JP2003532133A - 液晶ディスプレイに対して平行光を分布させる中空の光ガイド - Google Patents
液晶ディスプレイに対して平行光を分布させる中空の光ガイドInfo
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Abstract
Description
せることに関する。 (背景技術) 消費者用途のための、大画面テレビ・セットのような大きなフラット・ディス
プレイを開発することが長い間の目標であった。こうしたディスプレイに対する
期待される性能は、こうしたディスプレイが公知の陰極線管(CRT)テレビジ
ョン(TV)ディスプレイの性能に見合うかまたはそれを超えることである。こ
の期待される性能には、たとえば、広いビューイング角度を含めることができる
。すなわち、現代のCRT技術によって、観察者は、TV画面に対してほとんど
どこにでも座って、ほぼ同じ画質を体験することができる。このCRT品質レベ
ルは、一般に、プラズマ・ディスプレイ技術のような投影および放出の両方に固
有のものである。
されてきた。これらプラズマ・ディスプレイは、比較的薄く、一般的に12.7
cm(5インチ)厚さ未満で、CRTのようなビューイング角度を有する。しか
し、大面積プラズマ・ディスプレイは、現在、大規模に消費者に使用されるには
高価過ぎ、ディスプレイ技術で競争するには、解像度が低い傾向にある。
必要とする。背面投与型ディスプレイは、一般に、プロジェクター、中継光学系
および半透明画面を含む大きな格納装置を含む。これらの制限のために、両方の
タイプの投与型ディスプレイは、大規模な消費者に使用されるには望ましくない
と考えられている。
TVセット市場に導入され始めている。しかし、一般的なラップトップ・コンピ
ュータにおいて見られるねじれネマティックLCD(TN−LCD)のような一
般的な液晶ディスプレイ(LCD)は、通常、TVセットの消費者に期待される
広いビューイング角度を提供することができない。LCDディスプレイのビュー
イング角度を広くするために、また、こうしたディスプレイが壁掛けTVとして
使用できるように格納装置の全体の厚さを制限するために、いくつかの方法が使
用されてきた。
背面に固体周囲照射光ガイド(solid edge−illuminated
)を配置することである。LCDディスプレイの出力偏光子に適用されるビュー
イング・スクリーンと組み合わせて使用される時にLCDディスプレイのビュー
イング角度を改善するコリメーションが知られている。周囲の照明条件において
、十分な判読性を提供するために、ビューイング画面とLCDの組合せからの表
面反射を最小にすることも重要である。こうした反射を最小にする従来の試みは
、NDフィルタ、3重ノッチ・フィルタ、および円偏光子の使用を含む。
料効果による光透過度の低下を含む、当技術分野では公知の固体周囲照射光ガイ
ドの使用に関連するいくつかの欠点が存在する。たとえば、26.4cm(10
.4インチ)対角ディスプレイ光ガイドが、0.5ポンド(0.23kg)の重
さがある6mm厚さの固体ガラス光ガイドから受けるであろう同じルミナンスを
101.6cm(40インチ)対角ディスプレイに提供するであろう個体ガラス
光ガイドは、厚さ23mmで、約13.6kg(30ポンド)の重さであろう。
光学ガラスの中には0.002%/cmほどの低い光吸収損失を示すものがある
が、多くの光学プラスチックは、0.10%/cmに近い光吸収損失を示す。こ
の光吸収損失は波長に関して一定ではなく、したがって、固体光ガイドデバイス
の出力光のスペクトルには対応する変化が存在することは注目に値する。
い光出力をこうむる。取り出し表面を湾曲すること、非常に長い取り出し長さを
使用すること、および、平行光源の中心線を光ガイド出口表面から離して傾斜さ
せることを含む、この非一様性を補正するための複数の試みの成功の程度はさま
ざまであった。
力を提供する、効率的で、小型の中空周辺照明光ガイドが必要である。 (発明の概要) (発明の開示) 本発明は、平行光を分布させる方法および装置を含み、照明用途において、広
角液晶ディスプレイ(LCD)のビューイング角度を改良するために使用される
ことができる。本発明はまた、他の直線光用途で平行光を分布させるために使用
されることができる。より詳細には、本発明は、種々の光学フィルムによって囲
まれた中空空洞の独特の構造を備える光ガイドであり、光学フィルムは、入口開
