(57)【要約】  ディスプレイを背後から照らすための本願の光学システムは、閉じ込め方向と、導光体の第１の縁部に近接して配置された第１の複数の光源とを有する導光体を有する。第１の複数の光源の少なくとも１つからの光は、閉じ込め方向とほぼ平行な発光軸を定める。上記光源からの光を導光体に結合するために、固体光注入装置が配置される。固体光注入装置の表面は、全内部反射によって、閉じ込め方向内に、第１の複数の光源からの光を閉じ込めるための閉じ込め曲線として成形してもよい。いくつかの実施形態では、１つ以上の光源からの照明光の一部は、導光体から離れる方向に向かう成分を有する方向に沿って第１の注入装置に入り、その注入装置内で全内部反射される。【選択図】図１
2010531034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉じ込め方向を有する導光体と、
前記導光体の第１の縁部に近接して配置された第１の複数の光源であって、前記第１の複数の光源の少なくとも第１の光源からの光が、実質的に発光軸を中心に方向付けられ、前記発光軸が前記閉じ込め方向とほぼ平行である、光源と、
前記第１の複数の光源からの光を前記導光体に結合するために配置された固体の第１の光注入装置であって、前記第１の光注入装置が第１の表面を有し、前記第１の表面の少なくとも第１の部分が、全内部反射によって、前記閉じ込め方向内に、前記第１の複数の光源からの光を閉じ込めるための閉じ込め曲線として成形される光注入装置と、を含む光学システム。
【請求項２】
前記第１の表面の第２の部分が直線である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の表面の第２の部分が湾曲している、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１の表面の前記第２の部分が放物状の表面を含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の表面の第２の部分が反射性の表面を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の光注入装置が第２の表面を含み、前記第２の表面の少なくとも一部が直線である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の光注入装置が第２の表面を含み、前記第２の表面の少なくとも一部が湾曲している、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記第２の表面が放物状の表面部分を含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記導光体の第２の縁部に近接して配置された第２の複数の光源と、前記第２の複数の光源からの光を前記導光体に結合するために配置された固体の第２の光注入装置とを更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第２の光注入装置が第１の表面を有し、前記第１の表面の少なくとも第１の部分が、全内部反射によって、前記閉じ込め方向内に、前記第２の複数の光源からの光を閉じ込めるための閉じ込め曲線として成形される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記導光体から光が取り出され、前記導光体から取り出された前記光による照明のために配置されたディスプレイパネルと、前記ディスプレイパネルによって表示された画像を制御するために前記ディスプレイパネルに連結された制御装置とを更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記導光体と前記ディスプレイパネルとの間に配置された１つ以上の光調整フィルムを更に含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１の注入装置が非反射性である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
少なくも前記第１の光源が、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１の光源が、前記ＬＥＤによって第１の波長で発光された光の少なくとも一部を、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光に変換するように配置されたリン光体を更に含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１の複数の光源が少なくとも、第１の色の光を発光できる第１のＬＥＤと、前記第１の色とは異なる第２の色の光を発光できる第２のＬＥＤとを含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
閉じ込め方向を有する導光体と、
前記閉じ込め方向と平行な各々の発光軸を概ね中心にして、光を発光できる第１の複数の光源と、
前記第１の複数の光源からの光を前記導光体に結合させるために配置された第１の非反射性光注入装置であって、前記第１の光注入装置が、前記第１の複数の光源からの光を前記導光体の方に向ける光注入装置と、
を含む光学システム。
【請求項１８】
前記第１の光注入装置が、前記第１の注入装置に入る光が１つ以上の全内部反射を介して実質的に全て前記導光体の方に反射されるように成形される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記第１の光注入装置が第１の表面を有し、前記第１の表面の少なくとも第１の部分が、前記第１の複数の光源からの光を前記閉じ込め方向内に閉じ込めるための閉じ込め曲線として成形される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
