JP3703250B2 - Reflective display lighting device - Google Patents

Description

Translated fromJapanese

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、書籍や写真などの印刷物や、パーソナルコンピュータなどのＯＡ機器、携帯情報端末、ポータブルビデオテープレコーダーなどの画面表示装置、又は、各種モニタに使用される反射型液晶表示装置、などに用いられる反射表示用照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータや携帯情報端末、ビデオテープレコーダーなどは小型化、ポータブル化が進んでおり、画像表示装置の消費電力低減が重要な課題となっている。このため、画像表示装置に反射型液晶表示装置を用いるものが多数存在している。
反射型液晶表示素子は、太陽光や室内光などの外光を反射させることにより画面の明るさを得ている。しかし、外光の少ないところでは画面に十分な明るさが得られない。そこで、外光の十分でないところにおいても画面表示可能とする照明装置の付いた反射型液晶表示装置がいくつか発明されている。
反射型液晶表示素子に取り付けられる照明装置の一例を示す。図１６は従来の照明装置の断面図の模式図である。図１６に示すとおり、従来の照明装置は、光源１、リフレクタ２、導光体６３、補償板５によって構成される。リフレクタ２は光源１から発射された光線を平行化するために、光源１から導光体６３の側面までの距離を長くしている。導光体６３は、リフレクタ２より導入された光線を全反射によって伝搬する機能と、上面の溝の斜面によって光線を全反射させ、光線角度を変えることによって反射板４を照明する機能を有する。補償板５は反射板４からの反射光が導光体６３を通過する際に生じる歪みを、補正する機能を有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の照明装置は、導光体６３より補償板５に透過した光線が補償板５上面にて全反射したのち再び導光体６３に入射するとき、光線の一部が導光体６３の上面の溝の斜面で反射するため、溝筋が見えやすいという問題点がある。また、この溝筋が見えやすいという問題点を軽減化するために、リフレクタ２によって光線を平行化しているが、平行化された光は導光体６３の溝の斜面に当たらず、導光体６３の光源側と反対側に到達しやすいため、照明効率が低いという問題点がある。
そこで、本発明は、かかる問題点を解決することを課題とし、溝筋が見えにくく、反射光の画像が良好に保たれ、照明効率がよい、反射表示用照明装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段及びその作用】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成している。
本発明の第１態様によれば、 光源と、前記光源からの光が入射する面である側面と互いに平行な上下面とを有する透明基板とを備え、
前記透明基板には、前記透明基板の屈折率とは異なる屈折率を有する材料を内部に有する溝が配置されるとともに、前記透明基板の屈折率をｎとし、前記溝内の材料の屈折率をｎ_１とし、反射表示用照明装置の視野角をβとするとき、
前記溝と前記透明基板の上面とのなす角のうちの鋭角θが、
（数５）
θ＜ｓｉｎ^−１（ｎ_１／ｎ）−ｓｉｎ^−１｛（１／ｎ）ｓｉｎ（β）｝＜９０°
の条件を満たすようにしたことを特徴とする反射表示用照明装置を提供する。
【０００５】
本発明の第２態様によれば、少なくとも光源と、前記光源からの光が入射する面を側面とする透明な第１の基板と、前記第１の基板の上面方向に配置された透明な第２の基板とを備えて構成され、
前記第１の基板の下面は平面であり、前記第１の基板の上面には階段状の斜面が配置され、
前記第２の基板の下面は階段状の斜面が前記第１の基板の前記上面の前記斜面と同形状で配置され、前記光源の出射口にコリメータを配置し、
前記第１の基板の屈折率をｎとし、前記第１の基板と前記第２の基板の間に配置された材料の屈折率をｎ_２とし、反射表示用照明装置の視野角をβとするとき、
前記第１の基板の前記上面および前記第２の基板の前記下面の斜面の角度のうちの鋭角θが、
（数６）
θ＜ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ）−ｓｉｎ^−１｛（１／ｎ）ｓｉｎ（β）｝＜９０°
の条件を満たすようにするとともに、
上記斜面のピッチは、上記第１の基板の光源より遠ざかるにつれて小さくなるとともに、上記斜面長さを、上記第１の基板の光源より遠ざかるにつれて大きくなるようにしたことを特徴とする反射表示用照明装置を提供する。
【０００６】
本発明の第３態様によれば、第２態様において、前記光源の出射口に配置されたコリメータの光線出射角度が±ｓｉｎ^-1［ｎ＊ｓｉｎ｛９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）｝］以内であるようにした反射表示用照明装置を提供する。
本発明の第４態様によれば、第２又は３の態様において、前記光源の出射口に配置されたコリメータは光線入射面が平面であり、前記第１の基板の屈折率をｎとし、前記第１の基板と前記第２の基板を貼り合わせている材料の屈折率をｎ_２とし、前記コリメータの屈折率をｎ_３とし、前記コリメータの出射面の円錐形の凹部を構成する凸部の頂角の半分の角度δが
（数７）
ｓｉｎ^-1［ｎ＊ｓｉｎ｛９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）｝］＝９０−δ−ｓｉｎ^-1［ｎ₃＊ｓｉｎ｛９０−δ−ｓｉｎ^-1（１／ｎ₃）｝］
を満たす値であるとしたとき、前記コリメータの出射面が角度＋δまたは角度−δの斜面が複数個配置されている反射表示用照明装置を提供する。
本発明の第５態様によれば、第２又は３の態様において、前記光源の出射口に配置されたコリメータは光線入射面が平面であり、前記第１の基板の屈折率をｎとし、前記第１の基板と前記第２の基板を貼り合わせている材料の屈折率をｎ_２とし、前記コリメータの屈折率をｎ_３とし、前記コリメータの出射面の円錐形の凹部を構成する凸部の頂角の半分の角度δが
（数８）
δ＝ｓｉｎ^-1［ｎ＊ｓｉｎ｛９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）｝］
を満たす値であるとしたとき、前記コリメータの出射面が角度＋δまたは角度−δの斜面が複数個配置されている反射表示用照明装置を提供する。
【０００７】
本発明の第１〜３態様によれば、前記光源から出射された光は前記透明基板に入射し、透明基板内で全反射を繰り返しながら伝搬していく。このとき、光線は角度によって、透明基板の内部にある前記スリットによって全反射するものと、透過するものに分けられる。全反射した光線は角度を変えられ、全反射角より小さくなってしまうために透明基板の下面側に出射する。また、透過した光線は透明基板の上面で全反射し、引き続き透明基板内を伝搬するため、透明基板のスリット筋は見えにくい。また、スリットを透過し、溝筋を見えにくくするために従来必要であったコリメータが不要となるので、ほとんど全ての光線が透明基板の下側へ射出するため、照明効率が良い。
また、透明基板の下面より出射した光は、被照明物を照射し、被照明物からの反射光は、透明基板に再び入射されるが、
【数９】
θ＜ｓｉｎ^−１（ｎ_１／ｎ）−ｓｉｎ^−１｛（１／ｎ）ｓｉｎ（β）｝
であるために、視野角に影響されず、良好な画像を表示することができる。
このように、溝筋が見えにくく、照明効率のよい、照明装置を提供することが可能である。
【０００８】
また本発明の第４〜９態様によれば、前記光源から出射した光線は前記コリメータによって平行にされ、前記第１の基板に導入される。第１の基板に入射した光は第１の基板の斜面において全反射し、光線角度が全反射角よりも小さくなってしまうために下面側に出射する。
また、第１の基板の下面より出射した光は、被照明物を照明し、被照明物からの反射光は、第１の基板に再び入射されるが、前記第２の基板があるため、画像の歪みがなく、また、
【数１０】
θ＜ｓｉｎ^-1（ｎ₁／ｎ）−ｓｉｎ^-1｛（１／ｎ）ｓｉｎ（β）｝
であれば、視野角に影響されず、良好な画像を表示することができる。
また、コリメータの光線出射角度が±｛９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₁／ｎ）｝以内であれば、光源から出射された光線はすべて第１の基板の斜面で全反射し、被照明物に照明することが可能であり照明効率が良い。
このように、溝筋が見えにくく、反射光の画質が良好に保たれ、照明効率のよい、照明装置を提供することが可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態による照明装置について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の第１実施形態における照明装置の断面の模式図を示すものである。本発明の第１実施形態における照明装置は、照明装置を上方から観察者が見る角度（以下視野角と呼ぶ）をβとする。
図１において、１は光源であり、例えば、熱陰極管、若しくは冷陰極管などの蛍光灯、あるいは発光ダイオードを線状に配列したもの、あるいは白熱灯、あるいは有機発光材料を線状に形成したものであり、導光体３の側面に配置される。図１において、２はリフレクタであり、光源１を覆うようにして配置され、内面は反射率が高く、拡散性が小さくなるように構成される。例えば、樹脂のシートに銀、若しくはアルミなどの反射率の高い材料を蒸着し、このシートを薄い金属板、あるいは樹脂のシートに接着してリフレクタを構成したものである。光源１が蛍光灯の場合、光源１とリフレクタ２との隙間は、ガラスの屈折率１．５に近い材料で充填するのが望ましい。また、光源１側における導光体３の側面厚みとリフレクタ２の高さは同じであるのが望ましい。その理由は、導光体３は薄いほうが望ましいが、入射効率のため、厚さの下限値がリフレクタ２の高さとなるためである。
図１において、３は透明基板（以下導光体と呼ぶ）であり、石英、ガラス、透明樹脂、例えばアクリル系樹脂、若しくはポリカーボネイトなどを材料とする。導光体３の上面と下面はほぼ平行であり、上面から見ると導光体２はほぼ長方形である。導光体３の側面と上面、側面と下面とは、それぞれ、ほぼ９０度の角度をなす。導光体３の上面にはスリット３１が形成される。
【００１０】
図２にスリット３１の部分の詳細図を示す。スリット３１は光源１の長手方向にほぼ平行に延在している。スリット３１の中は、屈折率の低い材料で満たされており、例えば空気若しくはフッ素系の樹脂で構成される。また、スリット３１は、導光体の屈折率をｎとし、スリット内部の屈折率をｎ_１とし、スリット３１と導光体上面とのなす角をθとし、視野角をβとするとき、
【数１１】
θ＜ｓｉｎ^-1（ｎ₁／ｎ）−ｓｉｎ^-1｛（１／ｎ）ｓｉｎ（β）｝
の条件を満たす。
