JP2006114379A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導光板以外の特殊な光学フィルムを用いることなく、光射出面の法線方向に十分な光強度の射出光を得ると共に、光の利用効率を高くし、射出面における射出光強度の均一性を高くし、さらに射出光の角度範囲を自在に制御することが可能な簡便な構成の照明装置を実現すること。
【解決手段】導光板１０の光射出面２８ａまたはその対向面２８ｂに光射出用光学素子３８を配置する。ここで、光射出用光学素子３８は、導光板１０の内部を光射出面２８ａまたは対向面２８ｂに対してそれぞれ臨界角以上の入射角度で入射しながら導光される光５０のうちの可視光成分を、光射出面２８ａまたは対向面２９ｂのほぼ法線方向に射出させるような空間周波数で、光源１２からの光が導光板１０によって導光される平均方向である平均導光方向Ｆに沿って配置された回折光学素子を含んでいる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、照明装置に係り、更に詳しくは、光源と、光源からの光を導光して射出する導光板を備えた平面状の照明装置に関する。

通常、透過型のＬＣＤパネルの背面に用いられる照明光源である所謂バックライトには、光源からの光を均一にＬＣＤパネルに導くために、透明樹脂からなる導光板が用いられている。図１１に示すように、この種の導光板１０に光源１２が配置されてなる照明装置１４では、導光板１０の端面１１から導光板１０内に入射した光は、導光板１０の平面部を全反射しながら、端面１１から導光板１０に入射した光が、導光板１０によって導光される平均方向である平均導光方向Ｆに沿って導光板１０内を進む。なお、図１１は、光源１２として線状の光源を用いた例を示しているが、光源１２の形状は線状に限るものではなく、例えば点状であってもよい。導光板１０の平面部には所々にプリズム１６が設けられ、プリズム１６に当たった光は、方向５６に示すように、導光板１０から図中上方側へ向かって射出される。

図１２に示すように、この照明装置１４の導光板１０の上部に透過型のＬＣＤパネル１８を配置し、導光板１０から図中上方の方向５６へと射出した光を更に図中に示す方向５８へと透過させることによって画像を表示する表示装置２４が形成される。

なお、図１１および図１２に示すように背面にプリズム１６が設けられた導光板に係る公知例としては、例えば下記特許文献１がある。

一方、プリズムを用いない照明装置の例としては、導光板１０の面に散乱性のドットを印刷することにより、光を拡散射出する方法もある。
特開平５−２６４８１９号公報

しかしながら、このような照明装置１４は、図１１に示す導光板１０の上面に相当する光射出面２８ａ内の光強度を均一にしながら、光源１２から導光板１０に入射する光を望ましい射出光へ変換する割合を高くすることが困難であり、透過型ＬＣＤパネルのバックライトなどとして利用する際に光の利用効率（光源１２から導光板１０に入射した光のうち、照明光として望ましい角度範囲の射出光に変換される割合）が低いという問題があった。特にＬＣＤパネルのバックライトとしては、光射出面２８ａの法線方向に強い光を出すことが望まれるが、従来技術では光源１２と導光板１０の組み合わせのみによってこれを実現することは極めて難しい。導光板１０からの射出光を適切な光分布へと変換するために、導光板１０と透過型表示素子の間に各種の光学フィルムを挿入する方法も提案されているが、これでは表示装置２４の厚みが増してしまい、製造コストも嵩んでしまうという別の問題が生じる。

また、プリズム１６を用いる場合には構造が比較的大きいために目視観察時にプリズム１６の配置パターンを隠すのが困難であること、またプリズム１６によって導光板１０の厚みが厚くなること、射出光の射出角度範囲や射出光強度を自由に制御することができないなどの問題がある。

更に、導光板１０の端面１１側に光源１２を設置した際に、光源１２に近い側と遠い側との光強度を一定にするのが困難である。特に、点状の光源もしくはムラのある光源の場合には、光源１２側の端面１１から光源１２に遠い側の端面１３に光が向かう平均的な方向である平均導光方向（導光板１０内を導光する光の平均的な方向）Ｆと直交する方向における射出光の分布の均一性と光の利用効率を共に高くすることは一層困難である。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、導光板以外の特殊な光学フィルム（プリズムなど）を用いることなく、光射出面の法線方向に十分な光強度の射出光を得ると共に、光の利用効率を高くし、射出面における射出光強度の均一性を高くし、さらに射出光の角度範囲を自在に制御することが可能な簡便な構成の照明装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じる。

すなわち、請求項１の発明は、光源と、光源から入射した光を導光し光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置において、導光板の光射出面または光射出面に対向する対向面に光射出用光学素子を配置する。ここで、光射出用光学素子は、導光板の内部を光射出面または対向面に対してそれぞれ臨界角以上の入射角度で入射しながら導光される光のうちの可視光成分を、光源からの光が導光板によって導光される平均方向である平均導光方向において、光射出面または対向面のほぼ法線方向に主要な回折光を射出させる回折光学素子を含んでいる。

