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図面 (7)

課題・解決手段

フラットパネルLCDバックライティング装置プリズム屈折アレイプリズム角度出射窓と、その周囲を取り囲む物質、たとえば、ガラスと空気の臨界角と一致させる。出射窓及びその周囲を取り囲む空気の臨界角に関連して屈折アレイのプリズム角度を選択することにより、出射窓の中の全反射によって失われる光は、全ての光出力を選択された視覚の範囲内で導くことにより、ほぼになる。フラットパネルバックライト装置から出力される利用可能な光をより良く利用することにより、LCD装置総効率は向上する。

概要

背景

概要

フラットパネルLCDバックライティング装置プリズム屈折アレイプリズム角度出射窓と、その周囲を取り囲む物質、たとえば、ガラスと空気の臨界角と一致させる。出射窓及びその周囲を取り囲む空気の臨界角に関連して屈折アレイのプリズム角度を選択することにより、出射窓の中の全反射によって失われる光は、全ての光出力を選択された視覚の範囲内で導くことにより、ほぼになる。フラットパネルバックライト装置から出力される利用可能な光をより良く利用することにより、LCD装置総効率は向上する。

目的

効果

実績

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0件
牽制数
4件

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請求項1

液晶表示装置(LCD)でバックライトとして使用するための光源を含むフラットパネルライトボックスにおいて、所定の屈折率と、周囲を取り囲む媒体関数としての臨界角とを有し、前記ライトボックスからの光の出射平面を規定する透明出射窓と;前記出射窓と一体であり且つ前記出射平面に対して前記臨界角の関数として向きを定められている切子面を規定する切子面構造とを具備して成る改良。

請求項2

前記光源は可視光を発する蛍光ランプである請求項1記載の改良。

請求項3

前記出射窓は透明材料であり且つ前記屈折率は1.15から2.9である請求項1記載の改良。

請求項4

前記透明出射窓はガラス及びプラスチックの一方の材料から形成されている請求項2記載の改良。

請求項5

光源は紫外線放射を発するランプであり且つ出射窓は紫外線放射を可視放射に変換するりん光被覆膜を有する請求項1記載の改良。

請求項6

前記周囲を取り囲む媒体は空気である請求項1記載の改良。

請求項7

前記切子面構造は複数の隣接する平行な溝から構成されており、前記溝の内面が前記切子面を規定する請求項1記載の改良。

請求項8

前記溝はV字形溝である請求項7記載の改良。

請求項9

前記切子面構造はプリズム構造から構成されており、各プリズム構造は少なくとも4つの切子面を有する請求項1記載の改良。

請求項10

各切子面の向きは前記出射平面に対し垂直な軸に対して前記臨界角を成すように定められている請求項9記載の改良。

請求項11

光源と;前記光源を収納しており、前記光源にさらされる内面と、前記内面とは反対の側の外面とを規定する平坦で透明な出射窓を含み、前記外面は前記内面とほぼ平行であり、前記出射窓は、周囲を取り囲む媒体と関連して臨界角を規定する所定の屈折率を有し、前記内面と前記外面のうち少なくとも一方は平坦ではなく、複数の切子面を規定する切子面構造を含み、前記切子面は前記内面と前記外面の前記少なくとも一方に対して、前記臨界角の関数である向きを有するような箱体と;前記外面に対して対面する関係にある液晶パネルとを具備するLCD装置

