(57)【要約】      （修正有）【課題】データ・ディスプレイ・デバイス用の光ガイドを含む照明システムを提供する。【解決手段】照明システムが、少なくとも１つの光源４によって発生する光がその中に入射される入射領域２を含む光ガイドを有し、入射領域２が、データ・ディスプレイ・デバイス１２を照らすために光ガイドの内部を伝播する光を抽出するための抽出領域８によって延長され、抽出領域８には光抽出素子１０が設けられ、光ガイドが、光入射領域２のところでそれ自体の上で閉じているループの形態をとっており、それにより、光源４から発生して抽出領域８において光ガイドから抽出されなかった光が光ガイドの内部を継続して移動して光入射領域２のところにあるその開始位置に戻ることが可能となり、データ・ディスプレイ・デバイス１２がループの内側に配置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
データ・ディスプレイ・デバイス（１２、２０）用の照明システムにおいて、少なくとも１つの光源（４）から発生される光の入射をされる入射領域（２；２６）を含む光ガイド（１；２２）を有し、前記入射領域（２；２６）が、前記ディスプレイ・デバイス（１２；２０）を照らすために前記ガイド（１；２２）の内部を伝播する光を抽出する抽出領域（８；２４）によって延長され、前記抽出領域（１２、２０）には光抽出素子（１０）が設けられ、前記光ガイド（１、２２）が、前記光入射領域（２；２６）において自己閉鎖状のループの形態をとっており、それにより、前記光源（４）から発生して前記抽出領域（８；２４）においては前記光ガイド（１；２２）から抽出されなかった光が前記光ガイド（１；２２）の内部を継続して移動して前記光入射領域（２；２６）と言う出発点に戻ることが可能となり、前記ディスプレイ・デバイス（１２；２０）が前記ループの内側に配置される構成を持つ、照明システムであって、
光が、前記ガイド（１）に入る光の入射方向（Ｘ−Ｘ）と、前記ループの母直線（Ｙ−Ｙ）とによって画定される平面（Ｐ１）に対して垂直な方向に沿って、前記光ガイド（１；２２）から抽出されることを特徴とする照明システム。
【請求項２】
前記光入射領域（２）が、第１の半円筒伝達領域（６）を介して、前記光抽出領域（８）によって延長され、前記光抽出領域（８）がさらに、前記光入射領域（２）に接続された第２の半円筒伝達領域（１６）によって延長され、前記データ・ディスプレイ・デバイス（１）が反射型であり、そのデータ・ディスプレイ表面（１４）が前記光ガイド（１）の前記光抽出領域（８）に向くように方向付けられることを特徴とする、請求項１に記載の照明システム。
【請求項３】
前記光入射領域（２６）の延長部分内に配置される前記光抽出領域（２４）が第１の半円筒伝播部分（２６）によって延長され、前記第１の半円筒伝播部分（２６）がさらに平坦な第２の半円筒伝播部分（２８）によって延長され、前記平坦な第２の伝播部分（２８）が第３の半円筒伝播部分（３０）を介して前記光入射領域（２６）上で閉じており、前記第１の伝播部分（２６）、第２の伝播部分（２８）、第３の伝播部分（３０）が、前記ガイド（２２）内に再入射するために、単に、前記抽出領域（２４）で使用されなかった光を前記入射領域（２６）に戻すのに使用され、前記データ・ディスプレイ・デバイス（２０）が透過タイプであり、そのデータ・ディスプレイ表面（３２）が前記平坦な伝播部分（２８）に向くように方向付けられることを特徴とする、請求項１に記載の照明システム。
【請求項４】
前記第２の半円筒伝播部分（１６）および前記第３の半円筒伝播部分（３０）が、２つの実質的に三角形の接続区間（Ａ、Ｂ）によって前記光入射領域（２）に接続されることを特徴とする、請求項２または３のいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項５】
前記光ガイド（１、２２）が長手方向の中央平面（Ｐ２）を中心に対称であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の照明システム。
【請求項６】
前記光入射領域（２；２６）が放物線形状を有することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の照明システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ガイドを含むデータ・ディスプレイ・デバイス用の照明システムに関する。より具体的には、本発明は、データ・ディスプレイ・デバイスを照らすために未使用の光を再利用するシステムを備える光抽出デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
