KR101498395B1

KR101498395B1 - 면광원 장치

Info

Publication number: KR101498395B1
Application number: KR1020137003742A
Authority: KR
Inventors: 고우오 쿠라타; 마사유키 시노하라
Original assignee: 오므론 가부시키가이샤
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2015-03-03
Also published as: US9128224B2; WO2013132661A1; JPWO2013132661A1; EP2808598B1; EP2808598A1; EP2808598A4; CN103403441B; JP5278635B1; KR20140091455A; CN103403441A; US20140022814A1

Abstract

도광판(33)은, 쐐기형상을 한 광도입부(35)와, 광도입부(35)의 최대 두께보다도 얇고, 광도입부(35)와 연속하도록 마련된 도광판 본체(34)을 구비한다. 점광원(32)은, 광도입부(35)의 단면(광입사면(38))과 대향하는 위치에 배치된다. 도광판(33)의 광출사측면 또는 그 반대면에는, 광도입부(35)에 입사한 광의 도광판 두께 방향에서의 지향성 퍼짐을 도광판(33)의 면방향과 평행한 방향을 향하여 기울어진 지향 특성으로 변환시키기 위한 지향성 변환 패턴(36)을 갖는다. 광입사면(38)과 평행하게 자른 지향성 변환 패턴(36)의 단면 중, 점광원(32)의 전방에 위치하고, 또한, 광원폭의 영역 내에 있는 부분에서는, 법선이 광원 중심과 반대측을 향한 패턴 소자의 사면의 횡폭이, 법선이 광원 중심측을 향한 패턴 소자의 사면의 횡폭보다도 좁든지, 일부분에서 같게 되어 있다.

Description

면광원 장치{PLANAR LIGHT SOURCE DEVICE}

본 발명은 면광원 장치에 관한 것으로, 구체적으로는, 액정 디스플레이 등의 백라이트로서 사용되는 면광원 장치에 관한 것이다.

근래, 면광원 장치를 조립하는 모바일 기기의 박형화에 수반하여, 면광원 장치도 점점 박형화가 요구되고 있다. 면광원 장치를 박형화하기 위해서는, 도광판의 두께를 얇게 할 것이 필요해진다. 그러나, 평판형상을 한 도광판의 두께를 얇게 할 수 있었다고 하여도, LED로 이루어지는 광원의 높이를 작게 하는 것에는 한계가 있다. 그 때문에, 평판형상을 한 얇은 도광판을 이용한 경우에는, 광원의 높이가 도광판의 단면(광입사면)의 두께보다도 커져서, 도광판의 광입사면에 대향시켜서 배치한 광원이 도광판의 윗면보다도 위로 튀어나오는 것이 된다. 이렇게 하여 광원이 도광판보다도 위로 튀어나와 있으면, 광원으로부터 출사한 광이 전부 도광판의 광입사면에 들어가지 않고, 일부가 외부에 누설되어 버려서 광이용 효율이 나빠진다.

이와 같은 부적합함을 해결하기 위해, 평판형상을 한 도광판 본체의 단(端)에 도광판 본체보다도 두께가 큰 광도입부를 마련하고, 광도입부의 최대 두께의 개소로부터서 도광판 본체의 단을 향하여 경사한 경사면을 광도입부에 마련한 도광판을 이용하는 것이 제안되어 있다. 이와 같은 도광판을 이용한 면광원 장치로서는, 예를 들면 특허 문헌 1에 개시된 것이나, 특허 문헌 2에 개시된 것이 있다.

도 1은, 특허 문헌 1에 개시된 면광원 장치(11)의 사시도이다. 도 1의 면광원 장치(11)에서는, 도광판 본체보다도 두께가 큰 광도입부를 갖는 도광판을 이용하고 있다. 이 면광원 장치(11)는, 광원(12)과 도광판(13)으로 이루어지고, 광원(12)은 도광판(13)의 광입사면(16)에 대향 배치되어 있다. 광입사면(16)의 두께는, 광원(12)의 높이보다도 크게 되어 있다. 도광판(13)은, 거의 균일한 두께를 갖는 도광판 본체(14)와 쐐기형상을 한 광도입부(15)를 일체로 형성한 것이다. 도광판 본체(14)의 이면에는 편향 패턴 또는 확산 패턴(도시 생략)이 형성되어 있다. 광도입부(15)는, 광도입부(15)의 최대 두께의 개소로부터 도광판 본체(14)의 단을 향하여 경사한 경사면(17)을 갖고 있다. 또한, 광도입부(15)의 경사면(17)에는, 복수개의 평행한 V홈으로 이루어지는 지향성 변환 패턴(18)(광누설 방지 패턴)이 마련되어 있다.

이 면광원 장치(11)에서는, 광원(12)으로부터 출사한 광은 광입사면(16)으로부터 광도입부(15) 내에 입사한다. 광도입부(15)의 단면(端面)(광입사면(16))의 두께는, 광원(12)의 높이보다도 크게 되어 있기 때문에, 광원(12)으로부터 출사한 광은 효율 좋게 광도입부(15)에 받아들여진다. 광도입부(15) 내에 들어간 광은, 광도입부(15)의 윗면 또는 하면에서 반사하여 도광판 본체(14)에 유도되고 편향 패턴 또는 확산 패턴에서 반사되어 도광판 본체(14)의 광출사면으로부터 외부에 출사된다. 이 때, 광입사면(16)으로부터 광도입부(15) 내에 들어간 광의 일부는, 경사면(17)에서 반사되지 않고, 경사면(17)을 투과하여 외부에 누설될 우려가 있다. 그 때문에, 경사면(17)에 지향성 변환 패턴(18)을 마련함에 의해, 경사면(17)으로부터의 광누설을 적게 하고 있다. 이 결과, 이와 같은 구조의 면광원 장치(11)에 의하면, 광이용 효율의 향상과 면광원 장치의 박형화를 양립시킬 수 있다.

그렇지만, 두께가 얇은 도광판 본체(14)에 연속시켜서 두께가 큰 광도입부(15)를 마련한 면광원 장치(11)에서, 복수개의 V홈으로 이루어지는 지향성 변환 패턴(18)을 마련하고 있는 경우에도, 도 2에 도시하는 바와 같이, 광누설이 발생한다(광도입부(15)에 들어간 광 중, 외부에 누설된 광을 파선의 화살표로 나타낸다).

도 2는 면광원 장치(11)로부터 광누설이 발생하는 양상을 도시하는 개략 평면도이다. 도 2에서, 광(L1)은, 광원(12)의 발광 중심으로부터 출사한 광선을 나타내고, 광(L2)은, 광원(12)의 단의 쪽부터 출사한 광선을 나타내고, 직선(C)는 광원 중심을 나타내고 있다. 발광 중심(12a)으로부터 출사한 광(L1)은, 광원(12)의 단의 쪽에서 출사한 광(L2)에 비하여, 광강도가 높다. 도 3은, 발광 중심(12a)으로부터 출사한 광강도가 높은 광(L1)의 거동을 도시하는 모식도이다. 발광 중심(12a)으로부터 출사한 광 중, 발광 중심(12a)으로부터 전방을 향하여 출사된 광(L1)은, 광(L11)과 같이 지향성 변환 패턴(18)에서 반사되기 때문에, 경사면(17)으로부터는 누설되기 어렵고. 이에 대해, 종래의 면광원 장치(11)에서는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 지향성 변환 패턴(18)은, 좌우 대칭의 단면 형상을 갖는 동일 형상의 V홈을 반복 배열되어 있기 때문에, 발광 중심(12a)으로부터 비스듬하게 출사된 광(L1)은, 광(L12)와 같이 외부에 누설되기 쉽다.

즉, 지향성 변환 패턴(18)에 입사한 위치가 광원 중심(C)으로부터 멀어지면, 그에 따라 광(L1)은 지향성 변환 패턴(18)의 표면에 대해 점차로 수직에 가까운 각도로 입사하게 되고, 지향성 변환 패턴(18)으로부터 누설되기 쉬워진다. 이 결과, 광원(12)의 폭(W)(광원(12)의 패키지의 폭이 아니라, 광출사창의 폭이다.)과 같은 영역, 특히 그 측단부에서의 지향성 변환 패턴(18)으로부터의 광누설이 커지기 쉽고, 광손실이 커진다.

또한, 특허 문헌 2에 기재된 면광원 장치에서는, 지향성 변환 패턴에 상당하는 패턴을 광도입부의 폭 가득 형성하고 있지만, 광원의 광은 거의 람베르트 분포를 나타내고, 전방에 대해 큰 각도의 방향에서는 광강도가 작기 때문에, 도광판의 측단부에서의 광누설은 그다지 문제가 되지 않는다. 따라서, 지향성 변환 패턴이 도광판의 측단에서 측단까지 마련되어 있는 경우에도, 광누설이 문제가 되는 것은, 광원의 폭과 거의 동등한 영역이다.

특허 문헌 1 : 국제공개 제2010/070821호 특허 문헌 2 : 국제공개 제2008/153024호(WO2008/153024)

본 발명은, 상기한 바와 같은 기술적 과제를 감안하여 이루어진 것이고, 그 목적으로 하는 바는, 도광판의 광도입부에 경사면을 갖는 면광원 장치에 있어서, 지향성 변환 패턴으로부터 광이 누설되기 어렵게 하는 것에 있다.

본 발명에 관한 면광원 장치는, 광원과, 상기 광원의 광을 광입사면으로부터 도입하여 광출사면으로부터 외부에 출사시키는 도광판을 구비한 면광원 장치로서, 상기 광원은, 상기 도광판의 광입사면과 대향하는 위치에 마련되고, 상기 도광판은, 광입사면으로부터 입사한 광원으로부터의 광을 가두기 위한 광도입부와, 상기 광도입부의 최대의 두께보다도 작은 두께로, 상기 광도입부와 연속하도록 마련되어서 가둔 광을 광출사 수단에 의해 광출사면으로부터 외부에 출사시키도록 한 도광판 본체를 구비하고, 상기 광도입부는, 상기 도광판의 광출사측의 면과 그 반대면 중 적어도 한쪽의 면에, 상기 도광판 본체보다 두께가 큰 부분의 표면부터 상기 도광판 본체의 표면의 단을 향하여 경사한 경사면을 가지며,

상기 도광판은, 광출사측의 면과 그 반대면 중 적어도 한쪽의 면에, 상기 광도입부에 입사한 광의 상기 도광판의 두께 방향에서의 지향성 퍼짐을 도광판의 면방향과 평행한 방향을 향하여 기울어진 지향 특성으로 변환시키기 위한 지향성 변환 패턴을 가지며, 상기 지향성 변환 패턴은, 상기 도광판의 폭방향에 따라 능선(稜線)과 골선(谷線)을 교대로 반복하도록 구성되어 있고, 상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면(斷面) 중, 상기 광원의 전방에 위치하고,

또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분은, 상기 지향성 변환 패턴의 능선 중 어느 하나의 능선과 당해 능선에 인접하는 한쪽의 골선을 잇는 사면과, 당해 능선과 당해 능선에 인접하는 다른쪽의 골선을 잇는 사면이, 당해 능선을 통과하며 상기 광출사면에 수직한 직선에 관해 비대칭으로 되어 있고, 광원 중심의 양측에 다른 형상의 상기 비대칭 형상부분이 적어도 1조(組) 존재하고 있는 것을 특징으로 한다. 여기서, 광원 중심이란, 광원의 발광 중심을 통과하고, 또한, 도광판의 광입사면 및 광출사면에 수직한 평면을 말한다. 또한, 지향성 변환 패턴의 사면이란, 지향성 변환 패턴의 능선과 골선과의 사이의 경사한 표면으로서, 평면의 경우도 있다면 곡면의 경우도 있다.

