(57)【要約】      （修正有）【課題】高輝度で且つ均一な光強度を有する発光ダイオードベースのバックライト・システムを提供すること。【解決手段】複数のＬＥＤ３０が光パイプ３２に隣接して配されている。光パイプ３２はその下面全長にわたって直線状アナモフィック溝部を備える。短縮拡散体の小片が光パイプの入射側端部に隣接して配置される。該入射側端部は光パイプ下面の下方に配される。この拡散体は光パイプ上面に載置されるとともに一定或いは可変の角度特性を有する。光線をより均一に拡散することにより、短縮拡散体４２はホットスポット及び光パイプのＬＥＤに直接隣接した領域における光強度の不規則性を排除する。これにより、このような領域において輝度が不均一になることが防止される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのＬＥＤと、
前記ＬＥＤからの光線を受ける入射表面及び前記光線を光射出面の方向に偏向するための光屈折表面を備える光パイプと、
前記光パイプの前記光屈折表面下方に配される反射性材料の層と、
前記光パイプの前記光射出面上方に配されるとともに前記光パイプの前記光射出面からの光線の拡散を制御する光線整形拡散体を備えることを特徴とするバックライト・システム。
【請求項２】
前記光パイプがモノリシック光を伝達可能な材料からなるとともに、互いにほぼ平行な面により定義されるほぼ平面形状を有し、該互いにほぼ平行な面が周縁面と接続していることを特徴とする請求項１記載のバックライト・システム。
【請求項３】
前記入射表面が前記周縁面のうちいずれか１つから選択され、
前記光射出面が前記互いにほぼ平行な面のうち１つであることを特徴とする請求項２記載のバックライト・システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つのＬＥＤが前記入射表面とほぼ隣接する位置に配されることを特徴とする請求項１記載のバックライト・システム。
【請求項５】
前記光線整形拡散体上方に配されるとともに前記拡散体からの光強度を変更する光学フィルムを更に備えることを特徴とする請求項１記載のバックライト・システム。
【請求項６】
短縮帯状光線整形拡散体を更に備え、
前記光屈折表面と前記反射性材料の層の間の前記光パイプ下方に配される前記入射表面に隣接する位置に該光線整形拡散体が配されることを特徴とする請求項１記載のバックライト・システム。
【請求項７】
前記入射表面が所定の間隔で形成された所定サイズの溝部を備えることを特徴とする請求項１記載のバックライト・システム。
【請求項８】
前記光線整形拡散体がそのほぼ全面において一定の拡散角度を有することを特徴とする請求項１記載のバックライト・システム。
【請求項９】
前記光線整形拡散体が前記拡散体表面において一定の規則にしたがって変化する拡散角度を有すること特徴とする請求項１記載のバックライト・システム。
【請求項１０】
前記一定の拡散角度が第１方向において１０度以上８０度以下であり、該第１方向と直角である第２方向において０．２度以上１０度以下であることを特徴とする請求項８記載のバックライト・システム。
【請求項１１】
前記拡散角度が第１方向において１度以上８０度以下であり、該第１方向と直角である第２方向において０．２度以上１０度以下であることを特徴とする請求項９記載のバックライト・システム。
【請求項１２】
前記光線整形拡散体がほぼ矩形であることを特徴とする請求項９記載のバックライト・システム。
【請求項１３】
前記光線整形拡散体がほぼ円形であることを特徴とする請求項９記載のバックライト・システム。
【請求項１４】
前記拡散角度が前記円形の円周方向で変化することを特徴とする請求項１３記載のバックライト・システム。
【請求項１５】
前記拡散角度が前記円形の半径方向で変化することを特徴とする請求項１３記載のバックライト・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バックライト・システムに関する。より詳しくは、本発明は発光ダイオード（light emitting diode、ＬＥＤ）、蛍光灯、レーザ光線などの１以上の光源とともに使用可能な高輝度で且つ均一な光強度を有するバックライト・システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、バックライト・システムは多種のディスプレイに使用されている。例として携帯情報端末（personal digital assistants、ＰＤＡ）、自動車用オーディオ機器、ディスプレイ、照明、更には携帯電話が挙げられる。