JP5332039B2 - 光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、導光板に光を入射させるための光照射装置に関するものである。

液晶等のバックライトには、直方体形状の透明体からなる導光板と、その導光板の側端面から光を入射させる光照射装置と、を備えた面発光体がよく用いられている。

このような面発光体について詳述すると、前記導光板１Ａは、一側面であって、前記光照射装置から光が入射される光入射面１３Ａと、厚み方向の一面であって、光を拡散させる溝等の拡散要素１４Ａが形成された光拡散面１１Ａと、対向する厚み方向のもう一面であって、前記光拡散面１１Ａから拡散された光が射出される光射出面１２Ａと、を具備するものである。

前記導光板１Ａに、前記光入射面１３Ａから光を入射させると、前記光拡散面１１Ａと前記光射出面１２Ａとの間において全反射を繰り返しながら光入射面１３Ａの対面へと進行しつつ、前記拡散要素１４Ａにより拡散された光は、前記光射出面１２Ａから射出されるので、光射出面全体が発光することになる。

ところで、この光射出面１２Ａを明るく発光させるには、できるだけ多くの光を導光板１Ａ内に入射させる必要がある。そのため、特許文献１に示されるように、前記光照射装置１００Ａは、光を射出する光源２Ａと、光源２Ａから射出された光を屈折させて、前記導光板１Ａの外側へと逃げてしまう光を前記光入射面１３Ａに入射させるシリンドリカルレンズ等の光学素子３Ａとを具備している。より具体的には、この特許文献１に示されるシリンドリカルレンズ３Ａでは、光射出面側を凸レンズ形状にしておき、光を光軸側へ屈折させることによって光軸に対して外縁部にある光を光軸側へ屈折させて、導光板１Ａの光入射面に入射させるようにしてある。

しかしながら、このような凸レンズ状のシリンドリカルレンズ３Ａを用いたとしても、光射出面の光量に寄与しない光が存在し、光の使用効率を向上させる事が出来ていない。具体的には、図９（ａ）及び図９（ａ）の拡大図である図９（ｂ）に示すように、光軸Ｃとなす角度が所定角度以下の光であり、レンズ３Ａの中央部分を通る光はほとんど屈折されない。このため、光軸Ｃとなす角度が所定角度以下の光は、導光板内１Ａには入射するものの前記光拡散面１１Ａ及び前記光射出面１２Ａのいずれにも一度も反射されることなく、そのまま光入射面１３Ａの対面から射出されてしまうことになり、光射出面１２Ａの光量には全く寄与しない。つまり、光源か１Ａら射出された光のうち無駄になっているものがあるため、使用効率が向上しないことになる。

さらに、前述したような領域にある光が仮に前記光入射面１３Ａから入射したとしても、図１０に示すように、当該光入射面１３Ａから離れた地点で前記光拡散面１１Ａ又は前記光射出面１２Ａに反射されることになるので、光入射面１３Ａの近くで反射された場合に比べて、反射頻度が低くなり、光がうまく拡散されない原因となってしまう。

加えて、特許文献１に示されるように、レンズの光入射側について面形状を工夫することにより光の使用効率を向上させようとするものもあるが、このものは、光軸に対して外縁部にある光を導光板内に入射させることを目的としたものである。従って、特許文献１に記載されているレンズは、上述したようなレンズの中央部を通過する光軸となす角度が所定角度以下の光が光射出面での光量に寄与しないという問題を解決するものではない。