そして、特に、請求項２では、光射出用光学素子は、光源からの光が導光板によって導光される平均方向である平均導光方向において、１５００本／ｍｍ以上３３００本／ｍｍ以下の空間周波数を有する回折光学素子を含んでいる。

従って、平均導光方向に沿って導光板内を導光する光、すなわち導光板内を全反射しながら進む光を、全反射光とは大きく異なる角度に回折し、特に導光板の光射出面の法線方向に向かって射出することができるため、ＬＣＤパネルなどの照明に好適な条件において、光利用効率の高い照明装置を容易に簡便な構成で実現することができる。このとき、特殊な光学フィルムなどを用いる必要がなく、照明装置を少ない部材構成で実現することが可能となり、また、回折光学素子の機能により射出光の角度範囲を適宜設計できる。また、光射出用光学素子が回折光学素子から構成されていることにより、構造が極めて微小であり、また微細加工技術などにより容易に任意の領域に形成可能であるため、導光板上における回折光学素子の構造や配置が最適化でき、極めて均一な射出光分布を有する導光板を構成することが可能である。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明の照明装置において、回折光学素子の空間周波数の最小値を、空間周波数の最大値の１／２以上とする。

従って、導光板から射出する１次回折光と２次以上の高次回折光を重ならないようにすることができ、高次回折光発生による光強度分布の不均一さを起こさせず、射出光の角度に依存した光強度分布として、均一な分布や射出面の法線方向が最も高くなるような分布など、任意の分布をより正確に実現可能となる。

請求項４の発明は、請求項１または請求項２の発明の照明装置において、回折光学素子の空間周波数の最小値を、空間周波数の最大値のほぼ１／２とする。

従って、導光板から射出する１次回折光と２次以上の高次回折光を重ならないように、かつ連続的に分布することができ、射出光の角度に依存した光強度分布として、連続的な光強度分布を容易に実現可能となる。

請求項５の発明は、請求項１乃至４のうち何れか１項の発明の照明装置において、回折光学素子の空間周波数は、予め定めた範囲内にあり、各空間周波数成分に対する回折光学素子の回折効率がほぼ一定になるようにしている。

回折効率とは、入射光に対する回折光の比を指すものであるが、本発明では、広義の回折効率を指し、回折格子の位相変調量（例えば、レリーフ型回折格子の場合は深さ、屈折率変調型の場合は屈折率差と厚み）や、単位面積当たりに回折格子を形成する面積に依存して変化する。

従って、導光板から射出する１次回折光を空間周波数の範囲に応じた角度範囲に、ほぼ等しい割合で射出することができ、予め設定した角度範囲において均一な光強度が得られると共に、当該角度範囲に光を集中的に射出するため、効率よく光を利用することができる。

請求項６の発明は、請求項１乃至４のうち何れか１項の発明の照明装置において、導光板において光源から光が入射される入射側から離れるにつれて、回折光学素子の回折効率を高くなるようにする。

従って、導光板の光入射側から平均導光方向に沿って離れるにつれて、導光板内を導光する光量が減少することを光射出用光学素子の回折効率の上昇によって補償して射出光に変換するため、平均導光方向に沿って導光板からの射出光量を均一にできる。

請求項７の発明は、請求項１乃至６のうち何れか１項の発明の照明装置において、空間周波数は、予め定めた範囲内にあり、かつ空間周波数が光射出用光学素子において連続的な値を持つようにしている。

従って、導光板から射出する１次回折光を空間周波数の範囲に応じた角度範囲内で連続的な光強度分布とすることができ、均一な、あるいは滑らかな変化を持った照明光を作り出すことができる。

請求項８の発明は、請求項１乃至６のうち何れか１項の発明の照明装置において、空間周波数は、予め定めた範囲内にあり、かつ空間周波数が光射出用光学素子において離散的な値を持つようにしている。

従って、簡便に実施することが可能な、離散的な空間周波数の回折光学素子の設計から製作を通じて、導光板から射出する１次回折光を空間周波数の範囲に応じた角度範囲内に光を拡げることが出来る。一般的に、導光している光は広い角度範囲の分布を持つため、回折光学素子の空間周波数が離散的であっても、射出光としてはほぼ連続的な光強度分布が得られるようにすることができる。

