JP2010511268A - 一体形混合・光抽出領域を備えた光案内層 - Google Patents

Abstract

光案内層が、光源（７）からの光が入射する光内部結合構造体（３）を有し、この光内部結合構造体（３）は、光を光案内層内での全反射により反射構造体（５）に向かって第１の全体的方向に反射することによって光に第１の方向性のある分布を与えるよう構成された傾斜面（１５）を有する。反射構造体（５）は、光を光内部結合構造体（３）に向かって第２の全体的方向に反射することによって光に第２の方向性のある分布を与えるよう構成され、第２の全体的方向に反射された光の少なくとも一部は、光内部結合構造体（３）の傾斜面（１５）を透過する。ディスプレイユニット、セグメント型バックライト、照明器具及び方法も又、開示される。

Description

本発明は、光内部結合構造体及び反射構造体を有する一体形混合・光抽出領域を備えた光案内層に関する。本発明は、更に、ディスプレイユニット、セグメント型バックライト、照明器具及び方法に関する。

光ガイドは、幾つかの種類の照明用途に用いられている。かかる用途の例は、ＬＣＤテレビジョン、ＬＣＤモニタ及び携帯電話ディスプレイ用のＬＥＤバックライトである。光ガイドは、この場合、均質の発光領域をつくるために幾つかの（場合によっては着色された）小さな光源からの光を混合することが必要である。光が十分に混合されると、光は、通常、くさび形状物、微細構造化表面又は塗料のドットの使用により、見える人に対して表示されるべき画像の後ろに向かって光ガイドから内部結合される。反射損失は、最小限に保たれる必要がある。

上述の先行技術の一般的問題は、光が光案内層の全ての領域中でいつでも十分に混合されるというわけではないということにある。かかる領域は、光の外部結合には使用できず、したがって、これら領域は、より効率的な光混合方式を組み込むことによって最小限に抑えられ又は好ましくは省かれるべきである。

例えば、米国特許出願公開第２００６／０１４６５７３号明細書は、光ガイド中で光を散乱させる技術を開示している。散乱は、光源からの光を層中に送ることによって達成され、この光は、次に、全反射によって繰り返し向きが変えられて光が光案内層中に送られる箇所から距離を置いたところに位置決めされた反射物体に向かって進む。光が反射物体に入射すると、今や十分に混合されている光は、反射物体によって反射され、反射した光は、その方向性のある分布を変え、それにより光案内層から抽出手段を備えた層中に放出される。

米国特許出願公開第２００６／０１４６５７３号明細書

上述の技術の欠点は、反射光の一部が光源に戻されるということにある。これにより、特に小さな（セグメント型）バックライトについてシステムの効率が低下する。

本発明の目的は、上述の技術及び先行技術の改良を提供することにある。

特定の目的は、光の効率的な内部結合及び混合を可能にする内部結合構造体を備えた光案内層を提供することにある。

それ故、光源からの光が入射する光内部結合構造体を有する光案内層が提供される。光内部結合構造体は、傾斜面を有し、かかる光内部結合構造体は、光を光案内層内での全反射により反射構造体に向かって第１の全体的方向に反射することによって光に第１の方向性のある分布を与えるよう構成されている。反射構造体は、光を光内部結合構造体に向かって第２の全体的方向に反射することによって光に第２の方向性のある分布を与えるよう構成されている。第２の全体的方向に反射された光の少なくとも一部は、光内部結合構造体の傾斜面を透過する。

かくして、傾斜面を透過した光の部分は、光内部結合構造体の他方の側で光ガイドの延長部を通って伝搬する。したがって、光内部結合構造体は、光ガイドに沿ってどこにでも位置決めできる。

本発明の光案内層は、光内部結合構造体が光内部結合構造体の配置場所のところに発散照明特性を生じさせることなく、光案内層中のどの場所にも位置決め可能であるという点で有利である。内部結合構造体のところで第２の方向性分布を備える光の部分は、源から遠ざけて差し向けられるので、システムは効率が高い。

第２の全体的方向に反射された光の少なくとも一部は、光案内層から外部に放出されるのが良い。当然のことながら、光案内層から外部に放出された光の部分も又、光案内層に光結合された追加の層によって光案内層に戻すことができる。