본 발명에 관한 면광원 장치에서는, 지향성 변환 패턴의 능선과 그 양측에 위치하는 골선을 잇는 사면끼리가 비대칭으로 되어 있기 때문에, 지향성 변환 패턴을 설계할 때의 제약이 느슨하게 되고, 지향성 변환 패턴으로부터의 광의 누설을 작게 하고, 광이용 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 관한 면광원 장치의 제1의 실시 양태는, 상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서, 광원 중심의 양측의 영역에서 각각, 상기 도광판의 내부로부터 외부를 향하여 상기 지향성 변환 패턴의 인접하는 능선과 골선을 잇는 사면에 법선을 세운 때, 상기 법선이 광원 중심측으로 기울어져 있는 사면의 횡폭의 총합이, 상기 법선이 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 사면의 횡폭의 총합보다도 큰 것을 특징으로 한다.

여기서, 지향성 변환 패턴의 사면의 횡폭의 총합이란, 광원 중심의 좌우 양측의 각각에서의, 지향성 변환 패턴의 각 사면의 횡폭(즉, 광입사면과 평행한 방향의 폭)의 합계를 말한다. 광원으로부터 도달한 광은, 법선이 광원 중심측으로 기울어진 사면(이하, 내향법선의 사면이라고 한다)보다도 법선이 광원 중심과 반대측으로 기울어진 사면(이하, 외향법선의 사면이라고 한다)으로부터 누설되기 쉽다. 이 실시 양태의 지향성 변환 패턴에서는, 내향법선의 사면의 횡폭의 총합보다도 외향법선의 사면의 횡폭의 총합이 작게 되어 있기 때문에, 광이 누설되기 쉬운 외향법선의 사면의 면적이 총체적으로 좁아져 있어서, 지향성 변환 패턴으로부터의 광의 누설을 억제하고, 광의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

상기 제1의 실시 양태에서는, 상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서, 인접하는 2개의 상기 사면은, 상기 법선이 광원 중심측으로 기울어져 있는 사면의 횡폭이, 상기 법선이 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 사면의 횡폭보다도 크든지 또는 같은 것이 바람직하다. 이와 같은 양태에 의하면, 내향법선의 사면의 횡폭보다도 외향법선의 사면의 횡폭이 작게 되어 있기 때문에, 광이 누설되기 쉬운 외향법선의 사면의 면적이 좁아져서, 지향성 변환 패턴을 구성한 각 패턴 소자로부터의 광의 누설을 억제하고, 광의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 제1의 실시 양태에서는, 상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서, 인접하는 2개의 상기 사면의 횡폭의 합에 대한 그 중의 상기 법선이 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 사면의 횡폭의 비는, 광원 중심부터의 거리가 커짐에 따라 감소하고 있든지 또는 같은 것이 바람직하다. 이와 같은 양태에 의하면, 광의 누설을 보다 적게 할 수 있고, 광의 이용 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 제1의 실시 양태에서는, 상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서, 인접하는 2개의 상기 사면의 횡폭의 합에 대한 그 중의 상기 법선이 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 사면의 횡폭의 비를 A로 하고, 상기 광원의 개구폭의 1/2에 대한 당해 2개의 사면의 광원 중심부터의 거리의 비를 B로 하여,

A=-0.456×B+α

로 표시한 때, 상기α의 값이,

0.3≤α≤0.9

의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이러한 양태에 의하면, 인접하는 사면이 대칭의 형상을 갖는 지향성 변환 패턴을 이용한 경우보다도 광이용 효율을 높게 할 수 있다.

본 발명에 관한 면광원 장치의 제2의 실시 양태는, 상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서, 광원 중심의 양측의 영역에서 각각, 상기 도광판의 내부로부터 외부를 향하여 상기 지향성 변환 패턴의 인접하는 능선과 골선을 잇는 사면에 법선을 세운 때, 광원 중심측으로 기울어져 있는 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도의 평균각도가, 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도의 평균각도보다도 작은 것을 특징으로 한다.

이 실시 양태의 지향성 변환 패턴에서는, 광원 중심측으로 기울어져 있는 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도(이하, 내향법선각도라고 한다)의 평균각도가, 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도(이하, 외향법선각도라고 한다)의 평균각도보다도 작기 때문에, 외향법선각도가 커저서 외향법선의 사면의 경사각이 총체적으로 커진다. 그 때문에, 광원으로부터 도달한 광이 외향법선의 사면에 입사할 때의 입사각이 커져서, 외향법선의 사면으로부터 광이 누설되기 어려워지다. 따라서, 이러한 실시 양태에 의하면, 지향성 변환 패턴으로부터의 광의 누설을 억제하고, 광의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

상기 제2의 실시 양태에서는, 상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서, 인접하는 2개의 상기 사면은, 광원 중심측으로 기울어져 있는 상기 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도가, 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 상기 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도보다도 작든지 또는 같은 것이 바람직하다. 이와 같은 양태에 의하면, 지향성 변환 패턴을 구성하는 2개의 사면(패턴 소자) 중 외향법선의 사면의 경사각이 커지기 때문에, 광원으로부터 도달한 광이 외향법선의 사면에 입사할 때의 입사각이 커져서, 외향법선의 사면으로부터 광이 누설되기 어려워진다.

또한, 상기 제2의 실시 양태에서는, 상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서, 광원 중심측으로 기울어져 있는 상기 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도가, 광원 중심부터의 거리가 커짐에 따라 작게 되어 있든지 또는 같은 것이 바람직하다. 이와 같은 양태에 의하면, 광의 누설을 보다 적게 할 수 있고, 광의 이용 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 제2의 실시 양태에서는, 상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서, 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 상기 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도가, 광원 중심부터의 거리가 커짐에 따라 크게 되어 있든지 또는 같은 것이 바람직하다. 이와 같은 양태에 의하면, 광의 누설을 보다 적게 할 수 있고, 광의 이용 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 제2의 실시 양태에서는, 상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서, 인접하는 2개의 상기 사면중 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도와 광원 중심측으로 기울어져 있는 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도와의 합에 대한, 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도로부터 광원 중심측으로 기울어져 있는 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도를 뺀 차(差)의 비(比)를 C로 하고, 상기 광원의 개구폭의 1/2에 대한 당해 2개의 사면의 광원 중심부터의 거리의 비를 B로 하여,

C=+0.391×B+β

로 표시한 때, 상기β의 값이,

-0.33≤β≤0.17

본 발명에 관한 면광원 장치의 제 3의 실시 양태는, 상기 지향성 변환 패턴이, 상기 도광판의 폭방향에 따라 복수의 패턴 소자를 배열한 것이고, 상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서, 광원 중심의 양측의 영역에 각각, 광을 반사함에 의해, 광원 중심과 반대측을 향한 광이 반사 전보다도 많아지도록 반사한 광의 지향 특성을 변환하는 상기 패턴 소자를 갖는 것을 특징으로 한다. 이러한 양태에 의하면, 광의 누설을 보다 적게 할 수 있고, 광의 이용 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명에 관한 면광원 장치의 또 다른 실시 양태는, 상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서, 광원 중심의 양측의 영역에서 각각, 광원 중심측으로 기울어져 있는 상기 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도와 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 상기 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도와의 합이, 35°이상 123°이하인 것을 특징으로 한다. 이러한 조건을 충족시키면, 인접하는 사면이 대칭의 형상을 갖는 지향성 변환 패턴을 이용한 경우보다도 광의 누설을 작게 하고, 광이용 효율을 높게 할 수 있다.

본 발명에 관한 면광원 장치의 또 다른 실시 양태는, 상기 지향성 변환 패턴이, V홈형상을 한 복수의 패턴 소자에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 실시 양태에 의하면, 도광판의 제작이 용이해진다.

본 발명에 관한 면광원 장치의 또 다른 실시 양태는, 상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서, 상기 V홈형상을 한 패턴 소자 사이에 형성된 능선 부분의 정각(頂角)이 일정한 것을 특징으로 한다. 이러한 실시 양태에 의하면, 도광판을 성형하기 위한 성형 금형에 V홈을 가공할 때에는, V홈 가공용의 공구를 기울여서 각도를 바꾸면서 순차적으로 V홈을 가공하면 좋고, 성형 금형의 제작을 용이하게 할 수 있다.

본 발명에 관한 면광원 장치의 또 다른 실시 양태는, 상기 광입사면에 대향하는 위치에, 간격(P)을 두어서 복수개의 상기 광원이 배치되고, 상기 도광판의 굴절율을 n으로 할 때, 상기 지향성 변환 패턴은, 상기 광원의 광출사측 단면부터

P/[2·arcsin(1/n)]

의 거리 이하의 영역 내에 존재하고 있는 것을 특징으로 한다. 지향성 변환 패턴이 형성되어 있는 영역이, 광원의 광출사측 단면부터 P/[2·arcsin(1/n)]보다도 멀리까지 늘어나면, 어느 광원으로부터 나온 광이 옆의 광원의 전방의 영역에 들어가서 광의 이용 효율이 오히려 나빠지기 때문이다.

본 발명에 관한 면광원 장치의 또 다른 실시 양태는, 상기 광입사면에 대향하는 위치에, 복수개의 상기 광원이 배치되고, 상기 지향성 변환 패턴은, 이웃하는 광원과 광원의 사이의 거의 중앙을 경계로 하여 주기적으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 실시 양태에 의하면, 도광판의 제작이 용이해진다.

본 발명에 관한 면광원 장치의 또 다른 실시 양태는, 상기 광출사면에 수직한 방향에서 본 때, 상기 지향성 변환 패턴이, 평행하게 나열한 복수의 패턴 소자에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 실시 양태에 의하면, 도광판의 제작이 용이해진다.

또한, 본 발명에서의 상기 과제를 해결하기 위한 수단은, 이상 설명한 구성 요소를 적절히 조합한 특징을 갖는 것이고, 본 발명은 이러한 구성 요소의 조합에 의한 많은 배리에이션을 가능하게 하는 것이다.

