JP2007503019A - 明度上昇物品 - Google Patents

Abstract

見る方向内に光源からの輝度を調整する明度上昇物品を提供する。プリズム側面（４４）は光提供表面（１４）からの光を集める。一つの態様では、このプリズム側面（４４）は、一連の縦方向の台形プリズム要素（３８）を形成する一連の実質的に並行な溝（３０）を有する。各台形プリズム要素（３８）は、光源（１８）に向けて配置された表平面（４６）ならびに前記表平面（４６）から後ろに延び、それぞれ、表平面（４６）に対して第一および第二基部角度βを形成する第一および第二のレッグ（３４，３６）を有する。ここで、第一および第二の基部角度βは両方とも、９０度＜基部角度β＜１２０度を満たす。

Description

本発明は一般に明度上昇物品に関し、さらに詳しくはバックライト表示装置、例えばラップトップLCDディスプレイで使用するための明度上昇物品に関する。

LCDディスプレイはCRTモニターのコンパクトで軽量な代替物である。その利点にもかかわらずLCDディスプレイは、特に軸外角度から見たときに明度、より正確には輝度が限定される（ここで、光軸は一般にLCDディスプレイ表面に対して垂直である）。光軸に沿って正面から見ると、LCDディスプレイはほとんどのラップトップコンピューター用途に充分な輝度を有するであろう。しかし光軸に対して観者の角度が大きくなるにつれて、輝度が急速に低下する。

従来のラップトップコンピューターディスプレイに使用されている透過型LCDはバックライトディスプレイ型であり、光を外に向け、LCDに向けて方向付けするためにLCDの後に配置された光提供表面を有する。光提供表面それ自体は、本質的にランバーティアン（Lambertian）、すなわち広範囲の角度からの本質的に一定の輝度を有する。軸上および軸近傍の輝度を増加させることを目標にして、ランバーティアン分布を有するこの光の一部を向け直すために多くの明度上昇フィルムが提唱されている。LCDディスプレイとともにおよび他のタイプのバックライトディスプレイとともに使用するための明度または輝度上昇のために提唱されている解決策には次のものがある：

米国特許第5,592,332号（Nishioら）は、LCDディスプレイ装置の光の角度範囲を調整するために2つの交差するレンティキュラーレンズ表面の使用を開示する。

米国特許第5,611,611号（Oginoら）は、所望の光拡散と輝度を得るためにフレネルレンズとレンティキュラーレンズシートとの組合せを使用するリアプロジェクションディスプレイを開示する。

米国特許第6,111,696号（Allenら）は、ディスプレイまたは照明装置のための明度上昇物品を開示する。'696特許に開示された光学フィルムでは、照明源に面する表面は平滑であり、反対の表面は、照明角度を向け直すために一連の構造、例えば三角プリズムを有する。'696特許に開示されたフィルムは軸外の光を屈折させて、より狭い角度で光を方向付けするためのある程度の補正を与える。しかしこのフィルムデザインは、軸外の光を向け直すのに最も良く作用するが、フィルム表面に垂直の入射光は、透過されずに反射して光源に戻される。

米国特許第5,629,784号（Abileahら）は、反射形のLCDディスプレイの明度、コントラスト比、および色均一性を高めるためにプリズムシートを使用する種々の態様を開示する。'784特許に開示された態様では、'696特許と類似の明度上昇フィルムが配置されており、周囲の光の低下と同様に、輝度を上昇させる効果を提供するために、その構造化表面は反射光源に面している。この部品は反射型画像形成装置とともに使用されるため、'784開示のプリズムシートは、透過LCDシステムについて使用される位置（すなわち光源とLCDの間）ではなく、観者とLCD表面との間に置かれる。

米国特許出願第2001/0053075号（Parkerら）は、LCDディスプレイの光再配向フィルムで使用される種々のタイプの表面構造物（プリズムおよび他の構造物を含む）を開示する。

米国特許第5,887,964号（Higuchiら）は、LCDディスプレイ内のバックライト伝播と輝度の改良のために各表面に沿って延びるプリズム要素を有する透明プリズムシートを開示する。上記'696特許について記載したように、光軸上の光の多くは、この構成により透過されるのではなくむしろ反射される。光源に関して、'964に開示されるプリズムシートの配向は、'696の開示で使用されたものとは逆である。'964の開示に示された配置は、小型のハンドヘルドディスプレイにのみ使用可能であり、ランバーティアン光源を使用しないことを強調したい。

米国特許第6,356,391号（Gardinerら）は、プリズムのアレイ（この場合、プリズムは異なる大きさを有することができる）を使用して、LCDディスプレイ内で光を向け直すための一対の光学的転換フィルムを開示する。

米国特許第6,280,063号（Fongら）は、フィルムの一方の側に尖っていないまたは丸くなったピークを有するプリズム要素を備えた明度上昇フィルムを開示する。

米国特許第6,277,471号（Tang）は、湾曲小面を有する複数の全体に三角形のプリズム要素を有する明度上昇フィルムを開示する。

米国特許第5,917,664号（O'Neillら）は、従来のタイプのフィルムと比較して「ソフト」なカットオフ角度を有し、従って見る角度が大きくなっても輝度の変化が小さい明度上昇フィルムを開示する。

米国特許第5,839,823号（Houら）および同第5,396,350号（Beesonら）は、種々のプリズム構造物（例えば透明の基壁に取り付けられた台形プリズム）を含む光リサイクル特徴を有する背面結合照明システムを開示する。熱が問題になる照明装置内の光の向け直しについて、Houの'823開示およびBeesonの'350開示に記載の解決策は、反射体を備えた非ランバーティアン光源を使用し、あまり均一ではない出力を提供する。

