JP2007527034A - 集光装置アレイ及び導光板を使用した輝度増強フィルム、該フィルムを使用した照明システム及びディスプレイ装置 - Google Patents

集光装置アレイ及び導光板を使用した輝度増強フィルム、該フィルムを使用した照明システム及びディスプレイ装置 Download PDF

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Abstract

テーパー型構造のアレイを含む輝度増強フィルム。それぞれの前記テーパー型構造は、光入力アパーチャとより大きい光出力アパーチャとを有する。それぞれの前記テーパー型構造の内面は、前記入力アパーチャに入射した軸外光を、前記出力アパーチャに反射させるように適合されている。

Description

本発明は一般的に輝度増強物品に関し、そしてより具体的には、バックライト・ディスプレイ・デバイス、例えばラップトップLCDディスプレイとともに使用するために、照明を調節する集光装置構造アレイを使用した輝度増強フィルムに関する。
LCDディスプレイは、CRTモニターに代わるコンパクトで軽量のディスプレイを提供するが、明るさ、又はより適切に言えば輝度が低レベルであるため、LCDディスプレイでは満足できない多くの用途がある。コンベンショナルなラップトップ・コンピューター・ディスプレイ内に使用される透過型LCDは、一種のバックライト・ディスプレイであり、光を外方へ、LCDに指向させるためにLCDの背後に位置決めされた光提供面を有する。光提供面自体は、事実上ランバート状の照明、すなわち、広範囲の角度にわたって事実上一定の輝度を有する照明を提供する。軸上及び軸近傍の輝度を増大させることを目標として、ランバート分布を有するこの光の一部をディスプレイ面に対して垂直に再指向させるために、数多くの輝度増強フィルムが提案されている。LCDディスプレイ及びその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に提案された、明るさ又は輝度増強手段の中には以下のものがある：
米国特許第5,592,332号明細書(Nishio他)には、LCDディスプレイ装置内で光の角度範囲を調節するために、2つの交差するレンチキュラー・レンズ面を使用することが開示されている。
米国特許第5,611,611号明細書(Ogino他)には、所望の光発散及び輝度を得るために、フレネル・レンズシートとレンチキュラー・レンズシートとの組み合わせを使用した、背面投影ディスプレイが開示されている。
米国特許第6,111,696号明細書(Allen他)には、ディスプレイ又は照明器具のための輝度増強フィルムが開示されている。'696特許に開示された光学フィルムの場合、照明源に面する表面は平滑である。反対側の表面は、照明角を再指向させるために一連の構造、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、軸外光を屈折させることにより、より狭い角度で光を指向させるための或る程度の補正を可能にする。しかし、このフィルム構成は軸外光を再指向させるのに最も効果がある。フィルム表面に対して垂直な入射光は、透過させるのではなく、再指向させて光源に戻すことができる。
米国特許第5,629,784号(Abileah他)に開示された種々の態様において、反射タイプのLCDディスプレイの輝度、コントラスト比、及び色均一性を増強するために、プリズムシートが採用される。'784特許に開示された一つの態様の場合、'696特許のものと同様の輝度増強フィルムが、その構造を有する表面が反射光源に面した状態で配置されており、これにより、輝度を改善し、また周辺光効果を低減することが可能になる。この成分は反射画像形成デバイスとともに使用されるので、'784の開示内容のプリズムシートは、透過型LCDシステムのために用いられる位置(すなわち光源とLCDとの間)ではなく、観察者とLCD面との間に配置される。
米国特許出願公開第2001/0053075号明細書(Parker他)には、LCDディスプレイのための光再指向フィルムにおいて使用される、プリズム及びその他の構造を含む種々のタイプの表面構造が開示されている。
米国特許第5,887,964号明細書(Higuchi他)には、LCDディスプレイにおけるバックライト伝搬及び輝度を改善するために、それぞれの表面に沿って延びるプリズム構造を有する透明プリズムシートが開示されている。上記'696特許に関して述べたように、軸上光のほとんどが、この配列によって、透過されるのではなく反射させられる。光源に対して、'964開示内容におけるプリズムシートの配向は、'696開示内容に使用されるものとは逆である。'964開示内容に示された配列は、小型の手持ち式のディスプレイだけに使用可能であり、ランバート光源を使用しない。
米国特許第6,356,391号明細書(Gardiner他)には、プリズム・アレイを使用して、LCDディスプレイ内で光を再指向させるための一対の光旋回フィルムが開示されている。これらのプリズムは異なる寸法を有することができる。
米国特許第6,280,063号明細書(Fong他)に開示された輝度増強フィルムは、尖っていない、又は丸みを付けられた頂点を有するプリズム構造を、フィルムの一方の側に有する。
米国特許第6,277,471号明細書(Tang他)に開示された輝度増強フィルムは、湾曲ファセットを含む、概ね三角形の複数のプリズム構造を有する。
米国特許第5,917,664号明細書(O'Neill他)に開示された輝度増強フィルムは、コンベンショナルなフィルム・タイプと比較して「ソフト」なカットオフ角を有し、これにより、視野角の増大に伴う輝度の変化を緩和する。
米国特許第5,839,823号明細書(Hou他)には、マイクロプリズム・アレイを使用して、非ランバート光源のために光再循環することを伴う照明システムが開示されている。