도 1은, 특허 문헌 1에 기재된 면광원 장치를 도시하는 사시도.
도 2는, 특허 문헌 1에 기재된 면광원 장치로부터 광이 누설되는 양상을 설명하는 개략 평면도.
도 3은, 지향성 변환 패턴으로부터 광이 누설되는 양상을 설명하기 위한 모식도.
도 4는, 본 발명에 관한 면광원 장치를 도시하는 사시도.
도 5는, 도 4에 도시하는 면광원 장치의 평면도.
도 6은, 도 4에 도시하는 면광원 장치의 개략 단면도.
도 7은, 도 5의 X-X선 단면도로, 아울러서 그 일부를 확대하여 도시하는 도면.
도 8은, 도 7에 도시하는 지향성 변환 패턴의 작용 설명도.
도 9A 내지 도 9D는, 도 7에 도시하는 지향성 변환 패턴의 변형례를 도시하는 개략도.
도 10A 및 도 10B는, 도 7에 도시하는 지향성 변환 패턴의 변형례를 도시하는 개략도.
도 11은, 만곡 또는 굴곡한 패턴 사면의 횡폭와 법선각도를 구하는 방법을 설명하는 도면.
도 12는, 광원 중심부터의 거리에 응하여 패턴 소자의 단면 형상이 변화하는 지향성 변환 패턴의 단면도로, 아울러서 그 일부를 확대하여 도시하는 도면.
도 13은, 패턴 사면에 세운 법선의 평균각도를 구하는 방법을 설명하는 도면.
도 14는, 정각을 일정하게 유지하면서 광원 중심부터의 거리에 응하여 패턴 소자의 단면 형상이 변화하는 지향성 변환 패턴의 단면도로, 아울러서 그 일부를 확대하여 도시하는 도면.
도 15는, 정각을 일정하게 유지하면서 광원 중심부터의 거리에 응하여 단면 형상이 변화하는 패턴 소자의, 외향법선각도와 내향법선각도의 변화를 도시하는 도면.
도 16A 내지 도 16C는, 광원 중심부터의 거리에 응하여 단면 형상이 변화하는 여러가지의 지향성 변환 패턴의 개략 단면도.
도 17은, 수식 1로 정의되는 값(α)과, 종래품의 도광 효율을 100%로 하였을 때의 도광 효율과의 관계를 도시하는 도면.
도 18은, 도광 효율이 높은 영역을 도시하는 도면.
도 19는, 수식 7로 정의되는 값(β)과, 종래품의 도광 효율을 100%로 하였을 때의 도광 효율과의 관계를 도시하는 도면.
도 20은, 도광 효율이 높은 영역을 도시하는 도면.
도 21은, 패턴 소자의 정각과, 종래품의 도광 효율을 100%로 하였을 때의 도광 효율과의 관계를 도시하는 도면.
도 22는, 패턴 소자의 폭과 도광 효율과의 관계를 도시하는 도면.
도 23은, 2개의 점광원을 갖는 면광원 장치의 사시도.
도 24는, 도 23에 도시하는 면광원 장치의 평면도.
도 25는, 복수의 점광원을 갖는 면광원 장치의 한 예를 도시하는 평면도.
도 26은, 복수의 점광원을 갖는 면광원 장치의 다른 예를 도시하는 평면도.
도 27은, 복수의 점광원을 갖는 면광원 장치의 또다른 예를 도시하는 평면도.
도 28은, 복수의 점광원을 갖는 면광원 장치의 또다른 예를 도시하는 평면도.
도 29A 내지 도 29C는, 여러가지의 지향성 변환 패턴을 도시하는 개략 평면도.
도 30A 내지 도 30C는, 여러가지의 지향성 변환 패턴을 도시하는 개략 평면도.
도 31A 내지 도 31C는, 각각 도광판의 여러가지의 형태를 도시하는 개략 측면도.
도 32A 내지 도 32C는, 각각 도광판의 여러가지의 형태를 도시하는 개략 측면도.
도 33A 내지 도 33C는, 각각 도광판의 여러가지의 형태를 도시하는 개략 측면도.
도 34A 내지 도 34C는, 각각 도광판의 여러가지의 형태를 도시하는 개략 측면도.

이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 알맞은 실시 형태를 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 설계 변경할 수 있다.

(면광원 장치의 기본 구조)

이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 관한 면광원 장치(31)의 기본적인 구조를 설명한다. 도 4는, 본 발명에 관한 면광원 장치(31)를 도시하는 사시도이다. 도 5는, 면광원 장치(31)의 평면도이다. 도 6은, 면광원 장치(31)의 광입사면(38)에 수직한 방향에서의 개략 단면도이다.

면광원 장치(31)는, 점광원(32)(광원)과 도광판(33)으로 이루어진다. 점광원(32)은, 1개 또는 복수개의 LED를 내장한 것으로 백색 발광한다. 도 6에 도시하는 바와 같이, LED(41)는 투명 밀봉 수지(42) 내에 밀봉되고, 또한 투명 밀봉 수지(42)는 정면을 제외하고 백색 수지(43)에 의해 덮여 있고, 백색 수지(43)로부터 노출하고 있는 투명 밀봉 수지(42)의 정면이 광출사창(44)(발광면)으로 되어 있다. 이 점광원(32)은, 도광판(33)의 폭에 비하여 작은 것이고, 냉음극관이 선형상 광원이라고 불리는데 대해 점광원이라고 칭하는 것이다.

도광판(33)은, 박판형상을 한 도광판 본체(34)와 연속시키도록 하여, 도광판 본체(34)의 단면에 광도입부(35)를 마련한 것이다. 도광판(33)은, 아크릴 수지, 폴리카보네이트 수지(PC), 시클로올레핀계 재료, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등의 고굴절율의 투명 수지에 의해 일체 성형된다.

광도입부(35)는, 도광판(33)중에서 두께가 두꺼운 개략 쐐기형상의 부분으로서, 그 단면(端面)인 광입사면(38)의 일부에 대향시켜서 점광원(32)이 배치된다. 광도입부(35)의 단면의 두께(T)는 광출사창(44)의 높이(H)와 동등하든지, 그보다도 두껍게 되어 있고, 그 때문에 점광원(32)으로부터 출사된 광은 효율적으로 광입사면(38)으로부터 광도입부(35) 내에 입사하고, 면광원 장치(31)의 광이용 효율이 높아진다.

광도입부(35)의 윗면(도광판 본체(34)의 광출사면(39)과 같은 측의 면)에는, 경사면(37)이 형성되어 있다. 경사면(37)은, 광입사면(38)의 부근의 최대 두께의 부분부터 도광판 본체(34)의 단(端)을 향하여 경사하고 있다. 경사면(37)은, 도광판(33)의 일방단부터 타방단까지 띠형상으로 늘어나 있다.

도 4 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 경사면(37)에는, 지향성 변환 패턴(36)이 형성되어 있다. 지향성 변환 패턴(36)은, 산형(山形) 또는 V홈형상을 한 복수의 패턴 소자를 도광판(33)의 폭방향에 따라 배열시킨 것이다. 즉, 지향성 변환 패턴(36)에서는, 능선과 골선이 교대로 나열하여 있다. 이 지향성 변환 패턴(36)을 광출사면(39)에 수직한 방향에서 본 때, 패턴 소자, 또는 능선과 골선은, 광입사면(38)에 수직한 방향과 평행하게 배치되어 있고, 도광판(33)의 폭방향에 따라 서로 평행하게 나열하여 있다. 또한, 각 패턴 소자는, 광입사면(38)과 평행한 단면(斷面)에서는, 좌우 비대칭의 형상을 갖고 있다. 또한, 광원 중심의 양측의 영역에는, 서로 다른 형상을 갖는 비대칭의 패턴 소자가 적어도 1조(組) 존재하고 있다. 이 지향성 변환 패턴(36)은, 광도입부(35)에 입사한 광을 반사시킴에 의해, 광도입부(35)에 입사한 광의 도광판 두께 방향에서의 지향성 퍼짐을 도광판(33)의 면방향과 평행한 방향을 향하여 기울어진 지향 특성으로 변환시키는 작용을 갖고 있다.

도광판 본체(34)는, 도광판(33)의 대부분의 면적을 차지하고 있고, 도 6에 도시하는 바와 같이, 그 두께(T)는 광도입부(35)의 최대 두께(T)보다도 얇게 되어 있고, 그에 의해 도광판(33)의 박형화가 도모된다. 도광판 본체(34)는 표리면이 평행한 평판형상을 하고 있고, 도광판 본체(34)의 두께는 거의 균일하게 되어 있다.

도광판 본체(34)의 광출사면(39)과 반대면(하면)에는 광출사 수단(45)을 구비하고 있다. 도 6에서는 광출사 수단(45)으로서 삼각홈형상의 패턴을 나타내고 있지만, 샌드 블라스트 가공, 확산 잉크를 사진 인쇄한 것, 회절 격자 패턴, 임의의 요철 패턴 등이라도 좋고, 또한, 광출사 수단(45)을 도광판 본체(34)의 광출사면(39), 또는 광출사면(39)과 그 반대면의 쌍방에 마련하고 있어도 무방하다.

그리하여, 이 면광원 장치(31)에서는, 도 6에 화살표로 도시하는 바와 같이, 점광원(32)으로부터 출사한 광은, 광입사면(38)으로부터 광도입부(35) 내에 입사하고, 광도입부(35)의 윗면 또는 하면에서 반사되고, 또는 광도입부(35)를 통과하여 두께가 얇은 도광판 본체(34)에 유도된다. 도광판 본체(34)에 도입된 광은, 도광판 본체(34)의 윗면과 하면에서 반사하면서 도광판 본체(34) 내를 도광하고, 광출사 수단(45)에 의해 반사 또는 확산되어 광출사면(39)으로부터 거의 균일하게 출사된다.

(실시 형태 1에 의한 지향성 변환 패턴)

도 7은, 도 5의 X-X선 단면에서의 실시 형태 1의 지향성 변환 패턴(36)을 도시한다. 즉, 도 7은, 광입사면(38)과 평행하게 자른 지향성 변환 패턴(36)의 단면 중, 점광원(32)의 전방에 위치하고, 또한, 점광원(32)과 동등한 폭(광원 폭(W))을 갖는 영역(즉, 광원 중심(C)부터 좌우 양측에 W/2의 영역) 내에 있는 부분을 나타낸다. 여기서, 광원 중심(C)이란, 점광원(32)의 발광 중심(32a)을 통과하고, 또한, 도광판(33)의 광입사면(38) 및 광출사면(39)에 수직한 평면을 말한다. 또한, 광원 폭(W)이란, 점광원(32)의 패키지의 폭을 말하는 것이 아니라, 발광면(광출사창(44))의 폭을 말한다. 도 7에서는, 지향성 변환 패턴(36)은, 광원 중심(C)에 관해 좌우 대칭의 형상을 갖고 있지만, 반드시 좌우 대칭일 필요는 없다.

