JP2008300298A - 面照明光源装置及び面照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源からの光を高い効率で利用しながら、光の放射方向の厚みを増大させることなく、放射面から所定の距離離れた面において均一な照明光を得る。
【解決手段】光を放射する発光源２と、発光源２からの光を伝搬してその放射方向の所定位置に放射面３Ａを有する光学的に透明な導光体３と、導光体３の放射面３Ａ以外の面を閉鎖し発光源２を略中央に配置したケーシング４と、ケーシング４と導光体３の間の全体に設けられた内側反射部５と、放射面３Ａの略中央に形成された中央反射透過部６Ａ、及び放射面３Ａの略全面に一様な膜厚で形成された放射面反射透過部６Ｂを有する放射側反射透過部６とを備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ＬＣＤバックライト、照明用看板、自動車・車両等の表示装置に使用される面照明光源装置及び面照明装置に関する。

従来から、表示装置や照明等の光源として、電力消費量や発熱が少ない点から発光ダイオード（ＬＥＤ）の使用が検討されているが、ＬＥＤは指向性が強いため、広い面で均一光量分布を得るためには、種々の工夫が必要とされている。

例えば特許文献１には、光源から発せられた光が入射する光入射端面及び導光される光が出射する光出射面を有する導光体を備え、この導光体に形成された局所的レンズ列を、光入射端面に入射した光のうちの最大強度光の入射位置での輝度分布におけるピーク光の方向と異なる方向に形成して、輝度不均一を解消する点が開示されている。

また、特許文献２には、一端に開口部が形成され、その内側壁が光の反射面である光源収容部を有するランプハウジングと、光源収容部に設けられた発光ダイオードと、開口部の前面に設けられた表示板とを備え、発光ダイオードからの光を拡散反射して均一にした点が開示されている。

さらに、特許文献３では、光の放射面上に形成された拡散層における微小反射部からの反射光と、発光ダイオードの周辺に設けられた反射器と、の間での反射の繰り返しにより、均一光を得る旨が開示されている。

また、特許文献４では、ＬＥＤから出射された指向性のある光（特にＬＥＤ直上の強い光）を、放射面に形成された反射部でＬＥＤ側に反射させ、これにより、光の方向を変化させてＬＥＤからの光強度を減少させ、均一な光を得る点が開示されている。
特開２００２−３４３１２４号公報 特開２００３−１８６４２７号公報 特開２００５−２８４２８３号公報 特開２００６−１２８１８号公報

しかしながら、特許文献１では、ＬＥＤによる指向性の強い光を均等化するために、ＬＥＤ光源を放射方向に対して横に設けたりしている。このため、大きなスペースを必要とする。

また、特許文献２では、ＬＥＤの放射方向に所定の厚みが必要となる。また、内側拡散フィルムで散乱された光は、ベース板で吸収されてしまう等、ＬＥＤからの光を全て利用するとの思想は有さない。

さらに、特許文献３では、放射面やＬＥＤの周辺の底面には反射板が設けられていても、側面には反射板が設けられていない。このため、ＬＥＤを取り囲むような空間において、光の多重反射を起こさせて全てのＬＥＤからの光を利用しつつ均一な照明光を得ることはできない。

また、特許文献４では、ＬＥＤからの光の進行経路をコントロールすることで、均一な
照明を得ようとするものであり、放射面上の反射部は光の進行方向を変えるために用いられている。しかし、これでは光強度が弱められてしまうとともに、多重反射を利用して均一な光を得ることはできない。

