JP2013225417A - 面状照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 面状照明装置を提供する。
【解決手段】
光源と、光源が配置される入射面、および入射面から入射した光を出射させる出射面を有する導光板と、を備えた面状照明装置において、導光板の入射面と光源との間に、光源から出射された光を入射面の短手方向には回折作用で集光し、入射面の長手方向には屈折作用で拡散させる光学素子が設けられている。
光学素子は、同心的に配列された複数の楕円環状の格子を有し、格子の各々は、入射面の短手方向の寸法よりも入射面の長手方向の寸法が大きくなるように形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、面状照明装置に関し、特には薄型でも、高効率、高輝度で付加価値の高い面状照明装置に関するものである。

従来、面状照明装置として、例えば、液晶表示装置における液晶パネルを面状に照らす、バックライトといわれるものがある。バックライトは、通常、光源となるＬＥＤと、そのＬＥＤが対向配置される側端面（入射面）およびＬＥＤから出射された光を面状に出射する出射面を有する導光板と、を備えている。液晶表示装置においては、バックライト（導光板の出射面）から出射された光は、液晶パネルの全面を均一に照射することが望ましい。そのために、導光板の入射面には、ＬＥＤからの光を入射面の長手方向に対して広げる、いわゆる入光プリズムが設けられている（例えば、特許文献１参照）。

また、近時のバックライトには、薄型化に対する要求も大きく、薄型化に対応するために、入射面側から出射面側に向かって厚みが漸減する傾斜部（傾斜面）が形成された導光板が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−２００７３６号公報 特開２００７−２８７５５０号公報

しかしながら、導光板に傾斜部を設けた場合、非有効エリアを狭くするために、傾斜面の傾斜角度を大きくして傾斜部の導光方向の長さを短くすると、傾斜面からの漏れ光が多くなり、輝度が低下するという問題が発生する。この輝度の低下を抑制するために、本出願人は、特願２０１１−２４６０１９（本出願時では未公開の先願）において、入射面に回折格子を形成する構成を提案している。
導光板の入射面に回折格子を形成することによって、入射面の短手方向（傾斜面の傾斜方向）に光を偏向させることができ、これにより傾斜面からの漏れ光を低減することができる。しかし、前述のように、導光板の出射面から出射する光の均一性を良くするには、入射面に入光プリズムを設ける必要がある。
したがって、導光板の入射面には、回折格子と入光プリズムという、光の配光を制御する方向が互いに異なる２種類の光学素子を設けなければならない場合がある。
そこで、本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであって、一種類の光学素子で、導光板に入射される光を異なる方向に配向制御することで、光源からの出射光を好適に導光板内に導くことができる、面状照明装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、光源と、光源が配置される入射面、および入射面から入射した光を出射させる出射面を有する導光板と、を備えた面状照明装置において、導光板の入射面と光源との間に、光源から出射された光を入射面の短手方向には回折作用で集光し、入射面の長手方向には屈折作用で拡散させる光学素子が設けられていることを要旨とする。

また本発明の第２の特徴は、光学素子は、同心的に配列された複数の楕円環状の格子を有し、格子の各々は、入射面の短手方向の寸法よりも入射面の長手方向の寸法が大きくなるように形成されていることを要旨とする。

また本発明の第３の特徴は、光学素子は、入射面の短手方向および長手方向に対して繰り返して形成された複数の微小素子を有し、微小素子の各々は、入射面の長手方向に沿って延びるように形成され、且つ、光源を向く頂面を有し、頂面は、入射面から対向する端面に向かって凹む凹面を有することを要旨とする。

また本発明の第４の特徴は、導光板は、入射面と対向する端面に、入射面の短手方向に対して入射した光の分布を広げて反射させるための反射型回折格子が形成されていることを要旨とする。

さらに本発明の第５の特徴は、入射面側から出射面側に向かって厚みが漸減する傾斜部を有することを要旨とする。

光学素子に、透過型回折格子としての楕円形状のフレネルレンズを用いたものでは、光源からの出射光に対し、光の異種の複数の機能（屈折作用と回折作用）により、導光板に余すことなく入射させることができる。
一方、光学素子に、透過型回折格子としてのマイクロレンチキュラーレンズアレイを用いたものでは、屈折を主体としたマイクロレンチキュラーレンズでありながら、回折効果が得られるような集合体として用いることで、光の異種の複数の機能を利用して、光源からの出射光を余すことなく導光板内に入射させることができる。

本発明によれば、光の回折作用および屈折作用という異なる機能を利用することで、導光板に入射される光を一種類の光学素子で異なる方向に配向制御することができ、光源からの出射光を好適に導光板内に導くことができる、面状照明装置を提供することができる。

