JP2003531458A - 照明アセンブリ - Google Patents

照明アセンブリ

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JP2003531458A
JP2003531458A JP2001576504A JP2001576504A JP2003531458A JP 2003531458 A JP2003531458 A JP 2003531458A JP 2001576504 A JP2001576504 A JP 2001576504A JP 2001576504 A JP2001576504 A JP 2001576504A JP 2003531458 A JP2003531458 A JP 2003531458A
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マックスフィールド,マクレア
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Abstract

(57)【要約】 光源からの光の方向を変えるために光学マイクロプリズムのアレイおよびマイクロレンズを具備する光学照明アセンブリ。そのようなディスプレイは、効率的な光出力を提供する有向光源を必要とするバックライト式フラット・パネル・ディスプレイなど、広範な応用分野で使用される。本照明アセンブリは、光学拡散器を介してマイクロプリズムのアレイの入力端部に光学的に結合された光透過器と、各マイクロプリズムの光出力端部上のマイクロレンズとを有する。マイクロプリズムは、光透過手段に光学的に結合された光入力端部と、光入力端部から離隔された出力端部とを有する。前記光入力端部によって画定されたある縁部と前記光出力端部によって画定された別の縁部とを有する2対の反対側に位置決めされた側壁が、透過光を光出力端部に向かって反射するために位置決めされる。光透過手段からの光が光入力端部を介して各マイクロプリズムに入るとき、光は、前記側壁によって配向され、前記マイクロプリズムを介して各光出力端部に、次いでマイクロレンズを通る。任意選択で、光透過器とマイクロプリズムの入力端部との間に光拡散器を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 関連出願の相互参照 本出願は、1996年12月2日に出願された米国特許出願第08/759,
338号(現在米国特許第6,010,747号であり、これを参照により本明
細書に組み込む)の分割出願である1999年10月4日に出願された米国特許
出願第09/411,115号の同時係属の一部継続出願である。
【0002】 発明の背景 発明の分野 本発明は、高い光透過度を実現する光学照明アセンブリに関する。より詳細に
は、本発明は、光源から光の方向を変えるための、複数の光学マイクロプリズム
、マイクロレンズ、拡散器を有する照明アセンブリを対象とする。関連技術の説明 バックライト式フラット・パネル・ディスプレイなど光学照明システムは、効
率的な光出力を提供する有向光源を必要とする。そのようなディスプレイは、コ
ンピュータ用モニタ、テレビジョン、ディスプレイ、航空宇宙(aerospa
ce)ディスプレイ、自動車用計器板、テキストやグラフやビデオ情報を提供す
る他のデバイスなど、広範な応用分野で使用されている。これらのディスプレイ
は、従来の陰極線管に置き換わることができ、より目立たず(low prof
ile)、重量が減少し、電力消費量がより少ないという利点をもたらす。マイ
クロプリズム、マイクロレンズ、拡散器などを利用する照明システムなどを利用
することができる多数の他の照明応用分野がある。そのような応用分野は、自動
車業界、航空宇宙業界、ならびに商業市場および住宅市場に存在する。いくつか
の自動車用応用分野は、目立たない車用前照灯および尾灯、読書灯やマップ・ラ
イトなど目立たない車内灯、ダッシュボード・ディスプレイ用光源、フラット・
パネル・ナビゲーション・ディスプレイ用バックライト、フラット・パネル・オ
ートTV画面およびフラット・パネル電子計器ディスプレイ、信号機、道路標識
用バックライトを含む。航空宇宙業界内での例示的な例は、フラット・パネル・
コックピット・ディスプレイ用や航空機の客室内のフラット・パネルTV画面用
のバックライト、目立たない読書灯や航空機着陸灯、滑走路着陸灯を含む。住宅
および商業応用分野は、目立たない室内および屋外スポットライトや平行光の程
度の低い室内灯、フラット・パネルTV画面用バックライト、LCDディスプレ
イたとえばコンピュータ、ゲーム・ディスプレイ、家電ディスプレイ、機械ディ
スプレイ、テレビ電話など、またテレビジョンや壁面テレビを含む背面投影ディ
スプレイを含む。
【0003】 陰極線管の短所を解消することができる1つのディスプレイは、フラット・パ
ネル液晶ディスプレイ(LCD)である。LCDには、いくつかの固有の短所が
ある。たとえば、高い視角では、LCDは低コントラストを呈し、視角が変化す
るにつれて目に映る色度が変化する。バックライト装置の特性は、LCDの画素
のマトリクス・アレイによって表示される画像の品質にも、ディスプレイのプロ
フィルにも非常に重要である。過去のバックライト構成における欠点については
、米国特許第5,128,783号および第5,161,041号を参照された
い。さらに、ラップトップ型コンピュータなどの応用分野における現在のバック
ライト・システムは、光源によって発生される光に対する人の目に見える光量に
関して不十分である。光源によって生成される光の約10から20パーセントが
、最後にコンピュータ・ディスプレイを有用に透過するにすぎない。光のスルー
プットの増大は電力消費量に積極的な影響を及ぼし、最終的に、背面投影ディス
プレイ用画面として、可搬型コンピュータのバッテリ寿命を増す。したがって、
狭小なプロフィルを維持しながら、エネルギー効率のよい均一な電子ディスプレ
イ用光源を実現するバックライト・アセンブリを提供するためのフラット・パネ
