專利名稱：照明用透鏡、發(fā)光裝置、面光源和液晶顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使例如發(fā)光二極管等的光源的指向性擴(kuò)展的照明用透鏡、和使用該照 明用透鏡的照明裝置。此外，本發(fā)明還涉及具有多個(gè)照明裝置的面光源、和使該面光源作為 背光源配置在液晶面板后方的液晶顯示裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的大型液晶顯示裝置的背光源中，冷陰極管被大多配置在液晶面板正下 方，這些冷陰極管與擴(kuò)散板或反射板等的部件一起使用。近年來(lái)，發(fā)光二極管被作為背光源 的光源使用。發(fā)光二極管近年來(lái)效率提高，作為取代熒光燈的消耗功率少的光源值得期待。 另外作為液晶顯示裝置用光源，能夠根據(jù)映像控制發(fā)光二極管的明暗，從而降低液晶顯示 裝置的消耗功率。在液晶顯示裝置的以發(fā)光二極管作為光源的背光源中，配置大量的發(fā)光二極管替 代冷陰極管。通過(guò)使用大量的發(fā)光二極管，能夠在背光源表面得到均勻的亮度，但大量需要 發(fā)光二極管則存在不能確保價(jià)格低廉的問(wèn)題。于是試圖加大一個(gè)發(fā)光二極管的輸出功率以 減少發(fā)光二極管的使用個(gè)數(shù)，例如在專利文獻(xiàn)1中提出有一種透鏡，其中即使在少量個(gè)數(shù) 的發(fā)光二極管下也能夠得到均勻的面光源。先行技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 專利第3875247號(hào)為了在少量個(gè)數(shù)的發(fā)光二極管下得到均勻的面光源，需要使一個(gè)發(fā)光二極管照明 的被照明區(qū)域加大。即，需要將自發(fā)光二極管的光進(jìn)行擴(kuò)張以擴(kuò)展其指向性。為此在專利 文獻(xiàn)1中，將用于控制芯片狀的發(fā)光二極管的指向性且在平面視為圓形的透鏡配置在發(fā)光 二極管之上。該透鏡的形狀為，使光出射的出射面中的光軸附近部分為凹面、且其外側(cè)部分 為與凹面接連的凸面。發(fā)光二極管中，在發(fā)光二極管的芯片的正面方向上發(fā)出最多的光，在專利文獻(xiàn)1 所公開(kāi)的透鏡中，由光軸附近的凹面通過(guò)使來(lái)自芯片的朝向正面方向的光折射而使其發(fā) 散。由此，能夠抑制被照射面中的光軸附近的照度，達(dá)到有一定擴(kuò)展的照度分布。但是，在專利文獻(xiàn)1的透鏡中，由于存在使來(lái)自光源的光折射的必要性，所以需要 將凹面和凸面之間的高低差抑制得小到某程度，在擴(kuò)展光源的指向性上就存在局限。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種可以進(jìn)一步擴(kuò)展光源的指向性的照明用透鏡，并且 提供包含該照明用透鏡的發(fā)光裝置、面光源和液晶顯示裝置。為了達(dá)成所述目的，本發(fā)明的發(fā)明者認(rèn)為，如何使發(fā)光二極管的在芯片的正面方 向上行進(jìn)的強(qiáng)光在周圍配光，這在用于進(jìn)一步擴(kuò)展指向性上很重要。構(gòu)想出通過(guò)有系統(tǒng)地 使用全反射而使發(fā)光二極管的沿其芯片的正面方向行進(jìn)的光在周圍配光。本發(fā)明從這一觀點(diǎn)出發(fā)而達(dá)成。S卩，本發(fā)明提供一種照明用透鏡，是將來(lái)自光源的光擴(kuò)張并照射到被照射面的照 明用透鏡，其中，該照明用透鏡具有來(lái)自光源的光入射的入射面、和使入射的光出射的且 相對(duì)于光軸為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的出射面，所述出射面具有朝向所述光軸上的點(diǎn)凹陷的第一出射 面、和從該第一出射面的周緣部向外側(cè)擴(kuò)展且形成凸面的第二出射面，所述第一出射面包 括如下區(qū)域在以所述光軸上的所述光源的位置為基點(diǎn)時(shí)，使從所述基點(diǎn)放射并到達(dá)該第 一出射面的放射光之中的、與所述光軸的角度低于規(guī)定角度的放射光透過(guò)的透過(guò)區(qū)域；使 從所述基點(diǎn)放射并達(dá)到該第一出射面的放射光之中的、與所述光軸的角度在所述規(guī)定角度 以上的放射光全反射的全反射區(qū)域，所述第二出射面具有使從所述基點(diǎn)放射并到達(dá)該第 二出射面的放射光大體總量透過(guò)的形狀。在此，所述“大體總量”是指總量的90%以上，可以是總量，也可以是比總量稍少一
