JP2009500663A - コリメーティングマイクロレンズアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】バックライト式表示装置などにおいて使用するためのコリメーティングシートの製造方法を提供する。
【解決手段】コリメーティングシート１０３は、光入射側と光出射側とを備える基材を用意する工程、前記基材の出射側に複数のマイクロレンズを形成する工程、反射材料層を設ける工程、およびレーザ焼灼プロセスによって前記反射材料層に複数の開口を形成する工程を含んでいる。開口は、好ましくは、レーザ光１０１によって前記フィルムの出射側を照射するレーザ焼灼プロセスによって、光吸収層および反射層に設けられる。レーザ光１０１が、レンズアレイの小レンズによって光吸収層へと集束させられ、光吸収層および反射層に焼灼による穴または開口を形成する。この方法で、開口が小レンズに対して自己整合する。
【選択図】図１６

Description

関連出願

この出願は、２００５年６月２９日付の米国特許仮出願第60/694,838号の利益を主張する。上記出願の教示の全体が、参照によって本明細書に組み込まれる。

デスクトップおよびラップトップコンピュータからテレビ画面にわたる幅広いさまざまな用途において、フラットパネル表示装置が、ブラウン管よりも一般的に好まれている。例えば液晶表示装置（ＬＣＤ）によって再現される画像品質は、高い輝度およびコントラストをもたらすという液晶表示装置の能力に大いに依存している。そのような表示装置は、一般に、光拡散プレートを光源と液晶パネルとの間に配置してなるバックライト配置を使用している。１枚以上のコリメーティングフィルムを光拡散プレート上または光拡散プレートの付近に配置することも、一般的である。コリメーティングフィルムは、表示装置に最も望まれる特性である輝度を向上する。

或る種類のコリメーティングフィルムは、フィルム基材の片面へと成型または鋳造されたプリズムの直線アレイを取り入れている。典型的には、前記プリズムは９０°の挟角を有しており、屈折およびＴＩＲ（内部全反射）を経て、軸上の光を再利用するとともに、軸外または斜めの光を軸上の放射方向へと案内する。さらに、この形式のコリメーティングフィルムは、成型プロセスおよび型の生成（すなわち、工具の準備）プロセスの双方が比較的簡単であるため、比較的製造が容易である。さらにまた、ＴＩＲおよび屈折において光の損失がない（すなわち、非吸収性である）ため、この形式のコリメーティングフィルムは、高い光束効率を有する傾向にある。しかしながら、このプリズム式のコリメーティングフィルムは、２つの大きな欠点を抱えている。第１に、平行化された光の放射プロファイルがかなり幅広く、放射の包絡線（エンベロープ）の半角が±３０°程度となってしまう。この角度は、一般的に、多くの用途における理想的なエンベロープ幅よりもはるかに広い。第２に、放射エンベロープの形状を、意図されるバックライトの用途のための所望の形状に合うように、調整または修正することができない。すなわち、９０°プリズムでは、平行化または視準を最大限にするような構造に形状が固定されているため、プリズム構造については、エンベロープの形状を変更するために調節可能な自由なパラメータが存在しない。

他の種類のコリメーティングフィルムは、基材の片面にマイクロレンズアレイを取り入れており、他方の面が反射面であって、穴または開口がマイクロレンズに対応して配置されている。この反射面はバックライトまたは光源に向けて配置され、光源からの光は、反射面で反射され、あるいは開口を通過する。公差範囲内で、光が開口を通過するときに、光は該当する小レンズによって平行方向へと屈折させられる。この形式のコリメーティングフィルムには、プリズム式のコリメーティングフィルムに比べていくつかの利点が存在している。具体的には、放射エンベロープの幅を、±３０°よりもはるかに小さく、±５°以下にまで小さくすることが可能である。さらに、放射角度が小さくなるがゆえに、生じる集光の量がより大きくなり、結果として、マイクロレンズ式のコリメーティング素子を使用するバックライトの輝度を、大きく改善することができる。

しかしながら、マイクロレンズ式のコリメーティングフィルムは、その利点にもかかわらず、製造が困難であることが明らかになっている。典型的には、マイクロレンズのピッチが５０μｍ程度であり、開口の幅が１５μｍ程度であり、上手く機能するために、開口が小レンズの光軸に対して巧妙に整列していなければならず、すなわち中心合わせされていなければならない。直径が数ミクロンにすぎない開口を反射層に製造することは厄介である。そして、仮にそれができたとしても、同時に小レンズとの整合性（整列）を達成しつつ開口形成することは、とくに広い面積にわたる場合に、きわめて困難である。

それでもなお、これらの困難の少なくとも一部を克服するための１つの方法として、フォトリソグラフィプロセスによる方法が存在する。この多工程のプロセスによれば、米国特許第6,633,351号に教示されているとおり、１）（マイクロレンズの反対側の面への）レジストの塗布、２）（マイクロレンズを通しての）露光、３）露光後のレジストの現像、４）エッチング、５）レジストの除去、および最後に６）反射フィルムの形成、という通常のフォトリソグラフィ工程が行われる。さらに、工程３、４、および５は、湿式処理を必要とし、完了のためにかなりの時間および材料の双方を必要とする。したがって、得られるコリメーティングフィルムの製造コストが非常に高価となってしまうため、コスト重視のバックライト用途に取り入れるには最終製品の製造コストがかかり過ぎる。

これらの種類のフィルムおよびバックライト式表示システムについてのさらなる情報については、米国特許第5,453,876号、第5,598,281号、第5,870,224号、第6,327,091号、第6,421,103号、第6,633,351号、第6,697,042号、および第6,876,408号を参照されたい。

