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DIE
VORLIEGENDE ERFINDUNG betrifft ein lichtstreuendes Folienmaterial
mit Nutzen auf zahlreichen Gebieten, einschließlich der Verbesserung von
Videoanzeigen, wie zum Beispiel LCD-Anzeigevorrichtungen.
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In
Flüssigkristallanzeigevorrichtungen
wird das von dem Betrachter gesehene helle Bild durch die Flüssigkeitszelle
entweder durch Licht, das in der Anordnung durch eine Beleuchtung
von hinten erzeugt wird, oder durch die Verwendung von Umgebungslicht
erzeugt, daß als
erstes durch die Zelle hindurchgelassen und an der Rückseite
der Zelle reflektiert wird, wobei es durch die Zelle wieder austritt,
um ein helles Bild zu erzeugen. In der letztgenannten Anordnung
muß, aufgrund
der Position des Betrachters, der Hauptteil des Lichts außeraxial
aufgenommen werden, sollte es vorzugsweise beim Eintreten in die Anzeigevorrichtung
nicht weiter gestreut werden und sollte es vorzugsweise axial mit
gewisser zusätzlicher
Streuung wieder austreten, um für
einen akzeptablen Betrachtungswinkel zu sorgen. Es ist allgemein
bekannt, daß Fresnel-artige
Strukturen die Fähigkeit
aufweisen, Licht umzulenken; als kreisförmige Anordnungen von Abschrägungen,
um Linsen zu erzeugen, oder als lineare Anordnungen von Abschrägungen außeraxiale
Effekte zu erzeugen. Es sind Strukturen von diesen Bauarten vorgeschlagen
worden, die Materialien mit lichtstreuenden Eigenschaften enthalten,
wie dies in dem US-Patent Nr. 4911529 beschrieben ist, wo der Streueffekt
durch einen sogenannten Bulk Diffuser geliefert wird, der kleine
Teilchen aus einem Material mit einem ersten Brechungsindex umfaßt, die
in einem Matrixmaterial mit einem zweiten Brechungsindex verteilt
sind. Genannte Materialien sind in zum Beispiel US-Patent Nr. 4983016,
EP-A-0464499 oder EP-A-0843203 beschrieben. Eine wichtige Eigenschaft
von genannten Bulk Diffuser-Materialien besteht darin, daß das Ausmaß der Streuung,
die in einer bestimmten Zusammensetzung stattfindet, von der Dicke
des Materials abhängt,
durch das das Licht geht. Als eine Folge wird Licht, das in eine
Anordnung, die genanntes Material enthält, außeraxial eintritt, mehr gestreut
und weist es eine geringere Intensität als Licht auf, das axial
einfällt.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine LCD-Anzeigevorrichtung
nach einem der Ansprüche
1 und 2 bereitgestellt. Diese Anzeigevorrichtung kann eine optische
Einrichtung enthalten, die ein Element aus lichtdurchlässigem Material
umfaßt,
das eine Oberfläche
aufweist, die gestaltet ist, um ein gestuftes, Fresnel-artiges lichtbrechendes
Element zu bilden, wobei genanntes lichtdurchlässiges Material eine Anordnung
von integralen Strukturen mit abgestuftem Brechungsindex enthält, die
geeignet sind, um genanntem lichtdurchlässigem Material oder dem Element
mit einer Schicht, die gestaltet ist, um genannte gestufte Oberfläche zu bilden,
und eine zusätzliche
Schicht aufweist, die genannte Anordnung von integralen Strukturen
mit abgestuftem Brechungsindex enthält, lichtdispergierende oder
-streuende Eigenschaften zu verleihen.
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Die
Anmelder haben herausgefunden, daß, mit einer Vorrichtung mit
dieser Eigenschaft, außeraxial
in die Vorrichtung einfallendes Licht weniger gestreut und weniger
in der Intensität
als axial einfallendes Licht reduziert wird.
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In
gewissen Fällen
kann es wünschenswert sein,
eine Oberfläche
von genanntem Element durch Beschichtung mit einem Material mit
den notwendigen optischen Eigenschaften, wie zum Beispiel einem
durch Abscheidung oder Zerstäuben
aufgebrachten Metall, reflektierend oder teilweise reflektierend
zu machen.
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Das
Folienmaterial kann, zum Beispiel, einen Photopolymer umfassen,
in dem die Einrichtungen mit abgestuftem Brechungsindex durch Aussetzen
eines Präkursors
des Materials (wie zum Beispiel ein Monomer) einer geeigneten Strahlung
in einem vorab festgelegten Muster, so daß örtliche Variationen der Lichtintensität in dem
Material und somit örtliche
Variationen des Polymerisationsgrades und somit des Brechungsindexes
erzeugt werden, gebildet werden. Als ein weiteres Beispiel kann
das Material dichromatisierte Gelatine (Dichromated Gelatine (DCG))
sein, in der die gewünschten
Einrichtungen mit abgestuftem Brechungsindex durch Aussetzen des
Materials selbst einem derartigen Strahlungsmuster gebildet werden,
um eine äquivalente
Wirkung zu erzielen. Genannte Materialien, korrekt bearbeitet, sitzen
die vorangehend beschriebenen gewünschten optischen Eigenschaften.
Die verwendeten Prozeßtechniken
können
zum Beispiel diejenigen einschließen, die in EP-0294122 oder
EP-0801767 oder US-Patent Nr. 5695895 oder GB-A-1499135 beschrieben sind. Diese Arten
von streuenden Materialien können
selbst außeraxiale
oder asymmetrische Eigenschaften aufweisen, wie dies in
EP 0768565 beschrieben ist,
was die durch die Fresnel-Struktur erzeugten außeraxialen Effekte weiter verstärken kann.
