JP2004515816A - コリメータレンズ - Google Patents
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Abstract
コリメータは、複数の開口部（２）が配列されたスクリーン（１）を有する。凸レンズがこの配列された開口部のそれぞれと組合わされ、透明領域（５）が前記スクリーン及び前記レンズの間に配置され、両者を離間させる。前記スクリーンのうち、前記レンズと面する面（４）は光吸収性を示す。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコリメータの分野に関する。
【０００２】
【背景技術】
平行光束光源を必要とする用途は数多くあり、このような光源を提供するために多様なコリメータシステムが提案されてきた。当然のことながら、システム全体を効率的に操作するために、とりわけ優れた光束の平行度を必要とする用途がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そのようなシステムの例として、フォトルミネッセント液晶表示システム（ｐｈｏｔｏ−ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ＬＣＤ ｓｙｓｔｅｍ）がある。このシステムでは、光束の平行度が高く、（以下で規定するように）おそらくプラスマイナス１５度以下の青色領域及び／又は紫外領域の照明を変調用の液晶装置に供給することが望ましい。このため、そのような要望は、当然のことながら比較的高価かつ複雑であるとともに比較的非効率なコリメータ部品を要することを意味するであろう。このことは、結果として、これらのシステムに望まれるよりも高い電力消費を示すとともに、システム全体のコストを増加させていた。
本発明は、上記のようなシステムでの使用において、優れた光束の平行度が得られ、比較的高効率であるとともに低コストのコリメータ装置の提供を目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、複数の開口部が配列されたスクリーンと、前記配列された開口部のそれぞれと組合わされた凸レンズと、前記スクリーン及び前記レンズの間に配置され、両者を離間させる透明領域とを有し、前記スクリーンの表面のうち前記レンズに面する面は光吸収性を示すことを特徴とするコリメータが提供される。
前記レンズは平凸レンズとしてもよい。
前記透明領域は、透明なガラスまたはポリマー材料による単一のシートから形成されてもよく、前記スクリーンに接合されまたはその表面上に形成されてもよい。
前記スクリーンの表面のうち、前記レンズから離れた側の面は光反射性を有してもよい。前記透明領域は前記レンズと一体に形成されてもよい。
前記レンズ配列を密集配置できるように、各レンズを六角形又は長方形としてもよい。隣接する前記レンズの間には光吸収性隔壁を設けてもよい。この隔壁は、前記透明領域内部へ延長してもよく、前記スクリーンに接触するまで延長してもよく、あるいは、前記透明領域から離れる側へと延長してもよい。
【０００５】
本発明では、上述のようなコリメータを有するコリメータシステム（平行光生成システム）であって、前述したコリメータと少なくとも一つの光生成素子及び覆い用反射ケースを有する光源とを組合わせたものである。このコリメータシステムにおいて、前記反射ケースの表面の一つは、前記スクリーンの表面のうち前記レンズから離れた側の面により形成されてもよい。このシステムでは、前記光源が３５０〜４２０ｎｍの領域の光を用いてもよい。
本発明では、上述のようなコリメート光源を含むフォトルミネッセント液晶表示システムも提供される。
【０００６】
本発明は、前記光源から所定距離を隔てた領域において、その領域内での光の強度が一様となるコリメータシステムを提供できる。このシステムは、光束の平行度を緩和させ、各コリメータユニットからの光の拡散を一定レベルまで許容することにより実現される。これにより上記領域全体の光強度を平均化する。フォトルミネッセンス液晶表示装置等の表示装置において均一な光強度を生成することは、変調が画像全体で一様である場合に、目で感じられる明るさが一定になる画像が得られるという利点がある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１において、本発明のコリメータは、複数の開口部２が配列されたスクリーン１を有する。このスクリーン１は、その一方の表面に反射コーティング３を有し、他方の表面に光吸収材料４を有する。この特殊な構成の利点は後述する。
スクリーン１の近傍に配置された透明層５は、装置の動作波長の光を透過する透明なガラス又はポリマー材料より形成され、空気よりもはるかに大きい屈折率を示す。例えばコリメータ１５をフォトルミネッセント液晶表示システム２０で用いる場合、この領域５は一般的に波長３５０〜４２０ｎｍの光を透過する必要があろう。
【０００８】
