JP2008258096A - 面光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成により、輝度ムラ及び色ムラが効果的に抑制され得ると共に、全体が薄型に構成され得るようにした直下型の面光源装置を提供する。
【解決手段】 所定間隔で基板１１上に配置された複数個の発光素子１２と、これらの発光素子の上方に在る導光体１３と、を含み、上記導光体の上面１３ａが、少なくとも発光素子の一つの配列方向の断面にて、各発光素子の直上で最も低く、そして各発光素子の間の領域で上方に向かって弓形に突出するように湾曲し、上記最も低い部分１３ｂが、上記断面にて、各発光素子の直上に位置し、これらの間の弓形の湾曲部分が、上記最も低い部分から離れるにつれて傾斜角が小さくなり、且つ何れの部分においても対応する発光素子からの光を全反射させるように形成され、上記導光体が、上記弓形の湾曲部分の頂点で上記導光体に対してほぼ垂直に切断された形状の単位導光体に分割されるように、面光源装置１０を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、所謂直下型の面光源装置に関する。

従来、液晶パネル等の透過性の表示物は、明るい画面を得るために、多くの場合、背面から面光源装置によって照明されている。特にパーソナルコンピュータやテレビモニタに使用されるカラー液晶パネルの場合には、駆動回路により開口率が制約を受け、さらにカラーフィルタにより光透過率が低下する。このため、面光源装置による所謂バック照明が必須となる。

ところで、背面からバック照明を行なう面光源装置は、その光源の配置により、サイドエッジ型と直下型とがある。直下型は、導光板が不要で、内部を中空に構成して、軽量化を図ることができる。このため、特に、２０インチ以上の大型テレビといったような大型表示物をバック照明する面光源装置は、直下型が使用されることが多い。

このような直下型の面光源装置において、例えばＲＧＢ（赤，緑及び青）等の多色のＬＥＤを使用して、これら各色のＬＥＤからの光を混色して白色を得るためには、光拡散部材を使用したり、ＬＥＤ自体に備えられたレンズにより出射光束を側方に向ける等の手法が採られている。

例えば、特許文献１によれば、バック照明すべき液晶パネルの裏面に所定間隔で配置された多数個のＬＥＤを有する光源ユニットと、この光源ユニットと液晶パネルとの間に配置された光拡散プレートから構成されており、この光拡散プレートが、個々のＬＥＤと対向して、その外径よりも大きく且つ縦長の光反射性インクから成る調光パターンを備えるようにした、バックライト装置が開示されている。

このような構成のバックライト装置によれば、光源ユニットの各ＬＥＤから出射した光のうち、比較的大きな出射角で出射した光は、光拡散プレートの調光パターン以外の領域に入射し、拡散しながら透過して、外部に出射することになる。
これに対して、比較的小さな出射角で出射した光は、光拡散プレートの対応する調光パターンで反射し、光源ユニットの表面で再び反射して、一部が光拡散プレートの調光パターン以外の領域から拡散しながら透過して、外部に出射する。

従って、各ＬＥＤから出射した光は、比較的小さな出射角で出射した明るい光が、光拡散プレートの調光パターンを透過せずに反射する。このため、各ＬＥＤから出射した光は、全体がほぼ均一な輝度になり、その周りに配置されたＬＥＤからの光と良好に混色されることになる。
これにより、光拡散プレートの表面全体にて、輝度及び色が均一になり、所謂輝度ムラや色ムラが抑制され得ることになる。

また、例えば特許文献２によれば、表面に光反射面を有するリフレクタと、このリフレクタの光反射面上に均一に分散配置された透光性円筒体から成る複数の導光体と、この導光体内に設けられた三色発光のサイドエミッタタイプのＬＥＤと、から成るバックライト装置が開示されている。

このような構成のバックライト装置によれば、サイドエミッタタイプのＬＥＤがレンズの頂部に全反射面を備えていることにより、各ＬＥＤから実質的に直上に進む光が全反射面により反射して、側方から出射することになる。
これにより、各ＬＥＤから直上に進む光が低減され、側方に出射される光が増大し、且つ光路長が長くなり、混色が良好になる。このため、各ＬＥＤの直上領域における色ムラや輝度ムラが抑制され得ることになる。
特開２００６−０５８４８１号 特開２００５−３３９８２２号

しかしながら、特許文献１によるバックライト装置においては、ＬＥＤ直上とそれ以外の部分で拡散の度合いを変化させる等の調整が必要であり、また使用するＬＥＤに関して、指向特性や発光強度が製品毎に異なる。このことから、拡散度分布を最適化するために、調光パターンの濃度や分布を設定する必要がある。従って、このような設定作業が煩雑であり、コストが高くなってしまう。
また、従来の面光源装置と比較して、調光パターンを製造するための工程が必要になり、工数が多くなり、製造コストが高くなってしまう。

