JP2009541927A - Ｌｅｄベースのアンビライト用の対称的な光ガイドの構造 - Google Patents

Abstract

光ガイド１０１、光入力手段１０２及び光出力手段１０３を有する光を拡散させる装置１００である。光入力手段１０２及び光出力手段１０３は、光ガイド１０１に接続されており、装置１００は、光源１０８、１０９、１１０からの少なくとも２つの別個の周波数の光が、光入力手段１０２を通って光ガイド１０１内に入射し、光ガイド１０１を通って伝搬し、光出力手段１０３において出るのを可能にする。光ガイド１０１は、円周状であり、この結果、光が、出力手段１０３に到達する前に、光ガイド１０１の外側の寸法よりも大きい距離にわたって伝搬し、従って、前記少なくとも２つの周波数からの光の混合を生じるのを可能にされている。本発明が実施化されている表示装置も、開示されている。

Description

本発明は、色を混合するための光ガイドの構造、特に発光ダイオードを使用しているアンビエント光の用途のための光ガイドの構造に関する。

幾つかの新しいＬＥＤベースの照明システムに、光ガイドが使用されている。このような光ガイドは、典型的には、透明のプラスチック又はガラスの平坦又は湾曲した部分であって、通常、２つの目的を果たしている。これは、光源（例えば、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ））からの光を所望の点に案内する、及び個々の赤、緑及び青色のＬＥＤからの色の混合を助ける。前記光ガイドは、色の混合に関して特に重要である。完全でない混合は、有色の縁及影を生じると共に、白表面が白色ではなく有色になるからである。

光ガイドは、汎用照明として又はＬＣＤモニタ又はテレビジョンのためのバックライトとして、多くの照明用途において使用されている。１つのこのような例は、国際特許出願公開第2004/008023A1号に開示されており、光源としてのＬＥＤ群と、色の混合のための光ガイドプレートと、光出力面を有する光ガイドプレートとを有する光ガイド装置が、示されている。前記光ガイド装置は、液晶表示パネルの後ろのバックライト光源として設けられている。この文献は、更に、前記ＬＥＤ群からの光線を前記光ガイドプレートの一方の端面に案内する三角形のプリズムと、前記光ガイドプレートの他方の端面からの光線を前記光ガイドプレートの一方の端面に案内する三角形のプリズムとを示している。

これらの光ガイドが使用されることができる他のあり得る用途は、例えば、フラットスクリーン表示パネルのような、テレビ受像機のためのＬＥＤベースのアンビエント背景照明におけるものである。照明効果は、画像コンテンツに適合しているテレビ受像機の周りに生成される。この効果は、より大きい仮想スクリーン及びより熱中させる視聴体験の印象を与える。更に、視聴者の目の酷使を軽減する。

このアンビエント背景照明効果を達成するために、テレビ受像機の後ろに位置決めされたランプであって、壁に向かって光を発するランプを持つことが知られている。これらの目的のために、ＣＣＦＬランプを使用するのが一般的である。幾つかの理由のために、ＬＥＤベースのバージョンが、好まれるであろう。しかしながら、ＬＥＤの使用に関連する色の混合及び色の均一性の問題が、知られている。例えば、全ての色を生成することができるように、少なくとも３つの異なるＬＥＤが必要であり、即ち１つの赤色、１つの緑色及び１つの青色のＬＥＤが、必要である。この３つのＬＥＤは、本質的に隣同士に位置決めされており、この異なる位置のために、個々の色が、出力において互いに完全には重複していない。

原色ごとに多くのＬＥＤを使用することが、代替的であるが、このことは、実質的に、解決策の費用を増大させる。従って、色ごとに、より少ない又は１つのみのＬＥＤを持つのが好ましい。

使用されている他の一般的な技法は、ダイクロックフィルタによって、３つの前記ＬＥＤを互いの上部に光学的に位置決めすることである。従って、全ての色を生成することができる１つの仮想光源が、作られることができる。しかしながら、この解決策も、深刻な不利な点を有している。ダイクロックフィルタの主な不利な点は、これらの製造の費用及び難しい方法である。更に、前記ダイクロックフィルタは、強い角度依存性を有しており、意図されているのとは異なる角度で前記ダイクロックフィルタに当たった光は、反射される代わりに透過され得る、又は透過される代わりに反射され得る。更に、このようなフィルタを、１つのガラス又は透明プラスチック（例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ））からなる簡単な形態で、光ガイド内に含めるのは非常に難しい。

幾つかの色から成る光のより均一な分布を達成するために、光を拡散する特徴を有する光ガイドを使用するのが、一般的な技法である。例えば、全反射（ＴＩＲ）によって、光は、前記光ガイド内に保持されることができる。垂直に十分に近い角度で表面に衝突した場合にのみ、光は、前記光ガイドから、出ることができる。しかしながら、様々な欠点により、この技法も、改善の必要性がある。

