JP2001228339A - ライトガイドをレーザ加工するための方法及び装置、これにより得られるライトガイド、及び該ライトガイドを組み込んだバックライトスクリーン - Google Patents

ライトガイドをレーザ加工するための方法及び装置、これにより得られるライトガイド、及び該ライトガイドを組み込んだバックライトスクリーン

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JP2001228339A
JP2001228339A JP2000375866A JP2000375866A JP2001228339A JP 2001228339 A JP2001228339 A JP 2001228339A JP 2000375866 A JP2000375866 A JP 2000375866A JP 2000375866 A JP2000375866 A JP 2000375866A JP 2001228339 A JP2001228339 A JP 2001228339A
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ブラン クリストフ
Frederic Chazallet
シャザレ フレデリック
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    • G02B6/0065—Manufacturing aspects; Material aspects

Abstract

(57)【要約】 【課題】表示装置において用いられる可視光ライトガイ
ドの改良された製造方法を提供する。 【解決手段】レーザ光線によって得られる複数の散乱パ
ターンを有する面を備えたプレート（９）としてのライ
トガイドを製造するための方法では、前記面を１０4Ｗ
／ｃｍ2〜１０7Ｗ／ｃｍ2の範囲、特に、３×１０4Ｗ／
ｃｍ2〜３×１０6Ｗ／ｃｍ2の範囲の強度のレーザ光線
にて照射して不規則な表面形状及び深部における不規則
性を与える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はライトガイドを加工
するうえでレーザを使用するための方法及び装置に関
し、更にこうしたライトガイドを組み込んだバックライ
トスクリーンに関する。
【０００２】より詳細には本発明は、特にガラス、ポリ
カーボネート、ポリメタクリル酸メチルなどの、透明ま
たは半透明の材料によって形成されるほぼ平面状の薄い
プレートとして構成されたライトガイドに関するもので
ある。
【０００３】
【従来の技術】こうしたライトガイドは特に道路標識な
どの発光表示装置の製造、及び、コンピュータや同様の
電子装置の表示用端末、特にバックライト液晶スクリー
ンの製造において使用される。特にこれらの用途では、
光源にて発生した光はライトガイドの１以上の端面
（縁）からライトガイドに入射し、互いにほぼ平行な２
つの主面の一方（あるいは両方）においてライトガイド
から出射する。
【０００４】特にこれらの用途では、主面から出射する
光束密度はできるだけ均一であることが望ましい。ま
た、光の損失や漏出が防止されるか少なくとも低減され
ることが望ましい。液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）をバッ
クライトするためには、こうした性能が最適化され、重
量、サイズ、及びコストが最適化されていることが重要
である。こうしたライトガイドを製造するうえで、ＬＣ
Ｄディスプレイの背面に対向して配される、光を放射す
るライトガイドの主面には、例としてプリズム状の規則
的な形状の隆起部及び／または凹部が通常は成型によっ
て形成され、該主面の表面の全体または一部にわたって
規則的に配される。別の方法として「スポット」マスク
を面に形成するものがある。このマスクは、光を通過さ
せるためのオリフィスが形成された、面に適用される被
覆要素として構成される。欧州特許公開公報第ＥＰ−Ａ
−０９４５６７４号には、レーザ光線によって、規則的
に変化する間隔をおいて直線状の散乱パターンを加工す
る技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、こう