特開２００８−４１５２８号公報

本発明は上述したような問題を鑑みて、導光板に入射したものの、そのまま導光板を通過してしまうために光射出面での光量に寄与していなかった光を有効に活用しようという発想に基づいてなされたものであり、導光板の入射面から入射した光のうち、従来であれば一度も反射されることなく入射面の反対側からそのまま出て行ってしまっていた光を導光板内で反射させて光射出面から射出させることができ、光の使用効率を大幅に改善することができ、導光板内での光の反射頻度を向上させ、均一な光を光射出面から射出することができる光照射装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の光照射装置は、光を拡散する拡散要素が形成された光拡散面と、前記光拡散面と対向して設けられ、前記拡散要素により拡散された光が射出される光射出面と、前記光拡散面と前記光射出面とに交差する光入射面と、を具備する導光板に対して、前記光入射面から前記光拡散面と前記光射出面との間に光を入射させる光照射装置であって、光を射出する光源と、前記光源から射出した光を前記導光板に入射させるための光学素子と、を備えており、前記光学素子が、前記光源から入射した光のうち光軸となす角度が所定角度以下である光について、当該光学素子に入射したときの前記光軸となす角度よりも大きくなるように屈折又は散乱させる角度増大部を有することを特徴とする。

このようなものであれば、前記光学素子が、角度増大部によって前記光源から入射した光のうち光軸となす角度が所定角度以下である光について、前記光軸となす角度がより大きくなるように射出するので、そのままであれば前記導光板に入射したとしても単に通過してしまうだけであった光を前記光拡散面又は前記光射出面において反射させるようにすることができる。従って、従来であれば光射出面の光量に寄与することなく無駄になっていた光が、前記拡散面において拡散された後に前記光射出面から射出されることになるので、光源から射出された光の使用効率を向上させることができる。

さらに、より多くの光を光入射面の近傍において光拡散面又は光射出面で反射させることができるようになるので、導光板内での光の拡散効果を向上させることができるので、より均一な光を光射出面から射出することができる。

前記光学素子が、前記光源から入射した光のうち光軸となす角度が所定角度以下である光について、前記光軸となす角度がより大きくなるように射出するための具体的な態様の一つとしては、前記角度増大部が、凹レンズ状に形成されているものが挙げられる。このようなものであれば、光軸となす角度が所定角度以下である光を光軸の外側へ屈折させることにより、前記光軸となす角度がより大きくなるように射出するので、前記光拡散面又は前記光射出面にて反射させ、光射出面での光量に寄与するようにすることができる。

前記光学素子が、前記光源から入射した光のうち光軸となす角度が所定角度以下である光について、前記光軸となす角度がより大きくなるように射出するための別の具体的な態様の一つとしては前記角度増大部が、凸レンズ状に形成されているものが挙げられる。このようなものであれば、光軸となす角度が所定角度以下である光を、光軸側に屈折させることにより、光軸となす角度をより大きくし、前記光拡散面又は前記光射出面にて反射するようにして、光の使用効率を向上させることができる。

前記光学素子が、前記光源から入射した光のうち光軸となす角度が所定角度以下である光について、前記光軸となす角度がより大きくなるように射出するためのさらに別の具体的な態様の一つとしては、前記角度増大部が、光を散乱する散乱面であるものが挙げられる。このようなものであっても、従来光射出面での光量に寄与していなかった光を前記光学素子にて拡散させることにより、前記光拡散面又は前記光射出面で反射させて使用することができるようになる。

前記角度増大部の更に別の態様としては、Ｖ字溝であるものが挙げられる。このようなものであれば、光軸となす角度が所定角度以下である光を光軸の外側へ屈折させることにより、前記光軸となす角度がより大きくなるように射出させることができ、光射出面から射出される光をより多くすることができる。

