JP4599979B2 - Lighting device - Google Patents
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Description
本発明は、光源と、光源から入射した光を導光し、前記導光された光を光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置に関するものである。 The present invention relates to an illumination device including a light source and a planar light guide plate that guides light incident from the light source and emits the guided light from a light exit surface.
LEDなどの光源の個体差(色や明るさのバラツキ)により、照明装置から射出する照明光には、色度や輝度のバラツキがあった。特に、光源を複数個搭載した照明装置においては、色度や輝度のムラが発生することがあった。また、個体差のある光源から適当な色度及び輝度を持った光源だけを選別使用することは、無駄に資源を消費し、照明装置を高コストにしていた。 Due to individual differences of light sources such as LEDs (color and brightness variations), illumination light emitted from the illumination device has variations in chromaticity and luminance. In particular, in an illumination device equipped with a plurality of light sources, chromaticity and luminance unevenness may occur. In addition, selecting and using only light sources having appropriate chromaticity and brightness from light sources having individual differences wastes resources and makes the lighting device expensive.
なお、導光板上に回折格子を形成する点は特許文献1で既に公知であるが、単に回折格子を用いるだけでは上記の問題点は残ったままであった。
In addition, although the point which forms a diffraction grating on a light-guide plate is already well-known in
特許文献を以下に示す。
本発明は、上記の要望を満たすべくなされたものであって、光源の個体差(色や明るさのバラツキ)を補償し、照明光として射出する光の色度及び/あるいは輝度において個体差の少ない、品質の安定した照明装置を提供すること。また、個体差のある光源を有効に活用し、資源を無駄にせず、低コストな製造に適応した照明装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to satisfy the above-mentioned demands, compensates for individual differences in light sources (variation in color and brightness), and compensates for individual differences in chromaticity and / or luminance of light emitted as illumination light. To provide a lighting device with low quality and stable quality. It is another object of the present invention to provide a lighting device that can effectively use light sources having individual differences, does not waste resources, and is suitable for low-cost manufacturing.
上記の目的を達成するために、請求項1の発明は、上複数の光源と、光源から入射した光を導光し、前記導光された光を光射出面から射出する複数の平面状の導光板とを備えた照明装置において、光射出面もしくは光射出面に対向する面に回折格子から成る光射出用光学素子を配し、光源から導光板に入射する光の波長分布及び/あるいは輝度に応じて、
複数の光源に対してそれぞれ対応する複数の導光板から射出する光が予め決められた色度及び/あるいは輝度の範囲内となるように補償した回折格子の空間周波数分布及び/あるいは回折効率を有する光射出用光学素子を用いていることを特徴とする照明装置を用いている。
In order to achieve the above object, the invention of
The spatial frequency distribution and / or diffraction efficiency of the diffraction grating is compensated so that light emitted from a plurality of light guide plates corresponding to a plurality of light sources falls within a predetermined chromaticity and / or luminance range. An illumination device characterized by using an optical element for light emission is used .
従って、導光板上に形成された回折格子の空間周波数分布や回折効率により、光源から導光板に入射する光の波長分布や輝度のバラツキを補償し、予め決められた色度、輝度の範囲内の照明光を射出することが簡便に実現でき、品質の安定した照明装置を提供できる。また、個体差のある光源を有効に活用し、資源を無駄にせず、低コストに照明装置を製造できることになる。 Therefore, the spatial frequency distribution and diffraction efficiency of the diffraction grating formed on the light guide plate compensate for the wavelength distribution and brightness variation of light incident on the light guide plate from the light source, and within a predetermined chromaticity and brightness range. It is possible to simply emit the illumination light, and to provide a lighting device with stable quality. Further, it is possible to effectively use light sources having individual differences, and to manufacture lighting devices at low cost without wasting resources.
