JP4729028B2 - バックライト付きディスプレイの光源 - Google Patents

Description

多種多様なコンピュータおよびテレビなどの民生用デバイスに、バックライト付きディスプレイが使用されている。例えば、バックライト付き液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、各ピクセルが、ピクセルの後方に位置する光源からの光を通過させるか、または遮断するシャッタとして作用するピクセルアレイである。カラーディスプレイは、各ピクセルが、特定の色の光を透過するか、または遮断するように、ピクセルに色フィルタを装備することで与えられる。各ピクセルからの光の強度は、ピクセルが透過状態にあるときまで一定にされる。

ディスプレイは、典型的に、ディスプレイの背面全体に均一な光強度を与える白色光源によって照明される。蛍光をベースにした照明光源は、消費電力のワット時当たりの光出力が高いということから、特に魅力的である。しかしながら、このような光源には、高い駆動電圧が必要であるため、バッテリー駆動式のデバイスにとっては魅力が少ない。さらに、光源の厚みが、ディスプレイの最小厚みを決定するため、ＬＣＤディスプレイの後方に配置された蛍光灯をベースにした光源は、多くのハンドヘルド式デバイスの用途にとって厚みがありすぎる場合が多い。

薄型の光源は、光源によって１つ以上のエッジで照明される透明なプラスチックシートからなる光導波路を用いて組み立てることができる。シートに入る光は、内反射し、したがって、トラップされた後、シートに組み込まれた散乱中心の１つによって散乱される。次いで、散乱された光の一部分が、シートの上面を通ってシートを出る。散乱中心が、シートに適切に配設されれば、上面は、均一に照明された２次元光源を与え、この光源を使用して、バックライト付きディスプレイを照明することができる。

上述したもののような光導波路は、ハンドヘルド式デバイスのキーパッドを照明するためにも使用される。キーの位置を示すトランスペアレンシーとともにキーを与えることもでき、または、キーパッドがアクティブなとき、キーとキーとの間の部分が照明されるように、照明表面上に載置される薄膜ボタンとともにキーを与えることもできる。このようなキーパッドは、携帯電話などのデバイスにおいて利用される。

ＬＥＤベースのディスプレイにおいて、光導波路は、光導波路の１つ以上のエッジ上に配置されたＬＥＤによって照明される。光源をカラーＬＣＤディスプレイに設けるため、３つの異なる波長で光を放出するＬＥＤが使用される。ＬＥＤが、比較的狭いスペクトルバンドで光を放出する点光源であるため、光混合ゾーンが、光導波路のエッジに設けられなければならず、照明される領域下でトラップされた光の強度と色が確実に均一になるように十分な距離によって、ディスプレイを照明するために領域から分離されなければならない。

ハンドヘルド式デバイスは、薄型化がさらに進む傾向にある。光導波路の厚みが、多くのデバイスの厚みの大部分を表すため、光パイプの厚みは、ＬＥＤと光導波路のエッジとの間の結合を良好にすることが困難になるところまで薄型化されてきた。ディスプレイデバイスの中には、０．４ｍｍの厚みの光導波路が利用されているものもあり、さらに薄い光導波路が必要とされている。現在、光導波路の厚みは、最小のＬＥＤパッケージのサイズに近付いてきている。したがって、多数のＬＥＤから光パイプのエッジへと効率的に光を結合および混合することが難しい。

本発明は、光パイプと、光発生セクションとを有する光源を含む。光パイプは、２次元の透明な材料シートを含み、このシートには、反射底面に実質的に平行である透明な上面を有する。光パイプは、散乱光の一部が、上面を通って透明な材料シートから逃れさせる方向に、透明な材料シートを進む光を散乱させる光パイプ散乱中心を含む。光発生セクションは、複数のＬＥＤおよび混合チャンバを含む。ＬＥＤは、光を混合チャンバに放出するように位置決めされる。混合チャンバは、反射壁を有するくさび形のキャビティを有するアダプタを含む。キャビティは、光を光パイプ内に方向付けるように位置決めされた開口を有する。混合チャンバは、反射壁からの反射によって得られない方向に、キャビティ内を進む光を再度方向付けるための混合チャンバの散乱中心を含む。キャビティでの光の一部分が、透明材料シートに透明材料シートの上面および底面から反射される角度で、光パイプ内に方向付けられる。

