(57)【要約】      （修正有）【課題】ビデオシステムおよび照明システムの両方として作動しうるモジュール式ディスプレイシステムを提供する。【解決手段】照明モジュール１００と、照明素子の配列から成る照明モジュール１００の前部に配置された少なくとも一つの光学素子とから成るビデオおよび/または照明システムであって、ビデオおよび/または照明システムのモジュール式組立てのために、少なくとも一つの光学素子を照明モジュール１００に取りつけるための取りはずすことのできる取りつけ手段を備えている。【選択図】図３Ｃ
2006140139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明モジュールと、照明素子の配列から成る該照明モジュールの前部に配置された少なくとも一つの光学素子とから成るビデオおよび/または照明システムであって、
該ビデオおよび/または照明システムのモジュール式組立てのために、前記少なくとも一つの光学素子を前記照明モジュールに取りつけるための取りはずすことのできる取りつけ手段を備えている、
ことを特徴とするビデオおよび/または照明システム。
【請求項２】
前記取りはずすことのできる取りつけ手段がクリック止めシステムから成ることを特徴とする請求項１に記載のビデオおよび/または照明システム。
【請求項３】
前記クリック止めシステムが、前記光学素子の背部から突き出た一つ以上のラッチと前記照明モジュールの前部に備えられた相補的なラッチリップとから成ることを特徴とする請求項２に記載のビデオおよび/または照明システム。
【請求項４】
前記光学素子が、光遮断素子によって互いに分離されたレンズの配列から成り、また前記ラッチがコントラスト強調要素から突き出ていることを特徴とする請求項１に記載のビデオおよび/または照明システム。
【請求項５】
前記光学素子が、前記取りはずすことのできる取りつけ手段を有する支持構造物内に備えられることを特徴とする請求項１に記載のビデオおよび/または照明システム。
【請求項６】
前記取りはずすことのできる取りつけ手段がボルトから成ることを特徴とする請求項１に記載のビデオおよび/または照明システム。
【請求項７】
前記取りはずすことのできる取りつけ手段が取りはずすことのできる接着剤から成ることを特徴とする請求項１に記載のビデオおよび/または照明システム。
【請求項８】
前記照明モジュールとして複数の異なる対応する光学素子が使用できることを特徴とする請求項１に記載のビデオおよび/または照明システム。
【請求項９】
前記光学素子が、通常の円柱形または球面レンズ、フレネル構造物、格子構造物、フィルター、内部全反射(TIR)構造物、非線形光学素子たとえば分布屈折率(GRIN)レンズ、プリズム構造物、偏光子、ピロー光学構成物、光ファイバーケーブル、光導波管、およびその他のタイプの光導波路から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載のビデオおよび/または照明システム。
【請求項１０】
前記光学素子が光学素子の配列であることを特徴とする請求項１に記載のビデオおよび/または照明システム。
【請求項１１】
ビデオおよび/または照明システムの機能を光学的に高めるための方法であって、
このとき、照明モジュールと一組の異なる対応する光学素子とが使用され、またこのとき、一つ以上の前記光学素子を前記照明モジュールの前部に取りはずすことができるように取りつけることができ、
使用環境の決定のステップ、望ましいビデオおよび/または照明効果の決定のステップ、前記一組の中から適当な光学素子を選択するステップ、前記適当な光学素子を前記照明モジュールに取りはずすことができるように取りつけるステップから成る、
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記適当な光学素子を前記照明モジュールに取りつけたあと、望ましいもう一つの追加のビデオおよび/または照明効果を決定し、それに応じて、もう一つの適切な光学素子を前記一組の中から選択し、次に該適切な光学素子を前記照明モジュールの前部に取りつけることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビデオおよび光素子(light elements)の機能を光学的に高めるためのシステムと方法に関する。より詳しくは、ビデオおよび光素子の前部に配置されてこれらの素子の特性を変えまたは高める光学素子(optical elements)に関する。
【背景技術】
【０００２】
陰極線管(CRT)および原始的な映写システムが、長い間、ビデオ映像または動画の表示のために使用されてきた。通常の白熱灯、蛍光灯、およびネオン管が、多くの大規模商用および公共標識の照明に普通に使用される照明素子(lighting  element)である。
【０００３】
しかし、現在、市場は、映像およびビデオ能力を有する、ディスプレイ寸法と色を調節できる柔軟性があり、また設置、保守、および分解が特に仮設会場での使用の場合に容易な、安価で大きなディスプレイを要求している。これらの特性は、従来の技術では実現できない市場要求仕様である。
【０００４】
照明ダイオード(LED)の製造における割合に最近の発展により、照明ダイオードが、従来白熱、ハロゲン、ストロボ光源が使用されていた多くの目的に対して魅力的な光源となっている。LED光源(LED light sources)は、長い寿命と高い効率を有し、したがって従来の光源に比して耐久性が大きい。
【０００５】
ある種のLEDはランベルトパターン(Lambertian pattern)を有する放射を放出することができる。どれか一つの方向または向きが他のものに優先することのない照明のランベルト分布は、ある種のディスプレイ用途においては理想的な分布構成である。ランベルト照明が必要な一つの使用例は、プロスポーツイベントのスコアボードであり、この場合、スタジアム内のファンは、スコアボードに対して、すべての位置、すなわちスコアボートよりも高い位置、低い位置、左の位置、右の位置、前方の位置、その他にいる。
【０００６】
目視方向が限定されている場合、たとえば幹線道路に沿う大型屋外看板標識である場合、ランベルト光分布は無駄が多い。標識の前方および少し下の人しか標識の情報を読まないからである。
