JP2011508909A - 鏡面部分反射体及び円形モード反射偏光子を含むバックライティングシステム - Google Patents

Abstract

ディスプレイ用バックライト（１２０、２２０、４２０）内で、鏡面部分反射体（２５０、４５０）を円形モード反射偏光子（２４２、４４２）と照明装置（２３０、４３０）との間に配置する。鏡面部分反射体（４５０）は、円形モード反射偏光子（４４２）から反射した、さもなくば使用されない偏光（plarized）（４６８Ｌ）をリサイクルし、バックライトの輝度を最適化する。バックライト（１２０）の主な用途は、液晶ディスプレイ（１００）である。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、この参照によりその開示の全体が本明細書内に組み込まれる、２００７年１２月２８日に出願された米国特許仮出願第６１／０１７２５５号に対して優先権を主張するものである。

（発明の分野）
本開示は、情報ディスプレイに関する。より具体的には、反射偏光子を含むバックリット光学式情報ディスプレイに関する。

光学式情報ディスプレイは、テレビ、ラップトップ及びデスクトップコンピューター、携帯電話などのハンドヘルド装置、及び他の用途に一般的に使用されている。広く利用されている種類のディスプレイは、液晶（ＬＣ）ディスプレイである。一般的なＬＣディスプレイは、その内部で一対の吸収性偏光子間に、関連した電極マトリックスを有する液晶が挟み込まれたＬＣパネルを中心に構築されている。ＬＣパネル内では、電極マトリックスによって印加された電界により光学的状態を有する液晶の部分が変更されている。この状態次第で、液晶の所定の（ディスプレイのピクセル又はサブピクセルに対応する）部分が、それを透過する光の偏光をより大きく又はより小さく回転させる。入射偏光子、液晶、及び出射偏光子を経て前進する光は、光が当たる液晶の部分の光学的状態によって異なる度合いで減衰する。ＬＣディスプレイはこの挙動を活用して、異なる区域で異なる外観を有する電子的に制御可能なディスプレイを提供する。

ＬＣパネルは自ら光を生成しないので、ＬＣディスプレイは照明源（典型的には反射周辺光、又はより一般的にはバックライトからの光のどちらか）を必要とする。バックライトは一般的に、発光ダイオード又は蛍光灯などの光源、及び照明装置とＬＣパネルとの間にある多数の光管理フィルムを含むことのできる照明装置を含む。一般に、光管理フィルムは、光のより効率的かつ効果的な使用を促すことによって、ディスプレイの動作を改良することができる。

１つの態様において、本開示は、少なくとも１つの光源を有する照明装置、円形モード反射偏光子、及び鏡面部分反射体を含むバックライトを提供する。鏡面部分反射体は、照明装置と円形モード反射偏光子との間に配置される。更に、鏡面部分反射体は円形モード反射偏光子と実質的に直接偏光伝達する。

別の態様において、本開示はＬＣパネル、及びＬＣパネルに光を提供するバックライトを含むディスプレイを提供する。バックライトは、少なくとも１つの光源を有する照明装置、円形モード反射偏光子、及び鏡面部分反射体を含む。円形モード反射偏光子はディスプレイモジュールと照明装置との間に配置され、鏡面部分反射体は照明装置と円形モード反射偏光子との間に位置する。更に、鏡面部分反射体は円形モード反射偏光子と実質的に直接偏光伝達する。

更に別の態様において、本開示は、少なくとも１つの光源を有する照明装置、円形モード反射偏光子、及び鏡面部分反射体を含む、偏光された光を提供するバックライトを提供する。円形モード反射偏光子は、第１の円偏光を有する光の第１の部分を透過し、第１の円偏光と直交する第２の円偏光を有する光の第２の部分を反射するように構成される。鏡面部分反射体は、照明装置と円形モード反射偏光子との間に位置する。これは、円形モード反射偏光子から光の第２の部分を受容し、光の第３の部分を円形モード反射偏光子に戻すために好適である。光の第３の部分は、光の第２の部分の一部であり、円形モード反射偏光子によって透過可能な第１の円偏光を有する。

更に別の態様において、本開示は、バックライトを製作する方法を提供する。この方法は、照明装置及び円形モード反射偏光子を提供する工程、鏡面部分反射体の直交反射屈折値を選択してバックライトの輝度を最適化する工程、及び選択された直交反射屈折値を有する鏡面部分反射体を照明装置と円形モード反射偏光子との間に配置する工程を含む。更に、鏡面部分反射体は、円形モード反射偏光子と実質的に直接偏光伝達する。

本開示のこれらの態様及び他の態様は、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。しかしながら、上記要約は、請求された主題に関する限定として決して解釈されるべきでなく、主題は、手続処理中に補正され得る添付の特許請求の範囲によってのみ規定される。

本開示は、同様の参照番号が一般的に同様の要素を表す添付の図に関して述べられている。
光管理構成要素を含み得る光学式ディスプレイの一実施形態の概略断面図。 光学式ディスプレイの別の実施形態の概略断面図。 照明装置の一実施形態の概略断面図。 バックライトシステムの一実施形態の照明装置及び光管理構成要素の一部の概略断面図。 円形モード反射偏光子の一実施形態の概略断面図。 コーティングを含む円形モード反射偏光子の一実施形態の概略断面図。 コーティングを含む光学フィルムの一実施形態の概略断面図。 多層鏡面部分反射体の一実施形態の概略断面図。 含められた鏡面部分反射体の数に対する照明装置及び光管理構成要素の種々の実施形態の輝度性能を示す線図。