第１実施形態では導光体材料をＰＭＭＡ（Polymethylmetacrylate）とし、スリット内部を空気とし、視野角を４０度としたので、ｎ＝１．５、ｎ₁＝１、β＝４０より、スリット３１と上面とのなす角θは１６度とした。また、スリット３１の長さ３３を５０μｍとし、スリット３１のピッチ３２は２００μｍとした。また、視野角β＝３０のときはθ＝２２．３４°となる。
図１において、４は反射板である。反射板４は、例えば、書籍や写真などの印刷物や、パーソナルコンピュータなどのＯＡ機器、携帯情報端末、若しくはポータブルビデオテープレコーダーなどの画面表示装置、又は各種モニタに使用される反射型液晶表示装置などを意味する。
【００１１】
次に、図３を用いて導光体３内での光の伝搬について説明する。
導光体３に入射された光は、導光体３の屈折率をｎとすると、スネルの法則により、放射分布が±ｓｉｎ^-1（１／ｎ）の光となる。導光体３の上記した材料のほとんどは、屈折率が１．４２以上であるので、放射分布は±４４．７７度の範囲となる。ところで、導光体３は、上面と下面がほぼ平行であり、導光体３への入射面である側面と上面及び側面と下面は、それぞれ、ほぼ９０度の角度をなすので、側面から入射した光が上面あるいは下面に入射すると、入射角の最小値は９０−４４．７７＝４５．２３度となる。屈折率が１．４２以上のとき、全反射角は４４．７７度以下となるので、側面から入射した光は上面及び下面で全反射することになる。
導光体３を伝搬する光のうちスリット３１の近傍以外の場所では、導光体３の上面及び下面の平坦部で全反射する。スリット３１の部分では、光線の角度によって透過する光線と、全反射する光線とに分かれる。図３に示すように、光線と導光体３の上面とがなす角度をαとすると、
【数１２】
α＞９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₁／ｎ）
のときスリット３１を透過し、
【数１３】
α＜９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₁／ｎ）
のときスリット３１で全反射する。
【００１２】
スリット３１を透過した光線は、導光体３の上面の平坦部で全反射し、再び伝搬していく。スリット３１で全反射した光線は、導光体３の下面から出射するが、下面への入射角は｛９０−（２θ＋α）｝であり、スネルの法則より、
【数１４】
９０−（２θ＋α）＜ｓｉｎ^-1（１／ｎ）
のとき、導光体３の下面より出射して、反射板４を照明する。
このようにして第１実施形態の照明装置は反射板４を照明するが、光源１から出た光はコリメートされる必要がないので、スリット３１にて全反射する率が高く、効率良く反射板４を照明することができる。また、スリット３１を透過した光は導光体３を再び伝搬するため、溝筋が見えにくいという効果がある。
【００１３】
次に、反射板４を照明した後の反射光の伝搬について図４を用いて説明する。導光体３より照明された光線は反射板４を照明し、反射光を返す。反射光は導光体３に下面より再入射し、スリット３１の近傍以外ではそのまま導光体３の上面から出射される。
スリット３１の近傍では、反射光の導光体３の下面への入射角をγとすると、
［数１５］
θ＋ｓｉｎ^-1｛（１／ｎ）ｓｉｎ（γ）｝＞ｓｉｎ^-1（ｎ_１／ｎ）
のときスリット３１にて全反射する。このため、反射光４１が角度γで導光体３の下面より入射したとき、γ＞βのときスリット３１で全反射して観察者には到達しないが、γ≦βのときスリット３１で透過し観察者まで到達する。
そこで、スリット３１で透過する条件は、［数１５］より
θ＋ｓｉｎ^-1｛（１／ｎ）ｓｉｎ（γ）｝＜ｓｉｎ^-1（ｎ_１／ｎ）.....（１５Ａ）
でかつγ≦βである。すなわち、
上記式（１５Ａ）において、［ｓｉｎ^-1｛（１／ｎ）ｓｉｎ（γ）｝］の項を右辺に移動させると、
θ＜ｓｉｎ^-1（ｎ_１／ｎ）−ｓｉｎ^-1｛（１／ｎ）ｓｉｎ（γ）｝
となり、γ≦βであるから、スリット３１の角度θは、
θ＜［ｓｉｎ^-1（ｎ_１／ｎ）−ｓｉｎ^-1｛（１／ｎ）ｓｉｎ（β）｝］≦［ｓｉｎ^-1（ｎ_１／ｎ）−ｓｉｎ^-1｛（１／ｎ）ｓｉｎ（γ）｝］
となり、
［数１６］
θ＜ｓｉｎ⁻¹（ｎ₁／ｎ）−ｓｉｎ^-1｛（１／ｎ）ｓｉｎ（β）｝
という［数１６］が導出される。このことより、反射光は視野角±βの範囲内ではスリット３１の部分で全反射しないため、観察者の視野を妨げず、良好な画像を得られる。
【００１４】
以上により、本第１実施形態によれば、導光体３の溝筋が見えにくく、反射光の画像が良好に保たれ、照明効率のよい、照明装置を提供することが可能である。また、均一照明が可能であり、光源１から出た光をコリメートする必要がないので、リフレクタ２を小さくすることができ、上記したようにリフレクタ２の高さと導光体３の側面の高さとをほぼ同等にするため、リフレクタ２の高さに応じて導光体３の側面の厚みも小さくすることができる。
なお、第１実施形態では、スリット３１は導光体３の上面に配置したが、図１１に示すように導光体３の上面と下面との間に、若しくは図１２に示すように導光体３の下面に、若しくは図１３に示すように導光体３の上面側から下面側に向けて斜めに配置するようにしてもよい。
また、第１実施形態では、導光体３の上面と下面が平行であるが、平行でなくても良い。
また、第１実施形態ではスリット３１のピッチ３２を等間隔としたが、導光体３の光源１より遠ざかるにつれて小さくすると、光源１から近い所と遠い所とで輝度差が少なくなり、より均一な照明が得られる。また、スリット３１の長さ３３を、導光体３の光源１より遠ざかるにつれて大きくしても同様の効果が得られる。また、スリット３１の角度θを光源１より遠ざかるにつれて大きくしても同様の効果が得られる。
【００１５】
以下、本発明の第２実施形態による照明装置について、図５を用いて説明する。
図５は、本発明の第２実施形態における照明装置の断面の模式図である。本発明の第２実施形態における照明装置は、視野角をβとする。
図５において、光源１及びリフレクタ２は第１実施形態と同様である。
図５において、３０は第１の透明基板の一例としての導光体であり、６は導光体３０の上に配置された第２の透明基板の一例としての補償板である。５は光源１と導光体３０との間に配置されたコリメータであり、光源１から出射された光を平行化する。導光体３０の上面の階段状の斜面１３１の角度をθとし、導光体３０の屈折率をｎとし、導光体３０と補償板６の間の材料の屈折率をｎ₂として、コリメータ５の出射特性は、±ｓｉｎ^-1［ｎ＊ｓｉｎ｛９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）｝］以内である。
例えば、β＝４０、ｎ＝１．５、ｎ₂＝１のとき、θ＝１６°であり、コリメータ５の出射特性は、±５２．１３°である。また、β＝３０、ｎ＝１．５、ｎ₂＝１のときは、θ＝２２．３４であり、コリメータ５の出射特性は±４０．８５°である。
コリメータ５の構造は、例えば、上記出射特性を満たす、平凸のシリンドリカルレンズで実現可能である。また、コリメータ５は回折格子であっても良い。また、照明装置の視野角βが大きい場合は、コリメータ５の出射特性角度が大きいのでコリメータ５がなくても良い。
【００１６】
導光体３０は、石英、ガラス、透明樹脂、例えばアクリル系樹脂、若しくはポリカーボネイトなどを材料とする。図６に導光体３０の詳細な図を示す。導光体３０は下面は平面であり、上面は階段状の斜面１３１が所定の間隔をおいて複数本配置されている。各斜面１３１は光源１の長手方向にほぼ平行である。
斜面１３１の角度をθとし、導光体３０の材質の屈折率をｎとし、導光体３０と補償板６との間の材料の屈折率をｎ₂とし、視野角をβとするとき、斜面１３１の角度θは、
【数１７】
θ＜ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）−ｓｉｎ^-1｛（１／ｎ）ｓｉｎ（β）｝
である。斜面１３１のピッチ３２は、導光体３０の光源１より遠ざかるにつれて小さくすると良い。また斜面１３１の長さ３３を、導光体３０の光源１より遠ざかるにつれて大きくしても良い。また、斜面１３１の角度θを光源１より遠ざかるにつれて大きくしても良い。また、導光体３０は上面から見るとほぼ長方形である。
補償板６は、石英、ガラス、透明樹脂、例えばアクリル系樹脂、若しくはポリカーボネイトなどを材料とする。補償板６は、下面は階段状の斜面６１が前記導光体３０の上面の斜面１３１と同形状で配置され、上面は平面である。導光体３０の上面と補償板６の下面は所定の間隔をもって配置されている。
図５において、４は反射板である。反射板４は例えば、書籍や写真などの印刷物や、パーソナルコンピュータなどのＯＡ機器、携帯情報端末、若しくはポータブルビデオテープレコーダーなどの画面表示装置、各種モニタに使用される反射型液晶表示装置などである。
【００１７】
次に、図７を用いて第２の実施形態の導光体３０内での光の伝搬について説明する。導光体３０に入射した光は、導光体３０の斜面１３１の近傍以外の場所では導光体３０の上面または下面の平坦部において全反射しながら伝搬していく。導光体３０の斜面１３１の近傍では、光線の角度によって透過する光線と、全反射する光線とに分かれる。導光体３０の屈折率をｎとし、導光体３０と補償板６の間の材料の屈折率をｎ₂とし、導光体３０の下面と光線がなす角度をαとし、導光体３０の斜面１３１の角度をθとすると、
【数１８】
α＞９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）
のとき導光体３０の斜面１３１を透過し、
【数１９】
α＜９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）
のとき導光体３０の斜面１３１で全反射する。
【００１８】
導光体３０の斜面１３１を透過した光線は、補償板６の光源１とは反対側に到達した後に反射するため、観察者側に出射する可能性が高く、照明効率を劣化させる。しかし、光源１のコリメータ５の出射特性が、±ｓｉｎ^-1［ｎ＊ｓｉｎ｛９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）｝］以内であるため、導光体３０へ入射される光線は、±｛９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）｝以内となり、したがって（数１９）の式を満たすため、ほとんどの光線は導光体３０の斜面１３１で全反射し、反射板４を照明する。
よって、光源１から出射された光は効率良く反射板４を表示することが可能である。また、このように効率良く反射板４を照明するため、導光体３０の斜面１３１より観察者側に透過する光線が少ないので、溝筋が見えにくいという効果がある。
【００１９】
次に、反射板４を照明した後の反射光の伝搬について図８を用いて説明する。導光体３０より照明された光線は反射板４を照明し、反射光を返す。反射光は導光体３０に下面より再入射し、導光体３０の斜面１３１の近傍以外ではそのまま上面から出射される。
導光体３０の斜面１３１の近傍では、反射光の導光体３０の下面への入射角をγとすると、
【数２０】
θ＋ｓｉｎ^-1｛（１／ｎ）ｓｉｎ（γ）｝＞ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）
