JP4452725B2 - Surface lighting device - Google Patents
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Description
本発明は、面照明装置に関するものであり、詳しくは、いわゆる直下型と呼ばれる面照明装置に関する。 The present invention relates to a surface illumination device, and more particularly, to a surface illumination device called a so-called direct type.
従来、液晶表示パネル等の非発光表示素子あるいは看板、写真フィルム等の透光性表示体の照明用光源となる面照明装置として、導光板の側面から入射した光で該導光板の平面側に載置された非発光表示素子あるいは透光性表示体を照射する、いわゆるサイドライト型と呼ばれる面照明装置と、光拡散板の一方の平面側から入射した光で該光拡散板の他方の平面側に載置された非発光表示素子あるいは透光性表示体を照射する、いわゆる直下型と呼ばれる面照明装置がある。以下、非発光表示素子あるいは透光性表示体のうち、非発光表示素子である液晶表示パネルを例に取る。 Conventionally, as a surface illumination device serving as a light source for illuminating a non-light emitting display element such as a liquid crystal display panel or a translucent display body such as a signboard or a photographic film, light incident from the side surface of the light guide plate is applied to the plane side of the light guide plate. A so-called side light type surface illumination device that irradiates a mounted non-light emitting display element or translucent display, and the other plane of the light diffusion plate by light incident from one plane side of the light diffusion plate There is a so-called direct-type surface illumination device that irradiates a non-light emitting display element or a translucent display placed on the side. Hereinafter, a liquid crystal display panel which is a non-light-emitting display element among non-light-emitting display elements or translucent displays is taken as an example.
前者の場合は、光源を導光板の側面に沿って配設するために面照明装置の厚みを薄くでき、その結果、面照明装置を備えた液晶表示装置が搭載された各種機器の薄型化を図ることが可能となる。 In the former case, since the light source is arranged along the side surface of the light guide plate, the thickness of the surface illumination device can be reduced, and as a result, various devices equipped with the liquid crystal display device equipped with the surface illumination device can be made thinner. It becomes possible to plan.
ところで、液晶表示パネルの大型化、および液晶表示パネルのカラー化による透過率の低下などに伴い、液晶表示パネルによって鮮明な表示を得るためには該液晶表示パネルを全面に亘って均一に且つ明るく照射する面照明装置が必要となる。この点、サイドライト型の面照明装置は光源の配設領域に制約があり、液晶表示パネルによって鮮明な表示を得るための十分な光量を導光板内に導入することが困難になってきた。 By the way, in order to obtain a clear display by the liquid crystal display panel as the liquid crystal display panel is enlarged and the transmittance is lowered due to the color of the liquid crystal display panel, the liquid crystal display panel is uniformly and brightly provided over the entire surface. A surface illumination device for irradiation is required. In this respect, the sidelight type surface illumination device has a limitation in the light source arrangement region, and it has become difficult to introduce a sufficient amount of light for obtaining a clear display by the liquid crystal display panel into the light guide plate.
これに対し、直下型の面照明装置は、光拡散板の一方の平面側に載置された液晶表示パネルを光拡散板の他方の平面側に配設された光源によって照明するものであり、サイドライト型に比べて多くの照射光量の確保が可能となると共に導光板が不要な分だけ軽量化を図ることが可能となるために、液晶表示パネルの大型化、およびカラー化に対応できる照明装置である。 On the other hand, the direct type surface illumination device illuminates a liquid crystal display panel placed on one plane side of the light diffusion plate with a light source disposed on the other plane side of the light diffusion plate, Compared to the sidelight type, it is possible to secure a large amount of irradiation light and to reduce the weight of the light guide plate as much as necessary. Device.
直下型の面照明装置の具体例としては、従来、図９に示すような構成のものが提案されている。それは、単数または平行に並設された複数の線状光源３０の夫々の周囲の一部を囲むように連続するリフレクタ３１が配設され、光源３０およびリフレクタ３１の上方に該光源３０およびリフレクタ３１を覆うように光拡散板３２およびプリズムシート３３が配設されたものである。
As a specific example of the direct type surface illumination device, a structure having a configuration as shown in FIG. 9 has been proposed. The
そして、リフレクタ３１の光源３０に対向する側の面には光反射面３４が形成され、該光反射面３４は一般的に白色塗装を施したり、あるいは発泡樹脂シート等を貼付した光拡散反射面となっている。
A
この場合、光源３０から発せられて直接光拡散板３２に至った直接光、および光源３０から発せられてリフレクタ３１の光反射面３４で反射されて光拡散板３２に至った反射光は共に、光拡散板３２によって拡散され、更にプリズムシート３３によって集光性される。
In this case, both the direct light emitted from the
つまり、光拡散板３２は面輝度分布の均一化を図り、プリズムシート３３は正面輝度の向上を担うものである（例えば、特許文献１参照。）。
That is, the
また、図１０に示すように、光源３０から発せられて光拡散板３２に至る光の光量分布を均一化するために、光源３０に反射、屈折、拡散等の複数の光学機能面を備えたレンズ３５を取付けた構成のものもある（例えば、特許文献２参照。）。
しかしながら「特許文献１」で提案された方法は、材料費の削減および生産性の向上等によって製造コストの低減を図る場合、光源の数を減らすことも手法の一つになる。但し、光源の数が減ると互いに隣接する光源同士の間隔を広げる必要があり、その際、光源から発せられて光拡散板に至る光の光量分布を均一化するためには光源と光拡散板の距離を長くする必要がある。
However, the method proposed in “
すると、光源から光拡散板に至る光路長が長くなって光拡散板に至る光量が減衰すると共に、面照明装置の厚みが増大することになる。 Then, the optical path length from the light source to the light diffusing plate becomes longer, the amount of light reaching the light diffusing plate is attenuated, and the thickness of the surface illumination device is increased.
また、「特許文献２」で提案された方法は、レンズ内および面照明装置の空間内で複数回の反射が繰返され、その間の導光損失によって光拡散板に至る光量が減衰する。
In the method proposed in “
その結果、上記構成の従来の面照明装置は、寸法、形状、光源数などの制約によって面照明装置の光出射面となる、光拡散板の光源の反対側の面において、所望の輝度および輝度均斉度などの光学特性が得られない可能性がある。 As a result, the conventional surface illumination device having the above-described configuration has desired luminance and luminance on the surface opposite to the light source of the light diffusing plate, which becomes the light emission surface of the surface illumination device due to restrictions such as size, shape, and the number of light sources. Optical properties such as uniformity may not be obtained.
