JP2003523536A - ライザを有するウェッジ状光抽出器 - Google Patents

ライザを有するウェッジ状光抽出器

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Abstract

(57)【要約】 複数の突出部（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）を備える光再指向表面を有するウェッジ状の光抽出器（２０）である。突出部（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）は、ファセット（２５）の抽出効率を改善し、よって光源から利用可能な光の効率的な使用を可能にするライザ（２３）を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 技術分野 本発明は、電子ディスプレイ、およびディスプレイを照明するための点から線
への、線から面への、あるいは点から面への変換器に関する。
【０００２】 背景技術 電子ディスプレイを照明するための種々の装置が提案されてきた。これらの装
置は、光を再指向し、平行にし、分布し、さもなければ操作するためのバックラ
イトパネル、フロントライトパネル、集光器、リフレクタ、表面に構造を付与し
た構造化表面フィルムおよび他の光学装置を含む。光の効率的な使用は、セルラ
ー電話、携帯情報端末およびラップトップ型コンピュータに使用されるようなバ
ッテリ式電源の電子ディスプレイに特に重要である。
【０００３】 米国特許第４，７５１，６１５号（Ａｂｒａｍｓ）には、先細りウェッジの透
明なページライト装置が開示されている。米国特許第４，８１１，５０７号（Ｂ
ｌａｎｃｈｅｔ）には、光源からの距離と共にその深さが増す発光縞を有するフ
ロントライト照明パネルが開示されている。米国特許第５，００５，１０８号（
Ｐｒｉｓｔａｓｈ等）、第５，０５０，９４６号（Ｈａｔｈａｗａｙ等）および
第５，５９４，８３０号（Ｗｉｎｓｔｏｎ等）には、パネルの長さに沿って深さ
が変化する構造化表面のパネル照明器が開示されている。米国特許第４，７９９
，１３７号（Ａｈｏ）、第４，８７４，２２８号（Ａｈｏ等）、第５，０５４，
８８５号（Ｍｅｌｂｙ）および第５，１９０，３７０号（Ｍｉｌｌｅｒ等）には
、傾斜または湾曲したプリズム型構造化表面フィルムを有する種々の照明器具が
開示されている。
【０００４】 米国特許第５，３５９，６９１号および第５，６０８，８３７号（両方共Ｔａ
ｉ等）、米国特許第５，４８５，３５４号（Ｃｉｕｐｋｅ等）、また米国特許第
５，６０８，５５０号および第５，８９４，５３９号（両方共Ｅｐｓｔｅｉｎ等
）には、平坦なランド領域またはランドによって分離される三角形のミクロプリ
ズムまたはミクロ溝を有する構造化表面のバックライトまたはフロントライト装
置が開示されている。欧州特許出願ＥＰ０８０２４４６Ａ１（Ｓｅｉｋｏ Ｅｐ
ｓｏｎ）には、ランドによって分離された長方形の突出部を有する構造化表面の
バックライト装置が開示されている。米国特許第５，６７１，９９４号（Ｔａｉ
等）には、ランドによって分離された台形の突出部を有する構造化表面のフロン
トライト装置が開示されている。
【０００５】 米国特許第５，３９６，３５０号（Ｂｅｅｓｏｎ等）、米国特許第５，４２８
，４６８号および第５，５５５，１０９号（両方共Ｚｉｍｍｅｒｍａｎ等）、ま
た米国特許第５，５５５，３２９号（Ｋｕｐｅｒ等）には、傾斜側壁付きのミク
ロプリズムの配列を有する構造化表面のバックライト装置が開示されている。
【０００６】 米国特許第５，５０６，９２９号、第５，６６８，９１３号および第５，８３
５，６６１号（すべてＴａｉ等）、また米国特許第５，６１３，７５１（Ｐａｒ
ｋｅｒ等）には、点光源を線形または平坦な光ビームに変換するための光拡大シ
ステムが開示されている。
【０００７】 発明の概要 いくつかのバックライトおよびフロントライトガイド装置が提案されてきたが
、より効率的な設計に対する、また電力消費の低減に対する継続的な必要性が存
在する。
【０００８】 現在の多くの設計は、光源によって供給されるすべての光を使用しない。この
ような未使用の光をディスプレイに導くことができるならば、電力消費をさらに
低減でき、またディスプレイの明るさを増すことができるであろう。
【０００９】 上述の設計のいくつかは、ほぼ一定の厚さおよび略平坦な構造化表面を有する
。これらの設計は、構造化表面に衝突する（またこれによって表面から反射また
は表面によって抽出される）ことなく、装置の端部に移動する光の抽出に失敗す
るかもしれない。
【００１０】 ウェッジ状のデザインによって、反射または抽出されることなく装置の長さを
移動する光の量（したがって光の損失）を低減することができる。しかし、現在