ル電子ディスプレイ技術が必要とされている。
【0004】 米国特許第5,555,109号および第5,396,350号は、中間スペ
ーサを介してマイクロレンズのアレイに取り付けられたマイクロプリズムのアレ
イを採用する光学照明システムを提供している。そのようなスペーサは、記述っ
されているシステムに複雑さの要素を追加する。また、拡散器を介した拡散光を
受け取ることができない。
【0005】 本発明は、エネルギー効率のよい均一な光源を実現する改良されたバックライ
ト・アセンブリを有する、フラット・パネル・ディスプレイに有用な改良された
照明アセンブリを対象とする。本発明を使用することによる改良点は、エネルギ
ー効率のよい明るく均一な光の分布が、目立たないアセンブリで得られることで
ある。この光学照明アセンブリは、マイクロレンズのアレイおよび光学拡散器と
組み合わされたマイクロプリズムのアレイを具備し、それにより、マイクロプリ
ズムと光学拡散器が、光透過手段とマイクロレンズの間に動作可能に配置される
【0006】 発明の概要 本発明は、 (a)光透過手段と、 (b)各マイクロプリズムのアレイであって、各マイクロプリズムが、 (i)前記光透過手段に光学的に結合された光入力端部と、 (ii)光入力端部から離隔された光出力端部と、 (iii)向かい合わせに位置決めされた1対の第1の側壁であって、各第1
の側壁が、前記光入力端部によって画定された縁部、および前記光出力端部によ
って画定された縁部を有し、少なくとも1つの前記第1の側壁が、光出力端部に
向かって透過光の反射を実施するために位置決めされた、第1の側壁と、 (iv)1対の反対側に位置決めされた第2の側壁であって、各第2の側壁が
、前記光入力端部によって画定された縁部、および前記光出力端部によって画定
された縁部を有し、少なくとも1つの前記第2の側壁が、光出力端部に向かって
透過光の反射を実施するために位置決めされた、第2の側壁と、 を具備するマイクロプリズムのアレイと、 (c)前記光透過手段からの光が前記光入力端部を介して各マイクロプリズムに
入るとき、光が前記側壁によって方向付けれて、前記マイクロプリズムを介して
各光出力端部を出るような、各マイクロプリズムの光出力端部上のマイクロレン
ズと、 を具備する照明アセンブリを提供する。
【0007】 本発明はまた、 (a)光透過手段と、 (b)マイクロプリズムのアレイであって、各マイクロプリズムが、 (i)前記光透過手段に光学的に結合された光入力端部と、 (ii)光入力端部から離隔された光出力端部と、 (iii)1対の反対側に位置決めされた第1の側壁であって、各第1の側壁
が、前記光入力端部によって画定された縁部、および前記光出力端部によって画
定された縁部を有し、少なくとも1つの前記第1の側壁が、光出力端部に向かっ
て透過光の反射を実施するために位置決めされた、第1の側壁と、 (iv)1対の反対側に位置決めされた第2の側壁であって、各第2の側壁が
、前記光入力端部によって画定された縁部、および前記光出力端部によって画定
された縁部を有し、少なくとも1つの前記第2の側壁が、光出力端部に向かって
透過光の反射を実施するために位置決めされた、第2の側壁と、 を具備するマイクロプリズムのアレイと、 (c)前記光透過手段からの光が前記光入力端部を介して各マイクロプリズムに
入るとき、光が前記側壁によって方向付けられ、前記マイクロプリズムを介して
各光出力端部を出るような、各マイクロプリズムの光出力端部上のマイクロレン
ズと、 (d)光透過手段と光入力端部の間で光学的に結合された光拡散要素とを具備す
る照明アセンブリを提供する。
【0008】 好ましい実施の形態の詳細な説明 図面を参照すると、図1および2は、マイクロプリズム404のアレイと、各
マイクロプリズム上のマイクロレンズ402を含む照明アセンブリ400を示す
。各マイクロプリズムは、光透過手段に光学的に結合された光入力端部405、
光出力端部406を有し、各マイクロプリズムは正方形の断面を有する。各プリ
ズムは、1対の反対側に位置決めされた第1の側壁408および第2の側壁40
7を有し、各側壁が光入力端部に縁部409、また光出力端部に縁部411を有
する。第1および第2の側壁は、光入力端部405から光出力端部406に向か
う透過光を反射するように位置決めされる。側壁は、側壁を介した光損失を減少
させるように、側壁上に施された光反射コーティングを随意に備えることができ
る。
【0009】 マイクロプリズムは、アレイの各マイクロプリズム間に空間410を形成する
。光透過手段413からの光が、光入力端部405を介して各マイクロプリズム
内に向けて送られるとき、光が側壁407および408によって方向づけられ、
マイクロプリズムを介して各光出力端部406を出て、その後で各マイクロレン
ズ402を通る。有用な光透過手段413の例示的なものは、レーザ、蛍光管、
発光ダイオード、白熱灯、日光、ライト・パイプ、ライト・ウェッジ、光導波路
、背面投影照明手段たとえばCRT、LCD、DMD、またはライト・バルブ・
ライト・エンジン、あるいは当業者に周知の他の類似構造である。
【0010】 マイクロレンズは、図2で最も明確にわかるように凸面であることが好ましい
。マイクロレンズは、図1でやはりわかるように、2つの直交する湾曲軸を有す
ることができる。マイクロレンズは、各マイクロプリズムの光出力端部と一体化
して形成することができ、または中間スペーサ要素がない場合、各マイクロプリ
ズムの光出力端部に直接取り付けることができる。マイクロレンズは、マイクロ
プリズムの光出力端部に取り付けるとき、マイクロプリズムと実質的に同じ屈折
率を有するように選択される。またこの場合には、マイクロレンズを、屈折率整
合流体または接着剤によって各マイクロプリズムの光出力端部に直接取り付ける
【0011】 マイクロプリズムとマイクロレンズは、約400から約700nmの波長範囲
内の光に透明である。それらは、約1.40から約1.65の屈折率を有するこ
とが好ましいが、さらに約1.45から約1.60であることが好ましい。マイ