米国特許第5,396,350号明細書(Beeson他)に開示された、光再循環構成要件を有するバックライトは、照明装置内の光再指向のために、光源と接触したマイクロプリズム・アレイを採用する。この場合、熱が問題となることがあり、また比較的不均一な光出力が受容され得る。
図1は、従来技術の1タイプ、すなわち光源18から提供された光を増強するための輝度増強フィルム10を示す。輝度増強フィルム10は、反射面19を含有する光提供面14に面した平滑側12と、LCD構成部分20に面したプリズム構造16の列を有する。この配列は、米国特許第6,111,696号明細書及び同第5,629,784号明細書(両方とも前掲)、及び同第5,944,405号明細書(Takeuchi他)に記載されているように、軸外光線を屈折させ、そしてこの光の一部を垂直光軸に近づけるように指向させることにより、軸上輝度を改善するのに一般に効果がある。図1が示すように、軸外光線R1は垂直に屈折させられる。しかし、総内部反射(TIR)により、軸近傍光線R3を、より極端な角度で垂直から離反して屈折させ得ることに留意することが有益である。加えて、反射面19からの拡散及び反射のために、軸上光線R4を、LCD構成部分20に指向させるのではなく、実際には、光提供面14に向かって反射させて元に戻すこともできる。このように軸近傍光が屈折され、そして軸上光の少なくとも一部が光提供面14内に反射され戻されることは、続いて説明するように、視野角に対して照明輝度を調節するように作用する。光提供面14及び反射面19の作用により、輝度増強フィルム10から反射され戻された光の一部は、最終的には拡散され、そして再び外方へ、概ね垂直の角度を成してLCD構成部分に指向される。
この場合、輝度増強フィルム10の目的は、光提供面14から広い角度範囲にわたって提供される光を再指向して、これがLCD構成部分20に提供する出力光が、概ね垂直に指向されるようにすることである。このようにすることにより、ディスプレイ面に対して垂直に、まっすぐに見るときだけでなく、斜角から見るときにも、輝度増強フィルム10はディスプレイ輝度を改善するのを助ける。
視野角が垂直から増大するにつれて、知覚される輝度は閾値を超えて著しく減少することがある。図2のグラフは、従来技術の輝度増強フィルム10を使用したときの視野角に対する輝度の特徴的な関係を表す輝度曲線26を示す。予期されているように、輝度は垂直でピークに達し、垂直の各側の閾値カットオフ角、θカットオフに向かって減少する。角度θカットオフを超えたときに、わずかな増大が発生する。しかし、これはLCDディスプレイ自体の特徴により、観察者には容易には知覚できない無駄な光を表す。
図2における輝度曲線26に関連して、関連する1つの特徴は曲線の全体的な形状である。視野角範囲全体にわたる輝度は、これらの角度に対応する曲線下面積に対して比例する。典型的には、ピーク輝度値は、予期されるように、垂直に近い角度において発生する。多くの用途において、垂直を中心とした小さな視野角範囲内で輝度を増大させることが最も有益である。
上述の従来技術の開示において述べたようなコンベンショナルなアプローチは、低い視野角において輝度増強の何らかの手段を提供しているが、これらのアプローチはいくつかの欠点を有している。上述の手段のうちのいくつかは、軸上で最良の状態で見るために、光を垂直に再指向するのに効果的であるというよりは、むしろ、好ましい角度範囲全体にわたって光を再分配するのにより効果的である。従来技術の輝度増強フィルム解決手段は、1つの方向において光を再指向するのに最も効果的な指向性バイアスを有している。例えば、輝度増強フィルムは、ディスプレイ面に対して幅方向に光路を再指向することができるが、しかし長さ方向における光に対しては影響をほとんど又は全く及ぼさない。結果として、光を異なる方向に再指向するために、直交する複数のシートを被せなければならない。これらのシートは、典型的には、ディスプレイ面に対して水平方向及び鉛直方向の両方に光を再指向するために使用される。必然的に、このタイプのアプローチはある程度妥協の産物となる。このようなアプローチは、2つの直交軸に対して対角線方向の光には最適ではない。
上に挙げた特許明細書に開示されているように、基板材料上に形成された種々のタイプの屈折面構造を有する輝度増強物品が提案されている。これらの輝度増強物品は、別個のプリズム構造のマトリックスとしても、また細長いプリズム構造としても、突出した複数のプリズム形状を採用する配列を含み、この場合、プリズムの頂点は光源に向いているものと、光源とは反対に向いたものとの両方がある。大部分の場合、従来技術の解決手段は依然として指向性バイアスを示し、実際の用途において複数のシートの使用を必要とする。
軸に沿って電磁エネルギーを捕集又は伝達するための種々のタイプの用途において、放物面反射鏡がよく知られている。室内照明用途において、例えば放物面反射鏡、及び放物面形状に近似する形状を有する反射鏡を、ランプ又は他の光源の周りに位置決めすることにより、集光し、そしてこれを外方へ、普通は1つの方向に指向させる。軸に沿って光を最適に放物面反射させるために、光源は、放物面反射鏡の焦点に位置決めされることになる。
種々の用途、具体的には太陽エネルギー用途において集光するために、より効率的な集光装置、例えば複合放物面集光装置(CPC)が使用されている。例えば米国特許第4,002,499号明細書及び同第4,003,638号明細書(両方ともWinston)には、放射エネルギー捕集のために、反射放物面集光装置要素を使用することが開示されている。米国特許第6,384,320号明細書(Chen)には、住宅用太陽熱発電システムのために使用される反射CPCデバイス・アレイを使用することが開示されている。また、光感知デバイスを支援するためにも、集光装置が使用されている。例えば英国特許出願GB 326 525(Leonard)には、光センサー、例えば電荷結合素子(CCD)のために光を得る集光装置として、反射CPCアレイを使用することが開示されている。しかし、つまるところ、CPC及び同様の構造は、配光及び再指向を改善するためというよりもむしろ、種々の用途において光を捕集して感知するために利用されている。
