(57)【要約】光源（１００）は複数の発光装置（１０１）を含み、複数の発光装置の各々は、第１の集束構造（１０３）によりコリメートされる光を出力する。コリメートされた光は第２の集束構造（１０４）に入射される。第２の集束構造（１０４）は、実質的に均一である単一のビームとして、発光装置から光を集束する。光源は応用例を数例挙げると、液晶ディスプレイ、投影システム、テレビジョンシステム、又はコンピュータモニタに使用してもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶ディスプレイに使用する光源であって：
複数の発光装置を有し、該複数の発光装置の各々は光を出力し、該光は第１の集束構造によりコリメートされ、該コリメートされた光は第２の集束構造に入射され、第２の集束構造は実質的に均一である単一のビームとして前記発光装置からの光を集束するところの光源。
【請求項２】
前記光源は望遠光学素子を有する、請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記第２の集束構造からの前記光は液晶パネルに入射される、請求項１に記載の光源。
【請求項４】
前記パネルの前記光入射は、その入射角とは独立に実質的に同じ強度を有する、請求項３に記載の光源。
【請求項５】
投影ディスプレイシステムであって：
複数の発光装置を含む光源を有し、該複数の発光装置の各々は光を出力し、該光は第１の集束構造によりコリメートされ、該コリメートされた光は第２の集束構造に入射され、第２の集束構造は実質的に均一である単一のビームとして前記発光装置からの光を集束するところの投影ディスプレイシステム。
【請求項６】
前記光源は望遠光学素子を有する、請求項５に記載の投影ディスプレイシステム。
【請求項７】
前記第２の集束構造からの前記光は液晶パネルに入射される、請求項５に記載の投影ディスプレイシステム。
【請求項８】
前記パネルの前記光入射は、その入射角とは独立に実質的に同じ強度を有する、請求項７に記載の投影ディスプレイシステム。
【請求項９】
直視型液晶ディスプレイシステムであって：
複数の発光装置を含む光源を有し、該複数の発光装置の各々は光を出力し、該光は第１の集束構造によりコリメートされ、該コリメートされた光は第２の集束構造に入射され、第２の集束構造は実質的に均一である単一のビームとして前記発光装置からの光を集束するところの直視型液晶ディスプレイシステム。
【請求項１０】
前記光源は望遠光学素子を有する、請求項９に記載の直視型液晶ディスプレイシステム。
【請求項１１】
前記第２の集束構造からの前記光は液晶パネルに入射される、請求項９に記載の直視型液晶ディスプレイシステム。
【請求項１２】
前記パネルの前記光入射は、その入射角とは独立に実質的に同じ強度を有する、請求項９に記載の直視型液晶ディスプレイシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
液晶（ＬＣ）技術は、投影ディスプレイに応用されている。投影ディスプレイは応用例を数例挙げると、投影テレビジョン、コンピュータモニタ、販売時点情報管理ディスプレイ、及び電子シネマに使用される。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置において光源は液晶パネルに光を放射し、光の偏光は選択的に変更されて、スクリーン上に明るい像及び暗い像を生成する。液晶材料はシリコン電子回路上にしばしば組み立てられ、それは液晶材料のモジュレーションにおける基本である。これらの液晶パネルは、しばしば反射型液晶（ＬＣＯＳ）パネルと呼ばれる。
【０００３】
多くの既知の液晶ディスプレイは、光源として超高圧（ＵＨＰ）ランプを含む。これらの光源は比較的均一な強度を有する光のビームをもたらし、またそれが望ましい。この目的に向け、光が均一でない場合、最終的な像はしばしば輝度が歪むか、又は低解像度を有するか、又はその両方を有する。このように、比較的均一な強度を有する光のビームをもたらすという要求をかなえるのに、超高圧ランプは申し分ない。
【０００４】
しかしながら超高圧ランプの使用には難点があり、液晶ディスプレイ応用に使用する他の種類の光源を求めるに至った。たとえば、一般に使用される超高圧ランプは動作中過度に熱くなり、冷却機構を必要とする。冷却機構及び超高圧ランプの全体の大きさは液晶ディスプレイ装置の大きさ及び複雑性を増大させる。さらに、超高圧ランプの使用は放射光の損失に終わる可能性がある。さらに、超高圧ランプはしばしば紫外（ＵＶ）光を放射し、紫外光は時間の経過とともに液晶材料を劣化させる。さらに、発光ダイオード（ＬＥＤ）といった固体発光体の寿命は、現在の超高圧ランプより実質的に長い可能性がある。