前記第１の表面の第２の部分が直線である、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記第１の表面の第２の部分が湾曲している、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記第１の表面の前記第２の部分が放物状の表面を含む、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記第１の光注入装置が第２の表面を含み、前記第２の表面の少なくとも一部が直線である、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２４】
前記第１の光注入装置が第２の表面を含み、前記第２の表面の少なくとも一部が湾曲している、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２５】
前記導光体の第２の縁部に近接して配置された第２の複数の光源と、前記第２の複数の光源からの光を前記導光体に結合させるために配置された固体の第２の光注入装置とを更に含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第２の光注入装置が第１の表面を有し、前記第１の表面の少なくとも第１の部分が、全内部反射によって、前記閉じ込め方向内に、前記第２の複数の光源からの光を閉じ込めるための閉じ込め曲線として成形される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記導光体から光が取り出され、前記導光体から取り出された前記光による照明のために配置されたディスプレイパネルと、前記ディスプレイパネルによって表示された画像を制御するために前記ディスプレイパネルに連結された制御装置とを更に備える、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２８】
前記導光体と前記ディスプレイパネルとの間に配置された１つ以上の光調整フィルムを更に含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記第１の複数の光源が発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項３０】
前記ＬＥＤの少なくとも１つが、前記ＬＥＤの少なくとも１つによって第１の波長で発光された光の少なくとも一部を、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光に変換するように配置されたリン光体を更に含む、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記第１の複数の光源が、第１の色の光を発光できる少なくとも第１のＬＥＤと、前記第１の色とは異なる第２の色の光を発光できる少なくとも第２のＬＥＤとを含む、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３２】
閉じ込め方向を定める導光体と、
照明光を発生させることのできる１つ以上の光源の第１の組と、
前記１つ以上の光源からの光を前記導光体に結合するために配置された固体の第１の光注入装置であって、前記１つ以上の光源からの前記照明光の少なくとも第１の部分が、前記導光体から離れる方向に向かう成分を有する方向に沿って前記第１の光注入装置に入り、前記照明光の前記第１の部分が、前記注入装置内で全内部反射される、光注入装置と、
を含む光学システム。
【請求項３３】
前記１つ以上の光源が、前記閉じ込め方向と平行な発光軸に概ね沿う光を発光する、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記第１の光注入装置が第１の表面を有し、前記第１の表面の少なくとも第１の部分が、前記照明光の前記第１の部分を全内部反射させるための閉じ込め曲線として成形される、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３５】
前記第１の表面の第２の部分が直線である、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記第１の表面の第２の部分が湾曲している、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３７】
前記第１の光注入装置が第２の表面を含み、前記第２の表面の少なくとも一部が直線である、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３８】
前記第１の光注入装置が第２の表面を含み、前記第２の表面の少なくとも一部が湾曲している、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３９】
前記導光体の第２の縁部に近接して配置された第２の組の光源と、前記第２の組の光源からの光を前記導光体に結合するために配置された固体の第２の光注入装置とを更に含む、請求項３２に記載のシステム。
【請求項４０】
前記第２の光注入装置が第１の表面を有し、前記第２の光注入装置の第１の表面の少なくとも第１の部分が、全内部反射によって、前記閉じ込め方向内に、前記第２の組の光源からの光を閉じ込めるための閉じ込め曲線として成形される、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
前記導光体から光を取り出し、前記導光体から取り出した光で照明するように配置されたディスプレイパネルと、前記ディスプレイパネルで表示する画像を制御するために前記ディスプレイパネルに連結された制御装置と、を更に備える請求項３２に記載のシステム。
