JP2005518085A - コンパクトな照明システム及び表示装置 - Google Patents

Abstract

表示装置（１２）を照射するコンパクトなバックライトシステムは前面壁（２）とその反対側に位置する後面壁（３）とを有する。発光ダイオード（７）を有する少なくとも１つの光源（６）に透光性レンズ状カバー（８）が設けられている。このバックライトシステムは、光源（６）からの光を光放出パネル（１）内に結合する少なくとも１つの光入力構造体（４）を有する。動作中、光源（６）から生じる光が光入力構造体（４）に入射され、光放出パネル（１）内に分布される。本発明によれば、光入力構造体（４）を光源（６）に向かって錐体又は切頭錐体状にする。光放出パネル（１）の厚さｄ_pは光源（６）の透光性レンズ状カバー（８）の直径ｄ_cよりも薄くする。光入力構造体（４）はプリズム状又はピラミッド状とするのが好ましい。

Description

本発明は、
前面壁及びその反対側の後面壁を有する光放出パネルと、
透光性レンズ状カバーが設けられた発光ダイオードを有する少なくとも１つの光源と、
この光源からの光を前記光放出パネル内に結合させる少なくとも１つの光入力構造体と
が設けられ、動作中、光源から生じる光が光入力構造体に入射されて光放出パネル内に分布されるようになっている照明システムに関するものである。
本発明は更に、この照明システムが設けられた表示装置にも関するものである。

このような照明システム自体は既知であり、端面（エッジ）照明システムとも称されている。これらの照明システムは、特に、例えばテレビジョン受像器やモニタ用の（画像）表示装置におけるバックライトシステムとして用いられている。このような照明システムは特に、（携帯式）コンピュータ又は（コードレス）電話に用いられており、ＬＣＤとも称される液晶表示装置のような非放射ディスプレイ用のバックライトとして適している。

上述した表示装置は通常、画素の規則的なパターンが設けられた基板を有しており、各画素が少なくとも１つの電極により制御される。この表示装置は、（画像）表示装置の（画像）スクリーンの関連領域に画像又はデータグラフィック表示を達成する制御回路を用いている。ＬＣＤ装置においてバックライトから生じる光はスイッチ又は変調器により変調され、種々の液晶効果が用いられるようになっている。更に、表示は電気泳動又は電気機械効果に基づかせることができる。

このような照明システムは一般的な照明目的の又は店舗照明、例えば、店舗の窓照明又はガラスより成る（透明又は半透明）プレート或いは合成樹脂の（透明）プレートであって上に商品、例えば、宝石類が陳列されているこれらプレートの照明用の照明器具としても用いられる。このような照明システムは更に、例えば、ある条件の下でガラス壁が光を放出するようにするか、又は光により窓を通る視界の見やすさを減少させるか或いは窓を通る視界を完全に遮断するようにする窓枠として用いられる。更に他の適用分野では、このような照明システムを用いて広告板を照明する。

頭書で述べた照明システムで通常用いられている光源は、電気光学素子とも称される複数の光電子素子、例えば、発光ダイオードのようなエレクトロルミネッセンス素子を有する。これらの光源は通常、光放出パネルの光透過性端面の付近に又はこれに接して設けられ、この場合、動作中光源から生じる光が光透過性の端面に入射されてこのパネル内に分布される。

ＬＣＤパネルを照明する照明システムは米国特許第 5,921,652号明細書に記載されており既知である。これに用いられている光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）をもって構成されており、これら発光ダイオードがいわゆる光遷移領域を介してライトパイプとも称される光放出パネル内に光を結合させる。光は前記光遷移領域内で混合される。

上述した種類の照明システムはあまりにも大きな空間を占める。

本発明の目的は、上述した欠点を完全に又は部分的に排除することにある。本発明によれば、頭書に記載した種類の照明システムにおいて、
前記光入力構造体は前記光源の方向に向かって錐体状又は切頭錐体状となっており、
前記光放出パネルの厚さｄ_p は前記光源の透光性レンズ状カバーの直径ｄ_c よりも薄くなっていることを特徴とする。

