JP2006310307A - Ｌｃｄバックライトディスプレイの光源 - Google Patents

Abstract

【課題】経年劣化の影響を自動補正する機能を備えた小型の光源を提供すること。
【解決手段】ライトパイプ(52)に埋め込まれたフォトディテクタ(58,60,72,75)を有する光源(50)を開示する。ライトパイプ(52)は透明材料の層を有し、透明材料の層は上面及び底面を有し、更に上面及び底面に交差する第１及び第２の対向する側面を有する。一実施形態において、フォトディテクタ(58,60,72,75)は第２の側面に隣接する位置で前記層に埋め込まれ、複数の発光体(11,101-106)が第１の端面から前記材料の層の臨界角以下の角度で前記材料の層に光を結合させるように配置される。底面は光を上面に向けて散乱させる突起(22)を有することができる。コントローラ(71)はフォトディテクタ(58,60,72,75)によって検出された光の強度に応じて種々の発光体(58,60,72,75)の光強度を調節する。ライトパイプ(52)の上面から出る光はディスプレイの照明に使用することができる。
【選択図】図３

Description

本発明はＬＣＤバックライトディスプレイの光源に関する。

液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）はコンピュータやＴＶのような非常に様々な家庭用装置に使用されている。バックライトＬＣＤは、各画素がその画素の背面に配置された光源からの光を通過又は遮断するシャッターとして機能する画素アレイである。カラーディスプレイは、各画素にカラーフィルタを装着し、各画素において特定の色の光を透過又は遮断することにより実現される。各画素からの光の強度は、その画素が透過状態にある時間によって決まる。

ディスプレイは通常、ディスプレイの背面全体にわたって一様な光強度を有する白色光源によって照明される。蛍光灯を利用した光源が特に魅力的な理由は、蛍光灯を利用した光源は消費電力１ワットアワーあたりの光出力が大きいからである。ただし、こうした光源は高い駆動電圧を必要とするため、バッテリ駆動型の装置にとってはあまり魅力的でない。

そのため、ＬＥＤを利用した光源をそのような用途に利用することに大きな関心が寄せられている。ＬＥＤは、蛍光灯と同じような電気効率及び寿命を有する。また、必要とされる駆動電圧も、大抵の携帯装置で利用可能なバッテリの電力に適合する。任意の色の光を発生するＬＥＤ光源は通常、３つのＬＥＤから構成される。ＬＥＤに流す駆動電流、及び／又は、ＬＥＤのデューティファクタを調節することにより、ＬＥＤ間の相対輝度が調節される。後者の構成では、ＬＥＤは、人間の目で知覚できないくらい短いサイクルタイムでオン・オフされる。観察者にとって感じられる光の輝度は平均輝度であるから、種々の色の相対輝度は、種々のＬＥＤがオンになっている時間の割合によって決まる。

残念ながら、ＬＥＤには経年劣化の問題がある。ＬＥＤは時が経つにつれて、ＬＥＤに供給する駆動電流やＬＥＤのデューティファクタを増加させ、ＬＥＤの経年劣化を補償しなければならない。経年劣化の影響はＬＥＤの色によっても異なるため、駆動電流やデューティファクタを変化させない限り、時が経つにつれてディスプレイの知覚色はずれてくる。光源によっては、各色帯域ごとに対応するフォトダイオードの集合により光の強度を測定しているものがある。そして、駆動条件を調節することにより、フォトダイオードの出力をその光源の望ましい知覚色に対応する所定の値の集合に維持している。この方法では、ＬＥＤによって生成された光をフォトダイオードでサンプリングする設計が必要とされる。