図1は、あるタイプの従来技術の解法であり、光源18から提供される光を増強するための明度上昇物品10を示す。明度上昇物品10は、光提供表面14（これは反射表面19を有する）に面する平滑な側12を有し、LCD部品20に面するプリズム構造物16の列を有する。米国特許第6,111,696号および同第5,629,784号（いずれも上記した）および同第5,944,405号（Takeuchiら）に記載のようなこの配置は一般に良好に作用し、軸外の光線を屈折させ、この光を垂直な光軸に近くなるように向けることにより軸上輝度を改良している。図1に示すように、軸外の光線R1は垂線方向に向けて屈折される。しかし内部全反射（TIR）のために、軸近傍の光R3はより極端な角度で垂線から離れて屈折されることがある。さらに軸上の光線R4は実際、LCD部品20に向けられるのではなく、反射表面19からの拡散と反射のために反射されて、光提供表面14方向に戻る。軸近傍光のこの屈折および光提供表面14へ戻る軸上光の少なくとも一部の反射は、後述されるように視野角に対して照明輝度を調整するように作用する。光提供表面14と反射表面19の作用により、明度上昇物品10から反射さて戻った光の一部は最終的に拡散され、再度概ね垂直な角度でLCD部品に向けて再度外に方向付けられる。

次に明度上昇物品10の目的は、光提供表面14から大きな角度範囲にわたって提供される光を向け直すことであり、こうしてLCD部品20に提供する出射光はより狭く垂線に方向付けられる。このようにすることで明度上昇物品10は、ディスプレイ表面に対して垂線のところで真っ直ぐに見たときのみでなく、斜めの角度から見たときもディスプレイ輝度を改良することを助ける。

垂線からの観者の角度が大きくなると、認識される輝度は閾値角度を超えて大きく低下する。図2のグラフは輝度曲線26であり、従来技術の明度上昇物品10を使用した場合の、観者の角度に対する輝度の特徴的な関係を示す。予測されるように輝度は垂線で最大になり、垂線の両側の閾値カットオフ角度θ_{カットオフ}を超えて低下する。しかし角度θ_{カットオフ}後にわずかな上昇があるが、この作用は無駄な光であり、LCDディスプレイ自体の特性のために観者には容易に認識されない。

図2の輝度曲線26では、明度上昇部品の具体的な興味のある多くの特徴がある。1つの特徴は曲線の全体形状である。視野角範囲にわたる全体的な輝度は、これらの角度の曲線下の面積に比例する。典型的にピーク輝度値は、予測されるようにほぼ垂線で起きる。改良された視野角範囲を得るために、明度上昇物品は光を再分配して各輝度曲線26の形を変える。目的のもう一つの特徴は、カットオフ角度θ_{カットオフ}に関する。θ_{カットオフ}より大きな角度では、輝度は顕著に低下する。θ_{カットオフ}を超える角度で提供される光は基本的に無駄である。従って、輝度曲線26のピーク輝度レベル、θ_{カットオフ}および全体形状をある程度の制御を可能にする技法を設計することが有利であることがわかる。図2の特徴的な様式を考慮して、米国特許第5,917,664号の開示は、大きさの変化するプリズム構造物を使用して「よりソフトな」カットオフ特性を与える明度上昇物品を開示する。'664特許の方法は、異なる表面プリズム構造物の複雑な構成を使用して、明度応答曲線の形状を変えて、それによって軸外の角度のところでより大きな輝度が得られる。

'664開示のアプローチは、軸外輝度のある程度の改良を与えるが、軸外輝度の改良を達成するために明度応答曲線をさらに改変する必要性を提案するさらなる検討材料がある。図3では、LCD部品20を通過して方向付けられる2つの光線が示される：即ち、垂線入射Nでの光線R5と斜め角度Qでの光線R6。光線R5とR6の両方に沿って提供される光は光源のところでは同じ照度を有していても、LCD部品20を通して認識される輝度は、LCD構造体の特性のために斜めの角度Qで減衰することがわかっている。比較範囲の値として、例えばLCD部品20の表面に対して垂線入射Nで光線R5由来の光は正規化された照度1.0を有し、垂線から20度斜めの角度Qでの光線R6由来の光は、約0.8の相対的に正規化された照度を有する。実際このLCD特性は、明度応答曲線を平滑にすることにより与えられる増加された光照度を少なくとも部分的に打ち消すように作用する。従って、光を、広くした範囲の角度全体に提供した場合であっても、LCD特性それ自体が、斜めの視野角で利用できる輝度レベルを限定する。

従来のアプローチ（例えば、前記した従来技術の開示に記載されたもの）はある程度の明度上昇を示すが、これらのアプローチはいくつかの欠点を有する。従来技術のアプローチの1つの顕著な欠点は、光挙動とそれがどのように改質されるかを予測することが困難なことである。すなわち既存の設計は機能するかもしれないが、従来法は輝度曲線26の全体形状やカットオフ角度値θ_{カットオフ}のような因子を超える充分な制御のための手段が無いようである。実際、いったんフィルムが作成されると、表面構造物の形や大きさに対する変化の効果は経験的に評価される。しかし試行錯誤の設計法は、具体的な用途で充分機能する明度上昇物品の設計に充分ではなく、かかる方法はこの目的の原型フィルムの開発コストが高くなる。

前掲の各特許に開示されているように、別々のプリズム構造物のマトリックスとして、そして引き延ばされたプリズム構造物としての両方の、複数の三角プリズムを使用する構成（これらのプリズムの先端が光源に面しているものおよび光源から離れて面しているものの両方がある）を含む種々の型の屈折表面構造物を有する明度上昇物品が提唱されている。より広い意味では、これらおよび他のタイプの表面構造物が、明度上昇以外の特別な目的のためにLCDと一緒に提案されている。例えば、論文「P-29：LCD用の視野角調節フィルムの設計（P-29: Design of the Viewing-Angle-Controlling Film for LCD）」、SID 00 Digestにおいて、著者Li, Zhang, ZhangおよびZhangは、ディスプレイの視野角を制御するためにLCDの外で光源から離れるように向いている台形および楕円体プリズム構造物の両方を含む組合せ物の使用を提唱する。著者Liらはこれらのプリズム構造物の大きさを操作することが、±20〜±90度以内の特定の視野角で、LCディスプレイを必要とする用途に適する最適化をどのように可能にするかを記載する。しかし明度上昇物品とは異なり、Liら開示のプリズムセルアレイは、光を向け直して輝度を改良するよりも、視野角範囲内でディスプレイカラーとコントラストのような光学特性を改良するように設計されている。