본 발명의 실시 형태 1에 의한 면광원 장치에서는, 지향성 변환 패턴(36)은, 광입사면(38)과 평행한 단면에서의 광원 폭(W)의 영역에서는, 이하에 기술하는 바와 같은 구조 또는 특성을 갖고 있다. 광원 폭(W)의 외측의 영역에서도, 광원 폭(W)의 영역과 마찬가지의 구조 또는 특성을 갖고 있어도 좋지만, 점광원(32)으로부터 떨어진 영역에서는, 공급되는 광량이나 광강도가 작기 때문에, 광원 폭(W)의 외측에서는 특히 지향성 변환 패턴(36)의 구조는 한정되지 않는다.

광입사면(38)과 평행한 단면에서의 광원 폭(W)의 영역에서는, 지향성 변환 패턴(36)을 구성하는 대부분 또는 모든 패턴 소자는 비대칭의 형상을 갖고 있다. 즉, 어느 능선(단면의 극대점)과 당해 능선에 인접하는 한쪽의 골선(단면의 극소점)을 잇는 패턴 사면(46a)과, 당해 능선과 당해 능선에 인접하는 다른쪽의 골선(단면의 극소점)을 잇는 패턴 사면(46b)이, 당해 능선을 통과하며 광출사면(39)에 수직한 직선에 관해 좌우 비대칭으로 되어 있다. 단, 일부의 패턴 소자(예를 들면, 광원 중심(C)의 위치에 있는 패턴 소자)는 좌우 대칭이라도 좋다. 여기서, 패턴 사면(46a, 46b)이란, 이웃하는 능선과 골선과의 사이에 위치하는 지향성 변환 패턴(36)의 표면이다. 도 7에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 패턴 사면(46a, 46b)은 평면으로 되어 있지만, 후술하는 바와 같이 곡면(曲面)이나 굴곡면 등이라도 좋다.

또한, 광원 중심(C)과 그곳부터 좌측을 향하여 W/2의 영역(이하, 광원 중심(C)의 좌측 영역이라고 한다)에서는, 도광판(33)의 내부로부터 외부를 향하여 각 패턴 사면(46a, 46b)에 법선(N)을 세운 때, 법선(N)이 광원 중심측으로 기울어져 있는 패턴 사면(46b)의 횡폭(D2)의 총합(각 패턴 사면(46b)의 횡폭(D2)의, 폭(W/2)의 좌측 영역에서의 합계치)이, 법선(N)이 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 패턴 사면(46a)의 횡폭(D1)의 총합(각 패턴 사면(46a)의 횡폭(D1)의, 폭(W/2)의 좌측 영역에서의 합계치)보다도 크게 되어 있다(조건 1 : ΣD1<ΣD2).

마찬가지로, 광원 중심(C)과 그곳부터 우측을 향하여 W/2의 영역(이하, 광원 중심(C)의 우측 영역이라고 한다)에서는, 도광판(33)의 내부로부터 외부를 향하여 각 패턴 사면(46a, 46b)에 법선(N)을 세운 때, 법선(N)이 광원 중심측을 향하여 기울어져 있는 패턴 사면(46b)의 횡폭(D2)의 총합(각 패턴 사면(46b)의 횡폭(D2)의, 폭(W/2)의 우측 영역에서의 합계치)이, 법선(N)이 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 패턴 사면(46a)의 횡폭(D1)의 총합(각 패턴 사면(46a)의 횡폭(D1)의, 폭(W/2)의 우측 영역에서의 합계치)보다도 크게 되어 있다(조건 1 : ΣD1<ΣD2).

이와 같은 형태를 실현하기 위해서는, 인접하는 2개의 패턴 사면(46a, 46b)(패턴 소자)에서, 법선(N)이 광원 중심측으로 기울어져 있는 패턴 사면(46b)의 횡폭(D2)이, 법선(N)이 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 패턴 사면(46a)의 횡폭(D1)보다도 크든지, 또는 일부에서 같으면 좋다(조건 2 : D1≤D2). 광원 폭(W)의 영역에 있는 적어도 일부의 패턴 소자가, 이 조건 2를 충족시키고 있으면 된다. 가능한 한 많은 패턴 소자가, 이 조건 2를 충족시키고 있는 것이 바람직하지만, 반드시 모든 패턴 소자에 요구되는 것은 아니다.

실시 형태 1의 면광원 장치(31)에서는, 광원 중심(C)의 좌우의 영역에서 각각, 법선(N)이 광원 중심측으로 기울어진 패턴 사면(46b)의 횡폭(D2)의 총합이, 법선(N)이 광원 중심과 반대측으로 기울어진 패턴 사면(46a)의 횡폭(D1)의 총합보다도 크게 되어 있다(조건 1). 특히, 많은 패턴 소자에서, 법선(N)이 광원 중심측으로 기울어진 패턴 사면(46b)의 횡폭(D2)이, 법선(N)이 광원 중심과 반대측으로 기울어진 패턴 사면(46a)의 횡폭(D1)보다도 크든지, 또는 일부의 패턴 소자에서 같게 되어 있다(조건 2). 이 결과, 도 8에 도시하는 바와 같이, 발광 중심(32a)으로부터 경사 방향으로 출사한 광(L1)이 수직에 가까운 각도로 입사하는 패턴 사면(46a)의 면적이, 패턴 소자가 좌우 대칭의 지향성 변환 패턴(도 3 참조)인 경우와 비교하여 좁게 되어, 패턴 사면(46a)으로부터 광이 누설되기 어려워진다. 또한, 법선(N)이 광원 중심(C)과 반대측으로 기울어진 패턴 사면(46a)의 경사각이 커지기 때문에, 지향성 변환 패턴의 패턴 소자가 좌우 대칭인 경우와 비교하여, 패턴 사면(46a)에 입사하는 광(L1)의 입사각이 크게 되어, 광(L1)이 패턴 사면(46a)으로부터 누설되기 어려워진다. 이 결과, 실시 형태 1의 면광원 장치(31)에 의하면, 지향성 변환 패턴(36)으로부터의 광의 누설을 억제할 수 있고, 광의 이용 효율이 향상한다.

(만곡 또는 굴곡한 패턴 사면의 경우)

지향성 변환 패턴(36)의 패턴 사면(46a, 46b)은 반드시 평면일 필요는 없고, 만곡면이나 굴곡면이라도 좋다. 도 9A 내지 도 9D는, 패턴 사면(46a, 46b)을 곡면으로 구성한 지향성 변환 패턴(36)의 단면을 도시한다. 도 9A에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 패턴 사면(46a, 46b)이 모두, 외향으로 불룩해지도록 만곡하고 있다. 도 9B에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 패턴 사면(46a, 46b)이 모두 내측에 우묵해지도록 만곡하고 있다. 도 9C에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 패턴 사면(46a, 46b)중 한쪽이 외향으로 불룩해지고, 다른쪽이 내측에 우묵해져 있다. 또한, 도 9D에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 패턴 사면(46a, 46b)이 전체로서 매끈하게 만곡하고 있다.

도 10A 및 도 10B는, 패턴 사면(46a, 46b)을 굴곡면으로 구성한 지향성 변환 패턴(36)의 단면을 도시한다. 도 10A에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 패턴 사면(46a, 46b)이 전체로서 다각형상으로 굴곡하고 있다. 도 10B에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 패턴 사면(46a, 46b)은, 전체로서는 평면형상이지만, 미세하게 본다면 톱날형상으로 굴곡하고 있다.

이와 같이 패턴 사면(46a, 46b)이 만곡면 또는 굴곡면으로 구성되어 있는 경우에도, 도 11에 도시하는 바와 같이, 능선과 골선과의 사이의 구간의 수평 거리를 패턴 사면(46a, 46b)의 횡폭(D1, D2)으로 하면, 상기 조건 1 또는 조건 2를 적용할 수 있다.

(광원 중심부터의 거리에 응하여 패턴 소자가 변화하는경우)

도 7에 도시한 지향성 변환 패턴(36)에서는, 광원 중심(C)의 좌측 영역과 우측 영역에서는, 모두 같은 단면 형상의 패턴 소자를 반복 배열시키고 있지만, 각 패턴 소자의 단면 형상을 광원 중심(C)부터의 거리에 응하여 변화시켜도 좋다. 도 12는, 광원 중심(C)부터의 거리(G)에 의해 패턴 소자의 단면 형상이 변화하고 있는 지향성 변환 패턴(36)을 도시하고 있다. 특히, 도 12에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 인접하는 패턴 사면(46a, 46b)의 횡폭의 합(D1+D2)에 대한, 법선(N)이 광원 중심(C)과 반대측으로 기울어진 패턴 사면(46a)의 횡폭(D1)의 비, 즉 D1/(D1+D2)가, 광원 중심(C)부터의 거리(G)가 커짐에 따라 감소하고 있든지, 또는 일부의 패턴 소자에서 같게 되어 있다.

이와 같이 패턴 소자의 단면 형상이 점차로 변화하고 있는 경우에도, 도 13에 도시하는 바와 같이, 각 패턴 사면(46a, 46b)의 횡폭를 차례로 D1, D2, D3, D4, …로 하면, 좌측 영역과 우측 영역에서 각각, 패턴 사면의 횡폭의 총합에 관한 조건 1, 즉,

D1+D3+D5+…<D2+D4+D6+…

를 충족시키면 좋다. 그를 위해서는, 좌측 영역과 우측 영역의 각각에서의, 대부분의 패턴 소자가 상기 조건 2, 즉,

D1≤D2, D3≤D4, D5≤D6, …

를 충족시키면 좋다.

상기한 바와 같이 패턴 소자의 단면 형상을 광원 중심(C)부터의 거리(G)에 응하여 변화시키는 경우에는, 도 14에 도시하는 바와 같이, 인접하는 패턴 사면(46a, 46b)의 사이의 정각(頂角)(ω)을 일정하게 유지하면서, 광원 중심(C)부터의 거리(G)가 커짐에 따라 패턴 사면(46a)의 비율(D1/(D1+D2))이 감소하든지, 또는 일부의 패턴 소자에서 같아지도록 변화시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 발명자들은, 같은 단면 형상의 패턴 소자를 반복 배열시킨 비교례의 지향성 변환 패턴의 경우와, 정각을 일체로 유지한 채로 단면 형상을 점차로 변화시킨 실시 형태 1의 지향성 변환 패턴의 경우와의, 도광 효율을 시뮬레이션에 의해 평가하였다. 이용한 면광원 장치의 모델에서는, 점광원의 광원 폭(W)이 2㎜, 도광판의 폭이 5.5㎜, 도광판 본체(34)의 두께(T)가 0.23㎜, 광도입부(35)의 높이(T)가 0.42㎜, 광도입부(35)의 길이가 1.5㎜, 도광판의 굴절율이 1.59로 하였다. 또한, 비교례의 지향성 변환 패턴에서는, 정각(ω)이 120°인 좌우 대칭의 단면 형상의 패턴 소자가 반복 배열되어 있다. 실시 형태 1의 지향성 변환 패턴에서는, 광원 중심(C)의 위치에서는 정각이 120°인 좌우 대칭의 패턴 소자를 갖고 있지만, 광원 중심(C)으로부터 떨어짐에 따라 정각을 120°로 유지한 채로 도 15에 도시하는 바와 같이 패턴 소자의 형상을 변화시키고 있다. 도 15의 횡축은 광원 중심(C)부터 측정한 패턴 소자의 거리(G)이다. 도 15의 종축은, 거리(G)에 위치하는 패턴 소자의, 광원 중심(C)과 반대측으로 기울어진 패턴 사면(46a)의 법선(N)이 광출사면(39)에 수직한 방향과 이루는 각도(외향법선각도)와, 광원 중심측으로 기울어진 패턴 사면(46b)의 법선(N)이 광출사면(39)에 수직한 방향과 이루는 각도(내향법선각도)를 나타낸다. 도 15로 부터 알 수 있는 바와 같이, 실시 형태 1의 지향성 변환 패턴은, 도광판의 일방단부터 타방단까지 정각(ω)이 일정 각도(120°)로 유지되어 있고, 광원 폭(W)보다도 조금 넓은 영역까지 패턴 소자의 단면 형상이 변화하고, 그 외측에서는 일정한 단면 형상으로 되어 있다.

