JP5323469B2 - 照明装置及び照明装置の導光体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、導光体と、導光体の端面近傍に配置した光源とを含むバックライト等の照明装置に関する。また、照明装置に用いられる導光体の製造方法に関する。

ＬＣＤ用バックライトや照明装置においては、端部近傍に配置された光源と、光源からの光を面発光に変える平板状の導光体とを有する面光源装置が用いられている。従来の導光体が用いられる面光源装置は、例えば図１１に示すように、光源１と、透明アクリル樹脂等の透明材料からなる導光体６と、拡散部材７と、反射部材８とから構成され、光源１から発せられた光が導光体６の表面及び裏面で夫々全反射されて入射端面から反対側へ伝達される。

ここで、光源１から発せられた光を出射面より均一に出射させる方法として、導光体表面に凹凸加工を施す方法、あるいは導光体中の屈折率を変化させる方法が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。

導光体表面又は裏面に凹凸加工を施す方法として、導光体６の裏面を適宜なシボ面（粗面）としたり、導光体６の裏面に多数の錐形状の凹凸を設けたり、印刷によるパターンを設けたりするなどにより、裏面で反射する光の一部を拡散させ、これにより導光体６の表面（出射面）より出射させ、拡散部材７を通過させて面光源とするものが提案されている。そして、シボ面の分布や錐形状の高さや頂角の角度、印刷パターンの面積や分布密度などの変化を適切なものとすることにより、出射面から出射される光の分布を均一にすることができる（例えば特許文献１、２参照）。

また、導光体中の屈折率を変化させる方法として、光源側から光源から離れる方向に、導光体内部の屈折率を連続的に変化するようにして、導光板内部で光の出射を均一にしようとするものが提案されている（例えば特許文献３、４参照）。この場合、導光体の裏面の粗面の分布や錐形状の高さや頂角の角度、印刷パターンの面積や分布密度の変化がほぼ均一又は概略的な変化であっても出射面よりの光を均一にすることが可能である。
特開平６−２３５９１７号公報 特開２００５−１１５９９号公報 特開平５−１８１０２０号公報 特開平６−２８３１３８号公報

特許文献１及び２に記載された導光体表面又は裏面に凹凸加工を施す方法を用いた照明装置は、導光体の裏面に設ける粗面の分布や、錐形状の高さや頂角の角度や、印刷パターンの面積並びに分布密度などの変化が適切でない場合は均一分布を得ることができないため、上述した粗面の分布などの構成は極めて重要である。さらに、特許文献１及び２に記載された照明装置では、照明装置に求められる輝度分布均一化と高輝度化を実現するために、これらを同時に達成する設計を行っているので、導光体を複雑な形状又は分布密度とすることが必要になる。しかしながら、最適な粗面の分布などを設計することは非常に困難であり、更に設計通りの粗面の分布などに構成することも困難であるという問題が生じていた。

また、特許文献３及び４に記載された導光体中の屈折率を変化させる方法を用いた照明装置も、照明装置に求められる輝度分布均一化と高輝度化を実現するために、これらを同時に達成する設計を行っているので、導光体中の屈折率分布を設計通りに変化させることが非常に困難であるという問題が生じていた。

そこで、本発明の目的は、導光体として一般的に使用される透明樹脂を使用し、かつ、粗面の分布、錐形状の高さや頂角の角度、印刷面積の密度分布などの設計を必要としない高輝度面発光体を含む照明装置を提供することにある。

以上のような目的を達成するため、本発明に係る照明装置は、導光体の透明板表面上に、屈折率が徐々に変化する屈折率勾配層を有することを特徴とする。具体的には、本発明に係る照明装置は、導光体と、前記導光体の端面近傍に配置された光源とを含む照明装置であって、前記導光体は透明板と前記透明板表面に屈折率勾配層とを有し、前記屈折率勾配層は、２種類または３種類の屈折率の異なる透明体より形成される集合体であり、前記光源から離れる方向に隣接した前記透明体の屈折率の大小関係が局所的に逆転した箇所を含みながら、巨視的に、前記屈折率勾配層の屈折率が前記光源から離れる方向に徐々に高くなるように構成されることを特徴とする。

