JP4897495B2 - 発光体 - Google Patents

Description

本発明は、特には一般的な照明又はディスプレイのバックライティングに対する平面照明装置の形状における発光体に係る。該発光体は、特には導光板である筐体において配置されたＬＥＤ素子等の複数の光源を有する。

発光体は、平面において延在する平面照明装置を実現するようそれらの面のうち少なくとも１つにおいて延在する発光面（カップリング・アウト層）（ｃｏｕｐｌｉｎｇ−ｏｕｔ ｌａｙｅｒ）を有して優先的に使用される。続いて光は、発光体における線形の光源及び斑点形状の光源のいずれによっても生成され得る。特には、ＬＥＤ素子及び白熱灯は、使用され得る。

これらの発光体の寸法を決める（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｉｎｇ）ことにおける目的は、可能な限り高い効率性、即ち発光体における可能な限り低い反射損だけではなく、可能な限り均等である発光面にわたる光度の分布も達成すること、である。

かかる発光体の多種の実施例、及び、特には筐体又は導光板における光源の多種の配置は、これらの目的を達成するよう既知である。

故に、例えば、導光板の側壁に沿って光源を配置する（側部照明配置）（ｓｉｄｅ−ｌｉｔ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）ことは既知であり、光は、該板へと結合され、そこにおいて導光板の主要面及びそれに対して垂直である側面に対して全反射によって伝播される。主要面のうちの１つにおけるカップリング・アウト層は、光が外部に対して放射されるようにする。

更には、各々が光源を有する複数のキャビティを導光板において与える、ことが既知である。各キャビティは、側壁及び導光板の発光面に対面する上方側部を有する。各キャビティの上方側部は、反射層で覆われ、キャビティにおいて存在する光源によって生成された光の導光板への結合は、キャビティの側壁を介して独占的に行われる（キャビティ照明配置）（ｃａｖｉｔｙ−ｌｉｔ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）。あるいは、導光板の発光面に対して平行である方向において独占的に光を放射する光源が、使用され得る。発光体の発光面にわたる各個別の光源の光の比較的均質な混合及び分布は、これらの配置を有して達成され得、したがって均一な照射が得られ得る。

最後に、所謂直接照明配置（ｄｉｒｅｃｔ−ｌｉｔ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）が既知である。個別の光源は、側壁が高反射性材料から製造されるか又はかかる材料で被覆される共通の筐体へと挿入される一方、筐体の上方側部は拡散層で被覆されるため、光源からの光は、比較的均質に発光体の拡散層（発光面）を出る。

これらの配置は各々、多種の利点及び不利点を有する。

故に、光は、上述された側部照明配置における導光板において障害なく均一に伝播され得るため、発光面にわたって比較的均質に分布もされるが、限られた数の光源のみが導光板の端部に沿って収容され得るため、達成可能な発光体の明度は制限される。対照的に、キャビティ照明配置及び直接照明配置においては、実質的により多数の光源が発光体の面範囲に関連して使用され得るが、この場合には達成される輝度が発光面上の所望される均質性又は十分に高い均質性を伴うことを確実にするよう特別な措置が必要とされる。

本発明は、発光面の特に均質な照明が比較的高い輝度と併せて達成され得る上述された発光体を与える、ことを目的とする。

更には、上述された発光体は与えられ、該発光体を有して、発光面の非常に均質な照明が小さな構造上の深さのみを有して達成され得る。

最後に、上述された発光体は与えられ、該発光体において、個別の光源は、特には発光体が小さな構造上の深さのみを有する場合において、発光体の発光面上で認識可能ではないか又は非常に低い範囲までである。

請求項１によれば、目的は、発光面を有する筐体及び該筐体内に配置された複数の光源を有する発光体を用いて達成される。該筐体は、第１の光散乱能を有する少なくとも第１の光媒体と、第２の光散乱能を有する少なくとも第２の光媒体とを有し、光源の光は、第１の光媒体へと結合される。第２の光媒体において伝播する光は、第１の光媒体から第２の光媒体へと少なくとも実質的に結合される。また、媒体のうち少なくとも１つの散乱能は、筐体における光の流れに影響を与えるよう選択され発光面にわたる光の予め定義し得る明度分布は、達成される。

この解決策の特定の利点は、光散乱媒体が、光源によって（あるいは、光源を収容するよう導光板において与えられたキャビティによって）もたらされた（通常は陰る光源の上方で発光面上のより暗い領域に繋がる）筐体における光の伝播での障害を実質的に完全に補い得る、ことであり、光は、実質的により均質な配光を有して発光面に到達する。