請求項12

前記出射窓はガラス及びプラスチック材料の一方から形成されている請求項11記載のLCD装置。

請求項13

前記臨界角の関数である前記切子面の前記向きは、前記切子面を前記外面に対し垂直な軸に対して前記臨界角を成すように設定する請求項11記載のLCD装置。

請求項14

前記切子面構造は複数の隣接する平行な溝から構成されており、前記溝の内面が前記切子面を規定する請求項11記載のLCD装置。

請求項15

前記溝はV字形溝である請求項14記載のLCD装置。

請求項16

前記切子面構造はプリズム構造から構成されており、各プリズム構造は少なくとも4つの切子面を有する請求項11記載のLCD装置。

請求項17

各切子面の向きは前記外面に対し垂直な軸に対して前記臨界角を成すように定められている請求項16記載のLCD装置。

請求項18

可視光源と、前記光源を収納し、前記拡散光を出射させることができる箱体と、複数の光透過部分及び表示の提示を実現するときに選択的に不透明になる複数の部分を含む表示パネルとを含む表示装置にあって、前記拡散光を前記表示提示に対して視覚の範囲内で導く出射窓において、前記拡散光源にさらされる第1の平坦な面を含み、前記第1の面は前記表示装置の出射平面を規定し、第1の屈折率を有する透明で、ほぼ平坦な板と;前記板の周囲を取り囲み、前記第1の屈折率と関連して臨界角を規定する第2の屈折率を有する透明媒体と;前記第1の面とは反対の側の、平坦ではない前記板の第2の面を規定し、前記板の複数の切子面を確定し、各切子面の向きは前記臨界角の関数として定められているような透明表面構造とを具備する出射窓。

請求項19

前記出射窓はガラス及びプラスチックの材料の一方から形成されている請求項18記載の出射窓。

請求項20

前記臨界角の関数としての前記切子面の向きは、前記切子面を前記出射平面に対し垂直な軸に対して前記臨界角を成すように設定する請求項18記載の出射窓。

請求項21

前記切子面構造は複数の隣接する平行な溝から構成されており、前記溝の内面は前記切子面を規定する請求項18記載の出射窓。

請求項22

前記溝はV字形溝である請求項21記載の出射窓。

請求項23

前記切子面構造はプリズム構造から構成されており、各プリズム構造は少なくとも4つの切子面を有する請求項18記載の出射窓。

請求項24

各切子面の向きは前記射出面に対し垂直な軸に対して前記臨界角を成すように定められている請求項23記載の出射窓。

背景技術

0001

本発明は、一般に、液晶表示装置バックライトにおける光出力の効率の良い
利用に関し、特に全反射による光の損失を最小限に抑えることに関する。

0002

アクティブマトリクス液晶表示装置(AMLCD)においてバックライトとし
て使用される蛍光ランプへの所定のパワー入力に対して最大の光エネルギー出力
を得ることは、動作上の重要な特徴である。詳細にいえば、AMLCD装置は供
給されるバックライトをごくわずかしか透過しない。カラーAMLCDの場合、
バックライトのわずか2.5%から4%しかAMLCDを通過しない。単色表示
に適用する場合には、液晶表示装置(LCD)を通過するのはバックライトの1
2%以下である。いずれの場合でも、所定のパワー入力に対して表示装置から最
大限の光出力を得るためには、バックライトから最も効率良く光を取り出さなけ
ればならない。LCDバックライトステムにおけるルーメン(光出力)パーワ
ット(パワー入力)変換を、蛍光ランプバックライトシステムの効率を表わす尺
度として使用することができる。光損失を最小にすることによって、この効率レ
ベルは向上する。

0003

AMLCDには固有制約があるため、一般に、視角垂直方向と水平方向の
双方で制限される。従って、LCD装置使用者が視角の範囲内で表示を観察す
るときに最大限利用可能な光を受け取るように、発生する可視光を所定の水平
視角と垂直視角の範囲内にできる限り限定することが望ましい。この結果、LC
D装置に提示される画像のコントラストが向上する。従って、ハウジング内部の
吸収に起因する損失を最小にするためには、視角を越えて出射するであろうと思
われる光を導き直すことが望ましい。従来の技術では、AMLCDの均一照度
拡散バックライティングを開発するための努力がなされていた。従来のバック
イト方式においては、バックライトからの拡散光は、一般的に、AMLCDの水
平視角及び垂直視角により通常規定される観察円錐よりはるかに大きい非常に広
円錐の中へ出射される。バックライトから、規定された視角と90度との間の
角度を表示装置の垂線に対して成して出射される光は、フラットパネル表示装置
の面に観察可能ルミナンスを発生するためには効率良く使用されない。従って
、それらの領域で出射される光の大部分は観察者に対しては利用不可能である。