した可視光ライトガイドの改良された製造方法を提供す
ることにある。
【０００６】本発明の別の目的はこの方法を実施するた
めの装置を提案することにある。本発明の別の目的は改
良されたライトガイド及びこのライトガイドを組み込ん
だ表示装置を提案することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様にお
いては、（可視）光を拡散するためのライトガイドの主
面を充分な強度にて及び／または充分に長い時間にわた
ってレーザにて照射して、主面の表面に、深い（中央
の）凹部と複数（数十〜数百）の不規則な「周辺」隆起
部、及び／またはこの中央凹部の両側（及び／またはそ
の周囲）に不規則な、中央凹部と比較して大きさ（面積
及び彫りの深さにおいて）の小さい凹部を形成する。
【０００８】別の態様においては、ライトガイドの主面
を、形状及び高さ（または深さ）において互いに異なる
複数の表面隆起部（及び対応する凹部）を形成するうえ
で充分な、また、ライトガイドの内部に前記隆起部及び
凹部とほぼ整列した不均一な領域を形成するうえで充分
なレーザにて照射する。
【０００９】このため、前記の主面は好ましくは１０4
Ｗ／ｃｍ2〜１０7Ｗ／ｃｍ2、特に好ましくは３×１０4
Ｗ／ｃｍ2〜３×１０6Ｗ／ｃｍ2の範囲の強度のレーザ
光線にて照射される。市販の光源によって放射される光
線から凝縮されたレーザ光を得るためには、光線の経路
上に集束器を置く。集束器は好ましくはパラボラミラー
である。このミラーを主面から所定の距離に保持するた
めの手段が更に設けられる。
【００１０】ライトガイドプレートの主面の表面及び内
部にこうした変形及び不規則形状が存在することにより
ライトガイドの主面から出射する光の拡散が規則な分布
となって向上する。こうした不規則な隆起部及び凹部
は、本発明に基づいて加工された試料の良好な性能に大
きく寄与しているようである。
【００１１】このため、集束器からの出射点において焦
点領域（または焦点）径の小さな光線を得ることが重要
である。焦点面における焦点の直径は好ましくは１０μ
ｍ〜２００μｍの範囲、より好ましくは２５μｍ〜１０
０μｍの範囲である。
【００１２】更に、焦点を含む焦点面を加工面の直ぐ近
く、詳細には加工面から±１０μｍ〜±１００μｍの距
離に保つことが重要である。このため、また、プレート
毎に異なる厚さ及び／または１枚のプレートで領域によ
って異なる厚さの透明なプレート材料を加工するような
場合には、動的な集束器位置決め手段を設けて、プレー
トの表面と焦点面との間の距離が前記の範囲に収まるよ
うに集束器を前記表面に対して位置決めすることが重要
である。このため、好ましい一実施形態においては前記
表面に対して保持される空圧保持要素としての部材にミ
ラーを機械的に連結して保持要素と表面との間に所定の
距離（約１０μｍ〜約１００μｍの範囲）を保つ。
【００１３】中央凹部が連続的な直線に沿って延びるよ
うな好ましい一実施形態においては、中央凹部は隆起領
域（または側部長尺部）を有する溝を形成する。隆起領
域はその側部のそれぞれに沿って延び、形状及び位置が
不規則な窪みを有する。この溝は好ましくは深さが５μ
ｍ、幅が５μｍ〜２００μｍであり、特に好ましくは幅
が約５０μｍ〜１００μｍである。各領域のそれぞれは
中央凹部の幅にほぼ等しい幅を有する。１つの散乱パタ
ーンの平均の幅（前記の溝及び２つの側部長尺部を含
む）は好ましくは１００μｍ〜４００μｍであり、より
好ましくは１００μｍ〜２５０μｍの範囲である。
【００１４】本発明に基づく加工装置は好ましくは次の
要素を有する。すなわち、加工される透明な材料のプレ
ートを支持するためのベンチ、レーザ光線を放射するた
めのレーザ光源であって前記ベンチに対して固定位置に
取り付けられるレーザ光源、前記光線を反射してこれを
前記ベンチにほぼ平行な方向に進めるための１以上のミ
ラー、及び、互いに直交する少なくとも２つの方向（Ｘ
及びＹ軸）に沿って前記ベンチに対して移動可能に取り
付けられることにより、互いに平行な直線状区画の格子
に沿って移動させて互いに平行な散乱溝を形成すること
