JP2009087767A - 面状照明装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】面状照明装置は、光射出面、光射出面の一方の両端辺に各々形成された1対の光入射面、光射出面の他方の両端辺に各々形成された1対の側面、および、光射出面の反対側に形成され、光入射面の各々から光射出面の中央部に向かうに従って光射出面に垂直な方向の厚みが厚くなるように傾斜し、第1の光入射面の各々の間で接合する1対の傾斜面からなる背面を備える導光板と、光入射面の各々に対向して配置された1対の主光源とを有する。導光板は、光を散乱させるための散乱粒子が混錬分散されて形成されたものであり、光入射面から導光板の中央部に向かう、導光板の所定範囲内の空間領域の散乱粒子の濃度をNpiとし、導光板のその他の空間領域の散乱粒子の濃度をNpとして、Npi>Npである。
【選択図】図15
Description
このような、導光板を用いたバックライトユニットとしては、透明樹脂に光を散乱させるための散乱粒子を混入させた導光板を用いる方式のバックライトユニットが提案されている(例えば、特許文献1〜4参照)。
このような複合的な過程を通して、光源の方向からみて前方斜め方向に向かう指向性をもって光取出面から高効率で出射される光束が生成される。つまり、光源から放射された光が光散乱導光体の光取出面から出射される。
このように、散乱粒子が混入された導光板を用いることで、高い出射効率で、均一な光を射出することができると記載されている。
また、特許文献1〜4に記載されている、光源の入射位置から遠ざかるにつれて厚みを減する傾向を持つ形状、または、平板形状では光の到達距離に限界があるため、大型化に限界があるという問題もある。
前記第1の光入射面の各々に対向して配置され、前記第1の光入射面の各々に光を入射する1対の主光源とを有し、
前記導光板は、光を散乱させるための散乱粒子が混錬分散されて形成されたものであり、前記第1の光入射面から前記導光板の中央部に向かう、前記導光板の所定範囲内の空間領域の散乱粒子の濃度をNpiとし、前記導光板のその他の空間領域の散乱粒子の濃度をNpとして、Npi>Npであることを特徴とする面状照明装置を提供するものである。
前記空間領域Lnpiは、光の入射方向における前記反射部材の長さをLrとし、前記導光板の光射出面の4方の周辺部を覆うように被せられて配置された上部筐体の縁部の幅をLeとして、Lnpi<Lr<Leの関係を満足することが好ましい。
前記主光源の有する複数の光源の各々は、LEDチップであることが好ましい。
さらに、前記第2の光入射面の各々に対向して配置され、前記第2の光入射面の各々に光を入射する1対の副光源を有することが好ましい。
前記副光源の有する複数の光源の各々は、LEDチップであることが好ましい。
図1は、本発明に係る面状照明装置を備える液晶表示装置の概略を示す斜視図であり、図2は、図1に示した液晶表示装置のII−II線断面図である。
また、図3(A)は、図2に示した面状照明装置(以下「バックライトユニット」ともいう。)のIII−III線矢視図であり、図3(B)は、(A)のB−B線断面図である。
図4(A)は、図1及び図2に示す面状照明装置20の主光源28の概略構成を示す概略斜視図であり、図4(B)は、図4(A)に示す主光源28の断面図であり、図4(C)は、図4(A)に示す主光源28の1つのLEDチップのみを拡大して示す概略斜視図である。
つまり、LEDチップ50の発光ダイオードの表面から射出された青色光が蛍光物質を透過すると、蛍光物質が蛍光する。これにより、LEDチップ50から射出された青色光が透過すると、発光ダイオードから射出された青色光と蛍光物質が蛍光することで射出される光とで白色光が生成され、射出される。
ここで、本実施形態のアレイ基板54は、銅やアルミニウム等の熱伝導性の良い金属で形成されており、LEDチップ50から発生する熱を吸収し、外部に放散させるヒートシンクとしての機能も有する。
光源支持部52に、フィン56を複数設けることで表面積を広くすることができ、かつ、放熱効果を高くすることができる。これにより、LEDチップ50の冷却効率を高めることができる。
また、ヒートシンクは、空冷方式に限定されず、水冷方式も用いることができる。
つまり、本発明では、主光源28のLEDチップ50aおよび50bを、対向する第1光入射面30dおよび第2光入射面30eの長手方向の位置に応じて配列密度を変化させ、アレイ状に配列する。
