JP2010529592A - 直接照射バックライト用のランプ隠しアセンブリ - Google Patents

Abstract

本発明は、ディスプレイ全体で光のレベリング効果を達成するために、垂直入射光の透過率が、より大きな入射角での光の透過率よりも低い値を示す、直接照射バックライトで使用するための光学的アセンブリに適用される。１つの実施形態において、光学的アセンブリは、内部ブリュースター角を有する反射材、及び互いに直交する反射軸と透過軸とを有する反射偏光材を含む。別の実施形態において、直接照射バックライトアセンブリは、１つ以上のランプ、内部ブリュースター角を有する反射材（その反射材の主表面が１つ以上のランプのうち少なくとも１つに面する）、及び光方向変換層を含む。

Description

本発明は、バックライトと共に使用するための光学的アセンブリ、並びに液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置及び同様のディスプレイに使用されるもののようなバックライトに関するものであり、加えてバックライト及びバックライトと共に使用する光学的アセンブリの製造方法に関するものである。

近年、大衆が利用できるディスプレイ装置の数と多様性は、劇的に増加してきた。コンピュータ（デスクトップ、ラップトップ、又はノートブック）、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯電話、薄型ＬＣＤテレビは、ほんの一部の例である。これらの装置の中には、ディスプレイ表示に普通の環境照明を用いることができるものもあるが、多くの場合はディスプレイを可視化するためにバックライトを含む。

このようなバックライトの多くは、「エッジ照射」又は「直接照射」のカテゴリーに属する。これらのカテゴリーは、バックライトの出力面（出力面がディスプレイ装置の可視領域を画定する）に対する光源の位置において異なる。エッジ照射バックライトでは、光源はバックライト構造の外縁に沿って、出力面に対応する領域又はゾーンの外側に配置されている。光源は典型的には、ライトガイド内に光を放射するが、このライトガイドは出力面とほぼ同じ寸法の長さ及び幅を有し、ここから光が抽出されて出力面を照らす。直接照射バックライトでは、光源の配列が出力面のすぐ後ろに配置され、より均一な光出力を提供するために光源の前にディフューザーが設置される。一部の直接照射バックライトでは、エッジ取り付けの光源も組み込まれており、これにより直接照射とエッジ照射の両方が可能である。

１つの実施形態では、光学的アセンブリは、内部ブリュースター角を有する反射材、及び直交する反射軸と透過軸とを有する反射偏光材を含む。

他の実施形態では、直接照射バックライトアセンブリは、１つ以上のランプ、内部ブリュースター角を有する反射材であって、反射材の主表面が、１つ以上のランプのうち少なくとも１つに面する反射材、及び光方向変換層を含む。

また他の実施形態では、光学的アセンブリは、１つ以上のランプ、ディスプレイパネル、及び内部ブリュースター角を有する反射材を含む。この反射材は少なくとも３つの層の多層干渉フィルムであり、その層のうち少なくとも１つは複屈折性であり、ｘ軸方向の屈折率（ｎ_ｘ）がｚ軸方向の屈折率（ｎ_ｚ）よりも小さく、ｘ軸方向は面内方向である。この反射材は、ランプとディスプレイパネルとの間に位置している。

他の実施形態では、光学的アセンブリは、滑らかな面を有するバックライト反射材を含み、この反射材は空気中で９０度未満の内部ブリュースター角を有し、ある偏光についてフィルム内の内部反射率は特定の角度においてゼロである。この反射材は、垂直入射角で５０％以上の反射率を有する。

本出願のこれら及び他の態様は、以下の「発明を実施するための形態」から明らかとなるであろう。しかし、上記要約は、請求された主題への限定として決して解釈されるべきでなく、主題は、添付の特許請求の範囲によってのみ規定され、実行中に補正されてもよい。

本明細書を通して、添付の図面を参照するが、同様の参照番号は同様の要素を示す。
直接照射バックライトを液晶ディスプレイと組み合わせた透視分解図。 直接照射バックライトアセンブリの最初の実施形態の概略断面図。 直接照射バックライトの１つの実施形態の平面図。 ＬＥＤなどの小型光源を利用した直接照射バックライトの実施形態の平面図。 バックライトの出力面の少なくとも一部における輝度と位置との関係を示した理想のグラフ。 ２層のフィルム積層体が１つの境界面を形成している様子を示すが、表記には、さまざまな屈折率がどのようにラベル付けされているかが示されている。 多層構造のさまざまな屈折率条件、及びそれらがどのように構造の内部ブリュースター角を増加又は除去するかを示す概略図。 多層構造のさまざまな屈折率条件、及びそれらが構造のどのように内部ブリュースター角を減少又は除去するかを示す別の概略図。 入射光について空気中からアクセス可能である内部ブリュースター角を有するいくつかの多層複屈折反射材について、角度に対する反射率を示したグラフ。 光学的アセンブリの１つの実施形態に使用される円盤形部分を有する反射材の上面図。 光学的アセンブリの１つの実施形態に使用される円盤形部分を有する反射材の側面図。 別の実施形態の直接照射バックライトアセンブリの断面図。 別の実施形態の直接照射バックライトアセンブリの断面図。 更に別の実施形態の直接照射バックライトアセンブリの断面図。 ｓ偏光及びｐ偏光に関するｓＰＳ／ＰＭＭＡ反射材の一境界面について、角度に対する反射率を示すグラフ。 別の実施形態のｓＰＳ／ＰＭＭＡ反射材の空気界面について、角度に対する反射率を示すグラフ。 別の実施形態の直接照射バックライトアセンブリの断面図。 ある実施形態の反射材の概略図。 図１８に示す実施形態のｓＰＳ／シリコーン製反射材の空気界面について、角度に対する反射率を示すグラフ。 図１８に示すｓＰＳ／シリコーンポリアミド製反射材について角度に応じた反射率を示すグラフ。 ある実施形態の反射材の概略図。 図２１に示す反射材の強軸の概略図。 図２１に示す反射材の強軸について角度に応じた反射率を示すグラフ。 図２１に示す反射材の弱軸の概略図。 図２１に示す反射材の弱軸について角度に応じた反射率を示すグラフ。 別の実施形態の反射材の強軸の概略図。 図２６に示す反射材の強軸について角度に応じた反射率を示すグラフ。 図２６に強軸が示されている実施形態における、弱軸の概略図。 図２８の反射材の弱軸について角度に応じた反射率を示すグラフ。 ３種類の異なるバックライト構成について、光源に対して横方向位置にプロットした相対的強度測定値のグラフ。 ある反射材の好ましい反射率及び透過性スペクトルのグラフ。

本発明は、より大きな入射角での光透過に比べ、垂直入射角の光について低い透過率を示す直接照射バックライトと共に使用するための光学的アセンブリに適用される。これは実際には、光源近くの領域（光強度が最も高い）で光学的アセンブリを透過する光の割合が、光源から離れた領域（光強度は低いが透過率が高い）で透過する光の割合よりも低いことを意味する。その最終的な効果は、直接照射バックライトの面全体にわたる透過光強度のレベリングである。その結果、直接照射バックライトにおいて、光源のすぐ上の明るい領域を知覚しにくい。この種の光学的アセンブリは、大型画面液晶テレビやデスクトップモニターを含むＬＣＤディスプレイ装置などの、直接照射ディスプレイ装置において特に有用である。

反射材は、内部ブリュースター角がある場合、光出力を均一にするために、望ましい透過特性を提供することができる。その結果、その反射材のｐ偏光の反射率は、入射角が増大するに従い減少する。これについては本明細書で詳しく説明する。反射材の材料及び構造は、垂直近くの入射角で反射率が適切に高い値となるよう慎重に選択することができるが、入射角が大きくなると光線がより透過しやすくなる傾向がある。その結果、光源のすぐ上の部分では、直接照射バックライトの光源から発せられた光のうちごく一部だけが、ディスプレイを通り抜ける。光源のすぐ上以外のディスプレイ領域では、光が高い割合で通り抜ける。

直接照射バックライトの一般的な構造を次に説明する。図１は光学的アセンブリ２０の透視分解図であり、直接照射バックライト１０にディスプレイパネル１２（液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルなど）を組み合わせたものが含まれている。バックライト１０とディスプレイパネル１２の両方とも単純な箱状の形で示されているが、読者にはそれぞれが更なる詳細を含むことが理解されるであろう。バックライト１０は、フレーム１４と、広がった出力面１６とを含む。操作の際は、出力面１６全体が、その出力面の裏にあるフレーム１４内に配置された光源で照らされる。点灯されると、バックライト１０によって、ディスプレイパネル１２により供給される画像又は図形が、さまざまな位置の観察者１８ａ及び１８ｂに見えるようになる。画像又は図形は通常、何千又は何百万個もの個別の画像要素（ピクセル）の配列によって生成され、この配列は、ディスプレイパネル１２の水平方向（長さと幅）を実質的に埋め尽くす。ほとんどの実施形態において、バックライト１４は白色光を放射し、ピクセルの配列は多色ピクセルの群別に整理されている（例えば赤／緑／青（ＲＧＢ）のピクセル、赤／緑／青／白（ＲＧＢＷ）のピクセルなど）ため、表示される画像は多色性となる。ただし、場合によっては、単色表示を供給するのが望ましいことがある。そのような場合、バックライト１０は、フィルタ又は主に１つの可視波長又は色で放射する特定の光源を含むことができる。

