JP2008547059A - 高偏光感度照明用素子及びそれを使ったシステム - Google Patents
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Abstract
光源とディスプレイパネルとの間に配置された制御透過ミラーを有するディスプレイシステムである。制御透過ミラーは、光源に向けられた光方向転換入力結合素子、ディスプレイパネルに向けられた光方向転換出力、及び入力と出力結合素子との間の多層反射体を含む。制御透過ミラーは光を横方向に広げ、パネルの照明をさらに均一にする。制御透過ミラーは、さらに光を広げるために、入力と出力結合素子との間に透明基材を含んでもよい。光源は制御透過ミラーの背面よりも中に配置されてよい。出力結合素子は出力光が偏光するように高い偏光感度を有することができる。
Description
(関連出願の相互参照)
本出願は次の出願に関連している。米国特許出願番号11/166,723、発明の名称「OPTICAL ELEMENT FOR LATERAL LIGHT SPREADING IN BACK−LIT DISPLAYS AND SYSTEM USING SAME」、出願日は本明細書と同日である、Attorney Docket No.60499US002;米国特許出願番号11/166,722、発明の名称「 COLOR MIXING ILLUMINATION LIGHT UNIT AND SYSTEM USING SAME」、 出願日は本明細書と同日である、Attorney Docket No.60708US002; 米国特許出願番号 11/167,003、 発明の名称「OPTICAL ELEMENT FOR LATERAL LIGHT SPREADING IN EDGE−LIT DISPLAYS AND SYSTEM USING SAME」、出願日は本明細書と同日である、Attorney Docket No.60709US002;及び 米国特許出願番号11/167,001、発明の名称「 ILLUMINATION ELEMENT AND SYSTEM USING SAME」、出願日は本明細書と同日である、Attorney Docket No.60975US002。
本出願は次の出願に関連している。米国特許出願番号11/166,723、発明の名称「OPTICAL ELEMENT FOR LATERAL LIGHT SPREADING IN BACK−LIT DISPLAYS AND SYSTEM USING SAME」、出願日は本明細書と同日である、Attorney Docket No.60499US002;米国特許出願番号11/166,722、発明の名称「 COLOR MIXING ILLUMINATION LIGHT UNIT AND SYSTEM USING SAME」、 出願日は本明細書と同日である、Attorney Docket No.60708US002; 米国特許出願番号 11/167,003、 発明の名称「OPTICAL ELEMENT FOR LATERAL LIGHT SPREADING IN EDGE−LIT DISPLAYS AND SYSTEM USING SAME」、出願日は本明細書と同日である、Attorney Docket No.60709US002;及び 米国特許出願番号11/167,001、発明の名称「 ILLUMINATION ELEMENT AND SYSTEM USING SAME」、出願日は本明細書と同日である、Attorney Docket No.60975US002。
(発明の分野)
本発明は光学的照明及びディスプレイに関し、より詳細には、直下型バックライトによって照明される表示及びディスプレイシステムに関する。
本発明は光学的照明及びディスプレイに関し、より詳細には、直下型バックライトによって照明される表示及びディスプレイシステムに関する。
液晶ディスプレイ(LCD)は、ラップトップ・コンピュータ、手持ち式計算機、デジタル時計、及びテレビなどのデバイスに使用される光学ディスプレイである。例えば、LCDモニタ及びLCDテレビ(LCD−TV)などのLCDは、LCDパネルのすぐ背面に置かれた複数の光源を用いて直接照明される。通常直接照明式ディスプレイと呼ばれるこの配置は、ディスプレイが大きくなるにつれて益々一般的になっている。この理由の一つは、一定レベルのディスプレイ輝度を得るために必要な光パワーは、ディスプレイのサイズの二乗で増加することが挙げられる。一方、ディスプレイの側面に沿って光源を配置するために利用できるエリア(real estate)は、ディスプレイのサイズに対して線形に増加するに過ぎない。したがって、一定レベルの輝度を得るためには、光源は側面ではなくパネルの後ろに置かなければならないというところに行き着く。LCD−TVなどのLCDアプリケーションの一部は、他のアプリケーションと比べてかなり遠くから見てもディスプレイが十分明るいことが必要であり、LCD−TVはモニタやハンドヘルドデバイスよりも広い視野角が要件となるので、比較的小さいスクリーンサイズであってもLCD−TVを直接照明方式で見ることがさらに一般的になっている。
LCDモニタの一部及びほとんどのLCD−TVは、多数のカソード蛍光ランプ(CCFL)により後方から照明が当てられる。これら光源は線状であり、ディスプレイの幅一杯にわたって伸延しており、結果としてディスプレイの後ろが、黒い部分で分けられた一連の明るい細長いストリップで照明される。かかる照明プロファイルは望ましいものではなく、LCDデバイスの背面の照明プロファイルをスムースにするために、拡散プレートが通常使われる。
現在、LCD−TV拡散プレートにはポリメチルメタクリレート(PMMA)のポリマーマトリックスが、ガラス、ポリスチレンビーズ、及びCaCO3粒子などを含む様々な分散した相とともに使用されている。これらプレートは、多くの場合ランプの高温に曝された後変形又はゆがんでしまう。さらに、一部の拡散プレートは、LCDパネルの背面での照明プロファイルをもっと均一にしようとして、その幅に渡って空間的に変化する拡散特性を有している。かかる非均一な拡散体は時としてプリントパターン拡散体( printed pattern diffuser)と呼ばれる。拡散パターンは組み立てるときに照明光源にレジストしなければならないので、これらを製造するのには費用がかかり、製造原価も高くなる。加えて、ポリマーマトリックス全体に均一に分散粒子を分配するためにカスタマイズされた押出成形化合物が必要となり、コストが更に高くなる。
本発明の一つの実施形態は、照明側及び表示側を有する画像形成パネル、及び上記画像形成パネルの上記照明側に配置された、少なくとも第1の光源及び第2の光源を含む光学システムに関する。上記画像形成パネルと上記光源との間に制御透過ミラーが配置される。上記制御透過ミラーは、上記第1の光源と第2の光源に対向する入力結合素子及び上記画像形成パネルに対向する出力結合素子を有する。第1の多層反射体が上記入力結合素子と出力結合素子との間に配置される。上記出力結合素子は偏光感度が高く、それによって上記出力結合素子は上記制御透過ミラーから出る光を実質的にただ1つの偏光状態に結合させる。
本発明の上記の概要は本発明の各図示の実施形態またはすべての実施を説明しようとするものではない。以下の図と詳細な説明が更に詳細にこれらの実施形態を例示する。
本発明は、液晶ディスプレイ(LCD、又はLCディスプレイ)等の照明看板及びディスプレイに適用可能であり、特に、後方から直接照明を当てる、直接照明式ディスプレイとして知られるLCDに適用可能である。直接照明式ディスプレイのいくつかの具体例には、ある種のLCDモニター及びLCDテレビ(LCD−TV)が挙げられる。
図1は、直接照明式ディスプレイ装置100の例示的実施形態の略分解図である。かかるディスプレイ装置100は、例えばLCDモニター又はLCDテレビで使用することができる。装置100は、パネルプレート106の間に配置されたLC液晶層104を通常含んでいる液晶パネル102を使用している。プレート106の多くはガラスで作られ、液晶層104の液晶の配向を制御するための電極構造及び配向層を内側表面に備えている。電極構造は、液晶の配向を隣接するピクセルと独立に制御することのできる液晶層の領域である液晶パネルピクセルを確定するように通常配列される。1以上のプレート106はまた、ディスプレイ・イメージに色を付すためのカラーフィルターを有する。
上部吸収偏光子108が液晶層104の上側に設置され、下部吸収偏光子110が液晶層104の下側に設置される。図示された実施形態では、上部及び下部吸収偏光子108、110は液晶パネル102の外部に位置している。吸収偏光子108、110及び液晶パネル102は、共同して、バックライト112から出てディスプレイ100を通って視聴者に届く光の透過率を制御する。液晶層104のピクセルが駆動されない場合には、そこを通過する光の偏光は変化しない。したがって、吸収偏光子108、110が垂直に整列している場合には、下部吸収偏光子110を通過した光は上部吸収偏光子108によって吸収される。一方、ピクセルが駆動された場合には、そこを通過する光の偏光は回転し、下部吸収偏光子110を通過した光の少なくとも一部は上部吸収偏光子108も通過する。例えばコントローラ113により液晶層104の様々なピクセルが選択的に駆動されると、光はディスプレイの所望の特定の場所から出て、視聴者が目にする画像を形成する。コントローラ113は、例えば、コンピュータ又はテレビ画像を受信及び表示するテレビコントローラを含んでもよい。ディスプレイの表面に、例えば機械的な及び/又は環境的な保護を提供するために、1以上の任意の層109を上部吸収偏光子108の上方に設けてもよい。ある例示的な実施形態では、層109は吸収偏光子108上のハードコートを含んでもよい。
