(57)【要約】  光を放出する発光源（１０）と、インジェクタ（２１）と、イジェクタ（２３）と、ＣＰＣプロファイル（２１）と、上向きに反射された光を、小平面に共通のコリメートされた方向に屈折させる微細構造小平面（ｄ，ｄｄ）とを含む輝度保持非結像バックライト（２０）。【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明誘電体からなる輝度保持非結像バックライトであって、
ｙ−ｚ座標平面を規定し、かつ、ｘ軸を規定する表面法線を有する制限された開口から光を放出する発光源と、
前記光を受け取る入力ポートと、
第１のｙ−ｚ境界を規定する前記入力ポートおよび第２のｙ−ｚ境界を規定するより大きな出力ポートを有するインジェクタであって、前記入力ポートから前記出力ポートへ拡大するｘ−ｙプロファイルを有し、前記ｘ−ｙプロファイルは、全内部反射によって、前記発光源イメージのｘ−ｙ角度幅を前記発光源の輝度に逆比例するように維持するように働き、
前記インジェクタは、前記発光源上に軸を有する回転表面および掃引プロファイルであり、前記掃引プロファイルは、取り込み角度だけ負のｚ方向に傾斜した複合放物面集光器（ＣＰＣ）の上半分の第１の部分であり、前記出力ポートに沿って光を方位方向に分配しながら、前記掃引プロファイルの平面内で前記光をコリメートするように働くインジェクタと、
ビーム拡大イジェクタと
を具え、
前記ビーム拡大イジェクタは、ｘ−ｙ平面内に平面導波路を備え、同時に、ｙ−ｚ境界が、前記インジェクタの前記出力ポートに光学的に結合されて、前記出力ポートから光を受け取り、前記イジェクタは、前記インジェクタの前記ＣＰＣプロファイルの残りの部分であるプロファイルを有する平滑な回転上部表面を有し、前記イジェクタは、前記上部表面の前記回転表面に同軸の微細構造の回転小平面を備える反射下部表面を有し、前記小平面は、前記ＣＰＣプロファイルの流れ線に平行な面および上向きのｚ方向に前記受け取った光を反射する傾斜を有する接続対角面を備え、前記対角面の前記傾斜は、前記上向きに反射された光が、前記小平面に共通のコリメートされた方向に屈折するように調整されることを特徴とする輝度保持非結像バックライト。
【請求項２】
輝度保持非結像バックライトシステムであって、
制限された開口から光を放出する発光源と、
前記開口から光を受け取る入力ポートを備え、前記光から、取り込み角度に限定されたビームを形成する複合放物面集光器（ＣＰＣ）形状インジェクタと、
前記光を偏向させ、かつ、横断的放出線光源を形成するために、それぞれが、局所流れ線と接線をなす面および前記ＣＰＣ形状インジェクタの流れ線に対して傾斜した別の面を有する、一連の微細構造反射小平面を備える直線状ビーム拡大器と、
前記偏向された光を受け取る平面導波路を備えるビーム拡大イジェクタと
を具え、
前記ビーム拡大イジェクタは、前記ＣＰＣ形状インジェクタの流れ線と接線をなす平滑上部表面、および、ビームを形成するように、前記上部表面を通して受け取った光を偏向させる小平面を有する下部表面を備え、前記下部表面の小平面は、前記ＣＰＣ形状インジェクタの前記流れ線に全体が平行な面および上向きのｚ方向に前記受け取った光を反射する傾斜を有する接続対角面を備え、前記対角面の前記傾斜は、前記上向きに反射された光が、前記下部表面の小平面に共通のコリメートされた方向に屈折するように調整されることを特徴とするシステム。
【請求項３】
前記ＣＰＣ形状インジェクタの三角形空隙は、前記ＣＰＣ形状インジェクタの流れ線に整列し、前記ＣＰＣ形状インジェクタおよび前記ビーム拡大イジェクタは、光学接触状態にあることを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記ＣＰＣ形状インジェクタは、前記ビーム拡大イジェクタから、前記ＣＰＣ形状インジェクタと前記ビーム拡大イジェクタとの間の空気ギャップによって光学的に分離され、
前記直線状ビーム拡大器の前記反射小平面は、横断的に整列した直線状小平面を具え、前記小平面はそれぞれ、前記インジェクタの流れ線と接線をなす１つの面、および、前記ビーム拡大イジェクタへ伝達するために、前記空気ギャップの方に前記光線を偏向させるように傾斜した別の面を具えたことを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項５】
前記ビーム拡大イジェクタの前記下部表面の前記小平面は、前記偏向された光を横切る直線状溝を形成することを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項６】
前記ビーム拡大イジェクタは、前記ＣＰＣ形状インジェクタに対向するエッジ上に再帰性反射手段を具えたことを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項７】
１つまたは複数の付加的なインジェクタに光学的に結合する１つまたは複数の付加的な光源をさらに具えたことを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項８】
前記ビーム拡大イジェクタに隣接して配置される拡散器シートをさらに具えたことを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項９】
前記下部表面の小平面の前記全体が平行な面は、照明されないように傾斜することを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項１０】
平面上部表面、前記ビーム拡大イジェクタの前記上部表面に一致する下部表面、および、前記上部表面と前記下部表面との間に配置された屈折率の低い透明材料の層を有する、透明材料の最も上部のブロックをさらに具えたことを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項１１】
平面下部表面、前記ビーム拡大イジェクタの前記小平面のある下部表面に一致する上部表面、および、前記下部表面と前記上部表面との間に配置された屈折率の低い透明材料の層を有する、透明材料の最も下部のブロックをさらに具えたことを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項１２】
前記ビーム拡大イジェクタの前記下部表面の近くに配置された平面反射鏡と、
前記平面反射鏡と前記ビーム拡大イジェクタの前記下部表面との間に配置された４分の１波長板と、
前記ビーム拡大イジェクタの前記上部表面の近くに配置された偏光再利用反射鏡（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）と
をさらに具えたことを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項１３】
付加的な連携するＣＰＣ形状インジェクタ、付加的な連携する直線状ビーム拡大器、および付加的な連携するビーム拡大イジェクタをさらに備え、前記付加的な連携するビーム拡大イジェクタは、ビーム拡大イジェクタの上部表面と前記付加的なビーム拡大イジェクタの上部表面が、融着されて両面放出を有する単一ブロックになるように配置されることを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項１４】
透明誘電体からなる輝度保持非結像バックライトであって、
ｙ−ｚ座標平面を規定し、かつ、ｘ軸を規定する表面法線を有する制限された開口から光を放出する発光源と、
前記光を受け取る入力ポートと、
１つのｙ−ｚ境界を規定する前記入力ポートおよび別の境界を規定するより大きな出力ポートを有するインジェクタであって、前記出力ポートは、前記ｙ−ｚ平面と前記ｘ−ｙ平面との間で傾斜し、前記インジェクタは、前記入力ポートから前記出力ポートへ拡大するＣＰＣ形状ｘ−ｙプロファイルを有し、前記ｘ−ｙプロファイルは、全内部反射によって、前記光を横断的取り込み角度に限定するように働き、前記インジェクタは、ＣＰＣが前記光源に結合した状態の、スラブのｘ−ｚプロファイルを備えるインジェクタと、
前記インジェクタの前記出力ポートに接着された４分の１シリンドリカル転回プリズムと、
前記インジェクタに隣接して配置され、かつ、空気ギャップによって前記インジェクタから分離され、入力ポートが前記転回プリズムに光学的に結合した状態であり、拡散的に反射する下部面を有する、上部のビーム拡大イジェクタと
を具えたことを特徴とする輝度保持非結像バックライト。
【請求項１５】
前記ビーム拡大イジェクタは、また、横断的に掃引されるＣＰＣプロファイルである上部表面を備え、さらに、平面上部表面を有する上部プリズムブロックを備え、横断的に掃引されるＣＰＣプロファイルを備える下部表面は、前記ビーム拡大イジェクタの前記ＣＰＣプロファイルの上部表面と空気ギャップを形成することを特徴とする請求項１４記載の輝度保持非結像バックライト。
【請求項１６】
輝度保持非結像バックライトであって、
制限された入力開口を囲み、かつ、前記制限された入力開口からより大きな出口ポートまで外に拡大する反射壁を備える空気充填式インジェクタであって、前記制限された入力開口は、ｙ−ｚ座標平面を規定し、かつ、ｘ軸を規定する表面法線を有する、空気充填式インジェクタと、
前記出口ポートを満たすｚ軸シリンドリカルレンズと、
前記ｚ軸シリンドリカルレンズのｙ−ｚ断面のｚ軸下側半分に関して前記ｚ軸シリンドリカルレンズに光学的に取り付けられたｙ軸シリンダと、
前記ｚ軸シリンドリカルレンズの前記ｙ−ｚ断面のｚ軸上側半分に光学的に取り付けられた平面ビーム拡大イジェクタと
を具えたことを特徴とする輝度保持非結像バックライト。
【請求項１７】
白色光の平面光源であって、
制限された開口からフォトスティミュラティブ光を放出する発光源と、
前記光を受け取る入力ポート、前記光をコリメートする内部反射拡大プロファイル、および、コリメートされた光の線を形成する線状微細構造横偏向器を備えるインジェクタと、
前記コリメートされた光の線を受け取り、前記コリメートされた光の線を平面導波路に限定するビーム拡大イジェクタであって、ｘ−ｙ底部表面上の小平面のある微細構造イジェクタが、コリメートされた光のｚ軸に進むシートを形成する、ビーム拡大イジェクタと、
前記コリメートされた光のシートを横切るように配置され、前記フォトスティミュラティブ光のスペクトルを受け入れるが、より長い波長のフォトスティミュラティブ光のスペクトルは反射するダイクロイックフィルタと、
前記ダイクロイックフィルタに隣接して配置され、前記ダイクロイックフィルタを通過する前記フォトスティミュラティブ光を受け取り、応答して、より長い波長の光を放出するためのフォトルミネセント材料の層と
を具えたことを特徴とする白色光の平面光源。
【請求項１８】
輝度保持非結像バックライトシステムであって、
光源から光を受け取る入力ポートを備え、前記光から取り込み角度に限定されたビームを形成する第１のＣＰＣ形状インジェクタと、
前記光の方向を変え、横断的放出線光源を形成するために、それぞれが、局所流れ線場と接線をなす１つの面および前記第１のＣＰＣ形状インジェクタの流れ線に対して傾斜した別の面を備える、一連の微細構造反射小平面を備える第１の直線状ビーム拡大器と、
前記横断的放出線光源の前記光を受け取る、反った導波路を備える第１ビーム拡大イジェクタと
を具え、
前記第１ビーム拡大イジェクタは、前記第１のＣＰＣ形状インジェクタの前記流れ線と接線をなす平滑上部表面、および、コリメートされた平面ビームを形成するように、前記上部表面を通して光を偏向させる小平面を有する下部表面を具え、前記小平面は、前記流れ線に全体が平行な面および半径方向外側方向に前記受け取った光を反射する傾斜を有する接続対角面を具えたことを特徴とするバックライトシステム。
【請求項１９】
前記反った第１のイジェクタの外周の近くに配置された拡散手段をさらに備えることを特徴とする請求項１８記載のバックライトシステム。
【請求項２０】
前記ＣＰＣ形状インジェクタ、前記直線状ビーム拡大器、および前記ビーム拡大イジェクタを備える第１バックライトと、
第２、第３、および第４のバックライトとをさらに備え、各バックライトが、それぞれ、連携するＣＰＣ形状インジェクタ、連携する直線状ビーム拡大器、および連携するビーム拡大イジェクタを備え、それにより、前記第１、第２、第３、および第４のバックライトのそれぞれの前記反ったイジェクタが、モノリシックに完全な環状を形成するように、前記第１、第２、第３、および第４のバックライトが配置されることを特徴とする請求項１８記載のバックライトシステム。
【請求項２１】
フロントライトであって、
前記光を受け取る入力ポート、前記光をコリメートする内部反射拡大プロファイル、および、コリメートされた光の線を形成する線状微細構造横偏向器を備えるインジェクタと、
前記コリメートされた光の線を受け取り、前記コリメートされた光の線を平面導波路に限定するビーム拡大イジェクタであって、ｘ−ｙ底部表面上の小平面のある微細構造イジェクタが、コリメートされた光のｚ軸に進むシートを形成する、ビーム拡大イジェクタと、
前記コリメートされた光のシートを横切るように配置され、前記フォトスティミュラティブ光のスペクトルを受け入れるが、より長い波長のフォトスティミュラティブ光のスペクトルは反射するダイクロイックフィルタと、
前記ダイクロイックフィルタに隣接して配置され、前記ダイクロイックフィルタを通過する前記フォトスティミュラティブ光を受け取り、応答して、より長い波長の光を放出するためのフォトルミネセント材料の層と、
平面下部表面、前記ビーム拡大イジェクタの前記小平面のある微細構造イジェクタに一致する上部表面、および、前記下部表面と前記上部表面との間に配置された屈折率の低い透明材料の層を有する、透明材料の最も下部のブロックと、
前記最も下部のブロックを通して放出される前記上向きフォトスティミュラティブ光を戻す、最も上部の平面反射鏡と
を具えたことを特徴とするフロントライト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる「ETENDUE-CONSERVING ILLUMINATION OPTICS FOR BACKLIGHT AND FRONTLIGHT」という名称の２００５年１０月２１日に出願された米国仮出願第６０／７２９，１８８号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる「ETENDUE-CONSERVING ILLUMINATION OPTICS FOR BACKLIGHT AND FRONTLIGHT」という名称の２００５年７月２８日に出願された米国仮出願第６０／７０３，６４４号の利益を主張する。