あるいは、光源は、赤、緑及び青のＬＥＤなど、複数の単色光放射装置の、順に続けて作動する光源であることができる。

図１のバックライト１０は、光源ゾーン２０ａ、２０ｂ、２０ｃで示す、出力面１６の裏側に配置された３本の細長い光源を含む。光源ゾーンの間又はその外側にある出力面１６領域を、ここではギャップゾーンと呼ぶ。したがって、出力面１６は、光源ゾーンとギャップゾーンが相補的に構成されているものと見なすことができる。光源ゾーン及びギャップゾーンの存在は、個々及び集合としての光源（たとえ長く延びているとしても）の投影領域（平面図）が両方ともバックライトの出力面よりもはるかに小さいことによる結果である。多くの実施形態において、ディスプレイから最適な画像品質をもたらすためには、出力面１６の輝度が極力均一になるようにバックライト１０を構成することが望ましい。この場合、光源ゾーンの輝度は、ギャップゾーンの輝度とほぼ同じでなければならない。

図２は、そのような均一性を達成することができる直接照射バックライトの概略断面図である。バックライト３０は、前側反射偏光材３２、後側反射材３４、及びランプ３６を含む。反射偏光材３２及び後側反射材３４は、光リサイクル空洞２２を形成し、この中で光が連続的に反射することができる。反射偏光材は第１偏光状態の光を透過し、第１偏光状態に直交する第２偏光状態の光を反射する。これら２つの状態は、直交（９０度）の面内方向に沿って実質的に面偏光されている。ワイヤグリッド反射偏光材、及びスリーエム社（3M Company）から入手可能なＤＲＰＦ（拡散的反射偏光フィルム）製品などの拡散反射偏光材といった、コレステリックの反射偏光材は、四分の一波長遅延板と組み合わせることによりこの機能を実現することができ、本発明に有用である。

一般に、ある軸に平行な偏光面を有する光を反射し、直交する軸に平行な偏光面を有する光を透過する任意の反射偏光材が、本発明での使用に適している。ｓ偏光を反射しｐ偏光を実質的に透過する従来の平面的多層フィルムは、この偏光材としては選ばれない。その代わり、そのようなフィルムは、下記に述べる反射材４０として有用である。これら２つを適切に組み合わせることにより、蛍光灯などの線状部分を有する光源を有するバックライトに均一な空間的強度を提供するのに役立つ。

図２は、等方性層状構造などの、内部ブリュースター角を有する反射材４０も含む。内部ブリュースター角という語は、反射材の内側の境界面でのブリュースター角を意味し、空気との境界面、又はシステム内の他の要素との境界面での角ではない。反射偏光材３２の目的の１つは、線状光源に対して垂直の入射光面において主にｐ偏光を反射材４０に供給することである。反射材４０の有する、ｐ偏光に対する反射率は、入射角が増加するにつれて減少する。この反射偏光材は、吸収性偏光材を利用したディスプレイで光を事前偏光するのにも有用である。例えば、スリーエム社（3M Company）からビキュイティ（Vikuiti）のブランド名で入手可能なデュアル輝度上昇フィルム（ＤＢＥＦ）製品などの多層複屈折偏光材は、光源軸に対して垂直面にある反射材に対し、ｐ偏光を供給することができる。配置の順序は、反射材４０及び反射偏光材３２の両方の要素における損失が小さければ、機能の損失なしで位置を入れ替えるよう変更することができる。

低い入射角において、反射材４０の反射率はｐ偏光に対して高いため、低い入射角の光はごく一部分だけが反射材４０を通って伝搬される。例えば、図２の光線５２は反射材４０の表面に対して垂直であるため、入射角はゼロ度である。その結果、入射光５２のごく一部だけが光線５４として反射材から放出される。高い入射角においては、反射材４０の反射率はｐ偏光に対して低いため、より大きな割合の光が反射材４０を通って伝搬される。例えば、光線５６は反射材に対して高い入射角で入射しているため、より大きな割合の光が、光線５８として反射材から放出される。

本発明のほとんどの実施形態では、反射偏光材３２は内部ブリュースター角を有していないが、その他の実施形態では、反射偏光材が内部ブリュースター角を有している。反射偏光材３２が多層複屈折の反射偏光材である場合、通過軸に沿って内部ブリュースター角を有する場合があり、これはたとえ垂直の入射角でも実質的に透過性である。あらゆる入射角においてｓ偏光とｐ偏光の両方の軸に対して平行な光を実質的に反射するのであれば、ブロック（反射）軸に沿って内部ブリュースター角を有することもできる。一部の実施形態において、反射偏光材は、その反射偏光材のブロック軸に平行な入射面には内部ブリュースター角を有していない。

また、本発明の光学的アセンブリを、反射偏光材なしで構成することも可能である。例えば、ＬＥＤのような全方向性点光源で構成されるバックライトは、光放射に対する方向性が存在しないため、反射材４０に対するｐ偏光の指向性の光源を必要としない可能性がある。図１７は、そのような光学的アセンブリの例を示している。図１７は、光空洞３３０２、内部ブリュースター角を有する反射材３３０４、拡散材３３０６、及び光学的光方向変換フィルム３３０７を含むバックライト３３００を示している。光空洞３３０２は、拡散ミラー３３０８と、多くの点光源、蛇行光源又は線状光源３３１０とを含む。均一なバックライトは反射偏光材を利用しなくとも構成できるが、吸収性偏光材を利用するディスプレイにおいては、反射偏光材が事前偏光及び偏光のリサイクルに望ましい場合がある。バックライト信号などのように、偏光を必要としないディスプレイもある。

直接照射バックライトの例及び特徴
上記で検討したように、図２のバックライト構成は、バックライトの出力を表面全体にわたってより均一にすることにより、直接照射バックライトにおけるランプを隠すのに役立つ。ランプを隠すのに役立つその他のバックライト構成も、本明細書で詳しく説明される。しかし最初に、線状光源、蛇行光源、及び点光源を用いたバックライトを含む、直接照射バックライトのより一般的なタイプについて検討する。図１の直接照射バックライト１０には、３つの光源２０ａ〜ｃが示されている。これら光源は、１つの実施形態における３つの別々の線状ランプであり、一般的に線状光源として知られるものである。ここで図３を見ると、別の代表的なバックライト２１の平面図が示されており、ここで光源２３ａ〜ｃは、大きな蛇行ランプ２４の一部分である。

図４は、別のバックライト２６の平面図を示すが、これには、コンパクト又は小区域光源２８の配列が含まれる。これら光源は、例えば、ＬＥＤ光源であってもよい。ＬＥＤを用いた光源の例は、次の共有譲渡された特許出願に記載されている：米国特許出願公開第２００４／０１５０９９７（Ａ１）号（アウダーカーク（Ouderkirk）ら）、米国特許出願公開第２００５／０００１５３７（Ａ１）号（ウェスト（West）ら）、及び米国特許出願第１０／９７７５８２号、「偏光ＬＥＤ（Polarized LED）」（２００４年１０月２９日出願）。

直接照射バックライトの一般的なタイプは、線状光源、蛇行光源、又は点光源である。直接照射バックライトのランプは、バックライト構造体の外縁に沿ってではなく、バックライトの出力面のすぐ裏側にある。直接照射バックライトは、光子が生成又は発生される場所（ランプなど）が、実質的にディスプレイ領域の投影領域内にあるものである。例えば、図２において、直接照射バックライト１０は、ディスプレイ領域１６などのディスプレイ領域を含む。ランプ３６は、ディスプレイ領域１６の投影領域内にある。同様に、ランプ３６は、反射材４０の主表面の投影領域内にある。別の方法で説明すれば、直接照射バックライトとは、ディスプレイ領域の投影領域が、ランプ又は光源の投影領域より顕著に大きいものである。直接照射バックライトに対し、側面照射バックライトは、典型的に、ディスプレイ領域の投影領域内にないランプで構成されている。その代わりに、側面照射バックライトでは、ランプがディスプレイ領域の縁部に沿って、またその外側に配置されている。

直接照射バックライトの均一化された照明出力と改変されていない照明出力との対比
図５は、バックライトの出力面の全体又は一部分にわたって延びる経路に沿った、バックライトの輝度の理想的プロットである。この経路は、光源のすぐ上の出力面ゾーン（即ち、光源ゾーン６４）、並びに光源のすぐ上ではない出力面ゾーン（即ち、ギャップゾーン６６）を含むよう選択される。曲線６０については、光を選択的に反射するための反射材４０は装置に存在しない。よって、光源ゾーン６４は、比較的暗いギャップゾーン６６の間にある比較的明るいスポットとなる。