が可能な光線集束器である。光線集束器（またはパラボ
ラミラー）は、更に前記の２方向にほぼ直交する第３の
方向（Ｚ軸）に沿って（ベンチに対して）移動可能に取
り付けられ、これにより出力焦点面を加工面にほぼ一致
させることが可能である。
【００１５】好ましくは、例として焦点距離の異なる２
枚の同軸レンズによって構成される光線拡大器が光源と
集束器の間に置かれ、ベンチに対する固定位置に取り付
けられる。拡大器は光線の口径を大きくすることによっ
て集束器によって形成される焦点径を小さくするための
ものである。
【００１６】集束器からの出力焦点をプレートの表面上
に動かすことによってプレートの表面及び内部に拡散及
び反射パターンを加工する。具体的には、空気（または
他の気体）のクッションによって、加工面から焦点距離
に一致した一定の距離に保持されたパラボラミラーを動
かすことによってこの加工を行う。ミラーの変位の速さ
は、光線のエネルギー密度が加工される材料の「硬さ」
ならびに形成される窪みの所望の平均深さ及び幅に適合
するよう、０．２ｍ／ｓ〜４ｍ／ｓの範囲となるように
好ましくは選択される。
【００１７】更にパラボラミラーの使用によりミラーに
よって反射される光線の焦点化が向上し、焦点面に小径
の焦点を形成することが可能である。方形のライトガイ
ドプレートの長手方向の辺の１つから光が入射する本発
明の好適な構成においては、ライトガイドに光が入射す
る辺の反対側の長手方向の辺に向き合って延びるミラー
がプレートに取り付けられる。ＬＣＤディスプレイをバ
ックライトするためには、光源としてＬＥＤの列を使用
することが好ましく、とりわけ「白色」光を放射するＬ
ＥＤや、重ね合わせが可能な３原色の光を放射するＬＥ
Ｄの３個づつの組み合わせ（赤、緑、青、赤、緑、青、
…）を使用することが好ましい。表示装置を小型化する
ため、辺の形状に対応した形状を有する長尺状ＣＭＳ回
路に組み込んだＬＥＤを使用することが可能であり、ま
た、約１ｍｍ〜２ｍｍの範囲の厚さを有するライトガイ
ドプレートを使用することが可能である。
【００１８】また、冷陰極蛍光管（ＣＣＦＴ）のような
管によって光源を構成することも可能である。ライトガ
イドの主（放射）面は点（またはスポット）として形成
された複数の散乱パターンを有することが可能である
が、これらのパターンは光線が入射する辺に平行な直線
状の区画部分として延びることが好ましい。これらの区
画部分はほぼ一定の形状（幅及び高さ）を有し、非単調
となるようにほぼ規則的な間隔をおいて設けられる。隣
り合う２つの区画部分間の距離は、光が入射する入射辺
から該入射辺とライトガイドの反対側に沿って延びる反
射辺との間のライトガイドの中間領域に向かうにしたが
って減少し、この後、該中間領域から反射辺に向かうに
したがって増大する。この減少及び増大はほぼ等比数列
的（例、１０％以内）なものであることが好ましい。
【００１９】一変形例においてはこれらの直線状散乱パ
ターンをほぼ規則的な間隔をおいて設けることが可能で
ある。この構成では中央凹部（溝）の幅及び深さの少な
くともいずれか一方を入射辺から反射辺に向かって非単
調に変化させ、互いに同じ溝の間の距離について上記に
述べたのと逆の要領で変化させる。例えば、レーザ光源
の出力を変化させるか、集束器からの出力焦点面と加工
面との間の間隔を変化させるか、あるいはこの両方によ
って照射されるエネルギーの量を１つの散乱パターンか
ら次の散乱パターンへと変化させることが可能である。
【００２０】これらの非単調型の変形例はライトガイド
プレートの互いに反対側の２辺に光を入射する２個の光
源が設けられている場合にも適用することが可能であ
る。（直線状）光源が１個のみ用いられており、反対側
の辺にミラーが取り付けられていない場合、欧州特許公
開公報第ＥＰ０９４５６７４号に述べられるような、単
調に変化する間隔を用いることが可能である。
【００２１】本発明のライトガイドによって与えられる
高い効率及び極めて良好な光散乱性により、特定の用途
において、ＬＣＤディスプレイをバックライトするうえ
で通常ライトガイドとディスプレイとの間もしくはディ
スプレイの前方に置かれる散乱スクリーンを省くことが
可能である。
【００２２】更に、本発明のライトガイドは複数の光源
