JP2004528689A - フロントライト型ディスプレイ - Google Patents
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- G02B6/0038—Linear indentations or grooves, e.g. arc-shaped grooves or meandering grooves, extending over the full length or width of the light guide
Abstract
Description
【0001】
本発明は、前面照射型電子ディスプレイに関する。
【背景技術】
【0002】
フラットパネルディスプレイは、透過型光弁に均一な照射を提供するスラブ型ライトガイドによって通常、背面照射される(「バックライト」と呼ぶことが多い)。バックライトは、ディスプレイ用の主要光源または主に反射型ディスプレイ(「半透過型」と呼ぶことが多い)における補助照射源であってもよい。あるいは、フラットパネル反射ディスプレイは、反射型光弁の表示面からに均一な照射を提供するスラブ型ライトガイドによって前面照射されることができる(「フロントライト」または「フロントライトガイド」と呼ばれることが多い)。これにより、バックライトの排除および光弁における反射層の配置を行うことができ、それによって、フロントライトが消された場合に、十分に明るい周辺光状態においてディスプレイの反射率および明るさを増大する。フロントライトガイドは、表示画像を歪めたり著しく減衰したりしないように十分な透明度を有する必要がある。フロントライトガイドはまた、暗い周辺条件においてディスプレイを読むことが可能にするために十分な明るさレベルで、ディスプレイを均一に照射することが好ましい。
【0003】
米国特許第5,396,350号は、光を透過型光弁に反射するマイクロプリズムのアレイを有するバックライトを示している。
【0004】
米国特許第5,428,468号は、導波路と、導波路から光を反射するマイクロプリズムのアレイと、を用いる照射系を示している。米国特許第5,995,690号は、光を導波路から結合するための光抽出テープを示している。
【0005】
特開平11−344695A(WO9963394に相当)は、ライトガイド部分が成形プラスチックから構成される一体型フロントライトガイドおよびタッチパネルを示している。ライトガイドの上面は、透明樹脂層を用いてタッチパネルの下面に接合され、ライトガイドの下面は、光透過板より高い屈折率を有し、かつ光拡散顔料を含む透明または半透明の樹脂のインクによって形成される多角形または円形のドットパターンを有する。あるいは、ライトガイドの下面は、光透過板の入射側の端面に平行に形成される「微細なシボ形状」または「プリズム」(鋸歯型突出部として示される)によって形成されることができる。この参考特許のライトガイドは、上述の光拡散顔料による散乱または上述のシボ形状またはプリズムによる屈折を利用して、ライトガイドから光弁に光を抽出する。この参考特許における鋸歯型突出部は、ライトガイドの光入射端とは逆に面している鋸歯の傾斜部分によって指向される。
【0006】
特開2000−47178Aは、ライトガイド部分がくさび形状であり、その上面にスペーサのパターンを有する一体型フロントライトガイドおよびタッチパネルを示している。この参考特許のライトガイドはスペーサによる散乱を用いて、ライトガイドから光弁に光を抽出する。
【0007】
他の前面照射または背面照射またはディスプレイ装置は、米国特許第4,373,282号、同第4,528,617号、同第4,751,615号、同第4,799,137号、同第4,811,507号、同第4,874,228号、同第5,005,108号、同第5,050,946号、同第5,054,885号、同第5,190,370号、同第5,341,231号、同第5,359,691号、同第5,485,354号、同第5,506,929号、同第5,555,109号、同第5,555,329号、同第5,575,549号、同第5,594,830号、同第5,608,550号、同第5,608,837号、同第5,613,751号、同第5,668,913号、同第5,671,994号、同第5,835,661号、同第5,894,539号、同第6,011,602号、同第6,139,163号、EP 0 802 446 A1、特開昭61−188515A、特開平11−065764A、特開平11−110131A、特開平11−174972A、特開平11−260133A、特開平11−316553A、特開平11−065764A、特開2000−075293A、PCT出願WO 99/63394Aに示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
さまざまな照射型ディスプレイ装置が提案されているが、より薄く、より効率的またはより均一に照射する装置、より簡単に構成することが可能である装置、電力消費を低減した装置が現在必要とされている。現在の装置の多くは、光源によって供給光のすべてを利用するわけではない。そのような利用しない光をディスプレイに導くことが可能であれば、電力消費をさらに低減することが可能であり、ディスプレイの明るさを増大させることが可能である。
【0009】
