JP5919017B2

JP5919017B2 - 導光ユニット

Info

Publication number: JP5919017B2
Application number: JP2012028689A
Authority: JP
Inventors: 上片野　充; 充上片野; れん鈴木
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-02-13
Also published as: JP2013165044A

Description

本発明は、導光板を利用し、導光板の出射面において面発光が可能な導光ユニットに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用したバックライトにおいて、ＬＥＤを単純に並べる方式ではＬＥＤの指向性が高いためにＬＥＤが点状に透けて見え、輝度ムラが発生しやすいので、ＬＥＤと面板の間の距離を大きくとる必要があった。また、ＬＥＤと面板の間に拡散用の導光ユニットを配置してＬＥＤの点状発光の光を分散させた製品も存在するが、その場合にも、ＬＥＤと面板の間の距離をある程度必要としていた。

導光板の中央底部にＬＥＤからの入光部を配置し、導光板の中央上面に漏斗状の窪みを設ける構成は、導光板に入光したＬＥＤの光をその周囲に向けて放射状に低損失で伝播させる手法として一般的に用いられている。面発光させるには、導光板内を放射状に伝播する光を表側の出射面に出射する必要があり、通常は、底面に白色印刷を施したり、凹凸形状を設けたりして、その部分で反射散乱を起こさせて出射面側に出射させる。
光源からの距離などに応じて、導光板内部で光の拡散の濃度分布を変化させたり、光を出射面に向けて散乱させる凹凸部の深さ、形状、密度等を変えたりすることで、より均一な輝度分布を得ることができる（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−１０９５５４号公報

しかしながら白色印刷では印刷面での吸収による損失が発生し、凹凸形状を設ける方式では反射散乱された光が出射面側だけでなく底面側からも出射するため、導光板に入射した光の利用効率（出射面から出射される率）が低下してしまう。光が底面側から出射することに対しては、底面側に反射板等を設置することも考えられるが、コストアップになる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、導光板を利用し、導光板の出射面において面発光が可能な導光ユニットを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、光源を配置する入光部と、光を出射する出射面と、前記入光部から入射された光を前記出射面に向けて反射する第１の反射部とを有する導光板を備え、前記入光部は、前記出射面とは反対側である、前記導光板の底面部に設けられ、前記導光板は、前記底面部のうち前記入光部の周囲に前記第１の反射部を有し、前記第１の反射部は、前記入光部の入射面に平行な方向に沿って前記光源から離れるほど前記入射面を含む面との距離が増大するように所定の間隔で階段状に設けた複数の第１の反射面を備え、前記複数の第１の反射面のそれぞれは、前記入射面に平行な方向に沿って前記光源から離れるほど前記入射面を含む面との距離が増大する斜面の形状を有し、前記複数の第１の反射面は、外部の空気との界面となっており、前記導光板は、前記第１の反射部の少なくとも前記複数の第１の反射面および前記複数の第１の反射面の間の面において、Ｖ字状の断面の両側面が反射面である複数の反射溝を、前記出射面とは反対側である前記底面部に沿って、前記入光部を中心とする放射状に有し、前記入光部は、前記光源に対向する中心部に円錐状の窪みを有し、その周囲には、Ｖ字状の断面の両側面が反射面である複数の反射溝を、前記円錐状の窪みを中心とする放射状に有し、前記出射面は、前記入光部に対向する位置を中心として、前記入射面に平行な方向に沿って前記光源から離れるほど前記入射面を含む面との距離が連続的に増大する漏斗状の形状を有する第２の反射面を備えて、前記入光部から入射された光を反射する第２の反射部とを備え、前記出射面は、前記光源に対向する中心部に漏斗状の窪みを有し、前記第２の反射部における前記第２の反射面は、前記光源に対向する位置から前記第２の反射部の外周縁まで、断面が屈曲または湾曲して連続している、一つの反射面であり、前記第２の反射面は、前記導光板と外部の空気との界面となっている、導光ユニットを提供する。

前記底面部のうちの前記複数の第１の反射面に対して、溝底を中心としたＶ字状の断面の両側面の開き角度が８０〜１００°の範囲である前記複数の反射溝を形成した、構成とすることもできる。
前記底面部のうちの前記複数の第１の反射面に対して、溝底を中心としたＶ字状の断面の両側面の開き角度が９０°である前記複数の反射溝を形成した、構成とすることもできる。

前記底面部のうちの前記複数の第１の反射面の間の面に対して、溝底を中心としたＶ字状の断面の両側面の開き角度が６０〜９０°の範囲である前記複数の反射溝を形成した、構成とすることもできる。
前記入光部において前記円錐状の窪みを中心として形成した前記複数の反射溝は、溝底を中心としたＶ字状の断面の両側面の開き角度が６０〜９０°の範囲である、構成とすることもできる。