【０００７】
ある種の重要な用途の場合、ある方向の輝度を他の方向の輝度よりも優先的に大きくし、屋内と屋外の両用途での使用のためにコントラストを高め、あるいは必要な目視効果の生成のために色を調節する目的で、LEDその他のピクセルを用いるディスプレイの前方に光方向づけ層を導入することにより、光学的効率を大きく高めることができる。
【０００８】
多くの用途、たとえばエンターテインメント会場のそれにおいては、ビデオおよび照明効果両方が必要である。しかし、必要な効果の生成のためには、一般にいくつかの照明素子がビデオおよび照明のために必要である。必要なのは、一つの照明システムを使用して、ビデオおよび照明効果の両方を生成させる手段である。
【０００９】
三次元の映像とビデオはますます広く使用されるようになってきている。仮想現実、シミュレーション、およびゲーム市場によって要求されるより現実的な効果と環境とを生成するために、生きているような映像を生成させ表示する必要がある。最近まで、三次元効果は、立体ビューアー、赤と青の着色ガラス、偏光ガラス、その他のタイプの装置によってのみ生成されていた。現在では、LEDの使用、およびホログラフィー、回折、またはレンズ配列スクリーンの使用によって、三次元映像およびビデオを裸眼で見ることができる。
【００１０】
多数の現行および新規の用途に対して使用できる多くのタイプの光学素子が存在する。これらの光学素子は、光ビームまたは光経路内に配置されて、これらの光学素子を通過する光の特性を変化させる。このような光学素子は通常の円柱レンズまたは球面レンズと同じ程度に簡単なものとすることができる。
【００１１】
その他のタイプの光学素子としては、当業者には周知の、フレネル構造物、格子構造物、フィルター、内部全反射(TIR)構造物、非線形光学素子たとえば分布屈折率(GRIN)レンズ、プリズム構造物、偏光子、ピロー光学構成物(pillow optic formation)、光ファイバーケーブル、およびその他のタイプの光導波路が考えられる。
【００１２】
これらの構造物は、すべて、光源から光入力を受け取り、この光を該構造物または素子内を透過させるかまたはこれを反射し、それからやや変化した状態で該構造物または素子から出て行かせる。これらのタイプの光学素子はすべて、光が構造物または素子を出て行くときに、ある波長の光または偏光を、透過、反射、回折、屈折、(部分的に)吸収、またはろ波する。光学素子を伝播する光の性質を変化させることにより、必要な強調を行いあるいは必要な効果を生成させることができる。必要なものは、必要な目視効果を生成させるために簡単に変更することができ、あるいは特定の使用環境たとえば屋内または屋外に合わせるために簡単に変更することができる柔軟なビデオおよび照明システム、である。
【００１３】
光学的に機能が高められたディスプレイシステムの一例は、アメリカ特許出願第20020084952号明細書“Flat panel color display with enhanced brightness and preferential viewing angles(高められた輝度と優先視野角とを有するフラットパネルカラーディスプレイ)”に開示されている。
【００１４】
前記アメリカ特許出願第20020084952号明細書には、LED配列と小レンズ配列とから成る光方向づけ装置が記載されており、前記LED配列は、基板に沿って長さ方向に配列されて複数のRGB三素子グループを形成するRGB照明ダイオード構造物を有し、また前記小レンズ配列は、これらのRGB三素子グループのおのおのに隣接配置された複数の小レンズ構造物を有する。
【００１５】
前記小レンズ構造物は、RGB三素子グループのおのおのに対して、複数の円柱レンズを有し、該レンズはその各RGB三素子グループに対して屈折率が定められている。円柱レンズはそれぞれのRGB照明ダイオード構造物に平行に長さ方向に配置されている。この構成により高い光学的効率が与えられる。LEDからの光が、目視者がもっとも良くいそうな必要な方向に優先的に向けられるからである。
【００１６】
前記アメリカ特許出願第20020084952号明細書では、発光素子からの光を方向づけるために円柱レンズが使用されている。しかし、多くの用途と環境においては、他の光学素子のほうが視野角を変えるのにより良く適していることがありうる。たとえば、発光素子が生成する放射プロファイルの視野円錐(viewing cone)の変更も、視野角の変化との関係で好ましい効果となりうる。
【００１７】
視野角の変化との関係で、その他の効果、たとえば光拡散、色の追加、またはコントラストの強調が必要となることがありうる。必要なのは、特定の用途と環境に簡単に合わせることができる一方で、必要なビデオおよび照明効果を生成するのに十分なだけの柔軟性を維持することのできるモジュール式ディスプレイシステムである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
したがって、本発明の目的は、ビデオシステムおよび照明システムの両方として作動しうるモジュール式ディスプレイシステムを提供することである。
【００１９】
本発明のもう一つの目的は、柔軟性のある照明システムを提供することである。
【００２０】
本発明のさらにもう一つの目的は、屋内および屋外の使用に簡単に合わせることのできるビデオおよび照明システムを提供することである。
【００２１】
本発明のもう一つの目的は、複数の用途で使用できるモジュール式システムを提供することである。
【００２２】
本発明のもう一つの目的は、一つのモジュール式システムであって、その前部に、各種の光学素子を、個別にまたは組み合わせて取りつけて、望ましいビデオまたは照明効果を得ることのできるモジュール式システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
前記目的のために、本発明は、
照明モジュール(lighting module)と、照明素子の配列から成る該照明モジュールの前部に配置された少なくとも一つの光学素子とから成るビデオおよび/または照明システムであって、