また、上記いずれの面照明装置においても、光源直上近傍の輝度が最も高く、光源の直上から離れるにつれて輝度が低下していく輝度勾配が形成され、面内輝度分布の均一性が損なわれて所望する輝度均斉度を得ることが難しい。 In any of the above surface illumination devices, a luminance gradient is formed in which the luminance in the vicinity immediately above the light source is the highest, and the luminance decreases as the distance from directly above the light source decreases, and the uniformity of the in-plane luminance distribution is impaired and desired. It is difficult to obtain brightness uniformity.
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、非発光表示素子あるいは透光性表示体を照明する直下型の面照明装置において、比較的簡易な構造で生産性に優れると共に、光源光の利用効率の向上で輝度が高く且つ所望の輝度均斉度を容易に得ることができ、光学的にも優れた特性を有する面照明装置を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to provide a relatively simple structure in a direct type surface illumination device that illuminates a non-light emitting display element or a translucent display. An object of the present invention is to provide a surface illumination device that is excellent in productivity, has high luminance by improving the utilization efficiency of light source light, can easily obtain desired luminance uniformity, and has excellent optical characteristics.
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、単数または平行に並設された複数の棒状光源と、前記夫々の棒状光源に略密着した状態で並設、固定された棒状レンズと、前記棒状光源および前記棒状レンズの一部を囲むように配設されたリフレクタを備え、前記棒状レンズは、前記棒状レンズを該棒状レンズの長手方向に垂直な面で切断したときの断面が、円弧と、前記円弧の外側に位置し、前記円弧の中心を通る直線を対称軸とする、夫々前記円弧の中心と反対方向に湾曲し且つ前記対称軸上で繋がった２つの凸形状を有する曲線と、前記円弧および前記曲線の夫々の端同士を結ぶ２つの直線からなり、前記棒状光源、前記棒状レンズ、および前記リフレクタの上方に、光拡散板、光拡散シートおよびプリズムシートのうち少なくとも１つからなる配光制御ユニットを備え、 前記棒状光源を該棒状光源の中心に位置する線状光源とすると共に前記配光制御ユニットを該配光制御ユニットの前記線状光源側の面が前記棒状光源の中心を通る前記対称軸に略垂直になるように位置させたときに、互いに隣接する前記線状光源同士の間隔の半分の距離をＬ、前記線状光源から出射した光線の前記対称軸に対する角度をθ、前記線状光源から出射して前記棒状レンズの前記断面円弧の端部に到達する光線の前記対称軸に対する角度をΘ、前記線状光源から前記対称軸に対してθの角度で出射し、前記棒状レンズの前記断面円弧からなる光入射面から前記棒状レンズに入射し、前記棒状レンズ内を導光されて前記棒状レンズの前記断面凸形状曲線からなる光出射面から出射した光線が、前記配光制御ユニットの前記線状光源側の面に到達する位置の前記対称軸からの距離をＬ（θ）とすると、前記棒状レンズの前記断面凸形状曲線はＬ（θ）＝Ｌ（θ／Θ）の関数に基づいて形成されていることを特徴とするものである。
In order to solve the above-described problems, the invention described in
また、本発明の請求項２に記載された発明は、単数または平行に並設された複数の棒状光源と、前記夫々の棒状光源に略密着した状態で並設、固定された棒状レンズと、前記棒状光源および前記棒状レンズの一部を囲むように配設されたリフレクタを備え、前記棒状レンズは、前記棒状レンズを該棒状レンズの長手方向に垂直な面で切断したときの断面が、円弧と、前記円弧の外側に位置し、前記円弧の中心を通る直線を対称軸とする、夫々前記円弧の中心と反対方向に湾曲し且つ前記対称軸上で繋がった２つの凸形状を有する曲線と、前記円弧および前記曲線の夫々の端同士を結ぶ２つの直線からなり、前記棒状光源、前記棒状レンズ、および前記リフレクタの上方に、光拡散板、光拡散シートおよびプリズムシートのうち少なくとも１つからなる配光制御ユニットを備え、前記棒状光源を該棒状光源の中心に位置する線状光源とすると共に前記配光制御ユニットを該配光制御ユニットの前記線状光源側の面が前記棒状光源の中心を通る前記対称軸に略垂直になるように位置させたときに、互いに隣接する前記線状光源同士の間隔の半分の距離をＬ、前記線状光源から出射した光線の前記対称軸に対する角度をθ、前記線状光源から出射して前記棒状レンズの前記断面円弧の端部に到達する光線の前記対称軸に対する角度をΘ、前記線状光源から前記対称軸に対してθの角度で出射し、前記棒状レンズの前記断面円弧からなる光入射面から前記棒状レンズに入射し、前記棒状レンズ内を導光されて前記棒状レンズの前記断面凸形状曲線からなる光出射面から出射した光線が、前記配光制御ユニットの前記線状光源側の面に到達する位置の前記対称軸からの距離をＬ（θ）とすると、前記棒状レンズの前記断面凸形状曲線はＬ（θ）＝Ｌ√（θ／Θ）の関数に基づいて形成されていることを特徴とするものである。
Further, the invention described in
また、本発明の請求項３に記載された発明は、単数または平行に並設された複数の棒状光源と、前記夫々の棒状光源に略密着した状態で並設、固定された棒状レンズと、前記棒状光源および前記棒状レンズの一部を囲むように配設されたリフレクタを備え、前記棒状レンズは、前記棒状レンズを該棒状レンズの長手方向に垂直な面で切断したときの断面が、円弧と、前記円弧の外側に位置し、前記円弧の中心を通る直線を対称軸とする、夫々前記円弧の中心と反対方向に湾曲し且つ前記対称軸上で繋がった２つの凸形状を有する曲線と、前記円弧および前記曲線の夫々の端同士を結ぶ２つの直線からなり、前記棒状光源、前記棒状レンズ、および前記リフレクタの上方に、光拡散板、光拡散シートおよびプリズムシートのうち少なくとも１つからなる配光制御ユニットを備え、前記棒状光源を該棒状光源の中心に位置する線状光源とすると共に前記配光制御ユニットを該配光制御ユニットの前記線状光源側の面が前記棒状光源の中心を通る前記対称軸に略垂直になるように位置させたときに、互いに隣接する前記線状光源同士の間隔の半分の距離をＬ、前記線状光源から出射した光線の前記対称軸に対する角度をθ、前記線状光源から出射して前記棒状レンズの前記断面円弧の端部に到達する光線の前記対称軸に対する角度をΘ、前記線状光源から前記対称軸に対してθの角度で出射し、前記棒状レンズの前記断面円弧からなる光入射面から前記棒状レンズに入射し、前記棒状レンズ内を導光されて前記棒状レンズの前記断面凸形状曲線からなる光出射面から出射した光線が、前記配光制御ユニットの前記線状光源側の面に到達する位置の前記対称軸からの距離をＬ（θ）とすると、前記棒状レンズの前記断面凸形状曲線はＬ（θ）＝Ｌ［３（θ/Θ）ｅｘｐ｛−７（θ/Θ）｝＋（θ/Θ）］の関数に基づいて形成されていることを特徴とするものである。
The invention described in
また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１から３のいずれか１項において、前記棒状レンズは、該棒状レンズの前記円弧の中心が前記棒状光源の外周円の中心と略同一位置となるように前記棒状光源に並設、固定されていることを特徴とするものである。
The invention described in claim 4 of the present invention is the rod lens according to any one of
また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１から４のいずれか１項において、前記棒状レンズは前記棒状光源と略同一の長さを有していることを特徴とするものである。
Further, the invention described in
