JP4565030B2 - 光源モジュールおよびそれを備えた照明装置 - Google Patents

Description

この発明は、導光板を利用した光源モジュールおよびそれを備えた照明装置に関する。

従来、導光板を利用した線状光源モジュールは、液晶テレビ用バックライト、スキャナ、コピー機などの用途向けに注目され、開発が進められている。導光板を用いた線状光源モジュールとしては、例えば、特許文献１(特開２００２−４４３７８号公報)に記載のものがある。

図９は、この特許文献１に開示された導光板を利用した線状光源モジュール３００を説明するための模式図である。図９に示す線状光源モジュール３００は、導光板３０１の一方の端部に光源３０２を配置し、他方の端部に反射板３０５を配置している。また、導光板３０１には、導光している光を導光板３０１から放射するための光取り出し構造３０４が形成されている。

上記光源３０２から放射された光は、導光板３０１に結合され、全反射を繰り返すことによって導光板３０１内で導光されて行く。このとき、導光板３０１に形成されている光り取出し構造３０４に入射した光は、反射,散乱され、全反射条件を満たさなくなった光が導光板３０１から放射される。また、導光板３０１の端部にまで達した光は、反射板３０５によって反射されるので、再度導光板３０１内を導光し、最終的には光取り出し構造３０４によって放射される。

ここで、光取り出し構造３０４は、導光板３０１の長手方向(Ｘ方向)の照度を均一とするために、光源３０２からの距離、反射板３０５での反射光の大きさ、および、反射板３０５からの距離を考慮してその幅を変えており、長手方向(Ｘ方向)に略三角形状となっている。

しかしながら、上記従来の導光板３０１を利用した線状光源モジュール３００においては、以下のような課題がある。

上記特許文献１に記載の線状光源モジュール３００においては、光取り出し構造３０４の幅が変えられており、長手方向(Ｘ方向)に三角形形状となっている。線状光源モジュール３００では、光取り出し構造３０４によって反射,散乱した光が導光板３０１から放射されるので、光取り出し構造３０４が発光部となる。したがって、この発光部の幅(Ｙ方向寸法)が長手方向(Ｘ方向)の位置で異なることとなり、図９におけるＹ方向の照度分布は、長手方向(Ｘ方向)の位置により異なってしまう。

液晶テレビのバックライトなどに利用する面光源モジュールを形成する場合は、図９の線状光源モジュール３００を複数並べて面光源とする。この面光源において、各発光部の幅が長手方向で異なると、隣り合う発光部間の間隔が異なることとなり、発光面内の照度を均一にすることが困難となる。

また、上記従来の線状光源モジュール３００においては、端部に反射板３０５を配置して反射光を再び導光板３０１に戻している。このようにすると、光取り出し構造３０４によって放射されずに残った光を再び導光板３０１に戻し、再利用することができるので、光取り出し効率を大きくすることができる。この光取り出し効率とは、導光板から放射される光量を光源から導光板に結合した光量で除算した値である。

しかしながら、反射板３０５での反射光量が多いと、光が放射されるまでに導光板３０１内で導光される距離が長くなる。この場合、結合損失、反射損失、導光損失などが大きくなり、反射板３０５での反射光が小さい場合と比較して、光取り出し効率が小さくなる。
特開２００２−４４３７８号公報

そこで、この発明の課題は、光取り出し効率の向上と照度分布の均一化とを両立できる光源モジュールおよび表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の光源モジュールは、光源と、
上記光源からの光が入射する第１の端面と、この第１の端面とは反対側の第２の端面と、上記第１の端面と第２の端面との間に位置していると共に上記第１の端面から入射した光を出射させる光出射面と、上記光出射面の反対側の背面とを含む導光部材と、
上記導光部材の第２の端面に配置されていて上記第２の端面に達した光を反射する反射板と、
上記導光部材の背面と光出射面の少なくとも一方に形成されていて上記第１の端面から入射した光を拡散させる複数の拡散部を有する拡散構造とを備え、
上記拡散構造の上記複数の拡散部は、上記導光部材の背面あるいは光出射面において上記第１の端面から第２の端面に向かう導光方向と直交する方向の寸法が一定であり、かつ、上記複数の拡散部は、上記導光部材の背面あるいは光出射面の上記導光方向と直交する方向の一方の端から他方の端まで連続しており、
上記光出射面に沿って上記第１の端面から第２の端面に向かう導光方向の単位寸法当たりに占める上記拡散部の上記導光方向の寸法の割合である上記拡散構造の密度が、
上記第１の端面の位置から、上記第１の端面から上記第２の端面までの上記導光部材の寸法の２分の１以上の位置まで増加している共に上記２分の１以上の位置を超える領域では一定であるかもしくは減少していることを特徴としている。

この発明の光源モジュールによれば、導光部材から放射されずに第２の端面にまで導光された光は、反射板によって反射されて導光部材に再結合される。この再結合した光は、再び導光部材内で導光され、拡散構造で拡散され導光部材の光出射面から放射されることになる。こうして、導光部材の第２の端面に達した光を反射板で反射して導光部材内に戻して再利用することで、光取り出し効率(＝(導光部材から放射される光量)÷(光源から導光部材に結合される光量))の大きな光源モジュールを実現可能となる。