したがって、とりわけ本発明の目的は、高い出射輝度を有するコリメーティングシートまたはフィルムであって、（ｉ）その出射の平行化（視準）包絡線（エンベロープ）を±５°という小ささにでき、（ｉｉ）出射の放射プロファイルを調整することが可能であり、（ｉｉｉ）高い光束効率を有しており、（ｉｖ）最小限の数のプロセス工程にて容易に製造でき、（ｖ）製造コストを低減できるコリメーティングシートまたはフィルムを提供することにある。

さらに、本発明の目的は、出射光の発散が±３０°未満であり、現在使用されている大部分のバックライトに対して適合可能であり、効率的かつ低コストなコリメーティングシートまたはフィルムを生み出すことにある。

他の目的は、斜めの角度で進入する光が減衰することなく通過できるよう、比較的薄い反射層を有するコリメーティングシートまたはフィルムを提供することにある。

さらに他の目的は、光の再利用効率を改善するコリメーティングシートまたはフィルムを提供することにある。

さらなる目的は、従来のフィルムよりも低コストで容易に製造することができるコリメーティングシートまたはフィルムを提供することにある。

またさらなる目的は、特定の所望の光学プロファイルに合わせて調整できるコリメーティングシートまたはフィルムを提供することにある。

本発明の一態様によれば、コリメーティングシートは、基材と、基材の出射側に位置する複数のマイクロレンズと、基材においてマイクロレンズとは反対側に位置する鏡面反射層と、レンズアレイのマイクロレンズに直接対応する前記反射層に設けられた複数の開口とを備えている。鏡面反射層は、拡散反射層に比べて比較的薄くすることができ、光をより容易に通過させることができる。

他の実施形態においては、絶縁体からなる１つ以上の層が、１つ以上の反射材料層の上に配置される。これは、得られる反射層の全体としての反射率をさらに向上させる。

またさらなる実施形態においては、コリメーティングシートが、基材と、基材の出射側に位置するマイクロレンズアレイと、基材の入射側に位置する光吸収層と、光吸収層の入射側に位置する反射層とを備えている。レーザ光が前記コリメーティングシートの出射側を照射するレーザ焼灼プロセスによって、光吸収層および反射層に開口が形成される。レーザ光が、レンズアレイの小レンズによって光吸収層へと集束させられ、光吸収層および反射層に焼灼による穴または開口を形成する。この方法では、開口が小レンズに自己整合的に（self-alignment）形成される。基材の厚さは、焼灼による開口が小レンズの焦点面に位置するような厚さに選択され、すなわち開口を通過するすべての光が、その開口に対応する小レンズによって実質的に平行化（または視準化）されるような厚さに選択される。

以上が、添付の図面に示されるとおり、本発明の典型的な実施形態についての以下のさらに詳しい説明から明らかになるであろう。添付の図面においては、種々の図面を通して、同様の参照符号が同じ部分を指し示している。図面は必ずしも比例尺ではなく、本発明の実施形態を説明することに重点が置かれている。

以下で、本発明の好ましい実施形態を説明する。

一実施形態において、本発明は、基材とレンズアレイと鏡面反射層とを備えるコリメーティングフィルムを含んでおり、レンズアレイが、フィルムの出射側に位置し、鏡面反射層が、フィルムの入射側に設置され、前記鏡面反射層は、レンズアレイの小レンズの焦点位置またはその付近に開口を有している。さらに、開口の形成を容易化し、かつ迷光の吸収を促進するために、反射層と同じように小さな開口を備える光吸収層を、基材と反射層との間に設置することができる。さらに、鏡面反射層は、（複数の）絶縁体の層および／または層状の金属材料を含むことができる。

本発明の他の実施形態は、そのようなフィルムの製作方法に関する。特定の方法は、コリメーティングフィルムに開口を焼灼するためのレーザの使用を含んでいる。

図１を参照すると、基材４、複数の個々の小レンズ（マイクロレンズ）２で構成されたレンズアレイ３、必要に応じて設けられる光吸収層５、および反射層６から形成されるコリメーティングフィルム１が示されている。入射側９および出射側１０も示されており、これらは、最終的な用途において使用される際（製造時ではない：製造時においては、入射側および出射側が反対である）のフィルムの入射側および出射側を指している。個々の小レンズ２の光軸８に実質的に整列するよう、反射層６および必要に応じて設けられる光吸収層５を貫いて開口７が設けられているが、コリメーティングフィルムの所望の性能に応じて、開口７がすべて軸８からずれていても、あるいは軸８に対して無作為にずれていてもよい。

基材４は、典型的にはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から製作されるが、ポリカーボネート（ＰＣ）およびアクリルも使用可能である。一般に、基材４の屈折率については、基材４の内部における光の円錐の角度幅を最小にするために、より大きな屈折率（１．５０よりも大きい）が望ましい。基材４の厚さは、使用時に基材４を横切る光の臨界角度によって、小レンズの直径２と関連付けられている。小レンズ２が大きいほど、基材４は厚くなる。典型的には、小レンズ２は、観察者による識別が不可能である１００マイクロメートル（μｍ）未満の直径または中心‐中心間隔を有している。この場合、基材４の厚さは、約７０μｍ未満とするのが一般的である。ただし、より大きな直径を有する小レンズ２およびより厚い基材４も使用可能である。また、１００μｍを超えるような小レンズの直径および中心‐中心間隔も、観察者が表示装置から遠くに位置するような場合は、許容範囲である。

反射層６は、除去を容易にするため、およびコストを可能な限り低く保つために、好ましくは可能な限り薄く（好ましくは、２５μｍ未満に）なるように形成される。反射層６は、好ましくは鏡面反射層であって、アルミニウムまたは銀などの金属で形成され、あるいは絶縁材料を多層に積み重ねて作製される。鏡面反射層は、同等の拡散反射層よりも薄くでき、したがってより多くの入射光を開口７を通って通過させることができるため好ましい。しかしながら、これに代わり、反射層は、拡散反射層であってもよい。この場合、拡散反射層は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、硫酸バリウム、または二酸化チタンを構成成分として有してもよい。反射層６が鏡面反射または拡散反射のどちらであるかにかかわらず、効率の観点から、反射層６の反射率は可能な限り高いのが好ましく、最低でも８０％以上、好ましくは９０％以上、さらに好ましくは９５％を超える反射率が強く望まれる。

