JP2004127810A

JP2004127810A - 面光源装置

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Publication number: JP2004127810A
Application number: JP2002292411A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Daiku; 代工　康宏
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-04
Also published as: JP4207521B2

Abstract

【課題】均一な輝度分布の面状照射光を光のロスを抑えて効率良く出射できると共に部品点数が少なく小型化に有利な、点光源を用いた面光源装置を提供する。
【解決手段】点光源としてのＬＥＤ素子１が、導光板２の光入射面２ａに密着配置されている。導光板２の光入射面２ａに対向する端面２ｂは、放物曲面に形成されており、これに金属反射膜３が被着されている。導光板２の一対の主面のうちの一方を光出射面２ｃとし、この光出射面２ｃは平面に形成されている。そして、光出射面２ｃの反対側主面２ｄには、複数の突状２ｄ１　を平行に延在させてなる光路制御パターンＰが形成されている。この光路制御パターンＰは、入射光を金属反射膜３側へ向けて全反射させ、反射膜３からの反射光を光出射面２ｃに向けて全反射させる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、面状に出射する照射光を得る面状光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、面状に出射する照射光を得る面状光源装置として、サイドライト型光源装置がよく用いられている。このサイドライト型光源装置は、透明な樹脂製の導光板の一端面或いは複数の端面に光源を配置し、この光源から射出され導光板に入射した光を導光板の裏面に形成した拡散反射部により表面側に反射させ、表面から面状に光を出射させるものである。
【０００３】
上記サイドライト型光源装置には、光源として冷陰極管等の線状に光を射出する線状光源を配置するものがあるが、この場合、線状光源が光源装置全体の薄型化を促進する際の障害となる。また、線状光源は低消費電力化の面でも不利である。そこで、光源として小型で薄く且つ消費電力が低いＬＥＤ等の点光源を用いるサイドライト型光源装置が提案されている。（例えば特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１３３７７６号公報（２頁、第２２図、第２３図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、点光源を用いるサイドライト型光源装置は、導光板の出射面全域にわたり輝度が均一な照射光を得ることが難しい。また、点光源からの射出光をプリズムアレイ等の光偏向素子を介して導光板に入射させることにより均一な輝度分布の照射光を得ることは可能であるが、その場合、部品点数が増加して光源装置の小型化に逆行するだけでなく、光偏向素子を介することにより光をロスする。
【０００６】
本発明は、均一な輝度分布の面状照射光を光のロスを抑えて効率良く出射できると共に部品点数が少なく小型化に有利な、点光源を用いた面光源装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の面光源装置は、点光源と、この点光源から射出された光が入射する入射面と、この入射面に対向する対向面と、面状に広がりを持った光を出射させる出射面と、前記入射面から入射した光を前記対向面へ向けて進行させ、前記対向面側から前記入射面側へ進行する光の進行方向を制御して前記出射面から出射させる光路制御パターンとを備えた導光体と、この導光体の対向面側に配置され、前記対向面を介して進行する光を前記導光体内に反射させる反射部材とを、有することを特徴とするものである。
【０００８】
この面光源装置においては、点光源から出射された光が導光板内に入射した後、入射面とは反対側の対向面から一旦出射した後、反射部材により反射され再度導光板内に戻されて光路制御パターンにより、その光路が光出射面に向けられ、この光出射面から光が面状に出射される。即ち、点光源から射出され導光板内に入射した光を導光板内を一度透過させた後に再度導光板内に戻し、この導光板内に戻された光を光路制御パターンにより面状に広げ出射させる。