また、本発明では、導光部材の第２の端面に配置した反射板での反射光を考慮して、拡散構造(光取り出し構造)の密度を上記光源からの光が入射する第１の端面の位置から、上記導光部材の寸法の２分の１以上の位置まで増加させていると共に上記２分の１以上の位置を超える領域では一定にするかもしくは減少させている。これにより、光取り出し効率を実用上必要な８０％以上とすることができ、かつ、光の導光方向(長手方向)の照度分布を均一化することが可能となる。

また、一実施形態の光源モジュールでは、上記反射板は、正反射成分に比べて拡散成分が多い反射特性を有している。

この実施形態によれば、反射板は拡散成分が多い反射特性を有しているので、この反射板で光が散乱される。この反射板で散乱された反射光の一部はそのまま光出射面から出射することとなる。この場合、反射板自体が拡散構造(光取り出し構造)として機能するので、反射板付近の拡散構造の密度を小さくすることが可能となる。したがって、拡散構造を形成する材料および加工費を軽減することができる。

また、一実施形態の光源モジュールでは、上記反射板は、拡散成分に比べて正反射成分が多い反射特性を有している。

この実施形態によれば、フレネル損失などの影響を抑制し、より多くの光を導光部材内に再結合させることができる。したがって、光取り出し効率の大きな光源モジュールを実現することが可能となる。なお、反射特性に正反射成分が多く含まれている物質としては、アルミなどの金属がある。アルミなどの金属膜などを、蒸着、メッキなどの方法で直接導光部材の端面に形成することによって、導光部材の端面と反射板の間に空気層を形成することなく、反射板を導光部材の端面に配置できる。

また、一実施形態の光源モジュールでは、上記拡散構造の密度が、
上記第１の端面の位置から、上記第１の端面から上記第２の端面までの上記導光部材の寸法の７５％の位置まで増加している共に上記７５％の位置を超える領域では一定であるかもしくは減少している。

この実施形態によれば、上記反射板で反射される光量を、上記光源から上記導光部材に結合させた光量の２０％以下とすることが可能になって、光取り出し効率の向上を図れる。

すなわち、線状光源モジュールの光取り出し効率の理論的な限界値は、拡散構造(光取り出し構造)、反射板などによる損失を考慮すると９５％程度であると考えられる。理論限界の９割に当たる８５％以上の光取り出し効率を得るためには、反射板で反射される光量を、光源から導光部材に結合した光量の２０％以下に抑える必要がある。

また、一実施形態の光源モジュールでは、上記拡散構造が有する複数の拡散部は、
上記導光部材の背面あるいは光出射面において上記第１の端面から第２の端面に向かう導光方向と直交する方向に延在する線状形状であり、この線状形状の複数の拡散部の線幅、または、上記複数の拡散部の線間の間隔の少なくともどちらか一方を変えることにより、上記拡散構造の密度が設定されている。

この実施形態によれば、導光方向と直交する方向の寸法(発光部分の幅寸法)を一定にすることができる。これにより、光源モジュールの幅方向の照度分布を上記導光方向(長さ方向)の位置にかかわらず一定とすることができる。

また、一実施形態の光源モジュールでは、上記拡散構造を、上記導光部材の背面と光出射面の両方に形成した。

この実施形態によれば、導光部材の背面と光出射面の各面に分散して拡散構造(光取り出し構造)の拡散部を形成することで、片面だけに拡散構造を形成する場合に比べて、各面に形成する拡散部の密度を小さくすることができる。したがって、拡散構造を形成するのが容易になる。すなわち、光取り出し効率を大きなものとする場合、必要となる最大の拡散部密度はかなり大きなものとなる。拡散部密度が大きくなると拡散部間の間隔が狭くなり、拡散部を形成することが困難となる。このようなときには、拡散構造の拡散部を導光方向に平行な複数の面に分散して形成することが有効となる。

すなわち、上記導光方向に平行な複数の面のそれぞれに、拡散構造の複数の拡散部を分散配置して、複数の各面に形成した拡散部を加え合わせたものが、拡散構造の必要な密度分布を満たすようにする。こうすることによって、大きな光取り出し効率を実現するのに必要な高密度な拡散部の密度分布を実現することが可能となる。

また、一実施形態の光源モジュールでは、上記拡散構造を、拡散粒子を混合した樹脂インクをパターニングすることにより形成した。

この実施形態によれば、上記拡散構造を作製するに際し、スクリーン印刷などコストパフォーマンスに優れた方法を用いることができ、低コストで光源モジュールを作製可能となる。なお、上記拡散構造としては、拡散粒子を混合した樹脂インクをパターニングする作製方法以外にも、マクロプリズムなどを形成する作製方法もある。しかし、マイクロプリズムを形成するためには、微細加工が必要となるため、その加工コストが高くなる。