上述を考慮して、本発明の目的は、上述の問題を解決する又は少なくとも軽減することにある。特に、目的は、改善された色の合成を生じる改善された光ガイドを提供することにある。

本発明の他の目的は、色の混合と強度の漸進的な変化との両方において光ガイドの性能を改善することにある。

上述の目的は、光ガイド、光入力手段、及び光出力手段を有する光を拡散させる装置による本発明の第１の見地によって得られる。前記光入力及び前記光出力手段は、前記光ガイドに接続されている。当該装置は、光源からの少なくとも２つの別個の周波数の光が、前記光入力手段を通って前記光ガイドに入射し、前記光ガイドを通って伝搬し、前記出力手段において出射することを可能にする。前記光ガイドは、円周状のものであり、この結果、光は、出力手段に到達する前に前記光ガイドの外側の寸法よりも大きい距離を伝搬するのを可能にされる。従って、前記装置は、少なくとも２つの周波数からの光の混合を生成する。円周なる語に関して、前記光ガイドは、様々な周波数を有する光の良好な混合を保証するように、光が幅広い種類の個々の伝搬の経路をとることを可能にする閉じられた経路又はループを規定しているものと理解されたい。前記光ガイド内における光の閉じ込めは、好ましくは、前記光ガイドの外側の境界部に沿った反射性表面を持つことによって実現される。このことは、全反射を達成するように、リフレクタ又は前記光ガイドの屈折率とは異なる屈折率を持つ近傍の材料を持つことによって達成されることができる。前記近傍の材料の屈折率は、必ずしも前記光ガイドの屈折率と異なっている必要はない。しかしながら、損失を防止するための有利な点として、前記近傍の材料が高い屈折率を有している場合、これは助けとなる。

本発明の一実施例によれば、前記光ガイドは、１つの部分を有している。

他の実施例によれば、前記光ガイドは、ダイカスト（die cast）を有している。有利な点として、このことは、効率的で安価な製造を提供する。

本発明の一実施例によれば、前記材料は、ガラス、プラスチック、ＰＭＭＡ又はこれらの何らかの組み合わせである。

本発明の一実施例によれば、前記光入力手段は、前記光ガイドの第１の部分を有しており、前記光出力手段は、前記光ガイドの第２の部分を有している。

本発明の一実施例によれば、前記第１の部分及び前記第２の部分は、第３の部分によって分離されている。更に、前記第３の部分は、好ましくは、前記第１の部分の屈折率とは異なる屈折率を持つ第２の材料を有することができる。再び、前記近傍の材料の屈折率は、必ずしも前記光ガイドの屈折率と異なる必要はない。従って、有利な点として、全反射が達成される。更に、前記第２の材料は、気体又は液体のような、流体であっても良く、好ましくは空気であっても良い。更には、前記第３の部分は、空気中の湾曲したリフレクタのようなものによって、前記第１の部分に反射表面を設けるような、コーティングを有していても良い。有利な点として、通常の反射が、全反射と比較して達成される。

本発明の一実施例によれば、前記第１の部分及び前記第２の部分は、前記第１の部分の内面に対する光の反射を改善する漸進的に変化している断面を有している。従って、前記光ガイドは、くぼませられている形状であると考える。即ち、前記光入力手段の端部における好ましくは管状の前記光ガイドの側壁は、僅かに曲げられている。結果として、前記光は、前記管の端部に向かって集束され、有利な点としては、前記側壁を介した光の漏洩を減少する。

本発明の一実施例によれば、前記光出力手段は、前記第２の部分と一体化されており、出て行く光の指向性が改善されるという有利な点を持つ光結合導出構造を有している。更に、光出力の良好な均一性と改善された結合導出の効率とが得られるということも有利である。

本発明の一実施例によれば、前記光ガイドは、前記第１の部分及び前記第２の部分を接続している接続部を有する。

本発明の一実施例によれば、前記接続部は、少なくとも第１の接続部及び第２の接続部を有しており、この結果、前記光ガイド内の光の伝搬の対称的な分布を達成する。更に、前記接続部は、好ましくは、前記第１の部分と前記第２の部分との間に光を導く光学プリズムを有していても良い。代替的には、前記接続部は、好ましくは空気によって囲まれている、湾曲されている反射ミラーを有していても良い。前記プリズムの屈折率は、前記光ガイドの屈折率と同じものであり得る。しかしながら、損失を防止する有利な点として、プリズムが高い屈折率を有している場合に、助けになる。前記接続部は、この点において、前記プリズム及び前記光ガイドが、比較的低い屈折率を有する粘着物によって結合されている場合に、助けになる。

