JP2004503808A - 光ガイド内で光を分配するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

電子装置のユーザーインタフェース（６）の照明に使用される光ガイド（８）内で光を分配するためのシステムおよび方法が開示される。光ガイド（８）は薄膜として形成され、ユーザーインタフェースを効率的に照明するために光ガイドに出入りする光の伝送を制御するための入力回折格子（１３）および出力回折格子（１４）のパターンが印加される。

Description

【０００１】
（発明の背景）
移動電話および同様の通信装置は、用途および機能が急拡大している。そのような装置は、電話通信に加え、インターネットアクセス、個人情報管理、ファクシミリ、およびメッセージングを間もなく提供することになるであろう。これには、より複雑で密集しており、一般的により使用しにくいユーザーインタフェースが必要になるであろう。加えて、移動電話、ページャー等の電子装置は、拡大し続ける状況および環境において使われている。必然的に、これらの装置は、限定された光だけが利用可能な状況で使われ、それによって、ユーザーインタフェースの操作がよりいっそう困難になる。したがって、効果的な内部照明がこれらの装置の重要な機能になるであろう。
【０００２】
装置のサイズが小さくなりさらにより多くの機能が盛り込まれるにつれ、明るくかつ効率的な光源を妥当な価格で提供することはよりいっそう困難になってきている。実装とコストの要求に対処するには、プリント回路基板を用いるのが望ましく、これは照明用の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むその構成部品を基板の部品実装面と呼ばれる一方の面にのみ取り付けたものである。多くの場合、照明を必要とする、ボタン、ディスプレイおよびユーザーインタフェースの他の構成部品は、基板の反対側に面して位置している。したがって、基板は、これらの部品の照明を妨げる。この問題を解決するため、基板中の開口部を通して光を受け取り、所望の構成部品を照明するようにその光を曲げるために光学式光ガイドが用いられる。いわゆる基板通過光源は、プリント回路基板中の開口部を通してＬＥＤの光を導くように構成される。
【０００３】
光ガイドと光源の相対的な位置合わせには、光ガイド内で光の分配を最大にするように構成部品を最適に結合する必要がある。図１ａおよび図１ｂに示すような従来技術のシステムにおいては、エッジ結合および面結合がしばしば用いられる。各々には制限があり、ＬＥＤにより生成された光の大半を受け取るのに光ガイドが十分厚い場合には、エッジ結合はかなりうまく機能する。移動通信装置をより薄くすることが望ましいので、エッジ結合は、デザイン向上にとっての制約である。面結合は本来効率的ではなく、その理由は、光を曲げる必要があり、その結果、図１ｂに示すように、光が光ガイドから漏れてしまうからである。より多くの光を保持し、かつ損失を減らすために光ガイドの表面構造の改良が試みられているが、成果はごく限られたものである。
【０００４】
したがって、本発明の目的は、移動通信装置のような電子装置のユーザーインタフェース構成部品用の照明システムを提供することである。より詳細には、光ガイドの厚さを大きく低減することを可能にする一方で、ＬＥＤからの光を光ガイド内により効率的に分配させることが本発明の目的である。本発明の別の目的は、光ガイドと連係して動作してＬＥＤからの光を光ガイド全体にわたって分配させる、格子構造のような入力回折光学素子（ＤＯＥ）を構成することである。光ガイドと関連して光ガイドからの光をユーザーインタフェースの構成部品に伝送する出力回折光学素子を用いることが本発明のさらなる目的である。
【０００５】
（発明の概要）
発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光源からの光を光ガイドに光学的に結合するための手段として回折格子を用いることにより、薄い光ガイド内で光を分配するためのシステムが提供される。移動電話または他の通信装置のユーザーインタフェースに光を供給するためにこれまで平面型光ガイドが使用されてきたが、適度なレベルの結合効率を維持するために光ガイドの厚さの低減には制限があった。結合機構として回折格子等を用いることにより、結合効率を向上させる一方で光ガイドの厚さを大きく低減できる。
【０００６】