また、一実施形態の照明装置では、単数あるいは複数配列した構造である。

この実施形態によれば、より高効率な照明装置を実現することが可能となる。

また、一実施形態の表示装置では、上記光源モジュールを複数並べた構造である。

この実施形態によれば、上記光源モジュールをバックライトとして利用した液晶テレビ等の高輝度な表示装置を実現できる。

この発明の光源モジュールによれば、導光部材の第２の端面に配置した反射板での反射光を考慮して、拡散構造(光取り出し構造)の密度を上記光源からの光が入射する第１の端面の位置から、上記導光部材の寸法の２分の１以上の位置まで増加させていると共に上記２分の１以上の位置を超える領域では一定にするかもしくは減少させている。これにより、光取り出し効率を実用上必要な８０％以上とすることができ、かつ、光の導光方向(長手方向)の照度分布を均一化することが可能となる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

(第１の実施の形態)
図１は、この発明の光源モジュールの第１実施形態としての光源モジュールの概略構成を示す模式図である。この光源モジュールは、導光部材１と、この導光部材１の第１の端面１Ａに取り付けられた結合部材３と、上記第１の端面１Ａの反対側の第２の端面１Ｂに取り付けられた反射板５と、上記導光部材１の背面１Ｃに形成された拡散構造４とを備える。

上記結合部材３は、上記第１の端面１Ａに対向する凹部７を有し、この凹部７の底面に光源２が配置されている。また、上記凹部７の内側面７Ａは、光源２の放射光を上記第１の端面１Ａに向けて反射するリフレクタをなす。ここで、この実施形態では、上記凹部７の内側面７Ａと上記凹部７の底面とがなす角度を１３５°とした。なお、このリフレクタをなす内側面７Ａの形状は、光源２から放射される光を導光部材１に効率よく結合できる形状であればよく、他の形状にしても差し支えない。また、この実施形態では、上記光源２を発光素子(ＬＥＤ)で構成したが、ＬＤ(レーザダイオード)素子などで構成してもよい。

上記導光部材１は、第１の端面１Ａと第２の端面１Ｂとの間に位置していると共に端面１Ａから入射した光を出射させる光取り出し面１Ｄを有し、上記背面１Ｃは、上記光取り出し面１Ｄが向いている方向とは反対方向を向いている。また、上記背面１Ｃと光取り出し面１Ｄとは略平行である。

また、上記拡散構造４は、光を拡散させる複数の拡散部４Ａを有し、上記複数の拡散部４Ａは、上記導光部材１の背面１Ｃの光軸方向の両端から中央に向かって光軸方向(導光方向)の単位寸法当たりの個数が増加している。

また、上記導光部材１は、一例として、幅１０ｍｍ×高さ６ｍｍ×長さ５３６ｍｍのアクリル樹脂で作製されている。ここで、幅とは、図１に示す方向Ｚの寸法であり、高さとは、図１に示す光取り出し面１Ｄの法線方向Ｙの寸法であり、長さとは、光源２の光軸Ｊの方向(導光方向)Ｘの寸法である。なお、上記導光部材１の形状については、上記形状に限定されるものではなく、導光部材１の断面形状は、図１に示される四角形以外の多角形形状でもよいし、丸型でもよい。また、導光部材１の長さもその用途に合わせて変更することができる。また、この導光部材１の材料としては、アクリル樹脂の他、ポリスチレン樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネイト樹脂またはガラスなど、透明性が良く、透過率の大きなものを用いればよい。また、上記反射板５としては、アルミなどの金属膜、高反射率ポリカーボネイト、白色散乱板など反射率の大きな材料を用いることができる。

上記導光部材１を利用した照明機器において、光取り出し効率(＝導光部材から放射される光量÷光源から導光部材に結合される光量)を大きくするためには、導光している全ての光をできる限り導光部材１から放射させることが重要となる。第１の端面１Ａに入射して導光部材１から放射されずに反対側の端面１Ｂにまで残った光があると、その分だけ光取り出し効率が低下する。この実施形態における線状光源モジュールにおいては、反対側の端面１Ｂ端部に反射板５を設けることにより、この残った光を導光部材１内に反射させて再結合させる構造としている。この再結合した光は、再び導光部材１内で導光され、拡散構造４によって取り出されることになる。これにより、より多くの光を取り出すことができ、光取り出し効率を向上させることが可能となる。

また、本実施形態において、導光部材１の背面１Ｃに対向する位置に反射板(図示せず)を設置してもよい。この場合には、導光部材１の背面１Ｃから出てきた光を光取り出し面１Ｄに向けて反射させ、光取り出し面１Ｄでの照度を大きくすることができる。

また、この実施形態では、導光部材１に形成されている拡散構造６をなす各拡散部４Ａは、透明樹脂中に拡散微粒子を混ぜ合わせたもので、スクリーン印刷法によって導光部材１の背面１Ｃに方向Ｚに延びる線状にパターニングされている。この実施形態における線状光源モジュールにおいては、拡散構造４は、導光部材１の長手方向(光軸方向Ｘ)の照度分布を均一にし、かつ、大きな光取り出し効率を実現すべく、各拡散部４Ａの密度分布を決定している。

