CN114815381A - 光束控制部件、发光装置、面光源装置及显示装置 - Google Patents

光束控制部件、发光装置、面光源装置及显示装置 Download PDF

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CN114815381A CN202210043377.XA CN202210043377A CN114815381A CN 114815381 A CN114815381 A CN 114815381A CN 202210043377 A CN202210043377 A CN 202210043377A CN 114815381 A CN114815381 A CN 114815381A
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Abstract

本发明涉及光束控制部件、发光装置、面光源装置及显示装置。光束控制部件包括：第一光学面，与发光元件相对配置，且用于使从发光元件射出的光入射；第二光学面，隔着第一光学面配置于与发光元件相反的一侧，且使由第一光学面入射的光中的一部分的光以远离发光元件的光轴的方式向侧方方向反射，且第二光学面是关于发光元件的光轴旋转对称的凹部的内表面；以及第三光学面，以包围第二光学面的方式向远离第二光学面的方向延伸，使由第一光学面入射的光中的另一部分的光向基板方向反射。第三光学面在其一部分具有出射促进部。由第一光学面入射的光中的到达出射促进部的光从出射促进部向光束控制部件的外部射出。

Description

光束控制部件、发光装置、面光源装置及显示装置
技术领域
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
在液晶显示装置等透射式图像显示装置中使用发光装置。发光装置包括光源(例如LED)、以及配置于光源之上的光束控制部件。
光束控制部件具有各种形状，利用该形状对来自光源的光进行控制，实现所希望的配光特性。作为这样的光束控制部件之一，专利文献1公开了以下光束控制部件，该光束控制部件具有：用于使来自光源的光入射的、配置于背面侧的入射面；以及配置于正面侧且用于使由入射面入射的光反射的顶面(反射面)。在该光束控制部件中，到达顶面的光向远离光轴的方向(侧方方向)反射。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2014/016759号说明书。
发明内容
发明要解决的问题
在包含上述那样的光束控制部件的面光源装置中，从光源射出的光由反射面向侧方方向反射，因此能够降低反射面的正上方的区域的亮度而减小亮度不均。另一方面，在使用了这样的光束控制部件的情况下，有时作为凹部的内表面的反射面的正上方的周围区域的亮度过低，从而产生环状的暗部。
因此，本发明的目的在于提供一种光束控制部件，该光束控制部件具有反射面，且能够抑制在作为凹部的内表面的反射面的正上方的周围区域产生环状的亮度不均。
另外，本发明的目的还在于提供具有上述的光束控制部件的发光装置、面光源装置及显示装置。
解决问题的方案
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，该光束控制部件包括：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，且所述第二光学面是关于所述发光元件的光轴旋转对称的凹部的内表面；以及第三光学面，以包围所述第二光学面的方式向远离所述第二光学面的方向延伸，使由所述第一光学面入射的光中的另一部分的光向所述基板的方向反射，所述第三光学面在其一部分具有出射促进部，由所述第一光学面入射的光中的到达所述出射促进部的光从所述出射促进部向所述光束控制部件的外部射出。
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上述的光束控制部件。
本发明的面光源装置包括：上述的发光装置；以及光漫射板，该光漫射板使从所述发光装置射出的光漫射并透射。
本发明的显示装置包括：上述的面光源装置；以及显示部件，该显示部件被照射从所述面光源装置射出的光。
发明效果
根据本发明，可提供能够抑制在反射面的正上方的周围区域产生环状的亮度不均的光束控制部件。
另外，根据本发明，可提供具有上述的光束控制部件的发光装置、面光源装置及显示装置。
附图说明
图1A、图1B是表示实施方式1的面光源装置的结构的图。
图2A、图2B是表示实施方式1的面光源装置的内部的结构的图。
图3是图2B的局部放大图。
图4A～图4D是表示实施方式1的光束控制部件的结构的图，图4E是表示实施方式1的光束控制部件支撑光漫射板的情况的图。
图5A是以往的发光装置中的光路图，图5B、图5C是实施方式1的发光装置中的光路图。
图6A是表示以往的面光源装置中的亮度分布的图，图6B是表示实施方式1的面光源装置中的亮度分布的图。
图7A、图7B是表示实施方式2的面光源装置的结构的图。
图8A～图8C是表示实施方式2的光束控制部件的结构的图。
图9A、图9B是表示实施方式2的光束控制部件的结构的图。
图10A是表示比较例的面光源装置中的亮度分布的图，图10B是表示实施方式2的面光源装置中的亮度分布的图。
附图标记说明
100、200 面光源装置
100’ 显示装置
102 显示部件
110 壳体
112 底板
114 顶板
120、220 发光装置
130 光漫射板
140 基板
150 发光元件
160、160’、260 光束控制部件
161 第一光学面
162 第二光学面
163 第三光学面
164 出射促进部
165 出射促进面
166 第四光学面
260a 入射单元
260b 出射单元
265 出射面
266 反射面
A1 第一轴
A2 第二轴
A3 第三轴
L1 间隔
L2 中心间距离
LA 光轴
具体实施方式
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)。
[实施方式1]
(面光源装置及发光装置的结构)
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。