透明領域５の近傍には各開口部２に対応してレンズ６が配置される。レンズ６と透明領域５との両方には可能な限り高い屈折率を持たせるべきである。商業的視点からレンズ６の屈折率は媒体５の屈折率よりも低くする場合がある。これにより、媒体５からレンズ６へと適切な狭い光円錐（ｃｏｒｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔ）とされた光が伝達され、レンズユニットの配置密度および効率を最大化させることができる。
レンズ６は、開口部２からの光を平行化して、付与された動作波長を可能な限り強くするために最適化された形状を有する平凸構造である。
【０００９】
透明領域５は、スクリーン１におけるすべての開口部２を覆いかつ開口部２を貫通する単一のシートにより形成されてもよい。スクリーン１が１００μｍオーダーよりも薄い場合、透明領域５の表面のうち開口部２側の表面を開口部２内へ導き、スクリーン１の反射面と同一面とさせてもよい。透明領域５のうち、開口部２から露出した部分に誘電性コーティングを施して、開口部２に大角度で入射する光を反射させて光ケース１２に戻してもよい。そうすると、コリメータユニットは更に小角度の光円錐となる光のみが導入されることになるので、各コリメータユニットを隣接するユニットに対してより近傍に配置可能となり、このため配置効率を向上できる。但し、この効率の向上は、開口部へ導入される光の減少との均衡を考慮しなければならない。レンズ６の配列も、すべての開口部２及び透明領域５を覆う単一のシートにより形成可能である。
【００１０】
これらのユニット５、６が個別に製造されるか、単一のシートから製造されるかに拘らず、コリメータシステム１５から出射角度の大きな光が放出されたり、この出射光が隣接するレンズを経て再び放出されたりしないように、各レンズ６の間に外部隔壁９を設けてもよい。
透明領域５を個別ユニットとして形成する場合、開口部２から直接出射され、レンズ６の曲面で反射されてスクリーン表面１に戻され、あるいは隣接するレンズから放出されて当該レンズに屈折された大角度の光の影響を減らすために、隣接するユニット間に内部隔壁８を配置してもよい。
【００１１】
図２は、図１のコリメータ１５を照明ユニット１２の一部としてどのように用いることができるかを示す。照明ユニット１２には、所望の動作波長の光を生成する一つまたは複数の光源１０が設けられる。この光源はケース１３により覆われており、ケース１３はその内面が光反射性材料でコーティングされ、光源１０からの光がスクリーン１の開口部２からケース１３を出て行くまで反射される。そして、光ケースから出た光は透明領域５及びレンズ６を通過しながら平行化され、これにより平行光源が構成される。この光源の効率を増加させるために、スクリーン１の受光面にも反射コーティング３を施すことも有益であり、これにより直接開口部２を通過しない光を反射させてケース１３に戻し、その後に開口部２を通過させることができるであろう。
【００１２】
図３は、本発明の全体性能に関連して検討すべき数多くの設計的要素（二次元での）を示す。コリメータの設計が特定の用途ごとに最適化されることは当然である。この最適化工程には以下のパラメータが大きく関わるだろう。
【００１３】
［ユニット領域］
ユニット領域は、配列を構成する各コリメータホール／レンズ部品の領域である。このユニットは、隙間なくはめ合わせることができない円形レンズのために六角形状となるであろう。この配列全体で光強度の変化が生じるが、このユニットは、人間の目が明るさの変化を認識できないほどの小型化が可能である。これと併せて、このフォトルミネッセント液晶表示装置の構成では、明るさの変化が肉眼では認識できなくなるまで蛍光スクリーンからコリメータを離すことが可能である。このため、選択されるユニットサイズは、ディスプレイの奥行き及び表示面からの距離（例えば、許容可能な範囲は１〜１０ｍｍであろう）に依存する。
【００１４】
［開口ユニット領域／ユニット領域の比率］
この比率は、コリメータの下側に照射される光のうち、どのくらいの割合が伝達されるかを示すため、システム効率に関する第１の優れた尺度となる。コリメータの下側に照射される光の中には、開口プレート上側の吸収領域によりその後に消失するものや、消失せずに再生されるものがある。ここで、要求される効率は、選択されたユニット領域及び開口領域／ユニット領域の比率から開口領域を演算可能なものとして決定される（代わりに、要求される光の平行度を決定し、これを実現するように開口領域をモデル化可能である）。例えば、この比率は５％から２０％の範囲となろう。
【００１５】
［開口部／レンズ半径の比率ａ／ｌ］
例えば、開口部の半径はその領域から演算可能であり、また、円形レンズの底部の半径は、レンズが重ならないデザインに合わせて、ユニット領域に適合する最大半径により定義される。この実施形態では、レンズの領域はユニット領域（即ち六角形の領域）の９１％となろう。従って、レンズの直径は以下のようになる。
【００１６】
【数１】
【００１７】
従って、開口部／レンズ半径の比率は演算可能である。例えば、一般的な開口部／レンズ半径の比率は３０％から４０％であろう。