これに対して、特許文献２によるバックライト装置においては、サイドエミッタタイプのＬＥＤの指向特性をそのまま利用して、光を側方に取り出しているだけであって、拡散板等の拡散度合い分布の最適化が必要であるが、その後の混色については、特に考慮されていない。また、サイドエミッタタイプとはいっても、直上の中心軸方向に沿って、レンズ頂面で全反射しない光が洩れてしまう。従って、色ムラが発生してしまうことになる。
さらに、サイドエミッタタイプのＬＥＤは、複雑なレンズ形状を有していることから、工数が多くなり、コストが増大してしまうことになる。

さらに、これらのバックライト装置においては、色ムラをできるだけ低減するためには、光源であるＬＥＤから出射面までの光路長をできるだけ長くすることにより、十分な混色が行なわれ得るが、光路長を長くすると、ＬＥＤの実装位置から出射面までの距離が長くなり、面光源装置全体が厚くなる。このため、薄型化の要請に反することになる。

また、特許文献１における光拡散プレートや、一般的な構成の面光源装置におけるライトガイド等は、発光面とほぼ同じ大きさを有している。このことから、これらの光拡散プレートやライトガイド等を成形するための金型も、面光源装置の発光面とほぼ同じ大きさに形成する必要がある。
一般的に、このような金型は、大型になるほど製造難易度が高くなり、成形機も大型のものが必要になる。このため、光拡散プレートやライトガイド等の大型化により、製造コストも大幅に高くなってしまう。

本発明は、以上の点から、簡単な構成により、輝度ムラ及び色ムラが効果的に抑制され得、全体が薄型に且つ低コストで構成され得るようにした直下型の面光源装置を提供することを目的としている。

上記目的は、本発明によれば、所定間隔で基板上に配置された複数個の発光素子と、これらの発光素子の上方に配置された導光体と、を含んでおり、上記導光体の上面が、少なくとも発光素子の一つの配列方向の断面にて、各発光素子の直上で最も低く、そして各発光素子の間の領域で上方に向かって弓形に突出するように湾曲しており、上記最も低い部分が、上記断面にて、各発光素子の直上に位置すると共に、これらの間の弓形の湾曲部分が、上記最も低い部分から離れるにつれて傾斜角が小さくなるように、且つ何れの部分においても対応する発光素子からの光を全反射させるように形成されており、上記導光体が、上記断面方向に関して各弓形に突出するように湾曲した部分の頂点にて、上記断面にほぼ直交する方向に切断された形状の単位導光体に分割されていることを特徴とする、面光源装置により、達成される。

本発明による面光源装置は、好ましくは、上記各単位導光体の上記切断面が、上記導光体の法線に対して０度から５度の傾斜角で下向きに傾斜しており、隣接する単位導光体の切断面と対向して間に空気層を画成している。

本発明による面光源装置は、好ましくは、上記発光素子が、ＬＥＤまたは小型電球を含む点状光源である。

本発明による面光源装置は、好ましくは、上記発光素子が、冷陰極管，熱陰極管を含む線状光源である。

本発明による面光源装置は、好ましくは、上記導光体の上面の弓形の湾曲部分が、何れの部分においても、対応する発光素子からの光をほぼ臨界条件にて全反射させるように形成されている。

本発明による面光源装置は、好ましくは、上記導光体の下面が、上記断面にて、各発光素子の間の領域に凹凸形状を備えている。

本発明による面光源装置は、好ましくは、上記発光素子が、複数種類の発光色の発光素子である。

本発明による面光源装置は、好ましくは、上記導光体の下面が、上記断面にて、各発光素子に対応する領域に、ほぼ逆Ｖ字形の溝を備えている。

本発明による面光源装置は、好ましくは、上記導光体が、上記断面形状を有する押出形状を備えている。

本発明による面光源装置は、好ましくは、上記導光体の上方に、光拡散または光集束等の光束制御を行なう光学部材を備えている。

本発明による面光源装置は、好ましくは、上記基板が、発光素子の実装部を除く上面に、拡散反射部材を備えている。

上記構成によれば、各発光素子から出射した光が、上記少なくとも発光素子の一つの配列方向に関して、上記導光体の単位導光体内に入射する。これらの光は、隣接する単位導光体の最も低い部分との間の弓形の湾曲部分の内面で全反射し、側方に向かって進むことになる。
その際、この弓形の湾曲部分の頂点から下方に延びる切断面に入射した光は、その一部がこの切断面を透過し、さらに隣接する単位導光体の切断面から当該単位導光体内に入射し、他の一部がこの切断面で反射する。
従って、これらの光は、上記同じ単位導光体内または隣接する単位導光体内で順次に反射を繰り返す。これにより、その上面から上方に向かって出射することになる。

この場合、各発光素子から直上方向に出射した光は、上記導光体の最も低い部分に入射し、そのまま上方に洩れてしまうようなことなく、その内面で両側に全反射することになる。従って、各発光素子から直上方向に出射した光が、そのまま上方に出射してしまうようなことはない。

