JP4508533B2 - コリメータを備える液晶画像スクリーン - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの光源と、マイクロプリズムで構成されるコリメータとを有するバックグラウンド照明システムを備える液晶画像スクリーンであって、前記マイクロプリズムが、光入力表面と、前記光入力表面からある距離を隔てて設けられる光出力表面と、前記光入力表面と前記光出力表面との間に存在する少なくとも１つの側面とを備える三次元形状をもつ、液晶画像スクリーンに関する。本発明は、更に、バックグラウンド照明システムと、マイクロプリズムで構成されるコリメータと、照明器具とに関する。

液晶画像スクリーンは、パッシブ型表示システム、すなわち、それ自体が光を発しない表示システムである。これらの画像スクリーンは、光が液晶の層を通るのか又は通らないのかという原理に基づく。このことは、画像を生成するためには、外側光源が必要であることを意味する。周辺光が、反射型液晶画像スクリーンの外部光源として使われる。透過型液晶画像スクリーンでは、人工光が、バックグラウンド照明システムにおいて生成される。

液晶画像スクリーンは、入射する操作可能な光(incident
operational light)の角度が、画像スクリーンの垂線に対して水平に±６０°の値、及び画像スクリーンの垂線に対して垂直に±１５°の値を超えない場合、特に高コントラストを有する。したがって、この好ましい角度範囲内のバックグラウンド照明システムによって発せられ得る限り多くの光をコリメートすることが有利である。

米国特許公報第５，８３９，８２３号は、例えば、マイクロプリズムのアレイから構成される液晶画像スクリーン用のコリメータを説明している。マイクロプリズムは、先がとがった形状、すなわち、マイクロプリズムの光入力表面が、光出力表面よりも小さい形状を有している。個別のマイクロプリズムの間の空間には、光反射要素、例えば、高反射型パウダーが存在し、上記空間に入射する光線を光源の方向に反射させて戻すようにする。この光線は、その後に光源によって反射されてもよく、又はリフレクタによってコリメータの方向にもう一度反射されてもよい（光線の「再利用」）。

マイクロプリズムの光入力表面のエッジ部の近傍における高反射型パウダーに当たる光線は、散乱により側面を通ってマイクロプリズムに入力する可能性があり、それゆえにコリメータ動作を損ない得ることが欠点である。更に、光線は、完全ではないが、わずかに丸みをおびたエッジ部を通ってマイクロプリズムに入力される可能性もある。 これらの光線は、画像スクリーンの垂線に対して最適な角度範囲の外側に位置する角度にあるかもしれない。全般的に、増加される反射は、液晶画像スクリーンの効率を低減させる。

したがって、本発明の目的は、従来技術の欠点を抑制すると共に、改善されるバックグラウンド照明システムを備える液晶画像スクリーンを提供することにある。

この目的は、少なくとも１つの光源と、マイクロプリズムで構成されるコリメータとを有するバックグラウンド照明システムを備える液晶画像スクリーンであって、前記マイクロプリズムが、光入力表面と、前記光入力表面からある距離を隔てて設けられる光出力表面と、前記光入力表面と前記光出力表面との間に存在する少なくとも１つの側面とを備える三次元形状をもち、各マイクロプリズムが、前記光入力表面と前記光出力表面との間に、少なくとも１つの狭窄部(narrowed portion)を有する、液晶画像スクリーンによって実現される。

光は、マイクロプリズムのくびれた形(hourglass shape)により、所望の角度領域に効果的にコリメートされ得る。

各々のマイクロプリズムの光入力表面及び光出力表面が、同じサイズであることが特に好ましい。

個々の光入力表面の間に介在空間(intervening space)は、この有利な実施例により非常に小さい。そのために、反射回数が減少される。

光入力表面が矩形の形状を有する場合が有利である。

この実施例では、マイクロプリズムの個々の光入力表面の間における光の通り抜けに対して覆われるべき介在空間がない。そのために、コリメータの方向に伝播するいずれの光線も適宜にコリメートされる。これにより、一層少ない反射が起こるであろうことから、バックグラウンド照明システムの効率が強化される。