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。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。
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。
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。
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、以及第三光学面163的第三轴A3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。
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。
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。
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。
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的较宽范围进行照射。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。
(光束控制部件的结构)
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D-D线的剖面图。
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、第四光学面166。
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是使从发光元件150射出的光向光束控制部件160的内部入射的入射面。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。
第二光学面162隔着第一光学面161配置于与发光元件150相反的一侧(光束控制部件160的正面侧)。第二光学面162使由第一光学面161入射的光中的一部分的光以远离发光元件150的光轴的方式向侧方方向反射(向沿着基板140的表面的方向进行内部反射)的反射面。第二光学面162也可以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。另外，在本实施方式中，第二光学面162是凹部的内表面。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。
从上述的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。
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。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。
第三光学面163以包围第二光学面162的方式向远离第二光学面162的方向延伸，使由第一光学面入射的光中的另一部分的光向基板140方向反射。更具体地，在本实施方式中，第三光学面163是比位于第一光学面161(入射面)的正上方的第二光学面162(作为凹部的内表面的反射面)更靠外侧(以光轴为中心的径向外侧)的区域。另外，第三光学面在其一部分具有出射促进部164。对于第三光学面163的形状，只要能够发挥上述的功能即可，不特别地限定。在本实施方式中，在第三光学面163中，上述的出射促进部164以外的区域的形状是平坦面。另外，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。
出射促进部164配置于第三光学面163的一部分，由第一光学面161入射的光中的到达了出射促进部164的光从出射促进部164向光束控制部件的外部射出。对于出射促进部164的形状，只要能够发挥上述的功能即可，不特别地进行限定，以适当的尺寸及密度形成于要使光射出的区域。对于出射促进部164的形状，例如是从凹面、粗糙面、以及凸面中选择的至少一种以上的形状即可。在本实施方式中，出射促进部164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，出射促进部164的形状是在俯视时以包围第二光学面162的方式配置的圆环状的凹面。另外，在本实施方式中，该圆环状的凹面有三个。在本发明的实施方式中，对于俯视凹面或凸面时的形状或结构，不特别地进行限定，例如可举出圆环状、矩形状、局部的面等。另外，对于从剖面观察凹面和凸面时的形状，不特别地进行限定，例如可举出锥形和半球形状等。
当在第三光学面163中未配置出射促进部164的情况下，由第一光学面161入射并到达第三光学面163的光通过全反射而向第四光学面166反射。另一方面，通过将出射促进部164配置于第三光学面163，从而由第一光学面161入射并到达第三光学面163的光的入射角小于临界角的面(出射促进面165)被形成于第三光学面163(出射促进部162)内。在出射促进部164为凹部的情况下，出射促进面165在各个出射促进部164中位于第三轴A3侧(内周侧)的区域。另一方面，在出射促进部164为凸部的情况下，出射促进面165在各个出射促进部164中位于与第三轴A3侧相反的一侧(外周侧)的区域。
此外，在出射促进部164为凸部的情况下，出射促进部164也可以如图4E所示那样，以支撑光漫射板130的方式构成。若光漫射板130与光学控制部件160的上部发生接触，则会导致第二光学面162或第三光学面163上产生划痕而得不到所希望的反射光，因此有时在基板140上设置用于支撑光漫射板130的支杆。但是，在出射促进部164为凸部的情况下，即使没有这样的支杆，也能够如图4E所示那样对光漫射板130进行支撑。
第四光学面166是以包围第一光学面161、第二光学面162及第三光学面163的方式配置于光束控制部件160的外周部，且使由所述第二光学面162或所述第三光学面163反射后的光射出的出射面。对于第四光学面166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，第四光学面166的形状是包含与基板垂直的面的形状。另外，第四光学面166的形状是关于第四光学面166的第四轴A4旋转对称(圆对称)的形状。
