(57)【要約】複数のＲＧＢトリプレットグループを形成するために、基板に沿って縦（長手）方向に配列されたＲＧＢ発光ダイオード構造を有するＬＥＤアレイと、ＲＧＢトリプレットグループのそれぞれに隣接して位置する複数の小型レンズ構造を有する小型レンズアレイとを備える光配向（光案内）装置。この小型レンズ構造は、各ＲＧＢトリプレットグループのために、そのＲＧＢトリプレットグループに角度を割り出された複数の円筒状レンズを含む。円筒状レンズは、ＲＧＢ発光ダイオード構造に並列に縦方向に配列される。この配列は、より大きい光学的効率をもたらす。なぜならば、ＬＥＤからの光は、観察者が最も望む所定の方向に優先的に方向付けられるからである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光配向装置であって、
発光素子のアレイを含む発光層と、
前記発光層に隣接する光配向層であって、前記発光素子のアレイを持つ実質的なレジストリに光配向素子のアレイを含む光配向層と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記光配向素子のアレイは、複数の円筒状レンズを含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記各円筒状レンズは、各発光素子とそれに隣接する発光素子との間の距離のおよそ１から３倍の距離だけ、各発光素子から離間される請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記光配向層に関して前記発光層の角度を割り出す手段を更に含む請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記角度を割り出す手段は、前記発光層と、前記発光層を前記光配向層と一直線になるよう構成される前記光配向層とに相補的成形構造を含む請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記発光素子は、複数の平行なストライプを形成するために、基板に沿って配列され、前記光配向素子は、各レンズがそれぞれのストライプに平行な長軸を有する円筒状レンズである請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記光配向装置の不活性領域内に形成されたコントラストを向上するコーティングを更に含む請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記光配向層に隣接する光学結合プレートを更に含む請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記光配向層と前記光学結合プレートの間に光学接着剤を更に含む請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記光学接着剤は、前記光配向層の屈折率と前記光学結合プレートの屈折率との間にある屈折率を有する請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記光配向素子の中心は、前記発光素子の中心からずらされて置かれる請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
隣接する前記光配向素子の中心間の距離は、隣接する前記発光素子の中心間の距離と異なる請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
隣接する前記光配向素子の中心間の前記距離は、隣接する前記発光素子の中心間の前記距離よりも小さい請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
光配向装置であって、
複数のＲＧＢトリプレットグループを形成するために、基板に沿って縦に配列されるＲＧＢ発光ダイオードを有するＬＥＤアレイと、
複数の小型レンズ構造を有する小型レンズアレイであって、該各小型レンズ構造はそれぞれ対応する前記ＲＧＢトリプレットグループに隣接して置かれ、該小型レンズ構造は、前記各ＲＧＢトリプレットグループに角度を割り出される複数の円筒状レンズを各ＲＧＢトリプレットグループのために含み、該円筒状レンズは、該ＲＧＢ発光ダイオード構造に平行に縦方向に配列される、小型レンズアレイと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１５】
前記各小型レンズ構造は、対応する前記各ＲＧＢトリプレットグループから等しい量だけずらされる請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記小型レンズ構造の第１の小型レンズ構造は、前記小型レンズ構造の第２の小型レンズ構造と前記ＲＧＢトリプレットグループの第２のＲＧＢトリプレットグループの間のオフセット量と異なる量だけ、前記ＲＧＢトリプレットグループの第１のＲＧＢトリプレットグループからずらされる請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記光配向装置の不活性領域内に形成されたコントラストを向上するコーティングを更に含む請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