更に、マイクロプリズムの光入力表面が、共通の閉曲面(closed surface)を有することが有利である。

この実施例においては、光線が、マイクロプリズムの光入力表面の不完全なエッジ部を通ってマイクロプリズムに入力されることが避けられている。

本発明は、更に、少なくとも１つの光源と、マイクロプリズムで構成されるコリメータとを有するバックグラウンド照明システムに関すると共に、マイクロプリズムで構成されるコリメータであって、前記マイクロプリズムが、光入力表面と、前記光入力表面まである距離を隔てて設けられる光出力表面と、前記光入力表面と前記光出力表面との間に存在する少なくとも１つの側面とを備える三次元形状をもち、各マイクロプリズムが、前記光入力表面と前記光出力表面との間に、少なくとも１つの狭窄部を有する、コリメータに関する。本発明は、更に、少なくとも１つの光源と、ハウジングと、マイクロプリズムで構成されるコリメータとを有する照明器具に関すると共に、マイクロプリズムで構成されるコリメータであって、前記マイクロプリズムが、光入力表面と、前記光入力表面からある距離を隔てて設けられる光出力表面と、前記光入力表面と前記光出力表面との間に存在する少なくとも１つの側面とを備える三次元形状をもち、各マイクロプリズムが、前記光入力表面と前記光出力表面との間に、少なくとも１つの狭窄部を有する、コリメータに関する。

本発明は、４つの図面を参照して以下により詳細に説明されるであろう。

液晶画像スクリーンは、通常、液晶ユニット及びバックグラウンド照明システムを有する。液晶ユニットは、２つの偏光子と、各々が光透過電極のマトリクスを支持する２つの透明プレートをもつ液晶セルとを有する。液晶材料は、２つの透明プレートの間に供給される。液晶材料は、好ましくは、ＴＮ（ツイストネマティック）液晶、ＳＴＮ（スーパーツイストネマティック）液晶、ＤＳＴＮ（ダブルスーパーツイストネマティック）液晶、ＦＳＴＮ（フォイルスーパーツイストネマティック）液晶、ＶＡＮ（垂直配列型）液晶、又はＯＣＢ（光学補償される湾曲型）液晶を有する。液晶セルは、２つの偏光子の間に挟まれる。

液晶ユニットは、カラー画像を生成するため及び表示するためのカラーフィルタを備えてもよい。

図１において、バックグラウンド照明システムは、少なくとも１つの光源１を有し、この光源１は、例えば、白熱灯、発光ダイオード（ＬＥＤ）、金属蒸気又はハロゲンの高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ、又は、例えばキセノン放電ランプのような蛍光灯である。光源１は、通常、例えば、矩形形状又は放物線形状をもち得るハウジング２内に存在している。光源１によって発せられる光線は、コリメータ４に向かってハウジング２内の開口を通り抜ける。ハウジング２の内側は、好ましくは、リフレクタを有している。このリフレクタは、拡散的に又は鏡面反射的に反射する材料、例えば、研磨されたアルミニウム又は白色顔料によって形成されてもよい。上記リフレクタの役目は、コリメータ４の方向に伝播しない光線を、この方向に反射して戻すことである。ディフューザ３が、光源１とコリメータ４との間に存在していてもよい。

図２は、本発明によるコリメータ４を示している。コリメータ４は、アレイに設けられる複数のマイクロプリズムを有している。

図３に示されるように、各マイクロプリズム５は、下部、上部、光入力表面６、及びこの光入力表面６からある距離を隔てて設けられる光出力表面７を備える二重構造をもつ。下部及び上部がオプティカルコンタクトされることが特に有利である。光入力表面６と光出力表面７との間には、少なくとも１つの側面８がある。各マイクロプリズム５は、更に、狭窄部９を有している。マイクロプリズム５の好ましい形状は、該形状が、狭窄部９を有すると共に、光入力表面６から狭窄部９に向かって狭くなり、この狭窄部９から光出力表面７の方向にふたたび広がるような形状である。

光入力表面６の大きさは、好ましくは、光出力表面７の大きさに等しい。光入力表面６及び光出力表面７は、所望のいかなる形状を有してもよいが、好ましくは矩形形状を有し得る。光入力表面６及び光出力表面７が、矩形形状を有していない場合、結果として生じる介在空間は、それぞれが、例えば、高反射型パウダー又は反射型マスクのような反射型要素によって遮蔽されるべきである。マイクロプリズム５の光入力表面６及び光出力表面７は、平面でも、凹状でも、又は凸状でもよい。

マイクロプリズム５の形状に依存して、該マイクロプリズム５は、例えば、４つの側面８又は１つの側面８をもち得る。マイクロプリズム５が、光入力表面６から狭窄部９までの領域において４つの側面８をもち、狭窄部９から光出力表面７までの領域において１つの側面８をもつことも可能である。

