(57)【要約】  光源と、光源に対して作用可能に配置されるフレネル光学系とを含む発光ユニットが開示される。当該フレネル光学系は、マイクロプリズムをそれぞれ含む互いに離間した上面と下面を含む。当該下面は前記光源に最も近く、当該光源からの発散光を受光する。当該下面は、当該発散光を第一の方向転換光として前記上面に案内する。当該上面は、次に当該第一の方向転換光から均一な放射発散度を有するコリメートされた光を形成する。外縁近くの前記下面上のマイクロプリズムの一部は、屈折と全反射の両方によって作用し、当該下面の中心により近いマイクロプリズムは屈折のみによって作用する。当該発光ユニットのアレイによって発光装置が形成される。当該発光装置、画像表示ユニットおよびコントラスト強調ユニットの配置によって表示システムが形成される。
2018536270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発散光を放射する少なくとも一つの光源と、
該光源に対して作用可能に配置される光学系と
を備える発光ユニットであって、前記光学系は、中心レンズ軸と、単一のレンズ素子のみまたは第一および第二の相隔たるレンズ素子のみのいずれかとを備え、該光学系は、ｉ）前記光源に隣接しかつ該光源から離間しており、前記発散光を受光し、該発散光から第一の方向転換光を形成する下面と、ｉｉ）前記第一の方向転換光を受光し、該第一の方向転換光から第二の方向転換光を形成する上面とをさらに備え、
前記下面は、０．６≦ρＴ≦０．８の範囲内である正規化遷移半径ρＴによって画定される内側領域および外側領域を備え、該外側領域は、前記発散光の屈折と全反射の両方を行って該発散光から前記第一の方向転換光を形成する第一のマイクロプリズムを備え、
前記上面は、前記第一の方向転換光を受光し、該第一の方向転換光から、実質的にコリメートされた前記第二の方向転換光であって、該第二の方向転換光の平均（ａｖｅｒａｇｅ）放射発散度の±８％以内で均一である放射発散度を有する第二の方向転換光を形成する第二のマイクロプリズムを備える、
発光ユニット。
【請求項２】
前記外側領域の前記第一のマイクロプリズムは第一の外側マイクロプリズムを備え、前記下側表面の前記内側領域は、屈折のみによって作用する第一の内側マイクロプリズムを備える、請求項１記載の発光ユニット。
【請求項３】
前記下面の前記内側領域は平滑である、請求項１記載の発光ユニット。
【請求項４】
前記光学系は前記単一のレンズ素子によって構成され、該単一のレンズ素子は、前記上面および前記下面を画定するモノリシックな本体を有する、請求項１から３のいずれかに記載の発光ユニット。
【請求項５】
前記モノリシックな本体は、５ｍｍ≦ＬＡ≦２０ｍｍの範囲内の軸方向の長さＬＡを有し、１２ｍｍ≦ＣＡ≦１００ｍｍの範囲内の有効口径ＣＡを画定し、
前記光学系の前記下面は、５ｍｍ≦ＤＳ≦１５ｍｍの範囲内の距離ＤＳだけ前記光源の上面から離間しており、
前記第一および第二のマイクロプリズムは、それぞれ２５μｍ≦ＷＰ≦１５０μｍの範囲内の幅ＷＰを有する底辺を有する、
請求項４記載の発光ユニット。
【請求項６】
前記光源からの前記発散光は発散量を有し、該発光ユニットは、該光源にすぐ隣接して作用可能に配置されるコレクタ光学系であって、該光源からの前記発散光が前記下面に入射する前に該発散光の前記発散量を減少させるように構成されるコレクタ光学系をさらに備える、請求項１から５のいずれかに記載の発光ユニット。
【請求項７】
前記コレクタ光学系は、単一のコレクタミラーによって構成される、請求項６記載の発光ユニット。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の発光ユニットのアレイを備える発光装置。
【請求項９】
観察空間における観察者によって観察可能な表示デバイスであって、
請求項８に記載の発光装置と、
該発光装置にすぐ隣接して作用可能に配置される画像表示ユニットと、
該画像表示ユニットにすぐ隣接して作用可能に配置されるコントラスト強調ユニットと
を備える、表示デバイス。
【請求項１０】
前記画像表示ユニットは表示画素のアレイを備え、
前記コントラスト強調ユニットは、内部に開口が形成された光吸収層と、該開口から離間し、該開口とそれぞれ軸方向に整列する光学素子とを備え、
前記発光装置からの前記第二の方向転換光は、前記表示画素を通過して表示光を形成し、
該表示光は、前記光学素子および前記光吸収層の前記開口を通過して、前記観察空間へと透過させるコントラストが強調された表示光を形成する、
請求項９記載の表示デバイス。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１５年１１月５日に出願された米国仮出願第６２／２５１３６４号に対する優先権を主張し、その内容をそのまま参照によって本明細書に援用する。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、ディスプレイに用いられるような発光装置に関し、より具体的には、フレネル光学系を有する発光ユニットを含む発光装置、および当該発光装置を用いる表示システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
従来の液晶表示（ＬＣＤ）デバイスは、概して、発光装置およびＬＣＤパネルを含む。発光装置が放射する光は、ＬＣＤパネルを通過して、観察者が見ることができる画像を生成する。ＬＣＤデバイスに用いられる一種の発光装置が、光がＬＣＤパネルを背面から直接照明する直下型バックライト装置である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＬＣＤディスプレイ用のこのような発光装置は、比較的効率化することができるが、ＬＣＤデバイスおよび表示システムに対する性能要求が益々厳しくなるにつれ、その効率もコントラストも向上させる必要が継続的に存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様は、発散光を放射する少なくとも一つの光源と、当該光源に対して作用可能に配置される光学系とを備える発光ユニットであって、前記光学系は、中心レンズ軸と、単一のレンズ素子のみまたは第一および第二の相隔たるレンズ素子のみのいずれかとを有し、当該光学系は、ｉ）前記光源に隣接かつ離間しており、前記発散光を受光し、当該発散光から第一の方向転換光を形成する下面と、ｉｉ）前記第一の方向転換光を受光し、当該第一の方向転換光から第二の方向転換光を形成する上面とを有し、前記下面は、０．６≦ρＴ≦０．８の範囲内である正規化遷移半径ρＴによって画定される内側領域および外側領域を有し、当該外側領域は、前記発散光の屈折と全反射の両方を行う第一のマイクロプリズムを含み、当該内側領域は平滑であり、前記上面は、前記第一の方向転換光を受光し、当該第一の方向転換光から、実質的にコリメートされた第二の方向転換光であって、当該第二の方向転換光の平均（ａｖｅｒａｇｅ）放射発散度の±８％以内で均一である放射発散度を有する第二の方向転換光を形成する第二のマイクロプリズムを有する、発光ユニットである。
【０００６】
一例では、前記発光ユニットは、前記光源および前記光学系を作用可能に支持する支持構造を含む。また、一例では、前記内側領域Ｒ１は第一のマイクロプリズムを含むが、これらのマイクロプリズムは屈折のみによって作用する。
【０００７】
本開示の別の一態様は、実質的にコリメートされかつ実質的に均一な光を放射する発光ユニットである。当該発光ユニットは、中心支持構造軸と、出射端を画定する開放した前端と、当該開放した前端にて開放しかつ底面および少なくとも一つの側壁によって画定される内部とを有する支持構造と、前記底面上または当該底面に隣接して配置される光源であって、発散光を放射する光源と、前記支持構造の内部に配置される単一のモノリシックレンズ素子とを含み、当該レンズ素子は、ｉ）中心レンズ軸と、ｉｉ）前記光源に隣接しかつ該光源から離間している下面であって、前記発散光を受光し、当該発散光から第一の方向転換光を形成する下面と、ｉｉｉ）前記出射端に存在するまたは当該出射端に隣接する上面であって、前記第一の方向転換光を受光し、当該第一の方向転換光から第二の方向転換光を形成する上面とを有する。前記下面は、０．６≦ρＴ≦０．８の範囲内である正規化遷移半径ρＴによって画定される内側領域および外側領域を含む第一の微細構造を有し、当該内側領域内の当該第一の微細構造は、前記発散光を屈折させるのみであり、当該外側領域内の当該第一の微細構造は、当該発散光の屈折と全反射の両方を行って前記第一の方向転換光を形成する。前記上面は、前記第一の方向転換光を受光し、該第一の方向転換光から、実質的にコリメートされた第二の方向転換光であって、該第二の方向転換光の平均（ａｖｅｒａｇｅ）放射発散度の±８％以内まで均一である放射発散度を有する第二の方向転換光を形成する第二の微細構造を有する。
