JP2006120521A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導光板の射出面側にプリズム等の特殊な光学フィルムを用いることなく、十分な光強度の射出光を得ると共に、光の利用効率と射出光強度の均一性とを高め、射出光の角度範囲を自在に制御可能としながら、観察色の変化を抑制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。
【解決手段】本発明によれば、光源１２と、光源１２から入射した光５０を導光し、光射出面２８ａから射出する平面状の導光板１０とを備えた照明装置１４において、光射出面２８ａ又は光射出面２８ａに対向する対向面２８ｂに、回折格子３８からなる光射出用光学素子を配置する。更に、導光された光５０のうち回折格子３８によって回折されて対向面２８ｂから射出した光Ｔを再帰反射させ、この光Ｔを対向面２８ｂを介して導光板１０側に戻す再帰反射材３２を、導光板１０の外側に、対向面２８ｂに面するように配置する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、照明装置に係り、更に詳しくは、光源からの光を導光して光射出面より射出する導光板および光源を備えた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１０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、導光板１０によって導光される平均方向であるほぼ平均導光方向Ｆに沿って導光板１０内を進む。なお、図１０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、図中矢印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１１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５８側へと射出した光を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１０および図１１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。

更に、導光板１０の背面に回折格子を形成する方法も提案されている。
特開平５−２６４８１９号公報

しかしながら、このような照明装置は光射出面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（光源から導光板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る。特にＬＣＤパネルのバックライトとしては、光射出面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、光源側の端面１１から光源に遠い側の端面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。

なお、導光板１０の背面に回折格子を成形した場合、回折格子による分光作用により、射出光が波長毎に異なる方向に射出する。特に、白色光源を用いて白色照明装置を構成する際には、照明光に顕著な色付きが発生することになる。

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、導光板の射出面側に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、光射出面における射出光強度の均一性を高くし、射出光の角度範囲を自在に制御可能としながら、射出光の角度による観察色の変化を抑制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の発明では、光源と、光源から入射した光を導光し、導光された光を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、光射出面、または導光板の光射出面に対向する対向面に、回折格子からなる光射出用光学素子を配置する。さらに、導光された光のうち回折格子によって回折されて対向面から射出した光を再帰反射させ、この再帰反射してなる光を対向面を介して導光板側に戻す再帰反射材を、導光板の外側に、対向面に面するように配置している。

従って、請求項１の発明の照明装置においては、以上のような手段を講じることにより、平均導光方向に沿って導光板内を導光する光を、回折格子の機能によって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、回折格子による射出光の分光を、回折格子からの直接射出光と、回折格子によって回折した後再帰反射材によって再帰反射して射出光となった光とでは分光の作用が逆に現れるため、射出光全体としては分光作用が抑制され、角度による観察色の変化を抑制した照明光が得られる。更に、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２の発明では、請求項１に記載の照明装置において、光源を、白色光源としている。

従って、請求項２の発明の照明装置においては、以上のような手段を講じることにより、射出光における分光の作用が顕著に現れやすい白色光に対して、分光の抑制が可能となり、角度による観察色の変化を抑制した白色照明光が得られる。

請求項３の発明では、請求項１または請求項２に記載の照明装置において、回折格子の透過回折効率と、反射回折効率とをほぼ等しくしている。

従って、請求項３の発明の照明装置においては、以上のような手段を講じることにより、回折格子からの直接射出光と、回折格子によって回折した後再帰反射材によって再帰反射して射出光となった光とが、相反する分光作用を示しながら、ほぼ等しい光量で射出するため、角度による観察色の変化を極めて抑制した照明光が得られる。

請求項４の発明では、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の照明装置において、再帰反射材は、光源からの光のうち、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沿った成分光を少なくとも、再帰反射させる。

従って、請求項４の発明の照明装置においては、以上のような手段を講じることにより、高い光の利用効率、射出光の角度範囲の制御（特に光射出面の法線方向への光射出）などのため、導光板から光を射出する回折格子は、平均導光方向において、大きな回折角度を実現する必要があり、当該方向において分光作用も顕著になるので、当該方向に再帰反射性を有することにより、回折格子からの直接射出光と、回折格子によって回折した後再帰反射材によって再帰反射して射出光となった光に対して相反する分光とすることが容易に可能となり、照明光における角度による観察色の変化を抑制が簡便に可能となる。

本発明によれば、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、光射出面における射出光強度の均一性を高くし、射出光の角度範囲を自在に制御可能としながら、射出光の角度による観察色の変化を抑制することが可能な照明装置を、簡便な構成によって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、以下の実施の形態の説明に用いる図中の符号は、図１０乃至図１１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。