【０００９】
従って、点光源から射出された光が少なくとも導光板を平面方向に透過する単一媒体の比較的長い光路を経た後に出射されるから、その長い光路で光が混合される。これにより、点光源から放射状に射出される光に備わっていた射出方向毎の強度分布のムラが緩和され、輝度分布が均一な面状照射光を得ることが可能となる。
【００１０】
その結果、低消費電力で光源装置の小型薄型化に好適な点光源を用い、全体にわたり輝度分布が均一な面状照射光を得ることが可能となる。また、点光源と導光板と反射部材だけからなる簡単な光路構成であるから、光のロスが顕著に抑制されると共に面状光源装置の小型化が更に促進される。
【００１１】
本発明の面光源装置は、請求項２に記載のように、反射部材は点光源の光射出位置を中心とする放物曲面に形成された反射面を備えていることが好ましく、これにより、進行方向が略平行に揃えられた反射光が得られ光のロスが低減される。そしてこの場合、請求項３に記載のように、光路制御パターンを、前記反射部材により反射され前記導光板に入射した光のうちの強度がピークを形成する光の進行方向に対し直交する方向へ延在する複数の平行な突条からなるパターンとすることにより、光出射面に向かう光の進行方向をその法線方向に沿わせることができ、正面輝度が高く輝度分布が均一な面状照射光を得ることが可能となる。また、光路制御パターンが簡単なパターンであるから導光板の透明度を低下させることがなく、フロントライト等にも好適に適用できる。
【００１２】
加えて、請求項４に記載のように、前記点光源と前記反射部材を複数対設けても良く、これにより大面積にわたり輝度分布が均一な面状照射光を簡単な構造で光のロスを抑えて効率良く得ることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、この発明の実施の形態における第１の例（以下、第１実施形態という）について、図１（ａ）、（ｂ）に基づき説明する。なお、図１（ａ）は第１実施形態としての面光源装置を示す平面図、図１（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。また、面光源装置の平面方向を互いに直交するｘ方向（紙面左右方向）、ｙ方向（紙面上下方向）で表されるｘ−ｙ平面方向と定義し、面光源装置の厚さ方向をそれらｘ、ｙ方向に直交するｚ方向（紙面垂直方向）と定義する。以下の各図においても、同様に定義する。
【００１４】
本例では、光を放射状に出射する点光源として、ＬＥＤ素子が使用されている。図１において、そのＬＥＤ素子１が、導光板２の一端面２ａにその発光面１ａを密着させて設置されている。本例の導光板２は、前記ＬＥＤ素子１が設置された一端面２ａに対向する対向面が放物面形状の反射面を形成している。すなわち導光板は、平面形状の一辺が放物線で他の３辺が直線の４辺で形成される実質的に透明な平板からなり、放物線の辺の対向辺を含む端面２ａが前記ＬＥＤ素子１から出射される光を入射せる光入射面に設定されている。この光入射面２ａは平面に形成されており、その長手方向（ｘ方向）中央にＬＥＤ素子１が設置されている。
【００１５】
光入射面２ａに対向する放物線の辺を含む端面２ｂは、放物曲面に形成されている。この端面２ｂの放物曲面は、ＬＥＤ素子２ａの発光面１ａのｘ方向中点Ｏを焦点とする放物曲面である。
【００１６】
導光板２の二つの主面のうち、平面に形成された一方の主面２ｃが光出射面に設定されている。そして、光出射面２ｃの反対側の主面（以下、反光出射面という）２ｄには、光入射面５ａから入射してきた光を反対側の放物曲面２ｂに向けて全反射させると共に、放物曲面２ｂ側つまり反光入射面側から進行してきた光を光出射面２ｃに向けて全反射させる光路制御パターンＰが形成されている。本例の光路制御パターンＰは、反光入射面２ｂ側から進行してくる光のうちの強度がピークを示す光の進行方向に対して実質的に直交する方向へ延在する複数の突条２ｄ１　を並列に連ねたパターンに形成されている。これら突条２ｄ１　は、それぞれ、断面が鈍角三角形をなし、光入射面２ａ側の幅狭の斜面２ｄ２　とこれよりも幅広の反光入射面側の斜面２ｄ３　を備えている。この反光入射側の幅広斜面２ｄ３　の内面で光入射面５ａから入射してきた光を反対側の放物曲面２ｂに向けて全反射させ、光入射面２ａ側の幅狭斜面２ｄ２　の内面で反光入射面２ｂ側から進行してきた光を光出射面２ｃに向けて全反射させる。
