(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力面（１２）と、前記入力面（１２）に対して垂直な底面（２０）と、前記底面（１２）と平行な出力面（１８）と、前記入力面（１２）、前記底面（２０）、及び前記出力面（１８）に対して垂直な第１側面（１４）と、前記第１側面（１４）と平行な第２側面（１６）と、
を有する光パイプであって、
前記出力面（１８）は前記底面（２０）から離間して配置され、
前記入力面（１２）、前記第１側面（１４）、及び前記第２側面（１６）は前記出力面（１８）と前記底面（２０）との間に設けられており、
前記底面（２０）及び前記出力面（１８）は共通の幅を有し、前記入力面（１２）は同一方向において前記幅よりも広い長さを有し、
前記第１側面及び第２側面（１４，１６）はそれぞれ第１遷移面及び第２遷移面（２８，３０）を介して前記入力面と接続しており、
前記第１遷移面及び第２遷移面（２８，３０）はそれぞれ前記入力面（１２）の隅部（corner）から延長し、前記第１側面及び前記第２側面と結合するくぼんだ表面を有し、
前記第１遷移面及び前記第２遷移面はそれぞれ湾曲して光分布密度を最適ならしめるようにしている、背景システムのための光パイプ。
【請求項２】
前記第１遷移面及び第２遷移面はそれぞれ双曲線状の表面を有している請求項１記載の光パイプ。
【請求項３】
前記第１遷移面及び第２遷移面はそれぞれ数１
【数１】
0004458449.tif 000004
（ここに"ｂ"は0.9乃至1.5の間になる様に選ばれる）
による双曲線状の表面を有している請求項１記載の光パイプ。
【請求項４】
ａ＝１である請求項３記載の光パイプ。
【請求項５】
ａ＝ｂ＝１である請求項３記載の光パイプ。
【請求項６】
前記第１遷移面及び第２遷移面はそれぞれ数２
【数２】
0004458449.tif 000005
（ここに"ｃ"と"ｄ"はオフセット定数である）
による双曲線状の表面を有している請求項１記載の光パイプ。
【請求項７】
前記第１遷移面及び第２遷移面はそれぞれ前記出力面に垂直に設けられる請求項１記載の光パイプ。
【請求項８】
前記第１遷移面及び第２遷移面はそれぞれ平滑な表面仕上げを有している請求項１記載の光パイプ。
【請求項９】
前記第１遷移面及び第２遷移面はそれぞれ研磨した仕上げを有している請求項８記載の光パイプ。
【請求項１０】
前記第１遷移面及び第２遷移面はそれぞれ光線追跡を用いた実質上均一な光分布を得るよう最適につくられる請求項１記載の光パイプ。
【請求項１１】
前記光線追跡は逆光線追跡を含む請求項１０記載の光パイプ。
【請求項１２】
前記第１遷移面及び第２遷移面はそれぞれ前記入力面に平行に設けられる観察平面における出力密度分布に基づいて最適につくられる請求項１０記載の光パイプ。
【請求項１３】
前記第１遷移面及び第２遷移面はそれぞれ前記観察平面におけるRMS強度の非均一性を最小にするよう形成される請求項１２記載の光パイプ。
【請求項１４】
更に前記入力面において光源と組み合わされ、前記出力面において液晶ディスプレーとに組合わされている請求項１記載の光パイプ。
【請求項１５】
前記光源は非均一光分布強度の少なくとも１つの領域を有し、前記少なくとも１つの領域は前記第１遷移面及び第２遷移面の夫々１つを越えて設けられる請求項１記載の光パイプ。
【請求項１６】
前記光源は第１端及び第２端と、前記第１端及び前記第２端の間に設けられた実質上均一な光分布強度の領域を有する線状光源と、を有し、前記領域は前記入力面に隣接して設けられ、前記第１端及び前記第２端は夫々前記第１遷移面及び第２遷移面を越えて設けられる請求項１４記載の光パイプ。
【請求項１７】
請求項1に記載の光パイプと、 前記入力面に隣接して組合わされる線状光源と、を有し、 前記入力面は入力面長さを有し、前記光源は前記入力面長さよりも大なる光源長さを有しているバックライト。
【請求項１８】
前記光源長さは実質上均一な照度を有する前記光源の領域を有する請求項１７記載のバックライト。
【請求項１９】
前記光源は冷陰極蛍光灯装置を有する請求項１７記載のバックライト。
【請求項２０】
前記光源は前記光源の第１端と第２端に取り付けられこれらを夫々越えて設けられた相対する電極を有する請求項１７記載のバックライト。
【請求項２１】
非均一照度領域が各前記相対する電極と関連しており前記非均一照度領域は夫々前記入力面を越えて設けられている請求項１７記載のバックライト。
【請求項２２】
前記非均一照度領域は等しくない長さのものである請求項２１記載のバックライト。
【請求項２３】
前記非均一照度領域は前記光源の残りに比べて非光源的である請求項１７記載のバックライト。