本発明にかかる面状照明装置の第１実施形態を示す、模式的断面図である。 図１に示す面状照明装置における光学素子の作用を説明する模式的な平面説明図である。 図１に示す面状照明装置における光学素子の作用を説明する模式的な断面説明図である。 図１に示す面状照明装置における光学素子を示す説明図である。 図４に示す光学素子の拡大図である。 （ａ）は図５に示す光学素子のｘ−ｘ´断面図、（ｂ）は図５に示す光学素子のａ−ａ´断面図、（ｃ）は図５に示す光学素子のｂ−ｂ´断面図、（ｄ）は図５に示す光学素子のｃ−ｃ´断面図、（ｅ）は図５に示す光学素子のｙ−ｙ´断面図である。 図４に示す光学素子の短手方向の格子のピッチおよび高さ寸法を示すための断面図である。 図４に示す光学素子に対する入射光が透過する際の光路図である。 図８に示す光学素子に対する入射光に対し、入射角度に応じた透過光の強度分布を示した図である。 本発明にかかる面状照明装置の第２実施形態において用いられる光学素子の、模式的説明図である。 図１０に示す光学素子のマイクロレンチキュラーレンズのピッチおよび高さ寸法を示すための断面図である。 図１０に示す光学素子に対する入射光が透過する際の光路図である。 図１１に示すピッチおよび高さ寸法の光学素子に対する入射光に対し、入射角度に応じた透過光の強度分布を示した図である。 高さ寸法が０．９μｍのときの光学素子に対する入射光に対し、入射角度に応じた透過光の強度分布を示した図である。 高さ寸法が１．０μｍのときの光学素子に対する入射光に対し、入射角度に応じた透過光の強度分布を示した図である。 高さ寸法が１．１μｍのときの光学素子に対する入射光に対し、入射角度に応じた透過光の強度分布を示した図である。 本発明にかかる面状照明装置の別の実施形態を示す、模式的断面図である。

以下、本発明にかかる面状照明装置を実施するための実施形態を挙げ、添付図を参照しながら詳細に説明する。
図１、図２、図３に面状照明装置１０の模式的断面図を示す。
面状照明装置１０は、光源１１と、光源１１が対向配置される入射面、および入射面から入射した光を出射させる出射面（入射面と直交する、図示上側の平面）を有する導光板１２と、を備えている。そして、導光板１２の入射面と光源１１との間には、光源から出射された光を、後述する配向制御の機能を有する光学素子１３が設けられている。
光源１１にはＬＥＤが用いられる。導光板１２は、周知の樹脂製の透明部材からなる。入射されたＬＥＤからの光を内面反射させながら拡散させ、出射させるものである。なお、導光板１２は、入射面側から出射面側に向かって厚みが漸減する傾斜部１２ｓを有する。
そして光学素子１３は、ここでは光源１１から出射された光を入射面の短手方向には回折作用で集光し、入射面の長手方向には屈折作用で拡散させる機能を有するもので、具体的には、後述する。

（第１実施形態）
図４に光学素子１３としての楕円形状のフレネルレンズを示す。このフレネルレンズの基本的な設計指針は以下のとおりである。
（１） ＬＥＤから出射された光を回折作用によって、ｙ方向（入射面の短手方向）に対して所定の方向に集光するように、中心を通るｙ断面の形状（各格子のピッチＰｙ、高さ、傾斜角度α、格子の本数）を決定する。
（２） 決定した格子の本数と、ＬＥＤの発光面のｘ方向（入射面の長手方向）の長さから、中心を通るｘ方向（入射面の長手方向）のピッチＰｘを決定する。なお、ピッチＰｘは、回折作用が生じない長さのピッチであればよく、また、必ずしも、各格子のピッチが一定である必要はない。
（３） 次に、ｘ方向に対して屈折作用によって光を広げられるように、中心を通るｘ断面における各格子の傾斜角度βを決定する。
（４） 最後に、中心を通るｙ断面の形状からｘ断面の形状に連続的に変わるように、加工に使用する切削バイトの形状を考慮しながら、全周にわたる各格子の形状を決定する。なお、格子の形状は１種類のバイトで加工を行えるような形状（断面鋸歯状）が好ましい。必要に応じて、同一、または他の形状のバイトを用いて追加工を行うことによって加工が可能な形状としてもよい。