（ＬＥＤ）が用いられる場合のような不連続（不均一）
な光束が辺縁から入射する場合に光源からの光を高い均
一性にて散乱させるうえで特に好適であることが観察さ
れている。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明をその方法と装置につい
て、図１〜図５に基づき以下に詳細に説明する。
【００２４】好ましくは１０Ｗ〜１００Ｗの範囲の出
力、特に約５０Ｗの出力を与える炭酸ガスレーザ光源１
（図２）は数ミリメートル（ｍｍ）の直径を有するレー
ザ光線を出力する。この光線が拡張器３を通過する結
果、拡張器から出射するレーザ光線の直径は約２〜３倍
となっている。
【００２５】光線４はパラボラミラー５によって反射さ
れ、光線６となって焦点面に収束する（図３）。平面７
が、加工されるプレート９の上面８を含む平面にほぼ一
致する場合にミラー５の焦点における照射強度によって
焦点の近傍においてプレートを形成する材料の温度が急
激に上昇する。これによりプレートは焦点の近傍のプレ
ート表面及び深部において急速かつ不規則に変形する。
ミラー５をプレート９に平行に動かすことにより不規則
な断面形状を有する溝１０が形成される。この溝は山も
しくは畝状をなす２つの側部領域１１と１２との間に延
びる。２つの側部領域１１及び１２にはクレーター及び
鋭い縁１３が不規則に形成されているのが見て取れる。
【００２６】光源１が固定されたベンチ１４上には、透
明な材料にて形成された方形のプレート９が水平に置か
れる。ミラー５は、支持ベンチ１４の面に平行な２本の
軸Ｘ及びＹ（図２）に沿ってベンチ１４に対して動くこ
とが可能であるように配設される。ミラー５は、ベンチ
１４の面に平行な直交する２本の軸に沿って延びる２つ
の直線状の駆動手段（アクチュエータやコンベヤなど。
図に示されていない。）によってこれら２本の軸に沿っ
て動くことが可能である。この動作は、プレート９の面
８に形成される散乱パターンの位置、平均間隔、及び／
または幅１５及び深さ１６（図１）、及び／または露光
時間、及び／または上記の軸に沿ったミラーの運動の速
さ、及び／または光線２の強度を計算するためのプログ
ラムを有するコンピュータ（図に示されていない）によ
って制御され、これにより所定の形状及び散乱特性を有
するパターンを得ることが可能である。
【００２７】更に、ミラー５（及び／またはその支持部
１７）はテーブル（図３）を含むＸＹ平面に直交するＺ
軸に沿ってベンチ１４に対して移動することが可能であ
るように取り付けられている。支持部１７及びミラー１
５の少なくともいずれか一方に固定された保持部材１８
の底部には、光線６によって加工される領域の近傍にお
いてプレートの上面８に対して空気のクッションを介し
て押圧するための切子面１９が設けられる。この目的の
ため、切子面１９には開口２０が形成され、これを通じ
て圧縮空気が噴出する。この空気は空気供給源（図に示
されていない。）によって供給され、保持部材１８に設
けられたダクト２１によって開口２０に送られる。開口
２０から噴出した空気は面８に衝突し、矢印２２によっ
て示される方向に流れる（図５は図３の細部を拡大して
示したものである。）。噴出する空気の流速（及び／ま
たは圧力）を所定の値に保つことにより、保持部材１８
の底部１９を面８の上方の一定の高さ２４に保つことが
可能である。この高さは数十μｍのオーダーである。こ
れにより焦点面７は面８から一定の距離（ほぼゼロ）に
保たれる。この装置によってプレートの面８に照射され
る光線６の強度ならびに照射径を制御及び／または所定
値に保つことが可能である。
【００２８】矢印２３に沿って光線６の方向に噴出する
圧縮空気は、光線６によりプレート９に与えられる熱損
傷に基づく「跳ね」によってミラー５が汚れることを防
止または低減する役割も果たす。圧縮空気は、プレート
から遊離するすべての粒子をその空気のカーテンに捉え
ることによってミラーを保護する。保持部材１８の側面
２７に第２の圧縮空気流出口２５を設けて光線６の方向
に向けられた更なる噴流２６を生じさせることによって
この効果を更に高めることが可能であり、プレートに照
射される光線によって遊離する粒子はミラーから遠ざけ
