JP5266878B2 - 面照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、面照明装置、及び、この面照明装置に用いて好適な発光ユニットに関する。

従来、液晶表示装置や看板、誘導灯などの表示面を裏側から照らす、いわゆるバックライトや、液晶表示装置等に使用される比較的大型のガラス基板の欠陥検査に用いる検査光源等に面照明装置が広く用いられている。この種の面照明装置は、表示面の裏面に対向する対向面に、例えばＬＥＤ等の点状の光源を格子状に配置して光源部が構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１３４３８５号公報

液晶表示装置などの表示面の表示品位を高品位に維持し、或いは、ガラス基板の欠陥検査精度を高精度に維持するためには、表示面などの被照射面における輝度むらを抑えることが重要である。このため、面照明装置においては、被照射面での輝度に応じて光源部の各点状光源の発光量を制御する必要があるものの、被照射面の上に受光素子を配置すると、受光素子が表示を阻害する、という問題があり、また、被照射面における輝度むらの原因ともなる。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、輝度むらを改善することができる面照明装置、及び面照明装置に用いて好適な発光ユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、複数の発光素子を有した複数の発光ユニットを同一平面内に配設し、前記各発光ユニットの発光面側には前記発光素子の光を透過する透過部材を配置し、前記発光ユニット内には、列状に一定の間隔で複数の反射鏡を連接した反射体を設けるとともに、前記発光素子を複数の前記反射鏡の１つ置きに配置し、前記発光素子が設けられない前記反射鏡に前記透過部材で反射する前記発光素子の反射光を受光する受光素子を配置し、この受光素子の光量検出により前記発光素子の各々の発光量をフィードバック制御し、前記各発光ユニットの受光素子が同一平面内に千鳥状に散在することを特徴とする面照明装置を提供する。

また本発明は、上記面照明装置において、複数の前記反射鏡は、開口の一部がオーバーラップして各反射鏡間にそれぞれの反射鏡が連通する切欠部が形成されることを特徴とする。

また本発明は、上記面照明装置において、一の発光ユニットの受光素子が隣接して配置された他の発光ユニットにおける発光素子の反射光を同時に受光し、この受光素子の光量検出により一の発光ユニット内の発光素子の発光量をフィードバック制御可能としたことを特徴とする。

本発明によれば、各発光ユニットの発光面側に発光素子の光を透過する透過部材を配置し、それぞれの発光ユニット内に透過部材で反射する発光素子の反射光を受光する受光素子を配置したため、当該受光素子が発光面上に露出することが無いから、受光素子が発光面の上に影を作ることが無い。
また、各発光ユニットにおいては、受光素子の光量検出により発光ユニット内の発光素子の発光量をフィードバック制御可能としたため、各発光ユニットの輝度が適正に制御され、輝度むらが抑制される。
さらに、受光素子と発光素子とを備えて各発光ユニットを構成したため、例えば発光素子の一部が寿命に達した場合でも、その発光素子を含む発光ユニットを交換すれば良いから、メンテナンス性に優れた面照明装置が提供される。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る面照明装置１の正面、背面、平面、底面、及び左側面を示す図である。この図に示すように、面照明装置１は、箱形の筐体３を有し、その上面には発光部５、底面には多数のファン吸気口７、左右側面には把手９、正面には入力スイッチ１１及び排気口１３、そして、背面には入力端子台１５及び通信コネクタ１７が設けられている。

発光部５の発光面５Ａは、例えば液晶表示装置のバックライトとして用いられるときには表示面の背面、ガラス基板等の欠陥検査の照明光として用いられるときには検査対象面の背面に対向して配置され、表示面、或いは検査対象面の全域に対して光りを照射可能な広さを有している。
この発光部５は、多数の発光ユニット２０を備え、これらの発光ユニット２０が同一平面内に格子状に配設されて構成されている。

図２は、発光ユニット２０の平面、正面及び右側面を示す図である。
発光ユニット２０は、一列に配列された複数（本実施形態では３個）のＬＥＤ素子２１と、ＬＥＤ素子２１ごとに設けられた反射鏡２３と、これらＬＥＤ素子２１及び反射鏡２３を納めるユニットケース体２５とを備えている。
さらに、この発光ユニット２０にあっては、波形整形フィルタ２７が発光ユニット２０の発光面を覆うべく反射鏡２３のそれぞれの開口２３Ａを覆って配置され、発光ユニット２０の発光量を制御すべく当該発光量を検出するための受光素子２９が上記ＬＥＤ素子２１の列内に設けられ、この受光素子２９の検出値に基づいてＬＥＤ素子２１の各々の発光を制御するＬＥＤ制御ユニット３１がユニットケース体２５の底面側に設けられている。

