JP2012014871A - 面照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡易で、出光面から略垂直方向への均一な出光を可能とする中空方式の面照明装置を提供する。
【解決手段】平面状の出光面５ｆを有する出光部材５と、平面状の反射面３ｆを有する反射部材３と、光源１０とを具備し、前記出光部材５と、前記反射部材３とが、中空部４を介して、前記反射面３ｆと、前記出光面とは反対側の主面とが対向するように配置されており、前記光源１０は、前記出光面５ｆに対して垂直の側面部に設けられており、前記光源１０が、線状で、かつ平行光を出光する線状平行光源であり、前記反射面３ｆには、前記平行光に対し４５±５度の傾斜角を有する複数の光反射性の斜面を具備する微細プリズム構造が設けられている面照明装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、面照明装置に関する。

従来から、液晶表示用のバックライトとしては、直下方式とエッジランプ方式の２種類が知られており、薄型化を目的とする場合にはエッジランプ方式がより好適である。
一般的なエッジランプ方式の面照明装置は、線状の光源と導光板とを主たる構成要素としている。
導光板とは、片方の主面にドット状の乱反射体を具備し、この乱反射体形成面側とは反対側の主面を出光面とした透明樹脂からなる平板である。
この導光板の側面に線状の光源を配設し、前記光源からの光を導光板内部に入射し、前記乱反射体で乱反射させ、出光面に向かうようにする。

一方、導光板を使用しないエッジランプ方式（以下、「中空方式」とも言う。）の面照明装置についても従来知られており、この方式の面照明装置は、線状の光源と光を乱反射する反射面とを具備している（例えば、特許文献１、２参照。）。

特許第２６５７４７２号公報 特許第３２８０８２８号公報

しかしながら、上記中空方式の面照明装置においては、光源からの距離が遠ざかるにつれて、反射面の輝度が低下する傾向が強くなるという問題を有しており、輝度が面内で不均一化するという問題を有している。

上記のような、反射面輝度が不均一化するという問題に関し、上記特許文献１においては、中空の導光部を設け、底部を構成する光乱反射層の、光源から遠い部位を、上向きに傾斜させる方法によって、輝度の均一化を図っている。
しかし、この方法は、光源からの距離に応じて光乱反射層の傾斜角を徐々に増加させるという、精密な角度制御が必要であり、また、光源からの出光面に平行な光を乱反射させるだけで出光面に向かわせていることから、出光方向が光源の反対側に偏りやすい傾向がある。

上記特許文献２において提案されている面照明装置は、略平行に配置された一対の光源ユニット、下面側の反射・プリズム部、中空の空洞導光部、及び上面側の導光部からなる導光手段を有している。
上面側においては、４つの矩形板状のプリズムアレイ部を繋ぎ合わせることにより、直線状の峰部が形成されており、当該峰部は、両光源ユニットの長手方向に略平行となっており、かつ両光源ユニットの概ね中間に位置する切妻屋根状となっている。
下面側においては、反射部材が敷設された構造を有しており、光源ユニットに近い外側の２つのプリズムアレイ部の各プリズムの稜線が、前記切妻屋根の直線状の峰部と、略直角に交差するように形成されている。光源ユニットから遠い内側の２つのプリズムアレイ部は、各プリズムの稜線が前記切妻屋根の直線状の峰部と略平行となる構成となっている。
上記構造により、面照明装置からの出光の均一化を図っている。
しかし、構造が複雑で多くの光学部材が必要であるという問題を有している。

そこで本発明においては、構造が簡易で、出光面から略垂直方向への均一な出光を可能とする中空方式の面照明装置を提供することを目的とする。

本発明者は、上記の従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、線状で平行光を出射する光源と、該光源が出射する平行光と４５±５度の角をなす光反射性の斜面を有する微細プリズム構造が形成された反射面とを具備する面照明装置によって、上述した従来技術の問題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明は下記の通りである。

