(57)【要約】  本発明は、所定の主放射方向と少なくとも１つの光入射面（２）と前記主放射方向に沿って延在する少なくとも１つの光出射面（３）とを有する光導波体に関する。本発明によれば、前記少なくとも１つの光出射面（３）は主放射方向に対して横断方向に延在しており、前記少なくとも１つの光入射面（２）は凸状に湾曲した２つの部分領域（４ａ，４ｂ）を有しており、該２つの部分領域は折線形状または凹状の陥入部（５）を介して相互に接続されている。また、本発明は、こうした光導波体によって形成される光学装置ないしディスプレイ装置にも関する。
2010505221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の主延長方向と少なくとも１つの光入射面（２）と前記主延長方向に沿って延在する少なくとも１つの光出射面（３）とを有する
光導波体において、
前記少なくとも１つの光入射面（２）は、主延長方向に対して横断方向に延在しており、かつ、凸状に湾曲した２つの部分領域（４ａ，４ｂ）を有しており、該２つの部分領域は折線状または凹状の陥入部（５）を介して相互に接続されている
ことを特徴とする光導波体。
【請求項２】
当該の光導波体には前記主延長方向に沿って延在する中央平面（６）が存在しており、該中央平面は前記陥入部の領域で前記少なくとも１つの光入射面（２）に突き当たっている、請求項１記載の光導波体。
【請求項３】
前記少なくとも１つの光入射面（２）は前記中央平面に対して対称に構成されている、請求項２記載の光導波体。
【請求項４】
前記部分領域の一方または双方は円筒形状に成形されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の光導波体。
【請求項５】
当該の光導波体（１）は平坦に、例えば平面状に構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の光導波体。
【請求項６】
当該の光導波体（１）はくさび状に構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の光導波体。
【請求項７】
前記少なくとも１つの光入射面（２）は少なくとも一部の領域にパターニング部(１０)を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の光導波体。
【請求項８】
前記パターニング部（１０）は複数の溝または隆起（１１）を含み、該溝または隆起は個々には前記陥入部と同じ向きに形成されておりかつ全体では前記陥入部の延在方向（１２）に対して横断方向に延在する、請求項７記載の光導波体。
【請求項９】
当該の光導波体（１）のうち前記光出射面（３）に対向する界面は反射性を有するように構成されているかおよび／またはリフレクタ層を有するように構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の光導波体。
【請求項１０】
当該の光導波体のうち前記光出射面（３）に接する少なくとも１つの界面は反射性を有するように構成されているかおよび／またはリフレクタ層を有するように構成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の光導波体。
【請求項１１】
前記光導波体（１）は、有利には射出成形プロセスにより、一体に製造されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の光導波体。
【請求項１２】
当該の光導波体は複数の出力構造体（１３）を有する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の光導波体。
【請求項１３】
前記出力構造体（１３）の個数は当該の光導波体（１）の前記主延長方向に沿って前記光入射面（２）からの距離が増大するにつれて増大する、請求項１２記載の光導波体。
【請求項１４】
請求項１から１３までのいずれか１項記載の光導波体ならびに少なくとも１つの光源（７）を備えた
光学装置において、
放射方向で見て少なくとも１つの光入射面（２）が前記光源（７）の後方に配置されている
ことを特徴とする光学装置。
【請求項１５】
