JPH09504902A - 電子ディスプレイデバイスの背面照明のための高効率紫外線バックライトシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 透過光型電子ディスプレイデバイスの背面照明のために適した高効率光源を提供する蛍光キャビティバックライトシステム。発明に係る蛍光キャビティバックライトシステムは、幅広い種類のフラットパネルディスプレイの用途に適応することができる。この発明は、高効率バックライト光源の設計を目指して完全なシステムの手法を採っている。このバックライトシステムは、三つの主なサブアセンブリ、蛍燐光発光器（１４）、蛍光キャビティ（１６）、および改良された制御／駆動電子回路（２２）を備えている。各サブアセンブリは、内部自体が最適設計されているとともに、他の各サブアセンブリとの関係においても最適設計されている。

Description

【発明の詳細な説明】 電子ディスプレイデバイスの背面照明のための 高効率紫外線バックライトシステム 発明の背景 １． 発明の分野 この発明は、電子ディスプレイデバイスの照明方法および照明装置に関し、よ り詳しくは透過型電子ディスプレイデバイスを背面照明するのに適した高効率バ ックライトシステムに関する。２． 関連技術の説明 アクティブマトリクス液晶ディスプレイ（ＡＭＬＣＤ）やパッシブマトリクス 液晶ディスプレイ（ＰＭＬＣＤ）のような透過型電子ディスプレイデバイスは、 発光型ディスプレイではない。すなわち、そのような透過型ディスプレイは、例 えば陰極線管（ＣＲＴ）とは違って、それ自体が光源ではない。したがって、透 過型ディスプレイは、殆どの応用においてまた周囲の照明状態の幅広い変化の下 で使用できるために、裏面または背面照明の光源を必要とする。 図１は、出力デバイス（つまり、視覚表示器）としてのフラットパネル透過型 ディスプレイ１の典型的な使用例を示す。（図示の例では、道路の交差点のグラ フィック地図２が表示されている。）透過型ディスプレイの典型的な使われ方と しては、自動車、航空機、理化学機器、コンピュータ、空港情報端末などのため のセンサ表示装置や情報出力装置がある。 空港においては、図１に示されたタイプの透過型ディスプレイは、 典型的には、透過型ディスプレイの裏面の後方に実装された折れ曲がったまたは 曲がりくねった蛍光ランプによって背面照明されてきている。図２は、そのよう な蛍光ランプのための典型的な形状を図式的に示している。基本的に従来型の直 線蛍光管が加熱されてから図示の形状に折り曲げられる。そのようなランプは、 透過型ディスプレイの後方に基本背面光システムを構成するために、反射性キャ ビティの中でそして拡散器を設けて使用されることもある。蛍光ランプのバック ライトシステムは、殆どの応用に対して適度に低い開発リスクの証明済み技術で ある。リスク係数が低く、コストが手ごろで、効率がよく、代替手法があまりな いので、曲がりくねり型の蛍光バックライトシステムは、多くの軍用および民生 用のフラットパネル透過型ディスプレイのための主な背面照明手法である。 しかしながら、透過型ディスプレイの性能パラメータおよび動作条件は、大き く変わり得る。例えば、民生用の透過型ディスプレイは、軍用や自動車用のディ スプレイデバイスと同等なレベルの性能や耐久性を要求しない。その結果、バッ クライトシステムは、それが関連する透過型ディスプレイの必要性能および必要 動作に応じて、複雑さ、効果、効率および信頼性が異なり得る。一般的に、従来 技術のバックライトシステムは、幅広い応用範囲で使用されるのに必要な特性を 備えていない。特に、従来技術の蛍光バックライトシステムは多くの問題点を有 していることが分かっている。最も顕著な事項は、 ・発光効率が悪い ・照明の均一性が悪い ・使用寿命が短い ・調光範囲が狭い ・熱発生が高い ・点弧電圧が高い ・寒地使用には外部加熱が必要である が挙げられる。 したがって、透過型電子ディスプレイを背面照明するのに適しそしてこれらの 問題を克服する高効率のバックライトシステムを提供する必要性がある。 発明の概要 この発明は、透過型電子ディスプレイデバイスの背面照明のために適した高効 率の光源を提供する蛍光キャビティバックライトシステムを備えたものである。 この発明の蛍光キャビティバックライトシステムは、幅広い種類のフラットパネ ルディスプレイの用途に適応させることができる。この発明の好ましい実施態様 は、従来技術のバックライトシステムの効率の５倍以上の効率を有する。この発 明は、高効率バックライト光源の設計を目指して完全なシステムの手法を採って いる。この発明のシステムは、三つの主なサブアセンブリ、蛍燐光発光器、蛍光 キャビティ、および改良された制御／駆動電子回路を備えている。各サブアセン ブリは、内部自体が最適設計されているとともに、他の各サブアセンブリとの関 係においても最適設計されている。より詳しくいうと、この発明の好ましい実施 態様は、以下の特性を含んでいる。 （１） 蛍燐光発光器 … 内部的にも外部的にも、管の中にも上にも、蛍燐 光物質のコーティングのない紫外線（ＵＶ）ガス放電灯管を備えて成っている。 電灯管は、蛍燐光発光器の単位体積当たり最高の紫外線光束密度を提供するよう に製造されている。管は、 好ましくは、留め継ぎ切断（斜め切断）されて一緒に接合され、接合の角の所で よりよく光り、蛍光キャビティの形によりよく合うようになっている。このよう な配置形状の典型的な製造工程は、ランプの脚と脚の間の間隙を約２ｍｍにまで 下げることができる。しかし、いくつかの代替製造工程を使用してもよい。 蛍燐光発光ランプのための好ましい充填ガスは、アルゴン約９５％とネオン約 ５％の混合ガスで約０．５〜約３．０Ｔｏｒｒの範囲の典型的ガス圧のものであ る。この混合範囲およびガス圧範囲は、従来技術に比べて相当に低い点弧（始動 ）電圧を、特に低い温度（約−５５℃）での動作において、もたらす。この充填 ガスおよびガス圧範囲は、ランプに調光性能を持たせるために、いろいろなデュ ーティサイクルの駆動電流の使用を可能とする。この発明のランプは、点弧電圧 （始動電圧）が低いので、駆動回路の複雑さが減る。 （２） 蛍光キャビティ … 蛍燐光発光ランプは、箱形の蛍光キャビティの 中に置かれる。キャビティの後方および側方の表面は、光ルミネセンス蛍燐光物 質でコーティングされており、これにより蛍燐光発光ランプからの紫外線を可視 光線に変換する。キャビティには拡散用カバーが設けられており、それはキャビ ティの内側に面する側に蛍燐光物質がコーティングされている。カバーの外側面 は、光の拡散をよくするために、ざらざら磨りまたは織り目模様付けされてもよ い。典型的な蛍光キャビティは、１２ｍｍ径の蛍燐光発光ランプを使用する場合 、おおよそ６×８インチで深さ１インチとなるであろう。散乱または拡散された 光を向け直すために、集光素子（指向性増強器）をカバーの面上に重ねて設けて もよく、そうすれば選択された視認角度からディスプレイ面上のルミネセンスを 増大することができる。これを行う一方法は、マイクロ複製された光学 部品を使うことである。実際は、色収差無しの屈折プズムを並べるか、類似の構 造で達成できる。 （３） 制御／駆動回路 … この発明の制御／駆動回路は、２０００：１を 超える調光比(dimming ratio)、これは軍用および民生用の用途において見られ る典型的な要求であるが、を提供する。この拡張された調光比は、蛍燐光発光ラ ンプの励起電圧を制御するための独特なデジタル制御回路の使用によって達成さ れている。