【０００３】
本発明は、一般に、照明に関し、より詳細には、高輝度バックライトおよび／またはフロントライトに関する。
【背景技術】
【０００４】
ほぼその光源の輝度である出力輝度を有するデバイスは、高輝度デバイスと呼ばれることが多い。多くの事例では、たとえ小型ディスプレイ用の、数千平方ミリメートルと比較して、単一高出力ＬＥＤ（例えば、約２平方ミリメートルの面積を有するＬＥＤ）などの非常に小さな光源向けの高輝度デバイスであっても達成することは難しい。
【０００５】
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／６５８，７１３号
【特許文献２】米国仮特許出願第６０／６１４，５６５号
【特許文献３】米国仮特許出願第６０／６１２，５５８号
【特許文献４】米国仮特許出願第６０／５６４，８４７号
【特許文献５】米国実用特許出願第１１／１１５，０５５号
【非特許文献１】R. Winston, J. C. Minano, P. Benitez, "Nonimaging Optics", Elsevier Academic Press, 2004
【非特許文献２】K. Kalantar, S. Matsumoto, and T. Onishi, "Functional light-guide plate characterized by optical microdeflector and micro-reflector for LCD backlight", IEICE TRANS. ELECTRON., E84-C, 1637-1646 (2001)
【非特許文献３】Di Feng, Yingbai Yan, Xingpeng Yang, Guofan Jin and Shoushan Fan, "Novel light-guide plate for liquid crystal display backlight", J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 7, 111-117 (2005)
【非特許文献４】Di Feng, Guofan Jin, Yingbai Yan, Shoushan Fan, "High quality light guide plates that can control the illumination angle based on microprism structures", Applied Physics Letters, 85, 6016-6018 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
小さな光源を使用する高輝度デバイスを提供することは、多くの事例で有利である可能性がある。こうしたデバイスを提供することのコストおよび／または複雑さは、法外なものである可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一部の実施形態は、単一高出力発光ダイオード（ＬＥＤ）などの小型光源を利用してバックライト／フロントライト照明デバイスを提供する。こうしたＬＥＤは、中間サイズ（例えば、３”（７６．２ｍｍ））ディスプレイ全体について十分な輝度を最近達成した。複数のＬＥＤは、バックライトを照明するために使用されるときに、均一性のために、外周の周りに分配されることができる。しかし、単一ＬＥＤだけでは、小さなエリアを照明することができるにすぎないため、単一ＬＥＤを使用することは、出口開口にわたって均一性を達成するときに分配問題（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｐｒｏｂｌｅｍ）を呈する。
【０００８】
非結像光学部品のエッジ光線原理（ｅｄｇｅ−ｒａｙ  ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）は、非結像光学部品の光源エテンデュ（ｓｏｕｒｃｅ  ｅｔｅｎｄｕｅ）、中心量（ｃｅｎｔｒａｌ  ｑｕａｎｔｉｔｙ）の最小増加についてのルール（ｒｕｌｅ、規則）を述べる。従来の直交座標ｘおよびｙを用いて２次元プロファイルを計算するとき、エテンデュは、ｘ＝一定の線（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｌｉｎｅ）において計算されることができ、そのため、ｙ座標とｙ座標に関して規定された光学方向余弦ｑを使用して、ｙ軸に関する方向余弦に屈折率ｎを掛けた値として規定されることができる。地点ｙにおいて、光学方向余弦ｑ０およびｑ１の対が、その地点で放出された光線を、（ｑ０（ｙ）≦ｑ（ｙ）≦ｑ１（ｙ））であるように制限し、また、これらの制限が、ｙ範囲（ｙ０≦ｙ≦ｙ１）に沿って規定される場合、ビームのエテンデュＥは、
【０００９】
【数１】
2009503793.tif 000002
【００１０】
によって与えられる位相−空間エリアである。
【００１１】
３次元において、エテンデュは、光源面積Ａｓと光源出力の投影された立体角の積に、光源を囲む光学媒体の屈折率ｎを掛けた値である。立体角が円錐であると仮定すると、３次元におけるエテンデュの式は、
Ｅ＝ｎＡｓｓｉｎ２θ
となり、ここで、θは、円錐立体角の法線からずれた角度である。この制限する角度θが、開口にわたって一定でない場合、式はより複雑である。２πステラジアン内への拡散ランバート放出（diffuse Lambertian emission into 2π steradians）は、θ＝９０°で表される。こうした拡散出力は、ＬＥＤチップ自体からの放出に特徴的である。
【００１２】
理想的な光学系は、理想的なコリメータの拡大出力エリアが、狭いビーム角度内で有効に高い強度をもたらすようにエテンデュを保存する。それは、出口開口のすべての地点によって照明される方向の強度が、輝度と出口面積の積であるからである。他方、太陽光集光器の小さいサイズの焦点は、その広いビーム角度から有効に高い放射照度をもたらす。それは、放射照度が、輝度と立体角の積であるからである。特に、よく知られている複合放物面集光器（ＣＰＣ）は、２次元ではエテンデュが制限され、３次元でもほぼエテンデュが制限される。
【００１３】
例えば、０．７７ｍｍ２のランバート放出面積を有するＮｉｃｈｉａの白色ＬＥＤモデルＮＳＣＷ０２０を考える。３．５”（８８．９ｍｍ）対角長を有するＬＣＤは、４０００ｍｍ２の面積を有し、θ＝０．８°のエテンデュが制限された非常に狭い出力角度を与える。本発明の一部の実施形態では、出口開口は、すべてが点灯するわけではなく、実際には、密にパッキングされたリボンのセットであるため、人の目が、それらを分解することができない。一部の実施態様では、（有効出口面積を考慮すると）最大性能は、輝度を保持しながら、デバイス動作の３つの段階（インジェクション、ビーム拡大、およびＬＥＤ光のイジェクション）すべてにおいてエテンデュが制限された光学部品を使用することによって達成される。インジェクションは、ＬＥＤ光の最初のコリメーションを含む。ビーム拡大は、ＬＥＤ光を線光源に広げること、および、この線光源が、そこから射出される出力エリアにわたって、この線光源を広げる第２ビーム拡大を有することを含む。出て行く光は、出口面にわたって均一な輝度を有するように見えるはずであり、デバイス全体が、著しく薄くなるはずである。本発明の一部の実施形態は、両方の基準を満たす。
【００１４】
一部の実施形態は、さらに、透明誘電体からなる輝度保持非結像バックライトを提供する。バックライトは、ｙ−ｚ座標平面を規定し、かつ、ｘ軸を規定する表面法線を有する制限された開口から光を放出する発光源と、前記光を受け取る入力ポートと、第１のｙ−ｚ境界を規定する前記入力ポートおよび第２のｙ−ｚ境界を規定するより大きな出力ポートを有するインジェクタであって、前記入力ポートから前記出力ポートへ拡大するｘ−ｙプロファイルを有し、前記ｘ−ｙプロファイルは、全内部反射によって、発光源イメージのｘ−ｙ角度幅を発光源の輝度に逆比例するように維持するように働き、前記インジェクタは、前記発光源上に軸を有する回転表面および掃引プロファイルであり、前記掃引プロファイルは、取り込み角度だけ負のｚ方向に傾斜した複合放物面集光器（ＣＰＣ）の上半分の第１の部分であり、前記出力ポートに沿って光を方位方向に分配しながら、前記掃引プロファイルの平面内で前記光をコリメートするように働くインジェクタと、ビーム拡大イジェクタとを備え、前記ビーム拡大イジェクタは、ｘ−ｙ平面内に平面導波路を備え、同時に、ｙ−ｚ境界が、前記インジェクタの前記出力ポートに光学的に結合されて、前記出力ポートから光を受け取り、前記イジェクタは、前記インジェクタの前記ＣＰＣプロファイルの残りの部分であるプロファイルを有する平滑な回転上部表面を有し、前記イジェクタは、前記上部表面の前記回転表面に同軸の微細構造の回転小平面を備える反射下部表面を有し、前記小平面は、前記ＣＰＣプロファイルの流れ線に平行な面および上向きのｚ方向に前記受け取った光を反射する傾斜を有する接続対角面を備え、前記対角面の前記傾斜は、前記上向きに反射された光が、前記小平面に共通のコリメートされた方向に屈折するように調整される。
【００１５】
さらに、一部の実施形態は、輝度保持非結像バックライトシステムを提供する。これらのシステムは、制限された開口から光を放出する発光源と、前記開口から光を受け取る入力ポートを備え、前記光から、取り込み角度に限定されたビームを形成するＣＰＣ形状インジェクタと、前記光を偏向させ、かつ、横断的放出線光源を形成するために、それぞれが、局所流れ線と接線をなす面および前記ＣＰＣ形状インジェクタの流れ線に対して傾斜した別の面を有する、一連の微細構造反射小平面を備える直線状ビーム拡大器と、前記偏向された光を受け取る平面導波路を備えるビーム拡大イジェクタとを含むことができ、前記ビーム拡大イジェクタは、前記ＣＰＣ形状インジェクタの流れ線と接線をなす平滑上部表面、および、ビームを形成するように、前記上部表面を通して、受け取った光を偏向させる小平面を有する下部表面を備え、前記下部表面の小平面は、前記ＣＰＣ形状インジェクタの前記流れ線に全体が平行な面および上向きのｚ方向に前記受け取った光を反射する傾斜を有する接続対角面を備え、前記対角面の前記傾斜は、前記上向きに反射された光が、前記下部表面の小平面に共通のコリメートされた方向に屈折するように調整される。
【００１６】
なおさらなる実施形態は、透明誘電体からなる輝度保持非結像バックライトを含む。これらのバックライトおよび／またはシステムの一部は、ｙ−ｚ座標平面を規定し、かつ、ｘ軸を規定する表面法線を有する制限された開口から光を放出する発光源と、前記光を受け取る入力ポートと、１つのｙ−ｚ境界を規定する前記入力ポートおよび別の境界を規定するより大きな出力ポートを有するインジェクタであって、前記出力ポートは、ｙ−ｚ平面とｘ−ｙ平面との間で傾斜し、前記インジェクタは、前記入力ポートから前記出力ポートへ拡大するＣＰＣ形状ｘ−ｙプロファイルを有し、前記ｘ−ｙプロファイルは、全内部反射によって、前記光を横断的取り込み角度に限定するように働き、前記インジェクタは、ＣＰＣが前記光源に結合した状態の、スラブのｘ−ｚプロファイルを備えるインジェクタと、前記インジェクタの前記出力ポートに接着された４分の１シリンドリカル転回プリズムと、前記インジェクタに隣接して配置され、かつ、空気ギャップによって前記インジェクタから分離され、入力ポートが前記転回プリズムに光学的に結合した状態であり、拡散的に反射する下部面を有する、上部のビーム拡大イジェクタとを備える。
【００１７】
一部の実施形態は、輝度保持非結像バックライトを含み、輝度保持非結像バックライトは、制限された入力開口を囲み、かつ、前記制限された入力開口からより大きな出口ポートまで外に拡大する反射壁を備える空気充填式インジェクタであって、制限された入力開口は、ｙ−ｚ座標平面を規定し、かつ、ｘ軸を規定する表面法線を有する、空気充填式インジェクタと、前記出口ポートを満たすｚ軸シリンドリカルレンズと、前記ｚ軸シリンドリカルレンズのｙ−ｚ断面のｚ軸下側半分に関して前記ｚ軸シリンドリカルレンズに光学的に取り付けられたｙ軸シリンダと、前記ｚ軸シリンドリカルレンズのｙ−ｚ断面のｚ軸上側半分に光学的に取り付けられた平面ビーム拡大イジェクタとを備える。
【００１８】
さらに、一部の実施形態は、白色光の平面光源を提供する。これらの光源の一部は、制限された開口からフォトスティミュラティブ光を放出する発光源と、前記光を受け取る入力ポート、前記光をコリメートする内部反射拡大プロファイル、および、コリメートされた光の線を形成する線状微細構造横偏向器を備えるインジェクタと、前記コリメートされた光の線を受け取り、前記コリメートされた光の線を平面導波路に限定するビーム拡大イジェクタであって、ｘ−ｙ底部表面上の小平面のある微細構造イジェクタが、コリメートされた光のｚ軸に進むシートを形成する、ビーム拡大イジェクタと、前記コリメートされた光のシートを横切るように配置され、前記フォトスティミュラティブ光のスペクトルを受け入れるが、より長い波長のフォトスティミュラティブ光のスペクトルに反射するダイクロイックフィルタと、前記ダイクロイックフィルタに隣接して配置され、前記ダイクロイックフィルタを通過する前記フォトスティミュラティブ光を受け取り、応答して、より長い波長の光を放出するためのフォトルミネセント材料の層とを備える。
【００１９】
さらなる実施形態は、輝度保持非結像バックライトシステムを提供し、輝度保持非結像バックライトシステムは、光源から光を受け取る入力ポートを備え、前記光から、取り込み角度に限定されたビームを形成する第１のＣＰＣ形状インジェクタと、前記光の方向を変え、横断的放出線光源を形成するために、それぞれが、局所流れ線場と接線をなす１つの面および前記第１のＣＰＣ形状インジェクタの流れ線に対して傾斜した別の面を備える、一連の微細構造反射小平面を備える第１の直線状ビーム拡大器と、前記横断的放出線光源の前記光を受け取る、反った導波路を備える第１ビーム拡大イジェクタとを備えるバックライトを備え、前記第１ビーム拡大イジェクタは、前記第１のＣＰＣ形状インジェクタの流れ線と接線をなす平滑上部表面、および、コリメートされた平面ビームを形成するように、前記上部表面を通して光を偏向させる小平面を有する下部表面を備え、前記小平面は、前記流れ線に全体が平行な面および半径方向外側方向に前記受け取った光を反射する傾斜を有する接続対角面を備える。
