KR100308391B1 - 면형상조명시스템 - Google Patents

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간지 니시이
겐지 다카모토
마사미 이토
가즈마사 다카다
겐 다츠타
고키 나카바야시
히로시 와타나베
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모리시타 요이찌
마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 고효율이며, 휘도가 높고, 또 소비전력이 적은 양산성이 뛰어난 면형상 조명시스템에 관한 것으로, 본 발명은 평행평판형상의 도광체(1) 하부면에 단면형상이 3각형인 다수개의 홈(6)을 형성한다. 도광체(1)의 한쪽 측면에는 홈(6)과 평행하게 선형상 광원(4)을 배치하고, 선형상 광원(4)을 덮도록 해서 리플렉터(5)를 설치한다. 도광체(1)의 굴절율을 n, 방사휘도분포의 중심각을 α라 하고, 홈(6)의 선형상 광원(4)측의 사면 각도(ø1)를, 하기 (수33)와 같이 설정한다.
[수33]
ø1= 53°- sin-1{(1/n) sin α}
도광체(1)의 상부면에 광확산판(2)을 배치하고, 도광체(1)의 하부면 및 다른쪽 측면을 덮도록 해서 반사판(3)을 배치한다.

Description

면형상 조명시스템
본 발명은 액정디스플레이 등의 백라이트로서 사용되는 면형상 조명시스템에 관한 것이다.
최근, 퍼스널컴퓨터, 휴대용 단말기 등의 표시장치로서 액정디스플레이가 널리 사용되고 있다. 그리고, 그 백라이트로서의 면형상 조명시스템에 대해 고휘도화, 저소비전력화가 요구되고 있다.
이하, 종래의 면형상 조명시스템의 일예에 대해 도34를 이용해서 설명한다(일본국 특개평5-127159호 참조).
도34는 종래 기술에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도이다. 도34에 도시한 바와 같이, 종래의 면형상 조명시스템은 평행평판형상의 도광체(131)와, 도광체(131)의 측면 근방에 도광체(131)의 측면과 평행하게 배치된 선형상 광원(134)과, 선형상 광원(134)을 덮도록 해서 배설된 반사판(135)과, 도광체(131)의 이면(하부면)에 점형상으로 형성된 광확산물질(136)과, 도광체(131)의 이면(하부면)에 배설된 반사시트(133)와, 도광체(131)의 표면(상부면)에 배설된 광확산시트(132)와, 광확산시트(132)의 바로 위에 배설된 프리즘시트(137)로 구성되어 있다.
이 종래의 면형상 조명시스템에 있어서는 선형상 광원(134)으로부터의 광을 도광체(131)의 측면에서부터 입사시키고, 도광체(131)내를 전반사로 전파하는 광을 도광체(131)의 이면에 형성된 광확산물질(136)에 의해 확산시키고 있다. 이에 따라 광의 전반사 조건이 무너져서 도광체(131)의 외부로 광이 사출된다. 도광체(131)로부터의 사출광은 도광체(131)의 이면에 배설된 반사시트(133)에 의해 반사되어 도광체(131)의 표면으로부터 사출된다. 도광체(131)의 표면으로부터는 경사방향으로 광이 사출되므로, 광확산 시트(132)위에 배설된 프리즘시트(137)에 있어서의 굴절작용에 의해 광을 정면방향으로 돌리고 있다. 또, 이 경우 도광체(131)의 표면에 광확산 시트(132)가 배설되어 있으므로, 도광체(131)의 표면측에서 도광체(131)의 이면에 형성된 광확산물질(136)의 패턴이 보이지는 않는다.
그러나, 상기와 같은 종래의 면형상 조명시스템에 있어서는, 프리즘시트(137)와 반사시트(133) 사이에 다중반사가 일어나기 때문에, 광확산물질(136), 광확산 시트(132) 및 반사시트(133)에서의 광흡수가 커져서, 면형상 조명시스템으로서의 광효율이 저하된다는 문제점이 있었다. 또, 시트를 다수 사용하기 때문에(반사시트(133), 광확산시트(132), 프리즘시트(137)), 각 시트의 위치맞춤 편의나, 시트 사이로의 먼지 혼입으로 인한 표시품질의 저하 등을 초래한다는 문제점이 있었다.
본 발명은 종래 기술에 있어서의 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 고효율이며, 휘도가 높고, 또 소비전력이 적은 양산성이 뛰어난 면형상 조명시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
제1도는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도.
제2도는 본 발명의 제1실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 리플렉터 형상을 도시한 단면도.
제3도는 본 발명의 제1실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 도광체 형상(제1도의 A부)을 도시한 단면도.
제4도는 본 발명의 제1실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 도광체 하부면의 홈분포를 도시한 도면.
제5도는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 이용해서 도광체로부터의 사출광의 방사휘도분포를 요구한 결과를 도시한 도면.
제6도는 본 발명의 제1실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 도광체의 또다른 구성예를 도시한 단면도.
제7도는 본 발명의 제2실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 도광체를 도시한 단면도.
제8도는 본 발명의 제2실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 이용해서 도광체로부터의 사출광의 방사휘도분포를 요구한 결과를 도시한 도면.
제9도는 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도.
제10도는 제9도의 A부 확대단면도.
제11도는 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 이용해서 도광체로부터의 사출광의 방사휘도분포를 요구한 결과를 도시한 도면.
제12도는 본 발명의 제4실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도.
제13도는 제12도의 A부 확대단면도.
제14도는 본 발명의 제5실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도.
제15도는 본 발명의 제6실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도.
제16도는 본 발명의 제6실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 또다른 예를 도시한 단면도.
제17도는 본 발명의 제7실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 도광체하부면의 홈 분포를 도시한 도면.
제18도는 본 발명의 제8실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 도광체하부면의 홈 분포를 도시한 도면.
제19도는 본 발명의 제9실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 도광체하부면의 홈의 형상을 도시한 단면도.
제20도는 본 발명의 실시형태에 이용하는 광원 및 리플렉터의 또다른 구성예를 도시한 단면도.
제21도는 본 발명의 제10실시형태에 있어서 면형상 조명시스템을 도시한 단면도.
제22도는 본 발명의 제10실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 도광체를 도시한 사시도.
제23도는 본 발명의 제10실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 선형상 광원및 리플렉터에서의 광로 추적도.
제24도는 본 발명의 제10실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 도광체내에서의 광로 추적도.
제25도는 본 발명의 제10실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 도광체에 형성된 홈에서의 광로 추적도.
제26도는 본 발명의 제10실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 도광체의 또다른 구성예를 도시한 사시도.
제27도는 본 발명의 제11실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도.
제28도는 본 발명의 제11실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템의 광로 추적도.
제29a도는 본 발명의 제11실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 편광변환판을 도시한 평면도.
제29b도는 (a)의 A-A단면도.
제29c도는 (a)의 B-B단면도.
제29d도는 (a)의 C-C단면도.
제30도는 본 발명의 제11실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 편광변환 설명도.
제31a도는 본 발명의 제12실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 편광변환판을 도시한 부분사시도.
제31b도는 본 발명의 제12실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 편광자의 투과축방향과 편광변환판의 홈방향과의 관계를 도시한 도면.
제32도는 본 발명의 제11실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 편광변환판에서의 편광변환 설명도.
제33a도는 본 발명의 제13실시형태에 있어서 면형상 조명시스템을 도시한 단면도.
제33b도는 본 발명의 제13실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템의 편광자의 투과축 방향과 위상차판의 광학축 방위와의 관계를 도시한 도면.
제34도는 종래 기술에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1, 28, 33, 101 : 도광체 2 : 광확산판
3, 34, 58, 64 : 반사판 4, 104 : 선형상 광원
5, 105 : 리플렉터 6, 29, 106 : 도광체 하부면의 홈
7, 8 : 타원부 11 : 도광체 하부면의 평탄부
12, 20, 22, 24, 35 : 홈의 선형상 광원측 사면
13, 21, 23, 25, 36 : 홈의 선형상 광원과 반사측 사면
14 : 홈의 저면 15 : 도광체의 상부면
40 : 편광자 41, 59 : 편광변환판
42 : 광확산판 63 : 위상차판
103 : 반사시트
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 관한 면형상 조명시스템의 제1구성은, 도광체와, 상기 도광체의 측면에 배치된 광원을 구비하고, 상기 광원으로부터 상기 도광체에 입사하는 광을 상기 도광체의 상부면에서 사출하도록 한 면형상 조명시스템에 있어서, 상기 도광체의 하부면에 다수개의 홈을 간격을 두고 형성하고, 상기 홈중 적어도 상기 광원측의 면을 경사지게 한 것을 특징으로 한다. 이 면형상 조명시스템의 제1구성에 의하면, 도광체 하부면의 평탄부와 홈경사부에서의 2회의 전반사에 의해 도광체의 상부면으로부터 광을 사출시킬 수 있으므로, 프리즘시트 및 도광체 하부면의 광확산재가 불필요해진다. 이 때문에 프리즘시트, 광확산재에서의 광흡수가 없어져서 광효율이 향상되므로, 고휘도화 및 저소비 전력화가 가능해진다. 또, 시트의 매수를 삭감할 수 있으며, 또한 광확산재를 도광체 하부면에 형성하는 공정을 생략할 수 있으므로, 조립성 및 양산성이 향상된다.
또, 상기 본 발명의 면형상 조명시스템의 제1구성에서는, 도광체의 단면형상이 쐐기형인 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 도광체의 광원과 반사쪽 측면에서 반사한 광이 다시 광원으로 돌아오는 일이 없으므로, 도광체로부터 효율적으로 광을 취출할 수 있다.
또, 상기 본 발명의 면형상 조명시스템의 제1구성에서는, 홈폭이 홈간격보다 작은 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면 도광체내를 전파하는 광이 도광체의 홈이 형성되어 있지 않은 부분에서 전반사하거나, 또 홈의 경사면에서 전반사함으로써 도광체에서만 도광체의 상부면에 대해 거의 수직한 방향으로 광을 사출할 수 있으므로, 프리즘시트가 불필요해진다. 그 결과, 프리즘시트내에서의 다중반사로 인한 광량의 저하를 방지할 수 있다. 또, 도광체로부터 광을 취출하기 위해 도광체 하부면에 광확산물질을 도포할 필요가 없고, 광확산물질에서의 광흡수가 일어나지 않으므로, 고휘도의 면형상 조명시스템을 실현할 수 있다.
또, 상기 본 발명의 면형상 조명시스템의 제1구성에서는, 홈의 단면형상이 사다리꼴 또는 3각형인 것이 바람직하다.
또, 상기 본 발명의 면형상 조명시스템의 제1구성에서는, 도광체의 굴절율을 n, 방사휘도분포의 중심각을 α라고 했을 때, 홈의 선형상 광원측 면의 경사각이 하기 (수2)에 의해 주어지는 것이 바람직하다.
[수2]
ø1= 53°- sin-1{(1/n) sin α}
이 바람직한 예에 의하면 임의의 방향α으로 방사휘도분포의 중심을 돌릴 수 있다.
또, 상기 본 발명의 면형상 조명시스템의 제1구성에 있어서는, 각 홈이 인접한 다수의 홈군으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면, 더욱더 고휘도화가 가능해진다.
또, 상기 본 발명의 면형상 조명시스템의 제1구성에 있어서는, 도광체의 하부면이 계단형상으로 되어 있으며, 각 계단마다 적어도 1개의 홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또, 상기 본 발명의 면형상 조명시스템의 제1구성에 있어서는, 홈중 적어도 광원측의 경사면이 곡면인 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면 도광체로부터의 사출광의 방사휘도분포를 넓힐 수 있으므로, 시야각이 넓은 액정디스플레이에 대응시킬 수 있다.