Verfahren zur Herstellung von Folien aus lichtstreuendem Material,
in dem die lichtstreuenden Eigenschaften an Brechungsindexvariationen
in dem Material liegen, sind bekannt und werden hier nicht detaillierter
beschrieben. Diese bekannten Verfahren sind jedoch auf die Herstellung
von entweder ebenen lichtstreuenden Folien oder lichtstreuenden
Folien mit einer Oberflächenkonfiguration
zum Beispiel in Form von mehreren konvexen Aufsätzen gerichtet, die geeignet
sind, um die Streueigenschaften des Materials zu verstärken.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist die Anzeigevorrichtung mit einer
optischen Platte oder Folie versehen, die einen ersten Körper aus
lichtdurchlässigem
Material mit einer äußeren Fläche und
einer inneren gestuften oder rampenförmigen Fläche aufweist, die einen zweiten
Körper
aus lichtdurchlässigem
Material trägt
oder damit übereinstimmt
und/oder daran haftet, wobei genannter zweiter Körper aus lichtdurchlässigem Material
eine äußere Fläche fern
von genannter Beschichtung und eine innere Fläche aufweist, die mit genannter
gestufter oder rampenförmiger
Fläche
von genanntem ersten Körper übereinstimmt
und/oder daran haftet. Genannte Platte oder Folie weist somit allgemein ebene
parallele Flächen
an ihren gegenüberliegenden
Seiten auf, was die Aufnahme des Produkts in einen Stapel mit weiteren
ebenen Folien oder Platten, wie zum Beispiel Flüssigkristallzellen, Polarisationsfolien,
etc. bei der Herstellung von Produkten, die genannte optische Folie
oder Platte verwenden, erleichtert.
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Somit
ist gemäß genanntem
weiteren Aspekt die Anzeigevorrichtung mit einer lichtdurchlässigen Platte
oder Folie versehen, die einen ersten Körper aus lichtdurchlässigem Material
umfaßt,
das eine äußere Fläche und
eine innere gestufte oder rampenförmige Fläche aufweist, die einen zweiten
Körper aus
lichtdurchlässigem
Material trägt
oder damit übereinstimmt
und/oder daran haftet, wobei genannter zweiter Körper aus lichtdurchlässigem Material eine äußere Fläche fern
von genannter Beschichtung und eine innere Fläche aufweist, die mit genannter gestufter
oder rampenförmiger
Fläche
von genanntem erstem Körper übereinstimmt
und/oder daran haftet, wobei sich der Brechungsindex von genanntem
zweiten Körper
aus lichtdurchlässigem
Material von demjenigen des ersten Körpers aus lichtdurchlässigem Material
unterscheidet, wodurch Licht beim Übergehen von genanntem ersten
zu genanntem zweiten Körper
aus lichtdurchlässigem
Material gebrochen wird.
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Gemäß einem
weiteren genannten Aspekt der Erfindung ist die Anzeigevorrichtung
mit einer teilweise lichtreflektierenden, teilweise lichtdurchlässigen Platte
versehen, die einen ersten Körper
aus lichtdurchlässigem
Material mit einer äußeren Fläche und
einer inneren gestuften oder rampenförmigen Fläche, die eine halbdurchlässige Beschichtung
trägt oder
damit übereinstimmt
und/oder daran haftet, und einen zweiten Körper aus lichtdurchlässigem Material
auf der gegenüberliegenden
Seite von genannter halbdurchlässiger
Beschichtung von genanntem ersten Körper aus Material umfaßt, wobei
genannte andere Seite von genannter Beschichtung entsprechend gestuft
oder rampenförmig
gestaltet ist, genannter zweiter Körper aus lichtdurchlässigem Material
eine äußere Fläche fern
von genannter Beschichtung und eine innere Fläche aufweist, die mit genannter
gegenüberliegender
Seite von genannter halbdurchlässiger
Beschichtung übereinstimmt
und/oder daran haftet, wobei der Brechungsindex von genanntem zweiten
Körper
aus lichtdurchlässigem
Material demjenigen von genanntem ersten Körper aus lichtdurchlässigem Material
gleicht oder ihm sehr nahe kommt, wodurch Licht beim Übergehen
von genanntem erstem zu genanntem zweitem Körper aus lichtdurchlässigem Material
nur geringer oder gar keiner Brechung unterliegt.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden unten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben werden, in denen:
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1 eine
Ansicht, im Schnitt senkrecht zur Ebene der Haupterstreckung des
Materials, von einem ersten Beispiel zeigt,
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1a und 1b entsprechende
Ansichten von Varianten zeigen, die jeweils eine reflektierende
Beschichtung aufweisen,
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2 eine
Ansicht, teilweise im Schnitt und teilweise perspektivisch, von
einer weiteren Form von lichtstreuender Folie zeigt,
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2a und 3, 3a und 3b Schnittansichten ähnlich wie 1 sind,
die spezielle Beispiele für
Materialien zeigen,
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4 eine
Grafik zeigt, die Streueigenschaften für zahlreiche Materialien zeigt,
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5 eine
Ansicht, ähnlich
wie 1 ist, die ein weiteres Beispiel für die Erfindung
zeigt,
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6 eine
schematische Schnittansicht zeigt, die einen Effekt darstellt, der
bei Verwendung einer Ausführungsform
gemäß der Erfindung
auftreten kann, und
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7 eine
schematische Schnittansicht von einer weiteren Ausführungsform
zeigt, durch die der in 6 dargestellte Effekt vermieden
werden kann.
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In
den in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen gemäß der vorliegenden
Erfindung weist die Vorrichtung die allgemeine Gestalt einer Folie 13 aus
lichtdurchlässigem
Material auf, von der eine Fläche
mit einer gestuften oder mit Nuten versehenen Konfiguration, nach
der Art einer Fresnel-Linse oder eines Fresnel-Prismas, versehen
ist. Als eine Folge weist die Vorrichtung, zusätzlich zu ihren streuenden
Eigenschaften, auch eine Richteigenschaft in dem Sinne auf, daß, wenn
ein paralleler Lichtstrahl auf die Folie von einer Seite derselben
gelenkt wird, die Polarverteilung des aus der Vorrichtung austretenden
gestreuten Lichts eine Spitze entlang einer Richtung aufweist, die
sich von der Richtung der Achse des einfallenden Strahls um einen
Winkel unterscheidet, der die Abweichung repräsentiert, die durch die Prismenkomponente
aufgrund der Fresnel-Prisma-Oberflächenkonfiguration erteilt wird.
