WO2010055907A1 - 照明ユニットと同ユニットを用いた照明装置 - Google Patents

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light guide
guide plate
incident
exit surface
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正 服部
健治 山下
秀知 崎山
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興和株式会社
株式会社ナノクリエート
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    • G02F1/1336Illuminating devices
    • G02F1/133615Edge-illuminating devices, i.e. illuminating from the side

Definitions

  • the present invention relates to an illumination unit including a light guide plate that propagates and emits visible light incident from an incident portion, and an illumination device using the illumination unit.
  • Conventional light guide plates are configured to take light from a light source disposed on a light incident surface of the light guide plate into the light guide plate and emit light perpendicular to the light incident surface, and as a surface light source device for a liquid crystal display screen Widely used.
  • a surface light source device for a liquid crystal display screen a method has been proposed in which a plurality of light sources are used to increase the amount of light incident on the light guide plate in order to obtain high luminance (see Patent Document 1 below).
  • a light guide plate that is thin in the emission direction has higher emission efficiency than a light guide plate that is thick in the emission direction. This is because the number of reflections of light in the light guide plate increases and the probability of reflection and diffusion in the reflection part (diffusion pattern) increases when a plurality of thin light guide plates are stacked and arranged rather than one thick light guide plate. This is because light is efficiently emitted from the light emission surface.
  • the LED as the light source cannot be said to have good light conversion efficiency.
  • the LED light emitting part is often made large and thick as necessary. In some cases, a light guide plate must be used.
  • Each light guide plate constituting the illumination unit is provided with a reflection portion (diffusion pattern) in order to efficiently emit light incident on the light guide plate.
  • This reflecting portion (diffusion pattern) is generally printed in white and is provided on the surface opposite to the exit surface of each light guide plate. Therefore, in the light guide plate closest to the exit surface of the laminated light guide plates, light can be efficiently emitted to the exit surface, but in other light guide plates, the light emitted in the exit direction is close to the exit surface of the light guide plate. It is shielded by the reflection part (diffusion pattern) of another light guide plate, and cannot be efficiently emitted to the emission surface.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide an illumination unit capable of efficiently emitting incident light to an exit surface and an illumination device using the illumination unit.
  • a light guide plate comprising: an incident part for entering light from a light source; and an exit surface for propagating and emitting the light incident from the incident part.
  • a reflector for reflecting visible light emitted from other than the exit surface of the light guide plate, and an illumination unit comprising:
  • the light guide plate is disposed on at least one of the light exit surface and the surface opposite to the light exit surface, or both so as to be dotted with a plurality of fine-shaped reflective portions formed in a convex shape or a concave shape. It is characterized by that.
  • the present invention is characterized by an illumination device comprising the illumination unit and a light source.
  • a plurality of fine-shaped reflecting portions formed in a convex shape or a concave shape are dotted on at least one of or both of the exit surface of the light guide plate and the surface opposite to the exit surface. Since the light is incident on the light guide plate from the light source, the light is reflected, refracted or scattered by the reflecting portion and efficiently guided to the exit surface, and the brightness of the light emitted from the exit surface can be increased.
  • the reflecting portions of the light guide plate are arranged so that the number per unit area gradually increases as the distance from the incident portion of the light guide plate increases, the luminance of the entire light exit surface of the light guide plate can be made substantially uniform.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the lighting unit 1 of the present invention.
  • the illumination unit 1 includes a light guide plate 20 that includes an incident portion 20 a that makes visible light from the light source 13 incident thereon, an emission surface 20 b that propagates and emits visible light incident from the incident portion, and a light source 13.
  • the light guide plate 21 is provided with an incident portion 21a for allowing the visible light to enter, and an emission surface 21b for propagating the visible light incident from the incident portion and emitting the visible light toward the light guide plate 20.
  • the light source 13 is composed of, for example, a light emitting diode that emits visible light with high luminance and strong directivity.
  • the illumination unit 1 has a reflector for reflecting visible light emitted from other than the exit surface 20b of the light guide plate 20 having the exit surface of the illumination unit (that is, the uppermost layer).
  • the reflector includes a rear reflector 11 disposed opposite to a surface 21d opposite to the exit surface 21b of the light guide plate 21 that is stacked farthest from the exit surface of the illumination unit (that is, the lowermost layer), and the incident surface.
  • the end surface reflecting plate disposed opposite to the end surface other than the portion, that is, the end surface reflecting plate 12 disposed opposite to the end surface 20c other than the end surface where the light source 13 is disposed intersects with the end surface where the light source 13 is disposed.
  • the incident portion reflector 10 is disposed on the light source 13 side so as not to prevent light incidence from the light source.