しかしながら、反射層６の反射率が高すぎる場合、後述のレーザ焼灼プロセスを使用して開口の位置の反射層６を除去することが困難になる。この場合、基材４と反射層６との間に配置される光吸収層５が、開口の形成プロセスを改善するとともに、コリメーティングフィルムの出射側における望ましくない迷光を吸収する。反射層６と同様、必要に応じて設けられる光吸収層も、可能な限り薄く（好ましくは、厚さ２５μｍ未満）あるべきである。この層の材料として、クロムならびに黒色炭素粒子を有する他の材料を挙げることができる。

図２が、コリメーティングフィルム１の一部分の平面図を示しており、小レンズ２がアレイにおいて六方形（すなわち、六方配置）で密集、すなわち、それぞれの小レンズ２が、６つの隣接する小レンズに対して、互いに接触している。これに代えて、小レンズ２を、（図３に示されているように）正方形または矩形配置などといった他のパターンに密集させることも可能であり、この場合、小レンズ２は互いに重なり合っていてもよい（その場合、小レンズは、各小レンズ間の交線において切断される）。あるいは小レンズは、互いにまったく接していなくてもよい。

一般に、システム効率および光の出射を維持するために、小レンズをできるだけ密に密集させるのが好ましい。出射面の５０％を超える面積がレンズアレイ３の小レンズ２によって占められるよう、充填比は、少なくとも５０％であるのが好ましい。さらに図２においては、開口７がレンズアレイ３の小レンズ２に対して同心の位置関係に示されているが、必ずしも同心でなくてもよい。図３の矩形の小レンズの場合には、小レンズ２および開口１１がやはり矩形、またはほぼ矩形であってもよいが、他の形状も可能である。

再び図１を参照すると、光源または光混合チャンバあるいは導光体（図１には示されていないが、図１４および１５に関連して後述される）から入射する入射光線１１が、コリメーティングフィルム１の入射側９の開口７に進入する。次いで、光線１１は、基材４へ屈折して進入し、自身が進入した開口７と関連づけられている小レンズに達する。次いで、光線は、出射光線１２が光軸８に実質的に平行となるよう、小レンズによって屈折させられる。ただし、開口７のサイズが小レンズ２のサイズと比べて大きい場合には、出射光線１２は、光軸８と必ずしも平行にならない。より大きな開口７を備えることは、コリメーティングフィルムを通過する光のレベルを高めることができる点で有益であるが、視準が悪化するという代償をともなう。開口７が、それらの各小レンズ２に整列していない場合、送り出される光１２は、依然として実質的に平行であるが、光軸８に平行でない方向に伝搬する。

いくつかの用途においては、或る軸において、光の平行化の程度が、他の軸と比べて異なることが望まれる。図４Ａのように開口７が円形である場合には、出射光が、円形対称のプロファイルを有し、垂直軸の光が、水平軸の光と同じ程度の平行性を有する。しかしながら、開口２０が図４Ｂに示されているように楕円形状である場合には、出射のプロファイルは非対称であり、或る軸における光の平行性が他方の軸に比べて小さくなる。これは、水平方向に垂直方向よりも広い表示の視野角を持たせることが有益であるＬＣＤパネルにおいてしばしば望まれる。また、この非対称性は、大量の光を運転席および助手席へと向け、それらの間に向けられる光を少なくし、天井または床へと向けられる光をなくすべきである自動車のダッシュボードの表示装置の用途において、さらに望ましく利用される。図４Ｃの開口形状により、この放射プロファイルを達成できる。図４Ｃに示した開口２１は、互いにずらした複数の円形の開口から構成できることに、注目すべきである。

レンズアレイ３を構成している小レンズ２の形状は、図５Ａに示されているように球状であってよい。この場合、小レンズ２は、曲率半径Ｒおよび曲率中心Ｃを有している。曲率中心Ｃは、公差範囲内で、小レンズ２の光軸８上に位置している。あるいは、小レンズは、非球状であってもよく、例えば、図５Ｂに示されているように両方の軸について同じ楕円の処方を有している楕円形２５を有する小レンズ（すなわち、小レンズ２が、どの断面を眺めても楕円の断面において対称である）などであってよい。楕円に代えて、断面が任意の次数の多項式で表される曲線であってよい。小レンズ２は、必ずしも対称である必要はなく、その断面形状は、選択された断面軸において変化していてもよく、小レンズは、必ずしも光軸８を中心として対称である必要はない。

図６Ａおよび図６Ｂに示されているように、発明の範囲内で、小レンズは実質的にレンチキュラであってよく、そこでは小レンズのアレイが、単純にレンチキュラの一次元のアレイである。この場合、このレンチキュラに組み合わせられる開口は、反射層６（および必要に応じて設けられる光吸収層５）に設けられた直線状の開口であってもよい。小レンズの二次元配置と同様、レンチキュラの断面形状は、円形８２または非円形８５であってよい。小レンズ２がレンチキュラであるか否かにかかわらず、小レンズは、一般に口径比が小さく、小レンズでは、小レンズの焦点距離を小レンズの幅で除算したものとして定義されるＦ値が１．０未満である。しかしながら、例えば反射層６および必要に応じて設けられる光吸収層５の厚さによりルーバー効果が生み出され、小レンズ２に入射する光の円錐の角度幅を制限するような場合には、口径比の小さい小レンズ２は不要であり、小レンズ２のＦ値は１．０よりも大きくてよい。さらに、レンズアレイ３の小レンズ２は、必ずしもすべてが同じ処方を有している必要はない。小レンズ２の間で、処方をランダムにすることができ、擬似ランダムにすることができ、あるいはレンズアレイ３の幅または高さを横切って所定のパターンにて変化させることができる。