本発明による利点を得る方法は、図１および図２を参照するとより容易に理解でき、同図は、ＬＣＤディスプレイ１６を照明するための従来技術のライトボックス装置を示す。図１は、光源２０の平面図であり、図２は、図１に示す線２−２に沿って切り取った光源２０の断面図である。光源２０は、光パイプ１２を照明するために、ＬＥＤ１１のアレイを利用する。ＬＥＤは、ＬＥＤに電力供給する回路基板１５に載置されたキャリア１３上に載置される。ＬＥＤは、各ＬＥＤの上部を離れる光が、光パイプ１２の端部２４を照明するように位置決めされる。表面２１に対して臨界角度より小さな角度で光パイプ１２に入る光は、光パイプ１２内で前後に反射された後、光は、表面１７上で粒子２２によって吸収または散乱される。臨界角度より大きい角度で表面２１に当たる散乱光は、光パイプから逃れ、ＬＣＤディスプレイの背面を照明する。

理想的には、ＬＥＤは、光パイプ１２の端部２４に平行な線形光源を再現するように配設される。しかしながら、密に詰められたＬＥＤを有する光源が、典型的に必要とされる光レベルに対して非常に多くのＬＥＤを有するため、ＬＥＤは、個々のＬＥＤ間の距離がかなりある点光源である。さらに、任意の所与のＬＥＤが、比較的狭いスペクトルバンドで光を放出するため、異なる色を放出するＬＥＤがなければならない。ＬＥＤは、典型的に、各ＬＥＤが、異なる色を有する２つの他のＬＥＤに隣接するように配設される。例えば、赤色、緑色、および青色ＬＥＤを有する光源は、典型的に、ＬＥＤのアレイに沿って、赤色、青色、緑色ＬＥＤのパターンを繰り返す。このように、ＬＥＤのすぐ前方の場所で、光源は、均一の出力スペクトルを有する線形光源の良好な近似ではない。この問題を解消するために、ＬＥＤの前方に、混合ゾーン２３が設けられる。混合ゾーンは、典型的に、反射コーティング２５で被覆される。混合ゾーンのサイズは、混合ゾーンを出る光が、色スペクトルおよび強度において均一であるように選択される。

光パイプ１２の厚みが薄くなると、キャリア１３の高さが、光パイプ１２の厚みより大きい点に達する。この点で、光を光パイプ１２内に結合する効率は、著しく低下する。

さらに、薄型ディスプレイは、小型ディスプレイに関連付けられる傾向もある。すなわち、距離Ｄが短くなる。しかしながら、混合ゾーンに必要とされる距離Ｍは低減せず、したがって、比例して大きな面積を混合ゾーン用に取っておかなければならない。混合エリアは、Ｄがディスプレイの全長に近くなければならないデバイスにおいて特に問題となる。

本発明により、光パイプの厚みが非常に小さいため、ＬＥＤを光パイプのエッジに直接結合させることができない場合でも、光を光パイプ内に挿入し、混合が改良される機構が得られる。以下、本発明の１つの実施形態によるバックライト付きディスプレイの断面図である図３を参照する。ディスプレイ３０は、上述したものに類似した方法で、バックライト付き要素３１を照明するために光パイプ３２を有する本発明による光源を利用する。光パイプに入る光は、アダプタ３９の一方側上に載置された１つ以上のＬＥＤ３３によって発生し、このアダプタ３９は、リフレクタ４６によって被覆された光パイプ３２の部分とともに混合チャンバ４１を形成する。この例のために、アダプタ３９が、光パイプ３２と同じ屈折率を有する材料から作られると仮定する。

アダプタ３９に隣接した光パイプ３２の部分は、散乱中心４５およびリフレクタ４６を含む。この実施形態において、表面３７および３８は反射表面であるとも仮定する。表面４２も反射表面である。このように、ＬＥＤによって混合チャンバ内に放出される光は、混合チャンバ４１にトラップされた後、光は吸収されるか、または光はアパチャ４７を通って離れる。