또, 상기 본 발명의 면형상 조명시스템의 제1구성에 있어서는, 홈중 적어도 광원측의 경사면이 조면인 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면, 반사광을 확산시켜서 도광체로부터의 사출광의 방사휘도분포를 넓힐 수 있으므로, 시야각이 넓은 액정디스플레이에 대응시킬 수 있다.
또, 상기 본 발명의 면형상 조명시스템의 제1구성에 있어서는, 도광체의 상측에 편광자를 형성하고, 상기 도광체의 하측으로 편광방향을 회전시키는 편광변환판을 배치하는 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면, 액정디스플레이의 입사측 편광자에서의 광흡수를 방지할 수 있으므로, 광효율을 최대 2배로 향상시킬 수 있다. 그 결과, 대폭적인 고휘도화 및 저소비 전력화가 가능해진다. 또, 이 경우에는 단면형상이 3각형이고, 꼭지각이 거의 90°의 홈이 형성된 편광변환판을 사용하고, 상기 편광변환판을 상기 홈의 방향이 편광자의 투과축에 대해 거의 45°의 각도를 이루도록 배치하는 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면 편광변환판에 대한 입사광의 편광방향을 회전시킬 수 있다.
또, 상기 본 발명의 면형상 조명시스템의 제1구성에 있어서는, 도광체의 상측에 편광자를 배설하고, 상기 도광체의 하측에 위상차가 4분의 1 파장의 위상차판을 배치하고, 상기 위상차판을 그 광학축방향이 상기 편광자의 투과축에 대해 거의 45°의 각도를 이루도록 배치하는 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면, 위상차판에 대한 입사광의 편광방향을 회전시켜서, 액정디스플레이의 입사측 편광자에서의 광흡수를 방지할 수 있다. 그 결과, 광효율을 최대 2배로 향상시킬 수 있으므로, 대폭적인 고휘도화 및 저소비 전력화가 가능해진다.
또, 상기 본 발명의 면형상 조명시스템의 제1구성에 있어서는, 도광체의 상측에 광확산판을 배치하고, 상기 도광체의 하측에 반사판을 배치하는 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면 도광체의 하부면으로부터 사출한 광을 반사판에 의해 반사시키며, 도광체내에 재입사시킬 수 있음과 동시에, 도광체의 상부면으로부터 사출한 광을 광확산판에 의해 확산시키므로, 홈으로 인한 휘선을 방지할 수 있다.
또, 본 발명에 관한 면형상 조명시스템의 제2구성은, 도광체와, 상기 도광체의 측면에 배치된 광원을 구비하고, 상기 광원으로부터 상기 도광체에 입사하는 광을 상기 도광체의 상부면으로부터 사출하도록 한 면형상 조명시스템에 있어서, 상기 도광체의 하부면에 다수개의 선형상 돌기를 간격을 두고 형성하고, 상기 선형상 돌기의 상기 광원과 반대쪽의 면을 적어도 경사지게 한 것을 특징으로 한다. 이 면형상 조명시스템의 제2구성에 의하면, 도광체 하부면 선형상돌기의 경사부에서의 전반사에 의해 도광체의 상부면으로부터 광을 사출시킬 수 있으므로, 프리즘시트 및 도광체 하부면의 광확산재가 불필요해진다. 이 때문에, 프리즘시트, 광확산재에서의 광흡수가 없어져서 광효율이 향상되므로, 고휘도화 및 저소비 전력화가 가능해진다. 또, 시트의 매수를 삭감할 수 있으며, 또 광확산재를 도광체 하부면에 형성하는 공정을 생략할 수 있으므로, 조립성 및 양산성이 향상된다.
또, 상기 본 발명의 면형상 조명시스템의 제2구성에 있어서는, 도광체의 단면형상이 쐐기형인 것이 바람직하다.
또, 상기 본 발명에 관한 면형상 조명시스템의 제2구성에 있어서는, 도광체의 하부면이 계단형상으로 되어 있으며, 각 계단마다 선형상돌기가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또, 상기 본 발명에 관한 면형상 조명시스템의 제2구성에 있어서는, 도광체의 상측에 편광자를 배설하고, 상기 도광체의 하측으로 편광방향을 회전시키는 편광변환판을 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우에는 단면형상이 3각형이고, 꼭지각이 거의 90°의 홈이 형성된 편광변환판을 사용하고, 상기 편광변환판을 상기 홈의 방향이 편광자의 투과축에 대해 거의 45°의 각도를 이루도록 배치하는 것이 바람직하다.
또, 상기 본 발명에 관한 면형상 조명시스템의 제2구성에 있어서는, 도광체의 상측에 편광자를 배설하고, 상기 도광체의 하측에 위상차가 4분의 1파장인 위상차판을 배치하고, 상기 위상차판을 그 광학축 방향이 상기 편광자의 투과축에 대해 거의 45°의 각도를 이루도록 배치하는 것이 바람직하다.
또, 상기 본 발명에 관한 면형상 조명시스템의 제2구성에 있어서는, 도광체의 상측에 광확산판을 배치하고, 상기 도광체의 하측에 반사판을 배치하는 것이 바람직하다.
이하, 실시형태를 이용해서 본 발명을 좀더 구체적으로 설명한다.
[제1실시형태]
도1은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도이다. 도1에 있어서, 1은 도광체이며, 도광체(1)는 석영, 유리, 투명수지(예를들면, 아크릴계수지, 폴라카보네이트) 등을 재료로 해서 형성되어 있다. 도광체(1)의 상부면과 하부면은 거의 평행이며, 상부면측에서 보면 도광체(1)의 형상은 거의 장방형이다. 또, 도광체(1)의 측면과 상부면 및 하부면은 거의 90°의 각도를 이루고 있다. 도광체(1)의 하부면에는 다수개의 홈(6)이 형성되어 있다. 2는 광확산판이며, 광확산판(2)은 도광체(1)의 상부면 상측에 배치되어 있다. 광확산판(2)은 투명한 수지 등의 시트 내부에 굴절율이 다른 재료를 분산시키거나, 투명한 시트위에 투명한 구형상의 재료를 분산시키거나, 투명한 시트 표면에 요철을 형성함으로써 구성되어 있다. 3은 반사판이며, 반사판(3)은 도광체(1)의 하부면 및 후술하는 선형상 광원(4)측과 반대쪽 측면을 덮도록 해서 배치되어 있다. 반사판(3)은 예를들면 투명한 수지시트의 내부에 수㎛∼수10㎛ 정도의 기포를 빈틈없이 분산시키든지, 수지시트, 금속판 등에 은, 알루미늄 등 반사율이 높은 재료를 증착함으로써 구성되어 있다. 이에 따라, 반사판(3)은 적어도 도광체(1)와 대향하는 면에서 반사율이 높아지고 있다. 4는 선형상 광원이며, 이 선형상 광원(4)은 도광체(1)의 한쪽 측면 근방에 배치되어 있다. 이 선형상 광원(4)으로는 예를들면 열 음극관, 냉음극관 등의 형광등, 발광다이오드를 선형상으로 배열한 것, 백열등, 유기발광재료를 선형상으로 형성한 것이 사용된다. 5는 리플렉터이며, 이 리플렉터(5)는 선형상 광원(4)을 덮도록 해서 배치되어 있다. 리플렉터(5)는 그 내면에서 반사율이 높고, 또 확산성이 작아지도록 구성되어 있다. 이와 같은 특성을 가진 리플렉터(5)는 예를들면 수지시트에 은, 알루미늄 등 반사율이 높은 재료를 증착하고, 이 시트를 얇은 금속판 혹은 수지시트에 접착함으로써 얻어진다.
도2에는 본 실시형태에 있어서의 리플렉터의 단면형상을 나타낸다. 도2중 7 및 8은 리플렉터(5)의 일부로서, 단면이 타원형상으로 되어 있다(이하「타원부(7)」,「타원부(8)」이라 한다). 타원부(7)의 초점중 하나는 선형상 광원(4)의 중심점 0이며, 또 하나의 초점은 선형상 광원(4)과 리플렉터(5)의 상부면 사이에 위치하는 점 P이다. 마찬가지로 타원부(8)의 초점중 하나는 선형상 광원(4)의 중심점 0이며, 또 하나의 선형상 광원(4)과 리플렉터(5)의 하부면 사이에 위치하는 점 Q이다. 타원부(7)(8)의 타원동경은 작은 편이 바람직하다. 또, 선형상 광원(4)이 형광등인 경우, 선형상 광원(4)과 리플렉터(5)의 간격은 유리의 굴절율 1.5에 가까운 굴절율을 가진 투명한 재료로 충전되는 것이 바람직하다.
선형상 광원(4)측에 있어서의 도광체(1) 측면의 두께와 리플렉터(5)의 높이는 같은 것이 바람직하다. 선형상 광원(4)의 크기(직경)는 리플렉터(5) 높이의 80%이하인 것이 바람직하며, 또 리플렉터(5) 높이의 70% 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라 선형상 광원(4)과 리플렉터(5)의 간격이 확보되어, 선형상 광원(4)의 후방 사출광을 효율적으로 도광체(1)에 유도할 수 있기 때문이다.
도3에는 도1의 면형상 조명시스템에 있어서 도광체의 단면형상(도1의 A부)을 나타낸다. 도3에 있어서 선형상 광원(4)은 좌측에 위치하고 있다. 도3에 도시한 바와 같이, 도광체(1)의 하부면은 도광체(1)의 상부면(15)과 거의 평행한 평탄부(11)와, 단면형상이 사다리꼴인 다수개의 홈(6)으로 구성되어 있다. 홈(6)은 선형상 광원(4)측의 사면(12)과, 도광체(1)의 상부면(15)과 거의 평행한 저면(14)과, 선형상 광원(4)과 반대쪽의 사면(13)을 가지고 있다. 도광체(1)로부터의 사출광의 방사휘도분포 중심을 도광체(1)의 상부면(15)에 대해 거의 수직으로 하기 위해서는 홈(6)의 선형상 광원(4)측 사면(12)의 각도(ø1)를 거의 53°로 설정하면 된다. 또, 방사휘도분포의 중심을 도광체(1) 상부면(15)의 법선방향에 대해 ±10°이내에 들게 하기위해서는 선형상 광원(4)측 사면(12)의 각도(ø1)를 약 46°〈 ø1〈 약 60°의 범위로 설정하면 된다. 또, 방사휘도분포의 중심각을 α라 하고, 도3의 면내에서 임의의 방향 α로 방사휘도분포의 중심을 돌리기 위해서는 선형상 광원(4)측 사면(12)의 각도(ø1)를 하기 (수3)과 같이 설정하면 된다.
[수3]
ø1= 53°- sin-1{(1/n) sin α}
단, n은 도광체의 굴절율
또, 홈(6)의 선형상 광원(4)과 반대쪽 사면(13)의 각도(ø2)가 90°에 가까울수록 도광체(1)로부터의 방사휘도는 높아진다. 사면(13)은 도광체(1)의 입사부이다. 따라서, 사면(13)은 선형상 광원(4)으로부터의 입사부(측면)와 동일하며, 상부면(15) 및 하부면에 대해 각도(ø2)를 90°전후로 함으로써, 사면(13)으로부터의 입사광을 도광체(1)내에서 전반사시킬 수 있으며, 그 결과 도광체(1)로부터의 경사방향의 사출광을 방지할 수 있으므로, 정면방향(상부면 15방향)에 대한 휘도를 높일 수 있다. 실제로는 선형상 광원(4)과 반대쪽 사면(13)의 각도(ø2)는 60°〈 ø2〈 90°의 범위에 있는 것이 바람직하다. 도광체(1)를 프레스성형, 사출성형, 롤러성형 등에 의해 제조하는 것을 고려하면, 3°정도의 발출경사지게 하는 것이 바람직하므로, 선형상 광원(4)과 반대쪽 사면(13)의 각도(ø2)는 87°정도 혹은 87°보다 작게 설정되는 것이 바람직하다.