〔１〕
平面状の出光面を有する出光部材と、
平面状の反射面を有する反射部材と、
光源と、
を具備し、
前記出光部材と、前記反射部材とが、中空部を介して、前記反射面と、前記出光面とは反対側の主面とが対向するように配置されており、
前記光源は、前記出光面に対して垂直の側面部に設けられており、
前記光源が、線状で、かつ平行光を出光する線状平行光源であり、
前記反射面には、前記平行光に対し、４５±５度の傾斜角を有する光反射性の斜面を具備する複数のプリズムよりなる微細プリズム構造が設けられている面照明装置。

〔２〕
前記プリズム構造を構成する各プリズムが、５〜５００μｍのピッチで形成されている前記〔１〕に記載の面照明装置。

〔３〕
前記光反射性の斜面の可視光反射率が９０％以上である前記〔１〕又は〔２〕に記載の面照明装置。

〔４〕
前記プリズム構造を構成する各プリズム間が、当該プリズムの高さの１／２以下の領域において曲面形状となっている前記〔１〕乃至〔３〕のいずれか一に記載の面照明装置。

〔５〕
透明体からなる微細凹凸構造を具備する光拡散層を、さらに有する前記〔１〕乃至〔４〕のいずれか一に記載の面照明装置。

〔６〕
前記光拡散層が、前記出光部材の前記反射部材側に配置されており、前記光拡散層は、光線透過率が７０％以上である前記〔５〕に記載の面照明装置。

〔７〕
前記光拡散層の微細凹凸構造が、ピッチが１〜５０μｍで、アスペクト比が０．５〜３のランダムな凹凸パターン構造である前記〔５〕又は〔６〕に記載の面照明装置。

〔８〕
前記光源が、発光部とコリメータレンズとにより構成されており、前記発光部が発光ダイオードである前記〔１〕乃至〔７〕のいずれか一に記載の面照明装置。

〔９〕
前記発光部が、線状の連結した蛍光体含有封止材を具備している前記〔８〕に記載の面照明装置。

〔１０〕
前記光源が、直線偏光を出光する前記〔１〕乃至〔９〕のいずれか一に記載の面照明装置。

〔１１〕
１つの出光部材に対して、複数の光源及び反射部材が設けられている前記〔１〕乃至〔１０〕のいずれか一に記載の面照明装置。

〔１２〕
前記光源から前記反射部材の反射面への入射角度を調整する入射角制御手段を、さらに具備している前記〔１〕乃至〔１１〕のいずれか一に記載の面照明装置。

本発明によれば、構造が簡易で、出光面から略垂直方向への均一な出光を可能とする中空方式の面照明装置を提供できる。

本実施形態の面照明装置の一例の概略斜視図を示す。 本実施形態の面照明装置の一例の要部の概略断面図を示す。 本実施形態の面照明装置の他の一例の要部の概略断面図を示す。 本実施形態の面照明装置の反射面に形成されているプリズム構造の一例の概略断面図を示す。 本実施形態の面照明装置の要部の他の一例の概略断面図を示す。 本実施形態の面照明装置を構成する光源において、偏光変換素子を組み合わせた構造の一例の概略図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」と言う。）について、図面を参照して説明する。
なお、図面中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
また、各図面中、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとし、さらに図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。
さらに、本明細書において、「略」を付した用語は、当業者の技術常識の範囲内でその「略」を除いた用語の意味を示すものであり、「略」を除いた意味自体をも含むものとする。

〔面照明装置〕
図１に、本実施形態の面照明装置の一例の概略斜視図を示す。
本実施形態の面照明装置は、平面状の出光面５ｆを有する出光部材５と、平面状の反射面３ｆを有する反射部材３と、光源１０とを具備している。
前記出光部材５と前記反射部材３とが、中空部４を介して対向配置されている。
前記光源１０は、前記出光面５ｆに対して垂直の側面部に設けられている。
前記光源１０は、線状で、かつ平行光を出光する線状平行光源である。
前記反射面３ｆには、前記平行光に対し、４５±５度の傾斜角を有する複数の光反射性の斜面を具備する複数のプリズムよりなる微細プリズム構造が設けられている。

