JP4343320B2

JP4343320B2 - 平面照明装置

Info

Publication number: JP4343320B2
Application number: JP10539499A
Authority: JP
Inventors: 利仁野地; 司遠藤
Original assignee: 日本ライツ株式会社
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2019-04-13
Also published as: JP2000299011A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型液晶表示装置等のバックライトに使用できる均一な出射光の実現を可能にする平面照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の平面照明装置として、平面照明装置に対し実効出射面の占める面積の割合を大きくするため、または実効出射面積を変えずに平面照明装置の小型化および光源近傍の照明斑の発生防止のため、例えば実開昭５９−１７３０８４号公報や特開平４−１７４８０２号公報に示すように、導光板の端面上部に傾斜面を設け、傾斜面の下方向に光源を設置して導光板に光を入射する平面照明装置が知られている。
【０００３】
また別の従来の平面照明装置として、例えば特開平８−２５４６１８号公報に示すように、入射光の供給がない入射端面の両端近傍に、一次光源の有効発光部分からの入射光を供給するように分散指向させ、入射端面の両端近傍の輝度を向上する目的で、導光板の入射端面の全長に上下方向（厚さ方向）にプリズム面を設けるものが知られている。
【０００４】
さらに別の従来の平面照明装置として、例えば特開平１０−１９９３１６号公報に示すように、点光源を導光板の入射端面部の中央に位置し、この点光源に対向する部分の入射端面部にプリズムを形成し、入射光をプリズムにより散乱させて導光板の側面方向の隅部分の輝度を向上させるものが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
実開昭５９−１７３０８４号公報や特開平４−１７４８０２号公報に開示される従来の平面照明装置は、図４に示すように、導光板２２の端面上部に傾斜面部２５を設け、傾斜面部２５に連続する裏面部２４の下部に光源３０を配置し、光源３０のＬＥＤチップ３０ａからの光を傾斜面部２５の下部（入射端面）２５ａより導光板２２に入射して表面部２３から出射させる構成なので、実効出射面積を変えずに平明照明装置の小型化を図ることができる。
【０００６】
しかしながら、直接光源３０から導光板２２に到達してしまう光を確実に取り除くことができず、光源３０側近くで照明斑が発生したり、ＬＥＤ等の光源位置を認識させてしまう課題があった。また、入射される光を傾斜面部２５によって導光板２２の厚さ方向に分散できるが、表面部２３の両側面方向に光が到達できず、特に光源３０に近い両側面付近での輝度の低下に課題があった。
【０００７】
さらに説明すると、図４に示すように、上記実開昭５９−１７３０８４号公報や特開平４−１７４８０２号公報に開示される従来の平面照明装置では、導光板２２の端面上部に傾斜面部２５を設け、この傾斜面部２５の下部２５ａから導光板２２に光を入射している。光源３０は、実際にはＬＥＤチップ３０ａから出射しており、光源３０の上面全体から出射されている。なお、説明の都合上、導光板２２の屈折率等を同等とした。
【０００８】
そして、光源３０からの光は、対向する導光板２２の入射端面部２５ａに入射し、スネルの法則から光屈折率をｎ＝１．４９では臨界角φが±４２°となる。したがって、導光板２２の傾斜面部２５に入射する入射角βが（π／２）−φ＝４８°以下で全反射となる。
【０００９】
また、導光板２２の表面部２３や裏面部２４に入射する光も同様に入射角が４８°以下で全反射となり、これら全反射した光は全反射を繰り返しながら反射端面部２７方向に進み、さらに表面部２３や裏面部２４に存在する凸状や凹状によって屈折、散乱により臨界角を破った光は、表面部２３や裏面部２４に出射し、裏面部２４から出射した光は図示しない反射体等によって反射され再度導光板２２に入射し表面部２３から出射する。
【００１０】
