JP2010506371A - 薄型イルミネーションデバイス、ディスプレイデバイス及び照明デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、薄型イルミネーションデバイス（１、１０、２０、３０、４０、５０、６０）に関する。また本発明は、このようなイルミネーションデバイスを備えたディスプレイデバイスおよび照明デバイスに関する。薄型イルミネーションデバイスは、導電パターンにより接続された発光ダイオード（ＬＥＤ）（３、３２、４７、６１、７５）の配列が設けられた半透明プレート（２、２３、３１、４１、５１、６６、７３）と、該半透明プレートから或る距離を隔てて、半透明プレートの第一側に配置されたリフレクタ（４、２０、２２、４３、５３、６２、７４）とを有している。このような構造は、従来のＬＥＤ薄フィルムイルミネーションデバイスより薄くかつより効率的に作動する。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、薄型イルミネーションデバイスに関する。また本発明は、この薄型イルミネーションデバイスを備えたディスプレイデバイスおよび照明（luminary）デバイスに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）および照明器具のバックライトを形成する薄型イルミネーションデバイスに使用できる。一般に、薄型イルミネーションデバイスは、液晶プレート、広告スクリーンまたは装飾タイルのような後方照明すべき物体の後方に配置されるＬＥＤの配列を有している。１つの欠点は、ＬＥＤが小さい表面積から光を放射すること、従って、色および輝度の許容できる均一性を達成するには、比較的厚い構造にしなければならないことである。充分に均一な輝度を得るには、従来のＬＥＤバックライトデバイスは、通常、１０ｍｍ以上の厚さおよび付加ディフューザ層を必要とする。

国際公開第２００５／０８３３１７号

本発明の目的は、改善された薄型イルミネーションデバイスを提供することにある。

本発明は、導電パターンにより接続された発光ダイオード（ＬＥＤ）の配列が設けられた半透明プレートと、該半透明プレートの第一側に配置されたリフレクタと、を有する薄型イルミネーションデバイスにおいて、ＬＥＤの配列は、実質的にリフレクタに向かう光を放射するように配置され、かつリフレクタは、ＬＥＤからの光を半透明プレートを通して反射するように配置されている構成の薄型イルミネーションデバイス提供する。ＬＥＤがリフレクタ上に配置されている従来のＬＥＤバックライトと比較して、本発明の薄型イルミネーションデバイスは、半透明プレートを通して放射されるより多くの拡散光が得られる。有効なことに、ＬＥＤにより放射される光の可能最短光路は、ＬＥＤがリフレクタ上に配置される構造と比較して２倍になる。ＬＥＤは、例えばＲＧＢ ＬＥＤ、または異なるＬＥＤ形式（より詳しくは白色ＬＥＤおよび蛍光体で被覆されたＬＥＤ）の混成のような任意の形式の発光ダイオードまたはこれに匹敵する光源でもよい。また、異なる色のＬＥＤが使用される場合には、本発明によるデバイスは、カラーミキシングを改善し、これにより、デバイスにより放射される均一スペクトルが得られる。他の有利な効果は、本発明ではＬＥＤのビニング効果（binning effects）を最小にできることである。ビニングとは、同様なＬＥＤのバッチ内の個々のＬＥＤの光束および／または色の僅かな差により輝度の均一性の低下をもたらす効果である。半透明プレートは、半透明のガラス、樹脂またはポリマー材料で作るのが好ましい。ＬＥＤは、半透明プレートのいずれかの側面に配置するか、プレート内に一体化できる。ＬＥＤに給電する導電パターンが配置され、該導電パターンはＬＥＤおよび外部電源への接続を有している。導電パターンには、システムの光学的効率を高めるため、反射防止コーティングを設けることができる。ＬＥＤからの光を反射して半透明プレートを通すためにリフレクタが配置される。実質的にリフレクタに向かう光を放射するように配置されるＬＥＤの配列は、光の方向を制御するように設計された光学素子を備えることができる。ＬＥＤには、リフレクタとは反対側の半透明パネルの側（例えば、ＬＣＤスクリーンが配置される）での影を最小にするため、半透明パッケージが提供される。イルミネーションデバイスは、その用途に基づいて、一般に１００−１０００個／ｍ²のＬＥＤを有し、これは、ＬＥＤの光出力および用途の種類に強く基づいている。ＬＥＤが本質的に正方形配置されるＬＥＤ配列が、最も製造が容易である。正方形配置では、４つの隣接ＬＥＤが正方形を形成する。しかしながら、六角形配置を使用すれば、より良い光均一性が得られる。六角形配置では、６つの隣接ＬＥＤが六角形を形成する。リフレクタは、好ましい用途に基づいて、任意の光反射材料で作ることができる。本発明は、単一ＬＥＤ当り極く少量の出力を消失する低出力ＬＥＤ（一般に、単一ＬＥＤ当り０．５Ｗより小さい出力）に特に適している。従って、ガラスまたは樹脂上にＬＥＤを配置すれば、嵩張るヒートシンクを用いなくても充分な効率が得られる。

