JP2002533891A

JP2002533891A - 対角線ゆがみを補正するための背景装置

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Publication number: JP2002533891A
Application number: JP2000591362A
Authority: JP
Inventors: ジェフリーエイ．ライン
Original assignee: Physical Optics Corp
Current assignee: Physical Optics Corp
Priority date: 1998-12-31
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2002-10-08
Also published as: WO2000039500A1; AU2595200A; KR100456354B1; CA2358104A1; CA2358104C; CN1125943C; CN1332834A; EP1144907A1; EP1144907A4; KR20010108062A; TW504602B; US6256447B1

Abstract

(57)【要約】この背景装置は、光入力端（５４）と、上面（５８）と、底面（５６）と、両側面（６０）と、上記光入力端と反対側の端面（６２）と、導波管の材料のための内面反射臨界角を有するコリメート導波管を有する。複数の第１のファセット（８０）を、光入力端（５４）とその反対の端面（６２）間の導波管に沿って底面（６２）内に分布して設ける。第１ファセｔットの夫々には、上面（５８）に相対的に端面（６２）から上面に向って傾斜する第１ファセット底面（８２）を設ける。光散乱反射面（３４４）をコリメート導波管の端面に隣接して配置する。この第１ファセット底面（８２）は、光入力端に入射する光線をコリメート導波管の端面に対し全内面反射せしめ、上記端面における散乱反射面がこれに入射する光を光入力端に反射散乱して戻す。第１ファセット底面（８２）は、端面（６２）からの反射光を上面（５８）から出光せしめる。第１ファセット底面（８２）は、直線状または曲線状ファセットとし、その上に反射材料層を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の背景）

【０００２】（１．発明の分野）本発明は一般にフラットパネル液晶ディスプレー（LCD）が用いられるような
背景システム（back lighting system）のための背景（バックライト）に関し、
特に、LCDに均一光分布をもたらすよう設けられた光学的入力を有する背景装置
に関するものである。

【０００３】（２．関連技術の説明）ラップトップコンピューターに用いられる液晶ディスプレーまたはLCDの如き
フラットパネルディスプレーは一般に液晶ベースディスプレーパネルを照らすた
めに背景システムを組合せている。背景システムの重要な要件はディスプレーパ
ネルの全表面にわたって実質上均一な光分布を与え且つ十分に強い光分布を与え
ることである。これらの要件を達成するために、背景システムは典型的にはLCD
パネルに光源からの光エネルギーを組み合わせるために光パイプを用いている。

【０００４】散乱背景システムにおいては、拡散要素列を光パイプの一面に沿って配置しこ
れに入射する光線を出力面に向って散乱させている。また、この出力面をLCDパ
ネルに組合わせて光線をLCDパネルに結合している。散乱背景システムは散乱面
における散乱メディアの分布を制御することによって光分布を制御する能力が得
られるが、それでは光分布の角度を制御する能力は得られない。背景システムに
よって生成される光エネルギーの殆んどはそれがLCDディスプレーに有効でない
方向に散乱してしまうことで浪費されてしまう。光エネルギーの殆んどが目的物
に向かわず、浪費されるので、散乱背景システムは所望の光エネルギー強度又は
明るさを欠いてしまう。

【０００５】非散乱背景システムは光分布と分布の角度の両者を制御しうるという利点をも
たらす。かくして、利用しうる光エネルギーをより有効して利用しうるよう、例
えば、光エネルギーの殆んどすべてを目的物に向かわせる。非散乱背景システム
を説明するのにしばしば用いられる用語は“デターミニスティック（determinis
tic）”である。それは光線の出力点はその入力位置をベースとして知られるか
らである。かくして、非散乱背景システムは入力光エネルギーの光線及び出力光
エネルギーの光線と相関しているということができる。

【０００６】この相関関係は光エネルギーの大部分を目的物に確実に向わせるようにするた
めに背景システムの設計に有利に用いられる。非散乱背景システムにおける入力
光線と出力光線との相関関係はまた光出力に現われる光入力のイメージングから
生ずる潜在的な不利益を導く。もし、入力において光エネルギーにねじれ（dist
ortion）があればこのねじれはまた出力にも現われよう。このねじれは光源又は
入力オプティクス（optics）における粗さ又は不連続性から生じる。一般にかか
るねじれは非均一光強度のエリア又は出力におけるシャドーを生成する。もう一
つのねじれ源は光源に垂直な光パイプの壁の構造にある。この壁は、非常に滑ら
かに且つフラットに作らねばならず、さもなくばその壁は出力においてねじれ又
はシャドーを形成する。

【０００７】非散乱背景システムで観察される特殊なねじれは背景の出力平面にこれを横切
る対角線を形成する。光パイプの入力面と光パイプの側壁間のコーナーまたはイ
ンターフェースにおけるねじれは暗い対角線として出力にイメージされることが
観察された。各コーナーにおけるねじれは光パイプの製造上の制限に起因する。
ねじれの出現を減らすために表面を研磨して平滑にすることができるが、これら
の作業は時間の消費と労働強化をともない従って光パイプの大量生産は非実際的
である。

【０００８】更に、光源の出力の非均一性が出力にねじれとシャドーを引き起こすことが観
察された。特に、冷陰極蛍光（CCFL）はCCFL管の各端部における電極に隣接して
固有の非光沢（dim）領域を有している。この非光沢領域はCCFLの光出力が均一
でないエリアであり、光出力は管の中心部分に比べてかなり小さくなっている。
この非光沢エリアは出力平面にイメージするばかりでなくこれはまた対角線の出
現に貢献し、悪化させてしまう。

【０００９】他の光源が、発光ダイオード（LED）、蛍光灯、レーザダイオード及び実質的
な他の点光源がLCD光パイプに用いられる。これら光源は夫々代表的に幾つかの
非均一光出力エネルギーを有し、LCD出力内にねじれ問題を生じている。

【００１０】米国特許出願０９／１３７，５４９号「背景システムのための光パイプ」には
対角線問題をかかえた光パイプが示されている。この光パイプは、観察光源と共
に使用するための出力面がサイズを越える広がりを有する。この広がりと細長い
管は対角線問題を解決するが、光パイプのサイズが大きくなる欠点を有する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

背景を作るためのコストが低く、時間と労力を多く必要とせず、液晶ディスプ
レイの出力のゆがみを消去できる背景システムのための光パイプまたは背景装置
が望まれている。また、光パイプと光源が従来のサイズであり、LCDディスプレ
イ自身のために必要なものよりも大きい形状を要求されない光パイプを必要とし
ている。本発明の目的は、従来の背景のサイズと形状には等しいが対角線ゆがみ
の問題を本質的に生じない、LCDのための背景装置を得るにある。本発明の他の
目的は、実際上従来の背景構造より製造プロセスを増やすことを要求されず、且
つ対角線ゆがみの問題を消去できる背景装置を得るにある。

【００１２】これら及び他の目的は本発明の背景構造によって達成できる。本発明の一実施
例における背景装置は、光入力端と、上面と、底面と、両側と、上記光入力端に
対向する対向端と、及び全内面反射臨界角とを有するコリメート導波管を有する
。この装置は更に、上記光入力端と上記対向端間のコリメート導波管に沿って分
布された、上記底面内に形成された複数の第1ファセットを有する。この複数の
第1ファセットは上記両側間の少なくとも1部に延びる。上記第1ファセットの夫
々は、上記対向端から上記上面に約10°以下の角度で向かう湾曲第1ファセット
底面を有する。光散乱反射面をコリメート導波管の対向端に隣接して配置する。
上記第1ファセット底面を上記上面から光が漏れないよう上記光入力端に入った
光を、上記コリメート導波管の対向端に向って全内面反射せしめるよう配置する
。上記対向端における反射面により、入射された光を上記光入力端に向って反射
し散乱せしめる。更に、上記湾曲第1ファセット底面を、上記全内面反射臨界に
近い角度で上記対向端に入った光を上記導波管の上面に向わせるように配置する
。上記の構成によれば、従来の構成とは異なり、入力端に入った総べての光が、
液晶ディスプレイに隣接する上面から漏れる前にコリメート導波管の全長に亘り
移動する。

