CN101614370A - 照明装置及采用该照明装置的显示装置 - Google Patents

Abstract

在从导光体侧面入射来自光源的光并从导光体顶面出射的照明装置中，在导光片的入光面以与光源相对的方式设置凹部，使从光源的出光部沿出光方向以抛物线形状延伸的抛物面与该入光面连接。而且，将配置在导光体的出射面的棱镜设置到尽量接近光源的区域。通过这种结构，相对导光体的出射面垂直分量的光的出射得到大幅增加，能够在不使用棱镜片的情况下提高照明装置的亮度。

Description

照明装置及采用该照明装置的显示装置

技术领域

本发明涉及照明装置及采用照明装置的显示装置。尤其涉及对非自发光型的显示元件进行照明的前光源(front light)或背光源(backlight)等照明装置，以及用于诸如便携信息设备、笔记本式PC、便携电话、液晶电视的液晶显示装置。此外，涉及住宅或办公室等的设备照明用装置。

背景技术

以前，众所周知从导光体侧面入射来自光源的光，而从导光体顶面(以下称为出射面)使光出射的、端面照光(edge light)方式的照明装置。光源采用发光二极管(LED)等点光源，在导光体的出射面另一侧的底面(对置面)形成了许多沟槽或点图案(dot pattern)。此外，在出射面往往形成具有扩散光效果的扩散图案。在导光体的入光面(即，面向光源，且光源的光入射的面)形成了棱镜。通过该棱镜，点光源的光得到扩散并入射到导光体内部。导光体的材料使用折射率比空气高的聚碳酸脂(PC)或丙烯(PMMA)等透明树脂。此外，一般，在导光体的出射面侧配置扩散片或棱镜片。而且，在导光体的底部配置反射片。

此外，不使用点光源而使用冷阴极管等线光源的端面照光方式的照明装置也是众所周知的(例如，参照日本特开平9-292531号公报)。此外，组合点光源与实施微棱镜(micro prism)加工的导光体的、光利用效率高的照明装置也是众所周知的(例如，参照日本特开2006-4915号公报)。

在传统照明装置中，为了使从导光体的出射面出射的光均匀地分散，光学设计成为在导光体内部重复反射和折射后出射。但是，反射和折射的次数一旦增加，损耗的光也相应地增加，结果会降低光的利用效率。

特别是，在使用LED等点光源的场合，来自点光源的光通过棱镜或扩散层一度扩散，然后入射到导光体中。因此，在导光体的内部同样，多余的反射和折射增加，且光利用效率仍然下降。

在此，就点光源的发光在没有扩散的情况下入射到导光体的入光面的结构的照明装置进行说明。在图9中模式地示出光源1的光直接入射导光片时的光在导光体内的光路。来自光源1的光一般具有较宽的配光特性，大致在180度的范围内扩散。从光源1出射的光，可以大致分为直线分量3a和倾斜分量3c，该直线分量3a是与导光体2的下棱镜5垂直的光，该倾斜分量3c是带有角度的分量。直线分量3a对下棱镜5的反射面以临界角照射的概率高、容易全反射。因此容易从导光体2射出。而且，容易作为垂直于出射面的光出射。另一方面，倾斜分量3c即使照射到下棱镜5，反射的分量也少。即，在形成有诸如棱镜的反射结构体的导光体的场合，若倾斜分量多，则从导光体出射的效率会变低。

此外，为了提高面发光的均匀性，往往在导光体上设置扩散膜或棱镜片。这些膜类会造成照明装置的厚度及成本的增加。

此外，组合点光源与实施了微棱镜加工的导光体的照明装置中，存在难以增大导光片的尺寸的问题。

发明内容

本发明的目的在于实现光利用效率高且可做薄型化、大型化的照明装置及显示装置。本发明的照明装置是具备光源和将来自光源的光进行导光并从顶面出射的导光体的照明装置，其中，在来自光源的光入射的入光面以与所述光源相对的方式设置凹部，从光源的出光部沿出光方向以抛物线形状延伸的抛物面与入光面连接。再者，尽量将在出射来自入光部的光的导光体顶面配置的棱镜，设置到接近光源的区域。