クロプリズムとマイクロレンズは、任意の透明固体材料から作製することができ
る。好ましい材料には、透明ポリマー、ガラス、溶融シリカが含まれる。これら
の材料の望ましい特性には、デバイスの典型的な動作温度での機械的および光学
的安定性が含まれる。最も好ましい材料は、ガラス、アクリル、ポリカーボネー
ト、ポリエステル、ポリメチルメタクリレート、ポリ(4−メチルペンテン)、
ポリスチレン、およびアクリレート・モノマーの光重合によって形成されるポリ
マーである。好ましい材料は、ウレタンアクリレートおよびメタクリレート、エ
ステルアクリレートおよびメタクリレート、エポキシアクリレートおよびメタク
リレート、(ポリ)エチレングリコールアクリレートおよびメタクリレート、お
よびビニル含有有機モノマーからなるアクリレート・モノマー混合物の光重合に
よって形成されるポリマーを含む。有用なモノマーは、メタクリル酸メチル、n
−ブチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、イソデシルアクリレ
ート、2−ヒドロキシエチルアクリレート、2−ヒドロキシプロピルアクリレー
ト、シクロヘキシルアクリレート、1,4−ブタンジオールジアクリレート、エ
トキシル化ビスフェノールAジアクリレート(ethoxylated bisphenol A diacry
late)、ネオペンチルグリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジアク
リレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、1,6−ヘキサシジオール
ジアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリトリト
ールトリアクリレート、ペンタエリトリトールテトラアクリレートを含む。特に
有用なものは、少なくとも1つのモノマーが、ジアクリレートまたはトリアクリ
レートなど多機能性モノマーである混合物である。というのは、これらが反応し
たフォトポリマーで架橋のネットワークを作り出すためである。
【0012】 マイクロプリズム404は、間隙領域410によって分離される。間隙領域4
10の屈折率は、側壁に当たる光を反射させ、出力端部を介して脱出させ得るよ
うにマイクロプリズムの屈折率より小さくしなければならない。間隙領域の好ま
しい材料は、屈折率1.00を有する空気、および約1.16から約1.40の
範囲の屈折率を有するフルオロポリマーを含む。最も好ましい材料は空気である
。コントラストを増すために、光吸収性すなわち黒色の着色料が、隣接するマイ
クロプリズムの側壁間で領域410内に随意に配置される。この改善されたコン
トラストは、本明細書で述べるシステムを背面投影画面の応用分野のために使用
するとき特に有用である。間隙領域410は、マイクロプリズムの屈折率より低
い屈折率を有する吸収材料で充填されることが好ましい。
【0013】 マイクロプリズムは、正方形、方形、または六角形パターンなどの任意のパタ
ーンで光透過手段413上に配列され得る。繰返し距離は、ディスプレイの解像
度や寸法に応じて等しくすることも不等にすることもまた広く変えることもでき
る。光透過性の有機材料である光学接着促進層を使用して、マイクロプリズムを
光透過手段413に強力に接着させることができる。そのような材料は、当業者
に周知である。接着促進層の厚さは決定的ではなく、広く変えることができる。
本発明の好ましい実施形態では、接着層が厚さ約30マイクロメートル未満であ
る。
【0014】 マイクロプリズム404は、4つの側壁407および408、光出力端部40
6と平行な光入力端部405を有する6面幾何構造を形成するように構築され、
光出力端部406の表面積が、光入力端部405より小さい。4つの側壁は、光
透過手段413を通過する光が、マイクロプリズムによって捕らえられ、かつ方
向を変えられてマイクロレンズに送られるような形で角度付けされる。マイクロ
レンズは、適切な湾曲と共に形成され、各マイクロプリズムから発出する光が対
応するマイクロレンズに向けて送られるように位置決めされる。これは、内部全
反射(TIR)を可能にするプリズム角度を組み込むことによって、かつ間隙領
域410内に低屈折率材料を組み込むことによって向上させることができる。背
面投影応用分野の場合には、1つまたは複数の軸における光の広がりを制御する
ためにマイクロレンズを使用される。図2に示すように、各マイクロプリズム4
04は、側壁407および408が、光透過手段の表面の垂線に対して約2度か
ら約25度の傾斜角を形成するように形成する。より好ましい傾斜角の値は、約
5度から約25度であり、さらには約5度から約20度が好ましい。当業者には
自明であるように、傾斜角は、空間的方向性もつ光が光出力表面の垂線に対して
出る角度を決定する。マイクロプリズムの高さは、ディスプレイの寸法や解像度
に応じて広く変えることができる。すなわち、ラップトップ型コンピュータ・デ
ィスプレイやエビオニクス・ディスプレイなど、より小型のディスプレイは、大
型画面、背面投影、フラット・パネル・テレビジョンなどのより大型のディスプ
レイに対して寸法が大きく縮小されよう。
【0015】 マイクロレンズは、球面レンズにも、非球面レンズにも、アスチグマチック・
レンズにもすることができる。マイクロレンズは必ずしも円形ではなく、形状を
矩形にすることができる。マイクロレンズが球面レンズの場合は、レンズは、あ
る曲率半径を有する1つの曲面を有する。曲率半径は、対応するマイクロプリズ
ム・アレイの繰返し距離に応じて広く変えることができる。マイクロレンズが、
マイクロプリズムによって光透過手段から方向付けられた光の実質的にすべてを
集めるために、マイクロレンズのFナンバーは、比較的小さくすべきである。マ
イクロレンズのFナンバー値は、約0.5から約4.0の範囲とすることができ
る。Fナンバーのより好ましい値は、約0.6から約3.0の範囲である。