點(diǎn)的量。另外，本發(fā)明還提供一種發(fā)光裝置，其具有使光放射的發(fā)光二極管、和將自所述發(fā) 光二極管的光擴(kuò)張并照射到被照射面的照明用透鏡，其中，所述照明用透鏡是上述的照明 用透鏡。此外，本發(fā)明提供一種面光源，其具有平面配置的多個(gè)發(fā)光裝置、和擴(kuò)散板，該擴(kuò) 散板以覆蓋所述多個(gè)發(fā)光裝置的方式配置，使從所述多個(gè)發(fā)光裝置照射到其一個(gè)面上的光 以從其另一個(gè)面擴(kuò)散的狀態(tài)放射，所述多個(gè)發(fā)光裝置分別為上述發(fā)光裝置。另外，本發(fā)明提供一種液晶顯示裝置，其具有液晶面板和在所述液晶面板的背面 側(cè)所配置的上述面光源。根據(jù)上述構(gòu)造，從光源出射、且到達(dá)位于第一出射面的中心側(cè)的透過(guò)區(qū)域的光之 大部分，由透過(guò)區(qū)域折射并照射到被照射面中的以透鏡的光軸為中心的區(qū)域。另一方面，從 光源出射、且到達(dá)位于第一出射面的外周側(cè)的全反射區(qū)域的光之大部分，會(huì)由全反射區(qū)域 進(jìn)行全反射，且當(dāng)例如照明用透鏡的入射面?zhèn)扰湓O(shè)有反射板時(shí)，會(huì)最終被照射到被照射面 中的從透鏡的光軸遠(yuǎn)離的區(qū)域。此外，從光源出射并到達(dá)第二出射面的光之大部分，由第二 出射面折射而被照射到被照射面中的從透鏡的光軸遠(yuǎn)離的區(qū)域。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以進(jìn) 一步擴(kuò)展光源的指向性。因此，與以凹面僅進(jìn)行折射的現(xiàn)有的透鏡相比，也可以進(jìn)一步減小 透鏡的外徑。
圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1的照明用透鏡的構(gòu)造圖。圖2是圖1的要部放大圖。圖3是本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置的構(gòu)造圖。圖4是到達(dá)本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置的第一出射面的透過(guò)區(qū)域的光線的光 路圖。圖5是到達(dá)本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置的第一出射面的全反射區(qū)域的光線的 光路圖。圖6是從本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置的第二出射面所出射的光線的光路圖。圖7是變形例的照明用透鏡的構(gòu)造圖。
圖8是圖7的要部放大圖。圖9是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置的實(shí)施例1 3的構(gòu)造圖。圖10表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置的實(shí)施例1的出射面形狀，是表示θ i 與sagY的關(guān)系的曲線圖(將表1圖形化)。圖11表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置的實(shí)施例2的出射面形狀，是表示θ i 與sagY的關(guān)系的曲線圖(將表2圖形化)。圖12表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置的實(shí)施例3的出射面形狀，是表示θ i 與sagY的關(guān)系的曲線圖(將表3圖形化)。圖13是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置的實(shí)施例1的r/R與θ 系的曲線圖。圖14是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置的實(shí)施例2的r/R與θ 系的曲線圖。圖15是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置的實(shí)施例3的r/R與θ 系的曲線圖。圖16是本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置的實(shí)施例1的照度分布。圖17是本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置的實(shí)施例2的照度分布。圖18是本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置的實(shí)施例3的照度分布。圖19是用于確認(rèn)實(shí)施例1 3的效果的僅發(fā)光二極管的照度分布。圖20是本發(fā)明的實(shí)施方式3的面光源的構(gòu)造圖。圖21是本發(fā)明的實(shí)施方式3的面光源的部分性剖面圖。圖22是在本發(fā)明的實(shí)施方式3的面光源中使用實(shí)施例1的發(fā)光裝置時(shí)的照度分 布。圖23是在本發(fā)明的實(shí)施方式3的面光源中使用實(shí)施例2的發(fā)光裝置時(shí)的照度分布。圖24是在本發(fā)明的實(shí)施方式3的面光源中使用實(shí)施例3的發(fā)光裝置時(shí)的照度分布。圖25是用于確認(rèn)實(shí)施例1 3的效果的僅以發(fā)光二極管構(gòu)成發(fā)光裝置時(shí)的面光 源的照度分布。圖26是本發(fā)明的實(shí)施方式4的液晶顯示裝置的構(gòu)造圖。
