JP2009543286A - Ｌｅｄをベースとする周辺光のための二重層光ガイド構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】色のついたエッジおよび影を生じることなく色の分布が均一な光出力を発生すること
【解決手段】光ガイドと、第１層内の少なくとも１組の第１発光要素と、第２層内の少なくとも１組の第２発光要素とを備えた、光をガイドし、混合するためのデバイスである。前記発光要素の各々は少なくとも１つの所定の第１周波数で光を発生する。前記第２層は、前記第１層の第１の幾何学的平面と異なる第２の幾何学的平面内に延び、成分である周波数の集まりから均一な光出力を発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、色を混合するための光ガイド構造体、特に発光ダイオードを使った周辺光用に使用するための光ガイド構造体に関する。

ＬＥＤをベースとする数個の新しい照明システムには、光ガイドが使用される。かかる光ガイド、一般的には透明プラスチックまたはガラス製の、平らな、またはカーブした部品が、通常、この目的のために使用される。この光ガイドは、光源、例えば１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）から所望するスポットへ光をガイドし、個々の赤色、緑色および青色ＬＥＤからの光の色の混合を補助する。

色が不完全に混合される結果、色のついたエッジおよび影が生じるが、他方、白色表面は、白色に見えなくなり、色がつくので、色を混合する場合、光ガイドは特に重要である。

光ガイドは多くの照明用途、例えば汎用照明またはＬＣＤモニタ、またはテレビのためのバックライトとして使用されている。かかる一例は、国際特許出願第WO2004/008023A1号に開示されている。この特許出願には、光ガイドが光源としてのＬＥＤグループと、色を混合する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備えた光ガイドデバイスが示されている。光ガイドデバイスは液晶ディスプレイパネルの後方のバックライト光源として設けられている。この特許出願は、ＬＥＤグループから光ガイドプレートの１つの端面まで光線をガイドするための三角形プリズムおよび光ガイドプレートの他方の端面から光ガイドプレートの一方の端面まで光線をガイドするための三角形プリズムを更に示している。

これら光ガイドのための別の用途は、例えばテレビセット、例えばフラットなスクリーンディスプレイパネルのためのＬＥＤに基づく周辺バックグラウンド照明にある。ＴＶの周辺において画像コンテントに合った光の効果が生じる。この効果は、より大きい仮想的スクリーンの印象およびより包み込まれるような視聴感を与える。更にこの効果は、視聴者の眼に対する負担を低減する。

このような周辺バックグラウンド照明効果を得るためには、壁に向かって光を発生するランプをテレビセットの後方に設けることが知られている。これら目的のために、一般的に冷陰極蛍光（ＣＣＦＲ）ランプが使用される。いくつかの理由から、ＬＥＤをベースとするバージョンが好ましい。しかしながら、ＬＥＤを使用することに関連する色混合および色の均一性に問題があることが分かっている。例えばすべての色を発生するためには、少なくとも３つの異なるＬＥＤ、すなわち１つの赤色ＬＥＤ、１つの緑色ＬＥＤおよび１つの青色ＬＥＤが必要である。これら３つのＬＥＤは、本来互いに隣接するように位置決めされるが、その位置決めされる位置が異なるので、出力において個々の色が互いに完全に重なることはない。

原色ごとに、より多くのＬＥＤを使用することも代替方法であるが、この方法は、解決方法のコストを実質的に高める。従って、数個だけ、または色ごとに１つのＬＥＤだけを設けることも好ましい。

上記に鑑み、本発明の目的は、上記問題を解決するか、または少なくとも緩和することにある。特に、本発明の目的は、改善された組成の色を発生するための改良された光ガイドを提供することにある。