請求項９の発明は、請求項８の発明の照明装置において、空間周波数が光射出用光学素子においてほぼ等間隔で離散的な値を持つようにしている。

従って、簡便に実施することが可能な、離散的な空間周波数の回折光学素子の設計から製作を通じて、導光板から射出する１次回折光を空間周波数の範囲に応じた角度範囲内に光を拡げつつ、当該角度範囲内において光強度分布をほぼ均一にすることが出来る。一般的に、導光している光は広い角度範囲の分布を持つため、回折光学素子の空間周波数が離散的であっても、射出光としてはほぼ連続的かつ均一な光強度分布が得られるようにすることができる。

請求項１０の発明は、請求項１乃至９のうち何れか１項の発明の照明装置において、空間周波数の中心値を、１９００本／ｍｍ以上２９００本／ｍｍ以下とする。

従って、多くの場合において導光板の表裏面における全反射条件を満たしつつ導光板を導光中の光のうち最も光強度が大きい成分を、回折光学素子の回折光として簡便かつ確実に導光板外へ射出する光へ変換することが可能となる。特に、一般的に望まれる導光板の光射出面の法線方向へ向かって、最も光強度が大きい成分光を射出することが可能となり、他の光学シートの必要がなく、安価にかつ簡便な構成で効率の良い照明装置を実現することができる。

請求項１１の発明は、請求項１乃至１０のうち何れか１項の発明の照明装置において、導光板において光源から光が入射される入射側から離れるにつれて、空間周波数が高くなるようにする。

従って、平面状の導光板の表裏面、すなわち光射出面及び対向面から徐々に光を射出する場合などにおいて、導光板内を導光する光の角度が光入射側から離れるに従って徐々に大きい角度に変化することを補償し、導光板の射出面内から同様の角度分布を持った回折光を射出光として射出することができる。

請求項１２の発明は、請求項１乃至１１のうち何れか１項の発明の照明装置において、光射出用光学素子を、導光板に複数配置する。

従って、導光板上に光射出用光学素子を個別に作成し、配置することにより、任意に光射出用光学素子を配置した導光板が実現できるため、製作工程を簡便にすると共に、光射出用光学素子の個々の設計や配置位置により射出光の均一化や射出光分布の適正化を高精度で行うことが可能となる。

請求項１３の発明は、請求項１２の発明の照明装置において、導光板において光源から光が入射される入射側から離れるにつれて、光射出用光学素子の配置密度が高くなるようにする。

従って、導光板の光入射側から平均導光方向に沿って離れるにつれて、導光板内を導光する光量が減少することを光射出用光学素子の密度の上昇によって補償して射出光に変換するため、平均導光方向に沿って導光板からの射出光量を均一にできる。導光板の各位置における光射出用光学素子の密度は、光射出用光学素子の単位面積当たりの配置個数及び／または光射出用光学素子の大きさの設定により、簡便に最適化することが可能となり、簡便かつ正確に均一な射出光分布を実現することが可能となる。

請求項１４の発明は、請求項１乃至１３のうち何れか１項の発明の照明装置において、平均導光方向に沿った光射出用光学素子の大きさを、５μｍ以上１００μｍ以下とする。

従って、光射出用光学素子の大きさは５μm以上であれば回折光学素子が十分な機能を発揮し、また１００μｍ以下であれば目視で光射出用光学素子の配置を分別することが困難になり、射出面を観察したときにも十分均一に、一様に光っているように見せることができる。また、光射出用光学素子の大きさによる回折を利用して、光射出用光学素子を構成する回折光学素子の構造を変えることなく、射出光の拡がり方を任意に簡便に設定できる。これは、光射出用光学素子を構成する回折光学素子が単純な回折格子である場合にも、回折光学素子がレンズのような作用を有し、光を拡げる機能を有する場合にも有効である。更に、光源から導光板に入射する光が白色光である場合に、回折光学素子の分光作用を、光射出用光学素子の大きさによって光を拡げる効果により顕著でなくすことができ、より均一な波長分布の射出光を実現できる。

以上説明したように、本発明によれば、例えばプリズムのような導光板以外の特殊な光学フィルムを用いることなく、光射出面の法線方向に十分な光強度の射出光を得ると共に、光の利用効率を高くし、射出面における射出光強度の均一性を高くし、さらに射出光の角度範囲を自在に制御することが可能な簡便な構成の照明装置を実現することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

なお、以下の各形態の説明に用いる図中の符号は、図１１及び図１２と同一部分については同一符号を付して示すことにする。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る照明装置について図面を用いて説明する。