更に、平均導光方向に沿って導光板内を導光する光を、回折格子の機能によって全反射光とは大きく異なる角度に回折し、特に導光板の光射出面の法線方向に向かって射出することができるため、LCDパネルなどの照明に好適な条件において、光利用効率の高い照明装置を容易に簡便な構成で実現することができる。このとき、特殊な光学フィルムなどを用いる必要がなく、照明装置を少ない部材構成で実現することが可能となり、また、回折格子の機能により射出光の角度範囲を適宜設計できる。更に、射出用光学素子が回折格子から構成されていることにより、構造が極めて微小であり、また微細加工技術などにより容易に任意の領域に形成可能であるため、導光板上における回折格子の構造や配置が最適化でき、極めて均一な射出光分布を有する導光板を構成することが可能である。 Furthermore, the light guided in the light guide plate along the average light guide direction is diffracted at a significantly different angle from the totally reflected light by the function of the diffraction grating, and particularly toward the normal direction of the light exit surface of the light guide plate. Since the light can be emitted, a lighting device with high light use efficiency can be easily realized with a simple configuration under conditions suitable for lighting such as an LCD panel. At this time, it is not necessary to use a special optical film or the like, and the illumination device can be realized with a small number of member configurations, and the angle range of the emitted light can be appropriately designed by the function of the diffraction grating. Furthermore, the structure of the diffraction grating on the light guide plate is because the optical element for emission is composed of a diffraction grating, and the structure is extremely small, and can be easily formed in any region by a fine processing technique. It is possible to optimize the arrangement and to construct a light guide plate having a very uniform emission light distribution.
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またこの発明によれば、1つの照明装置内に色度・輝度のバラツキを持った複数の光源を使用することができ、さらに、光源の色度・輝度のバラツキに依らず、複数の導光板から射出する光をほぼ同様な色度・輝度とすることが出来、射出面内において均一な色度・輝度を持った照明光を射出する照明装置が得られる。 Further, according to the present invention, a plurality of light sources having chromaticity / brightness variations can be used in a single lighting device, and a plurality of light guide plates can be used regardless of the chromaticity / brightness variations of the light sources. The light emitted from the light source can have substantially the same chromaticity and luminance, and an illuminating device that emits illumination light having uniform chromaticity and luminance within the emission surface can be obtained.
請求項2の発明は、上記の目的を達成するために、請求項1の発明の照明装置において、前記光源と前記導光板の複数のペアにおいて、光源から射出する光の色度及び/あるいは輝度が前記予め決められた色度及び/あるいは輝度の範囲より大きい前記光源を含むようにしている。また、個体差のある光源を有効に活用することによって、資源を無駄にせず、低コストに照明装置を製造できる。 In order to achieve the above object, according to a second aspect of the present invention, in the lighting device of the first aspect, the chromaticity and / or luminance of light emitted from the light source in a plurality of pairs of the light source and the light guide plate. Includes the light source larger than the predetermined chromaticity and / or luminance range. Further, by effectively utilizing light sources having individual differences, it is possible to manufacture a lighting device at low cost without wasting resources.
従って、色度・輝度に大きなバラツキを持った光源を使用することができ、光源の色度・輝度のバラツキに依らず、複数の導光板から射出する光をほぼ同様な色度・輝度とすることができ、射出面内において均一な色度・輝度を持った照明光を射出する照明装置が得られる。また、個体差のある光源を有効に活用することによって、資源を無駄にせず、低コストに照明装置を製造できる。 Therefore, light sources having large variations in chromaticity and luminance can be used, and light emitted from a plurality of light guide plates has almost the same chromaticity and luminance regardless of variations in chromaticity and luminance of the light sources. Thus, an illuminating device that emits illumination light having uniform chromaticity and luminance within the emission surface can be obtained. Further, by effectively using light sources having individual differences, it is possible to manufacture a lighting device at low cost without wasting resources.
本発明により、光源の個体差(色や明るさのバラツキ)を補償し、照明光として射出する光の色度及び/あるいは輝度において個体差の少ない、品質の安定した照明装置を提供すること。また、個体差のある光源を有効に活用し、資源を無駄にせず、低コストな製造に適応することが可能となる。 An object of the present invention is to provide a stable lighting device that compensates for individual differences (color and brightness variations) of light sources and has little individual difference in chromaticity and / or luminance of light emitted as illumination light. In addition, it is possible to effectively utilize light sources having individual differences, adapt to low-cost manufacturing without wasting resources.
