JP2010020337A - 光学基板の製造方法、輝度向上フィルムの製造方法、バックライト型ディスプレイ装置、光学基板及びディスプレイ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】2以上の光学的機能を果たす表面を有する光学基板の提供。
【解決手段】光学基板の製造方法は、第2の表面構造関数で変調された第1の表面構造関数(50,52,54)によって表面を規定することを有し、第2の表面構造関数は、高さ、周波数、位相又はピーク角の少なくともいずれかのランダム関数または疑似ランダム関数を有している。
【選択図】なし
【解決手段】光学基板の製造方法は、第2の表面構造関数で変調された第1の表面構造関数(50,52,54)によって表面を規定することを有し、第2の表面構造関数は、高さ、周波数、位相又はピーク角の少なくともいずれかのランダム関数または疑似ランダム関数を有している。
【選択図】なし
Description
本発明は、光学基板の製造方法等に関し、具体的には、2以上の光学的機能を果たす表面を有する光学基板の製造方法等に関する。
バックライト型コンピューターディスプレイやその他の系では、一般に光を導くためにフィルムが用いられている。例えば、バックライト型ディスプレイの輝度向上フィルムはプリズム構造を利用して視軸方向(すなわち、ディスプレイに垂直)に光を導き、ディスプレイのユーザーに見える光の輝度を高め、その系で所望のレベルの軸上照度を生じるために用いられる電力を少なくできる。また、光を屈曲させるフィルムは投影ディスプレイ、交通信号及び照明標識のような広範囲の他の光学設計でも使用することができる。
バックライト型ディスプレイやその他の系では、そのプリズム表面が互いに直交し、ディフューザーといわれる他の光学フィルム間に挟まれるように積み重ねられて配列された複数の層が用いられている。ディフューザーは極めて不規則な表面を有する。
David J.Whitehouse、Handbook of Surface Metrology、IOP Publishing Ltd. (1994)、p.49〜58
2以上の光学的機能を果たす表面を有する光学基板の製造方法等を提供することである。
本発明は、多機能の光学基板及びその製造法を特徴とする。本発明の一つの態様では、光学基板は、約1cm以下の相関長lc内でRの初期値の約37パーセント(1/e)未満の値を有する相関関数R(x,y)のような関数で特徴付けられる三次元表面を有する。三次元表面は、第2のランダム関数又は少なくとも擬似ランダム関数で変調した第1の表面構造関数で規定される。第1の表面構造関数の特性によって、第1の入射ビーム光から反射成分が生成し、その光屈曲挙動は三次元表面で保持される。一般に、擬似ランダム関数は、第1の表面構造関数の周波数、高さ、ピーク角又は位相の任意の組合せを変調する信号である。一つのウィンドウを規定し、そのウィンドウ内で点をランダムに選択して、ランダムに選択された点を相互に連結する変調経路を作り出す。マスター関数を得、その変調経路に沿って一つの表面関数を作成し、マスター関数内の連続する位置でマスター関数と繰り返し合成する。こうして得られる基板の三次元表面は第1の表面構造関数の光屈曲特性を保持しているだけでなく、光を拡散し、例えば、モアレアーティファクトを低減する。
本発明の別の態様では、本光学基板をバックライト型パネル導光板で輝度向上用に用いられるフィルムの1以上の面上に設ける。本光学基板は輝度向上用途においても30パーセント以上の軸上輝度増大ももたらす。さらに、この三次元表面は約0.1〜60度の出力半値角を有する光の拡散された反射成分を生成する。
本発明の実施形態では、その表面を利用して光を屈曲・拡散させる光学基板が提供される。この基板は、光を屈曲させる第1の表面構造機能と光を拡散する第2の表面構造機能で規定される表面を有する。これら2つの表面機能の組合せによって、光を屈曲させかつ拡散するという両方の機能をもつ単一の三次元表面が得られる。
以下、基板の実施形態について、バックライト型ディスプレイなどに使用される輝度向上フィルムに関連して説明するが、本発明の光学基板は他の各種の用途に使用することもできる。
図1に、光を屈曲させるのに一連のプリズム構造10を用いる従来技術のフィルムの断面を示す。バックライト型ディスプレイでは、光は表面20から入り、射出面30から出る。図1のフィルムでは、光の入射面20に対する入射角が0度の光のビームAは、プリズム構造10で向きを変えられることなく、本質的に入射方向に反射される。入射角θの光の第2のビームBはプリズム構造10で屈曲して、光射出面30を透過し、光入射面20に対して実質的に垂直に出る。その他のビーム(図示せず)は他の角度で屈曲又は反射する。かかるフィルムの全体的・統計的特性は光学的利得及び視角のようなパラメーターで特徴付けられる。
この従来技術のフィルムでは、表面30は関数として表すことができる。表面20に対する表面30の高さを座標zとし、頁を横切る座標及び頁に垂直な座標をそれぞれx、yとすると、表面30は関数z=f(x,y)によって規定できる。この場合、f(x)は表面20に対するオフセットが一定の三角形の波形の繰返し、すなわち鋸歯である。この場合、上に概説したように、表面30を規定する関数は光を屈曲させかつ反射する特別な幾何形状を有する。
