JP4599979B2

JP4599979B2 - 照明装置

Info

Publication number: JP4599979B2
Application number: JP2004300174A
Authority: JP
Inventors: 敏貴戸田
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2024-10-14
Also published as: JP2006114331A

Description

本発明は、光源と、光源から入射した光を導光し、前記導光された光を光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置に関するものである。

ＬＥＤなどの光源の個体差（色や明るさのバラツキ）により、照明装置から射出する照明光には、色度や輝度のバラツキがあった。特に、光源を複数個搭載した照明装置においては、色度や輝度のムラが発生することがあった。また、個体差のある光源から適当な色度及び輝度を持った光源だけを選別使用することは、無駄に資源を消費し、照明装置を高コストにしていた。

なお、導光板上に回折格子を形成する点は特許文献１で既に公知であるが、単に回折格子を用いるだけでは上記の問題点は残ったままであった。

特許文献を以下に示す。
特許第２８６５６１８号公報

本発明は、上記の要望を満たすべくなされたものであって、光源の個体差（色や明るさのバラツキ）を補償し、照明光として射出する光の色度及び／あるいは輝度において個体差の少ない、品質の安定した照明装置を提供すること。また、個体差のある光源を有効に活用し、資源を無駄にせず、低コストな製造に適応した照明装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、上複数の光源と、光源から入射した光を導光し、前記導光された光を光射出面から射出する複数の平面状の導光板とを備えた照明装置において、光射出面もしくは光射出面に対向する面に回折格子から成る光射出用光学素子を配し、光源から導光板に入射する光の波長分布及び／あるいは輝度に応じて、
複数の光源に対してそれぞれ対応する複数の導光板から射出する光が予め決められた色度及び／あるいは輝度の範囲内となるように補償した回折格子の空間周波数分布及び／あるいは回折効率を有する光射出用光学素子を用いていることを特徴とする照明装置を用いている。

従って、導光板上に形成された回折格子の空間周波数分布や回折効率により、光源から導光板に入射する光の波長分布や輝度のバラツキを補償し、予め決められた色度、輝度の範囲内の照明光を射出することが簡便に実現でき、品質の安定した照明装置を提供できる。また、個体差のある光源を有効に活用し、資源を無駄にせず、低コストに照明装置を製造できることになる。

更に、平均導光方向に沿って導光板内を導光する光を、回折格子の機能によって全反射光とは大きく異なる角度に回折し、特に導光板の光射出面の法線方向に向かって射出することができるため、ＬＣＤパネルなどの照明に好適な条件において、光利用効率の高い照明装置を容易に簡便な構成で実現することができる。このとき、特殊な光学フィルムなどを用いる必要がなく、照明装置を少ない部材構成で実現することが可能となり、また、回折格子の機能により射出光の角度範囲を適宜設計できる。更に、射出用光学素子が回折格子から構成されていることにより、構造が極めて微小であり、また微細加工技術などにより容易に任意の領域に形成可能であるため、導光板上における回折格子の構造や配置が最適化でき、極めて均一な射出光分布を有する導光板を構成することが可能である。

削除

またこの発明によれば、１つの照明装置内に色度・輝度のバラツキを持った複数の光源を使用することができ、さらに、光源の色度・輝度のバラツキに依らず、複数の導光板から射出する光をほぼ同様な色度・輝度とすることが出来、射出面内において均一な色度・輝度を持った照明光を射出する照明装置が得られる。

請求項２の発明は、上記の目的を達成するために、請求項１の発明の照明装置において、前記光源と前記導光板の複数のペアにおいて、光源から射出する光の色度及び／あるいは輝度が前記予め決められた色度及び／あるいは輝度の範囲より大きい前記光源を含むようにしている。また、個体差のある光源を有効に活用することによって、資源を無駄にせず、低コストに照明装置を製造できる。

従って、色度・輝度に大きなバラツキを持った光源を使用することができ、光源の色度・輝度のバラツキに依らず、複数の導光板から射出する光をほぼ同様な色度・輝度とすることができ、射出面内において均一な色度・輝度を持った照明光を射出する照明装置が得られる。また、個体差のある光源を有効に活用することによって、資源を無駄にせず、低コストに照明装置を製造できる。

本発明により、光源の個体差（色や明るさのバラツキ）を補償し、照明光として射出する光の色度及び／あるいは輝度において個体差の少ない、品質の安定した照明装置を提供すること。また、個体差のある光源を有効に活用し、資源を無駄にせず、低コストな製造に適応することが可能となる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

すなわち、本実施の形態に係る照明装置は、光源からの光を側面より導光板に入射し、導光板内を全反射しながら導光し、光射出面もしくは光射出面に対向する面に回折格子から成る光射出用光学素子によって透過回折光及び／または反射回折光を生じ、導光板からの射出光となる。ここで、回折格子の機能により、平均導光方向に沿って導光板内を導光する光を、回折格子の機能によって全反射光とは大きく異なる角度に回折し、特に導光板の光射出面の法線方向に向かって射出することができるため、ＬＣＤパネルなどの照明に好適な条件において、光利用効率の高い照明装置を容易に簡便な構成で実現することができる。回折格子からの直接射出光と、回折格子によって回折した後、反射シートによって反射して射出光となった光とは、何れも照明光となる。なお、透過型液晶表示パネル１８と組み合わせて表示装置を構成した例を図７に示す。