これにより、導光板30において、中心部(横軸が0の位置)が最も照度が高く、周辺に離れるに従って照度が低下する、釣鐘型の照度分布を得ることができる。
図5は、導光板30の形状を示す概略斜視図である。
導光板30は、図2、図3及び図5に示すように、略矩形形状の平坦な光射出面30aと、この光射出面30aの一方の両端辺に対してそれぞれ略垂直に形成された、対向する2つの(1対の)光入射面(第1光入射面30dと第2光入射面30e)と、光射出面30aの反対側、つまり、導光板30の背面側に位置し、第1光入射面30dおよび第2光入射面30eの長手方向の端辺と平行で、光射出面30aを2等分する2等分線α(図1、図3参照)を中心軸(結合部分)として互いに対称で、光射出面30aに対して所定の角度で傾斜する2つの傾斜面(第1傾斜面30bと第2傾斜面30c)と、光射出面30aの他方、すなわち、光射出面30aの光入射面が形成されていない側の両端辺(光射出面30aと光入射面30d、30eとの交線に直交する光射出面30aの2つの辺)に対してそれぞれ略垂直に形成された、対向する2つの側面(第1側面30fと第2側面30g)とを有している。
T=I/I0=exp(−ρ・x)・・・(1)
ここで、xは距離、I0は入射光強度、Iは出射光強度、ρは減衰定数である。
ρ=Φ・Np・・・(2)
Eout∝exp(−Φ・Np・LG)・・・(3)
ここで、導光板の光軸方向の半分の長さLGは、導光板30の光入射面に垂直な方向における導光板30の一方の光入射面から導光板30の中心までの長さとなる。
また、光の取り出し効率とは、入射光に対する、導光板30の光入射面30d、30eから光軸方向に長さLG離間した位置に到達する光の割合であり、例えば、図2に示す導光板30の場合は、光入射面30d、30eから入射する光に対する、導光板30の中心(導光板30の光軸方向の半分の長さとなる位置)に到達する光の割合である。
Eout=exp(−Φ・Np・LG・KC)・・・(4)
この結果より、Φ・Np・LG・KCの値が大きくなると、光の取り出し効率Eoutが低くなることが分かる。光は導光板30の光軸方向へ進むにつれて散乱するため、光の取り出し効率Eoutが低くなると考えられる。
また、補正係数KCは、0.005以上0.1以下(0.005≦KC≦0.1)であることが好ましい。
まず、散乱断面積Φ、粒子密度Np、導光板の光軸方向の半分の長さLG、補正係数KCを種々の値とし、Φ・Np・LG・KCの値が異なる各導光板について、計算機シミュレーションにより光利用効率を求め、さらに照度むらの評価を行った。ここで、照度むら[%]は、導光板の光射出面から射出される光の最大照度をIMaxとし、最小照度をIMinとし、平均照度をIAveとしたときの[(IMax−IMin)/IAve]×100とした。
測定した結果を表1に示す。また、表1における判定は、光利用効率が50%以上かつ照度むらが150%以下の場合を○、光利用効率が50%より小さいまたは照度むらが150%より大きい場合を×として示す。
表1及び図6に示すように、Φ・Np・LG・KCを1.1以上とすることで、光利用効率を大きくすること、具体的には光利用効率を50%以上とすることができ、8.2以下とすることで、照度ムラを150%以下にすることができることがわかる。
また、Kcを0.005以上とすることで、光利用効率を高くすることができ、0.1以下とすることで、導光板から射出される光の照度むらを小さくすることができることがわかる。
このようにして種々の粒子密度の導光板について、それぞれ光射出面から射出される光の照度分布を測定した結果を図7に示す。図7は、縦軸を照度[lx]とし、横軸を導光板の一方の光入射面からの距離(導光長)[mm]とした。
図8に、算出した照度むらと粒子密度との関係を示す。図8では、縦軸を照度むら[%]とし、横軸を粒子密度[個/m3]とした。また、図8には、横軸を同様に粒子密度とし、縦軸を光利用効率[%]とした、光利用効率と粒子密度との関係も併せて示す。
つまり、Φ・Np・LG・KCを1.1以上8.2以下とすることで、光利用効率を一定以上とし、かつ照度むらも低減することができることがわかる。
光学部材ユニット32は、導光板30の光射出面30aから射出された照明光をより輝度むらのない光にして、照明装置本体24の光出面24aからより輝度むらのない照明光を射出するためのもので、図2に示すように、導光板30の光射出面30aから射出する照明光を拡散して輝度むらを低減する拡散シート32aと、光入射面30d、30eと光射出面30aとの接線と平行なマイクロプリズム列が形成されたプリズムシート32bと、プリズムシート32bから射出する照明光を拡散して輝度むらを低減する拡散シート32cとを有する。