  • any one of the back reflector 11, the end reflector 12, the incident reflector 10, and the side reflectors (14, 15), any two, any three, or any These four may be used.
  • the light guide plates 20 and 21 are made of a highly light-transmitting material, for example, a transparent acrylic resin. On the surfaces 20d and 21d on the opposite side of the emission surfaces 20b and 21b, the concave fine-shaped reflecting portions 20e and A plurality of 21e are arranged.
  • FIG. 3 shows this reflection part in detail, and the light guide plate 20 in which fine reflection parts 20e are arranged in a grid pattern is formed by injection molding using a mold.
  • the thickness of the light guide plate 20 is 1 mm (dot density is about 15000 pieces / cm 2 ), and as shown in an enlarged view in FIG. 3, the larger diameter d1 is about 55 ⁇ m and the smaller diameter is It is formed in a truncated cone shape with d2 of about 10 ⁇ m and height d3 of about 30 ⁇ m.
  • FIG. 3 is shown for ease of understanding and does not match the actual scale.
  • Such reflection portions 20e and 21e may be arranged uniformly on the end surfaces 20d and 21d of the light guide plates 20 and 21, but as shown in FIG. 1, the unit increases as the distance from the incidence portions 20a and 21a of the light guide plate increases. It arrange
  • the arrangement of the reflection portions 20 e of the light guide plate provides a matrix-like reflection portion pattern.
  • 21 has the same reflecting portion pattern.
  • the reflecting portions 20e and 21e are arranged in the vertical alignment with the upper and lower light guide plates 20 and 21, respectively.
  • the reflection portion patterns formed on the light guide plates 20 and 21 can be different patterns.
  • FIG. 1 illustrates various ray paths. This ray path is qualitatively illustrated to facilitate understanding of the present invention, and does not necessarily follow the laws of optics.
  • Light incident on the light guide plates 20 and 21 is reflected, refracted, or scattered in multiple ways by the reflecting plates 10, 11 and 12, the surfaces 20 a to 20 d and 21 a to 21 d of the light guide plates 20 and 21, or the reflecting portions 20 e and 21 e.
  • the light is emitted to the outside through the light emission surface 20b of the uppermost light guide plate 20.
  • the light beam L1 is repeatedly reflected on the upper and lower surfaces of the lower light guide plate 21, and then enters the air layer of the reflection portion 20e of the upper light guide plate 20, and refracts the upper light guide plate 20 to be emitted to the outside.
  • the light beam L2 passes through the upper light guide plate 20 and is emitted to the outside without passing through the reflecting portions 20e and 21e from the lower light guide plate 21.
  • the light beam L3 collides with the inclined surface of the reflecting portion 20e of the light guide plate 20, and is reflected, refracted, or scattered and guided to the exit surface side.
  • incident light is also reflected by the side reflectors (14, 15), and the reflected light is repeatedly reflected, refracted, and scattered in the same manner as the light beams L1 to L3.
  • the light incident on the light guide plate propagates through the light guide plate while being repeatedly reflected, refracted or scattered in various paths, and light having high luminance is emitted from the light exit surface 20b of the light guide plate 20 above.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a conventional light guide plate, which shows an illumination unit in which a light guide plate 30 in which a number of fine reflecting portions (scattering portions) 30a are printed on a surface opposite to an emission surface is printed with a white paint.
  • a part of the light emitted from the lower light guide plate 30 is reflected by the reflecting portion 30a of the upper light guide plate 30 and is not guided to the upper light guide plate. As in the configuration of FIG. 1, it is impossible to emit high-luminance light.
  • FIGS. 4a and 4b illustrates an illumination unit having a single light guide plate 20 and FIG. 4b illustrates three light guide plates 20, 21. , 22 and the thickness of the laminate is the same as the thickness of one light guide plate in FIG. 4a.
  • the light guide plate 22 is different from the thickness of the light guide plate 20 in FIG. It is the same as 21. As can be seen from FIG. 4b, when a plurality of light guide plates are arranged in a stacked manner, the number of times of light reflection within the light guide plate increases, and light is efficiently emitted from the light exit surface.
  • a light guide plate having a high emission efficiency can be obtained with the light guide plate itself having a plurality of fine-shaped reflection portions 20 e interspersed. Therefore, as shown in FIG. It can also be configured with only one light guide plate.
  • FIG. 5 shows two average luminance values, which are changed according to the number of laminated light guide plates, as measured values and simulation values. From this figure, it can be seen that the average luminance value increases as the number of light guide plates is increased.
  • the shape of the reflecting portion 20e formed on the light guide plate 20 is a truncated cone shape.