一般に、本開示は、偏光された光を効率的に再利用できるバックライトを提供する。当該偏光された光を使用して、光学式情報ディスプレイを照明することができる。

ＬＣディスプレイのバックライトは、ディスプレイのＬＣパネルに光を提供するが、これにより、パネルの入射偏光子を透過する「通過」偏光を有する光のみから像を形成する。ＬＣパネルに入射する「遮断（block）」偏光を有する光は、一般的に入射偏光子によって吸収されて、消耗される。したがって、バックライトからパネルに到達する通過偏光された光の量を最大化し、パネルに到達する遮断偏光された光の量を最小化することが求められる。

通過偏光された光を最大化し遮断偏光された光を最小化する一方法は、反射偏光子をバックライトとＬＣパネルとの間に位置づけて通過偏光された光をＬＣパネルに透過させ、遮断偏光された光をバックライト内に反射させることである。反射された遮断偏光の光は、次に通過偏光の光に変換され、２度目又はその後の衝突で反射偏光子を透過できる。

遮断偏光から通過偏光への光の変換は、様々な方法で起こすことができる。それは、偏光をランダム化する傾向にあるバックライト内で光の散乱の結果として起こる場合がある。ランダム化では、最良の場合、所定のサイクル内の散乱によって遮断偏光された光の半分を通過偏光に変えることができる。２度目又はその後に反射偏光子に衝突する遮断偏光の光は、バックライト内に繰り返し反射してランダム化され、最終的には放射される次の機会を得ることができるが、リサイクルされる度に損失メカニズムのために量も減少するであろう。ランダム化に依存してリサイクルを可能とするバックライトは、現存するディスプレイに一般的に使用されている。バックライトの性能の潜在的改善は、確定過程に依存する、光の偏光を変換する他のメカニズムの利用を通じて達成できる。

本開示において、偏光を変換する反射体をバックライト内に配置して光を遮断偏光から通過偏光に確定的に変換して反射偏光子を透過させ、次にＬＣパネル上に透過させることができる。当該反射体の位置配置は、バックライトの後方である。この配置の潜在的な不都合は、通過偏光の光が後方の反射体から前方の反射偏光子に至る途上で、その他のバックライト要素から散乱したり、又はそれらを通って屈折したりする可能性があり、それらが偏光を劣化させる可能性があることである。別の選択肢としては、偏光を変換する部分反射体をバックライトのより前方の反射偏光子の付近に配置して、偏光が変換された光が潜在的に有害に干渉するバックライトの構成要素と衝突せずに反射体から反射偏光子へと前進できるようにすることである。この型の設計において考慮すべき点は、部分反射体が、バックライトの光の幾分かが反射偏光子に到達する前に、それを後方に反射させることである。しかし、本開示において、バックライトシステムの総合的な性能を考慮すると、この反射体の配置の利点は不都合に勝る場合があることが分かる。

図１は、光学式ディスプレイ１００の一実施形態の概略断面図である。ディスプレイ１００は、ＬＣパネル１１０及びＬＣパネル１１０に光を提供できるバックライト１２０を含む。

実施形態によっては、バックライト１２０は照明装置１３０、及び照明装置とＬＣパネル１１０との間に配置された１つ以上の光管理フィルム１４０を含む。本明細書内で更に述べるように、照明装置１３０は、ＬＣパネル１１０に照明光を提供できる１つ以上の光源（図示せず）を含むことができる。光管理フィルム１４０は、１つ以上の種々の光学フィルム又はディスプレイ１００の動作を改良するその他の構成要素を含むことができる。例として、光の角分布に作用する拡散体又はプリズム輝度強化フィルムを挙げることができる。また、１つ以上の光管理フィルム１４０はまた、偏光された光がＬＣパネル１１０に到達することを可能とする反射偏光フィルムを含むことができる。

実施形態によっては、ＬＣパネル１１０は一方の（「通過」）偏光の光を調節し、直交する（「遮断」）偏光の光を吸収するＬＣパネル１１０の液晶の（ディスプレイ１００のピクセル又はサブピクセルに対応する）部分の状態によっては、通過偏光を有する入射光の偏光はある大きさで回転し、次に光は、偏光の回転の程度によって部分的に透過したり、部分的に吸収されたりする。他の実施形態において、液晶以外の技術に基づくディスプレイモジュールの偏光が企図される。

ＬＣパネル１１０に入射する光のうち、通過偏光を有する光の実質的に一部のみがＬＣパネルによって調節され得、遮断偏光を有する光の一部はほとんどが吸収されて利用されない。このことを鑑みて、ＬＣパネルの照明のその他の必要条件を満たす限り、利用されない遮断偏光を犠牲にして、可能な限り大量の通過偏光の光をＬＣパネル１１０に効率的に供給するようにバックライト１２０を構成することが望ましい場合がある。この理由により、１つ以上の光管理フィルム１４０は、通過偏光を有する光をＬＣパネル１１０に提供する反射偏光子を含むことができる。

