JP5179563B2 - 照明構造、照明方法および携帯式コンピュータ - Google Patents

Description

本発明は平坦な表面から当該表面に近い方向を照明する照明構造に関し、さらに詳細にはフラット・デザインを採用する携帯式コンピュータのキーボード・ライトに利用が可能な照明構造に関する。

特許文献１は、キーボード表面を照射する照明装置（キーボード・ライト）を設けたノート・ブック型パーソナル・コンピュータ（以下、ノートＰＣという。）を開示する。照明装置はＬＥＤを収納するＬＥＤホルダで実現されている。表示装置の上縁は表示装置の表面に対して庇のように延びており、照明装置をその上縁に取り付けることでＬＥＤホルダからの光線が直下に配置されたキーボードを照射できるようになっている。

近年の携帯式コンピュータでは、表示装置の周囲の縁の表面と表示装置の表面とを同一の平面に存在させるようにしたいわゆるフラット・デザインという方式が採用されるようになってきた。この場合、表示装置の表面には庇のような構造物が存在しないので、特許文献１のような構造のキーボード・ライトを採用することはできない。また、ＬＥＤホルダをばね構造で支持してノートＰＣの蓋の開閉に応じて、筐体の内部から飛び出させたり筐体内部に押し込んだりする方法も考えられるが部品点数が増加したり表面に開口部が発生するので好ましくない。

特許文献２は、光源と導光板で構成した光照射装置を開示する。導光板は、光源から入射した光線を多重反射させて、底面に対する鉛直方向と水平方向の間から出射させるように構成している。特許文献３は、壁面に埋め込んで床を照射する照明装置を開示する。同文献の照明装置は、蛍光ランプから放射された光が楔型の導光体の内部で全反射を繰り返しながら進行する際に、臨界角を越えた時点で斜め下方向に徐々に出射していくようになっている。そして同文献には出射した光が壁面に対する法線に対して６５度±１０度の出射角で出射することが記載されている。

特開２００１−２２４７０号公報 特許第３９８２１７４号公報 特開平８−１７２０９号公報

特許文献３の方法は、全反射の繰り返しを利用するために長い導光体が必要になり、ディスプレイの周辺に実装するには適さない。また、キーボードのディスプレイに近い領域を照射できるほど出射角（屈折角）が大きな光線を含んでいないためその原理をキーボード・ライトに適用することはできない。特許文献２に記載された導光板を上下反転してキーボード・ライトに利用しようとする場合には、導光板は表面Ｆと裏面Ｒとの間で多重反射をするための長さが必要になり、かつキーボードの全体を照射できるほど大きな出射角の光線を含まないため特許文献３と同様の理由でキーボード・ライトへの適用には適さない。

そこで本発明の目的は、平坦な表面から表面に近い方向に光線を屈折させて照明できる照明構造を提供することにある。さらに本発明の目的は、入射角に応じて変化する光透過性パネルにおける光透過率の低減を補償しながら照度が均一な照明をすることができる照明構造を提供することにある。さらに本発明の目的は、携帯式コンピュータのキーボート・ライトに適した照明構造を提供することにある。さらに本発明の目的はそのような照明構造を採用した携帯式コンピュータ、およびそのような照明構造を利用した照明方法を提供することにある。

本発明は平坦な表面からその表面に近い方向に光線を放射する照明構造を提供する。本発明にかかる照明構造は、光透過性パネル、光源、および導光体で構成されている。光透過性パネルと導光体は両者の屈折率がほぼ等しい材料で形成することができる。光透過性パネルはそれぞれ平坦な表面と裏面を備える。光源は、光軸が光透過性パネルの裏面に対してほぼ臨界角となる傾斜角で配置される。導光体は光源と裏面との間に配置される。そして、光源が放射した光線は導光体および光透過性パネルを透過して屈折し光透過性パネルの表面に近い方向に進行する。

表面に近い方向を進行する光線は、光透過性パネルに垂直な照射面があるときには、当該照射面の光透過性パネルに近い領域を照明することができる。傾斜角は、光透過性パネルに入射する光の臨界角から当該臨界角よりも３度大きい角度の範囲で選定すると面的に広がる平坦な放射面から放射される光を有効に活用することができる。導光体は、光源の光が入射する入射面と、入射面に対向する位置に配置された出射面とを有し、出射面に入射した光線の一部が最大屈折角で屈折して光透過性パネルに入射するように構成することができる。

最大屈折角で導光体から出射した光線は、光透過性パネルの表面からも大きな屈折角で出射する。そのときの屈折角は最大屈折角から６０度の範囲とすることができる。導光体は、入射面と出射面に連絡し取り付け面を提供する平坦な底面と、入射面と出射面に連絡し底面に対向する位置に配置され、光軸を含む底面に垂直な平面で切断された断面が曲線で形成された反射面を備えるように構成することもできる。反射面は光源から直接入射した光を全反射させて出射面に入射させることができる。出射面は断面が３次曲線または円弧で形成することができる。

導光体は光源の光軸を進行する光線が出射面の曲線のなかで裏面に最も近い位置に入射するように構成することができる。さらに出射面の最も近い位置と裏面は離れていてもよいが、光透過性パネル上における光が出射する位置を導光体の位置に対してシフトさせないためには両者が接触していることが望ましい。導光体は底面に密着して配置され底面における全反射を抑制してそこに入射する光を吸収する吸収層を備えることができる。その結果、光透過性パネルの正面方向（法線方向）にはほとんど光線が進行しないため、キーボード・ライトに使用したときにユーザにまぶしさを感じさせないようにすることができる。吸収層は底面にスクリーン印刷で黒色インキを塗布して形成することができる。