ここで、図２Ａに、本実施形態における拡散構造４の拡散部４Ａのパターン分布の一例を示す。この図２Ａは、導光部材１の背面１Ｃを方向Ｙに見た様子を示す背面図である。図２Ａに示す一例では、方向Ｚに延在する拡散部４Ａは、光軸方向Ｘの寸法が同じであると共に光軸方向Ｘに向かって光軸方向の単位寸法当たりの個数が増加している。また、図２Ｂに、本実施形態の一変形例における拡散構造１４の拡散部１４Ａのパターン分布の他の一例を示す。この図２Ｂは、図２Ａと同様、導光部材１の背面１Ｃを方向Ｙに見た様子を示す背面図である。この図２Ｂに示す一例では、方向Ｚに延在する拡散部１４Ａは、光軸方向Ｘの寸法が光軸方向Ｘに向かって増加している。

図２Ａ,図２Ｂに示される拡散構造４,１４の拡散部４Ａ,１４Ａの密度は、導光部材１の光軸方向Ｘにおける単位寸法当たりに占める拡散部４Ａ,１４Ａの光軸方向の寸法の割合で定義される。

図２Ａ,図２Ｂのいずれの場合においても、この実施形態の線状光源モジュールの幅方向Ｚと同じサイズに光拡散構造４,１４が形成されるので、発光部をなす光取り出し面１Ｄの幅寸法を一定とすることができる。このため、この実施形態の線状光源モジュールを幅方向Ｚに複数並べて面光源装置とする場合などに照度の制御が容易となる。なお、この実施形態においては、図２Ａに示すように、各拡散部４Ａをなすパターン間の間隔を制御することによって、密度の制御を行っている。また、この実施形態において、各拡散部４Ａのパターンサイズは、光軸方向Ｘの寸法が０.２ｍｍ、方向Ｚの寸法が１０ｍｍ、方向Ｙの寸法が０.０１ｍｍである。

(拡散構造の密度について)
次に、パターニングされた光取り出し構造としての拡散構造４の密度について、詳細に説明する。導光部材１を採用した光取り出し構造としての拡散構造４の密度分布は、図３に示す光源モジュールのモデルを基に計算することができる。導光部材１の一端面１Ａから方向Ｘに寸法Ｘだけ離れた位置Ｘにおいて、光源２から導光部材１内に導光された光が、導光部材１から取り出される場合を考える。ここで、上記位置Ｘにおける上記光の光量をＳ１(Ｘ)とすると、導光部材１から取り出される単位長さ(Ｘ方向寸法)当たりの光量Ｑ１(Ｘ)は、次式(１)で表される。
Ｑ１(Ｘ)＝ａ(Ｘ)・Ｓ１(Ｘ) … (１)

上式(１)において、ａ(Ｘ)は、位置Ｘにおける導光部材１からの光の放射率であり、光取り出し構造としての拡散構造４の密度で決まる値である。また、上記位置Ｘにおける光量Ｓ１(Ｘ)は、次式(２)で表すことができる。

この式(２)において、Ｐ０は、光源２から導光部材１に結合された光量である。

上記導光部材１内に導光していく光は、導光部材１の光軸方向の長さであるＸ＝Ｌの位置で反射板５により反射され、導光部材１内を光源２側へ導光される。この反射光が光取り出し構造としての拡散構造４によって導光部材１から放射される単位長さ(Ｘ方向寸法)当たりの光量Ｑ２(Ｘ)は、位置Ｘにおける光量をＳ２(Ｘ)とすると、次式(３)で表される。
Ｑ２(Ｘ)＝ａ(Ｘ)・Ｓ２(Ｘ) … (３)

上式(３)において、ａ(Ｘ)は、位置Ｘにおける導光部材１からの光の放射率であり、光取り出し構造としての拡散構造４の密度で決まる値である。また、上記位置Ｘにおける光量Ｓ２(Ｘ)は、次式(４)で表すことができる。

また、光源２から放射されて反射板５で反射されて光源２側に戻ってきた光は、再び光源２周辺に取付けられた結合部材３で反射され導光部材１へ再び結合される。こうして、導光部材１内を導光している光は導光部材１の両端で反射を繰り返しながら、光取り出し構造としての拡散構造４によって導光部材１から放射される。

そして、導光部材１から放射される各単位長さ当たりの光量が等しいならば、導光部材１から放射される単位長さ当たりの光量Ｑtotalの値は、次式(５)で算出される。
Ｑtotal(Ｘ)＝Ｑ１(Ｘ)＋Ｑ２(Ｘ)＋ … ＋Ｑｎ−１(Ｘ)＋Ｑｎ(Ｘ)
＝Ｐ０/Ｌ … (５)

したがって、上記式(１)〜(５)を満たすような、位置Ｘにおける導光部材１からの光の放射率ａ(Ｘ)を実現することにより、光軸方向Ｘにおける照度を均一にすることができる。この光の放射率ａ(Ｘ)は、先述の如く、光取り出し構造としての拡散構造４の密度と比例関係にあり、次式(６)で表すことができる。
ａ(Ｘ)＝ｃ×Ｄ(Ｘ) … (６)