具體實(shí)施例方式(實(shí)施方式1)一邊參照附圖，一邊對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施方式1的照明用透鏡進(jìn)行說(shuō)明。圖1是實(shí)施 方式1的照明用透鏡1的構(gòu)造圖。照明用透鏡1配置在具有指向性的光源(圖1中省略) 與被照射面3之間，將來(lái)自光源的光擴(kuò)張并照射到被照射面3上。S卩，通過(guò)照明用透鏡1將 光源的指向性擴(kuò)展。被照射面3的照度分布在照明用透鏡1的設(shè)計(jì)上的中心線即光軸A上 達(dá)到最大、越向周圍行進(jìn)就越大致單調(diào)地減少。還有，光源和照明用透鏡1按照彼此的光軸 一致的方式配置。具體來(lái)說(shuō)，照明用透鏡1具有來(lái)自光源的光入射的入射面11、和使入射的光出射
i- θ η的關(guān) i- θ η的關(guān) i- θ η的關(guān)的出射面12。另外，照明用透鏡1具有在入射面11的周圍朝向與出射面12反對(duì)側(cè)的底面 13。此外，照明用透鏡1在出射面12的外側(cè)具有連接出射面12的周邊(周緣)和底面13 的外周邊(外周緣)的外周面14。入射面11不需要相對(duì)于光軸A為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。在本實(shí)施方式中，入射面11比包圍 該入射面11的環(huán)狀的底面13更靠近出射面12，在由它們的級(jí)差形成的凹陷中使光源嵌入。 但是，入射面11也可以與底面13位于同一平面上。這種情況下，與光源光學(xué)性地接合的區(qū) 域?yàn)槿肷涿?1。還有，入射面11未必需要與光源直接接合，例如也可以在與光源之間形成 空氣層而凹陷成半球狀。出射面12相對(duì)于光軸A旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。出射面12是對(duì)光源的光量的規(guī)定量(例如 90% )以上的光進(jìn)行控制的區(qū)域(自圖1所示的點(diǎn)B內(nèi)側(cè)的區(qū)域)，出射面12從光軸方向 觀看時(shí)的直徑是照明用透鏡1的有效直徑。外周面14在本實(shí)施方式中形成與出射面12接連的曲面，但是也可以為截面直線 狀的錐面。或者雖然圖示省略，也可以在照明用透鏡上設(shè)置從出射面12的周邊遍及全周而 突出的環(huán)部，該環(huán)部的端面成為外周面14。另外，外周面14不需要相對(duì)于光軸A為旋轉(zhuǎn)對(duì) 稱，例如外周面14也可以具有以?shī)A隔光軸A的方式相互平行的一對(duì)平面部，照明用透鏡1 從光軸方向觀看時(shí)為橢圓形。來(lái)自光源的光從入射面11入射到照明用透鏡1內(nèi)后，從出射面12出射，到達(dá)被照 射面3。從光源放射的光在出射面12的作用下被擴(kuò)張，就可到達(dá)被照射面3的較寬的范圍。作為光源，例如能夠采用發(fā)光二極管。發(fā)光二極管大多是矩形板狀的芯片。作為 優(yōu)選，照明用透鏡1的入射面11也按照與發(fā)光二極管密接的方式為與發(fā)光二極管的形狀匹 配的形狀。發(fā)光二極管經(jīng)由接合劑與照明用透鏡1的入射面11相接，與入射面11光學(xué)性 地接合。雖然發(fā)光二極管通常以不與空氣接觸的方式由封閉樹(shù)脂覆蓋，但由于照明用透鏡1 起到了密封樹(shù)脂的作用，因此不需要另行配置密封樹(shù)脂。作為現(xiàn)有的發(fā)光二極管的密封樹(shù) 脂，使用環(huán)氧樹(shù)脂或硅橡膠等。照明用透鏡1由具有規(guī)定的折射率的透明材料構(gòu)成。透明材料的折射率例如從 1. 4至1. 5左右。作為這樣的透明材料，能夠使用環(huán)氧樹(shù)脂、硅樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、聚碳酸酯 等的樹(shù)脂，或者硅橡膠等的橡膠。其中，優(yōu)選使用作為發(fā)光二極管的密封樹(shù)脂所使用的環(huán)氧 樹(shù)脂或硅橡膠等。出射面12由第一出射面121和第二出射面122構(gòu)成，第一出射面121朝向光軸A 上的點(diǎn)凹陷，第二出射面122從該第一出射面121的周緣部向外側(cè)擴(kuò)展且形成凸面。從入 射面11入射到照明用透鏡1的內(nèi)部的光具有大的角度范圍。與光軸A的角度較小的光到 達(dá)第一出射面121，與光軸A的角度較大的光到達(dá)第二出射面122。接著，對(duì)于第一出射面121和第二出射面122的形狀進(jìn)行說(shuō)明。為此，首先規(guī)定基 點(diǎn)Q，假定放射光從該基點(diǎn)Q放射。在此，所謂基點(diǎn)Q是光軸A上的光源的位置，當(dāng)作為光源 采用發(fā)光二極管時(shí)就是光軸A和發(fā)光二極管的正面即出射面之交點(diǎn)。S卩，基點(diǎn)Q從入射面 11隔離開(kāi)上述的接合劑的厚度部分。然后，從基點(diǎn)Q放射的放射光，在將第一出射面121與 第二出射面122的邊界和基點(diǎn)Q連接之連接線和光軸A所形成的夾角θ b為界的前提下， 分別到達(dá)第一出射面121和第二出射面122。