ある種の液晶ディスプレイは上記した方法とは異なる方法で作動してもよく、従って上記のシステムとは細部が異なる。例えば、吸収偏光子を平行に整列してもよく、液晶パネルは駆動していない状態のときに光の偏光を回転してもよい。いずれにせよ、かかるディスプレイの基本構造は、上記のディスプレイと同様のままである。
バックライト112は光を発生し、その光を液晶パネル102の裏に向かわせる。バックライト112は、光を発生するための多くの光源116を包含する光混合キャビティ(light mixing cavity)114を含む。光源116は冷陰極蛍光灯等の線光源であってよい。他の種類の光源、例えば、フィラメント又はアークランプ、発光ダイオード(LED)、有機発光ダイオード(OLED)、薄型蛍光灯パネル(flat fluorescent panel)、或いは外部蛍光灯を使用してもよい。この光源のリストは、これに限定することもこれらで網羅することも意図しておらず、単なる例示である。
光混合キャビティ114は、光源116から下方へ伝播する光を液晶パネル102から離れる方向に反射するベース反射体(base reflector)118を含んでよい。ベース反射体118は、以下に説明するようにディスプレイ装置100内の光を再利用するためにも有用である。ベース反射体118は鏡面反射ミラーであってよく、又は拡散反射ミラーであってよい。ベース反射体118として使用可能な鏡面反射ミラーの一例は、米国ミネソタ州の3M社(3M Company, St. Paul, Minnesota)から入手可能なVikuiti(商標)強化正反射(Enhanced Specular Reflection(ESR))フィルムである。好適な拡散反射面ミラーの例には、二酸化チタン、硫酸バリウム、炭酸カルシウム等の拡散的に反射する粒子を詰め込んだ、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)、ポリプロピレン、ポリスチレン等のポリマーが挙げられる。微小多孔性の材料及びフィブリル含有の材料を含むその他の拡散反射ミラーの例は、共有米国特許第6,780,355号に言及されている。
光混合キャビティ114はまた、光源116と液晶パネル102との間に配置された制御透過ミラー(controlled transmission mirror)120を含む。制御透過ミラー120はキャビティ114内の光の一部を反射し、各光源116からの光を横方向に分散させた後キャビティ114からいくらかの光を逃がす。分散した横方向の光はキャビティ114を出て行く光の強度プロファイルがより均一になるのを助け、その結果より均一に照射された画像が表示される。さらに、それぞれの光源116が異なった色の光を発生する場合には、横方向に光が分散することで種々の色がより完全に混合する。制御透過ミラー120の操作について以下に詳細に説明する。
キャビティ114はまた、反射壁122を備えている。反射壁122は、例えばベース反射体118で使用するのと同じ鏡面反射材又は拡散反射材から、或いはその他の種類の反射材から形成されてよい。
キャビティ114と液晶パネル102との間には光制御層(light management layer)124の配列が配置されてよもよい。光制御層124は、ディスプレイ装置100の操作を向上させるため、キャビティ114から伝播される光に作用する。例えば、光制御層124は反射偏光子126を含んでもよい。下部吸収偏光子110が単一偏光状態を透過するだけなのに対し、光源116は通常非偏光を発生するので、反射偏光子の配置は有用である。このように、光源116によって発生した光の約半分は、液晶層104へと透過するのに適していない。しかし、反射されなければ下部吸収偏光子110に吸収される光を反射するために反射偏光子126を使用することができ、そしてこの光は、反射偏光子126とキャビティ114との間で反射することにより再利用され得る。反射偏光子126によって反射された光は続いて、制御透過ミラー120によって反射されるか、又はこの光はキャビティー114に再度入ってベース反射体118によって反射される。反射偏光子126によって反射された光の少なくとも一部は偏光を解消し、続いて、偏光状態で反射偏光子126に戻り、反射偏光子126及び下部吸収偏光子110を通って液晶パネル102に送られる。このように、反射偏光子126は、光源116から放たれ液晶パネル102に達する光の一部を増大させるために使用でき、それでディスプレイ装置100が生成する画像はより明るくなる。
任意の好適な種類の反射偏光子、例えば、連続相/分散相偏光子、線グリッド反射偏光子、又はコレステリック反射偏光子などの多層光学フィルム(MOF)反射偏光子、拡散反射偏光フィルム(DRPF)を使用することができる。
多層光学フィルム(MOF)及び連続相/分散相偏光子は共に、少なくとも2つの材料(通常はポリマー材料)の間の屈折率の違いによって単一偏光状態の光を選択的に反射し、一方で直交偏光状態の光を透過する。多層光学フィルム(MOF)反射偏光子の例のいくつかは共有米国特許第5,882,774号に記載されている。市販の多層光学フィルム(MOF)反射偏光子の例としては、米国ミネソタ州の3M社(3M Company, St. Paul, Minnesota)から入手可能な、拡散面を有するVikuiti(商標)DBEF−D200及びDBEF−D400多層反射偏光子が挙げられる。
本発明に関連して有用なDRPFの例には、共有米国特許第5,825,543号に記載されている連続相/分散相反射偏光子、及び共有米国特許第5,867,316号に記載されている拡散反射多層偏光子が挙げられる。その他の好適なDRPFの種類は、米国特許第5,751,388号に記載されている。
本発明に関連して有用な線グリッド偏光子のいくつかの例が、米国特許第6,122,103号に記載されている。線グリッド偏光子は市販されており、とりわけモクステック社(Moxtek Inc., Orem, Utah)から入手可能である。
本発明に関連して有用なコレステリック偏光子のいくつかの例が、例えば米国特許第5,793,456号及び同第6,917,399号に記載されている。コレステリック偏光子は多くの場合、4分の1波長遅延層と共に出力側に配置され、コレステリック偏光子を通過した光は直線偏光に変換される。
偏光混合層(polarization mixing layer)128はキャビティ114と反射偏光子126との間に置かれ、反射偏光子126が反射した光の偏光の混合を助ける。例えば、偏光混合層128は4分の1波長遅延層などの複屈折性層であってもよい。
光制御層124はまた、1以上の輝度上昇層(brightness enhancing layer)130a、130bを有してもよい。輝度上昇層は、軸外光をディスプレイの軸により近い伝播方向へと向け直す表面構造を有している。これによりLCパネル102を通過する照明光の視野角を調整し、軸上を伝播してLCパネル102を通過する光量を通常増加させる。この結果、視聴者が見る画像の軸上の輝度が増加する。
輝度上昇層の一つの例は、屈折と反射の混合を介して照明光の向きを変える多くのプリズム型 隆起部を有する。ディスプレイ装置に使用される可能性のあるプリズム型輝度上昇層の例には、米国ミネソタ州の3M社(3M Company, St. Paul, Minnesota)から入手可能なVikuiti(商標)BEFII及びBEFIII系統のプリズム型フィルム、例えば、BEFII90/24、BEFII90/50、BEFIIIM90/50、及びBEFIIITが挙げられる。輝度上昇層を1つだけ使用することが可能だが、互いに対して約90度の位置に配置させた構造を有する2つの輝度上昇層130a、30bを使用するのが通常の方法である。この交差した構造により、照明光の視聴角度を水平視野及び垂直視野の二次元で調節する。
ここで、 制御透過ミラーの一つの特定な実施形態を図2Aを参照しながら説明する。図はキャビティ114の一部を示しており、いくつかの光源116a,116b、ベース反射体118及び制御透過ミラー120の一部、及びに側面反射ミラー(side reflector)122を備えている。制御透過ミラー120は、CCFLなどの線状光源又はLEDなどの準点光源を用いる直接照明式ディスプレイに、均一な背面照射を有利に提供し、又は別の種類の光源と共に使用することも可能である。制御透過ミラー120は、光源116a,116bで発生した光を実質的に通す基材202を備えていてよい。基材202の少なくとも片側には広域多層反射体(broadband multilayer reflector)204が配置される。図示されている実施形態では、多層反射体204は、基材202の下側に配置されている。多層反射体204は、例えば接着剤を使用して又は使用しないで基材202に取り付けられてもよい。図示されている実施形態では、多層反射体204は、基材202の光源116a,116bに対向する側に積層されている。