バックライトは背景をより明るくしてディスプレイの画像と背景のコントラストを明確にすることにより、ディスプレイの有効性を向上させる。バックライト・システムの性能は輝度、見た目の配光の均一性、指向性を有する視域、消費電力などの基準によって決定される。ＰＤＡ、携帯電話等の携帯可能で電池を電源とする用途においては、消費電力が電池の寿命に直結する。従って電池を電源としてバックライト・システムが使用される場合、上記の基準のうち消費電力が特に重要となる。またＰＤＡ及び携帯電話用ディスプレイについては、マルチカラー・グラフィックスが導入されたのに加えて、その解像度が向上されている。そのため高輝度、均一性、低消費電力のバックライト・システムに対する必要性が高まっている。
【０００３】
従来の典型的なバックライト・システムは、蛍光灯などのバックライト光源を使用している。しかしながら、蛍光灯が所望の方向のみに光線を向けるには、複雑な光結合器を必要としていた。光結合器は総内面反射（total internal reflection、ＴＩＲ）光パイプ、或いは光導波路へ光線を結合する。蛍光灯はまた、比較的消費電力量が高く、低耐久性、短寿命といった問題点を有しており、１００時間の使用につき１％の割合でエネルギー損失を生む。更に光パイプに光線を結合するには困難を伴い、往々にして輝度の低い領域や線を生じる。そのため、バックライトの均一性が損なわれ、ディスプレイの美観が失われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、光線を結合する必要性、輝度の低い領域、消費電力量の高さ、寿命の短さのような上記従来技術の問題点を解決するためのバックライト・システムを提供することが望ましいといえる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の好適な実施形態は、ＬＥＤベースのバックライト・システムを備える。該バックライト・システムは高輝度で且つ一定の光強度を有する。このようなバックライト・システムは、高性能のマルチ・カラーで高分解能の携帯用ディスプレイ（例えばＰＤＡ及び携帯電話）に好適に使用可能である。本発明はその他の光源（例えば蛍光灯、干渉性の光、非干渉性の光など）とも好適に使用可能である。いくつかの類似の実施形態が開示される。これら実施形態には、複数のＬＥＤと好適に使用可能であるもの、単一のＬＥＤと好適に使用可能であるもの、及び蛍光灯やその他の光源と好適に使用可能であるものがある。これら実施形態は全て、高輝度を有するとともに、ホットスポットや輝度の低い領域といった問題を解決するものである。すなわち、バックライト領域全体において光強度を一定に保つことが可能となる。更に、本発明の実施形態は特に、１若しくはそれ以上のＬＥＤと動作可能に設計されているから、発色剤の必要がなく、従来と比べて長寿命で高耐久性であるのに加えて、消費電力が小さい。
【０００６】
第１の実施形態においては、複数のＬＥＤが光パイプの入射側端部に隣接して配される。入射側端部は一定間隔の溝部を備える。この溝部により、光パイプ全長においてＬＥＤ光線が１方向すなわち該パイプの下面に向かう方向に伝搬される。パイプ下面は溝部を備えて、この溝部によりＬＥＤ光線の方向を光パイプの上面に向ける。光パイプの上面において、光線は光パイプを出てビューアに向かう。光パイプの下面はシルク・スクリーン・ドット・パターン或いはホログラフ表面構造から形成されてもよい。光パイプの光射出表面外面は光線整形拡散体（light shaping diffuser、ＬＳＤ）及びその他の拡散体或いは光学フィルムを保持する。このような拡散体は出射光を一定の水平及び垂直方向に伝達する。また、光学フィルムは、光強度を調節して、ビューアに最適な輝度となるようにする。
【０００７】