상기 시뮬레이션에 의하면, 비교례에서는 도광 효율이 91%임에 대해, 실시 형태 1에서는 도광 효율이 96%였다. 도광 효율이란, 광입사면으로부터 광도입부 내에 들어간 광량 중, 어느 정도의 비율의 광량의 광이 광도입부로부터 도광판 본체에 도입되었는지를 나타내는 것이다. 따라서, 패턴 소자의 단면 형상이 일정한 비교례에서는, 광도입부로부터 9%의 광이 누설되어 손실으로 됨에 대해, 정각을 일정하게 유지하고 패턴 소자의 단면 형상을 변화시킨 실시 형태 1의 경우에는, 광도입부에서의 광의 누설이 4%로 작아짐을 알 수있다.

또한, 도 14의 지향성 변환 패턴(36)과 같이, 패턴 소자의 정각(ω)이 일정하다면, 성형 금형의 제작이 용이해진다. 즉, 도광판 성형용의 성형 금형을 제작하는 경우, 산형의 패턴 소자는 성형 금형에서는 V홈형상의 패턴이 된다. 패턴 소자의 정각(ω)이 일정하다면, 공구로 절삭함에 의해 성형 금형에 V홈형상의 패턴을 순차적으로 절삭하는 경우, 하나의 V홈용 공구의 경사를 변화시키면서 순차적으로 V홈을 절입(切入)하여 갈 수가 있어서, 성형 금형의 제작이 용이해진다.

패턴 소자의 단면 형상을 광원 중심(C)부터의 거리(G)에 응하여 변화시키는 양태로는, 여러가지의 것이 있다. 예를 들면, 도 16A에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 광원 중심(C)으로부터 떨어짐에 따라 패턴 소자의 정각(ω)이 점차로 작게 되어 있다. 도 16B에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 광원 중심(C)으로부터 떨어짐에 따라 패턴 소자의 정각(ω)이 점차로 크게 되어 있다. 도 16C는, 만곡면을 갖는 패턴 소자가 배열한 지향성 변환 패턴(36)으로서, 광원 중심(C)으로부터 떨어짐에 따라 패턴 소자의 만곡 상태가 점차로 변화하고 있다.

실시 형태 1에서의 지향성 변환 패턴(36)의 형상으로서는, 상기한 바와 같이 여러가지의 형상이 가능하지만, 본 발명의 발명자들에 의한 시험 및 검토의 결과, 어떤 형상의 지향성 변환 패턴(36)이라도, 다음의 조건 3을 충족시키면, 종래품보다도 높은 도광 효율이 얻어짐을 알았다 즉,

α=D1/(D1+D2)+0.912×(G/W) … (수식 1)

라는 값을 생각할 때, α의 값이 0.3 이상 0.9 이하라면, 종래품보다 높은 도광 효율을 얻을 수 있다. 여기서, D1 및 D2는, 인접하는 패턴 사면(46a, 46b)의 횡폭이다. G는, 당해 패턴 사면(46a, 46b)의 광원 중심(C)부터의 거리이다. W는 광원 폭이다.

도 17은, 상기한 값(α)과 도광 효율과의 관계를 도시하는 도면이다. 도 17의 종축은, 도광판의 도광 효율을, 종래품(좌우 대칭의 동일한 패턴 소자를 배열한 것)을 100%로 하여 나타낸 것이다. 도 17에 의하면, α가 약 0.5일 때에 가장 도광 효율이 높고, α가 0.3 이상 0.9 이하라면, 종래품보다도 도광 효율이 향상함을 알 수있다.

따라서, 인접하는 패턴 사면(46a, 46b)의 횡폭의 합(D1+D2)에 대한 법선이 광원 중심(C)과 반대측을 향한 패턴 사면(46a)의 횡폭(D1)의 비율을 A=D1/(D1+D2)로 하고, 상기 광원의 개구 폭(W)의 1/2에 대한 당해 2개의 사면의 광원 중심(C)부터의 거리(G)의 비를 B=G/(W/2)로 하면, 상기 수식 1은,

A=-0.456×B+α … (수식 2)

로 표시할 수 있고,

0.3≤α≤0.9 … (조건 3)

의 범위에 있으면, 종래품보다도 도광 효율이 향상한다. 단, 조건 3은 모든 패턴 소자에 관해 요구되는 조건은 아니지만, 가능한 한 많은 패턴 소자가 조건 3을 충족시키고 있는 것이 바람직하다.

도 18은, 횡축에 B=G/(W/2), 종축에 A=D1/(D1+D2)를 정하고, α의 값이 0.2 내지 1.0의 직선을 그린 도면이다. 이 도면의 해칭을 행한 영역 내에 있으면, 그 면광원 장치의 도광 효율은 종래품보다도 향상한다.

(실시 형태 2에 의한 지향성 변환 패턴)

다음에, 실시 형태 2에 의한 면광원 장치를 설명한다. 실시 형태 2의 면광원 장치도, 도 4 내지 도 6과 같은 기본 구조를 갖고 있고, 지향성 변환 패턴을 제외하면 실시 형태 1의 면광원 장치(31)와 같은 구조를 갖고 있기 때문에, 실시 형태 2에서의 면광원 장치의 기본 구조의 설명은 생략한다. 또한, 지향성 변환 패턴(36)에 관해서도, 기본적인 단면 형상은 실시 형태 1과 맞겹쳐져 있기 때문에, 도 7 내지 도 16을 이용하여 실시 형태 2에 의한 지향성 변환 패턴(36)의 구조를 설명한다.

본 발명의 실시 형태 2에 의한 면광원 장치에서는, 지향성 변환 패턴(36)은, 광입사면(38)과 평행한 단면에서의 광원 폭(W)의 영역에서는, 이하에 기술하는 바와 같은 구조 또는 특성을 갖고 있다. 광원 폭(W)의 외측의 영역에서도, 광원 폭(W)의 영역과 마찬가지의 구조 또는 특성을 갖고 있어도 좋지만, 점광원(32)으로부터 떨어진 영역에서는, 공급되는 광량이나 광강도가 작기 때문에, 광원 폭(W)의 외측에서는 특히 지향성 변환 패턴(36)의 구조는 한정되지 않는다.

광입사면(38)과 평행한 단면에서의 광원 폭(W)의 영역에서는, 지향성 변환 패턴(36)을 구성한 대부분 또는 모든 패턴 소자는 비대칭의 단면 형상을 갖고 있다. 또한, 실시 형태 2의 지향성 변환 패턴(36)은, 패턴 사면(46a, 46b)에 세운 법선(N)의 각도 또는 평균각도에 의해 특징지어진다. 즉, 광입사면(38)과 평행한 단면에서 광원 중심(C)과 그곳부터 좌측을 향하여 W/2의 영역(좌측 영역)에서는, 광원 중심측으로 기울어져 있는 법선(N)(이하, 내향법선이라고 한다)이 광출사면(39)에 수직한 방향과 이루는 각도(이하, 내향법선각도라고 한다)(θ2)의 평균각도(θm2)가, 광원 중심과 반대측을 향하여 기울어져 있는 법선(N)(이하, 외향법선이라고 한다)이 광출사면(39)에 수직한 방향과 이루는 각도(이하, 외향법선각도라고 한다)(θ1)의 평균각도(θm1)보다도 작게 되어 있다(조건 4 : θm1>θm2). 여기서, 평균 경사각이란, 좌측 영역 또는 우측 영역에서, 도 13에 도시하는 바와 같이, 각 패턴 사면(46a)의 외향법선각도를 θ1, θ3, θ5, …로 하고, 각 패턴 사면(46b)의 내향법선각도를 θ2, θ4, θ6, …로 하고, 법선각도가 θ1, θ2, θ3, θ4, …의 각 패턴 사면(46a, 46b)의 횡폭을 D1, D2, D3, D4, …로 하였을 때, 외향법선의 평균각도(θm1)와, 내향법선의 평균각도(θm2)는, 다음 수식 3, 4로 표시된다.

[식 1]

마찬가지로, 광입사면(38)과 평행한 단면에서 광원 중심(C)과 그곳부터 우측을 향하여 W/2의 영역(우측 영역)에서도, 내향법선(N)이 광출사면(39)에 수직한 방향과 이루는 내향법선각도(θ2)의 평균각도(θm2)가, 외향법선(N)이 광출사면(39)에 수직한 방향과 이루는 외향법선각도(θ1)의 평균각도(θm1)보다도 작게 되어 있다(조건 4 : θm1>θm2).

이와 같은 형태를 실현하기 위해서는, 인접하는 2개의 패턴 사면(46a, 46b)(패턴 소자)에서, 패턴 사면(46a)의 외향법선각도(θ1)가, 패턴 사면(46b)의 내향법선각도(θ2)보다도 크든지, 또는 일부의 패턴 소자에서 같으면 좋다(조건 5 : θ1≥θ2). 광원 폭(W)의 영역의 어느 적어도 일부의 패턴 소자가, 이 조건 5를 충족시키고 있으면 된다. 가능한 한 많은 패턴 소자가, 이 조건 5를 충족시키고 있는 것이 바람직하지만, 모든 패턴 소자에 요구되는 것은 아니다.

도 7은 같은 형상의 패턴 소자를 반복 배열시킨 지향성 변환 패턴(36)을 도시하고 있다. 이 경우에는, 패턴 사면(46a)에 세운 법선(N)의 외향법선각도(θ1)는, 어느 패턴 소자에 대해서도 동일하고, 또한 그 평균각도(θm1)도 θ1과 동등하다. 마찬가지로, 패턴 사면(46b)에 세운 법선(N)의 내향법선각도(θ2)는, 어느 패턴 소자에 대해서도 동일하고, 또한 그 평균각도(θm2)도 θ2와 같다.

