JP4278904B2 - 色付き照明装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光表面と、種々の色の複数の光源とを具える、混色を発生する色付き照明装置に関し、この装置は、特に、ＬＣＤピクチャスクリーンのような液晶ディスプレイのバックライト用、又は、平面発光体としての使用に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
異なった色の発光ダイオード（ＬＥＤ）からの光を混合し、所望の混色を得ることは既知である。しかしながら、ここでの問題は、前記混色が一様かつ均質的に、すなわち、色及び輝度の偏向なしに、より大きな表面において発生することである。これらの困難は、個々の発光ダイオードの発光強度及び光色は、同じ形式のものでさえ、比較的強く変動するおそれがあり、前記発光表面に渡って各々の光源によって供給される光の均質な分布は、不十分な程度にしか可能でないということから、基本的に生じる
【０００３】
いくつかの可能性は、欧州特許出願公開明細書第０９２１５６８号において、白色光を発生するように種々の色の発光ダイオードからの光を混合することに関して記載されている。この明細書の図９によれば、例えば、青色、赤色、緑色及び黄色光に関するＬＥＤモジュールを、キャリア材料において、互いに一定の間隔において配置する。個々の前記ＬＥＤモジュールによって放射された光の混合は、個々の関連するプリズムによって生じ、その結果、実質上白色光が、前記キャリア材料の中央領域において生じる。さらに、ある方法において曲げられた前記ＬＥＤのキャリア材料によって、できる限り一様にした前記発生された光の放射を達成するか、この目的のために、レンズ配置、拡散板、棚、又は、一定の段付き配置を有するキャリア材料を使用することが提案されている。
【０００４】
これらの配置の欠点は、これらの製造に比較的費用が掛かることと、多くの空間が占有されることと、その色及び輝度に関する放射された光の一様性及び均質性が、多くの用途に関して、特に、より大きい表面領域において、不十分であることである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、光を所望の色で、光色及び輝度に関して、特に、より大きい発光表面に関して高い均質性および一様性で発生することができる、序章において記載した種類の照明装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的は、発光表面と、種々の色の複数の光源とを具える、混色を発生する色付き照明装置において、請求項１により、複数のくぼみを設けた光導波板を具え、各々のくぼみが、１個の光源を収容し、各々のくぼみが、前記発光表面と対面する上側と、側壁とを有し、前記上側に第１反射層をコーティングし、前記光導波板中への光の結合が、前記側壁を経て生じるように構成したことを特徴とする照明装置によって達成される。
【０００７】
この解決法は、種々の利点を結合する。この照明装置の製造は、各々の光源に関する構造が前記くぼみに追加して必要ではないため、実際的に、上記で引用した先行技術から既知の照明装置の製造より簡単である。前記照明装置の寸法は、実際的に、前記光導波板の寸法によって規定され、結果として、小さな構造上の深さだけでなく、実際に任意の所望の寸法の発光表面も実現することができる。所望の光強度を、光源の数の適切な選択によって達成することができる。
【０００８】
他の本質的な利点は、各々の個々の光源の光は、前記光導波板全体に渡って実際的に均質に分布するが、前記個々の光源から直接来て前記発光表面に衝突せず、結果として、出てくる光は、例えば、発光強度又は色特性における変動のような、使用される前記光源の個々の特性に特に依存しないことである。それにもかかわらず、各々の光源によって供給される光のきわめて大きい部分は、光結合の性質により、前記光表面において利用可能であり、結果として、損失は低く、前記光源の効率は高い。
【０００９】
従属請求項は、本発明の有利な他の実施形態に関する。
【００１０】
前記発光表面における色付き光の特に高い均質性は、前記光源から発生された光の部分が、前記発光表面に直接達することができないため、請求項２及び９ないし１１において請求したような実施形態によって達成される。
【００１１】
前記光源の効率は、請求項３、７及び８において請求したような実施形態においてさらに向上し、請求項４及び５の実施形態を、特に簡単な方法において製造することができる。
【００１２】
請求項６において請求したような光源の選択によって、混色に対する３色の各々の寄与を、関係する前記光源の電源電圧の対応する調節を通じて、比較的簡単な方法において決定することができるため、最終的に、実際に任意の所望の混色を、低コストで発生することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、光に対して透明な材料から製造された長方形光導波板１を示す。この板は、その上側において、発光表面１１と、これと反対側の下面１２と、４つの側面１３ないし１６とを具え、光は、前記発光表面１１から、既知の方法において結合される。光源用の複数の円筒状くぼみ２０（図式的に示した）を、板１の下側において発光表面１１の方向において延在するようにつける。
