JP5143137B2 - 照明システム及びディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディスプレイ装置を照明する照明システムに関する。

本発明は又、ディスプレイ装置に関する。

ディスプレイ装置を照明する照明システムは、それ自体知られている。このような照明システムは、非発光型ディスプレイ、例えば、ＬＣＤパネルとも呼ばれる液晶ディスプレイ装置に用いられ、このような非発光型ディスプレイは、例えば、テレビジョン受信器、モニタ（コンピュータモニタ）、電話（コードレス電話）及び携帯情報端末に用いられている。また、照明システムは、例えば、映像又は画像を投影し又はテレビジョン番組、フィルム、ビデオ番組又はＤＶＤ等を表示するプロジェクション（投射）システム、例えばディジタルプロジェクタ又は所謂ビーマ（beamer）に使用可能である。さらに、このような照明システムは、全般照明目的、例えばビジュアルサイン伝達装置、輪郭照明及びビルボードに利用される例えば大画面直視型光放出パネルのために用いられている。

このような照明システムは、例えば、米国特許出願公開第２００５／０００１５３７号明細書に開示されている。引用したこの米国特許出願公開明細書に開示されている照明システムでは、照明システムは、混合すなわち混光チャンバ内に設けられた赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色発光ダイオードのアレイを有する。照明システムの一形態では、照明システムは、２つの混合チャンバを形成するよう比較的遠く離れて配置された２つのディフューザを有する。第１のディフューザは、照明システム内に全体として中央の位置に存在する状態で示されている。第２のディフューザは、本質的に、照明システムの頂部を形成し、このような第２のディフューザは、上方混合チャンバのルーフを構成する。下方混合チャンバは、光の比較的良好な混合を可能にし、このような混合は、次に、第１のディフューザによってより一様に作られる。このかなり一様な配光は、次に、第２の混合チャンバ内で更に混合される。この混合された光は、次に、第２のディフューザによって再び拡散されて比較的一様な光プロフィールが作られる。

米国特許出願公開第２００５／０００１５３７号明細書

公知の照明システムの欠点は、光を光出口チャンバ上でこれに沿って混合する光混合チャンバが比較的分厚いということである。

本発明の目的は、改良型光混合チャンバを備えた照明システムを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、この目的は、ディスプレイ装置を照明する照明システムであって、照明システムは、
光出口窓、光出口窓と反対側に位置した後壁、及び光出口窓と後壁との間に延びる端縁壁を備えた光混合チャンバを有し、後壁の表面は、後壁に垂直な軸線に対して比較的大きな入射角で後壁の表面に当たる光を鏡面反射するために実質的に鏡面反射性であり、
光を光混合チャンバ内に放出する光源を有し、光は、光出口窓に実質的に平行な方向で光混合チャンバ内に放出され、
光混合チャンバからの光を外部取出しする複数個の光外部取出要素を有し、
光出口窓に配置された角度的反射フィルタを有し、角度的反射フィルタは、複数個の実質的に透明な層で構成され、各層は、実質的に一様な層厚さを有すると共に屈折率を有し、２つの隣り合う層の各組は、互いに異なる屈折率を有することを特徴とする照明システムによって達成される。

特許請求の範囲及び本明細書において、「後壁に垂直な軸線に対して比較的大きな入射角」という表現は、６０°を超え、好ましくは８０°を超える入射角を意味する。本発明の照明システムの作用効果は、光源により放出された光が光混合チャンバ内に実質的に閉じ込められるということにある。光混合チャンバ内に放出される光の方向は、光出口窓に実質的に平行である。光の方向のこの向きにより、光混合チャンバ内に放出された光の大部分は、光出口窓の垂直軸線に対して比較的大きな角度をなして光出口窓に当たる。光出口窓は、光混合チャンバ内に放出された光の大部分を閉じ込める角度的反射性のフィルタを有する。角度的反射性フィルタは、複数の透明な層で構成されている。透明な層は各々、屈折率を有し、２つの隣り合う層の各組は、互いに異なる屈折率を有する。このように配置された透明な層は、垂直軸線に対して比較的大きな角度をなして光出口窓（及び従って角度的反射性フィルタ）に当たった光を反射する一方で、垂直軸線に対して比較的小さな角度をなして光出口窓に当たった光を透過する角度的選択反射性フィルタとして働く。角度的反射性フィルタが反射から透過に変わる角度は、例えば、角度的反射性フィルタを構成する透明な層の数又は例えば隣り合う透明な層の屈折率の差で決まる。光混合チャンバの後壁の表面は、後壁の垂直軸線に対して比較的大きな入射角で表面に当たった光に対して実質的に鏡面反射性である。その結果、光源により放出された光は、後壁により反射されると、その角度分布状態を実質的に保つ。後壁の鏡面反射性表面と、光混合チャンバ内に放出される光の方向の向きと、光出口窓での角度的反射性フィルタの存在との組み合わせの結果として、光混合チャンバ内に放出された光の大部分が光混合チャンバ内部に効率的に閉じ込められる。この閉じ込めにより、光混合チャンバ内の光は、一層効率的に混合され、それにより光混合チャンバ内での光の実質的に一様な分布（配光）が得られる。この効率的な閉じ込めにより、光混合チャンバの厚さを公知の光混合チャンバと比較して減少させることができ、他方、光混合チャンバ内での光の実質的に一様な分布状態は達成される。光混合チャンバの厚さは、光出口窓に実質的に垂直な方向における光混合チャンバの寸法である。照明システムは、複数個の光外部取出要素を更に有する。光混合チャンバ内に閉じ込められた光が光出口結合要素に当たると、光の伝搬方向が変えられる。光の伝搬方向が変えられた光の部分は、光が角度的反射性フィルタにより透過され、その後照明システムからディスプレイ装置に向かって放出されるような角度で光出口窓に当たることになる。伝搬方向が変えられた光の別の部分は、光が角度的反射性フィルタにより反射され、この結果、光外部取出要素に当たった光の別の部分が光混合チャンバ内に再び閉じ込められるような角度で光出口窓に当たる。光外部取出要素は、例えば、光外部取出要素に当たった光を散乱させる散乱要素であるのが良く、或いは、変形例として、光外部取出要素は、例えば、光外部取出要素に当たった光を鏡面反射することによって光の方向を変える鏡面反射性要素であっても良い。