口を通して平行光を受け、入口開口に垂直な出口開口から光を一様に伝達する。
有利には、入力光は、コリメートされ、かつ均一化されている。
ng)素子のようなコリメーション素子が同じである限り、同じ微細構造(mi
crostructured)部品および鏡面反射体を用いて任意のサイズのガ
イドを組み立てることができることである。
の軸に沿って直線偏光された光を通過させることである。本発明は、図1に示す
ように、s偏光成分とp偏光成分を含む均一な平行光を入口開口2を通して受け
取り、p偏光成分のみを含む光を出口開口11を通して出力する。p偏光成分の
軸がLCDディスプレイ16の軸と一直線にならない場合、出口開口11とLC
Dディスプレイ16の間に、たとえば、NittoDenkoまたはInter
national Polarizerから入手できるリターダを挿入して、そ
の間の光の効率的な伝達を改善することができる。さらにコントラストを増強す
るために位相補正部材を使用することができる。
て形成される。中空空洞7は、平行六面体として構成され、入口開口2と対向す
る遠方エッジから成る第1の平行面の組、底部エッジと出口開口11から成る第
2の平行面の組、および側面(図示せず)を画定する第3の平行面の組を含む。
入口開口2を通りおよび入口開口2に垂直で、かつ出口開口11に平行に延びる
基準面100は、参照の目的で、図1および2に例示されている。本発明の1つ
の特徴は、出口開口11が、入口開口2および第3の平行面の組に垂直であるこ
とである。
造3によって覆われ、プリズム・アレイフィルムは、3M Corporati
onによって製造された輝度増強フィルム(Brightness Enhan
cement Film)と形が類似であってもよい。ビームスプリッティング
構造3がプリズム・アレイフィルムを含む、本発明の実施形態において、プリズ
ム・アレイフィルムの平面側は中空空洞7に面している。ビームスプリッティン
グ構造3は、均一化された平行光の到来ビーム1を、上方ビーム・ローブ4と下
方ビーム・ローブ5に対称的に分割するように構成され、上方ビーム・ローブと
下方ビーム・ローブは、基準面100のそれぞれの側で角度θで反対方向に発散
する。本発明の一態様において、上方ビーム・ローブ4と基準面100の間に形
成される角度θの大きさは、基準面100と下方ビーム・ローブ5の間に形成さ
れる角度θの大きさと同じである。
によって形成される。中空空洞7の底部エッジは、第2鏡面反射体によって形成
される。平行面(図示せず)の第3の組のもまた鏡面反射体によって形成される
。
ビーム指向構造10に隣接する反射偏光子8によって覆われる。ビーム指向構造
10がプリズム・アレイフィルムを含む本発明の実施形態において、プリズム・
アレイフィルムの平面側は、中空空洞7からそらされる。光偏光状態を保持する
ために、ビーム指向構造10は、任意の複屈折特性を大幅に低減する方法でおよ
び低減する重合体で製造されるべきである。適当な材料は、PPG Indus
triesからのCR−39アリル炭酸ブチルジグリコール(allyl di
glycol carbonate)樹脂のような接眼鏡産業から、また、AT
OFINA Chemical社からのプレキシグラスVOD−100アクリル
成形樹脂のようなコンパクト・ディスク産業から入手できる。
idence)ホログラムおよびコレステリック液晶フィルムなどの適切な材料
から製造することができる。
性および平面性を維持することが必要である。したがって、これら光学フィルム
表面は、構造的支持部材を必要とする。光を伝達しない表面は、ガラスまたはプ
ラスチック・シート・ストックによって支持され、さらに、金属および/または
ハニカム構造によって硬化され得る。出口開口11のような、光を伝達する表面
は、小さな、透明で複屈折のない柱状素子(図示せず)によって支持されること
ができる。これら透明柱状素子は、十分に断面積が小さく、出力ビームがLCD
ディスプレイ16に達すると見えないことがわかるはずである。本発明の別の実
施形態において、柱状支持素子は、透明である代わりに光吸収性である。
アスペクト比の非画像化光学素子によってコリメートされ、中空の光ガイドの矩
形エッジ内に送られる。こうした非画像化光学素子は、光学的な接触において隣
接する平面と共に、複数の丸み−スクエアのモーフィング素子から形成されるア
レイ構造、または代替的に、上部および下部の鏡面によって囲まれた中空三角形