【0016】 マイクロプリズムおよびマイクロレンズのアレイは、射出成形および圧縮成形
を含む成形、熱間圧延鋳造を含む鋳造、型内での光重合、および型を使用しない
光重合プロセスなど、いくつかの技法によって製造することができる。好ましい
製造技法は、マイクロプリズムのアレイとマイクロレンズのアレイを単一の一体
ユニットとして製造することを可能にするものであろう。この技法の利点は、ア
レイを別々に製造してから上述した関係で取り付けた場合に、マイクロプリズム
のアレイとマイクロレンズの間の位置合わせ誤差が解消することであろう。
【0017】 図3は、照明アセンブリ400の他の実施形態の斜視図を示す。この場合、マ
イクロレンズ413は、単一の湾曲軸を有する。さらに、このアセンブリは、光
透過手段とマイクロプリズムの光入力端部との間で光学的に結合された光学拡散
器440を含む。拡散器440は、基板表面上に平滑な隆起を有することが好ま
しい透明または半透明の基板444を具備する。隆起は、高さと幅が共に約1ミ
クロンから約20ミクロンの範囲であるが、より大きくても小さくてもよい。隆
起には、光の後方散乱を減少させるように働く任意の充填層442が対合してい
る。
【0018】 適切な光拡散器は、平行光またはほぼ平行な光を透明または半透明の材料で構
成される基板を介して光重合可能な材料内に向けて送ることにより、基板上の光
重合可能なフィルムから作製することができる。平行光は、光線の発散角度が0
.5度未満である光と定義することができる。対照的に、ほぼ平行な光における
光線の発散角度は10度未満であり、+5度未満であることが好ましく、3.5
度未満であることがより好ましい。この応用例では、平行か、それともほぼ平行
かにかかわらず、光が非干渉性、すなわち均一な位相を有さない光であることが
好ましい。アーク灯、白熱灯、または蛍光灯など大抵の光源(レーザ光源を除く
)は非干渉性の光を発生するが、干渉性の光を使用することもできる。
【0019】 光重合可能な材料は、材料の一部分だけ架橋または重合するのに十分な時間の
間露光する。その後、材料の未架橋部分が除去され、光重合された部分上に大き
く変化が付けられた表面を残す。この残った構造は、拡散器として直接使用する
ことができ、あるいは他の材料を浮き彫りにして拡散器を作成するための金属の
複製を作成するために使用することができる。
【0020】 拡散器基板のための好適な材料は、光学的にクリアな透明材料、材料の組成ま
たは構造内の異質性による曇りまたは光の散乱を有するセミクリアな透明材料、
および半透明材料を含む。基板のための好適な材料もまた、その結晶性によって
分類することができ、非晶質材料、非晶質基質内に散在する結晶質領域を含むセ
ミ結晶質の材料、純粋な結晶質材料を含む。一般に、基板は、互いに概ね平行な
2つの反対側の平坦な表面を有するが、他の構成を使用することもできよう。前
の段落の基準を満たす材料は、ホウ珪酸ガラスおよび溶融シリカなど無機ガラス
、酢酸セルロース、三酢酸セルロース、酪酸セルロースなど非晶質ポリマー、ポ
リビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレンなどエチレン−
ビニルアルコール・コポリマー、ポリエステル、ナイロン、エポキシ、塩化ポリ
ビニル、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリ
ウレタンを含むセミ結晶質のポリマーを含む。前述のセミ結晶質のポリマーのう
ち、フィルム状のポリエステルが好ましく、ポリエチレンテレフタレート(PE
T)が基板として最も好ましい選択である。この段落で述べた材料はすべて市販
されている。
【0021】 光重合可能な材料は、光重合可能な成分、光開始剤、および光抑制剤で構成す
ることができる。光重合可能な成分は、光重合可能なモノマーまたはオリゴマー
、あるいは光重合可能なモノマーおよび/またはオリゴマーの混合物とすること
ができる。この応用例に適した市販の光重合可能なモノマーおよびオリゴマーは
、ビスフェノールAエポキシ樹脂、エポキシクレゾールノボラック樹脂、エポキ
シフェノールノボラック樹脂、ビスフェノールF樹脂、グリシジルフェノールエ
ーテル誘導樹脂、脂環式エポキシ樹脂、および芳香族または複素環式アミン樹脂
などエポキシ樹脂、アリル、ビニルエーテルおよび他のビニル含有有機モノマー
、ならびにウレタンアクリレートおよびメタクリレート、エステルアクリレート
およびメタクリレート、アクリレートおよびメタクリレート、例えばエポキシア
クリレートとメタクリレート、(ポリ)エチレングリコールアクリレートとメタ
クリレートなどを含む。アクリレート・モノマーは、米国特許第5,396,3
50号、第5,428,468号、第5,462,700号、ならびに米国特許
第5,481,385号に述べられており、これらを参照により本明細書に組み
込む。好ましい光重合可能な材料は、(a)アクリレートおよびエポキシ樹脂の
混合物、(b)芳香ジアクリレートおよびビスフェノールAエポキシ樹脂の混合
物、(c)エトキシル化ビスフェノールAジアクリレート(EBDA)およびD
owエポキシ樹脂DER−362(ビスフェノールAおよびエピクロロヒドリン
のポリマー)の混合物を含む。最後の例は、EBDAの70重量部およびDow
エポキシ樹脂DER−362の30重量部の混合物である。当業者には容易に思
い浮かぶように、他の材料を使用することもできる。光重合可能な成分の選択に
関連する要素は、エポキシ樹脂の硬化速度と収縮が、アクリレート材料のものと
相違しうることである。
【0022】 光開始剤は、光によって活性化されたとき、モノマーまたはオリゴマーまたは
モノマーおよび/またはオリゴマーの混合物の光重合を引き起こす活性種を生成
する。好ましい光開始剤は、上記引用した米国特許第S,396,350号、米
国特許第5,462,700号、および米国特許第5,481,385号に開示
されている。最も好ましい光開始剤は、α,α−ジメトキシ−α−フェニルアセ
トフェノン(Ciba−Geigy Corporationの製品、Irga
