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JP4049267B2 - コンパクトな照明システムとディスプレイデバイス - Google Patents

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Description

本発明は、光源と発光パネルが設けられている、ディスプレイデバイスを照らすための照明システムであって、
- 前記光源が、少なくとも1つの発光ダイオードを有し、
- 前記発光パネルが、前面壁と、当該前面壁の反対側に位置する後面壁と、少なくとも1つの光透過性縁領域とを有し、かつ、
- 前記光透過性縁領域が、前記発光パネルの前記前面壁と前記後面壁の間に位置する、
照明システムに関する。
本発明は、当該照明システムを有するディスプレイデバイスにも関する。
このような照明システムは、それ自体知られていて、エッジライティングシステム(edge lighting system)とも呼ばれる。この照明システムは、特に、（イメージ）ディスプレイデバイス、例えば、テレビ受信機やモニタ用のバックライティングとして使用される。このような照明システムは、特に、例えば、LCDパネルとも呼ばれる液晶ディスプレイデバイスなどの、（携帯型）コンピュータや（コードレス）電話に使用される、非発光型ディスプレイ対するバックライトとして有効に使用できる。
このディスプレイデバイスは、一般には、各ピクセルが少なくとも1つの電極によって駆動される、一定パターンのピクセルが設けられた基板を含む。このディスプレイデバイスは、（イメージ）ディスプレイデバイスの（ディスプレイ）画面の該当領域にイメージまたはグラフィックデータ表現を再現するために、制御回路を使用する。LCDデバイスにおいては、バックライトから発せられた光は、各種の液晶効果が適用された状態で、スイッチまたは変調器によって変調される。さらに、ディスプレイは、電気泳動効果または電気機械効果をベースとするものでもよい。
冒頭の段落に述べられている照明システムにおいては、慣習的に、光源として管状の低圧水銀放電灯、例えば、1つ以上の冷陰極蛍光灯（CCFL）が使用され、動作時、この光源から発せられた光は、光導波管として機能する発光パネルに取り込まれる。この光導波管は、一般には、例えば、合成樹脂材またはガラスから成る相対的に薄く平坦なパネルを形成し、光は、全反射でこの光導波管の中を転送される。
このような照明システムには、エレクトロルミネセント素子（例：発光ダイオード（LED））などの多数の光電素子（電気光学素子とも呼ばれる）の形式の代替光源を設けてもよい。これらの光源は、一般には、動作時、光源から発せられた光が、光透過性縁領域に入射してパネル内に広がるように、発光パネルの光透過性縁領域の近くに、またはこれに隣接させて設けられる。
US-A 5,921,652は、LCDパネルを照らすための照明システムを開示している。光をいわゆる光遷移領域(light transition area)を介して発光パネル（ライトパイプとも呼ばれる）に取り込む発光ダイオード（LED）が、光源用に使用される。光は、光遷移領域の中で混合される。
上記のタイプの照明システムには、光を混合するために必要な空間が大きすぎるという欠点がある。
US-A 5,921,652
本発明の目的は、上記の欠点を完全に、または部分的に解決することである。本発明によると、この目的は、
- 当該照明システムが、前記光源から発せられた光を混合するための光混合パネルを有し、
- 前記光混合パネルに、前記光源から発せられた光を前記光混合パネルに取り込むための光入力縁領域と、前記光混合パネルから光を取り出すための光出力縁領域とが、設けられ、
- 動作時、前記光源から発せられた光が、前記光混合パネルの前記光入力縁領域に入射し、前記光混合パネル内に広がり、
- 光を前記光混合パネルから前記発光パネルに転送するための光転送室が、前記光混合パネルと前記発光パネルの間に位置し、
- 前記光混合パネルと前記発光パネルが、互いに実質的に平行に延在するように配置されている、
ことにより達成される。
コンパクトな照明システムは、光混合パネルが発光パネルに実質的に平行に延在するように、光混合パネルを配置することによって、得られる。一般に、（イメージ）ディスプレイデバイスは、できるだけコンパクトである、すなわち（LCD）ディスプレイ画面を囲む縁部分が占める空間が最小限であることが望ましい。これにより、材料が節約される、従ってコストが節約されることに加えて、さまざまなディスプレイ画面を（同一平面内に）互いに隣接させて、ディスプレイ画面が互いに実質的に接触するように配置できる。さらに、（ピクセルを駆動するための）ディスプレイデバイスの（電気的な）駆動は、照明システムを迂回するように配置する必要があるが、照明システムが占める空間が大きすぎる場合、これらの（標準的な）駆動線が短すぎることがある。光混合パネルが発光パネルに対して上記のように配置される場合には、光混合パネルの長さが、例えば、異なる色の、例えば、1つ以上のLEDを有する光源から発せられる光を十分に混合できる大きさになるという、付加的な重要な利点が達成される。
本発明による方策によって、照明システムによって発せられる光の分布の均一性が向上する。この結果として、（イメージ）ディスプレイデバイスのより均一な照明が達成される。
光混合パネルと発光パネルが互いに実質的に平行に延在するように配置させることによって、相対的にコンパクトな光転送室の設計が可能になる。これを達成するため、照明システムの1つの実施例は、前記光転送室が、楕円形状の反射性内壁を有することを特徴とする。このような光転送室は、光混合パネルから発せられた光を発光パネルに効率的に転送する。楕円形状の内壁を有する光転送室の利点は、「平たい」楕円が相対的に小さい空間を占めることにある。