本発明のシステムにおいては、入力格子の結合は個々の用途について最適化され、このシステムは各々が最適化された入力格子を有するＬＥＤの配列を含むことができる。光ガイドからの光を出結合するために回折格子を用いることによっても、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のような敏感なユーザーインタフェース構成部品に極めて均一な照明源が提供される。
【０００７】
ユーザーインタフェースの照明のパターンは個々の用途について設定される。これにより、光ガイドの構成、それに関連する回折格子および必要とされるＬＥＤ配列が決定される。主格子パターンは、例えば、電子ビームリソグラフィにより構成され、光ガイドの成型またはプレス工程時に光ガイドと共に組み立てられる。このようにして、結合効率を向上させた極めて薄い光ガイドが構成される。
【０００８】
以下、添付図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
【０００９】
（好適な実施例の説明）
本発明の光分配システムは、携帯電話のような移動通信装置に関連して説明されるが、このシステムは、個人情報マネージャー、コンピュータ、ページャー、ゲームコントローラ等の他のタイプの電子装置にも同様に適合できることに注目すべきである。
【００１０】
移動装置１が図４に例示されており、前面カバー２と、プリント回路基板３と、裏ぶたすなわちベース４とで構成されている。これらの部材を従来の方法で組み立てて操作ユニットとする。プリント回路基板３は、その構成部品がすべてはんだ付けされる部品実装面５と、構成部品が全くはんだ付けされない部品非実装面７とを有している。前面カバー２は、液晶ディスプレイ１１およびキーボード１２を形成している一連のボタンから成るユーザーインタフェース６を備えている。周辺光が限定された状況下でユーザーインタフェース６を使用するためには、ディスプレイとボタンを、内部でバックライト照明する必要がある。
【００１１】
光学式光ガイド８は、回路基板３の部品非実装面７に取り付けられ、図２ｂおよび図３ａに示すように、回路基板３の部品実装面に接続されたＬＥＤ９の配列からの光を開口部１５を介して受け取る。ガイド８は、ＬＥＤ９から放出された光を、例えば、ユーザーインタフェース６の液晶ディスプレイ１１およびキーボード１２へ向けて分配する。
【００１２】
従来技術においては、図１ｂに示すように、ＬＥＤ５０がプリント回路基板５１上に取り付けられ、ダイオードチップ５２が回路基板５１中の開口部５３を通して光を放出する。光学式光ガイド５４が、開口部５３を覆うようにしてダイオードチップ５２の反対側に取り付けてある。光ガイド５４は、図１ｂにおいて矢印５８として表される、開口部５３をほぼ直角に通過する光を曲げるために開口部５３を実質的に横切って延びる最適化形状面５５で構成されている。矢印５６、５７で示されるように、ビームの側端部の光が光ガイド５４を通って伝播されて消耗される。光ガイドに十分な厚さがあれば、これが効果を有し得る。そうでなければ、この形態の非効率性の結果、必要とされるよりもより高出力またはより効率的、すなわちより高価なＬＥＤを使用することになり、さらに好ましくないパワー損失または費用が生じる。図１ａには、エッジ照明された光ガイドが示してあり、そこでは光ガイド５４は薄すぎて、ＬＥＤチップ５２により生成された全光量を受け取ることができない。この後者のシステムの効率は、光ガイドが薄い場合には限定される。
【００１３】
ユーザーインタフェース６の構成部品へより効率的に光を分配するため、ＬＥＤ９の配列からの照明を基板を通して利用するシステムが提供される。光は、光ガイド８に関連する回折格子１３のような、入力回折光学素子（ＤＯＥ）を用いて光ガイド８に結合される。適切な光学的関係を利用して、入力格子パターンが設計され、これは、ＬＥＤの角スペクトルおよび寸法と、光ガイドの寸法および組成と、必要とされる光量とを考慮するものである。これらの計算により、格子構成は各用途について最適化される。好ましい実施例において、キーボード１２およびＬＣＤ１１のようなユーザーインタフェース構成部品を照明するように、適切なエリアにおいて光ガイドから光を抽出するようにも出力格子パターン１４が設計される。
【００１４】