【請求項２４】
更に、前記上面において液晶ディスプレーに組合わされた請求項１７記載のバックライト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
【０００２】
（１．発明の分野）
【０００３】
本発明は一般に背景（バックライト）にフラットパネル液晶ディスプレー（LCD）が用いられるような背景システム（back lighting system）のための光パイプに関し、特に、LCDに均一光分布をもたらすよう設けられた光学的入力を有する非散乱背景システムに関するものである。
【０００４】
（２．関連技術の説明）
【０００５】
ラップトップコンピューターに用いられるLCDの如きフラットパネルディスプレーは一般に液晶ベースディスプレーパネルを照らすために背景システムを組合せている。背景システムの重要な要件はディスプレーパネルの全表面にわたって実質上均一な光分布を与え且つ十分に強い光分布を与えることである。これらの要件を達成するために、背景システムは典型的にはLCDパネルに光源からの光エネルギーを組み合わせるために光パイプを用いている。
【０００６】
散乱背景システムにおいては、拡散要素列を光パイプ一面に沿って設けてそれに入射する光線を出力面に向って散乱させている。この出力面をLCDパネルに組合わせて光線をLCDパネル中心且つそれを通って組合わせている。散乱背景システムは散乱面における散乱メディアの分布を制御することによって光分布を制御する能力が得られるが、それでは光分布の角度を制御する能力は得られない。背景システムによって生成される光エネルギーの殆んどはそれがLCDディスプレーに有効でない方向に散乱してしまうので浪費されてしまう。光エネルギーの殆んどがユーザーに向かわず、かくして浪費されるので、散乱背景システムは所望の光エネルギー強度又は明るさを欠いてしまう。
【０００７】
非散乱背景システムは光分布と分布の角度の両者を制御しうるという利点をもたらす。かくして、利用しうる光エネルギーをより有効して利用しうるよう、即ち、光エネルギーの殆んどすべてをユーザーに向かわせるような方法で光エネルギーを方向づけることができる。非散乱背景システムを説明するのにしばしば用いられる用語は“デターミニスティック（deterministic）”である。それは光線の出力点はその入力位置によって知られているからである。かくして、非散乱背景システムは入力光エネルギーの光線及び出力光エネルギーの光線と相関しているということができる。
【０００８】
この相関関係は光エネルギーの大部分をユーザーに確実に向わせるようにするために背景システムの設計に有利に用いられる。非散乱背景システムにおける入力光線と出力光線との相関関係はまた光出力に現われる先入力にイメージすることから生ずる潜在的な不利益に導かれる。もし、入力において光エネルギーにねじれ（distortion）があればこのねじれはまた出力にも現われよう。このねじれは光源又は入力オプティクス（optics）における粗さ又は不連続性から生じるかもしれない。一般に係るねじれは非均一光強度のエリア又は出力においてシャドーを生成するであろう。もう一つのねじれ源は光源に垂直な光パイプの壁である。この壁は、非常に滑らかに且つフラットに作られねばならず、さもなくばその壁は出力においてねじれ又はシャドーを形成するであろう。
【０００９】
非散乱背景システムで観察される特殊なねじれは背景の出力平面に横切って形成される対角線である。光パイプの構造物の製造条件による光パイプの入力面に対する側壁のコーナーインターフェースのねじれは暗い対角線として出力にイメージされることが観察された。ねじれの出現を減らすために表面を研磨して平滑にすることができるけれども、これらの作業は労働強化となり従って光パイプの大量生産には非実際的である。
【００１０】
更に、冷陰極蛍光（CCFL）源の出力の非均一性が出力でねじれとシャドーを引き起こすことが観察された。特に、このCCFLはCCFL管の各端部における電極に隣接して固有の非光沢（dim）領域を有している。この非光沢領域はCCFLの光出力が均一でないエリアであり、光出力は管の中心部分に比べてかなり小さくなっている。この非光沢エリアは出力平面にイメージするばかりでなくこれはまた対角線の出現に貢献し、悪化させてしまう。
【００１１】
かくして改良された光パイプと背景システムには必要性があるのである。
【００１２】
（発明の要約）
【００１３】
本発明は背景システムのための光パイプに関するものである。この光パイプは入力面、実質上平坦な背面、実質上平坦な上面、及び第１側面と第２側面を有している。上面は背面に実質上平行に又はある角度でそれに離間した関係で配置されており、入力面、第１側面と第２側面は上面と底面の間に設けられ、これは背面と上面の間にくぼみを形成している。各側壁面は遷移面で入力面と接続している。この遷移面は湾曲して入力における光分布密度を最低ならしめ入力におけるねじれを減少せしめている。