光入力構造体の面積を増大させることにより、光源から生じる光が光放出パネル内に結合される効率が増大する。発光ダイオードに基づく光源は通常、透光性レンズ状カバーにより被覆された発光部（チップ）を有する。主としてレンズ状カバーの寸法と光入力構造体の形状とが、光がいかに（有効に）光源から光放出パネルに伝達されるかを決定する。

既知の照明システムでは、光入力構造体が光放出パネルの端面、一般に側面である。この端面は、光放出パネルの前面及び後面間に設けられている。光源から生じる光を端面を有する既知の照明システムの光放出パネル内に充分有効に結合させるためには、光放出パネルの厚さを透光性レンズ状カバーの特性上の寸法、例えば、透光性レンズ状カバーの直径ｄ_c よりも厚くする必要がある。

本発明により、光入力構造体を光源の方向に徐々に細くするテーパー状にすることにより、光源からの光を比較的高い効率で光放出パネル内に結合させるようにしうる。光放出パネルの厚さと、光源からの光を光放出パネル内に結合させる効率との間には逆の関係があることは、いかなる理論的な説明も要せずに明らかであろう。光入力構造体の有効面積が比較的大きくなる為、光を光放出パネル内に結合させる比較的高い効率に悪影響を及ぼすことなしに、光放出パネルの寸法を減少させることができる。この本発明による手段によれば、コンパクトな照明システムが得られる。

光入力構造体はプリズム状又はピラミッド状にするのが好ましい。プリズム又はピラミッドの形態の光入力構造体は、特に光入力構造体の特定の面を大きくするのに好都合である。ピラミッドの頂点（又は切頭錐体の頂端）は透光性レンズ状カバーの中心の方向に向けるのが好ましく、且つ透光性レンズ状カバーと（ほぼ）接触させるのが好ましい。

本発明による照明システムの好適例では、光入力構造体を光放出パネルの一体部分とする。照明システムの光放出パネル及び光入力構造体は一片に型成形するのが好ましい。

本発明による照明システムの好適例では、前記光源及び光放出パネルの付近に前記光入力構造体を囲むように光案内手段が設けられ，この光案内手段により、光源から生じる光を光入力構造体の方向に案内するようにしたことを特徴とする。

光入力構造体に面する光案内手段の面（内面）が反射性となっているか、又はこの面に反射性材料が設けられているようにするのが好ましい。光案内手段は、光源から生じる光を光入力構造体の方向に案内する（正反射）ミラーとして機能する。

光案内手段は楕円形状とするのが好ましい。楕円形状のミラーは光源から生じる光を光入力構造体の方向に有効に案内する。他の例では、光案内手段をフェーセット状とする。光案内手段をフェーセット状にすることにより、反射に際し光を特定の方向に向けることができるようになる。

使用する光源は、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）をもって、又は異なる色を互いに組み合わせたＬＥＤをもって、又はこれらの双方をもって構成することができる。色はＬＥＤを適切に使用することにより所望通りに混合し、例えば所望の色温度の白色光を発生させることができる。光源は３つの発光ダイオードを有するのが好ましい。ＬＥＤは、それ自体既知の赤、緑及び青色のＬＥＤの組合せ、又は赤、緑、青及び琥珀色のＬＥＤの組合せを有するのが好ましい。光放出波長が異なる２種類のＬＥＤを用い、１種類のＬＥＤに（部分的に）蛍光体を設け、このＬＥＤの放出光を蛍光体により第３の所望の放出波長の光に変換するようにして、３種類の光放出波長を有するＬＥＤを実現することもできる。赤、緑及び青色ＬＥＤの、それ自体既知の組合せにより、表示装置の状態と独立して色変化を達成しうるようになる。ＬＥＤの使用には、ダイナミック照明を実現しうるという更なる利点がある。この目的のために、１つの端面に存在させたセンサにより、動作中に光源が放出する光の光学特性を測定する。