cure−651など)である。光開始剤は、モノマーまたはオリゴマー材料1
00あたり光開始剤2の割合の添加量で使用して成功している。好ましくは、光
開始剤は、モノマーまたはオリゴマー材料100あたり光開始剤0.5〜10の
割合の添加量で使用するべきであり、より好ましくは、モノマーまたはオリゴマ
ー材料100あたり光開始剤1〜4の割合の添加量で使用するべきである。
【0023】 抑制剤は、低い光量で光重合を防止する。抑制剤は、架橋した光重合可能な材
料と未架橋の光重合可能な材料との間で、勾配ではなく明瞭な境界ができるよう
に、感光性樹脂の重合のための閾値光量を高める。上記に引用した米国特許第5
,462,700号および米国特許第5,481,385号に述べられているよ
うに、様々な抑制剤が当業者に周知である。酸素が好ましい抑制剤であり、光重
合が空気のある中で行われる場合、容易に使用可能である。
【0024】 図8は、本発明による拡散器を作製するための構造を示す。光重合可能な材料
の層10が、ドクターブレードなど任意の従来方法によって基板20上に堆積さ
れ、約0.02mmから約2mm、好ましくは約0.12mmから約0.37m
m、より好ましくは厚さ0.2mmから約0.3mmの概ね均一な厚さの層が得
られる。満足な結果は、約0.2mmから約0.3mmの概ね均一な厚さの層で
得られている。基板の下にガラス支持層30を任意に配置することができる。層
10の上面は、酸素を含む大気に開放されていることが好ましい。
【0025】 図9でわかるように、平行光またはほぼ平行な光が、基板20の底面及び光重
合可能な層を介して方向付けられる。ガラス支持層30が設けられている場合は
、光はまずガラスを通過する。光は、当業者には容易に思い浮かぶように、任意
の可視光、紫外光、あるいは光重合可能な材料を光重合させることができる他の
波長(または波長の組合せ)とすることもできる。しかし、Irgacure−
651を含む一般に使用されている光開始剤の多くは、約350nmから約40
0nmの波長範囲の紫外光に有利に応答するが、この範囲は決定的ではない。光
の強度は、約1mW/cm2から約1000mW/cm2の範囲であることが好ま
しく、約5mW/cm2から約200mW/cm2がより好ましく、約10mW/
cm2から約30mW/cm2が最適である。満足な結果は、約30mW/cm2
の光強度で得られている。
【0026】 光が光重合可能な層10を通過するとき、光重合可能な層の底面から始めて光
重合可能な材料の分子が架橋(または重合)し始める。光重合可能な層の厚さ全
体が架橋する機会を得る前に、光が除去され、光重合可能な層10の下部の光架
橋されたポリマー成分12だけを残す。所望の架橋量を達成するのに必要とされ
る光の線量(dosage)は、使用する光重合可能な材料によって決まる。例
えば、EBDAとDowエポキシ樹脂DER−362材料の光重合可能な混合物
と光開始剤α,α−ジメトキシ−α−フェニルアセトフェノンを使用し、約0.
2mmから約0.3mmの範囲の厚さで被着する場合には、光重合可能な層によ
って受け取られる光の合計線量は、約5mJ/cm2から約2000mJ/cm2 の範囲であることが好ましく、約20mJ/cm2から約300mJ/cm2がよ
り好ましく、約60mJ/cm2から約120mJ/cm2が最適である。満足な
結果は、EBDAとDowエポキシ樹脂DER−362材料の光重合可能な混合
物を使用して得られた。この光重合可能な混合物は、光重合可能な混合物あたり
光開始剤2の割合のレベルで光開始剤Irgacure−651と共に約0.2
mmから約0.3mmの厚さで被着した。光源の強度は約30mW/cm2、線
量は60mJ/cm2と120mJ/cm2の間であった。
【0027】 次いで、光重合可能な層に現像液を塗布し、未重合部分を除去する。現像液は
、架橋した成分に影響を及ぼすことなく未重合材料を溶解し、そうでない場合は
除去する通常液体のどんな材料とすることもできる。適切な現像液は、メタノー
ル、アセトン、メチルエチルケトン(MEK)、エタノール、イソプロピルアル
コール、またはそのような溶媒の混合物など、有機溶媒である。代替的に、当業
者には容易に思い浮かぶように、1つまたは複数の界面活性剤を含む水性現像液
を使用することができる。未重合部分を除去した後で、架橋した成分40が基板
上に残る。
【0028】 図10でわかるように、光架橋した成分40の表面42は、大きく変化が付け
られ、サイズが高さおよび幅共に約1ミクロンから約20ミクロンの範囲にある
平滑な隆起を呈すが、隆起はより大きくても小さくてもよい。光架橋した成分の
大きく変化が付けられた表面上の隆起のアスペクト比、すなわち高さ対幅の比は
、一般に極めて高い。基板は人の裸眼に対して光学的にクリア、またはセミクリ
アであり、光の透過を遮る明らかな遮蔽フィーチャがないため、人は大きく変化
が付けられた表面を予期しない可能性があろう。大きく変化が付けられた表面は
、1つのモノマーまたはオリゴマー成分だけ、あるいはそのような成分の混合物
を含む光重合可能な材料から作製された基板と共に達成することができる。これ
らの光架橋した材料は、加えられた光の空間強度のランダムな変動、および基板
の微細構造の統計変動のため、重合の空間的均一性に変動を呈する。後者の例は
、PET材、非晶質ポリマーを散在させたランダムな微細結晶を含むセミ結晶質
のポリマー材料である。ランダムな微細結晶は、2つの相の屈折率がわずかに異
なる場合、周囲の非晶質ポリマーと異なるように光を屈折させる。内部では、重
合した成分が、相の厚さを貫いて走るストライエーションを呈する。適量の光は
、1回の露光で、または複数の露光もしくは線量で加えることができ、露光間で
露光されなかった光重合可能な材料を残す。同じ合計線量を達成するための複数
の露光は、1回の露光から発生するより大きく変化が付けられた表面が得られる
可能性がある。光重合した成分は、いくつかの方法で使用することができる。た
とえば、投影視認画面内の光拡散器として、またはシステムの構造フィーチャを