のとき導光体３０の斜面１３１にて全反射する。このため、反射光４１が角度γで導光体の下面より入射したとき、γ＞βのとき斜面１３１で全反射して観察者には到達しないが、γ≦βのとき斜面１３１を透過して観察者まで到達する。
このことと、導光体３０の斜面１３１の角度θが、
【数２１】
θ＜ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）−ｓｉｎ^-1｛（１／ｎ）ｓｉｎ（β）｝
であることより、反射光は視野角±βの範囲内では導光体３０の斜面１３１の部分で全反射しないため、観察者の視野を妨げず、良好な画像を得られる。
【００２０】
以上により第２の実施形態によれば、導光体３０の溝筋が見えにくく、反射光の画像が良好に保たれ、照明効率のよい、照明装置を提供することが可能である。
なお、第２実施形態では、階段状の溝としたが図１４に示すような任意の曲線でもよい。また、第２実施形態では斜面１３１のピッチ３２を等間隔としたが、導光体３０の光源１より遠ざかるにつれて小さくすると、光源１から近い所と遠い所とで輝度差が少なく、均一な照明が得られる。また、斜面１３１の長さ３３を、導光体３０の光源１より遠ざかるにつれて大きくしても同様の効果が得られる。また、斜面１３１の角度θを光源１より遠ざかるにつれて大きくしても同様の効果が得られる。
また、図１７のように、補償板６の上面と導光体３０の下面が平行でなくても同様の効果が得られる。
また、図１８のように、補償板６の上面が曲面であっても同様の効果が得られる。
【００２１】
以下、本発明の第３実施形態による照明装置について説明する。
本発明の第３実施形態の構造は第２実施形態とほぼ同一であり、コリメータ５の構造のみ異なる。
図９を用いて第３実施形態のコリメータ５の構造を説明する。コリメータ５の光線入射面５１は平面である。コリメータ５の出射面５２は、頂角２δの円錐形の凹部が複数設けられた構造となっている。
導光体３０の屈折率をｎとし、導光体３０と補償板６を貼り合わせている材料の屈折率をｎ₂とし、コリメータ５の屈折率をｎ₃としたとき、δは
【数２２】
ｓｉｎ^-1［ｎ＊ｓｉｎ｛９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）｝］＝９０−δ−ｓｉｎ^-1［ｎ₃＊ｓｉｎ｛９０−δ−ｓｉｎ^-1(１／ｎ₃）｝］
を満たす値である。
【００２２】
次に、図１０を用いて、コリメータ５の動作を説明する。光源１から発した光線がコリメータ５の入射面５１から入射すると、その放射分布は±ｓｉｎ^-1（１／ｎ₃）である。よって、コリメータ５の出射側の斜面５２に入射される光線角度は幾何的に求まり、入射角最小値ｉ_minは、
【数２３】
ｉ_min＝９０−δ−ｓｉｎ^-1（１／ｎ₃）
であり、入射角最大値ｉ_maxは、
【数２４】
ｉ_max＝９０
である。
また、コリメータ５から出射される光線角度はスネルの法則より求まり、出射側の斜面５２に対する出射角度最小値ｏ_minは、
【数２５】
ｏ_min＝ｓｉｎ^-1｛ｎ₃＊ｓｉｎ（ｉ_min）｝
であり、出射角最大値ｏ_maxは、
【数２６】
ｏ_max＝９０
である。
【００２３】
出射側の斜面５２はδだけ光軸に対して傾いているので、出射角最大値ω_maxは、
【数２７】
ω_max＝９０−δ−ｏ_min
であり、また出射角最小値ω_minは、
【数２８】
ω_min＝−δ
である。すなわち、
【数２９】
ω_max＝９０−δ−ｓｉｎ^-1［ｎ₃＊ｓｉｎ｛９０−δ−ｓｉｎ^-1（１／ｎ₃）｝］
【数３０】
ω_min＝−δ
である。
【００２４】
ところで、導光体３０の斜面１３１の角度をθ、導光体３０と補償板６との間にある材料の屈折率をｎ₂としたとき、必要なコリメータ５の出射特性は±ｓｉｎ^-1［ｎ＊ｓｉｎ｛９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）｝］以内である。δは、ｓｉｎ^-1［ｎ＊ｓｉｎ｛９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）｝］＝９０−δ−ｓｉｎ^-1［ｎ₃＊ｓｉｎ｛９０−δ−ｓｉｎ^-1（１／ｎ₃）｝］を満たす値としているので、ω_max＝（コリメータ５の出射特性）となっており、所望の出射特性を満たしている。
例えば、視野角β＝３０、ｎ＝１．５、ｎ₂＝１、ｎ₃＝１．５としたときにθ＝２２．４となり、必要な出射特性は４０．８５°であり、δ＝４６．２°としたときの出射角度は、ω_max＝＋４０．８１°、ω_min＝−４６．２°となり、所望のコリメータ５の出射特性が得られる。また、δ＝ｓｉｎ^-1［ｎ＊ｓｉｎ｛９０−θ−ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ）｝］を満たす値とすると、上記の例でδ＝４０．８５°、ω_max＝＋３８．１０°、ω_min＝−４０．８５°となるので、所望のコリメータ５の出射特性が得られる。また、上記条件でδは４０．８５°以上４６．２°以下の任意の値としても良い。
【００２５】
以上のように第３実施形態を用いれば、導光体３０に必要な出射特性を満足するコリメータ５を実現でき、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、第３実施形態ではコリメータ５の出射面５２の形状を頂角２δの円錐形の凹部としたが、頂角２δの円錐形の突起でもよい。また、円錐形の代わりに断面の頂角２δの多角錘でもよい。また、図１５（Ａ），（Ｂ）に示すような、頂角２δの平行な溝であっても良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の一態様によれば、平板状の導光体の側面に光源例えば線状光源を配置し、導光体の内部にスリットを光源とほぼ平行に延在するように配置することによって、前記導光体の内部を伝搬する光の大部分を、導光体に形成されたスリットでの全反射によって導光体より射出し、被照明物の例としての反射板を照射することができ、またスリットにおいて全反射せず、透過する光は再び導光体内部を伝搬するため、溝筋が見えにくく、また反射板からの反射光は歪みがなく観察者側へ透過するので、反射板の良好な画質を保つことが可能である。また、光源から出射される光線をコリメートする必要がないため、反射表示用照明装置を小型化でき、また全ての光線がスリットでの全反射によって導光体より射出されるので照明効率がよい。また、スリットを所定の角度で配置することにより、観察者の視野内でスリット部とスリット部以外での輝度差が少なく、反射光の良好な画質を保つことが可能である。
【００２７】
また、本発明の別の態様によれば、第１の透明基板の例としての導光体の側面に光源例えば線状光源を配置し、光源から出射される光をコリメータによって平行化し、前記導光体の形状を下面が平面で上面が階段状の斜面が所定の角度で設けられたものとし、上面が平面で下面が前記導光体と同形状の溝が設けられた第２の透明基板の例としての補償板を前記導光体に貼り合わせることにより、前記導光体の内部を伝搬する光の大部分を前記導光体の階段状の斜面での全反射によって前記導光体より射出し、被照明物の例としての反射板を照射することができる。また、補償板があるため反射板からの反射光は歪みがなく観察者側へ透過するので、前記反射板の良好な画質を保つことが可能である。また、光源から出射される光は、前記コリメータによって所定の角度に平行化されるので前記導光体から前記補償板へ透過せず、反射板を効率よく照明することが可能であり、また溝筋が見えにくい。また、階段状の斜面を所定の角度にすることによって、観察者の視野内で階段状の斜面部と斜面部以外での輝度差が少なく、反射光の良好な画質を保つことが可能である。
また、本発明のさらに別の態様によれば、導光体に必要な出射特性を満足するコリメータを実現でき、前記した態様の効果をも得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態における照明装置の断面の模式図
【図２】 第１実施形態におけるスリットの配置を示す模式図
【図３】 第１実施形態における導光体内での光の伝搬について説明するための図
【図４】 第１実施形態における導光体内での反射光の伝搬について説明するための図
【図５】 本発明の第２実施形態における照明装置の断面の模式図
【図６】 第２実施形態における導光体内での光の伝搬について説明するための図
【図７】 第２実施形態における導光体内での光の伝搬について説明するための図
【図８】 第２実施形態における導光体内での反射光の伝搬について説明するための図
【図９】 （Ａ），（Ｂ）は第２実施形態におけるコリメータの概略断面側面図及び平面図
【図１０】 第２実施形態におけるコリメータの動作を説明するための図
【図１１】 本発明の第１実施形態における照明装置の一変形例の断面の模式図
【図１２】 本発明の第１実施形態における照明装置の別の変形例の断面の模式図
【図１３】 本発明の第１実施形態における照明装置のさらに別の変形例の断面の模式図
【図１４】 本発明の第２実施形態における照明装置の一例の断面の模式図
【図１５】 （Ａ），（Ｂ）は本発明の第３実施形態における照明装置のコリメータの概略断面側面図及び平面図
【図１６】 従来の照明装置の断面の模式図
【図１７】 本発明の第２実施形態における照明装置の一変形例の断面の模式図
【図１８】 本発明の第２実施形態における照明装置の別の変形例の断面の模式図
【符号の説明】
１ 光源
２ リフレクタ
３ 導光体
４ 反射板
５ コリメータ
６ 補償板
３０ 導光体
３１ スリット
３２ スリットのピッチ
３３ スリットの長さ
４１ 反射光
５１ コリメータの入射面
５２ コリメータの出射面
１３１ 斜面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention is used for printed materials such as books and photographs, OA devices such as personal computers, screen display devices such as portable information terminals and portable video tape recorders, or reflective liquid crystal display devices used for various monitors. BeFor reflection displayThe present invention relates to a lighting device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, personal computers, portable information terminals, video tape recorders, and the like have become smaller and more portable, and reduction of power consumption of image display devices has become an important issue. For this reason, many image display devices use a reflective liquid crystal display device.
