(57)【要約】  ディスプレイスクリーンを照明するための光ガイドは、ＬＥＤにより放射された光ビームを受け入れるための孔を含む垂直円錐状入口表面と、前記受け入れられた光ビームを約９０°の角度で反射すると共に、前記受け入れられた光ビームを水平にコリメートするための折り返しミラーと、前記反射された光ビームを出口表面へ案内するための水平ガイドと、前記案内された光をディスプレイスクリーンの一部分に向けるためにディスプレイスクリーンの周囲上に位置された出口表面であって、その案内された光ビームをディスプレイに向けるために水平から僅かな角度で垂直に傾斜され、且つその案内された光ビームをディスプレイスクリーンのある角度的な広がりにわたって水平に分散させるように水平に凹面レンズの形状にされた出口表面と、を備えている。【選択図】      図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレイスクリーンを照明するための光ガイドにおいて、
ＬＥＤにより放射された光ビームを受け入れるための孔を含む垂直円錐状入口表面と、
前記受け入れられた光ビームを約９０°の角度で反射すると共に、前記受け入れられた光ビームを水平にコリメートするための折り返しミラーと、
前記反射された光ビームを出口表面へ案内するための水平ガイドと、
前記案内された光をディスプレイスクリーンの一部分に向けるためにディスプレイスクリーンの周囲上に位置された出口表面であって、その案内された光ビームをディスプレイに向けるために水平から僅かな角度で垂直に傾斜され、且つその案内された光ビームをディスプレイスクリーンのある角度的な広がりにわたって水平に分散させるように水平に凹面レンズの形状にされた出口表面と、
を備えた光ガイド。
【請求項２】
前記水平ガイドは、光を吸収するために黒くペイントされた上壁及び下壁を備え、それら上壁及び下壁からの内部反射を防止している、請求項１に記載の光ガイド。
【請求項３】
前記出口表面は、ＬＥＤにより放射された中心の光ビームを、ディスプレイスクリーンの広がりに沿った２５％ないし５０％の位置に向けるように傾斜される、請求項１に記載の光ガイド。
【請求項４】
前記出口表面は、約４°の角度で傾斜される、請求項１に記載の光ガイド。
【請求項５】
前記水平入口表面、前記水平ガイド及び前記出口表面は、プラスチック材料で構成される、請求項１に記載の光ガイド。
【請求項６】
電子装置のディスプレイにおいて、
長方形のディスプレイスクリーンと、
前記長方形のディスプレイスクリーンの四隅付近に位置された４つのＬＥＤと、
前記４つのＬＥＤ付近に位置された４つの光ガイドであって、各々、請求項１に記載の光ガイドであり、前記４つのＬＥＤにより発生された光ビームを、前記長方形のディスプレイスクリーン上に伝送して、前記ディスプレイスクリーンを照明する光ガイドと、
を備えたディスプレイ。
【請求項７】
前記長方形のディスプレイスクリーンの周囲付近に位置されて赤外線を放射する複数の赤外線放射器と、
前記長方形のディスプレイスクリーンの周囲付近に位置されて、前記赤外線放射器により放射された赤外線を受光する複数の赤外線受光器と、
前記長方形のディスプレイスクリーンの周囲付近にマウントされ、前記長方形のディスプレイスクリーンに物体がタッチしたときに前記赤外線放射器により放射された赤外線を前記長方形のディスプレイスクリーンにわたって投射して、タッチ位置を検出できるようにするプロジェクタと、
を更に備えた請求項６に記載のディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照：本出願は、発明者Thomas Eriksson、Lars Sparf、及びBjorn Le Normand氏により、２０１２年３月１３日に出願された“SIDELIGHT DISPLAY ILLUMINATOR”と題する米国プロビジョナル特許出願第６１／６０９，９５６号の優先権の利益を主張するもので、その内容は、参考としてここに援用される。
【０００２】
本発明は、電子装置のディスプレイのための照明装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来のコンピュータディスプレイは、ディスプレイの下のバックライトにより照明されている。コンピューティング装置が益々普及するにつれて、大人も子供も、コンピュータディスプレイで数時間続けて、又は多くの場合、毎日のかなりの時間中、作業するようになった。
【０００４】