基材202は任意の透明素材から形成されてよく、例としては有機又は無機の、例えばポリマー又はガラスが挙げられる。好適なポリマー材料は非晶質又は半結晶性であってもよく、ホモポリマー、コポリマー、またはそれらのブレンドであってもよい。次の例がポリマー材料として挙げられるが、これらに限定されない:非結晶質ポリマー、例えばポリ(カーボネート)(PC);ポリ(スチレン)(PS);アクリレート、例えば、アクリライト(ACRYLITE)(登録商標)のブランド名でCYRO社(Cyro Industries)(米国ニュージャージー州(Rockaway, New Jersey))から提供されているアクリル板;アクリルコポリマー、例えば、アクリル酸イソオクチル/アクリル酸;ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA);PMMAコポリマー;シクロオレフィン;シクロオレフィンコポリマー;アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン(ABS);スチレン・アクリロニトリルコポリマー(SAN);エポキシ;ポリ(ビニルシクロヘキサン);PMMA/ポリ(ビニルフルオライド)ブレンド; アタクチックポリ(プロピレン);ポリ(フェニレンオキサイド)合金;スチレンブロックコポリマー;ポリイミド;ポリサルフォン;ポリ(ビニルクロライド)ポリ(ジメチルシロキサン)(PDMS);ポリウレタン:半結晶性ポリマー、例えば、ポリ(エチレン);ポリ(プロピレン);ポリ(エチレンテレフタレート)(PET);ポリ(カーボネート)/脂肪族PETブレンド;ポリ(エチレンナフタレート)(PEN);ポリアミド;イオノマー;ビニルアセテート/ポリエチレンコポリマー;セルロース・アセテート;セルロース・アセテート・ブチレート;フルオロポリマー;ポリ(スチレン)−ポリ(エチレン)コポリマー;PET及びPENコポリマー;及び透明グラスファイバー板。これら材料のいくつか、例えば、PET、PEN、及びこれらのコポリマーは、素材屈折率を等方性材料の屈折率から変化させるように配向されてもよい。
入力結合素子(input coupling element)206は、多層反射体204の下側に配置され、出力結合素子208は基材202の上側に配置される。入力結合素子206及び出力結合素子208は、これら結合素子206,208に入る光の少なくとも一部の方向を変え、光を制御透過ミラー120の中へ又は制御透過ミラー120の外へと結合させる。入力結合素子206及び出力結合素子208の例示的な実施形態には、拡散体(表面ディフューザ及びバルクディフューザの両方)及び微細反復表面が挙げられる。入力結合素子206及び出力結合素子208の例示的実施形態のいくつかを以下にさらに詳述する。出力結合素子208は、入力結合素子206と同じであってもよく、例えば、入力結合素子206及び出力結合素子208は共にバルクディフューザであってもよく、又は出力結合素子208は入力結合素子206と異なっていてもよい。入力結合素子206及び出力結合素子208は、基材202及び多層反射体204に積層されてもよいし、或いはそれらと一体に形成されてもよい。
多層誘電体反射体204は通常、誘電体スタックの基礎構成要素を形成する光学的反復ユニットから作成される。光学的反復ユニットは通常、少なくとも高屈折率材料及び低屈折率材料の2以上の層を含む。これら構成要素を用いて、多層反射体を、赤外線、可視、又は紫外線波長、及び一定の直交偏光の一方或いは両方を反射するように設計することが可能である。広くは、次の関係に従って層の光学的厚さを制御することで、特定の波長、λ、を反射するようにスタックを作成することが可能である:
λ=(2/M)*Dr
ここで、Mは反射光の順番を表す整数であり、Drは光学的反復ユニットの光学的な厚さである。一次反射の(M=1)場合、光学的反復ユニットの光学的厚さはλ/2である。簡単な4分の1波長スタックは多くの層を含み、各層がλ/4の光学的厚さを有する。広域反射体は、様々な波長に同調する複数の4分の1波長スタック、層厚さの連続グラデーションを有するスタック、又はこれらの混合を備えることができる。多層反射体は非光学的層をさらに備えてもよい。例えば、共押出ポリマー誘電体反射体は、反射フィルムの形成を容易にするため、及び反射体を保護するための保護境界線層(rotective boundary layer)及び/又は表面薄層を有していてもよい。本発明に特に好適なポリマー光学スタックが、PCT公開特許出願WO95/17303(発明の名称:多層光学フィルム(Multilayer Optical Film))及び米国特許第6,531,230号に記載されている。他の実施形態では、誘電体スタックは無機材料のスタックであってもよい。低屈折率材料に用いられる好適な材料の例には、SiO2、MgF2、CaF2等が挙げられる。高屈折率材料に用いられる好適な材料の例には、TiO2、Ta2O5、ZnSe等が挙げられる。本発明は4分の1波長スタックに限定しておらず、しかしながら、例えばコンピュータで最適化されたスタック及びランダム層厚さスタックなどのあらゆる誘電体スタックにさらに一般的に適用可能である。
λ=(2/M)*Dr
ここで、Mは反射光の順番を表す整数であり、Drは光学的反復ユニットの光学的な厚さである。一次反射の(M=1)場合、光学的反復ユニットの光学的厚さはλ/2である。簡単な4分の1波長スタックは多くの層を含み、各層がλ/4の光学的厚さを有する。広域反射体は、様々な波長に同調する複数の4分の1波長スタック、層厚さの連続グラデーションを有するスタック、又はこれらの混合を備えることができる。多層反射体は非光学的層をさらに備えてもよい。例えば、共押出ポリマー誘電体反射体は、反射フィルムの形成を容易にするため、及び反射体を保護するための保護境界線層(rotective boundary layer)及び/又は表面薄層を有していてもよい。本発明に特に好適なポリマー光学スタックが、PCT公開特許出願WO95/17303(発明の名称:多層光学フィルム(Multilayer Optical Film))及び米国特許第6,531,230号に記載されている。他の実施形態では、誘電体スタックは無機材料のスタックであってもよい。低屈折率材料に用いられる好適な材料の例には、SiO2、MgF2、CaF2等が挙げられる。高屈折率材料に用いられる好適な材料の例には、TiO2、Ta2O5、ZnSe等が挙げられる。本発明は4分の1波長スタックに限定しておらず、しかしながら、例えばコンピュータで最適化されたスタック及びランダム層厚さスタックなどのあらゆる誘電体スタックにさらに一般的に適用可能である。
特定波長光の誘電体スタックによる反射は、一部、スタックを通る伝播角度に依存する。多層反射体はスタックに特定の角度で光が伝播するための反射バンド特性(例えば、バンドセンター及びバンドエッジ)を有すると考えてもよい。このバンド特性は、スタックに伝播する角度が変わるにつれ変化する。スタックに伝播する角度は、スタック及び周囲媒質の材料のなかの入射角度及び屈折率の関数である。反射バンド特性のバンドエッジの波長は、スタックへの伝播角度の変化に伴って変化する。典型的には、対象としているポリマー材料の場合は、垂直入射する光のための反射体のバンドエッジは、空気中のかすめ入射で見た場合、垂直入射の約80%にシフトする。この効果については、米国特許第6,208,466号により詳細に記載されている。空気よりも屈折率の高い媒質を用いて反射体に光を結合すると、バンドエッジはさらに大幅にシフトする可能性がある。さらに、バンドエッジ中のシフトはS偏光に対するよりもP偏光に対する方が通常大きい。
反射バンド特性の角度依存(例えば、角度と共にシフトするバンドエッジ)は、有効層厚さの変化によって起こる。垂直入射から角度が増加するにつれて反射バンドはより短い波長に向かってシフトする。所与の層を通過する路程は角度と共に増加する一方、バンドポジションの角度に伴う変化は、所与の層を通過する路程の角度に伴う変化に依存しない。むしろ、バンドポジションは、所与の層の上下表面から反射する光線の間の路程の差に依存する。この路程差は、良く知られた式n.d.cosθによって示されるように入射角度に伴って減少する。当該式は、所与の層がλ/4厚さ層として同調される波長λの計算に使われ、ここでnは層の屈折率であり、θは層の垂線に対する光の伝播角度である。
上記では、反射バンド特性のバンドエッジが角度関数としてどのように変化するかを記述した。本明細書で使用する場合、用語バンドエッジは通常、多層反射体が実質的反射から実質的透過へと変化する領域のことを指す。この領域はかなり明確で、一つの波長として記述されてもよい。別の場合には、反射と透過との間の遷移はもっと緩勾配であってよく、中心波長及び帯域幅として描かれてもよい。しかしながら、いずれの場合も、反射と透過との間の実質的相違はバンドエッジの両側に存在する。
特定の波長の光が(反復ユニットの中間面に垂直な垂線から測って)次第に大きくなる伝播角度でスタックを伝播するにつれ、光はバンドエッジに近づく。一つの実施例では、充分大きい伝播角度で、スタックは光の特定波長に対して実質的に透明となり、光はスタックを透過する。このようにスタックは、光の所与の波長に対して、それより小さいとスタックが光を実質的に反射する関連伝播角度、及びそれより大きいとスタックが光を実質的に透過する別の伝播角度を有する。したがって、一定の多層スタックにおいて光の各波長は、それより小さいと実質的反射が起きる同位角及びそれより大きいと透過が起こる同位角を有すると考えられてもよい。バンドエッジが明確であればあるほど、これら二つの角度は関連波長に近くなる。本明細書の説明のために、これら2つの角度が同じ時、値はθminとなるという近似を行なった。