第２の実施形態においては、光学フィルム上方に第２ＬＳＤが配される。第３の実施形態においては、短縮（foreshortened）ＬＳＤを含む帯状ＬＳＤが入射側端部に隣接する光パイプ下方に配される。これによりＬＥＤ周辺のホットスポットが低減される。第４の実施形態においては、上記の下面溝部の代わりに、光パイプ下方に隣接する第２のＬＳＤを用いる。第５の実施形態においては、入射側端部に固定溝部の代わりに小型のＬＳＤを用いる。第６の実施形態においては、溝部を備えるように形成された光パイプの入射側隅部に１つのみのＬＥＤが用いられる。また光パイプの上面に角度一定の或いは角度可変のＬＳＤが用いられる。第７の実施形態においては、第６の実施形態と同様に１つのみのＬＥＤが用いられるが、第６における実施形態の角度可変のＬＳＤ上方に角度一定の第２のＬＳＤが追加される。このようなＬＳＤはバックライト光学フィルムの一体的な一部分として射出成形されてもよい。第６および第７の実施形態の光パイプは同心円状に形成された溝部を備える。本発明における光線整形拡散体の特徴として、その指向性、スキャッタが制御されていること、拡散角度が均一且つ切れ目なく変化することが挙げられる。これら特徴により、破壊的な線（disruptive line）が入ることなく均一にバックライトを配光すること可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の上述の目的及び利点ならびに本発明のその他の目的及び利点を理解するために、以下で本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【０００９】
ここで図１及び図２を説明する。図１及び図２は本発明の２つの基本形態を示す平面図である。図１はコーナー照射バックライトを示す図であり、光パイプ（１４）の矩形の１つの頂点又はその近傍に単一のＬＥＤ（１２）が配置されている。ＬＥＤ（１２）は光パイプの対角線上に光線を伝搬する。光パイプ（１４）下面の視域における対角線の全長において円形のアナモフィック溝部が形成される。反射性フィルムが光パイプ（１４）下面の外面上に載置される。また、波形光線整形拡散体が光パイプ（１４）上面に載置される。
【００１０】
図２は辺照射バックライトを示す図であり、複数のＬＥＤ（３０）が光パイプ（３２）に隣接して配されている。光パイプ（３２）はその下面全長にわたって直線状アナモフィック溝部を備える。短縮拡散体の小片が光パイプ（１４）の入射側端部に隣接して配置される。該入射側端部は光パイプ（１４）下面の下方に配される。本発明に係るバックライト・システムは反射性フィルム及び拡散体を備える。この拡散体は光パイプ上面に載置されるとともに一定或いは可変の角度特性を有する。光線をより均一に拡散することにより、短縮拡散体（４２）はホットスポット及び光パイプのＬＥＤに直接隣接した領域における光強度の不規則性を排除する。つまり、このような領域において輝度が不均一になることが防止される。前述の拡散体に対して効果を与えるために、溝部は短縮拡散体を越えた位置から形成される。
【００１１】
図３は複数のＬＥＤを用いる図２の実施形態の変更例を示す図である。図３に示す実施形態は、図２に示す実施形態と基本的に同様であるが、図３に示す実施形態は光パイプ（４４）下方に短縮拡散体を備えない。図３に示す実施形態の主要な相違点は、光パイプ（４４）内或いは光パイプ（４４）上に配されるＬＳＤの角度特性である。この実施形態においては、拡散角度一定のＬＳＤが用いられる。その拡散角度は、第１方向における角度（大）は１０度以上８０度以下、第１方向に直角である方向における角度（小）は０．２度以上１０度以下である。反射性材料の層（３８）は銀或いはその他の高反射性金属でコーティングされた薄いフィルムである。光学フィルム（４８）としては例えば、日本の企業である三菱が販売しているレーヨン光学フィルムが使用可能である。入射溝部（４３）はＬＥＤ光線を光パイプ（４４）に伝搬する。図４に示す実施形態においては、光パイプ（４４）に溝部（３４）は形成されない。代わりに第２ＬＳＤ層（４５）が滑らかな下面（４６）の直下に配される。ＬＳＤ層（４５）は光線を屈折及び収束させながら、ＬＥＤ光線をＬＳＤ（４０）並びに光学フィルムに向けて再分配する。図５は図３に示す実施形態の変更例を示す図であり、図３に示す実施形態における溝部（４３）の代わりに入射ＬＳＤ（５０）が用いられる。図６は図２の実施形態を示す図である。図７は光学フィルム（４８）上方に第２の標準長さのＬＳＤ層（５４）を加えた実施形態を示す。図７に示す実施形態においては、その他の実施形態と比較して最も均一な輝度が得られる。よって本発明を複数のＬＥＤと用いる場合の現在のところ最適な実施形態であるといえる。図６及び図７に示す実施形態における標準長さのＬＳＤ層（５０）の拡散角度が拡散体の長さ方向に沿って変化するようにしてもよい。このことについては、以下で図１１乃至図１３を参照しながら詳述する。
【００１２】