  • This effect is shown in FIG. 6b compared to a cylindrical reflector.
  • FIG. 6b when the reflecting portion is cylindrical, only about 8% of the total luminance is obtained at a viewing angle of ⁇ 20 °, whereas as shown in FIG. 6a, a truncated cone shape is obtained. Then, it can be seen that illumination of about 80% of the overall luminance is obtained at a viewing angle of ⁇ 20 °, and illumination with high emission efficiency can be obtained even when compared with the standard of about 40% in the liquid crystal backlight.
  • the reflecting portion can be not only a truncated cone shape, but also a cone shape having an inclined portion, a pyramid shape, a truncated pyramid shape, or a spherical shape.
  • the reflecting portions 20e of the light guide plate 20 are arranged so that the number per unit area gradually increases as the distance from the incident portion 20a of the light guide plate increases. This state is illustrated in FIGS. 7a and 7b.
  • the brightness of the light emitted from the opposite surface 20c facing the light source 13 is increased in the vicinity of the incident portion 20a on the light source 13 side. Therefore, with one reflecting portion 20e as one dot, the dot density per area of D1 (88 mm) ⁇ D2 (48 mm) is reduced in the high luminance area (near the light source) shown in FIG.
  • the dot density is increased as it goes to the other side.
  • FIG. 8a shows the sum of the energy emitted from the exit surface due to the increase in the number of light guide plates in the illumination unit according to the present invention, the average value thereof, the output efficiency which is the ratio of the incident energy and the total output energy, and the total number of dots accompanying the increase in the number of light guide plates.
  • FIG. 8b shows the change in the total output energy with the increase in the total number of dots
  • FIG. 8c shows the change in the exit surface light flux with the increase in the total number of dots
  • FIG. 8d shows the change in the average luminance with the increase in the total number of dots.
  • the numerical values are simulated values with a viewing angle of ⁇ 20 ° and a vertical and horizontal size of the light guide plate of 30 mm ⁇ 30 mm.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the spectral characteristics of the light guide plate 20, where 41 is when light is incident from the surface (bottom surface) on which the reflecting portion is formed, and 42 is when light is incident from the opposite surface (upper surface) of the reflecting portion.
  • the transmittance when entering from the reflecting portion surface is slightly higher than the transmittance when entering from the opposite surface of the reflecting portion, but each has a substantially constant high transmittance from a wavelength of about 420 nm or more. Show.
  • FIG. 10 the same members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • two light guide plates 40 and 41 made of the same material and similarly configured are stacked on the illumination unit 1.
  • the light guide plates 40 and 41 are respectively incident portions 40a and 41a for allowing visible light from the light source 13 to enter, end faces 40c and 41c facing the incident portions, exit-side surfaces 40b and 41b for emitting visible light, and the exit surfaces. And opposite surfaces 40d and 41c.
  • the light guide plates 40 and 41 are arranged with a plurality of convex fine reflection portions 40 e and 41 e scattered on the exit-side surfaces 40 b and 41 b.
  • FIG. 11 shows the shape and arrangement pattern of the reflecting portion 40e formed on the light guide plate 40.
  • the reflecting portion 40e has a convex shape obtained by turning the reflecting portion 20e in FIG. 3 upside down, that is, a truncated cone shape, and the dimensions d1, d2, and d3 are the same as those in FIG.
  • the thickness of the light guide plate 40 and the reflection portion pattern are the same as those in FIG. In FIG. 11, the upper part is the emission surface 40b.
  • the light guide plate 41 also has the same thickness and reflection part pattern as the light guide plate 40, and is laminated so that the light guide plates 40 and 41 are in contact with each other and a predetermined air layer is formed between the light guide plates 40 and 41.
  • the illumination unit composed of the light guide plates 40 and 41 also emits uniform and high-intensity illumination light from the exit surface 40b of the upper light guide plate 40, and the same effect as the illumination unit of FIG. 1 is obtained. It is done.
  • the convex or concave fine reflecting portion can be provided on the exit side surface (upper surface) and / or the surface opposite to the exit side surface (bottom surface), and an example thereof is shown in FIGS. 12h.
  • FIG. 12a shows the light guide plate 100 in which the concave reflecting portion 100a is arranged on the bottom surface, and corresponds to the light guide plates 20 and 21 in FIG.
  • FIG. 12B shows a light guide plate 101 having a convex reflecting portion 101a disposed on the upper surface, and corresponds to the light guide plates 40 and 41 shown in FIG.
  • FIG. 12c shows the light guide plate 102 with the convex reflection portion 102a arranged on the bottom surface
  • FIG. 12d shows the light guide plate 103 with the concave reflection portion 103a arranged on the top surface.