反射偏光子は、（前述の通過偏光、又は例えば、リターダーによって通過偏光に変換できる偏光状態であってもよい）第１の偏光の光を透過し、第２の直交した偏光の光を反射するように設計される。照明装置１３０から光が反射偏光子に入射すると、光の第１の偏光を有する部分がＬＣパネル１１０の方向に透過し、光の第２の偏光を有する部分が反射する。その後、反射した光の第２の偏光を有する部分は、次にバックライト内の任意の構造体（例えば反射体、図示せず）によって反射偏光子の方向に前方に再反射され得る。前方に再反射される過程において、光の幾分かがここで透過可能な第１の偏光となるように、再反射された光の偏光を変更できる。第２の（反射された）偏光のままの光は、第１の偏光で反射偏光子を最終的に透過するまで、又は光共振器に吸収されるまで更に反射する。この過程を通じて、反射偏光子は、さもなくば利用されることのない第２の偏光を有する光の「リサイクル」を可能とする反射偏光子を組み込んだディスプレイの説明は、例えば米国特許第６，０２５，８９７号（Ｗｅｂｅｒら）の中に見出すことができる。

本明細書内に説明したリサイクル型バックライトは、反射偏光子によって反射された第２の偏光を有する光の幾分かを、透過可能な第１の偏光を有する光に変換する１つ以上のメカニズムに依存できる。典型的には、これは、照明装置１３０の後方反射体からの光の再反射で発生する。時には拡散反射であるこの再反射において、偏光をスクランブルし、ランダム化し、あるいは混合することができる。また、偏光状態の変化は同様に、他のバックライトの構成要素を透過し、又はそれらから反射するときに発生する場合もある。一般的に、反射偏光子の方向に反射して戻った光の一部のみが透過可能な第１の偏光状態で得られる。

第２の偏光を有する反射光が、透過可能な第１の偏光を有する光に効率的に変換されて反射偏光子に戻ることができるならば、バックライトは光をＬＣパネル１１０に第１の偏光状態でより効率的に供給できる可能性がある。円偏光の特性の活用によって、これを行う手段を提供できる。正反射は円偏光の左右像を反転させ、直交する偏光状態間の変換の単純な確定過程を提供する。このような正反射はバックライトシステムの後部にある後方反射体によって提供できるものの、後方反射体と反射偏光子との間に位置する光学構成要素が第２の偏光から第１の偏光への単純な変換と干渉する可能性がある。バックライトの構成要素の適切な配置によって、この厄介な問題を回避できる。本明細書内では、１つ以上の鏡面反射体及び円形モード反射偏光子を含むバックライトを説明する。

図２は、光学式ディスプレイ２００の一実施形態の概略断面図である。ディスプレイ２００は、ＬＣパネル２１０及びバックライト２２０を含む。バックライト２２０は、照明装置２３０及びＬＣパネル２１０と照明装置２３０との間に配置された１つ以上の光管理フィルム２４０を含む。

照明装置２３０は、１つ以上の光源２３２を含む。光源２３２は、線状の冷陰極蛍光灯（ＣＣＦＬ）であってよい。しかし、他の種類の蛍光灯、白熱灯、発光ダイオード、有機発光ダイオード、又は好適であると認められるその他任意の光源のような、他の種類の光源２３２を使用してもよい。

照明装置２３０は、後方反射体２３４を含むことができる。後方反射体２３４は、鏡面反射体、拡散反射体、又は鏡面反射体と拡散反射体の組み合わせであってもよい。鏡面反射体の一例としては、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙから入手できるＶｉｋｕｉｔｉ（商標）Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｓｐｅｃｕｌａｒ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ（ＥＳＲ）フィルムがある。好適な拡散反射体の例としては、拡散反射粒子を加えたポリマーが挙げられる。微小多孔質材料及び微細繊維含有材料を含む、拡散反射体の他の例は、米国特許第６，４９７，９４６号（Ｋｒｅｔｍａｎら）に記載されている（as discussed）。後方反射体２３４に、本明細書内に掲載したもの以外の反射体の種類を使用してもよい。

ディスプレイ２００は、ＬＣパネル２１０の真後ろに配置された光源２３２を有する「直接照明型」として説明されてもよい。他の実施形態において、ディスプレイ２００は、例えば図３のエッジ照明型照明装置３３０のようなエッジ照明型照明装置を含むことができる。照明装置３３０は、導光器３３６の１つ以上のエッジ３３７又はその付近に配置された１つ以上の光源３３２を含む。導光器３３６は略平面のスラブ又は楔形を有するが、任意の好適な形状であってもよい。光源３３２は一般的に、光源からエッジ３３７を経由して導光器３３６内に発する光の光結合を助長する光源反射体３３３によって囲まれている。光は全反射によってある程度助けられて導光器３３６内を伝搬し、出口面３３８を経由して照明装置３３０からＬＣパネルの方向に進む。また、照明装置３３０は、光線をＬＣパネルの方向に向け直す役割を果たすことのできる後方反射体３３４を含んでもよい。後方反射体３３４は、例えば米国特許第６，４４７，１３５号（Ｗｏｒｔｍａｎら）に述べられているように導光器３３６に直接取り付けてもよいし、又は構造的に自立していてもよい。

図２に戻って、１つ以上の光管理フィルム２４０は、光学フィルム及び場合によってはバックライトの性能を向上させ、改善するためのその他の構造を含むこともできる。実施形態によっては、１つ以上の光管理フィルム２４０は円形モード反射偏光子２４２を含むことができる。円形モード反射偏光子は、それに入射する円偏光の一方の左右像を有する光を実質的に反射し、円偏光の他方の直交する左右像を有する光を実質的に透過する。円形モード反射偏光子２４２から反射した光は、偏光子に入射する前にそれを特徴付けた円偏光と実質的に同様の左右像を維持することに注目すべきである。ここで更に述べるように、円形モード反射偏光子２４２を透過した光は、偏光子の構成の詳細次第で、偏光子に入射する前に有した偏光を有する場合もあり、有さない場合もある。円形モード反射偏光子２４２は、自立したフィルムであってもよいし、ディスプレイ２００内の別の構造体に取り付けられてもよい。実施形態によっては、円形モード反射偏光子２４２は、ＬＣパネル２１０に取り付けられている。