前記光導波体（１）の主延長方向で見ると、前記光導波体（１）から前記光源（７）までの距離は、前記主延長方向に対して垂直な前記光導波体の寸法よりも小さい、請求項１４記載の光学装置。
【請求項１６】
前記光入射面と前記光源とによって、光学素子の存在しない中空室、例えばレンズおよび／または鏡の存在しない中空室が定められる、請求項１４または１５記載の光学装置。
【請求項１７】
前記光源はＬＥＤ、例えばＬＥＤモジュールまたはＬＥＤチップである、請求項１４から１６までのいずれか１項記載の光学装置。
【請求項１８】
前記ＬＥＤは薄膜ＬＥＤである、請求項１７記載の光学装置。
【請求項１９】
前記光源は近似にランベルト放射特性を有する、請求項１４から１８までのいずれか１項記載の光学装置。
【請求項２０】
ＬＣＤディスプレイ装置と該ディスプレイ装置の表示素子を後方照明するための請求項１４から１９までのいずれか１項記載の光学装置とを有していることを特徴とするディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、独国出願第１０２００６０４６２３５．１号の優先権を主張するものであり、その開示内容は参照によって本願に取り込まれるものとする。
【０００２】
本発明は光導波体および当該の光導波体によって形成される光学装置に関する。
【０００３】
このような光導波体は例えばディスプレイ装置に対する後方照明装置に用いられる。この場合、光源の光をできるだけ効率的に光導波体へ入力しなければならない。また、光導波体の内部では光導波体の平面に対して斜めに光が伝搬すると有利である。
【０００４】
したがって、本発明の課題は、光入力側で効率的な光入力が可能でありかつ光出力側で高い光密度が得られる光導波体を提供することである。特に、光導波体へ入力された光はできるだけ効率的かつ均等に光出射面へ分配されるべきである。また、本発明は、こうした光導波体を備えた光学装置を提供することも課題としている。
【０００５】
この課題は、請求項１に記載された光導波体および請求項１４に記載された光学装置によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００６】
本発明では、所定の主延長方向と少なくとも１つの光入射面と前記主延長方向に沿って延在する少なくとも１つの光出射面とを有する光導波体において、前記少なくとも１つの光入射面は主延長方向に対して横断方向に延在しており、かつ、凸状に湾曲した２つの部分領域を有しており、該２つの部分領域は折線状または凹状の陥入部を介して相互に接続されていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の光導波体を備えた光学装置の第１の実施例の概略的な断面図である。
【図２】本発明の光導波体を備えた光学装置の第２の実施例の概略的な断面図である。
【図３】図１の実施例の装置における光入射面の直接後方での光強度分布を表すグラフである。
【図４】本発明の光導波体の第３の実施例の斜視部分図である。
【０００８】
少なくとも１つの光入射面の凸状に湾曲した２つの部分領域が折線状または凹状の陥入部を介して相互に接続されていることにより、入力された光が光出射面へ直接または間接に偏向され、特に当該の光導波体の主延長方向に沿った光成分の伝搬、ひいては少なくとも１つの光入射面に対向する側面の方向での光成分の伝搬が低減される。
【０００９】
有利な実施形態によれば、当該の光導波体には主延長方向に沿って延在する中央平面が存在しており、この中央平面は陥入部の領域で少なくとも１つの光入射面に突き当たっている。有利には、少なくとも１つの光入射面ひいては当該の光導波体がこの中央平面に対して対称に構成されている。こうした構成により、光は中央平面の上方および下方を均等に伝搬し、均一な光分布が達成される。
【００１０】
別の有利な実施形態では、２つの部分領域の一方または双方が円筒形状に成形されている。これにより、主延長方向での光の伝搬が効率的に抑圧され、均一な光分布が達成される。
【００１１】
有利な実施形態によれば、当該の光導波体は平坦に、特に平面状に構成されている。平坦な構成とは、光導波体の形状がほぼ平坦であることを意味するが、僅かに湾曲があってもよいと理解されたい。こうした光導波体は特にＬＣＤディスプレイ装置または車両の計器パネルなどの平面状のディスプレイ装置または僅かに湾曲したディスプレイ装置における後方照明に適している。特に後者において用いられる場合、僅かな湾曲が存在していると有利である。