本発明の別の目的は、色を混合すること、および強度を徐々に変えることの双方において光ガイドの性能を改良することにある。

上記目的は、本発明の第１の様相によれば、光ガイドと、第１層内の少なくとも１つの第１発光要素と、第２層内の少なくとも１つの第２発光要素とを備え、光をガイドし、混合するためのデバイスによって達成される。前記発光要素の各々は、少なくとも１つの所定の第１周波数で光を発生するようになっている。このデバイスは、前記第２層が、前記第１層の第１の幾何学的平面と異なる第２の幾何学的平面内に延び、成分である周波数の集まりから均一な光出力を発生することを特徴とする。従って、光ガイドが特徴する単一ポイント光源から光を広げる機能と色を混合する機能との双方を、好ましく利用できる。利点として、個々の要素から発生される光が他の発光要素によってあまり不明瞭となったり、影になったりしないよう、発光要素は異なる平面内に分割されている。更なる利点として、成分周波数の集まりから出力される均一な光強度が得られる。別の利点として、色の均一性に関して改善された性能が得られる。本発明に係わる一実施形態によれば、発光要素は、１つの顕著な知覚される原色を示すように、所定の周波数の狭いバンドの光を発光する。

本発明の一実施形態によれば、前記第１層の前記幾何学的平面と、前記第２層の前記幾何学的平面とは、本質的には互いに平行である。

本発明の別の一実施形態によれば、少なくとも第１の発光要素および第２の発光要素の各々は、少なくとも１つの第１の発光要素および第２の発光要素の組を含む。従って、発光要素の第１の組および第２の組を形成するよう、別の発光要素を含むことができる。従って、更に改善された色混合を利点として有するので、より多数の同時に発光される周波数、すなわち色が可能となる。

本発明の別の一実施形態によれば、前記発光要素の前記組は、発生可能な周波数に関して、対応して対をなす発光要素を備え、前記発光要素の第２の組は、前記発光要素の第１の組と比較して、発生可能な周波数の順序が逆になっている。

光ガイド手段を介し、光ガイドの内部に導かれる発光された光を有する光ガイドの外部に発光要素が位置していてもよい。しかしながら、本発明の一実施形態によれば、発光要素は光ガイド内の平面内に含まれる。本発明の別の一実施形態によれば、発光要素の第１層および第２層の幾何学的平面は、光ガイドを通るように延びる。例えば発光可能なパターンを有する側面発光ＬＥＤは、光波ガイドの平面と一致する平面を構成する。

本発明の別の実施形態によれば、前記組のいずれかも、知覚される白色光に対応する周波数の発生を可能にする個々の色を発生する３つの発光要素を備える。例えば３つの発光要素の一組をある平面に設け、単一発光要素を別の平面に設けることも可能である。利点として、顕著に異なる色、例えば緑色、青色および赤色、従ってＲＧＢの三原色の光を発生する３つの発光要素の各々から、光強度を別々に制御することにより、全スケールの色を発生できる。更に別の利点として、三原色の光の強度、例えば３つの異なるＬＥＤをスクリーンまたは表面に均一に分散する。換言すれば、利点として、本発明は、壁の上の各位置に同じ量の赤色、緑色および青色を投射し、この結果、白色壁を生じさせる。従って、均一な色の画像だけでなく、色のついたフリンジがほとんどまたは全くない画像も得られる。

一般に、照明された領域にわたって全輝度を変えることができる。各特定のスポットにおいて個々の色の輝度の間に差がない限り、合計は白色となる。特定の一実施形態、例えば周辺バック照明の用途によれば、投影スクリーン全体にわたって色の絶対的強度が一定であることは必ずしも必要ではないが、スクリーンに対する距離と共に強度が低下しても、このことは、完全に許容できるものである。

本発明の一実施形態によれば、前記色は、赤色、緑色および青色である。

本発明の別の一実施形態によれば、前記発光要素の前記組のうちの第１の組は、第１の横方向に沿った第１の光要素と、第２の光要素と、第３の光要素とを備え、前記発光要素の前記組のうちの第２の組は、第２の横方向に沿って位置する、対応して対をなす要素を備え、前記対をなす第１の要素と第３の要素とは互いに径方向に対向して位置し、前記対をなす第２の要素は互いに対向して位置する。