バックライトディスプレイに過剰に露出していると、疲労を生じ、又、視力を損なうこともある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、バックライト以外の光源により照明されるディスプレイを提供することが効果的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、バックライトではなくサイドライトにより照明される電子装置のディスプレイスクリーンに関する。
【０００７】
従って、本発明の一実施形態によれば、ディスプレイスクリーンを照明するための光ガイドにおいて、ＬＥＤにより放射された光ビームを受け入れるための孔を含む垂直円錐状入口表面と、その受け入れられた光ビームを約９０°の角度で反射すると共に、その受け入れられた光ビームを水平にコリメートするための折り返しミラーと、その反射された光ビームを出口表面へ案内するための水平ガイドと、その案内された光をディスプレイスクリーンの一部分に向けるためにディスプレイスクリーンの周囲上に位置された出口表面であって、その案内された光ビームをディスプレイに向けるために水平から僅かな角度で垂直に傾斜され、且つその案内された光ビームをディスプレイスクリーンのある角度的な広がりにわたって水平に分散させるように水平に凹面レンズの形状にされた出口表面と、を備えた光ガイドが提供される。
【０００８】
本発明は、添付図面を参照した以下の詳細な説明から完全に理解され、明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーンの四隅に位置された光ガイドを通して伝送される光によりディスプレイスクリーンが照明される電子装置の上面図である。
【図２】本発明の一実施形態による、周囲のケーシングを除去した図１に示す電子装置の露出上面図である。
【図３】従来の光ベースタッチスクリーンを示す。
【図４】本発明の一実施形態による、図１に示す電子装置の外側フレームの上面図である。
【図５】本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーンの隅に位置された光ガイドの１つを示す、図１に示す電子装置の外側フレームの上面図である。
【図６】本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーンの一部を照明するために光を伝送する光ガイドの簡単な図である。
【図７】本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーンの一部を照明するために光ガイドを通して伝送される光ビームの簡単な垂直断面図である。
【図８】本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーンの一部を照明するために光ビームを伝送する光ガイドの簡単な垂直断面図である。
【図９】本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーンの一部を照明するために光ガイドを通して伝送される光ビームの簡単な水平断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーンの一部を照明するために光ビームを伝送する光ガイドの簡単な水平断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーンの隅に位置された単一光ガイドを通して伝送される光により形成される照明パターンを示す。
【図１２】本発明の一実施形態により、光ガイドを経てディスプレイスクリーンの表面にわたって照明を分散するところを簡単に示す。
【図１３】本発明の一実施形態により、光ガイドで照明されるディスプレイスクリーンのエテンデュー／ｄＳ（単位ラジアン）・対・ｚ（単位ｍｍ）を４つの光ガイド高さパラメータ値の各々について対数でプロットしたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の態様は、ディスプレイスクリーンの周囲付近に位置されたサイドライトにより光ガイドを経て照明される電子装置のディスプレイスクリーンに関する。本発明の一実施形態により、ディスプレイの四隅に位置された光ガイド２００を通して伝送される光によりディスプレイスクリーン１１０が照明される電子装置１００の上面図である図１を参照する。ケーシング１２０がディスプレイスクリーン１１０の周囲を取り巻いている。
【００１１】
本発明の一実施形態による、周囲のケーシング１２０を除去した電子装置１００の露出上面図である図２を参照する。図２は、ディスプレイスクリーン１１０の回路がマウントされたプリント回路板３００を示す。