開口７を製作するために、レーザ焼灼法を使用することができる。図７に示され、さらに詳しく後述されるように、コリメーティングフィルム１において、波面２９を有して方向２８に伝搬している（ＹＡＧレーザなどからの）強力なレーザ光２７が出射側から照射され、レンズアレイ３がレーザ光２７によって照射される。レーザ焼灼のための光２７が照射されると、小レンズ２は、このレーザ焼灼用の光２７を、小レンズ２の焦点位置にある反射層６（および必要に応じて設けられる光吸収層５）の小さな領域へと集中させる。レンズアレイ３の小レンズ２が集光することにより、レーザ焼灼用の光２７の出射密度は、焦点位置において反射層６（および必要に応じて設けられる光吸収層５）の焼灼しきい値を超える水準にまで増幅され、したがって焦点位置において反射層６（および必要に応じて設けられる光吸収層５）が蒸発して除去され、反射層６（および必要に応じて設けられる光吸収層５）を貫く開口７が形成される。

このレーザ焼灼プロセスの変形例としては、高出射のレーザ光２７を、レンズアレイの小レンズの光軸８に対して或る角度で、コリメーティングフィルムへと案内するプロセスが挙げられる。そのようにすることで、得られる開口７が、光軸８に対してずれて位置する。この角度ずれ（off-angle）の焼灼プロセスを、高出射のレーザ光２７を光軸８に対する第２の角度でコリメーティングフィルムへと案内しつつ繰り返し、図４Ｃに示されているように第１の開口に部分的に重なり合ってよい第２の開口を生み出すことができる。高出射のレーザ光２７を光軸８に対するさらなる角度でフィルムへと向けて、さらなる焼灼の工程を行い、所望のほぼ任意の形状の開口７をもたらすことができる。

図７に示されているように、レーザ光２７は静止しており、レンズアレイのすべての小レンズが最終的に照射されるように、コリメーティングフィルムが横方向３４に移動させられる。図７には、開口の形成プロセスが示されており、レーザ焼灼用の光に最も長い時間さらされた開口７が仕上がりの開口を有している一方で、該当の小レンズがより短い時間だけしかレーザ焼灼用の光２７にさらされていない開口３３は、未完成である。さらに、開口３２、３１、および３０は、形成の初期段階にある。

別のレーザ焼灼の構成として、レーザビームが静止しているフィルムを横切って走査またはラスター（水平移動）する構成、またはフィルムおよびレーザビームの双方が移動する構成、あるいはフィルムまたはレーザビームのどちらも移動せず、直径およびエネルギーなどといったビームの特性によって１回でフィルム全体の十分な露光を可能にする構成などが挙げられる。

レーザ焼灼の好ましい方法の一つでは、出射光の角度放射プロファイルが、反射層６の開口７、２０、２１のサイズおよび形状に依存すると考えられる。実際、開口のサイズおよび形状を制御できることで、航空機用表示装置および自動車用表示装置の市場など、幅広い範囲の市場に対するフィルムの適合性を、大いに向上させることができる。このように、好ましい焼灼方法は、開口をほぼ任意の所望のサイズおよび形状に刻むための方法を提供する。

図７に関して説明したように、開口は、好ましくは、レーザ焼灼プロセスによって製作される。このプロセスでは、高出射レーザからのビームがフィルムのマイクロレンズ２側の面を照射し、レーザビームがレンズ２によって反射層６（または、使用されているのであれば下側の吸収層）上の小さな点へと集束される。そして、この点において、光を通すための開口７を残し、反射層６が焼灼により除去される。典型的には、レーザビームの直径は１ｍｍ以下であり、レーザビームが被加工物（すなわち、フィルム）の全体を横切るよう走査またはラスターするか、あるいはビームを動かぬように保持して、フィルムの全体が照射されるように被加工物を動かさなければならない。

好ましい方法においては、図１６に示されているように、フィルム被加工物を回転および平行移動ドラムへと取り付け、静止のレーザビームの照射によってより良好な結果が得られる。この焼灼の構成においては、レーザビーム１０１が焼灼対象の被加工物１０３に対して９０°の角度で入射して、マイクロレンズの光軸上に位置する実質的に円形の開口７が得られることに、注目すべきである。図１７に示されているように、ドラム１０２を、縦方向の位置決めをもたらすために中心軸１１０を中心として経路１０４にて回転させることができ、さらにレーザビーム１０１および／またはドラム１０２を、水平面１０５に沿って案内することができる。このようにして、レーザ１００を、被加工物１０３の任意の選択された点のどこにも向けることが可能である、

開口を任意の形状に刻むために、焼灼対象のフィルムに対するレーザビーム１０１の入射角度を、変化させなければならない。垂直面における入射の角度をさらに変化させるために、ドラム１０２の全体を、垂直方向の平行移動ステージ１１２によって上昇または下降させることができる。水平面における入射角度を変更するために、回転または「首振り」ステージ１１３を使用することができる。図１７が、この考え方を説明している。垂直または水平の動きは、単純な線形運動であってよいが、これによりレーザ１０１をドラム１０２の円形断面の異なる位置に入射させ、垂直面における入射の角度を変化させる。図１８Ａに示した装置の位置と図１８Ｂの平行移動後の位置との間の相違を比較すると、垂直面における入射の角度１１９が変化している。図１９Ａでは、装置が、水平方向に対する入射の角度が約９０°である第１の位置１３０に位置しており、図１９Ｂでは、装置が、水平方向に対する別の入射の角度を有している別の位置１３１に位置している。水平面における角度を変更するために、ドラム１０２を、公差範囲内の焼灼点を包含する垂直軸１１１を中心にして、水平方向の「首振り」回転ステージ１１３によって回転させることができる。