The reflective liquid crystal display element obtains screen brightness by reflecting external light such as sunlight and room light. However, sufficient brightness cannot be obtained on the screen where there is little external light. In view of this, some reflective liquid crystal display devices with an illumination device capable of displaying a screen even in a place where external light is insufficient have been invented.
An example of the illuminating device attached to a reflection type liquid crystal display element is shown. FIG. 16 is a schematic diagram of a cross-sectional view of a conventional lighting device. As shown in FIG. 16, the conventional illumination device includes alight source 1, a reflector 2, alight guide 63, and acompensation plate 5. The reflector 2 increases the distance from thelight source 1 to the side surface of thelight guide 63 in order to collimate the light emitted from thelight source 1. Thelight guide 63 has a function of propagating the light beam introduced from the reflector 2 by total reflection, and a function of illuminating the reflector 4 by changing the light beam angle by totally reflecting the light beam by the slope of the groove on the upper surface. Thecompensation plate 5 has a function of correcting distortion generated when reflected light from the reflection plate 4 passes through thelight guide 63.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
  However, in the conventional illumination device, when the light beam transmitted from thelight guide 63 to thecompensation plate 5 is totally reflected on the upper surface of thecompensation plate 5 and then enters thelight guide 63 again, a part of the light beam is guided to thelight guide 63. Since the light is reflected by the slope of the groove on the upper surface, there is a problem that the groove streaks are easily visible. Further, in order to reduce the problem that the groove stripes are easily seen, the light beam is collimated by the reflector 2, but the collimated light does not hit the inclined surface of the groove of thelight guide 63, and the light guide Since it is easy to reach the light source side opposite to thelight source side 63, there is a problem that illumination efficiency is low.
  Then, this invention makes it a subject to solve such a problem, a groove line is hard to see, the image of reflected light is kept favorable, and illumination efficiency is good.For reflection displayAn object is to provide a lighting device.
[0004]
[Means for Solving the Problem and Action]
  In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
  According to the first aspect of the present invention, a light source and the light sourceIt is the surface where light fromsideAnd upper and lower surfaces parallel to each otherA transparent substrate,
  The transparent substrate has a refractive index different from that of the transparent substrate.Groove with material insideWith being placed,PreviousThe refractive index of the transparent substrate is n,In the grooveThe refractive index of the material is n₁age,For reflection displayWhen the viewing angle of the lighting device is β,
The acute angle θ out of the angle formed by the groove and the upper surface of the transparent substrate is
(Equation 5)
θ <sin^-1(N₁/ N) -sin^-1{(1 / n) sin (β)}<90 °
Characterized by satisfying the conditions ofFor reflection displayA lighting device is provided.
[0005]
  According to the second aspect of the present invention, at least a light source and the light sourceThe surface where light from is incidentThe sideToA transparent first substrate and an upper surface of the first substrate;directionAnd a transparent second substrate disposed on the substrate,
  Said first substrateofBottomIsA plane, saidOf the first substrateTopInStepped slopeIs arrangedPlaced,
  Said second substrateofThe lower surface has a stepped slope arranged in the same shape as the slope of the upper surface of the first substrate.,PreviousPlace a collimator at the exit of the light source,
  The refractive index of the first substrate is n, and the first substrate and the second substratePlaced betweenThe refractive index of the material is n₂age,For reflection displayWhen the viewing angle of the lighting device is β,
  An acute angle θ among the angles of the slopes of the upper surface of the first substrate and the lower surface of the second substrate is:
(Equation 6)
θ <sin^-1(N₂/ N) -sin^-1{(1 / n) sin (β)}<90 °
  To meet the requirements of
  The pitch of the slope becomes smaller as the distance from the light source of the first substrate increases.BecomeIn addition, the slope length is set to the first substrate.Light ofBigger as you move away from the sourceBecomeIt is characterized byFor reflection displayA lighting device is provided.