【０００５】
超高圧ランプを液晶装置の光源として使用することに対する少なくとも上記の欠点を考慮し、他の光源が捜し求められてきた。既知の構造において一部成功したこともあった。超高圧ランプの１つの代替の光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイである。発光ダイオードは超高圧装置が有する熱に対する難点がないので有益であり、確かに、液晶ディスプレイ応用の要求される光強度をもたらすのに十分な数の発光ダイオードのアレイは、超高圧ランプと比べて寸法が小さい。
【０００６】
しかしながら、発光ダイオードのアレイをもたらすことは未だに課題であり、発光ダイオードのアレイの出力は組み合わせると、液晶ディスプレイ応用には十分な大きさのエテンデュー（etendue）を有する。さらに、発光ダイオードアレイから均一な光源をもたらすことも未だに課題となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明は、少なくとも既知の装置の欠点を克服する、液晶ディスプレイアプリケーション用光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
例示的な実施例によれば、光源は複数の発光装置を含み、発光装置の各々は、第１の集束構造によりコリメートされる光を出力する。コリメートされた光は第２の集束構造に入射される。第２の集束構造は、実質的に均一である単一のビームとして、発光装置から光を集束する。
【０００９】
本発明は以下の詳細な説明を添付の図面と併せて読むときに、最も良く理解できる。様々な特徴は必ずしも同一縮尺で描かれていないことを強調する。実際に、寸法は考察を明確にするため、任意に大きくなったり小さくなったりしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下の詳細な説明では、限定ではなく説明を目的とし、本発明の完全な理解をもたらすために、詳細を開示する例示的な実施例を以下に記載する。しかしながら、本開示の恩恵を得た当業者には、本明細書に開示されている詳細から離れて他の実施例において本発明を実施してもよいことは明らかであろう。さらに、既知の装置、方法及び材料の説明は、本発明の説明を不明瞭にしないために、省略されてもよい。
【００１１】
例示的な実施例によれば、光源のアレイの組み合わされた出力は液晶パネルで結像され、パネルの表面で実質的に均一に生成される。さらに、液晶パネルの表面における光のアスペクト比は、光源のアレイのアスペクト比と実質的に同じである。光源のアレイの個々の素子の組み合わされたエテンデューは、液晶ディスプレイシステムの必要とされるエテンデューと等しい。
【００１２】
例示的な実施例の光学素子が選択されることにより、本明細書に記載されているように液晶パネルで光源のアレイの像をもたらす。所望の機能を実施するように選択される光学素子は、幾何学レンズ素子（geometric  lens  element）、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）、又は屈折率分布（ＧＲＩＮ）レンズ素子といった当業者の知識の範囲内の他の適当な素子であってもよい。さらに、これら素子の組み合わせを用いてもよい。さらに、光源は、例示的に発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、たとえば、半導体発光ダイオードなどである。勿論、これは単に例示に過ぎず、他の光源を実施例と併せて使用してもよい。繰り返すが、これら素子は光学技術に長けた当業者の範囲内である。
【実施例】
【００１３】
図１は例示的な実施例による光学システム１００を示す。光学システム１００は、有用にも液晶ディスプレイ装置内に含まれる。しかしながら、光学システム１００は数例を挙げると、投影ディスプレイシステム、直視型液晶ディスプレイシステム、テレビジョンシステム又はコンピュータモニタに使用することができる。液晶ディスプレイ装置のいくつかの素子は通常液晶ディスプレイ装置の光学システムに含まれるが、それら素子は、例示的な実施例の説明を不明瞭にしないように、図１に含まれていないことに留意されたい。これらの図１に含まれていない素子は、たとえば、偏光ビームスプリッタ及びリターダ（retarders）である。光学システム１００は発光素子１０１のアレイを含む。発光素子１０１のアレイは、有用にも単一のチップ１０２上にある。素子１０１は例示的に発光ダイオードであり、光学スペクトルのＵＶ部分及びＩＲ部分で光を放射しない。このことは液晶ディスプレイ装置の長期的損傷及び液晶ディスプレイ装置の全体的な発熱を各々低減する。さらに、発光ダイオードの効率性は既知の超高圧ランプと比べ、大きな電源の必要性をなくし、既知の構造と比べ例示的な実施例の恩恵をさらに増大させる。