表示輝度を改良するために行われている多大な努力にもかかわらず、まだ改良の余地がある。LCDディスプレイ装置は依然として、輝度を上昇しコントラストを改良するための複数のフィルムを必要とし、ディスプレイパッケージングの複雑さと大きさが増大している。輝度曲線の形とカットオフ角度を改良するために複雑な構造物を使用する従来技術の方法に対して、曲線の特性とカットオフ角度をより正確に制御するための単純化された方法が有利であろう。従って、光効率的で、カットオフ角度を含めた輝度特性をある程度制御可能にする明度上昇物品に対するニーズがあることがわかる。
本発明の目的は、輝度特性の改良された制御を可能にし、軸上のまたは軸外視野角でのディスプレイの改良された表示視認性を与える明度上昇物品を提供することである。

これを考慮して本発明は、入射光を透過し、見る方向内に当該光を選択的に向け直すための明度上昇物品であって、実質的に台形断面を有する一連の相隔たるプリズム要素を含む、前記光を受けるためのプリズム表面を含み、
前記台形プリズム要素が：
(a) 入射光に向いて配置された表平面；
(b) 入射光から離れて配置され、前記プリズム要素の基部を接続する、前記表平面より大きな基部平面；および
(c) 前記表平面から後ろに前記基部平面まで延びる第1および第2の非平行面であって、前記プリズム要素内で、当該非平行面と前記表平面との間に90度より大きく120度より小さい角度（β）をそれぞれ形成する第1および第2の非平行面
を含んで成る明度上昇物品を提供する。

本発明はまた、改良された表示装置と明度上昇方法とを提供する。本発明を用いると、視る目的のためにより良好な光分布を可能にする。

本発明の特徴は、好適な輝度を与えるために、ディスプレイを通過する軸外光を導くための引き延ばされた台形プリズム要素または台形プリズム要素のマトリックスを有する明度上昇物品を提供することである。

本発明の利点は、明度上昇のための効率的な媒体を与えて、軸上の光を反射せずに透過させ、軸外光を垂線方向に向けることである。

本発明のさらなる利点は、入射光のカットオフ角度を制御するための簡単な方法を提供することである。従って本発明の上昇物品は従来技術のフィルムタイプより有利であり、光取り扱い特性のためにある程度の予測性を持ってフィルム設計パラメータを改良することを可能にする。
本発明のさらなる利点は、容易に製造可能な明度上昇物品解決策を提供することである。

本発明のこれらおよび他の目的、特徴、および利点は、本発明の例を記載する図面とともに以下の詳細な説明を読むことにより、当業者には明らかとなるであろう。

本明細書は本発明の主題を指摘し明確に主張する特許請求の範囲用いて結論づけるが、添付図面とともに以下の説明から本発明をよりよく理解できると考えられる。

ここでの説明は特に、本発明の装置の一部を形成するかまたはより直接的にこの装置と協同する要素に向けられている。具体的に示されてなく、また説明されていない要素は、当業者によく知られた種々の形を取ることができることは理解されよう。

光提供表面または他の光源からの入射光を調整して、屈折により入射光の少なくとも一部を向け直すことにより、明度上昇が達成されることに注目することは有益である。特定の態様においては、明度上昇の目標はその用途に大きく依存する。いくつかのタイプの表示装置では、光を垂線方向に向け直すことは必要な好ましい調整である。さらに別のケースでは、より広い範囲の視野角全体に光を再配分することが、必要な好ましい調整である。本発明の装置と方法は、種々の用途範囲にわたる多くの明度上昇方法において、輝度特性を調整する柔軟な機構を提供する。

図4a〜4hでは、本発明の明度上昇物品40の新規な光方向付け構造物の断面図を示す。第1の態様では、明度上昇物品40は平滑側面42と、縦に配置された台形プリズム要素38を有するプリズム側面44とを有する。台形プリズム要素38は多くの方法で作成することができるが、一連の平行な溝30のような台形プリズム要素38の間のスペースとみなすことにより、非常に明確に規定される。台形プリズム要素38の両側の溝30のために、各台形プリズム要素38は、図4cに示すように、一対の互いに平行ではない面または側（すなわちレッグ34および36）と、光を集めるための光提供表面14に面する表平面46とを有する。光提供表面14から出てくる光はいずれにしてもランバーティアンである。（用語「レッグ（leg）」は、初等数学の教科書では台形の互いに平行でない側面について使用される）。従って、図4bに示すように、各台形プリズム要素38は、表平面46に対するレッグ34および36の角度βと、溝30間のピッチPとにより規定される寸法を有する。表平面より大きく入射光から離れて配置されている基部平面47は、プリズム要素の基部を連結する。これらの寸法は、各台形プリズム要素38の高さHと台形内部基部角度αを決定する。ある態様で使用される公称寸法は例えば次のとおりである：

ピッチP：75ミクロン
基部角度β：95度
内部基部角度α：85度
高さH：100ミクロン
幅W：57.5ミクロン

以下の説明のために、次の表記および関係式は特に有用である：
角度β＝180°−α
角度γ＝180°−2α
屈折率：n。目的のほとんどの基板について、n≧1.3
ピッチPに関して：（波長＜＜P＜＜500μm）

経験的結果により確認されるまず最初の見積もりとして、基部角度βが次式を満足するとき最高の性能が得られる：
90度＜基部角度β＜120度

図4bで、大きさTで表記される台形プリズム要素38を支持する追加の基板物質の厚さは、その用途において基板が明度上昇物品40の充分な支持を提供する限り、重要な寸法ではない。典型例では、厚さTは約150ミクロンである。台形プリズム要素38が他の手段で連結される場合は、基板厚さTはゼロとなることができ、またプリズム要素を形成する物質は屈折率1を有する空気でもよい。
好適な態様では、レッグ34および36は反射性である。レッグ34および36が非反射性である場合を含めた他の態様も後述する。