（光源）
光源１０は、発光部１とコリメータレンズ２とにより構成されており、図１に示すように、発光部１の出光部が、高さｈ、幅ｗの線状平行光源である。
ここで、線状平行光源とは、出光ビームの光進行方向の垂直断面形状が線状で、光量が光源からの距離によって変化しない光源を意味するが、実用的には、高さｈ方向の半値角で５度以下であれば平行光源であるものとする。

発光部１は、面照明装置の側面部に設置される。
コリメータレンズ２は、発光部１の出光部付近に設置され、出光を平行光にする機能を有している。
本実施形態の面照明装置においては、側面部から入射した平行光が、反射面３ｆで反射し、出光部材５の出光面５ｆの略法線方向に出光する。

発光部１の出光部は、高さｈがコリメータレンズ２よりも低く、コリメータレンズ２に向かって出光し、幅ｗ方向に略連続的に発光するものであることが好ましい。発光部１としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）を幅ｗ方向に小間隔で一列に並べた構成等が挙げられる。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、発光幅を狭くすることが容易で、一方向に出光する。
また、蛍光体を含有する樹脂を線状に連結させた蛍光体含有封止材を用いることにより、蛍光発光する発光部１を形成できる。さらに、出光側への放熱が少ないためにコリメータレンズ２を樹脂化できる。これらの利点から、ＬＥＤは、発光部１として特に好ましい。
ＬＥＤを線状に並べる場合、発光部１の幅ｗ方向の明るさムラを低減化するために、できるだけ幅ｗ方向に線状に連続して発光させることが好ましいが、連続化が困難である場合には、幅ｗ方向に選択的に光を拡散させる一方向拡散層（図示せず）を、発光部１とコリメータレンズ２との間に挿入することが好ましい。
また、ＬＥＤとしては、発光部１の出光部の高さｈ及び幅ｗの両方向への出射光の拡散を低減化し、より平行光に近づけるために、ＬＥＤの近くに小さなレンズや反射鏡を設け、該ＬＥＤと一体化された構造とし、これらを線状に並べることも好ましい。

コリメータレンズ２は、発光部１からの光を平行光にして、面照明装置の面方向に沿って出光させる機能を有している。これにより、反射面３ｆに対し、均一に光を配分することができる。
反射面３ｆに対し、入射光が均一に配分されることにより、面照明装置の明るさムラを効果的に低減化できる。

コリメータレンズ２は、シリンドリカルレンズ等のレンズで構成することができ、コリメータレンズ２の焦点に、発光部１の出光部を設置することで、平行光を得ることができる。

前記平行光は、出光面５ｆの明るさを均一にするために、光源１０からの距離により大きく変わる拡散成分を減らし平行度を高めることが好ましい。
光源１０から出光した光の拡散角は、高さｈ方向においては、半値角で５度以下が好ましく、３度以下がより好ましい。
高さｈ方向の半値角を小さくするには、例えば、後述のようにコリメータレンズを最適化すればよく、コリメータレンズ２の焦点よりもわずかに位置をずらして発光部１を設置することで平行よりもわずかに先すぼまりの出光とすることもできる。また、幅ｗ方向においては、半値角で１００度以下が好ましく、５０度以下がより好ましく、２０度以下がさらに好ましい。幅ｗ方向の半値角が比較的大きな場合には、例えば、光源１０の幅ｗ方向と垂直な方向にある面照明装置の側面部に反射材を設置する、または発光部１とコリメータレンズ２との間に光反射率の高い白色材料で構成したルーバを挿入するなどしてもよい。ルーバは高さｈ方向の半値角を小さくするのにも有効である。
出光の高さｈ方向の半値角を小さくし、平行度を高めるためには、コリメータレンズ２の球面収差の少ない中心部分を使用することが好ましく、具体的にはコリメータレンズ２に半円断面を持つシリンドリカルレンズを使用した場合、中心軸から半円断面の半径方向に±２０度以下、さらには±１０度以下の部分を使用することが好ましい。この場合、あらかじめ発光部１の近くに他のレンズを設けることにより、シリンドリカルレンズ２の中心部分に光が向かうよう集光をすることができる。