도4(a), 도4(b)에는 본 실시형태의 면형상 조명시스템에 있어서의 도광체에 형성된 홈의 배치(홈분포)를 나타낸다. 홈(6)의 방향은 선형상 광원(4)의 길이방향과 거의 평행하다. 홈(6)의 피치(p)는 일정하며, 선형상 광원(4)에 가까울수록 홈(6)의 폭(H)은 작고, 선형상 광원(4)으로부터 멀어짐에 따라서 홈(6)의 폭(H)은 증가되어 간다.
도광체(1)의 선형상 광원(4)측 측면으로부터의 거리를 x, 거리 x에 있어서의 홈(6)의 면적비를 S(거리 x 근방에 있어서의 평탄부(11)의 면적을 s1, 홈(6)의 면적을 s2라고 했을 경우, S=s2/(s1+s2)), 도광체(1)의 길이를 L이라 하면 하기 (수4)의 관계가 성립된다.
[수4]
S=αㆍβx/L
이 경우, S는 0〈S〈1/2의 범위에 있으며, β는 1.0〈β〈4.0의 범위에 있는 것이 바람직하다. 도광체(1)로부터의 사출광의 휘도분포를 균일하게 하기 위해서는 α를 0.04 정도, β를 3.0 정도로 하면 된다.
홈(6)의 피치(p)가 가늘수록 홈의 선이 눈에 띄지 않게 되어 디스플레이의 시인성이 향상된다. 또, 홈(6)의 피치(p)가 가늘 경우에는 광확산판(2)으로서 확산성이 작은 것을 사용할 수 있으므로, 정면방향(도광체(1)의 상부면방향)의 휘도를 높이는 것이 가능해진다. 피치(p)를 바꾸어서 눈으로 실험을 행한 결과 피치(p)를 1mm 이하로 설정함에 따라 홈의 선이 눈에 띄지 않게 되었음을 알 수 있었다. 바람직하게는 피치(p)를 0.5mm 이하로 설정하는 것이 좋다. 또한, 피치(p)를 액정디스플레이의 화소피치의 3분의 1 이하로 설정하면 광확산판(2)은 불필요해진다.
다음에, 상기와 같이 구성된 면형상 조명시스템에 대해 그 동작을 설명한다. 먼저, 도2에 도시한 바와 같이, 선형상 광원(4)으로부터의 사출광은 광원(10)과 같이 도광체(1)내에 직접 입사하든지, 리플렉터(5)에서 반사한 후 도광체(1)내에 입사한다. 선형상 광원(4)으로부터의 후방사출광(도광체(1)와 반대쪽에 사출하는 광)의 대부분은 리플렉터(5)의 타원부(7)(8)에 입사한다. 타원부(7)(8)의 초점중 하나는 선형상 광원(4)의 중심점 0이며, 또 하나의 초점은 선형상 광원(4)과 리플렉터(5)의 상부면(하부면) 사이에 위치하는 점 P(점 Q)이다. 타원부(7)(8)와 같은 타원경인 경우, 하나의 초점에서 나온 광은 다른쪽의 초점에 집광된다는 특성이 있으므로, 선형상 광원(4)으로부터 나온 후방사출광의 대부분은 타원부(7)(8)에 의해 도광체(1)에 입사한다. 일반적으로 선형상 광원(4)이 형광등인 경우, 형광등에 대한 재입사광의 약 절반은 형광등의 형광체에 의해 흡수되어 버리지만, 본 구성에 의하면 선형상 광원(4)에서의 광흡수를 경감시킬 수 있다. 또, 타원부(7)(8)의 타원동경이 작을수록 타원부(7)(8)에서의 반사광 비율이 증가하므로 광효율이 향상된다. 또한, 선형상 광원(4)이 형광등인 경우, 형광등의 발광부, 즉 형광체는 형광관의 내측에 형성되어 있으므로, 선형상 광원(4)과 리플렉터(5)의 간격을 형광관 재료의 굴절율에 가까운 굴절율을 가진 투명재료로 충전함으로써, 실질적으로 형광관의 직경을 작게 할 수 있다. 그 결과, 선형상 광원(4)과 리플렉터(5)의 간격을 늘릴 수 있으므로, 광효율을 향상시킬 수 있다.
다음에, 도3을 이용해서 도광체(1)내에서의 광의 전파에 대해 설명한다.
도광체(1)의 굴절율을 n이라 할 경우, 도광체(1)에 입사된 광은 스넬의 법칙에 의해 방사분포가 ±sin-1(1/n)의 광이 된다. 도광체(1) 재료의 대부분은 굴절율(n)이 1.42 이상이므로, 방사분포는 ±44.77°의 범위가 된다. 그러나, 도광체(1)는 상부면과 하부면이 대체로 평행하며, 상부면 및 하부면과 도광체(1)에의 입사면인 측면이 이루는 각은 거의 90°이므로, 도광체(1)의 측면에서 입사한 광이 도광체(1)의 상부면 혹은 하부면에 입사되었을 경우, 입사각θ의 최소치는 (90°-44.77°)=45.23°가 된다. 도광체(1)의 굴절율(n)이 1.42 이상일 때 전반사각은 44.77°이하가 되므로, 도광체(1)의 측면에서부터 입사한 광은 도광체(1)의 상부면 혹은 하부면에서 전반사하게 된다. 도광체(1)내를 전파하는 광중, 광선(16)과 같이 홈(6) 근방 이외의 평탄부(11)에서 전반사한 광은, 도광체(1)내에서 전반사를 반복하면서 전파되어 나간다. 마찬가지로, 광선(17)과 같이 홈(6)의 저면(14)에서 전반사한 광도 도광체(1)내에서 전반사를 반복하면서 전파되어 나간다. 광선(18)과 같이 홈(6) 근방의 평탄부(11)에서 전반사하고, 또 홈(6)의 선형상 광원(4)측 사면(12)에서 전반사한 광은 광로를 크게 바꾸어 도광체(1)의 상부면(15)에 입사한다. 이 때 2회의 전반사로 광로가 크게 바뀌므로, 전반사각 이하의 입사각이 되며, 대부분의 광은 도광체(1)의 외부로 사출된다. 또, 광선(19)과 같이 홈(6)의 선형상 광원(4)측의 사면(12)에 직접 입사한 광은, 대부분은 사면(12)을 투과하고, 사면(12)(13)에서 굴절되어 다시 도광체(1)내로 돌아가고, 도광체(1)내에서 전반사를 반복하면서 전파되어 간다. 또, 사면(12)을 투과한 광중 일부는 반사판(3)(도1)에서 반사되어 도광체(1)내로 돌아간다. 이상과 같이 도광체(1)내를 전파하는 광중 평탄부(11)와 홈(6)의 선형상 광원(4)측의 사면(12)에서 2회 전반사한 광이 도광체(1)의 상부면(15)으로부터 외부로 사출되게 된다.
도5에는 광선 추적에 의해 도광체(1)로부터의 사출광의 방사휘도분포를 구한 결과를 나타낸다. 도5의 횡축은 도1의 지면내에서의 방사휘도분포를 나타내고 있는데, 마이너스 방향이 선형상 광원(4)측이 된다. 도5의 종축은 정규화된 휘도를 나타내고 있다. 도5는 홈(6)의 선형상 광원(4)측 사면(12)의 각도(ø1)를 53°, 선형상 광원(4)과 반대쪽 사면(13)의 각도(ø2)를 87°로 설정했을 때의 방사휘도분포이다. 이 경우, 도광체(1)의 상부면(15)에 대해 거의 수직한 방향으로 방사휘도분포의 중심이 오고 있음을 알 수 있다. 도광체(1) 상부면(15)으로부터의 사출광은 홈(6)의 선형상 광원(4)측 사면(12)에서의 전반사에 의해 광로가 바뀌므로, 사면(12)의 각도(ø1)를 바꿈으로써 방사휘도분포의 중심각(α)을 제어할 수 있다.
스넬의 법칙에 의해 하기 (수5)의 관계가 성립되므로, α 및 ø1은 하기 (수6), (수7)과 같이 표기된다.
[수5]
nㆍsin(53°-ø1)=sinα
단, n은 도광체의 굴절율
[수6]
α=sin-1{nㆍsin(53°-ø1)}
[수7]
ø1= 53°-sin-1{(1/n)sinα}
예를들면, 도광체(1)가 아크릴을 재료로 해서 형성되고, 그 굴절율(n)이 1.49인 경우, 방사휘도분포의 중심각(α)을 ±10°의 범위에 들게 하기 위해서는 홈(6)의 선형상 광원(4)측 사면(12)의 각도(ø1)를 46°〈ø1〈60°의 범위로 설정하면 된다.
선형상 광원(4)에 가까울수록 도광체(1)내의 광량이 많고, 선형상 광원(4)으로부터 떨어짐에 따라 도광체(1)내의 광량도 감소한다. 이 때문에 도4(a), 도4(b)에 도시한 바와 같이, 선형상 광원(4)에 가까울수록 평탄부(11)에 대한 홈(6)의 폭(H)을 작게 하고, 선형상 광원(4)으로부터 떨어짐에 따라 평탄부(11)에 대한 홈(6)의 폭(H)을 크게 함으로써, 도광체(1) 상부면(15)에서의 사출광량의 편차가 작은 면형상 조명시스템을 얻을 수 있다.
도광체(1)의 상부면(15)으로부터 사출한 광은 광확산판(2)(도1)에 입사되어 확산된다. 이 확산에 의해 도광체(1) 하부면에 형성된 홈(6)으로 인한 휘선을 방지할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 평행평판형상의 도광체(1) 측면에 선형상 광원(4)을 배치하고, 도광체(1)의 하부면에 단면형상이 사다리꼴인 다수개의 홈(6)을 선형상 광원(4)과 대체로 평행하게 형성하고, 도광체(1) 하부면의 평탄부(11)와 홈(6)의 선형상 광원(4)측 사면(12)에서 2회 전반사하는 광은 도광체(1)의 상부면(15)으로부터 사출시키도록 함에 따라, 프리즘시트 및 도광체(1) 하부면의 광확산재가 불필요해진다. 따라서, 프리즘시트, 광확산재에서의 광흡수가 없어져서 광효율이 향상되므로, 고휘도화 및 저소비 전력화가 가능해진다. 또한, 시트의 매수를 삭감할 수 있으며, 또 광확산재를 도광체(1)의 하부면에 형성하는 공정을 생략할 수 있으므로, 조립성 및 양산성이 향상된다.
또, 본 실시형태에서는 홈(6)의 단면형상을 사다리꼴으로 하고 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 도6에 도시한 바와 같이 홈(6)의 단면형상을 3각형으로 해도 된다.
[제2실시형태]
도7은 본 발명의 제2실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템의 도광체를 도시한 단면도이다. 본 실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템은 기본적으로는 상기 제1실시형태와 같은 구성이지만, 도광체(1)의 하부면에 형성되는 홈의 형상이 다르다. 또한, 도7에서 선형상 광원(4)은 좌측에 위치하고 있다.