円形モード反射偏光子２４２は、例えば米国特許第５，７９３，４５６号（Ｂｒｏｅｒら）の中で述べられている偏光子のような任意の好適な反射偏光子を含むことができる。一般的に、円形モード反射偏光子はいろいろな方法で形成できる。円形モード反射偏光子は、コレステリック液晶材料を使用して形成できる。コレステリック液晶化合物は、典型的にはキラル分子であるが、ポリマーであってもよい。コレステリック液晶化合物は、液晶のディレクター（即ち平均的な局所的分子整列の方向の単位ベクトル）が、ディレクターに垂直の次元に沿ってらせん状に回転するコレステリック液晶相を有する化合物を含む。コレステリック液晶化合物のピッチは、ディレクターが３６０度回転するのに要する（ディレクターと垂直な方向の）距離である。この距離は典型的には１００ｎｍ以上である。

コレステリック液晶化合物のピッチは、典型的には、コレステリック液晶化合物をネマチック液晶化合物と混合させるか、さもなければそれらを結合させる（例えば、共重合によって）ことにより変更できる。ピッチは、コレステリック液晶化合物とネマチック液晶化合物の相対重量比に左右される。このピッチは一般的に、対象となる光の波長と近くなるように選択される。ディレクターのらせん状のねじれが、誘電テンソルの空間的な周期的変動をもたらし、その結果、光の波長選択的な反射を生じさせる。例えばピッチは、選択的反射が光の可視、紫外、又は赤外波長域内でピークに達するように選択することができる。

コレステリック液晶組成物（ピッチを変更するために追加的ネマチック液晶化合物又はモノマーを添加する、あるいはしないにかかわらず）は、特定の光波長の帯域幅にわたって一方の円偏光を有する光（例えば左又は右に円偏光）を実質的に反射し、他方の円偏光を有する光（例えば右又は左に円偏光）を実質的に透過する層を形成できる。この特性は、コレステリック液晶材料のディレクターに垂直入射で向けられた光の反射性又は透過性を表すものである。他の角度で向けられた光は、典型的には、コレステリック液晶材料によって楕円偏光される。コレステリック液晶材料は、一般的には、垂直入射光に対して特徴付けられるが、これら材料の応答は既知の技術を使用して非垂直入射光について決定できることが理解されるであろう。

一定ピッチのコレステリック液晶層は、典型的には、１００ｎｍ以下の限定された帯域幅にわたって反射性を呈するであろう。コレステリック液晶材料から形成された反射偏光子の実用性を改良するために、ピッチの異なる複数の層を用いることができ、又は不連続に若しくは連続してピッチが変化する単一の層を使用することができる。このような構成によって、例えば約４００〜７００ｎｍの可視スペクトルの範囲の広帯域幅を有する反射偏光子を得ることができる。コレステリック液晶の加工処理及び光学体の議論は、米国特許第６，５７３，９６３号（Ｏｕｄｅｒｋｉｒｋら）、同第６，８７６，４２７号（Ｗａｔｓｏｎら）、同第６，９１３，７０８号（Ｓｏｌｏｍｏｎｓｏｎら）、及び同第６，９１７，３９９号（Ｗａｔｓｏｎら）に見出すことができる。好適なコレステリック液晶フィルムの一例として、Ｎｉｐｏｃｓ（商標）（日本の日東電工から入手可能）がある。

また、円形モード反射偏光子は、その他の光学構成要素の組み合わせからなってもよい。図５は、線形モード反射偏光子５４４及び四分の一波長リターダー５４６の組み合わせから形成された円形モード反射偏光子５４２の断面図である。図示される通り、２つの略平面の構成要素５４４及び５４６を物理的に接続してもよく、又はこれらを分離してもよい。線形モード反射偏光子の例としては、例えば米国特許第５，８８２，７７４号（Ｊｏｎｚａら）に述べられたＶｉｋｕｉｔｉ（商標）ＤＢＥＦ多層光学フィルム反射偏光子、及び例えば米国特許第５，８２５，５４３号（Ｏｕｄｅｒｋｉｒｋら）に述べられたＤＲＰＦ拡散反射偏光フィルム（共に３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能）が挙げられる。別の種類の線形モード反射偏光子としては、例えば米国特許第６，１２２，１０３号（Ｐｅｒｋｉｎｓら）に述べられたワイヤーグリッド偏光子がある。四分の一波長リターダーは、例えば、ポリカーボネート、ポリエチルテレフタレート、若しくはポリビニールアルコールなどの配向高分子材料から、又はコーティングされた液晶材料から提供できる。

このような円形モード反射偏光子５４２において、線形モード反射偏光子５４４は、第１の線形偏光を有する光を透過し、第２の直交する線形偏光を有する光を反射する。一般的に、線形モード反射偏光子５４４によって反射した線形偏光された光が、続いて四分の一波長リターダー５４６を通過すると、楕円偏光が生じるであろう。四分の一波長リターダー５４６の速軸が、線形モード反射偏光子５４４から反射した光の偏光軸に対して４５度の角度で配向されている場合、円偏光が生じる。あるいは、当業者によって理解されるであろう通り、他の配向の他のリターダーを使用して線形偏光から円、近円、又は楕円偏光に変換することができる。