依据本发明，使垂直于导光体出射面的光分量的出射大幅增加，即便是LED等点光源的导光体，也可以在不使用棱镜片的情况下进行高亮度化。因此，能够实现高亮度且便宜、可以薄型且大型化的照明装置及显示装置。

附图说明

图1是表示本发明的照明装置的结构的模式图。

图2是说明本发明的照明装置的入光部的放大图。

图3是表示本发明的照明装置的剖面结构的模式图。

图4是表示本发明的照明装置的剖面结构的模式图。

图5是表示本发明的照明装置的一部分结构的模式图。

图6是表示本发明的照明装置的一部分结构的模式图。

图7是表示本发明的照明装置的结构的模式图。

图8是表示本发明的显示装置的剖面结构的模式图。

图9是模式地示出传统照明装置的一部分结构的放大图。

图10是模式地示出本发明的照明装置的一部分结构的放大图。

图11是表示本发明的照明装置的结构的模式图。

图12是表示本发明的照明装置的结构的模式图。

图13是表示本发明的照明装置的结构的模式图。

图14是说明本发明的照明装置的入光部的放大图。

具体实施方式

基于图1，就本发明的照明装置进行说明。图1是模式地示出本发明的照明装置的俯视图。如图所示，将发出光的光源1和对来自光源1的光进行导光后从出射面发射的导光体2相接近地配置。导光体2可以大致分为入光部2a和发光部。导光体2使从入光部2a的入光面入射的光经导光后从发光部的出射面出射。入光部2a具备面向光源1的出光部的入光面和从光源1的出光部沿出光方向以抛物线形状形成的抛物面。在入光部2a的入光面以与光源1的出光部相对的方式形成凹部。凹部的形状优选梯形，但也可为半圆或三角形或多边形等形状。如图所示，在设有多个光源的场合，在与各光源1的间隔相对的入光部2a形成抛物面。如此，由形成凹部的入光面和抛物面构成入光部，从而可以使向宽范围发光的光源光沿一定方向对齐后导入导光片2的内部。此外，在导光体2形成有用于使从入光面入射的光从出射面出射的反射结构体。

而且，可在导光体2的出射面形成与导光体的入光面大致成直角的上棱镜。或者，互相交叉地形成多个上棱镜也可。上棱镜具有减少出射面的不匀的效果。在出射面形成的上棱镜的顶角在40°～170°的范围。此外，可以使上棱镜的顶角不是一种，而是排列多个顶角的上棱镜。上棱镜的剖面形状可以例示三角棱镜或半圆形棱镜。此外，也可以采用2种以上的不同剖面形状来构成上棱镜。或者，也可以离光源越远高度就越低地形成上棱镜。

上棱镜不仅形成在导光体2的整个发光部表面而且最好还形成在入光部，在这种情况下尽量在接近光源的位置形成上棱镜即可。这时，在入光部形成与形成在发光部的出射面的棱镜形状不同的形状的棱镜。入光部的上棱镜的形状为使从入光部出射的光方向一致的形状，发光部的上棱镜的形状为减轻出射面的不匀的形状。

而且，在导光体2的对置面形成棱镜或点(dot)作为反射结构体也可。此时，使反射结构体的节距为等间隔，然后改变高度。即，使反射结构体的高度离光源越远就越高。相反，使反射结构体的高度固定，而改变节距也可。即，随着远离光源，使反射结构体的节距变窄。

而且，在导光体2的对置面，形成用于抑制反射结构体的反射面的总面积的结构物。该结构物的形状是具有与光源的出光方向平行的长边的凸形状或凹形状，在对置面配置多个。多个结构物以固定的节距配置即可。此外，该结构物的剖面面积成为离光源越远就越小。

此外，利用上述任一结构的照明装置和非自发光型的显示元件构成显示装置。

(实施例1)

