JP2021524992A - Ｌｅｄバックライト - Google Patents

Abstract

ＬＥＤバックライトは、ディスプレイパネルに使用するためのＬＥＤバックライトである。バックライトは、モノリシックＬＥＤアレイと、モノリシックコリメータアレイと、マイクロレンズアレイと、リレーレンズとを備えている。モノリシックＬＥＤアレイは、表面を持っている。モノリシックＬＥＤアレイは、表面から光を放出するための複数のＬＥＤを含んでいる。モノリシックコリメータアレイは、複数のコリメータチャネルを含んでいる。モノリシックコリメータアレイは、コリメータチャンネルが複数のＬＥＤのうち少なくとも１つに対して位置合わせされるように位置合わせされている。コリメータチャネルは、ＬＥＤから放出された放出光を、ＬＥＤアレイの表面に対して略直交する線に対して約±５０°以内の範囲の角度にコリメートするように構成されている。マイクロレンズアレイは、コリメートされた光を無限遠に合焦させるためのものであり、複数のレンズレットを含んでいる。レンズレットの各々は、モノリシックコリメータアレイのコリメータチャネルに対して位置合わせされている。リレーレンズは、マイクロレンズアレイからの光をディスプレイに合焦させるためのリレーレンズである。

Description

本開示は、光学照明装置に関連し、さらに少ない光学部品、さらに低減された寸法およびさらに低減された重量を有し、ディスプレイパネルに使用するためのＬＥＤバックライトに特に関連し、デジタルディスプレイ設備におけるバックライトの使用に関連する。さらに、本発明の装置は、照明される領域を分割することまたはタイル化することを可能とし、表示領域の全体のうち一部のみが必要な場合にエネルギーを節約することを可能とする。

デジタルプロジェクタのような多くの応用では、光学照明装置は、ディスプレイパネルに照明を提供するために、１つのＬＥＤまたは多数のＬＥＤからのような構造化された光源を変換し、均質または均一な光源に変換しなければならない。ディスプレイパネルは、ＬＣｏＳ（Liquid Crystal on Silicon）、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）のようなＭＥＭＳ装置、またはＬＣ（Liquid Crystal）パネルであってもよい。従来のシステムでは、光を均質化するためにフライアイレンズまたはホモナイジングロッドを使用している。多くの応用において、単一の白色ＬＥＤよりも分割されたＲＧＢ三色ＬＥＤを光源として用いる方が好ましい。しかしながら、個々の光源を同じ光路に結合しなければならないため、これは照明装置をさらに複雑にする。

携帯機器の需要は、ＬＥＤ技術、レンズ技術およびディスプレイパネルの進歩にもかかわらず、さらに小さいフォームファクタを有しかつさらに軽い照明機器へのニーズがまだあることを意味している。さらに、既知の装置の個々の要素の数が多いと、製造コストが増加し、かつ耐久性が制限される可能性がある。したがって、輝度または画質を低下させることなく、さらに簡易な照明装置を提供することが望まれている。

さらに、照明装置のいくつかの応用では、装置の使用中の特定の期間においてはディスプレイエリアの一部のみが使用される。例えば、ヘッドアップディスプレイおよび拡張現実装置は、ディスプレイのうち小さな一部にのみ画像を提供することが必要な場合がある。従来の装置は、前記ディスプレイパネルの一部のみが画像を生成するために必要だったとしても、ディスプレイパネルの全体を照明する。このため、そのような装置では、部分的な画像のみを生成する際でもフルパワーを使用する。したがって、部分的な画像のみが求められる際に消費電力を低減することができる装置が求められている。

ＵＳ２００５２３７４８８号は、光源からの光を画像ディスプレイ素子に照射しかつ光学画像を形成することによって、画像を表示することを意図した画像ディスプレイ技術に関する。

ＷＯ２０１００５２３０４号は、ＬＥＤ光源を含む光源ユニットを備えるＬＥＤ光源マトリクスに関するものであり、マトリクスは、活性化された状態では後続のマイクロレンズアレイをコリメートされた白色光で照明し、光源ユニットは、光束を収束しかつマイクロレンズアレイの後方焦点面の外側に配置された散乱手段を介して光束を導く複数のマイクロレンズに関連しており、散乱手段は、あらかじめ定められた放射特性を有している。

ＧＢ２４６４１０２号は、複数の光学素子に対して位置合わせされた複数の発光素子を含む照明機器および照明機器の製造方法に関する。

ＷＯ２０１７１１１８０１号は、低欠陥密度ＩＩＩ−Ｖ材料を用いたモノリシックの赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤの製造に関する。

ＫＲ２００９００５３４３５号は、モノリシック発光ダイオードアレイに関するものであり、さらに詳細には、直列の発光ダイオードまたは並列の発光ダイオード等の様々な接続タイプに対して最適な配線構造を有するモノリシック発光ダイオードアレイおよびその製造方法に関するものである。