混合チャンバ４１の目標は、ＬＥＤから可能な限り光の多くを収集し、臨界角度４８より大きい角度４９でその光をアパチャ４７内に方向付けることである。次いで、この光は、光パイプ３２における内反射によってトラップされた後、散乱中心３４および／またはリフレクタ３５によって光パイプ３２から散乱される。光線４４について考慮する。この光は、リフレクタ４２から反射され、散乱中心を有する領域において光パイプ３２の上面に当たる。この光の一部は、光をアパチャ４７内に方向付ける角度で散乱され、散乱光の一部は、アダプタ３９内に方向付けられる。アダプタ３９内に反射された光は、散乱中心を有する光パイプ３２の表面に再方向付けされ、したがって、アパチャ４７内に方向付けられるための別の機会を有する。この実施形態において、散乱中心によって散乱されていない光は、反射表面４６によってアダプタ３９内に再度方向付けられる。このようにして、アパチャ４７内に方向付けられない光は再循環された後、吸収されるか、またはアパチャ４７に入る。

散乱中心４５がない場合、または混合チャンバ４１内で光の方向をランダム化するための何らかの他の機構がない場合、混合チャンバ４１において光の滞留時間が非常に長くなることに留意されたい。例えば、表面４２および４６から各反射対で、光パイプ３２の表面の垂線に対する光線の角度は、角度４３に関係する量だけ増大する。いくつかの反射対の後、光は、表面３７および３８の方へと方向付けられ、したがって、その光が再度アパチャ４７に近付く前に、多数回のさらなる反射を必要とする。

また、混合チャンバ４１が、上述した光反射機能の他に光を混合することにも留意されたい。散乱中心がない場合、光がＬＥＤを離れ、アパチャ４７に入るときに光がたどる経路は、図３に示す距離Ｄよりもかなり長い。散乱中心がない場合でも、混合が経路長さの関数であるため、本発明により、任意の所与の距離Ｄに対する改良された混合を提供することができる。散乱中心はまた、光の混合を高める。

上述した実施形態において、アダプタ３９は、光パイプ３２と同じか、またはほぼ同じである屈折率を有する材料から作られたものであった。光パイプの屈折率は、典型的に、１．３５〜１．７５である。屈折率がこの範囲にあるアダプタもまた、適切に機能する。この場合、アダプタは、光パイプ３２と同じプラスチックから成形された後、同様の屈折率を有する透明なセメントを利用して、光パイプ３２の底面に付着され得る。以下、この方法で作られたアダプタの１つの実施形態の斜視図である図４を参照する。ＬＥＤ３３は、適切な屈折率整合セメントを使用して、成形物の外面に固定される。リフレクタ４２は、アダプタ３９の外側表面上に堆積させた反射層を含む。図を簡略化するために、表面３８上の反射表面は省略している。しかしながら、ＬＥＤによって被覆されていない表面３８の部分もまた反射性であることを理解されたい。

上述した実施形態において、散乱中心４５は、混合領域にある光パイプ３２の上面の位置に設けられる。散乱中心により、リフレクタ４６などのミラー表面からの反射によって得られるであろうもの以外の角度に、表面に当たる光を再方向付けする機構が得られる。このようにして、アパチャ４７を逃した光が再循環され、アパチャ４７に到達する別の機会が与えられる。この再循環機能は、混合チャンバ４１内の他の場所に散乱中心を配置することによって与えられ得る。例えば、リフレクタ４２が、光のかなりの割合を吸収することなく所望の散乱を与える平坦な白色表面と取り替えられてもよい。同様に、混合チャンバ４１の他の表面は、４５で示す散乱中心と同様の、またはその代わりの散乱中心を含むように修正されてもよい。

散乱中心は、多数の異なる技術を利用して与えられる。散乱中心が、光パイプの表面上、または上述したものなどの固体の混合チャンバの表面上にある実施形態において、散乱中心は、該当する表面を粗面化することによって作られる。粗面化により、表面にある突起部および／またはピットを与えなければならない。突起部およびピットの寸法は、ＬＥＤによって発生する光の最長波長より大きいものでなければならない。光パイプおよび混合チャンバが、透明なプラスチックから作られる実施形態において、該当する表面は、研磨用具に基づいて機械的技術を用いて粗面化することができる。さらに、これらの表面は、表面上に適切なリソグラフィマスクを設けた後、化学エッチングを使用して粗面化される。屈折率が光パイプのものに類似した透明なエポキシに、ＴｉＯ₂の粒子などの散乱粒子を懸濁させる。次いで、該当する表面にそのエポキシを適用することによって、散乱中心が別の材料層にも設けられる。同様に、ペイントが光のかなりの割合を吸収しないのであれば、該当する表面に白色のペイントを塗布することもできる。