のいくつかのウェッジ構造は製造が困難である。例えば、装置がその末端部の薄
い縁部に向かって先細りするならば、縁部の成形が困難かもしれず、また使用時
に破損またはひび割れする可能性がある。その代わりにミラー付き面が末端部に
使用されるならば、ある光は、ミラーにおける非効率な反射の故に失われ、また
他の光は、装置の入射端部に向かって戻る反射光の抽出効率の低減の故に失われ
る。同様に、ミラーの追加は、製造コストを増大するか、あるいは製造歩留りを
低くすることがある。
【００１１】 ウェッジ状のバックライトまたはフロントライトガイド装置による光抽出の効
率および均一さは、一般的に、ウェッジの総寸法と形状によって、および装置の
任意の構造化表面の特徴部の微細な（通常顕微鏡的な）寸法と形状によって部分
的に支配される。例えば、上述のＨａｔｈａｗａｙ等の特許に開示されている設
計は、一連の下降ステップの形状の傾斜構造化表面を有する。各ステップは、平
坦なランド領域および傾斜ファセットを有する。典型的に、光はこのような装置
からファセットで抽出される。典型的に、光は、ランドに衝突する光の全内部反
射または「ＴＩＲ」によって、あるいは装置の対向面に衝突する光のＴＩＲによ
ってこのような装置内に再分布される。反射光は、装置の狭い端部または末端部
に向かって移動し、ファセットにおける抽出によって装置から最終的に出現し得
る。しかし、反射光のあるものは装置の末端部で失われ、したがってディスプレ
イ照明用に利用できない。
【００１２】 上記の装置の部分を記述するために他の用語が使用されていたかもしれないが
、上述の一定の厚さまたはウェッジ状の他のバックライトあるいはライトガイド
のいくつかは、ファセットおよびランドを有すると考えることもできる。一般に
、バックライトまたはライトガイドの全体形状および構造化表面の形状は、これ
らの装置の抽出光と反射光との比率に同様に影響を及ぼす。
【００１３】 本発明者らは、光抽出のために利用可能なファセット領域の部分を増大するよ
うに機能するライザを含む構造化表面を有するウェッジ設計を用いることによっ
て、照明の均一性、光抽出に対する制御、効率、あるいはこれらの要因の１つ以
上またはすべての要因を改善できることを確認した。１つの態様では、本発明は
、 ａ）光入射端部と、 ｂ）光をディスプレイに供給できる略平坦な光出射表面と、 ｃ）光出射表面の略反対側に配置される構造化光再指向表面と、 を有し、 光出射表面および光再指向表面は、装置の光入射端部から中心に向かって薄くな
る略ウェッジ状のプロフィルを画定し、光再指向表面は、光出射表面に向かって
またそこからディスプレイに光を反射し、および光再指向表面は、ライザセグメ
ントとプラトーセグメントとファセットセグメントとを備える複数の突出部を具
備し、ランドセグメントは突出部の側面に位置する、光抽出装置を提供する。
【００１４】 ライザがない場合、抽出光の量はファセットおよびランドの配向とサイズによ
って決定される。ライザが構造に加えられる場合、各ファセットのサイズ（した
がって抽出のために利用可能なファセット領域）が実際に増大される。全体的な
ウェッジ状の抽出器プロフィルによって、ファセットの総面積の全部分または相
当の部分が抽出に参加できる。このようにして、ライザの包含および全体的なウ
ェッジ形状の使用によって、ディスプレイへの光抽出を増大するための抽出器構
造の変更が可能になる。このことは、装置の全体サイズと効率の向上を可能にし
、利用可能な光の使用を改善できる。
【００１５】 本発明はまた、上述のウェッジ状の光抽出装置を具備する点から線への変換器
、バックライトおよびフロントライトガイドと、このような抽出装置を含むディ
スプレイとを提供する。
【００１６】 詳細な説明 本発明のウェッジ状の光抽出装置は、光源からの光を平行にするかまたは再指
向する、点から線への、線から面へのまたは点から面への光変換を提供する。抽
出装置（簡略化のために時に抽出器と呼ぶ）を使用して、ディスプレイを照明す
ることができる。光源が点光源であるならば、典型的に、光源は、ディスプレイ
の断面積と比較して比較的小さな断面積（例えばディスプレイの面積の１／１０
０未満のオーダ）を有する。光源が細長い（例えば線）光源であるならば、典型
的に、光源は、長い方の寸法が短い方の寸法の約１０倍以上である長方形の断面
領域を有し、また前記光源は、ディスプレイ面の短いまたは長い寸法に近似し得
る。
【００１７】 抽出器の構成要素のあるものおよびそれらの互いの関係は、基準面との比較に
よって好便に記述できる。通常、抽出器の光出射表面は平坦またはほとんど平坦
である。本発明のために、基準面は、抽出器の光出射表面によって（あるいはそ
れに厳密に近似することによって）形成される面であると理解される。
