(57)【要約】【課題】改善された均一性及び効率性、低コスト及びより薄い寸法の外形を示す直視型ＬＥＤバックライト装置を提供する。【解決手段】液晶ディスプレー（ＬＣＤ）（２２）のバックライトに適した直視型照明配置（２４）は、角度光度分布を有する面発光光源（ＬＥＤ）（１４）の配列、ビーム拡散光学素子（２８）の配列、ビーム発散を減少させるためのフレネルレンズ（３２）及び（任意の）ディフューザ（３８）を（その順序で）備える。ビーム拡散光学素子の屈折特性（凸形及び凹形）は、（ＬＣＤが配置される）照明面で本質的に一定な光束をつくる。したがって、ビーム拡散光学素子は、より多くの光をより高いビーム角度に屈折させ、したがって、光源の光度に対応する減少を補償する。フレネルレンズの薄いシートは、ビームの発散を減少させ、これらをディフューザへ導く。（弱い）ディフューザは、それ自体が照明の均一性を作り出すというよりはむしろ、様々な用途に適したさらなるビーム発散を追加するよう機能する。配置は、よりスリムなバックライトの設計を可能にし、高いヘイズ値（＞９０％）を有する強力なディフューザの必要性を排除する。【選択図】図２
2009512987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）各面発光光源が、光源照明ビームをビーム角θにわたって照明面の方へ導く面発光光源の配列、
ｂ）各ビーム拡散光学素子が、対応する面発光光源からの光源照明ビームの光度を調整して、照明面の方へ導かれる均一化された照明ビームを提供するように、各ビーム拡散光学素子による光源照明ビームの屈折が、分布関数：
【数１】
2009512987.tif 000016
を実質的に満たす、
式中、ｙは、ビーム拡散光学素子の光軸からの照明面に沿った半径方向距離であり、
ｄｙは、半径方向距離の任意にわずかな増分であり、
ｄθは、ｄｙに対応するビーム角の角度増分であり、
ｆ（θ）は、光源の角度分布に関する分布関数である、
面発光光源の配列に対応するビーム拡散光学素子の配列、及び
ｃ）各ビーム発散減少レンズ素子が、対応する均一化された照明ビームの角度発散を減少させ、それにより改善された均一性及び減少したビーム発散を有する照明を提供するビーム発散減少レンズ素子の配列
を含む、照明を提供する照明装置。
【請求項２】
ａ）各面発光光源が、光源照明ビームを提供する複数の面発光光源、
ｂ）各ビーム拡散光学素子が、対応する面発光光源からの光源照明ビームの光度を調整して、均一化された照明ビームを提供する複数のビーム拡散光学素子、
ｃ）各ビーム発散減少レンズ素子が、均一化された照明ビームを観察方向へ向け直して、減少した角度発散を有する照明ビームを提供する複数のビーム発散減少レンズ素子、及び
ｄ）減少した角度発散を有する照明ビームの視野角を広げるための、ビーム発散減少レンズ素子から離れて配置される視野角制御フィルム
を含む、照明を提供する照明装置。
【請求項３】
ａ）各面発光光源が、光源照明ビームを提供する複数の面発光光源、
ｂ）各ビーム拡散光学素子が、対応する面発光光源からの光源照明ビームの光度を調整して、均一化された照明ビームを提供する複数のビーム拡散光学素子、
ｃ）各ビーム発散減少レンズ素子が、均一化された照明ビームを観察方向へ向け直して、減少した角度発散を有する照明ビームを提供する複数のビーム発散減少レンズ素子、
ｄ）減少した角度発散を有する照明ビームを変調して、画像支持ビームを提供する液晶光変調器、及び
ｅ）画像支持ビームの視野角を広げるための、液晶光変調器から離れて配置される視野角制御フィルム
を含む、ディスプレー装置。
【請求項４】
視野角制御フィルムが、少なくとも約＋／−１０°に視野角を増大させる請求項３記載のディスプレー装置。
【請求項５】
ビーム発散減少レンズ素子が、フレネルレンズである請求項１記載の照明装置。
【請求項６】
少なくとも１つの面発光光源が、ＬＥＤである請求項１記載の照明装置。
【請求項７】
少なくとも１つの面発光光源が、単色である請求項１記載の照明装置。
【請求項８】