該ビデオおよび/または照明システムのモジュール式組立てのために、前記少なくとも一つの光学素子を前記照明モジュールに取りつけるための取りはずすことのできる取りつけ手段を備えている、
ことを特徴とするビデオおよび/または照明システム、
に関する。
【００２４】
特に、本発明は、固体素子の照明素子たとえばLEDを使用するビデオおよび/または照明システムであり、この照明システムは、光学素子と一緒に使用した場合、該光学素子内を伝播する光の性質を変化させ、必要な性能上昇あるいは効果を生じるものである。
【００２５】
モジュール式放射照明源は、該放射照明源の前方に配置される光学素子のタイプまたは位置を使用者が変えることにより、いくつかの異なる用途と各種の目視環境で使用することができる。
【００２６】
たとえば、単一のモジュール式放射照明源システムを、フルモーションビデオの表示、拡大二次元像の生成、三次元像の生成に使用することができ、あるいは使用者が光学素子を変更することにより、光源として作動させることができる。また、各種の光学素子を使用して、視野角もしくは放射プロファイルの変更、輝度、コントラスト、および色の強調に使用することができ、あるいはこのシステムを屋内もしくは屋外で使用できるようにすることもできる。
【００２７】
また、本発明は、
ビデオおよび/または照明システムの機能を光学的に高めるための方法であって、
このとき、照明モジュールと一組の異なる対応する光学素子とが使用され、またこのとき、一つ以上の前記光学素子を前記照明モジュールの前部に取りはずすことができるように取りつけることができ、
使用環境の決定のステップ、必要なビデオおよび/または照明効果の決定、前記一組の中から適当な光学素子を選択するステップ、前記適当な光学素子を前記照明モジュールに取りはずすことができるように取りつけるステップから成る、
ことを特徴とする方法、
にも関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の特徴をさらに十分に説明するために、添付の図面を参照しつつ、本発明のシステムと方法との好ましい実施形態について説明する。これは単なる例であり、本発明を限定するものではない。
【００２９】
図１Ａは、代表的な照明モジュール100の前面図である。照明モジュール100は放射照明素子110の8×11配列を有している。しかし、照明モジュール100は、8×11の大きさに限定されるものではなく、任意の大きさの配列とすることができる。照明モジュール100は、他の同様の照明モジュールと組み合わせて大規模ディスプレイとすることができるように設計されている。
【００３０】
図１Ｂは、代表的な照明モジュール100の背面図である。
【００３１】
図２は、長方形または円形レンズ210の配列から成るレンズ配列200を示す。前記レンズはそれぞれ湾曲した前面および/または背面を有する。これらの面は、平面、球面、円錐非球面(conic aspherical)、または多項式非球面(polynomial aspherical)の形とすることができるが、これらのみには限定されない。これらのレンズは、ある特定の屈折率を有する材料(たとえば、ポリカーボネート)で作られる。この屈折率は各レンズの焦点距離を計算するのに使用される。レンズ配列200は、照明モジュール100、照明モジュール100の配列、またはビデオおよび/もしくは照明ディスプレイシステム全体の前部に配置されるか、またはこれらに取りつけられる。
【００３２】
図３Ａは、本発明による、取りはずすことのできる取りつけ手段を備えたビデオおよび/または照明システムを示す。
【００３３】
図３Ａにおいては、前記取りはずすことのできる取りつけ手段がクリック止めシステム300から成り、このシステムの二つの要素は分離してある。クリック止めシステム300は、光学素子配列たとえばシェード配列330を有するレンズ配列200を、照明モジュール100に取りつけるために使用される。シェード配列330は、日光を遮断し、像の質を高め、コントラストを改善し、したがって特に、明るい日光が当たりうる屋外用途で役に立つものである。クリック止めシステム300は、光学素子配列を照明モジュール100に取りつけるための手段の一つの実施形態である。その他の実施形態としては、光学素子配列を照明素子100に取りつけるための、取りはずすことのできる接着剤たとえば取りはずしのできる粘着性物質の使用がある。それ以外の実施形態としては、ラッチが照明モジュール100のまわりに取りつけられるクリック止め機構が考えられる。さらなる実施形態としては、ボルトの使用によって照明モジュール100に取りつけられる光学素子配列が考えられる。
【００３４】
明らかに、前記ビデオおよび/または照明システムのモジュール式組立てのために、光学素子またはその配列は、取りはずすことのできる取りつけ手段たとえば前記クリック止めシステム300を備えた支持構造物内に配置することができ、あるいは、ボルトその他によって取りはずせるように前記照明モジュール100に取りつけることができる。
【００３５】
好ましくは、前記ビデオおよび/または照明システムは、照明素子110と前記光学素子との間の距離を変える手段をも備えることができる。この距離は望ましい目視効果を得るために重要なパラメータであるからである。
【００３６】
図３Ｂは、クリック止めシステム300の第二の前面図であり、この場合二つの要素がクリック止めシステム300によって連結されている。
【００３７】
図３Ｃは、クリック止めシステム300の側面図である。
【００３８】
図３Ｄは、クリック止めシステム300の細部Bを示す。クリック止めシステム300は、レンズ340の配列から成るレンズ配列200を有し、また一つの実施形態では、ラッチ310を備えたシェード配列330を有する。ラッチ310は、相補的なラッチリップ320にクリック止めされて取りつけられ、レンズ配列200を照明モジュール100上に保持する。
【００３９】
レンズ340と放射照明素子110との間の距離は、適当な長さのラッチ310の使用によって特定距離に設定することができる。クリック止めシステム300は、レンズ340を、放射照明素子110の前部にじかに、または該素子から離して、正確に配置するために使用することもできる。
【００４０】