如圖2所示，第一出射面121由透過(guò)區(qū)域123和全反射區(qū)域124構(gòu)成，透過(guò)區(qū)域123使從基點(diǎn)Q放射并到達(dá)該第一出射面121的放射光之中的、與光軸A的角度低于規(guī)定角 度θ ρ的放射光透過(guò)，全反射區(qū)域124使從基點(diǎn)Q放射并到達(dá)該第一出射面121的放射光 之中的、與光軸A的角度在規(guī)定角度θ ρ以上的放射光全反射。g卩，θ ρ是在透過(guò)區(qū)域123 和全反射區(qū)域124的邊界上的點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)P時(shí)、連接點(diǎn)P和基點(diǎn)Q之直線與光軸A所形成的夾角。另一方面，第二出射面122具有使從基點(diǎn)Q放射并到達(dá)該第二出射面122的放射 光大體總量透過(guò)的形狀。越是趨于第二出射面122的外側(cè)，來(lái)自基點(diǎn)Q的放射光與光軸A的 角度就越大，但是，相對(duì)于放射光到達(dá)第二出射面122的點(diǎn)的法線的、放射線的光線角度， 是對(duì)第二出射面122的入射角，若入射角變得過(guò)大則發(fā)生全反射。為了不發(fā)生全反射，需要 使入射角不要太大，于是第二出射面122的形狀就為隨著從光軸A遠(yuǎn)離而法線與光軸A的 角度增大這樣的形狀、即為凸面。還有，第二出射面122不一定要使從基點(diǎn)Q放射的放射光在遍及整個(gè)面的范圍透 過(guò)(即，使總量透過(guò))，其也可以具有使從基點(diǎn)Q放射的放射光的一部分全反射而使其余透 過(guò)的形狀。如果是以上這種照明用透鏡1，則從光源出射且到達(dá)第一出射面121的位于中心 側(cè)的透過(guò)區(qū)域123的光之大部分，由透過(guò)區(qū)域123折射并被照射到被照射面3中的以透鏡 的光軸A為中心的區(qū)域。另一方面，從光源出射到達(dá)第一出射面121的位于外周側(cè)的全反 射區(qū)域124的光之大部分，被全反射區(qū)域124全反射，當(dāng)例如在照明用透鏡1的入射面11 側(cè)配設(shè)有反射板時(shí)，最終會(huì)被照射到被照射面3中的從透鏡的光軸A遠(yuǎn)離的區(qū)域。此外，從 光源出射且到達(dá)第二出射面122的光之大部分，由第二出射面122折射而被照射到被照射 面3中的從透鏡的光軸A遠(yuǎn)離的區(qū)域。因此，根據(jù)本實(shí)施方式的照明用透鏡1，可以進(jìn)一步 擴(kuò)展光源的指向性。因此，與由凹面僅折射的現(xiàn)有的透鏡相比，也可以進(jìn)一步減小透鏡的外 徑。以上，對(duì)于本實(shí)施方式的照明用透鏡1的基本的形態(tài)進(jìn)行了說(shuō)明，以下對(duì)于本實(shí) 施方式的照明用透鏡1的優(yōu)選形態(tài)進(jìn)行說(shuō)明。前述的將第一出射面121和第二出射面122的邊界與基點(diǎn)Q連接的直線同光軸A 的夾角θ b(參照?qǐng)D1)優(yōu)選滿足下式(1)。20° < θ b < 40° ... (1)式(1)是規(guī)定第一出射面121的范圍的公式，第一出射面121的范圍由與基點(diǎn)Q的 角度(極坐標(biāo))來(lái)定義，賦予能夠?qū)⒃诒徽丈涿?中的以透鏡的光軸A為中心的區(qū)域(以下 稱為“光軸附近”。)所照射的光和在被照射面3中的從透鏡的光軸A遠(yuǎn)離的區(qū)域(以下稱 為“外周區(qū)域”。)所照射的光進(jìn)行適量分割的范圍。若θ b達(dá)到40°以上，則第一出射面 121的范圍變大，由于來(lái)自光源的光軸附近的光向外側(cè)被過(guò)多地分配，因此被照射面3的光 軸附近的照度不足發(fā)生，而產(chǎn)生照度不均勻。另外，若9b在20°以下，則第一出射面121 的范圍變小，照射到被照射面3中的光軸附近的的光就變多，另一方面，照射到外周區(qū)域的 光不足，因此不僅產(chǎn)生照度不均勻，而且還使指向性狹窄。另外，如圖2所示，設(shè)第一出射面121與光軸A相交的點(diǎn)為點(diǎn)C，此外設(shè)點(diǎn)C與基點(diǎn) Q之間的距離為d，連接點(diǎn)C與前述的點(diǎn)P的直線的長(zhǎng)度為a時(shí)，優(yōu)選滿足下式(2)。1. 10 < a/(dXtan θ ρ) < 1. 30 ... (2)
式(2)是規(guī)定第一出射面121中的透過(guò)區(qū)域123的范圍的公式，是表示照射到被 照射面3中的光軸附近的光的量之式子。若式(2)中的“a/(dXtan θ ρ) ”達(dá)到1. 30以上， 則在透過(guò)區(qū)域123透過(guò)的光的量過(guò)多，被照射面3中的光軸附近的照度變高，產(chǎn)生照度不均 勻。反之，若式(2)中的“a/(dXtanep)”在1.10以下，則在透過(guò)區(qū)域123透過(guò)的光的量 過(guò)度減少，被照射面3中的光軸附近的照度變低，產(chǎn)生照度不均勻。此外，如圖2所示，設(shè)光軸A上的照明用透鏡1的厚度(即，從點(diǎn)C到入射面11的 距離)為d’，設(shè)照明用透鏡1的最外徑為R時(shí)，優(yōu)選滿足下式(3)，d，/2R < 0. 