  • the convex or concave reflecting portions can be provided not only on one side of the light guide plate but also on both the top and bottom surfaces.
  • 12e shows the light guide plate 104 with the convex reflecting portion 104a on the top surface and the concave reflecting portion 104b on the bottom surface
  • FIG. 12f shows the concave reflecting portion 105a on the top surface and the concave reflecting portion 105b on the bottom surface
  • FIG. 12g shows the light guide plate 106 with the concave reflecting portion 106a on the top surface and the convex reflecting portion 106b on the bottom surface
  • FIG. 12h shows the convex reflecting portion 107a with the convex reflecting portion 107a on the top surface.
  • a light guide plate 107 in which the portion 107b is disposed on the bottom surface is shown.
  • FIG. 13 shows the lighting unit 1 in which the three light guide plates 20 described above are stacked and the reflectors 11, 12, 10, 14, and 15 are attached to the bottom surface, the end surface opposite to the incident portion, the incident side end surface, and the side surfaces, respectively.
  • a surface light emitting device to which a light source 13 composed of a high-intensity light emitting diode is attached is used as an illumination device will be described.
  • the illumination unit emits high-luminance light uniformly from the emission surface 20b. At this time, light is effectively prevented from leaking from the end surface other than the exit surface 20b of the illumination unit due to the reflection of the light by the reflectors 11, 12, 10, 14, and 15 of the illumination unit. Can do.
  • the light source 13 has been described using a visible light LED.
  • the lighting unit and the lighting device of the present invention are not limited to the visible light LED, for example, an ultraviolet light LED that emits ultraviolet light, or a red light that emits infrared light. Use of the external light LED as the light source 13 is not prevented.
  • the shape of the light guide plate is described using a quadrangle, but it is needless to say that a polygonal lighting unit can be used.
  • the light source incident portion is described as one place. However, even an illumination unit having a large number of light source incident portions does not hinder the effects of the present invention.

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Abstract