0004

バックライトの光出力を光学的に再び導く従来の方法はフレネルレンズと、非
結像光反射鏡とを含む。フレネルレンズは十分な拡散を生じさせるが、レンズ
どうしが離間しているために光は失われ、また、指向能力を制御するのは容易で
はない。非結像光学反射鏡は、1本の蛍光ランプ管については、方向及び効率の
上で十分な性能を発揮することができる。しかしながら、複数のランプ管によっ
て広い面積照明しなければならない場合には、反射鏡の接合部で「デッドバン
ド」が起こる。広い面を一様に照明する必要があるフラットパネル表示装置に適
用する場合には、このデッドバンドはきわめて望ましくない。

0005

プリズム屈折による指向性利得は、全反射の原理に基づいて動作するscot
chTH光学発光膜(SOLF)の使用により得られるであろう。SOLFは、光
目標領域へ再び導く前に光を拡散させるために、補助フィルタ又は補助反射鏡
を使用することを必要とする。通常、SOLFは一方向に45度のV溝が走る構
造で製造されている。

0006

従って、LCD表示装置は、AMLCD視角の外へ出射することによって失わ
れるであろう光エネルギーが表示装置の視野の中へ導かれるように利用可能な光
のより多くの部分を表示装置の所定の視角の範囲内へ導くことにより、バックラ
イトとして使用される光源によって発生される光をより効率良く使用することが
望ましい。
発明の概要

0007

本発明の好ましい実施形態によれば、所望の視角の中で適正に導かれなかった
光エネルギーは、オムニラアントバックライトアセンブリから二軸指向性利得
を発生させるためにライトボックス出射窓にプリズム屈折光学構造を使用する
ことによって、視角の範囲内で表示装置から出る。プリズムアレイは、表示パネ
ルの正面に所定の視角の中で相対的に高い輝度を発生するために必要な集光特性
指向特性を示す。

0008

好ましい形態では、本発明は、全反射により失われる光を減少させ且つLCD
表示装置で使用するのに適する水平方向及び垂直方向の出射角、すなわち、視角
を設定するために、境を接する物質臨界角と一致するプリズム角度を有する角
錐形プリズムを設ける。これにより、本発明においては、拡散発光面、たとえば
フラットパネルバックライトからの発光を導いて、表示装置の面上の輝度を増
し、バックライトの照明パターンを、AMLCD装置の水平方向及び垂直方向の
視角条件に適合する視野の中へ集中させる。このようにして、垂直、水平の両方
向の指向性利得は最適の観察ができるように表示装置の光出力を誘導し、それに
より、同じエネルギー入力に対して所定の視角の中の光エネルギー出力を増加さ
せることによって、エネルギー効率を向上させる。

0009

本発明の主題は本明細書の末尾の部分に特定して指摘され且つ個別に請求され
ている。しかしながら、本発明の編成と動作の方法の双方は、本発明のその他の
利点及び目的と共に、添付の図面と共に以下の説明を参照することにより最も良
く理解されるであろう。尚、図面中、同じ図中符号は同じ要素を指示する。

図面の簡単な説明

0010

本発明をさらに良く理解すると共に、本発明をいかにして実施しうるかを示す
ために、実例として、添付の図面を参照する。

0011

図1は、本発明の実現に際してフラットパネル表示装置のバックライトとして
使用されるライトボックスを斜視図で示す。

0012

図2は、図1の線2−2に沿った図1のライトボックスの断面図である。

0013

図3は、図1のライトボックスの出射窓のプリズム屈折アレイを示す。

0014

図4A及び図4Bは、屈折の角度が境を接する物質の屈折率によって左右され
るというスネルの法則と、臨界角が境を接する物質の屈折率の関数である全反射
物理的関係とを示す。

0015

図5は、プリズム屈折アレイにおける屈折と、全反射により失われる光を示す

0016

図6は、全反射による光の損失を最小限に抑える又は排除するために、本発明
の好ましい一形態に従って臨界角と一致するプリズム角度を使用する図1ライ
トボクスの出射窓を通るときの屈折を示す。
好ましい実施形態の詳細な説明