25 ... (3)并且，在經(jīng)由照明用透鏡1對(duì)被照射面3進(jìn)行照明的情況下的、以光軸中心照度為 1而被標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)的在被照射面3上的照度分布曲線中的照度0. 2以上的分布寬度設(shè)為δ L, 在僅由光源對(duì)被照射面3進(jìn)行照明的情況下的、以光軸中心照度為1而被標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)的被照 射面3上的照度分布曲線中的照度0. 2以上的分布寬度設(shè)為δ s時(shí)，優(yōu)選滿足下式(4)。2. 0 < δ L/ δ s < 4. 0 ... (4)若式(3)中的“d’ /2R”達(dá)到0.25以上而不滿足式(3)時(shí)，則出射面12中的第一 出射面121和第二出射面122的平衡破壞，發(fā)生照度不均勻。式(4)中的“”表示照明用透鏡的有無(wú)所引起的照度分布的比，若其達(dá)到 4.0以上，則指向性變寬，但照明范圍過(guò)寬，發(fā)生照度不足。反之，若在2.0以下，則透鏡自身 變大，小型性和性價(jià)比變差。指向性變得狹窄。還有，本發(fā)明的照明用透鏡也可以適用于發(fā)光二極管以外的光源(例如激光或有 機(jī) EL)。(變形例)接下來(lái)，參照?qǐng)D7和圖8，說(shuō)明變形例的照明用透鏡1’。還有，對(duì)與上述的照明用 透鏡1相同的構(gòu)成部分賦予相同的符號(hào)。在該照明用透鏡1’中，第一出射光121具有由反射層126覆蓋的正反射區(qū)域125， 以之取代全反射區(qū)域124(參照?qǐng)D2)。因此，從基點(diǎn)Q放射并到達(dá)該第一出射面121的放射 光之中的、與光軸A的角度為規(guī)定角度θ ρ以上的放射光被反射層126正反射。還有，被正 反射的放射光的光路與全反射的情況相同。反射層126可以由在正反射區(qū)域125涂布反射 性的材料并使之硬化的反射膜構(gòu)成，也可以由貼附在正反射區(qū)域125上的反射片構(gòu)成。在如本變形例利用正反射時(shí)，與利用全反射的情況相比，能夠緩和第一出射面121 的角度，能夠加大透鏡形狀的設(shè)計(jì)的自由度。還有，正反射區(qū)域125也可以具有與全反射區(qū) 域124相同的形狀。即，正反射區(qū)域125在沒(méi)有反射層126時(shí)也可以成為如下形狀從基點(diǎn) Q放射并到達(dá)第一出射面121的放射光之中的、與光軸A的角度在規(guī)定角度θ ρ以上的放射 光被全反射。(實(shí)施方式2)圖3是本發(fā)明的實(shí)施方式2的發(fā)光裝置7的構(gòu)造圖。該發(fā)光裝置7具有使光放射 的發(fā)光二極管2、和將自發(fā)光二極管2的光進(jìn)行擴(kuò)張并照射到被照射面3的實(shí)施方式1中說(shuō) 明的照明用透鏡1。就發(fā)光二極管2而言，在照明用透鏡1的入射面11由接合劑密接地配置、且被光 學(xué)性地接合。從照明用透鏡1的出射面12出射的光到達(dá)被照射面3而對(duì)被照射面3進(jìn)行照明。發(fā)光二極管2內(nèi)的發(fā)光是不具有指向性的發(fā)光，但發(fā)光區(qū)域的折射率為2. 0以上， 若光侵入到折射率低的區(qū)域，則在界面的折射的影響下，在界面的法線方向上具有最大的 強(qiáng)度，從法線方向起角越變大，光的強(qiáng)度就越小。如此發(fā)光二極管2具有指向性，為了對(duì)寬 闊的范圍進(jìn)行照明，需要由照明用透鏡1將指向性擴(kuò)展。圖4是發(fā)光裝置7的光路圖。圖4中說(shuō)明的是，來(lái)自光源的光之中的、以小角度出 射并到達(dá)第一出射面121的透過(guò)區(qū)域123 (參照?qǐng)D2)的光線的光路。從發(fā)光二極管2出射 的光透過(guò)入射面11且到達(dá)第一出射面121的透過(guò)區(qū)域123。所到達(dá)的光在第一出射面121 的透過(guò)區(qū)域折射且透過(guò)、然后到達(dá)被照射面3。圖5是發(fā)光裝置7的光路圖。圖5中說(shuō)明的是，來(lái)自光源的光之中的、以小角度出 射并到達(dá)第一出射面121的全反射區(qū)域124(參照?qǐng)D2)的光線的光路。從發(fā)光二極管2出 射的光透過(guò)入射面11且到達(dá)第一出射面121的全反射區(qū)域124。通過(guò)第一出射面121的 全反射區(qū)域124使所到達(dá)的光發(fā)生全反射。與光軸A接近的光經(jīng)全反射而達(dá)到第二出射面 122后，在第二出射面122折射且透過(guò)。而且，在照明用透鏡1的入射面11側(cè)配設(shè)有反射板 時(shí)，在第二出射面122透過(guò)的光的大體總量都會(huì)到達(dá)被照射面3。另一方面，從光軸A離開(kāi) 的光經(jīng)全反射到達(dá)第二出射面122后，在照明用透鏡1內(nèi)反射重復(fù)1次以上，由此在出射面 12折射且透過(guò)，到達(dá)被照射面3。圖6是發(fā)光裝置7的光路圖。