【００１４】
各発光ダイオード１０１の出力は、光学素子１０３のアレイの個々の素子に入射する。光学素子１０３は例示的にコリメーティングレンズ素子群である。コリメーティングレンズ素子は図示する通り、発光ダイオード１０１の発散出力をコリメートする。複数のコリメートされた光ビーム１０５は別のレンズ素子１０４に入射される。このレンズ素子１０４はビーム１０５の各々を液晶パネル１０６上に集束する。液晶パネル１０６は例示的に液晶ディスプレイ装置の反射型液晶パネルである。
【００１５】
上記参照したように、液晶パネル１０６の表面に実質的に均一な出力を提供することが有用である。しかしながら、個々の発光ダイオードはわずかに不均一である。さらに、表面に許容可能な輝度レベルを有することがしばしば望まれる。例示的な各実施例によれば、これらの所望の特徴の各々は、容易に達成される。
【００１６】
図１の構造の例示的な実施例では、液晶ディスプレイへの光入射は実質的に均一である。このことは、さまざまな技法により達成できる。個々の発光ダイオード１０１の詳細構造を実質的に要求せずに、均一なビームを液晶パネル１０６の入射表面に生成する１つの係る技法は、各々の発光ダイオード１０１に関連するレンズ素子１０３にわずかな非整合（オフセット）をもたらすことにより達成できる。たとえば、レンズ素子を図１に示す±ｘ方向及び／又は±ｙ方向に移動することにより、レンズ素子１０３の出力は、複数の発光ダイオード１０１の各々の出力を所望の量だけ重ねる。この重なりは液晶パネル１０６の入射の表面で再現され、実質的に均一な光となり、且つ発光ダイオード１０１の各々の詳細構造を実質的に不要にすることになる。
【００１７】
別の例示的な実施例では、１０１を互いに対して回転させることにより、発光ダイオード１０１のアレイのオフセットが生じる。たとえば、チップ１０２の各発光ダイオード１０１を、図示する座標ベクトルのｚ軸についてわずかに回転してもよい。このことは個々の光源の出力のある程度の重なりももたらし、且つ、液晶パネル１０６の表面で実質的に均一である光出力をもたらす。如何なるオフセット又は回転も、十分に大きい場合、輝度を低減させる。パネルで光パッチが増大し、且つ光もパネルの縁に沿って失われるからである。約１０％の輝度の損失を限度と仮定すると、５度未満の回転にとどめる。個々の発光ダイオードの典型的な±ｘ方向及び±ｙ方向への移動は、光源の大きさの１０％未満であるべきである。光軸に沿った典型的な移動（図１の例示的な実施例に記載のｚ方向）は、コリメータ直径とコリメータによる距離の比に依存する。ここで、この比は約５％より多く変化するべきではない。
【００１８】
最後に、液晶パネル１０６の表面での光出力の均一化は、レンズ素子１０３及び／又はレンズ１０４の（ｚ方向における）わずかな並進によって実現できる。この並進はレンズ１０４の焦点を液晶装置の表面の前面又は背面の或る位置に移動させ、発光ダイオードの像の所望の焦点はずれ及び結果として光出力の均一化をもたらす。さらに、レンズの変形及びレンズの如何なる球面収差も光の均一化に寄与するであろうことに留意されたい。
【００１９】
光源１０１のアスペクト比の維持について描かれている例示的な実施例について考察するまえに、様々なレンズ素子が、図１に示す複数の正の幾何学レンズではない他の種類の素子であることに加えて、１つの素子又は複数の素子に統合されてもよいことに留意されたい。たとえば、複数のレンズ素子群１０３は適当な単一のレンズ素子によって置き換えられてもよく、一方、単一の素子１０４は複数のレンズ素子群によって置き換えられてもよい。さらに、必要に応じ表面で光の均一化をもたらすさらなる素子を、必要に応じ実施してもよい。
【００２０】
例示的な実施例によれば、発光ダイオード１０１のアレイの発光表面のアスペクト比は液晶パネル１０６のアスペクト比と実質的に同一である。このことは液晶パネル１０６の全面積が実質的に照射されることを確実にする。このことは液晶パネル１０６での光の均一性と相まって明らかな利点をもたらし、特に液晶ディスプレイ装置に有益である。
【００２１】
図１に記載の例示的な実施例に関連して説明した光学システムは多くの場合、個々の発光ダイオード１０１のアレイの照明の小面積を、レンズ素子１０４の出力でより大きな発光面積にし、且つ、正しいアスペクト比で提供する。それにより、液晶パネルの表面が実質的に照射される。しかしながら、液晶パネルの表面が実質的に照射されることが所与の液晶ディスプレイ装置で達成不可能な場合、適合を達成するよう、他の光学素子を含むことが必要である。すなわち、発光ダイオードアレイが本応用専用の場合、個々の光源のアスペクト比はパネルのアスペクト比に適合するようにしてもよい。しかしながら、複数の「既製の発光ダイオードアレイ」が使用されるか、又は単一の発光ダイオードが集められて１つのアレイとされる場合、個々の光源のアスペクト比はパネルのアスペクト比より異なってもよい。