0017

図面に示すような本発明の好ましい使用形態は、一般に、不透明で上面が開い
箱体12と、透明出射窓18とを有するライトボックス10から構成されてい
る。出射窓18を形成する透明材料は、たとえば、ガラスプラスチックなどを
含む様々なものであって良い。しかしながら、好ましい形態の出射窓18は以下
で説明するようにガラスである。箱体12の内部には、出射窓18の内向きの面
18aに塗布された拡散被覆膜14に入射する可視光を発生する蛇行形状の光源
16がある。この可視光は出射窓18によってボックス10から出射できる。フ
ラットパネルLCD装置17(図1には一部のみを示す)が出射窓18の外向
の面18bに当接して配置されていることがわかるであろう。LCD装置で提示
される画像の可視度は、ライトボックス10から発生するバックライトによって
向上する。

0018

光源16は、通常は、拡散被覆膜14と関連して、出射窓18及びフラット
ネルLCD装置17に対する拡散光源を構成する蛍光源であることがわかるであ
ろう。それに代わる構成は紫外線光源16を含み、拡散被覆膜14としてりん光
材料を設ける。光源16により発生されるUV光は、被覆膜14にあたると、出
射窓18及びフラットパネルLCD装置17に入射する可視拡散光を発生するで
あろう。

0019

出射窓18の外向きの面18bは、光がLCD装置17に到達する前にライト
ボックス10を出射するときに通過するプリズムアレイ19(図3の部分図にさ
らに詳細に示す)を含む。ライトボックス10から出現する光エネルギーを最適
化するために、すなわち、所定の視角の中で最適化するために、アレイ19の幾
何学的形状は出射窓18の材料と、その周囲の媒体の屈折率に関連して選択され
る。図示されている本発明の実施形態では、プリズムアレイ19は出射窓18の
面18bの角錐構造24により定められる。

0020

図3は、窓18の外面の角錐構造24をさらに詳細に示す。角錐構造24は第
1組のV字形溝20と、それらの溝20に対して直交する第2組のV字形溝22
とによって区画されている。すなわち、各々の角錐構造24は、それぞれが出射
窓18の平面に対し垂直な軸に対して所定の角度を有する4つの三角形切子面
を含み、それらの切子面は、たとえば、角錐構造24の頂点24aを通っている
。ここで、窓18に対する垂直軸に関するこの切子面角度というときには、その
角度は「プリズム角」を指す。従って、プリズム角は窓18の出射面、総じて平

ではない出射境界の角度向きを指定する。

0021

本発明の詳細を示す前に、異なる屈折率を有する2つの物質の境界面における
光の屈折について簡単に論じておくのが妥当である。ここで挙げる角度は、それ
ぞれが板50に対し垂直である平行な軸52に対するものである。板50は、そ
平坦な上面50a及び平坦な下面50bで空気と境を接している。異なる屈折
率を有する媒体の境界を光が通過するとき、屈折、すなわち、光線屈曲は自ら
起こる。この例では、2つの媒体、すなわち、境を接する物質は空気とガラス板
50である。光線が板50に入るときの光線の角変位はスネルの法則を使用して
確定される。すなわち、この角変位は境を接している物質の屈折率の関数である

0022

光線54が板50の面50bに、垂直軸52に対して、たとえば30度のアプ
ローチ角1で接近するものと考える。光線54は面50bの入射境界を通過する
とき、板50の中の光線54aにより指示される角度。に沿った新たな光路へと
屈折する。面50a(面50bと平行である)の出射境界に至ると、光線54a
はスネルの法則に従って再び屈折し、板50に接近したときと同じ角度である出
現角3に沿って板50から出るが、出る位置は板50の厚さの関数だけ側方へず
れている。角度2は次のように計算される:

0023

n1sin1 = n2sin2

0024

式中、 1 = 30°
n1 = 空気の屈折率= 1.000
n2 =ガラスの屈折率 = 1.55

0025

1.000sin30° = 1.55sin2

0026

2について解くと、
2 = sin-1(0.50/1.55)
2 = 面50bにおいて18.8°

0027

面50aにおける離脱角3は次のように計算される:

0028

1.55sin18.8° = 1.00sin3、3について解くと、
3 = sin-1(0.322/1.55)
3 = 30°

0029

このように、板50に入射した光は板50に入ったときと同じ角度で板50か
ら出るが、その位置は板50の厚さの関数の分だけ側方へずれている。

0030

出射面50aが面50bに対して角度を成している場合、臨界角を越える角度
で進む光線は屈折を伴って透過するのではなく、反射される。図1のバックライ
トボックスの場合、それらの光線は全反射によって光拡散被覆膜14に戻され、
別の角度に散乱するであろうが、最終的に、この光の大部分は透明板50を通っ
射出する。

0031

図4Bの光線62はガラス板60に面60bから入射し、光線62aにより指
示するように面60aで屈折した後に板60の中を進む。角度。は面60の出射
境界に対する光線62aの角度向きを決める。光線62と、面60aに対し垂直
な軸64とが成す角度4の大きさは、光線62aの全反射が起こるか否かを決定
する。図示した光線62の例では、角度4は臨界角を越えており、光線は面60
aで全反射して、光線62bとして板60の中にとどまる。

0032

臨界角は境を接する物質の屈折率の関数である。1.55に等しい屈折率n2
を有するガラスと、1.00に等しい屈折率n1を有する空気の場合、臨界角。
は次のように計算される:

0033

sinc = n1/n2

0034

cについて解くと、

0035

c = sin-1/1.000/1.55

0036

c = 40.2°

0037

従って、透明出射窓18の中を進み、空気によって囲まれている出射境界、た
とえば、面60に、その出射境界に対し垂直な軸、たとえば、軸64に対して4
0.2度以上の角度で当たった光線は、出射境界で全反射される。

0038

出射境界面に対し垂直な軸に関連して臨界角を識別する。図4Bの例では、こ
基準軸は面60aの平面に対して垂直な軸64になるであろう。すなわち、窓
18の面18bにある構造24のプリズム角度は臨界角の計算を左右するもので
はないが、出射光線に関する出射境界面の向きを識別するときには、このプリ
ム角度を考慮しなければならない。しかしながら、本発明によれば、プリズム角
度は使用する物質の臨界角に関連して選択されている。これにより、光学発光膜
で45度の溝を使用する現在の装置で起こるような、光が所望の角度より広い角
度で窓18から出るという事態は阻止される。

0039

図1図3に戻ると、ボックス10の内部で発生し、密度の低い媒体である空
気から密度のより高い窓18の中へ進んで行く全ての光線は、窓18によって受
け入れられる。窓18に入るとき、光線はスネルの法則に従って屈折する。とこ
ろが、窓18に入った全ての光線が必然的に窓18から出るとは限らない。本発
明によれば、プリズム構造24のプリズム角度が窓18及びそれを取り囲む媒体
、たとえば、空気に関する臨界角と一致する場合には、窓18の中を臨界角より
広い角度で進んで来た光線は、プリズム出射境界からほぼ出射しない。

0040

図5は、窓18′及びその周囲の空気の屈折率により確定される臨界角と一致
しない、この場合には臨界角を越えるプリズム角度によって起こる全反射の損失
を示す。図5の窓18は45度のプリズム角度を有するプリズム構造80を含む
。ところが、窓18及び周囲の空気について先に示したように計算した臨界角は
40.2度である。従って、図5の例では、臨界角はプリズム角度より約4.8
度小さいことになる。

0041

窓18′の一次出射円錐角eは角度tirを識別することによって得られる。角度
tirは、構造80の切子面と離脱角eの境界との角度離間に相当する。構造80の
切子面間の角度向き、すなわち、fと、角度tirがわかれば、離脱角eを計算でき
るであろう。図5の例では、構造80の側面は互いに対して90度の位置にある
。すなわち、f=90°であるので、離脱角eはf-(2*tir)として計算される。

0042

角度tirを計算するために、プリズム角度から臨界角を減じた角度として偏向
角d1を計算する。この例においては、偏向角d1は4.8度に等しい。スネルの法
則を使用すると、対応する角度t1は、窓18の下面に接近する光線の角度向きの
範囲として識別されるので、光線は偏向角d1の中で屈折する。この例では、角度
t1は7.5度に等しい。対応する偏向角d2は4.8度に等しく、それに対応する
角度t2は7.5度に等しい。角度t1と角度t2の和はtirにほぼ等しい。この場合
、tirは約15度であると計算される。従って、離脱角eは約60度、すなわち、
90−(2*15)である。