本発明の一実施例によれば、前記光源は、発光ダイオードを有している。

本発明の更に他の実施例によれば、前記光ガイドは、自身の構造において対称性を有している。この対称性により、例えば、前記光ガイドが、互いの片割れに対応している２つの部分を有しているものと解釈されるべきであり、この結果、光は、前記光ガイドを通って、同じであるが、逆方向の経路を伝搬することができる。従って、有利な点として、色の混合と強度の漸進的な変化との両方における格別な性能が、達成される。

上述の目的は、本発明の前記第１の見地による装置を有する表示装置によって、本発明の第２の見地によって得られる。

本発明の前記第２の見地の一実施例によれば、当該装置は、前記表示装置にアンビエント光を供給する。有利な点として、より大きい仮想スクリーン及びより熱中させる視聴体験の印象が、得られる。更に、視聴者の目の酷使が軽減される。

本発明の前記第２の見地の一実施例によれば、当該装置は、前記表示装置の側部に配されている。

本発明の前記第２の見地の一実施例によれば、当該装置は、前記表示装置の後部に配されている。

即ち、前記装置の設計に関するフィーチャの結合は、特に有利である。第一に、光が進行しなければならない長い経路により、光の良好な混合が、達成される。第二に、色ごとにただ１つの光源を有して働くにもかかわらず、光が、２つの側部からの結合導出構造に同時に入射する。このことは、完全に対称な光の分布が達成されることを保証する。従って、特に有利な点として、この設計は、光が堂々巡りをすることを可能にする。

更に、この構成により、（色ごとに）１つのみの光源が使用されているにもかかわらず、対称的な光の結合導出が達成される。このことは、非常に望ましいフィーチャである。

更に、この構造は、壁に向かって結合導出される前の、各個々の色のための長い経路を保証し、小さく、細い、アスペクト比及び大きさを同時に保証する。

図１は、光ガイド１０１、光入力手段１０２、光出力手段１０３、光学プリズム１０４及び１０５、間隙（void）１０６、並びに発光要素１０８、１０９及び１１０の集合１０７を有する装置１００を示している。間隙１０６は、当該装置の中央において二重の横線で区切られており、本発明の好適実施例において、前記間隙は、空隙を構成している。空気に対して代替的には、光入力部と光出力部との間の空間又は間隙は、真空又は流体を含んでいても良い。前記発光要素は、光入力手段１０２内に位置されている。図１のａ部は装置１００の構成要素を示しており、ｂ部は装置１００に関する光線追跡シミュレーションを示しており、矢印１１１、１１２、１１３、１２１、１２２、及び１２３は、光ガイド１０１の光出力手段１０２から出る１２０までの、発光要素１０８、１０９及び１１０からの進行の経路を示している。光ガイド１０１の壁に対する反射１３０及び１３１も示されている。前記空隙は、全反射（ＴＩＲ）として知られている効果により、一種のミラーとして機能する。従って、前記光は、前記光ガイドの構造内に留まるが、前記光源から左か又は右かに伝搬する。前記光ガイドの両端に、プリズムが位置されている。これらは、角の辺りで、好ましくは管状に構造化されている光出力手段内に、光を「曲げ」る。前記光出力手段には、何らかの結合導出構造が設けられている。代替的には、湾曲された反射ミラーが、光入力手段１０２と光出力手段１０３との間の光を案内するように、光学プリズム１０４及び１０５の代わりに使用されることができる。

図２は、本発明の好適な実施例による装置２００を示しており、光ガイド２０１の光入力手段２０２の寸法が、光反射を改善するために変更されている。図１と同様に、図２のａ部における装置２００も、光出力手段２０３、光学プリズム２０４及び２０５、間隙２０６及び光源２０７を有している。更に、断面２１１及び２１２は、光ガイド２０１の光入力手段２０２を有している部分に沿った断面が、光源２０７に向かってどのように漸進的に縮小しているかを示している。図２のｂ部は、図２のａ部に描かれている装置２００の詳細２１０を示している。ｂ部において、光ガイド２０２、光源２０７、光ガイド２０２の壁２０８並びに伝搬している光線を示している矢印２２０及び２２１が、示されている。前記光線は、前記光ガイドの壁２０８において反射される２３０、２３１ように示されており、これにより、自身の経路の方向を変えている。図２のｂ部に更に示されているのは、前記光ガイドの前記光入力手段２０２の部分の表面に設けられているコーティング２４０である。前記コーティングは、前記光ガイドの周部に到達する光の効率的な反射を可能にする。前記コーティングは、前記表面の小さい部分においてのみ示されているが、前記装置の表面のより広い部分に設けられても良い。

図３は、装置１００又は２００における光ガイド１０１又は２０１の光出力部３０３において利用されている結合導出構造３０２の詳細を示している。矢印３０４、３０５及び３０６は、光出力部３０３を出る光線３０７及び３０８を示している。