실시 형태 2의 면광원 장치에서는, 광원 중심(C)의 좌우 영역에서 각각, 내향법선(N)의 평균각도(θm2)가, 외향법선(N)의 평균각도(θm1)보다도 작게 되어 있다. 특히, 많은 패턴 소자에서, 패턴 사면(46a)의 외향법선각도(θ1)가, 패턴 사면(46b)의 내향법선각도(θ2)보다도 크든지, 또는 일부분의 패턴 소자에서 같게 되어 있다. 따라서, 도 8에 도시하는 바와 같이, 패턴 소자가 좌우 대칭의 지향성 변환 패턴과 비교하여, 패턴 사면(46a)에 입사하는 광(L1)의 입사각이 크게 되어, 광(L1)이 패턴 사면(46a)으로부터 누설되기 어려워진다. 또한, 도 8에 도시하는 바와 같이, 외향법선을 갖는 패턴 사면(46a)의 면적이, 내향법선을 갖는 패턴 사면(46b)의 면적보다도 작든지 같게 되어 있기 때문에, 발광 중심(32a)으로부터 경사 방향으로 출사한 광(L1)이 수직에 가까운 각도로 입사하는 패턴 사면(46a)의 면적이, 패턴 소자가 좌우 대칭의 지향성 변환 패턴(도 3 참조)과 비교하여 좁게 되어, 패턴 사면(46a)으로부터 광이 누설되기 어려워진다. 이 결과, 실시 형태 2의 면광원 장치(31)에 의하면, 광의 누설을 억제할 수 있고, 광의 이용 효율이 향상한다.

(만곡 또는 굴곡한 패턴 사면의 경우)

실시 형태 2에서도 패턴 사면(46a, 46b)은 반드시 평면일 필요는 없고, 만곡면이나 굴곡면이라도 좋다. 도 9A 내지 도 9D는, 패턴 사면(46a, 46b)을 곡면으로 구성한 지향성 변환 패턴(36)의 단면을 도시한다. 도 9A에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 패턴 사면(46a, 46b)이 모두, 외향으로 불룩해지도록 만곡하고 있다. 도 9B에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 패턴 사면(46a, 46b)이 모두 내측에 우묵해지도록 만곡하고 있다. 도 9C에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 패턴 사면(46a, 46b)중 한쪽이 외향으로 불룩해지고, 다른쪽이 내측에 우묵해져 있다. 또한, 도 9D에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 패턴 사면(46a, 46b)이 전체로서 매끈하게 만곡하고 있다.

이와 같이 패턴 사면(46a, 46b)이 만곡면 또는 굴곡면으로 구성되어 있는 경우에는, 그대로라면 패턴 사면(46a, 46b)에 세운 법선(N)의 각도(θ1, θ2)를 정할 수가 없다. 따라서 이 경우에는, 다음과 같이 하여 각 패턴 사면(46a, 46b)에 세운 법선(N)의 각도(법선각도)(θ1, θ2)를 정한다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 패턴 사면(46a)을 균등한 횡폭(△)으로 M1등분하고, M1등분한 개개의 사면에 각각 법선(N)을 세워, 각 법선(N)이 광출사면(39)에 수직한 방향과 이루는 각도(φ11, φ12, …)를 구한다. 각도(φ11, φ12, …)가 구하여지면, 그 패턴 사면(46a)의 법선각도(θ1)는, 다음 수식 5에 의해 구하여진다.

마찬가지로, 패턴 사면(46b)을 균등한 횡폭(△)으로 M2등분하고, M2등분한 개개의 사면에 각각 법선(N)을 세우고, 각 법선(N)이 광출사면(39)에 수직한 방향과 이루는 각도(φ21, φ22, …)를 구한다. 각도(φ21, φ22, …)가 구하여지면, 그 패턴 사면(46b)의 법선각도(θ2)는, 다음 수식 6에 의해 구하여진다.

[식 2]

또한, 실시 형태 2의 지향성 변환 패턴(36)에서도, 각 패턴 소자의 단면 형상을 광원 중심(C)부터의 거리에 응하여 변화시켜도 좋다. 도 12는, 광원 중심(C)부터의 거리(G)에 의해 패턴 소자의 단면 형상이 다른 지향성 변환 패턴(36)을 도시하고 있다. 특히, 도 12에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)에서는, 내향법선각도가, 광원 중심(C)부터의 거리(G)가 커짐에 따라 점차로 작게 되어 있든지, 또는 일부분의 패턴 소자에서는 같게 되어 있다. 또는, 외향법선각도가, 광원 중심(C)부터의 거리(G)가 커짐에 따라 크게 되어 있든지, 또는 일부분의 패턴 소자에서 같게 되어 있다.

이와 같이 패턴 소자의 단면 형상이 점차로 변화하고 있는 경우에도, 광원 중심(C)의 좌우 영역에서 각각, 내향법선의 평균각도(θm2)가, 외향 법선의 평균각도(θm1)보다도 작게 되어 있으면 된다. 그를 위해서는, 대부분의 패턴 소자에서, 외향법선각도(θ1)가, 내향법선각도(θ2)보다도 크든지, 또는 일부분의 패턴 소자에서 같으면 좋다.

실시 형태 1에서는, 패턴 소자의 단면 형상이 전체에 걸쳐 동일한 비교례와, 정각(ω)을 일정하게 유지하여 도 14, 도 15와 같이 내향법선각도와 외향법선각도를 변화시킨 경우의 도광 효율의 차이를 설명하였다. 이것은 실시 형태 2로서도 해석할 수 있기 때문에, 반복하여 설명한다.

상기한 바와 같이, 비교례와 실시 형태 2의 시뮬레이션에 이용한 면광원 장치의 모델에서는, 점광원의 광원 폭(W)이 2㎜, 도광판의 폭이 5.5㎜, 도광판 본체(34)의 두께(T)가 0.23㎜, 광도입부(35)의 높이(T)가 0.42㎜, 광도입부(35)의 길이가 1.5㎜, 도광판의 굴절율이 1.59이다. 또한, 비교례의 지향성 변환 패턴에서는, 정각(ω)이 120°인 좌우 대칭의 단면 형상의 패턴 소자가 반복 배열되어 있다. 실시 형태 2의 지향성 변환 패턴에서는, 광원 중심(C)의 위치에서는 정각이 120°인 좌우 대칭의 패턴 소자를 갖고 있지만, 광원 중심(C)으로부터 떨어짐에 따라 정각을 120°로 유지한 채로 도 15에 도시하는 바와 같이 내향법선각도와 외향법선각도를 변화시키고 있다. 도 15의 횡축은 광원 중심(C)부터 측정한 패턴 소자의 거리(G)가다. 도 15의 종축은, 거리(G)에 위치하는 패턴 소자의 외향법선각도 및 내향법선각도를 나타낸다. 도 15로 부터 알 수 있는 바와 같이, 실시 형태 2의 지향성 변환 패턴은, 도광판의 일방단부터 타방단까지 정각(ω)이 일정 각도(120°)로 유지되어 있고, 광원 폭(W)보다도 조금 넓은 영역까지 패턴 소자의 단면 형상이 변화하고, 그 외측에서는 일정한 단면 형상으로 되어 있다.

상기 시뮬레이션에 의하면, 비교례에서는 도광 효율이 91%임에 대해, 실시 형태 1에서는 도광 효율이 96%였다. 따라서, 패턴 소자의 단면 형상이 일정한 비교례에서는, 광도입부에서 9%의 광이 누설되고 손실로 됨에 대해, 정각을 일정하게 유지하고 패턴 소자의 외향법선각도와 내향법선각도를 변화시킨 실시 형태 1의 경우에는, 광도입부에서의 광의 누설이 4%로 작아짐을 알 수있다.

또한, 도 14의 지향성 변환 패턴(36)과 같이, 패턴 소자의 정각(ω)이 일정하다면, 성형 금형의 제작이 용이해진다. 즉, 도광판 성형용의 성형 금형을 제작하는 경우, 산형의 패턴 소자는 성형 금형에서는 V홈형상의 패턴으로 된다. 패턴 소자의 정각(ω)이 일정하다면, 공구로 절삭함에 의해 성형 금형에 V홈형상의 패턴을 순차적으로 절삭하는 경우, 하나의 V홈용 공구의 경사를 변화시키면서 순차적으로 V홈을 절입하여 갈 수가 있어서, 성형 금형의 제작이 용이해진다.

실시 형태 2에서의 지향성 변환 패턴(36)의 형상으로서는, 상기한 바와 같이 여러가지의 형상이 가능하지만, 본 발명의 발명자들에 의한 시험 및 검토의 결과, 어떤 형상의 지향성 변환 패턴(36)이라도, 다음의 조건 6을 충족시키면, 종래품보다도 높은 도광 효율을 얻어지는 것을 알았다 즉,

β=-(θ1-θ2)/(θ1+θ2)+0.782×(G/W) … (수식 7)

이라는 값을 생각할 때, β의 값이 -0.33 이상 0.17 이하라면, 종래품보다 높은 도광 효율을 얻을 수 있다. 여기서, θ1 및 θ2는, 인접하는 패턴 사면(46a, 46b)의 외향법선각도와 내향법선각도이다. G는, 당해 패턴 사면(46a, 46b)의 광원 중심(C)부터의 거리이다. W는 광원 폭이다.

도 19는, 상기한 값(β)과 도광 효율과의 관계를 도시하는 도면이다. 도 19의 종축은, 도광판의 도광 효율을, 종래품(좌우 대칭의 동일한 패턴 소자를 배열한 것)을 100%로 하여 나타낸 것이다. 도 19에 의하면, β가 0 부근에서 가장 효율이 높고, β가 -0.33 이상 0.17 이하라면, 종래품보다도 효율이 향상함을 알 수있다.

따라서, 인접하는 패턴 사면(46a, 46b)의 외향법선각도와 내향법선각도의 합(θ1+θ2)에 대한 외향 기분 법선각도로부터 내향법선각도를 뺀 차(θ1-θ2)의 비를 C=(θ1-θ2)/(θ1+θ2)로 하고, 상기 광원의 개구 폭(W)의 1/2에 대한 당해 2개의 사면의 광원 중심(C)부터의 거리(G)의 비를 B=G/(W/2)로 하면, 상기 수식 7은,

C=+0.391×B+β … (수식 8)

로 표시할 수 있고,

-0.33≤β≤0.17 … (조건 6)

의 범위에 있으면, 종래품보다도 도광 효율이 향상한다. 단, 조건 6은 모든 패턴 소자에 관해 요구되는 조건은 아니지만, 가능한 한 많은 패턴 소자가 조건 6을 충족시키고 있는 것이 바람직하다.

도 20은, 횡축에 B=G/(W/2), 종축에 C=(θ1-θ2)/(θ1+θ2)를 정하고, β의 값이 -0.42 내지 0.25의 직선을 그린 도면이다. 이 도면의 해칭을 행한 영역 내에 있으면, 그 면광원 장치의 도광 효율은 종래품보다도 향상한다.