図８及び図９は図１に示すような単一のダイオードを用いたコーナー照射バックライト・アセンブリを示す図である。図８に示す実施形態においては、可変の拡散角度（３０度×１度から６５度×１度の範囲）を有する単一のＬＳＤ（２２）を用いる。図９に示す実施形態においては、角度一定且つ標準長さのＬＳＤ（３６）が追加される。このＬＳＤの拡散角度（大）は３度である。可変の拡散体のそれぞれは好ましくは図１５乃至図１９に例示されるような半径方向或いは円周方向の角度変化を有する。一方、図９に示す角度一定のＬＳＤは図１４に示すような角度形態を有する。他の拡散角度も可能である。
【００１３】
本発明の他の実施形態も可能である。例えば、ＬＳＤを光パイプ上に配置する代わりに、光パイプの表面構造として一体的に形成してもよい。更に、溝部（３４）の一部分あるいは全体の代わりに拡散体を用いてもよい。このような拡散体としてはドット・マトリックス構造或いはシルク・スクリーン構造が挙げられる。
【００１４】
ここで、図１０乃至図１９を参照する。図１０乃至図１９は本発明に係るバックライト・システムにおいて好適に適用可能な拡散体の実施形態を示す図である。図１０は矩形の拡散体を示す図であり、該拡散体はその全面において一定の拡散角度を有する。図示例においては、拡散角度は第１方向（大）において６０度、第２方向（小）において０．５度である。所望の配光に応じて、その他の拡散角度も使用可能である。
【００１５】
図１１乃至図１３に示す矩形拡散体の拡散角度は該拡散体の長さ方向に沿って変化する。例えば、図１１に示す実施形態においては、この拡散体の中央部における拡散角度は５度であり、拡散体の両端部に向けて段階的に増加する。両端部における拡散角度は６０度である。図１３に示す拡散体はその中央部における拡散角度（大）が６０度であり、両端部に向けて段階的に減少する。両端部における拡散角度は５度である。図１４は半円形状の拡散体を示す図であり、該拡散体はその全面において一定の拡散角度（すなわち６０度×１度）を有する。図１５は半円形状の拡散体を示す図であり、該拡散体は可変の拡散角度を有する。この拡散体は、異なる拡散角度を個別に有する同心円状の区画を備える。図１５に示す実施形態において、中央部の区画における拡散角度は３０度×１度であり、最外部に向けて段階的に減少する。最外部の放射状区画における拡散角度は５度×１度である。図１６は図１５に示す実施形態の変更例を示す図であり、中央部の区画における拡散角度は５度×１度、最外部における拡散角度は５０度×１度である。各実施形態における大小の拡散角度は例に過ぎず、このような拡散角度として事実上いかなる角度を選択してもよい。
【００１６】
図１７及び図１８に示すごとく、半円形或いは円形の拡散体は、放射状の区画ごとに拡散角度が変化するように形成されてもよい。図１７においては、拡散角度は左端の区画から右端の区画に向けて段階的に増加する。左端の区画における拡散角度は５度であり、右端の区画における拡散角度は７０度である。図１８は、図１７に示す実施形態の変更例を示す図であり、拡散角度は反対方向で増加する。図１９は円形の拡散体の別の実施形態を示す図であり、該拡散体は同心円状及び放射状の区画を備える。放射状区画及び同心円状区画のうち最外部に位置する区画における拡散角度は３０度×１度で、中央部に向けて１０度×１度まで減少する。
【００１７】
このような拡散体は図２０乃至図２３に示す装置を用いて製造される。図２０は本発明に係るバックライト・システムに用いる均一な光線整形拡散体を製造するための装置全体を示す図である。光線整形拡散体は一定及び可変の両方の拡散角度を有する。この装置は所定の相対位置（Ａ、Ｂ）でレーザや光学素子（Ｍ１、Ｍ２、ＳＦ、ＣＹＬ）を備える。この装置は図２１に示すＩＩブロック（６０）の垂直スリットに、レーザ光線を通して、幅の狭い平行スリットビームを提供する。このほぼ１ｍｍのスリットのサイズにより拡散体の角度（小）が決定される。Ｋ−ブロック（６２）は拡散体の角度（大）を調整するために使用される。Ｖ−ブロック（６４）は光線整形拡散体を継ぎ目なく形成するために使用される。回転ステージ・アセンブリ（６６）は同心円状の区画ごとの角度変化を形成するために使用される。一方で、下方のホルダ（６８）は拡散体マスタのＸ、Ｙ方向の移動を調整する。図２１の形態は図１５乃至図１９に示す形態の角度可変の円形（或いは波形）拡散体を製造するために使用される。図２２の装置からＫ−ブロック（６２）のみを除去すると、同じ装置を使用して、図１４に示す角度一定の円形（または波形）拡散体のためのマスタが製造される。また図２３の装置からＶ−ブロック（６４）を除去し、回転ステージ（６６）を使用せずに、同じ装置を使用すると、図１１乃至図１３に示す拡散体のような角度可変の矩形拡散体のためのマスタを製造することができる。回転ステージ・アセンブリ（６６）を使用せず、ＩＩブロック（６０）のみで装置を作動させると、図１０に示す形態の低角度の矩形拡散体となる。拡散体の特性を調整する可変マスクの使用については、２０００年２月２７日に本願譲受者が出願した米国特許出願第０９／５１７，２４０号（係属中）に詳細に記載されている。この米国特許出願は、スキャナに使用するための可変拡散体マスタの構成に関する。本明細書中にはこの出願の内容が引用されている。
