JP2004158259A - Lighting device - Google Patents

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JP2004158259A
JP2004158259A JP2002321582A JP2002321582A JP2004158259A JP 2004158259 A JP2004158259 A JP 2004158259A JP 2002321582 A JP2002321582 A JP 2002321582A JP 2002321582 A JP2002321582 A JP 2002321582A JP 2004158259 A JP2004158259 A JP 2004158259A
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guide plate
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Fumio Kokubo
文雄 小久保
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lighting device in which utilization efficiency of light can be improved. <P>SOLUTION: The light guide plate 23 comprises a first and a second surfaces 27, 28 which are flat and are formed on a mutually parallel plane. The illumination light from a light source 22 is irradiated on the light guide plate 23 through a first side face 29 facing the light source 22. An emitting body 26 made of a material having a refractive index larger than the refractive index of the light guide plate 23 is directly provided on the first surface 27 of a light guide plate 23. The emitting body 26 comprises a first and a second emitting faces 35a, 35b of flat shape that are slanted from the face vertical to the first surface 27 so that the cross section parallel to the first face 27 may become smaller as they go away from the first surface 27. The illumination light entered from the emitting body 26 from the light guide plate 23 is emitted in nearly vertical direction against the first surface 27 from the first and the second emitting faces 35a, 35b. Thereby, the amount of light introduced into the object is made as much as possible and the utilization efficiency of the light can be improved. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物を照明するための照明装置であって、たとえば液晶表示装置が備える液晶パネルを照明するための照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は、照明装置として導光板を有するバックライト装置を備える。液晶表示装置の液晶パネルは、情報の表示容量の拡大と輝度などの特性向上によって、ワードプロセッサおよびコンピュータに頻繁に用いられている。また液晶パネルの薄形および軽量の特徴を生かして、液晶パネルは、デジタルカメラおよび携帯電話に用いられている。デジタルカメラおよび携帯電話は、屋外で使用されることが多く、高輝度かつ高効率の照明装置が望まれている。
【０００３】
図１２は、従来の技術の照明装置１を簡略化して示す断面図である。照明装置１は、光源２、第１反射板３、導光板４、プリズム板５および第２反射板６を含んで構成される。光源２は、導光板４の一側面４ａに対向して設けられ、第１反射板３を用いて一側面４ａに導かれて導光板４に入射される。導光板４に入射される照明光は、導光板４の厚み方向一方側の下面４ｄに設けられるドットパターン８によって乱反射される。このドットパターン８によって、導光板４に入射された照明光が乱反射されて、導光板４の厚み方向他方側の上面４ｃから出射される。導光板４の上面４ｃから出射される照明光は、導光板４と液晶パネル７との間に空気層をそれぞれ介在して設けられるプリズム板５によって、導光板４の上面４ｃに対して略垂直な方向に出射される。プリズム板５によって出射された照明光は、液晶パネル７に導かれる（特許文献１参照）。
【０００４】
図１３は、他の従来の技術の照明装置１０を簡略化して示す断面図である。図１４は、導光板４および高屈折率部分１１における光の屈折および反射を説明するための図である。他の従来の技術の照明装置１０において、前述の照明装置１と同様の構成には同一の参照符号を付し、説明を省略する。照明装置１０は、ドットパターン８の代わりに、高屈折率部分１１が設けられる構成（特許文献２参照）に加えて、プリズム板５を含んで構成される。高屈折率部分１１は、導光板４の上面４ｃに設けられる曲表面の突起である。導光板４に入射された照明光は、高屈折率部分１１と空気層とを介してプリズム板５に入射される。照明装置１０においても、高屈折率部分１１から出射される照明光を導光板４の上面４ｃに対して略垂直な方向に出射するために、前述の照明装置１と同様にプリズム板５が用いられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２４１１４７号公報
【特許文献２】
特開平６−２３５９１７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の各照明装置１，１０では、照明光を導光板４の上面４ｃに対して略垂直に出射するために、プリズム板５が設けられる。導光板４とプリズム板５とは空気層を介在して設けられるので、導光板４および高屈折率部分１１から出射された照明光の一部が、空気層とプリズム板５との境界で反射されてしまい、光利用効率が低下する。
【０００７】
本発明の目的は、光利用効率を向上することができる照明装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、照明光を発する光源と、
一側面が光源に臨んで設けられる平板状であり、照明光が一側面を介して入射され、厚み方向両側の表面が相互に略平行な平面に形成される第１導光体と、
第１導光体の屈折率に比べて大きい屈折率を有する材料から成り、第１導光体の厚み方向一方側の一表面に直接設けられて第１導光体から照明光が入射される第２導光体であって、前記一表面から遠ざかるにしたがって前記一表面と平行な断面積が小さくなるように前記一表面に垂直な面から傾斜し、第１導光体から入射される照明光を、第１導光体の前記一表面に対して略垂直な方向へ出射する平面状の出射面が形成される第２導光体とを含むことを特徴とする照明装置である。
【０００９】
本発明に従えば、平板状の第１導光体は、厚み方向両側の表面が相互に平面に形成される。第１導光体の一側面は、光源に臨んで設けられる。光源によって照明光が発せられると、照明光は第１導光体の一側面を介して第１導光体に入射される。第１導光体の厚み方向一方側の一表面には、第１導光体の屈折率に比べて大きい屈折率を有する材料から成る第２導光体が直接設けられる。この第２導光体には、照明光が第１導光体から入射される。第２導光体には、前記一表面から遠ざかるにしたがって前記一表面と平行な断面積が小さくなるように前記一表面に垂直な面から傾斜する平面状の出射面が形成され、この出射面に第１導光体から入射される照明光が、第１導光体の一表面に対して略垂直な方向へ出射される。
【００１０】
このように構成される照明装置を用いて、第１導光体と対象物との間にプリズム板などの部材を設けることなく、第１導光体の一表面に対向する対象物に、照明光を効率よく導くことができる。これによって第１導光体に入射される照明光の光量の損失を阻止して、対象物に導かれる照明光の光量を可及的に大きくすることができる。したがって光源によって発せられる照明光を効率よく利用すること、すなわち光利用効率を向上することができる。
【００１１】
また本発明は、前記第２導光体は、前記一表面および前記出射面に垂直な断面が台形状であることを特徴とする。
【００１２】
本発明に従えば、第２導光体は、前記一表面および前記出射面に垂直な断面が台形状である。第２導光体が前記一表面および前記出射面に垂直な断面が台形状になるように構成されるので、第２導光体は、第１導光体の一表面に垂直な面から傾斜する２つの出射面と、一表面に平行な表面とを有する。これによってたとえば一方の出射面で全反射されて、一方の出射面から出射されずに第２導光体内に残った照明光を、一表面に平行な表面と、他方の出射面とで、全反射させて第２導光体から第１導光体に導くことができる。これによって第２導光体から第１導光体に導かれた照明光を、第１導光体から第２導光体に再び入射させて再利用することができる。
【００１３】
また本発明は、第２導光体は、第１導光体と略平行に設けられる平板状の基部と、基部から第１導光体と反対側に突出する複数の出射部とを有し、各出射部に出射面が形成されることを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、第２導光体は、第１導光体と略平行に設けられる平板状の基部と、基部から第１導光体と反対側に突出する複数の出射部とを有し、各出射部に出射面が形成される。このように第２導光体を構成することによって、基部と出射部とを、たとえば成型加工によって一体に形成することができる。これによって照明光を第１導光体の一表面に対して略垂直な方向に、出射面から出射することができる構成で、第２導光体を容易に製造することができるとともに、第２導光体を製造するために要するコストを削減することができる。
【００１５】
さらに第２導光体の出射部だけを個別に第１導光体の一表面に設ける場合に比べて、高い位置決め精度を必要とせずに、第２導光体を第１導光体の一表面に容易にかつ短時間で設けることができる。第２導光体の基部が第１導光体と略平行に設けられるので、照明光を基部で全反射させて、照明光が基部から空気中に出射されることを防止して、出射部の出射面から確実に出射させることができる。
【００１６】
また本発明は、第１導光体の屈折率に比べて小さい屈折率を有し、第１導光体と第２導光体との間に設けられ、厚み方向両側の表面が平行である第３導光体をさらに含むことを特徴とする。
【００１７】
本発明に従えば、第３導光体が、第１導光体と第２導光体との間に設けられる。第３導光体は、第１導光体の屈折率に比べて小さい屈折率を有し、厚み方向両側の表面が平行である。この第３導光体によって、第１導光体に入射した照明光のうち、第１導光体と第３導光体との境界に全反射角以上の入射角で到達する照明光は、全反射されて第３導光体に入射されることが防がれる。
【００１８】
このように第３導光体によって、第１導光体と第３導光体との境界に全反射角以上の入射角で到達する照明光が第２導光体に入射されることが防がれるので、第２導光体に入射される照明光のうち、第１導光体の一表面に垂直な成分が小さい照明光を取り除くことができる。これによって第１導光体の一表面に対して垂直な方向の成分が可及的に大きい照明光を出射面から出射することできる。
【００１９】
また本発明は、第１導光体の一表面と第２導光体の出射面とが成す角度αは、空気の屈折率をｎ１、第１導光体の屈折率をｎ２、第２導光体の屈折率をｎ３としたとき、
α＝ｓｉｎ−１｛（ｎ３／ｎ１）×ｓｉｎ｛α−ｓｉｎ−１｛（ｎ２／ｎ３）×ｃｏｓ｛ｓｉｎ−１（ｎ１／ｎ２）｝｝｝｝
を満たすαを最小値αｍｉｎとして、αｍｉｎ＜α＜９０°を満足することを特徴とする。
【００２０】
本発明に従えば、第１導光体の一表面と第２導光体の出射面とが成す角度αは、空気の屈折率をｎ１、第１導光体の屈折率をｎ２、第２導光体の屈折率をｎ３としたとき、
α＝ｓｉｎ−１｛（ｎ３／ｎ１）×ｓｉｎ｛α−ｓｉｎ−１｛（ｎ２／ｎ３）×ｃｏｓ｛ｓｉｎ−１（ｎ１／ｎ２）｝｝｝｝