これにより、各発光素子から出射した光が上記導光体の上面から出射するまでの光路長が十分に長くなる。このため、各発光素子からの光が互いに十分に混色される。このため、上記導光体の上面における輝度ムラが抑制され得ることになる。
その際、上記導光体の弓形の湾曲部分の頂点がほぼ垂直に切断され、単位導光体に分割されている。これにより、この切断面に入射した光の一部が、当該単位導光体内に戻ることになる。このため、光取出し効率が向上し、この切断面付近における輝度が高められることになる。
従って、各発光素子の配列方向に関して、より均一な輝度分布が得られることになる。

さらに、上記導光体の弓形の湾曲部分の頂点がほぼ垂直に切断されている。これにより、上記導光体は、周期的に配置された弓形の湾曲部分の周期で単位導光体として分割されている。このため、製造の際には、各単位導光体毎に成形を行なうことができる。
従って、面光源装置の発光面の大きさと比較して、大幅に小さな単位導光体を複数個並べる。これにより、発光面の大きさに対応することができ、各単位導光体が小さい。このため、製造の際の金型も小さくて済み、金型のコスト及び製品としての単位導光体の製造コストが大幅に低減され得ることになる。

上記各単位導光体の上記切断面が、上記導光体の法線に対して０度から５度の傾斜角で下向きに傾斜しており、隣接する単位導光体の切断面と対向して間に空気層を画成している場合には、この切断面を透過する光が、上に向かって細くなる楔形の空気層を介して隣接する単位導光体に入射する。これにより、切断面が存在しない、または空気層を介さない配置と比べ、切断面を介した光の進行がより複雑となり、このことから導光体内部での光拡散が促進され、導光体全域において輝度ムラ、色ムラが抑制され、上記導光体の成形後に金型からの離型が容易に行なわれ得ることになる。

上記発光素子が、ＬＥＤまたは小型電球を含む点状光源である場合、ドットマトリックス状に配置された点状光源により、均一な照度分布が得られることになる。

上記発光素子が、冷陰極管，熱陰極管を含む線状光源である場合には、互いに平行に配置された線状光源により、均一な照度分布が得られることになる。

上記導光体の上面の弓形の湾曲部分が、何れの部分においても、対応する発光素子からの光をほぼ臨界条件にて全反射させるように形成されている場合には、各発光素子から出射して上記導光体の上面の弓形の湾曲部分に入射した光が、確実に全反射され、側方に進むことになる。

上記導光体の下面が、上記断面にて、各発光素子の間の領域に凹凸形状を備えている場合には、上記導光体の上面の弓形の湾曲部分で全反射した光が、その後上記導光体の下面に入射したとき、この凹凸形状に基づいて乱反射し、拡散することになる。従って、上記導光体の上面から上方に出射する光がより良好に拡散されることになり、輝度ムラがより一層低減され得ることになる。

上記発光素子が、複数種類の発光色の発光素子である場合には、各発光色の発光素子から出射した光が、上記導光体の上面の弓形の湾曲部分で全反射して、比較的長い光路を通って、上記導光体の上面から上方に出射する。このため、各発光色の発光素子から出射した光が、互いに十分に混色されることになり、色ムラがより良好に低減され得ることになる。
従って、例えば赤，緑及び青の三色の発光素子を使用する場合、色ムラのない白色の面光源が得られることになる。

上記導光体の下面が、上記断面にて、各発光素子に対応する領域に、ほぼ逆Ｖ字形の溝を備えている場合には、上記導光体を各発光素子が配置された基板上に載置したとき、各発光素子がこれらの溝内に収容され得る。前記各発光素子を通る前記逆Ｖ字形の溝を形成する面の法線より上方への発光強度分布が、他方への発光強度分布より大きい場合には、発光素子から逆Ｖ字形の溝を介して導光板内部に入射する光は、逆Ｖ字形の溝の表面での屈折により、多くの成分が、発光素子から出射したときよりも横に広がった発光強度分布となり得る。
また、逆Ｖ字形の形状により、隣接する他の発光素子から横方向に進んで、この溝の内面に入射する光が、全反射して上方に進むことになる。従って、各発光素子から直上に進む光のうち、上記導光体の最も低い部分の頂点を通って直接上方に進む僅かな光があったとしても、隣接する他の発光素子からの光が混入する。これにより、色ムラの発生が抑制され得ることになる。

上記導光体が、上記断面形状を有する押出形状を備えている場合には、上記導光体が押出成形により、低コストで容易に成形され得ることになる。

上記導光体の上方に、光拡散または光集束等の光束制御を行なう光学部材を備えている場合には、各発光素子から上記導光体内に入射し、その後上記導光体の上面から上方に出射する光が、上記光学部材により光束制御される。これにより、拡散あるいは集束され、輝度ムラ及び色ムラが低減され、より均一な輝度分布及び色分布が得られることになる。

上記基板が、発光素子の実装部を除く上面に、拡散反射部材を備えている場合には、上記導光体の上面で反射した後、その下面を透過した光が、この拡散反射部材により拡散・反射して再び導光体内に入射する。このため、発光素子から出射した光の利用効率が向上し、より明るい照射光が得られることになる。

このようにして、本発明によれば、簡単な構成により、輝度ムラ及び色ムラが効果的に抑制され得、全体が薄型に且つ低コストで構成され得るようにした直下型の面光源装置が得られることになる。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１０を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