光源から入射した光は、少なくとも一寸法方向に視準され、このことは、光が光案内層を通って良好に案内されるので有利である。

光源から入射した実質的に全ての光は、光内部結合構造体の傾斜面に入射するのが良く、このことは、光の漏れが減少するので有利である。

反射構造体は、光案内層の端のところに位置決めされるのが良く、このことは、光が効率的に混合されて放出されるので有利である。

光内部結合構造体の傾斜面を透過した光の少なくとも一部は、光案内層内に方向性のある分布を有するのが良い。光が内部結合構造体を通過することができるので、内部結合構造体は、例えば、光案内層の中心に位置決めでき、他方、光は、依然として層全体内に分布される。

光内部結合構造体は、反射材料によって部分的に覆われるのが良く、このことは、光源を光内部結合構造体のすぐ近くに配置できる一方で、依然として内部結合構造体に入射した全ての光が反射されるので有利である。

光内部結合構造体は、傾斜面の第１の側に屈折率ｎ１を持つ物質を有すると共に傾斜面の第２の側にｎ１よりも小さな屈折率ｎｓを持つ物質を有するのが良い。

光源から入射した光は、光案内層部に、光案内層の主要面の法線及び内部結合構造体又はフェーセットの傾斜面の法線に平行な平面内において視準量２α_inを有するのが良く、内部結合構造体の傾斜面に入射した光は、光案内層の内部に平均方向βを有するのが良い。

光内部結合構造体の傾斜面は、光案内層の主要面の法線と角度Γをなすのが良い。

光案内層は、条件式β≒２Γ−π／２を満足するのが良く且つ（或いは）光案内層は、条件式ｓｉｎ（π／２−（Γ−β＋α_in））＞ｎｓ／ｎ１を満足するのが良い。

本発明の別の観点によれば、ディスプレイユニットが提供され、更に別の観点によれば、セグメント型バックライトが提供され、更に別の観点によれば、照明器具が提供される。ディスプレイユニット、セグメント型バックライト及び照明器具は各々、本発明の光案内層と関連して上述した特徴のうちの任意のものを有する光案内層を有する。ディスプレイユニットは、像形成手段を更に有する。バックライト及び照明器具は、光源を更に有する。ディスプレイユニット、バックライト及び照明器具は、他の標準型光学部品、例えば変向箔、ディフューザ、輝度強調箔及びデュアル輝度強調箔を更に有しても良い。本発明の光案内層は又、色調整される照明器具に組み込み可能である。

本発明の更に別の観点によれば、光を案内する方法が提供され、この方法は、
光源から光を放出するステップを有し、光は、光案内層の光内部結合構造体の傾斜面に入射し、
光を案内層内での全反射によって反射構造体に向かって光内部結合構造体により第１の全体的方向に反射することによって光に第１の方向性のある分布を与えるステップを有し、
光を反射構造体により光内部結合構造体に向かって反射することによって光に第２の方向性のある分布を与えるステップを有し、
第２の全体的方向に反射された光の少なくとも一部を、光内部結合構造体の傾斜面を透過して送るステップを有する。

当然のことながら、本発明の方法は、本発明の光案内層と関連して上述した特徴のうちの任意のものを有することができ、同一の対応の利点を奏する。

「物質」という用語は、固体であっても良く、又ガス若しくは気体であっても良く、「傾斜面」という用語は、少なくとも、平坦な、湾曲した、スリット付きの平坦な表面又はこれらの任意の組み合わせを意味している場合のあることは注目されるべきである。

次に、添付の図面を参照して本発明の実施形態を例示として説明する。

第１の実施形態としての光案内層の断面図である。 図１の光案内層の拡大断面図である。 第２の実施形態としての光案内層の斜視図である。 図３ａの光案内層の拡大断面図である。 反射構造体の４つの実施形態の原理図（ａ〜ｄ）である。 図１の光案内層の平面図である。

図１及び図２は、光案内層１を有する光案内ユニット６３を示している。光案内層１は、光内部結合構造体３及び反射構造体５を有している。光源７が、光９を放出し、この光は、一寸法方向に視準され、光ガイド中の光は、光案内層１の下側又は下面１１から内部結合構造体３に向かって図２に示されているように２α_inの角度だけコリメートされるようになっている。入射光は、光案内層１内では、光案内ユニット６３の主要面の法線Ｎに対して平均方向βを有する。主要面は、定義により、光案内層１を有するディスプレイユニットを見ているユーザに向いている光案内層１の表面１９である。光内部結合構造体３は、法線Ｎと角度Γをなす傾斜面１５を有している。傾斜面１５は、光案内層１、例えば空気とは異なる媒質で作られたスリット２５によって形成されている。スリット２５の他方の側に、光案内層１の第２の部分２３が設けられている。反射構造体５も又、法線Ｎに対して角度γをなした傾斜面１７を有している。追加の光案内層３５が、第１の光案内層１の頂部上に設けられ、第３の光案内層３６が、光案内ユニット６３から光を抽出するために第２の光案内層の頂部上に設けられている。上述したように、スリット２５は、好ましくは、空気スリットである。