圖6中說(shuō)明的是，來(lái)自光源的光之中的、以大角度出 射而到達(dá)第二出射面122的光線的光路。從發(fā)光二極管2出射的光透過(guò)入射面11而到達(dá) 第二出射面122。所達(dá)到的光在第二出射面122不具有使一部分的光全反射的形狀時(shí)其大 體總量在第二出射面122折射且透過(guò)，其后到達(dá)被照射面3。以下，作為本發(fā)明的具體的數(shù)值例，表示實(shí)施例1 3。圖9是本發(fā)明的實(shí)施方式2的實(shí)施例1 3的發(fā)光裝置的構(gòu)造圖。本實(shí)施例1是 以0.45mm角的發(fā)光二極管為光源、且以擴(kuò)展指向性為目的的設(shè)計(jì)例。圖9中的θ i是將光 軸A上的光源位置(基點(diǎn)Q)和出射面12上的任意的位置連接的直線與光軸A的角度。另 外，圖9中的θ n是所述出射面12上的任意的位置的出射面12的法線、換言之就是在從 光軸A上的光源位置(基點(diǎn)Q)起為θ i的角度方向上所放射的光到達(dá)出射面12位置的出 射面12的法線與光軸A所形成的夾角。此外，圖9中的sagY是從光軸A上的光源位置(基 點(diǎn)Q)到所述出射面12上的任意的位置為止在光軸方向上所測(cè)量的的距離。(實(shí)施例1)接下來(lái)將實(shí)施例1的具體的數(shù)值表示在表1中。[表 1]圖10是有關(guān)表1的ei和SagY被圖形化后的曲線圖。另外，圖13中表示r/R與 θ -θη的關(guān)系的曲線圖。在此，r/R是將從光軸A至所述出射面12上的任意的位置為止 的在與入射面11平行的方向上的距離由透鏡最外半徑被標(biāo)準(zhǔn)化后的值(r 從光軸A至所 述出射面12上的任意的位置為止的在與入射面11平行的方向上的距離，R 透鏡最外半徑 (參照?qǐng)D9))。θ i-θ η是相對(duì)于以θ i的角度放射的放射光到達(dá)出射面12的點(diǎn)的法線的、放 射線的光線的角度，表示對(duì)出射面12的入射角。就第一出射面121的全反射區(qū)域124的 條件而言，因?yàn)闃?gòu)成本實(shí)施例1的透鏡的透明材料的折射率為1. 41，所以是θ i- θ n為 45. 172°以上。因此圖13表示在本實(shí)施例1中第一出射面121的光軸附近的狹窄的范圍 為透過(guò)區(qū)域123、從光軸離開(kāi)的寬闊范圍為全反射區(qū)域124。另外圖13還表示在本實(shí)施例 1中第二出射面122將從基點(diǎn)Q放射的放射光在遍及整體面的范圍進(jìn)行全反射。另外在本實(shí)施例1中，圖2所示的d為0. 485mm，θ ρ為4. 2°，a為0. 042mm。因 此，a/(dXtan θ ρ) = 1. 17，滿足上式(2)。此夕卜，在本實(shí)施例1中，圖2所示的d，為0. 48謹(jǐn)，R為1. 95謹(jǐn)。因此d，/2R = 0. 12，滿足上式(3)。圖16表示在配置實(shí)施例1的發(fā)光裝置(圖10的照明用透鏡和發(fā)光二極管)且在 從發(fā)光二極管離開(kāi)8mm的位置配置被照射面的情況下的、通過(guò)計(jì)算所求得的被照射面的照 度分布。圖19表示在僅配置與圖16的情形相同的發(fā)光二極管且在從發(fā)光二極管離開(kāi)8mm 的位置配置被照射面的情況下的、通過(guò)計(jì)算所求得的被照射面的照度分布。還有，圖16和 圖19表示以光軸中心照度為1而被標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)的被照射面的照度分布曲線。若比較圖16和 圖19，則可知在照明用透鏡的效果下，能夠?qū)⒈徽丈涿鎸掗煹卣彰?。此外，圖16中的照度分布曲線中的照度0. 2以上的分布寬度δ ^為0. 48，圖19中
的照度分布曲線中的照度0.2以上的分布寬度Ss為0.2。因此，δ夕Ss = 2. 4，滿足上式 ⑷。(實(shí)施例2)
接下來(lái)將實(shí)施例2的具體的數(shù)值表示在表2中。[表 2]
從發(fā)光二極管離開(kāi)8mm的位置配置被照射面的情況下的、通過(guò)計(jì)算所求得的被照射面的照 度分布。還有，圖18與圖16 —樣，表示以光軸中心照度為1而被標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)的被照射面的照 度分布曲線。若比較圖18和圖19，則可知在照明用透鏡的效果下，能夠?qū)⒈徽丈涿鎸掗煹?照明。此外，圖18中的照度分布曲線中的照度0.2以上的分布寬度δ,為0.56。因此， δ L/ δ s = 2. 8，滿足上式(4)。(實(shí)施方式3)圖20是本發(fā)明的實(shí)施方式3的面光源8的構(gòu)造圖。該面光源8具有平面配置的 在實(shí)施方式2中說(shuō)明的多個(gè)發(fā)光裝置7、和以覆蓋這些發(fā)光裝置7的方式被配置的擴(kuò)散板 4。還有，發(fā)光裝置7可以如圖20所示配置成矩陣狀，也可以配置成錯(cuò)列狀。另外，面光源8具有以?shī)A隔發(fā)光裝置7的方式與擴(kuò)散板4對(duì)向的基板65。在基板 65上，如圖21所示，裝配有各發(fā)光裝置7的發(fā)光二極管2。