【００１２】
別の有利な実施形態によれば、当該の光導波体はくさび状に構成されている。くさび状の構成とは、ここでは、光導波体の厚さがくさび状に変化していることであると理解されたい。つまり、この場合、光導波体の厚さは主延長方向に沿って光入射面からの距離が増大するにつれて低下している。こうした光導波体により、光出射面で最大限に均等な光密度が得られる。特に、光導波体へ入力された光がきわめて均等に光出射面へ分配される。
【００１３】
有利な実施形態によれば、少なくとも１つの光入射面は少なくとも一部の領域にパターニング部（構造部）を有する。
【００１４】
有利には、当該のパターニング部は陥入部の延在方向に対して横断方向に延在するように構成されている。例えば、当該のパターニング部は例えば複数の溝または隆起を含む。これらの溝または隆起は、個々には陥入部と同じ向きに構成され、全体として見ると陥入部の延在方向に対して横断方向に延在している。こうしたパターニング部により、光導波体に入力された光束が陥入部の延在方向で拡大される。このため、光出射面への入力光の均等な分配がより高度に行われる。
【００１５】
有利には、光導波体のうち光出射面に対向する界面は反射性を有するように構成されているかおよび／またはリフレクタ層を有するように構成されている。例えば当該の界面は全反射性を有するように構成される。これに代えてまたはこれに加えて、界面にリフレクタ層、例えば金属層または金属酸化物層をコーティングすると有利である。こうした界面は入射光を光出射面の方向へ有利に偏向する。
【００１６】
また有利には、光導波体のうち光出射面に接する少なくとも１つの界面が反射性を有するように構成されているかおよび／またはリフレクタ層を有するように構成されている。例えば当該の界面は全反射性を有するように構成される。これに代えてまたはこれに加えて、当該の界面にリフレクタ層、例えば金属層または金属酸化物層をコーティングすると有利である。こうした界面は入射光を光出射面の方向へ有利に偏向する。特に有利には、光導波体のうち、光出射面に対向する界面のほか、付加的に、光源の配置されていない光出射面に接する界面も、反射性を有するように構成されるかおよび／またはリフレクタ層を有するように構成される。
【００１７】
別の有利な実施形態によれば、光導波体は、有利には射出成形プロセスにより、一体に製造されている。有利な材料はプラスティックであり、特に有利にはＰＭＭＡである。これに代えて光導波体がポリカーボネイトを含んでいてもよい。
【００１８】
有利な実施形態によれば、当該の光導波体は少なくとも一部の領域に複数の出力構造体を有する。光出射面での均一な光分布のために、出力構造体の個数は当該の光導波体の主延長方向に沿って光入射面からの距離が増大するにつれて増大する。こうした光導波体により、光出射面で最大限に均等な光密度が得られる。出力構造体として、有利には、３次元の出力構造体、特に円錐状キャップまたは角錐状キャップが適している。ここで、３次元の出力構造体は光導波体の内部へ向かって配向されるか、または光導波体から突出する方向に配向されている。これに代えて、出力構造体を印刷されたカラーパターン、カラーポイントまたは横方向溝として構成してもよい。
【００１９】
前述した形式の光導波体によって形成される光学装置は少なくとも１つの光入射面のほか少なくとも１つの光源を有しており、放射方向で見て少なくとも１つの光入射面は光源の後方に配置されている。
【００２０】
有利な実施形態によれば、光導波体の主延長方向で見たとき、光導波体から光源までの距離は、主延長方向に対して垂直な光導波体の寸法よりも小さい。前述した光入射面の形状によって入力光を意図的に偏向することにより光学装置のコンパクトな構造が達成されるので有利である。
【００２１】
有利には、光源の長さは光導波体の光入射面の長さよりも小さい。ここで、光源の長さとは光源の有効寸法であり、当該の有効寸法は光源を収容するケーシングの大きさから独立に光源の大きさによって定義される。
【００２２】