刻まれる開口を多少なりとも任意の形状に焼灼するために、レーザの被加工物１０３への入射角度を変化させて複数の焼灼サイクルまたは焼灼パスを実行してもよい。この場合、それぞれの焼灼サイクルは、垂直方向の平行移動ステージ１１２および首振り回転ステージ１１３の配置によって決定される。各サイクルにおいて、被加工物１０３の全体がレーザビーム１０１の下流側を通過するようにしなければならないが、これは、上述のように、ドラムを自身の水平軸１１０および水平方向の首振り平行移動ステージ１１３を中心として回転させて、位置決めすることによって行われる。異なる入射角度での複数回の焼灼サイクルの後で、開口７、２０、または２１が形成されてもよいし、各サイクルによって生成された個々の部分開口のすべてを重ね合わせた形状を有していてもよい。

この基本的な考え方に基づくいくつかの変形が存在する。
１）被加工物１０３を、ドラムの枠へと取り付けられたスリーブに取り付けるのではなく、代わりにフィルムのサイズを、フィルムがスリーブそのものとなることができるように大きくして、フィルムをドラムの枠へと直接取り付ける。これにより、規模の利益を促進する。
２）垂直方向の平行移動ステージ１１２のみを使用する（首振りステージ１１３は使用しない）。
３）首振り回転ステージ１１３のみを使用する（垂直方向の平行移動ステージ１１２は使用しない）。
４）運動の４つ（または、３つ）の軸のすべてを、コンピュータで制御する。
５）被加工物１０３を固定することができ、レーザビーム１０１を、各サイクルが異なる入射角で行われる多数回のサイクルにおいて、被加工物１０３を横切って平行移動（ラスター）させることができる。依然として４つ（または、３つ）の運動の軸が存在することに、注意すべきである。
６）１つの小レンズにつき、２つ以上の開口を設けることができる。それぞれの開口は、刻まれていても、刻まれていなくてもよい

この方法でのレーザ焼灼の利点は、リソグラフィの技法と比べたとき、１）調整された放射プロファイルを有する特別注文のコリメーティングフィルムを低いコストで（繰り返し）生産できる点、および２）自動化が比較的容易である点にある。

レーザ焼灼プロセスにおいて考えられる１つの困難は、高忠実度を有する開口の形成にある。具体的には、金属製の反射層６が約２０ｎｍよりも厚い場合には、環状の金属のバリが開口７の周囲に形成され、この金属の蓄積により、有用な斜め方向の光の開口への進入が妨げられ、コリメーティングフィルムの効率および性能を低下させる。さらに、クロム、アルミニウム、ならびに銀などの金属製の反射層の厚さが２０ｎｍ未満である場合、反射層はきわめて透過性が高く、反射率に乏しい。

第１の解決策（本明細書においては、実施形態１と称する）は、厚さが約２０ｎｍである金属層を使用し、所望の反射力を達成するために金属層上に絶縁フィルム層１３を設けることにある。絶縁層１３のさらなる要件は、焼灼プロセスにおいてきれいに分解してフィルムから取り除かれなければならない点にある。この考え方の全体的な説明については、図２０Ａおよび２０Ｂを参照されたい。

第２の解決策（実施形態２）は、厚さが約２０ｎｍである金属層６を利用することにある。焼灼によって金属層に開口が形成され、次いで絶縁フィルム層１４が、所望の反射力を達成するために金属層の上へと設けられる。この実施形態においては、さらに絶縁フィルム層が、開口において高度に透過性でなくてはならない。実施形態＃２の説明については、図２１Ａ、２１Ｂ、および２１Ｃを参照されたい。

この問題に対する第３の解決策（実施形態３）は、図２２Ａ〜２２Ｅに示されているように、最初に厚さが約２０ｎｍの金属層６を設け、この金属層６に焼灼によって開口７６を形成し、次いで厚さが同様に２０ｎｍである第２の金属層１５を設け、この金属層１５に焼灼によって開口７７を形成し、金属層６、１５の総計の厚さが良好な反射力をもたらすために十分となるまで、これを繰り返すことにある。必要に応じて、最終的に絶縁層１４または絶縁層の積層体を、さらに高い反射力に達するべく設けることができるが、当然ながら、この絶縁層または積層体１４は、開口において依然として十分な透過率を維持していなければならない。図示の実施形態においては、金属化および焼灼の２つのサイクルが示されており、その後に絶縁フィルムの積層が設けられている。

焼灼プロセスの変形または焼灼プロセスへの追加として、以下が挙げられる。
ａ）（実施形態１、２、および３）第１の金属層６を、約２０ｎｍの厚さであると説明したが、別の手法として、第１の金属層を２つの堆積物で構成することが考えられる。例えば、結合材として機能するクロムの１０ｎｍの層を配設し、続いてクロムよりも反射性の高い１０ｎｍのアルミニウム層を堆積させる。
ｂ）（実施形態１、２、および３）金属層６（および／または１５）の合計の厚さが、１０ｎｍ〜１０００ｎｍの間であってよい。
ｃ）（実施形態１、２、および３）絶縁フィルム積層体（１３、１４）の合計の厚さが、２０ｎｍ〜２０００ｎｍの間であってよい。
ｄ）（実施形態１、２、および３）絶縁材料が、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ、およびＴｉＯ_２のうちの１つ以上を含むことができる。
ｅ）（実施形態１、２、および３）金属材料が、Ｃｒ、Ａｇ、およびＡｌのうちの１つ以上を含むことができる。
ｆ）（実施形態３）金属の堆積／焼灼のサイクルが、１〜２０回の間であってよい。