本発明の別の一実施形態によれば、前記発光要素は、本質的には列状に位置している。これら発光要素は、例えばわずかに三角形の形状をなすように横方向から見て若干ずれた状態に位置させてもよい。

本発明の更に別の実施形態によれば、前記発光要素は、発光ダイオードを含む。

本発明の更に別の実施形態によれば、前記発光要素は、互いに同じ距離だけ離間している。

換言すれば、本発明によれば、好ましくは周辺照明技術の分野におけるＬＥＤ光源のための新しい光ガイド構造体が提供される。光ガイドの頂部平面と底部平面の間に光源が位置する。

添付図面を参照し、本発明の好ましい一実施形態の非限定的な説明のための詳細な説明を読めば、本発明の上記およびそれ以外の目的、特徴および利点について、より良好に理解できよう。

数種の色を含む光を、より均一に分布させるために、内部全反射（ＴＩＲ）により、光を移しながら、同時に光ガイドを通過する異なる色の光も混合するような光ガイドを使用する技術がある。例えば、内部全反射（ＴＩＲ）を用いることにより、光ガイドの内部に光を保持できる。光が垂線に対して充分小さい角度で表面に入射したときにしか、光は光ガイドから出ることができない。

図３および４は、光ガイド３０１および４０１内のＬＥＤ３０２および４０２の配置の例をそれぞれ示す。例えば図３は、３つの異なる色の側面発光ＬＥＤ３０３、３０４および３０５が、投射平面（図示せず）に平行な列にどのように並置されているかを示している。これら側面発光ＬＥＤは、剥き出しのＬＥＤダイと、光ガイドの平面内に入射するよう光を側方から発光するための別の光学系とを備える。更に、光ガイドのこの二次元図内の４つの壁のうちの３つに示されている太い線は、ミラー状のコーティング３１２および４１２を示す。ＬＥＤが異なる位置にあることに起因し、３つのＬＥＤからの光は、照明すべき物体上に均一に分布した白色光を発生するようには加算されない。むしろ、赤色ＬＥＤが他のＬＥＤからの光をブロックし、影を生じさせ、他のＬＥＤからの光が所定の領域に達するのを阻害するので、一部の領域では赤色が主要な色となり、一方、別の領域では緑色または青色がより見やすくなる。従って、光が相互にブロックされることに起因し、その結果個々の光要素からの光の分布は、空間的に分離された状態となる。

図４には光ガイド４０１を示す別の例が示されており、この光ガイド４０１では投射平面（図示せず）に垂直な列にＬＥＤ４０３、４０４および４０５が並置されている。ここで、緑色光および青色光は、直線状に射出されることがブロックされているが、左右の非対称性の問題が解決されている。ここで問題は、中心部で主に青色光を見ることができるということである。従って、コストに深刻な影響を与えるような、色ごとに数個のＬＥＤを使用することをしなければ、二次元平面内にＬＥＤを位置決めすることにより、ＬＥＤのうちの１つ以上がブロックされることを防止できる。多数のＬＥＤを用いた場合でも、影のついた領域が残る。実際に、より多くの影が生じるが、２つの赤色ＬＥＤを用いた場合、恐らく一度に２つ以上のＬＥＤがブロックされることになろう。全体の効果として所定の領域において特定の色の光の一部しかブロックされないことになる。

図３および４においても小さい円で示めされている小さい光散乱構造体３１０および４１０は、光を光ガイドから反射するように働く。このような反射がある場合、光ガイド内の光は光ガイドの４５度の側面３１１および４１１により反射されて光ガイドから出るまで、光ガイドの内部にほとんどの光が留まる。同時に、散乱構造体３１０および４１０は、光を広げ、強度の均一性を改善する技術を提供できる。従って、これら技術およびそれ以外の技術は、光の広がりおよび混合をある程度改善するが、これら目的のために更に良好でかつ更に効率的な技術を見つける必要がある。