【０００８】
本開示の別の一態様は、上面および下面を有するモノリシックな本体を有する単一のレンズ素子を用いることにより発散光を放射する少なくとも一つの光源から実質的にコリメートされかつ実質的に均一な光ビームを形成する方法であって、０．６≦ρＴ≦０．８の範囲内である正規化遷移半径ρＴによって画定される内側領域および外側領域を含む前記下面であって、少なくとも当該外側領域に第一の微細構造を有する当該下面にて前記発散光を受光するステップと、前記内側領域では前記発散光を屈折させるのみによって、かつ前記外側領域では前記発散光を屈折および全反射することによって、前記モノリシックな本体の中を前記上面まで進む第一の方向転換光を当該発散光から形成するステップと、前記光ビームを画定しかつ実質的にコリメートされた第二の方向転換光であって、当該第二の方向転換光の平均（ａｖｅｒａｇｅ）放射発散度の±８％以内まで均一である放射発散度を有する第二の方向転換光を、屈折性のみである前記上面上の第二の微細構造を用いて、当該上面にて前記第一の方向転換光から形成するステップとを備える方法である。当該方法の一例では、前記下面の前記内側領域も前記第一の微細構造を含む。一例では、前記第一および第二の微細構造は、それぞれ第一および第二のマイクロプリズムを備える。
【０００９】
本開示の別の一態様は、本明細書に開示のような発光ユニットのアレイを含む発光装置である。
【００１０】
本開示の別の一態様は、観察空間における観察者によって観察可能な表示デバイスであって、前記発光装置と、当該発光装置にすぐ隣接して作用可能に配置される画像表示ユニットと、当該画像表示ユニットにすぐ隣接して作用可能に配置されるコントラスト強調ユニットと含む表示デバイスである。
【００１１】
さらなる特徴および利点は、下記の詳細な説明において述べられ、部分的には、当該説明から当業者にはすぐに明らかになるか、下記の詳細な説明、請求項、および添付の図面を含む、本明細書に記載のような実施形態を実施することによって認識されるだろう。
【００１２】
上記概要と下記の詳細な説明はいずれも一例にすぎず、請求項の本質および特徴を理解するための概観または骨格を提供することを意図していると理解すべきである。添付の図面はさらなる理解をもたらすために含まれるものであり、本明細書に援用され、本明細書の一部を構成する。これらの図面は、一つ以上の実施形態を説明するものであり、この説明とともに、様々な実施形態の原理および作用を説明するのに役立つものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本明細書に開示される発光装置を含む例示的な表示デバイスの概略的な部分分解側面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、一例において正方形の断面形状を有する支持構造を有する発光ユニットのアレイを含む例示的な発光装置の平面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、別の例において円形の断面形状を有する支持構造を有する発光ユニットのアレイを含む例示的な発光装置の平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、光源から離間し両面フレネルレンズを含むフレネル光学系を示している、実質的にコリメートされた光ビームを放射する例示的な発光ユニットの断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａと類似であって、前記フレネル光学系が二つの離間したフレネルレンズ素子を含む例示的な一実施形態を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、屈折および全反射（ＴＩＲ）によって作用する外部領域に関する表面構成（微細構造）を説明する、フレネル光学系の下面の一部の拡大断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、屈折および全反射（ＴＩＲ）によって作用する外部領域に関する表面構成（微細構造）を説明する、フレネル光学系の下面の一部の拡大断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、屈折のみによって作用する内部領域に関する表面構成（微細構造）を説明する、フレネル光学系の下面の一部の拡大断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図３Ａに類似であり、前記下面が、前記上面にて均一であるがコリメートされていない光を形成し、次に当該上面が当該光をコリメートして、均一なコリメートされた光ビームを形成するように構成される前記光学系の主な設計原理を説明するために、これらの上面および下面からの光学的損失がない場合に関する光源から発光ユニットの出射端への理想的な光線の光路を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａに類似であり、前記上面および前記下面における光学的損失を補償することを含む、光源から発光ユニットの出射端へのコンピュータシミュレーションした光線の光路を示し、これらの光線が全て等しい強度を有してはいない。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図５Ｂに類似であり、等しい強度を有する光線による出射光ビームを示し、図５Ｂの出射光ビームが、前記上面および下面における光学的損失を補償するときも実際に図５Ａに示す理想的な形状を有する様子を説明する。
【図６】図６は、前記発光ユニットの光学系の上面、および図１に示すようにその上面に隣接して配置される画像表示ユニットおよびコントラスト強調ユニットの拡大断面図であり、コリメートされた光線がコントラスト強調ユニットの開口を通過するように案内される様子を説明する。
【図７Ａ】図７Ａは、図３Ａに類似であり、光源が、光源の上面に隣接して配置されるコレクタ光学系を含む例示的な実施形態を説明する。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａに類似であり、コレクタ光学系の出射端から発光ユニットの出射端に進むときの光のコンピュータシミュレーションした光線追跡を含む。
【図８】図８は、図３Ａに類似であり、二つの離間した光源を含む例示的な発光ユニットを示す。
【図９Ａ】図９Ａは、例示的な光学系に関する下面の第一の（内側の）領域に存在する屈折マイクロプリズムに関する傾きＳ（度）と正規化動径座標ρの関係を表す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａに類似であり、前記例示的なフレネル光学系に関する下面に関する屈折＋ＴＩＲマイクロプリズムに関する傾きＳを示す。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図９Ａに類似であり、前記例示的なフレネル光学系に関する上面に関する屈折マイクロプリズムに関する傾きＳを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
これから、添付の図面で説明する好例となる実施形態を詳細に参照する。可能な場合はいつでも、図面を通して同一の参照番号を用いて同一または類似の部分を指示する。図面における構成要素は必ずしも原寸に比例している訳ではなく、むしろこれらの好例となる実施形態の原理を説明することに重きを置いている。
【００１５】
以下の議論では、変数「ｒ」は、光学系２１８のレンズ軸ＡＬに対して垂直に測定した動径座標を表す。媒介変数「Ｒ」は、光学系２１８またはその光学系のレンズ素子２２０またはレンズ素子２２０Ｕおよび２２０Ｌの半径を表す。変数ρは正規化動径座標を表し、ρ＝ｒ／Ｒまたはρ＝ｘ／Ｘとして定義され、「Ｘ」は当該光学系のｘ方向の寸法を表す。
【００１６】
また、以下の議論では、説明し易いように、以下で提示して議論する光２１０、光２１１および光２１２などの特定の光に関して、かかる「光」は、当該議論の文脈に応じて、「光ビーム」または「光線」とも呼ぶ。
【００１７】
以下の議論では「実質的にコリメートされた」という用語は、一例において、出射した光ビーム２１２の光線の少なくとも８０％が、少なくとも一つの平面において±５°以下の角度発散を有することを意味し、散乱光に関連する光線を含まない。ある場合では、コリメートされた光というとき、筒状光学系に関連するような、一つの平面のみにおいてコリメートされる光を含む場合があり、別の場合では、非筒状光学系、例えば、球面光学系に関連するような、二つの直交する平面におけるコリメーションを含む場合もある。