を満たすαを最小値αｍｉｎとして、αｍｉｎ＜α＜９０°を満足する。たとえば第１導光体および第２導光体の材料が変わることによって、照明装置の構成が変わった場合であっても、第１導光体の一表面と第２導光体の出射面とが成す角度を、空気、第１導光体および第２導光体の各屈折率に基づいて最適な角度に決定することができる。これによって光利用効率が大きい照明装置を実現することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態である照明装置２０の一部を切欠いて示す断面図である。図２は、導光板２３の一部を示す斜視図である。照明装置２０は、対象物を照明光によって照明するための装置であって、たとえば液晶表示装置（図示せず）に備えられるエッジライト式のバックライト装置として用いられる。照明装置２０は、液晶表示装置の液晶パネル２１に対向して設けられ、液晶表示装置の操作者が表示画面を見る側とは反対側から、対象物である液晶パネル２１を照明する。照明装置２０は、光源２２、導光板２３、第１反射板２４、第２反射板２５、出射体２６を含んで構成される。
【００２２】
光源２２は、電源（図示せず）によって与えられる電力に基づいて照明光を発し、たとえば冷陰極（Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ；略称ＣＣＦＬ）などの蛍光管によって実現される。図１の例では光源２２は、大略的に円柱状の蛍光管であって、数ミリ程度の直径に比べて軸線方向の寸法が大きい蛍光管である。
【００２３】
第１導光体である導光板２３は、透光性を有し、たとえばポリメチルメタクリレートなどの樹脂から成る。導光板２３の材料としてポリメチルメタクリレートを用いた場合、導光板２３の屈折率ｎ２は１．４９である。導光板２３は、平板状であって、厚み方向に平行な第１方向Ａと垂直な両側の表面、具体的には第１方向Ａ一方側の表面である第１表面２７と第１方向Ａ他方側の表面である第２表面２８とが相互に略平行な平面に形成される。
【００２４】
導光板２３の一側面、たとえば長手方向に平行な第３方向Ｃの一方側の第１側面２９と、第１側面２９と反対側の第２側面３１とは、それぞれ第１表面２７と第２表面２８とに垂直である。導光板２３は、第１表面２７が液晶パネル２１に臨む状態で、第１方向Ａに液晶パネル２１と間隔をあけて平行に配置される。導光板２３の第１側面２９が光源２２に臨む状態で、光源２２は、導光板２３の幅方向に平行な第２方向Ｂに沿って設けられる。図１の例では第２方向Ｂは、紙面に垂直な方向である。光源２２によって発せられる照明光は、第１側面２９を介して導光板２３に入射される。
【００２５】
第１反射板２４および第２反射板２５は、照明光を反射するための部材であって、ほぼ１．０に近い反射率を有する。第１反射板２４は、第２方向Ｂに垂直な断面形状が放物線状に湾曲する半筒状の部材である。図１の例では第１反射板２４は、第２方向Ｂに沿う両縁辺部が第１側面２９に当接されて設けられる。第１反射板２４は、導光体２３の第１側面２９と協働して、光源によって発せられた照明光が外部に漏れないように、第２方向Ｂまわりに光源２２を外囲する。光源２２によって発せられた照明光のうち、導光板２３の第１側面２９に直接到達した照明光を除く残余の照明光は、第１反射板２４によって、第１側部２９に効率良く導かれる。
【００２６】
第２反射板２５は、帯状かつ平板状の部材である。第２反射板２５は、導光板２３の第２側面３１に設けられる。本実施の形態では第２反射板２５は、第２側面３１の面積と同じかそれよりも大きくなるように形成され、導光板２３の第２側面３１に当接されて設けられる。第２反射板２５は、第２側面３１から出射しようとする照明光を反射する。これによって光量の損失を防止したうえで、照明光が第２側面３１から出射して照明装置２０の外部に漏れることを防止する。
【００２７】
第２導光体である出射体２６は、導光板２３の屈折率に比べて大きい屈折率を有する材料、たとえばポリビニルカルバゾールなどの樹脂から成る。出射体２６の材料としてポリビニルカルバゾールを用いた場合では、出射体２６の屈折率ｎ３は１．６８である。出射体２６には、平面状の２つの出射面３５、すなわち第１出射面３５ａおよび第２出射面３５ｂが形成される。第１出射面３５ａおよび第２出射面３５ｂは、導光板２３の第１表面２７に垂直な面から傾斜する平面であり、第１表面２７から遠ざかるにしたがって出射体２６の第１表面２７と平行な断面積が小さくなるように形成される。本実施の形態では出射体２６は、第２方向Ｂに垂直な面に配置された三角形状を第２方向Ｂに沿って延ばした三角柱であり、第１出射面３５ａおよび第２出射面３５ｂは、各寸法が相互に同一に形成される。
【００２８】
出射体２６は、導光板２３の第１表面２７に直接設けられる。具体的には出射体２６は、第１出射面３５ａおよび第２出射面３５ｂを除く残余の一側面３６が、第１表面２７に平行に配置される状態で、第１表面２７に当接されて設けられる。第１出射面３５ａと前記残余の一側面３６とが成す角度、換言すると出射体角度αは、少なくとも空気、導光板２３および出射体２６の各屈折率に基づいて決定される。第２出射面３５ｂと前記残余の一側面３６とが成す角度は、第１出射面３５ａと前記残余の一側面３６とが成す角度と同一である。
【００２９】
出射体２６は、導光板２３の第１表面２７に複数設けられる。各出射体２６は、第３方向Ｃに相互に間隔をあけて設けられる。第３方向Ｃに関して隣り合う２つの出射体２６は、予め定めるピッチＬだけ相互に間隔をあけて配置される。ピッチＬは、表示画面における輝度分布が一様になるように変更される。たとえば輝度が低ければピッチを狭め、輝度が高ければピッチを広げる。本実施の形態では、ピッチＬは、第３方向Ｃの光源２２側から第２反射板２５側に向かって小さくなるようにしている。出射体２６には、導光板２３から照明光が入射される。出射体２６に入射される照明光は、導光板２３の第１表面２７に対して略垂直な方向へ、第１および第２出射面３５ａ，３５ｂから出射される。ここで略垂直とは垂直を含む。
【００３０】
図３は、出射体２６の出射面３５ａから出射される照明光を説明するための図である。図４は、照明光の入射角および屈折角ならびに出射体角度αを説明するための図である。図３および図４において、第２方向Ｂ一方側から見た導光板２３および出射体２６を示しており、理解を容易にするために、照明光は、光源２２によって、第２方向Ｂに垂直な方向に出射されるものとする。また、屈折率が相互に異なる２つの媒質に関して、一方の媒質から他の媒質に到達した照明光は、境界で反射および屈折または全反射されるけれども、屈折および全反射される照明光に関してだけ説明し、反射される照明光に関する説明は省略する。本実施の形態において、照明光の入射角および屈折角は、屈折率が相互に異なる２つの媒質によって形成される境界面の法線に対する角度である。
【００３１】
本実施例では、導光板２３の屈折率ｎ２は１．４９であって、空気の屈折率ｎ１、すなわち１．００に比べて大きいので、導光板２３の第１側面２９において、照明光の屈折角は入射角に比べて小さくなる。
【００３２】
光源２２からの照明光は、第１側面２９における入射角が０度以上９０度以下の角度で、導光板２３に入射される。たとえば照明光が、図４の矢符４９に示すように、第１方向Ａに平行に、かつ第１側面２９に沿って導光板２３に入射される場合、具体的には第１側面２９における照明光の入射角が最大の９０度である場合、照明光の屈折角はスネルの法則により４２．２度となる。したがって、光源２２によって発せられる照明光が導光板２３の第１側面２９を介して導光板２３に入射される場合、第１側面２９における照明光の屈折角は０度以上４２．２度以下の角度になる。
【００３３】
第１側面２９における照明光の屈折角が、０度以上４２．２度以下の角度であるため、第１表面２７および第２表面２８における照明光の入射角は、４７．８度以上の角度になる。導光板２３の屈折率が１．４９以上である場合、導光板２３に入射された照明光は、導光板２３の各面と空気との境界における入射角が４２．２度以上であれば、全反射される。したがって、第１表面２７および第２表面２８と空気との境界では、照明光は、図３の仮想線４４に示すように全反射して導光板２３内を伝播する。
【００３４】
また、第２側面３１では、照明光は、第２反射板２５を用いて反射される。したがって、本実施の形態では、第１側面２９と、第１表面２７と出射体２６との境界である第１境界３９とを除く残余の境界から照明光が導光板２３の外へ出射することはない。
【００３５】
第１境界３９では、出射体２６の屈折率が導光板２３の屈折率に比べて大きいので、入射角に比べて小さい屈折角で、照明光が導光板２３から出射体２６に入射される。第１出射面３５ａおよび第２出射面３５ｂでは、出射体２６の屈折率が空気の屈折率に比べて大きいので、照明光が入射角より大きい屈折角で出射される。たとえば光源２２によって発せられる照明光は、図３の実線４８に示すように、導光板２３から出射体２６に入射され、第１出射面３５ａから出射される。
【００３６】
第１側面２９において、導光板２３に入射される照明光の入射角をθ１、かつ屈折角をθ２とする。第１境界３９において、導光板２３から出射体２６に入射される照明光の入射角をθ３、かつ屈折角をθ４とする。第１出射面３５ａにおいて空気中に出射される照明光の入射角をθ５、かつ屈折角をθ６とする。第１側面２９における屈折角θ２は、スネルの法則に基づいて式（１）のように表わされる。
θ２ ＝ ｓｉｎ−１｛（ｎ１／ｎ２）×ｓｉｎθ１｝ …（１）
【００３７】
第１側面２９において照明光の垂直成分が最も大きくなるのは、照明光が、入射角最大の９０度で入射される場合、具体的には第１方向Ａに平行に、かつ第１側面２９に沿って入射される場合である。ここで照明光の垂直成分とは、照明光を大きさと向きとを有するベクトルで表わしたときに、第１表面２７の法線方向の成分を表わす。
【００３８】
導光板２３の第１表面２７は、第１側面２９に対して垂直であるので、第１境界３９における入射角θ３は、第１側面２９における屈折角θ２を用いて式（２）のように表わされる。
θ３ ＝ ９０−θ２ …（２）
【００３９】
第１境界３９における屈折角θ４は、スネルの法則を用いて式（３）のように表わされる。
θ４ ＝ ｓｉｎ−１｛（ｎ２／ｎ３）×ｓｉｎθ３｝ …（３）
【００４０】
第１出射面３５ａにおける入射角θ５は、第１境界３９における屈折角θ４と出射体角度αとによって表わすことができ、式（４）のように表わされる。
θ５ ＝ α−θ４ …（４）
【００４１】
第１出射面３５ａにおける屈折角θ６は、スネルの法則に基づいて式（５）のように表わされる。
θ６ ＝ ｓｉｎ−１｛（ｎ３／ｎ１）×ｓｉｎθ５｝ …（５）
【００４２】
９０度から第１出射面３５ａにおける屈折角θ６を減算した値と、出射体角度αと、出射角度βとの総和は、１８０度になるので、照明光の出射角度βは、式（６）のように表わすことができる。ここで、出射角度βは、第１表面２７と出射体２６から出射される照明光の出射方向とが成す角度であり、図４の例では、第１表面２７と、第１出射面３５ａから出射される照明光の出射方向とが成す角度である。
β ＝ ９０−α＋θ６ …（６）
【００４３】
出射角度βと第１出射面３５ａにおける屈折角θ６とは、式（６）によって表わされる関係にあるので、出射角度βは、屈折角θ６が大きくなるにつれて大きくなる。また、第１出射面３５ａにおける屈折角θ６は、入射角θ５が大きくなるに伴って大きくなるので、第１出射面３５ａにおける入射角θ５を有する照明光の垂直成分が最も小さくなる場合、すなわち第１出射面３５ａにおける入射角θ５が最も小さい場合、出射角度βは最小の出射角度βｍｉｎとなり、照明光の垂直成分が大きくなるに伴って出射角度βは大きくなる。
【００４４】
出射体２６に入射される照明光のうち、第１出射面３５ａで全反射されるような垂直成分を有する照明光が存在する場合、出射角度βは、第１出射面３５ａで全反射される入射角度よりわずかに小さいときに最大の出射角度βｍａｘになり、出射方向は第１出射面３５ａと略平行である。したがって、第１出射面３５ａで全反射されるような垂直成分を有する照明光が存在する場合の最大の出射角度βｍａｘは、１８０度から出射体角度αを減算した値とほぼ同じ値になる。また、出射体２６に入射される照明光のうち、第１出射面３５ａで全反射されるような垂直成分を有する照明光が存在しない場合、最大の出射角度βｍａｘは、第１出射面３５ａへ入射する照明光のうち、最大の垂直成分を有する照明光が第１出射面３５ａへ入射したときの出射方向と、第１表面２７とが成す角度である。
【００４５】
照明装置２０を液晶表示装置のバックライト装置として用いる場合、たとえば導光板２３の第１表面２７に対して、略垂直に出射される照明光が全く存在しなければ、液晶パネル２１を垂直に見たときに表示画像が見えなくなるなどの不具合が生じて、光源２２からの照明光が有効活用できなくなる。すなわち光利用効率が低下することになる。光利用効率を向上するには、多くの照明光を導光板２３の第１表面２７に対し垂直に出射する必要があるので、前述の最大の出射角度βｍａｘは、９０度以上であることが望ましい。したがって最大の出射角度が９０度以上になるように、出射体角度αを設定することが望ましい。出射体２６において垂直成分が最大である照明光は、導光板２３においても垂直成分が最大の光であり、したがって第１側面２９における入射角が略９０度で導光板２３に入射された光である。ここで略９０度とは９０度を含む。