上の説明は、所与のスタック中の単色光は、伝播角度が増すにつれて反射から透過へとシフトする様子を記述している。スタックが異なる波長の構成要素の混合を有する光で照射される場合、反射スタックが反射性から透過性に変わる角度、θmin、は、波長成分が異なるので異なる。角度が大きくなるにつれバンドエッジはより短い波長へと動くので、θminの値は波長の長い光ほど低くなり、短い波長の光よりも長い波長の光の方がより多く多層反射体を通過することが潜在的に可能となる。ある実施形態では、制御透過ミラーの外へと通過する光の色は比較的均一であることが望ましい。色のバランスをとるための一つのアプローチは、長い波長よりも短い波長の光をより多く制御透過ミラーに結合させる出力及び入力結合素子を使用することである。
かかる結合素子の一つの例は、以下に図4A及び5Aを参照して説明がなされる、ポリマーマトリックス中に分散した散乱粒子を含むバルクディフューザである。散乱粒子は、周囲のマトリックスと異なる屈折率を有する。他の全てが同じならば、長い波長の光よりも短い波長の光のほうがより多く散乱するのが拡散散乱の性質である。
さらに、散乱の度合いは、粒子の屈折率と周囲のマトリックスの屈折率との差によって決まる。短い波長において屈折率の差が大きい場合は、さらに短い波長光が散乱する。拡散結合素子の一つの特定の実施形態において、マトリックスは2軸的に伸延したPENで形成され、該PENは、光がS偏光の場合には、赤色光に対しては約1.75、青色光に対しては約1.85の面内屈折率、すなわち高分散を有する。面内屈折率は、光の電気ベクトルがフィルムの平面に平行に偏光する光の屈折率である。フィルムの厚さ方向に平行に偏光する光の面外屈折率は、約1.5である。P偏光光は、面内屈折率と面外屈折率の組み合わせである有効屈折率を経験するので、P偏光の屈折率はS偏光より小さい。マトリックス内の粒子は高屈折率を有し、例えば、二酸化チタン(TiO2)粒子の屈折率は約2.5である。TiO2の屈折率は450nm〜650nmの範囲にわたって約0.25ずつ変化し、これは、同様の波長にわたって約0.1ずつ屈折率が変化するPENよりも大きい。このように、粒子とマトリックスとの間の屈折率の違いは、可視スペクトルに対して約0.15ずつ変化し、その結果青色光の散乱が増加する。したがって、粒子とマトリックスとの間の屈折率の違いは、可視スペクトラムにわたって顕著に変化する可能性がある。
このように、拡散散乱の波長依存及び可視スペクトラムにわたる屈折率差の大きな違いによって、青色光が多層反射体内に散乱する程度が比較的高く、これにより、短い波長においてより大きなθminを少なくとも部分的に相殺する。
入力結合素子と出力結合素子の別の実施形態は、例えば、図4B〜4D及び図5B〜5Dを参照して以下に詳述されており、光の方向転換を主に屈折による影響に依存するものである。例えば、結合素子は、光を多層反射体の中又は外に結合するための表面構造又はホログラフィック特性を有していてもよい。垂直な材料分散は短い波長に対して大きな屈折による影響を与える。したがって、屈折による影響に依存する入力結合素子と出力結合素子は、短い波長においてより大きなθminを少なくとも部分的に相殺する。
したがって、制御透過ミラーに入る光がθminの値の大きなバリエーションを有する可能性があるという理解のもとに、以下では簡略化のためθminの一つの値についてのみ説明する。
多層反射体を通過する光の量を調節するためにシステム設計者が利用できるその他の作用は、p偏光光が反射損失なしに多層反射体を通過する角度であるブルースター角の選択である。それぞれ屈折率n1及び屈折率n2を有する多層反射体の等方性層1及び等方性層2を調節する場合、光が層1から層2へと通過するための層1のブルースター角、θminは、式tanθB=n2/n1で与えられる。こうして、所望のブルースター角の値をもたらすように多層反射体の異なる層に使用される特定材料を選択することが可能である。
多層反射体に関するブルースター角の存在は、光を大きな角度で方向転換するために入力及び出力結合層に依存する以外に光を反射体を通過させることを可能にする別のメカニズムを提供する。p偏光光の制御透過ミラー内の角度が増加すると、反射バンドはブルースター角において実質的に消滅する。ブルースター角より大きい角度では、反射バンドが再度現れて短い波長へとシフトし続ける。
ある実施形態では、青色光のθBの値をθminより小さく、赤色光のθBをθminより大きく設定することが可能である。この構成によれば、青色光が多層反射ミラーを透過するのを増加させることになり、短い波長においてより大きなθminを少なくとも部分的に相殺する。
光源116aからの光の少なくとも一部は制御透過ミラー120に向かって伝播する。光線210によって例示される光の一部は入力結合素子206を透過しθminよりも大きな角度で多層反射体204に入射し、そして基材202中に透過する。角度は、本明細書において多層反射体204の垂線230に対する角度である。光線212で例示される光の別の部分は、θminよりも小さな角度で入力結合素子206に入射するが、入力結合素子206によって少なくともθminの角度に方向転換させられ、そして多層反射体204を透過して基材202に入る。光線214で例示される光源116aからの光の他の部分は、入力結合素子206を透過してθminよりも小さい角度で多層反射体204に入射する。その結果、光214は多層反射体204によって反射する。θminの値は、光源116aから放射された波長の光が多層反射体204を透過する前に、バンドエッジのどれだけ遠くに多層反射体204がシフトするかによって決定される。
ある実施形態では、多層反射体204と基材202との間の空気の層又は比較的低屈折率の材料を排除するやり方で、多層反射体204を基材202に取り付ける。基材202と多層反射体204との間のかかる光学的密結合は、光が基材202に届く前に多層反射体204において光が全反射してしまう可能性を低減させる。
基材内の光の最大角、θmaxは、入力結合素子206、ni、及び基材202、nsの相対屈折率によって決定される。入力結合素子206が表面結合素子の場合、niの値は表面がその上に形成される材料の屈折率に等しい。入力結合素子206から基材202への伝播はスネルの法則に従う。もし光が、入力結合素子206と基材202との間の中間面に、90°に近い角度でかすめ入射で入射すると仮定すると、θmaxの値は式、
θmax=sin-1(ni/ns)。
θmax=sin-1(ni/ns)。
このように、nsの値がniの値と等しいか少ない場合、光は基材202に沿ってθ=90°の方向に伝播する。θmaxの値が高いほど、光の水平展開が増加し、従って輝度の均一性が増大する。
出力結合素子208は、制御透過ミラー200を出る光の少なくとも一部を抽出するために使用される。例えば、光212の一部は、光120として制御透過ミラー120を通過して出ていくように、出力結合素子208によって拡散されてもよい。
例えば、光線222などの基材内の光のその他の部分は、出力結合素子208によって方向を変えられなくてもよい。もし光222が、出力結合素子の臨界角、θc=sin-1(1/ne)(ここで、neは出力結合素子の屈折率)より大きな角度で出力結合素子208の上面に入射した場合は、光222は出力結合素子208内部で全て内部反射し、光224のように基材202に向かって方向を変える。反射光224は続いて、入力結合素子206の下の表面で全て内部反射する。或いは、光224は続いて、入力結合素子206によって方向を変えられて制御透過ミラー120を通過してベース反射体118に向かう。
もし、少なくとも角度θminで基材202に入った光が、θcより大きな角度で出力結合素子208に入射した場合、次に、方向を変えずに出力結合素子208から出て行かない光は通常、出力結合素子208の中を全て内部反射する。しかし、もし角度θminで基材に入った光がθcより小さい伝播角度で外部結合素子208に達した場合、次にその光の一部は、外部結合素子208によって方向を変えられなくても外部結合素子208を透過して出て行き、外部結合素子208と空気との間の中間面のフレネル反射損を被る。このように、キャビティー114内では光が複数の反射を受け、方向が変えられる多くの可能性がある。光はまた、基材202内及び/又は制御透過ミラー120とベース反射体118との間のスペースを横に伝播してもよい。これら複数の効果が相まって、光が横方向に広がって、さらに均一な輝度のバックライト照明を作り出すために抽出される可能性が増加する。