図１は、第１の実施の形態に係る照明装置の構成例を示す斜視図である。

図２は、第１の実施の形態に係る照明装置における光射出用光学素子の機能を説明するための側面図である。

図３は、第１の実施の形態に係る照明装置に適用される光射出用光学素子の例を示す平面図および側面図である。

図４は、一般的なＬＥＤ光源からの射出光の分布を示す模式図である。

図５は、一般的なＬＥＤ光源からの射出光の角度分布を示すグラフである。

図６は、第１の実施の形態に係る照明装置の導光板の上面又は下面における導光光の角度分布を示すグラフである。

すなわち、本実施の形態に係る照明装置１４は、図１および図２に示すように、光源１２からの光５０を端面１１より導光板１０に入射し、導光板１０内を全反射しながら平均導光方向Ｆに沿って導光し、導光板１０の光射出面２８ａの対向面２８ｂに設けられた光射出用光学素子３８から光射出面２８ａの法線に近い方向５６へ射出光を発生するようにしている。ここで、光射出用光学素子３８は回折光学素子から構成されており、主として１次の反射回折光として射出光を出すことにより、不必要な光（光損失）の発生を抑え、光利用効率を高くすることができる。

光射出用光学素子３８は導光板１０の光射出面２８ａであっても同様であり、主として１次の透過回折光が射出光として利用される。なお、導光板１０における対向面２８ｂの外側に反射シートを配置することなどにより、光射出用光学素子３８の配置面に関係なく、透過回折光と反射回折光の両方を同時に効率よく利用する構成も可能であり、光利用効率を極めて高くできる。反射シート３２を用いて、透過型液晶表示パネル１８と組み合わせて表示装置２４を構成した例を図７に示す。

図２は、図１の照明装置１４における光射出用光学素子３８が、導光板１０内の光５０を射出する様子を示している。図７に示すように、透過型のＬＣＤパネルのバックライトとして本実施の形態に係る照明装置１４を利用する場合などには、光射出用光学素子３８は導光中の光を光射出面２８ａにほぼ垂直な方向に射出する光に変換することが望ましいが、光射出用光学素子３８として回折光学素子を利用することにより簡便にこれが実現できる。

更に、回折光学素子の機能により、射出光の角度範囲を適宜設定することも可能であり、特に他の光学フィルムなどを用いなくても、ディスプレイとして最適な角度分布を持った照明光を実現することができる。

回折光学素子の最も基本的な構造は回折格子であり、回折格子を用いて光射出用光学素子３８を構成すれば上記の効果が十分得られるだけでなく、設計から作製に至る工程まで簡便にして導光板１０を実現することができる。

光射出用光学素子３８の回折光学素子としてレリーフ型回折格子を用いる場合、パターンの設計が容易であると共に、高効率化も容易である。このとき、レリーフ型回折格子の構造は、典型的には０．１〜１μｍ程度であるため、余計な突起のない、ほぼ平面と見なせる導光板１０を実現できる。すなわち、照明装置１４を薄くできる。更に、導光板１０と一体成形可能であり、極めて簡便に安価に製造可能である。

導光板１０内を導光する光のうち、光射出用光学素子３８に入射した光は回折光学素子によって回折光を生じるが、通常の主要な回折光は１次回折光である。回折光学素子の最も基本的な構造である回折格子において、回折格子の格子ピッチｄ（空間周波数の逆数）と、１次回折光の射出角度（回折角）θ_Rとの関係は、下記（１）式により表される。
ｄ＝ｍλ／（ｓｉｎθ_ｉ−ｓｉｎθ_Ｒ） ・・・・（１）
ただし、ｍは回折次数、λは導光板内における光の波長、θ_ｉは正反射角度（回折格子が反射時に作用する場合）である。透過時もほぼ同様の式が成立する。

導光板１０内を平均導光方向Ｆに進む光５０を射出光に変換するために、最も効果的に作用する回折格子は、図３（ａ）および図３（ｃ）の平面図に示すように、平均導光方向Ｆに沿って格子ベクトルを持つ場合である。なお、図３（ｂ）および図３（ｄ）は、図３（ａ）および図３（ｃ）に対する側面図をそれぞれ示している。図３（ｂ）および図３（ｄ）に示すように、いずれも回折格子の高さをｈとした例である。すなわち、格子ベクトル方向Ｖと平均導光方向Ｆをほぼ同一とし、格子ピッチｄを適切に設定することにより、全反射しながら平均導光方向Ｆに進む光が回折格子によってθ_Rの角度で回折し、全反射条件を外れて導光板１０の光射出面２８ａから射出して行く。特にθ_R〜０度とすると、導光板１０表面に対してほぼ垂直に照明光が射出し、透過型ディスプレイ用の照明光として最も好ましい。

光射出用光学素子３８を構成する回折光学素子は、導光板１０を導光している光を回折光として射出するのみでなく、その回折光の拡がり方（射出角度範囲）を制御することも可能である。具体的には、図３（ａ）および図３（ｂ）のような直線状の回折格子パターンは、導光中の光５０を曲げる働きのみを持ち、図３（ｃ）および図３（ｄ）のような曲線状の回折格子パターンは射出する回折光の範囲をそのパターンによって任意に設計できる。