［実施例１］
図１は、本発明による面光源装置の第一の実施形態の構成を示している。
図１において、面光源装置１０は、平坦な基板１１と、この基板１１上にて互いに直交する二方向にそれぞれ所定間隔で、即ちマトリックス状に配置された複数個の発光素子（点状光源）としてのＬＥＤ１２と、この基板１１の上方に配置された導光体１３と、さらにこの導光体１３の上方に配置された拡散板１４，拡散シート１５及びプリズムシート１６と、上記基板１１の表面に配置された拡散反射フィルム１７と、これら基板１１及び導光体１３を収容するケース１８と、から構成されている。

上記基板１１は、公知の構成のプリント配線基板であって、その上面に各ＬＥＤ１２に対する給電用の導電パターン（図示せず）が形成されている。また、上記基板１１は、各ＬＥＤ１２の実装部（図示せず）を除いて拡散反射フィルム１６により覆われている。
ここで、上記実装部は、図示の場合、基板１１の表面にて、互いに垂直な二方向に関してそれぞれ所定間隔で配置されている。

上記ＬＥＤ１２は、公知の構成のＬＥＤであって、この場合、複数色、例えば光の三原色即ち赤色，緑色及び青色の発光色のＬＥＤが、同じ発光色のものが隣接しないように、分散配置されるようになっている。
上記各ＬＥＤ１２は、上記基板１１の実装部に対してそれぞれ実装され、それぞれ導電パターンを介して給電され、駆動・発光する。
これにより、各ＬＥＤ１２の発光中心が、上述した二方向に関してそれぞれ互いに所定間隔で並ぶようになっている。

上記導光体１３は、透光性材料、即ち上記各発光色のＬＥＤ１２からの光に対して透明性を有する材料から構成されている。
上記導光体１３は、図２に詳細に示すように、その上面が、上記ＬＥＤ１２の一つの配列方向（Ｘ方向）に関する断面にて、ＬＥＤ１２の配列間隔に等しいピッチで、この方向に連続して形成された弓形の湾曲形状１３ａを有しており、この形状が上記ＬＥＤ１２のもう一つの配列方向に続いている。従って、上記導光体１３の上面は、複数の横に並んだかまぼこ形状を有していることになる。

ここで、上記湾曲形状１３ａは、その最も低い部分１３ｂが、上記基板１１上に配置された各ＬＥＤ１２の光軸と一致するようになっている。
これにより、上記湾曲形状１３ａは、隣接するＬＥＤ１２の間の領域に対応して上方に向かって凸状に突出することになる。
上記湾曲形状１３ａは、上記断面にて、対応するＬＥＤ１２から出射して当該導光体１３内に入射した光が、この湾曲形状１３ａの内面にてすべて全反射するように形成されている。

即ち、各ＬＥＤ１２から任意の出射角で出射する光は、上記導光体１３内に入射した後、その上面である上記湾曲形状１３ａの内面に対して、臨界角以上の入射角で入射し、全反射するようになっている。
これにより、上記湾曲形状１３ａの最も低い部分１３ｂは、上方に向かって広がるＶ字形に形成されている。

上記導光体１３は、その下面にて、各ＬＥＤ１２に対応する位置に、上方に向かって凸状の溝１３ｃを備えている。
この溝１３ｃは、上記基板１１上に配置された各ＬＥＤ１２を収容するようにＬＥＤ１２より広い幅を有しており、図２にて紙面に垂直な方向に連続的である必要はなく、この方向に並んだＬＥＤ１２に対応する位置にのみ設けられていればよいが、導光体１３が押し出し成形により形成される場合には、この方向に連続的に形成されることになる。
尚、この溝１３ｃは、ＬＥＤ１２からの光を拡散させるような形状が望ましく、図示の場合には、逆Ｖ字形に形成されており、その頂角は、側方から入射する光を上方に向かって全反射させるように選定されている。

さらに、上記導光体１３は、その下面にて、上述した逆Ｖ字溝１３ｃの領域を除いて、凹凸形状１３ｄを備えている。
この凹凸形状１３ｄは、図２にて、紙面に垂直な方向に延びている複数の所定間隔で並んだ畝状に形成されており、個々の畝は、比較的小さく、図示の場合には、各ＬＥＤ１２の間にて５個の畝が配置されるようになっている。
これにより、上記導光体１３の内部から下面に入射した光は、一部が、これらの凹凸形状１３ｄの形状に基づいて、拡散して反射されるようになっている。

また、上記導光体１３は、図１において、Ｘ方向に関して、上述した湾曲形状１３ａの上述した弓形の湾曲形状１３ａの頂点の位置で、ほぼ垂直に切断される。これにより、この切断面１３ｅにより単位導光体１３ｆに分割されている。
各単位導光体１３ｆの切断面１３ｅは、それぞれ隣接する単位導光体１３ｆの切断面１３ｅに対してほぼ接するように配置されている。
ここで、隣接する単位導光体１３ｆの互いに対向する二つの切断面１３ｅは、接着剤等により接着されない。このため、これらの切断面１３ｅの間には、僅かな間隙が画成されて、微小な空気層が存在することになる。
尚、Ｘ方向両端に位置する単位導光体１３ｆ’は、外側面の形状が異なることから、内側に位置する単位導光体１３ｆとは異なる形状になっているが、単位導光体１３ｆ’の代わりに、単位導光体１３ｆを配置してもよい。

