JP2006147444A - 導光体及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば光の透過や遮光によって所定情報を照明する印刷表示パネルまたは液晶表示パネルのごとき受光型電子表示パネルを照明する導光体及び照明装置に関するもので、入光効率を高めるながらも、生産性が良好で波長や入射角度に対する依存度が小さい入光面を有する導光体及び照明装置を提供する。
【解決手段】透光性材料からなる導光体２と、この導光体に光を入光させる光源１とを備え、導光体２に光源１からの光を導入する入光面２３を設け、この入光面２３の部分範囲Ｒに、紫外光及び可視光の波長よりも小さい間隔で集合形成された複数の突起２６１からなるモスアイ（Moth-eye）構造部２６を設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば光の透過や遮光によって所定情報を照明する印刷表示パネルまたは液晶表示パネルのごとき受光型電子表示パネルを照明する導光体及び照明装置に関する。

この種の導光体を用いた照明装置として、例えば下記特許文献１記載のものが知られている。この照明装置は、透光性材料からなる導光体と、この導光体の一側面に対向配置されるライン状の光源とを備え、光源に対向する導光体の入光面に、光干渉薄膜からなる反射防止膜を設けたものである。反射防止膜は、蒸着またはコーティング等の手段によって設けられており、入光面の反射率を低下させることにより、導入光を増加させ、光の有効利用を図る目的で設けられている。
特開平０５−２８９０７８号公報

ところで、前記公報記載の照明装置は、反射防止膜を設けることによって、導光体内への光導入効率は向上するが、薄膜成形技術による反射防止膜は、大量生産には不向きであり、光の波長や入射角度によって反射防止率が変化するため、全て波長域をカバーしようとすると、多層膜の形成が必要となり、工数が掛かってしまう。また導光体の材料としては、アクリル樹脂が一般的であるが、反射防止膜は、アクリル樹脂との相性が悪く、耐久性について不安がある。
そこで本発明は、前述の課題に対処するため、入光効率を高めるながらも、生産性が良好で波長や入射角度に対する依存度が小さい導光体及び照明装置の提供を主な目的とするものである。

本発明は、前記目的を達成するため、透光性材料からなり、入光面にモスアイ構造を設けたことを特徴とする。

また本発明は、前記目的を達成するため、透光性材料からなる導光体と、この導光体に光を入光させる光源とを備え、前記導光体に前記光源からの光を導入する入光面を設け、この入光面にモスアイ構造を設けたことを特徴とする。

また本発明は、前記モスアイ構造が可視光の波長よりも小さい間隔で集合形成された複数の突起からなることを特徴とする。

また本発明は、前記突起は先端に向けて幅寸法が減少する回転対称形状に設定されていることを特徴とする。

また本発明は、前記モスアイ構造が前記入光面の一部分にのみ設けられていることを特徴とする

本発明によれば、初期の目的を達成でき、入光効率を高めるながらも、生産性が良好で、光の波長や入射角度に対する依存度が小さい導光体及び照明装置を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明による照明装置（導光体）を液晶表示パネルの照明装置に適用した場合を例に説明する。
図１から図５は、本発明の第１の実施形態を示すもので、図１は本実施形態による照明装置の概略構成を示す側面図、図２は同実施形態において液晶表示パネルを除いた平面図、図３は同実施形態のモスアイ構造を説明する正面図、図４は図３のＡ−Ａ断面図、図５は実験例を示す説明図である。

図１及び図２において、本実施形態による照明装置は、光源１と導光体２とを備えており、図示しない液晶表示パネルの背後に配置され、液晶表示パネルを照明するものである。

光源１は例えば白色光を発する複数（３個）の発光ダイオードからなり、出射面が導光体２の側面に対向するように配置されている。

導光体２は、透光性材料、例えばアクリル樹脂を用いて平板状に形成され、光源１に向けて平面視テーパ形状に突出する光導入部２１と、前記液晶表示パネルの背後に配置される本体部２２とを有する。なお光導入部２１は光源１に対して一つ形成され、各光導入部２１と対応する本体部２２部分とで第１〜第３の導光ブロック２ａ〜２ｃを構成しており、各導光ブロック２ａ〜２ｃの構造は同一であるので、以下、図２中、最も左側に位置する導光ブロック２ａの構造を説明する。

光導入部２１は、光源１の出射面に対向する入光面２３と、光源１と対向する光導入部２１内位置に形成される第１の反射面２４と、この第１の反射面２４を挟むように光導入部２１の外側面に形成される第２の反射面２５とを備えている。