本発明によれば、光を出射面に向けて反射する第１の反射部の少なくとも一部において、Ｖ字状の断面の両側面が反射面である複数の反射溝を、出射面とは反対側である底面部に沿って、入光部を中心とする放射状に配することにより、導光板の内部を伝播した光の反射面に対する入射角が大きくなり、入射角が臨界角以上となる全反射条件を満たす割合が増加するため、導光板に入射した光の利用効率（出射面から出射される率）を向上することができる。

本発明の導光ユニットの一例を示す断面図である。図１に示す導光ユニットの底面部側を示す斜視図である。図１に示す導光ユニットの出射面側を示す斜視図である。（ａ）は複数の反射溝における反射の様子を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は複数の反射溝の長手方向に沿った（ａ）の投影図であり、（ｃ）はθｖ＝９０°のときの反射方向を説明する断面図である。（ａ）は反射溝における反射面に対する入射角の説明図であり、（ｂ）は反射溝の長手方向に沿った（ａ）の投影図であり、（ｃ）は仮想平面Ｐ′に垂直な方向からの（ａ）の投影図である。図１に示す導光ユニットの内部における主な反射および出射の様子を示す断面図である。入光部の円錐状の窪みを拡大して示す断面図である。導光ユニットの他の形状の例を示す平面図である。導光ユニットの他の形状の例を示す平面図である。（ａ）及び（ｂ）は、θｖ＜９０°のときの反射方向を説明する断面図である。

以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１〜図３に、本発明の導光ユニットを示す。この導光ユニット１０は、光源１２を配置する入光部１３と、光を出射する出射面１４と、入光部１３から入射された光を出射面１４に向けて反射する第１の反射部１６とを有する導光板１１を備えている。
図示例の場合、第１の反射部１６は、導光板１１の出射面１４とは反対側である底面部１５に設けられている。また、入光部１３は、導光板１１の底面部１５の中央部に設けられ、第１の反射部１６は、入光部１３の周囲に設けられている。

図１および図２に示すように、導光板１１は、Ｖ字状の断面の両側面Ｐが反射面である複数の反射溝Ｇを有する。これらの反射溝Ｇは、底面部１５に沿って、入光部１３を中心とする放射状に形成されている。導光板１１が、光源１２の光に対して透明な材質からなり、反射溝Ｇは、反射面Ｐにおいて、外気（空気）と接している。反射溝Ｇの反射面Ｐは、光Ｌが導光板１１から周囲の空気へ入射しようとするときの屈折率差（屈折率比）により、光Ｌを反射する性質を有する。

図６に示すように、導光板１１の中を伝播する光Ｌは、第１の反射部１６の反射面１７ａ〜１７ｅにおける反射により、出射面１４から出射される。このとき、反射面１７ａ〜１７ｅに対する入射角が全反射条件（入射角が臨界角以上である）を満たす場合、反射する光量の割合が増大して好ましい。入射角が臨界角未満であるために全反射条件を満たさない場合、反射しないで底面部１５を透過する光量が増えてしまう。このため、反射面１７ａ〜１７ｅに対する入射角は、なるべく大きいことが望ましい。
ここで、入射角は、界面の法線に対する角度であり、臨界角は、界面の法線に対する屈折角が９０°となるときの入射角である。

本形態例の導光ユニット１０の場合、入光部１３を中心とする放射状に形成された複数の反射溝Ｇが、図４に示すように、多数近接して形成されている。反射溝Ｇの斜面の反射面Ｐに入射した光Ｌは、図４に示すように隣接する反射溝Ｇの間において２回反射して出射面１４の側（図４の上側）に反射される。反射光の伝播する向きは、反射溝Ｇを有しない場合の底面部１５で反射した場合と同じ角度および向きとなるが、導光板１１の内部を伝播した光Ｌの反射面（Ｖ溝状の反射溝Ｇの側面Ｐ）に対する入射角がより大きくなり、入射角が臨界角以上となる全反射条件を満たす割合が増加する。これにより、導光板に入射した光の利用効率（出射面から出射される率）を向上することができる。本明細書において「放射状」とは、導光板１１を入射面１３ａに対して垂直に平面視したときに放射状であればよい。

反射溝Ｇの長さは、反射面Ｐの点Ｒ_１で反射してから隣接する反射面Ｐの点Ｒ_２で反射するまでの間で反射溝Ｇが途切れることが少ないように、入光部１３を中心とする半径方向に一定以上の長さを確保することが好ましい。隣り合う２つの反射面Ｐで２回反射する確率を増加するため、図４（ｂ）に示すように、複数の反射溝Ｇが隙間なく形成されることが好ましい。反射溝Ｇの幅Ｗおよび深さＤは、導光板１１の寸法と光Ｌの波長の間で適宜設計可能であり、例えば約１μｍ〜約１０ｍｍから選択できる。