少なくとも１つの面発光光源が、多色である請求項１記載の照明装置。
【請求項９】
少なくとも１つのビーム拡散光学素子が、非球面レンズからなり、レンズ面が、少なくとも凹形屈曲及び凸形屈曲の両方を含む照明面の方を向いている請求項１記載の照明装置。
【請求項１０】
ビーム発散減少レンズ素子の配列が、１枚のフィルム上にある請求項１記載の照明装置。
【請求項１１】
分布関数ｆ（θ）が、指数関数である請求項１記載の照明装置。
【請求項１２】
分布関数ｆ（θ）が、三角関数である請求項１記載の照明装置。
【請求項１３】
視野角制御フィルムが、９０％以下のヘイズ値を有するディフューザである請求項２記載の照明装置。
【請求項１４】
視野角制御フィルムが、９０％以下のヘイズ値を有するディフューザである請求項３記載の照明装置。
【請求項１５】
ａ）各面発光光源が、光源照明ビームをビーム角θにわたって照明面の方へ導く面発光光源の配列、
ｂ）各ビーム拡散光学素子が、対応する面発光光源からの光源照明ビームの光度を調整して、照明面へ均一化された照明ビームを提供するように、各ビーム拡散光学素子による光源照明ビームの屈折が、
【数２】
2009512987.tif 000017
を実質的に満たす、
式中、ｙは、光軸からの照明面に沿った半径方向距離であり、
ｄｙは、半径方向距離の任意にわずかな増分であり、
ｄθは、ｄｙに対応するビーム角の角度増分であり、
ｆ（θ）は、光源の角度分布に関する関数である、
面発光光源の配列に対応するビーム拡散光学素子の配列、
ｃ）各ビーム発散減少レンズ素子が、対応する均一化された照明ビームの角度発散を減少させ、それにより改善された均一性及び減少したビーム発散を有する照明を提供するビーム発散減少レンズ素子の配列、
ｄ）減少したビーム発散を有する照明ビームを変調して、画像支持ビームを提供する液晶光変調器、及び
ｅ）画像支持ビームの視野角を広げるための、液晶光変調器から離れて配置される視野角制御フィルム
を含む、ディスプレー装置。
【請求項１６】
視野角制御フィルムが、９０％以下のヘイズ値を有するディフューザである請求項１５記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してバックライト照明装置に関し、より具体的には発光ダイオード（ＬＥＤ）の配置を用いるバックライト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
透過型液晶装置（ＬＣＤ）及びその他のタイプのディスプレー装置は、何らかのバックライト照明光源を必要とする。バックライト市場で争っている基本的に３つの照明技術がある。エレクトロルミネセントランプ（ＥＬ）、冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）及び発光ダイオード（ＬＥＤ）である。今まで、ＣＣＦＬ技術は、ラップトップ及び携帯用ディスプレー市場の大部分を享受し、高効率かつ信頼できる光源を提供してきた。ＣＣＦＬは、これらの線形光源が、その出力面にわたって光を広げるプレート又はフィルムの一端に、光を導くエッジ照明用途に特に適応する。しかしながら、ＣＣＦＬ技術には、その予測される成長を限定するという固有の欠点がある。例えば、ＣＣＦＬランプは水銀を含みいくらかもろい。ＣＣＦＬは、限られた範囲のサイズにおいてのみ実用的で利用でき、テレビ鑑賞に好適であるような大きいディスプレーと同様に非常に小さいディスプレーの有用性を制約する。加えて、ＣＣＦＬは、バックライトユニット内で望まれていない熱を発生させ、ディスプレーモジュールに配置される１以上の光学フィルム要素をひずませ、さもなければ損傷を与えるおそれがある。
【０００３】
ＬＥＤバックライトはこれらの他の技術に勝る固有の利点を有する。ＬＥＤは、機械的に丈夫であり、低い直流電源のみを必要とする。適切なタイプのＬＥＤは、非常に明るく、比較的効率的であり、本質的に寿命が長い。ＬＥＤは、多様な色で入手可能であり、狭いスペクトル特性によってより大きい色域の利点を提供し、色の一層容易な取り扱いを可能にする。ＬＥＤは、また、エッジ照明装置に配備できる一方で、それらはまた、表面にわたって間隔をあけた光源の配置が必要とされるバックライト光源を提供するという、その他の直視型照明装置に関する技術に勝る利点を有する。