上述の照射型ディスプレイ装置の一部は、散乱または屈折を用いて、ライトガイドから光を抽出する。このようなアプローチは、コントラストの低下を生じるか、またはディスプレイにおいて光弁に対する最適な角度より小さい角度で光を供給する可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、一態様において、
a)少なくとも1つの光源、
b)光源からの光をガイドに供給することができる少なくとも1つの光入力面と、表示面と、表示面に対向する光出力面と、を有し、光出力面がその上に光抽出層を有し、抽出層が実質的に平坦な光出射面を有し、かつガイドから光出射面を介して供給光を抽出する埋込み反射ファセットを含むフロントライトガイド、および
c)ガイドから抽出された光を受光し、その光の少なくとも一部を表示面に戻す反射型光弁、
を具備する照射型ディスプレイを提供する。
【0011】
ライトガイドは、たとえば、2つの主面を有する成形プラスチックまたはガラス(たとえば、普通の板ガラス)から容易に作製されることができる。主面の一方は表示面を形成し、そのまま用いられるか、または任意の保護上層を備えている。他方の主面は、光出力面を形成し、構造面付き平滑面シートの構造のある側に接着剤によって接合されるか、または他の方法で固着される。構造面は、ライトガイドの光出力面からシートの平滑面(光出射面)を介して反射型光弁に供給光を反射する構造のある側面にファセットを有する。平滑面シートの光出射面に任意の反射防止コーティングを施すことができる。ライトガイドは、ライトガイドと光弁との間に位置する微小構造反射光学素子を有するため、およびライトガイドが平滑表示面を備えることができるため、本発明の照射型ディスプレイは、比較的頑丈であり、ライトガイドの表示面に微小構造の光特徴部を有する照射型ディスプレイより損傷を受けにくい傾向がある。本発明のディスプレイの好ましい実施形態は、効率的に供給された光を抽出すると同時に、優れたコントラストおよび低い歪みを呈する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
「上方」「一番上」「上部」「上向き」「下方」「下」「下部」「下向き」などの語は、ディスプレイにおける構成要素の位置または向きを記載するために、本願明細書において用いられるとき、これらの語は、ディスプレイの表示面が水平であり、上から見られていると仮定し、便宜的に用いられるに過ぎない。これらの語は、完成したディスプレイまたは完成したディスプレイの実際の用途において、供給光または周辺光によって取られる経路に関して任意の必要な向きを示しているわけではない。本発明の構成要素の一部および互いの構成要素の関係はまた、基準面との比較によって好都合にも記載されることができる。本発明のために、基準面はフロントライトガイドの光出力面によって形成される(または厳密に接近している)平面であるとみなされ、上述した向きに関する慣例を用いれば、ライトガイドの下面であることになる。
【0013】
ここで図1を参照すると、全体を10で表す照射型ディスプレイが、略図の形態で示されている。光源42からの供給(言い換えれば非周辺)光は、結合器44に入射し、一般に1つ以上の点光源からディスプレイ10において使用するのに適した線光源に変換される。次に、供給光はフロントライトガイド12の光入力面14に入射し、図2および図3において以下にさらに詳細に説明するように、反射型光弁(この場合には反射LCD)36を通過してそこから戻る。ライトガイド12は、光入力面14から端部15に向かって厚みが減少するくさびの形状である。以下にさらに詳細に説明するように、ライトガイドは、くさびとして形成される必要はなく、用途によっては代わりに比較的一定の厚さである。可能なチッピングまたは破損を避けるために、ライトガイド12は端部15でナイフの刃のように先細りになることはない。ライトガイド12はまた、光出力面16および表示面18を有する。光学的に透明な接着剤(図1には図示せず)が、構造付き光抽出層32をライトガイド12の光出力面16に固着する。空隙35が反射LCD36の一番上に位置する偏光子38から層32の下面33を隔離する。反射層40は、反射LCD36の底部に位置し、(反射LCD36が光を通過させることができるように適切に変調を行うと仮定すれば、)アセンブリ22から反射LCD36を通過し、アセンブリ22に戻るように光を戻すように作用する。
【0014】
図2は、本発明の照射型ディスプレイ20を示している。図1のほぼ先細りになったライトガイド12とは異なり、ライトガイド22は、略平面形状を有する。光源42からの供給光線45などの光線は、表示面28における内部全反射によって、ライトガイド22の対向する端部25に向かって反射される。適切な角度で光出力面26に当たるときに、光線45は構造付き光抽出層32の中に入る。光線45が層32のファセット(図2には図示せず)に適切な角度で当たる場合には、光線45はファセットから反射され、層32の下面33を通って出射するため、ライトガイド22から抽出されることになる。抽出された光は空隙35を通過し、次に偏光子38および反射LCD36に入射する。反射LCD36が適切に変調を行うと仮定すれば、光線45は反射LCD36に入り、反射体40に当たり、反射LCD36および偏光子38によって層32およびライトガイド22に戻るように反射され、表示面28を介してライトガイド22から出射し、その結果、観察者48は光線45を見ることができる。
【0015】