【００１８】 図１ａを次に参照すると、１０ａとして概して識別されるフロントライトガイ
ドおよびディスプレイは概略的に示されている。フロントライトガイド１１ａは
ディスプレイ１２ａの上方に位置する。光線１６ａは光入射表面１３ａを通して
ライトガイド１１ａに入る。光線１６ａは、光反射ファセットセグメント（図示
せず）上の光再指向表面１４ａに衝突し、反射光線１７ａとしてディスプレイ１
２ａに向かって下方に通過し、光出射表面１５ａを通してライトガイド１１ａを
出る。ディスプレイ１２ａに衝突すると（またディスプレイ１２ａが光を反射す
るように適切に変調されることを前提として）、光線１７ａは観測者１９ａに向
かう光線１８ａとして上方に反射される。光線１８ａは表面１５ａ（光出射表面
として示されているが、このフロントライトガイド設計においては、反射光線１
８ａがライトガイドに再び入ることができる表面としても機能する）を通過し、
ライトガイド１１ａを通過し、また光再指向表面１４ａを通してランド、ファセ
ットまたはプラトーセグメント（図示せず）に出る。
【００１９】 図１ｂを参照すると、１０ａとして概して識別されるバックライトおよびディ
スプレイは概略的に示されている。フロントライトガイド１１ｂはディスプレイ
１２ｂの下に位置する。光線１６ｂは光入射表面１３ｂを通してバックライト１
１ｂに入る。ファセットセグメント（図示せず）の光再指向表面１４ｂに衝突す
ると、光線１６ｂは光線１７ｂとして上方に反射される。光線１７ｂは光出射表
面１５ｂを通してバックライト１１ｂを出て、また（ディスプレイ１２ａが光を
通過させるように適切に変調されることを前提として）観測者１９ｂに向かって
ディスプレイ１２ｂを通過する。
【００２０】 図２を参照すると、本発明のフロントライトガイド２０は、図の左から右に薄
くなる略ウェッジ状の断面を有する。光出射表面２１は、複数の突出部２２ａ、
２２ｂ、２２ｃと、ランド２６と２７のような介在ランドとを有する光再指向表
面の反対側に概して配置される。突出部２２ｂは、プラトー２４に隣接するライ
ザ２３を有し、次にプラトーはファセット２５に隣接する。ランド２６と２７は
突出部２２ｂの側面に位置する。説明のため、突出部が３つのみの側面を有する
としても、また突出部の第４の側面を完成するために仮想線を引くことによって
形成される四辺形が２つの平行側面を有し得ないとしても、突出部２２ｂのよう
な突出部は「略台形」と呼ぶことができる。
【００２１】 図３は、本発明のフロントライトガイド３０、およびライザ３３ａ〜３３ｅと
突出部３２ａ〜３２ｅのプラトー３４ａ〜３４ｅとのそれぞれの交差部において
形成される頂点３５ａ〜３５ｅを通して線を引くことによって構成される仮想線
３６を示している。仮想線３６は、略平坦な光出射表面３１によって形成される
面を通して引いた線３７と角度β（ベータ）を形成する。
【００２２】 図４を参照すると、本発明のフロントライトガイド４０は光出射表面４１と突
出部４２とを有する。再び、説明のために、突出部４２が３つのみの側面を有す
るとしても、また突出部４２の第４の側面を完成するために仮想線を引くことに
よって形成される四辺形が２つの平行側面を有し得ないとしても、突出部４２は
「略台形」と呼ぶことができる。仮想線４８ａと４８ｂは、ライザ４３の上方お
よび下方のそれぞれの頂点を通して光出射表面４１に対し平行に引かれる。ライ
ザ４３は高さｒhを有し、仮想線４８ｂと（また突出するならば表面４１と）角
度ρ（ロー）を形成する。プラトー４４は光出射表面４１に向かって下方に傾斜
し、仮想線４８ａと（また突出するならば表面４１と）角度θ（シータ）を形成
する。ファセット４５は、その上方および下方のそれぞれの頂点を通して表面４
１に対し平行に引いた仮想線４８ｃと４８ｄとの間で測定される高さｆhを有す
る。ファセット４５は光出射表面４１に向かって下方に傾斜し、仮想線４８ｄと
（また突出するならば表面４１と）角度φ（ファイ）を形成する。ランド４６と
４７は突出部４２の側面に位置する。ランド４７は光出射表面４１から上方に傾
斜し、仮想線４８ｃと（また突出するならば表面４１と）角度γ（ガンマ）を形
成する。
【００２３】 図５は、ウェッジ状の抽出器を組み込んだ本発明の点から線への変換器５１を
示している。説明のため、突出部５２ａ、５２ｂ、５２ｃのような表面構造体は
誇張したスケールで示されている。このような突出部は、以下にさらに詳述する
ように、はるかに小さいことが好ましい。点光源５０から放射される光線はビー
ムコレクタ５５の光入射表面５４に入り、光パイプ５６の長さを移動する。５５
ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄのようなファセットに衝突する光線は、光出射表面