Die gestufte Fläche
der Vorrichtung weist, im Querschnitt, einen Sägezahnprofilabschnitt auf,
der Hauptabschrägungen
oder Rampen, die zur allgemeinen Ebene der Folie typischerweise
unter 10° bis
20° geneigt
sind, und Nebenabschrägungen
auf, die sich allgemein senkrecht zu genannter Ebene erstrecken.
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In
dem in 1 gezeigten Beispiel ist ein auf das Material
von unten, normal zu der (ebenen) unteren Fläche einfallender Lichtstrahl
so gezeigt, daß er durch
das Material unabgelenkt hindurchgeht, um durch eine der Abschrägungen der
Fresnel-Struktur, die die obere Fläche bildet, durchzugehen und
um einen 5°-Winkel
gebrochen zu werden. In dem gezeigten Beispiel umfaßt die Fresnel-Struktur
eine Reihe von Hauptabschrägungen,
die jeweils unter 10° zur Ebene
der unteren Fläche
geneigt sind. Man wird natürlich
verstehen, daß diese
Figuren lediglich Beispiele darstellen. Es versteht sich auch, daß die Darstellung
von 1 den Streueffekt des Materials vernachlässigt. Wenn
man diesen Effekt berücksichtigt, wird
man erkennen, daß der
Gesamteffekt für
einen parallelen Strahl, der auf das Material entlang des gekennzeichneten
Strahlenweges einfällt,
darin besteht, in dem Material, eine Ausbreitung oder Streuung von
Licht in einer Polarverteilung mit einer Intensitätsspitze
entlang des gezeigten Strahlenweges zu erzeugen.
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Unter
Bezugnahme auf 1b ist eine Anordnung gezeigt,
die derjenigen von 1 ähnelt, außer daß die gestufte obere Fläche reflektierend, zum
Beispiel durch Metallisierung, zum Beispiel durch Dampfabscheidung
oder durch Zerstäubung aufgebracht,
gemacht ist. Die Aufnahme einer reflektierenden Fläche, die
von der Fläche
entfernt ist, durch die das Licht in die Anordnung eintritt, bewirkt, daß Licht,
das umfänglich
in das Material von unten unter einem wesentlichen (35°–40°) Winkel
zur Normalen eintritt, an den reflektierenden Abschrägungen reflektiert
wird, durch das Material ein zweites Mal hindurchtritt und diffuser
wird, bevor es im wesentlichen axial austritt, das heißt, als
ein zerstreuendes „Bündel" von Strahlen in
einer Verteilung mit einem Maximum entlang der Normalen zur ebenen
Seite austritt.
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1a zeigt
eine ähnliche
Anordnung wie 1b, außer daß die lichtdurchlässige Schicht,
die mit der Fresnel-abgeschrägten
Fläche
versehen ist (und die bei 22 in 1a gekennzeichnet
ist), aus nicht streuendem, transparentem Material besteht und der
gewünschte
Streueffekt von einer zusätzlichen
Schicht, 23 bezeichnet, aus lichtstreuendem Material geliefert
wird. In den Ausführungsformen
der oben beschriebenen 1a und 1b, in
denen eine reflektierende Beschichtung verwendet wird, ist die Beschichtung
auf die wellige oder abgeschrägte Fläche des
Materials, die als die Rückfläche des
Bildschirms angeordnet ist, aufgebracht, um einen verstärkten außeraxialen
Effekt sicherzustellen. Die reflektierende Beschichtung kann jedoch
natürlich
auf die ebene Fläche
der Vorrichtung aufgebracht werden, die wiederum als die Rückfläche angeordnet
ist.
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2 zeigt,
teilweise im Schnitt und teilweise perspektivisch, eine lichtstreuende,
lichtdurchlässige
Folie gemäß der Erfindung,
die eine Schicht 32 mit einer Fresnel-gestuften oder -abgeschrägten Fläche und
eine ebene Substratschicht 33 umfaßt. Die Schicht 32 kann
aus lichtstreuendem Material und Substrat 33 aus transparentem
nichtstreuendem Material, wie zum Beispiel Polyester oder Polycarbonat, bestehen
oder, ähnlich
wie die Anordnung von 1a, kann die Schicht 32 nicht
streuen und die Schicht 33 streuen.
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2a zeigt
ein spezielles Beispiel für
eine Anordnung, die derjenigen von 2 entspricht,
worin die Fresnel-Struktur einen Abstand von 50 μm und einen Abschrägungswinkel
von 10 Grad aufweist. Wiederum anfänglich die Streueigenschaften
des Materials vernachlässigend,
tritt ein Lichtstrahl, der axial (d.h. normal zur „Ebene" des Materials) eintritt, unter
5° zur Normalen
aus.
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3 zeigt
ein Beispiel, das demjenigen von 1 ähnelt und
beispielhaft, eine Fresnel-Struktur aufweist,
deren Abstand 50 μm
mit einem Abschrägungswinkel
von 20 Grad beträgt. 3a zeigt
eine Struktur mit demselben Abstand und Abschrägungswinkel und zeigt zusätzlich zu
Darstellungszwecken unterschiedliche Strahlenwege durch das lichtstreuende
Material 13. 3b zeigt eine Struktur, die
derjenigen von 2a ähnelt, aber in der jedoch die Substratschicht,
mit 43 bezeichnet, eine Schicht ist, die Einrichtungen
mit abgestuftem Brechungsindex enthält, die gestaltet sind, um
einen Nettoablenkungseffekt auf Licht zu erteilen, das dort hindurchtritt,
sowie typischerweise das dort hindurchtretende Licht streut. Somit
unterliegt in dem dargestellten Beispiel Licht, das auf die Schicht 43 normal
zu ihrer freiliegenden unteren (in der Figur) Fläche einfällt, einer Netto- oder mittleren
Ablenkung von 20°.