しかしながら、光源３０から導光板２２を直接透過する光や傾斜面部２５で全反射（１回）して表面部２３に出射する光が存在するため、光源３０側近くで照明斑が発生してしまうという問題を招く。しかも、光源３０からの光を傾斜面部２５で散乱せずにそのまま反射してしまうため、光源（特に点光源）を表面部３側から観測してしまうという問題を招く。
【００１１】
特開平８−２５４６１８号公報に開示される従来の平面照明装置は、導光板の入射端面の全長に上下方向（厚さ方向）に連続単一なプリズム面を設け、入射光の供給がない入射端面の両端近傍に、一次光源の有効発光部分からの入射光を供給するように分散指向させ、入射端面の両側近傍の輝度を向上する目的であるが、図５に示すように、導光板３２のプリズム面（傾斜面部）３６が連続単一のため、有る程度の光が両端側に進むが、全体として光を散乱する作用のために導光板３２全体の輝度低下をしてしまう課題がある。
【００１２】
さらに説明すると、図５に示すように、上記特開平８−２５４６１８号公報に開示される従来の平面照明装置における導光板３２は、２つの傾斜面部３６の長さが等しく、かつ２つの傾斜面部３６と仮想基線ＢＬと成す角度が等しい単一のプリズム面３６が連続に形成されたものである。
【００１３】
これにより、プリズム面３６に対して光源からの平行な光線Ｌ_PRは、プリズム面３６と仮想基線ＢＬと成す角度が全て等しいため、プリズム面３６で屈折する角度が全て同じくなり、プリズム面３６付近では均一に分散され、光源（特に点光源）を表面部からは観測せずに眩しさ等を解消できる。
【００１４】
しかしながら、光線Ｌ_PRは側面部３８，３９の方向に進み、プリズム面３６付近の輝度は、導光板３２全体から比べると明るいが、図示しない導光板３２の表面部の入射端面部の反対方向では輝度の低下が現れ、導光板３２全体としての輝度斑があらわれてしまうという問題を招く。
【００１５】
特開平１０−１９９３１６号公報に開示される従来の平面照明装置は、点光源を導光板の入射端面部の中央に位置し、この点光源に対向する部分の入射端面部にプリズムを形成し、入射光をプリズムにより散乱させて導光板の側面方向の隅部分の輝度を向上させているが、導光板の表面部と裏面部との厚さ方向の進行光は臨界角内の角度のみの範囲であるために、光源側が短辺の横長な導光板では光源側と対向側との間で輝度分布差が現れてしまう課題がある。
【００１６】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、光源に対向する導光板の裏面部の端部に傾斜角度を中心から両側面方向に向かうほど大きく可変したプリズムを形成するとともに当該プリズム面に対向した位置まで表面部に傾斜面部を設けて、光源からの光を最初に両側面方向にも分散させ、さらにこれらの光を光源から遠く離れた側面方向や導光板の厚さの任意方向に反射することによって、導光板の形状に関わりなく均一な出射光が得られる面照明装置を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため請求項１に係る平面照明装置は、半導体発光素子からなる光源と、該光源からの光を表面から出射する表面部と、表面部の反対側に位置する裏面部と、これら表面部と裏面部とに略直角に交わる側面部とから成る板状の導光板と、光源と導光板とを保持するケースとを備え、光源を裏面部の端部の下方に設けた平面照明装置であって、導光板は、光源からの光を導く入射部を光源と対向する裏面部の端部に形成されたプリズム面とするとともにプリズム面に対向する表面部側に傾斜面部が形成される様に欠切したことを特徴とする。
【００１８】
請求項１に係る平面照明装置は、半導体発光素子からなる光源と、該光源からの光を表面から出射する表面部と、表面部の反対側に位置する裏面部と、これら表面部と裏面部とに略直角に交わる側面部とから成る板状の導光板と、光源と導光板とを保持するケースとを備え、光源を裏面部の端部の下方に設けた平面照明装置であって、導光板は、光源からの光を導く入射部を光源と対向する裏面部の端部に形成されたプリズム面とするとともにプリズム面に対向する表面部側に傾斜面部が形成される様に欠切したので、プリズム面で導光板の両側面方向にも光を屈折させるとともに光源からの光を有る程度散乱させることができる。さらに傾斜面部で全反射させて光源側と反対側に位置する対向側面方向にも光を進行させるとともに傾斜面部の傾きを持った臨界角内の光が導光板内を進むことができる。
【００１９】