次に、以上のような設計指針を基に作成された具体例を挙げて説明する。
図４、図５に示すように、フレネルレンズ１３は、各光源１１に対して形成され、同心的に配列された複数の断面鋸歯状で楕円環状の格子１３ｅ（レンズエレメント）からなる。
かかるフレネルレンズ１３は、入射面の長手方向（ｘ方向）に対してピッチ、すなわち各格子１３ｅのｘ方向の長さＰｘが比較的広く形成され、主に屈折作用でＬＥＤから出射された光を入射面の長手方向に広げるように形成されている。一方、入射面の短手方向（ｙ方向）に対してはピッチ、すなわち各格子１３ｅのｙ方向の長さＰｙが比較的狭く形成され、主に回折作用でＬＥＤから出射された光の指向性が高くなるように形成されている。このようにフレネルレンズ１３は、溝ピッチやレンズ径がｘｙ方向に対してアスペクト比を持つ楕円形の微細なフレネルレンズとなるように形成されている。
ここで図５に上記フレネルレンズ１３を拡大して示す。各格子１３ｅは、ｘ−ｘ´、ｙ−ｙ´方向以外に、ａ−ａ′方向、ｂ−ｂ′方向、さらにはｃ−ｃ′方向の断面形状が図６（ａ）〜６（ｅ）で示される鋸歯状形状となるように形成されている。
さらに以上のようなフレネルレンズ１３の各格子１３ｅの具体的な寸法を挙げると、ｙ−ｙ´断面では、図７に示すように、ピッチＰｙが０．７μｍ、格子高さが１μｍとしている。

以上のように形成されたフレネルレンズ１３に対し、光源（この場合点光源）から出射された光が通過する際の、入射面の長手方向に対する光の配向特性は図８に示すとおりとなる。点線はフレネルレンズ１３の中心を通る光軸を示している。
さらに、かかるフレネルレンズ１３に対する入射光に対し、入射面の短手方向における入射角度に応じた透過光は、図９のように示すことができる。図から、フレネルレンズ１３を透過すると、配向角が狭まり、中心付近の光強度が高くなっていることが判る。

したがって、図１に示す面状照明装置１０において、上記フレネルレンズ１３が用いられると、光源１１であるＬＥＤは、図２、図３において点線で示すように、導光板１２の水平方向、垂直方向にかかわらず一定範囲に広がる配向特性を有するものであるが、ＬＥＤからの出射光が上記フレネルレンズ１３を透過すると、導光板１２水平方向、すなわち入射面の長手方向（ｘ方向）に対して屈折作用により出射光は実線で示すように拡散する（図２参照）。
一方、導光板１２の垂直方向、すなわち入射面の短手方向（ｙ方向）には、回折作用で実線で示すように所望の方向に狭まるように導光板１２内を進行する（図３参照）。

以上のような面状照明装置１０によれば、従来のように、入射面の長手方向に光を広げるための入光プリズムが不要となり、一種類の光学素子で複数の異方向（直交する２方向）に対する配向を制御することができ、薄型でも高効率、高輝度で輝度の均一性に優れた面状照明装置を提供することができる。

（第２実施形態）
ここでの光学素子１３としては、個々のＬＥＤに対して、入射面の短手方向および長手方向に対して繰り返して形成された複数の微小素子を有する。すなわち、光学素子として、入射面に沿って平面視短冊状の平凹シリンドリカルレンズ（マイクロレンチキュラーレンズ）がアレー状に複数形成されたものを用いることができる。かかる平凹シリンドリカルレンズの基本的な設計指針は以下のとおりである。
（１） ＬＥＤから出射された光を回折作用によって、ｙ方向（入射面の短手方向）に対して所定の方向に集光するように、ｙ断面の形状（矩形形状における高さ、幅、ピッチＰｙ）を決定する。
（２）ｘ方向に対しては、屈折作用によって光が広げられるように、ＬＥＤと対向する面（頂面）の曲率ｒを決定する。なお、頂面は、必ずしも一定の曲面でなくてもよく、例えば、多面からなる凹面でもよい。
（３）高さの許容範囲および（２）で決定した曲率ｒから、平凹シリンドリカルレンズのｘ方向（入射面の長手方向）の長さＰｘ（回折作用が生じない長さ）を決定する。
（４） 最後に、ＬＥＤの発光面の大きさを考慮して、平凹シリンドリカルレンズを形成する領域（平凹シリンドリカルレンズの繰り返し数）を決定する。

