JP2007335227A - 携帯型面状照明装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】LED光源と、このLED光源が配置され、LED光源からの射出光を入射させる入射端面およびこの入射光を入射方向に対して直交する方向に射出させる入射端面と略直交する平坦な光射出面を持ち、入射端面から入射光の入射方向に沿って、その厚みが厚くなり、その内部に散乱粒子を分散させた導光板と、この導光板の光射出面と逆側の背面に少なくとも配置される反射面と、LED光源を点灯する電源と、LED光源の点灯と消灯とを切り換るスイッチと、LED光源、反射面が配置された導光板、電源およびスイッチを支持し、導光板の光射出面側に第1開口部を有する支持フレームとを有する携帯型面状照明装置を提供する。
【選択図】図1
Description
また、特許文献1で提案されているように、携帯型の照明装置の光源に有機EL発光素子を利用する場合、有機EL発光素子が、酸素や湿度に弱いため劣化しやすく、耐久性に問題があった。また、有機EL発光素子は寿命が短く、製造コストも高いという問題があった。
また、前記反射面は、前記鏡の反射面によって形成されるのが好ましい。
または、前記反射面は、前記導光板の前記背面に積層された反射材料層によって形成されるのが好ましい。
さらに、前記入射端面は、前記導光板の側面の1ヶ所に形成され、この1つの前記入射端面に前記LED光源が配置されるのが好ましい。
または、前記入射端面は、前記導光板の側面の対向する2ヶ所に形成され、この2つの前記入射端面にそれぞれ前記LED光源が配置されるのが好ましい。
1.1≦Φ・Np・LG・KC≦8.2
0.005≦KC≦0.1
1≦La/Lb≦2
を共に満足するのが好ましい。
図1(A)は、本発明の携帯型面状照明装置(以下、単に照明装置という)を模式的に示す正面図であり、図1(B)および図1(C)は、それぞれ図1(A)に示される照明装置のB−B線矢視断面図およびC−C線矢視断面図である。図2は、本発明の照明装置に用いられる導光板およびそれに配置された光源の概略構造を示す正面図である。
なお、光源12は白色LEDであるとしたが、本発明ではこれに限定されず、赤色(R)、緑色(G)および青色(B)の各LED(R−LED、G−LEDおよびB−LED)のいずれかを用いてもよいし、他の色のLEDを用いてもよいし、色の異なる2つ以上のLEDを組み合わせて用いてもよいし、RGBの3色のLEDを組み合わせて用いて、この出射光を混合して白色光としてもよい。
入光部14fは、導光板14の隅を切欠いて形成されたものであり、切欠いた際に形成された断面は、光源12からの射出光を導光板14に入射させる入射端面14gとなる。図示例では、入射端面14gは平坦に形成されており、この入射端面14gに対向して光源12が配置されている。
光射出面14aは、入射端面14gの入射中心に略直交しており、入射端面14gから入射した入射光を、その入射方向に対して直交する方向に射出する。
なお、入射端面14gは平坦に形成されているが、本発明ではこれに限定されず、断面14gは、凸形状に形成されていても凹形状に形成されていてもよい。
ここで、背面14hの勾配および導光板14の厚みは、特に制限されず、高い効率で光源からの射出光を導光板全体に導き、輝度むらを抑制した均一な照明光を得ることができるように、光源の個数、配置された位置、および射出光の指向性等の種々の条件を考慮して適宜決定すればよい。
また、照明光の輝度の均一性があまり問題にならず、逆に、光射出面14aからの射出光に強度分布を持たせたければ、同様に上記種々の条件を考慮して、背面14hの勾配および導光板14の厚みを適宜決定してもよい。
導光板14に用いられる透明樹脂の材料としては、例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PP(ポリプロピレン)、PC(ポリカーボネート)、PMMA(ポリメチルメタクリレート)、ベンジルメタクリレート、アクリル系樹脂、MS樹脂、あるいはCOP(シクロオレフィンポリマー)のような光学的に透明な樹脂が挙げられる。導光板14に混錬分散させる散乱粒子としては、アトシパール、シンコーン、シリカ、ジルコニア、誘電体ポリマなどを用いることができる。このような散乱粒子を導光板14の内部に含有させることによって、均一で輝度むらが少ない光を光射出面から出射することができる。
1.1≦Φ・Np・LG・KC≦8.2・・・(1)
0.005≦KC≦0.1・・・(2)
1≦La/Lb≦2・・・(3)