反射板34は、導光板30の第1傾斜面30b及び第2傾斜面30cから漏洩する光を反射して、再び導光板30に入射させるために設けられており、光の利用効率を向上させることができる。反射板34は、導光板30の第1傾斜面30b及び第2傾斜面30cに対応した形状で、第1傾斜面30b及び第2傾斜面30cの外側表面を覆うように形成される。本実施形態では、図2に示すように、導光板30の第1傾斜面30b及び第2傾斜面30cが断面三角形状に形成されているので、反射板34もこれに補形する形状に形成されている。
これにより、主光源28のLEDチップ50から射出された光を効率よく導光板30の第1光入射面30d及び第2光入射面30eに入射させることができ、光利用効率を向上させることができる。
ここで、上部誘導反射板36及び下部誘導反射板38としては、上述した反射板34に用いる各種材料を用いることができる。
これにより、主光源28のLEDチップ50から射出された光を効率よく導光板30の第1光入射面30d及び第2光入射面30eに入射させることができ、光利用効率を向上させることができる。
また、本実施形態では、上部誘導反射板36を導光板30と拡散シート32aとの間に配置したが、上部誘導反射板36の配置位置はこれに限定されず、光学部材ユニット32を構成するシート状部材の間に配置してもよく、光学部材ユニット32と上部筐体44との間に配置してもよい。
図2に示すように、筐体26は、照明装置本体24を収納して支持し、かつその光射出面24a側と導光板30の第1傾斜面30b及び第2傾斜面30c側とから挟み込み、固定するものであり、下部筐体42と、上部筐体44と、折返部材46と、支持部材48とを有する。
上部筐体44は、図2に示すように、面状照明装置本体24及び下部筐体42の上方(光射出面側)から、照明装置本体24およびこれが収納された下部筐体42をその4方の側面部22bも覆うように被せられて配置されている。言い換えると、導光板30の光射出面30aの4方の周辺部を覆うように被せられて配置されている。
折返部材46は、図2に示すように、下部筐体42の側面と上部筐体44の側面との間に嵌挿され、U字形状の一方の平行部の外側面が下部筐体42の側面部22bと連結され、他方の平行部の外側面が上部筐体44の側面と連結されている。
また、本実施形態では、折返部材を別部材としたが、上部筐体または下部筐体と一体にして形成してもよい。また、折返部材を設けない構成としてもよい。
支持部材48は、図2に示すように、反射板34と下部筐体42との間、より具体的には、導光板30の第1傾斜面30bの第1光入射面30d側の端部に対応する位置の反射板34と下部筐体42との間に配置され、導光板30及び反射板34を下部筐体42に固定し、支持する。
また、配置位置も特に限定されず、反射板34と下部筐体42との間の任意の位置に配置することができるが、導光板30を安定して保持するために、導光板30の端部側、つまり、本実施形態では、第1光入射面30d近傍、第2光入射面30e近傍に配置することが好ましい。
2つの副光源29は、それぞれ導光板30の第1副入射面30h及び第2副入射面30iに対向して配置されている。具体的には、複数のLEDチップ50cと光源支持部52cで構成された副光源29が第1副入射面30hに対向して配置され、複数のLEDチップ50dと光源支持部52dで構成された副光源29が第2副入射面30iに対向して配置されている。
このようにして、導光板30の光射出面30aから射出された光は、光学部材32を透過し、照明装置本体24の光出面24aから射出され、液晶表示パネル12を照明する。
液晶表示パネル12は、駆動ユニット14により、位置に応じて光の透過率を制御することで、液晶表示パネル12の表面上に文字、図形、画像などを表示する。
なお、本実施例では、導光板30として、第1側面30fから第2側面30gまでの長さを1000mmとし、第1光入射面30dおよび第2光入射面30eの光射出面30aに垂直な方向の長さdを580mmとし、2等分線αにおける光射出面30aから背面までの長さ、つまり、厚さの最も厚い部分の厚みDを3.5mmとし、第1光入射面30d、または第2光入射面30eから2等分線αまでの距離LGを290mmとした形状の導光板を用いた。
また、導光板30の重量に対する、導光板30に混入した散乱粒子の重量の割合を0.07wt%とした。