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
すなわち、本実施の形態に係る照明装置は、光源からの光を側面より導光板に入射し、導光板内を全反射しながら導光し、光射出面もしくは光射出面に対向する面に回折格子から成る光射出用光学素子によって透過回折光及び/または反射回折光を生じ、導光板からの射出光となる。ここで、回折格子の機能により、平均導光方向に沿って導光板内を導光する光を、回折格子の機能によって全反射光とは大きく異なる角度に回折し、特に導光板の光射出面の法線方向に向かって射出することができるため、LCDパネルなどの照明に好適な条件において、光利用効率の高い照明装置を容易に簡便な構成で実現することができる。回折格子からの直接射出光と、回折格子によって回折した後、反射シートによって反射して射出光となった光とは、何れも照明光となる。なお、透過型液晶表示パネル18と組み合わせて表示装置を構成した例を図7に示す。 That is, the illumination device according to the present embodiment enters light from the light source into the light guide plate from the side surface, guides the light from the light guide plate while totally reflecting the light, and diffracts the light exit surface or the surface facing the light exit surface. Transmitted diffracted light and / or reflected diffracted light is generated by the light emitting optical element formed of a grating, and is emitted from the light guide plate. Here, the light guided in the light guide plate along the average light guide direction is diffracted by the function of the diffraction grating to an angle significantly different from the total reflection light by the function of the diffraction grating. Therefore, an illumination device with high light utilization efficiency can be easily realized with a simple configuration under conditions suitable for illumination such as an LCD panel. Both the directly emitted light from the diffraction grating and the light that is diffracted by the diffraction grating and then reflected by the reflecting sheet to become the emitted light are both illumination light. An example in which a display device is configured in combination with the transmissive liquid crystal display panel 18 is shown in FIG.
図2は、図1の照明装置における射出用光学素子38が、導光板内の光を射出する様子を示している。透過型のLCDパネルのバックライトとして本発明の照明装置を利用する場合などには、射出用光学素子38は導光中の光を射出面にほぼ垂直な方向に射出する光に変換することが望ましいが、射出用光学素子38として回折格子を利用することにより簡便にこれが実現できる。更に、回折格子の機能により、射出光の角度範囲を適宜設定することも可能であり、特に他の光学フィルムなどを用いなくても、ディスプレイとして最適な角度分布を持った照明光を実現することができる。
FIG. 2 shows how the emission
回折格子としてレリーフ型回折格子を用いる場合、パターンの設計が容易で有ると共に、高効率化も容易である。このとき、レリーフ型回折格子の構造の高さ(深さ)は、典型的には0.1〜1μm程度であるため、余計な突起のない、ほぼ平面と見なせる導光板10を実現できる。すなわち、照明装置を薄くできる。更に、導光板10と一体成形可能であり、極めて簡便に安価に製造可能である。
When a relief type diffraction grating is used as the diffraction grating, it is easy to design a pattern and to improve efficiency. At this time, since the height (depth) of the structure of the relief type diffraction grating is typically about 0.1 to 1 μm, it is possible to realize the
ここで、回折格子の機能について更に詳細に論じる。導光板内を導光する光のうち、回折格子に入射した光は回折光を生じるが、通常の主要な回折光は1次回折光である。回折光学素子の最も基本的な構造である回折格子において、回折格子の格子ピッチdと、1次回折光の射出角度(回折角)θRとの関係は、d=mλ/(sinθi−sinθR)により表される。ただし、mは回折次数、λは導光板内における光の波長、θiは正反射角度(回折格子が反射時に作用する場合)である。透過時もほぼ同様の式が成立する。 Here, the function of the diffraction grating will be discussed in more detail. Of the light guided through the light guide plate, the light incident on the diffraction grating produces diffracted light, but the normal main diffracted light is first-order diffracted light. In the diffraction grating which is the most basic structure of the diffractive optical element, the relationship between the grating pitch d of the diffraction grating and the emission angle (diffraction angle) θR of the first-order diffracted light is expressed by d = mλ / (sin θi−sin θR). Is done. Here, m is the diffraction order, λ is the wavelength of light in the light guide plate, and θi is the regular reflection angle (when the diffraction grating acts during reflection). An almost similar expression is established during transmission.