[0006]
  According to the third aspect of the present invention, in the second aspect, the light beam emission angle of the collimator disposed at the light source outlet is ± sin.^-1[N * sin {90-θ-sin^-1(N₂/ N)}].For reflection displayA lighting device is provided.
  According to a fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect, the collimator disposed at the exit of the light source has a plane of light incident surface, and the refractive index of the first substrate is n, The refractive index of the material for bonding the first substrate and the second substrate is n₂And the refractive index of the collimator is n₃And an angle δ which is a half of the apex angle of the convex portion constituting the conical concave portion of the exit surface of the collimator is
(Equation 7)
sin^-1[N * sin {90-θ-sin^-1(N₂/ N)}] = 90−δ−sin^-1[N_Three* Sin {90-δ-sin^-1(1 / n_Three]}]
  When the value satisfies the above, a plurality of inclined surfaces having an angle + δ or an angle −δ are arranged on the exit surface of the collimator.For reflection displayA lighting device is provided.
  According to a fifth aspect of the present invention, in the second or third aspect, the collimator arranged at the exit of the light source has a plane light incident surface, and the refractive index of the first substrate is n, The refractive index of the material for bonding the first substrate and the second substrate is n₂And the refractive index of the collimator is n₃And an angle δ which is a half of the apex angle of the convex portion constituting the conical concave portion of the exit surface of the collimator is
(Equation 8)
δ = sin^-1[N * sin {90-θ-sin^-1(N₂/ N)}]
  When the value satisfies the above, a plurality of inclined surfaces having an angle + δ or an angle −δ are arranged on the exit surface of the collimator.For reflection displayA lighting device is provided.
[0007]
According to the first to third aspects of the present invention, the light emitted from the light source enters the transparent substrate and propagates while repeating total reflection in the transparent substrate. At this time, the light rays are divided into those that are totally reflected by the slits inside the transparent substrate and those that are transmitted. Since the angle of the totally reflected light beam is changed and becomes smaller than the total reflection angle, it is emitted to the lower surface side of the transparent substrate. Further, since the transmitted light is totally reflected on the upper surface of the transparent substrate and then propagates through the transparent substrate, the slit streaks on the transparent substrate are difficult to see. In addition, since a collimator that has been conventionally required to transmit the slit and make the groove lines difficult to see becomes unnecessary, almost all light rays are emitted to the lower side of the transparent substrate, so that the illumination efficiency is good.
The light emitted from the lower surface of the transparent substrate irradiates the object to be illuminated, and the reflected light from the object to be illuminated is incident again on the transparent substrate.
[Equation 9]
θ <sin^-1(N₁/ N) -sin^-1{(1 / n) sin (β)}
Therefore, a good image can be displayed without being influenced by the viewing angle.
In this way, it is possible to provide an illuminating device in which the groove is difficult to see and the illumination efficiency is good.
[0008]
According to the fourth to ninth aspects of the present invention, the light beam emitted from the light source is collimated by the collimator and introduced into the first substrate. The light incident on the first substrate is totally reflected on the slope of the first substrate, and the light beam angle is smaller than the total reflection angle, so that it is emitted to the lower surface side.
Further, the light emitted from the lower surface of the first substrate illuminates the object to be illuminated, and the reflected light from the object to be illuminated is incident on the first substrate again, but because there is the second substrate, There is no image distortion,
[Expression 10]
θ <sin^-1(N₁/ N) -sin^-1{(1 / n) sin (β)}
If so, a good image can be displayed without being influenced by the viewing angle.
Also, the collimator's light emission angle is ± {90-θ-sin.^-1(N₁/ N)}, all the light beams emitted from the light source are totally reflected by the slope of the first substrate and can illuminate the object to be illuminated, and the illumination efficiency is good.
In this manner, it is possible to provide an illumination device that is less likely to see the groove stripes, maintains the image quality of the reflected light, and has high illumination efficiency.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a lighting apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a schematic diagram of a cross section of a lighting device according to a first embodiment of the present invention. In the illuminating device according to the first embodiment of the present invention, an angle at which an observer views the illuminating device from above (hereinafter referred to as a viewing angle) is β.
In FIG. 1,reference numeral 1 denotes a light source, for example, a fluorescent lamp such as a hot cathode tube or a cold cathode tube, or a linear arrangement of light emitting diodes, an incandescent lamp, or an organic light emitting material formed linearly. It is arranged on the side surface of thelight guide 3. In FIG. 1, reference numeral 2 denotes a reflector, which is arranged so as to cover thelight source 1, and is configured so that the inner surface has high reflectance and diffusibility becomes small. For example, a reflector is configured by depositing a highly reflective material such as silver or aluminum on a resin sheet and bonding the sheet to a thin metal plate or resin sheet. When thelight source 1 is a fluorescent lamp, it is desirable that the gap between thelight source 1 and the reflector 2 is filled with a material having a refractive index close to 1.5 of glass. Further, it is desirable that the thickness of the side surface of thelight guide 3 on thelight source 1 side and the height of the reflector 2 are the same. The reason is that thelight guide 3 is desirably thin, but the lower limit of the thickness is the height of the reflector 2 because of the incidence efficiency.
In FIG. 1,reference numeral 3 denotes a transparent substrate (hereinafter referred to as a light guide), which is made of quartz, glass, transparent resin, such as acrylic resin, or polycarbonate. The upper surface and the lower surface of thelight guide 3 are substantially parallel, and the light guide 2 is substantially rectangular when viewed from the upper surface. The side surface and the upper surface of thelight guide 3, and the side surface and the lower surface form an angle of approximately 90 degrees, respectively. Aslit 31 is formed on the upper surface of thelight guide 3.
[0010]
FIG. 2 shows a detailed view of theslit 31 portion. Theslit 31 extends substantially parallel to the longitudinal direction of thelight source 1. Theslit 31 is filled with a material having a low refractive index, and is made of, for example, air or a fluorine-based resin. Theslit 31 has a refractive index n of the light guide and a refractive index n inside the slit.₁When the angle between theslit 31 and the light guide upper surface is θ and the viewing angle is β,
## EQU11 ##
θ <sin^-1(N₁/ N) -sin^-1{(1 / n) sin (β)}
Satisfy the condition of
In the first embodiment, since the light guide material is PMMA (Polymethylmetacrylate), the inside of the slit is air, and the viewing angle is 40 degrees, n = 1.5, n₁= 1 and β = 40, the angle θ between theslit 31 and the upper surface was set to 16 degrees. Moreover, thelength 33 of theslit 31 was 50 μm, and thepitch 32 of theslit 31 was 200 μm. Further, when the viewing angle β = 30, θ = 22.34 °.
In FIG. 1, 4 is a reflecting plate. The reflector 4 is, for example, a printed material such as a book or a photo, an OA device such as a personal computer, a screen display device such as a portable information terminal or a portable video tape recorder, or a reflective liquid crystal display device used for various monitors. Means.
[0011]
Next, the propagation of light in thelight guide 3 will be described with reference to FIG.
The light incident on thelight guide 3 has a radiation distribution of ± sin according to Snell's law, where n is the refractive index of the light guide 3.^-1It becomes (1 / n) light. Since most of the above-described materials of thelight guide 3 have a refractive index of 1.42 or more, the radiation distribution is in a range of ± 44.77 degrees. By the way, the upper surface and the lower surface of thelight guide 3 are substantially parallel, and the side surface and the upper surface, and the side surface and the lower surface, which are incident surfaces to thelight guide body 3, form an angle of approximately 90 degrees. When the incident light is incident on the upper surface or the lower surface, the minimum value of the incident angle is 90−44.77 = 45.23 degrees. When the refractive index is 1.42 or more, the total reflection angle is 44.77 degrees or less, so that light incident from the side surface is totally reflected on the upper surface and the lower surface.
The light propagating through thelight guide 3 is totally reflected by the flat portions on the upper and lower surfaces of thelight guide 3 at places other than the vicinity of theslit 31. Theslit 31 is divided into a light beam that is transmitted and a light beam that is totally reflected depending on the angle of the light beam. As shown in FIG. 3, when the angle formed between the light beam and the upper surface of thelight guide 3 is α,
[Expression 12]
α> 90−θ−sin^-1(N₁/ N)
Is transmitted through theslit 31,
[Formula 13]
α <90−θ−sin^-1(N₁/ N)
At this time, the light is totally reflected by theslit 31.