制御／駆動回路は、熱陰極蛍燐光発光ランプの陰極を加熱しそこに制 御されたアーク電流を供給するための励起を担うものである。エネルギーは、時 間に関し電圧および電流の形でランプに伝達される。ランプのあらゆる動作状態 において、電圧または電流は、制御／駆動回路により調整される可変デューティ サイクルによって、高度に制御される。制御／駆動回路は、この励起を非常に高 効率で行うように設計されている。 従来技術に比べて、この発明の利点は、 ・発光効率がよい ・照明の均一性がよい ・使用寿命が長い ・調光範囲（明暗の比）が広い ・熱発生が少ない ・点弧電圧が低い ・低温始動でも外部加熱が必要でない が挙げられる。 この発明の好ましい実施態様の詳細を添付の図面および以下の記述により説明 する。この発明の詳細がひとたび分かると、当業者にとって数多くの追加の革新 および変更が自明となるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、出力デバイスとして使用される典型的な従来技術の透過型ディスプレ イの正面図である。 図２は、バックライト透過型ディスプレイに使用される典型的な従来技術蛍光 ランプの形状の線図である。 図３Ａは、この発明の好ましい実施態様の蛍光キャビティおよび蛍燐光発光器 の前からの斜視図であり、単一の「高充填率」ランプを示す。 図３Ｂは、この発明の別の実施態様の蛍光キャビティおよび蛍燐光発光器の前 からの斜視図であり、多数ランプを示す。 図４は、この発明の好ましい実施態様の蛍光キャビティおよび蛍燐光発光器並 びにカバーの前からの一部分解斜視図である。 図５は、この発明の好ましい実施態様の制御／駆動電子回路のブロック線図で ある。 図６は、この発明の好ましい実施態様の制御／駆動電子回路のためのタイミン グ図である。 図７は、図５に示した制御／駆動電子回路の部分の概略回路図である。 種々の図面における類似の参照番号および符号は、類似の素子を指す。 発明の詳細な説明 この説明を通して、ここに示す好ましい実施態様および実施例は、例示として 受け取られるべきであり、この発明を限定すると受け取られるべきでない。 この発明は、高効率バックライト光源の設計を目指して完全なシステムの手法 を採っている。この発明は、液晶や他のタイプの透過光型ディスプレイの背面照 明のための強度が高く非常に均一で制御可能な光源を提供する。この発明は、可 視光線を作るために、光ルミネセンス蛍燐光物質を紫外線（ＵＶ）光子でたたく 方法を使用する。従来技術に対する違いのポイントは、システムの構成および具 体的な作動パラメータについての高度の最適化にある。 概要 この発明のシステムは、三つの主なサブアセンブリ、蛍燐光発光器、蛍光キャ ビティ、および改良された制御／駆動電子回路を備えている。各サブアセンブリ は、内部自体が最適設計されているとともに、他の各サブアセンブリとの関係に おいても最適設計されている。これらの素子のそれぞれについて、およびそれら の製造の詳細については、以下に項に分けて説明する。この発明の好ましい実施 態様設計において考慮すべき一般的な要素は、必要性能、効率、熱、および調光 である。 必要性能 ディスプレイの必要性能としては、一体型に設計することの重要性 を強調し、そして透過型ディスプレイがバックライトに依存することを示すに留 める。一体型ディスプレイアセンブリおよびバックライトの全体としての複雑さ は、要求される性能に非常に強く影響を受ける。そのようなディスプレイに要求 される典型的な性能を並べると、 ・日中光で読めること ・輝度が高いこと ・コントラストが高いこと ・視認角度が広いこと ・カラーパレットが大きいこと ・輝度が高度に均一であること ・明暗比が大きいこと ・ナイトビジョン画像システム（ＮＶＩＳ）と互換性があることとなる。 ディスプレイ性能は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）アセンブリを構成する部品 （偏光素子、カラーフィルタ、液晶材料など）の品質と効率に強く影響される。 例えば、カラーのアクティブマトリクス液晶ディスプレイ（ＡＭＬＣＤ）アセン ブリは、利用可能なバックライト輝度の僅かに２〜４％を通すに過ぎない。フラ ットパネルディスプレイは、ＣＲＴの場合と違って、ディスプレイの面を部分的 に光らせるという利点を利用していない。したがって、ディスプレイ領域全体を 常時一定の（しかし、選択可能な）強度で背面から照明している。バックライト の照明特性は、光学的スタック内の各それぞれの部品によって修正される。この ように、フラットパネルディスプレイの性能を適切にする負担は、大きくバック ライトに寄り掛かっている。この発明の設計基準は、輝度が高く、消費電力が小 さく、そして調光比（明暗比）が広い、高性能のバックライトシステムを提供す ることにある。 効率 この発明は、可視光の発生のために選択する発光作用因として二つの理 由から蛍光現象を採用している。第一に、高い値の効率の蛍光性の蛍燐光物質は 、現在普通に使用されるいかなるライティング技術の中でも最高のルーメン毎ワ ットの変換効率を提供する。発行されているデータによると、従来の蛍光ランプ 技術でもって４０ルーメン毎ワットの効率が達成されることを示している。（こ の データから、ランプにより消費される電力は陽光柱、つまり水銀アークのストリ ームに供給されるのであって、ランプ駆動回路やヒータ回路やフィラメントによ る損を占めるのではないことが推定される。）第二に、選択された蛍燐光の狭い バンドの放射が、高い純度の三原色が所望される場合のフラットパネルディスプ レイへの応用によく適している。 熱 いかなる照明技術においても、消費される電力のうちごく僅かな量を除い て全部が熱に変換される。フラットパネル透過型ディスプレイ技術において、高 い熱がしばしば視認性能に限界を作る。というのは、高熱に長時間曝すと液晶デ ィスプレイアセンブリの破滅的な故障を起こすことになるからである。そういう 訳で、バックライトアセンブリにおいて発生する熱を最小に維持することが必要 である。例えば、５，０００〜６，０００フートランベルト（ｆＬ）の均一拡散 輝度を呈するバックライトシステムは、今日の標準によると例外的と考えられる 。重い拡散器を持った曲がりくねった蛍光ランプを使用してこのレベルの性能を 達成しようとすると、相当な電力を必要とし、それ故相当な熱を生じる。この発 明の設計基準は、高い発光効率を提供することによって、高レベルの輝度を得な がら熱を減らすことであった。 調光 ディスプレイの発光強度は、視認性のために周囲の環境照明以上に調整 される。視認性は、異なるタイプのディスプレイで変わるし、それが使用される 環境でも変わる。大きな調光比（軍用の航空機や自動車への応用に見られるよう に、２，０００：１以上）が要求される場合は、発明のバックライトシステムに おける発光器を非常に低いレベルまで調光することが必要である。この発明は、 ディジタル制御／駆動回路を介して低い明るさのレベルでの動作モ ードにおいて、ちらつきのない調光を達成している。この発明で紫外線蛍燐光発 光器を不安定であるが高度に制御された具合に動作させることができることは、 この広範囲の調光性能にとって重要である。 （１） 蛍燐光発光器従来の蛍光ランプ 従来の蛍光ランプの本体は、可視光に対して透明であるが紫外線に対して透明 でない管状（通常は丸い）のガラスまたは石英の容器である。