明度上昇物品40、反射性レッグ34、36による光の向け直し
図4a〜4hに示す台形プリズム要素38の構成に関して、入射光は表平面46のところで明度上昇物品40により集められる、図4c中の光線R20、R22、およびR24は、レッグ34および36が反射性のとき、明度上昇物品40が垂線に対して種々の角度θの入射光をどのようにして向け直すかを図示している：
(i) R20：表平面46は垂直に入射する光に対して平らな面を提供するため、この光は明度上昇物品40によりまっすぐに透過される。
(ii) R22：レッグ34または36に当たらない軸外光の場合、出射光の角度は入射光の角度と同じ、すなわちθ₂＝θ₁である。
(iii) R24：レッグ34または36に当たる光の場合、出射光の角度は小さくなる、すなわちθ₄＜θ₃である。

図4d〜4eは、レッグ34および36が反射性であるとき、溝30の入射光の扱いを拡大して示す。図4dの場合、溝30は中空である。図4eでは、溝30は反射物質32を含み、これは入射光を反射する追加の表面構造物を与える。両方のケースで、この領域への入射光はプリズムの側44から光提供表面14に反射されて戻され再循環される（図4d〜4hの拡大図には示していない）。

カットオフ角度θ _{カットオフ} の制御
本発明の明度上昇物品40は、カットオフ角度θ_{カットオフ}を決定する方法を提供すること、および特定の寸法を変更することによってこの角度の調整を可能にすることにおいて有利である。図4cで提案されるように、光線R20で示される垂直な入射光は屈折されないかまたは調整されない。別の角度の光は、それぞれ光線R24とR22で示されるように、反射されたレッグ34，36に衝突するかもしれないし、しないかもしれない。これらの可能な光路を分析すると、図4f、4g、および4hに示すカットオフ角度θ_{カットオフ}の3つの主要な構成要素が得られる、すなわち：

(i) 第1の構成要素カットオフθc1を有する、レッグ34または36に衝突しない入射光（図4fで光線R30の経路により一般的に示される）。θc1より大きい入射角度の光はレッグ34または36に1回またはそれ以上衝突することに留意されたい；
(ii) 図4gに示すような、垂線に対して90度の極端な角度での入射光。この光は少なくとも1つのレッグ34、36に衝突した後、最大の可能な第2の構成要素カットオフ角度θc2で出ていく。図4gは最も単純な場合であり、入射光はレッグ34、36の1つにのみ衝突した後出ていく。光がレッグ34、36に衝突するたびに、光の角度が改良され、垂線に対して小さくなることがわかる。このように、図4gにおける構成要素カットオフ角度θc2の表示は、この構成要素の最も極端な場合を示す；および
(iii)角度θc1と等角であることに拘束されるこの範囲の他端の入射光。この挙動は図4hにより示される。θc1はレッグ34または36に衝突することを避けるための光の最大の可能な角度であるので、角度θc1に非常に近い（即ち、上限としてθc1の値により数学的に拘束される）入射光は、第3の構成要素カットオフ角度θc3を与える。

従って、明度上昇物品40の全体的カットオフ角度θ_{カットオフ}は、これらの3つの構成要素化合物角度の最大絶対値である；すなわち
θ_{カットオフ}＝max｛|θc1|、|θc2|、|θc3|｝

絶対値は、垂線に対する光の向きが最も重要なため使用される；垂線のいずれかの側（左または右）に対する光線の特定の向きは考える必要は無い。

再度、図4fを参照すると、表平面46のコーナーから溝30の頂点50にのびる光線R30が、第1の構成要素カットオフ角度θc1をどのように規定するかを示す。すなわち光線R30は、レッグ34、36に遭遇せずに、明度上昇物品40を通過する光の最大入射角度を表している。光線30より大きな角度で入射する光線は、レッグ34、36の側面で反射される。R30より小さい角度で入射する光線は単純に屈折され、これらの光線が表平面46に衝突する位置に依存して、明度上昇物品40を通って方向付けられる。もちろん、光線R30の角度での光（但し、表平面46の表面の別のところで入射する）は、図4cの光線R24により示されるようにレッグ34、36に衝突する。図4fの光線R30は単純に、内部で反射されない光線の最大角度入射を示す。前に強調したようにレッグ34または36に衝突する光は垂線方向にシフトする。その結果の、図4f〜4hに示されるよりも複雑な経路は、カットオフ角度θ_{カットオフ}値の決定について、考慮する必要は無い。

上記分析から、第1の構成要素カットオフ角度θc1は式(1)のとして誘導される：

上記したように、単独のレッグ34または36に衝突する光線は、垂線により近い出射角度で向け直しされる。しかし入射角度によっては、光線はレッグ34および36で複数回反射されることがある。しかし上記したようにレッグ34または36に複数回衝突する入射光は存在する場合、一般に、平滑側面42に対する垂線に対して小さくされた角度を有する。

所望のθc1値を与えることにより、式(1)を使用して台形プリズム要素38のピッチPに対する高さHの好適な比および基部内部角度αの大きさを計算することができる。

本発明の明度上昇物品40の場合、式(2.1)、(2.2)、および(2.3)に示す3つの条件は、第1の構成要素カットオフ角度θc1、角度α、および屈折率nをH/P値の範囲に関連する。

式(2.1)と(2.2)を満足するとき：
θc1≦入射角度≦90度
の範囲内のすべての入射光は、レッグ34または36の1つに衝突する。式(2.3)を満足するとき、レッグ34または36の1つから反射された光は、2番目のレッグ34または36に衝突することなく出ていく。式(2.1)は、角度α、θc1、および屈折率nの値が与えられたとき、すべての場合に比H/Pにより満足されなければならない下限条件を規定する。式(2.3)は、大きな軸外角度が好ましい場合の好適な上限を規定する。光の方向を垂線方向に向け直すことが好ましいとき、式2.3を満足しないより高いH/P比が好ましい場合がある。

図4cの光線R24と図4g〜4hの挙動に戻ると、θc2およびθc3両者の計算は出射角度θ4を考慮することによって誘導される。式(2.4)はこの出射角度の値の一般的な計算を与える：