도7에 도시한 바와 같이, 도광체(1)의 하부면은 도광체(1)의 상부면(15)과 대체로 평행한 평탄부(11)와, 선형상 광원(4)측 사면(20)과 선형상 광원(4)과 반대쪽 사면(21)으로 이루어진 단면형상이 3각형인 제3홈과, 마찬가지로 사면(22)(23)으로 이루어진 제2홈과, 마찬가지로 사면(24)(25)으로 이루어진 제1홈으로 구성되어 있다. 제1 내지 제3까지의 홈은 인접하여 배치되어 있다. 홈의 선형상 광원(4)측 사면(20)(22)(24)의 각도(ø1)는 대체로 동일하며, 또 홈의 선형상 광원(4)과 반대쪽 사면(21)(23)(25)의 각도(ø2)도 대체로 동일하다. 즉, 제1 내지 제3까지의 홈은 닯은꼴이다. 도광체(1)로부터의 사출광의 방사휘도분포중심을 도광체(1)의 상부면(15)에 대해 대체로 수직하게 하기 위해서는, 홈(6)의 선형상 광원(4)측 사면(20)(22)(24)의 각도(ø1)를 약 50°로 설정하면 된다. 또, 방사휘도분포의 중심을 도광체(1) 상부면(15)의 법선방향에 대해 ±10°이내에 들게 하기 위해서는 각도(ø1) 약 43°〈ø1〈 57°도의 범위로 설정하면 된다. 또한, 방사휘도분포의 중심각을 α라 하고, 도7의 면내에서 임의의 방향 α로 방사휘도분포의 중심을 돌리기 위해서는 각도(ø1)를 하기 (수8)과 같이 설정하면 된다.
[수8]
ø1= 50 - sin-1{(1/n) sinα}
단, n은 도광체의 굴절율
또, 홈(6)의 선형상 광원(4)과 반대쪽 사면(21)(23)(25)의 각도(ø2)가 90°에 가까울수록 도광체(1)로부터의 방사휘도는 높아진다. 실제로는, 각도(ø2)는 60°〈ø2〈90°의 범위에 있는 것이 바람직하다. 도광체(1)를 프레스성형, 사출성형, 롤러성형 등에 의해 제조하는 것을 고려하면, 3°정도의 발출경사지게 하는 것이 바람직하므로, 각도(ø2)는 87°정도 혹은 87°보다 작게 설정되는 것이 바람직하다.
제1홈, 제2홈, 제3홈의 폭을 h1, h2, h3라고 했을 때, h1〉h2〉h3의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 즉, 선형상 광원(4)에 가까울수록 홈폭이 작아지는 것이 바람직하다. 예를들면, 첫 번째 홈의 홈폭에 대한 제n번째 홈의 홈폭비를 hn이라고 했을 경우에 hn=γn-1으로 하면 된다. 이 경우, γ는 0.5∼1.0의 범위에 있는 것이 바람직하며, 또는 0.8 정도인 것이 바람직하다.
다음에, 상기와 같이 구성된 면형상 조명시스템에 대해 그 동작을 설명한다. 도광체(1)내를 전파하는 광중 홈 근방 이외의 평탄부(11)에 입사한 광은 도광체(1)내에서 전반사를 반복하면서 전파되어 나간다. 사면(20)(21)으로 이루어진 제3홈 근방의 평탄부(11)에 입사한 광은 평탄부(11)에서 전반사한 후, 사면(20)에서 좀더 전반사하고, 광로를 크게 바꾸어서 도광체(1)의 상부면(15)에 입사한다. 이와 같이 해서 상부면(15)에 입사한 광의 대부분은 그 입사각이 상부면(15)에서의 전반사각 이하가 되며, 도광체(1)의 상부면(15)으로부터 외부로 사출한다. 또, 사면(20)에 직접 입사한 광의 대부분은 사면(20)을 투과하고, 일부는 그 반대쪽 사면(21)으로부터 다시 도광체(1)내에 입사하고, 나머지 일부는 반사판(3)(도1)에서 반사하여 다시 도광체(1)내에 입사한다. 사면(21)으로부터 다시 도광체(1)내에 입사한 광의 일부는 제2홈의 선형상 광원(4)측 사면(22)에서 전반사하고, 상부면(15)을 투과하여 도광체(1)의 외부로 사출한다. 사면(21)으로부터 다시 도광체(1)내에 입사한 광의 나머지 일부는 사면(22)을 투과하고, 그 반대쪽 사면(23)으로부터 다시 도광체(1)내에 입사하고, 제1홈의 선형상 광원(4)측 사면(24)에서의 전반사에 의해 도광체(1)의 상부면(15)으로부터 사출한다. 제2홈 및 제1홈의 선형상 광원(4)측의 사면(22)(24)에 직접 입사하는 광에 대해서도 마찬가지이다.
도8에는 광선 추적에 의해 도광체(1)로부터의 사출광의 방사휘도분포를 구한 결과를 나타낸다. 도8의 횡축은 도7의 지면내에서의 방사휘도분포를 나타내고 있으며, 마이너스 방향이 선형상 광원(4)측이 된다. 도8의 종축은 정규화된 휘도를 나타내고 있다. 도8에 있어서 27(파선)은 본 실시형태에 있어서의 각도(ø1)를 50°, 각도(ø2)를 87°로 설정했을 때의 방사휘도분포이다. 이 경우, 도광체(1)의 상부면(15)에 대해 거의 수직한 방향으로 방사휘도분포의 중심이 오고 있음을 알 수 있다. 또, 본 실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 중심휘도는 1피치당 홈을 3개 배치함으로써, 상기 제1실시형태의 경우에 비해 약 40% 정도 향상되고 있다. 도광체(1)로부터의 사출광은 홈의 선형상 광원(4)측 사면(20)(22)(24)에서의 전반사에 의해 광로가 바뀌므로, 이들 사면의 각도(ø1)를 바꿈으로써 방사휘도분포의 중심각 α를 제어할 수 있다.
스넬의 법칙에 의해 하기 (수9)의 관계가 성립되므로, α 및 ø1는 하기 (수10), (수11)과 같이 표기된다.
[수9]
nㆍsin(53°-ø1)=sinα
단, n은 도광체의 굴절율
[수10]
α=sin-1{nㆍsin(50°-ø1)}
[수11]
ø1= 50°-sin-1{(1/n)sinα}
예를들면, 도광체(1)가 아크릴을 재료로 해서 형성되고, 그 굴절율(n)이 1.49인 경우, 방사휘도분포의 중심각(α)을 ±10°의 범위에 들게 하기 위해서는 홈(6)의 선형상 광원(4)측 사면(20)(22)(24)의 각도(ø1)를 43°〈ø1〈57°의 범위로 설정하면 된다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 평행평판형상의 도광체(1) 측면에 선형상 광원(4)을 배치하고, 도광체(1) 하부면에 단면형상이 3각형인 홈을 1피당 3개 인접해서 형성하고, 각 홈에서의 전반사에 의해 도광체(1)의 상부면(15)으로부터 광을 사출시키도록 함으로써 상기 제1실시형태와 같은 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이 고휘도화도 가능해진다.
또, 본 실시형태에 있어서는 1피치당 3개의 홈을 형성하고 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니며, 1피치당 2개 혹은 4개 이상의 홈을 형성해도 된다. 1피치당 홈의 수가 많을수록 휘도는 높아지지만, 가공의 용이함을 고려하면 홈의 수는 1피치당 3개 정도가 바람직하다.
또, 상기 제1 및 제2실시형태에 있어서는, 도광체(1)의 형상을 평행평판형상으로 하고 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 경량화를 도모하거나 혹은 도광체(1)로부터 효율적으로 광을 취출하기 위해, 도광체(1)의 형상을 선형상 광원(4)과 반대쪽 측면을 가늘게 한 직선형상 혹은 곡선형상의 쐐기단면으로 해도 된다.
[제3실시형태]
도9는 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도, 도10은 도9의 A부 확대단면도이다. 본 실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템은 기본적으로는 상기 제2실시형태와 같은 구성이지만, 도광체 하부면의 형상이 다르다. 도9, 도10에 도시한 바와 같이, 도광체(28)의 하부면은 계단형상으로 되어 있으며, 계단의 단차부분에 인접해서 홈(29)이 형성되어 있다. 즉, 도광체(28) 하부면의 하나의 계단부분은 평탄부(11)와, 선형상 광원(4)측 사면(20)과 선형상 광원(4)과 반대쪽 사면(21)으로 이루어진 단면형상이 3각형인 제3홈과, 마찬가지로 사면(22)(23)으로 이루어진 제2홈과, 마찬가지로 사면(24)(25)으로 이루어진 제1홈과, 단차부의 사면(30)으로 구성되어 있다. 평탄부(11)는 도광체(28)의 상부면(15)과 대체로 평행하며, 제1 내지 제3까지의 홈은 인접하여 배치되어 있다. 사면(20)(22)(24)(30)의 각도(ø1)는 대체로 동일하며, 또 사면(21)(23)(25)의 각도(ø2)도 대체로 동일하다. 즉, 제1 내지 제3까지의 홈은 거의 닯은꼴이다. 도광체(28)로부터의 사출광의 방사휘도분포의 중심을 도광체(28)의 상부면(15)에 대해 대체로 수직하게 하기 위해서는 각도(ø1)를 약 50°로 설정하면 된다. 또, 방사휘도분포의 중심을 도광체(28) 상부면(15)의 법선방향에 대해 ±10°이내에 들게 하기 위해서는 각도(ø1)를 약 43°〈ø1〈약 57°도의 범위로 설정하면 된다. 또, 방사휘도분포의 중심각을 α라 하고, 도9의 면내에서 임의의 방향 α로 방사휘도분포의 중심을 돌리기 위해서는 각도(ø1)를 하기 (수12)와 같이 설정하면 된다.
[수12]
ø1= 50 - sin-1{(1/n) sinα}
단, n은 도광체의 굴절율
또, 각도(ø2)가 90°에 가까울수록 도광체(28)로부터의 방사휘도는 높아진다. 실제로는, 각도(ø2)는 60°〈 ø2〈 90°의 범위에 있는 것이 바람직하다. 도광체(28)를 프레스성형, 사출성형, 롤러성형 등에 의해 제조하는 것을 고려하면, 3°정도의 발출경사지게 하는 것이 바람직하므로, 각도(ø2)는 87°정도 혹은 87°보다 작게 설정되는 것이 바람직하다.
제1홈, 제2홈, 제3홈의 폭을 h1, h2, h3라고 했을 때, h1〉h2〉h3의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 즉, 선형상 광원(4)에 가까울수록 홈폭이 작아지는 것이 바람직하다. 예를들면, 첫번째 홈의 홈 폭에 대한 제n번째 홈의 홈폭비를 hn이라고 했을 경우에 hn=γn-1으로 하면 된다. 이 경우, γ는 0.5∼1.0의 범위에 있는 것이 바람직하며, 또는 0.8 정도인 것이 바람직하다.
도광체(28)는 선형상 광원(4)에 가까울수록 두께가 두꺼우며, 선형상 광원(4)으로부터 떨어짐에 따라 얇아진다. 계단의 단차Δt는 일정치이며, 도광체(28)의 포락선은 평면이 되고, 도광체(28)는 쐐기형이 된다. 선형상 광원(4)과 반대쪽 도광체(28)의 측면 두께(t2)가 작을수록 도광체(28)로부터의 방사휘도는 높아진다. 선형상 광원(4)측의 도광체(28)의 두께를 t1이라고 했을 경우, t2/t1은 0.5 이하인 것이 바람직하다. 또, 도광체(28)의 길이를 L이라 했을 때 도광체(28)의 쐐기각은 tan-1{(t2/t1)/L} 로 주어진다.
이상과 같이 구성된 면형상 조명시스템에 있어서는, 상기 제2실시형태의 경우와 같이, 도광체(28)내에 입사한 광은 홈의 선형상 광원(4)측 사면(20)(22)(24) 및 단차부의 사면(30)에서의 전반사에 의해 도광체(28)의 상부면(15)으로부터 사출한다. 또, 도광체(28)는 선형상 광원(4)으로부터 멀어질수록 얇아지므로, 선형상 광원(4)으로부터의 광이 도광체(28)의 선형상 광원(4)과 반대쪽 측면에서 반사되어 다시 선형상 광원(4)으로 돌아가는 일이 없다. 그 결과, 광효율이 높아진다.