【００１８】
［透明媒体５の垂直深さｄ］
開口面からレンズの「底部」への距離ｄは、最大化された媒体５の屈折率に合わせて決定される。まず考慮すべきことは、立体角を有する開口からの光の多くを集光させることである。レンズの底部がすべての光を集めるのに十分大きい場合、透明媒体５の垂直深さは以下のｔで定義される。
【００１９】
【数２】
【００２０】
しかし、ｄを増加させてｔよりも大きくし、すべての光を集めずに残りの光を垂直な隔壁８に照射させることが好ましい。これにより効率が低下するだろうが、光の平行度を向上できるだろう。反対にｄをｔ未満まで減少させると、効率を低下させ、光の平行化の効果を限定させることになる。この場合、ユニット領域は対応する効率の向上を伴って減少可能である。この装置の例では、ｄ＝２ｍｍであり、ｔよりもわずかに小さい。
【００２１】
［媒体５及びレンズ６の屈折率ｎ５及びｎ６］
屈折率は、製造での要求及びコストへの配慮に制約されて、いずれの材料に関しても常に最大化されるであろう。これは、単に光の立体角を最小化し、ユニットサイズを減少することであり、これにより効率を上げることが可能である。屈折率を低くすることには商業的に有益（より安くかつ製造が容易）であるが、屈折率を高くすることによる効率向上と均衡をとらねばならない。媒体５の屈折率と異なり、レンズの屈折率を低減することは、開口部から放出される光の立体角を増加させないので、効率の損失は小さいであろう。一般的な値の例は１．４９から１．５２２である。
【００２２】
［レンズ曲面の定義Ｓ］
球面レンズは特定の場合で使用可能であるが、非球面の方がより最適化が容易であり、球面より好ましい。この非球面レンズの設計は、曲面であるレンズ表面に対する光の入射角度が大角度（照角に近づくくらいの）にならないように最適化され、これにより高密度媒体／大気の境界面における反射光の割合を減らすようにされる。
【００２３】
［レンズの重なり度合Ｏ］
レンズを重ね合わせることが可能な場合、ユニットサイズは減少し、開口部の比率が大きくなることで、より多くの光が開口部を通過する。加えて、各レンズの交差部分に生じる無効な領域が減少し、効率が向上する。しかし、これにより、各レンズの交差部分における重なりが増える代償を払うとともに、一つのレンズの円形底部に入射する光の一部が隣り合うレンズにも入るか、または隔壁がある場合はその光が消失するため、効率を低下させることにもなる。
【００２４】
［隔壁］
隔壁は以下のように光を吸収するものである。
１．各レンズに対応する開口部から発し、レンズ底部よりも外側に照射される光は、内部隔壁により吸収される。
２．透明媒体５の不完全性による散乱光は、内部隔壁、外部隔壁及び開口プレートの上側で吸収される。
３．レンズ表面に照射されたものの伝達されずに反射される光は、内部隔壁、外部隔壁、開口プレートの上側で吸収される。
より長い外部隔壁を用いれば、光の平行度を増加させることが可能であるが、この方法は非常に非効率である。
【００２５】
所望の光の平行度（例えば、フォトルミネッセント液晶表示装置では±８°から４０°）を作り出すようにコリメータが最適化されることが好ましい。垂直或いは略垂直な光（ｎｏｒｍａｌ ｏｒ ｎｅａｒ ｎｏｒｍａｌ ｌｉｇｈｔ）の生成にばかり専念して後続の表示部分に不均一な強度を生じさせるよりも、光の比率を高めてシステム効率を向上させるほうが望ましいことがある。
一例として、スクリーン１を形成する厚さ０．２５μｍのステンレス鋼シートをエッチングした直径１．７１ｍｍの円形開口部２を用いる装置を製造した。このシートは、（光源に面する）反射面と黒色の面とを有する。円形レンズ６は直径が５ｍｍであり、開口部２の開口領域はレンズ６の領域全体の１１．７％、または（数多くのユニット領域を構成する）コリメータの裏面領域の１０．６％を示す。透明領域５の垂直方向の深さｔは２ｍｍとされる。レンズ６及び透明領域５はいずれもガラスから製造され、その屈折率は１．５２２である。このデザインでは隔壁８、９は含まれない。この構成では、臨界角θｚを超えるとレンズ６の外側端部よりも外側に照射する光が生ずる。
【００２６】
実現された光の平行度は図４のグラフに示される。図４に示される例では、コリメート角度は、５０％の相対強度を実現するレベルとして定義された。
図５は、レンズ６の選択可能な構成を示す。レンズ６及び透明媒体５のユニットは、それぞれコリメータ配列において最適な充填を実現するために、平面形状が六角形、正方形又は長方形とされる。図５（ａ）の円形レンズ６は上記実施形態の構成において用いられたものである。六角形レンズ（図５（ｂ））を選択すれば１００％の領域を覆うことが可能であり、これにより、上記実施形態において円形レンズの端部よりも外側に光を照射させることが可能である。
【００２７】