本発明は、光線が光り透過性パネルを透過する際に、入射角に応じて変化する透過率の低減を補償しながら照度が均一な照明をする方法として捕らえることもできる。最初に、光軸が光透過性パネルの裏面に対してほぼ臨界角となる傾斜角で光源を配置する。つづいて、屈折角が小さくなるに従って光線密度が低下するように光源が放射した光線を最大屈折角から所定の範囲までの屈折角まで屈折させて導光体から出射する。最後に導光体から出射した光線を光透過性パネルの裏面から入射させて最大屈折角から所定の範囲までの屈折角で屈折させ表面から出射させる。導光体から出射した光線は屈折角が大きい光線群の光線密度が高くなる。そして、光透過性パネルでは入射角が大きい光線ほど光透過率が小さくなるため、照射面の照度は両者が補償されて均一になる。

本発明により、平坦な表面から表面に近い方向に光線を屈折させて照明できる照明構造を提供することができた。さらに本発明により、入射角に応じて変化する光透過性パネルにおける光透過率の低減を補償しながら照度が均一な照明をすることができる照明構造を提供することができた。さらに本発明により、携帯式コンピュータのキーボート・ライトに適した照明構造を提供することができた。さらに本発明によりそのような照明構造を採用した携帯式コンピュータ、およびそのような照明構造を利用した照明方法を提供することができた。

本実施の形態にかかる照明構造に適用する照明アセンブリを説明する図である。 空気とアクリルの境界面における光線の挙動を説明する図である。 入射面に照射した平行光線が対向面に入射する際の入射角αを位置ごとに示す図である。 照明アセンブリにおける典型的な光線の経路を示す図である。 照明アセンブリを壁に取り付けて壁の開口から照射面の壁に近い領域を照射する第１の照明構造を説明する断面図である。 照明アセンブリの配向特性を説明する図である。 透過性のパネルを通過する光線の特性を説明する図である。 照明アセンブリをアクリル板の裏側に配置して照射面のアクリル板に近い領域を照射する第２の照明構造を説明する断面図である。 照明アセンブリをアクリル板の裏側に配置して照射面のアクリル板に近い領域を照射する第２の照明構造を説明する断面図である。 照明アセンブリをキーボード・ライトに適用する例を説明する図である。 ディスプレイ筐体の表面を覆うアクリル板の構成を説明する図である。 光軸の傾斜角を決定する方法を説明する図である。 導光体の断面形状の他の例を示す図である。

［照明アセンブリ］
図１は、本実施の形態にかかる照明構造に適用する照明アセンブリを説明する図である。図１（Ａ）は照明アセンブリ１０の前方斜め上からみた斜視図で、図１（Ｂ）は上から見た平面図で、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）のＡ−Ａ矢視において、光源２３の光軸を含み幅Ｗ方向の中心でかつ底面に垂直な平面で切断した断面図である。導光体１１は、Ａ−Ａ矢視の断面に平行な平面でいずれの場所で切断しても図１（Ｃ）の形状になっている。

導光体１１は、材料に光の透過率が高いアクリル（ＰＭＭＡ)樹脂を使用して圧縮成形や射出成形などの方法で一体成形している。導光体１１は、入射面１３と底面１２と対向面５０と側面１９、２１を含んでいる。入射面１３と側面１９、２１は底面１２に対して垂直な平面である。導光体１１は、一例として幅Ｗを１２ｍｍ、長さＬを６ｍｍ、高さＨを２．５ｍｍとしている。対向面５０の断面における形状は３次曲線を採用したり、所定の半径および中心角の円弧を組み合わせたり、さらにそれらに直線を組み合わせたりして形成することができる。

光源２３には発光ダイオードを採用している。光源２３の放射面は一例として直径２ｍｍの放射面からその中心をとおり放射面に垂直な光軸に対して６０度の角度で円錐状に光線が放射するように構成されている。光源２３から放射された光は入射面１３を通じて導光体１１に進入する。対向面５０のなかで、入射面１３に対向する領域を先端部ということにする。対向面５０には、先端部に出射面５１を定義し、出射面５１と入射面１３との間に反射面５３を定義することができる。出射面５１は光源２３が放射した光が導光体１１から空気中に出射する領域である。

出射面５１には、入射面１３から入射した光が、内部で一度も全反射しない光線と、反射面５３で一度だけ全反射した光線が入射する。導光体１１の内部で一度も全反射しないで対向面５０に入射する光線を直接光線といい、対向面５０で１回または複数回全反射してから入射する光線を反射光線ということにする。以下、最初の全反射を一次全反射といい、１次全反射した光線の全反射を二次全反射という。直接光線と反射光線の中で対向面５０に、臨界角未満の入射角で入射した光線は対向面５０を透過して空気中に出射し、臨界角を越える入射角で入射した光線は全反射する。

したがって、出射面５１を光源２３の光が出射する導光体の領域としと定義すれば、その範囲は入射する光線ごとに異なることになる。本明細書においては、光源２３が放射したいずれかの直接光線または反射光線が出射する導光体１１の先端部にある対向面５０の領域を出射面５１ということにする。本明細書では導光体１１の内部に生ずる散乱光の挙動については必要がないので説明を省略する。

導光体１１の底面１２には、底面１２との間に空気層が形成されないように密着させて配置した吸収層２５が設けられている。吸収層２５の底面２７は、照明アセンブリ１０の底面に相当し、照明アセンブリ１０の取り付け面を提供する。吸収層２５は、入射光が導光体１１の底面１２で全反射しないようにアクリルの屈折率に近い材料で形成されている。したがって、底面１２に臨界角を越える入射角で入射した光は全反射しないで吸収層２５に入る。