【０００４】
例えば、サムソン（Ｓａｍｓｕｎｇ）のＬＮＲ４６０Ｄ  ＬＣＤフラットスクリーンＨＤＴＶに用いられる装置を含む、いくつかの直視型ＬＥＤバックライト解決手段が商品化されてきた。特許文献は、いくつかのＬＥＤバックライトの配置及び改善を記載する。
【０００５】
例えば、ディロイ（Ｄｅｌｏｙ）等の「デュアルモード液晶ディスプレーの背後から光を当てる方法及び装置」と題する米国特許第６，７８９，９２１号は、ヒートシンク補償を含む複数の二次元ＬＥＤ配列を用いるＬＥＤバックライトの配置を記載する。
【０００６】
ホールマン（Ｈｏｌｍａｎ）等の「高密度照明システム」と題する米国特許第６，８７１，９８２号は、反射ハウジング内に配置され、支持プリズムフィルムを有するＬＥＤの配列を有するバックライトを記載する。
【０００７】
ボイド（Ｂｏｙｄ）等の「線形照明光源」と題する米国特許第６，５６８，８２２号は、レンズ素子の切り欠きがある入力面内にそれぞれ部分的に包まれるＬＥＤを用いる改善された均一性のための照明光源を記載する。
【０００８】
フェルドマン（Ｆｅｌｄｍａｎ）等の「隆起したＬＥＤ構造を有する光源の方法及び装置」と題する米国特許第６，６６６，５６７号は、ＬＥＤ装置を反射面の上に配置し、ＬＥＤからの光を拡散する支援光学系を備えることによって、追加の輝度を提供するＬＥＤバックライトを記載する。
【０００９】
ハオリニ（Ｐａｏｌｉｎｉ）等の「カラーＬＣＤのためのバックライト」と題する欧州特許出願公開第１２５６８３５号は、側面に配置されるＬＥＤからの光が光ガイド内に間隔をあけた構造によって外側へ向け直されるＬＥＤバックライトの配置を記載する。
【００１０】
上記の各解決手段は、ＬＥＤ光源を用いる改善されたバックライト性能の少なくともある程度を約束する一方で、これらの解決手段のそれぞれには欠点があり、依然としてかなりの改善の余地が残されている。点光源からの領域にわたって均一性を達成することは複雑な問題であり、照明をより広い領域にわたって拡散すること、及び光をバックライト付きディスプレーの方へ適切な指向性で導くことの両方のために、複数の光学要素の相互作用を必要とする。光学要素のいくつかの組み合わせが、バックライト付きディスプレーに関して、点光源ＬＥＤ照明を適切に拡散し、調整するために必要とされるであろう。
【００１１】
ＬＥＤバックライト装置には相当な注意が払われてきたが、いくつかの欠点が残存する。ＬＥＤは、実質的に点光源として機能するので、ＬＥＤ直視型バックライトは、光を広い表面積にわたって拡散し、必要に応じ光を再利用するために、高機能の拡散素子を必要とする。これはＬＥＤバックライトに厚さと費用を追加する。ＬＥＤ自体からの熱もまた問題となり得る。これらの光源からのホットスポットは、ＬＣＤにおける均一性の収差を引き起こすことがある。その他の照明の不均一性は、多くの従来のシステムの全体的に弱い光分布に由来する。
【特許文献１】米国特許第６，７８９，９２１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，８７１，９８２号明細書
【特許文献３】米国特許第６，５６８，８２２号明細書
【特許文献４】米国特許第６，６６６，５６７号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第１２５６８３５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、改善された均一性及び効率性、低コスト及びより薄い寸法の外形を示す直視型ＬＥＤバックライト装置に利点があることがよくわかるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、
ａ）各面発光光源が、光源照明ビームをビーム角θにわたって照明面の方へ導く面発光光源の配列、