図2は、本発明の第1の実施形態による光学基板40の平面図である。図2の実施形態は、約2000ミクロンの長さlと約2000ミクロンの幅wを有する基板40の一部分を示す。図3は約500ミクロン×500ミクロンの寸法を有する基板42の一部分の一実施形態の平面図であり、図4は図3の基板42の一部分の斜視図である。図3及び図4の実施形態は、図2の三次元表面よりも格段に不規則な三次元表面を有する。一般に、図2〜図4に示す基板はその光射出面に不規則な三次元表面構造を有する。その幾何形状のため、この不規則な三次元表面構造は光を屈曲させて射出反射成分を生じると同時に、光を拡散し、低い相関長lcを有する。これらの実施形態の基板は単一の表面で光を屈曲かつ拡散させることができるので、用途によっては別個の拡散表面を設けなくてもよい。
図2〜図4に示す基板は不規則な三次元表面を有する。しかし、この不規則表面は、図1の光射出面30の場合のように周知の数学的関数で容易に規定することができない。代わりに、その表面関数は、第1の表面構造関数を第2の表面関数で変調した結果として規定するか、場合によってはかかる変調関数を取り、それらを同様に生成した他の関数と重ね合わせた結果として規定する方が妥当である。例えば、第1の関数は、図1の光射出面30で規定されるものと類似のものとすることができる。第1の関数は単一のプリズムのものでもよい。第2の関数は高さ、位相、周波数又はピーク角の擬似ランダム関数とし得る。さらに、合成は第1の関数を第2の関数で変調することによって行うことができ、得られる基板40の関数z=f(x,y)が基板40の「l」方向に擬似ランダムに変化する高さ、位相、周波数又はピーク角をもつようにする(図2)。第1の関数は光を屈曲又は反射させる幾何学的特性を与え、第2の関数はその屈曲光又は反射光を拡散する幾何学的特性を与える。以下に述べるように、他の関数を代わりに用いることもできるし、他のパラメーターを用いることもできる(例えば、エンティティーの位相)。第1の関数としてプリズム状表面関数を用いる場合、その第1の表面関数の高さh、幅s及びピーク角αはその基板の目的とする用途に応じて変えることができる。加えて、第1の表面関数は、図1に示すような対称構造である必要はない。
一実施形態では、第1の表面構造関数は第2の表面構造関数によって位相、周波数、ピーク角又は高さを変調させる。第2の表面構造関数は基板40の光射出面41(図2)にフィルムの三次元表面を生じるように変調の種類を規定する。従って、基板40の光射出面41の表面高さはこれら2つの表面構造関数の組合せによって規定される。例えば、1以上の第1の表面構造関数、例えばプリズムのピークの高さを基板40の長さlに沿って変調することができる。高さは、ランダムに、或いは基板40の長さl方向にランダムな間隔又は固定間隔で一定の上下限内で擬似ランダムに変調することができる。当然のことであるが、ランダムという用語は、真のランダム、又は人為手段で作成する際に可能な範囲でのランダム、例えば擬似ランダムを意味する。別の例では、1以上の第1の表面構造関数の位相、すなわち、基板40の幅wに沿った水平位置を、基板40の長さlに沿って一定の上下限内で少なくとも擬似ランダムに変調することができる。さらに別の例では、第1の表面構造関数のピーク角を基板40の長さlに沿って変調することができる。このように、変調法の組合せを用いて、単一の三次元表面で光が屈曲及び拡散するように基板40の三次元表面を作り出すことができる。図2に示す基板40の作成に用いる具体的な変調法について以下詳細に説明する。
図5は、図2の長さ「l」方向の異なる位置における基板40の3つの断面を示すグラフである。図2の「l」方向の例えば400ミクロンの位置における第1の断面50は、基板40の幅wの一部分(具体的には、「w」方向に約200〜500ミクロン)に延在する。第2の断面52は図2の「l」方向の例えば800ミクロンの位置で取ることができ、第3の断面54は図2の「l」方向の例えば約1400ミクロンの位置で取ることができよう。図5の縦軸は、基板40の表面の高さの変化量のみを示し、基板40の現実の高さを意味するものではない。図5の横軸は図2のw方向の水平位置を示す。図5の断面図から分かるように、変調した鋸歯関数は基板40の特定の断面50,52及び54で存在し続ける。ただし、これらの構造の位相は変調されているので、各断面50,52,54のピーク56は他の断面50,52,54のピークとは一致しない。これは図2の平面図からも明らかであり、基板40の長さlに延びる変調表面関数46が、離散要素がないように揺れ、曲がり、組み合わさり又は二股に分かれ、かつ交差する傾向がある。図5で、鋸歯関数のピーク角58は約90度である。図5には鋸歯関数の変調ピーク角を示していないが、こうしたピーク角も所与の光学要素46で図2の略長手方向「l」に沿ってのあるピークと次のピークとで変化するであろう。ピークはw方向の表面断面における局部的な高さの極大である。
第1の表面構造関数を変調して基板40の三次元表面を生じさせた後でも、入射ビーム光から射出反射成分を生ずるという第1の表面構造関数の特性は得られた三次元表面でほとんど保持されている。反射挙動又は光屈曲挙動の量は、第1の表面構造関数に加えられる振幅及び/又は空間周波数の変調を変えることによって調節可能である。例えば、第1の表面構造関数に加える変調の量を下げると、反射挙動が増す。対照的に、第1の表面構造関数に加える変調の量が増すと、反射挙動が減り、拡散が増す。同様に、第1の表面構造関数に加える変調の量を下げると、基板の拡散挙動が低減し、第1の表面構造関数に加える変調の量が増すと基板の拡散挙動が増す。
