JP2007188065A - Optical element and illuminating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、面状発光素子等から射出された光の進行方向を変換することができる光学素子と、このような光学素子を備えた照明装置とに関する。 The present invention relates to an optical element that can change the traveling direction of light emitted from a planar light emitting element or the like, and an illumination device including such an optical element.
従来、プリズムシートを用いることで、面状照明装置から射出された光の進行方向を面状照明装置の発光面の法線方向に集めて、当該法線方向における輝度を高くする技術が知られている。この種のプリズムシートは、例えば透明な平板の一面に隙間無く三角プリズムや正四角錘を配列した構造を有し、斜面の傾斜角度を適当な範囲とすることによって目的とする光路変換特性を得ている(特許文献1参照)。なお、このプリズムシートについては、正四角錘を正四角錘台にしても実質的機能が損なわれない旨記載されている。
しかしながら、本発明者は、プリズムシートの形状等に関する様々なシミュレーションを行った結果として、三角プリズム等の傾斜角度を調整するだけでは、目的とする光路変換特性が必ずしも得られず、面状発光素子からの光を効率良く発光面の法線方向すなわち正面方向に取り出すことが難しいことを発見した。 However, as a result of performing various simulations on the shape of the prism sheet and the like, the present inventor does not necessarily obtain the desired optical path conversion characteristics by merely adjusting the inclination angle of the triangular prism, etc. It has been found that it is difficult to efficiently extract light from the light source in the normal direction of the light emitting surface, that is, the front direction.
そこで、本発明は、面状発光素子等からの光を効率良く正面方向に取り出すことができる光学素子を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical element that can efficiently extract light from a planar light emitting element or the like in the front direction.
また、本発明は、上記のような光学素子を組み込んだ照明装置を提供することを目的とする。 Moreover, an object of this invention is to provide the illuminating device incorporating the above optical elements.
上記課題を解決するため、本発明に係る光学素子は、入射面と、入射面の反対側に形成され複数の凸部を有する射出部とを備える光学素子であって、凸部を入射面に垂直な基準面に投影した基準形状が略台形状であり、基準形状の高さと、基準形状の2つの斜辺を延長してできる三角形の高さとが、所定の条件を満たす光学素子を提供する。 In order to solve the above-described problems, an optical element according to the present invention is an optical element that includes an incident surface and an exit portion that is formed on the opposite side of the incident surface and has a plurality of convex portions. The reference shape projected onto the vertical reference plane is substantially trapezoidal, and an optical element is provided that satisfies the predetermined condition that the height of the reference shape and the height of a triangle formed by extending two oblique sides of the reference shape.
以下、本発明に係る好ましい様態を説明する。 本発明に係る光学素子は、(a)入射面と、(b)入射面の反対側に形成され複数の凸部を有する射出部とを備える。そして、本光学素子においては、凸部を入射面に垂直な基準面に投影した基準形状が略台形状であり、基準形状の高さをh1とし、基準形状の2つの斜辺を延長してできる三角形の高さをh2とした場合に、以下の条件
1≦(h2−h1)/h2×100≦35
を満たす。
Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described. An optical element according to the present invention includes (a) an incident surface, and (b) an emission portion formed on the opposite side of the incident surface and having a plurality of convex portions. In the present optical element, the reference shape obtained by projecting the convex portion onto the reference surface perpendicular to the incident surface is a substantially trapezoidal shape, the height of the reference shape is h1, and two oblique sides of the reference shape can be extended. When the height of the triangle is h2, the following condition 1 ≦ (h2−h1) / h2 × 100 ≦ 35
Meet.
上記光学素子では、凸部を入射面に垂直な基準面に投影した基準形状が略台形状であるので、入射面に対して小さな傾き角を有して入射した光束の一部については、凸部のうち台形の上辺に対応する平坦面を通過して光学素子の略正面方向(第1面方向)に射出され、入射面に対して大きな傾き角を有して入射した光束の一部については、凸部のうち台形の斜辺に対応する傾斜面を通過して屈折されつつ光学素子の略正面方向に射出される。ここで、凸部が三角形の頂部を切り取った断面を有すると考えた場合の欠け量TA=(h2−h1)/h2×100(%)が35%を超えると光の進む向きを変える作用を有する傾斜面が少なくなる。つまり、欠け量TAを35%以下とすることで、傾斜面を十分確保でき傾斜面を介して進む向きを変えた光束を正面方向に十分な光量で射出させることができる。一方、欠け量TAが1%未満となると正面方向の光束を直進させつつ射出させる作用を有する平坦面が少なくなる。つまり、欠け量TAを1%以上とすることで、例えば光源に設けたミラーとの多重反射によって凸部の頂部に集まり易い光束を略正面方向に十分な光量で射出させることができる。なお、欠け量TAが0%であると、凸部の尖った先端が欠け易くなり、破片によって光が予期しない方向に曲がって正面方向に入射される光が十分に得られないという問題が生じる。 In the optical element described above, the reference shape obtained by projecting the convex portion onto the reference surface perpendicular to the incident surface is substantially trapezoidal. Therefore, a part of the incident light beam having a small inclination angle with respect to the incident surface is convex. A part of a light beam that passes through a flat surface corresponding to the upper side of the trapezoid and is emitted in a substantially front direction (first surface direction) of the optical element and has a large inclination angle with respect to the incident surface. Is emitted through the inclined surface corresponding to the hypotenuse of the trapezoid among the convex portions while being refracted and emitted in a substantially front direction of the optical element. Here, when the amount of chip TA = (h2−h1) / h2 × 100 (%) when the convex portion is considered to have a cross-section cut out from the top of the triangle exceeds 35%, the direction in which the light travels is changed. There are fewer inclined surfaces. That is, by setting the chipping amount TA to 35% or less, it is possible to ensure a sufficient inclined surface and to emit a light beam whose direction of travel through the inclined surface is changed with a sufficient amount of light in the front direction. On the other hand, when the chipping amount TA is less than 1%, the number of flat surfaces having the effect of emitting the light beam in the front direction while traveling straight is reduced. That is, by setting the missing amount TA to 1% or more, for example, a light beam that easily collects at the top of the convex portion due to multiple reflection with a mirror provided in the light source can be emitted with a sufficient amount of light in the front direction. In addition, when the chipping amount TA is 0%, the sharp tip of the convex portion is easily chipped, and there is a problem that light that is bent in an unexpected direction due to the fragments and incident on the front direction cannot be obtained sufficiently. .