曲線６２は、本発明に従ってバックライト表面全体にわたる光の強度を均一化するために、例えば装置内にブリュースター角を有する反射材４０を含むなどの手段を講じた場合の、バックライトの理想的な出力を示す。その場合、低入射角で反射偏光材３２を透過した光は、反射材４０で大半が反射され、わずかな割合だけが透過する。その特殊な場合において、ディスプレイの正面に向かって反射偏光材を透過した光は、光源ゾーン６４がギャップゾーン６６の輝度にほぼ一致する輝度になるような量で、反射材４０から反射され、これにより透過する。このようにして、高輝度の直接照射バックライトにおける高度に均一性の照明が達成できる。実際のシステムでは、完全な均一性はめったに達成可能なものではないが、装置の特性を調整することにより、バックライトの出力面全体又は一部分の輝度変動を最小限に抑えることができる。

内部ブリュースター角を有する反射材の例
反射材という語は、少なくとも約３０％の反射率を有する構造体を意味する。さまざまな実施形態において、反射材は少なくとも約５０％、８０％、又は９０％の反射率を有する。他に記載のない限り、反射率値はすべて、垂直入射角での反射率を意味する。

異なる屈折率を有する２つの領域間の境界面における光入射角に関して、ブリュースター角とは、伝搬方向と、表面に対する垂直線とによって画定される面内に電場ベクトルを有する光に対し、反射率がゼロとなるような入射角のことである。言い換えれば、異なる屈折率を有する２つの領域間の境界面における光入射角に関して、ブリュースター角とは、ｐ偏光に対する反射率がゼロとなるような入射角のことである。屈折率ｎ_１を有する第１の等方性媒体から、屈折率ｎ_２を有する第２の等方性媒体へと光が伝搬されるとき、ブリュースター角はａｒｃ ｔａｎ（ｎ_２／ｎ_１）として求められる。内部ブリュースター角は、２つの異なる屈折率を有する隣接部分の間の境界面が光学的構造内にある場合に、構造内に存在し得る。低屈折率材料と光屈折率材料とが交互になった材料を含む干渉フィルムは、内部ブリュースター角を有し得る。しかしながら、多層の光学的アセンブリだからといって、必ずしもブリュースター角を有するわけではない。例えば、多層鏡で交互になる層のうち１つあるいは両方が複屈折で、その層のｚ軸屈折率が面内屈折率に対して特定の微分値を有する場合は、ブリュースター角は存在しない。あるいは、別の相対的ｎ_ｚ差分値を有する場合、ブリュースター角値は大幅に減少し得る。この減少の説明補助のため、図６に、境界面を形成する２つの複屈折材層を示すが、ここで第１の材料６８及び第２の材料６９の屈折率ラベルも示されている。図６に示すように、各材料層は一般に、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向に異なる屈折率を有し得る。

ｙ−ｚ平面偏光について、２つの誘電性材層の境界面におけるブリュースター角θ_Ｂは、次の式で表わされる。

ｘ−ｚ平面の光入射について、この式のｎ_ｙの値は、ｎ_ｘの値で置き換えられる。ｎ_ｘ、ｎ_ｙ、及びｎ_ｚの相対的値は、内部ブリュースター角の値及び存在の有無に劇的な影響を与え得る。一連の可能性はあるものの、一般的な影響は、２つの主なカテゴリーに分類され、これらは図７及び図８のダイヤグラムで要約することができる。図７は、等方性材料で得られる値を超えて内部ブリュースター角の値を増加させるような、あるいは内部ブリュースター角を除去するような、光学的材料の組み合わせを示している。この一連の条件は、ｎ_ｚにおける第１の材料６８と第２の材料６９との差が、所定の入射面における面内屈折率の差よりも小さい場合のものである。線８３及び８４はそれぞれ、第１の材料及び第２の材料のｎ_ｘ又はｎ_ｙ値を表わし、ここでｎ_１ｘとｎ_２ｘとの間の差は一定のままであり、ｎ_１ｙとｎ_２ｙの間の差も一定のままであることが示されている。線８５及び８６は、ｎ_１ｚ及びｎ_２ｚの値を示し、ｎ_１ｚとｎ_２ｚとの差が減少するにつれて、内部ブリュースター角が増加することがわかる。線８５と８６とが交差する線８８において、ｎ_ｚの差は消失し、ブリュースター角も消失する。この点を超えてΔｎ_ｚが増加すると、Δｎ_ｘｙに対して正負が逆になり、ｐ偏光の反射率は、ｓ偏光の反射と同様、入射角の増大と共に増加する。これら材料のうち一方又は両方とも、複屈折であることができるが、どちらの材料が複屈折であるかにかかわらず、同じ関係が保持される。

図８は、本発明における好ましい光学的材料の組み合わせを示す。これにより、空気中から平面表面への入射角においてｐ偏光のかなりの部分を透過することができる反射材の構成が可能になる。適切な屈折率の組により、これら反射材は、空気中から平面境界面への光入射角でブリュースター角にアクセスできるよう、ブリュースター効果を強化することができる。これは、等方性材料からなる多層反射材では、通常、不可能である。しかしながら、複屈折材料を適切に選択すると、第１の材料層６８と第２の材料層６９（図６）との間のｎ_ｚの差を、同じ層の面内屈折率の差よりも大きくすることができる。

Δｎ_ｚ＝（ｎ_１ｚ−ｎ_２ｚ）＞（ｎ_１ｘ−ｎ_２ｘ）又は（ｎ_１ｚ−Δｎ_ｚ）＞（ｎ_１ｙ−ｎ_２ｙ）
図７と同様、図８では、線８３及び８４はそれぞれ、第１の材料及び第２の材料のｎ_ｘ値又はｎ_ｙ値を表わすが、ここでｎ_１ｘとｎ_２ｘとの間の差は一定のままであり、またｎ_１ｙとｎ_２ｙとの間の差も一定のままであることが示されている。線８７及び８８は、ｎ_１ｚ及びｎ_２ｚの値を示し、ｎ_１ｚとｎ_２ｚとの間の差が増加してｎ_ｘｙ値間の差を超えると、内部ブリュースター角が減少することが示されている。

図９に示すように、Δｎ_ｘに対するΔｎ_ｚの値が大きくなるにつれて、この境界面のｘｚ平面におけるｐ偏光入射角のブリュースター角の値は小さくなる。これについては下記に詳しく説明される。図９はｎ_ｘ及びｎ_ｙの一定値のために作成されたが、Δｎ_ｚの値は増加する。

これら構造のいずれについても、多層積層内の層のかなりの部分について存在する場合のみ、ブリュースター角の存在が有用である。第３の材料又は第４の材料の機能性コーティング又は層をこの多層積層に追加すると、これらの材料は、接触している材料の種類が何であれ、異なるブリュースター角の値を生じ得る。第１の材料と第２の材料との境界面の数に比べ、これらの材料の境界面が比較的少ない場合は、それら境界面は本発明の性能に大きな影響を及ぼさない。この多層積層に含まれるほとんどの層が第１の材料及び第２の材料であるが、一部の層において、第１の材料及び第２の材料の組成にわずかな変動がある場合、積層全体に対する影響は、ブリュースター角の最小値が広がることであり得るが、全体的な影響としては、２材料だけのものと同様である。

内部ブリュースター角を有する多層反射材の望ましい性能とは、垂直入射角において比較的高い反射率を有し、入射角が斜めのときに反射率が低くなる（透過率が高くなる）ことである。

一般に、隣接した交互の層の間のΔｎ_ｚが、Δｎ_ｘ又はΔｎ_ｙと同じ符号を有する多層反射材は、内部ブリュースター角を示し、本発明に有用である。一般に、ｘ軸及びｙ軸に沿った面内屈折率は、等しい必要はない。ｘ軸方向とｙ軸方向が同一の屈折率を有するような単軸性の場合、ｎ_ｘ≠ｎ_ｙ≠ｎ_ｚとなる２軸性の場合、及びｎ_ｘ≠ｎ_ｙ=ｎ_ｚとなる単軸性の場合の間には、連続したつながりがある。

複数の内部ブリュースター角を有する材料境界面
複屈折多層反射材は、配向性（延伸）複屈折ポリマー材料で作製することができる。ｘ軸方向及びｙ軸方向に異なる延伸比率を用いることにより、それぞれの方向によって内部ブリュースター角の値が非常に異なる、非対称性反射材を作製できる。図解による屈折率の組を図２１に示す。図８に示されている情報によると、図２１のフィルム組み合わせについて、ｘ−ｚ平面又はｙ−ｚ平面のいずれかにおける入射光に関してブリュースター角が存在する。ｚ屈折率は当然、ｘ−ｚ平面又はｙ−ｚ平面のいずれかにおける入射光に対するものと同じであるが、Δｎ_ｚ／Δｎ_ｙの比がΔｎ_ｚ／Δｎ_ｘの比よりも大きいため、内部ブリュースター条件は、ｙ−ｚ平面の角度がｘ−ｚ平面の角度よりも小さいときに生じる。ｘ−ｚ平面とｙ−ｚ平面の間の方位角については、一連の内部ブリュースター角値が存在する。よって、２材料だけからなる多層反射材は、異なる平面方向に沿って異なるブリュースター角を示し得る。光源を効果的に隠すためには、あらゆる平面方向において垂直入射角での反射率が相対的に高いことが望ましい場合がある。一部の実施形態において、反射率はどの軸においても約５０％を超える。具体的な材料の例を以下に記載する。