本発明は、斯かる課題を解決するためになされたもので、光源からの光を高い効率で利用しながら、光の放射方向の厚みを増大させることなく、放射面から所定の距離離れた面において均一な照明光を得ることのできる面照明光源装置及び面照明装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
光を放射する単体又は複数の集合体からなる一群の光源と、
該光源からの光を伝搬してその放射方向の所定位置に放射面を有する光学的に透明な導光体と、
該導光体の前記放射面以外の面を閉鎖し前記光源を略中央に配置した無蓋のケーシングと、
該ケーシングと前記導光体の間の全体に設けられた内側反射手段と、
前記光源から前方に直進する光を反射透過する第１の反射透過部、及び前記放射面の略全面に一様な膜厚で形成された第２の反射透過部を有する放射側反射透過手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の面照明光源装置において、
前記第１の反射透過部と前記第２の反射透過部は一体に形成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の面照明光源装置において、
前記第１の反射透過部と前記第２の反射透過部は別体に形成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の面照明光源装置において、
前記第１の反射透過部及び前記第２の反射透過部は、酸化チタン（ＴｉＯ_２）の薄膜、窒化マグネシウム（ＭｇＮ_２）の薄膜、又はこれらが多層に形成された反射透過膜からなることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の面照明光源装置において、
前記反射透過膜の反射率は、７５％〜９９．３％、好ましくは９８％〜９９．３％であることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１に記載の面照明光源装置において、
前記内側反射手段は、超微細発泡光反射板、チタンホワイトの微粒子をエマルジョン化したもの、ポリテトラフロロエチレン（ｐｏｌｙ ｆｌｕｏｒｏ ｃａｒｂｏｎ）の微粒子のいずれか、又はこれらの組み合わせからなることを特徴とする。

請求項７に係る面照明装置の発明は、請求項１に記載の面照明光源装置を複数配置することによって構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、光源からの光を高い効率で利用しながら、光の放射方向の厚みを増大させることなく、放射面から所定の距離以上離れた面において均一な照明光を得ることができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１及び図２は、本実施の形態の面照明光源装置１を示す図である。

この面照明光源装置１は、発光ダイオード等の光を放射する単体又は複数の集合体からなる一群の指向性の強い発光源２と、この発光源２からの光を伝搬してその放射方向の所定位置に放射面３Ａを有する光学的に透明な導光体３と、この導光体３の放射面３Ａ以外の面を閉鎖し発光源２を略中央に配置した無蓋のケーシング４と、を備えている。

本実施形態では、ケーシング４の大きさとして、例えば１０ｃｍ×１０ｃｍ×１．５ｃｍ（高さ）の直方体を採用している。但し、このケーシング４の大きさは、これに限定されるものではない。また、ケーシング４の材質も、特に限定されるものではないが、例えば金属や合成樹脂が用いられる。

ケーシング４と導光体３の間の全体には、内側反射手段としての底面反射部５Ａ及び側面反射部５Ｂを有する内側反射部５が設けられている。また、放射面３Ａには、放射側反射透過手段としての放射側反射透過部６が設けられている。この放射側反射透過部６は、第１の反射透過部としての中央反射透過部６Ａ及び第２の反射透過部としての放射面反射透過部６Ｂを有している。

これら中央反射透過部６Ａ及び放射面反射透過部６Ｂは、本実施形態では光学的に透明な光透過基板９に形成されている。この光透過基板９は、例えばガラス板、アクリル樹脂等の透明度の高いプラスチック板からなっている。

すなわち、光透過基板９の内側面の略中央には、発光源２から前方に直進する光を所定の範囲で反射透過する中央反射透過部６Ａが設けられている。また、光透過基板９の外側面には、放射面３Ａの略全面に一様な膜厚で形成された放射面反射透過部６Ｂが設けられている。この中央反射透過部６Ａ及び放射面反射透過部６Ｂとしては、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_２）や窒化マグネシウム（ＭｇＮ_２）の薄膜、又はこれらが多層に形成された反射透過膜が用いられている。

なお、中央反射透過部６Ａは、放射面３Ａの中央側の透過光量を規制するために、放射面反射透過部６Ｂよりも厚い膜厚で形成されている。そして、この中央反射透過部６Ａも、本実施形態では一様な膜厚で形成されている。なお、この中央反射透過部６Ａは、その中央部分を周辺部よりも反射透過率の反射率をより高くした分布を持たせる場合もある。

導光体３は、例えば、光学ガラスにより構成することができるし、アクリル樹脂等の透明度の良いプラスチックを使用することができる。また、シリコン樹脂等の柔軟な透明プラスチックを用いてもよい。さらに、気体や液体であっても良い。なお、本実施形態では、導光体３が空気である場合を例として説明する。

なお、図１では、光透過基板９の内側に中央反射透過部６Ａを形成し、外側に放射面反射透過部６Ｂを形成した場合について説明したが、これに限らず、例えば光透過基板９の外側に中央反射透過部６Ａを形成し、内側に放射面反射透過部６Ｂを形成しても良い。また、光透過基板９の内側又は外側に、中央反射透過部６Ａ及び放射面反射透過部６Ｂを一体に形成してもよいし、これらを別体で形成してもよい。さらに、中央反射透過部６Ａは、例えば所定の頂角を有する円錐状に形成しても良い。