借助图2～图3、图5、图8、图10，就本实施例进行说明。图2中放大示出导光体2的入光部2a的形状。如图所示，在与光源1相对的入光面设有梯形的凹部2b。梯形的短边为0.2～0.6mm、长边为1.0～1.2mm、高度为0.5～1.0mm左右，最佳值是因光源1的配光特性等而异。此外，抛物面2d从光源1的出光部沿着出光方向以抛物线形状延伸。抛物面2d的曲线是根据形成抛物面2d的抛物线的焦点位置来确定，焦点位置是从光源1沿着出射面在水平方向上大致0.5～0.7mm的范围内。凹部的形状、抛物线及其焦点位置是对照光源1的配光特性而最优化的。在本实施例中凹部形状为梯形，但是半圆或三角形或多边形等形状也能得到接近梯形的效果。

在导光体2的出射面或对置面形成有棱镜或点等的反射结构体。入射导光体2的光在导光体内部中导光并传播，并照射反射结构体而从导光体2的出射面出射。本实施例的入光部2a能够使更多分量的照射反射结构体时从出射面垂直(换言之，向观察者方向)出射的光入射到导光体内。入光部2a将光源1的光分为三个方向，并具有变换一部分分量的方向的功能。从光源1出射的光照射到梯形的凹部2b，从梯形的短边入射到导光体2，并分为直接以大致线形传播的直进分量3a和从梯形的两个斜边折射后入射的分量。该分量照射到抛物面2d，而大部分的分量全反射后成为反射分量3b，与直进分量3a大致相同的方向前进。即，通过在入光部的入光面设置梯形的凹部2b和抛物面2d，能够使来自光源1的光方向一致。抛物面2d的焦点距离离光源1为0.5～0.7mm左右。直进分量3a和反射分量3b的光照射到形成在导光体2的反射结构体，从出射面出射。

接着，在图10中模式地示出在导光体的对置面形成下棱镜作为反射结构体的照明装置的要部。由于导光体2形成所述入光部2a，从光源1出射的大部分光成为垂直于下棱镜5的分量。与下棱镜5的顶线垂直的方向上的光在下棱镜5反射后从出射面垂直出射。因此，能够使来自导光体的出光效率非常高。

在图3模式地示出具有形成下棱镜5的导光体2的照明装置的剖面结构。导光体2具有出射面2e和对置面，在对置面下方设置反射片4。反射片4往往使用PET等透明膜上蒸镀银或铝的类型或者白色PET或住友3M公司制造的ESR等。为了在结构上支撑光源1、导光体2、反射片4，且防止漏光并提高光利用效率而使用了框架6。即，在框架6上配置反射片4，并且使对置面面向反射片4的反射面地配置导光体2。框架6往往采用白色聚碳酸脂等树脂成形品。还有采用铝等的金属框架来再覆盖框架6的情形。

下棱镜5是形成在导光片2下表面(对置面)的凹部，至少由两个面构成。该两个面中接近光源1的面为反射面2f。如上所述，从光源1入射导光体2的光，分为直进分量3a和反射分量3b，与下棱镜5的顶线垂直地照射到下棱镜5。因此，大部分的分量容易从出射面2e出射。此外，只要棱镜角度(下棱镜5的反射面2f与导光片的出射面2e所形成的角度)在40～50度的范围，大部分的分量在下棱镜5的反射面2f上沿与导光片2的出射面2e垂直的方向全反射。在本实施例中，设定下棱镜5的节距为等间隔，而高度在变化。越接近光源1，下棱镜5就越低，而越远就越高。将形成棱镜的导光片与液晶面板组合使用时，存在容易干扰液晶面板的点节距的棱镜的节距的情形。如本实施例那样，若节距固定，则有容易避免与液晶面板的干扰的优点。

另一方面，在构成下棱镜5的面中，若将离光源1远的面称为倾斜面，则该倾斜面对于来自导光体2的出射光几乎没有贡献。于是，重视金属模的制造，使棱镜的倾斜面与导光片的出射面所形成的角度不陡，并形成为使后方的下棱镜的反射面底边与前方的下棱镜的倾斜面底边接触亦可。通过做成这种形状，金属模既不会凸也不会凹，变得容易制作。此外，在传统机械加工技术中可以金属模制作，容易进行大型化。