ＬＣＤアレイのバックライト照明システムは通常、ＬＣＤアレイの背面に、ある種のライトボックス又はライトパイプを備えている。光はライトボックスの周囲からライトボックスの中に投入される。ＬＣＤアレイに隣接する表面に対向するライトボックスの表面は、光を散乱させるある種の散乱性被膜を備え、ＬＣＤの背面を均一に照明するように構成される。上で述べた経年劣化の影響を補償するフィードバックループを形成するために、通常、ライトパイプの２つの端面のうちの一方に沿ってライトパイプの外側に、フォトダイオードが配置される。この構成では、フォトダイオードに最終的に入射する光の量が少なく、入射する光の量は光源ごとのばらつきの影響を受ける。また、フォトダイオードを取り付ける構造が必要であることから、光源のコストが増加する。更に、周囲の光がフォトダイオードに入射しないように気を付けなければならない。そのため、こうした防止措置も、光源のコストを更に増加させる原因となる。

光源の厚さはライトボックスの厚さによって制限される。ラップトップコンピュータや携帯装置（フォトディテクタアレイ、携帯電話など）では、ディスプレイの厚さによって装置全体の厚さが制限されるため、ディスプレイの厚さが特に重要となる。携帯装置によっては、１０ｍｍ厚未満のライトボックスが必要なものもある。ライトボックスの厚さを薄くするほど、上述の問題は深刻になる。

本発明は、ライトパイプに埋め込まれたフォトディテクタを有する光源を含む。光源は、上面及び底面を有する材料の層を含み、材料は透過帯域内の波長の光を透過する。この層は、前記上面及び底面に交差する第１及び第２の対向する側面を有する。一実施形態において、フォトディテクタは、第２の表面に隣接する位置で前記層に埋め込まれる。一実施形態において、光源は、前記透過帯域の光を放射する複数の発光体を含む。これらの発光体は、第１のエッジを通して材料の層に光を結合させるように配置される。一実施形態において、これらの発光体はＬＥＤである。一実施形態において、これらの発光体は、材料の層に対して臨界角以下の角度で光を前記層に結合させる。一実施形態において、底面は光を上面に向けて散乱させるための突起部を有する。一実施形態において、発光体は、複数の波長帯域の光を発する複数の発光体からなる。一実施形態において、発光体によって生成される光は観察者にとって白色光として知覚される。一実施形態において、フォトディテクタは複数の波長帯域検出器を含み、各波長帯域検出器は、その波長帯域検出器に固有の波長帯域内の光を検出する。一実施形態において、フォトディテクタは複数の発光体検出器を含み、各発光体検出器は、複数の発光体のうちの対応する１つからの光を検出する。

本発明から得られる利点は、図１及び図２を参照すれば、比較的容易に理解できるであろう。これらの図面は、従来技術による、ＬＣＤディスプレイ１６を照明するライトボックスの構成を示している。図１は光源１０の平面図であり、図２は図１の光源１０をライン２−２に沿って切断して見たときの断面図である。光源１０はＬＥＤ１１のアレイを使用してライトパイプ１２を照明する。ＬＥＤは回路基板１３に取り付けられ、回路基板１３は、ＬＥＤに電力を供給するための第２の基板１５に取り付けられている。ＬＥＤは、各ＬＥＤから放射された光がレンズ２４を通ってライトパイプ１２の一端２３を照らすような位置に配置される。表面２１に対して臨界角未満の角度でライトパイプ１２に入射した光は反射されてライトパイプ１２の中に戻され、その光は表面１７上の粒子２２によって吸収又は散乱されるまでライトパイプ１２の中を行ったり来たりする。散乱された光が臨界角よりも大きな角度で表面２１に衝突すると、その光はライトパイプを抜け出て、ＬＣＤディスプレイ１６の背面を照らす。

ライトパイプ内の光のスペクトル成分は、フォトダイオードアレイ１８によってサンプリングされる。アレイ内の各フォトダイオードは、そのフォトダイオードに到達する光を所定の帯域幅内の波長の光に制限するための波長フィルタを有している。上で述べたように、フォトダイオードの出力は、フィードバックコントローラにおいてＬＥＤの電流又はデューティサイクルを調整するのに使用される。