角度的反射性フィルタの実質的に透明な層の層厚さは、光出口窓に実質的に垂直な方向における実質的に透明な層の寸法として定義される。複数の実質的に透明な層の各層は、光源の光が実質的に透明な層の法線に実質的に平行な方向で実質的に透明な層に当たったときに、光源により放出された光の少なくとも一部に対して実質的に透明でなければならない。

光出口窓に配置された角度的反射性フィルタを用いた場合のもう１つの利点は、照明システムから放出された光が部分的にコリメートされるということにある。透過光の角度依存性により、角度的反射性フィルタにより透過される光は、或る特定の入射角範囲内に属する入射角で角度的反射性フィルタに当たる光である。或る特定の入射角範囲とは別の角度で角度的反射性フィルタに当たった光は、角度的反射性フィルタにより反射され、光混合チャンバ内に閉じ込められたままになる。角度的反射性フィルタにより透過された光の角度依存性により、透過光及び照明システムから放出された光は、コリメートされる。コリメーションのレベルは、例えば、角度的反射性フィルタを構成する透明な層の数又は例えば隣り合う透明な層の屈折率の差で決まる。

公知のディスプレイ装置では、偏光をディスプレイ装置の液晶層に透過させ、光の残部を再循環させて照明システムに戻すために反射性偏光子が用いられる場合が多い。これら公知の反射性偏光子は、典型的には、照明システムの光が既に混合された後であって、照明システムの光出口窓全体にわたって既に一様に分布された後に適用される。反射性偏光子は、多層構造体で構成され、この多層構造体は、本発明の角度的反射性フィルタの多層構造とは実質的に異なる。本発明の角度的反射性フィルタでは、２つの隣り合う透明な層の各組は、互いに異なる屈折率を備えなければならない。光を効率的に閉じ込めるため、２つの隣り合う透明な層相互間の屈折率の差は、光混合チャンバ内に放出された光のどの偏光方向についても有効でなければならない。反射性偏光子は、照明システムにより放出されたあらかじめ定められた偏光方向の光を実質的に全て透過し、照明システムにより放出された残りの光を実質的に全て反射するよう設計されている。この理由で、反射性偏光子の多層構造は、あらかじめ定められた偏光方向の光に関する屈折率のばらつきが生じないように設計されており、他方、残りの光に関する屈折率のばらつきは、反射性偏光子に当たる光の入射角とは無関係に、光を完全に反射してこれを照明システムに戻すよう設計されている。したがって、公知の反射性偏光子が当業者に教示することは、多層構造体は、あらかじめ定められた偏光方向を有する光を実質的に完全に透過し、残りの光を全て実質的に遮断するよう最適化されなければならないということである。公知の反射性偏光子を角度的反射性フィルタとして利用することは、問題を解決することにはならない。というのは、反射性偏光子は、あらかじめ定められた偏光方向を有する光を全て透過するからであり、その結果、光混合チャンバ内でのあらかじめ定められた偏光方向を有する光の閉じ込め及び混合は得られない。さらに、公知の反射性偏光子によるあらかじめ定められた偏光方向を有する光の実質的に自由な透過に起因して、反射性偏光子を角度的反射性フィルタとして用いても、結果として、照明システムから放出された光のコリメーションは行われない。

照明システムの一実施形態では、後壁及び各端縁壁の表面は、光混合チャンバ内で光を鏡面反射するために鏡面反射性である。この実施形態の利点は、その結果、反射光の角度分布状態が光混合チャンバ内に実質的に保たれること及び混合の量が増大するということにある。

変形例として、各端縁壁の表面は、光混合チャンバ内で光を拡散反射するために拡散反射性である。この実施形態の利点は、より一様な光分布状態を得ることができるということにある。

照明システムの一実施形態では、光混合チャンバ内に放出された光は、あらかじめ定められた色の光を含み、２つの隣り合う実質的に透明な層の厚さの合計は、あらかじめ定められた色の光の波長の１／２に実質的に等しい。この実施形態の利点は、２つの隣り合う層の厚さの合計があらかじめ定められた色の光の波長の１／２に実質的に等しい角度的反射性フィルタが、あらかじめ定められた色の光を閉じ込め、その結果、光混合チャンバ内にあらかじめ定められた色の光の一様な分布状態が得られるということにある。この実施形態は、例えば、遠隔蛍光照明システムに特に有用である。遠隔蛍光照明システムは、あらかじめ定められた色の光を別のあらかじめ定められた色を有する光に変換する蛍光物質の層又は蛍光物質の混合物の層を有する。一般に、あらかじめ定められた色は、三原色の青色である。三原色の青色の一部は、蛍光物質又は蛍光物質の混合物により例えば三原色の黄色又は例えば三原色の色、例えば赤色と緑色の組み合わせの光に変換されることになる。三原色の青色の光の別の部分は、遠くの蛍光体層を透過し、例えば遠くの蛍光体層によって放出された光と混じり合い、その結果、光は白色として知覚される。２つの隣り合う実質的に透明な層の厚さの合計があらかじめ定められた色の光の波長の１／２に実質的に等しいので、あらかじめ定められた色の光は、光混合チャンバ内に閉じ込められて混合される。変形例として、光混合チャンバ内に放出された光のあらかじめ定められた色は、例えば、紫色であり、これは、例えば、遠くの蛍光体層によって可視光に完全に変換される。遠くの蛍光体層は、例えば照明システムとディスプレイ装置との間で光混合チャンバの外側に被着されるのが良い。変形例として、遠くの蛍光体層は、例えば光外部取出要素として光混合チャンバの内部に被着されても良い。