本発明の具体的な態様又は観点では、上記光学素子において、基準形状が略等脚台形状である。この場合、凸部の両側面から同様の光路変換特性で光束を射出させることができる。 In a specific aspect or viewpoint of the present invention, in the optical element, the reference shape is a substantially isosceles trapezoidal shape. In this case, a light beam can be emitted from both side surfaces of the convex portion with the same optical path conversion characteristics.
また、本発明の別の態様では、凸部を入射面と基準面とに垂直な直交面に投影した直交形状が略台形状である。この場合、基準面のみならず直交面に関しても所望の光路変換特性が得られるので光学素子の正面方向に効率良く光を取り出すことができる。 In another aspect of the present invention, the orthogonal shape obtained by projecting the convex portion onto an orthogonal surface perpendicular to the incident surface and the reference surface is a substantially trapezoidal shape. In this case, since desired optical path conversion characteristics can be obtained not only on the reference plane but also on the orthogonal plane, light can be efficiently extracted in the front direction of the optical element.
本発明のさらに別の態様では、凸部が四角錘台形状を有する。この場合、凸部を2次元的に効率良く配列することができる。 In still another aspect of the present invention, the convex portion has a square frustum shape. In this case, the convex portions can be efficiently arranged two-dimensionally.
本発明のさらに別の態様では、凸部が正四角錘台形状を有する。この場合、基準面及び直交面に関して同一の光路変換特性を達成することができ、光学素子の正面方向に効率良く光を取り出すことができる。 In still another aspect of the present invention, the convex portion has a regular square frustum shape. In this case, the same optical path conversion characteristics can be achieved with respect to the reference plane and the orthogonal plane, and light can be efficiently extracted in the front direction of the optical element.
本発明のさらに別の態様では、凸部が、該凸部の上端に形成され、入射面に略垂直に入射する光を透過する平坦面と、該凸部の側方に形成され、入射面に略垂直に入射する光を反射する傾斜面とを有する。このような条件は、凸部の透明材料の屈折率等によって調節することができる。 In yet another aspect of the present invention, the convex portion is formed at the upper end of the convex portion, is formed on a flat surface that transmits light that is incident substantially perpendicular to the incident surface, and is formed on the side of the convex portion. And an inclined surface that reflects light that is incident substantially perpendicularly. Such conditions can be adjusted by the refractive index of the transparent material of the convex portion.
本発明のさらに別の態様では、基準形状の底辺と斜辺とのなす角をβ(°)とし、射出部の屈折率をnとした場合に、以下の条件
33<β/√n<39
を満たす。ここで、値DP=β/√nは、入射光の進行方向を変換する作用の程度を表すパラメータである。値DP=β/√nが例えば33より大きい場合、進行方向を変換する作用が強くなって光学素子の正面方向に光を取り出す効果が十分に得られやすくなると考えられ、値DP=β/√nが例えば39よりも小さい場合、進行方向を変換する作用が弱くなって光学素子の正面方向に入射される光が増大する傾向が生じると考えられる。
In still another aspect of the present invention, when the angle formed between the base and the hypotenuse of the reference shape is β (°) and the refractive index of the exit portion is n, the following
Meet. Here, the value DP = β / √n is a parameter representing the degree of action for converting the traveling direction of incident light. When the value DP = β / √n is larger than 33, for example, it is considered that the effect of converting the traveling direction becomes strong and the effect of extracting light in the front direction of the optical element can be sufficiently obtained, and the value DP = β / √ When n is smaller than 39, for example, it is considered that the action of changing the traveling direction is weakened and the light incident on the front direction of the optical element tends to increase.
本発明のさらに別の様態では、光学素子がPMMAにより形成され、基準形状の底辺と斜辺とのなす角をβ(°)とし、射出部の屈折率をnとした場合に、以下の条件を満たす。
40.3°<β<47.6°
In still another aspect of the present invention, when the optical element is formed of PMMA, the angle formed between the base and the hypotenuse of the reference shape is β (°), and the refractive index of the exit portion is n, the following conditions are satisfied. Fulfill.
40.3 ° <β <47.6 °
本発明のさらに別の態様では、射出部が凸部を互いに隣接した状態で連続的に配置した形状を有する。この場合、入射光を無駄なく取り込んで効率的にその進行方向を変換することができる。 In yet another aspect of the present invention, the injection portion has a shape in which the convex portions are continuously arranged in a state of being adjacent to each other. In this case, incident light can be captured without waste and its traveling direction can be efficiently converted.
本発明に係る照明装置は、(a)面状発光素子と、(b)面状発光素子の第1面側に配置される上述の光学素子と、(c)面状発光素子の前記第1面側とは反対側である第2面側に配置される反射素子とを備える。 The lighting device according to the present invention includes (a) a planar light emitting element, (b) the above-described optical element disposed on the first surface side of the planar light emitting element, and (c) the first of the planar light emitting element. A reflective element disposed on the second surface side opposite to the surface side.
上記照明装置では、以上で説明した光学素子を用いており、面状発光素子から取り出される光の正面輝度を高めることができる。 The lighting device uses the optical element described above, and can increase the front luminance of the light extracted from the planar light emitting element.
本発明の別の態様では、面状発光素子がランバーシアン型の配光特性を有する。この場合、凸部の上端の平坦面から光学素子の正面方向に射出される光と、凸部の側方の傾斜面から光学素子の正面方向に射出される光とをバランス良く増加させることができ、光の利用効率を高めることができる。 In another aspect of the present invention, the planar light emitting device has a Lambertian light distribution characteristic. In this case, the light emitted in the front direction of the optical element from the flat surface at the upper end of the convex part and the light emitted in the front direction of the optical element from the inclined surface on the side of the convex part can be increased in a balanced manner. It is possible to increase the light use efficiency.