を共に満たすように、導光板の寸法、ならびに内部に含まれる散乱粒子の粒子数および粒子サイズの少なくとも一つが調整される。上記式(1)〜(3)を共に満たすように、導光板を構成することによって、光利用効率を高め、輝度の面内均一性を同時に実現することができる。以下、その理由を説明する。
T=I/I0=exp(−ρ・x)・・・(4)
ここで、xは光の伝搬距離、I0は入射光強度、Iは出射光強度、ρは減衰定数である。
上記減衰定数ρは、粒子の散乱断面積Φと媒質に含まれる単位体積当たりの粒子数Npとを用いて下記式(5)で表される。
ρ=Φ・Np・・・(5)
したがって、LED光源から光の入射方向に沿った最大長さをLGとすると、光の取り出し効率Eoutは、下記式(6)で与えられる。
Eout∝exp(−Φ・Np・LG)・・・(6)
Eout=exp(−Φ・Np・LG・KC)・・・(7)
この結果より、Φ・Np・LG・KCの値が大きくなると、光の取り出し効率Eoutが低くなることが分かる。光は導光板の光軸方向へ進むにつれて散乱するため、光の取り出し効率Eoutが低くなると考えられる。
ここで、Φ・Np・LG・KCの値を大きくしすぎると、導光板の光射出面から出射する光の輝度むらが顕著になるが、Φ・Np・LG・KCの値は8.2以下とすることで、輝度むらを一定以下(許容範囲内)に抑えることができる。
さらに、本発明の導光板のΦ・Np・LG・KCの値は、1.1以上かつ8.2以下であるという関係を満たすことが好ましく、2.0以上かつ8.0以下であることがより好ましい。また、Φ・Np・LG・KCの値は、3.0以上であればさらに好ましく、4.7以上であれば最も好ましい。
また、補正係数KCは、0.005以上0.1以下であることが好ましい。Kcを0.005以上とすることで、光利用効率を高くすることができ、0.1以下とすることで、導光板からの射出される光の照度むらを小さくすることができる。
上述のように、導光板14の内部の散乱効果は、上記のように、導光板の内部に含ませる散乱粒子の粒径、散乱粒子の屈折率、散乱粒子の粒度分布、および、導光板の母材となる材料の屈折率からMie理論によって決定される散乱断面積(単位時間当たりに散乱するエネルギー)と、散乱粒子の粒子密度と、入射してから導光する距離とによって関連付けられる。
そこで、本発明では、上記式(1)〜(3)を共に満たすように、すなわち、Φ・Np・LG・KCの値が1.1以上8.2以下となり、かつ、補正係数KCの値が0.005以上0.1以下となり、かつ、導光板の長手方向の長さLaとそれに垂直な方向の長さLbとの比La/Lbが1以上2以下となるように、導光板を構成する。これにより、導光板の光利用効率が高められ、輝度の面内均一性の高い照明光が得られる。
ここで、図1(A)〜(C)に示すように、本実施形態の照明装置10では、1枚のピラミッドプリズムシート16aを用いたが、本発明はこれに限定されず、2枚のプリズムシートを用いてもよい。
プリズムシートは、透明なシートの表面上に複数の細長いプリズムを互いに平行に配列させることにより形成される光学部材であり、2枚のプリズムシートをそれぞれのプリズム列の延在する方向が互いに直交するように配置することにより、導光板14の光射出面から出射する光の集光性を高めて輝度を改善することができる。なお、プリズムシートは、それぞれのプリズムの頂角が導光板14の光射出面14aに対して対向しないように配置される。これら2枚のプリズムシートの配置順序は特に限定されない。
さらに、本発明はこれに限定されず、必要に応じて1枚のプリズムシートのみを用いてもよい。
なお、2枚のプリズムシートを用いずに、図示例のように1枚のピラミッドプリズムシートを用いることにより部品点数を削減することができるのは好ましい。
マイクロレンズアレイシートは、透明なシートの表面に、複数の微小なレンズを、二次元アレイ状に敷き詰めた形態を有するものである。ここで、上記レンズは、凸レンズ又は凹レンズのいずれでもよく、また、その曲率等も基本的に自由に選択することが可能である。なお、上記レンズとして、円形、四角形および六角形等の種々の形状のものを用いてもよい。
拡散シート16bの製造方法は特に限定されないが、例えば、シート状部材の表面に微細凹凸加工や研磨による表面粗化を施して拡散性を付与したり、表面に光を散乱させるシリカ、酸化チタン、酸化亜鉛等の顔料や、樹脂、ガラス、ジルコニア等のビーズ類をバインダとともに塗工したり、上記顔料やビーズ類を上記透明な樹脂中に混練したりすることで形成することができる。他には、反射率が高く光の吸収が低い材料で、例えば、Ag、Alのような金属を用いて形成することもできる。
本発明において、拡散シート16bとしては、マットタイプやコーティングタイプの拡散フィルムを用いることができる。