５８を通してＴＩＲによって抽出される。５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄのよ
うなランドに衝突する光は、光パイプ５６内のＴＩＲによって、点から線への変
換器５６の表面５８および末端部５９に向かって反射される。表面５８に衝突す
ると、後者のこれらの光線は、ＴＩＲによって光パイプ５６の表面５８から他の
突出部（図示せず）に向かってさらに反射される。実質的に、すべての光線は、
略平坦な光出射表面５８を通して最終的に光パイプ５６を出て、略均一に分布し
た長方形の光ビームを形成する。
【００２４】 図６は、２つの光源６０ａと６０ｂを有する本発明の点から線への変換器６１
を示している。図５の変換器については、図６の変換器の突出部は誇張したスケ
ールで示されている。光源６０ａと６０ｂからの光線はビームコレクタ６５ａと
６５ｂの入力表面６４ａと６４ｂに入り、光パイプ６６を移動する。光パイプ６
６の厚さは装置の長さに沿って薄くなり、狭い部分６７で最小になる。光は、６
２ａ〜６２ｄのような突出部から抽出または反射され、略均一に分布した長方形
の光ビームとして光出射表面６８を通して最終的に光パイプ６６を出る。
【００２５】 図７は、本発明のフロントライトガイドおよびディスプレイアセンブリ７０を
示している。ライトガイド７１はディスプレイ７９の頂部に位置し、選択的な空
隙７８によって僅かに分離される。光は光入射表面７６を通してライトガイド７
１に入り、またガイドに沿って移動して、７２ａ〜７２ｄのような突出部のファ
セットに衝突する。
【００２６】 図８は、図７のフロントライトガイド７１の部分拡大図を示している。光線８
１ａはファセット７５に衝突し、光線８１ｂとしてディスプレイ７９に向かって
光出射表面７８を通して下方に反射される。ディスプレイ７９に衝突すると（ま
たディスプレイ７９が適切に変調されることを前提として）、光線８１ｂは光線
８１ｃとして上方に反射され、表面７８を通してライトガイド７１に再び入り、
次に、ランド７６を通してライトガイド７１を出る。光線８１ａとは異なる光路
に沿ってライトガイド７１の構造化表面に接近する光線８３ａは、ランド７７に
衝突し、光線８３ｂとしてライトガイド７１の表面７８と末端部（図示せず）に
向かって反射される。ランド７７の僅かな上向き傾斜のため、光線８３ａは、ラ
ンド７７が表面７８に対し平行であった場合の入射角よりも高い入射角でランド
７７に衝突する（また反射光線８３ｂは表面７８に衝突する）。同一の理由で、
反射光線８３ｂは、ランド７７が表面７８に対し平行であった場合よりもライト
ガイド７１の末端部により近接して配置される点において表面７８に衝突する。
このことは、最終的にファセットに到達する光の入射角を大きくすることによっ
て、ライトガイド７１からの光の抽出効率の改善に役立つ。
【００２７】 図９は、本発明のバックライト９４を移動する２つの光線９１ａと９３ａが移
動する光路を示している。光線９１ａはランド９６に衝突し、光線９１ｂとして
バックライト９１の末端部（図示せず）に向かって反射される。光線９３ａはフ
ァセット９５に衝突し、光線９３ｂとしてディスプレイ９９に向かって上方に反
射される。ディスプレイ９９が適切に変調されるならば、光波９３ｂは観測者（
図示せず）に向かってディスプレイ９９を通過する。
【００２８】 全体的に、光抽出器はウェッジ状のプロフィルを有する。ライザとプラトーと
の間の頂点は、望むなら、直線に沿って位置することができる。頂点が直線に沿
って位置するならば、また光出射表面が基準面として指定されるならば、また仮
想直線がライザとプラトーの間の頂点を通して引かれるならば、基準面と仮想線
との間の角度βは、好ましくは約０．１〜約６°、より好ましくは約０．４〜約
４°である。直線に沿って位置するライザ／プラトーの頂点を有する本発明の一
実施態様では、ファセット高さは抽出器の長さに沿って一定である。このような
他の実施態様では、ファセット高さは抽出器の光入射端部から末端部または狭い
端部に向かって低くなる。さらなる実施態様では、ファセット高さは抽出器の光
入射端部から末端部または狭い端部に向かって低くなり、プラトーセグメントの
長さは抽出器の長さに沿って一定であり、またライザの高さは、ライザ／プラト
ーの頂点が直線に沿って位置する程度に十分な量だけ抽出器の末端部から光入射
端部に向かって低くなる。
【００２９】 ライザとプラトーとの間の頂点は、望むなら、曲がった経路に沿って位置する
ことができる。このような一実施態様では、ファセット高さは抽出器の光入射端
部から末端部または狭い端部に向かって低くなり、またランドセグメントの長さ
は抽出器の長さに沿って一定である。このような他の実施態様では、ファセット
高さは一定であり、またランドの長さは抽出器の光入射端部から末端部または狭
い端部に向かって低くなる。いずれにしても、ライザプラトーの頂点が曲がった