本発明の具体的な態様では、上記照明装置において、面状発光素子が有機EL素子、無機EL素子、及びLED素子のいずれかで形成される。この場合、小型で高効率の照明装置を得ることができる。 In a specific aspect of the present invention, in the lighting device, the planar light emitting element is formed of any one of an organic EL element, an inorganic EL element, and an LED element. In this case, a small and highly efficient lighting device can be obtained.
〔第1実施形態〕
図1(a)は、第1実施形態の照明装置の部分拡大平面図であり、図1(b)は、同照明装置の部分拡大側断面図である。
[First Embodiment]
Fig.1 (a) is a partial enlarged plan view of the illuminating device of 1st Embodiment, FIG.1 (b) is the partial expanded side sectional view of the illuminating device.
この照明装置10は、面状発光素子としての有機EL素子(有機エレクトロルミネッセンス素子)20と、光学素子としてのプリズムシート30と、反射素子としてのミラー部材40とを備える。
The
有機EL素子20は、透明基板21上に形成された発光層22からなる。ここで、発光層22は公知の構造を有する。すなわち、発光層22では、一対の電極間に有機発光材料を含有する有機層が狭持され、電極間に電流が流されるとホール( 正孔)と電子とが再結合して励起子が生成し、有機発光材料が励起状態となり、これが基底状態に戻る際に光を発する。なお、発光層22は、ランバーシアン型の配光特性を有するものとなっている。つまり、発光層22から射出される光は、発光層22の法線方向を基準とした射出角をθとし正面輝度をI0としたとき、I0・cosθで表される配光パターンを有する。つまり、側方から見た分布は、発光中心の正面方向を直径とするような円形断面を有する。
The
プリズムシート30は、有機EL素子20の正面側(第1面側)に設けられており、透明な板状の基板部31と、多数のプリズム状の凸部32からなる射出部33とを有する。基板部31は、ガラスやアクリル樹脂などで構成され、有機EL素子20側の底部に平坦な入射面34を有する。この入射面34は、有機EL素子20との境界面となっている。射出部33は、入射面34の反対側に形成されており、射出部33を構成する凸部32は、三角形の頂部を切り取ったような台形断面を有するプリズムである。より具体的に説明すると、凸部32を入射面に垂直なXZ面(すなわち基準面)に投影した断面形状(すなわち基準形状)は等脚台形となっており、この等脚台形をY方向に移動させた軌跡が凸部32の形状となっている。結果的に、射出部33は、Y方向に延びる台形プリズムである凸部32をX方向に隙間無く隣接した状態で連続的に配置した構造を有する。各凸部32は、上端に形成された平坦面32aと、側方に形成された傾斜面32bとを有する。平坦面32aは、台形の上辺に対応し、傾斜面32bは、台形の斜辺に対応する。なお、基板部31と射出部33の屈折率は、互いに異なるものとすることもできるが、以下で説明する実施形態では、簡単のため同一屈折率であるものとして取り扱っている。
The
ミラー部材40は、有機EL素子20の裏面側(第2面側)に設けられており、透明な板状の基板部41と、基板部41の一方に形成された反射層42とを有する。基板部41は、例えばガラスやアクリル樹脂などで構成されており、反射層42は、有機EL素子20側の上面に形成された平坦な反射膜である。なお、基板部41は、ガラスやアクリル樹脂に限らず様々な材料で形成でき、基板部41自体で反射するものであれば、反射層42を設ける必要はない。さらに、通常の有機EL素子20の場合、裏面電極が金属反射膜とされるので、この場合、ミラー部材40が不要となり或いはミラー部材40を省略することができる。
The
この照明装置10において、有機EL素子20の発光層22から拡散しつつ出射された光束のうち、発光層22の法線方向に対する傾きが大きい光束については、プリズムシート30に入射し、凸部32の傾斜面32bを通過する際に屈折され、Z方向に進む光成分が大きくなる。また、プリズムシート30に入射した光束のうち、発光層22の法線方向に対する傾きが小さい光束については、凸部32の平坦面32aに入射した場合、この平坦面32aをほぼ直進して凸部32の正面方向に射出される。一方、発光層22の法線方向に対する傾きが小さい光束が凸部32の傾斜面32bに入射した場合、入射光束は傾斜面32bで反射された後、さらに照明装置10の中で繰り返し反射され、最終的には平坦面32aにほぼ垂直に入射し凸部32の正面方向に出射される。結果的に、発光層22の法線方向である照明装置10の正面方向に対して高輝度の表示を行うことができる。
In the illuminating
以下、平坦面32aにほぼ垂直に入射し凸部32の正面方向に射出される光路の一例を、図を用いて具体的に説明する。
Hereinafter, an example of an optical path that enters the
図2は、図1に示す照明装置10の詳細な形状を説明する断面図である。ここで、説明の便宜上、予め以下のような幾何的な形状の定義をしておく。まず、ミラー部材40の反射層42からプリズムシート30も射出部33下端の下端面32fまでの距離をLとする。また、射出部33を構成する凸部32において、中央の平坦面32aと両側の傾斜面32bとによって基準形状である輪郭形状が形成され、傾斜面32bを構成する2つの斜辺を延長してできる三角形の頂点をAPとする。凸部32のうち、この頂点APを挟んで右側と左側の幅は互いに等しくピッチの半値Hで与えられる。また、凸部32の根元の角度、すなわち傾斜面32bの下端面32fに対する傾斜角をβ(°)とする。さらに、凸部32の高さ、すなわち下端部32fから平坦面32aまでの距離をh1とし、凸部32の頂部を延長した場合の高さ、すなわち下端面32fから頂点APまでの距離をh2とする。
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the detailed shape of the
本実施形態の一例として、この凸部32では、傾斜面32bの傾斜角βが45°を中心とする40°〜50°程度の範囲である場合において、発光層22の法線方向に略沿って射出され入射面34に略垂直に入射する光束(法線光束)が傾斜面32bで全反射されるものとする。このような条件は、射出部33すなわち凸部32の屈折率の設定によって可能である。ここで、プリズムシート30に入射した光束のうち、発光層22の法線方向に対する傾きが小さい光束L1(図2参照)について考える。以上のような条件において、発光層22の法線方向に対する傾きが小さい光束L1が凸部32の平坦面32aに入射した場合、光束L1は、この平坦面32aをほぼ直進して凸部32の正面方向に射出される。一方、傾きが小さい光束L1が凸部32の傾斜面32bに入射した場合、光束L1は、この傾斜面32bで全反射される。このような全反射光L2は、最初の傾斜面32bに対向するもう1つの斜面32bでも全反射されて、発光層22側に戻される戻り光L3となるが、発光層22の背後には、ミラー部材40が設けられており、再度凸部32に向かって進行する前進光L4となる。ミラー部材40で反射された前進光L4は、略正面方向に進む光束であり、結果的に再度傾斜面32bに入射する場合もあると考えられるが、平坦面32aに入射した場合には、平坦面32aを通過して凸部32の正面方向に射出される射出光L5となる。以上のような理由から、傾斜面32bの傾斜角βが40°〜50°で、正面方向の光束(法線光束)を全反射させるプリズムシート30については、凸部32の上部に平坦面32aを設けることが特に望ましいと考えられる。