ＧＢ２５１０４０１号は、高出力ダイオードレーザのためのマイクロ光学素子に関するものであり、特に、モノリシック両凸ファスト軸コリメータアレイに関するものである。

本発明の目的は、先行技術の装置に関する問題のうち少なくとも１つを解決するか、または少なくとも商業的に有用な代替手段を提供する、改良された照明装置を提供することである。

本開示の第１の局面によると、ディスプレイパネルに使用するためのＬＥＤバックライトを提供するものであって、ＬＥＤバックライトは、
表面を有し、かつ表面から光を放出するための複数のＬＥＤを含むモノリシックＬＥＤアレイと、
複数のコリメータチャネルを含み、かつコリメータチャネルの各々が複数のＬＥＤのうち少なくとも１つに対して位置合わせされるように位置合わせされたモノリシックコリメータアレイとを備え、コリメータチャネルはＬＥＤから放出された放出光を、ＬＥＤアレイの表面に対して略直交する線に対して約±５０°以内の範囲の角度にコリメートするように構成されており、
ＬＥＤバックライトはさらに、
コリメートされた光を無限遠に合焦させるためのマイクロレンズアレイを備え、マイクロレンズアレイは複数のレンズレットを含み、レンズレットの各々はモノリシックコリメータアレイのコリメータチャネルに対して位置合わせされ、
ＬＥＤバックライトはさらに、
マイクロレンズアレイからの光をディスプレイパネル上に合焦させるためのリレーレンズを備える。

本発明をさらに説明する。以下の文章では、本発明の異なる側面がさらに詳細に定義されている。このように定義された側面の各々は、できないと明確に示されない限り、任意の他の側面と組み合わせてもよい。特に、好ましいまたは有利であると示された特徴は、他の好ましいまたは有利であると示された特徴と組み合わせられてもよい。

本発明は、ディスプレイパネルに使用するためのＬＥＤバックライトに関する。本発明のＬＥＤバックライトは、ディスプレイパネルに均質／均一な光源を提供する。有利には、本発明のバックライトは、従来のバックライトよりも小型かつ簡易である。さらに、この設計は、ＬＥＤアレイ内のデッドピクセルが視認されることなく、デッドピクセルは単に光の強度のわずかな低減をもたらすだけであることを意味する。

バックライトは、表面を有しており、かつ表面から発光するための複数のＬＥＤを含んでいるモノリシックＬＥＤアレイを備えている。ＬＥＤアレイは、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ、白色ＬＥＤまたはこれらの任意の組合せを含み得る。典型的なＬＥＤアレイは、少なくとも２×２のＬＥＤグリッド、好ましくは１００×１００のＬＥＤグリッドのような少なくとも１０×１０のＬＥＤグリッドを含んでいる。好ましいグリッドは、４×４から８×８のＬＥＤグリッドを含んでいるだろう。グリッドが正方形である必要がないことに留意すべきである。

ＬＥＤの各々は、異なる寸法およびフォームファクタを有していてもよい。ＬＥＤの製造は、適切な材料および層構造と同様に、本技術分野において公知である。任意に、モノリシックＬＥＤアレイは、窒化インジウムガリウムを含んでおり、かつ４００ｎｍから５００ｎｍの範囲の光（青色光）を発してもよい。任意に、蛍光体材料が選択的に適用されることで、放出光をさらに長い波長に変換して、例えば、緑色および赤色の着色を達成することができる。これにより、ＲＧＢ光の範囲を提供することができる。

好ましくは、モノリシックＬＥＤアレイは、モノリシックマイクロＬＥＤアレイである。マイクロＬＥＤアレイの使用によって、装置に小さいフォームファクタおよび軽い質量が提供される。ＷＯ２０１６１４６６６５８は、本発明の使用に適したＬＥＤアレイを製造する方法を開示している。

バックライトは、複数のコリメータチャネルを含むモノリシックコリメータアレイを備えている。チャネルは、コリメータチャネルの各々が複数のＬＥＤのうち少なくとも１つに対して位置合わせされるように配置されている。これは、コリメータチャネルがＬＥＤから放出された放出光をコリメートするように構成されていることを意味している。すなわち、チャネルに対して位置合わせされたＬＥＤの各々からの少なくともいくらかの光がチャネルを通過するようにコリメータチャネルが配置されている。コリメートは、アレイの表面に対して略直交する線に対して約±５０°以内の範囲の角度に対するものである。

好ましくは、コリメータチャネルは、約±４０°以内の範囲の角度、好ましくは約±３０°以内の範囲の角度、さらに好ましくは約±２０°以内の範囲の角度にＬＥＤからの放出光がコリメートされるように構成されている。コリメータチャネルの製造の複雑さおよびＬＥＤから出射された光をさらに多く使用したいという願望を考慮すると、±３０°が好適な妥協点である。コリメートされた光の角度の範囲がさらに小さいことによって、隣接するコリメータチャネルからの光との間の混信が低減し、かつ装置の効率の改善が可能になるだろう。