したがってこの解決法の原理は、先行技術における通り光源から直接発生する光が均質化されるのではなく、光源（又はキャビティ）の領域における導光板において妨害又は低減された光の流れが関連領域からの光の強化されたカップリングアウトによって補正され得る、ことである。

これは、ここでは光源から直接出る光を均質化することが特に難しいため、小さな構造上の深さを有する発光体において特に有利である。

更には、光散乱特性に関して発光面又はカップリング・アウト層上に課される要求はまた、非常に低減され得る。

発光面又はカップリング・アウト層は、したがって、（例えばより明るい及びより暗い領域を有する）輝度の所望の分布又は変調を生成するよう非常に独占的に働き得る。

したがって全体的に、本発明に従った解決策は、発光面上の光分布の均質性に関して上述された側部照明配置の利点と、達成可能な高輝度に関してキャビティ照明及び直接照明配置の利点とを、夫々の実質的な不利点を受ける必要なく組み合わせる。

使用される光源は、実質的に略斑点形状及び線形の光源のいずれでも有り得、あるいは、特にはＬＥＤ及び白熱灯等の両種類の光源の混合であり得る。

所望の色又は混合された色が硬度の均質性及び均一性を有して生成され得るため、上述の利点は、有色光源（例えば有色ＬＥＤ）が使用される際に特に本領を発揮する。

従属請求項は、本発明の更なる有利な実施例に関連する。

請求項１の実施例は、光が光源のうちの１つからではなく第１の光媒体から独占的に第２の光媒体へと結合される特に高い確度を与える。それによって光源が発光面上の極僅かにより明るい領域の形状においてさえも認識可能とならないことが、特に達成される。

請求項１及び２に関連する実施例を有して、発光体の効率も高めることが可能である。

請求項１及び３に関連する実施例はまた、発光面にわたる光分布の更なる向上を与える。

請求項４乃至６に関連する第２の光媒体の実施例は、発光面にわたる均質な又は所望の、場合によっては非均質な光の分布に関して散乱能の非常に正確な最適化を可能にする。

本発明の更なる詳細、特徴、及び利点は、図面を参照して与えられる望ましい実施例についての以下の説明から明らかである。

図１は、略平ら又は平坦な光源の形状における本発明に従った発光体の概略的断面図である。

当該発光体は、望ましくは壁が拡散性高反射材料で被覆された筐体１０を有する。

筐体１０の内側には、第１の光散乱能を有する第１の光媒体を形成する導光板１がある。導光板１は、例えば網状ガラス（ｐｌｅｘｉｇｌａｓ）から作られ、例えば約１０ｍｍ乃至１５ｍｍの深さ（厚さ）、並びに、発光体の所望の寸法に対応する長さ及び幅を有する。導光板１の代わりに、第１の光媒体は、空気又は何らかの気体であり得る。

光は、発光面４において出される。該面は、散乱カップリング・アウト層を有し、その上方側で筐体１０を閉じる。

空隙は、上方側に対向する導光板１の下方側部（後方壁７）と筐体１０の底部との間に望ましくは存在し、光がそこで全体的に反射される。

複数の光源２は、後方壁７へと埋め込まれる。光源２は、後方壁７に対して固定され、通常の手法において接触される。光源２は、全ての方向において光を放射するか、あるいは、実質的に横方向のみ、即ち発光面４又は導光板１に対して平行である方向において光を放射するよう構築されるか、のいずれかである。

光源２は、望ましくは発光ダイオード（ＬＥＤ）を形成する略斑点状である。該ＬＥＤは、既知であり、例えば、電力定格１乃至５Ｗを有して、並びに、青色、緑色、赤色、及び白色において使用され得る。線形の光源はまた、代替に又はそれに加えて使用され得る。

複数のキャビティ８は、光源２を収容するよう導光板１において与えられる。

図１より更に明らかである通り、第１の光媒体１の第１の光散乱能より望ましくは高い第２の光散乱能を有する第２の光媒体５は、夫々のキャビティ８と発光面４との間の区間において存在する。

第２の光媒体５は、光入射を拡散性に反射する材料から作られる。第２の光媒体の材料及び寸法は、その散乱能によって、導光板に対して配置された夫々のキャビティ８によってもたらされる導光板１での光の流れにおける低減に対する補正を与えるよう配置及び選択される。即ち、夫々のキャビティ８の上方の領域において発光面４上での光の入射が増大され、この光の入射は、他の領域における光の入射と対応する。均質な又は均一な発光面４上の明度分配は、達成される。