【００１７】
このように、本例の光路制御パターンＰは、複数の突条を平行に連ねて形成した簡単なパターンであるから、導光板２の透明度を実質的に低下させることがなく、また、その製造も容易である。
【００１８】
導光板２の放物曲面をなす反光入射面２ｄには、ここから出射しようとする導光体２の透過光を導光体２内に反射させる反射部材として、反射膜３が被着されている。本例の反射膜３は、銀若しくはアルミニウム等の金属を反光入射面２ｂに蒸着させて形成されており、従って、その反光入射面２ｂに密着する光反射面３ａは放物曲面をなす鏡面の反射面となっている。なお、反射膜３は、アルミニウム箔等の金属薄膜を反光入射面２ｂに接着して形成してもよい。
【００１９】
上述のように反射膜３を形成することにより、この反射膜３により導光板２内に反射される光の強度分布において、放物線の中心軸Ａｘに沿った方向（ｙ−ｚ平面方向）に平行に進行する光の強度がピークを示す。これは、ＬＥＤ素子１を前述したようにその発光面１ａのｘ方向中点Ｏが放物曲面２ｂの中心に位置するように配置したからである。従って、前述した光路制御パターンＰの突条２ｄ１　は、光入射面２ａの長手方向つまりｘ方向に平行に延在する突条である。
【００２０】
光路制御パターンＰが形成された反光出射面２ｄに対向させて、反射板４が配置されている。この反射板４は、反光出射面２ｄの内面つまり幅狭斜面２ｄ２　や幅広斜面２ｄ３　の内面で全反射されずに外部に出射した光を反射させて再び導光板２に入射させるために設けられており、本例ではその反射面４ａが鏡面に形成されている。
【００２１】
次に、上述のように構成された面光源装置による光照射作用について、光線イ、ロ、ハ、ニ、ホを例に挙げて説明する。
【００２２】
ＬＥＤ素子１における発光面１ａの中心Ｏから放射状に射出された光線イ〜ホは、導光板２内に光入射面２ａから入射し、光出射面２ｃの内面、又は光路制御パターンＰの幅広斜面２ｄ３　の内面で全反射し、若しくはこれらの内面の間で全反射を繰り返して、反光入射面２ｂ側に向かう。これら光線イ〜ホは反光入射面２ｂを介してこれに被着されている反射膜３の反射面３ａで鏡面反射される。この際、反射面３ａは光射出位置Ｏを焦点とする放物曲面であるから、放物曲面の焦点から射出した光線イ〜ホは、反射面３ａで放物曲面の中心軸Ａｘを含む平面（ｙ−ｚ面）に平行な方向に反射され、導光板２内に戻される。
【００２３】
導光板２内をｙ−ｚ面方向に平行に進行する光線イ〜ホは、反光出射面２ｄに形成されている光路制御パターンＰのうちの幅狭斜面２ｄ２　の何れかに入射し、光出射面２ｃに向け全反射される。ここで、光路制御パターンＰを構成する突条２ｄ１　は、反射膜３により反射され導光板２内に戻された光のうちの強度がピークを示す光の光路に対し直交する方向へ平行に延在しているから、そのピークを形成する光である光線イ〜ホは、光出射面２ｃの法線方向つまりｚ方向に沿って全反射される。
【００２４】
光線イ〜ホ以外のＬＥＤ素子１からの射出光も、略同様の光路を経て光路制御パターンＰの何れかの幅狭斜面２ｄ２　に至り、この後光出射面２ｃに向けて全反射されるか、或いは一旦外部に出射した後に反射板４により反射されて導光板２内に戻され光出射面２ｃに向かう。
【００２５】
かくして、光線イ〜ホを含むＬＥＤ素子１から射出された光の大部分は、光路制御パターンＰを介して光出射面２ｃに向かい、光出射面２ｃから大略その法線方向（ｚ方向）に沿って出射される。この場合、光線イ〜ホを含むＬＥＤ素子１からの射出光は、点光源から放射状に射出された光であって互いに異なる方向に射出された光であるから、図示されるように光路制御パターンＰにおいて全反射される位置も互いに異なり、その結果、光出射面２ｃにおける出射位置の偏りが防止され、出射される面状照射光の輝度分布が均一化される。なお、図１（ａ）の平面図では、導光板５の光出射面２ｃからの出射光を◎で示してあり、以下、同様に図示する。
【００２６】
以上のように、本例の面光源装置によれば、点光源のＬＥＤ素子１から出射された光が導光板２の平面方向に沿った長い光路を経た後に反射膜３により反射されて導光板２内に戻される。従って、点光源から放射状に射出された光がその導光板２内の比較的長い単一媒体光路を反射を繰り返しながら進行するうちに、光の進行方向（光路）毎の強度分布のばらつきが緩和される。なお、この光路は単一媒体内の光路であるから、比較的長い光路であっても光のロスは極めて少ない。