また、図示例の照明装置10では、拡散シート16bを、導光板14とピラミッドプリズムシート12との間に配置したが、拡散シートの配置位置は特に限定されず、ピラミッドプリズムシート12の上側(導光板14と反対側)に配置してもよい。
透過率調整部材は、透明フィルムおよびこの表面に、導光板の光射出面からの出射光の輝度むらに応じて配置され、拡散反射体からなる多数の透過率調整体を備える光学部材である。
同様に、偏光分離フィルムは、導光板の光射出面から出射する光のうち、所定の偏光成分、例えば、p偏光成分を選択的に透過させ、それ以外の偏光成分、例えば、s偏光成分の殆どを反射させる光学部材である。偏光分離フィルムは、反射した光を導光板に再度入射させて、再利用することができるので、光の利用効率を高め、輝度を格段に向上させることができる。かかる偏光分離フィルムは、例えば、透明樹脂に針状粒子を混錬して分散させて得られた板材を延伸させて、針状粒子を所定の方向に配向させることによって得られる。偏光分離フィルムとしては、公知のものを用いることができる。
ここで、偏光分離フィルムと拡散フィルムとを一体に構成してもよい。
また、偏光分離フィルムを導光板の直上に配置しても良く、このような場合は、偏光分離フィルムを、導光板の製造時に圧着又は融着させて一体化させることが好ましい。これにより、導光板の光射出面と偏光分離フィルムとの間に空気を介在させることなく、互いを密着させることができる。
ここで、支持フレーム22は、開口部22aが形成される面(以下、前面という)の側とこの面と対向する裏面の側との2つの部品からなり、例えば、裏面側の部品に、導光板モジュールや電源や配線といった、各種の部材を配置した後に、前面側の部品を配置して、ネジ止め等で固定することにより組立てればよい。
スペーサ28は、支持フレーム22の内面に沿って配置され、その厚みは、当接する導光板モジュールの厚み、すなわち導光板14の厚みに応じて変化し、導光板モジュールが支持フレーム22内部に安定して保持されるようにその形状が決定される。
なお、本実施形態では、支持フレーム22の前面(開口部22a側の面)とそれと対向する裏面とが平行に構成された状態で、導光板モジュールを安定して支持フレーム22内部で保持することができるように、スペーサ28の厚みが、導光板モジュールの厚みに応じて決定されている。
なお、電源24は、上記のような一次電池に限定されず、各種二次電池も使用可能であり、照明装置10を、外部電源から電力の供給を受けて充電可能に構成してもよい。
スイッチ26は、図示例において、ONおよびOFFを切り替えることで電源24から光源12への電力の供給および供給停止を選択可能に構成されている。スイッチ26をONとすることにより電源24から光源12に電力が供給される。
ここで、導光板の対向する2つの隅のそれぞれに、光源が1つずつ配置される場合も、上記式(1)〜(3)を共に満たすように導光板を構成することによって、上述の照明装置10と同様に、光利用効率を高め、輝度の面内均一性を同時に実現することができる。
なお、この場合におけるLGは、具体的には、光源が配置された対向する2つの隅間の長さの半分の長さとすることができる。
以上、本発明の照明装置の第1の実施形態について詳細に説明した。
図3および図4は、本発明の照明装置において好適に使用可能な導光板と、この導光板に配置された光源とを模式的に示す正面図である。図中の破線は、導光板の厚さの等しい位置を連ねた曲線、すなわち等厚線である。
なお、図3および図4に示す導光板30、36および光源32、38は、図1(A)〜(C)に示す照明装置10において、図2に示す導光板14および光源12の代わりに用いられるものであり、導光板の形状および光源の配置を除いて基本的に照明装置10と同様であるので、以下、同様な説明は省略し、異なる点について説明する。
図3の破線で示すように、導光板30の背面30hは、光源32から射出され入射端面30gから入射する入射光の入射方向に沿って入射端面30gの入射中心から離れるにしたがって光射出面30aと離れる方向に傾斜し、導光板30は、入射端面30gから離れるにしたがって厚みが厚くなるように形成されている。すなわち、導光板30は、入光部30f(入射端面)が形成された側面30bに対向する側面30d側においてその厚みが厚くなるように形成されている。光射出面30aは、光源32から射出され入射端面30gから入射する入射光の入射方向に対して直交する方向に、この入射光を射出させる。
ここで、上述した式(1)〜(3)を共に満たすように、導光板を構成することによって、光利用効率を高め、輝度の面内均一性を同時に実現することができる。