【請求項４２】
前記導光体と前記ディスプレイパネルとの間に配置された１つ以上の光調整フィルムを更に含む、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
前記１つ以上の光源が発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、請求項３２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記ＬＥＤの少なくとも１つが、前記ＬＥＤの少なくとも１つによって第１の波長で発光された光の少なくとも一部を、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光に変換するように配置されたリン光体を更に含む、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記第１の複数の光源が、第１の色の光を発光できる少なくとも第１のＬＥＤと、前記第１の色とは異なる第２の色の光を発光できる少なくとも第２のＬＥＤとを含む、請求項４３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばディスプレイを照らすのに用いられる導光体、より詳細には、発光ダイオードから導光体の中に光を注入する方法及びデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、小型ハンドヘルドディスプレイ内の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のバックライティングにまず導入された。このようなバックライトは、一般的に１つ以上の白色ＬＥＤを備える導光体を含み、導光体は、導光体の１つの縁部（edge）又は１つの角部（corner）の中に光を注入するように構成される。ハンドヘルドバックライト用の表面実装型側面発光ＬＥＤは一般的に、高さが０．６〜０．８ｍｍの発光アパーチャを有する。したがって、全ての光を受容する最も薄い導光体は、０．６ｍｍ以上の厚みとなる。
【０００３】
ハンドヘルドバックライトにおいて、ＬＥＤパッケージは、導光体の入力縁部のそばに向けられ、光は空気を介してＬＥＤから導光体へと結合される。光散乱表面は、導光体の底部でパターン化されており、光を上方に向けることで、液晶パネルの方に光を取り出す。導光体の入力縁部上に入射した光の最大９０％は、空気から導光体の中へと屈折する。しかし、導光体の平面内での伝播の際の光学的広がり角は、導光体内の光の臨界角によって制限される。したがって、導光体の縁部を介して入る光は、導光体内において、導光体の縁部の垂線に対して４２°の半角で広がる。その結果、光は弱くなるように広がり、均一性が損なわれる。
【０００４】
多くのハンドヘルド導光体は、構造化された入力縁部と共に製造される。この構造体は一般的に、マイクロ円柱状レンズ、プリズム、又は他の導光体の頂面から底面に走る溝状のレンズである。このような溝は、臨界角よりも広いが９０度未満となる伝播錐体の中に光を広げる傾向がある。したがって、導光体における更に大きい伝播発散に対するニーズが依然として存在する。
【０００５】
最近では、固体素子による照明実装が、より大きいディスプレイへと移行し始めており、例えば白色ＬＥＤ又はＲＧＢ用ＬＥＤのいずれかを有するノートブック、モニター、及びＴＶに移行している。ハンドヘルド用から最大のＴＶに至るいずれにおいても、バックライトは、実質的な封入レンズを有する大型ＬＥＤパッケージに適応するように構築される。この適応は、一般的に、個々のＬＥＤからの光を混合して均質な白色光にする専用エリアのために、厚いバックライトと共に、大きな領域を生じさせる。特に、エッジリット・ディスプレイ（edgelit display）は、最大で長さ１００ｍｍの混合領域を必要とする。このため、上記混合区域が、ディスプレイの表示区域外に位置することを確保できるように、バックライトのかなりの部分が、幅の広いベゼル内のディスプレイ区域を越えて延長しなければならないか、又は、ディスプレイ区域の下に折り畳まれることもある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来アプローチの４つの欠点は、以下のように要約できる。
１．ＬＥＤパッケージから導光体への空気結合は、注入光の角度を、導光体の臨界角によって境界が定められる伝播錐体に制限する。このため、導光体内の光混合領域が長くなる。
２．標準的なＬＥＤパッケージは大きい。このため、発光される光は、薄い導光体の中に効率的に結合しない。
３．封入材の屈折率は一般的に、放射性ＬＥＤダイの屈折率よりもかなり小さい。このため、ダイからの光の取り出し効率が低い。
４．ＬＥＤは、導光体の入力縁部と平行な平面内に位置する。この位置は、ＬＥＤが取り付けられるＰＣボードと垂直である。その結果、伝導熱の取り出しが制限されると共に、実装が困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの実施形態は、閉じ込め方向と、導光体の第１の縁部に近接して配置された第１の複数の光源とを有する導光体を有する光学システムを目的とする。第１の複数の光源の少なくとも第１の光源からの光は、実質的に発光軸を中心に方向付けられ、この発光軸は、閉じ込め方向とほぼ平行である。第１の複数の光源からの光を導光体に結合させるために配置された個体の第１の光注入装置が存在する。第１の光注入装置は第１の表面を有し、この第１の表面の少なくとも第１の部分は、全内部反射によって、閉じ込め方向内に、第１の複数の光源からの光を閉じ込めるための閉じ込め曲線として成形されている。
【０００８】
