JP2013545214A

JP2013545214A - 点光源からのバンディング抑制のための回転した微細光学構造

Info

Publication number: JP2013545214A
Application number: JP2013526121A
Authority: JP
Inventors: オストランド，ダニエル，ケイ．ヴァン; チョウ，イン; キクタ，マーティン，エー．
Original assignee: ユニ−ピクセル・ディスプレイズ・インコーポレーテッド
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2011-08-24
Publication date: 2013-12-19
Also published as: WO2012027441A2; WO2012027441A3; KR20130052629A; US20150029744A1; EP2609456A2; CN103201654A; TW201232059A

Abstract

縁部入射の、内部全反射（TIR）導波体に使用するための装置。装置は、基板と、基板上に備えられた複数の微細構造とを含む。各微細構造は、TIR導波体から光を抽出するための、少なくとも２つのほぼ平坦な表面を含む。複数の微細構造は基板上で擬似的にランダムに方向づけられる。装置は照明装置（例えばディスプレイのバックライト）で使用され得る。

Description

概してエッジライト方式ディスプレイバックライトにおいて、光源（冷陰極蛍光ランプ、又はLED）からの光は、導波体（また光導波路とも称される）に連結され、そして漏れ全反射（frustrate total internal reflection）（TIR）を介して導波体から抽出される。光抽出特性は、点、Ｖ字溝、又は他の微小光学構造のような、隆起又は沈降した構造を含み得る。光を導波体から出射して視聴者に向けて方向づけるために反射面として設計されるとき、微小光学構造の側面は多くの場合において“鏡”又は反射効果を作り出し、それにより個々の光源（つまり個々のLED）が視聴者に映される。これは、カラーシーケンシャルディスプレイで使用される３色のLED（赤、青、緑）の場合はカラーバンディングからの不要な光学的なアーティファクト、又は白色LEDの場合は明るい白色のバンディングを生じ得る。

平坦で発光する用途（例えばLCDバックライト、TMOS（商標登録）ディスプレイ、一般的なライティングパネル）のいくつかのエッジライトにおいて、光を抽出するために使用される微小光学構造の形状によっては、カラーバンディングのアーティファクトが残念ながら非常に明白にされ得る。

本発明の例示の実施形態の詳細説明のために、ここで添付の図面を参照されたい。
様々な実施形態によるディスプレイシステムで使用可能な側面光を伴う導波体の斜視図である。様々な実施形態による図１の導波体の表面上にある微細構造の斜視図である。様々な実施形態による、図１の導波体の動作を示す図である。少なくともいくつかのディスプレイシステムのバンディング問題の特徴を示す図である。導波体で使用可能な一つの好ましい微細構造を示す図である。導波体で使用可能な他の好ましい微細構造を示す図である。図４のバンディング問題を低減または除去するために導波体上に擬似的なランダムな方法で方向づけられた、導波体微細構造の好ましい実施形態を示す図である。

以下の議論は、本発明の様々な実施形態に向けられる。これらの実施形態のうち１つ以上が好ましいことがあるが、開示の実施形態は、請求項を含む開示の範囲に限定して解釈、又は使用されるべきではない。加えて、当業者は、以下の説明は広域の用途を有し、実施形態の議論はその実施形態の例示のみを意味し、請求項を含む開示の範囲をその実施形態に限定することを暗示する意図はないことを理解するであろう。

図１はライトパネル２６が隣に設置され得る導波体１２を表す。導波体１２は概して透明で、ガラス、プラスチック、又は他の適切な材料から製作される。ライトパネル２６は、発光ダイオード（LED）、冷陰極蛍光ランプ（CCFL）、又は他のタイプの光源のような、１つ以上の光源２８を含む。導波体１２の隣に設置されたライトパネル２６によって、各光源２８は側面から導波体１２に光を入射する。故に導波体１２はエッジライト方式である。