多層反射体がθminより低いブルースター角の値、θB、を有する可能性を除き、光源116aから発する光にとって禁止角度領域(forbidden angular region)、θfが存在する。この禁止角度領域、θfは、θminの半角で、光源116aの上部に位置している。光は、禁止領域内では多層反射体122を通過できない。これはグラフに略図で描かれており、制御透過ミラー120の上方に示されている。グラフは、光源116aから放射される光の定性的輝度曲線を、光源116aの真上の最小限の位置で、軸230に相当する場所に描いている。光源116aの上方の暗領域は、その他の光源からの光がない場合にだけ見える。しかし、隣接する光源、例えば光源116bからの光は、光源116aの垂直上部で軸230の場所において制御透過ミラー120から漏れることが可能で、このように、この制御透過ミラー120を用いるバックライトは、異なる光源からの光を混合するという点で有効である。
基材202の1以上の縁部は反射壁122でカバーされてもよい。そうすれば、基材202から漏れてしまうであろう光が、光226のように反射して基材202の中に戻り、有用な照明光として制御透過ミラー120から抽出され得る。反射壁122は任意の好適な種類の反射壁でよく、多層誘電体反射体、基材202の縁部上の金属コーティング、多層ポリマー反射体、拡散ポリマー反射体等が包含される。図示された実施形態では、基材202側の反射壁120は光混合キャビティ114側の周りに使用しているのと同じ反射壁であるが、これにより本発明を制限することを意図してはおらず、基材202の縁部の周りの反射壁は混合キャビティ114の側面反射壁と異なっても良い。
上記の制御透過ミラーの説明に照らせば、入力結合素子206の機能は、そのままではθminより小さい角度で多層反射体204に入射する少なくとも一部の光の方向を変えて、少なくともθminの角度で多層反射体204に入射させることであることが分る。また、出力結合素子208の機能は、そのままでは制御透過ミラー120の中を全て内部反射するであろう少なくとも一部の光の方向を変えて、制御透過ミラー120から外に出すことである。
図2Bに略図で示されるように、制御透過ミラー120は、基材202の両側に位置する2つの多層反射体204,205を所望により備えていてもよい。多層反射体204,205は、必須ではないが、好ましくは同じθminの値を有する。
制御透過ミラーはまた、基材202の光源116から離間した側に、制御透過ミラー120内を伝播する光の角度範囲を制御するという点での有効性を保ったまま、一つの多層反射体を有してもよい。かかる配置の例が図3に略図で示されている。もし光源116aからの光312がθminより小さい角度で多層反射体205に入射すると、光は多層反射層205によって反射され、光317のように入力結合素子206を通って外に出て行く可能性がある。多層反射層205によって反射された光はまた、より大きな角度で基材202に戻るように、入力結合素子206によって方向を変えられてもよい。例えば、光線314は入力結合素子205によって方向を変えられ、入力結合素子204の下の表面で全体が内部反射して基材202に戻る。全体が内部反射する光線316は続いて、θminより大きい角度で多層反射体205に戻り、多層反射体205を透過する。
光源116aからの他の光は、多層反射体205にθminより大きい角度で入射してもよく、その結果、多層反射体205を通って出力結合素子208へと透過する。光は、例えば例示的光線318のように出力結合素子208の表面で全体が内部反射してもよく、又は例えば例示的光線320のように方向を変えられて出力結合素子208の外に出てもよい。
僅かであっても、光源116からの光が制御透過ミラー120から光源116aの垂直上方に、すなわち、軸330に沿って又は軸330に近い角度で漏れた場合、例えば、隣接する光源116bからの光は、制御透過ミラー120から光源116aの真上に、すなわち、軸330に沿って又は軸330に近い角度で漏れる可能性がある。もし光源116aと光源116bとの間隔が互いに近すぎる場合は、各光源116aと116bの「禁止領域」が重なり合う可能性があり、したがって、少なくとも光源116aと光源116bからの光が抽出されない制御透過ミラー120の領域が形成される。したがって、隣接する光源116a,116bは、少なくとも約d=h.tan(θmin)(式中、hは基材202の厚さである)の値を有するセパレーションdだけ間隔を開けることが望ましい。この式は単なる近似関数であり、基材202の厚さは多層反射体205の厚さをかなり超えると思われるので、これらの層205、層206、層208の厚さである入力結合素子206及び出力結合素子208は無視してもよい。隣接する光源116aと光源116bと基材202の厚さとの間の関係は、一つの光源からの光を直近の隣接する光源の上方で抽出することが求められるときに意味を持つ。光抽出要素を設計するために他の条件を選択してもよい。例えば、光抽出要素を、一つの光源からの光は直近の隣接する光源の上方で抽出されないが、2つ目に近い隣接する光源の上方で抽出するように設計してもよい。
別の種類の入力結合素子の例示的実施形態について、ここで、図4A〜4Dを参照しながら説明する。これらの実施形態では、多層反射体404が基材と入力結合素子406との間に配置されている。図示されていないが、他の例示的実施形態では、基材は入力結合素子と多層反射体との間に配置されてもよい。
図4において、制御透過ミラー420の例示的実施形態は、入力結合素子426、多層反射体404、基材402、及び出力結合素子408を備えている。この特定の実施形態では、入力結合素子426はバルク拡散層であり、透明マトリックス426b内に分散された拡散粒子426aを含んでいる。θmin未満の角度で入力結合素子426に入る光の少なくとも一部、例えば光線428は、θminより大きな角度で入力結合素子426内に散乱し、続いて多層反射体404を透過する。一部の光、例えば光線430は、多層反射体404を通過するのに十分な角度で入力結合素子426内を散乱せず、多層反射体404で反射される。透明マトリックス426bに好適な材料には、基材としての使用に好適であるとして本明細書に列挙したポリマーが挙げられるが、それらに限定されない。
拡散粒子426aは、光を拡散するために有用なあらゆる種類の粒子であってよく、例えば、屈折率が周囲のポリマーマトリックスと異なる透明粒子、拡散反射粒子、或いはマトリックス426b中の空間又は泡であってよい。好適な透明粒子の例には、固体又は中空の無機粒子、例えば、ガラスビーズ又はガラス殻、固体又は中空のポリマー粒子、例えば固体ポリマー球体又はポリマー中空殻が挙げられる。好適な拡散反射粒子の例には、二酸化チタン(TiO2)、炭酸カルシウム(CaCO3)、硫酸バリウム(BaSO4)、マグネシウムスルフェート(MgSO4)等の粒子が挙げられる。さらに、マトリックス426b中の空隙は光を拡散するために用いられてもよい。かかる空間は、ガス、例えば空気又は二酸化炭素で充填されてもよい。
図4Bには、制御透過ミラー440の他の例示的実施形態の略図が示されおり、入力結合素子446は表面ディフューザ446aを含む。表面ディフューザ446aは多層反射体404の下端層、又は多層反射体404に取り付けられる別の層上に配置されてよい。表面ディフューザ446aは、金型、型押し、模型、又はその他の方法で製造されてよい。
入力結合素子446に入射する光の少なくとも一部、例えば光線448は表面ディフューザ446aによって散乱してθminよりも大きい角度で伝播し、続いて多層反射体404を透過する。一部の光、例えば光線450は、表面ディフューザ446aによって、多層反射体404を通過するのに十分な角度で散乱しなくてもよく、多層反射体404で反射される。
図4Cには、制御透過ミラー460の他の例示的実施形態の略図が示されおり、入力結合素子466は、ファセット467a及び467bを有する微細反復構造467を備える。構造467は多層反射体404の下端層、又は多層反射体404に取り付けられる別の層上に配置されてよい。構造467は、表面ディフューザ448がほとんどランダムな表面構造を備えるのに対して、構造467は画定されたファセット467a,467bを有するもっと正規な構造であるという点で表面ディフューザ448とは異なる。
入力結合素子466に入射する光の少なくとも一部、例えば光線468はファセット467a上に入射し、ある角度θminでは、ファセット467aにおける屈折光以外に多層反射体404には到達しない。こうして、光線468は多層反射体404を透過する。光の一部、例えば光線470はθmin未満の角度でファセット467bによって屈折させられ、その結果多層反射体404によって反射される。
制御透過ミラー480の別の例示的実施形態が図4Dに略図で示され、入力結合素子486は、多層反射体404と光学的接触をしている表面部分482を備え、多層反射体404と光学的接触をしていない他の表面部分484は、要素486と多層反射体404との間に形成されるギャップ488を有している。ギャップ488の存在によって入射光の一部が全反射(TIR(total internal reflection))する。この種類の結合素子はTIR入力結合素子と呼ばれる。
入力結合素子486に入射する光の少なくとも一部、例えば、非接触表面部分484に入射する光線490は、角度θminでは多層反射体404に届かないが、表面484で内部反射する。この結果、光線490は多層反射体404を透過する。一部の光、例えば光線492は、接触表面部分482を通って多層反射体404まで透過する可能性がある。この光はθmin未満の角度で多層反射体404に入射し、そして多層反射体404によて反射される。
他の種類のTIR入力結合素子は、米国特許第5,995,690号に詳しく記載されている。