Die mit 42 gekennzeichnete Fresnel-abgeschrägte Schicht kann
in diesem Fall einfach transparent und nichtstreuend sein oder kann
selbst Licht streuen.
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Wie
angemerkt wurde, vernachlässigen
die Strahlendiagramme in den 1 bis 3b zur
Erleichterung der Darstellung die Tatsache, daß die lichtdurchlässigen Schichten
der Vorrichtung nicht einfach transparent sind, sondern daß eine oder
jede genannte Schicht eine lichtstreuende Eigenschaft aufweist.
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Somit
wird anstelle des dargestellten austretenden Strahls in der Praxis
ein dispergierendes "Bündel" von Strahlen in
einer Verteilung mit einem Maximum entlang des dargestellten Weges
des austretenden Strahls vorliegen.
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Die
gestufte Fläche
in den obigen Ausführungsformen
kann, in Wirklichkeit, eine Vielzahl von genau parallelen ähnlichen
Nuten mit V-Profil definieren, die sich quer über das Folienmaterial erstrecken, so
daß, bei
Vernachlässigung
der streuenden Einrichtungen, das Material wie ein dünnes Prisma
wirkt. Alternativ können
sich jedoch die Nuten und Kämme, die
von der gestuften Fläche
definiert werden, in Kreisen oder Bögen erstrecken und eine Form
aufweisen, die derjenigen der gestuften Fläche einer Fresnel-Linse entspricht,
wodurch die Brechung oder Reflexion an der gestuften Fläche dazu
neigen wird, das dadurch gelieferte diffuse Licht zu "fokussieren". Zusätzlich wird
das Vorhandensein des streuenden Materials die Unterbrechungen in
der Fresnel-Struktur für
den Betrachter maskieren.
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In
den erörterten
Beispielen tritt die lichtstreuende Eigenschaft der lichtstreuenden
Schicht als eine Folge der Aufnahme einer Anordnung von Einrichtungen
mit abgestuftem Brechungsindex, zum Beispiel Mikrolinsen mit abgestuftem
Brechungsindex oder andere Einrichtungen, auf. Diese Mikrolinsen
mit abgestuftem Brechungsindex weisen vorzugsweise jeweils eine
Querabmessung, d.h. eine Abmessung, die parallel zu den Hauptebenen
der Folie gemessen ist, auf, die im Verhältnis zum Abstand der welligen
Fläche,
d.h. dem Abstand zwischen, zum Beispiel, Spitzen von benachbarten
Kämmen der
welligen Fläche,
klein ist, wobei die Einrichtungen mit abgestuftem Brechungsindex
in ähnlicher
Weise im Verhältnis
zueinander dicht beabstandet sind, so daß, zum Beispiel, der mittlere
Abstand zwischen benachbarten genannten Einrichtungen mehrere Größenordnungen
geringer als der Abstand der Wellungen auf der Oberfläche sein
kann. In den beschriebenen Beispielen weisen die Einrichtungen mit
abgestuftem Brechungsindex typischerweise einen mittleren Durchmesser
von 5 Mikron auf, die zum Beispiel über eine Strecke von 8 Mikron
voneinander (Mitte zu Mitte) beabstandet sind. Vorzugsweise kann
in jeder genannten Einrichtung mit abgestuften Brechungsindex der
Brechungsindex entlang irgendeiner Linie senkrecht zur Ebene der
Folie im wesentlichen konstant sein, aber mit der Querposition in
dem Folienmaterial variieren. Somit kann im Falle einer Linse mit abgestuftem
Brechungsindex der Brechungsindex mit radialer Entfernung von der
optischen Achse der Linse, wie in EP-A-0294122 beschrieben, variieren.
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Die
Brechungsindexstufen in dem lichtstreuendem Material können durch
photographische Mittel, zum Beispiel, durch Kontaktdrucken durch
eine geeignete Maske, wie in EP-A-0294122 beschrieben, erzeugt werden.
Während
jedoch in EP-A-0294122, zum Beispiel, die benutzte optische Maske
vorzugsweise eben ist, kann die optische Maske, für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung, zum Beispiel, eine Glasplatte umfassen,
die die gewünschte
gestufte Konfiguration auf einer Fläche aufweist und deren eine
Fläche
mit einer dünnen
Schicht aus, zum Beispiel, metallischem Chrom, so dünn beschichtet
ist, daß der
Wellencharakter der Glasfläche
nicht verändert
wird, wobei die Chromschicht mit einer Anordnung von transparenten
Fenstern oder Öffnungen versehen
ist, die darin durch Photoätztechniken
geätzt
sind, um eine optische Druckmaske zu bilden. Die gestufte, verchromte
Fläche
der Platte kann danach gegen die freiliegende Fläche von, zum Beispiel, einer
Schicht aus photopolymerisierbarem Monomer (zum Beispiel zur Bildung
der Schicht 33 von 2 vorgesehen)
auf einem transparenten Substrat gepreßt werden, um die gewünschten
Wellen zu bilden, wodurch es sich effektiv um eine Prägetechnik handelt.
