JP4145527B2 - 点状光源を具える照明装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光放射表面と、複数の例えばＬＥＤのようなほぼ点状の光源とを具えた照明装置であって、特にＬＣＤ画像スクリーンのような液晶ディスプレイのバックライト用又は平面光放射器用に好適な照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
ＬＣＤ画像スクリーンは画像可視化用に全面に亘ってできるだけ均一な背面照明を必要とすることは一般に知られている。しかし、特に大形の照明装置の場合には、その前に画像スクリーンが位置する光放射表面の全面に高い光度を充分な均一性で発生させることができないという問題がしばしば生ずる。これは不快な画像効果を生じ得る。更に、これらの照明装置は多くの場合できるだけ薄くする必要がある。
【０００３】
例えばドイツ国特許ＤＥ−２９７０７９６４号から、複数の発光ダイオードをハウジング内のプリント回路板上に配置し、その光放射表面に拡散板を設けてなる照明装置が既知である。プリント回路板も拡散反射体で被覆する。その目的は光放射表面上に均一な高光度を達成するためである。しかし、この所謂直接背面照明は、均一な光分布を達成する必要がある場合には、発光ダイオードと拡散板との間にかなり大きな間隔を維持する必要がある欠点を有する。これはかなり大きな構造深さを必要とする。他の欠点は、２つの散乱層が損失を生ずるためにこのような背面照明装置の効率（すなわち光源により発生された光のうち光放射表面で実際に使用し得る光の割合）は最大で約５０％であるという点にある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、特にＬＣＤ画像スクリーンのバックライト用に好適であり且つ画像スクリーンの均一で強い照明を小さな構造深さで達成し得る頭書に記載した種類の照明装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この目的を達成するために、光放射表面と、複数のほぼ点状光源とを具えた照明装置において、当該照明装置は複数のキャビティ（孔）が設けられた導光板を具え、各キャビティに前記点状光源を収納し、各キャビティは前記光放射表面に面する上面と側壁を具え、前記上面を反射層で覆い、且つ前記導光板への光の入力結合を前記側壁から行なうよう構成したことを特徴とする。
【０００６】
この解決手段の本質的な利点は、各光源の光が導光板全体にほぼ均一に分布され、しかも光源から出た光が光放射表面に直接当たらないために、出力光が使用する光源の個々の特性、例えば光度の変動にほとんど依存しない点にある。更に、各光源により発生された光量の極めて大きな部分がこの種の光結合のために光放射表面で使用可能となり、且つ拡散板が不要となり、拡散板による損失が生じないため、損失が低くなるとともに光源の効率が高くなる。
【０００７】
従って、高い光度の均一分布を達成することができる。また、所望の光度を光源の数の対応する選択により選択することができる。最後に、極めて平坦な構造も実現することができる。
【０００８】
縦続請求項は本発明の他の有利な実施例に関するものである。
光放射表面における特に高い光の均一性は請求項２及び請求項９−１１に記載された実施例により達成される。その理由は、これらの実施例では光源から放射される光の如何なる部分も光放射表面に直接到達し得ないためである。
【０００９】
請求項３、７及び８に記載された実施例によれば光源の効率が更に向上し、請求項４および５に記載された実施例は特に製造が簡単である。
【００１０】
請求項６に記載された光源の選択によれば極めて安価な軽量の照明装置を製造することができる。更に、光放射表面における光の明るさを光源の供給電圧の対応する調整により簡単に調整することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の他の特徴及び利点は図面を参照して以下に記載する好適実施例の説明から明らかになる。
【００１２】
図１は透明材料から製造される長方形の導光板１を示す。この導光板は、その上面側に、光を上面から既知のようにカップリングアウト（結合出力）させる光放射表面１１と、この面に対向する下面１２と、２つの長側面１３、１４及び２つの短側面１５、１６とを具える。光源収納用の複数の円筒状キャビティ（孔）２０が板１の下面側に設けられ、これらのキャビティは光放射表面１１の方向に延在する。
【００１３】
キャビティの数及び相互間隔は重要でなく、照明装置の大きさ、光放射表面における所望の光度及び光源の特性に基づいて選択することができる。均一な光分布を達成するために、キャビティを導光板１の全域に亘ってできるだけ均等に分布させる。
【００１４】
導光板１及び特にその光放射表面１１は必ずしも長方形にする必要はない。例えば正方形、円形又は楕円形等のような他の形状にすることもできる。更に、キャビティの断面は円筒形以外の断面、例えば矩形又は多角形に選択することもできる。
【００１５】
図２は図１のＡ−Ａ線上の２つのキャビティ２０の部分における導光板１の断面図である。各キャビティは側壁２０１及び上面２０３を有する。各キャビティ内にはほぼ点状の光源２１が存在し、この光源は例えば発光ダイオードとすることができる。導光板１の光放射表面１１にほぼ垂直の側壁２０１は導光板１の材料で形成し、光放射面１１にほぼ平行な上面２０３には両面高反射性の第１層２０４を設ける。
【００１６】