ｂ）各ビーム拡散光学素子が、対応する面発光光源からの光源照明ビームの光度を調整して、照明面の方へ導かれる均一化された照明ビームを提供するように、各ビーム拡散光学素子による光源照明ビームの屈折が分布関数：
【数１】
2009512987.tif 000003
を実質的に満たす、
式中、ｙは、ビーム拡散光学素子の光学軸からの照明面に沿った半径方向距離であり、
ｄｙは、半径方向距離の任意にわずかな増分であり、
ｄθは、ｄｙに対応するビーム角の角度増分であり、
ｆ（θ）は、光源の角度分布に関する分布関数である、
面発光光源の配列に対応するビーム拡散光学素子の配列、及び
ｃ）各ビーム発散減少レンズ素子が、対応する均一化された照明ビームの角度発散を減少させ、それにより改善された均一性及び減少したビーム発散を有する照明を提供するビーム発散減少レンズ素子の配列
を含む、照明を提供する照明装置を提供する。
【００１４】
本発明は、また、
ａ）各面発光光源が、光源照明ビームをビーム角θにわたって照明面の方へ導く面発光光源の配列、
ｂ）各ビーム拡散光学素子が、対応する面発光光源からの光源照明ビームの光度を調整して、照明面へ均一化された照明ビームを提供するように、各ビーム拡散光学素子による光源照明ビームの屈折が、
【数２】
2009512987.tif 000004
を実質的に満たす、
式中、ｙは、光学軸からの照明面に沿った半径方向距離であり、
ｄｙは、半径方向距離の任意にわずかな増分であり、
ｄθは、ｄｙに対応するビーム角の角度増分であり、
ｆ（θ）は、光源の角度分布に関する関数である、
面発光光源の配列に対応するビーム拡散光学素子の配列、
ｃ）各ビーム発散減少レンズ素子が、対応する均一化された照明ビームの角度発散を減少させ、それにより改善された均一性及び減少したビーム発散を有する照明を提供するビーム発散減少レンズ素子の配列、
ｄ）減少したビーム発散を有する照明ビームを変調して、画像支持ビームを提供する液晶光変調器、及び
ｅ）画像支持ビームの視野角を広げるための、液晶光変調器から離れて配置される視野角制御フィルム
を含む、ディスプレー装置を提供する。
【００１５】
本発明は、さらに、
ａ）各面発光光源が、光源照明ビームを提供する複数の面発光光源、
ｂ）各ビーム拡散光学素子が、対応する面発光光源からの光源照明ビームの光度を調整して、均一化された照明ビームを提供する複数のビーム拡散光学素子、
ｃ）各ビーム発散減少レンズ素子が、均一化された照明ビームを観察方向へ向け直して、減少した角度発散を有する照明ビームを提供する複数のビーム発散減少レンズ素子、及び
ｄ）減少した角度発散を有する照明ビームの視野角を広げるための、ビーム発散減少レンズ素子から離れて配置される視野角制御フィルム
を含む、照明を提供する照明装置を提供する。
【００１６】
本発明は、さらに、
ａ）各面発光光源が、光源照明ビームを提供する複数の面発光光源、
ｂ）各ビーム拡散光学素子が、対応する面発光光源からの光源照明ビームの光度を調整して、均一化された照明ビームを提供する複数のビーム拡散光学素子、
ｃ）各ビーム発散減少レンズ素子が、均一化された照明ビームを観察方向へ向け直して、減少した角度発散を有する照明ビームを提供する複数のビーム発散減少レンズ素子、
ｄ）減少した角度発散を有する照明ビームを変調して、画像支持ビームを提供する液晶光変調器、及び
ｅ）画像支持ビームの視野角を広げるための、液晶光変調器から離れて配置される視野角制御フィルム
を含む、ディスプレー装置を提供する。
【００１７】
本発明は、間隔をあけたＬＥＤ又はその他の面発光光源の配置を用いる。本発明は、強力な拡散素子を必要とすることなく、視野角にわたってより均一な輝度を有するＬＥＤバックライトを提供する。本発明は、また、効率的で、低コストで作ることができ、薄い寸法の外形を有するバックライト装置を提供する。
【００１８】
本発明のこれらの及びその他の目的、特徴及び利点は、本発明の例示的な実施形態が示され、説明される図面と一緒に、以下の詳細な説明を読むことで、当業者にとって明らかになるであろう。
【００１９】