接着，在图5中模式地示出棱镜形成在导光体2的出射面的结构。如图所示，在导光体2的出射面形成具有与下棱镜5的排列方向正交的排列方向的上棱镜9。通过形成这种上棱镜9，能够减轻光不匀等。如图所示，上棱镜9采用三角棱镜。上棱镜的顶角可在40°～170°的相当宽的范围内进行设定。基本上，增大顶角就会影响高亮度，而减小顶角就会影响广视角。此外，顶角不是一种，通过排列多个顶角的上棱镜9，使光向各种角度分散，因此有效减轻不匀。这时，将上棱镜9不仅形成在导光片2的整个发光部表面，而且也形成在入光部2a的顶面。即，优选尽量形成至接近光源1的位置。通过将上棱镜9形成至入光部2a的顶面，能够更加均匀地混合直进分量3a和反射分量3b。用于均匀混合直进分量3a和反射分量3b的上棱镜顶角的最佳值，往往与用于减轻导光片2上的不匀的上棱镜顶角的最佳值不同，因此优选对设置在入光部2a顶面(接近光源1的部位的导光体2)的上棱镜形状和设置在导光体2的有效发光部的上棱镜形状，个别地进行最优化。即，设定形成在接近光源的入光部顶面的棱镜的顶角，以使从入光部出射的光方向一致，并设定形成在发光部顶面的棱镜的顶角，以减轻出射面的不匀。

在图8示出具备本实施例的照明装置的显示装置的剖视图。光源1的光入射到导光体2，通过设置在导光体2的下棱镜，从出射面出射，照明液晶面板7。通过用框架6来覆盖导光体2，能够实现非常高亮度的显示。在这里在导光体2上配置扩散膜8，但并不是必须的构成要素。此外，如果有配置多张扩散膜8的情形，可在扩散膜上配置住友3M公司制造的BEF片或三菱RAYON公司制造的棱镜片等。

(实施例2)

在图4中模式地示出本实施例的照明装置的剖面结构。与实施例1中说明的图3的结构相比，不同点在于：下棱镜的高度固定，且构成为节距随着离光源1越远就越窄。即便如实施例1那样设计高度为可变，根据导光体2的厚度或尺寸，也有必须使下棱镜5的高度非常小的情况。在目前的机械加工中，可控制的棱镜高度的界限大致为1μm左右。当需要比该界限值低的高度时，如图4所示，需要使节距可变。这时，特定节距的棱镜与液晶面板的像素节距相干扰，有可能在特定区域发生波纹(moire)，因此需要注意设计。

此外，在本实施例中，使棱镜的倾斜面与导光片的出射面所形成的角度不陡，并形成为使后方的下棱镜的反射面底边与前方的下棱镜的倾斜面底边接触。通过做成这样的形状，金属模既不会凸也不会凹，即使小的棱镜节距也容易制作。

(实施例3)

图6中模式地示出本实施例的照明装置的一部分结构。图6的结构与实施例1中说明的图5的结构的不同点在于：上棱镜9不是三角棱镜而是半圆形的棱镜。在半圆形的棱镜的场合，与三角形的棱镜相比散射光的方向不会成为阶梯式，可进一步减轻不匀。如果使半圆的中心位置进一步远离导光片2就成为重视视角的设计，如果接近就成为重视亮度的设计。在本实施例中，将半圆做成凸形状，但凹形状的情形也得到近似的效果。

(实施例4)

在图7中模式地示出本实施例的照明装置的一部分结构。图7所示的照明装置与实施例1的图5所示的照明装置不同，在出射面形成不同剖面形状的三种上棱镜，即，上棱镜9a、上棱镜9b和上棱镜9c。上棱镜9a的剖面形状是顶角为110度且底角为45度和25度的三角形。上棱镜9b的剖面形状是顶角为110度且底角为35度的等腰三角形。上棱镜9c的剖面形状是顶角为110度且底角为45度和25度的三角形。上棱镜9c与上棱镜9a对称地配置。通过配置不同剖面形状的多个上棱镜，可以增加散射光的方向，也能够提高面光源的均匀性。

此外，在本实施例中，将各上棱镜的顶角做成110度，但是各上棱镜的顶角在100～140度的范围内就会得到同样的效果。此外，各上棱镜的顶角不必相同，例如可以做成顶角分别为100度、120度、140度这三种类型的上棱镜。此外，上棱镜的形状种类越多散射效果就越高，因此需要更多的散射效果时，最好配置四种以上的上棱镜。此外，未必需要三种以上的上棱镜，即使二种也能得到一定程度的散射效果。