リフレクタは、半透明プレートに対して実質的に平行であるのが好ましい。この形態により、優れた輝度均一性が容易に得られる。「実質的に平行」とはデバイスの全体的形状をいい、これに対し、リフレクタおよび／またはプレートは、必ずしも各位置において完全にフラットであるか同じ曲率に従う必要はない。

好ましい実施形態では、リフレクタは拡散リフレクタである。従って改善された輝度均一性が得られる。拡散リフレクタには、一般に光拡散面が設けられる。

より好ましい実施形態では、拡散リフレクタは複数の拡散要素を有している。このような拡散リフレクタは、輝度の均一性をより良く微調整することを可能にする。有効な拡散要素は用途に基づいて選択され、反射面から突出する角錐形、円錐形および（半）球形等の種々の形状にすることができる。

導電パターンは半透明導電材料で形成するのが有利である。このような半透明パターンは、デバイスの光学的効率を改善する。有効な導電材料の例として、インジウム錫酸化物（indium tin oxide：ＩＴＯ）およびフルオドープト錫酸化物（ＳｎＯ₂：Ｆ）がある。

或いは、導電パターンは金属ワイヤで形成することも有利である。金属ワイヤは、ルーズワイヤで形成するか、銅またはアルミニウムを蒸着することにより薄層のパターンとして形成することもでき、一般に、殆どの半透明導電材料より優れた導電性を有しかつ電力消失が小さい。ワイヤの形状およびサイズは、輝度との干渉を最小にすべく最適化される。金属ワイヤはガラス上に印刷するか、標準リソグラフィにより形成できる。しかしながら、ＬＥＤに接続するワイヤの一部のみがプレートに連結される構成のワイヤネットを使用することもできる。

好ましい実施形態では、リフレクタと半透明プレートとの間の距離は２ｍｍと１０ｍｍとの間にある。このような距離にすることにより、特にＬＣＤバックライトの用途の場合に、プレートを通って放射される光の充分な輝度均一性を有するコンパクトなデバイスを作ることができる。

半透明プレートには、反射ドットパターンを設けるのが好ましい。反射ドットは、輝度均一性を更に改善する。反射ドットは一般に白色反射材料で作られかつ半透明プレートのいずれか一方の側面または両側面に設けることができる。

好ましい実施形態では、パターンの反射ドットは、ＬＥＤの近くで比較的高い密度を有し、ＬＥＤから離れると比較的低い密度を有する。従って、光のより効率的な拡散を比較的容易に達成される。これにより、プレートとリフレクタとの間の距離を一層小さくすると同時に、優れた輝度均一性を達成することを達成できる。

好ましい実施形態では、ＬＥＤの配列は、青色ＬＥＤおよび／またはＵＶ ＬＥＤを有し、リフレクタは蛍光材料を備える。この構成により、デバイスにより放射される光のカラースペクトルの微調整が可能になる。蛍光材料は、一般にＹＡＧ：Ｃｅのような蛍光体であり、かつ好ましくは印刷パターンの形態でリフレクタ上に一体化またはコーティングされる。ＬＥＤおよび蛍光材料により放射される好ましい波長は、互いに補完するように選択されるのが好ましい。青色ＬＥＤは、主として５００ｎｍより短い波長で光を放射し、これに対し、ＵＶ ＬＥＤは３８０ｎｍより短い波長で光を放射する。蛍光体は青色光および／またはＵＶ光を吸収し、より長い波長の光を放射する。