【００２０】
一部の実施形態は、フロントライトを提供する。これらのフロントライトは、前記光を受け取る入力ポート、前記光をコリメートする内部反射拡大プロファイル、および、コリメートされた光の線を形成する線状微細構造横偏向器を備えるインジェクタと、前記コリメートされた光の線を受け取り、前記コリメートされた光の線を平面導波路に限定するビーム拡大イジェクタであって、ｘ−ｙ底部表面上の小平面のある微細構造イジェクタが、コリメートされた光のｚ軸に進むシートを形成する、ビーム拡大イジェクタと、前記コリメートされた光のシートを横切るように配置され、前記フォトスティミュラティブ光のスペクトルを受け入れるが、より長い波長のフォトスティミュラティブ光のスペクトルは反射するダイクロイックフィルタと、前記ダイクロイックフィルタに隣接して配置され、前記ダイクロイックフィルタを通過する前記フォトスティミュラティブ光を受け取り、応答して、より長い波長の光を放出するためのフォトルミネセント材料の層と、平面下部表面、前記ビーム拡大イジェクタの前記小平面のある微細構造イジェクタに一致する上部表面、および、下部表面と上部表面との間に配置された屈折率の低い透明材料の層を有する、透明材料の最も下部のブロックと、前記最も下部のブロックを通して放出される上向きフォトスティミュラティブ光を戻す、最も上部の平面反射鏡とを含むことができる。
【００２１】
具体例として、輝度保持非結像バックライト（２０）において、光を放出する発光源（１０）と、インジェクタ（２１）と、イジェクタ（２３）と、ＣＰＣプロファイル（２１）と、上向きに反射された光を、小平面に共通のコリメートされた方向に屈折させる微細構造小平面（ｄ，ｄｄ）とを備えることができる。
【００２２】
本発明の特徴および利点のよりよい理解は、本発明の以下の詳細な説明、および、本発明の原理が、その中で利用される具体的な実施形態を明らかにする添付図面を参照することによって得られるであろう。
【００２３】
本発明の、上記のまた他の態様、特徴、および利点は、以下の図面に関連して提示される、本発明の以下のより特定の説明から明らかになるであろう。
【００２４】
対応する参照文字は、図面の中のいくつかの図を通して対応するコンポーネントを示す。図の要素は、単純にするため、また、明確にするために示され、必ずしも、一定比例尺に従って描かれていないことを当業者は理解するであろう。例えば、図の要素のいくつかの寸法は、本発明の種々の実施形態の理解を改善するのに役立つように、他の要素に対して誇張されてもよい。同様に、商業的に実行可能な実施形態において有用であるか、または、必要である、一般的であるがより理解されている要素は、本発明のこれらの種々の実施形態についての曖昧さの少ない考察を容易にするために示されないことが多い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の特徴および利点のよりよい理解は、一部の実施形態の以下の詳細な説明、および、本発明の原理が、その中で利用される具体的な実施形態を明らかにする添付図面を参照することによって得られるであろう。
【００２６】
先に紹介したように、その光源の輝度にほぼ等しい出力輝度を生成するデバイスは、一部の事例では、高輝度デバイスとして識別されるか、または、そう呼ばれる。たとえ小型ディスプレイ用の、数千平方ミリメートルと比較して、約２平方ミリメートルの面積を有する、単一高出力ＬＥＤなどの比較的非常に小さな光源を使用する高輝度デバイスであっても達成することは通常難しい。これは、通常、事実上すべての光が、実質的に平行に出るように、出力角度が相応して小さいときに行うことができるだけであり、現在入手可能なＬＥＤ（面積が小さすぎる）または従来のコリメータ光学部品と組み合わせたＬＥＤを使用すると実用的でないことが多い。この機能は、コリメートされたバックライト（またはフロントライト）と呼ぶことができるが、この用語は、比較的広い角度出力（すなわち、±３０°）にルーズに適用されてきた。
【００２７】
一部の本発明の実施形態は、狭い角度範囲にわたる高い出力輝度および高い空間均一性を有するデバイスを提供する。さらに、一部の実施形態は、比較的非常に薄いプロファイルで高い出力輝度を有するデバイスを提供し、一方、従来のレンズは、通常、こうしたビーム拡大を達成するために、かなりの奥行き必要とする。
【００２８】
図１Ａは、Ｎｉｃｈｉａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによる発光ダイオードパッケージ１０の平面図である。最も重要なものは、表面法線１２の周りにランバートパターンで白色光を放出する丸くなった矩形放出領域１１である。図１Ｂは、同じものの側面図である。両方の図は、尺度を伝えるためにパッケージ寸法を与え、方向ｘがパッケージ１０の表面法線であり、方向ｙがその長さに沿っており、方向ｚがその幅に沿っているデカルト座標系を導入する。放出器１１の面積は、
Ａｅ＝（１．８−０．４５）＊０．４５＋π＊０．４５２／４＝０．７７ｍｍ２
であることがわかる。ランバート光源によって放出される各光束について、強度は、１／πカンデラである。２．７ルーメンの定格光度は、２．７／（π＊０．７７）＝１．１２カンデラ／ｍｍ２＝１，１２０，０００ニットのかなり高い輝度を与える。これは、頭上の太陽光の白色光に比べて、３０倍以上明るく、適切には、「高輝度（ｈｉｇｈ  ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）」と呼ばれる。
【００２９】
図２Ａは、ｘ−ｙ平面におけるバックライト２０の平面図である。ＬＥＤ放出エリア１１は、空気ギャップとまったく光学的に接触しないインジェクタ２１内に光を光るように配置される。インジェクタ２１は、その外部にＴＩＲ反射鏡プロファイル２２を含む。矩形イジェクタ２３は、標準ビデオの４：３比を有し、円形溝２４を介して光を射出する。この出力光は、図の平面から出て、観察者の方に射出される。この射出光は、±２５°の視野角にわたって６００ニットの最小輝度で液晶ディスプレイ（図示せず）を照明するように働く。これは、
６００＊（４０．７／１０，０００）＊ｎ＊ｓｉｎ２２５°＝１．３７ルーメン
の最小光度になる。そのため、２．７ルーメンの上述したＬＥＤ光度は、光効率が、少なくとも５１％であることを必要とされることを示しており、少なくとも５１％という値は、少なくとも一部の実施形態によって容易に達成されるが、コリメーションと空間均一性の両方が欲しい他のシステムにとっては、ずっと難しい。
【００３０】
図２Ａは、プロファイル２２が、地点２６ｒにおいて全内部反射をどのように使用しているかを示しており、例示的なペンシル２５および２６を形成して、例示的な地点Ｐから見たときの、放出器１１の角度範囲β（Ｐ）が調整される。反射鏡プロファイル２２は，イジェクタ２３全体にわたって同じ光束を送出するために、軸ずれ角度θの関数として角度幅βを本来調整する放物面である。
【００３１】
図２Ｂは、バックライト２０の溝半径に沿った、ｘ−ｚ平面における断面図であり、インジェクタ２１および射出用の底部溝２４を有するイジェクタ２３を示す。イジェクタ２３は、ビーム拡大（インジェクタ２１内に最初のビーム拡大が存在する）と射出の両方の機能を果す。インジェクタ２１は、ＬＥＤ放出器１１の０．４５ｍｍ幅から３ｍｍの全厚さまで拡大させる。
【００３２】
図２Ｃは、ＣＰＣプロファイル２１、イジェクタ断面２３、および流れ線溝２４を有するバックライト２０を通る同じ断面図を示す。水平方向接線２０Ｔは、ＣＰＣプロファイル２１が、それ自体、どれほど下方に傾斜しているかを示す。同様に示されるのは、右下方に傾斜するのがわかる平行エッジ光線２７である。
【００３３】
図２Ｄはまた、光線２７を示すが、明確にするために、バックライト２０が除去されている。同様に、上述したようにＣＰＣプロファイル２１が水平より下へ傾斜するため、傾斜線２７より傾斜が小さいが、右上方に平行エッジ光線のセット２８が示される。光線ファン２９は、光源（図示しないが、図２Ｃにおいて１１で表示される）の上部エッジから進む。
【００３４】
図３は、単位半幅の入口開口３１および半幅１／ｓｉｎαの出口開口３２を有する、取り込み角度αの左右対称のＣＰＣプロファイル３０を示す。取り込み角度αは、５°として描かれるため、プロファイル３０の入口開口から出口開口までのＣＰＣ長は、［（１／ｓｉｎα）＋１］／ｔａｎα＝１４３である。角度２αは、ＣＰＣ３１内のすべての地点において、光線が、この角度範囲を完全に満たすことを強調するために示される。平行下部エッジ光線３３は、すべて、角度−αに向く。上部エッジ光線３４は、入口３１の下部エッジから出口３２の上部エッジまで角度αで進む。光線３４上には、対称軸３６に平行に向く複数のセグメント３５の左端が位置する。これらのセグメントは、その上に位置する両面鏡が、ＣＰＣ３１の光出力を変えないため、流れ線と呼ばれ、こうして、これらのセグメントは、光学流れと接線をなすため、光学流れを乱さない。流れ線は、以下の図１６で、より詳細に説明されるであろう。
【００３５】
図４Ａは、屈折率ｎの透明材料で充填されたプロファイル４０を示す。上部表面４１は、図３のＣＰＣ３０の上部エッジと同じであり、水平底部エッジ４２は、図３のセグメント３５と同じである。ビームレット４４は、流れ線セグメント４２間で放射する光を示す。
【００３６】
図４Ｂは、プロファイル４０の左端の拡大図であり、上部ＣＰＣ表面４１、および、垂直セグメント４３によって接続される流れ線セグメント４２を示す。同様に、流れ線によって乱されない元の２α光を表すビームレット４４が示される。ビームレット４４は、実際に、出て空気内に入る場合、小さなαについて、幅が２ｎαであることになる。図４Ａおよび図４Ｂに示すデバイスは、ＣＰＣの流れ線４２、上部（ｔｏｐ）線４１（同様に、流れ線である）、および出口セグメント４２によって制限される。図２Ｃの放出器１１からの光線は、出口セグメント４３に達する前に、流れ線上で反射するだけであるため、光束は、ＣＰＣの流れ線に関して乱されない。そのため、完全ＣＰＣ内部の地点でも同じであるが、セグメント４３における光線の角度広がりは、２αであると結論付けることができる。
【００３７】
図５Ａは、ＣＰＣ形状上部表面５１、底部水平セグメント５２、および、垂直ビームレット５４を形成するために上向きに光を反射するように傾斜した対角接続セグメント５３を備えるプロファイル５０を示す。対角接続セグメント５３は、イジェクタ面とも呼ばれる。実際のデバイスでは、セグメント５２および５３は、非常に小さいため、裸眼には見ず、また、ここに示す１０個よりはるかに多いであろう。人の目によるぼけ作用によって、表面全体が、傾斜した溝ではなく、均等に明るく見えるようになるため、こうした高解像度の実施態様によって、知覚される輝度は、比例して減少するであろう。これは、ビームレット５４が上部表面５１を出た後、ビームレット５４の角度幅２ｎαを変えることなく行われるであろう。イジェクタ面５３の傾斜角度ρの個々の値は、すべての出力ビームレット５４が平行になるように、上部表面５１の変動する傾斜を補償するように調整される。
【００３８】
このぼけ作用を行うために、イジェクタ面５３は、ビームレット５４が、上部表面５１のすぐ外側でオーバラップするように十分に近くなければならない。不可視性を達成するために、一部の実施形態では、最大間隔は、約１６０μである。そうでない場合、拡散器が、デバイスの上に設置されるため、溝構造は、観察者によって識別されることができない。
【００３９】
図５Ｂは、プロファイル５０上のイジェクタ面５３のうちの１つの面の拡大図である。角度２αに対する、エッジ光線のアレイ５５は、イジェクタ面５３の１つの傾斜エッジを照明し、傾斜エッジは、光線を上向きに全内部反射するため、光線は、垂直ビームレット５４になる。射出成形部品に対して、外部角５６は、一般に、光の波長の何倍もの半径を有する丸み付けを受ける。
【００４０】
この丸み付けは、図５Ｃ、イジェクタ面５３の図示する面に関して、水平エッジ５２に結合する丸くなった外部角５６を示す拡大図に示される。丸くなった角５６は、曲率中心Ｃから半径ｒを有し、挟角ρの弧を形成する。エッジ光線と主光線のアレイ５７は、光線ファン５８と５９内に分散する。上向き光線ファン５８は、材料の臨界角内にあり、したがって、バックライトから出て行くことになり、一方、対角光線ファン５９は、バックライトから出ない光線からなり、そのため、その出力に寄与しない。光線ファン５８の広い角度は、迷走光ならびにエテンデュの増加をもたらす。
【００４１】
手短に図２Ａに戻ると、光源１１からイジェクタ２３まで延びる（ｒｕｎ）インジェクタ２１は、ほぼイジェクタ２３自体の幅を有する。イジェクタ幅が狭い場合、成形するのが複雑になるが、図６の好ましい実施形態が開示される。バックライト６０は、ＬＥＤパッケージ１０、左境界のＣＰＣプロファイル６３を有するインジェクタ６２、全内部反射偏向器空隙６４、および、その底面に直線状反射鏡溝６６を有する矩形イジェクタ６５を備える。ＣＰＣプロファイル６３は、図３のプロファイル３０から拡大され、同様に、光源１０からの光の角度範囲を狭くする。空隙６４は、引込み挿入物（ｒｅｔｒａｃｔａｂｌｅ  ｉｎｓｅｒｔ）によって成形されることができる。空隙６４が、空気充填されている限り、内部反射ビームレット６７は存在しないであろう。空隙６４は、矩形イジェクタ６５（ビーム拡大と射出の両方の機能を果す）の矩形面全体に一定の照明を送出するように形作られる。図２Ｂに示す、イジェクタ２３の断面は、図６の矩形イジェクタ６５に同様に適用される。
【００４２】
図７Ａは、バックライト７０の平面図であり、バックライト７０は、ＬＥＤパッケージ１０、ＣＰＣ集光器７１、結合ロッド７２、流れ線およびイジェクタ面７４を有するインジェクタ７３（最初のビーム拡大を生成する）、空気ギャップ７５、および、イジェクタ面７７を有する直線状流れ線溝を底面に有するイジェクタ７６（２回目のビーム拡大を生成する）を備える。ＬＥＤパッケージ１０とＣＰＣ７１との間には、屈折率整合接着剤ではなく、空気ギャップ（小さすぎて描けない）がある。この理由とは、１．５〜１．６の範囲の典型的な屈折率は、出力角度が非常に小さくなければ、ＬＥＤ放出の全±９０°を処理するのに不適切であるということである。空気ギャップは、ＣＰＣ内の範囲を±ｓｉｎ（１／ｎ）または約４０°に減少させる。特に述べなければ、ＬＥＤに結合する本明細書のすべてのＣＰＣは、自分自身とＬＥＤとの間にこうした空気ギャップを有するであろう。