図４Ａは、前部光学素子400を備えた1対１照明システムである。それぞれの放射照明素子110に対して一つのレンズ340が備えられている。放射照明素子110とレンズ340との間の領域は、空気で満たすことができ、またはより好ましくは、放射照明素子110からレンズ340に入る光をより良く光学的に結合するように選択された屈折率を有する物質たとえば光学接着剤(optical adhesive)で満たすことができる。この屈折率整合により、光損失が減少する。光学接着剤の例としては、DYMAX CorporationのOP-40高性能光学接着剤、およびDow Corningの登録商標SYLGARD 184シリコーンエラストマーがある。また、非接着性光学ゲル(optical gel)たとえばDow Corningの登録商標SYLGARD 527シリコーン誘電性ゲルも使用することができる。前部光学素子400を備えた1対1照明システムは、放射照明素子110の5×5配列として示してあるが、これは、放射照明素子110の任意の大きさの配列から成る任意の照明モジュール100の代表例である。レンズ配列200は、照明モジュール100と同じまたは同程度の大きさのものとすることができ、いくつかのやり方で、たとえば、図３Ａに示すようなクリック止めシステム300によって照明モジュール100に取りつけることができる。あるいは、レンズ配列200は、大きなシートで一体化することもできる。この大きなシートは、照明モジュール100数個分の大きさを有することができ、または前記ディスプレイシステムの大きさを有することができる。
【００４１】
図４Ｂは、前部光学素子400を備えた1対1照明システムの前面図である。
【００４２】
図５Ａは、コントラスト強調前部光学素子500を備えた照明システムである。コントラスト強調前部光学素子500を備えたこの照明システムは、放射照明素子110とレンズ340の配列から成るレンズ配列200とを有する。一つの実施形態では、レンズ配列200の上に、ブラックマトリックス510が配置されている。放射照明素子110の間の黒い領域により、目視者のための目視コントラストが強調される。
【００４３】
図５Ｂは、コントラスト強調前部光学素子500を備えた照明システムの第二の実施形態を示す。この光学素子の場合、シェード配列330がレンズ配列200の上に配置されている。
【００４４】
図６Ａは、前部光学素子600を備えた1対多照明システムを示す。レンズ配列200が放射照明素子110の配列の上に、一つの実施形態では、クリック止めシステム300によって配置されている。それぞれの放射照明素子110に対して複数のレンズ340が存在する。したがって、レンズ配列200のピッチは、放射照明素子110の配列のピッチよりもずっと小さい。多くの場合、数個の照明モジュール100を覆う大きなレンズ配列200を使用するのが便利でありうる。
【００４５】
図６Ｂは、前部光学素子600を備えた1対多照明システムのレンズ配列200の細部Bを示す。
【００４６】
図７は、薄膜前部光学素子700を備えた照明システムを示す。一つの実施形態においては、透明支持構造物710が放射照明素子110と薄膜720との間に配置されている。透明支持構造物710は、放射照明素子110と薄膜720との間に必要なスペースを与え、薄膜720の光学的性質により必要な効果が生成されるようになっている。薄膜720は、たとえば、Physical Optics Corporationの登録商標LSD光整形拡散体シートとすることができる。
【００４７】
もう一つの実施形態においては、透明支持構造物710が薄膜720の上に配置される。そのようにすると、薄膜720が損傷または屋外使用の場合の各種素子から保護される。使用薄膜720のタイプによっては、薄膜720を、たとえば、透明支持構造物710上に接着してから、該構造物を放射照明素子110の前部に配置することができる。
【００４８】
薄膜720を、レンズ配列200とともに使用して、必要な光学的効果の組合せを得ることもできる。これは、前部光学素子400を有する1対1照明システムでも、前部光学素子600を有する1対多照明システムでも使用することができる。
【００４９】
一つの実施形態においては、薄膜720は表面レリーフ拡散フィルムである。このフィルムは、その表面構造が、放射照明素子110の放射プロファイルを変えて円形、正方形、雪片、楕円、その他のプロファイルを生成するように、構成された、薄い(1 mmよりも薄い)フィルムである。回折光学素子と異なり、薄膜720は波長依存性を有しない。薄膜720は、放射照明素子110と必要な光学的効果との仕様に応じて、設計される。さらに、薄膜720は、数個の照明モジュール100の大きさまたはディスプレイ全体の大きさの大きなシートとすることができ、またこの薄膜は、薄膜全体にわたって、均質とすることができ、あるいは異なる光学的性質を有するようにすることができる。
【００５０】
もう一つの実施形態においては、均一色の薄膜720が使用され、照明モジュール100の前部に配置されて、放射照明素子110の色を変えるようになっている。
【００５１】
さらにもう一つの実施形態においては、ある密度の薄膜720が使用され、照明モジュール100の前部に配置されて、コントラストを変えるようになっている。このタイプの薄膜720は、輝度を低下させ、コントラストを向上させて、日の当たる明るい環境下での見え方を改善するために、屋外用途で使用することもできる。
【００５２】
さらにもう一つの実施形態においては、薄膜720は特殊なコーティングたとえば二色性コーティングを有する薄いプラスチックまたはガラスシートである。二色性コーティングというのは、不要な波長の光を反射して光源に戻すことにより、短波(short wave)通過、長波(long wave)通過、帯域通過、またはノッチフィルターとして作用することのできる薄膜コーティングである。特殊なコーティングのもう一つの例は、ロングパス(long-pass)コーティングであり、これは、遮断波長よりも長い波長のものを全部通過させ、遮断波長よりも短いすべてのものを遮断する薄膜コーティングである。特殊なコーティングのもう一つの例は、ショートパス(short pass)コーティングであり、これは、遮断波長よりも短い波長のものを全部通過させ、遮断波長よりも長いすべてのものを遮断する薄膜コーティングである。たとえば、照明モジュール100の熱安定性を向上させるために、赤外(IR)フィルターを、放射照明素子110の前部に配置することができる。このIRフィルターは、周囲照明に存在するIR光線を反射し、IR光線が照明モジュール100に達するのを防ぐ。IRフィルター、ショートパスフィルターの使用により、デバイスの熱安定性が向上する。IR光線が照明モジュール100を加熱することができないからである。このようなIRフィルターの使用によって像の質が影響を受けるということはない。しかし、その他の二色性コーティングは、鮮明度とコントラストを高めることができる。