容器内には、（１ ）ホトルミネセンスの蛍燐光物質（つまり、紫外線光子に曝されると可視光を放 つ蛍燐光物質、この蛍燐光物質は可視光を放つのに電子による励起を必要とする ＣＲＴ蛍燐光物質とは異なる）、（２）アルゴンやクリプトンのような不活性充 填ガス、（３）イオン化されて１８６ｎｍおよび２５４ｎｍの紫外（ＵＶ）放射 光線を出すための少量の水銀、（４）水銀をイオン化するとともに生じたプラズ マ（アークストリーム）を維持するために電子源を用意する陰極、および（５） ランプから出る電流に帰路を成す陽極が収容されている。ランプのための電気エ ネルギーは、通常の電気安定器により与えられているが、安定器は一般に非効率 的で可視光出力の幅広い範囲にわたって調光可能ではない。 蛍光ランプの中で作られる光は、多くの要因に影響されるかなり複雑なエネル ギー変換プロセス（電子のエネルギーを紫外光のエネルギーに変え、それを可視 光のエネルギーに変える）の結果である。これらの要因としては、ランプの長さ 、ランプの直径、充填ガスのタイプ、充填ガスの圧力、ランプ内の水銀の量（水 銀の圧力）、フィラメントのタイプ、フィラメントの材料、フィラメントの温度 、 およびフィラメントの位置が挙げられる。 従来の蛍光ランプの中で起こっている電力光変換のプロセスは、ランプの内側 における電子およびイオンの運動により伝搬される電気の流れの結果である。電 子の移動度はイオンの移動度よりもはるかに大きく、したがって電子が本質上全 部の電流を運びそして本質上全部の電力入力を受け取っている。ランプの振る舞 いは、電子による電力の消費の仕方に大きく関わっている。電子は、互いに衝突 して、互いにエネルギーを分け与えることができる。それにより、ランプ容器内 部における電子エネルギー分布が決まる。電子は、また、不活性ガスの原子と「 弾性的に」衝突して、一衝突当たり非常に小さい量の運動エネルギーをガスの原 子に移すことができる。しかしながら、そのような衝突は数多くあり、それがエ ネルギー変換損となっている。 電子は、また、水銀の原子と「非弾性的に」も衝突し、電子の運動エネルギー の大半を水銀原子の励起エネルギーに変換することができる。その励起により、 水銀原子の中の緩く束縛された電子がより高いエネルギーレベルに上げられる。 励起された水銀原子は、次いで前の非励起状態に弛緩し、その弛緩の結果、放射 によりエネルギーが放出される。この放射の殆どは紫外線（水銀の１８６ｎｍお よび２５４ｎｍの輝線）であり、それは殆ど１００％の効率で内部の蛍燐光物質 により可視光線を作り出すのに使われる。一般的に、ランプの効率は、このチャ ンネルを通して消散される電力消費の割合によって決まる。蛍光ランプの効率お よび性能に影響する物理的、電気的そして機械的な要因の全ての間のバランスを 確立する重責は、通常ランプ製作者の肩に掛かっている。このように、バックラ イトに使用される従来の蛍光ランプは、典型的にシステムとしての観点 から設計されていない。したがって、曲がりくねり型の蛍光バックライトでは、 システムとしての背面照明透過型ディスプレイとしての要求性能が完全に満たさ れることは、滅多にない。従来蛍光ランプの主な問題点は、内部の蛍燐光物質の 使用である。紫外線光子は、殆どの物質に吸収されるのが容易であるために、通 常、蛍燐光物質がガス状または蒸気状混合気と密に接触している。従来設計にお けるいくつかの欠点は、蛍燐光物質、ガス混合気および陰極が全て互いに曝され ていることから生じている。ガス混合気からの水銀蒸気および陰極から沸騰して 出た金属イオンが蛍燐光物質と作用し合い、その寿命を縮めている。 そのうえ、従来の蛍光ランプの内部に塗布される蛍燐光物質スラリー用のバイ ンダとして使用するために入手可能な全ての公知の物質は紫外線を吸収する。従 来の蛍光ランプにおいて、ガラス容器への接着のために有機材料が使用され、紫 外線吸収を無くす意図で蛍燐光物質から焼出される。これは、問題に対して１０ ０％効果的な解決ではない。製造プロセスでは、全ての残留バインダ物質を除去 できないであろうから、アークストリームが汚染されていく可能性がある。汚染 の結果、ランプ性能が低下しランプ寿命が短くなり得る。蛍燐光発光器ランプ 従来の蛍光ランプを使用する代わりに、この発明では、蛍燐光物質発光器ラン プ１４（図３Ａを参照）を蛍光キャビティ（以下に説明する）と組み合わせて使 用する。蛍燐光物質発光器ランプ１４は、ＵＶガス放電ランプを備えてなり、そ の容器または管体は、石英、ガラス、または他の紫外線透過率の高い材料ででき ている。（これに対して、従来技術の蛍光ランプの容器は、ソーダ石灰ガラスま た はホウ珪酸塩ガラスでできており、管内の蛍燐光物質のホトルミネセンスに必要 な紫外線エネルギーを吸収する。）ランプ容器の内部における蛍燐光物質および 残留バインダの汚染物質を避けることにより、目標のランプ寿命の延長をもたら すことができる。 蛍燐光発光ランプ１４の容器は、好ましくは概して筒状の形状をしている。ラ ンプの筒体は、一般に丸い断面をしており、好ましい実施態様では、約１〜２ｍ ｍの壁厚で内径が約７ｍｍ〜約１３ｍｍである。所望であれば、容器にでこぼこ を形成して、表面積をより大きくしたり実効管長をより長くしたりしてもよい。 蛍燐光ランプ１４の管材料は、好ましくは丸い断面であるが、楕円形、卵形、 正方形、六角形、または他のいかなる所望の形であってもよい。さらに、他の管 径および壁厚を用いてもよい。 容器の材料としては、２種類の石英を使用することができる。「オゾン発生型 」と「無オゾン型」である。オゾンは、短波長紫外線（例えば、水銀の１８６ｎ ｍ輝線）が酸素と接触してできる副産物である。二つの材料の違いは、水銀の１ ８６ｎｍ輝線を吸収する不純物（典型的には、チタン）をオゾン発生型石英に添 加して無オゾン石英を作ることにある。１８６ｎｍ輝線は、光になる可能性を有 する紫外線のおおよそ１５％に及ぶ。この理由により、シールされたバックライ トキャビティのような他の手段でオゾンを制御しまたは封じ込めることができれ ば、バックライトアセンブリにオゾン発生型の石英を使うのが望ましい。ランプの設計および製造 この蛍燐光物質発光器ランプ１４の製造プロセスも、従来技術と異なっている 。従来の蛍光ランプの製造の際に使用される蛍燐光物質の堆積および硬化のプロ セスは、予め曲げられた容器にコーティ ングするのには適応できないであろう。したがって、曲がりくねった形状を得る ためには、直線状の蛍光ランプのガラス容器を加熱して曲げなければならない。 このプロセスを用いると、均一な曲げを維持することが困難である。そのうえ、 まっすぐなランプを曲がりくねり形状に曲げることは、二つの理由で、ランプの 内面の蛍燐光物質の無欠さを損なう。第一に、ランプを曲げるために必要なガラ ス容器の局部的な高温加熱は、そのすぐ近くの領域における蛍燐光物質を損傷す る。第二に、ランプを曲げると、外側の曲げ半径に亘って容器の長さを文字どお り増加させ、その結果曲げ領域に亘って蛍燐光物質のコーティングの密度が小さ くなり、ランプ管体の強度が弱くなる。したがって、曲がりくねり型バックライ トアセンブリの一番端の角６（図２を参照）は、光りにくい。その結果、それら コーナー部では、著しい光の損失となる。 従来技術の曲がりくねり形状にとって、反射キャビティの内側に位置させるこ とのできるランプの脚の数を決定する製造限界は、ランプの各脚の間の間隔であ る。この間隔は、一般的に、ランプの直径に制限される。