経路に沿って位置する抽出器の角度βは、次式に示されているように、（抽出器
の光入射端部の厚さと末端部の厚さとの差を抽出器の長さで割算した値）の逆正
接を計算することによって近似されるべきである。 β＝逆正接（（光入射端部の厚さ−末端部の厚さ）／抽出器長さ）
【００３０】 個別の突出部のすべては同一である必要はなく、また同一の角度配向、形状ま
たは寸法を有する必要はない。しかし、製造を容易にするために、ライザ、プラ
トーおよびファセットセグメントが突出部から突出部まで同一の角度配向および
セグメント長さを有する突出部を形成することが一般的に好ましい。ランドセグ
メントはまた、望むなら、角度配向およびセグメント長さにおいて互いに同様で
あり得る。しかし、突出部は、抽出器の光入射端部の近くにおいて比較的粗いピ
ッチで、および抽出器の最も狭い部分（図６の点から線への変換器の狭い中央峡
部）または末端部（図５、図７及び図９の抽出器の光入射端部の反対側端部）に
向かって比較的細かなピッチで離間されることが好ましい。間隔のこの変更は、
抽出器の光入射端部から末端部（または最も狭い部分）のランドセグメントの長
さを徐々に短くすることによって好便に達成できる。
【００３１】 各ライザのセグメントは平坦であることが好ましいが、望むなら、凸または凹
形状のような他の形状を利用できる。ライザは光抽出器の内部から光線を通常反
射または通過させず、したがって、光学的に滑らかでない表面を有することがで
きる。しかし、ライザの過度の表面粗さを避けることを考慮すべきである。その
ことは、光抽出器内の光の後方散乱、およびライザを通した後方散乱光の結果と
しての弱い透過の故に発生し得るゴーストおよび目に見える他のアーチファクト
を回避するのに役立つ。好ましくは、ライザの高さｒhは、約０．００１〜０．
５ｍｍ、より好ましくは約０．００２〜約０．０２ｍｍである。基準面とライザ
との間の角度ρは、好ましくは約９０〜約４５°、より好ましくは約８５〜約６
５°である。
【００３２】 通常、各プラトーセグメントの部分は、隣接ライザに衝突する光線によって投
げられる影の中に位置し、したがって光反射または抽出に参加しない。フロント
ライトガイド構造では、プラトーの影のない部分は抽出光の上方観測ポートとし
て機能することができる。プラトーは平坦であるが、望むなら、凸状または凹状
のような他の形状を有することができることが好ましい。しかし、プラトーは、
抽出光の歪みを誘発しないように、平坦で光学的に滑らかな表面を有することが
好ましい。プラトーセグメントの長さは、好ましくは約０．００１〜約１．５ｍ
ｍ、より好ましくは約０．００４〜約０．１２ｍｍである。基準面とプラトーと
の間の角度θは、好ましくは約０〜約１０°、より好ましくは約０〜約２°であ
り、プラトーセグメントは基準面に対し平行であることが最も好ましい（換言す
れば、θはゼロであることが最も好ましい）。
【００３３】 ファセットまたはランプセグメントはディスプレイに向かって光を方向付け、
ディスプレイ上で光を（時に１つ以上の別の反射に従って）抽出し、またディス
プレイによって適切に変調できる。ファセットは平坦であるが、望むなら、凸状
または凹状のような他の形状を有することができることが好ましい。ファセット
は、反射光の拡散を誘発しないように、平坦で光学的に滑らかな表面を有するこ
とが好ましい。ファセット高さｆhは、好ましくはライザの高さよりも高く、よ
り好ましくは約０．００１〜約１．５ｍｍ、最も好ましくは約０．００２〜約０
．１２ｍｍである。基準面とファセットとの間の角度φは、好ましくは約２０〜
約５０°、より好ましくは約２５〜約４５°である。
【００３４】 光再指向表面のランドセグメントは、ＴＩＲによって抽出器の狭い部分または
末端部に向かって光を反射する。ランドは抽出光の下方観測ポートとしても機能
することができる。ランドは平坦であるが、望むなら、凸状または凹状のような
他の形状を有することができることが好ましい。ランドは、反射光の拡散を誘発
しないように、平坦で光学的に滑らかな表面を有することが好ましい。上述のよ
うに、ランドセグメントの長さは、抽出器の長さに沿って短くなることが好まし
い。好ましいピッチは、光入射端部において１ｍｍ当たり約０．０６〜約１２の
突出部から、抽出器の末端部または最も狭い部分において１ｍｍ当たり約２５０
〜約１の突出部である。好ましいランドセグメントの長さは、約０．００３〜約
１５ｍｍ、より好ましくは約０．００３〜約１．２ｍｍである。基準面とランド
との間の角度γは、好ましくは約０〜約５°、より好ましくは約０．５〜約２°
である。ランドは、ウェッジから反対方向に傾けられることが最も好ましい。そ
のように傾けられた場合、抽出器の光入射端部から来て、ランドに衝突する光は
、より高い入射角で引き続きファセットに衝突する傾向があり、これによって抽