ここで、底面部１５に反射溝Ｇを設けない場合に比べて、上述の反射溝Ｇを設けると、光ＬがＶ溝状の反射溝Ｇの側面Ｐで反射されるときの入射角θがより大きくなることについて、図５を参照して説明する。図５では、導光板１１を平面視したとき（図５（ｃ）参照）の光Ｌの伝播する向き（Ａ−Ｏ−Ｂで示される向き）と反射溝Ｇの長手方向とが一致している場合を示す。

図５において、反射溝Ｇにおける反射面Ｐに対する入射角θは、光Ｌの伝播する向きが反射面Ｐの法線Ｎと成す角度として定義される。ここで、光Ｌの進行方向にはある程度の広がりがあり得るが、ここでは、その代表的な向きを白抜き矢印で示す。
光Ｌが入光部１３を中心とする放射状に進行する場合、上述したように、反射溝Ｇは、底面部１５に沿って、入光部１３を中心とする放射状に形成されているので、反射溝Ｇの長手方向は、光Ｌの伝播する向きに沿った方向となる。図５（ａ）は、光Ｌが反射面Ｐの任意の点Ｏに反射しようとする状況を示す。図５（ａ）の線Ａ−Ｂは、反射溝Ｇの長手方向に平行で、かつ、点Ｏを含む直線を示す。点Ａは入光部１３に近い側を示し、点Ｂは入光部１３から遠い側を示す。

底面部１５に反射溝Ｇを設けない場合の反射面Ｐ′に対する入射角θ′は、光Ｌの伝播する向きが反射面Ｐ′の法線Ｎ′と成す角度として定義される。ここで、反射面Ｐ′は、反射溝Ｇを設けない場合の底面部１５に平行で、かつ、点Ｏを含む仮想面を示す。
光Ｌが入光部１３を中心とする放射状に進行する場合、光Ｌの伝播する向きが、反射溝Ｇを設けない場合の反射面Ｐ′に垂直な面内に含まれるようになる確率が最も高い。

このように、光Ｌの伝播する向きが反射面Ｐ′に垂直な面内に含まれるとき（図５（ｂ）、図５（ｃ）参照）、反射面Ｐ′に対する入射角θ′は最小になる。これに対して、反射溝Ｇにおける反射面Ｐが反射面Ｐ′に対して傾斜角αで傾斜していると、反射面Ｐに対する入射角θは、前記入射角θ′より大きくなる。具体的には、入射角θと入射角θ′の関係は、次の数式（１）で表される。

ｃｏｓθ＝ｃｏｓα・ｃｏｓθ′ ・・・（１）

なお、傾斜角αは、面Ｐと面Ｐ′の成す角度または法線Ｎと法線Ｎ′の成す角度と定義して定義でき、いずれの定義によっても等しい角度を与える。したがって、αが０°でなければ、０≦ｃｏｓα＜１であるから、以下の数式（２）で表される関係が成り立つ。

０≦ｃｏｓθ＜ｃｏｓθ′≦１ ⇒ ０°≦θ′＜θ≦９０° ・・・（２）

すなわち０〜９０°の範囲内で入射角を定義すると、θ′＜θとなり、反射溝Ｇの反射面Ｐに対する入射角θは、反射溝Ｇを設けない場合の反射面Ｐ′に対する入射角θ′より大きいことが示される。

底面部１５、特に反射面に放射状の反射溝Ｇを設ける効果は、平面視したときの光Ｌの伝播する向きと反射溝Ｇの長手方向とが一致しているときに効果が大きい。この場合は、図５（ｂ）で光Ｌが左側の反射面Ｐに入射する場合に限らず、右側の反射面Ｐに入射する場合にも、入射角を同じように大きくすることができる。光Ｌの伝播する向きと反射溝Ｇの長手方向のずれが大きいと効果が小さくなり、前記ずれが大きすぎると、入射角が必ずしも大きくならない場合もある。

反射溝Ｇは、導光板１１の内部における光Ｌの伝播する向きが面に対して比較的浅い角度になる面（面の法線方向に対する角度として定義される入射角が比較的大きい面）であって、光Ｌの反射が意図される面に設けることが好ましい。反射溝Ｇは、少なくとも反射面１７ａ〜１７ｅに形成することが好ましい。図１および図２において、反射面１７ａ〜１７ｅに形成した反射溝Ｇに符号１７ｇを付す。さらに、反射溝Ｇは、第１の反射面の間の面（伝播面）１８ａ〜ｄや、入射面１３ａに形成してもよい。伝播面１８ａ〜ｄに形成した反射溝Ｇに符号１８ｇを付す。また、入射面１３ａに形成した反射溝Ｇに符号１３ｇを付す。図示例では、入光部１３の周囲の円筒面２０には、反射溝Ｇが形成されていない。なお、底面部１５において、第１の反射面１７ａ〜１７ｅは、入射面１３ａに対する傾斜角が、出射面１４への反射に適する角度（特に限定されるものではないが、例えば３０〜６０°）を有し、伝播面１８ａ〜ｄは、入射面１３ａに対する傾斜角が、入光部１３から外周側に伝播させるために適する角度（特に限定されるものではないが、例えば０〜２０°）を有する。