도11에는 광선 추적에 의해 도광체(28)로부터의 사출광의 방사휘도분포를 구한 결과를 나타낸다. 도11의 횡축은 도9의 지면내에서의 방사휘도분포를 나타내고 있으며, 마이너스 방향이 선형상 광원(4)측이 된다. 도11의 종축은 정규화된 휘도를 나타내고 있다. 도11에 있어서 32(파선)는 상기 제2실시형태에 있어서의 방사휘도분포이며, 31(실선)은 본 실시형태에 있어서의 각도(ø1)를 50°, 각도(ø2)를 87°, 도광체(28)의 쐐기각을 1.83°로 설정했을 때의 방사휘도분포이다. 이 경우, 도광체(28)의 상부면(15)에 대해 거의 수직한 방향으로 방사휘도분포의 중심이 오고 있음을 알 수 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템의 중심휘도는 1피치내에 홈을 3개 배치하고, 도광체(28)의 쐐기각을 1.83°로 함으로써, 상기 제2실시형태의 경우에 비해 약 20% 정도 향상되고 있다. 도광체(28)로부터의 사출광은 사면(20)(22)(24)(30)에서의 전반사에 의해 광로가 바뀌므로, 사면의 각도(ø1)를 바꿈으로써 방사휘도분포의 중심각 α를 제어할 수 있다.
스넬의 법칙에 의해 하기 (수13)의 관계가 성립되므로, α 및 ø1은 하기 (수14), (수15)와 같이 표기된다.
[수13]
nㆍsin(53°-ø1)=sinα
단, n은 도광체의 굴절율
[수14]
α=sin-1{nㆍsin(50°-ø1)}
[수15]
ø1= 50°-sin-1{(1/n)sinα}
예를들면, 도광체(28)가 아크릴을 재료로 해서 형성되고, 그 굴절율(n)이 1.49인 경우, 방사휘도분포의 중심각(α)을 ±10°의 범위에 들게 하기 위해서는 각도(ø1)를 43°〈ø1〈57°의 범위로 설정하면 된다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 도광체(28) 측면에 선형상 광원(4)을 배치하고, 도광체(28)의 두께를 선형상 광원(4)으로부터의 거리에 따라 얇게 하기 위해 하부면을 게단형상으로 하고, 또 도광체(28)의 하부면에 단면형상이 3각형인 홈을 1피트당 3개 인접해서 형성하고, 각 홈에서의 전반사에 의해 도광체(28)의 상부면(15)으로부터 광을 사출시키도록 함으로써 상기 제2실시형태와 같은 효과를 얻을 수 있다. 또, 상기한 바와 같이 고휘도화도 가능해진다.
또, 본 실시형태에 있어서는 1피치당 3개의 홈을 형성하고 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니며, 1피치당 1개, 2개 혹은 4개 이상의 홈을 형성해도 된다. 1피치당 홈의 수가 많을수록 휘도는 높아지지만, 가공의 용이함을 고려하면 홈의 수는 1피치당 3개 정도가 바람직하다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 계단의 단차Δt를 일정치로 하고 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니며, 선형상 광원(4)으로부터의 거리에 의해 단차Δt의 값을 변화시켜도 된다. 예를들면, 사면(24)(25)으로 이루어진 제1홈의 깊이에 맞춰서 단차Δt의 값을 결정해도 된다. 이 경우, 도광체(28) 하부면의 포락선의 단면형상은 선형상 광원(4)측 측면의 하단에서 상부면의 선형상 광원(4)과 반대쪽 단을 곡선으로 연결한 것이 된다.
또, 본 실시형태에 있어서는 계단마다 홈이 형성되어 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니며, 홈이 형성되어 있지 않은 계단부분을 형성해도 된다.
[제4실시형태]
도12는 본 발명의 제4실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도, 도13은 도12의 A부 확대단면도이다. 본 실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템은 기본적으로 상기 제3실시형태와 같은 구성이지만, 도광체 하부면의 형상 및 반사판(3)을 제거하고, 대신에 도광체의 이면을 반상율이 높은 재료로 덮은 점이 다르다.
도12, 도13에 도시한 바와 같이, 도광체(33)의 하부면은 계단형상으로 되어 있으며, 계단의 단차부분에 선형상 광원(4)측 사면(35)과 선형상 광원(4)과 반대쪽 사면(36)으로 이루어진 단면형상이 3각형인 선형상돌기가 형성되어 있다. 여기서, 계단의 단차Δt는 일정치이다. 도광체(33)의 굴절율을 n이라 했을 때, 선형상 광원(4)측의 사면(35) 각도ø3는 하기 (수16)을 만족시키도록 설정된다.
[수16]
ø3〉 90°- sin-1(1/n)
도광체(33) 하부면의 평탄부(11)는 도광체(33) 상부면(15)과 거의 평행하다. 도광체(33)의 하부면에는 반사율이 높은 재료, 예를들면 은, 알루미늄 혹은 유전체 다층막 등을 증착함으로써 반사막(34)이 형성되어 있다. 이에 따라 도광체(33) 하부면의 평탄부(11) 및 사면(35)(36)에서 광이 반사된다.
다음에 상기와 같이 구성된 면형상 조명시스템에 대해 그 동작을 설명한다. 도광체(33)의 내부를 전파하는 광중, 평탄부(11)에 입사한 광(38)은 도광체(33)내에서 전반사를 반복하면서 전파되어 나간다. 선형상돌기의 선형상 광원(4)과 반대쪽 사면(36)에 입사한 광은 사면(36)에서의 전반사에 의해 광로를 바꿔서 도광체(33)의 상부면(15)으로부터 외부로 사출한다. 도광체(33)내를 전파하는 광은 도광체(33)의 상부면(15) 혹은 하부면으로의 입사각이 최대 {90°- sin-1(1/n)}이다. 한편, 선형상 돌기의 선형상 광원(4)측 사면(35)의 각도(ø3)는 {90°- sin-1(1/n)} 이하이므로, 사면(35)에 대한 입사광은 거의 없다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 도광체(33)의 측면에 선형상 광원(4)을 배치하고, 도광체(33) 하부면에 사면(35)(36)으로 이루어진 선형상돌기를 배설하고, 또 도광체(33)의 하부면에 반사면(34)을 형성하고, 선형상돌기의 선형상 광원(4)과 반대쪽 사면(36)에서의 전반사에 의해 도광체(33)의 상부면(15)으로부터 광을 사출시키도록 함으로써, 상기 제3실시형태와 같은 효과를 얻을 수 있다. 또한, 반사판(3)(도9)을 제거함으로써 시트의 매수를 삭감할 수 있으므로, 조립성, 양산성도 향상된다.
또, 본 실시형태에 있어서는 도광체(33)의 하부면을 계단형상으로 형성하고 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니며, 단차 Δt=0으로 해도 된다.
[제5실시형태]
도14는 본 발명의 제5실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도이다. 도14에 도시한 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템은 기본적으로는 상기 제1실시형태와 같은 구성이지만, 중심축에 대해 대칭으로 각각 상기 제1실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템이 배치되고, 중앙부에서 선형상 광원(4)과 반대쪽 측면이 결합된 구성으로 되어 있다는 점에서 다르다.
이상의 구성에 의해 상기 제1실시형태와 같은 효과를 얻을 수 있으며, 또한 선형상 광원(4)이 2개가 되므로, 2배의 고휘도화가 가능해진다.
또, 본 실시형태에 있어서는 도광체(1)의 하부면에 형성되는 홈의 구성으로서 상기 제1실시형태에 있어서의 홈의 구성을 채용하고 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니며, 상기 제2실시형태에 있어서의 홈의 구성을 채용해도 된다.
[제6실시형태]
도15는 본 발명의 제6실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도이다. 도15에 도시한 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템은 기본적으로는 상기 제3실시형태와 같은 구성이지만, 중심축에 대해 대칭으로 각각 상기 제3실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템이 배치되고, 중앙부에서 선형상 광원(4)과 반대쪽 측면이 결합된 구성으로 되어 있다는 점에서 다르다.
이상의 구성에 의해 상기 제3실시형태와 같은 효과를 얻을 수 있으며, 또한 선형상 광원(4)이 2개가 되므로, 2배의 고휘도화가 가능해진다.
또, 도16에 도시한 바와 같이, 중심축에 대해 대칭으로 각각 상기 제3실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 배치하고, 2개의 도광체(28)하부면의 포락선이 평면이 되도록 중앙부에서 선형상 광원(4)과 반대쪽 측면을 결합한 구성으로 해도 된다.
[제7실시형태]
도17(a), 도17(b)는 본 발명의 제7실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 도광체 하부면의 홈 분포를 도시한 단면도이다. 도17에 도시한 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템은 기본적으로는 상기 제1실시형태와 같은 구성이지만, 도광체(1)의 하부면에 형성되는 홈의 분포가 다르다. 홈(6)의 방향은 선형상 광원(4)의 길이방향과 대체로 평행하며, 홈(6)의 폭(H)은 일정하고, 홈(6)의 피치(p)(p1, p2, p3, p4)가 변화한다. 선형상 광원(4)에 가까울수록 홈(6)의 피치(p)가 크고, 선형상 광원(4)으로부터 멀어짐에 따라 홈(6)의 피치(p)는 작아진다.
도광체(1)의 선형상 광원(4)측 측면으로부터의 거리를 x, 거리 x에 있어서의 홈의 면적비를 S(거리 x 근방에 있어서의 평탄부(11)의 면적을 s1, 홈(6)의 면적을 s2라고 했을 경우, S=s2/(s1+s2)), 도광체(1)의 길이를 L이라 하면, 상기 제1실시형태의 경우와 같이 하기 (수17)의 관계가 성립된다.
[수17]
S=αㆍβx/L
이 경우 S는 0〈S〈1/2의 범위에 있으며, β는 1.0〈β〈4.0의 범위에 있는 것이 바람직하다. 도광체(1)로부터의 사출광의 휘도분포를 균일하게 하기 위해서는 α를 0.04 정도, β를 3.0 정도로 하면 된다.
본 실시형태에 의하면 상기 제1실시형태와 같은 효과를 얻을 수 있다.
[제8실시형태]
도18(a), 도18(b)는 본 발명의 제8실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 도광체 하부면의 홈분포를 도시한 도면이다. 도18(a), 도18(b)에 도시한 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템은 기본적으로는 상기 제1실시형태와 같은 구성이지만, 도광체(1)의 하부면에 형성되는 홈의 분포가 다르다.
홈(6)의 방향은 선형상 광원(4)의 길이방향과 대체로 평행하며, 선형상 광원(4)의 길이방향으로 수직한 방향에 있어서의 홈(6)의 폭(H) 및 피치(p)는 일정하다. 선형상 광원(4)의 길이방향에 있어서의 홈(6)의 길이는 선형상 광원(4)에 가까울수록 짧으며, 선형상 광원(4)으로부터 멀어짐에 따라서 길어진다. 선형상 광원(4)의 길이방향에 있어서의 홈(6)의 피치(q)는 선형상 광원(4)의 길이방향과 수직한 방향에 있어서의 홈(6)의 피치(p)와 같은 정도인 것이 바람직하다.
도광체(1)의 선형상 광원(4)측 측면으로부터의 거리를 x, 거리 x에 있어서의 홈의 면적비를 S(거리 x 근방에 있어서의 평탄부(11)의 면적을 s1, 홈(6)의 면적을 s2라고 했을 경우, S=s2/(s1+s2)), 도광체(1)의 길이를 L이라 하면, 상기 제1실시형태의 경우와 같이 하기 (수18)의 관계가 성립된다.