【００１８】
表示デバイス
図１は、中心表示軸ＡＤを有する例示的な表示デバイス１０の概略的な部分分解側面図である。表示デバイス１０は、前側１０２を有しかつ一つ以上の発光ユニット１１０のアレイ１０８を含む発光装置１００を含む。各発光ユニット１１０は、実質的にコリメートされた光２１２が放射される前端１１２を有する。発光装置１００および発光ユニット１１０の詳細は、以下でより詳細に提示する。コリメートされた光２１２を用いて、表示デバイス１０用のバックライト照明を形成することができる。
【００１９】
表示デバイス１０は、前側２２および後側２４を有しかつ発光装置１００の前側１０２に隣接して配置される画像表示ユニット２０をさらに含む。表示デバイス１０は、前側３２および後側３４を有しかつ画像表示ユニット２０の前側２２に隣接して配置されるコントラスト強調ユニット３０も含む。一例では、表示デバイス１０は、上面５２を有しかつコントラスト強調ユニット３０の上面３２に隣接して配置される透明カバー５０を含む。この構成では、発光装置１００は直下型バックライトとして機能する。
【００２０】
観察者１２は、透明カバーの上面５２に隣接する観察空間１４から表示デバイス１０を見ている様子が示されている。一例では、観察空間１４は、表示デバイス１０に入射する周囲光１６を含む。
【００２１】
表示デバイス１０の隣り合う構成要素は、例えば、光学透明接着剤によって互いに対して接着されること、ベゼルまたはフレームとの間に空隙を有するか否かは問わずベゼルまたはフレーム内に固定されること、または当該技術において既知であり利用されている別の適切な結合機構によって結合されることを含むいくつかの方法で、互いに対して作用可能に配置することができることが分かるだろう。
【００２２】
画像表示ユニット２０は、発光装置１００から放射されたコリメートされた光２１２が画像表示ユニットに入射するように位置決めされる。画像表示ユニット２０は、表示画素２６のアレイを備える。例えば、表示画素２６のアレイは、所望のサイズの画像を表示するのに適したｘ方向の寸法およびｙ方向の寸法、例えば、幅および長さを有する二次元（２Ｄ）である。各表示画素２６は、表示光２１４を形成するために、コリメートされた光２１２による各表示画素２６の通過を制御するように構成される光弁を備える。
【００２３】
一例では、画像表示ユニット２０はＬＣＤパネルを備え、表示画素２６のアレイは、ＬＣＤセルのアレイを備える。各ＬＣＤセルは、コリメートされた光２１２による各ＬＣＤセルの通過を制御するために開閉するように構成される。一部の実施形態では、各表示画素２６は、複数の副画素（図示せず）に分割され、各副画素は、特化した表示色成分、例えば、赤、緑、または青に関連するため、隣り合う赤、緑、および青の副画素を用いることによってカラー画像が生成できる。一部の実施形態では、コリメートされた光２１２は、表示光２１４が、観察者１２が見ることができる観察可能な画像を定める対応の画像画素２１６を備えるように画像表示ユニット２０の表示画素２６を通過する。一部の実施形態では、画像表示ユニット２０は、一つ以上の偏光層、例えば、入射偏光子および出射偏光子（図示せず）を備える。
【００２４】
コントラスト強調ユニット３０は、画像表示ユニット２０から表示光２１４を受光するように位置決めされる。一部の実施形態では、コントラスト強調ユニット３０は、コントラスト強調シートとして構成される。コントラスト強調シートは、実質的に平ら、すなわち平面状である場合がある。あるいは、コントラスト強調シートは、非平面状である場合がある。例えば、コントラスト強調シートは、湾曲形状、例えば管状に巻かれた形状、例えば一つ以上の縁が曲げられた形状、または別の非平面状の形状に形成できる。一例では、コントラスト強調ユニット３０は、コントラスト強調ユニットの上面３２および下面３４を画定する少なくとも一つの透明基板３１を含む。一例では、基板３１は、５０μｍ≦ＴＨ３１≦３ｍｍの範囲内の厚みＴＨ３１を有する。一例では、基板３１の上面３２は、表面レリーフのディフューザテクスチャ（図示せず）を有することができ、これは、周囲光１６の吸収を促進できるテクスチャを光吸収層３８に付与するだけでなく、以下に提示および議論する開口４０を通過する表示光２１４のさらなる拡散を引き起こすことができる。基板３１の上面３２は、光吸収層３８がコーティングされているとき、周囲光１６を閉じ込めるように作用し、さらに周囲光の背面反射率を減少させる微細構造（図示せず）も有することができる。
【００２５】
一例では、コントラスト強調ユニット３０の下面３４は、光学素子３６のアレイを支持し、上面３２は、開口４０のアレイを含む光吸収層３８を支持する。開口４０は、光学素子３６と軸方向に整列している。例えば、各光学素子３６は、少なくとも一つの開口４０と軸方向に整列している。一例では、開口４０は、５μｍ≦ｗＡ≦５００μｍの範囲内の幅を有する。複数の例において、開口４０は、リソグラフィ法またはアブレーション法を用いて光吸収層３８に形成することができる。一例では、光吸収層３８は、０．５μｍ≦ＴＨ３８≦１００μｍの範囲内の厚みＴＨ３８を有する。開口４０は、円形、楕円形、正方形および矩形を含む任意の合理的な形状を有することができる。
【００２６】
一部の実施形態では、光学素子３６はマイクロレンズを備える。マイクロレンズは、筒状または非筒状のレンチキュラレンズ、球面レンズ、非球面レンズ、別の適切なレンズ形状、またはそれらの組み合わせとして構成できる。例えば、一部の実施形態では、マイクロレンズは、コントラスト強調ユニット３０の幅および／または長さにわたって少なくとも部分的に延在するレンチキュラレンズとして構成される。別の例では、マイクロレンズは、コントラスト強調ユニット３０の幅方向および／または長さ方向に、例えば、２Ｄアレイに散在させた球面レンズとして構成される。それに加えて、またはその代わりに、光学素子３６は、円形、矩形、別の適切な形状、またはそれらの組み合わせを有する。一例では、光学素子は、５０μｍ≦ｗＥ≦５００μｍの範囲内の幅ｗＥを有する。
【００２７】
画像表示ユニット２０を通過する表示光２１４は、下面３４にてコントラスト強調ユニット３０に入り、コントラストが強調された光２１４ＣＥとして上面３２にてこのコントラスト強調ユニットを出る。コントラストが強調された光２１４ＣＥは、コントラストが強調された画像画素２１６ＣＥを含む。コントラストが強調された光２１４ＣＥは、例えば透明カバー５０を通って観察空間１４に入り、観察者１２が見るための観察可能な画像を定める。
【００２８】
一部の実施形態では、画像表示ユニット２０およびコントラスト強調ユニット３０は、光学素子３６が、表示光２１４の画像画素２１６をこのコントラスト強調ユニットの対応の開口４０に集束させるように配置される。例えば、画像表示ユニット２０が透過させる複数の画像画素２１６は、画像画素２１６が光吸収層３８における開口を通過して、観察者１２によって観察可能なコントラストが強調された画素２１６ＣＥからなるコントラストが強調された光２１４ＣＥを形成するように、光学素子３６のアレイによって開口４０のアレイに集束させる。
【００２９】
観察空間１４における、例えば太陽、室内照明、または別の光源からの周囲光１６は、例えば透明カバー５０を通って、コントラスト強調ユニット３０の上面に入射する場合がある。言い換えれば、表示デバイス１０の外側からの周囲光１６は、表示デバイス１０の最上面において表示デバイスに入射する場合がある。光吸収層３８は、開口４０の外側のこの光吸収層に入射するこのような周囲光１６の少なくとも一部を吸収する。周囲光１６のこのような吸収により、吸収された周囲光が、観察可能な画像としてコントラスト強調ユニット３０が放射するコントラストが強調された光２１４ＣＥと干渉しないため、表示デバイス１０のコントラストを増加することができる。
【００３０】
したがって、開口４０が占める面積を比較的小さくすることが有利である場合がある。一部の実施形態では、開口４０は、光吸収層３８の上面３２の表面積の最大約５０％、最大約４０％、最大約３０％、最大約２０％、最大約１０％、最大約５％、または最大約１％を占める。したがって、一例では、光吸収層３８の表面積の大部分が光吸収材料によって占められて周囲光１６を吸収し、表示デバイス１０のコントラストを増加させる。
【００３１】
発光装置