例えば、１２ｍｍ径の 管体の場合、隣接する脚の間隔は約１２ｍｍより近づけることはできない。もし 、曲げ半径がランプの径より小さいと、容器の歪みにより蛍燐光物質の蛍光発生 に使われるアークストリームが制限され、曲げ領域で重大な光の損失となる。同 じく、大きい曲げ半径では、より少ない脚数となり、光を作り出す可能性を小さ くする。 蛍光ランプの表面輝度は、しばしばバックライトの潜在的な光出力を見積もる のに使用される。理想的な状態の場合、蛍光ランプの表面輝度とＬＣＤの後ろ側 に伝えられた輝度との関係は、それぞれの面積の直接比である。この理由により 、バックライトキャビティ の内部にできる限り多くの作動面積（ランプ表面）を持たせることが望ましい。 例えば、６×８インチのフラットパネルディスプレイの表面は、均一に照明さ れなければならない４８平方インチを有する。後方のキャビティは、一般に１イ ンチ（または、それ以下）の深さに制限される。この寸法のキャビティは、１５ ｍｍ径のランプを収容することができる。この体積で、８インチの横方向脚５本 を有するランプを使用し、許容し得る曲げ半径を維持することが可能である。こ の結果、ランプの全長は約４０インチとなる。（この径でこの長さのランプは、 きわめて曲げにくいため、一般にはディスプレイ用途に使用されない。しかしな がら、この実施例では、図解の簡単のため、４０インチランプ長を使用する。） ランプの全表面積を計算すると、 式１ 円柱の表面積 ＝ ２πｒＬ すなわち、この実施例においては、おおよそ９４平方インチの照明表面積となる 。 この形状における全可能背面照明強度は、 式２ 全ｆＬ ＝ （９４／４８） ランプの表面輝度 すなわち、この実施例においては、ランプの表面輝度のおおよそ２倍となる。 蛍光ランプの表面輝度は、多くのファクタに依存するが、高効率の希土類蛍燐 光物質を使用するトライバンド蛍光灯としては、６，０００〜１０，０００ｆＬ （ランプの容器面上で測定して）の値の輝度が普通である。式２から、実施例の 一体型バックライトアセンブリの場合、制限されない光出力は、適度の電力でも って理論的には２０，０００ｆＬに近づくことができる。しかしながら、実際問 題としては、相当の損失が起こるので、現実の輝度は、この可能性の値から劇的 に減少される。従来の反射キャビティ単独では、主として吸収により、おおよそ 光の３０％から４０％の損失となる。 この発明の好ましい実施態様では、蛍光ランプを曲げることに付随する従前の 問題点は、完全に回避される。図３Ａを参照して、紫外線透過型管体は、蛍燐光 発光ランプを形成するために、留め継ぎ角部１２を設けて複数のセグメント１０ に切断されている。セグメントは、次ぎに公知のやり方で加熱溶接されて、図３ Ａに示すように、「角張った」曲がりくねり形状を形成し、蛍光キャビティの中 に収まる寸法に作られる。この手法によると、ランプを曲げる必要がなく、はる かに優れた寸法許容誤差を生み出す。加えて、平行な管体セグメント１０は、曲 げ半径の制限に依存せず、単に管体セグメント１０の直径のみに依存して接近さ せることができるので、蛍光キャビティの内部でより大きい全ランプ長を使用す ることができる。この形状での典型的な製造プロセスでは、ランプ１４の脚と脚 の間の間隔を約２ｍｍまで下げることができる。その結果、蛍光キャビティの内 部全体に亘ってよりよい均一性でより多くの紫外線を供給することができる（角 部においてさえ）。 例えば、６×８インチの蛍光キャビティの中で、１５ｍｍ径の管体で２ｍｍの 管体セグメント間隔で、８インチセグメント８本を収納することができ、ランプ の全長を約６４インチにすることができた。これで、従来技術に対して６０％の 改良である。 そのような長さの一本の管体では、調光は困難となるであろう。しかしながら 、このコンパクトな配置形状の蛍燐光発光ランプ１４は、二本のランプを、入れ 込ませる（図３Ｂに示すように）か、横に並べる（図示せず）か、または別な具 合に絡ませるか、並置する かして、この蛍光キャビティの内部に置くことを可能とした。 もし、楕円形または卵形の管体を使用して（例えば、部分的に平らにした丸い 筒で作り）、その長軸を蛍光キャビティの背面に垂直に向けると、余分のセグメ ントを収納することもできるであろう。例えば、もし、１５ｍｍの丸い管体を僅 かに平らにして短軸を１３ｍｍにすると、上記の条件の下で、この蛍光キャビテ ィの内部に８インチセグメントを９本収容することができる。 この蛍燐光発光ランプ１４のための好ましい構造は留め継ぎの角部を採用して いるが、望まれれば、他の接合方法を用いてもよい。例えば、コンパクト型の蛍 光電球の技術分野において、平行な複数管体を一端の近くで横断接続管を介して 連結することが知られている。蛍燐光発光ランプ１４の内部には、加熱および曲 げ加工によって影響され得るような内部蛍燐光物質が存在しないので、代わりに 、一本の直管を通常の曲がりくねり形状に曲げることもできる。（しかしながら 、角部におけるアークストリームの制限により、各曲げ領域において幾分かの紫 外光線の損失の結果となるかも知れない。）充填ガス 蛍燐光発光ランプ１４のための充填ガスの種類および気圧は、選択された周囲 温度での始動時および作動時の効率に対して微妙である。この発明の好ましい実 施態様において、充填ガスは、約９０％から約９５％のアルゴンと残りネオンの 混合ガスである。最も好ましい混合は、約９５％のアルゴンと５％のネオンであ る。この僅かにネオン「汚染」された混合気は、相当に低い点弧電圧を可能にし ている。このことは、特に低温（例えば、約−５５℃）動作においてそうである 。点弧電圧が低くなると、ランプ駆動回路の複雑さが減少し、低い駆動条件下で の高度の制御が可能となる。 与えられたある周囲温度について、ガス放電ランプの充填ガス圧の変化は、ラ ンプの紫外線および可視光線出力を変化させる。この特性を利用して、予め選択 された周囲条件で光出力を制御することができる。この発明の好ましい実施態様 のための典型的な充填ガスの圧力は、約０．５から約３Ｔｏｒｒである。例えば 、この範囲の下限における充填圧力（約０．７５Ｔｏｒｒ）は、容器表面がおお よそ７０℃のとき最も効率よく作動する。充填ガス圧が高い（例えば、約３Ｔｏ ｒｒ）と、容器表面がおおよそ５０℃のときランプは最も効率よく作動する。一 般的に、充填圧は、バックライトが最もしばしば使用される周囲環境にマッチす るように改変してもよい。 逆に、ある充填ガス圧について、ランプの紫外線および可視光線出力値は、周 囲温度の変化に影響される。電極の温度が蛍燐光発光ランプ１４の紫外線および 可視光出力を実質上決定することが発見されている。周囲温度のある範囲に亘っ て所望の出力値を維持するために、この温度を制御することができる。例えば、 蛍燐光発光ランプ１４の電極が熱すぎるときは、電極を冷やすためにファンを設 けてもよいし、電極が冷たすぎるときは、熱を供給するために能動陰極フィラメ ント加熱を使用することもでき、それにより周囲の温度の変化に拘わらず、最適 の光出力を維持することができる。 大気から蛍燐光発光ランプ１４をシール（封止）する前に、ランプ容器は完全 に排気され、選択されたアルゴン／ネオンガス混合気で所望の充填圧力に充填さ れる。約４から６マイクロリットルの水銀を、公知のやり方で液体の形態かまた はカプセルやペレットに入れて、容器の中に導入する。 使用においては、蛍燐光発光ランプ１４は、下記に説明するように、制御／駆 動回路２２に連結されている。 （２） 蛍光キャビティ基本構造 この発明において、上述の蛍燐光発光ランプは、蛍光キャビティの内部に置か れる。蛍光キャビティの内面は、蛍燐光物質で実質上コーティングされており、 蛍燐光発光ランプ１４からの紫外線で照射されると可視光線を発生させる。 この発明の好ましい実施態様の蛍光キャビティは、金属やプラスティックのよ うな不透明の構造材料で概して凹状の形状に構成されている。図４を参照して、 キャビティは、概して、蛍燐光発光ランプ１４の外径の通常１．５〜２倍の深さ を有する浅い開いた箱の形に形成されている。 キャビティ１６の開口上部すなわち開口前面は、好ましくは、照明されるべき 透過ディスプレイよりも各寸法方向に１〜２ｍｍ大きくしてあり、相当の角度で 眺めた場合でさえも、ディスプレイの縁部分の一様な照明が得られるようになっ ている。キャビティ１６の長さおよび幅は、任意の所望の値でよいが、より効率 的に入射紫外線を受けて可視光線を発生させるように、好ましくは、キャビティ １６の側壁を蛍燐光発光ランプ１４から約１〜１０ｍｍの範囲内に設ける。典型 的な蛍光キャビティ１６は、蛍燐光発光ランプ１４として１２ｍｍ径の管体を使 用する場合、おおよそ６×８インチで深さ１インチとなろう。 蛍光キャビティは、選択された材料の種類に応じて、機械的構造を形成するた めの標準の製作方法（例えば、モールド成形、スタンピング成形、プレス成形、 鋳造、機械加工、または部品組立）で作ればよい。キャビティ１６は、照明され るべき透過型ディスプレイ の視認領域の形に概して合致する任意の平面図形の形状に作ることができる。キ ャビティ１６の背面板と側壁の接合部２０は、好ましくは、直角を成すのがよい が、面取りまたは丸み付けをしてもよい。この発明の好ましい実施態様において は、キャビティ１６は、好ましくは、成形不透明シート材料で作られる。 蛍光キャビティ１６として箱形の場合について説明したが、他の配置形状を使 用してもよい。好ましい配置形状としては、内面を窪み付けしたり、波形にした り、またはパターン付けしたりして、キャビティ１６の内部表面積を増加させる ものがよい。別の実施例として、キャビティ１６の背面部をディスプレイよりも 大きくし、キャビティ１６の側壁をディスプレイの方へ内向きに傾斜させること により、背面部の面積増加と側壁の長さ増加による内部表面積の増加をねらって もよい。 別の実施例としては、この発明の好ましい実施態様が箱形であるところを、特 殊な用途のために、蛍燐光発光ランプ１４および蛍光キャビティとして他の形を 使用してもよい。例えば、円形の装置前面のように、透過型ディスプレイの一部 分のみが背面照明されればよい場合は、丸または螺旋の形状の蛍燐光発光ランプ １４を丸、六角、真四角などの蛍光キャビティ１６の中に入れて使用してもよい 。 さらに別の実施例として、蛍光キャビティ１６は、ディスプレイに面する表面 が光を通し、他の表面が実質上不透明であるように、どのような形状にしてもよ い。このように、（１）透過性の前面と不透明な側壁を有し、そして（２）取り 外し可能または変形可能な不透明な背面を有するアセンブリは、この発明の範囲 内である。キャビティのコーティング キャビティ１６の内側は、典型的には、蛍燐光物質のコーティン グにより発生された可視光線を全般的に反射し（つまり、選択的な吸収をしない ）そして拡散するつや消し白色の基礎材料で製作し、ペイントし、またはコート する。基礎材料は、好ましくは、同じく蛍燐光発光ランプ１４で発生された紫外 線に対して高度に反射性であり、紫外線の被爆下または約２７０℃より下の温度 で色が変わったり品質低下したりしないものがよい。この発明の好ましい実施態 様では、基礎コーティングは、つや消し白色のペイントで、多くの供給源から入 手可能である。 推奨のつや消し白色コーティングは、ペイントの非均一層の効果を最小に抑え るために反射率特性において中立であってかつキャビティ１６に対する基礎コー ティングの接着性をよくする材料でアンダーコートもしておくべきである。この 発明の、好ましい実施態様においては、アンダーコートは、Sherman-Williams社 から入手可能なＰｏｕｌａｎｅ（商標）アンダーコートペイントである。 基礎コーティングを塗布し硬化させた後、紫外線光子で励起されると可視光線 を放射する一種類のホトルミネセンス蛍燐光物質または複数種の蛍燐光物質の混 合物をキャビティ１６の内面に塗布、好ましくはスプレー付着プロセスで塗布す る。蛍燐光物質は、ディスプレイデバイスの色特性に合った可視光出力を生じる ように選択する。この発明の好ましい実施態様では、蛍燐光物質は、約４４７ｎ ｍの青色光、約５４５ｎｍの緑色光、および約６１１ｎｍの赤色光を生じるよう に選択される。そのような特性を有する蛍燐光物質は、多くの供給源から入手可 能である。 これらの波長を持った蛍燐光物質は、ＣＩＥ表色系でＤ６５００等温線（isot emperature line）の上側境界近傍（ｕ´＝０．１８３、ｖ´＝０．４８３）に 白色であるスペクトル色を発する。この発せ られた光は、人間の目に非常に白色として認識される。この光のスペクトル成分 は、殆どのディスプレイの色フィルタによくマッチする。他のバックライトシス テムは、白色も発するが、ＣＩＥ表色系のプランクの軌跡（Planckian locus） により近づく傾向があり、発光効率が低くなる。 蛍燐光物質をキャビティの内部に接着するするための接着剤として、数多くの 化合物が使用可能である。珪酸塩溶液が好ましく、それは二酸化珪素（つまり、 石英）の中に蛍燐光物質の粒子を懸濁させたもので、蛍燐光物質を入射赤外線に 曝さないで保護カプセル材の役目をする。好ましい接着剤は、約９０％加水分解 された非常に高純度のエチルシリケートで、ニューヨークのUnicast Corporatio n of Yonkers社から入手可能である。カバー キャビティ１６の開口面は、蛍燐光発光ランプ１４の実装後、蛍燐光物質をコ ーティングしたカバー１８でシールされる（図４を参照）。カバー１８は、典型 的には、キャビティ１６内で形成された可視光線のスペクトル放射に変化を生じ ないように選択された可視光線透過材料である。カバー１８は、蛍光キャビティ １６の上に接着されてもよいし、または機械的留め具で取り外し可能に取り付け られてもよい。 さらに詳しく説明すると、カバー１８は、「無色透明」のガラスでもよいし、 または数多くの同様の紫外線耐性ガラス、セラミックス、またはプラスチックス の内のどれでもよい。カバー１８は、透き通っていてもよいし、バックライトの 色を望みの色度に調整するように着色されていて、透過型ディスプレイのアクテ ィブガラス上に置かれた薄いカラーフィルタから色決定の全負担を軽減するよう にしてもよい。カバー１８は、キャビティ１６の内部に面する側にキャビティ１ ６の内部をコートするのに使用した同じ蛍燐光物質混合物でコートされている。 コーティングは、同じ要領で行ってもよい。好ましくは、約５粒子の厚みがある べきである。好ましい実施態様では、カバー１８は、蛍燐光物質側は滑らかで、 他の側は軽くざらざら磨りまたはエッチングされている。軽くざらざら磨りまた はエッチングされた側は、吸収損失が殆どまたは全然なしにバックライトシステ ムのための追加の拡散を提供する。 蛍光キャビティ１６およびカバー１８の蛍燐光物質のコーティングは、作動状 態すなわち発光状態のとき可視光線に対して９７％以上透過性であることが実証 されている。