【００１３】本発明の実施例においては、液晶ディスプレイ装置が前面視野面と、これに対
向する後面とを有する液晶素子を含む。コリメート導波管が、後入力端と、液晶
ディスプレイの後面に面する上面と、底面と、両側面と、光入力端に対向する対
向端と、導波管材料の全内面反射臨界角とを有する。光源を光入力端に隣接して
配置する。複数の第1ファセットを底面内に形成し、光入力端と対向端間のコリ
メート導波管に沿って配置し、両側間の少なくとも一部に延びるようにする。

【００１４】上記第1ファセットの夫々が、上記対向端から離れる方向に上記上面に対し約1
0°以下の角度で向かう第1ファセット底面を有する。光散乱反射面をコリメート
導波管の対向端に配置する。

【００１５】上記第1ファセット底面が、上記光入力端に入る光を上記コリメート導波管の
対向端に全内面反射せしめる。上記対向端における反射面が、これに対する光を
光入力端に向って散乱及び反射せしめる。上記第1ファセット底面が上記対向端
から反射された光を上記コリメート導波管の上面から液晶ディスプレイ素子に向
って指向せしめる。

【００１６】本発明の実施例においては、上記第1ファセット底面が互いに一般的に平行な
直線ファセットである。本発明の他の実施例においては、上記第1ファセット底
面が湾曲及び非直線面である。

【００１７】本発明の他の目的及び特徴は以下の説明及び添付図面によって明らかならしめ
る。然しながら、本発明は以下の本発明の好ましい実施例に限定されるものでは
ない。本発明の精神を逸脱しない範囲で種々変更、増減できることは勿論である
。

【００１８】（発明を実施するための最良の形態）

【００１９】（背景装置の概要）本発明の背景装置は、光入力端から光パイプまたは導波管の全長に沿って出力
面から光を出すことなしに光を伝達する。この光は次いで光パイプまたは導波管
の端部における光散乱反射面によって散乱反射せしめる。上記端部からの反射光
が光源に戻されるとき、光を背景装置の底面によって上部放出または出力面に向
け反射する。この光は次いで背景装置を出てディスプレイまたは液晶素子に送る
。この背景装置はLCDアセンブリのディスプレイ面全体に亘り本質的に均一な強
度の光分布を作る。本発明装置を用いれば、CCFL管の電極端におけるような非均
一または非光沢光源を作らず、従って対角線やディスプレイのゆがみが生じない
ようになる。更に本発明の光パイプは、光源と光伝達素子または導波管間の一致
面の縁における鋭い隅部構造によって生ずるディスプレイの歪みを消去する。

【００２０】以下本発明の種々の特徴と利点を説明するが、本発明はこの実施例に限定され
るものではない。図中同一部分は同一符号を付して示す。

【００２１】図１において、５０は一般に平板状のコリメート導波管５２を有する背景装置
である。この導波管５２は、光入力端５４と、底面５６と、上面５８と、両側面
６０と、上記光入力端５４の反対側の対向面６２とを有する。６４は光源アセン
ブリであって光入力端５４に光学的に結合されており、細長い光源またはイルミ
ネータ６６と光源６６を取り囲む湾曲反射面６８とを有する。

【００２２】本発明におけるコリメート導波管５２は本発明の精神を逸脱しない範囲で他の
形状、構成となし得る。例えば、図２に示すように光源６４をコリメート導波管
５２を介して均質拡散体７０に光学的に接続する。液晶素子７２を拡散体７０に
光学的に接続し、光成形拡散体７４を液晶素子７２の出力側に光学的に接続する
。以下図面によって本発明の実施例を説明する。詳述するこれらの変形も本発明
の範囲に含まれる。光成形拡散体７０と液晶素子７２の配列順序は交換可能であ
る。

【００２３】図３は、底面５６を含む導波管５２の一部の拡大図である。以下詳述するよう
に底面５６は、夫々第１ファセット底面８２を有する複数の第１ファセット８０
を含む。各実施例におけるこのファセット８０は、導波管５２の端面６２から離
れる方向に上面５８に向かって僅かに傾斜せしめる。以下述べるようにファセッ
ト８０は本発明の範囲内で直線または湾曲したものとする。然しながら、各実施
例におけるファッセトは端面から離れる方向に上面に向って収れんせしめる。

【００２４】（Ａ．発光源）発光素子６６を含む好適な光源６４は、リウビィルの定理に応じて入力分布を
略均一とし、従って均等拡散となるようにする。数４２はリウビィルの定理の結
果を示す。

【００２５】

【数４２】

【００２６】ウィリフォードとウインストン（アカデミックプレス 1978年発行非結像
集中器の光学部材）及びウインストンとジャンソン（ジャーナルオブオプテ
ィカルソサイティオブアメリカ A，3，7（1986）及びA1，1226（1984）
，リウビイルの定理及び集中器光学部材）によって説明されているように図４に
おいてDは導波管の厚さ、dは光源の直径、β空気中での出力角である。数４２に
おける90°は光が総ての方向で光源から入り込むということをベースとしている
。数４２から、最適の光コリメートエンジンまたは光源は、最大コリメート状態
（即ち最小角β）となるのみならず均一な照明を行なうようになる。

【００２７】本発明にはこのような好ましいデザインを適用できる。

【００２８】光源６４及びまたは素子６６の特別な形は本発明の範囲内で大きく変え得る。
例えばCCFL管、LED、レーザーダイオード、蛍光灯その他の光源を用い得る。本
発明は特殊な光源に制限されてないが最適の光源が好ましい。

【００２９】（Ｂ．反射器）反射面６８は好ましくは広がった弓形ミラーとし、素子６６を取り巻くように
その背後に配置する。ここで弓形とは２次元または３次元において弧状でありま
たは湾曲していることを含む。ウィリフォードは、広がった光源、特に、球また
は筒状光源からの光の最適なコリメートを提案している。反射器の好ましいデザ
インは、意図する光源の特性を定めるが、これは実際には放物形ではない。放物
形は拡がり光源のためには満足されるものではない。弓形ミラー構造は残りの構
成に対する光源のアッタチメントのための理想的な部材を作る。光源が変換器か
ら移動したとき、拡がり光源である弓形反射器のデザインの最適さの重要度が増
大する。

【００３０】（Ｃ．コリメート導波管）光をコリメートするためにはまず光をコリメート導波管に入れる必要がある。
図３に示すようなカプラー構造は通信分野で従来既知である。代表的な通信分野
では導波管（例えば光ファイバー）は略100ミクロンの幅である。本発明におけ
る光パイプ導波管の幅は数ミリメータに達する。

【００３１】図３は光を結合すべき導波管５２の理論的構造を示す。導波管入り口縁または
入力端５４に直角に入射した光“L₀”は屈折することなく導波管内を直線状に進
むが傾斜光“L₁”は屈折される。スネルの法則により入射面に垂直でない僅かな
入射光はコリメートされる。90°の光“L₂”は、屈折率“n”が1.55の媒体に略4
0°の臨界角で結合される。導波管α内の入射角は略50°となる。この値の略50
°はα_cより大きく、コリメート導波管に入る。総べての光は全内面反射（TIR）
によってコリメート導波管内に取り込まれる。

【００３２】図３は、導波管に入り、全内面反射（TIR）のため導波管内にとらえられた光
を示す。入射角が90°の最悪の例でも、光が導波管内にとらえられたままとなる
。臨界角α_c以下で光は導波管５２に入る。導波管の外側の媒体が空気であり、
導波管が屈折率nの透明材料で作られているときは数４５が成立する。

【００３３】

【数４５】

【００３４】代表的な低コストの導波管はプラスチック、接着剤及びガラスで作る。これら
の材料の代表的な屈折率は略1.55である。従って臨界角α_cは略40°である。三
角関数に起因して導波管内ではαは略50°に等しい。従って、αはα_cより大き
く、総べての光は導波管内にとらえられる。α_cよりαが大きいとき全内面反射
（TIR）が起る。αがα_cより小さい場合には光は導波管の外側に漏れるようにな
る（図示せず）。この漏れは50％以上にもなる。従って、角度がα_c以下からそ
れ以上に変るときはその変化は急激なものとなる。