 光源13からの可視光を入射させる入射部20aと、その入射部から入射された可視光線を内部で伝播させて出射させる出射面20bとを備える導光板20に、反射板11、12、10、14、15が取り付けられる。導光板の出射面20bと反対側の面20dに凹状の微細な反射部20eが多数点在して配置される。このような構成では、光源から導光板内に入射した光は、反射部で、反射、屈折あるいは散乱して効率よく出射面に導かれ、出射面からでる光の輝度を高めることができる。

Description

照明ユニットと同ユニットを用いた照明装置
 本発明は、入射部から入射された可視光線を内部で伝播させて出射させる導光板を備えた照明ユニット、並びにこの照明ユニットを用いた照明装置に関するものである。
 従来導光板は、導光板の光入射面に配置した光源の光を導光板内に取り込み、光入射面に対し垂直に光を出射させるように構成されており、液晶表示画面の面光源装置として広く用いられている。このような液晶表示画面の面光源装置において、高い輝度を得るために、複数の光源を使用して導光板に入射される光量を増やす方法が提案されている(下記特許文献1を参照)。
 また、導光板を用いる場合、その出射方向に厚い導光板よりも、出射方向に薄い導光板の方が出射効率が高いといわれている。これは、厚い導光板1枚より、薄い導光板を複数枚積層配置したほうが、導光板内での光の反射回数が増え、反射部(拡散パターン)にて反射拡散される確率が高くなり、光出射面から効率よく光を出射するからである。
 反面、光源としてのLEDは、光変換効率が良いとは言えず、高輝度LEDではLEDからの発熱を効率よく放熱するために、LED発光部を大型にすることが多く、必要に応じて厚い導光板を使わざるを得ない場合がある。
特開平11-101665号公報
 照明ユニットを構成する各導光板には、導光板に入射した光を効率よく出射させるために反射部(拡散パターン)が設けられている。この反射部(拡散パターン)は、一般的には白色印刷がなされており、各導光板の出射面と反対側の面に設けられている。そのため、積層された導光板の出射面に最も近い導光板においては効率よく光を出射面に出射できるが、それ以外の導光板は、出射方向に出射した光が当該導光板の出射面に近い他の導光板の反射部(拡散パターン)に遮蔽されて、効率よく出射面に出射することができない。
 従って、本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、入射光を効率よく出射面に出射できる照明ユニットとそれを用いた照明装置を提供することを課題とする。
 本発明は、
 光源からの光を入射させる入射部と、前記入射部から入射された光を内部で伝播させて出射させる出射面とを備える導光板と、
 前記導光板の出射面以外から出射する可視光線を反射するための反射体と、からなる照明ユニットであって、
 前記導光板の出射面と該出射面の反対側の面の少なくとも何れか一方に、または両方に、凸状又は凹状に形成された微細形状の反射部が複数個点在するように配置されることを特徴とする。
 また、本発明は前記照明ユニットと光源とからなる照明装置を特徴とする。
 本発明では、導光板の出射面と該出射面の反対側の面の少なくとも何れか一方に、又は両方に、凸状又は凹状に形成された微細形状の反射部が複数個点在するように配置されるので、光源から導光板内に入射した光は、反射部で、反射、屈折あるいは散乱して効率よく出射面に導かれ、出射面からでる光の輝度を高めることができる。
 導光板を複数設け、各導光板を、その出射面がその上の導光板の出射面と反対側の面と重なるように積層すると、光源からの光は、導光板内での反射回数が増え、反射部(拡散パターン)にて反射拡散される確率が高くなり、光出射面から効率よく光が出射する。
 導光板の反射部を、導光板の入射部から離れるに従って単位面積あたりの個数が徐々に増大するように配置すると、導光板の出射面全体の輝度をほぼ均一なものにすることができる。
本発明による照明ユニットにおいて光源からの光線が出射する状態を説明した説明図である。 従来構成の照明ユニットにおいて光源からの光線が出射する状態を説明した説明図である。 反射部を複数点在させた導光板を一部断面にして示した部分斜視図である。 導光板が1枚構成の照明ユニットにおける光線経路を説明する説明図である。 導光板を3枚積層した照明ユニットにおける光線経路を説明する説明図である。 導光板枚数の変化による平均輝度の変化を示したグラフ図である。 反射部が円錐台形状を有するときの視野角変化に伴う輝度変化を示したグラフ図である。 反射部が円柱形状を有するときの視野角変化に伴う輝度変化を示したグラフ図である。 照明ユニットの平面図である。 輝度の値に従ってドット密度を変化させる状態を示したグラフ図である。 本発明による照明ユニットにおいて導光板枚数の増加によるエネルギー総和、その平均値、出射効率、ドット総数の変化を示す表図である。 ドット総数増加に伴う出射エネルギー総和の変化を示すグラフ図である。 ドット総数増加に伴う出射面光束の変化を示すグラフ図である。 ドット総数増加に伴う平均輝度変化を示すグラフ図である。 導光板の透過率特性を示したグラフ図である。 照明ユニットの他の実施例での光源からの光線が出射する状態を説明した説明図である。 図10の実施例で反射部を複数点在させた導光板を一部断面にして示した部分斜視図である。 導光板の変形例を説明する説明図である。 導光板の変形例を説明する説明図である。 導光板の変形例を説明する説明図である。 導光板の変形例を説明する説明図である。 導光板の変形例を説明する説明図である。 導光板の変形例を説明する説明図である。 導光板の変形例を説明する説明図である。 導光板の変形例を説明する説明図である。 照明ユニットと光源を組み合わせた照明装置の斜視図である。