隠すために液晶ディスプレイ(LCD)照明システム内の構成部品として使用す
ることができる。
【0029】 共形の金属複製層は、電気鋳造、非電蒸着(electroless deposition)、真空
蒸着、および当業者には容易に思い浮かぶように他の技法によって、大きく変化
が付けられた表面上に形成することができる。次いで、金属層を使用して、元の
光架橋した成分の表面構造の浮き彫りコピーを作製することができる。金属複製
層は、クリアまたは半透明の熱可塑性材料内への熱エンボッシング、あるいはク
リアまたは半透明の光反応材料または混合物内へのソフトエンボッシングまたは
鋳造(すなわち、光硬化エンボッシング)など、様々な周知のエンボッシング方
法で使用することができる。浮き彫り可能な材料層、たとえばポリカーボネート
、アクリル・ポリマー、ビニル・ポリマー、さらに光重合可能な材料などを基板
上に配置する。次いで、金属複製層を浮き彫り可能な層に被着し、対合する表面
を作成する。ハードエンボッシング、または好ましくは熱エンボッシングの場合
には、金属複製層を浮き彫り可能な層の表面に押し込み、同時に熱または圧力、
あるいは両方を加える。ソフトエンボッシングまたは鋳造の場合には、金属複製
層を、反応性の液体の光重合可能な材料と接触して配置し、次いで光重合可能な
材料を露光して固体の重合体フィルムを形成する。一般に、ソフトエンボッシン
グ応用例で光ポリマーを露光するために使用される光は平行にされない。したが
って、浮き彫り可能な層を、平行光またはほぼ平行な光で露光された光重合可能
な材料から作製したのでない限り、浮き彫り可能な層はストライエーションを有
さない。前述のエンボッシング技法のいずれかを使用することにより、元の光架
橋した、成分の大きく変化が付けられた表面の表面輪郭を有する多数の各片を作
製することができる。金属複製層が除去され、得られる浮き彫り層を残す。浮き
彫り層は、下にある基板と共に、または基板なしで光拡散器として使用すること
ができる。
【0030】 光の後方散乱を低減するために、光架橋した成分は、図11でわかるように、
透明または半透明の充填層442で被覆することができる。同様に、充填層を浮
き彫り層に被着させることができよう。充填層の屈折率n2は、光架橋した成分
の屈折率n1と異なることができる。たとえば、n1=1.55の場合には、n2
を約1.30から約1.52、または約1.58から約1.80の範囲とするこ
とができる。最適な屈折率は、拡散器を出る光の所望の分布の関数である。すな
わち、n1の所与の値について、光が拡散器を完全に通過するときに得られる拡
散光パターンは、変化するn2によって変わる可能性がある。当然ながら、応用
分野に適するようにn1を変えることもできる。一般にn1より小さい屈折率を有
する充填層に適した材料は、シリコーン、フッ化アクリレートまたはメタクリレ
ート、フルオロエポキシ、フルオロシリコーン、フルオロレタン、および当業者
には容易に思い浮かぶように他の材料を含む。一般にn1より大きい屈折率を有
する芳香アクリレートなどの材料もまた、充填層に使用することができる。一変
形形態では、充填層用の本質的に同種材料の代わりに、第3の屈折率n3を有す
る光散乱粒子を含む層を使用することができよう。代替的に、光散乱粒子を浮き
彫り層内に配置することができよう。いずれの場合でも、光散乱粒子は、たとえ
ば、非晶質、光学的にクリアなポリマーたとえばポリスチレン、アクリル、ポリ
カーボネート、オレフィン、または当業者には容易に思い浮かぶように他の材料
から作製されたガラス・ビードまたはポリマー・ビードまたはポリマー粒子など
、光学的に透過性の材料から作製することができよう。
【0031】 屈折率の異なる光拡散器の様々な層を光源に対して構成し、光に及ぶ拡散効果
を変えることができよう。たとえば、光は、まずより高い屈折率を有する層を通
過し、次いでより低い屈折率を有する層を(またはその逆に)通過することによ
って、拡散器を通過することができよう。さらに、拡散構造の反射率および後方
散乱光の量もまた、構造を通過する光の方向を変化させることによって変えるこ
とができる。好ましくは、入射光の低後方散乱(光学系の効率を低下させる光学
的損失)を要求する拡散器応用分野の場合、光は、より高い屈折率の層の前によ
り低い屈折率を有する層を通過するべきである。
【0032】 拡散器は、以下の機能の1つまたは複数を行うことができる。すなわち、光透
過手段413上の散乱要素の構造上の特徴を隠し、光透過手段から透過される光
の均一性を改善し、光透過手段から透過される光の角度分布を定義して、輝度を
高め、または電力を削減して輝度を同じにすることを容易にし、任意に半透過型
拡散器、すなわち透過光と反射光を共に使用する光学デバイスとして機能する。
【0033】 図4および図5は、本発明の一代替実施形態を示し、照明システム500が、
細長いマイクロプリズム501を具備し、各マイクロプリズム上に方形の光入力
端部とマイクロレンズ502とを有する。各マイクロプリズム501は、光透過
手段513に光学的に結合された光入力端部505と、光出力端部506とを有
する。各プリズムは、1対の反対側に位置決めされた第1の側壁508および第
2の側壁507を有し、各側壁が光入力端部に縁部509、また光出力端部に縁
部511を有する。第1および第2の側壁は、光入力端部505から光出力端部
506に向かって透過光を反射するように位置決めされる。側壁は、側壁を介し
た光損失を減少させるように、任意に側壁上に施された光反射コーティングを備
え得る。
【0034】 マイクロプリズムは、アレイの各マイクロプリズム間に空間510を形成する
。光透過手段513から光が、光入力端部505を介して各マイクロプリズム内
に向けて送られるとき、光は側壁507および508によって方向づけられ、マ
イクロプリズムを介して各光出力端部506を出て、その後で各マイクロレンズ
502を介する。
【0035】 さらにテーパ形マイクロプリズム・アレイの積重ね層も含まれる。図6は本発
