JP4680847B2 - 面状照明装置 - Google Patents
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Description
このような逆楔型導光板は、薄型軽量で、均一で輝度むらがない照明光を射出することができ、かつ、大型化が可能で、さらに、入射した光を導光板から取り出す効率(光利用効率)を高くすることができる等のすぐれた機能を有する反面、もともと光入射面の厚みが小さい構造であるため、導光板を薄型化しようとすると、光入射面の厚みがさらに小さくなる。このような薄い光入射面に対して光源の光の入射効率(光源から出射した光が導光板へ入射する割合)を低下させないためには、光源の薄型化も重要であるが、光源を薄型化し過ぎると光源の放熱効果が低下するという問題が生じる。
1.1≦ΦN P L G K C ≦8.2 ・・・(1)
0.005≦K C ≦0.1 ・・・(2)
図1は、本発明に係る面状照明装置の概略斜視図、図2は、図1のII−II拡大断面図である。
各図に示すように、面状照明装置10は、光源12と、矩形状の光出射面14aから均一な光を出射する照明装置本体14と、内部に照明装置本体14および光源12を収納する筐体16とを備えている。筐体16は、後述するように、本体部16aと額縁部16bとからなるものである。
図2に示すように、照明装置本体14は、導光板18と、プリズムシート20と、拡散フィルム22と、反射板24とからなる。以下、照明装置本体14を構成するこれらの光学部品について詳細に説明する。
導光板18は、図2に示すように、略矩形形状の平坦な光射出面18aと、この光射出面18aの両端に、光射出面18aに対してほぼ垂直に形成された2つの光入射面(第1光入射面18dと第2光入射面18e)と、光射出面18aの反対側に位置し、第1光入射面18dおよび第2光入射面18eに平行で、光射出面18aを2等分する2等分線L(図1参照)に対して互いに対称で、光射出面18aに対して所定の角度で傾斜する2つの傾斜面(第1傾斜面18bと第2傾斜面18c)とを有している。第1傾斜面18b及び第2傾斜面18cは、第1光入射面18d及び第2光入射面18eから遠ざかるに従って光射出面18aから距離が遠ざかるように傾斜しており、2等分線Lの位置で最大の距離となり、この位置で導光板18は最大の厚さとなっている。なお、光射出面18aに対する第1傾斜面18b及び第2傾斜面18cの角度は特に限定されない。
T=I/I0=exp(−ρ・x)・・・(1)
ここで、xは距離、I0は入射光強度、Iは出射光強度、ρは減衰定数である。
ρ=Φ・Np・・・(2)
したがって、導光板の光軸方向の半分の長さをLGとすると、光の取り出し効率Eoutは、下記式(3)で与えられる。ここで、導光板の光軸方向の半分の長さLGは、導光板18の光入射面に垂直な方向における導光板18の一方の光入射面から導光板18の中心までの長さとなる。
Eout∝exp(−Φ・Np・LG)・・・(3)
Eout=exp(−Φ・Np・LG・KC)・・・(4)
この結果より、Φ・Np・LG・KCの値が大きくなると、光の取り出し効率Eoutが低くなることが分かる。光は導光板の光軸方向へ進むにつれて散乱するため、光の取り出し効率Eoutが低くなると考えられる。
また、補正係数KCは、0.005以上0.1以下(0.005≦KC≦0.1)であることが好ましい。
まず、散乱断面積Φ、粒子密度Np、導光板の光軸方向の半分の長さLG、補正係数KCを種々の値とし、Φ・Np・LG・KCの値が異なる各導光板について、計算機シミュレーションにより光利用効率を求め、さらに照度むらの評価を行った。ここで、照度むら[%]は、導光板の光射出面から射出される光の最大照度をIMaxとし、最小照度をIMinとし、平均照度をIAveとしたときの[(IMax−IMin)/IAve]×100とした。
測定した結果を表1に示す。また、表1における判定は、光利用効率が50%以上かつ照度むらが150%以下の場合を○、光利用効率が50%より小さいまたは照度むらが150%より大きいの場合を×として示す。
表1及び図4に示すように、Φ・Np・LG・KCを1.1以上とすることで、光利用効率を大きくすること、具体的には光利用効率を50%以上とすることができ、8.2以下とすることで、照度ムラを150%以下にすることができることがわかる。
また、Kcを0.005以上とすることで、光利用効率を高くすることができ、0.1以下とすることで、導光板からの射出される光の照度むらを小さくすることができることがわかる。