られる。
【００２９】図１を参照すると、透明な樹脂材料にて形
成されるプレート９の面８は互いに平行な２本の直線状
の散乱パターンを有する。各パターンは、幅１５が約２
０μｍ、深さ１６が約１５μｍの溝１０として形成され
る。各パターン１０，１１，１２の下には、２つのパタ
ーン間の材料の部分２９の光学特性（屈折率／反射率）
とは異なる光学特性を有する材料の長尺部分２８が延び
る。
【００３０】図４を参照すると、表示装置３１は液晶デ
ィスプレイ３２を備え、ライトガイド９の散乱面８は液
晶ディスプレイ３２の背面に対向する。白色の薄い散乱
スクリーン３３がライトガイド９の、面８とは反対側の
背面３４に対向して置かれる。プレート９の底辺に沿っ
てほぼ等間隔に配された複数のＬＥＤ３６を有する回路
３５が延びる。プレート９の上辺に沿って、入射光の、
面８によって散乱されない部分（例、約２０％）をライ
トガイドに再入射させるミラー３７が延びる。ガイド９
の面８の輝度は、５００カンデラ／ｍ2に達するか場合
によりこれを上回る。
【００３１】図に示されていない変形例においては、表
示装置３１はこれに対向して置かれる２個のライトガイ
ドを有する。「後方」のライトガイドの前面８は「前
方」のライトガイドの背面３４に対向し、各ライトガイ
ドにはそれぞれ光源が付随している。この構成により前
方のライトガイドの前面８の輝度を、約１０００カンデ
ラ／ｍ2と約２倍にすることが可能である。
【００３２】
【発明の効果】本発明に基づく方法によれば、液晶ディ
スプレイ（ＬＣＤ）をバックライトするためのライトガ
イドにおいて、主面から出射する光の高い均一性を実現
することが可能であり、更に光の損失や漏出が防止ある
いは低減される。更に本発明のライトガイドにあって
は、重量、サイズ、コストが最適化されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】不規則な表面形状及び不均一な深さを与える、
ライトガイド上に形成された２本の直線状の散乱パター
ンを示した概略斜視図。
【図２】本発明の主要な構成要素を示す図。
【図３】レーザ光線集束器の支持部の実施の詳細を示し
た概略側面図。
【図４】本発明のライトガイドが取り付けられたＬＣＤ
ディスプレイを示す概略斜視図。
【図５】集束器のミラー支持部の保持部材と加工される
プレートの上面との間に空気のクッションを形成するた
めの手段、及び、加工により生じるあらゆるスピッティ
ングからミラーを保護するための空気のカーテンを形成
するための手段を大きな縮尺にて示した図。
【符号の説明】
１…レーザ光源、５…ミラー、９…ライトガイドプレー
ト、１０…溝、３２…液晶ディスプレイ。

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の散乱パターンを有する面を備えた
    プレートとして構成されたライトガイドにおいて、前記
    パターンはそれぞれ凹部と該凹部の両側に配される周辺
    隆起部とを有することを特徴とするライトガイド。
  2. 【請求項２】 前記凹部は溝として形成されることと、
    前記周辺隆起部は前記溝の縁に沿って延びる２つの側部
    長尺部を形成することとを特徴とする請求項１に記載の
    ライトガイド。
  3. 【請求項３】 前記溝の深さは５μｍ〜５０μｍの範囲
    である請求項２に記載のライトガイド。
  4. 【請求項４】 前記散乱パターンの平均の幅は１００μ
    ｍよりも大きく４００μｍよりも小さいことを特徴とす
    る請求項１に記載のライトガイド。
  5. 【請求項５】 ガラス、ポリカーボネート、及びポリメ
    タクリル酸メチルから選択される、可視光を透過する材
    料にて形成される請求項３に記載のライトガイド。
  6. 【請求項６】 前記凹部の幅は５μｍ〜２００μｍの範
    囲である請求項１に記載のライトガイド。
  7. 【請求項７】 液晶ディスプレイと、複数の散乱パター
    ンを含む面を有するプレートとして構成されたライトガ
    イドとを備えた表示装置において、前記パターンのそれ
    ぞれは、不規則な形状を有する中央凹部と該中央凹部の