[0012]
The light beam transmitted through theslit 31 is totally reflected by the flat portion on the upper surface of thelight guide 3 and propagates again. The light beam totally reflected by theslit 31 is emitted from the lower surface of thelight guide 3, but the incident angle to the lower surface is {90− (2θ + α)}, and Snell's law
[Expression 14]
90− (2θ + α) <sin^-1(1 / n)
At this time, the light is emitted from the lower surface of thelight guide 3 to illuminate the reflector 4.
Thus, although the illuminating device of 1st Embodiment illuminates the reflecting plate 4, since the light emitted from thelight source 1 does not need to be collimated, the rate of total reflection in theslit 31 is high, and a reflecting plate is efficient. 4 can be illuminated. Further, since the light transmitted through theslit 31 propagates again through thelight guide 3, there is an effect that it is difficult to see the groove line.
[0013]
  Next, propagation of reflected light after illuminating the reflector 4FIG.Will be described. The light beam illuminated from thelight guide 3 illuminates the reflector 4 and returns reflected light. The reflected light re-enters thelight guide 3 from the lower surface and exits from the upper surface of thelight guide 3 as it is except near theslit 31.
  In the vicinity of theslit 31, if the incident angle of the reflected light to the lower surface of thelight guide 3 is γ,
[Equation 15]
  θ + sin^-1{(1 / n) sin (γ)}> sin^-1(N₁/ N)
At this time, the light is totally reflected by theslit 31. Therefore, when the reflectedlight 41 is incident from the lower surface of thelight guide 3 at an angle γ, it is totally reflected by theslit 31 when γ> β and does not reach the observer, but is transmitted through theslit 31 when γ ≦ β. And reach the observer.
Therefore, the condition for transmission through theslit 31 is from [Equation 15].
θ + sin^-1{(1 / n) sin (γ)} <sin^-1(N₁/ N).....(15A)
And γ ≦ β. That is,
In the above formula (15A), [sin^-1When the term {(1 / n) sin (γ)}] is moved to the right side,
θ <sin^-1(N₁/ N) -sin^-1{(1 / n) sin (γ)}
Since γ ≦ β, the angle θ of theslit 31 is
θ <[sin^-1(N₁/ N) -sin^-1{(1 / n) sin (β)}] ≦ [sin^-1(N₁/ N) -sin^-1{(1 / n) sin (γ)}]
And
[Equation 16]
  θ <sin⁻¹(N₁/ N) -sin^-1{(1 / n) sin (β)}
[Equation 16] is derived. thisThus, since the reflected light is not totally reflected by theslit 31 within the range of the viewing angle ± β, a good image can be obtained without obstructing the visual field of the observer.
[0014]
As described above, according to the first embodiment, it is possible to provide an illuminating device in which the groove of thelight guide 3 is difficult to see, the image of the reflected light is kept good, and the illumination efficiency is good. Further, since uniform illumination is possible and there is no need to collimate the light emitted from thelight source 1, the reflector 2 can be made small. Therefore, the thickness of the side surface of thelight guide 3 can be reduced according to the height of the reflector 2.
In the first embodiment, theslit 31 is disposed on the upper surface of thelight guide 3. However, theslit 31 is guided between the upper surface and the lower surface of thelight guide 3 as shown in FIG. 11 or as shown in FIG. 12. You may make it arrange | position diagonally from the upper surface side of thelight guide 3 toward the lower surface side, as shown in FIG.
Moreover, in 1st Embodiment, although the upper surface and lower surface of thelight guide 3 are parallel, it does not need to be parallel.
Further, in the first embodiment, thepitches 32 of theslits 31 are equally spaced. However, when thelight guide 3 is further away from thelight source 1, the difference in luminance between the places closer to and far from thelight source 1 is reduced and more uniform. Lighting is obtained. Further, the same effect can be obtained by increasing thelength 33 of theslit 31 as the distance from thelight source 1 of thelight guide 3 increases. Further, the same effect can be obtained even when the angle θ of theslit 31 is increased as the distance from thelight source 1 increases.
[0015]
Hereinafter, a lighting apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a lighting device according to the second embodiment of the present invention. In the illumination device according to the second embodiment of the present invention, the viewing angle is β.
In FIG. 5, thelight source 1 and the reflector 2 are the same as those in the first embodiment.
In FIG. 5, 30 is a light guide as an example of a first transparent substrate, and 6 is a compensator as an example of a second transparent substrate disposed on thelight guide 30. Acollimator 5 is disposed between thelight source 1 and thelight guide 30 and collimates the light emitted from thelight source 1. The angle of the steppedslope 131 on the upper surface of thelight guide 30 is θ, the refractive index of thelight guide 30 is n, and the refractive index of the material between thelight guide 30 and thecompensation plate 6 is n.₂The emission characteristic of thecollimator 5 is ± sin^-1[N * sin {90-θ-sin^-1(N₂/ N)}].
For example, β = 40, n = 1.5, n₂When = 1, θ = 16 °, and the output characteristics of thecollimator 5 are ± 52.13 °. Β = 30, n = 1.5, n₂When = 1, θ = 22.34, and the output characteristics of thecollimator 5 are ± 40.85 °.
The structure of thecollimator 5 can be realized by, for example, a plano-convex cylindrical lens that satisfies the emission characteristics. Thecollimator 5 may be a diffraction grating. Further, when the viewing angle β of the lighting device is large, thecollimator 5 may be omitted because the emission characteristic angle of thecollimator 5 is large.
[0016]
Thelight guide 30 is made of quartz, glass, transparent resin, such as acrylic resin, or polycarbonate. FIG. 6 shows a detailed view of thelight guide 30. Thelight guide 30 has a flat bottom surface, and a plurality of steppedslopes 131 are arranged on the top surface at predetermined intervals. Eachinclined surface 131 is substantially parallel to the longitudinal direction of thelight source 1.
The angle of theinclined surface 131 is θ, the refractive index of the material of thelight guide 30 is n, and the refractive index of the material between thelight guide 30 and thecompensation plate 6 is n.₂When the viewing angle is β, the angle θ of theinclined surface 131 is
[Expression 17]
θ <sin^-1(N₂/ N) -sin^-1{(1 / n) sin (β)}
It is. Thepitch 32 of theslope 131 may be reduced as the distance from thelight source 1 of thelight guide 30 increases. Further, thelength 33 of theinclined surface 131 may be increased as the distance from thelight source 1 of thelight guide 30 increases. Further, the angle θ of theinclined surface 131 may be increased as the distance from thelight source 1 increases. Thelight guide 30 is substantially rectangular when viewed from above.
Thecompensation plate 6 is made of quartz, glass, transparent resin, such as acrylic resin, or polycarbonate. The lower surface of thecompensation plate 6 has a stepped inclined surface 61 arranged in the same shape as theinclined surface 131 of the upper surface of thelight guide 30, and the upper surface is a flat surface. The upper surface of thelight guide 30 and the lower surface of thecompensation plate 6 are arranged at a predetermined interval.
In FIG. 5, 4 is a reflector. The reflector 4 is, for example, a printed material such as a book or a photo, an OA device such as a personal computer, a screen display device such as a portable information terminal or a portable video tape recorder, a reflective liquid crystal display device used for various monitors, and the like. .
[0017]
Next, the propagation of light in thelight guide 30 of the second embodiment will be described with reference to FIG. The light incident on thelight guide 30 propagates while being totally reflected on the flat portion of the upper surface or the lower surface of thelight guide 30 at a place other than the vicinity of theinclined surface 131 of thelight guide 30. In the vicinity of theinclined surface 131 of thelight guide 30, the light beam is divided into a light beam that is transmitted and a light beam that is totally reflected depending on the angle of the light beam. The refractive index of thelight guide 30 is n, and the refractive index of the material between thelight guide 30 and thecompensation plate 6 is n.₂And the angle between the lower surface of thelight guide 30 and the light beam is α, and the angle of theinclined surface 131 of thelight guide 30 is θ.
[Expression 18]
α> 90−θ−sin^-1(N₂/ N)
Is transmitted through theinclined surface 131 of thelight guide 30,
[Equation 19]
α <90−θ−sin^-1(N₂/ N)
At this time, the light is totally reflected by theslope 131 of thelight guide 30.
[0018]
The light beam that has passed through theinclined surface 131 of thelight guide 30 is reflected after reaching the side opposite to thelight source 1 of thecompensation plate 6, and thus is likely to be emitted to the viewer side, thereby deteriorating the illumination efficiency. However, the emission characteristic of thecollimator 5 of thelight source 1 is ± sin^-1[N * sin {90-θ-sin^-1(N₂/ N)}], the light beam incident on thelight guide 30 is ± {90−θ−sin.^-1(N₂/ N)}, and therefore, in order to satisfy the equation (Equation 19), most of the light rays are totally reflected by theinclined surface 131 of thelight guide 30 to illuminate the reflector 4.