【００４３】
図７Ｂは、バックライト７０の端面図であり、ＬＥＤパッケージ１０、ＣＰＣ集光器７１、結合ロッド７２、ならびに流れ線およびイジェクタ面７４を示す。
【００４４】
図７Ｃは、バックライト７０の底面部分の斜視図であり、ＬＥＤパッケージ１０、ＣＰＣ集光器７１、結合ロッド７２、イジェクタ面７４を有する流れ線溝を有するインジェクタ７３（最初のビーム拡大を生成する）、空気ギャップ７５、および、イジェクタ面７７を有する直線状流れ線溝を有するイジェクタ７６（２回目のビーム拡大を生成する）を示す。
【００４５】
図７Ｄは、図７Ｃからの拡大図であり、インジェクタ７３、イジェクタ７６、流れ線段状部７４、空気ギャップ７５、およびイジェクタ７６の角を示す。
【００４６】
図７Ｅは、バックライト７０の著しく傾斜した斜視側面図であり、ＬＥＤ光源１０、ＣＰＣ７１、結合ロッド７２、インジェクタ７３、空気ギャップ７５、イジェクタ７６、ならびに流れ線溝およびイジェクタ面７７を示す。
【００４７】
図７Ｆは、イジェクタ７６のまさに端の著しく傾斜した別の斜視側面図であり、流れ線溝およびイジェクタ面７７ならびに薄い先端７８を示す。溝のサイズが小さいことによって、先端７８は、実用的な射出成形には薄すぎる。したがって、変更した好ましい実施形態が、次に示される。
【００４８】
図８Ａは、バックライト８０の平面図であり、バックライト８０は、ＬＥＤパッケージ１０、ＣＰＣ集光器８１、イジェクタ面８３を有する流れ線溝を有するインジェクタ８２（最初のビーム拡大を生成する）、狭いコンフォーマルな低屈折率ギャップ８４、および、再帰反射鏡端角部８６を遠方端に有するイジェクタ８５（２回目のビーム拡大を生成し、光を射出する）を備える。イジェクタ８５の反対側で観察者からかろうじて見られるのは、ホログラフィック拡散器シート８７（後続の図においてよりよくわかる）である。
【００４９】
図８Ｂは、バックライト８０の斜視図であり、ＬＥＤパッケージ１０、ＣＰＣ集光器８１、イジェクタ面８３を有する流れ線溝を有するインジェクタ８２、狭い低屈折率ギャップ８４、再帰反射鏡（ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）端角部８６を有するイジェクタ８５、およびホログラフィック拡散器シート８７を示す。
【００５０】
図８Ｃは、バックライト８０の拡大図であり、拡散器シート８７が上にある、イジェクタ８５の先端を示す。点線８５ｐは、成形可能最小厚さを超える（ｐａｓｔ）イジェクタ８５のプロファイルの仮想的包含を示す。代わりに、セクション８５ｔは、一定の厚さを有し、セクション８５ｔの遠位半分である端セクション８５ｅを照明する再帰反射鏡８６まで延在する。
【００５１】
図８Ｄは、イジェクタ８５の端の斜視拡大図であり、バックエッジ溝付き再帰反射鏡８６およびホログラフィック拡散器シート８７を示す。
【００５２】
図９Ａは、バックライト９０の断面図であり、バックライト９０は、ＬＥＤ９１、ＣＰＣ上部プロファイル９２、およびイジェクタ面９３を備える。これらのイジェクタ面は、流れ線溝の短いセグメントの端にあり、得られる出力線をばらばらにするためにずれている。すなわち、流れ線とイジェクタ面によって形成される溝は、イジェクタの側面から側面まで延在するのではなく、幅が制限される。こうして、イジェクタのイジェクタ面は、線ではなく矩形である。こうして、出力ビームレット９４は、観察者が識別するのがより難しい別個のスポットになる。エッジビームレット９５は、内部出力ビームレット９４と同じ強度を有するであろう。
【００５３】
図９Ｂは、バックライト９０の平面図であり、多数のビームレットスポット９４の複雑なパターンを示す。ビームレットスポット９４は、目で識別するには、実際には、多すぎかつ密度が高すぎるため、サイズおよび間隔が誇張されている。
【００５４】
図１０は、シースルーバックライト１００の側面図であり、シースルーバックライト１００は、ＬＥＤ光源１０１、空気ギャップ１０３を形成する流れ線溝を有するイジェクタ１０２、および整合背面部品１０４を備える。ビームレット１０５は、周囲光Ｌ１が圧倒されるように、視覚的に強力な出力１０６を観察者１０７に対して生成するように合成される。同時に、観察者１０８は、抽出器１０２の流れ線表面によって比較的乱されない周囲光Ｌ２を見る。
【００５５】
図１１は、２色バックライト１１０を示し、２色バックライト１１０は、それぞれ、異なる光の色を有する上部バックライト１１１および下部バックライト１１５を備える。第１の色の広角入力光線ファン１１２は、バックライト１１１によって、狭角ビームレット１１３に変換される。第２の色の広角入力光線ファン１１６は、下部バックライト１１５によって、狭角ビームレット１１７に変換される。２重バックライトは、左右に配置されるため、ビームレット１１７は、ビームレット１１３の間で光る。明確にするために、これらの２重バックライトの上に積重ねられ、それにより、ＲＧＢ系が構築される第３バックライトは示されない。
【００５６】
第３の色が必要でない場合、よりコンパクトな構成が可能である。図１２は、２重バックライト１２０を示し、２重バックライト１２０は、第１の色の上部バックライト１２１および第２の色の反転下部バックライト１２５を備え、両者の間に空気ギャップ１２９を有する。バックライト１２１は、広角入力１２２をビームレット１２３に変換する。下部バックライト１２５は、最初は下に進むが、鏡面コーティングされた表面１２８によって上向きに反射されて、第１の色のビームレットに結合する出力ビームレット１２７に、広角入力１２６を変換する。
【００５７】
さらにコンパクトにするために、バックライトの下にインジェクション光学部品（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｏｐｔｉｃｓ）を置くことも可能である。上か下のいずれかに光を発射する、この底面インジェクション（ｂｏｔｔｏｍ−ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）カテゴリの下で、いくつかの好ましい実施形態が可能である。
【００５８】
図１３Ａは、バックライト１３１の、側断面（上側）および平面断面（下側、線１３１０で画定される）を示し、バックライト１３１は、ＬＥＤ１３１１、ＣＰＣ下部セクション１３１２、４分の１ロッド１３１３、放物状上部セクション１３１４、および、コンフォーマルな空気ギャップ１３１６によって１３１４から分離される上部イジェクタウェッジ１３１５からなる。ウェッジ１３１５を除くすべてが、バックライト１３１のコンポーネントの残りに対して、固着されるか、または、その他の方法で、空気ギャップがない状態で光学的に結合される。図１３Ａの両方の断面図を見てわかるように、ＬＥＤ１３１１は、下部セクション１３１２に光学的に結合され、下部セクション１３１２のプロファイルは、拡大する垂直プロファイル１３１２Ｖで始まり、１３１２のスラブ様の本体につながる。図１３ａの下側断面図は、水平ＣＰＣプロファイル１３１２Ｃを示す。ＣＰＣ下部セクション１３１２の底部プロファイルの直線部分は、プロファイル１３１２Ｖの端から地点Ａまで延在する。地点Ａから地点Ｂまで、地点Ｆに存在する焦点と軸１３１２ａを有する反射放物状弧１３１２ｐが存在する。１３１２の上部プロファイルは、地点Ｂから地点Ｆまで続き、その後、水平に、地点Ｆからプロファイル１３１２Ｖの上部部分まで延びる。
【００５９】
図１３ａの上側断面図では、反射円形弧１３１３Ｃは、４分の１ロッド１３１３の外側プロファイルを画定する。地点Ｃから地点Ｄまで、地点Ｆに存在する焦点と軸１３１４ａを有する放物状弧１３１４ｐが続き、上部セクション１３１４の上部表面ならびにウェッジ１３１５の下部表面を画定する。上部セクション１３１４の底面に接着されるが、下部セクション１３１２の平面上部表面には接触しないのは、白色薄膜拡散反射鏡１３１６である。白色反射鏡１３１６によって上向きに拡散散乱させることによって終わる装置を通して、反射して進む例示的な光線１３１７を見ることができる。例示的な散乱光線１３１７Ｓは、内部反射して下に戻って１３１８にて散乱し、その一部（例示的な光線１３１９など）は脱出する。１つの散乱光線１３１８Ｓは、ウェッジ１３１５の平坦上部表面によって、同様に内部反射して下に戻る。これは、反射鏡１３１６から散乱した捕捉光のほとんどが、バックライト出力として上部イジェクタウェッジ１３１５を通して出るときの別の通過のために再利用される（recycled back for another go at escaping through upper ejector wedge）ことになることを示す。同様に、こうした出て行く光のフレネル反射は、光線１３１９ｆで示すように、同様に再利用されることになる。この内部反射光の再利用は、有利には、バックライト輝度および輝度の均一性を増加させる。
【００６０】
図１３Ｂは、バックライト１３２の、側断面（上側）および平面断面（下側）を示し、バックライト１３２は、同様に、ＬＥＤ１３２１、下部セクション１３２２、８分の３円柱ロッド１３２３、および、例示的な光散乱地点１３２６ｓで示される、その放物状底部に取り付けられた拡散反射鏡層１３２６を有する放物状ウェッジ上部セクション１３２４からなる。明確にするために、光線およびその符号は、図示されないが、図１３ａのものと同様であることになる。下部セクション１３２２は、ＬＥＤ１３２１が１３２２に結合する場所に隣接して拡大器プロファイル１３２２Ｖを有する。１３２２の下部表面はまた、平坦下部表面１３２２ｆ、焦点Ｆおよび軸１３２２ａを有する、地点Ａから地点Ｂまで延びる反射放物状弧１３２２ｐを備える。反射円１３５°弧１３２３ｃは、ロッド１３２３を制限し、セクション１３２２および１３２４に光学的に取り付けられる。
【００６１】
誘電性の低い材料を使用することになるが、前の２つの実施形態に関する反射手段が必要でない場合には、有利になるであろう。図１３Ｃは、バックライト１３３の、側断面（上側）および平面断面（下側）を示し、バックライト１３２は、ＬＥＤ１３３１、断面視点線１３３０を有する下部中空反射鏡セクション１３３２、レンズ状半ロッド１３３３、および拡散器１３３４によって覆われた上部拡散反射鏡トレイ１３３６を備える。光学的再利用は、反射鏡１３３６まで戻る拡散器膜１３３４による後方散乱による。半円１３３３ｃは、１３３３の外部プロファイルを画定し、また、全内部反射によって作用して、レンズ１３３３Ｌから受け取った光を、平坦出口面１３３３ｆを通して上向きそして後方に一巡して、トレイ１３３６上に送出して、散乱１３３６ｓによって例示する拡散放出が行われる。レンズプロファイル１３３３Ｌは、中空反射鏡１３３２と連携して作用して、ＬＥＤ１３３１から光を採集し、１３３３の本体内で光を誘導されるように維持する。
【００６２】
次の好ましい２つの実施形態は、下部インジェクタセクションを通してその出力を下方に放出するために上部反射鏡を使用するが、他のすべての点で、図１３Ａの形状と幾何学的に同じである。
【００６３】
図１３Ｄは、バックライト１３４の、側断面（上側）および平面断面（下側、線１３４０で画定される）を示し、バックライト１３４は、ＬＥＤ１３４１、ＣＰＣ下部セクション１３４２、４分の１ロッド１３４３、放物状上部セクション１３４４、反射被覆１３４５、１３４４の平坦底面に取り付けられた拡散透過窓（ｄｉｆｆｕｓｅｌｙ  ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ  ｗｉｎｄｏｗ）１３４６からなり、１３４５と下部セクション１３４２の平坦上部表面との間に小さな空気ギャップ（図示せず）を有する。ＣＰＣプロファイル１３４２Ｃの両側で、コンフォーマルな小さな空気ギャップにわたって、バックライトの下部出力表面を完全なものにする２つの横スラブ１３４７が存在する。
【００６４】
図１３Ｅは、バックライト１３５の、側断面（上側）および平面断面（下側）を示し、バックライト１３５は、ＬＥＤ１３５１、断面視点線１３５０を有するＣＰＣ下部セクション１３５２、流れ線溝１３５５を有する矩形上部イジェクタ１３５４、上部セクションと下部セクションに光学的に結合する４分の１ロッド１３５３を備える。下側図は、放出器１３５１によって照明された水平ＣＰＣプロファイル１３５２ｃを有する下部セクション１３５２の断面である。平面図に抜けているのは、コンポーネント１３４７として図１３Ｄで述べた任意選択の横スラブである。このバックライトは、光線１３５Ｌの狭い角度によって示されるように、各溝から、光源の小さいイメージが出て来るように、拡散器を持たず、完全にスペキュラーモードで動作する。
【００６５】
図１４Ａは、矩形バックライト１４０の底面図であり、光源１４１、コリメータ１４２を備えるインジェクタ、第１ビーム拡大器１４３、および、第２ビーム拡大器１４４を備え、イジェクタ面（図示せず）を有するイジェクタを示す。低屈折率遷移層１４５は、拡大器１４３および１４４に結合する。真っ直ぐな底部エッジ１４３ｅは、図７Ｄの溝７４と同様の溝を有し、溝は、故意に、人の目で分解できないほど小さく作られるため、図１４Ａでは示すことができない。
【００６６】
図１４Ｂは、ＬＥＤパッケージ１４１、および、ｘ−ｙＣＰＣプロファイル１４２ｙを有するＣＰＣ１４２の平面拡大図である。出口開口１４１ｅから光る光の光線束１４１Ｌを、見ることができ、光の光線束１４１Ｌは、角度広がりが大きい（±４１°）が、空間範囲が小さい。コリメータ出口開口１４２ｅにおいて出る光線束１４２Ｌは、１４１Ｌの光線より角度広がりが小さい（α＝１５°）が、空間的広がりが補償的に大きい（２．５：１）。
【００６７】
コリメータ１４２は、光源１４１の角度広がりを減少させ、その結果、光を空間的に拡大する。図１４Ｃは、コリメータ１４２の拡大斜視図であり、コリメータ１４２が、どのようにして、直線状に掃引された（ｌｉｎｅａｒｌｙ  ｓｗｅｐｔ）ＣＰＣｘ−ｙプロファイル１４２ｙと、直角に直線状に掃引された、より狭いＣＰＣｘ−ｚプロファイル１４２ｚによって形成される矩形交差ＣＰＣの形状を有するかを示す。プロファイル１４２ｚは、線１４２ｔにおいて完全に拡大しており、厚さは、その後一定である。全体のデバイス厚さを最小にするために、プロファイル１４２ｚは、プロファイル１４２ｙより狭く作られる。
【００６８】