照明システムの一実施形態では、透明な層の少なくとも１つは、光出口窓に実質的に平行に配置された複屈折対称軸線を備えた一軸層である。この実施形態の利点は、複屈折一軸層であることにより、複屈折対称軸線に垂直な偏光方向を有する光についての屈折率のばらつきは、光混合チャンバ内に閉じ込められる光の残部についての屈折率と比較して僅かであるということにある。この差に起因して、複屈折対称軸線に垂直な偏光方向を有する光は、光混合チャンバ内に閉じ込められる光の残部と比較して閉じ込められる量が僅かであり、その結果、部分的に偏光された光が照明システムの光混合チャンバによって放出されることになる。

照明システムの一実施形態では、光混合チャンバ内に放出された光は、光出口窓に実質的に平行な偏光方向を有する実質的に偏光された光である。この実施形態の利点は、光出口窓に実質的に平行な偏光方向を有する光に関し、光混合チャンバ内への光の閉じ込め効率が向上するということにある。本発明者は、互いに異なる屈折率を持つ２つの実質的に透明な媒質相互間のインタフェースでのフレネル反射に関する反射係数が光の互いに異なる偏光方向について異なるということに気付いた。インタフェースに平行な偏光方向を有する光は、一般に、光の残部と比較して高い反射係数を有する。光混合チャンバ内に放出される光の偏光方向を光出口窓に実質的に平行になるよう選択することにより、光の閉じ込めは、偏光されない光と比較して偏光された光の高い反射係数に起因して向上する。光の閉じ込めのこの向上の結果として、例えば、光混合チャンバの寸法形状を一段と小さくすることができる。

照明システムの一実施形態では、光混合チャンバは、光導波路である。この実施形態の利点は、光混合チャンバ内に閉じ込められた光の一部を全反射により閉じ込めることができ、それにより光混合チャンバ内の反射損失が減少するということにある。

照明システムの一実施形態では、光導波路は、くさび形である。この実施形態の利点は、くさび形が、光混合チャンバ内に放出される光を漸次、外部に取り出し、この結果、照明システムから放出された光の一様性が一段と向上するということにある。

照明システムの一実施形態では、光源は、光混合チャンバの後壁に分布して設けられた複数の側部発光型発光ダイオードから成る。この実施形態の利点は、光混合チャンバの後壁上に配置された側部発光型発光ダイオード（以下、ＬＥＤとも言う）が、今では、光を後壁に実質的に平行な方向、光出口窓に実質的に平行な方向に放出するということにある。

照明システムの一実施形態では、光混合チャンバの端縁壁の少なくとも一方は、光入口窓を有し、光源は、光入口窓を介して光を光混合チャンバ内に放出するエッジ照明形態で配置されている。この実施形態の利点は、エッジ照明形態が、一般に、照明システムの厚さを一段と減少させるということにある。さらに、エッジ照明形態により、例えば、光源として低圧ガス放電ランプの使用が可能であると共に光混合チャンバ内に放出される光の方向が依然として光出口窓に実質的に平行である。さらに、低圧ガス放電ランプの使用により、光源によって光混合チャンバ内に放出される光の色の一様性が向上すると共に一般に照明システムの効率が向上する。

照明システムの一実施形態では、光混合チャンバの端縁壁の少なくとも一方は、光入口窓を有し、照明システムは、別の光混合チャンバを有し、別の光混合チャンバは、光入口窓を介して光を光混合チャンバ内に放出する。この実施形態の利点は、光源を複数個の発光ダイオード、例えば、複数の三原色のそれぞれを放出する発光ダイオードで構成できるということにある。別の光混合チャンバは、複数の三原色の光を混合して例えば光混合チャンバ内に放出される実質的に白色の光をもたらす。光混合チャンバ内への光の閉じ込めにより、光は、光混合チャンバ内で一様に分布される。

照明システムの一実施形態では、光出口窓に実質的に垂直な平面に対して光混合チャンバ内に放出された光の角度分布は、約３０°以下であり、好ましくは約１０°以下である。この実施形態の利点は、光混合チャンバ内に放出された光の実質的に全てが光混合チャンバ内に閉じ込められるということにある。さらに、比較的高いコリメーション度を有する光混合チャンバ内に光を放出することにより、角度的反射性フィルタは、或る特定の閉じ込めレベルを得る上で、比較的低いコリメーション度を有する光混合チャンバ内に光を放出するのと比較して少ない数の実質的に透明な層を備えれば良い。角度的反射性フィルタの層を実質的に透明なものとして説明するが、反射され又は透過される光について幾分かの残存吸収が生じる。光混合チャンバ内に光の所要レベルの閉じ込めを得るのに必要な実質的に透明な層の数が少ない場合、照明システムの効率が向上する。

照明システムの一実施形態では、複数個の光外部取出要素は、後壁に実質的に一様な分布状態で設けられている。この実施形態の利点は、複数の光外部取出要素の一様な分布の結果として、本発明の照明システムの光出口窓から放出される光の一様な分布が得られる。

照明システムの一実施形態では、光混合チャンバ内における複数個の光外部取出要素の密度は、様々である。複数個の光外部取出要素の密度は、例えば、放出された光のあらかじめ定められた一様性を得るために光混合チャンバの後壁の全体にわたって様々である。変形例として、例えば、密度のばらつきを利用して照明システムから放出される光の残存する非一様性を是正しても良い。