光源１０の小型化を図るためには、コリメータレンズ２として円柱レンズ等の焦点距離の短いレンズを用いることが好ましく、また、ＬＥＤを発光部１とする場合、ＬＥＤの高さを２ｍｍ以下にすることが好ましく、１ｍｍ以下にすることがより好ましい。

図６に、光源１０の他の構成例を示す。
図６に示す例においては、光源（線状平行光源）１０の出光を直線偏光にするために、偏光ビームスプリッタ１０３、位相差板１０４、光反射面１０６、直線偏光板１１１からなる偏光変換素子１０２を、コリメータレンズの出光側に設けた構成となっている。
このような構成とすることにより、偏光の平行光を効率的に作ることができる。
直線偏光の面照明装置は、液晶テレビのバックライトに適しており、各種光学フィルムを省略することができる。

（反射部材、反射面）
本実施形態の面照明装置は、出光面５ｆを有する出光部材５と、反射面３ｆを有する反射部材３とが、中空部４を介して、互いの主面において対向配置されている。
図１において、反射面３ｆは、光源１０から出光される平行光に対して角θをなすように傾けて配置されている。
ここで、角θは、図１中に示す長さＬと高さＨとによって定められ（tanθ＝Ｈ／Ｌ）、Ｈは光源１０の出光部の高さと同等で、Ｌは面照明の必要な範囲によって定められる。一例として、Ｌ＝５００ｍｍでＨ＝１０ｍｍの場合、θは１．１５°である。
反射面３ｆの傾きθは、装置の高さＨに比べ出光面を広くするために、光源１０からの光に対し５度以下、特に３度以下であることが好ましい。
なお、上記のように反射面３ｆを傾けることに代えて、又は反射面３ｆを傾けることに加えて、光源１０からの平行光の方向を変えてもよい。
この場合、光源１０から反射面３ｆへの入射角度を調整する入射角制御手段をさらに設けてもよい。入射角制御手段としては、光源１０の取り付け部分にネジ等を設け、平行光の反射面３ｆへの入射角度を微調整するなどの方法が挙げられる。
光源１０から出光した光は、中空部４を通過し、反射面３ｆに当たり、上方に反射して、出光面５ｆより出光する。
光源１０からの光が平行かつ光分布が均一で、反射面３ｆの反射特性が均一であれば、全面に渡って均一な光を出光させることができる。

反射面３ｆは、基本的に平面状であって、光反射性の斜面を具備する複数のプリズムよりなる微細プリズム構造が表面に形成されている。反射面３ｆが平面状であることから、均一な出光が可能となる。ここで、平面状とは、反射面３ｆが全体として曲面を形成しない、平板状であることを意味し、微細プリズム構造の存在を否定するものではない。
図２に、反射面３ｆに形成されている微細プリズム構造の模式的な断面図を示す。
微細プリズム構造を構成する各プリズムは、光源１０側に傾斜した光反射性の斜面を有しており、斜面の傾斜角は、装置面のほぼ法線方向に出光させるために、光源１０からの入射光に対し４５±５度であるものとする。

微細プリズム構造を構成する各プリズムの周期（ピッチ）は、面照明装置からの出光を均一にするために小さいほうが好ましいが、加工の容易さや出光部における拡散性能、視点からの距離などの実用性を考慮すると、微細プリズム構造を密に設ける場合、プリズムピッチは５〜５００μｍであることが好ましく、５〜１００μｍであることがより好ましい。なお、プリズムピッチは、場所（位置）によって徐々に変えたり、またはモアレ模様を消すためにランダムとしたりすることもできる。
面照明装置から視点までの距離が長いなど出光に高い均一性が求められない場合、微細プリズム構造は、密に設ける必要はなく０．５〜１０ｍｍ程度の間隔をおいてもよく、間隔を変更することで装置からの出光分布を調整することができる。