このＣＰＣ構成は、このコリメーティング機能について良いオプションである。それは、ＣＰＣ構成が完全に全内部反射によって働き、モールド表面が、粗さが非常に少ないことを必要とされるだけであることから、付加的な金属化を用いず、単に射出成形プラスチック部品でＣＰＣ構成を作ることができるためである。こうしたＣＰＣは、不利なことには、考えられる他のコリメータと比較して長いが、一部の本発明の実施形態と共に使用されるＬＥＤ光源のサイズが小さいことが、ＣＰＣの長さを許容可能にする。それは、ＣＰＣが、ランバート出力のほぼすべてを収集し、また、エテンデュの増加がほとんどないという２つの利点を提供するためである。流れ線集光器［特許文献１］として知られるＣＰＣの変更は、候補コリメータでもある。
【００６９】
図１４Ｄは、バックライト１４０の斜視図を示し、同様に、発光出力の上に設置されたＬＣＤ１４７およびＬＣＤ１４７とバックライト１４０との中間の拡散器１４６を、分解した観察位置で示す。
【００７０】
図１４Ｅは、バックライトの側面図であり、同様に、バックライト１４０とＬＣＤ１４７との間の拡散器シート１４６を示す。バックライト１４０は、コリメートされた出力光１４０Ｌを拡散器１４６内に送出し、ＬＣＤ１４７から出て来る出力光１４７Ｌによって対される広い角度をもたらす。
【００７１】
図１４Ｆは、同じバックライト１４０を示すが、拡散器１４６は、ＬＣＤ１４７の上にある。この代替の好ましい実施形態では、コリメートされた光１４０Ｌは、小さな角度広がりを持ってＬＣＤ１４７を通過し、有利には、ＬＣＤが、ピクセル間で高いコントラストを達成することを可能にする。この解決策の欠点は、光１４０Ｌが、ＬＣＤピクセルから拡散器までの距離にわたって少し広がるため、観察者が、ＬＣＤのピクセルではなく、そのイメージのある程度ぼけたものを見る点で、拡散器１４６が、スクリーンのようになることである。この欠点は、この実施形態によって提供されるより小さな角度広がりによって、無視できるほどに十分に軽減されることができる。
【００７２】
図１４Ｇは、第１ビーム拡大器１４３の拡大底面図であり、特に、コリメータ１４２を示す。光線１４２Ｌは、コリメータ１４２から中に入る。平坦部分１４５ｆと放物状弧部分１４５ｐを備える、第１ビーム拡大器１４３の上部表面が見られる。光線１４２Ｌが、均一な発散を有する限り、このプロファイルは、第１ビーム拡大器１４３の底部表面に沿う均一な放射を生成することになり、そのことが、明確にするためにその構造のサイズを誇張した状態で示される。底部表面１４３ｅは、均一に反射されたこの光を上向きに反射し、そしてそれゆえ、その光が、上向きに進む光線１４３Ｌになり、光線１４３Ｌは、第１ビーム拡大器１４５の上部表面を通って、イジェクタの第２ビーム拡大器１４４内に通る。
【００７３】
図１４Ｈは、第１ビーム拡大器１４３の上部表面の拡大図であり、第１ビーム拡大器１４３は、隣接するイジェクタ１４３および１４４の屈折率（１．４９５）に比べて少し低い屈折率（１．４５）を有する材料からなる、薄い接着剤層１４５ｇによって第２ビーム拡大器１４４に結合される。理論的な光線ファンＲは、光線透過に及ぼす入射角度の影響を示すために示される。ｎ＝１．４９５とｎ＝１．４５との間で、臨界角は、７６°であり、それにより、光線が透過することを維持したままで、「ＴＩＲ」光線が下向きに偏向される。この屈折率の小さな差は、本発明の例における１４５ｇの偏向器機能に十分である。透過した光線「Ｔｒ」は、横方向にほんのわずかに変位して元の方向に進む。
【００７４】
図１４ｉは、第１ビーム拡大器１４３の底部表面１４３ｅの小さな溝の拡大図であり、小さな溝は、流れ線小平面ｆによって接続された偏向器小平面ｄを備える。図３に関連して説明したように、流れ線は、光場全体を元のままにしておく反射表面である。この場合、入射角が、全内部反射が働くために十分に大きいため、こうした反射は、鏡面を必要としない。「微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」という用語は、人の目が識別するには小さすぎるような光学的構造を記述するために使用される。
【００７５】
図１４Ｊは、こうした微細構造溝についての代替の構成の拡大図である。偏向器小平面ｄｄは、照明を受け取らず、したがって、光学的に不活性である影付き表面ｓによって接続される。
【００７６】
図１４Ａ〜１４Ｇのバックライト１４０は、バックライト１４０内を進む光に対して直角の２つのビーム拡大を実施する。全体として７００：１（面積で）のビーム拡大は、いずれにしても非常に大きい（ｄｒａｓｔｉｃ）、しかし、それは、バックライト１４０の非常に薄い深さ内で達成される。ｘ軸に沿う第１ビーム拡大は、線状ビーム拡大器１４３による。ｙ軸に沿う第２は、平面拡大器１４４による。これらは共に、同じ２次元プロファイル形状を有し、２次元プロファイル形状は、次に続く流れ線方法によって本明細書で導出される。
【００７７】
位相空間と呼ぶ数学的対象（ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ  ｏｂｊｅｃｔ）、解析力学に起因する概念が利用される。光学（ｏｐｔｉｃｓ）において、位相空間は、空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）と、対応する３つの光学モーメントの空間座標（ｐ，ｑ，ｒ）との積である。ｘ軸に対応する光学モーメントは、屈折率ｎと、光線がｘ軸に関して作る角度αの余弦との積である。他の光学モーメントは、同じ定義である。すべての光線がｘ−ｙ平面内に束縛される２次元問題において、αがｘ軸に対する光線の角度であるため、ｙ軸に関するその角度が９０−αであり、その余弦がｓｉｎ（α）であることを思い起こすと、ｙ軸に関する光学モーメントｑは、
ｑ＝ｎｓｉｎ（α）
と書くこともできる。光学モーメントの考えの有用性は、位相空間を通る光の流れが、非圧縮性（ｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ）６次元流体の流れになり、この時、エテンデュが、その容積および輝度ならびにその密度に相等する（equivalent to its volume and luminance its density）ことにある。光学について特に価値があるのは、ポアンカレの積分不変量（ｉｎｔｅｇｒａｌ  ｉｎｖａｒｉａｎｔｓ  ｏｆ  Ｐｏｉｎｃａｒｅ）（特許文献１、ｐ．９９）としても知られる位相空間保存理論（ｐｈａｓｅ−ｓｐａｃｅ  ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｔｈｅｏｒｅｍ）である。これらの積分不変量の１つは、幾何学的ベクトル束と呼ばれるベクトル場Ｊのゼロ発散として表すことができる。空間内のどこでも、積分不変量は、最大照明の方向を指し、そのマグニチュードはその最大量である。ベクトル場はどれも、各地点における運動速度としてベクトルを積分することによって生成される経路として定義される積分曲線を有する。幾何学的ベクトル束の積分線は、流れ線と呼ばれる。これらの流れ線を使用して、ビーム拡大器のプロファイルが設計される。
【００７８】
本明細書で利用されるビーム拡大器では、２次元位相空間が、理解するのに十分である。ビーム拡大器入口開口における標準的エッジ光線は、２つの境界位置座標ｙ０＝−Ｌ／２およびｙ１＝Ｌ／２において、ｑ０（ｙ）＝−ｎｓｉｎ（α）およびｑ１（ｙ）＝ｎｓｉｎ（α）である。それらは、ｙ−ｑ平面内で矩形位相空間ゾーンの角を形成する。この矩形の面積は、それぞれがｙ−ｑ平面内で矩形内の地点として表される光線の束のエテンデュである。このエテンデュは、Ｅ＝２ｎＬｓｉｎ（α）である。この原理は、位相空間座標ｙおよびｑを示す、Ｌ＝３ｍｍおよびα＝１５．５°についての図１５によって示される。位相空間ゾーン１５０は、線１５１（ｙ＝１．５ｍｍ）、線１５２（ｙ＝−１．５ｍｍ）、線１５３（ｑ＝ｑ０＝−１．５＊ｓｉｎ１５．５°＝−０．４）、および線１５４（ｑ＝ｑ１＝０．４）によって制限される矩形である。矩形のエッジは、エッジ光線を表し、そのうちの４つは、角Ｃ１〜Ｃ４である。
【００７９】
図１５ａでは、位相空間境界１５１と共に１５３、１５２と共に１５４は、それぞれ、以降でＭ０およびＭ１と指定されるエッジ光線のセットである。それらは、図１５ｂに明示的に示されるが、明確にするために、その実際のロケーションから後に引き離されている。各エッジ光線のセットは、位相空間内で連続である。これらの２つのセットは、エッジ光線のすべて、すなわち、開口の所定の地点から出る±αの光線、ならびに、開口のいずれかの端から出る＋α〜−αの光線を含む。対応する光線は、図１６ｂに示される。
【００８０】
図１６ａは、図１５の角によって表される光線に対応する、エッジ光線Ｃ１およびＣ２を有する開口Ａ（３ｍｍ幅）を示すｘ−ｙ平面の図である。開いた台形領域１６２は、開口Ａならびに光線軌跡Ｃ３およびＣ４によって制限される。同様に、中心線Ｆ０に横切り、三角形領域１６１を画定するエッジ光線Ｃ１およびＣ２が示される。例示的な地点Ｐは、制限光線ＥとＲとの間の光線によって照明され、線Ｔは、光線ＥとＲの二等分線であり、Ｐにおける幾何学的ベクトル束Ｊの方向を示す。
【００８１】
図１６ｂは、光線セットＭ０が、エッジ光線Ｃ４に平行なすべての光線と、開口Ａの右エッジから出るすべての光線（Ｃ３を除く）と足したものをどのように含むかを示す。他の光線セットＭ１は、光線Ｃ２およびＣ４の代わりに、それぞれ、光線Ｃ３およびＣ１を有する図１６ｂの鏡像である図を有するであろう。こうして、図１６ａの領域１６２内のすべての地点が、Ｍ０の１つで、かつ、ただ１つの光線、および、Ｍ１の１つで、かつ、ただ１つの光線によって横切られる。
【００８２】
図１６Ａの領域１６２内で、光線ベクトル場ｖ０（ｘ，ｙ）およびｖ１（ｘ，ｙ）を定義することができ、それにより、各ベクトル場は、どこででも、対応するセットＭ０またはＭ１の光線軌跡と接線をなし、また、スカラーマグニチュードは、｜ｖ０｜＝｜ｖ１｜＝ｎであるようなものであり、ここで、ｎは、領域１６２内の媒体の屈折率である。図１６ｂは、ベクトル１６５および１６６のｖ０（ｘ，ｙ）の２つの例を示す。ｖ０（ｘ，ｙ）およびｖ１（ｘ，ｙ）は、光学ベクトル場であるため、２つの関数Ｏ０（ｘ，ｙ）およびＯ１（ｘ，ｙ）が存在しなければならず、それにより、それらの勾配は、∇Ｏ０（ｘ，ｙ）＝ｖ０（ｘ，ｙ）および∇Ｏ１（ｘ，ｙ）＝ｖ１（ｘ，ｙ）を満たす。したがって、これらの関数は、アイコナール方程式（ｅｉｋｏｎａｌ  ｅｑｕａｔｉｏｎ）の解である。曲線Ｏ０＝一定、および、曲線Ｏ１＝一定は、対応する束の波面である。前者の２つの例は、波面１６７および１６８として図１６ｂに示される。
【００８３】
経路長差関数ｉ（ｘ，ｙ）＝（Ｏ０（ｘ，ｙ）−Ｏ１（ｘ，ｙ））／２およびｊ（ｘ，ｙ）＝（Ｏ０（ｘ，ｙ）−Ｏ１（ｘ，ｙ））／２を定義する。これらの２つの関数は、∇ｉ・∇ｊ＝０であるため、直交する。∇ｊ＝（∇Ｏ０（ｘ，ｙ）＋∇Ｏ１（ｘ，ｙ））／２は、どこででも、Ｍ０のエッジ光線とＭ１のエッジ光線との間で形成される角度を二等分することにも留意されたい。このことから、∇ｊに対してどこででも接線をなす線ｉ＝一定は、束の流れ線であると結論付けられる。
【００８４】
図１６ｃは、中心線Ｆ０と境界線Ｆ３およびＦ４を含む、開口Ａからの流れ線の集合１６０を示す。線Ｆ０の場合、ｉ（ｘ，ｙ）＝０であり、その左に対してｉ＜０であり、その右に対してｉ＞０であり、各流れ線は、ｉ（ｘ，ｙ）の一意の値を有する。三角形領域１６１内では、流れ線は、垂直な直線である。三角形領域１６１の外側であるが、図１６ａの直線Ｃ１とＣ２との中間の領域内では、流れ線は、開口Ａの端に焦点を有する共焦双曲線である。残りの流れ線部分は、開口Ａの一端に焦点を有する放物線であり、角度±αだけ傾斜する。直線Ｆ０、Ｆ３、およびＦ４を除いて、図１６ｃの湾曲流れ線は、図１４Ｆの拡大器１４４の上側および図１４Ｇのプロファイル１４５ｐに見られるタイプの形状を有する。
【００８５】
図１６ｃの流れ線の重要な態様は、図１６ｃの流れ線と整列した鏡面が、他の流れ線を乱すことはないということである。そのため、図１６Ｃの開口Ａの一部分だけが、実際に利用される場合、集合１６０は、暗い線Ｆ１などの任意の流れ線に沿って分割することができる。開口が、ある程度ｙ軸から傾斜している場合でも、この流れ線は、サブ開口Ｂについてビーム拡大器プロファイルとして働くことが可能になる。これは、イジェクタ平面が、新しいｙ軸内にあることになるからである。
【００８６】
図１７Ａは、ビーム拡大器１７０の構造を示し、図１６ｃの流れ線が、Ｆ１からＦ３まで繰り返される。上部表面１７１は、レベル点線Ｌによる遮断部まで流れ線Ｆ１に追従する。段状部１７２は、Ｆ１の下の流れ線のセグメントとして見られる。段状部のサイズは、明確にするために著しく誇張され、一方、実際の段状部は、一般に、人の髪より細い。設計パラメータに応じて、これらのイジェクタは、全内部反射するように働き、こうした場合、イジェクタは、鏡面被覆を有する必要がない。
【００８７】
Ｔを、ディスプレイ上での微細構造線の所望の投影長とし、また、Ｎを、設計すべき微細構造の数とする。例えば、Ｎ＝５００であり、それについて、Ｎ個の流れ線が確立されることになる。座標原点は、地点０である。段状部１７２の最初の段状部は、ｘ＝Ｔとなるまで、流れ線Ｆ３に沿って延在する。次に、イジェクタ面１７３の最初のイジェクタ面が位置する。これは、ビーム拡大器から光を射出させることになる反射鏡となるであろう。ビームを射出したい方向を、前もって知っていなければならない。例えば、ディスプレイ線Ｌに垂直にビーム拡大器を出るように、ビームが射出されることが望まれると仮定する。各イジェクタ面は、ビームの中心光線が、ビーム拡大器を所望の方向に出るように、ビームを反射する線として計算される。設計が首尾よくいく場合、中心光線は、偏向器曲線１７１において屈折するため、イジェクタを設計するときに、こうした屈折が考慮されなければならないことが留意される。一般に、イジェクタは、非常に小さいため、イジェクタが直線の一部分であると考えるのに十分であり、その直線について、傾斜を計算しなければならないだけである。イジェクタ面は、次の流れ線に出会うと終わる。残りの計算は、この最初の計算の繰り返しである。
【００８８】
図１７Ｂは、上部偏向器表面１７１、および、実際の微細構造のたくさんの特徴部を表す小平面のある下部表面を備えるビーム拡大器１７０を示す。段状部１７２およびイジェクタ面１７３は、図１７Ａの場合と同様である。イジェクタ１７３の働きを示すために、３つの光線ファン１７４が示される。イジェクタ面１７３はそれぞれ、その出力光線１７５が、主に上向きに進むために適切に角度付けされていると考えられる。
