JP4709230B2 - 面状照明装置 - Google Patents
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Description
例えば、特開平08−271739号公報には、PMMAに屈折率の異なる微小粒径のシリコーン系樹脂粉体を一様に分散させた楔形形状を有する光散乱導光体と、光散乱導光体の近傍に配置された光源(蛍光ランプ)と、光散乱導光体の光取出面に臨んで配置されたプリズム列状の起伏面を備えた光出射方向修正素子と、光散乱導光体の裏面に対向して配置された反射体とから構成される面光源装置が開示されている。
このような面状照明装置では、光源から放射され、光入射面から光散乱導光体内に進入した光が、その内部を伝播する過程において、一定の割合で、1回または多重的な散乱作用を受ける。また、光散乱導光体の両面あるいは反射体の表面に到達した光の相当部分は反射作用を受けて、光散乱導光体内へ戻される。
このような複合的な過程を通して、光源の方向からみて前方斜め方向に向かう指向性をもって光取出面から高効率で出射される光束が生成される。つまり、光源から放射された光を光散乱導光体の光取出面から出射される。
このように、散乱粒子が混入された導光板を用いることで、高い出射効率で、均一な光を射出することができると記載されている。
また、特開平07−36037号公報、特開平08−248233号公報、特開平08−271739号公報、特開平11−153963号公報に記載されている、光源の入射位置から遠ざかるにつれて厚みを減する傾向を持つ形状、または、平板形状では光の到達距離に限界があるため、大型化に限界があるという問題もある。
言い換えれば、本発明は、光源と、前記光源に対向して配置された少なくとも1つの導光板とを有し、前記導光板は、前記光源に対向した光入射面と、前記光入射面の一辺を含む光射出面とを備え、前記光射出面に直交する方向の厚みが、前記光入射面から離れるに従って厚くなる形状であり、前記入射面から入射して内部を伝搬する光を散乱する散乱粒子を含み、導光板の光入射面側の一部が低屈折率部材から形成されていることを特徴とする面状照明装置を提供するものである。
または、前記光射出面は、前記光源から射出され前記光入射面に入射する光の光軸方向に対して傾斜を有し、前記光射出面の反対側の面は、前記光軸方向に対して平行であることが好ましい。
または、前記光射出面及び前記光射出面の反対側の面は、前記光源から射出され前記光入射面に入射する光の光軸方向に対して傾斜を有することが好ましい。
または、前記導光板の前記光射出面と前記光射出面に反対側の面とは、前記第1光射出面に垂直かつ前記一辺に垂直な断面において、前記光源から射出され前記光入射面に入射する光の光軸方向に対して対称に傾斜していることが好ましい。
さらに、光射出面は、直管または曲管の外周面の形状を有することができる。
また、前記導光板を2つ以上有し、前記導光板の前記光射出面の一辺と前記光入射面の一辺を含む面と、他の前記導光板の前記光射出面の一辺と前記入射面の一辺を含む面とが隣接して配置されていることが好ましい。
また、前記光射出面側のみから光が射出されることが好ましい。
また、前記導光板の前記光出射面の反対側の面に対向して配置された反射フィルムを有することが好ましい。
また、前記導光板に含まれる前記散乱粒子は、下記式(1)を満たすことが好ましい。
1.1≦Φ・Np・LG・KC≦8.2 ・・・(1)
(ただし、散乱粒子の散乱断面積をΦ、前記導光板の光の入射方向の長さをLG、散乱粒子の密度をNp、補正係数をKCとし、0.005≦KC≦0.1とする)
また、前記導光板は、透明樹脂に少なくとも可塑剤を混入して形成されることが好ましい。
また、前記複数のレンズのそれぞれは、球状の透明なボールレンズであるが好ましい。
さらに、前記光源は、前記LEDアレイを2つ以上有し、機械的接合方法及び化学的接合方法の少なくとも一方を用い、前記LEDアレイの前記LEDチップと他の前記LEDアレイの前記LEDチップとの間隔を所定距離離間させて積層させた構成を有することが好ましい。
また、前記拡散反射体は、前記光入射面から離れるに従って、密に配置されていることが好ましい。
さらに、前記拡散反射体は、前記光射出面の反対側の面に配置されることが好ましい。
また、前記導光板の前記光入光面近傍の前記光射出面及び前記光射出面の反対側の面に配置された反射素材を有することが好ましい。
また、導光板の光射出面を第1光射出面とし、第1光射出面の反対側の面を第2光射出面として、両面から光を射出させることで両面を光射出面として用いることができる。
4 液晶表示パネル
6 駆動ユニット
10 液晶表示装置
12、62、142 光源
14、102 拡散フィルム
16、17、104、106 プリズムシート
18、70、80、144 導光板
18a 光射出面
18b、70a 傾斜面
18c、70c、80c 光入射面
20 光混合部
22、108 反射シート
24 LEDアレイ
25 LEDチップ
26 多層LEDアレイ
27 ヒートシンク
28、40 カップリングレンズ
30 RGB−LED
32 R−LED
34 G−LED
36 B−LED
42、44、46 ボールレンズ
64 冷陰極管
66 リフレクタ
70b 平坦面
80a 第1傾斜面
80b 第2傾斜面
120 拡散反射体
146 母材
148 低屈折率部材
162 反射部材
図1Aは、本発明の第1の実施形態に係る面状照明装置を備える液晶表示装置の概略を示す斜視図であり、図1Bは液晶表示装置の概略断面図である。また、図2Aは、本発明に係る面状照明装置(以下、バックライトユニットという)に用いられる導光板と光源の概略平面図であり、図2Bは、導光板の概略断面図である。
液晶表示装置10は、バックライトユニット2と、そのバックライトユニット2の光射出面側に配置される液晶表示パネル4と、液晶表示パネル4を駆動する駆動ユニット6とを有して構成される。
駆動ユニット6は、液晶表示パネル4内の透明電極に電圧をかけ、液晶分子の向きを変えて液晶表示パネル4を透過する光の透過率を制御する。
光源12は、LEDアレイ24とカップリングレンズ28とを備え、図2Aに示すように、導光板18の一辺に対向して配置されている。