本発明の光分配システムの基本構成部品が図３ａに示してある。プリント回路基板３は、電子装置、すなわち移動通信装置１の動作部品をその部品実装面５上で支持および接続している。光ガイド８が、その部品非実装面７で回路基板３に取り付けられている。光ガイド８に光伝送用光路を提供するため、回路基板３中に開口部１５が設けてある。ＬＥＤ９は、その発光チップ１０を開口部１５と位置合わせして部品実装面５に接続されている。ダイオード９から放出された光を受け取るため、回折格子１３が光ガイド８の下面に設けてある。光ガイド８の特性に従って格子１０が光を回折し、光ガイド８内部で効率的な光の分配が引き起こされる。図３ｂに示すように、典型的なＬＥＤの入射角のスペクトルを適応させるため、回折表面は変えられる。
【００１５】
図２ｂに示すように、ユーザーインタフェース６への光の分配を向上させるため、一連の出力格子１４が光ガイド８中に設けられ、インタフェース構成部品、すなわちＬＣＤ１１およびキーボード配列１２、の位置と一致する所定位置で光ガイドから伝送された光を抽出する。他の形状の抽出面、例えば図５ｂに示すような円錐状面１６を有する開口部１５が、場合によっては使用可能である。
【００１６】
本発明の目的を達成するため、入力格子１３は、ＬＥＤ９からの光を、光ガイド８の全内部反射Ｙよりも大きい角度で回折するように設計され、ここでは屈折率ｎ＝１．５、Ｙ≒４２°と仮定する。これをガイドとして用いると、格子寸法およびパターンは、既知の公式（参照によりその内容が本出願に組み込まれる、パシ・ラコーネンによる２０００年６月１９日付のヨエンスー大学博士論文、導波管ディスプレイのための回折光学、第３章、（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ ｆｏｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｄｉｓｐｌａｙ， ｃｈａｐｔｅｒ ３， Ｐａｓｉ Ｌａａｋｏｎｅｎ，Ｊｕｎｅ １６， ２０００， Ｄｏｃｔｏｒａｌ Ｔｈｅｓｉｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｊｏｅｎｓｕｕ）を参照のこと）を用いて最適化できる。個々の入射角について最適化される格子パターンが、ネルダー・ミードのシンプレックス探索アルゴリズムを用いて開発されている。加えて、格子と関連するＬＥＤの配置および格子の長さも最適化される。格子は、図３ｂに示すように入射角のスペクトルを適応させるために、深さ、幅および長さを変化させた微細な溝の配列から成っている。ストレート格子の代わりに、図５ａに示すような円形格子形状を作り、出結合または入結合用に用い得る。
【００１７】
入力および出力格子の形状がひとたび設定されると、電子ビームリソグラフィまたは他の方法によって薄膜上に全体パターンを生成できる。これは、光ガイドを成型またはプレスする際に光ガイド上に格子パターンを印加するためのマスタとして使用できる。これにより、光ガイドを、一体化した入結合および出結合回折格子を使用して製造することが可能になる。このようにして、光ガイド分配システムは、電子装置の総合的な設計目標を適応させるため、極力薄くできる。現在使用されている光ガイドは、厚さが１．２〜１．５ｍｍ程度である。本発明により、そのような光ガイドを、厚さが０．２〜０．４ｍｍの範囲の薄膜として実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】光ガイドにＬＥＤのエッジ結合を使用する場合の概略図を示す図である。
【図１ｂ】光ガイドへＬＥＤの面結合を使用する場合の概略図を示す図である。
【図２ａ】本発明の光ガイドの底面図を示す図である。
【図２ｂ】本発明の照明システムの側面図を示す図である。
【図３ａ】本発明の照明システムの拡大側面図を示す図である。
【図３ｂ】本発明において用いられる格子構造の拡大図を示す図である。
【図４】本発明を用い得る典型的な通信装置の透視図を示す図である。
【図５ａ】格子構造の代替実施例を示す図である。
【図５ｂ】出力回折素子の代替実施例を示す図である。

Claims (20)

1. 第１および第２の面を備える回路基板と、該回路基板の前記第１の面に接続された動作構成部品と、前記第２の面上に組み立てられたユーザーインタフェースとを有する電子装置における、ユーザーインタフェース照明システムであって、
   前記回路基板の前記第１の面に動作可能なように接続された光源であり、前記第１の面から前記第２の面への前記光の伝送を可能にする前記回路基板中に構成された開口部に位置合わせされた前記光源と、