この式により、回折格子の空間周波数により、特定方向に回折する光の波長を選択出来ることは明らかである。また、回折効率は入射光に対する回折光の比を指すものであるが、本発明では広義の回折効率を指し、回折格子の位相変調量(例えば、レリーフ型回折格子の場合は深さ、屈折率変調型の場合は屈折率差と厚み)や、回折格子を形成する面積に依存して変化する。従って、本発明においては、導光板毎に特定の波長に対し、空間周波数や回折効率を適宜設計することにより、光源の波長分布や強度に応じて、その波長光の射出方向や強さを制御し、導光板から射出する光が予め決められた色度や輝度の範囲内となるようにすることができる。すなわち、光源の色度や輝度のバラツキを、導光板上に形成した回折格子の機能により補償し、安定した色度・輝度を有する照明光を射出する照明装置を実現できる。 From this equation, it is clear that the wavelength of light diffracted in a specific direction can be selected by the spatial frequency of the diffraction grating. The diffraction efficiency refers to the ratio of the diffracted light to the incident light. In the present invention, it refers to the diffraction efficiency in a broad sense, and the phase modulation amount of the diffraction grating (for example, depth and refractive index in the case of a relief type diffraction grating). In the case of the modulation type, it varies depending on the difference in refractive index and thickness) and the area where the diffraction grating is formed. Therefore, in the present invention, by appropriately designing the spatial frequency and diffraction efficiency for a specific wavelength for each light guide plate, the emission direction and intensity of the wavelength light are controlled according to the wavelength distribution and intensity of the light source. In addition, the light emitted from the light guide plate can be within a predetermined chromaticity and luminance range. That is, it is possible to realize an illuminating device that compensates for variations in chromaticity and luminance of the light source by the function of the diffraction grating formed on the light guide plate and emits illumination light having stable chromaticity and luminance.
一般的に、LEDなどの光源は製造時の色度・輝度のバラツキが大きく、製造後に適当な色度・輝度を持ったグループに分別される。本発明の照明装置においては、図3の様に、これらの分別された光源毎に、それぞれのグループに対応して予め用意しておいた導光板を組み合わせることにより、容易に安定した色度・輝度を有する照明光を射出する照明装置を製造することができる。また、製造された光源を無駄なく利用することができ、低コストに照明装置を製造出来るだけでなく、資源の有効活用ができる。 In general, light sources such as LEDs have large variations in chromaticity and luminance at the time of manufacturing, and are classified into groups having appropriate chromaticity and luminance after manufacturing. In the illuminating device of the present invention, as shown in FIG. 3, for each of these sorted light sources, a light guide plate prepared in advance corresponding to each group is combined, so that stable chromaticity / An illumination device that emits illumination light having luminance can be manufactured. In addition, the manufactured light source can be used without waste, and the lighting device can be manufactured at low cost, and resources can be effectively used.
導光板内を平均導光方向に進む光を射出光に変換するために、最も効果的に作用する回折格子は平均導光方向に沿って格子ベクトルを持つ場合である。すなわち、格子ベクトル方向と平均導光方向Fをほぼ同一とし、格子ピッチdを適切に設定することにより、全反射しながら平均導光方向Fに進む光が回折格子によってθRの角度で回折し、全反射条件を外れて導光板10の光射出面28から射出して行く。特にθR〜0°とすると、導光板表面に対してほぼ垂直に照明光が射出し、透過型ディスプレイ用の照明光として最も好ましい。
In order to convert the light traveling in the light guide plate in the average light guide direction into the emitted light, the diffraction grating that works most effectively has a grating vector along the average light guide direction. That is, by making the grating vector direction and the average light guide direction F substantially the same and appropriately setting the grating pitch d, the light traveling in the average light guide direction F while being totally reflected is diffracted by the diffraction grating at an angle θR, The light exits from the
回折格子は、導光板を導光している光を回折光として射出するのみでなく、その回折光の拡がり方(射出角度範囲)を制御することも可能である。具体的には、図4(a)のような直線状の回折格子パターンは、導光中の光を曲げる働きのみを持ち、図4(b)のような曲線状の回折格子パターンは射出する回折光の範囲をそのパターンによって任意に設計できる。ここで、導光板上での回折格子パターンは、平均導光方向Fと平均的な格子ベクトル方向vとを一致させると、全反射条件を満たす光に対して効果的に作用する構成とすることができる。すなわち、導光中の光に対して、射出光の方向を大きく異ならせることができ、確実に導光板から射出できるようになる。 The diffraction grating not only emits the light guided through the light guide plate as diffracted light, but also can control how the diffracted light spreads (exit angle range). Specifically, the linear diffraction grating pattern as shown in FIG. 4 (a) has only the function of bending the light being guided, and the curved diffraction grating pattern as shown in FIG. 4 (b) is emitted. The range of diffracted light can be arbitrarily designed according to the pattern. Here, the diffraction grating pattern on the light guide plate is configured to effectively act on light satisfying the total reflection condition when the average light guide direction F and the average grating vector direction v are matched. Can do. That is, the direction of the emitted light can be greatly different from the light being guided, and the light can be reliably emitted from the light guide plate.