角度θ3は式(2.5)
θc1≦θ3≦90度 (2.5)
で表される範囲内にあることに注目されたい。

式(2.4)を使用して、θc2の計算を、式(3.1)に表すように、θ3の値を90度に設定して行う：

再度式(2.4)を使用して、θc3の値を、式(3.2a)または(3.2b)で表すように、θ3の値をその範囲のもう一方の端に設定して計算することができる：

開口率
開口率（入射光を透過しフィルファクタを決定する表面の割合）は、明度上昇物品40の場合次のように決定される：

一般的原理として、最大輝度を達成する場合、相対的に大きな開口率が最も有利である。本発明の方法を使用するある具体的な設計の場合、重要な設計基準として有効開口率を考慮して、カットオフ角度θ_{カットオフ}の考慮とバランスさせる必要がある。

開口率はゼロより大きくなければならないため

これは次式

に従う。
条件(2.2)と(6)が同じであることが理解できる。

カットオフ角度構成要素を示す例
図9a〜9fでは、カットオフ角度構成要素θc1、θc2およびθc3の絶対値が、選択されたH/P比に関して基部角度αに対してプロットされている。これらのグラフのそれぞれでは、下限24が示されており、これは次のように表される：

これは、正の開口率を維持するための基部角度αの最小値を示す。

図9aでは、比H/P＝0.5。ここでは、構成要素θc1は、下限よりも大きな基部角度αの場合（最大値θc1が90度となることができることを示す）、虚数である。
すなわち、θ_{カットオフ}＝max｛|θc1|、|θc2|、|θc3|｝＝90度。

図9bでは、比H/P＝0.707。ここでは、構成要素θc1は、60度〜90度の間で変動することができる。
すなわち一般に、θ_{カットオフ}＝max｛|θc1|、|θc2|、|θc3|｝＝|θc1|。

図9cでは、比H/P＝1.0。ここでは、構成要素θc1は、42度〜90度の間で変動することができる。
すなわち一般に、θ_{カットオフ}＝max｛|θc1|、|θc2|、|θc3|｝＝|θc1|。
基部角度αが70度のとき、θ_{カットオフ}＝|θc1|＝54度。

図9dでは、比H/P＝1.33。基部角度αが、70度＜α＜85度であるように拘束されるとき、θ_{カットオフ}＝max｛|θc1|、|θc2|、|θc3|｝＝|θc1|である。構成要素θc1は33〜55度の間で変動するため、θ_{カットオフ}もまた変動する。基部角度α＞85度のとき、θ_{カットオフ}＝max｛|θc1|、|θc2|、|θc3|｝＝|θc2|であり、これは55度〜90度の間で変動する。基部角度α＝85度のとき、3つの構成要素θc1、θc2、θc3は、すべては大きくなり、互いに近く、より多くの光が大きな軸外角度に方向が向け直されることを示す。基部角度α＝75度のとき、|θc1|＝41度、|θc2|＝18度、そして|θc3|＝6.4度である。このプリズム構造物は、より多くの光を垂線方向に向け直す。

図9eでは、比H/P＝2.0。ここでは、基部角度αの範囲は狭く、α＞76度である。ここでは、θ_{カットオフ}＝max｛|θc1|、|θc2|、|θc3|｝＝|θc2|であり、これは21〜90度の間で変動する。基部角度α＝85度のとき、θ_{カットオフ}＝|θc2|＝52度である。

図9fでは、比H/P＝5.0。ここでは、基部角度αの範囲は狭く、α＞85度である。ここでは、θ_{カットオフ}＝max｛|θc1|、|θc2|、|θc3|｝＝|θc2|であり、これは52〜90度の間で変動する。

次の典型的なパラメータは一つの例を提供する：
n＝1.5
α＝85度
P＝75ミクロン
H＝100ミクロン

3つのカットオフ角度構成要素は次のとおりである：
θc1＝55.9度
θc2＝52.2度
θc3＝36.7度
従って、この例の場合、
θ_{カットオフ}＝max｛|θc1|、|θc2|、|θc3|｝＝55.9度。

このカットオフ角度の場合、式(2.1)と(2.3)の条件は
1.33≦H/P≦1.41
のように満たされる。

種々の典型的な屈折率nについて、内部基部角度αに対する第2の構成要素カットオフ角度θc2の関係を図8のグラフに示す。

カットオフ角度θ_{カットオフ}のコンピューターによる計算は近似であることを強調する。カットオフ角度構成要素θc1、θc2、およびθc3について説明される種々の光路に一致しない迷光がまだ少しある。しかしこの少量の迷光は、現実的なカットオフ角度θ_{カットオフ}を決定する目的の場合、「ノイズ」と見なすことができる。

好適なパラメータの選択
本発明の装置と方法は、ディスプレイ用途要件に最も適したカットオフ角度挙動を有する明度上昇物品40の設計を可能にする。明度上昇物品40の寸法データを使用して、ディスプレイ用途における全体的応答を予測することができる。

図9a〜9fに示すように、最小基部角度αは、台形ではなく本質的に三角形であるプリズム構造物16を提供することに留意されたい。従って、本発明の方法を使用して、一般的ケースとして図1に示すような従来技術の明度上昇物品10のカットオフ角度挙動を決定し、ならびに図4a〜4hに示すように基部角度αの変化が本発明の明度上昇物品40の挙動にどのように影響を与えるかを評価することができる。

明度上昇物品40、非反射レンズ34、36による光の向け直し
別の態様では、レッグ34、36の1つまたはそれ以上が非反射性である。この構成はθ_{カットオフ}値の決定をより困難にする。しかし、レッグ34、36に衝突しないより小さい入射角度での光に基づく第1の構成要素と、レッグ34、36に衝突する第2の構成要素とに関して、同様の全体的アプローチを適用することができる。