LEDアレイ24は、複数のLEDチップ25が所定間隔離間して一列でヒートシンク27上に配置されている。図3Aに、LEDアレイ24の構成の概略斜視図を、図3Bに、LEDチップ25の構成の概略上面図を、図3Cに、多層LEDアレイ26の構成の概略上面図を、図3Dに、ヒートシンク25の一実施形態の概略側面図を示す。
LEDチップ25は、蛍光物質を用いてLEDが発する光を白色光に変換するように構成した単色のLEDである。例えば、単色のLEDとしてGaN系青色LEDを用いた場合には、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)系蛍光物質を用いることで、白色光を得ることができる。
また、ヒートシンク27は、本実施形態のように導光板18に対向した面に垂直な方向における長さが、導光板18に対向した面の短辺方向における長さよりも長い形状であることが好ましい。これにより、LEDチップ25の冷却効率を高めることができる。
ここで、ヒートシンクは、表面積を広くすることが好ましい。例えば、図3Dに示すように、ヒートシンク27をLEDチップ25を支持するベース部27aと、ベース部27aに連結された複数のフィン27bとで構成してもよい。
フィン27bを複数設けることで表面積を広くすることができ、かつ、放熱効果を高くすることができる。これにより、LEDチップ25の冷却効率を高めることができる。
またヒートシンクは、空冷方式に限定されず、水冷方式も用いることができる。
なお、本実施形態では、LEDチップの支持部としてヒートシンクを用いたが、本発明はこれに限定されず、LEDチップの冷却が必要ない場合は、放熱機能を備えない板状部材を支持部として用いてもよい。
LEDチップ25を長方形形状とすることで、大光量の出力を維持しつつ、薄型な光源とすることができる。光源を薄型化することで、面状照明装置を薄型にすることができる。
ここでは、カップリングレンズとしてボールレンズを用いたが、これに限らず、LEDが発する光を平行光にすることができれば特に限定されない。カップリングレンズには、例えば、シリンドリカルレンズ、レンチキュラ、かまぼこ型のレンズ、フレネルレンズなどを用いることもできる。
導光板18は、図2Aに示すように、略矩形形状の平坦な光射出面18aと、光射出面18aの反対側に位置し、光射出面18aに対して所定の角度で傾斜する傾斜面18bと、LEDアレイ24に対向し、LEDアレイ24からの光が入射される光入射面18cとを有している。光入射面18aは、光源12から射出され光入射面18cに入射する光の光軸方向に平行であり、傾斜面18bは、光射出面18aに対し傾斜している。導光板18は、光入射面18cから離れるに従って厚さ(光射出面18aに直交する方向の厚み)が厚くなっており、光入射面18c側の端部が最も薄く、光入射面18cの反対側の端部、つまり光入射面18cに対向する面側の端部、すなわち、光入射面18c側とは反対側の端部が最も厚くなっている。
光射出面18aに対する傾斜面18bの角度は特に限定されない。
ここで、光源12から射出され光入射面18cに入射する光の光軸方向(以下、単に光軸方向ともいう)は、光入射面18cに入射する光の中心軸であり、本実施形態では、光入射面18cに垂直な方向となる。
さらに、導光板を薄型化することで、導光板自体をフレキシブルにすることができる。これにより、フレキシブル液晶と組み合わせて、フレキシブルLCDモニター、フレキシブルテレビ(TV)とすることができる。
D1<D2 かつ、
1/1000<(D2−D1)/(L/2)<1/10 A
の関係を満たすことが好ましい。
D1<D2 かつ、
27/100000<(D2−D1)/(L/2)<26/1000 B
導光板の重量に対する混入された散乱粒子の重量の割合:Npの範囲が
0.04%Wt<Np<0.25%Wt
の関係を満たすことがより好ましい。導光板が上記関係を満たすことで、出射効率をより高く、例えば出射効率を30%以上にすることができる。
D1<D2 かつ、
66/100000<(D2−D1)/(L/2)<26/1000 C
導光板の重量に対する混入された散乱粒子の重量の割合:Npの範囲が
0.04%Wt<Np<0.25%Wt
の関係を満たすことがさらに好ましい。導光板が上記関係を満たすことで、出射効率をさらに高く、例えば出射効率を40%以上にすることができる。
上記式を満たす形状とすることで、導光板をより好適に薄型化、軽量化、大型化することができ、面状照明装置の薄型化、軽量化、大型化が可能となる。
さらに、導光板を薄型化・軽量化できることで、導光板自体をフレキシブルにすることができ、壁掛け照明やカーテン照明に用いることが可能となる。さらに、フレキシブル液晶モニター、フレキシブル液晶TVも実現可能となる。
このような導光板18は、押出成形法や射出成形法を用いて製造することができる。
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の光入射面から導光板18の光入射面に対向する面までの長さ、つまり、光軸方向における導光板の端面から端面までの長さとなる。
また、光の取り出し効率とは、入射光に対する、導光板の光入射面から光軸方向に長さLG離間した位置に到達する光の割合であり、例えば、図2に示す導光板18の場合は、光入射面に入射する光に対する導光板の光入射面に対向する面(導光板の光軸方向の長さとなる位置)に到達する光の割合である。
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。
ここで、Φ・Np・LG・KCの値は大きくすると、導光板18の光射出面18aから出射する光の照度むらが顕著になるが、Φ・Np・LG・KCの値を8.2以下とすることで、照度むらを一定以下(許容範囲内)に抑えることができる。なお、照度と輝度は略同様に扱うことができる。従って、本発明においては、輝度と照度とは、同様の傾向があると推測される。
以上より、本発明の導光板のΦ・Np・LG・KCの値は、1.1以上かつ8.2以下であるという関係を満たすことが好ましく、2.0以上かつ7.0以下であることがより好ましい。また、Φ・Np・LG・KCの値は、3.0以上であればさらに好ましく、4.7以上であれば最も好ましい。