ディスプレイ輝度を改善するために一致して努力が為されてきたが、特に高レベルの軸近傍輝度が望まれる場合に、改善の余地が依然としてある。LCDディスプレイ装置はいまだに、輝度を増強しコントラストを改善するために直交フィルムから成る複数の層を必要とし、ディスプレイのパッケージングに複雑さと嵩を加えてしまう。このように、光効率の高い、軸近傍視野角における輝度を改善する輝度増強フィルムが必要であることが判る。
本発明は、テーパー型構造のアレイを含む輝度増強フィルムであって、それぞれの前記テーパー型構造が、光入力アパーチャと、より大きい光出力アパーチャとを有し、それぞれの前記テーパー型構造の内面が、前記入力アパーチャに入射した軸外光を、前記出力アパーチャに反射させるように適合されている、輝度増強フィルムを提供する。本発明はまた、照明システム、ディスプレイ装置、導光板、及びフィルムを採用して照度を増強する方法を提供する。
この明細書は、本発明の主題を具体的に指摘してこれを明確に主張する特許請求の範囲で締めくくられるが、本発明は、添付の図面との関連において採用された下記説明からよりよく理解されることになる。
本発明は上に要約されている。
1観点から、本発明は、光入力面と光出力面との間で延びる中空反射キャビティのアレイを含む輝度増強フィルムを提供する。
別の観点から、本発明は、輝度増強フィルムであって、入力面に沿った光入力アパーチャと、出力面に沿った光出力アパーチャとの間で延びる集光装置のアレイを含み、それぞれの前記集光装置は概ね放物面形状を有しており、それぞれの前記集光装置に関して、その入力アパーチャの面積がその出力アパーチャの面積よりも小さく；該入力面は導光板と接触しており；そして、それぞれの前記集光装置の屈折率が、前記導光板の屈折率とほぼ等しい、輝度増強フィルムを提供する。
本発明の特徴は、本発明が、高効率的な再配光を達成するためのフィルム構造の反射特性を採用することである。
本発明の利点は、本発明が従来技術の解決手段と比較して、軸上及び軸近傍の輝度ゲインを改善することである。
本発明の別の利点は、本発明が従来技術の指向性バイアスのない、再配光のための単一フィルムを提供することである。従って、本発明の輝度増強フィルムの配向のために整列は必要とされない。さらに、本発明の輝度増強フィルムは指向性バイアスを示さず、直交する輝度増強フィルムを用意する必要性を排除する。
本発明の別の利点は、本発明が角ドメイン及び空間ドメインにおいて均一な配光を提供することである。
本発明の更に別の利点は、本発明が適度の配光角制御を可能にすることである。
本発明の更に別の利点は、本発明が、導光板内のディフューザ又はマイクロ構造を必要としない輝度増強フィルムの一つの態様を提供することである。
本発明の更に別の利点は、本発明が、輝度増強フィルムのためのコンパクトな解決手段を提供することである。本発明のフィルムは、光提供面に直接的に当接して設けられており、隔離距離を必要としない。
本発明の態様が示され説明された図面との関連において以下に詳細に説明するものを読めば、本発明のこれらの、及びその他の目的、特徴及び利点が当業者には明らかになる。この説明は具体的には、本発明による装置の部分、又は装置とより直接的に協働する部分を形成する要素に関連している。言うまでもなく、具体的には示されていない又は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態を成すことができる。
第1態様：表面反射を採用する中空集光装置
図3を参照すると、中空テーパー型構造のアレイを含む、本発明の第1態様の輝度増強フィルム30が示されている。このアレイは、入力面34と出力面36との間で延びて集光装置として役立つ反射キャビティ32から成っている。輝度増強フィルム30の入力面34は、光提供面14に当接しているか、又は光提供面14に極めて近接して配置されている。上側及び下側のディフューザ22を有する光提供面14は、事実上ランバート状の光を入力面34に提供する。次いで出力面36は、LCD(図示せず)又は他のバックライト成分のために出力照明を提供する。
図4aを参照すると、反射キャビティ32の出力アパーチャ35を示す、輝度増強フィルム30の出力面36の頂面が斜視図で示されている。図4bを参照すると、入力面34上に入力アパーチャ33を有する状態が、底面図で示されている。
図3, 4a及び4bに示された好ましい態様において、反射キャビティ32は、長さ方向断面において概ね放物面状であり、そして幅方向断面においては円形である。しかし、図5a, 5b及び5cに示されているように、反射キャビティ32の種々異なる構造が可能である。図5aの場合、反射キャビティ32は概ね円錐形状であり、幅方向で円形断面を有している。図5bの場合、反射キャビティ32は幅方向断面において方形である。図5cの場合、反射キャビティ32は幅方向断面において六角形である。図5b及び5cの態様の長さ方向断面図は、入力アパーチャ33が出力アパーチャ35よりも小さいことを条件として、例えば放物面状、概ね放物面状又は直線状であってよい。
図6は、好ましい態様を上側斜めから示すワイヤーフレーム図である。図3, 4a, 4b, 5a, 5b, 5c及び6において、入力面34から出力面36に、輝度増強フィルム30を完全に貫通して延びる反射キャビティ32が示されている。しかし、反射キャビティ32が輝度増強フィルム30を部分的にだけ貫通して延びる、例えば透明基板を使用した態様もあり得る。このように、光路に関して、出力アパーチャ35の後、又は入力アパーチャ33の前に付加的な透明基板材料があってよい。