照明システムの一実施形態では、複数個の光外部取出要素は、鏡面反射性要素である。この実施形態の利点は、光外部取出要素に当たった光が拡散的に散乱されないで鏡面反射され、それにより光源により放出された光の角度的分布状態が実質的に保たれるということにある。さらに、鏡面反射性要素は、一般に、反射光の偏光方向を保存する。偏光された光を光混合チャンバ内に放出する光源を用いた場合、光外部取出要素により外部取出しされる光も又偏光され、それにより照明システムは、実質的に偏光された光をディスプレイ装置に向かって効率的に放出することができる。

照明システムの一実施形態では、複数個の光外部取出要素は、角度的反射性フィルタ内に配置されている。この実施形態の利点は、角度的反射性フィルタを利用した場合、複数個の光外部取出要素を例えば角度的反射性フィルタの第１の実質的に透明な層の一部として同時に利用できるということにある。光外部取出要素を角度的反射性フィルタ中に利用すると、角度的反射性フィルタ中の複数個の光外部取出要素の分布状態を変えることにより複数個の光外部取出要素の分布状態の簡単且つ融通性のある変化が可能である。

本発明は又、本発明の照明システムを有するディスプレイ装置に関する。

本発明の上記観点及び他の観点は、以下において説明する実施形態から明らかであり、これら観点をこのような実施形態を参照して説明する。

本発明の照明システムの概略断面図である。 本発明の照明システムの概略断面図である。 ２つの連続して位置する実質的に透明な層相互間のインタフェースを通る透過及びこのようなインタフェースからの反射の角度依存性を示す図である。 ２つの連続して位置する実質的に透明な層相互間のインタフェースを通る透過及びこのようなインタフェースからの反射の角度依存性を示す図である。 偏光源の実施形態の概略平面図である。 互いに異なる偏光方向を有する光についての２つの連続して位置する実質的に透明な層相互間のインタフェースからの反射の角度依存性を示す図である。 別の光混合チャンバを有する照明システムの概略断面図である。 本発明のディスプレイ装置の概略断面図である。

図は、概略的であり、縮尺通りには描かれていない。特に、分かりやすくするために、寸法の中には非常に強調されているものがある。図中の類似のコンポーネントは、できるだけ多く同一の参照符号で示されている。

図１Ａ、図１Ｂ及び図４Ａは、本発明の照明システム１０，２０，３０の概略断面図である。本発明の照明システム１０，２０，３０は、光出口窓５２、後壁５４及び光出口窓と後壁５４との間に延びる端縁壁を備えた光混合チャンバ５０を有する。照明システム１０，２０，３０は、光を光混合チャンバ５０内に放出する光源６０，６２を更に有している。光は、光出口窓５２に実質的に平行な方向で光混合チャンバ内に放出される。照明システム１０，２０，３０は、照明システム１０，２０，３０からの光を外部取出しするための複数個の光外部取出要素７０，７２を有すると共に光出口窓５２に配置された角度的反射性フィルタ８０を有している。角度的反射性フィルタ８０は、複数の実質的に透明な層８１，８２，８３，８４で構成され、透明な層８１，８２，８３，８４の各々は、実質的に一様な層厚さを有している。複数の透明な層８１，８２，８３，８４の２つの連続して位置する透明な層８１，８２；８２，８３；８３，８４の各組は、互いに異なる屈折率ｎ１，ｎ２を有している。角度的反射性フィルタ８０は、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡとも呼ばれており、屈折率は、約１．５０である）から成る層８１，８３と空気（屈折率は、約１．０である）から成る層８２，８４を交互に配置して構成され又はポリカーボネート（ＰＣとも呼ばれており、屈折率は、約１．５８である）から成る層８１，８３と空気から成る層８２，８４を交互に配置して構成されたものであるのが良い。変形例として、角度的反射性フィルタ８０は、互いに異なる屈折率ｎ１，ｎ２を有し、互いに直接上下に被着された固体材料の層８１，８２，８３，８４で構成されても良く、層８１，８２，８３，８４相互間には空気が存在しない。角度的反射性フィルタ８０は、例えば、各々が互いに異なる屈折率ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４を有する実質的に透明な層８１，８２，８３，８４で構成されても良く、或いは、例えば、互いに異なる屈折率ｎ１，ｎ２を有する２つの互いに異なる材料で構成されても良く、互いに異なる材料の層８１，８２，８３，８４は、角度的反射性フィルタ８０を形成するよう交互に被着される。また、本発明の範囲から逸脱することなく、角度的反射性フィルタ８０を形成するために実質的に透明な層８１，８２，８３，８４についての他の組み合わせを利用することができる。