ここで、導光板１０上での回折格子パターンは、平均導光方向Ｆと平均的な格子ベクトル方向Ｖとを一致させると、全反射条件を満たす光に対して効果的に作用する構成とすることができる。すなわち、導光中の光５０に対して、射出光の方向を大きく異ならせることができ、確実に導光板１０から射出できるようになる。

典型的な表面実装型ＬＥＤ光源からの射出光の分布は、図４及び図５に示すようなLambertian、もしくはこれに近い分布となっている（典型的な拡散光も含め、一般的な光の分布であるため、多くの光源に対して以下の議論が当てはまる）。図５に示す曲線は、光源１２からの射出光の射出角度に対する強度分布を示している。横軸に示す射出角度は、図４に示すように、光源１２の光射出面の法線方向Ｅを０度としている。

このような光を屈折率１．０の空気中から、例えば屈折率１．５の材質の導光板１０へ、導光板１０の端面１１より入射すると、平面状の導光板１０の上下面に対しては図５に示すような光の角度分布の光として入射することが理論的解析及び実験により判明した。図６の横軸は、光射出面２８ａあるいは対向面２８ｂへの入射角である。従って、アクリルのように屈折率１．５の材質の導光板１０内における光の全反射条件は、空気との界面に対して４２度以上の角度、すなわち臨界角が４２度であるので、図４乃至図６のような条件で導光板１０に入射した光はほぼ全反射し、導光板１０内を導光していく。

このとき、本実施の形態においては、導光板１０の上面２８ａもしくは下面２８ｂに配置された光射出用光学素子３８を構成する回折光学素子が、平均導光方向Ｆにおいて、１５００本／ｍｍ以上３３００本／ｍｍ以下の空間周波数を持つようにしている。このため、導光している可視光を適切に光射出面２８ａの法線方向へ１次回折光として回折することができる。

具体的には、導光板１０内を導光する光の角度分布は、４５度から７５度程度に主要な光がある。４２度から８０度には、実質上ほとんどの光が含まれていると考えられる。これらの条件において、空気中での可視光の波長４５０〜６５０ｎｍの光を、光射出面２８ａの法線方向に回折するための回折光学素子の代表的な空間周波数は以下の表のようになる。

従って、平均導光方向Ｆにおいて１５００本／ｍｍ以上３３００本／ｍｍ以下の空間周波数を持つ回折光学素子を光射出用光学素子３８として用いれば、導光中の実質的にほとんど全ての光を光射出面２８ａの法線方向の回折光へと変換することが可能であることが分かる。

特に、空間周波数の中心値を、１９００本／ｍｍ以上２９００本／ｍｍ以下とすれば、最も光強度の強い６０度近辺の光に対して効果的に光射出面２８ａの法線方向の回折光へと変換でき、望ましい。更に、このような空間周波数の設定により、高次回折光が発生するような場合でも、高次回折光は全反射条件を満たす光と成りやすく、光の損失が極めて少なくできる。

ここで、光射出用光学素子３８を構成する回折光学素子の空間周波数の最小値を空間周波数の最大値の１／２以上とすれば、最小値を持った回折光学素子による２次回折光が発生した場合でも、最大値を持った回折光学素子の１次回折光と重なることがなく、不自然な射出光角度分布を生じることがない。

一方、光射出用光学素子３８を構成する回折光学素子の空間周波数の最小値を空間周波数の最大値のほぼ１／２とすることにより、最小値を持った回折光学素子による２次回折光と、最大値を持った回折光学素子の１次回折光とをほぼ連続的に分布させることができ、射出光の角度に依存した光強度分布として、連続的な光強度分布を容易に実現可能となる。

さらに、光射出用光学素子３８を構成する回折光学素子の空間周波数に所定の範囲を持たせ、当該範囲内の光射出用光学素子の回折効率をほぼ一定とすることにより、導光板１０から射出する１次回折光を空間周波数の幅に応じた角度範囲内において単位角度当たりに対しほぼ等しい割合で光を射出することができ、予め設定した角度範囲において均一な光強度が得られると共に、当該角度範囲に光を集中的に射出するため、効率よく光を利用することができる。

特に、空間周波数分布を連続的にすることにより、導光板１０から射出する１次回折光を空間周波数の幅に応じた角度範囲内で連続的な光強度分布が得られ、均一な、あるいは滑らかな変化を持った照明光を作り出すことができる。

ここで、回折効率とは、入射光に対する回折光の比を指すものであるが、本発明では、広義の回折効率を指し、回折格子の位相変調量（レリーフ型回折格子の場合は深さ、屈折率変調型の場合は屈折率差と厚み）や、回折格子を形成する面積に依存して変化するものである。