このことは、キャビティ１６の不透明な側部および背面で発生した 光が事実上妨害されずにカバー１８を通過することを意味する。このように、こ の発明のカバー１８は、蛍光キャビティ１６の中で発生させられた可視光に対し て非吸収性の「受動」拡散素子として作用しながら、入射紫外光を可視光に変換 するという点で、「能動」素子である。 このようなカバー１８は、従来技術の拡散体と対比されるべきである。「拡散 体」は、蛍光ランプを曲げることにより生じた従来技術のバックライトキャビテ ィにおける光分布の非均一性および暗い領域を補正するのにしばしば使用される 。拡散体の設計意図は、ランベルトの放射体（emitter）（視認角度に拘わらず 、おなじ輝度を持つ外見を与える）を模倣した拡散体の面上に輝度分布プロフィ ールを用意することにある。従来技術の拡散体は、典型的に、乳白色プラスチッ クまたは類似の材料で、ひとかどの光をばらまく役割を果たしたが、輝度の損失 が高かった。この種の拡散体での吸収により被る損失は、一般には、５０％のオ ーダにある。 したがって、この発明の配置形状から実現される重大な利点は、従来の曲がり くねり型の蛍光ランプバックライトに使用される吸収性の拡散体を除いたことで ある。 従来技術の反射キャビティにおいても、キャビティによる内部拡散が表面テク スチャリングによって達成されている。 従来技術におけると同様に、この発明のキャビティ１６は、光がキャビティを 出る前に光を拡散するように設計されている。バックライトキャビティ１６の内 部でよく拡散されていれば、バックライトカバーとして用いられる拡散素子の負 担がより少なくなる。このことは、より透過性のよい拡散素子を使うことができ 、効率が向上することを意味する。この発明においては、実質上キャビティ全体 が蛍燐光物質でコーティングされており、各個々の蛍燐光物質粒子が分散した全 方向放射の形に光を放出するので、蛍光キャビティ１６は、事実上自己拡散性で ある。その後で、発生光のさらなる拡散が、つや消し白色ベースコーティングお よびエッチングまたはざらざら磨りしたカバー１８により行われる。 この発明における高度の光分散および拡散の結果として、カバー１８の前面を 亘っての照明の均一性は、約９０％よりも大である。典型的な従来技術のバック ライトを亘っての照明の均一性は、僅かに約４０％である。指向性増強器 発明のバックライトにおいて作られた光は、可能性のある全視認角度において 必要ではない。一般的には、殆どの用途にとって限られた視認範囲が適当である 。したがって、システム効率は、バックライトで発生された光を限られたパター ンに収束させることにより改善することができる。つまり、バックライトの光分 布パターンを 拡散の後で修飾することによって、方向性ゲインが得られる。 この発明のバックライトアセンブリにおいて発生された全方向放射の光は、集 められて、ディスプレイとしての視認角条件に釣り合った円錐形に指向性を付け 直される。散乱され拡散された光を所望の視認角に向け直すために、収束素子す なわち指向性増強器をカバー１８の表面上にかぶせることができ、その結果、デ ィスプレイの表面上の輝度が増加する。これを行う一つのやり方は、マイクロ複 製された光学系を用いるやり方である。これらの光学素子は、０．０２０インチ の厚みのオーダである。実用では、そのような光学素子は、必要な視認角を超え た角度で放射された光および普通ならディスプレイハウジングの内部での吸収で 失われるような極端な角度で放射された光を、集中させた円錐形の中に向かわせ るのに使用する、色消しの屈折プリズムまたは類似の構造物の配列であってもよ い。色消し屈折プリズムは、容易に製造され、光をプリズム角で決まる円錐形の 中に屈折させる（曲げる）原理で作用する。このようなプリズムは、交通信号を 収束するのに使われる光学素子と同様の原理で作用する。そのようなプリズムを 内蔵したフィルムは、３Ｍコーポレイションから「Brightness Enhancement Fil m」の名称で入手可能である。 指向性増強器と関連する利得数値は、視認角度に大きく依存する。適度の軸外 視認条件の典型的なディスプレイは、＋３０度の視認円錐範囲を提供することを 要求する。この視認角度のための指向性利得（ゲイン）は、おおよそ３５％であ ろう。特性 キャビティ１６およびカバー１８を構成する好ましい材料（それぞれ、アルミ ニウムまたはプラスチック、およびガラス）は、オゾ ンを良好に閉じこめ、それにより蛍燐光ランプ１４の容器のためのオゾン発生石 英の使用を可能とする。他の例では、紫外線透過ガラスを使用して、オゾンの発 生を除去することができる（いくばくかの効率のロスを伴って）。 この発明では、光の利得（ゲイン）は、従来技術の曲がりくねり型蛍光バック ライトに類似して、ＬＣＤの作動面積に対する放射面の比として実現される。６ ×８インチで１インチの寸法のカバー１８付きキャビティ１６は、４８平方イン チのカバー（つまり、ディスプレイ）を有するが、蛍燐光物質をコーティングし た表面積は、１２４平方インチある。利得係数（放射面積対ディスプレイ面積） は、こうして１２４／４８すなわち２．６である。類似の寸法の従来技術バック ライトとしては、利得係数は、おなじ電カレベルで約０．５であろう。 （３） 制御／駆動回路ランプ電極 フラットパネル透過型ディスプレイに対する需要の増大により、かつてはＣＲ Ｔディスプレイに特有であった頻発問題点が急速に再燃してきた。フラットパネ ルディスプレイにとっての四つの最も重大な問題は、軸外昼光読み取り性（off- axis daylight readability）、調光（dimming）、平均故障間隔（ＭＴＢＦ）、 およびＮＶＩＳ互換性である。これら問題点の全ては、バックライトシステムの 機能性に関係している。従来技術の蛍光ランプは、昼間読み取り性のために充分 な輝度を得るように駆動するのが非常に難しい。ランプを大電流で駆動すると、 ランプの寿命を短くする。それは、二つの理由で生じる。 （１） 大電流駆動は、多量の電子を必要とする。熱陰極放電ランプにおいては 、陰極はコイル状のタングステンフィラメントに電流を通して加熱しなければな らない。ワーク還元材料、つまり二次放射材（例えば、トリプルカーボネート） が陰極に加えられ、フィラメント寿命を延長しランプの全照明能力を増大させる ために使用される。陰極フィラメントに加えられたワーク還元材料から電子を離 脱させるために、熱が必要である。二次放射材料から一旦離脱すると、これらの 電子は、ランプ内の主な電流キャリヤとなる。この加熱作用の結果、陰極に加え られた材料が蒸発する。このことは、陰極の近くのランプ容器の内側に凝縮する 黒くなったリング（元の陰極材料）により視覚的に証明される。陰極から移動さ れる材料があまり多すぎると、陰極の電極は切れてランプがダメになる。高い電 力（高温）でフィラメントを働かせると、このプロセスは加速される。したがっ て、高められた駆動条件で作動された熱フィラメントランプは、高輝度のために 必要な大電流（電子）密度を維持するのには、理想的に適している訳ではない。 （２） 熱陰極ランプは、冷陰極ランプより調光が容易であり、したがってバッ クライトとしてよりしばしば使用される。ランプの輝度は、ピーク瞬間輝度と蛍 燐光物質の減衰輝度の平均値である。蛍光ランプを調光するには、文字どおりラ ンプを繰り返し低速でしかし制御された反復速度で始動することが必要である。 高い点弧電圧と多い点弧繰り返し回数は、陰極を蝕刻する主な原因である。