周辺光レベルが十分に高いのであれば、観察者48は、光源42による照射がなくても照射型ディスプレイ20によって伝播される情報を見ることができる。周辺光線50などの周辺光線は、表示面28を介してディスプレイ20に入射し、上述のさまざまな構成要素および層を通過し、(反射LCD36が適切に変調を行うと仮定すれば、)反射体40に当たり、反射LCD36によって観察者48に向かって反射される。
【0016】
図1の照射型ディスプレイ10において、光源42からの供給光は、ライトガイド12内部の2つの先細りの面16、18との間で誘導される。図2の照射型ディスプレイ20において、光源42からの供給光がライトガイド22内部の2つの略平行な面26、28の間で誘導される。いずれの構成も用いることができ、ある種の利点を提供する。ライトガイド12などの先細りのライトガイドは、ディスプレイの照明のために供給光の大部分を提供する。一般に、その先細りの形状により、光学的に適切な熱可塑性ポリマーを成形することによって、このようなライトガイドを作製するのに最も好都合である。ライトガイド22などの略平面のライトガイドは、「一番上の」面を出射する迷光を削減し、抽出効率が低い可能性があるが、ディスプレイ全体の厚さの削減という利点も提供する。光学的に適切な熱可塑性ポリマーを成形することによって、略平面のライトガイドを作製することができ、代わりに板ガラスなどの低コストの耐久性のある材料から構成することができる。
【0017】
図3を参照すると、本発明のディスプレイにおいて用いるのに適した光抽出層が、拡大側面図に示されている。光抽出層32は、光出射面33と、ライトガイド22に面するか、またはライトガイド22に向かって先を向ける(好ましくは光学的に接触する)突出部52および53などの複数の突出部を有する上面と、を有する。面33は、「実質的に平坦」である。すなわち面33はディスプレイにおいて好ましくない歪みを誘発しないほど十分に平坦である。層32の上面は「構造付き」である。すなわち層32の上面は、層32の上面に当たる光線の方向または強度に影響を及ぼしうる微細形状の特徴部(突出部52および53など)を有する平面でない微細構造を有する。突出部52および53の側面には、ランド60aおよび60bなどのランド部分と、層32が作製される材料より低い屈折率の媒体(たとえば空気)を含むポケット58aおよび58bなどの包囲されたポケットと、が位置している。突出部は、ライザー54aなどのライザー部分と、プラトー55aなどのプラトー部分と、ファセット56aなどのファセット部分と、を有する。説明のため、突出部52および53などの突出部は「略台形」であると呼ぶことができるが、突出部が3つの側面のみであり、突出部の第4の側面を完成するために想像線を引くことによって形成される四辺形が2つの平行な側面を備えていない可能性もある。
【0018】
プラトーは、透明接着剤50を用いてライトガイド22に積層される。プラトー55aは、接着剤50に対して位置し、層32の他のプラトーと一般に同一平面に位置している。ファセット56aなどのファセットは、光抽出層32に「埋め込まれる」。すなわち、このようなファセットは層32の内部のライトガイド22の光出力面16と層32の光出射面33との間に存在する。ライザー54aは、プラトー55aに隣接し、プラトー55aは同様にファセット56aに隣接する。(当面は透明接着剤の任意の介在層を無視すれば、)ファセットは、光出力面26に隣接するか、または極めて近い位置にあり、光出射面33からより遠くに離隔されることが好ましい。
【0019】
ファセット56aなどのファセットは、供給光線46などのライトガイド22の入力面からの光が接着剤50およびプラトー55aを通過し、ファセット56aに当たり、下方に向かって反射し、それによって反射光学素子を用いて出射面33によってライトガイド22から抽出されることができるように向けられる。したがって、供給光は、反射光学素子を用いてライトガイドから抽出される。従来提案されてきた多くのフロントライトガイドは、たとえば、ライトガイドの出射面にプリズム(たとえば、鋸歯型、矩形波型または歯型)のような面を用いることによって、反射光学素子に左右される抽出機構を用いている。
【0020】
供給光は、基準面に対して垂直またはほぼ垂直な角度でライトガイドから抽出されることができる。言い換えれば、供給光は、反射型光弁に対してゼロまたはほぼゼロの入射角で抽出されることができる。これにより、屈折抽出に依存するライトガイドに比べて、光弁への抽出された光の結合を改善することができる。屈折抽出を用いて、その中心が基準面に対して約40°を超える抽出角を実現することは困難である。つまり、光弁に対する垂線に対して抽出される光の中心の50°未満の入射角を実現することは困難である。抽出される光がきわめて高い入射角で光弁に達する場合には、光弁は観察者に向かって光を効率的に反射しないか、または追加の光学素子(たとえば追加の屈折光学素子)が抽出された光を再指向するために必要となるかである。
【0021】
反射光学素子に基づく抽出器は、屈折光学素子に基づく抽出器より供給光の波長における変動に対して影響されにくい。このことは、従来提案されてきた一部の照射型ディスプレイに比べて、本発明の照射型ディスプレイにおける色の一様性を改善することができる。好ましくないゴーストおよびコントラストの低下を生じる可能性がある迷反射もまた、屈折抽出器に比べて反射抽出器を用いるとあまり目立たない。反射抽出器において生じる迷反射は、観察者から離れる方向に指向される傾向がある。屈折抽出器において、一部の迷反射は、観察者に向かって指向される傾向があり、全体のコントラストを低下させることになる。このような迷反射が雑音帯と解釈される場合には、視軸に沿った迷反射の存在は雑音源を表し、雑音対信号の比の低下を示している。
