JP2004507866A - Backlight with structured surface - Google Patents

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Abstract

バックライト装置が、光導波路(16)と、光を光導波路(16)内に導入するように光導波路(16)に対して配置された光源(12)と、転向膜と、を含む。光学構造(40)が光導波路(16)の出力面(18)および背面(20)のうちの1つに形成される。光学構造(40)は光を光導波路(16)から取り出すように配置される。後方反射器(24)が背面(20)に隣接して配置される。光学構造(40)は、光導波路(16)の出力における不均一にマスクを掛けるように配置された変化するパターンを含むように形成される。The backlight device includes an optical waveguide (16), a light source (12) positioned relative to the optical waveguide (16) to introduce light into the optical waveguide (16), and a turning film. An optical structure (40) is formed on one of the output surface (18) and the back surface (20) of the optical waveguide (16). The optical structure (40) is arranged to extract light from the optical waveguide (16). A back reflector (24) is located adjacent to the back surface (20). The optical structure (40) is formed to include a varying pattern arranged to mask non-uniformly at the output of the optical waveguide (16).

Description

【0001】
発明の背景
発明の分野
本発明は一般にバックライト、より詳細には光導波路の1つまたは複数の表面に光学的構造で形成された光導波路を含むバックライトに関する。
【0002】
関連技術の説明
液晶ディスプレイ(LCD)装置のような、裏から光で照らし出されるディスプレイ装置がウエッジ形の光導波路を広く使用する。ウエッジ形の光導波路は、冷陰極蛍光灯(CCFL)のような、略直線の源からの光を略平面的な出力に結合する。そして平面的な出力はLCDを照らすために使用される。
【0003】
裏から光で照らし出されるディスプレイの性能の評価基準の一つがその均一性である。ユーザーが、ディスプレイの1つの領域と隣りの領域との間のディスプレイの明るさの比較的小さい相違に容易に感知できる。比較的小さい不均一さえも、ディスプレイのユーザーにとって非常に気に障るものであり得る。
【0004】
光導波路に入る光を散乱させる、表面散光器またはバルク散光シートが、不均一にマスクを掛けたり、またはそれを和らげるためにときどき使用される。しかし、この散乱もまた結果として、光が好ましい鑑賞軸から離れるように向けられる。最終結果が好ましい鑑賞軸に沿ってのディスプレイの全体の明るさの低下であり、これはディスプレイ装置の別の性能評価基準である。
【0005】
主観的な観点から、全体の明るさの比較的小さい増減が、個別の不均一の場合のようにはディスプレイのユーザーによって容易に感知されない。しかし、ディスプレイ装置設計者は、主観的な測定によってやっと感知されることがある位非常に小さい低下を含む、全体の明るさの最小の低下によってさえも落胆させられる。これはディスプレイの表示明るさおよび所要電力が密接に関連しているからである。全体の明るさが所要電力を増加させずに増大され得る場合は、設計者はより少ない電力をディスプレイ装置に実際に割り当てることができるが、許容レベルの明るさを達成できる。電池で動作する携帯用装置の場合、これは、言い換えると、より長い連続動作時間ということになる。
【0006】
発明の概要
本発明に従って、光導波路、光学膜、またはレンズのような、光学素子が光学構造の所定プログラムされたパターンで形成される。光学構造は光学素子の出力における不均一を選択的に修正するように配置されることがあり、またはディスプレイの性能を所定の、かつ計画的な方法で別様に達成するように配置されることがある。
【0007】
本発明の第1の態様において、第1の表面と、第2の表面と、第1縁と、第2縁とを有する光透過性膜が、第1の表面に形成された複数の光学構造で形成される。複数の光学構造は第1の表面上に所定のパターンで配置され、各光学構造は振幅、期間、およびアスペクト比からなる群から選択された少なくとも1つの特徴を有する。各特徴は第1縁と第2縁との間の膜上の第1の所定の位置に対して第1の値を有し、特性は第1縁と第2縁との間の、膜上の第1の所定の位置と異なる第2の所定の位置に対して第1の値と異なる第2の値を有する。
【0008】
本発明の別の態様において、本発明による構造は、例えば、光導波路のウエッジまたはスラブのような、厚い光学素子の一部である。構造は、射出成形、鋳造、圧縮成形によって、または構造を有する膜を厚い光学素子に接合することによって厚い素子上に実現される。
【0009】
当業者にとって、同様の参照数字が同様の要素を参照する添付図面を参照して、本発明のいくつかの好ましい実施形態の詳細な説明から、本発明の多くの利点および特徴が明らかだろう。
【0010】
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明はいくつかの好ましい実施形態によって、具体的にいえば、ラップトップコンピュータディスプレイまたはディスクトップ・フラット・パネル・ディスプレイのような、平らなパネルディスプレイ装置で普通使用されるバックライト装置で使用するのに適当である、光学的膜または光導波路によって説明される。しかし、本発明は応用がそのように限定されず、普通の当業者が、本発明は事実上どんな光学装置にも、例えば、映写スクリーン装置および平面パネルテレビへも応用できることが分かるだろう。本発明は、携帯電話、携帯情報端末(PDA)、ポケットベル、その他同種類のもの、などにおいて見られるディスプレイ装置のような、小型LCDディスプレイ装置へ応用できることがさらに分かるだろう。従って、ここで説明される実施形態は、本発明の広い範囲を制限すると受け取られるべきではない。
【0011】
図1を参照すると、照明装置10が、光源12と、光源反射器14と、出力面18を有する光導波路16と、背面20と、入力面21および端面22と、背面20に隣接する反射器24と、第1の光を向けなおす素子26と、第2の光を向けなおす素子28と、反射偏光子30と、を含む。光導波路16はウエッジ、それの変型、またはスラブであることがある。公知のように、光導波路の目的は、光源12からの光の分布を光源12よりもずっと大きい領域にわたって、より具体的にいえば、実質的に出力面18によって形成された領域全体にわたって与えることである。光導波路16はこれらのタスクをコンパクトな薄いパッケージで遂行することがさらに好ましい。
【0012】
光源12は、光を光導波路16の縁面21に入力するCCFLであることがあり、ランプ反射器14は、ランプ空洞を形成する光源12の周りを包む反射膜であることがある。後方反射器24は光導波路16の後に背面20に隣接して設置される。後方反射器24は効率のよい後方反射器、例えば、散乱反射膜または鏡面反射膜であることがある。
【0013】
示された実施形態において、縁結合された光が入力面21から端面22の方へ伝わり、全反射(TIR)によって閉じ込められる。光はTIRのフラストレーションによって光導波路16から取り出される。光導波路16内に閉じ込められた光線が上側および底の壁に対するその入射角を、ウエッジ角度によって、各TIRバウンスのせいで、大きくする。したがって、光はもはやTIRによって閉じ込められないので、光は最終的に屈折して出力面18から外へ、それに対する視射角で出る。光線のいくらかは背面20から取り出される。これらの光線は光導波路16を通して後方反射器24によって反射されて戻される。第1の光を向けなおす素子26は転向膜として配置され、好ましい見る方向に略平行な方向に沿って出力面18から出るこれらの光線を向けなおす。
【0014】
なお図1を参照し、図2も短く参照すると、第1の光を向けなおす素子26は、第1面32および第2面34を有する光透過性の光学膜であることがある。第1面32は、転向膜に適用されて、入力面として配置され、プリズム44と共に形成され、これは好ましい見る方向に沿って光導波路16から出る光を屈折させ、反射させる。したがって、第2面34は出力面である。プリズムは略均一な形状構成を有することがあり、または同一出願人による米国特許出願「可変角度プリズム付きの光学膜」第09/415,873号(1999年10月8日出願)に記載されたような不均一な形状構成を有することがあり、この出願の開示が参照によってここに明確に盛り込まれる。
【0015】
図1へ戻って参照すると、第2の光を向けなおす素子28は、照明装置10のあらゆる形状構成において要求されないことがある。照明装置10に含まれる場合に、第2の光を向けなおす素子は、散光器、レンズ状のスプレッダーまたはプリズム膜、例えば、ミネソタ州セントポールのMinnesota Mining and Manufacturing Companyから入手できる、3M明るさ強化膜製品(BEFIIまたはBEFIIIとして販売されている)のような明るさ強化膜であることがある。反射偏光子30は、無機、重合体、またはコレストロールの液晶偏光膜であることがある。適当な膜は散乱反射偏光膜製品(DRPFとして販売されている)または鏡面反射偏光膜製品(DBEFとして販売されている)であり、これら両方とも、Minnesota Mining and Manufacturing Companyから入手できる。さらに、少なくとも第2の光を向けなおす素子28および反射偏光子30、ならびにもしかすると第1の光を向けなおす素子26は組み合わされて、単一の光学素子を呈することがある。同一出願人による、「ディスプレイ照明装置およびディスプレイ照明装置において明るさを強化する方法」と題する米国特許出願第09/415,100号(1999年10月8日出願)が、いくつかのそのような光学構造を記載し、この出願の開示が参照によってここに明確に盛り込まれる。
【0016】
光導波路16のような光導波路がバックライト用に使用される状態で、光導波路からの光出力に不均一があるのが普通である。これらの不均一は入力面21の近くにしばしば集中し得る。通常欠陥と考えられる不均一にマスクを掛けるために、光導波路の出力面を覆う散光器が典型的に使用される。しかし、散光器はディスプレイの全体の明るさを低下させる傾向があり、欠陥の全てに適切にマスクを掛けないことがある。
【0017】
上述のように、照明装置10において、第1の光を向けなおす素子26は転向膜として配置され、図2に示されたような構造を有することがある。図2をもう一度参照すると、膜は位相が異なった変化する振幅を有するように配置される光学構造40(プリズム)のパターン42を含む。転向膜適用の場合に、パターン42は膜の光入力面である表面に形成される。しかし、いくつかがここに述べられるだろう他の応用において、パターン42はウエッジ、スラブ、または膜の上面および/または底面上に形成されることがある。図1に示された転向膜応用の場合に、第1の光を向けなおす素子26の第1の表面に形成されたプリズムに加えて、第2の表面34は光学構造で形成されることがある。
【0018】
図2に関連して論議を続けると、第1の光を向けなおす素子26は第1縁36と、第2縁38と、を有する。光学構造40は第1縁36から第2縁38の方へパターン42状に伸びる。各光学構造40は、振幅、期間、および頂点44とくぼみ46のアスペクト比のような、いくつかの特徴を有することがある。パターン42はまた、例えば、光学構造40間のピッチPのような、特徴を有することがある。振幅変化を有する光学構造40は図2に示される。第1の光を向けなおす素子26の応用において、振幅の変化は光源12に垂直であるように、溝が配置されることがある(図1)。
【0019】
続けて図2を参照すると、パターン42内で、光学構造40は第1縁36において大量の振幅変化で形成され、この振幅変化は第2縁38へ向かって振幅が小さくなることが認められる。光学構造40における大量の振幅変化は、表面勾配がより大きいので、より大きい光パワーを溝の軸に沿って生ずる。そして、このパターンの光パワーは第1縁36からの距離の関数として減少する。光学構造40およびパターン42のこの配置は意図されたものである。上述のように、光導波路16の出力における不均一は入力面21の近くに集中することがある一方で、入力面21から遠くなるほど不均一は少なくなることがある。したがって、光学構造40およびパターン42は第1縁36の近くで散乱がより多くなるように配置される。応用において、第1縁36は光導波路16の入力面21に略隣接して配置されるだろう。パターン42は均一または不定であることがあるピッチPを有し、光学構造40の振幅は第2縁38へ向かってゼロに減少することがある。このパターンは、以下に詳細に論じられるように、どんなツール形状でも生成され得ることがある。
【0020】
光線追跡および他の解析技法を用いて、光導波路16の出力における特定の観測された不均一を最もよく補正する、光学構造40およびパターン42のための特定の配置を決定することが可能であることが高く評価される必要がある。すなわち、光学構造40およびパターン42の特徴のうちの1つまたは複数が、特定の不均一を補正するように整えられることがある。上述のように、第1の光を向けなおす素子26に関連して、光学構造40およびパターン42は、入力面21の近くで起ることがある不均一にマスクを掛けるために、光パワーを光導波路16の出力に入力面21の近くで供給した。より少ないか、またはより激しくない不均一が入力面21からより遠い光導波路16から典型的に観測されるにつれて、光パワーは入力面21から離れるほど少なく供給されるか、または全然供給されないかである。このように、光パワーは不均一にマスクを掛けるか、または和らげることが最も必要とされる所に供給されるのに対して、より小さな光パワーがマスクを掛ける不均一がより小さい所に供給される。さらに、光パワーは、光学構造を追加することによって、および/または光学構造の特徴を変化させることによって、光導波路の出力の事実上どこにでも加えられることがある。その上に、光パワーの追加は均一である必要がない。代わりに、光パワーは、欠陥にマスクを掛けるか、または特定の光学的作用を生成するのに役立つために必要である場合は、必要に応じて、光導波路出力の個々の領域に加えられることがある。