反射面３ｆに形成されている微細プリズム構造は、光源１０と略平行に、１軸方向に長く伸びた形状が好ましい。光源１０を面照明装置の直交する２側面以上に配置する場合は、ピラミッド形状等とすることもできる。
図４に示すように、微細プリズムの谷部は、丸みをおびた形状であってもよく、具体的にはプリズムの山の高さの約１／２までの谷部は丸みをおびてもよい。
谷部を曲面形状とすることにより、プリズム切削加工工程が容易となり、製造コストの低減化が図られる。

微細プリズム構造の材料は、生産性や軽量化の観点から、樹脂であることが好ましく、樹脂の場合、金型を用いることで再現性よく形状を転写できる。
樹脂としては、金型形状の転写性の高い材料が好ましく、低粘度の紫外線硬化樹脂は転写性と生産性に優れ好適である。
プリズム構造の光反射性の斜面には、反射時の光の吸収を低減化するため、可視光に対し、反射率が９０％以上を示す反射材による薄膜を形成することが好ましく、材料としては、銀やアルミニウム、及びこれらの合金等が好ましい。
金属以外としては、屈折率の異なる誘電体薄膜を交互に積層した構造の材料を用いることができる。
前記反射材による薄膜は、微細プリズム構造上に、蒸着やスパッタリング等の、公知の真空成膜法を用いて金属を被覆することにより、形成できる。
さらにこの反射材による薄膜上に、誘電体薄膜からなる増反射膜を設けることが、反射率の向上や金属の保護のためにより好ましい。
例えば、米国３Ｍ社製の輝度向上フィルムＢＥＦシリーズの微細プリズム表面に、銀やアルミニウムを１００〜２００ｎｍ程度蒸着したものは良好に使用できる。

図３は、本実施形態の面照明装置の、他の一例の概略断面図である。
図３において、鏡６が、光源１０に対向して設置されている。
鏡６は、光源１０から出射された光を反射し、出光面の略法線方向に出光する。
５ｆは出光面で、底面の反射面３ｆから反射した光が出光する。
光源１０は反射面３で光が出光面５に向かって直接反射されるように、反射面３ｆ側にわずかに傾いて設置されていることが好ましい。
鏡６においては、光源１０からの直接光及び反射面３ｆの微細プリズム構造の頂部でほぼ反射面３ｆに沿って反射する光を反射する。
鏡６は、光源１０からの光に対し、略垂直に設置することが好ましいが、傾けることにより出光面５からの出光分布を調整することもできる。

（出光部材、出光面）
図１に示すように、出光部材５は、上述した反射部材３の反射面３ｆと対向するように設けられており、出光面５ｆは基本的に平面状である。
出光部材５の出光面５ｆから、反射面３ｆによって反射された光が、出射するように構成されている。
ここでも、平面状とは、出光面５ｆが全体として曲面を形成しない、平板状であることを意味し、微細凹凸構造の存在を否定するものではない。

出光部材５としては、用途に応じ出光方向を制御するための光拡散板等を用いることが好ましい。
光拡散板としては、使用する光に対し吸収がなく透過率の高い、樹脂やガラスなどの透明体からなる微細凹凸によって構成される光拡散層を具備していることが好ましい。
微細凹凸としては、例えば、レーザ光の干渉によるスペックルパターンに由来する不規則、不均一な凹凸構造が挙げられる。
具体的にはピッチが１〜５０μｍで、アスペクト比が０．５〜３のランダム凹凸パターンが好ましい。
アスペクト比は、凸部高さと凸部高さの１／２における幅の比（高さ／幅）で定義される。
このランダム凹凸パターンを用いることで、出光がさらに均一化されるだけでなく、出光の拡散角度を一軸方向もしくは等方的に任意に制御することができる。