以下の記述は、特に、反射型液晶ディスプレイ・セルなどのディスプレイ・デバイスのフロント・ライティングに関する。この技術はフロント型照明として知られている。
【０００３】
反射型ディスプレイ・デバイスの前面光照射のための既知の技術では、その内側に光が入射する透明の光ガイドをディスプレイ・デバイスの上方に配置する。光ガイドは、下側にあるディスプレイ・デバイスの方向に伝播する光を段階的に抽出することを可能にするように構成される。光を抽出するために光ガイドの中に設けられるこの構造は「光抽出素子（light extractor)」と呼ばれる。光ガイドの内部におけるこれらの抽出素子の数、幾何形状、および分布はその用途に応じて変わる。
【０００４】
ディスプレイ・デバイスによって提示されるデータのディスプレイ・コントラストに悪影響を及ぼすことなく良好なレベルの照明を提供することができる所与のタイプの光抽出素子を選択することは骨の折れる仕事である。実際には、主に、容易に理解される審美的理由により、これらの光抽出素子は、特に、可能な限り使用者から見えないものでなければならず、ディスプレイ・デバイスの表面全体の上が確実に可能な限り最も一様に照らされるのを可能にするものでなければならない。この後者の条件は、腕時計に組み込まれるディスプレイ・デバイスの照明に関して特に重要である。
【０００５】
照明の一様性に悪影響を与える、光ガイドを用いた反射型ディスプレイ・デバイスの前面光照明に生じる第１の問題は、このタイプの光ガイドの実際の動作原理に関係がある。
【０００６】
光ガイド入口で光源によって入射される光束または光量をＰ0として、ガイドが単位長さ当たりの光抽出効率Ｅを有する場合、ガイドの内部の光が移動する距離ｚに応じて光ガイドの内部に残る内部光束は、式Ｐ0ｅ-E・zで与えられる。したがって、光ガイドの長さ上の所与の点ｚにおいてガイドから抽出され得る光束Ｐextr(ｚ)は、以下の関係
Ｐextr(ｚ) ∝ Ｐ0ｅ-E・z            （１）
に従って内部光束に比例する。
【０００７】
上記の数式（１）は、光抽出効率Ｅが光ガイドの全長にわたって同じであり続ける場合、ガイドから抽出される光束Ｐextr(ｚ)が、光ガイドに入る光の入射点からの距離に対して指数関数的に減少することを示す。したがって、ディスプレイ・デバイスの照明はその全長にわたって一様ではなくなる。
【０００８】
この問題を克服するために、第１の解決策は、その光抽出効率が光ガイドに入る光に入射点からの距離と共に変化するような、光ガイドを作ることにある可能性がある。より具体的には、ガイドの光抽出効率が、光ガイドに入る光の入射点から離れるにしたがって漸進的に増加する必要があるということである。しかし、この解決策は実施するのが困難である。定義上、光抽出効率は常に１未満に留まる。したがって、抽出効率はガイドに入る光の入射点からの距離に対して無限に増加することはできない。さらに、ガイドに沿った光抽出効率の連続的な変化を実現させるためには、ガイド内の光抽出素子の幾何形状および深さが連続的に変化する必要があり、これには、光ガイドの設計および製造において多大な労力を必要とする。
【０００９】
光ガイドから抽出される光束の指数関数的な減少を補償するための別の解決策として、その全長において非常に低い（すなわち、１よりはるかに低い）一定の光抽出効率を有するガイドを提供することが考えられる。この場合、上記の数式（１）は以下のように近似され得る。
Ｐextr(ｚ) ∝ Ｐ0ｅ-E・z ≒ Ｐ0(１−Ｅ・ｚ) ≒ Ｐ0        （２）
【００１０】
上記の数式（２）は、光抽出効率が一定で非常に低い場合、光ガイドから抽出される光束はガイドの全長にわたって実質的に等しくしたがってガイド入口に入射される光束と等しいことを示している。実践面では、この解決策は、ガイドに沿って抽出素子の幾何形状を変化させる必要がないことから、実現するのがはるかに容易である。実際には、光抽出効率は光学ガイドの全長にわたって等しくなければならない。しかし、この第２の解決策にも問題がある。実際に上記の数式（２）を実証するには、光抽出効率を非常に低くする必要がある。言い換えると、最初に光ガイドに入射される光束のうちのわずかな部分のみが反射型ディスプレイ・デバイスを照らすのに実際に使用される。光ガイドに入射された光束の残りの部分は、ガイドの出口に到達するときに排出または吸収され、したがって永遠に失われる。したがって、このタイプのシステムの光学的な出力比は低い。