【００４６】
最大の出射角度βｍａｘが９０度である場合、最小の出射体角度αｍｉｎは、式（６）に基づいて式（７）のように表わされる。
αｍｉｎ ＝ θ６ …（７）
【００４７】
さらに式（７）の最小の出射体角度αｍｉｎは、前述の式（１）〜式（５）を用い、また最大の出射角度βｍａｘとなるのは第１側面２９における入射角θ１が９０度のときであるので、θ１に９０°を代入して、式（８）のように表わされる。
αｍｉｎ＝ｓｉｎ−１｛（ｎ３／ｎ１）×ｓｉｎ｛αｍｉｎ−ｓｉｎ−１
｛（ｎ２／ｎ３）×ｃｏｓ｛ｓｉｎ−１（ｎ１／ｎ２）｝｝｝｝…（８）
【００４８】
したがって、出射体角度αは、式（８）により算出される最小の出射体角度αｍｉｎを用いて、式（９）によって表わされる範囲内の角度になる。
αｍｉｎ ＜ α ＜ ９０ …（９）
【００４９】
出射体角度αを式（９）を満足する範囲内の角度に設定することによって、最大の出射角度βｍａｘを９０度以上にすることができる。これによって多くの照明光を第１および第２出射面３５ａ，３５ｂから第１表面２７に対して略垂直な方向に出射することができる。
【００５０】
出射体角度αが９０度、すなわち出射体２６の第２方向Ｂに垂直な断面形状が長方形である四角柱であっても、照明光を第１および第２出射面３５ａ，３５ｂから空気中に略垂直に出射することができるけれども、この場合、第１および第２出射面３５ａ，３５ｂに到達した照明光は、全反射角度に近い角度で到達した照明光である。したがってフレネル反射によってその大部分の照明光が第１および第２出射面３５ａ，３５ｂで反射され、透過する照明光はわずかである。たとえば出射体２６の屈折率Ｎ３が１．６８であり、かつ第１および第２出射面３５ａ，３５ｂにおける屈折角が８９度であるとき、照明光の透過率は、９．３％であり、９０％以上の照明光が反射されてしまう。
【００５１】
このように出射体角度αが９０度である場合、導光板２３の第１表面２７に対して略垂直な方向に、第１および第２出射面３５ａ，３５ｂから出射される照明光がほとんどなくなるので、出射体角度αは、最小の出射体角度αｍｉｎよりも大きく９０度よりも小さくする必要がある。第１出射面３５ａと第１表面２７とが成す出射体角度αと、第２出射面３５ｂと第１表面２７とが成す出射体角度αとが、式（９）で表わされる条件式を満足する範囲内の角度に決定することによって、出射角度βを所望の角度にすることができる。
【００５２】
また出射体２６の第２方向Ｂに対して対向する三角形状の２つの底面が、第１表面２７に対して垂直に配置されるので、照明光が第１および第２出射面３５ａ，３５ｂから第１表面２７に対して略垂直な方向に出射されるように、２つの底面で照明光を全反射することができる。２つの底面が斜面である場合には、照明光が第１表面２７に対して出射角度βが小さい状態で２つの底面から出射される不具合、または照明光が２つの底面で全反射された後に、第１表面２７に対して出射角度βが小さい状態で第１および第２出射面３５ａ，３５ｂから出射される不具合が生じてしまう。２つの底面を第１表面２７に対して垂直に配置することによって、これらの不具合をなくして、第１および第２出射面３５ａ，３５ｂから出射される照明光の垂直性を良好にすることができる。
【００５３】
このように構成される照明装置２０を用いて、液晶パネル２１などの対象物に、それらの間にプリズム板などの部材を設けることなく、照明光を効率よく導くことができる。これによって導光板２３に入射される照明光の光量の損失を阻止して、液晶パネル２１などの対象物に導かれる照明光の光量を可及的に大きくすることができる。したがって光源２２によって発せられる照明光を効率よく利用すること、すなわち光利用効率を向上することができる。さらに照明装置２０を、たとえば液晶表示装置のバックライト装置に用いることによって、液晶表示装置の表示画面における輝度を向上して、視認性を向上することができる。また従来の技術の照明装置のように、液晶パネルと導光板との間に間隔をあけてプリズム板を設ける構成に比べて、液晶表示装置の厚みを可及的に小さくして、薄形化を実現することができる。
【００５４】
さらに出射体２６に関するピッチＬは、第３方向Ｃの光源２２側から第２反射板２５側に向かうにつれて徐々に小さくなる。このように出射体２６を配置することによって、出射体２６の各出射面３５ａ，３５ｂから出射される照明光の輝度分布を調整することができる。これによって液晶パネル２１における輝度を一様にすることができるとともに、表示される画像に対する視認性を向上することができる。したがって光利用効率をさらに向上することができる。
【００５５】
図５は、本発明の第２の実施の形態である照明装置２０Ａを示す断面図である。本実施の形態の照明装置２０Ａにおいて、第１の実施の形態の照明装置２０の出射体２６を除くその他の構成は同様であるので、同様の構成には同一の参照符号を付し、同様の説明は省略する。照明装置２０Ａは、相互に異なる大きさに形成される複数の出射体２６Ａを有する。第１の実施の形態では、各出射体２６の形状および相互に対応する各寸法が同一であったけれども、本実施の形態では、各出射体２６Ａの形状は相互に同一であって、１つの出射体２６Ａを基準として、相互に対応する各寸法が予め定める比率になるようにそれぞれ形成される。各出射体２６Ａの各寸法、すなわち大きさは、表示画面における輝度分布が一様になるように変更される。たとえば輝度が低ければ、出射体２６Ａの大きさを大きくし、輝度が高ければ出射体２６Ａの大きさを小さくする。これによって出射体２６Ａの各出射面３５ａ，３５ｂから出射される照明光の輝度分布を調整して、液晶パネル２１における輝度を一様にすることができるとともに、表示される画像に対する視認性を向上することができる。したがって光利用効率をさらに向上することができる。
【００５６】
本実施の形態では、各出射体２６Ａは、その大きさが第３方向Ｃの光源２２側から第２反射板２５側に向かうにつれて徐々に大きくなるように設けられている。なお、各出射体２６Ａにおいて、出射体角度αは、前述の第１の実施の形態における出射体２６と同様にして、空気、導光板２３および出射体２６の各屈折率に基づいて決定され、前述の式（９）によって表わされる範囲内の角度に決定される。また、各出射体２６Ａは、第３方向Ｃに関して隣り合う２つの出射体２６ＡにおけるピッチＬがすべて同一になるように、導光板２３の第１表面２７に設けられている。
【００５７】
前述の各実施の形態では、出射体２６，２６Ａを第１表面２７に設けるにあたって、ピッチＬおよび寸法のいずれか一方だけを変えていたけれども、ピッチＬおよび寸法の両方を変えてもよい。
【００５８】
図６は、本発明の第３の実施の形態である照明装置２０Ｂの一部を示す斜視図である。図７は、出射体２６Ｂから出射される照明光を説明するための図である。本実施の形態の照明装置２０Ｂにおいて、第１の実施の形態の照明装置２０の出射体２６の形状が異なるだけであって、出射体２６を除くその他の構成は同様であるので、同様の構成には同一の参照符号を付し、同様の説明は省略する。照明装置２０Ｂは、第１表面２７ならびに第１および第２出射面５０ａ，５０ｂに垂直な断面が台形状である出射体２６Ｂを有する。
【００５９】
本実施の形態では出射体２６Ｂは、第２方向Ｂに垂直な面に配置された台形状を第２方向Ｂに沿って延ばした四角柱である。第１出射面５０ａおよび第２出射面５０ｂは、導光板２３の第１表面２７に対して垂直な面から傾斜する平面である。出射体２６Ｂは、非出射面５０ｃをさらに有する。非出射面５０ｃは、導光板２３の第１表面２７に平行な平面であって、第１表面２７に当接される出射体２６Ｂの一側面５０ｆに比べて小さい面積を有する。
【００６０】
第１出射面５０ａと第１表面２７とが成す出射体角度は、第２出射面５０ｂと第１表面２７とが成す出射体角度と同一であり、空気の屈折率をｎ１、導光板２３の屈折率をｎ２、出射体２６Ｂの屈折率をｎ３とするとき、前述の式（９）で表わされる条件式を満足する範囲内の角度に決定される。導光板２３から出射体２６Ｂに入射される照明光は、第１および第２の実施の形態における出射体２６，２６Ａと同様に、たとえば図７の実線５１に示すような軌跡を描いて、第１表面２７に対して略垂直に第１出射面５０ａから出射される。
【００６１】
図８は、出射体２６Ｂに関して、第１出射面５０ａにおいて全反射された照明光を説明するための図である。図９は、出射体２６に関して、第１出射面３５ａにおいて全反射された照明光を説明するための図である。導光板２３から出射体２６Ｂに入射された照明光は、第１および第２出射面３５ａ，３５ｂにおける入射角によっては、第１出射面５０ａおよび第２出射面５０ｂにおいて全反射される場合がある。
【００６２】
図９に示すように三角柱の出射体２６の場合には、照明光は、第１および第２出射面３５ａ，３５ｂのいずれか一方の出射面で全反射されると、導光板２３の第１表面２７に対する垂直成分が小さくなって、第１および第２出射面３５ａ，３５ｂのいずれか他方に到達する。第１および第２出射面３５ａ，３５ｂのいずれか他方に到達した照明光は、図９の実線５４に示すように、その一部が小さい出射角度βで出射体２６から出射される。しかし、前述のように構成される出射体２６Ｂを用いることによって、導光板２３から出射体２６Ｂに入射された照明光が第１および第２出射面３５ａ，３５ｂのいずれか一方の出射面で全反射される場合であっても、照明光を、図８の実線５５に示すように、非出射面５０ｃで全反射させることにより、他方の出射面でも全反射させることができ、再度導光板２３に戻すことができる。
【００６３】
なお、出射体２６Ｂから導光板２３に入射された照明光は、その後、再度導光板２３から出射体２６Ｂに入射され、第１および第２出射面５０ａ，５０ｂにおける照明光の入射角が全反射角よりも小さければ、第１および第２出射面５０ａ，５０ｂから出射される。このように出射体２６Ｂを構成することによって、三角柱の場合では第１表面２７に略平行な方向に出射されるなどして第１表面２７に対して出射角度βが小さい状態で第１および第２出射面から出射されていた照明光を、可及的に少なくすることができる。これによって液晶パネル２１に導かれる照明光の光量の損失を可及的に小さくすることができる。
【００６４】
本実施の形態では、第３方向Ｃの光源２２側から第２反射板２５側に向かうにつれて、ピッチＬが徐々に小さくなるように決定してもよいし、ピッチＬを変えずに、各出射体２６Ｂの寸法を変える構成であってもよいし、ピッチＬと寸法との両方を変える構成であってもよい。また出射体２６Ｂから導光板２３に入射された照明光をさらに多く再利用するために、導光板２３の第２表面２８が第１表面２７に対してわずかに傾斜されていてもよい。
【００６５】
図１０は、本発明の第４の実施の形態である照明装置２０Ｃの一部を示す断面図である。本実施の形態の照明装置２０Ｃにおいて、第１の実施の形態の照明装置２０の出射体２６の構成が異なるだけであって、その他の構成は同様であるので、同様の構成には同一の参照符号を付し、同様の説明は省略する。照明装置２０Ｃの出射体２６Ｃは、平板状の基部６０と、第１方向Ａ一方側の表面６０ａから突出し、かつ出射面、具体的には第１および第２出射面６２ａ，６２ｂが形成される複数の出射部６１とを有する。出射部６１は、第２方向Ｂに沿って延びる。本実施の形態では、出射体２６Ｃの基部６０は長方形平板状であって、出射部６１は、第１の実施の形態における出射体２６と同様な三角柱状の突起である。出射体２６Ｃは、たとえば金型を用いて一体に成型加工することによって容易に形成することができる。
【００６６】
複数の出射部６１は、第３方向Ｃに相互に間隔をあけて基部６０に設けられる。出射体２６Ｃの基部６０は、出射部６１が設けられる表面６０ａとは反対側の表面６０ｂが導光板２３の第１表面２７に当接されて導光板２３に設けられる。出射体２６Ｃの出射部６１は、出射体２６Ｃが導光板２３の第１表面２７に設けられる状態で、基部６０から導光板２３と反対側に突出している。出射体２６Ｃの基部６０に関して、第１方向Ａ両側の表面６０ａ，６０ｂは、相互に平行である。
【００６７】
導光板２３から出射体２６Ｃに入射された照明光のうち、第１出射面６２ａおよび第２出射面６２ｂに到達した照明光は、たとえば図１０の実線８０に示すように、導光板２３の第１表面２７に対して略垂直な方向に、第１および第２出射面６２ａ，６２ｂからそれぞれ出射される。導光板２３内から導光板２３と出射体２６Ｃとの境界である第１境界３９Ｃに到達した照明光に関して、第１境界３９Ｃにおける入射角θ９は、４７．８度以上の角度である。第１境界３９Ｃにおける入射角θ９と屈折角θ１０とは、スネルの法則によれば、式（１０）のような関係を有する。
ｎ２×ｓｉｎθ９ ＝ ｎ３×ｓｉｎθ１０ …（１０）
【００６８】