【００１４】
本発明の他の好ましい態様においては、遷移面はその全表面にわたって全内方反射を保持するように配置されている。この態様では、遷移面は側面から入力面に延長する複合双曲線状（compound hyperbolic）曲線として形成されるのが好ましい。
【００１５】
本発明の更に他の好ましい態様においては、遷移面は、入力面と各第１側面と第２側面の間の交差部分を出力から光学的に暗くするように設けられる。
【００１６】
又、本発明によれば、遷移面は逆光線追跡技術を含む光線追跡技術を用いて本発明の基本的な特徴を得るよう最適化される。
【００１７】
本発明の特別な態様においては、光パイプはLCD装置に組合わせるように形成され、この場合、光パイプは背景装置として働く。
【００１８】
本発明の他の例においては、背景システムには本発明の基本原理によって構成された光パイプが含まれる。線状光源が入力面に隣接して組合わされる。線状光源には少なくとも１つの非均一光分布領域が含まれる。光パイプと光源は非均一光分布領域が確実に光パイプの入力に隣接して置かれないように設けられる。
【００１９】
本発明の一つの好ましい態様では，光源は冷陰極蛍光である。非均一光分布領域は電極に隣接する二つの非光沢領域である。本発明によれば、光源は、入力面の長さよりも長く作って夫々入力面の第１端と第２端を越えて非光沢領域が形成されるようにする。
【００２０】
本発明の他の特徴と利点は以下の詳細な説明と添付図面から当業者に明らかになるであろう。併しながら、詳細な説明と特定の例は、本発明の好ましい態様を示してはいるが、説明のためであってこれに限定するためのものではないことを理解されるべきである。本発明の精神から逸脱することなく本発明の範囲内で多くの変更と変形が成されるであろうし、本発明はかかる変形をすべて含むものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
【００２２】
（要約）
【００２３】
非散乱光パイプは第１側面と入力面の間及び第２側面と入力面の間に遷移面を有している。遷移面は第１及び第２側面と入力面との間のコーナーインターフェースを実質上暗くするよう構成しそれによりコーナー構造におけるいかなる不完全さも出力にイメージされないようにしている。実質上非均一光強度分布をもたらすように遷移面を形成するのが最も好ましい。本発明の好ましい実施態様による光パイプは更に冷陰極蛍光灯（CCFL）のごとき線状光源に組合わせるように形成される。非光沢エリア、即ち、非均一強度を有する光沢のエリアが入力面に隣接して設けられないように光沢が配置される。典型的なCCFL光源は電極に隣接するその端部に位置する二つの非光沢エリアを有しておりこれについては、電極と関連非光沢エリアが入力面の端部を越えて設けられるように光源が構成される。遷移面に便宜ならしめるように形成された入力面の拡張部分を越えて電極と非光沢エリアが設けられるのが最も好ましい。
【００２４】
（２．光パイプ）
【００２５】
図１と図２を参照すれば、本発明の好ましい実施態様による光パイプ１０は入力面１２、第１側壁１４、第２側壁１６、出力面１８及び底面２０を有する。光パイプ１０は線状光源、例えば、冷陰極蛍光灯装置を受けるためにそこに形成される開口２４を有する光源コリメーター２２に組合わされるよう図示されている。図２において、実質上均一な光源が平面２６として示されている。上述の米国特許出願No．０８／９００，８９０により十分に説明されているように、光エネルギーは光源から入力面１２を経て光パイプ１０に組合わされる。底面２０は小面（facet）の列又は出力面１８を経て制御された、実質上均一な分布状に光エネルギーを散乱することなく、反射する光再指向構成体を以って形成される。これについては共通に所有しており今や許可された米国の出願番号No．０８／６０１，１３３に開示されており、これを参考としてここに組合わせる。この光エネルギーは全内方反射の原理によって光パイプ１０内に伝えるのが好ましい。
【００２６】