上述した発明によれば、光源から発せられ、導光体の端面から入射し、透明板中を伝播する光は、スネルの法則に基づいて、透明板表面に設けられた屈折率勾配層への入射角の角度により、屈折率勾配層へ入射する場合と全反射により透明板へ戻る場合とに分類される。全反射した光は、屈折率勾配層と反対側の透明板表面で全反射し、再度屈折率勾配層表面に到達する。そして、透明板表面に設けられた屈折率勾配層の屈折率が、光源から離れる方向に徐々に高くなるように構成されていることから、再到達した光の一部は屈折率勾配層へ入射することができる。このとき、屈折率勾配層へ入射可能な光の入射角は、前回全反射した全反射条件の角度以上であり、今回の全反射条件の角度よりも小さいことになる。

本発明は、前記屈折率勾配層の作用により、分布の均一な入射光を得ることができ、全体として均一な輝度分布にすることができる。また、透明板から屈折率勾配層への入射光は角度範囲が狭いことから、屈折率勾配層からの出射角の角度の調整を容易に行うことができるため、光源から発する光量に対する導光体表面から出る光量の割合を高めることにより、高輝度化が可能となる。

なお、本発明に係る照明装置によれば、従来から使用されている屈折率が一定の透明樹脂を透明板として使用できるため、導光体自体の屈折率が変化するように形成された導光体を用いた場合と比較して、製造コストを抑えることができる。

また、本発明に係る照明装置として、屈折率勾配層は均一な密度分布になるように構成されることが好ましい。

上述した発明によれば、屈折率勾配層が透明板表面全体を覆う以外に、透明板表面の屈折率勾配層が均一な密度分布になるように構成することにより、屈折率勾配層の屈折率が光源から離れる方向に徐々に高くなるように構成することができる。ここで、「均一な密度分布」とは、導光体の透明板表面に対して、導光体の透明板表面上の屈折率勾配層が有する占有面積の割合に偏りがないことをいう。

本発明に係る照明装置として、屈折率勾配層表面は、凹凸形状に形成されていることが好ましい。

上述した発明によれば、屈折率勾配層表面の凹凸形状により、出射角度を変化させて導光体表面から出射できる。従って、屈折率が光源から離れる方向に徐々に高くなるように構成される屈折率勾配層において、分布の均一な入射光を得ることにより輝度分布均一化を達成し、輝度分布均一化とは別個独立に、凹凸形状を等間隔又はランダムに設け、屈折率勾配層からの出射角度を調整することにより高輝度化を達成することができる。なお、屈折率勾配層への入射光の角度範囲が狭いことにより、凹凸形状による屈折率勾配層からの出射角の角度を容易に調整することができる。

この結果、上述した発明によれば、輝度分布均一化と高輝度化を達成するために、透明板からの屈折率勾配層への分布の均一な入射光により輝度分布均一化を、屈折率勾配層からの出射光により高輝度化を個別に設計できるため、導光体として一般的に使用される透明樹脂を使用し、かつ、導光体表面に粗面の分布、錐形状の高さや頂角の角度の変調、印刷パターンの面積並びに分布密度などの設計を必要としない照明装置を提供することができる。

なお、凹凸形状は、特に限定されず、例えば、シボ状、ドット形状、プリズム形状などが挙げられる。また、屈折率勾配層表面を凹凸形状に形成する以外に、屈折率勾配層上に、凹凸形状物を形成することも可能である。さらに、屈折率勾配層が気泡又は微粒子を含む、具体的には、屈折率勾配層に均一に分散された気泡又は微粒子を含むことにより、屈折率勾配層表面を凹凸形状に形成する等と同様に、屈折率勾配層に入射した光を拡散させることも可能である。その上で、屈折率勾配層の屈折率を光源から離れる方向に徐々に高くなるように形成することが望ましい。

本発明の照明装置によれば、輝度分布均一化と高輝度化を得るために、透明板からの屈折率勾配層への分布の均一な入射光により輝度分布均一化を、屈折率勾配層からの出射角度を調整することにより高輝度化を個別に設計できる。従って、導光体として一般的に使用される透明樹脂を使用し、かつ、粗面の分布、錐形状の高さや頂角の角度、印刷パターンの面積並びに分布密度などの設計を必要としない高輝度面発光体を含む照明装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。尚、以下で参照する各図において、透明板や屈折率勾配層や凹凸形状を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各々の縮尺は適宜異ならせて表示している。