[수18]
S=αㆍβx/L
이 경우 S는 0〈S〈1/2의 범위에 있으며, β는 1.0〈β〈4.0의 범위에 있는 것이 바람직하다. 도광체(1)로부터의 사출광의 휘도분포를 균일하게 하기 위해서는 α를 0.04 정도, β를 3.0 정도로 하면 된다.
본 실시형태에 의하면 상기 제1실시형태와 같은 효과를 얻을 수 있다.
[제9실시형태]
도19는 본 발명의 제9실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 도광체 하부면의 홈형상을 도시한 단면도이다. 본 실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템은 기본적으로는 상기 제1실시형태와 같은 구성이지만, 도광체(1)의 하부면에 형성되는 홈의 형상이 다르다. 도19(a), 도19(b)에 도시한 바와 같이, 홈(6)의 선형상 광원(4)측 사면(12)을 곡면으로 함으로써, 도광체(1)로부터의 사출광의 방사휘도분포를 확대할 수 있다. 또, 도19(c)에 도시한 바와 같이 홈(6)의 선형상 광원(4)측 사면(12)을 조면화함으로써, 반사광을 확산시키고, 도광체(1)로부터의 사출광의 방사휘도분포를 확대할 수 있다.
이상의 구성에 의해 상기 제1실시형태와 같은 효과를 얻을 수 있으며, 또 선형상 광원(4)측 홈 사면(12)을 곡면으로 하거나, 홈 사면(12)을 조면화함으로써, 방사휘도분포를 확대하여, 시야각이 넓은 액정디스플레이에 대응시킬 수 있다.
또, 상기 제1∼제9실시형태에 있어서는 도광체의 상부면과 측면이 이루는 각을 90°로 설정하고 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 도광체의 상부면은 도광체의 측면에서 입사하는 광이 도광체의 내부에서 전반사하는 조건을 만족하는 범위에서 기울어지게 해도 된다. 예를들면, 도광체의 상부면과 측면이 이루는 각을 80°∼100°로 설정해도 되며, 또는 측면에 곡면을 만들어도 된다.
또, 상기 제1∼제9실시형태에서는, 도광체의 하부면에 형성되는 홈의 분포를 지수함수로 주고 있으나, 하기 (수19)로 표시되는 다항식으로 주어도 된다.
[수19]
S=a0+ a1ㆍx/L+a2ㆍx2/L+‥‥
단, a0, a1, …은 도광체의 면내 휘도분포에 의해 정해지는 계수, L은 도광체의 길이, x는 도광체의 선형상 광원측 측면으로부터의 거리
또, 상기 제1∼제9의 실시형태에 있어서는 리플렉터(5)의 형상을 2개의 타원부를 가지는 단면형상으로 하고 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니며, 리플렉터(5)의 단면형상을
Figure kpo00001
자형 혹은 반원형으로 해도 된다.
또, 상기 제1∼제9의 실시형태에 있어서는, 1개의 선형상 광원(4)이 사용되고 있으나, 도20에 도시한 바와 같이 선형상 광원(4)을 2개로 하고, 각각의 선형상 광원(4)에 대해 각각 타원부(7)(8)를 형성해도 된다. 또, 선형상 광원(4)이 3개 이상인 경우에 대해서도 마찬가지이다.
또, 상기 제3 및 제6의 실시형태에 있어서는, 도광체 하부면의 홈이 계단형상의 단차부분에 인접하여 형성되어 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니며, 도광체 하부면의 홈은 어느 위치에 형성해도 된다.
또, 상기 제7 및 제8의 실시형태에 있어서, 홈의 분포를 상기 제2∼제6의 실시형태에 적용해도 된다.
또, 상기 제7∼제9의 실시형태에 있어서, 도광체의 선형상 광원(4)측 측면으로부터의 거리(x)에 있어서의 홈 면적비(S)의 조건식을 만족시키는 범위에서 상기 제1, 제5, 제6의 실시형태에 있어서의 홈의 분포를 조합해도 된다.
또한, 상기 제9실시형태에 있어서의 홈의 형상을 상기 제2∼제8의 실시형태에 적용해도 된다.
[제10실시형태]
도21은 본 발명의 제10실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도, 도22는 도광체의 사시도이다.
도21, 도22에 있어서 101은 도광체로서 석영, 유리, 투명수지(예를들면, 아크릴계수지, 폴리카보네이트) 등을 재료로 해서 형성되어 있다. 여기서는 설명을 간단히 하기 위해 도광체(101)를 평행평판, 도광체(101)의 측면과 상부면 및 하부면이 이루는 각을 90°, 도광체(101)의 굴절율(n)을 1.5로 한다. 104는 선형상 광원이며, 선형상 광원(104)으로는 형광등, 백열등, LED를 늘어놓은 것 등을 사용할 수 있다. 선형상 광원(104)은 도광체(101)의 측면과 대체로 평행하게 배치되어 있다. 105는 리플렉터이며, 이 리플렉터(105)는 선형상 광원(104)을 덮도록 해서 배치되어 있다(도22참조). 리플렉터(105)중 선형상 광원(104)과 마주보는 면에는 은, 알루미늄 등 반사율이 높은 물질이 증착되어 있으며, 이것에 의해 고반사율이 실현되고 있다. 리플렉터(105)의 후단면에는 2개의 함몰부가 형성되어 있다. 함몰부의 단면형상은 얕은 타원형이나 선형인 것이 바람직하다.
도광체(101)의 하부면에는 선형상 광원(104)과 평행하게 다수의 홈(106)이 형성되어 있다. 즉, 도광체(101)의 하부면은 홈(106)이 형성된 부분과, 홈(106)이 형성되어 있지 않은 부분(평탄부)으로 구성되어 있다. 홈(106)의 피치(p)(도25)는 일정하며, 홈폭은 피치(p)보다 좁아지고 있다. 여기서는 설명을 간단히 하기 위해 홈(106)의 단면형상을 2등변 3각형으로 하고, 꼭지각을 β로 한다(도25참조).
도광체(101)의 상부면 근방에는 도광체(101)의 상부면을 덮도록 해서 광확산시트(102)가 배치되어 있다. 또, 도광체(101)의 하부면 근방에는 도광체(101)의 하부면을 덮도록 해서 반사시트(103)가 배치되어 있다. 반사시트(103)중 도광체(101)의 홈(106)과 마주보는 면에는 은, 알루미늄 등 반사율이 높은 물질이 증착되어 있으며, 이에 따라 고반사율이 실현되고 있다.
이하, 상기와 같이 구성된 면형상 조명시스템에 대해 도21, 도23∼도25도를 이용해서 그 동작을 설명한다. 도23은 선형상광원 및 리플렉터에서의 광로추적도, 도24는 도광체내에서의 광로추적도, 도25는 도광체에 형성된 홈에서의 광로추적도이다.
도23에 도시한 바와 같이, 선형상 광원(104)으로부터의 사출광은 도광체(101)내에 직접 입사하거나, 리플렉터(105)에서 반사한 후 도광체(101)내에 입사한다. 리플렉터(105)에 2개의 함몰부를 형성함으로써 함몰부분에서의 반사광이 선형상 광원(104)과 리플렉터(105)의 사이를 통해 도광체(101)내에 입사한다. 선형상 광원(104)에 광이 재입사되면 광흡수가 일어나지만, 리플렉터(5)에 함몰부를 형성함으로써 선형상 광원(104)에서의 광흡수를 저감할 수 있다.
도광체(101)의 측면에 각도(η2)로 입사한 광은 도광체(101)내에 들어가면 각도(η2)로 굴절한다. 스넬의 법칙에 의해 하기 (수20)의 관계가 성립되므로, 굴절율(η2)은 하기 (수21)과 같이 표기된다.
[수20]
sinη1=nㆍsinη2
[수21]
η2=sin-1(sinη1/n)
굴절각(η2)의 최대치(η2max)를 구하면 하기 (수22)와 같이 된다.
[수22]
η2max=sin-1(sin90°/n)
=sin-1(1/n)
예를들면, 도광체(101)의 굴절율(n)이 1.5일 때 η2max는 41.8°가 된다.
도24에 도시한 바와 같이, 도광체(101)내에 입사한 광중 도광체(101) 하부면의 홈(106) 근방 이외의 평탄부에 입사한 광의 입사각η3은 하기 (수23)과 같이 표기된다.
[수23]
η3= 90°η2
한편, 굴절율(n)(n〉1)의 매질로부터 공기(굴절율1)중으로 진행할 때의 경계에서의 전반사각은 스넬의 법칙을 이용해서 계산하면 sin-1(1/n)이 된다.
도광체(101)의 측면에서 입사한 광이 도광체(101)의 상부면 및 하부면의 홈(106) 근방 이외의 평탄부에서 전반사를 반복하면서 전파하기 위해서는 각도(η3)가 전반사각 sin-1(1/n)보다 크면 된다. 즉, 하기 (수24)의 관계가 성립되면 된다.
[수24]
η3〉sin-1(1/n)
상기 (수22), (수23)중에서 각도(η3)의 최소치(η3min)는 하기 (수25)와 같이 된다.
[수25]
η3min=90°-sin-1(1/n)
따라서, 상기 (수24), (수25)를 이용하면, 도광체(101)의 상부면 및 하부면의 홈(106) 근방 이외의 평탄부에서 전반사를 반복하면서 광이 전파되기 위한 굴절율(n)의 조건은 하기 (수26)과 같이 된다.
[수26]
n〉1/sin45°= 21/2≒ 1.414
본 실시형태에 있어서는 도광체(101)의 굴절율(n)을 1.5로 했으므로, 이 조건은 충족된다. 일반적으로 석영, 유리, 아크릴계수지, 폴리카보네이트 등의 재료에서는 굴절율은 21/2이상이므로 이 조건은 만족된다. 따라서, 도광체(101) 하부면의 홈(106) 근방 이외의 평탄부에 입사한 광은 도광체(101)내에서 전반사를 반복하면서 전파된다.
다음에, 도광체(101)내에 입사한 광이 도광체(101)의 하부면에 형성된 홈(106)에 의해 도광체(101)의 상부면으로부터 대체로 수직한 방향으로 사출되는데 대해 도25를 이용해서 설명한다.
도25에 있어서, 도광체(101)의 상부면과 평행한 방향을 x축방향, 도광체(101)의 상부면과 수직한 방향을 y축방향이라 한다. 또한, 도광체(101)의 내부를 전파하는 광의 방향과 x축이 이루는 각을 η2라고 한다.
도광체(101)에의 입사조건에서 η2의 최대치는 상기 (수22)에서 주어지도록 sin-1(1/n)이다.
도25에 도시한 바와 같이, 홈(106)이 형성되어 있지 않은 부분(평탄부)에서 전반사된 광중 일부는 홈(106)의 사면에 입사한다. 이 광선을 a라고 한다.
광선(a)은 홈(106)이 형성되어 있지 않은 부분(평탄부)에 입사각(η3)에 의해 입사한다. 도광체(101)의 굴절율(n)은 상기 (수26)의 조건을 만족하므로, 전반사가 된다. 계속해서 이 광선(a)은 홈(106)의 사면에 입사한다. 홈(106)은 그 단면형상이 2등변 3각형이고, 꼭지각이 β이므로, 사면의 기울기(γ)는 하기 (수27)에 의해 주어진다.
[수27]
2γ+ β= 180°
γ= 90°-β/2
홈(106)의 사면에 대한 입사각η4은 도25에서 하기 (수28)에 의해 주어진다.
[수28]
ηt=γ-η2
η4=90°-ηt
여기서, 홈(106)의 사면에서의 전반사 조건을 구하면 하기(수29)와 같이 된다.