而且，上棱镜的高度在接近光源的区域中高，而随着远离光源变低，从而在最容易发生亮度不匀的接近光源的区域中，增强光的散射，而在难以发生不匀的远离光源的区域中减弱光的散射，能够提高照明装置的亮度。

(实施例5)

在图11及图12中模式地示出本实施例的照明装置。图11是导光体2的后视图，即，从对置面一侧观看的图。在导光体2的对置面形成反射来自光源的光并向垂直方向出射光的下棱镜5。如图所示，在对置面沿着与下棱镜5正交的方向形成纵棱镜10。纵棱镜10的长边在光源的出光方向上，相对于对置面形成为凸形状。通过形成这样的纵棱镜10，能够增大下棱镜5的尺寸(深度/高度)。一般，将棱镜型的背光源与液晶面板进行组合时，容易发生称为波纹的光不匀。作为对策，可列举使形成在对置面的下棱镜的节距远小于液晶面板的点节距的方案。具体地说，需要使背光源的下棱镜节距相对于液晶面板的点节距大致在1/3以下。如此减小下棱镜节距，且为了确保亮度的均匀性，要求减小下棱镜的尺寸(高度)。可是，若下棱镜的高度过小，则难以进行以斯涅耳(snell)定律为基础的光学设计，下棱镜本身不起作用。一般，光是由具有波分量的粒子来构成，可见光的波长大致为400nm～700nm，若下棱镜尺寸变小，则光的波动性质得到强调，因此有斯涅耳的定律不成立的倾向。因此，若棱镜的高度大致为10μm，则光的棱镜效果减少。

因此，在本实施例中，在导光体2的对置面以与下棱镜5正交的方式形成与光源1的出光方向平行的纵棱镜10。从而，保持下棱镜5的尺寸，并可减小下棱镜节距。

以下，对形成纵棱镜10时的效果进行说明。此外，在这里，下棱镜5的反射面的长度为下棱镜5的反射面的纵方向的长度(从下棱镜5的底边到顶角的斜边的长度)。此外，将下棱镜5的反射面的宽度作为与光源1的出光方向垂直的、反射面的底边的长度。此外，将纵棱镜10的宽度作为与光源1的出光方向垂直的底边的长度。

在导光体2的对置面，以节距100μm形成总数为10个的、反射面的长度为10μm的下棱镜5。若设下棱镜5的反射面的宽度为W，则下棱镜5的反射面的总面积就是下棱镜5的反射面的宽度W与反射面的长度和下棱镜数之积，因此成为100Wμm²。假设下棱镜5的节距为50μm，则需要将总棱镜数增加至20个。此外，在该条件下为了将下棱镜5的反射面的总面积保持在100Wμm²，需要将反射面的长度减至5μm。但是，若缩短反射面的长度，则下棱镜5的大小变小，如上所述，光的波动性质得到强调，因此难以做光学设计。于是，以与下棱镜5正交的方式形成纵棱镜10。纵棱镜10最好以固定的节距形成。在此，假设纵棱镜10的宽度为50μm，且节距为100μm。如此通过形成纵棱镜10，下棱镜5的总宽度成为一半，因此即使下棱镜5的反射面的长度为照样为10μm，下棱镜5的反射面的总面积也不变，成为100Wμm²。如此，纵棱镜10具有控制反射结构体即下棱镜5的反射面的总面积的功能。

在本实施例中，纵棱镜10的剖面形状为三角形。这是因为在机械加工上容易制造的缘故，不管是半圆形还是四角以上的多边形，得到的光学效果与三角形时都相等。此外，在本实施例中，考虑加工情况而将纵棱镜10的形状做成为凸形状，但是做成凹形状也得到同样的效果。

图12中示出形成不同于图11的形状的纵棱镜10的导光体2的后视图。在图11中，纵棱镜10的高度是固定的，但在图12中随着远离光源1使纵棱镜10的高度变低，此外，缩小宽度。从而，纵棱镜10的剖面形状逐渐变小。