As an example of the present embodiment, in the
凸部32は、既に説明したように三角形の頂部を切り取ったような断面形状を有しており、その欠け量TA(%)は(h2−h1)/h2×100で与えられる。本発明者は、この欠け量TAを発光層22の配光特性に合わせて適宜調節することによって、照明装置10の正面輝度を著しく向上させ得ることを以下の実施例により確認した。
The
(実施例1)
実施例1において、プリズムシート30の基板部31の材質をPMMA等の樹脂(n=1.49,1.60)とし、プリズムシート30の基板部31については、サイズを1150×1150×0.13mmとした。また、有機EL素子20の透明基板21については、サイズを1150×1150×0.05mmとし、材質をBK7とした。また、ミラー部材40の基板部41については、形状を直径2000mm、厚さ50μmの円板とし、材質をBK7とした。プリズムシート30に設けた凸部32の傾斜角βは、45°とした。また、プリズムシート30の基板部31及び有機EL素子20等の厚みLを200μmとし、プリズム状の凸部32のピッチ2Hを100μmとした。
以上の構成において、欠け量TAを0〜50%の範囲で変化させた。凸部32の基準形状は等脚台形であり、ピッチ2H=100μmであることから、h2=50μmとなり、h1は50〜25μmの範囲で変化することは明らかである。例えば欠け量TAが10%であるとき、h1=45μmとなる。
Example 1
In Example 1, the material of the
In the above configuration, the chipping amount TA was changed in the range of 0 to 50%. Since the reference shape of the
図3は、実施例1より得られた照明装置10の正面輝度と欠け量TAとの関係を示すグラフである。この場合、n=1.49,β=45°としている。グラフからも明らかなように、欠け量TAが10%であるときに正面輝度が最大値を示す。
また、プリズムシート30に設けた凸部32の欠け量TAが1〜35%の場合、正面輝度が0.236(最大値0.295の80%)以上となっている。また、欠け量TAが5〜17%の場合、正面輝度が0.266(最大値0.295の90%)以上、欠け量TAが7〜13%の場合、正面輝度が0.280(最大値0.295の95%)以上となっている。
n=1.60,β=45°とした場合も、同様に欠け量TAが10%であるときに正面輝度が最大値を示す。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the front luminance of the
Further, when the missing amount TA of the
Similarly, when n = 1.60 and β = 45 °, the front luminance shows the maximum value when the missing amount TA is 10%.
表1及び表2に、n=1.49,β=45°、及びn=1.60,β=45°である場合の、本実施形態の照明装置10の正面輝度と欠け量TAとの関係を示す。
ここで、正面輝度比とは、凸部32を形成しない場合と比較した正面輝度を表す。
表2の例では、正面輝度が欠け量10%で最大値0.279となる。これは、凸部32を形成することにより、正面輝度が凸部32を形成しない場合の2.03倍になることを示す。
すなわち、正面輝度は、プリズムシート30の屈折率nや、傾斜面32bの傾斜角βにも依存するが、欠け量TAが10%前後であるときに最大値を示す傾向が確かめられた。
Tables 1 and 2 show that the front luminance and the missing amount TA of the
Here, the front luminance ratio represents the front luminance compared with the case where the
In the example of Table 2, the front luminance is a maximum value of 0.279 when the missing amount is 10%. This indicates that by forming the
That is, although the front luminance depends on the refractive index n of the
以下、凸部32の欠け量TAが10%前後のときに正面輝度が極大値をとる理由について考察する。凸部32には、進行方向が正面方向に近い光線はそのまま通過させ、正面方向からの傾きが大きい光線については、進行方向が正面方向になるよう調整した後出射する、という作用が期待される。前者の作用には、凸部32の平坦面32aが有効である。また、後者の作用には、凸部32の傾斜面32b及びミラー部材40、平坦面32aの組み合わせが有効である。
凸部32の欠け量TAが増大する場合、凸部32の平坦面32aが増加し、進行方向が元来正面方向に近い光線を効率良く出射することができる。一方、凸部32の傾斜面32bは減少するため、進行方向が元来正面方向から外れている光線に対する調整機能は弱くなり、正面方向への出射効率が小さくなる。結果的に、欠け量TAの増加に伴って正面輝度が一旦増加し、ある値を境にして、欠け量TAの増加に伴って正面輝度が減少するものと考えられ、図3に示すような特性曲線が得られると考えられる。また、欠け量10%付近では上記2種の作用が上手くバランスしているため、正面輝度が極大値をとると推測される。
Hereinafter, the reason why the front luminance takes the maximum value when the missing amount TA of the
When the chipped amount TA of the
以上の実施例より、プリズムシート30の屈折率nが1.49〜1.60程度で、傾斜面32bの傾斜角βが45°程度である場合には、以下のような傾向を有する。すなわち、正面輝度がその最大値の95%以上となるような欠け量TAの範囲は、概ね7〜13%であり、すなわち
7≦(h2−h1)/h2×100≦13 … (1)
となる。
また、正面輝度がその最大値の90%以上となるような欠け量TAの範囲は、概ね5〜17%であり、すなわち
5≦(h2−h1)/h2×100≦17 … (2)
となる。
また、正面輝度がその最大値の80%以上となるような欠け量TAの範囲は、概ね1〜35%であり、すなわち
1≦(h2−h1)/h2×100≦35 … (3)
となる。
なお、従来型の照明装置は、プリズムシートを設けない場合に比較して正面輝度を最大で1.7程度高めるだけであることを実験的に確認している。つまり、プリズムシート30の凸部32に10%程度の欠けを意図的に形成することで、凸部32を形成しない場合に比較して正面輝度を2倍以上に高めることができるだけでなく、凸部32に欠けを形成しない従来型の照明装置に比較しても正面輝度を1.2倍以上に高めることができる。
From the above examples, when the refractive index n of the
It becomes.