   前記光源により伝送された光を受け取るため、前記ユーザーインタフェースと前記第２の面との間に組み立てられた光ガイドと、
   前記光ガイドと連係して動作して、伝送された光を前記光ガイド内へ、該光ガイド内に分配される光の部分を最大化するように最適化された角度で回折する入力回折光学素子と、を含むユーザーインタフェース照明システム。
2. 請求項１に記載のユーザーインタフェース照明システムであって、第１および第２の面を備える回路基板と、該回路基板の前記第１の面に接続された動作構成部品と、前記第２の面上に組み立てられたユーザーインタフェースとを有する電子装置における、前記ユーザーインタフェース照明システムにおいて、前記の回折光学ユニットは、前記光源の種々の入射角について異なる回折角を引き起こすパターンを有する回折格子である、ユーザーインタフェース照明システム。
3. 請求項１に記載のユーザーインタフェース照明システムであって、第１および第２の面を備える回路基板と、該回路基板の前記第１の面に接続された動作構成部品と、前記第２の面上に組み立てられたユーザーインタフェースとを有する電子装置における、前記ユーザーインタフェース照明システムにおいて、前記ユーザーインターフェースは照明されるべき間隔をあけられた構成部品を有し、前記システムはさらに、光ガイド内の光を前記間隔をあけられた構成部品と空間的関係にある光ガイド外へ回折する前記光ガイドと関連した少なくとも１つの出力回折光学素子を含む、ユーザーインタフェース照明システム。
4. 請求項３に記載のユーザーインタフェース照明システムであって、第１および第２の面を備える回路基板と、該回路基板の前記第１の面に接続された動作構成部品と、前記第２の面上に組み立てられたユーザーインタフェースとを有する電子装置における、前記ユーザーインタフェース照明システムにおいて、前記少なくとも１つの出力回折光学素子はさらに、前記間隔をあけられた構成部品のいくつかと連係して動作する複数の回折格子を含む、ユーザーインタフェース照明システム。
5. 請求項１に記載のユーザーインタフェース照明システムであって、第１および第２の面を備える回路基板と、該回路基板の前記第１の面に接続された動作部品と、前記第２の面上で組み立てられたユーザーインタフェースとを有する電子装置における、前記ユーザーインタフェース照明システムにおいて、前記光源は、光を前記光ガイドの所定の部分へ伝送するために前記回路基板中の関連する開口部と位置合わせされた発光ダイオードの配列を含み、前記システムはさらに、前記配列の各発光ダイオードからの光を受け取りかつ伝送された光を前記光ガイド内部に分配された光の部分を最大化するように最適化された角度で光ガイド中へ回折するために前記光ガイドと連係して動作する入力回折格子を含む、ユーザーインタフェース照明システム。
6. 請求項３に記載のユーザーインタフェース照明システムであって、第１および第２の面を備える回路基板と、該回路基板の前記第１の面に接続された動作構成部品と、前記第２の面上に組み立てられたユーザーインタフェースとを有する電子装置における、前記ユーザーインタフェース照明システムにおいて、前記間隔をあけられた構成部品は、キーボードと液晶ディスプレイパネルとを含む、ユーザーインタフェース照明システム。
7. 電子装置内に光を分配して前記電子装置のユーザーインタフェースを照明するための光ガイドであって、
   光誘導パネルであって、該パネル上の所定の位置において、光源からの光を受け取るための前記光誘導パネルと、
   伝送された光を、光ガイド内部に分配された光の部分を最大化するように最適化された角度で光ガイド中へ回折するために前記光ガイドと連係して動作する入力回折光学素子と、を含む光ガイド。
8. 電子装置内に光を分配して前記電子装置のユーザーインタフェースを照明するための光ガイドであって、入力回折光学素子が回折格子である、請求項７に記載の光ガイド。
9. 電子装置内に光を分配して前記電子装置のユーザーインタフェースを照明するための光ガイドであって、光ガイド内の光を光ガイド外へ回折して前記ユーザーインターフェースの所定の部分を照明するために前記光ガイドと連係して動作する出力回折光学素子をさらに含む、請求項７に記載の光ガイド。
10. 電子装置内に光を分配してユーザーインタフェースを照明するための光ガイドであって、前記出力回折光学素子が回折格子である、請求項９に記載の光ガイド。