【００５３】
さらに別の実施形態においては、能動素子たとえば光化学素子を、照明モジュール100の前部に配置することができる。光化学素子の性質は、密度が入射日光の量の関数として変化するようなものである。これは、ディスプレイが各種の日光条件下の屋外環境で使用される場合に、それぞれの照度レベルに合わせてコントラストを最適化するのに有効でありうる。
【００５４】
さらに別の実施形態においては、能動素子たとえば液晶ディスプレイ(LCD)素子を、照明モジュール100の前部に配置することができる。照明素子100はLCDパネルのための背面照明として機能することができる。このLCD素子を適切に駆動することにより、必要な光学的効果、たとえば放射照明素子110からの光の偏光、を生成することができる。
【００５５】
図８には、放射照明素子110の配列と個別レンズ340の配列から成るレンズ配列200とから成る前部光学素子800を有する照明システムを示す。レンズ340の光軸810は、レンズ340の表面の対称軸に一致する直線として示されている。Dは、放射照明素子110の配列とレンズ配列200との間の距離である。光学素子のピッチは二つの隣接素子の中心間の距離である。たとえば、放射照明素子110の配列のピッチPLEDは二つの隣接放射照明素子110の中心間の距離である。レンズ配列200のピッチPlensは、二つの隣接レンズ340の中心間の距離である。
【００５６】
虚像の生成のためには、レンズ配列200のピッチは、放射照明素子110の配列のピッチよりもずっと小さく、すなわちPlens<<PLEDでなければならない。この実施形態の場合、図５Ａにさらに詳しく示すように、放射照明素子110一つに対して数個のレンズ340が存在する。放射照明素子110の配列のピッチPLEDは、固定されている。Plensは、モアレ効果を防止するかまたは最小限に抑えるように設計される。このことは、当業者には周知である。Plensは、モアレ効果を最小限に抑えるために、できるだけ小さく選択される。しかし、レンズ配列200は大きなピッチを有するように作るのが簡単であり、安価である。
【００５７】
レンズ配列200と放射照明素子110の配列とが一連のアパーチャであるとみなされる場合には、これらは一連の矩形波と考えることができる。周期P=2L、周波数f=1/2L、ω=2π/2L、およびデューティファクターd=2c/2Lの矩形波のフーリエ展開は、下記のようになる。
【数１】
2006140139.tif 000003
ここで、記号の意味は下記の通り。
2c:信号幅。
2L:矩形波の周期=作動時間(=2c)の長さと休止時間の長さとの和。
【００５８】
二つの級数(すなわち、放射照明素子110の配列のフーリエ展開とレンズ配列200のフーリエ展開)の積における変動項のみを残すことにより、下記の結果が得られる。
【数２】
2006140139.tif 000004
ここで、記号の意味は下記の通り。
LLP:ピクセル間隔PLEDあたりのレンズ340の数=PP(mm単位のピクセル間隔=ピクセルピッチ)×LLM(単位長さあたりのレンズ340の数)。
【００５９】
整数の違いは、小さなうなり周波数を与えるが、半整数因子は最大のうなり周波数を与える。したがって、放射照明素子110の配列のピッチとレンズ配列200のピッチとの間の関係は、次のように選択される。
[数３]
PLED＝(m＋0.5)×Plens
ここで、mは整数で、
【数３】
2006140139.tif 000005
【００６０】
一意の解はなく、mはいくつかの値をとりうる。モアレ効果を小さくするために、レンズ340の寸法を最小限に抑えることと、製造が簡単になるように、レンズ340の寸法を最大限にすることとの間のバランスによって、mを決めるからである。
【００６１】
二次元像は、レンズ配列200内のレンズ340の焦点距離がX軸およびY軸方向で同じである場合に得られるが、三次元像はこの焦点距離がX軸およびY軸方向で異なる場合に得られる。
【００６２】
虚像の必要倍率は、下記の式で記述することができる(二次元の問題を一次元の問題に還元し、またレンズ配列200が大気中にあると仮定する)。
【数４】
2006140139.tif 000006
ここで、記号の意味は下記の通り。
D:放射照明素子110の配列とレンズ配列200との間の距離。
f:レンズ340の焦点距離。
Θ:目視方向の法線からのずれの角度。
【００６３】
放射照明素子110の配列とレンズ配列200との間の距離Dは、また、レンズ配列200の厚さDlens arrayと、レンズ配列200と放射照明素子110の配列との間の距離として望ましい距離DLED-lensとから、下記の関係式によって決定することもできる。
【数５】
2006140139.tif 000007
ここで、記号の意味は下記の通り。
D:レンズ配列200のレンズ340の光軸810に沿って測定した、放射照明素子110の配列と放射照明素子110の配列にもっとも近いレンズ配列200の表面との間の距離。
Dlens array:レンズ340の光軸810に沿って測定した、レンズ配列200の厚さ、すなわち放射照明素子110の配列にもっとも近いレンズ340の表面と放射照明素子110の配列からもっとも遠いレンズ340の表面との間の距離。
DLED-lens: レンズ配列200のレンズ340の光軸810に沿って測定した、放射照明素子110の配列と放射照明素子110の配列からもっとも遠いレンズ340の表面との間の距離。
【００６４】
レンズ340の焦点距離がわかっていれば、レンズ340の必要曲率は、レンズ340の厚さを無視して、下記の式から決定できる。