図２は、図１の照明装置における射出用光学素子３８が、導光板内の光を射出する様子を示している。透過型のＬＣＤパネルのバックライトとして本発明の照明装置を利用する場合などには、射出用光学素子３８は導光中の光を射出面にほぼ垂直な方向に射出する光に変換することが望ましいが、射出用光学素子３８として回折格子を利用することにより簡便にこれが実現できる。更に、回折格子の機能により、射出光の角度範囲を適宜設定することも可能であり、特に他の光学フィルムなどを用いなくても、ディスプレイとして最適な角度分布を持った照明光を実現することができる。

回折格子としてレリーフ型回折格子を用いる場合、パターンの設計が容易で有ると共に、高効率化も容易である。このとき、レリーフ型回折格子の構造の高さ（深さ）は、典型的には０．１〜１μｍ程度であるため、余計な突起のない、ほぼ平面と見なせる導光板１０を実現できる。すなわち、照明装置を薄くできる。更に、導光板１０と一体成形可能であり、極めて簡便に安価に製造可能である。

ここで、回折格子の機能について更に詳細に論じる。導光板内を導光する光のうち、回折格子に入射した光は回折光を生じるが、通常の主要な回折光は１次回折光である。回折光学素子の最も基本的な構造である回折格子において、回折格子の格子ピッチｄと、１次回折光の射出角度（回折角）θＲとの関係は、ｄ＝ｍλ／（ｓｉｎθｉ−ｓｉｎθＲ）により表される。ただし、ｍは回折次数、λは導光板内における光の波長、θｉは正反射角度（回折格子が反射時に作用する場合）である。透過時もほぼ同様の式が成立する。

この式により、回折格子の空間周波数により、特定方向に回折する光の波長を選択出来ることは明らかである。また、回折効率は入射光に対する回折光の比を指すものであるが、本発明では広義の回折効率を指し、回折格子の位相変調量（例えば、レリーフ型回折格子の場合は深さ、屈折率変調型の場合は屈折率差と厚み）や、回折格子を形成する面積に依存して変化する。従って、本発明においては、導光板毎に特定の波長に対し、空間周波数や回折効率を適宜設計することにより、光源の波長分布や強度に応じて、その波長光の射出方向や強さを制御し、導光板から射出する光が予め決められた色度や輝度の範囲内となるようにすることができる。すなわち、光源の色度や輝度のバラツキを、導光板上に形成した回折格子の機能により補償し、安定した色度・輝度を有する照明光を射出する照明装置を実現できる。

一般的に、ＬＥＤなどの光源は製造時の色度・輝度のバラツキが大きく、製造後に適当な色度・輝度を持ったグループに分別される。本発明の照明装置においては、図３の様に、これらの分別された光源毎に、それぞれのグループに対応して予め用意しておいた導光板を組み合わせることにより、容易に安定した色度・輝度を有する照明光を射出する照明装置を製造することができる。また、製造された光源を無駄なく利用することができ、低コストに照明装置を製造出来るだけでなく、資源の有効活用ができる。

導光板内を平均導光方向に進む光を射出光に変換するために、最も効果的に作用する回折格子は平均導光方向に沿って格子ベクトルを持つ場合である。すなわち、格子ベクトル方向と平均導光方向Ｆをほぼ同一とし、格子ピッチｄを適切に設定することにより、全反射しながら平均導光方向Ｆに進む光が回折格子によってθＲの角度で回折し、全反射条件を外れて導光板１０の光射出面２８から射出して行く。特にθＲ〜０°とすると、導光板表面に対してほぼ垂直に照明光が射出し、透過型ディスプレイ用の照明光として最も好ましい。

回折格子は、導光板を導光している光を回折光として射出するのみでなく、その回折光の拡がり方（射出角度範囲）を制御することも可能である。具体的には、図４（ａ）のような直線状の回折格子パターンは、導光中の光を曲げる働きのみを持ち、図４（ｂ）のような曲線状の回折格子パターンは射出する回折光の範囲をそのパターンによって任意に設計できる。ここで、導光板上での回折格子パターンは、平均導光方向Ｆと平均的な格子ベクトル方向ｖとを一致させると、全反射条件を満たす光に対して効果的に作用する構成とすることができる。すなわち、導光中の光に対して、射出光の方向を大きく異ならせることができ、確実に導光板から射出できるようになる。

さらに、平均導光方向において、回折格子の空間周波数に幅を持たせることにより、導光板から射出する１次回折光を空間周波数の幅に応じた角度範囲内に光を射出することができ、予め設定した角度範囲に光を集中的に射出するため、効率よく光を利用することができる。