【0022】
したがって、本発明の照射型ディスプレイにおける反射抽出光学素子の利用によって、屈折光学素子の利用に比べて、設計の自由度および性能を改善することができる。
【0023】
当業者は、ランド60aおよび60bなどのランドが基準面に平行であるように図3には示されているが平行である必要はないことを十分に理解されたい。さらに、ライザー54aなどのライザーは、基準面に対して対称に傾斜している必要はない。同様に、ファセット56aなどのファセットも、基準面に対して対称に傾斜している必要はない。
【0024】
当業者はまた、ライトガイド22から反射LCD36への光の適切な抽出が行われる限り、光抽出層32上の突出部が図3に示されている以外の形状および向きであってもよいことも十分に理解されたい。光源42から供給光がライトガイド22に入射する角度、光抽出層32上の突出部の寸法、ピッチ、および角度方向は、供給光がディスプレイの表示面にわたって均等に分布されるように選択されることが好ましい。
【0025】
図4〜図6は、ライトガイドの底部からの全体的な光出力に関して、ランド長さに対するプラトー長さの比の効果を示している。図4は、全体を70で識別する照射型ディスプレイの一部の拡大側面図を示している。構造付き光抽出層71は、ランド80aおよび80bが側面に位置するライザー74、プラトー76、およびファセット78によって境界を定められている突出部72などの突出部を有する。層71におけるすべてのプラトーの全長は、層71におけるすべてのランドの全長より短い。つまり、ランド全長に対するプラトー全長の比は1:1より小さい。層71の比較的小さいプラトー全体の領域が原因で、利用可能な抽出窓は比較的小さく、ファセット78などの埋込みファセットの潜在的に反射する部分の一部は、光線46aなどの供給光が到達しがたい可能性がある。したがって、このような供給光線のより小さい一部が適切な角度で層71のファセットに到達することができるため、供給された光線がライトガイド22から出射面82を介して抽出されることができ、ライトガイド22からの全体的な光出力が所望より少ない可能性がある。
【0026】
図5は、全体を90で識別する照射型ディスプレイの一部の拡大側面図を示している。構造付き光抽出層91は、ランド100aおよび100bが側面に位置するライザー94、プラトー96、およびファセット98によって境界を定められている突出部92などの突出部を有する。層91におけるすべてのプラトーの全長は、層91におけるすべてのランドの全長より長い。つまり、ランド全長に対するプラトー全長の比は1:1より大きい。層91の比較的大きいプラトー領域のおかげで、ファセット領域の大部分またはすべてが反射のために利用可能であり、光線46bなどの供給光線は層91のファセットから反射され、ライトガイド22から光出射面99を介して抽出されることができる。したがって、図5の照射型ディスプレイにおいてライトガイド22の底部からの全体的な光出力は、図4の照射型ディスプレイより大きい傾向にある。
【0027】
図6は、ランド長さに対するプラトー長さの比とライトガイドの出射面からの光出力との間の関係を示すグラフである。一般に、ランド長さに対するプラトー長さの比が増大すると、光出力(または抽出効率)はほぼ対数関係で増大する。ランド全長に対するプラトー全長の比は少なくとも1:1であることが好ましく、少なくとも3:1であればさらに好ましい。一旦、すべてのファセットが供給光線に曝され、供給光線が到達可能になると、プラトー長さは著しく減少し、図6に示される曲線は平らになる。一般に、ランド長さの場合にはゼロより大きいことが好ましい。たとえば、光抽出層が軟質フィルムから形成される場合には、構造付き軟質フィルムを作製するために用いられると一般に考えられる型押し工具からフィルムをはがすことが困難であるほどランドは短くない方が好ましい。
【0028】
図7は、本発明の照射型ディスプレイ100の拡大部分側面図であり、光の漏れを生じうる原因を示している。光線46cなどの一部の光線は、構造付き光抽出層104の下面102における内部全反射によって上方に反射され、ファセット103などの埋込みファセットに向かう。ファセットの十分に小さい入射角で、光がファセットによって反射され、接着層105およびライトガイド108を通過して、通常の使用者の視軸から離れるように高い入射角でガイド108の上面106から出射する。この光は消失するため、画像の明るさに対する観察者の認識には影響しない。
【0029】
図8は、本発明の照射型ディスプレイ110の拡大部分側面図であり、ゴーストを生じうる原因を示している。光線46dなどの一部の光線は、埋込みファセット111などのファセットから下方に反射され、構造付き光抽出層114の出射面112から上方に反射され、接着層115およびライトガイド118を通過して、ライトガイド118の上面116から出射する。これらの光線は、図7の光線46cの場合より小さい入射角でライトガイド118を出射するため、照射源のゴースト像として目で見ることができる。
【0030】