Alternativ kann das photopolymerisierbare Material auf die gestufte
verchromte Fläche
gegossen werden. Die Schicht aus photopolymerisierbarem Monomer,
die sich weiterhin mit der Glasplatte oder Maske in Kontakt befindet,
kann danach durch genannte Maske polymerisierendem Licht ausgesetzt
werden. Danach und nach einer nachfolgenden Pauschalbelichtung mit
polymerisierendem Licht, das zum Beispiel durch das transparente
Substrat gelenkt wird, kann die Platte von dem fertigen Produkt
getrennt werden. Alternativ kann die Diffusor/Fresnel-Linse- oder
Prisma-Kombination in einem zweistufigem Prozeß erzeugt werden; Ausbilden
eines ebenen Diffusors, wie vorangehend beschrieben, danach Prägen der
Fresnel-Struktur in eine Oberfläche
unter Verwendung einer Kombination von Wärme und etwas Druck. In diesem
Beispiel kann das Prägen
unter Verwendung eines Kupferstempels, der durch maschinelle Herstellung
der Fresnel-Struktur in der Oberfläche einer Kupferplatte unter
Verwendung eines Diamantwerkzeugs gebildet ist, durchgeführt werden.
Während
die obige Beschreibung und EP-A-0294122 auf die Verwendung von Photopolymer
als das Material Bezug nehmen, in dem Einrichtungen mit abgestuftem
Brechungsindex durch Belichten mit geeignetem Licht oder anderer Strahlung
hervorgerufen werden, können
andere Materialien, in denen Brechungsindexvariationen in ähnlicher
Weise durch genannte Belichtung hervorgerufen werden können, unter
Verwendung derselben Belichtungstechniken benutzt werden. Somit
kann zum Beispiel die chromatisierte Gelatine (Dichromated Gelatine
(DCG)) als das Material verwendet werden, in dem Linsen mit abgestuftem
Brechungsindex oder andere Einrichtungen mit abgestuften Brechungsindex
hervorgerufen werden, um der Vorrichtung lichtstreuende Eigenschaften
zu verleihen.
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Vorzugsweise,
insbesondere wenn die Vorrichtungen in Verbindung mit LCD-Anzeigevorrichtungen
verwendet werden, sollte die Vorrichtung gemäß der Erfindung oder deren
mehreren Schichten nicht doppelbrechend sein, d.h. die Polarisation
erhalten.
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Eine
besondere Verwendung der obengenannten Materialien stellt ein Überzug für von vorne beleuchtete
LCD-Anzeigevorrichtungen in, zum Beispiel, tragbaren Telefonen,
tragbaren Computern etc. dar, um dem Benutzer zu ermöglichen,
die Anzeige unter dem optimalen Winkel zu betrachten, ohne daß einfallendes
Licht gestört
wird und ohne von störenden
Oberflächenreflexionen
gestört
zu werden. In einer derartigen Anwendung wird natürlich keine
reflektierende Beschichtung verwendet und sollte die oder jede Schicht
des streuenden Bildschirms lichtdurchlässig sein. In einer Anordnung,
wie sie in 2 dargestellt ist, kann das
Substrat von der, zum Beispiel Glas-, Deckplatte der LCD-Anzeigevorrichtung gebildet
werden.
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Gleiche
Bedeutung weisen Vorrichtungen auf, in denen, wie in den obigen 1a und 1b, eine
Oberfläche,
gewöhnlich
die Oberfläche,
in der die Fresnel-Struktur vorhanden ist, mit einer reflektierenden
oder teilweise reflektierenden Beschichtung, typischerweise einem
Metall, wie zum Beispiel Aluminium, beschichtet ist. Vorrichtungen
von dieser Bauart können
hinter der Flüssigkristallzelle
in einer unter Verwendung von Umgebungslicht beleuchteten Anzeigevorrichtung
aufgenommen werden.
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In
den Anordnungen der 1a und 1b wird
Licht in einem minimalen Ausmaß bei
Eintreffen unter 35 bis 45 Grad zur Normalen zur unteren Fläche (d.h.
der Normalen zur allgemeinen "Ebene" des Materials) gestreut,
aber nach Reflexion an der reflektierenden Beschichtung, während des
Rückgangs
durch das streuende Material stärker
gestreut. Diese Unterschiede in Streuung und Intensität sind in 4 deutlich
gezeigt, wo Intensität
und Winkel oder Betrachtung, die sich anhand von unterschiedlichen Lichteinfallwinkeln
ergeben, verglichen sind. Somit zeigt 4 die Eigenschaften
einer ebenen Folie aus lichtstreuendem Material mit abgestuftem
Brechungsindex. Graphik A wurde durch Lenken eines Lichtstrahls durch
genannte Materialfolie, die senkrecht zur Strahlachse angeordnet
ist, und Messen der Intensität
von Licht (entlang der Y-Achse dargestellt), das aus der Folie auf
deren gegenüberliegenden
Seite austritt, entlang Richtungen unter zahlreichen Winkeln (entlang
der X-Achse dargestellt) von der Strahlachse hergeleitet. Graphik
B wurde in derselben Weise erzeugt, wobei aber die Folie aus streuendem
Material mit abgestuftem Brechungsindex so angeordnet ist, daß die Normale
zu ihrer Ebene unter 35° in
Bezug auf die Strahlachse abgewinkelt ist.
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In
einigen Anwendungen kann es tatsächlich wünschenswert
sein, die erzielten normalen Lichtwege umzudrehen in dem Sinne,
daß es
erwünscht
sein kann, daß Licht
von der betroffenen Anzeigevorrichtung mit einer maximalen Intensität entlang
einer Achse austritt, die zur Normalen zur Ebene der Anzeigevorrichtung
(und somit zur Ebene der Überzugfolie)
wesentlich geneigt ist, wobei das einfallende Licht normal oder
entgegengesetzt geneigt zur Achse, entlang derer das austretende
Licht am intensivsten ist, in die Anzeigevorrichtung einfällt. Die
Verwendung der Anzeigevorrichtung in dieser Weise wird hierin der
Zweckmäßigkeit
halber als Verwendung "im
Umkehrmodus" bezeichnet.