また、本発明の請求項６に記載された発明は、請求項１から５のいずれか１項において、前記棒状レンズが形成する照度分布は、前記夫々の棒状光源の直上近傍において低く、互いに隣接する前記棒状光源方向に向かうにつれて徐々に高くなり、互いに隣接する前記棒状光源同士の間隔の半分の位置の直上近傍において最高となり、最外側に位置する棒状光源の外側では一端上昇した後、急速に減衰することを特徴とするものである。
Further, in the invention described in
また、本発明の請求項７に記載された発明は、請求項１から６のいずれか１項において、前記棒状光源は熱陰極蛍光ランプであることを特徴とするものである。 According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects, the rod-shaped light source is a hot cathode fluorescent lamp .
本発明の面照明装置は、棒状光源に、断面形状が円弧と、円弧の外側に位置し、円弧の中心を通る直線を対称軸とする、夫々円弧の中心と反対方向に湾曲し且つ対称軸上で繋がった２つの凸形状を有する曲線と、前記円弧および前記曲線の夫々の端同士を結ぶ２つの直線で形成された棒状レンズを並設、固定した。 The surface illumination device according to the present invention has a bar-shaped light source that is curved in a direction opposite to the center of the arc, with the cross-sectional shape being an arc and a straight line passing outside the arc and passing through the center of the arc. A rod-shaped lens formed by two curved lines having two convex shapes connected to each other and two straight lines connecting the respective ends of the circular arc and the curved line are arranged and fixed.
そして、棒状光源から出射した光は棒状レンズの断面円弧の光入射面から棒状レンズ内に入射し、棒状レンズ内を導光されて断面凸形状曲面の光出射面で屈折されて外部に出射され、所望の照度分布を形成する。 Then, the light emitted from the rod-shaped light source enters the rod-shaped lens from the light incident surface of the cross-sectional arc of the rod-shaped lens, is guided through the rod-shaped lens, is refracted by the light emitting surface of the convex curved surface, and is emitted to the outside. , To form a desired illuminance distribution.
その結果、比較的簡易な構造で生産性に優れると共に、光源光の利用効率の向上で輝度が高く且つ所望の輝度均斉度を容易に得ることができ、光学的にも優れた特性を有する面照明装置を実現することができた。 As a result, it has a relatively simple structure and is excellent in productivity, and can be easily obtained with high luminance and desired luminance uniformity by improving the utilization efficiency of light source light, and has excellent optical characteristics. A lighting device could be realized.
以下、この発明の好適な実施形態を図１から図８を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 to FIG. 8 (the same parts are given the same reference numerals). The embodiments described below are preferable specific examples of the present invention, and thus various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention particularly limits the present invention in the following description. Unless stated to the effect, the present invention is not limited to these embodiments.
図１は本発明の面照明装置に係わる実施形態の斜視図である。面照明装置１は光源２、レンズ３、リフレクタ４、光拡散板５、光拡散シート６およびプリズムシート７から構成されており、面照明装置１を構成する各部材により以下に説明するような構造を有している。
FIG. 1 is a perspective view of an embodiment according to the surface illumination device of the present invention. The
光源２は熱陰極蛍光ランプからなる棒状光源であり、該棒状の光源２が複数本略平行に並設されている。なお、棒状光源としては従来、細径化の容易さ、長寿命、低コストといった理由から冷陰極蛍光ランプが使用されてきたが、本実施形態においては発光効率の高さから熱陰極蛍光ランプを採用した。勿論、冷陰極蛍光ランプを使用してもよい。
The
光源２には、光源２に沿って延びる棒状のレンズ３が設けられている。レンズ３を該レンズ３の長手方向に垂直な面で切断したときの断面形状は図２に示すように、光源２の外周円８の曲率半径Ｒ１以上の曲率半径Ｒ２を有する円弧９と、円弧９の外側に位置し、円弧９の中心Ｐを通る直線を対称軸Ａとする夫々円弧９の中心Ｐと反対方向に湾曲し且つ対称軸Ａ上で繋がった２つの凸形状を有する曲線１０と、円弧９と曲線１０の夫々の端同士を結ぶ２つの直線１１からなっている。なお、円弧９は後述する光入射面の断面形状、曲線１０は光出射面の断面形状である。また、棒状の光源２と棒状のレンズ３は、光源２の外周円８の中心とレンズ３の円弧９の中心が同一位置で中心Ｐを共有するように位置すると共に、略同一の長さに設定されている。
The
図１に戻って、夫々レンズ３が設けられた各光源２には該光源２の下方および側方を光源２の長手方向に沿って覆うように板状のリフレクタ４が配設され、リフレクタ４の少なくとも光源２に対向する側の面には光反射面１２が形成されている。
Returning to FIG. 1, each
光源２の上方には、光線を３６０°の範囲内のいずれかの方向に拡散する光拡散板５および光拡散シート６が順次配設されており、光拡散シート６の上面側には更に、該光拡散シート６からの拡散光の向かう方向を制御するプリズムシート７が配設されている。
Above the
プリズムシート７は例えば、厚みが１００μｍ程度であり、光源２の反対側の面が夫々９０°の頂角を有す複数の連続する三角形からなるプリズム形状を呈している。
For example, the prism sheet 7 has a thickness of about 100 μm, and has a prism shape composed of a plurality of continuous triangles each having an apex angle of 90 ° on the opposite surface of the
なお、光拡散シート６は光の拡散度を高めて面輝度分布の均一性を向上させ、プリズムシート７は集光性を高めて照明輝度を向上させる機能を有するものであり、場合によっては面照明装置に求められる光学仕様に基づいて削除される場合もある。反対に、プリズムシート７以外の光学フィルムを追加したり、あるいはプリズムシート７に替わる他の光学フィルムを用いる場合もある。
The
次に、レンズの設計方法について図３および図４を参照して詳細に説明する。まず、レンズ設計にあたって図３のようなモデルを設定する。 Next, a lens design method will be described in detail with reference to FIGS. First, when designing a lens, a model as shown in FIG. 3 is set.