(配光特性)
图5A～图5C是发光装置120的光路图。图5A示出在以往的光束控制部件160’中，从发光元件150的发光面的中心射出的光的光路。另一方面，图5B、图5C示出在具有出射促进部164的本实施方式的光束控制部件160中，从发光元件150的发光面的中心射出的光的光路。此外，图5C是图5B的局部放大图。在图5A～图5C中，为了表示从发光元件150射出的光的光路而省略了剖面线。
如图5A、图5B、图5C所示，从发光元件150的发光面的中心射出的光由第一光学面161入射至光束控制部件160的内部。由第一光学面161入射的光的一部分会由第二光学面162以远离发光元件150的光轴的方式向侧方方向反射(会向沿着基板140的方向内部反射)。由第一光学面161入射的光中的另一部分会由第三光学面163向基板140方向反射。另外，如图5B、图5C所示，到达了第三光学面163所具有的出射促进部164的光从出射促进面165向光束控制部件160的外部射出。
图6A表示配置有具有以往的光束控制部件160’的发光装置的面光源装置的亮度分布，图6B表示配置有具有本实施方式的光束控制部件160的发光装置120的面光源装置100的亮度分布。在图6A、图6B的每一个中，右侧的曲线图表示通过发光元件150的发光中心的纵向的亮度分布，下侧的曲线图表示通过所述发光中心的横向的亮度分布。此外，该亮度分布表示从一个光束控制部件之下的一个发光元件115发出的光所带来的亮度分布。
由图6A与图6B的比较可知，在本实施方式的面光源装置100中，第二光学面的正上方的周围区域的亮度更高，亮度不均得到抑制(参照图6A、图6B各自的下侧的曲线图中圆圈所围成的部分)。
(效果)
在本实施方式的发光装置120中，由于光束控制部件160在第三光学面163具有出射促进部164，因此能够抑制第二光学面162的正上方的周围区域的亮度不均。
[实施方式2]
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的不同之处主要在于，在多个发光元件150之上配置一个光束控制部件260。因此，在本实施方式中，主要对该不同之处进行说明，对于相同的结构，标以相同的附图标记并省略其说明。
(面光源装置及发光装置的结构)
图7A、图7B是表示实施方式2的面光源装置200的结构的图。来自实施方式2的面光源装置200的光也与实施方式1的面光源装置100同样地，由光漫射板130扩展。此外，图7A是将光漫射板130取下后的面光源装置200的俯视图，图7B是表示发光元件150与光束控制部件260之间的位置关系的局部放大俯视图。
如图7A和图7B所示，在本实施方式的面光源装置200中，由一个光束控制部件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。
(光束控制部件的结构)
图8A～图8C及图9A、图9B是表示光束控制部件260的结构的图。图8A是实施方式2的光束控制部件260的俯视图，图8B是仰视图，图8C是立体图。图9A是图8A所示的A-A线的剖面图，图9B是图9A的局部放大图。在图8A～图8C及图9A、图9B中，省略了用于将光束控制部件260固定于基板140的支脚部。
如图8A～图8C及图9A、图9B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，多个入射单元260a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，分别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。
多个入射单元260a使从发光元件150射出的光分别入射，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及第三光学面163。第一光学面161、第二光学面162及第三光学面163的结构和功能与实施方式1相同，因此省略其说明。
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。出射单元260b例如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。
出射面265使来自入射单元260a的光的一部分反射，并使另一部分射出。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之间的间隔越小的部分即可，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之间的间隔越小的曲面或倾斜面。
反射面266使未由出射面265射出而反射后的光反射。反射面266与出射面265相对地配置。
(配光特性)
在实施方式2的发光装置220中，第一光学面161、第二光学面162及第三光学面163的配光与实施方式1的发光装置120相同，因此省略其说明。此外，由入射单元260a的第一光学面161入射的光由第二光学面162或第三光学面163反射并到达出射单元260b。在出射单元260b中，光从出射面265射出。
图10A表示配置有具有比较例的光束控制部件的发光装置的面光源装置的亮度分布，图10B表示配置有具有本实施方式的光束控制部件260的发光装置220的面光源装置200的亮度分布。比较例的光束控制部件不具有出射促进部。在图10A、图10B的每一个中，右侧的曲线图表示通过发光元件150的发光中心的纵向的亮度分布，下侧的曲线图表示通过所述发光中心的横向的亮度分布。此外，该亮度分布表示从一个光束控制部件之下的4个发光元件115发出的光所带来的亮度分布。
由图10A与图10B的比较可知，在本实施方式的发光装置中，第二光学面162的正上方的周围区域的亮度更高，亮度不均得到抑制。
(效果)
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，还能够由一个光束控制部件260对来自多个发光元件150的光进行控制，因此起到使光束控制部件260的实际安装变得容易的效果。