【００１１】
この問題を克服するために、ガイドから逃げる任意の光をガイドに再入射させるために光ガイド出口のところに鏡を配置することが想定される。しかし、この解決策は、ここで対象としているようなタイプの光ガイドに特に適しているわけではない。実際には、光は、ガイドの内部に戻るように反射されると、ガイド内での最初の伝播方向と反対の方向に伝播し、同じような形で抽出素子と相互作用することはない。というのは、抽出素子は、ガイド入口のところに配置された光源から直接に発生する光を抽出するように最適化された非対称構造を一般に有するからである。したがって、反対方向に伝播する任意の光は最適な形で抽出されずまたは拡散せず、ディスプレイ・デバイスのディスプレイ・コントラストに悪影響を与える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、光学的な出力比が改善された光ガイドを提供することにより上述の欠点さらには別の欠点を克服することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
したがって、本発明は、データ・ディスプレイ・デバイス用の照明システムに関連し、上記照明システムは、少なくとも１つの光源によって発生する光がその中に入射される少なくとも１つの領域を有する光ガイドを有し、上記入射領域は、ディスプレイ・デバイスを照射するためにガイドの内部を伝播する光を抽出するための領域によって延長され、上記抽出領域には光抽出素子が設けられ、光ガイドは、光入射領域のところで自己閉鎖状となるループの形態をとっており、データ・ディスプレイ・デバイスはループの内側に配置され、さらにこの照明システムは、光が、ガイドに入る光の入射方向と、ループの母直線(generatrixすなわちgenerating line) とによって画定される平面に対して垂直な方向に沿って光ガイドから抽出されることを特徴とする。
【００１４】
データ・ディスプレイ・デバイス用の照明システムは光ガイドを有し、データ・ディスプレイ・デバイスの照明用には抽出領域において抽出されなかった光が、光ガイドの内部の経路上を進み光入射領域にある開始位置に戻る。したがって、抽出領域で使用されない任意の光が再利用されて、最初に入射した光と同じ伝播方向で光ガイド内に再入射され、それにより、最適な形で光抽出素子と相互作用し、それにより、ガイド内での光の結合が改善され、抽出領域内で回収された光の大部分が再使用される。したがって、データ・ディスプレイ・デバイスの照明はその表面全体の上で一様となり、従来技術の解決策よりはるかに多くの光が得られる。
【００１５】
本発明の別の利点は、光ガイド内に入射される光が、ガイドに入る光の入射方向と、ループの母直線とによって画定される平面に対して垂直な方向において、ガイドから抽出されることである。したがって、データ・ディスプレイ・デバイスが反射型である場合、データ・ディスプレイ・デバイスが、上方から、すなわち、データが表示されている側から照射され、一方で、光源はディスプレイ・デバイスの下に配置される。それにより、非常に小型の照明システムが得られ、ここでは、データ・ディスプレイ・デバイスは光ガイド内に囲まれる。さらに、光源が照明デバイスの下に配置されることにより、「ホット・スポット」として知られる光源によって生じるハローがユーザから不可視となる。
【００１６】
逆に、データ・ディスプレイ・デバイスが透過タイプである場合、光ガイド内に囲まれるディスプレイ・デバイスは下方から照射される。この場合も、得られる照明システムは非常に小型になる。また、本発明による照明システムの高い汎用性が観察される。いくつかの修正点により、照明システムは、反射型のディスプレイ・デバイスおよび透過型のディスプレイ・デバイスの両方を一様におよび集中的に照らすことができる。
【００１７】
本発明の別の特徴および利点は、本発明による照明システムの一実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより、より明確となる。この例は、単に、添付図面を参照した非限定的な例証によって与えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による光ガイドを示す斜視図である。