【数６】
2006140139.tif 000008
ここで、記号の意味は下記の通り。
nlens:レンズ340の屈折率。
n1:物体空間媒質、すなわち放射照明素子110とレンズ340との間の媒質、の屈折率。物体空間媒質は空気とすることができるが、ある種の光学接着剤とすることもできる。
n2:像空間媒質の屈折率。通常、像空間媒質は空気である。
R1:レンズ340の前面の曲率半径。
R2:レンズ340の後面の曲率半径。
f1:レンズ340の物体側有効焦点距離。
f2:レンズ340の像側有効焦点距離。
【００６５】
前記いくつかの数式は、二次元空間を記述するものであるが、三次元空間を記述する同様の関係が存在する。
【００６６】
図９は、フレネルレンズ900の例を示す。基体形状は、平坦な長方形レンズ910であり(円柱形(cylindrical)の場合)、あるいは平坦ディスクレンズ920である(円形(radial)の場合)。基体の一面は、同心の(radial)小平面または長方形の小平面から成り、該小平面は、光学出力を生み出すフレネルレンズ900の輪郭を定める。この輪郭は同心の平坦小平面(または、サブセグメントを使用する場合、一連の平坦面)から構成される(図示せず)。フレネルレンズ900は、球面レンズの代わりに使用することができ、薄くて軽いという利点を有する。しかし、複雑な表面構造のため、虚像に欠陥が生じうる。フレネルレンズ配列は、前記のようなフレネルレンズ900の配列から成る。
【００６７】
前部光学素子400を有する1対1照明システムは、レンズ配列200の各レンズ340またはフレネルレンズ900の配列の各フレネルレンズ900が放射照明素子110と1対１に対応するように設計することができる。したがって、レンズ配列200のピッチは放射照明素子110の配列のピッチに等しい。すなわち、PLED=Plens。使用者が、レンズ340の焦点距離を適当に選択し、レンズ配列200を適当に配置することにより、放射照明素子110の視野角を必要な角度に変えることができる。視野円錐は、物体と像との距離によって決定される。物体距離、像距離、および焦点距離の間の関係は、下記の式によって与えられる。
【数７】
2006140139.tif 000009
ここで、記号の意味は下記の通り。
s2:像距離。
s1:物体距離。
f:レンズ340の焦点距離(レンズ配列200が大気中にあると仮定、すなわちf1=f2=f)。
【００６８】
図１０は、一例としての分布屈折率レンズ(GRIN)1000を示す。GRINレンズ1000では、屈折率に勾配をつける。屈折率は、レンズの中心で最大であり、軸からの距離の増大につれて減少する。GRINレンズ1000は、レンズの光軸からヘリまでの、レンズ物質の屈折率の正確に制御された半径方向変化により、光を焦点に集めるようになっている。GRINレンズ1000は、ガラスレンズの曲面を磨き上げる、しばしば骨の折れる作業を不要にするものである。屈折率がレンズ物質内で徐々に変化するので、光線は焦点に向って滑らかかつ連続的に向きをかえることができる。この屈折率勾配の内部変化により、正確に制御された表面曲率の必要を大きく低下させることができ、簡単でコンパクトなレンズ配列形態が可能になる。GRINレンズ配列がGRINレンズ1000の配列から構成される。
【００６９】
多くの用途においては、放射照明素子110の最適視野角を変えることができることまたは放射照明素子110の視野円錐を変えることができることが、重要な特性である。これらの特性を実現するためには、前部光学素子400を有する1対1照明システムを、一つの放射照明素子110に対して一つのレンズ340を使用するように設計する。したがって、レンズ配列200のピッチは、放射照明素子110の配列のピッチと同じである。すなわち、PLED=Plens。レンズ配列200と放射照明素子110との間の距離Dは、できる限り小さくする。そうすることにより、放射照明素子110からの光線は、確実に、該素子のために配置されたレンズ340のみを通過し、隣接するレンズ配列200内の別のレンズを通過することがない。レンズ340の焦点距離は、必要な視野円錐が生成されるように選択される。
【００７０】
放射照明素子110が有機LED(OLED)である場合には、GRINレンズ1000の配列が好ましいと思われる。屈折率の変化により、必要な光学効果をGRINレンズ1000内部で発生させることができる。GRINレンズ1000は、該レンズと放射照明素子110との間にも、またGRINレンズ1000とディスプレイの目視者側との間にも、エアギャップを必要としない。このエアギャップは、一般に、他のタイプのレンズたとえばフレネルレンズ800の場合には必要である。このエアギャップは、他のタイプのレンズの場合に所望の光学効果を発生させるのに必要な屈折率変化を与えるものである。
【００７１】
図１１Ａは、単一の光導波管1100を示す。
【００７２】
図１１Ｂは、光導波管1100の配列から成る光導波管配列1120を示す。光導波管配列1120は、照明モジュール100の充填率または視野角を変えるために使用することができる。ブラックマトリックス410と組み合わせることにより、光導波管配列1120はディスプレイのコントラスト向上のためにも使用することができる。
【００７３】
一つの実施形態においては、前部光学素子400を有する1対1照明システムは、各放射照明素子110に対して一つの光導波管1100が存在するように設計される。したがって、光導波管配列1120のピッチは、放射照明素子110の配列のピッチと同じである。使用者が光導波管1100の適当な入口および出口アパーチャならびに長さを選択することにより、放射照明素子110の視野角を望ましい角度に変えることができる。
【００７４】
図１２Ａは、一例としての表面レリーフ回折光学素子1200を示す。そのような光学素子の表面の一例は、二表面レリーフ(binary surface relief)回折光学素子1210である。
【００７５】
図１２Ｂは、第二の例としての表面レリーフ回折光学素子1200である。すなわち、この光学素子のもう一つの例としての、多層表面レリーフ(multi-layer surface relief)回折光学素子1220である。
【００７６】