また、請求項２に係る平面照明装置は、導光板の両側面部の端部を結ぶ仮想基線と成すプリズム面の傾斜角度が導光板の中心から両側面部に向かうほど大きいことを特徴とする。
【００２０】
請求項２に係る平面照明装置は、導光板の両側面部の端部を結ぶ仮想基線と成すプリズム面の傾斜角度が導光板の中心から両側面部に向かうほど大きいので、光源からの輝度分布を中心分布から幅の広い分布にできる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
なお、本発明は、光源に対向する導光板の裏面部の端部に傾斜角度を中心から両側面方向に向かうほど大きく可変したプリズムを形成するとともに当該プリズム面に対向した位置まで表面部に傾斜面部を設けて、光源からの光を最初に両側面方向にも分散させ、さらにこれらの光を光源から遠く離れた側面方向や導光板の厚さの任意方向に反射することによって、導光板の形状に関わりなく均一な出射光が得られる平面照明装置を提供することにある。
【００２２】
図１は本発明に係る平面照明装置の断面構成図、図２は本発明に係る平面照明装置の導光板の斜視図である。
図１は導光板２と光源１０およびケース１１から成る平面照明装置１と、これらと一緒に液晶表示装置等の基板１２上に電子部品１３等を実装した構成を示している。さらに、導光板２は、表面部３、裏面部４、傾斜面部５、プリズム面６、反射端面部７および側面部８、側面部９とからなる。
【００２３】
導光板２は、屈折率が１．４〜１．７程度からなるアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）等で形成され、裏面部４の端部に傾斜角度を中心から両側面方向に向かうほど大きく可変したプリズム面６を形成している。これにより、上方に出射するアッパービュタイプの光源１０からの光をプリズム面６により屈折し、プリズム面６の中心付近ではそのまま上方に屈折、両側面８，９方向に近いプリズム面６ほど両側面８および９方向に屈折しながら上方に向かうように分散させる。
【００２４】
また、導光板２の表面部３には、プリズム面６に対向した位置まで傾斜面部５が形成されている。これにより、プリズム面６で屈折した光を任意の角度で反射し、プリズム面６の中心部付近からの光は反射端面部７方向の表面部３や裏面部４方向に進み、導光板２から外部に出射した光は、反射端面部７、側面部８，９および裏面部４に密接しているケース１１によって反射し、再度導光板２内に入射し、最終的に表面部３から出射する。
【００２５】
さらに、側面部８，９方向に近いプリズム面６からの光は、側面部８，９の反射端面部７方向の表面部３や裏面部４方向に進み、導光板２から外部に出射した光は、反射端面部７、側面部８，９および裏面部４に密接しているケース１１によって反射し、再度導光板２内に入射し、最終的に表面部３から出射する。
【００２６】
また、導光板２は、表面部３および裏面部４に図示しない微細の凸凹を形成したり、使用目的に合わせて梨地、円弧や面に平行に三角柱等の多角柱および波状、さらに面に垂直方向に円錐、円柱、多角錐、多角柱等の凸および凹の加工を施し、凸や凹状のパターンのピッチおよびサイズの変化を行う。
【００２７】
例えば表面部３の中心から両端に向かって凸または凹状のパターンのピッチを変え、裏面部４で光源から離れる程パターンのサイズを大きくする様にグラデーションを行う。さらに、導光板２の表面部３と裏面部４に施したパターンにホーニング加工を行う場合もある。
【００２８】
また、図示はしないが、導光板２のプリズム面６および表面部３以外の面を反射体等で囲んでも良い。
【００２９】
光源１０は、単色のＬＥＤやレーザ等の半導体発光素子や波長変換や混色した白色ＬＥＤなどからなり、基板１２に表面実装し、導光板２のプリズム面６に出射する。また、光源１０は、単波長発光の単体または異波長発光の混合したＬＥＤやレーザ等の半導体発光素子を複数個並べても良い。
【００３０】
ケース１１は、変成ポリアミド、ポリブチレンテレフタレートや芳香族系ポリエステル等からなる液晶ポリマなどの絶縁性の有る材料に、光の反射性を良くするとともに遮光性を得るためにチタン酸バリウム等の白色粉体を混入させて、導光板２を載せる平面部と導光板２を囲む様に導光板２の傾斜面部５と対向するテーパ面と導光板２の反射端面部７に対向する反射面部とを有する形状に成形する。
【００３１】
