(57)【要約】【課題】入射光を効率よく出射面に出射できる照明ユニットを提供する。【解決手段】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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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照明ユニット。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【０００４】
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。  
【特許文献１】特開平１１−１０１６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を説明する。
【実施例】
【００１３】
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。
【００１４】
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７（ａ）、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。
【００１５】
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。
【００１６】
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／ｃｍ２）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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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４に図示されており、図４（ａ）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４（ｂ）は、３枚の導光板２０、２１、２２を積層し、その積層厚さを、図４（ａ）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４（ｂ）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。
【００２５】
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４（ａ）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。
【００２６】
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。
【００２７】
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６に円柱状の反射部と比較して示されている。図６（ｂ）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６（ａ）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。
【００２８】
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７に図示されている。図７（ａ）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７（ｂ）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。
【００２９】
図８（ａ）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８（ｂ）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８（ｃ）はドット総数増加に伴う出射面光束の変化を、図８（ｄ）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８（ａ）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８（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）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。
【００３０】
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抗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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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１２に図示されている。
【００３６】
図１２（ａ）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１２（ｂ）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１２（ｃ）は凸状の反射部１０２ａを底面に配置した導光板１０２を、図１２（ｄ）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。
【００３７】
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１２（ｅ）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１２（ｆ）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１２（ｇ）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１２（ｈ）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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】（ａ）は導光板が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、（ｂ）は導光板を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。
【図５】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。
【図６】（ａ）は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、（ｂ）は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。
【図７】（ａ）は照明ユニットの平面図、（ｂ）は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。
【図８】（ａ）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、（ｂ）は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、（ｃ）は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、（ｄ）は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。
【図９】導光板の透過率特性を示したグラフ図である。
【図１０】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１１】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。
【図１２】種々の導光板を説明する説明図である。
【図１３】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。
【符号の説明】
【００４５】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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