JP2010537364A - 照明アセンブリ - Google Patents

Abstract

照明アセンブリは、光を発している光源と、主表面を有する角度フィルタと、主表面を有する光ガイドとを有する。前記フィルタの前記主表面は、前記光ガイドの前記主表面に平行である。前記フィルタは、それは、前記フィルタの前記主表面に垂直な方向に対して小さい角度で入射している光源から生じる光線を反射すると共に、前記フィルタの前記主表面に垂直な方向に対する大きい角度において入射する前記光源から生じる光線を透過するように構成されることができる。

Description

本発明は、光ガイド内への光の結合導入に関する。本発明は、更に、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）のためのバックライト構造に関する。

光源からの光が平坦な構造化されていない光ガイド上へ入射する場合、光は前記光ガイド内に結合導入されない。一部の光は、反射される（所謂フレネル反射として示される）、当該光の残部は、前記光ガイドを通過して伝達される。従って、この従来技術において、光が、概ね板形の構造を有する光ガイド内に結合導入されるべきである場合、光源が前記光ガイド内に前記光を結合導入するのを可能にするための特別な準備が、前記光ガイドにおいてなされる。

例えば、側部発光ＬＥＤ（発光ダイオード）が光源として使用されている場合、前記光源が前記光ガイド内の場所に収容されることを可能にするように、孔又は窪みが、前記光ガイドの主表面に作られなければならない。このような孔又は窪みを設けるために、前記光ガイドは比較的厚くなければならず、この結果、前記光ガイドの比較的大きい質量及びボリュームを生じる。更に、前記孔又は窪み内の前記光源の最適な動作は、前記光源と前記孔又は窪みとの良好な位置合せを必要とし、このことは複雑である。

他の既知の構造において、ＬＥＤは、前記ＬＥＤによって発された光が前記光ガイドの主表面に対して垂直に前記光ガイドの表面に入るのを可能にするように、光ガイドのエッジに配されている。再び、この構成において、前記光ガイドは、比較的厚いものでなければならない。

平坦である又は板形の光ガイドは、一般的な照明のためのと同様に、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）バックライトのための照明器具として使用されることもできる。光は、ＴＩＲ（全内部反射）によって前記光ガイド内で輸送され、光は、これ自体は知られている導出結合手段（例えば、拡散器）によって前記光ガイドから結合導出される。

光源及び光ガイドを有する照明アセンブリであって、前記アセンブリ内で、前記光ガイドは、平坦な又は板形のものであり（本質的に平行な板形の光ガイドの対向している主表面を有している平坦なもの、又は小さい角度を含んでいる前記板形の光ガイドの対向している主表面を有するくさび形のもの）、非常に薄い、照明アセンブリを提供するのが望ましい。

本発明の実施例において、光を発する光源と、主表面を有する角度フィルタと、主表面を有する光ガイドとを有する照明構造が、提供される。前記フィルタの主表面は、前記光ガイドの前記主表面に平行である。このような照明アセンブリにおいて、前記光ガイドは、非常に薄くされることができ、従って、この質量及びボリュームを減少している。前記光源は、比較的狭い波長領域において光を発している光源である。このような光源の例は、ＬＥＤである。

この明細書において、「角度フィルタ」なる語は、当該フィルタの主表面に垂直な方向に対して小さい角度で入射した光線を反射する、及び前記フィルタの前記主表面に垂直な方向に対してより大きい角度で入射した光線を透過するフィルタリング構造を称しているものであり得て、又は前記フィルタの主表面に垂直な方向に対して小さい角度で入射した光線を透過する、及び前記フィルタの前記主表面に垂直な方向に対してより大きい角度で入射した光線を反射するフィルタリング構造を称しているものであり得る。角度フィルタは、ダイクロックフィルタとして実施されても良く、これは、ダイクロイックミラー、フォトニック結晶、若しくは何らかのアレイの回折要素、又はこれらの組み合わせとしても称され得る。