光源２を線状光源とし、線状光源は棒状光源２の中心Ｐに位置するものとする。棒状レンズ３の光入射面１６は、レンズ３を該レンズの長手方向に垂直な面で切断したときの断面形状が棒状光源２の中心Ｐを中心とする円弧９を呈し、断面円弧９を延長した円柱面の一部からなる。
Assume that the
また、棒状光源２の中心Ｐを原点Ｑとし、原点Ｑを通って光拡散板５の光入射面１３に平行な線をＸ軸、原点Ｑを通って光拡散板５の光入射面１３に垂直な線をＹ軸とする。そして、Ｌは互いに隣接する光源２同士の間隔の半分の距離、L（θ）は棒状光源２の中心Ｐ（線状光源）からＹ軸に対してθの角度で出射した光線Ｂが光拡散板５の光入射面１３に到達した位置のＹ軸からＸ方向の距離、Ｄは棒状光源２の中心ＰからＹ軸上の光入射面１３までの距離、Θは棒状光源２の中心Ｐから出射した光線Ｂがレンズ３に入射する限界角度（Ｙ軸に対する角度）、（Ｘ，Ｙ）は棒状光源２の中心ＰからＹ軸に対してθの角度で出射した光線Ｂがレンズ３の光出射面１４と交わる点の座標である。
Further, the center P of the rod-shaped
そして、棒状レンズ２の中心ＰからＹ軸に対して＋Θ〜−Θの範囲内の角度で出射した光線Ｂが、光拡散板５の光入射面１３の＋Ｌ〜−Ｌの領域内に任意の照度分布を形成するようにレンズ３の光出射面１４の断面曲線の軌跡（Ｘ，Ｙ）を求める。
A light beam B emitted from the center P of the rod-shaped
なお、レンズ３の光出射面１４の断面曲面は上述のように左右対称であるので、対称軸（Ｙ軸）の一方Ｘの＋方向（右側）の形状を求める。
Since the cross-sectional curved surface of the
図４はレンズの光出射面の断面曲線の具体的な求め方について示している。図中、αはレンズ３の光出射面１４の座標（Ｘ，Ｙ）の位置から出射する光線ＢがＸ軸となす角、θは棒状光源２の中心から出射してレンズ３の光出射面１４の座標（Ｘ，Ｙ）の位置に達する光線ＢがＹ軸となす角、φはレンズ３の光出射面１４の座標（Ｘ，Ｙ）の位置における接線がＸ軸となす角を夫々示している。
FIG. 4 shows a specific method for obtaining the cross-sectional curve of the light exit surface of the lens. In the figure, α is an angle formed by the light beam B emitted from the position of the coordinates (X, Y) of the
そこで、レンズの屈折率をｎとすると、座標（Ｘ，Ｙ）における法線に対する入射角はθ−φとなり、出射角は（π／２）−α−φとなり、以下の式が成り立つ。
n・sin(θ−φ)=sin｛(π/2)-α−φ｝ （１）
θ=tan -1(X/Y) （２）
φ=tan -1(-dX/dY) （３）
α=tan -1(D-Y)/｛L(θ)-X｝ （４）
Therefore, when the refractive index of the lens is n, the incident angle with respect to the normal line at the coordinates (X, Y) is θ − φ, and the emission angle is (π / 2) −α − φ, and the following equation is established.