光案内ユニット６３は、セグメント型バックライト又は照明器具であるのが良い。光案内ユニット６３は又、ディスプレイユニットの一部をなすことができ、このディスプレイユニットは、光案内ユニット６３によって背面照明される像形成手段、例えば液晶要素を更に有する。

光案内層１中に結合された光は、内部結合構造体３の傾斜面１５によって全反射される。反射後、光は、更に光案内層１中に進み、ついには、この光は反射構造体５に当たる。

注目されるべきこととして、内部結合構造体３による反射光は、反射されて光源７から遠ざかり、この光は、光源７には戻らず、それによりユニットの効率が向上する。光源７は、一般に、光案内層１の下に配置されるので、このシステムは、セグメント型バックライトとの関連で特に関心のあるものである。

第１の光案内層１の上面１９又は下面１１のところで生じる反射は、全反射によって行われ、即ち、光案内層１から外部に抽出される光は存在しない。薄い反射材料、例えばアルミニウムで被覆された反射構造体５は、反射構造体５の傾斜面１７の角度γに起因して伝搬中の光の角度分布を変化させる。

戻った光は、この戻った光の少なくとも一部が光案内層１から外部に放出されると共にこの戻った光の少なくとも一部が光内部結合構造体３の傾斜面１５を透過するような分布方向を有する。しかる後、図１では、内部結合構造体３の左側に配置された光案内層１の第２の部分２３は、透過光を受け取る。このことは、光案内層１の第２の部分２３が、光抽出のためにも用いられることを意味している。

スリット２５の媒質は、屈折率がほぼ１（例えば空気）に等しく、全てがスネルの法則を用いて得らる５通りの互いに異なる条件が考慮されるべきであり、このスネルの法則は、媒質の屈折率に入射角の正弦関数を乗算したものが第２の媒体の屈折率に屈折角の正弦関数を乗算したものに等しく、即ち、光の波は、境界を横切って連続していることを表している。

満たされるべき第１の条件は、光案内層１中の光が光案内層１中に結合された直後に、光内部結合構造体３の傾斜面に当たるということである。これにより、光ガイドの厚さに下限が課される。

第２の条件は、結合された光が、光内部結合構造体３のところでの全反射後に、光案内層１と実質的に平行に、反射構造体５の傾斜面１７に向かって進むということである。これにより、関係式β≒２Γ−π／２が与えられる。

第３の条件は、内部結合された光が全反射によって内部結合構造体３の傾斜面１５のところで反射されるということを定める。これにより、次の条件式、即ち、ｓｉｎ（π／２−（Γ−β＋α_in））＞ｎｓ／ｎ１が得られる。この場合、ｎｓは、媒質としてのスリット２５の屈折率を意味している。ｎｓは、ｎ１よりも小さいことが必要であり、空気の場合、ｎｓ＝１である。

図４の条件は、内部結合構造体３に戻り、光が最後に光案内層１の上面１９のところで反射されたとき、内部結合構造体３の傾斜面１５によって反射される光の部分と関連している。（π／２−Γ）＞２γである場合、満たされるべき追加の条件（反射後、光案内層１の第１の平面のところで全反射を必要とする）が存在し、即ち、２Γ＋２γ−α_in−π／２＞ａｒｃｓｉｎ（ｎｓ／ｎ１）である。量２γは、反射構造体５からの戻り光の方向を特徴づける。

第５の条件は、内部結合構造体３に戻り、最後に光案内層１の下面１１との相互作用を行った光が、光案内層２３の第２の部分中に透過可能であることを定める。変数ξ_M＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（３π／２＋２γ±α_in）／ｃｏｓ（δ））及びξ_A＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ３π／２＋２γ）／ｃｏｓ（δ））を導入すると共に関数ｆ（ξ）＝｜π−｜ａｒｃｃｏｓ（ｓｉｎ（ξ）ｃｏｓ（δ）ｃｏｓ（Γ）−ｃｏｓ（ξ）ｓｉｎ（Γ））｜｜を導入すると、これにより、次の拘束条件、即ち、ｆ（ξ_M）＜ａｒｃｓｉｎ（ｎｓ／ｎ１）及びｆ（ξ_A）＜ａｒｃｓｉｎ（ｎｓ／ｎ１）が得られる。２γ＜π／２−Γの場合、追加の拘束条件が存在する。ξ_E＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（π／２＋α_in−２γ−２Γ）／ｃｏｓ（δ））を導入すると、この拘束条件は、ｆ（ξ_E）＜ａｒｃｓｉｎ（ｎｓ／ｎ１）となる。