光混合パネルと発光パネルに対して光転送室の楕円形状の内壁を適切に配置することによって、光が光混合パネルから発光パネルに効率的に転送される。これを達成するために、照明システムの1つの望ましい実施例は、前記楕円の第一焦点が、前記光混合パネルの前記光出力縁領域内または少なくとも近くに位置し、かつ、前記楕円の第二焦点が、前記発光パネルの前記光透過性縁領域内または少なくとも近くに位置するように、具体化される。
光転送室の反射性楕円内壁の形状を適切に選択することによって、光を光混合パネルから発光パネルに効率的に転送することが可能になる。これを達成するために、照明システムのさらなる望ましい実施例は、前記楕円の長軸の長さに対する前記楕円の短軸の長さの比が、
Figure 0004049267
の範囲内にあり、この式において、aは前記楕円の短軸の長さの1/2を表し、bは前記楕円の長軸の長さの1/2を表す、ことを特徴とする。
選択される比a/bが小さいほど、よりコンパクトな光転送室を具体化できる。比a/bが0.4未満の場合には、光の転送効率が減少する。また比a/bが0.4未満の場合、光線が光混合パネルに戻る危険性も増大する。比a/bが1.0を超える場合には、光転送室の物理的な大きさが実用的でなくなる。
より好ましくは、比a/bは、小さすぎないように選択する必要があり、同時に、光転送室の寸法が過度に大きくならないように注意する必要がある。望ましくは、前記楕円の長軸の長さの1/2に対する前記楕円の短軸の長さの1/2の比は、
Figure 0004049267
の範囲内にある。
楕円形状の反射性内壁を有する光転送室の1つの具体的な実施例においては、前記光転送室の前記内壁は、少なくとも実質的に円形であり、前記円の中心が、前記光混合パネルの前記光出力縁領域と前記発光パネルの前記光透過性縁領域の間に位置する。円は、楕円の特殊な態様であり、a = bである。このような形状の光転送室は、特に、光混合パネルと発光パネルの間の距離が非常に小さい場合に好ましい。この構造は、例えば、光混合パネルの光出力縁領域と発光パネルの光入力縁領域の位置において光混合パネルと発光パネルが互いに（実質的に）接触するように、これらがなす角度が小さくなるように、光混合パネルと発光パネルを配置することによって、達成できる。
楕円形状の反射性内壁を有する光転送室以外に、光転送室の代替実施例が可能である。照明システムの1つの代替実施例は、前記光転送室が、2つの光透過プリズムを有することを特徴とする。特定の角度で入射する光は、プリズムによって90゜の角度で再び効率的に放射されることが知られている。発光パネルと実質的に平行に延在するように配置されている光混合パネルにおいて、2つの連続するプリズム（間に空気の隙間が存在していてもよい）によって、光混合パネルから取出された光が、再び発光パネルに効率的に取り込まれる。2つのプリズムを有する光転送室には、このような構造が占める空間が相対的に小さいという利点がある。
照明システムのさらなる代替実施例は、前記光転送室が、多面化された反射性内壁を有することを特徴とする。多面化された内壁は、楕円形状の内壁と光学的に似ている。多面化された反射性内壁は、相対的に小さい空間を占め、壁の相対的に小さい部分を曲げるのみでよいため、容易に製造できる。反射率の高い鏡は、場合によっては、曲げた後に正反射成分が減少することが知られているが、この効果は、多面化することによって軽減される。
光混合パネルの壁厚が、光源の発光面の大きさに対して大幅に異なる場合には、光源から発せられて光混合パネルに取り込まれる光の入力を改良することが望まれる。これを達成するために、照明システムの1つの実施例は、前記光源から発せられた光を前記光混合パネルに取り込むための光コリメーティング要素が、前記光源と前記光混合パネルの間に位置することを特徴とする。
一般に、光混合パネルは、（イメージ）ディスプレイデバイスの（ディスプレイ）画面と寸法が一致する発光パネルに似るように、長方形である。照明システムの1つの代替実施例においては、前記光混合パネルは、前記光出力縁領域から遠ざかる方向に狭まる。照明システムの1つの代替実施例においては、2つ以上のこのような光混合パネルが、互いに隣接して配置される。このことは、このような相対的に小さい寸法の光混合パネルがより小さい空間を占めることと、必要な材料が少なく、結果的にディスプレイデバイスの重量が軽減するという利点を有する。
照明システムのさらなる代替実施例においては、光混合パネルは、前記光出力縁領域の方向に狭まり、従って、LEDは、幅の広い方の縁領域を介して光を取り込み、この光は、光出力縁領域まで横切って進む。これに代えて、2つのこのようなミラー形式の混合パネルであって、並列に配置され、これによって光を2つの縁領域を介して取り込むことのできる、混合パネルが可能である。
照明システムのさらなる代替実施例においては、光混合パネルの光入力縁領域に、光が光混合パネル内をより大きな角度で伝播してその結果として色混合および／または光束の均質化が向上するような構造が設けられ、かつ、光混合パネルの光出力縁領域に、この縁領域に入射する光が全反射されないような構造、すなわち反射縁領域に起因して全反射が起こらないような構造が設けられる。
照明システムのさらなる代替実施例においては、光混合パネルの光出力縁領域と発光パネルの光入力縁領域は、互いにある角度をなすような向きに配置される。このような実施例は、光転送室の効率が高まるという利点を有する。