ピンホール及びそれに組合わされた凸レンズ６を用いて平行化光を生成することは周知である。しかし、ピンホールを用いると、照明光の大部分が、ピンホールを形成するスクリーン１により遮断されるため、コリメータ１５は極端に非効率となる。従って、本発明は、ピンホールとみなされるであろうものよりも大きな、例えば開口部を形成するスクリーンの表面領域全体の１１．７％となる開口部２を用いる。しかし、この効率の向上は、平行化光の質に関する重大な不利益をもたらす。即ち、開口部２が用いられる場合、レンズ６上の任意の位置では一つの角度の光のみが受光されるのではなく、一定の範囲の角度で受光される。垂直光に対して最も拡散した光線は開口部２の辺縁部から生じ、レンズの中心軸を通過し、レンズ６の表面の一点に入射する。この一点には、開口部２の他の辺縁部からのより垂直に近い光を受光する。これら２つの辺縁部からの光線はこの受光平面内での光の入射角の限界を示し、レンズ６の前述した一点における集光力は前述した範囲の光を垂直にするのに最適な屈折率に対して妥協せざるを得なくなる。更に、レンズ６の集光力に関する上記妥協はレンズ６の表面全体にまで及ぶだろう。これにより、より大きな入射角度にまで拡散した光に対しては、光の平行化度の低下が生じ、拡散光が多いと問題が生じる用途ではこのようなコリメータ構造が利用できなくなる。
【００２８】
図６は本発明の別の実施形態を示す。レンズ６’はガラス球により形成され、光を吸収する内部隔壁として機能するように設計された成形体に配置される。この成形体は金属（例えば、アルミニウム）から製造され、陽極酸化などの直接表面処理や塗装により黒色仕上げとすることができる。白色コーティングされた多孔シートを成形体の裏面側に接着することにより反射面を実現することができる。
【００２９】
図７は、フォトルミネッセント液晶表示装置２０を有するシステムにおいてコリメータ１５をどのように使用可能かを示す。この図が示すのは、コリメータ１５及び表示システム２０と同時に使用される別の照明ユニット１２’である。この表示システムは、２枚の偏光板２１、２３と、液晶表示素子２２と、一般的な積層反射板２４と、蛍光スクリーン２５と、つや消しフィルタ２６とを有する。このようなシステムは特許公報第ＷＯ／２７９２０号に記載されている。
【００３０】
このようなフォトルミネッセント液晶表示装置２０では、非常に多くの拡散光が液晶表示素子２２の鮮明度に影響し、表示装置を役に立たなくさせることがある。しかし、今まで全く予期されなかったことだが、本発明では、スクリーン１上に吸収面４を設けることで、大角度入射光の生成に伴う数多くの問題を克服できた。ピンホールではなく開口部２を用いることで、レンズ６の表面で反射されてスクリーン１に戻る非常に多くの大角度入射光が生じ、さらにこの光はスクリーン１で反射されてレンズ６へと大角度で入射する。本発明の場合、光吸収材料４をスクリーン１に設けることで、そのようなレンズ６から戻された光の拡散反射を防止する。これにより、コリメータ１５から放出される大角度入射光を減少させ、高効率を維持しながら平行化光の比率の平均値を増加させることが可能となる。付加的な隔壁８、９を設けたので、上記効果をさらに向上可能である。
しかし、上述の通り、あるレベルの拡散光を利用して、表示面全体に一定の光強度を実現させることが望ましいであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の一実施形態の横断面構成図である。
【図２】図２は図１の実施形態と組合わせて使用可能な照明システムの平面構成図及び横断面構成図である。
【図３】図３は図１の実施形態の主要構成要素の使用に際しての働きを示す図である。
【図４】図４は本発明の一実施形態において実現された光の平行度を示すグラフである。
【図５】図５は選択可能なレンズ構成及びレンズの重なり状態を示す図である。
【図６】図６は本発明の別の実施形態の断面図である。
【図７】図７は本発明を利用したフォトルミネッセント液晶表示装置の断面図である。
【発明の属する技術分野】
本発明はコリメータの分野に関する。
【０００２】
【背景技術】
平行光束光源を必要とする用途は数多くあり、このような光源を提供するために多様なコリメータシステムが提案されてきた。当然のことながら、システム全体を効率的に操作するために、とりわけ優れた光束の平行度を必要とする用途がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そのようなシステムの例として、フォトルミネッセント液晶表示システム（ｐｈｏｔｏ−ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ＬＣＤ ｓｙｓｔｅｍ）がある。このシステムでは、光束の平行度が高く、（以下で規定するように）おそらくプラスマイナス１５度以下の青色領域及び／又は紫外領域の照明を変調用の液晶装置に供給することが望ましい。このため、そのような要望は、当然のことながら比較的高価かつ複雑であるとともに比較的非効率なコリメータ部品を要することを意味するであろう。このことは、結果として、これらのシステムに望まれるよりも高い電力消費を示すとともに、システム全体のコストを増加させていた。
