JP2011076803A - 照明装置及びこれを用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プリズムシートを用いることなく、照明装置から出射される光の方向を制御して２方向へ配光する。さらに、照明装置から出光される光を上下方向で制御し、照明装置の正面輝度を向上させる。
【解決手段】 光源１からの光を導入し、出射面へ特定の方向に指向性をもつ光を導く導光体２の出射面上に、出射面から出射された光を特定の２方向に配光するプリズム３を設ける構造とした。さらに、導光体に入光する光を一定の方向に揃えるために、導光体２の入光部は、凹部が形成された入光面２ａと、この入光面に接続するような放物面を備える。また、導光体の下面に設けられた反射構造体により、出射面へ導かれる光の指向性を制御する構造とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照明装置、及び、電子機器に用いられる表示装置に関する。特に、カーナビゲーションシステム、液晶テレビ等に用いられる液晶表示装置、及び非自発光型の表示素子を照明するフロントライトやバックライト等の照明装置に関する。また、住居やオフィス等の設備照明用装置にも関する。

従来から、カーナビゲーションシステムのように正面ではなく、運転席と助手席といった特定の２方向に観測者が居る場合に、その２方向から最も明るく見える照明装置が提案されている。このような照明装置では、面光源の出光面に、頂角が約９０°のプリズムを持ったプリズムシートを、プリズムの頂角が出光面側を向くように配置する構成により、２方向へ光を配光することが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０００−１６４０１６号公報

特許文献１の図２に開示された照明装置では、プリズムシートによって配光される光の方向はある一定の角度のみに限られており、また、照明装置正面方向の輝度が極めて低くなっていた。また、照明装置の正面から見て左右方向（９時の方向と３時の方向）に光の配光を制御する事はできるが、上下方向（１２時の方向と６時の方向）に光の配光を制御することができなかった。カーナビゲーションシステムに文献１の照明装置を用いる場合、照明装置から出射する光の上下方向に配光を制御する事ができないために、フロントガラスなどへの映り込みが発生する恐れがあった。それを防止するために、上下方向に光の拡散を抑制するシートをさらに追加せざるを得なかった。

さらに、このような配光特性を持つ照明装置は、導光体の出光面に複数の光学フィルムを配置する必要があるため、照明装置の厚みが厚くなり、製造コストが増加した。また、これらの光学フィルムとプリズムシートが重ねられるため、照明装置が振動するとプリズムシートのプリズムがこすれるという問題もあった。

本発明の照明装置は、導光体の出射面に、出射光を２方向に配光する上プリズムが形成される。さらに、導光体の入光面に凹部が光源に対向するように形成され、光源の出光部から出光方向に放射線状にのびた放物面が入光面に接続される。これにより、光源からの光の方向を一定に揃えることができる。また、導光体の下面（出射面と反対の対向面）には反射構造体が形成される。入光部からの光は、この反射構造体に反射されると光の方向が制御されて特定方向に指向性を有する光となって導光体の出射面へ導かれる。

本発明によれば、プリズムシートを用いることなく、導光体の出射面から出射される光の角度や強度を、正面から見て左右及び上下方向に、任意に制御することができる。そのため、斜め方向から視認しやすく、正面からも充分な輝度を得られ、高輝度かつ広視野角で薄型の照明装置を提供することができる。

本発明の照明装置の構成を示す模式図である。 本発明の照明装置の構成の一部分を模式的に示す拡大図である。 本発明の照明装置の構成を示す模式図である。 本発明の照明装置の入光部を説明する模式図である 本発明の照明装置の構成の一部分を模式的に示す拡大図である。 本発明の照明装置の構成の一部分を示す模式図である。 本発明の照明装置の光の挙動を示す図である。 本発明の照明装置の断面構成を示す模式図である。

本発明の照明装置は光源と導光体を備え、導光体の入光部は、光源からの光を一定の方向に揃えて内部に導入する。さらに、導光体の下面には反射構造体が形成されており、内部に導入された光はこの反射構造体によって反射され、特定方向に指向性をもつ光となって上面（導光体の出射面）へ導かれる。そして、導光体の上面（以下、出射面と称す）に形成されたプリズムによって、出射面から出射される光が特定の２方向に配光される。

さらに、本発明の照明装置の詳細について図１〜図３を用いて説明する。図１は、本発明の照明装置を模式的に示す俯瞰図である。図示するように、光源１と、光源１からの光を導光して出射面から特定の２方向に分割された光を出射する導光体２が設けられている。導光体２は入光部２ａと発光部に大別できる。入光部２ａは、光源１の出光部に向かい合う入光面と、光源１の出光部から出光方向に放物線状に形成された放物面とを備えている。図示するように、光源が複数個設けられている場合、各光源１の間隔と対向する入光部２ａに放物面が形成されることとなる。また、入光部２aの入光面に近接して光源１が配置されている。導光体２は、入光部２ａの入光面から入射した光を導光して発光部の出射面から出射させる。入光部２ａの入光面には光源１の出光部に対向するように凹部が形成されている。入光部２ａで光源１からの光は入光部に垂直に導光体２の内部に導入され、出射面から一定方向に指向性を有する光が出射する。