好ましくは、コリメータチャネルの各々は、好ましくは赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤまたは白色ＬＥＤである、単一のＬＥＤに対して位置合わせされている。

好ましくは、モノリシックコリメータの各チャネルは、内表面を有し、内表面は、鏡面的な（鏡のような）仕上げを有し、２０ｎｍ未満の表面粗さ（Ｓｑ）を有し、かつ／または内表面は、その上に反射コーティングを有している。好ましくは、存在する場合、反射コーティングは、銀またはアルミニウムのような金属コーティングであり、好ましくは、ＰＶＤ蒸着された銀である。表面粗さが低いことで、有用な光の放出が最大化するため、装置の効率が向上する。同様に、コリメータチャネルの内表面上の反射コーティングは、効率をさらに向上させるだろう。したがって、バックライトが電力供給の限られた携帯装置のために使用されるためのものである場合等の電力使用が重要な考慮事項である場合には、表面粗さが低くかつ反射コーティングを備えていることが好ましい。

コリメータチャネルの内表面の表面粗さは、三次元光学顕微鏡を用いた画像解析によって特徴付けられてもよいし、コリメータからの出射角の測定によって間接的に特徴付けられてもよい。

画像解析を用いて表面粗さを測定するためには、少なくとも１つのチャネルを通じて性格で明瞭な断面を実現するために硬化されたエポキシのブロックにコリメータアレイが入れられる。３次元光学顕微鏡（Bruker社3D Microscope Contour GT-1など）を用いて、露出した内表面の断面を正確に測定し、その表面粗さＳｑを導く。

もう一つの方法では、表面の仕上がりを間接的に確認するためにコリメータアレイからの出射角を用いる。表面粗さが２０ｎｍよりも大きい場合、コリメータアレイから出てくる光のカットオフ出射角が期待値（計算値）よりも大きいであろう。また、コリメータアレイの内表面が粗いことでコリメータアレイの各々の内部での光の反射回数が増加するため、コリメータアレイの光学効率も低下するだろう。コリメータからの出射光の空間放射パターンは、Instrument Systems社のLEDGON goniophotometerによって計測されてもよい。測定は、０．２°の高い角度分解能によって行われるため、シミュレーションデータと相関する正確な測定が可能である。

好ましくは、コリメータチャネルの各々は、テーパ状のマイクロキャビティを含んでいる。テーパの角度は、一定であってもよいし、変化していてもよい。コリメータアレイの製造は、一定のテーパ（すなわち、平坦な側面）によって容易になる。好ましくは、マイクロキャビティは、末端に四角形の入口開口部および出口開口部を有する４つのテーパ状の壁を含む複合放物線形状を有している。最も好ましくは、入口開口部および出口開口部は、正方形である。

モノリシックコリメータアレイは、任意の適切な手段によって製造されればよい。たとえば、モノリシックコリメータアレイは、射出成形、付加製造（additive manufacturing）またはナノリソグラフィーなどによって製造されてもよい。射出成形は、製造速度の点で特に好ましく、適度な表面粗さを達成するために使用できる点でも好ましい。

射出成形された場合、モノリシックコリメータは、ポリカーボネート等の良好な成形特性および物理蒸着（ＰＶＤ）コーティング特性を有する任意の熱可塑性物質で形成されていてもよい。

付加製造に適したポリマーには、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）およびＰＥＫＫ（ポリエーテルケトンケトン）がある。ＰＥＥＫは、医療用インプラントで最も頻繁に使用される高度な生体材料と考えられており、ＰＥＫＫは、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）ファミリーの半結晶熱可塑性物質であり、高い耐熱性、高い耐薬品性および高い機械的負荷に耐える能力を有している。

また、コリメータアレイは、シリコンウエハースケールにおいて酸化シリコン（ＳｉＯ_２）ハードマスクを用いた単一のリソグラフィステップを用いて作製されてもよい。作製には、２つのアプローチを用いることができる。１つ目のアプローチは、濃縮水酸化カリウム（ＫＯＨ）中での単一の湿式異方性エッチングステップを含むものであり、２つ目のアプローチは、湿式異方性エッチングがその後に続くディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を含む複合的なアプローチである。

バックライトは、コリメートされた光を無限遠に合焦させるためのマイクロレンズアレイを備え、マイクロレンズアレイは、複数のレンズレットを含み、レンズレットの各々は、モノリシックコリメータアレイのコリメータチャネルに対して位置合わせされている。マイクロレンズアレイは、公知であり、レンズレットアレイまたはフライアイレンズとしても知られているだろう。

本開示のマクロレンズアレイは、透明な材料、好ましくはポリカーボネートまたはアクリルによって形成されている。好ましくは、レンズレットの表面は、１０ｎｍ未満の表面粗さＳｑを有している。レンズ表面の表面粗さが低いことで、光の散乱が最小限に抑制されるか防止されるため、装置の効率が向上する。

