JP2006508498A - フラットパネルディスプレイのバックライト又は照明装置のためのエッジ光源 - Google Patents

Abstract

フラットディスプレイ又は照明装置のための光源は、円筒形のロッド（２４）又は複数のボールレンズ（４２）とすることができるレンズ構造（４）が配置される直線状のスリット（２５）を有する管状封入物（２１）を含んでいる。ロッドレンズであるかボール構造であるかに拘わらず、このレンズは、管状封入物の内側に向いている不透明な白い反射ストライプ又はコーティング（２７）を有しており、それによって、光がその中を通ってレンズ構造内へ及びそれに関連するウェーブガイド（３１）内へ投影され得る２つの狭いスリット孔（２２）が形成される。

Description

発明の分野

本発明は、照明に関し、より特別にはフラットパネルディスプレイのためのエッジライトのバックライト又は照明装置に関する。

バックライト光源のための１つの光源が、２００１年１０月９日発行のＪ．Ｃ．Ｗｉｌｓｏｎへの特許６，２９９，３２８Ｂ１に記載されている。Ｗｉｌｓｏｎ特許の図面に対応する図１及び２に示されているように、蛍光電球のような管状光源１０は、管状反射キャビティ１１内に軸線方向に配置されており、該管状反射キャビティ１１は、直線状のスリット孔１５を有しており、該スリット孔は、光を光源１０から該スリット孔内に配置された円筒形のロッドレンズ１４まで通過させる。円筒形のロッドレンズ１４は、光を、円筒形ロッドレンズから、照射されるべきディスプレイのような装置へと取り出す外部ウェーブガイド内に配置されるのが好ましい。

Ｗｉｌｓｏｎの構造においては、直線状の照射装置のためのより高い出力放射照度及び放射輝度を達成するためには、直線状スリット孔１５は、管状キャビティ１１の最大内側幅よりも狭くなるようになれるだけで、出来るだけ大きな幅を有するべきである。ランプ１０、管状キャビティ１１及びロッドレンズ１４の軸線は互いに平行である。円筒形のロッドレンズ１４は、光を、±θ_２の広い角度範囲を有する単一の投影ローブ内の関連するウェーブガイド内に投影する。より特別には、円筒形ロッドレンズ１４は、直線状のスリット孔１５を介して光入力を受け取り、この光をウェーブガイドの光入力端縁に向けて投影する。円筒形のロッドレンズ１４は、管状封入物からの入力光をＹ−Ｚ面内においてのみ平行にする。従って、Ｘ−Ｚ面内に投影された光のプロフィルは平行にされず、これは、Ｙ−Ｚ面内の平行にされた構成構成要素のプロフィルよりも遙かに広い角度分布を付与する。付与されたスリット幅のためのＹ−Ｚ面内のプロフィルの角度範囲を最小にするためには、管封入容器の直線状のスリット孔１５が、ロッドレンズ１４の焦点面内に存在するべきである。

この単一のローブからの光ビームは、ウェーブガイドの内側反射面によって反射される。しかしながら、ウェーブガイド内を伝播されつつある光の効率は、ウェーブガイド内での反射の数に依存する。

従って、Ｗｉｌｓｏｎ特許によって教示されたタイプの構造においては、エッジ照射されたバックライトに供給される光束の量及びバックライトへ入力される光源装置の発光効率（入力１ワット当たりのルーメン出力）を増す必要がある。

発明の概要

本発明は、管状封入物を介してレンズ系内へ投影される２つの光ローブを形成する構造によって、Ｗｉｌｓｏｎタイプのバックライト光源の効率を著しく増大させる。一つの実施形態においては、上記レンズ系は、Ｗｉｌｓｏｎによって示されているロッドレンズであり、別の実施形態においては、一連のボールレンズである。特に、本発明によれば、管状封入物内の直線状の孔は、相互に取り外される２つの孔に分割されている。レンズ構造がロッドレンズである場合には、白いストライプがロッドレンズの側部に延びていて、光が管状封入物のスリット孔の面積の殆どに亘ってロッドレンズに入るのを遮断している。本発明の他の実施形態においては、球状のボールレンズが採用されており、管状封入物内に入るボールの部分が、コーティング内の２つの円形の透き通った孔以外は白いコーティングによってコーティングされている。球状のボールレンズが採用されている場合の各々において、管状光源からの光は、２つのローブに分割され、これは、異なる角度でレンズ構造内に入り且つ関連するウェーブガイドの内側反射面からの反射の数を著しく増大させ、それによって、Ｗｉｌｓｏｎ特許に開示されている構造よりも著しく高い効率を得る。