さらに詳述すると、図３に示すように、発光ユニット２０においては、ＬＥＤ素子２１及び受光素子２９が実装された基板３３に、反射鏡２３が連接してなる反射体３５を取付け、この反射体３５の略全体を覆うように波形整形フィルタ２７が設けられている。
基板３３には、図４に示すように、その面内に、ＬＥＤ素子２１の配置間隔Ａに合わせて、表裏に貫通した取付孔３７が設けられており、各取付孔３７にＬＥＤ素子２１が半田付けされる。この半田付けにより半田３９が取付孔３７に充填されて基板３３の裏面に半田３９が露出することで、ＬＥＤ素子２１の発熱が基板３３の裏面に伝導される構成となっている。
また基板３３には、隣り合うＬＥＤ素子２１の略中間点（ＬＥＤ素子２１からＡ／２の点）に受光素子２９が実装される。この受光素子２９を実装するための取付孔４１も、ＬＥＤ素子２１の取付孔３７と同様に基板３３に予め設けられており、受光素子２９の発熱が半田３９を介して基板３３の裏面に伝導される。

発光ユニット２０は、図２に示すように、基板３３の裏面に、放熱シート４３を挟んで密接する、例えばアルミニウム製の放熱板４５を備えており、半田３９によって基板３３の裏面に伝導されたＬＥＤ素子２１及び受光素子２９の熱が放熱シート４３及び放熱板４５から放熱される。この放熱板４５には、筐体３に内設された図示せぬファンの駆動によって生じた風があたって放熱が行われ、排気口１３から筐体３の外に放出される。
なお、半田３９には、ＬＥＤ素子２１の発熱を裏面に伝導できる材質であれば、任意の材質のものを用いることができる。

基板３３の上に配置される反射体３５は、図２に示すように、ＬＥＤ素子２１の配置間隔Ａの１／２の間隔で、回転放物面形状又は回転楕円面形状の上記反射鏡２３が形成されたものである。係る反射体３５は、直方形状の例えばアルミニウム材に、長手方向に沿って上記Ａ／２の間隔で回転楕円面又は回転放物面の凹部を形成し、各凹部の底部の頂点を切り落とすように長手方向に切断することでＬＥＤ素子２１又は受光素子２９の挿入用開口４７を形成して製造される。

このような反射体３５を備えることで、ＬＥＤ素子２１が放射する光が各反射鏡２３により略平行光化されて放射されるため、ＬＥＤ素子２１が点状光源であっても、輝度分布が均一な面状の光が得られることとなる。
また、図２に示すように、それぞれの反射鏡２３の開口２３Ａは、その一部がオーバーラップするように形成されることで、各反射鏡２３の間が切り落とされて切欠部４９が形成され、切欠部４９を通じて、それぞれの反射鏡２３が連通する構成とされている。
係る構成により、図５に示すように、ＬＥＤ素子２１から放射された光は、当該ＬＥＤ素子２１を囲む反射鏡２３の正面だけでなく、切欠部４９を介してＬＥＤ素子２１の配列方向に進む成分Ｈ１も生じることから、ＬＥＤ素子２１のそれぞれの光が配列方向で分離されることが無く、配列方向における輝度むらが抑えられる。

また、この反射体３５の上側（発光面側）には、図３等に示すように、各反射鏡２３を覆うように波形整形フィルタ２７が配置される。波形整形フィルタ２７は、光透過性を有すると共に、透過光を拡散させる作用を生じるフィルム状、或いは板状の素材である。この波形整形フィルタ２７が反射鏡２３の各開口２３Ａを覆うことで、当該発光ユニット２０から放射される光の輝度分布が均一化され、輝度むらがさらに抑えられることとなる。

係る波形整形フィルタ２７は、ＬＥＤ素子２１の光に対して略１００％の透過率を示すものではなく、所定の反射率を有するものが用いられており、この波形整形フィルタ２７による反射光を受光素子２９が受光することで、発光ユニット２０の発光量を検出する。