n · sin (θ − φ) = sin {(π / 2) −α − φ} (1)
θ = tan -1 (X / Y) (2)
φ = tan -1 (- dX / dY) (3)
α = tan -1 (DY) / {L (θ) -X} (4)
ここで、Ｌ（θ）は上述のようには棒状光源２の中心ＰからＹ軸に対してθの角度で出射した光線Ｂが光拡散板５の光入射面１３のどの位置に到達したかを表す関数である。
Here, L (θ) is the position on the
なお、図３に示すように、レンズ３に限界角度Θで入射した光線Ｂがレンズ３の光出射面１４から出射して光拡散板３の光入射面１３のＹ軸からＬの距離（レンズ３の光出射面１４から出射された光線Ｂの光拡散板５の光入射面１３におけるＹ軸からの最大到達距離）の位置に到達するものとすると、レンズ３の光出射面１４から出射した光が光拡散板５の光入射面１３に等照度で照射されるためには、レンズ３に入射する限界角度Θに対する実際にレンズ３に入射する角度θの比率と、光拡散板５の光入射面１３に到達した光線Ｂの最大到達距離Ｌに対する実際に光拡散板５の光入射面１３に到達した位置の比率との間に関連性をもたせればよい。
As shown in FIG. 3, the light beam B incident on the
従って、光拡散板５の光入射面１３における到達光光線位置を、棒状光源２の中心Ｐから出射した光線Ｂの角度θを変数とした関数で表すと、
L(θ)=L・(θ/Θ) （５）
となる。この場合、Ｌ（θ）はリフレクタ４の光反射面１２、光拡散板５、光拡散シート６、プリズムシート７など、夫々の光学特性によって様々に変化する。
Therefore, when the reaching light beam position on the
L (θ) = L ・ (θ / Θ) (5)
It becomes. In this case, L (θ) varies depending on the optical characteristics of the
次に、上記式（１）を加法定理により展開すると、
n・sinθcosφ-n・cosθsinφ=sin｛(π/2)-α｝cosφ- cos｛(π/2)-α｝sinφ （６）
となり、式（６）の両辺をcosφで割ると
tanφ=［ｎ・sinθ-sin｛(π/2)-α｝］/［n・cosθ-cos｛(π/2)-α｝］ （７）
となる。
Next, when the above equation (1) is expanded by the addition theorem,
n · sinθcosφ − n · cosθsinφ = sin {(π / 2) −α} cosφ − cos {(π / 2) −α} sinφ (6)
When both sides of equation (6) are divided by cosφ
tanφ = [n · sin θ-sin {(π / 2) -α}] / [n · cos θ-cos {(π / 2) -α}] (7)
It becomes.
そこで、レンズ３の光出射面１４の断面曲線の軌跡は、式（３）および式（７）より以下の微分方程式で表される。
ｄY/ｄX=tanφ=［sin｛(π/2)-α｝-n・sinθ］/［n・cosθ-cos｛(π/2)-α｝］ （８）
Therefore, the locus of the cross-sectional curve of the
dY / dX = tanφ = [sin {(π / 2) -α} -n · sinθ] / [n · cosθ-cos {(π / 2) -α}] (8)
但し、（８）式は実際には解析的に求めることができないので、差分近似によって求める。そこで、Ｘの刻み幅をΔＸとすると、
Xn+1=Xn+ΔX
Yn+1=［sin｛(π/2)-α｝-n・sinθ］/［n・cosθ-cos｛(π/2)-α｝］・ΔX+Yn （９）
となる。
However, since equation (8) cannot actually be obtained analytically, it is obtained by difference approximation. Therefore, if the step size of X is ΔX,
X n + 1 = X n + ΔX
Y n + 1 = [sin {(π / 2) -α} -n · sin θ] / [n · cos θ-cos {(π / 2) -α}] · Δ X + Y n (9)
It becomes.
線状光源の直上（Ｙ軸上）のレンズ３の光出射面１４の座標（Ｘ０，Ｙ０）とし、順次式（９）を求める。そして、求めた座標（Ｘ０，Ｙ０）、（Ｘ１，Ｙ１）、・・・、（ＸＮ，ＹＮ）を繋ぐことにより、レンズ３の光出射面１４の断面曲線の形状を求めることができる。
Using the coordinates (X 0 , Y 0 ) of the
図５および図６は、１つの線状光源から出射されてレンズ内を導光されてレンズの光出射面から出射された光が照射面に形成する照射分布をシミュレーションによって検証した条件および結果を示している。 5 and 6 show the conditions and results obtained by verifying the irradiation distribution formed on the irradiation surface by the light emitted from one linear light source and guided through the lens and emitted from the light emitting surface of the lens by simulation. Show.
シミュレーションの対象となるレンズを、図５のように夫々の光出射面の形状が異なる３種類のレンズ（ａ）〜（ｃ）とした。図中、（ａ）のレンズ１は光出射面の形状が、
L(θ)=L(θ/Θ)
（ｂ）のレンズ２は光出射面の形状が、
L(θ)=L√(θ/Θ)
（ｃ）のレンズ３は光出射面の形状が、
L(θ)=L［3(θ/Θ)exp｛-7(θ/Θ)｝+(θ/Θ)］
の夫々の関数に基づくものである。
The lenses to be simulated were three types of lenses (a) to (c) having different light exit surfaces as shown in FIG. In the figure, the
L (θ) = L (θ / Θ)
In the
L (θ) = L√ (θ / Θ)
The
L (θ) = L [3 (θ / Θ) exp {-7 (θ / Θ)} + (θ / Θ)]
It is based on each function.
その結果、図６で示されるように、レンズ１は−Ｌ〜＋Ｌの範囲内に亘ってほぼ均一な照射分布を示しており、レンズ２は棒状光源の直上近傍の照度が低く、そこから遠ざかるにつれて照度が高くなり、距離Ｌの位置でほぼピークに達する。レンズ３は前記レンズ１とレンズ２の中間の照度分布を示している。
As a result, as shown in FIG. 6, the
棒状光源から出射されてレンズ内を導光されて光拡散板の光入射面に到達した光は、光拡散板、光拡散シート、およびプリズムシートなどを導光されて面照明装置の光出射面から外部に出射されるが、面照明装置の光出射面における輝度分布は光拡散板、光拡散シート、およびプリズムシートなどの夫々が有する光学特性によって異なるものとなる。 The light emitted from the rod-shaped light source and guided through the lens to reach the light incident surface of the light diffusing plate is guided through the light diffusing plate, the light diffusing sheet, the prism sheet, etc., and the light emitting surface of the surface illumination device However, the luminance distribution on the light exit surface of the surface illumination device differs depending on the optical characteristics of the light diffusing plate, the light diffusing sheet, the prism sheet, and the like.
そのため、面照明装置の光出射面において所望の輝度分布を得るためには、光拡散板、光拡散シート、およびプリズムシートなどの光学特性に対応したレンズ設計（レンズの光出射面の形状設計）を行なう必要があるが、棒状光源から出射してレンズ内を導光された光が光拡散板の光入射面に形成する照度分布は、概ね図６に示すように棒状光源の直上近傍で低下し、Ｘ軸方向に広がるにつれて徐々に照度が高くなり、位置Ｌ、−Ｌの近傍で照度が最大となる。 Therefore, in order to obtain a desired luminance distribution on the light exit surface of the surface illumination device, the lens design corresponding to the optical characteristics of the light diffusing plate, the light diffusing sheet, the prism sheet, etc. (shape design of the light emitting surface of the lens) However, the illuminance distribution formed on the light incident surface of the light diffusing plate by the light emitted from the rod-shaped light source and guided through the lens is reduced in the vicinity of the portion directly above the rod-shaped light source as shown in FIG. However, the illuminance gradually increases as it spreads in the X-axis direction, and the illuminance becomes maximum in the vicinity of the positions L and -L.