図５は、光ガイド５０１と、この光ガイドから出力される光を投射するための投射壁または投射表面５０２とを示す。光ガイド５０１は、一列に位置する３つの発光要素５０３、５０４および５０５を有する。光ガイド５０１は、３つの反射壁５０６、５０７および５０８と、散乱構造体５１０が近くに位置する出力側面５０９とを備える。矢印５１１、５１２、５１３、５１４および５１５によって示された光線は、発光要素のうちの１つの要素５０４から発生される光の種々の伝搬経路を示す。光線５１１は、光ガイドの後方壁５０７で反射され、発光要素５０４内でブロックされる。光線５１２は、後方壁５０７で反射され、壁５０２に達する前に散乱構造体５１０内で散乱される。光線５１３は、後方壁５０７で反射され、発光要素５０３によりブロックされる。光線５１４は、出力側面５０９を通過して、壁５０２に達する前に、後方壁５０７および側壁５０８で反射される。光線５１７は、壁５０２に達する前に散乱構造体５１０内で散乱される。光線５１５および５１６は、直接出力側面５０９を通って射出され、壁５０２に達する。

図１は、本発明に係わる、光を拡散するためのデバイス１００の三次元の図を示す。このデバイス１００は、光ガイド１０１と、この光ガイド内に埋め込まれた発光要素の第１の組１０２と、第２の組１０３とを備える。発光要素の第１の組および第２の組は、対応して対をなす発光要素の第１のペア１０４および１１４と、第２のペア１０５および１１５と、第３のペア１０６および１１６とを形成するよう示されている。従って、図１は、発光要素、すなわちＬＥＤの二重層を有する光ガイドを示している。この図は、好ましい実施形態しか示していないが、例えばより多数の発光要素を使用するその他の実施形態も存在する。しかしながら、図示されているような特別な例に戻ると、発光要素の個々のペアは、種々の色の光を発光できる。例えば発光要素のペア１０４および１１４は、青色光発光し、発光要素のペア１０５および１１５は緑色光を発光し、発光要素のペア１０６および１１６は、赤色光を発生する。

発光要素１０５および１１５のように中心で、発光要素の第１ペアを互いに対向させ、残りの２つのペアを互いに径方向に対向させることにより、光出力の対称性が得られる。個々の要素のいずれかから発生される光に対する移動路は乱されず、この結果、集められ、合成される色の組成は均一性が高められる。従って、３つのすべての色が同じ均一な分布を有するので、スクリーン上のすべての位置において、等しいい量の赤色光、緑色光および青色光を含む白色像が得られる。

図１ｂは、図１ａに示されたデバイスの側面図を示す。光ガイド１０を通過するように延びる２つの平行な幾何学的平面１１７および１１８により示された２つの層内に発光要素１０４、１０５、１０６、１１４、１１５および１１６が位置し、光ガイド１０１内の光ガイド１０１の頂部部分１１９と底部部分１２０との間にこれら層に位置する。矢印１２１は、発光要素１０４、１０５、１０６、１１４、１１５、１１６から発生される光線を示している。

図２は、本発明に係わる光ガイド（図示せず）内に配置するための側面発光要素２０１を示す。矢印２０２によって示される光が円筒形周辺部２０３から離間するように側方に発生され、光の対称的円錐体２０４を構成する。この光の円錐体は、図１内の１１７および１１８によって示される光ガイドの延長内の幾何学的平面の垂線２０６の両側から角度２０５に延びている。特殊なタイプの側面発光要素またはＬＥＤによれば、この角度は約２０°である。従って、発生される光のパターンは、基本的には灯台からの光のパターンに類似するが、光は同時にすべての方向に発生される。従って、図２と組み合わせた図１から分かるように、このような構造でも一部のＬＥＤは隣接するＬＥＤからの光の一部をブロックするが、光は、他のＬＥＤの上下を通過できるので、光のブロックは、前よりもかなり少なくなる。