【００１４】
前記くぼみを、好適には、前記光導波板に渡って規則正しいグリッド配置において一様に分布させる。前記円筒状くぼみの数及び相対距離を、前記照明装置のサイズと、前記発光表面における所望の発光強度と、前記光源の特性とに応じて望まれるように選択してもよい。
【００１５】
光導波板１と、特にその発光表面１１とを、必ずしも長方形とする必要はない。例えば、正方形、円形又は楕円形状のような代わりの形状も可能である。前記くぼみは、円形断面以外の断面、例えば、長方形又は多角形断面を有してもよい。
【００１６】
図２は、各々が側壁２０１及び上側２０３を有する２つのくぼみ２０の領域における光導波板１の断面図である。
【００１７】
実際的に点状の光源２１、例えば、発光ダイオードが、各々のくぼみにおいて存在する。容器２０に挿入される前記光源の色（基本色）を好適に選択し、同じ色の光源が相互に隣接するグループが存在しないようにし、すなわち、相互に隣接するくぼみ中にある光源が、異なった（基本）色の光を発生するようにする。前記混合色の均質性は、これによりさらに改善される。
【００１８】
前記混合色を構成する各々の基本色を、複数の光源２１によって発生する。これは、同じ形式の光源の発光強度及び／又は光色が平坦化及び平均化され、個々の光源の偏差又は全体の故障が重要なものではなくなり、高価な電子制御又は他の手段が、前記光源の通常の公差範囲を考慮すると、必要なくなるという結果を有する。
【００１９】
光導波板１の発光表面１１に対して実際的に垂直に延在するくぼみ２０の側壁２０１を、光導波板１の材料によって形成し、発光表面１１に対して実際的に平行に延在する前記くぼみの上側２０３に、両側において高度に反射する第１層２０４を設ける。
【００２０】
ここで、２つの可能性が存在する。第１は、第１層２０４をくぼみ２０の上側２０３において直接設け、ギャップ又は中間の空間が、上側２０３と第１層２０４との間に存在しないようにすることである。これは、結果として、この層と光導波板１との間の光学的接触を生じ、この場合において、前記層を、できる限り反射するようにすべきである。代わりに、第１層２０４と前記くぼみの上側２０３との間に、その内部空間の方向において空間を設け、ギャップが生じるようにすることもでき、前記層を、例えば、光源２１の方向においてわずかに凹面に湾曲させてもよい。この場合において、第１層２０４と光導波板１との間に光学的接触はなく、板１からの光は、前記くぼみの上側２０３、すなわち、前記光導波板の材料と前記ギャップとの間の推移表面において、全反射によって前記板中に既に反射される。この反射は、きわめて低い損失しか生じないため、第１層２０４と上側２０３との間に空間を設けるのが一般的に好適である。
【００２１】
くぼみ２０の下側を、最終的に、高度に反射する第２層１２１によって覆う。この層を、例えば、光導波板１を取り囲むハウジング（図示せず）の底壁においてと、好適には、内壁において設け、第２反射層１２１が、下側１２全体と、側面１３ないし１６も覆うようにしてもよく、これは、外部からの前記覆われた表面との光学的接触がないことを意味する。
【００２２】
複数の抽出素子３が、最終的に、発光表面１１において存在し、これらの抽出素子によって、前記光は、既知の方法において光導波板１から結合される。
【００２３】
前記光源を、好適には、前記照明装置の組み立て部品におけるハウジングの底壁に固定する。次に、光導波板１を、正確な位置に設けられたくぼみ２０を有する前記ハウジングに挿入し、各々の光源２１が個々のくぼみ中にあるようにする。さらに、スペーサ１７を、前記光導波板の側面１３ないし１６と前記ハウジングの内壁との間と、前記光導波板の下側１２と前記ハウジングの底壁との間とに設け、これらのスペーサは、（前記ハウジングの内壁における）第２反射層１２１を前記光導波板から隔て、空気ギャップが、一方において層１２１と側面１３ないし１６との間と、他方において層１２１と下側１２との間とに残るようにする。
【００２４】
光源２１から発した光線は、光導波板１の材料に、くぼみ２０の側壁２０１を通ってのみ入ることができる。これらの光は、光導波板１内に、光導波板１の横面１３ないし１６及び下側１２又はその上に設けられた第２層１２１に対する実際的に無損失の全反射によって、これらが発光表面１１において結合されるまで分散する。これを以下に詳細に説明する。
【００２５】
前記光導波板において伝播する光線が、くぼみ２０の側壁２１に衝突すると、前記光線は、側壁２１に入り、前記くぼみ内で、光源２１及び／又は高度に反射する第１又は第２層２０４、１２１に対して散乱し、再び側壁２０１を通って前記くぼみから出る。