上記拡散板１４は、公知の構成であって、例えば透光性材料から形成されており、その表面に形成された凹凸形状等により、または透光材料を基材とし、屈折率の異なる粒子を混練させて形成されている。また、その基材と粒子の境界にて生じる全反射や屈折により、入射光を透過させ、透過の際に拡散させるように構成されている。

上記拡散シート１５は、公知の構成であって、透光性材料から形成されており、その表面に形成された凹凸形状等により形成されている。また、入射光を透過させ、透過の際に拡散させるように構成されている。
この拡散シート１５は、上記拡散板１４の表面に載置され、または貼着されている。

上記プリズムシート１６は、公知の構成であって、透光性材料から構成されており、その上面に例えば上記ＬＥＤ１２の配列方向に沿って延びる多数の微小プリズム１６ａを備えている。また、上記プリズムシート１６は、その下面が平坦に形成されており、上記拡散シート１５の表面に載置され、または貼着されている。

上記拡散反射フィルム１７は、公知の構成であって、例えば光学用途樹脂に微小空孔や酸化チタン等の拡散材を添加した樹脂フィルム等から構成されており、入射光を反射する。また、上記拡散反射フィルム１７は、反射の際に拡散させるように構成されており、上記基板１１の表面のＬＥＤ実装部を除く領域に載置され、または貼着されている。

上記ケース１８は、図３に示すように、上方が開放した扁平な直方体状に形成されており、内部の底面付近に、上記基板１１が収容される。また、上記ケース１８は、さらに、この基板１１の上から上記導光体１３が収容されるようになっている。
その際、上記ケース１８の周壁１８ａが、上記基板１１及び上記導光体１３の周縁を規制することにより、これらの基板１１及び導光体１３を位置決めするようになっている。

本発明実施形態による面光源装置１０は、以上のように構成されており、組立の際には、上記ケース１８内に順次に基板１１、そして端面に反射部材１８を備えた導光体１３が収容される。
これにより、上記基板１１そして導光体１３は、その周縁が上記ケース１８の周壁１８ａにより規制され、位置決めされる。従って、上記導光体１３は、その最も低い部分１３ｂが、上記基板１１上に配置された各ＬＥＤ１２の中心軸付近に正確に位置決めされる。これにより、組立が容易に行なわれ得ることになる。

このようにして組み立てられた面光源装置１０において、外部から上記基板１１上の導電パターンを介して、各ＬＥＤ１２に対して駆動電圧が印加されると、各ＬＥＤ１２が駆動されて発光する。各ＬＥＤ１２から出射した光は、上記導光体１３の対応する逆Ｖ字溝１３ｃから上記導光体１３内に入射し、さらに上記導光体１３の上面である湾曲形状１３ａの内面に入射する。

ここで、上記湾曲形状１３ａは、対応するＬＥＤ１２からの光を、その出射角にかかわらず、すべて全反射するように形成されている。このため、各ＬＥＤ１２からの光は、図２にて矢印で示すように、上記湾曲形状１３ａで全反射し、ほぼ側方に向かって進むことになる。
上記湾曲形状１３ａで反射した光は、その一部が上記導光体１３の下面の凹凸形状１３ｄに入射し、その一部が反射・拡散する。また、他の一部の光が、上記凹凸形状１３ｄを透過して、その下方に位置する拡散反射フィルム１７で反射・拡散し、再び上記導光体１３内に入射する。

また、上記導光体１３内にて、切断面１３ｅに入射した光の一部は、この切断面１３ｅで反射され、当該単位導光体１３ｆ内に戻ることになる。
従って、各単位導光体１３ｆの切断面１３ｅ付近にて、各単位導光体１３ｆから上方に出射する光量が増大する。これにより、全体として輝度分布が均一化され得ることになる。

上記導光体１３内に入射した光は、当該ＬＥＤ１２から両側に拡散された状態にて、上記導光体１３の上面から出射し、上記拡散板１４及び拡散シート１５により拡散され、そして上記プリズムシート１６の各微小プリズム１６ａにより例えば上記ＬＥＤ１２の一つの配列方向に関して指向特性を制御されて、上方に向かって出射することになる。

このようにして、各ＬＥＤ１２から出射した光は、上記湾曲形状１３ａにより、全体として両側に向かって反射する。これにより、隣接するＬＥＤ１２からの光と良好に混色され得ることになる。
従って、面光源装置１０は、具体的なシミュレーションによれば、光源を−６０ｍｍ，−３０ｍｍ，０ｍｍ，３０ｍｍ，６０ｍｍに配置したとき、例えば図４（Ａ）に示すように、全体としてムラの少ない照度分布の照射光を出射することになる。このとき、照度ムラに関して、標準偏差は、３．４６Ｅ−０２であり、照度ムラは、＋８，４１％，−７．８９％である。