本発明は、投影される光束又は光コリメーションの損失が無い状態で、二重のスリット及び２つのレンズ構造によって受ける場合と同じ単一のレンズ要素を介する２つの所望の角度投影範囲を投影する。本発明は１つのロッドレンズ又はボールレンズの単一の列のみを必要とするので、ウェーブガイドのバックライトと反射ミラーのキャビティとの厚みは、２つのレンズ要素を収容するように厚くする必要がない。

第１の特徴によれば、本発明は、ディスプレイのためのバックライトであって、
直線状のスリット孔を有する管状封入物と、
前記管状封入物内に配置されたランプ装置と、
前記直線状のスリット孔を介して光源からの光を受け取り且つ該受け取った光をウェーブガイドの光入力端縁に投影するためのレンズ手段であって、前記直線状のスリット孔を塞ぐために前記直線状スリット孔内に部分的に配置され且つ該直線状のスリット孔の両側における２つの別個の孔以外において前記光源から前記レンズ手段へ入る光を遮断するために前記管状封入物内に位置決めされる前記レンズ手段上に配置された不透明な光マスキング要素を有している前記レンズ手段とを含む、ディスプレイのためのバックライトを提供している。

第２の特徴によれば、本発明は、ディスプレイのための光源であって、
内側反射コーティングと、長さ方向に沿った直線状のスリットとを有する管状封入物と、
前記管状封入物内に配置され且つ前記直線状のスリット孔に向けて光を投影する細長い光源と、
異なる角度での前記管状封入物から投影される２つの光ローブを形成するために、前記直線状のスリット孔の中心領域内に光が投影されるのを遮断する手段と、を含むディスプレイのための光源を提供する。

本発明によれば、端縁照射バックライトに供給される光束の量が増大する。

本発明を実施するためのモード

図３、４及び５を参照すると、円筒形のロッドレンズ２４は、上記した方法と似た方法で、管状のランプ２０を含んでいる管状封入物２１に隣接して配置されている。広い角度範囲を提供している単一の直線状スリット孔１５を含んでいるＷｉｌｓｏｎの構造とは異なり、本発明は、不透明な白い反射ストライプ２７によって部分的に覆い隠されている直線状のスリット孔２５を含んでおり、それによって、各々が別個の狭い角度範囲を有する２つの細いスリット２２を形成している。これらの２つのスリット２２を介して投影される光ローブが図４に示されている。

白いストライプ２７が、ロッドレンズ２４の長さ方向に延びており且つ直線状のスリット孔２５内に中心決めされるように配向されている。従って、これは、光が円筒形のロッドレンズ２４に入る２つの細いスリット２２を形成している。好ましい実施形態においては、光は、その後に、ロッドレンズ２４からウェーブガイドの光入力端縁内に投影される。

白いストライプ２７の反射特性は、管状封入物２１の白い内側面の反射特性と似ているのが好ましい。従って、白いストライプ２７は、そのスリット孔を形成するために管状の反射体から取り除いた材料を、次いで、ロッドレンズに接着することによって作ることができる。別の方法として、ロッドレンズ２４のマスキングは、塗料によってマスキングし且つコーティングすることができる。

本発明の狭い範囲はＷｉｌｓｏｎの角度範囲よりも遙かに小さいので、Ｗｉｌｓｏｎの構造と比較して、均一性及び効率の両方が改良される。本発明を使用している液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のバックライトの性能は、Ｗｉｌｓｏｎを使用しているものよりも遙かに良好であることは有利である。なぜならば、光の取り出しプロセスが処理するのに必要とされる入力角度がより小さな範囲であるからである。レンズの最良の性能を得るためには、入力面及び出力面の両方の形状が理想化されなければならない。レンズの厚み、反射率、前方レンズ及び後方レンズの表面形状、スリット幅並びに一連の角度ビーム投影条件は設計上の変数である。一つの実施形態においては、円筒形ロッドレンズ２４の前面は、球面収差を除去するために非球面形状を有している。後方面には、スリットを焦点が合った状態に保つために、前方面と異なる曲面を付与することができる。光入力がランベルト反射キャビティ光源からのものである場合には、スリットの端縁を焦点が合った状態にすることが望ましい。