さらに光射出面から射出される光量を増加させるためには、一対の前記光源及び前記光学素子が、前記導光板を挟むように対向して設けられているものであればよい。

このように本発明によれば、前記光学素子が前記光源から入射した光のうち光軸となす角度が所定角度以下である光について、前記光軸となす角度がより大きくなるように射出するようにしてあるので、従来であれば導光板からそのまま通過するだけであった光を前記光拡散面又は前記光射出面にて反射するようにして、光射出面から射出させ、より光量を増加させるとともに光の使用効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る光照射装置を用いた検査装置の構成を示す模式図。 同実施形態における導光板の側面及び上面を拡大した拡大図。 同実施形態における光軸のごく近傍で光学素子に入射した光の進行状態を示した模式図。 同実施形態における光学素子の光軸の近傍で光学素子に入射した光の進行状態を示した模式図。 本発明の別の実施形態に係る光照射装置を示す模式図。 本発明のさらに別の実施形態に係る光照射装置を示す模式図。 本発明の異なる実施形態に係る光照射装置を示す模式図。 本発明のさらに異なる実施形態に係る光照射装置を示す模式図。 従来の光照射装置と、導光板を通りぬけてしまう光を示す模式図。 従来の光照射装置における光軸の近傍で光学素子に入射した光の進行状態を示す模式図。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態の光照射装置１００は、図１に示すようなワークＷの表面の外観検査を行う検査装置Ｔに用いられるものであって、検査対象であるワークＷに均一な光を面で照射するためのものである。

前記検査装置Ｔは、ワークＷに対して均一光を面発光で照射するための前記光照射装置１００と、前記ワークＷに照射された光が反射し、前記光照射装置１００を透過した光を撮像するためのカメラＣＡＭと、を備えたものである。前記ワークＷには、例えば、表面に印字がしてあり、その印字が正確にプリントされているどうか等の外観検査がこの検査装置Ｔによって行われる。

前記光照射装置１００は、光を拡散する拡散要素１４が形成された光拡散面１１と、前記光拡散面１１と対向して設けられ、前記拡散要素１４により拡散された光が射出される光射出面１２と、前記光拡散面１１と前記光射出面１２とに交差する光入射面１３と、を具備する導光板１に対して、前記光入射面１３から前記光拡散面１１と前記光射出面１２との間に光を入射させるものである。具体的には、前記導光板１の周囲を囲うようにして設けられるケーシング４の内部に、光を射出する光源２と、前記光源２から射出した光を前記導光板１に入射させるための光学素子３と、を備えたものである。

前記導光板１は、上面と下面が正方形状である薄い直方体状の透明体であり、その側面が前記光入射面１３にしてある。本実施形態では上面が光拡散面１１、下面が光射出面１２に対応する。前記光入射面１３から入射した光は、前記光拡散面１１と前記光射出面１２との間で全反射を繰り返しながら進行し、前記拡散要素１４にて拡散された光が前記光射出面１２から射出される。このようにして、前記導光板１は光射出面１２において面発光するものである。

前記光拡散面１１は、図２（ａ）の導光板１を側面から見た拡大図と、図２（ｂ）の上面から見た拡大図に示すように、前記透明体の上面に前記拡散要素１４をアレイ状に等間隔で形成して構成してある。前記拡散要素１４は、導光板１の内部を通ってきた光を対面側へと拡散する拡散部１４２と、上面からカメラＣＡＭ側へと光が拡散するのを防ぐための遮光部１４１とから構成してある。本実施形態では、円形の前記拡散部１４２の上により直径の大きい遮光部１４１を形成してある。

このように微細な拡散要素１４が形成されるとともに、各拡散要素１４間に隙間があるので、前記ワークＷで反射した光はこの拡散面を通過することができ、前記カメラＣＡＭでワークＷを撮像することができる。

前記光源２は、ケーシング４内において前記導光板１の側面の長辺方向に一列に並べて設けてある、チップ型のＬＥＤである。前記光源2から射出された光は、その光軸に対してある広がりをもって光が射出されることになる。

前記光学素子３は、図１、図３、図４に示すように前記光源２から入射した光のうち光軸Ｃとなす角度が所定角度以下である光について、前記光軸Ｃとなす角度がより大きくなるように屈折させる角度増大部を有したものである。より具体的には、前記光学素子３は、前記導光板１の側面の長辺方向に延びるシリンドリカルレンズであって、その光射出側の中央部を角度増大部として凹レンズ３１に形成してあり、その外縁部を凸レンズ３２に形成してある。