図6は、輝度向上用途に用いることができる光学基板100の一例の実施形態の屈曲及び拡散特性を示す。便宜上、図6では図2の不規則な三次元表面41を示していないが、仮に示せば約100mm〜約1nmの特徴的な表面寸法を有する光射出面102として存在するであろう。基板100に対する入射角θが0度の第1の光ビーム138は光射出面102で元の入射方向に反射される。この光は元の方向に反射されるだけでなく、拡散もして、単一の射出ビームを形成する代わりに光線136及び134で形成される第1の拡散楕円を生じる。拡散光は、例えば、光線136及び134で形成される楕円内に存在して中実の楕円が形成される。ある入射角θを有する第2の入射ビーム光124は、射出ビーム128として光射出面102へと透過し、屈曲して基板100に略垂直になるように、基板100によって方向付けられる。ビーム128も光射出面102で拡散されて第2の拡散楕円が形成される。第2の拡散楕円は128と光線130又は132との出力半値角Φで形成される。基板100の拡散特性の一つの尺度として使用できる出力半値角Φは約0.1〜60度とすることができる。他の実施形態では、変調の種類及び/又は量を変えることによって、出力半値角Φを約1〜5度とすることができる。図6は、光の1以上の射出ビーム130,132が基板100によって屈曲して入射角θから外れることを示している。
図6の基板100の拡散特性は幅広く変更し得る。例えば、形成される拡散楕円は一実施形態では対称の円錐である。他の実施形態では、拡散は対称性の全くない又は極めて少ないものとすることができる。ランダム変調はw方向及びl方向で異なる拡散をするように、すなわち、振幅、バンド幅が異なる拡散をするように制御することができ、加える変調パラメーターはw又はl方向のいずれかで一次元としてもよいし、或いはw、l方向に異なるパラメーターを用いて二次元とすることもできる。第1の表面関数に対する変調関数の向きを変えるため、円筒座標、極座標又は概略歪曲座標系のような回転又はシフトしたデカルト幾何学を始めとする他の座標を用いてもよい。これらは、非対称光パターンが望まれる際に使用できる。
基板の導光特性も大きく変えることができる。図7を参照すると、ランプ108及び下側反射面109を有するバックライト型ユニットの導光板106と併用すると、基板112及び114は光を拡散させつつ輝度を大きく向上させることができる。輝度向上の実施形態では、基板112及び114は軸上で輝度を約30〜約300パーセント増大させることができる。従来技術の線形プリズムアレイ、さらにプリズムアレイのランダム化された輝度向上フィルムは、モアレ効果のため、平行に使用することはできないか、望ましくない。本発明では、モアレ効果がないので、2つの基板を公差(直交)から平行までの任意の角度で使用することができる。そのため、光射出パターンの自由度が増大する。他の実施形態では、基板は軸上の輝度を50パーセント以上、おそらく約200パーセントも増大させる。輝度向上の実施形態では、2つの基板112,114は、様々な方向からの入射ビーム光を屈曲及び拡散させるため、互いに直交するように配列することができる。拡散挙動が基板112,114内に確立されるので、基板112,114に生ずるモアレアーティファクトを除くため別の拡散基板を必要としないが、その他の理由によって拡散基板を使用することも本発明の範囲内で可能である。
従来技術の図7には、ディフューザー116,118が示してある。ディフューザー118は、基板112,114に固有の規則性に起因する干渉のため生じるモアレアーティファクトを拡散する。ディフューザー116は、導光板106の下面120上のエキストラクターパターンの規則性及びLCDパネル122の規則性に起因するモアレアーティファクトを拡散する。従来の輝度向上フィルム112,114を本発明で置き換えれば、ディフューザー118及び116を省略することができる。
基板112,114の拡散特性は、図1に示すような多くの慣用導光性フィルムで起こるモアレアーティファクトを低減又は解消する。従って、こうした基板を組み込んだ例示的なフィルムは一つの表面で光を屈曲及び拡散させることができ、そのためモアレアーティファクトが低減又は解消される。
自己相関関数R(x,y)は、表面測定に用いられる表面のランダムさの尺度である。ただし、ある一定の相関長lcで、自己相関関数R(x,y)の値はその初期値の分数に落ちる。例えば、1.0の自己相関値は、高度又は完全に相関した表面と考えられる。相関長lcは、自己相関関数の値がその初期値のある分数となる長さである。通例、相関長はその自己相関関数の初期値の1/e、すなわち約37パーセントに基づく。相関長が大きいことは、その表面が相関長の小さい表面よりもランダムさが少ないことを意味する。自己相関関数に関する詳細な説明は、David J.Whitehouse、Handbook of Surface Metrology、IOP Publishing Ltd. (1994)、p.49〜58にある。
本発明の幾つかの実施形態では、光学基板100の三次元表面に関する自己相関関数の値は、約1cm以下の相関長でその初期値の1/e以下に落ちる。他の実施形態では、自己相関関数の値は約0.5cm以下でその初期値の1/eに落ちる。図2及び図6に示す基板40,100の実施形態では、長さlに沿っての自己相関関数の値は約200ミクロン以下でその初期値の1/e以下に落ちる。同じく図2及び図6の実施形態では、幅wに沿っての自己相関関数の値は約11ミクロン以下でその初期値の1/e以下に落ちる。
相関長はモアレアーティファクトの低減に関連する。上述の通り、相関長が小さいことは相関長の大きいものよりもランダムな表面を示し、小さな相関長は拡散の増大及びモアレアーティファクトの低減に関連する。相関長が小さいことで示されるように基板40,100の三次元表面は高度に不規則であるので、基板40,100はモアレアーティファクトを低減するのに有効である。
以下の説明は、本発明の非モアレ特性の幾らか例証するためのものである。以下の例では、1)本発明が直線プリズム及びランダム化プリズム構造のいずれよりも自己相関が格段に低いこと、及び2)自己相関長が、ある構造がある系でモアレパターンを生ずる可能性に関しての優れた指標であることを示す。