【0021】
いくつかの光導波路は光導波路の背面上の散乱ドットのパターンを含む。ドットの1つへ入射する光が散乱ドットによって広く散乱させられ、この反射光の一部が光導波路を出るようにされる。光を光導波路から引き出すこの方法の散乱特性にもかかわらず、ドットのパターンはそれ自体光導波路出力において目に見えることがある。したがって、ドットパターンを隠すために、追加の散乱が通常与えられる。
【0022】
図3を参照して、膜50が、パターン56に配置された複数の光学構造54を含むように形成される表面52を有する。光学構造54は、光を光導波路から取り出すために散乱ドットパターンを事実上置き換えるように配置される。図3に楕円として示されたが、光学構造54はどんな特定の形状にも集合的に限定されないし、またそれらはパターン56内のどんな1つの特定の形状にも限定されない。したがって、光学構造54は、プリズム、線、ドット、正方形、楕円、円、菱形、ならびに概ねあらゆる形状または形状の組合せであることがある。さらに、光学構造54は非常に小さい大きさに作られることがあり、パターン56内に非常に接近して配置されることがあり、散乱ドットパターン内のドットよりもかなり多くのものが配置されることがある。例えば、光学構造は散乱ドット用に使用される大きさに典型的な大きさまでの大きさを有することがあるが、人の眼の鋭さよりも小さいことが好ましく、相互に約50〜100mの間隔で配置される。光学構造54の、この非常に小さい大きさおよび近接した間隔は、散乱ドットのパターンを隠すために通常必要である、光導波路の出力における散乱に対する必要を無くすか、または減らす。
【0023】
図4を参照すると、光学膜51が、パターン57に配置された複数の光学構造55で形成される表面53を有する。本発明のこの実施形態において、光学構造55は円またはドットとして形成される。図5が、パターン65に配置された光学構造63で形成される背面61を有する光導波路ウエッジ59を示す。光学構造は再び円またはドットとして形成されるが、光学構造は事実上どんな形状構成も呈することがあることが分かるだろう。
【0024】
本発明は光導波路の勾配のマイクロレベルでの変化を可能にし、提供する。すなわち、光導波路の勾配はマイクロレベルの光学構造の追加によって局所的に増減することがある。光線がより大きい正の勾配に衝突する場合に、それは公称ウエッジ角度に衝突する場合よりも早く光導波路から取り出されるだろう。
【0025】
これまでは光学膜に関して論じたが、本発明は光導波路ウエッジ自体への応用を有する。図6および7を参照すると、光導波路60が、入力面62と、出力面64と、背面66とを有する。入力面62に入射する光の源を与えるために、入力面62は光源(示さず)に隣接して配置されるように配置される。入力面62に入射する光は、光導波路60内の阻止されたTIRの結果として出力面64から取り出される。上に論じたように、光導波路60から出力された光に、特に入力面62の近くで不均一が有るのが普通である。
【0026】
図7が、光導波路60の背面66への光パワーの追加、および入力面62から離れるように伸びる強度の調整を示す。図6に示されたように、背面66は、入力面62近くの取り出しを強化するように、かつ入力面62から離れるにつれてテーパーをつけてゼロにするように配置された同相の光学構造68で形成される。パターンはまたテーパー付きではなく、すなわち、表面全体にわたって不変である、ゼロから大きくなる、乱雑に変化する、または個々の領域に分布することがあり得る。図8に示された光導波路60’の背面66’に形成された光学構造68’のように、光学構造の位相が異なることもまた可能である。光学構造のパターンはまた、別々に、または背面66に形成されたパターンとともに、のどちらかで出力面64に形成されることがあることが分かるだろう。本発明のそのような実施形態が以下により十分に、特に図15および16に関連して説明される。本論に戻ると、光学構造を提供する目的は、光導波路出力の不均一を、それらが何処で起ろうとも、最小限にする効果を達成することである。例えば、図6および8に示された光導波路60は、主として入力面62に隣接して見える不均一を有することがあり、これは、より大きい光パワーを入力面62の近くに有する光学構造の追加を示唆するだろう。
【0027】
図7を特に参照して、光学構造68は光学膜70の表面72に形成されることがある。そして光学膜70は、紫外線(UV)硬化、感圧、または何か他の接着剤を用いて、光導波路60のウエッジ構造に結合されることがある。代わりに、ウエッジはバルクに成型されて、光学構造68を背面66に含むことがある。
【0028】
前述の論議からより一般に認識されるように、事実上光学構造のどんな形状構成も光学膜中に形成され、光学膜は、例えばボンディングによって、光導波路または他のバルク光学素子に結合されることがある。例えば、グレア減少、アンチウェトアウト、フレネル、および事実上、光学膜の表面に形成されることがある、どんな他の構造も膜に容易に模写され、そして膜は別の光学素子に結合されることがある。
【0029】
プログラムされた光学構造を組み込む膜が、マイクロ模写プロセスを用いて製造されることがある。そのような製造プロセスにおいて、マスターが、例えばパターンを切って金属ロールにすることによって製造され、マスターは、押出成形、成型および硬化、エンボス加工、および他の適当なプロセスによって膜を生成するために使用される。代わりに、膜は、圧縮または射出成形、成型、またはロール成形によって製造されることがある。マイクロ模写の好ましい装置および方法が、同一出願人による、「欠陥減少表面を有する光学膜およびその製造方法」と題する米国特許出願第09/246,970号(1999年2月9日出願、代理人識別番号54176USA9A)に記載され、この出願の開示が参照によってここに明確に盛り込まれる。
【0030】
本発明の上述の特徴の例として、図9を参照すると、線形フレネルレンズまたはプリズム80が、略平面の第1の表面82と、第2の表面84とを有する。第2の表面84はレンズ構造86で形成され、追加の光学構造88がレンズ構造86の上に重ねられる。光学構造88は、振幅、期間、およびアスペクト比のような特徴を有し、これらはレンズ80の第1縁90からレンズ80の第2縁92まで変化する。レンズ80はバルク中に形成されることがあり、または図9に示されたように、光学構造88を含むレンズ構造86は、バルク光学基板96に接合される膜94上に形成されることがある。この応用によって、第1の表面82は入力面として、第2の表面84は出力面として配置されることがあり、逆もまた同様である。
【0031】
図10および11が、第1の表面83と、第2の表面85とを含む円形レンズ81を図式的に示す。第2の表面85はレンズ構造87、例えば、円形フレネルレンズ構造を含むように形成され、追加の光学構造89がレンズ構造87の上に重ねられる。光学構造89は、振幅、期間、およびアスペクト比のような特徴を有し、これらは、例えば、レンズ81の外周からレンズ81の中心まで変化する。
【0032】
図12を参照すると、「V」字形刃具を用いて形成された光学構造108の変化する振幅パターン102を有する膜100が図解される。パターン102は、膜100の上面および/または底面に形成されることがある。同じように、パターン102はウエッジまたはスラブ状に形成されることがある。膜100は、第1縁104と、第2縁106とを有する。光学構造108は、パターン102に配置された第1縁104から第2縁106の方へ伸びる。各光学構造108は、振幅、期間、およびアスペクト比のような、いくつかの特徴を有することがある。パターン102はまた、例えば、光学構造108間の間隔を規定するピッチPのような特徴を有することがある。図12の光学構造108は振幅の変化を示している。膜100の応用において、振幅の変化は膜100を組み込む光導波路に対して垂直に、平行に、またはある角度であるように、溝が配置されることがある。
【0033】
図12を続けて参照して、パターン102内に、光学構造108は第1縁104において大きい振幅で形成され、第2縁106に向かうにつれて振幅が小さくなることが認められる。より大きい振幅が、より大きい表面勾配のために、より大きい光パワーを溝軸に沿って生じる。そしてこのパターンの光パワーは第1縁104からの距離の関数として減少する。光学構造108およびパターン102のこの配置は意図的なものである。
【0034】
図13および14を参照して、膜110および112がそれぞれに示される。各膜110および112は膜100に似た特徴を有し、同じ参照数字がそれらの間の同じ素子を表わすために使用される。「V」字形ツールを用いることによって生成されるパターンと対照的に、図13の膜110は、湾曲または弧形の形状構造を有するツールを用いて形成される、光学構造116のパターン114を有する。図14の膜112は、平らなノーズツールを用いて形成される、光学構造120のパターン118を有する。パターン114および118は述べられたように配置されて、光パワーを膜110および112の表面に供給する。事実上どんなツール形状構造も、所望の量および形の光パワーを膜の表面において達成するために選択される特別なツールで使用されることがあることが分かるだろう。
【0035】
図15および16に示された光導波路121において、光学構造124の第1のパターン122が底面126に形成され、光学構造130の第2のパターン128がウエッジ134の上面132に形成される。説明だけのために、光学構造124が図15に示されて、底面126を横切ってわずかに部分的に伸び、光学構造130が図15に示されて、上面132を横切ってわずかに部分的に伸びる。光学構造124および光導波路130は、大抵の場合、底面126および光学構造130の全部を横切って、それぞれに伸びることが分かるだろう。第1のパターン122は光のウエッジ134からの取り出しを助長するように配置されることがあるのに対して、第2のパターン128はウエッジから出力された光の不均一にマスクを掛けるように配置されることがある。しかし、ウエッジ134で実施されたパターンはウエッジ134から得られる所望の光出力に依存するだろうことが分かるだろう。さらに、上述のように、パターン122および128は、例えばボンディングによって、ウエッジに後に結合される光学膜に最初に形成されることがある。別の構成において、表面122および128は射出成形または成型によってウエッジに形成される。
【0036】
前述の論議から評価されるように、本発明の好ましい実施形態に従って、光導波路は光導波路、すなわち「V」字形溝で、第1の表面、第2の表面、または両方のいずれかに形成されることがある。第1の表面であろうと第2の表面であろうと、入力面は表面の光源に対する方向づけに関連する。光学構造は均一に、または乱雑に間隔を置いて配置されることがあり、種々の他の特徴を有することがある。従って、本発明は様々な分野の光導波路およびバックライト装置に応用できる。応用の一例が、光導波路は光学構造で背面および/またはその出力面のどちらに形成される、全反射のフラストレーションによって光を取り出すバックライト装置である。さらに別の例が、光を取り出すためにドットのパターンを使用する、かつ背面または出力面のどちらか、あるいは両方に形成された光学構造を含む光導波路を有するバックライト装置である。これらの例および他の例が以下により詳細に説明される。
【0037】
図17を参照すると、バックライト140が照らされ、光源142をウエッジ光導波路144の入力端143に隣接して含む。後方反射器146が光導波路144の背面154に隣接して配置され、転向膜148が光導波路144の出力面150に隣接して配置される。背面154は光学構造152で形成される。光学構造152は背面154に形成された溝であることがあり、図16に示されたようなものである。図17に示された溝は「V」字形溝であり、約90度のプリズム角度を有するが、60度から120度にわたるプリズム角度が使用されることがある。「V」字形溝以外の形状もまた光学構造152用に使用されることがある。さらに、各光学構造は、その長さに沿って公称値から変化する高さを有するように形成されることがある。この変化は、約1m〜1000mの範囲にある、かつ約140mより短いことが好ましい波長を有することがある。そのような構造は、同一出願人による、「光学膜」と題する米国特許出願第09/025,183号(1998年2月18日出願、代理人識別番号53772USA6A)に開示、記載され、この出願の開示が参照によってここに明確に盛り込まれる。
【0038】
光学構造152は光源142に略垂直に向けられて示される。光学構造152は、光源142に平行に、または光源142に対して0度と90度との間の角度で向けられることがあることが分かるだろう。
【0039】
転向膜148はどんな適当な分光転向膜でもあることがある。例えば、転向膜148は「可変角度プリズムを有する光学膜」と題する前述の米国特許出願に記載されたように形成されることがある。
【0040】
背面154は光学構造152を含むように形成される。これは、背面154から取り出される光に照らして、出力面150を通して光導波路144から取り出される、いくらかの追加光を生じる。背面154から出る光の一部が後方反射器146に衝突し、光導波路144および出力面150を通して反射されて戻るだろう。
【0041】
さて図18を参照すると、構成がバックライト140に類似するバックライト140’が示され、同じ参照数字が同じ要素を示すために使用される。ダッシュ付きの参照数字が、図17に示されたバックライト構成から変更される要素を示すために使用される。バックライト140’は、光源142をウエッジ光導波路144’の入力端143に隣接して含む。後方反射器146’が光導波路144’の背面154’に隣接して配置され、転向膜148が光導波路144’の出力面150’に隣接して配置される。出力面150’は光学構造152’で形成される。光学構造152’は出力面150’に形成された溝であることがあり、図17に示されたようなものである。図18に示された溝は「V」字形溝であり、約90度のプリズム角度を有するが、60度から120度にわたるプリズム角度が使用されることがある。「V」字形溝以外の形状もまた光学構造152’用に使用されることがある。さらに、各光学構造152’は、その長さに沿って公称値から変化する高さを有するように形成されることがある。この高さの変化は、約1m〜1000mの範囲にある、しかし光導波路応用に対して約140mより短いことが好ましい波長を有することがある。そのような構造が、「光学膜」と題する前述の米国特許出願第09/025,183号に開示、記載されている。
【0042】
光学構造152’は光源142’に略垂直に向けられて示される。光学構造152’は、光源142’に平行に、または光源142に対して0度と90度との間の角度で向けられることがあることが分かるだろう。
【0043】