（第１実施形態）
図１及び図２は本発明の第１実施形態に係る照明装置１０を示す断面図である。照明装置１０は光源１１と導光体１２とを備えている。導光体１２は、光源１１からの光が入射される入光面１２ｃと、入光面１２ｃから入射した光を導光体１２から出射する出射面１２ａとを有している。そして、導光体１２は、透明板１３と、出射面１２ａ側の透明板表面に屈折率勾配層１４とを有している。出射面１２ａ表面は、均一、あるいはランダムな凹凸パターン１５が形成されている。さらに、屈折率勾配層１４は光源１１から離れる方向に徐々に屈折率が高くなるように構成されている。以下に、各構成部材について説明する。

（光源）
光源１１は、導光体１２の入光面１２ｃに光を照射するものであり、例えば、ＬＥＤや、蛍光管等の線状の光源により構成されている。蛍光管としては、従来公知の各種光源、例えば、冷陰極管や熱陰極管等の蛍光管を用いることができる。

（導光体）
導光体１２の透明板１３は、透明な樹脂により形成されている。例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などの透明樹脂が使用できる。透明体の屈折率としては、おおよそ、ポリメタクリル酸メチル樹脂の場合は１．４９、ポリカーボネートの場合は１．５９、シクロオレフィンポリマーの場合は１．５１、ポリスチレンの場合は１．５８、ポリエチレンテレフタレートの場合は１．５７、ポリプロピレンの場合は１．４９である。従って、従来から使用されている透明樹脂を透明板１３として使用できるため、導光体自体の屈折率が変化するように形成された導光体を用いた場合と比較して、製造コストを抑えることができる。

導光体１２の屈折率勾配層１４は、出射面１２ａ側の透明板１３表面に形成される。屈折率勾配層１４は、屈折率１．３〜１．７の屈折率の異なる透明樹脂の混合物、あるいは前記透明樹脂の単体物又は混合物に、酸化チタン、シリカなどの微粒子を利用した混合物によって、所望の屈折率を調整して形成される。具体的には、透明樹脂の混合物の場合、高屈折率の樹脂として、その骨格中に、芳香環、フッ素以外のハロゲン基、イオウ（Ｓ）、脂環式基等を有する樹脂と、低屈折率の樹脂として、その骨格中に、フッ素、シラン等を有する樹脂とを混合させ、屈折率を調整して形成する。一方、透明樹脂と微粒子の混合物の場合、微粒子の粒径が１０〜１００ｎｍの、チタン二酸化物、亜鉛酸化物、ジルコニウム水酸化物、アルミニウム水酸化物、シリコン二酸化物、中空シリカ、あるいはフッ素含有樹脂微粒子等、又はこれらの組合せを利用して、屈折率を調整して形成する。

そして、複数のノズルが配列されたヘッドを有するインクジェットプリンタ等を用いて、それぞれのノズルから上述した屈折率の異なる材料を透明板上に吐出させ、複数の屈折率の異なる材料の屈折率勾配層を形成する。例えば、インクジェットプリンタにより形成される屈折率の低い材料からなるドットと、屈折率の高い材料からなるドットの2種類のドットの単位面積当りの割合が、光源側では屈折率の低いものを多くし、徐々に光源から離れるに従って屈折率の高いものの割合を多くすることにより、巨視的に屈折率を変化させ、光源から離れる方向に徐々に屈折率を高くなるように屈折率勾配層を形成する。なお、屈折率勾配層１４は、インクジェット印刷などの印刷法に限定されず、スクリーン印刷、あるいはディスペンサーなどを利用した塗布によっても形成することができる。

屈折率勾配層１４表面の凹凸パターン１５の形状は、特に限定されず、例えば、ドット形状、プリズム形状など、あるいはシボ加工による粗面であってもよい。さらに、凹凸パターン１５の配置パターンも均一、あるいはランダムに形成できる。具体的には、光源１１から発する光量に対する導光体１２の出射面１２ａから出る光量の割合を高めることにより、高輝度化が可能となるように、導光体１２の屈折率勾配層１４表面の凹凸パターン１５の形状を調整する。

第１実施形態に係る照明装置の導光体１２の透明板１３表面に設けられた屈折率勾配層１４の屈折率が、光源１１から離れる方向に徐々に高くなるように構成されていることから、光が透明板１３から屈折率勾配層１４に入射した時点で入射光は均一な分布とされて、全体として均一な輝度分布にすることができる。また、透明板１３から屈折率勾配層１４への角度範囲の狭い入射光を得ることができる。この結果、光源１１から発する光量に対する導光体１２の出射面１２ａから出る光量の割合を高めて高輝度化を達成するために、導光体１２の屈折率勾配層１４からの出射角度の調整を容易に行うことができる。