Therefore, the light emitted from thelight source 1 can display the reflector 4 efficiently. In addition, in order to efficiently illuminate the reflector 4 in this way, there is less light transmitted through theobserver 131 than theinclined surface 131 of thelight guide 30, so that there is an effect that it is difficult to see the groove.
[0019]
Next, propagation of reflected light after illuminating the reflector 4 will be described with reference to FIG. The light beam illuminated from thelight guide 30 illuminates the reflector 4 and returns reflected light. The reflected light re-enters thelight guide 30 from the lower surface and exits from the upper surface as it is except near theinclined surface 131 of thelight guide 30.
In the vicinity of theinclined surface 131 of thelight guide 30, assuming that the incident angle of the reflected light to the lower surface of thelight guide 30 is γ,
[Expression 20]
θ + sin^-1{(1 / n) sin (γ)}> sin^-1(N₂/ N)
At this time, the light is totally reflected by theslope 131 of thelight guide 30. Therefore, when the reflectedlight 41 is incident from the lower surface of the light guide at an angle γ, it is totally reflected by theinclined surface 131 when γ> β and does not reach the observer, but is transmitted through theinclined surface 131 when γ ≦ β. To reach the observer.
This and the angle θ of theinclined surface 131 of thelight guide 30 are
[Expression 21]
θ <sin^-1(N₂/ N) -sin^-1{(1 / n) sin (β)}
Therefore, the reflected light is not totally reflected by theinclined surface 131 of thelight guide 30 within the range of the viewing angle ± β, so that a good image can be obtained without disturbing the visual field of the observer.
[0020]
As described above, according to the second embodiment, it is possible to provide an illuminating device in which the groove of thelight guide 30 is difficult to see, the reflected light image is kept good, and the illumination efficiency is high.
In the second embodiment, a step-like groove is used, but an arbitrary curve as shown in FIG. 14 may be used. Further, in the second embodiment, thepitches 32 of theinclined surfaces 131 are equally spaced. However, when thelight guide 30 is further away from thelight source 1, there is little difference in luminance between a location near and far from thelight source 1 and uniform illumination. Is obtained. Further, the same effect can be obtained by increasing thelength 33 of theinclined surface 131 as the distance from thelight source 1 of thelight guide 30 increases. Further, the same effect can be obtained even if the angle θ of theinclined surface 131 is increased with increasing distance from thelight source 1.
Also, as shown in FIG. 17, the same effect can be obtained even if the upper surface of thecompensation plate 6 and the lower surface of thelight guide 30 are not parallel.
Further, the same effect can be obtained even when the upper surface of thecompensation plate 6 is a curved surface as shown in FIG.
[0021]
Hereinafter, a lighting device according to a third embodiment of the present invention will be described.
The structure of the third embodiment of the present invention is almost the same as that of the second embodiment, and only the structure of thecollimator 5 is different.
The structure of thecollimator 5 of the third embodiment will be described with reference to FIG. Thelight incident surface 51 of thecollimator 5 is a flat surface. Theoutput surface 52 of thecollimator 5 has a structure in which a plurality of conical recesses having an apex angle 2δ are provided.
The refractive index of thelight guide 30 is n, and the refractive index of the material in which thelight guide 30 and thecompensation plate 6 are bonded is n.₂And the refractive index of thecollimator 5 is n_ThreeWhere δ is
[Expression 22]
sin^-1[N * sin {90-θ-sin^-1(N₂/ N)}] = 90−δ−sin^-1[N_Three* Sin {90-δ-sin^-1(1 / n_Three]}]
It is a value that satisfies
[0022]
Next, the operation of thecollimator 5 will be described with reference to FIG. When a light beam emitted from thelight source 1 is incident from theincident surface 51 of thecollimator 5, the radiation distribution is ± sin.^-1(1 / n_Three). Therefore, the angle of the light ray incident on theinclined surface 52 on the exit side of thecollimator 5 is obtained geometrically, and the minimum incident angle value i._minIs
[Expression 23]
i_min= 90-δ-sin^-1(1 / n_Three)
And the maximum angle of incidence i_maxIs
[Expression 24]
i_max= 90
It is.
Further, the light ray angle emitted from thecollimator 5 is obtained from Snell's law, and the emission angle minimum value o with respect to theslope 52 on the emission side._minIs
[Expression 25]
o_min= Sin^-1{N_Three* Sin (i_min)}
And the maximum output angle o_maxIs
[Equation 26]
o_max= 90
It is.
[0023]
Since the outgoing-side slope 52 is inclined with respect to the optical axis by δ, the outgoing angle maximum value ω_maxIs
[Expression 27]
ω_max= 90−δ−o_min
And the output angle minimum value ω_minIs
[Expression 28]
ω_min= −δ
It is. That is,
[Expression 29]
ω_max= 90-δ-sin^-1[N_Three* Sin {90-δ-sin^-1(1 / n_Three]}]
[30]
ω_min= −δ
It is.
[0024]
By the way, the angle of theinclined surface 131 of thelight guide 30 is θ, and the refractive index of the material between thelight guide 30 and thecompensation plate 6 is n.₂The required output characteristics of thecollimator 5 are ± sin.^-1[N * sin {90-θ-sin^-1(N₂/ N)}]. δ is sin^-1[N * sin {90-θ-sin^-1(N₂/ N)}] = 90−δ−sin^-1[N_Three* Sin {90-δ-sin^-1(1 / n_Three)}]_max= (Emission characteristic of the collimator 5), which satisfies the desired emission characteristic.
For example, viewing angle β = 30, n = 1.5, n₂= 1, n_ThreeWhen θ = 1.5, θ = 22.4, and the required output characteristic is 40.85 °. When δ = 46.2 °, the output angle is ω_max= + 40.81 °, ω_min= −46.2 °, and the desired output characteristics of thecollimator 5 can be obtained. Also, δ = sin^-1[N * sin {90-θ-sin^-1(N₂/ N)}] in the above example, δ = 40.85 °, ω_max= + 38.10 °, ω_minSince = 40.85 °, the desired output characteristics of thecollimator 5 can be obtained. Further, δ may be an arbitrary value of 40.85 ° or more and 46.2 ° or less under the above conditions.
[0025]
As described above, when the third embodiment is used, thecollimator 5 that satisfies the emission characteristics required for thelight guide 30 can be realized, and the same effects as those of the second embodiment can be obtained.
In the third embodiment, the shape of theemission surface 52 of thecollimator 5 is a conical recess having an apex angle 2δ, but a conical protrusion having an apex angle 2δ may be used. Further, a polygonal pyramid having an apex angle 2δ of the cross section may be used instead of the conical shape. Further, parallel grooves with apex angle 2δ as shown in FIGS. 15A and 15B may be used.
[0026]
【The invention's effect】
  As described above, according to one aspect of the present invention, a light source, for example, a linear light source is disposed on a side surface of a flat light guide, and a slit extends substantially parallel to the light source inside the light guide. By disposing, a majority of the light propagating inside the light guide is emitted from the light guide by total reflection at the slit formed in the light guide, and a reflector as an example of an object to be illuminated is provided. Irradiates, and does not totally reflect in the slit, and the transmitted light propagates through the light guide again, so it is difficult to see the groove streaks, and the reflected light from the reflector plate is transmitted without distortion to the viewer side Therefore, it is possible to maintain a good image quality of the reflector. In addition, since it is not necessary to collimate the light emitted from the light source,For reflection displayThe illumination device can be miniaturized, and all the light rays are emitted from the light guide through total reflection at the slit, so that the illumination efficiency is good. In addition, by arranging the slits at a predetermined angle, it is possible to maintain a good image quality of the reflected light by reducing the luminance difference between the slit portion and the portion other than the slit portion within the observer's visual field.
[0027]
According to another aspect of the present invention, a light source, for example, a linear light source is disposed on a side surface of a light guide as an example of the first transparent substrate, and the light emitted from the light source is collimated by a collimator so that the light is guided. A second transparent substrate in which the shape of the light body is such that the lower surface is flat and the upper surface is a stepped slope at a predetermined angle, and the upper surface is flat and the lower surface is provided with grooves of the same shape as the light guide. By adhering a compensation plate as an example of the light guide to the light guide, most of the light propagating inside the light guide is reflected from the light guide by total reflection on the stepped slope of the light guide. It can inject | emits and can irradiate the reflecting plate as an example of a to-be-illuminated object. In addition, since there is a compensation plate, the reflected light from the reflecting plate is transmitted without distortion to the viewer side, so that the image quality of the reflecting plate can be maintained. Further, since the light emitted from the light source is collimated at a predetermined angle by the collimator, the light is not transmitted from the light guide to the compensation plate, and the reflector can be efficiently illuminated. It is difficult to see the streaks. In addition, by setting the stepped slope to a predetermined angle, there is little difference in brightness between the stepped slope and the sloped part within the observer's field of view, and good image quality of reflected light can be maintained. .