異なる波長で放射する蛍光体の混合物は、或る用途に最適のスペクトルを得るのに使用するのが好ましい。イルミネーションデバイスのスペクトルの微調整は、リフレクタで散乱される青色光の量と、リフレクタ上での蛍光体の励起により発生される光の量とをバランスさせることにより行うことができる。また、白色ピグメントとルミネッセントピグメントとの混合物は、例えば白色光を得るためのデバイスの放射色を調整するのに使用できる。

半透明プレートとリフレクタとの間に少なくとも１つの蛍光灯管を配置することは有利である。デバイスからの光は、ＬＥＤの光と蛍光灯管からの光とを混合したものであるので、デバイスにより放射されるスペクトルを最適化することができる。バックライトに使用される従来の一般的な蛍光灯管として、ＣＣＦＬ形式、ＥＥＦＬ形式およびＨＣＦＬ形式がある。蛍光灯管およびＬＥＤは、互いに交互のパターンで配置するのが好ましい。

半透明プレートに光学的に活性な前側層を設けることが好ましい。これにより、更に良い輝度均一性が得られる。光学的に活性な前側層は、例えば、拡散プレート、拡散フィルムまたはフィルタで構成できる。光学的に活性のある有効な前側層の例が上記特許文献１に開示されている。

好ましい実施形態では、光学的に活性な前側層は、半透明プレートと一体化される。これにより、非常にコンパクトなデバイスが可能になる。

或いは、光学的に活性な前側層は、リフレクタとは反対側の、半透明プレートの第二側で、該半透明プレートから或る距離を隔てて配置される。光学的に活性な前側層から半透明プレートまでの距離は、リフレクタから半透明プレートまでの距離より小さいことが好ましい。

好ましい実施形態では、光学的に活性な前側層および半透明プレートは、外部環境に開放連通している空間を包囲している。従ってこの空間は、デバイスの作動中にデバイスから熱を放散させて、電気抵抗および電力消費を低減させるための空気チャネルを形成する。

好ましい実施形態では、半透明プレートは可撓性を有するポリマーフィルムであり、従って大きい設計自由度が可能である。リフレクタもフレキシブルに構成するか、フレキシブルポリマーフィルムの支持体として構成できる。このような実施形態は、特に、ビルボード、壁クラッディングおよびフロアタイルの照明等のバックライトデバイスのような種々の照明用途に非常に有効である。

また本発明は、特許請求の範囲に記載されたような薄型イルミネーションデバイスを備えた、バックライトとして使用されるディスプレイデバイスを提供する。本発明によるディスプレイデバイスは、同等の光均一性およびカラーミキシングを有する既知のＬＥＤベースディスプレイより薄くかつ効率的である。

本発明はまた、本発明による薄型イルミネーションデバイスを備えた照明デバイスを提供する。本発明によるこのような照明デバイスは、同等の光均一性を有する既知のＬＥＤベースディスプレイより薄い。壁クラッディングおよび半透明フロアタイルの下での使用は、一般的な照明用途である。

以下の実施形態を参照しかつ非制限的な例を用いて本発明を明らかにする。実施形態に示す技術的手段は、これらを組合せることにより、或る用途に有利な累積的効果を達成できる。

本発明の好ましい第１実施形態を示す図面である。 本発明の好ましい第１実施形態を示す図面である。 本発明の好ましい第１実施形態を示す図面である。 本発明の好ましい第２実施形態を示す図面である。 本発明の好ましい第３実施形態を示す図面である。 本発明の好ましい第４実施形態を示す図面である。 本発明の好ましい第４実施形態を示す図面である。 本発明の好ましい第５実施形態を示す図面である。 本発明の好ましい第６実施形態を示す図面である。 本発明の好ましい第７実施形態を示す図面である。 本発明の好ましい第８実施形態を示す図面である。