本明細書は、本発明の主題を特に指摘し、明確に主張する請求項で結論づけられる一方で、本発明は、添付の図面と一緒に以下の説明からより良く理解されるであろうと考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本説明は、本発明にしたがった装置の一部を形成し、又はより直接的に装置と協働する要素を、特に対象とする。当然のことながら、具体的に示されず、又は説明されない要素は、当業者にとって周知の様々な形態を取る。
【００２１】
図１を参照すると、ＬＥＤバックライト１２を用いてＬＣ装置２２に光を当てる従来のＬＣＤディスプレー１０の一部の配置が、説明のために単純化された断面で示されている。いくつかのＬＥＤ１４が表面１６に沿って配置され、それぞれが光源照明ビーム１８を提供する。典型的にレンズである屈折要素２０が、光源照明ビームを拡散する。ディフューザ３０が、さらなる角拡散を提供し、かつ高輝度の「ホットスポット」を最小化することを支援する。
【００２２】
第一近似として、ＬＥＤ１４は、光源照明ビーム１８を広範囲の角度にわたって散布する、ランバート光源又は点光源として機能する。しかしながら、ＬＥＤ１４の空間的輝度分布は、通常、不均一である。したがって、不均一な輝度分布を補正するために、屈折要素２０及びディフューザ３０が必要とされる。図１の従来の配置では、ディフューザ３０がユニフォーマイザとして機能する。ＬＥＤ１４の不均一な輝度分布を補償するために、ディフューザ３０は、比較的厚くなければならず、この機能のために適切に設計されなければならない。約９０％を超えるヘイズ値を有する強力な拡散要素が通常必要とされる。
【００２３】
輝度均一性を改善するために提案された１つのアプローチは、屈折要素２０の形状を最適化することである。例えば、ボイド（Ｂｏｙｄ）等の「線形照明光源」と題する米国特許第６，５６８，８２２号は、レンズがＬＥＤを実質的に包んでバックライト用の光を適切に拡散することができるように、切り欠きがある複合曲面を有するレンズを開示する。これは、ディフューザ３０の照度の均一性を改善する。そのような解決手段は、照度の均一性を改善する助けになるが、許容できる均一性を確保するために、９０％を超える高いヘイズ値を有する強力なディフューザ３０を用いることがやはり必要である。この高いヘイズ値で、ディフューザ３０は、光がディフューザ３０を通過して表面１６に反射する時に、光を何度も散乱させることによって、照明に均一性を提供する。特に、散乱及び反射のそれぞれに関連する光損失がある。この光散乱は、光を、所望の経路の外であって、エンドユーザーから離れる方へ導くことがあり、したがって、光が光源１４からエンドユーザーに伝達される効率を減少させる。
【００２４】
改善された輝度均一性及び光学効率の目的を考慮して、本発明の装置及び方法は、照明ビームをさらに調整し、証明ビームがディフューザ３０に入射する前に、ある程度のビーム方向転換及び角度削減を提供する。図２を参照すると、ここでも先と同様に断面図で、ディスプレー装置５０における改善された輝度の均一性のために設計されたバックライト２４の配置が示されている。ＬＥＤ１４は、反射面２６に沿って配置される。各ＬＥＤ１４は、輝度ユニフォーマイザとして機能する対応するビーム拡散光学素子２８を有し、角度の広い範囲にわたって拡散照明ビーム３４を提供する。次に、薄い外形の面で利点のあるビーム発散減少レンズ素子の好適なタイプであるフレネルレンズ素子３２が、拡散照明ビーム３４のある程度のビーム発散減少をもたらし、それにより減少した発散照明ビーム３６を提供する。次に、ディフューザ３８が、視野角制御フィルム又は物品の典型として、減少した発散照明ビーム３６の経路に提供され、視野角を広げ、したがって均一化されたバックライト照明４０をＬＣ装置２２又は他の要素に提供する。ＬＣ装置２２は、均一化されたバックライト照明４０を調整して、画像変調光ビーム５４を形成する。
【００２５】
