JP4617040B2 - 光パネル - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、光源とパネル要素とを含む光パネルに関し、該パネル要素は、光を透過するために実質的に透明な材料から製造される。パネル要素は導波路パネルとして形成され、導波路パネル内部で光ビームは全反射しながら伝播し、導波路パネルから回折アウトカップリングシステムを用いてアウトカップリングされる。
【０００２】
回折構造体とは、光学部品において、回折効果に基づいて光路を調整する面の全ての精密構造体のことをいう。したがって精密構造体の細部は、光の波長と同じ、またはより小さいオーダでなければならない。最も良く知られるマイクロプリズム構造体は、構造体内のビーム経路の調整を屈折効果に基づいて行うので、回折構造体ではない。一方、ホログラムは格子ではなく、格子は３次元の画像または光を生成しない。局部的な格子とは、ピクセルなどの局部的な格子ユニットのことをいう。さらに格子構造体全体は、非常に多くの様々な格子ユニットによって構成されてもよい。
【０００３】
非常口通路にある照明器および表示パネルなどに、従来の白熱灯または蛍光管を備えることは既知である。このような例は、フィンランド実用新案公報第１５３３号などに示される。引用された解決手段は、照明器カバーが取り付けられる光パネルを記載しており、照明器カバー内側に取り付けられる蛍光照明管の光は、光源と関連して取り付けられるパネル要素の周辺部を経由して出射される。この解決手段において照明器カバーには、蛍光照明管を上方から交換する細長い、カバー長さの開口が設けられる。しかしながら、このタイプの従来の表示パネルの欠点は、非常脱出口表示灯は常時オンにされなければならないので、白熱灯の耐用年数が短いことである。
【０００４】
一方、特に携帯電話のディスプレイの照明のために、導波路から光をアウトカップリングする回折構造体を用いることは既知である。また屈折マイクロプリズムなどの構造体も、この目的のために開発されてきた。しかしながらこれらの構造体の欠点は、プリズム端部によって生成される輝線であり、一様な照明を提供するために、輝線を除去することが困難なことである。また両構造体は、格子構造体のアウトカップリング能力に値するプリズム構造体のアウトカップリング能力を有さない。現在の回折の解決手段を参照して、注目すべき例は米国特許公報第５７０３６６７号であり、該公報は導波路として用いるディスプレイ照明を開示している。導波路は透明パネルを含み、該パネルはパネル周辺部で伝送された光の方向を変える回折格子構造体が設けられる下面を有する。格子構造体は、ユニット領域内にある格子構造体の表面積が、格子構造体内の非格子表面積に対して、可変の比率を有するように形成される。したがって、格子が導波路全体にわたって設けられることはない。この解決手段において、光源から離れたところに比べ、光源近傍に格子構造体をより少なく形成することによって、アウトカップリングの強度を均一にすることができる。引き続き特に大型のパネルの場合、アウトカップリングにおいて均一性が失われ始めるほど、格子領域が希薄になるという結果になると思われる。引用された発明は、背面から常時、光の方向を変える平坦な構造体に制限される。全ての先行する既知の構造体の欠点は多かれ少なかれ、照明が均一でないこと、平坦な構造体であること、最適に形成されていない格子パターンであること、非常に少ないインカップリング容量であることである。
【０００５】
本発明の光パネルの目的は、上述の問題点を克服する明白な向上点を提供し、従来技術の適用可能性を大幅に向上させることである。この目的を達成するために本発明の光パネルは主に、格子構造体などの回折アウトカップリングシステムは、パネル要素全体に、パネル要素の光面にわたって設けられ、様々な寸法および／または形状の発散する凹部および／または溝は、多角形状および／またはバイナリのピクセルおよび／またはユニットなどの、様々な寸法および／または形状の発散する局部的な格子を構成するために用いられ、格子の占有率、形状、輪郭および／または寸法は回折効率が位置の関数になるように最適化されることを特徴としている。
【０００６】
本発明の光パネルによって得られる最も重要な利点は、光源として非常に低電力の発光ダイオードを用いることが可能となるので、動作が簡略、効率的および確実になることである。一方、本発明で用いられる導波路パネル構造に基づく全反射によって、光源は、所望ではない反射損失または他の光損失を最小限にすることができるので、全ての局面において最適化される。本発明において用いられる原理によって、非常に薄い構造体を製造することがさらに可能となり、該構造体は、基板などの中に、可撓性または予め成形された構造体を製造するために、全反射の限界値または閾値角度をパネル要素内において超えないような状況を常時提供することによって、埋め込むことが可能となる。本発明はさらに、正方形または管状「光表示柱」などの箱形構造体としてのパネル要素を形成することも可能である。さらに、本発明の光パネルは、単一または複数の可変カラーまたはマルチカラーの発光ダイオードを用いることなどによって、または光源などの輝度／動作電圧を変更することなどによって、単一または複数の異なる色の部分で機能可能であるように動作することも可能である。