そのような非対称性反射材の反射率が、他方の軸よりも一方の軸においてずっと高い場合は、その反射材はバックライトからの光を偏光すること、並びに空間的により均一な光出力をバックライトから供給することにおいて、反射偏光材の機能を果たすことができる。一般に、偏光リサイクル（又は「ゲイン」）を提供するためには、「通過」軸の透過率は、「ブロック軸」の透過率の少なくとも２倍程度又はそれ以上でなければならない。

図２に戻って、線状光源、又はほぼ直線に配列された点光源で照らされているシステムについて、この非対称性反射材の「ブロック」軸は、この線状方向に整列しているのが望ましい。

本発明の反射材は、主に斜めの光線を透過し、一部の実施形態においては光方向変換層（ディフューザー、プリズムフィルム、ビーズ状の「ゲインディフューザー」フィルムなど）が用いられて、ディスプレイ及び観測者に対して垂直な入射角の光が提供される。これについては本明細書で更に詳しく検討する。反射材が、事前偏光材又は偏光リサイクルフィルムとしての機能も果たす場合、この光方向変換層は、反射材によって透過される光を実質的に偏光解消すべきではない。ディフューザー又は光方向変換フィルムが光の偏光を実質的に解消する場合、別の反射偏光材を反射材とディスプレイパネルとの間に追加してもよい。

反射材４０の構造については数多くの可能性があり、本明細書に更に詳しく記述される。例えば、ある実施形態では、反射材４０は等方性材料の多層積層である。反射材４０の更なる代表的構造を、次に説明する。

反射材が複屈折層状構造である場合
複屈折層状構造は、例えば、米国特許第５，８８２，７７４号に記述されている。一般に、好ましい多層反射材４０は、ｚ軸の屈折率差がｘ軸及びｙ軸の屈折率差の一方又は両方よりも大きいものである。

２軸複屈折層状構造を反射材として用いた特定の実施形態において、少なくとも１つの平面軸に沿った反射率は、少なくとも約５０％、又は少なくとも約６０％である。

ブリュースター角を考慮する際、もう１つの重要な問題は、光学的構造の内部ブリュースター角が空気中でアクセス可能かどうかということである。図９は、複屈折層及び等方性層の多層積層の、空気中のモデル反射率を示し、ここで、平面屈折率は１．５７及び１．４１である。ｎ_１ｚの値は、プロットａの１．４１からプロットｆの１．７までの範囲となる。その結果、Δｎ_ｚの値は、プロットａの０からプロットｆの０．２９までの範囲となる。これらの平面内屈折率を有する２つの材料が交互になった約４００の層にして、垂直入射角で４００〜８００ｎｍの反射率９０％を達成することが可能である。図９に示す反射率値は、表面の反射を含まない。即ち、空気−ポリマーの境界面による寄与は、この計算には含まれない。Δｎ_ｚがΔｎ_ｘよりも大きくなるほど、ブリュースター角度は小さくなる。プロットｄは、内部ブリュースター角が約７８度でｎ_１ｚ＝１．６２の構成の場合を示すが、これは、高屈折率材料としてのｓＰＳ、及びシリコーンポリオックス−アミドを用いることによって容易に達成可能である。シリコーンポリオックス−アミドの使用は、２００５年１２月２３日に出願された、同時係属中かつ共同所有の米国特許出願第６０／７５３，８５７号に記載されている。ブリュースター角はもちろん、ｎ_２ｘに対するｎ_２ｚの値を減少させることにより、即ち、低屈折率層について適切な符号の複屈折材料を用いることにより、角度を小さくすることもできる。

反射材が円盤形の空隙を有する場合
図１０及び図１１に示される代表的な１実施形態において、反射材７０は、例えば等方性媒体７４の中に等方性小板又は円盤７２の形態の空隙を含む、不連続相の材料である。この空隙を有した材料の利点は、ブリュースター角を空気中で約５０度の低さにまですることができる点である。空隙は、当該技術分野において周知のプロセスである押出成形又は鋳型成型において、発泡剤を使用することにより、ポリマーフィルム内に創ることができる。

好ましくは、この材料は等方性であり、この空隙は約３：１又はそれ以上の直径（Ｄ）対厚さ（ｔ）のアスペクト比を有する。このアスペクト比は、より好ましくは約１０：１又はそれ以上である。他の実施形態において、この空隙領域は楕円形の形状を有してもよい。不連続相又は分散相を有する連続的媒体において、ブリュースター角の効果を達成するためには、分散相粒子又は空隙サイズは、光の波長よりもずっと大きく、平らな円盤の形に近い偏球などのほぼ平面の表面を有するのが好ましい。

ある実施形態において、等方性の空隙材料は、例えば、発泡ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）で作製される。例えば、Ｒ．ジェンドロン（R.Gendron）及びＰ．モーリニー（P.Moulinie）著、「二酸化炭素とイソプロパノールとの平衡混合物を用いた発泡ポリメチルメタクリレート（Foaming Polymethyl methacrylate with an Equilibrium Mixture of Carbon Dioxide and Isopropanol）」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｐｌａｓｔｉｃｓ、２００４年３月、第４０巻、第２号、１１１〜１３０ページ（２０）を参照されたい。環状オレフィンも、空気／ポリマーの等方性鏡を作製するための空隙を有する等方性ポリマーの一部類である。更に、環状オレフィンは、典型的に、ＰＭＭＡよりも高い比率で延伸可能であり、より高いアスペクト比の空隙を得ることができる。

ある代表的な実施形態において、円盤形部分は、周囲の材料よりも低い屈折率を有する。別の実施形態において、この円盤形部分は、周囲の材料よりも高い屈折率を有する。

内部ブリュースター角を有する反射材については、さまざま構成が数多く検討されており、更なる構造についてここに記述される。加えて、さまざまな光抽出層を有するバックライト構成など、別のバックライト構成と共に、異なる反射材構造を使用することも可能であることに注意することが重要である。これについては本明細書で更に詳しく説明する。一部の実施形態においては、反射材は等方性フィルム層で作製され、また別の実施形態においては、特別仕様の複屈折層で作製される。更なる反射材構造について、次に記載する。

反射材がＰＥＮ及びＭＰＭＭＡ層である場合
ある代表的な実施形態において、反射材９２は多層構造であり、５３０のＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）及びＰＭＭＡの等方性層を含む。個々の層は厚さは、５００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲である。

反射材がＰＥＮ／ＴＨＶ層である場合
ある実施形態において、反射材は、配向ＰＥＮとＴＨＶ（テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、フッ化ビニリデンのポリマーであり、スリーエム（３Ｍ）社のダイネオン（Dyneon）（商標）ＴＨＶフルオロ熱可塑性材料として販売されている）とが交互になった層構造となっている。ある実施形態において、配向ＰＥＮ層は、ｎ_ｘ＝ｎ_ｙ＝１．７５、及びｎ_ｚ＝１．４９であり、ＴＨＶ層はｎ＝１．３５である。他の実施形態では、反射材は配向ＰＥＴ／ＴＨＶ鏡である。ある実施例において、配向ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート（polyethylene teraphalate））層は、ｎ_ｘ＝ｎ_ｙ＝１．６５、及びｎ_ｚ＝１．４９である。これらのタイプの反射材は、アクリル樹脂（ｎ＝１．４９）に浸したときに、内部ブリュースター角（入射媒体内で測定）がそれぞれ５４度及び５１度である。ＰＥＮ／ＴＨＶの反射材は、垂直入射角において約９９％の反射率で作製することができる。しかしながら、空気中でのｐ偏光反射は、ＰＥＮ／ＴＨＶについては垂直入射角での９９％から９０度での９０％まで減少し、またＰＥＴ／ＴＨＶについては９９％から８０％まで減少する。好ましくは、ＰＥＮ／ＴＨＶタイプの構成が、光放射及び／又は光抽出要素と組み合わせて使用される。

反射材がｓＰＳ及びＰＭＭＡ層である場合
他の代表的な実施形態において、多層反射材は、シンジオタクチックポリスチレン（ｓＰＳ）及びＰＭＭＡの交互の層で作製することができる。ｓＰＳ材料は、約１．５７（波長により異なる）の平面内（ｘ−ｙ）屈折率を達成するために２軸配向とすることができ、このときその厚さ屈折率、即ちｚ方向屈折率は、約１．６２である。他に記載のない限り、屈折率はすべて、波長６３３ｎｍでの値を意味する。ＰＭＭＡは、多層反射フィルムが配向される際に、屈折率約１．４９で実質的に等方性のままである。ｓ偏光及びｐ偏光について、このｓＰＳ及びＰＭＭＡの単一境界面の反射率に関する角度依存性を、空気中の多層反射フィルムに対する入射角に対してプロットして示したのが図１５である。曲線１３０はｐ偏光の反射率を示し、曲線１３２はｓ偏光の反射率を示す。多層ｓＰＳ／ＰＭＭＡ反射材は、垂直入射角において約１０％〜９０％の反射率の任意の望ましい値を有するように設計することができる。ｐ偏光の反射率は、入射角が増加するのに比例して低下する。ｓＰＳ／ＰＭＭＡ反射材の別の代表的な実施形態は、垂直入射角で約８０％の反射率を有する。