本実施の形態では吸収層２５に黒色系の半透明の材料を使用することで吸収層２５に入射した光を吸収し、入射光が吸収層２５の底面２７と空気または取り付け材料との境界で全反射して対向面５０に入射しないようにしている。吸収層２５は、黒色のインクを導光体１１の底面１２にスクリーン印刷により塗布することで形成することができる。ただし、底面１２と吸収層２５との間に空気層を挟まないこと、入射光を効率的に吸収できること、およびアクリルと屈折率が近いことの３つの条件を満たすことができれば、吸収層２５を黒色の樹脂と透明な樹脂との２色の材料で成型した他の材料または他の方法で形成することができる。

［屈折角と反射角］
図２は、空気と接するアクリル板の内部の光線の挙動を説明する図である。屈折率はアクリル板６１が約１．５で空気が１である。この場合スネルの法則によりアクリル板６１と空気の境界６３にアクリル板６１の内部から入射する光線の臨界角θｍは４２度となる。図２（Ａ）は、０度から臨界角θｍまで入射角αを変化させた光線が境界板６１に入射するときの様子を示す。入射角αが臨界角θｍ未満の間は入射光線が屈折角β（β＞α）でアクリル板６１から空気中に出射される。このときの入射角αと屈折角βの関係を図２（Ｃ）に示す。

図２（Ｃ）からは、入射角αが３５度程度までは屈折角βは入射角αにほぼ比例して増加するが、入射角αが３５度を超えたあたり（屈折角が６０度に対応）から入射角の増加の割合に対して屈折角βが増加する割合が増大し、臨界角θｍに近づくにしたがって屈折角βが急激に増大することがわかる。屈折角βは入射角αが臨界角θｍに到達する直前に最大になるが、このときの入射角を透過最大入射角といい屈折角を最大屈折角ということにする。

後に説明する本実施の形態の照明構造では、出射面５１に各入射位置で３５度≦α＜θｍの範囲の入射角αで入射する光線ができるだけ多くなるように光源２３の光軸の方向、出射面５１の形状、および反射面５３の形状などを決めている。図２（Ｂ）は、臨界角θｍを越えた入射角αで入射する光線が境界６３において反射角γで全反射する様子を示す。全反射する場合は入射角αと反射角γが一致するように光線が進行する。

［平行光線の対向面に対する入射角］
図３は、入射面１３の全体に平行光線を放射する面光源を配置した場合に、平行光線が対向面５０に入射する際の入射角αを底面１２に対応する対向面５０の位置ごとに示す図である。ここでは、対向面５０の全体を３次曲線で形成した例で説明する。対向面５０に対する入射角αは、対向面５０上での位置が入射面１３から遠ざかるにしたがって小さくなり、入射面１３側から測定した底面１２の長さＰに対応する位置で臨界角θｍに達する。そして、さらに前方に近付くにしたがって入射角αが低下し、対向面５０の最も先端に相当する底面１２の長さＬの位置では入射角αがゼロになる。よって対向面５０は底面１２に平行な光線に対し底面の長さＰに対応する位置までは全反射し、長さＰから長さＬに対応する位置までは透過するように作用する。

よって、底面１２に平行な光線に対する対向面５０は、長さ０から長さＰに対応する位置までは反射面５３となり、長さＰから長さＬに対応する位置までが出射面５１となる。ここでは３次曲線を例示して説明したが、図のように変曲点がなく外側に膨らんだ連続する曲線の場合は、臨界角の位置はそれぞれ異なるが入射面１３からの距離と入射角の関係は同様の傾向になる。実際の光源２３は入射面１３に対して光軸に平行な光線だけを放射するものではなく、さらに光源２３の放射面は入射面１３の面積より小さく約６０度の円錐ビーム状に広がる配向特性を備えているので、対向面５０のそれぞれの位置にはさまざまな入射角αで光線が入射する。

［照明アセンブリの光線の経路］
図４は、照明アセンブリ１０における典型的な光線の経路（光路）を示す図である。図４は、図１のＡ−Ａ矢視の光軸１００を通り底面１２に垂直な断面を示している。ここでは、図１に示したサイズの導光体において、対向面５０の先端部を断面が半径１．５ｍｍで中心角が６０度の円弧で形成し、それ以外の領域を半径９ｍｍで中心角が３０度の円弧で形成している。光源２３は底面１２に垂直な放射面から、入射面１３に６０度の広がりで円錐ビーム状の光を放射しており、図では放射光の上下方向の外延を光線１０１と光線１０９で示し、光源２３の放射面の上下方向の範囲を位置Ｓ１と位置Ｓ３で示している。

光源の中心位置Ｓ２を通り放射面に垂直な光軸１００上を光線１０６が進行する。光軸１００は、底面１２に平行になるように入射面１３と光源２３の放射面が調整されている。また、光線１０６が入射する対向面５０上の位置Ｐ５の接線１３１に対する光線１０６の入射角は、臨界角に一致するように光源２３の高さ方向の位置を設定している。

最初に光源の位置Ｓ１と位置Ｓ３の間から放射されて、対向面の位置Ｐ５に入射する直接光線の経路を説明する。図４ではこの場合の代表的な光線として、光線１０５、１０６、１０７を示している。光源の位置Ｓ２よりわずかに位置Ｓ３よりの位置から放射されて位置Ｐ５に入射する直接光線は入射角が臨界角θｍよりわずかに小さくなって透過し、図２（Ｃ）から明らかなように最大屈折角で屈折して光線１２１として出射する。出射する光線１２１の方向は、接線１３１よりもわずかに右方向に回転している。光源の位置Ｓ２と位置Ｓ３の間から放射されて位置Ｐ５に入射する直接光線は、放射位置が位置Ｓ３に近づくにしたがって入射角が小さくなり、光線１２１が位置Ｐ５を中心にして矢印Ａで示す右回りに回転した方向に出射する。