また、補正係数KCは、0.005以上0.1以下であることが好ましい。
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。
以上より、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。
光入射面18cの表面粗さRaを380nmよりも小さくすることで、導光板表面の拡散反射を無視することができ、つまり、導光板表面での拡散反射を防止することができ、入射効率を向上させることができる。
また、光射出面18aの表面粗さRaを380nmよりも小さくすることで、導光板表面の拡散反射透過を無視することができ、つまり導光板表面での拡散反射透過を防止することができ、全反射により奥まで光を伝えることができる。
さらに、光反射面となる傾斜面18bの表面粗さRaを380nmよりも小さくすることで、拡散反射を無視することができ、つまり光反射面での拡散反射を防止でき、全反射成分をより奥まで伝えることができる。
図4A〜図4Dは、それぞれ導光板の他の一例を示す概略断面図である。
図4Aに示す導光板202は、傾斜面204が、光入射面18c側の第1傾斜部206と、光入射面18cに対向する面側の第2傾斜部208とで構成されている。第1傾斜部206と第2傾斜部208とは、光射出面に対する傾斜角が互いに異なる角度で傾斜し、第1傾斜部206の傾斜角よりも第2傾斜部208の傾斜角の方が角度が小さい。つまり、傾斜面は、光入射面18cから離れるに従って傾斜角が緩やかになる位置関係に配置した複数の傾斜部で形成されている、つまり光入射面18cに近づくに従って傾斜角が大きくなる位置関係に配置した複数の傾斜部で形成されている。
このように、傾斜面を、光射出面に直交しかつ光入射面に直交する方向の断面が傾斜角の異なる複数の直線で構成される形状とし、光入射面側の直線の傾斜角がより大きくなる形状とすることで、光入射面近傍の光射出面から射出する光の輝度が高くなることを防止できる。これにより、より均一な光を光射出面から射出させることができる。
また、図4Aでは、傾斜面を2つの傾斜部で構成したが、傾斜面を構成する傾斜部の数は特に限定されず、光射出面から離れるに従って傾斜角が徐々に緩やかになるように配置した任意の数の傾斜部で構成することができる。
例えば、図4Bに示すように、導光板210の傾斜面212を、光入射面18c側から光入射面18cに対向する面側に向かって、第1傾斜部214、第1傾斜面214よりも傾斜角が緩やかな第2傾斜部216、第2傾斜部216よりも傾斜角が緩やかな第3傾斜部218の順番で形成された3つの傾斜部で構成してもよい。
このように、導光板の傾斜面の光入射面との接続部に曲面部を設けR形状とし、光入射面と傾斜面とを滑らかに接続された形状とすることによっても、光入射面近傍の光射出面から射出する光の輝度が高くなることを防止できる。
このように傾斜面を非球面形状とすることによっても、光入射面近傍の光射出面から射出する光の輝度が高くなることを防止できる。
このように、透明樹脂と可塑剤とを混合した材料で導光板を作製することで、導光板をフレキシブルにすること、つまり、柔軟性のある導光板とすることができ、導光板を種々の形状に変形させることが可能となる。従って、導光板の表面を種々の曲面に形成することができる。
これにより、例えば、導光板、または、この導光板を用いた面状照明装置を電飾(イルミネーション)関係の表示板として用いる場合に、曲率を持つ壁にも装着することが可能となり、導光板をより多くの種類、より広い使用範囲の電飾やPOP(POP広告)等に利用することができる。
拡散フィルム14は、図1A及び図1Bに示されるように、プリズムシート17と液晶パネル4との間に配置される。拡散フィルム14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。
拡散フィルム14の製造方法は特に限定されないが、例えば、フィルム状部材の表面に微細凹凸加工や研磨による表面粗化を施して拡散性を付与したり、シリカ、酸化チタンもしくは酸化亜鉛等の顔料、または、樹脂、ガラスもしくはジルコニア等のビーズ類などの光を散乱させるための材料をバインダとともに表面に塗工したり、上記の透明樹脂中に光を散乱させる前述の顔料またはビーズ類を混練することで形成される。他には、反射率が高く光の吸収が低い材料で、例えば、Ag、Alのような金属を用いて形成することもできる。
本発明において、拡散フィルム14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。
このように拡散フィルム14を導光板18の光射出面18aから所定の間隔だけ離すことにより、導光板18の光射出面18aから射出する光が、光射出面18aと拡散フィルム14の間で更にミキシング(混合)される。これにより、拡散フィルム14を透過して液晶表示パネル4を照明する光の輝度を、より一層均一化することができる。
拡散フィルム14を導光板18の光射出面18aから所定の間隔だけ離す方法としては、例えば、拡散フィルム14と導光板18との間にスペーサを設ける方法などを用いることができる。
また、プリズムシートを用いず、拡散フィルムを複数枚用いてもよい。拡散フィルムの使用枚数は2枚以上、好ましくは3枚である。
反射シート22は、導光板18の傾斜面18bと光入射面18cの反対側の面(光軸方向において光入射面18cから最も離れた面)とから漏洩する光を反射して、再び導光板18に入射させるものであり、光の利用効率を向上させることができる。反射シート22は、導光板18の傾斜面18bと、光入射面18cの反対側の面とを覆うように形成される。つまり、反射シート22は、光入射面18cの反対側の面と、傾斜面18bとに対向して配置されている。
反射シート22は、導光板18の傾斜面18bと光入射面18cの反対側の面とから漏洩する光を反射することができるものであれば、どのような材料で形成されてもよく、例えば、PETやPP(ポリプロピレン)等にフィラーを混練後延伸することによりボイドを形成して反射率を高めた樹脂シート、透明もしくは白色の樹脂シート表面にアルミ蒸着などで鏡面を形成したシート、アルミ等の金属箔もしくは金属箔を担持した樹脂シート、あるいは表面に十分な反射性を有する金属薄板により形成することができる。