図１ａは、本発明による薄型イルミネーションデバイス１を示す図面である。イルミネーションデバイス１は薄いガラスプレート２を有し、該ガラスプレート２上にＬＥＤ配列３が配置されている。ＬＥＤ３は、ガラスプレート２に平行に配置された拡散リフレクタ４の方向に向けられており、これにより、ＬＥＤ３から放射された光５は、ガラスプレート２を通る拡散光６として反射されるようになっている。かくして、ガラスプレート２とリフレクタ４との間の距離ｈ１が比較的小さいにもかかわらず、非常に効果的な光の拡散が可能であり、従って均一な輝度分散を有する比較的薄型のイルミネーションデバイス１が得られる。ＬＥＤは、既知のシステムに使用される場合、リフレクタ４上に取り付けられる。この場合、ガラスプレート２の位置で同様な光拡散レベルを達成するには、システム全体がより厚くなる。ガラスプレート２の前方には、例えば拡散層、輝度増強層および光学フィルタを備えた付加光学スタック７を配置できる。デバイス１は、例えばバックライトとして液晶（ＬＣＤ）スクリーンの後方に配置できる。或いは、ＬＥＤ配列３は、ガラスプレート２の、光学スタック７に対面する側面に配置するか、ガラスプレート２内に一体化することもでき、これらの場合でもＬＥＤ３は依然としてガラスプレート２を通してリフレクタ４を向くように配置される。

ガラスプレート２とリフレクタ４との間の空間（厚さｈ１）および光学スタック７とガラスプレート２との間の空間（厚さｈ２）は、両方とも周囲環境に開放空気接触しており、従って、使用中にＬＥＤ３および関連電気回路を対流により空冷できる。好ましくは、リフレクタ４とガラスプレート２との間の距離（ｈ１）は、光学スタック７とガラスプレート２との間の距離（ｈ２）よりも大きい。光学スタックとガラスプレートとを一体化して、距離ｈ２を実質的にゼロにすることもできる。システムの所与の全厚Ｈ（ｈ１＋ｈ２）について最良の形態は、ガラスプレート２上のＬＥＤ３または他の遮光物体によるリフレクタ４からの反射光の影が光学スタック７上に形成されないように、ＬＥＤ３を有する半透明プレート２を、前方の光学スタック７の下に最小距離で配置することである。

図１ｂは、正方形パターンのＬＥＤ配列３を示しており、４つの隣接ＬＥＤが正方形８を形成している。このようなパターンは、製作が比較的容易である。ＬＥＤ配列への電力は透明な導体パターン（図示せず）により供給されるが、ガラスプレートに金属パターンを適用することもできる。

図１ｂの正方形パターンとは異なる一例として、図１ｃには六角形パターンのＬＥＤ配列３が示されており、この例では、隣接ＬＥＤが、正方形形態におけるよりも緊密にパックされ、より均一な輝度範囲（囲い９）が得られる。このような六角形パターン９は、光源を比較的効率的に分散できる。ＬＥＤ配列用電力は、透明な導体パターン（図示せず）により供給される。

図２には、本発明による薄型イルミネーションデバイス１０の好ましい第２実施形態が示されており、この実施形態では、光を一層良く拡散することを可能にする成形反射要素２０がリフレクタ４に設けられている。

図３には、本発明による薄型イルミネーションデバイス２０の好ましい第３実施形態が示されており、この実施形態では、反射要素は、リフレクタ２２からガラスプレート２３に向かって延びている直角反射壁２１であり、カラーＬＥＤを使用するときに、良好な輝度均一性並びに良好なカラーミキシングを達成する。壁２１により形成されるセグメントは別々に照明でき、これは、スキャニングバックライトにおいて動的画像でのモーションぶれを低減させるのに好ましい。