この場合、２つの可能性がある。第１に、この第１層２０４をキャビティ２０の上面２０３に、導光板１と第１層２０４との間に空隙又は中間空間が存在しないように直接設ける。これは層２０４と導光板１との間にオプティカルコンタクトを生じ、この場合にはこの層をできるだけ鏡面反射にする必要がある。第２に、層２０４をキャビティの上面２０３からその内部空間の方向へ離して位置させ、空隙を生じさせるとともに、層２０４を例えば光源の方向に僅かに湾曲させることができる。この場合には、層２０４と導光板１との間にオプティカルコンタクトは存在せず、導光板からの光がキャビティの上面２０３で又は導光板の材料と空隙との間の界面で全反射により導光板内に戻される。この反射は極めて小さな損失を生ずるのみであるため、第１層２０４を上面２０３から若干離すのが一般に好ましい。
【００１７】
キャビティの下面を最終的に高反射性の第２層１２１で覆う。この層は、例えば底壁上に設けることができ、好ましくは導光板を閉じるハウジング(図示せず)の内壁上に、第２反射層１２１が全下面１２とともに側面１３−１６も覆うように設け、その結果として外部から覆われる表面との間にオプティカルコンタクトが存在しないようにする。
【００１８】
最後に、光を導光板から既知のようにカップリングアウト（結合出力）する複数の光抽出素子３を光放出表面１１に設ける。
【００１９】
この照明装置の組み立てにおいて、光源はハウジングの底壁に固着するのが好ましい。次に、正確な位置にキャビティ２０が設けられた導光板１をハウジング内に、各光源が対応するキャビティ内に位置するように挿入する。更に、スペーサ１７を導光板の側面１３−１６とハウジングの内壁との間並びに導光板の下面１２とハウジングの底壁との間に挿入し、これらのスペーサによって第２反射層１２１(ハウジングの内壁に位置する)を導光板１から離間させ、層１２１と側面１３−１６及び下面１２との間に空隙を残存させる。
【００２０】
少なくとも１つの光源２１から発する光線はキャビティ２０の側壁２０１のみから導光板１の材料内に入力する。これらの光線は導光板１内を導光板の側面１３−１６及び下面１２、又はそれらの上に設けられている第２層１２１におけるほぼ無損失の全反射により伝播し、光放射表面１１で結合出力される。この点について以下に詳細に説明する。
【００２１】
導光板内を伝播する光線がキャビティ２０の側壁２０１に当たると、この光線はそこに入力し、キャビティ内で光源２１及び／又は高反射性第１又は第２層２０４、１２１で散乱され、側壁２０１を経てキャビティから再び出て行く。
【００２２】
導光板内を伝播する光線がキャビティ２０の外部上面２０３に当たると、この光線は、上述した可能な構成の選択に応じて、第１層２０４が導光板１とオプティカルコンタクトであれば、第１層２０４で反射され、あるいはオプティカルコンタクトでなければ、上面２０３で全反射されるため、この光線は何れの場合にもキャビティ２０のそばを通過する。
【００２３】
この種の光結合及び光伝播は導光板１全体に亘って極めて均一な光の分布をもたらし、特に個々の光源の光放射表面１１から出力される光への寄与の極めて均一な分布をもたらす。更に、各光源の光は導光板全体に分布されるため、任意の光源の例えば強度変動又は故障による影響が小さくなり、殆ど目立たなくなる。
【００２４】
これらの特性は光源の数を増大するとそれに比例して向上する。導光板の単位面積当たりの光源の数をできるだけ多くするために、比較的小さい安価に製造し得る発光ダイオードを使用するのが特に好適である。同時に、多数の発光ダイオードはそれに応じて高い光度を光放射表面にもたらすこと明かである。
【００２５】
光は導光板１の光放射表面１１から光抽出素子３によって既知のように結合出力させ、例えば導光板上に配置した液晶ディスプレイ又はＬＣＤ画像スクリーンを照明することができる。照明の均一性は抽出素子の適切な設計及び／又は配置により更に向上させることができ、抽出素子の設計及び／又は配置は不規則にすることもできる。
【００２６】
導光板１は図２に示すように第２層１２１で被覆された壁を有するとともに下面１２及び側面１３−１６を覆うハウジング（図示せず）内に配置して、外部から覆われる表面とのオプティカルコンタクトが存在しないようにするのが好ましい。この場合には第２層１２１は正反射性又は拡散反射性にすることができる。
【００２７】
第２層１２１を関連する側面１３−１６及び下面１２上に直接配置することもでき、この場合にはスペーサを除去する。しかし、これは、特に第２層が拡散反射である場合に、入射光の一部分が側面により光放出表面１１に直接反射され、不利な効果を生ずる欠点を有する。この欠点は、第２層を正反射にすれば、高度に回避することができるが、このような層はかなり高価である。その理由は、このような層は比較的高い反射率材料で製造し得るのみであるとともに導光板の表面上に極めて骨の折れる方法で設ける必要があるためである。
【００２８】
驚いたことに、この問題は、第２層１２１を関連する側面１３−１６及び下面１２に直接設けないで、導光板から例えば０．１mmの距離に位置させて、空隙のために両者間にオプティカルコンタクトが存在しないようにすることにより解決できることが確かめられた。この目的のためにスペーサ１７を設ける。
【００２９】
光線が導光板１から側面１３−１６の１つ（又は下面１２）を通過するとき、この光線は最初にその側面で屈折され、次いで空隙を横切り、好ましくは拡散反射性の第２層１２１により反射されて戻る。この光線は、空隙をもう一度通過した後、導光板１に再び入力し、導光板の屈折率が１．４１以上であれば、次いで再び全反射条件を満たす。