また、赤外LEDに赤色、緑色、青色の蛍光体を組み合わせた光源も用いることができる。このような光源としては、特開2000−347691号公報に記載されてるLEDと蛍光体を組み合わせた発光装置、特開2002−43633号公報に記載されていLEDと蛍光体を組み合わせた白色発光ダイオード、特開2005−126577号公報に記載されているLEDと蛍光体を組み合わせた発光装置等が例示される。
また、本発明は、蛍光体をLEDの発光面に配置し、白色光を射出させることに限定されず、蛍光体をLEDの発光面に配置する代わりに、導光板に蛍光体を混入することによっても、白色光を光射出面から射出させることができる。
また、蛍光体を塗布、または混入した光学シートを導光板の光射出面上に配置した構成も用いることができる。上記構成としても白色光を光射出面から射出させることができる。
光源13は、LEDアレイ29とカップリングレンズ40を備える。LEDアレイ29は、赤色、緑色及び青色の3種類の発光ダイオード(以下、それぞれR−LED32、G−LED34及びB−LED36という)を用いて形成される複数のRGB−LED30が一列に配置されて構成されている。図5に、複数のRGB−LED30の配置の様子を模式的に示す。図5に示すように、R−LED32、G−LED34及びB−LED36が規則的に配置されている。
また、図6に示すように、RGB−LED30は、R−LED32、G−LED34及びB−LED36からそれぞれ出射する光が所定の位置において交差するように、3種類のLED(R−LED32、G−LED34及びB−LED36)の光軸の向きが調整されている。このように3種類のLEDを調整することによって、それらLEDの光が混色されて白色光とされる。
3原色のLED(R−LED32、G−LED34及びB−LED36)を用いて構成されたRGB−LED30は、従来バックライト用光源として使用される冷陰極管(CCFL)と比較して色再現領域が広く色純度が高いため、このRGB−LED30をバックライト用光源として使用した場合には、従来よりも色再現性が高くなり、鮮やかな色彩の画像を表示することが可能になる。
ここでは、カップリングレンズとしてボールレンズを用いたが、これに限らず、LEDが発する光を平行光にすることができれば特に限定されない。カップリングレンズには、例えば、シリンドリカルレンズ、レンチキュラ、かまぼこ型のレンズ、フレネルレンズなどを用いることもできる。
光源としてLEDアレイを用い、そのLEDアレイを導光板18の側面近傍に配置した場合には、LEDアレイを構成する各LEDの発熱により導光板18が変形したり、溶融する恐れがある。そこで、LEDアレイを導光板18の側面から離れた位置に配置し、ライトガイドを用いてLEDが発する光を導光板18に導くことにより、LEDの発熱による導光板18の変形及び溶融を防止することができる。
さらに、光源としては、蛍光管、冷陰極管、熱陰極管、外部電極管等の種々光源を用いることもできる。
以下、光源として冷陰極管を用いる場合の一実施例を説明する。
図7に、光源62に冷陰極管64を用いた面状照明装置60の概略構成図を示す。
図7に示した面状照明装置60は、光源の構成を除いて図1に示した面状照明装置10と同様の構成であるので、同一の部分の説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
光源62は、冷陰極管(CCFL)64と、リフレクタ66とを有する。
冷陰極管64は、細径の棒状であり、液晶表示パネル4を照明するために用いられる。冷陰極管64は、導光板18の光入射面18cに対向する位置に配置され、駆動ユニット6と接続されている。
また、リフレクタ66は、例えば、上記反射シート22と同じ素材、すなわち、表面に十分な反射性を付与した樹脂素材、金属箔もしくは金属板により形成することができる。
なお、ヒートシンクを折り曲げた形状とし導光板の傾斜面側に配置する場合のヒートシンクの厚さ及び/または長さは、バックライトユニットの厚みを損ねない程度とすることが好ましい。ヒートシンクを、導光板の最大厚みと最小厚みよりも薄くし、傾斜面の裏面側に配置することで、導光板の傾斜面と筐体との間の空間を有効利用することができ、面状照明装置の厚みを薄くすることができる。
また、ヒートシンクの材料としては、熱伝導性の高い材料、例えば、上述したように、アルミ、銅などの金属、その他種々の材料を用いることができる。
ここで、ヒートシンクと筐体とは、直接接触させることに限定されず、熱接続体を介して接触させてもよい。
また、光射出面18a上に、プリズム列が形成されたプリズムシートを配置したが、導光板18の傾斜面18bにプリズム列を形成しても同様の効果が得られる。つまり、傾斜面にプリズム列を形成することでも、光射出面18a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。また、プリズム列には限定されず、プリズムに類する光学素子を規則的に形成してもよい。例えば、レンチキュラーレンズ、凹レンズ、凸レンズ、ピラミッド型など、レンズ効果を有する光学素子を導光板の傾斜面に形成することもできる。
ここで、拡散反射体としては、例えば、光を散乱させるシリカ、酸化チタンもしくは酸化亜鉛等の顔料、または、樹脂、ガラスもしくはジルコニア等のビーズ類などの光を散乱させるための材料をバインダとともに塗工した物や、表面に微細凹凸加工や研磨による表面粗化パターンでもよい。他には反射率が高く光の吸収が低い材料で、例えば、Ag、Alのような金属を用いることもできる。また、拡散反射体として、スクリーン印刷、オフセット印刷等で用いられる、一般的な白インクも用いることができる。一例としては、酸化チタン、酸化亜鉛、硫酸亜鉛、硫酸バリウム等を、アクリル系バインダや、ポリエステル系バインダ、塩化ビニル系バインダ等に分散したインク、酸化チタンにシリカを混合し拡散性を付与したインクを用いることができる。
なお、図8の導光板では、傾斜面に拡散反射体を配置したが、本発明は、これに限定されず、必要に応じて、光入射面以外の任意の面に配置してよい。例えば、光射出面に配置してもよく、また、傾斜面と、光入射面の反対側の面とに配置してもよい。