 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を説明する。
 図1には、本発明の照明ユニット1の一実施例が図示されている。照明ユニット1は、光源13からの可視光を入射させる入射部20aと、この入射部から入射された可視光線を内部で伝播させて出射させる出射面20bとを備える導光板20と、光源13からの可視光を入射させる入射部21aと、この入射部から入射された可視光線を内部で伝播させて導光板20に向けて出射させる出射面21bとを備える導光板21とを備えている。光源13は、たとえば高輝度の指向性の強い可視光を発光する発光ダイオードから構成される。
 照明ユニット1は、照明ユニットの出射面を有する(つまり最上層の)導光板20の出射面20b以外から出射する可視光線を反射するための反射体を有している。この反射体は、照明ユニットの出射面から最も離れて積層された(つまり最下層の)導光板21の出射面21bと反対側の面21dに対向して配置される背面反射板11と、入射部以外の端面に対向して配置された端面反射板、つまり、光源13が配置される端面以外の端面20cに対向して配置される端面反射板12と、光源13が配置される端面と交わる両側の側面に対向して配置される側面反射板(図1の紙面の手前及び背後に現れるので、図1では図示できないが、図7a、図13で符号14、15で図示した反射板)と、光源からの光入射を妨げないように光源13側に配置された入射部反射板10と、から構成される。反射体としては、背面反射板11、端面反射板12、入射部反射板10、側面反射板(14、15)のうち、いずれか一つあるいはいずれかの2つあるいはいずれかの3つあるいはいずれかの4つを用いるようにしてもよい。
 導光板20、21は、光透過性の高い材料、たとえば、透明なアクリル樹脂から形成され、その出射面20b、21bの反対側の面20d、21dには、凹状の微細形状の反射部20e、21eが複数個点在するように配置される。
 図3は、この反射部を詳細に示しており、金型を用いて射出成形により、微細な反射部20eが碁盤の目状に配列された導光板20が形成される。反射部20eは、導光板20の厚さを1mm(ドット密度は約15000個/cm)として、図3に拡大して示したように、大きい方の直径d1が約55μm、小さい方の直径d2が約10μm、高さd3が約30μmの円錐台形状に形成される。なお、図3では、反射部20eの形状で分かるように、図1とは上下を反転して図示されており、下側が出射面20bとなっている。図3は、理解を容易にするために図示されたもので、実際の尺度とは一致していない。
 このような反射部20e、21eは、導光板20、21の端面20d、21dに均一に配置してもよいが、図1に示したように、導光板の入射部20a、21aから離れるに従って単位面積あたりの個数が徐々に増大するように配置される。
 照明ユニット1には、図1の例では、2枚の導光板20、21が積層される。各導光板20、21は同一の材質で同様に形成され、各導光板20、21は、その出射面がその上の導光板の出射面と反対側の面と重なるように、互いに接触させて、あるいはその間に所定の空気層を設けて積層される。
 導光板の反射部20eの配置により、図3に示したように、マトリックス状の反射部パターンが得られるが、2つの導光板20、21は、同一に形成されるので、各導光板20、21とも同一の反射部パターンとなっている。そのとき、各導光板を積層するとき、それぞれの反射部パターンが整合するように積層する。従って、図1に示したように、各反射部20e、21eは、それぞれ上下の導光板20、21で垂直方向に整合した配列となっている。なお、導光板20、21に形成される反射部パターンを、異なるパターンとすることができることはもちろんである。
 このように構成された照明ユニットにおいて、光源13を点灯すると、光源13は発光ダイオードで構成されているので、指向性の強い光が導光板20、21の内部に入射される。図1には、種々の光線の経路が図示されている。なお、この光線経路は、本発明を理解しやすくするために定性的に図示したもので、必ずしも光学の法則に従ったものでない。
 導光板20、21内に入射した光は、反射板10、11、12、導光板20、21の面20a~20d、21a~21dあるいは反射部20e、21eで多重に反射、屈折、あるいは散乱され、一番上の導光板20の出射面20bを介して外部に出射する。たとえば、光線L1は、下の導光板21の上下面で反射を繰り返した後、上の導光板20の反射部20eの空気層に入り、上の導光板20を屈折して外部に出射する。光線L2は下の導光板21から反射部20e、21eを通過することなく、上の導光板20を通過して外部に出射する。光線L3は導光板20の反射部20eの傾斜面に衝突することで、反射又は屈折あるいは散乱して出射面側へ導かれる。また、図1には、図示されていないが、側面反射板(14、15)でも入射光が反射し、その反射光が光線L1~L3などと同様な反射、屈折、散乱を繰り返す。
 このように、導光板内に入射した光は、種々の経路で反射、屈折あるいは散乱を繰り返しながら導光板内を伝播し、上の導光板20の出射面20bから輝度の高い光が出射する。
 図2は従来の導光板の一実施例であり、出射面と反対面に白色塗料により細かな反射部(散乱部)30aを多数印刷した導光板30を積層した照明ユニットを示している。図2の従来例に示す照明ユニットでは、下の導光板30からの出射光は、一部が上の導光板30の反射部30aで反射してしまい、上の導光板に導かれなくなるので、図1の構成のように高輝度の光を出射することができない。