本発明は、上記のようなシステムでの使用において、優れた光束の平行度が得られ、比較的高効率であるとともに低コストのコリメータ装置の提供を目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、複数の開口部が配列されたスクリーンと、前記配列された開口部のそれぞれと組合わされた凸レンズと、前記スクリーン及び前記レンズの間に配置され、両者を離間させる透明領域とを有し、前記スクリーンの表面のうち前記レンズに面する面は光吸収性を示すことを特徴とするコリメータが提供される。
前記レンズは平凸レンズとしてもよい。
前記透明領域は、透明なガラスまたはポリマー材料による単一のシートから形成されてもよく、前記スクリーンに接合されまたはその表面上に形成されてもよい。
前記スクリーンの表面のうち、前記レンズから離れた側の面は光反射性を有してもよい。前記透明領域は前記レンズと一体に形成されてもよい。
前記レンズ配列を密集配置できるように、各レンズを六角形又は長方形としてもよい。隣接する前記レンズの間には光吸収性隔壁を設けてもよい。この隔壁は、前記透明領域内部へ延長してもよく、前記スクリーンに接触するまで延長してもよく、あるいは、前記透明領域から離れる側へと延長してもよい。
【０００５】
本発明では、上述のようなコリメータを有するコリメータシステム（平行光生成システム）であって、前述したコリメータと少なくとも一つの光生成素子及び覆い用反射ケースを有する光源とを組合わせたものである。このコリメータシステムにおいて、前記反射ケースの表面の一つは、前記スクリーンの表面のうち前記レンズから離れた側の面により形成されてもよい。このシステムでは、前記光源が３５０〜４２０ｎｍの領域の光を用いてもよい。
本発明では、上述のようなコリメート光源を含むフォトルミネッセント液晶表示システムも提供される。
【０００６】
本発明は、前記光源から所定距離を隔てた領域において、その領域内での光の強度が一様となるコリメータシステムを提供できる。このシステムは、光束の平行度を緩和させ、各コリメータユニットからの光の拡散を一定レベルまで許容することにより実現される。これにより上記領域全体の光強度を平均化する。フォトルミネッセンス液晶表示装置等の表示装置において均一な光強度を生成することは、変調が画像全体で一様である場合に、目で感じられる明るさが一定になる画像が得られるという利点がある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１において、本発明のコリメータは、複数の開口部２が配列されたスクリーン１を有する。このスクリーン１は、その一方の表面に反射コーティング３を有し、他方の表面に光吸収材料４を有する。この特殊な構成の利点は後述する。
スクリーン１の近傍に配置された透明層５は、装置の動作波長の光を透過する透明なガラス又はポリマー材料より形成され、空気よりもはるかに大きい屈折率を示す。例えばコリメータ１５をフォトルミネッセント液晶表示システム２０で用いる場合、この領域５は一般的に波長３５０〜４２０ｎｍの光を透過する必要があろう。
【０００８】
透明領域５の近傍には各開口部２に対応してレンズ６が配置される。レンズ６と透明領域５との両方には可能な限り高い屈折率を持たせるべきである。商業的視点からレンズ６の屈折率は媒体５の屈折率よりも低くする場合がある。これにより、媒体５からレンズ６へと適切な狭い光円錐（ｃｏｒｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔ）とされた光が伝達され、レンズユニットの配置密度および効率を最大化させることができる。
レンズ６は、開口部２からの光を平行化して、付与された動作波長を可能な限り強くするために最適化された形状を有する平凸構造である。
【０００９】
透明領域５は、スクリーン１におけるすべての開口部２を覆いかつ開口部２を貫通する単一のシートにより形成されてもよい。スクリーン１が１００μｍオーダーよりも薄い場合、透明領域５の表面のうち開口部２側の表面を開口部２内へ導き、スクリーン１の反射面と同一面とさせてもよい。透明領域５のうち、開口部２から露出した部分に誘電性コーティングを施して、開口部２に大角度で入射する光を反射させて光ケース１２に戻してもよい。そうすると、コリメータユニットは更に小角度の光円錐となる光のみが導入されることになるので、各コリメータユニットを隣接するユニットに対してより近傍に配置可能となり、このため配置効率を向上できる。但し、この効率の向上は、開口部へ導入される光の減少との均衡を考慮しなければならない。レンズ６の配列も、すべての開口部２及び透明領域５を覆う単一のシートにより形成可能である。
【００１０】
これらのユニット５、６が個別に製造されるか、単一のシートから製造されるかに拘らず、コリメータシステム１５から出射角度の大きな光が放出されたり、この出射光が隣接するレンズを経て再び放出されたりしないように、各レンズ６の間に外部隔壁９を設けてもよい。