0043

全反射によって反射された光は拡散被覆膜14に戻される。被覆膜14から光
は領域80に向かって反射することができ、そこで、光は二次出射円錐へと出射
されるような角度で出射面に当たる。この光は全反射のために失われるものと考
えることができる。

0044

図5のプリズム構造と関連する損失を計算するために、点102を中心とし、
1単位の半径を有する、Bとしても指示されている半円形100を考える。半円
100の平面の中を進み、点102に入射する光線は、半円100の面積により
表わされる。点102に入射し、窓18の内側の全反射によって失われる光の量
は、角度tirが形成する扇形の面積を計算することによって厳密に近似できる。
すなわち、点ABCにより指示される扇形の面積により近似できる。

0045

半円100の面積の公式は、
a = 1/2r2

0046

であり、この例については、
a = 1.571

0047

となる。角度tirが形成する扇形ABCの面積asについて解くと、

0048

as = 1/2r2tir(tirはラジアンで表わされる)

0049

as = .131

0050

従って、図5に示す45°のプリズム角度と関連する損失(パーセント)は(
as/a)*100%、すなわち、(.131/1.571)*100%で、約8
.33%となる。

0051

通常は、tirの範囲内の角度で面50bに入射した光線は、プリズム構造80
の切子面により規定される出射面境界で全反射する。この結果は効率のより低い
光源である。この場合、結果として得られる光源の効率は約8.33%低くなる

0052

プリズム角度が2つの境を接する物質によって決まる臨界角と一致しない場合
、出射する光線の角変位の限界はプリズム角度と、全反射の角度とにより切り
られるが、その上限はプリズム角度に対し垂直であり、下限はプリズム角度から
全反射の角度を減じたものである。しかしながら、プリズム角度が本発明による
ように臨界角と一致するならば、離脱円錐はプリズム角度に対し垂直な軸により
規定される。

0053

図6は、ライトボックス10のプリズム角度と臨界角との一致の結果を示す。
さらに詳細にいえば、図6の窓18はプリズム構造24を有し、プリズム構造2
4はその外面、すなわち、出射境界を規定している。プリズム構造24は窓18
とその周囲の空気の臨界角に等しいプリズム角度、すなわち、この例では40.
2度に等しいプリズム角度を有する。その結果、窓18の出射境界では全反射損
失は全く起こらない。従って、出射窓18に入った全ての光線は出射角eの中で
現れる。

0054

この技法は指向性利得をもたらすと共に、入力パワーが同じであってもバック
ライトアセンブリの光出力を増加させる。最大限の効率を達成し且つ全反射によ
る損失を回避するために、色消し屈折プリズムのプリズム角度は境を接する物質
の臨界角と厳密に一致されている。視角はプリズム角度と材料の選択によって決
まり、これら2つの関数を制御することはフラットパネルバックライト方式にお
いて望ましい。

0055

さらに、本発明によれば、視角、すなわち、離脱角を選択し、次に、選択した
離脱角を満足させるために、周囲の物質、典型的には空気の屈折率に対して出射
窓の屈折率を操作することが考えられている。屈折率の選択を許す多様な材料に
よって、本発明のこの面が可能になる。

0056

出射窓18の面18bの上でごく小さなプリズム構造24の製造を実現するた
めに超小型成形技法を使用できることが示唆される。

0057

特許法に従うと共に、新規な原理を適用し且つそのような特殊化された構成要
素を必要に応じて構成し、使用するために必要である情報を当業者に提供するた
めに、本発明を相当に詳細に説明した。しかしながら、本発明が以上説明し且つ
図示した特定の実施形態には限定されず、特定の点で異なる機器や装置により本
発明を実施できること、及び機器の詳細と動作手順の双方について、本発明自体
の範囲から逸脱せずに様々な変形を実行できることを理解すべきである。

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