随意に、フレネル反射による光学的損失を低減するために、マイクロレンズアレイが反射防止層でコーティングされていてもよい。

バックライトは、マイクロレンズアレイからの光をディスプレイパネル上に合焦させるためのリレーレンズを備えている。マイクロレンズアレイとリレーレンズとが組み合わせられることで、コリメータチャネルからの光は、ディスプレイパネル上に均一化され、拡大され、合焦される。

有利にも、本発明のバックライトは、単一のマイクロレンズアレイのみを必要とし、公知のバックライトにおいて必要とされるようなコレクターまたはダイクロイックコンバイナーを必要としない。

本発明の様々な形態では、レンズレットの各々は、少なくとも１つのコリメータチャネルに対して位置合わせされていてもよく、レンズレットの中心軸は、少なくとも１つのコリメータチャネルの中心軸に対して位置合わせされてもよく、またレンズレットの中心軸は、少なくとも１つのコリメータチャネルの中心軸に対してずれて配置されていてもよい。具体的には、マイクロレンズアレイのレンズレットの各々は、次のように位置合わせされる。

（ａ）単一のコリメータチャネルに対して位置合わせされており、コリメータチャネルの中心軸とレンズレットの中心軸とは位置合わせされている、または、
（ｂ）少なくとも１つのコリメータチャネルに対して位置合わせされており、少なくとも１つのコリメータチャネルの各々の中心軸は、レンズレットの中心軸に対してずれて配置されている、または、
（ｃ）（ａ）および（ｂ）の組合せである。

レンズレットの中心軸とコリメータチャネルが上記（ａ）のように配置されている場合、使用時には、コリメータチャネルからの光はディスプレイパネルの略全体を照らす。すなわち、ＬＥＤの各々は、ディスプレイパネルの全体にわたって光を提供している。このため、この装置は、光強度のわずかな低下だけでデッドなＬＥＤに対処することができる。

レンズレットの中心軸とコリメータチャネルとがずれて配置されている場合、使用時には、コリメータチャネルからの光はディスプレイパネルの規定された部分を照らす。

好ましくは、モノリシックコリメータアレイは、コリメータチャネルの第１サブアレイおよび第２サブアレイを少なくとも含み、第１サブアレイのコリメータチャネルの各々は、対応するレンズレットの中心軸に対して等しくずれて配置されており、第２サブアレイのコリメータチャネルの各々は、対応するレンズレットの中心軸に対して等しくずれて配置されており、第１サブアレイまたは第２サブアレイに対して位置合わせされたＬＥＤが選択的に作動することでディスプレイパネルの同一ではない部分を照らす。この実施の形態では、サブアレイの各々は、わずか１つのコリメータチャネルだけを備えうるということが理解されるべきである。

有利にも、ＬＥＤ、コリメータチャネルおよびレンズレットをこのように配置することで、ＬＥＤの一部が作動したときに、均質化された明るい光源を提供しつつディスプレイパネルの規定された一部を選択的に照らすことができる。したがって、ディスプレイパネルの一部に画像が必要な場合は、ＬＥＤの一部をオフにすることでエネルギーを節約することができる。

例えば、本発明のバックライトは、画面全体の画像が必要な場合がありかつ画面の下部または片側等の一部にのみ画像が必要な場合があるヘッドアップディスプレイユニットに使用されてもよい。画面の一部にのみ画像が必要な場合には、他の部分に対応するＬＥＤが消灯されてもよい。

ＬＥＤアレイ内のＬＥＤの効果的な冗長性によって、本発明の一層の利点が提供される。公知のバックライトでは、単一の赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤまたは白色ＬＥＤがディスプレイパネル全体を照らすために使用されていることがある。単一のＬＥＤが故障した場合、装置が機能しなくなりそのＬＥＤの交換が必要になることがある。

逆に、本発明では、ＬＥＤアレイが画面の全体またはその一部に対応している。したがって、単一のＬＥＤが故障したとしても、バックライトまたはその一部が薄暗くなるだけである。本発明のアレイは、多数のＬＥＤを含んでいてもよく、単一のＬＥＤの故障による明るさの低下は無視できる程度である。

随意に、モノリシックＬＥＤアレイおよびモノリシックコリメータアレイは、一体的に形成されている。有利にも、これにより、さらに堅牢な装置を提供でき、製造工程で必要な位置合わせの工程の回数を低減することができる。

好ましくは、ＬＥＤアレイは、マイクロＬＥＤアレイである。マイクロＬＥＤアレイを使用することで、携帯装置のようなさらに小さい最終製品での使用に適した小さいフォームファクタが、装置に提供される。マイクロＬＥＤアレイを使用することで、ディスプレイパネルの所定の一部のための個々のＬＥＤの数を増加させることができ、装置の冗長性を増加させることができ、それゆえに装置の信頼性を増加させることができる。