反射面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅと伝播面１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄに反射溝Ｇ（１７ｇと１８ｇ）を形成する場合は、反射面上の反射溝１７ｇと伝播面上の反射溝１８ｇがつながっていてもよく、面ごとに反射溝が分かれていてもよい。内周側と外周側とで反射溝の本数や溝幅、溝深さ、溝間の間隔などが異なっていてもよい。例えば、内周側で反射溝の本数（入光部１３を中心とする中心角当たりの本数）を少なめにして外周側でより多くしたり、内周側で反射溝の幅および深さを小さめにして外周側でより大きくしたりすることもできる。これらの溝に関するパラメータは、底面部１５の面の向きが変わる箇所（例えば反射面１７ａ〜ｅと伝播面１８ａ〜ｄの境界部）で変更することもでき、また、同一の面内で変更することもできる。

複数の反射溝Ｇの溝底Ｖを中心としたＶ字状の断面の両側面Ｐの開き角度θｖ（図４参照）は、９０°程度に限られるものではなく、適宜設定可能である。図５に示す傾斜角αは、開き角度θｖに対して、θｖ＝１８０°−２αの関係を有する。したがって、０＜θｖ＜１８０°であり、０＜α＜９０°であれば、反射溝Ｇを設けたときの入射角θを、反射溝Ｇを設けないときの入射角θ′よりも大きくする効果を有する。θｖが０°に（αが９０°に）近いほど、入射角θを大きくする効果が顕著になるが、その反面、反射溝Ｇの溝幅がより狭く、また反射溝Ｇを隙間なく形成するために必要な本数がより多くなる。このため、光の利用効率の向上と反射溝の加工性とを考慮して、開き角度θｖの好ましい範囲としては、例えば６０〜１２０°あるいは８０〜１００°の範囲内を例示することができる。

底面部１５のうち、第１の反射面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅに形成する反射溝１７ｇは、開き角度θｖが８０〜１００°の範囲であることが好ましい。特に、第１の反射面に設ける反射溝１７ｇの開き角度θｖが９０°であると、図４（ｂ）、（ｃ）に示す、反射溝Ｇの長手方向に垂直な断面視で、２つの反射面Ｐで２回反射したときに、入射方向と同じ角度（平行で反対向き）に反射するので、好ましい。これは、例えば図１０（ｂ）に示すように、入射方向Ｌ_０と反射面Ｐ_１の法線Ｎ_１が該断面（反射溝Ｇの長手方向に垂直な断面）上に成す角度をφとするとき、該断面上でＬ_０とＬ_２の成す角度ｚは、ｚ＝１８０°−２θｖに等しく、θｖ＝９０°であれば、ｚ＝０°となるためである。
なお、ｚ＝１８０°−２θｖであることについて補足する。図１０（ｂ）上で、角度ｚの中心と点Ｒ_１と点Ｒ_２が成す三角形の内角の和は１８０°であり、そのうち、点Ｒ_１を頂点とする内角の大きさは２φ、点Ｒ_２を頂点とする内角の大きさは１８０°−２ｘである。後述するようにｘ＝９０°＋φ−θｖであるから、ｚ＝１８０°−２φ−（１８０°−２ｘ）＝２ｘ−２φ＝１８０°−２θｖである。

底面部１５のうち、第１の反射面の間の面（伝播面）１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄに形成する反射溝１８ｇは、開き角度θｖが６０〜９０°の範囲であることが好ましい。
入光部１３において円錐状の窪み１３ｂを中心として複数の反射溝１３ｇを形成する場合、その溝底Ｖを中心としたＶ字状の断面の両側面Ｐの開き角度θｖが６０〜９０°の範囲であることが好ましい。

なお、反射溝Ｇ（１３ｇ、１７ｇ、１８ｇ）の開き角度θｖが９０°未満の場合、正反射のみを考慮する（散乱は考慮しない）としても、図１０に示すように、反射面Ｐ_１の点Ｒ_１で反射し、隣接する反射面Ｐ_２の点Ｒ_２で反射した後、さらに反射面Ｐ_１上で反射すること等により、１つの反射溝Ｇで３回、さらには４回以上反射することもあり得る。なお、図１０では、２つの反射面をＰ_１、Ｐ_２と区別している。
例えば、図１０に示す、反射溝Ｇの長手方向に垂直な断面視で、入射方向Ｌ_０と反射面Ｐ_１の法線Ｎ_１が該断面上に成す角度をφとすると、この角度φの大きさは、その定義より、９０°未満である。図中、入射方向をＬ_０、１回目の反射位置をＲ_１、１回目の反射方向をＬ_１、２回目の反射位置をＲ_２、２回目の反射方向をＬ_２、３回目の反射位置をＲ_３、３回目の反射方向をＬ_３とする。
なお、図１０に基づく議論では、正反射において、反射光の方向は、入射光の方向と反射面の法線を含む面（入射面）内にあり、入射角と反射角は等しい、という法則を利用する。反射溝Ｇの長手方向に垂直な断面は、必ずしも入射面に一致しないが、反射溝Ｇの２つの反射面に垂直である。各反射面は断面視で直線に投影され、反射面の法線は、反射面を断面視した線に垂直である。よって、このような断面視において、入射方向と反射面の法線が成す角度（必ずしも入射角に一致しない）は、反射方向と反射面の法線が成す角度（必ずしも反射角に一致しない）に等しい。