出力面150’を形成して光学構造152’を含むことは、出力面150’に照らして、背面154’を通して光導波路144から取り出される追加光を生じる。いくらかの光がまた出力面150’から取り出される。背面154’から出る光の一部が後方反射器146’に衝突し、光導波路144’および出力面150を通して反射されて戻るだろう。従って、バックライト140’に関して、後方反射器146’を背面154’に直接取り付けることが望ましいことがある。これは後方反射器146’を背面154’に張り付けることによって達成されることがある。後方反射器146’に対するそのような配置は、同一出願人による、「直接取り付けられた反射器を有する光導波路およびその製造方法」と題する米国特許出願第09/414,124号(1999年10月8日出願)に開示、記載され、この出願の開示が参照によってここに明確に盛り込まれる。一方、後方反射器は蒸着プロセスを用いて背面に形成されることがある。反射器が光導波路の背面に直接取り付けられる実施形態において、反射器は鏡のようで、かつ吸収が非常に小さくて効率が極めてよいことが必要であることが分かるだろう。
【0044】
上述のように、変化、例えば、バックライト140および140’の出力における不均一をそれぞれ減らす、光学構造の振幅の変化が、光導波路の背面または出力面にそれぞれ形成された光学構造152および152’の特徴に加えられる。光学構造をビードブラストするような、他の方法によって、光学構造における類似の変化を与えることが可能であるが、しかしプリズム高さにおける記載された変化で溝を形成することは、制御可能な、予測可能な、引いては好ましい、バックライトの出力における不均一を減らす方法を与える。
【0045】
図19が、バックライト140の出力の上に配置された観察コーンにおける光出力、すなわち、転向膜148の出力面からバックライト140を出る光を示す。図で示した光出力から決定されることがあることは、軸上の輝度、最大輝度、統合された強度、水平分布または水平半角、および垂直分布または垂直半角である。図20がバックライト140’の類似の分布を与える。バックライト140’の出力が減じた水平分布と、少し増大した垂直分布とを有することが明白にそれと分かる。軸上の輝度および最大輝度は、バックライト140に比べてバックライト140’の場合に増加するが、全体の統合された強度、すなわちバックライト140および140’からの出力光の総量が略同じである。光学構造の光導波路140および140’内の配置がそれぞれにバックライト装置の出力に影響を及ぼすだろうことが、図19および20から分かる。バックライト140’において、光学構造152’は光導波路144’の上面に形成され、バックライト140’の光出力の追加視準がバックライト140に照らして達成される。さらに、光学構造152’は、上述のように、変化する特徴で形成されることがあるので、バックライト140’から出力される光は、追加の光学膜または散光器のような、他の素子なしに均一にされることがある。
【0046】
光導波路140’の出力面150’において、変化する特徴を含む、光学構造152’を設けることに関連するさらなる利点がある。1つのそのような利点が、出力面150’の転向膜148とのインタフェースに関係する。光学構造152’は出力面150’に形成されるので、比較的少数の接触点が転向膜148のプリズムと出力面150’との間にあるだろう。これはウェットアウトと一般に呼ばれる光学欠陥の減少を生じることがある。上述のように、光学構造152’の形成において変化を与えることはまた、光出力をより均一にするバックライトの出力における欠陥にマスクを掛けるのに役立つ。従って、光学構造152’を出力面150’に設ける別の利点が、バックライト装置全体における散乱膜の除去であることがある。光学構造152’は、図20から分かることがあるように、光視準を与えるので、本発明に従って、典型的バックライト装置に照らして光学膜のより少ないシートを必要とするバックライト装置を提供することが可能である。
【0047】
図21に、光導波路151、転向膜153、LCDディスプレイ154、および後方反射器155が示される。光が光導波路151の上面161および背面157の両方から取り出される。後方反射器155と背面157との間の強いフレネル反射156が、背面157から取り出された光のかなりの部分を捕捉することが可能である。この光は最終的に失われて、非効率につながる。この状況を改善するために、図22に示されたように、後方反射器155’の反射面158が光学構造159で形成されることがある。光学構造159は面、溝、または他の成形構造であることがある。光学構造159は後方反射器155’からの反射の正反射成分を減らし、かつより多くの光を光導波路151を通して上へ向けるために役立ち、従ってその効率を向上させる。光学構造を含む適当な後方反射器は、3Mによって販売される強化散乱反射器(EDR)膜製品である。図22で教えられる原理が、本明細書に記載された追加の好ましい実施形態によるバックライト140およびバックライト装置を含むがこれらに限定されるものではなく、事実上どんなバックライトにも適用されることがあることを当業者が分かるだろう。
【0048】
バックライト装置のいくつかの適応、強化、および変更が上に述べられた。さらに他のものが高く評価されることが可能であり、本発明の範囲内にある。バックライト装置の特定の配置がそれが意図する応用によって決まるだろうことが分かるだろう。本発明の適応性を示すために、いくつかの例が図23〜28に関連して示され、説明される。
【0049】
光導波路の背面の溝
図23において、バックライト160が、光源162と、ウエッジ光導波路164と、後方反射器166と、転向膜168と、任意の別の光学膜170とを含む。光導波路164は、出力面165と、図16の光導波路144に関連して示された光学構造152に類似の光学構造で形成される背面172とを有する。光学構造は射出成形または成型によって光導波路164に直接形成されることがある。一方、光学構造は光導波路164の背面172に張り付けられる光透過性膜に形成されることがある。
【0050】
光学構造は光導波路164の背面172に形成されるので、さらなる光が背面172に照らして出力面165を通して光導波路164から出る。しかし、背面172から出る光が後方反射器166に衝突し、光導波路164を通して反射されて戻る。光学構造を含む適当な反射器が溝付き散乱反射器である。
【0051】
バックライト160の別の態様によれば、転向膜168は散乱構造を出力面176に含むように形成されることがある。任意の光学膜170は、前述のBEFIII光学膜、散乱反射偏光膜製品(DRPFとして販売されている)、または球面反射偏光膜製品(DBEFとして販売されている)のような、明るさ強化膜であることがあり、これら全てはMinnesota Mining and Manufacturing Companyから入手できる。
【0052】
光導波路の出力面の溝
図24において、バックライト180が、光源182と、ウエッジ光導波路184と、後方反射器186と、転向膜188と、任意の別の光学膜190とを含む。光導波路184は、図17に示された光導波路144’に関連して示された光学構造152’に類似の光学構造で形成される出力面192を有する。光導波路184は、光学構造を出力面192に含むように射出成形または成型によって形成されることがある。一方、光学構造は光導波路184の出力面192に張り付けられる光透過性膜上に形成されることがある。そのような配置は製造自由度を潜在的に向上させ、光導波路184用の金型設計を簡単にすることによって製造コストを低減する。各光導波路に対して独自の金型を有する代わりに、光導波路は、光学構造によって形成された光学膜で光導波路の表面を積層することによって、本発明に従って適応されることがある。
【0053】
光学構造は光導波路184の出力面192に形成されるので、さらなる光量が、背面193から光導波路を出る光量に照らして出力面192から光導波路184を出る。しかし、背面193を出る光が後方反射器186に衝突し、光導波路184を通して反射されて戻る。背面193を出る光の大部分が光導波路184を通して反射されて戻るのを確かにするために、後方反射器186は背面193に直接取り付けられることが好ましい。これは、鏡または鏡面膜を背面193に張り付けることによって、または背面193を覆う蒸着によって達成されることがある。背面193に直接取り付けられる場合に、後方反射器は鏡面で高効率である必要がある。
【0054】
バックライト180の別の態様によれば、転向膜188は散乱構造を出力面196に含むように形成されることがある。光学膜190は、前述のBEFIII光学膜、散乱反射偏光膜製品(DRPFとして販売されている)、または球面反射偏光膜製品(DBEFとして販売されている)のような、明るさ強化膜であることがあり、これら全てはMinnesota Mining and Manufacturing Companyから入手できる。
【0055】
図25において、バックライト220が、光源222と、ウエッジ光導波路224と、後方反射器226と、転向膜228と、を含む。光導波路224は、光学構造(図示せず)で形成される出力面230を有する。光学構造は、任意の適当な形状の刃具を用いて形成される、「光学膜」と題する前述の米国特許出願に記載されたような、変化するパターンを有することがある。光学構造は射出成形または成型によって光導波路224に直接形成されることがあり、または一方、光学構造は光導波路224の出力面230に張り付けられる光透過性膜に形成されることがある。
【0056】
光学構造は光導波路224の出力面230に形成されるので、さらなる光量が、出力面230を通して出る光量に照らして背面232を通して光導波路224を出る。この光は後方反射器226に衝突し、光導波路224を通して反射されて戻る。適当な反射器が溝付きの散乱反射器であることがある。光学構造はまた不均一のマスキングを与え、従ってバックライト装置における散光器の必要を排除する。
【0057】
また、光学構造はまた光導波路を出る光の視準を与えることがあるので(図20参照)、本発明に従って、典型的なバックライト装置に比べてより少数の光学膜で済むバックライト装置を提供することが可能である。図25に示された実施形態において、単一の任意の光学膜238があり、これはMinnesota Mining and Manufacturing Companyから入手できる、散乱反射偏光膜製品(DRPFとして販売されている)、または球面反射偏光膜製品(DBEFとして販売されている)であることがある。
【0058】
バックライト装置の再生利用
図26において、バックライト200が、光源202と、ウエッジ光導波路204と、後方反射器206と、1つまたは複数の別の任意の光学膜210および212と、を含む。光導波路204は、図17の光導波路144に関連して示された光学構造152に類似の光学構造で形成される背面214を有する。光学構造は射出成形または成型によって光導波路204に直接形成されることがある。一方、光学構造は光導波路204の背面214に張り付けられる光透過性膜に形成されることがある。
【0059】
光導波路204の背面214に形成された光学構造は、光の光導波路204からの取り出しを容易にする。従って光学構造は、光を光導波路から取り出すために典型的に使用される散乱ドットパターンの除去を可能にさせる。いくらかの光が背面214を出て、この光は後方反射器206に衝突し、光導波路204を通して反射されて戻る。適当な後方反射器が3Mによって販売される強化散乱反射(EDR)膜製品である。
【0060】
光の光導波路204からの取り出すためのドットパターンの除去が、バックライト200の出力におけるドットパターンの様相にマスクを掛けるために散乱を付加する必要を減らすことがある。任意の光学膜210および212は、交差した構成で配置された前述のBEFIII光学膜製品、すなわち散乱反射偏光膜製品(DRPFとして販売されている)、球面反射偏光膜製品(DBEFとして販売されている)、および/またはそれらの様々な組合せのような、明るさ強化膜であることがあり、これら全てはMinnesota Mining and Manufacturing Companyから入手できる。
【0061】
図27において、バックライト240が、光源242と、ウエッジ光導波路244と、後方反射器246と、散光器248と、第1および第2の任意の別の光学膜250および252と、を含む。後方反射器246は、「直接取り付けられた反射器を有する光導波路」と題する前述の米国特許出願に記載されたように、ドットパターン化した接着剤を用いて光導波路214の背面254に取り付けられることが好ましい。従って、接着剤は取り出しドットパターンに典型的なドットパターン状に配置される。
【0062】
光導波路244は光学構造(図示せず)で形成される出力面255を有する。光学構造は、上述のように、変化するパターンを有することがある。光学構造は射出成形または成型によって光導波路244に直接形成されることがあるか、また一方光学構造は光導波路244の出力面255に張り付けられる光透過性膜に形成されることがある。
【0063】
変化するパターンを含む光学構造は、記述されたように、ドットパターンばかりでなくバックライト240の出力における他の不均一にもマスクを掛ける、散光器248のような、散光器の必要を無くすことがある。従って、散光器248は任意である。使用される場合、任意の光学膜250および252は、交差した構成で配置された前述のBEFIII光学膜製品、すなわち散乱反射偏光膜製品(DRPFとして販売されている)、球面反射偏光膜製品(DBEFとして販売されている)、および/またはそれらの様々な組合せのような、明るさ強化膜であることがあり、これら全てはMinnesota Mining and Manufacturing Companyから入手できる。
【0064】
疑似ウエッジバックライト装置
さて、図28を参照すると、バックライト260が、光源262と、疑似ウエッジ光導波路264と、を含む。疑似ウエッジ光導波路264は、第1面266と、第2面268と、を含む。第1面は、図17に関連して述べられた光学構造152のような、光学構造270で形成されることがある。第2面は、図17に関連して述べられた光学構造152のような、光源262に平行であるように配置される、小面のある溝構造272で形成されることがある。小面のある溝構造272は、全反射のフラストレーションを強化することによって、光の光導波路からの取り出しを容易にする。図示されていないが、バックライト260は第2面268に隣接して配置された後方反射器をまた含むだろう。
【0065】
小面のある溝構造272は可変角度特徴を有することがある。各個別小面は小面角度を有する。小面のある溝構造272が可変角度特徴を含む場合に、個別小面角度は小面ごとに変化する。小面のある溝構造272のこの配置は、バックライト260の出力における不均一の様相を減らすことがある。
【0066】