図18の高さ20μm、ピッチ40μmの直線プリズムアレイ400をベースラインとする。プリズム構造400のw方向に沿って取った水平プロファイルの自己相関関数402を図19に示す。自己相関関数402の減衰はその構造のランダムさの指標である。図18の構造は完全に規則正しいので、唯一の減衰はその試料の範囲が有限であることに起因する。他の例と比較する際は、この正弦波自己相関関数の包絡線のロールオフを考慮しなければならない。
図20にモアレマップ404を示す。図18のプリズム構造400では、図20のモアレマップは、図18の構造の高さ(変調する高さである必要はない)マップに同様なピッチの基準プリズム構造の高さを乗じて得られる像である。これは、2つの構造を光学系で近接して配置する(又は一方の像を他方の上に映す)ときに起こるものと同様である。基準プリズム構造は図18のプリズム構造400のアレイに平行に配向した50μmピッチのプリズムアレイである。これはモアレを起こす最悪の状況である。
モアレプロットを図21に406で示す。これは図20のモアレマップ404のw方向に沿ってのプロファイルである。図18の40μmピッチのプリズムの場合、図20のモアレマップと図21のモアレプロットはいずれも低周波数の包絡線として強いビートパターンを示す。
次に、図18の40μmピッチのプリズムアレイに対して、プリズム中心の水平位置(w方向)に±20%のランダムさを導入して図22の408で示す垂直、つまりl方向に各プリズムに沿ってランダムな変化を生じさせたものについて考察する。
図23において、自己相関の幾らか速い減衰が起きていることに注目されたい。これは、40μmピッチのプリズムアレイにランダムさを導入した結果である。図24のモアレマップ412及び図25に示すそのプロファイル414では、ビートパターンが多少乱れているが、それでも依然として視認できる。図19と同様に、図23の自己相関の減衰は試料の範囲が有限であることに起因している。
次に、図26に416で示す本発明の一実施形態を考察する。この構造はフルサイクル(例えば、「ピッチ」の100%を超える)ランダム化と共に重ね合わせられた位相変調「プリズム波形」を有しており、その高さは20〜10μm、傾きは40〜50度である。この場合、用いたランダムさと重ね合わせの結果、二股に分かれ(つまり分裂し)、融合する構造又は要素が得られる。
図27に示すように、図26のプロファイル418の自己相関関数は図19及び図23のものに比べて減衰が極めて急である(例えば、100μm以下で0.2未満)ことに注目されたい。従って、図26の非モアレ性能は図18及び図22よりも優れていることが期待される。これは図28及び図29に420及び422で示す。ビート周波数は完全に消失しており、残っているは全て不均一性の領域である。図29から分かるように、こうした小さな不均一性は本発明の局部構造に関係しており、ビートパターンの結果ではない。この結論を図30、図31及び図32に示す。ここで、モアレマップは44μmピッチの基準プリズムアレイを用いて作成される。図18の直線プリズム及び図22の20%ランダム化プリズムでは、ビートパターンの空間周波数が少ない(マップ中のサイクル数が少ない)に注目されたい。
対照的に、図26のマップに対する不均一性は図24のものと同様である。これらの不均一性は常に構造と同じスケールであるので、それらがディスプレイで視認されることはなく、問題にならない(設計ピッチが充分に微細である場合)。前者の例におけるモアレははるかに重大な問題である。ビートパターンはプリズムピッチの大きな倍数である周期性をもつおそれがあり、容易に視認し得るアーティファクトを生じかねないからである。
図33に、図26の垂直(l方向)自己相関430を示す。ここで、垂直方向の変調の周期が長いためロールオフは図27のものよりも格段に少ないことが分かる。この例で、垂直変調は、振動の周期が300〜500μmとなるように設定されている。図22のプリズムアレイでは、垂直変調は、振動(ランレングス)の周期が10〜100μmとなるように設定されている。この場合、減衰は図31のものよりも速い(図34の432参照)。
以下、例示的な基板の表面に対するモデルの作成について詳細に説明する。表面モデルの作成には多くの方法を使用することができ、以下の議論はこれらの方法のうちの一例にすぎない。
一例として、図2に示す表面は、ランダム又は擬似ランダム変調した波形の重ね合わせの反復プロセスを用いて作成することができる。図2で、一連の重ね合わせた波形は一般にフィルムの三次元表面を形成する。ただし、得られた図2の構造におけるこうした「波形」は必ずしも別個の波形として存在することはない。代わりに、得られる図2の三次元表面は、互いに交差及び/又は場所によって単一波形に合成される重ね合わせ波形を含む。
図2に示すような基板40を作成する反復プロセスを開始するため、一連の波形を定義する。定義した波形は各々基準面上に約20ミクロン(μm)の高さを有する鋸歯の概略断面形状を有する。この一連の波形は上述の第1の表面構造関数である。各波形は光を屈曲させる幾何学的特性を有する。各波形を、上述の通り、周波数、位相、ピーク角(又は高さ)の1以上について変調する。例えば、図8は、図2のl方向に一端から他端まで延びる単一の波形140を示す。この波形140は、図8にみられるように、波形のピークの水平位置が中心位置142からw方向に−20〜+20ミクロン変動するように位相が変調されていている。図9は、図8の方向lの位置の関数として波形140の位相の変化を示す。図8及び図9の実施形態では、変調は、波形の長さlに沿って約300〜500ミクロンのランダムな間隔で波形に加えられるので、ピークの位相はlが変化すると共に300〜500ミクロン毎に変化する。