ここで、本実施形態における「光軸Ｃとなす角度が所定角度以下である光」とは、本実施形態では、前記ＬＥＤの発光点と前記導光板１の前記光入射面１３の上辺又は下辺とをつなぐ直線と光軸Ｃがなす角度よりも小さい角度の光の事を指す。言い換えると、前記光学素子３が無かった場合に、前記導光板１の光入射面１３に入射しないような角度で光軸Ｃと角度をなす光以外のものを対象とするものである。

本実施形態では、図１に示すように前記光源２と前記光学素子３は、前記導光板１を挟むように対向して設けてある。より具体的には、一対の前記光源２と前記光学素子３が、図１に示すように前記導光板１の向かい合う側面である各光入射面１３から光を入射させるように構成してある。

このように構成された光照射装置１００による導光板１内の光の進行状態及び拡散状態について、従来の光射出側が全て凸レンズ状に形成されたシリンドリカルレンズを用いた光照射装置１００Ａと比較しながら説明する。簡単のため導光板１、１Ａの一側面にのみ前記光源２、２Ａと前記光学素子３、３Ａを設けた態様の図によって説明するが、対向させて設けた場合でも同様に以下の説明は成り立つものである。

まず、シリンドリカルレンズの光軸Ｃの近傍を通過し、図７に示すように従来の光照射装置１００Ａであれば導光板１Ａに入射してもそのまま対面から出て行ってしまう従来の通り抜け光線に対する効果について説明する。図３（ａ）に示すように、本実施形態の光照射装置１００によれば、図３（ｂ）の従来の光照射装置１００Ａでは導光板１Ａ内を通り抜けてしまうだけであった光が、光拡散面１１又は光射出面１２で反射しながら導光板１内を進行していることが分かる。

この違いが生じる原因について、図３（ｃ）、図３（ｄ）の光学素子３、３Ａ近傍の拡大図を参照しながら説明する。従来は図３（ｄ）に示されるように、光軸Ｃ近傍の光は光軸Ｃ側に曲げられている、すなわち、光学素子３Ａが光を入射したときの光軸Ｃとなす角度をより小さくなるようにして射出するものであるため、導光板１Ａを通り抜けてしまう。それに対して、図３（ｃ）に示すように、本実施形態の光照射装置１００の場合には、光学素子３の凹レンズ部３１にて光が光軸Ｃに対して外側へ曲げられているため、前記光拡散面１１又は前記光射出面１２で反射させることができるようになっている。すなわち、従来であれば、前記光射出面１２Ａから射出されずに光入射面１３Ａの対面から通り抜けていた光も、本実施形態では前記光射出面１２から射出できていることがわかる。

次に、通り抜け光線以外の光線であり、前記通り抜け光線よりも光軸Ｃとなす角度が大きいものの、従来であれば低頻度でしか前記光拡散面１１Ａ又は前記光射出面１２Ａで反射されなかった光線に対する効果について図４を参照しながら説明する。

図４（ａ）の光学素子３周辺の拡大図に示すように、本実施形態の光照射装置１００では、凹レンズ部３１で光軸Ｃの外側に屈折された光は、図４（ｂ）の従来の光照射装置１００Ａを用いた場合と比べて、光入射面１３の近傍で光拡散面１１又は光射出面１２に対する入射角をより小さくして反射できていることが分かる。このため、導光板１内での反射頻度をより高くすることができるので、前記光拡散面１１の様々な場所へ均一に光線を入射させやすくなり、拡散要素１４によって拡散される光の量をより増加させることができる。従って、光射出面１２から射出される光の量を増加させるとともに、均一さも向上させることができる。