（第２実施形態）
図３及び図４は本発明の第２実施形態に係る照明装置２０を示す断面図である。照明装置２０は光源２１と導光体２２とを備えている。導光体２２は、光源２１からの光が入射される入光面２２ｃと、入光面２２ｃから入射した光を導光体２２の透明板２３から出射する出射面２２ａとを有している。そして、導光体２２は、透明板２３と、出射面２２ａと反対側に位置する表面２２ｂ側に屈折率勾配層２４を有している。屈折率勾配層２４の表面２２ｂには均一、あるいはランダムな凹凸パターン２５が形成されている。さらに、屈折率勾配層２４は、光源２１から離れる方向に徐々に屈折率が高くなるように構成されている。なお、第２実施形態に係る照明装置２０では、屈折率勾配層２４の表面２２ｂ側に、屈折率勾配層２４の２２ｂから漏れる光を反射するための反射フィルム２６が設けられている。

透明板２３から屈折率勾配層２４に入射した光は、屈折率勾配層２４の表面２２ｂに到達し、表面２２ｂの凹凸パターン２５による光拡散効果により拡散し、表面２２ｂで全反射あるいは反射フィルム２６により反射し、再度透明板２３に入射し、導光体２２の透明板２３の出射面２２ａより出射する。

第２実施形態に係る照明装置の屈折率勾配層２４の屈折率が、光源２１から離れる方向に徐々に高くなるように構成されていることから、光が透明板２３から屈折率勾配層２４に入射した時点で入射光は均一な分布とされているため、全体として均一な輝度分布にすることができる。また、透明板２３から屈折率勾配層２４への角度範囲の狭い入射光が得られる。従って、屈折率勾配層２４の凹凸パターン２５を調整することにより、屈折率勾配層の表面２２ｂに到達した光を拡散し、表面２２ｂで全反射あるいは反射フィルム２６により反射させ、再度透明板２３に入射させることができる。この結果、光源２１から発する光量に対する導光体２２の出射面２２ａから出る光量の割合を高めて高輝度化を達成することができる。

（第３実施形態）
図５及び図６は、本発明の第３実施形態に係る照明装置３０を示す断面図である。照明装置３０は光源３１と導光体３２とを備えている。導光体３２は、光源３１からの光が入射される入光面３２ｃと、入光面３２ｃから入射した光を導光体３２の透明板３３から出射する出射面３２ａとを有している。そして、導光体３２は、透明板３３と、出射面３２ａの反対側に位置する、透明板３３の表面に屈折率勾配層３４と、さらに屈折率勾配層３４の表面に凹凸パターン形状体３５とが順次形成されている。凹凸パターン形状体３５の凹凸配置パターンは均一、あるいはランダムに形成されている。なお、第３実施形態に係る屈折率勾配層３４は、第１実施形態及び第２実施形態と同様、光源３１から離れる方向に徐々に屈折率が高くなるように構成されている。また、凹凸パターン形状体３５は、屈折率勾配層３４よりも高い屈折率になるように構成されている。さらに、凹凸パターン形状体３５側には反射フィルム３６が設けられている。

凹凸パターン形状体３５が屈折率勾配層３４よりも高い屈折率であることにより、屈折率勾配層３４から凹凸パターン形状体３５に屈折して入射した角度範囲が狭い光は、屈折率勾配層３４と反対側の凹凸パターン形状体３５表面で拡散し、全反射あるいは反射フィルム３６で反射し、再度透明板３３に入射させることができる。この結果、第３実施形態は、第２実施形態と比較して、屈折率勾配層と別体の凹凸パターン形状体３５として、屈折率勾配層表面の凹凸形状パターンを備えることにより、光源３１から発する光量に対する導光体３２の出射面３２ａから出る光量の割合を容易に調整でき、高輝度化を達成することができる。

（第４実施形態）
図７及び図８は本発明の第４実施形態に係る照明装置４０を示す断面図である。照明装置４０は光源４１と導光体４２とを備えている。導光体４２は、光源４１からの光が入射される入光面４２ｃと、入光面４２ｃから入射した光を導光体４２から出射する出射面４２ａとを有している。そして、導光体４２は、透明板４３と、透明板４３の表面に屈折率勾配層４４を有している。屈折率勾配層４４は、屈折率の異なる３種類の透明体４４ａ、４４ｂ、４４ｃから形成される集合体であって、透明体は均一な密度分布で配列されている。屈折率勾配層４４において異なる屈折率の透明体が隣接した場合、屈折率は不連続となるが、巨視的には屈折率が徐々に光源から離れる方向に屈折率が高くなるように形成されている。