出効率が向上する。
【００３５】 突出部は光再指向表面の全幅にわたって延在することができるか（例えば図７
に図示）、あるいは列および行で互いに整列できるかまたは列から列に互い違い
に配置できるセグメント全幅よりも短い小さな幅の形状であり得る。突出部の列
は、光入射表面に対し平行に、またはその表面に対してある角度で配列できる。
突出部は光再指向表面の全幅にわたって延在し、光入射表面に対し略平行である
ことが好ましい。
【００３６】 光入射表面および光出射表面は、平坦であり得るか、あるいは凸状または凹状
の湾曲部を有することができる。光源が点光源である場合、光入射表面は凸状の
湾曲部を有することが好ましい。入ってくる光が入射表面の幅に沿って均一に分
布していないならば、レンズレット、プリズム、粗くした表面または他のミクロ
構造体を光入力表面に加えて、光をより均一に分布することができる。光出射表
面は、透過損失、望ましくない拡散および歪みを最小にするために、光学的に滑
らかな仕上げを有することが好ましい。
【００３７】 光抽出器は任意の所望の全体サイズと厚さを有することができるが、可能な限
り薄い、例えば抽出器の最も厚い部分において５ｍｍ以下であることが好ましい
。光抽出器は、意図するディスプレイの観測点から観測した場合に正方形、長方
形、卵形または他の任意の所望の形状であり得る。通常、抽出器のサイズと形状
は、所望のディスプレイ装置のサイズと形状によって、また抽出器が、点から線
への、線から面への、または点から面への変換器として機能するように意図され
ているかどうかによって規定される。本発明の光抽出器は、小型バッテリ電源の
発光ダイオード（ＬＥＤ）で照明される超小型または小型のディスプレイ装置用
の点から領域へのまたは線から面へのフロントライトガイドとして特に有用であ
る。適切なディスプレイ装置には、セルラー電話、ページャー（ポケットベル（
登録商標））、携帯情報端末、クロック、腕時計、電卓、ラップトップコンピュ
ータ、車両用ディスプレイ等のためのカラーまたはモノクロＬＣＤ装置が含まれ
る。ディスプレイはまた、ポスタまたは標識のような固定グラフィック、あるい
は「Ｇｙｒｉｃｏｎ」電子ディスプレイ材料（Ｘｅｒｏｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉ
ｏｎが開発中）のような可変外観基板であり得る。ＬＥＤに加えて、適切な他の
照明源は、蛍光または白熱電球、エレクトロルミネセンス光等を含む。
【００３８】 本発明の光抽出器は、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレートのような
ポリアクリレート、ポリスチレンおよびガラスを含む多種多様の光学的に適切な
材料から製造でき、ポリカーボネートのような屈折率の高いプラスチックが好ま
しい。光抽出器は、所望の構造化表面の負のレプリカを支承する金属または他の
耐久性の材料から作製される旋盤加工用工具または他の形成表面に対して、射出
成形可能な樹脂を成形、エンボス加工、硬化、さもなければ形成することによっ
て作製されることが好ましい。このような形成表面を作製するための、および抽
出器を成形、エンボス加工または硬化するための方法は、当業者によく知られて
いる。個別の光抽出器設計は、望むなら、Ｂｒｅａｕｌｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ，Ｉｎｃ．からの「ＡＳＡＰ」、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒ
ｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓからの「Ｃｏｄｅ Ｖ」と「Ｌｉｇｈｔ
Ｔｏｏｌｓ」、Ｗｏｌｆｒａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．からの「Ｏｐｔ
ｉｃａ」、およびＦｏｃｕｓ Ｓｏｆｔｗａｒｅ，Ｉｎｃ．からの「ＺＥＭＡＸ
」のような適切なレイトレーシングモデリングソフトウェアを用いることによっ
て、実際の抽出器の製造を必要とすることなく評価できる。
【００３９】 次の非限定的な実施例において本発明についてさらに説明する。
【００４０】 実施例 ２つの略平坦な抽出器および３つの略ウェッジ状の抽出器をＣＡＤソフトウェ
アを用いてシミュレートし、またＡＳＡＰレイトレーシングソフトウェアを用い
て評価した。この方法は、プロトタイプの成形および加工の必要なしに、実際の
観測結果との概して優れた一致を与える。各抽出器は、１．５８の屈折率のポリ
カーボネートプラスチックから作製される。すべての抽出器は、幅３０ｍｍ、長
さ４０ｍｍおよび厚さ１ｍｍの入射アパーチャを有する。抽出器１及び２の末端