上述のように、集光装置として使用するためには、出力アパーチャ35の面積は、入力アパーチャ33の面積よりも大きくなければならない。このことは典型的には、反射キャビティ32がある程度テーパーされることを必要とする。出力アパーチャ35と入力アパーチャ33とのこのような関係が満たされていることを条件として、反射キャビティ32を数多くの方法で成形することができる。好ましい態様の場合、図6のワイヤーフレーム図に最も明らかに示されているように、反射キャビティ32は、長手方向断面において全体的に丸みを帯びた放物面形状を有するように湾曲されている。このタイプの形状の利点全体は、図7の光線ダイヤグラムにおいて表される。反射キャビティ32が理想的な放物面状プロフィールを有すると、入力面34上の点Pから広範囲の角度にわたって放射された光線Rが一般に、出力面36から同じ角度を成して射出する。具体的には、点Pから放射されて反射キャビティ32の側壁38から反射する光線は一般に、角度θmaxを成して出る。角度θmaxはその点から放射される反射光線の最大ビーム角θmaxに相当する。
図8を参照すると、本発明の輝度増強フィルム30の出力輝度に対応するシミュレーション輝度曲線26bと、図1に示されているような従来技術の輝度増強フィルム10を使用した輝度曲線26aとを比較するグラフが示されている。このシミュレーションは、LCDバックライト照明するための典型的な条件に基づいて行われる。このシミュレーションの作業仮説は、ランバート光源、反射率値0.96、及び最大ビーム角θmax 20度を含む。下側ディフューザ22(図3)からの損失はないと想定される。
図8の輝度曲線26bが示すように、集光装置として反射キャビティ32のアレイを採用する本発明の輝度増強フィルム30は、従来技術の輝度増強フィルム30解決手段を使用して得られるよりも高い軸上輝度を達成する。相当の軸外光量が、図7に示されているように、垂直に再指向される。しかし、ここで留意しなければならないのは、軸上輝度のこのような増大が高くつくことである。すなわち、図8に示すように、軸外輝度がこれに応じて低減される。このように、本発明の輝度増強フィルム30は、有効視野角の増大を必要とする用途ではなく、むしろ、より強力な軸上照明を必要とする用途にとって最適である。有利には、本発明の輝度増強フィルム30を使用すると、図8の輝度曲線26a及び26bを比較することにより明らかなように、図1の従来技術の輝度増強フィルム10において二次ピーク28を引き起こした無駄な光が、追加的な軸近傍照明を提供するように再指向される。
第1態様の典型的な寸法、形状、及び製造
輝度増強フィルム30の第1態様における反射キャビティ32の典型的な値は、下記のものを含む：
出力アパーチャ35直径：400 μm
入力アパーチャ33直径：140 μm
高さ：720 μm
反射率：0.96、公称
典型的な最大ビーム角θmax：20度
第1態様の場合、輝度増強フィルム30は、例えばポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、又はアクリル・フィルムを含む金属又はプラスチック材料から形成することができる。材料が反射性の場合、コーティングは必要とされないことがある。透明材料、又は十分には反射性でない材料、例えば金属面を使用する場合には、反射キャビティ32の内面、及び任意には構造の他の部分に、反射コーティングが塗布される。反射キャビティ32自体を形成する製造技術は、穿孔及びエッチングを含む。
図4a, 4b, 5a, 5b, 5c及び6は、反射キャビティ32を支持する構造の種々の配列を示している。これらの態様のほとんどは、入力面34及び出力面36に何らかの支持構造を有している。しかし図5bに示すように、入力面34及び出力面36のうちの一方又は他方は、個々の反射キャビティ32の間に支持構造材料を使用しないことがある。図5cの六角形出力アパーチャ35の場合、隣接する反射キャビティ32の側壁が共有されている。この配列は、出力面36における頑丈な構造を提供し、そして出力アパーチャ35の最大面積を可能にする。
好ましい態様において、反射キャビティ32は、水平方向断面で見て(すなわち、輝度増強フィルム30の出力面に対して平行な断面において)丸い。しかし、他の形状も可能であり、反射キャビティ22が、例えば正方形又は方形の断面形状を有するのも可能である。一般に、円形以外の断面形状は、輝度増強フィルム30のフィルファクターを有利に増大させることができる。同時に注意すべきなのは、出力面36における全フィルファクター、すなわち出力アパーチャ35の面積(図4〜7)を注意深く考察して、輝度増強フィルム30のための十分な支持構造を維持しなければならないことである。
好ましい態様の場合、図7を参照して説明したように、全体的な放物面鉛直方向断面形状が、光の取り扱いに起因して、反射キャビティ32にとって最も有利である。複合放物面集光装置(CPC)の全体的な形状が、反射キャビティ32の側壁38の好ましい形状である。しかし留意すべきなのは、反射側壁38はほぼ鉛直であってよく(すなわち、規定された勾配を有しない)、或いは、固定又は可変の勾配を有してもよい。この第1態様の場合、上述のように、反射キャビティ32は、入力アパーチャ33の面積が出力アパーチャ35の面積よりも小さいという要件を満たさなければならない。
反射キャビティ32の不均一なサイズ、形状及び分布が、均一な光出力を提供するのに適している場合がある。このように、例えば反射キャビティ32のアレイを使用したフィルムは、種々異なる態様のために、反射キャビティ27の異なるサイズ及び分布を必要とすることがある。
第2態様：TIR効果を採用する中実集光装置