図６は、発光ユニット２０の機能的構成を模式的に示す図である。
ＬＥＤ素子２１から波形整形フィルタ２７に入射する光には、ＬＥＤ素子２１から直接入射する成分Ｊ１と（例えば図５のＨ１）、このＬＥＤ素子２１を囲む反射鏡２３で反射された（配光制御された）成分Ｊ２とがある。これらの成分Ｊ１、Ｊ２の光が波形整形フィルタ２７に入射すると、この波形整形フィルタ２７の透過率に応じた光量の光が透過すると共に（例えば図５のＨ２）、この波形整形フィルタ２７の反射率に応じた光量の光が反射される（例えば図５のＨ３）。このようにして反射された光のうち、受光素子２９に直接入射する成分Ｊ３、及び受光素子２９を囲む反射鏡２３によって集光された成分Ｊ４の光が受光素子２９によって受光され、これにより、発光ユニット２０の発光量が受光素子２９によって検出されることとなる。
特に、上記の通り、反射鏡２３の各々が切欠部４９を介して連通し、ＬＥＤ素子２１から放射された光がＬＥＤ素子２１の配列方向に広く分布する構成となっている。この構成により、波形整形フィルタ２７を各ＬＥＤ素子２１からの離間距離を大きくせずとも、発光ユニット２０が備える各ＬＥＤ素子２１の光成分が受光されるから、各ＬＥＤ素子２１に基づく発光ユニット２０の発光量が正確に検出されることとなる。

このとき、波形整形フィルタ２７の反射率が高いほど、受光素子２９で検出される光量が増えるため、例えばＳ／Ｎ比の高い安定した検出が可能となるものの、その一方で透過光量が減少するため輝度が低下する。
そこで、受光素子２９での検出の安定性と、輝度低下の抑制とを図るため、受光素子２９の周囲を反射鏡２３で囲む構成とし、波形整形フィルタ２７で反射した光を受光素子２９に集めるようにしている。これにより、受光素子２９に集まる光量が高められるから、安定した検出が可能となり、また、波形整形フィルタ２７として透過率の高いものを使用することが可能となり、波形整形フィルタ２７による輝度の低下が抑えられる。
この構成により、本実施形態では、ＬＥＤ素子２１の光に対して９０％〜９５％という高い透過率を有する波形整形フィルタ２７を用いつつ、少なくとも受光素子２９が検出可能な程度の光量が受光素子２９に導かれるようにしている。
なお、受光素子２９を囲む反射鏡２３は、受光素子２９に光を集める機能を有すれば良く、ＬＥＤ素子２１を囲む反射鏡２３と同一形状でなくとも良いし、また、反射鏡２３の代わりに、他の集光素子を用いても良い。

上述の通り、発光ユニット２０においては、図５に示すように、各ＬＥＤ素子２１が放射した光は、ＬＥＤ素子２１の配列方向に広がる成分Ｈ１を含むため、受光素子２９では、この発光ユニット２０が備える各ＬＥＤ素子２１の光成分が検出されることとなり、１つの受光素子２９で、複数のＬＥＤ素子２１を備える発光ユニット２０の発光量が検出されＬＥＤ制御ユニット３１に出力される。
具体的には、発光ユニット２０のユニットケース体２５の正面側には、図２に示すように、配線用開口５１が形成され、この配線用開口５１を通じて配線を延ばすことで受光素子２９とＬＥＤ制御ユニット３１、及びＬＥＤ素子２１とＬＥＤ制御ユニット３１が電気的に接続される。このＬＥＤ制御ユニット３１は、受光素子２９の検出結果に基づいて、発光ユニット２０内のＬＥＤ素子２１の発光量を所定の目標値に維持するためのフィードバック制御をする機能を備える。

すなわち、図６に示すように、ＬＥＤ制御ユニット３１は、ＬＥＤ素子２１を駆動するドライバ回路（駆動回路）６１と、受光素子２９の検出信号を所定の増幅率で増幅する増幅器６３と、発光量の目標値を規定した基準電圧を生成する基準電圧回路６５と、増幅器６３で増幅された検出信号の電圧と基準電圧との差分を打ち消すように、各ＬＥＤ素子２１の駆動電流を決定してドライバ回路６１に出力する比較器６７を備え、これらによって、上記フィードバック制御が実現されている。
そして、面照明装置１においては、フィードバック制御により発光部５を構成する発光ユニット２０の各々の発光量が所定の目標値に維持されるため、個々の発光ユニット２０の発光量を均一化し、輝度むらが抑えられる。
なお、ＬＥＤ制御ユニット３１は、ＬＥＤ素子２１を保護するための過電流保護回路６９や、受光素子２９の受光量の検出値を筐体３に設けられた、図示せぬ主制御回路などに出力するためのインタフェースとして機能する光モニタ用回路７０とを備えている。