レーザ焼灼の処方に応じ、開口７の位置における基材４の表面が、異なる特性を有していてもよい。例えば、レーザ焼灼プロセスが基材４の表面に影響を及ぼさない場合があり、その場合には、図８Ａの表面４０は、光学的に平滑であってざらつきを持たない。あるいは、レーザ焼灼プロセスによって、図８Ｂに示されているようなざらついた表面仕上げ４１が生じる可能性がある。さらに、より強力的なレーザ焼灼プロセスによって、図８Ｃに示されているように、開口において屈折力を有する基材表面４２がもたらされる可能性がある。レンズ状の表面４２は、ざらつきが有していることも多い。

ひとたび開口７が完成すると、開口における基材４のざらつきまたは形状にかかわらず、開口７を完全に、あるいは部分的に充填することができる。これにより、基材４へと進入してその後にコリメーティングフィルム１を出射する光に対してより高度な制御を行うことが可能となる。図１０Ａに示すように、開口７は、ある材料（または物質）４５によって部分的に満たされている。この材料は、非拡散性かつ透明であってよく、ゼロでない厚さの光吸収層５および反射層６のルーバー効果を軽減するように機能する。あるいは、材料４５は、拡散粒子を材料４５の全体に分散させて含有することができ、あるいは高いヘイズ値を有することができる。また、材料４５の入射面は、光学的に平滑であってもよく、ざらついていてもよく、あるいは屈折力を有していてもよい。図１０Ｂに示されているように、材料４６（材料４５と同じ特性を有している）が、開口７を完全に満たして示されている。

充てん材料４５または４６は、液体の形態であり、スクイージー（ワイパー）または他の機械的な手段によってコリメーティングフィルムの入射面９に対して容易に塗布することができ、開口７を満たすことができる。余分な材料４５または４６は、入射面９から取り除かれ、あるいは（とくに、非吸収性である場合には）その場に残して、反射層６の保護層として機能させてもよい。次いで、材料４５または４６は、乾燥、硬化、また重合して、固体となる。多くの場合、充てん材料４５が固化の際に収縮し、部分的に充填された開口７となる。あるいは、充てん材料４６は収縮せず、完全に充填された開口７（図１０Ａのように）であってもよい。

充てん材料４５または４６は、コリメーティングフィルム１の光学的な性能を好都合に向上させることができるが、充てん材料４５または４６が拡散性である場合には、厄介な問題がもたらされる。１つの問題は、入射光１１が、もはや基材４において臨界角度によって境界付けられる光の円錐へと閉じ込められず、そのような光が、当該開口に対応する小レンズにではなく、隣の小レンズに衝突するという可能性がある。このような場面は、充てん材料４５または４６が存在していなくても、基材４が屈折力を有している表面４２である場合や、基材４が拡散性表面４１を有する場合に生じる可能性があり、逸れた光が迷光となって、平行でない角度でフィルムを出る可能性がある。光吸収層５が、図１１に示されているように、迷光の排除に役立つことができる。図１１において、入射光１１が開口７の特性によって拡散し、光の一部が隣の小レンズに到達している。隣の小レンズへと達した光の大部分は、隣の小レンズの表面において内部全反射（ＴＩＲ）点５０に入射し、その後、光吸収層５との交点５１へと向きを変え、光吸収層５において実質的に吸収される。開口７においてより小さな角度へと拡散させられた散乱光は、該当の小レンズに達するだけであり、光１２が実質的に平行にされて出る。

レンズアレイ３の小レンズ２から「はみ出す」光に対処するほかに、小レンズが必要以上に入射光不足にならないように考慮しなければならない。入射光不足は、例えば、厚みを有する反射層６（および必要に応じて設けられる光吸収層５）によって引き起こされるルーバー効果によって生じる可能性がある。これらの層の厚さゆえ、斜め（すなわち、光軸８に対する角度が大きい）の入射光１１（図１に示されているように）が、反射層６（および必要に応じて設けられる光吸収層５）によって遮られ、この光が開口の側面に入射してしまい、その結果、開口７を通過せず、基材４へと入らない可能性がある。したがって、必要に応じて設けられる吸収層５および反射層６の厚さの合計は、可能な限り小さいことが好ましい。

ルーバー効果の１つの指標は、開口率であり、図１２に示した構成を使用して定義される。図１２において、小レンズの中心‐中心間隔がピッチＰであり、この寸法の内部で、隣接する開口の側面間の距離が、Ｐ’と称される。レンズアレイ３の小レンズの頂点から基材の入射面までの距離がＤであり、必要に応じて設けられる吸収層５および反射層６の厚さの合計がＤ’である。光軸８と、光軸上の小レンズの頂点から基材４における開口の縁へと引かれる線の内側との角度が、θである。同様に、光軸８と、光軸上の小レンズの頂点からフィルムの入射面９における開口の縁へと引かれる線の内側との角度が、θ’である。

三角法から、
θ＝ｔａｎ^−１［（Ｐ−Ｐ’）／２Ｄ］ （１）
および
θ’＝ｔａｎ^−１［（Ｐ−Ｐ’）／２（Ｄ＋Ｄ’）］ （２）
となることが明らかであり、ここから開口率（ＡＲ）を、
ＡＲ＝（θ−θ’）／θ （３）
と定めることができる。

例えば、θ＝５°かつθ’＝４°である場合、開口率は２０％である。理想的には、Ｄ’がきわめて小さく、すなわちθ’がθに近づき、開口率がゼロに近づく場合にルーバー効果が最小になる。好ましくは、開口率が２０％未満であり、さらに好ましくは１０％未満であり、最も好ましくは５％未満である。