Further, according to still another aspect of the present invention, a collimator that satisfies the emission characteristics necessary for the light guide can be realized, and the effects of the aspect described above can also be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a lighting device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the arrangement of slits in the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram for explaining light propagation in the light guide in the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram for explaining propagation of reflected light in the light guide in the first embodiment.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a lighting device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining light propagation in the light guide in the second embodiment.
FIG. 7 is a view for explaining light propagation in the light guide in the second embodiment.
FIG. 8 is a view for explaining propagation of reflected light in the light guide in the second embodiment.
9A and 9B are a schematic cross-sectional side view and a plan view of a collimator according to a second embodiment.
FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of the collimator in the second embodiment;
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a modification of the lighting device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of another modification of the lighting device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of still another modification of the lighting device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of an example of a lighting device according to a second embodiment of the present invention.
FIGS. 15A and 15B are a schematic sectional side view and a plan view of a collimator of a lighting device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of a conventional lighting device.
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a modification of the lighting device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of another modification of the lighting device according to the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Light source
2 Reflector
3 Light guide
4 reflectors
5 Collimator
6 Compensation plate
30 Light guide
31 slit
32 Pitch of slit
33 Slit length
41 Reflected light
51 Collimator entrance surface
52 Output surface of collimator
131 slope

Claims (5)

Translated fromJapanese

光源（１）と、前記光源からの光が入射する面である側面と互いに平行な上下面とを有する透明基板（３）とを備え、
前記透明基板には、前記透明基板の屈折率とは異なる屈折率を有する材料を内部に有する溝（３１）が配置されるとともに、前記透明基板（３）の屈折率をｎとし、前記溝内の前記材料の屈折率をｎ_１とし、反射表示用照明装置の視野角をβとするとき、
前記溝と前記透明基板の上面とのなす角のうちの鋭角θが、
（数１）
θ＜ｓｉｎ^−１（ｎ_１／ｎ）−ｓｉｎ^−１｛（１／ｎ）ｓｉｎ（β）｝＜９０°
の条件を満たすようにしたことを特徴とする反射表示用照明装置。A light source (1), anda transparent substrate (3)having sidesurfaces that are surfaces onwhich lightfrom the light sourceis incidentand upper and lower surfaces parallel to each other ,
The transparent substrate, witha groove (31)is placedwith a material having a refractive index different from the refractive index of the transparent substratetherein, apre-Symbol refractive index of the transparent substrate (3) is n, theWhen the refractive index of the materialin the groove is n₁ and the viewing angle of thereflective display lighting device is β,
The acute angle θ out of the angle formed by the groove and the upper surface of the transparent substrate is
(Equation 1)
θ <sin⁻¹ (n₁ / n) −sin⁻¹ {(1 / n) sin (β)}<90 °
An illumination devicefor reflection display characterized by satisfying the above condition. 少なくとも光源（１）と、前記光源からの光が入射する面を側面とする透明な第１の基板（３０）と、前記第１の基板の上面方向に配置された透明な第２の基板（６）とを備えて構成され、
前記第１の基板の下面は平面であり、前記第１の基板の上面には階段状の斜面（１３１）が配置され、
前記第２の基板の下面は階段状の斜面が前記第１の基板の前記上面の前記斜面と同形状で配置され、前記光源の出射口にコリメータ（５）を配置し、
前記第１の基板の屈折率をｎとし、前記第１の基板と前記第２の基板の間に配置された材料の屈折率をｎ_２とし、反射表示用照明装置の視野角をβとするとき、
前記第１の基板の前記上面および前記第２の基板の前記下面の斜面の角度のうちの鋭角θが、
（数２）
θ＜ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ）−ｓｉｎ^−１｛（１／ｎ）ｓｉｎ（β）｝＜９０°
の条件を満たすようにするとともに、
上記斜面（１３１）のピッチ（３２）は、上記第１の基板の光源より遠ざかるにつれて小さくなるとともに、上記斜面長さ（３３）を、上記第１の基板の光源より遠ざかるにつれて大きくなるようにしたことを特徴とする反射表示用照明装置。At least a light source (1),a transparent first substrate (30) havinga surface on which lightfrom the light sourceis incident as a side surface ,and a transparent second substrate disposed in the upper surfacedirection of the first substrate ( 6)
The lower surfaceof the first substrateis a plane, stepped slope (131)is placedon the upper surfaceof saidfirst substrate,
The lower surfaceof the second substrate stepped slope which are arranged in the inclined surfaces having the same shape of the upper surface of the firstsubstrate, placing the collimator (5) to the exit of theprevious SL source,
The refractive index of the first substrate is n, the refractive index of thematerial disposed between the second substrate and the first substrate and n_2, the viewing angle of thereflective display illumination device and β When
An acute angle θ among the angles of the slopes of the upper surface of the first substrate and the lower surface of the second substrate is:
(Equation 2)
θ <sin⁻¹ (n₂ / n) −sin⁻¹ {(1 / n) sin (β)}<90 °
To meet the requirements of
The pitch of the inclined surface (131) (32), together withsmaller with increasing distance from the light source of the first substrate, the inclined surface length (33), tobe larger with distance from thelight sourceof said first substrate A lighting devicefor reflection display, which is characterized by the above. 前記光源の出射口に配置されたコリメータ（５）の光線出射角度が±ｓｉｎ^−１［ｎ＊ｓｉｎ｛９０−θ−ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ）｝］以内であるようにした請求項２に記載の反射表示用照明装置。The light beam emission angle of the collimator (5) disposed at the emission port of the light source is within ± sin⁻¹ [n * sin {90−θ−sin⁻¹ (n₂ / n)}]. The illumination devicefor reflection display according to 2. 前記光源の出射口に配置されたコリメータ（５）は光線入射面が平面であり、前記第１の基板の屈折率をｎとし、前記第１の基板と前記第２の基板を貼り合わせている材料の屈折率をｎ_２とし、前記コリメータの屈折率をｎ_３とし、前記コリメータの出射面（５２）の円錐形の凹部を構成する凸部の頂角の半分の角度δが
（数３）
ｓｉｎ^−１［ｎ＊ｓｉｎ｛９０−θ−ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ）｝］＝９０−δ−ｓｉｎ^−１［ｎ_３＊ｓｉｎ｛９０−δ−ｓｉｎ^−１（１／ｎ_３）｝］
を満たす値であるとしたとき、前記コリメータの出射面が角度＋δまたは角度−δの斜面が複数個配置されている請求項２又は３に記載の反射表示用照明装置。The collimator (5) disposed at the light emission port of the light source has a flat light incident surface, the refractive index of the first substrate is n, and the first substrate and the second substrate are bonded together. The refractive index of the material is n₂ , the refractive index of the collimator is n_3, and the angle δ which is half the apex angle of the convex portion constituting the conical concave portion of the exit surface (52) of the collimator is (Expression 3)
sin⁻¹ [n * sin {90−θ−sin⁻¹ (n₂ / n)}] = 90−δ−sin⁻¹ [n₃ * sin {90−δ−sin⁻¹ (1 / n₃ ) }]
4. Thereflection display illumination device according to claim 2, wherein a plurality of inclined surfaces having an angle of + δ or an angle of −δ are arranged on the exit surface of the collimator when the value satisfies the following condition. 前記光源の出射口に配置されたコリメータ（５）は光線入射面が平面であり、前記第１の基板の屈折率をｎとし、前記第１の基板と前記第２の基板を貼り合わせている材料の屈折率をｎ_２とし、前記コリメータの屈折率をｎ_３とし、前記コリメータの出射面（５２）の円錐形の凹部を構成する凸部の頂角の半分の角度δが
（数４）
δ＝ｓｉｎ^−１［ｎ＊ｓｉｎ｛９０−θ−ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ）｝］
を満たす値であるとしたとき、前記コリメータの出射面が角度＋δまたは角度−δの斜面が複数個配置されている請求項２又は３に記載の反射表示用照明装置。The collimator (5) disposed at the light emission port of the light source has a flat light incident surface, the refractive index of the first substrate is n, and the first substrate and the second substrate are bonded together. The refractive index of the material is n₂ , the refractive index of the collimator is n_3, and the angle δ which is half the apex angle of the convex portion constituting the conical concave portion of the exit surface (52) of the collimator is (Expression 4)
δ = sin⁻¹ [n * sin {90−θ−sin⁻¹ (n₂ / n)}]
4. Thereflection display illumination device according to claim 2, wherein a plurality of inclined surfaces having an angle of + δ or an angle of −δ are arranged on the exit surface of the collimator when the value satisfies the following condition.

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