図２に戻って、１つ以上の光管理フィルム２４０は鏡面部分反射体２５０を更に含むことができる。鏡面部分反射体２５０は、照明装置２３０と円形モード反射偏光子２４２との間に位置する。種々の実施形態において、鏡面部分反射体２５０は、図２に示される自立構成要素を含む、又はコーティング若しくはバックライトの別の構造体に取り付けられた他の構成要素としての様々な形態をとってもよい。円形モード反射偏光子２４２に対向した側から鏡面部分反射体２５０に入射した光は、実質的に正反射として部分的に反射する。ここで更に詳細に述べるように、この鏡面部分反射体２５０による光の正反射は、一般的に、円偏光の左右像の反転を生じさせ、その後反射光を円形モード反射偏光子２４２が透過できる状態に置く。鏡面部分反射体２５０によって反射されない光の部分は、鏡面的に透過する場合もあれば、透過しない場合もある。照明装置２３０に対向する側から鏡面部分反射体２５０に入射した光について、反射及び透過（各々独立して考察される）は鏡面的である場合もあれば、そうでない場合もある。

鏡面部分反射体２５０は、任意の好適なフィルム又はその他の光学構成要素を含むことができる。鏡面部分反射は、バックライト内の別の機能を有する構成要素によって提供されてもよい。例えば、鏡面部分反射体２５０は、一群の光学フィルムの上部あるいは外部境界層に配置された、保護シートとして使用される低密度の表面非平坦フィルムによって提供されてもよい。鏡面部分反射体２５０はまた、導光器３３６の出口面３３８によって、又は光管理フィルム２４０のうちの１つの別の面によっても提供できる。鏡面部分反射体２５０はまた、専用のフィルムによって提供されてもよい。

鏡面部分反射体は、いろいろな方法で形成できる。鏡面部分反射体は、一般的に透明な誘電性材料のモノリシックシートから形成してもよい。このような鏡面部分反射体の主表面の反射率を予知するために、フレネル方程式を誘電体の屈折率の知識と組み合わせて使用してもよい。好適な材料としては、ポリエチルテレフタレート、ポリカーボネート、又はポリメチルメタクリレートが挙げられる。鏡面部分反射体を形成する他の方法として、金属被覆した若しくは金属の薄い層を用いる方法、金属被覆した若しくは金属の模様付き層を用いる方法、又は異なる反射率及び透過率の領域を用いる方法がある。このような層は、誘電性基材若しくはスラブの上にコーティングし、又はその中に埋め込んでもよい。

誘電性の若しくは金属の部分反射層をバックライトの別の光学構造体若しくは基材の上にコーティングし、それに取り付け、あるいはそれと接続して鏡面部分反射体を提供してもよい。この構造体又は基材は、反射体のそれとは異なる光学関数を提供してもよい。例えば図６の断面図において、部分反射層６５０は円形モード反射偏光子６４２に取り付けられている。図７の断面図では、部分反射層７５０が光学フィルム７６０に接続されている。誘電体層の場合、比較的高い屈折率の誘電体は一般的に隣接した媒体と比較してより大きな屈折率の差、したがってより強力な反射を提供するであろうから、これらが望ましい場合がある。

鏡面部分反射体は、複数の主表面からの反射を活用できる。透明な誘電性材料のモノリシックシートから形成された鏡面部分反射体において、シートの両面は光を正反射的に反射する役割を果たすことができる。別の例として、透明な誘電性材料の多層の光学フィルムの積層体が改変された（engineered）反射体の基礎としての役割を果たすことができる。図８は、誘電性材料の交互の層８５２及び８５４を含む多層鏡面部分反射体８５０の概略断面図である。積層体内の層の厚さ及び層の屈折率間の関係を含む幾つかのパラメーターが多層積層体の反射率に影響する可能性がある。積層体は、標準的な薄膜の光学的設計基準を使用して干渉効果を活用するために、低屈折率と高屈折率の交互の光学的に薄い層、即ち対象となる波長に近い厚さを有する層で設計できる。あるいは、性能に影響する干渉効果のない、低屈折率と高屈折率の交互の又は同一の材料のどちらかの、複数の波長に近い厚さを有する厚い層を使用してもよい。

鏡面部分反射体の設計に際して考慮すべきもう１つの点は、反射体に使用する誘電性材料の複屈折である。複屈折は少なくとも２通りの点で反射体の性能に影響する。まず、複屈折性誘電体内を光が伝搬する任意の反射体において、複屈折は光の偏光に影響を与え、又はこれを変更する可能性がある。一般に、円偏光は楕円変更状態に変換できる。次に、フレネル方程式にあるように、複屈折材料との界面からの光波の反射は、一般に、その光波の偏光成分が偏光軸に沿った屈折率に依存した異なる大きさで反射するので、この材料の複屈折に影響されるであろう。本開示において、幾つかの鏡面部分反射体は１つ以上の実質的に非複屈折性の材料を含むであろう。