透明領域５を個別ユニットとして形成する場合、開口部２から直接出射され、レンズ６の曲面で反射されてスクリーン表面１に戻され、あるいは隣接するレンズから放出されて当該レンズに屈折された大角度の光の影響を減らすために、隣接するユニット間に内部隔壁８を配置してもよい。
【００１１】
図２は、図１のコリメータ１５を照明ユニット１２の一部としてどのように用いることができるかを示す。照明ユニット１２には、所望の動作波長の光を生成する一つまたは複数の光源１０が設けられる。この光源はケース１３により覆われており、ケース１３はその内面が光反射性材料でコーティングされ、光源１０からの光がスクリーン１の開口部２からケース１３を出て行くまで反射される。そして、光ケースから出た光は透明領域５及びレンズ６を通過しながら平行化され、これにより平行光源が構成される。この光源の効率を増加させるために、スクリーン１の受光面にも反射コーティング３を施すことも有益であり、これにより直接開口部２を通過しない光を反射させてケース１３に戻し、その後に開口部２を通過させることができるであろう。
【００１２】
図３は、本発明の全体性能に関連して検討すべき数多くの設計的要素（二次元での）を示す。コリメータの設計が特定の用途ごとに最適化されることは当然である。この最適化工程には以下のパラメータが大きく関わるだろう。
【００１３】
［ユニット領域］
ユニット領域は、配列を構成する各コリメータホール／レンズ部品の領域である。このユニットは、隙間なくはめ合わせることができない円形レンズのために六角形状となるであろう。この配列全体で光強度の変化が生じるが、このユニットは、人間の目が明るさの変化を認識できないほどの小型化が可能である。これと併せて、このフォトルミネッセント液晶表示装置の構成では、明るさの変化が肉眼では認識できなくなるまで蛍光スクリーンからコリメータを離すことが可能である。このため、選択されるユニットサイズは、ディスプレイの奥行き及び表示面からの距離（例えば、許容可能な範囲は１〜１０ｍｍであろう）に依存する。
【００１４】
［開口ユニット領域／ユニット領域の比率］
この比率は、コリメータの下側に照射される光のうち、どのくらいの割合が伝達されるかを示すため、システム効率に関する第１の優れた尺度となる。コリメータの下側に照射される光の中には、開口プレート上側の吸収領域によりその後に消失するものや、消失せずに再生されるものがある。ここで、要求される効率は、選択されたユニット領域及び開口領域／ユニット領域の比率から開口領域を演算可能なものとして決定される（代わりに、要求される光の平行度を決定し、これを実現するように開口領域をモデル化可能である）。例えば、この比率は５％から２０％の範囲となろう。
【００１５】
［開口部／レンズ半径の比率ａ／ｌ］
例えば、開口部の半径はその領域から演算可能であり、また、円形レンズの底部の半径は、レンズが重ならないデザインに合わせて、ユニット領域に適合する最大半径により定義される。この実施形態では、レンズの領域はユニット領域（即ち六角形の領域）の９１％となろう。従って、レンズの直径は以下のようになる。
【００１６】
【数１】
従って、開口部／レンズ半径の比率は演算可能である。例えば、一般的な開口部／レンズ半径の比率は３０％から４０％であろう。
【００１８】
［透明媒体５の垂直深さｄ］
開口面からレンズの「底部」への距離ｄは、最大化された媒体５の屈折率に合わせて決定される。まず考慮すべきことは、立体角を有する開口からの光の多くを集光させることである。レンズの底部がすべての光を集めるのに十分大きい場合、透明媒体５の垂直深さは以下のｔで定義される。
【００１９】
【数２】
しかし、ｄを増加させてｔよりも大きくし、すべての光を集めずに残りの光を垂直な隔壁８に照射させることが好ましい。これにより効率が低下するだろうが、光の平行度を向上できるだろう。反対にｄをｔ未満まで減少させると、効率を低下させ、光の平行化の効果を限定させることになる。この場合、ユニット領域は対応する効率の向上を伴って減少可能である。この装置の例では、ｄ＝２ｍｍであり、ｔよりもわずかに小さい。
【００２１】
［媒体５及びレンズ６の屈折率ｎ５及びｎ６］
屈折率は、製造での要求及びコストへの配慮に制約されて、いずれの材料に関しても常に最大化されるであろう。これは、単に光の立体角を最小化し、ユニットサイズを減少することであり、これにより効率を上げることが可能である。屈折率を低くすることには商業的に有益（より安くかつ製造が容易）であるが、屈折率を高くすることによる効率向上と均衡をとらねばならない。媒体５の屈折率と異なり、レンズの屈折率を低減することは、開口部から放出される光の立体角を増加させないので、効率の損失は小さいであろう。一般的な値の例は１．４９から１．５２２である。
【００２２】
［レンズ曲面の定義Ｓ］
球面レンズは特定の場合で使用可能であるが、非球面の方がより最適化が容易であり、球面より好ましい。この非球面レンズの設計は、曲面であるレンズ表面に対する光の入射角度が大角度（照角に近づくくらいの）にならないように最適化され、これにより高密度媒体／大気の境界面における反射光の割合を減らすようにされる。