【０００７】
本発明は、添付の図面を参照して、さらに詳細に以下に説明される。
本発明は、光源１とパネル要素２とを含む光パネルに関し、該パネル要素は、光を透過するために実質的に透明な材料から製造される。パネル要素２は導波路パネルとして形成され、導波路パネル内部で光ビームは全反射しながら伝播し、導波路パネルから回折アウトカップリングシステムによってアウトカップリングされる。格子構造体などのアウトカップリングシステム２ｕは、パネル要素２全体に、パネル要素２の光面２ａにわたって設けられ、様々な寸法および／または形状の発散する凹部および／または溝は、多角形状および／またはバイナリのピクセルおよび／またはユニットなどの、様々な寸法および／または形状（タイプＡ／Ｂなど）の発散する局部的な格子を構成するために用いられ、格子の占有率、形状、輪郭および／または寸法は回折効率が位置の関数になるように最適化される。上述の原理は図１ａ〜図１ｃからわかる。
【０００８】
当然ながら、格子構造体の様々な部分の局部的な格子または格子ユニットの寸法、形状、占有率および／または輪郭／構造を、長手方向、横方向および／または垂直方向に可変であるようにすることも可能である。
【０００９】
さらに図１ａおよび図１ｂを参照して、光源１には、単一（図１ａ）または複数（図１ｂ）の発光ダイオード１ａ’が連続的に長手方向ｓに設けられ、単一（図１ｂ）または複数（図１ａ）部分のパネル要素２の光面２ａを、パネル要素に伝送される光で機能させる。図１ｂおよび図７に示される実施形態において、光面２ａは、受動周辺要素２ｂによって囲まれる。パネル要素２にインカップリングする光は、図６ｂに示されるように、パネル要素２の境界面Ｒ，Ｒｒにある、バイナリビーム分散器、局部的な格子構造体、拡散器などの回折インカップリングシステム２ｓによって、および／または図６ａに示されるように、境界面Ｒの幾何学的な外形によって配列される。
【００１０】
図１ｃに示される実施形態において、局部的な格子構造体などの、導波路パネルとして機能するパネル要素２の回折アウトカップリングシステム２ｕは、パネル要素２の下面２ｐに設けられる。当然ながら、このようなシステムを、実際には何らかの機械的な保護のための保護層または保護被覆が必要ではあるが、パネル要素の上面に設けることも可能である。
【００１１】
さらなる好適な実施形態において、パネル要素２は薄くて光学的に透明な材料から製造され、該材料は重合体、エラストマ、セラミック材料パネル、シートなどのたとえば０．１〜４ｍｍの厚みを有し、より好適には、インカップリングシステム２ｓは図６ａおよび図６ｂに示されるように境界面Ｒｒに設けられる。
【００１２】
さらなる好適な実施形態において、パネル要素２は可撓性または予め成形された材料から製造され、光面２ａを有するパネル要素２は、パネル要素２の局部的な曲率半径をいずれの場所でも十分小さく保持することによって、機能され、光ビームがパネル要素２内を移動するときに、全反射の閾値角度を超えないようにする。
【００１３】
さらなる好適な実施形態において、照明される光パネルを機能させる回折アウトカップリングシステム２ｕは、パネル要素２が単一または複数の部分に異なる色を備えるように設定される。光パネル２の光面２ａが単一または複数の独立して制御可能な照明部１，１ａに、異なる色の光を生成する赤／緑／青／白色の発光ダイオード１ａ’などの照明手段を備えることによって、機能するように実行可能である。また、光源の輝度、供給電圧など、またはそれらの組合せ要素を変化させることによっても実行可能である。
【００１４】
図１ｂなどに示される実施形態をさらに参照して、パネル要素２には反射器、拡散器などの応答面３が設けられ、特にアウトカップリングシステム２ｕの格子構造体などから透過されるビームを除去する、および／または顕著な光点の形成を防止する。
【００１５】
図７に示されるさらなる好適な実施形態において、光パネルは照明柱などの閉じられた箱形構造体として形成され、該光パネルにはビーム分散器などを用いることによって、インカップリングシステム２ｓが設けられ、パネル要素２の前面または背面Ｒｔにあり、光源１から出射される光の焦点を合わせ、パネル要素２内を全反射しながら伝播させる。
【００１６】
一般的に、全反射に関する理論に関して記載すべきであり、空気の屈折率ｎ＝１を超える屈折率ｎを有する導波路パネル２を示す図２ａを参照して、境界面への入射角γがsinγ＞１／ｎという条件を満たすとき、点光源から出射するビームは全反射される。これよりも入射角が小さいとき、たとえばα＜arcsin（１／ｎ）であるとき、フレネルによって表されるエネルギ部分は、境界面を透過する。媒体が空気ではないとき、上述の式における屈折率１を、特定の媒体の屈折率に置き換える。
【００１７】