一方、空間周波数分布を離散的にすることにより、特定の角度範囲内に光を拡げることが出来る回折光学素子を簡便に設計、作成することができる。このとき、導光している光は広い角度範囲の分布を持つため、回折光学素子の空間周波数が離散的であっても、射出光としてはほぼ連続的な光強度分布が得られるようにすることができる。ここで、光射出用光学素子３８を構成する回折光学素子の離散的な空間周波数を、ほぼ等間隔の離散値とすることにより、当該角度範囲内において光強度分布を均一にすることが極めて簡便に出来る。

また、導光板１０の光入射側から離れるにつれて、光射出用光学素子３８を構成する回折光学素子の空間周波数を高くすることにより、導光板１０内を導光する光の角度が光入射側から離れるに従って徐々に大きい角度に変化することを補償し、導光板１０の光射出面２８ａ内から同様の角度分布を持った回折光を射出光として射出することができる。

また、光射出用光学素子３８が回折光学素子から構成されていることにより、構造が極めて微小であり、また微細加工技術などにより容易に任意の領域に任意の光学機能を持った回折光学素子を形成可能であるため、最適化が容易であり、均一な射出光分布を有する導光板を構成することが可能である。通常、導光板１０は、光源１２に近い端面１１側（入射側）ほど光の射出光強度は大きく、光源１２から遠い端面１３側ほど光の射出光強度は小さくなる。このため、光射出用光学素子３８を構成する回折光学素子の回折効率を、導光板１０の光入射側から離れるほど高くすることにより、光強度の強い入射側において導光板１０から射出する光の割合を少なく、入射側から離れるほど射出割合を増加することができ、導光板１０の光射出面２８ａ全域に亘って均一な強度の光を射出することが可能となる。

ここで、光源１２として端面１１にほぼ平行に配置された線状の光源を用いた場合、導光板１０における平均導光方向Ｆは、光源１２からの光の入射端面１１にほぼ直交する方向となる。また、光源１２として、端面１１に配置された点状のＬＥＤ等の光源を用いた場合、光源を中心とする放射方向に導光しようとするが、導光板１０全体に亘って平均すると線状光源と同様に入射端面１１にほぼ直交する方向が平均導光方向Ｆとなる。

なお、ＬＥＤ光源を用いる場合、ＬＥＤ光源の配置方向における光の強度分布のムラを解消するために、同方向に強い拡散性を有する拡散性光学素子を、光射出用光学素子３８と共に導光板１０上に形成することが望ましい。

以上のように、本実施の形態によれば、プリズム１６などの比較的高価な光学シートなどを併用する必要なく、光射出面２８ａのほぼ法線方向に射出する照明光が得られると共に、射出角度範囲が制御されており、光射出面２８ａ内で均一な分布を実現でき、光の利用効率が高く、薄く、安価な照明装置１４を提供することができる。

なお、導光板１０は、図１に示すように平板状（厚みが一定）のみならず、図１１に示すように、平均導光方向Ｆに沿って進むにつれてその厚みが徐々に薄くなるような構成であっても良い。

また、本発明は拡散シートなどの安価で薄い構造のシートの併用を妨げるものではなく、光射出面２８ａ内の光の均一性を確実にするため、導光板１０の光射出面２８ａ側に拡散シートなどを配置しても良い。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る照明装置について図面を用いて説明する。

なお、ここでは、第１の実施の形態に係る照明装置と異なる点のみについて説明する。

図８は、第２の実施の形態に係る照明装置における光射出用光学素子の配置例を示す平面図である。

図９は、第２の実施の形態に係る照明装置を構成する導光板に配置されたセルの形状例を示す平面図である。

図１０は、フラウンホーファー回折による開口大きさと回折光の拡がり幅との関係を示すグラフである。

すなわち、本実施の形態に係る照明装置は、第１の実施の形態に係る照明装置において、光射出用光学素子３８をそれぞれセル状に形成し、単位面積当たりのセル４０の配置個数及びセル４０の大きさを変化させることによって配置密度を変化させたものである。

従って、平均導光方向Ｆに沿って導光板１０内を導光する光量が減少することによる射出光の減少を導光板１０の各位置における光射出用光学素子３８の配置密度を、セル４０の配置個数及び／またはセル４０の大きさの設定により補償するため、光射出面２８ａ内で均一に光を射出できる。

ここで、セル４０の外形形状としては、図９（ａ）に示すような長方形状、図９（ｂ）に示すような楕円形状、あるいは図示しない円形状が考えられるが、その他任意の形状であって良い。また、同一の導光板１０に配置されるセル４０は全て同一形状であっても、別形状が混在していても良い。最適な設計例としては、光射出用光学素子３８のセルは平均導光方向Ｆに短く、それと直交する方向に長い形状を持つように、すなわちＤｙ＞Ｄｘとすれば、セル４０の形状による回折効果によって、射出する光を平均導光方向Ｆと同方向に拡げることができ、回折光学素子の設計とは独立した射出光角度分布の制御が可能である。