素子のアレイを備える。両方のアレイ構造は、有利には、一様な光出力を確保す
るように設計される。随意に、これらの構造は種々のパッキング制約を考慮しな
がらそれでも一様性を維持するように、低屈折率の接着剤を用いて光学的に接着
されているプリズムとスペーサへと続けることもできる。
る散乱などの材料バルク効果 ・材料のゆがみ、曲がり、およびねじれ を含む、いくつかの光ディコリメーション源を制限するように、本発明による中
空の光ガイドを設計することができる。
る。非偏光の平行光ビーム1は、プリズム・アレイフィルムのようなビームスプ
リッティング構造3によって覆われる入口開口2で受けられる。非偏光の平行光
ビーム1がビームスプリッティング構造3と相互作用して、非偏光の平行光ビー
ム1は上方ビーム・ローブ4と下方ビーム・ローブ5(各ビーム・ローブはs偏
光およびp偏光を含む)に対称的に分割する。
するようにされる。上方ビーム・ローブ4と反射偏光子8の間の相互作用により
、上方ビーム・ローブ4はs偏光上方ビーム6とp偏光上方ビーム9に分離され
る。
ム形状を含むビーム指向構造10内に出る。p偏光上方ビーム9と粗いプリズム
形状を含むビーム指向構造10の間の相互作用により、p偏光上方ビーム9がビ
ーム指向構造10を通過して、出口開口11を出る時に、p偏光ビーム9をまっ
すぐにする。
射し、それによって、リターダ13に反射させられる。s偏光上方ビーム6とリ
ターダ13の間の相互作用により、s偏光上方ビーム6はリターダ13を通過す
る時に、s偏光上方ビーム6を変換されたp偏光上方ビーム14に変換させる。
生じた、変換されたp偏光上方ビーム14は、第1鏡面反射体15から反射して
中空空洞7に戻り、反射偏光子8に入射するようにされる。変換されたp偏光上
方ビーム14はまた、反射偏光子8を通って、出口開口11を覆う、粗いプリズ
ム形状を含むビーム指向構造10内に出る。変換されたp偏光上方ビーム14と
粗いプリズム形状を含むビーム指向構造10の間の相互作用により、変換された
p偏光上方ビーム14がビーム指向構造10を通過し、出口開口11を出る時に
、変換されたp偏光上方ビーム14をまっすぐにするように働く。
2に入射するようにされる。s偏光光とP偏光光の両方を含んだ下方光ビーム・
ローブ5は、中空空洞7の遠方エッジ上に配置されたリターダ13に入射しない
ようにされなければならない。
に示すように、反射偏光子8に入射させられる。下方ビーム・ローブ5と反射偏
光子8の間の相互作用により、下方ビーム・ローブ5はs偏光下方ビーム18と
p偏光下方ビーム17に分離される。
ーム指向構造10内に出る。p偏光下方ビーム17とビーム指向構造10の間の
相互作用により、p偏光下方ビームがビーム指向構造10を通過し、出口開口1
1を出る時に、p偏光下方ビームをまっすぐにさせるように動作する。
入射し、それによって、リターダ13内で反射するようにされる。s偏光下方ビ
ーム18とリターダ13の間の相互作用により、s偏光下方ビーム18を、通過
する際に変換されたp偏光下方ビーム19に変換させる。生じた、変換されたp
偏光下方ビーム19は、第1鏡面反射体15から反射し中空空洞7に戻り、さら
に、鏡面反射体12から反射され、最終的に反射偏光子8に入射される。変換さ
れたp偏光下方ビーム19はまた、反射偏光子8を通って、出口開口11を覆う
、ビーム指向構造10に出る。変換されたp偏光下方ビーム19とビーム指向構
造10の間の相互作用により、p偏光下方ビームがビーム指向構造10を通過し
、出口開口11を出る時に、変換されたp偏光下方ビーム19をまっすぐにする
ように働く。
て出口開口11を通って出ると共に、入口開口2へ再循環する非偏光入力平行光
ビーム1はほとんどないことにある。
慮を示す。図1および2に示すように、中空空洞7は、平行六面体として構成さ
れ、入口開口2は出口開口11と直交している。図3を参照すると、中空空洞7
の光ガイドの厚さ「t」301は、エテンデュー(entendue)の考慮に
よって制限されるルミナンスと機械的パッケージング制約の双方に依存している
。中空空洞7の光ガイドの長さ「L」302は、LCDディスプレイなどの、照
明される領域によって決定される。図1および図2において破線で示される、前
記入口開口2に垂直な軸線から測定される入力ビーム・ローブ角「θ」303が
、出力ビームに一様性を提供するように選択される。入力ビーム・ローブ角「θ