ライトパイプから放射され、フォトダイオードに到達する光の量は、調節の難しい多数の要因によって決まる。臨界角よりも大きな角度でライトパイプの一端に当てられた光だけが、ライトパイプから出力される。ただし、厳密には、ライトパイプと空気（ライトパイプとフォトダイオードアレイの間にある空気）の間の屈折率の違いから、その光の一部はライトパイプの中に戻されることもある。また、ライトパイプの一端から光が出力された後、その光が逸れることもある。従って、光システムで光を収集しない限り、フォトダイオードの活性領域に実際に到達する光の量は、ライトパイプの一端から出力された光のうちのほんの一部になる。収集システムを使用して到達する光の量を増加させる場合、ライトパイプの一端とフォトダイオードアレイとの間の距離を長くしなければならない。この距離を長くすれば、光源のサイズも大きくなる。そのため、携帯電話のような小型の携帯装置では問題となる。

更に、フォトダイオードに到達する光の量は、ライトパイプの一端に対する光システムの位置決め精度（アライメント）や、ライトパイプの一端における表面トポロジーの詳細によっても異なる。また、ライトパイプ端部の傷や表面の汚れによっても、光収集効率は変化する。更に、検出器に届く光の大半は、ライトパイプの上面と底面で何度も反射されることになる。それらの表面のどこかに反射率が波長によって異なる場所があれば、フォトディテクタの収集効率は、波長の関数のように異なる収集効率になる。

更に、ライトパイプに対するフォトディテクタのアライメントは、ライトパイプやフォトディテクタをプリント回路基板１５に取り付けるときの精度にも依存する。もしライトパイプをピンによって回路基板に取り付けたり、はんだを使用してプリント回路基板に表面実装したりすれば、ライトパイプとフォトディテクタの間の相対位置はばらつく可能性がある。また、ＬＥＤから発生する熱をプリント回路基板を使用して発散させる場合は、基板が加熱されたときの温度変化が原因で、基板が曲がることもある。基板が曲がれば、ライトパイプに対するフォトディテクタの位置は更に変化する可能性がある。

フィードバックループを十分に較正すれば、収集効率を変化させるそれらの要因を取り除くことができるが、較正手順自体によっても装置のコストが増大するため、較正手順は使用しないことが望ましい。なお、温度変化によって発生するプリント回路基板の曲がりは、較正によって簡単に補正することができない。なぜなら、較正ファクタが温度によって変化するからである。更に、ライトパイプの太さが細くなるほど、上で述べた問題は全て深刻になる。

本発明は、ライトパイプ自体にカラーセンサを組み込むことにより、これらの問題を克服するものである。その結果、ライトパイプに対してカラーセンサが、常に適切な位置に維持される。また、ライトパイプと空気（カラーセンサとライトパイプの間の空気）との間の屈折率の差に起因する光損失に関連する問題も実質的に低減される。なぜなら、屈折率の違いは、センサ材料とライトパイプの間にしか発生しないからである。

図３は、ＬＣＤディスプレイ１６を照らすように配置された、本発明の一実施形態による光源５０の断面図である。説明を分かり易くするために、光源５０の構成要素のうち、図１及び図２で説明したものと同じような機能を有する構成要素には図１及び図２で使用したものと同じ符号が付してあり、それらについて詳しい説明はしない。光源５０は、プラスチックライトパイプ５２の中に成形されたフォトディテクタアレイ５８を使用して、ＬＥＤ１１の制御に必要となるフィードバック信号を生成する。フォトディテクタアレイ５８から延びるリード５３はライトパイプ５２の一端から突出し、プリント回路基板５１に接続される。この実施形態では、プリント回路基板５１はＬＥＤアレイを取り付けるのにも使用される。