上述した実施形態において、アダプタは、プラスチックまたは同様のポリマーから作ったものである。しかしながら、アダプタは、光パイプ３２のものに類似した屈折率を有する任意の透明な材料から作られる。例えば、アダプタは、ガラスから作られてもよい。ＬＥＤの温度が比較的高い出力の用途において、ガラスアダプタは、プラスチック混合チャンバより熱ダメージに対する耐性がある。

上述した実施形態では、ＬＥＤを光パイプに結合するためのアダプタを利用しているが、アダプタが中空である実施形態もある。以下、本発明による光源を利用したバックライト付きディスプレイの別の実施形態の断面である図５を参照する。簡潔に記載するために、上述したディスプレイ３０の要素に類似した機能を果たすディスプレイ５０のこれらの要素は、同じ数字表示を与えたものであり、ここでは詳細には記載しない。ディスプレイ５０は、反射壁５２および５３を有する中空アダプタ５１を利用する。ＬＥＤは、５４で示す壁５３上に載置される。

光パイプ３２の屈折率が、アダプタ５１にある空気のものより著しく大きいため、アダプタ５１から光パイプ３２に入る光が、リフレクタ４６からの反射によって与えられた方向と異なる方向に光が進むように、散乱中心４５によって再度方向付けされなければ、臨界角より大きい角度で進む光は、光パイプ３２においてトラップされない。したがって、散乱中心は、アダプタ５１に隣接した領域において、光パイプ３２の少なくとも１つの表面上になければならない。散乱中心は、図５に示すように、光パイプ３２の上側表面上の位置に設けられることが好ましい。

拡張された表面積を与えて、ＬＥＤからの熱放散を高めるために、ＬＥＤから壁５２および５３へ熱を伝達するための金属コアを有するプリント回路基板（ＰＣＢ）から、混合チャンバの壁５３を作ることもできる。ＬＥＤダイは、ダイからの光抽出を最適化するために、ＰＣＢ上に直接載置され、または、リフレクタおよび／またはレンズとともにパッケージングされる。後者の場合、パッケージングされたＬＥＤは、ＰＣＢ上に載置され、または、ダイが取り付けられた後、ＰＣＢ内にレンズが組み込まれてもよい。例えば、ＰＣＢにダイを取り付けた後、ダイ上にシリコーンゴムの液滴を堆積することによって、各ダイ上に球形コーティング５５を塗布することができる。コーティングにより、ＬＥＤと混合チャンバの空気との間の屈折率が異なることが原因で、ＬＥＤにトラップされた光の量を低減することによって、ＬＥＤからの光の抽出が高まる。

固体のアダプタの場合、アダプタは、ＬＥＤが挿入されるレセスを与えるように成形される。本発明の１つの実施形態によるアダプタ６０の一部分の分解断面図である図６を参照する。アダプタ６０は、その一方側にレセス６２が成形された成形プラスチック構造６１を含む。レセスが設けられる場所とそのサイズは、ＬＥＤを有するＰＣＢ６４が、表面６５に取り付けられるときにＬＥＤ６３を受けるようなものにされる。レセスにある任意のボイドを充填するため、屈折率整合セメントが使用される。このように、ＬＥＤは、ＬＥＤから熱を除去するために、熱伝導表面を与えながら、最終混合チャンバ内に効果的に成形される。表面６６および６７上の残りの反射コーティングは、ＰＣＢ６４が構造６１に接合された後に塗布される。

上述した実施形態では、ＬＥＤの表面に対する垂線が、光パイプの表面に対して平行である混合チャンバを利用している。しかしながら、他の配置も利用可能である。以下、本発明の別の実施形態による光源を利用するバックライト付きディスプレイの断面図である図７を参照する。ディスプレイ７０は、０より大きい角度で光パイプ３２の底面と交差する垂線７４を有する表面７２上にＬＥＤ７５が載置された混合チャンバ７１を利用する。１つの実施形態において、この角度は、散乱がない場合に、ＬＥＤ７５によって放出された光が光パイプ３２に入る前に受ける反射の数を最小限に抑えるために、半分の角度７３になるように選択される。また、この配置により、混合チャンバ領域におけるディスプレイの厚みが低減されることにも留意されたい。最後に、ディスプレイ７０が、前述した実施形態におけるＬＥＤの単一の線とは対照的に、２次元アレイのＬＥＤを利用することに留意されたい。