」303は、ビームスプリッティング構造3およびビーム指向構造10における
固有の制限により、ある角度に限定される。
子8によって、はじめに、p偏光成分ビームおよびs偏光成分ビームに分離する
ことなく、s偏光光およびp偏光光を含む下方光ビーム・ローブ5がリターダ1
3で反射しないように、t、Lおよびθの組合せが選択されることである。
細構造素子の幾何学的構造は、p偏光上方ビーム9、変換されたp偏光上方ビー
ム14、p偏光下方ビーム17、および変換されたp偏光下方ビーム19の出力
の一様性を光ガイドの全体効率と同様に確保するために、Tanθ=t/Lであ
る、tおよびθに対する調整を必要とするであろう。当技術分野で公知の数学的
解析およびレイ・トレーシング法を使用して、これらの調整値を決定することが
できる。
ス・モデリングの結果が示される。表面の詳細402は、本発明の例示的な一実
施形態に従って、プリズム・アレイフィルムを含んだビームスプリッティング構
造3の表面の一部を形成し得る、1.58の屈折率と約105°の頂角を有する
、例示目的のために非常に拡大された、例示的なプリズム素子を示している。表
面の詳細401は、本発明の例示的な一実施形態に従って、プリズム・アレイフ
ィルムを含んだビーム指向構造10の表面の一部を形成し得る、1.58の屈折
率と約63°の頂角を有する、例示目的のために非常に拡大された、例示的なプ
リズム素子を示している。図1に示す、ビーム指向構造10に隣接する、反射偏
光子8は、有利には、多層重合体フィルム、かすめ入射ホログラムまたはコレス
テリック液晶フィルムである。個々のレイ・トレース403は、ビームスプリッ
ティング構造3、ビーム指向構造10、第1鏡面反射体15、および第2鏡面反
射体12と相互作用しているところを示す。
ource input convergence half−angle)を
有する非偏光の平行光ビーム1は、約105°の頂角を有するプリズム素子をさ
らに含む表面の詳細402を有する、ビームスプリッティング構造3によって分
割されているところが示されている。非偏光の平行光ビーム1とビームスプリッ
ティング構造3の間の相互作用により、非偏光の平行光ビーム1は上述したよう
に上方ビーム・ローブ4に分割される。上方ビーム・ローブ4と、約63°の頂
角を有するプリズム素子をさらに含む表面の詳細401を有する、反射偏光子8
の間の相互作用により、上方ビーム・ローブ4は上述したようにs偏光ビームと
p偏光ビームに分離される。
を有するプリズム素子をさらに含む表面の詳細401を有する、反射偏光子8の
間の相互作用により、下方ビーム・ローブ5を上述したようにs偏光ビームとp
偏光ビームに分離させる。
燥窒素または不活性ガスで満たされ得る。 本発明の好ましい実施形態において、p偏光上方ビーム9、変換されたp偏光
上方ビーム14、p偏光下方ビーム17、および変換されたp偏光下方ビーム1
9のそれぞれは、液晶ディスプレイ16に向けられる。
から伝達され、入口開口2に入る前に、テーパ付き非画像化光学コリメーション
素子のアレイによってコリメートされる。有利には、コリメーション素子は、隣
接素子が容易に接触し得るようにその出力部で四角形の断面を有し、また、光が
入口開口2に入る前に光を均一化する。
ができる。
光ローブの取り出し法を詳述する図である。
。
る。
す図である。
Claims (17)
- 【請求項1】 均一な平行光を一様に分布させる、中空の光ガイドであって
、 平行六面体として構成された中空空洞であって、 入口開口と、入口開口の向かい側に第1所定距離離れて配置された遠方エッ
ジとから成る、平行面の第1の組と、 底部エッジと、底部エッジの向かい側に第2所定距離離れて配置された出口
開口とから成る、平行面の第2の組であって、前記出口開口が、前記入口開口に
垂直である、平行面の第2の組と、 をさらに備え、前記入口開口を通って垂直に、かつ前記出口開口に平行に延びる
基準面によってさらに画定される、平行六面体として構成された中空空洞と、 ビームスプリッティング構造であって、前記入口開口を覆い、前記ビームスプ
リッティング構造に入射する前記平行光の到来ビームを、前記基準面に対して対
称に、前記ビームスプリッティング構造から出て前記中空空洞に入る上方ビーム
・ローブと下方ビーム・ローブに分割するように構成され、前記上部ビーム・ロ
ーブは、前記基準面から第1方向に発散し、前記下部ビーム・ローブは、前記基
準面から第2方向に発散し、前記第1方向は、前記第2方向と正反対である、ビ