【００１２】
又、図２は、ディスプレイスクリーン１１０がタッチ感知ディスプレイスクリーンである本発明の実施形態に使用されるプロジェクタ１３０も示している。この実施形態では、赤外線を放射するための複数の赤外線放射器（図示せず）がディスプレイスクリーン１１０の周囲付近に設けられ、そして赤外線放射器により放射された赤外線を受光するための複数の赤外線受光器（図示せず）がディスプレイスクリーン１１０の周囲付近に設けられる。プロジェクタ１３０は、赤外線放射器により放射された赤外線をディスプレイスクリーン１１０にわたって投射し、ディスプレイスクリーン１１０に物体がタッチしたときにタッチ位置を検出できるようにする。タッチ検出を行うための赤外線放射器及び赤外線受光器の使用は、“LIGHT-BASED TOUCH SCREEN”と題する譲受人の米国特許第８，３３９，３７９号に説明されており、その内容は参考としてここにそのまま援用される。
【００１３】
光ベースのタッチスクリーンは、２つの隣接する縁からタッチスクリーンを横切って光ビームを放射し、そして光ビームが２つの互いに反対の縁にある検出器に到着することが阻止されるかどうか検出することにより動作する。従来の光ベースのタッチスクリーンを示した図３を参照する。図３は、赤外線を放射する赤外線放射器３２０を示し、これは、ディスプレイ３１０の２つの隣接縁に沿って整列される。赤外線放射器３２０からスクリーンを横切って対応する赤外線受光器３３０があり、これは、放射器３２０によって放射された赤外線を受光する。しかしながら、ディスプレイ３１０に物体３４０がタッチすると、１つ以上の特定の放射器３２０により放射された光がそれに対応する特定の受光器３３０に到着するのを阻止する。従って、物体３４０は、特定の受光器３３０により光が検出されなかったときに検出される。赤外線受光器３３０は、ディスプレイ３１０の２つの次元に沿って配列されるので、各縁に阻止される受光器があれば、ディスプレイ３１０における物体３４０の空間的位置を決定するのに充分である。
【００１４】
図３から、ディスプレイ３１０の隅は、放射器及び受光器が存在せず、従って、サイドライト放射器を配置するための適切な位置となることが明らかである。
【００１５】
図４は、本発明の一実施形態による電子装置１００の外側フレームの上面図である。
【００１６】
図５は、本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーン１１０の隅に位置された光ガイド２００の１つを示す、電子装置１００の外側フレームの上面図である。
【００１７】
図６は、本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーン１１０の一部を照明するために光を伝送する光ガイド２００の簡単な図である。図６に示すように、ＬＥＤ２１０は、プリント回路板３００にマウントされた光ガイド２００の入口の孔へ光ビームを放射する。
【００１８】
図７は、本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーン１１０の一部を照明するために光ガイド２００を通して伝送される光ビーム２２０の簡単な垂直断面図である。光ビーム２２０は、ＬＥＤ２１０により光ガイド２００の入口面へ放射される。光ガイド２００の出口面は、若干下方に傾斜され、中心の光ビームをディスプレイスクリーン１１０の広がりに沿った２５％ないし５０％のどこかであるディスプレイスクリーン１１０上の位置に向けるようにする。
【００１９】
図８は、本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーン１１０の一部を照明するために光ビーム２２０を伝送する光ガイド２００の簡単な垂直断面図である。図８に見られるように、光ガイド２００は、ＬＥＤ２１０により放射された光ビームを受け入れるための孔２４０をもつ垂直円錐状入口表面２３０を有している。光ガイド２００は、受け入れた光ビームをほぼ９０°の角度で反射するための折り返しミラー２５０を有する。光ガイド２００は、反射された光ビームを、ディスプレイスクリーンの周囲上に位置する出口表面２７０へ案内するための水平ガイド部分２６０を有する。出口表面２７０は、水平方向から垂直方向に若干に角度で傾斜され、案内される光ビームをディスプレイスクリーン１１０の表面へ向ける。換言すれば、出口表面は、光ビームをスクリーン表面に向けるためにスクリーン表面に垂直ではない。
【００２０】