【００２３】
［レンズの重なり度合Ｏ］
レンズを重ね合わせることが可能な場合、ユニットサイズは減少し、開口部の比率が大きくなることで、より多くの光が開口部を通過する。加えて、各レンズの交差部分に生じる無効な領域が減少し、効率が向上する。しかし、これにより、各レンズの交差部分における重なりが増える代償を払うとともに、一つのレンズの円形底部に入射する光の一部が隣り合うレンズにも入るか、または隔壁がある場合はその光が消失するため、効率を低下させることにもなる。
【００２４】
［隔壁］
隔壁は以下のように光を吸収するものである。
１．各レンズに対応する開口部から発し、レンズ底部よりも外側に照射される光は、内部隔壁により吸収される。
２．透明媒体５の不完全性による散乱光は、内部隔壁、外部隔壁及び開口プレートの上側で吸収される。
３．レンズ表面に照射されたものの伝達されずに反射される光は、内部隔壁、外部隔壁、開口プレートの上側で吸収される。
より長い外部隔壁を用いれば、光の平行度を増加させることが可能であるが、この方法は非常に非効率である。
【００２５】
所望の光の平行度（例えば、フォトルミネッセント液晶表示装置では±８°から４０°）を作り出すようにコリメータが最適化されることが好ましい。垂直或いは略垂直な光（ｎｏｒｍａｌ ｏｒ ｎｅａｒ ｎｏｒｍａｌ ｌｉｇｈｔ）の生成にばかり専念して後続の表示部分に不均一な強度を生じさせるよりも、光の比率を高めてシステム効率を向上させるほうが望ましいことがある。
一例として、スクリーン１を形成する厚さ０．２５μｍのステンレス鋼シートをエッチングした直径１．７１ｍｍの円形開口部２を用いる装置を製造した。このシートは、（光源に面する）反射面と黒色の面とを有する。円形レンズ６は直径が５ｍｍであり、開口部２の開口領域はレンズ６の領域全体の１１．７％、または（数多くのユニット領域を構成する）コリメータの裏面領域の１０．６％を示す。透明領域５の垂直方向の深さｔは２ｍｍとされる。レンズ６及び透明領域５はいずれもガラスから製造され、その屈折率は１．５２２である。このデザインでは隔壁８、９は含まれない。この構成では、臨界角θｚを超えるとレンズ６の外側端部よりも外側に照射する光が生ずる。
【００２６】
実現された光の平行度は図４のグラフに示される。図４に示される例では、コリメート角度は、５０％の相対強度を実現するレベルとして定義された。
図５は、レンズ６の選択可能な構成を示す。レンズ６及び透明媒体５のユニットは、それぞれコリメータ配列において最適な充填を実現するために、平面形状が六角形、正方形又は長方形とされる。図５（ａ）の円形レンズ６は上記実施形態の構成において用いられたものである。六角形レンズ（図５（ｂ））を選択すれば１００％の領域を覆うことが可能であり、これにより、上記実施形態において円形レンズの端部よりも外側に光を照射させることが可能である。
【００２７】
ピンホール及びそれに組合わされた凸レンズ６を用いて平行化光を生成することは周知である。しかし、ピンホールを用いると、照明光の大部分が、ピンホールを形成するスクリーン１により遮断されるため、コリメータ１５は極端に非効率となる。従って、本発明は、ピンホールとみなされるであろうものよりも大きな、例えば開口部を形成するスクリーンの表面領域全体の１１．７％となる開口部２を用いる。しかし、この効率の向上は、平行化光の質に関する重大な不利益をもたらす。即ち、開口部２が用いられる場合、レンズ６上の任意の位置では一つの角度の光のみが受光されるのではなく、一定の範囲の角度で受光される。垂直光に対して最も拡散した光線は開口部２の辺縁部から生じ、レンズの中心軸を通過し、レンズ６の表面の一点に入射する。この一点には、開口部２の他の辺縁部からのより垂直に近い光を受光する。これら２つの辺縁部からの光線はこの受光平面内での光の入射角の限界を示し、レンズ６の前述した一点における集光力は前述した範囲の光を垂直にするのに最適な屈折率に対して妥協せざるを得なくなる。更に、レンズ６の集光力に関する上記妥協はレンズ６の表面全体にまで及ぶだろう。これにより、より大きな入射角度にまで拡散した光に対しては、光の平行化度の低下が生じ、拡散光が多いと問題が生じる用途ではこのようなコリメータ構造が利用できなくなる。
【００２８】
図６は本発明の別の実施形態を示す。レンズ６’はガラス球により形成され、光を吸収する内部隔壁として機能するように設計された成形体に配置される。この成形体は金属（例えば、アルミニウム）から製造され、陽極酸化などの直接表面処理や塗装により黒色仕上げとすることができる。白色コーティングされた多孔シートを成形体の裏面側に接着することにより反射面を実現することができる。
【００２９】
図７は、フォトルミネッセント液晶表示装置２０を有するシステムにおいてコリメータ１５をどのように使用可能かを示す。この図が示すのは、コリメータ１５及び表示システム２０と同時に使用される別の照明ユニット１２’である。この表示システムは、２枚の偏光板２１、２３と、液晶表示素子２２と、一般的な積層反射板２４と、蛍光スクリーン２５と、つや消しフィルタ２６とを有する。このようなシステムは特許公報第ＷＯ／２７９２０号に記載されている。