照明システムの1つの望ましい実施例においては、前記光混合パネルが、第一および第二光入力縁領域と第一および第二光出力縁領域とをそれぞれ有する、第一および第二部分を有することと、前記第一および第二光混合パネル部分から前記発光パネルに光を転送するための第一および第二光転送室が、前記第一および第二光混合パネル部分と前記発光パネルの間に位置することとを特徴とする。このような実施例は、光束の均質性がさらに向上するという利点を有する。
この望ましい実施例の第一バージョンにおいては、前記光源は、前記第一および第二光混合パネル部分に共通である。このことは、例えば、相対的に高い立体角への放射パターンを有する多数のLEDによって形成される光源の場合に、特に有利である。
この望ましい実施例の第二バージョンにおいては、前記光源は、前記第一および第二光入力縁領域にそれぞれ結合される第一および第二セクションを有する。このようにして、明るさのさらなる向上が、有利に達成される。
照明システムの1つの望ましい実施例は、前記光源が、第一、第二、および第三発光波長を有する少なくとも3つの発光ダイオードを有し、当該発光波長が相異なることを特徴とする。望ましくは、前記光混合パネルの前記光入力縁領域に対応する前記光源は、青、緑、および赤の発光ダイオード群を有する。
例えば、白の（光束の高い）LEDが使用される、または2種類のLEDであって、一方が2つの発光波長（例：青と緑）で発光し、他方が別の発光波長（例：赤）で発光するLEDが使用される場合には、光混合パネルにおける光混合の原理を使用して光束分布を均質化することもできる。その結果として、光混合パネルは、2つの役割として、1つ以上の個別の（LED）光源から発せられる光分布を均質化する役割と、異なる色の光源が使用される場合に色を混合する役割とを果たす。2つの発光波長を有するLEDは、LEDに蛍光体を設けることによって得られ、この結果として、LEDによって発せられる光の発光は、蛍光体によって別の必要な発光波長に変換される。この目的のため、赤のLEDと、他の色を生成するための蛍光体LEDとの組合せの使用が、特に適切である。
LEDを使用する方法には、動的な照明が可能になるという付加的な利点がある。この目的のため、動作時に光源によって発せられる光の光学特性を測定するためのセンサを、光混合パネルの縁領域に、または望ましくは発光パネルの縁領域に配置させることが望ましい。異なるタイプのLEDが組み合わされる、および／または、異なる色のLEDが使用される場合には、例えば、必要な色温度を有する白色光を照明システムに発光させるのに必要な方法によって、色を混合できる。さらに、ディスプレイデバイスの状態に関係なく、色を変化させることができる。
LEDによって発せられる光の量は、発光ダイオードの光束を変えることによって調整される。光束の調整は、一般には良好なエネルギ効率の下に行われる。例えば、効率を大きく低下させることなくLEDを暗くすることができる。発光ダイオードによって発せられる光の強さは、ディスプレイデバイスに表示させるイメージの照明レベルに応じて、または周囲光のレベルに応じて可変であることが望ましい。ディスプレイデバイスによって表示されるイメージの色点(color point)は、照明システムによって決定されることが望ましい。これにより、ディスプレイデバイスによって表示されるイメージの動的範囲（例：コントラスト）が改良される。
本発明による方策によって、照明システムによって発せられる光は、より均一に分布する。この結果として、（イメージ）ディスプレイデバイスがより均一に照らされる。さらに、本発明による照明システムによって、光の均一性が同じであり、（横方向に）よりコンパクトな照明システムを得ることが可能になる。
照明システムは、発光ダイオードの光束を変化させるための制御エレクトロニクスを有することが望ましい。適切な制御エレクトロニクスにより、必要な色温度効果を達成することが可能になる。アセンブリの使用者が、例えば、周囲光の色温度を測定するセンサによって、例えば、（パーソナル）コンピュータのビデオカードによって、および／または、コンピュータプログラムの駆動ソフトウェアによって、制御エレクトロニクスを制御することができれば、このことは、特に適切である。
発光パネルの前面壁、または望ましくは後面壁には、一般に、パネルから光を取り出すための手段が設けられる。光を取り出すためのこれらの手段は、出力要素とも呼ばれる。これらの手段は、それ自体が公知であり、変形（パターン）を有する。この手段は、発光パネルから、反射、散乱、および／または屈折によって光を取り出す。光を取り出すためのこの手段は、一般に、該当する発光パネルの後面壁の全体にわたり均一に分布するのではなく、該当する発光パネルからできるだけ均一に光が出られるようにする所定の勾配が、この手段に設けられる。
本発明の上記およびその他の観点は、以下に説明される実施例を参照しながら明確に解明されるであろう。
図面は純粋な線図であり、正しい縮尺では描かれていない。特に見やすさを目的として、いくつかの寸法は大きく誇張されている。各図においては、可能な限り、類似する参照番号は類似する部分を指す。
図1は、本発明による照明システムの実施例を有するディスプレイデバイスの線図的な側面図である。この照明システムは、光透過性材料の発光パネル1を有する。発光パネル1は、例えば、合成樹脂、アクリル、ポリカーボネート、PPMA（例：パースペックス）、またはガラスから成る。動作時、光は、全反射の影響下においてパネル1を介して転送される。パネル1は、前面壁2と、この前面壁と反対側の後面壁3とを有する。発光パネル1の前面壁2と後面壁3の間に、少なくとも1つの光透過性縁領域4がある。この照明システムは、光源6、例えば、多数の発光ダイオード（LED）を有する。この照明システムは、さらに、光源6から発せられた光を混合するための光混合パネル5を有する。光混合パネル5には、光源6から発せられた光を光混合パネル5に取り込むための光入力縁領域7が設けられている。光混合パネル5には、光混合パネル5から光を取り出すための光出力縁領域8が設けられている。図1に示されている状況においては、動作時、光源6から発せられた光は、光混合パネル5の光入力縁領域7に入射し、この光は、光混合パネル5内に広がる。この照明システムには、光を光混合パネル5から発光パネル1に転送するための光転送室9が、光混合パネル5と発光パネル1の間に位置する。光混合パネル5と発光パネル1は、互いに実質的に平行に配置される。図1に示されている例においては、光転送室9は、楕円状形の反射性内壁10を有する。