図２は、図１の照明装置を光源の後方から見た側面図である。図示するように、導光体２の出射面には、導光体２の内部で特定方向に指向性が制御されて出射面に導かれた光を、特定の２方向へ配光させる上プリズム３が配置されている。図３は図２の一部を拡大した導光体２の断面図で、本照明装置の光の挙動を表している。光源１から出光した光は導光体２へ入光し、導光体２の内部で特定方向へ指向性を有する光７となって立ち上がり、出射面に配置された上プリズム３に入射する。上プリズム３は導光体内部から出射する光を特定の２方向に配光する機能をもつ。この上プリズム３の頂角は、４０°〜１７０°の範囲が望ましい。特定方向に指向性を有する光７のうち、プリズムを構成する斜面３ａにあたった光は、屈折して出射光９ａとなり、導光体の上面から出光する。また、同様に、光７のうち、プリズムを構成する斜面３ｂにあたった光も屈折して出射光９ｂとなり、導光体の上面から出光する。このようにして、特定方向に指向性を有する光７は出射面のプリズムによって特定の２方向に配光される。

次に、図１をもとに、光源１からの光が、導光体２の内部で、特定方向に指向性をもつ光に変えられ、出射面に向けて反射する構成について説明する。前述のように、入光部を、凹部が形成された入光面と放物面で構成することによって、広範囲に発光される光源の光を一定の方向に揃えて導光体２の内部に導入させることが可能になる。図示されないが、導光体２の下面（出射面と反対側の対向面）には、入光面から入射した光を出射面から出すために凹形状の反射構造体が形成されている。入光部により一定方向に揃った光はこの反射構造体の反射面で反射されると、特定方向に指向性をもった光となって導光体２の出射面から出射する。すなわち、反射構造体は、入光部によって導入された光の指向性を制御する機能をもつ。このとき、反射構造体の反射面と導光体の出射面とが形成する角度を調整することにより、光の方向をかえることができる。

また、反射構造体は、ピッチを等間隔にして、高さを変化させてもよい。すなわち、反射構造体の高さを光源から遠くなるほど高くする。あるいは、反射構造体の高さを一定とし、ピッチを可変としてもよい。すなわち、反射構造体のピッチを光源から遠くなるにつれて狭くする。

さらに、導光体２の出射面に配置される上プリズム３は、発光部の全面だけでなく入光部にも形成され、上プリズム３の形状を発光部と入光部でかえることができる。入光部の上プリズム３は、光源にできるだけ近い位置まで形成されるとともに、入光部から出る光の方向が揃うような形状とする。発光部の上プリズム３は出射面からの光の方向や強度を補正するような形状とする。

また、本発明の表示装置は、非自発光型の表示素子を上述のいずれかの構成の照明装置で照明する構成とした。

本実施例を図４〜図7を用いて説明する。図４に、導光体２の入光部２ａの形状を拡大して示す。図示するように、光源１と対向する入光面に台形状の凹部２ｂが設けられている。台形の短辺は０．２〜０．６ｍｍ、長辺は１．０〜１．２ｍｍ、高さは０．５〜１．０ｍｍ程度であり、最適値は光源１の配光特性等によって異なる。また、光源１の出光部から出光方向に沿って放物線状に放物面２ｃが伸びている。放物面２ｃの曲線は放物面２ｃを形成する放物線の焦点位置によって決められ、焦点位置は光源１から出射面に沿って水平におおよそ０．５〜０．７ｍｍの範囲内である。凹部の形状、放物線およびその焦点位置は光源１の配光特性に合せて最適化される。本実施例では凹部形状を台形としたが、半円や、三角形、もしくは多角形等の形状であっても同様の効果が得られる。また、本実施例では、放物面２ｃを曲面により形成したが、角度をつけて組み合わされた複数の平面によって形成し、多角形状としてもよい。放物面２ｃを多角形状とした場合には、配光を自在に制御でき、より高輝度かつ高均一な照明装置が実現できる。