ここで詳細に説明したものに加えて他の種類の入力結合素子、例えば、表面又は容量ホログラムを有する入力結合素子を使用することが可能である。さらに入力結合素子は、光を方向転換するための他のアプローチを組み合わせることも可能である。例えば入力結合素子は、表面構造、表面散乱パターン、又は表面ホログラムなどの表面処理と、バルク拡散粒子とを組み合わせてもよい。
ある実施形態においては、入力結合素子及び出力結合素子のそれぞれが比較的高い屈折率を有することが望ましい場合もあり、例えば、多層反射体404の平均屈折率(高屈折層及び低屈折層の平均屈折率)と同じかそれより高い屈折率が望ましい場合がある。入力結合素子と出力結合素子の屈折率が高いと、光が多層反射体404を伝播するであろう角度を増加させるのに役立ち、ひいては大きなバンドエッジシフトにつながる。このことは同様に、制御透過ミラーを通過する短い波長光の量を増加させることができ、結果としてバックライト照明の色をさらに均一にする。入力結合素子と出力結合素子として用いるのに好適な高屈折率ポリマー材料の例には、2軸延伸PEN及びPETが挙げられ、これらは延伸の量に依存し、633nmの波長における屈折指数は、それぞれ1.75及び1.65である。
入力結合素子と出力結合素子の材料選択に合わせて、全反射(TIR)を引き起こさず、法外な量の光が大きな角度で出入りするのをブロックする指数を有する基材を選択しなければならない。反対に、基材の指数が低いと、基材より高い指数を有する入力結合素子からのインジェクションの後に大きな角度で基材中に伝播する結果となる。光の色バランスと水平拡散に対するシステムの性能を最適化するために、これら2つの効果を選択することができる。
出力結合素子に関しても同様のアプローチが使える。例えば、図5Aには制御透過ミラー520の略図が示され、制御透過ミラー520は、入力結合素子506、多層反射体504、基材502、及び出力結合素子528を具備する。この特定の実施形態では、出力結合素子528はバルク拡散層であり、透明マトリックス528内に分散する拡散粒子528aを包含している。拡散粒子528a及びマトリックス528bとしての使用に好適な材料は、図4Aの入力結合素子426に関して上述した。
基材602から出力結合素子528に入る光の少なくとも一部、例えば光線530は、拡散粒子528aによって出力結合素子508内に散乱し、続いて光出力結合素子528を透過して外へ出る。一部の光、例えば光線532は出力結合素子528内を散乱しなくてもよく、入射角θで出力結合素子528の表面529へと入射する。もしもθの値がマトリックス528bの材料の臨界角、θcと同じかそれより大きい場合には、光線532は図のように、表面529で全反射する。
制御透過ミラー540のその他の例示的実施形態は図5Bに略図で示されており、出力結合素子548は表面拡散体548aを備えている。表面拡散体548aは図示されるように、基材502の上部表面上又は基材502に取り付けられる別の層上に配置さる。
基材502の中を伝播する一部の光、例えば光550は、表面ディフューザ548aに入射し、光混合層540の外へと散乱する。その他の光の一部、例えば光552は、表面ディフューザ548aによって散乱されなくてもよい。表面ディフューザ548aへの入射角によって、光552は図示されるように全反射してもよく、又は一部の光は制御透過ミラー40の外への透過しもよく、一部の光は基材502の中に反射して戻ってもよい。
制御透過ミラー560のその他の例示的実施形態が図5Cに略図にて示され、出力結合素子566はファセット567a及び567bを有する微細反復構造567を具備する。構造567は、図示されるように、基材502に取り付けられる別の層568に設けるか、又は基材502自体の上面に一体に形成されてもよい。構造567は、表面拡散体がほとんどランダムな表面構造を有するのに対して、構造567は画定されたファセット567aとファセット567bを有するもっと正規な構造であるという点で表面ディフューザ548aと異なる。
基材502の中に伝播する一部の光、例えば光570は、表面拡散構造567に入射し、屈折されて光混合層560の外へ出る。他の一部の光、例えば光572は、構造567によって反射されて光混合層560の外へ出ずに、基材502に戻されてもよい。光混合層560から光が漏れる伝播角度の特定範囲は、少なくとも光混合層560及び構造567の形状を構成する異なる層の屈折率を含む、多くの要因に依存する。
制御透過ミラー580のその他の例示的実施形態が図5Dに略図として示され、出力結合素子586は、多層反射体504と光学的に接触する表面部分582及び多層反射体504と光学的に接触しない別の表面部分584を有する光連結テープを含み、表面部分582,584は要素586と基材502との間にギャップ588を形成する。
出力結合素子586に入射する光の少なくとも一部、例えば、光線590は、出力結合素子586と接触しないがギャップ588に隣接する多層反射体の表面の一部に入射し、そうして光線590は基材502の内部で全反射する。光の一部、例えば光線592は、接触する表面部分582を透過してもよく、非接触表面部分584で全反射し、それで制御透過ミラー580から結合されて出る。
ここに詳細に記載された要素に加えて他の種類の出力結合素子を使用してもよい。また、出力結合素子は、制御透過ミラーの外へ光を方向転換させるための他のアプローチを組み合わせることも可能である。例えば、出力結合素子は、表面構造又は表面散乱パターンなどの表面処理とバルク拡散粒子とを組み合わせてもよい。
ある実施形態において出力結合素子は、光が抽出される程度が出力結合素子に対して均一になるように作成されてもよい。別の実施形態において出力結合素子は、制御透過ミラーから抽出される光の程度が出力結合素子に対して均一でないように作成されてもよい。例えば、図5Aに図示される出力結合素子528の実施形態では、光のフラクションを他の部分より出力結合素子528のある部分でより多く抽出できるように、拡散粒子528aの密度を出力結合素子528に対して変化させてもよい。図示された実施形態では、拡散粒子528aの密度は出力結合素子528の左側で高くなっている。同様に、図5B〜5Dに示される出力結合素子548、568、及び586では、他の部分より出力結合素子548、568、及び586のある部分で光のフラクションが多く抽出できるように設計及び形成されている。制御透過ミラーからの光の抽出を不均一に行なうこと、例えば、より多くの光を含んでいる制御透過ミラーの一部から抽出する光のフラクションを少なくし、より少ない光を含んでいる制御透過ミラーの一部から抽出する光のフラクションを多くすることによって、液晶パネルに向かって伝播する照明の輝度特性がさらに均一になる。
制御透過ミラーの中の光によってなされる反射の数、ひいては抽出された光の均一性は、入力結合素子及び出力結合素子の両方の反射率の影響を受ける可能性がある。均一性の代償は、入力結合素子、多層反射体、及び出力結合素子による吸収によって起こる輝度のロスである。この吸収によるロスは、材料及び材料加工条件の適切な選択によって軽減することが可能である。
ある例示的な実施形態では、制御透過ミラーは高偏光感度であってもよく、その結果一つの偏光状態の光が優先的に混合キャビティから抽出される。図6Aは、高偏光感度制御透過ミラー620の一つの例示的実施形態の断面図である。制御透過ミラー620は、光学的基板602、多層反射体604、入力結合素子606、及び高偏光感度出力結合素子628を含む。ここで、以下の説明を明確にするため三次元座標系を使用する。制御透過ミラー620がX−Y平面に平行になり、Z−軸が制御透過ミラー620の厚さ方向となるように、座標系の軸を適宜割り当てた。図6Aに示される横向きの側面はX−軸に平行であり、Y−方向は図に対して垂直な方向に伸延している。
ある実施形態では、基材602内を伝播する光のただ一つの偏光の抽出は、例えば、少なくとも一つが複屈折性である異なるポリマー相を有する、2つの材料を包含する出力結合素子628による影響を受ける。図示された例示的実施形態では、結合素子628は、第2材料から形成される連続マトリックス628Bの中に埋め込まれた、第1材料で形成される散乱素子628aを有している。この2つの材料の屈折率は、実質的に一つの偏光状態の光と一致し、直交する偏光状態の光とは一致しない。拡散要素628a及びマトリックス628bのいずれか又は両方が複屈折性であってもよい。
例えば、屈折率がX−Z平面で偏光する光と実質的に一致し、第1及び第2材料の屈折率がそれぞれn1及びn2である場合、条件n1x ≒ n1z ≒ n2x ≒ n2zが成り立ち、式中、下付き文字x及びzは、それぞれx及びz軸に平行に偏光する光の屈折率を示す。n1y≠n2yの場合、光はy−軸に対して平行に偏光し、例えば、光630は出力結合素子628の中に散乱し、制御透過ミラー620から外へ出てもよい。直交偏光子光、例えば光線632は、X−Z平面で偏光し、この偏光状態の屈折率は一致するので出力結合素子620の中を通過する際に実質的に散乱しない。結果として、もし光632が、連続相628bの臨界角、θcと等しいか又はそれより大きい角度で出力結合素子628の上面629に入射する場合は、光632は、図示されるように表面629で全反射する。