したがって、図１が示す通り、比較的小さい寸法の比較的強く散乱する第２の光媒体５、又は、相応してより大きい寸法の比較的弱く散乱する第２の光媒体５のいずれか一方が、使用され得る。

図１に示される通り、第２の光媒体５は、発光面４に対面する各キャビティ８の全体面にわたって望ましくは延びる。

第２の光媒体５の光散乱特性は、例えば媒体５の残りの材料の屈折率とは異なる屈折率を有する中空の小球等である散乱粒子の拡散を有する点において、達成され得る。

第２の光媒体５の散乱特性は、導光板及びそのキャビティの所定の寸法に対して、それらが製造される材料及び粒子の寸法、即ちその屈折率、及び第２の光媒体５における数又は密度の選択を介して、比較的簡単に最適化され得、発光面４上の輝度の所望の分配（均質又はその逆）は、達成される。

更には、光散乱の第２の光媒体５はまた、レーザ彫刻を介して作り出され得る。少なくとも１つのレーザビームの焦点は、所定手法で一定の位置において第２の媒体５の材料を変化させ、その散乱特性は所望のように生成される。

光源２を収容するキャビティ８からの光のカップリングアウトは、上述された通り、これらの第２の光媒体５を用いて実質的に増大され、キャビティ８を介する光の流れにおける低減は、補正され得る。

上述に従った第２の光媒体５の適切な選択を前提とし、配光を均質化する役割を通常は果たす発光面４又はカップリング・アウト層の変調は、大きく低減され得るか、削除さえされ得、発光体の製造コストを低減することも可能にする。

他方では、所定の（非均質な）配光は、発光面４又はカップリング・アウト層の変調を介して実質上より簡単に生成され得る。

同様に、第２の光媒体５の光散乱特性の適切な選択を介して、キャビティ８（即ち光源２）の領域がその周囲と比較して発光面４上においてより明るく見えることが達成され得る。あるいは、これらの領域はまた、例えば第２の光媒体５の散乱能が第１の光媒体１の散乱能より低い場合により暗く見えるようにされ得る。

更なる代替案は、別個の又は全ての第２の光媒体５の光散乱能が電気的に制御されることであり、一定の照明効果がこのようにして達成される。例えば、ユーザはこのようにして、均質な照明面と、そこに一体化された明るい点線又は円を有する弱い照明の面との間を切り替え得る。

発光面４に対面する（対向する）キャビティ８の面は各々、反射層３を有する。該反射層３は、光源２から発生する光が、第２の光媒体５に直接衝突できないが、層３から第２の光媒体５へと部分的に入る第１の光媒体１（導光板）及びキャビティ８へと反射し戻るよう寸法を取られる。

層３は、望ましくは光源に対面する側部においてのみではなく、他の側部上でも反射し、光の流れを更に向上させる。層３はまた、第２の光媒体５上に直接与えられ得る。

発光体の発光面４は、例えば半透明である拡散性散乱板（拡散板）によって形成され、その透過度は、望ましくは５０％を下回るが、生成された光の所定の輝度分配を達成するよう局所的に可変であり得る。

図２は、かかる発光体の平面図であり、発光面４又はカップリング・アウト層は、光源（この場合は第２の光媒体５）の配置を可視にするよう取り除かれている。

この図から明らかである通り、光源は、標準は位置において後方壁７上に与えられ、その間の空間は、望ましくは、上述されたＬＥＤが使用される場合は約１ｃｍ乃至５ｃｍである。

この配置を有して、例えば１０ｍｍ乃至１５ｍｍである小さな構造上の深さ（即ち、後方壁７と発光面４との間の距離）、及び、例えば１ｃｍ乃至５ｃｍの個別の光源２の比較的大きな空間の場合においても、発光面４にわたる配光の非常に高い均質性を有した平坦な放熱体（ｒａｄｉａｔｏｒ）を実現することが可能である。試験により、十分に１０％を下回る発光面４上の光の平均的強度偏差が問題なく達成され得る、ことが示されている。特には、個別のＬＥＤ間の距離は、発光体の構造上の深さの約２．５倍乃至５倍であり得る。