本出願においては、用語「減少した発散」ビームは、フレネルレンズ素子３２によって導入される少なくともある程度の減少した角度発散を有する。ほとんどのバックライトの用途にとって、照明ビームは平行にされる必要がない。最小で少なくとも約＋／−５％の発散の減少が望ましいであろう。許容できる角度発散の度合いは、光源のサイズ及びフレネルレンズ素子３２の焦点距離に応じて、範囲にわたって変化する可能性がある。ディフューザ３８は、異なる用途に適したビーム発散を提供するように選択される。
【００２６】
本発明の最適化は、輝度及び照度の分析に基づく。照度は、表面の単位面積あたりの入射する光束に関して与えられる。輝度又は明度は、伝播方向に対して垂直である面上に投影される時、投影される単位面積あたりの単位立体角ごとに表面から出射する光束に関して与えられる。光源がランバートである場合、その光度はｃｏｓθの減小を有し、θは垂線に対するビーム角度補正値である。一方、その照度はｃｏｓ４θの減小を有する。
【００２７】
図３に関して、ビーム拡散光学素子２８の設計は、照明面Ｐｉ上の特定の二次元領域にわたってＬＥＤ１４からの照度を以前にも増してほぼ一定にするよう意図され、そしてそれは、できる限り以下の式を満たすことを意味する。
【数３】
2009512987.tif 000005
式中、Φは光束であり、図３に示されるように、ｙは照明される領域上の光軸からの距離である。線ｚは図３における光軸を示す。
【００２８】
ランバート光源の光度は、分布関数：
【数４】
2009512987.tif 000006
として表される。
式中、θは、光源から出射されるビームの角度の程度を示すものである。均一な照度を達成するために、ビーム拡散光学が式（２）を式（１）に変換することが必要である。光束は任意の光学システムにおいて保たれるため、ランバート光源を用いて、ビーム拡散光学が均一な照明を満たす状態を導き出すことは、
【数５】
2009512987.tif 000007
のように、比較的容易である。
【００２９】
さらに図３を参照して、ビーム拡散光学に角度θで入射するビームを仮定する。ビーム拡散光学から、ビームは照明面Ｐｉ上の位置ｙに入射する。入射角が増加量ｄθによって変化する時、ｙの対応する変化、すなわち、ｄｙは、ｃｏｓ（θ）に比例するであろう。つまり、ｄｙ領域内の束は、ビーム角度θが増大するにつれ、ｃｏｓ（θ）とともに増加する。端的に言えば、この状態は、照度におけるコサイン減小を補償するために、より多くの光をより高角度に供給する光学を必要とする。
【００３０】
ビーム拡散光学の後で、ビームの光度もまた導き出すことができる。ビーム拡散光学は、以下の関係を満たす均一な照度を作成する。
【数６】
2009512987.tif 000008
式中、ｄｌはｄｙの内在領域であり、次いで、
【数７】
2009512987.tif 000009
である。
ｄｌに対応する内在立体角は、次いで、
【数８】
2009512987.tif 000010
である。
式（６）を反転することによって、以下が得られる。
【数９】
2009512987.tif 000011
式（７）を式（４）に代入し、式（５）を用いることにより、
【数１０】
2009512987.tif 000012
が得られる。
したがって、式（６）を用いることにより、光度は、
【数１１】
2009512987.tif 000013
となる。
【００３１】
この導出はランバート光源を仮定するが、同じ概念がより一般的にその他のタイプの光源にも適用できる。一般的な場合において、光源は、角度分布：
【数１２】
2009512987.tif 000014
を有すると考えることができる。
【００３２】
次の同じ導出手順により、式（３）は、
【数１３】
2009512987.tif 000015
のように、より一般的な形に拡張されることができる。
式（１１）は式（３）の一般化された形である。この分析を用いて、ＬＥＤ光源を用いる照明システムにおけるビーム形成光学の目的は、特定の角度分布関数ｆ（θ）を所与として、上記の式（１１）を満たすことである。上記の例において、角度分布関数ｆ（θ）はコサイン特性にしたがった。例えば、その他の可能な角度分布関数は、指数関数又はｃｏｓ２（θ）などの三角関数であろう。角度分布関数ｆ（θ）が何であっても、ビーム形成光学は、照明面における光束が本質的に均一であり続けるような方法で補償するべきである。概して、ビーム形成光学によって提供される照度の均一性は９０％以内であるべきである。