【００２６】
前記光導波板において伝播する光線が、くぼみの外部の上側２０３に衝突すると、前記光線は、上記変形例において記載したように前記上側と光学的に接触している場合、第１層２０４に対して反射し、第１層２０４との光学的接触がない場合、上側２０３に対して全反射を受け、前記光線は、双方の場合において、くぼみ２０を通過して導かれる。
【００２７】
この種類の光結合及び光伝播は、個々の光源の光の光導波板１全体におけるきわめて均質的な分配を導き、特に、前記個々の光源、すなわち発光ダイオードの、発光表面１１において結合される光への寄与のきわめて均質的な分布を導く。これは、結果として、発生された基本色の一様な混合を生じ、したがって、前記発光表面全体に渡る一定の輝度及び一定の色品質の均質な混合色を生じる。各々の光源の光が、前記光導波板全体に渡って分配されるため、さらに、個々の光源の、例えば、強度又は色、又は故障による悪影響は、小さくなり、ほとんど認められなくなる。
【００２８】
これらの特性は、光源の数が増すにつれて改善される。比較的小さく、安価に製造することができる発光ダイオードは、前記光導波板の単位表面積当たりにできるだけ多くの光源を達成するのに特に好適である。同時に、多数の発光ダイオードは、明らかに、前記発光表面における相応して高い発光強度も達成する。
【００２９】
所望の色の光を発生するために、適切な基本色の光源を最初に選択し、これらの基本色から、前記所望の色（混色）を、光の混合によって得ることができる。３つまたは４つの基本色が、通常このためには十分であり、これらの色を、例えば、赤色、緑色及び青色と、ひょっとしたら黄色の発光ダイオードによって発生することができる。前記発光ダイオードを、各々、上述したような分布におけるくぼみ２０に挿入する。前記混色の正確な調製又は異なった色間の切り替えを、電子手段によって、電源電圧と、したがって、個々の前記基本色を有する発光ダイオードの輝度の適切な調節によって達成してもよい。
【００３０】
抽出素子３によって既知の方法において結合された光は、例えば、発光表面１１上に配置された液晶ディスプレイ又はＬＣＤピクチャスクリーンを照明するために働いてもよい。前記照明の均一さを、前記抽出素子の適切な寸法付け及び配置によってさらに改善することができ、この配置は、ひょっとすると不規則かもしれない。
【００３１】
光導波板１は、好適には、第２層１２１でコーティングされ、図２に示すような下側１２及び側面１３ないし１６で覆われたハウジング（図示せず）内に存在し、結果として、外部から前記覆われた表面との光学的接触がないようにする。第２層１２１は、この場合において、鏡のように反射しても、拡散して反射してもよい。
【００３２】
さらに、第２層１２１を、個々の側面１３ないし１６及び下側１２において直接設ける可能性も存在し、この場合において、スペーサ１７は存在しない。これは、特に、前記第２層が拡散して反射する場合、前記入射光の一部が前記側面から発光表面１１に直接反射されるという欠点を実際には有し、これは、悪影響に結びつく。これらの悪影響は、前記第２層が鏡のように反射するが、これらの層が実際的により高価な場合、これらを、比較的高い反射率でのみ製造することができ、前記光導波板の表面において高い費用でのみ設けられるため、実際的には減少するかもしれない。
【００３３】
この問題を、第２層１２１を個々の側面１３ないし１６及び下面１２において直接設けず、替わりに、例えば、前記光導波板まで０．１ｍｍの距離を有し、その結果、空気ギャップの存在のため、これらの２つの間に光学的接触がない場合、解決することができることが、驚くべきことにわかっている。
【００３４】
ここで、光線が、光導波板１を、側面１３ないし１６のうち１つ（又は下面１２）を通って離れると、最初に、前記側面において回折し、前記空気ギャップを通過し、適切に拡散して反射する第２層１２１から反射し戻される。前記空気ギャップをもう一度通過した後、前記光線は、光導波板１に再び入り、前記板の屈折率が１．４１未満でなければ再び全反射に関する条件に従う。
【００３５】
この結果として、前記光導波板を前記側面又は下面を経て離れた前記光のこれらの部分は、前記板に再び反射し戻される。９５〜９８％以上の反射率を有する商業的に利用可能な白色ホイル又は白色ペイントを、第２層１２１の製造に使用してもよい。鏡のように反射する第２層１２１も明らかに使用することができる。しかしながら、拡散して反射する層は、反射後の前記光が、前記光導波板内でより良好に分配され、この層を、鏡のように反射する層より高い反射率で、より低いコストで製造することができるという利点を有する。
【００３６】
前記光のきわめて効率的な結合が、したがって、この構成と、きわめて多数の光源からの光の均質的で実際的に無損失の分配とによって可能である。
【００３７】