光パイプ１０はデターミニスティックと認められる。即ち、出力面１８を出るすべての光線は入力面１２において入力光線にトレースされる。しかし、その結果、光パイプ１０における、特に入力面１２におけるいかなる不完全がイメージされるよう即ち、出力面１８において反対すべき非均一光強度エリアとして現われる。従来技術の光パイプにおける特別な不完全源は側壁と入力面とのインターフェースである。続けて図１と図２を参照して本発明の好ましい実施態様について述べれば、光パイプ１０は第１側壁１４と入力面１２を接合する第１遷移面２８と、第２側面１６と入力面１２を接合する第２遷移面３０を有するよう形成されている。第１遷移面２８と第２遷移面３０の各々は一般に夫々凸面３２と３４を有しており、夫々遷移面２８と入力面１２、遷移面３０と入力面１２の間に形成されるインターフェース３６と３８を暗くするように作用する。
【００２７】
第２遷移面３０を図３に示し以下に議論する。第１遷移面２８は対称的な配置が好ましいことは理解されよう。第２遷移面３０は単調に増大する接線４０を含むよう形成される。図３に示すように、接線４０は入力面１２におけるコーナー４４から第２側壁１６に延長しており、その点において接線４０は第２側壁１６の内部に形成される側面４２に実質上平行である。側壁１６を越えて延長している第２遷移面３０によって領域４６も限定されており、入力面１２はインターフェース３８において遷移面３０に接合する延長部分４８を含んでいる。
【００２８】
上述のように、側壁と入力面のインターフェースにおけるイメージング不完全さの問題に対する一つの非実際的な解決手段は、何らねじれのない殆んど完全なコーナーとしてインターフェースを確実に形成することである。このようなインターフェースを達成しようとするためには非常に精密な製造方法と非常に手作業的な労働強化的な研磨作業を必要とする。本発明によれば、より実際的な解決手段は本質的に目に見えないインターフェースを作ることである。この点について言えば各図に示されるように遷移面端部と入力面との間のインターフェースが出力ビューイング（viewing）エリアから実質上暗くなるように遷移面が設けられる。即ち、再び図３について云えば、遷移面３０が出力ビューイングエリアから外方に向かってインターフェース３８を延長する。このやり方で遷移面３０を形成すればインターフェース３８におけるいかなるねじれも出力にイメージされないことは確実である。
【００２９】
遷移面３０を更に最適化して実質上均一な光分布を得るようにする。本発明の好ましい実施態様によれば遷移面３０は数３。
【００３０】
【数３】
0004458449.tif 000002
【００３１】
（ここに“ｘ”と“ｙ”は図３に示され、“ａ”と“ｂ”は光分布強度の均一性を最適化するよう選ばれた定数である。好ましくは、ａ＝１でｂは約0.9乃至約1.5の範囲で選ばれる。）による複合双曲線状曲線として形成される。種々の光パイプの相対配位レファレンス（relative coordinate reference）は数３にオフセット定数を加えることが必要であることを示す。数４は、ｘ方向に“２ａ”のオフセットを含む数３の形を示す。
【００３２】
【数４】
0004458449.tif 000003
【００３３】
数３又は数４によって形成される遷移面３０は有利には実質上均一な光分布をもたらし全表面にわたって全内方反射（TIR）状態を維持する。本発明のフェアな範囲を逸脱することなく他の遷移面配置を用い得ることは理解されよう。例えば、側壁面と入力面の間のインターフェースを暗くすることによって、均一性を改良するのにシンプルなラジアルテイパー（radial taper）をある程度成功裏に用いることができよう。しかしながら、シンプルなラジアルテイパーは付加的な非均一性源に導くその全表面上のTIR状態を保持することはない。加えて、表面曲線自体もまた非均一性を導入することができる。
【００３４】
本発明によれば、光線追跡技術を用いて遷移面が最適化される。図４と図５において、光線追跡を用いて遷移面３０を最適化するための配置１００が示されている。コリメート（collimate）された光源１０２がつくられ一般に領域５０において入力面１２に対して設けられる。ランバート  デイフューザ（lambertian diffuser）がつくられ光源１０２と入力面１２の間に設けられる。最後に、一般に遷移面３０と側面４２の交差部分５２の周囲に理論的出力面１０６が作られる。光線追跡の結果を図５に示す31×11アレイが100000光線をトレースするために用いられる。図５においては、TIR状態が遷移面３０の全体にわたって維持されるということが注目される。
【００３５】