【００３５】入射角が90°であっても光は空気中から屈折率1.55の材料に臨界角α_cで屈折
する。光源からの光をコリメートすることによって角度範囲が0°〜90°から約0
°〜40°に変化する。

【００３６】コリメート導波管はメタリック反射または全内面反射（TIR）の何れかをベー
スとする。前者の場合、その代表的な構造は空洞である。後者の場合は空洞では
ない。一般に、全内面反射（TIR）は100％反射となるがメタリック反射では反射
面のほこり、汚染その他の問題によって容易に80％に低下するため全内面反射（
TIR）が好ましい。従来の導波管は一般に背景として適用するため一つのメタリ
ック側面を有する。変換器は、導波管を通して光を送ると共に光の方向を変え得
る一般的な導波管である。光の方向を90°（直角）変える変換器を背景として適
用するために用い好ましい方向に光を漏らすようにする。

【００３７】光源６４からコリメート導波管５２に入射した光は始め光入力端５４に加わる
。光源の直径dが導波管のサイズDより大きい場合には100％のコリメートは達成
できない。これに対し、光源の直径が導波管のサイズより小さいか、等しい場合
には、最高の効率が得られる。実際上、反射面またはミラー６８からの損失は10
0％結合を阻止する。100％結合の検討は、従って、光とミラーの相互干渉による
吸収ロスを消去することにある。

【００３８】反射器の内部は媒体、例えば空気で満たす。何れの場合も反射器６８の内面は
鏡状（例えばメタライズ）とする。深いIRまたは近IRのための反射効率は一率と
なし得るが可視スペクトル内のエネルギのための反射効率は面上のほこり等の汚
染によって90または80％に容易に低下する。任意の波長に対する最大反射効率は
メタライズミラー面の場合略96％である。これに対しTIR素子の効率は常に100％
である。メタリック反射率の効率はIR範囲においても100％にはならない。反射
器６８の内部にはスネルの法則のコリメート効果を最大にするため空気を入れる
。光源の直径が導波管のサイズまたは厚さより大きいときには最悪の例である90
°入射光の場合、コリメートは略40°となる。

【００３９】（２．導波管ファセット）以下散乱中心またはファセットの配列を説明する。

【００４０】図４において、５２は可変間隔Δxの複数のファセットまたは溝８０を有する
導波管を示す。ファセット８０は横方向または長手方向に連続する必要はなく、
また、点線で示す散乱中心は分離している。I₀は左方からの入射光を示す。TIR
によって光は入力端５４から光散乱反射端面６２に進み、この端面から入力端に
反射される。従って、I₀は端面６２から反射される光にもなる。Iはスケーラー
距離Xを通して光入力端５４に戻された後の光の強度を示す。装置の長さはLであ
る。dxは計数計距離Xの無限少部分を示す。図４でdxはスライスまたはセクショ
ンを示す。一般的な形状では、右側からの入力光の強度I₀は底からdIだけ漏れる
のでI₀−dIに減少する。これはX座標で生ずる。実際上、TIRによって光が初めに
入力端５４から端面６２に進むとき少量の漏れが生ずる。本発明の説明ではこの
漏れを無視するが、以下の解析ではこの初期の漏れを十分に考慮する。

【００４１】一般式である数１は光の漏れdIがIに比例することを示す。

【００４２】

【数１】

【００４３】 dIはスライスdxの厚さにも比例し、ファセット８０の密度ρにも比例する。a
は以下に示す比例常数である。数２は密度が単位増加距離当りのファセットの数
を示す。

【００４４】

【数２】

【００４５】密度ρの単位はcm-¹である。端面６２からのXが零のときI＝I₀となる。無限少
長さdx当りのファセットの数はdNである。N_tは導波管内のファセットの合計数を
示す。

【００４６】上面からの光の均一な漏れを防ぐため、dIをdxのみに比例せしめる。光が装置
を通して端面６２から更に移動するときIが必然的に減少するため、端面６２か
ら入力端５４に向かうときはρが増加する。数４は数１と同様であるが、均一の
漏れ条件のためIρをAに代えたものである。

【００４７】

【数４】

【００４８】 aとAは定数であり、積分することによって数５が得られる。

【００４９】

【数５】

【００５０】数６は、溝またはファセット８０の密度が数５によって割った定数に等しいこ
とを示す。

【００５１】

【数６】

【００５２】従って、ρはXの関数となり点L₀から単調に増加する。Aの物理的な意味を数６
bと数６cに示す。両者は一定である。

【００５３】

【数６b】

【００５４】

【数６c】

【００５５】数７はaを定める。

【００５６】

【数７】

【００５７】 dl／Iは相対漏れを示す。dNは無限少長さ当りの溝の数を示す。数８は、全長L
における光の強度または点L₁が零であることを示す。

【００５８】

【数８】

【００５９】全長Lにおける密度ρは無限大にはならないため数８は独特のものとなる。実
用上の目的で、得られる光の5％以下が端面から光入力端に戻る総べての路にリ
ンクするものと仮定する。数１８は指数−3を有するaN＝3を示す。

【００６０】数６cによりこれは導波管内の光入力端に戻る光の5％に相当する。この光は反
射器６８によって新しい入射光に沿って反射される。

【００６１】

【数１８】

【００６２】長さ方向の端部においては密度が高ければ漏れる光は少なくなるが、ファセッ
ト８０を極めて密にパックすればその物理的特性によって制限される。

【００６３】数２０は、数８０で示すファセット間の平均距離であるΔxで長さを割った値
に等しいファセットの合計数を示す。

【００６４】

【数２０】

【００６５】

【数８０】

【００６６】以下の例では、数２１で示される合計数が略2000のファセットを作る全長20cm
の平板を横切る100ミクロンのファセット間の平均長さを用いる。

【００６７】

【数２１】

【００６８】 N_Tは既知であるから数１９が得られる。

【００６９】

【数１９】

【００７０】数２２はaを示す。

【００７１】

【数２２】

【００７２】ファセット当りの漏れの平均は数２２で示されるように1.5×10_-3となる。

【００７３】（Ａ．楔形導波管）一般的な楔によるコリメートを以下説明する。図５に示すように楔内の入射角
αの三角関係により、楔角をγとすれば各バウンドの後2γだけ入射角が減少さ
れる。初期入射角が略40°であればαは50°となる。これは臨界角より遥かに大
きく、最初のバウンドが全内面反射（TIR）となる。その後の或る点においては
光の或る点が漏れるバウンドとなる。楔角γが0.5°であれば、2γが1°となり
、40°に近づくためには底部からのバウンドのみを数えで最底１０バウンドが必
要となる。

【００７４】数４９は入射角をα、楔角をγとしたときのもれの条件を示す。

【００７５】

【数４９】

【００７６】一連の区域に分割した一体構造の楔は分配楔として特徴づけられる。

【００７７】（Ｂ．直線ファセット面）図６に示す本発明の分配楔は直線状のファセットを有する。楔の分配により均
一な照明がなされる。この概念は数１に等しい。この式は変数aを保持するxの関
数としてρが一定となることを示した。以下の場合では変数aはxの関数であり、
ρは一定である。変数aが一定でρが変数の場合には他の式を用いる。以下の式
ではIの代りにPを用いる。

【００７８】 Pは光学的出力である。数１０１は数１にその一部を除いて等しい。

【００７９】

【数１０１】

【００８０】ここで変数aはxの関数であり、ρは定数である。

【００８１】

【数１０２】

【００８２】数１１８ではpxaを定数Aに等しいと設定している。

【００８３】

【数１１８】

【００８４】数１２３と数６を比較する。

【００８５】

【数１２３】

【００８６】数１２３ではaがxの関数であり、数６ではρがxの関数である。双方の数１２
３と数６においてAは定数である。数１２３ではaは変数であり、ρが定数である
。変数aは超小形素子当りの漏れ率を示す。