光源の位置Ｓ２よりわずかに位置Ｓ１に近づいた位置から放射された直接光線は、臨界角に近い反射角で全反射して底面１２に入射する。光源の位置Ｓ２と位置Ｓ１の間から放射されて位置Ｐ５に入射する直接光線は、放射位置が位置Ｓ１に近づくにしたがって入射角が大きくなって反射角も大きくなるため、底面１２と対向面５０が連絡する位置Ｐ８に近づくような底面１２上の位置に入射する。底面１２に入射した光線は、吸収層２５でほぼ吸収されるため底面２７ではほとんど全反射が発生しない。

つぎに光源の位置Ｓ１と位置Ｓ３の間から放射されて光軸１００に平行な光線の経路について説明する。図３（Ａ）から類推できるように、光源の位置Ｓ１と位置Ｓ２の間から放射された光軸１００に平行な光線は入射角が臨界角を越えるので位置Ｐ４と位置Ｐ５の間で一次全反射して底面１２に入射するか対向面５０の先端部で二次全反射して底面１２に入射する。図４では光線１０４が位置Ｐ４で一次全反射して底面１２に入射する様子を示している。光源の位置Ｓ２と位置Ｓ３の間から放射された光軸１００に平行な光線は、入射角が臨界角よりも小さくなるのですべて透過する。

光源の位置Ｓ２よりわずかに位置Ｓ３よりの位置から放射された光軸１００に平行な光線は図２（Ｃ）から明らかなように透過最大入射角で対向面５０に入射して透過し最大屈折角で屈折する。そして、放射位置が位置Ｓ３に近づくにしたがってあるいは入射位置が位置Ｐ６に近づくにしたがって、入射角および屈折角が小さくなりそれぞれの入射位置での接線から離れる方向に進行する。図４では、光線１０８が位置Ｐ６で透過して光線１２３として出射する様子を示している。透過光の屈折角は、それぞれの入射位置での入射角により、最大屈折角からそれより所定範囲だけ小さい範囲の屈折角まで各放射位置により連続的に変化する。

つぎに、光源２３から放射されて対向面の位置Ｐ４から位置Ｐ６の範囲以外の位置に入射する代表的な直接光線の経路を説明する。照明アセンブリ１０は光線１０１が対向面５０の位置Ｐ１で全反射するように光学的な形状を設定している。したがって、位置Ｐ１から対向面５０と入射面１３が連絡する位置である位置Ｐ０までの範囲は光学的に機能しない。また、光線１０９は直接底面１２に入射するが、底面１２では全反射しないで吸収層２５で吸収される。

光源２３から対向面の位置Ｐ１からＰ４までの間に入射する直接光線は、この例ではいずれも対向面５０で一次全反射する。図４には、光線１０１が位置Ｐ１で一次全反射して底面１２に入射し、光線１０２が位置Ｐ２で一次全反射して位置Ｐ７に入射し透過する様子を示している。位置Ｐ７から出射する光線１０２は、位置Ｐ５における接線１３１よりも右方向（導光体１１に近付く方向）に進行する。光線１０３は位置Ｐ３で一次全反射して位置Ｐ６と位置Ｐ７の間で二次全反射し底面１２に入射する。このように位置Ｐ１から位置Ｐ４までの間で一次全反射した反射光線は、位置Ｐ６と位置Ｐ８の間に入射して透過するものを含むが、対向面５０で一次全反射した光線のなかで、さらに対向面５０で二次全反射する光線はほとんどが底面１２に入射して対向面５０から出射しない。

光源２３から放射されて対向面の位置Ｐ６と位置Ｐ８の間に入射する直接光線は、この例においては、一次全反射して底面１２に入射するかまたは透過する。位置Ｐ６と位置Ｐ８の間で透過する直接光線は、光線１０２のように接線１３１よりも左方向に回転した方向（導光体１１に近付く方向）に屈折するものを含む。光源２３から放射されて対向面５０の先端部分に入射する直接光線の多くは、屈折角が最大屈折角から約６０度の範囲となり、それぞれの光線の入射位置における接線にほぼ近い方向から接線に対して約３０度までの間で方向を変えて出射する。

以上は、照明アセンブリ１０の典型的な光線の経路を説明したものであるが、照明アセンブリ１０の第１の特徴は、光軸１００上にある位置Ｐ５から位置Ｐ８までの曲面で形成された領域が、そこに入射するさまざまな経路の光線を透過させて最大屈折角から所定の屈折角の範囲までの屈折角で屈折さて放射する点にある。なお、所定の屈折角は６０度から４５度程度の範囲に設定することもできる。第２の特徴は、吸収層２５により底面１２における全反射を抑制することで反射面５３から出射する光線を抑制している点にある。第３の特徴は対向面５０上の位置Ｐ１と位置Ｐ４の範囲にある対向面５０は、そこに入射する光線を一次全反射させ、その一部の光線を位置Ｐ５から位置Ｐ８の範囲に入射させて透過するようにしている点にある。

導光体１１は、先端部分に形成された最大屈折角から６０度程度までの範囲の屈折角で入射光を屈折させる対向面５０を利用して、光軸１００に対して下向きの方向または底面１２の方向を照射するのに適した構造になっている。そして、対向面５０と底面１２との間での多重全反射を利用するものではないため導光体の長さＬは光学的な制約を受けない。したがって、対向面５０からの一次全反射の光線を照明に利用する必要がない場合は、長さＬを物理的に可能な範囲まで短くすることができる。よって照明アセンブリ１０は、特に小型の電子機器に組み込む上で有利な構成になっている。

［第１の照明構造］
つぎに図５の断面図を参照して、照明アセンブリ１０を壁に取り付けて照射面２０３の壁に近い領域を照射する第１の照明構造を説明する。壁２０１は照射面２０３から上方に垂直に延びている。照明アセンブリ１０が照射する範囲は壁からの距離Ｌ２で示している。壁の位置から距離Ｌ２の半２にある照射面２０３の領域を要求照射領域という。照明アセンブリ１０は、図４と同じ断面を示しているが、光源２３の光軸１００上を進行する光線１０６が入射する対向面５０上の位置Ｑ５は、壁の表面２０５から最も飛び出た位置であるが図４の位置Ｐ５とはわずかに異なっている。