仮定にもとづいているが依然として現実的である光線追跡（ｒａｙｔｒａｃｉｎｇ）を、上述のコリメーティングフィルムについて予想される性能を評価するために実行した。このフィルムにおいて、Ｐ＝６８μｍであり、基材４は厚さ２ミル（５０．８μｍ）のＰＥＴであり、レンズアレイ３の小レンズ２は、非球面であって、多項式曲線としてモデル化された曲線の最大凹部（サグ部）が２７．９μｍであって、基材４と同じ屈折率を有している。必要に応じて設けられる光吸収層５は除外され、反射層の厚さは、ＡＲが５％よりもはるかに小さくなる厚さである。図１３に、光線追跡から得られた３つの正規化曲線が示されている。第１の「コリメーティングフィルムなし」は、基本的にバックライト／光源の出射であり、ピーク（頂点）が１００％になるように縮尺されたランバート曲線である。第２の曲線「Ｒ（開口）＝Ｒ（レンズ）の５９％」は、開口の半径がレンズの半径の５９％であり、すなわち２０μｍである場合について、同じバックライト／光源を備える上記フィルムの光線追跡の出射である。ピークの光強度が、コリメーティングフィルムなしの場合の１６５％であり、視野角が、ほぼ２０度に制限されていることに注目すべきである。最後の光線追跡のプロット「Ｒ（開口）＝Ｒ（レンズ）の３５％」は、開口の半径がレンズの半径の３５％であり、すなわち１２μｍである場合について実行されている。ピークの光強度が、コリメーティングフィルムなしの場合の２５０％を超えており、視野角が、さらに約１５度にまで制限されていることに注目すべきである。

コリメーティングフィルムの性能を向上させるべく追加することができるさらなる特徴は、小レンズ２の出射面に対して、反射防止コーティングまたは反射防止用サブ波長微細構造を追加することである。また、反射防止（Ａ／Ｒ）コーティング９８を、図９のように開口７の位置において基材４へと塗布できる一方で、反射防止用サブ波長微細構造を、必要に応じて設けられる光吸収層５または反射層６の追加に先立って、基材４の入射面の全体にわたって設けることができる。Ａ／Ｒコーティングまたは反射防止用サブ波長微細構造のどちらが使用されるかにかかわらず、かつ小レンズ２の出射面および／または基材表面のどちらの表面に設けられるかにかかわらず、これらの処理は、表面に入射する光の４％以上が跳ね返されるフレネル反射を少なくでき、コリメーティングフィルムの透過率および効率を向上させる。すなわち、これらの表面処理を追加することによって、システムの透過率を最大で８％も改善できる。

上述のコリメーティングフィルムは、光源からの光の放射プロファイルがきわめて幅広いにもかかわらず、狭い光放射プロファイルが望まれる任意の光学的光源において、使用することが可能である。そのような光源の例として、投影および光源集光装置、広告および信号の用途、フラッシュライト、室内照明、および液晶表示装置のバックライトが挙げられる。光源は、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、蛍光ランプ（ＣＣＦＬまたはＨＣＦＬ）、白熱灯、またはアーク灯であってよい。

図１４に示したようなＬＣＤ用の端面（または側面）点灯バックライトがとくに興味深い。この用途においては、光源６４からの光が、導光体６３の縁へと案内される。導光体６３は、導光体６３の全長にわたって均一に光を取り出すために、拡散特性を有することができ、あるいはその正面６２ａまたは背面６２ｂに、ざらつきまたは微細構造を備えることができる。導光体６３の前面に、導光体６３から出る好ましい偏光の光を通過させ、好ましくない光を跳ね返す（すなわち、再利用する）ために、必要に応じて設けられる反射偏光板６１が位置している。ミラー６５が、導光体６３の背後に配置され、反射偏光板６１によって跳ね返された光を前方へと反射させる。必要に応じて設けられる反射偏光板６１の出射側に、本発明のコリメーティングフィルム１が配置される。コリメーティングフィルム１の開口７を通過した光が、レンズアレイの小レンズ２を通って、上述のとおり平行にされた様相で出射される。開口７に入射しない光は、代わりに反射層６で反射され、導光体６３へ入射し、最終的には導光体６３の背面側のミラー６５で反射されて再利用される。ミラー６５が、再利用される光をコリメーティングフィルム１へと前方方向に向け直すように機能し、再利用光に対して、開口７へ入射してコリメーティングフィルム１を通過するための、さらなる機会が与えられる。光は、コリメーティングフィルムを通過した後で、表示パネル６０の後面に入射する。

図１５に示す直接点灯バックライトも興味深い。この用途においては、１つ以上の光源７４からの光が、表示パネル６０の背後の光学空洞または混合チャンバ７１の内部に配置される。光学空洞または混合チャンバ７１は、反射面７２および７３と、光の通過を許容する開いた前面７０とを有している。必要に応じて設けられる反射偏光板６１が前面７０に配置され、上述のとおり、好ましい偏光を通過させ、好ましくない偏光を再利用するために戻す。必要に応じて設けられる反射偏光板６１の出射側に、本発明のコリメーティングフィルム１が配置され、このコリメーティングフィルム１の小レンズ２が、首尾よく開口７を通過した光を平行にし、それ以外の反射層９に到達した光を跳ね返す。跳ね返された光は、混合チャンバ７１へと戻され、混合チャンバ７１において再使用され、最終的に必要に応じて設けられる反射偏光板６１およびコリメーティングフィルム１へと再び案内される。光は、コリメーティングフィルム１を通過した後で、表示パネル６０の後面に入射する。

本発明を、本発明の好ましい実施形態を参照しつつ詳しく示して説明したが、これらの実施形態に、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の技術的範囲から逸脱することなく、形態および詳細についてさまざまな変更を加えることができることを、当業者であれば理解できるであろう。