さらに、平均導光方向において、回折格子の空間周波数に幅を持たせることにより、導光板から射出する1次回折光を空間周波数の幅に応じた角度範囲内に光を射出することができ、予め設定した角度範囲に光を集中的に射出するため、効率よく光を利用することができる。 Furthermore, in the average light guide direction, by giving a width to the spatial frequency of the diffraction grating, the first-order diffracted light emitted from the light guide plate can be emitted within an angle range corresponding to the width of the spatial frequency, Since light is intensively emitted in the set angle range, light can be used efficiently.
なお、射出光学素子は導光板全面に形成してもよいが、射出光学素子として、それぞれセル状の領域内に形成した回折格子を用い、多数のセルを導光板上に配置してもよい。図5は、導光板上において単位面積当たりのセルの配置個数及びセルの大きさを変化させることによって配置密度を変化させた例である。このとき、平均導光方向Fに沿って導光板内を導光する光量が減少することによる射出光の減少を導光板の各位置における射出用光学素子38の配置密度を、セルの配置個数及び/またはセルの大きさの設定により補償するため、射出面内で均一に光を射出できる。
The emission optical element may be formed on the entire surface of the light guide plate. However, as the emission optical element, a diffraction grating formed in each cell-like region may be used, and a large number of cells may be arranged on the light guide plate. FIG. 5 shows an example in which the arrangement density is changed by changing the number of cells arranged per unit area and the size of the cells on the light guide plate. At this time, the decrease in the amount of emitted light due to a decrease in the amount of light guided in the light guide plate along the average light guide direction F is determined by the arrangement density of the emission
ここで、セルの外形形状としては、図6に示すように長方形状、円形状、楕円形状のうち何れであっても良い。また、同一の導光板10に配置されるセルは全て同一形状であっても、長方形状と円形状と楕円形状が混在していても良い。最適な設計例としては、セルは平均導光方向Fに短く、それと直交する方向に長い形状を持つようにすれば、セルの形状による回折効果によって、射出する光を平均導光方向Fと同方向に拡げることができ、回折格子の設計とは独立した射出光角度分布の制御が可能である。この射出光の拡がりも、前述の相反する分光効果の2つの回折光を合わせることによる、射出光における不必要な色付きの抑制をより効果的にすることに貢献する。
Here, the outer shape of the cell may be any of a rectangular shape, a circular shape, and an elliptical shape as shown in FIG. Moreover, all the cells arranged on the same
また、セルの配置間隔を100μm以下とすると、一般的な観察条件における人間の目の解像度以下となり、このような照明装置の光射出面28を目視観察した場合でも、セルの大きさは十分小さく、単位面積あたりに十分な数のセルを配置できるため、均一な射出光を出す面として観察させることができる。
Further, when the cell arrangement interval is set to 100 μm or less, the resolution is lower than that of the human eye under general observation conditions, and the size of the cell is sufficiently small even when the
回折格子は構造が極めて微小であり、また微細加工技術などにより容易に任意の領域に任意の光学機能を持った回折光学素子を形成可能であるため、最適化が容易であり、均一な射出光分布を有する導光板を構成することが可能である。通常、導光板は、光源に近い端面側(入射側)ほど光の射出光強度は大きく、光源から遠い端面側ほど光の射出光強度は小さくなる。このため、回折格子の回折効率を、導光板10の光入射側から離れるほど高くすることにより、光強度の強い入射側において導光板10から射出する光の割合を少なく、入射側から離れるほど射出割合を増加することができ、導光板10の光射出面28全域に亘って均一な強度の光を射出することが可能となる。
The diffraction grating has a very small structure, and can easily form a diffractive optical element having an arbitrary optical function in an arbitrary region by using a microfabrication technique. It is possible to construct a light guide plate having a distribution. In general, the light guide plate has a higher light emission intensity toward the end face closer to the light source (incident side) and a light emission intensity lower toward the end face farther from the light source. For this reason, by increasing the diffraction efficiency of the diffraction grating as the distance from the light incident side of the