開き角度θｖが９０°未満であれば、図１０（ａ）のように、角度φが開き角度θｖよりも大きくなることができ、その場合に、Ｌ_１とＰ_２が該断面上に成す角度ｘが９０°を超えるので、反射面Ｐ_２の点Ｒ_２で反射した後、反射面Ｐ_１上の点Ｒ_３で、３回目の反射を起こすことができる。この場合、点Ｒ_３は、点Ｒ_１よりも溝底Ｖから遠い位置にある。なお、幾何学的考察から、図１０（ａ）において、Ｌ_０とＰ_１が該断面上に成す角度ｙは９０°−φに等しく、ｘ＋ｙ＋θｖは三角形の内角の和である１８０°に等しいから、角度ｘは９０°＋φ−θｖに等しい。よって、φ＞θｖなら、ｘ＞９０°となる。
また、開き角度θｖが９０°未満であれば、角度φが開き角度θｖより小さい場合であっても、図１０（ｂ）のように、ｘがθｖより大きければ、Ｌ_２は反射面Ｐ_１に近づく方向に反射するので、反射面Ｐ_２の点Ｒ_２で反射した後、反射面Ｐ_１上の点Ｒ_３で、３回目の反射を起こすことができる。点Ｒ_３は、点Ｒ_１よりも溝底Ｖに近い位置にあるが、点Ｒ_１の位置と溝の深さの関係次第では、３回目の反射を起こさない場合もある。なお、幾何学的考察から、図１０（ｂ）においても、Ｌ_０とＰ_１が該断面上に成す角度ｙは９０°−φに等しく、ｘ＋ｙ＋θｖは三角形の内角の和である１８０°に等しいから、角度ｘは９０°＋φ−θｖに等しい。よって、φ＜θｖなら、ｘ＜９０°となる。Ｌ_１からＬ_２への反射は、点Ｒ_２での正反射であるから、Ｌ_２とＰ_２が該断面上に成す角度は、Ｌ_１とＰ_２が該断面上に成す角度ｘに等しい。そこで、ｘ＝９０°＋φ−θｖの際に、ｘ＞θｖとなる条件を考察すると、φ＞２θｖ−９０°のとき、ｘ＞θｖとなる。
特に図示はしないが、φ＝θｖのときは、ｘ＝９０°となる。つまり、Ｌ_１は反射面Ｐ_２に垂直に入射することから、さらに点Ｒ_２で正反射すると、再び点Ｒ_１に戻って、反射面Ｐ_１上で３回目の反射を起こすことができる。

出射面１４は、図６に示すように、光源１２に対向する中心部において、漏斗状の窪み１４ｂを有することが好ましい。この窪み１４ｂにおける導光板１１と外部の空気の屈折率差により、光源１２から導光板１１に入射した光が反射される。漏斗状の窪み１４ｂの先端の開き角度θ_４は、該窪み１４ｂの内面に形成される反射面１９ａで反射した光Ｌが、なるべく多くの割合で、第１の反射面１７ａ、１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅに向かって伝播するように設定することが好ましい。

入光部１３は、光源１２に対向する中心部に円錐状の窪み１３ｂを有することが好ましい。これにより、図７に示すように、光Ｌが窪み１３ｂの側面において外部から導光板１１に入射する際、光の屈折により、屈折角θ_１が入射角θ_２よりも大きくなり、光源１２から導光板１１に入射した光の角度分布が広がって、相対的に入射面１３ａに垂直に伝播する光の割合が少なく、入射面１３ａに対する角度が小さい成分の割合が多くなる。入光部１３における円錐状の窪み１３ｂの周囲には、上述した放射状の反射溝Ｇと同様に、Ｖ字状の断面の両側面Ｐが反射面である複数の反射溝１３ｇを、円錐状の窪み１３ｂを中心とする放射状に設けることもできる。