このように本実施形態の光照射装置１００によれば、シリンドリカルレンズの光射出面側の中央部に凹レンズ部３１を設けてあるので、前記光源２から入射した光のうち光軸Ｃとなす角度が所定角度以下である光について、前記光軸Ｃとなす角度がより大きくなるように射出することができる。このため、そのままであれば前記導光板１に入射したとしても単に通過してしまうだけであった光を光軸Ｃに対して外側へ屈折させることにより、前記光拡散面１１又は前記光射出面１２において反射させるようにすることができる。従って、従来であれば光射出面１２の光量に寄与することなく無駄になっていた光が、前記光拡散面１１において拡散された後に前記光射出面１２から射出されることになるので、光源２から射出された光の使用効率を向上させることができる。

また、従来であれば、前記光拡散面１１と前記光射出面１２に全反射されたとしても、入射角が大きすぎるために、対面に到達するまでの反射頻度が低く前記光射出面１２から射出されずに対面から射出されてしまう光が多く存在したが、本実施形態の光照射装置１００であれば、入射角を小さくすることができ、反射頻度を高めることができるので、対面から射出されてしまう光を大幅に少なくすることができる。言い換えると、光線の反射頻度を高くすることができることから、拡散要素に当たる確率が高くなり、通り抜け光線になってしまう確率が低くなるので、光を無駄なく光射出面１２から射出できるようになる。

さらに、導光板１を通り抜ける光線によって生じる無駄がほとんど存在しないので、従来であれば大きな光のロスが生じるために用いるのが難しかった、導光板１を挟んで対向させて１対の光源２と光学素子３とを設ける態様にすることができる。このため、光を高効率で使用しつつ、さらに光射出面１２から射出される光の光量を増加させることができる。

その他の実施形態について説明する。以下の説明に用いられる図には前記実施形態と対応する部材には同一の符号を付すこととする。

前記光学素子３の光射出面側の中央部は、前記実施形態のように凹レンズ３１状の形状だけに限られるものではない。例えば、図５に示すように中央部を外縁部よりも突出させた凸レンズ部３３に形成して、その他の部分である外縁部よりも屈折角が大きくなるようにしたものであっても構わない。言い換えると、図５に示されるように、光学素子３が、光を光軸Ｃ側へ屈折させることによって、光学素子３に入射したときの光軸Ｃとなす角度よりも大きな角度で光を射出するものであっても構わない。なお、この場合、なす角度とは、直線同士が交差して形成される角度のうち小さいほうのことを指すものとする。ここで、屈折角を大きくするには、例えば、凸レンズの形状によるものであってもよいし、材質を異ならせて外縁部と中央部の屈折率を異なるものにしてもよい。

また、例えば、図６のように前記光学素子３の光射出側の面について、前記光源２から入射した光のうち光軸Ｃとなす角度が所定角度以下の光が通過する部分に光散乱面３４が形成されているものであっても構わない。図６では、レンズ表面に微小な凹凸を形成しておくことにより、光が光軸Ｃから外側へと拡散されるようにしてあるが、逆に光軸Ｃ側へと散乱するようにしても構わない。

さらに、図７に示すように前記光学素子３の光射出側の面について、前記光源２から入射した光のうち光軸Ｃとなす角度が所定角度以下の光が通過する部分をＬＥＤが並んでいる方向にＶ字溝３５を形成することにより角度増大部としても構わない。このようなものであっても、光学素子３の中央部を通過する光を光軸に対して外側へ屈折させることにより、通り抜け光線を減らすことができ、光の使用効率を向上させることができる。

また、図８に示すように、光源2が砲弾型ＬＥＤであっても構わない。この場合砲弾型ＬＥＤのモールド部が光学素子３に対応し、その先端部分に凹部を形成しておくことにより角度増大部３１とすればよい。

以上のようなものであっても、従来、導光板１に入射してもそのまま通り過ぎるだけであった通り抜け光線も光射出面１２から射出されるようにすることができるとともに、光拡散面１１と光射出面１２との間で生じる反射の頻度を高くすることができ、光射出面１２を均一に発光させることができる。