図9は、図7に示されているような光の漏れを低減することができる構造付き光抽出層124と、図8に示されたタイプのゴースティングを低減することができる反射防止コーティングと、を有する本発明の照射型ディスプレイ120を示す拡大部分側面図である。層124の下面122から上方に反射される光線46eなどの光線は、埋込みファセット126およびライザー128によって屈折され、付近の埋込みファセット130およびライザー132による屈折によって層124に戻される。埋込みファセット126などのファセットから反射される線46fなどの光線は、層124の下面122に当たり、面122上の反射防止コーティング125があるために、面122を通過する。
【0031】
構造面より平面に均一な反射防止コーティングを施す方が容易である。したがって、最下面にある構造面によって光を抽出するために屈折光学素子を用いるフロントライトガイドの最下面ではなく、本発明のディスプレイに用いられる光抽出層の最下面(つまり光出射面)にそのようなコーティングを施す方が容易である。
【0032】
当業者は、出射面33の実質的に平坦な微細構造を維持し、表示画像に望ましくない歪みが入らないように注意を払う限り、反射防止コーティング層または他の光処理層または特徴部を出射面33に施すことができることを十分に理解されたい。
【0033】
当業者はまた、本発明のディスプレイに光を供給するために、2つ以上の光源を用いることができることを十分に理解されたい。たとえば、図2を再び参照すると、光入力面24に沿って複数の光源を配置することができる。図2には示されていないが、端部25に沿って複数の光源を配置することも可能である。光が入力面24および端部25の両方に沿って供給される場合には、構造付き光抽出層32の突出部(たとえば図3に示される突出部52,53などの突出部)は、入力面24および端部25の両方から供給光に関して対称に向けられるものとすることが好ましい。光が入力面24に沿ってのみ供給される場合には、端部25は、端部25に達する光をライトガイド22に戻すように指向するために、鏡面または他の適切な反射体を備えることが好ましい。
【0034】
図10は、ライトガイド142と、光の損失を低減することができる構造付き抽出層144と、を有する照射型ディスプレイ140の拡大部分側面図である。ライトガイド142は、光線46hなどの光をライトガイド142に反射する鏡面反射体または拡散反射体146を備えている。光源(図10には図示せず)を傾斜または偏らせることによって、反射体146に達する光の量をさらに低減することができる。その結果、その光出力の大部分が沿う軸はライトガイド142の上面に平行でない。光線46gなどの光線は、埋込みファセット148などのファセットから下方に反射され、層144から抽出される。光線46hなどの光線は、反射体146から層144に反射され、埋込みファセット148とは逆方向に傾斜される埋込みファセット150などのファセットからの反射によって下方に反射される。ライトガイド142の長さに沿って、このような逆方向に傾斜されるファセットを繰り返すことができる。
【0035】
図11は、本発明の照射型ディスプレイ160の分解側面図であり、合わせて組み立てることができる個々の層を示している。任意の保護膜161は、ライトガイド162の上面164に形成される。光学的に透明な接着層165および166が、キャリアフィルム168の両面に施され、排除される。構造付き光抽出層170は、適切な型押し工具を用いて、ベースフィルム172および光硬化可能樹脂から形成され、ベースフィルム172の一番上に光硬化構造面174を形成するために硬化される。所望であれば、ベースフィルム172の下面に任意の反射防止コーティング(図11には図示せず)を施すことができる。これは、連続的な方法を用いて構造面174がベースフィルム172上に形成される場合に特に好都合である。同様に連続的な方法を用いてベースフィルム172の裏面に反射防止コーティングを施すことができるためである。
【0036】
層170の構造面174に損傷を与えず、接着剤によって層170の突出部の間の空隙を満たさないように注意を払い、プラトー180aおよび180bなどの構造付き光抽出層170のプラトー部分は、接着層166に積層される。次に、ライトガイド162の光出力面163に接着層165を積層することができる。好都合なことに、結果として生じる組立品をそのままであるか、または追加のディスプレイ構成要素と組み合わせて販売することができる。たとえば、適切な反射型光弁の一番上に組立品を配置し、供給光の光源および適切な制御電子機器を装備することができる。別の例として、キャリアフィルム168の両面に光学的に透明な接着層165および166を塗布することが可能であり、接着層166を構造付き光抽出層170のプラトー部分に積層することが可能であり、結果として生じる組立品は、ライトガイドの光出射面に後で積層するためにそのまま販売される。
【0037】
所望であれば、反射LCD182の上面に接着層178を介して偏光子176を積層することによって、より完全な組立品を作製することができる。反射LCD182は、光変調装置184および反射層186を具備している。当業者は、他のより完成度の高いまたは低い組立品を容易に想像することができよう。
【0038】