図６は、光線追跡の結果をグラフの形で示している。図６にみられるように、実質上均一な強度が遷移面３０によって生成する。従来技術と比較するのが有効であり、図７と図８（公知例と表示されている）を参照すれば、光パイプ２００は入力面２１２、出力面２１４、底面２１６、及び側面２４２を有する側壁２１８を有する。側壁２１８と入力面２１２の間にラジアルコーナー２５４が設けられる。かくしてコーナー２５４は一般に光パイプの側壁と入力面の間に軽視されるコーナーを示す。コーナー２５４の半径は１mmと設計される。図８は強度分布をチャートの形で示している。強度は、コーナーに近づくと最高にまで増大し、次いでコーナーに隣接すると直ちにかなり低下していることに注目されたい。この配置の出力はカーブの形によって明らかに見られるように非常に非均一性である。図７と図８はまた従来技術の他の欠点と本発明の利点を示すものである。即ち、従来技術と違って側壁１６の外側に向かって拡大して遷移面を形成しているので本発明では遷移面３０と入力面１２との実際のインターフェースは実質上暗くされるという利点を有する。さもなくば、遷移面の湾曲、TIR状態の維持の失敗、インターフェース自体の不完全さは非均一強度分布に導くことになろう。
【００３６】
（３．光パイプを含む背景）
【００３７】
図９と図１０について云えば、本発明の好ましい実施状態による背景３００は（１）光パイプ３０２、（２）コリメートアセンブリ（３０４）と、（３）光源３０６を有する。使用時、光パイプ３０２はLCD（図示せず）とともに且つその背後でフレーム（図示せず）内に設けるのが好ましい。光源３０６は１つ（又はそれ以上の）CCFL装置であるのが好ましい。コリメートアセンブリ３０４は光源３０６から光を光パイプ３０２に向ける。光パイプ３０２は均一に分布された光エネルギー源を与えて例えば背景又は液晶ディスプレーを照らす。
【００３８】
光パイプ３０２は実質上前述した光パイプ１０に従って形成され、（１）入力面３１２、（２）出力面３１４、（３）底面３１６、（４）第１側壁３１８、（５）第２側壁３２０、（６）第１遷移面３２８及び（７）第２遷移面３３０を有している。光源３０６は従来技術で周知のように光源の両端部に設けられた第１電極３３２と第２電極３３４を有している。CCFL装置であるときは、光源３０６または隣接する第１電極３３２と第２電極３３４は夫々暗い領域３３７と３３８、非光沢領域３３７′と３３８′となるように妨害される。
【００３９】
図９と図１０に見られるように、光源３０６はコリメートアセンブリ３０４内に設けられそれにより非光沢領域３３７′と３３８′は入力面３１２に隣接しない。特に、非光沢領域３３７′は入力面３１２の拡張部分３４０を越えて同様に、入力面３１２と第１遷移面３２８とのインターフェース３４２を越えて設けられる。かくして、非光沢領域３３７′と３３８′は出力面３１４にイメージされず、非均一照明エリアを引き起こすことはない。
【００４０】
更に、図１０にみられるように、背面３４０は更に非均一性を低下させるために反射性散乱面又は部分的に吸収性の表面を含む反射性表面とすることができる。
【００４１】
本発明のフェアな範囲と精神から逸脱することなく、本発明に多くの変更、変形をなすことができる。ある変更については上記で議論されている。他の範囲は特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
本発明の好ましい態様を添付図面に示す。ここにおいて同様な参照番号は全体を通じて同様な部分を示す。
【図１】  本発明の好ましい態様による光パイプの説明図である。
【図２】  図１に示される光パイプの一部の説明図である。
【図３】  遷移面をよりよく示す、図１に示される光パイプの一部の正面図である。
【図４】  本発明の好ましい態様による光パイプの一部の説明図であり本発明の好ましい態様による光パイプを最適化するための配置を更に説明するものである。
【図５】  図４に示される最適にするための光パイプの正面図であり、更に光線追跡の結果を示している。
【図６】  図４に示される光パイプの光線追跡強度分布を示すグラフである。
【図７】従来技術による光パイプの一部の説明図である。
【図８】  図７に示される従来技術の光パイプの光線追跡強度分布を示すグラフである。
【図９】  本発明の好ましい実施態様による光パイプを組合わせたバックライトの説明図である。
【図１０】  図２に示される背景の拡大された部分的説明図であり、光源のための好ましい配置と好ましい光パイプの局面を示すものである。
【図１】
0004458449.tif 000006
【図２】
0004458449.tif 000007
【図３】
0004458449.tif 000008
【図４】
0004458449.tif 000009
【図５】
0004458449.tif 000010
【図６】
0004458449.tif 000011
【図７】
0004458449.tif 000012
【図８】
0004458449.tif 000013
【図９】
0004458449.tif 000014
【図１０】
0004458449.tif 000015