添付請求項及び有利な点は、例示的な実施例を示している前記以下の詳細な記載及び前記添付図面（類似の符号は、類似の部分を示している）を参照して、より容易に理解される。明確さのため、添付図面における実施例の様々な部分は、縮尺で描かれているわけではない。

本発明による照明アセンブリの第１の実施例の断面を模式的に示している。 波長の関数として、放出及び透過曲線を示している。 ダイクロックフィルタに関する透過対入射角の曲線を示している。 波長の関数としての入射の異なる角度に対する放出及び幾つかの透過曲線を示している。 本発明による照明アセンブリの第２の実施例の断面を模式的に示している。 本発明による照明アセンブリの第３の実施例の断面を模式的に示している。 本発明による照明アセンブリの第４の実施例の断面を模式的に示している。 本発明による照明アセンブリの第５の実施例の断面を模式的に示している。 本発明による照明アセンブリの第６の実施例の断面を模式的に示している。

図１は、熱導体１１、光生成構造１２及びサファイア構造１３を有するＬＥＤ１０として実施される光源を模式的に示している。典型的には、ＬＥＤ１０は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学蒸着）によって、サファイア基板（サファイア構造１３）上に、ＩｎＧａＮのような、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の階層構造（光生成構造１２）を堆積させることによって製造される。光生成構造１２及びサファイア構造１３の組合せは、電気的接触を備えていると共に、熱導体１１に結合されたフリップチップ幾何学的配置において設けられている。

サファイア構造１３は、ダイクロックフィルタ１４によって覆われており、即ちフィルタ１４の主表面に垂直な方向に対して小さい角度で進行している（光生成構造１２内で生成され、サファイア構造１３内を透過された）光線を反射すると共に、この垂直方向に対して、より大きい角度で進行している光線を透過する多層フィルタ構造によって覆われている。従って、ＬＥＤ１０の主表面は、フィルタ１４の第１の主表面と機械的に及び光学的に接触している。

前記第１の主表面に対向しているフィルタ１４の第２の主表面は、光ガイド１５の主表面と機械的及び光学的に接触している。

部分間の機械的な接触は、直接的なもの又は間接的なもの（例えば、接着剤の層のような、材料の中間層による）であっても良いことに留意すべきである。

照明アセンブリの一部の『主表面』とは、この部分が、前記主表面に垂直な寸法よりも大きい前記主表面に沿った少なくとも１つの寸法を有することを意味している。

更に、サファイア構造１３は、任意のものであり、前記照明アセンブリ内に設けられる必要がないことに留意する必要がある。照明アセンブリの製造の工程において、これは、例えば、ダイクロックフィルタ１４が利用される前に光生成構造１２から取り除かれても良い。この場合、ダイクロックフィルタ１４は、光生成構造１２と機械的に及び光学的に接触している第１の主表面を有し得る。

ＬＥＤ１０、ダイクロックフィルタ１４及び光ガイドを有する図１の前記照明アセンブリは、以下で説明されるように、機能する。

ダイクロックフィルタ１４は、フィルタ１４の主表面に垂直な方向に前記光ガイド内部の小さい角度θ_{ｇｕｉｄｅ}において光生成構造１２によって発される光を反射する、及び前記光ガイド内に臨界角θ_{ｇｕｉｄｅ，ｃｒｉｔｉｃａｌ}よりも大きい角度θ_{ｇｕｉｄｅ}において発される光を透過するように、構成されている。臨界角θ_{ｇｕｉｄｅ，ｃｒｉｔｉｃａｌ}は、光ガイド１５内のＴＩＲ（全内部反射）を満たす最初の可能な角度である。空気によって囲まれている光ガイド１５に関して、ＴＩＲとは、