【００２７】
そして、光路毎の強度分布のばらつきが緩和された反射膜３　による反射光は、光路制御パターンＰが形成された反光出射面２ｄの全域に均等に入射し、その光路制御パターンＰを介して面状に広げられて光出射面２ｃから大略その法線方向に沿って出射される。これにより、光出射面の全体にわたり略均一な輝度分布で出射される面状照射光が光のロスを抑えて効率良く得られる。
【００２８】
また本例では、光路制御パターンＰを、反射膜３による反射光のうちの強度がピークを示す反射光の進行方向に対して直交する方向へ延在する突条からなるパターンに形成してあるから、面状出射光の方向をその光出射面の法線方向に揃えることができ、正面輝度が高く且つ全体にわたり輝度分布が均一な面状照射光を光のロスを抑えて効率良く得ることができる。
【００２９】
次に、本発明の第２実施形態を、図２に基づき説明する。なお、以下の実施形態の説明においては、上述した第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を省略する。
【００３０】
本例の面光源装置は、導光板５として平面形状が長方形をなす透明な平板を用い、その光入射面５ａの対向面５ｂ側には、その対向面５ｂに離隔させて反射部材としての反射板６が配置されている。この反射板６は、放物曲面をなす反射面６ａを備えており、この放物曲面の焦点ＯにＬＥＤ素子１における発光面１ａのｘ方向中点が位置するように配置されている。その他の構成は、第１実施形態と同じである。
【００３１】
上述のように構成された面光源装置においては、ＬＥＤ素子１の発光面１ａの中心以外から射出した光線イ、ロ、ニ、ホが反射板６の反射面６ａで反射された後、ｙ−ｚ面方向に平行に進行する。これらの光線イ、ロ、ニ、ホと放物曲面の中心軸Ａｘに沿った光線ハ等を含むｙ−ｚ面方向に平行に進行する反射光は、反射光の光路毎の強度分布でピークとなる光である。これらの光線は、光路制御パターンＰの幅狭斜面５ｄ２　の内面で光出射面５ｃに向けてｚ方向に全反射され、光出射面５ｃからその法線方向に沿って出射される。
【００３２】
以上のように、本第２実施形態の面光源装置によっても、光出射面５ｃからの出射光の光路をその光出射面５ｃの法線方向に大略揃えることができ、正面輝度が高く且つ全体にわたり輝度分布が均一な面状照射光を光のロスを抑えて効率良く得ることができる。
【００３３】
次いで、本発明の第３実施形態を図３に基づき説明する。
本例の面光源装置は、点光源としてのＬＥＤ素子を２個用いている。２個のＬＥＤ素子１、１´は、導光板７の光入射面７ａに各発光面１ａ、１ａ´を密着させて設置されている。
【００３４】
導光板７は、光入射面７ａの対向面７ｂが２個の放物曲面７ｂ１　、７ｂ２　を並列に連ねた形状、つまり、第１実施形態における導光板２を２個並列に接合した形状、に形成されている。２個の放物曲面７ｂ１　、７ｂ２　には、鏡面反射膜８、８´がそれぞれ被着されている。
【００３５】
そして、２個のＬＥＤ素子１は、各々の放物曲面７ｂ１　、７ｂ２　の各焦点Ｏ、Ｏ´に、それぞれの発光面１ａ、１ａ´のｘ方向中点が位置するように配置されている。
【００３６】
上述のように構成された面光源装置においては、各ＬＥＤ素子１、１´から射出された光の大部分は、対応する鏡面反射膜８、８´で反射され、第１実施形態の場合と同様に光出射面７ｃから略均等にその法線方向へ出射される。従って、本例の面光源装置によれば、大面積の光出射面７ｃから正面方向において輝度が高く且つ輝度分布が均一な大面状照射光を出射させることができる。なお、各各ＬＥＤ素子１、１´から射出された光で隣接する導光板領域に進入し隣りの鏡面反射膜８、８´で反射された光は、光出射面７ｃから法線方向（正面方向）以外の方向に出射されることが多いが、本例では２個のＬＥＤ素子を配置してあるので、本例の面光源装置が第１実施形態のものに比べて正面輝度が低下することはない。
【００３７】
なお、本発明は、上記の第１乃至第３実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲において種々の変形が可能であることは勿論である。
【００３８】