[수29]
η4〉sin-1(1/n)
홈(106)의 사면에서 전반사한 광선은 도광체(101)의 상부면에 입사한다. 이 때의 입사각η6은 하기 (수30)에 의해 주어진다.
[수30]
η5=η2+ 2ηt
=180°-β-η2
η6=90°-η5
=-90°+β+η2
도광체(101)로부터의 사출각(η7)은 스넬의 법칙에서 하기 (수31)에 의해 주어진다.
[수31]
nㆍsinη6= sinη7
η7=sin-1{nㆍsin(β+η2-90°)}
상기 (수22), (수28), (수29)에서 η2의 범위는 하기 (수32)에 의해 주어진다.
[수32]
sin-1(1/n)-β/2〈η2〈sin-1(1/n)
예를들면, 홈(106)의 꼭지각(β)을 60°, 도광체(101)의 굴절율(n)을 1.5라고 하면 상기 (수32)에서 11.8°〈η2〈41.8°가 되며, 상기 (수31)에서 -27.9°〈η7〈17.9°가 된다. 따라서, 이 구성에 의하면, 도광체(101)내를 전파하는 광이 도광체(101)로부터 사출될 때, 도광체(101)의 상부면에 대해 대체로 수직한 방향으로 방사분포의 중심이 온다.
또, 홈(106)의 꼭지각(β)을 조금 크게 해서 65°로 하고, 도광체(101)의 굴절율(n)을 1.5로 하면 상기 (수32)에서 9.3°〈η2〈41.8°가 되며, 상기 (수31)에서 -23.9°〈η7〈25.7°가 된다. 따라서, 이 구성에 의하면, 도광체(101)로부터의 방사분포의 대칭성이 양호해진다.
또, 도광체(101)의 굴절율(n)을 크게 해서 1.6으로 하고, 홈(106)의 꼭지각(β)을 70°로 하면, 상기 (수32)에서 3.7°〈η2〈38.7°가 되며, 상기 (수31)에서 -26.7°〈η7〈30.9°가 된다. 따라서, 이 구성에 의하면, 도광체(101)로부터의 사출광의 확대각을 바꿀 수 있다.
이상과 같이 도광체(101)의 굴절율(n), 홈(106)의 꼭지각(β)을 바꿈으로써, 도광체(101)로부터의 사출광의 지향성과 확대각을 제어할 수 있다.
도광체(101)의 상부면으로부터 사출한 광은 광확산 시트(102)(도21)에 의해 확산되며, 소정의 시야각 및 얼룩이 없는 방사분포를 얻을 수 있다.
또, 도광체(101)내를 전파하는 광중 홈(106)의 사면에 직접 입사하는 광은 홈(106)을 횡단하여 다시 도광체(1)내로 돌아가거나, 반사시트(103)에서 반사된 후 도광체(101)내로 돌아온다.
또, 홈(106)을 일정한 간격으로 배치하고 홈(106)의 깊이를 바꿈으로써, 도광체(101)로부터 사출하는 광의 양을 조정하여 도광체(101)상의 장소에 의한 사출광량의 편차를 억제할 수 있다. 즉, 홈(106)의 깊이가 얕은 경우에는 홈(106) 사면의 면적이 작아지므로, 홈(106)의 사면에서 전반사하는 광의 양이 작아지고, 도광체(101)로부터의 사출광량도 작아진다. 반대로, 홈(106)의 깊이가 깊은 경우에는 홈(106) 사면의 면적이 커지므로, 홈(106) 사면에서 전반사하는 광의 양이 많아지고, 도광체(101)로부터의 사출광량도 많아진다. 따라서, 도광체(101)의 내부에서는 선형상 광원(104)에 가까울수록 광의 양이 많고, 선형상 광원(104)으로부터 떨어짐에 따라서 광의 양이 작아지므로, 선형상 광원(104)에 가까울수록 홈(106)의 깊이를 얕게 하고, 선형상 광원(104)으로부터 떨어짐에 따라서 조금씩 홈(106)의 깊이를 깊게함으로써, 도광체(101)로부터의 사출광량을 도광체(101)상의 장소에 관계없이 일정하게 할 수 있다.
또, 홈(106)의 간격에 대한 홈(106) 깊이의 비율이 소정 값이면 홈(106)의 간격은 등간격이 아니어도 된다. 예를들면, 선형상 광원(104)측 홈(106)의 간격을 넓게 해서 선형상 광원(104)으로부터 떨어짐에 따라 홈(106)의 간격을 좁게 해도된다.
또, 본 실시형태에서는 평행평판형상의 도광체(101)를 사용하고 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 경량화를 도모하거나 도광체(101)로부터 효율적으로 광을 취출하기 위해 도광체(101)의 형상을 선형상 광원(104)과 반대쪽 측면을 가늘게 한 직선형상 혹은 곡선형상의 쐐기단면으로 해도 된다. 또, 도광체(101)를 중공형상으로 해도 된다.
또 본 실시형태에서는 도광체(101)의 상부면 및 하부면과 측면이 이루는 각을 90°로 설정하고 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니며,도광체(101)의 측면에서 입사하는 광이 도광체(101)의 내부에서 전반사하는 조건을 만족시키면 90°이외의 각도를 갖게 해도 되고, 또는 측면에 곡면을 만들어도 된다.
또, 본 실시형태에서는 홈(106)의 단면형상을 2등변 3각형으로 하고 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 도광체(101) 하나의 측면에 1개의 선형상 광원(104)을 배치하는 경우에 홈(106)의 단면형상을 임의의 3각형으로 해도 된다. 또한, 홈(106)의 선단부를 구부려도 된다.
또, 시야각을 확대하기 위해 홈(106) 사면의 일부를 조면화해도 된다.
또, 본 실시형태에서는, 1개의 선형상 광원(104)을 사용하고 있으나, 고휘도화를 도모하기 위해 다수의 선형상 광원(104)을 도광체(101)의 각 측면에 배치해도 된다.
또, 본 실시형태에서는, 도광체(101)의 굴절율(n)을 1.5로 설정하고 있으나, 도광체(101)의 굴절율(n)은 반드시 이 값에 한정되는 것은 아니며, 1.41 이상의 값이면 된다.
또, 본 실시형태에서는, 홈(106)이 선형상 광원(104)과 평행해지도록 형성되어 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니며, 도26에 도시한 바와 같이 다수개의 홈(106)을 크로스시켜서 형성해도 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 액정패널의 화소배열과의 무아레(moire) 줄무늬를 방지할 수 있다.
[제11의 실시형태]
도27은 본 발명의 제11의 실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도, 도28은 그 면형상 조명시스템에 있어서의 광로추적도, 도29(a)는 편광변환판의 평면도, 도29(b)는 도29(a)의 A-A단면도, 도29(c)는 도29(a)의 B-B단면도, 도29(d)는 도29(a)의 C-C단면도, 도30은 편광변환의 설명도이다.
도27에 도시한 바와 같이, 광원(4), 리플렉터(5), 도광체(28)의 구성은 상기 제3실시형태와 동일하기 때문에 그 설명은 생략한다. 도광체(28)의 상부면 근방에는 광확산판(42)이 배설되어 있다. 이에 따라 도광체(28)의 상부면에서 사출한 광을 편광상태를 유지한 채로 확산시킬 수 있다. 즉, 광확산판(42)에 직선편광이 입사되었을 경우, 사출하는 확산광의 편광은 거의 직선 편광이며, 또 편광방향은 입사광과 거의 평행해진다. 광확산판(42)의 상부면 근방에는 편광자(40)가 배설되어 있다. 이 편광자(40)는 특정 방향의 편광만을 투과하고, 투과하는 광의 편광방향과 직교하는 편광을 반사한다. 편광자(40)는 그 투과축이 액정디스플레이의 입사측 편광자의 투과축과 평행해지도록 배치된다. 도광체(28)의 하부면 근방에는 관광변환판(41)이 배설되어 있다. 이 편광변환판(41)은 특정한 편광방향의 직선 편광이 입사되었을 때 편광방향을 대체로 90°회전시켜서 입사방향과 반대방향으로 사출한다.
이하에 편광변환판(41)의 구조에 대해 도29를 이용해서 설명한다. 도29(a), 도29(d)에 도시한 바와 같이 편광변환판(41)에는 그 길이방향을 따라 가는 슬릿형상의 다수개의 홈(41b)이 형성되어 있다. 또, 도29(a), 도29(b), 도29(c)에 도시한 바와 같이, 편광변환판(41)에는 슬릿형상의 홈(41b)과 거의 45°의 각도를 이루며, 서로 직교하도록 V홈(41c)(41d)이 각각 다수개 형성되어 있다. V홈(41c)(41d)의 꼭지각(δ1, δ2)는 각각 대체로 90°이다. 슬릿형상의 홈(41b) 및 V홈(41c)(41d)의 깊이는 거의 동일하다. 편광변환판(41)은 도27에서 홈 형성부가 하부가 되도록 배치된다. 또, 편광변환판(41)의 홈 형성부에는 은, 알루미늄 등 반사율이 높은 재료를 증착함으로써 반사막(41a)이 형성되어 있다.
이하, 상기와 같이 구성된 면형상 조명시스템에 대해 도28, 도30을 이용해서 그 동작을 설명한다.
도28에 도시한 바와 같이, 도광체(28)내를 전파하는 광(43)은 도광체(28)의 하부면에 형성된 홈(29)에서의 전반사에 의해 도광체(28)의 상부면으로부터 사출한다. 일반적으로 선형상 광원(4)으로부터의 사출광은 랜덤편광이므로, 도광체(28)로부터 사출하는 광도 랜덤편광이다. 도광체(28)의 상부면에서 사출하여 편광자(40)에 도달한 광중 편광자(40)의 투과축방향의 편광(44)은 편광자(40)를 투과하고, 편광(44)과 직교하는 편광(45)은 편광자(40)에서 반사된다. 편광자(40)에서 반사된 편광(45)은 도광체(28)를 투과하여 편광변환판(41)에 도달한다.
다음에, 편광자(40)에서 반사되어 편광변환판(41)에 도달한 광의 편광방향이 편광변화판(41)에 의해 90°회전하는 것에 대해 도30을 이용해서 설명한다. 도30은 편광변환판(41)의 3개의 홈(41b)(41c)(41d)에 의해 형성되는 3개의 면을 도시한 것이다. 도30에 있어서, 광선(47)은 편광변화판(41)에 입사하는 광이며, 편광방향이 x축방향의 직선편광이다. 광선(47)은 면(51)에서 반사되어 광선(48)이 된다. 광선(48)의 편광방향도 x축과 평행하다. 광선(48)은 면(52)에서 반사되어 광선(49)이 된다. 광선(49)의 편광방향은 y축과 평행하다. 또한, 광선(49)은 면(53)에서 반사되어 광선(50)이 된다. 광선(50)의 편광방향도 y축과 평행하다. 따라서, 광선(50)의 편광방향은 광선(47)에 대해 90°회전하고 있다. 여기서는 광선(47)의 편광방향을 x축과 평향하게 했으나, 광선(47)의 편광방향이 xy평면내의 어느 방향이든 광선(50)의 편광방향은 광선(47)에 대해 90°회전한다. 이와 같이 편광변환판(41)에 의해 편광방향이 90°회전하므로, 도28에 도시한 바와 같이 편광변환판(41)에서의 반사광(46)의 편광방향은 편광자(40)의 투과축 방향과 평행해지며, 반사광(46)은 편광자(40)를 투과한다.
이상과 같이 본 실시형태에 의하면 3개의 홈(41b)(41c)(41d)에 의해 형성된 3개의 면에서의 반사에 의해 편광방향을 회전시키는 편광변환판(41)을 이용함으로써, 액정디스플레이의 입사측 편광자에서의 광흡수를 방지할 수 있으므로, 광효율을 최대 2배로 향상시킬 수 있다. 따라서, 대폭적인 고휘도화 및 저소비 전력화가 가능해진다.