式(６)において、Ｄ(Ｘ)は、位置Ｘでも拡散構造４の密度であり、ｃは比例定数である。

この実施形態においては、光取り出し構造である拡散構造４として透明樹脂に拡散微粒子を混合したものを用いており、その放射率と拡散構造の密度との間の比例定数は０.０１８である。したがって、上記式より求めたａ(Ｘ)に０.０１８を乗じたものが、拡散構造４の密度の分布となる。

以上は、反射板５において反射される反射光が全て導光部材１に再結合するとして、拡散構造４の密度を求めている。すなわち、反射板５の反射特性が、全て正反射となる場合である。しかしながら、実際の反射板５の反射特性には、拡散成分も含まれている。反射板５に拡散成分が含まれている場合は、反射光の一部は散乱され、そのまま導光部材１から放射されることとなる。この場合、反射板５自体が、拡散構造４の役割を担うため、反射板５付近に必要となる拡散構造４の密度は、上記計算で求められるものよりも小さくなる。したがって、反射板５の反射特性の影響を十分に考慮するため、上記式で求めた光取り出し構造としての拡散構造４の密度を用いて照度分布の解析を行い、密度を最適化した。

図４は、本実施形態において、最終的に求めた拡散構造４の密度分布を示すグラフである。この図４のグラフの横軸は、導光部材１における光軸方向の位置Ｘを導光部材１の光軸方向(導光方向)の長さＬで規格化した値を示している。端面１Ａの位置をＸ＝０としている。

また、この図４のグラフの縦軸は、拡散構造４の拡散部４Ａの密度であり、光軸方向Ｘにおける単位寸法当たりに形成される拡散部４Ａの光軸方向の寸法が占める割合を示している。この図４において実線で示す密度分布Ｋ１は、反射板５の反射特性における拡散成分が１０％のものであり、破線で示している密度分布Ｋ２は反射板５の反射特性の拡散成分が９０％のものである。図４に示した拡散構造４の密度分布Ｋ１,Ｋ２では、それぞれ、光源２が配置された導光部材１の端面から密度が徐々に大きくなって行き、光源２から全体距離のおおよそ７５％のところから傾きが変わっている(減少に転じている)。

次に、上記傾きが変わっている理由を説明する。上述したように、導光部材１内に導光される光は、拡散構造４によって散乱されて導光部材１から放射される。その放射率は、拡散構造４の密度で決まる。また、導光部材１内で導光されている光は、拡散構造４によって放射されながら導光して行くので、光源２から離れるにしたがって導光光量が減少する。したがって、導光部材１から放射される光量を光軸方向に沿って一定にするためには、光源２が配置された導光部材１の端面１Ａから光軸方向に沿って徐々に拡散構造４の密度を大きくする必要がある。

しかしながら、この実施形態における光源モジュールでは、反射光を利用しているため、導光部材１の端面１Ｂに配置した反射板５から光源２に導光される光がある。このため、反射板５付近では拡散構造４の密度をそれほど大きくする必要が無くなり、端面１Ｂに至るまでの途中で密度の分布の傾きが変わる(減少する)こととなる。

更に拡散成分が多い反射板５の場合は、反射板５での反射光の多くは散乱されて導光部材１からそのまま放射される。この場合、反射板５自体が光取り出し構造として機能するので、反射板１付近の光取り出し構造としての拡散構造４の密度は更に小さくなる。そのため、拡散構造４の密度を、図４の破線で示す分布Ｋ２に示すようにする。この密度分布Ｋ２では、光源２から離れるにしたがって密度が増加していくが、途中から密度が減少することとなる。よって、拡散成分の多い反射板５を用いることは、拡散構造４を形成する材料および加工費を軽減することができるといった点で好ましい。

一方、正反射成分が多い反射板５では散乱光が少ないので、反射板５で反射してそのまま導光部材１から放射されることになる反射光は少ない。この場合、反射板５が拡散構造４として機能する効果が少ないので、反射板５付近の光取り出し構造としての拡散構造４の密度は、拡散成分が多い反射板５の場合と比較して反射板５付近でそれほど小さくはならない。このため、拡散構造４の密度は、図４の実線で示した密度分布Ｋ１のようになる。すなわち、光源２から離れるにしたがって密度が増加して行くが、反射板５へ近づいて行く途中から密度は一定となる。

このような正反射成分が多く含まれている反射板５としては、アルミなどの金属膜が挙げられる。このアルミなどの金属膜などを、蒸着、メッキなどの方法で導光部材１の端面１Ｂに直接形成すれば、導光部材１の端面１Ｂと反射板５との間に空気層を形成することなく、反射板５を導光部材１に密着して配置することが可能となる。この場合、フレネル損失などの影響を抑制し、より多くの光を導光部材１に再結合させることができる。したがって、光取り出し効率の大きな線状光源モジュールを実現することができるといった点で好ましい。