Further, the range of the missing amount TA in which the front luminance is 90% or more of the maximum value is approximately 5 to 17%, that is, 5 ≦ (h2−h1) / h2 × 100 ≦ 17 (2)
It becomes.
Further, the range of the missing amount TA in which the front luminance is 80% or more of the maximum value is approximately 1 to 35%, that is, 1 ≦ (h2−h1) / h2 × 100 ≦ 35 (3)
It becomes.
It has been experimentally confirmed that the conventional illumination device only increases the front luminance by about 1.7 at the maximum as compared with the case where no prism sheet is provided. That is, by intentionally forming a chip of about 10% in the
次に、実施例1より得られた凸部32の屈折率n及び傾斜角βと正面輝度の関係について図を用いて説明する。
図4は、実施例1においてプリズムシート30に設けた凸部32の傾斜角βを、40°,45°,50°と変化させた場合の照明装置10の正面輝度と凸部32の傾斜角βとの関係の一例を示すグラフである。図4(a)はプリズムシート30の屈折率をn=1.49として得た結果であり、図4(b)はプリズムシート30の屈折率をn=1.60として得た結果である。
Next, the relationship between the refractive index n and the inclination angle β of the
FIG. 4 shows the front luminance of the
図4(a)に示すように、n=1.49の場合において、欠け量TA=0%の比較例では、傾斜角βが40°から50°に増加するにつれて正面輝度が減少している。一方、欠け量TA=10〜30%の実施例では、傾斜角βが40°から50°に増加するにつれて、正面輝度が一旦増加し、β=44°〜46°で極大値をとった後に減少している。なお、欠け量TA=50%の例でも、傾斜角βが40°から50°に増加するにつれて正面輝度が一旦増加し、β=45°付近で極大値をとった後に減少している。 As shown in FIG. 4A, in the case of n = 1.49, in the comparative example in which the missing amount TA = 0%, the front luminance decreases as the inclination angle β increases from 40 ° to 50 °. . On the other hand, in the example in which the chipping amount TA = 10 to 30%, the front luminance once increases as the inclination angle β increases from 40 ° to 50 °, and after the maximum value is reached at β = 44 ° to 46 °. is decreasing. Even in the example where the missing amount TA = 50%, the front luminance once increases as the inclination angle β increases from 40 ° to 50 °, and decreases after reaching the maximum value in the vicinity of β = 45 °.
図4(b)に示すように、n=1.60の場合において、欠け量TA=0%の比較例では、傾斜角βが40°から50°に増加するにつれて正面輝度が一旦増加し、β=44°あたりで極大値をとった後に減少している。ただし、欠け量TA=0%の場合、凸部32が平坦面32aを有しておらず、元々正面方向からの傾きが小さい光線を正面方向に取り出す作用がないため、結果的に正面に取り出すことができる光量が少ない。さらに、凸部32の尖った先端は、金型により正確に転写するのは困難で先端形状が不規則になってしまったり、あるいは仮に正確に転写できても先端が欠け易く、その破片によって光が予期しない方向に曲がって凸部32の正面方向に出射される光が十分に得られない可能性がある。一方、欠け量TA=10〜35%の実施例では、傾斜角βが40°から50°に増加するにつれて、正面輝度が一旦増加し、β=44°〜46°で極大値をとった後に減少している。なお、欠け量TA=50%の例でも、傾斜角βが40°から50°に増加するにつれて正面輝度が一旦増加し、β=46°付近で極大値をとった後に減少している。
As shown in FIG. 4B, in the case of n = 1.60, in the comparative example in which the missing amount TA = 0%, the front luminance once increases as the inclination angle β increases from 40 ° to 50 °, It decreases after having reached the maximum value around β = 44 °. However, when the chipping amount TA = 0%, the
次に、凸部32の屈折率nと傾斜角βとの関係について説明する。図4(a)や図4(b)を観察すれば明らかなように、凸部32の屈折率nが増加すれば、正面輝度の最大値を与える傾斜角βも増加していることが分かる。よって、図4(a)及び(b)の両グラフにおいて、正面輝度の最大値を一致させるような共通のパラメータが存在すると仮定して、このようなパラメータをβ/nx(x=0.1〜2)とおいてフィッティングを行った結果、β/√nを共通のパラメータとすることで、図4(a)のデータと、図4(b)のデータとのピークが略一致することが分かった。以上のようなパラメータβ/√nは、入射光の進行方向を変換する作用の程度を表すパラメータと見ることができる。すなわち、凸部32の傾斜角βが大きくなれば、発光層22から正面方向に射出する光に対する屈折作用が大きくなり、凸部32の屈折率の平方根√nが大きくなれば、発光層22から正面方向に射出する光に対する屈折作用が同様に小さくなる。両者が同様に増加してバランスすれば、傾斜面32bが入射光の進行方向を変換する作用は比較的一定に保たれると考えられる。
Next, the relationship between the refractive index n of the