【００３０】
その結果として、導光板から側面又は下面を経て出る光成分は再び導光板内に反射されて戻る。第２層１２１の製造には、９５−９８％以上の反射率を有する市販の白色箔又は白色塗料を使用することができる。鏡面反射第２層１２１を使用することもできること明かである。しかし、拡散反射層の方が、反射後の光が導光板に良好に均等に分布するとともに、この層は鏡面反射層より高い反射率及び低いコストで製造し得る利点を有する。
【００３１】
従って、この構成によれば極めて有効な導光板への光結合並びに多数の光源からの光のほぼ無損失の分布が得られる。
【００３２】
キャビティ２０の上面２０３における高反射性の第１層２０４を第１部分２０４ａ（図２に破線で示す）により導光板１内に水平方向に数ミリメートルだけ延長させるのが有利であることが確かめられた（この目的のために導光板は２つの層からなるものとする必要がある）。或は又（特にこの層を蒸着により実現する場合には）、この層を第２部分２０４ｂ（図２に破線で示す）によりキャビティの上部内部エッジの周囲に垂直方向に、側壁に沿って数ミリメートルだけキャビティの下方へ延長させることができる。これらの部分のどちらによっても、キャビティのエッジ部において不所望な漂遊光が発生するのを阻止することができる。
【００３３】
この目的のために、更に、キャビティ２０の対向下部エッジに隣接する導光板１の側壁２０１及び下面１２の部分に該部分に沿って数ミリメートルだけ延在する高反射性の第３層２０５を設けることができる。
【００３４】
上述した本発明の照明装置の特性は、異なる色の光源からの光を導光板内で混合して光放射表面で混色として出力させる必要がある場合にも特に有利に利用することができる。均一でむらのない色の混合光を発生させるためには、互いに隣接する光源が常に異なる色の光を発生するように光源を配置するのが好ましい。
【００３５】
原理的には、上述したほぼ点状の光源の代わりに直線光源を使用し、これらの直線光源を、円筒状キャビティの代わりに、導光板内にその側面に平行に設けられたキャビティ又は導光板の下面上に設けられたキャビティ内に位置させることができる。
【００３６】
最後に、第２反射層１２１と導光板の側面又は下面との間の間隔は光源の性質、数及び位置と無関係である点に注意されたい。この間隔は、例えば光源を導光板内に配置しないでその１〜数個の側面に配置する場合にも設けることができる。この場合にも、上述した全反射に対する要件に従って当該側面から出る光のほぼ無損失の反射に関する利点が他の側面におけるこのような離間反射層によって得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明照明装置の好適実施例の斜視図である。
【図２】 図１の照明装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 導光板
３ 光抽出素子
１１ 光放射表面
１２ 下面
１３−１６ 側面
１７ スペーサ
２０ キャビティ
２１ 光源
２０４ 第１反射層
１２１ 第２反射層

Claims (11)

1. 光放射表面と、複数のほぼ点状の光源とを具えた照明装置において、当該照明装置は複数のキャビティが設けられた導光板を具え、各キャビティに前記点状光源を収納し、各キャビティが前記光放射表面に面する上面と側壁を具え、前記上面が第１の反射層で覆われ、前記導光板への光の入力結合が前記側壁を経て行われ、前記第１の反射層は前記キャビティの上面からその内部空間の方向に離してギャップを生じるように配置されていること及び前記第 1 の反射層は前記キャビティの側壁に沿って延在する延長部を有していることを特徴とする照明装置。
2. 前記キャビティの側壁は前記光放射表面にほぼ直角に延在し、前記キャビティの上面は前記光放射表面にほぼ平行に延在することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 前記キャビティはそれらの上面に対向するそれらの下面が第２の反射層で覆われていることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
4. 前記キャビティはほぼ円筒形であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
5. 前記キャビティは前記導光板の下面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
6. 前記光源は発光ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
7. 前記第２の反射層が前記導光板の側面及び下面を覆って延在することを特徴とする請求項３記載の照明装置。
8. 前記第２の反射層は前記導光板から離間して空隙を形成することを特徴とする請求項７記載の照明装置。
9. 前記第１の反射層は前記導光板内へ水平方向に延在する延長部を有することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
10. 前記上面に対向して位置するキャビティのエッジ部が第３の反射層で覆われていることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
11. 請求項１−１０の何れかに記載の照明装置を具えた液晶ディスプレイ。

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