本発明の別の実施形態は、閉じ込め方向と、閉じ込め方向と平行な各々の発光軸を概ね中心にして、光を発光できる第１の複数の光源とを有する導光体を有する光学システムを目的とする。第１の複数の光源からの光を導光体に結合するために、第１の非反射性光注入装置が配置されており、この第１の注入装置は、第１の複数の光源からの光を導光体の方に向ける。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、閉じ込め方向と、照明光を発生させることのできる１つ以上の光源の第１の組とを定める導光体を有する光学システムを目的とする。１つ以上の光源からの光を導光体に結合するために、固体の第１の光注入装置が配置されている。１つ以上の光源からの照明光の少なくとも第１の部分は、導光体から離れる方向に向かう成分を有する方向に沿って第１の光注入装置に入る。照明光の第１の部分は、注入装置内で全内部反射される。
【００１０】
本発明の上記の概要は、本発明の各図示の実施形態又は全ての実施を説明しようとするものではない。図及び以下の詳細な説明がこれらの実施形態をより具体的に例示する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
添付図面と併せて以下の本発明の様々な実施形態の「発明を実施するための形態」を検討することにより、本発明をより完全に理解することができる。
【図１】本発明の原理による、エッジリット・バックライトを有するディスプレイシステムの実施形態を概略的に示している。
【図２】本発明の原理による閉じ込め曲線付き注入装置の代表的な実施形態を概略的に示している。
【図３】種々の屈折率の材料で形成される代表的な注入装置の種々の臨界曲線形状のグラフを示す。
【図４】本発明の原理による閉じ込め曲線付き注入装置の更なる代表的な実施形態を概略的に示している。
【図５Ａ】本発明の原理による閉じ込め曲線付き注入装置の更なる代表的な実施形態を概略的に示している。
【図５Ｂ】本発明の原理による閉じ込め曲線付き注入装置の更なる代表的な実施形態を概略的に示している。
【図６】本発明の原理による閉じ込め曲線付き注入装置を用いて、発光ダイオード（ＬＥＤ）からの光を導光体に結合する際の損失と注入効率との算出値のグラフを示す。
【図７Ａ】本発明の原理による、ＬＥＤからの光を導光体の中に注入するための注入装置を用いる照明ユニットの様々な実施形態における、導光体を横切る位置に対応する流束プロファイルのグラフを示す。
【図７Ｂ】本発明の原理による、ＬＥＤからの光を導光体の中に注入するための注入装置を用いる照明ユニットの様々な実施形態における、導光体を横切る位置に対応する流束プロファイルのグラフを示す。
【図８Ａ】本発明の原理による閉じ込め曲線付き注入装置の種々の実施形態の１つの平面図を概略的に示している。
【図８Ｂ】本発明の原理による閉じ込め曲線付き注入装置の種々の実施形態の１つの平面図を概略的に示している。
【図９Ａ】ＬＥＤからの光を、本発明の原理による閉じ込め曲線付き注入装置の中に光学的に結合する種々のアプローチの１つを概略的に示している。
【図９Ｂ】ＬＥＤからの光を、本発明の原理による閉じ込め曲線付き注入装置の中にに光学的に結合する種々のアプローチの１つを概略的に示している。
【図９Ｃ】ＬＥＤからの光を、本発明の原理による閉じ込め曲線付き注入装置の中にに光学的に結合する種々のアプローチの１つを概略的に示している。
【００１２】
本発明は様々な変更例及び代替形状が可能であるが、その具体例を一例として図面に示すと共に詳細に説明する。しかしながら、その意図は、記載された特定の実施形態に本発明を限定することにはないことを理解するべきである。反対に添付の特許請求の範囲により規定されるように、本発明の趣旨及び範囲内にあるすべての変更、均等物、及び代替物を網羅しようとするものである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、光学システムに適用可能であり、より詳細には、導光体を用いて内部のディスプレイパネルを背後から照らす光学ディスプレイシステムに適用可能である。このようなディスプレイにおいて、単一光源又は複数の光源が、ディスプレイパネルの側面に配置され、導光体が、光源からの光をディスプレイパネルの背後の位置に伝播するのに使用される。本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光源から光を導光体の中に結合するためのアプローチに関する。
【００１４】
エッジリット・ディスプレイデバイス１００の代表的な実施形態の概略的分解図が図１に示されている。この代表的な実施形態では、ディスプレイデバイス１００は、液晶（ＬＣ）ディスプレイパネル１０２を用いており、このディスプレイパネルは、典型的にはパネルプレート１０６の間に配置されたＬＣ層１０４を含む。パネルプレート１０６は、ガラス、又はその他の堅い材料で形成される場合が多く、ＬＣ層１０４内の液晶の配向を制御するために、内側表面上に電極構造体と配向層とを含んでもよい。電極構造体は一般に、ＬＣパネルの画素すなわち、ＬＣ層区域を規定するように配列され、この区域において、液晶の配向は隣接画素から独立して制御することができる。カラーフィルタには、表示画像に色を付与するための１又はそれ以上の板１０６が含まれてもよい。
【００１５】