好ましくは、モノリシックコリメータアレイは、１００μｍ以上２０００μｍ以下の深さを有している。これにより、マイクロＬＥＤアレイでの使用に適したコリメータが提供される。深さは、コリメータチャネルの各々の中心軸に沿ったコリメータの長さに対応している。

さらに他の側面において、本開示は、本明細書に記載のＬＥＤバックライトを形成するためのＬＥＤ照明装置を提供し、ＬＥＤ照明装置は、
表面を有し、かつ表面から光を放出するための複数のＬＥＤを含むモノリシックＬＥＤアレイと、
複数のコリメータチャネルを含み、かつコリメータチャネルの各々が複数のＬＥＤのうち少なくとも１つに対して位置合わせされるように位置合わせされたモノリシックコリメータアレイとを備え、コリメータチャネルはＬＥＤから放出された放出光を、ＬＥＤアレイの表面に対して略直交する線に対して約±５０°以内の範囲の角度にコリメートするように構成されており、
ＬＥＤ照明装置はさらに、
コリメートされた光を無限遠に合焦させるためのマイクロレンズアレイを備え、マイクロレンズアレイは複数のレンズレットを含み、レンズレットの各々はモノリシックコリメータアレイのコリメータチャネルに対して位置合わせされ、
ＬＥＤ照明装置はさらに、
マイクロレンズアレイからの光をディスプレイパネル上に合焦させるためのリレーレンズを備えている。本開示のＬＥＤ照明装置は、本開示のＬＥＤバックライトの先駆（precursor）を提供する。

本開示のＬＥＤバックライトまたはＬＥＤ照明装置は、さらに偏光板を備えていてもよい。偏光板は、当技術分野ではよく知られている。偏光板は、コリメートされかつ合焦される光がリレーレンズによって合焦される前にその光を偏光するために用いられてもよいし、合焦点される光がリレーレンズによって合焦された後にその光を偏光するために用いられてもよい。

したがって、本開示のＬＥＤバックライトにおいて、存在する場合、偏光板は、マイクロレンズアレイとリレーレンズとの間に配置されていてもよいし、光路の最後の構成要素としてリレーレンズの後に配置されていてもよい。あるいは、本発明のＬＥＤ照明装置において、偏光板は、光路の最後の構成要素としてマイクロレンズアレイの後に配置されていてもよい。本発明の装置が偏光板を含んでいることは、バックライトまたは照明装置がＬＣｏＳディスプレイパネルまたはＬＣディスプレイパネルと一緒に使用される場合等のいくつかの応用において有用であるだろう。

さらに他の側面において、本開示は、第１の側面のＬＥＤバックライトとディスプレイパネルとを含むデジタルライトプロジェクターを提供する。これは、リレーレンズとディスプレイパネルとを組み合わせた上述のＬＥＤ照明装置に相当する。好ましくは、ディスプレイパネルは、ＬＥＤバックライトからの略全ての光がディスプレイパネルに入射するように、リレーレンズから離れて配置されている。このような配置によって装置の効率が最大化される。

さらに他の側面において、本開示は、ＬＥＤバックライトにおけるモノリシックＬＥＤアレイからの光をコリメートするためのモノリシックコリメータアレイの使用を提供する。本明細書で説明された他の側面の全ての要素は、この側面と自由に組み合わせることができる。

第１の側面の好ましい実施の形態では、ディスプレイパネルに使用するためのＬＥＤバックライトが提供され、バックライトは、
表面を有し、かつ表面から光を放出するための複数のＬＥＤを含むモノリシックＬＥＤアレイと、
複数のコリメータチャネルを含み、かつコリメータチャネルが複数のＬＥＤのうち少なくとも１つに対して位置合わせされるように位置合わせされたモノリシックコリメータアレイとを備え、コリメータチャネルはＬＥＤから放出された放出光を、ＬＥＤアレイの表面に対して略直交する線に対して約±５０°以内の範囲の角度にコリメートするように構成され、
バックライトはさらに、コリメートされた光を無限遠に合焦させるためのマイクロレンズアレイを備え、マイクロレンズアレイは複数のレンズレットを含み、レンズレットの各々はモノリシックコリメータアレイのコリメータチャネルに対して位置合わせされ、
バックライトはさらに、マイクロレンズアレイからの光をディスプレイパネル上に合焦させるためのリレーレンズを備えている。

続いて、本発明を、以下の非限定的な図に関連して説明する。本開示の一層の利点は、図と関連して考慮すると詳細な説明を参照することによって明らかになり、図は詳細をさらに明確に示すために実寸比率ではなく、いくつかの図にわたって類似の参照番号は類似の要素を示している。