図9を参照すると、本発明の第2態様が示されている。第2態様において、輝度増強フィルム40は、中実テーパー型構造のアレイを含む。図3〜7の第1態様のテーパーされた、概ね円柱状の構造と同様に、図9に示された態様はまた、反射を用いて光を調節するための概ね放物面形状の構造を利用するが、しかし、異なる反射原理を採用する。この場合、輝度増強フィルム40は、中実放物面集光装置42のテーパー型アレイを使用する。第1態様の反射キャビティ32とは異なり、中実放物面集光装置42は、反射内側コーティングを必要としない。その代わりに、それぞれの放物面集光装置42は、入力アパーチャ43から出力アパーチャ45へ光を指向させるために全内部反射(TIR)を用いる。図9に示したように、それぞれの放物面集光装置42の入力面44が、導光板54に当接した状態で配置されている。この態様の場合、下記の特別な要件を満たさなければならない：
(i)放物面集光装置42を形成するために使用される材料は、約+1/-0.1以内まで、導光板54の屈折率nとほぼ等しい屈折率を有し；
(ii)この態様の導光板54は、ディフューザを提供せず；
(iii)放物面集光装置42の入力アパーチャ43は、導光板54に直接に接触しており、すなわち、入力アパーチャ43は、エアギャップなしに導光板54に当接した状態で配置されている。入力アパーチャ43は、導光板54の表面に、例えば接着されるか、圧入されるか、成形されるか、又はその他の形式で取り付けることができる。
この態様の場合、光パイプの一種である導光板54はまた、LCDバックライト技術の当業者にはよく知られている構造を使用した、その光源とは反対側の反射面を必要とする。先に進んで図16を参照すると、ここには導光板54のための好適な配列が示されており、導光板54は、光源18の反対側の反射面24、及び直角を成して結合された外面を有している。
図10を参照すると、入力面44に沿った入力アパーチャ43の異なる起源からの光線Rに関する、中実放物面集光装置42の挙動全体が示されている。図7に示された、反射キャビティ32を使用した第1態様に関して示されたものと同様に、内側側壁48の好ましい湾曲は概ね放物面状であるので、所定の角度範囲全体にわたって入力アパーチャ43に入射した光は、TIRに基づき側壁48から反射され、そして、出力面46上の出力アパーチャ45において出力される。第1態様に関しても述べたように、入力アパーチャ43は、出力アパーチャ45よりも面積が小さくなければならない。
側壁48の表面曲率の定義
第2態様の中実放物面集光装置42の場合、側壁48の表面プロフィールによって、全内部反射(TIR)が光提供面14から光をどのように再指向するかが決定される。図11を参照すると、放物面集光装置42の側壁48の輪郭が、鉛直方向の断面で示されている。この説明のために、放物面集光装置42の水平方向(すなわち幅方向)の断面は円形であることが想定されるが、しかし、他の形状を用いることもできる。入力面44上で、放物面集光装置42の入力アパーチャ43は半径riを有する。出力面46上で、出力アパーチャ45は半径reを有する。値hは、放物面集光装置42の高さを表す。入力アパーチャの周面上の基準点Pからの、TIRが発生し得る最大角は、等式(1)：
Figure 2007527034
によって定義されるθmaxである。概説としては、等式(2)に定義したように、入射光の臨界角θTIRを上回ると、TIRが達成される：
Figure 2007527034
上記式中、nは、放物面集光装置42のために使用される材料の屈折率である。
TIRを用いるための、側壁48の湾曲構成の主要な角度の関係を図12に示す。この場合、角度θslopeは、点Sにおける側壁48の勾配を表す。角度θincは、点Sにおける垂線に対する、点Pからの光の入射角を表す。側壁48上のそれぞれの点Sにおける点Pからの光に対してTIRを維持するために、等式(3)：
Figure 2007527034
の関係を維持しなければならない。概ね放物面状の形状が等式(3)を満たし、図10に示された一般的な光再指向挙動を提供することを観察することができる。
上記説明及び等式(1)〜(3)に基づいて、下記工程を用いることによって、第2態様における側壁48のための所望のプロフィールを確立する：
(工程1) 放物面集光装置42の下記パラメータを定義する：
(a)入力アパーチャrinput
(b)高さh
(c)角度θmax
(工程2) 等式(1)を使用して、出力アパーチャroutputの半径を計算する。
(工程3) 等式(3)を使用して、側壁44に沿った多数の連続する点Sにおける勾配角θslopeを決定する(図12)。
第1の態様の輝度増強フィルム30と同様に、第2の態様の輝度増強フィルム40も、図10に関して説明したように、光を垂直に再指向する。
レンズ構造の付加
図13を参照すると、放物面集光装置42の出力面46の一部に、出力アパーチャ45の別の構造が示されている。この構造において、1つ又は2つ以上の放物面集光装置42の出力アパーチャ45上に、レンズ50が形成されており、光提供面14からの光の再指向を改善する。
等式(4)はレンズ50の曲率半径を記述する。
Figure 2007527034
上記式中、Routは、出力アパーチャ45の半径であり、そしてφpeakは、図14aに示されているように、レンズ50なしでピーク強度が発生する角度である。
図14bを参照すると、図1に示されたコンベンショナルなBEF解決手段の輝度曲線52aと、レンズ50を有する中実放物面集光装置42を使用する、この第2態様の輝度増強フィルム40の輝度曲線52bとが、比較のために示されている。図14bの輝度曲線52bと、図14aの輝度曲線52cとを比較することにより、いかにして、レンズ50が出力アパーチャ45で光を調節し、約0度(BEF面に対して垂直)を中心とする単一極大部分に光を効果的に集めるかが明らかになる。
第2態様の典型的な寸法、形状、及び製造
輝度増強フィルム40の第2態様における中実放物面集光装置42の典型的な値は、下記のものを含む：
出力アパーチャ45直径：400 μm
入力アパーチャ43直径：140 μm
高さ：720 μm
典型的な最大ビーム角θmax：20度