導波体１２は概して、光源２８からの光線が導波体の内面に反射する、内部全反射（TIR）現象を起こす。微細構造２０は導波体１２で使用するための装置の一部として含まれる。装置は、微細構造が形成される、又は微細構造２０が粘着される基板を含む。装置の基板が導波体そのもの１２の外面を含む場合があり、又は基板がフィルムの形態でもたらされる場合がある。もし装置の基板が導波体そのものの外面である場合、微細構造は導波体に直接パターン化される。しかし、フィルムとしては、微細構造２０がフィルムの一部として形成され、そしてそのフィルムが導波体１２に粘着される。適切なフィルムは粘着剤の層を有する粘着性フィルムを含み得る。若しくは、ファン・デル・ワールス力（つまり非常に滑らかで平らな表面）、光学的結合中間層、圧力（例えば、物理的な力、気圧差又は減圧、静電気力、磁力など）、融解（熱、音波、又は化学的な）などを通して、フィルムが基板に結合され得る。

各微細構造２０は、導波体内からの、及び光源２８を起点とする光を、導波体の最も大きい表面の平面に対してほぼ垂直な（直角な）方向に、導波体１２から反射して出射する。このように、各微細構造２０は導波体１２から光を抽出する。そして、抽出された光は例えば、液晶ディスプレイ（LCD）パネルのようなディスプレイを点灯するために使用できる。概して、導波体１２はいかなるタイプの照明システムの一部としても使用できる。図３Ａ及び３Ｂは導波体１２及び微細構造２０の光学をより詳細に説明するために使用される。導波体１２は光入射面１４の反対にある後面１６を有する。いくつかの実施形態において、後面１６は鏡面を含む、又は鏡面と対にされる。代わりに、後面１６はコーティングされない場合がある。

図２はいくつかの微細構造２０の拡大詳細図を図示する。図２の実施形態において、各微細構造２０は台形錐台（又は截頭角柱）を含み、故に断面形状は台形である。図１及び２の実施形態において、微小構造２０は概して一様に方向づけられた方法で配置される。

図３Ａ及び３Ｂは導波体１２の側面概略図を図示する。導波体１２はプラスチック、ガラス、又は他の適切な材料で製作され得る。微細構造２０は、導波体の上面に粘着されるフィルム５０ａ（図３Ａ）及びフィルム５０ｂ（図３Ｂ）の一部としてもたらされる。微細構造２０同士の間にある三角形の領域２１は空気を含む。フィルム５０ａ、ｂは複数の微細構造２０が結合される、又はこのような微細構造が形成される基板を含む。いくつかの実施形態では、フィルムは微細構造を有し、該微細構造はフィルム内に窪んでおり導波体１２に隣接して位置し（図３Ａの例のように）、一方で他の実施形態では、前記微細構造はフィルムから隆起され、導波体と反対のフィルムの側に位置する（図３Ｂの例のように）。図３Ａに示されるように、フィルム５０ａは、導波体上にあるとき、微細構造２０がそのより広い表面が導波体に向いた状態で位置するように構築され、一方で図３Ｂでは、フィルム５０ｂは、導波体上にあるとき、微細構造２０がそのより狭い表面が導波体に向いた状態で位置するように構築される。

フィルム５０ａ、ｂは導波体の上側、底側、又は両側に位置することがある。単一の光源２８が右方に示され、導波体内に光を入射する。２つの光波の進行する方向が、図３Ａ及び３Ｂで数字３０及び３６を参照して示される。光波３０は導波体の底面で反射し、そして導波体から光を抽出する微細構造２０の１つに接触するように進む。この断面図において、各微細構造２０は図３Ａに示されるように２つの傾斜した側面４０ａ及び４２ａ、そして図３Ｂに示されるように側面４０ｂ及び４２ｂを含む。光波３０は微細構造２０の遠位側面４０ａ／４２ｂ（光源２８に対して遠位）に接触する。側面４０ａ／４２ｂの角度は、その側面で反射する光３１が、導波体１２の平面に対してほぼ直角な方向に、フィルム５０ａ、ｂから出射するように設定される。

図３Ａ及び３Ｂに示されるように、光波３６は導波体の１２の底面で反射し、そして上面、ただし微細構造２０によって占領されていない場所に接触する。導波体１２のTIR特性は鏡面であり、それにより同様に光をその表面で反射させる、後面１６に接触するまで、光を底面又は上面に反射させる。そして光３６は、示されるように、微細構造２０に接触するまで導波体を横切り始める。光波３６は、導波体１２の平面に対してほぼ直角な方向に光（光３７）を反射する微細構造２０の側面４２ａ／４０ｂの近位に接触する。このようにして、微細構造２０は光を導波体から抽出させる。全ての抽出された光が同じ導波体の面から抽出される必要はない。例えば、微細構造の形状及び特定の光線の角度によっては、このような光は光源２８から表面４０ｂで反射し、そして導波体を横切り、微細構造が位置するのと反対側から出射する場合がある。

