JP6121745B2 - 面照明発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、看板バックライト照明、ＬＣＤバックライト、信号表示、遊技機器、イルミネーションによる物体の照明、車両等に使用される面照明発光装置に関するものである。

斯かる面照明発光装置の光源として、低消費電力で高輝度及び高寿命であるＬＥＤ（発光ダイオード）が使用されつつあるが、ＬＥＤから出射される光は指向性が強いため、広い面で均一な光量分布を得ることは困難である。

そこで、特許文献１には、端部に複数のＬＥＤを一定間隔で配置した透明アクリル板の表面の全面積内に、ＬＥＤからの光の入射方向に対して直角方向の多数の線状Ｖ形溝を相互に平行に連続的に並設し、このＶ形溝で入射光を散乱反射及び拡散屈折させる構成が提案されている。

特許文献２には、ＬＥＤを収容する光源収容部を有するランプハウジングとその開口部を覆う表示板との間に導光体を配置し、前記ランプハウジングの内側壁表面にシボ加工を施し、ＬＥＤからの光を導光体の内部で散乱させるとともに、ランプハウジングの内側壁に照射される光を乱反射させ、再び導光体内部で散乱させる構成が提案されている。

特許文献３には、広い面積で均一な照明光を得る目的で、内部に反射体と底面の中央にＬＥＤが配設されたケーシングと、ＬＥＤから所定距離離れて前記ケーシングの開口を覆う放射側反射手段を備える面照明発光装置において、前記反射体と前記放射側反射手段を、前記ＬＥＤと放射側反射手段間の最短距離箇所を通過する基準線を対称軸として、少なくとも何れか一方を前記対称軸に対して平板状又は多面体の反射体で構成する提案がなされている。

特許文献４には、光学レンズからの出射光の色ムラを軽減することができる白色ＬＥＤ照明装置が提案されている。具体的には、光学レンズの導光体を、透明樹脂に散乱能が与えられた回転体形状の光散乱導光体であって、光学レンズからの出射光の色温度Ｔｃ＝５２００Ｋとし、周辺部の色温度Ｔｒ＝３５００Ｋとし、Ｔｒ／Ｔｃ＝０．６７とした場合、光の短波長域における散乱効率Ｑ（Ｂ）と光の長波長領域における散乱効率Ｑ（Ｒ）との比の関係がＱ（Ｂ）／Ｑ（Ｒ）＝１．６となる散乱粒子径（３．６μｍ）の散乱粒子材料によって形成された導光体で構成する提案がなされている。

特開平７−２７０６２４号公報 特開２００３−１８６４２７号公報 特許第４７０１３３４号公報 特開２０１１−１５０７９０号公報

しかしながら、特許文献１において提案された構成では、光を導入する導光板である透明アクリル板の端面に、ＬＥＤ光の照射に起因するホットスポット（光の明るい局所）が存在し、面照明の明るさによってはホットスポットが顕著となり、面照明光の照度の均一性を確保することができないという問題がある。

特許文献２において提案された構成では、照明光の照度の均一性を得るためにはランプハウジングに或る程度の高さが必要であるため、装置が大型化するという問題がある。

特許文献３において提案された構成では、光を周辺に延ばすために中央部の遮光間隔を大きくすると、遮光間隔前後の光の強度差が大きくなるという問題がある。又、光源として赤、緑、青のそれぞれのＬＥＤチップを有するＬＥＤを使用した場合、色分離を生じる恐れがある。

特許文献４において提案された構成では、樹脂レンズを使用しているため、光路の差によって色ムラが発生し易いという問題がある。又、樹脂レンズによる効果を発揮するには一定の高さが必要とされる他、中心に発生する明るいスポットを簡単に消すことができないという問題もある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、光強度分布を全域に亘って均一化して均一な面発光を実現することができる面照明発光装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、底面とその周囲に立設された側面及び前記底面に対向する上面を備える導光箱内の前記底面上にＬＥＤを配置し、
該ＬＥＤの上方に導光器を配設し、
該導光器を、所定の間隔で上下方向に積層された複数の遮光板の光軸上に上方に向かって順次小さくなる孔を形成するとともに、最上位の前記遮光板の上方に、前記ＬＥＤから真上に向かって出射される光を遮るトップ笠を配置して構成し、
前記トップ笠を所定の透過率の材質によって構成し、或いは該トップ笠に光透過口を形成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記遮光板を、平板、錐体、多面体又はこれらの組み合わせによって構成したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記ＬＥＤと前記導光器の組み合わせを前記導光箱内に複数有することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記ＬＥＤは、赤、緑、青のＬＥＤチップを有するものであることを特徴とする。