放物面集光装置42を有する輝度増強フィルム40は、例えばポリカーボネート、PMMA、又はアクリル・フィルムを含む種々のプラスチック材料から形成することができる。放物面集光装置42の密度は、用途に依存する。改善された空間均一性を提供するために、放物面集光装置42のスペース又は中心間の空間、並びにこれらの入力アパーチャ43及び出力アパーチャ45の寸法及び全体的な形状は、輝度増強フィルム40全体にわたって不均一であってよい。例えば、放物面集光装置42は、光源に近い場所ではなく光源から隔たった場所に、より緻密に集合していてよい。
改善された照明システム
図15を参照すると、ディスプレイ装置60に関して、光をLCD構成部分20に提供するために、第1態様の輝度増強フィルム30を採用した照明システム56が示されている。上側及び下側のディフューザ22と反射面24とを有する光提供面14が、光源18から輝度増強フィルム30にランバート散乱光を提供する。次いで、輝度増強フィルム30からの調節済出力が、LCD構成部分20を通るように指向される。
図16を参照すると、ディスプレイ装置60に関して、光をLCD構成部分20に提供するために、第2態様の輝度増強フィルム40を採用した照明システム58が示されている。反射面24を有する光提供面54が、輝度増強フィルム40によって調節するのに適した角度の入射光を提供する。輝度増強フィルム40の入力面44は、光提供面54に圧着、接着又はその他の形式で直接的に当接された状態で形成される。次いで出力光が、LCD構成部分20を通るように指向される(ディフューザ22はこの第2の態様では必要とされない)。
上記の背景技術の項で述べたように、輝度増強フィルム10を使用した従来技術の解決手段は指向性バイアスを有しており、たいていの用途において、直交する好ましい角度を有する2つのフィルム・シートの使用を必要とする。輝度増強フィルム30及び40が、フィルム・シートを横切るこのような指向性バイアスが存在しないことに関して、従来の構造を凌ぐ利点を享受することは明らかである。概ね円形の反射キャビティ32又は放物面集光装置42が設けられると、異なる角度の光を取り扱うために、複数の輝度増強フィルム30又は40を使用する必要はない。
中空及び中実両方の態様に関して、入射光の主要な調節は、側壁38(第1態様)又は48(第2態様)からの反射によって提供される。図3〜7の第1態様の場合、ある程度の光が、側壁38からの反射なしに反射キャビティ32の中空反射構造を直接に通過する。反対に、図9〜12の第2態様の場合、側壁48からの反射なしに中実放物面集光装置42を通ることができる光はほとんどない。
エリア照明用途のための使用
主としてバックライト・ディスプレイ用途における使用に焦点を当てて、本発明の輝度増強フィルム30及び40に関して上述してきた。しかし、本発明の第1又は第2態様において使用されるテーパー型構造のアレイは、エリア照明用途において使用することもできる。広い角度範囲で光を受容し、そしてその光を垂直軸に再指向させるこれらのアレイの能力は、可能な用途の範囲、例えば読書灯や手術用照明装置を示唆する。本発明の輝度増強フィルム30及び40は、一般にランバート光源を採用する照明用途に特に適している。
本発明を好ましい態様に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなしに、当業者によって変更及び改変を加え得ることは明らかである。例えば、理想的な放物面形状が特に有利ではあるものの、図3〜7の中空反射性の第1態様、又は図9〜13の中実の第2態様を用いた、放物面に近似した形状も、垂直軸への光の再指向にとって効果的である。第1の反射性態様の場合、好適な反射特性を得るために、種々のタイプのコーティングを透明又は非反射性の基板に塗布することもできる。第2の反射性態様の場合、導光板54の表面内に、放物面集光装置42を成形するか、又はその他の形式で形成して、輝度増強フィルム40が導光板54の一部として効果的に製造されるようにすることもできる。
本発明の輝度増強フィルムは、軸外光を、フィルム表面に対する垂直軸に指向させ、従って、LCDディスプレイ・デバイスとの使用、及びその他のタイプのバックライト・ディスプレイに特に適している。
図1は、LCDディスプレイとともに使用された従来技術の輝度増強フィルムを示す側方断面図である。 図2は、従来技術の輝度増強フィルムに関する、輝度と視野角との関係を示すグラフである。 図3は、本発明の一つの態様における反射キャビティのごく一部を示す斜視図である。 図4aは、本発明の1における反射キャビティを使用したフィルムを示す上側斜視図である。 図4bは、本発明の一つの態様における反射キャビティを使用したフィルムを示す下側斜視図である。 図5aは、本発明の別の態様において使用された異なるタイプの反射構造を示す上側斜視図である。 図5bは、本発明の別の態様において使用された異なるタイプの反射構造を示す上側斜視図である。 図5cは、本発明の別の態様において使用された異なるタイプの反射構造を示す上側斜視図である。 図6は、図3、4及び5に示されたフィルムのワイヤーフレーム図である。 図7は、本発明による、光線の取り扱いにおける反射キャビティの挙動を示す光路図である。 図8は、視野角に対する、本発明の種々異なる態様の相対輝度を、コンベンショナルな輝度増強フィルムの輝度挙動と比較して示すグラフである。 図9は、本発明の別の態様における、光再指向のためにTIRを用いる屈折構造を示す斜視図である。 図10は、本発明による、光線の取り扱いにおける中実テーパー型集光装置構造の挙動を示す光路図である。 図11は、TIR値を測定するための主要パラメータを示す、本発明による中実集光装置構造の側面図である。 図12は、側壁プロフィールの主要寸法を示す、本発明による中実集光装置構造の側壁の一部の拡大側面図である。 図13は、図9の別の態様とともに使用される光学レンズ構造を示す斜視図である。 図14aは、出力レンズ構造を含まない中実テーパー型集光装置構造、及び出力レンズ構造を含む中実テーパー型集光装置構造を使用した場合の相対輝度効果を示すグラフである。 図14bは、出力レンズ構造を含まない中実テーパー型集光装置構造、及び出力レンズ構造を含む中実テーパー型集光装置構造を使用した場合の相対輝度効果を示すグラフである。 図15は、第一つの態様の輝度増強フィルムを使用した照明システムを示す概略的なブロック・ダイヤグラムである。 図16は、第2態様の輝度増強フィルムを使用した照明システムを示す概略的なブロック・ダイヤグラムである。