図12は、本発明の別の照射型ディスプレイ190の分解側面図であり、組み立てられ、ライトガイド192の光出力面193に固着されることができる個別の層を示している。保護膜191は、ライトガイド192の上面194に形成される。光学的に透明な接着層195が、ライトガイド192の光出力面193に塗布される。構造付き光抽出層196は、適切な型押し工具を用いて、ベースフィルム198および光硬化可能樹脂から形成され、ベースフィルム198の一番上に光硬化構造面200を形成するために硬化される。層196の構造面200に損傷を与えず、接着剤によって層196の突出部の間の空隙を満たさないように注意を払い、構造層196が接着層202および偏光子204に積層される。所望であれば、ベースフィルム198の下面に任意の反射防止コーティング(図12には図示せず)を施すことができる。図12の組立品は、図11の組立品に比べて、光路にはより少ない層およびより少ない光学的境界を有するが、処理においておよび積層中、ある程度余計に注意を払う必要がある。
【0039】
ライトガイドは、任意の所望の全体サイズおよび厚さを有することができるが、できる限り薄く、たとえば5mmまたはそれ以下であることが好ましい。所期の表示観察地点から見た場合、ライトガイドは四角形、矩形、楕円形または任意の所望の形状であってもよい。ライトガイドのサイズおよび形状は、所望のディスプレイ装置のサイズおよび形状によって決定される。ライトガイドの厚さは約0.1mm〜約5mmであれば好ましく、約1mm〜約2mmであればさらに好ましい。
【0040】
ライトガイドは、ガラス、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレートなどのポリアクリレート、およびポリスチレンをはじめとするさまざまな光学的に適切な材料から作製されることができるが、ガラスと、ポリカーボネートなどの高い屈折率のプラスチックと、を有することが好ましい。ライトガイドの光入力面および表示面はそれぞれ、略平面であってもよく、凸形または凹形の曲率を備えていてもよい。光源が点光源または線光源である場合には、入射光をより均等に分布するために、光入力面は凸の曲率、小型レンズ、プリズム、粗面または他の特徴部を備えることができる。表示面は、透過損失、望ましくない散乱および歪みを最小限に抑えるために、光学的に滑らかな仕上げを備えていることが好ましい。
【0041】
光抽出層は、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレートなどのポリアクリレート、ポリスチレンをはじめとするさまざまな光学的に適切な材料から作製されることができるが、ポリカーボネートなどの高い屈折率のプラスチックを有することが好ましい。光抽出層は、旋盤回転工具または所望の構造面の陰複製を有する金属または他の耐久性のある材料から構成される他の形成面に対して、成形可能な樹脂を成形、型押、硬化または他の形成方法によって作製された軟質の構造付きフィルムであることが好ましい。このような形成面の作製および抽出フィルの成形、型押または硬化の方法は、当業者には公知であろう。
【0042】
所望であれば、実際の層を作製しなくても、ブロー・リサーチ・オーガニゼーション社(Breault Research Organization,Inc.)の「ASAP」、オプティカル・リサーチ・アソシエーツ(Optical Research Associates)の「コードV(Code V)」および「ライトツールズ(Light Tools)」、ウルフラム・リサーチ社(Wolfram Research,Inc.)の「オプティカ(Optica)」、およびフォーカス・ソフトウェア社(Focus Software,Inc,)の「ゼマックス(ZEMAX)」などの適切な光線追跡モデル化ソフトウェアを用いることによって、個別の光抽出層設計を評価することができる。
【0043】
光抽出層に存在する(および組み立てられたライトガイドおよび抽出層に埋め込まれている)ファセットは、通常の観察者の目に付かないようにするために、十分に小さいことが好ましい。光抽出層のファセットおよび他の光操作特徴部に関する構成、形状、寸法は、抽出効率を最大にし、所望の視角で均等に分布される光出力を提供するように選択されることが好ましい。
【0044】
突出部は、光抽出層の全幅にわたって延在することが好ましい。あまり好ましくないが、突出部は、全幅セグメントより短く、小さい形態であってもよく、列および行において互いに整列していてもよく、または列から列までずれていてもよい。突出部の列は1つ以上の光入力面に平行に配列されてもよく、1つ以上の光入力面に対して一定の角度をなしていてもよい。突出部は光抽出層の全幅にわたって延在し、1つ以上の光入力面に略並行であれば最も好ましい。
【0045】
図面に示される本発明のさまざまな実施形態において、構造付き光抽出層の個々の突出部は、突出部から突出部まで同一の角度方向、形状、寸法を有しているように示されている。突出部はすべて同一である必要はなく、すべてが同一の角度方向、形状または寸法を備えている必要はない。製作しやすくするために、一般に、ライザーセグメント、プラトーセグメント、ファセットセグメントが突出部から突出部まで同一の角度方向およびセグメント長さを有する突出部を備えた光抽出層を形成することが好ましい。このような突出部の間にあるランドセグメントはまた、所望であれば、角度方向およびセグメント長さにおいて互いに類似であってもよい。しかし、突出部は、ライトガイドの1つ以上の光入力面付近で比較的粗いピッチ(反復間隔)で離隔され、1つ以上の光入力面から遠い位置で比較的細かいピッチで離隔されることが好ましい。一方の端部のみから照射されるライトガイドの場合には、好都合なことに、光入力面からライトガイドの他方の端部の面まで光抽出層の長さに沿ってランドセグメントの長さを段階的に減少させることによって、間隔におけるこのような変化を実現することができる。好ましいピッチは1つ以上の光入力面において1mm当たり約0.06〜約12の突出部から1つ以上の光入力面から遠い位置では最大約250〜約1の突出部である。