出力結合素子628から抽出した光が十分に偏光されることを確実にするため、一致した屈折率は、好ましくは少なくとも±0.05の範囲内、より好ましくは±0.01の範囲内で一致する。これにより、一つの偏光のために散乱する量が削減される。Y偏光の光が散乱する量は要因の多さに依存し、要因には、指数の不一致の大きさ規模、一方の材料相ともう一方の層の比率、及び拡散相のドメインサイズが挙げられる。Y偏光光が出力結合素子628内で散乱する量を増加させる好ましい範囲は、少なくとも約0.05の屈折率の相違、約0.5μ〜約20μの範囲内の粒子サイズ、及び約10%以上の粒子荷重を含む。
高偏光感度出力結合素子の様々な配置が可能である。例えば、図6Bに略図で示された出力結合素子648の実施形態では、散乱素子648aは連続マトリックス648bの中にポリマー粒子の分散相を作成する。この図は、X−Y平面における出力結合素子648の断面図であることに注意されたい。散乱素子648aの複屈折性ポリマー材料及び/又はマトリックス648bは、例えば1以上の方向に伸延することにより配向される。分散相/連続相偏光素子は、共有米国特許第5,825,543号に詳しく記載されている。
出力結合素子658の別の実施形態の概略が、図6Cの断面図に示されている。この実施形態では、散乱素子658aが繊維、例えばポリマー繊維状又はガラス繊維状でマトリックス658bの中に配置されている。繊維658aは等方性であってよく、一方マトリックス658bは複屈折性である、又は繊維658aは複屈折性であってよく、一方マトリックス658bは等方性である、或いは繊維658a及びマトリックス658bは共に複屈折性であってよい。繊維系、高偏光感度出力結合素子658の中の光の散乱は、少なくとも一部は繊維658aのサイズ及び形状、繊維658aの体積分率、出力結合素子658の厚さ、及び配向の程度によって決定され、 複屈折の量に影響を与える。異なる種類の繊維を散乱素子として使用してもよい。繊維658aの一つの好適な種類は、等方性又は複屈折性であってよい1種類のポリマー素材から形成される単一ポリマー繊維である。マトリックス658b中に配置されるこの種の繊維658aの例は、米国特許出願第11/068,159号に詳細に記載されている。出力結合素子658で用いられるのに好適なポリマー繊維のその他の例は合成ポリマー繊維であり、1種類のポリマー材料から作られる多くの散乱繊維が他のポリマー繊維の充填剤のなかに配置され、いわゆる「海島型」構造を形成する。散乱繊維のどちらか一方又は両方共、及び充填剤は複屈折性であってよい。散乱繊維は、1種類のポリマー材料で形成されても、2種類以上のポリマー材料、例えば連続相の中の分散相で形成されてもよい。複合繊維は、米国特許出願第11/068,158号、及び同第11/068,157号に詳細に記載されている。
入力結合素子もまた高偏光感度であってよいことが理解されよう。例えば、非偏光光が制御透過ミラーに入射した場合、高偏光感度散乱入力結合素子を使用してある偏光状態の光を制御透過ミラーに散乱させてもよく、直交偏光状態の光が多層反射体で反射してベース反射体へと戻るのを可能にする。反射光の偏光は次に、制御透過ミラーに戻る前に混合されてもよい。このようにして、入力結合素子は実質的に唯一つの偏光状態の光が制御透過ミラーに入ることを可能にできる。制御透過ミラーの異なる層が光の偏光を維持する場合には、たとえ非高偏光感度出力結合素子が使用されたとしても、実質的に唯一つの光の偏光が制御透過ミラーから抽出されてもよい。入力結合素子と出力結合素子の両方が高偏光感度であってもよい。出力結合素子として使用される高偏光感度層はまた、入力結合素子として使用されてもよい。
発光ダイオード(LED)などの準点光源に特に好適な、制御透過ミラーの別の実施形態において、光源は制御透過ミラー自体の中に配置されてもよい。かかるアプローチの一つの例示的実施形態の断面図が、図7Aに略図として示されている。制御透過ミラー720は基材722、多層反射体724、及び出力結合素子728を有する。基材722の下面には方向転換層(diverting layer)726が配置されていてもよい。側面反射ミラー732は光混合層720の縁部に配置されてよい。側面反射ミラー732は、基材722の周縁部の外へと伝播する光を反射させるために使用されてよい。
方向転換層726は、例えば、バルク又は表面拡散体、或いは構造面を含む、入力結合素子として用いられる上述した任意の層に光を移行させる透過型移行層(transmissive redirecting layer)726aを備えてもよい。透過型移行層726aは、過型移行層726aを透過した光を反射するベース反射体718と共に用いる。ベース反射体718は任意の好適な種類の反射体であってよい。ベース反射体718は、鏡面反射ミラー又は拡散反射ミラーであってよく、例えば、金属反射ミラー又はMOF反射ミラーから形成されてよい。ベース反射体718は、図示されるように透過型移行層726aに取り付けられてもよく、又は透過型移行層726aから分離されてもよい。透過型移行層726aは、光を制御透過ミラー720のなかに連結するために用いられていないので、この実施形態の中では入力結合素子として言及していない。方向転換層726を別の構成にすることは可能である。ある例示的実施形態では、例えば図7Bに概略が示されているように、方向転換層726は単に拡散反射面を備えるだけでもよい。
LEDなどの光源716は、他の種類の光源を使用することも可能であるが、光放射表面716aが少なくとも基材722と直接対向するように、又は基材722の中に置かれるように配置される。このように、光放射表面716aが方向転換層726と多層反射体724との間に配置される。この実施形態では、光源716からの光734は、基材722の下面に配置された方向転換層726を透過することなく基材722に入る。反射損失を軽減して光源716から基材722に結合する光量を増加させるために、屈折率整合材料、例えばジェルを光放射表面716と基材722との間に配してもよい。
光源716を支持材料717の上に配置してもよい。支持材料717は、任意で光源716に電気的に接続されてもよく、また任意で光源716を冷却するための熱的経路を設けてもよい。光源716を支持材料717上に実装するための別のアプローチが、共有米国特許出願公開2005/0265029A1に詳細に記載されている。
複数の光源716が全て、同じスペクトル成分を有する光を放出してもよく、或いは複数の異なる光源716が異なるスペクトル成分を有する光を放出してもよい。例えば、一つの光源716が青色光を放出する一方で別の光源716が緑色光を放出し、3つ目の光源716が赤色光を放出してもよい。LEDは、異なる光源が異なる波長の光を生成する場合に使用するのに特に好適である。制御透過ミラーの内部に広がる側面光の効果は、制御透過ミラーから放出された光が、光源716から放出された全てのスペクトル成分の有効な混合物となるように、異なった色の光源716からの光を混合するために使用することができる。
光源716が、入力結合素子を通過せずに基材722に直接光をインジェクトする時にも、多層反射体724はなお、基材722の中を伝播する光が、制御透過ミラー720から外へと出る最小角度、θminを制御する。光線736及び738によって例示された光の一部は、θmin未満の角度で光源716から基材722の中へと放出され、したがって、多層反射体725によって反射される。反射光の一部、例えば光線736は、ベース反射体に入射する前又は後に、方向転換層726によって方向を変えられ、反射して光線736aとしてθminより大きい角度で基材に戻る。その結果、光の一部、例えば光線736aは、多層反射体724からのたった一度の反射の後に、引き続き多層反射体を透過することを可能とする角度範囲内に方向を変えられる。反射光の他の部分、例えば光線738は、方向転換層726によって方向を変えられることがなくてもよく、したがって、多層反射体724で別の反射をすることになる角度で、ベース反射体718から反射する。
光線740及び742で例示される、光源716から放出される光の一部は、光源716からθminと等しいかそれより大きい角度で基材722の中に放出され、したがって、多層反射体724を透過する。透過した光の一部、例えば光線740は、出力結合素子728によって方向を変えられ、光740aとして制御透過ミラー720から外へと透過される。透過した光の別の部分、例えば光線742は、方向を変えられることなく出力結合素子728を通過してもよく、もしも臨界角、θc、よりも大きい角度で出力結合素子728の上部表面728aに入射した場合、基材722に向かって全反射する。
基材722の内部を伝播した光744の一部は、側面反射ミラー732で反射してもよい。側面反射ミラー732は、基材722の縁部から漏れる光の量を軽減するために使用されてもよく、これにより損失も軽減される。
制御透過ミラー750の別の実施形態が図7Cに略図として示されており、基材752は方向転換層としても作用する。この実施形態では、基材752を通過した光の一部の方向が変えられるように、基材752は拡散粒子を含んでいる。一つの実施例では、θmin未満の角度で光源716から伝播する光線754が、θminよりも大きな角度で多層反射体724上に入射するように、基材752の内部で方向を変えられる。他の実施例では、多層反射体724によって反射される光線756は、θminより大きい角度でベース反射体718によって反射されるように、基材752の中で方向を変えられる。