本発明によれば、ＬＥＤから出射した光は、各遮光板に形成された孔を通過して隣接する上下２枚の遮光板の間の空間に入射し、この空間内で反射と乱射を繰り返して導光器の周囲から出射するが、この光の強度は全域においてほぼ均一となり、均一面発光が実現する。

本発明の原理を説明するための導光箱要部の縦断面図である。 導光箱の１点における光強度分布を示す図である。 光強度分布を一定とした場合のＬＥＤ光の指向特性を示す図である。 本発明に係る面照明発光装置要部の縦断面図である。 本発明に係る面照明発光装置の導光器の斜視図である。 本発明に係る面照明発光装置の導光器の縦断面図である。 本発明に係る面照明発光装置の光強度分布イメージを示す図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

先ず、本発明の原理を図１〜図３に基づいて以下に説明する。尚、図１は本発明の原理を説明するための導光箱要部の縦断面図、図２は導光箱の１点における光強度分布を示す図、図３は光強度分布を一定とした場合のＬＥＤ光の指向特性を示す図である。

図１に示す矩形ボックス状の導光箱１は、矩形平板状の底面１ａと、その四周から垂直に起立する矩形平板状の側面１ｂ及び底面１ａに対向する矩形平板状の上面１ｃを備えており、該導光箱１の内部の前記底面１ａ上の中心ＯにはＬＥＤ２が配置されている。ここで、ＬＥＤ２から出射する光の等強度線は半径Ｒの半球面（ランバーシアン半球）にて示されるが、光の強度ＩはＬＥＤ２からの距離の自乗に反比例するため、導光箱１の上面１ｃの点Ｐにおける光強度Ｉｐは次式によって表される。尚、点ＰのＬＥＤ２からの水平距離をｘ、ＬＥＤ２のランバーシアン強度をＩとする。

上式によって表される光強度Ｉｐのｙ方向（垂直上方）の成分Ｉｙは次式によって求められる。

ここで、導光箱１の高さＲ＝２０ｍｍ、辺の長さを１５０ｍｍとした場合、（数２）によって求められる光強度Ｉｙは図２に示す分布を示す。尚、図２の横軸は中心（ＬＥＤ）からの距離ｘ、縦軸は中心における光強度Ｉｙを１．０とした場合の相対値である。

図２に示すように、導光箱１内においてはＬＥＤ２の直上において光強度Ｉｙがピーク値を示し、中心から遠ざかると光強度Ｉｙは急激に低下する。

導光箱１の全域において均一な光強度を得るためには、図２に示される光強度Ｉｙの分布を均一にする必要がある。

（数２）に示される式から明らかなように、光強度Ｉｙはランバーシアン強度Ｉの関数である。従って、均一面発光を実現すためにＩｙを一定とすると、そのときのＬＥＤの光強度Ｉは、（数２）から次のように求められる。

上式によって求められるＬＥＤの光強度Ｉを図１に示す角度αをパラメータとして図示すると図３に示すようになるが、同図から明らかなように、中心（ＬＥＤ）から離れるほど光強度Ｉが強くなる。

従って、図３に示すような指向特性を満足することができるＬＥＤであれば、均一面発光を実現することができることになる。
本発明は、ランバーシアン強度を有するＬＥＤ２を使用した場合であっても、該ＬＥＤ２から出射される光の強度Ｉが（数３）及び図３に示すような指向特性を示すための導光器３をＬＥＤ２の直上に配置したことを特徴としている。