これに対して、図４（Ｃ）は、上述した面光源装置１０において、上記導光体１３に切断面１３ｅがない場合の照度分布を示しており、光源の真上の照度が高く、また光源間（−４５ｍｍ、−１５ｍｍ、１５ｍｍ、４５ｍｍ）の照度が低く、照度ムラに関して、標準偏差は、４．８０Ｅ−０２であり、照度ムラは、＋１２，４１％，−９．０８％である。従って、切断面１３ｅの存在によって、照度分布がより均一になっていることが分かる。
尚、照度ムラは、（照度最大値／照度平均値）／照度平均値により求めた。また、標準偏差は、図４の照度分布から１６０箇所のデータに基づいて計算した。

さらに、各発光色のＬＥＤ１２からの各色の光は、隣接するＬＥＤ１２からの異なる色の光と、十分に混色されるので、色ムラの少ない照射光が得られることになる。

ところで、各ＬＥＤ１２から直上に出射する光は、上記湾曲形状１３ａの最も低い部分１３ｂに入射し、両側に全反射されることになる。従って、各ＬＥＤ１２の直上における外部への照射光の輝度がスポット的に高くなってしまうようなことはない。

尚、各ＬＥＤ１２から直上に出射する光のうち、上記湾曲形状１３ａの最も低い部分１３ｂの尖端に入射する光は、全反射せずに、そのまま上記導光体１３を上方に透過することになる。
これに対して、隣接するＬＥＤ１２から全体として当該ＬＥＤ１２に向かって側方に反射した光が、上記導光体１３の当該ＬＥＤ１２に対応する逆Ｖ字溝１３ｃの内面に入射し、全反射して上方に向かって進む。これにより、同様に上記湾曲形状１３ａの最も低い部分１３ｂの尖端を透過することになる。

従って、上記湾曲形状１３ａの最も低い部分１３ｂの尖端を透過する光は、当該ＬＥＤ１２からの光に対して、隣接するＬＥＤ１２からの光が加えられることになる。このため、当該ＬＥＤ１２と隣接するＬＥＤ１２からの光が互いに混色されることになる。
これにより、上記湾曲形状１３ａの最も低い部分１３ｂの尖端を透過する光は、微量である。このため、輝度ムラが発生するようなことはなく、また混色光であることから、スポット的な色ムラが発生するようなこともない。

さらに、本発明実施形態による面光源装置１０においては、上記導光体１３が単位導光体１３ｆに分割されている。このため、個々の単位導光体１３ｆが小型に構成され得ることになる。従って、個々の単位導光体１３ｆを製造するための金型が小さくて済み、金型及び製品としての単位導光体１３ｆそして導光体１３のコストが大幅に低減され得ることになる。

次に、上記導光体１３の湾曲形状１３ａについて、その形状を具体的に説明する。
図５に示すように、ＬＥＤ１２の発光中心（光源）をｘｙ座標の原点とし、この光源が便宜的に導光体１３の媒質内に在るものとして、上記導光体１３内への入射時の反射及び屈折を考慮しない。
このような条件で、光源から出射角φで出射した光は、上記導光体１３の湾曲形状（以下、レンズ面という）１３ａの内面に対して、入射角θで入射し、全反射するものとする。ここで、αをレンズ面とｘ軸がなす角，βをレンズ面と入射光線のなす角，γを入射光線とｙ軸のなす角，ｎを導光体１３の構成材料の屈折率とする。尚、入射角θは、臨界角θ0 以上の角度とする。
出射角φにおける上記導光体１３の湾曲形状１３ａの内面への入射点（ｘ，ｙ）の軌跡を求める。まず、

から、角度αは、上記三つの式から

となる。従って、点（ｘ，ｙ）における湾曲形状１３ａの微係数は、

となる。

ここで、この微分方程式を、初期条件として始点（０，７）を与えて解くと、光源からの光が、常にレンズ面に対して入射角θで入射し、全反射するようなレンズ面の形状が得られることになる。
θをパラメータとしたときのレンズ面の形状は、図６に示すようになる。これにより、θが小さくなるほど、レンズ面の高さが低くなることが分かる。
ここで、θは、

で与えられる臨界角θ0 より大きくなければならない。

例えば導光体１３がアクリル樹脂から成る場合、その屈折率ｎは１．４９であり、臨界角θ0 は、４２．１６度となる。導光体１３の湾曲形状１３ａの加工精度，基板１１上のＬＥＤ１２に対する組み付け誤差等を考慮して、θ＝４５度とすればよい。