図２Ａおよび図２Ｂは、アレイ１０８における発光ユニット１１０に関して異なる構成を示す発光装置１００の例の平面図である。図２Ａでは、例示的な発光ユニット１１０は、正方形の断面形状を有するものとして、かつ、拡大挿入図に示すように、例示的な支持構造１５０によって画定されるような「正方形の筒状体」すなわち、より正確には、「直方体」の形状であるものとして示されている。図２Ｂでは、例示的な発光ユニット１１０は、円形の断面形状を有するものとして、かつ、拡大挿入図に示すように、概して例示的な支持構造１５０によって画定されるような円形の筒状体の形状であるものとして示されている。
【００３２】
図３Ａは、例示的な発光ユニット１１０の拡大断面図である。一例では、発光ユニット１１０は、上記支持構造１５０を含む。一例では、支持構造１５０は、中心軸ＡＨと、前端１５２にて開放した内部１５１とを有する。前端１５２は、コリメートされた光２１２がこの端部にて支持構造１５０から出射されるため、本明細書では「出射端」とも呼ぶ。支持構造１５０は、端壁１５６および少なくとも一つの側壁１６０を含む。少なくとも一つの側壁１６０は少なくとも一つの側壁内面１６２を有し、端壁１５６は底面１６４を画定する。したがって、支持構造１５０の開放した内部１５１は、前記少なくとも一つの側壁内面１６２および底面１６４によって画定される。支持構造１５０の底面１６４から前端すなわち出射端１５２までの軸方向の距離はＤＨで示され、一例では、５ｍｍ≦ＤＨ≦１００ｍｍの範囲内である。他の形状の支持構造１５０を採用して、以下に提示および説明するように、発光ユニット１１０の主な構成要素、すなわち、光源２００およびフレネル光学系２１８を支持することもできる。一例では、支持構造１５０は、ハウジングを画定する。
【００３３】
発光ユニット１１０は光源２００を含み、光源２００は、一例では、支持構造１５０の内部１５１の底面１６４上に、またはそれに隣接して、かつこの支持構造の中心軸ＡＨに沿って配置することができる。光源２００は、光２１０が放射される上面２０２を有する。光源２００は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、またはＬＥＤのアレイである場合がある。拡大挿入図に示すように、例示的な光源２００は、赤色光、緑色光および青色光をそれぞれ放射するＲ発光素子、Ｇ発光素子およびＢ発光素子などの一つ以上の発光素子２０４を備えることができる。
【００３４】
放射された光２１０は、広い放射分布、例えば、ランバーティアン分布を有することができる。別の例では、光源２００は、この光源から出る際に光２１０の発散を減少させるように機能する小さなレンズ２０６、すなわち、この光が、このマイクロレンズ素子がない場合よりも狭い放射分布を有するようにする小さなレンズ２０６を含むことができる。放射された光２１０は概して発散し、一例では発散半角θＤによって測定される発散量を有する。
【００３５】
発光ユニット１１０は、光源２００から離間した上記フレネル光学系（以下、「光学系」）２１８も含む。一例では、光学系２１８は、支持構造１５０の内部１５１の中に作用可能に配置される。一例では、光学系２１８は、屈折率ｎＬの本体２２１、上面２２２、反対側の下面２２４および外縁２２６を有する単一のレンズ素子２２０によって構成される。上面２２２および下面２２４は、互いに対して概して平行であり、かつ概して平面状であるが、各々がそれぞれの微細構造２３２および２３４を含む（図３Ａにおける上部および下部の拡大挿入図を参照）。光学系２１８および例示的なレンズ素子２２０の設計は以下でより詳細に議論する。上面２２２および下面２２４は、光学系２１８の上面および下面を画定する。
【００３６】
光学系２１８は、下面２２４が、光源２００の上面２０２に隣接するが軸方向の距離ＤＳだけ離間するように内部１５１の中に配置される。一例では、距離ＤＳは、２ｍｍ≦ＤＳ≦２５ｍｍの範囲内であるが、別の例では、５ｍｍ≦ＤＳ≦１５ｍｍの範囲内である。一例では、光学系２１８の上面２２２は、支持構造１５０の出射端１５２と実質的に同一平面上にある。さらに、一例では、レンズ素子２２０の外縁２２６は、支持構造１５０の側壁内面１６２と密接していない場合はその側壁内面にすぐ隣接して存在する。光学系２１８は、したがって、光源２００の上面２０２とレンズ素子２２０の下面２２４の間の内部１５１の中に空隙１５４を画定する。
【００３７】
光学系２１８は、レンズ中心軸（「レンズ軸」）ＡＬ、上面２２２と下面２２４の間で測定される軸方向の長さＬＡ、および幅すなわち有効口径ＣＡも有する。一例では、軸方向の長さＬＡは、５ｍｍ≦ＬＡ≦２０ｍｍの範囲内であり、有効口径ＣＡは、１２ｍｍ≦ＣＡ≦１００ｍｍの範囲内である。一例では、レンズ軸ＡＬおよび支持構造中心軸ＡＨは同軸である。レンズ素子２２０は、レンズ軸ＡＬから半径方向外方に向かって測定される半径Ｒも有するため、ＣＡ＝２Ｒ、すなわちＲ＝ＣＡ／２である。光学系２１８が筒状である例では、Ｒ＝Ｘであり、レンズ軸ＡＬは、中心平面に存在する。一例では、レンズ軸ＡＬは、光学系の軸でもある。
【００３８】
一例では、レンズ素子２２０は、モノリシックである本体２２１、すなわち、単一の等方性材料で作られている本体２２１を有するため、屈折率ｎＬは、この本体の中で実質的に一定である。かかる例では、光学系２１８の軸方向の長さＬＡは、レンズ素子２２０の本体２２１の軸方向の厚みと等しい。別の例では、レンズ素子２２０は、二つ以上の材料で作ることができ、例えば、互いに積層させた異なる屈折率ｎＬ１、ｎＬ２を有する異なる材料の層などを用いて作ることができる。さらに一例では、上面２２２と下面２２４の間の本体２２１の中には空隙がない。一例では、本体２２１は勾配屈折率を有することができ、すなわち、ｎＬが、レンズ軸ＡＬから外方に向かって測定されるときの動径座標ｒまたは正規化座標ρの関数として変化する。場合によっては、単一のモノリシックレンズ素子２２０によって構成される光学系２１８は、このレンズ素子が、上面２２２と下面２２４の良好な軸方向の整列をもたらす方法で単一の成形工程で形成できるため有利である。
【００３９】
図３Ｂに示す別の例では、レンズ素子２２０は、相隔たる第一の上側レンズ素子２２０Ｕと第二の下側レンズ素子２２０Ｌに分割され、それらの間に空隙１５５を有し、上側レンズ素子２２０Ｕと下側レンズ素子２２０Ｌは、それぞれ上面２２２と下面２２４を含む。また、上側レンズ素子２２０Ｕおよび下側レンズ素子２２０Ｌは、それぞれ、本体２２１Ｕおよび本体２２１Ｌと、空隙１５５を挟んで互いに対向する面２２３Ｕおよび面２２３Ｌとを含む。この二つの素子の例では、表示デバイス１０（図１を参照）の製造における利便性のためだけでなく光学的効率の向上のために、「上側の」フレネル面２２２が光源２００に対向し、反対側の平面状の面２２３Ｕが観察者１２に対向して画像表示ユニット２０の下面２４に接着させることができるように、上面２２２とその反対側の面２２３Ｕは入れ換えることができる。以下の議論では、議論の便宜および議論のしやすさのため、図３Ａに示すような単一のレンズ素子２２０を有する光学系２１８の実施形態が参照される。
【００４０】
一例では、レンズ素子２２０または上側レンズ素子２２０Ｕおよび下側レンズ素子２２０Ｌの本体２２１を作製する材料は、アクリル、ポリスチレン、またはポリカーボネートなどの熱可塑性材料またはポリマーである。別の例では、本体２２１はガラス製である。したがって、図３Ａに示すような例では、レンズ素子２２０は、発光ユニット１１０において、光学的な小さなレンズ２０６が採用されている場合はそのレンズを除けば唯一のレンズ素子であり、したがって、一例では、光源２００の上面２０２と支持構造１５０の前端１５２の間に存在する唯一の屈折レンズ素子である。レンズ素子２２０が、図３Ｂに示すような二つの離間したレンズ素子２２０Ｕおよび２２０Ｌに分割される例の場合、一例では、発光ユニット１１０にはこのような屈折レンズ素子が二つしか存在しない。
【００４１】
上記のように、また図３Ａの拡大挿入図に示すように、光学系２１８の上面２２２と下面２２４はそれぞれ微細構造２３２と微細構造２３４を含む。一例では、微細構造２３２と２３４は、それぞれ、従来のフレネルレンズと類似の小さなプリズム部分すなわち「マイクロプリズム」２４２と２４４によって画定される。様々な例において、マイクロプリズム２４２および２４４は、線状、筒状、非筒状または円形である場合がある。マイクロプリズム２４２および２４４が線状の場合、光学系２１８の線状の焦線に一つ以上の光源２００が配置できる。マイクロプリズム２４２および２４４が円形の場合、光源２００は、光学系２１８の焦点に配置できる。一例では、マイクロプリズム２４２および２４４は、２５μｍから１５０μｍの範囲内の幅ｗＰ（底辺にて測定）を有する。
【００４２】