なお、射出光学素子は導光板全面に形成してもよいが、射出光学素子として、それぞれセル状の領域内に形成した回折格子を用い、多数のセルを導光板上に配置してもよい。図５は、導光板上において単位面積当たりのセルの配置個数及びセルの大きさを変化させることによって配置密度を変化させた例である。このとき、平均導光方向Ｆに沿って導光板内を導光する光量が減少することによる射出光の減少を導光板の各位置における射出用光学素子３８の配置密度を、セルの配置個数及び／またはセルの大きさの設定により補償するため、射出面内で均一に光を射出できる。

ここで、セルの外形形状としては、図６に示すように長方形状、円形状、楕円形状のうち何れであっても良い。また、同一の導光板１０に配置されるセルは全て同一形状であっても、長方形状と円形状と楕円形状が混在していても良い。最適な設計例としては、セルは平均導光方向Ｆに短く、それと直交する方向に長い形状を持つようにすれば、セルの形状による回折効果によって、射出する光を平均導光方向Ｆと同方向に拡げることができ、回折格子の設計とは独立した射出光角度分布の制御が可能である。この射出光の拡がりも、前述の相反する分光効果の２つの回折光を合わせることによる、射出光における不必要な色付きの抑制をより効果的にすることに貢献する。

また、セルの配置間隔を１００μｍ以下とすると、一般的な観察条件における人間の目の解像度以下となり、このような照明装置の光射出面２８を目視観察した場合でも、セルの大きさは十分小さく、単位面積あたりに十分な数のセルを配置できるため、均一な射出光を出す面として観察させることができる。

回折格子は構造が極めて微小であり、また微細加工技術などにより容易に任意の領域に任意の光学機能を持った回折光学素子を形成可能であるため、最適化が容易であり、均一な射出光分布を有する導光板を構成することが可能である。通常、導光板は、光源に近い端面側（入射側）ほど光の射出光強度は大きく、光源から遠い端面側ほど光の射出光強度は小さくなる。このため、回折格子の回折効率を、導光板１０の光入射側から離れるほど高くすることにより、光強度の強い入射側において導光板１０から射出する光の割合を少なく、入射側から離れるほど射出割合を増加することができ、導光板１０の光射出面２８全域に亘って均一な強度の光を射出することが可能となる。

ここで、光源として端面にほぼ平行に配置された線状の光源を用いた場合、導光板における平均導光方向Ｆは、光源からの光の入射端面にほぼ直交する方向となる。また、光源として、端面に配置された点状のＬＥＤ等の光源を用いた場合、光源を中心とする放射方向に導光しようとするが、導光板全体に亘って平均すると線状光源と同様に入射端面にほぼ直交する方向が平均導光方向Ｆとなる。

なお、本発明は以上説明した実施形態に限られるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内の各種変更が可能である。例えば、回折格子の配置密度の変更だけでなく、回折格子の断面形状（ブレーズド型格子，矩形，正弦波状など）の選択も、設計に応じて適宜に行なわれる。

本発明は、ＬＥＤ、その他の光源と、光源から入射した光を導光し、前記導光された光を光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置に適用可能である。

図１は、光源から入射した光を導光し、導光された光を光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置の斜視図である。図２は、図１の照明装置における射出用光学素子３８が、導光板内の光を射出する状態の断面図である。図３は、光源から入射した光を導光し、導光された光を光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた、ペアを複数配置して構成した照明装置の斜視図である。射出用光学素子として用いる回折格子の例を示す説明図である。図５は、導光板上において単位面積当たりのセルの配置個数及びセルの大きさを変化させることによって配置密度を変化させた場合の平面図である。図６は、セルの外形形状の拡大図である。図７は、図１の照明装置をＬＣＤパネルと組み合わせて表示装置を構成した例を示す斜視図である。

１０・・・導光板
１２・・・光源
１４・・・照明装置
１８・・・透過型液晶パネル
２４・・・表示装置
２８・・・光射出面
３２・・・反射シート
３８・・・射出用光学素子
５６・・・導光板からの射出光
５８・・・表示光
Ｆ・・・平均導光方向
Ｖ・・・格子ベクトル方向

Claims

複数の光源と、光源から入射した光を導光し、前記導光された光を光射出面から射出する複数の平面状の導光板とを備えた照明装置において、
光射出面もしくは光射出面に対向する面に回折格子から成る光射出用光学素子を配し、
光源から導光板に入射する光の波長分布及び／あるいは輝度に応じて、
複数の光源に対してそれぞれ対応する複数の導光板から射出する光が予め決められた色度及び／あるいは輝度の範囲内となるように補償した回折格子の空間周波数分布及び／あるいは回折効率を有する光射出用光学素子を用いていることを特徴とする照明装置。
前記光源と前記導光板の複数のペアにおいて、光源から射出する光の色度及び／あるいは輝度が前記予め決められた色度及び／あるいは輝度の範囲より大きい前記光源を含むことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。