図4の破線で示すように、導光板36は、光源38から射出され入射端面36gから入射する入射光の入射方向に沿って入射端面36gから離れるにしたがって光射出面36aと離れる方向に傾斜し、導光板36は、入射端面36gの入射中心から離れるにしたがって厚みが厚くなるように形成されている。光射出面30aは、光源32から射出され入射端面30gから入射する入射光の入射方向に対して直交する方向に、この入射光を射出させる。
ここで、上述した式(1)〜(3)を共に満たすように、導光板を構成することによって、光利用効率を高め、輝度の面内均一性を同時に実現することができる。
さらに、同様に、導光板の4つの側面のうちの3つの側面の一部に光源を配置するようにしてもよく、4つの全ての側面の一部に光源を配置するようにしてもよい。
ここで、図示例の導光板42は、その形状、特に背面の形状を除いて、図2に示す導光板14と同様のものである。導光板42においても、上記式(1)〜(3)を共に満たすように導光板42を構成することにより、上述の照明装置10と同様に、光利用効率を高め、輝度の面内均一性を同時に実現することができる。
なお、図示例においてLGは、具体的には、入射端面42gから入射端面42gに対向する側面までの長さとすることができる。
導光板46は、矩形形状の光射出面46aと、光射出面46aに垂直な4つの側面と、各側面に接続する背面46hとを有する。図示例の導光板46では、導光板46の4つの側面のうち対向する2つの側面はそれぞれ入射端面46gを構成し、この対向する2つの入射端面46gに沿ってLEDアレイ40が配置される。導光板46は、LEDアレイ40からの射出され入射端面46gから入射する入射光の入射方向に沿って入射端面62から離れるにしたがって厚みが厚くなるように、背面46hが、光射出面46aと離れる方向に光射出面46aに対して傾斜している。すなわち、対向する2つの入射端面46gの入射中心からこれに直交する入射方向に向かって導光板46の厚みが厚くなり、入射方向における2つの入射端面46gの中間点において最も厚みが厚くなっている。光射出面46aは、LEDアレイ40から射出され入射端面46gから入射する入射光の入射方向に対して直交する方向に、この入射光を射出させる。
ここで、図示例の導光板46は、その形状、特に背面の形状を除いて、図2に示す導光板14と同様のものである。導光板46においても、上記式(1)〜(3)を共に満たすように導光板46を構成することにより、上述の照明装置10と同様に、光利用効率を高め、輝度の面内均一性を同時に実現することができる。
なお、図示例においてLGは、具体的には、対向する2つの入射端面46g間の長さの半分の長さとすることができる。
なお、図示例のように、少なくとも背面46hに沿って反射部材48を配置することが必要であるが、導光板46の背面46h、および導光板46の入射端面46gが形成されていない2つの対向する側面に沿って、これらを覆うように反射部材48を配置するのが好ましい。
以上、導光板の側面に沿って線状光源を配置する場合について詳細に説明した。
このようにして導光板の背面の形状および導光板の厚さを決定することにより、導光板の入光部から入射した光を、導光板の全体に高い効率で導くことができ、輝度むらが一層低減された照明光を得ることができる。
このように、透明材料と可塑剤とを混合した材料で導光板を作製することで、導光板をフレキシブルにすること、つまり、柔軟性のある導光板とすることができ、導光板を種々の形状に変形させることが可能となる。従って、導光板の光射出面の形状を平坦面を種々の曲面とすることができる。
これにより、この導光板を用いた照明装置に曲率を持たせることが可能となり、照明装置をより多くの種類、より広い使用範囲において利用することができる。
図7(A)は本発明の照明装置を模式的に示す正面図であり、図7(B)および図7(C)は、それぞれ図7(A)に示される照明装置のB−B線矢視断面図およびC−C線矢視断面図である。
同図に示すように、本実施形態の照明装置50は、導光板14の背面14h側に、鏡56が配置され、鏡56の反射面56aが、第1の実施形態における反射部材と同様の機能を果たすものであるが、基本的に上述の第1の実施形態の照明装置と同様の構成を有するので、同一の部材には同一の符号を付してその説明は省略する。
支持フレーム54は、導光板14の光射出面14a側には開口部54a(第1開口部)が形成され、それと対向する背面側には背面開口部54b(第2開口部)が形成されている。これにより、照明装置50の光射出面と反対側の面は、鏡面が露出しており、手鏡として使用することができる。