ライトパイプ５２に対するプリント回路基板５１の湾曲は全てリード５３によって吸収される点に注意して欲しい。従って、プリント回路基板５１をライトパイプ５２から遠ざかるような湾曲を引き起こす温度変化によって、カラーセンサの光収集効率に変化が生じることはない。また、センサをプリント回路基板５１に取り付ける際に生じる高さのばらつきも全てリード５３によって吸収される。また、リード５３はライトパイプの一端をプリント回路基板５１に固定する手段としても働くため、プリント回路基板に対するライトパイプの取り付けに関わる製造コストも低減される。

図４は、本発明で使用するのに適したフォトディテクタアレイ６０の断面図である。フォトディテクタアレイ６０は、リードフレーム６７に接続されたフォトダイオード６１〜６３を利用する３つのフォトディテクタから構成される。リードフレーム６７は、フォトダイオード６１〜６３からの出力信号を得るためのリード６８を有する。分かり易くするために、フォトダイオード６１〜６３とリードフレーム６７との間の種々の接続は図面には描かれていない。

一実施形態において、３つのフォトダイオード６１〜６３は全て同じものが使用され、可視スペクトルの光を検出可能なものが使用される。３つの光バンドパスフィルタ６４〜６６により、フォトディテクタ６１〜６３に波長選択性を与えている。これらのフィルタは当該技術分野で既知のものであるから詳しい説明はしない。話を進めるためには、それらのフィルタが、フォトダイオードの上に適当な材料を蒸着することによって形成可能であることと、そうした材料が、プラスチック成形処理において通常使用される温度に耐え得るものであることを述べておけば十分である。

図５は、本発明の一実施形態による光源７０の平面図である。光源７０は、上で説明したフォトディテクタアレイ６０に似たフォトディテクタアレイ７２を有する。フォトディテクタアレイ７２は、ＬＥＤ１１とは反対側の端面に沿ってライトパイプ５２の中に成形される。この実施形態では、フォトディテクタアレイ７２は、ライトパイプ５２の中で混合された後の光をサンプリングし、３つの波長帯域のそれぞれにおける光の総合強度を示す信号を生成する。所与の波長帯域内の光を放射するＬＥＤが２以上ある場合、それらのＬＥＤは全て同じ信号によって駆動されるものと仮定する。この実施形態では、オンボードコントローラ７１が駆動信号を生成している。

混合信号をフォトディテクタアレイ７２によってサンプリングする実施形態において、各帯域幅内の光を放射するＬＥＤが２以上ある場合、フォトディテクタアレイ７２は、主に散乱光又は反射光（ＬＥＤからフォトディテクタへ直接向かう光ではなく）を受光する位置に配置することが望ましい。ライトパイプ５２の太さに比べて、ＬＥＤ１１からフォトディテクタアレイ７２までの距離が長ければ、各ＬＥＤ１１の位置においてフォトダイオードアレイ７２に対して形成される立体角は小さくなるため、直接光は非常に僅かな量しか検出されない。ただし、この直接光が問題になる場合、符号７５の位置に点線で描かれているように、フォトダイオードアレイはライトパイプ５２の側面上に取り付けてもよい。

場合によっては、混合光信号をモニタするのではなく、個々のＬＥＤをモニタする方が有用であることもある。例えば、各色について複数のＬＥＤを備えたシステムでは、混合光をモニタしても、全体のカラースペクトルに関する情報しか得られない。ある色のＬＥＤの経年劣化がその他の色のＬＥＤよりも速い場合、赤色の光の減少に基づいて全ての赤色ＬＥＤに対する駆動電流を単純に増加させてしまうと、局部的な色のばらつきが発生する可能性がある。この問題は、混合光信号をモニタするのではなく、個々のＬＥＤをモニタすることによって回避することができる。