【００３３】
図４は、一実施形態におけるビーム拡散光学素子２８の形状を断面の外形で示す。ここで、ビーム拡散光学素子２８は、凹形及び凸形の屈曲のどちらも有するレンズである。ビーム拡散光学素子２８は、レンズ素子の中央、すなわち、光軸Ｏの比較的近くに凹部４８と、外側凸部５２とを有する（図４において、凹部４８はごくわずかな凹形屈曲を有する）。
【００３４】
図５Ａは、ビーム拡散光学素子２８による調整の前の、ＬＥＤ１４からの光の光度のグラフ４４を示す。図５Ｂは、ビーム拡散光学素子２８から提供される拡散照明ビーム３４（図２）の垂線（０°）の周囲の角度にわたる光度のグラフ４６を示す。グラフ４６の改善された形状は、所望により（ｃｏｓ３θ）−１に比例する光度を示す。
【００３５】
図６Ａは、いかにディスプレー装置５０が本質的に均一である空間的輝度を提供するかを理想的な形で示す。ここで、ＬＥＤ１４は、上記のビーム拡散機能を提供するビーム拡散光学素子２８に光を提供する。次に、フレネルレンズ素子３２が、ビーム発散の減少を提供し、視野角制御のために、調整された照明を、典型的にフィルムであるディフューザ３８へ導く。この配置は、照明がＬＣ装置２２に到達する時に、照明に均一な空間的輝度を提供する。本システムにおいて、ディフューザ３８による光の角拡散は、従来の設計のように均一性を提供するよりはむしろ、視野角を広げるのに用いられる。したがって、ディフューザ３８は、ディスプレーモジュールの特定の視野角要件を満たすようにカスタマイズされた方法で選択される。図２及び図６Ａの実施形態において、ディフューザ３８は照明経路にある。代替実施形態において、ディフューザ３８は、変調された光の経路、すなわち、光変調素子と観察者との間に配置される可能性がある。一実施形態において、ディフューザ３８は、ＬＣディスプレー装置に関して少なくとも約＋／−１０°に視野角を増大させる。
【００３６】
本発明の装置及び方法は、各ＬＥＤ１４を、対応するビーム拡散光学素子２８及びフレネルレンズ素子３２とともに提供する。複数のＬＥＤ１４のフレネルレンズ素子３２が配列で提供できるので、一実施形態において、単一のシートが、適切なサイズにされ、ＬＥＤ１４の間隔に基づいて相互に間隔をあけた複数のフレネルレンズ素子の配列を有する。各個別のフレネルレンズ素子３２と、それに対応するＬＥＤ１４との間のいくらかの位置合わせが必要とされるであろうが、高精度の位置合わせは必要とされない。ディフューザ３８はフィルム又はプレートであってよく、図１に示されるバックライト２４などの従来のＬＥＤバックライトに関して必要とされる対応する拡散素子よりもかなり薄くてよい。
【００３７】
フレネルレンズ素子３２によって提供されるビーム発散の減少がなければ、観察者によって感じられる照明は、入射ビームの方向性のために、均一ではないであろう。図６Ｂは、この状態を図解する。垂直に近い方向における光線４１は、観察者に容易に見える。対照的に、光線４２は、軸外角度で伝搬し、ディフューザ３８による調整の後であっても目まで伝搬しない。いくらかのビーム発散の減少なしに、照明の一部が所望の視野角から離れたところに導かれ、照明の著しい減少をもたらすであろう。これを防ぐ１つのアプローチは、９０％を超えるヘイズ値を有する非常に強力なディフューザを用いることであるが、そのように高拡散性の光学要素は、低い光学効率を引き起こす高い吸収及び後方反射を示す。本発明において、フレネルレンズ素子３２（図２及び図６Ａに示される）は、ビーム発散の減少によって、強力なディフューザの必要性を排除し、入射ビームを、入射角にかかわらず、より垂直に近い方向に向け直す。９０％を下回るヘイズ値を有する弱いディフューザのみが、照明がＬＣ装置２２に到達する前に、照明を角度の狭い範囲にわたって広げるために必要とされる。
【００３８】