さらに、ＬＥＤ１２は、発光部がある程度の大きさ及び高さを有していることから、発光中心から外れた光が、上記導光体１３の湾曲形状１３ａで必ずしも全反射しなくなり、上記導光体１３を透過して外部に出射してしまう可能性がある。
このため、図７に示すように、ＬＥＤ１２の発光面１２ａの大きさをＤとし、発光面１２ａの端縁１２ｂ（高さＨ）を基準として、前述したように点（ｘ，ｙ）の軌跡を求めればよい。これにより、光源であるＬＥＤ１２の発光面１２ａから出射する光は、上記導光体１３の湾曲形状１３ａに対して、前述した入射角θまたはそれより大きな入射角度で入射することになり、確実に全反射することになる。

また、ＬＥＤ１２から直上に出射する光を確実に全反射するためには、上記導光体１３の湾曲形状１３ａの最も低い部分１３ｂの尖端は、その頂角が、図８に示すように、上記臨界角θ0 を考慮して、（π−２θ0 ）より小さくなければならない。
従って、前述のように、屈折率が１．４９（アクリル）の場合には、臨界角θ0 が４２．１６度である。このため、上記頂角は、９５．６８度以下である必要があり、θ＝４５度の設定の場合、頂角は９０度に設定すればよい。
さらに、上記逆Ｖ字溝１３ｃは、頂角が９０度に選定される。

尚、式５の微分方程式を解く際に、初期条件として、ＬＥＤ１２の発光中心の直上に始点を設定したが、この始点を低く（ｙ値を小さく）設定することにより、上記導光体１３がさらに薄型に構成され得ることになる。
ただし、始点を低くすることによって、上記導光体１３の最も低い部分１３ｂも低くなり、成形が難しくなる。このため、この部分１３ｂが少なくとも２ｍｍ程度の肉厚を有するように、始点が設定されなければならない。

このようにして、本発明実施形態による面光源装置１０によれば、各ＬＥＤ１２から出射した光は、上記導光体１３の湾曲部分１３ａで全反射して、両側に導かれる。これにより、さらに隣接するＬＥＤ１２からの光と十分に混色され得る。従って、このような混色後に、上記導光体１３の湾曲部分１３ａを透過して上方に出射する照射光は、輝度ムラ及び色ムラが良好に抑制され得る。このため、全体として輝度ムラ及び色ムラのない均一な照射光が得られることになる。

図９は、本発明による面光源装置の第二の実施形態の構成を示している。
図９において、面光源装置２０は、図１から図３に示した面光源装置１０とほぼ同じ構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
面光源装置２０は、図１から図３に示した面光源装置１０とは、上記導光板１３の垂直な切断面１３ｅの代わりに、切断面１３ｇが下向きに０度から５度（例えば５度）の傾斜角で傾斜して形成されている点でのみ異なる構成である。

このような構成の面光源装置２０によれば、図１から図３に示した面光源装置１０と同様に作用する。また、上記導光板１３の切断面１３ｇが傾斜していることにより、切断面が存在しない、または空気層を介さない配置と比べ、切断面を介した光の進行がより複雑となり、このことから導光体内部での光拡散が促進され、導光体全域において輝度ムラ、色ムラが抑制される。また、導光板１３の成形時に、この傾斜角度によって、成形後に金型から離型しやすくなる。

この場合、面光源装置２０は、具体的なシミュレーションによれば、光源を−６０ｍｍ，−３０ｍｍ，０ｍｍ，３０ｍｍ，６０ｍｍに配置したとき、例えば図４（Ｂ）に示すように、図１に示した面光源装置１０と比較して、全体としてより一層ムラの少ない照度分布の照射光を出射することになる。このとき、照度ムラに関して、標準偏差は、２．１９Ｅ−０２であり、照度ムラは、＋５．６６％，−６．４２％である。

図１０は、本発明による面光源装置の第三の実施形態の構成を示している。
図１０において、面光源装置３０は、図１から図３に示した面光源装置１０とほぼ同じ構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
面光源装置３０は、図１から図３に示した面光源装置１０とは、点状光源であるＬＥＤ１２の代わりに、線状光源であるＣＦＬ３１が基板１１上にてＸ方向に所定間隔で並んで、且つこのＸ方向に垂直なＹ方向に延びるように配置された複数個の線状光源としてのＣＦＬ３１を備えている点でのみ異なる構成である。

このような構成の面光源装置３０によれば、図１から図３に示した面光源装置１０と同様に作用する。またた、、Ｙ方向に延びる線状光源としてのＣＦＬ３１が使用されていることにより、Ｙ方向の照度分布がより一層均一化されることになる。

上述した実施形態においては、三色の発光色のＬＥＤ１２が使用されているが、これに限らず、二色または単色のＬＥＤ１２が使用されてもよい。
また、上述した実施形態においては、発光素子として、点状光源としてのＬＥＤ１２または線状光源としてのＣＦＬ３１が使用されているが、これに限らず、他の種類の発光素子が使用されていても、本発明を適用し得ることは明らかである。