基部６０の第１方向Ａ両側の表面６０ａ，６０ｂが相互に平行であるので、第１境界３９Ｃにおける屈折角θ１０と、基部６０の表面６０ｂと空気との境界における入射角θ１１とは、相互に同一である。これによって式（１０）の右辺のθ１０をθ１１に置換えることができ、式（１０）は、式（１１）のように表わすことができる。
ｎ２×ｓｉｎθ９ ＝ ｎ３×ｓｉｎθ１１ …（１１）
【００６９】
本実施例においてはｎ２＝１．４９であり、入射角θ９は４７．８度以上の角度であるので、前記入射角θ９のときの正弦値と、導光板２３の屈折率ｎ２との積が１よりも大きくなり、この関係式の左辺は、１よりも大きくなる。すなわち、式（１１）において、右辺も１よりも大きくなるので、空気との境界においては、全反射条件を満たし、照明光が図１０の実線８１に示すように基部６０の表面６０ｂで全反射されることになる。これによって導光板２３から出射体２６Ｃに入射される照明光のうち、基部６０の表面６０ｂに到達した照明光は基部６０から出射されずに全反射されることになる。したがって照明光を、導光板２３の第１表面２７に略垂直な方向に、第１および第２出射面６２ａ，６２ｂから確実に出射することができる。
【００７０】
本実施の形態では、出射部６１は、三角柱であったが、前述の第３の実施の形態の出射体２６Ｂであってもよい。また出射体２６Ｃが出射部６１だけを個別に導光板２３の一表面部３０に設ける場合に比べて、高い位置決め精度を必要とせずに、出射体２６Ｃを導光板２３の第１表面２７に容易にかつ短時間で設けることができる。
【００７１】
図１１は、本発明の第５の実施の形態である照明装置２０Ｄを示す正面図である。本実施の形態の照明装置２０Ｄにおいて、第４の実施の形態の照明装置２０Ｃの導光板２３の構成が異なるとともに、第３導光体である低屈折率部７０をさらに含む構成であって、その他の構成は同様であるので、同様の構成には同一の参照符号を付し、同様の説明は省略する。導光板２３Ｄの第２表面２８は、導光板２３Ｄの第１方向Ａの寸法が第３方向Ｃの光源２２側から第２反射板２５側に向かうにつれて徐々に小さくなるように、第１表面２７に対して傾斜する。さらに導光板２３Ｄの第２側面３１は、導光体２３Ｄの第３方向Ｃの寸法が第１方向Ａの第１表面２７側から第２表面２８側に向かうにつれて徐々に小さくなるように、第１側面２９に対して傾斜する。
【００７２】
照明装置２０Ｄは、導光板２３Ｄの屈折率に比べて小さい屈折率を有する低屈折率部７０をさらに有する。たとえば、低屈折率部７０は、ポリテトラフルオロエチレンから成り、この場合の屈折率は１．３５である。
【００７３】
低屈折率部７０は、その第１方向Ａ両側の表面７０ａ，７０ｂが平行になるように形成される。低屈折率部７０が導光板２３Ｄと出射体２６Ｃとの間に設けられる状態で、低屈折率部７０の第１方向Ａ一方側の表面７０ｂが出射体２６Ｃに当接し、低屈折率部７０の第１方向Ａ他方側の表面７０ａは導光板２３Ｄに当接する。
【００７４】
照明光は、導光板２３Ｄの第１側面２９を介して導光板２３Ｄに入射されて、導光板２３Ｄと低屈折率部７０との境界である第１０境界７１に到達する。第１０境界７１に到達した照明光のうち、垂直成分が小さい照明光は、第１０境界７１における入射角が全反射角以上であるので、図１１の実線７５に示すように、第１０境界７１で全反射される。第１０境界７１で全反射されず、低屈折率部７０を透過して出射体２６Ｃに入射された照明光は、図１１の実線７６に示すように、導光板２３Ｄの第１表面２７に対して略垂直な方向に、第１および第２出射面６２ａ，６２ｂから出射される。
【００７５】
このように低屈折率部７０を設けることによって、垂直成分が小さい照明光が導光板２３Ｄから出射体２６Ｃに入射されることが阻止されるので、出射角度βが９０度にさらに近い状態で、照明光を第１および第２出射面６２ａ，６２ｂから出射することができる。
【００７６】
さらに光源２２から第３方向Ｃに沿って遠ざかるにつれて導光板２３Ｄの厚みが小さくなるように、第１表面２７に対して第２表面２８が傾斜されている。これによって第１０境界７１で全反射されて導光板２３Ｄに残った照明光を、第２表面２８で全反射させ、低屈折率部７０への入射角を垂直成分が大きくなるようにすることにより出射体２６Ｃに入射させて再利用することができる。
【００７７】
前述の第１〜第５の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば出射体は、透光性を有し、かつその屈折率が導光板の屈折率に比べて大きい材料であればよく、たとえばガラスであってもよい。
【００７８】
【発明の効果】
本発明によれば、平板状の第１導光体は、厚み方向両側の表面が相互に平面に形成される。第１導光体の一側面は、光源に臨んで設けられる。光源によって照明光が発せられると、照明光は第１導光体の一側面を介して第１導光体に入射される。第１導光体の厚み方向一方側の一表面には、第１導光体の屈折率に比べて大きい屈折率を有する材料から成る第２導光体が直接設けられる。この第２導光体には、照明光が第１導光体から入射される。第２導光体には、前記一表面から遠ざかるにしたがって前記一表面と平行な断面積が小さくなるように前記一表面に垂直な面から傾斜する平面状の出射面が形成され、この出射面に第１導光体から入射される照明光が、第１導光体の一表面に対して略垂直な方向へ出射される。
【００７９】
このように構成される照明装置を用いて、第１導光体と対象物との間にプリズム板などの部材を設けることなく、第１導光体の一表面に対向する対象物に、照明光を効率よく導くことができる。これによって第１導光体に入射される照明光の光量の損失を阻止して、対象物に導かれる照明光の光量を可及的に大きくすることができる。したがって光源によって発せられる照明光を効率よく利用すること、すなわち光利用効率を向上することができる。さらに照明装置を、たとえば液晶表示装置のバックライト装置に用いることによって、液晶表示装置の表示画面における輝度を向上して、視認性を向上することができる。
【００８０】
また本発明によれば、第２導光体は、前記一表面および前記出射面に垂直な断面が台形状である。第２導体が前記一表面および前記出射面に垂直な断面が台形状になるように構成されるので、第２導光体は、第１導光体の一表面に垂直な面から傾斜する２つの出射面と、一表面に平行な表面とを有する。これによってたとえば一方の出射面で全反射されて、一方の出射面から出射されずに第２導光体内に残った照明光を、一表面に平行な表面と、他方の出射面とで、全反射させて第２導光体から第１導光体に導くことができる。これによって第２導光体から第１導光体に導かれた照明光を、第１導光体から第２導光体に再び入射させて再利用することができる。したがって光源によって発せられる照明光が十分な垂直性を持たずに照明装置の外部に漏れることを確実に防止して、光利用効率を向上することができる。
【００８１】
また本発明によれば、第２導光体は、第１導光体と略平行に設けられる平板状の基部と、基部から第１導光体と反対側に突出する複数の出射部とを有し、各出射部に出射面が形成される。このように第２導光体を構成することによって、基部と出射部とを、たとえば成型加工によって一体に形成することができる。これによって照明光を第１導光体の一表面に対して略垂直な方向に、出射面から出射することができる構成で、第２導光体を容易に製造することができるとともに、第２導光体を製造するために要するコストを削減することができる。また第２導光体の出射部だけを個別に第１導光体の一表面に設ける場合に比べて、高い位置決め精度を必要とせずに、第２導光体を第１導光体の一表面に容易にかつ短時間で設けることができる。第２導光体の基部が第１導光体と略平行に設けられるので、照明光を基部で全反射させて、照明光が基部から空気中に出射されることを防止して、出射部の出射面から確実に出射させることができる。これによって光利用効率を確実に向上することができる。
【００８２】
また本発明によれば、第３導光体が、第１導光体と第２導光体との間に設けられる。第３導光体は、第１導光体の屈折率に比べて小さい屈折率を有し、厚み方向両側の表面が平行である。この第３導光体によって、第１導光体に入射した照明光のうち、第１導光体と第３導光体との境界に全反射角以上の入射角で到達する照明光は、全反射されて第３導光体に入射されることが防がれるので、第２導光体に入射される照明光のうち、第１導光体の一表面に対して垂直な成分が小さい照明光を取り除くことができる。これによって第１導光体の一表面に対して垂直な方向の成分が可及的に大きい照明光を出射面から出射することできる。
【００８３】
また本発明によれば、第１導光体の一表面と第２導光体の出射面とが成す角度αは、空気の屈折率をｎ１、第１導光体の屈折率をｎ２、第２導光体の屈折率をｎ３としたとき、
α＝ｓｉｎ−１｛（ｎ３／ｎ１）×ｓｉｎ｛α−ｓｉｎ−１｛（ｎ２／ｎ３）×ｃｏｓ｛ｓｉｎ−１（ｎ１／ｎ２）｝｝｝｝
を満たすαを最小値αｍｉｎとして、αｍｉｎ＜α＜９０°を満足する。たとえば第１導光体および第２導光体の材料が変わることによって、照明装置の構成が変わった場合であっても、第１導光体の一表面と第２導光体の出射面とが成す角度を、空気、第１導光体および第２導光体の各屈折率に基づいて最適な角度に決定することができる。これによって光利用効率が大きい照明装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である照明装置２０の一部を切欠いて示す断面図である。
【図２】導光板２３の一部を示す斜視図である。
【図３】出射体２６の出射面３５ａから出射される照明光を説明するための図である。
【図４】照明光の入射角および屈折角ならびに出射体角度αを説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態である照明装置２０Ａを示す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態である照明装置２０Ｂの一部を示す斜視図である。
【図７】出射体２６Ｂから出射される照明光を説明するための図である。
【図８】出射体２６Ｂに関して、第１出射面５０ａにおいて全反射された照明光を説明するための図である。
【図９】出射体２６に関して、第１出射面３５ａにおいて全反射された照明光を説明するための図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態である照明装置２０Ｃの一部を示す断面図である。
【図１１】本発明の第５の実施の形態である照明装置２０Ｄを示す正面図である。
【図１２】従来の技術の照明装置１を簡略化して示す断面図である。
【図１３】他の従来の技術の照明装置１０を簡略化して示す断面図である。
【図１４】導光板４および高屈折率部分１１における光の屈折および反射を説明するための図である。
【符号の説明】
２０，２０Ａ〜２０Ｄ 照明装置
２２ 光源
２３，２３Ｄ 導光板
２６，２６Ａ〜２６Ｃ 出射体
２７ 第１表面
２９ 第１側面
３５ａ，５０ａ，６２ａ 第１出射面
３５ｂ，５０ｂ，６２ｂ 第２出射面
３９，３９Ｃ 第１境界
５０ｃ 非出射面
６０ 基部
６１ 出射部
７０ 低屈折率部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a lighting device for illuminating an object, for example, a lighting device for illuminating a liquid crystal panel included in a liquid crystal display device.
[0002]
[Prior art]
The liquid crystal display device includes a backlight device having a light guide plate as a lighting device. 2. Description of the Related Art A liquid crystal panel of a liquid crystal display device is frequently used in a word processor and a computer due to an increase in information display capacity and an improvement in characteristics such as luminance. Liquid crystal panels are used in digital cameras and mobile phones, taking advantage of the thin and lightweight characteristics of liquid crystal panels. Digital cameras and mobile phones are often used outdoors, and lighting devices with high brightness and high efficiency are desired.