セル４０の形状による回折の効果について、特定方向におけるセル４０の大きさによる光の拡がりとして図１０を用いて説明する。

矩形開口のフラウンホーファー回折による光強度分布Ｉ（ｘ、ｙ）は下記式で計算でき、それぞれ矩形開口の辺に直交した方向（ｘ、ｙ）に、開口の大きさに依存した光の拡がりが生じることが分かる。

このとき、光の波長をλ、矩形開口の大きさを直交する２方向（ｘ方向、ｙ方向）においてそれぞれＤｘ、Ｄｙ、開口から光強度を観察する面までの距離をＲとしている。Ａは矩形開口の大きさに依存しない値であるので、ここでは定数として扱える。ここで、sinc関数は、

である。

従って、本実施の形態においてはセル４０の大きさが開口に相当するので、セル４０の大きさに従ってｘ方向、ｙ方向に１次回折光の拡がり方を制御することができる。特に光射出用光学素子３８の場合は、回折光学素子による１次回折光がこのような拡がりを持つことになり、特定方向の射出光の拡がりをセル４０の大きさによっても制御することができることになる。

具体的には、ｘ方向を平均導光方向Ｆとすると、ｘ方向におけるセル４０の大きさＤｘが１００μｍの場合、５００ｎｍの波長λに対して、３００ｍｍ離れた位置で、回折光の拡がり（回折光のピークを中心に最初に強度が０になるところ同士の幅）は約３ｍｍとなる。一方、ｘ方向におけるセル４０の大きさＤｘが５μｍの場合には、回折光の拡がりは約６０ｍｍとなる。また、ｘ方向におけるセル４０の大きさＤｙが１０μｍの場合には、回折光の拡がりは約３０ｍｍとなる。上記条件において、これらをグラフにすると図１０に示す通りとなる。

従って、セル４０の大きさが５〜１００μｍの範囲であれば、回折光の拡がりを６０ｍｍから３ｍｍまでと、現実的に十分な範囲に亘って制御することができる。更にセル４０の大きさを５μｍ以下とすると、更に拡がりを大きくすることも可能である。光射出用光学素子３８のセル４０の内部に形成した回折光学素子を効果的に機能させるためには、５μｍ以上であることが望ましい。

以上から、セル４０の各方向における長さにより回折光の拡がり幅を制御可能であり、本実施の形態に係る照明装置から射出する照明光の拡がり方を適宜設計可能となる。

特に、白色光を照明光として射出する場合に、光射出用光学素子３８の回折光学素子によって回折光が分光する度合いは上記（１）式により求められるが、格子ベクトル方向Ｖのセルの長さDｘを十分に小さくすることで、回折光の拡がり幅を大きくし、分光の影響を抑制することもできる。

また、セル４０の外形形状を、導光板１０上で同一とすることで、回折光の拡がり方の均一化を図ることができる。あるいは、大きさや形状の異なるセル４０や、導光板１０の表面における配置方向を異とするセル４０によって、セル４０の形状に依存する回折光の拡がり方を任意に制御することができる。

例えば、セル４０の形状を長方形とすることにより、長方形の各辺に直交する方向へのみ回折光を拡がらせることができ、拡がり方を当該方向における長方形の大きさで制御することができる。従って、２方向への射出光の拡がり方を自由に設計可能である。一般的には、導光板１０の平均導光方向Ｆに対して、一組の辺を直交するように長方形を配置し、各辺に直交する方向の射出光の拡がり方を制御するのが望ましい。これにより、平均導光方向Ｆとそれに直交する方向の射出光の拡がり方を独立に設定し、適宜、拡散する方向や強さを制御したり、射出光の角度範囲を制御したり、回折光学素子による波長分散効果を打ち消したりできる。

また、セル４０の形状を円形もしくは楕円形とすることにより、あらゆる方向に拡がりを持つ射出光を実現できる。その際、セル４０の大きさにより射出光の拡がり方を制御できる。また、楕円形の場合には、長軸、短軸に直交する方向への回折光の拡がり方を、当該方向における大きさで制御することができる。従って、２方向への射出光の拡がり方を自由に設計可能である。一般的には、導光板１０の平均導光方向Ｆに対して、片方の軸が直交するように配置し、各辺に直交する方向の射出光の拡がり方を制御するのが望ましい。これにより、平均導光方向Ｆとそれに直交する方向の射出光の拡がり方を独立に設定し、適宜、拡散する方向や強さを制御したり、射出光の角度範囲を制御したり、回折光学素子による波長分散効果を極小化できる。