ＬＥＤが放出する光の量は、発光ダイオードの光束を変えることにより調整する。この光束の制御は通常、エネルギー効率の良い方法で行われる。従って、効率をそれほど悪くすることなしにＬＥＤを調光することができる。発光ダイオードが放出する光の強度は、表示装置により表示する必要のある画像の照明レベルに応答して、又は周囲光のレベルに応答して変えるようにするのが好ましい。表示装置により表示する画像の色点は照明システムにより決定するのが好ましい。これにより、表示装置により表示すべき画像の（改善した）ダイナミックレンジ（例えば、コントラスト）が達成される。

発光ダイオードの各々は少なくとも１０ルーメン（lm）の光束を有するのが好ましい。このような高出力を有するＬＥＤはＬＥＤパワーパッケージとも称される。このような高効率の高出力ＬＥＤを使用することにより、所望の比較的高い光出力に要するＬＥＤの個数を比較的少なくしうるという特別な利点が得られる。このことは、製造すべき照明システムのコンパクトな構成及び高効率のためになることである。ＬＥＤを使用することにより得られる他の利点は、ＬＥＤを有する照明システムの場合、耐用年数が比較的極めて長くなるということや、エネルギー消費量が比較的少なくなるということや、維持費が少なくて足りるということである。

次に、種々の実施例につき本発明を更に詳細に説明する。
図１は、本発明による照明システムの一実施例を有する表示装置の断面図である。この照明システムは光透過材料より成る光放出パネル１を有する。このパネル１は、例えば、合成樹脂、例えば、アクリルや、ポリカーボネートや、パースペクス（Perspex ）のようなポリメチルメタクリレートから、又はガラスから製造されている。動作中、光は全反射（ＴＩＲ）を利用して光放出パネル１を透過する。光放出パネル１は前面壁２とその反対側の後面壁３とを有している。図１では、透光性レンズ状カバー８が設けられた発光ダイオード７を有する少なくとも１つの光源６が設けられている。照明システムは、光を光源６から光放出パネル１内に結合させる少なくとも１つの光入力構造体４を有する。動作中、光源６から生じる光は光入力構造体４に入射され、光放出パネル１内に分布される。本発明によれば、光入力構造体４を光源６に向けて錐体又は切頭錐体状にする。

光入力構造体４の面積を増大させることにより、光源６から生じる光が光放出パネル１内に結合される効率が増大する。光入力構造体４を光源の方向に向けて徐々に細くすることにより、光源６からの光を比較的高い効率で光放出パネル１内に結合させうる。光入力構造体４の有効表面は比較的大きい為、光放出パネル１の寸法が減少する。本発明によれば、光放出パネル１の厚さｄ_p は光源６の透光性レンズ状カバー８の直径ｄ_c よりも薄くなる（図１参照）。本発明の手段によれば、コンパクトな照明システムが得られる。

図１では、光入力構造体４が光放出パネル１から分離されている。照明システムの他の実施例では、光入力構造体を光放出パネルと一体にする。

光放出パネル１は動作中表示装置、例えば、液晶表示（ＬＣＤ）装置１２の方向に光を放出する。光源６と、光放出パネル１と、ＬＣＤ装置１２とのアセンブリは、ハウジング（図１に図示せず）内に収容されていようとなかろうと、例えば、（ビデオ）画像を表示する表示装置を構成する。

光放出パネル１には更に、光の光学特性を測定するセンサ（図１に図示せず）を設けることができる。このセンサは電子制御装置（図１に図示せず）に結合させ、光源６の光束を適切に調整する。センサと電子制御装置とにより、光放出パネル１から生じる光の品質及び量を制御する帰還機構を実現しうる。