図１は、本発明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、同実施の形態に係る照明装置の一例を示す側断面図である。

図３は、同実施の形態に係る照明装置における回折格子と再帰反射材の機能を示す側断面図である。

すなわち、同実施の形態に係る照明装置１４は、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導光し、光射出面２８ａもしくは光射出面２８ａに対向する対向面２８ｂに回折格子３８から成る光射出用光学素子によって透過回折光Ｔと反射回折光Ｈを生じ、反射回折光Hが直接射出光となり、透過回折光Ｔが対向面２８ｂに近接して配置されたシート状の再帰反射材３２によって再帰反射された後やはり射出光となる。図では、対向面２８ｂに回折格子３８を設け、反射回折光Hが直接射出光となるようにしているが、光射出面２８ａに回折格子３８を設け、透過回折光Ｔが直接射出光となるようにしても、基本的な効果は同一である。ここで、回折格子３８の機能により、平均導光方向Ｆに沿って導光板１０内を導光する光５０を、回折格子３８の機能によって全反射光とは大きく異なる角度に回折し、特に導光板１０の光射出面２８ａ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１４を容易に簡便な構成で実現することができる。また、回折格子３８による射出光の分光を、回折格子３８からの直接射出光と、回折格子によって回折した後再帰反射材によって再帰反射して射出光となった光とでは分光の作用が逆に現れるため、射出光全体としては分光作用が抑制され、角度による観察色の変化を抑制した照明光が得られる。なお、このような導光板１０を透過型のＬＣＤパネル１８と組み合わせて表示装置を構成した例を図９に示す。

図２は、図１の照明装置１４における回折格子３８が、導光板１０内の光５０を射出する様子を示している。透過型のＬＣＤパネルのバックライトとして同実施の形態に係る照明装置１４を利用する場合などには、回折格子３８は導光中の光５０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、射出用光学素子として回折格子３８を利用することにより簡便にこれが実現できる。更に、回折格子３８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。

回折格子３８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有ると共に、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の高さ（深さ）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。

図３は、図１の導光板１０における回折格子３８と再帰反射材３２の作用を、より詳細に示している。すなわち、導光板１０中を白色光が導光している際に、Ｒ，Ｇ，Ｂの３つの代表的な波長がそれぞれ透過回折光Ｔと反射回折光Ｈとで、導光板１０の光射出面２８ａから観察すると相反する分散効果を発現しているように見え、それぞれの回折光による色付き効果を抑制している。図３において、５１（ｄ、Ｒ）、５１（ｄ、Ｇ）、５１（ｄ、Ｂ）は、回折格子３８において直接反射して光射出面２８ａから射出されるＲ成分光、Ｇ成分光、Ｂ成分光をそれぞれ示す。また、５１（ｒ、Ｒ）、５１（ｒ、Ｇ）、５１（ｒ、Ｂ）は、回折格子３８において透過した後に再帰反射材３２で反射し、再び回折格子３８を透過した後に、光射出面２８ａから射出されるＲ成分光、Ｇ成分光、Ｂ成分光をそれぞれ示す。

ここでは、Ｒ、Ｇ、Ｂの波長光を単純な矢印で示したが、一般的に導光板１０中を導光している光（図４に、一般的なＬＥＤ光源から発する光の様子を示しているが、導光中の光もこれに準じた拡がりを示す）は、その角度成分に分布を持ち、すなわち、各回折光も拡がりを持つことになる。また、後述するように回折格子３８の機能などによっても回折光の拡がりを制御することができる。これらの回折光の拡がりは、反射回折光Ｈ及び透過回折光Ｔの角度分布の中心付近では波長が混じっており、その角度分布の周辺部において、ＲやＢの色付きが発生しやすいことに帰結する。従って、このような角度分布の周辺部において色付きを発生する回折光に対して、相反する分光効果の２つの光を合わせて射出することにより、同実施の形態に係る照明装置１４による照明光としては不必要な色付きの極めて抑制された射出光を得ることができる。

ここで、回折格子３８の機能について更に詳細に論じる。導光板１０内を導光する光のうち、回折格子３８に入射した光は回折光を生じるが、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３８において、回折格子３８の格子ピッチｄと、１次回折光の射出角度（回折角）θRとの関係は、下記（１）式により表される。
ｄ＝ｍλ／（ｓｉｎθｉ−ｓｉｎθＲ） ・・・・（１）
ただし、ｍは回折次数、λは導光板１０内における光の波長、θｉ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３８は、図５（ａ）、図５（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５（ｂ）、図５（ｄ）は、図５（ａ）、図５（ｃ）に対する側面図をそれぞれ示している。図５（ｂ）、図５（ｄ）に示すように、いずれも回折格子３８の格子高さはｈである例である。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３８によってθR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θR〜０°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。