発光パネル1は、動作時、ディスプレイデバイス、例えば液晶ディスプレイ（LCD）デバイス12の方向に光を発する。この目的のため、発光パネル1の後面壁3には、発光パネル1から光を取り出すための手段（図1には示されておらず、図2Aを参照）が設けられている。
発光パネル1と、光源6と、光混合パネル5と、光転送室9と、LCDデバイス12のアセンブリは、ハウジング（図1には示されていない）に収容されているか否かに関係なく、例えば、（ビデオ）イメージを表示するためのディスプレイデバイスを形成する。
照明システムの1つの代替実施例においては、発光パネルおよび／または光混合パネルの幾何学的形状は、直角に限定されない。発光パネルおよび／または光混合パネルを直角のブロックとプリズムのアセンブリとして考える場合、発光パネルの光入力縁領域および／または光混合パネルの光出力縁領域は、プリズムの傾斜面を形成する。このような構造の利点は、光束が光転送室によって転送される効率が向上することである。
光源6は、多数の発光ダイオード（LED）を有する。一般に、光源としてのLEDの明るさは、蛍光灯の何倍にもあたる。さらに、LEDを使用すると、光がパネルに取り込まれる効率が、蛍光灯の場合よりも高い。光源としてLEDを使用することには、合成樹脂材料から成るパネルにLEDが接触してよいという利点がある。LEDは、発光パネル1の方向にほとんど熱を発することがなく、有害な（UV）放射を発しない。LEDを使用することには、LEDから発せられる光をパネルに取り込むための手段を省略できるというさらなる利点もある。LEDを使用することにより、都合よく、よりコンパクトな照明システムになる。照明システムにおいて、LEDは、適切に選択された赤、緑、青のLED群か、一色または二色LEDの適切なその他の組合せか、または光束の大きい多数の白色LEDを有する。
照明システムのいくつかの異なる実施例に採用されるLEDは、それぞれ、少なくとも50 mWの光学的光束を有することが望ましい。このような高い出力のLEDは、LEDパワーパッケージとも呼ばれる。パワーLEDの例として、「LuxeonTM」型LED（Lumiled）があげられ、LEDあたりの光束は、赤LEDの場合に35 lm、緑LEDの場合に20 lm、青LEDの場合に8 lm、琥珀LEDの場合に40 lmである。
代替実施例においては、（2つのスペクトル光放射波長が使用されるか否かに関係なく）光出力が相対的に高い、黄、琥珀、シアン、マゼンタ、および／または紫のLEDを使用してもよい。また、光束の高い多数の白色LEDを採用することも可能である。さらなる代替実施例においては、赤LEDと青LEDを組み合わせることもでき、この場合、青LEDが、2つのスペクトル帯、すなわち青帯と緑帯において発光するように、青LEDに蛍光体が設けられる。
LEDは、（金属コアの）印刷回路基板上に取り付けることが望ましい。パワーLEDがこのような（金属コアの）印刷回路基板（PCB）上に取り付けられる場合、LEDによって生成される熱を、熱伝導によって印刷回路基板を介して容易に放散させることができる。照明システムの1つの興味深い実施例においては、（金属コアの）印刷回路基板は、熱伝導接続を介してディスプレイデバイスのハウジングに接触する。
発光パネル1に、光の光学的特性を測定するためのセンサ（図1には示されていない）をさらに設けてもよい。このセンサは、光源6の光束を適切に適合させるための制御エレクトロニクス（図1には示されていない）に結合される。センサと制御エレクトロニクスとによって、発光パネル1から取り出される光の質と量を制御するために使用できる、フィードバック機構を得ることができる。
図1に示されている光転送室5は、楕円形状の反射性内壁10を有する。望ましくは、楕円の第一焦点f1は、光混合パネル5の光出力縁領域8内または少なくとも近くに位置し、かつ、楕円の第二焦点f2は、発光パネル1の光透過性縁領域4内または少なくとも近くに位置する。この楕円ミラーによって、光混合パネル5から発せられた光は、発光パネル1に効率的に転送される。2つの焦点が、光転送室内のそれぞれの縁領域から小さい距離（例：0.2 mm）に位置するならば（図1に示されている状況を参照）、特に好ましい。このようにして、（特に）光混合パネル5の縁領域の端において意図に反して光が取出されしまうことに起因する光の損失が、実質的に低減される。一般に、楕円には、いわゆる短軸（その半分の長さがa）といわゆる長軸（その半分の長さがb）とがあり（いずれも図1に示されている）、この楕円は次の数学的関係を満たす。
Figure 0004049267
この式において、xとyは公知のデカルト座標である。楕円の比a/bは、次の範囲内にある。
Figure 0004049267