光導波路264はスラブ構造として示されるのに一方で、光導波路264はウエッジであることがある。さらに、小面のある溝構造272は、例えば射出成形または成型によって光導波路264に直接形成されることがあり、または小面のある溝構造272は、スラブまたはウエッジ光導波路に張り付けられる光学膜に形成されることがある。小面のある溝構造はまた、光源262からの距離の関数として密度が変化することがある。
【0067】
本発明のさらに他の変更および代替実施形態は、前述の説明に鑑みて当業者にとって明らかだろう。この説明はあくまでも例示としてみなされるべきであり、本発明を実施する最良の形態を当業者に教示することが目的である。構造および方法の詳細が本発明の精神から逸脱することなく実質的に変更可能であり、添付した特許請求の範囲内に入る全ての変更の独占的使用が保留される。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明の実施形態に従って構成された照明装置の斜視図である。
【図2】
本発明の実施形態による光学構造のプログラムされたパターンを組み入れる光学膜の斜視図である。
【図3】
本発明の別の実施形態による光学構造のプログラムされたパターンを組み入れる光学膜の斜視図である。
【図4】
本発明の別の実施形態による光学構造のプログラムされたパターンを組み入れる光学膜の斜視図である。
【図5】
本発明の別の実施形態による光学構造のプログラムされたパターンを組み入れる、光導波路のウエッジの斜視図である。
【図6】
本発明の別の実施形態による光学構造の同相のプログラムされたパターンを組み入れる、光導波路のウエッジの斜視図である。
【図7】
図6の線7−7に沿った断面図である。
【図8】
本発明の別の実施形態による光学構造の位相が異なったプログラムされたパターンを組み入れる、光導波路のウエッジの斜視図である。
【図9】
本発明の別の実施形態による光学構造のプログラムされたパターンを組み入れる、線形のレンズ構造の斜視図である。
【図10】
本発明の別の実施形態による光学構造のプログラムされたパターンを組み入れる、円形のレンズ構造の平面図である。
【図11】
図10に示された円形のレンズ構造の略斜視図である。
【図12】
本発明の代わりの好ましい実施形態による光学構造のプログラムされたパターンを組み入れる光学膜の斜視図である。
【図13】
本発明の代わりの好ましい実施形態による光学構造のプログラムされたパターンを組み入れる光学膜の斜視図である。
【図14】
本発明の代わりの好ましい実施形態による光学構造のプログラムされたパターンを組み入れる光学膜の斜視図である。
【図15】
本発明の好ましい実施形態による、上面に光学構造の第1のプログラムされたパターンを、および下面に光学構造の第2のプログラムされたパターンを組み入れる光導波路の斜視図である。
【図16】
図15に示された光導波路の側面図である。
【図17】
本発明の好ましい実施形態によるバックライトの組立分解斜視図である。
【図18】
本発明の好ましい実施形態によるバックライトの組立分解斜視図である。
【図19】
図17に示されたバックライトの光出力分布を示す図である。
【図20】
図18に示されたバックライトの光出力分布を示す図である。
【図21】
従来技術によるバックライトの側面図である。
【図22】
本発明の好ましい実施形態によるバックライトの側面図である。
【図23】
本発明の好ましい実施形態によるバックライトの種々の構成の側面図である。
【図24】
本発明の好ましい実施形態によるバックライトの構成の側面図である。
【図25】
本発明の好ましい実施形態によるバックライトの構成の側面図である。
【図26】
本発明の好ましい実施形態によるバックライトの構成の側面図である。
【図27】
本発明の好ましい実施形態によるバックライトの構成の側面図である。
【図28】
本発明の好ましい実施形態によるバックライトの構成の側面図である。
[0001]
Background of the Invention
Field of the invention
The present invention relates generally to backlights, and more particularly, to backlights that include an optical waveguide formed with an optical structure on one or more surfaces of the optical waveguide.
[0002]
Description of related technology
Display devices that are illuminated from behind, such as liquid crystal display (LCD) devices, make extensive use of wedge-shaped optical waveguides. A wedge-shaped light guide couples light from a substantially linear source, such as a cold cathode fluorescent lamp (CCFL), to a substantially planar output. And the planar output is used to illuminate the LCD.
[0003]
One of the evaluation criteria of the performance of a display illuminated with light from behind is its uniformity. The user can easily perceive a relatively small difference in brightness of the display between one area of the display and an adjacent area. Even relatively small non-uniformities can be very annoying to display users.
[0004]
Surface diffusers or bulk diffusers, which scatter light entering the light guide, are sometimes used to mask or mitigate unevenly. However, this scattering also results in light being directed away from the preferred viewing axis. The end result is a reduction in the overall brightness of the display along the preferred viewing axis, which is another performance metric of the display device.
[0005]
From a subjective point of view, a relatively small increase or decrease in the overall brightness is not easily perceived by the user of the display as in the case of individual non-uniformities. However, display device designers are discouraged even by a minimal drop in overall brightness, including a very small drop that can only be perceived by subjective measurements. This is because the display brightness of the display and the required power are closely related. If the overall brightness can be increased without increasing the power requirements, the designer can actually allocate less power to the display device, but achieve an acceptable level of brightness. In the case of a battery operated portable device, this translates into a longer continuous operating time.
[0006]
Summary of the Invention
In accordance with the present invention, optical elements, such as optical waveguides, optical films, or lenses, are formed in a predetermined programmed pattern of optical structures. The optical structure may be arranged to selectively correct for non-uniformities in the output of the optical element, or to be otherwise arranged to achieve the performance of the display in a predetermined and planned manner. There is.
[0007]
In a first aspect of the present invention, a plurality of optical structures having a first surface, a second surface, a light-transmitting film having a first edge and a second edge formed on the first surface. Is formed. The plurality of optical structures are arranged in a predetermined pattern on the first surface, each optical structure having at least one feature selected from the group consisting of amplitude, period, and aspect ratio. Each feature has a first value for a first predetermined location on the membrane between the first edge and the second edge, and the characteristic is on the membrane between the first edge and the second edge. Has a second value different from the first value for a second predetermined position different from the first predetermined position.
[0008]
In another aspect of the invention, the structure according to the invention is part of a thick optical element, for example a wedge or slab of an optical waveguide. The structure is realized on a thick element by injection molding, casting, compression molding, or by bonding the structured film to a thick optical element.
[0009]
Many advantages and features of the present invention will become apparent to one skilled in the art from the following detailed description of several preferred embodiments of the invention, with reference to the accompanying drawings, in which like reference numerals refer to like elements.
[0010]
Detailed Description of the Preferred Embodiment
The present invention, according to some preferred embodiments, is used in backlighting devices commonly used in flat panel display devices, such as laptop computer displays or desktop flat panel displays, among others. Described by an optical film or optical waveguide, which is suitable for: However, the invention is not so limited in application, and those of ordinary skill in the art will recognize that the invention can be applied to virtually any optical device, for example, projection screen devices and flat panel televisions. It will further be appreciated that the present invention is applicable to small LCD display devices, such as those found in cell phones, personal digital assistants (PDAs), pagers, and the like. Accordingly, the embodiments described herein are not to be taken as limiting the broad scope of the invention.