(実施例1)
光学的に透明な感圧性接着剤(PSA)を使用して、多層ポリマー反射フィルム(3MのVikuiti(商標)−ブランド ESRフィルム、米国ミネソタ州(St. Paul, Minnesota)の3M社から入手可能)で、厚さ3mmのポリカーボネートプレートの両側をラミネートすることにより構造物を形成した。ESRフィルムの外側表面は、次に、3M社のScotch(商標)−ブランドのマジックテープ(登録商標)のストリップでESRフィルムを覆った。約640nmの波長を有する偏光を放出するペンレーザを使用して、構造物を法線入射で照射した。構造物に入射した光線のサイズは約2mm×3mmであった。
光学的に透明な感圧性接着剤(PSA)を使用して、多層ポリマー反射フィルム(3MのVikuiti(商標)−ブランド ESRフィルム、米国ミネソタ州(St. Paul, Minnesota)の3M社から入手可能)で、厚さ3mmのポリカーボネートプレートの両側をラミネートすることにより構造物を形成した。ESRフィルムの外側表面は、次に、3M社のScotch(商標)−ブランドのマジックテープ(登録商標)のストリップでESRフィルムを覆った。約640nmの波長を有する偏光を放出するペンレーザを使用して、構造物を法線入射で照射した。構造物に入射した光線のサイズは約2mm×3mmであった。
構造物の出力側には中心が暗いしみがあって、それは禁止角度領域に対応しており、楕円形で、それぞれ7mm及び6mmの長軸と短軸を有している。複屈折性石英プレートをレーザー光の中に挿入し、その光軸を偏光の方向に対して約45°の角度で設置した時、構造物の出力側の光のパターンが円形パターンに変化した。
θmaxで基材を伝播した光に対応する光のパターンの 外径は楕円形で、長軸と短軸の長さはそれぞれ16mm及び15mmであった。θmaxの値は、この実施例では比較的低い。その理由は、ポリカーボネートの屈折率(N=1.58)がマジックテープ(登録商標)のそれより著しく高いことによる。
内径約25mmの淡い第2のリングも観察され、これは2回めの反射によって現れたと考えられる。
(実施例2)
ESRフイルムを、厚さ3mmのアクリル板の片方に、光学的に透明なPASを使用してラミネートし、ESRの外側表面をマジックテープ(登録商標)のストリップで覆った。レーザーペンを使用して、2mm×3mmの光線を用いてESRフィルムでラミネートした側を照射した。ラミネートのアウトプット側に生じた中心が暗いしみの寸法は約8mm×9mmであった。
ESRフイルムを、厚さ3mmのアクリル板の片方に、光学的に透明なPASを使用してラミネートし、ESRの外側表面をマジックテープ(登録商標)のストリップで覆った。レーザーペンを使用して、2mm×3mmの光線を用いてESRフィルムでラミネートした側を照射した。ラミネートのアウトプット側に生じた中心が暗いしみの寸法は約8mm×9mmであった。
出力照射パターンの外径は明確ではなかったが、少なくとも50mmと非常に大きかった。マジックテープ(登録商標)とアクリル板の屈折率はほぼ一致しているので、結果は実施例1よりもθmaxの高い値に一致している(各ケースでn〜1.49)。
(実施例3)
ポリカーボネート板の厚さが12mmであること以外は実施例1と同様の構造物を作成した。入力光が2mm×3mmのペンライトで垂直に照射した時、構造物は、約26mm×28mmの楕円形の出力光パターンを生成した。θmaxによって画定された光のパターンの寸法は、直径約60mmであった。パターンの外縁部における光の強度が低いために、パターンの外縁部を明確に識別することが困難だった。
ポリカーボネート板の厚さが12mmであること以外は実施例1と同様の構造物を作成した。入力光が2mm×3mmのペンライトで垂直に照射した時、構造物は、約26mm×28mmの楕円形の出力光パターンを生成した。θmaxによって画定された光のパターンの寸法は、直径約60mmであった。パターンの外縁部における光の強度が低いために、パターンの外縁部を明確に識別することが困難だった。
本明細書に記載されている制御透過ミラーは、液晶ディスプレイパネルの照射に限定されない。別個の光源を使用して光を生成する場合はどこでも制御透過ミラーも使用することができ、1以上の別個の光源を含むパネルから均一な照射を得ることが望ましい。このように、制御透過ミラーは、固体空間照明アプリケーション、及び標識、照射パネル等における使用方法を見い出す可能性を有している。
本発明は、上記の特定の実施例に限定されると考えるべきではなく、さらに適切に言えば添付の特許請求の範囲の中できちんと述べるものが本発明の全態様を包含すると理解されるべきである。本明細書を検討すれば本発明を適用可能な様々な変更例、等価物、方法および多数の構造は本発明が対象とする技術の当業者には容易に明らかになろう。特許請求の範囲はこのような変更例および装置を網羅しようとするものである。
添付の図面と共に以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで本発明をより完全に理解されよう。
本発明は様々な変更例および代替形状が可能であるが、その具体例を一例として図面に示すとともに詳細に説明する。しかし本発明を説明する特定の実施形態に限定しようとするものではないことは理解されよう。反対に添付の特許請求の範囲により規定されるように本発明の要旨および範囲内にあるすべての変更例、等価物および代替物を網羅しようとするものである。
Claims (17)
- 照明側及び表示側を有する画像形成パネルと、
前記画像形成パネルの前記照明側に配置された、少なくとも第1の光源及び第2の光源と、そして
前記画像形成パネルと前記光源との間の制御透過ミラーと、
を含む光学システムであって、
前記制御透過ミラーは、前記第1の光源及び第2の光源に対向する入力結合素子と、並びに前記画像形成パネルに対向する出力結合素子と、前記入力結合素子と出力結合素子との間に配置された第1多層反射体とを含み、前記出力結合素子は偏光感度が高く、それによって前記出力結合素子が前記制御透過ミラーから出る光を実質的にただ一つの偏光状態に結合させる、光学システム。 - 前記制御透過ミラーが、前記第1の光源及び第2の光源から放射される光に対して実質的に透明な基材をさらに含み、前記基材が前記入力結合素子と前記出力結合素子との間に配置される、請求項1に記載のシステム。
- 前記基材が、前記多層反射体と前記出力結合素子との間に配置される、請求項2に記載のシステム。
- 前記多層反射体が、前記基材と前記出力結合素子との間に配置される、請求項2に記載のシステム。
- 前記入力結合素子と前記出力結合素子との間に配置される第2の多層反射体を更に含み、前記基材が、前記第1の多層反射体と前記第2の多層反射体との間に配置される、請求項2に記載のシステム。
- 前記反射体がない場合に、前記基材から漏れる光を反射するために、前記基材の少なくとも一つの縁部に配置される反射体をさらに備える、請求項2に記載のシステム。
- 前記出力結合素子が、連続ポリマーマトリックス中に分散ポリマー相を含み、前記分散ポリマー相又は前記連続ポリマーマトリックスの少なくとも一つが、複屈折性ポリマー材料を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記出力結合素子が、ポリマーマトリックス中に配置される繊維を含み、前記繊維又は前記ポリマーマトリックスの少なくとも一つが、複屈折性ポリマー材料を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記画像形成パネルが、液晶ディスプレイ(LCD)パネルであり、そして前記LCDパネルの表示側に配置される第1の偏光層と、前記LCDパネルの照明側に配置される第2の偏光子とをさらに含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記画像形成パネルによって表示される画像を制御するために結合されるコントローラをさらに含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1の光源及び前記第2の光源が、少なくとも一つの蛍光光源を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1の光源及び前記第2の光源が、少なくとも一つの発光ダイオードを含む、請求項1に記載のシステム。
- ベース反射体をさらに含み、前記光源が、前記ベース反射体と前記制御透過ミラーとの間に配置される、請求項1に記載のシステム。
- 前記多層反射体が、ポリマー多層フィルムを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記入力結合素子が、バルク拡散体、表面拡散体、又は微細反復表面の少なくとも一つを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記制御透過ミラーと前記画像形成パネルとの間に配置される1つ又は2つ以上複数の光管理フィルムをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記光管理フィルムが、反射偏光子又は輝度上昇フィルムの少なくとも一つを含む、請求項16に記載のシステム。
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