ＬＥＤ１４及びこれらの支援要素は、反射面２６に沿って行と列の長方形パターン又は何らかのその他の適切なパターンで配置することができる。例えば、図７の平面図は、個々のセル５４がコンパクトパッケージングパターンで配置されるハニカムパターンを示す。各セル５４は、対応するビーム拡散光学素子２８及びフレネルレンズ素子３２を有する１つのＬＥＤ１４を含むであろう。六角形のハニカムセル５４を用いるこの方法での要素のパッケージングは、ＬＥＤ１４によって提供される照明の面内での要素の配置を最適化する。
【００３９】
製造
一実施形態において、ディスプレー装置５０において用いられるビーム形成要素及び調整要素（図２及び図６Ａ）は、所定の要素間隔を有して製造されるので、例えば、ＬＥＤ１４及びこれらの対応するビーム拡散光学素子２８は、均一に空間的に分配される。フレネルレンズ３２は単一のシートの一部として成形され、個々のレンズはＬＥＤ１４との位置合わせのため適切な間隔をおいて配置される。
【００４０】
ビーム拡散光学素子２８は、従来の光学材料から形成することができる。非球面形状が用いられるとき、製造は、光学プラスチックを使用することが一般的に好ましい。これらの要素は（画像システムよりはむしろ）照明システムの一部であるため、製造上の公差は厳しい必要がない。
【００４１】
本発明は、それの特定の好適な実施形態に特に関連して詳細に説明されたが、上に記載され、及び添付の請求項に記載される本発明の範囲内で、当業者によって、本発明の範囲を逸脱することなく、変形及び修正がなされてよいことが理解されるであろう。例えば、ＬＥＤ１４が用いられるが、その他のタイプの面発光光源が点光源として用いられることもあり得る。反射ビーム拡散光学素子２８が用いられることもあり得る。ＬＥＤ１４又はその他の面発光光源が、白色光源などの多色の光源ということもあり得るし、単色の光源ということもあり得る。フレネルレンズ素子３２は、その薄い寸法の面で利点がある。フレネルレンズ素子３２の平行機能を提供するために、薄い平行レンズ素子のいくらかの代替タイプが代用されることもあり得る。
【００４２】
したがって、提供されるのは、ＬＥＤバックライト装置及びその方法並びにその装置を用いるディスプレーである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】従来の直視型ＬＥＤバックライトの断面側面図である。
【図２】本発明の実施形態にしたがったＬＥＤバックライトの断面側面図である。
【図３】ビーム拡散光学に関する重要な幾何的関係を示す略図である。
【図４】本発明の実施形態にしたがったビーム拡散光学素子の側面図である。
【図５Ａ】照明ビーム形成の光度への効果を示すグラフである。
【図５Ｂ】照明ビーム形成の光度への効果を示すグラフである。
【図６Ａ】本発明にしたがって、ディスプレー装置が均一な空間的輝度をいかに提供するかを示す断面図である。
【図６Ｂ】本発明又は比較例によるフレネルレンズなしでの光調整効果を示す断面側面図である。
【図７】一実施形態におけるＬＥＤ光源及び支援要素に関して可能なハニカム配置の平面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  ＬＣＤディスプレー
１２  バックライト
１４  ＬＥＤ
１６  表面
１８  光源照明ビーム
２０  屈折要素
２２  ＬＣ装置
２４  バックライト
２６  反射面
２８  ビーム拡散光学素子
３０  ディフューザ
３２  フレネルレンズ素子
３４  拡散照明ビーム
３６  実質的に平行な照明ビーム
３８  ディフューザ
４０  均一化されたバックライト照明
４１，４２  光線
４４  グラフ
４６  グラフ
４８  凹部
５０  ディスプレー装置
５２  外部
５４  画像変調光ビーム
Ｐｉ  照明面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【国際調査報告】
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