光学系２１８は、一種の両面フレネル光学系とみなすことができる。光学系２１８の単一のレンズの実施形態では、単一のレンズ素子２２０は、両面フレネルレンズ素子である。しかし、従来のフレネルレンズとは異なり、マイクロプリズム２４２および２４４は、単純な球面の分割にも単純な非球面の分割にも基づいていない。実際、上面２２２または下面２２４のいずれかに対応する使用可能な同等の単一面は存在しないが、それは、かかる表面が、レンズ厚みの過剰な増大（例えば、軸方向の長さＬＡの二倍）を招き、特定の場合においては、その面の特定の領域が照明されるのを妨げる表面トポグラフィを有することになるからである。
【００４３】
以下により詳細に説明するように、上面２２２から出る光が実質的に均一になるように、すなわち、中心でより明るくなることがなく、縁でより暗くなることがなく、むしろ実質的に一定の放射発散度を有するように、光２１０を下面２２４によってマッピングまたは方向転換させる。一例では、上面２２２から出るコリメートされた光２１２の放射発散度は、平均（ａｖｅｒａｇｅ）放射発散度（例えば、平均（ｍｅａｎ）放射発散度）の±１０％以内で均一であり、さらに一例では、平均（ａｖｅｒａｇｅ）放射発散度の±８％以内で均一であり、さらに別の一例では、平均（ａｖｅｒａｇｅ）放射発散度の±４％以内で均一である。
【００４４】
図４Ａは、光学系２１８の下面２２４上の例示的な微細構造２３４の断面図である。完全に屈折性のマイクロプリズムでは別の場合には光学的に損失が大きくかつ効率が悪くなるが、微細構造２３４のマイクロプリズム２４４は、レンズ軸ＡＬ付近の第一の領域すなわち内側領域Ｒ１では屈折性のみであるように構成され、このレンズ軸からより遠くに離れた第二の領域すなわち外側領域Ｒ２におけるマイクロプリズムは、屈折と全反射（ＴＩＲ）の両方を用いて作用するように構成される。したがって、この外側領域の第一のマイクロプリズムは第一の外側マイクロプリズムを備え、この下面の内側領域は第一の内側マイクロプリズムを備える。それに加えて、またはその代わりに、この外側領域の第一の微細構造は第一の外側微細構造を備え、この下面の内側領域は第一の内側微細構造を備える。内側領域Ｒ１と外側領域Ｒ２の間の遷移は、正規化遷移半径ρＴで発生し、この正規化遷移半径ρＴは、一例では、０．６≦ρＴ≦０．８の範囲内であり、別の例では、０．６６≦ρＴ≦０．７５の範囲内である。
【００４５】
微細構造２３４の別の例では、内側領域Ｒ１における下面２２４の部分は平滑すなわち連続しており、すなわち、マイクロプリズム２４４を含有しない。一例では、内側領域Ｒ１における平滑すなわち連続する面２２４は、別の場合にはこの領域に存在する微細構造２３４と同等の曲率（特に、凹面曲率）を有することができる。これが内側領域Ｒ１において可能であるのは、この領域におけるマイクロプリズム２３４の傾きが外側領域Ｒ２における傾きほど大きくないためである。したがって、光学系２１８（および特定の例ではレンズ素子２２０）の一例では、下面２２４は、外側領域Ｒ２のみにおいてマイクロプリズム２４４を含み、これらのプリズムは、屈折とＴＩＲの両方を用いて作用し、内側領域Ｒ１と外側領域Ｒ２を画定する遷移半径ρＴは、内側領域Ｒ１もマイクロプリズム２４４を含む場合に関して直前に議論したように画定される。
【００４６】
図４Ｂは、レンズ素子２２０の外側領域Ｒ２における微細構造２３４の例示的なマイクロプリズム２４４の拡大図であり、レンズ軸ＡＬに対して、すなわち、ｚ方向に対して比較的急な入射角を有する光２１０が、第一の屈折によって方向転換して第一の方向に進み、次にＴＩＲによって再び方向転換して、第二の方向に進む第一の方向転換光２１１を形成する様子を示す。
【００４７】
図４Ｃは、レンズ素子２２０の内側領域Ｒ１における微細構造２３４の例示的なマイクロプリズム２４４の拡大図であり、レンズ軸ＡＬに対して、すなわち、ｚ方向に対して比較的浅い入射角を有する光２１０が、一回の屈折によって方向転換して第一の方向転換光２１１を形成する様子を示す。
【００４８】
レンズ本体２２１の中を進む方向転換光２１１は、コリメートされた光として上面に到達しない。したがって、上面２２２の微細構造２３２は、第一の方向転換光２１１を受光して第二の方向転換光２１２を形成するように構成される。第二の方向転換光２１２は、実質的にコリメートされかつ実質的に均一であり、支持構造１５０の前端すなわち出射端１５２を出る。第二の方向転換光２１２は、したがって、実質的にｚ方向に、すなわち、レンズ軸ＡＬに対して実質的に平行に進むため、本明細書では「コリメートされた光」２１２とも呼ぶ。
【００４９】
一例では、光学系２１８の上面２２２上の微細構造２３２のマイクロプリズム２４２は、全て屈折性のみであるように構成され、すなわち、いずれもＴＩＲを用いて作用しない。さらに、微細構造２３２は、上面２２２が、レンズ軸ＡＬのごく近傍、例えば、ρＬ＜０．１５・ρの正規化半径内では、ほぼゼロの屈折力を有するように構成されるが、これは、このレンズ軸付近の光源２００が放射する光２１０、すなわち、近軸光が、既に概してｚ方向に進んでいるため、それに対応する第一の方向転換光２１１もｚ方向に概して進むからである。
【００５０】
同様に、上面２２２は、レンズ縁２２６付近、例えば、０．８５≦ρＥ≦１の範囲内の正規化半径範囲ρＥ内ではほぼゼロの屈折力を有するが、これは、第一の方向転換光２１１としてレンズ外縁２２６付近の箇所にマッピングされる光２１０も下側面２２４によって実質的にコリメートされているからである。したがって、上面２２２の微細構造２３２は、内側の正規化半径ρ１と外側の正規化半径ρ２の間の環状領域ＡＲにおいて最大屈折力を有するように構成され、ρ１は０．１≦ρ１≦０．２の範囲内であり、ρ２は０．８≦ρ２≦０．９の範囲内である。一例では、環状領域ＡＲの正規化した環状の幅は、ＷＡ＝ρ２−ρ１であり、０．６≦ＷＡ≦０．８の範囲内である（図３Ａを参照）。
【００５１】
なお、微細構造２３２および２３４は、単一の方向、すなわち、ｙ方向またはｘ方向に画定することができ、または二方向、すなわち、ｘ方向とｙ方向の両方に画定することができる。前者の場合、微細構造は線状であり、後者の場合は、微細構造は二次元、例えば、円形である。したがって、ある場合では、上記のように、コリメートされた光２１２は、単一の平面（例えば、ｘ‐ｚ平面またはｙ‐ｚ平面）においてコリメートされる場合があり、またある場合では、ｘ‐ｚ平面およびｙ‐ｚ平面の両方においてコリメートされる場合がある。また、微細構造２３２と２３４および関連のマイクロプリズム２４２と２４４は、当該技術において既知の技術を用いて、上面２２２と下面２２４にそれぞれ形成された溝２３２Ｇと２３４Ｇによって画定することができる。
【００５２】
図５Ａは、図３Ａに示すものと類似の例示的な発光ユニット１１０の側面図であり、光源２００が放射する光線２１０の理想的な光路を含む。光線２１０、方向転換光線２１１およびコリメートされた光線２１２の光路は、本体２２１だけでなく上面２２２および下面２２４からも光学的損失がないと仮定する。光源２００からの光２１０は、比較的大きな角度範囲にわたって、例えば、ＬＥＤ光源では±６０°で放射され、この角度範囲にわたって均一である必要はない。光線２１０は発散光路を進み、下面２２４に入射する。下面２２４における光線２１０の間隔はＳＬ（ｒ）で表す。光線間隔ＳＬ（ｒ）は半径ｒとともに変化し、特に、ｒが増加するにつれて大きくなる。これは、光２１０が下面２２４では不均一であり、実際、レンズ軸ＡＬ上に最大集光度を有し、半径の増加とともに減衰することを意味する。
【００５３】
上記のように、下面２２４は、上面２２２にて実質的に均一な光の分布ではあるがコリメートされた光の分布は生じない方法で、下面２２４に入射する不均一な光線２１０を方向転換して、上面２２２まで進む第一の方向転換光２１１を形成するように下面２２４における微細構造２３４を介して構成される。上面２２２における光線２１１の間隔はＳＵ（ｒ）で表す。この理想的な例では、光線間隔ＳＵ（ｒ）は、半径によらず実質的に一定である、すなわち、ＳＵ（ｒ）＝ＳＵであり、各光線２１１は同量の放射発散度を示す。光線２１０間のこの実質的に一定の間隔は、上面２２２における光２１１が実質的に均一である、すなわち、実質的に均一な放射発散度を有することを意味する。
【００５４】
上面２２２は、第一の方向転換光２１１をコリメートして、第二の方向転換光、すなわち、コリメートされた光２１２を形成するように微細構造２３２を介して構成される。したがって、この理想的な例では、下面２２４は、上面２２２上の等間隔の箇所に到達する方向転換光２１１として光２１０を「マッピングする」ということができ、次に上面２２４が、これらの等間隔ではあるがコリメートされていない光線２１１を受光して、そこから、コリメートされた光（線）２１２を形成するように構成される。このマッピングを達成するために、下面２２４は、上記の内側領域Ｒ１および外側領域Ｒ２を有するように形成され、内側領域Ｒ１は、屈折性のみの微細構造２３４を含み、外側領域は、屈折性でありＴＩＲでもある微細構造を含む。