本明細書で議論される様々な実施形態における微細構造の各々は、光を導波体１２の外に反射し屈折させる少なくとも２つの概ね平坦な表面を含む。いくつかの実施形態では、概ね平坦であるとは、導波体の表面のように微細構造の側壁が平ら又は平坦であることを意味する。これらの微細構造に対する製造技術が入手可能であるとしても、これらの表面を精確に平坦にすることは可能でない場合がある。微細構造の角部は丸みを帯びている場合があり、表面の平均粗さはゼロでない場合があり、又は表面は凸面若しくは凹面のいずれかにわずかに曲げられる場合がある。しかし、微細構造の表面がより平らで、より滑らかであるほど、より効率的に導波体を出射する光の向きを変える。

導波体１２に入射され、多数の密集した微細構造２０の側壁の角度と組み合わされる光の角度の範囲は、光を導波体表面に対して垂直に近い方向からの或る範囲の角度（例えば、90°を含む）で、導波体１２の外に出す。このような光は、例えば液晶ディスプレイ（LCD）のようなディスプレイをバックライトで照らすのに使用され得る。照明システムが側面にあり、ディスプレイの背後にないので、結果として得られるディスプレイシステムの全体の厚さは、CCFLバックライトディスプレイより薄い。

しかし、点光源（LEDなど）で点灯される少なくともいくつかのエッジライト方式ディスプレイシステムにおける問題は、“バンディング”又は光強度の変動である。図４はバンディング問題を概念的に図示する。３つの光源２８が導波体１２に隣接して示される。微細構造２０の傾斜した側面４０及び４２は平らで、導波体１２から光を反射して出射する鏡（つまり、高度の鏡面反射）として作用する。微細構造２０は図４で示されないが、微細構造は図４に示される導波体の前面（図４には図示されない）上に、横方向に（左から右に）延び、光源２８が置かれる導波体の面に対して直角に向けられる。微細構造は概して肉眼では見えなほどの小さな寸法を有する。各光源２８からの光が微細構造２０の側壁に接触すると、図３に関して上述で説明されたとおり、光は上向きに反射され、導波体の外に（視聴者に向かって）出射する。微細構造２０は、視聴者に対して微細構造２０で覆われた導波体１２の表面全体が発光しているように見えるように、互いに十分近くに間隔をあけられる。しかし、微細構造１２の側壁は平らで、鏡のように鏡面的に反射するので、正味の影響は、光源２８の各々と視聴者の目との間の経路にある光の‘バンド’６０強度が、鏡の電球の反射を見ているようにより高くなることである。光が後面の鏡面１６に反射すると、もう１つの光のバンド６２が同様に生成される。バンド６２より太い線で表現されるバンド６０によって表わされるように、初期の光のバンド６０は反射された光のバンド６２より明るい。

図５及び６は好ましい実施形態に従う、使用可能な微細構造の２つの例を図示する。少なくともいくつかの実施形態において、微細構造は大きさ及び形状が全てほぼ同様である。図５において、微細構造７０は前述のとおり、台形錐台である。長さはＬ１で、高さはＨ１で表現される。台形断面の長底辺の幅はＷ１として表現され、台形の短底辺の幅はＷ２である。Ｌ１、Ｈ１、Ｗ１、及びＷ２の寸法は様々な要望及び用途に適するようにカスタマイズすることが可能である。しかし、いくつかの実施形態では、Ｌ１は４から1000ミクロンの範囲で、Ｈ１は1.5から105ミクロンの範囲で、Ｗ１は4から400ミクロンの範囲で、そしてＷ２は2から150ミクロンの範囲である。軸７５は図示のとおり、微細構造７０の長さＬ１に沿って延びる。短底辺（Ｗ２）は導波体１２に接触する側である。