選択される比a/bが小さいほど、よりコンパクトな光転送室5を具体化できる。比a/bが0.4未満の場合には、光の透過の効率が減少し、光線が光混合パネル5に戻る危険性が増大する。比a/bが1.0を超える場合には、光転送室9の物理的な大きさが実用的でなくなる。一例として、比a/b = 0.5においては、光転送室9における余分な光の損失は、約10 %である（図6も参照）。この値は、光混合パネル5と発光パネル1の間にそれぞれの縁領域8、4の位置において約0.5 mmの隙間が存在し、かつ、光混合パネル5の厚さと発光パネル1の厚さがそれぞれの縁領域8、4の位置において約6 mmであるという想定に基づく。
比a/b = 1の場合には、光転送室5の内壁は少なくとも実質的に円形であり、光転送室5は、中空円筒を半分に切った形状となる。この場合には、円の中心は、光混合パネル5の光出力縁領域8と発光パネル1の光透過性縁領域4の間に位置する。光転送室9のこのような形状は、特に、光混合パネル5と発光パネル1の間の距離が非常に小さい場合に好ましい。この構造は、例えば、光混合パネル5の光出力縁領域8と発光パネル1の光入力縁領域4の位置において、光混合パネル5と発光パネル1が（少なくとも実質的に）互いに接触するように、光混合パネル5と発光パネル1が小さい角度をなすようにこれらを配置することによって達成できる。
より好ましくは、比a/bは、小さすぎないように選択する必要があり、同時に、光転送室9の過度に大きくならないように注意する必要がある。比a/bは、
Figure 0004049267
の範囲内にあることが望ましい。
比
Figure 0004049267
は、特に好ましい。この値は、光混合パネル5と発光パネル1の間にそれぞれの縁領域8、4の位置において約0.5 mmの隙間が存在し、かつ、光混合パネル5と発光パネル1の厚さがそれぞれの縁領域8、4の位置において約6 mmであるという想定に基づく。
図2Aは、本発明による照明システムの代替実施例の線図的な断面図である。この照明システムは、発光パネル1と、光混合パネル5と、光を光混合パネル5から発光パネル1に転送するための光転送室9とを有する。光混合パネル5と発光パネル1は、互いに実質的に平行になるように配置されている。光源は、図2Aには図示されていない。なぜなら、図2B〜2Eに、光混合パネル5のさまざまな実施例が示されていて、LEDが設けられている位置がそれぞれ異なるためである。
動作時、発光パネル1は、ディスプレイデバイス、例えば、液晶ディスプレイ（LCD）デバイス（図2Aには示されていない）の方向に光を発する。この目的のため、発光パネル1の後面壁3には、発光パネル1から光を取り出すための手段15が設けられている。これらの手段15は、変形部（パターン）と、例えば、スクリーン印刷されたドット、くさび、および／または隆起を有する。手段15は、例えば、印刷、圧縮、エッチング、スクライビング、または砂吹きによってパネル1の後面壁に設けられる。1つの代替実施例においては、これらの変形は、発光パネルの前面壁に設けられる。手段15は、発光パネル1から、反射、散乱、および／または屈折によって光を取り出す。光を取り出すためのこの手段は、一般に、該当する発光パネルの後面壁の全体にわたり均一に分布していない。これに代えて、この手段には、該当する照明システムからできるだけ均一に光が出られるようにする所定の勾配が、設けられている。
光を取り出すための手段15は、二次光源としての役割を果たす。この第二光源を、例えば、（図2Aには示されていない）前面壁2に設けられている固有の光学系と関連付けても良い。この光学系を、例えば、幅広い光ビームを生成するために使用しても良い。
図2Aには、光線が、矢印によって線図的に示されている。この光線の光は、光混合パネル5から光出力縁領域8を介して取出され、次いで、光転送室9の楕円形（焦点はf1とf2）の反射性内壁によって反射される。その後、この光は、発光パネル1の光入力縁領域4に取り込まれ、次いで、手段15により発光パネル1の前面壁2取り出される。
図2B〜2Eは、図2Aに示されている光混合パネルのさまざまな実施例の側面図である。図2B〜2Eにおける光混合パネルの向きは、図2Aの図面の平面に対して横向きである。
図2Bは、図2Aの光混合パネルの1つの実施例の側面図である。この例においては、光源は、光を光混合パネル5の光入力縁領域7に取り込む、青（6B）、緑（6G）および赤（6R）のLEDの直線配列を有する。光入力縁領域7には、この例においては、取り込まれた光ビームを広げるためのいわゆるビーム幅広化構造(beam broadening structure)17が設けられている。光混合パネル5には、光混合パネル5から光を取り出すための光出力縁領域8が、さらに設けられている。この光出力縁領域には、この例においては、光混合パネル5から光転送室への光の出力を向上させるための手段18（図2Bには示されていない）も設けられている。図2Bの例においては、光混合パネル5の側面に、（鏡面の）反射性の側面14、14'が設けられている。図2Bに示されている状況においては、動作時、LED 6B、6G、6Rから発せられた光は、ビーム幅広化構造17が設けられた光入力縁領域7に入射し、次いで、この光は、光混合パネル5内に広がり、混合された後、手段15が設けられた光出力縁領域8を介して光混合パネル5から取り出される。図2Bにおいて、矢印は、光線を線図的に示し、この光線は、LED 6B、6G、6Rから発せられて、光混合パネル5の中を通り、光混合パネル5から取り出される。