このようにして種々の粒子密度の導光板について、それぞれ光射出面から射出される光の照度分布を測定した結果を図5に示す。図5は、縦軸を照度[lx]とし、横軸を導光板の一方の光入射面からの距離(導光長)[mm]とした。
図6に、算出した照度むらと粒子密度との関係を示す。図6では、縦軸を照度むら[%]とし、横軸を粒子密度[個/m3]とした。また、図6には、横軸を同様に粒子密度とし、縦軸を光利用効率[%]とした、光利用効率と粒子密度との関係も併せて示す。
ここで、Φ・Np・LG・KCを1.1以上8.2以下とすることで、光利用効率を50%以上とし、かつ、照度むらを150%以下とすることができる。照度むらを150%以下とすることで、照度むらを目立たなくすることができる。
つまり、Φ・Np・LG・KCを1.1以上8.2以下とすることで、光利用効率を一定以上とし、かつ照度むらも低減することができることがわかる。
別の実施形態では、導光板18の光入射面18dから光射出面18aに直交する方向の厚みが最大となる位置までの長さLG1が、光が入射する方向の導光板18の全長、つまり、導光板18の光入射面18dから反対側の端面までの長さとなる、いわゆる逆くさび形状のものにも適用可能である。このように導光板18の形状を逆くさび型とする場合には、上述したΦ・Np・LG・KCのLGをLG1としたΦ・Np・LG・KCが1以上8.2以下を満たすことが好ましい。導光板が上記範囲を満たすことで照度むらを低減し、かつ光利用効率を高くすることができる。
図2に示されるように、導光板18と拡散フィルム22の間に1枚のプリズムシート20が設けられている。プリズムシート20は、透明なシートの表面上に複数の細長いプリズムを互いに平行に配列させることにより形成される光学部材であり、導光板18の光射出面から出射する光の集光性を高めて輝度を改善することができる。プリズムシート20の各プリズム20aの頂点が、導光板18の光射出面18aと対向するように、すなわち図中下向きに配置されている。また、別の態様として、プリズムシート16の上に、同一構造の第2のプリズムシートを、そのプリズムがプリズム16aと交差するように配置することができる。また、別のプリズムシートとして、多数の三角錐形状(ピラミッド形状)のプリズムを透明シート面に多数配列した構成のものを使用してもよい。
拡散フィルム22は、フィルム状部材に光拡散性を付与して形成される。フィルム状部材は、例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PP(ポリプロピレン)、PC(ポリカーボネート)、PMMA(ポリメチルメタクリレート)、ベンジルメタクリレート、MS樹脂、あるいはCOP(シクロオレフィンポリマー)のような光学的に透明な樹脂を材料に形成することができる。
本発明において、拡散フィルム22としては、マットタイプやコーティングタイプの拡散フィルムを用いることができる。
図2では、拡散フィルム22をプリズムシート20の上に配置したが、拡散フィルム22の配置位置は特に限定されず、導光板18とプリズムシート20との間に配置してもよい。
反射板24は、導光板18の背面18bから漏洩する光を反射して、再び導光板18に入射させるために設けられており、光の利用効率を向上させることができる。反射板24は、導光板18の背面18b、18cに対応した形状で、背面18b、18cを覆うように形成される。図2では、導光板18の背面が断面三角形状に形成されているので、反射板24もこれに補形する形状に形成されている。
筐体16は、照明装置本体14を収納して支持するもので、図1および図2に示すように、外周に逆凹字(U字)形の折返部26が一体に形成され、上方から照明装置本体14を収納して支持する本体部16aと、照明装置本体14の矩形状の光出射面14aより小さく、上面に矩形状の開口部28が形成され、上方から被せられる額縁部16bとからなる。
導光板18とプリズムシート20との間に、光源12の上方を覆う入光部反射板34が設けられている。また、反射板24の両端を延長して、光源12の下方を覆う入光部反射板36が設けられている。
図3(A)は、光源12として用いられるLEDアレイ、図3(B)はLEDチップを示している。
図3(A)に示すように、光源12は、複数のLED(発光ダイオード)チップ40からなり、このLEDチップ40を所定間隔離間して一列にヒートシンク42上に配置してLEDアレイを構成している。