入光面２３は、光源１よりも大きな面積する平面からなり、光源１からの光を光導入部２１内に導入する。そして光源１の出射面中心を基準として周囲に広がる入光面２３の部分範囲Ｒには、後述するモスアイ構造部（モスアイ構造）２６が部分形成されている。

第１の反射面２４は、図１中、下方に開口し、図２中、平面視「Ｖ」字状となる空洞部を利用して形成され、光導入部２１に入光した光や本体部２２からの光を周囲（例えば第２の反射面２５や入光面２３側）に反射する。前記空洞部は、図１に示すように、光導入部２１を厚み方向に貫通しないように設けられるため、光源１の光の一部は、第１の反射面２４を経由することなく、本体部２２内を進むことが可能である。

第２の反射部２５は、例えば第１の反射面２４で反射した光、反射面２４及び入光面２３で反射した光、本体部２２からの光を第１の本体部２２に向けて（再）反射する。

この結果、第１の導光ブロック２ａは、そのブロック単位で本体部２２から前記液晶表示パネルに向けて出光する光が略均一となるように設定されており、残りの第２及び第３の導光ブロック２ｂ，２ｃも同一構造を有することで、導光体２全体が略均一に光を出光できるように構成されている。

次にモスアイ構造部２６について説明する。
「モスアイ構造」とは、物質の表面に電磁波の一種である光の波長以下の周期で複数の突起２６１（図３，図４参照）を集合形成した構造であり、平滑な表面に比べてその表面に入射する光の反射率が低下する光学特性を有している。蛾の目に見られる構造であるため，「モスアイ（Moth-eye）」構造と呼ばれている。

図３及び図４はモスアイ構造部２６を拡大して示すもので、その断面を見ると（図４参照）、物質（導光体２）の表面の広がり方向に突起２６１（溝部ｇ）が一定間隔（周期）で並んだ一種の回折格子である。

突起２６１は、先端（光源１）に向けて幅寸法が徐々に減少する円錐形状（頂点ｔを通る中心軸ｃａを基準とした回転対称形状）であり、突起２６１の中心軸ｃａと、各突起２６１どうしの溝部ｇの最深部は、図３及び図４中、点線で示す仮想マトリクスの交点上に位置しており、各突起２６１どうしの間隔ａと隣接する溝部ｇの最深部の間隔ａ’は同じであり、紫外光の最短波長から可視光の最長波長に至る範囲（略１９０ｎｍ〜略７８０ｎｍ）中、可視光の最長波長（略７８０ｎｍ）よりも小さいものである。一方、突起２６１の高さｈは、好ましくは間隔ａ（ａ’）の半分より大きく、その５倍未満程度に設定されている。

なおモスアイ構造部２６は、例えばナノインプリンティング（モスアイ構造パターンを設けた金型を押し当てて転写）や射出成形により導光体２に直接形成したり、またはモスアイ構造を有するフィルム（膜）を導光体２に転写あるいは貼着することにより形成できる。

このようなモスアイ構造部２６を持つ入光部２３に光が入射した場合、仮に間隔ａ（ａ’）がその入射光の波長よりも大きいと、その反射光および透過光にそれぞれ１次，２次，３次等の回折光が発生するが、本実施形態のごとく間隔ａ（ａ’）が波長よりも小さく、回折光の表面方向ベクトルが入射光ベクトルの値を超えると、その回折光は境界面方向にのみ伝搬するエバネッセント波となり、表面に垂直な方向の電場の振幅が急激に減少し、物質の境界面から射出出来なくなってしまう。代わりに０次の回折光に光が集中し、結果として平滑な表面に比べ反射率が低下するとともに透過率が上昇するという現象が発生する。

例えば、実験例として、図５（ａ），（ｂ）に示すように、厚さ１ｍｍの平板状透明アクリル板からなる導光体テストピース１００を２種類用意し、一方には入光面に突起間隔ａ（溝間隔ａ’）が２６５ｎｍ、高さｈが２５０ｎｍの円錐型突起からなるモスアイ構造のテストパターン１０１をナノインプリンティングで形成し（図５（ａ）参照）、他方は入光面にテストパターンを形成せずに単なる平滑面とし（図５（ｂ）参照）、各テストピース１００の入光面を白色光を照射する発光ダイオードからなるテスト光源Ｌに対向すると共に、その反対側に輝度計３００を設置して、複数回（５回）にわたって透過（入光）輝度を計測したところ、図５（ａ）のテストパターン１０１付きの導光体テストピースの方が、図５（ｂ）のテストパターン１０１無しの導光体テストピースに対し、平均値で３．６％透過（入光）効率が向上するという結果が得られた。