ピーク角は波形のピークで形成される角度であり、図5に符号58として示す。図8の波形の場合、ピーク角もlに沿って300〜500ミクロン毎に90〜92.8度に変調されている。図10は、長さlに沿った図8の波形のピーク角の変化を示す。各波形の高さも、長さlに沿って15〜20ミクロンでランダムに変調することができる。
図8に示す波形では位相とピーク角のみがランダムに変調されているが、他の実施形態では周波数及び高さも変調することができる。例えば、一実施形態では、単一の波形の高さを長さlに沿ってランダムに変調することができよう。別の実施形態では、単一の波形の周波数を長さlに沿ってランダムに変調することができよう。従って、波形は位置によっては薄く、他の位置で厚い。さらに他の実施形態では、異なる波形の高さを様々に変調することができる。このように、本発明の範囲内で各種の位相、周波数、ピーク角及び高さの変調法を用いて基板40,100の三次元表面構造を形成することができる。変調の量も様々な方法で広く変えることができる。
図2に示す構造を形成するために、波形の重ね合わせの最初の反復を実行する。例示す実施形態では、(上記のように変調した)個々の波形を、基板40,100の幅wに沿って約40ミクロンの間隔で基板40,100の表面上に段状に並べるか又は配置する。図2に示す幅2000ミクロンの表面の場合、50の波形が約40ミクロンの間隔で重ね合わせられるであろう。この最初の反復後に得られる表面構造モデルは図11に示すようになるであろう。
次に、変調波形の重ね合わせの2度目の反復を実行する。この2度目の反復は最初の反復と同様に実行することができる。例えば、別の一連の波形を上記のようにして作成し、基板の幅wに沿って約40ミクロンの間隔で重ね合わせることができる。得られた表面構造モデルを図12に示す。
必須ではないが、図12に示すものから図2に示す表面構造モデルを形成するため、鋸歯関数を重ね合わせる第3の反復を実行することができる。この鋸歯関数は8ミクロンの高さをもち、フィルムの幅wに沿って20ミクロンの間隔で重ね合わせることができる。得られた表面高さマップの小部分を作り上げるこの第3の反復は、主に表面の平らな点を埋めるために用いることができる。得られた三次元表面は、個々の波形が重ね合わせられて表面を形成しているランダム又は擬似ランダム構造を有する。重ね合わせの反復法及びランダムな位相変調関数の大きな高さのため、表面は個々の光学要素を含有しない。代わりに、得られた表面は、ブール合成(Boolean union)による多重変調及び重ね合わせの収斂によって形成された一体化光学基板である。
ここで、図14、図15及び図16を参照して、基板のランダム化法について説明する。座標系で第1のウィンドウ216を規定する。対照点202,204の位置をランダム化して第2のウィンドウ200内に変調経路206を形成する。第2のウィンドウ200は表面関数208の断面よりも広く、例えば、表面関数208の幅の三倍である。この表面関数は例えば鋸歯関数又は三角形関数でよい。第2のウィンドウ200の第1の対照点202から始めて、各々の対照点の位置で次の要素をランダム化する。すなわち、対照点の位置xは±20μmのような所定の範囲内、次の対照点までの距離yは300〜500μmのような所定の範囲内、表面関数の高さは例えば0μm又は20μmとする。
ランダム化した対照点の位置202,204を、回折効果を低減するために20μmのような所定の間隔に量子化する。y(又はl)方向における第2のウィンドウ200の長さを超えるまで、変調経路206に沿って新しい対照点を第2のウィンドウ200にランダムに追加する。ただし、第2のウィンドウ200の外にある第1の対照点202,204はそのままにしておく。
変調経路206は、対照点202,204から、例えば最近隣又は線形若しくは立方体内挿の組合せを用いて決定される。高さがゼロでない2つの連続した対照点202の間に高さがゼロの対照点204がある場合、その高さがゼロでない2つの連続対照点202間に変調経路206に沿って不連続点を導入する。
高さがゼロでない連続した対照点202間の変調経路に沿ってゼロでない表面関数208を作成する。この表面関数208は、高さがゼロでない2つの連続対照点202間に高さがゼロの対照点204がある場合、高さがゼロでない対照点202間でゼロの値をとる。表面関数208は例えば鋸波関数の断面プロファイルを有していてもよい。
ランダム化した表面関数208を含むウィンドウ200を第1の位置で揃えて並べ、最初はゼロであるマスター関数210にかぶせる。ウィンドウ200内の表面関数208とマスター関数210との間でブール合成演算を実行する。この結果、マスター関数210上に表面関数208が得られる。ウィンドウ200を、マスター関数210に沿って、例えば40μmの所定の増分段で左右に動かす。ここで、ウィンドウ200内で上記のように新しい表面関数208をランダムに作成し、その新しい表面関数208とマスター関数210との間でブール合成演算を実行する。再びウィンドウを所定の増分段だけ動かし、ウィンドウ内で上述の通りさらに新しい表面関数208を再びランダムに作成し、その新しい方の第1の関数208とマスター関数210との間で新たにブール合成演算を実行する。このランダム化、ブール合成及び段階プロセスをマスター関数210の幅全体にわたって繰り返す。マスター関数210の端部で、ウィンドウを第1の位置に戻し、ランダム化、ブール合成及び段階プロセスをマスター関数210の幅全体にわたって任意の回数繰り返して、図13のランダム化された基板152を得る。