【００８７】完全均等分散はπ／2となる。これは2βに減少でき、或るコリメートプロセス
が前になされていれば更に減少できる。ここでβは先の相互作用からの臨界角で
あり、略40°である。漏れを所望ならしめるため角度γを計算する。光強度はJ
＝J₀cos αである。Iは光学的強度であり、平方メーター当りのワットで示され
、例えば、光強度Jはステラジアン当りのワット数で示される。ランバートの法
則はJ＝J₀ cos αで示される。数１１０における積分は、導波管を通る全出力が
−βから＋βであることを示す。

【００８８】

【数１１０】

【００８９】数１１３におけるΔPは2γからの漏れである。

【００９０】

【数１１３】

【００９１】 γが1ラジアンより遥かに小さいとすればこのΔPを数１２５で用いる。

【００９２】

【数１２５】

【００９３】数１２６は各イベントのための相対漏れを示す。分配楔ではイベント毎の相対
漏れはγに比例し、数１２３を数１２６に代入すれば数１２８が得られる。

【００９４】

【数１２６】

【００９５】

【数１２８】

【００９６】数１２８において、γは数１３２に示す関係に応じてxと共に変化する。

【００９７】

【数１３２】

【００９８】一定の漏れとするためγをxと共に増加したときγを規定できる。また、既に
述べたように密度ρは変え得る。密度をミリメータ当り１０の定数とすれば、数
１３６に示すように記号が定数となる。

【００９９】

【数１３６】

【０１００】全長Lを20cmとすれば数１３７は溝毎の漏れが小さいことを示す。

【０１０１】

【数１３７】

【０１０２】数１４０は、初期角度が1／10度であれば良いことを示す。

【０１０３】

【数１４０】

【０１０４】傾斜光を無視できるものとする。傾斜光は、全光線トレーススキムプログラム
でのみ表示可能である。傾斜光に適合せしめるためには対角形を筒状対象形に変
更するのが好ましい。円ではなく楕円上での回転をベースとする。（Z,X）断面
では三角がプリズムを作るが、傾斜光の組合わせのため（X,Y）面に沿って考え
たとき、このような三角区域は傾斜光に適合せしめるためには円錐またはより複
雑な楕円形となる。このようなトポロジーは複雑である。

【０１０５】数１２８をより正確に解析するためフレネル反射を考慮する。数１２８におけ
る出力ρは数３００によって示される。

【０１０６】

【数３００】

【０１０７】ここでRはフレネル反射率、Dは吸収率である。従って、数１１６は数３０１と
なる。

【０１０８】

【数３０１】

【０１０９】ここで係数Dは係数ρと同様一定と仮定する。光漏れの均一性を保つためには
数３０２が成立する必要がある。

【０１１０】

【数３０２】

【０１１１】ここでA′は定数であり定数Aと表し得る。同様の理由で係数aのため数３０３
が得られる。

【０１１２】

【数３０３】

【０１１３】 R=D=0と仮定し、角δの代りに角αを用いれば数３０３は数１２８に等しくな
る。

【０１１４】 δ＜＜1,及びα＜＜1とすれば、δとγ間の関係は数３０４に示される。

【０１１５】

【数３０４】

【０１１６】ここにはスネルの法則が含まれている。δは漏れ角でありγはプリズム角であ
る。これを表１に示す。

【０１１７】

【表１】

【０１１８】表１は、角γが小さくても角δを極めて大きくなし得ることを示している。角
度に関しては、臨界角α_c（sin α_c=Δ／n）に近いときフレネル反射率を極めて
大きくなし得る。例えば、γ＝0.2°のときR=51％であり、γ＝0.5％のときR=30
％となる。

【０１１９】例えば、超然関数である数３０３の好ましい解は以下の通りである。係数Rは
δに応じるため、数３０３は超然関数であり、分析的に解することができない。
数３０３を好ましく解くため初めは反復工程では、α_L値（即ち、X＝Lのときの
γ値）が0.5°に等しくし、フレネル反射率R=30％を導く。更に、導波管５２の
光入力端５４においては端面６２から反射する光出力は約5％にとどまる。即ち
、P（L）＝0.05 P_oとなる。吸収係数値を（控えめに）2％と仮定する。次いで、
n＝1.55及びα_c＝40°のとき、α_L＝0.74°となる。以上、初めの反復工程は比
較的良好になされた。数３０４を用いればδ＝7°が得られる。従って、（空中
での）漏れ角2δは14°となる。勿論、x＝0のときは角γ及びδの値（即ち、γ_o とδ_oの値）はより小さくなる。従って、この場合には、γ分布は不均一である
。この数値例は分配楔システムをいかにデザインするかを示している。例示的な
パラメータを表２に示す。

【０１２０】

【表２】

【０１２１】（Ｃ．湾曲ファセット面）各ファセットの表面の異なる部分には異なる方向から異なる光が入射する。得
られる光は理想的な分布ではないため平らなファセット面が常に最適であるとは
限らない。傾斜光を無視することによって最適な湾曲面を、均一な入射光のため
にデザインできる。例えば、二等辺三角形の穴の底辺は入射角の小さい光には不
向きである。所定の反射面に利用できる円錐光の強度に重み付けをするためファ
セットのデザインを最適とするのが好ましい。例えば、左側からの光を反射する
弧状面を平らなプリズム面の代りに用いた場合には、導波管の形をベースとする
弧状面の任意の部分に当る光のための最大及び最小角を定める必要がある。特に
、前にある頂部によって遮られるため弧状面の頂部には光は0°以下の角度では
到達できない。これに対し、弧状面の底部には光は広角度範囲で到達できる。図
７に示すように、これら2つの角度を中心で分割することによって湾曲面の接線
を幾何学的に単純に区画できる。然しながら、光源自体からの光分布は僅かに対
称でも非平面であり導波管は光源からの光で不均一に照明されるため、上記2つ
の角度の夫々の中心点に対する光は幾何学的な2等分から僅かに異なるようにな
る。

【０１２２】湾曲歯ファセット１００を鏡面とし、制限されたサイズで光の幾つかの部分を
遮断する開口効果を有せしめることができる。また、第2のファセット１０２を
平らとなし得る。より小さい光を好ましく解析するため平らとしたが、第2のフ
ァセットは凸状または凹状となし得る。頂点の底部では角度スペクトルは大きく
制限される。入射光をベースとして頂部においてスペクトルはより広角となる。
この座標システムは装置のベースに基点を有する。湾曲面に対してはzがxの関数
となることが問題である。

【０１２３】図８は湾曲面またはファセット１００を有する鋸歯形を示し、これから最適湾
曲面z（x）を導く。これは図８の点O、Q、Pにおける入射光が図８にハッチング
で示す区域に拡散されるため平らな面よりも湾曲面となる。

【０１２４】図８は湾曲楔または歯９９を示す。非結像光学（NIO）歯の頂点１０４はOであ
り、ウイルホールドとウインストンによって説明されているルイビウル理論に応
じた光コリメート最適化に従って位置せしめる。

【０１２５】任意の点Ｑ１０１をｚ＝z（x）の曲線上に位置せしめ、最適化せしめる。勿論
、この任意の点Ｑ１０１は2つの座標軸（x、z）を有する。湾曲壁上の最大高さ
の点１０６はPである。歯１０８の高さはPとO間の距離で示される。直線壁の横
方向長さは１０９で示される。点Qのz座標は１０７で示される。点Qは座標シス
テムの原点でもある。

【０１２６】点Qにおける入射光の最小角（α）は１１０で示される。点Qにおける入射光の
最大角（β）は１１２で示される。これは光拡散の最大角でもある。コリメート
導波管の内側での全内面反射（TIR）の結果、最大角βはアークタンゼント（1／
n）となる。ここでnは空気で囲まれた歯の反射率である。n＝1.55のときβ≒40
°となる。

【０１２７】 2分角、（α＋β）／2は１１４で示される。点Qに近づく光（または光速）の
ための中心光である2分割光は角度１１６で示される。角度１１８は2分割光の反
射角であり、角度１１６に等しい。