 一般に、導光板を用いる場合、その出射方向に厚い導光板よりも、出射方向に薄い導光板の方が出射効率が高い。これは、厚い導光板1枚より、薄い導光板を複数枚積層配置したほうが、導光板内での光の反射回数が増え、反射部(拡散パターン)にて反射拡散される確率が高くなり、光出射面から効率よく光を出射するからである。この効果が、図4aと図4bに図示されており、図4aは導光板20を厚くして1枚構成とした照明ユニットが図示されており、図4bは、3枚の導光板20、21、22を積層し、その積層厚さを、図4aの1枚の導光板の厚さと同じにしたもので、導光板22は、その板厚が異なることを除き、図1の導光板20、21と同じになっている。図4bから分かるように、導光板を複数枚積層配置したほうが、導光板内での光の反射回数が増え、光出射面から効率よく光が出射される。
 なお、図3に示したように、微細形状の反射部20eを複数個点在させた導光板自体で、出射効率の高い導光板が得られるので、図4aに示したように、照明ユニットを一枚の導光板だけで構成することもできる。
 図5には、導光板の積層枚数に応じて変化する平均輝度値が、実測値とシミュレーション値の2つで図示されている。この図から、導光板を多数積層したほうが、平均輝度値が大きくなっていることが分かる。
 上述した実施例において、導光板20に形成される反射部20eの形状は円錐台形状となっている。この効果が、図6bに円柱状の反射部と比較して示されている。図6bに示したように、反射部を円柱形状にすると、視野角±20°に全体輝度の約8%の出射しか得られないのに対して、図6aに示したように、円錐台形状にすると、視野角±20°に全体輝度の約80%の照明が得られ、液晶バックライトにおいて標準である約40%と比較しても、出射効率の高い照明が得られることが分かる。これは、上述したように、光線が円錐台の傾斜面に衝突することで、反射又は屈折により出射面側へ導かれる割合が多くなることによる。従って、反射部は、円錐台形状だけでなく、傾斜部をもった円錐形状、角錐形状、角錐台形状、又は球面形状とすることもできる。
 上述したように、導光板20の反射部20eは、導光板の入射部20aから離れるに従って単位面積あたりの個数が徐々に増大するように配置される。この状態が、図7aと図7bに図示されている。図7aに図示したような導光板20では、その光源13側の入射部20a近辺は、その対向する反対面20cより出射する光の輝度が大きくなる。そこで、一つの反射部20eを1ドットとして、D1(88mm)×D2(48mm)面積あたりのドット密度を図7bに示した高輝度領域(光源近辺)では、少なくし、低輝度領域(光源と反対側近辺)に行くに従ってドット密度を大きくしていく。このような方法により、導光板20の全面に渡ってより均一な照明光を出射できる照明ユニットを得ることができる。
 図8aは、本発明による照明ユニットにおいて導光板枚数の増加による出射面から出射するエネルギー総和、その平均値、入射エネルギーと出射エネルギー総和の比である出射効率、導光板枚数増加に伴うドット総数の変化を示しており、図8bはドット総数増加に伴う出射エネルギー総和の変化を、図8cはドット総数増加に伴う出射面光束の変化を、図8dはドット総数増加に伴う平均輝度変化を示している。いずれも、数値は、視野角±20°、導光板の縦横サイズを30mm×30mmとして、シミュレーションした値である。図8aから、導光板枚数が増加すると、エネルギー総和、その平均値、出射効率、ドット総数が増加し、図8b、図8c、図8dからドット総数が増加すると、それぞれ出射エネルギー総和、出射面光束、平均輝度がそれぞれ増加することが分かる。
 図9は、導光板20の分光特性を示す図で、41は反射部を形成した面(底面)から光を入射したときの、また42は反射部の対面(上面)から光を入射したときの透過率であり、反射部面から入射した場合の透過率は反射部の対向面から入射した場合の透過率より若干上回っているが、それぞれ約420nm以上の波長からほぼ一定の高い透過率を示している。
 なお、図1に示した照明ユニット1の実施例では、導光板の出射面20b、21bと反対側の面20d、21dに凹状の微細形状の反射部が複数個点在するように配置されているが、それに代えて導光板の出射側の面に反射部を複数個点在するように配置してもよい。その実施例が図10、図11に図示されている。
 図10において、図1と同じ部材には、同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。照明ユニット1には、図1と同様に、同じ材質で同様に構成された2枚の導光板40、41が積層される。導光板40、41は、それぞれ光源13からの可視光を入射させる入射部40a、41a、該入射部と対向する端面40c、41c、可視光線を出射する出射側の面40b、41b、該出射面と反対側の面40d、41cを有する。導光板40、41は、導光板20、21と異なり、出射側の面40b、41bに凸状の微細な反射部40e、41eが複数個点在して配置される。
 図11には、導光板40に形成される反射部40eの形状、配置パターンが図示されている。反射部40eは、図3の反射部20eを上下逆にした凸状、つまり円錐台形状であり、その寸法d1、d2、d3は図3と同じになっている。導光板40の厚み、反射部パターンも、図3と同様である。図11では、上部が出射面40bである。
 導光板41も、導光板40と同様な厚み、反射部パターンを有し、導光板40、41は互いに接触させ、導光板40、41間に所定の空気層が形成されるように、積層される。このように導光板40、41から構成される照明ユニットも、上の導光板40の出射面40bからは、均一で高輝度の照明光が出射し、図1の照明ユニットと同様な効果が得られる。