例えば、光路制御パターンは、入射面側から入射した光を反射部材側へ反射させると共に反射部材側から入射した光を出射面に向けて反射させるパターンであればよく、第１乃至第３実施形態のような鋸歯状断面の突条を連設したものに限るものではない。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の面光源装置は、点光源と、この点光源から射出された光が入射する入射面と、この入射面に対向する対向面と、面状に広がりを持った光を出射させる出射面と、前記入射面から入射した光を前記対向面へ向けて進行させ、前記対向面側から前記入射面側へ進行する光の進行方向を制御して前記出射面から出射させる光路制御パターンとを備えた導光体と、この導光体の対向面側に配置され、前記対向面を介して進行する光を前記導光体内に反射させる反射部材とを有するから、点光源から射出され導光板内に入射した光を導光板内を一度透過させた後に再度導光板内に戻した後、光路制御パターンを介し光を面状に広げて出射させることができる。従って、点光源から射出された光が少なくとも導光板の平面方向に沿った比較的長い単一媒体光路を経た後に出射されるから、その単一媒体光路を進行中に光が混合されて射出段階での光強度分布のムラが緩和され、輝度分布が均一な面状照射光を得ることが可能となり、その結果、低消費電力で光源装置の小型薄型化に好適な点光源を用い、全体にわたり輝度分布が均一な面状照射光を得ることが可能となる。また、点光源と導光板と反射部材だけからなる簡単な構造であるから、光のロスが顕著に抑制されると共に面状光源装置の小型化が更に促進される。
【００４０】
また、本発明の面光源装置は、請求項２に記載のように、反射部材を点光源の光射出位置を焦点とする放物曲面に形成された反射面を備えるように形成することにより、進行方向が略平行に揃えられた反射光が得られ光のロスが低減される。そしてこの場合、請求項３に記載のように、光路制御パターンを、反射部材により反射され前記導光板に入射した光のうちの強度がピークを示す光の進行方向に対して直交方向へ平行に延在する複数の突条からなるパターンとすることにより、正面輝度が高く輝度分布が均一な面状照射光を光のロスを抑えて効率良く得ることができる。また、この場合、光路制御パターンが簡単なパターンであるから導光板の透明度を低下させることがなく、フロントライト等にも好適に適用できる。
【００４１】
更に、本発明の面光源装置では、請求項４に記載のように、点光源と反射部材を複数対設けても良く、これにより大面積にわたり輝度分布が均一な面状照射光を簡単な構造で光のロスを抑えて効率良く得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態としての面光源装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。
【図２】この発明の第２実施形態としての面光源装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。
【図３】この発明の第３実施形態としての面光源装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。
平面図である。
【符号の説明】
１、１´…ＬＥＤ素子
１ａ、１ａ´…発光面
２、５、７…導光板
２ａ、５ａ、７ａ…光入射面
２ｃ、５ｃ、７ｃ…光出射面
２ｄ１　、５ｄ１　、７ｄ１　…突条
３、８、８´…反射膜
４、６…反射板
Ｐ…光路制御パターン

Claims

点光源と、
前記点光源から射出された光が入射する入射面と、前記入射面に対向する対向面と、面状に広がりを持った光を出射させる出射面と、前記入射面から入射した光を前記対向面へ向けて進行させ、前記対向面側から前記入射面側へ進行する光の進行方向を制御して前記出射面から出射させる光路制御パターンとを備えた導光体と、
前記導光体の対向面側に配置され、前記対向面を介して進行する光を前記導光体内に反射させる反射部材とを、
有することを特徴とする面光源装置。
前記反射部材は、前記点光源の光射出位置を焦点とする放物曲面に形成された反射面を備えていることを特徴とする請求項１記載の面光源装置。
前記光路制御パターンは、前記反射部材により反射され前記導光板に入射した光のうちの強度がピークを示す光の進行方向に対し直交する方向に延在する複数の突条からなるパターンであることを特徴とする請求項２記載の面光源装置。
前記点光源と前記反射部材とが複数対設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の面光源装置。