さらに、各々のくぼみ２０の上面２０３における高度に反射する第１層２０４が、第１延長部分２０４ａ（図２において破線で示す）と、光導波板１の中への水平方向の数ミリメートル以上の部分で連続することが有利であることがわかっている（前記光導波板を、この目的のため、２つの層によって構成すべきである）。代わりに（特に、前記層を蒸気堆積によって実現する場合）、前記層を、第２延長部分２０４ｂ（図２において破線で示す）と、これらに対して垂直方向において、前記くぼみの上側の内部エッジに沿ってと、前記側壁に沿って、下方向に数ミリメートル以上、連続させてもよい。これらの部分の各々によって、望ましくない散乱光が前記くぼみのエッジにおいて発生することが回避される。
【００３８】
この目的のため、さらに、くぼみ２０の反対のより低いエッジに隣接する光導波板１の側壁２０１又は下側１２の領域に、高度に反射する第３層２０５を設けてもよく、この第３層２０５は、これらの領域の各々に沿って数ミリメートル以上延在する。
【００３９】
原則的には、上述した実際的に点状の光源の替わりに線形光源を使用することもでき、この線形光源は、円筒状くぼみの替わりに、例えば、平行に延在する前記光導波板において凹所に置かれるか、前記光導波板の下側において設けられたチャネルにおいて存在する。
【００４０】
例えば、前記発光表面における特に均質な高い発光輝度を達成するために、すべてが同じ色の光を放射する光源を、異なった基本色の光源の替わりに使用してもよいことに注意すべきである。
【００４１】
最終的に、反射第２層１２１を前記光導波板の側面及び下側から間隔を空けることが、前記光源の性質、数及び配置と無関係であることに注意すべきである。前記間隔を空けることを、例えば、前記光源が前記光導波板において配置されておらず、その側面の一つ又はいくつかにおいて配置されている場合にも、行ってもよい。この場合において、残りの前記側面におけるこのような反射する間隔を空けた層は、全反射に関する条件に応じることにより、前記個々の側面を通じて発する光の実際的に無損失の反射に関して上述した利点も達成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による照明装置の好適実施形態の斜視図である。
【図２】 図１の照明装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 光導波板
３ 抽出素子
１１ 発光表面
１２ 下面
１３〜１６ 側面
１７ スペーサ
２０ くぼみ
２１ 光源
１２１ 第２反射層
２０４ 第１反射層
２０５ 第３反射層

Claims (11)

1. 混色を発生する照明装置において、
   発光表面、及び異なる色の複数の点状の光源と；
   複数のくぼみを設けた光導波板とを具え、
   各々の前記くぼみが１個の前記光源を収容し、
   各々の前記くぼみが、前記発光表面と対面する上側と、側壁とを有し、
   前記上側に第１反射層をコーティングし、
   前記光導波板中への光の結合が、前記側壁を経て生じ、
   前記第１反射層と前記くぼみの前記上側との間にギャップを設け、
   前記第１反射層を、前記くぼみの前記側壁に沿って、第１延長部分を規定する第１量だけ延長したことを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置において、前記くぼみの前記側壁が、前記発光表面に対しほぼ垂直に延在し、前記くぼみの前記上側が、前記発光表面に対しほぼ平行に延在することを特徴とする照明装置。
3. 請求項１に記載の照明装置において、前記くぼみの、前記上側に対向する下側を第２反射層で覆ったことを特徴とする照明装置。
4. 請求項１に記載の照明装置において、前記くぼみをほぼ円筒状としたことを特徴とする照明装置。
5. 請求項１に記載の照明装置において、前記くぼみを、前記光導波板の下側に設けたことを特徴とする照明装置。
6. 請求項１に記載の照明装置において、前記光源が、同じ色の光源が相互に隣接するくぼみ内に位置しないように分布した複数の赤色、緑色及び青色発光ダイオードを具えることを特徴とする照明装置。
7. 請求項３に記載の照明装置において、前記第２反射層が、前記光導波板の側面及び下側を覆って延在することを特徴とする照明装置。
8. 請求項７に記載の照明装置において、前記第２反射層は、前記光導波板から間隔をおいて存在し、この間隔が空気ギャップを構成することを特徴とする照明装置。
9. 請求項１に記載の照明装置において、前記第１反射層を前記光導波板中に、前記発光表面に平行な方向に、第２延長部分を規定する第２量だけ延長したことを特徴とする照明装置。
10. 請求項１に記載の照明装置において、前記くぼみの前記上面と反対側に位置するエッジを、第３反射層によって取り囲んだことを特徴とする照明装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の照明装置を有する液晶ディスプレイ。

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