次に、以上のような設計指針を基に作成された具体例を挙げて説明する。
図１０に示す光学素子１３としての平凹シリンドリカルレンズは、導光板１２の入射面に、一つのレンズ形状が凹状の微小なマイクロレンチキュラーレンズ１３ｐをアレイ状に断続的に敷き詰めたマイクロレンチキュラーレンズアレイを形成して、ＬＥＤと対向配置して用いるようにしている。
最小単位のマイクロレンチキュラーレンズ１３ｐは、ＬＥＤからの入射光を屈折作用で水平方向（入射面の長手方向）に拡散させるとともに（図１２参照）、集合体となるマイクロレンチキュラーレンズアレイの導光板の厚さ方向（入射面の短手方向）の間隔Ｐｙ（ピッチ）を波長オーダーとなるように敷き詰めて、垂直方向（入射面の短手方向）に所望の回折効果が得られるようにしている。
ここで、一例として、図１１に、ピッチＰｙを１μｍ、レンズ間のスリット幅を０．５μｍ、レンズ高さを１μｍとしたものを挙げる。光源（この場合点光源）から出射された光が通過する際の、入射面の長手方向に対する光の配向特性は図１２に示すとおりとなる。点線はマイクロレンチキュラーレンズ１３ｐの中心を通る光軸を示している。
さらに平凹シリンドリカルレンズに対する入射光に対し、入射面の短手方向における入射角度に応じた透過光は、図１３のように示すことができる。図から、配向角は、中心付近の±５０゜で光強度が高くなっていることが判る。

さらに、レンズ高さを0.9、1.0、1.1μｍと変えた場合の導光板１２内の配向を検証してみる。
図１４はレンズ高さを0.9μｍとしたとき、図１５はレンズ高さを1.0μｍとしたとき、図１６はレンズ高さを1.1μｍとしたときの、入射角度に応じた透過光の強度分布を示す。
これらから容易に判るように、レンズ高さが変わっても回折パターンは大きく変わることはない。

以上のように構成されたな平凹シリンドリカルレンズを用いた面状照明装置１０によれば、実施形態１と同様、マイクロレンチキュラーレンズアレイは、導光板１２の水平方向に対しては、屈折作用でＬＥＤ出射光が拡散するようになる。
一方、導光板１２の垂直方向に対しては、回折作用でＬＥＤ出射光が狭まるように導光板１２内を進行するようになる。
このように、マイクロレンチキュラーレンズの単体での幅と高さの変化、集合体として用いる導光板厚さ方向の間隔により、屈折作用および回折作用という、異なる光の機能を利用することができるので、ＬＥＤ光源からの光を余すことなく導光板内に入射させるとともに水平方向に広げることが可能となり、光利用効率の高く輝度の均一性に優れたバックライトが構築可能となる。

以上、本発明について、１、２実施形態を挙げ、説明した。
本発明は、以下のように構成することも可能である。
（変形例）
前述した１、２実施形態では、いずれも光学素子１３を一つ、導光板の入射面に配置したが、図１７に反射型回折格子１４を入射面に対向する端面に形成するようにしてもよい。
このように構成することにより、導光板１２の出射面から出射することなく対向端面に入射した光を、出射面から出射させることができる。すなわち、導光板１２の傾斜部からの漏れ光を抑制するために、導光板１２の入射面に光学素子１３を形成して対向端面に向かって光を先送りさせたとしても、対向端面に反射型回折格子１４を設けることにより、出射面から出射する光量を多くすることができる。

１０ 面状照明装置
１１ 光源
１２ 導光板
１２ｓ 斜面部
１３ 光学素子
１３ｅ 格子
１３ｐ マイクロレンチキュラーレンズ
１４ 反射型回折格子

Claims (5)

1. 光源と、該光源が配置される入射面、および該入射面から入射した光を出射させる出射面を有する導光板と、を備えた面状照明装置において、
   前記導光板の前記入射面と前記光源との間に、前記光源から出射された光を前記入射面の短手方向には回折作用で集光し、前記入射面の長手方向には屈折作用で拡散させる光学素子が設けられていることを特徴とする面状照明装置。
2. 前記光学素子は、同心的に配列された複数の楕円環状の格子を有し、
   前記格子の各々は、前記入射面の短手方向の寸法よりも前記入射面の長手方向の寸法が大きくなるように形成されている請求項１に記載の面状照明装置。
3. 前記光学素子は、前記入射面の短手方向および長手方向に対して繰り返して形成された複数の微小素子を有し、
   前記微小素子の各々は、前記入射面の長手方向に沿って延びるように形成され、且つ、前記光源を向く頂面を有し、
   前記頂面は、前記入射面から対向する端面に向かって凹む凹面を有する請求項１に記載の面状照明装置。
4. 前記導光板は、前記入射面と対向する端面に、前記入射面の短手方向に対して入射した光の分布を広げて反射させるための反射型回折格子が形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の面状照明装置。
5. 前記導光板は、前記入射面側から前記出射面側に向かって厚みが漸減する傾斜部を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の面状照明装置。