11. 電子装置内に光を分配して前記電子装置のユーザーインタフェースを照明するための光ガイドであって、該光ガイドは薄膜の形で構成される、請求項７に記載の光ガイド。
12. 電子装置内に光を分配して前記電子装置のユーザーインタフェースを照明するための光ガイドであって、入力回折光学素子は、光ガイド上に所定のパターンで印加された複数の光源と位置合わせされた入力回折格子の配列を含む、請求項１１に記載の光ガイド。
13. 電子装置内に光を分配して前記電子装置のユーザーインタフェースを照明するための光ガイドであって、光ガイド内の光を光ガイド外へ回折して前記ユーザーインターフェースの所定の部分を照明するために前記光ガイドと連係して動作する出力回折光学素子の配列をさらに含み、前記出力回折光学素子の配列は、光ガイド上に所定のパターンで印加される、請求項１２に記載の光ガイド。
14. 電子装置内に光を分配してユーザーインタフェースを照明するための光ガイドであって、前記出力回折光学素子は回折格子である、請求項１３に記載の光ガイド。
15. 第１および第２の面を備える回路基板と、該回路基板の前記第１の面に接続された動作構成部品と、前記第２の面上に組み立てられたユーザーインタフェースと、を有する電子装置における、ユーザーインタフェース照明方法であって、
    光の伝送を可能にするために、前記第１の面から前記第２の面まで延びる開口部を前記回路基板中に構成する段階と、
    前記開口部を通して光を伝送するために、発光ダイオードの配列を前記回路基板の前記第１の面に接続する段階と、
    前記開口部を通って伝送された光を受け取るために、前記回路基板の前記第２の面に光ガイドを設置する段階と、
    伝送された光を前記光ガイド内へ、光ガイド内で分配される光の部分を最大化するように最適化された角度で回折する、前記光ガイドと連係して動作する一連の入力回折光学素子を設ける段階と、を含むユーザーインタフェース照明方法。
16. 電子装置内に光を分配して前記ユーザーインタフェースを照明するための光ガイドであって、前記入力回折光学素子は回折格子である、請求項１５に記載の光ガイド。
17. 請求項１５に記載のユーザーインタフェース照明方法であって、第１および第２の面を備える回路基板と、該回路基板の前記第１の面に接続された動作構成部品と、前記第２の面上に組み立てられたユーザーインタフェースとを有する電子装置における、前記ユーザーインタフェース照明方法において、前記ユーザーインターフェースは照明されるべき間隔をあけられた構成部品を有し、前記光ガイド内の光を前記光ガイドと関連しており前記間隔をあけられた構成部品と空間的関係にある前記光ガイド外へ回折する少なくとも１つの出力回折光学素子を構成する段階をさらに含む、ユーザーインタフェース照明方法。
18. 電子装置内に光を分配して前記ユーザーインタフェースを照明するための光ガイドであって、前記出力回折光学素子は回折格子である、請求項１７に記載の光ガイド。
19. 請求項１５に記載のユーザーインタフェース照明方法であって、第１および第２の面を備える回路基板と、該回路基板の前記第１の面に接続された動作構成部品と、前記第２の面上に組み立てられたユーザーインタフェースとを有する電子装置における、前記ユーザーインタフェース照明方法において、前記入力および出力光学素子はパターンを形成するためのユニットとして構成され、前記パターンは、前記光ガイドの組立中に該光ガイド上に印加される、ユーザーインタフェース照明方法。
20. 電子装置内に光を分配して該電子装置のユーザーインタフェースを照明するための光ガイドを構成する方法であって、
    光誘導パネル上の所定の位置において、光源からの光を受け取るために薄膜の形で前記光誘導パネルを構成する段階と、
    前記光ガイドと連係して動作して、伝送された光を前記光ガイド内へ、該光ガイド内での光の分散を最大化するように最適化された角度で回折する入力回折格子のパターンを設計する段階と、
    前記光ガイドと関連して該光ガイド内の光を前記ユーザーインターフェースと空間的関係にある該光ガイド外へ回折する出力回折格子のパターンを設計する段階と、
    前記組み合わされた入力および出力回折格子パターンを表す形状を生成する段階と、
    前記組み合わされたパターンを、前記光ガイドの組立中に、前記光ガイドに印加する段階と、を含む光ガイドを構成する方法。