図１ｃは、特に、アウトカップリングシステム２ｕとして機能する少なくとも局部的に周期的な構造または回折格子が、導波路として機能するパネル要素２の下面に設けられる解決手段を示す。回折格子は、入射角γを有する入射面波を、導波路パネルの内側および外側の両方に現れる一組の回折次数に分割する。その伝播方向は格子方程式によって決定され、回折効率（該当する次数になる入射光部分）は格子輪郭の周期および形状に基づいて決定される。図１ｃに示される状況は、導波路の外側には複数の透過されたビームが出現するが、図示される格子表面２ｕは複数の別の方向から照明されることを示す。しかしながら実際には、導波路は、連続する様々な角度γで表面にぶつかる複数の伝播平面波を含むので、広角度の範囲にわたって照明されることが示される。正確な電磁回折理論は、所望の回折効率分布を有する非常に多くの次数を生成する表面輪郭を形成するためにも用いられる。
【００１８】
このようにして、表面輪郭パラメータを適切に選択することによって、図１ｃに示される状況に達することも可能であり、反射される次数が多くなり、導波路２を通して見るとき、格子表面２ｕが照明される。これは特に格子表面への機械的破損を回避する方法であるが、当然ながらパネル要素２の表面に設けられる特定のタイプの保護層で保護することも可能である。さらに図１ｃに示される実施形態に従えば、いわゆる拡散器３を、導波路パネルとして機能するパネル要素２の背面に設け、回折された放射の角度分布を拡大および均等にする、および間違った方向に出射されるビームをパネルへ、およびパネルを通過するように方向付けをし直すことが望ましい。
【００１９】
本発明の異なる重要な特徴は、光が全反射によって導波路として機能するパネル要素２内を可能な限り保持されることである。導波路内にインカップリングされるべき光は全反射の閾値角度に非常に近い角度内で伝播し、これによって図２ｂに示される原理に基づき全反射が発生し、また端面からアウトカップリング格子２ｕによって回折する前に多数回、構造体を通って伝播する。アウトカップリング格子を有さない位置において原則的に損失がなく、原則的にインカップリングされた全ての光は、材料内で起こる吸収を除いて所望の照明領域から出射する。図３をさらに参照して、必要であれば、局部的な曲率半径が全反射の限界または閾値角度に達しないほどいずれの位置でも小さい限り、導波路パネルを屈曲および／または形成することも可能である。図示されるように、平坦な導波路は全反射の原理に反することなく９０°を含んでもよいことは明白である。
【００２０】
図４は、円柱表面で屈曲する回折素子が任意の角度θに伝播するビームの平面内で動作する様子をさらに示す。全てのビームが全反射しながら伝播することが所望であるので、光軸近傍で、位置の関数として変化する周期を有するバイナリビーム分散器を用いることが最も好適である。管理可能な数の僅かに発散する伝播ビームを与える方法も可能である。さらに、光軸から離れて、ビーム分散器によって生成された両方のビーム（回折次数＋１および−１）を強制的に全反射するようにすることは不可能であり、図５に示すように所望の偏差のために用いられる構造体において示されるように、所望の偏差のために用いられる局部的に直線である構造体が好適である。全てのビームは特定の方向に伝播するように半ば視準され、全てのビームの全反射の条件が満たされる。回折インカップリング表面で、位置の関数として、局部的な回折周期を変調することと、高い回折効率を得るための連続的な表面輪郭とが必要となる。要素中央のビーム分散手段は、バイナリ構造体などによって形成される。
【００２１】
さらに、図７に示される実施形態を参照して、光パネルは閉じられた箱形構造体などとして形成され、この実施形態においては管状の「光表示柱」として形成される。導波路２用のインカップリングは、ビーム分散格子２ｓなどを用いることによって、および単数または複数の発光ダイオード１ａ’を管の内側または外側に設けることによって実施される。このように、様々な柱に取り付けられるべき照明器は、非常に簡略かつ効果的な方法で照明される。
【００２２】
本発明が、上述に記載され、図示される実施形態に限定されないが、本発明の基本構想の範囲内でかなり自由に変更することができることは明白である。第一に、局部的な回折などの回折アウトカップリングシステムの占有率を、回折効率が格子の輪郭および形状に基づいて決定されるときには、たとえば一様な光のアウトカップリングに寄与させ、伝播方向と光の角度とが格子方程式によって決定されるときには、光のアウトカップリングの角度に寄与させるために用いられる得る。各状況での最適な占有率は、コンピュータによって正確に算出することができる。回折構造体または格子などの回折アウトカップリングまたはインカップリングは、ピクセル構造体の発散する凹部および溝だけでなくバイナリのピクセルを用いることによって、構成されることができ、点から無限大まで変更可能である長さを有する明白に認知できるリッジ（上部の角）、下部および凹部／溝が存在する。このような構造体は、形状および寸法に関して自由に変更してもよい連続的な輪郭／外形であってもよい。さらに、光源は、独立した照明手段によってだけでなく、導波路として機能するパネル要素において完全に一体化される解決手段によっても構成されてもよい。導波路として用いられるパネル要素の材料は、ガラスを含む最も変化する範囲の透明な材料であってもよいことは当然ながら明白である。本発明の導波路システムは７以上の部分を有する表示パネルなどの製造を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１ａおよび図１ｂは、本発明の好適な光パネルの動作原理を示し、図１ｃは、本発明の光パネルの光面を原則的にどのように作動させるかをさらに図示する。