複数の発光ピクセル素子を含むディスプレイから光を配向する方法であって、
第１の光配向素子を通して前記複数の発光ピクセル素子の第１の発光ピクセル素子から光を配向するステップと、
第２の光配向素子を通して前記複数の発光ピクセル素子の第２の発光ピクセル素子から光を配向するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１９】
第１の優先的な方向に前記第１の光配向素子から光を配向するステップと、
前記第１の優先的な方向とは異なる第２の優先的な方向に前記第２の光配向素子から光を配向するステップと、
を更に有する請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景技術
この発明は、一般に、複数の発光素子を用いる画像形成装置に関し、より詳細には、そのような発光素子のアレイが一方向に優先的に照射パターンを拡張（向上）するレンズアレイに適合（マッチ）されるシステムに関する。
【０００２】
表面発光の発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）のアレイは、典型的に、各個別の色（カラー）のＬＥＤピクセルが活性領域を有するストライプ形状である赤−緑−青（ＲＧＢ）配列のような異なる構造の二次元配列で製造される。その形状では、縦方向の長さがその幅の数倍大きい。これらのＬＥＤの通常の光学的性質は、その発光がランバーティアン（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）に近似の等方性パターンであるということである。
【０００３】
いずれか一方向又は別の方向に関する方位に偏向しない照射の等方性分布（ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）は、いくつかのディスプレイ使用の理想的な配列であり得る。等方性照射が切望されるであろう一例は、スタジアム内のファンがスコアボードに対して高い側、低い側、左側、右側、真正面などのあらゆる位置にいるようなプロスポーツイベントにおけるスコアボードである。
【０００４】
見ている対象がハイウェイに沿ったビルボードサイン（掲示板標識）のような属性の場合、その標識の前面（前方）及びわずかに下側（下方）の人だけがその標識の情報を読むので、等方性光分配は不経済である。フレネルレンズのようなレンズアレイは、一般的な光源からの光を特定の方向に集中させるために用いられていた。しかしながら、今日まで、ＬＥＤ又はピクセルベースのシステムを特に扱うレンズシステムは存在しない。本システムは、このような欠如を扱うのに適している。
【０００５】
好ましい実施の形態の詳細な記述
本発明の目的、特徴及び利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適実施形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになるであろう。
【０００６】
あるキーとなる適用では、光学的効率は、他の方向に対する所定の方向の輝度を優先的に増加するために、ＬＥＤ又は他のピクセルベースのディスプレイの前に光配向（光案内）層の導入によって顕著に向上され得る。
【０００７】
このタイプのディスプレイを用いる一つの重要な適用は、垂直（水平な平面）な広がりにおける視角（視野角）を広めに維持しているが、標識を見る観察者が一つ（例えば、垂直平面）の広がりにおける狭い視野範囲内に制限される標識においてである。これが用いられる典型的な現実の世界の例は、路肩の標識、公共の場の高所の標識などである。
【０００８】
図１は、光投射表示装置（ディスプレイ）１０の第１実施形態の分解組立図を示す。図２は、組立状態における同一の構成要素（部品）を示す。ディスプレイ１０は、素子１６のような複数の発光素子が形成されている基板１４を有する発光層１２を含む。本発明は、ＬＥＤ技術に限定するよう意図せず、ＰＬＥＤ、ＯＬＥＤ及びＬＣＤディスプレイ、又は公知の他のピクセルベースのディスプレイ技術を含む。図示の実施形態では、素子１６は、配列されたＬＥＤ構造のサブピクセルであり、そこでは、基本色のようなサブピクセル素子が、赤ストリップＲ１、緑ストリップＧ１及び青ストリップＢ１のようなストライプパターンで基板１４に配列される。サブピクセルストライプの第２のセットは、Ｒ２、Ｇ２及びＢ２のように示される。典型的なＬＥＤディスプレイがそのようなストライプのセットを多く有することが理解される。例えば、ＸＧＡの解像度を有するＬＥＤディスプレイは、７６８本のストライプを有する。各３つのストライプからなる隣接するサブピクセル素子は、ＲＧＢトリプレット（ｔｒｉｐｌｅｔ）グループ１８を形成する。そのグループ１８内の各サブピクセルの輝度は、知覚される所定の色を有する表示ピクセルを形成するために制御され得る。ＬＥＤピクセルは、アドレス可能な表示ユニットを形成するために、行列（例えば、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃ５、・・・Ｃｎ）のように配列される。例えば、ＸＧＡディスプレイは、そのような列を１０２４本有している。