図４ａには、本発明による薄型イルミネーションデバイス３０の好ましい第４実施形態が示されており、この実施形態では、光の均一性を改善するため、ガラスプレート３１に付着された反射ドット３３のパターンが使用されている。ドット３３の密度は、図４ｂの平面図に示すように、ＬＥＤ３２の近くで高くなっている。ＬＥＤ３２の近くでドット３３の密度が高くなっているため、均一に分散されたドットパターンより良好な輝度均一性が得られる。図４ｂに示す実施形態のパターンは一例であって、他のパターンを用いて同様な効果を得ることもできる。

図５には、本発明による薄型イルミネーションデバイス４０の好ましい第５実施形態が示されている。半透明プレート４１上に配置されたＬＥＤ４７は、これらのＬＥＤ光４２をリフレクタ４３の方向に向けている。リフレクタ４３は蛍光体のドットパターン４６でコーティングされており、このドットパターン４６は、図４ｂのガラスプレート上の反射ドットのパターンと同様な形状にすることができる。ＬＥＤ４７からの光の一部は、リフレクタ４３により反射されかつガラスプレート４１を通って拡散され、この拡散光は実線矢印４４により示されている。ＬＥＤ光４２の他の部分は、蛍光体ドット４６により吸収されかつ異なる波長の光として再放射される。この再放射光は破線矢印４５により示されている。これにより、ＬＥＤ光と蛍光とのミキシングが行われ、全体としてデバイスにより放射される光のスペクトルを微調整できる。この用途には、主として青色光（５００ｎｍより短い波長）を放射するＬＥＤ４０を使用するのが好ましく、この場合、蛍光体は、主としてスペクトルの赤色に近い部分の光（６００ｎｍより長い波長）を放射するように選択される。例えばＹＡＧ：Ｃｅは、緑色−黄色範囲内の光を放射する。これは、ＬＥＤからの青色光と組合せて、デバイスからの放射スペクトルとして全体として白色を発生する。

図６には、本発明による薄型イルミネーションデバイス５０の好ましい第６実施形態が示されている。この実施形態では、一般にセラミック材料または樹脂材料で作られた半透明装飾タイル５４が、リフレクタ５３とは反対側のガラスプレート５１の面側で、ＬＥＤ５２が設けられたガラスプレート５１に隣接して配置されている。ＬＥＤ５２からの光は、リフレクタ５３を介して装飾タイル５０を通り間接的に放射されるので、デバイス５０が比較的薄い厚さＨ（ｈ１＋ｈ２）を有するにもかかわらず、優れた輝度均一性が達成される。リフレクタ５３上に配置された側面放射ＬＥＤ（side-emitting LED）を用いたデバイスでは、同等の厚さで輝度均一性は小さくなる。

図７には、本発明による薄型イルミネーションデバイス６０の好ましい第７実施形態が示されており、この実施形態では、一体形ＬＥＤ６１および回路（図示せず）を備えたフレキシブルポリマー箔６６が所望形状に曲げられている。リフレクタ６２の形状は、ポリマー箔６６の曲率に従っている。光学スタック６４（この光学スタックは、その用途に基づいて、デバイスにより放射される光６５を更に拡散しかつ濾過する）は、ポリマー箔６６の観察者側に配置される。この実施形態では、例えば壁クラッディング内での大きな設計自由度が可能となる。

図８には、本発明による薄型イルミネーションデバイス７０の好ましい第８実施形態が示されており、この実施形態では、ＬＥＤ７５と、従来の管状蛍光ランプ７１とが単一デバイス７０内に一体化されている。蛍光ランプ７１は、ＬＥＤ７５が設けられたガラスプレート７３と、リフレクタ７４との間に配置されている。ＬＥＤ７５および蛍光ランプ７１により放射されるスペクトルは、これらの用途に基づいて、互いに補完するように選択されるのが好ましい。ＬＥＤ７５と蛍光灯７１とを組合せることにより、所望のスペクトルを比較的容易に得ることができ、このスペクトルは、光学スタック７により更に最適化できる。例えばバックライトとして使用される一般的な従来の蛍光灯７１として、ＣＣＦＬランプおよびＥＥＦＬランプがある。