本明細書内で述べたように、本開示の鏡面部分反射体は、円形モード反射偏光子に対向した側からこの反射体に入射した光は、実質的に鏡面的に部分反射するという特性を有するであろう。一般に、垂直入射した円偏光の等方性基材からの垂直入射による正反射は、偏光の左右像が反転した（直交した）反射光を生じさせるであろう。反射が正反射から偏移する点において、反射光の偏光は入射光の偏光にあまり確定的には関連しない（relate on）場合がある。例えば、鏡面部分反射体を位相幾何学的に粗い表面を有する光学シートで置換すれば、混合した偏光の非常に拡散的な反射光を得ることができる。また、本明細書内で述べたように、複屈折性基材は、円偏光の左右像を完全に反転させない正反射を生じさせる場合がある。これら及びその他の効果を考慮するために、直交反射屈折と呼ばれることのある、入射光のそれと直交した偏光状態で反射した入射円偏光の屈折によって、反射体を特徴付けることができる。例えば、１．５の屈折率を有する等方性材料から形成された反射体は、空気からの入射を前提として、垂直入射光の名目上４％を反射するこの例の反射面が非常に平坦であるならば、反射体の直交反射屈折値は４％に近づく。このような材料のシートの平坦な両面を考慮すると、この値は約８％となる可能性がある。同様の材料で形成されながら非常に拡散的に反射する非常に粗い表面を有する別の反射体は、偏光をかなりランダム化する可能性があり、直交反射屈折は、例えば２％程度と非常に低くなる可能性がある。

ここで再度図２に戻るが、１つ以上の光管理フィルム２４０に例示的な光学フィルム２６０などの他の構成要素を含めることもできる。光学フィルム２６０は、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＶｉｋｕｉｔｉ（商標）ＢＥＦ−ＩＩＩ輝度強化フィルムなどの光の角分布に影響を与えるフィルムであってもよい。輝度強化フィルムの記述は、例えば米国特許第５，７７１，３２８号（Ｗｏｒｔｍａｎら）及び同第６，３５４，７０９号（Ｃａｍｐｂｅｌｌら）に見出すことができる。このような輝度強化フィルムは、典型的には、軸からずれた光をディスプレイの軸により近い方向に方向変換する表面構造体を含む。その他の潜在的な構成要素としては、拡散器、拡散プレート、利得拡散器（gain diffuser）、回転フィルム、偏光子、反射偏光子、リターダー、又はトランスフレクターが挙げられるが、これらに限定されない。図２において、光学フィルム２６０は鏡面部分反射体２５０と照明装置２３０との間に位置するように示されている。

幾つかの実施形態において、偏光子２４２と反射体２５０との間で、その間を移動する光が放射輝度、伝搬方向、分光組成、及び偏光状態など種々の物理特性に関して大きく影響されないようにして直接光伝達が行われる。他の実施形態において、偏光子２４２と反射体２５０との間を移動する光の１つ以上の物理特性がバックライトの構成要素による干渉によって影響を受けることがある一方、１つ以上の他の特性は実質的に影響を受けないままである。構成要素間を伝搬中の光の物理特性が影響を受けていないとき、これらの構成要素は、例えば「直接偏光伝達する」又は「直接分光伝達する」と表現できる。本開示の幾つかの実施形態において、円形モード反射偏光子２４２及び鏡面部分反射体２５０は実質的に直接偏光伝達する。

一般にＬＣパネル２１０の構成は、ディスプレイ２００のバックライト２２０の構成に、ある程度依存するであろう。一実施形態において、図２に図示したように、ＬＣパネル２１０は関連した電極マトリックスを有する液晶層２１２、リターダー２１４、第１の吸収性偏光子２１６、及び第２の吸収性偏光子２１８を含む。この実施形態において、円形モード反射偏光子２４２から伝搬し、ＬＣパネル２１０に入射する光は円形に偏光される。リターダー２１４は、光の構成偏光成分の位相に影響し、これを円偏光から線形偏光に変換する。次にこの線形偏光された光は、その通過軸がリターダー２１４からの光の偏光軸と一直線に並ぶ第１の吸収性偏光子２１６に入射する。第１の吸収性偏光子２１６は、液晶層２１２に入射する光の偏光のコントラストを向上させる役割を果たす。第１の吸収性偏光子２１６は、時には「クリーンアップ」偏光子と呼ばれることがある。

別の実施形態において、ＬＣパネル２１０は、必ずしもリターダー２１４を含まない。この構成は、円形モード反射偏光子２４２が、線形偏光された光をＬＣパネル２１０に通過させるバックライト用に適切であろう。更に他の実施形態において、ＬＣパネル２１０は、第１の吸収性偏光子２１６を欠くが、必要に応じて液晶層２１２と第２の吸収性偏光子との間にリターダーを有する第２の吸収性偏光子２１８を含んでもよい。ＬＣパネルのその他の実施形態は、偏光子及びリターダーの他の構成を含んでもよい。

本明細書内で述べたバックライトの構成は、偏光された光を用いて液晶パネルを効率的に照明できる。一般に、これらの構成は、反射偏光子から反射した光を効率的にリサイクルし、当該反射光が次にバックライトからＬＣパネルの方向に伝搬して衝突するときに、この光を反射偏光子によって透過できる偏光状態に変換する。以下の記述は、図４の概略断面図に示されるバックライト４２０の動作の態様を説明することによって、これらの案を例証する。

バックライト４２０は、１つ以上の光源４３２及び後方反射体４３４を含む照明装置４３０を含む。１つ以上の光管理フィルム４４０は、円形モード反射偏光子４４２及び円形モード反射偏光子４４２と照明装置４３０との間に配置された鏡面部分反射体４５０を含む。図４はまた、バックライト４２０内の光の伝搬方向を示す矢印をも含む。一般に、この図内の矢印の指向性は、例えばＬＣパネルが位置するであろう図の上端の方向（上方）であるバックライトの出力方向に向かった（上方）、又はそれから遠ざかった（下方）光の伝搬に関してのみ重要である。図の右向きの矢印の指向性は、明瞭性のためにのみ使用されており、限定的に考慮されるべきではない。実際の光線は左方向にも伝搬し、様々な角度でも伝搬する。