本発明のバックライトの分解斜視図である。 緑色ＬＥＤならびに組み合わせられた青色ＬＥＤおよび赤色ＬＥＤを有する従来技術のＬＥＤバックライトを含む先行技術の投影光学系を示す図である。 本開示のＬＥＤバックライトを組み込んでいる投影光学系を示す図である。 表示パネルの全体を照明するための本開示の実施の形態を示す図であって、本発明のＬＥＤバックライトがどのようにディスプレイパネル上に均質化された光を生成するかを示すレイトレーシング図である。 表示パネルの全体を照明するための本開示の実施の形態を示す図であって、本実施の形態のコリメータアレイの出口開口の概略図である。 表示パネルの全体を照明するための本開示の実施の形態を示す図であって、図３Ｂのアレイのコリメータの各々からの光の重ね合わせを示す図である。 図３Ａに対応するが、レンズレットの各々が単一のコリメータチャネルに対して位置合わせされかつ関連づけられたレンズレットの中心軸に対してコリメータチャネルの各々がずれるように配置されている代替的な実施形態を示す図である。 図３Ｂに対応するが、レンズレットの各々が単一のコリメータチャネルに対して位置合わせされかつ関連づけられたレンズレットの中心軸に対してコリメータチャネルの各々がずれるように配置されている代替的な実施形態を示す図である。 図３Ｃに対応するが、レンズレットの各々が単一のコリメータチャネルに対して位置合わせされかつ関連づけられたレンズレットの中心軸に対してコリメータチャネルの各々がずれるように配置されている代替的な実施形態を示す図である。 レンズレットの各々がコリメータチャネルの２×２グリッドに対して位置合わせされている他の実施の形態を示す図である。

図１のバックライト（１００）の分解図は、複数のマイクロＬＥＤ（１１５）を有するモノリシックＬＥＤアレイ（１１０）、複数のコリメータチャネル（１２５）を有するモノリシックコリメータアレイ（１２０）、複数のレンズレット（１３５）を有するマイクロレンズアレイ（１３０）およびリレーレンズ（１４０）を含んでいる。

使用時には、複数のマイクロＬＥＤ（１１５）から放出された光は、モノリシックコリメータアレイ（１２０）のコリメータチャネル（１２５）を通ってコリメートされる。チャネル（１２５）の各々からの光は、マイクロレンズアレイ（１３０）のレンズレット（１３０）の中を通る。これにより、光は、無限遠に合焦する。次に、光は、リレーレンズ（１４０）を通る。次に、リレーレンズは、光をディスプレイスクリーン（図１には図示されていない）に向けて合焦させる。

図２Ａの先行技術の投射光学系は、緑色ＬＥＤ（２１６）と赤ＬＥＤ／青ＬＥＤが組合せられたＬＥＤ（２１７）と、ＬＥＤ（２１６、２１７）の各々に関連付けられたコリメータ（２２０、２２１）と、ダイクロイックミラー（２４５）と、フライアイレンズアレイ（２３１）と、第１リレーレンズ（２４１）と、ミラー（２５０）と、第２リレーレンズ（２４２）と、全内部反射プリズム（２５５）と、デジタルマイクロミラー装置（２６０）と、投射レンズ装置（２６０）とを含んでいる。図２Ｂの光学投射系では、ＬＥＤ（２１６、２１７）、コリメータ（２２０、２２１）、ダイクロイックミラー（２４５）、レンズアレイ（２３１）および第１リレーレンズ（２４１）は、本開示のＬＥＤバックライト（２００および２４１）に置き換えられている。

図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、本発明のＬＥＤバックライトは、投射光学系に必要な個々の光学部品の数を低減する。さらに、図は実寸比率ではないが、本発明のバックライトが先行技術のシステムと比較して小さいフォームファクタを有することは明らかである。したがって、本開示のＬＥＤバックライトは、さらに小さく、さらに軽く、さらに単純な装置を可能にする。

図３Ａは、コリメータチャネル（３２５）の各々が単一のＬＥＤ（３１５）に対して位置合わせされ、レンズレット（３３５）の各々が単一のコリメータチャネル（３２５）に対して位置合わせされ、レンズレット（３３５）の各々の中心軸（図示されない）が対応するコリメータチャネル（３２５）の中心軸に対して位置合わせされている、本開示のＬＥＤバックライトの一実施形態のレイトレーシング図を示している。

図３Ａの実施の形態では、個々のＬＥＤ（３１５）の各々からの放出光は、ランバティアン分布（１８０°の放出角）に従っている。ＬＥＤ（３１５）から放出された光は、関連付けられたコリメータチャネル（３２５）を通り、それによってコリメートされる。コリメーションの後は、出射開口における出射光は、さらに狭い角度分布を有している。具体的には、出射開口からのカットオフ出射角は、５０°よりも大きくなく、好ましくは約３０°である。

所定のコリメータチャネル（３２５）から出たコリメートされた光は、関連付けられたレンズレット（３３５）によって屈折され、無限遠に焦点を合わせたコリメータチャネル（３３５）の出射開口において画像を形成する。リレーレンズは（３４０）は、出射開口における画像をディスプレイパネル（３７０）上に合焦させる。関連付けられたレンズレットおよびコリメータチャネルの中心軸が位置合わせされているため、アレイ内のコリメータチャネル（３２５）からの光がリレーレンズ（３４０）によってディスプレイパネル（３７０）の同じ平面領域に合焦する。