また、ケース１１のテーパ部は、導光板２の傾斜面部５と対向し、一度導光板２の傾斜面部５で全反射した光と臨界角以上の入射光によって外部に出射した光をさらに傾斜面部５で反射し、全ての光を反射するように反射効率を良くし導光板２に再入射させる。
【００３２】
さらに、ケース１１は、導光板２の裏面部４に対向する平面部で光をより良く反射させて導光板２に再入射させるとともに下部の空間スペースに電子部品１３等を収納することができる。
【００３３】
基板１２は、リジット系基板でガラス布エポキシや紙フェノール等の機械的強度を伴う絶縁性材料からなり、ＬＳＩチップや抵抗チップ等の電子部品１３が実装されている。さらに、基板１２は、ケース１１を装着した時に、ケース１１内に設けた導光板２のプリズム面６とＬＥＤやレーザ等の半導体発光素子からなる光源１０の出射面とが近接対向するように実装される。
【００３４】
電子部品１３は、ＬＳＩ等を初めとしケース１１の内部（ケース１１の下部）に収納するように基板１２に実装し、取り付け面積を有効利用し全体として小型化に寄与する。
【００３５】
図３は上述した平面照明装置の導光板における進行光の平面図であって、図３（ａ）は点光源の場合における進行光の平面図、図３（ｂ）は平行線光源の場合における進行光の平面図を示している。
【００３６】
導光板２は、裏面部４に設けた傾斜面６ａと傾斜面６ｂとから成るプリズム面６を有し、導光板２の中心から側面部８側と側面部９側に向かう程、側面部８側の傾斜面６ｂおよび側面部９側の傾斜面６ａと仮想基線ＢＬと成す角度θを大きく施してある。
【００３７】
また、導光板２の中心付近のプリズム面６は、傾斜面６ａと傾斜面６ｂとの長さが等しく、かつ両側面部８，９間の端部を結ぶ仮想基線ＢＬと成す角度θも等しくされている。これにより、頂点部での光線Ｌ_PDは直進し、傾斜面６ａと傾斜面６ｂではやや側面部８，９方向に屈折して傾斜面部５に進む。
【００３８】
さらに、導光板２の側面部８や側面部９付近のプリズム面６は、傾斜面６ａと傾斜面６ｂとの長さが異なり、側面部８側では傾斜面６ａの方が傾斜面６ｂより長く、傾斜面６ｂと仮想基線ＢＬと成す角度θを大きくしている。これにより、光線Ｌ_PDは傾斜面６ｂで屈折し、側面部８方向に進みながら傾斜面部５に進む。
【００３９】
同様に、側面部９側では傾斜面６ｂの方が傾斜面６ａより長く、傾斜面６ａと仮想基線ＢＬと成す角度θを大きくしている。これにより、光線Ｌ_PDは傾斜面６ａで屈折し、側面部９方向に進みながら傾斜面部５に進む。
【００４０】
また、図３（ａ）に示すように、光源１０が点光源の場合、光源１０から側面部８方向に向かった光のうち、傾斜面６ａに入射した光はそのまま傾斜面６ａに沿って進み、傾斜面６ａと成す角は存在せず、低い角度で傾斜面６ｂに入射した光は屈折後に傾斜面６ａで大きな入射角で（角度γ）反射し側面部８方向に進む。
【００４１】
同様に光源１０から側面部９方向に向かった光のうち、傾斜面６ｂに入射した光はそのまま傾斜面６ｂに沿って進み、傾斜面６ｂと成す角は存在せず、低い角度で傾斜面６ａに入射した光は屈折後に傾斜面６ｂで大きな入射角で反射し側面部９方向に進む。
【００４２】
さらに、図３（ｂ）に示すように、光源１０が平行線光源の場合には、全ての傾斜面６ａと傾斜面６ｂとで屈折をするが、仮想基線ＢＬと成す角度が大きい傾斜面ほど大きく屈折し、相対的には側面部８と側面部９方向に進む光線Ｌ_PDと、ややこれらの反対方向に進む光線Ｌ_PDとが傾斜面部５に進む。
【００４３】
また、導光板２に入射した光は、スネルの法則から導光板２の光屈折率ｎに応じて０≦α≦±ｓｉｎ^-1（１／ｎ）を満たす入射角αの範囲で進行する。
【００４４】
例えば導光板２の材質をアクリル樹脂を用いた場合には、光屈折率をｎ（＝１．４９）では臨界角はφ＝±４２°となる。
【００４５】
したがって、導光板２内部から表面部３や裏面部４等の空気層に入射する表面部３や裏面部４の法線となす入射角βが（π／２）−φ＝４８°以下で全反射となる。
【００４６】
これにより、光源１０の近い所で側面部８や９方向に光を散乱させ、さらに傾斜面部５で反射され、導光板２内を全反射を繰り返しながら反射端面部７方向に進む。その結果、光源１０が点光源であってもＬＥＤアレイ状であっても導光板２の隅々まで光を進行させることができる。なお、図３（ａ），（ｂ）の説明では、プリズム面６の頂点を鋭角な頂角で表したが、頂点が円弧状であっても良い。
【００４７】