一般，随着远离光源1，用于出射的光的分量减少。因此，为了有效利用光的分量，使来自光源的光出射，需要使下棱镜5的反射面积随着远离光源而增大。如图12那样，随着远离光源1，使纵棱镜10的高度变低，并使宽度变短，使纵棱镜10的剖面面积减少，从而下棱镜5的反射面的宽度变长，能够增大下棱镜的反射面积。通过这种结构，容易进行照明装置的大型化。

(实施例6)

在图13中模式地示出本实施例的照明装置。在导光体2的出射面形成上棱镜9。在实施例1～4中，上棱镜9形成为与光源1的出光方向平行，但是在本实施例中，上棱镜9形成为相对光源1的出光方向具有2种角度。如图所示，通过相对光源1的出光方向以5～30度左右的角度交互地形成上棱镜9，在出射面形成各上棱镜9交叉而排列许多纵向长的平行四边形的形状。通过这样形成上棱镜，能够使从导光体的出射面出射的光散射，能够使在与液晶面板组合时发生的波纹不显著。

(实施例7)

借助图14，就本实施例的照明装置的入光部进行说明。图2所示的实施例1的入光部的抛物面2d由曲面形成。在本实施例中，将抛物面2d由带角度而组合的多个平面形成，做成多边形状，而不是由曲面形成。如本实施例那样，将抛物面2d做成多边形状，从而能够自由控制配光，能够实现更加高亮度且高均匀的照明装置。

在上述的各实施例中，光源1采用侧视型白色LED，但是其它点光源例如俯视式或炮弹式LED或白色以外的颜色也可。此外，导光体2是ZEONOR、PMMA、PC等透明树脂的成形品。

本发明的照明装置能够应用于便携电话、PDA、汽车导航、电视等显示设备。此外，也可应用于住宅或办公室等的设备照明。

Claims (16)

1.一种照明装置，其特征在于包括：

导光体，具有入光部和发光部，对从所述入光部的入光面入射的光进行导光，从所述发光部的出射面出射；以及

向所述入光面出射光的光源，

所述入光部具有所述入光面和从所述光源的出光部沿出光方向以抛物线形状延伸的抛物面，

所述入光面设有凹部，该凹部与所述光源的出光部相对。

2.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于：在所述出射面与所述入光面正交的方向上形成多个棱镜。

3.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于：在所述出射面相交叉地形成多个棱镜。

4.如权利要求2或3所述的照明装置，其特征在于：所述棱镜的剖面形状为三角形，顶角在40°～170°的范围内。

5.如权利要求4所述的照明装置，其特征在于：排列了具有不同顶角的棱镜。

6.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于：所述棱镜的剖面形状为半圆。

7.如权利要求2或3所述的照明装置，其特征在于：所述棱镜还形成在所述入光部的形状，与形成在所述发光部的出射面的棱镜与形成在所述入光部的棱镜的形状不同。

8.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于：所述凹部的形状为三角形、半圆、四角以上的多边形中的任一种。

9.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于：在所述导光体的底面以等节距形成反射结构体，所述反射结构体的高度越远离所述光源就越高。

10.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于：在所述导光体的底面形成相同高度的反射结构体，随着远离所述光源，所述反射结构体的节距变窄。

11.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于：在所述导光体的底面形成用于抑制所述反射结构体的反射面的总面积的结构物。

12.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于：以固定的节距配置多个所述结构物。

13.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于：所述结构物的剖面面积随着远离所述光源变小。

14.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于：所述结构物是长边在所述光源的出光方向的纵棱镜。

15.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于：所述抛物面是由带角度地组合后的多个平面形成的多边形状。

16.一种显示装置，其特征在于包括：

导光体，具有入光部和发光部，对从所述入光部的入光面入射的光进行导光，从所述发光部的出射面出射；向所述入光面出射光的光源；以及利用从所述出射面出射的光进行显示的显示元件，

所述入光部具有所述入光面和从所述光源的出光部沿出光方向以抛物线形状延伸的抛物面，

所述入光面设有凹部，该凹部与所述光源的出光部相对。

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