最も簡単な形態においては、ロッドレンズの前方面と後方面との両方が円筒形である。この場合には、円筒形同心構造を形成するために、両方の円筒が共通の軸線を有するのが有利であろう。このように、前方面及び後方面に対して異なる円筒形の半径を選択することが可能になり、これは、通常は、理想的に焦点が合わせられたスリットになされた領域に対して必要とされる。半径の理想的な選択は、レンズ材料の屈折率に依存する。円筒形同心状構造においては、スリット内の如何なる領域要素も、同じレンズの厚みに見え且つ同じ投影幾何学的形態を有する。

ロッドレンズの断面形状は、押出、成形及び／又は溶除プロセスを使用して製造することができる。レンズ材料は、適切な透過性プラスチック又はガラスとすることができる。一つの実施形態においては、ガラスロッドは、理想的な表面形状及びレンズの厚みを形成するように研磨し或いは磨くことができる。

厚く且つ不明確なスリットの端縁は、代わりにロッドレンズ２４の表面に薄い不透明で且つ拡散性のコーティングストライプを適用することによって避けることができる。別の方法として、ストライプのコーティングは、アルミニウムのような薄い鏡面ミラーコーティングとすることができる。これらの薄いストライプのコーティングの効率が既に述べた厚い代替品よりも低い場合には、これらの低い効率は、バックライト光源の全体の効率に殆ど影響を及ぼさないであろう。なぜならば、ストライプ領域は、管状封入物の内側の全面積の極めて小部分であるだけであるからであり、ストライプの面は、隣接するスリット領域の直接的な視野を有しないからである。ミラーコーティングを備えたストライプは、光を隣接するスリット内に光を直接反射させることができない。その代わりに、それが反射する光は、直視スリットを有し得るもう一つ別の白い拡散反射面に当たるであろう。

ロッドレンズ２４によって投影される２つの光ビームの軸線は、各々、ロッドレンズの中心を通過し且つ狭いスリット２２の各々の中心を通過する。従って、（ローブの中心でもある）これらの軸線が各々Ｚ−軸から３０度である場合には、ローブの中心線は、各々、Ｚ−軸から３０度であり、これらの中心線はまた、図４に示されているように、相互に６０度だけ隔てられているであろう。

次に図４を参照すると、一つの実施形態のコンピュータによる光線追跡モデルが示されている。この光線追跡モデルは、管状封入物２１の内側面と白いストライプ２７との両方の上に０．９５の積分された全体の拡散の大きさを備えたランベルト反射コーティングを含んでいる。その代わりに、純粋に鏡（ミラー）面であるべきこれらのランベルト面の特性を変える作用を決定するために、これらの面は、０．９５の正反射率を有するように変更した。このことは、これらの面に、これらのランベルト面の相当品と同じ反射率を付与した。このランベルト面の変型品は、鏡面の変型品の反射率（２１．９３％）と比較してより高い反射率（３９．２１％）を有している。実際の白いコーティングは、純粋にランベルト面でもなく純粋に正反射面でもない複雑な反射特性を有している。これらのモデリング結果は、純粋にランベルト面の管と、それに対応する純粋な正反射面と同じ反射率を有している白いストライプの面２７とが同じ幾何学的形態を有し且つ同じランプを採用している実施形態のための装置のより高い反射率を形成するであろうことを示している。

本来高い鏡面である中実の白い管状材料に対しては、それらの面を粗すことによって、これらの材料によって作られた管状封入物をより拡散性にすることができる。しかしながら、粗さ特性の“ギザギザ及び割れ目”によって作られた粗面を有する大きな表面積によって、粗面の積分された全散乱係数は、それの滑らかな相当品よりも小さいであろう。この係数の減少は、微細な局部領域に入射した光を、出て行く前よりも多くその領域内の特徴的表面から反射させる傾向がある粗さ特性によって生じる。結果的に得られる表面の光の遮断の数の増加は、滑らかな表面と同じ材料によって作られた粗面の有効表面反射率を下げる光の吸収の増加を生じさせる。従って、装置の反射率を最大化する理想的な粗さの程度が存在する。この理想的な粗さは、装置の幾何学的形態と増大した粗さによって生じる反射率の損失との両方に依存し且つ所与の管状封入物材料及び装置の幾何学的形態に対して経験的に最も良好に決定される。