【００５５】
図５Ｂは図５Ａに類似であり、上面２２２および下面２２４にて損失がある（本体２２１内の損失はごく僅かなので無視する）非理想的であってより現実的な場合を描写する。これらの損失は、これらの面での反射によって生じ、これらの反射は、これらの面のそれぞれの微細構造２３２と２３４の構成により、特に、それぞれの微細構造２３２と２３４を成すそれぞれのマイクロプリズム２４２と２４４の異なる角度により変化する。したがって、方向転換光２１１の光線間隔ＳＵ（ｒ）は、上面２２２にて一定ではなく、むしろ変化して、これらの上面と下面の両方で発生する光学的損失を補償する。上面２２２から出る様子が示されている光線２１２はコリメートされているが、図５Ｂでは、損失が最も大きいレンズ素子２２０の外縁２２６に近づくにつれてより密に集光しているものとして示されている。しかし、図５Ｂでは、上面２２２から出てコンピュータシミュレーションによって生じる光線２１２は、全てが同一の強度を有してはおらず、より密に集光した光線ほど強度も弱まり、正味の効果は、実質的に均一かつコリメートされた光ビーム２１２である。
【００５６】
図５Ｃは図５Ｂに類似であり、光線２１２を等しい強度を得たものとして示す。上面２２２から出る光線２１２はコリメートも均一化もされているため、等強度の光線２１２は、実質的に一定である間隔Ｓ'Ｕ（ｒ）＝Ｓ'Ｕ、すなわち、理想的な一例の図５Ａに示す間隔ＳＵ（ｒ）＝ＳＵのような間隔を有する。
【００５７】
したがって、発光ユニット１１０の光学系２１８は、コリメートレンズであるだけでなく光均一化素子でもあり、すなわち、「本質的に備わる」光均一化特性を含み、これは、従来の発光素子では、ディフューザまたは光ホモジナイザなどの別体の光を均一化するデバイスまたは素子によって行う必要がある。
【００５８】
図６は、発光ユニット１１０の光学系２１８の上面２２２、および図１に示すようにこの上面に隣接して配置される画像表示ユニット２０およびコントラスト強調ユニット３０の拡大断面図である。図６は、下面２２４（図３Ａを参照）からの光２１０が、コリメートされた光２１２を形成する上面２２２に方向転換光２１１として案内される様子を示す。コリメートされた光２１２は、表示ユニット２０の表示画素２６を通過して表示光２１４および画像画素２１６を形成する。表示光２１４および画像画素２１６は、次にコントラスト強調ユニット３０を通過して、コントラストが強調された表示光２１４ＣＥおよびコントラストが強調された画像画素２１６ＣＥを形成する。
【００５９】
図７Ａは図３Ａと類似であり、光源２００が、光源２００の上面２０２に隣接して配置されるコレクタ光学系２０８を含む例示的な実施形態を示す。コレクタ光学系２０８は出射端２０９を有する。コレクタ光学系２０８は、光源２００から放射された光２１０を捕集（集光）し、かつ、出射端２０９から出る際に、光２１０の発散をより小さくするように、すなわち、発散量を減少するように構成される。一例では、コレクタ光学系２０８は、例えば、放物面リフレクタまたは複合放物面集光器などのコレクタミラーの形状である。一例では、コレクタ光学系２０８は、レンズ軸ＡＬに対して回転対称であり、別の例では、複数の、例えば、四つの放物面状の側面、すなわち、複数のファセットを含む。一例では、コレクタ光学系２０８は、このコレクタ光学系が光源２００と光学的に接触するように光源に接着される。コレクタ光学系２０８は、中空または中実とすることができ、ガラスまたはポリマーから作製できる。一例では、コレクタ光学系２０８は、単一の光学部品、例えば、単一のミラー型リフレクタによって構成することができる。一例では、コレクタ光学系２０８は、ＴＩＲによって作用する。
【００６０】
図７Ｂは図７Ａと類似であって、光２１０がコレクタ光学系２０８の出射端２０９から発光ユニット１１０の出射端１５２へ進むときの光２１０のコンピュータシミュレーションした光線追跡を含む。なお、出射端１５２にて出射する光線２１２の一部は発散し、散乱光を表している。
【００６１】
図７Ａおよび図７Ｂに示すようなコレクタ光学系２０８は、大きい方の端部に入る光を集光するのではなく、その代わりに光源２００の上面２０２にすぐ隣接して存在する狭い方の端部から入る光２１０を集光するように働く「反転」モードで作用している。ＬＥＤ光源２００は、約６０°の半角θＤを有する実質的にランバーティアンな出射を有する。したがって、ＬＥＤ光源２００からの光２１０は、コレクタ光学系２０８によって集光されて、θＤ＝±２０°以下の半角を有する光になる。したがって、コレクタ光学系２０８の使用により、光２１０の発散がより小さくなるため、支持構造１５０に関して幅をより小さくすることができる。例示的な発光ユニット１１０に関する光スループットの測定値は、コレクタ光学系２０８の使用により、従来の発光ユニットと比べて最大７０％光スループットを向上できることを示している。コレクタ光学系２０８を用いない例示的な発光ユニット１１０に関する光スループットの測定値は、従来の発光ユニットと比べて最大３０％光スループットを向上させた。
【００６２】
図８は図３Ａと類似であり、単一の発光ユニット１１０が、２００Ａおよび２００Ｂで表される二つの離間した光源２００を含む例示的な一実施形態を示す。光学系２１８は、上記した上面２２２および下面２２４を含むが、これらの面の各々が、ここでは、対応する光源２００Ａ、２００Ｂとそれぞれの光源軸ＡＳＡとＡＳＢに沿ってそれぞれ整列するそれぞれ一組の微細構造２３２Ａ、２３２Ｂと２３４Ａ、２３４Ｂを含む。したがって、図８に示す単一のレンズの例では、レンズ素子２２０は、レンズ軸ＡＬの片側に二つの部分２２０Ａおよび２２０Ｂを有するものと考えることができ、レンズ部分２２０Ａは、上側微細構造２３２Ａおよび下側微細構造２３４Ａを有し、レンズ部分２２０Ｂは、上側微細構造２３２Ｂおよび下側微細構造２３４Ｂを有する。他の例では、特定の発光ユニット１１０に三つ以上の光源２００を含むことができ、光学系２１８は、その与えられた数の光源を収容するために対応する部分２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃのように構成される。
【００６３】
光学系の設計上の考慮事項
光学系２１８の設計はいくつかの考慮事項を伴い、一例では、いくつかのステップを伴う。ある設計上の考慮事項は、レンズ材料およびレンズ材料の厚みの選択を伴う。上記のように、例示的なレンズ材料は、アクリルなどの熱可塑性物質である。この材料の選択により、光学系２１８は、圧縮成形法または射出成形法によって大量生産することが可能になる。
【００６４】
少なくとも一つのレンズ素子２２０の厚みは、光２１２に関して所望の出射均一性を得るために下面２２４で行わなければならないマッピング量に大きく関連しており、マッピング量が多いほど大きなレンズ厚みを要する。レンズ素子の厚みを選択するための大体の目安は、レンズ素子２２０内の第一の方向転換光２１１の最大角度を推定し、この角度を２で割ることである。光２１１の発散角がレンズ軸ＡＬに対して最大で約２５°である例では、レンズ素子の厚みに関する例示的な値は約１２ｍｍである。
【００６５】
この設計プロセスにおける別のステップは、下面２２４の微細構造２３４が屈折性から屈折性とＴＩＲの両方に変化する正規化遷移半径ρＴを推定することを含む。第一近似として、遷移半径ρＴは、遷移平面の外側の光源からの光束が、遷移平面の内側の光源からの光束と等しい箇所であり、下面２２４のすぐ上かつ本体２２１のすぐ内側である。これは、下面２２４の透過率も考慮に入れなければならないことを意味する。上記のように、遷移半径ρＴの例示的な位置は、０．６≦ρＴ≦０．８の範囲内、または０．６５≦ρＴ≦０．７５の範囲内である。
【００６６】
この設計プロセスにおける別のステップは、下面２２４上で一定の透過率の理想的な仮定を行う。この仮定を前提とすると、下面２２４の設計目標は、図５Ａに示すように、上面２２２において均一な放射発散度を生じることである。次に、光線２１０の推定した所要のマッピングに基づき、下面２２４の微細構造２３４の最初の選択が行われる。
【００６７】
次に、光線追跡を用いて光学系２１８のコンピュータモデリングが行われて、第一の方向転換させた光線２１１に基づき上面２２２に存在する不均一性の度合いを決定する。計算した不均一性に基づき、下面２２４のマイクロプリズム２４４の傾きが調整され、このプロセスは、所望の均一性が得られるまで繰り返す。
【００６８】