色度調整フィルムを配置することで、射出される光の色を微調整することができ、演色性や色再現性を向上させることができる。これにより、光源として、演色性の低い光源を用いた場合でも演色性を向上させることができる。また、射出される光の色を微調整することができる。
本実施例では、色温度3500Kの冷陰極管(CCFL)、色温度9150KのLED素子、色温度8500KのLED素子の3つの光源を用いて、色度調整フィルムを配置していない場合と、下記表1及び表2に示した種々のインク割合の色度調整フィルムを配置し場合に射出される光の色度を測定した。
ここで、図9は、色温度3500Kの冷陰極管(CCFL)から射出された後、表1及び表2に示した各種色度調整フィルムを透過した光をそれぞれ測定した結果を示したグラフである。また、図10は、色温度9150KのLED素子から射出された後、表1及び表2に示した各種色度調整フィルムを透過した光をそれぞれ測定した結果を示すグラフである。さらに、図11は、色温度8500KのLED素子から射出された後、表1及び表2に示した各種色度調整フィルムを透過した光をそれぞれ測定した結果を示すグラフである。
これにより、演色性や色温度再現域を向上させることができる。また、青色LEDに蛍光体を配置して白色光を射出させる場合でも、色度調整フィルムを配置することで、赤色の色再現性を向上させることができる。
また、色度調整フィルムを配置することに替えて、拡散フィルム、プリズムシート、導光板表面等に上述の白インキに各種インクを所定量混練したインクを塗布してもよい。
かかる形状を有する導光板70も、上述した導光板18と同様に、入射した光をより遠くまで到達させることができる。これにより、面状照明装置を薄型化、軽量化することができる。
なお、図12に示す導光板70は、傾斜面70aにプリズム列を形成することも可能である。また、導光板70の光射出面と反対側の面である平坦面70bにプリズム列を形成することもできる。
また、本実施形態は、光軸方向を軸として対称な形状とすることが好ましいが、本実施形態はこれに限定されず、光軸方向に非対称な形状、例えば、光軸方向に対する第1傾斜面の傾斜角度と光軸方向に対する第2傾斜面の傾斜角度とが異なる形状、また、第1傾斜面の形状と第2傾斜面の形状とが異なる形状としてもよい。
図14に、複数の導光板を用いた面状照明装置の一例を示す。なお、図14では、導光板の配置を明確に示すため、導光板18、18'、18''と光源12のみを示す。
また、導光板18'と導光板18''とも同様に、それぞれの光射出面18'aと光射出面18''aとが同一平面となり、かつ、光入射面18'cと光入射面18'cとが同一平面となる位置に配置されている。
光源12は、導光板18、18'、18''の各光入射面18c、18c'、18c''に対向する位置に配置されている。これにより、導光板18、18'、18''の各光入射面18c、18c'、18c''には、共通の光源12から出射された光が入射する。
また、図14には図示していないが、拡散フィルム、プリズムシートも、光源と同様に、複数の導光板により形成された光射出面を1つの拡散フィルム、プリズムシートで覆うようにすることが好ましい。
上記第1実施形態では、導光板の矩形形状の1つの面を光射出面としたが、光射出面を第1光射出面とし、第1光射出面の反対側の面を第2光射出面として、2つの面を光射出面にして、両面から光を射出させるようにしてもよい。
図15は、第2実施形態の面状照明装置(バックライトユニット)100の概略構成を示す断面図である。なお、図1及び図2に示したバックライトユニット10と同様の構成のものには、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略し、異なる部分について重点的に説明する。
バックライトユニット100は、光源12と、拡散フィルム14、102と、プリズムシート16、17、104、106と、導光板80と、光混合部(ミキシングゾーン)20と、反射シート108とを有する。
導光板80の第1傾斜面80aの表面には、プリズムシート16、17、拡散フィルム14が配置され、第2傾斜面80bの表面には、プリズムシート104、106、拡散フィルム102が配置されている。
また、導光板80の光入射面80cの反対側の面に対向する位置には、反射シート108が配置されている。
ここで、拡散フィルム102、プリズムシート104、106、反射シート108は、上述した拡散フィルム、プリズムシート、反射シートと同様の構成、形状のものであるので、その詳細な説明は省略する。
これにより、例えば、面状照明装置の両方の光射出面に液晶パネルを配置することで、1つの面状照明装置で、2つの面に異なる画像を表示する液晶表示装置とすることができる。また、両面から光を射出することで、より多くの種類、より広い使用範囲の電飾やPOP(POP広告)等に利用することができる。
また、一方の面を光の入射方向に対して平行な面としてもよい。つまり、2つの光射出面から光を射出させる場合も、上記の図1〜8に示した種々の形状の導光板を用いることができる。
例えば、図16に示すように光源に冷陰極管64を用いてもよい。また、半導体レーザ(LD)、蛍光管、熱陰極管、外部電極管等の種々の光源を用いることができる。
さらに、導光板も上述した種々の形状を用いることができるのも同様である。
図17は、第3実施形態の面状照明装置(バックライトユニット)140の概略構成を示す概略断面図である。なお、図17に示したバックライトユニット140において、図1及び図2に示したバックライトユニット10と同様の構成のものには、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略し、異なる部分について重点的に説明する。
バックライトユニット140は、光源142と、拡散フィルム14と、プリズムシート16、17と、導光板144と、反射フィルム22とを有する。
導光板144は、略矩形形状の平坦な光射出面144aと、光射出面144aの反対側に位置し、光射出面144aに対して所定の角度で傾斜する傾斜面144bと、LEDアレイ24に対向し、LEDアレイ24からの光が入射される光入射面144cとを有している。導光板144は、光入射面144c側の一部が、導光板144の他の部分(以下、母材146とする)とは異なる材料の低屈折率部材148で構成される。