図5は、パラメータβ/√nを横軸とした正面輝度の変化を説明するグラフである。図5(a)はプリズムシート30の屈折率をn=1.49として得た結果であり、図5(b)はプリズムシート30の屈折率をn=1.60として得た結果である。図5(a)及び5(b)に共通して、β/√n=35.5あたりに極大値が現れていることが分かる。
FIG. 5 is a graph for explaining the change in front luminance with the parameter β / √n as the horizontal axis. FIG. 5A shows the result obtained when the refractive index of the
両グラフからも明らかなように、本実施形態の照明装置10において、十分に大きな正面輝度を得るためには、以下の条件式
33<β/√n<39 … (4)
が満たされていることが望ましい。ここで、βの範囲は、n=1.49の場合40.3°<β<47.6°、n=1.60の場合41.7°<β<49.3°である。
なお、値DP=β/√nが例えば33以下の場合、凸部32の傾斜面32bにおいて、これを通過する光の進行方向を変換する作用が弱くなって光学素子の正面方向に光を取り出す効果が十分に得られにくくなると考えられ、値DP=β/√nが例えば39よりも大きい場合、傾斜面32bを通過する光の進行方向を変換する作用が強くなって光学素子の正面方向に出射される光が減少する傾向が生じると考えられる。
As is apparent from both graphs, in order to obtain a sufficiently large front luminance in the
It is desirable that Here, the range of β is 40.3 ° <β <47.6 ° when n = 1.49, and 41.7 ° <β <49.3 ° when n = 1.60.
When the value DP = β / √n is, for example, 33 or less, the action of converting the traveling direction of light passing through the
さらに望ましくは、以下の条件式
34<β/√n<37 … (5)
が満たされていることが望ましい。ここで、βの範囲は、n=1.49の場合41.5°<β<45.2°、n=1.60の場合43.0°<β<46.8°である。この場合、照明装置10から射出される光の正面輝度がより高い状態に設定されることが分かる。
More desirably, the following
It is desirable that Here, the range of β is 41.5 ° <β <45.2 ° when n = 1.49, and 43.0 ° <β <46.8 ° when n = 1.60. In this case, it can be seen that the front luminance of the light emitted from the
さらに望ましくは、以下の条件式
34.5<β/√n<36.5 … (6)
が満たされていることが望ましい。ここで、βの範囲は、n=1.49の場合42.1°<β<44.6°、n=1.60の場合43.6°<β<46.2°である。この場合、照明装置10から射出される光の正面輝度がさらに高い状態に設定されることが分かる。
More desirably, the following conditional expression 34.5 <β / √n <36.5 (6)
It is desirable that Here, the range of β is 42.1 ° <β <44.6 ° when n = 1.49, and 43.6 ° <β <46.2 ° when n = 1.60. In this case, it can be seen that the front luminance of the light emitted from the
式(4)〜式(6)におけるβの値の範囲を表3に示す。
以上説明した第1実施形態の照明装置10において、プリズム状の凸部32は隙間無くX方向に配列されているが、各凸部32の間に、例えばXY面に平行でY方向に延びる細い帯状の射出面からなる隙間部分を設けることもできる。
In the illuminating
また、以上の照明装置10において、各凸部32上端の平坦面32aをわずかに凹や凸となっている「曲面(本明細書において、このような曲面も「平坦面」に含まれるものとする。)」に置き換えることができ、この場合も上記第1実施形態の照明装置10と同様の効果を得ることができる。すなわち、各凸部32の基準形状は、上端が平らである完全の台形形状に限られず、少なくとも三角形の頂点を切り取った略台形形状であれば良い。この場合、距離L、ピッチの半値H、傾斜角β、及び距離h2の定義は変わらないが、下端面32fから平坦面32aまでの距離h1を下端面32fから凸部32上端の曲面の頂点(中央)に置き換えることで、上記式(1)〜(6)が実質的に有効になる。なお、平坦面32aを曲面(本明細書では「平坦面」に含まれる。)に置き換えた場合、光の進行方向の過度な変換を回避することができ、正面から照明装置10を観察した場合のぎらつきを抑えてやわらかい印象の照明光を提供できる。しかも、凸部32上端を凸面とすることで製造が容易になり、凸部32に欠けが生じる現象をさらに抑えることができる。
Further, in the
また、第1実施形態の照明装置10において、プリズムシート30を2段に重ねることができる。この際、各プリズムシート30の凸部32がそれぞれ直交するXY方向に延びるようにすることで、XZ面とYZ面の双方に関して効率良く光学素子の正面方向から光を出射させることができる。
In the
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係る照明装置について説明する。第2実施形態の照明装置は、第1実施形態の装置を一部変更したものであり、特に説明しない部分は、第1実施形態の装置と共通しており、図面において共通する部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, the lighting device according to the second embodiment will be described. The illumination device of the second embodiment is a partial modification of the device of the first embodiment, and parts not specifically described are the same as the apparatus of the first embodiment, and the same parts in the drawings are the same. The duplicated explanation is omitted.