[0011]
Referring to FIG. 1, a lighting device 10 includes a light source 12, a light source reflector 14, an optical waveguide 16 having an output surface 18, a back surface 20, an input surface 21 and an end surface 22, and a reflector adjacent to the back surface 20. 24, a first light redirecting element 26, a second light redirecting element 28, and a reflective polarizer 30. Optical waveguide 16 may be a wedge, a variant thereof, or a slab. As is known, the purpose of the light guide is to provide a distribution of light from the light source 12 over a much larger area than the light source 12, and more specifically, substantially over the area formed by the output surface 18. It is. More preferably, optical waveguide 16 performs these tasks in a compact, thin package.
[0012]
The light source 12 may be a CCFL that inputs light to the edge 21 of the light guide 16, and the lamp reflector 14 may be a reflective film wrapping around the light source 12 forming a lamp cavity. The rear reflector 24 is located behind the light guide 16 and adjacent to the back surface 20. The back reflector 24 may be an efficient back reflector, for example, a scattering or specular coating.
[0013]
In the embodiment shown, edge-coupled light travels from input surface 21 toward end surface 22 and is confined by total internal reflection (TIR). Light is extracted from the optical waveguide 16 by frustration of TIR. Light rays confined within the light guide 16 increase their angle of incidence on the top and bottom walls due to the wedge angle due to each TIR bounce. Thus, since the light is no longer confined by the TIR, the light will eventually refract and exit out of the output surface 18 at a glancing angle thereto. Some of the light rays are extracted from the back surface 20. These rays are reflected back by the back reflector 24 through the light guide 16. The first light redirecting element 26 is arranged as a turning film and redirects these rays exiting the output surface 18 in a direction substantially parallel to the preferred viewing direction.
[0014]
Referring to FIG. 1 and FIG. 2 briefly, the first light redirecting element 26 may be a light-transmitting optical film having a first surface 32 and a second surface 34. A first surface 32 is applied to the turning film, arranged as an input surface, and formed with a prism 44, which refracts and reflects light exiting the light guide 16 along a preferred viewing direction. Therefore, the second surface 34 is an output surface. The prisms may have a substantially uniform configuration or are described in commonly assigned U.S. patent application Ser. No. 09 / 415,873, filed Oct. 8, 1999. Such non-uniform features may be present, and the disclosure of this application is expressly incorporated herein by reference.
[0015]
Referring back to FIG. 1, the second light redirecting element 28 may not be required in all configurations of the lighting device 10. When included in lighting device 10, the second light redirecting element may be a diffuser, lenticular spreader or prismatic membrane, such as a 3M brightness enhancement available from Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, Minn. It may be a brightness enhancing film, such as a film product (sold as BEFII or BEFIII). The reflective polarizer 30 may be an inorganic, polymer, or cholesterol liquid crystal polarizing film. Suitable films are scattering reflective polarizing film products (sold as DRPF) or specular reflecting polarizing film products (sold as DBEF), both of which are available from Minnesota Mining and Manufacturing Company. In addition, at least the second light redirecting element 28 and the reflective polarizer 30, and possibly the first light redirecting element 26, may combine to present a single optical element. U.S. patent application Ser. No. 09 / 415,100, filed Oct. 8, 1999, entitled "Display Illumination Devices and Methods for Enhancing Brightness in Display Illumination Devices," filed by the same assignee, is disclosed in US Pat. Optical structures are described and the disclosure of this application is expressly incorporated herein by reference.
[0016]
When an optical waveguide such as the optical waveguide 16 is used for a backlight, the light output from the optical waveguide usually has non-uniformity. These non-uniformities can often be concentrated near the input surface 21. A diffuser over the output surface of the light guide is typically used to mask the non-uniformly, which is usually considered a defect. However, diffusers tend to reduce the overall brightness of the display, and may not properly mask all of the defects.
[0017]
As described above, in the lighting device 10, the first light redirecting element 26 is arranged as a turning film and may have a structure as shown in FIG. Referring again to FIG. 2, the membrane includes a pattern 42 of optical structures 40 (prisms) arranged to have different varying amplitudes in phase. In the case of a turning film application, the pattern 42 is formed on the surface that is the light input surface of the film. However, in other applications, some of which will be described herein, the pattern 42 may be formed on the top and / or bottom of a wedge, slab, or film. In the case of the turning film application shown in FIG. 1, in addition to the prism formed on the first surface of the first light redirecting element 26, the second surface 34 may be formed of an optical structure. is there.
[0018]
2, the first light redirecting element 26 has a first edge 36 and a second edge 38. The optical structure 40 extends from the first edge 36 toward the second edge 38 in a pattern 42. Each optical structure 40 may have a number of characteristics, such as amplitude, duration, and the aspect ratio of vertices 44 and depressions 46. Pattern 42 may also have features, such as, for example, pitch P between optical structures 40. An optical structure 40 having an amplitude change is shown in FIG. In the application of the first light redirecting element 26, the grooves may be arranged such that the change in amplitude is perpendicular to the light source 12 (FIG. 1).
[0019]
With continued reference to FIG. 2, in the pattern 42, it can be seen that the optical structure 40 is formed with a large amount of amplitude change at the first edge 36, which amplitude change decreases toward the second edge 38. The large amplitude changes in the optical structure 40 result in greater optical power along the groove axis due to the greater surface gradient. The light power of this pattern then decreases as a function of the distance from the first edge 36. This arrangement of the optical structure 40 and the pattern 42 is intended. As described above, the non-uniformity in the output of the optical waveguide 16 may be concentrated near the input surface 21, while the non-uniformity may decrease as the distance from the input surface 21 increases. Accordingly, the optical structure 40 and the pattern 42 are arranged such that more scattering occurs near the first edge 36. In an application, the first edge 36 will be located substantially adjacent to the input surface 21 of the light guide 16. The pattern 42 has a pitch P, which may be uniform or variable, and the amplitude of the optical structure 40 may decrease to zero toward the second edge 38. This pattern may be generated in any tool shape, as discussed in detail below.
[0020]
Using ray tracing and other analysis techniques, it is possible to determine a particular arrangement for the optical structure 40 and pattern 42 that best corrects for any observed non-uniformities in the output of the optical waveguide 16. That needs to be appreciated. That is, one or more of the features of optical structure 40 and pattern 42 may be tailored to correct for certain non-uniformities. As described above, in connection with the first light redirecting element 26, the optical structure 40 and the pattern 42 reduce the optical power to mask non-uniformities that may occur near the input surface 21. The output of the optical waveguide 16 was supplied near the input surface 21. As less or less severe non-uniformity is typically observed from the light guide 16 further away from the input surface 21, the light power is supplied less or further away from the input surface 21. is there. In this way, the light power is provided where uneven masking or softening is most needed, whereas less light power is provided where less masking non-uniformity is provided. Is done. In addition, optical power may be applied to virtually any output of an optical waveguide by adding optical structures and / or changing characteristics of the optical structures. Additionally, the addition of optical power need not be uniform. Instead, optical power may be applied to individual areas of the optical waveguide output, as needed, to mask the defect or to generate a particular optical effect, if necessary. There is.
[0021]
Some light guides include a pattern of scattered dots on the back of the light guide. Light incident on one of the dots is widely scattered by the scattering dots, such that a portion of this reflected light exits the optical waveguide. Despite the scattering properties of this method of extracting light from an optical waveguide, the pattern of dots may itself be visible at the optical waveguide output. Therefore, additional clutter is usually provided to hide the dot pattern.
[0022]
Referring to FIG. 3, a film 50 has a surface 52 formed to include a plurality of optical structures 54 arranged in a pattern 56. The optical structure 54 is arranged to effectively replace the scattered dot pattern to extract light from the optical waveguide. Although shown as an ellipse in FIG. 3, the optical structures 54 are not collectively limited to any particular shape, and they are not limited to any one particular shape in the pattern 56. Thus, optical structure 54 may be prisms, lines, dots, squares, ellipses, circles, diamonds, as well as almost any shape or combination of shapes. Further, the optical structures 54 may be made very small in size, may be located very close within the pattern 56, and may have much more than the dots in the scattering dot pattern. Sometimes. For example, the optical structures may have sizes up to the size typical for those used for scattering dots, but are preferably smaller than the sharpness of the human eye, and are separated from each other by about 50-100 m. It is arranged in. This very small size and close spacing of the optical structure 54 eliminates or reduces the need for scattering at the output of the optical waveguide, which is typically required to hide the pattern of scattering dots.
[0023]
Referring to FIG. 4, an optical film 51 has a surface 53 formed by a plurality of optical structures 55 arranged in a pattern 57. In this embodiment of the invention, optical structure 55 is formed as a circle or dot. FIG. 5 shows an optical waveguide wedge 59 having a back surface 61 formed by an optical structure 63 arranged in a pattern 65. Although the optical structures are again formed as circles or dots, it will be appreciated that the optical structures may exhibit virtually any configuration.
[0024]
The present invention allows and provides for micro-level changes in the slope of an optical waveguide. That is, the slope of the optical waveguide may be locally increased or decreased by the addition of a micro-level optical structure. If a ray strikes a larger positive slope, it will be extracted from the light guide sooner than if it strikes a nominal wedge angle.
[0025]
Although discussed above with respect to optical films, the present invention has application to the optical waveguide wedge itself. Referring to FIGS. 6 and 7, an optical waveguide 60 has an input surface 62, an output surface 64, and a back surface 66. Input surface 62 is arranged to be positioned adjacent a light source (not shown) to provide a source of light incident on input surface 62. Light incident on input surface 62 is extracted from output surface 64 as a result of blocked TIR in optical waveguide 60. As discussed above, light output from optical waveguide 60 typically has non-uniformities, especially near input surface 62.
[0026]
FIG. 7 illustrates the addition of optical power to the back surface 66 of the optical waveguide 60 and the adjustment of the intensity extending away from the input surface 62. As shown in FIG. 6, the back surface 66 is an in-phase optical structure 68 arranged to enhance extraction near the input surface 62 and to taper to zero away from the input surface 62. It is formed. The pattern may also be non-tapered, ie, unchanged over the surface, increasing from zero, randomly varying, or distributed in individual regions. It is also possible that the optical structures have different phases, such as the optical structure 68 'formed on the back surface 66' of the optical waveguide 60 'shown in FIG. It will be appreciated that the pattern of optical structures may also be formed on the output surface 64 either separately or with a pattern formed on the back surface 66. Such an embodiment of the present invention is described more fully below, particularly with reference to FIGS. Returning to this discussion, the purpose of providing an optical structure is to achieve the effect of minimizing optical waveguide output non-uniformities wherever they occur. For example, the optical waveguide 60 shown in FIGS. 6 and 8 may have a non-uniformity that appears primarily adjacent to the input surface 62, which is an optical structure having greater optical power near the input surface 62. Would suggest additional.
[0027]
With particular reference to FIG. 7, an optical structure 68 may be formed on the surface 72 of the optical film 70. The optical film 70 may then be bonded to the wedge structure of the light guide 60 using ultraviolet (UV) curing, pressure sensitivity, or some other adhesive. Alternatively, the wedge may be molded in bulk and include an optical structure 68 on the back surface 66.
[0028]
As will be more generally appreciated from the foregoing discussion, virtually any feature of an optical structure is formed in an optical film that can be coupled to an optical waveguide or other bulk optical element, for example, by bonding. is there. For example, glare reduction, anti-wet-out, Fresnel, and virtually any other structure that may form on the surface of an optical film is easily replicated on the film, and the film is bonded to another optical element Sometimes.