を意味している。ここで、ｎ_{ｇｕｉｄｅ}は、光ガイド１５の屈折率である。

スネルの法則及び式（１）から、ダイクロックフィルタ１４は、関係（２）：

に従ってＬＥＤ１０の主表面に垂直な方向に関して角度θ_ＬＥＤにわたるＬＥＤ１０内の光を透過するということになる。ここで、ｎ_ＬＥＤは、ＬＥＤ１０の（有効）屈折率である。

ＬＥＤ１０に反射され戻されるＬＥＤ１０によって発された光は、再び吸収される可能性があり、このことは、可能な限り回避されなければならない。光ガイド１５内に射出される光線が、再びＬＥＤ１０に到達することができないことを保証するために必要である光ガイド１５の最小の厚さｔ_ｍｉｎは、式（３）：

によって与えられる。ここで、ｗは、ＬＥＤ１０の有効な幅である。

例として、ＬＥＤの幅ｗは、典型的には１ｍｍであり、ｎ_{ｇｕｉｄｅ}は、典型的には１．５であり、光ガイド１５の厚さが、ｔ_ｍｉｎ＝０．６ｍｍほどの小ささであり得ることを示している。

上述において、ダイクロックフィルタ１４は、前記フィルタの主表面に垂直な方向に対する臨界角θ_{ｇｕｉｄｅ，ｃｒｉｔｉｃａｌ}未満の角度にわたる光を反射する、及び臨界角θ_{ｇｕｉｄｅ，ｃｒｉｔｉｃａｌ}よりも大きい角度にわたる光を透過するものとして示されている。以下で、前記臨界角は、自由に選択されることができると説明されるであろう。

図２を参照すると、左側には、一例として、測定された青色ＬＥＤの典型的スペクトル（光強度対光波長）が示されている。図２に示されているように、右側には、光の垂直入射に関する、仮定のローパスフィルタの透過特性が示されている（即ち、フィルタ通過周波数はカットオフ周波数より低く、又は、同等に、フィルタ通過周波数はカットオフ波長より大きい）。前記カットオフの波長が、図２に示されているように、λ（０）であることを仮定している。このカットオフ波長λ（０）は、前記フィルタの垂直方向に対する光の入射角が増大する場合、より小さい値にシフトする。このシフトは、おおよそ関係（４）：

に従っている。

関係（４）において、ｎ_ＬＥＤ及びｎ_{ｆｉｌｔｅｒ}は、それぞれ、当該フィルタと接触している前記ＬＥＤ材料の屈折率及び前記フィルタの平均屈折率であり、θは、前記垂直方向に対する光の入射角である。図２に示されている測定されたＬＥＤスペクトルと組み合わされた関係（４）は、図３に示されているフィルタ上への光の透過と入射角θとの間の関係を与えている。

例として、λ（０）＝５５０nm、ｎ_ＬＥＤ＝１．８及びｎ_{ｆｉｌｔｅｒ}＝１．７５が、取られている。図４において、図２に描かれている青色ＬＥＤの発光スペクトルが、様々な入射角θ（０°、１５°、３０°、４５°、６０°及び７５°）に関する様々な透過曲線と共に再び示されている。放出曲線及び透過曲線の重複から、特定のＬＥＤの光は、０°と３０°との間の入射角にわたって遮断され、３０°よりも大きい入射角にわたって、特に、４５°から７５°の角度にわたって透過されることが分かっている。実際、図４が示しているように、小さい角度において、前記フィルタは光を反射するのに対し、より大きい角度において、前記光は透過される。前記提示されたデータは、光の１つの特定の偏光状態を利用していることに留意されたい。