図９は、本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーン１１０の一部を照明するために光ガイド２００を通して伝送される光ビーム２２０の簡単な水平断面図である。
【００２１】
図１０は、本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーン１１０の一部を照明するために光ビーム２２０を伝送する光ガイド２００の簡単な水平断面図である。図１０に見られるように、折り返しミラー２５０は、ＬＥＤ２１０（図１０には示さず）の中心において放射された光ビーム２２０を水平にコリメートする。図１０に更に見られるように、出口表面２７０は、水平に凹面レンズの形状とされ、案内された光ビームを水平にディスプレイスクリーン１１０のある角度的広がりにわたって分散させる。
【００２２】
図１１は、本発明の一実施形態により、ディスプレイスクリーン１１０の隅に位置された単一光ガイド２００を通して伝送される光により形成される照明パターンを示す。図１１に見られるように、光ガイド２００を通して伝送される光は、ディスプレイスクリーン１１０の１つの象限を効果的に照明する。ディスプレイスクリーン１１０の各隅に１つづつ、４つの光ガイド２００を使用すると、ディスプレイスクリーン全体が効果的に照明される。
【００２３】
光ガイド２００の構造
照明の量に関しては、７ｌｍの光束を各々有する４つのＬＥＤで、読み取りのために大きさが１２０ｍｍ×９０ｍｍのディスプレイスクリーンを照明するのに充分である。ウィリアムズ(Williams)氏の“Footcandles and Lux for Architectual Lighting”(http://www.mts.net/〜williams5/library/illum.htm)は、読み取りのために３００ないし５００ｌｘの輝度を推奨している。従って、１２０ｍｍ×９０ｍｍの読み取り表面に必要な光束は、せいぜい、５００ｌｘ＊０．１１ｍ2＝５．５ｌｍである。２０％の照明効率を仮定すれば、各々７ｌｍの光束をもつ４つのＬＥＤは、０．２＊４＊７ｌｍ＝５．６ｌｍを与え、これは、読み取りに充分である。７ｌｍの照明をもつＬＥＤは、商業的に入手することができる。
【００２４】
照明の分布に関しては、ある部分を過剰照明しそして他の部分を過少照明するのではなくて、ディスプレイスクリーン１１０の均一な照明を与えるように４つの光ガイドを設計するのが効果的である。更に、ディスプレイスクリーン１１０の中心は、ディスプレイの重要な部分であるから、充分に照明されることが重要である。照明の分布は、入口瞳孔の面積に、瞳孔から見て光源が抱く立体角を乗算したものとして定義される「エテンデュー(etendue)」により特徴付けられる(http://en.wikipedia.org/wiki/Etendue)。エテンデューは、自由空間を通る光の進行として保存され、屈折又は反射において保存される。光が光学システムを通過するとき、エテンデューは増加せず、保存又は減少される。
【００２５】
図１２は、本発明の一実施形態により、光ガイドを経てディスプレイスクリーンの表面にわたって照明を分散するところを簡単に示す。図１２に示すように、本発明の一実施形態により、光ガイド２００の出口表面２７０から伝送された光は、ディスプレイスクリーン１１０の差動素子ｄＳを照射する。図１２に示す大きさｈ、ｈ0及びｚに関して、ｄＳの表面積に対するエテンデューｄＧは、次のように決定される。
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本発明の１つの実施形態では、ｈ＝４ｍｍ、ｈ0＝０．９ｍｍであり、そしてｚは、光ガイド２００が位置する隅から反対の隅までの対角線に沿って２ｍｍないし１６０ｍｍの範囲である。
【００２６】
図１３は、式（１）ないし（３）から導出された、ｈ＝１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍ及びｈ0＝０．９ｍｍの値に対応するエテンデュー／ｄＳ（単位ラジアン）・対・ｚ（単位ｍｍ）を対数でプロットした４つの曲線である。
【００２７】
サイズが２ｍｍで且つ広がり角度が９０°であり、即ちＧ＝（ｎ／２ｒａｄ）＊（２ｍｍ）≒３ｍｍ−ｒａｄであるＬＥＤ２１０の一次元エテンデューにより合計照明量が制限される。エテンデューが光ガイド入口２３０によって３０°の角度及び１ｍｍのサイズに制限されると仮定すれば、最大照明量は、Ｇmax＝０．５ｍｍ−ｒａｄとなる。図１３の破線は、そのようなＬＥＤで発生できる対応する均一の照明を示し、ここで、ｚの全１６０ｍｍ範囲にわたって、エテンデュー／ｄＳ＝Ｇmax／１６０ｍｍ＝０．００３ｒａｄである。