以上説明してきたように、図３に示すモデルを用いた計算と照度解析を行うことにより、光軸方向Ｘの照度分布を均一にするための拡散構造４の拡散部４Ａの密度分布を求めることが可能となる。

次に、光取り出し効率(導光部材１から放射される光量を光源２から導光部材１に結合された光量で除算した値)を大きくするための拡散部４Ａの密度分布について述べる。

上記式(１)〜式(５)を満たす、ａ(Ｘ)(放射率の分布)には幾つもの解があり、それぞれについて導光部材１から放射される光量を一定とし、照度分布を均一にすることができる。

図５Ａ,図５Ｂに示す密度分布Ｋ３,Ｋ４は、図４に示した拡散構造４の拡散部４Ａの密度分布とは異なる密度分布を上記図３に示すモデル計算と照度解析より求めたものである。図５Ａに示す密度分布Ｋ３と図５Ｂに示す密度分布Ｋ４とでは、光源２側から反射板５側に向かって増加している拡散構造４の密度分布の傾きが傾き零(密度一定)に向かって減少に転じる位置が異なる。また、図５Ａに示すように、拡散構造４の密度分布の傾きが傾き零(密度一定)に向かって減少に転じる位置が、図５Ｂの分布Ｋ４に比べて光源２側に近い分布Ｋ３では、図５Ｂの分布Ｋ４に比べて密度が全体的に低い。この密度が全体的に低い分布Ｋ３では、拡散構造４によって取り出される光量が少ないので、反射板５で反射される光量が多くなる。したがって、密度分布Ｋ３では、反射板５で反射されて光源２側に向けて導光される光量が大きくなるので、密度分布Ｋ３の傾きが傾き零(密度一定)に向かって減少に転じる点を図５Ｂの密度分布Ｋ４よりも光源２側に近くしている。

図５Ａに示した密度分布Ｋ３を持つ光源モジュールでは、光源２から導光部材１に結合された光のおよそ４１.８％が反射板５で反射される。一方、図５Ｂに示した密度分布Ｋ４を持つ光源モジュールでは、光源２から導光部材１に結合された光のおよそ７.８％が反射板５で反射される。

また、図４に示した密度分布Ｋ１を持つ光源モジュールでは、光源２から導光部材１に結合された光のおよそ２１.６％が反射板５で反射される。

図６は、図４,図５Ａ,図５Ｂに示した拡散構造４の密度分布Ｋ１,Ｋ３,Ｋ４を有する線状光源モジュールの光取り出し効率と反射板５で反射される光量との関係を示したものである。図６に示すように、反射板５で反射される光量が少なくなるほど、光取り出し効率が大きくなることが分かる。このことは、光取り出し効率を高めるためには、できるだけ少ない往復回数で多くの光を導光部材１から放射する必要があることを示唆している。

この理由は、導光部材１の端面１Ｂで反射を繰り返すと導光距離が伸びることとなり、端面１Ｂにおける反射損失、結合損失、導光損失などの損失が積算されて大きくなるからである。取り分け、光源２から放射されて導光部材１の端面１Ｂの反射板５で光源２に戻って来た光は、再び光源２に取り付けてある結合部材３によって反射され結合されることになる。結合損失は大きな損失であるため、光源２にまで戻って来る光はなるべく少ない方が良い。言い換えれば、光が一往復する間になるべく全ての光を放射することが好ましい。光源２にまで戻って来る光を少なくするためには、反射板５の位置で反射される光量を少なくする必要がある。

図６に示される特性から、反射板５で反射される光量が、光源２から導光部材１に結合された光量の５０％以下になると、実用に最低限必要となる８０％以上の光取り出し効率を得ることができることが分かる。

反射板５で反射される光量と、拡散構造４の密度分布の間には、既に記載したように相関がある。拡散構造４の密度分布において、光源２から導光部材１全体の光軸方向寸法の５０％以上の位置から傾きが減少に転じる密度分布とすることで、反射板５で反射される光量を導光部材１に結合された光量の５０％以下とすることが可能となり、８０％以上の光取り出し効率を実現することが可能となる。

また、図５Ａに示される拡散構造４の密度分布Ｋ３は、図４,図５Ｂに示した密度分布Ｋ１,Ｋ２,Ｋ４よりも密度の値がかなり小さなものとなるので、拡散構造４のパターンを形成し易くなる。

また、光源モジュールの光取り出し効率の理論的な限界値は、光取り出し構造、反射板などによる損失を考慮すると９５％程度であると考えられる。そして、図６の特性から、理論限界の９割となる８５％以上の光取り出し効率を得るためには、反射板５で反射される光量を２０％以下に抑える必要があることが分る。拡散構造４の密度を第１の端面１Ａから導光部材１の光軸方向寸法Ｌの７０％までの領域においては増加させ、それを超える領域においては密度を減少もしくは一定とするように形成することにより、反射板５で反射される光量は、光源２から導光部材１に結合した光量の２０％以下となる。これにより、光取り出し効率の大きな光源モジュールを実現することが可能となる。