このような導光板も、押出成形法や射出成形法を用いて製造することができる。また、母材146と低屈折率部材148とを別々に製造し、母材146に低屈折率部材148を埋め込む、または接着させて設けてもよい。
ここで、低屈折率部材148は、低屈折率部材148の屈折率をNiとし、母材146の屈折率をNmとすると、Nm>Niの関係を満たしている。
また、低屈折率部材148は、入射された光を平行光にし、かつミキシングする機能、つまり、カップリングレンズ及び混合部の機能を有する。本実施形態のバックライトユニットは、低屈折率部材を設けることで、カップリングレンズ及び混合部を設けることなく、光源から射出された光をより遠い位置まで到達させることができ、かつ、均一な輝度のむらのない照明光を射出させることができる。
図18A〜図18Cは、本発明のバックライトユニットに用いることができる導光板及び光源の他の例の概略断面図を示すものである。ここで、図18A〜Cに示す導光板の断面形状は、いずれの位置においても同一の形状を有する。
図18Aは、断面形状が正方形となる屈折率部材152を有する導光板151を示すものである。図18Bは、断面形状が光入射面となる面154aと光入射面の反対側の面154bとが平行で光入射面となる面154aよりも光入射面の反対側の面154bの方が短い台形となる低屈折率部材154を有する導光板153を示すものである。図18Cは、断面形状が光入射面となる面が底面となり光入射面の反対側に頂点を有する三角形となる低屈折率部材156を有する導光板155を示すものである。
低屈折率部材を上記のような形状としても、入射効率を向上させることができる。
また、低屈折率部材の形状は、上記例にも限定されず、例えば、断面形状が半円形、双曲線形、放物線となる形状等、種々の形状とすることができる。
図19に、本発明の第3の実施形態のバックライトユニットの他の一例の概略断面図を示す。ここで、バックライトユニット160は、導光板144の光入射面144c近傍に反射部材162を設けたことを除いて基本的に図17に示したバックライトユニット140と同じ構成のものである。従って、両者で同一の構成要素には同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下に、バックライトユニット160に特有の点を重点的に説明する。
反射部材162は、導光板144の光入射面近傍の光射出面144a及び傾斜面144bから漏洩する光を反射することができるものであれば、どのような材料で形成されてもよく、例えば、PETやPP(ポリプロピレン)等にフィラーを混練後延伸することによりボイドを形成して反射率を高めた樹脂シート、透明もしくは白色の樹脂シート表面にアルミ蒸着などで鏡面を形成したシート、アルミ等の金属箔もしくは金属箔を担持した樹脂シート、あるいは表面に十分な反射性を有する金属薄板により形成することができる。
例えば、上記第2の実施形態と第3の実施形態を組み合わせ、導光板の光入射面側に低屈折率部、及び/または、導光板の光入射面近傍に反射部材を設け、かつ、導光板の2面を光射出面とし、光入射面に直交し、互いに対向する2つの面から光を射出させるようにしてもよい。
図20に、透過率調整部材182を配置した面状照明装置180の概略断面図を示す。ここで、図20に面状照明装置180は、透過率調整部材182、導光板の光射出面表面に配置させる部材の配置順序を除いて、図1及び2に示す面状照明装置10と同じ構成のものである。従って、両者で同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
透過率調整部材182は、上述したように、導光板から射出される光の輝度むらを低減させるために用いられ、透明フィルム184と、透明フィルム184の表面に配置される多数の透過率調整体186とを有する。
透過率調整体186は、拡散反射体であればよく、例えば、光を散乱させるシリカ、酸化チタン、酸化亜鉛等の顔料もしくは樹脂やガラス、ジルコニア等のビーズ類をバインダとともに塗工した物や、表面に微細凹凸加工や研磨による表面粗化パターンでもよい。他には反射率が高く光の吸収が低い材料で、例えば、Ag、Alのような金属を用いることもできる。
また、透過率調整体186として、スクリーン印刷、オフセット印刷等で用いられる、一般的な白インクを用いることができる。一例としては、酸化チタン、酸化亜鉛、硫酸亜鉛、硫酸バリウム等を、アクリル系バインダや、ポリエステル系バインダ、塩化ビニル系バインダ等に分散したインク、酸化チタンにシリカを混合し拡散性を付与したインクを用いることができる。
ρ(x,y)=c{F(x,y)−Fmin}/(Fmax−Fmin)・・・(5)
式(5)において、Fmaxは、透過率調整部材182を備えない場合のバックライトユニット180の拡散フィルム14の光出射面から出射される光の最大輝度であり、Fminは、最小輝度である。なお、相対輝度F(x,y)は、最大輝度Fmaxを基準点(Fmax=1)としている。
ここで、cは最大密度であり、0.5≦c≦1とすることが好ましい。
ここで、パターン密度ρ(x,y)とは、任意の位置(x,y)に存在する透過率調整体186の単位面積(1mm2)あたりの占有率であり、ρ(x,y)=1のとき透過率調整体186は、単位面積内の全面に配置され、ρ(x,y)=0のとき、単位面積内に全く配置されない。
また、上記の式に従って透過率調整体の配置の密度設計をした際に、正面方向以外から観察した角度によっては輝度ムラが視認される場合がある。これを改善するために、算出した密度分布にさらに「均一な密度分布(バイアス密度ρb)」を追加することが好ましい。これにより、輝度ムラを低減させ、かつ、輝度ムラの角度依存性も無くすもしくは低減させることができる。
ここで、バイアス密度ρbは、0.01〜1.50(1〜150%)とすることが好ましい。なお、配置密度が1(100%)を超える場合は、透過率調整体を2重に配置する。つまり、透過率調整体を全面に配置した上に(ρb−1)の配置密度の透過率調整体を配置する。
ここで、上述したように、最大密度cは、0.5≦c≦1とすることが好ましい。最大密度cを0.5以上とすることで、平均輝度の低減も抑えることができ、高輝度で均一な光を出射させることができる。