【０１２８】１２０は2分割光のための対称角（δ）を示す。対称線１２２は接線１２４に
直角となる。従って接線角は90°−δ（または（π／2）−δ）となる。

【０１２９】１０２は歯の直線（または、筒状体の内壁）を示す。１００は出力光の拡散を
最小とする最適NIO形で特徴づけられた湾曲ファセット面を示す。プリズムに比
較すれば、面上の任意の点における光束は垂直方向に対称的に反射される。これ
は任意の光束の2分割線が正しく垂直に反射されるためである。

【０１３０】１２４は点Qにおける曲線に対する接線である。１３０は点Oに対する入射光で
ある。１３２は点Qに対する光束の最小傾斜光である。１３４は点Qに対する最大
傾斜光である。１３６は点Qに対する光束の2分割入射光である。１２２は、これ
に対し正しく垂直になる2分割入射光１３６と2分割反射光１３８に対する対称線
である。

【０１３１】１３８はZ軸に正しく垂直または平行な2分割入射光１３６の反射光である。１
４０は、最適化原理に応じた、正しく垂直な入射光１３０の反射光である。１４
２は最大点Pに対する水平方向の最小傾斜光である。１４４は最大光量に適合す
るための最大傾斜角βの傾斜光である。１４６は点Pに対する2分割光である。１
４８は最適化原理に応じた、常に正確に垂直である2分割光の反射光である。

【０１３２】最適な曲線z＝z（x）を定めるための解析を以下説明する。図１０に示すよう
に対称角１２０またはδは数２００で示される。

【０１３３】

【数２００】

【０１３４】ここで角αは１１０、角βは１１２である。最適化原理によれば曲線の任意の
点Qにおける角βは一定であり、角αは数２０１で定める。

【０１３５】

【数２０１】

【０１３６】即ち、αはz座標の関数である。従って、角δもz座標の関数である。従って、
ライン１１３は最適化原理によって直線ではなく曲線となり、数２０２と数２０
３で示される。

【０１３７】

【数２０２】

【０１３８】

【数２０３】

【０１３９】最適化原理を定める基本的微分方程式は数２０４または数２０５で示される。

【数２０４】

【０１４０】

【数２０５】

【０１４１】ここでdxとdzは、曲線上の点Qにおける無限小変化または座標軸（x、z）を示
し、数２０２〜２０５を用いて数２０６が得られる。

【０１４２】

【数２０６】

【０１４３】この問題の解は数２０７となる。

【０１４４】

【数２０７】

【０１４５】代表的に、この解は数２０７の逆関数である数２０８から得られる。

【０１４６】

【数２０８】

【０１４７】数２０８はG及び角βの種々の値のために数学的に計算できる。図９に示すよ
うに数２０７によってx（z）を定め、曲線z（x）の2つの側を計算し、説明する
。図１２は一方向照明のため図８と図９に示す光学素子の増加したものを示す。

【０１４８】図１０はG＝100μm、β＝40°の例における鋸歯または湾曲ファセット９９を
示す。１０２は実際は湾曲面である。図１０の単一の鋸歯を図１１で詳細に説明
し、図１３に示すように、コリメート導波管の一側に適用される実際の鋸歯を示
すため図１２でこれを増加して示す。この解析では単純化のため傾斜光は考慮し
ない。

【０１４９】開口効果歯における湾曲形状は、各光学素子の第１及び第２ファセットによっ
て定められる谷の形状のみならず光エンジンの出力の関数となる。従って、光エ
ンジンの光分散及びコリメート導波管内の光分散を考慮するが有用である。

【０１５０】（３．コリメート導波管の構成）本発明のコリメート導波管は任意の方法によって作り得る。その方法において
は複数／積層方法を用いるのがより好ましい。

【０１５１】アンダーカットなしで作ったコリメート導波管を複製するためのマスターを作
るとき二等辺三角形をカットする。いかなるアンダーカットもモールドの取り出
しを阻止する。マスターからサブマスターへ仕上げ部に向って移動するとき一般
に品質が低下する。この品質低下では縁が除去される。この品質低下の多くは取
り出しの間に加えられる力に起因する。従って、マスターの形状は必ずしも仕上
げられたファセット構造とはならない。取り出し工程に起因してファセット自体
は凸状にしがちであるが凹状ともなし得る。なお、結合凹部構造を定めるため2
つのファセットを結合することは比較的容易である。

【０１５２】上記光学素子アセンブリのためのマスターを作るため、メタルマスターをダイ
ヤモンド工具で加工する。筒状に種々の角度で平らなファセットの微小溝を加工
することは可能である。球面または非球面曲線をダイヤモンドにカットでき、得
られた湾曲光学微小素子を50ミクロン程の小さなものとすることは可能である。
種々の角度の湾曲ファセットも可能である。可変間隔の平らなファセット及び湾
曲ファセットも可能である。更に、200ミクロン程度に小さい結像マイクロレン
ズをカットすることも可能である。然しながら、ダイヤモンド工具は摩耗するた
め1つのマスターを作り、次いで一連のサブマスターを複製するのが好ましい。

【０１５３】（Ａ．液晶ディスプレイ）液晶ディスプレイ（LCD）は高い及びまたは低い鮮明度のものとなし得る。ピ
クセルの数は例えば2000×2000となし得る。現在、最小サイズのピクセルの解像
度は、略20ミクロンである。これらLCDは好ましくないピクセル効果をもたらす
。観察者は実際上これらピクセル境界を実際に見ることができる。

【０１５４】（Ｂ．拡散体）コリメート導波管とLCD間に位置される拡散体によってなされる重要な機能は,
LCDからピクセル効果を除去することにある。かかる拡散体の使用によって均質
化がなされる。

【０１５５】更に、LCDから放出される光の方向性は、LCDの頂部に位置せしめた方向性を有
する拡散体の使用によって最適となし得る。このようにすればラップトップコン
ピュータからの視野を個々に制限できるようになる。方向性拡散体は非ランバー
ト拡散体である。その光学特性は米国特許第5,365,354号に記載のように平面波
応答によって定められる。入射光は完全にはコリメートされず、約±10°拡散す
るものとみられる。勿論、拡散体からの拡散は拡散体が達成できる値以下とはな
し得ない。代表的な値は略1〜40°の半値角である。実際上は、入射光の拡散角
が略20°であり、拡散体の拡散角が略1°の場合、出力の拡散は入力と略同一と
なる。拡散体はコリメートを助けることはない。然しながら、拡散体は均質化に
は大きな助けとなる。特に、このような拡散体はLCDからのピクセル効果を除去
する。

【０１５６】拡散体は溝とLCD間に配置でき、及びまたは拡散体をLCDの後ろに配置できる。
前者の場合、拡散体はグリッド構造のみは均質化するがピクセルは均質化しない
。後者の場合、拡散体は両者を均質化する。

【０１５７】（Ｃ．散乱及び反射端面）導波管５２の端面６２は光散乱面であると共に反射面である。この端面６２の
構成は本発明の範囲内で種々に変更できる。好ましい面の例としては、反射拡散
面、反射ホログラフ面または入射光を反射すると共に散乱する他の型の面を含む
。

【０１５８】（４．特定実施例の説明）図１及び図３に示すように、光源６６を反射面６８によって区画する。この光
源６６は冷陰極蛍光灯、熱陰極蛍光灯、または上述した他の型のものとなし得る
。光源６６からの光はコリメート導波管５２に指向せしめる。

【０１５９】光源６６はより一般的な発光源として示し得る。コリメート導波管５２は光入
力端５４を有する。コリメート導波管５２の底面５６には第1の複数の本質的に
平行な光学素子またはファセット８０を設ける。上記光学素子８０の夫々には第
1ファセット８２と第2ファセット８４とを設ける。コリメート導波管５２には更
に上面５８と端面６２とを設ける。

【０１６０】本発明の実施例においては、光源からの光を直接光入射端に加える。この場合
、光源と入射端間には他の構成は介在されていない。例えば、光源と入射端間の
スペースは空気または真空となっている。光源と入射端間に何等構造物が無いた
め光が入射端を通るときスネルの法則に応じて高度にコリメートされる。