上記実施形態は本発明を制限するものではなく、当業者ならば、特許請求の範囲から逸脱することなく他の多くの実施形態を設計できることに留意すべきである。

特許請求の範囲の記載において、カッコ内に記載された全ての参照番号は、特許請求の範囲を限定するものと解釈すべきではない。動詞「有する、からなる（comprise）」およびその語形変化は、特許請求の範囲に記載された要素または段階以外の要素または段階の存在を排除するものではない。要素の前に付される不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、このような要素が複数存在することを排除するものではない。本発明は、幾つかの別個の要素からなるハードウェアにより実施される。幾つかの手段を列挙する装置の特許請求の範囲の記載では、これらの手段の幾つかが、ハードウェアの１つの同じアイテムにより具現される。或る基準が互いに異なる従属特許請求の範囲に記載されているという単なる事実は、これらの基準の組合せが有利に使用できないことを示すものではない。

１ イルミネーションデバイス
２ ガラスプレート（半透明プレート）
３ ＬＥＤ配列
４ 拡散リフレクタ
５ 光
６ 拡散光
７ 光学スタック
８ 正方形パターン
９ 六角形パターン
ｈ１ 厚さ
ｈ２ 厚さ
Ｈ 全厚

Claims (17)

1. 導電パターンにより接続された発光ダイオード（ＬＥＤ）の配列が設けられた半透明プレートと、
   前記半透明プレートの第一側で前記半透明プレートから所定距離離間して配置されたリフレクタと、を有する薄型イルミネーションデバイスであって、
   前記ＬＥＤの配列は、実質的に前記リフレクタに向かう光を放射するように配置され、かつ前記リフレクタは、前記ＬＥＤからの光を前記半透明プレートを通して反射するように配置されていることを特徴とする薄型イルミネーションデバイス。
2. 前記リフレクタは前記半透明プレートに対して実質的に平行であることを特徴とする請求項１に記載の薄型イルミネーションデバイス。
3. 前記リフレクタは拡散リフレクタであることを特徴とする請求項１または２に記載の薄型イルミネーションデバイス。
4. 前記拡散リフレクタは拡散要素を有していることを特徴とする請求項３に記載の薄型イルミネーションデバイス。
5. 前記導電パターンは半透明導電材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の薄型イルミネーションデバイス。
6. 前記導電パターンは金属ワイヤからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の薄型イルミネーションデバイス。
7. 前記リフレクタと前記半透明プレートとの間の距離は、２ｍｍから１０ｍｍの間にあることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の薄型イルミネーションデバイス。
8. 前記半透明プレートには反射ドットパターンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の薄型イルミネーションデバイス。
9. 前記パターン中の反射ドットは、ＬＥＤの近くで比較的高い密度を有し、ＬＥＤから離れると比較的低い密度を有していることを特徴とする請求項８に記載の薄型イルミネーションデバイス。
10. 前記ＬＥＤの配列は、青色ＬＥＤおよび／またはＵＶ ＬＥＤを有し、前記リフレクタは蛍光材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の薄型イルミネーションデバイス。
11. 前記半透明プレートと前記リフレクタとの間に少なくとも１つの蛍光灯管が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の薄型イルミネーションデバイス。
12. 前記半透明プレートには、光学的に活性な前側層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の薄型イルミネーションデバイス。
13. 前記光学的に活性な前側層は、前記半透明プレートに一体化されていることを特徴とする請求項１２に記載の薄型イルミネーションデバイス。
14. 前記光学的に活性な前側層は、前記リフレクタとは反対側の、前記半透明プレートの第二側で前記半透明プレートから所定距離離間して配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の薄型イルミネーションデバイス。
15. 前記半透明プレートは可撓性を有するポリマーフィルムであることを特徴とする請求項１に記載の薄型イルミネーションデバイス。
16. 請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の薄型イルミネーションデバイスを有し、バックライトとして使用されることを特徴とするディスプレイデバイス。
17. 請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の薄型イルミネーションデバイスを有することを特徴とする照明デバイス。

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