また、透過率調整体186は、パターン密度ρ(x、y)=1、つまり透過率調整体186を全面に配置した場合の透過率が10%以上50%以下であることが好ましく、20%以上40%以下とすることがより好ましい。
透過率を10%以上とすることで、輝度むらを好適に低減させることができ、50%以下とすることで、平均輝度を低下させることなく、輝度むらを低減させることができる。
さらに、透過率を20%以上40%以下とすることで、上記効果をより好適に得ることができる。
また、バックライトユニットに、本実施例のような線状光源と1軸延伸形状の導光板とを用いた場合は、透過率調整体の形状を、線状光源の軸と平行な細長い帯形状としてもよい。
パターン密度に応じた透過率調整体186の配置方法としては、FMスクリーニング方式、AMコア方式等種々の方式を用いることができ、これらのうち、FMスクリーニング方式を用いることが好ましい。FMスクリーニング方式を用いることにより、透過率調整体186を微細で均一なドットとして分散集合させて配置することができ、バックライトユニットの光射出面から、透過率調整体186の配置パターンを視認しにくくすることができる。つまり、バックライトユニットの光射出面から透過率調整体186の配置パターンが投影され、むらのある光が射出されることを防止でき、より均一な光を射出することができる。また、ドット寸法が小さくなりすぎ、透過率調整体186の形成が困難になることも防止できる。
また、透過率調整体186は、最大寸法を100μm以下とすることがさらに好ましい。最大寸法を100μm以下とすることで、寸法がより確実に肉眼の判別能以下とすることができ、実際に液晶表示装置として使用する際に、透過率調整体186の形状がバックライトユニットの光射出面に投影されて輝度むらとなることがなく、より確実に、かつ、効率よく輝度むらを低減することができる。
また、透過率調整体を透明フィルムの表面に印刷する際に、透明フィルムの網点パターンの配置領域外にアライメントマークを印刷してもよい。透明フィルムにアライメントマークを形成することで、製造時の導光板と透過率調整部材とのアライメントを容易にとることができる。
また、透過率調整部材を、透明フィルムに透過率調整体を配置することで設けたが、本発明はこれに限定されず、拡散フィルム、プリズムシート、または導光板の表面に透過率調整体を配置したものを透過率調整部材としてもよい。具体的には、拡散フィルムの導光板側の面(光の入射面)、及び、拡散フィルムの導光板側とは反対側の面(光の出射面)の少なくとも一方に透過率調整体を配置してもよい。また、プリズムシートの導光板側の面(光の入射面)、及び、プリズムシートの導光板側とは反対側の面(光の出射面)の少なくとも一方に透過率調整体を配置してもよい。さらに、導光板の光射出面に直接透過率調整体を配置してもよい。
このように、透過率調整体を拡散フィルム、プリズムシートまたは導光板の表面に設けることで、透明フィルムを使用することなく透過率調整部材を形成することができ、層構成をより簡単にすることができる。
また、透過率調整体を直接導光板の光射出面に配置することで、上記効果に加えて、面状照明装置の組み立て時に、アライメントをとることなく、導光板から射出される光の輝度むらに対して透過率調整体を正確な位置に配置することができる。
図21A〜図21Cは、面状照明装置の他の実施例を示す図であり、図21Aは、面状照明装置300の概略斜視図であり、図21Bは、面状照明装置300の側面図であり、図21Cは、面状照明装置300を長手方向の断面を示す概略断面図である。
面状照明装置300は、光源302と、導光板304と、拡散フィルム306と、アクリルパイプ308と、反射フィルム310とを有する。
導光板304は、図21Bに示すように、光源302から射出された光の入射方向に垂直な断面において、光射出面が円形に形成され、外周が光射出面となる中空の円筒形状を有する。また、導光板304は、図21Cに示すように、円筒の上面または下面に相当する光入射面から他方の端面に向かうに従って厚みが厚くなっており、光入射面の厚みが最も薄く、光入射面に対向した面の厚みが最も厚くなっている。つまり、光源302から射出された光の入射方向に平行な方向における導光板304の断面形状は、上述した導光板18等と同様の形状である。
アクリルパイプ308は、中空の円筒形状であり、拡散フィルム306の外周に配置されている。また、アクリルパイプ308は、透明樹脂で形成されている。
反射フィルム310は、導光板304の傾斜面側、つまり、円筒形状の導光板304の内面側及び光入射面に対向する面側に配置されている。
このように面状照明装置300は、内側から円筒形状の反射フィルム310、導光板304、拡散フィルム306、アクリルパイプ308の順で積層されている。
ここで、面状照明装置300は、外形形状が円筒形状であることを除いて、各種構成は、上述した面状照明装置と同様であるので、形状、材質等の詳細な説明は、省略する。
面状照明装置300は、円筒の外周面が光射出面あり、外周面の全面から光が射出される。これにより、360度の全方位に光を射出することができ、例えば、蛍光灯と同様に用いることができる。
このように、本発明の面状照明装置は、照明装置として用いられている棒状の蛍光灯と同様の棒状とすることもでき、蛍光灯と同様の用途に用いることもできる。
なお、本実施形態では、導光板の光射出面に拡散フィルムのみを配置したが、上述した面状照明装置と同様の各種光学部材を配置することで、上述と同様の効果を得ることができる。
図22A及び図22Bは、面状照明装置のさらに他の実施例を示す図であり、具体的には、図22Aは、面状照明装置320の概略側面図であり、図22Bは、面状照明装置320を長手方向の断面を示す概略断面図である。
図22A及び図22Bに示すように、面状照明装置320は、光源322と、導光板324と、反射フィルム326とを有する。また、図示は省略したが、導光板324の外周面には、面状照明装置300と同様に、拡散フィルム及びアクリルパイプが配置されている。
面状照明装置320は、光源322から射出された光の入射方向に垂直な断面が、円形の面状照明装置300を半分した半円筒形状に形成されている。つまり、光源322、導光板324及び反射フィルム326が半円筒形状に形成されている。