【００２２】
所望のアスペクト比をもたらす１つの方法は、望遠光学（telescoping  optics）を使用することである。望遠光学の例示的な実施例を、図２ａ及び図２ｂに示す。光学素子２０１を図１の例示的な光学システムに使用してもよく、コリメータのアレイ１０３とレンズ素子１０４との間に配置された光学素子２０１とともに使用してもよい。光学素子はｘ方向とｙ方向とで異なる角度拡大を有する（各々、図２ａ及び図２ｂで示す）。これは像のアスペクト比を調整して液晶パネルの像のアスペクト比に適合するためである。例示のため、ｘ方向（図２ａ）の拡大は１、ｙ方向の拡大は或るファクタＭであり、結果として液晶パネル表面で所望のアスペクト比をもたらす。例示的な実施例において、光学素子は円筒レンズの組み合わせであって、Ｍはパネルのアスペクト比と同じであり、個々の光源の各々の有効領域は方形である。光学素子２０１はガリレオ型システムによるものであり、光学技術の当業者には既知であることに留意されたい。代替的に、光学素子はケプラー型光学システムであってもよい。他の種類の望遠光学システムを使用してもよい。たとえば、既知のカセグレイン型の屈折反射システムを使用してもよい。
【００２３】
既知であるように、液晶ディスプレイのコントラストはパネルの光の入射角に依存する。有益なことに、パネル上の光入射の強度は、入射角に拘わらず同じである。望遠アレイの使用により、結果としてパネルの光入射の全明度が低減するか、又はパネルの入射角に依存する不均一な強度分布をもたらす場合がある。
【００２４】
図２ａ及び図２ｂで示す例示的な実施例において、光は光源側２０２から入射され且つパネル側２０３に出射される。パネル側２０３で光強度は全入射角において均一である。しかしながら、これは光（輝度）の損失という犠牲を払う場合がある。対照的に、光源側及びパネル側が図２ａ及び図２ｂで入れ替わった場合、輝度は維持されるが、入射角に依存して強度の均一性が犠牲になる。
【００２５】
図２ａ及び図２ｂの望遠光学の例示的な実施例において、強度の均一性は光源（たとえば、アレイ１０１）を配置することにより、入射角とは独立に維持される。これにより、光源間の（ｘ、ｙにおける）距離の距離比は、アスペクト比と実質的に同一になる。結果として、光源側２０２で、異なるビーム直径がレンズのアレイ（たとえば、レンズ１０３）から結合される。この結合により、結果として光（輝度）の損失をもたらす。
【００２６】
これまで説明してきた例示的な実施例に加えて、様々な方法で素子を選択し素子を配置することを通じて、他の実施例が生じ得る。たとえば、概して、光学システム１００は光源のアレイ、コリメートするためのアレイレンズ、及び光源のアレイからパネル上に光を結像するレンズを含む。さらに、望遠光学も含んでもよい。しかしながら、上記参照したものに加えて他の素子を使用してもよく、係る変形は結果としてさらなる実施例をもたらす。
【００２７】
例示のため、光源のアレイ（たとえば、発光ダイオード１０１）は、同様の特性を有する統合された光源と置き換えてもよいことに留意されたい。さらに、コリメートレンズのアレイ（たとえば、レンズ素子１０３は、コリメーション機能を実行する統合されたレンズ素子と置き換えてもよい）。さらに、上記参照した素子と、フレネル構造として新たなアレイに重ね合わされる結像レンズ（たとえば、レンズ素子１０４）との組み合わせがもたらされ、それにより所望の機能を実行し得る。最後に、集積光学が用いられて説明された構造を実現し得ることに留意されたい。
【００２８】
例示的な実施例の考察に関連して、例示的な実施例が詳細に説明されてきたが、本開示による恩恵を得た当業者にとって、本発明の変更が容易であろうことは明らかである。係る変更及び変形は、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】例示的な実施例による、光源及び光学構成の斜視図である。
【図２ａ】例示的な実施例によるレンズ素子であり、Ｘ軸の方向に沿った様子を示している。
【図２ｂ】例示的な実施例によるレンズ素子であり、Ｙ軸の方向に沿った様子を示している。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【国際調査報告】
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