その理由は、面積的に広がる光源２３の放射面から放射される光線を有効に活用するために光軸１００を壁の表面２０５に対して傾斜角θで傾斜させて、傾斜角θを臨界角θｍ（４２度）よりわずかに大きい４５度にした点にあるが、これについては図１２を参照して後に説明する。ここに傾斜角θは、壁の表面２０５の法線に対する角度をいう。

壁２０１には、照明アセンブリ１０を固定する位置に開口２０２が形成されている。壁２０１は位置２０９でわずかに内側に傾斜してさらに傾斜角θで傾斜した取り付け部２０７に連絡する。照明アセンブリ１０は取り付け部２０７に底面２７が取り付けられる。第１の照明構造においては、照明センブリ１０を壁２０１に取り付けることは一例であり、壁２０１を利用しないで取り付けてもよい。底面２７と光軸１００は平行なので、光軸１００は壁の表面２０５に対して傾斜角θで傾斜していることになる。壁２０１が位置２０９でわずかに壁の内側方向に傾斜しているのは、導光体１１の先端部分に形成された出射面が出射する光線を有効に照射面２０３の照明に利用するためである。

また、光軸１００を照射面２０３に対して傾斜させたのは、位置Ｑ５における接線２２１の方向から３０度程度の範囲の方向までに存在する照射面２０３の要求照射領域に多くの光線を照射するためである。対向面５０の先端部の一部は、開口２０２を通じて壁の表面２０５よりもわずかに外側に突き出ている。光軸１００上を進行する光線１０６が入射する対向面５０上の位置Ｑ５は、対向面の中で壁の表面２０５から外側に最も飛び出た位置になるように光源２３の入射面に対する位置を設定している。位置Ｑ５と壁の表面２０５との間隔Ｌ１は約２ｍｍに設定している。間隔Ｌ１は、有効照射領域の壁２０１に近い領域に要求される照度および光源の輝度などに基づいて決定することができる。位置Ｑ５における接線２２１は、壁の表面２０５に平行または照射面２０３に垂直になるように設定している。

この照明構造では、対向面５０上の位置Ｑ５から位置Ｑ８の間が要求照射領域を有効に照射する出射面となる。対向面５０上の位置Ｑ５から位置Ｑ４までの間では、それぞれの位置における接線が照射面２０３において距離Ｌ２の範囲に入る位置に入射した光線の一部が、要求照射領域を照射することができる。したがって、位置Ｑ４と位置Ｑ５の間で位置Ｑ５の近辺にある対向面５０も出射面になる。

出射面の範囲にある代表的な位置Ｑ５および位置Ｑ６に光源２３から入射した直接光線または一次全反射した反射光線は、入射角に応じて接線２２１または接線２２３に対して最大屈折角から約６０度までの範囲の屈折角で出射して要求照射領域を照射することができる。また位置Ｑ５から位置Ｑ８の範囲に入射した直接光線または反射光線は、出射面から最も突き出ている位置Ｑ５に対する接線２２１を含む接平面よりも壁の表面２０５の方向に出射する光線２２５も含む。

なお図５では、導光体１１と光源２３を壁２０１の内側に配置して壁に形成した開口２０２を利用して導光体１１の一部を壁の表面２０５より外側に配置する例を示したが、本発明はこのような配置方法に限定するものではない。たとえば壁の端部に形成した切り欠きを利用したり、壁に形成した窪みの中に導光体と光源を配置して導光体の少なくとも一部の領域が壁の表面より突き出るようにしたりして配置することができる。

［照明アセンブリの配向特性］
図６は、図４に示した照明アセンブリ１０の配向特性を説明する図である。代表例として光源２３の中心位置Ｓ２から位置Ｓ３の範囲の放射面から放射されて対向面５０から出射する直接光線の経路を説明する。図６には、位置Ｓ２から位置Ｓ３までの等しい間隔の放射面上の位置から放射される直接光線の光線群２５１を示している。光源の位置Ｓ２から放射されて光軸１００上を進行する光線は、対向面５０上の位置Ｒ１から最大屈折角で出射して照射面２３１の壁２０１に最も近い位置を照射する。

位置Ｒ１に入射した光線群２５１は、それぞれの入射角に対応する屈折角で出射して照射面２３１の壁２０１に近い領域である光線２５１から光線２５３の範囲で画定される領域を照明する。対向面５０上の位置Ｒ２は光源２３からの光線群に対して位置Ｒ１よりも小さな入射角を与える。したがって、位置Ｒ２では光源の位置Ｓ２よりも位置Ｓ１に近い位置から放射された光線も出射することができる。光源２３から放射されて位置Ｒ２に入射した直接光線の光線群は、照射面２３１の光線２５５から光線２５７の範囲で画定される領域を照明する。

対向面５０上の位置Ｒ２は光源２３からの光線群に対して位置Ｒ２よりも小さな入射角を与える。したがって、位置Ｒ３では位置Ｒ２に入射する光線よりもより位置Ｓ１に近い位置から放射された光線も出射することができる。光源２３から放射されて位置Ｒ３に入射した直接光線の光線群は、この例では壁２０１から最も遠い領域である照射面２３１の光線２５９から光線２６１で画定される領域を照明する。

位置Ｒ１から位置Ｒ３までの対向面５０は、断面の形状が円弧で形成されているためそれぞれの位置に異なる入射角で入射した光線は、光線の密度が壁２０１に近い位置では高くなり壁２０１から離れるに従って低くなる配向特性の光線として出射する。したがって図５の照明構造では、照射面２３１の照度が壁２０１に近い位置で高くなり壁２０１から離れるに従って低くなる。図５の照明構造は、壁２０１の近辺にある照射面２０３を照射する上では有効であるが、照度のムラを排除することが必要な場合もある。照明アセンブリ１０は照射面２０３の照度ムラを排除することができる照明構造に適用することもできるので以下にその方法を説明する。