有利には、光源と光導波体の光入射面とのあいだの付加的な光学素子を省略することができる。特に有利には、光源と光入射面とのあいだの中空室は空気のみを有する。
【００２３】
有利な実施形態によれば、光源はＬＥＤ，特にＬＥＤモジュールまたはＬＥＤチップである。こうした光源はエネルギ消費が小さく、高い効率を有しており、制御が簡単であって、しかもコンパクトな構造を有する。構造がコンパクトであることは、例えば移動電話機またはモバイルコンピュータの後方照明に適用されるケースにおいて、光学装置のスペースを節約することができるので特に有利である。
【００２４】
有利な実施形態によれば、光源すなわちＬＥＤは、ＣＩＥ標準表色系の白色領域に色度座標を有する混合色光を放射する。
【００２５】
色度座標とは、発光される光の色をＣＩＥ標準表色系において表した数値である。
【００２６】
有利には、種々の波長領域の光、例えば青色の波長領域および黄色の波長領域の光を種々の方向分布で放射し、種々の放射特性の色パターンを有する光源としての白色ＬＥＤを利用した光学装置が実現される。ここで光は光導波体内を種々の波長領域の方向分布が補償されるように伝搬し、光の均一な分布が達成される。
【００２７】
本発明の他の特徴および利点を、図１〜図４に関連する２つの実施例に則して以下に説明する。
【００２８】
図中、同じ要素または同じ作用を有する要素には同じ参照符号を付してある。
【００２９】
図１に示されている光学装置は主延長方向を有する光導波体１を有しており、この光導波体は主延長方向に対して横方向に延在する光入射面２を有している。さらに、光導波体１は主延長方向に沿って延在する光出射面３を有している。
【００３０】
光入射面２は凸状、有利には円筒形状の２つの部分領域４ａ，４ｂを有している。これらの部分領域は凹状に湾曲した陥入部５を介して相互に接続されている。当該の凹状に湾曲した陥入部の曲率半径は任意の小ささに選定でき、極端な場合には、陥入部が折線形状、すなわち、陥入部が光導波体のボディ方向の頂部となる形状に構成されてもよい。当該の曲率半径ができるだけ小さく、頂部ができるだけ鋭いほうが有利である。なぜなら、このようにすると、主延長方向に沿った光の伝搬が効率的に抑圧されるからである。
【００３１】
有利には、光導波体に接する垂直面に対して、この垂直面に凹状の部分領域が交わる点と陥入部の所定点とを結んだ線のなす角度ψが１５゜〜２５゜であり、特に有利には２０゜である。
【００３２】
有利には、光導波体１は図示のように主延長方向で見て平坦に構成されている。また、光導波体は中央平面６を有しており、当該の中央平面に対して光導波体の２つの部分領域４ａ，４ｂは対称に構成されている。
【００３３】
光入射面には、光源７、有利にはＬＥＤが設けられている。もちろん、複数のＬＥＤを用いて、例えば陥入部の延在方向に線状に並べることができる。これに代えて、それぞれ１つまたは複数のＬＥＤの配置された複数の光入射面を設けてもよい。特に有利には、それぞれ１つまたは複数のＬＥＤの配置された２つの対向する光入射面が構成される。
【００３４】
光源で形成された光の特性が複数の部分ビーム８によって概略的に示されている。これらの部分ビームは凸状の部分領域４ａ，４ｂにより光出射面３の方向またはこれに対向する光導波体の界面の方向へ屈曲される。これにより、主延長方向または光導波体の中央平面６に沿った光の伝搬は抑圧される。
【００３５】
主延長方向に沿った光の伝搬は後方照明の目的に関しては欠点となる。なぜなら、中央平面６に対して平行に伝搬する光は光出射面またはこれに対向する界面にほとんど当たらないからである。したがって、こうした光は光出射面に容易に当たらず、後方照明に寄与しない。光源から当該の方向で放出される光が多くなるにつれて、この欠点は重大となる。
【００３６】
光導波体の入射面の形状により、光学装置のコンパクトな構造が実現される。ここで、光源から光導波体までの距離は有利に小さく選定可能である。ここでの距離とは、光源から光導波体に接する垂直面までの垂直方向で見た距離Ａであると解されたい。特に当該の距離は光導波体の垂直方向の寸法、例えば厚さＤより小さい。
【００３７】