(정각의 범위)

도 21은, 산형 또는 V홈형상을 한 패턴 소자로 이루어지는 지향성 변환 패턴(36)의 정각(ω)과 도광 효율과의 관계를 도시하는 도면이다. 도 21의 종축은, 도광판의 도광 효율을, 종래품(좌우 대칭의 동일한 패턴 소자를 배열한 것)을 100%로 하여 나타낸 것이다. 도 21에 의하면, 정각(ω)이 약 120°에서 가장 효율이 높고, 정각(ω)이

57°≤ω≤145° … (수식 9)

이면, 종래품보다도 효율이 향상함을 알 수있다.

여기서, 패턴 소자의 정각을 ω, 외향법선각도를 θ1, 내향법선각도를 θ2로 하면, 이들 사이에는,

ω+θ1+θ2=180°

의 관계가 있다. 이 관계를 이용하면, 수식 9는,

57°≤180°-(θ1+θ2)≤145°

로 표시된다. 따라서 광입사면(38)과 평행하게 자른 지향성 변환 패턴(36)의 단면 중, 점광원(32)의 전방에 위치하고, 또한, 광원 폭(W)의 영역 내에서, 지향성 변환 패턴(36)의 패턴 소자가,

35°≤(θ1+θ2)≤123°

라는 조건을 충족시키면, 지향성 변환 패턴(36)에서의 광의 누설을 작게 하여 광이용 효율을 향상시킬 수 있다.

도 22는, 패턴 소자의 폭(D1+D2)과 도광 효율과의 관계를 시뮬레이션에 의해 평가한 결과를 도시하는 도면이다. 이 시뮬레이션에 이용한 모델은, 광도입부(35)의 두께(T)와 도광판 본체(34)의 두께(T)와의 차(T-t)가 0.19㎜, 정각(ω)이 최적각(最適角)인 120°, 지향성 변환 패턴(36)의 길이(광입사면(38)에 수직한 방향에서의 길이)가 1.5㎜인 도광판이다. 도 22에서, 패턴 소자의 폭(D1+D2)이 커지면 도광 효율이 저하되고 있는 것은, 패턴 소자의 폭이 커지면, 지향성 변환 패턴(36)의 제작 방법에 의해서는 광도입부(35)에 패턴 소자가 없는 사면이 증가하기 때문이다. 상기 시뮬레이션의 파라미터는, 패턴 소자의 폭의 증가에 의한 효율 저하가 큰 경우의 예이다. 도 22에 의하면, 도광 효율의 저하를 10% 미만으로 억제하기 위해서는, 패턴 소자의 폭(D1+D2)은 0.33㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 특히, 도광 효율의 저하는 5% 미만으로 억제하고 싶기 때문에, 패턴 소자의 폭은 0.2㎜ 이하가 바람직하다.

(복수의 점광원을 구비한 면광원 장치)

다음에, 복수의 점광원(32)을 구비한 면광원 장치(51)를 설명한다. 도 23은, 도광판(33)의 광입사면(38)에 대향시켜서 복수개의 점광원(32)을 배치한 면광원 장치(51)를 도시하는 사시도이다. 또한, 도 24는, 면광원 장치(51)의 평면도이다. 이 면광원 장치(51)에서는, 점광원(32)과 점광원(32)의 중간을 경계로 하여, 점광원(32)의 피치(P)와 같은 주기로, 같은 지향성 변환 패턴(36)이 주기적으로 형성되어 있다. 예를 들면, 점광원(32)의 피치(P)가 5.5㎜이고, 지향성 변환 패턴(36)의 주기(W)도 5.5㎜로 되어 있다.

이와 같이 복수의 점광원(32)을 나열한 경우에는, 지향성 변환 패턴(36)중 이웃하는 점광원(32)의 중간부분에서는, 양측의 점광원(32)으로부터의 광이 도달하는 일이 있다. 지향성 변환 패턴(36)의 어느 개소에 양측의 점광원(32)으로부터의 광이 동시에 입사하면, 양쪽의 광에 대해 광누설이 생기기 어렵도록 최적 설계할 수가 없게 되기 때문에, 면광원 장치의 광이용 효율이 나빠진다.

따라서 지향성 변환 패턴(36)은, 복수의 점광원(32)으로부터의 광이 입사하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 점광원(32)으로부터 출사하여 광입사면(38)으로부터 광도입부(35)에 들어간 광의 입사각(γ)은, 프레넬의 법칙에 의해

γ=arcsin(1/n) … (수식 10)

로 표시된다. 단, n는, 도광판(33)의 굴절율이다. 따라서, 광도입부(35) 내에서의 광의 퍼짐은, 도 24에 도시하는 바와 같이, 광원 중심(C)을 중심으로 하여 좌우에γ의 범위가 된다. 지향성 변환 패턴(36)에서의 광의 횡방향에의 퍼짐(g)는,

도 24와 상기 수식 10으로부터,

g=Stanγ≒S·γ=S·arcsin(1/n) … (수식 11)

이 된다. 광원 중심(C)으로부터 γ의 방향으로 도광된 광이 옆의 영역에 들어가지 않기 위해서는, 이 횡방향 퍼짐(g)이 점광원(32)의 피치(P)의 1/2보다도 작으면 좋기 때문에,

g≤P/2 (조건 7)

가 된다. 단, S는, 점광원(32)의 단면(발광면)부터 측정한 지향성 변환 패턴(36)의 단까지의 거리이다. 따라서, 지향성 변환 패턴(36)에 2방향부터 광이 도달하지 않도록 하기 위한 조건은, 상기 수식 11과 조건 7로부터,

S≤P/[2·arcsin(1/n)] … (조건 8)

이 된다.

따라서 복수의 점광원(32)을 이용하는 경우에는, 점광원(32)의 단면부터 측정한 지향성 변환 패턴(36)의 단까지의 거리(S)를,

S≤P/[2·arcsin(1/n)]

라는 조건을 충족시키도록 정하면, 지향성 변환 패턴(36)을 최적 설계하는 것이 가능해지고, 광누설을 줄여서 광이용 효율을 높일 수 있다. 예를 들면, 점광원(32)의 피치를 P=5.5㎜, 도광판(33)의 굴절율을 n=1.59(폴리카보네이트 수지)로 하면,

J≤약 4㎜

가 되고, 지향성 변환 패턴(36)을 마련한 영역의 길이도 약 4㎜ 이하면 좋다.

도광판(33)의 광입사면(38)에 대향시켜서 복수개의 점광원(32)을 배치하는 형태로서는, 도 25에 도시하는 바와 같이, 복수의 점광원(32)을 등(等)피치로 나열하고, 각 점광원(32)을 위한 지향성 변환 패턴(36)의 주기(W)도 동등하게 한 것이 기본이 된다. 그러나, 도 26에 도시하는 바와 같이, 양단의 점광원(32)은 짧은 피치로 배치하고, 양단의 점광원(32)을 위한 지향성 변환 패턴(36)의 주기(W1)을 다른 부분의 주기(W2)보다도 짧게 하여도 좋다. 반대로, 도 27에 도시하는 바와 같이, 양단의 점광원(32)은 긴 피치로 배치하고, 양단의 점광원(32)을 위한 지향성 변환 패턴(36)의 주기(W2)를 다른 부분의 주기(W1)보다도 길게 하여도 좋다. 또한, 도 28에 도시하는 바와 같이, 점광원(32)의 피치와, 각 점광원(32)을 위한 지향성 변환 패턴(36)의 주기(W1, W2, W3, W4)를 랜덤하게 정하여도 좋다.

(지향성 변환 패턴의 여러가지의 형태)

도 29A 내지 도 29C, 도 30A 내지 도 30C는, 지향성 변환 패턴(36)의 여러가지의 형태를 도시하는 개략 평면도이다. 지향성 변환 패턴(36)은, 여기에 도시하는 바와 같이, 여러가지의 형상으로 형성할 수도 있다.

도 29A에 도시하는 도광판(33)에서는, 경사면(37)의 도중부터 경사면(37)의 하단까지 지향성 변환 패턴(36)을 마련하고 있고, 경사면(37)의 상부는 평탄면으로 되어 있다. 도 29B에 도시하는 도광판(33)에서는, 광도입부(35)의 윗면의 전체에 지향성 변환 패턴(36)을 마련하고 있다. 도 29C에 도시하는 도광판(33)에서는, 점광원(32)의 전방에 위치하는 경사면(37)의 중앙부에만 지향성 변환 패턴(36)을 마련하고 있다.

도 30A에 도시하는 도광판(33)에서는, 지향성 변환 패턴(36)을 형성한 영역의 하측의 연(緣)이 볼록형상으로 굴곡 또는 만곡하고 있다. 도 30B에 도시하는 도광판(33)에서는, 지향성 변환 패턴(36)의 패턴 소자가 평행이 아니라, 예를 들면 방사형상으로 배열되어 있다. 도 30C에 도시하는 지향성 변환 패턴(36)은, 지그재그로 굴곡한 패턴 소자에 의해 구성되어 있다.

(도광판의 여러가지의 형태)

도 31A 내지 도 31C, 도 32A 내지 도 32C, 도 33A 내지 도 33C 및 도 34A 내지 도 34C는, 도광판(33)의 여러가지의 형상을 도시하는 개략 측면도이다. 이들의 도광판을 이용한 경우에도, 본원 발명이 효과를 이루는 것이 가능하다.

도 31A에 도시하는 것은, 광도입부(35)의 단의 수평부분을 없애고, 경사면(37)이 광입사면(38)부터 시작되도록 한 것이다. 도 31B에 도시하는 것은, 광도입부(35)의 경사면(37)을 복수단으로 마련한 것이다. 도 31C에 도시하는 것은, 광도입부(35)의 경사면(37)을 만곡면으로 한 것이다.

도 32A에 도시하는 것은, 도광판 본체(34)의 윗면을 경사시켜서 도광판 본체(34)를 테이퍼형상으로 형성한 것이다. 도 32B, 도 32C에 도시하는 것은, 광도입부(35)의 윗면의 광입사면(38)측의 단을 경사면(37)과는 반대 방향으로 경사시켜서 역경사부(61)를 마련한 것이다. 특히, 도 32C에서는, 역경사부(61)를 마련함에 의해 광도입부(35)의 단의 높이(T')가 도광판 본체(34)의 두께(T)보다도 작게 되어 있다.

도 33A에 도시하는 것은, 광도입부(35)의 상하 양면에 경사면(37)을 마련하고, 그 중의 한쪽의 경사면(37), 또는 양쪽의 경사면(37)에 지향성 변환 패턴(36)을 마련한 것이다. 도 33B에 도시하는 바와 같이, 도광판 본체(34)의 일부에 광도입부(35)의 두께보다도 큰 부분(62)을 마련하고 있어도 무방하다.

또한, 도 33A, 도 33B에 도시하는 바와 같이, 광도입부(35)의 최상면을 완만하게 경사시켜서 완경사면(63)으로 하여도 무방하다.