実質的に透明な層８１，８２，８３，８４の配列体は、角度的選択性の反射性フィルタ８０として働き、垂直軸線Ｎに対して比較的大きな入射角ｉで角度的反射性フィルタ８０に当たった光を反射し、他方、垂直軸線Ｎに対して比較的小さな入射角ｉで角度的反射性フィルタ８０に当たった光を透過させる。光混合チャンバ５０内に放出された光の方向に起因して、この光の大部分は、垂直軸線Ｎに対して比較的大きな角度ｉで角度的反射性フィルタ８０に当たり、光混合チャンバ５０内に放出された光のこの大部分が閉じ込められる。光混合チャンバ５０の内面５５，５７，５９は、これら表面５５，５７，５９からの反射光の角度的分布状態６４を実質的に保存する鏡面反射性の表面５５，５７，５９である。変形実施形態では、内面５５に垂直な軸線に対して比較的大きな入射角で内面５５に当たった光を鏡面反射する実質的に鏡面反射性の表面である。例えば、内面５５は、この変形実施形態では、透明な層により又は屈折率が交互の幾つかの透明な層により覆われた白色ディフューザから成る。別の変形実施形態では、内面５７，５９は、光混合チャンバ５０内の光を拡散反射する拡散反射性の表面である。後壁の鏡面反射性内面５５，５７，５９と、光混合チャンバ５０内に放出される光の方向の向きと、光出口窓５２での角度的反射性フィルタ８０の存在との組み合わせの結果として、光混合チャンバ５０内に放出された光の大部分が光混合チャンバ５０内部に効率的に閉じ込められる。この閉じ込めにより、光混合チャンバ５０内の光は、一層効率的に混合され、それにより光混合チャンバ５０内での光の実質的に一様な分布が得られる。照明システム１０，２０は、複数個の光外部取出要素７０，７２を更に有している。光混合チャンバ５０内に閉じ込められた光が光外部取出要素に当たると、この光は、光外部取出要素７０，７２からの例えば散乱により又は例えば鏡面反射により光混合チャンバ５０の外部に取り出される。光外部取出要素７０，７２から散乱され又は反射された光の部分は、光が角度的反射性フィルタ８０により透過され、その後照明システム１０，２０からディスプレイ装置４０（図４Ｂ参照）に向かって放出されるような角度で光出口窓５２に当たることになる。光外部取出要素７０，７２から散乱され又は反射された光の別の部分は、光が角度的反射性フィルタ８０により反射され、散乱光の別の部分が光混合チャンバ５０内に再び閉じ込められるような角度で光出口窓５２に当たる。

例えば、光出口窓５２に配置される実質的に透明な層８１，８２，８３，８４の数を増やすことにより閉じ込めレベルを増大させることができ、それにより、大抵の場合、角度的反射性フィルタ８０の良好な性能が得られる。しかしながら、それと同時に、実質的に透明な層８１，８２，８３，８４の数の増大により、光が増大した数の実質的に透明な層８１，８２，８３，８４により反射され又は透過されているときの光の残存吸収に起因して、照明システム１０，２０，３０の効率が低下することになる。このような照明システム１０，２０，３０の設計者は、この傾向を利用して照明システム１０，２０，３０を最適化することができる。例えば、実質的に透明な層８１，８２，８３，８４の最適の数は、光混合チャンバ５０内に放出される光のコリメーション度（視準度）によって決まる。光混合チャンバ５０内に放出された光が比較的強くコリメートされることがない場合、実質的に透明な層８１，８２，８３，８４について比較的多くの数（代表的には、１０以上）が必要である。光混合チャンバ５０内に放出された光が比較的強くコリメートされる場合、実質的に透明な層８１，８２，８３，８４の数は、１０未満であって良い。さらに、例えば光源６２としてレーザ（例えば、約５°以下の角度分布状態を有する）を用いた場合、光混合チャンバ５０内に放出された光が非常に強くコリメートされる場合、光混合チャンバ５０内への光の所要の閉じ込めを達成するのに必要な実質的に透明な層８１，８２，８３，８４は場合によってはたった１つであって良い。

光出口窓５２に配置された角度的反射性フィルタ８０の追加の作用効果は、照明システム１０，２０，３０から放出された光が部分的にコリメートされるということにある。透過光の角度依存性に起因して、角度的反射性フィルタ８０により透過された光は、或る特定の入射角ｉ範囲内に属する入射角ｉで角度的反射性フィルタ８０に当たる光である。或る特定の範囲の入射角ｉとは異なる角度で角度的反射性フィルタ８０に当たった光は、角度的反射性フィルタ８０により反射され、光混合チャンバ５０内に閉じ込められたままである。コリメーションレベルは、例えば、角度的反射性フィルタ８０を構成する透明な層８１，８２，８３，８４の数又は例えば隣り合う透明な層８１，８２，８３，８４の屈折率の差で決まる。

光外部取出要素７０，７２は、例えば、後壁５４に設けられたでこぼこ、例えば掻き傷であっても良く、或いは、例えば後壁５４に取り付けられたガラスペレットであっても良い。本発明の照明システム１０，２０，３０の一実施形態では、光外部取出要素７２は、例えば、後壁５４に設けられた鏡面反射性構造７２、例えば鏡面反射性でこぼこ７２である。鏡面反射性構造７２を光外部取出要素７０，７２として用いた場合の利点は、このような構造が、光混合チャンバ５０内に放出された光の角度的分布状態６４を実質的に保存し、照明システム１０，２０，３０により放出された光の角度的分布状態６４を制限するということにある。さらに、鏡面反射性構造７２は、鏡面反射性構造７２から反射された光の偏光方向を実質的に保存する。光混合チャンバ５０内に放出された光が部分的に偏光された光で構成されている場合、鏡面反射性構造７２の使用により、本発明の照明システム１０，２０，３０は、部分的に偏光された光をディスプレイ装置４０に向かって放出することができる。変形例として、光外部取出要素７０，７２は、例えば、角度的反射性フィルタ８０（図示せず）、例えば光混合チャンバ５０の光出口窓５２に配置された角度的反射性フィルタ８０の第１の実質的に透明な層８１の中に埋め込まれた例えば散乱要素７０であって良い。角度的反射性フィルタ８０の中に埋め込まれた光外部取出要素７０を利用すると、光外部取出要素７０の分布状態は、例えば角度的反射性フィルタ８０中の光外部取出要素７０の密度を変えることにより比較的容易に変更できる。光混合チャンバ５０が光導波路で構成されている実施形態では、光外部取出要素は、例えば、光導波路中に埋め込まれる光散乱要素７０であるのが良い。