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Während in
einigen der oben beschriebenen Beispiele die Einrichtungen mit abgestuftem
Brechungsindex, die für
die Streuung von Licht verantwortlich sind, einteilig mit dem Material
ausgebildet sind, das die gestufte oder abgeschrägte Fläche liefert, ist die Vorrichtung
in anderen Beispielen als eine Vielzahl (z.B. zwei, drei oder mehr)
von individuellen, übereinander
gelagerten Schichten gebildet, wobei eine genannte Schicht, vorzugsweise
eine äußere Schicht,
aus einem transparenten Material mit gleichförmigem Brechungsindex, aber
mit der rampenförmigen
oder abgeschrägten
brechenden Fläche
versehen ist, und eine weitere genannte Schicht, zum Beispiel angrenzend
an die Schicht mit der abgeschrägten
Fläche,
die Einrichtungen mit abgestuftem Brechungsindex enthält.
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In
der Tat kann in einigen Ausführungsformen,
wo keine oder minimale Streuung von Licht verlangt wird, eine streuende
Schicht oder Fläche
weggelassen werden, wobei in einem derartigen Fall der Überzug oder
die Unterlage eine(n) einfache(n) Fresnel-Prisma-Platte oder -Reflektor
oder Halbreflektor umfaßt,
die/der zum Beispiel, weiterhin zum Nutzen in LCD-Anzeigevorrichtungen,
zum Beispiel in einigen Anwendungen wiederum dem Benutzer ermöglicht,
die Anzeigevorrichtung unter dem optimalen Winkel, ohne einfallendes
Licht zu stören.
Selbst wenn keine wesentliche optische Streuung erwünscht ist,
wird jedoch bevorzugt, daß die "ebene" Fläche von
genannter Platte oder Folie, d.h. die Fläche gegenüber derjenigen, die mit dem
gestuften Profil versehen ist, ausreichend texturiert oder unregelmäßig ist,
um Reflexion von Licht dadurch zu minimieren (siehe unten).
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Es
hat sich herausgestellt, daß in
einigen Anwendungen, insbesondere im Zusammenhang mit LCD-Anzeigevorrichtungen,
Oberflächenreflexion, zum
Beispiel an der ebenen Fläche,
die allgemein in Richtung auf den Betrachter geboten wird, eine
transparente oder lichtdurchlässige
Deckplatte, durch die ein Bild betrachtet werden soll, störend sein
kann. (Dies gilt insbesondere für
eine Anzeigevorrichtung, die, wie hierin definiert, in einem Umkehrmodus
verwendet wird). Die Anmelder haben festgestellt, daß genannte
störenden
Reflexionen beseitigt oder in großem Maße reduziert werden können, ohne
die Funktionalität
von genannter Deckplatte wesentlich zu beeinträchtigen, indem eine relativ
geringe Texturierung oder Oberflächenreliefmuster
der Plattenoberfläche,
die dem Betrachter präsentiert
wird, zum Beispiel durch Ausbilden genannter Oberfläche mit unzähligen winzigen
abgerundeten Höckern,
die, ohne dies zu müssen,
in Form von Lenslets mit geringer Vergrößerung oder Mikrolinsen zum
Beispiel mit Durchmessern in der Größenordnung von 5 bis 10 μm und Radien
der Oberflächenkrümmung von < 20 μm vorliegen
können.
Vorzugsweise sind genannte Mikrolinsen zur Vermeidung von Brechungseffekten im
wesentlichen zufällig
auf der Oberfläche
von genannter Deckplatte angeordnet. In der bevorzugten Ausführungsform
weisen jedoch die genannten winzigen Höcker oder Höhlungen eine im wesentlichen zufällige Gestalt
oder Kontur bei Betrachtung senkrecht zur maßgeblichen Oberfläche auf,
obwohl vorzugsweise ohne scharfe Kanten oder Winkel, aber mit einer
mittleren Querabmessung in derselben Größenordnung (z.B. 10 μm). Genannte
Oberflächentexturierung
kann, zum Beispiel, durch Prägen
mit Platten erzeugt werden, die durch Photolack- und Ätztechniken
von optischen Masken abgeleitet sind, die ein Speckle-Muster tragen und,
wie in WO 94/29768 beschrieben, hergestellt sind.
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Es
kann in der Tat von Vorteil sein, genannte Texturierung oder genanntes
Oberflächenrelief
in kleinem Maßstab
auf allen Oberflächen
in einer Anzeigeanordnung vorzusehen, die andernfalls störende Reflexionen
erzeugen könnten.
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In
einer in 5 dargestellten Anordnung weist
eine lichtdurchlässige
Platte 90, die die Oberseite oder äußere Platte eines LCD-Anzeige-Stapels (nicht
gezeigt) bildet, eine Fresnelgestufte, abgeschrägte untere Fläche 97 und
eine obere Fläche 94 auf,
die, von einem makroskopischen Betrachtungspunkt, eben ist, aber
in einem mikroskopischen Maßstab
durch Oberflächenreliefmusterausbildung
oder Texturierung charakterisiert ist, die die Gestalt einer Vielzahl
von seichten konvexen Höckern 96 annimmt,
die zufällig
auf der Fläche
angeordnet sind. Es versteht sich, daß genannte Platte auch anderswo in
einer LCD-Anzeigevorrichtung, zum Beispiel zwischen der Flüssigkristallzelle
und einer Anordnung zur Beleuchtung von hinten, verwendet werden
kann, wobei die gestufte oder rampenförmige Fläche 92 eine halbdurchlässige oder
transflektive Beschichtung aufweist, wie dies unter Bezugnahme auf
zum Beispiel die 1a und 1b beschrieben
ist. Es versteht sich, daß 5,
wie die anderen Figuren, in der Tat eine stark vergrößerte Ansicht
des Materials zeigt. Es versteht sich auch, daß 5 nicht
dazu vorgesehen ist, die relativen Maßstäbe der Höcker oder Aufsätze 96 und
der Stufen oder Rampen in der gestuften Fläche 92 wiederzugeben.