部の厚さは１ｍｍである。抽出器３、４及び５の末端部の厚さは０．２ｍｍであ
る。光源は、長さ３０ｍｍ、高さ１ｍｍの長方形であると仮定され、ランバート
光分布を有していた。
【００４１】 抽出器１〜５のステップまたは突出部の一般的な形状が、図１０ａ〜図１０ｅ
にそれぞれ示されている。図１０ａ〜図１０ｅの点線は基準面に対し平行に引か
れる。抽出器４及び５は本発明の抽出器である。各抽出器のセグメントの角度と
寸法は表Ｉに示されている。抽出器１〜４については、ランド（また存在するな
らばプラトー）は水平である（γはゼロ）。抽出器５については、ランドは０．
７５°の角度γで僅かに上方に傾斜する。すべての抽出器について、ライザ（存
在するならば）は９０°の角度ρで傾けられる。各抽出器のファセットは３０°
の角度φで傾けられる。
【００４２】 抽出器１〜３については、表Ｉに示したライザの高さおよびファセットの高さ
の値は抽出器全体に適用される。抽出器４及び５については、表Ｉは、抽出器の
入射端部に最も近いファセットの高さを示している。抽出器４及び５のファセッ
トの高さは、各抽出器の入射端部から末端部に向かって低くなる。抽出器５につ
いては、表Ｉは、抽出器の末端部に最も近いライザの高さを示している。抽出器
５のライザの高さは抽出器の末端部から入射端部に向かって低くなる。ファセッ
トまたはライザの高さのこれらの変化により、抽出器４及び５のライザ／プラト
ーの頂点は直線に沿って位置することができる。
【００４３】 突出部の間のピッチは、ディスプレイへの予測される光出射を抽出器の光出射
表面の領域にわたって約±１０％以内に最適化するために、各抽出器について様
々であった。次に、各抽出器の予測される光抽出効率を計算して、記録した。
【００４４】 抽出器１および抽出器３〜５は、抽出器の長さに沿って２００のステップまた
は突出部を有すると仮定した。抽出器２は、抽出器の長さに沿って４００の突出
部を有すると仮定した。このことは、抽出器２と比較して効率の向上を提供した
が、光出射の均一性は低下し、また多数の突出部は抽出器２の製造をより困難に
するであろう。
【００４５】
【表１】
【００４６】 表Ｉに示したように、本発明の抽出器（抽出器４及び抽出器５）は、ライザな
しの抽出器（抽出器１及び抽出器２）よりも著しく優れた全体効率を有した。本
発明の抽出器はまた、ステップ／ウェッジスタイルの抽出器（抽出器３）よりも
著しく優れた全体効率を有した。この効率の改善は、バッテリ式ディスプレイの
バッテリ寿命の相当な延びの提供に役立つに違いない。
【００４７】 効率のさらなる向上は、ランドの傾斜角γのさらなる調整によって獲得し得る
が、全体的な照明の均一性が低下する可能性がある。
【００４８】 本発明の範囲と精神から逸脱することなしに、本発明の種々の修正と変更が当
業者には明白であろう。本発明が上述の例示的実施態様に限定されないことを理
解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 フロントライトガイドの概略図である。
【図１ｂ】 バックライトの概略図である。
【図２】 本発明の光抽出装置の拡大側面断面図である。
【図３】 記述角βを示した本発明の光抽出装置の拡大側面断面図である。
【図４】 記述角ρ、θ、φ、γ、および記述高さｒh、ｆhを示した本発明の光抽出装置
の拡大側面断面図である。
【図５】 本発明の他の光抽出装置の斜視図である。
【図６】 本発明のさらに他の光抽出装置の斜視図である。
【図７】 本発明の別の光抽出装置の斜視図である。
【図８】 ２つの光線がとる光路を示した図７の装置の拡大図である。
【図９】 本発明の追加の光抽出装置の断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｆ 1/13357 Ｇ０２Ｆ 1/13357 // Ｆ２１Ｙ 101:02 Ｆ２１Ｙ 101:02 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ミラー，リチャード エー． アメリカ合衆国，ミネソタ 55133−3427， セント ポール，ピー．オー．ボックス 33427 (72)発明者 ホイットニー，レランド アール． アメリカ合衆国，ミネソタ 55133−3427， セント ポール，ピー．オー．ボックス 33427 Ｆターム(参考） 2H038 AA55 BA06 2H042 BA04 BA20 2H091 FA21X FA21Z FA23X FA23Z FA45X FA45Z FB02 FC19 FD22 LA30 MA10

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ａ）光入射端部と、 ｂ）光をディスプレイに供給できる略平坦な光出射表面と、 ｃ）該光出射表面の略反対側に配置される構造化光再指向表面と、 を有する光抽出装置において、 前記光出射表面および光再指向表面が、前記装置の光入射端部から中心に向か