ここで、光源として端面にほぼ平行に配置された線状の光源を用いた場合、導光板における平均導光方向Fは、光源からの光の入射端面にほぼ直交する方向となる。また、光源として、端面に配置された点状のLED等の光源を用いた場合、光源を中心とする放射方向に導光しようとするが、導光板全体に亘って平均すると線状光源と同様に入射端面にほぼ直交する方向が平均導光方向Fとなる。 Here, when a linear light source disposed substantially parallel to the end face is used as the light source, the average light guide direction F in the light guide plate is a direction substantially orthogonal to the incident end face of the light from the light source. In addition, when a light source such as a dotted LED arranged on the end face is used as the light source, it tries to guide light in a radial direction centering on the light source, but on average over the entire light guide plate, it is the same as the linear light source The direction substantially perpendicular to the incident end face is the average light guide direction F.
なお、本発明は以上説明した実施形態に限られるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内の各種変更が可能である。例えば、回折格子の配置密度の変更だけでなく、回折格子の断面形状(ブレーズド型格子,矩形,正弦波状など)の選択も、設計に応じて適宜に行なわれる。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, not only the arrangement density of the diffraction grating is changed, but also the cross-sectional shape of the diffraction grating (blazed grating, rectangle, sinusoidal shape, etc.) is appropriately selected according to the design.
本発明は、LED、その他の光源と、光源から入射した光を導光し、前記導光された光を光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置に適用可能である。 The present invention can be applied to an illumination device including an LED, another light source, and a planar light guide plate that guides light incident from the light source and emits the guided light from a light exit surface. .
10・・・導光板
12・・・光源
14・・・照明装置
18・・・透過型液晶パネル
24・・・表示装置
28・・・光射出面
32・・・反射シート
38・・・射出用光学素子
56・・・導光板からの射出光
58・・・表示光
F・・・平均導光方向
V・・・格子ベクトル方向
DESCRIPTION OF
Claims (2)
光射出面もしくは光射出面に対向する面に回折格子から成る光射出用光学素子を配し、
光源から導光板に入射する光の波長分布及び/あるいは輝度に応じて、
複数の光源に対してそれぞれ対応する複数の導光板から射出する光が予め決められた色度及び/あるいは輝度の範囲内となるように補償した回折格子の空間周波数分布及び/あるいは回折効率を有する光射出用光学素子を用いていることを特徴とする照明装置。 In an illuminating device comprising a plurality of light sources and a plurality of planar light guide plates for guiding light incident from the light sources and emitting the guided light from a light exit surface,
A light emitting optical element comprising a diffraction grating is arranged on the light emitting surface or the surface facing the light emitting surface,
Depending on the wavelength distribution and / or brightness of light incident on the light guide plate from the light source,
The spatial frequency distribution and / or diffraction efficiency of the diffraction grating is compensated so that light emitted from a plurality of light guide plates corresponding to a plurality of light sources falls within a predetermined chromaticity and / or luminance range. An illumination device using a light emitting optical element.
The plurality of pairs of the light source and the light guide plate includes the light source in which chromaticity and / or luminance of light emitted from the light source is larger than the predetermined chromaticity and / or luminance range. Item 2. The lighting device according to Item 1 .
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