[0003]
FIG. 12 is a simplified cross-sectional view showing a conventional illumination device 1. The lighting device 1 includes a light source 2, a first reflector 3, a light guide plate 4, a prism plate 5, and a second reflector 6. The light source 2 is provided to face one side surface 4 a of the light guide plate 4, is guided to the one side surface 4 a by using the first reflection plate 3, and is incident on the light guide plate 4. The illumination light incident on the light guide plate 4 is irregularly reflected by the dot pattern 8 provided on the lower surface 4d on one side in the thickness direction of the light guide plate 4. The illumination light incident on the light guide plate 4 is irregularly reflected by the dot pattern 8, and is emitted from the upper surface 4c on the other side in the thickness direction of the light guide plate 4. Illumination light emitted from the upper surface 4c of the light guide plate 4 is substantially perpendicular to the upper surface 4c of the light guide plate 4 by the prism plates 5 provided between the light guide plate 4 and the liquid crystal panel 7 with air layers interposed therebetween. In a different direction. The illumination light emitted by the prism plate 5 is guided to the liquid crystal panel 7 (see Patent Document 1).
[0004]
FIG. 13 is a simplified cross-sectional view showing another conventional illumination device 10. FIG. 14 is a diagram for explaining refraction and reflection of light in the light guide plate 4 and the high refractive index portion 11. In other conventional lighting devices 10, the same components as those of the above-described lighting device 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. The illuminating device 10 includes a prism plate 5 in addition to a configuration in which a high refractive index portion 11 is provided instead of the dot pattern 8 (see Patent Document 2). The high refractive index portion 11 is a projection having a curved surface provided on the upper surface 4c of the light guide plate 4. The illumination light incident on the light guide plate 4 is incident on the prism plate 5 via the high refractive index portion 11 and the air layer. Also in the illumination device 10, the prism plate 5 is used in the same manner as the illumination device 1 to emit illumination light emitted from the high refractive index portion 11 in a direction substantially perpendicular to the upper surface 4 c of the light guide plate 4. Can be
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-5-241147
[Patent Document 2]
JP-A-6-235917
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In each of the illumination devices 1 and 10 described above, the prism plate 5 is provided to emit illumination light substantially perpendicularly to the upper surface 4c of the light guide plate 4. Since the light guide plate 4 and the prism plate 5 are provided with an air layer interposed therebetween, a part of the illumination light emitted from the light guide plate 4 and the high refractive index portion 11 is reflected at the boundary between the air layer and the prism plate 5. And the light use efficiency is reduced.
[0007]
An object of the present invention is to provide a lighting device capable of improving light use efficiency.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a light source that emits illumination light,
A first light guide in which one side surface is a flat plate provided facing the light source, illumination light is incident through one side surface, and surfaces on both sides in the thickness direction are formed in planes substantially parallel to each other;
It is made of a material having a higher refractive index than the refractive index of the first light guide, and is provided directly on one surface of the first light guide on one side in the thickness direction to receive illumination light from the first light guide. A second light guide, which is inclined from a plane perpendicular to the one surface such that a cross-sectional area parallel to the one surface decreases as the distance from the one light surface increases, and illumination is incident from the first light guide. A lighting device, comprising: a second light guide having a planar emission surface that emits light in a direction substantially perpendicular to the one surface of the first light guide.
[0009]
According to the present invention, the flat first light guide has surfaces on both sides in the thickness direction formed to be mutually flat. One side surface of the first light guide is provided facing the light source. When illumination light is emitted by the light source, the illumination light is incident on the first light guide through one side surface of the first light guide. On one surface of the first light guide on one side in the thickness direction, a second light guide made of a material having a higher refractive index than the refractive index of the first light guide is directly provided. Illumination light is incident on the second light guide from the first light guide. The second light guide has a planar exit surface that is inclined from a plane perpendicular to the one surface such that a cross-sectional area parallel to the one surface decreases as the distance from the one surface increases. The illumination light incident from the first light guide is emitted in a direction substantially perpendicular to one surface of the first light guide.
[0010]
By using the illumination device configured as described above, an object facing one surface of the first light guide is illuminated without providing a member such as a prism plate between the first light guide and the object. Light can be efficiently guided. Thus, it is possible to prevent the loss of the amount of illumination light incident on the first light guide, and to increase the amount of illumination light guided to the object as much as possible. Therefore, it is possible to efficiently use the illumination light emitted from the light source, that is, to improve the light use efficiency.
[0011]
Further, in the invention, it is preferable that the second light guide has a trapezoidal cross section perpendicular to the one surface and the emission surface.
[0012]
According to the present invention, the second light guide has a trapezoidal cross section perpendicular to the one surface and the emission surface. Since the second light guide is configured such that a cross section perpendicular to the one surface and the emission surface is trapezoidal, the second light guide is inclined from a surface perpendicular to one surface of the first light guide. And two surfaces parallel to one surface. Thus, for example, the illumination light that is totally reflected by one of the emission surfaces and remains in the second light guide without being emitted from the one emission surface is totally reflected by the surface parallel to one surface and the other emission surface. The light can be reflected and guided from the second light guide to the first light guide. Thereby, the illumination light guided from the second light guide to the first light guide can be re-entered from the first light guide to the second light guide and reused.
[0013]
Further, according to the present invention, the second light guide has a flat base provided substantially parallel to the first light guide, and a plurality of emission portions protruding from the base to the opposite side to the first light guide. An emission surface is formed in each emission part.
[0014]
According to the present invention, the second light guide has a flat base provided substantially parallel to the first light guide, and a plurality of emission portions protruding from the base to the side opposite to the first light guide. Then, an emission surface is formed at each emission part. By configuring the second light guide in this manner, the base and the emission unit can be integrally formed by, for example, molding. With this configuration, the illumination light can be emitted from the emission surface in a direction substantially perpendicular to one surface of the first light guide, so that the second light guide can be easily manufactured and the second light guide can be easily manufactured. The cost required for manufacturing the light guide can be reduced.
[0015]
Furthermore, compared with a case where only the emission portion of the second light guide is individually provided on one surface of the first light guide, high positioning accuracy is not required, and the second light guide is connected to the first light guide. It can be easily and quickly provided on the surface. Since the base of the second light guide is provided substantially parallel to the first light guide, the illumination light is totally reflected by the base to prevent the illumination light from being emitted from the base into the air, and the emission unit is provided. Can be surely emitted from the light exit surface.
[0016]
Further, the present invention has a refractive index smaller than the refractive index of the first light guide, is provided between the first light guide and the second light guide, and the surfaces on both sides in the thickness direction are parallel. It is characterized by further including a third light guide.
[0017]
According to the present invention, the third light guide is provided between the first light guide and the second light guide. The third light guide has a smaller refractive index than the refractive index of the first light guide, and the surfaces on both sides in the thickness direction are parallel. Of the illumination light incident on the first light guide by the third light guide, the illumination light reaching the boundary between the first light guide and the third light guide at an incident angle equal to or larger than the total reflection angle is: This prevents total reflection and incidence on the third light guide.
[0018]
As described above, the third light guide prevents illumination light that reaches the boundary between the first light guide and the third light guide at an incident angle equal to or greater than the total reflection angle from being incident on the second light guide. As a result, the illumination light having a small component perpendicular to one surface of the first light guide can be removed from the illumination light incident on the second light guide. Thus, illumination light having a component as large as possible in a direction perpendicular to one surface of the first light guide can be emitted from the emission surface.
[0019]
Also, in the present invention, the angle α formed between one surface of the first light guide and the exit surface of the second light guide is such that the refractive index of air is n1, the refractive index of the first light guide is n2, and the second light guide is n2. When the refractive index of the light body is n3,
α = sin-1｛(N3 / n1) × sin ｛α-sin-1｛(N2 / n3) × cos ｛sin-1(N1 / n2)｝｝｝｝
Α is a minimum value αmin, and αmin <α <90 ° is satisfied.
[0020]
According to the present invention, the angle α formed between one surface of the first light guide and the exit surface of the second light guide is such that the refractive index of air is n1, the refractive index of the first light guide is n2, and the second light guide is n2. When the refractive index of the light guide is n3,
α = sin-1｛(N3 / n1) × sin ｛α-sin-1｛(N2 / n3) × cos ｛sin-1(N1 / n2)｝｝｝｝
Is satisfied, the minimum value αmin is satisfied, and αmin <α <90 ° is satisfied. For example, even if the configuration of the illumination device changes due to a change in the material of the first light guide and the second light guide, one surface of the first light guide and the emission surface of the second light guide may be used. Can be determined to be an optimum angle based on the respective refractive indexes of the air, the first light guide, and the second light guide. Thus, a lighting device with high light use efficiency can be realized.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a cross-sectional view of a lighting device 20 according to a first embodiment of the present invention, with a portion cut away. FIG. 2 is a perspective view showing a part of the light guide plate 23. The illumination device 20 is a device for illuminating an object with illumination light, and is used, for example, as an edge light type backlight device provided in a liquid crystal display device (not shown). The illumination device 20 is provided to face the liquid crystal panel 21 of the liquid crystal display device, and illuminates the liquid crystal panel 21 as an object from the side opposite to the side where the operator of the liquid crystal display device views the display screen. The illumination device 20 includes a light source 22, a light guide plate 23, a first reflection plate 24, a second reflection plate 25, and a light emitting body 26.
[0022]
The light source 22 emits illumination light based on electric power provided by a power supply (not shown), and is realized by, for example, a fluorescent tube such as a cold cathode (Cold Cathode Fluorescent Lamp; abbreviated as CCFL). In the example of FIG. 1, the light source 22 is a substantially cylindrical fluorescent tube having a size in the axial direction larger than a diameter of about several millimeters.
[0023]
The light guide plate 23 as the first light guide has a light transmitting property and is made of, for example, a resin such as polymethyl methacrylate. When polymethyl methacrylate is used as the material of the light guide plate 23, the refractive index n2 of the light guide plate 23 is 1.49. The light guide plate 23 has a flat plate shape, and has surfaces on both sides perpendicular to the first direction A parallel to the thickness direction, specifically, a first surface 27 which is a surface on one side of the first direction A and a first direction A. A second surface 28, which is a surface on the other side, is formed on a plane substantially parallel to each other.
[0024]
One side surface of the light guide plate 23, for example, a first side surface 29 on one side in a third direction C parallel to the longitudinal direction, and a second side surface 31 opposite to the first side surface 29, respectively, have a first surface 27 and a second side surface. Perpendicular to surface 28. The light guide plate 23 is arranged in parallel with the liquid crystal panel 21 in the first direction A with a space between the liquid crystal panel 21 and the first surface 27 facing the liquid crystal panel 21. The light source 22 is provided along a second direction B parallel to the width direction of the light guide plate 23 with the first side surface 29 of the light guide plate 23 facing the light source 22. In the example of FIG. 1, the second direction B is a direction perpendicular to the paper surface. Illumination light emitted by the light source 22 is incident on the light guide plate 23 via the first side surface 29.
[0025]
The first reflection plate 24 and the second reflection plate 25 are members for reflecting illumination light, and have a reflectance close to approximately 1.0. The first reflecting plate 24 is a semi-cylindrical member having a parabolic cross section perpendicular to the second direction B. In the example of FIG. 1, the first reflecting plate 24 is provided such that both edges along the second direction B are in contact with the first side surface 29. The first reflecting plate 24 cooperates with the first side surface 29 of the light guide 23 to surround the light source 22 around the second direction B so that the illumination light emitted by the light source does not leak outside. Of the illuminating light emitted by the light source 22, the remaining illuminating light excluding the illuminating light that has directly reached the first side surface 29 of the light guide plate 23 is efficiently guided to the first side portion 29 by the first reflecting plate 24. .
[0026]
The second reflection plate 25 is a band-shaped and plate-shaped member. The second reflection plate 25 is provided on the second side surface 31 of the light guide plate 23. In the present embodiment, the second reflection plate 25 is formed so as to be equal to or larger than the area of the second side surface 31, and is provided in contact with the second side surface 31 of the light guide plate 23. The second reflection plate 25 reflects the illumination light to be emitted from the second side surface 31. This prevents the illumination light from being emitted from the second side surface 31 and leaking out of the illumination device 20 while preventing the loss of the light amount.
[0027]
The light emitting body 26 serving as the second light guide is made of a material having a higher refractive index than the light guide plate 23, for example, a resin such as polyvinyl carbazole. When polyvinyl carbazole is used as the material of the light emitting body 26, the refractive index n3 of the light emitting body 26 is 1.68. The emitting body 26 has two planar emitting surfaces 35, that is, a first emitting surface 35a and a second emitting surface 35b. The first emission surface 35a and the second emission surface 35b are planes inclined from a surface perpendicular to the first surface 27 of the light guide plate 23, and are parallel to the first surface 27 of the emission body 26 as the distance from the first surface 27 increases. It is formed so as to have a small cross-sectional area. In the present embodiment, the emitting body 26 is a triangular prism extending along the second direction B from a triangular shape arranged on a plane perpendicular to the second direction B, and the first emitting surface 35a and the second emitting surface 35b are , Each dimension is formed identical to each other.