コリメーティングシートの一実施形態の側面図である。 マイクロレンズが六方配置で密集しているコリメーティングシートの平面図である。 マイクロレンズが矩形の配置で密集しているコリメーティングシートの平面図である。 入射側から眺めた円形開口のアレイの拡大図である。 入射側から眺めた非円形開口のアレイの拡大図である。 部分的に重なり合う２つの開口から作られた非円形の開口のアレイについて、入射側から眺めた拡大図である。 球面マイクロレンズの拡大図である。 非球面マイクロレンズの拡大図である。 球面レンチキュラ形態を示す図である。 非球面レンチキュラ形態を示す図である。 開口をレーザ焼灼によってどのように形成できるのかを示す全体図である。 平坦な表面を有する開口の拡大図である。 ざらついた表面を有する開口の拡大図である。 屈折力を有する表面を有する開口の拡大図である。 開口に設けられた反射防止材料を示している。 部分的に充填された開口の拡大図である。 完全に充填された開口の拡大図である。 或る開口からの光がどのように隣のマイクロレンズに達し、その後に吸収されるのかを示している光線追跡図である。 開口率の定義を示す図である。 種々の開口サイズにおける相対出射強度を示すグラフである。 表示のために用いられる端面点灯型バックライトシステムにおけるコリメーティングシートの配置を示している。 表示のために用いられる直接点灯型バックライトシステムにおけるコリメーティングシートの配置を示している。 レーザ焼灼装置の全体の概略図である。 図１６のレーザ焼灼装置のより詳細な等角投影図である。 レーザ焼灼装置の側面図である。 レーザ焼灼装置の側面図であり、開口を刻むために使用される垂直の平行移動を示している。 レーザ焼灼装置の平面図である。 レーザ焼灼装置の平面図であり、開口を刻むために使用される水平の平行移動を示している。 焼灼前の金属／絶縁層の図である。 焼灼後の金属／絶縁層の図である。 反射層の形成プロセス工程の実施態様の一つを示している。 反射層の形成プロセス工程の実施態様の一つを示している。 反射層の形成プロセス工程の実施態様の一つを示している。 反射層の別の形成方法を示している。 反射層の別の形成方法を示している。 反射層の別の形成方法を示している。 反射層の別の形成方法を示している。 反射層の別の形成方法を示している。

符号の説明

４…基材
２，９２…マイクロレンズ（小レンズ）
３…マイクロレンズアレイ
６…反射層
７，９７，２０，２１…開口
８…光軸
２５…レンチキュラマイクロレンズ
１３，１４…絶縁層
９８…反射防止コーティング

Claims (20)

1. コリメーティングシートを製作するための方法であって、
   ・光入射側と光出射側とを備える基材を用意する工程、
   ・前記基材の出射側に複数のマイクロレンズを形成する工程、
   ・反射材料層を設ける工程、および
   ・レーザ焼灼プロセスによって前記反射材料層に複数の開口を形成する工程
   を含んでいる方法。
2. 請求項１において、前記開口が、当該開口の１つ以上が対応するマイクロレンズの光軸に対して所定の空間的関係を有するように、前記基材の入射側に設けられた反射層に形成される方法。
3. 請求項２において、前記開口の中心が、前記マイクロレンズの光軸上に実質的に位置している方法。
4. 請求項２において、レーザ焼灼によって、対応するマイクロレンズの光軸からずれて位置する第１の開口が少なくとも１つ形成され、前記光軸に対して第２の角度にある角度ずれのレーザ焼灼によって、第２の開口が少なくとも１つ形成される方法。
5. 請求項２において、コリメーティングシートが、回転および平行移動するドラムに取り付けられ、レーザが、ドラム上の公差範囲内の入射点へと入射する方法。
6. 請求項１において、コリメーティングシートが、回転ドラムへと取り付けられる方法。
7. 請求項６において、コリメーティングシートが、回転ドラムのためのスリーブとして機能するために十分に大きいサイズである方法。
8. 請求項５において、レーザが、ドラムに対して９０度の角度で入射する方法。
9. 請求項６において、回転ドラムが、水平方向の平行移動ステージに配置される方法。
10. 請求項９において、ドラムが、ドラムの中心軸を中心として回転可能であり、水平方向の平行移動ステージが、コリメーティングシートのうちの比較的大きな面積をレーザへとさらすことができるように移動される方法。
11. 請求項５において、前記開口が、ドラムに対するレーザの入射角度を変化させることによって任意の形状に刻まれる方法。
12. 請求項１１において、垂直面における入射角度が、垂直方向の平行移動ステージによってドラムを上昇または下降させることによって変化させられる方法。
13. 請求項１１において、水平面における入射角度が、垂直軸を中心としてドラムを回転させることによって変化させられる方法。
14. 請求項１１において、刻まれる開口が、複数の焼灼サイクルを実行することによって焼灼され、それぞれの焼灼サイクルが、垂直方向および水平方向の平行移動ステージの姿勢によって決定されるとおりにフィルムに対するレーザの入射角度を変化させて行われる方法。
15. 請求項２において、前記基材が、ドラムのためのスリーブとして機能するために十分に大きいサイズである方法。
16. 請求項２において、２つ以上の開口が１つの小レンズにつき形成され、それぞれの開口が、選択的に刻まれ、あるいは刻まれていない方法。
17. 請求項６において、２つ以上の焼灼工程が、垂直方向の平行移動ステージの位置を変化させて実行される方法。
18. 請求項１７において、２つ以上の焼灼工程が、水平方向の首振り回転ステージの位置を変化させて行われる方法。
19. 請求項１において、コリメーティングシートが、回転、首振り、平行移動、上昇、または下降のうちの１つ以上の工程によって焼灼用のレーザビームに対して移動される方法。
20. 請求項１において、焼灼用のレーザがＹＡＧレーザである方法。

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