次に、本発明に係る面照明発光装置を図４〜図７に基づいて以下に説明する。尚、図４は本発明に係る面照明発光装置要部の縦断面図、図５は同面照明発光装置の導光器の斜視図、図６は同導光器の縦断面図、図７は本発明に係る面照明発光装置の光強度分布イメージを示す図である。

図４に示す本発明に係る面状発光装置１０は、図１に示す導光箱１の内部の底面１ａ上の中心ＯにＬＥＤ２を配置し、このＬＥＤ２の直上（光軸Ｘ上）に導光器３を配置して構成されている。ここで、導光器３は、図５及び図６に示すように、逆円錐状（漏斗状）の複数（図示例では５枚）の遮光板４（４−１〜４−５）を上下方向に所定の間隔で積層するとともに、最上位の遮光板４−５の上方に同じく逆円錐状のトップ笠５を配置し、複数の遮光板４（４−１〜４−５）に下方から上方に向かって順次小さくなる円孔４ａ〜４ｅをそれぞれ形成して構成されている。遮光板４は最低１枚でも実現可能である。この場合、遮光板４とトップ笠５の間で光が反射して照射される。尚、遮光板４（４−１〜４−５）は反射率の高い材質によって構成されており、該遮光板４の形状と枚数は任意であって、遮光板４には平板、錐体、多面体又はこれらを組み合わせたものを使用することができる。円孔の大きさと遮光板４の角度を調整することによって光強度と指向性を決めることができる。又、導光箱１の高さが一定である場合、遮光板４の枚数を増やすと、光の出力強度が落ちる方向に遷移する。又，光の出射角度も任意であって、導光箱１の高さによって、平形状の９０°から垂直形状の０°までの範囲で調整可能である。

而して、本実施の形態においては、ＬＥＤ２にはランバーシアン強度を有するものを使用しているが、このＬＥＤ２の直上に前記導光器３を配設することによって均一面発光を実現することができる。
即ち、図４に示すように、ＬＥＤ２から出射した光は、各遮光板４（４−１〜４−５）に形成された円孔４ａ〜４ｅを通過して隣接する上下２枚の遮光板（図示例では、遮光板４−３と４−４）の間の空間に入射し、この空間内で反射と乱射を繰り返して導光器３の周囲から出射する。この光の強度は図７に示すように全域においてほぼ均一となり、（数３）及び図３に示す光強度Ｉを有するＬＥＤを使用したときと同様の結果が得られ、均一面発光が実現する。

又、最上位に位置するトップ笠５は、反射率が高くて適切な透過率の材質によって構成されており、光を抑えることによって影の形成を抑える機能を果たす。尚、トップ笠５に、例えばスリット、孔、形状不定の光通過口を形成して影の発生を抑えるようにしても良い。

１ 導光箱
１ａ 導光箱の底面
１ｂ 導光箱の側面
１ｃ 導光箱の上面
２ ＬＥＤ
３ 導光器
４−１〜４−５ 遮光板
４ａ〜４ｅ 遮光板の円孔（孔）
５ トップ笠
１０ 面照明発光装置
Ｘ ＬＥＤの光軸

Claims (4)

1. 底面とその周囲に立設された側面及び前記底面に対向する上面を備える導光箱内の前記底面上にＬＥＤを配置し、
   該ＬＥＤの上方に導光器を配設し、
   該導光器を、所定の間隔で上下方向に積層された複数の遮光板の光軸上に上方に向かって順次小さくなる孔を形成するとともに、最上位の前記遮光板の上方に、前記ＬＥＤから真上に向かって出射される光を遮るトップ笠を配置して構成し、
   前記トップ笠を所定の透過率の材質によって構成し、或いは該トップ笠に光透過口を形成したことを特徴とする面照明発光装置。
2. 前記遮光板を、平板、錐体、多面体又はこれらの組み合わせによって構成したことを特徴とする請求項１記載の面照明発光装置。
3. 前記ＬＥＤと前記導光器の組み合わせを前記導光箱内に複数有することを特徴とする請求項１又は２記載の面照明発光装置。
4. 前記ＬＥＤは、赤、緑、青のＬＥＤチップを有するものであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の面照明発光装置。
   

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