上方吸収偏光子１０８は、ＬＣ層１０４の上に配置され、下方吸収偏光子１１０は、ＬＣ層１０４の下に配置されている。図示されている実施形態では、上方吸収偏光子１０８及び下方吸収偏光子１１０は、ＬＣパネル１０２の外側に位置する。吸収偏光子１０８、１１０、及びＬＣパネル１０２は、組み合わせた状態で、バックライト１１２からディスプレイ１００を通って視聴者へ届く光透過率を制御する。いくつかの典型的な実施形態では、ＬＣ層１０４の画素を活性化しない場合、そこを通過する光の偏光は変わらない。したがって、下方吸収偏光子１１０を通過する光は、吸収偏光子１０８、１１０が垂直に整列するとき、上方吸収偏光子１０８によって吸収される。その一方で、上記画素が活性化されると、画素を通る光の偏光が回転され、下方吸収偏光子１１０を通って伝播する光の少なくとも一部は、上方吸収偏光子１０８も通って伝播する。ＬＣ層１０４の異なる画素を選択的に活性化することは、例えば制御装置１１３によって、ある所望の位置でディスプレイを通過する光を生じさせ、そして、視聴者によって見られる画像を形成する。制御装置１１３は、例えば、コンピュータ、又はテレビ画像を受信して表示するテレビ用制御装置を含み得る。１つ又は２つ以上の任意選択層１０９が、例えば機械的保護及び／又は環境保護をディスプレイ面にもたらすために、上方吸収偏光子１０８の上方に提供されてもよい。例示的な一実施形態において、層１０９は、吸収偏光子１０８の上に硬い被膜を含んでもよい。
【００１６】
いくつかのタイプのＬＣ表示装置は、上記のものとは異なる方法で作動でき、したがって、上記のシステムとは細部が異なり得る。例えば、吸収偏光子は平行に整列されてもよく、ＬＣパネルは非活性化状態にあるときに光の偏光を回転させてもよい。それにもかかわらず、そのようなディスプレイの基本的な構造は、上述の構造と類似内容にとどまる。
【００１７】
バックライト１１２は、照明光を発生させると共に、その照明光を導光体１１８の中に向ける１つ以上の光源１１４を含む。光源１１４は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。光源１１４からの光は、注入装置１１６によって導光体１１８の中に結合してよく、この注入装置については、後で更に詳しく説明する。導光体１１８は、光源１１４からの照明光を、ディスプレイパネル１０２の背後の区域に導き、その光をディスプレイパネル１０２の方向に向ける。導光体１１８は、１つ以上の縁部、１つ以上の角部、又は縁部と角部との組み合わせを通じて、照明光を受け取ってもよい。
【００１８】
ベース反射体１２０は、ディスプレイパネル１０２とは反対側になる導光体１１８に配置してもよい。導光体１１８は、ディスプレイパネル１０２を照らす目的で導光体１１８から光を取り出すのに用いられる光取り出し機構１２２を含んでもよい。例えば、光取り出し機構１２２は、直接光をディスプレイパネル１０２の方に向けるか又は光をベース反射体１２０の方に向ける、導光体１１８の表面上に拡散スポットを含んでもよい。その他のアプローチを用いて、導光体１１８から光を取り出してもよい。
【００１９】
ベース反射体１２０は、以下に説明するように、ディスプレイデバイス１００内で光を再利用するのに有用であり得る。ベース反射体１２０は、鏡面反射体又は拡散反射体であってもよい。
【００２０】
性能を高めるために、光調整層１２４を配列したものを、バックライト１１２とディスプレイパネル１０２との間に配置してもよい。例えば、光調整層１２４は、反射偏光子１２６を含んでもよい。光源１１６は典型的に、非偏光を生成させるが、下方吸収偏光子１１０が、単一の偏光状態を伝播するに過ぎないため、光源１１６によって生成される光の約半分は、ＬＣ層１０４へ透過するのには適さない。しかし、反射偏光子１２６は、そうしなければ下方吸収偏光子１１０内に吸収される光を反射させるのに利用することができ、この結果、上記光は、反射偏光子１２６とベース反射体１２０との間での反射によって再利用することができる。反射偏光子１２６によって反射される光の少なくとも一部は、偏光解消し、それから反射偏光子１２６及び下方吸収偏光子１１０を介してＬＣパネル１２０に伝播される偏光状態にして反射偏光子１２６に戻してもよい。上記方法では、反射偏光子１２６を用いて、光源１１６によって発光される光のうち、ＬＣパネル１２０に到達する光の割合を増大できるため、ディスプレイデバイス１００によって生成される画像が、更に明るくなる。
【００２１】
いずれかの好適なタイプの反射偏光子としては、例えば多層光学フィルム（ＭＯＦ）の反射偏光子、連続／分散相偏光のような拡散反射偏光フィルム（ＤＲＰＦ）、ワイヤグリッド反射偏光子、又はコレステリック反射偏光子を用いてもよい。
【００２２】
ＭＯＦ及び連続／分散相反射偏光子の両方は、通常はポリマー材料であって、少なくとも２つの材料間の屈折率の相違に依存させることで、直交する偏光状態で光を伝播させるときに、１つの偏光状態の光を選択的に反射させることができる。ＭＯＦ反射偏光子のいくつかの例は、共有の米国特許第５，８８２，７７４号に記載されている。ＭＯＦ反射偏光子の市販例としては、ミネソタ州セントポール（St. Paul）の３Ｍ社（3M Company）から入手可能な、拡散表面を含む多層反射偏光子のビキュイティ（Vikuiti）（登録商標）ＤＢＥＦ−Ｄ２００及びＤＢＥＦ−Ｄ４００が挙げられる。
【００２３】
本発明との関連で有用なＤＲＰＦの例としては、共有の米国特許第５，８２５，５４３号に記載されているような連続／分散相反射偏光子、及び、例えば共有の米国特許第５，８６７，３１６号に記載されているような拡散反射多層偏光子が挙げられる。その他の好適なタイプのＤＲＰＦは、米国特許第５，７５１，３８８号に記載されている。
【００２４】
本発明との関連で有用なワイヤグリッド偏光子のいくつかの例としては、米国特許第６，１２２，１０３号に記載されているものが挙げられる。ワイヤグリッド偏光子は、ユタ州オレム（Orem）のモクステック社（Moxtek Inc.）から市販されている。
【００２５】
本発明との関連で有用なコレステリック偏光子のいくつかの例としては、例えば、米国特許第５，７９３，４５６号、及び米国特許出願公開第２００２／０１５９０１９号に記載されているものが挙げられる。コレステリック偏光子を通って伝播される光が、直線偏光に変換されるように、コレステリック偏光子は、出力側に４分の１波長の遅延層と共に提供される場合が多い。