図２のａには光導波体を備えた光学装置の第２の実施例が示されている。図２の光学装置と図１の光学装置との相違点は、図２の光導波体がくさび状に構成されているということである。くさび状の構成とは、ここでは、光導波体１の厚さがくさび状に変化していることであると理解されたい。つまり、この場合、光導波体１の厚さは主延長方向に沿って光入射面２からの距離が増大するにつれて低下している。こうした光導波体により、光出射面３で最大限に均等な光密度が得られる。特に、光導波体１へ入力された光はきわめて均等に光出射面３へ分配される。
【００３８】
図２のｂでは、光出射面３でできるだけ均一な発光密度が得られるようにするために、光導波体１に複数の出力構造体１３が設けられている。当該の複数の出力構造体１３は光出射面３上に配置されてもよい。出力構造体１３として、３次元の出力構造体、特に円錐状キャップまたは角錐状キャップが適している。ここで、３次元の出力構造体１３は光導波体１の内部へ向かって配向されるか、または光導波体１から突出する方向に配向されている。これに代えて、出力構造体１３を印刷されたカラーパターン、カラーポイントまたは横方向溝として構成してもよい。光出射面３でのできるだけ均一な光分布のために、出力構造体の個数は当該の光導波体１の主延長方向に沿って光入射面２からの距離が増大するにつれて増大する。
【００３９】
図３には、図１の光導波体において、光入射面の直接後方で得られる光強度分布のシミュレーションが示されている。
【００４０】
シミュレーションの基礎となっているのは、厚さＤ＝約２ｍｍの光導波体を有し、さらに、辺の長さ約５００μｍ、光導波体前方の距離Ａ＝約０．４ｍｍの位置に配置され、ランベルト放射特性を近似に有する発光ダイオードチップを有している光学装置である。
【００４１】
図３には、光導波体内部の光分布が、光強度ｌ［任意の単位］に対して放射方向と中央平面６とのなす角度θ［°］との関係によって表されている。ここでの角度０゜は中央平面６に対して平行な光の伝搬に相当する。
【００４２】
図３に示されているように、中央平面６または主延長方向に沿って比較的小さく、角度約３０゜へ向かって増大するにつれて大きくなる光分布が得られる。光の主成分は１つの光束にコリメートされ、その中央平面に対する伝搬角度は約２５゜である。一般に、約２０゜〜約３０゜の範囲の角度が有利である。
【００４３】
さらに、光導波体はきわめて高い入力効率を有する。すなわち、純粋に幾何学的構造のみによれば約９０％の入力効率、反射損失を考慮すれば約８５％の入力効率を有する。
【００４４】
最終的には、特段の手間なく、射出成形プロセスによって、図示の形状の光導波体が完成する。特に、光導波体は一体構造を有すると有利である。このために、特に、プラスティックから成る材料、有利にはＰＭＭＡが適している。これに代えて光導波体がポリカーボネイトを含んでいてもよい。
【００４５】
図４には光導波体の第３の実施例の詳細が示されている。光入射面の形状、特に凸状の部分領域４ａ，４ｂの形状およびこれらの部分領域を接続している陥入部５の形状は図１，図２に示されている光導波体での部分領域の形状および陥入部５の形状に相応する。
【００４６】
図１，図２の実施例と異なるのは、光入射面２のうち光導波体へ入力される放射の入射領域９として設けられる領域が波形をなすパターニング部１０を有する点である。ここで、波形の個々の溝１１は２つの部分領域４ａ，４ｂを接続している陥入部５の延在方向１２に対して横断方向に配置されている。
【００４７】
これにより、放射源からの入射側の光束は陥入部の延在方向へ拡大される。したがって、入力された放射について、横方向での均一な分布が得られる。
【００４８】
本発明は前述した実施例に限定されるものではない。むしろ本発明は新たな各特徴ならびにその組み合わせを包含する。このことは、各特徴またはその組み合わせが実施例または特許請求の範囲に明示的に示されていない場合であっても当てはまる。
【図１】
2010505221.tif 000003
【図２Ａ】
2010505221.tif 000004
【図２Ｂ】
2010505221.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2010505221.tif 000008
2010505221.tif 000009
2010505221.tif 000010
2010505221.tif 000011