回折格子３８は、導光板１０を導光している光５０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５（ａ）のような直線状の回折格子パターンは、導光中の光を曲げる働きのみを持ち、図５（ｂ）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１０の光に対して、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。

さらに、平均導光方向Ｆにおいて、回折格子３８の空間周波数に範囲を持たせることにより、導光板１０から射出する１次回折光を空間周波数の範囲に応じた角度範囲内に光を射出することができ、予め設定した角度範囲に光を集中的に射出するため、効率良く光を利用することができる。

なお、光射出光学素子は導光板１０全面に形成してもよいが、光射出光学素子として、それぞれセル状の領域内に形成した回折格子を用い、多数のセル４８を導光板１０上に配置してもよい。図７は、導光板１０上において単位面積当たりのセル４８の配置個数及びセル４８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例である。このとき、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の各位置における回折格子３８の配置密度を、セル４８の配置個数及び／またはセル４８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４８の外形形状としては、図８（ａ）に示すように長方形状、図８（ｂ）に示すように楕円形状、あるいは図示しないが円形状等が考えられるが、その他任意の形状であっても良い。また、同一の導光板１０に配置されるセル４８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、セル４８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４８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、回折格子３８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。この射出光の拡がりも、前述の相反する分光効果の２つの回折光を合わせることによる、射出光における不必要な色付きの抑制をより効果的にすることに貢献する。

また、セル４８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４８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４８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。

回折格子３８は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１０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、回折格子３８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側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。

また、再帰反射材３２の要素構造は、図６（ａ）に示すように反射層６２の表面に埋め込まれたビーズレンズ６０を使用し、その界面で透過回折光Ｔを反射させるもの、図６（ｂ）に示すように反射層６２の表面側に配置されたビーズレンズ６０の焦点付近で透過回折光Ｔを反射させるもの、図６（ｃ）に示すようにキューブミラー６１（立方体状の３面の凹みを反射鏡としたもの）を用いるなどがある。いずれもシート状の反射材として用いることが可能であり、簡便に同実施の形態に係る照明装置１４を構成できる。一方向性の再帰反射材の構造としては、レンチキュラーレンズの裏面に反射層を設けるなどが挙げられ、より安価に製造できる。

以上のように、同実施の形態に係る照明装置１４は、プリズム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、光射出面内で均一な分布を実現でき、光の利用効率が高く、さらに角度による色変化の少ない射出光を得ることが可能な照明装置を簡便な構成で提供できる。

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１０に示すような平均導光方向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、光射出面内の光の均一性を確実にするため、導光板の光射出面側に拡散シートなどを配置しても良い。

以上、本発明を実施するための最良の形態について、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。

本発明の実施の形態に係る照明装置の構成例を示す斜視図。 同実施の形態に係る照明装置の一例を示す側断面図。 同実施の形態に係る照明装置における回折格子と再帰反射材の機能を示す側断面図。 一般的なＬＥＤ光源からの射出光の様子を示す側面図。 同実施の形態に係る照明装置に適用される導光板の例を示す平面図および側面図。 同実施の形態に係る照明装置に適用される再帰反射材の構造の例を示す部分断面図。 同実施の形態に係る照明装置に適用される導光板の別の例を示す平面図。 同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。 同実施の形態に係る照明装置が適用されてなる表示装置の一例を示す斜視図。 従来技術による導光体が適用されてなる照明装置を示す斜視図。 図１０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…ＬＣＤパネル、２４…表示装置、２８ａ…光射出面、２８ｂ…対向面、３２…再帰反射材、３８…回折格子、４８…セル、５０…光、６０…ビーズレンズ、６１…キューブミラー、６２…反射層

Claims (4)

1. 光源と、前記光源から入射した光を導光し、前記導光された光を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、
   前記光射出面、または前記導光板の前記光射出面に対向する対向面に、回折格子からなる光射出用光学素子を配置するとともに、前記導光された光のうち前記回折格子によって回折されて前記対向面から射出した光を再帰反射させ、この再帰反射してなる光を前記対向面を介して前記導光板側に戻す再帰反射材を、前記導光板の外側に、前記対向面に面するように配置した照明装置。
2. 前記光源を、白色光源とした請求項１に記載の照明装置。
3. 前記回折格子の透過回折効率と、反射回折効率とをほぼ等しくした請求項１または請求項２に記載の照明装置。
4. 前記再帰反射材は、前記光源からの光のうち、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沿った成分光を少なくとも、再帰反射させる請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の照明装置。

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