管状封入物の内側表面積の大きな部分であるスリットにされた領域を有する装置の幾何学的形態は、装置の反射率を増大させ且つ表面の反射が正反射であるか拡散性であるかという点に対して比較的依存することが少ないであろう。僅かにスリットにされた領域が大きい場合には、ランプからの光は、管の内側面からの少しの反射によって管状封入物から投影される。反射が少なくなればなるほど光の吸収は低くなり、それによって反射率が改良される。しかしながら、この改良は、スリットにされた領域の増加によるコリメーションの損失を犠牲にして得られる。小さなスリットにされた領域を有する狭いスリットはコリメーションを改良する。しかしながら、この改良は、狭いスリットによって生じる管状封入物の多数の内部反射による反射率を犠牲にして得られる。更に、内部反射の数は増大したので、管の内側面の正反射要素の増加は、装置の反射率をより大きな程度まで下げるであろう。

次に図６を参照すると、光をウェーブガイドのバックライトの光入力端縁内へと投影するためにロッドレンズの代わりにボールレンズの列４２を使用している本発明の実施形態が示されている。図６に見られるように、管状ランプ４０が配置されている環状封入物４１は、ボールレンズ４２の列が配置されている細長いスリットを有しており、該ボールレンズのうちの１つが図面に図示されている。ボールレンズ４２は、反射材料４３によってコーティングされた管状封入物内に配置されている中心部分を有しており、それによって、２つの別個の光ローブがボールレンズ内に投影される２つの透き通った孔４５及び４６を提供している。ボールレンズの使用によって、各ローブの軸線を通る直交面において見ると実質的に対称な角度分布プロフィルを有している２つのローブが提供されるので有利である。既に述べたように、ボールレンズの列の光出力は、ウェーブガイドのバックライトの光入力端縁内に投影される。

照明装置によって投影される光の角度特性を制御する代替的な手段は、ボールレンズ上の正反射面又は拡散反射面内に模様の無い透き通った領域を有することである。ここでは、面は照明装置封入物の内側に位置し、透き通った領域は円形とすることができ、この透き通った領域はボールレンズの容器の端縁の方へとずらされており、それによって、ボールレンズから投影されたビームの進行方向を偏向させる。ボールレンズの大きさ及び照明装置の下方を向いている面の大きさ及び形状に依存して、１つ又は２つのこのようなボールレンズの列が存在し得る。この列のボールレンズは、それらの各々の眼窩内で回転する眼球のような種々の方向に回転される透き通った領域の孔を有することができる。この構造は、特別な方向均一性仕様に合致する複合的な下方向光ビームを発生するために、種々の下方向ビームの列を投影するように設計することができる。照明装置のアップライト側のように、ガラス、アクリル又はその他の光透過材料が、ボールレンズの列を覆い且つ結果として得られる照明装置の滑らかなダウンライト側を容易に清掃することができるようにさせるために採用することができる。更に、このボールレンズのカバーが十分に堅牢である場合には、このカバーは、ボールレンズの列をこれらのボールレンズの受け台内に固定することによって、“２つの役目”を行うことができる。

図７及び８を参照すると、ロッドレンズとボールレンズとは、これらを定位置に固定するために、接着ビード又はウィンドウパネル又はウェーブガイド光入力面無しで、それらの容器内に固定することができる。孔の端縁２１及び４１は、各々、管状封入物の内側との滑らかな境界面を有し、それによって、反射率の損失を最少にするように設計することができる。これらの境界面は、同じ材料における滑らかな面より、又は同じコーティングを有する面より低い反射率を有しているのが有利である。

管の孔が開けられた容器及びロッド内のかみ合い溝の端縁５１又はボールレンズ内の円形溝５２は、孔が開けられた開口部がレンズ内へ押し込まれたとき又はその逆のときに、レンズがそれらの容器内に“スナップ嵌合”させることができるように設計されている。ボールレンズのための管状封入物は、ボール内のかみ合い円形孔が１つの平面内に位置するように、ボールの容器のための平らな面を有している。

この取り付け手段はまた、ロッドレンズ又はボールレンズを照明装置内に固定することもできる。

代替的実施形態

本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、代替的な実施形態を考案することができる。

図１は、Ｗｉｌｓｏｎ特許に示されたような光源構造を示している断面図である。 図２は、Ｗｉｌｓｏｎ特許に示されたような光源構造を示している斜視図である。 図３は、レンズ構造が細長いロッドレンズである、本発明の第１の実施形態を示している。 図４は、図３の実施形態における関連するウェーブガイドに入射する光の２つのローブの概念図である。 図５は、図３の実施形態の模式化した長手斜視図である。 図６は、レンズ構造が球状のボールレンズを含んでいる、本発明の第２の例示的な実施形態を示している図である。 図７は、図３の実施形態のレンズ構造が如何にして管状封入物のスリット孔内に取り付けることができるかを示している図である。 図８は、図６の実施形態のレンズ構造が、各々、如何にして管状封入物のスリット孔内に取り付けることができるかを示している図である。