従って、このような光学特性を備えたレンズを棒状光源に取付けることにより、面輝度分布の均一性の高い面照明装置を実現することが可能となる。 Therefore, by attaching a lens having such optical characteristics to a rod-shaped light source, it is possible to realize a surface illumination device with high uniformity of surface luminance distribution.
図７は本発明の面照明装置に係わる実施例の断面図、図８は実施例の輝度分布である。 FIG. 7 is a cross-sectional view of an embodiment of the surface illumination device according to the present invention, and FIG.
図７に示す実施例の面照明装置の基本構成は図１と同様であり、面照明装置１の光出射面１５の寸法は、棒状光源２の長手方向（紙面の奥行き方向）が３５５ｍｍ、棒状光源２の長手方向に垂直な方向（Ｘ方向）が２１０ｍｍである。光源２は管径がφ８ｍｍの熱陰極蛍光ランプ（全光束６４２ｌｍ）を３本７０ｍｍの間隔で配設した。光拡散板５はＲＭ８０３（住友化学株式会社製）、光拡散シート６はＢＳ７０２（恵和株式会社製）、プリズムシート７はＲＢＥＦ（住友スリ−エム株式会社製）を使用した。リフレクタ４の光源２と対向する側の面を酸化チタン微粒子を塗布した反射率を９０％以上の光反射面１２とした。レンズ３は材質がアクリルで、形状は図５（ｃ）のレンズ３の形状とした。
The basic configuration of the surface illumination device of the embodiment shown in FIG. 7 is the same as that of FIG. 1, and the dimension of the
図８は上記実施例の輝度分布と、実施例の構成からレンズを取り除いた比較例の輝度分布を、夫々の輝度分布の最大値で正規化したグラフである。グラフの表示範囲は、中央に位置する光源２を中心としたＸ方向の−３５ｍｍ〜＋３５ｍｍの範囲に亘っている。このグラフからわかるように、比較例は面照明装置の中央部近傍の輝度が他の部分に比べて高くなっているが、実施例は中央近傍の輝度が抑制されており、その分他の部分の輝度が改善されている。
FIG. 8 is a graph obtained by normalizing the luminance distribution of the above example and the luminance distribution of the comparative example in which the lens is removed from the configuration of the example with the maximum value of each luminance distribution. The display range of the graph covers a range of −35 mm to +35 mm in the X direction with the
下記表１に実施例と比較例の輝度ムラの評価結果を示している。 Table 1 below shows the evaluation results of the luminance unevenness of the example and the comparative example.
表１のＭＡＸはＸ方向の−３５ｍｍ〜＋３５ｍｍの範囲における輝度の最大値、ＭＩＮは最小値、ＡＶＥは平均値である。また、（ＭＡＸ−ＡＶＥ）／ＡＶＥ、および、（ＭＩＮ−ＡＶＥ）／ＡＶＥは共に輝度ムラの指標を示している。 MAX in Table 1 is the maximum luminance value in the range of −35 mm to +35 mm in the X direction, MIN is the minimum value, and AVE is the average value. Further, (MAX-AVE) / AVE and (MIN-AVE) / AVE both indicate indicators of luminance unevenness.
そこで、輝度ムラの指標となる（ＭＡＸ−ＡＶＥ）／ＡＶＥ、および、（ＭＩＮ−ＡＶＥ）／ＡＶＥを実施例と比較例についてみてみると、（ＭＡＸ−ＡＶＥ）／ＡＶＥについては比較例が５．８０％であるのに対し実施例は３．２７％であり、（ＭＩＮ−ＡＶＥ）／ＡＶＥについては比較例が−５．９１％であるのに対し実施例は−４．８２％となっている。 Accordingly, when (MAX-AVE) / AVE and (MIN-AVE) / AVE, which are indicators of luminance unevenness, are examined in the example and the comparative example, the comparative example is 5. In contrast to 80%, the example is 3.27%, and for (MIN-AVE) / AVE, the comparative example is -5.91%, while the example is -4.82%. Yes.
従って、いずれの指標も実施例が比較例よりも輝度ムラが少ないことを示しており、レンズの光学的に優れた効果をもたらすことを示している。 Accordingly, any of the indexes indicates that the example has less luminance unevenness than the comparative example, and indicates that the optical effect of the lens is brought about.
以上説明したように、本発明の直下型の面照明装置は、従来の直下型面照明装置の問題点となっていた、光源の直上近傍の輝度と周囲の輝度との輝度勾配で生じる輝度ムラを改善し、輝度均斉度に優れた面照明装置を実現した。 As described above, the direct type surface illumination device according to the present invention has the problem of luminance unevenness caused by the luminance gradient between the luminance immediately above the light source and the surrounding luminance, which has been a problem of the conventional direct type surface illumination device. Improved surface brightness device with excellent brightness uniformity.
しかも、輝度ムラの改善方法は、光源にレンズを設けるだけの至って簡易な方法であり、これにより輝度ムラ改善に伴う製造コストの上昇を抑制することができる。 In addition, the method for improving luminance unevenness is a simple method in which a lens is simply provided on the light source, thereby suppressing an increase in manufacturing cost due to the luminance unevenness improvement.
また、レンズは、光源と組み合わせることによって均一な配光分布を形成するように設計されており、光源の並設間隔が広がったとしても光源にレンズを設けることによって面照明装置の厚みを変えることなく所望の輝度均斉度を得ることが可能となる。 In addition, the lens is designed to form a uniform light distribution by combining with the light source, and even if the interval between the light sources is widened, the thickness of the surface illumination device can be changed by providing the lens to the light source. Therefore, it is possible to obtain a desired luminance uniformity.