回折光学素子(DOE)は、機能を拡張した(generalized)回折格子である。反射と屈折とによる通常の光学システムと異なり、回折光学素子は光の回折によって作用する。回折光学素子の独特の性質は、複雑な光学システムの性質を単一の素子にコード化する(encoded)ことができる、ということである。回折光学素子は二つ以上の光学機能を果すことができる。たとえば、これらの回折光学素子は、ろ波、ビーム分割、光を焦点に集めること(focusing)、その他の一つ以上の組合せを実行することができる。おおざっぱに言えば、この回折過程はデバイスの形によっては影響されない。厚さは一つの設計パラメータであるが、ミクロン単位で測定され、形状因子には最小限の影響しか有しない。したがって、回折素子は非常に薄く、標準的な光学システムに存在するアパーチャ/重量兼ね合いの問題(tradeoff)を避けることができる。これらの回折素子の固有の厚さと回折特性とにより、従来の光学素子では実現できない独特で極端な形状因子が可能になる。回折光学素子は、表面レリーフ構造、あるいはホログラフィーを使用してバルク媒質に記録された薄い位相格子とすることができる。表面レリーフ回折光学素子は、光学素子の表面に直接レリーフパターンをコード化することにより、作ることができる。このパターンはミニチュア構造物(miniature features)を用いて構成される。これらの構造物は、たとえばダイヤモンドバイトまたはフォトリソグラフィーの技術によって作ることができる。入射光の位相にはこれらの構造物の厚さと材料の屈折率とによって変化が与えられる。DOEは、高効率、設計の柔軟性、軽量、および小型ということが特徴である。さらに、DOEは低費用で複製して大量生産することができる。
【００７７】
図１３は、一例として、照明源の前部に配置された光学素子を使用してビデオおよび/または照明システムの機能を光学的に高める方法1300を示す。この方法によれば、光学素子の組合せにより効果の組合せが実現される。ビデオおよび/または照明システムは、いろいろな動作環境たとえば屋内または屋外に合わせて調節することができる。方法1300は下記の各ステップから成る。
【００７８】
ステップ1305:使用環境の決定
このステップにおいては、ビデオおよび/または照明システムが使用される環境が決定される。システムがどのように見られるかも決定される。たとえば、それぞれのビデオまたは照明システムは屋内または屋外で使用され、下からまたはいくつかの角度から見られ、あるいは明るい日光のもとまたは夜に使用されうる。方法1300はステップ1310に進む。
【００７９】
ステップ1310:望ましいビデオおよび/または照明効果の決定
このステップにおいては、特定のビデオまたは照明効果の使用が決定される。望ましい効果は、ビデオまたは照明ディスプレイの用途たとえばメッセージ告知または娯楽によって異なる。望ましい効果は、また、照明モジュール100が使用される環境たとえば屋内または屋外によっても異なる。ビデオおよび/または照明効果としては、二次元拡大、三次元像、コントラスト強調、輝度調節、拡散、色変化、視野角変化、視野円錐変化、および放射プロファイル変更などがあるが、これらのみには限定されない。方法1300はステップ1315に進む。
【００８０】
ステップ1315:効果の生成のために適した光学素子の選択
このステップでは、望ましいビデオまたは照明効果をもっとも良く生成する光学素子が選択される。決定に考慮される要因は、用途、使用環境、および寸法、ならびに費用および設計に関する考慮事項である。光学素子配列としては、球形または長方形レンズ、フレネルレンズ900、GRINレンズ1000、光導波管1100、薄膜720、および回折光学素子1200があるが、これらのみには限定されない。方法1300はステップ1320に進む。
【００８１】
ステップ1320:光学素子配列の特性の決定
このステップにおいては、照明システムの用途、環境、および意図する使用に適した、望ましいビデオおよび/または照明効果をもっとも良く生成する光学素子配列の特性が決定される。パラメータとしては、レンズ340の屈折率、レンズ340の焦点距離、レンズ配列200のピッチ、レンズ配列200と放射照明素子110の配列との間の距離、薄膜720の色、コントラスト強調素子たとえばブラックマトリックス510またはシェード配列330、放射照明素子110の放射プロファイル、好ましい視野角、寸法、および費用があるが、これらのみには限定されない。たとえば、コンパクトな寸法がビデオおよび/または照明システムの重要な特性である場合には、薄くて小さな光学素子配列が使用できる。あるいは、費用が寸法よりも重要な考慮事項である場合には、大きくて安価な光学素子配列を使用して必要な効果を生成することができる。方法1300はステップ1325に進む。
【００８２】
ステップ1325:光学素子配列を照明モジュールに取りつけるための機構の決定
このステップでは、光学素子配列がどのように照明モジュール100に取りつけられるかまたはその前部に配置されるかが決定される。たとえば、ビデオおよび/または照明システムと光学素子配列は、ディスプレイと同じ寸法にすることができ、クリック止めシステム300、ボルトを用いる固定機構によって連結することができ、あるいは、ビデオおよび/または照明システムに接触させることなく、ビデオおよび/または照明システムの前部から一定の距離に光学素子配列を配置することによっても、連結することができる。もう一つの実施形態においては、ビデオおよび/または照明システムをいろいろな用途で使用すべき場合、各照明モジュール100と同じ寸法の光学素子配列を使用することができ、該光学配列素子を、クリック止めシステム300によって各照明モジュール100に取りつけることができ、あるいは光学素子配列を光学接着剤で照明モジュール100に貼りつけることによって各照明モジュール100に取りつけることができる。光学接着剤は、小さな光の損失で光学的性能を改善するという利点を有するが、その使用により、ビデオおよび/または照明ディスプレイシステムの製造の容易さが低下し、一時的な分解がより困難になる。方法1300はステップ1330に進む。
【００８３】
ステップ1330:もう一つのビデオおよび/または照明効果?