図２は、種々の光入力構造体及び種々の型の光案内手段における光の入力効率を、光放出パネルの厚さｄ_p の関数として示している。この効率は、光源６により放出される光に対する光放出パネル１における光束Ｆ（図２では％）を測定することにより表してある。図２の測定に対しては、ＬＥＤ光源の透光性レンズ状カバー８の直径ｄ_c は５．５ｍｍとする。図２中の三角形は、光入力構造体を平坦な端面とし、光案内手段が平坦面を有するようにした場合の光放出パネルに対して行った測定に相当するものである。図２（三角形）から明らかなように、光放出パネルの厚さｄ_p は、８０％よりも高い光束効率を得るには比較的厚くする、代表的にはＬＥＤ光源の透光性レンズ状カバーの直径ｄ_c に等しく又はそれよりも厚くする必要がある。図２中の正方形は、光入力構造体を平坦な端面とし、光案内手段が楕円湾曲面を有するようにした光放出パネルで行った測定に相当するものである。図２（正方形）から明らかなように、光案内手段の楕円湾曲面により状態が改善している。この状態では、８０％よりも大きい光束効率を得るのに光放出パネルの厚さｄ_p を比較的厚くする必要がある。図２中の円形は、光入力構造体４が透光性レンズ状カバー８の方向に先細となったプリズム形状を有し、光案内手段９が楕円湾曲面（図１参照）を有するようにした光放出パネル１を採用する本発明の実施例による照明システムに対する測定に対応する。図２（円形）から明らかなように、光放出パネル１の厚さｄ_p をＬＥＤ光源の透光性レンズ状カバーの直径ｄ_c のほぼ半分にしても、比較的高い光束効率（約８０％）が得られる。従って、本発明の手段によれば、コンパクトな照明システムが得られる。

当業者によれば、本発明の範囲内で種々の変更を行うことができること明らかである。

本発明の範囲は上述した実施例に限定されるものではない。又、本発明は新規な特徴の各々又はこれらの各組合せにあるものである。

本発明による照明システムの一実施例を有する表示装置の断面図である。 種々の光入力構造体及び種々の光案内手段の光入力効率を、光放出パネルの厚さの関数として示す線図である。

Claims (10)

1. 前面壁及びその反対側の後面壁を有する光放出パネルと、
   透光性レンズ状カバーが設けられた発光ダイオードを有する少なくとも１つの光源と、
   この光源からの光を前記光放出パネル内に結合させる少なくとも１つの光入力構造体と
   が設けられ、動作中、光源から生じる光が光入力構造体に入射されて光放出パネル内に分布されるようになっている照明システムにおいて、
   前記光入力構造体は前記光源の方向に向かって錐体状又は切頭錐体状となっており、
   前記光放出パネルの厚さｄ_p は前記光源の透光性レンズ状カバーの直径ｄ_c よりも薄くなっていることを特徴とする照明システム。
2. 請求項１に記載の照明システムにおいて、前記光入力構造体がプリズム状又はピラミッド状となっていることを特徴とする照明システム。
3. 請求項１又は２に記載の照明システムにおいて、前記光入力構造体は前記光放出パネルと一体を成す部分であることを特徴とする照明システム。
4. 請求項１又は２に記載の照明システムにおいて、前記光源及び光放出パネルの付近に前記光入力構造体を囲むように光案内手段が設けられ，この光案内手段により、光源から生じる光を光入力構造体の方向に案内するようにしたことを特徴とする照明システム。
5. 請求項４に記載の照明システムにおいて、光入力構造体に面する光案内手段の面が反射性となっているか、又はこの面に反射性材料が設けられていることを特徴とする照明システム。
6. 請求項４又は５に記載の照明システムにおいて、前記光案内手段が楕円形状をしていることを特徴とする照明システム。
7. 請求項４又は５に記載の照明システムにおいて、前記光案内手段がフェーセット状を成していることを特徴とする照明システム。
8. 請求項１又は２に記載の照明システムにおいて、前記発光ダイオードの光束が少なくとも１０ルーメンであることを特徴とする照明システム。
9. 請求項１又は２に記載の照明システムが設けられた表示装置。
10. 液晶ディスプレイを有する請求項９に記載の表示装置。

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