【０００９】
また、ディスプレイ１０は、発光素子１６を持つ実質的なレジストリに、発光層（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ）１２に隣接する光配向層（ｌｉｇｈｔ ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ）２０を含む。光配向層２０は、円筒状レンズ２２のような光配向素子のアレイを有する。図示の実施の形態では、光配向層２０は、複数の小型レンズ構造２４を含む。各小型レンズ構造２４は、ＬＥＤストライプＲ２、Ｇ２及びＢ２の長軸に平行な長軸を有する３つの円筒状レンズ２２を含み、これらのストライプの長軸に位置をそろえられている。発光素子と組み合わせるそのようなレンズの利点は、図４Ａ〜図６Ｂを参照して以下に詳細に説明される。
【００１０】
レンズ２２は、それぞれのピクセル素子１６に積層される平面と、サブピクセル素子から離間して対向する円筒状曲面とを有する。小型レンズ構造２４は、レンズの曲面を越えて延出するディバイダ（仕切り板）２５によって、光配向基板上の隣接する小型レンズ構造から分離される。光配向層２０に対するＬＥＤ構造のアセンブリは、連続する光学結合（ｏｐｔｉｃａｌ ｂｏｎｄ）によるものであり、レンズへのＬＥＤの精密な配列のために、小型レンズプレートの成形技術を利用している。この末端層１２及び２０には、発光層１２に関して光配向層２０の角度を割り出すための配列手段（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｍｅａｎｓ）を形成する相補的構造、ここでは、発光層１２上に形成されたギャップ２８内に受けられる光配向層２０上に形成されたフランジ２６が含まれる。相補的構造の位置は、発光層１２がこれらの構造を介して光配向層２０と結合されるとき、光配向層のレンズが発光層のそれぞれのサブピクセル素子に関してずらされ得、それによって、以下に認識されるように所定の方向（上方又は下方）に光を配向するように、修正（変更）され得る。
【００１１】
光配向層２０の円筒状レンズ２２が発光層から外側に向いているので、光結合プレート３０は、光配向層２０上に結合される。光結合プレート３０は、ガラスから形成されるのが好ましく、内部反射を減らすために、光配向層２０の屈折率と光結合プレート３０の屈折率との間にある屈折率を有する光学接着剤によって光配向層２０に貼り付けられる。また、そのアセンブリ（光配向層２０のアセンブリ）は、光結合プレート３０の光配向層２０への固着（固定）を支援するために、光結合プレート３０内に形成されるそれぞれのギャップ内に受けられる突起２７のような相補的構造を含む。
【００１２】
本デザイン（設計）は、ＬＥＤアレイの前面近くに位置する円筒状レンズのアレイを用いている。各レンズは、個別の色のピクセルＬＥＤ構造に関連し、放射光のコレクタ（収集器）として振舞う。ＬＥＤの長さ方向に配列されたレンズの長軸を持つ円筒状レンズを用いることによって、その長軸を含む平面におけるＬＥＤから放射された光は、フォーカスされず（集束されず）、長軸に垂直な平面に放射された光は、レンズの曲率によって集束される。集束量は、ＬＥＤ表面の外形、円筒状レンズ形状及びＬＥＤからの間隔に依存する。
【００１３】
１ｍｍの定型的な形状（特徴サイズ）と１〜２ｍｍの厚さとを持つ光配向層２０は、アクリル樹脂やポリカーボネートのような光学級熱可塑性材料から作られる。また、光配向層２０は、モールドガラスから形成され得、ＬＥＤ構造にレンズを配置するための機械的特徴（フランジ）２６と同様のレンズ構造を含む。光配向層２０は、材料の選択、適用に要求される全体サイズ、並びに、特徴位置及び表面仕上げにおいて許容される公差に依存して、押し出し成形、圧縮成形又は注入成形によって形成され得る。
【００１４】
図３は、本発明の代わりの実施形態３２を示す。ここで、光配向層３４は、光配向層３４の円筒状レンズの曲面が層３６のサブピクセル発光素子に向けて内向し、直接それに対向するように、発光層３６に関して反対に置かれる。当然のことながら、代わりの実施形態のレンズ構造の曲面が内向しており、従って、第１実施形態度と同様に物理的ダメージ（損傷）にさらされないので、図１及び図２に示す実施形態のプレート３０のような光学結合プレートは必要ない。
【００１５】