符号の説明
10 輝度増強フィルム
12 平滑側
14 光提供面
16 プリズム構造
18 光源
19 反射面
20 LCD構成部分
22 ディフューザ
24 反射面
26, 26a, 26b 輝度曲線
28 二次ピーク
30 輝度増強フィルム
32 反射キャビティ
33, 43 入力アパーチャ
34 入力面
36 出力面
38, 48 側壁
40 輝度増強フィルム
42 放物面集光装置
44 入力面
35, 45 出力アパーチャ
46 出力面
50 レンズ
52a, 52b, 52c 輝度曲線
54 導光板
56, 58 照明システム
60 ディスプレイ装置

Claims (46)

  1. テーパー型構造のアレイを含む輝度増強フィルムであって、それぞれの前記テーパー型構造が、光入力アパーチャとより大きい光出力アパーチャとを有し、それぞれの前記テーパー型構造の内面が、前記入力アパーチャに入射した軸外光を、前記出力アパーチャに反射させるように適合されている、輝度増強フィルム。
  2. 前記テーパー型構造のアレイが、光入力面と光出力面との間で延びる中空反射キャビティのアレイを含む、請求項1に記載の輝度増強フィルム。
  3. 前記テーパー型構造のアレイが、入力面上の入力アパーチャと出力面上の出力アパーチャとの間で延びる集光装置のアレイを含み、それぞれの前記集光装置は概ね放物面形状を有しており、前記入力面は導光板と接触しており、そして前記集光装置は、前記導光板の屈折率とほぼ等しい屈折率を有する、請求項1に記載の輝度増強フィルム。
  4. 前記出力アパーチャに対して平行な断面において、前記テーパー型構造がほぼ円形である、請求項1に記載の輝度増強フィルム。
  5. 前記出力アパーチャに対して平行な断面において、前記テーパー型構造がほぼ六角形である、請求項1に記載の輝度増強フィルム。
  6. 前記出力アパーチャに対して平行な断面において、前記テーパー型構造がほぼ方形である、請求項1に記載の輝度増強フィルム。
  7. 前記軸外光が導光板によって提供される、請求項1に記載の輝度増強フィルム。
  8. 光入力面と光出力面との間で延びる中空反射キャビティのアレイを含む、輝度増強フィルム。
  9. 前記中空反射キャビティの1つ以上が、湾曲側壁を含む、請求項8に記載の輝度増強フィルム。
  10. 前記入力面から前記出力面への断面において、前記湾曲側壁がほぼ放物面状である、請求項9に記載の輝度増強フィルム。
  11. 前記出力面に対して平行な断面において、前記中空反射キャビティがほぼ円形である、請求項8に記載の輝度増強フィルム。
  12. 前記反射キャビティのうちの1つ以上の側壁が反射コーティングを含む、請求項8に記載の輝度増強フィルム。
  13. 前記中空反射キャビティのうちの2つ以上が、寸法が互いに異なる、請求項8に記載の輝度増強フィルム。
  14. 前記入力面が透明基板を含む、請求項8に記載の輝度増強フィルム。
  15. 前記出力面が透明基板を含む、請求項8に記載の輝度増強フィルム。
  16. 該フィルムが反射基板を含む、請求項8に記載の輝度増強フィルム。
  17. それぞれの前記中空反射キャビティが入力アパーチャと出力アパーチャとを有し、前記出力アパーチャが前記入力アパーチャよりも面積が大きい、請求項8に記載の輝度増強フィルム。
  18. 光入力面と光出力面との間で延びる中空反射キャビティのアレイを含む輝度増強フィルムであって、それぞれの前記中空反射キャビティが、入射軸外光を受容するための入力アパーチャと、より大きな出力アパーチャとを有する、輝度増強フィルム。
  19. 前記中空反射キャビティのうちの1つ以上が、前記入力面から前記出力面への断面においてほぼ放物面状である、請求項18に記載の輝度増強フィルム。
  20. (a)概ねランバート状の光源を提供するための導光板；
    (b)光入力面と光出力面との間で延びる中空反射キャビティのアレイを含む輝度増強フィルム、ここで前記輝度増強フィルムの前記入力面は、前記導光板から光を受理するために、前記導光板に近接して配置されている、
    を含んで成る照明システム。
  21. 前記輝度増強フィルムの1つ以上の前記反射キャビティが、湾曲側壁を含む、請求項20に記載の輝度増強フィルム。
  22. 前記入力面から前記出力面へ延びる断面において、前記湾曲側壁が、ほぼ放物面状である、請求項21に記載の輝度増強フィルム。
  23. 前記輝度増強フィルムの前記出力面に対して平行な断面において、1つ以上の前記反射キャビティがほぼ円形である、請求項20に記載の照明システム。
  24. 前記輝度増強フィルムの前記出力面に対して平行な断面において、1つ以上の前記反射キャビティがほぼ方形である、請求項20に記載の照明システム。
  25. 前記輝度増強フィルムの前記出力面に対して平行な断面において、1つ以上の前記反射キャビティがほぼ六角形である、請求項20に記載の照明システム。
  26. 前記輝度増強フィルムの前記反射キャビティのうちの1つ以上の側壁が反射コーティングを含む、請求項20に記載の照明システム。
  27. 前記輝度増強フィルムの前記中空反射キャビティのうちの2つ以上が、寸法が互いに異なる、請求項20に記載の照明システム。
  28. 前記輝度増強フィルムの前記入力面が透明基板を含む、請求項20に記載の照明システム。
  29. 前記輝度増強フィルムの前記出力面が透明基板を含む、請求項20に記載の照明システム。