[제12 실시형태]
도31(a)은 본 발명의 제12 실시형태에 있어서 면형상 조명시스템의 편광변환판을 도시한 부분사시도, 도31(b)는 편광자의 투과축방향과 편광변환판의 홈방향과의 관계를 도시한 도면, 도32(a), 도32(b)는 편광변환판에서의 편광변환 설명도이다. 본 실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템은 기본적으로는 상기 제11 실시형태와 같은 구성이지만, 편광변환판의 구조가 다르다.
도31(a)에 도시한 바와 같이, 편광변환판(59)에는 단면형상이 3각형이고, 꼭지각(δ3)이 약 90°인 다수개의 홈(59a)이 연속해서 형성되어 있다. 편광변환판(59)의 홈형성부에는 은, 알루미늄 등 반사율이 높은 재료를 증착함으로써, 반사막(58)이 형성되어 있다. 이 편광변환판(59)은 면형상 조명시스템에 있어서 홈형성부가 하부가 되도록 배치된다(도28의 41 참조). 편광변환판(59)의 홈방향과 편광자(40)(도27) 참조)의 투과축방향이 이루는 각(δ4)은 약 45°이다. 도31(b)에 도시한 바와 같이, 예를들면 편광자(40)의 투과축방향을 54라고 하면 편광변환판(59)의 홈(59a) 방향은 57 혹은 56의 방향이 된다.
다음에, 편광변환판(59)에 의해 편광방향이 90°회전하는 것에 대해 도32를 이용해서 설명한다. 도32(a)는 편광변환판이 인접한 홈부분을 도시한 것이다. 도32(b)는 도32(a)에 있어서의 D, E, F방향에서 보았을 때의 도면이다. 화살표D에서 보면, 홈(59a)의 사면에 입사한 광선(60)의 편광방향은 홈(59a)의 방향, 즉 x축방향에 대해 45°의 각도를 이루고 있다. 광선(60)은 사면에서 반사되어 광선(61)이 된다. 광선의 편광방향은 화살표E에서 보면 xz면내에서 x축에 대해 45°의 각도를 이룬다. 또, 화살표F에서 보면 화살표E에서 본 도면과는 반대쪽부터 보게 되므로, 광선(51)의 편광방향은 90°회전하여 보인다. 또, 광선(61)은 또 한쪽의 사면에서 반사되어 광선(62)이 된다. 화살표D에서 보면, 광선(62)의 편광방향은 광선(60)의 편광방향에 대해 90°회전하고 있다. 따라서, 편광변환판(59)에 의해 편광방향을 90°회전시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의하면 꼭지각(δ3)이 90°인 3각홈(59a)이 형성된 편광변환판(59)을 홈(59a)의 방향이 편광자(40)의 투과축 방향에 대해 대체로 45°의 각도를 이루도록 배치함으로써, 편광변환판(59)에 의해 편광방향을 회전시키는 것이 가능해지므로, 상기 제11실시형태와 같은 효과를 얻을 수 있다.
[제13 실시형태]
도33(a)은 본 발명의 제13 실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템을 도시한 단면도, 도33(b)는 편광자의 투과축방향과 위상차판의 광학축 방위와의 관계를 도시한 도면이다. 본 실시형태에 있어서의 면형상 조명시스템은 기본적으로는 상기 제11 실시형태와 같은 구성이지만, 편광변환판(41) 대신에 위상차판(63)과 반사판(64)을 이용한다는 점에서 다르다.
위상차판(63)은 1축성 복굴절을 가진 판으로, 예를들면 수정, 방해석 혹은 투명한 수지시트를 늘려서 복굴절성은 갖게 한 것 등이 사용된다. 위상차판(63)의 위상차는 수직입사광에 대해 4분의 1 파장 편의되도록 설정된다. 위상차판(63)의 재료로는 파장분산성이 큰 재료를 이용하는 것이 바람직하며, 이에 따라 선형상 광원(4)의 파장영역내에서 위상차를 일정하게 할 수 있다. 위상차판(63)은 그 광학축이 편광자(40)의 투과축에 대해 거의 45°의 각도를 이루도록 배치된다. 예를들면, 도33(b)의 54를 편광자(40)의 투과축 방향으로 하면 위상차판(63)의 광학축은 방위 65 혹은 방위 66의 방향으로 설정된다. 여기서, 편광자(40)의 투과축 방향(54)과 방위 65 혹은 방위 66이 이루는 각(δ5)은 45°이다.
위상차가 4분의 1 파장의 위상차판(63)에 편광방향이 위상차판(63)의 광학축에 대해 45°의 각도를 이루는 광이 입사되면 위상차판(63)으로부터 사출되는 광은 원편광이 된다. 이 원편광이 반사판(64)에서 반사되고, 다시 위상차판(63)에 입사되면 직선 편광으로 돌아온다. 이 때 편광방향은 위상차판(63)에 입사한 직선 편광의 편광방향과 90°편의된다.
이상과 같이 본 실시형태에 의하면, 위상차가 4분의 1 파장의 위상차판(63)을 사용하고, 위상차판(63)을 광학축 방향이 편광자(40)의 투과축 방향에 대해 거의 45°의 각도를 이루도록 배치함으로써, 상기 제11 실시형태와 같은 효과를 얻을 수 있다.
또, 상기 제11, 제12 및 제13의 실시형태에 있어서는, 상기 제3실시형태의 구성을 토대로 하고 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1, 제2 혹은 제4 내지 제10의 실시형태를 토대로 해도 된다.
또, 상기 제11, 제12 및 제13의 실시형태에 있어서는, 편광자(40)에서의 투과편광 및 반사편광을 직선 편광으로 하고 있으나, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니며, 타원편광이어도 상관없다.
또, 상기 제11, 제12 및 제13의 실시형태에 있어서는, 편광변환판에 의해 직선 편광을 90°회전시키도록 하고 있으나, 타원 편광인 경우에도 동일하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 면형상 조명시스템의 제1구성에 의하면, 도광체 하부면의 평탄부와 홈경사부에서의 2회의 전반사에 의해 도광체의 상부면으로부터 광을 사출시킬 수 있으므로, 프리즘시트 및 도광체 하부면의 광확산재가 불필요해진다. 이 때문에, 프리즘시트, 광확산재에서의 광흡수가 없어져서 광효율이 향상되므로, 고휘도화 및 저소비 전력화가 가능해진다. 또한, 시트의 매수를 삭감할 수 있으며, 또 광확산재를 도광체의 하부면에 형성하는 공정을 생략할 수 있으므로, 조립성 및 양산성이 향상된다.
또, 본 발명의 면형상 조명시스템의 제2구성에 의하면, 도광체 하부면의 선형상돌기의 경사부에서의 전반사에 의해 도광체의 상부면으로부터 광을 사출시킬 수 있으므로, 프리즘시트 및 도광체 하부면의 광확산재가 불필요해진다. 이 때문에, 프리즘시트, 광확산재에서의 광흡수가 없어져서 광효율이 향상되므로, 고휘도화 및 저소비전력화가 가능해진다. 또한, 시트의 매수를 삭감할 수 있으며, 또 광확산재를 도광체의 하부면에 형성하는 공정을 생략할 수 있으므로, 조립성 및 양산성이 향상된다.

Claims (16)

  1. 도광체와, 상기 도광체의 측면에 배치된 광원을 구비하고, 상기 광원으로부터 상기 도광체에 입사하는 광을 상기 도광체의 상부면으로부터 사출하도록 한 면형상 조명시스템에 있어서, 하부면이 계단형상으로 된 도광체의 하부면에, 상기 하부면의 각 계단마다 적어도 1개의 홈을 간격을 두어 형성하고, 상기 홈 중 적어도 상기 광원측의 면을 경사지게 형성한 면형상 조명시스템.
  2. 제1항에 있어서, 홈폭이 홈간격보다 작은 것을 특징으로 하는 면형상 조명시스템.
  3. 제1항에 있어서, 홈의 단면형상이 사다리꼴 또는 3각형인 것을 특징으로 하는 면형상 조명시스템.
  4. 제1항에 있어서, 도광체의 굴절율을 n, 방사휘도분포의 중심각을 α라고 했을 때, 홈의 광원측의 면의 경사각이 하기 [수1]에 의해 주어지는 것을 특징으로 하는 면형상 조명시스템.
    [수1]
    ø1= 53°- sin-1{(1/n) sinα}
  5. 제1항에 있어서, 각 홈이 인접한 다수의 홈군으로 이루어진 것을 특징으로 하는 면형상 조명시스템.
  6. 제1항에 있어서, 홈중 적어도 광원측의 경사면이 곡면인 것을 특징으로 하는 면형상 조명시스템.
  7. 제1항에 있어서, 홈중 적어도 광원측의 경사면이 조면인 것을 특징으로 하는 면형상 조명시스템.
  8. 제1항에 있어서, 도광체의 상측에 편광자를 배치하고, 상기 도광체의 하측에 편광방향으로 회전시키는 편광변환판을 배치한 것을 특징으로 하는 면형상 조명시스템.
  9. 제8항에 있어서, 단면형상이 3각형이고, 꼭지각이 대체로 90°의 홈이 형성된 편광변환판을 사용하고, 상기 편광변환판을 상기 홈의 방향이 편광자의 투과축에 대해 거의 45°의 각도를 이루도록 배치한 것을 특징으로 하는 면형상 조명시스템.
  10. 제1항에 있어서, 도광체의 상측에 편광자를 배설하고, 상기 도광체의 하측에 위상차가 4분의 1 파장인 위상차판을 배치하고, 상기 위상차판을 그 광학축방향이 상기 편광자의 투과축에 대해 거의 45°의 각도를 이루도록 배치한 것을 특징으로 하는 면형상 조명시스템.
  11. 제1항에 있어서, 도광체의 상측에 광확산판을 배치하고, 상기 도광체의 하측에 반사판을 배치한 것을 특징으로 하는 면형상 조명시스템.
  12. 도광체와, 상기 도광체의 측면에 배치된 광원을 구비하고, 상기 광원으로부터 상기 도광체에 입사하는 광을 상기 도광체의 상부면으로부터 사출하도록 한 면형상 조명시스템에 있어서, 하부면이 계단형상으로 된 도광체의 하부면에, 상기 하부면의 각 계단마다 적어도 1개의 선형상 돌기를 간격을 두어 형성하고, 상기 선형상 돌기의 상기 광원과 반대쪽 면을 경사지게 형성한 면형상 조명시스템.
  13. 제12항에 있어서, 도광체의 상측에 편광자를 배설하고, 상기 도광체의 하측에 편광방향으로 회전시키는 편광변환판을 배치한 것을 특징으로 하는 면형상 조명시스템.
  14. 제13항에 있어서, 단면형상이 3각형이고, 꼭지각이 거의 90°의 홈이 형성된 편광변환판을 사용하고, 상기 편광변환판을 상기 홈의 방향이 편광자의 투과축에 대해 거의 45°의 각도를 이루도록 배치한 것을 특징으로 하는 면형상 조명시스템.
  15. 제12항에 있어서, 도광체의 상측에 편광자를 배설하고, 상기 도광체의 하측에 위상차가 4분의 1 파장인 위상차판을 배치하고, 상기 위상차판을 그 광학축 방향이 상기 편광자의 투과축에 대해 거의 45°의 각도를 이루도록 배치한 것을 특징으로 하는 면형상 조명시스템.
  16. 제12항에 있어서, 도광체의 상측에 광확산판을 배치하고, 상기 도광체의 하측에 반사판을 배치한 것을 특징으로 하는 면형상 조명시스템.
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