これら材料の多層フィルムが、線状光源に平行な電場方向を有するｓ偏光をブロックする反射偏光材と共に用いられる場合、ｐ偏光のみが、線状光源に垂直な平面にあるフィルムに到達する。このようにして、この平面で透過する合計の光は、曲線１３０が反射率ゼロに近づいていることからわかるように、入射角の増大と共に増加して、内部ブリュースター角において最大に達する（この例では空気中で約７４度）。

図１６は、図１５に関して上記で述べた、同じ屈折率を有するｓ偏光及びｐ偏光について、ｓＰＳ／ＰＭＭＡの多層四分の一波長積層の反射率の角度依存性のモデルをグラフにしたものである。曲線１６０はこのフィルム積層（２つの空気境界面を含む）のｐ偏光に関する反射率を示し、曲線１６２はｓ偏光の反射率を示し、曲線１６４は空気境界面を除去した状態の積層に関するｐ偏光の反射率をグラフにしたものである。曲線１６０と曲線１６４との違いは、表面反射の影響を表わしているが、これらは一般に、フィルム積層の内部境界面よりも、ブリュースター角及び反射の度合について異なる値を有する。光が空気中から入射したときの約７４度のブリュースター角は、図１６の曲線１６４の最小値として示されている。曲線１６０の最小値は、内部境界面と空気境界面とを組み合わせたときのブリュースター角を表わしている。

ｓＰＳ／ＰＭＭＡ多層反射材の屈折率をわずかに変える実施形態では、可視スペクトルで高反射率を達成するために、多数の層を用いる必要がある。図１６で、垂直入射角において８７％のモデル反射率を達成するには、約１５００層が必要となる。

反射材がｓＰＳ及びシリコーンポリアミド層である場合
低屈折率材料としてシリコーンポリアミドを使用すると、少ない層数でより高い反射率を達成することができる。ｓＰＳ及びシリコーンポリアミドの層を有する反射材の構造で、容認できる反射率を達成できる構造の一例を、図１８に示す。ここで等方性層は屈折率が１．４１であり、交互になった層はｚ屈折率が１．６２、及び平面内屈折率が１．５７である。約１０００層を用いた反射材は、約４００〜８５０ナノメートルのスペクトラムで垂直入射角に対する反射率が約９９．５％となるように作製することができる。このような鏡の反射率対角度の曲線を図１９に示す。曲線１８０は、空気中のフィルム積層に関するｐ偏光の反射率を示し、曲線１８４は空気境界面がないときの同じ積層のｐ偏光の反射率を示す。容認できる鏡は、数百層だけを用いて作製することもできる。

空気側からアクセスできるブリュースター角を有する反射材を使用すると、すべて等方性層で作製した反射材に比べ、バルブを隠す度合を改善することができ、同時にバックライトの高効率も維持される。これは、そのような反射材が、垂直入射角で最高９９％、又は９９％を超える反射率を有し、更に、空気中で９０度未満の角度において基本的にゼロの反射率を有するように作製できるからである。これらの反射材を組み込んだバックライトの数多くの実施形態には、そのような反射材からの光を放射又は抽出するための微細構造を含まない。多くの実施形態では、光を望ましい角度でディスプレイに分配するために、依然としてディフューザー又は光方向変換フィルムが存在する。例えば、ランダム化ディフューザーを反射材の上に置くか、又はＢＥＦシートを最適な拡散レベルを有する任意のディフューザーシートと共に反射材の上に置く。

本発明の他の実施形態においては、等方性多層反射材が用いられるが、その反射率は、反射材が浸漬されない限り、角度が変わっても急速には減少しない。浸漬は、反射材に構造化表面に適用することによって達成することができる。「ゲインディフューザー」又は他のビーズ状構造若しくはプリズム構造を表面にラミネートすることにより、この効果を達成することができる。

２つのブリュースター角を有する非対称反射材
適切な多層積層の非対称延伸により、反射材の面内軸の一方のブリュースター角を、それに直交する面内軸よりも、はるかに小さくすることができる。この方法により、少なくとも反射材の一方の軸に関する内部ブリュースター角を、空気中で６０度近くにすることができる。この値は、空気／ポリマーのブリュースター角に近い。高角度では、フィルムを通り抜ける光透過よりも表面反射の方が勝るため、この点は重要である。このような非対称反射材は、バルブを隠す度合が同じか又は改善された状態を維持しながら、バックライトの効率を高めることができる。

ここに記載されているバックライト構成で用いることができる内部ブリュースター角を有する反射材の一例は、負の複屈折ポリマー層と、低屈折率等方性ポリマー又は低屈折率の正の複屈折ポリマー層とが交互になった積層で作製される。負の複屈折ポリマーとは、延伸方向に対して直交する方向の屈折率の１つ又は両方が増加すると同時に、延伸方向での屈折率が減少するものとして定義される。正の複屈折ポリマーは、延伸方向に対して直交する方向の屈折率の１つ又は両方が減少すると同時に、延伸方向での屈折率が増加するものとして定義される。

ポリマー積層は、一方向だけに配向しているか、又は一般に任意の非対称延伸により、非対称の反射材を造っている。バックライトに使用すると、この反射材はディフューザーと、また任意に標準反射偏光材と組み合わせることにより、明るい点光源を隠すのに役立つ。

非対称の配向を用いることによって、また屈折率差分の大きな材料を用い、一方の軸は高反射率を有することができ、もう一方の軸は６０度にまで下がった空気中の内部ブリュースター角を有することができる。標準多層反射偏光材及びディフューザーと組み合わせて用いると、明るい光源を効果的に隠すことができる。

反射材が対称２軸配向ｓＰＳ／シリコーンポリアミド層である場合
内部ブリュースター角を有する反射材の１つの実施形態は、対称２軸配向のｓＰＳ／シリコーンポリアミド反射材である。シリコーンポリアミドは屈折率が１．４１であり、これはＰＭＭＡの屈折率よりもかなり低く、取扱い可能な層数を用いながら高反射率の反射材を提供することができる。この実施形態におけるこれら２つの材料の屈折率は、図１８に示した値と同じである。等方性層は屈折率が１．４１であり、交互になった複屈折層はｚ屈折率が１．６２、及び平面内屈折率が１．５７である。この屈折率は、この例において両方の延伸方向で同じである。モデルとして、４００〜８５０ｎｍの光を反射するこの反射材積層（４００層積層）について、角度に対する反射率が図２０に示されている。曲線２０００は多層積層及びその空気境界面のｐ偏光の反射率を示し、曲線２００４は表面−空気の境界面反射だけを除去した積層のｐ偏光の反射率を示している。ｐ偏光のピーク反射率は、ゼロ度において約９０％である。ブリュースター角は約８５度にあり、表面反射によってｐ偏光の全反射率の最小値が、約１５％の最小反射率で約７０度に移行する。

単軸配向のｓＰＳ／シリコーンポリアミド層
２つのブリュースター角を有する非対称反射材の１つの実施形態は、単軸配向のｓＰＳ／シリコーンポリアミド層の積層である。１つの例において、この実施形態の積層は、約２１０組の層組み合わせを有し、非延伸軸又は強軸に沿って偏光された光について、ゼロ度で９９％の反射率を有する。ｓＰＳ及びＳＰＡの積層が標準テンターにおけるように単軸配向されている場合、図２１に示すような積層屈折率の組を得ることができる。

この反射材設計の反射率は、弱軸と強軸とを有する。図２２に示す強軸は、屈折率差分が０．２１である。図２４に示す弱軸は、屈折率差分がわずか０．１０である。図２３では、強軸について空気中の角度に対して反射率がプロットされている。曲線２３００は、２つの空気境界面を有する積層について、ｐ偏光の反射率を示す。曲線２３０４は、空気との境界面がないフィルム積層について、ｐ偏光の反射率を示す。

図２５では、弱軸方向について空気中の角度に対して反射率がプロットされている。曲線２５００は、２つの空気境界面を有するフィルム積層について、ｐ偏光の反射率を示す。曲線２５０２はｓ偏光の反射率を示し、曲線２５０４は空気との境界面がない積層のｐ偏光の反射率を示す。

両軸とも内部ブリュースター角を有しているが、図２３及び図２５に示すように、２つのブリュースター角度は非常に異なる。このフィルム積層について、強軸は、９０度を超える内部ブリュースター角を有し、弱軸では約６０度の内部ブリュースター角を有する。内部層境界面のブリュースター角は、空気境界面の値とほぼ同じことに注意されたい。本発明のある実施形態でのように、ＤＢＥＦ又はＡＰＦ（ＡＰＦ−ＮＤなどの高度偏光フィルム、スリーエム社（3M Company）からビキュイティ（Vikuiti）（商標）のブランド名で販売されているものなど）のような反射偏光材及び光方向変換層と組み合わせ適切に整列させて用いた場合、顕著なバルブ隠しが可能となる。

反射材がｓＰＳ／ＴＨＶ層である場合
２つのブリュースター角を有する反射材の１つの実施形態は、図２１の実施形態に似ているが、屈折率１．４１のシリコーンポリアミドが、屈折率１．３５のＴＨＶに置き換わっている。同じ効果を得るために必要な層の数は約１２０組と、ずっと少なくて済む。これらの例のフィルム積層は、この効果を最大にするために、ほぼ均一な２軸から真に単軸の延伸まで、任意の非対称の方法で配向させることができる。