図2Cは、図2Aの光混合パネルの1つの代替実施例の側面図である。この例においては、光入力縁領域7と光出力縁領域8は、ある角度（図2Cに示されている例においては直角）をなすように配置されている。さらに、この光混合パネル5は、光入力縁領域7から遠ざかる方向に狭まっている。光混合パネル5の側面のうち、光出力縁領域8の反対側に位置する側面には、この例においては、光混合パネル5から光を取り出すための手段15が設けられている。この側面には、拡散的に反射させるミラー24が、さらに設けられている。光源は、光を光混合パネル5の光入力縁領域7に取り込む、青（6B）、緑（6G）、および赤（6R）のLEDの直線配列を有する。図2Cに示されている状況においては、動作時、LED 6B、6G、6Rから発せられた光は、光入力縁領域7に入射し、次いで、この光は、光混合パネル5内に広がり、混合された後、手段15によって光出力縁領域8を介して光混合パネル5から取り出される。図2Cにおいて、矢印は、光線を線図的に示し、この光線は、LED 6B、6G、6Rから発せられて、光混合パネル5の中を通り、光混合パネル5から取り出される。
図2Dは、図2Aに示されている光混合パネルのさらなる代替実施例の側面図である。この例においては、光入力縁領域7と光出力縁領域8は、ある角度（図2Dに示されている例においては直角）をなすように配置される。光混合パネル5の側面のうち、光出力縁領域8の反対側に位置する側面には、この例においては、光混合パネル5から光を取り出すための手段15が設けられている。光混合パネル5の側面のうち、光入力縁領域7の反対側に位置する側面には、この例においては、（鏡面的に）反射するミラー14が設けられている。光源は、光を光混合パネル5の光入力縁領域7に取り込む、青（6B）、緑（6G）、および赤（6R）のLEDの直線配列を有する。図2Dに示されている状況においては、動作時、LED 6B、6G、6Rから発せられた光は、光入力縁領域7に入射し、次いで、この光は、光混合パネル5内に広がり、混合された後、手段15によって光出力縁領域8を介して光混合パネル5から取り出される。図2Dにおいて、矢印は、光線を線図的に示す。この光線は、LED 6B、6G、6Rから発せられて、光混合パネル5の中を通り、光混合パネル5から取り出される。
図2Eは、図2Aに示されている光混合パネルのさらなる代替実施例の側面図である。この例においては、光入力縁領域7と光出力縁領域8は、ある角度（図2Eに示されている例においては直角）をなすように配置されている。光出力縁領域8には、この例においては、光混合パネル5から光を取り出すための手段15が設けられている。光混合パネル5の側面のうち、光入力縁領域7の反対側に位置する側面には、この例においては、（鏡面的に）反射するミラー14が設けられている。光源は、光を光混合パネル5の光入力縁領域7に取り込む、青（6B）、緑（6G）、および赤（6R）のLEDの直線配列を有する。図2Eに示されている状況においては、動作時、LED 6B、6G、6Rから発せられた光は、光入力縁領域7に入射し、次いで、この光は、光混合パネル5内に広がり、混合された後、手段15によって光出力縁領域8を介して光混合パネル5から取り出される。図2Eにおいて、矢印は、光線を線図的に示す。この光線は、LED 6B、6G、6Rから発せられて、光混合パネル5の中を通り、光混合パネル5から取り出される。
図3Aは、本発明による照明システムの1つの代替実施例の線図的な断面図である。この照明システムは、発光パネル1と、光混合パネル5と、光を光混合パネル5から発光パネル1に転送するための光転送室9とを有する。光混合パネル5と発光パネル1は、互いに実質的に平行に延在するように配置されている。図3Aに示されている照明システムの例の場合、特に空間が節約される。これを達成するため、光混合パネル5は、光入力縁領域7から光出力縁領域8の方向に狭まっていて、かつ、発光パネル1は、（光混合パネル5と相補的になるように）光入力縁領域4から遠ざかる方向に狭まっている。
動作時、発光パネル1は、ディスプレイデバイス、例えば、液晶ディスプレイ（LCD）デバイス（図3Aには示されていない）の方向に光を発する。この目的のため、発光パネル1の後面壁3には、発光パネル1から光を取り出すための手段15が設けられている。
図3Aにおいて、矢印は、光線を線図的に示す。この光線の光は、光源6から発せられて、光入力縁領域7を介して光混合パネル5に取り込まれ、光混合パネル5内に広がり、光出力縁領域8を介して光混合パネル5から取り出される。その後、この光は、光転送室9の楕円形の反射性内壁10によって反射され、次いで、発光パネル1の光入力縁領域4を介して取り込まれ、その後、手段15を介して発光パネル1の前面壁2から取り出される。図3Aに示されている照明システムの代替実施例においては、光転送室は、非対称の楕円形状を有する内壁を有する。非対称的なミラーによって、光混合パネル5の光出力縁領域8と、発光パネル1の光入力縁領域4の寸法の違いが補正される。
図3B〜3Dは、本発明による照明システムのさらなる代替実施例の線図的な断面図である。この照明システムは、発光パネル1と、光混合パネル5とを有する。光混合パネル5は、第一部分51および第二部分52と、光を光混合パネル5から発光パネル1に転送するための第一光転送室91、191および第二光転送室92、192とを有する。図3Bと3Cに示されている実施例においては、光源6は、第一および第二光入力縁領域71、72にそれぞれ結合されている第一および第二セクション61、62を有する。この光源は、例えば、LEDによって形成される。このようにして、図3Aによる照明システムの実施例と比較して2倍のLEDを取り付けることによって、照明システムの増大した明るさを実現することが可能であり、これは有利である。図3Bによる実施例においては、光源セクション61、62を形成するLEDから放射された光は、光コリメーティング要素161、162を利用することにより、それぞれの光混合パネル部分に取り込まれる。この実施例は、光源の取り付けが相対的に単純であると同時に、光混合パネル部分に光が効率的に取り込まれるという利点を有する。照明システムにおいて利用できる深さが制限されることに関して、図3Cに示されている実施例による光源セクションの構成は、有利となりうる。図3Dに示されているさらなる代替実施例においては、光源は、第一および第二光混合パネル部分に共通である。このような構成は、放射パターンの立体角が相対的に大きい光源の場合に、特に有用である。このさらなる実施例においては、第一および第二光転送室191、192は、それぞれ、2つの光透過プリズム21および21'と22および22’を有し、このタイプの光転送室は、図5Aと、対応する説明の中で詳細に明らかにされている。