明の一実施形態を示し、第1のマイクロプリズムの細長いアレイ530が第2の
マイクロプリズムの細長いアレイ540に取り付けられており、マイクロレンズ
が、第2のマイクロプリズム・アレイの光出力端部にある。図7は、テーパ形マ
イクロプリズム・アレイの積重ね層を含む照明アセンブリの斜視図を示す。第1
のマイクロプリズムの細長いアレイ640が第2のマイクロプリズムの細長いア
レイ650に取り付けられており、マイクロレンズ502が、第2のマイクロプ
リズム・アレイ650の光出力端部にある。この構成もまた、構造が上述の拡散
器440と類似の拡散器630を含む。
【0036】 上述した特定の実施形態は、本発明の原理を例示するにすぎず、当業者なら本
発明の範囲および精神から逸脱することなく、様々な修正を加えることができる
であろうことが理解されよう。本発明は、以下の特許請求の範囲によってのみ制
限される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 マイクロプリズムのアレイと、各マイクロプリズムの光出力端部上のマイクロ
レンズとを含む照明アセンブリの斜視図である。マイクロレンズは、2元湾曲軸
を有する。
【図2】 図1の照明アセンブリの側面図である。
【図3】 拡散器を含み、マイクロレンズが単一の湾曲軸を有する照明アセンブリの他の
一実施形態の斜視図である。
【図4】 マイクロプリズムが引き延ばされ、方形の光入力端部を有する照明アセンブリ
の一代替実施形態の図である。
【図5】 図4の照明アセンブリの側面図である。
【図6】 テーパ形マイクロプリズム・アレイを積み重ねた層を含む照明アセンブリの他
の一実施形態の斜視図である。
【図7】 テーパ形マイクロプリズム・アレイおよび拡散器を積み重ねた層を含む照明ア
センブリの斜視図である。
【図8】 本発明による拡散器を作製するための構造の図である。
【図9】 図8の構造の底面を介して配向された光の図である。
【図10】 大きく変化が付けられ、平滑性を示す隆起を有する拡散器の図である。
【図11】 大きく変化が付けられ、平滑性を示す隆起および透明または半透明の充填層を
有する拡散器の図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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,AL,AM,AT, AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA,C H,CN,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,EE ,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,HR, HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG,K P,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU ,LV,MA,MD,MG,MK,MN,MW,MX, NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,S G,SI,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ ,UA,UG,UZ,VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 マックスフィールド,マクレア アメリカ合衆国ニュージャージー州07666, ティーネック,エッジモント・プレイス 211 (72)発明者 ディアズ,ジョゼ・シー アメリカ合衆国ニュージャージー州07644, ロディ,ガリボールディ・アヴェニュー 387 (72)発明者 ツィマーマン,スコット・エム アメリカ合衆国ニュージャージー州07920, バスキング・リッジ,スプリング・ハウ ス・レイン 40 Fターム(参考) 2H038 AA55 BA02 2H091 FA21Z FA29Z FA31Z FA41Z FB02 FB07 LA30 【要約の続き】 器を配置する。

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a)光透過手段と、 (b)各マイクロプリズムのアレイであって、各マイクロプリズムが、 (i)前記光透過手段に光学的に結合された光入力端部と、 (ii)光入力端部から離隔された光出力端部と、 (iii)向かい合わせに位置決めされた1対の第1の側壁であって、各第1
    の側壁が、前記光入力端部によって画定された縁部、および前記光出力端部によ
    って画定された縁部を有し、少なくとも1つの前記第1の側壁が、光出力端部に
    向かって透過光の反射を実施するために位置決めされた、第1の側壁と、 (iv)1対の反対側に位置決めされた第2の側壁であって、各第2の側壁が
    、前記光入力端部によって画定された縁部、および前記光出力端部によって画定
    された縁部を有し、少なくとも1つの前記第2の側壁が、光出力端部に向かって
    透過光の反射を実施するために位置決めされた、第2の側壁と、 を具備するマイクロプリズムのアレイと、 (c)前記光透過手段からの光が前記光入力端部を介して各マイクロプリズムに
    入るとき、光が前記側壁によって方向付けれて、前記マイクロプリズムを介して
    各光出力端部を出るような、各マイクロプリズムの光出力端部上のマイクロレン
    ズと、 を具備する照明アセンブリ。
  2. 【請求項2】 マイクロレンズが凸面である、請求項1に記載のアセンブリ
  3. 【請求項3】 マイクロレンズが単一の湾曲軸を有する、請求項2に記載の
    アセンブリ。
  4. 【請求項4】 マイクロレンズが2つの直交する湾曲軸を有する、請求項2
    に記載のアセンブリ。
  5. 【請求項5】 マイクロレンズが、各マイクロプリズムの光出力端部と一体