【００８９】
より密な入力光線のセットは、さらに多くの出力光線のセットを生成することになるが、±α＝±１５．５°に限定されたランダム放出器１７６を同様に示す図１７Ｃを見てわかるように、明確さが低下することになる（ｃｌａｒｉｔｙ  ｗｏｕｌｄ  ｓｕｆｆｅｒ）。出力光線束１７７は、イジェクタ１７０の幅にわたって実質的に同じ強度を示す。イジェクタの数を多くすることによって、均一性が高くなることになる。
【００９０】
光ビームの放射輝度が、光線それぞれについて一定であると仮定すると、所与の表面上に当たる放射照度は、この表面によって遮られる単位面積当たりのエテンデュに比例する。２次元問題では、「表面」は、「線」に置換えられる。上記設計手法は、ディスプレイに沿う単位長さ当たりのエテンデュが、ほぼ一定である（数学的に、これは、微細構造線の地点について、∂Ｅ／∂ｘ＝一定である）、すなわち、ビームの光線が同じ放射輝度を有する場合、放射照度はディスプレイに沿って一定であることを保証する。微細構造の数Ｎが増加するにつれて、近似がよりよくなる。
【００９１】
ψ（ｘ）が、微細構造線の地点を通過するエッジ光線によって形成される最大角度であり、座標ｘおよびφ（ｘ）が最小である場合、
【００９２】
【数２】
2009503793.tif 000003
【００９３】
である。図１７の流れ線の例の場合、ψとφは共に一定であるため、∂Ｅ／∂ｘは一定である。
【００９４】
先に説明したビーム拡大器設計方法は、２次元幾何形状、すなわち、ビーム拡大器プロファイルの平面内に含まれる光線ビーム用である。さらに、方法は、入力光線の放射輝度が一定であること、ならびに、誘電体材料の吸収がゼロであること、および、散乱のない状態ですべての反射のスペキュラー反射率が１００％であることを仮定する。これらの仮定は、現実には満たされないため、設計を微調整するために、より多くの設計ステップが必要とされる。簡潔にするために、設計目的は、ディスプレイ表面上で一定の放射照度を達成することであると仮定する。それは、所定の放射照度変動が、容易に対処されることができるからである。一般性のために（ｆｏｒ  ｇｅｎｅｒａｌｉｔｙ）、光源は、寸法Ｓ×ｓの矩形開口を有する単一ＬＥＤである（Ｓ＞ｓ、例えば、Ｓは図１４Ｃのｙ軸の寸法であり、ｓは図１４Ｃのｚ軸の寸法であると仮定する）。ディスプレイはまた、寸法Ｄとｄを有する矩形である（Ｄ＞ｄ、例えば、Ｄは図１４Ｃのｘ軸の寸法であり、ｄは図１４のｙ軸の寸法であると仮定する）。バックライト設計において結合されることになる２つの直線状設計（ｌｉｎｅａｒ  ｄｅｓｉｇｎ）を考える。図１４Ｃの場合と同様に、コリメータ１４２は、２つの直線状集光器（それぞれが直線状掃引タイプの設計の直線状集光器）の交差（ｃｒｏｓｓｉｎｇ）によって形成されることになる。
【００９５】
光源によって放出され、かつ、開口側面Ｓを有するＬＥＤの対称平面内に含まれる光線を考える。第１ビーム拡大器は、これらの光線をコリメートし、拡大し、第２ビーム拡大器は、ｘ−ｚ平面内に含まれる光源光線に専用である。
【００９６】
１．コリメータ開口のサイズ（Ｃ×ｃ）を設定する。このサイズは、Ｄ≧Ｃ≧Ｓおよびｄ≧ｃ≧ｓであるべきである。比Ｃ／Ｓおよびｃ／ｓは、コリメータを形成する交差した２つの直線状デバイスのコリメーションを定義する。これらの２つの直線状デバイスは、一定の角度放出用の流れ線集光器［１］として設計される。直線状デバイスについての放出角度は、それぞれ、±Ａおよび±αと呼ばれるであろう。その結果、コリメータ出口開口における２次元束のエテンデュは、Ｅ＝２ｎｃＣｓｉｎ（Ａ）およびｅ＝２ｎｃｃｓｉｎ（α）である。ここで、ｎｃは、コリメータ開口における屈折率である。もちろん、これらのエテンデュは、ＬＥＤ開口における入って来る束のエテンデュにそれぞれ等しくあるべきである。こうして、角度±Ａおよび±αは、これらの式から計算することができる。
【００９７】
２．先に説明した手法に従って、とりわけ、任意の光線の放射輝度が一定である（例えば、１に等しい）と仮定して、第１および第２ビーム拡大器を設計する。
【００９８】
３．先の設計では考えられていない現象（吸収、散乱など）を考慮して、第１ビーム拡大器外平面における放射照度またはそれに近い平面におけるＩｉｒｒ（ｘ，ｚ）をレイトレーシングによって計算する。モンテカルロレイトレーシングによってこの関数を計算するために、出力平面が、小さなセルに分割され、各セルに衝当する（ｈｉｔ）光線が計数される。衝当計数値の分散は、計数値の平方根であるため、シミュレーション用の最小光線計数値を設定する、少なくとも１，０００光線が、１セルについて受け取られなければならない。放射照度は、各セルの地点について、ほぼ一定であると考えられる。セルが、いくつかの微細構造、例えば、５つ以上の微細構造を含むようにセルのサイズを選択する。単位の総束（ｕｎｉｔ  ｔｏｔａｌ  ｆｌｕｘ）についてこの放射照度を正規化する。∫Ｉｉｒｒ（ｘ，ｚ）ｄｘｄｚ＝１
４．Ｒ１（ｘ）＝（∫ｄｘ）∫Ｉ１ｒｒ（ｘ，ｚ）ｄｚを計算する。Ｒ１（ｘ）の平均値は、１＝（∫Ｒ１（ｘ）ｄｘ）／（∫ｄｘ）であることに留意されたい。
【００９９】
５．光線の放射輝度Ｒ１（ｘ）は、光線が微細構造線を満たす地点ｘに依存すると仮定して、第１ビーム拡大器のプロファイルを再計算する。これは、イジェクタ傾斜および配置を修正する。流れ線は、ここで、座標ｘが、（Δｘ）ｎ＝（１−ｋ（１−Ｒ１（ｘ）））（Δｘ）０だけ増加するまで延びる（ｅｘｔｅｎｄ）。ここで、（Δｘ）０は、均一な座標増加（Δｘ）０＝元の設計のＴ／Ｎであり、ｋは係数０＜ｋ≦１である。放射輝度が大きくなればなるほど、段状部によって覆われる流れ線の部分が大きくなり、その結果、イジェクタの密度が減り、次の反復についての出力放射輝度の減少が生じる。最も大きなｋは、最も速い収束を与えるが、より大きな不安定性を伴う。イジェクタ傾斜は、新しい位置においてごくわずかに変わるであろう。第２ビーム拡大器は、同様な方法で設計される。
【０１００】
６．モンテカルロレイトレーシングによって、第２ビーム拡大器出力平面（この平面はディスプレイであることができる）における放射照度Ｉ２ｒｒ（ｘ，ｙ）を計算する。放射照度を、∫Ｉ２ｒｒ（ｘ，ｚ）ｄｘｄｙ＝１になるように正規化する。
【０１０１】
７．Ｒ２（ｙ）＝（∫ｄｙ）∫Ｉ２ｒｒ（ｘ，ｙ）ｄｘを計算する。
【０１０２】
８．光線の放射輝度がＲ２（ｙ）であると考えて、第２ビーム拡大器のプロファイルを再計算する。ここで、ｙは、光線が微細構造線を遮るときの、光線のｙ座標である。考慮中の流れ線段状部は、ここで、座標ｙが、（Δｙ）ｎ＝（１−ｋ（１−Ｒ２（ｙ）））（Δｙ）０だけ増加するまで延びる。ここで、（Δｙ）０は、最初の反復において行われた座標増加であり、ｋは係数０＜ｋ≦１である。Ｒ２（ｙ）≒１になるまでステップ６に進む。
【０１０３】
９．Ｒ２（ｙ）≒１であるが、Ｉ２ｒｒ（ｘ，ｙ）は、境界におけるエッジ効果のために、依然としてｘ方向に均等でない場合がある。この場合、Ｒ１（ｘ）＝（∫ｄｘ）∫Ｉ１ｒｒ（ｘ，ｚ）ｄｚの代わりにＲ１（ｘ）＝（∫ｄｘ）∫Ｉ２ｒｒ（ｘ，ｙ）ｄｙを使用して、第１ビーム拡大器（ステップ４）を再設計する。
【０１０４】
±αに制限された均一な放出器が、流れ線に垂直な２つの平行完全鏡（ｐｅｒｆｅｃｔ  ｍｉｒｒｏｒ）の間で光るとき、光線は、無制限に伝播し、流れ線がまさに平行な直線であるように、すべての地点が、光の全±αを「見る」ことになる。これに基づいて、多くの利点を有する、真っ直ぐな偏向器が想定される。
【０１０５】
図１８は、こうした真っ直ぐな偏向器を示し、真っ直ぐな偏向器は、平行な流れ線１８０から形成され、上部偏向器として上部平坦表面１８０を有する。水平段状部１８２は、傾斜したイジェクタ１８３によって結合される。イジェクタの上部頂点に結合する点線１８４もまた、直線であり、真に微細構造下部表面のプロファイルとして点線１８４を確立する。屈折率ｎの材料を閉囲して、上部偏向器１８１と、下部段状部１８２とイジェクタ１８３とを備える全プロファイルは、入力開口１８５を通って入って来る光線を誘導することになる。イジェクタ１８３が、垂直出力のために４５°で傾斜するとき、全内部反射は、
α＜４５°−ｓｉｎ−１（１／ｎ）＝５．７°（ｎ＝１．５８）
について働く。これより広い入力ビームは、コーティングされたイジェクタを必要とすることになる。
【０１０６】
この受け入れ角度αを増加させることが可能であり、図１６ｃへ手短に戻って方法を示す。中心流れ線Ｆ０からエッジ線Ｆ３までの、開口Ａの右半分およびすべてのその流れ線は、図１９のイジェクタについての基礎であり、ビーム拡大器１９０は、真っ直ぐな上部偏向器１９１と、下方に延びる段状部１９２と、イジェクタ１９３を有する。真っ直ぐな中心流れ線Ｆ０がそうであるように、制限光線Ｃ１およびＣ２は、図１６ｂと同じである。有利には、光ビームの光線についての平均反射回数は少なく、ビーム拡大器の厚さは、図１８と比較して、幅に沿ってより一定である。これは、特に射出成形にとって適切である。点線１９４は、図１８のイジェクタに結合する１８４と同じであり、ここで再び描かれて、このビーム拡大器プロファイルの厚さのより好ましい一貫性を示す。
【０１０７】
図２０は、バックライトユニットを示し、バックライトユニットは、ＬＥＤ光源２０１、コリメータ２０２からなるインジェクタ、第１の直線状ビーム拡大器２０３、および第２の平面ビーム拡大器２０４からなるイジェクタを含み、拡大器は共に、平坦偏向器上部プロファイルおよび小平面のある湾曲下部プロファイルを有し、湾曲下部プロファイルは、流れ線追従段状部および傾斜イジェクタ面を備える微細構造を有する。平坦な端２０５は、一瞬の光（ｇｌａｎｃｉｎｇ  ｌｉｇｈｔ）を内部反射させるように働き、損失を防止する。図２０では見えない、反対側の対応する平坦端は、第１拡大器２０３用のイジェクタにとって無条件に（ａｌｌ  ｔｈｅ  ｗａｙ）生じる必要がある。そうでなければ、拡大器２０４のその近くの角の照明は、漏れによって、過剰に減少する可能性がある。図１４Ｈの状況と同様に、線２０６は、ＣＰＣ２０２および拡大器２０３の屈折率よりほんのわずか低い、指定された屈折率の透明な光学セメントを有する、ＣＰＣ２０２とビーム拡大器２０３との間の分離であることになる。同じタイプの層は、第１拡大器２０３が機能することができるように、２つのビーム拡大器の間の線２０７のところにあることになる。
【０１０８】
ビーム拡大器の厚さは、光が取り出されるにつれてゼロになる傾向がある。理論的には、端における厚さは、ほぼゼロであるイジェクタの厚さである。これは、一般に、プラスチック射出成形技術についての欠点である。いくつかの解決策が利用可能である。
【０１０９】
ａ）ビーム拡大器の最後の部分は、図２１の拡大側面図に示す、図２０の先端２０８の場合と同様に、最小許容可能値に維持される。平面ビーム拡大器のプロファイルの端２０９は、端反射鏡、コーティングされた反射鏡か図８Ｄの表面８６としての直線状再帰反射鏡のいずれかで終わる。図２１は、直線偏向器２０４ｔを有する平面ビーム拡大器２０４のプロファイルの段状部２０４ｓおよびイジェクタ２０４ｅの設計用の基礎としての流れ線２１０を示す。最小厚さ２１１が示されており、その地点において、反射コーティングされたノッチ２０４ｎが、エッジ反射鏡２０９まで進むそのラインアップを始める。これらのノッチの右側は、端反射鏡２０９から反射した光を射出する。流れ線２１０は、これらのノッチへ反射されることになり、それにより、ノッチが、イジェクタ２０４ｅと同じ量の光を射出する。
【０１１０】
ｂ）ビーム拡大器においてエッジ厚さを回避する別の方法は、２つのエッジ光線束が共通焦線（ｃｏｍｍｏｎ  ｃａｕｓｔｉｃ）を共有するように、２つのエッジ光線束を選択することである。これが起こると、焦線が、ビームの流れ線にもなる。この流れ線は、両方のエッジ光線が、同じであり、そのため、反射する流れ線が、光ビームを流す必要がない特別の場合である。図２２ａは、ビーム拡大器２２０の設計を確立する、拡大器およびエッジ光線の半分の第１の図を示し、図２２ｂは、他のエッジ光線を示す。ビーム拡大器２２０は、入口開口２２１、上部偏向器表面２２２、および微細構造下部イジェクタ表面２２３を備える。点状直線２２４は、入口開口の底部エッジをビーム拡大器２２０の先端２２０ｔにつなぐ。偏向器表面２２２は、目下のところ地点２２２ｅで終わるが、そのプロファイルは、点線２２４の残りに沿って続くことが予想され、先端２２０ｔにおいて厚さが消えることになるであろう。代わりに、プロファイルは、エッジ照明を同じに維持しながら、厚さを保つ（ｐｒｅｓｅｒｖｅ）ために高くされることができる。図２２ａは、制限角度−αで開口２２１に入る平行なエッジ光線束２２５を示す。偏向器２２２から下向きに反射されるエッジ光線を含むエッジ光線の別の束２２６が示される。図２２ｂは、角度＋αで開口２２１に入るエッジ光線束２２７を示す。束２２８は、開口２２１の下部エッジから出る、点線２２４より大きくかつ最も低い光線束２２７より小さい傾斜が付いた光線を含む。点線２２４より下の束２２９は、微細構造イジェクタ２２３の段状部（小さすぎて示されない）からの反射によって先端２２０ｔに達する光線を含む。点線２２４は、地点２２２ｅにおいて偏向器２２２と接線をなすが、点線２２４は、エッジ光線自体であるため、地点２２２ｅを通過して、下向き偏向を必要とする光線は存在しない。
【０１１１】
こうして、偏向器２２２のプロファイルは、点線２２４が地点２２２ｅおよび先端２２０ｔにつながると仮定すると、点線２２４より上の任意の曲線で終了することができる。図２２ｃは、上部偏向器表面２２２を有するビーム拡大器２２０を示し、上部偏向器表面２２２は、厚さを保つために、基本的に、底部表面２２３のプロファイルに追従する曲線２２２ｃによって延長される。
【０１１２】
ｃ）図２３は、別のビーム拡大器が、図２１の端反射鏡２０９に関して対称に設置される方法を示す（それにより、端反射鏡２０９がなくなる）。２重バックライト２３０は、それぞれ、ＬＥＤ２３１と２３２によって照明される左バックライト２３３と右バックライト２３４を備える。それらの結合線２３５は、図２１の端反射鏡２０９に相当する。
【０１１３】
バックライトはまた、図２０の側壁２０５の平面に沿って並んで結合されることができる。図２４は、ＬＥＤ２４１と２４２によって照明される２重バックライト２４０を示す。左バックライト２４３および右バックライト２４４は、線２４５に沿って結合し、線２４５を通して、光が自由に通ることができる。