図６は、截頭六角錐台（又は截頭六角柱）の形態の微細構造８０を図示する。微細構造８０の上面８４及び底面８６は六角形で、六角形の上面８４は六角形の底面８６より大きい。より小さな六角形の底面８６が導波体１２に接触する。上面８４の直径はＬ２として表現され、底面８６の直径はＬ３として表現され、微細構造１２の全体の高さはＨ２である。Ｌ２、Ｌ３、及びＨ２の寸法は、要望に応じて変化させることが可能である。少なくともいくつかの実施形態に従って、Ｌ２は3から300ミクロンの範囲で、Ｌ３は2から150ミクロンの範囲で、そしてＨ２は1.5から105ミクロンの範囲である。軸８５は上面８４の２つの向き合う辺８２を二等分し、上面８４の中心を通るように延びる。

微細構造はいかなる適切な形状も含み得る。適切な形状の例は、三角形、台形（図５）、四角形、五角形、六角形（図６）、八角形、又は多角形の錐台を含む。

上記の通り、微細構造の各々は、導波体１２から光を抽出するための少なくとも２つのほぼ平坦な反射面を含む。微細構造７０（図５）は２つのそのような表面４０、４２を含み、一方で微細構造８０（図６）は６つのそのような表面８９を含む。

微細構造が全て同じ方向であるとき、微小光学反射面からの連結した反射が前述の望ましくない光のバンディング効果を生み出す。様々な好ましい実施形態に従い、導波体にもたらされる微細構造は故に、図７及び８に図示されるように、ランダムな又は擬似的なランダムな方法で方向づけられる。図７は、導波体１２上に並べられた多数の微細構造７０の軸７５を図示する。微細構造７０そのものは、微細構造の方向をよりよく示すために、図示されていない。図８において、六角形形状の微細構造８０の方向は、軸８５の擬似的なランダムなの方向で示されるように構成される。

六角形の隣り合う辺の間の角度は60°である。回転された六角形形状の微細構造を製作するときに、ランダムな回転は60°の範囲に渡って変化させるのが必要なだけであり、それ以上は単に既にしたことの繰り返しである。各六角形の微細構造（又は微細構造の群）は隣り合う六角形微細構造に対して方向を変えられ、いくつかの実施形態で1−59°の間で変化する。長方形の隣り合う辺の間の角度は90°である。それ故に、いくつかの実施形態において回転された長方形の微細構造を製作するときに、ランダムな回転は、隣り合う長方形微細構造同士、又は長方形微細構造の近隣する群同士の間で1−89°の間で変化する。各方向における微細構造の数がほぼ（例えば、10％以内で）同じで、各方向における微細構造の分布がほぼ均一なときに、十分なランダム化または擬似的なランダム化が得られる。異なる角度方向の数は、使用される微細構造の側壁の数、並びに光源の数及び位置によって変化し得る。

上述のように、近隣する微細構造は互いに角度をつけて方向づけられることがあり、角度は隣り合う微細構造の間でランダムに変化する。さらに、微細構造の群は、共通して方向づけられた微細構造を有する各群を備えている場合があるが、微細構造の近隣する群は互いに対してランダムに角度を付けられる。

光抽出微細構造の方向のランダムな特性により、様々な微細構造の異なる側面が光を受け反射する。従って、光は異なる角度の方向に反射され、それにより上記のバンディング問題を抑え、又は除去する。

いくつかの実施形態に従い、微細構造２０、７０、及び８０は、ダイヤモンド旋盤又は他の適切な工程を使用して、エンボス加工のマスタ上に形成され得る。このエンボス加工のマスタは、微細構造のパターンをポリウレタン（熱エンボス加工）又はPET（紫外線硬化性）などの薄い高分子フィルムに転写するために、従来の熱エンボス加工又は紫外線硬化性エンボス加工工程で使用できる。各微細構造は、少なくとも２つの面を持つのが好ましい。台形角柱及び截頭八面体角柱が図５及び６に示されるが、他の形状も同様に使用することができる。

上述のように、導波体上の微細構造の方向を擬似的にランダムに変化させることで、バンディングが低減される。他の実施形態では、湾曲した表面を有する微細構造（例えば、截頭円錐又は円錐台）を使用でき、このような構造は概して、もしバンディングがあっても、ほとんど無い結果になる。しかし、真直な（湾曲のない）側面及び辺を有する、擬似的にランダムに方向づけられた光を抽出する微細構造は概して、導波体からの光が、湾曲した微細構造が使用される導波体からもたらされる光より、高い輝度を有する（つまりより明るい）結果になり、その理由は側面が湾曲した微細構造を使用するときは、導波体からの光のほとんどを抽出することを要求される微細構造そのものの中に、概して複数の跳ね返りが存在するという事実による。より低い光の抽出効率は、主に、構造の湾曲表面による複数の跳ね返り（各跳ね返りによる吸収、分散、反射、及び屈折）からの損失による。