【０１６１】図１３に示すように、分配楔コリメート導波管５２には第1の複数の本質的に
平行なファセット８０を設ける。このファセット８０の夫々には本質的に平らな
第1の鏡状第1ファセット８２と、本質的に平らな第2のファセット８４とを設け
る。第1の分配楔コリメート導波管５２には更に上面５８を設ける。

【０１６２】鏡状第1ファセット８２が上面５８に対して作る角度γを最適ならしめる。第2
分配楔コリメート導波管１７０を第1分配楔コリメート導波管５２に光学的に接
続する。第2分配楔コリメート導波管１７０には上面１７２を設ける。上面１７
０からの光を均質化するための第1拡散体１８０を第2分配楔コリメート導波管１
７０に光学的に接続する。

【０１６３】複数の結像光学部材を含む拡散体のような付加的導波管を第1拡散体１８０と
第2分配楔コリメート導波管１７０間に配置する。更に、拡散体の角度的濾過フ
ィルムを入射端５４に隣接して配置する。

【０１６４】図１４は図１３に示した装置のための光説明図である。図１４の右側では光が
上面に対し略0°の角度で漏れる。この光は拡散体の上部から右側に放射される
。図１４の中間では光は上面から角度γで放射される。図１４の左側では光は状
面から角度γで放出される。この光は拡散体から左方に放射される。本発明の他
の実施例を本発明の範囲内で作り得る。

【０１６５】図１５に示す液晶ディスプレイ背景システムはコリメート導波管３００と、光
湾曲及び観察フィルム４００とをベースとする。コリメート導波管３００はミラ
ー反射及びまたは全内面反射機能をベースとする。他の実施例においては、コリ
メート導波管３００を光入力端３１９における反射器３２０とランプ３１０に接
続する。ランプ３１０からの光は角度的濾過フィルム３３０を介して非結像光学
部材（NIO）３４０に加える。角度的濾過フィルム３３０には、平らな第1側３２
１と、図２０Ａ〜図２０Ｃに示すように複数の平行する等軸三角プリズムまたは
2d列プリズムを有する第2側３２２とを設ける。この角度的濾過フィルム３３０
の機能は光をコリメートし、迷走光を除去することにある。上述したように、光
はNIO ３４０の全長を全内面反射しながら通り端面３４２に達する。光は反射層
３４４によってNIO ３４０を介して反射復帰せしめる。

【０１６６】図１５に示すように、NIO ３４０は直線状上面及び底面を有する光パイプ、ま
たは傾斜上面及び底面を有するコリメート導波管とする。非結像光学部材３４０
はコリメート導波管３００に別体または一体に接続できる。他の実施例において
は、1つまたはそれ以上の反射器３２０を設けた場合角度的濾過フィルム３３０
とNIO ３４０を省略し、選択可能とする。

【０１６７】図１５において、コリメート導波管３００の底部に設けた第1の複数の光学素
子３５０の夫々には2つの平板状ファセット、1つの平板状ファセットと1つの湾
曲ファセット、または2つの湾曲ファセットを有せしめる。図示した実施例では
、各光学素子３５０は第1の平らなファセット３５１と、第2の平らなファセット
３５２とを有する。この第2のファセット３５２は全内面反射（TIR）として機能
するデザインとする。好ましい実施例においては、第1の複数の光学素子には平
らなファセットと湾曲ファセットとを有せしめ、後者は全内面反射（TIR）とし
て機能するデザインとする。複数の光学素子３５０のファセットの1つまたは双
方が全内面反射として機能するデザインならしめ、または、メタリック反射、吸
収及びまたは伝達機能を有せしめる。図示した実施例では、第2の平らなファセ
ット３５２を介してコリメート導波管３００から出た光３６１と３６２の向きを
、コリメート導波管３００の上面に垂直ではない比較的狭い角度範囲に制限せし
める。然しながら出力光の角度範囲は上記上面に対し直角でも良い。

【０１６８】図１８Ｂに示すように、下層３６０を第1の複数の光学素子３５０の下側に配
置する。この下層３６０は、インペリアルケミカルインダストリー（ICI）のメ
リネックス＃３２９−５００のような分離した反射材料の可撓性層とする。この
下層３６０は輝度効率と装置の外観を改良する。この下層３６０は完全に不透明
、本質的に不透明または部分的に透明となし得る。好ましい実施例においては、
この下層３６０は白色、真珠色、または着色とする。このシステムには上記アセ
ンブリ上に配置したLCD（図示せず）を有せしめることができる。このLCDの機能
はラップトップコンピュータまたは他のディスプレイを作ることにある。

【０１６９】図１５に示すように、コリメート導波管３００の第2の平らなファセット３５
２におけるTIRを介してコリメート導波管上部から出た光３６１と３６２は更に
光湾曲及び視野フィルム４００によって屈折し、反射する。光湾曲及び視野フィ
ルム４００は第2の複数の光学素子４１０を有する。この第2の光学素子４１０の
夫々は第1の平らなファセット４１１と第2の平らなファセット４１２とを有し、
後者はTIRによって機能されるようにデザインする。上記第2の光学素子４１０の
夫々は2つの平らなファセット、1つの平らなファセットと1つの湾曲ファセット
、または2つの湾曲ファセットを有する。更に、2つ、1つのファセットをTIRによ
って機能せしめる。または、メタリック反射、吸収及びまたは伝達できるデザイ
ンとする。好ましい実施例においては、第2のファセットをTIRによって機能せし
め、第1ファセットに関連して凹状とする。

【０１７０】図１５に示すように、コリメート導波管３００から出た光は、コリメート導波
管３００の上面と第2の複数の光学素子４１０の第1ファセット間を通った後光湾
曲及び視野フィルム４００に入るとき屈折される。屈折された光は次いで第2の
複数の光学素子４１０の第2ファセット４１２によって全内面反射（TIR）する。
上述のようにこの反射は、例えばメタライズ層によるミラー反射、または全内面
反射に加えて被膜による吸収または伝達とする。図１５において第2ファセット
４１２からの反射光は表面拡散体４２０に向って進む。この表面拡散体４２０は
フィルム４００の一部とし、またはフィルム４００に積層した、または取り付け
た分離層とする。表面拡散体は、それがフィルム４００の一部でない場合にはフ
ィルム４００の残りの部分の屈折率に等しい屈折率のレプリカまたはモールドさ
れたものとする。表面拡散体４２０を介して光湾曲及び視野フィルム４００から
出た光は比較的狭い角度範囲のものに成形し、または比較的広い角度範囲に発散
せしめる。同様にして表面拡散体４２０を介して出た光は光湾曲及び視野フィル
ム４００の上部に対して垂直または非垂直とする。

【０１７１】図１５の実施例においては、出力光は広い角度で発散し、表面拡散体４２０の
平均した上面に対して垂直ではない。

【０１７２】図１６Ａに示すように、光湾曲及び視野フィルム４００は、第２の複数の光学
素子を区画する底部４２６と、表面拡散体を区画する上部４２８とを有する単一
層のものとする。または、光湾曲及び視野フィルム４００は、２または３以上の
複合層とする。例えば、第２の複数の光学素子を、ポリエステルキャリヤウエブ
の一側に設けた光重合可能な材料の第１層内に複製する。次いで、表面拡散体を
、ポリエステルキャリヤウエブの他側に設けた光重合可能な材料の第２層内に複
製し、その結果ウエブが２つの光重合層間に挟まれるようにする。または、ウエ
ブの両側に同時に光重合可能な層を設け、同時に複製を行ない重合せしめる。ま
たは、キャリアウエブを用いる代りに第１の形状を押圧モールドして光重合可能
な材料の皮膜のためのキャリヤとして作用する層を形成し、この層に第２の形状
を複製せしめる。フィルム４００の双方の形状をポリカーボネイトまたは他の好
ましい材料の単一層に打ち出すか、または注入モールドせしめる。

【０１７３】図１６Ａには局部光源から放出される光のトレースを示す。即ち、図１６Ａは
、フィルム４００の単純な応答を示すため仮想の点光源から出る複数の光線を示
す。