Claims (8)

1.一种光束控制部件，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，其特征在于，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，且所述第二光学面是关于所述发光元件的光轴旋转对称的凹部的内表面；以及
第三光学面，以包围所述第二光学面的方式向远离所述第二光学面的方向延伸，使由所述第一光学面入射的光中的另一部分的光向所述基板的方向反射，
所述第三光学面在其一部分具有出射促进部，
由所述第一光学面入射的光中的到达所述出射促进部的光从所述出射促进部向所述光束控制部件的外部射出。
2.如权利要求1所述的光束控制部件，其中，
所述出射促进部是从凹面、粗糙面、以及凸面中选择的至少一种以上的面。
3.如权利要求1或2所述的光束控制部件，其中，
所述出射促进部配置为关于所述发光元件的光轴旋转对称。
4.如权利要求1～3中的任意一项所述的光束控制部件，其中，
所述第三光学面中的所述出射促进部以外的区域是平坦面。
5.如权利要求1～4中的任意一项所述的光束控制部件，其中，包括：
多个入射单元，用于使从多个所述发光元件射出的光分别入射；以及
出射单元，配置于所述多个入射单元之间，且用于对由所述多个入射单元入射的光进行导光并使其射出，
所述多个入射单元分别具有所述第一光学面、所述第二光学面、所述第三光学面。
6.一种发光装置，其特征在于，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权利要求1～5中任意一项所述的光束控制部件。
7.一种面光源装置，其特征在于，包括：
权利要求6所述的发光装置；以及
光漫射板，使从所述发光装置射出的光漫射并透射。
8.一种显示装置，其特征在于，包括：
权利要求7所述的面光源装置；以及
显示部件，该显示部件被照射从所述面光源装置射出的光。
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