光源６０，６２は、例えばＬＥＤ６０，６２又は例えば１次元又は２次元アレイの状態に配列された複数個のＬＥＤ６０，６２であるのが良い。光が光出口窓５２に実質的に平行な方向で光混合チャンバ５０内に放出されるのを達成するため、側部発光型ＬＥＤ６０を光混合チャンバ５０の後壁５４上に配置すると共に例えば光混合チャンバ５０の後壁５４上に一様に分布した状態で設けられるのが良い。変形例として、ＬＥＤ６０，６２は、例えば光混合チャンバ５０の端縁壁５６，５８に配置された光入口窓６０を介して光混合チャンバ５０のエッジからの光を光混合チャンバ５０内に放出するＬＥＤ６０，６２のアレイの状態に配列しても良い。光源６０，６２は、例えば、レーザ光源（図示せず）又は複数個のレーザ光源であるのが良い。変形例として、光源は、例えば、好ましくは光混合チャンバ５０のエッジに配置された低圧ガス放電ランプ（図示せず）又は複数個の低圧ガス放電ランプであっても良い。低圧ガス放電ランプは、例えば、光混合チャンバ５０から遠ざかる方向に向いた低圧ガス放電ランプの側部に配置されていて、光混合チャンバ５０から遠ざかって放出された低圧ガス放電ランプの光の一部を変向して光混合チャンバ５０に向かって戻す鏡（図示せず）を有するのが良い。

図１Ａに示すような実施形態としての照明システム１０では、光源６０は、例えば、照明システム１０の後壁５４に配置された側部発光型ＬＥＤ６０である。後壁５４に配置された側部発光型ＬＥＤ６０は、代表的には、光を後壁５４に実質的に平行な方向に放出する。側部発光型ＬＥＤ６０により放出された光の分布状態は、例えば、後壁５４に平行な平面内において光源に源を発するあらゆる方向において実質的に対称であり、光出口窓５２に垂直な平面内において側部発光型ＬＥＤ６０によって放出された光の限定された角度分布状態６４を有するのが良い。図１Ａに示す実施形態では、後壁５４は、光出口窓５２に実質的に平行に配置され、この結果、側部発光型ＬＥＤ６０により放出された光の方向も又、光出口窓５２に平行である。側部発光型ＬＥＤ６０によって放出された光の大部分は、光混合チャンバ５０内に閉じ込められる。実質的に鏡面反射性の表面５５，５７，５９により、側部発光型ＬＥＤ６０により放出された光の角度的分布状態６４は、実質的に保存され、他方、光は、光混合チャンバ５０内に閉じ込められたままである。光が光外部取出要素７０，７２に当たると、光外部取出要素７０，７２は、光を変向して変向された光の少なくとも一部が角度的反射性フィルタ８０によって透過され、照明システム１０からディスプレイ装置４０に向かって放出されるようになる。

図１Ｂに示すような実施形態としての照明システム２０では、光源６２は、例えば、照明システム２０の光混合チャンバ５０の光入口窓９０に配置されていて、光入口窓９０を介して光を光混合チャンバ５０内に放出するＬＥＤ６２のアレイである。変形例として、図１Ｂに示すような照明システム２０の光源は、例えば、低圧ガス放電ランプであっても良い。

図２Ａ及び図２Ｂは、２つの連続して位置する実質的に透明な層８１，８２；８２，８３；８３，８４相互間のインタフェースからの透過及び反射の角度依存性を示しており、一方の層８１，８３は、屈折率が１．０に等しく、他方の層８２，８４は、屈折率が１．５に等しい。図２Ａ及び図２Ｂに示すグラフの水平軸は、２つの連続して位置する実質的に透明な層８１，８２；８２，８３；８３，８４相互間のインタフェースに当たった光の入射角ｉを示している。入射角ｉは、２つの連続して位置する実質的に透明な層８１，８２；８２，８３；８３，８４相互間のインタフェースの垂直軸線Ｎに対して定められる。図２Ａ及び図２Ｂに示すグラフの垂直軸は、それぞれ、透過Ｔの正規化レベル及び反射Ｒの正規化レベルを示している。図２Ａ及び図２Ｂのグラフから理解できるように、インタフェースの垂直軸線Ｎに対して比較的大きな入射角ｉ、例えば６０°よりも大きな入射角ｉを有する光の一部は、反射されることになる。角度的反射性フィルタ８０は、互いに異なる屈折率ｎ１，ｎ２を持つ複数の実質的に透明な層８１，８２，８３，８４内に位置する複数のインタフェースを有している。これらインタフェースの各々で、図２Ａ及び図２Ｂに示す反射／透過特性と同等の光の反射／透過が生じるである。層８１，８２，８３，８４のスタック（積み重ね体）が図２Ａ及び図２Ｂに示すような特徴的な反射／透過を呈する複数のインタフェースを有する結果として、角度的反射性フィルタ８０は、複数のインタフェースの垂直軸線Ｎに対して或る特定のあらかじめ定められた入射角ｉに等しい又はこれよりも大きな角度で角度的反射性フィルタ８０に当たった光の大部分を反射し、複数のインタフェースの垂直軸線Ｎに対して或る特定のあらかじめ定められた入射角ｉよりも小さい角度で角度的反射性フィルタ８０に当たった光の大部分を透過する。 図３Ａは、偏光光源１００の一実施形態の概略平面図である。図３Ａに示されている偏光源１００は、側部発光型ＬＥＤ６０を偏光反射箔１１０、例えばＢＥＦ１１０又はＤＢＥＦ箔１１０と商業的に呼ばれている箔で包んだものである。変形例として、レーザ光源（図示せず）を偏光源１００として用いても良い。