【００２６】
反射偏光子１２６によって反射された偏光を混合するのを助けるために、バックライト１１２と反射偏光子１２６との間に、偏光混合層１２８を配置してもよい。例えば、偏光混合層１２８は、４分の１波長の遅延層のような複屈折層であってもよい。
【００２７】
光調整層１２４は、また、１又はそれ以上のプリズム輝度増強層１３０ａ、１３０ｂを含んでもよい。プリズム輝度増強層は、軸外光の方向を、ディスプレイデバイス１００の軸１３２に更に近づく伝播方向に変える表面構造体を含む層である。これによって、ディスプレイパネル１０２を通過する照明光の視角を制御して、典型的には、ディスプレイパネル１０２を通って軸上に伝播する光の量を増加させる。この結果、視聴者が見る画像の軸上輝度が向上する。
【００２８】
輝度増強層の１つの例は、屈折と反射の混合を介して照明光の向きを変える多くのプリズム型隆起部を有する。ディスプレイデバイス内で用いてもよいプリズム輝度増強層の例としては、ミネソタ州セントポール（St. Paul）の３Ｍ社（3M Company）から入手可能なプリズムフィルムシリーズであるビキュイティ（Vikuiti）（登録商標）ＢＥＦＩＩ及びＢＥＦＩＩＩ（ＢＥＦＩＩ  ９０／２４、ＢＥＦＩＩ  ９０／５０、ＢＥＦＩＩＩＭ  ９０／５０、及びＢＥＦＩＩＩＴを含む）が挙げられる。１つの輝度増強層のみを用いてもよいが、２つの輝度増強層１３０ａ、１３０ｂを用いてもよく、それらの構造体は、それぞれに対して約９０°で配向される。この交差した構成によって、２次元における照明光の視角、水平方向及び垂直方向の視角が制御される。
【００２９】
固体光注入装置２００の代表的な実施形態が図２に概略的に示されている。注入装置２００は上面２０８を含む。発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光源２０２は、固体注入装置２００の中に光２０４を発光する。この光は、注入装置２００の上面２０８によって全内部反射され、導光体２０６の端部に向けられる。注入装置２００の上面２０８の少なくとも一部は、閉じ込め曲面、すなわち、ＬＥＤ２０２の発光面の全点から上面２０８に入射する光の全てを全内部反射させる曲面になるように成形される。上面２０８の曲面は、ＬＥＤダイ２０２の遠縁部から発光された光の臨界線をたどるようになる。上面２０８は、ＬＥＤダイ２０２の右角部から発光される光のちょうど臨界角内の角度で、左隅を起点とする線分を強制的傾けるようにして、線分から漸増式を構築しているとみなすことができる。各線分の長さは、連続的曲線に近づけることで、さらに短くすることができる。ＬＥＤダイ２０２の発光面から発光される光は、この手順により注入装置２００内で全内部反射されることになる。したがって、元々、導光体２０６から離れる方向に発光される成分を有する光線２０４ａ、すなわちｘのマイナス方向の成分を有する光線は、導光体の方に戻るように全内部反射される。換言すれば、光線２０４ａは、ｘのマイナス方向の成分を有する光をｘのプラス方向の成分に方向転換させたことになる。注入装置２００は、非反射性であってもよく、すなわち、ＬＥＤダイ２０２からの光を導光体２０６に反射させる反射コーティングがなくてもよい。
【００３０】
図２において、座標系は、図の平面がｘ−ｚ平面内に位置すると共に、ｙ方向が図の平面の中に入り込むように位置するようになっている。
【００３１】
注入装置２００は、任意の好適な透明な材料から作製されてもよい。いくつかの代表的な適したガラス材料としては、ショット・ノースアメリカ社（Schott North America Inc.）から入手可能なショット（Schott）ガラスタイプＬＡＳＦ３５又はＮ−ＬＡＦ３４のような光学ガラス、及び、米国特許出願公開第２００７−０２５７２６７号に記載されているものが挙げられる。その他の好適な無機材料としては、サファイア、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、及び炭化ケイ素のようなセラミックスが挙げられる。好適な有機材料の例としては、アクリル、エポキシ、シリコーン、ポリカーボネート、及び環状オレフィンのようなポリマーが挙げられる。ポリマー材料は、ドーパント、例えば、２００６年１１月１７日に申請された米国特許仮出願第６０／８６６２８０号で論じられているようなセラミックのナノ粒子を含んでもよい。この材料リストは、完全なものとして意図されてはおらず、その他のタイプのガラス、セラミックス、及びポリマーをまた用いてもよい。
【００３２】
注入装置２００は任意に応じて、多種多様な好適な方法を用いて導光体２０６に連結してもよい。例えば、注入装置２００の出力面２１０を、導光体２０６の縁部２１２と光学的に接触させて配置してもよい。別の実施形態では、注入装置２００と導光体２０６との間に中間連結材料（図示せず）を配置してもよい。中間連結材料の１つの例は、注入装置２００を導光体２０８に取り付けるのに用いられる接着剤である。
【００３３】
導光体２０６は、光を垂直方向、すなわちｚ方向に閉じ込める。ＬＥＤ  ２０２は照明軸２１４を有し、この照明軸は、ＬＥＤ２０２から発光される光の平均的な伝播方向を示している。ＬＥＤ  ２０２が平面的な発光面を有する場合、照明軸は、この平面的な発光面と概ね垂直である。
【００３４】
閉じ込め曲線の形は部分的には、注入装置２００に用いられる材料の屈折率によって決まる。臨界曲線のいくつかの異なる例が図３のグラフに示されている。曲線３０２は１．６の屈折率、曲線３０４は１．５の屈折率、曲線３０６は１．４の屈折率、曲線３０８は１．３５の屈折率、及び曲線３１０は１．３の屈折率を有する注入装置の臨界曲線をそれぞれ表している。これらの臨界曲線は、原点を中心とすると共に３００μｍの側面を有する正方形であるＬＥＤ発光面にモデル化されたものである。見て分かるように、臨界曲線は、屈折率の値が高いほどきつくなる。