【図２】光ガイドによって形成されるループの内側に反射型データ・ディスプレイ・デバイスが導入された、本発明による完全な照明システムを示す断面図である。
【図３】データ・ディスプレイ・デバイスが透過タイプである、図２の断面図と同様の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本願で開示される光ガイドはループ形状であり、したがって、抽出領域において光ガイドから抽出されなかった任意の光が光ガイドの光入射領域に戻ることが可能である。ここでは、光ガイドは、光抽出領域によって延長される光入射領域を有し、光抽出領域は、光入射領域上で閉じている。したがって、ガイドの抽出領域で使用されなかった任意の光が、未使用の光を抽出領域に戻す伝達領域によって延長される入射領域内に再入射される。この場合、光ガイド内に再入射される光が、最初に入射される光と同じ方向に伝播し、それにより、再入射される光に対する抽出領域内の抽出素子の効率が、光源によって最初に入射される光に対する上記抽出素子の効率と等しくなる。データ・ディスプレイ・デバイスは、その表面全体にわたって一様におよびより集中的に照射される。本発明によると、光ガイドの内部を伝播する光は、光がガイド内に入射するときの方向と、ループ形状の光ガイドの母直線とによって画定される平面に対して垂直な方向に沿って、ガイドから抽出される。これらの特徴により、光ガイド内に囲まれるデータ・ディスプレイ・デバイスが、いくつかの小さい変更により、反射型のガイドの場合には上方からおよび透過型のガイドの場合には下方からのいずれかで照射される。また、本発明は非常に小型の照明システムを提供する。
【００２０】
反射型のデータ・ディスプレイ・デバイス、すなわち前面照射を必要とするデバイスに関連して本発明を説明する。より具体的には、反射型液晶ディスプレイ・デバイスに関連して本発明を説明する。しかし、本発明が透過型のデータ・ディスプレイ・デバイスに対しても同様の方式で適用されることは言うまでもない。
【００２１】
本発明による光ガイドが図１の斜視図に示されている。全体の参照符号１によって概して示されるこの光ガイドは、自己閉鎖状に閉じている概略ループの形態をとっている。この光ガイドは光入射領域２を有し、この光入射領域２に面して光源４が存在する。フィラメント・バルブまたは発光ダイオードなどの任意のタイプの光源が本発明の範囲内で使用され得る。光は、実質的に直線の方向Ｘ−Ｘにおいて光ガイド１内に入射される。
【００２２】
光入射領域２は、第１の半円筒伝達領域６を介して、光抽出領域８により延長される。この光抽出領域８には、複数の光学抽出素子１０が、光ガイド１から光を抽出してその光を液晶セルなどの反射型のデータ・ディスプレイ・デバイス１２の表面に向けるために、設けられる。図２に示されるように、反射型ディスプレイ・デバイス１２は、光ガイド１によって形成されるループの内側に摺動されて、このループに囲まれる。もちろん、ディスプレイ・デバイス１２のデータ・ディスプレイ表面１４は光ガイド１の光抽出領域８に向くように方向付けられる。
【００２３】
光抽出領域８は、さらに、第２の半円筒伝達領域１６によって延長され、その第２の半円筒伝達領域１６は光入射領域２に接続されている。したがって、光源４によって発生して、データ・ディスプレイ・デバイス１２を照らすために抽出領域８において光ガイド１から抽出されなかった光が、光ガイド１の内部のその経路を延長して、光入射領域２と言う出発点に戻る。抽出領域８で使用されなかった任意の光は、光源４によって最初に入射される光と同じ伝播方向で光ガイド１内に再入射され、それにより最適な形で光抽出素子１０と相互作用し、それにより、ガイド１内での光の結合が改善され、抽出領域８内で回収された光の大部分が再使用されることは明らかである。したがって、データ・ディスプレイ・デバイス１２の照明はその表面全体の上で一様となり、従来技術の解決策よりはるかに多くの光が得られる。この結果は、光が、光ガイド１に入る光の入射方向Ｘ−Ｘと、第１の半円筒伝達領域６および第２の半円筒伝達領域１６の一方または他方の母直線Ｙ−Ｙとによって画定される平面Ｐ１に対して垂直な方向で、光ガイド１から抽出されるという事実により得られる。
【００２４】