これら内側反射部５及び放射側反射透過部６には、いずれも光吸収の少ない材質が用いられている。そして、内側反射部５は、超微細発泡光反射板、チタンホワイトの微粒子をエマルジョン化したもの、ポリテトラフロロエチレン（ｐｏｌｙ ｆｌｕｏｒｏ ｃａｒｂｏｎ）の微粒子のいずれか、又はこれらの組み合わせを用いた。

また、放射側反射透過部６は、酸化チタン（ＴｉＯ_２）の薄膜、窒化マグネシウム（ＭｇＮ_２）の薄膜、又はこれらを多層にして形成された反射透過膜を用いた。こうして形成された反射透過膜の反射率は、７５％〜９９．３％、好ましくは９８％〜９９．３％がよい。

本実施形態では、ケーシング４に、底面反射部５Ａ及び側面反射部５Ｂを有する内側反射部５を有しているので、発光源２から放射された光はこれらの反射部にて吸収されることなく多重反射される。これにより、発光源２から放射された光を略全て利用して、放射面３Ａから所定の距離以上離れた面において均一な照明光を得ることが可能な構造となっている。

また、ケーシング４は、側面が上方に向かって垂直に延びる以外にも、例えば側面が上方に向かって広がった形状であっても良い。さらに、ケーシング４として矩形状のものを例示したが、これに限らず、例えば円形状や楕円状のものであってもよい。

また、発光源２としては、発光ダイオードやレーザダイオード（ＬＤ）のように自ら発光する素子のみならず、導光ワイヤ等によって導かれた光をも含む概念である。さらに、発光源２は、フィラメント電球であってもよい。また、前述したように、発光源２は、発光素子が１個の単体のみならず、複数の発光素子が近接して配置された集合体である場合をも含む。さらに、例えば光の三原色である赤、青、緑の発光素子を近接配置した場合をも含む。

さらに、中央反射透過部６Ａや放射面反射透過部６Ｂは、周知の光学反射透過板を放射面３Ａに貼り付けたものでもよいし、蒸着により形成することもでき、これらの形成方法は限定されない。

次に、面照明光源装置１に近似した構造の光分布測定用装置１’による光分布について説明する。
図３及び図４は、光分布測定用装置１’の外観を示す図であり、面照明光源装置１と同一又は相当する部材には同一の符号を付している。また、この光分布測定用装置１’のケーシング４の大きさは、面照明光源装置１と同様の１０ｃｍ×１０ｃｍ×１．５ｃｍ（高さ）の直方体である。但し、中央反射透過部６Ａがない点が面照明光源装置１と異なっている。

なお、照度は放射面３Ａから所定の距離離れた面において測定した。具体的には、光透過基板９の上方５ｍｍ離れた面で測定した。また、照度計はHIOKI(会社名) 3423 lux HiTesterを使用した。

この光分布測定用装置１’は、発光源２を略中央に配置したケーシング４と、このケーシング４と導光体（空気）３間に設けられた内側反射部５と、放射面３Ａに配置された光透過基板９の略全面に一様な膜厚で形成された放射面反射透過部６Ｂと、を備えている。

図５は、一様な膜厚で形成された放射面反射透過部（反射透過膜）６Ｂとして、光の吸収が少なくかつ放射面反射透過部６Ｂの反射率Ｒを０％〜５０％、又は７５％とした場合の光の分布を示している。すなわち、例えば放射面反射透過部６Ｂに光の吸収がないとし
た場合、反射率Ｒが７５％ということは、透過率が２５％であることを意味している。

そして、反射率Ｒが０％〜５０％の場合、発光源２の真上の照度が局部的に高くなる。また、反射率Ｒが７５％の場合は、これよりも若干緩和されている。これによれば、放射面反射透過部６Ｂの反射率Ｒが７５％以上であれば、実用的には問題ないものと考えられる。但し、反射率Ｒが７５％以下では使用できないというものではない。