図３Ｂは、図３Ａに則ったコリメータアレイの概略図であり、グリッドラインの交点はレンズレットの中心軸を示している。図３Ｃは、コリメータチャネルの各々からの光の同一平面上への重ね合わせを示している。

図４は、レンズレット（４３５）の各々が単一のコリメータチャネル（４２５）に対して位置合わせされた別の実施の形態のレイトレーシング図を示している。しかしながら、コリメータチャネル（３２５）の各々が関連付けられたレンズレット（３３５）の中心軸に対して位置合わせされている図３の実施の形態とは異なり、本実施の形態では、コリメータチャネル（４２５）の各々は、関連付けられたレンズレット（４３５）の中心軸または光軸（４３６）からずれて配置されている。具体的には、隣り合っているコリメータは、それらに関連付けられたレンズレット（４３５）の中心軸（４３６）に関して、同じ距離だけしかし反対方向にずれて配置されている。関連付けられたレンズレットの光軸からのオフセットを示すために、コリメータには、それらのグリッド位置と、ＬまたはＲのラベルとが付けられている。

図４Ｂには本実施の形態のコリメータアレイの部分上面図が示されており、図３Ｂと同様に、グリッドラインの交点は、関連付けられたレンズレットの中心軸を示している。図４ＣにはＬＥＤからの光の重ね合わせ図が示されている。ディスプレイパネル上の照明「タイル」の間には、隙間が図示されているが、これはわかりやすさのためのものであることが当業者には理解できるだろう。レンズ設計における調整等の本発明のバックライトの構成要素を調整することによって、これらを連続したものにしてもよいし分離したものにしたものにしてもよい。

図４の実施の形態では、ディスプレイパネルのタイル状の照明が提供される。交互に配置されたＬＥＤをスイッチオンすると、パネルの一方の部分または他方の部分が照明される。図４に例示された具体的なアレイが例示的なものに過ぎないことは、当業者に理解されるであろう。アレイ内の所定のＬＥＤ−コリメータ−レンズレットの組合せの位置は、ディスプレイパネルの照明される部分に影響を与えない。むしろ、レンズレットに対するコリメータの配置こそが、ディスプレイパネルのどの部分が照明されるのかを制御する。

これにより、ＬＥＤバックライトの設計に関して顕著な柔軟性がもたらされる。例えば、ＬＥＤアレイは、赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤの３つの領域へとそれぞれ配置されてもよく、これにより製造中のＬＥＤ構造における蛍光体または他の層のさらに簡易な応用が可能になる。さらに、着色された領域の各々は、所定のサブ領域の中の全てのコリメータがそれらに対応するレンズレットの軸に関して同じオフセットを有しているサブ領域に分離されていてもよく、これにより潜在的にＬＥＤアレイの配線がさらに簡易になる。

図５は、レンズレットの各々がＬＥＤの２×２グリッドに対して位置合わせされた別の実施の形態を示している。この配置は、ディスプレイパネルの選択的な２×２タイル照明を提供する。

上述の様々な実施の形態が単一のＬＥＤバックライトに結びつけられてもよいことは、当業者には理解されるであろう。例えば、ディスプレイパネルの全体にわたって照明を提供するために装置の一部が図３のように配置される一方で、ディスプレイパネルの非同一部分を照明するために他の部分がレンズレットの各々に位置合わせされた少なくとも１つのコリメータを有していてもよい。

Claims (20)