面状照明装置を半円筒形状としても好適に用いることができる。例えば、蛍光灯と同様に室内照明として天井に配置する場合は、半円筒形状とすることで、天井側に光を照射することなく、室内を明るくすることができる。これにより、効率よく室内を照明することができる。
図23、図24及び図25は、それぞれ面状照明装置をリング状にした形状の一例を示す概略正面図である。
図23に示す面状照明装置330は、4つの光源332と、4つの導光板334とを有する。
導光板332は、外周面が光射出面となる円筒形状であり、光入射面となる端面から他方の端面に向かうに従ってその厚みが厚くなる形状である。また、導光板334は、端面から端面までの円筒の中心線が90度の円弧となる曲管である。
この導光板332は、端面が隣接する導光板332の端面と向かい合うように配置され、連結された4つの導光板332が、1つのリング形状となる。
また、導光板334の一方の端面には、ぞれぞれ光源332が配置されている。
また、導光板の円筒形状の中心線の円弧の角度を設定することで、任意の数の導光板でリング状にすることができる。
また、面状照明装置は、棒状、リング状に限定されず、種々の形状とすることができる。
導光板354に溝354aを形成することで、導光板354の内面側に、反射フィルム346を簡単に配置することができる。
Claims (22)
- 光源と、前記光源に対向して配置された少なくとも1つの導光板とを有し、
前記導光板は、前記光源に対向した光入射面と、前記光入射面の一辺を含む光射出面とを備え、前記光射出面に直交する方向の厚みが、前記光入射面から離れるに従って厚くなる形状であり、前記入射面から入射して内部を伝搬する光を散乱する散乱粒子を含み、
前記導光板の前記光入射面側の一部が、前記導光板の他の部分より低い屈折率を有する低屈折率部材から形成されていることを特徴とする面状照明装置。 - 前記光射出面は、外形が矩形形状である請求項1に記載の面状照明装置。
- 前記光射出面は、前記光源から射出され前記光入射面に入射する光の光軸方向に平行であり、前記光射出面の反対側の面は、前記光軸方向に対して傾斜を有する請求項1または2に記載の面状照明装置。
- 前記光射出面は、前記光源から射出され前記光入射面に入射する光の光軸方向に対して傾斜を有し、前記光射出面の反対側の面は、前記光軸方向に対して平行である請求項1または2に記載の面状照明装置。
- 前記光射出面及び前記光射出面の反対側の面は、前記光源から射出され前記光入射面に入射する光の光軸方向に対して傾斜を有する請求項1または2に記載の面状照明装置。
- 前記導光板の前記光射出面と前記光射出面に反対側の面とは、前記光射出面に垂直かつ前記一辺に垂直な断面において、前記光源から射出され前記光入射面に入射する光の光軸方向に対して対称に傾斜している請求項5に記載の面状照明装置。
- 前記光射出面の反対側の面が前記光射出面側に凸または凹の形状を有する曲面からなる請求項1〜6のいずれかに記載の面状照明装置。
- 前記光射出面は、直管または曲管の外周面の形状を有する請求項1に記載の面状照明装置。
- 前記導光板を2つ以上有し、
前記導光板の前記光射出面の一辺と前記光入射面の一辺を含む面と、他の前記導光板の前記光射出面の一辺と前記入射面の一辺を含む面とが隣接して配置されている請求項1〜8のいずれかに記載の面状照明装置。 - 前記光射出面側のみから光が射出される請求項1〜9のいずれかに記載の面状照明装置。
- 前記導光板の前記光出射面の反対側の面に対向して配置された反射フィルムを有する請求項1〜10のいずれかに記載の面状照明装置。
- 前記導光板の前記光射出面は、第1光射出面であり、前記第1光射出面の反対側の面は第2光射出面である請求項1〜9のいずれかに記載の面状照明装置。
- 前記導光板に含まれる前記散乱粒子は、下記式(1)を満たす請求項1〜12のいずれかに記載の面状照明装置。
1.1≦Φ・Np・LG・KC≦8.2 ・・・(1)
(ただし、散乱粒子の散乱断面積をΦ、前記導光板の光の入射方向の長さをLG、散乱粒子の密度をNp、補正係数をKCとし、0.005≦KC≦0.1とする) - 前記導光板は、透明樹脂に少なくとも可塑剤を混入して形成される請求項1〜13のいずれかに記載の面状照明装置。
- 前記光源は、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色発光ダイオードを備えるRGB−LEDを複数個、一列に並んで配置させたLEDアレイと、前記赤色発光ダイオード、前記緑色発光ダイオード及び前記青色発光ダイオードの光射出側に対応してそれぞれ配置される複数のレンズとを用いて構成されている請求項1〜14のいずれかに記載の面状照明装置。
- 前記複数のレンズのそれぞれは、球状の透明なボールレンズである請求項15に記載の面状照明装置。
- 前記光源は、複数のLEDチップと、一列に並んだ前記LEDチップを支持する支持部とを有するLEDアレイであり、
前記LEDチップの前記導光板の前記光出射面に垂直な方向の長さをaとし、前記LEDアレイの配列方向における長さをbとし、前記LEDアレイの配置間隔をpとしたときに、p>b>aの関係を満足する請求項1〜14のいずれかに記載の面状照明装置。 - 前記光源は、前記LEDアレイを2つ以上有し、
機械的接合方法及び化学的接合方法の少なくとも一方を用い、前記LEDアレイの前記LEDチップと他の前記LEDアレイの前記LEDチップとの間隔を所定距離離間させて積層させた構成を有する請求項15〜17のいずれかに記載の面状照明装置。 - 前記導光板は、前記光入射面を除く面の少なくとも一面に複数の拡散反射体が配置されている請求項1〜18のいずれかに記載の面状照明装置。
- 前記拡散反射体は、前記光入射面から離れるに従って、密に配置されている請求項19に記載の面状照明装置。
- 前記拡散反射体は、前記光射出面の反対側の面に配置される請求項19または20に記載の面状照明装置。
- さらに、前記導光板の前記光入光面近傍の前記光射出面及び前記光射出面の反対側の面に配置された反射素材を有する請求項1〜21のいずれかに記載の面状照明装置。
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