【００２８】
図１３について考えると、ディスプレイの照明を制限する２つのケースが示される。ｚの値が低い場合、エテンデュー／ｄＳは、ＬＥＤから与えられる光（破線）より高く、これは、ＬＥＤが制限ファクタであり、光ガイドにより受光される全ての光を原理的に使用できることを意味する。しかしながら、ｚの値が高く、エテンデュー／ｄｓが破線より低い場合には（例えば、ｚ＞６０ｍｍ、ｈ＝４ｍｍ）、図１２に示されたスクリーンの照明の幾何学形状は、考えられる最大の照明を制限し、即ちエテンデューの制限のためＬＥＤの全ての光を使用することができない。従って、設計上の目的は、横座標の２５％から５０％にわたって照明することである。例えば、ｈ＝４ｍｍの場合には、ｚ＝３８ｍｍから７６ｍｍに対して積分されたエテンデューは、ＬＥＤのエテンデューＧmaxに比較して、０．１５ｍｍ−ｒａｄである。ディスプレイのエテンデューの値は、ＬＥＤのエテンデューより依然低いので、光ガイドの入口表面の限定されたサイズ、例えば、１ｍｍ及び受け入れ角度、例えば、３０°が、達成可能な照明を制限することはない。
【００２９】
光ガイド２００の構造の効果
上述したように、光ガイド２００は、光ガイド出口表面２７０から離れてディスプレイスクリーンの中心に向かう強い照明を達成するように構成される。
【００３０】
入口表面２３０の孔２４０は、ＬＥＤ２１０の中心を外れて発生する光を阻止し、出口表面２７０の近くの不必要な過剰照明を減少するように働く。一般的に、ＬＥＤ２１０の光放射エリアのサイズは、孔２４０の開口より大きく、従って、ＬＥＤ２１０の放射エリアに対して孔２４０が移動しても性能に影響しない。
【００３１】
入口表面２３０の円錐形状は、孔２４０を通過しない光からの干渉を減少し、従って、孔２４０の効率を高める。
【００３２】
出口表面２７０の下方傾斜は、折り返しミラー２５０に対する要求を緩和する。というのは、折り返しミラー２５０は、大きな入射角度で使用され、ひいては、全反射の限界に対して大きな余裕を与えるからである。
【００３３】
水平ガイド２６０の上壁及び下壁は、黒く塗られて、水平光ガイド２６０の床及び天井の光ビームを吸収し、それにより、望ましからぬ反射を排除又は減少する。実際に、水平ガイド２６０の上壁及び下壁で光が反射すると、望ましからぬ方向の光を発生し、光ガイド２００が位置するディスプレイスクリーンの隅付近に過剰な照明を生じさせる。
【００３４】
水平ガイド２６０の側壁は、光を水平に反射するのに使用され、光ビームの利用率を高めると共に、出口表面２７０から出てくる光ビームの水平方向の分散を改善する。
【００３５】
折り返しミラー２５０は、ＬＥＤ２１０の中心から放射された光ビームを水平にコリメートする。ＬＥＤ２１０により放射された中心ずれした光ビームも、中心線上の光ビームとは伝播角度が異なるが、折り返しミラー２５０によってほぼ水平にコリメートされる。従って、これは、ディスプレイスクリーンにわたり望ましい水平方向の光拡散を生じさせる。
【００３６】
凹面レンズとしての出口表面２７０の水平断面形状は、出口表面２７０から出て来る光ビームに対してほぼ９０°の拡散角度を与えるように働く。
【００３７】
以上、本発明の特定の実施形態を説明した。しかしながら、特許請求の範囲に述べた本発明の広い精神及び範囲から逸脱せずに種々の修正や変更がなされ得ることが明らかであろう。従って、明細書及び図面は、本発明を例示するものに過ぎず、それに限定するものではない。
【符号の説明】
【００３８】
１００：電子装置
１１０：ディスプレイスクリーン
１２０：ケーシング
１３０：プロジェクタ
２００：光ガイド
２１０：ＬＥＤ
２２０：光ビーム
２３０：垂直円錐状入口表面
２４０：孔
２５０：折り返しミラー
２６０：水平ガイド部分
２７０：出口表面
３００：プリント回路板
３１０：ディスプレイ
３２０：赤外線放射器
３３０：赤外線受光器
３４０：物体
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2015518626.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
2015518626.tif 000016
【図３】
2015518626.tif 000017
【図１３】
2015518626.tif 000018
【国際調査報告】
2015518626.tif 000019