(第２の実施の形態)
次に、図７Ａに、この発明の光源モジュールの第２実施形態を示す。この第２実施形態は、前述の第１実施形態の導光部材１の背面１Ｃだけでなく光取り出し面１Ｄにも拡散構造(光取り出し構造)を形成した点だけが、前述の第１実施形態と異なる。よって、この第２実施形態では、前述の第１実施形態と同じ構成部分には同じ符号を付して、前述の第１実施形態と異なる点を主に説明する。

この第２実施形態では、導光部材１の光取り出し面１Ｄに、背面１Ｃに形成した拡散構造４の各拡散部４Ａに対応する拡散部２４Ａを有する拡散構造２４が形成されている。この実施形態によれば、光取り出し構造をなす拡散構造４,２４を導光部材１の背面１Ｃと光取り出し面１Ｄとに分けて形成したので、背面１Ｃに形成する拡散部４Ａの密度を増やすことなく、拡散構造４と２４を合わせた全体としての密度を増やすことができる。

したがって、導光部材１の背面１Ｃ,光取り出し面１Ｄのそれぞれに形成する拡散部４Ａ,２４Ａの密度を抑えながら、全体としての拡散構造の所望の密度を達成でき、光取り出し効率の向上を図れる。

また、上述した様に、光取り出し効率を大きくするためには、拡散部の密度の傾きが減少に転じる位置を光源２の反対側の反射板５に近くに持って来る必要がある。この場合、必要となる最大の密度はかなり大きなものとなる。そして、拡散部の密度が大きくなると拡散部間の間隔が狭くなり、スクリーン印刷などによって拡散部を形成することが困難となる。このようなときには、本実施形態のように、導光部材１の背面１Ｃ,光取り出し面１Ｄのそれぞれに拡散構造４,２４の拡散部４Ａ,２４Ａを分散配置したことで、各面１Ｃ,１Ｄにおける密度の増大が抑えられ、拡散部を容易に形成することが可能になる。

なお、この第２実施形態では、導光部材１の光取り出し面１Ｄと背面１Ｃの両面に同様のパターンの拡散部２４Ａ,４Ａを形成したが、図７Ｂに示すように、導光部材１の背面１Ｃと光取り出し面１Ｄとに拡散部２６Ａ,２７Ａを異なるパターンに配置してなる拡散構造２６,２７を形成してもよい。

すなわち、これまで示してきた光取り出し構造をなす拡散構造の拡散部の密度分布は、光軸方向(導光方向)と平行な導光部材１の一つの背面１Ｃだけに形成する必要はなく、背面１Ｃおよび背面１Ｃに平行な光取り出し面１Ｄのそれぞれに各拡散部を分散して形成してもよい。つまり、各面１Ｃ,１Ｄに形成した各拡散部の密度を加え合わせたものが、拡散構造として必要な密度分布を満たしていればよい。こうすることによって、大きな光取り出し効率を実現するのに必要な高密度な密度分布を実現可能になる。

次に、図８に、図４に示す密度分布Ｋ１を有する光源モジュールの照度分布の解析結果を示す。図８において、横軸は、導光部材１における光軸方向の位置Ｘを導光部材１の光軸方向の長さＬで規格化した値を示している。また、図８において、縦軸は、照度の相対値を表している。図８によれば、照度分布の均一性(＝最小照度÷最大照度)は、９３.３％と非常に均一な照度分布を示している。また、図４に示す密度分布Ｋ１では、光取り出し構造としての拡散構造４の密度の傾きは、導光部材１の端面１Ａから光軸方向の寸法Ｌの７５％(０.７５Ｌ)の位置で減少に転じて７５％の位置を越える領域ではほぼ一定になっている。これにより、その光取り出し効率は、８５.１％と非常に大きな値を示している。

以上説明してきたように、この実施形態における光源モジュールにおいては、導光部材１から放射されずに導光部材１の端面１Ｂまで導光した光を反射板５によって再度導光部材１に結合させて再利用する。また、拡散構造４の密度分布を光源２から導光部材１の光軸方向Ｘの全体の寸法Ｌの５０％を超える領域では密度が一定もしくは密度が減少している。これにより、８０％以上の光利用効率を得ることが可能となり、かつ、光の光軸方向(長手方向)の照度分布を一定とすることが可能となる。特に、拡散構造４の密度分布を光源２から導光部材１の光軸方向Ｘの全体の寸法Ｌの７５％以上の位置から傾きが減少に転じて密度一定あるいは密度が減少するように設定することで、光取り出し効率を理論限界の９割にあたる８５％以上とすることが可能となり、かつ、線状光源における光の光軸方向(長手方向)の照度分布をほぼ一定とすることが可能となる。

また、上述した図２Ａ,図２Ｂに示される拡散構造４,１４の一例では、拡散部４Ａ,１４Ａを、導光部材１の背面１Ｃにおいて第１端面１Ａから第２端面１Ｂに向かう導光方向と直交する方向Ｚに延在する線状形状としている。図２Ｂの一例の如く拡散部４Ａの線幅を変える拡散構造４、図２Ａの一例の如く拡散部１４Ａの線と線との間の間隔を変える拡散構造１４により、光源モジュールの導光部材１の幅方向Ｚの寸法を一定とすることができるので、光源モジュールの光軸方向Ｘにおけるどの位置においても幅方向Ｚの照度分布を等しくすることができる。なお、各拡散部の線幅と線間間隔の両方を光軸方向Ｘに向かって変えることにより、拡散構造の拡散部の密度分布を設定してもよい。