本発明の上述した実施形態では、光パイプの部分およびアダプタを含む混合チャンバを利用している。しかしながら、混合チャンバが光パイプから分離されている実施形態もある。以下、本発明の別の実施形態による光源９０の断面図である図８を参照する。光源９０は、光パイプ９３を照明するための混合チャンバ９２を利用する。光パイプ９３は、上述した光パイプ３２に類似した方法で作られる。混合チャンバ９２は、光パイプ９３と同様の屈折率を有する固体構造である。９１で示すＬＥＤは、ＬＥＤよって発生する光が、混合チャンバ９２内に投入されるように位置決めされる。混合チャンバ９２の壁は、アパチャ９５にある壁を除いて、反射性である。混合チャンバ９２はまた、ＬＥＤからの光を再度方向付ける散乱中心を含む。散乱中心は、壁上のコーティングによって、または混合チャンバ９２が作られる媒体内の散乱粒子を含むことによって与えられる。混合チャンバ９２は、屈折率整合セメントによって、光パイプ９３に接合される。

本発明のさまざまな修正は、上述した記載および添付の図面から当業者に明らかになるであろう。したがって、本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

従来技術による光源２０の平面図である。 図１に示す線２−２に沿って切り取った光源２０の断面図である。 本発明の１つの実施形態によるバックライト付きディスプレイの断面図である。 アダプタの１つの実施形態の斜視図である。 本発明による光源を利用したバックライト付きディスプレイの別の実施形態の断面図である。 本発明の１つの実施形態によるアダプタの一部分の分解断面図である。 本発明の別の実施形態による光源を利用したバックライト付きディスプレイの断面図である。 本発明の別の実施形態による光源９０の断面図である。

符号の説明

３０ ディスプレイ
３１ バックライト付き要素
３２ 光パイプ
３３ ＬＥＤ
３４、４５ 散乱中心
３５、４６ リフレクタ
３７、３８ 表面
４３ 角度
４４、４９ 光線
３９ アダプタ
４１ 混合チャンバ
４２ リフレクタ
４７ アパチャ

Claims (7)

1. 反射底面に実質的に平行である透明な上面を有する２次元の透明材料シートを含み、散乱光の一部が前記上面を通って前記透明材料シートから逃れる方向に、前記透明材料シートを進む光を散乱させる光パイプ散乱中心を含む光パイプと、
   複数のＬＥＤおよび、前記透明材料シートの一部分を含む混合チャンバを含む光発生セクションと
   を含み、前記ＬＥＤが前記混合チャンバ内に光を放出するように位置決めされ、前記混合チャンバが反射壁を有するくさび形のキャビティを含むアダプタを含み、前記キャビティが前記光パイプ内に光を方向付けるように位置決めされた開口と、前記反射壁からの反射によって得られない方向に、前記キャビティを進む光を再度方向付けるための混合チャンバ散乱中心とを有し、ここで、前記透明材料シートの前記上面および底面から前記透明材料シート内に光が反射される角度で、前記光パイプ内に方向付けられた前記光の一部分が、前記光パイプに入り、前記混合チャンバ散乱中心を、前記透明材料シートの前記一部分に設けてなる、光源。
2. 前記混合チャンバが、１．３５〜１．７５の屈折率を有する透明材料を含む請求項１に記載の光源。
3. 前記混合チャンバが中空キャビティを含む請求項１に記載の光源。
4. 前記開口が前記透明材料シートの前記底面に平行である平面を含む請求項１に記載の光源。
5. 前記混合チャンバの１つの壁が、前記ＬＥＤが載置された回路キャリアを含む請求項１に記載の光源。
6. 前記回路キャリアが前記ＬＥＤからの熱を伝導するメタルコアを含む請求項５に記載の光源。
7. 前記ＬＥＤが前記混合チャンバに埋め込まれた請求項１に記載の光源。

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