導光体２にはプリズムやドットなどの反射構造体が形成されている。導光体２に入光した光は、導光体内部を導光しながら進行し、反射構造体にあたることにより導光体２の出射面から出光する。本実施例の入光部２ａによって、入射された光が反射構造体にあたったときに、出射面に向けて特定の方向成分を持った光をより多く導光体内において導光させることができる。入光部２ａは光源１の光を三方向に分けつつ、一部の成分の方向を変換する機能を有している。光源１から出光した光は、台形状の凹部２ｂにぶつかり、台形の短辺から導光体２に入光してそのままほぼ直線状に進む直進成分８ａと、台形の２つの斜辺から屈折して入光する成分にわかれる。この成分は放物面２ｄにあたり、多くの成分が全反射して反射成分８ｂとなり、直進成分８ａとほぼ同じ方向に進む。すなわち、入光部の入光面に台形状の凹部２ｂと放物面２ｃを設けることにより、光源１からの光の方向をそろえることができる。放物面２ｃの焦点距離は光源１から０．５〜０．７ｍｍ程度である。直進成分８ａと反射成分８ｂの光は導光体２に形成された反射構造体にあたり、出射面から出射する。

次に、図５に、反射構造体として導光体の対向面（出射面とは反対の面）に下プリズム５が形成された照明装置の要部を模式的に示す。導光体２には前述の入光部２ａが形成されているため、光源１から出光した光は、大部分が下プリズム５に対して垂直な成分となる。下プリズム５の頂線に対して垂直な方向の光は、下プリズム５で特定の方向成分を持ったまま反射し、出射することになる。そのため、導光体からの出光する光の配光制御が容易になり、かつ出光効率を非常に高くすることができる。

次に、図６を用いて本実施例の上プリズムを説明する。図示するように、導光体２の出射面２ｄには、下プリズムの配列方向に対して直交する配列方向をもつ上プリズム３が形成されている。上プリズム３は、導光体２から出射する光の方向や強度を補正する機能をもつ。

上プリズム３の頂角は、４０°〜１７０°という広い範囲で設定される可能性がある。上プリズム３は、導光体２の発光部全面だけでなく、入光部２ａの上面にも形成されることが望ましい。すなわち、光源１にできるだけ近い位置まで形成することが望ましい。入光部２ａの上面まで上プリズム３を形成することにより、直進成分８ａと反射成分８ｂをより均一に混合することができる。直進成分８ａと反射成分８ｂを均一に混合するための上プリズム頂角の最適値と、導光体２から出射する光の方向や強度を補正するための上プリズム頂角の最適値は異なることが多い。そのため、入光部２ａの上面（光源１に近い部位の導光体２）に設けられた上プリズム形状と、導光体２の発光部に設けられた上プリズム形状を個別に最適化すると尚良い。すなわち、光源に近い入光部の上面に形成されたプリズムの頂角は、入光部から出る光の方向を揃えるように設定され、発光部の上面に形成されたプリズムの頂角は出射面２ｄから出射される光の方向や強度を補正するように設定される。

さらに、出射面の発光部全面に設けられた上プリズム３の頂角と光の挙動について図７（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、導光体２の出射面の発光部全面に上プリズム３が設けられており、それぞれ上プリズムの頂角が異なっている。図７（ａ）と図７（ｂ）では、図７（ａ）の上プリズムのほうが大きな頂角になるように形成されている。導光体２の上プリズムの頂角を大きくすると、図７(ａ)に示すように、出射光７は、出射面２ｄと垂直に近い光の成分を多く持つようになり、光の配向が狭まる。一方、上プリズムの頂角を小さくすると、図７(ｂ)に示すように、導光体２から出光する光の配向角度を大きくすることができる。このように、上プリズムの頂角の大きさを調整することにより、光が配光される角度を変化させることができる。

図７（ｃ）では、上プリズムの頂角が導光体２の出射面に垂直な方向から傾けられて配置されている。これにより、導光体２からの出射光７の成分を出射面２ｄに垂直な方向から傾けることができ、光の配光を傾けることができる。

次に、導光体の対向面に形成された下プリズムと、出射面へ導かれる光の制御について説明する。図８（ａ）〜（ｃ）は、本実施例の照明装置の断面を示す。本実施例の照明装置は、フレーム６の上に反射シート４が配置され、反射シート４の反射面と向かい合うように導光体２が配置される構成である。また、図８（ａ）〜（ｃ）では、それぞれ下プリズムの形態が異なっている。

導光体２は出射面２ｄとその対向面を有する。図示されないが、図８（ａ）〜(ｃ)の出射面２ｄにはそれぞれ上プリズムが形成されている。また、図８（ａ）〜(ｃ)に示すように、下プリズム５は導光体２の対向面に形成された凹部であり、少なくとも二つの面で構成されている。この二つの面のうち、光源１に近い面が反射面２ｅである。光源１から導光体２に入光した光は、前述の通り、直進成分８ａと反射成分８ｂとに分かれ、下プリズム５の頂線に対して垂直に下プリズム５にぶつかる。そのため、多くの成分が出射面２ｄから出射しやすい。本実施例では、プリズム角度を下プリズム５の反射面２ｅが導光体の出射面２ｄとなす角度とする。図８（ａ）〜（ｃ）は、下プリズム５の角度がそれぞれ異なり、出射面２ｄから出射する光の方向がそれぞれ異なる。