図6(a)は、第2実施形態の照明装置の部分拡大平面図であり、図6(b)は、同照明装置の部分拡大側断面図である。この照明装置110において、光学素子としてのプリズムシート130は、透明な板状の基板部31の上部に、多数のピラミッド状の凸部132からなる射出部133を有する。各凸部132は、三角形の頂部を切り取ったような台形断面を有する正四角錘台形状の透明部材である。より具体的に説明すると、凸部132を入射面に垂直なXZ面(すなわち基準面)に投影した断面形状(すなわち基準形状)は等脚台形となっており、かつ、凸部132を入射面及びXZ面に垂直なYZ面(すなわち直交面)に投影した断面形状(すなわち直交形状)も等脚台形となっている。そして、各凸部132は、基板部31上において、X方向及びY方向にマトリックス状に隙間無く隣接した状態で連続的に配置されている。各凸部132は、上端に形成された平坦面132aと、X軸に沿った側方に形成された傾斜面132bと、Y軸に沿った側方に形成された傾斜面132cとを有する。つまり、平坦面132aは、断面台形の上辺に対応し、傾斜面132b,132cは、断面台形の斜辺に対応する。
FIG. 6A is a partially enlarged plan view of the illumination device of the second embodiment, and FIG. 6B is a partially enlarged side sectional view of the illumination device. In this illuminating
図7は、凸部132の拡大斜視図である。凸部132の形状及び寸法は、図2の場合と略同様に定義される。凸部132において、対向する一対の傾斜面132b,132bを延長して得られるY方向に延びる交線と、対向する一対の傾斜面132c,132cを延長して得られるX方向に延びる交線との交わる頂点をAP’とする。凸部132のピッチの半値は、凸部132の底面132fを構成する正方形の一辺の半分に対応してHで与えられ、凸部132の傾斜角は、傾斜面132b,132bと底面132fとのなす角としてβで与えられる。さらに、凸部132の高さすなわち底面132fから平坦面132aまでの距離をh1とし、凸部132の頂部を延長した場合の高さすなわち下端面132fから頂点AP’までの距離をh2とする。
FIG. 7 is an enlarged perspective view of the
この照明装置110において、有機EL素子20の発光層22から拡散しつつ出射された光束のうち、発光層22の法線方向に対する傾きが大きい光束については、プリズムシート130に入射し、凸部132の傾斜面132b,132bを通過する際に、発光層22の法線方向に対してX方向及びY方向のそれぞれに傾きを持つ光の進行方向が変換される。また、プリズムシート130に入射した光束のうち、発光層22の法線方向に対する傾きが小さい光束については、凸部132の平坦面132aに入射した場合、この平坦面132aをほぼ直進して凸部132の正面方向に射出される。結果的に、発光層22の法線方向である照明装置110の正面方向に対して高輝度の表示を行うことができる。
In the illuminating
なお、傾斜面132b、132cの傾斜角βが45°を中心として40°〜50°の範囲で、発光層22からの正面方向の射出光を全反射させる条件のプリズムシート130については、凸部132の上部に平坦面132aを設けることが特に望ましい点は第1実施形態の場合と同様である。
Note that the
(実施例2)
第2実施形態の照明装置110についても、第1実施形態の場合と同様の確認を行った。プリズムシート130の材質をPMMA等の樹脂とし、プリズムシート130の基板部131については、サイズを1.15×1.15×0.13mmとし、材質をPMMA等の樹脂とした。また、プリズム状の凸部132のピッチ2Hを0.2mmとした。また、有機EL素子20の透明基板21については、サイズを1.0×1.0×0.5mmとし、材質をBK7とした。また、ミラー部材40の基板部41については、形状を直径2.0mm、厚さ0.1mmの円板とし、材質をBK7とした。プリズムシート130に設けた凸部132の傾斜角βは、43°〜47°の範囲で変化させ、欠け量TAは、0〜50%の範囲で変化させた。
凸部132の基準形状および直交形状が等脚台形であり、ピッチ2H=0.2mmであることから、β=45°の場合、h2=100μmとなり、h1は100〜50μmの範囲で変化することは明らかである。例えば欠け量TAが10%であるとき、h1=90μmとなる。
(Example 2)
The same confirmation as that of the first embodiment was performed for the
Since the reference shape and the orthogonal shape of the
図8(a)は、実施例2より得られた照明装置110の正面輝度と欠け量TAとの関係の一例を示すグラフであり、第1実施形態の図3に対応する。図8(a)に示す例では、n=1.49,β=45°としている。グラフからも明らかなように、欠け量TAが10数%であるときに正面輝度が最大値を示す。また、プリズムシート130に設けた凸部132の欠け量TAが1〜35%(h1は90〜75μm)の場合、正面輝度が0.235で、最大値0.241の98%以上となっている。
FIG. 8A is a graph showing an example of the relationship between the front luminance and the missing amount TA of the
正面輝度がその最大値の99.5%以上となるような欠け量TAの範囲は、概ね7〜20%(h1は93〜80μm)であり、また、正面輝度がその最大値の99%以上となるような欠け量TAの範囲は、概ね6〜22%(h1は94〜78μm)であった。 The range of the missing amount TA in which the front luminance is 99.5% or more of the maximum value is approximately 7 to 20% (h1 is 93 to 80 μm), and the front luminance is 99% or more of the maximum value. The range of the chipped amount TA that would be approximately 6 to 22% (h1 is 94 to 78 μm).
つまり、欠け量TAの範囲を概ね1〜35%、すなわち
1≦(h2−h1)/h2×100≦35 … (3)
とすることで、正面輝度がその最大値の85%以上となり、照明装置110の正面輝度を高めることができる。
That is, the range of the missing amount TA is approximately 1 to 35%, that is, 1 ≦ (h2−h1) / h2 × 100 ≦ 35 (3)
By doing so, the front luminance becomes 85% or more of the maximum value, and the front luminance of the
図8(b)は、プリズムシート130に設けた凸部132の傾斜角βを、43°〜47°の範囲で変化させた時の、照明装置110の正面輝度と傾斜角βとの関係の一例を示すグラフであり、第1実施形態の図4(a)に対応する。グラフからも明らかなように、n=1.49の場合において、傾斜角βが40°から50°に増加するにつれて、正面輝度が一旦増加し、β=44°〜45°で極大値をとった後に減少している。
FIG. 8B shows the relationship between the front luminance of the
詳細な説明は省略するが、以上の照明装置110に関する検討の結果、本実施形態の照明装置110において、十分に大きな正面輝度を得るためには、パラメータβ/√nの範囲が33〜39であることが望ましいことが分かった。さらに、パラメータβ/√nの範囲が34〜37であることがより望ましく、パラメータβ/√nの範囲が34.5〜36.5であることが最も望ましい。
パラメータβ/√nのそれぞれの範囲に対応するβの値は第1実施形態の表3と同様である。
Although a detailed description is omitted, as a result of the above-described study on the
The value of β corresponding to each range of the parameter β / √n is the same as in Table 3 of the first embodiment.