また、スペーサ58は、支持フレーム54の背面開口部54bに沿って形成される環状の部材であり、その厚さは導光板モジュールの形状に応じて適宜決定され、鏡56の反射面56aと光射出面14aとが平行となるように鏡56の位置を決める部材である。
また、図7(A)に示すように、本実施形態の照明装置50は、1つの光源12を導光板の1つの隅に配置するものであるが、本発明はこれに限定されず、第1の実施形態で説明したように、導光板の4つの隅および4つの各側面の一部に光源が配置されるものでもよい。
12 光源
14 導光板
14a、30a、36a 光射出面、
14b、14c、14d、14e、30b、30c、30d、30e、36b、36c、36d、36e 側面
14f、30f、36f 入光部
14g、30g、36g、42g、、46g、 入射端面
14h、30h、36h、42h、46h 背面
16 光学部材ユニット
16a プリズムシート
16b 拡散シート
18、44、48 反射部材
22、54 支持フレーム
22a、54a 開口部
54b 背面開口部
24 電源
26 スイッチ
56 鏡
56a 反射面
28、58 スペーサ
Claims (12)
- 面状の照明光を射出する携帯型面状照明装置であって、
LED光源と、
このLED光源が配置され、前記LED光源からの射出光を入射させる入射端面およびこの入射端面から入射した入射光を入射方向に対して直交する方向に射出させる、前記入射端面と略直交する平坦な光射出面を持ち、前記入射端面から前記入射光の入射方向に沿って、その厚みが厚くなり、その内部に散乱粒子を分散させた導光板と、
この導光板の前記光射出面と逆側の背面に少なくとも配置される反射面と、
前記LED光源を点灯する電源と、
前記LED光源の点灯と消灯とを切り換るスイッチと、
前記LED光源、前記反射面が配置された前記導光板、前記電源および前記スイッチを支持し、前記導光板の前記光射出面側に第1開口部を有する支持フレームとを有することを特徴とする携帯型面状照明装置。 - さらに、前記導光板の前記光射出面上に配置されたマイクロレンズアレイシート、プリズムシート、またはピラミッドプリズムシートのいずれかを有する請求項1に記載の携帯型面状照明装置。
- 前記支持フレームは、前記導光板の前記背面側にも第2開口部を有し、
さらに、前記支持フレームの前記第2開口部と前記導光板の前記背面との間に配置される鏡を有する請求項1または2に記載の携帯型面状照明装置。 - 前記反射面は、前記鏡の反射面によって形成される請求項3に記載の携帯型面状照明装置。
- 前記反射面は、前記導光板の前記背面を覆うように配置された反射部材によって形成される請求項1〜3のいずれかに記載の携帯型面状照明装置。
- 前記反射面は、前記導光板の前記背面に積層された反射材料層によって形成される請求項1〜3のいずれかに記載の携帯型面状照明装置。
- 前記光射出面の形状が略矩形状であり、
前記導光板の外形形状が略直方体形状であり、
前記入射端面が、前記導光板の4つの側面の少なくとも1つ、またはこの4つ側面が接続される4隅の少なくとも1つに形成され、
前記背面は、前記入射端面から離れるにしたがって前記導光板の厚さが増加するように前記光射出面に対して傾斜して形成される請求項1〜6のいずれかに記載の携帯型面状照明装置。 - 前記入射端面は、前記導光板の側面の1ヶ所に形成され、この1つの前記入射端面に前記LED光源が配置される請求項1〜7のいずれかに記載の携帯型面状照明装置。
- 前記入射端面は、前記導光板の側面の対向する2ヶ所に形成され、この2つの前記入射端面にそれぞれ前記LED光源が配置される請求項1〜7のいずれかに記載の携帯型面状照明装置。
- 前記LED光源は、前記入射端面に配置される点光源、または前記入射端面に線状に配置される線状光源である請求項1〜9のいずれかに記載の携帯型面状照明装置。
- 前記LED光源は、白色LED、赤色LED、緑色LEDおよび青色LEDのすくなくとも1つである請求項1〜10のいずれかに記載の携帯型面状照明装置。
- 前記光射出面の長手方向の長さをLa、この長手方向に直交する方向の前記光射出面の長さをLbとし、前記散乱粒子の散乱断面積をΦ、前記散乱粒子の密度をNp、補正係数をKC、前記LED光源から光の入射方向に沿った最大長さをLGとしたときに、下記3つの不等式
1.1≦Φ・Np・LG・KC≦8.2
0.005≦KC≦0.1
1≦La/Lb≦2
を共に満足する請求項1〜11のいずれかに記載の携帯型面状照明装置。
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