【0046】
当業者は、モアレ干渉パターンまたは他の干渉パターンの形成をさまざまな方法で阻止または回避することができることを十分に理解されたい。干渉パターンがディスプレイの表示面において最小化または排除されるように、(たとえば、突出部の列の方向をピクセルの列の方向に対して数度傾斜することによって、)たとえば、反射型光弁におけるピクセルまたは他の反復素子の寸法、角度方向または間隔に対して、突出部の列の寸法、角度方向または間隔を調整することができる。
【0047】
各光抽出層のライザーセグメントは平面であるが、所望であれば、凸または凹の形状などの他の形状を用いることができる。ライトガイド内部の光の後方散乱のために生じる可能性がある望ましくない視覚的アーティファクトを回避するために、光抽出層のファセットおよび他の構造面部分は光学的に滑らかであることが好ましい。
【0048】
光抽出層の厚さは約20μm〜約500μmであることが好ましく、約75μm〜約125μmであればさらに好ましい。ファセット高さ(言い換えればランド深さ)は約5μm〜約50μmであれば好ましく、約7μm〜約20μmであればさらに好ましい。ファセットは十分な高さを有する限り、選択された抽出層の厚さが抽出効率に及ぼす影響は比較的小さい。
【0049】
ファセット高さが増大し、ライトガイド厚さが減少するか、または突出部ピッチが減少すると、抽出効率は増大する傾向にある。すなわち、(ファセット高さ)/[(ライトガイド厚さ)*(ピッチ)]に比例して増減する傾向にある。少し表現を変えると、抽出効率は、ライトガイド入力面の総断面積によって除算されるファセットの総断面積に比例して増減する傾向にある。
【0050】
本発明のディスプレイのさまざまな層を組み立てるために用いられる接着層は、感圧性接着剤、熱、紫外線または電子ビームなどのエネルギー源を用いて硬化される接着剤または許容可能な光学特性および機械特性を有する任意の他の接着剤のいずれであってもよい。適切な接着剤および接合技術は、当業者には公知である。所望であれば、接合対象である面の一方または両方に接着剤を塗布し、積層組立品を形成するために、そのような面を共に接合し、硬化を実現するために、積層組立品の一方の側面または両方の側面を介して適切な硬化エネルギー(たとえば紫外線または電子ビーム)に1層または複数の接着層を曝すことによって、組み立てた後、1層以上の接着層を硬化することができる。
【0051】
ライトガイドと光抽出層との間の接着層は、注意して塗布する必要がある。たとえば、ライトガイドの光出力面全体およびその上に積層される光抽出層にこのような接着剤を塗布することができる。所望であれば、たとえば米国特許第5,545,280号に記載されているように、光抽出層のプラトー部分のみの一番上およびライトガイドの光出力面に積層される結果として生じる部分的にコーティングされる面に接着剤を塗布することができる。いずれの場合も、光抽出層の構造面に損傷を与えず、接着剤によって突出部の間のポケットが満たされないように、しかるべき注意を払う必要がある。
【0052】
所望であれば、積層前に、光抽出層が構成される材料より低い屈折率の適切な流動性(好ましくは硬化可能な)材料で突出部の間のポケットを満たすことができる。これにより、ライトガイドに対する光抽出層の積層を簡単に行うことができ、接着剤がポケットを満たさないようにすることができる。しかし、流動性材料の屈折率が空気の屈折率と光抽出層が構成される材料の屈折率の間にある場合には、このような流動性材料の使用は、ファセットの反射特性に悪影響を及ぼす可能性があり、空気で満たされたポケットの使用に比べて、全体的な抽出効率を低下させる可能性がある。
【0053】
本発明の照射型ディスプレイは、小さなバッテリによって電源が供給される発光ダイオード(LED)によって照射される超小型または小型の装置に特に有用である。適切な装置としては、携帯電話、ポケットベル、個人用携帯情報端末、置時計、腕時計、計算機、スチールビデオカメラ、ラップトップコンピュータ、自動車のディスプレイなどが挙げられる。このような装置における反射型光弁は、さまざまなカラー装置またはモノクロ装置を用いて、作製されることができる。たとえば、反射型光弁は、コンパック(COMPAQ)のアイパック(iPAQ)(商標)ポケットPCにおいて用いられているような反射カラーLCDであってもよい。反射型光弁はまた、米国特許第6,064,784号、PCT出願WO 00/75720に記載されているような装置などの内部全反射を制御不能にすることができる装置、ポスターまたは標識(たとえば、印刷されたメニューなどの一定のグラフ上の図案または(ジリコン・メディア社(Gyricon Media Inc.))による開発中の)「ジリコン(Gyricon)」電子ディスプレイ材料などの可変外観基板であってもよい。本発明の照射型ディスプレイは、2つ以上の光源、たとえば3つまたはそれ以上のLEDによって照射されることができる。カラー光源のアレイ(たとえば1つ以上の赤、緑、青の各LED)を用いることができ、アレイの光源は連続的またはストロボアドレス指定機構を用いて電子的にエネルギーが印加される。LEDに加えて、本発明のディスプレイ用の他の適切な照射源としては、蛍光灯または白熱灯、エレクトロルミネセンス光などが挙げられる。本発明の照射型ディスプレイ用の特に好ましい光源は、2001年4月6日出願の同時係属出願番号第09/844,745号に記載されている「直線照射源(LINEAR ILLUMINATION SOURCE)」を用いる。