［第２の照明構造］
図７（Ａ）は透明なアクリル板に入射した光線が出射するときの様子を説明する図である。アクリル板３０１はそれぞれ平坦な入射面３０３と出射面３０５を備えている。入射光３０５は空気中から入射面３０３に入射角α１で入射し、アクリル板３０１の内部を透過光３０７となって透過して、出射面３０５から屈折角β２の出射光３０９となって出射する。入射角α１と屈折角β２は等しく、入射角α１が０度を超えるときは入射光３０５と出射光３０９は平行になり、入射角が０度のときは入射光３０５と出射光３０９は同一直線上を進行する。

アクリルの屈折率は空気の屈折率より大きいため入射角の大きさにかかわらず入射面３０３では全反射は発生せず、すべての入射光はアクリル板３０１の中に入り込む。また、透過光３０７が出射面３０５に入射する入射角は、つねに臨界角よりも小さくなるので出射面３０５では全反射が発生しない。いま、アクリル板３０１の内部での光の吸収や散乱がないとしたときに、可視光領域での入射光３０５に対する出射光３０９の放射発散度の割合として与えられる透過率は、フレネル反射の式で計算することができる。

図７（Ｂ）は、フレネル反射の式で計算した入射光３０５に対する出射光３０９の入射角α１ごとの透過率を示す図である。透過率は入射角α１が０度から５０度程度までは９２％程度でほぼ一定であるが、入射角が６０度を超えると急激に低下し、８５度では２０％程度まで低下する。このことは、透明なアクリル板３０１の表面を大きな入射角の光線で照射したときに、出射面３０５からはそれに応じた大きな屈折角β２の光線が出射するが、出射光の放射発散度が低下して出射面３０５に近い方向では十分な照度を確保できないことを意味する。

図８はこの問題を解決した第２の照明構造を説明する図である。第２の照明構造は、図５で説明した第１の照明構造において、開口２０２を設けないで照明アセンブリ１０の前面に光透過性の平坦なアクリル板４０１を配置したものである。アクリル板４０１は、照射面２０３に垂直に配置されており、光源２３の光線が入射する入射面４０１ａと光線が出射する出射面４０１ｂを備えている。入射面４０１ａと出射面４０１ｂはいずれも平坦に形成されている。アクリル板４０１の厚さは一例では１．２ミリ・メートルとすることができる。また一例として、アクリル板４０１は導光体１１と屈折率が等しくなるように選定している。

光軸１００は、入射面４０１ａに対して傾斜角θで傾斜している。傾斜角θは光軸１００上を進行する光線４０３が出射面５１から最大屈折角に近い屈折角で出射するように選定している。入射面４０１ａと対向面５０は光線４０３が入射する入射面４０１ａ上の位置４０９で接触するように配置されている。アクリル板４０１と導光体１１の屈折率は等しいため光線４０３は入射面４０１ａで屈折しないでアクリル板４０１の中を進行し、出射面４０１ｂ上の位置４１１から最大屈折角に近い屈折角で空中に出射する。導光体１１は、入射面４０１ａに位置４０９以外の場所では接触しないため、位置４０９以外の対向面５０上の位置から出射する光線は、一旦空気中を進行してから入射面４０１aに入射する。

図８では、光源の位置Ｓ１から放射された光線４０７と光源の位置Ｓ３から放射された光線４０５の経路を示している。図７（Ａ）で説明したように、入射面４０１ａに入射する光線と出射面４０１ｂから出射する光線は平行になる。したがって、位置４０９から入射する光線以外の光線は、図６で説明したように照射面２３１の壁２０１に近い位置ほど光線の密度が高くなるように空気中に出射して図６とほぼ同じ配向特性で放射面４０１ｂから放射される。位置４０９から入射する光線４０３は、アクリル板４０１の厚さ分だけ位置４０９よりも下に下がった位置４１１から出射するが、出射光４０３の方向は直接対向面５０から空気中に出射する場合の光線の方向と同じである。

したがって、アクリル板４０１から出射する光線の配向特性は、全体として図６とほぼ同じになって最大屈折角から約６０度までの範囲の屈折角で出射して要求照射領域を照射することができる。ここで、図７（Ｂ）の入射角α１と透過率の関係をみると、入射角α１が大きいほど透過率が小さくなっている。この性質は導光体１１で大きな屈折率で屈折しさらにアクリル板４０１を通過して大きな屈折率で出射した光線に対して照射面２０３の照度のムラを相殺し、照射面２０３上の壁２０１の位置からの距離に対応する領域の照度を均一にするように作用する。

図８では、導光体１１の一部が入射面４０１ｂに接触するように配置したが、図９に示すように導光体１１の先端部と入射面４０１ａは間隔Ｌ３だけ離隔して配置してもよい。その場合は、対向面５０から出射する光線はすべて空気中を下側に進んでから入射面４０１ａに入射する。入射する位置は、導光体１１と入射面４０１ａの間隔が大きくなるほど下側になるが、出射面４０１ｂから出射する光線の配向特性は両者を接触させた場合とほぼ同じになる。

［照明アセンブリの適用例］
図１０は、照明アセンブリ１０をノートＰＣに適用した例を示す図である。ノートＰＣ５００は、ディスプレイ筐体５０１がシステム筐体５０５にヒンジ５０３で結合されて開閉可能なように支持されている。ディスプレイ筐体５０１は液晶表示装置（ＬＣＤ）５０９を収納している。システム筐体５０５の表面にはキーボード５０７が実装されている。ＬＣＤ５０９の周囲は、縁枠５１１ａ〜５１１ｄで囲まれている。縁枠５１１ａ〜５１１ｄは、ＬＣＤ５０９とディスプレイ筐体５０１の隙間を隠す役割を果たす。ディスプレイ筐体５０１のＬＣＤ５０９側の表面は、１枚の透明で平坦なアクリル板５２１（図１１参照）で覆われている。