図５に示されている照明アセンブリの実施例において、ダイクロックフィルタ５４は、光学的に光ガイド５５に結合されるのに対して、熱導体５１上に取り付けられているＬＥＤ５０は、ダイクロックフィルタ５４から切り離される（離間される）。ここで、ダイクロックフィルタ５４は、当該フィルタの主表面に垂直な方向に対して小さい角度において進行する光線を反射するように設計されているのに対して、垂直方向に対してより大きい角度において進行している光線が透過される。ＬＥＤ５０は、ＬＥＤ５０によって発される光が再びＬＥＤ５０に到達することができるという可能性を最小化するために最適化されている形状を有する構造５６によって囲まれている。構造５６は、高い（拡散）反射率を有している内部ライニング５７を備えており、この結果、前記光源からの、及び前記構造５６の前記ライニングによって反射された光線がフィルタ５４に入る。これらの手段は、ダイクロックフィルタ５４によって反射される光線が、再びＬＥＤ５０に到達し、ＬＥＤ５０によって吸収されるという可能性を減少するのに役立つ。

図６に示されている照明アセンブリの実施例において、熱導体６１に取り付けられるＬＥＤ６０は、側部発光幾何学的配置において使用され、ＬＥＤ６０によって発される光線は、これらの光線の殆どが光ガイド６５に結合されているダイクロックフィルタ６４によって透過され、ＴＩＲによって前記光ガイド６５内で捕捉されるように、前記光線を再指向するためのミラー６７によって反射される。ここで、ダイクロックフィルタ６４は、前記フィルタの主表面に垂直な方向に対して小さい角度で進行している光線を反射するのに対し、垂直方向に対してより大きい角度で進行している光線が透過されるように設計されている。

図７に示されている照明アセンブリの実施例において、熱導体７１上に取り付けられているＬＥＤ７０からの及びダイクロックフィルタ７４によって光ガイド７５に透過されているＬＥＤ７０からの光は、変化されていない色を有していることができる。ここで、ダイクロックフィルタ７４は、前記フィルタの主表面に垂直な方向に対して小さい角度で進行している光線を反射するのに対し、前記垂直な方向に対してより大きい角度において進行している光線は透過されるように、設計されている。例えば、光ガイド７５内に結合導入される青色光は、光ガイド７５の主表面に設けられているパターン化された蛍光物質層７８によって白色光に変換される。ミラー７７は、光ガイド７５から外方に面している蛍光物質層７８の側部に位置されている。オプションとして、再指向層７９が、例えば、照明器具のグレアを回避するために、前記光を更に平行にするために使用されることができる。

図８ａに示されている照明アセンブリの実施例において、熱導体８１上に配置されていると共にダイクロックフィルタ８４に結合されているＬＥＤ８０は、自身に設けられているコリメート構造又はコリメータ８６を有している。ダイクロックフィルタ８４は、前記フィルタの主表面に垂直な方向に対して小さい角度において進行している光線を透過するのに対して、前記垂直な方向に対してより大きい角度で進行している光線は反射されるように、設計されている。前記反射された光線は、再利用され、小さい角度で前記フィルタを通過する更なる機会を有する。従って、ＬＥＤ８０のブライトネスは、前進方向（即ちＬＥＤ８０の主表面に垂直な方向）において強調される。フィルタ８４の主表面は、コリメータ８６に光学的に結合されている光ガイド（図示略）の主表面に対して平行であっても良く又は垂直であっても良い。

図８ｂに示されている照明アセンブリの実施例において、ダイクロックフィルタ８４は、ＬＥＤ８０から外方に面しているコリメータ８６の端部に配されている。図８ａによる実施例と同様の効果が、得られる。

ダイクロックフィルタ（一次元において周期的な構造）の代わりに、フォトニック結晶（即ち、二又は三次元において周期的である人工的な構造）が使用されることができる。代替的には、ダイクロックフィルタの代わりに、回折要素の周期的なアレイが、使用されることができる。フォトニック結晶及び回折要素のアレイは、本発明による種々の実施例において上述で説明されたようなダイクロックフィルタと同じ機能を可能にする。本発明による種々の実施例において、一般に「角度フィルタ」という語は、ダイクロックフィルタ、フォトニック結晶又は回折要素のアレイを示すのに使用されている。