以上説明した第2実施形態の照明装置110において、プリズム状の凸部132は隙間無くマトリックス状に配列されているが、これらの凸部132の間に格子状の射出面からなる隙間部分を設けることもできる。
In the
また、以上の照明装置110において、各凸部132上端の平坦面132aをわずかに凹や凸となっている曲面(本明細書においては、このような曲面も「平坦面」に含まれるものとする。)に置き換えることができ、この場合も同様の効果を得ることができる。すなわち、各凸部132の基準形状は、上端が平らである完全な台形形状に限られず、少なくとも三角形の頂点を切り取った略台形形状であれば良い。
Further, in the
また、以上の照明装置110において、各凸部132を正四角錘台形状ではなく、底面が長方形の四角錘台形状とすることもできる。この場合、XZ面に関する光路変換特性とYZ面に関する光路変換特性とを異なるものとできる。
Moreover, in the above illuminating
以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記照明装置10,110において、有機EL素子20に代えて、無機EL素子、LED素子等の面発光可能な各種光源を組み込むことができる。
As described above, the present invention has been described according to the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the
また、プリズムシート130の材質にはPMMA等の樹脂に限らず、例えば、ポリメタクリル酸メチル(屈折率n=1.49)、アートン(n=1.51、登録商標)、ゼオノア(n=1.52、登録商標)、ガラス(n=1.53)、ポリ塩化ビニル(n=1.54)、ポリエチレンテレフタレート(n=1.57)、ポリカーボネート(n=1.58)、ポリスチレン(n=1.59)等の材料や、これらの材料にコーティング等が施された材料等を用いることができる。
The material of the
また、プリズム状の凸部32及び132のピッチ2Hは、50μm〜200μmであることが好ましい。ピッチ2Hが上記範囲の下限を上回ることにより、凸部を金型で正確に形成することが容易となる。また、ピッチ2Hが上記範囲の上限を下回ることにより、プリズムシート全体の厚みが薄くなり、結果として照明装置の厚みが厚くなってしまうことを防ぐことができる。
Moreover, it is preferable that the pitch 2H of the prism-shaped
10,110…照明装置、 20…有機EL素子、 21…透明基板、 22…発光層、 30,130…プリズムシート、 31…基板部、 32,132……凸部、 32a,132a…平坦面、 32b,132b、132c…傾斜面、 33,133…射出部、 34…入射面、 40…ミラー部材、 41…基板部、 42…反射層、 AP,AP’…頂点 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,110 ... Illuminating device, 20 ... Organic EL element, 21 ... Transparent substrate, 22 ... Light emitting layer, 30, 130 ... Prism sheet, 31 ... Substrate part, 32, 132 ... Convex part, 32a, 132a ... Flat surface, 32b, 132b, 132c ... inclined surface, 33, 133 ... emitting portion, 34 ... incident surface, 40 ... mirror member, 41 ... substrate portion, 42 ... reflective layer, AP, AP '... apex
Claims (12)
前記入射面の反対側に形成され複数の凸部を有する射出部と、
を備える光学素子であって、
前記凸部を前記入射面に垂直な基準面に投影した基準形状が略台形状であり、
前記基準形状の高さをh1とし、前記基準形状の2つの斜辺を延長してできる三角形の高さをh2とした場合に、以下の条件
1≦(h2−h1)/h2×100≦35
を満たす光学素子。 An incident surface;
An exit portion formed on the opposite side of the incident surface and having a plurality of convex portions;
An optical element comprising:
A reference shape obtained by projecting the convex portion onto a reference plane perpendicular to the incident surface is a substantially trapezoidal shape,
When the height of the reference shape is h1 and the height of a triangle formed by extending two oblique sides of the reference shape is h2, the following condition 1 ≦ (h2−h1) / h2 × 100 ≦ 35
An optical element that satisfies the requirements.
該凸部の上端に形成され、前記入射面に略垂直に入射する光を透過する平坦面と、
該凸部の側方に形成され、前記入射面に略垂直に入射する光を反射する傾斜面とを有する請求項1から請求項5のいずれか一項記載の光学素子。 The convex portion is
A flat surface that is formed at an upper end of the convex portion and transmits light incident substantially perpendicularly to the incident surface;
6. The optical element according to claim 1, further comprising an inclined surface that is formed on a side of the convex portion and reflects light incident on the incident surface substantially perpendicularly. 6.
33<β/√n<39
を満たす請求項1から請求項6のいずれか一項記載の光学素子。 When the angle formed between the base and the hypotenuse of the reference shape is β (°) and the refractive index of the exit portion is n, the following condition 33 <β / √n <39
The optical element as described in any one of Claims 1-6 satisfying these.
前記基準形状の底辺と斜辺とのなす角をβ(°)とした場合に、以下の条件
40.3°<β<47.6°
を満たす請求項1から請求項7のいずれか一項記載の光学素子。 Formed by PMMA,
When the angle between the base and the hypotenuse of the reference shape is β (°), the following condition 40.3 ° <β <47.6 °
The optical element as described in any one of Claims 1-7 satisfying these.
前記面状発光素子の第1面側に配置される請求項1から請求項9のいずれか一項記載の光学素子と、
前記面状発光素子の前記第1面とは反対側である第2面側に配置される反射素子と
を備える照明装置。 A planar light emitting device;
The optical element according to any one of claims 1 to 9, which is disposed on a first surface side of the planar light emitting element;
An illumination device comprising: a reflective element disposed on a second surface side opposite to the first surface of the planar light emitting element.
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