図4Aは、本発明による照明システムのさらなる代替実施例の断面図である。この照明システムは、発光パネル1と、光混合パネル5と、光を光混合パネル5から発光パネル1に転送するための光転送室9とを有する。光混合パネル5と発光パネル1は、互いに実質的に平行に延在するように配置される。
図4Aにおいて、矢印は、光線を線図的に示す。この光線の光は、光源6から発せられて、光入力縁領域7を介して光混合パネル5に取り込まれ、光混合パネル5内に広がり、光出力縁領域8を介して光混合パネル5から取出された後、光転送室9の楕円形の反射性内壁によって反射され、次いで、光入力縁領域4を介して発光パネルに取り込まれ、その後、手段15を介して発光パネル1の前面壁2から取り出される。
図4Bと4Cは、図4Aに示されている光混合パネルの、空間と材料が節約される2つの実施例を示す。これらの図は、光混合パネルの実施例として、光混合パネル5が光入力縁領域7から光出力縁領域8の方向に幅が広がる実施例を示している。図4Bにおいては、LED 6B、6G、6Rは、光入力縁領域7に接触する。これに対して図4Cにおいては、光混合パネル5にくぼみ16、16'、...が設けられ、従って、より発散的な光ビームが得られ、従って、光混合パネル5における色の混合または光束の均質性が向上する。くぼみ16、16'、...は、LEDのうち光が発せられる部分がこのくぼみに収まるような形状である。図4Cにおいては、光混合パネル5の側面に、（鏡面的に）反射する側面14、14'がさらに設けられている。
図5Aは、本発明による照明システムのさらなる代替実施例の細部のきわめて線図的な断面図であり、この実施例においては、光転送室19が、2つの光透過プリズム20、20'を有する。光混合パネル5と発光パネル1は、一部のみ示されている。望ましくは、光転送室は、鏡面的に反射する内壁を有する。矢印は、光ビームを線図的に示す。プリズムの間の空気の隙間が十分に小さい場合には、光混合パネルから取出された各光ビームは、発光パネル1に取り込まれる。代替実施例においては、2つのプリズムの間に空気室または光導波管が存在する。
図5Bは、本発明による照明システムのさらなる代替実施例の細部のきわめて線図的な断面図であり、この実施例においては、光転送室29が、多面化された反射性内壁30を有する。望ましくは、光転送室29は、5枚以上、望ましくは8枚の反射性小面を有する。5枚の反射性小面を有する内壁は、楕円形の内壁と比較して、光束の結合効率が5 %低下し、8枚の反射性小面を有する内壁は、光束の結合効率が2 %低下する。光混合パネル5と発光パネル1は、一部しか示されていない。
図6は、180°の反射性楕円の光束の結合効率Fが、楕円の短軸の長さと長軸の長さの比の関数としてプロットされているグラフを示す。効率Fは、発光パネル1における光束に対する光混合パネル5における光束の比（単位%）である。楕円の反射性内壁による反射の効率は、0.95である。図6に示されている丸プロットは、光混合パネル5と発光パネル1の間の距離が0.5 mmであるときの実験の結果に対応する。図6に示されている四角プロットは、光混合パネル5と発光パネル1の間の距離が0.6 mmであるときの実験の結果に対応する。約9.5 %の光の損失は、反射性楕円における吸収と散乱に起因するものと考えられる。比a/bが小さくなると（楕円が平たくなると）、光混合パネル5から発せられた光ビームが光混合パネル5に戻る危険性が増大する結果として、この損失が大きくなる。留意すべき点として、この実験において、光混合パネル5と発光パネルの間の隙間は光を反射しない。この隙間に反射性の箔(foil)を設けることによって、反射はさらに2 %増大する。
当業者には、本発明の範囲内において多数のバリエーションが可能であることが明らかであろう。
本発明の保護の範囲は、本文書に示されている例に限定されない。本発明は、新規の各特徴と、新規の特徴の各組み合わせにおいて具体化される。請求項における参照数字は、その保護の範囲を限定するものではない。動詞「有する」とその活用形の使用は、請求項に記載される以外の要素の存在を除外するものではない。要素の前の冠詞「a」または「an」は、そのような要素の複数の存在を除外するものではない。
本発明による照明システムの実施例を有するディスプレイデバイスの側面図である。 本発明による照明システムの代替実施例の断面図である。 図2Aの光混合パネルのさまざまな実施例の側面図である。 図2Aの光混合パネルのさまざまな実施例の側面図である。 図2Aの光混合パネルのさまざまな実施例の側面図である。 図2Aの光混合パネルのさまざまな実施例の側面図である。 本発明による照明システムの代替実施例の断面図である。 本発明による照明システムの他のさまざまな代替実施例の断面図である。 本発明による照明システムの他のさまざまな代替実施例の断面図である。 本発明による照明システムの他のさまざまな代替実施例の断面図である。 本発明による照明システムのさらなる代替実施例の断面図である。 図4Aの光混合パネルのさまざまな実施例の側面図である。 図4Aの光混合パネルのさまざまな実施例の側面図である。 本発明による照明システムのさらなる代替実施例の細部の断面図である。 本発明による照明システムのさらなる代替実施例の細部の断面図である。 180゜の楕円の光束の結合効率が、楕円の短軸と楕円の長軸の間の比の関数としてプロットされているグラフを示す。