図１１は、ディスプレイ筐体５０１の表面を覆うアクリル板５２１の平面図である。アクリル板５２１は厚さが１．２ミリ・メートルの薄板である。アクリル板５２１は縁枠５１１ａ〜５１１ｄに相当する領域が黒色系のインクがスクリーン印刷されている。そして縁枠５１１ｂの中央部では一部にスクリーン印刷を施さない領域を設けてウインドウ５２３を形成している。ウインドウ５２３は、図８、図９で説明した第２の照明構造のアクリル板４０１に対応する。ウインドウ５２３のサイズは、一例として１２ミリ・メートル×６ミリ・メートルとしている。ウインドウ５２３の裏側において、ディスプレイ筐体５０１に照明アセンブリ１０が取り付けられる。照明アセンブリ１０は、アクリル板４０１に取り付けることもできる。

照明アセンブリ１０は、アクリル板５２１の裏面に対する法線に対して光軸が傾斜角θで傾斜するように取り付けられる。照明アセンブリ１０は、導光体１１をアクリル板１１の裏側に設けるため、アクリル板５２１の表面を完全な平面にするデザイン上の要求に対応することができる。そして、ディスプレイ筐体５０１を開いた状態では、照明アセンブリ１０の出射面５１から出射した光線がウインドウ５２３を透過してキーボード５０７を照射することができる。しかも、キーボード５０７上の照度は全体に渡って均一になる。

［傾斜角θの決定方法］
つぎに図１２を参照して、第１の照明構造および第２の照明構造において、光軸１００の照射面２０３に対する傾斜角θを４５度にして臨界角より３度大きくした理由を説明する。図１２（Ａ）は、照明アセンブリ１０を底面に並行で光軸を含む平面で切断した断面を示す。ライン２３１は、図５の接線２２１を含む接平面２３１が切断されて形成されている。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）のＢ−Ｂ矢視において底面に垂直で光軸を含む平面で切断した断面図である。図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）のＣ−Ｃ矢視において底面に垂直で光線１６ｃを含む平面で切断した断面図である。図１２（Ａ）で光線１０６ａ、１０６、１０６ｃは同一平面上を進行して、それぞれ接平面２３１に接する対向面上の位置Ｑ１ａ、Ｑ１、Ｑ１ｃに入射する。

図１２（Ｃ）において、接線２３１ｃは接平面２３１を切断した状態を示し、図１２（Ｂ）の接平面２３１を切断した接線２２１よりわずかに左方向に回転している。すなわち、対向面上の位置Ｑ１ｃでは、光軸を含み底面に平行な平面上を進行する光線１０６ｃの入射角θｃは、光軸上を進行して対向面上の位置Ｑ１に入射する光線１０６の入射角θよりも小さくなる。光線１０６ａが入射する位置Ｑ１ａでも同様になる。

図１２（Ｂ）において、接線２２１の法線２５１に対する角度は４５度の傾斜角θに対応する。したがって、光軸１００上を進行する光線は対向面の位置Ｑ１で一次全反射するので有効に利用できない。しかし、光源２３の放射面は、上下方向に面積的な広がりをもっているため、光線１０５と光線１０７は光軸１００に対してそれぞれ約８度程度傾斜する。したがって、放射面の位置Ｓ５から放射された光線が対向面の位置Ｑ１から最大屈折角で出射するとすれば、位置Ｓ５より下側の位置から放射された光線はすべて位置Ｑ１から出射する。

これに対して光線１０６ｃが接平面２３１に入射する位置Ｑ１ｃでは光線１０６ｃの入射角θｃは、傾斜角θよりも約５度小さくなる。したがって、放射面の位置Ｓ６から放射された光線が対向面の位置Ｑ１ｃから最大屈折角で出射するとすれば、放射面の位置Ｓ６より下側の位置から放射された光線はすべて位置Ｑ１ｃから出射する。位置Ｑ１ａに対する光線も同様に出射する。よって、位置Ｑ１ａ、Ｑ１、Ｑ１ｃを含む接平面２３１に接する対向面の位置に入射する光線の中で、図１２（Ａ）の平面上で光軸上の位置Ｑ１を挟んだＸａからＸｃの範囲に入射した光線は透過しない。

しかし光軸よりも下方向にある放射位置から放射されて、位置Ｑ１ａとＸａの間または位置Ｑ１ｃと位置Ｘｃの間に入射する光線は透過するので、光源全体から放射される光線の利用率が高くなるようになっている。このように傾斜角θを４５度にすることで、特に接線２２１にほぼ平行に出射する光線の量を多くして壁２０１に近い領域を照明する光線の入射効率を高めることができる。なお、傾斜角θは臨界角である４２度から４５度の範囲に選定することができる。

［導光体の他の例］
図１３は、導光体の断面形状の他の例を示す断面図である。図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）はいずれも図１のＡ−Ａ矢視に対応する位置での断面を示し、さらに底面には吸収層を備えているものとする。図１３（Ａ）の導光体では対向面５０１が、位置Ｔ１から位置Ｔ３までの範囲の平面状の出射面５０３と、３次曲線または所定の半径および中心角の円弧で形成された反射面５０５を備えている。

光源２３の光軸に対する出射面５０３の傾斜は、光軸上を進行する光線５０７が出射面５０３の位置Ｔ２に対して臨界角で入射するように設定している。この場合、光源の位置Ｓ１からＳ３の間から光軸に平行に放射された光線は透過しないが、臨界角よりも小さな角度で入射する光線は透過する。屈折角は、出射面５０３における入射位置と光源の放射位置で決まるが、最大屈折角から所定の範囲までの角度で均等に分散する屈折角の出射光を得ることができる。