図６は、本発明の他の実施形態による光源１００の平面図である。光源１００は、６個のＬＥＤ１０１〜１０６を含む。各色バンドに２個のＬＥＤが対応する。ＬＥＤは、隣りのＬＥＤが違う色の光を生成するように配置することが望ましい。例えば、ＬＥＤ１０１とＬＥＤ１０４は緑色の光を生成し、ＬＥＤ１０２とＬＥＤ１０５は赤色の光を生成し、ＬＥＤ１０３とＬＥＤ１０６は青色の光を生成する。各ＬＥＤは対応するフォトダイオードによってモニタされる。図中、ＬＥＤ１０１〜１０６に対応するフォトダイオードはそれぞれ１１１〜１１６で示されている。各フォトダイオードは、他のＬＥＤからの光や、ライトパイプ１５２の表面で反射された光がそのフォトダイオードに入射するのを防止するためのコリメータ１２１を有している。従って、或るＬＥＤから対応するフォトダイオードへ直接進む光だけが、そのフォトダイオードによって検出される。図６に示す実施形態において各フォトダイオードは、そのフォトダイオードによって検出される光のスペクトル範囲を制限するための波長フィルタを有している。ただし、隣りのＬＥＤからの光の混入をコリメータ１２１によって十分に防止できるならば、これらのフィルタは省略してもよい。

上記の説明及び添付の図面から、本発明に対する種々の変更が可能であることは当業者には明らかであろう。従って、本発明は特許請求の範囲の記載によってのみ規定される。

光源１０の平面図である。 図１の光源１０をライン２−２に沿って切断して見たときの断面図である。 ＬＣＤディスプレイを照らすように配置された、本発明の一実施形態による光源の断面図である。 本発明で使用するのに適したフォトディテクタアレイ６０の断面図である。 本発明の一実施形態による光源の平面図である。 本発明の他の実施形態による光源１００の平面図である。

Claims (12)

1. ライトパイプ(52)を含む光源(50)であって、
   前記ライトパイプ(52)は上面及び底面を有する材料の層を含み、前記材料は透過波長帯域の光に対しては透過性であり、前記層は前記上面及び前記底面に交差する第１及び第２の対向する側面を有する、光源(50)。
2. 前記透過帯域内の光を放射する複数の発光体(11,101-106)を更に含み、前記発光体(11,101-106)は前記第１の側面を通して前記材料の層に光を結合させるように配置される、請求項１に記載の光源(50)。
3. 前記第２の側面に隣接するフォトディテクタ(58,60,72,75)を更に含む、請求項２に記載の光源(50)。
4. 前記光源(11,101-106)はＬＥＤからなる、請求項２に記載の光源(50)。
5. 前記発光体(11,101-106)は、前記材料の層の臨界角以下の角度で前記層に光を結合させる、請求項２に記載の光源(50)。
6. 前記底面は光を前記上面に向けて散乱させる突起部(22)を有する、請求項２に記載の光源(50)。
7. 前記発光体(11,101-106)は、前記透過帯域内の第１の波長帯域の光を放射する第１の発光体と、前記透過帯域内の第２の波長帯域の光を放射する第２の発光体とを含み、前記第１の波長帯域は前記第２の波長帯域とは違う波長帯域である、請求項２に記載の光源(50)。
8. 前記発光体(11,101-106)は観察者にとって白色光として知覚される光を放射する、請求項２に記載の光源(50)。
9. 前記フォトディテクタ(60)は複数の波長帯域検出器からなり、各波長帯域検出器は、その波長帯域検出器に固有の波長帯域の光を検出するように構成される、請求項７に記載の光源(50)。
10. 前記波長帯域検出器はフォトダイオード(61-63)及びバンドパスフィルタ(64-66)からなる、請求項９に記載の光源(50)。
11. 前記フォトディテクタ(58,60,72,75)は複数の発光体検出器(111-116)を含み、各発光体検出器は前記複数の発光体のうちの対応する１つからの光を検出するように構成される、請求項７に記載の光源(50)。
12. 前記フォトディテクタ(58,60,72,75)によって生成された信号に応じて前記発光体(11,101-106)により放射される光を調整するコントローラ(71)を更に含む、請求項２に記載の光源(50)。
    

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