係るＬＥＤ制御ユニット３１は、プリント基板５３に、汎用プロセッサ５５や電源端子５７、図示せぬ各種電気回路、配線コネクタ、筐体３に内設された主制御回路と通信可能に配線接続するための通信コネクタなどの各種回路素子を実装して構成されている。発光ユニット２０の各々は、筐体３の主制御回路と通信コネクタを介して接続されることで、主制御回路から調光指示（発光量の目標値）を受けたり、受光素子２９での受光量の検出値を主制御回路に出力することが可能となる。また、主制御回路は、このような調光指示や各発光ユニット２０の発光量の検出値を、筐体３に設けられた通信コネクタ１７を介して外部機器との間で送受可能に構成されている。これにより、外部機器から面照明装置１の調光を指示したり、また、各発光ユニット２０の発光量をモニタすることができる。

ここで、ＬＥＤ制御ユニット３１は、そのプリント基板５３が、図２に示すように、回路素子が実装された側の実装面を下方に向けた状態でユニットケース体２５の下側に固定され、筐体３に内設された図示せぬファンの駆動によって生じた風があたって冷却されるように構成されている。また、ユニットケース体２５の底面の放熱板４５とＬＥＤ制御ユニット３１のプリント基板５３との間には、プリント基板５３を放熱板４５から離間させるスペーサ５９が介在し、プリント基板５３によって放熱板４５による放熱が阻害されないように構成されている。

面照明装置１においては、図１に示すように、以上のように構成された発光ユニット２０が縦横に格子状に配列されて発光部５を構成している。なお、以下の説明では、発光ユニット２０の長手方向（ＬＥＤ素子２１の配列方向）を横方向と定義し、それと直交する方向を縦方向と定義する。
図７は、面照明装置１の発光部５の一部を拡大して模式的に示す図である。
この図に示すように、発光部５においては、隣接する発光ユニット２０の間で、ＬＥＤ素子２１の配置間隔Ａが維持されるように、発光ユニット２０の横方向の離間距離Ｂと、縦方向の離間距離Ｃとが規定されている。これにより、発光部５においては、ＬＥＤ素子２１が配置間隔Ａで格子状に配列されるため、ＬＥＤ素子２１の配置むらによる輝度むらが生じることがない。
また、発光部５の縦方向においては、各発光ユニット２０が備える受光素子２９が千鳥状に散在する構成としている。これにより、発光部５の発光面内において、発光量の検出点が散在することになるから、受光素子２９の数を抑えつつ、検出点に偏りが生じないように検出することができ、発光部５の全体的な輝度むらが抑制される。なお、横方向においては、各列において受光素子２９が一定の間隔Ｄで配列されるようにしている。

以上説明したように、本実施形態によれば、ＬＥＤ素子２１を有した複数の発光ユニット２０を同一平面内に配設して面照明装置１の発光部５を構成すると共に、各発光ユニット２０の発光面側にはＬＥＤ素子２１の光を透過する透過部材としての波形整形フィルタ２７を配置し、それぞれの発光ユニット２０内に波形整形フィルタ２７で反射されたＬＥＤ素子２１の反射光を受光する受光素子２９を配置し、この受光素子２９の光量検出により当該発光ユニット２０内のＬＥＤ素子２１の発光量をフィードバック制御する構成とした。

この構成によれば、受光素子２９が発光面の上に露出することが無いから、受光素子２９が発光面の上に影を作ることが無い。また、各発光ユニット２０においては、受光素子２９の光量検出により発光ユニット２０内のＬＥＤ素子２１の発光量をフィードバック制御するため、各発光ユニット２０の輝度が適正に制御され、輝度むらが抑制される。
さらに、ＬＥＤ素子２１と受光素子２９とを備えて各発光ユニット２０を構成したため、例えばＬＥＤ素子２１の一部又は受光素子２９が寿命に達した場合でも、その素子を含む発光ユニット２０だけを交換すれば良いから、メンテナンス性に優れた面照明装置１が提供される。

また本実施形態によれば、発光ユニット２０内に、波形整形フィルタ２７で反射するＬＥＤ素子２１の反射光を、受光素子２９に集光する反射鏡２３を設ける構成としたため、受光素子２９に集まる光量が高められるから、安定した検出が可能となり、また、波形整形フィルタ２７として透過率の高いものを使用することが可能となり、波形整形フィルタ２７による輝度の低下が抑えられる。
これに加え本実施形態によれば、各発光ユニット２０の受光素子２９が同一平面内に千鳥状に散在するように、発光ユニット２０を配列して発光部５を構成したため、発光部５の発光面内の各点の発光量を、受光素子２９の数を抑えつつ、検出点に偏りが生じないように検出することができる。