ただしこの場合は、反射面５０５で一次全反射して出射面５０３に入射する光線は、出射面５０３で二次全反射して底面５０９に入射するため光源２３から放射される光の利用率は低下する。これを補うために、点線で示したように位置Ｒ２から底面５０９に垂直な平面を形成することもできる。そして出射面５０３を光軸に対してさまざまな角度で傾斜する平面が隣接するように形成すると、最も効率のよい図４の形状に到達することになる。

図１３（Ｂ）は、出射面５１３を図４の出射面と同じ形状にし、反射面５１５を平面状に形成した例を示す。図１３（Ｃ）は、出射面を含む対向面の領域５２１は図４と同じ形状であるが、光源に近い領域５２３は光源に近付くにしたがって底面５２５側に湾曲している。領域５２３は、入射光の入射角および反射角を大きくして一次全反射した光線ができるだけ多く出射面に入射できるようにしている。図１３（Ｄ）は、光軸５３７を傾斜角θで傾斜させて照明アセンブリを取り付ける場合に、導光体自体を傾斜させないで取り付けることができるようにしたものである。図１３（Ｄ）では、光軸に対して傾斜角θで交わる平面５３１と、平面５３１と入射面５３５を連絡する領域５３３で形成されている。

これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることはいうまでもないことである。

１０…照明アセンブリ
１１…導光体
１２…導光体の底面
１３…入射面
２３…光源
２５…吸収層
２７…照明アセンブリの底面
５０…対向面
５１…出射面
５３…反射面
１００…光軸
４０１、５２１…透明なアクリル板
５００…携帯式コンピュータ
５２３…ウインドウ

Claims (15)

1. 平坦な表面から該表面に近い方向に光線を放射する照明構造であって、
   それぞれ平坦な表面と裏面を備える光透過性パネルと、
   光軸が前記光透過性パネルの裏面に対してほぼ臨界角となる傾斜角で配置した光源と、
   前記光源と前記裏面との間に配置した導光体とを有し、
   前記光源が放射した光線が前記導光体および前記光透過性パネルを透過して屈折し前記表面に近い方向を照射する照明構造。
2. 前記傾斜角が前記臨界角から前記臨界角よりも３度大きい角度の範囲で選定される請求項１に記載の照明構造。
3. 前記光透過性パネルから出射する光線が最大屈折角から６０度の範囲で屈折する請求項１または請求項２に記載の照明構造。
4. 前記導光体が、前記光源が放射した光線が入射する入射面と、該入射面に対向する位置に配置された出射面とを有し、前記出射面に入射した光線の一部が最大屈折角で屈折して前記光透過性パネルに入射する請求項１から請求項３のいずれかに記載の照明構造。
5. 前記導光体が、
   前記入射面と前記出射面に連絡し取り付け面を提供する平坦な底面と、
   前記入射面と前記出射面に連絡し前記底面に対向する位置に配置され、光軸を含む前記底面に垂直な平面で切断された断面が曲線で形成され、前記光源から直接入射した光線を全反射させて前記出射面に入射させる反射面と
   を有する請求項４に記載の照明構造。
6. 前記出射面の断面が３次曲線または円弧で形成されている請求項４または請求項５に記載の照明構造。
7. 前記光源の光軸を進行する光線が前記出射面のなかで前記裏面に最も近い位置に入射する請求項６に記載の照明構造。
8. 前記最も近い位置と前記裏面が接触している請求項７に記載の照明構造。
9. 前記底面に密着して配置され前記底面における全反射を抑制して入射光を吸収する吸収層を備える請求項５から請求項８のいずれかに記載の照明構造。
10. 前記吸収層が前記底面にスクリーン印刷で塗布された黒色系のインクで形成されている請求項９に記載の照明構造。
11. ディスプレイを収納するディスプレイ筐体と、
    前記ディスプレイ筐体の表面に配置した表面パネルと、
    表面にキーボードが実装されたシステム筐体と、
    前記表面パネルの一部を前記光透過性パネルとして利用した請求項１から請求項１０のいずれかに記載の照明構造と
    を有する携帯式コンピュータ。
12. ディスプレイを収納するディスプレイ筐体と、
    表面と裏面を有し前記ディスプレイ筐体の表面を覆う光透過性パネルと、
    キーボードが実装されたシステム筐体と、
    光軸が前記裏面に対してほぼ臨界角となるように配置した光源と、
    前記光源と前記裏面との間に配置した導光体とを有し、
    前記ディスプレイ筐体を前記システム筐体に対してほぼ直角になるように開いたときに前記光源が放射した光線が前記導光体および前記光透過性パネルを透過して屈折して前記キーボードを照射する携帯式コンピュータ。
13. 前記導光体が配置される領域を除いた前記光透過性パネルの周囲の領域にスクリーン印刷で黒色系のインクを塗布した請求項１２に記載の携帯式コンピュータ。
14. 入射角に応じて変化する光透過率の低減を補償しながら光透過性パネルから放射された光線で照度が均一な照明をする方法であって、
    光軸が前記光透過性パネルの裏面に対してほぼ臨界角となるように設定した光源を配置するステップと、
    屈折角が小さくなるに従って光線密度が低下するように前記光源が放射した光線を最大屈折角から所定の範囲までの屈折角で屈折させて導光体から出射するステップと、
    前記導光体から出射した光線を前記光透過性パネルの裏面から入射させて前記最大屈折角から前記所定の範囲までの屈折角で屈折させて前記光透過性パネルの表面から出射させるステップと
    を有する方法。
15. 前記所定の範囲の屈折角が６０度である請求項１４に記載の方法。

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