さらに出射面４２ａには、均一、あるいはランダムな凹凸パターン４５が形成されている。透明体４４ａ、４４ｂ、４４ｃは、均一な密度分布で配列されていればよく、透明体同士が接していても離れていてもよい。

（第５実施形態）
図９及び図１０は本発明の第５実施形態に係る照明装置５０を示す断面図である。照明装置５０は光源５１と導光体５２とを備えている。導光体５２は、透明板５３と屈折率勾配層５４とからなり、光源５１からの光が入射される入光面５２ｃと、入光面５２ｃから入射した光を導光体５２から出射する出射面５２ａとを有している。そして、第５実施形態に係る照明装置５０は、第１〜第４実施形態に係る照明装置の屈折率勾配層表面の凹凸形状や屈折率勾配層上の凹凸形状物による光の拡散機能を、屈折率勾配層５４に均一に分散された光拡散性微粒子５５ａ、あるいは気泡５５ｂにより実現している。さらに、屈折率勾配層５４は、光源５１から離れる方向に徐々に屈折率が高くなるように形成されている。

光拡散性微粒子５５ａの粒子径、気泡５５ｂの気泡径は、光拡散性を考慮して５〜５０μｍ程度であることが好ましく、形状は例えば球形等である。また、光拡散微粒子５５ａは、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、酸化チタン、酸化ケイ素、タルク、マイカ、水酸化アルミニウム、酸化マグネシウム等の無機系粒子、スチレン系重合体粒子、アクリル系重合体粒子、シロキサン系重合体粒子等、あるいはこれらの混合物を用いることが好ましい。なお、光拡散微粒子５５ａは、光の拡散機能だけでなく、屈折率勾配層の屈折率を調整するためにも用いることができる。

本実施形態に係る照明装置によれば、屈折率勾配層の屈折率を光源から離れる方向に徐々に高くなるように構成することから、輝度分布均一化と高輝度化を得るために、透明板からの屈折率勾配層への入射において輝度分布均一化を、透明板と反対側の屈折率勾配層の表面において高輝度化を個別に設計できる。従って、導光体として一般的に使用される透明樹脂を使用し、かつ、粗面の分布、錐形状の高さや頂角の角度の変調、印刷パターンの面積並びに分布密度などの設計を必要としない高輝度面発光体を含む照明装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る照明装置の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る照明装置の拡大断面図である。 本発明の第２実施形態に係る照明装置の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る照明装置の拡大断面図である。 本発明の第３実施形態に係る照明装置の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る照明装置の拡大断面図である。 本発明の第４実施形態に係る照明装置の断面図である。 本発明の第４実施形態に係る照明装置の拡大断面図である。 本発明の第５実施形態に係る照明装置の断面図である。 本発明の第５実施形態に係る照明装置の拡大断面図である。 従来の導光体を用いた照明装置の断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０：照明装置
１１，２１，３１，４１，５１：：光源
１２，２２，３２，４２，５２：導光体
１３，２３，３３，４３，５３：透明板
１４，２４，３４，４４，５４：屈折率勾配層
１５，２５：凹凸パターン
３５：凹凸パターン形状体
５５ａ：光拡散性微粒子

Claims (6)

1. 導光体と、前記導光体の端面近傍に配置された光源とを含む照明装置であって、
   前記導光体は透明板と前記透明板表面に屈折率勾配層とを有し、
   前記屈折率勾配層は、２種類または３種類の屈折率の異なる透明体より形成される集合体であり、前記光源から離れる方向に隣接した前記透明体の屈折率の大小関係が局所的に逆転した箇所を含みながら、巨視的に、前記屈折率勾配層の屈折率が前記光源から離れる方向に徐々に高くなるように構成されることを特徴とする照明装置。
2. 前記屈折率勾配層は均一な密度分布になるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記屈折率勾配層表面は、凹凸形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記屈折率勾配層上に、凹凸形状物が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
5. 前記屈折率勾配層は気泡又は微粒子を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
6. 前記屈折率勾配層は印刷又は塗布により形成されること特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の導光体の製造方法。

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