【００３５】
ＬＥＤの発光面からの光の臨界曲面上への最小入射角は、全内部反射が起きるための臨界角である。「閉じ込め曲線」という用語は、臨界曲線を含むと理解されるが、ＬＥＤからの光の最小入射角が、臨界角よりも大きい角度になるように成形してもよい。
【００３６】
注入装置４００の別の実施形態は、図４に概略的に示されている。注入装置４００は、１つ以上のＬＥＤ  ４０２からの光４０４を導光体４０６に結合するために用いられる。注入装置４００の上面４０８は、閉じ込め曲線の形を有する少なくとも１つの部分によって形成されている。下面４１０は、ｘ−ｙ平面と非平行になる角度に向けられている。下面４１０に入射する光４０４ａは、全内部反射されて、導光体４０４に向けられる。この実施形態では、注入装置は、図２に示されている実施形態よりも薄い導光体４０４に連結できるようになる。下面４１０は、平らな面であってもよいし、任意の好適な角度で配向されてもよい。例えば、約２７°の角度θは、３００μｍ平方の発光面を有するＬＥＤからの光を結合するためのモデルとなるのに適していると見られてきたが、他の角度も用いてもよい。別の実施形態では、下面４１０は、例えば、放物状の、又はその他の滑らかな曲線によって湾曲していてもよいし、何らかのその他の形を取っていてもよい。
【００３７】
注入装置５００の別の実施形態は、図５Ａ及び５Ｂに示されている。注入装置５００は、１つ以上のＬＥＤ  ５０２からの光５０４を導光体５０６に結合するのに用いられる。注入装置５００の上面５０８は、少なくとも、閉じ込め曲線の形を有する第１の部分５０８ａと、何らかのその他の形を有する第２の部分５０８ｂとによって形成されている。第２の部分５０８ｂの形は、図示されているように平らであってもよく、あるいは、例えば、放物状の曲線又はその他の滑らかな曲線によって湾曲していてもよく、あるいは、何らかのその他の形を取ってもよい。下面５１０は、ｘ−ｙ平面に対してある角度に向けられる。図示されている実施形態では、下面５１０は、放物状に湾曲しているが、その他の曲線、平らな形などのようなその他の形を取ってもよい。
【００３８】
図は、上面に閉じ込め曲線のみを有する、より大きい注入装置を点線で示している。注入装置５００は、上面に閉じ込め曲線のみを有する注入装置よりも小さいため、よりコンパクトにできると共に、より薄い導光体に結合するのに用いることができる。
【００３９】
図５Ａ及び５Ｂに示すタイプの注入装置をモデルにして、注入効率を算出した。上面の第１の部分５０８ａは、屈折率１．７の臨界曲線と仮定された閉じ込め曲線である。上面の第２の部分５０８ｂは、平らであると仮定した。下面５１０は、放物状であると仮定した。ＬＥＤ  ５０２は、３００μｍの側面を有する正方形の発光区域を有すると仮定した。導光体５０６は、厚さ０．８５ｍｍと仮定した。
【００４０】
図６に示されるグラフは、導光体５０６への注入効率（ひし形マーク付きの上側の曲線）と、導光体５０６内の全内部反射によって閉じ込められない光線が原因で、導光体５０６からの漏れ（正方形のマーク付きの下側の曲線）とをプロットしたものである。注入効率は、注入装置材料の屈折率に応じて関数としてモデル化した。したがって、光の閉じ込めは、１．７未満の屈折率ｎ１の値においては、注入レンズ内では不完全である。当然ながら、注入装置５００は、前記よりも小さい屈折率を有する注入装置材料の使用に適合する閉じ込め曲線によって設計してもよい。
【００４１】
このモデルでは、導光体の長さに沿って、数個のＬＥＤダイ５０２を４ｍｍの中心間の間隔で用いると仮定した。ＬＥＤからの光出力は、プロファイルにおいて、ランベルトの法則によるものと仮定した。導光体５０６内の光の均一性は、導光体５０６の入力縁部からの距離に応じて考察した。
【００４２】
導光体内の様々な位置の光の入力面５０６ａからの様々な距離について、導光体全体にわたって流束プロファイルを算出した。この結果は図７Ａに示されており、入力面５０６ａから０ｍｍ（曲線７０２）、１ｍｍ（曲線７０４）、２ｍｍ（曲線７０６）、及び４ｍｍ（曲線７０８）の距離での流束プロファイルを表している。見て分かるように、流束プロファイルは、入力面５０６ａでは、かなり不均一であった。しかし、導光体の中に深く入っていくほど、流束プロファイルは均一性を増していった。入力面５０６ａから２ｍｍ及び４ｍｍの距離では、均一性は区別がつかないか、又は、不均一性は、シミュレーションのノイズの範囲内であった。このケースでは、導光体５０６は、４４ｍｍの長さ、及び２５０ｍｍの長さを有すると仮定した。注入装置５００は、１．５の屈折率を有すると仮定すると共に、臨界曲線状の反射面を有していた。
【００４３】
上記と同様のシミュレーションを繰り返したが、今回は、中心間の間隔は８ｍｍ、導光体の長さは４８ｍｍとした。導光体全体にわたる強さを平衡化する目的で、導光体の２つの縁部のダイ間隔の２分の１の距離を加えるために、この導光体は、図７Ｂの結果を得るために用いた導光体よりも長い。結果は、図７Ｂに示されており、曲線７１２は０ｍｍ、曲線７１４は２ｍｍ、曲線７１６は４ｍｍ、及び曲線７１８は８ｍｍにおける流束算出値を示している。このケースでは、流束は、導光体内に２ｍｍ入った位置における方が、シミュレーションノイズよりもやや不均一である。
【００４４】
このモデリングは、光が単色であるという仮定で行なった。この結果は、単色光が広がって、４ｍｍの間隔が置かれたＬＥＤにおいては導光体入力面から１ｍｍ以内で、８ｍｍの間隔が置かれたＬＥＤにおいては約３ｍｍで均一になることを示している。したがって、４ｍｍ以内の間隔が置かれた白色ＬＥＤ（光を追加的な波長に変換するリン光体を備えるＬＥＤ、又は、赤色用、緑色用、及び青色用ＬＥＤの集合体）、又は、単色ＬＥＤからの光注入は、入力表面から短い距離を隔てた導光体内において均一である。