また、図６は、一様な膜厚で形成された放射面反射透過部（反射透過膜）６Ｂとして、光の吸収が少なくかつ反射率Ｒを９８％〜９９．３％とした場合の光の分布を示している。これによれば、反射率Ｒを９８％〜９９．３％とした場合、中央部は明るいスポットが残るものの、発光源２の周辺部Ａ点において透過した光の分布は、フラットで均一なものとなっている。

なお、この光分布測定用装置１’において、内側反射部５及び放射面反射透過部６Ｂの部分では、光の一部がそのまま透過したり、所定の方向に反射したり、散乱したりする。このように、一部吸収される光もあるが、内側反射部５及び放射面反射透過部６Ｂは光を良く反射して、全体として均一な光を外部に放射するように作用するのである。

このため、例えば放射面反射透過部６Ｂの反射率Ｒを９８％〜９９．３％とした場合、放射面３Ａの中央部に前述した中央反射透過部６Ａを設ければ、フラットで均一な光を得ることができる。そこで、本実施形態では、この測定結果に基づき、光分布測定用装置１’と近似した構成の面照明光源装置１を創作するに至ったのである。

図７は、図４（図６）の周辺部Ａ点の上方での透過した光の光量と放射面反射透過部（反射透過膜）６Ｂの反射率Ｒとの関係を示す図である。
この図７によれば、反射率Ｒが高くなるほど（１００％に近づくほど）Ａ点での光量が増加していることがわかる。

また、明るいスポット光を有効に利用するために、中央反射透過部６Ａ及び放射面反射透過部６Ｂを用いて、発光源２側により多くの光を反射させ、光の均一度を向上させることができる。ただし、面照明光源装置１において、あまり中央反射透過部６Ａ及び放射面反射透過部６Ｂの反射率が高いと、その分、透過光が少なくなる（図６参照）。このために、中央反射透過部６Ａ及び放射面反射透過部６Ｂは、多少の透過率を備えた光吸収の少ない部材を用いるのが良い。

次に、ケーシング４の大きさと放射側反射透過部６の形状は、均一な照明を得るために重要なファクターとなる。
そこで、例えばケーシング４の大きさを１０ｃｍ×１０ｃｍ×１．５ｃｍ（高さ）の直方体とし、発光源２を略１Ｗで６４ｌｍの光を放出するＬＥＤを用いて実験を行った。

この場合、内側反射部５として、反射率８８％の超微細発泡光反射板（商品名 ＭＣＰＥＴ）を用いた。そして、放射側に拡散体を配置して放射側反射透過部６の形状による影響を除き、均一光にして照度を測定した。すると、６０００ｌｕｘの照度が得られた。このことは、ＬＥＤから出射した光の９４％を利用することができたことになる。

次に、内側反射部５として、前述した超微細発泡光反射板を用いて実験を行った。この場合、放射側反射透過部６として、チタンホワイトの微粒子をエマルジョン化したものを用いた。

こうして、光を均一化して照度を測定したところ、５８３０ｌｕｘの照度が得られた。
このことは、ＬＥＤから出射した光の９１％を利用することができたことになる。
さらに、放射側反射透過部６をポリテトラフロロエチレン（ｐｏｌｙ ｆｌｕｏｒｏ ｃａｒｂｏｎ）の微粒子（商品名 Ｇ−８０Ｈａｌｌｏｎ）を用いたところ、５９５０ｌｕｘの照度が得られた。このことは、ＬＥＤから出射した光の９３％を利用することができたことになる。

なお、内側反射部５として、チタンホワイトやポリテトラフロロエチレン（ｐｏｌｙ ｆｌｕｏｒｏ ｃａｒｂｏｎ）の微粒子を用いた場合にも、ＬＥＤから出射した光の９０％以上の光を利用することができた。

このように、内側反射部５や放射側反射透過部６の材料を選定することで、ＬＥＤから出射した光のほとんど９０％以上（略１００％に近く）を利用しながら、均一な照明光を得ることができる。

本実施形態によれば、内側反射部５及び放射面反射透過部６Ｂは光を良く反射して、全体として均一な光を外部に放射するように作用する。これにより、発光源２からの光を高い効率で利用しながら、光の放射方向の厚みを増大させることなく（例えば高さ１．５ｃｍ）、放射面３Ａから所定の距離離れた面において均一な照明光を得ることができる。
（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態の面照明光源装置１を示している。なお、第１の実施の形態と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。