Beispielsweise kann die Folie 90 50 μm oder weniger dick sein und kann
der Abstand zwischen Wellen der Fresnel-Struktur 50 μm bis 25 μm betragen.
Die Hauptflächen
der Rampen oder Stufen können
unter 10° bis 30° zur Gesamtebene
des Folienmaterials geneigt sein. Die Folie oder Platte 90 kann
durch abgestufte Brechungsindexvariationen in derselben Weise, wie bezüglich der 1 bis 4 beschrieben,
charakterisiert sein, um das Material mit einem großem lichtstreuendem
Effekt zu versehen, oder überall
einen gleichförmigen
Brechungsindex aufweisen, wobei nur ein sehr geringer lichtstreuender
Effekt durch das Oberflächerelief 96 verliehen
wird.
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Es
ist nicht wesentlich, daß die
Abschrägungen
der rampenförmigen
Fresnel-Struktur optisch glatt oder vollkommen eben sind. Stattdessen
kann in einigen Fällen
eine gewisse Rauheit oder Unregelmäßigkeit der Hauptflächen der
Rampen in kleinem Maßstab
als Beitrag zur gewünschten
Streuung und/oder Minimierung von ungewollten spiegelnden Reflexionen
(z.B. wenn die Struktur prinzipiell einen Brechungseffekt aufweisen
muß) von
Vorteil sein. Außerdem
kann eine leichte konvexe oder konkave Krümmung den Rampenflächen vermittelt
werden, um besondere gewünschte
optische Effekte zu erzeugen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
dem Benutzer, die Anzeigevorrichtung unter dem optimalen Winkel,
ohne einfallendes Licht zu stören,
zu betrachten, und ermöglicht
gleichzeitig, daß Licht
von einer Anordnung mit Beleuchtung von hinten reflektierendes einfallendes
Licht effektiver verstärkt.
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Unter
Bezugnahme auf das Schemadiagramm von 6 zeigt
dies eine LCD-Anzeigevorrichtung
mit einer LCD-Zelle 100, die auf eine Platte 102 aus
lichtdurchlässigem
Material gelegt ist, das eine ebene Oberseite parallel zu den oberen
und unteren Platten der LCD-Zelle aufweist und eine Fresnel-gestufte
oder rampenförmige
Unterseite aufweist, die mit einer halbdurchlässigen oder transflektiven
Beschichtung 104 versehen ist, wobei die Platte 102 zwischen
der LCD-Zelle 100 und einer Anordnung 106 mit
Beleuchtung von hinten angeordnet ist, gestaltet, um Licht in Richtung
auf die Zelle senkrecht zu den Seiten der letzteren zu lenken. Man
wird jedoch beobachten, daß Licht
von der Anordnung 106 von den geneigten Stufen oder Rampen
in der Unterseite der Platte 102 so gebrochen wird, daß der Betrachtungswinkel,
unter dem der Betrachter Licht am hellsten von der Anordnung mit
Beleuchtung von hinten empfängt
zur Normalen (d.h. von der Senkrechten zur Anzeigevorrichtung),
bei der die Anzeigevorrichtung am besten zu betrachten ist, etwas
verschoben ist. Angesichts dessen, daß die gestufte halbreflektierende
Fläche
dazu vorgesehen ist, einfallendes Licht so zu reflektieren, daß es durch
die Zelle 100 normal (d.h. senkrecht) durchgeht, ist außerdem ein Ergebnis,
daß, wenn
Beleuchtung von hinten von der Anordnung 106 verwendet
wird, um reflektierte Beleuchtung zu ergänzen, die Betrachtungswinkel
für Spitzenhelligkeit
bei Beleuchtung von hinten und für Spitzenhelligkeit
bei reflektiertem Umgebungslicht nicht zusammenfallen, so daß die Verstärkung von reflektiertem
Licht durch Beleuchtung von hinten geringer ist, als dies theoretisch
möglich
wäre. Zur Überwindung
dieser Schwierigkeit schlagen die Anmelder eine in 7 dargestellte
Anordnung vor, in der eine teilweise lichtreflektierende, teilweise
lichtdurchlässige
Platte, zusätzlich
zu einem ersten Körper 110 aus
lichtdurchlässigem
Material mit einer oberen, äußeren Fläche, die
allgemein eben ist und eine innere gestufte oder rampenförmige Fläche 114 aufweist,
die eine halbdurchlässige
Beschichtung 116 trägt
oder daran angrenzt, umfaßt,
ein zweiter Körper 120 aus
lichtdurchlässigem
Material auf der gegenüberliegenden
Seite von genannter halbdurchlässiger
Beschichtung 116 von dem ersten Körper 110 aus Material
vorgesehen ist, wobei die innere oder obere Fläche dieses Körpers 120 aus
lichtdurchlässigem
Material mit der Unterseite der Beschichtung 116 übereinstimmt
(und, zum Beispiel, daran anhaftet). Da die Beschichtung 116 (die
natürlich
eine vernachlässigbare
Dicke aufweist) sehr eng mit der rampenförmigen Fläche 114 übereinstimmt, ist
die Unterseite der Beschichtung 116 ähnlich rampenförmig wie
die obere Fläche
oder Grenze des Körpers 120,
die mit seiner Beschichtung 116 übereinstimmt. Der zweite Körper 120 aus
lichtdurchlässigem
Material weist eine äußere, untere
Fläche
fern von der Beschichtung 116 auf, die eben und parallel zur
Fläche 112 ist.
Der Brechungsindex des zweiten Körpers 120 aus
lichtdurchlässigem
Material gleicht demjenigen des ersten Körpers 110 aus lichtdurchlässigem Material
oder kommt diesem nahe in Ausführungsformen,
in denen jeder Körper 110, 120 durchgehend
einen gleichförmigen
Brechungsindex aufweist, wodurch Licht einer geringen oder gar keiner
Brechung beim Übergehen
von genanntem ersten Körper
zu genanntem zweiten Körper
aus lichtdurchlässigem
Material unterliegt.