表面関数は幅約40μm、高さ1〜200μm、特に幅約40μm、高さ約18μmの三角形である。表面関数は底辺対高さ比が40対1〜1対10、特に底辺対高さ比が約40対18の三角形であってもよい。
形態学的演算子を用いてランダム化された基板内の高さゼロの穴又は領域を見出して、「骨格マスク」関数を作成する(図40)。この関数を表面関数208とコンボリューション(畳み込み)し、その結果をブール合成によってマスター関数210と合成する。これらの部位又は領域は、残りのパターンよりも高さの大きいアンチウエットアウト(又はニュートンリング)隆起又は突起の少ないパターンの作成にも用いることができる。これらの隆起は表面の大部分と同じ形態又は機能を有する必要はない。最終パターン212は、マスター関数210から外側の100μm以上を切り落とすことによって得られる。次いで、図22で、最終パターン212の多数のコピーを互いに並べて配置又は「タイル張り」して、一次連続性に関して互いに鏡像関係にあるウェハー214上に二次元アレイとして基板表面を作出する。タイル(すなわち、マスター)の大きさは得られたパターンの相関長よりも大きい。
こうして、図16において、302でウィンドウを定め、ウィンドウ304内で点をランダムに選択することによって、これらのランダムに選択された点を相互に連結する変調経路306を生み出す。308で、ウィンドウ内のランダムに選択された点に高さをランダムに割り当てる。314でマスター関数を定め、310で変調経路に沿って表面関数を作成し、マスター関数312内の連続する位置で繰り返しマスター関数と合成する。
当然のことであるが、基板の表面は高さ、周波数、位相又はピーク角だけでなく、屈折率もランダム化することができる。これらのパラメーターのいずれも図35〜図39に示すように変調することができる。これらの図で、正弦波搬送波形sin(x)はランダム関数r(x)によって振幅、位相、又は周波数が変調され、次式に従ってランダム化された関数R(x)が得られる。
式中、r'(x)は第2のランダム関数(又は第3の表面関数)であり、c、k及びnは定数である。鋸歯関数は時間t、又は空間w、lの関数として2πの周期を有する鋸歯の波を生成する。鋸歯は−1と1のピークを有するsin(t、w、l)に類似した波を作出する。鋸歯波は2πの倍数で−1であり、他の全ての時間では1/πの傾きで時間と共に線形に増大すると定義される。一般に、複数のランダム関数を用いて、第1の表面関数の複数のパラメーターを変調することができる。図39にみられるように複数のランダム関数r(x)は各々が空間的に一定でも、空間的に変化しても、又はこれらの任意の組合せでもよい。
約100mm〜1nmの特徴的な寸法を有する基板の実際の表面は多くのプロセス技術で製造することができる。こうしたプロセス技術には、上述の表面モデル用のモールドなどの形成のための、フォトリソグラフィー、グレイスケールリソグラフィー、マイクロリソグラフィー、放電加工、及び硬質工具を用いた微細機械加工がある。
例えば、基板の製造は原盤作製(マスタリング)、電鋳及びモールド成形によって行える。フォトリソグラフィーマスタリングを用いてフォトレジスト、グレイスケールマスク、又はタイル可能な一連のハーフトーンマスクにレーザー光を当てればよい。フォトレジストはレーザー光子で直接除去することもできるし、反応性イオンエッチング(RIE)のような追加のプロセス段階の前駆体として用いることもできる。また、幾何形状の原盤は、五軸ミルでシングルポイントダイヤモンドツールのような硬質工具を用いて製造することもできる。原盤は一般にネガ型として製造される。原盤の基材はガラス、例えば溶融石英、結晶、金属又はプラスチック(例えばポリカーボネート)でよい。原盤はプラスチック部品の成形に直接使用してもよいし、又は電鋳に用いてもよい。
電鋳は一段階又は二段階である。一段階のみを使用する場合原盤はポジ型である。原盤は金属薄膜でコーティングしてもよい(特に、原盤が最初導電性でない場合)。「親」電鋳品は原盤にニッケルを電着することによって作られる。このレプリカを再び電鋳して、プラスチック部品の成形に使用される「子」を作る。
デバイス(フィルム)の成形に用いる物品をモールドという。モールドはベルト、ドラム、プレート又はキャビティーの形態とし得る。モールドは複数の原盤又は電鋳品に由来するタイルであってもよい。モールドを使用すれば、基板の熱間エンボス加工、基板の冷間カレンダー加工、又は構造を形成すべき紫外線硬化性若しくは熱硬化性材料の添加によって、基板に構造を形成することができる。モールドを使用して、射出成形又は真空成形によってフィルムを形成してもよい。基板又はコーティング材料は光学的に透明な有機、無機又は混成材料でよく、懸濁した拡散、複屈折又は屈折率改質粒子を含んでいてもよい。
こうして形成される光学基板は、屈折率1.1〜3.0、特に屈折率約1.75の光学的に透明な材料で形成することができる。
図41に、バックライト型ディスプレイ装置500の断面図を示す。バックライト型ディスプレイ装置500は光504を放出する光源502を有する。導光板506はそれに沿って光504を導く。反射面508は光504を導光板506の外へと反射する。反射面510からの光504は1以上の光学基板510に入る。光学基板510は2つの表面構造関数で規定される三次元表面512を有しており、この第1の表面構造関数はある長さ、幅及びピーク角をもち、入射ビーム光から1以上の射出反射成分を生成する光学特性を有する。第2の表面構造関数は、第1の表面構造関数の長さに沿って第1の表面構造関数の周波数、位相及びピーク角の1以上を変調する少なくとも擬似ランダムの特性をもった幾何形状を有する。三次元表面512は、約1cm以下の相関長において初期値の約37パーセント未満の相関関数値を有する。バックライト型ディスプレイ装置500で、光学基板510の一方は、第1の三次元表面512と、その反対側に第2の三次元表面514を含んでいてもよい。この第2の三次元表面514も、約1cm以下の相関長で初期値の約37パーセント未満の相関関数値を有していてもよい。第2の三次元表面は2つの表面構造関数を有しており、第3の表面構造関数はある長さ、幅及びピーク角をもち、入射ビーム光から1以上の射出反射成分を生成する光学特性を有しており、第4の表面構造関数は第1の表面構造関数の長さに沿って第1の表面構造関数の周波数、位相及びピーク角の1以上を変調する少なくとも擬似ランダムの特性をもつ幾何形状を有する。