本実施形態では、導光体３を光学ガラス（又は透明度の高いプラスチック）で構成し、その放射面３Ａに放射側反射透過部６（放射面反射透過部６Ｂ及び中央反射透過部６Ａ）を形成したものである。

すなわち、本実施形態では、導光体３としての光学ガラスの放射面３Ａに、直接的に、一様な膜厚の放射面反射透過部（反射透過膜）６Ｂをコーティングしたものである。また、この放射面反射透過部６Ｂの放射方向の外側面に中央反射透過部６Ａを形成している。この中央反射透過部６Ａ及び放射面反射透過部６Ｂとしては、第１の実施の形態と同様に、酸化チタン（ＴｉＯ_２）の薄膜、窒化マグネシウム（ＭｇＮ_２）の薄膜、又はこれらを多層にして形成された反射透過膜を用いた。

本実施形態によれば、導光体３として空気ではなく、光学ガラス等を用いることで、放射面３Ａから所定の距離離れた面において得られる光の光学特性をさらに改善することも可能となる。
（第３の実施形態）
図９は、面照明光源装置１を複数配置して構成された面照明装置１０の第３の実施形態を示す図である。

なお、この面照明装置１０は、内容把握を容易にするため放射側反射透過部６の図示を省略している。実際には、面照明光源装置１の夫々について、放射側反射透過部６には前述した中央反射透過部６Ａ及び放射面反射透過部６Ｂが形成されている。

本実施形態によれば、個々の面照明光源装置１の放射面３Ａから所定の距離離れた面において得られる均一な照明光の領域を任意に拡大することができる。このため、複数の面照明光源装置１をマトリクス状に配置すれば、必要な領域範囲において均一な照明光を得ることができる。

第１の実施形態の面照明光源装置の断面正面図である。 同上の平面図である。 光分布測定用装置の断面正面図である。 同上の平面図である。 光分布測定用装置により測定された放射側反射透過部の反射率と照度との関係を示す図である。 光分布測定用装置により測定された放射側反射透過部の反射率と照度との関係を示す図である。 同上のＡ点での透過した光量と放射側反射透過部の反射率との関係を示す図である。 第２の実施形態の面照明光源装置を示す図である。 面照明光源装置を複数配置して構成された面照明装置の第３の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 面照明光源装置
１’ 光分布測定用装置
２ 発光源
３ 導光体
３Ａ 放射面
４ ケーシング
５ 内側反射部
５Ａ 底面反射部
５Ｂ 側面反射部
６ 放射側反射透過部
６Ａ 中央反射透過部
６Ｂ 放射面反射透過部
９ 光透過基板
１０ 面照明装置

Claims (7)

1. 光を放射する単体又は複数の集合体からなる一群の光源と、
   該光源からの光を伝搬してその放射方向の所定位置に放射面を有する光学的に透明な導光体と、
   該導光体の前記放射面以外の面を閉鎖し前記光源を略中央に配置した無蓋のケーシングと、
   該ケーシングと前記導光体の間の全体に設けられた内側反射手段と、
   前記光源から前方に直進する光を反射透過する第１の反射透過部、及び前記放射面の略全面に一様な膜厚で形成された第２の反射透過部を有する放射側反射透過手段と、を備える
   ことを特徴とする面照明光源装置。
2. 前記第１の反射透過部と前記第２の反射透過部は一体に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の面照明光源装置。
3. 前記第１の反射透過部と前記第２の反射透過部は別体に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の面照明光源装置。
4. 前記第１の反射透過部及び前記第２の反射透過部は、酸化チタン（ＴｉＯ_２）の薄膜、窒化マグネシウム（ＭｇＮ_２）の薄膜、又はこれらが多層に形成された反射透過膜からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の面照明光源装置。
5. 前記反射透過膜の反射率は、７５％〜９９．３％、好ましくは９８％〜９９．３％である
   ことを特徴とする請求項４に記載の面照明光源装置。
6. 前記内側反射手段は、超微細発泡光反射板、チタンホワイトの微粒子をエマルジョン化したもの、ポリテトラフロロエチレン（ｐｏｌｙ ｆｌｕｏｒｏ ｃａｒｂｏｎ）の微粒子のいずれか、又はこれらの組み合わせからなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の面照明光源装置。
7. 請求項１に記載の面照明光源装置を複数配置することによって構成された
   ことを特徴とする面照明装置。

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