[0029]
Films that incorporate the programmed optical structure may be manufactured using a micro-reproduction process. In such a manufacturing process, a master is made, for example, by cutting patterns into metal rolls, and the master is used to produce a film by extrusion, molding and curing, embossing, and other suitable processes. used. Alternatively, the membrane may be manufactured by compression or injection molding, molding, or roll forming. A preferred apparatus and method for microcopying is described in commonly assigned U.S. patent application Ser. No. 09 / 246,970, filed Feb. 9, 1999, entitled "Optical Film with Defect-Reducing Surfaces and Method of Making Same." No. 54176 USA 9A), the disclosure of which is hereby expressly incorporated by reference.
[0030]
As an example of the above-described features of the present invention, referring to FIG. 9, a linear Fresnel lens or prism 80 has a first surface 82 and a second surface 84 that are substantially planar. The second surface 84 is formed by a lens structure 86, and an additional optical structure 88 is overlaid on the lens structure 86. The optical structure 88 has features such as amplitude, duration, and aspect ratio, which vary from a first edge 90 of the lens 80 to a second edge 92 of the lens 80. The lens 80 may be formed in bulk, or, as shown in FIG. 9, a lens structure 86 including an optical structure 88 may be formed on a film 94 that is bonded to a bulk optical substrate 96. is there. With this application, the first surface 82 may be arranged as an input surface and the second surface 84 may be arranged as an output surface, and vice versa.
[0031]
FIGS. 10 and 11 schematically show a circular lens 81 including a first surface 83 and a second surface 85. The second surface 85 is formed to include a lens structure 87, for example, a circular Fresnel lens structure, and an additional optical structure 89 is overlaid on the lens structure 87. Optical structure 89 has features such as amplitude, duration, and aspect ratio, which vary, for example, from the outer periphery of lens 81 to the center of lens 81.
[0032]
Referring to FIG. 12, a film 100 having a varying amplitude pattern 102 of an optical structure 108 formed using a “V” shaped blade is illustrated. The pattern 102 may be formed on the top and / or bottom of the film 100. Similarly, the pattern 102 may be formed in a wedge or slab shape. The membrane 100 has a first edge 104 and a second edge 106. The optical structure 108 extends from the first edge 104 located on the pattern 102 toward the second edge 106. Each optical structure 108 may have several characteristics, such as amplitude, duration, and aspect ratio. Pattern 102 may also have features such as, for example, a pitch P that defines the spacing between optical structures 108. The optical structure 108 of FIG. 12 shows a change in amplitude. In a membrane 100 application, the grooves may be arranged such that the change in amplitude is perpendicular, parallel, or at an angle to the optical waveguide incorporating the membrane 100.
[0033]
With continued reference to FIG. 12, it can be seen that in the pattern 102, the optical structure 108 is formed with a large amplitude at the first edge 104 and decreases in amplitude toward the second edge 106. Larger amplitudes produce more optical power along the groove axis due to larger surface gradients. The light power of this pattern then decreases as a function of the distance from the first edge 104. This arrangement of optical structure 108 and pattern 102 is intentional.
[0034]
Referring to FIGS. 13 and 14, membranes 110 and 112 are shown, respectively. Each membrane 110 and 112 has features similar to membrane 100, and the same reference numerals are used to represent the same elements between them. In contrast to the pattern created by using a “V” shaped tool, the membrane 110 of FIG. 13 has a pattern 114 of optical structures 116 formed using a tool having a curved or arcuate shaped structure. . The membrane 112 of FIG. 14 has a pattern 118 of optical structures 120 formed using a flat nose tool. Patterns 114 and 118 are arranged as described to provide optical power to the surfaces of films 110 and 112. It will be appreciated that virtually any tool feature may be used with the particular tool selected to achieve the desired amount and shape of light power at the surface of the film.
[0035]
In the optical waveguide 121 shown in FIGS. 15 and 16, the first pattern 122 of the optical structure 124 is formed on the bottom surface 126, and the second pattern 128 of the optical structure 130 is formed on the upper surface 132 of the wedge 134. For purposes of illustration only, optical structure 124 is shown in FIG. 15 and extends slightly partially across bottom surface 126, and optical structure 130 is shown in FIG. 15 and partially extends across top surface 132. extend. It will be seen that the optical structure 124 and the optical waveguide 130 often extend across the entire bottom surface 126 and optical structure 130, respectively. The first pattern 122 may be arranged to facilitate the extraction of light from the wedge 134, while the second pattern 128 masks the non-uniform light output from the wedge. May be placed. However, it will be appreciated that the pattern implemented at wedge 134 will depend on the desired light output obtained from wedge 134. Further, as described above, the patterns 122 and 128 may be initially formed on an optical film that is later bonded to the wedge, for example, by bonding. In another configuration, surfaces 122 and 128 are formed on the wedge by injection molding or molding.
[0036]
As will be appreciated from the foregoing discussion, in accordance with a preferred embodiment of the present invention, the optical waveguide is an optical waveguide, ie, a "V" shaped groove, formed on either the first surface, the second surface, or both. Sometimes. The input surface, whether the first surface or the second surface, is associated with the orientation of the surface with respect to the light source. The optical structures may be uniformly or randomly spaced, and may have various other features. Therefore, the present invention can be applied to optical waveguides and backlight devices in various fields. One example of an application is a backlight device that extracts light by frustration of total internal reflection, where the light guide is an optical structure formed on either the back surface and / or its output surface. Yet another example is a backlight device that uses a pattern of dots to extract light and has an optical waveguide that includes optical structures formed on either the back or output surface, or both. These and other examples are described in more detail below.
[0037]
Referring to FIG. 17, a backlight 140 is illuminated and includes a light source 142 adjacent an input end 143 of a wedge optical waveguide 144. A rear reflector 146 is disposed adjacent the back surface 154 of the light guide 144 and a turning film 148 is disposed adjacent the output surface 150 of the light guide 144. The back surface 154 is formed by the optical structure 152. Optical structure 152 may be a groove formed in back surface 154, such as that shown in FIG. The grooves shown in FIG. 17 are "V" shaped grooves and have a prism angle of about 90 degrees, although prism angles ranging from 60 degrees to 120 degrees may be used. Shapes other than “V” shaped grooves may also be used for optical structure 152. Further, each optical structure may be formed to have a height that varies from a nominal value along its length. This change may have a wavelength in the range of about 1 m to 1000 m, and preferably less than about 140 m. Such a structure is disclosed and described in commonly assigned US patent application Ser. No. 09 / 025,183 entitled “Optical Film” (filed Feb. 18, 1998, attorney identification number 53772 USA6A), which is hereby incorporated by reference. Is hereby expressly incorporated by reference.
[0038]
Optical structure 152 is shown oriented substantially perpendicular to light source 142. It will be appreciated that the optical structure 152 may be oriented parallel to the light source 142 or at an angle between 0 and 90 degrees relative to the light source 142.
[0039]
Turning film 148 may be any suitable spectral turning film. For example, turning film 148 may be formed as described in the aforementioned U.S. patent application entitled "Optical Film with Variable Angle Prism".
[0040]
Rear surface 154 is formed to include optical structure 152. This results in some additional light being extracted from the light guide 144 through the output surface 150 in light of the light extracted from the back surface 154. Some of the light exiting the back surface 154 will strike the rear reflector 146 and will be reflected back through the light guide 144 and the output surface 150.
[0041]
Referring now to FIG. 18, a backlight 140 'is shown, similar in configuration to the backlight 140, wherein the same reference numerals are used to indicate the same elements. Dashed reference numbers are used to indicate elements that are modified from the backlight configuration shown in FIG. The backlight 140 'includes a light source 142 adjacent the input end 143 of the wedge optical waveguide 144'. A rear reflector 146 'is disposed adjacent the back surface 154' of the light guide 144 ', and a turning film 148 is disposed adjacent the output surface 150' of the light guide 144 '. The output surface 150 'is formed by the optical structure 152'. Optical structure 152 'may be a groove formed in output surface 150', as shown in FIG. The grooves shown in FIG. 18 are "V" shaped grooves and have a prism angle of about 90 degrees, although prism angles ranging from 60 to 120 degrees may be used. Shapes other than "V" shaped grooves may also be used for optical structure 152 '. Further, each optical structure 152 'may be formed to have a height that varies from a nominal value along its length. This height change may range from about 1 m to 1000 m, but may have a wavelength that is preferably less than about 140 m for optical waveguide applications. Such a structure is disclosed and described in the aforementioned US patent application Ser. No. 09 / 025,183 entitled “Optical Film”.
[0042]
Optical structure 152 'is shown oriented substantially perpendicular to light source 142'. It will be appreciated that the optical structure 152 'may be oriented parallel to the light source 142' or at an angle between 0 and 90 degrees relative to the light source 142.
[0043]
Forming the output surface 150 'and including the optical structure 152' results in additional light being extracted from the light guide 144 through the back surface 154 'in the light of the output surface 150'. Some light is also extracted from output surface 150 '. Some of the light exiting the back surface 154 'will strike the rear reflector 146' and will be reflected back through the light guide 144 'and the output surface 150. Thus, with respect to the backlight 140 ', it may be desirable to attach the rear reflector 146' directly to the back surface 154 '. This may be achieved by attaching a back reflector 146 'to the back surface 154'. Such an arrangement for the rear reflector 146 'is described in commonly assigned US patent application Ser. No. 09 / 414,124 entitled "Optical Waveguides with Directly Attached Reflectors and Method of Making Same" (October 1999). 8th Application), the disclosure of which is hereby expressly incorporated by reference. On the other hand, the back reflector may be formed on the back surface using a vapor deposition process. In embodiments where the reflector is mounted directly to the back of the light guide, it will be appreciated that the reflector needs to be mirror-like and have very low absorption and very high efficiency.
[0044]
As described above, changes in the amplitude of the optical structure, for example, reducing variations, eg, non-uniformities in the output of the backlights 140 and 140 ', respectively, are produced by the optical structures 152 and 152' formed on the back or output surface of the optical waveguide, respectively. In addition to the features. By other methods, such as bead blasting the optical structure, it is possible to give a similar change in the optical structure, but to form the groove with the described change in prism height is controllable, It provides a predictable, and thus preferred, method of reducing non-uniformity in backlight output.
[0045]
FIG. 19 shows the light output at the viewing cone located above the output of the backlight 140, ie, the light exiting the backlight 140 from the output surface of the turning film 148. What may be determined from the illustrated light output is on-axis brightness, maximum brightness, integrated intensity, horizontal distribution or half-width, and vertical distribution or half-width. FIG. 20 gives a similar distribution of the backlight 140 '. It can clearly be seen that the output of the backlight 140 'has a reduced horizontal distribution and a slightly increased vertical distribution. The on-axis brightness and the maximum brightness are increased for the backlight 140 ′ compared to the backlight 140, but the overall integrated intensity, ie, the total amount of output light from the backlights 140 and 140 ′ is approximately the same. is there. It can be seen from FIGS. 19 and 20 that the arrangement of the optical structures within the light guides 140 and 140 ′ will each affect the output of the backlight device. In the backlight 140 ′, the optical structure 152 ′ is formed on the upper surface of the light guide 144 ′, and additional collimation of the light output of the backlight 140 ′ is achieved in the light of the backlight 140. Further, since the optical structure 152 'may be formed with varying features, as described above, the light output from the backlight 140' may be coupled to other elements, such as additional optical films or diffusers. May be evened without.