【０１１４】
最後に、これらの２つの結合が組み合わされて、４重バックライトを形成することができる。図２５は、左手バックライト２５１および２５２ならびに右手バックライト２５３および２５４を備える４重バックライト２４０を示す。中心線２５５上にはバックライトの側面があり、中心線２５６に沿ってバックライトの端がある。
【０１１５】
異なる４重バックライトは、並んださらなる結合によって形成されることができる。図２６は、バックライト２６０の斜視図であり、バックライト２６０は、２つの同じ右手バックライトモジュール２６１および２つの左手モジュール２６２を備える。反射端線２６３は、２つのこうした４重バックライトを８重（８−ｆｏｌｄ）バックライト（図示せず）に結合するのに役立つことができる。こうした大型モザイク機能は、先例がなく、ピクセル計数が非常に高い大スクリーンＬＣＤを生産するのに有用である。収率（ｙｉｅｌｄ  ｆａｃｔｏｒ）は、ピクセル計数の増加を維持することを難しくし、一方、ＬＣＤを並べて置くことは、連続するピクセル化（ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ  ｐｉｘｅｌｌａｔｉｏｎ）を暗い縦仕切り（ｄａｒｋ  ｍｕｌｌｉｏｎ）によって妨げないように、前もって、そのアドレス指定線を適切に構成される場合、難しくない。
【０１１６】
しかし、図２６の構成は、個々のバックライトが、そのエッジのうちの３つに関して結合することができるだけであり、それは、４番目のエッジがインジェクタによって占められるからであることを示す。均一平面光源の大規模シームレスモザイクのために、その４つの面のうちのどの面に関しても結合することができる個々のバックライトを有することが望ましい。
【０１１７】
図２７は、バックライト２７０を示し、バックライト２７０は、コリメート用光学部品２７２上の光学入力ポート２７１、インジェクタ２７３（第１ビーム拡大器を含む）、インジェクタウェッジ２７４、イジェクタ２７５（第２ビーム拡大器を含む）、およびイジェクタウェッジ２７５からなる。インジェクタ２７３とインジェクタウェッジ２７４との間の空気ギャップは、コリメータ２７２から入って来る光線の、インジェクタ２７３の本体内における全内部反射を引き起こす。同様に、２７５の上でかつ２７６の下の空気ギャップは、２７３の外側段状部２７３ｓから射出される光線の、２７５内における全内部反射を引き起こす。これらの段状部は共に、バックライトで実際に使用される微小段状部に比べて、サイズが著しく誇張され、また、数がはるかに少ない状態で示される。
【０１１８】
図２８は、モザイクバックライト２８０を示し、モザイクバックライト２８０は、それぞれが、図２７のバックライト２７０と同じである、個々のバックライト２８１〜２８９からなる。これらのバックライトは、４面すべてに関して互いに隣接し、それにより、シームレスモザイクが形成される。図示する２８３ｃおよび２８４ｃなどの個々のコリメータは、不利なことには、ＬＥＤ光源が同じ回路基板を共有するために必要とされる、共通平面内に存在しない（重要なコスト検討事項）。
【０１１９】
図２９は、バックライト２９０を示し、バックライト２９０は、右下に拡大して示す角度変更デバイス２９１を除いて、すべての点で図２７のバックライト２７０と同じである。バックライト２９０は、入口ＣＰＣ２９２、転回ダクト２９３、および結合ロッド２９４を備える。転回ダクト２９３は、放物面円柱２９５を除いて、すべての面に関して平面である。この技術は、２００５年３月３日に出願された特許文献１、２００４年９月２９日に出願された特許文献２、２００４年９月２２日に出願された特許文献３、２００４年４月２３日に出願された特許文献４、および２００５年４月２５日に出願された特許文献５に開示され、特許文献５は、これらの仮出願（すべてが、本発明者等による、「Optical Manifold for Light-Emitting Diodes」という題名を有する）に対する優先権を主張し、参照により組み込まれる。
【０１２０】
図３０は、シームレスモザイクバックライト３００を示し、バックライト３００は、図２９に示す９つのモジュールからなる。入力ポート３０１は、有利には、同じ平面上にあり、ＬＥＤのための単一回路基板（図示せず）の使用を可能にする。図２９に示す角度変更デバイスを有するインジェクタ３０２は、射出成形によって作られ、その後、それぞれが、単一部品として複数のバックライトを供給する、圧縮成形された長いイジェクタ３０３に機械結合されることができる。同様に、上部イジェクタウェッジ３０４は、複数のバックライトの上に延在する。
【０１２１】
光学的折曲げ（ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｏｌｄｉｎｇ）は、バックライトが占める空間を減少させる可能性がある。図３１は、コリメート用バックライト３１０を示し、プリズム３１３を使用して、第１ビーム拡大器３１４に入る前にコリメータの出力を折曲げる。先に説明したように、屈折率低下接着剤が、偏向器表面３１４ｄに沿って、ならびに、プリズム３１３と第１ビーム拡大器３１４の境界で使用される。
【０１２２】
図３２は、出力輝度（およびエテンデュ）も増加させながら、サイズを減少させる別の方法を示す。バックライト３２０は、それぞれのコリメータ３２２ａおよび３２２ｂを有する２重ＬＥＤ光源３２１ａおよび３２１ｂを有する。ＬＥＤおよびコリメータの考えられる第２の対は、図示されたもののすぐ下で、見えないであろう。これは、バックライトが、同じ出力輝度で、サイズが２倍になること（面積が４倍になること）を可能にするであろう。
【０１２３】
図１４Ｄおよび図１４Ｅの拡散器２４６に関して、こうした拡散器に対する代替法が存在する。図３３は、イジェクタビーム拡大器３３０の側面図であり、イジェクタビーム拡大器３３０は、入口開口３３１、上部偏向器表面３３２、および、流れ線段状部３３３ｓとイジェクタ３３３ｅのサイズが誇張された状態で示される微細構造下部表面３３３を備える。光入力開口３３１は、光線ファン３３６によって表されるが、白色光が内部を伝播する以前の実施形態と違って、これらは、４５３ｎｍの青色ＬＥＤからの青色波長だけである。バックライト３３０を出る青色光は、垂直から著しく傾斜して見える光線ファン３３７によって表される。これは、イジェクタ３３３ｅが、たとえ角度広がりの値が大きくても、全内部反射だけによって働くことを可能にし、イジェクタに鏡をコーティングするという上述の必要性をなくす。こうした傾斜は、ＬＣＤを照明するには適さないが、ここでは、上部フォトルミネセント層３３４を照明する。
【０１２４】
青色感応性層３３４は、例えば、青色光３３７の一部を吸収し、有利には、残りを散乱させる大規模蛍光体層であってもよい。こうした散乱は、層３３４を構成する高屈折率蛍光体微粒子が、波長サイズ、または、ミクロンサイズである限り得られる。２０倍小さい蛍光体粒子を有する、いわゆる、ナノ蛍光体は、本質的に透明であり、そのため、ナノ蛍光体が吸収しない青色光の部分を散乱しないであろう。光線ファン３３８は、マイクロスケール蛍光体層３３４の白色ランバート放出を表す。こうした放出は、同様に、下向きに同程度に起こるため、再利用のために、ダイクロイックフィルタ３３５が蛍光体層３３４の下に配置されて、この白色放出が層に戻され、一方の側の放出にわたる輝度を増加させる。ダイクロイックフィルタ３３５は、光線束３３７の角度の青色波長を透過させるが、蛍光体層３３４によって生成されるより長い波長をまったく透過させないであろう。さらに、フィルタ３３５は、蛍光体３３４によって散乱されたすべての青色光を大きな入射角度に反射するため、青色光のわずかの部分だけが再利用されないことになる。
【０１２５】
図３４は、バックライトシステム３４０の斜視分解図であり、バックライトシステム３４０は、青色ＬＥＤ３４１ｂを有するコリメート用バックライト３４１、ダイクロイックフィルタ３４２、およびフォトルミネセント層３４３を備える。こうした層は、現在使用されている蛍光ＬＣＤバックライトに比べて、効率、輝度、および均一性が優れているであろう。蛍光体層は、吸収されない青色光が、蛍光体の前面をすべての方向に出る（すなわち、ランバート強度を有する）のに十分に青色光を散乱させなければならないであろう。ダイクロイックフィルタ３４２は、フォトルミネセント層３４３の後方放出を、「再利用」のために前方向に送出するように働く。モザイクバックライトを示す以前の図は、大型スクリーンＬＣＤテレビにとって有利であると思われる大型蛍光体層に同様にうまく適用されるであろう。
【０１２６】
これらのビーム拡大器の微細構造下部表面のプロファイルにおいて、イジェクタは、各小平面の小さな部分だけを占める。これは、偏向器表面または微細構造表面に入射する光が、一般に、２回の屈折後に、第２ビーム拡大器を横切ることになることを意味する。これを補償するために、クリアラ（ｃｌｅａｒｅｒ）と呼ぶ新たな要素が、第２の平面ビーム拡大器の両面に付加されることができる。これらの要素の目的は、第２ビーム拡大器が、完全透明体に見えるようにすることである。クリアラの表面の一方は平坦で、他方は、その屈折が相殺される必要がある表面の複製である。図３５は、平面ビーム拡大器３５１の側面図を示し、上に偏向器表面クリアラ３５２および下に微細構造表面クリアラ３５３を示す。図示するように、屈折率ギャップが、各クリアラとビーム拡大器との間に維持されなければならない。各クリアラとビーム拡大器との間の材料についての最大屈折率は、ビーム拡大器３５１内部の光についてのＴＩＲのための条件によって決まるが、結合する部品の屈折率より大幅に低くはない。
【０１２７】
図３６は、平坦上部ビーム拡大器３６０およびクリアラ３６１を示す。平坦上部３６０ｕは、クリアラを必要としない。
【０１２８】
図３７は、クリアラの使用が、前面照明を容易にする方法を示す。システム３７０は、明確にするためにわずかに離して示される、平面ビーム拡大器３７１、クリアラ３７２、ＬＣＤ３７３、および、背面反射鏡３７４を備える。第２ビーム拡大器とクリアラ（複数可）を加えたものは、外部観察者にとって透明であるため、ＬＣＤは、ビーム拡大器３７１を通して見られることができる。
【０１２９】
入る光線ファン３７５は、束３７６によって示す出力光を生成するのがわかる。反射光３７７は、ＬＣＤを通って戻り、その後、束３７８として、イジェクタ間のギャップを通して微細構造表面の部分を横切り、束３７８は、クリアラ３７２によって相殺されることになる屈折を受けることになる。
【０１３０】
背面鏡３７４がない状態では、この前面照明システムは、単一ＬＣＤが両側から見られることを可能にする。
【０１３１】
この前面照明システムの適用は、ＬＣＤに限定されない。それは、同様に、絵画、塗装などの装飾的照明のために使用可能であるからである。
【０１３２】
図３８は、第１および第２微細構造表面３８１および３８２を有するが、偏向器表面を有さないビーム拡大器３８０によって両面照明を達成することができる方法を示す。拡大器３８０は、イジェクタの両方の微細構造表面が、交互でなければならないため、拡大器３８０は、完全に対称ではない。そのため、イジェクタ３８２ｅが、対向する段状部３８２ｓを照明するのとちょうど同じように、イジェクタ３８２ｅが、対向する段状部３８１ｓを照明する。
【０１３３】
射出されたビームは、イジェクタの両面において同じ方向である必要はない。図３９は、垂直出力３９１ｒを生成する上部微細構造３９１および傾斜出力３９２ｒを生成する下部微細構造３９２を有するビーム拡大器３９０を示す。
【０１３４】
図４０は、２重ビーム拡大器システムの代替の構成であり、代替の構成は、左から入力光線４０１ｉによって供給される上部ビーム拡大器４０１および右から入力光線４０２ｉによって供給される下部ビーム拡大器４０２を備える。イジェクタ４０１ｅは、イジェクタ４０２ｅに隣接し２つの拡大器の間で完全な対称を与える。
【０１３５】
前面照明方式は、図３３の３３４などの蛍光体層が、ダイクロイックフィルタ（すなわち、３３５）がない状態となり、かつ、依然として良好な効率を有することを可能にする。図４１は、平面ビーム拡大器４１１およびその下のクリアラ４１２を有する構成を示す分解側面図である。ビーム拡大器４１１は、その光線出力４１１ｒが、蛍光体変換層４１３に向けて送られ、背面反射鏡４１４は、後方散乱損失がまったく存在しないように、上向きに進む光を再利用する。蛍光体４１３ｒにおいて反射した光は、流れ線段状部４１１ｓを通ってビーム拡大器を横切って、ＬＣＤ４１５に達する。
【０１３６】
シースルーシステムを使用して、偏光を再利用することもできる。図４２は、偏光再利用バックライトシステム４２０の分解斜視図であり、バックライトシステム４２０は、ＬＥＤ光源４２１、コリメータ４２２および第１ビーム拡大器４２３を有するインジェクタ、第２ビーム拡大器４２４を有するイジェクタ、偏光フィルタ４２５、ならびにＬＣＤ４２６を備える。フィルタ４２５は、ＬＣＤ４２６によって使用される偏光の通過を可能にし、一方、直交偏光を、下向きに戻るように反射して、バックライト４２４を通して、４分の１波リターダ４２６および背面反射鏡４２７に送る。この光は、その後、リターダ４２６を通して再び戻り、リターダ４２６を通る２回の通過は、この再利用される光に適切な偏光を与え、デバイス出力および効率を大幅に改善する。
【０１３７】
この偏光再利用方式は、図４２の第１ビーム拡大器４２３にも適用することができる。そのため、この方式を使用することは、反射偏光子、４分の１波リターダ、および反射鏡膜について面積を少ししか必要とせず、明らかな利点を有し、また、前面照明または背面照明のどちらでも可能にする。図４２は、偏光再利用方式が、平面ビーム拡大器４２４において使用される場合だけを示し、背面照明だけが可能であることを意味する。
【０１３８】
これまでに開示された好ましい実施形態は、現行の液晶ディスプレイが、剛性平面であるため、平坦表面を照明するように構成される。将来のコンフォーマルなディスプレイの場合、一部の実施形態は、湾曲した出力表面も有する。
【０１３９】
図４３は、２つの重なったデバイスプロファイルに供給する光源４３１を示す。平坦点線４３２は、ＣＰＣプロファイル４３３から反射光を受け取る流れ線イジェクタの平面を示す。点線４３４は、調整された曲線４３５から反射光を受け取り、かつ、線４３４を通して反射光を外に送出する流れ線イジェクタの任意に反ったプロファイルを示す。
【０１４０】