なおモスアイ構造の反射率および透過率は、突起２６１の高さｈとその間隔ａによって決まるアスペクト比（ｈ／ａ）に依存し、このアスペクト比（ｈ／ａ）が０．５＜ｈ／ａ５．０の時に良好な結果が得られることが知られており、前記実験例のアスペクト比は、約０．９４であった。

以上のように本実施形態では、透光性材料からなる導光体２と、この導光体に光を入光させる光源１とを備え、導光体２に光源１からの光を導入する入光面２３を設け、この入光面２３に、紫外光及び可視光の波長よりも小さい間隔で集合形成された複数の突起２６１からなるモスアイ構造部２６を設けたことにより、入光効率を高めるながらも、大量生産に向き生産性が良好で、光の波長や入射角度に対する依存度を小さくすることができる。

特に導光体２それ自体の一部として、一体的に反射防止部を形成できるので、反射防止膜を採用した場合と比較して耐久性を向上させることができる。

なお突起２６１の間隔ａは、紫外光及び可視光の波長（最短で略１９０ｎｍ、最長で略７８０ｎｍ）よりも小さくし、前記のごとく回折光をエバネッセント波となして反射率を低下（透過率を上昇）させることができればよい。

また本実施形態では、突起２６１を先端に向けて幅寸法が連続的に減少する回転対称形状に設定したことにより、突起２６１断面の面積に応じて屈折率を連続的に徐変、上昇させ、これにより界面での屈折率差による反射を抑えることができる。

また本発明は、本実施形態では、モスアイ構造部２６を入光面２３の一部分にのみ設けたことにより、モスアイ構造部２６のない領域の反射率を向上させ、その分、照明効率を向上させることができる。
すなわちモスアイ構造部２６を設けた入光面２３領域は、外部空気中から光導入部２１内に入射する光の入射効率が高いのと同様に、光導入部２１内から外部空気中に透過する光の透過率が高く光が外部に抜けやすい。このため、光源１の出射面中心を基準として周囲に広がる特定の部分範囲Ｒのみに、モスアイ構造部２６を設け、その周囲には設けないことにより、モスアイ構造部２６のない領域の反射率を向上させている。

なお本発明の第２の実施形態として図示しないが、入光面２３を凸面や凹面に設定したり、あるいは凸面と凹面を組み合わせたり、あるいは凸面と凹面と平面を組み合わせた構造に設定してもよい。

また本発明の第２の実施形態として図示しないが、導光体２の入光面２３と光源１とを直接対向させず、導光体２と光源１との間に反射体や透光体等の他の光学部品を介在させ、このような光学部品からの光を入光する箇所を入光面に設定してもよい。

また本発明による導光体は、その適用が照明装置等、必ずしも対象物を照明する装置に限定されるものではなく、光源からの光を導く部品として適用対象は任意である。

本発明の第１の実施形態による照明装置の概略構成を示す側面図。 同実施形態における照明装置であって液晶表示パネルを除いた平面図。 同実施形態のモスアイ構造を説明する正面図。 図３のＡ−Ａ断面図 （ａ）及び（ｂ）は何れも実験例を示す説明図。

符号の説明

１ 光源
２ 導光体
２ａ〜２ｃ 第１〜第３の導光ブロック
２１ 光導入部
２２ 本体部
２３ 入光面
２４ 第１の反射面
２５ 第２の反射面
２６ モスアイ構造部（モスアイ構造）
２６１ 突起
ａ，ａ’ 間隔
ｃａ 中心軸
ｇ 溝部
ｔ 頂点
Ｌ テスト光源
Ｒ 範囲
１００ 導光体テストピース
１０１ テストパターン
３００ 輝度計

Claims (5)

1. 透光性材料からなり、入光面にモスアイ構造を設けたことを特徴とする導光体。
2. 透光性材料からなる導光体と、この導光体に光を入光させる光源とを備え、前記導光体に前記光源からの光を導入する入光面を設け、この入光面にモスアイ構造を設けたことを特徴とする照明装置。
3. 前記モスアイ構造が紫外光及び可視光の波長よりも小さい間隔で集合形成された複数の突起からなることを特徴とする請求項１記載の導光体または請求項２記載の照明装置。
4. 前記突起は先端に向けて幅寸法が減少する回転対称形状に設定されていることを特徴とする請求項３記載の導光体または照明装置。
5. 前記モスアイ構造が前記入光面の一部分にのみ設けられていることを特徴とする請求項１記載の導光体または請求項２記載の照明装置。

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