［第２実施形態］
図８は本実施形態に係る面照明装置の発光部１０５の構成を模式的に示す図、図９は発光ユニットの発光及び受光を説明するための図である。
なお、これらの図において、第１実施形態で説明したものについては同一の符号を付して、その説明を省略する。
これらの図に示すように、本実施形態においては、面照明装置の発光部１０５には、格子状に配列された各発光ユニット２０を覆う透過部材としての拡散板８０が、各発光ユニット２０の発光面から離間距離Ｌだけ離間した位置に配置されている点で、第１実施形態と大きく構成を異にする。この拡散板８０には、例えば４２２白色アクリル板が用いられている。この拡散板８０を発光部１０５に備えることで、発光部１０５の輝度分布の均一化がより一層図られる。

また、図９に示すように、各発光ユニット２０の受光素子２９においては、波形整形フィルタ２７で反射した光に加え、拡散板８０で反射して、波形整形フィルタ２７を透過してきた光も検出される。拡散板８０で反射された光には、自身の発光ユニット２０のＬＥＤ素子２１が発した光Ｈ１０の他に、近隣の発光ユニット２０から発せられ拡散板８０で反射された光Ｈ１１も含まれる。
すなわち、各発光ユニット２０は、自身の発光量と、近隣の発光ユニット２０の発光量との両方に基づいてフィードバック制御を行うから、輝度むらを無くすように、これらの発光ユニット２０の発光量がバランスされる。
なお、拡散板８０の離間距離Ｌを大きくするほど、多くの発光ユニット２０からの光が一の発光ユニット２０の受光素子２９で検出可能となるが、少なくとも、隣接する発光ユニット２０の光が検出可能な程度の離間距離Ｌであれば良い。

このように、本実施形態によれば、一の発光ユニット２０の受光素子２９が、該発光ユニット２０のＬＥＤ素子２１の反射光に加え、隣接して配置された他の発光ユニット２０におけるＬＥＤ素子２１の反射光も受光し、この受光素子２９の光量検出により一の発光ユニット２０内のＬＥＤ素子２１の発光量をフィードバック制御する構成としたたから、輝度むらを抑えるように、隣接する発光ユニット２０の間で発光量のバランスが図られる。

なお、上述した第１及び第２実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形、及び応用が可能である。
例えば、発光素子の一例としてＬＥＤ素子を例示したが、例えばＯＬＥＤ素子でも良い。

本発明の第１実施形態に係る面照明装置の正面、背面、平面、底面、及び左側面を示す図である。 発光ユニットの平面、正面、及び右側面を示す図である。 発光ユニットの主要な部分の組立て図である。 ＬＥＤ素子、及び受光素子の実装を説明するための図である。 発光ユニットの発光及び受光を説明するための図である。 発光ユニットの光量検出原理を概念的に示す図である。 面照明装置の光源部の一部を拡大して模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る面照明装置の発光部の構成を示す図である。 発光ユニットの発光及び受光を説明するための図である。

符号の説明

１ 面照明装置
３ 筐体
５、１０５ 発光部
５Ａ 発光面
２０ 発光ユニット
２１ ＬＥＤ素子（発光素子）
２３ 反射鏡
２７ 波形整形フィルタ（透過部材）
２９ 受光素子
３１ ＬＥＤ制御ユニット
８０ 拡散板（透過部材）

Claims (3)

1. 複数の発光素子を有した複数の発光ユニットを同一平面内に配設し、前記各発光ユニットの発光面側には前記発光素子の光を透過する透過部材を配置し、
   前記発光ユニット内には、
   列状に一定の間隔で複数の反射鏡を連接した反射体を設けるとともに、
   前記発光素子を複数の前記反射鏡の１つ置きに配置し、前記発光素子が設けられない前記反射鏡に前記透過部材で反射する前記発光素子の反射光を受光する受光素子を配置し、この受光素子の光量検出により前記発光素子の各々の発光量をフィードバック制御し、
   前記各発光ユニットの受光素子が同一平面内に千鳥状に散在することを特徴とする面照明装置。
2. 複数の前記反射鏡は、開口の一部がオーバーラップして各反射鏡間にそれぞれの反射鏡が連通する切欠部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の面照明装置。
3. 一の発光ユニットの受光素子が隣接して配置された他の発光ユニットにおける発光素子の反射光を同時に受光し、この受光素子の光量検出により一の発光ユニット内の発光素子の発光量をフィードバック制御可能としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の面照明装置。

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