図４４は、光源４４１、および、半円上に配置された流れ線イジェクタ溝４４２を示す。螺旋表面４４３は、光源４４１からの光を反射して溝４４２に送る。
【０１４１】
図４５は、完全な円を形成するために配置された半円発光体４５１および４５５を示す。半円発光体を囲んで、円柱拡散器４５６が配置されるため、射出されるビームレット４５７は、ランバート出力４５８内に拡散する。
【０１４２】
一部の実施形態は、通常、ＬＥＤまたはビーム拡大器などのコンパクトな光源から光を受け取るコリメータからなる、非結像光学インジェクタを用いてエテンデュが制限されたバックライトおよび／またはフロントライトシステムを提供する。インジェクタコリメータは、光を、±１５°などの狭い（ｔｉｇｈｔ）受け入れ角度に限定し、一方、ビーム拡大器は、部分的にコリメートされた光が、その長さに沿って広がるにつれて、部分的にコリメートされた光を横に偏向する流れ線配列反射鏡（ｆｌｏｗ−ｌｉｎｅ  ｏｒｉｅｎｔｅｄ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を有する。この偏向されて光の線は、イジェクタと呼ぶ平面導波路に入り、イジェクタにおいて、光の線は、その出力エリアにわたって広がり（イジェクタは、ビーム拡大器の役目を果す）、そして、光の線は、導波路の底部上のイジェクタ面によって、コリメートされたビームとして、上向きでかつ外向きに射出される。導波路内の、ほぼすべての光、一部の事例では、すべての光は、元の輝度を保持するようにスペキュラー反射される。断続的なイジェクタ面は、イジェクタ面が照明するＬＣＤのピクセルより小さく、見かけの輝度を減少させる。このコリメートされた出力は、より有利には、ＬＣＤによって利用され、より広い角度が、ＬＣＤの上部のホログラフィック拡散器によって達成されることができる。
【０１４３】
一部の実施形態に関連する概念の少なくとも一部のよりよい理解は、以下の参考文献、すなわち、（１）非特許文献１、（２）非特許文献２、（３）非特許文献３、および非特許文献４において見出される可能性があり、それぞれが、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４４】
本明細書に開示される発明が、特定の実施形態および特定の実施形態の適用によって述べられたが、特許請求の範囲に述べる本発明の範囲から逸脱することなく、それらに対して多数の変更および変形が当業者によって行われることができる。先行する説明は、本発明を実施する最良モードを含み、制限的な意味で考えられるのではなく、本発明の一般的な原理を述べるためだけに行われる。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１Ａ】その発光放出のほぼすべてを利用するために、以下の図のデバイスが、それについて結合するように設計される例示的なＬＥＤの平面図である。
【図１Ｂ】図１ＡのＬＥＤの端面図である。
【図２Ａ】バックライトの実施形態の平面図である。
【図２Ｂ】図２Ａのバックライトの側面図である。
【図２Ｃ】光線を有する図２Ａのバックライトの図である。
【図２Ｄ】それ自体で図２Ｃの光線を示す図である。
【図３】エッジ光線を有するＣＰＣプロファイルを示す図である。
【図４Ａ】流れ線に沿って切り取られた（ｓｌｉｃｅ）ＣＰＣを示す図である。
【図４Ｂ】図４ＡのＣＰＣプロファイルの拡大図である。
【図５Ａ】以前は垂直な出口面を傾斜させることによる光射出を示す図である。
【図５Ｂ】１つのこうした傾斜出口面の拡大図である。
【図５Ｃ】フィレッティング（ｆｉｌｌｅｔ）の光学効果を示す図であり、レイトレーシングが製造公差を評価する方法を示す。
【図６】内部反射空気空間を有する直線状に編成されたバックライトを示す図である。
【図７Ａ】ＣＰＣ供給直線状溝バックライトの平面図である。
【図７Ｂ】図７Ａのバックライトの正面図である。
【図７Ｃ】図７Ａのバックライトの斜視分解図である。
【図７Ｄ】図７Ａのバックライトのインジェクタとイジェクタとの間の結合部の拡大図である。
【図７Ｅ】図７Ａのバックライトのインジェクタの斜視図である。
【図７Ｆ】図７Ａのバックライトの流れ線溝とイジェクタ面を示すイジェクタ先端の拡大側面図である。
【図８Ａ】別のコリメート用バックライトの平面図である。
【図８Ｂ】図８Ａのバックライトの斜め底面図である。
【図８Ｃ】図８Ａのバックライトの角の周りの拡大図である。
【図８Ｄ】図８Ａのバックライトの角の詳細図である。
【図９Ａ】小さな抽出ゾーンを有する別のコリメート用バックライトの側面図である。
【図９Ｂ】図９Ａのバックライトの平面図である。
【図１０】シースルーバックライトを示す図である。
【図１１】２色バックライトを示す図である。
【図１２】より一体化された２色バックライトを示す図である。
【図１３Ａ】底部インジェクションを有する折曲げ経路バックライトの側面図と断面図である。
【図１３Ｂ】底部インジェクションを有する折曲げ経路バックライトの側面図と断面図である。
【図１３Ｃ】底部インジェクションを有する折曲げ経路バックライトの側面図と断面図である。
【図１３Ｄ】底部インジェクションを有する折曲げ経路バックライトの側面図と断面図である。
【図１３Ｅ】底部インジェクションを有する折曲げ経路バックライトの側面図と断面図である。
【図１４Ａ】四角形バックライトシステムの底面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａのバックライトシステムのある部分の拡大図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｂの部分の斜視図である。
【図１４Ｄ】図１４Ａのバックライトシステムの分解斜視図である。
【図１４Ｅ】図１４Ａのバックライトシステムの側面図である。
【図１４Ｆ】代替の拡散器配置を示す図１４Ａのバックライトの側面図である。
【図１４Ｇ】図１４Ａのシステム用のインジェクタおよび射出機構（ｅｊｅｃｔｉｏｎ  ｆｅａｔｕｒｅ）を有するビーム拡大器の断面図である。
【図１４Ｈ】第１ビーム拡大器が図１４Ａのシステムの第２ビーム拡大器に結合する、第１ビーム拡大器の上部表面の拡大図である。
【図１４Ｉ】同じ第１ビーム拡大器の底部表面の小さな溝の拡大図である。
【図１４Ｊ】同じ第１ビーム拡大器の底部表面の小さな溝の代替の構成を示す図である。
【図１５Ａ】バックライト入口開口の位相空間図である。
【図１５Ｂ】境界にラベルが付けられたバックライト入口開口の位相空間図である。
【図１６Ａ】開口エッジ光線を示す図である。
【図１６Ｂ】これらのエッジ光線の半分を示す図である。
【図１６Ｃ】得られる流れ線を示す図である。
【図１７Ａ】これらの流れ線が、イジェクタのプロファイルをもたらす方法を示す図である。
【図１７Ｂ】３つの光線ファンとイジェクタ面によるイジェクタのプロファイルを示す図である。
【図１７Ｃ】ランダム放出器によるイジェクタのプロファイルを示す図である。
【図１８】直線イジェクタプロファイルを示す図である。
【図１９】直線上部表面による別のイジェクタを示す図である。
【図２０】直線ビーム拡大器を用いて作られたバックライトを示す図である。
【図２１】直線ビーム拡大器の先端の拡大図である。
【図２２Ａ】ビーム拡大器の先端を肉厚にする別の方法を示す図である。
【図２２Ｂ】ビーム拡大器の先端を肉厚にする別の方法を示す図である。
【図２２Ｃ】ビーム拡大器の先端を肉厚にする別の方法を示す図である。
【図２３】端と端を結合した２つのバックライトを備える２重バックライトを示す図である。
【図２４】並んで結合した２つのバックライトを備える２重バックライトを示す図である。
【図２５】４重バックライトを示す図である。
【図２６】別の４重バックライトを示す図である。
【図２７】４面すべてが開いていることによる、シームレスモザイクに適したバックライトを示す図である。
【図２８】４面すべてが開いていることによる、シームレスモザイクに適した、アレイ化されたバックライトを示す図である。
【図２９】代替の角度変更入力手段を有するバックライトを示す図である。
【図３０】代替の角度変更入力手段を有する、同一平面入力のためにアレイ化されたバックライトを示す図である。
【図３１】バックライト内の折曲げプリズムを示す図である。
【図３２】複数ＬＥＤバックライトを示す図である。
【図３３】フォトルミネセント層を有するバックライトの側面図である。
【図３４】蛍光体装備バックライトの斜視分解図である。
【図３５】クリアラを有するビーム拡大器を示す図である。
【図３６】２方向ビーム拡大器を示す図である。
【図３７】フロントライトを示す図である。
【図３８】同じ出力を有する両面ビーム拡大器を示す図である。
【図３９】異なる出力を有する両面ビーム拡大器を示す図である。
【図４０】２重両面ビーム拡大器を示す図である。
【図４１】蛍光体装備フロントライトを示す図である。
【図４２】偏向再利用バックライトを示す図である。
【図４３】湾曲出力表面を有する抽出器を有するコリメート用バックライトを示す図である。
【図４４】半円出力表面を有するバックライトを示す図である。
【図４５】全角度出力を有する円光源に形成される２つの半円バックライトを示す図である。
【図１Ａ】
2009503793.tif 000004
【図１Ｂ】
2009503793.tif 000005
【図２Ａ】
2009503793.tif 000006
【図２Ｂ】
2009503793.tif 000007
【図２Ｃ】
2009503793.tif 000008
【図２Ｄ】
2009503793.tif 000009
【図３】
2009503793.tif 000010
【図４Ａ】
2009503793.tif 000011
【図４Ｂ】
2009503793.tif 000012
【図５Ａ】
2009503793.tif 000013
【図５Ｂ】
2009503793.tif 000014
【図５Ｃ】
2009503793.tif 000015
【図６】
2009503793.tif 000016
【図７Ａ】
2009503793.tif 000017
【図７Ｂ】
2009503793.tif 000018
【図７Ｃ】
2009503793.tif 000019
【図７Ｄ】
2009503793.tif 000020
【図７Ｅ】
2009503793.tif 000021
【図７Ｆ】
2009503793.tif 000022
【図８Ａ】
2009503793.tif 000023
【図８Ｂ】
2009503793.tif 000024
【図８Ｃ】
2009503793.tif 000025
【図８Ｄ】
2009503793.tif 000026
【図９Ａ】
2009503793.tif 000027
【図９Ｂ】
2009503793.tif 000028
【図１０】
2009503793.tif 000029
【図１１】
2009503793.tif 000030
【図１２】
2009503793.tif 000031
【図１３Ａ】
2009503793.tif 000032
【図１３Ｂ】
2009503793.tif 000033
【図１３Ｃ】
2009503793.tif 000034
【図１３Ｄ】
2009503793.tif 000035
【図１３Ｅ】
2009503793.tif 000036
【図１４Ａ】
2009503793.tif 000037
【図１４Ｂ】
2009503793.tif 000038
【図１４Ｃ】
2009503793.tif 000039
【図１４Ｄ】
2009503793.tif 000040
【図１４Ｅ】
2009503793.tif 000041
【図１４Ｆ】
2009503793.tif 000042
【図１４Ｇ】
2009503793.tif 000043
【図１４Ｈ】
2009503793.tif 000044
【図１４Ｉ】
2009503793.tif 000045
【図１４Ｊ】
2009503793.tif 000046
【図１５Ａ】
2009503793.tif 000047
【図１５Ｂ】
2009503793.tif 000048
【図１６Ａ】
2009503793.tif 000049
【図１６Ｂ】
2009503793.tif 000050
【図１６Ｃ】
2009503793.tif 000051
【図１７Ａ】
2009503793.tif 000052
【図１７Ｂ】
2009503793.tif 000053
【図１７Ｃ】
2009503793.tif 000054
【図１８】
2009503793.tif 000055
【図１９】
2009503793.tif 000056
【図２０】
2009503793.tif 000057
【図２１】
2009503793.tif 000058
【図２２Ａ】
2009503793.tif 000059
【図２２Ｂ】
2009503793.tif 000060
【図２２Ｃ】
2009503793.tif 000061
【図２３】
2009503793.tif 000062
【図２４】
2009503793.tif 000063
【図２５】
2009503793.tif 000064
【図２６】
2009503793.tif 000065
【図２７】
2009503793.tif 000066
【図２８】
2009503793.tif 000067
【図２９】
2009503793.tif 000068
【図３０】
2009503793.tif 000069
【図３１】
2009503793.tif 000070
【図３２】
2009503793.tif 000071
【図３３】
2009503793.tif 000072
【図３４】
2009503793.tif 000073
【図３５】
2009503793.tif 000074
【図３６】
2009503793.tif 000075
【図３７】
2009503793.tif 000076
【図３８】
2009503793.tif 000077
【図３９】
2009503793.tif 000078
【図４０】
2009503793.tif 000079
【図４１】
2009503793.tif 000080
【図４２】
2009503793.tif 000081
【図４３】
2009503793.tif 000082
【図４４】
2009503793.tif 000083
【図４５】
2009503793.tif 000084
【国際調査報告】
2009503793.tif 000085