[0046]
There are further advantages associated with providing an optical structure 152 ', including varying features, at the output surface 150' of the optical waveguide 140 '. One such advantage relates to the interface of the output surface 150 'with the turning film 148. Since the optical structure 152 'is formed on the output surface 150', relatively few points of contact will be between the prism of the turning film 148 and the output surface 150 '. This can result in a reduction in optical defects commonly referred to as wet out. As mentioned above, providing a change in the formation of the optical structure 152 'also helps mask defects in the output of the backlight, making the light output more uniform. Thus, another advantage of providing the optical structure 152 'on the output surface 150' may be the removal of the scattering film throughout the backlight device. The optical structure 152 'provides light collimation, as can be seen from FIG. 20, so that in accordance with the present invention provides a backlight device that requires less sheets of optical film in light of a typical backlight device. It is possible to do.
[0047]
FIG. 21 shows an optical waveguide 151, a turning film 153, an LCD display 154, and a rear reflector 155. Light is extracted from both the upper surface 161 and the rear surface 157 of the optical waveguide 151. A strong Fresnel reflection 156 between the back reflector 155 and the back 157 can capture a significant portion of the light extracted from the back 157. This light is eventually lost, leading to inefficiency. To remedy this situation, the reflective surface 158 of the rear reflector 155 'may be formed with an optical structure 159, as shown in FIG. Optical structure 159 may be a surface, groove, or other molded structure. Optical structure 159 reduces the specular component of the reflection from back reflector 155 'and helps to direct more light upward through light guide 151, thus increasing its efficiency. A suitable back reflector that includes an optical structure is the Enhanced Scattering Reflector (EDR) film product sold by 3M. The principles taught in FIG. 22 apply to virtually any backlight, including but not limited to backlights 140 and backlight devices according to additional preferred embodiments described herein. Those skilled in the art will recognize that there are times.
[0048]
Several adaptations, enhancements, and changes to the backlight arrangement have been described above. Still others can be appreciated and are within the scope of the present invention. It will be appreciated that the particular arrangement of the backlight device will depend on the application for which it is intended. Some examples are shown and described in connection with FIGS. 23-28 to illustrate the applicability of the present invention.
[0049]
Groove on back of optical waveguide
In FIG. 23, a backlight 160 includes a light source 162, a wedge optical waveguide 164, a back reflector 166, a turning film 168, and an optional additional optical film 170. The light guide 164 has an output surface 165 and a back surface 172 formed of an optical structure similar to the light structure 152 shown in connection with the light guide 144 of FIG. The optical structure may be formed directly on the optical waveguide 164 by injection molding or molding. On the other hand, the optical structure may be formed on a light-transmitting film attached to the back surface 172 of the optical waveguide 164.
[0050]
As the optical structure is formed on the back surface 172 of the light guide 164, additional light exits the light guide 164 through the output surface 165 against the back surface 172. However, light exiting from the back surface 172 strikes the rear reflector 166 and is reflected back through the light guide 164. A suitable reflector containing an optical structure is a grooved scattering reflector.
[0051]
According to another aspect of the backlight 160, the turning film 168 may be formed to include a scattering structure on the output surface 176. The optional optical film 170 is a brightness enhancement film, such as the BEF III optical film described above, a scattering reflective polarizing film product (sold as DRPF), or a spherical reflective polarizing film product (sold as DBEF). Sometimes, all of these are available from Minnesota Mining and Manufacturing Company.
[0052]
Groove on output surface of optical waveguide
In FIG. 24, a backlight 180 includes a light source 182, a wedge optical waveguide 184, a back reflector 186, a turning film 188, and an optional other optical film 190. Optical waveguide 184 has an output surface 192 formed with an optical structure similar to optical structure 152 'shown in connection with optical waveguide 144' shown in FIG. Optical waveguide 184 may be formed by injection molding or molding to include an optical structure on output surface 192. On the other hand, the optical structure may be formed on a light transmitting film attached to the output surface 192 of the optical waveguide 184. Such an arrangement potentially increases manufacturing flexibility and reduces manufacturing costs by simplifying mold design for optical waveguide 184. Instead of having a unique mold for each light guide, the light guide may be adapted according to the present invention by laminating the surface of the light guide with an optical film formed by the optical structure.
[0053]
Since the optical structure is formed on the output surface 192 of the light guide 184, additional light exits the light guide 184 from the output surface 192 in light of the light exiting the light guide from the back surface 193. However, light exiting the back 193 strikes the rear reflector 186 and is reflected back through the light guide 184. The rear reflector 186 is preferably mounted directly to the back surface 193 to ensure that most of the light exiting the back surface 193 is reflected back through the light guide 184. This may be achieved by applying a mirror or specular film to the back surface 193, or by vapor deposition over the back surface 193. When mounted directly on the back 193, the back reflector needs to be specular and highly efficient.
[0054]
According to another aspect of the backlight 180, the turning film 188 may be formed to include a scattering structure on the output surface 196. The optical film 190 is a brightness enhancement film, such as the BEFIII optical film, the scattering reflective polarizing film product (sold as DRPF), or the spherical reflective polarizing film product (sold as DBEF). All of which are available from Minnesota Mining and Manufacturing Company.
[0055]
In FIG. 25, the backlight 220 includes a light source 222, a wedge optical waveguide 224, a back reflector 226, and a turning film 228. Optical waveguide 224 has an output surface 230 formed by an optical structure (not shown). The optical structure may have a varying pattern, such as described in the aforementioned U.S. patent application entitled "Optical Film", formed using any suitably shaped blade. The optical structure may be formed directly on the light guide 224 by injection molding or molding, or the optical structure may be formed on a light transmissive film that is affixed to the output surface 230 of the light guide 224.
[0056]
Since the optical structure is formed at the output surface 230 of the light guide 224, additional light exits the light guide 224 through the back surface 232 in light of the light exiting through the output surface 230. This light strikes the rear reflector 226 and is reflected back through the light guide 224. A suitable reflector may be a grooved scattering reflector. The optical structure also provides non-uniform masking, thus eliminating the need for a diffuser in the backlight device.
[0057]
Also, because the optical structure may also provide collimation of the light exiting the light guide (see FIG. 20), a backlight device that requires less optical films than a typical backlight device in accordance with the present invention. It is possible to provide. In the embodiment shown in FIG. 25, there is a single optional optical film 238, which is a scattering reflective polarizing film product (sold as DRPF), available from Minnesota Mining and Manufacturing Company, or spherical reflective polarizing film. It may be a membrane product (sold as DBEF).
[0058]
Reuse of backlight device
In FIG. 26, a backlight 200 includes a light source 202, a wedge optical waveguide 204, a back reflector 206, and one or more other optional optical films 210 and 212. Optical waveguide 204 has a back surface 214 formed with an optical structure similar to optical structure 152 shown in connection with optical waveguide 144 of FIG. The optical structure may be formed directly on the optical waveguide 204 by injection molding or molding. On the other hand, the optical structure may be formed on a light transmitting film attached to the back surface 214 of the optical waveguide 204.
[0059]
The optical structure formed on the back surface 214 of the light guide 204 facilitates the extraction of light from the light guide 204. Thus, the optical structure allows for the removal of the scattered dot pattern typically used to extract light from the light guide. Some light exits the back surface 214, which strikes the rear reflector 206 and is reflected back through the light guide 204. A suitable back reflector is the Enhanced Scattered Reflection (EDR) film product sold by 3M.
[0060]
Removing the dot pattern to extract light from the light guide 204 may reduce the need to add scattering to mask the appearance of the dot pattern at the output of the backlight 200. Optional optical films 210 and 212 are sold as the aforementioned BEFIII optical film products arranged in a crossed configuration, namely a scattering reflective polarizing film product (sold as DRPF), a spherical reflective polarizing film product (sold as DBEF). ), And / or various combinations thereof, all of which are available from the Minnesota Mining and Manufacturing Company.
[0061]
In FIG. 27, a backlight 240 includes a light source 242, a wedge optical waveguide 244, a back reflector 246, a diffuser 248, and first and second optional additional optical films 250 and 252. The back reflector 246 is attached to the back surface 254 of the light guide 214 using a dot-patterned adhesive, as described in the aforementioned U.S. patent application entitled "Light guide with directly mounted reflector". Is preferred. Accordingly, the adhesive is arranged in a dot pattern typical of a take-out dot pattern.
[0062]
Optical waveguide 244 has an output surface 255 formed by an optical structure (not shown). The optical structure may have a changing pattern, as described above. The optical structure may be formed directly on the light guide 244 by injection molding or molding, while the optical structure may be formed on a light transmissive film affixed to the output surface 255 of the light guide 244.
[0063]
The optical structure, including the changing pattern, eliminates the need for a diffuser, such as the diffuser 248, which masks not only the dot pattern, but also other non-uniformities in the output of the backlight 240, as described. There is. Therefore, the diffuser 248 is optional. When used, optional optical films 250 and 252 may include the aforementioned BEF III optical film products arranged in a crossed configuration, ie, scattering reflective polarizing film products (sold as DRPF), spherical reflective polarizing film products (DBEF). And / or various combinations thereof, all of which are available from the Minnesota Mining and Manufacturing Company.
[0064]
Simulated wedge backlight device
Now, referring to FIG. 28, the backlight 260 includes a light source 262 and a pseudo wedge optical waveguide 264. The pseudo wedge optical waveguide 264 includes a first surface 266 and a second surface 268. The first surface may be formed with an optical structure 270, such as the optical structure 152 described in connection with FIG. The second surface may be formed with a faceted groove structure 272 that is arranged to be parallel to the light source 262, such as the optical structure 152 described in connection with FIG. The faceted groove structures 272 facilitate extraction of light from the optical waveguide by enhancing total reflection frustration. Although not shown, backlight 260 will also include a back reflector positioned adjacent second surface 268.
[0065]
The faceted groove structure 272 may have variable angle features. Each individual facet has a facet angle. If the faceted groove structure 272 includes variable angle features, the individual facet angles will vary from facet to facet. This arrangement of the faceted groove structures 272 may reduce the appearance of non-uniformities in the output of the backlight 260.
[0066]
While optical waveguide 264 is shown as a slab structure, optical waveguide 264 may be wedge. Further, the faceted groove structure 272 may be formed directly in the optical waveguide 264, for example, by injection molding or molding, or the faceted groove structure 272 may be formed in an optical film affixed to a slab or wedge optical waveguide. May be formed. The faceted groove structure may also vary in density as a function of distance from the light source 262.
[0067]
Still other modifications and alternative embodiments of the present invention will be apparent to those skilled in the art in view of the foregoing description. This description is to be regarded as illustrative only and is intended to teach those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and method may be varied substantially without departing from the spirit of the invention, and the exclusive use of all modifications falling within the scope of the appended claims is reserved.
[Brief description of the drawings]
FIG.
1 is a perspective view of a lighting device configured according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2
FIG. 3 is a perspective view of an optical film incorporating a programmed pattern of an optical structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3
FIG. 4 is a perspective view of an optical film incorporating a programmed pattern of an optical structure according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4
FIG. 4 is a perspective view of an optical film incorporating a programmed pattern of an optical structure according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5
FIG. 9 is a perspective view of a wedge of an optical waveguide incorporating a programmed pattern of an optical structure according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6
FIG. 9 is a perspective view of a wedge of an optical waveguide incorporating an in-phase programmed pattern of an optical structure according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7
FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line 7-7 of FIG.
FIG. 8
FIG. 9 is a perspective view of a wedge of an optical waveguide incorporating a different phase programmed pattern of an optical structure according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9
FIG. 4 is a perspective view of a linear lens structure incorporating a programmed pattern of an optical structure according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10
FIG. 3 is a plan view of a circular lens structure incorporating a programmed pattern of an optical structure according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11
11 is a schematic perspective view of the circular lens structure shown in FIG.