    両側の周辺隆起部とを含む装置。
  8. 【請求項８】 前記ライトガイドは請求項２に記載のラ
    イトガイドであり、該ライトガイドは前記液晶ディスプ
    レイの背面に対向して置かれることと、装置は更に、前
    記ライトガイドの第１の辺に沿って延びるミラーと、第
    １の辺の反対側に位置するライトガイドの第２の辺に沿
    って延びる回路上に配された複数のＬＥＤとを有するこ
    ととを特徴とする請求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 レーザ光線によって得られる複数の散乱
    パターンを含む面を有するプレートとして構成されたラ
    イトガイドの製造方法であって、前記面は１０4Ｗ／ｃ
    ｍ2〜１０7Ｗ／ｃｍ2の範囲の強度のレーザ光線にて照
    射されることにより不規則な表面形状及び不規則な深さ
    が形成され、これにより前記パターンのそれぞれは中央
    凹部と該中央凹部の両側の周辺隆起部とを含むことを特
    徴とする方法。
  10. 【請求項１０】前記面は３×１０4Ｗ／ｃｍ2〜３×１０
    6Ｗ／ｃｍ2の範囲の強度のレーザ光線にて照射されるこ
    とを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】前記レーザ光線は、光線集束器の支持部
    を空気のクッションを介して前記面に対して保持するこ
    とによって、前記面にほぼ一致するように維持される焦
    点面上に集束されることを特徴とする請求項９に記載の
    方法。
  12. 【請求項１２】光源によって放射されるレーザ光線の直
    径は集束される前に拡大されることと、該光線は集束さ
    れて１０μｍ〜２００μｍの範囲の直径を有する焦点を
    形成することを特徴とする請求項９に記載の方法。
  13. 【請求項１３】前記集束された光線は０．２ｍ／ｓ〜４
    ｍ／ｓの範囲となるように選択された速さにて２本の軸
    に沿って変位することを特徴とする請求項１２に記載の
    方法。
  14. 【請求項１４】レーザ光線によって得られる複数の散乱
    パターンを含む面を有するプレートとして構成されたラ
    イトガイドを製造するための装置であって、レーザ光線
    集束器と、該集束器の出力焦点面を前記面にほぼ一致さ
    せることによって、凹部と該凹部の両側の複数の周辺隆
    起部とを含むパターンを形成することが可能な集束され
    た光線が得られることを特徴とする装置。
  15. 【請求項１５】加工される透明な材料のプレートを支持
    するためのベンチと、 レーザ光線を放射するためのレーザ光源であって前記ベ
    ンチに対して固定位置に取り付けられるレーザ光源と、 前記光線を反射してこれを前記ベンチにほぼ平行な方向
    に進めるための１以上のミラーと、 互いに直交する少なくとも２つの第１の方向に沿って前
    記ベンチに対して移動可能に取り付けられることによ
    り、互いに平行な直線状区画の格子に沿って変位させて
    互いに平行な散乱溝を形成することが可能な光線集束器
    とを備え、 該光線集束器は、出力焦点面を加工面にほぼ一致させる
    ことが可能であるように更に前記２つの第１の方向にほ
    ぼ直交する第３の方向に沿って移動可能に前記ベンチに
    対して取り付けられることを特徴とする請求項１４に記
    載の装置。
  16. 【請求項１６】前記レーザ光源と光線集束器との間に配
    される光線拡大器を更に備える請求項１５に記載の装
    置。
  17. 【請求項１７】前記集束器はパラボラミラーを含む請求
    項１４に記載の装置。
  18. 【請求項１８】集束器を保護するためのガスの噴流また
    はカーテンを発生させて集束器の汚れを防止または低減
    するための手段を更に有する請求項１４に記載の装置。
  19. 【請求項１９】請求項９に記載の方法によって得られる
    ライトガイド。
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