ＬＥＤからの入光部の入射面に関しては、単純なフラット面ではフレネル反射による入光効率の低下がある。また、導光板の中央上面に漏斗状の窪みを設ける構成は、窪みの傾斜角が不足すると、光源から入光した漏斗面に当たった光のうち、漏斗面に対する入射角が臨界角より小さくなる部分が増加する。全反射条件（入射角が臨界角以上）を満たさないために、漏斗面で反射されずに透過してしまう光量が増加する。円錐状の窪み１３ｂを漏斗状の窪み１４ｂと組み合わせることにより、円錐状の窪み１３ｂで屈折した光は漏斗状の窪み１４ｂの頂点付近に当たる光が少なく、裾部分に当たる光が多くなるので、漏斗状の窪み１４ｂの頂点付近からの意図しない漏れ光を少なくすることができる。
円錐状の窪み１３ｂの先端の開き角度θ_３は、光源１２から該窪み１３ｂの内面に当たった光が、漏斗状の窪み１４ｂまたは第１の反射部１６に向かって分散して伝播するように設定することが好ましい。

導光板１１を構成する材質は光源１２の光を十分に透過することが可能であれば特に限定されるものではなく、例えばアクリル樹脂やポリカーボネート樹脂などの有機材料、多成分ガラスや石英ガラス等の無機材料など、光源１２の光に対して透明な材質が好適である。導光板の色は、無色透明でもよく、所定の色を帯びていても構わない。

光源１２としては、特に限定されるものではないが、ＬＥＤ（発光ダイオード）、電球、各種ランプ等が挙げられる。また、ＲＧＢ（Ｒｅｄ−Ｇｒｅｅｎ−Ｂｌｕｅ）等の可変色のＬＥＤを使用することも可能である。この場合、発光色が時間的に変化し、任意の色で動的表現を得ることが可能となり、表現の多様性が増して好ましい。

導光板１１を構成する材質と外部の空気との屈折率差は、ｓｉｎθ_ｃ＝ｎ_２／ｎ_１で表される全反射条件（ただし、θ_ｃは臨界角、ｎ_１は導光板１１を構成する材質の屈折率、ｎ_２は空気の屈折率（ほぼ１）、ｎ_１＞ｎ_２）を考慮して、界面に形成される反射面に、好適な反射率が得られるように設定することが好ましい。導光板１１の外面を外部の空気に露出した構成とすることもでき、覆い等を設けて、空気が導光ユニットの内部の空洞等に封入される構成とすることもできる。また、外気に通じる隙間等を覆い等に設けることもできる。

本形態例の導光板１１は、底面部１５のうち入光部１３の周囲に第１の反射部１６を有する。図１および図６に示すように、第１の反射部１６は、入光部１３の入射面１３ａに平行な方向に沿って光源１２から離れるほど入射面１３ａを含む面との距離が増大するように、所定の間隔で階段状に設けた複数の第１の反射面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅを備える。複数の第１の反射面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅのそれぞれは、入射面１３ａに平行な方向に沿って光源１２から離れるほど入射面１３ａを含む面との距離が増大する斜面の形状を有している。

第１の反射部１６における複数の第１の反射面の個数は、図１〜３に示す例では同心円状に５個であるが、特に限定されるものではない。光源１２に対して２個以上であれば、第１の反射面の個数は所望の数とすることができる。
なお、「入射面を含む面との距離」とは、入射面１３ａを含む面から反射部までの距離（入射面１３ａが十分に広い平面である場合には、入射面１３ａから反射部までの距離に等しい。）を、入射面１３ａに垂直な方向で定義したものである。入射面１３ａが曲面である場合には、入射面１３ａのうち光源１２に対向する近傍部に接する平面を基準とすることができる。

これらの第１の反射面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅは、入射面１３ａに平行な方向に沿って、互いに間隔をあけて配置されている。入射面に垂直な平面視では、第１の反射面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅが光源１２の設置位置を中心とする同心円状に形成されている（図２参照）。なお、第１の反射部における複数の第１の反射面同士の間隔は、適宜設定可能であり、等間隔でなくともよい。
本形態例の場合、第１の反射部１６における複数の第１の反射面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅは、外部の空気との界面となっており、特に別途の反射膜を設けなくても所望の反射率を得ることができる。

図２に示す第１の反射部１６の場合、複数の第１の反射面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅとそれらの間の面１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄとがつながって階段状の断面を有する。第１の反射部１６のうち、少なくとも第１の反射面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅが光を反射可能であればよい。
第１の反射面の間の面１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄは、図１に示す例では入射面１３ａに平行であるが、入射面１３ａに平行な面に対して傾斜したり、湾曲や屈曲等したりしても構わない。導光板１１の厚さを抑制する観点では、図１に示すように、第１の反射面の間の面１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄが入射面１３ａに平行であると好ましい。

出射面１４は、入光部１３に対向する位置を中心として、入射面１３ａに平行な方向に沿って光源１２から離れるほど入射面１３ａを含む面との距離が連続的に増大する漏斗状の窪み１４ｂを有することにより、入光部１３から入射された光を反射する第２の反射部１９を備える、