この場合、図５を参照すると、２δは、図１の平面に垂直な光の視準量である。

５つ全ての条件は、控え目であり、このことは、厳密さの低い条件が依然として有効であるが、幾分かの光の漏れが生じる恐れがあることを意味している。

上述の５つの条件の他に、システムは、次の３つの拘束条件に実質的に従うことが好ましい。

光源７からの光は、全反射により反射構造体５まで進むはずである。この条件は、π／２−α_in＞ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）の場合に満たされ、この場合、２α_inは、光案内層１内での光の視準である。

反射構造体５によって反射された光は、より高い層に侵入できるはずである。この条件は、π／２−ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ（２γ−α_in）ｃｏｓ（α_in ^T′））＜ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）の場合に満たされ、この場合、α_in ^T′は、図１の平面に垂直な方向における光案内層１中の反射光の視準量であり、γは、傾斜反射構造体５の角度である。単純化するために、近似α_in ^T′＝α_in ^Tが行われる場合がある。注目されるべきこととして、α_in ^T′及びα_in ^Tは、通常は同一ではなく、ほぼ同じである場合が多く、光が図１の平面に垂直な方向に視準されると（α_in ^T、図１の平面内ではこれよりも少ない視準量（α_in）が必要である。

好ましくは、反射構造体５によって反射された光は、透過によって上側層３５，３６を出て空気中に入るということはない（内部結合構造体による場合を除く）。この全反射用件は、π／２−２γ−α_in＞ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）である場合に満たされる。

上述のパラメータに関する幾つかの代表的な値は、次の通りであり、即ち、γ＝１９°、Γ＝５１°、ｎ１＝１．４９、ｎ２＝１．４４、β＝１２°、α_in＝８°である。

内部結合光の方向性のある角度分布は、反射構造体５によって反射された光の方向性のある角度分布とオーバーラップせず又はこれとはまれにしかオーバーラップしないということが必須の要件である。この場合、方向性のある角度分布は、光案内ユニット６３の法線Ｎに対する角度の分布を意味している。また、この条件は、上述の５つの条件によって満たされる。

図３は、全て同一の屈折率を有し、視準量を減少させるために用いられている２つの互いに類似した光案内層１を示している。

図３に示されているように、三角形の内部結合構造体２９は、考えられる光線が光源から放出された後に内部結合構造体に入るのを阻止するために、鏡箔３３によって部分的に覆われるのが良い。

図４では、反射構造体７は、階段状（３７）又はセグメント型（３９）である。また図示のように、反射構造体５は、内方に傾斜し（４１）、外方に傾斜し（４３）又はこれらの組み合わせの状態で傾斜している（４５）場合がある。

光案内層１の頂部上に被着されたオプションとしての追加の層３５及び（又は）３６は、図３に示されている層と同様、光をこれらセグメント相互間で混合するために又はセグメント相互間の鋭利な境界の発生を阻止するために幾つかの光案内セグメント上に延びるのが良い。上側層を延長させる代わりに、幾つかのセグメントと光結合状態にある、例えば光案内層１の下に位置する別の追加の層を導入することにより、同一の効果を達成しても良い。

一実施形態では、光ガイドは、細長く、走査型又は一次元調光可能なバックライトに特に適している。光は、細長い光ガイドがバックライトの一寸法を覆っている場合、下から内部結合される。

上述すると共に当該技術分野では公知のように、光案内ユニット６３は、光抽出が行われる追加の層３６を有するのが良い。本発明は、数個の層に特に適しているが、本発明は、多数の層の存在に依存しておらず或いは戻った光の方向性分布が確立される仕方には依存しない。

光内部結合構造体３の傾斜面に入射した光は、光ガイド中において、図１の平面内に代表的には０°〜２０°の視準角２α_inを有する。他方の方向δ（αに垂直な方向）における視準は、光の混合を制限するが、第１の方向における視準限度の緩和をも行う。しかしながら、光は、他方の方向には視準される必要がなく、それにより、バックライトの一様性が高められる。光源７は、任意公知の形式のものであって良く、例えば、発光ダイオード、冷陰極蛍光ランプ又は有機発光ダイオードである。