発光層１２の活性部分及び不活性部分によって発光されるアセンブリの部分間の表示コントラストを改善するために、不活性部分は、黒塗り又は当該技術分野で公知の他の材料のような光吸収材料でコーティングされる（覆われる）。好ましいコーティング領域は、図１及び図２の光配向層２０と光結合プレート３０との間に、及び、図３の３１ａ、３１ｂ及び３１ｃにおいて波線で示される境界領域内の発光層１２と光配向層２０との間に形成される多量にクロスハッチングした層２９として図示される。
【００１６】
図４Ａ及び図４Ｂは、発光層３６内で用いられるような典型的なＬＥＤの発光パターンを示す。これらのＬＥＤの通常の光学的特性は、放射がランバーティアンに近い等方性パターンであろうということである。図４Ｂのグラフは、光の輝度が広い視角（点線で示す）の全域で縦の広がりに渡ってどのように分布されるかを示す。
【００１７】
図５Ａ及び図５Ｂは、円筒状又は他のタイプの収束レンズ構造をＬＥＤの前に追加することが前方への光をどのように集束（フォーカス）させるかを示す。図５Ｂのグラフに示すように、縦の広がりに渡って生じる光分布は、より狭い最適な視角（点線で示す）であるが、縦方向の増加した輝度をもたらす。
【００１８】
図６Ａ及び図６Ｂは、ＬＥＤに対して垂直にレンズを移動するか、角度を割り出すことが最適な視角の方向をどのように変更するか（変化させるか）を示す。図６Ｂのグラフでは、最適な視角は、レンズがそれぞれの発光素子に対して下方に移動するので、輝度が軸Ｉに沿って最大であるように（発光素子に向かって上方を見ると最良であるように）、下方に移動させられる。このことは、レンズ構造がＬＥＤと水平方向に一列（一直線）に置かれ、それにより、水平方向に沿って最大輝度を生じる図５Ａ及び図５Ｂと対照的である。
【００１９】
観察者において大きい角度の範囲を定める発光素子の非常に大きいアレイは、ディスプレイのすべての部品の遠方領域への照射パターンを保つために、アレイの一つの広がり（例えば、縦方向の広がり）に渡って変化する照射パターンで構成されてもよい。このことは、図７に示すように達成され得る。この図７では、隣接する光配向素子間のピッチは、隣接する発光素子間のピッチよりわずかに小さい。発光素子３４から形成されるディスプレイは、観察者５０の視野からθ＋Φの角度の範囲を定めている。観測者の視点から（下方へ）の標識の輝度は、発光ピクセル素子の中心と比較してレンズの中心間の距離を減らすことによって、本発明の実施に従って最大化され得る。
【００２０】
これは、照らされた道路標識のような典型的に観察者の視野から大きい視角の範囲を定めないディスプレイと対照的である。この場合、同じ一般的方向にそのような標識のすべての領域から照射される光を優先的に向け（配向し）、それによって各小型レンズ構造の各ピクセル素子（図５Ａのような）からのオフセット量（偏り）がすべてのレンズピクセル（又はストライプ）対で同一であることは、より有用であろう。しかしながら、図７のディスプレイでは、小型レンズ構造の第１の小型レンズ構造（例えば、レンズ対１１０）は、それぞれのＲＧＢトリプレットグループに関する小型レンズ構造の第２の小型レンズ構造（例えば、レンズ対１２０）の偏り（オフセット量）とは異なる量だけ、ＲＧＢトリプレットグループの第１のそれぞれのレンズから偏っている（ずれている）。
【００２１】
ピクセルレンズ対１１０、１２０及び１３０を図７及び図８に示す。レンズ対１１０は、ディスプレイの上部近くに位置し、それによって、レンズ中心ＣＬは、ピクセル中心ＣＰに関して下方にシフトされる。この発光素子に関するレンズのシフト又は割出しは、レンズ対１１０から下方におよそθの位置に向かう方向にレンズ対１１０のピクセルの優先的な視角をもたらす。レンズ対１３０は、観察者５０のおよそ目の高さに位置し、従って、最大輝度がレンズとピクセルの中心がずれない水平方向になることが望ましい。レンズ対１２０は、レンズ対１１０とレンズ対１３０の間のおよそ中間に位置し、従って、光配向素子及び発光素子は、最大輝度がおよそ１／２×θ下方の方向に伝搬されるように配置されるべきである。最後に、レンズ対１４０は、ディスプレイの底面で、観察者５０の目の高さ以下に位置する。従って、角度Φで上方にピクセルから光を最も強く向けるために、レンズの中心が関連するピクセルの中心に比較して高いことが好ましい。
【００２２】
発光素子から光配向素子を通して伝搬される最適な視角は、次の公式に従って、ピクセル（又はサブピクセル）素子の高さｈとピクセルからのマイクロレンズの間隔ｔの因子である：
（視角）＝２×ｔａｎ−１（ｈ／２ｔ）
この実用的制限は、ディスプレイとして期待される視角レンジ（範囲）、すなわち、ディスプレイの上部を見ている最も近い観察者とディスプレイの底部を見ている最も高い観察者によって含まれる角度よりも大きくなければならない。本発明のもう一つの効果は、次の公式に従って、小型レンズ材料の透過率Ｔ、マイクロレンズの開口領域（高さ）ｄ、及びピクセルの高さｈに依存する因子Ｇによってディスプレイの知覚されるフィルファクター（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）を増加することである：