図10では、縦軸を、相対照度[lx]とし、横軸を、導光板30の第1光入射面30dおよび第2光入射面30eの長手方向における位置[mm]とした。なお、横軸において、0の位置は、導光板30の、第1光入射面30dおよび第2光入射面30eの長手方向における中心位置であり、−500および500の位置は、導光板30の、第1光入射面30dおよび第2光入射面30eの長手方向における両端部を示す。
また、本実施形態において用いた導光板30によれば、導光板30に主光源28および副光源29を配置した場合、主光源28のみを配置した場合と比較して、照度の絶対値が約1.5倍向上することがわかっている。
このように、導光板の四方を囲む形で光源を配置する構成によれば、大光量の照明光を光射出面から射出することができるので、装置の大型化を実現することができる。
図11は、本発明の面状照明装置10の主光源28の長手方向における、LEDチップ50aおよび50bの配列密度を示す、LEDチップの分布図である。
図11では、横軸を、導光板30の第1光入射面30dおよび第2光入射面30eの長手方向における距離を所定の長さ(本実施例においては、4mm)で区切った際の位置[区間]とし、縦軸を、この所定の単位長さの区間に配置されるLEDチップの個数[個]とした。なお、横軸において、0区間は、導光板30の光入射面30dの長手方向における中心位置を含む4mmの範囲であり、−12および12区間は、光入射面30dの長手方向における両端部から4mm中心側までの範囲を示す。
図12は、主光源28において、LEDチップ50を図11のI1およびX1のパターンの配列密度となるように配列した場合の、導光板30の中心を通り、第1光入射面30dおよび第2光入射面30eの長手方向と平行な方向における光射出面30aの照度分布を示している。なお、図12では、縦軸を、相対照度[lx]とし、横軸を、導光板30の第1光入射面30dおよび第2光入射面30eの長手方向における位置[mm]とした。
図13では、縦軸を、相対照度[lx]とし、横軸を、導光板30の第1側面30fおよび第2側面30gの長手方向における位置[mm]とした。
釣鐘型の照度分布を得るための各LEDチップ50の光量の算出方法としては、上述したように、逐次反復法による計算や、その他の公知の方法を用いればよい。
D1<D2 かつ、
27/100000<(D2−D1)/(L/2)<5/100 (A)
導光板の重量に対する混入された散乱粒子の重量の割合:Npaの範囲が
0.008wt%<Npa<0.25wt%
の関係を満たすことが好ましい。上記関係を満足する形状とすることで主光源の出射効率を30%以上に向上させることができる。
D1<D2 かつ、
66/100000<(D2−D1)/(L/2)<26/1000 (B)
導光板の重量に対する混入された散乱粒子の重量の割合:Npaの範囲が
0.008wt%<Npa<0.25wt%
の関係を満たすように改良することも好ましい。上記関係を満足する形状とすることで主光源の出射効率を40%以上に向上させることができる。
D1<D2 かつ、
1/1000<(D2−D1)/(L/2)<26/1000 (C)
導光板の重量に対する混入された散乱粒子の重量の割合:Npaの範囲が
0.008wt%<Npa<0.25wt%
の関係を満たすように改良することがさらに好ましい。上記関係を満足する形状とすることで、主光源の出射効率を50%以上に向上させることができる。
例えば、第1傾斜面30b及び第2傾斜面30cには、第1光入射面30d及び第2光入射面30eと平行な方向にプリズム列を形成してもよい。また、このようなプリズム列の代わりに、プリズムに類する光学素子を規則的に形成することもできる。例えば、レンチキュラーレンズ、凹レンズ、凸レンズ、ピラミッド型など、レンズ効果を有する光学素子を導光板の傾斜面に形成することもできる。
また、導光板30の光入射面30d、30e、および、側面30f、30gないしは光入射面30h、30iを、光射出面30aの端辺に対して略垂直に形成することは必須ではない。
これらの図に示す導光板60は、第1傾斜面60bと第2傾斜面60cとの接続部60f(背面の中央部)から光入射面に向かう所定範囲を曲面形状とし、滑らかに接続させた例である。なお、曲面形状以外の部分は平面形状のままである。
さらに、傾斜面は、断面の形状を10次多項式で表すことができる非球面形状とすることがより好ましい。傾斜面を上記形状とすることで、導光板の厚みによらず、より輝度むらのない光を射出させることができる。