【００４５】
ＬＥＤは、反復カラークラスター、すなわち、異なる色の光を生成するＬＥＤの反復パターンとして配列してもよい。このクラスターの個々の色は、中心間の間隔を有する単色源として扱ってもよい。個々の色が均一に広がる場合、カラークラスターに由来する、混合された色も均一になる。
【００４６】
実施例における寸法は、ダイスの寸法及び分離に従って変更してもよい。
【００４７】
注入装置は更に、導光体に結合される光の量を増やすように適応させてもよい。注入装置の末端部が正方形である場合、一部の光が注入装置から逃げることがある。この損失を低減するために、光を導光体の方に反射させるように、注入装置の末端部の両端を成形してもよい。このような注入装置８００の１つの代表的な実施形態は、図８Ａに概略的に示されており、図８Ａは、導光体８０６を見下ろした平面図を示している。ＬＥＤ  ８０２からの光８０４は、注入装置８００を介して導光体８０６の中に入射する。図における座標系の軸は、既出の図の軸に対応する。注入装置８００の末端面８０８は、ｘ軸に対して任意の角度で設定されており、その結果、注入装置８００の末端部の近くに位置するＬＥＤ  ８０２ａからの光８０４ａは、注入装置８００の末端部から出て失われずに、注入装置８００によって全内部反射されて、導光体８０６の方に向けられることができる。図示されている実施形態では、末端面８０８は平らであるが、これは必須ではなく、末端面８０８は、湾曲させてもよい。例えば、図８Ｂに示されている代表的な実施形態では、末端面８１８は、閉じ込め曲線を備えている。
【００４８】
本発明内で、異なるＬＥＤ配列を用いてもよい。いくつかの実施形態では、ＬＥＤは、ダイ形状で用いられると共に、生成された光を発光する平らな上面を有する。この実施形態は、図９Ａに概略的に示されている。ＬＥＤダイ９００は、マウント９０２に取り付けられており、このマウントは、例えば回路基板であってもよく、あるいは、回路基板の上のサブマウントを含んでもよい。典型的には、マウント９０２は、電力をＬＥＤダイ９００に提供すると共に、何らかの熱調整機能も提供してもよい。例えば、マウント９０２は、ＬＥＤダイ９００のための受動的な又は能動的なヒートシンクのいずれかとして機能してもよい。
【００４９】
ＬＥＤダイ９００の発光面９０４は、注入装置９０８の入力面９０６に光学的に連結されている。表面９０４は単に、入力面９０６と接触して配置されていてもよく、あるいは、発光面９０４と入力面９０６との間に、何らかの連結材料が存在してもよい。例えば、連結材料は接着剤であってもよい。
【００５０】
この実施形態、及び下記の実施形態では、異なるタイプのＬＥＤダイ９００を用いてもよい。例えば、ＬＥＤダイはフリップチップのＬＥＤダイであってよく、この場合、両方の電気接点は、注入装置９０８から離れる方向に向いているダイ９００の下面の上にある。あるいは、ＬＥＤダイはワイヤボンドＬＥＤであってよく、この場合、電気接点の１つが、注入装置９０８に対面するダイ９００の側面上にある。
【００５１】
いくつかの実施形態では、光は、ＬＥＤの縁部から発光されてもよい。この状況は、図９Ｂに概略的に示されている。ＬＥＤダイ９２０は、マウント９２２に取り付けられており、注入装置９２８の凹部９２４の中に配置されている。凹部９２４は、ＬＥＤダイ９２０の形に適合するように成形してもよいが、これは必須ではない。この実施形態では、光９３０は、ＬＥＤダイ９２０の縁面９３２から発光され、上面９３４からも発光されてもよい。また、連結材料を凹部９２４内で、ＬＥＤダイ９２０と注入装置９２８の凹面との間に配置してもよい。
【００５２】
いくつかの実施形態では、むき出しのＬＥＤダイよりはむしろ、ＬＥＤは封入されている方がよい。この状況は、図９Ｃに概略的に示されており、マウント９４２に取り付けられた封入ＬＥＤ９４０は、少なくとも部分的に、注入装置９４８の凹部９４４の中に配置されている。凹部９４４は、ＬＥＤ９４０の封入部の形に適合するように成形してもよいが、これは必須ではない。また、連結材料は、凹部９４４内に配置し、封入ＬＥＤ９４０と注入装置９４８の凹面との間に配置してもよい。
【００５３】
本発明は、上記の特定の実施例に限定されると考えられるべきではなく、むしろ添付の特許請求の範囲に適正に記載されるように、本発明のすべての態様を網羅すると理解されるべきである。本明細書を検討すれば、本発明が適用可能であってもよい様々な変更、等価の方法、並びに多数の構造が、本発明が対象とする技術の当業者には容易に明らかになろう。特許請求の範囲はこのような変更例及び装置を網羅しようとするものである。
【図１】
2010531034.tif 000003
【図２】
2010531034.tif 000004
【図３】
2010531034.tif 000005
【図４】
2010531034.tif 000006
【図５Ａ】
2010531034.tif 000007
【図５Ｂ】
2010531034.tif 000008
【図６】
2010531034.tif 000009
【図７Ａ】
2010531034.tif 000010
【図７Ｂ】
2010531034.tif 000011
【図８Ａ】
2010531034.tif 000012
【図８Ｂ】
2010531034.tif 000013
【図９Ａ】
2010531034.tif 000014
【図９Ｂ】
2010531034.tif 000015
【図９Ｃ】
2010531034.tif 000016
【国際調査報告】
2010531034.tif 000017
2010531034.tif 000018
2010531034.tif 000019
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