[0028]
The light emitting body 26 is provided directly on the first surface 27 of the light guide plate 23. Specifically, the light emitting body 26 is brought into contact with the first surface 27 with the remaining one side surface 36 excluding the first light emitting surface 35a and the second light emitting surface 35b being arranged parallel to the first surface 27. Provided. The angle formed by the first exit surface 35a and the remaining one side surface 36, in other words, the exit body angle α is determined based on at least the refractive indexes of the air, the light guide plate 23, and the exit body 26. The angle formed by the second light emitting surface 35b and the remaining one side surface 36 is the same as the angle formed by the first light emitting surface 35a and the remaining one side surface 36.
[0029]
A plurality of light emitting bodies 26 are provided on the first surface 27 of the light guide plate 23. The light emitting bodies 26 are provided at intervals in the third direction C. Two emitting bodies 26 adjacent to each other in the third direction C are arranged at an interval from each other by a predetermined pitch L. The pitch L is changed so that the luminance distribution on the display screen becomes uniform. For example, if the luminance is low, the pitch is narrowed, and if the luminance is high, the pitch is widened. In the present embodiment, the pitch L decreases from the light source 22 side in the third direction C toward the second reflection plate 25 side. Illumination light is incident on the light emitting body 26 from the light guide plate 23. The illumination light incident on the light emitting body 26 is emitted from the first and second emission surfaces 35a and 35b in a direction substantially perpendicular to the first surface 27 of the light guide plate 23. Here, “substantially perpendicular” includes perpendicular.
[0030]
FIG. 3 is a diagram for explaining illumination light emitted from the emission surface 35a of the emission body 26. FIG. 4 is a diagram for explaining the incident angle and the refraction angle of the illumination light and the exit body angle α. FIGS. 3 and 4 show the light guide plate 23 and the light emitting body 26 as viewed from one side in the second direction B. For easy understanding, the illumination light is perpendicular to the second direction B by the light source 22. In a different direction. Also, with respect to two media having different refractive indices, illumination light that has reached another medium from one medium is reflected and refracted or totally reflected at a boundary, but only illumination light that is refracted and totally reflected will be described. A description of reflected illumination light is omitted. In the present embodiment, the incident angle and the refraction angle of the illumination light are angles with respect to a normal line of a boundary surface formed by two media having different refractive indexes.
[0031]
In the present embodiment, the refractive index n2 of the light guide plate 23 is 1.49, which is larger than the refractive index n1 of air, that is, 1.00. The angle is smaller than the angle of incidence.
[0032]
The illumination light from the light source 22 is incident on the light guide plate 23 at an incident angle on the first side surface 29 of 0 to 90 degrees. For example, when the illumination light is incident on the light guide plate 23 parallel to the first direction A and along the first side surface 29 as shown by an arrow 49 in FIG. When the incident angle of the illumination light is the maximum of 90 degrees, the refraction angle of the illumination light is 42.2 degrees according to Snell's law. Therefore, when the illumination light emitted by the light source 22 is incident on the light guide plate 23 via the first side surface 29 of the light guide plate 23, the refraction angle of the illumination light on the first side surface 29 is not less than 0 degrees and not more than 42.2 degrees. Angle.
[0033]
Since the refraction angle of the illumination light on the first side surface 29 is an angle of 0 degree or more and 42.2 degrees or less, the incident angle of the illumination light on the first surface 27 and the second surface 28 is an angle of 47.8 degrees or more. become. When the refractive index of the light guide plate 23 is 1.49 or more, the illumination light incident on the light guide plate 23 has an incident angle of 42.2 degrees or more at the boundary between each surface of the light guide plate 23 and air. It is totally reflected. Therefore, at the boundary between the first surface 27 and the second surface 28 and the air, the illumination light is totally reflected and propagates in the light guide plate 23 as shown by the imaginary line 44 in FIG.
[0034]
On the second side surface 31, the illumination light is reflected by using the second reflector 25. Therefore, in the present embodiment, the illumination light is emitted to the outside of the light guide plate 23 from the remaining boundary excluding the first side surface 29 and the first boundary 39 which is the boundary between the first surface 27 and the emission body 26. There is no.
[0035]
At the first boundary 39, since the refractive index of the light emitting body 26 is larger than the refractive index of the light guide plate 23, the illumination light is incident on the light emitting body 26 from the light guide plate 23 at a smaller refraction angle than the incident angle. At the first exit surface 35a and the second exit surface 35b, since the refractive index of the exit body 26 is larger than the refractive index of air, the illumination light exits at a refraction angle larger than the incident angle. For example, the illumination light emitted by the light source 22 is incident on the light emitting body 26 from the light guide plate 23 and is emitted from the first emission surface 35a as shown by a solid line 48 in FIG.
[0036]
On the first side surface 29, the incident angle of the illumination light incident on the light guide plate 23 is θ1, and the refraction angle is θ2. At the first boundary 39, the incident angle of the illumination light incident on the light emitting body 26 from the light guide plate 23 is θ3, and the refraction angle is θ4. The incident angle of the illumination light emitted into the air at the first emission surface 35a is θ5, and the refraction angle is θ6. The refraction angle θ2 on the first side surface 29 is represented by Expression (1) based on Snell's law.
θ2 = sin-1{(N1 / n2) × sin θ1} (1)
[0037]
The vertical component of the illumination light becomes the largest on the first side surface 29 when the illumination light is incident at the maximum incident angle of 90 degrees, specifically, parallel to the first direction A and the first side surface 29. This is a case in which the light is incident along. Here, the vertical component of the illumination light indicates a component in a direction normal to the first surface 27 when the illumination light is represented by a vector having a magnitude and a direction.
[0038]
Since the first surface 27 of the light guide plate 23 is perpendicular to the first side surface 29, the incident angle θ3 at the first boundary 39 can be calculated by using the refraction angle θ2 at the first side surface 29 as in Expression (2). Is represented.
θ3 = 90−θ2 (2)
[0039]
The refraction angle θ4 at the first boundary 39 is expressed by Expression (3) using Snell's law.
θ4 = sin-1{(N2 / n3) × sin θ3} (3)
[0040]
The incident angle θ5 at the first exit surface 35a can be represented by the refraction angle θ4 at the first boundary 39 and the exit body angle α, and is represented by Expression (4).
θ5 = α−θ4 (4)
[0041]
The refraction angle θ6 at the first light exit surface 35a is expressed by Expression (5) based on Snell's law.
θ6 = sin-1{(N3 / n1) × sin θ5} (5)
[0042]
Since the sum of the value obtained by subtracting the refraction angle θ6 at the first exit surface 35a from 90 degrees, the exit body angle α, and the exit angle β is 180 degrees, the exit angle β of the illumination light is given by the following equation (6). Can be represented as Here, the emission angle β is an angle formed by the first surface 27 and the emission direction of the illumination light emitted from the emission body 26. In the example of FIG. 4, the emission angle β is between the first surface 27 and the first emission surface 35a. This is the angle formed by the direction of the emitted illumination light.
β = 90−α + θ6 (6)
[0043]
Since the output angle β and the refraction angle θ6 at the first output surface 35a have a relationship represented by Expression (6), the output angle β increases as the refraction angle θ6 increases. Further, since the refraction angle θ6 at the first exit surface 35a increases as the incident angle θ5 increases, the vertical component of the illumination light having the incident angle θ5 at the first exit surface 35a becomes the smallest, that is, When the incident angle θ5 at one emission surface 35a is the smallest, the emission angle β becomes the minimum emission angle βmin, and the emission angle β increases as the vertical component of the illumination light increases.
[0044]
When there is illumination light having a vertical component that is totally reflected on the first emission surface 35a among the illumination light incident on the emission body 26, the emission angle β is totally reflected on the first emission surface 35a. When the angle is slightly smaller than the incident angle, the maximum emission angle βmax is obtained, and the emission direction is substantially parallel to the first emission surface 35a. Therefore, when there is illumination light having a vertical component that is totally reflected by the first emission surface 35a, the maximum emission angle βmax is substantially the same as the value obtained by subtracting the emission body angle α from 180 degrees. When there is no illumination light having a vertical component that is totally reflected by the first emission surface 35a among the illumination light incident on the emission body 26, the maximum emission angle βmax is transmitted to the first emission surface 35a. The angle formed by the first surface 27 and the emission direction when the illumination light having the maximum vertical component of the incident illumination light enters the first emission surface 35a.
[0045]
When the illuminating device 20 is used as a backlight device of a liquid crystal display device, for example, if there is no illuminating light emitted substantially perpendicularly to the first surface 27 of the light guide plate 23, the liquid crystal panel 21 is viewed vertically. In such a case, problems such as the inability to see the displayed image occur, and the illumination light from the light source 22 cannot be used effectively. That is, the light use efficiency is reduced. In order to improve the light use efficiency, it is necessary to emit a large amount of illumination light perpendicular to the first surface 27 of the light guide plate 23. Therefore, the above-mentioned maximum emission angle βmax is desirably 90 degrees or more. . Therefore, it is desirable to set the emitting body angle α so that the maximum emitting angle is 90 degrees or more. The illumination light having the maximum vertical component in the light emitting body 26 is the light having the maximum vertical component also in the light guide plate 23, and is therefore the light incident on the light guide plate 23 at an incident angle of about 90 degrees on the first side surface 29. is there. Here, substantially 90 degrees includes 90 degrees.
[0046]
When the maximum emission angle βmax is 90 degrees, the minimum emission body angle αmin is expressed as in Expression (7) based on Expression (6).
αmin = θ6 (7)
[0047]
Further, the minimum emitting body angle αmin in the equation (7) uses the above-described equations (1) to (5), and the maximum emitting angle βmax is obtained when the incident angle θ1 on the first side surface 29 is 90 degrees. Therefore, 90 ° is substituted for θ1, and is expressed as in equation (8).
αmin = sin-1｛(N3 / n1) × sin ｛αmin-sin-1
｛(N2 / n3) × cos ｛sin-1(N1 / n2)｝｝｝｝ ... (8)
[0048]
Therefore, the emitting body angle α is an angle within the range represented by the equation (9) using the minimum emitting body angle αmin calculated by the equation (8).
αmin <α <90 ... (9)
[0049]
By setting the emitting body angle α to an angle that satisfies the expression (9), the maximum emitting angle βmax can be made 90 degrees or more. Thus, a large amount of illumination light can be emitted from the first and second emission surfaces 35a and 35b in a direction substantially perpendicular to the first surface 27.
[0050]
Even if the emitting body angle α is 90 degrees, that is, a quadrangular prism having a rectangular cross section perpendicular to the second direction B of the emitting body 26, the illumination light is introduced into the air from the first and second emitting surfaces 35a and 35b. Although the light can be emitted substantially perpendicularly, in this case, the illumination light that has reached the first and second emission surfaces 35a and 35b is the illumination light that has arrived at an angle close to the total reflection angle. Therefore, most of the illumination light is reflected by the first and second emission surfaces 35a and 35b by Fresnel reflection, and the transmitted illumination light is small. For example, when the refractive index N3 of the exit body 26 is 1.68 and the refraction angles on the first and second exit surfaces 35a and 35b are 89 degrees, the transmittance of the illumination light is 9.3%, 90% or more of the illumination light is reflected.
[0051]
When the emitting body angle α is 90 degrees, the illumination light emitted from the first and second emission surfaces 35a and 35b in the direction substantially perpendicular to the first surface 27 of the light guide plate 23 almost disappears. Therefore, the emitting body angle α needs to be larger than the minimum emitting body angle αmin and smaller than 90 degrees. The emitting body angle α formed by the first emitting surface 35a and the first surface 27 and the emitting body angle α formed by the second emitting surface 35b and the first surface 27 satisfy the conditional expression represented by Expression (9). By determining the angle within the range, the emission angle β can be set to a desired angle.