【0054】
本発明のさまざまな修正および変更は、本発明の範囲および精神を逸脱することなく、当業者には明白であろう。本発明は、上記の例示の実施形態に制限されるわけではないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【0055】
【図1】本発明の照射型ディスプレイの側面図である。
【図2】図1のディスプレイの簡略化した側面図であり、周辺光線および供給光線によって取られた一般的な経路を示している。
【図3】図1および図2のディスプレイの一部の拡大側面図であり、構造付き光抽出層および供給光線によって取られた経路を示している。
【図4】ランド長さに対するプラトー長さの比が小さい本発明の照射型ディスプレイの一部の拡大側面図である。
【図5】ランド長さに対するプラトー長さの比が大きい本発明の照射型ディスプレイの一部の拡大側面図である。
【図6】ランド長さに対するプラトー長さの比と抽出効率との間の関係を示すグラフである。
【図7】光の漏れの原因を示す拡大部分側面図である。
【図8】ゴースティングの原因を示す拡大部分側面図である。
【図9】光の漏れおよびゴースティングを低減することができる抽出構造を示す拡大部分側面図である。
【図10】光の漏れを低減することができるライトガイドおよび抽出構造を示す拡大部分側面図である。
【図11】本発明のディスプレイの分解側面図である。
【図12】本発明の別のディスプレイの分解側面図である。
Claims (18)
- a)少なくとも1つの光源、
b)前記光源からの光をガイドに供給することができる少なくとも1つの光入力面と、表示面と、前記表示面に対向する光出力面と、を有し、前記光出力面はその上に光抽出層を有し、前記光抽出層は実質的に平坦な光出射面を有し、かつガイドから前記光出射面を介して供給光を抽出する埋込み反射ファセットを含む、フロントライトガイド、および
c)前記ガイドから抽出された光を受光し、その光の少なくとも一部を前記表示面に戻す反射型光弁、
を具備する照射型ディスプレイ。 - 前記ガイドが前記光入力面に対向する反射面を有し、前記ファセットの一部が傾斜され、前記反射面から反射された供給光が前記ガイドからそのような傾斜ファセットを介して抽出される請求項1に記載のディスプレイ。
- 前記ガイドが先細りのプラスチックシートを具備し、前記抽出層が前記ガイドに面する構造面と、前記ガイドとは逆方向に面する平滑面と、を有する請求項1に記載のディスプレイ。
- 前記ガイドが平面ガラスまたはプラスチックシートを具備し、前記抽出層が前記ガイドに面する構造面と、前記ガイドとは逆方向に面する平滑面と、を有する請求項1に記載のディスプレイ。
- 前記抽出層が、前記ガイドに面する複数の突出部を含む構造面を有するフィルムを含み、前記ファセットに隣接しかつ前記突出部の間にあるポケットが、前記フィルムが作製された材料より低い屈折率を有する媒体を含む請求項1に記載のディスプレイ。
- 前記突出部が略台形の形状を有する請求項5に記載のディスプレイ。
- 前記突出部は前記ファセットを含み、ライザーおよびプラトーをさらに含み、供給光が前記光出力面からプラトーを通過し、その後前記光出力面を介してファセットから反射される請求項5に記載のディスプレイ。
- ランドが前記突出部を離隔し、前記ポケットが空気を含む請求項5に記載のディスプレイ。
- ランド全長に対するプラトー全長の比が1:1より大きい請求項8に記載のディスプレイ。
- 前記比が3:1より大きい請求項9に記載のディスプレイ。
- 前記突出部が、供給光が前記表示面にわたって均等に分布されるような寸法、ピッチ、および角度方向を有する請求項5に記載のディスプレイ。
- 前記出射面から反射され、かつファセットによって屈折される供給光が、付近のファセットによって屈折され、前記光抽出層の中に指向されることによって戻される請求項5に記載のディスプレイ。
- 前記突出部が、前記光入力面付近で比較的粗いピッチで離隔され、前記光入力面から遠い位置で比較的細かいピッチで離隔される請求項5に記載のディスプレイ。
- 前記突出部が、モアレパターンが前記表示面上に見えないような寸法、ピッチ、および角度方向を有する請求項5に記載のディスプレイ。
- 実質的にすべてのファセット領域が供給光にとって接近可能である請求項1に記載のディスプレイ。
- 前記光出射面に反射防止コーティングをさらに含む請求項1に記載のディスプレイ。
- 前記コーティングと前記光弁との間に空隙をさらに含む請求項16に記載のディスプレイ。
- 請求項1に記載のディスプレイを含む携帯電話、ポケットベル(pager)、個人用携帯情報端末、置時計、腕時計、計算機、ラップトップコンピュータまたは運搬用車両。
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