この判断ステップでは、使用者は複数のビデオおよび/または照明効果の組合せが必要かどうかを決定する。ある種の用途と環境では、複数の効果の組合せが、たとえば、色を加える一方でコントラストを向上させるため、または光を拡散させる一方で視野円錐を変えるために、有効である。複数の効果の組合せは、光学素子の組合せの使用によって生成させることができる。たとえば、薄膜720をレンズ340の前部に配置することができる。追加のビデオおよび/または照明効果が必要な場合には、方法1300はステップ1310に戻る。追加のビデオおよび/または照明効果が必要でない場合には、方法1300は終了する。
【００８４】
本発明は、例として添付の図面に示し、上で説明した実施形態と方法とに限定されるものではない。反対に、ビデオおよび/または光素子の光学的機能を高める本発明のシステムと方法とは、本発明の範囲を逸脱しないいろいろな寸法と形状とで実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１Ａ】本発明による照明モジュールの前面図である。
【図１Ｂ】本発明による照明モジュールの背面図である。
【図２】本発明のレンズ配列を示す図である。
【図３Ａ】光学素子配列を本発明による照明モジュールに取りつけるためのクリック止めシステムの前面図であり、該システムの各素子は照明モジュールに取りつけられていない。
【図３Ｂ】光学素子配列を本発明による照明モジュールに取りつけるためのクリック止めシステムの第二の前面図であり、該システムの各素子は照明モジュールに取りつけてある。
【図３Ｃ】光学素子配列を本発明による照明モジュールに取りつけるためのクリック止めシステムの側面図である。
【図３Ｄ】光学素子配列を本発明による照明モジュールに取りつけるためのクリック止めシステムの詳細図である。
【図４Ａ】前部光学素子を備えた、本発明による1対1照明システムの説明図である。
【図４Ｂ】前部光学素子を備えた、本発明による1対1照明システムの前面図である。
【図５Ａ】コントラスト強調および視野角変化のための前部光学素子を有する、本発明による照明システムの説明図である。
【図５Ｂ】コントラスト強調および視野角変化のための前部光学素子を有する、本発明による照明システムの第二の実施形態の説明図である。
【図６Ａ】前部光学素子を有する、本発明による１対多照明システムの説明図である。
【図６Ｂ】前部光学素子配列を有する、本発明による1対多照明システムのレンズの詳細図である。
【図７】薄膜前部光学素子を有する、本発明による照明システムの説明図である。
【図８】前部光学素子を有する照明システムの説明図である。
【図９】本発明によるフレネルレンズの例の説明図である。
【図１０】本発明による分布屈折率レンズの例の説明図である。
【図１１Ａ】本発明の光導波管の説明図である。
【図１１Ｂ】本発明の光導波管配列の説明図である。
【図１２Ａ】二表面レリーフ回折光学素子の説明図である。
【図１２Ｂ】多層表面レリーフ回折光学素子の説明図である。
【図１３】本発明による、ビデオおよび/または照明システムの機能を光学的に高める方法の流れ図である。
【符号の説明】
【００８６】
100  照明モジュール
110  放射照明素子
200  レンズ配列
210  長方形または円形レンズ
300  クリック止めシステム
310  ラッチ
320  ラッチリップ
330  シェード配列
340  レンズ
400  前部光学素子
500  コントラスト強調前部光学素子
510  ブラックマトリックス
600  前部光学素子
700  薄膜前部光学素子
710  透明支持構造物
720  薄膜
800  前部光学素子
810  340の光軸
900  フレネルレンズ
910  長方形レンズ
920  ディスクレンズ
1000  分布屈折率レンズ
1100  光導波管
1120  光導波管配列
1200  表面レリーフ回折光学素子
1210  二表面レリーフ回折光学素子
1220  多層表面レリーフ回折光学素子
1300  ビデオおよび/または照明システムの機能を光学的に高める方法
1305  使用環境の決定
1310  望ましいビデオおよび/または照明効果の決定
1315  効果の生成のために適した光学素子の選択
1320  光学素子配列の特性の決定
1325  光学素子配列を照明モジュールに取りつけるための機構の決定
1330  もう一つのビデオおよび/または照明効果?
D  110の配列と200との間の距離
DLED-lens  200と110の配列との間の距離として望ましい距離
Dlens array  200の厚さ
PLED  110の配列のピッチ
Plens  200のピッチ
【図１Ａ】
2006140139.tif 000010
【図１Ｂ】
2006140139.tif 000011
【図２】
2006140139.tif 000012
【図３Ａ】
2006140139.tif 000013
【図３Ｂ】
2006140139.tif 000014
【図３Ｃ】
2006140139.tif 000015
【図３Ｄ】
2006140139.tif 000016
【図４Ａ】
2006140139.tif 000017
【図４Ｂ】
2006140139.tif 000018
【図５Ａ】
2006140139.tif 000019
【図５Ｂ】
2006140139.tif 000020
【図６Ａ】
2006140139.tif 000021
【図６Ｂ】
2006140139.tif 000022
【図７】
2006140139.tif 000023
【図８】
2006140139.tif 000024
【図９】
2006140139.tif 000025
【図１０】
2006140139.tif 000026
【図１１Ａ】
2006140139.tif 000027
【図１１Ｂ】
2006140139.tif 000028
【図１２Ａ】
2006140139.tif 000029
【図１２Ｂ】
2006140139.tif 000030
【図１３】
2006140139.tif 000031