図２１の実施形態と同様に、この反射材設計の反射率は、弱軸と強軸とを有する。図２６に示す強軸は、屈折率差分が０．２７である。図２８に示す弱軸は、面内屈折率差分が０．１６である。図２７に、強軸について空気中の角度に対して反射率がプロットされている。曲線２７００は２つの空気境界面を有する積層について、ｐ偏光の反射率を示す。曲線２７０４は、積層だけの場合のｐ偏光の反射率を示す。

図２９では、弱軸方向について空気中の角度に対して反射率がプロットされている。曲線２９００は、空気境界面を有する積層に対するｐ偏光の反射率を示し、曲線２９０２は、ｓ偏光の反射率を示し、曲線２９０４は、空気との境界面がない積層についてのｐ偏光の反射率を示す。この場合、空気境界面のある２９００及び空気境界面のない２９０４の最小値が似ていることに注意されたい。

両軸とも内部ブリュースター角を有するが、図２７及び図２９に示すように、この２つのブリュースター角は非常に異なっている。強軸は、フィルム積層について９０度を超える内部ブリュースター角を有するが、弱軸は、約６５度の内部ブリュースター角を有する。本発明の１つの実施形態でのように、ＤＢＥＦ又はＡＰＦなどの反射偏光材及びディフューザーと組み合わせ適切に整列させて使用すると、顕著なバルブ隠しが可能となる。

本発明に有用な多層反射材について他の好ましい材料の組み合わせは、高屈折率層にｃｏＰＥＮ、ＰＥＴのコポリマー、及びＰＥＮｇ（高屈折率の非晶質ＰＥＮ）の１つを用いる。ｃｏＰＥＮという語には、ＰＥＴの任意のコポリエステル又はポリエチレンナフタレートが含まれる。低屈折率材料として有用な材料の例としては、ＰＭＭＡ、シリコーンポリオキサミド、ＴＨＶが挙げられる。

光放射層及び／又は光抽出層のあるバックライト実施形態
固体境界面を有する反射材は多くの場合、平面と平行な境界面について、空気中から通常はアクセスできないブリュースター角を有する。その結果、反射材は、反射材に当たる光のかなりの部分がブリュースター角において透過していた状況に比べ、全体的な透過率が低い。構造化表面又はディフューザーを追加することによって、非常に大きな角度で反射材を横切る光の放射及び抽出を許可することで、アクセスできなかったブリュースター角がアクセス可能になることができる。バックライト９０の１つの実施形態が図１２に示されている。図２のバックライト３０と多くの点で同じように、バックライト９０は光空洞２２を含み、これは反射偏光材３２、ランプ３６、及び後側反射材３４を有する。バックライト９０は更に、反射材９２、及び光方向変換層９４も含む。光方向変換層９４は、入射光の透過の際に光の分配を変更することができる。層９４は、ここで放射層とも呼ばれる。

更に、図２に示すように、放射層なしで空気境界面を有して動作するシステムでは、抽出層が不要であったとしても、一部の実施形態では光方向変換層からも利点が得られる。図２の既存の要素−光源、反射材４０、及び偏光材３２−は、ＬＣＤパネルに均一な強度の光を供給できる可能性があるが、一部の実施形態においては、光は観測者に向かうのではなく、側面へと導かれる。一部の実施形態における光方向変換層は、ディフューザーである。ディフューザーは、反射材４０を出た光の方向をランダム化することができる。あるいは、図１４のプリズムフィルムを使用することもできる。いずれもラミネートする必要はない。即ち、空気の隙間があっても同様に、又はそれ以上に動作し得る。

光方向変換層として動作することができる構造の例としては、ディフューザー、体積ディフューザー、及びプリズムアセンブリなどの表面構造（例えば、輝度上昇フィルム）が挙げられる。光方向変換層９４が図１２に示すようにプリズム構造である場合、プリズム溝９６はランプ３６の軸に対して平行に整列される。使用できるプリズム構造の一例としては、スリーエム社（3M Company）が販売している光学照明フィルム（Optical Lighting Film）がある。

ディフューザーは更なる重要な機能を有することができる。ディフューザーは光の方向をランダム化するが、入射光のかなりの量を透過させるべきでもある。光の方向をランダム化することができるディフューザーは通常、更に光のかなりの部分をバックライトに反射して戻す。そのようなディフューザーの反射率は、入射角と共に増大する。即ち、垂直入射では最小となる。この効果は、入射角と共に反射材４０の透過率が増大するという反対の効果と組み合わされると、バックライトの面全体の強度にレベリング効果をもたらす。

ここで検討されている内部ブリュースター角を有する反射材９２は、垂直入射光に比べ、大きな角度の光線を優先的に透過するためのものである。しかしながら、ほとんどのディスプレイ装置では、ディスプレイの輝度がディスプレイの真正面の観測者にとって最大となるように、光が最終的にはディスプレイ表面に垂直に向けられることを必要とする。ブリュースター角近くで透過する光を抽出するには、図１２に示す実施形態において、反射材９２の出口側に第２の光方向変換層９８が含まれる。層９８は、抽出層又は抽出材とも呼ばれる。１つの実施形態において、バックライト９０は、光放出層として機能する光方向変換層９４と、光抽出層として機能する光方向変換層９８との両方を含む。他の実施形態において、バックライト９０は、２つの光方向変換層９４、９８のうち１つだけを含む。

光方向変換層９４の例として上記に記載されている構造は、光方向変換層９８として機能することもできる。１つの好ましい実施形態において、光方向変換層９８は、スリーエム社（3M Company）が販売するＣＧ ３５３６スコッチカル（Scotch Cal）ディフューザーフィルムである。「ゲインディフューザー」又は他のビーズ状若しくはプリズム構造を表面にラミネートし、それを光方向変換層９４及び／又は光方向変換層９８として用いることもできる。

図１２の構造に使用される偏光材３２の一例は、単軸配向９０／１０ｃｏＰＥＮ（ポリエチレンナフタレートのコポリマー）をＰＥＴＧ（グリコール化ポリエステル）と共押出しした、２７５層のフィルムである。他の実施形態では、拡散反射偏光材が偏光材として用いられる。

構造化された層又は拡散放射層なしに、空気中でアクセス可能な内部ブリュースター角を示す反射材は、必要な構成要素数が少ないという利点を有し、よってより安価なコストとなる可能性がある。これらの反射材は、前記の多層構造において負の応力光学係数を有するポリマーを用いて作製することができる。

方向変換層としてのプリズムフィルム
バックライトから出る光を垂直近くに方向づけることができる別のバックライトの実施形態を、図１３に示す。バックライト１００は、マイクロ構造プリズムフィルム１０１を含み、これは光空洞２２から反射材１０２をはさんで反対側に配置され、プリズム構造１０３は反射材の反対側を向いている。任意の接着層１０４は、プリズムフィルム１０１を反射材１０２に接着する。これまでに検討してきた他のバックライト実施形態と同様、光空洞２２は、反射偏光材３２、ランプ３６、及び後側反射材３４を含む。１つの実施形態において、プリズムフィルム１０１には平面側１０５があり、これは自立している反射材構造１０２にラミネートされている。あるいは、反射材が多層コーティングタイプのフィルムである場合、反射材１０２はプリズムフィルム１０１の平面側１０５にコーティングされる。

図１４に示す別の実施形態において、バックライト１１０はマイクロ構造プリズムフィルム１１１を含み、これは反射材１１２の方に向けてプリズム構造１１３と共に配置されている。任意の接着層１１４は、マイクロ構造プリズムフィルム１１１を反射材１１２に接着する。これまでに検討してきた他のバックライト実施形態と同様、バックライト１１０には光空洞２２があり、これは反射偏光材３２、ランプ３６、及び後側反射材３４を有する。

実験結果
例１及び例２の実験結果をここに記述する。例１として、図１２に示すバックライト９０が構築され、テストが行われた。この例１は、スリーエム社（3M Company）から入手可能なＣＧ ３５３６スコッチカル（Scotch Cal）ディフューザーフィルムなどの光抽出層９８として、ディフューザーを有する。例１には、光放出層９４としてプリズム層が組み込まれている。例１をテスト用に構築するため、反射偏光材３２がアクリル板にラミネートされた。このアクリル板をバックライト２２の蛍光灯の上に置き、反射偏光材の透過軸がランプ３６の軸に直交するように配置された。プリズム表面に空気の空間を残して、下側がプリズム放射層９４で上側が抽出層９８の等方性反射材９２が、このプレートの上に置かれた。プリズム層９４及び抽出層９８は、等方性反射材９２をはさんで反対側に、透明な接着剤を用いてラミネートされた。例１の等方性反射材９２は、５３０層を有する多層ＰＥＮ／ＰＭＭＡ積層であった。個々の層の厚さは、約５００ナノメートル〜約２０００ナノメートルの範囲であった。この反射材の屈折率は、６３０ナノメートルで測定して１．６４及び１．４９であった。

例２は、例２の光抽出層９４が厚さ２５４マイクロメートル（１０ｍｉｌ）で、直径約３マイクロメートルの粒子を有するディフューザーである点を除き、例１と同一である。このディフューザーは、ＢＹＫガードナー・ヘイズガード・プラス（BYK Gardner Hazegard Plus）（商標）装置を用いて、ヘイズ、透明度、透過率が測定され、ヘイズ値９８％、透明度５％、及び透過率９２％を有していた。