上面２２２にて、またはこの面のすぐ下で良好な均一性が得られた後、次に、この上面にて、例えば、この面のすぐ上の平面にて、出射する光２１２に関しても良好な均一性をなしてもよく、同時に、かかる均一な光はコリメートされてもよい。上面２２２上の各マイクロプリズム２４２にて上面２２２に入射する第一の方向転換光２１１のマッピング関数、すなわち、入射角が分かっていれば、微細構造２３２はコンピュータモデリングに組み込むことができる。微細構造２３２のマイクロプリズム２４２の傾きは上面２２２上で変化するため、透過率も変化することになり、出射光は不均一になる。
【００６９】
出射光２１２の不均一性を特徴付けした後、下面２２４の微細構造２３４のマイクロプリズム２４４の傾きが調整され、もう一度光線追跡が行われる。出射光２１２のコリメーションが減少する場合、上面２２２の微細構造２３２のマイクロプリズム２４２の傾きが調整され、もう一度光線追跡が行われる。マイクロプリズム２４２および２４４の傾きを調整するこのサイクルは、出射光２１２における所望の度合いの出射均一性およびコリメーションが得られるまで繰り返す。
【００７０】
一例として、下面２２４の屈折マイクロプリズム２４４の傾きＳは、次の係数を有する八次多項式で記述することができる。
【００７１】
【表１】
2018536270.tif 000003
【００７２】
傾きＳ（度）は、Ｓ＝ＬＳＲ０＋ＬＳＲ１ρ＋ＬＳＲ２ρ２＋ＬＳＲ３ρ３＋…＋ＬＳＲ８ρ８によって与えられ、ρは、正規化動径座標の大きさを表し、０と１の間にある。図９Ａは、上記八次多項式に基づく屈折マイクロプリズム２４４に関する傾きＳ（度）と正規化動径座標ρの関係を表す図である。
【００７３】
同様に、下面２２４の屈折かつＴＩＲのマイクロプリズム２４４の傾きは、次の係数を有する三次多項式で記述することができる。
【００７４】
【表２】
2018536270.tif 000004
【００７５】
傾きＳ（度）は、Ｓ＝ＬＳＴ０＋ＬＳＴ１ρ＋ＬＳＴ２ρ２＋ＬＳＴ３ρ３である。図９Ｂは図９Ａと類似だが、上記三次多項式に基づく屈折かつＴＩＲのマイクロプリズム２４４の傾きに関する。
【００７６】
また、一例において、上面２２２のマイクロプリズム２４２の傾きＳは、次の係数を有する十四次多項式で記述することができる。
【００７７】
【表３】
2018536270.tif 000005
【００７８】
傾きＳ（度）は、Ｓ＝ＵＳ０＋ＵＳ１ρ＋ＵＳ２ρ２＋ＵＳ３ρ３＋…＋ＵＳ１４ρ１４である。図９Ｃは図９Ａおよび図９Ｂと類似であり、上記十四次多項式に係るマイクロプリズム２４２の傾きＳを示す。
【００７９】
一例では、光学系２１８の下面２２４の設計は、光源２００の放射プロファイル、マイクロプリズム２４４の表面積、抜き勾配面による光損失、およびマイクロプリズム２４４のフレネル反射および透過率を考慮し、これらは全て、均一性に影響を及ぼし得る。上記のように、放射プロファイルは均一である必要はなく、放射プロファイルは、十分に特徴を明らかにすることができる限り、実質的にコリメートされかつ実質的に均一な光ビーム２１２を出射するように光学系２１８を設計する際に補償されることができる。
【００８０】
当業者には、本開示の精神または範囲から逸脱することなく様々な修正および変形が可能であることが明らかになるだろう。したがって、本開示は、添付の請求項およびその均等物を考慮することなく制限することはできない。
【００８１】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００８２】
実施形態１
発散光を放射する少なくとも一つの光源と、
当該光源に対して作用可能に配置される光学系と
を備える発光ユニットであって、
前記光学系は、中心レンズ軸と、単一のレンズ素子のみまたは第一および第二の相隔たるレンズ素子のみのいずれかとを備え、当該光学系は、ｉ）前記光源に隣接しかつそこから離間しており、前記発散光を受光し、当該発散光から第一の方向転換光を形成する下面と、ｉｉ）前記第一の方向転換光を受光し、当該第一の方向転換光から第二の方向転換光を形成する上面とをさらに備え、
前記下面は、０．６≦ρＴ≦０．８の範囲内である正規化遷移半径ρＴによって画定される内側領域および外側領域を備え、当該外側領域は、前記発散光の屈折と全反射の両方を行って当該発散光から前記第一の方向転換光を形成する第一のマイクロプリズムを備え、
前記上面は、前記第一の方向転換光を受光し、当該第一の方向転換光から、実質的にコリメートされた前記第二の方向転換光であって、当該第二の方向転換光の平均（ａｖｅｒａｇｅ）放射発散度の±８％以内で均一である放射発散度を有する第二の方向転換光を形成する第二のマイクロプリズムを備える、
発光ユニット。
【００８３】
実施形態２
前記外側領域の前記第一のマイクロプリズムは第一の外側マイクロプリズムを備え、前記下側表面の前記内側領域は、屈折のみによって作用する第一の内側マイクロプリズムを備える、実施形態１記載の発光ユニット。
【００８４】
実施形態３
前記下面の前記内側領域は平滑である、実施形態１記載の発光ユニット。
【００８５】
実施形態４
前記光源および前記光学系を作用可能に支持する支持構造をさらに備える、実施形態１から３のいずれかに記載の発光ユニット。
【００８６】
実施形態５
前記光学系は前記単一のレンズ素子によって構成され、当該単一のレンズ素子は、前記上面および前記下面を画定するモノリシックな本体を有する、実施形態１から４のいずれかに記載の発光ユニット。
【００８７】
実施形態６
前記モノリシックな本体は、熱可塑性物質、ポリマー、ガラス、またはそれらの組み合わせによって構成される、実施形態５記載の発光ユニット。
【００８８】
実施形態７
前記モノリシックな本体は、５ｍｍ≦ＬＡ≦２０ｍｍの範囲内の軸方向の長さＬＡを有し、１２ｍｍ≦ＣＡ≦１００ｍｍの範囲内の有効口径ＣＡを画定する、実施形態５または６記載の発光ユニット。
【００８９】
実施形態８
前記光学系の前記下面は、５ｍｍ≦ＤＳ≦１５ｍｍの範囲内の距離ＤＳだけ前記光源の上面から離間している、実施形態７記載の発光ユニット。
【００９０】
実施形態９
前記第一および第二のマイクロプリズムは、それぞれ２５μｍ≦ＷＰ≦１５０μｍの範囲内の幅ＷＰを有する底辺を有する、実施形態１から８のいずれかに記載の発光ユニット。
【００９１】
実施形態１０
前記光源からの前記発散光は発散量を有し、当該発光ユニットは、当該光源にすぐ隣接して作用可能に配置されるコレクタ光学系であって、当該光源からの前記発散光が前記下面に入射する前に当該発散光の前記発散量を減少させるように構成されるコレクタ光学系をさらに備える、実施形態１から９のいずれかに記載の発光ユニット。
【００９２】
実施形態１１
前記コレクタ光学系は、単一のコレクタミラーによって構成される、実施形態１０記載の発光ユニット。
【００９３】
実施形態１２
前記少なくとも一つの光源は複数の発光素子を含む、実施形態１から１１のいずれかに記載の発光ユニット。
【００９４】
実施形態１３
前記少なくとも一つの光源は、前記中心レンズ軸に沿って作用可能に配置される単一の光源によって構成される、実施形態１から１１のいずれかに記載の発光ユニット。
【００９５】
実施形態１４
実施形態１から１３のいずれかに記載の発光ユニットのアレイを備える発光装置。
【００９６】
実施形態１５
観察空間における観察者によって観察可能な表示デバイスであって、
実施形態１４記載の発光装置と、
当該発光装置にすぐ隣接して作用可能に配置される画像表示ユニットと、
当該画像表示ユニットにすぐ隣接して作用可能に配置されるコントラスト強調ユニットと
を備える表示デバイス。
【００９７】
実施形態１６
前記画像表示ユニットは表示画素のアレイを備え、
前記コントラスト強調ユニットは、内部に開口が形成された光吸収層と、前記開口から離間し、前記開口とそれぞれ軸方向に整列する光学素子とを備え、
前記発光装置からの前記第二の方向転換光は、前記表示画素を通過して表示光を形成し、
当該表示光は、前記光学素子および前記光吸収層の前記開口を通過して、前記観察空間へと透過させるコントラストが強調された表示光を形成する、
実施形態１５記載の表示デバイス。
【００９８】
実施形態１７
前記コントラスト強調ユニットは、上面および下面を有するガラス基板を備え、前記光吸収層は、当該基板の前記上面上に形成され、前記光学素子は、当該基板の前記下面上に形成される、実施形態１６記載の表示デバイス。
【００９９】
実施形態１８
前記画像表示ユニットとは反対側で前記コントラスト強調ユニットにすぐ隣接して作用可能に配置される透明カバーをさらに備える、実施形態１５から１７のいずれかに記載の表示デバイス。
【０１００】
実施形態１９
実質的にコリメートされかつ実質的に均一な光を放射する発光ユニットであって、当該発光ユニットは、
中心支持構造軸と、出射端を画定する開放した前端と、当該開放した前端にて開放しかつ底面および少なくとも一つの側壁によって画定される内部とを有する支持構造と、