なお、上記のLEDチップ40に代えて、R、G、Bの3色のLEDを1つの素子としし、これら3色のLEDの光が混色されて白色光となるように構成されたRGBーLEDを用いてもよい。さらにまた、光源12としては、LEDチップ40やRGBーLEDに代えてLD(レーザダイオード)を用いることもできる。
導光板18の光入射面18dの厚さに対する光源12の発光面12aの厚さhが所定値以上となると、光源12の光漏れが生じ、光入射面18dへの入射効率Eは悪化する。入射効率Eを実用レベルである0.7を維持するには、h/H≦0.7とする必要がある。
アクリルペレットにシリコン粒子(Φ5μm、0.5wt%)を混入した材料により、光軸方向の寸法が700mm、光軸直交方向の寸法が400mm、光入射面の厚さHが2mm、中央部の最大厚さ4mmの導光板18を作製した。導光板18とプリズムシート20の間に、光源12の上方を覆うようにフィルム(三井化学製、ホワイトレフスター、厚さ200μm)からなる入光部反射板34を設けた。また、裏面の反射板24を同じフィルムを使用し、これを延長して光源12の下方を覆うように入光部反射板36を設けた。光入射面18dから距離xをおいてLEDからなる、発光面が矩形をなす光源12を配置し、距離xおよび光源12の光発光面12aの厚さhを変化させたときの入射効率Eを測定した。その結果を図8に示している。
図8において、a,b,c,d,eは、それぞれx/Hを、0、0.1、0.25、0.5、1.0とした場合において、h/Hの変化に対する入射効率Eの変化を示している。
なお、実施例では、光源12の発光面12aが平坦面の場合について示しているが、発光面が曲面の場合でも、発光有効断面積をとって平坦な発光面に換算した面として処理することにより、平坦面と同等に扱うことができる。
12 光源
14 照明装置本体
14a 光出射面
15 拡散フィルム
18 導光板
18a 光射出面
18b、18c 傾斜面
18d、18e 光入射面
20 プリズムシート
22 拡散フィルム
24 反射板
Claims (7)
- 外形形状が矩形状の光射出面、前記光射出面の端縁に形成されている光入射面、前記光射出面の反対側の面であって前記光入射面から遠ざかるに従って前記光射出面から遠ざかるように傾斜する傾斜面をそれぞれ有する透明な導光板と、前記光入射面に対向して配置された光源とを備え、該光源から射出された光を前記光射出面からの面状の光に変換する面状照明装置であって、
前記光入射面の厚さをH、前記光源の発光面の厚さをhとしたとき、h/H≦0.7を満足し、
前記導光板は、
内部に散乱粒子を含み、前記散乱粒子の散乱断面積をΦ、前記散乱粒子の密度をN P 、補正係数をK C 、前記導光板の光入射面から最大厚みとなる部分までの光の入射方向に沿った長さをL G としたときに、下記式(1)(2)を満足することを特徴とする面状照明装置。
1.1≦ΦN P L G K C ≦8.2 ・・・(1)
0.005≦K C ≦0.1 ・・・(2) - 前記光源の発光面の厚さhを0.5mm以上とすることを特徴とする請求項1に記載の面状照明装置。
- 前記導光板は、前記光入射面の厚さが2mm以下のものであって、0.25≦h/H≦0.7を満足することを特徴とする請求項1又は2に記載の面状照明装置。
- 前記光源を、前記導光板の光入射面から0.5mm以下の距離に設置することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の面状照明装置。
- 前記傾斜面は、
一対の前記光入射面から中央に向かうに従って前記光射出面から遠ざかるように傾斜する2つの傾斜面から構成されるものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の面状照明装置。 - 前記傾斜面は、
前記導光板の一端の光入射面から他端に向かうに従って前記光射出面から遠ざかるように傾斜する1つの傾斜面から構成されるものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の面状照明装置。 - 前記導光板の光射出面上に、透明な樹脂製のシートに複数の角錐形状のプリズムが規則的に配置されたプリズムシートおよびフィルム状部材に光拡散性を付与した拡散フィルムを積層したことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の面状照明装置。
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