また、レンズは、該レンズの光出射面のみで光線を屈折させて配光分布を制御している。そのため、余計な迷光の発生がないために光の利用効率が高く、高輝度の面照明装置の実現に大いに寄与するものとなっている。 Further, the lens controls the light distribution by refracting light rays only on the light exit surface of the lens. For this reason, since no extra stray light is generated, the use efficiency of light is high, which greatly contributes to the realization of a high-luminance surface illumination device.
更に、光源に光束の多い熱陰極蛍ランプを使用することにより、上記本発明の効果が更に向上し、少ない光源で広範囲な領域を均一に照射する薄型で簡易な構造の面照明装置を提供することが可能になる。 Furthermore, by using a hot cathode fluorescent lamp with a large luminous flux as a light source, the effect of the present invention is further improved, and a surface illumination device having a thin and simple structure that uniformly irradiates a wide area with a small number of light sources is provided. It becomes possible.
１ 面照明装置
２ 光源
３ レンズ
４ リフレクタ
５ 光拡散板
６ 光拡散シート
７ プリズムシート
８ 外周円
９ 円弧
１０ 曲線
１１ 直線
１２ 光反射面
１３ 光入射面
１４ 光出射面
１５ 光出射面
１６ 光入射面
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記夫々の棒状光源に略密着した状態で並設、固定された棒状レンズと、
前記棒状光源および前記棒状レンズの一部を囲むように配設されたリフレクタを備え、
前記棒状レンズは、前記棒状レンズを該棒状レンズの長手方向に垂直な面で切断したときの断面が、円弧と、前記円弧の外側に位置し、前記円弧の中心を通る直線を対称軸とする、夫々前記円弧の中心と反対方向に湾曲し且つ前記対称軸上で繋がった２つの凸形状を有する曲線と、前記円弧および前記曲線の夫々の端同士を結ぶ２つの直線からなり、
前記棒状光源、前記棒状レンズ、および前記リフレクタの上方に、光拡散板、光拡散シートおよびプリズムシートのうち少なくとも１つからなる配光制御ユニットを備え、
前記棒状光源を該棒状光源の中心に位置する線状光源とすると共に前記配光制御ユニットを該配光制御ユニットの前記線状光源側の面が前記棒状光源の中心を通る前記対称軸に略垂直になるように位置させたときに、互いに隣接する前記線状光源同士の間隔の半分の距離をＬ、前記線状光源から出射した光線の前記対称軸に対する角度をθ、前記線状光源から出射して前記棒状レンズの前記断面円弧の端部に到達する光線の前記対称軸に対する角度をΘ、前記線状光源から前記対称軸に対してθの角度で出射し、前記棒状レンズの前記断面円弧からなる光入射面から前記棒状レンズに入射し、前記棒状レンズ内を導光されて前記棒状レンズの前記断面凸形状曲線からなる光出射面から出射した光線が、前記配光制御ユニットの前記線状光源側の面に到達する位置の前記対称軸からの距離をＬ（θ）とすると、前記棒状レンズの前記断面凸形状曲線はＬ（θ）＝Ｌ（θ／Θ）の関数に基づいて形成されていることを特徴とする面照明装置。 A plurality of rod-shaped light sources arranged in parallel or singularly;
A rod-shaped lens arranged in parallel and fixed in close contact with the respective rod-shaped light sources;
A reflector disposed so as to surround a part of the rod-shaped light source and the rod-shaped lens;
The rod-shaped lens has a cross-section when the rod-shaped lens is cut by a plane perpendicular to the longitudinal direction of the rod-shaped lens, an arc and a straight line that is located outside the arc and passes through the center of the arc as a symmetry axis. , respectively and the circular arc and the center of the curve with two convex led curved and on the symmetry axis in the opposite direction, Ri Do two straight lines connecting the ends to each other of each of said arcs and said curve,
A light distribution control unit comprising at least one of a light diffusing plate, a light diffusing sheet, and a prism sheet is provided above the rod-shaped light source, the rod-shaped lens, and the reflector,
The rod-shaped light source is a linear light source located at the center of the rod-shaped light source, and the light distribution control unit is substantially aligned with the axis of symmetry passing through the center of the rod-shaped light source. When positioned so as to be perpendicular, L is a distance that is half of the interval between the linear light sources adjacent to each other, θ is the angle of the light beam emitted from the linear light source with respect to the symmetry axis, and The angle of the light beam that exits and reaches the end of the cross-section arc of the rod-shaped lens with respect to the symmetry axis Θ is emitted from the linear light source at an angle θ with respect to the symmetry axis, and the cross-section of the rod-shaped lens A light beam incident on the rod-shaped lens from a light incident surface made of an arc, guided through the rod-shaped lens, and emitted from the light emitting surface formed of the convex cross-sectional curve of the rod-shaped lens is the light distribution control unit. On the linear light source side If the distance from the axis of symmetry to the position that reaches is L (θ), the cross-sectional convex curve of the rod-shaped lens is formed based on a function of L (θ) = L (θ / Θ) A surface illumination device.