また、セル４０の配置間隔を１００μｍ以下とすると、一般的な観察条件における人間の目の解像度以下となり、このような照明装置の光射出面２８ａを目視観察した場合でも、セル４０の大きさは十分小さく、単位面積あたりに十分な数のセルを配置できるため、均一な射出光を出す面として観察させることができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

第１の実施の形態に係る照明装置の構成例を示す斜視図。 第１の実施の形態に係る照明装置における光射出用光学素子の機能を説明するための側面図。 第１の実施の形態に係る照明装置に適用される光射出用光学素子の例を示す平面図および側面図。 一般的なＬＥＤ光源からの射出光の分布を示す模式図。 一般的なＬＥＤ光源からの射出光の角度分布を示すグラフ。 第１の実施の形態に係る照明装置の導光板の上面又は下面における導光光の角度分布を示すグラフ。 第１の実施の形態に係る照明装置を用いた表示装置の構成例を示す斜視図。 第２の実施の形態に係る照明装置における光射出用光学素子の配置例を示す平面図。 第２の実施の形態に係る照明装置を構成する導光板に配置されたセルの形状例を示す平面図。 フラウンホーファー回折による開口大きさと回折光の拡がり幅との関係を示すグラフ。 従来技術による、導光体を用いた照明装置を示す斜視図。 図１１に示す照明装置が適用されてなる表示装置を示す斜視図。

符号の説明

１０…導光板、１１…端面、１２…光源、１３…端面、１４…照明装置、１６…プリズム、１８…透過型液晶表示パネル、２４…表示装置、２８ａ…光射出面、２８ｂ…対向面、３２…反射シート、３８…光射出用光学素子、４０…セル、５０…光、５６…方向、５８…方向

Claims (14)

1. 光源と、前記光源から入射した光を導光し光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置において、
   前記導光板の前記光射出面または前記光射出面に対向する対向面に光射出用光学素子を配置し、前記光射出用光学素子は、前記導光板の内部を前記光射出面または前記対向面に対してそれぞれ臨界角以上の入射角度で入射しながら導光される前記光のうちの可視光成分を、前記光源からの光が前記導光板によって導光される平均方向である平均導光方向において、前記光射出面または前記対向面のほぼ法線方向に主要な回折光を射出させる回折光学素子を含んでいる照明装置。
2. 光源と、前記光源から入射した光を導光し光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置において、
   前記導光板の前記光射出面または前記光射出面に対向する対向面に光射出用光学素子を配置し、前記光射出用光学素子は、前記光源からの光が前記導光板によって導光される平均方向である平均導光方向において、１５００本／ｍｍ以上３３００本／ｍｍ以下の空間周波数を有する回折光学素子を含んでいる照明装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の照明装置において、
   前記回折光学素子の空間周波数の最小値を、前記空間周波数の最大値の１／２以上とした照明装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の照明装置において、
   前記回折光学素子の空間周波数の最小値を、前記空間周波数の最大値のほぼ１／２とした照明装置。
5. 請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の照明装置において、
   前記回折光学素子の空間周波数は、予め定めた範囲内にあり、各空間周波数成分に対する前記回折光学素子の回折効率がほぼ一定になるようにした照明装置。
6. 請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の照明装置において、
   前記導光板において前記光源から光が入射される入射側から離れるにつれて、前記回折光学素子の回折効率が高くなるようにした照明装置。
7. 請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の照明装置において、
   前記空間周波数は、予め定めた範囲内にあり、かつ前記空間周波数が前記光射出用光学素子において連続的な値を持つようにした照明装置。
8. 請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の照明装置において、
   前記空間周波数は、予め定めた範囲内にあり、かつ前記空間周波数が前記光射出用光学素子において離散的な値を持つようにした照明装置。
9. 請求項８に記載の照明装置において、
   前記空間周波数が前記光射出用光学素子においてほぼ等間隔で離散的な値を持つようにした照明装置。
10. 請求項１乃至９のうち何れか１項に記載の照明装置において、
    前記空間周波数の中心値を、１９００本／ｍｍ以上２９００本／ｍｍ以下とした照明装置。
11. 請求項１乃至１０のうち何れか１項に記載の照明装置において、
    前記導光板において前記光源から光が入射される入射側から離れるにつれて、前記空間周波数が高くなるようにした照明装置。
12. 請求項１乃至１１のうち何れか１項に記載の照明装置において、
    前記光射出用光学素子を、前記導光板に複数配置した照明装置。
13. 請求項１２に記載の照明装置において、
    前記導光板において前記光源から光が入射される入射側から離れるにつれて、前記光射出用光学素子の配置密度が高くなるようにした照明装置。
14. 請求項１乃至１３のうち何れか１項に記載の照明装置において、
    前記平均導光方向に沿った前記光射出用光学素子の大きさを、５μｍ以上１００μｍ以下とした照明装置。

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