バックライト型ディスプレイ装置500において、光学基板510は互いに0〜90度の相対的配向にある第1及び第2の表面関数を含み、これらは互いに平行でも垂直でもよい。
上記光学基板のバックライト型ディスプレイにおける輝度向上用の用途とは別に、本基板は広範囲の他の用途にも使用することができる。この基板の実施形態は、フレンネルレンズ、ホログラフィック基板に、又は慣用のレンズ、プリズム若しくは鏡と組合せて使用することができる。かかる実施形態は一定の特性をもつ同心円又は楕円を変調することによって形成することができよう。光学基板は単一若しくは多次の反射、透過又は部分透過型、光吸収性又は非吸収性プリズム、ホログラフィック光学要素、又は回折格子にも使用することができ、反射成分の射出角は第1の表面構造関数を変化させることによって調節することができる。基板は投影ディスプレイ、照明標識、及び交通信号のような他の用途に使用することができる。
本明細書において、反射とは、巨視的スケールでは拡散されない反射又は透過光のあらゆる成分を意味するものと定義される。巨視的とは、約500ミクロン以上の直径を有するコヒーレント光ビームで基板表面を検査することによって観察されるバルクな挙動である。古典的な多次格子は多数の反射成分を有すると考えられる。
前後、右左、頂部及び底部、上下、並びに水平及び垂直に言及している場合、特記しない限り、説明の便宜上のものであって、本発明又はその成分を一つの位置又は空間的配向に限定するものではない。添付の図面の要素の寸法は全て、本発明の範囲から逸脱することなく可能な設計及び一実施形態の目的とする用途によって変更可能である。
幾つかの実施形態に関連して本発明を説明して来たが、本発明の範囲から逸脱することなく各種の変更をなすことができ、等価物でその要素を置換することができることが当業者には理解されよう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正をなすことができる。従って、本発明は本発明を実施する上で最良の態様として開示す特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に入る全ての実施形態を含む。
Claims (36)
- 第2の表面構造関数で変調された第1の表面構造関数(50,52,54)によって表面を規定することを有し、第2の表面構造関数は、高さ、周波数、位相又はピーク角の少なくともいずれかのランダム関数または疑似ランダム関数を有している、光学基板の製造方法。
- 1cm以下の相関長において初期値の37パーセント未満の自己相関関数値を有する表面を含み、該表面が第1の入射ビーム光から反射及び拡散光を生成する光学基板の製造方法であって、第2の関数で変調された第1の表面構造関数(50,52,54)によって前記表面を規定することを含む、光学基板の製造方法。
- 入射光を屈曲・拡散させビューアーに対する軸上で30パーセント以上輝度を増大させる形状の表面を有し、該表面が0.1〜60度の出力半値角を有する拡散光成分を生成する輝度向上フィルムの製造方法であって、前記表面を第1の表面構造関数と第2の表面構造関数とによって規定することを含み、第2の表面構造関数は、高さ、周波数、位相又はピーク角の少なくともいずれかのランダム関数または疑似ランダム関数を有している、輝度向上フィルムの製造方法。
- 第1の表面構造関数(50,52,54)が基板の第1の端部から第2の端部までの長さに渡って延在する、請求項1から3のいずれか1項記載の光学基板の製造方法。
- 第1の表面構造関数(50,52,54)が鋸歯断面又は三角形断面を有する、請求項4記載の光学基板(100)の製造方法。
- 光学基板(100)の表面が、光を屈曲・拡散させ各々が0.1〜60度の出力半値角を有する複数の拡散楕円を形成する形状を有する、請求項1から3のいずれか1項記載の光学基板の製造方法。
- 第1の入射ビーム光が第1の入射角を有しており、光学基板(100)の表面が、第1の入射ビーム光が光学基板(100)を透過すると共に光学基板(100)の表面によって第1の入射角と異なる射出角に屈曲させる形状をしている、請求項6記載の光学基板の製造方法。
- 反射成分の射出角が第1の表面構造関数(50,52,54)によって決定される、請求項7記載の光学基板の製造方法。
- 前記表面は1μm以下の相関長を有し、前記相関長は、自己相関関数の値が前記表面の自己相関関数の初期値の37パーセント未満となる長さである、請求項1から8のいずれか1項記載の光学基板の製造方法。
- 相関長が200μm以下である、請求項9記載の光学基板の製造方法。
- 光学基板(100)の前記表面が第1の入射ビーム光から反射及び拡散光を生成するようにされている、請求項1から8のいずれか1項記載の光学基板の製造方法。
- 前記ランダム関数または疑似ランダム関数は、振幅、位相、又は周波数がランダムまたは疑似ランダムに変調された周期的な搬送波形を有する、請求項1から11のいずれか1項記載の光学基板の製造方法。
