件260的结构、以及发光元件150与光束控制部件260的对应关系进行说明，关于与实施方式1的面光源装置100
相同的结构，赋予相同的附图标记并省略其说明。
[0086]
(面光源装置和发光装置的结构)
[0087]
图6a、图6b是表示实施方式2的面光源装置200的结构的图。图6a是取下光漫射板后的面光源装置200的俯视图，图6b是表示发光元件150与光束控制部件260的位置关系的局部放大俯视图。
[0088]
如图6a和图6b所示，在本实施方式的面光源装置200中，通过1个光束控制部件260对从多个(4个)发光元件150射出的光的配光进行控制。在本实施方式中，多个发光元件150和多个发光装置220都呈网格状排列且彼此间隔开地配置。可以使相邻的发光装置220之间的间隔l1比多个发光元件150的中心间距离l2的一半小。在此，“多个发光元件150的中心间距离l2”是指，属于不同的发光装置220的两个发光元件150的中心间距离。通过这样构成，使得光束控制部件260对光更宽地进行导光，能够抑制发光装置220之间变暗。
[0089]
(光束控制部件的结构)
[0090]
图7a～图7c及图8a～图8d是表示光束控制部件260的结构的图。图7a是实施方式2的光束控制部件260的俯视图，图7b是仰视图，图7c是立体图。图8a是图7a所示的a-a线的剖面图，图8b是图7a所示的b-b线的剖面图，图8c是图7a所示的c-c线的剖面图，图8d是图8a的局部放大图。在图7a～图7c及图8a～图8d中，省略了用于将光束控制部件260固定于基板140的支脚部。
[0091]
如图7a～图7c及图8a～图8d所示，本实施方式的光束控制部件260具有多个入射单元260a和出射单元260b。多个入射单元260a与发光元件150的排列对应地配置为网格状。出射单元260b在沿着基板140的方向上配置于多个入射单元260a之间。光束控制部件260具有多个入射单元260a，光束控制部件260以第一光学面161的第一轴a1(第二光学面162的第二轴a2)与各发光元件150的光轴la重合的方式，配置于多个发光元件150之上。在本实施方式中，四个入射单元260a配置于虚拟四边形的各角，四个出射单元260b配置于与虚拟四边形的四个边对应的位置，一个出射单元260b配置于由虚拟四边形包围的位置。
[0092]
多个入射单元260a分别使从发光元件150射出的光入射，并使一部分的光射出。多个入射单元260a分别具有第一光学面161、第二光学面162、第三光学面263及第四光学面164。第一光学面161、第二光学面162、第三光学面263及第四光学面164的功能与实施方式1相同，因此省略其功能的说明。此外，在本实施方式中，第三光学面263未以包围发光元件150的光轴la的方式配置。第三光学面263只配置于光束控制部件260的外缘部分。
[0093]
多个出射单元260b对由多个入射单元260a入射的光中的一部分的光进行导光并使其射出。各出射单元260b以与基板140相对的方式配置。多个出射单元260b具有反射面266和出射面265。出射单元260b具有越远离入射单元260a则反射面266与出射面265之间的间隔越变小的部分。由此，对于从入射单元260a导入的光，越远离入射单元260a则越容易从出射面265射出。
[0094]
反射面266使由第二光学面162进行了内部反射的光反射。反射面266与第四光学面164连接，且形成为位于与第四光学面164相同的平面上。
[0095]
出射面265具有使来自入射单元260a的光的一部分反射，并使另一部分射出的出射面265。出射面265与反射面266相对地配置。对于出射面265的形状，只要是具有越远离入射单元260a则反射面266与出射面265之间的间隔越变小的部分的形状即可，不特别地进行
限定。优选地，出射面265的形状例如是越远离入射单元260a则与反射面266之间的间隔越变小的曲面或倾斜面。在本实施方式中，配置于与所述虚拟四边形的四个边对应的位置的四个出射面265，是在沿着所述虚拟四边形的边的方向上具有曲率，而在与该边垂直的方向上没有曲率的凹面(参照图8a～图8c)。另一方面，配置为由所述虚拟四边形包围的出射面265是由倒置的圆锥台的上底及侧面的一部分构成的凹面(参照图8b、图8c)。
[0096]
(配光特性)
[0097]
图9a是发光装置220的光路图。在图9a、图9b中，用箭头表示从发光元件150射出的光的光路，因此省略了剖面线。
[0098]
如图9a所示，从发光元件150射出的光由第一光学面161入射至光束控制部件260。由第一光学面161入射的光的一部分直接朝向出射单元260b，另一部分由反射面266反射而朝向出射单元260b。到达了出射单元260b的光在反射面266与出射面265之间反复被反射而在出射单元260b内被进行导光。此时，到达了出射面265的光的一部分不被反射而从出射面265射出。
[0099]
这样，到达了出射单元260b的光在出射单元260b的反射面266与出射面265之间行进的同时逐渐从出射面265射出。在此，越远离入射单元260a则反射面266与出射面265之间的间隔越小。由此，越远离入射单元260a，则在反射面266与出射面265之间行进的光越容易从出射面265射出。
[0100]
另外，从入射单元260a射出的光的配光特性与实施方式1的光束控制部件160中的配光特性相同，因此省略其说明。
[0101]
图9b表示发光装置220的端部处的配光。如图9b所示，光束控制部件260的端部的剖面形状可以是矩形状，也可以是圆角。在光束控制部件260的端部的剖面形状是圆角的情况下，如图9b所示，光更向横向扩展，能够防止存在间隙的发光装置220之间变暗。
[0102]
(效果)
[0103]
本实施方式的光束控制部件260除了能够起到与实施方式1的光束控制部件160相同的效果以外，还能够通过一个光束控制部件260控制来自多个发光元件150的光，因此能够容易地安装光束控制部件260。