この 点弧のメカニズムは、陰極に甚だしい損傷を与え、陰極材料は、ランプを高い輝 度値で作動させるのと同様な具合に、多量に失われていく。 ランプを点弧（始動）する前に陰極を予熱することは、陰極の予 定寿命を延長する一方法である。したがって、この発明の制御／駆動回路は、こ の機能を有しており、ランプが使用される前に、ランプ容器の各端部にあるコイ ル状の陰極が予熱される。加えて、バックライトアセンブリの電流要求および照 明出力に応じて複数段の陰極フィラメント駆動レベルが使用される。ある場合、 つまり典型的に高い駆動条件の場合には、陰極フィラメント駆動回路は完全に取 り除かれる。このことは、「陰極降下（cathode fall）」により陰極に起こる自 己加熱が二次放出材料からの電子遊離の条件に合致するので、可能である。「陰 極降下」は、電子エネルギー（入力）をガス放電を維持するためにアークストリ ーム内で使われる運動エネルギー（出力）に変換するために必要な、陰極の近傍 で消費されるエネルギーを指す。 この発明の陰極アセンブリの寿命が予定どおり延長される主な理由は、バック ライトシステムの発光効率を増加したことと各ランプがはなはだ低い点弧電圧で 作動されることにより、蛍燐光発光ランプ１４の駆動条件が低くなったからであ る。点弧特性（始動特性） ガス放電ランプは、充分なイオン移動になる（反対方向に電子移動を生じる） と、雪崩電子流を介して点弧（始動）する。この条件は、陰極から放出された充 分な数の自由電子が存在し、ランプの陽極に充分高い電位（電圧）がかけられて いるときに成立する。 全ての場合に、ランプを通して電流を確立するためには、充分な量の「平均」 エネルギーがランプに伝達されなければならない。例えば、ランプが６０Ｈｚの 駆動周波数で作動していて、パルス幅が１００マイクロ秒であり、供給される電 流が１ミリアンペアに制限され、そしてかかっている電圧が５００ボルトに制限 されると、制 御された量のエネルギーがランプに伝達される。もし、作動周波数が２倍の１２ ０Ｈｚになり、電圧と電流が同じ値に保たれれば、ランプに伝達されるエネルギ ーの量は２倍になる。制御／駆動電子回路の好ましい実施態様では、エネルギー は、タイミングの合った電圧と電流の形でランプに伝達される。電圧および電流 の両方とも、制御／駆動回路２２のデューティサイクルコントロールによりラン プの全作動状態の下で高度にレギュレートされている。 ランプに消費されるエネルギーは、固定のしかし制御された量の紫外線エネル ギーになり、紫外線エネルギーは、蛍光キャビティ１６の内側の蛍燐光物質によ り吸収されて、可視光線を作り出す。ランプ内のエネルギー消費が多いほど、作 られる紫外線が多く、そしてバックライトの中で作られる可視光線が多い。非常 に狭い方形波駆動パルスがランプに供給される低い駆動条件の下では、ランプを 通して流れ得る電流は制限される。ランプに要求される最低駆動条件を満足する ために、かけられる電圧はエネルギーを所望のレベルに保つように増加されなけ ればならない。 この原理を用いて、発明のバックライトシステムに使用される制御／駆動回路 ２２は、ランプの陰極電圧並びにアーク電流および電圧を制御するために、独特 なデジタル制御される回路を採用している。制御／駆動回路２２は、蛍燐光発光 ランプ１４を作動の両方の半サイクルにおいて制御できるようになっている（こ のようにして、点灯前および点灯後の制御を行う）。制御／駆動回路の説明 図５は、この発明の好ましい実施態様の制御／駆動回路２２のブロック線図で ある。制御／駆動回路２２は、蛍燐光発光ランプ１４の各端部に位置する陰極２ ４に接続されている。制御／駆動回路２ ２は、陰極を加熱するための励起（付勢＝電気の供給）を行い、発光器に制御さ れたアーク電流を供給する。制御／駆動回路２２は、この励起を非常に高い効率 で行うように設計されている。 制御／駆動回路２２は、プロセッサ２５（これは、例えば、マイクロプロセッ サまたはマイクロコントローラであってもよい）、プログラマブルアーク電流レ ギュレータ２６、プログラマブルバースト長モジュレータ２８、プログラマブル フィラメント電流レギュレータ３０、カップリングトランス３２、並びに好まし くはファン３４および温度センサ３６を含んでいて、図５のように接続されてい る。 制御／駆動回路２２は、電力入力および制御入力の両者を有している。電力入 力は、好ましくは、単一の直流電圧で比較的広い許容範囲、典型的には±２０％ 、を持ったものである。公称直流電圧（例えば、１２ボルト、２８ボルト、また は２７０ボルト）は、比較的小さい回路変更で設定し直すこともできる。 制御入力は、好ましくは、プロセッサ２５に対するシリアルのデジタルインタ フェース（例えば、ＲＳ−２３２またはＲＳ４２２インタフェース）である。こ のインタフェースを通して、調光レベルは、プロセッサ２５により８，０００レ ベルの分解能を有するランプ励起信号に翻訳されることができる。８，０００レ ベルの励起は、最低および最高のブライトネスの両極端において適当な制御分解 能でもって２，０００：１以上の調光比を与える。 プロセッサ２５を使用することにより、蛍燐光発光ランプ１４は、蛍燐光発光 ランプ１４の寿命を最大にしながら、広い温度範囲（−４０℃〜＋７１℃）に亘 って作動するように制御されることができる。プロセッサ２５は、少なくとも以 下の５機能 （１） フィラメント電流 （ＯＦＦ／ＬＥＶＥＬ１／ＬＥＶＥＬ２） （２） アーク電流レギュレータ （ＯＦＦ／ＬＥＶＥＬ１／ＬＥＶＥＬ２／ＬＥＶＥＬ３） （３） バースト長モジュレータ （８，０００状態の中から一つを選択） （４） ファン （ＯＮ／ＯＦＦ） （５） ランプ温度データの収集 を制御する。 プロセッサ２５は、フィラメント電流レギュレータ３０のための出力電流を選 択することにより、フィラメント電流を制御する。陰極のスパッタリングを最小 に抑えるために、フィラメント電流は、アーク電流励起をする前に陰極２４を加 熱するために供給される。好ましい実施態様では、フィラメント電流レギュレー タ３０のために三つの出力を選択することができる。フィラメント電流は、蛍燐 光発光ランプ１４の温度およびアーク励起レベルが陰極加熱を必要としない値に なると、止められる（つまり、ＯＦＦにされる）。フィラメント電流ＬＥＶＥＬ １は、経験的に決められたフィラメント電流の「通常」値であり、最良の紫外線 出力を維持するために陰極フィラメントをある程度加熱する。フィラメント電流 ＬＥＶＥＬ２は、ＬＥＶＥＬ１より大きく、蛍燐光発光ランプ１４のための陰極 １４の加熱を促進するためにコールドスタート時に使用される。所望とあれば、 他のレベルのフィラメント電流をプログラムしてもよい。 プロセッサ２５は、アーク電流レギュレータ２６のための電流と電圧の両方を 選択することにより、蛍燐光発光ランプ１４へのアー ク電流を制御する。アーク電流レギュレータ２６は、インダクタ電流を制御する ためにスイッチモード回路技術を使用している。インダクタは、に必要なアーク を成立させる前に蛍燐光発光ランプ１４の中のガスをイオン化するのに必要な電 圧・時間の励起を行うために制御されたエネルギー源を提供する。各「オン」期 間の開始時に蛍燐光発光ランプ１４の両端に生じる電圧は、先行する「オフ」期 間の継続時間に逆関係にあり、一旦イオン化が必要レベルに到達したときにラン プの両端に生じる電圧よりも、はるかに大きい。つまり、蛍燐光発光ランプ１４ にエネルギーが供給されていない時間が長ければ長いほど、アークストリームを 再スタートするのに必要な電圧は高くなる。