前記夫々の棒状光源に略密着した状態で並設、固定された棒状レンズと、A rod-shaped lens arranged in parallel and fixed in close contact with the respective rod-shaped light sources;
前記棒状光源および前記棒状レンズの一部を囲むように配設されたリフレクタを備え、A reflector disposed so as to surround a part of the rod-shaped light source and the rod-shaped lens;
前記棒状レンズは、前記棒状レンズを該棒状レンズの長手方向に垂直な面で切断したときの断面が、円弧と、前記円弧の外側に位置し、前記円弧の中心を通る直線を対称軸とする、夫々前記円弧の中心と反対方向に湾曲し且つ前記対称軸上で繋がった２つの凸形状を有する曲線と、前記円弧および前記曲線の夫々の端同士を結ぶ２つの直線からなり、The rod-shaped lens has a cross-section when the rod-shaped lens is cut by a plane perpendicular to the longitudinal direction of the rod-shaped lens, an arc and a straight line that is located outside the arc and passes through the center of the arc as a symmetry axis. A curve having two convex shapes each curved in a direction opposite to the center of the arc and connected on the axis of symmetry, and two straight lines connecting the ends of the arc and the curve,
前記棒状光源、前記棒状レンズ、および前記リフレクタの上方に、光拡散板、光拡散シートおよびプリズムシートのうち少なくとも１つからなる配光制御ユニットを備え、A light distribution control unit comprising at least one of a light diffusion plate, a light diffusion sheet, and a prism sheet is provided above the rod-shaped light source, the rod-shaped lens, and the reflector,
前記棒状光源を該棒状光源の中心に位置する線状光源とすると共に前記配光制御ユニットを該配光制御ユニットの前記線状光源側の面が前記棒状光源の中心を通る前記対称軸に略垂直になるように位置させたときに、互いに隣接する前記線状光源同士の間隔の半分の距離をＬ、前記線状光源から出射した光線の前記対称軸に対する角度をθ、前記線状光源から出射して前記棒状レンズの前記断面円弧の端部に到達する光線の前記対称軸に対する角度をΘ、前記線状光源から前記対称軸に対してθの角度で出射し、前記棒状レンズの前記断面円弧からなる光入射面から前記棒状レンズに入射し、前記棒状レンズ内を導光されて前記棒状レンズの前記断面凸形状曲線からなる光出射面から出射した光線が、前記配光制御ユニットの前記線状光源側の面に到達する位置の前記対称軸からの距離をＬ（θ）とすると、前記棒状レンズの前記断面凸形状曲線はＬ（θ）＝Ｌ√（θ／Θ）の関数に基づいて形成されていることを特徴とする面照明装置。The rod-shaped light source is a linear light source positioned at the center of the rod-shaped light source, and the light distribution control unit is substantially aligned with the axis of symmetry passing through the center of the rod-shaped light source. When positioned so as to be perpendicular, L is a distance that is half of the interval between the linear light sources adjacent to each other, θ is the angle of the light beam emitted from the linear light source with respect to the symmetry axis, and The angle of the light beam that exits and reaches the end of the cross-section arc of the rod-shaped lens with respect to the symmetry axis Θ is emitted from the linear light source at an angle θ with respect to the symmetry axis, and the cross-section of the rod-shaped lens A light beam incident on the rod-shaped lens from a light incident surface made of an arc, guided through the rod-shaped lens, and emitted from the light emitting surface formed of the convex cross-sectional curve of the rod-shaped lens is the light distribution control unit. On the linear light source side If the distance from the axis of symmetry at the position that reaches is L (θ), the cross-sectional convex curve of the rod-shaped lens is formed based on a function of L (θ) = L√ (θ / Θ). A surface illumination device.
前記夫々の棒状光源に略密着した状態で並設、固定された棒状レンズと、A rod-shaped lens arranged in parallel and fixed in close contact with the respective rod-shaped light sources;
前記棒状光源および前記棒状レンズの一部を囲むように配設されたリフレクタを備え、A reflector disposed so as to surround a part of the rod-shaped light source and the rod-shaped lens;
前記棒状レンズは、前記棒状レンズを該棒状レンズの長手方向に垂直な面で切断したときの断面が、円弧と、前記円弧の外側に位置し、前記円弧の中心を通る直線を対称軸とする、夫々前記円弧の中心と反対方向に湾曲し且つ前記対称軸上で繋がった２つの凸形状を有する曲線と、前記円弧および前記曲線の夫々の端同士を結ぶ２つの直線からなり、The rod-shaped lens has a cross-section when the rod-shaped lens is cut by a plane perpendicular to the longitudinal direction of the rod-shaped lens, an arc and a straight line that is located outside the arc and passes through the center of the arc as a symmetry axis. A curve having two convex shapes each curved in a direction opposite to the center of the arc and connected on the axis of symmetry, and two straight lines connecting the ends of the arc and the curve,
前記棒状光源、前記棒状レンズ、および前記リフレクタの上方に、光拡散板、光拡散シートおよびプリズムシートのうち少なくとも１つからなる配光制御ユニットを備え、A light distribution control unit comprising at least one of a light diffusing plate, a light diffusing sheet, and a prism sheet is provided above the rod-shaped light source, the rod-shaped lens, and the reflector,
前記棒状光源を該棒状光源の中心に位置する線状光源とすると共に前記配光制御ユニットを該配光制御ユニットの前記線状光源側の面が前記棒状光源の中心を通る前記対称軸に略垂直になるように位置させたときに、互いに隣接する前記線状光源同士の間隔の半分の距離をＬ、前記線状光源から出射した光線の前記対称軸に対する角度をθ、前記線状光源から出射して前記棒状レンズの前記断面円弧の端部に到達する光線の前記対称軸に対する角度をΘ、前記線状光源から前記対称軸に対してθの角度で出射し、前記棒状レンズの前記断面円弧からなる光入射面から前記棒状レンズに入射し、前記棒状レンズ内を導光されて前記棒状レンズの前記断面凸形状曲線からなる光出射面から出射した光線が、前記配光制御ユニットの前記線状光源側の面に到達する位置の前記対称軸からの距離をＬ（θ）とすると、前記棒状レンズの前記断面凸形状曲線はＬ（θ）＝Ｌ［３（θ/Θ）ｅｘｐ｛−７（θ/Θ）｝＋（θ/Θ）］の関数に基づいて形成されていることを特徴とする面照明装置。The rod-shaped light source is a linear light source located at the center of the rod-shaped light source, and the light distribution control unit is substantially aligned with the axis of symmetry passing through the center of the rod-shaped light source. When positioned so as to be perpendicular, L is a distance that is half of the interval between the linear light sources adjacent to each other, θ is the angle of the light beam emitted from the linear light source with respect to the symmetry axis, and The angle of the light beam that exits and reaches the end of the cross-section arc of the rod-shaped lens with respect to the symmetry axis Θ is emitted from the linear light source at an angle θ with respect to the symmetry axis, and the cross-section of the rod-shaped lens A light beam incident on the rod-shaped lens from a light incident surface made of an arc, guided through the rod-shaped lens, and emitted from the light emitting surface formed of the convex cross-sectional curve of the rod-shaped lens is the light distribution control unit. On the linear light source side L (θ) is the distance from the axis of symmetry at the position reaching the position L (θ) = L [3 (θ / Θ) exp {−7 (θ / Θ) )} + (Θ / Θ)] is formed based on the function.
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