バックライト４２０の動作の記述は、光源４３２から伝搬する光４６０の例示的な部分の考察と共に進行する。鏡面部分反射体４５０との相互作用において、光４６０の一部は、光４６２として部分反射体を透過し、一部は光４６４として反射する。次に光４６２は、円形モード反射偏光子４４２と相互作用する。偏光子４４２において、入射光４６２の一部が右円偏光４６６Ｒとしてバックライト４２０を透過し、一部が左円偏光４６８Ｌとして反射する。（この例において、右円透過及び左円反射とした偏光子４４２の選択は完全に任意であり、逆転させることができる。）
反射光４６８Ｌは鏡面部分反射体４５０に戻り、そこで光の一部が左円偏光４７０Ｌとして透過し、光の一部が右円偏光４７２Ｒとして反射する。鏡面部分反射体４５０からの正反射は、反射光の偏光を変換する。この変換によって、光４７２Ｒが円形モード反射偏光子４４２を透過する適正な状態となり、透過光４７４Ｒが生じる。このようにすれば、鏡面部分反射体４５０が、バックライト４２０のリサイクル用空洞の形成に役立つ。

鏡面部分反射体４５０から下向きに伝搬する光４６４及び４７０Ｌ、並びに光源４３２から下向きに伝搬する光４７６は、総じて後方反射体４３４の方向に伝搬する光を表す。この光は後方反射体４３４から反射し、総じて光４７８によって表され、これが鏡面部分反射体４５０の方向に伝搬し、そこで光４７８の少なくとも一部が右円偏光としてバックライト４２０から透過できる。このようにすれば、後方反射体４３４もまた、バックライト４２０のリサイクル用空洞の形成に役立つ。

反射光４７８の偏光は、後方反射体４３４の特性及び鏡面部分反射体４５０の下にあるその他任意の構造体の特性によって影響を受ける。発生した反射及び光が通り抜けた透明材料の複屈折の種類などの要因次第で、部分的には光４７８の偏光は、光４６４、４７０Ｌ、及び４７６の偏光状態に確定的に依存する場合があり、部分的にはある程度ランダム化される場合がある。相対的に、左円偏光４６８Ｌの鏡面部分反射体４５０からの部分反射の結果生じた右円偏光４７２Ｒは、非常に確定的に偏光できる。

円形モード反射偏光子及び鏡面部分反射体を有するバックライトシステムの性能は、鏡面部分反射体の反射率を含む種々の要因に依存するであろう。当該反射率は、本明細書内で定義した直交反射屈折値によって定量化できる。直交反射屈折値が増大すると、円形モード反射偏光子から鏡面部分反射体に伝搬する第２の偏光の光のより大きな屈折（例えば図４の４６８Ｌ）が透過可能な第１の偏光状態にある偏光子に戻ってリサイクルされるであろう（例えば４７２Ｒ）。同時に、増大した反射率は、照明装置（例えば４６０、４７８）から偏光子（例えば４６２）に到達する光の量を減衰させるであろう。輝度、又はバックライトからＬＣパネルに提供される光を表すその他の測定可能なパラメーターを最大化する目標によって、直交反射屈折値を最適化することができる。ここで、本開示のこの態様を例証する研究を説明する。

モデルシステムを使用して、鏡面部分反射体を実施するバックライトシステムの性能をシミュレートした。照明装置の上面にバックライトの構成要素の種々の組み合わせを配置し、システムの性能を測定した。照明装置は、各辺の長さが約１３ｃｍの拡散白色テフロン（登録商標）（商標）材のパネルで構成された立方体であった。光ファイバー束によって光を立方体の中に導入した。立方体内の多重反射が光を均質化する役割を果たし、立方体の表面から非常に均一かつ均質な出力が得られた。まず、照明装置単独の上面の基準値を測定した。Ｐｈｏｔｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＰＲ−６５０分光放射計を使用して輝度を測定した。基準値を測定後、照明装置の上に反射偏光子を配置し、再度測定を行った。次に、反射偏光子と照明装置との間に配置された鏡面部分反射体として機能するガラス製反射板（顕微鏡のスライド）の数を増加しながら、一連の測定を行った。円形モード反射偏光子及び線形モード反射偏光子の両方についてこの手順を実行した。円形モード反射偏光子として、日本の日東電工から入手可能なコレステリック液晶フィルム、Ｎｉｐｏｃｓ（商標）を使用した。線形反射偏光子として、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＤＢＥＦ−Ｅ及びその他類似のＤＢＥＦ改良型を使用した。

図９は、（ａ）円形モード反射偏光子を用いた、（ｂ）線形モード反射偏光子を用いた、（ｃ）偏光子を用いない、３通りのバックライトの構成について（各ガラス製プレート当たり２つの主要反射面を有する）ガラス製反射板の数の関数としての輝度又は明るさ（ｃｄ／ｍ^２、即ち「ニト」で測定）を示す。曲線９００ａは、ガラス製プレートをシステムに追加するにしたがって上昇（したがって直交反射屈折が上昇）する輝度を示し、輝度は３枚のプレートでピークを迎え、その後プレートを追加すると共に下降する。輝度の増加は、ガラス製プレートからの鏡面反射によって提供されるリサイクルの改善に起因する。３枚以降の減少は、照明装置から増加したプレートの反射積層を通って反射偏光子に至る阻害された透過に起因すると推定される。曲線９００ａに示すシステムの応答とは対照的に、曲線９００ｂによって表された線形モード反射偏光子バックライトの性能は、鏡面部分反射体の積層による反射率の増加に伴う輝度の減少のみを示す。これは予期されており、鏡面反射は線形偏光された光の偏光状態を変更しないので、この反射はこの光のリサイクルには役立たない。ガラス製プレートのみのバックライトの輝度を示す曲線９００ｃは、１枚目のプレートが追加されたときに輝度の増加を示す。これは、斜め上方に伝搬する光線のガラス製プレートの底面からのすれすれ反射に起因すると考えられる。反射して照明装置の方向に戻るこの光の幾分かは、軸上の輝度の測定値が影響を受ける垂直に近い角度で積層を通って上方に戻ってリサイクルされる。