相対的光強度が、ライトボックスの表面全体の位置に応じて測定された。ライトボックスは１０ｃｍ×２６．５ｃｍと測定され、ＥＳＲ鏡面フィルムで内張りされた。このフィルムは、スリーエム社（3M Company）からビキュイティ（Vikuiti）（商標）のブランド名で入手可能な多層ポリマー輝度向上鏡面反射材（ＥＳＲ）フィルムである。ランプは、ボックスの長さに配置された蛍光灯であり、各側面から５ｃｍで中心に置かれた。バルブはボックスの底から約８ｍｍの高さに保持された。偏光材及びその他のフィルムは、ボックスの底から約１６ｍｍに置かれた。例１の偏光材３２は、単軸配向９０／１０ｃｏＰＥＮをＰＥＴＧと共押出しした、２７５層のフィルムであった。

明所視フィルタを装備したシリコーン光検出器の短絡電流を測定することによって、位置相対的な強度測定が行われた。例１の強度測定値が図３０の曲線１８１としてプロットされ、また例２の強度測定値が曲線１８２としてプロットされた。図３０には、比較例Ａの位置的透過強度もプロットされており、この比較例Ａは、厚さ３ｍｍのアクリル板の両面にディフューザー、具体的にはスリーエム社（3M Company）から入手可能なＣＧ ３５３６スコッチカル（Scotch Cal）ディフューザーフィルムをラミネートしたものである。比較例Ａの単純ディフューザーフィルムで見られる中央の大きな強度ピークが、例１及び例２の構造を使用することによって、事実上除去された。

例１と例２の両方のボックス表面にわたる合計強度が、対照例Ａよりもわずかに低いことに注意されたい。反射偏光材は入射光線の約５０％のみを透過するが、反射空洞により、反射した光部分がかなりリサイクル及び変換され、最終的に透過される。例２では、抽出材は偏光保存ディフューザーであり、バックライトの出力は部分的に偏光され、バルブ軸に対して直交する偏光の強度が最高であり、これは、アクリル板上の反射偏光材の透過軸の方向でもある。この効果は、ＬＣＤパネルの下部の吸収偏光材の通過軸にこの軸を揃えることにより、ディスプレイの輝度を向上させる利益を得るのに用いることができる。

図３１は、図１２のＰＥＮ／ＰＭＭＡ反射材９２についての反射スペクトル１９０と透過スペクトル１９２を示す。反射材についての望ましい反射スペクトル１９４及び望ましい透過スペクトル１９６の一例は、さまざまな色にわたってごく平坦となる。反射率の最適レベルは、バックライトの反射効率に依存し、実験によって決定することができる。特定の実施形態において、この反射材は好ましくは光の吸収がほとんどない、又は実質的にないのが好ましく、この場合、透過スペクトルはＴ＝１−Ｒによって求められる。ある例において、透過スペクトル１９４は約７０％の反射率でごく平坦であり、透過スペクトル１９６は約３０％の透過率でごく平坦である。

光方向変換層としてディフューザーを使用すると、波長に応じた不均一な反射率によって生じる色の問題を隠すことができる。しかしながら、波長に応じた均一な透過を示す反射材を使用することが好ましい。そのような反射材は、以下のように作製することができる。

スペクトル制御
カラーディスプレイで使用されるため、これら広帯域の部分的反射材において色を制御するのは重要なことである。色は、反射スペクトルの形状によって制御される。米国特許第５，１２６，８８０号及び同第５，５６８，３１６号は、薄い層と非常に厚い層とを組み合わせて利用することにより、多層干渉反射材のイリデッセンスが低減することを教示している。特定の角度（垂直入射角など）で高反射率が望ましい場合は、このアプローチでは多数の層が必要になり、その結果、非常に厚いフィルムになる。

別のアプローチは、すべて又はほとんど四分の一波長フィルムの積層を使用することである。この場合、スペクトルの制御には、フィルム積層の層の厚さ特性を制御する必要がある。空気中の広範囲の角度にわたって可視光を反射する必要があるものなどの広帯域スペクトルでは、層がポリマーである場合、多数の層が必要になる。これは、無機フィルムに比べてポリマーフィルムで達成できる屈折率の差が比較的小さいためである。多数の層（約２５０層を超える）のポリマー多層光学フィルムは、従来、レイヤーマルチプライヤーを用いて作製されてきた。即ち、フィードブロック内でスロット生成された層の単一セットから作製した層パケットを、複数使って構成される。この方法は、米国特許第６，７３８，３４９号明細書に概要が記載されている。

マルチプライヤーを使用すると、多数の光学的層を作製するのが大幅に簡略化されるが、結果として生じる層パケットそれぞれに伝わるひずみは、パケットごとに同一ではない。この理由から、フィードブロック内で生成された層の厚さ特性のいかなる調整も、各パケットで同じにはならない。即ち、スペクトル漏れのない均一で滑らかなスペクトルを生成するために、すべてのパケットを同時に最適化することはできないということを意味する。フィードブロック内で直接生成される層の数では十分な反射率が得られない場合は、そのようなフィルムを２枚以上ラミネートして、反射率を高めることができる。よって、低色度、即ち制御された色スペクトルを生成する方法は、次のようになる。

１）米国特許第６，７８３，３４９号で教示されるような、共押出しポリマー層の層厚さの値に対し、軸ロッドヒーター制御を使用する。

２）積層のすべての層が、層形成中に軸ロッドヒーターゾーンによって直接制御されるよう、フィードバック設計を行う（即ち、レイヤーマルチプライヤーは使用しない）。

３）作製中に、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、透過型電子顕微鏡、又は走査型電子顕微鏡といった層厚さ測定ツールから、層厚さ特性フィードバックをタイムリーに得る。

４）望ましい層厚さ特性を生成するための光学的モデリングを行う。

５）測定した層特性と望ましい層特性との間の差に基づいて、軸ロッド調整を繰り返し行う。

一般にＡＦＭほどは正確ではないが、層の特性は、光学的スペクトルの積分（周波数スペクトルに対する−Ｌｏｇ（１−Ｒ）の積分）によって迅速に試算することができる。これは、層厚さ特性が層の数に対して単純に増加又は減少するという条件で、反射材のスペクトル形状を、層厚さ特性の導関数から得ることができるという一般原理によるものである。

後方空洞でのリサイクル
光の横方向の（空間的な）分配も、通常は均一となることが望ましい。これは、リサイクルした光をランダム化する拡散要素を少なくとも１つ含む反射バックライト空洞によって達成できる。複数光源の使用とバックライト内でのそれらの間隔も、バックライトから発する光の均一性を改善するのに利用できる。図１７は、そのような概念をバックライト３３００で示す。これは、光空洞３３０２、内部ブリュースター角を有する反射材３３０４、ディフューザー３３０６、及び光学的光方向変換フィルム３３０７を含む。光空洞３３０２は、拡散鏡３３０８、及び数多くの点光源、蛇行光源、又は線状光源３３１０を含む。

反射偏光材のオプション
本明細書において検討したように、本発明の光学的アセンブリのいくつかの実施形態には、反射偏光材は含まれない。反射偏光材を含む実施形態については、その構成要素に関して数多くのオプションがある。反射偏光材には、内部ブリュースター角を示すものもあれば、示さないものもあるが、これについては本明細書で更に詳しく検討される。使用される反射偏光材は、直交する反射軸と透過軸とを有することができる。

反射偏光材は、例えば、デュアル輝度上昇フィルム（ＤＢＥＦ）製品のいずれか、又は拡散反射偏光フィルム（ＤＲＰＦ）製品のいずれか、又はスリーエム社（3M Company）からビキュイティ（Vikuiti）（商標）のブランド名で入手可能なＡＰＦ製品のいずれか、又は１つ以上のコレステリック偏光フィルムであるか、あるいはこれらを含んでいる。米国特許第６，２４３，１９９号（ハンセン（Hansen）ら）及び米国特許公開第２００３／０２２７６７８号（ラインズ（Lines）ら）に記載されているもののようなワイヤグリッド偏光材も、反射偏光材に適している。単軸配向鏡面反射多層光学的偏光フィルムは、米国特許第５，８８２，７７４号（ジョンザ（Jonza）ら）、同第５，６１２，８２０号（シュレンク（Schrenk）ら）、及び国際特許公開ＷＯ０２／０９６６２１（Ａ２）号（メリル（Merrill）ら）に記載されている。連続相／分散相構造を有する拡散反射偏光材は、例えば第５，８２５，５４３号（アウダーカーク（Ouderkirk）ら）に記載されている。場合によっては、スリーエム社（3M Company）から入手可能なスリーエム（3M）（商標）ビキュイティ（Vikuiti）（商標）デュアル輝度上昇フィルム−拡散（ＤＢＥＦ−Ｄ）などでのような拡散反射偏光材も、光を拡散的に透過する。既知のコレステリック反射偏光材は、開示されているバックライト実施形態の使用に適した別のタイプの反射偏光材である。バックライト３０と共に使用されるディスプレイパネル１２が、ほとんどのＬＣＤディスプレイでのように、バックライトに隣接して配置される独自の後方偏光材を含む場合は、最大限の効率及び照明を実現するために、前側反射偏光材３２をディスプレイパネル後方偏光材に揃えて、又はその逆に揃えて、構成するのが望ましい。ＬＣＤディスプレイパネルの後方偏光材は、通常は吸収性偏光材であり、通常はピクセル化した液晶装置の一方側に配置され、その反対側にはディスプレイパネル前方偏光材がある。