第２の反射部１９は、入射面１３ａに平行な方向に沿って光源１２から離れるほど入射面１３ａを含む面との距離が連続的に増大する形状を有する第２の反射面１９ａを備える。本形態例の場合、第２の反射部１９における第２の反射面１９ａは、光源１２に対向する位置から第２の反射部１９の外周縁まで、断面が屈曲または湾曲して連続している、一つの反射面である。

なお、第２の反射部１９の全体が第２の反射面１９ａであることは本発明の必須事項ではなく、（ｉ）反射面でない箇所や、（ii）反射面ではあっても光源１２から離れる方向で入射面１３ａを含む面との距離が増大しない（一定または減少する）形状を有する箇所が、第２の反射部１９の範囲内に局所的に存在することにより、第２の反射部１９に第２の反射面が複数存在していてもよい。
本形態例の場合、第２の反射部１９における第２の反射面１９ａは、外部の空気との界面となっており、特に別途の反射膜を設けなくても所望の反射率を得ることができる。

本形態例の導光ユニット１０は、入射面１３ａ側に位置する第１の反射部１６と、出射面１４側に位置する第２の反射部１９とが上述の形状であることにより、導光板１１の内部では、主に図６に示すように反射、散乱して、出射面１４から出射される。

通常、光源１２から導光板１１に入射される入射光Ｌは、所定範囲の広がり角を有して光パワーが分布するビームである。第２の反射部１９における第２の反射面１９ａのうち光源１２の近傍部は、錐状（本形態例では円錐状）であり、大部分の光Ｌは、反射（好ましくは全反射）して入射面１３ａに沿って光源１２から離れる方向に反射する。第２の反射部１９の光源１２に対向する先端部は、入射面１３ａに平行な平坦面や、球面など丸みを帯びた曲面でも構わない。

図６に示すように、光源１２から入射面１３ａを通して導光板１１内に入射した光Ｌを、第２の反射部１９における第２の反射面１９ａによって、主として、入射面１３ａに沿って光源１２から離れる方向に反射する。第２の反射部１９における第２の反射面１９ａの形状は、光源１２から第２の反射部１９に入射する位置と角度に応じて、光がほぼ全反射するように設計することが好ましい。また、導光板１１の中心付近では、反射せずに出射面１４の中心付近から出射する光Ｌ０も存在する。

第２の反射部１９における第２の反射面１９ａで反射した光は、さらに、第１の反射部１６における複数の第１の反射面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅに入射すると、主として、出射面１４に向けて反射する。これにより、第１の反射面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅで反射した光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５が、それぞれ径方向の内外で異なる位置から出射する。図２では対称性のため片側のみ図示するが、第１の反射面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅで反射して得られる出射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５は、図６の左側においても発生する。また、第１の反射部１６と第２の反射部１９との間で繰り返し反射する光が存在してもよい。

これにより、光源１２からの入射光Ｌを複数の出射光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５に分岐して、導光板１１の出射面１４の広い範囲から出射することができ、均一性の高い面状の発光が可能になる。さらには、図６では図示を省略するが、第１の反射部１６や第２の反射部１９で正反射せずに散乱や屈折する光や、導光板１１の外部の界面で反射する光なども存在するため、出射面１４から光が出射する位置及び方向が多様になる。

出射光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５は、第２の反射部１９を透過するとき、すなわち、出射面１４を透過するときに、それぞれ屈折する場合がある。そこで、出射面１４における屈折角も考慮に入れて、出射面１４の断面形状を設計することが好ましい。
本形態例では、出射面１４の中心部は漏斗状の窪み１４ｂとなっているが、ここを平坦面、凸面、凹面などとして、中心部における出射光Ｌ０が出射面１４を透過するときの強度分布をさらに調整することもできる。

複数の反射面の個数、位置、面積、傾斜角などは、出射面の面内における所望の強度分布に応じて任意にコントロールすることが可能である。出射面が入射面と対向して位置するので、反射面で反射した光のみならず、反射せずに透過した光も、出射面から出射され、入射面や側面から出射する光を極めて少なくすることができるので、光源１２の光を効率的に利用することができる。

以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

第１の反射部における複数の第１の反射面のうち少なくとも一つが凸面（導光板の外側から内側に向けて突出した形状）または凹面（導光板の内側から外側に向けて凹んだ形状）であると、レンズとしての効果があり、出射光を発散や収束させることができる。また、第１の反射部における複数の第１の反射面のうち少なくとも一つが微細な凹凸からなるシボ形状（梨地状、砂地状などの粗面）であると、当該反射面に入射した光を拡散させることができる。よって、これらの面形状を任意に組み合わせることにより、出射光の強度分布を所望にコントロールすることができる。
シボ形状を形成するための粗面化処理は、局所的にサンドブラスト、エッチング、型からの転写などによるシボ加工等を施すことで実施可能である。