Ｇ＝Ｔ×ｄ／ｈ
フィルファクターは、使用中のＬＥＤによってカバーされる全表示領域の割合である。現在のディスプレイは、典型的に、およそ０．２５〜０．５０の範囲のフィルファクターを有する。光利得効率の重要性は、フィルファクターを効率的に増加し、あるいはディスプレイの「空間平均」輝度を増加して、ディスプレイの輝度がより大きい領域に広がることである。空間平均輝度は、フィルファクターによって増加されるＬＥＤ輝度である。
【００２３】
本発明のいくつかのキー属性がある。第１に、円筒状レンズ配列は、プラスチック基板で製造することが比較的容易である。第２に、ＬＥＤエミッターの長さ方向に平行に向けられる円筒形状は、輝度及び最大光学利得の効率的な制御を提供する。第３に、ディスプレイは、ＬＥＤアレイに関してレンズアレイの位置に角度を割り出すことによって、カスタマイズされた指向的照射で作られ得る。一例として、小型レンズの中心がピクセルの中心から下方にずらされるならば、（最適視野のための）中心照射方向最大位置は、下方に位置される。第４に、小型レンズプレートは、図１に示されるものと異なるパターンに配列されるサブピクセルを備え、他のピクセルデザインと一致するために、設計され、製作されてもよい。最後に、（図７のような）観察者に大きい角度の範囲を定める非常に大きなアレイは、ディスプレイのすべての部品の遠方領域への照射パターンを保つために、そのアレイの一つの広がりを越えて変化する照射パターンで構成されてもよい。これは、ディスプレイのすべてのパーツの照射均一性を最適化する効果を有する。このことは、ディスプレイ有効素子のピッチよりわずかに小さいピッチ（レンズ間の距離）を有する小型レンズ構造を作り出すことによって達成され得る。円筒状レンズ構造が近いこと、すなわち、ＬＥＤの前のピクセル間隔のおよそ１〜３倍のオーダーであることが望ましい。典型的な現在のディスプレイシステムでは、マイクロレンズは、ＬＥＤの前に１．５ｍｍから５ｍｍまで置かれるであろう。
【００２４】
本発明の好適実施形態において、本発明の原理を記述及び示してきたが、本発明がそのような原理から逸脱することなく、配置や詳細を変更可能であることは明らかであろう。従って、本出願人は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内におけるすべての修正及び変更を要求する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１実施形態において組み立てられる光放射装置の組立分解等角図である。
【図２】
図１の装置の線２−２での側断面図である。
【図３】
本発明の第２実施形態において組み立てられる光放射表示装置の側断面図である。
【図４】
本発明の利益のない、一つの先行技術のＬＥＤピクセルの照射パターンを示す。
【図５】
まっすぐな方向へのピクセル出力の優先的な視界のために、互いに関して第１の位置に配列された図３の一つのピクセルレンズアセンブリの照射パターンを示す。
【図６】
発光素子の下側及び右側の位置からピクセル出力の優先的な上方への視界のために、互いに関して第２の位置に配列された図３の一つのピクセルレンズアセンブリの照射パターンを示す。
【図７】
図３のＬＥＤのアレイからの照射の非対称な分配のために配列されたピクセルレンズアレイアセンブリの概略的な側面図である。
【図８】
図７の個別のピクセルレンズアセンブリのうちの３つのアセンブリの側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【国際公開パンフレット】
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2004517488.tif 000012
2004517488.tif 000013
2004517488.tif 000014
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2004517488.tif 000016
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2004517488.tif 000018
2004517488.tif 000019
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2004517488.tif 000021
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2004517488.tif 000024
2004517488.tif 000025
2004517488.tif 000026
【国際調査報告】
2004517488.tif 000027
2004517488.tif 000028
2004517488.tif 000029