また、上記第１,第２実施形態の光源モジュールは、液晶テレビ用のバックライト、コピー機、スキャナなどに用いられる画像読み取り用光源、コピー機、プリンタなど感光体上の電荷を光により制御するための除電などのための光源、インテリア用薄型光源、誘導灯など、その他の光源に幅広く用いることができる。

この発明の光源モジュールの第１実施形態の断面を示す模式図である。 上記第１実施形態の拡散構造の拡散部の密度分布の一例を示す背面図である。 上記第１実施形態の一変形例における拡散構造の拡散部の密度分布の一例を示す背面図である。 線状光源モジュールのモデルを示す図である。 上記第１実施形態の光取り出し構造をなす拡散構造４の密度分布の一例を示す分布図である。 上記第１実施形態の光取り出し構造をなす拡散構造４の密度分布の別の一例を示す分布図である。 上記第１実施形態の光取り出し構造をなす拡散構造４の密度分布のさらに別の一例を示す分布図である。 上記第１実施形態の光源モジュールの光取り出し効率と反射板５で反射される光量との関係を示した特性図である。 この発明の光源モジュールの第２実施形態の断面を示す模式図である。 上記第２実施形態の変形例の断面を示す模式図である。 図４に示す密度分布Ｋ１を有する光源モジュールの照度分布の解析結果を示すグラフである。 従来の光源モジュールを示す図である。

符号の説明

１ 導光部材
１Ａ,１Ｂ 端面
１Ｃ 背面
１Ｄ 光取り出し面
２ 光源
３ 結合部品
４、１４、２４ 拡散構造(光取り出し構造)
４Ａ、１４Ａ、２４Ａ 拡散部
５ 反射板

Claims (9)

1. 光源と、
   上記光源からの光が入射する第１の端面と、この第１の端面とは反対側の第２の端面と、上記第１の端面と第２の端面との間に位置していると共に上記第１の端面から入射した光を出射させる光出射面と、上記光出射面の反対側の背面とを含む導光部材と、
   上記導光部材の第２の端面に配置されていて上記第２の端面に達した光を反射する反射板と、
   上記導光部材の背面と光出射面の少なくとも一方に形成されていて上記第１の端面から入射した光を拡散させる複数の拡散部を有する拡散構造とを備え、
   上記拡散構造の上記複数の拡散部は、上記導光部材の背面あるいは光出射面において上記第１の端面から第２の端面に向かう導光方向と直交する方向の寸法が一定であり、かつ、上記複数の拡散部は、上記導光部材の背面あるいは光出射面の上記導光方向と直交する方向の一方の端から他方の端まで連続しており、
   上記光出射面に沿って上記第１の端面から第２の端面に向かう導光方向の単位寸法当たりに占める上記拡散部の上記導光方向の寸法の割合である上記拡散構造の密度が、
   上記第１の端面の位置から、上記第１の端面から上記第２の端面までの上記導光部材の寸法の２分の１以上の位置まで増加している共に上記２分の１以上の位置を超える領域では一定であるかもしくは減少していることを特徴とする光源モジュール。
2. 請求項１に記載の光源モジュールにおいて、
   上記反射板は、正反射成分に比べて拡散成分が多い反射特性を有していることを特徴とする光源モジュール。
3. 請求項１に記載の光源モジュールにおいて、
   上記反射板は、拡散成分に比べて正反射成分が多い反射特性を有していることを特徴とする光源モジュール。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の光源モジュールにおいて、
   上記拡散構造の密度が、
   上記第１の端面の位置から、上記第１の端面から上記第２の端面までの上記導光部材の寸法の７５％の位置まで増加している共に上記７５％の位置を超える領域では一定であるかもしくは減少していることを特徴とする光源モジュール。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の光源モジュールにおいて、
   上記拡散構造が有する複数の拡散部は、
   上記導光部材の背面あるいは光出射面において上記第１の端面から第２の端面に向かう導光方向と直交する方向に延在する線状形状であり、この線状形状の複数の拡散部の線幅、または、上記複数の拡散部の線間の間隔の少なくともどちらか一方を変えることにより、上記拡散構造の密度が設定されていることを特徴とする光源モジュール。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載の光源モジュールにおいて、
   上記拡散構造を、上記導光部材の背面と光出射面の両方に形成したことを特徴とする光源モジュール。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載の光源モジュールにおいて、
   上記拡散構造を、拡散粒子を混合した樹脂インクをパターニングすることにより形成したことを特徴とする光源モジュール。
8. 請求項１から７のいずれか１つに記載の光源モジュールを単数あるいは複数配列した構造であることを特徴とする照明装置。
9. 請求項１から７のいずれか１つに記載の光源モジュールを複数並べた構造であることを特徴とする表示装置。

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