[0052]
Further, since the two triangular bottom surfaces of the light emitting body 26 opposed to each other in the second direction B are arranged perpendicular to the first surface 27, the illumination light is transmitted from the first and second light emitting surfaces 35a and 35b. The illumination light can be totally reflected at the two bottom surfaces so as to be emitted in a direction substantially perpendicular to the first surface 27. When the two bottom surfaces are inclined surfaces, the illumination light is emitted from the two bottom surfaces in a state where the emission angle β is small with respect to the first surface 27, or after the illumination light is totally reflected by the two bottom surfaces. However, there is a problem that the light is emitted from the first and second emission surfaces 35a and 35b in a state where the emission angle β is small with respect to the first surface 27. By arranging the two bottom surfaces perpendicular to the first surface 27, it is possible to eliminate these problems and improve the perpendicularity of the illumination light emitted from the first and second emission surfaces 35a and 35b. it can.
[0053]
By using the illumination device 20 configured as described above, illumination light can be efficiently guided to an object such as the liquid crystal panel 21 without providing a member such as a prism plate between them. As a result, it is possible to prevent the loss of the amount of illumination light incident on the light guide plate 23 and to increase the amount of illumination light guided to an object such as the liquid crystal panel 21 as much as possible. Therefore, the illumination light emitted by the light source 22 can be efficiently used, that is, the light use efficiency can be improved. Further, by using the illumination device 20 for a backlight device of a liquid crystal display device, for example, the luminance on the display screen of the liquid crystal display device can be improved, and the visibility can be improved. In addition, as compared to a configuration in which a prism plate is provided with a space between a liquid crystal panel and a light guide plate as in a conventional lighting device, the thickness of the liquid crystal display device is made as small as possible to reduce the thickness. Can be realized.
[0054]
Further, the pitch L of the light emitting body 26 gradually decreases from the light source 22 side in the third direction C toward the second reflection plate 25 side. By arranging the light emitting body 26 in this manner, the luminance distribution of the illumination light emitted from each of the light emitting surfaces 35a and 35b of the light emitting body 26 can be adjusted. As a result, the brightness of the liquid crystal panel 21 can be made uniform, and the visibility of the displayed image can be improved. Therefore, the light use efficiency can be further improved.
[0055]
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a lighting device 20A according to a second embodiment of the present invention. In the illuminating device 20A of the present embodiment, since the configuration other than the emitting body 26 of the illuminating device 20 of the first embodiment is the same, the same components are denoted by the same reference numerals, and the same reference numerals are used. Description is omitted. The illuminating device 20A has a plurality of emitting bodies 26A formed in mutually different sizes. In the first embodiment, the shape of each light emitting body 26 and the respective dimensions corresponding to each other are the same, but in the present embodiment, the shape of each light emitting body 26A is the same, and one Based on the emitting body 26A, the respective dimensions are formed so that the mutually corresponding dimensions have a predetermined ratio. Each dimension, that is, the size of each emitting body 26A is changed so that the luminance distribution on the display screen becomes uniform. For example, if the brightness is low, the size of the emitting body 26A is increased, and if the brightness is high, the size of the emitting body 26A is reduced. This makes it possible to adjust the brightness distribution of the illumination light emitted from each of the emission surfaces 35a and 35b of the emission body 26A, thereby making the brightness in the liquid crystal panel 21 uniform and improving the visibility of the displayed image. can do. Therefore, the light use efficiency can be further improved.
[0056]
In the present embodiment, each emitter 26A is provided such that its size gradually increases from the light source 22 side in the third direction C toward the second reflector 25 side. In each of the light-emitting bodies 26A, the light-emitting body angle α is determined based on the refractive index of the air, the light guide plate 23, and the light-emitting body 26 in the same manner as the light-emitting body 26 in the above-described first embodiment. The angle is determined within the range represented by the above equation (9). Each light emitting body 26A is provided on the first surface 27 of the light guide plate 23 such that the pitches L of two light emitting bodies 26A adjacent to each other in the third direction C are all the same.
[0057]
In each of the above embodiments, when providing the light emitting bodies 26 and 26A on the first surface 27, only one of the pitch L and the dimension is changed, but both the pitch L and the dimension may be changed.
[0058]
FIG. 6 is a perspective view showing a part of a lighting device 20B according to the third embodiment of the present invention. FIG. 7 is a diagram for describing illumination light emitted from the emitting body 26B. In the lighting device 20B of the present embodiment, only the shape of the light emitting body 26 of the lighting device 20 of the first embodiment is different, and the other configuration except for the light emitting body 26 is the same. Are denoted by the same reference numerals, and the same description is omitted. The illuminating device 20B has an emission body 26B having a trapezoidal cross section perpendicular to the first surface 27 and the first and second emission surfaces 50a and 50b.
[0059]
In the present embodiment, the light emitting body 26B is a quadrangular prism that extends along the second direction B from a trapezoidal shape arranged on a plane perpendicular to the second direction B. The first emission surface 50a and the second emission surface 50b are flat surfaces that are inclined from a surface perpendicular to the first surface 27 of the light guide plate 23. The emitting body 26B further has a non-emitting surface 50c. The non-emission surface 50c is a plane parallel to the first surface 27 of the light guide plate 23, and has a smaller area than one side surface 50f of the emission body 26B abutting on the first surface 27.
[0060]
The light emitting body angle formed by the first light emitting surface 50a and the first surface 27 is the same as the light emitting body angle formed by the second light emitting surface 50b and the first surface 27, the refractive index of air is n1, and the light guide plate 23 has Assuming that the refractive index is n2 and the refractive index of the emitting body 26B is n3, the angle is determined to be within a range that satisfies the conditional expression represented by the above-described expression (9). Illumination light incident on the light emitting body 26B from the light guide plate 23 draws a locus as shown by a solid line 51 in FIG. 7, for example, like the light emitting bodies 26 and 26A in the first and second embodiments. The light is emitted from the first emission surface 50a substantially perpendicular to the one surface 27.
[0061]
FIG. 8 is a diagram illustrating illumination light totally reflected on the first emission surface 50a with respect to the emission body 26B. FIG. 9 is a diagram for describing the illumination light totally reflected on the first emission surface 35a with respect to the emission body 26. Illumination light incident on the light emitting body 26B from the light guide plate 23 may be totally reflected on the first light emitting surface 50a and the second light emitting surface 50b depending on the incident angles on the first and second light emitting surfaces 35a and 35b. .
[0062]
As shown in FIG. 9, in the case of the light emitting body 26 having a triangular prism, when the illumination light is totally reflected on one of the first and second light emitting surfaces 35 a and 35 b, the first light of the light guide plate 23 is removed. The component perpendicular to the surface 27 becomes smaller and reaches one of the first and second emission surfaces 35a and 35b. A part of the illumination light reaching the other of the first and second emission surfaces 35a and 35b is emitted from the emission body 26 at a small emission angle β as shown by a solid line 54 in FIG. However, by using the light emitting body 26B configured as described above, the illumination light incident on the light emitting body 26B from the light guide plate 23 is totally reflected on one of the first and second light emitting surfaces 35a and 35b. Even in the case of being reflected, the illumination light is totally reflected on the non-emission surface 50c as shown by the solid line 55 in FIG. Can be returned to.
[0063]
The illumination light that has entered the light guide plate 23 from the light emitting body 26B is then again incident on the light emitting body 26B from the light guide plate 23, and the incident angles of the illumination light on the first and second emission surfaces 50a and 50b are totally reflected. If the angle is smaller than the angle, the light is emitted from the first and second emission surfaces 50a and 50b. By configuring the light emitting body 26B in this manner, in the case of a triangular prism, the light is emitted in a direction substantially parallel to the first surface 27, and the first and second light emitting angles β with respect to the first surface 27 are small. 2 The illumination light emitted from the emission surface can be reduced as much as possible. Thus, the loss of the amount of illumination light guided to the liquid crystal panel 21 can be reduced as much as possible.
[0064]
In the present embodiment, the pitch L may be determined so as to gradually decrease from the light source 22 side in the third direction C toward the second reflecting plate 25 side, or each light emission may be performed without changing the pitch L. A configuration that changes the dimensions of the body 26B may be used, or a configuration that changes both the pitch L and the dimensions may be used. Further, the second surface 28 of the light guide plate 23 may be slightly inclined with respect to the first surface 27 in order to reuse the illumination light incident on the light guide plate 23 from the light emitting body 26B more.
[0065]
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a part of a lighting device 20C according to a fourth embodiment of the present invention. In the illumination device 20C of the present embodiment, the only difference is the configuration of the emitting body 26 of the illumination device 20 of the first embodiment, and the other configurations are the same. The same reference numerals are given and the same description is omitted. The emitting body 26C of the illumination device 20C protrudes from a flat base 60 and a surface 60a on one side in the first direction A, and has an emitting surface, specifically, first and second emitting surfaces 62a and 62b. And a plurality of emission units 61. The emission unit 61 extends along the second direction B. In the present embodiment, the base 60 of the emitting body 26C has a rectangular flat plate shape, and the emitting portion 61 is a triangular prism-shaped projection similar to the emitting body 26 in the first embodiment. The emitting body 26C can be easily formed by integrally molding using a mold, for example.
[0066]
The plurality of emission units 61 are provided on the base 60 at intervals in the third direction C. The base 60 of the light emitting body 26C is provided on the light guide plate 23 such that the surface 60b opposite to the surface 60a on which the light emitting portion 61 is provided is in contact with the first surface 27 of the light guide plate 23. The light emitting portion 61 of the light emitting body 26C protrudes from the base 60 to the side opposite to the light guide plate 23 in a state where the light emitting body 26C is provided on the first surface 27 of the light guide plate 23. With respect to the base 60 of the light emitting body 26C, the surfaces 60a and 60b on both sides in the first direction A are parallel to each other.
[0067]
Of the illumination light that has entered the light emitting body 26C from the light guide plate 23, the illumination light that has reached the first emission surface 62a and the second emission surface 62b is, for example, as shown by a solid line 80 in FIG. Light is emitted from the first and second emission surfaces 62a and 62b in a direction substantially perpendicular to the one surface 27. With respect to the illumination light reaching the first boundary 39C, which is the boundary between the light guide plate 23 and the emitting body 26C, from the inside of the light guide plate 23, the incident angle θ9 at the first boundary 39C is an angle of 47.8 degrees or more. According to Snell's law, the incident angle θ9 and the refraction angle θ10 at the first boundary 39C have a relationship such as Expression (10).
n2 × sin θ9 = n3 × sin θ10 (10)
[0068]
Since the surfaces 60a and 60b on both sides of the base 60 in the first direction A are parallel to each other, the angle of refraction θ10 at the first boundary 39C and the angle of incidence θ11 at the boundary between the surface 60b of the base 60 and air are mutually different. Are identical. As a result, θ10 on the right side of Expression (10) can be replaced with θ11, and Expression (10) can be expressed as Expression (11).
n2 × sin θ9 = n3 × sin θ11 (11)
[0069]
In the present embodiment, n2 = 1.49 and the incident angle θ9 is 47.8 degrees or more. Therefore, the product of the sine value at the incident angle θ9 and the refractive index n2 of the light guide plate 23 is obtained. The left side of this relational expression is larger than 1. That is, in the equation (11), the right side is also larger than 1, so that the condition of total reflection is satisfied at the boundary with the air, and the illumination light is totally reflected on the surface 60b of the base 60 as shown by the solid line 81 in FIG. Will be done. As a result, of the illumination light incident on the light emitting body 26C from the light guide plate 23, the illumination light that has reached the surface 60b of the base 60 is totally reflected without being emitted from the base 60. Therefore, the illumination light can be reliably emitted from the first and second emission surfaces 62a and 62b in a direction substantially perpendicular to the first surface 27 of the light guide plate 23.
[0070]
In the present embodiment, the emission section 61 is a triangular prism, but may be the emission body 26B of the above-described third embodiment. Also, as compared with the case where the light emitting body 26C separately provides only the light emitting portion 61 on the one surface 30 of the light guide plate 23, the light emitting body 26C can be easily mounted on the first surface 27 of the light guide plate 23 without requiring high positioning accuracy. And in a short time.