FIG.
FIG. 4 is a perspective view of an optical film incorporating a programmed pattern of an optical structure according to an alternative preferred embodiment of the present invention.
FIG. 13
FIG. 4 is a perspective view of an optical film incorporating a programmed pattern of an optical structure according to an alternative preferred embodiment of the present invention.
FIG. 14
FIG. 4 is a perspective view of an optical film incorporating a programmed pattern of an optical structure according to an alternative preferred embodiment of the present invention.
FIG.
FIG. 3 is a perspective view of an optical waveguide incorporating a first programmed pattern of optical structures on a top surface and a second programmed pattern of optical structures on a bottom surface, according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG.
FIG. 16 is a side view of the optical waveguide shown in FIG. 15.
FIG.
1 is an exploded perspective view of a backlight according to a preferred embodiment of the present invention;
FIG.
1 is an exploded perspective view of a backlight according to a preferred embodiment of the present invention;
FIG.
FIG. 18 is a diagram showing a light output distribution of the backlight shown in FIG. 17.
FIG.
FIG. 19 is a diagram showing a light output distribution of the backlight shown in FIG. 18.
FIG. 21
FIG. 2 is a side view of a conventional backlight.
FIG.
FIG. 2 is a side view of a backlight according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 23
FIG. 3 is a side view of various configurations of a backlight according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 24
FIG. 2 is a side view of a configuration of a backlight according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 25
FIG. 2 is a side view of a configuration of a backlight according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 26
FIG. 2 is a side view of a configuration of a backlight according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 27
FIG. 2 is a side view of a configuration of a backlight according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 28
FIG. 2 is a side view of a configuration of a backlight according to a preferred embodiment of the present invention.

Claims (35)

光導波路と、
前記光導波路に対して配置されて、光を前記光導波路内に導入する光源と、
前記光導波路の出力面および背面のうちの一方に形成され、光を前記光導波路から取り出すように配置された複数の光学構造と、
前記出力面に隣接して配置された転向膜と、
前記背面に隣接して配置された後方反射器と、を備え、
前記複数の光学構造は、前記光導波路の出力の不均一性にマスクを掛けるように配置された変化する特徴を有する、
バックライト。
An optical waveguide;
A light source disposed with respect to the optical waveguide, for introducing light into the optical waveguide;
A plurality of optical structures formed on one of the output surface and the back surface of the optical waveguide and arranged to extract light from the optical waveguide;
A turning film arranged adjacent to the output surface,
A rear reflector disposed adjacent to the back surface,
The plurality of optical structures have varying features arranged to mask the non-uniformity of the output of the optical waveguide.
Backlight.
前記複数の光学構造が複数の溝を備える、請求項1に記載のバックライト。The backlight of claim 1, wherein the plurality of optical structures comprises a plurality of grooves. 前記複数の溝が前記光源に略平行に配置される、請求項2に記載のバックライト。3. The backlight according to claim 2, wherein the plurality of grooves are arranged substantially parallel to the light source. 前記複数の溝が前記光源に略垂直に配置される、請求項2に記載のバックライト。3. The backlight according to claim 2, wherein the plurality of grooves are arranged substantially perpendicular to the light source. 前記複数の溝が前記光源に対して約0度から約90度までの間の角度で配置される、請求項2に記載のバックライト。The backlight of claim 2, wherein the plurality of grooves are disposed at an angle between about 0 degrees and about 90 degrees with respect to the light source. 前記複数の溝が「V」溝、平溝および円弧からなる形状群から選ばれた形状を有する、請求項2に記載のバックライト。The backlight according to claim 2, wherein the plurality of grooves have a shape selected from a group of shapes consisting of a "V" groove, a flat groove, and an arc. 前記後方反射器が前記背面に直接取り付けられる、請求項1に記載のバックライト。The backlight of claim 1, wherein the back reflector is mounted directly on the back surface. 前記後方反射器が前記背面に接着して結合される、請求項1に記載のバックライト。The backlight of claim 1, wherein the back reflector is adhesively coupled to the back surface. 前記後方反射器が粘着性ドットパターンによって前記背面に取り付けられる、請求項1に記載のバックライト。The backlight of claim 1, wherein the back reflector is attached to the back by a sticky dot pattern. 前記後方反射器が複数の光学構造を含むように形成され、それら光学構造は前記光導波路を通して戻る光の反射を強めるように配置される、請求項1に記載のバックライト。The backlight of claim 1, wherein the back reflector is formed to include a plurality of optical structures, the optical structures being arranged to enhance reflection of light returning through the optical waveguide. 前記光導波路が、ウエッジ光導波路、スラブ光導波路および疑似ウエッジ光導波路のうちの1つである、請求項1に記載のバックライト。The backlight according to claim 1, wherein the optical waveguide is one of a wedge optical waveguide, a slab optical waveguide, and a pseudo wedge optical waveguide. 前記複数の光学構造が光学膜に形成され、前記光学膜は前記光導波路に積層される、請求項1に記載のバックライト。The backlight according to claim 1, wherein the plurality of optical structures are formed on an optical film, and the optical film is stacked on the optical waveguide. 前記光導波路が、前記出力面および前記背面の各々に複数の光学構造を有して形成される、請求項1に記載のバックライト。The backlight according to claim 1, wherein the optical waveguide is formed with a plurality of optical structures on each of the output surface and the back surface. 前記変化する特徴が、前記出力面および前記背面のうちの一方の位置の関数として変化する、請求項1に記載のバックライト。The backlight of claim 1, wherein the changing feature changes as a function of a position of one of the output surface and the back surface. 前記変化する特徴の振幅が、前記光導波路の第1端部から前記光導波路の第2端部まで直線的に減少する、請求項1に記載のバックライト。The backlight of claim 1, wherein the amplitude of the changing feature decreases linearly from a first end of the optical waveguide to a second end of the optical waveguide. 光学膜であって、
第1面および第2面を有する光透過性膜と、
前記第1面に形成され、前記光学膜の出力の不均一性にマスクを掛けるように配置された変化する特徴を有し、該変化する特徴が、前記第1面上の該変化する特徴の位置の関数として変化するように構成される複数の光学構造と、
を備える光学膜。
An optical film,
A light-transmitting film having a first surface and a second surface;
A changing feature formed on the first surface and arranged to mask a non-uniformity of the output of the optical film, wherein the changing feature is a feature of the changing feature on the first surface. A plurality of optical structures configured to vary as a function of position;
An optical film comprising:
前記複数の光学構造が複数の溝を備える、請求項16に記載の光学膜。17. The optical film of claim 16, wherein said plurality of optical structures comprises a plurality of grooves. 前記複数の溝が前記光学膜の縁に略平行であるように配置される、請求項16に記載の光学膜。17. The optical film of claim 16, wherein the plurality of grooves are arranged to be substantially parallel to an edge of the optical film. 前記複数の溝が前記光学膜の縁に対して約0度から約90度までの間の角度で配置される、請求項16に記載の光学膜。17. The optical film of claim 16, wherein the plurality of grooves are disposed at an angle between about 0 degrees and about 90 degrees with respect to an edge of the optical film. 前記膜の前記第2面が、光学膜の背面および出力面のうちの一方に取り付けられるようになっている、請求項16に記載の光学膜。17. The optical film of claim 16, wherein the second surface of the film is adapted to be attached to one of a back surface and an output surface of the optical film. 前記溝が「V」溝、平溝および円弧からなる形状群から選ばれた形状を有する、請求項16に記載の光学膜。17. The optical film according to claim 16, wherein the groove has a shape selected from a group of shapes consisting of a "V" groove, a flat groove, and an arc. 前記変化する特徴の振幅が、前記光学膜の第1縁から前記光学膜の第2縁まで直線的に減少する、請求項16に記載の光学膜。17. The optical film of claim 16, wherein the amplitude of the changing feature decreases linearly from a first edge of the optical film to a second edge of the optical film. レンズであって、
第1面および第2面と、
前記第1面および前記第2面のうちの一方に形成され、前記レンズの出力の不均一性にマスクを掛けるように配置された変化する特徴を有し、該特徴が、前記面上の光学構造の位置の関数として変化するように構成される複数の光学構造と、
を備えるレンズ。
A lens,
A first surface and a second surface;
A variable feature formed on one of the first surface and the second surface and positioned to mask the non-uniformity of the output of the lens, the feature comprising an optical feature on the surface; A plurality of optical structures configured to vary as a function of the position of the structure;
A lens comprising:
前記レンズがフレネルレンズ構造を有し、前記複数の光学構造が前記フレネルレンズ構造に形成される、請求項23に記載のレンズ。24. The lens of claim 23, wherein the lens has a Fresnel lens structure, and wherein the plurality of optical structures are formed in the Fresnel lens structure. 前記レンズが線形レンズ構造および円形レンズ構造のうちの一方を備える、請求項23に記載のレンズ。24. The lens of claim 23, wherein the lens comprises one of a linear lens configuration and a circular lens configuration. 光導波路であって、
入力面、背面および出力面と、
前記入力面、前記背面および前記出力面のうちの1つに形成され、前記光導波路の出力の不均一性にマスクを掛けるように配置された変化する特徴を有し、該特徴が、前記面上の光学構造の位置の関数として変化するように構成される複数の光学構造と、
を備える光導波路。
An optical waveguide,
Input surface, rear and output surfaces,
A variable feature formed on one of the input surface, the back surface, and the output surface and arranged to mask a non-uniform output of the optical waveguide, the feature comprising: A plurality of optical structures configured to vary as a function of the position of the optical structure above;
An optical waveguide comprising:
前記複数の光学構造が膜に形成され、該膜は前記面に取り付けられる、請求項26に記載の光導波路。27. The optical waveguide of claim 26, wherein said plurality of optical structures are formed in a film, said film being attached to said surface. 前記膜がボンディングによって前記面に取り付けられる、請求項27に記載の光導波路。28. The optical waveguide of claim 27, wherein said film is attached to said surface by bonding. 前記複数の光学構造が「V」溝、平溝および円弧のうちの1つを備える、請求項26に記載の光導波路。27. The optical waveguide of claim 26, wherein the plurality of optical structures comprises one of a "V" groove, a flat groove, and an arc. 前記複数の光学構造が、前記入力縁に垂直に配置された複数の溝を備える、請求項26に記載の光導波路。27. The optical waveguide of claim 26, wherein the plurality of optical structures comprises a plurality of grooves disposed perpendicular to the input edge. 前記複数の光学構造が、前記入力面に対して0度から90度までの間の角度で配置される複数の溝を備える、請求項26に記載の光導波路。27. The optical waveguide of claim 26, wherein the plurality of optical structures comprises a plurality of grooves disposed at an angle between 0 and 90 degrees with respect to the input surface. 前記複数の光学構造が、パターン状に分散した複数の別個の光学構造を備える、請求項26に記載の光導波路。27. The optical waveguide of claim 26, wherein the plurality of optical structures comprises a plurality of discrete optical structures dispersed in a pattern. 前記複数の光学構造が前記背面および前記出力面の各々に形成される、請求項26に記載の光導波路。27. The optical waveguide of claim 26, wherein said plurality of optical structures are formed on each of said back surface and said output surface. 前記背面が複数の小面を有して形成され、前記複数の光学構造が前記出力面に形成される、請求項26に記載の光導波路。27. The optical waveguide of claim 26, wherein the back surface is formed with a plurality of facets, and wherein the plurality of optical structures are formed on the output surface. 前記変化する特徴が、前記面上の前記変化する特徴の位置の関数として変化する、請求項26に記載の光導波路。27. The optical waveguide of claim 26, wherein the changing feature changes as a function of a position of the changing feature on the surface.
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