1. ディスプレイパネルに使用するためのＬＥＤバックライトであって、
   表面を有し、かつ前記表面から光を放出するための複数のＬＥＤを含むモノリシックＬＥＤアレイと、
   複数のコリメータチャネルを含み、かつ前記コリメータチャネルの各々が前記複数のＬＥＤのうち少なくとも１つに対して位置合わせされるように位置合わせされたモノリシックコリメータアレイとを備え、前記コリメータチャネルは、前記ＬＥＤから放出された放出光を、前記ＬＥＤアレイの前記表面に対して略直交する線に対して約±５０°以内の範囲の角度にコリメートするように構成されており、
   前記ＬＥＤバックライトはさらに、
   前記コリメートされた光を無限遠に合焦させるためのマイクロレンズアレイを備え、前記マイクロレンズアレイは複数のレンズレットを含み、前記レンズレットの各々は、前記モノリシックコリメータアレイの一つのコリメータチャネルに対して位置合わせされ、
   前記ＬＥＤバックライトはさらに、
   前記マイクロレンズアレイからの光をディスプレイパネル上に合焦させるためのリレーレンズを備えた、ＬＥＤバックライト。
2. 前記コリメータチャネルの各々は、好ましくは赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤまたは白色ＬＥＤである単一のＬＥＤに対して位置合わせされている、請求項１に記載のＬＥＤバックライト。
3. 前記マイクロレンズアレイの前記レンズレットの各々は、
   （ａ）単一のコリメータチャネルに対して位置合わせされており、前記コリメータチャネルの中心軸と前記レンズレットの中心軸とは位置合わせされている、または、
   （ｂ）少なくとも１つのコリメータチャネルに対して位置合わせされており、前記少なくとも１つのコリメータチャネルの各々の中心軸は、前記レンズレットの中心軸に対してずれて配置されている、または、
   （ｃ）（ａ）および（ｂ）の組合せである、請求項１または２に記載のＬＥＤバックライト。
4. 前記マイクロレンズのレンズレットの各々は、少なくとも１つのコリメータチャネルに対して位置合わせされており、
   前記少なくとも１つのコリメータチャネルの各々の中心軸は、前記レンズレットの中心軸に対してずれて配置されている、請求項１または２に記載のＬＥＤバックライト。
5. 前記モノリシックコリメータアレイは、コリメータチャネルの第１サブアレイおよび第２サブアレイを少なくとも含み、
   前記第１サブアレイのコリメータチャネルの各々は、対応する前記レンズレットの前記中心軸に対して等しくずれて配置されており、
   前記第２サブアレイのコリメータチャネルの各々は、対応する前記レンズレットの前記中心軸に対して等しくずれて配置されており、
   前記第１サブアレイまたは前記第２サブアレイに対して位置合わせされたＬＥＤが選択的に作動することでディスプレイパネルの同一ではない部分を照らす、請求項３または４に記載のＬＥＤバックライト。
6. 前記モノリシックＬＥＤアレイおよび前記モノリシックコリメータアレイは、一体的に形成された、請求項１〜５のいずれか１項に記載のＬＥＤバックライト。
7. 前記ＬＥＤアレイは、マイクロＬＥＤアレイである、先行する請求項のいずれか１項に記載のＬＥＤバックライト。
8. 前記コリメータチャネルは、約±４０°以内の範囲の角度、好ましくは約±３０°以内の範囲の角度、好ましくは約±２０°の以内の範囲の角度に前記ＬＥＤからの放出光をコリメートするように構成されている、先行する請求項のいずれか１項に記載のＬＥＤバックライト。
9. 前記モノリシックコリメータは、１００μｍ以上２０００μｍ以下の深さを有する、先行する請求項のいずれか１項に記載のＬＥＤバックライト。
10. 前記モノリシックコリメータのチャネルの各々は、内表面を有しており、
    前記内表面は、２０ｎｍ以下の表面粗さ（Ｓｑ）を有しており、かつ／または、前記内表面は、その上に反射層を有している、先行する請求項のいずれか１項に記載のＬＥＤバックライト。
11. 前記内表面は、ＰＶＤ蒸着された銀等の金属コーティングである反射コーティングを有している、請求項１０に記載のＬＥＤバックライト。
12. 前記モノリシックコリメータは、射出成形によって形成された、先行する請求項のいずれか１項に記載のＬＥＤバックライト。
13. 前記モノリシックコリメータは、ナノリソグラフィーを用いて作られた、先行する請求項のいずれか１項に記載のＬＥＤバックライト。
14. 偏光板をさらに備えた、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のＬＥＤバックライト。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の前記ＬＥＤバックライトと、
    ディスプレイパネルとを備えた、デジタルライトプロジェクター。
16. 前記ディスプレイパネルは、前記ＬＥＤバックライトからの略全ての光が前記ディスプレイ上に入射するように前記リレーレンズから離れて配置されている、請求項１５に記載のデジタルライトプロジェクター。
17. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載のＬＥＤバックライトを形成するためのＬＥＤ照明装置であって、
    表面を有し、かつ前記表面から光を放出するための複数のＬＥＤを含むモノリシックＬＥＤアレイと、
    複数のコリメータチャネルを含み、かつ前記コリメータチャネルの各々が前記複数のＬＥＤのうち少なくとも１つに対して位置合わせされるように位置合わせされたモノリシックコリメータアレイとを備え、前記コリメータチャネルは、前記ＬＥＤから放出された放出光を前記ＬＥＤアレイの前記表面に対して略直交する線に対して約±５０°以内の範囲の角度にコリメートするように構成されており、
    前記ＬＥＤ照明装置はさらに、
    前記コリメートされた光を無限遠に合焦させるためのマイクロレンズアレイを備え、前記マイクロレンズアレイは複数のレンズレットを含み、前記レンズレットの各々は前記モノリシックコリメータアレイのコリメータチャネルに対して位置合わせされた、ＬＥＤ照明装置。
18. 偏光板をさらに備えた、請求項１７に記載のＬＥＤ照明装置。
19. 請求項１７または請求項１８のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置と、
    ディスプレイパネルとを備えた、デジタルライトプロジェクター。
20. ＬＥＤバックライトの中のモノリシックＬＥＤアレイからの光をコリメートするためのモノリシックコリメータアレイの使用。

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