ームスプリッティング構造と、 第1鏡面反射体に隣接し、前記第1鏡面反射体とともに前記中空空洞の前記遠
方エッジを形成し、前記中空空洞の内部と前記第1鏡面反射体の間に挿入される
リターダと、 第2鏡面反射体であって、前記中空空洞の前記底部エッジを形成し、前記第2
鏡面反射体から反射して、前記リターダに入射する前記下方光ビーム・ローブが
ないように幾何学的に配置された、第2鏡面反射体と、 ビーム指向構造に隣接し、前記ビーム指向構造とともに前記中空空洞の前記出
口開口を覆い、前記中空空洞の内部と前記ビーム指向構造の間に挿入された反射
偏光子と、 を備える中空の光ガイド。 - 【請求項2】 前記ビーム指向構造は、粗いプリズム形状を含む、請求項1
に記載の中空の光ガイド。 - 【請求項3】 前記ビームスプリッティング構造は、平面の側面を有するプ
リズム・アレイフィルムを有し、前記プリズム・アレイフィルムの前記平面の側
面は、前記中空空洞に面している、請求項1に記載の中空の光ガイド。 - 【請求項4】 前記プリズム・アレイフィルムは、それぞれが約105°の
頂角を有する、複数のプリズム素子を含む、請求項3に記載の中空の光ガイド。 - 【請求項5】 前記ビーム指向構造は、平面の側面を含むプリズム・アレイ
フィルムをさらに有し、前記プリズム・アレイフィルムの前記平面の側面は、前
記中空の空洞に面していない、請求項2に記載の中空の光ガイド。 - 【請求項6】 前記プリズム・アレイフィルムは、それぞれが約63°の頂
角を有する、複数のプリズム素子を含む、請求項5に記載の中空の光ガイド。 - 【請求項7】 前記反射偏光子は、多層重合体フィルム、かすめ入射ホログ
ラム、およびコレステリック液晶フィルムから成るグループから選択された材料
で作られる、請求項1に記載の中空の光ガイド。 - 【請求項8】 前記中空空洞は、真空チャンバである、請求項1に記載の中
空の光ガイド。 - 【請求項9】 前記中空空洞は、乾燥した窒素で満たされている、請求項1
に記載の中空の光ガイド。 - 【請求項10】 前記中空空洞は、不活性ガスで満たされている、請求項1
に記載の中空の光ガイド。 - 【請求項11】 請求項1の中空の光ガイドを備え、 前記中空空洞の前記出口開口に向かい合って配置された液晶ディスプレイをさ
らに備える、非偏光の平行光入力を使用するディスプレイ・システム。 - 【請求項12】 請求項1の中空の光ガイドを備え、 前記光入力を受け、前記中空の光ガイドの前記入口開口へ平行光を伝達する、
複数のテーパ付き非画像光学コリメーション素子をさらに備える、光学導管から
の非偏光入力を使用する一様に分布した偏光光源。 - 【請求項13】 前記第1所定距離は、長さLであり、前記第2所定距離は
、厚さtであり、前記上方ビーム・ローブおよび下方ビーム・ローブはそれぞれ
角度θで前記基準面から発散し、tは、ほぼL×tanθに等しい、請求項1に
記載の中空の光ガイド。 - 【請求項14】 平行光をディスプレイに分布させる光導波管であって、 光用の入口開口および前記入口開口を覆うビームスプリッティング構造を具備
する第1面と、 リターダと第1鏡面反射体とを備える、第1面と向かい合った第2面と、 出口開口を具備する第3面であって、前記第3面は、前記第1および第2面に
垂直で、ビーム指向構造および前記出口開口を覆う反射偏光子を備える、第3面
と、 前記出口開口に向かい合い、第2鏡面反射体を具備する第4面とを有する光導
波管。 - 【請求項15】 前記ビーム指向構造は、粗いプリズム形状を含む、請求項
14に記載の光導波管。 - 【請求項16】 前記光ガイドは、平行六面体として構成された中空空洞で
ある、請求項14に記載の光導波管。 - 【請求項17】 前記光ガイドは、厚さtおよび長さLを有し、前記ビーム
スプリッティング構造を通って前記入口開口から前記光ガイドに入る光は、上部
ローブおよび下部ローブに分割され、 前記上部ローブおよび前記下部ローブのそれぞれは、s偏光およびp偏光の両
方を含み、 前記下部ローブは、前記光ガイドの軸線に対して角度θであり、 大きさt、Lおよびθは、最初にp偏光成分ビームとs偏光成分ビームに分離
されることなく、前記下部ローブが前記第2面から反射されないようにすること
を確定するように選択される、請求項14に記載の光学的光ガイド。
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