도 33C는, 광도입부(35)의 경사면(37)과 하면과의 쌍방에 지향성 변환 패턴(36)을 마련한 것이다. 또한, 도 34A는, 광도입부(35)의 하면에만 지향성 변환 패턴(36)을 마련한 것이다. 도 33C 및 도 34A에 도시하는 바와 같이, 광도입부(35)의 하면에 마련한 지향성 변환 패턴(36)은, 도광판 본체(34)의 하면으로 비어져 나와 있어도 좋다.

도 34B 및 도 34C의 도광판(33)에서는, 경사면(37)이 도중에서 경사를 변화시키고 있고 2단계로 형성되어 있다. 그리고, 도 34B의 도광판(33)에서는, 경사면(37)의 전체에 지향성 변환 패턴(36)을 마련하고 있고, 도 34C의 도광판(33)에서는, 경사면(37)의 하반분에만 지향성 변환 패턴(36)을 마련하고 있다.

또한, 상기 실시 형태 및 변형례에서는, 1개의 광원을 이용한 경우를 설명하였지만, 도광판의 광입사면에 대향시켜서 복수개의 점광원을 나열하여도 좋다. 이 경우에는, 각 점광원의 위치에 대응시켜서, 점광원의 배열 피치와 동등한 간격마다 상기한 바와 같은 구성의 지향성 변환 패턴 등을 반복하여 마련하면 좋다.

또한, 상기 각 실시 형태 및 변형례에서는, 도광판의 윗면에 지향성 변환 패턴을 마련하고 있지만, 도광판의 하면, 또는 도광판의 윗면과 하면의 쌍방에 지향성 변환 패턴을 마련하고 있어도 좋다.

또한, 경사면(37)은 광출사면(39)과 반대면(하면)에 마련하고 있어도 좋다.

31, 51 : 면광원 장치
32 : 점광원
32a : 발광 중심
33 : 도광판
34 : 도광판 본체
35 : 광도입부
36 : 지향성 변환 패턴
37 : 경사면
38 : 광입사면
46a, 46b : 패턴 사면
C : 광원 중심
D1, D2 : 패턴 사면의 횡폭
θ1, θ2 : 법선각도
θm1, θm2 : 법선의 평균각도

Claims

광원과,
상기 광원의 광을 광입사면부터 도입하여 광출사면으로부터 외부에 출사시키는 도광판을 구비한 면광원 장치로서,
상기 광원은, 상기 도광판의 광입사면과 대향하는 위치에 마련되고,
상기 도광판은, 광입사면으로부터 입사한 광원으로부터의 광을 가두기 위한 광도입부와, 상기 광도입부의 최대의 두께보다도 작은 두께로, 상기 광도입부와 연속하도록 마련되어서 가둔 광을 광출사 수단에 의해 광출사면으로부터 외부에 출사시키도록 한 도광판 본체를 구비하고,
상기 광도입부는, 상기 도광판의 광출사측의 면과 그 반대면 중 적어도 한쪽의 면에, 상기 도광판 본체보다 두께가 큰 부분의 표면부터 상기 도광판 본체의 표면의 단을 향하여 경사한 경사면을 가지며,
상기 도광판은, 광출사측의 면과 그 반대면 중 적어도 한쪽의 면에, 상기 광도입부에 입사한 광의 상기 도광판의 두께 방향에서의 지향성 퍼짐을 도광판의 면방향과 평행한 방향을 향하여 기울어진 지향 특성으로 변환시키기 위한 지향성 변환 패턴을 가지며,
상기 지향성 변환 패턴은, 상기 도광판의 폭방향에 따라 능선과 골선을 교대로 반복하도록 구성되어 있고,
상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서,
상기 지향성 변환 패턴의 능선 중 어느 하나의 능선과 당해 능선에 인접하는 한쪽의 골선을 잇는 사면과, 당해 능선과 당해 능선에 인접하는 다른쪽의 골선을 잇는 사면이, 당해 능선을 통과하여 상기 광출사면에 수직한 직선에 관해 비대칭으로 되어 있고, 광원 중심의 양측에 다른 형상의 상기 비대칭 형상부분이 적어도 1조 존재하고,
또한, 광원 중심의 양측의 영역에서 각각, 상기 도광판의 내부로부터 외부를 향하여 상기 지향성 변환 패턴의 인접하는 능선과 골선을 잇는 사면에 법선을 세운 때, 상기 법선이 광원 중심측으로 기울어져 있는 사면의 횡폭의 총합이, 상기 법선이 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 사면의 횡폭의 총합보다도 큰 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
제 1항에 있어서,
상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서,
인접하는 2개의 상기 사면은, 상기 법선이 광원 중심측으로 기울어져 있는 사면의 횡폭이, 상기 법선이 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 사면의 횡폭보다도 크든지 또는 같은 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
제 1항에 있어서,
상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서,
인접하는 2개의 상기 사면의 횡폭의 합에 대한 그 중의 상기 법선이 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 사면의 횡폭의 비는, 광원 중심부터의 거리가 커짐에 따라 감소하고 있든지 또는 같은 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
제 1항에 있어서,
상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서,
인접하는 2개의 상기 사면의 횡폭의 합에 대한 그 중의 상기 법선이 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 사면의 횡폭의 비를 A로 하고,
상기 광원의 개구폭의 1/2에 대한 당해 2개의 사면의 광원 중심부터의 거리의 비를 B로 하여,
A=-0.456×B+α
로 표시한 때,
상기 α의 값이,
0.3≤α≤0.9
의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
광원과,
상기 광원의 광을 광입사면부터 도입하여 광출사면으로부터 외부에 출사시키는 도광판을 구비한 면광원 장치로서,
상기 광원은, 상기 도광판의 광입사면과 대향하는 위치에 마련되고,
상기 도광판은, 광입사면으로부터 입사한 광원으로부터의 광을 가두기 위한 광도입부와, 상기 광도입부의 최대의 두께보다도 작은 두께로, 상기 광도입부와 연속하도록 마련되어서 가둔 광을 광출사 수단에 의해 광출사면으로부터 외부에 출사시키도록 한 도광판 본체를 구비하고,
상기 광도입부는, 상기 도광판의 광출사측의 면과 그 반대면 중 적어도 한쪽의 면에, 상기 도광판 본체보다 두께가 큰 부분의 표면부터 상기 도광판 본체의 표면의 단을 향하여 경사한 경사면을 가지며,
상기 도광판은, 광출사측의 면과 그 반대면 중 적어도 한쪽의 면에, 상기 광도입부에 입사한 광의 상기 도광판의 두께 방향에서의 지향성 퍼짐을 도광판의 면방향과 평행한 방향을 향하여 기울어진 지향 특성으로 변환시키기 위한 지향성 변환 패턴을 가지며,
상기 지향성 변환 패턴은, 상기 도광판의 폭방향에 따라 능선과 골선을 교대로 반복하도록 구성되어 있고,
상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서,
상기 지향성 변환 패턴의 능선 중 어느 하나의 능선과 당해 능선에 인접하는 한쪽의 골선을 잇는 사면과, 당해 능선과 당해 능선에 인접하는 다른쪽의 골선을 잇는 사면이, 당해 능선을 통과하여 상기 광출사면에 수직한 직선에 관해 비대칭으로 되어 있고, 광원 중심의 양측에 다른 형상의 상기 비대칭 형상부분이 적어도 1조 존재하고,
또한, 광원 중심의 양측의 영역에서 각각, 상기 도광판의 내부로부터 외부를 향하여 상기 지향성 변환 패턴의 인접하는 능선과 골선을 잇는 사면에 법선을 세운 때, 광원 중심측으로 기울어져 있는 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도의 평균각도가, 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도의 평균각도보다도 작은 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
제 5항에 있어서,
상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서,
인접하는 2개의 상기 사면은, 광원 중심측으로 기울어져 있는 상기 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도가, 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 상기 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도보다도 작든지 또는 같은 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
제 5항에 있어서,
상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서,
광원 중심측으로 기울어져 있는 상기 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도가, 광원 중심부터의 거리가 커짐에 따라 작게 되어 있든지 또는 같은 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
제 5항에 있어서,
상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서,
광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 상기 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도가, 광원 중심부터의 거리가 커짐에 따라 크게 되어 있든지 또는 같은 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
제 5항에 있어서,
상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서,
인접하는 2개의 상기 사면중 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도와 광원 중심측으로 기울어져 있는 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도와의 합에 대한, 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도로부터 광원 중심측으로 기울어져 있는 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도를 뺀 차의 비를 C로 하고,
상기 광원의 개구폭의 1/2에 대한 당해 2개의 사면의 광원 중심부터의 거리의 비를 B로 하여,
C=+0.391×B+β
로 표시한 때, 상기 β의 값이,
-0.33≤β≤0.17
의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
제 1항 또는 제 5항에 있어서,
상기 지향성 변환 패턴은, 상기 도광판의 폭방향에 따라 복수의 패턴 소자를 배열한 것이고,
상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서, 광원 중심의 양측의 영역에 각각, 광을 반사함에 의해, 광원 중심과 반대측을 향한 광이 반사 전보다도 많아지도록 반사한 광의 지향 특성을 변환하는 상기 패턴 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
제 1항 또는 제 5항에 있어서,
상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서,
광원 중심의 양측의 영역에서 각각, 광원 중심측으로 기울어져 있는 상기 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도와 광원 중심과 반대측으로 기울어져 있는 상기 법선이 상기 광출사면에 수직한 방향과 이루는 각도와의 합이, 35°이상 123°이하인 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
제 11항에 있어서,
상기 지향성 변환 패턴이, V홈형상을 한 복수의 패턴 소자에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
제 12항에 있어서,
상기 광입사면과 평행하게 자른 상기 지향성 변환 패턴의 단면 중, 상기 광원의 전방에 위치하고, 또한, 상기 광원과 동등한 폭을 갖는 영역 내에 있는 부분에서,
상기 V홈형상을 한 패턴 소자 사이에 형성된 능선 부분의 정각이 일정한 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
제 1항 또는 제 5항에 있어서,
상기 광입사면에 대향하는 위치에, 간격(P)을 두어서 복수개의 상기 광원이 배치되고, 상기 도광판의 굴절율을 n으로 할 때, 상기 지향성 변환 패턴은, 상기 광원의 광출사측 단면부터
P/[2·arcsin(1/n)]
의 거리 이하의 영역 내에 존재하고 있는 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
제 1항 또는 제 5항에 있어서,
상기 광입사면에 대향하는 위치에, 복수개의 상기 광원이 배치되고,
상기 지향성 변환 패턴은, 이웃하는 광원과 광원의 사이의 중앙을 경계로 하여 주기적으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
제 1항 또는 제 5항에 있어서,
상기 광출사면에 수직한 방향에서 본 때, 상기 지향성 변환 패턴은, 평행하게 나열한 복수의 패턴 소자에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 면광원 장치.
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