在本實(shí)施方式中，在基板65上 配置反射板6，在避開(kāi)發(fā)光二極管2的同時(shí)覆蓋基板65。還有，在本實(shí)施方式中，照明用透 鏡1的入射面11和其周圍的底面13位于同一平面上。發(fā)光裝置7對(duì)擴(kuò)散板4的一個(gè)面4a進(jìn)行光照射。即，擴(kuò)散板4的一個(gè)面4a成為 實(shí)施方式1和實(shí)施方式2中說(shuō)明的被照射面3。擴(kuò)散板4將照射到一個(gè)面4a的光以從另一 個(gè)面4b擴(kuò)散的狀態(tài)放射。從各個(gè)發(fā)光裝置7對(duì)擴(kuò)散板4的一個(gè)面4a照射在寬闊范圍被均 一化的照度的光，該光由擴(kuò)散板4擴(kuò)散，由此能夠得到面內(nèi)的亮度不均勻少的面光源。來(lái)自發(fā)光裝置7的光被擴(kuò)散板4散射后，或返回到發(fā)光裝置側(cè)、或透過(guò)擴(kuò)散板4。 返回到發(fā)光裝置側(cè)并入射到反射板6的光，由反射板6反射，再次入射到擴(kuò)散板4。圖22表示在將由圖10的照明用透鏡和發(fā)光二極管構(gòu)成的實(shí)施例1的發(fā)光裝置 以20mm間距在一條直線上配置4個(gè)，在發(fā)光二極管離開(kāi)8mm的位置配置擴(kuò)散板的情況下 的、通過(guò)計(jì)算所求得的擴(kuò)散板入射面(發(fā)光裝置側(cè)的一個(gè)面)的照度分布。照度分布上可 見(jiàn)細(xì)小的波動(dòng)，這是由于在進(jìn)行照度計(jì)算上所評(píng)價(jià)的光線數(shù)量不足。同樣求得的在使用實(shí) 施例2的發(fā)光裝置時(shí)的照度分布和在使用實(shí)施例3的發(fā)光裝置時(shí)的照度分布分別表示在圖 23和圖24中。圖25表示在僅將發(fā)光二極管以20mm間距在一條直線上配置4個(gè)且在從發(fā)光二 極管離開(kāi)8mm的位置配置擴(kuò)散板的情況下的、通過(guò)計(jì)算所求得的擴(kuò)散板入射面上的照度分布。若比較圖22 圖24和圖25，則可知在照明用透鏡的效果下，能夠?qū)U(kuò)散板入射面 進(jìn)行均勻地照明。(實(shí)施方式4)圖26是本發(fā)明的實(shí)施方式4的液晶顯示裝置的構(gòu)造圖。該液晶顯示裝置具有液 晶面板5、和在液晶面板5的背面?zhèn)人渲玫膶?shí)施方式3中說(shuō)明的面光源8。將由發(fā)光二極管2和照明用的透鏡1構(gòu)成的發(fā)光裝置7平面地配置多個(gè)，通過(guò)這 些發(fā)光裝置7使擴(kuò)散板4被照明。擴(kuò)散板4的背面(一個(gè)面)被照射有照度均勻化后的光， 該光被擴(kuò)散板4擴(kuò)散而使液晶面板5照明。還有，優(yōu)選在液晶面板5和面光源8之間配置擴(kuò)散片、棱鏡片等光學(xué)片。這時(shí)，透 過(guò)擴(kuò)散板4的光被光學(xué)板進(jìn)一步擴(kuò)散而照明液晶面板5。
權(quán)利要求
一種照明用透鏡，將自光源的光進(jìn)行擴(kuò)張并照射到被照射面，其中，該照明用透鏡具有來(lái)自光源的光入射的入射面、和使入射的光出射的且相對(duì)于光軸為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的出射面，所述出射面具有朝向所述光軸上的點(diǎn)凹陷的第一出射面、和從該第一出射面的周緣部向外側(cè)擴(kuò)展且形成凸面的第二出射面，所述第一出射面包括如下區(qū)域在以所述光軸上的所述光源的位置為基點(diǎn)時(shí)，使從所述基點(diǎn)放射并到達(dá)該第一出射面的放射光之中的、與所述光軸的角度低于規(guī)定角度的放射光透過(guò)的透過(guò)區(qū)域；使從所述基點(diǎn)放射并達(dá)到該第一出射面的放射光之中的、與所述光軸的角度在所述規(guī)定角度以上的放射光全反射的全反射區(qū)域，所述第二出射面具有使從所述基點(diǎn)放射并到達(dá)該第二出射面的放射光大體總量透過(guò)的形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明用透鏡，其中，在將所述第一出射面和所述第二出射面 的邊界與所述基點(diǎn)連接的直線同所述光軸所形成的夾角設(shè)為θ b時(shí)，滿足下式20° < θ b < 40°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明用透鏡，其中，將所述第一出射面與所述光軸相交的點(diǎn) 設(shè)為點(diǎn)C，所述透過(guò)區(qū)域和所述全反射區(qū)域的邊界上的點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)P，進(jìn)一步將所述點(diǎn)C與所 述基點(diǎn)之間的距離設(shè)為d，將所述點(diǎn)P和所述基點(diǎn)連接的直線同所述光軸所形成的夾角設(shè) 為θ P，將所述點(diǎn)C與所述點(diǎn)P連接的直線的長(zhǎng)度設(shè)為a時(shí)，滿足下式1.10 < a/(dxtan θ ρ) < 1. 30。