    化して形成される、請求項1に記載のアセンブリ。
  6. 【請求項6】 マイクロレンズが、中間スペーサ要素なくして各マイクロプ
    リズムの光出力端部に直接取り付けられる、請求項1に記載のアセンブリ。
  7. 【請求項7】 マイクロレンズが、マイクロプリズムと実質的に同じ屈折率
    を有する、請求項6に記載のアセンブリ。
  8. 【請求項8】 マイクロレンズが、屈折率整合流体または接着剤によって各
    マイクロプリズムの光出力端部に直接取り付けられる、請求項6に記載のアセン
    ブリ。
  9. 【請求項9】 隣接するマイクロプリズムの側壁間に黒色の着色料をさらに
    含む、請求項1に記載のアセンブリ。
  10. 【請求項10】 光透過手段と光入力端部の間で光学的に結合された光拡散
    要素をさらに具備する、請求項1に記載のアセンブリ。
  11. 【請求項11】 光拡散要素が光入力端部に取り付けられる、請求項10に
    記載のアセンブリ。
  12. 【請求項12】 側壁上に光反射コーティングをさらに具備する、請求項1
    に記載のアセンブリ。
  13. 【請求項13】 光出力端部が、光入力端部の表面積より小さい表面積を有
    する、請求項1に記載のアセンブリ。
  14. 【請求項14】 マイクロプリズムが、内側方向にテーパ形にされた側壁を
    有し、光出力端部が、光入力端部の表面積より小さい表面積を有する、請求項1
    に記載のアセンブリ。
  15. 【請求項15】 前記マイクロプリズム、マイクロレンズ、光透過手段が、
    約1.40および約1.65からの屈折率を有する、請求項1に記載のアセンブ
    リ。
  16. 【請求項16】 前記光透過手段が導波路である、請求項1に記載のアセン
    ブリ。
  17. 【請求項17】 前記マイクロプリズムおよびマイクロレンズが、有機ポリ
    マー材料から構築される、請求項1に記載のアセンブリ。
  18. 【請求項18】 前記光出力端部が、前記入力端部の表面に平行な表面を有
    する、請求項1に記載のアセンブリ。
  19. 【請求項19】 前記側壁が、前記光入力端部の面の垂線に対して約2度か
    ら約25度の傾斜角を形成する、請求項1に記載のアセンブリ。
  20. 【請求項20】 前記第2の側壁が、前記光入力端部の面の垂線に対して約
    5度から約25度の傾斜角を形成する、請求項1に記載のアセンブリ。
  21. 【請求項21】 マイクロプリズムのアレイとマイクロレンズの間に取り付
    けられた第2のマイクロプリズムのアレイをさらに具備し、各第2のマイクロプ
    リズムが、 (i)少なくとも1つのマイクロプリズムの光出力端部を介して前記光透過手段
    に光学的に結合された第2の光入力端部と、 (ii)第2の光出力端部と、 (iii)第2の1対の反対側に位置決めされた第1の側壁であって、各第1の
    側壁が、前記第2の光入力端部によって画定された縁部、および前記第2の光出
    力端部によって画定された縁部を有し、少なくとも1つの前記第1の側壁が、第
    2の光出力端部に向かって透過光の反射を実施するために位置決めされた、第1
    の側壁と、 (iv)第2の1対の反対側に位置決めされた第2の側壁であって、各第2の側
    壁が、前記第2の光入力端部によって画定された縁部、および前記第2の光出力
    端部によって画定された縁部を有し、少なくとも1つの前記第2の側壁が、第2
    の光出力端部およびマイクロレンズに向かって透過光の反射を実施するために位
    置決めされた、第2の側壁と、 を具備する、請求項1に記載のアセンブリ。
  22. 【請求項22】 光透過手段と光入力端部の間で光学的に結合された光拡散
    要素をさらに具備する、請求項21に記載のアセンブリ。
  23. 【請求項23】 (a)光透過手段と、 (b)マイクロプリズムのアレイであって、各マイクロプリズムが、 (i)前記光透過手段に光学的に結合された光入力端部と、 (ii)光入力端部から離隔された光出力端部と、 (iii)1対の反対側に位置決めされた第1の側壁であって、各第1の側壁
    が、前記光入力端部によって画定された縁部、および前記光出力端部によって画
    定された縁部を有し、少なくとも1つの前記第1の側壁が、光出力端部に向かっ
    て透過光の反射を実施するために位置決めされた、第1の側壁と、 (iv)1対の反対側に位置決めされた第2の側壁であって、各第2の側壁が
    、前記光入力端部によって画定された縁部、および前記光出力端部によって画定
    された縁部を有し、少なくとも1つの前記第2の側壁が、光出力端部に向かって
    透過光の反射を実施するために位置決めされた、第2の側壁と、 を具備するマイクロプリズムのアレイと、 (c)前記光透過手段からの光が前記光入力端部を介して各マイクロプリズムに
    入るとき、光が前記側壁によって方向付けられ、前記マイクロプリズムを介して
    各光出力端部を出るような、各マイクロプリズムの光出力端部上のマイクロレン
    ズと、 (d)光透過手段と光入力端部の間で光学的に結合された光拡散要素とを具備す
    る照明アセンブリ。
  24. 【請求項24】 光拡散要素が光入力端部に取り付けられる、請求項23に
    記載のアセンブリ。
  25. 【請求項25】 光拡散要素が、基板表面上に平滑な隆起を有する透明また
    は半透明な基板を具備し、前記隆起は、高さと幅が共に約1ミクロンから約20
    ミクロンの範囲である、請求項23に記載のアセンブリ。
  26. 【請求項26】 隆起が、基板の表面上に重合した材料を含む、請求項23
    に記載のアセンブリ。
  27. 【請求項27】 隆起が、マイクロプリズムの光入力端部と並置されている
    、請求項23に記載のアセンブリ。
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