図12では、レッグ34、36が非反射性の場合の明度上昇物品40の光扱い特性を示している。図4a〜4hの態様と同様に、小さい角度での入射光は、光線R42で示されるように同じ角度で透過される。この場合、θ1＝θ5である。レッグ34、36に向かう表平面46での入射光も向け直されて、光線R44により示されるように内部全反射（TIR）により、より小さい角度を与えることができる。

この態様では、次の関係が成立する限り内部全反射が起きる：

α≦90度では、n≧√2である限り、

は常に満たされる。一般にこれは、ほとんどの好適なタイプの透明フィルムについて当てはまる。

溝30の光循環効率を上昇させるために、次が好ましい：

図10は、屈折率nに対する基部角度αの関係を示す。曲線70および72は、上限74 α＝90°に対して、レッグ34、36および平滑表面42での内部全反射の場合の、屈折率nへの基部角度αの依存を示す。曲線72および70は次のように表される：それぞれ

図12に戻ると、出ていく光の角度θ6が入射光の角度θ3より小さくなるように、非反射レッグ34、36での内部全反射がどのように光を再配分させるかが示されている。図13を参照すると、溝30に衝突し、レッグ34、36を通過し、平滑側面42のところで入射する光の場合、第2の内部全反射作用が起きることがある。角度θ1での入射光はまた、θ10が角度θtirを超えるように屈折される。この入射光経路および反射光経路は、1つまたはそれ以上の溝30のところで出入りする。その後この光は循環され、光線R44としてフィルムを通過することができる。

図14では、他の可能な角度での光の挙動が示される。ここでは、レッグ34、36に衝突する光は内部全反射のために反射され、出射光として方向付けられる。しかしこの出射光は、垂線に対して大きな角度θ8となる場合がある。

一般に非反射レンズ34、36を有する明度上昇物品40の挙動は、反射性レッグ態様よりも特徴付けることが困難である。しかし非反射態様が、バックライトディスプレイと共に用いる場合、大きな光調整効果を提供することは理解できる。

空気を誘電体層で置換する場合、屈折率nは、置換する誘電体層材料の屈折率を超えるフィルムの屈折率の比として理解されることに留意されたい。

照明システムでの用途
LCDディスプレイの従来の用途では、一対の交差した明度上昇物品が使用される。図5の分解組立図では本発明の明度上昇物品40が、LCDラップトップディスプレイのようなディスプレイについて照明システム52の一部としてどのように使用できるかを示している。光源18からの照明は光提供表面14により、第1の方向D1に配向された溝30を有する明度上昇物品40の第１のシートに向け直される。明度上昇物品40の第2のシートをこの第１のシート上に配置する。ここで第2のシートは方向D1と直角の第2の方向D2に配向された溝30を有する。

単一シート態様
直交方向に沿って照明を増強することができる単一部品として、明度上昇物品40を提供する価値があることは理解されよう。しかし従来技術の明度上昇物品を使用しても本発明の明度上昇物品40を使用しても、個々の明度上昇物品40は、図5に示すように同じ方向に面したプリズム構造物を有する必要がある。この要件は、明度上昇装置を開発する当業者にはよく知られており、単一のフィルム上に2つの交差する明度上昇物品の一体化を妨害する。

2つの交差する明度上昇物品に置き換わる単一シート明度上昇物品54の構成を図6に示す。単一シート明度上昇物品54の1つの表面は、溝30が方向D1に延びる台形プリズム要素38を含む。反対の表面は、直角方向D2に整列された平行の列を有する、図1に示す従来技術の明度上昇物品10に類似したプリズム構造物16を含む。こうして直交する光方向付け構造物を単一部品に結合させることにより、単一シート明度上昇物品54は、交差する明度上昇物品10の従来の構成を使用して入手可能なものよりも、照明システム52においてより薄いパッケージを可能にする。図15では、単一シート明度上昇物品76のより一般的な別の態様が斜視断面図で示されている。この態様では、台形構造物を使用してもよく、また使用しなくてもよい。この一般的な説明図では、単一シート明度上昇物品76の両面は、あるタイプのプリズム要素の列を有し、各側に対応する直交方向D1とD2内に溝30を有すると見なすことができる。かかる態様では、非常に小さい表平面46サイズを有する台形構造物を使用することができ、そのような構造物もまた、図6に示す全体に三角形の外観を有するであろう。

本発明の明度上昇物品40は、視野角関して好適な輝度特性を与える。図7では、本発明の明度上昇物品40について輝度曲線56が示されており、ここで視野角は溝30に対し垂直な面内で変わる。図7の輝度曲線56から理解できるように、本発明の明度上昇解決方法は、軸外角度で再配分された光と制御可能なカットオフ角度θcの利点を提供する。さらに明度上昇物品40は、図2に示すように、カットオフ角度θcを超える軸外角度のところで小さなピークを生じる無駄な光を最小にする明度レスポンスを提供する。しかし正しく選択されたプリズムパラメータでは、軸上輝度を最大にして、ピークエネルギーを光軸に有効に向け直すように、輝度ピークを変えることができる。

上述した好適な態様は、明度上昇物品40のプリズム側面44に縦に沿って縦方向に配置された台形要素を使用する。図11ではプリズム側44の斜視図から、プリズム要素80を備える別の態様が示されている。図11の態様では、溝30はプリズム側面44の表面全域で相互に直交する方向に延び、それによって角錐台の列の概観を有するプリズム要素80のマトリックス配列を規定する。この別の配列では明度上昇物品40は、光を2つの直交方向のそれぞれに対して垂線方向に方向付けする。この方法では、明度上昇物品40の単一シートを、ディスプレイ表面に光を向け直すのに使用することができる。