符号の説明
1 発光パネル
2 前面壁
3 後面壁
4 光透過性縁領域
5 光混合パネル
6 光源
7 光入力縁領域
8 光出力縁領域
9 光転送室
10 反射性内壁
12 液晶ディスプレイ（LCD）デバイス
14 ミラー
14、14' 反射性の側面
15 光混合パネル5から光を取り出すための手段
16、16'、... くぼみ
17 ビーム幅広化構造
18 出力を向上させるための手段
19 光転送室
20、20' 光透過プリズム
21、21'、22、22’ 光透過プリズム
24 ミラー
29 光転送室
30 多面化された反射性内壁
51、52 光混合パネル部分
61、62 光源セクション
71、72 光入力縁領域
91、92、191、192 光転送室
F 光束の結合効率

Claims (17)

  1. 光源と発光パネルが設けられている、ディスプレイデバイスを照らすための照明システムであって、
    - 前記光源が、少なくとも1つの発光ダイオードを有し、
    - 前記発光パネルが、前面壁と、当該前面壁の反対側に位置する後面壁と、少なくとも1つの光透過性縁領域とを有し、かつ、
    - 前記光透過性縁領域が、前記発光パネルの前記前面壁と前記後面壁の間に位置する、
    照明システムにおいて、
    - 当該照明システムが、前記光源から発せられた光を混合するための光混合パネルを有し、
    - 前記光混合パネルに、前記光源から発せられた光を前記光混合パネルに取り込むための光入力縁領域と、前記光混合パネルから光を取り出すための光出力縁領域とが、設けられ、
    - 動作時、前記光源から発せられた光が、前記光混合パネルの前記光入力縁領域に入射し、前記光混合パネル内に広がり、
    - 光を前記光混合パネルから前記発光パネルに転送するための光転送室が、前記光混合パネルと前記発光パネルの間に位置し、かつ、
    - 前記光混合パネルと前記発光パネルとが、互いに実質的に平行に延在し、かつ、前記発光パネルの後壁面が前記光混合パネルに面するように配置されている
    ことを特徴とする、照明システム。
  2. 前記光転送室が、楕円形状の反射性内壁を有することを特徴とする、請求項1に記載の照明システム。
  3. - 前記楕円の第一焦点が、前記光混合パネルの前記光出力縁領域内または少なくともその近くに位置し、かつ、
    - 前記楕円の第二焦点が、前記発光パネルの前記光透過性縁領域内または少なくともその近くに位置する、
    ことを特徴とする、請求項2に記載の照明システム。
  4. 前記楕円の長軸の長さの1/2(b)に対する前記楕円の短軸の長さの1/2 (a)の比が、
    Figure 0004049267
    の範囲内にあることを特徴とする、請求項2に記載の照明システム。
  5. 前記楕円の長軸の長さの1/2 (b)に対する前記楕円の短軸の長さの1/2 (a)の比が、
    Figure 0004049267
    の範囲内にあることを特徴とする、請求項4に記載の照明システム。
  6. 前記光転送室の前記内壁が、少なくとも実質的に円形であり、前記円の中心が、前記光混合パネルの前記光出力縁領域と前記発光パネルの前記光透過性縁領域の間に位置することを特徴とする、請求項3に記載の照明システム。
  7. 前記光転送室が、2つの光透過プリズムを有することを特徴とする、請求項1に記載の照明システム。
  8. 前記光転送室が、多面化された反射性内壁を有することを特徴とする、請求項1に記載の照明システム。
  9. 前記光源から発せられた光を前記光混合パネルに取り込むための光コリメーティング要素が、前記光源と前記光混合パネルの間に位置することを特徴とする、請求項1、2、7、または8に記載の照明システム。
  10. 前記光混合パネルが、前記光出力縁領域から遠ざかる方向に狭まることを特徴とする、請求項1、2、7、または8に記載の照明システム。
  11. 前記光源が、第一、第二、および第三発光波長を有する少なくとも3つの発光ダイオードを有し、当該発光波長が相異なることを特徴とする、請求項1、2、7、または8に記載の照明システム。
  12. 前記光混合パネルの前記光入力縁領域に対応する前記光源が、青、緑、および赤の発光ダイオード群を有することを特徴とする、請求項11に記載の照明システム。
  13. 前記光混合パネルが、第一および第二光入力縁領域と第一および第二光出力縁領域とをそれぞれ有する、第一および第二部分を有することと、前記第一および第二光混合パネル部分から前記発光パネルに光を転送するための第一および第二光転送室が、前記第一および第二光混合パネル部分と前記発光パネルの間に位置することとを特徴とする、請求項1、2、7、または8に記載の照明システム。
  14. 前記光源が、前記第一および第二光混合パネル部分に共通であり、かつ、動作時に、前記光源から発せられた光が、前記第一および第二光入力縁領域の双方に入射することを特徴とする、請求項13に記載の照明システム。」である。
  15. 前記光源が、前記第一および第二光入力縁領域にそれぞれ結合される第一および第二セクションを有することを特徴とする、請求項13に記載の照明システム。
  16. 請求項1、2、7、または8に記載の照明システムを有するディスプレイデバイス。
  17. 前記ディスプレイデバイスが、液晶ディスプレイを有する、請求項16に記載のディスプレイデバイス。
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