    って薄くなる略ウェッジ状のプロフィルを画定し、前記光再指向表面が、前記光
    出射表面に向かってまたそこから前記ディスプレイに光を反射し、および前記光
    再指向表面が、ライザセグメントとプラトーセグメントとファセットセグメント
    とを備える複数の突出部を具備し、ランドセグメントが前記突出部の側面に位置
    する、光抽出装置。
  2. 【請求項２】 前記ライザセグメントの存在が、前記ファセットセグメント
    によって前記装置からの光抽出を増大する、請求項１に記載の光抽出装置。
  3. 【請求項３】 前記ライザセグメントの高さの変化が、前記ファセットセグ
    メントによって反射される光と、前記ランドセグメントによって反射される光と
    の比率を変える、請求項１に記載の光抽出装置。
  4. 【請求項４】 仮想の四辺形を形成するために、仮想線が、突出部のランド
    セグメントと隣接ライザセグメントとの間の頂点から、前記突出部のファセット
    セグメントと、隣接ランドセグメントとの間の頂点まで引かれるならば、四辺形
    の断面が略台形である、請求項１に記載の光抽出装置。
  5. 【請求項５】 前記装置の厚さが、前記装置の光入射端部から全長に沿って
    薄くなる、請求項１に記載の光抽出装置。
  6. 【請求項６】 仮想線がライザセグメントと隣接プラトーセグメントとの間
    の頂点を通して引かれ、前記光出射表面が基準面として指定されるならば、該基
    準面と前記仮想線との間の角度βが約０．４〜約４°である、請求項１に記載の
    光抽出装置。
  7. 【請求項７】 前記基準面とライザセグメントとの間の角度ρが約８５〜約
    ６５°であり、前記基準面とプラトーセグメントとの間の角度θが約０〜約２°
    であり、また前記基準面とファセットセグメントとの間の角度φが約２０〜約６
    ０°である、請求項６に記載の光抽出装置。
  8. 【請求項８】 前記基準面とランドセグメントとの間の角度γが約０．５〜
    約２°である、請求項６に記載の光抽出装置。
  9. 【請求項９】 前記ランドセグメントと前記仮想線とが、前記基準面に対し
    反対方向に傾けられる、請求項６に記載の光抽出装置。
  10. 【請求項１０】 前記頂点が直線に沿って位置する、請求項６に記載の光抽
    出装置。
  11. 【請求項１１】 前記頂点が曲線に沿って位置する、請求項６に記載の光抽
    出装置。
  12. 【請求項１２】 前記ランドセグメントの長さが、前記抽出器の光入射端部
    から前記抽出器の最も狭い部分または末端部に向かって短くなる、請求項１に記
    載の光抽出装置。
  13. 【請求項１３】 前記突出部が、前記抽出器の光入射端部の近くにおいて比
    較的粗いピッチで、および前記抽出器の最も狭い部分または末端部に向かって比
    較的細かなピッチで離間される、請求項１に記載の光抽出装置。
  14. 【請求項１４】 前記ライザセグメントの高さｒhが約０．００１〜約０．
    ５ｍｍであり、前記プラトーセグメントの長さが約０．００２〜約１．５ｍｍで
    あり、前記ファセットセグメントの高さｆhが約０．００１〜約１．５ｍｍであ
    り、また前記ランドセグメントの長さが約０．００３〜約１５ｍｍである、請求
    項１に記載の光抽出装置。
  15. 【請求項１５】 前記ファセットセグメントの高さが前記ライザセグメント
    の高さよりも高い、請求項１４に記載の光抽出装置。
  16. 【請求項１６】 前記突出部が前記光再指向表面の全幅にわたって延在し、
    また前記光入射表面に対し略平行である、請求項１に記載の光抽出装置。
  17. 【請求項１７】 請求項１に記載の光抽出装置に光学的に結合される点光源
    または細長い光源を有するディスプレイ装置であって、前記抽出装置が、前記光
    抽出装置からの光を変調する光バルブに光学的に結合される、ディスプレイ装置
    。
  18. 【請求項１８】 前記光抽出装置がフロントライトガイドである、請求項１
    ７に記載のディスプレイ装置。
  19. 【請求項１９】 前記光抽出装置がバックライトである、請求項１７に記載
    のディスプレイ装置。
  20. 【請求項２０】 前記装置が、セルラー電話、ページャー、携帯情報端末、
    クロック、腕時計、電卓、ラップトップ型コンピュータまたは輸送車両を含む、
    請求項１７に記載のディスプレイ装置。
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