Claims

縁部入射内部全反射（TIR）導波体に使用するための装置であり、
基板と、
該基板に設けられた複数の微細構造とを含み、
該各微細構造は前記TIR導波体から光を抽出するように位置する少なくとも２つのほぼ平坦な表面を含み、
前記複数の微細構造は、前記基板上で擬似的にランダムに方向付けられている、
装置。
前記微細構造は三角形、台形、四角形、五角形、六角形、八角形、又は他の多角形の錐台から選定される形状を有する、請求項１の装置。
前記微細構造は前記基板から隆起される、請求項１の装置。
前記微細構造は前記基板内に窪んでいる、請求項１の装置。
前記基板はフィルムの一部である、請求項１の装置。
前記基板は前記導波体の外面を含む、請求項１の請求項１の装置。
前記各微細構造は、截頭六角形錐台、截頭六角形角柱、長方形、五角形、八角形、及び三角形からなる群から選定される形状を含む、請求項１の装置。
隣り合う微細構造は互いに対して角度をつけて方向付けられており、前記角度は1から59°の間で変化する、請求項１の装置。
前記微細構造の群は互いに対して角度をつけて方向付けられており、前記角度は1から59°の間で変化する、請求項１の装置。
前記隣り合う微細構造は互いに対して角度をつけて方向付けられており、前記角度は1から89°の間で変化する、請求項１の装置。
前記微細構造の群は互いに対して角度をつけて方向付けられており、前記角度は1から89°の間で変化する、請求項１の装置。
前記各微細構造は六角形で、前記隣り合う微細構造は互いに対して角度をつけて方向付けられており、前記角度は1から59°の間である、請求項１の装置。
前記各微細構造は長方形の表面を有し、前記隣り合う微細構造は互いに対して角度をつけて方向付けられており、前記角度は1から89°の間で変化する、請求項１の装置。
各方向における微細構造の数がほぼ同じであるように、前記複数の微細構造は前記基板上で擬似的にランダムに方向づけられる、請求項１の装置。
縁部入射光を受けるように構成される導波体と、
前記導波体に擬似的なランダムな方向で配置される複数の微細構造とを含み、
前記各微細構造は前記導波体から光を抽出するように位置するほぼ平坦な少なくとも２つの平坦な表面を含む、
システム。
前記微細構造は三角形、台形、四角形、五角形、六角形、八角形、又は他の多角形の錐台から選定される形状を有する、請求項１５のシステム。
前記微細構造は前記基板から隆起される、請求項１５のシステム。
前記微細構造は前記基板内に窪んでいる、請求項１５のシステム。
微細構造はフィルムの一部として導波体に配置される、請求項１５のシステム。
前記基板は前記導波体の外面を含む、請求項１５のシステム。
前記各微細構造は、截頭六角形錐台、截頭六角形角柱、長方形、五角形、八角形、及び三角形からなる群から選定される形状を含む、請求項１５のシステム。
隣り合う微細構造は互いに対して角度をつけて方向付けられており、前記角度は1から59°の間で変化する、請求項１５のシステム。
前記微細構造の群は互いに対して角度をつけて方向付けられており、前記角度は1から59°の間で変化する、請求項１５のシステム。
前記隣り合う微細構造は互いに対して角度をつけて方向付けられており、前記角度は1から89°の間で変化する、請求項１５のシステム。
前記微細構造の群は互いに対して角度をつけて方向付けられており、前記角度は1から89°の間で変化する、請求項１５のシステム。
前記各微細構造は六角形で、前記隣り合う微細構造は互いに対して角度をつけて方向付けられており、前記角度は1から59°の間である、請求項１５のシステム。
前記各微細構造は長方形の表面を有し、前記隣り合う微細構造は互いに対して角度をつけて方向付けられており、前記角度は1から89°の間で変化する、請求項１５のシステム。