前記光拡散層を形成する場合、前記出光部材５の、反射部材３側に配置することが好ましい。
前記光拡散層は、光の損失を低減化するために、対象とする光に対し、光線透過率が７０％以上であることが好ましい。

（面照明装置の他の構成）
図５に、本実施形態の面照明装置の他の一例の構成を示す。
図５に示すように、単一の出光部材５に対して、複数の光源１０と反射部材３を具備するユニットを設けた構成とすることにより、出光面の面積を容易に広げることができる。
特に、液晶テレビのバックライトにおいては、ユニットごとに明るさを調整することが可能となるために、コントラストの向上や消費電力の削減に効果的である。

（機能）
本実施形態の面照明装置においては、側面の光源１０からの平行光が、反射面３ｆで反射し、出光面５ｆから出光する。
反射面３ｆが、前記平行光に対し、４５±５度の傾斜角を有する複数の光反射性の斜面を具備する微細プリズム構造が設けられた構成としたことにより、出光面５ｆから略垂直方向への均一な出光が可能となる。

本発明の面照明装置は、薄型の天井照明や看板、デジタルフォトフレーム、液晶テレビのバックライト等として、産業上の利用可能性がある。

１ 発光部
２ コリメータレンズ
３ 反射部材
３ｆ 反射面
４ 中空部
５ 出光部材
５ｆ 出光面
６ 鏡
１０ 光源
１０２ 偏光変換素子
１０３ 偏光ビームスプリッタ
１０４ 位相差板
１０６ 光反射面
１１１ 直線偏光板

Claims (12)

1. 平面状の出光面を有する出光部材と、
   平面状の反射面を有する反射部材と、
   光源と、
   を具備し、
   前記出光部材と、前記反射部材とが、中空部を介して、前記反射面と、前記出光面とは反対側の主面とが対向するように配置されており、
   前記光源は、前記出光面に対して垂直の側面部に設けられており、
   前記光源が、線状で、かつ平行光を出光する線状平行光源であり、
   前記反射面には、前記平行光に対し、４５±５度の傾斜角を有する光反射性の斜面を具備する複数のプリズムよりなる微細プリズム構造が設けられている面照明装置。
2. 前記プリズム構造を構成する各プリズムが、５〜５００μｍのピッチで形成されている請求項１に記載の面照明装置。
3. 前記光反射性の斜面の可視光反射率が９０％以上である請求項１又は２に記載の面照明装置。
4. 前記プリズム構造を構成する各プリズム間が、当該プリズムの高さの１／２以下の領域において曲面形状となっている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の面照明装置。
5. 透明体からなる微細凹凸構造を具備する光拡散層を、さらに有する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の面照明装置。
6. 前記光拡散層が、前記出光部材の前記反射部材側に配置されており、
   前記光拡散層は、光線透過率が７０％以上である請求項５に記載の面照明装置。
7. 前記光拡散層の微細凹凸構造が、
   ピッチが１〜５０μｍで、アスペクト比が０．５〜３のランダムな凹凸パターン構造である請求項５又は６に記載の面照明装置。
8. 前記光源が、発光部とコリメータレンズとにより構成されており、前記発光部が発光ダイオードである請求項１乃至７のいずれか一項に記載の面照明装置。
9. 前記発光部が、線状の連結した蛍光体含有封止材を具備している請求項８に記載の面照明装置。
10. 前記光源が、直線偏光を出光する請求項１乃至９のいずれか一項に記載の面照明装置。
11. １つの出光部材に対して、
    複数の光源及び反射部材が設けられている請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の面照明装置。
12. 前記光源から前記反射部材の反射面への入射角度を調整する入射角制御手段を、さらに具備している請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の面照明装置。

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