【００３０】
このようなフォトルミネッセント液晶表示装置２０では、非常に多くの拡散光が液晶表示素子２２の鮮明度に影響し、表示装置を役に立たなくさせることがある。しかし、今まで全く予期されなかったことだが、本発明では、スクリーン１上に吸収面４を設けることで、大角度入射光の生成に伴う数多くの問題を克服できた。ピンホールではなく開口部２を用いることで、レンズ６の表面で反射されてスクリーン１に戻る非常に多くの大角度入射光が生じ、さらにこの光はスクリーン１で反射されてレンズ６へと大角度で入射する。本発明の場合、光吸収材料４をスクリーン１に設けることで、そのようなレンズ６から戻された光の拡散反射を防止する。これにより、コリメータ１５から放出される大角度入射光を減少させ、高効率を維持しながら平行化光の比率の平均値を増加させることが可能となる。付加的な隔壁８、９を設けたので、上記効果をさらに向上可能である。
しかし、上述の通り、あるレベルの拡散光を利用して、表示面全体に一定の光強度を実現させることが望ましいであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の一実施形態の横断面構成図である。
【図２】図２は図１の実施形態と組合わせて使用可能な照明システムの平面構成図及び横断面構成図である。
【図３】図３は図１の実施形態の主要構成要素の使用に際しての働きを示す図である。
【図４】図４は本発明の一実施形態において実現された光の平行度を示すグラフである。
【図５】図５は選択可能なレンズ構成及びレンズの重なり状態を示す図である。
【図６】図６は本発明の別の実施形態の断面図である。
【図７】図７は本発明を利用したフォトルミネッセント液晶表示装置の断面図である。
Claims (13)
- 複数の開口部が配列されたスクリーンと、
前記配列された開口部のそれぞれと組合わされた凸レンズと、
前記スクリーン及び前記レンズの間に配置され、両者を離間させる透明領域とを有し、
前記スクリーンの表面のうち、前記レンズに面する面は光吸収特性を示すことを特徴とするコリメータ。 - 請求項１に記載のコリメータにおいて、前記透明領域は、ガラスまたはポリマー材料による単一シートから形成されることを特徴とするコリメータ。
- 請求項２に記載のコリメータにおいて、前記透明領域は、前記スクリーンに接合またはその表面上に形成されることを特徴とするコリメータ。
- 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のコリメータにおいて、前記スクリーンの表面のうち、前記レンズから離れた側の面は光反射性を有することを特徴とするコリメータ。
- 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のコリメータにおいて、前記透明領域は、少なくとも一つのレンズと一体になるように形成されることを特徴とするコリメータ。
- 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のコリメータにおいて、前記レンズを平面六角形又は正方形又は長方形に形成して密集したレンズ配列を形成することを特徴とするコリメータ。
- 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のコリメータにおいて、隣接する前記レンズ間には光吸収性を有する隔壁が設けられることを特徴とするコリメータ。
- 請求項７に記載のコリメータにおいて、前記隔壁は、前記透明領域の内部へ、または前記透明領域から離れる方向へ、またはその両方へ延長されることを特徴とするコリメータ。
- 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のコリメータにおいて、前記開口部は、前記スクリーンの表面領域の少なくとも８％を占めることを特徴とするコリメータ。
- 請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のコリメータにおいて、前記開口部には誘電層が積層されることを特徴とするコリメータ。
- 請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のコリメータを有するコリメータシステムであって、前記コリメータは、少なくとも一つの光生成素子及び覆い用反射ケースを有する光源と組合わされることを特徴とするコリメータシステム。
- 請求項１１に記載のコリメータシステムにおいて、前記光源は、３６５〜４００ｎｍの紫外波長或いは可視の青色波長を生成することを特徴とするコリメータシステム。
- 請求項１１または請求項１２に記載のコリメータシステムを含むフォトルミネッセント液晶表示システム。
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