このように、透明材料と可塑剤とを混合した材料で導光板を作製することで、導光板をフレキシブルにすること、つまり、柔軟性のある導光板とすることができ、導光板を種々の形状に変形させることが可能となる。従って、導光板の表面を種々の曲面に形成することができる。
また、光源として、赤色LED、緑色LED、青色LEDの3種類のLEDを組み合わせた構成のLEDユニットを用いることもできる。この場合は、3種類のLEDから射出された光を混色することで白色光とすることができる。
さらに、光源として、LEDチップの代わりにLD(半導体レーザー)チップを用いることもできる。
光源から射出された光が入射する部分を、他の部分よりも屈折率を小さくすることで、光源から射出された光をより効率よく入射させることができ、光利用効率をより高くすることができる。
12 液晶表示パネル
14 駆動ユニット
20 面状照明装置
24 照明装置本体
24a 光出面
26 筐体
28 主光源
29 副光源
30、60 導光板
30a、60a 光射出面
30b、60b 第1傾斜面
30c、60c 第2傾斜面
30d 第1光入射面
30e 第2光入射面
30f 第1側面
30g 第2側面
30h 第1副入射面
30i 第2副入射面
32 光学部材ユニット
32a、32c 拡散シート
32b プリズムシート
34 反射板
36 上側誘導反射板
38 下側誘導反射板
42 下部筐体
44 上部筐体
46 折返部材
48 支持部材
49 電源収納部
50 LEDチップ
52 光源支持部
54 アレイ基板
56 フィン
58 発光面
60f 接続部
Claims (7)
- 光射出面、前記光射出面の一方の両端辺に各々形成された1対の第1の光入射面、前記光射出面の他方の両端辺に各々形成された1対の側面、および、前記光射出面の反対側に形成され、前記第1の光入射面の各々から前記光射出面の中央部に向かうに従って前記光射出面に垂直な方向の厚さが厚くなるように傾斜し、前記第1の光入射面の各々の間で接合する1対の傾斜面からなる背面を備える導光板と、
前記第1の光入射面の各々に対向して配置され、前記第1の光入射面の各々に光を入射する1対の主光源とを有し、
前記導光板は、光を散乱させるための散乱粒子が混錬分散されて形成されたものであり、前記第1の光入射面から前記導光板の中央部に向かう、前記導光板の所定範囲内の空間領域の散乱粒子の濃度をNpiとし、前記導光板のその他の空間領域の散乱粒子の濃度をNpとして、Npi>Npであることを特徴とする面状照明装置。 - 前記散乱粒子の濃度Npiは、0.02wt%<Npi<0.25wt%の範囲の濃度であることを特徴とする請求項1に記載の面状照明装置。
- 前記散乱粒子の濃度Npiを適用する空間領域Lnpiは、前記第1の光入射面から前記導光板の中央部に向かって、5mm<Lnpi<20mmの範囲の領域であることを特徴とする請求項1または2に記載の面状照明装置。
- さらに、前記第1の光入射面から前記導光板の中央部に向かって、所定範囲内の領域の光射出面を覆うように設けられ、前記第1の光入射面から入射され、前記覆われた光射出面から漏洩する光を反射して、再び前記導光板に入射させる反射部材を有し、
前記空間領域Lnpiは、光の入射方向における前記反射部材の長さをLrとし、前記導光板の光射出面の4方の周辺部を覆うように被せられて配置された上部筐体の縁部の幅をLeとして、Lnpi<Lr<Leの関係を満足することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の面状照明装置。 - 前記主光源の各々は、前記第1の光入射面の各々の長手方向に沿って支持体上に列状に配置された複数の光源を有し、
前記主光源の有する複数の光源の各々は、LEDチップであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の面状照明装置。 - 前記1対の側面は、1対の第2の光入射面であり、
さらに、前記第2の光入射面の各々に対向して配置され、前記第2の光入射面の各々に光を入射する1対の副光源を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の面状照明装置。 - 前記副光源の各々は、前記第2の光入射面の各々の長手方向に沿って支持体上に列状に配置された複数の光源を有し、
前記副光源の有する複数の光源の各々は、LEDチップであることを特徴とする請求項6に記載の面状照明装置。
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