Claims (16)

1. ディスプレイのためのバックライトであって、
   （ａ）直線状のスリット孔を有する管状封入物と、
   （ｂ）前記管状封入物内に配置されたランプ装置と、
   （ｃ）前記直線状のスリット孔を介して光源からの光を受け取り且つ該受け取った光をウェーブガイドの光入力端縁へと投影するためのレンズ手段であって、前記直線状のスリット孔を塞ぐために前記直線状のスリット孔内に部分的に配置され且つ前記直線状のスリット孔の両側に設けられた２つの別個の孔を除いて該レンズ手段に入る前記光源からの光を遮断するために、前記管状封入物内に配置された当該レンズ手段上に配置された不透明な光マスキング部材を有するレンズ手段と、を含むディスプレイのためのバックライト。
2. 請求項１に記載のバックライトであって、
   前記レンズ手段が、前記管状封入物の長さ方向に延びている細長いロッドを含んでいる、バックライト。
3. 請求項２に記載のバックライトであって、
   前記マスキング部材が白い反射ストライプを含んでいる、バックライト。
4. 請求項３に記載のバックライトであって、
   前記管状封入物の内側が、前記細長いロッド上の前記白い反射ストライプと同じ白い反射材料によってコーティングされている、バックライト。
5. 請求項２に記載のバックライトであって、
   前記細長いロッドが、その長さ方向に沿って延びており且つ前記直線状のスリット孔の端縁とかみ合う直線状の溝を有している、バックライト。
6. 請求項２に記載のバックライトであって、
   前記細長いロッドの前面が、球面収差を除去するために非球面形状を有している、バックライト。
7. 請求項１に記載のバックライトであって、
   前記レンズ手段が、前記管状封入物の長さ方向に延びているボールレンズの列を含んでいる、バックライト。
8. 請求項７に記載のバックライトであって、
   前記マスキング部材が、前記直線状のスリット孔の端縁に隣接した前記管状封入物内の前記直線状のスリット孔内に延びている前記ボールレンズの各々の一部分上に設けられた白い反射コーティングを含んでいる、バックライト。
9. 請求項５に記載のバックライトであって、
   前記ボールレンズの列が、前記管状封入物の長さ方向に延びており、前記ボールレンズの各々が、その内部に、前記直線状のスリット孔の端縁とかみ合う円形の溝を有している、バックライト。
10. ディスプレイのための光源であって、
    （ａ）管状の封入物であって、内側反射コーティングと、該封入物の長さ方向に沿った直線状のスリット孔とを有する管状封入物と、
    （ｂ）前記管状封入物内に配置され且つ前記直線状のスリット孔へ向けて光を投影する細長いスリット光源と、
    （ｃ）異なる角度で前記管状封入物から投影される２つの光のローブを形成するために、前記直線状のスリット孔の中心領域中を光が投影されるのを遮断するための手段と、を含むディスプレイのための光源。
11. 請求項１０に記載の光源であって、
    前記直線状のスリット孔内に配置され且つその長さ方向に沿って延びているレンズ手段を更に含み、前記遮断するための手段が、前記直線状のスリット孔の両側において相互に取り外すことができる２つの別個の孔を形成するために、前記直線状のスリット孔内の前記レンズ手段上にマスキングコーティングを含んでいる、光源。
12. 請求項１１に記載の光源であって、
    前記レンズ手段が細長いロッドレンズを含んでいる、光源。
13. 請求項１２に記載の光源であって、
    前記マスキング用のコーティングが、白い反射コーティングを含んでいる、光源。
14. 請求項１１に記載の光源であって、
    前記レンズ手段が、前記管状封入物の長さ方向に沿って延びているボールレンズの列を含んでいる、光源。
15. 請求項１１に記載の光源であって、
    前記遮断するための手段が、前記直線状のスリット孔の両側とかみ合う溝を有している、光源。
16. 請求項１０に記載の光源であって、
    前記レンズ手段からの前記光ローブの両方の光を受け取るウェーブガイド入力端縁を更に含んでいる、光源。

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