後側反射材のオプション
照明及び効率を向上させるためには、後側反射材が全体的な高反射率と低吸収率とを有するだけではなく、反射の際に入射光の偏光を少なくとも一部変換するタイプのものであることも有利である。即ち、ある偏光状態の光が後側反射材に入射した場合、反射光の少なくとも一部分が、最初の偏光状態に直交する別の偏光状態に偏光される。

多くの拡散反射材が、この偏光変換機能を有している。適切な拡散反射材の部類の１つは、例えばさまざまな光測定テスト装置のための白色標準として用いられているものであり、圧縮塊又はセラミックタイルの形態の硫酸バリウム又は酸化マグネシウムなどの白色無機化合物から作製される。ただし、これらは高価で固く、脆い傾向がある。他の適切な偏光変換拡散反射材としては、（１）微小空隙粒子充填物品（その粒子の屈折率の差、周囲の基質、及び延伸により造られ空気充填された任意の空隙に依存する）、（２）焼結ポリテトラフルオロエチレン懸濁液又は類似の物質から造られた微小多孔性材料、並びに（３）銀などの反射性材料でコーティングされた表面ディフューザーなどの構造化表面がある。微小多孔性偏光変換拡散反射フィルムを作製するための別の有用な技術には、熱誘起相分離法（ＴＩＰＳ）がある。この技術は、例えば米国特許第４，２４７，４９８号（カストロ（Castro））及び同第４，８６７，８８１号（キンザー（Kinzer））に記載されるように、微小多孔性材料物質の調製に用いられてきており、ここで熱可塑性ポリマーと希釈剤とは、液体−液体相分離によって分離される。適切な固体−液体相分離プロセスについては、米国特許第４，５３９，２５６号（シップマン（Shipman））に説明されている。微小多孔性材料に組み込まれる核形成剤の使用についても、米国特許第４，７２６，９８９号（ムロジンスキ（Mrozinski））に、固体−液体相分離法の改善として説明されている。更に適切な拡散反射偏光変換物品及びフィルムについては、米国特許第５，９７６，６８６号（ケイター（Kaytor）ら）に開示されている。

一部の実施形態において、後側反射材３４は、任意に、四分の一波長フィルム又はその他の光学的遅延フィルムと組み合わせて、スリーエム社（3M Company）からビキュイティ（Vikuiti）のブランド名で入手可能な多層ポリマー輝度向上鏡面反射材（ＥＳＲ）フィルムなどの、非常に高い反射率の鏡面反射材を含むことができる。非常に高い反射性の鏡面材料の例としては他に、アラノッド（Alanod）（商標）ブランドの陽極酸化処理アルミニウムシートなどがある。上記で検討した構成の代替として、偏光変換は、高反射性鏡面反射材と体積拡散材料とを組み合わせて、後側反射材と前側反射偏光材との間に配置することによっても達成することができる。この組み合わせは、この適用目的のために、偏光変換後側反射材であると考えられている。あるいは、拡散材料又は微細構造機構を、鏡面反射材の表面に適用することができる。

後側反射材３４が偏光変換タイプのものである場合、反射偏光材３２により最初に反射された光は、偏光状態が偏光材によって透過されないため、後側反射材３４によって反射された後、偏光状態が今度は反射偏光材を透過する光に少なくとも部分的に変換されることができ、よって全体的なバックライトの輝度及び効率に寄与することになる。

反射偏光材３２と後側反射材３４との間にある空洞内に配置されているのは、光源３６である。観測者の側から見て、また平面図では、この光源は反射偏光材３２の裏側に配置されている。光源の外側放射表面は、従来の蛍光管又はバルブの場合のように、実質的に円形の断面を有するように示されているが、他の断面形状も使用することができる。光源の数、それらの間の間隔、及びバックライトの他の構成要素に対する配置は、電力予算、全体の輝度、熱的考慮、サイズの制約といった設計基準に基づいて望むように選択することができる。

本発明の様々な修正及び変更は、本発明の範囲及び趣旨から逸脱せずに当該技術分野の当業者に明らかであり、本発明は、ここに記載された例示的な実施形態に限定されないことが理解されるべきである。ここに引用されている米国特許、特許出願公開、並びにその他の特許及び特許外の文書はすべて、前述の開示との不整合がない限りにおいて、参照により組み込まれる。

Claims (27)

1. 内部ブリュースター角を有する反射材、及び
   互いに直交する反射軸と透過軸とを有する反射偏光材
   を含む、光学的アセンブリ。
2. １つ以上のランプを更に含み、前記反射偏光材が、前記１つ以上のランプのうち少なくとも１つと前記反射材との間に位置している、請求項１に記載の光学的アセンブリ。
3. １つ以上のランプを更に含み、前記反射材が、前記１つ以上のランプのうち少なくとも１つと前記反射偏光材との間に位置している、請求項１に記載の光学的アセンブリ。
4. 前記反射材が等方性層状アセンブリである、請求項１に記載の光学的アセンブリ。
5. 前記反射材が、周囲の材料とは屈折率が異なるような部分を前記反射材内に含む、請求項１に記載の光学的アセンブリ。
6. 前記部分の少なくとも一部が円盤形形状である、請求項５に記載の光学的アセンブリ。
7. 前記部分が周囲の材料よりも低い屈折率を有する、請求項５に記載の光学的アセンブリ。
8. 前記反射材がコレステリック反射材である、請求項１に記載の光学的アセンブリ。
9. 前記反射材のｐ偏光に対する反射率が、入射角の増大につれて減少する、請求項１に記載の光学的アセンブリ。
10. 前記反射材が多層誘電性反射材である、請求項１に記載の光学的アセンブリ。
11. 前記反射偏光材がポリマーである、請求項１に記載の光学的アセンブリ。
12. １つ以上のランプ、
    内部ブリュースター角を有する反射材であって、前記反射材の主表面が、前記１つ以上のランプのうち少なくとも１つに面する反射材、及び
    光方向変換層
    を含む、直接照射バックライトアセンブリ。
13. 前記１つ以上のランプが、点光源ランプ、線状光源ランプ、又は蛇行光源ランプを含む、請求項１２に記載のバックライトアセンブリ。
14. 前記反射材が、空気中からアクセス可能である内部ブリュースター角を有する、請求項１２に記載のバックライトアセンブリ。
15. 前記ブリュースター角が空気中からアクセスできない、請求項１２に記載のバックライトアセンブリ。
16. 前記１つ以上のランプと前記反射材との間に光注入層を更に含み、前記光注入層が伝搬角度の範囲を増大する、請求項１２に記載のバックライトアセンブリ。
17. 前記光方向変換層により、更に幅広い範囲の伝搬角度が得られる、請求項１２に記載のバックライトアセンブリ。
18. 前記光方向変換層が、ディフューザー、輝度上昇フィルム、及びプリズムアセンブリからなる群から選択される、請求項１２に記載のバックライトアセンブリ。
19. 反射偏光材を更に含む、請求項１２に記載のバックライトアセンブリ。
20. 前記反射偏光材が、前記反射偏光材のブロック軸に対して平行な入射面において内部ブリュースター角を有さない、請求項１９に記載のバックライトアセンブリ。
21. 第二の光方向変換層を更に含む、請求項１９に記載のバックライトアセンブリ。
22. 前記反射偏光材が、前記１つ以上のランプと前記反射材との間に位置している、請求項１９に記載の直接照射バックライトアセンブリ。
23. 前記１つ以上のランプが、前記反射材の主表面の投影領域内にある、請求項１２に記載のバックライトアセンブリ。
24. 前記反射材が、前記１つ以上のランプと前記光方向変換層との間に位置している、請求項１２に記載の直接照射バックライトアセンブリ。
25. 前記光方向変換層及び反射材が、前記１つ以上のランプのすぐ上に位置している、請求項１２に記載の直接照射バックライトアセンブリ。
26. １つ以上のランプ、
    ディスプレイパネル、
    内部ブリュースター角を有する反射材であって、前記反射材は少なくとも３つの層の多層干渉フィルムであり、前記層のうち少なくとも１つは複屈折性であり、ｘ軸方向の屈折率（ｎ_ｘ）がｚ軸方向の屈折率（ｎ_ｚ）より小さく、前記ｘ軸方向が面内方向であり、前記反射材が前記ランプと前記ディスプレイパネルとの間に位置している、反射材
    を含む、光学的アセンブリ。
27. 滑らかな面を有するバックライト反射材であって、前記反射材が空気中で９０度未満の内部ブリュースター角を有し、ある偏光について前記フィルム内の内部反射率が特定の角度においてゼロであり、前記反射材が垂直入射角で５０％以上の反射率を有する、バックライト反射材を有する、光学的アセンブリ。

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