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Wenn,
wie dies in einigen Ausführungsformen
der Fall sein kann, einer oder ein anderer (oder beide) der Körper 110, 120 durch
Brechungsindexvariationen in kleinem Maßstab charakterisiert ist,
was dem Körper
lichtstreuende Eigenschaften verleiht, ist der mittlere Brechungsindex
des Körpers 110 vorzugsweise
im wesentlichen gleich demjenigen des Körpers 120.
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Mit
einer "Sandwich"-Struktur der oben
unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Art wird jede Ablenkung
durch Brechung, die einem Lichtstrahl, der durch die Struktur hindurchgeht,
an der Oberfläche 114 auferlegt
wird, an der gegenüberliegenden Oberfläche der
Schicht 120 (unendlich dicht zu oder zusammenfallend mit
der Oberfläche 114)
umgedreht werden, so daß für praktische
Zwecke der Strahl durch die Struktur ohne Nettoablenkung hindurchgehen
wird. Wenn die Struktur von 7 in einer
in 6 dargestellten LCD-Anzeigeanordnung anstelle
der in 6 dargestellten Platte 102 verwendet
wird, kann dementsprechend das Licht von der Anordnung 106 senkrecht
durch die Struktur und durch die LCD-Zelle hindurchgehen. Da Umgebungslicht,
das von oben in die Struktur eintritt, auch durch die halbdurchlässige rampenförmige Beschichtung 116 normal
zur LCD-Zelle dazu gebracht werden kann, zurück reflektiert zu werden, kann leicht
dafür gesorgt
werden, daß das
Licht von der Anordnung 106 die Beleuchtung von hinten
und daß an
der rampenförmigen
Fläche
reflektierte Spitzenintensitäten
entlang derselben Achse relativ zur Anzeigevorrichtung aufweisen
und somit einander am effizientesten verstärken.
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Die
Struktur von 7 kann auf irgendeine einer
Anzahl von Arten hergestellt werden. Zum Beispiel kann einer der
lichtdurchlässigen
Körper 110, 120 durch
Aufbringen eines härtbaren
transparenten flüssigen
Kunstharzes oder Lackes in einer Schicht auf einer gestuften oder
rampenförmigen
geformten Fläche
(die zum Beispiel selbst z.B. durch Prägen auf einer mit genanntem
Lack inkompatiblen flexiblen Kunststofffolie geprägt sein
kann), so daß die
Fläche der
Lackschicht fern von der gestuften Oberfläche eben ist, Bewirken oder
Zulassen, daß der
Lack härtet,
Abstreifen des gehärteten
Lacks (der nun die physikalische Konfiguration einer Platte mit
einer ebenen und einer gestuften Oberfläche aufweist) von der geformten
Oberfläche,
Auftragen einer halbdurchlässigen
Beschichtung (z.B. einer dünnen,
vakuumbedampften Aluminiumbeschichtung), auf die gestufte gelackte
Oberfläche,
danach Aufbringen einer zweiten Schicht aus demselben flüssigen Lack auf
die aluminisierte rampenförmige
Oberfläche,
so daß die
Oberfläche
der zweiten Schicht fern von der rampenförmigen Oberfläche eben
und parallel zur ebenen Oberfläche
der ersten Schicht ist, und Zulassen oder Bewirken, daß genante
zweite Schicht härtet,
gebildet werden.
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Die
Anordnung von 7 weist einen zusätzlichen
Vorteil auf, nämlich
daß die
resultierende Struktur zwei gegenüberliegende parallele Seiten aufweist,
die die Aufnahme der Struktur in einen Stapel mit anderen Elementen
mit entgegengesetzten parallelen Seiten, wie zum Beispiel LCD-Zellen,
Polarisationsfolien etc. aufweisen, und auch die Handhabung des
Materials während
der Herstellung von genannten Produkten einfacher und weniger anspruchsvoll
macht.
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In
der Tat kann angesichts der obengenannten Vorteile eine ähnliche
Anordnung angenommen werden, wenn die Fresnel-Struktur einen brechenden statt
einen reflektierenden Effekt aufweisen soll. Eine derartige Anordnung
kann in der Tat mit derjenigen von 7 übereinstimmen,
wobei aber die halbdurchlässige
Beschichtung 116 weggelassen ist (so daß die Körper 110 und 120 direkt
aneinandergrenzen) und die Brechungsindizes der zwei Körper 110 und 120 sich
wesentlich unterscheiden.
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Während die
unter Bezugnahme auf 7 beschriebene Anordnung die
Vorteile aufweist, daß durch
die Platte durchgelassenes Licht unabgelenkt durchgelassen wird,
kann es in einigen Anwendungen für
das durchgelassene Licht von Vorteil sein, daß durchgelassenes Licht einer
vorab festgelegten Ablenkung unterworfen wird und reflektiertes
Licht durch Reflexion abgelenkt wird, und in einem derartigen Fall
können
entsprechend die zwei Materialien auf jeder Seite der halbdurchlässigen Beschichtung wesentlich
unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen.
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In
Abhängigkeit
von den Reflexionswinkeln etc. kann es in der Tat in einigen Fällen nützlich sein, sich
vollständig
auf Brechungsindexunterschied zwischen zwei Materialien zu stützen, um
einen gewünschten
Grad von Teilreflexion (oder Totalreflexion, wenn der Einfallswinkel
des maßgeblichen
Lichts groß genug
für vollständige innere
Reflexion an der gestuften Grenzfläche zwischen den zwei Materialien unterschiedlichen
Brechungsindex ist) zu erzeugen.
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In
der vorliegenden Beschreibung bedeutet "umfaßt" "enthält oder
besteht aus" und "umfassend" bedeutet "enthaltend oder bestehend
aus".