このように、本例における平面照明装置は、従来の平面照明装置のように光源１０からの光が直接導光板２の表面部３に到達せず、また両側面部付近の輝度をあげるとともに反射端面部方向まで光を到達させ、輝度斑や眩しさが無く、目に優しい均一な照明光が得られる。
【００４８】
【実施例】
以下に本発明による平面照明装置の実施例を示す。
透明なアクリル樹脂からなる３．５ｍｍ（光源１０側および反射端面部７）×４ｍｍ（側面部８，９）の略矩形状で厚さ１ｍｍの導光板２の裏面部４の１端部から約０．９ｍｍ〜１．１ｍｍ反射端面部７方向に高さ２０μｍ、ピッチ１６０μｍのプリズム面６を形成し、プリズム面６に対向する表面部３の位置に設けた傾斜面部５の裏面部４と成す傾斜角度を４２°〜４８°の間で１°毎に可変させ、プリズム面６に対向近接した位置に３ケのＬＥＤ（中心と左右１０ｍｍ隣接）を並べて表面部３での輝度および輝度斑等の試験を行った。その結果、大多数の試験に於いて十分な輝度（１０ｃｄ／ｍ²）を得ることができ、従来品の様な輝度斑（臨界角による入光部での光の明暗境界の発生）も無く、均一な光が得られた。
【００４９】
なお、本実施例では金属から成る射出成形用の金型のプリズム加工部をエッチングにより成形したが、プリズム部のサイズによっては放電加工によって成形しても良い。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係る平面照明装置は、半導体発光素子からなる光源と、該光源からの光を表面から出射する表面部と、表面部の反対側に位置する裏面部と、これら表面部と裏面部とに略直角に交わる側面部とから成る板状の導光板と、光源と導光板とを保持するケースとを備え、光源を裏面部の端部の下方に設けた平面照明装置であって、導光板は、光源からの光を導く入射部を光源と対向する裏面部の端部に形成されたプリズム面とするとともにプリズム面に対向する表面部側に傾斜面部が形成される様に欠切したので、プリズム面で導光板の両側方向にも光を屈折させるとともに光源を有る程度散乱されることができる。さらに傾斜面部で全反射させ光源側と反対側に位置する対向側面方向にも光を進行させるとともに傾斜面部の傾きを持った臨界角内の光が導光板内を進むことができるので、導光板全体に均一で眩しくなく明るい輝度を得ることができるとともにコストの低減を図れるとともに光源を基板に実装でき、さらにスペースを有効に利用でき小型化に寄与できる。
【００５１】
また、請求項２に係る平面照明装置は、導光板の両側面部の端部を結ぶ仮想基線と成すプリズム面の傾斜角度が導光板の中心から両側面部に向かうほど大きいので、光源からの輝度分布を中心分布から幅の広い分布にできるので、導光板の隅々まで均一な光を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る平面照明装置の断面構成図
【図２】本発明に係る平面照明装置の導光板の斜視図
【図３】本発明に係る平面照明装置の導光板における進行光の平面図
【図４】従来の平面照明装置の導光板における進行光の断面図
【図５】従来の平面照明装置の導光板における進行光の平面図
【符号の説明】
１…平面照明装置、２，２２，３２…導光板、３，２３…表面部、４，２４…裏面部、５，２５…傾斜面部、６，３６…プリズム面、６ａ，６ｂ…傾斜面、７…反射端面部、８，９，３８，３９…側面部、１０，３０…光源、１０ａ，３０ａ…ＬＥＤチップ、１１…ケース、１２…基板、１３…電子部品、２５ａ…下部（入射端面）、α，β…入射角、ｎ…屈折率、φ…臨界角、γ，θ…角度、ＢＬ…仮想基線、Ｌ_PD，Ｌ_PR…光線。

Claims

半導体発光素子からなる光源（１０）と、該光源からの光を表面から出射する表面部（３）と、前記表面部の反対側に位置する裏面部（４）と、これら前記表面部と前記裏面部とに略直角に交わる側面部（８，９）とから成る板状の導光板（２）と、前記光源と前記導光板とを保持するケース（１１）とを備え、前記光源を前記裏面部の端部の下方に設けた平面照明装置（１）であって、
前記導光板は、前記光源からの光を導く入射部を前記光源と対向する前記裏面部の端部に形成されたプリズム面（６）とするとともに前記プリズム面に対向する前記表面部側に傾斜面部（５）が形成される様に欠切したことを特徴とする平面照明装置。
前記プリズム面（６）は、前記導光板（２）の両側面部（８，９）の端部を結ぶ仮想基線（ＢＬ）との成す傾斜角度が前記導光板の中心から両側面部に向かうほど大きいことを特徴とする請求項１記載の平面照明装置。