光内部結合構造体３は、光を案内するのに適した光学的に透明な材料で作られる必要がある。スリット２５の媒質の屈折率は、好ましくは、光案内材料１の屈折率よりも小さい。スリット２５の媒質は、空気であるのが良い。光案内層の第２の部分２３の屈折率も又、第１の部分の屈折率とは異なっているのが良い（即ち、内部結合構造体３から見た場合に第２の部分２３と逆である）。

本発明を本発明の好ましい実施形態と関連して上述したが、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、幾つかの改造例を想到できることは明らかであろう。

Claims (17)

1. 光案内層であって、
   光源からの光が入射する光内部結合構造体を有し、前記光内部結合構造体は、前記光を前記案内層内での全反射により反射構造体に向かって第１の全体的方向に反射することによって前記光に第１の方向性のある分布を与えるよう構成された傾斜面を有し、
   前記反射構造体は、前記光を前記光内部結合構造体に向かって第２の全体的方向に反射することによって前記光に第２の方向性のある分布を与えるよう構成され、
   前記第２の全体的方向に反射された光の少なくとも一部は、前記光内部結合構造体の前記傾斜面を透過する、光案内層。
2. 前記第２の全体的方向に反射された前記光の少なくとも一部は、前記光案内層から外部に放出される、請求項１記載の光案内層。
3. 前記光源から入射した光は、少なくとも一寸法方向に視準される、請求項１又は２記載の光案内層。
4. 前記光源から入射した実質的に全ての光は、前記光内部結合構造体の前記傾斜面に入射する、請求項１乃至３の何れか１項に記載の光案内層。
5. 前記反射構造体は、前記光案内層の端のところに位置決めされている、請求項１乃至４の何れか１項に記載の光案内層。
6. 前記光内部結合構造体の前記傾斜面を透過した光の少なくとも一部は、光案内層内に方向性のある分布を有する、請求項１乃至５の何れか１項に記載の光案内層。
7. 前記光内部結合構造体は、反射材料によって部分的に覆われている、請求項１乃至６の何れか１項に記載の光案内層。
8. 前記光内部結合構造体は、前記傾斜面の第１の側に屈折率ｎ１を持つ物質を有すると共に前記傾斜面の第２の側にｎ１よりも小さな屈折率ｎｓを持つ物質を有する、請求項１乃至７の何れか１項に記載の光案内層。
9. 前記光源から入射した前記光は、前記光案内層内部に、前記光案内層の主要面の法線（Ｎ）及び前記内部結合構造体の前記傾斜面の法線に平行な平面内において視準量（２α_in）を有する、請求項３記載の光案内層。
10. 前記内部結合構造体の前記傾斜面に入射した光は、前記光案内層の内部に平均方向（β）を有する、請求項３記載の光案内層。
11. 前記光内部結合構造体の前記傾斜面は、前記光案内層の主要面の法線（Ｎ）と角度（Γ）をなしている、請求項１乃至１０の何れか１項に記載の光案内層。
12. β≒２Γ−π／２である、請求項１１記載の光案内層。
13. ｓｉｎ（π／２−（Γ−β＋α_in））＞ｎｓ／ｎ１である、請求項１１又は１２記載の光案内層。
14. 請求項１乃至１３の何れか１項に記載の光案内層と、像形成手段とを有する、ディスプレイユニット。
15. 請求項１乃至１３の何れか１項に記載の光案内層と、光源とを有する、セグメント型バックライト。
16. 請求項１乃至１３の何れか１項に記載の光案内層と、光源とを有する、照明器具。
17. 光を案内する方法であって、
    光源から光を放出するステップを有し、前記光は、光案内層の光内部結合構造体の傾斜面に入射し、
    前記光を前記案内層内での全反射によって反射構造体に向かって前記光内部結合構造体により第１の全体的方向に反射することによって前記光に第１の方向性のある分布を与えるステップを有し、
    前記光を前記反射構造体により前記光内部結合構造体に向かって反射することによって前記光に第２の方向性のある分布を与えるステップを有し、
    前記第２の全体的方向に反射された前記光の少なくとも一部を、前記光内部結合構造体の前記傾斜面を透過して送るステップを有する、方法。

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