 凸状又は凹状の微細な反射部は、上述したように、出射側面(上面)及び/又は出射側の面と反対側の面(底面)に設けることができ、その実施例が図12a~図12hに図示されている。
 図12aは凹状の反射部100aを底面に配置した導光版100を示しており、図1の導光板20、21に対応する。図12bは凸状の反射部101aを上面に配置した導光版101を示しており、図10に示した導光板40、41に対応する。図12cは凸状の反射部102aを底面に配置した導光板102を、図12dは凹状の反射部103aを上面に配置した導光板103を示している。
 凸状又は凹状の反射部は、導光板の片面だけでなく、その上面と底面の両面に設けることができる。図12eは凸状の反射部104aを上面に、凹状の反射部104bを底面に配置した導光板104を、図12fは凹状の反射部105aを上面に、凹状の反射部105bを底面に配置した導光板105を、図12gは凹状の反射部106aを上面に、凸状の反射部106bを底面に配置した導光板106を、図12hは凸状の反射部107aを上面に、凸状の反射部107bを底面に配置した導光板107を、示している。
 いずれの導光板100~107を用いても、上述したような均一で高輝度の照明光を出射する照明ユニットを構成することができる。
 図13は、上述した導光板20を3枚積層し、反射板11、12、10、14、15をそれぞれ底面、入射部と反対側の端面、入射側端面、側面に取り付けた照明ユニット1に、高輝度の発光ダイオードからなる光源13を取り付けた面発光装置を照明装置とした実施例を示す。上述したように、照明ユニットは、高輝度の光を出射面20bから均一に出射する。このとき、光は照明ユニットの反射板11、12、10、14、15による反射によって、導光板内を伝播する光が照明ユニットの出射面20b以外の端面から漏れることを効果的に防止することができる。
 本発明による照明ユニットでは、発光ダイオードの指向性の強い光を導光板の内部で反射、屈折、拡散させ、出射面を介して光を広範囲に出射させるようにしている。従って、使用する発光ダイオードの数を少なくすることができ、製造コスト及び消費電力を削減できる。また、発光ダイオードが導光板の端部に配置されるので、装置を特に導光板の厚み方向に小型化できる。更に、発光ダイオードを光源として用いるので、長寿命化と低消費電力に貢献できる。
 本発明実施例において、光源13を可視光LEDを用いて説明を行ったが、本発明の照明ユニット及び照明装置は可視光LEDに留まらず、例えば紫外線を発する紫外光LED、あるいは赤外線を発する赤外光LEDを光源13として使用することを妨げない。
 また、本発明実施例の照明ユニットは導光板の形状を四角形を用いて説明したが、当然多角形の照明ユニットが使用できることは説明するまでも無い。
 また、本発明実施例は、光源入射部を1箇所として説明したが、多数の光源入射部を有する照明ユニットであっても、本発明の効果を妨げるものではない。
 1  照明ユニット
 13 光源
 10、11、12、14、15 反射板
 20、21、40、41、100~107 導光板
 20e、21e、40e、41a、100a~107a、100b~107b 反射部

Claims (9)

  1.  光源からの光を入射させる入射部と、前記入射部から入射された光を内部で伝播させて出射させる出射面とを備える導光板と、
     前記導光板の出射面以外から出射する可視光線を反射するための反射体と、からなる照明ユニットであって、
     前記導光板の出射面と該出射面の反対側の面の少なくとも何れか一方に、又は両方に、凸状又は凹状に形成された微細形状の反射部が複数個点在するように配置されることを特徴とする照明ユニット。
  2.  前記導光板は複数設けられ、各導光板は、その出射面がその上の導光板の出射面と反対側の面と重なるように積層されることを特徴とする請求項1に記載の照明ユニット。
  3.  前記導光板の反射部により形成される反射部パターンが、各導光板とも同一パターンであることを特徴とする請求項2に記載の照明ユニット。
  4.  前記各導光板は、それぞれの反射部パターンが整合するように積層されることを特徴とする請求項3に記載の照明ユニット。
  5.  前記導光板の反射部は、円錐形状、円錐台形状、角錐形状、角錐台形状、又は球面形状であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の照明ユニット。
  6.  前記導光板の反射部は、導光板の入射部から離れるに従って単位面積あたりの個数が徐々に増大するように配置されることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の照明ユニット。
  7.  前記反射体は、導光板の出射面と反対側の面に配置される背面反射板と、光源が配置される端面以外の端面に対向して配置される端面反射板と、光源が配置される端面と交わる両側の側面に対向して配置される側面反射板と、光源側に配置される入射部反射板と、のうち少なくとも何れかにより構成されることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の照明ユニット。
  8.  請求項1から7のいずれか1項に記載の照明ユニットと、
     前記導光板の入射部に可視光を入射させる光源と、
     からなることを特徴とする照明装置。
  9.  前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項8に記載の照明装置。
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