図３Ｂは、互いに異なる偏光方向を有する光に関する２つの連続して位置する実質的に透明な層８１，８２；８２，８３；８３，８４相互間のインタフェースからの反射の角度依存性を示している。図３Ｂに示すグラフの水平軸は、２つの連続して位置する実質的に透明な層８１，８２；８２，８３；８３，８４相互間のインタフェースに当たった光の入射角ｉを表わしている。図３Ｂに示すグラフでは、インタフェースの一方の側の屈折率は、１．０に等しく、インタフェースの他方の側の屈折率は、１．５に等しい。同等な作用効果が、他の屈折率で生じる。入射角ｉは、２つの連続して位置する実質的に透明な層８１，８２；８２，８３；８３，８４相互間のインタフェースの垂直軸線Ｎに対して定められる。図３Ｂに示すグラフの垂直軸は、反射Ｒの正規化レベルを示している。図３Ｂに一点鎖線１２０で示された第１の曲線１２０は、２つの連続して位置する層８１，８２；８２，８３；８３，８４相互間のインタフェースに平行な偏光方向を持つ光の反射のばらつきを示している。図３Ｂに点線１３０で示された第２の曲線は、２つの連続して位置する実質的に水平な層８１，８２；８２，８３；８３，８４相互間のインタフェースに垂直な平面に平行な偏光方向を持つ光の反射のばらつきを示している。図３Ｂに実線で示された第３の曲線１４０は、２つの透明な層８１，８２；８２，８３；８３，８４相互間のインタフェースでの実質的に偏光された光の平均状態を示している。図３Ｂで理解できるように、２つの連続して位置する層８１，８２；８２，８３；８３，８４相互間のインタフェースに平行な偏光方向を持つ光は、インタフェースに垂直な平面に平行な偏光方向を持つ光と比較して高い反射レベルＲを有している。インタフェースに平行な偏光方向を有する光を光混合チャンバ５０内に放出する光源を利用すると、光は、光混合チャンバ５０内に効率良く閉じ込められ、その結果、光混合チャンバ５０の厚さを一段と減少させることができると考えられる。光出口窓５２に実質的に平行な偏光方向を持つ偏光光源１００に関する光混合チャンバ５０内への効率的な閉じ込めのこの作用効果は、角度的反射性フィルタ８０を備えた光混合チャンバ５０の利用には限定されず、角度的反射性フィルタ８０を備えていない照明システムに当てはまる。例えば、光ガイドを用いた場合、偏光方向が例えば光ガイドの光出口窓に平行な偏光光源１００からの光は、偏光光源の使用に起因して、光ガイド内に比較的効率良く閉じ込められる。また、くさび形光ガイドを用いた場合、偏光光源１００からの光は、角度的反射性フィルタ８０を利用していない場合であっても、偏光されない光と比較して、ウェッジ形光ガイド内に効率良く閉じ込められる。例えば図１Ａ、図１Ｂ、図４Ａ及び図４Ｂに開示されているような実施形態としての光混合チャンバでは、角度的反射性フィルタ８０に代えて、例えば光出口窓５２として透明なカバープレート（図示せず）を用いた場合、光出口窓５２に実質的に平行な偏光方向を持つ光混合チャンバ５０内に放出された光の閉じ込めの結果として、偏光された光が光混合チャンバ５０内に閉じ込められ、他方、閉じ込めのための角度的反射性フィルタ８０の必要性が無くなる。光出口窓５２に実質的に平行な偏光方向を持つ偏光光源１００を用いた結果として、角度的反射性フィルタ８０を使用しないで、偏光されない光の使用と比較して、一様性が向上する。

図４Ａは、別の光混合チャンバ９５を有する照明システム３０の概略断面図である。図４Ａに示す実施形態としての照明システム３０では、このような別の光混合チャンバ９５は、光混合チャンバ５０に平行に配置されている。光は、例えば、互いに異なる色の光を放出する複数個の光源６２によって別の光混合チャンバ９５内に放出される。互いに異なる色の光は、例えば、別の光混合チャンバ９５内で混合され、この別の光混合チャンバ９５は、好ましくは、別の光混合チャンバ９５内に光を閉じ込めるための鏡面反射性の表面９６，９７，９８を有している。別の光混合チャンバ９５は、例えば図４Ａに示されているように別の光混合チャンバ９５の端縁壁に配置された別の光出口窓９９を有している。この別の光出口窓９９は、光混合チャンバ５０の光入口窓９０に結合され、この光入口窓９０は、別の光混合チャンバ９５内で混合された光を光混合チャンバ５０内に放出する。別の光出口窓９９は、例えば、１つのプリズム９２又は複数個のプリズム９２（図４Ａに示されている）を介して光混合チャンバ５０の光入口窓９０に結合されている。プリズム９２を用いた場合の利点は、光が全反射により変向され、その結果、光の実質的にロスの無い変向が得られるということにある。変形例として、別の光出口窓９９から放出された光を光混合チャンバ５０の光入口窓９０に向かって変向する鏡（図示せず）を用いても良い。光源６０，６２は、この場合も又、図４Ａに示されているような側部発光型ＬＥＤ６０であるのが良い。変形例として、光源６０，６２としてレーザ光源（図示せず）又は低圧ガス放電ランプ（図示せず）を用いても良い。