側面８は、平面でも、凹状でも、又は凸状でもよい。

あるマイクロプリズムが、光入力表面６から光出力表面７まで延在する４つの側面８をもつ場合、狭窄部９は、２つの相互に対向する側面８によって、又はすべての４つの側面８によって形成されてもよい。狭窄部９が、２つの相互に対向する側面８によって形成される場合、光線は１つの平面においてコリメートされる。この実施例では、２つの相互に対向する側面８が、まず、光入力表面６からスタートして、経路Ｈに沿って互いに接近する。この経路の終端において、２つの相互に対向する側面８は、互いに対して最小間隔ＥＡを有している。最小間隔ＥＡは、狭窄部９の幅である。狭窄部９を過ぎた後、２つの相互に対向する側面８は、互いからふたたび離れるように移動する。

狭窄部９が４つの側面８によって形成される場合、光線は２つの平面においてコリメートされる。この実施例において、相互に対向する側面８の２対は、まず、光入力表面６からスタートして、経路Ｈに沿って互いに接近する。この経路の終端において、相互に対向する側面８の２対は、それぞれが、互いに対して最小間隔ＥＡを有し、この最小間隔は、好ましくは、双方の場合において均等に大きい。２つの相互に対向する側面８間のそれぞれの最小間隔ＥＡは、元の位置における狭窄部９の幅である。狭窄部９を過ぎた後、相互に対向する側面８の２対は、ふたたび互いから離れるように移動する。代替の実施例では、すべての４つの側面８が、互いに向かって延在してもよい。

代替方法として、狭窄部９は、それぞれの相互に対向する側面８が、いずれかの実施例において互いに対して最小間隔にあるような領域によって形成されてもよい。この場合、相互に対向する側面８は、一定の距離にわたって互いに平行して延在し、その後にふたたび互いから離れるように移動するであろう。

代替方法として、マイクロプリズム５は、１つの側面８を備える円筒対称の形状を有してもよい。この実施例では、光線は、円筒の対称軸を介して延在するどの平面においてもコリメートされる。

個別のマイクロプリズム５の光入力表面６及び／又は光出力表面７は、閉曲面を一緒に構成してもよい。

マイクロプリズム５は、１．０を超えるより大きい屈折率ｎをもつ透明材料、例えば、ポリメタクリル酸メチル(polymethylmethacrylate)、ポリカーボネート、又はガラスを有している。その代わりに、マイクロプリズム５は、異なる屈折率をもつ幾つかの透明材料を有してもよい。このように、例えば、透明材料の屈折率は、光入力表面６から離れる方向において段階的に増減されてもよい。側面８は、光入力表面６から狭窄部９までの領域において高反射率の材料を有する反射型コーティングを備えてもよい。

本発明によるコリメータ４の製造は、射出成形プロセス、又は、例えば、光重合のような何らかの他の好適なプロセスで行われてもよい。コリメータ４は、続いて接着して合わされる幾つかの成形部品の製造により製造されることが好ましい。これを実現するために、マイクロプリズム５の下部のアレイである、図４に示される第１の成形部品が製造される。下部は、マイクロプリズム５の光入力表面６から狭窄部９までの領域である。第２の成形部品は、マイクロプリズムの上部のアレイを形成する。上部は、マイクロプリズム５の狭窄部９から光出力表面７までの領域である。

第１又は第２の成形部品を製造するために、第１又は第２の成形部品のネガがアルミニウムにミリング加工される。その後に、例えば、自己硬化又はＵＶ硬化ポリマーが成形体に注入される。

下部の側面８のコーティングは、まず、第１の成形部全体が、スピンコーティングプロセスのフォトレジストにより覆われることによって行われる。 その後に、狭窄部９はマスクを通して露光され、そのために、フォトレジストがこの位置で硬化される。次のステップにおいて、フォトレジストの非露光部、すなわち、フォトレジストの非硬化部が水で除去される。その後に、銀又はアルミニウムが、第１の成形部に蒸着される。この場合、金属層の層厚さは、好ましくは２００ｎｍを超えてより厚くなる。金属層で覆われるいかなる残余フォトレジストも、硝酸（ＨＮＯ_３）によって膨らまされる。フォトレジストはその上に存在する金属層と一緒に、水の噴射により除去されてもよい。

代替方法として、アルミニウム又は銀層は、 まず、第１の成形部全体が、蒸気からの金属層で覆われることによって構築されてもよい。その後にフォトレジストが供給され、このフォトレジストが、狭窄部９が存在する当該位置で閉じられるマスクを通して露光される。現像の間に、非露光フォトレジストは、狭窄部９から除去される。狭窄部９に存在する金属層は、ナトリウムアルカリ液(sodium lye)を用いるエッチングステップにおいて続いて除去される。