前記底面上または当該底面に隣接して配置される光源であって、発散光を放射する光源と、
前記支持構造の内部に配置される単一のモノリシックレンズ素子とを備え、該レンズ素子は、
ｉ）中心レンズ軸と、
ｉｉ）前記光源に隣接しかつ当該光源から離間している下面であって、前記発散光を受光し、当該発散光から第一の方向転換光を形成する下面と、
ｉｉｉ）前記出射端に存在するまたは当該出射端に隣接する上面であって、前記第一の方向転換光を受光し、当該第一の方向転換光から第二の方向転換光を形成する上面と
を備え、
前記下面は、０．６≦ρＴ≦０．８の範囲内である正規化遷移半径ρＴによって画定される内側領域および外側領域を含む第一の微細構造を備え、当該内側領域内の当該第一の微細構造は、前記発散光を屈折させるのみであり、当該外側領域内の当該第一の微細構造は、前記発散光の屈折と全反射の両方を行って前記第一の方向転換光を形成し、
前記上面は、前記第一の方向転換光を受光し、当該第一の方向転換光から、実質的にコリメートされた第二の方向転換光であって、当該第二の方向転換光の平均（ａｖｅｒａｇｅ）放射発散度の±８％以内で均一である放射発散度を有する第二の方向転換光を形成する第二の微細構造を備える、発光ユニット。
【０１０１】
実施形態２０
前記第一および第二の微細構造は、それぞれマイクロプリズムを備える、実施形態１９記載の発光ユニット。
【０１０２】
実施形態２１
前記支持構造は筒状であり、正方形または円形の断面を有する、実施形態１９または２０記載の発光ユニット。
【０１０３】
実施形態２２
前記光源の上面にすぐ隣接して作用可能に配置されるコレクタ光学系をさらに備える、実施形態１９から２１のいずれかに記載の発光ユニット。
【０１０４】
実施形態２３
実施形態１９から２２のいずれかに記載の発光ユニットのアレイを備える発光装置。
【０１０５】
実施形態２４
観察空間における観察者によって観察可能な表示デバイスであって、
実施形態２３に記載の発光装置と、
当該発光装置にすぐ隣接して作用可能に配置される画像表示ユニットと、
当該画像表示ユニットにすぐ隣接して作用可能に配置されるコントラスト強調ユニットと
を備える表示デバイス。
【０１０６】
実施形態２５
前記画像表示ユニットは表示画素のアレイを備え、
前記コントラスト強調ユニットは、内部に開口が形成された光吸収層と、前記開口から離間し、前記開口とそれぞれ軸方向に整列する光学素子とを備え、
前記発光装置からの前記第二の方向転換光は、前記表示画素を通過して表示光を形成し、
当該表示光は、前記光学素子および前記光吸収層の前記開口を通過して、前記観察空間へと透過させるコントラストが強調された表示光を形成する、
実施形態２４記載の表示デバイス。
【０１０７】
実施形態２６
前記コントラスト強調ユニットは、上面および下面を有するガラス基板を備え、前記光吸収層は、当該基板の前記上面上に形成され、前記光学素子は、当該基板の前記下面上に形成される、実施形態２５記載の表示デバイス。
【０１０８】
実施形態２７
前記画像表示ユニットとは反対側で前記コントラスト強調ユニットにすぐ隣接して作用可能に配置される透明カバーをさらに備える、実施形態２５または２６記載の表示デバイス。
【０１０９】
実施形態２８
上面および下面を有するモノリシックな本体を有する単一のレンズ素子を用いることにより発散光を放射する少なくとも一つの光源から実質的にコリメートされかつ実質的に均一な光ビームを形成する方法であって、
０．６≦ρＴ≦０．８の範囲内である正規化遷移半径ρＴによって画定される内側領域および外側領域を備える前記下面であって、当該下面の当該外側領域が第一の微細構造を備える当該下面にて前記発散光を受光するステップと、
前記下面の前記内側領域では前記発散光を屈折させるのみによって、かつ当該下面の前記外側領域では当該発散光を屈折および全反射することによって、当該下面にて、前記モノリシックな本体の中を前記上面まで進む第一の方向転換光を前記発散光から形成するステップと、
前記光ビームを画定しかつ実質的にコリメートされた第二の方向転換光であって、当該第二の方向転換光の平均（ａｖｅｒａｇｅ）放射発散度の±８％以内で均一である放射発散度を有する第二の方向転換光を、屈折性のみである前記上面上の第二の微細構造を用いて、当該上面にて前記第一の方向転換光から形成するステップと
を備える方法。
【０１１０】
実施形態２９
前記第一の微細構造は第一の外側マイクロプリズムを備え、前記下面の前記内側領域は第一の内側マイクロプリズムを備える、実施形態２８記載の方法。
【０１１１】
実施形態３０
バックライト照明を形成するために複数の光ビームを形成および結合するステップをさらに備える、実施形態２８または２９記載の方法。
【０１１２】
実施形態３１
表示光を形成するために、前記バックライト照明を、表示画素を備える画像表示ユニットに通すステップと、
コントラストが強調された表示光を形成するために前記表示光をコントラスト強調ユニットに通すステップと
をさらに備える、実施形態３０記載の方法。
【符号の説明】
【０１１３】
１０  表示デバイス
１２  観察者
１４  観察空間
１６  周囲光
２０  画像表示ユニット
２２  前側
２４  後側（下面）
２６  表示画素
３０  コントラスト強調ユニット
３１  透明基板
３２  上面
３４  下面
３６  光学素子
３８  光吸収層
４０  開口
５０  透明カバー
５２  上面
１００  発光装置
１０２  前側
１０８  アレイ
１１０  発光ユニット
１１２  前端
１５０  支持構造
１５１  内部
１５２  前端（出射端）
１５４、１５５  空隙
１５６  端壁
１６０  側壁
１６２  側壁内面
１６４  底面
２００、２００Ａ、２００Ｂ  光源
２０２  上面
２０４  発光素子
２０６  レンズ
２０８  コレクタ光学系
２０９  出射端
２１０  光
２１１  第一の方向転換光
２１２  コリメートされた光
２１４  表示光
２１４ＣＥ  コントラストが強調された光
２１６  画像画素
２１６ＣＥ  コントラストが強調された画像画素
２１８  フレネル光学系
２２０  レンズ素子
２２０Ａ、２２０Ｂ  レンズ部分
２２０Ｕ  上側レンズ素子
２２０Ｌ  下側レンズ素子
２２１、２２１Ｕ、２２１Ｌ  本体
２２２  上面
２２３Ｕ、２２３Ｌ  面
２２４  下面
２２６  外縁
２３２、２３４、２３２Ａ、２３２Ｂ、２３４Ａ、２３４Ｂ  微細構造
２３２Ｇ、２３４Ｇ  溝
２４２、２４４  マイクロプリズム
ＡＲ  環状領域
ＡＤ  中心表示軸
ＡＨ  支持構造中心軸
ＡＬ  レンズ軸
ＡＳＡ、ＡＳＢ  光源軸
ＣＡ  有効口径
ＤＨ  支持構造の底面から前端（出射端）までの軸方向の距離
ＤＳ  光源の上面から光学系の下面までの軸方向の距離
ＬＡ  光学系の上面と下面の間の軸方向の長さ
ｎＬ１、ｎＬ２  屈折率
Ｒ  光学系（レンズ素子）の半径
Ｒ１  内側領域（第一の領域）
Ｒ２  外側領域（第二の領域）
Ｓ  傾き
ＳＵ（ｒ）  光学系の上面における光線間隔
Ｓ'Ｕ（ｒ）  コリメートされた光の間隔
ＳＬ（ｒ）  光学系の下面における光線間隔
ＴＨ３８  光吸収層の厚み
ＴＨ３１  基板の幅
ｗＡ  開口の幅
ｗＥ  光学素子の幅
ＷＡ  環状領域の幅
ＷＰ  マイクロプリズムの幅
θＤ  発散半角
ρＥ、ρＴ  正規化遷移半径
ρ１  内側の正規化半径
ρ２  外側の正規化半径
【図１】
2018536270.tif 000006
【図２Ａ】
2018536270.tif 000007
【図２Ｂ】
2018536270.tif 000008
【図３Ａ】
2018536270.tif 000009
【図３Ｂ】
2018536270.tif 000010
【図４Ａ】
2018536270.tif 000011
【図４Ｂ】
2018536270.tif 000012
【図４Ｃ】
2018536270.tif 000013
【図５Ａ】
2018536270.tif 000014
【図５Ｂ】
2018536270.tif 000015
【図５Ｃ】
2018536270.tif 000016
【図６】
2018536270.tif 000017
【図７Ａ】
2018536270.tif 000018
【図７Ｂ】
2018536270.tif 000019
【図８】
2018536270.tif 000020
【図９Ａ】
2018536270.tif 000021
【図９Ｂ】
2018536270.tif 000022
【図９Ｃ】
2018536270.tif 000023
【国際調査報告】
2018536270.tif 000024
2018536270.tif 000025
2018536270.tif 000026