図４は、光入力部４０２及び光出力部４０３を互いに隣に有している場合４００と重ねて有している場合４１０とにおける光ガイド装置４０１の三次元図を示している。プリズム４０４及び４０５、光源４０６、光線４０７、４０８及び４０９及び光入力部４０２と光出力部との間の間隙４１１も、示されている。

設計の更なる変更が、本発明の特徴的なフィーチャを有しながらも可能である。代替的なものとして、前記光ガイドは、反射性及び／又は拡散性の側部を有している箱状構造のような、コンパートメントの形態であっても良い。この場合、光は、上下及び側部における複数の反射により、前記コンパートメントを通って案内される。

図５は、装置１００が実施化されているテレビ受像機５００を示している。矢印５０１及び５０２は、装置１００から発せられた光を示している。

更に、本発明は、例えば、ランプ、ＬＣＤモニタ若しくはテレビ受像機用のバックライトのように、他の分野の用途においても有利に使用されることができる。

本発明による光を拡散させる装置を示している。 本発明による光を拡散させる装置を示している。 本発明の好適な実施例による装置を示している。 本発明の好適な実施例による装置を示している。 本発明の他の好適な実施例による装置の詳細を示している。 第１の実施例における装置の三次元図を示している。 第２の実施例における装置の三次元図を示している。 テレビ受像機において実施化されている本発明による装置を示している。

Claims (21)

1. 光を拡散させる装置であって、
   − 光ガイドと、
   − 光入力手段と、
   − 光出力手段と、
   を有しており、前記光入力手段及び前記光出力手段は前記光ガイドに接続されている、装置において、前記装置は、光源からの少なくとも２つの別個の周波数の光が、前記光入力手段を通って前記光ガイドに入射し、前記光ガイドを通って伝搬し、前記光出力手段において出射するのを可能にする装置において、少なくとも２つの前記周波数からの前記光の混合を生じるように、光が前記光出力手段に到達する前に前記光ガイドの外側の寸法よりも大きい距離にわたって伝搬するのを可能にするように、前記光ガイドは円周状であることを特徴とする、装置。
2. 前記光ガイドは１つの部分を有している、請求項１に記載の装置。
3. 前記光ガイドはダイカストを有している、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記光ガイドの材料は、ガラス、プラスチック、ＰＭＭＡ又はこれらの何らかの組み合わせを含んでいる、請求項１乃至３の何れか一項に記載の装置。
5. 前記光入力手段は前記光ガイドの第１の部分を有しており、前記光出力手段は前記光ガイドの第２の部分を有している、請求項１乃至４の何れか一項に記載の装置。
6. 前記第１の部分及び前記第２の部分は、第３の部分によって分離されている、請求項５に記載の装置。
7. 前記第３の部分は、前記第１の部分の屈折率とは異なる屈折率を持っている第２の材料を有している、請求項６に記載の装置。
8. 前記第２の材料は空気である、請求項７に記載の装置。
9. 前記第３の部分は、前記第１の部分におけるコーティングを含んでいる、請求項６乃至８の何れか一項に記載の装置。
10. 前記第１の部分及び前記第２の部分は、前記第１の部分の内面に対する光反射を改善する漸進的に変化する断面を有している、請求項５乃至９の何れか一項に記載の装置。
11. 前記光出力手段が、前記第２の部分と一体化されていると共に、出て行く光の指向性を改善する光結合導出構造を有している、請求項５乃至９の何れか一項に記載の装置。
12. 前記光ガイドが、前記第１の部分及び前記第２の部分を接続している接続部を有している、請求項５乃至９の何れか一項に記載の装置。
13. 前記接続部は、前記光ガイド内の光の伝搬の対称的な分布を達成するために、少なくとも第１の接続部及び第２の接続部を有している、請求項１２に記載の装置。
14. 前記接続部は、前記第１の部分と前記第２の部分との間の光を導く光学プリズムを有している、請求項１２又は１３に記載の装置。
15. 前記接続部は、湾曲している反射ミラーを有している、請求項１２乃至１４の何れか一項に記載の装置。
16. 前記光源は発光ダイオードを有している、請求項１乃至１５の何れか一項に記載の装置。
17. 前記光ガイドは、自身の構造において対称性を有している、請求項１乃至１６の何れか一項に記載の装置。
18. 請求項１乃至１７の何れか一項に記載の装置を有する表示装置。
19. 前記装置は、前記表示装置にアンビエント光を提供する、請求項１８に記載の表示装置。
20. 前記装置は前記表示装置の側部に配されている、請求項１８又は１９に記載の表示装置。
21. 前記装置は、前記表示装置の後部に配されている、請求項１８乃至２０の何れか一項に記載の表示装置。

Images