図11の明度上昇物品40構成中のプリズム要素80は直交方向に断面がV字型台形であり、単一シートで改良された輝度特性を提供する。図16では、別の明度上昇物品90上のプリズム要素92は、全体に倒立した端を切り取った円錐の形であり、すなわち各プリズム要素92は円錐台の形状を有する。しかし、別の明度上昇物品90の面内の任意の方向について、プリズム要素92は断面が台形である。各プリズム要素92は、入射光Lを受けるための表平面94を有する。各プリズム要素92について、側面96は反射性にコーティングされていてもよく、また本質的に非反射性であってもよい。プリズム要素92の間に反射充填物質も適用することができる。この面内の任意の方向からの光は同じ様に角度が向け直しされるため、図16の構成は図11の構成を超える本来的な利点を有することが理解される。カットオフ角度θ_{カットオフ}の計算と全体の輝度曲線26形状の考えは、単一方向にのみ台形プリズム要素を有する態様について前述したものと同様であることを強調したい。例えば図16の構成を使用して、台形構造に対する任意の角度での入射光についてカットオフ角度θ_{カットオフ}を計算できるであろう。同様の分析は、図4a〜4hに関して記載した線形態様について使用されるように、基部角度αとβの決定に当てはまる。

本発明を好適な態様を参照して説明した。しかし本発明の範囲を逸脱することなく当業者により変更および改良が可能であることは理解されるであろう。例えばレッグ34および36について好適な反射特性を得るために、透明基板に種々のタイプのコーティングを適用することができるであろう。屈折率、耐熱性、または他の特性に基づいて、種々のタイプの基板を使用し選択することができるであろう。可能な基板の例には、アクリルおよびポリエチレンシートが含まれる。本開示の図面や説明は台形構造を説明するが、関連する態様は、外形がより一般的に台形である構造を含むことができるが、表平面46またはレッグ34および36に沿う僅かな湾曲、またはコーナーでの丸みを有してもよい。各溝30の間のピッチPは必要に応じて変わることができ、さらに同じ基板のシート上で異なる値のピッチPが可能である。必要なプリズム要素の形状に従って、明度上昇物品10を作成するのに種々の製造法を用いることができ、例えば鋳造またはエッチングがある。種々のタイプの表面処理を表平面46、レッグ34、36、または平滑面42に適用できるであろう。

本発明の明度上昇物品はLCD表示装置での使用、ならびに別個の光源を必要としない有機LED（OLED）のような発光ディスプレイ装置での使用に適している。

従って、透過性LCDディスプレイおよび他のタイプのバックライトディスプレイ用途のための改良された明度上昇物品が提供される。

図1は、LCDディスプレイと一緒に用いられる従来技術の明度上昇物品を示す側断面図である。 図2は、従来技術の明度上昇物品について視野角に対する輝度の関係を示すグラフである。 図3は、LCDディスプレイ部品を通過する、垂線および斜めからの照明と視野角の側面図である。 図4aは、本発明の明度上昇物品について構造構成要素、位置関係、および光取り扱い挙動を示す側断面図である。 図4bは、本発明の明度上昇物品について構造構成要素、位置関係、および光取り扱い挙動を示す側断面図である。 図4cは、本発明の明度上昇物品について構造構成要素、位置関係、および光取り扱い挙動を示す側断面図である。 図4dは、本発明の明度上昇物品について構造構成要素、位置関係、および光取り扱い挙動を示す側断面図である。 図4eは、本発明の明度上昇物品について構造構成要素、位置関係、および光取り扱い挙動を示す側断面図である。 図4fは、本発明の明度上昇物品について構造構成要素、位置関係、および光取り扱い挙動を示す側断面図である。 図4gは、本発明の明度上昇物品について構造構成要素、位置関係、および光取り扱い挙動を示す側断面図である。 図4hは、本発明の明度上昇物品について構造構成要素、位置関係、および光取り扱い挙動を示す側断面図である。

図5は、本発明の明度上昇物品を使用するLCDディスプレイの一部を示す斜視図である。 図6は、本発明の明度上昇物品の別の態様を示す斜視図である。 図7は、本発明の明度上昇物品について、視野角に対する輝度との比較の関係を示すグラフである。 図8は、本発明で使用される台形構造物の基部角度に対するカットオフ角の構成要素の関係を示すグラフである。 図9aは、本発明の明度上昇物品上の光調整構造物の種々の寸法構成におけるカットオフ角構成要素を示すグラフである。 図9bは、本発明の明度上昇物品上の光調整構造物の種々の寸法構成におけるカットオフ角構成要素を示すグラフである。 図9cは、本発明の明度上昇物品上の光調整構造物の種々の寸法構成におけるカットオフ角構成要素を示すグラフである。 図9dは、本発明の明度上昇物品上の光調整構造物の種々の寸法構成におけるカットオフ角構成要素を示すグラフである。 図9eは、本発明の明度上昇物品上の光調整構造物の種々の寸法構成におけるカットオフ角構成要素を示すグラフである。 図9fは、本発明の明度上昇物品上の光調整構造物の種々の寸法構成におけるカットオフ角構成要素を示すグラフである。

図10は、明度上昇物品基板における、屈折率に対して内部全反射の基部角度を関連付けるグラフである。 図11は、別の態様における明度上昇物品の表面の特徴を示す斜視図である。 図12は、非反射表面を使用する態様の内部全反射を示す側断面図である。 図13は、別の態様における明度上昇物品の上部表面に衝突する光の内部全反射を示す側断面図である。 図14は、非反射レッグを使用する別の態様の明度上昇物品における光挙動を示す側断面図である。 図15は、本発明の明度上昇物品の別の態様を示す斜視図である。 図16は、本発明の明度上昇物品のさらに別の態様を示す斜視図である。

符号の説明

10 明度上昇物品
12 平滑な側面
14 光提供表面
16 プリズム構造物
18 光源
19 反射性表面
20 LCD部品

24 下限
26 輝度曲線
30 溝
32 反射性物質
34、36 基部レッグ
38 台形プリズム要素
40 明度上昇物品
42 平滑側面
44 プリズム側面
46 表平面
47 基部平面
48 曲線

50 頂点
52 照明システム
54 単一シート明度上昇物品
56 輝度曲線
60 下限曲線
62 上限曲線
64 限界線

70、72 曲線
74 限界
76 単一シート明度上昇物品
80 プリズム要素
90 別の明度上昇物品
92 プリズム要素
94 基部
96 側面

Claims (27)