【図２】 図２ａおよび図２ｂは、全反射に関する一定の原理を図示する。
【図３】 全反射に関する一定の原理を図示する。
【図４】 本発明の光パネルと関連するインカップリングシステムの一定の一般原理を図示する。
【図５】 本発明の光パネルと関連するインカップリングシステムの一定の一般原理を図示する。
【図６】 図６ａおよび図６ｂは、本発明の光パネルと関連するインカップリングシステムの一定の一般原理を図示する。
【図７】 円柱状導波路の実施形態における本発明の光パネルを示す。

Claims (15)

1. 長手方向に連続する複数の発光ダイオードを含む光源と、
   該光源に接続されるパネル要素であって、実質的に透明な透光材料を含み、内側で前記光源から受けた光ビームが全反射しながら伝播する導波路パネルとして機能し、複数の発光ダイオードから発する光ビームがパネル要素を透過する、パネル要素と、
   該パネル要素の光面の少なくとも一部にわたって設けられ、前記パネル要素の内側から光ビームをアウトカップリングするように機能する回折アウトカップリングシステムであって、複数の局部的な格子要素を含み、該複数の局部的な格子要素のそれぞれが回折効率を有するとともに、少なくとも１つのパターンの溝を有する、回折アウトカップリングシステムとを含み、
   局部的な格子要素の回折効率は、該回折アウトカップリングシステムにわたって該溝の形状、輪郭、寸法および向きのうちの少なくとも１つを変更することによって、位置の関数として、該回折アウトカップリングシステムにわたって変化することを特徴とする光パネル。
2. 前記光源からの光ビームを前記パネル要素に導入するように機能する回折インカップリングシステムをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の光パネル。
3. 前記回折インカップリングシステムは、局部的な格子構造体および拡散器のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２記載の光パネル。
4. 前記回折インカップリングシステムは、前記パネル要素の境界面に設けられることを特徴とする請求項２記載の光パネル。
5. 前記回折インカップリングシステムは、境界面の幾何学的な外形によって光をインカップリングすることを特徴とする請求項２記載の光パネル。
6. 前記回折インカップリングシステムは、前記パネル要素の周辺部に設けられることを特徴とする請求項２記載の光パネル。
7. 前記局部的な格子要素は、多角形状のピクセルを含むことを特徴とする請求項１記載の光パネル。
8. 前記パネル要素は０．１〜４ｍｍの厚みを有する薄くて光学的に透明な材料から成ることを特徴とする請求項１記載の光パネル。
9. 前記パネル要素は、重合体、エラストマもしくはセラミックから成るシートまたはフィルムから成ることを特徴とする請求項１記載の光パネル。
10. 前記パネル要素の光面は、光ビームが前記パネル要素内を移動するときに、全反射の閾値角度を超えないように、パネル要素全体を十分小さい局部的な曲率半径に保持するように構成されることを特徴とする請求項１記載の光パネル。
11. 前記回折アウトカップリングシステムは、前記パネル要素が１以上の部分で異なる色を有するように構成されることを特徴とする請求項１記載の光パネル。
12. 前記異なる色は、様々な色の光を生成する、１以上の独立して制御される照明ユニットによって与えられることを特徴とする請求項１１記載の光パネル。
13. 前記異なる色は、前記光源の輝度および供給電圧のうちの少なくとも一方を変化させることによって与えられることを特徴とする請求項１１記載の光パネル。
14. 前記パネル要素は閉じた箱形構造体として構成され、前記回折インカップリングシステムは、前記パネル要素の前面または背面に設けられるビーム分散器を含み、該ビーム分散器は、前記光源から伝送される光ビームを焦点合わせして、前記パネル要素内で全反射させながら伝播させるように機能することを特徴とする請求項２記載の光パネル。
15. 各局部的な格子要素の回折効率は、各局部的な格子要素内で溝の形状、輪郭、寸法および向きのうちの少なくとも１つを変更することによって、前記回折アウトカップリングシステムにわたって変化することを特徴とする請求項１記載の光パネル。

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