図８（ａ）は、プリズム角度が４０〜５０度の範囲にある。このため、多くの成分が下プリズム５の反射面２ｅで導光体２の出射面２ｄと垂直な方向に全反射する。

図８（ｂ）に示すように、下プリズム５のプリズム角度を小さくした場合、光源からの光は、反射面２ｅで反射すると、光源とは逆方向、すなわち、照明装置正面から見て上方（１２時の方向）に傾いて進む。このように、下プリズムのプリズム角度を小さくすると、出射面２ｄから出射する光を光源とは反対の方向に指向性をもたせることができる。

また、図８（ｃ）に示すように、下プリズム５のプリズム角度を大きくした場合、光源からの光は、反射面２ｅで反射すると、光源の方向、すなわち、照明装置正面から見て下方（６時の方向）に傾いて進む。このように、下プリズムのプリズム角度を大きくすると、出射面２ｄから出射する光を光源の方向に指向性をもたせることができる。

以上のように、下プリズム５のプリズム角の大きさを変えることにより、反射面２ｅで反射される光の方向を光源側に傾けたり、光源と反対側に傾けたりすることができる。すなわち、この照明装置がカーナビゲーションなどの機器に組み込まれる場合には、正面から見て上下方向に光の配光を制御できる。このように、上下方向の光の成分を制御することで、照明装置の正面の輝度を上げることができる。また、出射面２ｄから出射する光は、導光体２の出射面に配置された上プリズムによって左右に配光されるため、これら上下のプリズムを調整することにより、光源１からの光を任意の方向に制御することが可能になる。

また、本実施例では、下プリズム５のピッチを等間隔とし、高さを変化させるように設定した。光源１に近いほど下プリズム５は低く、遠くなるほど高い。プリズムが形成された導光体と液晶パネルと組み合わせて使用する場合、液晶パネルのドットピッチと干渉しやすいプリズムのピッチが存在する場合がある。本実施例のように、ピッチが一定であれば、液晶パネルとの干渉を回避しやすいメリットがある。また、導光体２の厚みやサイズよって下プリズム５の高さを非常に小さくしなければならない場合は、逆に、反射構造体の高さを一定とし、ピッチを可変とすることで同等の効果を得ることができる。

なお、反射シート４には、ＰＥＴ等の透明フィルムに銀やアルミニウムを蒸着したようなタイプや、白色ＰＥＴや住友３Ｍ社製のＥＳＲ等が用いられる。また、フレーム６に、白色ポリカーボネート等の樹脂成形品を用いることができる。フレーム６を更にアルミニウム等のメタルフレームで覆ってもよい。

本発明に係る照明装置、及び、表示装置は、例えば、携帯電話、ＰＤＡ、カーナビゲーション、テレビ等の表示機器に適用できる。また、住居やオフィス等の設備照明用装置にも適用できる。

１ 光源
２ 導光体
２ａ 入光部
２ｂ 凹部
２ｃ 放物面
２ｄ 出射面
２ｅ 反射面
３ 上プリズム
４ 反射シート
５ 下プリズム
６ フレーム
７ 光
８ａ 直進成分
８ｂ 反射成分
９ 出射光

Claims (6)

1. 光源と、
   前記光源からの光を入光部で一定の方向に揃えて内部に導入し、下面に形成された反射構造体により特定方向に指向性をもつ光を上面へ導く導光体を備え、
   前記導光体の上面には、前記上面から出射される光を特定の２方向に配光するプリズムが設けられることを特徴とする照明装置。
2. 前記入光部の入光面に、前記光源の出光部に対向するように凹部が設けられ、
   前記入光部は、前記入光面と、前記光源の出光部から出光方向に放物線上にのびた放物面を有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記プリズムは、前記導光体の上面に、前記入光面に直交する方向に複数形成され、
   頂角は、４０°〜１７０°であることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記プリズムは前記入光部にも形成されており、前記上面に形成されたプリズムと前記入光部に形成されたプリズムは形状が異なることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記反射構造体は前記下面に凹形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 光源と、
   前記光源からの光を入光部で一定の方向に揃えて内部に導入し、下面に形成された反射構造体により特定方向に指向性をもつ光を上面へ導く導光体と、
   前記導光体の上方に配置された非自発光型の表示素子を備え、
   前記導光体の上面には、前記上面から出射される光を特定の２方向に配光するプリズムが設けられることを特徴とする表示装置。

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