【０１７４】図１６Ｂに示すように、光湾曲及び視野フィルム９１０は、複数の光学素子を
区画する底部９２６と表面拡散体９２９を区画する上部９２８とを有する。コリ
メート導波管９５０は底部９２６の近傍に設ける。導波管９５０内の多くの光線
は全内面反射し、底部９２６には達しない。従って、放出される光は十分にコリ
メートされる。更に、一連の光９３１、９３２及び９３３で示すようにフィルム
９１０は底部９２６を通してフィルム９１０に入る光を更にコリメートする。

【０１７５】図１７Ａに示すように、角度的濾過フィルム５００（例えばミネソタ州3MのBE
F）をコリメート導波管（図示せず）の光エンジン入口端に隣接して設ける。フ
ィルム５００は、その効果が熱力学第２法則に反しているため好ましい輝度改良
フィルムとはいえない。位相角度的濾過フィルムはより正確である。角度的濾過
フィルム５００は平らな第１側５１０と、複数の等積三角プリズム５３０を有す
る。第２側５２０とを有する。矢じり５５５から下方に向かう入射光の一部はフ
ィルム５００によってコリメートされる。フィルム５００は三角プリズムの頂部
５３５に対する入射光の位置によって或る光に対してはこれをコリメートするよ
うに作用し、同時に他の光に対してはこれを除去するフィルターとして作用する
。例えば、光５４１、５４２、４４３及び５４４はフィルム５００によって除か
れ、図において上方に戻される。

【０１７６】図１７Ｂにはフィルム５００に相互作用する多数の光を示す。入射光５２５の
一部のみがLCD（図示せず）に向かう。

【０１７７】図２０Ａ、図２０Ｂ及び図２０Ｃには、通常の2dフィルターに加えて、少なく
とも或る程度の3Dフィルターを作る3つの交互の角度的濾過フィルムを示す。図
２０Ａには平面列のピラミッド５６０を示す。図２０Ｂには平面列の広がったピ
ラミッド構造５７０を示す。図２０Ｃには平面列の円錐５８０を示す。3つのこ
れらの実施例は夫々Z，X及びY方向の或る程度の角度的フィルターを形成する。

【０１７８】図１８に示すように、光屈折及び視野フィルム７００は、夫々平らなファセッ
ト７２０と湾曲ファセット７３０とを有する複数の光学素子７１０を有する。各
湾曲ファセットはファセットによって反射されるべき光に関して同一または好適
なものとする。この実施例においては、ファセット７２０は透明とし、湾曲ファ
セット７３０は全内面反射する機能を有するようにする。然しながら、第1ファ
セットを透明にする必要があるとしても、第2ファセットは平らとし、及びまた
はミラー反射せしめるためメタライズせしめても良い。

【０１７９】図１９に示すように、コリメート導波管８００は、複数の光学素子８１０を有
し、この夫々はファセットによって反射されるべき光に関して好適な湾曲ファセ
ット８２を有する。光学素子８１０の夫々は更に平らなファセット８３０を有す
る。湾曲ファセット８２０には全内面反射の機能を有せしめるか、または、ミラ
ー反射する反射膜を有せしめる。これら反射ファセットは平らか、または湾曲と
する。複数の光学素子のファセットは、ミラー化及びまたは全内面反射面の組み
合せ、及び平ら及びまたは湾曲面の組合せで作成する。この実施例では光源は右
端に、反射端面は左に設ける。

【０１８０】図の左側の反射端面から離れるに従がい湾曲ファセットは短くする（図示せず
）。平らなファセットと対応する湾曲ファセット間の頂角及び円弧は一定とする
が、平らなファセットの角度は反射端面から離れるに従って増加せしめる。頂部
によって定められる平面に関連する溝の深さを光源から離れるに従がい減少せし
める。この形状は、先の素子に関連して順次に回動されるダイヤモンド工具によ
って複数の光学素子の夫々を順次にカットしたマスターを用いて複製する。

【０１８１】本発明の好ましい実施例は、コリメートされた出力の状態をテストすることに
よって一度に定め得る。このコリメートされた出力の状態のテストは従来の偏光
実験によることなしになし得る。コリメートされた出力による次に好ましい実施
例は均質性をベースとするものである。

【０１８２】ここに示した実施例は光源としての機能を達成するための構成として蛍光灯を
用いたが、例えば発光ダイオードアレイ（LED）、ストロボ光のような非単色光
源を含む他の構成を用いても良い。発光源は商業的には可能性は少ないが単色光
源であっても良い。

【０１８３】ここに示す実施例は、導波管の上面以上でイメージをコリメートする機能を達
成するための構成として筒状または円錐形マイクロファセットを示すが、イメー
ジをコリメートする構成としては伝達室のような非直線光学部材の例を含む、発
散光を変化せしめる機能を達成できる他の任意の構成となし得る。

【０１８４】ここで示す実施例では、成形光の機能を達成するための構成としての光成形拡
散体を示すが、光形成のための構成としてはフレネルレンズのようなレンズの例
を含む、光成形の機能を達成できる他の構成となし得る。

【０１８５】技術的な価値を有する本発明の具体的な用途は液晶ディスプレイの照明である
。更に、本発明の総べての実施例は液晶ディスプレイと共に、例えばディスプレ
イデータと共に、またはイメージのディスプレイ等と共に用いるのが好ましい。
ここでは詳細に説明する必要はないが、実際上数え切れない用途がある。

【０１８６】本発明によれば対角線ゆがみを有しない比較的小さいパワーで非常に良好な出
力を得るという予期できない本質的に改良された結果が得られる。本発明は実験
することなく実施できる。以上及び以下に示すもの総べてが参照例によって明確
になる。

【０１８７】本発明を実施する最良の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではな
い。本発明は本発明の精神と範囲を逸脱することなく種々増減、変更できること
は勿論である。

【０１８８】例えば、薄い発光源や薄いコリメート導波管を作ることによってシステムをコ
ンパクトになし得る。同様にして、コリメート導波管はプラスチックで作るのが
好ましいが、代りに任意の光学的に屈折する材料を用いることができる。更に、
残りの個々の部材を上述の材料で作る必要はなく、実際上任意の好ましい材料で
作ることができる。

【０１８９】更に、個々の部材を上述した形及び組合せとする以外に、実際上背景を作るた
めの光をコリメートする任意の形及び組合せで作ることができる。更に、ここで
示した液晶ディスプレイシステムは物理的に分割したモジュールであるが、この
液晶ディスプレイは関連する装置と一体ならしめることができる。更に、上記各
実施例を排他的なものを除き互いに組み合せ、または、他のものに代えることが
できる。

【０１９０】本発明の特許請求の範囲の記載はすべてのかかる付加、変更及び再構築を示し
ている。本発明の好ましい実施例を特許請求の範囲に列記する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のコリメート導波管を示す説明図である。