本発明において、ＬＥＤの層の厚さを調整することによって、光線の強力なオフノーマル放出を示しているＬＥＤの使用は、所謂キャビティ効果を使用しており、より少ない光が前記ダイクロックフィルタによって前記ＬＥＤに反射され戻されることを可能にし、照明アセンブリのより高い効率を与える。ＬＥＤの他に、他の光源が使用されることもできる。

本願明細書において使用される単数形は、１つ以上のものとして規定されている。本明細書において使用されている複数形は、２つ以上のものとして規定されている。本明細書において使用されている「他の」なる語は、少なくとも第２の又はこれ以上のものとして規定されている。本明細書において使用されている「含む及び／又は持つ」なる語は、「有する」（即ち開放的な言語）として規定されている。本明細書において使用されている「結合されている」なる語は、必ずしも直接的にではなく、必ずしも機械的にではないが、接続されているものとして規定されている。

本発明は、この好ましい実施例において記述され説明されたが、これらからの逸脱が、本明細書に開示されている詳細に限定されることなく本発明の範囲内でなされることができることを理解されたい。

Claims (15)

1. 光を発する光源と、
   主表面を持つ角度フィルタと
   主表面を持つ光ガイドと、
   を有する照明アセンブリであって、前記角度フィルタの前記主表面が、前記光ガイドの前記主表面に平行である、照明アセンブリ。
2. 前記フィルタが前記光ガイドの前記主表面上に取り付けられている、請求項１に記載の照明アセンブリ。
3. 前記フィルタは前記光源に取り付けられる、請求項１又は２に記載の照明アセンブリ。
4. 前記フィルタは、前記フィルタの前記主表面に対して垂直な方向に対して小さい角度において入射する前記光源から生じている光線を反射する、及び前記フィルタの前記主表面に垂直な方向に対して大きい角度において入射する前記光源から生じている光線を透過するように構成されている、請求項１乃至３の何れか一項に記載の照明アセンブリ。
5. 前記光源からの及び前記拡散構造によって反射された光線が、前記フィルタに入る、拡散構造を更に有する、請求項４に記載の照明アセンブリ。
6. ミラー構造を更に有する請求項４に記載の照明アセンブリであって、前記光源からの及び前記ミラー構造によって反射された光線が、前記フィルタに入る、照明アセンブリ。
7. 前記フィルタは、前記フィルタの前記主表面に垂直な方向に対して小さい角度で入射する前記光源から生じている光線を透過し、前記フィルタの主表面に垂直な方向に対して大きい角度の入射である前記光源から生じている光線を反射するように構成されている、請求項１乃至３の何れか一項に記載の照明アセンブリ。
8. コリメート構造を更に有する請求項７に記載の照明アセンブリであって、前記光源からの及び前記フィルタによって透過された光線が、前記コリメート構造に入る、照明アセンブリ。
9. コリメート構造を更に有する請求項７に記載の照明アセンブリであって、前記光源からの及び前記コリメート構造によって透過された光線が、前記フィルタに入る、照明アセンブリ。
10. 前記光源が発光ダイオードを有する、請求項１乃至９の何れか一項に記載の照明アセンブリ。
11. 前記フィルタがダイクロックミラーを有する、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の照明アセンブリ。
12. 前記フィルタがフォトニック結晶を有する、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の照明アセンブリ。
13. 前記フィルタが、回折要素のアレイを有する、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の照明アセンブリ。
14. 請求項１乃至１３の何れか一項に記載の照明アセンブリを有するＬＣＤバックライト構造。
15. 主表面を有する光ガイド内へ光の結合導入の方法であって、
    光を生成するステップと、
    前記主表面において前記光を指向するステップと、
    前記光を、前記光ガイドの前記主表面に垂直な方向に対して小さい角度で入射する光線が、前記光ガイドに入らないと共に、前記光ガイドの前記主表面に垂直な方向に対して大きい角度で入射する光線は、前記光ガイドに内に透過されるようにフィルタリングするステップと、
    を有する方法。

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