【００１８】
上述のごとく、本発明はバックライト・システムに関する。主に１以上のＬＥＤ光源を作用する構成を備え、高輝度、均一な配光特性、高耐久性、低消費電力量を実現することを目的とする。またここで開示される発明は構成要素、構造が簡易であることを特徴とする。従来のバックライト・システムとは異なり、面倒で複雑な構造なしに、光線を光源から光パイプへ向けたり、光線を一定の最大入射角内で光パイプに入射させたりすることが可能となる。更に、本明細書中で様々な実施形態が開示されたが、本発明のこの他の変更形態も本発明の範囲内に含まれるものとする。例えば、反射性材料の層、ＬＳＤ、光パイプ等の別個の構成として示された構成を、一体化して単一の構成としてもよい。この場合、光パイプの光射出面にＬＳＤを形成するか、光パイプの反対の表面をミラー・コーティングする。したがって、本発明の範囲は上述の実施形態には限定されず、以下の請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るバックライト・システムの単一のＬＥＤを用いた例を示す図である。
【図２】本発明に係るバックライト・システムの複数のＬＥＤを用いた例を示す図である。
【図３】本発明に係るバックライト・システムの第１実施形態を示す分解側面図である。
【図４】本発明に係るバックライト・システムの第２実施形態を示す分解側面図である。
【図５】本発明に係るバックライト・システムの第３実施形態を示す分解側面図である。
【図６】本発明に係るバックライト・システムの第４実施形態を示す分解側面図である。
【図７】本発明に係るバックライト・システムの第５実施形態を示す分解側面図である。
【図８】本発明に係るバックライト・システムの第６実施形態を示す分解側面図である。
【図９】本発明に係るバックライト・システムの第１実施形態を示す分解側面図である。
【図１０】角度一定の矩形拡散体表面を示す概略図であり、該拡散体表面は一定の拡散角度を有する。
【図１１】角度可変の矩形拡散体表面を示す概略図であり、該拡散体表面は可変の拡散角度を有する。
【図１２】図１１に示す拡散体表面の変更例を示す概略図であり、拡散角度が異なる変化を示している。
【図１３】図１１に示す拡散体表面の変更例を示す概略図であり、拡散角度が更に異なる変化を示している。
【図１４】角度一定の半円形状の拡散体表面を示す概略図であり、該拡散体表面は一定の拡散角度を有する。
【図１５】角度可変の半円形状の拡散体表面を示す概略図であり、該拡散体表面は同心円状の区画ごとに異なる拡散角度を有する。
【図１６】図１５に示す拡散体表面の変更例を示す概略図であり、拡散角度が異なる変化を示している。
【図１７】角度可変の半円形状の拡散体表面を示す概略図であり、該拡散体表面は放射状の区画ごとに異なる拡散角度を有する。
【図１８】図１７に示す拡散体表面の変更例を示す概略図であり、拡散角度が異なる変化を示している。
【図１９】図１５及び図１７に示す実施形態を組み合わせた実施形態を示す概略図であり、拡散体表面は放射状区画及び同心円状区画ごとに異なる拡散角度を有する。
【図２０】可変の拡散体を製造するための製造装置を示すブロック線図である。
【図２１】図２０に示す様々な拡散角度を有する拡散体マスタを製造するための装置の一例を示す図である。
【図２２】図２０に示す様々な拡散角度を有する拡散体マスタを製造するための装置の一例を示す図である。
【図２３】図２０に示す様々な拡散角度を有する拡散体マスタを製造するための装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１４      光パイプ
３０      ＬＥＤ
３８      反射性材料の層
４０      光線整形拡散体
４８      光学フィルム
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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