【図２】背景装置とLCDアセンブリの構成を示す説明図である。

【図３】本発明のコリメート導波管の一部の断面図である。

【図４】本発明のコリメート導波管の一部の斜視図である。

【図５】楔コリメート導波管の断面図である。

【図６】本発明の分配楔コリメート導波管の断面図である。

【図７】湾曲ファセットを有するコリメート導波管の一部の断面図である。

【図８】本発明の図７に示すコリメート導波管の一部の形状説明図である。

【図９】本発明の図７に示すコリメート導波管の一部の形状説明図である。

【図１０】本発明の図７に示すコリメート導波管の一部の形状説明図である。

【図１１】本発明の図７に示すコリメート導波管の一部の形状説明図である。

【図１２】本発明の湾曲ファセットコリメート導波管の一部の説明図である。

【図１３】本発明の液晶ディスプレイシステムの一部の側面図である。

【図１４】図１３に示す液晶ディスプレイの説明図である。

【図１５】本発明の液晶ディスプレイ背景システムの断面図である。

【図１６Ａ】本発明の方向変換フィルムの一部の断面図である。

【図１６Ｂ】本発明のコリメート導波管の一部の断面図である。

【図１７Ａ】本発明のコリメート導波管に隣接して用いる角度的濾過フィルムの一部の断面
図である。

【図１７Ｂ】本発明のコリメート導波管に隣接して用いる角度的濾過フィルムの一部の断面
図である。

【図１８】本発明のコリメート導波管と共に用いるための方向変換フィルムの一部の断面
図である。

【図１９】本発明の湾曲ファセットコリメート導波管の一部の断面図である。

【図２０Ａ】本発明において用いる角度的濾過フィルムの説明図である。

【図２０Ｂ】本発明において用いる角度的濾過フィルムの説明図である。

【図２０Ｃ】本発明において用いる角度的濾過フィルムの説明図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年１２月７日（２０００．１２．７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｆ 1/13357 Ｇ０２Ｆ 1/13357 (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷＦターム(参考） 2H038 AA55 BA06 2H042 BA01 BA12 BA20 2H091 FA14Z FA23Z FA31Z FA41Z LA18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光入力端と、上面と、この上面の反対側の底面と、両側と、
上記光入力端に対向する対向端と、及び全内部反射臨界角とを有するコリメート
導波管と、上記光入力端と上記対向端間のコリメート導波管に沿って分布され、上記両側
間の少なくとも1部に延びる上記底面内の複数の第1ファセットと、上記第1ファセットの夫々に含まれる、上記対向端から上記上面に対し約10°
以下の角度γで上記上面に向かう第1ファセット底面と、上記コリメート導波管の上記対向端に隣接して配置した光散乱及び反射面と、
より成り、上記第1ファセット底面が上記光入力端に入る光を、上記コリメート導波管の
対向端に向かって全内面反射せしめ、上記対向端における散乱及び反射面が入射
された光を上記光入力端に向かって反射し散乱せしめ、更に、上記第1ファセッ
ト底面が、上記第1ファセット底面に入射された光を上記対向端から上記上面に
向って、反射せしめる、背景装置。
【請求項２】上記第1ファセット底面が、光を上記対向端から全内面反射
臨界角に近い角度で反射せしめ、上記上面に対して約2γの角度で指向せしめる
請求項１記載の背景装置。
【請求項３】上記第1ファセット底面が密度ρであり、コリメート導波管
の底面に沿って分布されており、上記密度がコリメート導波管に沿って上記対向
端からの距離の関数として変化する請求項１記載の背景装置。
【請求項４】上記密度ρが上記対向端からの距離が大きくなれば大きくな
る請求項３記載の背景装置。
【請求項５】上記第1ファセット底面の夫々が、直線ファセット底面であ
る請求項１記載の背景装置。
【請求項６】上記第1ファセット底面の夫々が直線ファセット底面であり
、上記密度ρが、上記対向端からの距離が大きくなれば大きくなり、順次の第1
直線ファセット底面の角度γが、先の直線第1ファセット底面の夫々に対して上
記対向端からの離れる方向で僅かに増加する請求項３記載の背景装置。
【請求項７】直線第1ファセット底面の夫々が他の直線ファセット底面の
夫々に対し平行である請求項６記載の背景装置。
【請求項８】夫々第2ファセット底面を有する複数の第2ファセットを底面
内に有し、この複数の第2ファセットが、複数の第1ファセット間に交互に挿入し
た上記対向端と上記光入力端間でコリメート導波管に沿って配置され、上記両側
間の少なくとも1部に延びる請求項１記載の背景装置。
【請求項９】上記第1ファセット底面の夫々のみが、上記第1ファセット底
面の夫々からの光の漏れを防ぐための反射層を有する請求項８記載の背景装置。
【請求項１０】上記第1ファセット底面の夫々上の上記反射層がメタライ
ズ反射層である請求項９記載の背景装置。
【請求項１１】上記第1ファセットの夫々が、上記両側間で背景コリメー
ト導波管全体を横切って延びる請求項１記載の背景装置。
【請求項１２】上記複数の第1ファセットが上記底面に沿って分布されて
おり、上記コリメート導波管のある長さに亘り上記上面から放射される光の強度
が本質的に均一である請求項１記載の背景装置。
【請求項１３】上記上面から放射される光を均質ならしめるためコリメー
ト導波管の上面に光学的に結合した拡散体を有する請求項１記載の背景装置。
【請求項１４】上記光入力端からの反射を減少するためコリメート導波管
の光入力端に光学的に結合した非ランバート拡散体を有する請求項１記載の背景
装置。
【請求項１５】上記コリメート導波管に光学的に結合した空間光変調器を
有する請求項１記載の背景装置。
【請求項１６】上記コリメート導波管の光入力端に光学的に結合した光源
を有する請求項１記載の背景装置。
【請求項１７】上記コリメート導波管の上面に光学的に結合した液晶ディ
スプレイを有する請求項１記載の背景装置。
【請求項１８】前面視野面と対向後面とを有する液晶素子と、光入力端と、液晶ディスプレイの後面に対向する上面と、この上面の反対側の
底面と、両側と、上記光入力端に対向する対向端と、及び全内部反射臨界角とを
有するコリメート導波管と、上記光入力端に隣接して配置された光源と、上記光入力端と上記対向端間のコリメート導波管に沿って分布され、上記両側
間の少なくとも1部に延びる上記底面内の複数の第1ファセットと、上記第1ファセットの夫々に含まれる、上記対向端から上記上面に対し約10°
以下の角度γで上記上面に向かう第1ファセット底面と、上記コリメート導波管の上記対向端に配置した光散乱及び反射面と、より成り
、上記第1ファセット底面が上記光入力端に入る光を、上記コリメート導波管の
対向端に向って全内面反射せしめ、上記対向端における散乱及び反射面が入射さ
れた光を上記光入力端に向って反射し散乱せしめ、更に、上記第1ファセット底
面が、上記対向端から上記上面に向って反射された光を液晶素子に指向せしめる
、液晶ディスプレイ装置。
【請求項１９】上記液晶ディスプレイに光を指向するため上記液晶素子に
光学的に結合した非ランバート第1拡散体と、上記上面から出る光を均質化するためコリメート導波管の上面に光学的に結合
した第2拡散体と、上記光入力端からの反射を減少するためコリメート導波管の光入力端に光学的
に結合した非ランバート第3拡散体とを有する請求項１８記載の液晶ディスプレ
イ。
【請求項２０】上記コリメート導波管に光学的に結合した空間光変調器を
有する請求項１７記載の液晶ディスプレイ。
【請求項２１】夫々第2ファセット底面を有する複数の第2ファセットを底
面内に有し、この複数の第2ファセットが、複数の第1ファセット間に交互に挿入
した上記対向端と上記光入力端間でコリメート導波管に沿って配置され、上記両
側間の少なくとも1部に延び、上記第1ファセット底面と第2ファセット底面が、
上記光入力端に入る光を上記コリメート導波管の対向端に全内面反射せしめ、上
記対向端における散乱及び反射面が光を光入力端に向って反射散乱せしめ、上記
第1ファセット底面が上記対向端からの光を上記上面に略接線となる角度で上面
に反射せしめる請求項１８記載の液晶ディスプレイ。
【請求項２２】光入力端と、上面と、この上面の反対側の底面と、両側と
、上記光入力端に対向する対向端と、及び全内部反射臨界角とを有するコリメー
ト導波管と、上記光入力端と上記対向端間のコリメート導波管に沿って分布され、上記両側
間の少なくとも1部に延びる上記底面内の複数の第1ファセットと、上記第1ファセットの夫々に含まれる、上記対向端から上記上面に向かう湾曲
第1ファセット底面と、夫々、第2ファセット底面を有し、上記光入力端と複数の第1ファセット間に交
互に挿入した上記対向端間で上記コリメート導波管に沿って配置され、上記両側
間の少なくとも1部に延びる、上記底面内の複数の第2ファセットと、上記コリメート導波管の上記対向端に隣接して配置した光散乱及び反射面と、
より成り、上記第1ファセットと第2ファセット底面が上記光入力端に光を入れ、上記コリ
メート導波管の対向端に向って全内面反射せしめ、上記対向端における散乱及び
反射面が入射された光を上記光入力端に向って反射し散乱せしめ、更に、上記湾
曲第1ファセット底面が、上記湾曲第1ファセット底面に入射された光を上記対向
端から上記上面に向って、上記上面に略直角に反射されるように配置される、背景装置。