図６では、出射光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５の平均的な出射方向が入射面１３ａに対していずれも略垂直となるようにしているが、本発明は、特にこれに限定されるものではない。入射面１３ａに沿う方向において光源１２から離れるほど、出射光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５の平均的な出射方向が外周方向に傾くように、複数の第１の反射面１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅの傾斜角を調整することもできる。この場合、発光面積をより広くすることが可能である。また、これとは反対に、複数の第１の反射面で反射した光の平均的な出射方向が導光板の中心向きに傾くように、第１の反射面の傾斜角を調整することも可能である。また、複数の第１の反射面で反射した光の平均的な出射方向が、導光板の外周向きに傾いたものと、中心向きに傾いたものとが混在するように構成することも可能である。

導光板の側面の外形は、図８に示す矩形（正方形、長方形）などの多角形や、楕円形、半円形、扇形など、各種の形状を採用することができる。
光源の設置位置は、導光板の中心に限られるものではなく、中心から片寄った位置に光源を設置することも可能である。また、図９に示すように、半円状の導光板１１Ｂの側面（直径を含む側面）に光源１２を設けることもできる。

１つの導光板に複数の光源を用いることもできる。この場合、本発明による放射状の反射溝や、複数の第１の反射面を有する第１の反射部、第２の反射面を有する第２の反射部などを、光源ごとに設けることもできる。

Ｇ…反射溝、Ｌ…光、Ｎ…法線，Ｐ…側面、Ｖ…溝底、１０…導光ユニット、１１，１１Ａ，１１Ｂ…導光板、１２…光源、１３…入光部、１３ａ…入射面、１３ｂ…円錐状の窪み、１３ｇ…入射面の反射溝、１４…出射面、１４ｂ…漏斗状の窪み、１５…底面部、１６…第１の反射部、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ…第１の反射面、１７ｇ…反射面の反射溝、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ…伝播面（反射面の間の面）、１８ｇ…伝播面の反射溝、１９…第２の反射部、１９ａ…第２の反射面。

Claims

光源を配置する入光部と、光を出射する出射面と、前記入光部から入射された光を前記出射面に向けて反射する第１の反射部とを有する導光板を備え、
前記入光部は、前記出射面とは反対側である、前記導光板の底面部に設けられ、
前記導光板は、前記底面部のうち前記入光部の周囲に前記第１の反射部を有し、
前記第１の反射部は、前記入光部の入射面に平行な方向に沿って前記光源から離れるほど前記入射面を含む面との距離が増大するように所定の間隔で階段状に設けた複数の第１の反射面を備え、前記複数の第１の反射面のそれぞれは、前記入射面に平行な方向に沿って前記光源から離れるほど前記入射面を含む面との距離が増大する斜面の形状を有し、前記複数の第１の反射面は、外部の空気との界面となっており、
前記導光板は、前記第１の反射部の少なくとも前記複数の第１の反射面および前記複数の第１の反射面の間の面において、Ｖ字状の断面の両側面が反射面である複数の反射溝を、前記出射面とは反対側である前記底面部に沿って、前記入光部を中心とする放射状に有し、
前記入光部は、前記光源に対向する中心部に円錐状の窪みを有し、その周囲には、Ｖ字状の断面の両側面が反射面である複数の反射溝を、前記円錐状の窪みを中心とする放射状に有し、
前記出射面は、前記入光部に対向する位置を中心として、前記入射面に平行な方向に沿って前記光源から離れるほど前記入射面を含む面との距離が連続的に増大する漏斗状の形状を有する第２の反射面を備えて、前記入光部から入射された光を反射する第２の反射部とを備え、
前記出射面は、前記光源に対向する中心部に漏斗状の窪みを有し、前記第２の反射部における前記第２の反射面は、前記光源に対向する位置から前記第２の反射部の外周縁まで、断面が屈曲または湾曲して連続している、一つの反射面であり、前記第２の反射面は、前記導光板と外部の空気との界面となっている、
導光ユニット。
前記底面部のうちの前記複数の第１の反射面に対して、溝底を中心としたＶ字状の断面の両側面の開き角度が８０〜１００°の範囲である前記複数の反射溝を形成した、
請求項１に記載の導光ユニット。
前記底面部のうちの前記複数の第１の反射面に対して、溝底を中心としたＶ字状の断面の両側面の開き角度が９０°である前記複数の反射溝を形成した、
請求項１に記載の導光ユニット。
前記底面部のうちの前記複数の第１の反射面の間の面に対して、溝底を中心としたＶ字状の断面の両側面の開き角度が６０〜９０°の範囲である前記複数の反射溝を形成した、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の導光ユニット。
前記入光部において前記円錐状の窪みを中心として形成した前記複数の反射溝は、溝底を中心としたＶ字状の断面の両側面の開き角度が６０〜９０°の範囲である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の導光ユニット。