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明用透鏡，其中，所述第二出射面使從所述基點(diǎn)所放射的 放射光在整個(gè)面范圍透過(guò)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明用透鏡，其中，所述第二出射面對(duì)從所述基點(diǎn)放射的放 射光的一部分進(jìn)行全反射，且使其余的透過(guò)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明用透鏡，其中，將所述光軸上的所述照明用透鏡的厚度 設(shè)為d’，所述照明用透鏡的最外徑設(shè)為R時(shí)，滿足下式d，/2R < 0. 25并且，在經(jīng)由所述照明用透鏡對(duì)所述被照射面進(jìn)行照明的情況下的、以光軸中心照度 為1而被標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)的在所述被照射面上的照度分布曲線中的照度0. 2以上的分布幅寬設(shè) 為Sy在僅由所述光源對(duì)所述被照射面進(jìn)行照明的情況下的、以光軸中心照度為1而被標(biāo) 準(zhǔn)化時(shí)的在所述被照射面上的照度分布曲線中的照度0. 2以上的分布幅寬設(shè)為δ s，滿足下 式2.0 < δ L/ δ s < 4. 0。
7.一種照明用透鏡，將自光源的光擴(kuò)張并照射到被照射面，其中，該照明用透鏡具有來(lái)自光源的光入射的入射面、和使入射的光出射的且相對(duì)于光軸 為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的出射面，所述出射面具有朝向所述光軸上的點(diǎn)凹陷的第一出射面、和從該第一出射面的周緣 部向外側(cè)擴(kuò)展且形成凸面的第二出射面，所述第一出射面包括如下區(qū)域在以所述光軸上的所述光源的位置為基點(diǎn)時(shí)，使從所 述基點(diǎn)放射并到達(dá)該第一出射面的放射光之中的、與所述光軸的角度低于規(guī)定角度的放射光透過(guò)的透過(guò)區(qū)域；使從所述基點(diǎn)放射并達(dá)到該第一出射面的放射光之中的、與所述光軸 的角度在所述規(guī)定角度以上的放射光正反射的由反射層覆蓋的正反射區(qū)域，所述第二出射面具有使從所述基點(diǎn)放射并到達(dá)該第二出射面的放射光大體總量透過(guò) 的形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明用透鏡，其中，所述正反射區(qū)域具有在沒(méi)有所述反射層 時(shí)可使從所述基點(diǎn)放射并到達(dá)所述第一出射面的放射光之中的、與所述光軸的角度在所述 規(guī)定角度以上的放射光全反射的形狀。
9.一種發(fā)光裝置，具有使光放射的發(fā)光二極管、和將自所述發(fā)光二極管的光進(jìn)行擴(kuò)張 并照射到被照射面的照明用透鏡，其中，所述照明用透鏡是權(quán)利要求1所述的照明用透鏡。
10.一種面光源，具有平面配置的多個(gè)發(fā)光裝置和擴(kuò)散板，該擴(kuò)散板以覆蓋所述多個(gè)發(fā) 光裝置的方式配置，使從所述多個(gè)發(fā)光裝置照射到其一個(gè)面上的光在從其另一個(gè)面擴(kuò)散的 狀態(tài)下放射，其中，所述多個(gè)發(fā)光裝置分別為權(quán)利要求9所述的發(fā)光裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的面光源，其中，還具有基板和反射板，所述基板按照夾著所 述多個(gè)發(fā)光裝置的方式與所述擴(kuò)散板對(duì)置，并且裝配有所述多個(gè)發(fā)光裝置各自的所述發(fā)光 二極管；所述反射板按照避開(kāi)所述發(fā)光二極管且覆蓋所述基板的方式配置在所述基板上。
12.一種液晶顯示裝置，其中，具有液晶面板和在所述液晶面板的背面?zhèn)人渲玫臋?quán)利 要求10所述的面光源。
全文摘要
照明用透鏡(1)具有入射面(11)和出射面(12)。出射面(12)具有朝向所述光軸A上的點(diǎn)凹陷的第一出射面(121)、和從第一出射面(121)的周緣部向外側(cè)擴(kuò)展的第二出射面(122)。第一出射面(121)包括如下區(qū)域使從作為光軸A上的光源的位置的基點(diǎn)Q所放射的放射光之中的、與光軸A的角度低于規(guī)定角度的放射光透過(guò)的透過(guò)區(qū)域；使從基點(diǎn)Q所放射的放射光之中的、與光軸A的角度在所述規(guī)定角度以上的放射光全反射的全反射區(qū)域。
文檔編號(hào)F21V5/00GK101883994SQ20098010094
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2009年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月12日
發(fā)明者木村俊介, 松木大三郎, 飯山智子 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社