更なる代替の実施例において、狭窄部９は、蒸着の間にコンタクトマスクにより覆われてもよい。

第１及び第２の成形部は、例えば、アクリル酸塩接着剤(acrylate glue)のような接着剤によって互いに接合(connect)されてもよい。これらの成形部は、好ましくは、互いにオプティカルコンタクトされるように貼り合わされる。接着剤は、好ましくは、成形部の材料と同じ屈折率を有する。

マイクロプリズム５の光入力表面６又は光出力表面７が、凹状に湾曲されるべきであるならば、対応する好適な形状を有する第３の成形部が製造されてもよく、この第３の成形部は第２の成形部に接合されてもよい。

代替方法として、コリメータ４は、中空体であるマイクロプリズム５を有してもよい。この実施例では、第３及び第４の成形部が製造され、これらが貼り合わされる。第３の成形部は、第１の成形部のネガ形状を有すると共に、中空マイクロプリズム５の下部のアレイを形成する。第４の成形部は、第２の成形部のネガ形状を有すると共に、中空マイクロプリズム５の上部のアレイを形成する。これら２つの成形部は、好ましくは、例えば、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、又はガラスのような透明材料を有する。中空マイクロプリズム５の上部及び下部の内側の側面８は、銀又はアルミニウムで蒸着され、これらの２つの成形部が接着剤で互いに接合される。第３又は第４の成形部を製造するために、第１又は第２の成形部の形状がアルミニウムにミリング加工されてもよい。その後に、例えば、自己硬化又はＵＶ硬化ポリマーが成形体に注入される。

このようなコリメータ４は、例えば、職場又は居間に存在するような照明器具において使われてもよい。このような照明器具は、ハウジングに存在する光源を有する。好ましくは、上記光源は、反射型ハウジングに存在する。上記光源により発せられる光線は、ハウジングの開口を通ってコリメータまで通り抜け、そこでコリメートされる。

バックグラウンド照明システムの断面図である。 コリメータを断面図で示す。 コリメータのマイクロプリズムを断面図で示す。 マイクロプリズムの下部のアレイを示す。

Claims (9)

1. 複数のマイクロプリズムで構成されるコリメータであって、前記マイクロプリズムが、光入力表面と、前記光入力表面からある距離を隔てて設けられる光出力表面と、前記光入力表面と前記光出力表面との間に存在する少なくとも１つの側面とを備える三次元形状をもち、各マイクロプリズムが、前記光入力表面と前記光出力表面との間に、少なくとも１つの狭窄部を有し、また各マイクロプリズムが、前記光入力表面と前記狭窄部との間に、前記光入力表面から前記狭窄部へ向かって接近する対向する側面を少なくとも部分的に有するとともに、前記狭窄部と前記光出力表面との間に、前記狭窄部から前記光出力表面へ向かって広がる対向する側面を少なくとも部分的に有し、前記狭窄部が前記対向する側面間に延在する断面を有する、コリメータ。
2. 各マイクロプリズムの前記光入力表面及び前記光出力表面が、同じ大きさであることを特徴とする、請求項１に記載のコリメータ。
3. 前記光入力表面が矩形形状を有することを特徴とする、請求項１に記載のコリメータ。
4. 前記マイクロプリズムの前記光入力表面が、共通の閉曲面を有することを特徴とする、請求項１に記載のコリメータ。
5. 前記光出力表面が、凸形状を有する、請求項１に記載のコリメータ。
6. 前記マイクロプリズムが、前記マイクロプリズムの前記光入力表面を含む下部部分と前記マイクロプリズムの前記光出力表面を含む上部部分とから構成され、前記下部部分が、前記光入力表面から前記狭窄部へ向かって接近する対向する側面を少なくとも部分的に有し、前記上部部分が、前記狭窄部から前記光出力表面へ向かって広がる対向する側面を少なくとも部分的に有し、前記下部部分及び前記上部部分は、前記狭窄部においてオプティカルコンタクトされるように接合されている、請求項１に記載のコリメータ。
7. 少なくとも１つの光源と、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のコリメータとを有するバックグラウンド照明システム。
8. 請求項７に記載のバックグラウンド照明システムを備える液晶画像スクリーン。
9. 少なくとも１つの光源と、ハウジングと、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のコリメータとを有する照明器具。

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