図４Ｂは、本発明のディスプレイ装置４０の概略断面図である。ディスプレイ装置４０は、図１Ａに示されているような照明システム１０を有している。照明システム１０によって放出された光は、光出口窓５２上に実質的に一様に分布され、部分的にコリメートされる。図４Ｂに示されているようなディスプレイ装置４０は、例えば、ＢＥＦ１５０としても示されている輝度強調膜１５０を有するのが良い。ＢＥＦ１５０は、構造化表面を用いて光をコリメートし、あらかじめ定められた範囲内にある入射角ｉでＢＥＦ１５０に当たった光だけを実質的に透過し、光の残部を反射して再循環のために照明システム１０に戻す。ＢＥＦ１５０は、照明システム１０によりディスプレイ装置４０の画像形成層１４０に向かって放出された光を更にコリメートするために利用できる。さらに、ディスプレイ装置４０は、例えば、ＤＢＥＦ１６０としても示されているデュアル輝度強調膜１６０を有し、このようなＤＢＥＦ１６０は、あらかじめ定められた偏光方向を有する光だけを実質的に透過し、光の残部を反射して再循環のために照明システム１０に戻す。ＤＢＥＦ１６０は、例えば、画像形成層１４０のための偏光子として用いられる。画像形成層１４０は、例えば、１組のカラーフィルタ１７０、液晶セル１８０のアレイ及び画像をディスプレイ装置４０上に形成する検光子１９０を有している。変形例として、照明システム１０の角度的反射性フィルタとＢＥＦ１５０との間にディフューザを用いても良い。

上述した実施形態は、例示であって、本発明を限定するものではなく、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく多くの変形実施形態を設計できる。

特許請求の範囲において、括弧の中に入れた参照符号は、特許請求の範囲に記載された本発明を限定するものと解釈されてはならない。特許請求の範囲における、「有する」、または「備えている」という語は、各請求項に記載された構成要素又はステップ以外の構成要素又はステップの存在を排除するものではない。複数形ではない名詞は、このような構成要素が複数個存在することを排除するものではない。本発明は、幾つかの別々の構成要素を有するハードウェア及び適当にプログラムされたコンピュータによって具体化できる。幾つかの手段を列挙している装置クレームでは、これら手段の幾つかは、ハードウェアの同一のアイテムにより具体化できる。単に或る特定の手段が相互に異なる従属形式の請求項で記載されているということだけでは、これら手段の組合せを有利に使用することはできないということを意味するものではない。

Claims (17)

1. ディスプレイ装置を照明する照明システムであって、前記照明システムは、
   光出口窓、該光出口窓と反対側に位置した後壁、及び前記光出口窓と前記後壁との間に延びる端縁壁を備えた光混合チャンバを有し、前記後壁の表面は、前記後壁に垂直な軸線に対して比較的大きな入射角で前記後壁の前記表面に当たる光を鏡面反射するために実質的に鏡面反射性であり、前記比較的大きな入射角は６０度よりも大きく、
   光を前記光混合チャンバ内に放出する光源を有し、前記光は、前記光出口窓に実質的に平行な方向で前記光混合チャンバ内に放出され、
   前記光混合チャンバからの前記光を外部取出しする複数個の光外部取出要素を有し、
   前記光出口窓に配置された角度的反射フィルタを有し、前記角度的反射フィルタは、複数個の実質的に透明な層で構成され、各層は、実質的に一様な層厚さを有すると共に屈折率を有し、２つの隣り合う層の各組は、互いに異なる屈折率を有し、２つの隣り合う層の各組の、２つの隣り合う層相互間の屈折率の差は前記光混合チャンバ内に放出された前記光のどの偏光方向についても有効であり、前記角度的反射フィルタは、前記光出口窓の垂直軸線に対して比較的大きな角度をなして前記光出口窓に当たった光を反射し、前記垂直軸線に対して比較的小さな角度をなして前記光出口窓に当たった光を透過する角度的選択反射性フィルタとして働く、照明システム。
2. 前記比較的大きな入射角は８０度よりも大きい、請求項１記載の照明システム。
3. 前記後壁及び各前記端縁壁の表面は、前記光混合チャンバ内で光を鏡面反射するために鏡面反射性である、請求項１記載の照明システム。
4. 各前記端縁壁の表面は、前記光混合チャンバ内で光を拡散反射するために拡散反射性である、請求項１記載の照明システム。
5. 前記光混合チャンバ内に放出された前記光は、あらかじめ定められた色の光を含み、２つの隣り合う実質的に透明な前記層の厚さの合計は、前記あらかじめ定められた色の前記光の波長の１／２に実質的に等しい、請求項１記載の照明システム。
6. 前記透明な層の少なくとも１つは、前記光出口窓に実質的に平行に配置された複屈折対称軸線を備えた一軸層である、請求項１記載の照明システム。
7. 前記光混合チャンバ内に放出された前記光は、前記光出口窓に実質的に平行な偏光方向を有する実質的に偏光された光である、請求項１、３又は４記載の照明システム。
8. 前記光混合チャンバは、光導波路である、請求項１、３又は４記載の照明システム。
9. 前記光導波路は、くさび形である、請求項８記載の照明システム。
10. 前記光源は、前記光混合チャンバの前記後壁に分布して設けられた複数の側部発光型発光ダイオードから成る、請求項１、３又は４記載の照明システム。
11. 前記光混合チャンバの前記端縁壁の少なくとも一方は、光入口窓を有し、前記光源は、前記光入口窓を介して光を前記光混合チャンバ内に放出するエッジ照明形態で配置されている、請求項１、３又は４記載の照明システム。
12. 前記光混合チャンバの前記端縁壁の少なくとも一方は、光入口窓を有し、前記照明システムは、別の光混合チャンバを有し、前記別の光混合チャンバは、前記光入口窓を介して光を前記光混合チャンバ内に放出する、請求項１、３又は４記載の照明システム。
13. 前記複数個の光外部取出要素は、前記後壁に実質的に一様な分布状態で設けられている、請求項１、３又は４記載の照明システム。
14. 前記光混合チャンバ内における前記複数個の光外部取出要素の密度は、様々である、請求項１、３又は４記載の照明システム。
15. 前記複数個の光外部取出要素は、鏡面反射性要素である、請求項１、３又は４記載の照明システム。
16. 前記複数個の光外部取出要素は、角度的反射性フィルタ内に配置されている、請求項１、３又は４記載の照明システム。
17. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載の前記照明システムを有するディスプレイ装置。

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