さらに、上述した実施形態においては、上記導光体１３の上方に拡散板１５及びプリズムシート１６が配置され、また上記基板１１上に拡散反射フィルム１７が配置されているが、これに限らず、これらの拡散板１５，プリズムシート１６及び拡散反射フィルム１７は、使用条件によっては適宜に省略されてもよい。
また、上述した実施形態においては、ＬＥＤ１２は、互いに垂直な二方向にそれぞれ所定間隔で配列されているが、これに限らず、垂直でない二方向にそれぞれ所定間隔で配列されていてもよい。
さらに、上述した実施形態においては、ＬＥＤの一つの配列方向に関してのみ、湾曲形状１３ａを有しているが、これに限らず、双方の配列方向に関して、湾曲形状１３ａを有していてもよい。

本発明による面光源装置は、例えば液晶パネル等のバックライトや、透明フィルム等に印刷された看板等を背面から照明するためのフラット照明、あるいは各種機器におけるライン光源として利用することができる。

このようにして、本発明によれば、簡単な構成により、輝度ムラ及び色ムラが効果的に抑制され得て、全体が薄型に構成され得るようにした直下型の面光源装置が提供され得る。

本発明による面光源装置の第一の実施形態の構成を示す概略断面図である。 図１の面光源装置の要部を示す部分拡大断面図である。 図１の面光源装置における基板に対する導光体の組み付けを示す概略斜視図である。 面光源装置による照射光の照度分布を示すグラフであり、（Ａ）は図１の面光源装置，（Ｂ）は図９の面光源装置そして（Ｃ）は切断面のない場合をそれぞれ示している。 図１の面光源装置における導光体の湾曲形状上の点における点光源からの光の全反射を示すグラフである。 図１の面光源装置における全反射角θをパラメータとする湾曲形状の設計例を示すグラフである。 図１の面光源装置における面光源の場合の導光体の湾曲形状の基準を示す概略図である。 図１の面光源装置における導光体の湾曲形状の最も低い部分の尖端付近における全反射を示す概略図である。 本発明による面光源装置の第二の実施形態の構成を示す概略断面図である。 本発明による面光源装置の第三の実施形態における基板に対する導光体の組み付けを示す概略斜視図である。

符号の説明

１０，２０，３０ 面光源装置
１１ 基板
１２ ＬＥＤ（発光素子）
１３ 導光体
１３ａ 湾曲形状
１３ｂ 最も低い部分
１３ｃ 逆Ｖ字溝
１３ｄ 凹凸形状
１３ｅ 切断面
１３ｆ，１３ｆ’ 単位導光体
１３ｇ 切断面（傾斜）
１４ 拡散板
１５ 拡散シート
１６ プリズムシート
１７ 拡散反射フィルム
１８ ケース
３１ ＣＦＬ（線状光源）

Claims (11)

1. 所定間隔で基板上に配置された複数個の発光素子と、これらの発光素子の上方に配置された導光体と、を含んでおり、
   上記導光体の上面が、少なくとも発光素子の一つの配列方向の断面にて、各発光素子の直上で最も低く、そして各発光素子の間の領域で上方に向かって弓形に突出するように湾曲しており、
   上記最も低い部分が、上記断面にて、各発光素子の直上に位置すると共に、これらの間の弓形の湾曲部分が、上記最も低い部分から離れるにつれて傾斜角が小さくなるように、且つ何れの部分においても対応する発光素子からの光を全反射させるように形成されており、
   上記導光体が、上記断面方向に関して各弓形に突出するように湾曲した部分の頂点にて、上記断面にほぼ直交する方向に切断された形状の単位導光体に分割されている、
   ことを特徴とする、面光源装置。
2. 上記各単位導光体の上記切断面が、上記導光体の法線に対して０度から５度の傾斜角で下向きに傾斜しており、隣接する単位導光体の切断面と対向して間に空気層を画成していることを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。
3. 上記発光素子が、ＬＥＤまたは小型電球を含む点状光源であることを特徴とする、請求項１または２に記載の面光源装置。
4. 上記発光素子が、冷陰極管，熱陰極管を含む線状光源であることを特徴とする、請求項１または２に記載の面光源装置。
5. 上記導光体の上面の弓形の湾曲部分が、何れの部分においても、対応する発光素子からの光をほぼ臨界条件にて全反射させるように形成されていることを特徴とする、請求項１から４の何れかに記載の面光源装置。
6. 上記導光体の下面が、上記断面にて、各発光素子の間の領域に凹凸形状を備えていることを特徴とする、請求項１から５の何れかに記載の面光源装置。
7. 上記発光素子が、複数種類の発光色の発光素子であることを特徴とする、請求項１から３，５及び６の何れかに記載の面光源装置。
8. 上記導光体の下面が、上記断面にて、各発光素子に対応する領域に、ほぼ逆Ｖ字形の溝を備えていることを特徴とする、請求項１から７の何れかに記載の面光源装置。
9. 上記導光体が、上記断面形状を有する押出形状を備えていることを特徴とする、請求項１から８の何れかに記載の面光源装置。
10. 上記導光体の上方に、光拡散または光集束等の光束制御を行なう光学部材を備えていることを特徴とする、請求項１から９の何れかに記載の面光源装置。
11. 上記基板が、発光素子の実装部を除く上面に、拡散反射部材を備えていることを特徴とする、請求項１から１０の何れかに記載の面光源装置。

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