[0071]
FIG. 11 is a front view showing a lighting device 20D according to a fifth embodiment of the present invention. In the lighting device 20D of the present embodiment, the configuration of the light guide plate 23 of the lighting device 20C of the fourth embodiment is different, and the lighting device 20D further includes a low-refractive-index portion 70 as a third light guide. Since other configurations are the same, the same configurations are denoted by the same reference numerals, and the same description will be omitted. The second surface 28 of the light guide plate 23D has a first surface 27 such that the dimension of the light guide plate 23D in the first direction A gradually decreases from the light source 22 side in the third direction C toward the second reflection plate 25 side. Inclined to. Further, the second side surface 31 of the light guide plate 23D is formed such that the dimension of the light guide 23D in the third direction C gradually decreases from the first surface 27 side in the first direction A toward the second surface 28 side. It is inclined with respect to one side surface 29.
[0072]
The illumination device 20D further includes a low-refractive-index portion 70 having a smaller refractive index than the refractive index of the light guide plate 23D. For example, the low refractive index portion 70 is made of polytetrafluoroethylene, and the refractive index in this case is 1.35.
[0073]
The low refractive index portion 70 is formed such that surfaces 70a and 70b on both sides in the first direction A are parallel. In a state where the low-refractive-index portion 70 is provided between the light guide plate 23D and the emitting member 26C, the surface 70b on one side of the first direction A of the low-refractive-index portion 70 contacts the emitting member 26C, and the low-refractive-index portion 70 The surface 70a on the other side in the first direction A contacts the light guide plate 23D.
[0074]
The illumination light is incident on the light guide plate 23D via the first side surface 29 of the light guide plate 23D, and reaches a tenth boundary 71 which is a boundary between the light guide plate 23D and the low refractive index portion 70. Of the illumination light that has reached the tenth boundary 71, the illumination light having a small vertical component has an incident angle at the tenth boundary 71 equal to or larger than the total reflection angle, and therefore, as shown by a solid line 75 in FIG. Is totally reflected. Illumination light that is not totally reflected at the tenth boundary 71 but passes through the low-refractive-index portion 70 and is incident on the emission body 26C is applied to the first surface 27 of the light guide plate 23D as shown by a solid line 76 in FIG. The light is emitted from the first and second emission surfaces 62a and 62b in a direction substantially perpendicular to the center.
[0075]
By providing the low-refractive-index portion 70 in this manner, the illumination light having a small vertical component is prevented from being incident on the light emitting body 26C from the light guide plate 23D, so that the emission angle β is further closer to 90 degrees. Illumination light can be emitted from the first and second emission surfaces 62a and 62b.
[0076]
Further, the second surface 28 is inclined with respect to the first surface 27 so that the thickness of the light guide plate 23D decreases as the distance from the light source 22 in the third direction C increases. Thereby, the illumination light totally reflected by the tenth boundary 71 and remaining on the light guide plate 23D is totally reflected by the second surface 28 so that the angle of incidence on the low-refractive-index portion 70 is increased so that the vertical component becomes large. The light can be reused by being incident on the light emitting body 26C.
[0077]
The above-described first to fifth embodiments are merely examples of the present invention, and the configuration can be changed within the scope of the present invention. For example, the light emitting body may be a material having a light transmitting property and a refractive index higher than that of the light guide plate, and may be, for example, glass.
[0078]
【The invention's effect】
According to the present invention, the flat first light guide has the surfaces on both sides in the thickness direction formed to be mutually flat. One side surface of the first light guide is provided facing the light source. When illumination light is emitted by the light source, the illumination light is incident on the first light guide through one side surface of the first light guide. On one surface of the first light guide on one side in the thickness direction, a second light guide made of a material having a higher refractive index than the refractive index of the first light guide is directly provided. Illumination light is incident on the second light guide from the first light guide. The second light guide has a planar exit surface that is inclined from a plane perpendicular to the one surface such that a cross-sectional area parallel to the one surface decreases as the distance from the one surface increases. The illumination light incident from the first light guide is emitted in a direction substantially perpendicular to one surface of the first light guide.
[0079]
By using the illumination device configured as described above, an object facing one surface of the first light guide is illuminated without providing a member such as a prism plate between the first light guide and the object. Light can be efficiently guided. Thus, it is possible to prevent the loss of the amount of illumination light incident on the first light guide, and to increase the amount of illumination light guided to the object as much as possible. Therefore, it is possible to efficiently use the illumination light emitted from the light source, that is, to improve the light use efficiency. Further, by using the lighting device for a backlight device of a liquid crystal display device, for example, the luminance on the display screen of the liquid crystal display device can be improved, and the visibility can be improved.
[0080]
Further, according to the present invention, the second light guide has a trapezoidal cross section perpendicular to the one surface and the emission surface. Since the second conductor is configured such that a cross section perpendicular to the one surface and the emission surface is trapezoidal, the second light guide is inclined from a surface perpendicular to one surface of the first light guide. It has two emission surfaces and a surface parallel to one surface. Thus, for example, the illumination light that is totally reflected by one of the emission surfaces and remains in the second light guide without being emitted from the one emission surface is totally reflected by the surface parallel to one surface and the other emission surface. The light can be reflected and guided from the second light guide to the first light guide. Thereby, the illumination light guided from the second light guide to the first light guide can be re-entered from the first light guide to the second light guide and reused. Therefore, it is possible to reliably prevent the illuminating light emitted from the light source from leaking outside the illuminating device without having sufficient verticality, and to improve the light use efficiency.
[0081]
Further, according to the present invention, the second light guide includes a flat base provided substantially parallel to the first light guide, and a plurality of emission portions projecting from the base to the opposite side to the first light guide. An emission surface is formed at each emission part. By configuring the second light guide in this manner, the base and the emission unit can be integrally formed by, for example, molding. With this configuration, the illumination light can be emitted from the emission surface in a direction substantially perpendicular to one surface of the first light guide, so that the second light guide can be easily manufactured and the second light guide can be easily manufactured. The cost required for manufacturing the light guide can be reduced. In addition, compared with a case where only the emission section of the second light guide is individually provided on one surface of the first light guide, the second light guide is not required to have a high positioning accuracy and can be connected to the first light guide. It can be easily and quickly provided on the surface. Since the base of the second light guide is provided substantially parallel to the first light guide, the illumination light is totally reflected by the base to prevent the illumination light from being emitted from the base into the air, and the emission unit is provided. Can be surely emitted from the light exit surface. As a result, the light use efficiency can be reliably improved.
[0082]
According to the invention, the third light guide is provided between the first light guide and the second light guide. The third light guide has a smaller refractive index than the refractive index of the first light guide, and the surfaces on both sides in the thickness direction are parallel. Of the illumination light incident on the first light guide by the third light guide, the illumination light reaching the boundary between the first light guide and the third light guide at an incident angle equal to or larger than the total reflection angle is: Since it is prevented that the light is totally reflected and is incident on the third light guide, a component of the illumination light incident on the second light guide that is perpendicular to one surface of the first light guide is small. The illumination light can be removed. Thus, illumination light having a component as large as possible in a direction perpendicular to one surface of the first light guide can be emitted from the emission surface.
[0083]
Further, according to the present invention, the angle α formed between one surface of the first light guide and the exit surface of the second light guide is such that the refractive index of air is n1, the refractive index of the first light guide is n2, 2 When the refractive index of the light guide is n3,
α = sin-1｛(N3 / n1) × sin ｛α-sin-1｛(N2 / n3) × cos ｛sin-1(N1 / n2)｝｝｝｝
Is satisfied, the minimum value αmin is satisfied, and αmin <α <90 ° is satisfied. For example, even if the configuration of the illumination device changes due to a change in the material of the first light guide and the second light guide, one surface of the first light guide and the emission surface of the second light guide may be used. Can be determined to be an optimum angle based on the respective refractive indexes of the air, the first light guide, and the second light guide. Thus, a lighting device with high light use efficiency can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a lighting device 20 according to a first embodiment of the present invention, with a part thereof cut away.
FIG. 2 is a perspective view showing a part of a light guide plate 23.
FIG. 3 is a diagram for explaining illumination light emitted from an emission surface 35a of an emission body 26.
FIG. 4 is a diagram for explaining an incident angle and a refraction angle of the illumination light and an exit body angle α.
FIG. 5 is a sectional view showing a lighting device 20A according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view showing a part of a lighting device 20B according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for describing illumination light emitted from an emitting body 26B.
FIG. 8 is a diagram for describing illumination light totally reflected on a first emission surface 50a with respect to an emission body 26B.
FIG. 9 is a view for explaining illumination light totally reflected on a first emission surface of a light emitting body.
FIG. 10 is a sectional view showing a part of a lighting device 20C according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a front view showing a lighting device 20D according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a simplified cross-sectional view showing a conventional illumination device 1;
FIG. 13 is a simplified cross-sectional view showing a lighting device 10 of another conventional technique.
FIG. 14 is a diagram for explaining refraction and reflection of light in the light guide plate 4 and the high refractive index portion 11;
[Explanation of symbols]
20,20A-20D lighting device
22 light source
23,23D light guide plate
26, 26A-26C Emitter
27 First surface
29 1st side
35a, 50a, 62a First emission surface
35b, 50b, 62b Second exit surface
39, 39C First boundary
50c non-emitting surface
60 base
61 Emission part
70 Low refractive index part

Claims (5)

照明光を発する光源と、
一側面が光源に臨んで設けられる平板状であり、照明光が一側面を介して入射され、厚み方向両側の表面が相互に略平行な平面に形成される第１導光体と、
第１導光体の屈折率に比べて大きい屈折率を有する材料から成り、第１導光体の厚み方向一方側の一表面に直接設けられて第１導光体から照明光が入射される第２導光体であって、前記一表面から遠ざかるにしたがって前記一表面と平行な断面積が小さくなるように前記一表面に垂直な面から傾斜し、第１導光体から入射される照明光を、第１導光体の前記一表面に対して略垂直な方向へ出射する平面状の出射面が形成される第２導光体とを含むことを特徴とする照明装置。A light source that emits illumination light,
A first light guide in which one side surface is a flat plate provided facing the light source, illumination light is incident through one side surface, and surfaces on both sides in the thickness direction are formed in planes substantially parallel to each other;
It is made of a material having a higher refractive index than the refractive index of the first light guide, and is provided directly on one surface of the first light guide on one side in the thickness direction to receive illumination light from the first light guide. A second light guide, which is inclined from a plane perpendicular to the one surface such that a cross-sectional area parallel to the one surface decreases as the distance from the one light surface increases, and illumination is incident from the first light guide. A lighting device, comprising: a second light guide having a planar emission surface that emits light in a direction substantially perpendicular to the one surface of the first light guide. 前記第２導光体は、前記一表面および前記出射面に垂直な断面が台形状であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。The lighting device according to claim 1, wherein the second light guide has a trapezoidal cross section perpendicular to the one surface and the emission surface. 第２導光体は、第１導光体と略平行に設けられる平板状の基部と、基部から第１導光体と反対側に突出する複数の出射部とを有し、各出射部に出射面が形成されることを特徴とする請求項１または２記載の照明装置。The second light guide has a flat base provided substantially parallel to the first light guide, and a plurality of emission portions projecting from the base to the opposite side to the first light guide. The illumination device according to claim 1, wherein an emission surface is formed. 第１導光体の屈折率に比べて小さい屈折率を有し、第１導光体と第２導光体との間に設けられ、厚み方向両側の表面が平行である第３導光体をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の照明装置。A third light guide having a refractive index smaller than the refractive index of the first light guide, provided between the first light guide and the second light guide, and having surfaces on both sides in the thickness direction parallel to each other. The lighting device according to claim 1, further comprising: 第１導光体の一表面と第２導光体の出射面とが成す角度αは、空気の屈折率をｎ１、第１導光体の屈折率をｎ２、第２導光体の屈折率をｎ３としたとき、
α＝ｓｉｎ−１｛（ｎ３／ｎ１）×ｓｉｎ｛α−ｓｉｎ−１｛（ｎ２／ｎ３）×ｃｏｓ｛ｓｉｎ−１（ｎ１／ｎ２）｝｝｝｝
を満たすαを最小値αｍｉｎとして、αｍｉｎ＜α＜９０°を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置。The angle α formed between one surface of the first light guide and the exit surface of the second light guide is n1, the refractive index of air, n2 the refractive index of the first light guide, and the refractive index of the second light guide. Is n3,
α = sin −1 {(n3 / n1) × sin} α−sin −1 {(n2 / n3) × cos {sin −1 (n1 / n2)}
The lighting device according to any one of claims 1 to 4, wherein α satisfying α is a minimum value αmin, and αmin <α <90 ° is satisfied.
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