添付図面は、寸法通りの縮尺で示されておらず、実際には幅は高さよりも通常かなり広い。特定の用途に対しては、約２５：１の比の特定条件とすることが好ましい。

本発明に係わる光ガイドの三次元図を示す。 本発明に係わる光ガイドの側面図ｂ）を示す。 本発明の一実施例に係わる側面発光要素を示す。 ＬＥＤのある配置を有する光ガイドを示す。 ＬＥＤの別の配置を有する光ガイドを示す。 光ガイドおよびこの光ガイドによって発生される光を投射する壁を示す。

符号の説明

１００ デバイス
１０１ 光ガイド
１０２ 発光要素の第１の組
１０３ 発光要素の第２の組
１０４、１１４ 発光要素の第１のペア
１０５、１１５ 発光要素の第２のペア
１０６、１１６ 発光要素の第３のペア
２０１ 側面発光要素
２０２ 光
２０３ 円筒形周辺部
２０４ 光の対称円錐体
２０５ 角度
２０６ 垂線
３０１、４０１ 光ガイド
３０２、４０２ ＬＥＤ
３０３、３０４、３０５ 側面発光ＬＥＤ
３１２、３１２ ミラー状コーティング
４０１ 光ガイド
４０３、４０４、４０５ ＬＥＤ
５０１ 光ガイド
５０２ 投射平面
５０３、５０４、５０５ 発光要素
５０６、５０７、５０８ 反射壁
５０９ 出力側面
５１０ 散乱構造体
５１１〜５１５ 光線

Claims (12)

1. 光ガイドと、第１層内の少なくとも１つの第１発光要素と、第２層内の少なくとも１つの第２発光要素とを備え、前記発光要素の各々は、少なくとも１つの所定の第１周波数で光を発生するようになっており、光をガイドし、混合するためのデバイスにおいて、前記第２層は、前記第１層の第１の幾何学的平面と異なる第２の幾何学的平面内に延び、成分である周波数の集まりから均一な光出力を発生することを特徴とするデバイス。
2. 前記第１層の前記幾何学的平面と、前記第２層の前記幾何学的平面とは、本質的には互いに平行である、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記発光要素は、前記光ガイド内に含まれる、請求項１または２のいずれか１項に記載のデバイス。
4. 前記第１の層および前記第２の層の前記幾何学的平面は、前記光ガイドを通過するように延びている、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載のデバイス。
5. 少なくとも第１の発光要素および第２の発光要素の各々は、少なくとも１つの第１の発光要素および第２の発光要素の組を含む、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載のデバイス。
6. 前記発光要素の前記組は、発生可能な周波数に関して、対応して対をなす発光要素を備え、前記発光要素の第２の組は、前記発光要素の第１の組と比較して、発生可能な周波数の順序が逆になっている、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記組のいずれかは、知覚される白色光に対応する周波数の発生を可能にする個々の色を発生する３つの発光要素を備える、請求項５または６のいずれか１項に記載のデバイス。
8. 前記色は、赤色、緑色および青色である、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記発光要素の前記組のうちの第１の組は、第１の横方向に沿った第１の光要素と、第２の光要素と、第３の光要素とを備え、前記前記発光要素の前記組のうちの第２の組は、第２の横方向に沿って位置する、対応して対をなす要素を備え、前記対をなす第１の要素と第３の要素とは互いに径方向に対向して位置し、前記対をなす第２の要素ととは互いに対向して位置している、請求項７または８のうちのいずれか１項に記載のデバイス。
10. 前記発光要素は、本質的には列状に位置している、請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載のデバイス。
11. 前記発光要素は、発光ダイオードを含む、請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載のデバイス。
12. 前記発光要素は、互いに同じ距離だけ離間している、請求項１〜１１のうちのいずれか１項に記載のデバイス。

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