本開示は、円偏光及び円形モード偏光子に関するバックライトの動作及び性能の態様について述べるものの、当業者であれば、完全に円偏光の純粋な偏光状態は一般的に数学的構成と考えるべきであり、実際のシステムにおいては、円偏光は一般的に、ある程度の楕円度を含むであろうことを理解するであろう。更に、本開示のバックライトの効果は純粋な円形から逸脱した偏光状態を含むシステムにおいて実現でき、したがってこのようなシステムは一般的に本開示の範囲内であると考慮すべきである。

本願で引用したすべての参照文献及び刊行物は、本開示と完全には矛盾することのない程度まで、そのすべてが引用によって本開示に明白に組み込まれる。本開示の例示的実施形態を検討すると共に本開示の範囲内の可能な変形例を参照してきた。本開示のこれらの及び他の変形例及び変更例は、開示の範囲から逸脱することなく当業者には明らかであろうと共に、本開示は本明細書に記載された例示的実施形態に限定されないことは理解されよう。したがって本開示は、冒頭に提示した特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (17)

1. バックライトであって、
   少なくとも１つの光源を含む照明装置と、
   円形モード反射偏光子と、
   前記照明装置と前記円形モード反射偏光子との間に配置された鏡面部分反射体と、を含み、
   前記鏡面部分反射体が、実質的に円形モード反射偏光子と直接偏光伝達するものである、バックライト。
2. 前記照明装置が導光器を更に含み、前記少なくとも１つの光源が、前記導光器のエッジと光学的に連結したものである、請求項１に記載のバックライト。
3. 前記円形モード反射偏光子が、コレステリック液晶層を含む、請求項１に記載のバックライト。
4. 前記円形モード反射偏光子が、
   線形モード反射偏光子と、
   前記線形モード反射偏光子と前記鏡面部分反射体との間に配置された四分の一波長リターダーと、を含む、請求項１に記載のバックライト。
5. 前記鏡面部分反射体が、前記鏡面部分反射体のそれとは異なる光学関数を有する基材上に配置された層を含む、請求項１に記載のバックライト。
6. 前記鏡面部分反射体が、前記円形モード反射偏光子上に配置されたコーティングを含む、請求項１に記載のバックライト。
7. 前記鏡面反射体が、金属被覆された部分反射体を含む、請求項１に記載のバックライト。
8. 前記鏡面部分反射体が、複数の実質的に正反射する主要面を含む、請求項１に記載のバックライト。
9. 前記鏡面部分反射体が、多層光学フィルムを含む、請求項８に記載のバックライト。
10. 前記多層光学フィルムが、１つ以上の高分子層を含む、請求項９に記載のバックライト。
11. 前記鏡面部分反射体が、少なくとも２％の直交反射屈折値を有する、請求項１に記載のバックライト。
12. 前記鏡面部分反射体が、少なくとも４％の直交反射屈折値を有する、請求項１に記載のバックライト。
13. 前記鏡面部分反射体が、少なくとも８％の直交反射屈折値を有する、請求項１に記載のバックライト。
14. 前記鏡面部分反射体が、最適化されたバックライトの輝度を生じさせるように選択された直交反射屈折値を有する、請求項１に記載のバックライト。
15. 液晶パネル及び前記液晶パネルに光を提供するバックライトを含むディスプレイであって、前記バックライトが、
    少なくとも１つの光源を含む照明装置と、
    前記液晶パネルと前記照明装置との間に配置された円形モード反射偏光子と、
    前記照明装置と前記円形モード反射偏光子との間に配置された鏡面部分反射体と、を含み、
    前記鏡面部分反射体が、前記円形モード反射偏光子と実質的に直接偏光伝達する、ディスプレイ。
16. 偏光された光を提供するバックライトであって、
    少なくとも１つの光源を含む照明装置と、
    第１の円偏光を有する光の第１の部分を透過し、前記第１の円偏光と直交する第２の円偏光を有する光の第２の部分を反射するように構成された円形モード反射偏光子と、
    前記円形モード反射偏光子から前記光の第２の部分を受容し、前記光の第２の部分の一部であり、前記円形モード反射偏光子によって透過可能な前記第１の円偏光を有する、光の第３の部分を前記円形モード反射偏光子に戻すのに好適な、前記照明装置と前記円形モード反射偏光子との間に配置された鏡面部分反射体と、を含む、バックライト。
17. バックライトを製作する方法であって、
    照明装置を提供する工程と、
    円形モード反射偏光子を提供する工程と、
    鏡面部分反射体の直交反射屈折値を選択してバックライトの輝度を最適化する工程と、
    前記選択された直交反射屈折値を有する鏡面部分反射体を、前記照明装置と前記円形モード反射偏光子との間に配置する工程であり、前記鏡面部分反射体が、前記円形モード反射偏光子と実質的に直接偏光伝達する工程と、を含む、方法。

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