- 前記周期的な搬送波形は正弦波搬送波形である、請求項12記載の光学基板の製造方法。
- 前記周期的な搬送波形は鋸歯関数である、請求項12記載の光学基板の製造方法。
- 前記第2の表面構造関数は複数のランダム関数または疑似ランダム関数を有する、請求項1から3のいずれか1項記載の光学基板の製造方法。
- 第1の表面構造関数(50,52,54)は、各々が長さ、幅、及びピーク角を有する一連の第1の表面構造関数(50,52,54)である、請求項1から15のいずれか1項記載の光学基板の製造方法。
- 第2の表面構造関数(144,146)のランダム又は疑似ランダムな特性は、第1の表面構造関数(50,52,54)の周波数変調、位相変調又はピーク角変調の少なくとも一つを生成する、請求項1から16のいずれか1項記載の光学基板の製造方法。
- 周波数変調は、第1の表面構造関数(50,52,54)の少なくとも一つについて、該第1の表面構造関数の長さに沿って、幅を変調することを含む、請求項17記載の光学基板の製造方法。
- ピーク角変調は、該第1の表面構造関数(50,52,54)の長さに沿って、ピーク角を変調することを含む、請求項17記載の光学基板の製造方法。
- 高さ、周波数、位相又はピーク角の少なくともいずれかのランダム関数または疑似ランダム関数を有する第2の表面構造関数で変調された第1の表面構造関数(50,52,54)によって表面を規定することを含む、該表面が第1の入射ビーム光から反射及び拡散光を生成する光学基板(100)の製造方法であって、
フォトリソグラフィーでフォトレジスト、グレイスケールマスク又はハーフトーンマスクに光学基板(100)の原盤を作成することと、
熱間エンボス加工、冷間カレンダー加工、紫外線硬化又は熱硬化によって、前記原盤から作成したモールドを用いて光学基板(100)の表面に構造を形成することと、
を含んでなる方法。 - 前記原盤を金属コーティングと共に電鋳して親の電鋳品を形成することと、
親の電鋳品を電鋳して子の電鋳品を形成することと、
をさらに含む、請求項20記載の方法。 - 親及び子の電鋳品の電鋳が、ニッケルを電着することを含む、請求項21記載の方法。
- 前記光学基板が、懸濁した拡散、複屈折粒子又は屈折率改質粒子を含む光学的に透明な有機、無機又は混成材料からなる、請求項20記載の方法。
- 前記原盤が光学基板(100)のネガ型である、請求項20記載の方法。
- 前記原盤がガラス、結晶性金属又はプラスチックからなる、請求項20記載の方法。
- 高さ、周波数、位相又はピーク角の少なくともいずれかのランダム関数または疑似ランダム関数を有する第2の表面構造関数で変調された第1の表面構造関数(50,52,54)によって表面を規定することを含む、該表面が第1の入射ビーム光から反射及び拡散光を生成する光学基板(100)の製造方法であって、
光学基板(100)の原盤を硬質工具で製造することと、
熱間エンボス加工、冷間カレンダー加工、紫外線硬化又は熱硬化によって、前記原盤から作成したモールドを用いて光学基板(100)の表面に構造を形成することと、
を含んでなる方法。 - 光学基板(100)の前記表面は1μm以下の相関長を有し、前記相関長は、自己相関関数の値が前記表面の自己相関関数の初期値の37パーセント未満となる長さである、請求項20または26記載の方法。
- 光を放出する光源(502)と、
光を案内するための導光板(506)であって、該導光板(506)から光を反射させる反射面(508)を含む導光板(506)と、
反射面(508)からの光を受容する1以上の光学基板(510)と、
を含んでなるバックライト型ディスプレイ装置(500)であって、
光学基板(510)が、2つの表面構造関数によって規定される三次元表面を有しており、
第1の表面構造関数(50,52,54)は、ある長さ、幅及びピーク角を有する表面構造を規定し、入射ビーム光から1以上の射出反射成分を生成する光学特性を備えており、
第2の表面構造関数(144,146)は、第1の表面構造関数(50,52,54)の長さに沿って周波数、位相及びピーク角の1以上の点で第1の表面構造関数(50,52,54)を変調する疑似ランダム特性を少なくとも備えた幾何形状を有しており、
第2の表面構造関数は、高さ、周波数、位相又はピーク角の少なくともいずれかのランダム関数または疑似ランダム関数を有している、バックライト型ディスプレイ装置。 - 光学基板(100)の前記表面は1μm以下の相関長を有し、前記相関長は、自己相関関数の値が前記表面の自己相関関数の初期値の37パーセント未満となる長さである、請求項28記載のバックライト型ディスプレイ装置。
- 表面に複数のプリズム構造を備え、少なくとも1つのプリズム構造の水平位置が該プリズム構造の長さに沿ってランダム又は疑似ランダムに変動している、光学基板。
- 前記表面は横方向に1cm以下の相関長を有する、請求項30記載の光学基板。
- 表面に複数のプリズム構造を備え、前記表面は横方向に1cm以下の相関長を有し、前記相関長は、自己相関関数の値が前記表面の自己相関関数の初期値の37パーセント未満となる長さである、請求項1記載の光学基板。
- 前記光学基板は輝度向上フィルムである、請求項30から32のいずれか1項記載の光学基板。
- 前記少なくとも1つのプリズム構造の水平位置及び高さが、該プリズム構造の長さに沿ってランダム又は疑似ランダムに変動している、請求項30記載の光学基板。
- 光を放出する光源と、請求項30から34のいずれか1項記載の光学基板とを備えたディスプレイ装置。
- 導光板を備えた請求項35記載のディスプレイ装置。
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