  30. 前記輝度増強フィルムの前記入力面が反射性である、請求項20に記載の照明システム。
  31. (a)概ねランバート状の光源を提供するための導光板；
    (b)該前記導光板に近接して配置された光入力面と光出力面との間で延びる中空反射キャビティのアレイを含み、前記出力面からバックライト照明を提供する輝度増強フィルム；及び
    (c)前記バックライト照明を調節して画像を形成するためのLCDディスプレイ・パネル
    を含んで成る、
    ディスプレイ装置。
  32. 入力面に沿った光入力アパーチャと出力面に沿った光出力アパーチャとの間で延びる集光装置のアレイを含んで成る輝度増強フィルムであって、
    それぞれの前記集光装置が概ね放物面形状を有しており、
    それぞれの前記集光装置に関して：
    (a)その入力アパーチャの面積がその出力アパーチャの面積よりも小さく；
    (b)該入力面は導光板と接触しており；そして
    (c)屈折率が、前記導光板の屈折率とほぼ等しい、
    輝度増強フィルム。
  33. 1つ以上の前記集光装置のための前記出力アパーチャに、レンズが形成されている、請求項32に記載の輝度増強フィルム。
  34. それぞれの前記集光装置内部の総内部反射が、前記入力アパーチャからの軸外光の一部を前記出力アパーチャに指向させる、請求項32に記載の輝度増強フィルム。
  35. (a)光を提供するための導光板；及び
    (b)入力面に沿った光入力アパーチャと出力面に沿った光出力アパーチャとの間で延びる集光装置のアレイを含む輝度増強フィルム、
    を含んで成る照明システムであって、
    それぞれの前記集光装置は概ね放物面形状を有しており、
    それぞれの前記集光装置に関して：
    (1)入力アパーチャの面積がその出力アパーチャの面積よりも小さく；
    (2)該入力面は前記導光板と接触しており；そして
    (3)屈折率が、前記導光板の屈折率とほぼ等しい、
    照明システム。
  36. (a)光を提供するための導光板；
    (b)入力面に沿った光入力アパーチャと出力面に沿った光出力アパーチャとの間で延びる集光装置のアレイを含む輝度増強フィルム；及び
    (c)前記バックライト照明を調節して画像を形成するためのLCDディスプレイ・パネル
    を含んで成るディスプレイ装置であって、
    それぞれの前記集光装置は：
    (1)概ね放物面形状を有しており、それぞれの前記集光装置に関して、その入力アパーチャの面積がその出力アパーチャの面積よりも小さく；
    (2)前記導光板と接触している入力面を有し；そして
    (3)前記導光板の屈折率とほぼ等しい屈折率を有する、
    ディスプレイ装置。
  37. テーパー型集光装置のアレイを有する出力面を含んで成るバックライトを提供するための導光板であって、それぞれの集光装置が概ね放物面形状を有し、そして光入力アパーチャと光出力アパーチャとを含み、それぞれの前記集光装置の入力アパーチャが出力アパーチャよりも小さい、導光板。
  38. ：
    (a)光源；及び
    (b)光入力面と光出力面との間で延びる中空反射キャビティのアレイを含む輝度増強フィルム、
    を含んでなる照明装置であって；
    前記輝度増強フィルムの前記入力面が、前記導光板に近接して配置されている照明装置。
  39. (a)光を提供するための光源面；及び
    (b)入力面に沿った光入力アパーチャと、出力面に沿った光出力アパーチャとの間で延びる集光装置のアレイを含む輝度増強フィルム、
    を含んで成る照明装置であって、
    それぞれの前記集光装置は概ね放物面形状を有しており、
    それぞれの前記集光装置に関して：
    (1)入力アパーチャの面積がその出力アパーチャの面積よりも小さく；
    (2)該入力面は前記光源面と接触しており；そして
    (3)屈折率が、前記光源面の屈折率とほぼ等しい、
    照明装置。
  40. であって：
    (a)それぞれが光入力アパーチャと光出力アパーチャとを有する中空反射キャビティのアレイを用意し；そして
    (b)光を前記キャビティのアレイに指向させる
    ことを含んで成るバックライト・ディスプレイのための輝度を増強する方法。
  41. 中空反射キャビティのアレイを用意する該工程が、前記キャビティをフィルム基板内に形成する工程を含む、請求項40に記載の輝度を増強する方法。
  42. さらに、前記キャビティをコーティングする工程を含む、請求項41に記載の輝度を増強する方法。
  43. 1つ以上の前記中空反射キャビティの、前記光入力アパーチャから前記光出力アパーチャへの断面が概ね放物面状である、請求項40に記載の輝度を増強する方法。
  44. 光を前記入力アパーチャに指向させる該工程が、ランバート光源から光を発生させる工程を含む、請求項40に記載の輝度を増強する方法。
  45. (a)第1屈折率n1を有する導光面を用意し；
    (b)それぞれが概ね放物面形状を有するテーパー型集光装置のアレイを形成し；ここで
    (1)それぞれの前記集光装置の入力アパーチャは出力アパーチャの面積よりも小さく；
    (2)それぞれの前記集光装置は第2屈折率nを有し；そして
    (3)n2はn1とほぼ等しく；
    (c)前記導光面に当接させた状態で複数の前記集光装置の入力アパーチャを配置する
    こと
    を含んで成るバックライト・ディスプレイのための輝度を増強する方法。
  46. 前記導光面に当接させた状態で複数の前記集光装置の入力アパーチャを配置する該工程が、前記テーパー型集光装置のアレイの入力表面に接着剤を塗布する工程を含む、請求項45に記載のバックライト・ディスプレイのための輝度を増強する方法。
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