キャビティ８からの光の横方向の放射によって、放射光は、気体が第１の光媒体として使用される場合において、即ち、毎回広い入射角を有して、後方壁７の上方側及び発光面４の下方側において主に反射されるため、特に低い反射損及び発光面４上の高均質性が発生し、発光体の高い効率性が、この場合においても第２の光媒体５によって達成される。

試験により、２０，０００ｃｄ／ｍ^２の発光体の輝度値が市販のＬＥＤを有して達成され得ることが示されている。１Ｗの電力定格を有する既知の白色ＬＥＤが使用される際、これらの輝度値は、約４０００ｃｄ／ｍ^２である。

これによって、約８００乃至３，０００ｃｄ／ｍ^２にある室内照明用の光タイル（ｌｉｇｈｔ ｔｉｌｅ）に対する通常の要求を問題なく満たすことが可能である。これは、５，０００乃至１５，０００ｃｄ／ｍ^２が通常は要求されるＬＣＤ画面のバックライティング、又は光線療法における適用に対しても同様である。

本発明に従った発光体は、実質上所望される通りに寸法を取られ得る。即ち、実質上いかなる寸法の照明面も実現され得る。個別の光源間の強度差は、優れた横方向の配光によって平均される。例えば赤色、緑色、青色、又は白色の光である異なる広の光源の標準的な配置を前提とすると、非常によく制御可能である色混合も達成され得る。

青色を有する光源が使用される場合、発光面４は、青色光をより長い波長の光へと部分的に転換する色転換リン光体を備えられ得る。

実質的にいかなる色の光源も、特にはＬＥＤである光源へと取り入れられなければならない色転換に対して使用されるリン光体無しで、このようにして実現され得る。故に寿命及び有効性の問題は、特には高負荷ＬＥＤ（ｈｉｇｈｌｙ ｌｏａｄｅｄ ＬＥＤｓ）の場合において避けられ得る。

加えて、光の色は、発光面４の単純な交換を介して変更され得る。

発光体の空間的放射特徴は、発光面４の形状及び傾斜によって実質的に定義付けられ、通常はランベルト型の特性を有する。

発光面４はまた、所定の角度領域内でのみ光を透過してそれを他の角度領域において反射する光学フォイルによって被覆され得る。そのため、異なる放射特徴を有する平坦な光源は、例えば一定の適用（机の照明）に対して実現され得る。透過されない光は、損失されず、発光体へと反射し戻される。

最後に、動く背景照明効果は、例えばＬＣＤ−ＴＶディスプレイにおける使用に対して、ＬＥＤの個別の群又はストリップの（連続する）オン及びオフの切替えを介して実現され得る。

本発明に従った発光体の概略的断面図である。 図１中に示される発光体の概略的平面図である。

Claims (6)

1. 発光面を有する筐体と、前記筐体において配置された複数の光源とを有する発光体であって、
   前記筐体は、前記光源の光が内部へと結合される、第１の光散乱能を有する少なくとも第１の光媒体と、第２の光散乱能を有する少なくとも第２の光媒体と、を有し、前記第２の光媒体における前記光の伝播が前記第１の光媒体から中へと少なくとも実質的に結合され、
   前記媒体のうち少なくとも１つの前記散乱能は、前記筐体における光の流れに影響を与えるよう選択され、
   前記第１の光媒体は、導光板であり、前記光源は、該導光板の少なくとも１つのキャビティにおいて配置され、
   前記第２の光媒体は、少なくとも１つのキャビティと前記発光面との間の前記導光板の少なくとも１つの限られた領域へと組み込まれ、前記第２の光媒体は少なくとも１つの層を用いて光源から発生する前記光の直接入射に対して覆われ、前記発光面にわたる予め定義可能である前記光の明度分配が達成される、
   発光体。
2. 前記層は、両側上において反射する層である、
   請求項１記載の発光体。
3. 前記第２の光媒体の前記散乱能は、前記第１の光媒体において与えられえた前記キャビティのうち少なくとも１つによってもたらされる前記第１の光媒体での光の前記流れにおける低減を少なくとも実質的に補うよう選択される、
   請求項１記載の発光体。
4. 前記第２の光媒体は、光散乱粒子を有する、
   請求項１記載の発光体。
5. 前記光散乱粒子は、取り囲む材料の光屈折率とは異なる光屈折率を有する小球である、
   請求項４記載の発光体。
6. 前記光散乱粒子は、少なくとも１つのレーザビームの作用によってもたらされる材料の変化によって作り出された領域である、
   請求項４記載の発光体。

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