また、「光軸となす角度が所定角度以下である光」としては、光源から射出されてから前記光学素子により進路を変更されなかった場合に、前記光拡散面又は前記光射出面に低頻度でしか反射されないような角度以下で光源から射出された光を含むものであっても構わない。前記光学素子を設けていなかった場合に導光板の光入射面から十分に離れた位置において、前記光拡散面又は前記光射出面で反射されるような角度以下で入射する光であってもよい。

ここで、「光軸となす角度が所定角度以下である光」とは、光源から射出されてから前記光学素子により進路を変更されなかった場合に、前記光拡散面又は前記光射出面に反射されることなく、入射した前記光入射面から対面へ射出されるような角度で光源から射出された光を少なくとも含むものであればよい。

さらに、前記光学素子において、当該光学素子に入射したときの光軸となす角度よりも小さい角度となるように射出された場合に、前記光拡散面又は前記光射出面に反射されることなく、入射した前記光入射面から対面へ射出されるような角度で光源から射出された光を含むものであってもよい。

要するに、従来通り抜けてしまっていたために有効に活用されていなかった光が通る範囲にある光を光拡散面又は光射出面において高頻度に反射するように屈折、散乱などさせるものであればよい。

前記実施形態では、円形状の拡散要素をアレイ状にプリントすることで、導光板の拡散面を形成したが、拡散要素は別の形状であっても構わない。例えば、格子状に拡散要素を形成しても構わない。要するに前記拡散要素が微小な繰り返し模様であれば、導光板内の光は拡散するとともに、ワーク側からの反射光、散乱光等をカメラ側へ透過することができる。

前記実施形態では、検査装置に用いるために光が光拡散面を通ってカメラ側に抜ける必要があったが、例えば、本発明の光照射装置をバックライトとして使用する場合には光拡散面の全面に拡散要素を形成しても構わない。

前記実施形態では一対の光源と光学素子が、導光板を挟むように設けてあったが、片方が無くても構わない。また、二対の光源と光学素子により、導光板の４つの側面全てを囲むようにしても構わない。また、光源はＬＥＤに限られるものではなく、点光源だけでなく面光源であっても構わない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や実施形態の組み合わせを行っても構わない。

１００・・・光照射装置
１・・・導光板
１１・・・光拡散面
１２・・・光射出面
１３・・・光入射面
２・・・光源
３・・・光学素子
３１、３３、３４、３５・・・角度増大部

Claims (6)

1. 光を拡散する複数の拡散要素が隙間をあけて形成された光拡散面と、前記光拡散面と対向して設けられ、前記拡散要素により拡散された光が射出される光射出面と、前記光拡散面と前記光射出面とに交差する光入射面と、を具備する導光板であり、光が当該導光板の内部から前記隙間を介して当該導光板の外部へ通過可能に構成された導光板に対して、前記光入射面から前記光拡散面と前記光射出面との間に光を入射させる光照射装置であって、
   光を射出する光源と、
   前記光源から射出した光を前記導光板に入射させるための光学素子と、を備えており、
   前記光学素子が、当該光学素子の光射出側の中央部に形成されており、前記光源から入射した光のうち光軸となす角度が所定角度以下であり、前記光源から射出されてから当該光学素子により進路を変更されなかった場合に、前記光拡散面又は前記光射出面に反射されることなく、入射した前記光入射面から対面へ射出される光について、当該光学素子に入射したときの前記光軸となす角度よりも大きくなるように屈折又は散乱させる角度増大部と、当該光学素子の光射出側の外縁部に形成された凸レンズと、を有することを特徴とする光照射装置。
2. 前記角度増大部が、凹レンズ状に形成されている請求項１記載の光照射装置。
3. 前記角度増大部が、凸レンズ状に形成されている請求項１記載の光照射装置。
4. 前記角度増大部が、光を散乱する光散乱面である請求項１記載の光照射装置。
5. 前記角度増大部が、Ｖ字溝である請求項１記載の光照射装置。
6. 一対の前記光源及び前記光学素子が、前記導光板を挟むように対向して設けられている請求項１、２、３、４又は５記載の光照射装置。