半円筒伝達領域１６が２つの実質的に三角形の接続区間ＡおよびＢを介して光入射領域２に接続されていることに留意されたい。この三角形の形状により、入射領域２の放物線形状を変えることなく、半円筒伝達領域１６と光入射領域２との間に最大の表面積が得られる。また、２つの接続区間ＡおよびＢが三角形の形状であることにより、光をある程度平行にして保存することが可能となり、それにより、再利用される光が、ガイド１の長手方向において対称な中央の平面Ｐ２に対して概して平行となるような伝播方向で光抽出領域８に戻る。
【００２５】
本発明による光ガイド１の光学挙動を、光学モデル化ツール（ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｏｄｅｌｉｚａｔｉｏｎ  ｔｏｏｌ）および光学シミュレーション・ツールを使用して調べた。光ガイド１は、例えば、ガラスで作られており、その全長にわたって０．４ｍｍの一定の厚さであるとした。もちろん、光ガイド１は、プラスチック材料またはポリメタクリル酸メチルすなわちＰＭＭＡなどの別の透明誘導体材料で作られてもよい。第１の半円筒伝達領域６および第２の半円筒伝達領域１６の曲率半径は０．９５ｍｍと等しくなるように選択した。シミュレートされる光源４は、Ｋｉｎｇｂｒｉｇｈｔにより現在市販されている発光ダイオードと同様の発光ローブ（ｌｕｍｉｎｏｕｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｌｏｂｅ）を有する発光ダイオードである。所望の物体が、抽出素子と相互作用しない光の部分の挙動を評価するためのものであるようなこのモデル化では、光学抽出素子１０が考慮されなかったことに留意されたい。
【００２６】
上述の光ガイド１のモデル化では以下の結果が導かれる：
−  発光ダイオード４によって最初に提供される光束の７０％を超える光が光ガイド１内で結合される；
−  光ガイド１から抽出されずに抽出領域８を通過する光の最大７６％が入射領域２で回収されて再使用される。
【００２７】
上記のモデル化はまた、光ガイド１の内部の光束が、最大角度２０°の範囲内に含まれる伝播方向において良好な平行度を示すという所見を得た。図１に見られるように、入射領域２は放物線形状であり、光源４は放物線の頂点１８に向かい合うように配置される。この構成は、光源４によってガイド１に入射される光の大部分（約８０％）がガイド１内で全反射し、そこから逃げることがないように、なされている。結果として、ガイド１と周囲空気との間のインターフェースのところで光が全反射することになる。したがって、光がガイド１から確実に逃げないようにするために、光ガイド１の周囲部分を金属化するなどの技法を使用する必要がない。また、入射領域２が放物線形状であることの効果は、光源４によって放物線の対称軸に平行な伝播方向に発せられる光ビームを平行化して、ガイド１に入る光の入射方向Ｘ−Ｘに合流させることである。
【００２８】
本発明が上で説明した実施形態に限定されないこと、および、種々の単純な変更形態および変形形態が、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなしに当業者によって想定され得ることは言うもでもない。具体的には、図３は、本発明による光ガイド１の一変形形態の断面図である。図３のケースは、透過型のデータ・ディスプレイ・デバイス２０に関連する。図を精査すると分かるように、光ガイド２２は、図２に示される光ガイド１と同じ幾何形状を有する。しかし、この場合、光入射領域２６の延長部分に配置される光抽出領域２４が、ディスプレイ・デバイス２０の表面の下側に配置されており、上記デバイスを後ろから照らすようになっている。この場合、抽出領域２４は第１の半円筒伝播部分２６によって延長され、半円筒伝播部分２６は平坦な第２の伝播部分２８によって延長され、第２の平坦な伝播部分２８は第３の半円筒伝播部分３０を介して光入射領域２６の上で閉じている。第１の伝播部分２６、第２の伝播部分２８、および第３の伝播部分３０は、単に、抽出領域２４で使用されなかった任意の光を入射領域２６に戻すために使用され、それにより、上記光がガイド２２内へ再入射され得る。データ・ディスプレイ・デバイス２０のディスプレイ表面３２は、平坦な伝播部分２８に対向して上向きに方向付けられていることは明らかである。
【符号の説明】
【００２９】
１、２２  光ガイド；  ４  光源；  １０  光抽出素子；  
１２、２０  ディスプレイ・デバイス；  ２，２６  入射領域；  
８、２４  抽出領域；  ２６、２８  半円筒伝播部分。
【図１】
2011253810.tif 000003
【図２】
2011253810.tif 000004
【図３】
2011253810.tif 000005