1. 入射光を透過し、見る方向内に当該光を選択的に向け直すための明度上昇物品であって、実質的に台形断面を有する一連の相隔たるプリズム要素を含む、前記光を受けるためのプリズム表面を含み、
   前記台形プリズム要素が：
   (a) 入射光に向いて配置された表平面；
   (b) 入射光から離れて配置され、前記プリズム要素の基部を接続する、前記表平面より大きな基部平面；および
   (c) 前記表平面から後ろに前記基部平面まで延びる第1および第2の非平行面であって、前記プリズム要素内で、当該非平行面と前記表平面との間に90度より大きく120度より小さい角度（β）をそれぞれ形成する第1および第2の非平行面
   を含んで成る明度上昇物品。
2. 前記プリズム要素が伸長されたV字型溝により形成される請求項1の物品。
3. エチレンモノマーまたはアクリルモノマーから得られる透明ポリマーを含む請求項1の物品。
4. 前記プリズム要素が、実質的に等間隔で隔てられている請求項1の物品。
5. 前記第1および第2の互いに非平行な平面の少なくとも一方が、反射性表面を有する請求項1の物品。
6. 前記反射性表面が少なくとも1つの光学的コーティングを有する請求項5の物品。
7. 前記反射性表面が、前記プリズム要素間のスペース内に充填物を含む請求項5の物品。
8. 前記入射光がランバーティアンである請求項1の物品。
9. プリズム構造物を形成する前記物質がポリマーである請求項1の物品。
10. 隣接するプリズム内の同一点間のピッチ（P）または距離が10〜200ミクロンである請求項1の物品。
11. 前記ピッチ（P）が10〜100ミクロンである請求項1の物品。
12. 前記ピッチ（P）に対する前記表平面と基部平面との間の高さ（H）または垂直距離の比が0.5〜5である請求項1の物品。
13. 前記ピッチ（P）に対する前記表平面と基部平面との間の高さ（H）または垂直距離の比が1〜2である請求項1の物品。
14. 前記プリズム要素を形成する物質が空気である請求項5の物品。
15. 前記物品の見る側上に第2のプリズム表面をさらに含み、前記プリズムが前記光受容表面上のプリズムと直交する第1の方向に配列されている請求項1の物品。
16. 前記見る側のプリズム表面が、第2のプリズム表面に沿った第2の方向（第2の方向は前記第1の方向と直交する）内に長軸を有する実質的に三角プリズム形状のレンズ要素の線形アレイを含む請求項15の物品。
17. 前記プリズム表面が、互いに直交する方向に2つの連続するV字型溝を含む請求項1の物品。
18. 前記プリズム要素が円錐台形状である請求項1の物品。
19. 前記プリズム要素が角錐台形状である請求項1の物品。
20. ディスプレイ用の画像を形成するために、請求項1の物品と前記上昇された照明の経路中の光変調器とを含んで成る表示装置。
21. 前記光変調器がLCD空間光変調器である請求項20の表示装置。
22. 請求項1の物品を含んで成る液晶ディスプレイ装置。
23. 各光受容表面上にプリズム表面をそれぞれ有している、請求項1の2つの物品を含んでなる液晶ディスプレイ装置。
24. 前記2つのプリズム表面が互いに直交に向けられている請求項23の液晶ディスプレイ装置。
25. 入射光を透過し、見る方向内に当該光を選択的に向け直すための明度上昇物品であって、実質的に台形断面を有する一連の相隔たるプリズム要素を含む、前記光を受けるためのプリズム表面を含み、
    前記台形プリズム要素が：
    (a) 入射光に向いて配置された表平面；
    (b) 入射光から離れて配置され、前記プリズム要素の基部を接続する、前記表平面より大きな基部平面；および
    (c) 前記表平面から後ろに前記基部平面まで延びる第1および第2の非平行面であって、前記プリズム要素内で、（β）＝180°−αをそれぞれ形成する第1および第2の非平行面
    を含んで成り、
    前記物品の隣接するプリズム内の同一点間のピッチ（P）または距離に対する前記表平面と基部平面との間の高さ（H）または垂直距離の比が、次式：
    

    

    （式中、α＝180°−β度であり、nはプリズム要素物質の屈折率である）
    で規定される絶対値θc1、θc2、およびθc3の最大として出射光についてのカットオフ角度を提供する明度上昇物品。
26. 実質的に台形断面を有する一連の相隔たるプリズム要素を含む、光を受けるためのプリズム表面を通して入射光を方向付けることを含んで成る、入射光の明度を上昇し、見る方向内に光を選択的に向け直すための方法であって、
    前記台形プリズム要素が：
    (a) 入射光に向いて配置された表平面；
    (b) 入射光から離れて配置され、前記プリズム要素の基部を接続する、前記表平面より大きな基部平面；および
    (c) 前記表平面から後ろに前記基部平面まで延びる第1および第2の非平行面であって、前記プリズム要素内で、当該非平行面と前記表平面との間に90度より大きく120度より小さい角度（β）をそれぞれ形成する第1および第2の非平行面
    を含んで成る、方法。
27. 実質的に台形断面を有する一連の相隔たるプリズム要素を含む、光を受けるためのプリズム表面を通して入射光を方向付けることを含んで成る、入射光の明度を上昇し、見る方向内に光を選択的に向け直すための方法であって、
    前記台形プリズム要素が：
    (a) 入射光に向いて配置された表平面；
    (b) 入射光から離れて配置され、前記プリズム要素の基部を接続する、前記表平面より大きな基部平面；および
    (c) 前記表平面から後ろに前記基部平面まで延びる第1および第2の非平行面であって、前記プリズム要素内で、（β）＝180°−αをそれぞれ形成する第1および第2の非平行面
    を含んで成り、
    前記物品の隣接するプリズム内の同一点間のピッチ（P）または距離に対する前記表平面と基部平面との間の高さ（H）または垂直距離の比が、次式：
    

    

    （式中、α＝180°−β度であり、nはプリズム要素物質の屈折率である）
    で規定される絶対値θc1、θc2、およびθc3の最大として出射光についてのカットオフ角度を提供する、方法。

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