典型的には（ランプの長さにも依存 するが）、１０００ボルトを１０マイクロ秒の間かける（電流無しで）と、１０ ０ボルトで１００ｍＡのアークを成立させるのに必要なイオン化が起こる。 好ましい実施態様では、プロセッサ２５によって４レベルのアーク励起を選択 することができる。ＯＦＦと電流の増加する３レベル（ＬＥＶＥＬ１、ＬＥＶＥ Ｌ２、およびＬＥＶＥＬ３）である。 選択された電流レベルおよび電圧は、プロセッサ２５の制御の下にバースト長 モジュレータ２８を通して蛍燐光発光ランプ１４に接続されている。バースト長 モジュレータ２８は、アーク電流レギュレータ２６から蛍燐光発光ランプ１４へ の電流を、モジュレーション期間（好ましい実施態様では、４ｍｓ）のパーセン テージ（デューティサイクル）の間チョップする。「オン」期間の間に、蛍燐光 発光ランプ１４への励起の極性が急激に逆転される（好ましい実施態様では、８ マイクロ秒間隔で）。好ましい実施態様では、「オン」期間の間に１／２マイク ロ秒間隔で励起を終了させることができ、 それにより８，０００の個別の励起値を設定できる。ランプの「ＯＮ」時の終了 のとき二つの陰極２４の間に低いインピーダンスが接続され、ランプ出力の精密 な消滅を行わせる。 このデューティサイクルは、図６に図解されている。波形４０は、４ｍｓモジ ュレーション期間内の多数の８μｓチョッピングサイクルを示している。チョッ ピングサイクルの合計時間のモジュレーション期間に対する比率が、調光比であ る。例えば、プロセッサ２５がフルイルミネーションの１％で出力するように指 令されると、プロセッサ２５は、バースト長モジュレータ２８を５個の８μｓチ ョッピングサイクルを出力するようにプログラムする。つまり、８，０００の可 能な励起レベルの内の１％が８０という値に等しい。各励起レベルは、１／２μ ｓの励起に等価であるから、レベル８０は４０μｓの励起、すなわち５個の８μ ｓチョッピングサイクルに等しい（リニアスケールの場合。ただし、ノンリニア スケールを使用してもよい）。 上述から分かるように、ストリームの維持または発生は、ランプ１４の先行状 態に依存する。好ましい実施態様では、選択された調光レベルおよびランプ温度 （この温度はアークストリームの状態に影響する）に対して必要なアーク電流、 アーク電圧、およびフィラメント電流を決めるために、ルックアップテーブルが 使用される。いかなる特定の蛍燐光発光ランプ１４についても、これらの値は、 経験的に定めることができる。 カップリングトランス３２は、蛍燐光発光ランプ１４をアーク電流レギュレー タ２６およびフィラメント電流レギュレータ３０から分離している。トランスに よる分離は、制御／駆動回路２２に広範囲の比較的低い入力電圧での作動を可能 としている。つまり、回路 素子の定格が、点弧（始動）の際に蛍燐光発光ランプ１４に存在する１０００ボ ルトレベルである必要はない。プロセッサ２５は、温度センサ３６から収集され た温度データにより指示されると、ファン３４を作動させて蛍燐光発光ランプ１ ４を冷却する。プロセッサ２５は、より低い温度で指令された照明出力を得るよ うに、電流レベルとデューティサイクルの組合せを提供するためにアーク電流の レベルを指令する。これらのより高いレベルの励起は、冷たい動作温度において 蛍燐光発光ランプ１４の陰極を加熱するのにも役立っている。ダイナミック陰極加熱 ガス放電管への幅広い応用を持つこの発明に由来する重要な実現事項は、熱陰 極２４のダイナミック制御に関する。アークストリームを維持しまたは生じさせ るのに必要な時だけ陰極２４を加熱することによって、蛍燐光発光ランプ１４の 効率および予定陰極寿命を実質的に増加されることができることが発見された。 この発明のこの面は、図７を参照することにより、よりよく理解することができ る。 蛍燐光発光ランプ１４の二重端動作のため、ランプ１４の各端は、陽極５０と フィラメント陰極５２を有している。アーク電流は、アーク電流レギュレータ２ ６により供給され、他方、フィラメント電流はフィラメント電流レギュレータ３ ０により供給される。上記から分かるように、陰極５２の主な目的は、アークス トリームを発生させるために充分な電子を提供することである。従来の調光調光 不能の蛍光ランプにおいては、アーク電流はアーク発生後アークを維持するのに 充分である。したがって、フィラメント陰極は、回路から取り外されることがで きるし、最小の電流で作動されることがで きる。しかしながら、調光可能な蛍光ランプにおいては、低い照明レベルではア ークストリームを維持／発生させるための余分の電子が必要とされるので、低い 駆動条件の間は熱く保たれている。 この発明では、フィラメント陰極電流の目的が電子を作り出すために陰極を加 熱することであるということが実感された。しかしながら、陰極降下によりラン プの中に相当量の自己加熱が存在する。さらに、特にランプ容器の内部に軸方向 に取り付けられている陰極フィラメントにとっては、熱は容器から陰極５２の中 へと反射される。したがって、この発明は、アークストリームを維持するのに必 要なときだけ陰極電流を供給することにより、陰極の自己加熱をうまく利用して いる。とりわけ、好ましくは、温度センサ３６が蛍燐光発光ランプ１４の陰極５ ２の近くに取り付けられる。陰極５２の近傍で容器表面の温度を監視することに より、陰極の温度が指示される。この温度情報を使用して、特定のランプ特性（ 例えば、管径および管長、充填ガス混合物、他）および調光レベル（例えば、低 い照明レベルでは陰極加熱が多く必要）に対して、多くの個別レベルの陰極電流 が経験的に定められる。それらのレベルは、蛍燐光発光ランプ１４の作動中にプ ロセッサ２５により選択するために、ルックアップテーブルの中に記憶させてお くことができる。このような陰極電流のダイナミック制御は、高効率が望ましい 場合は、どんな調光可能型のガス放電管（蛍光ランプを含む）にも応用すること ができる。 発明の利点 効率 …この発明の好ましい実施態様は、従来技術バックライトシステムの５倍以 上の効率を有する。熱 …この発明の効率により、従来技術に比べて、所望の輝度レベルを発生するた めにより少ない電力が必要である。したがって、より少ない熱が発生する。調光範囲 …殆どのバックライトシステムは、悪い照明条件における透過型ディス プレイの一般使用に必要な２，０００：１の調光比を達成することはできない。 この発明に従って作られた４×４インチのバックライトは、約４８，０００：１ を超える調光比を実証している。実用寿命 …発明のバックライトシステムは、蛍燐光物質が水銀蒸気および陰極か らの金属イオンに曝されないので、通常のバックライトをはるかに超える蛍燐光 物質の寿命をもたらす。従来の蛍光照明技術は、蛍燐光物質をそれらの汚染物質 に曝し、結果として蛍燐光物質の反応およびその結果の汚染が生じ、照明出力が 減少する。 この発明の多くの実施態様について説明した。しかしながら、発明の精神およ び範囲から逸脱しないで種々の改変修正がなされ得ることは、理解できよう。し たがって、発明は、具体的な説明された実施態様に限定されるのではなく、添付 の請求範囲によってのみ限定されるものである、と理解されるべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 高効率の紫外線光源を含んで成り、透過型電子ディスプレイデバイスの背 面照明に適した蛍光キャビティバックライトシステム。