JP2015533228A - 改善されたディスプレイコンポーネントを提供するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

ディスプレイシステムのための、特に拡散光を発生するための、１つ以上のコンポーネントを提供するための方法及び装置。

Description

関連出願の説明

本出願は２０１２年１０月８日に出願された米国仮特許出願第６１/７１０９７５号の米国特許法第１１９条の下の優先権の恩典を主張する。上記仮特許出願の明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含められる。

本開示は、ディスプレイシステムのための１つ以上のコンポーネントを提供するため、特に拡散光を発生するための、方法及び装置に関する。

拡散光を生成するために用いられる従来のコンポーネントは拡散ガラスを含んでおり、拡散ガラスはディスプレイ産業において多くの用途に用いられている。そのような用途には、縁無しテレビジョンシステム、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、電気泳動ディスプレイ（ＥＰＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、微小電気機械構造（ＭＥＭＳ）ディスプレイ、電子リーダー（ｅリーダー）デバイス、及びその他がある。

しかし、市販の拡散ガラスは新興ディスプレイ産業に対するいくつかの新しく重要な要件を満たさないことが分かった。

さらに薄く、さらに軽量で、さらにエネルギー効率が高いディスプレイの複合効果への欲求はいわゆる半透過型ディスプレイの開発に至った。半透過型ディスプレイはほとんどの部分が半透明であり、商業的にいくつかの場所に実装されている。（本明細書において半透明型ディスプレイと称されることもある）半透過型ディスプレイの注目される用途には、自動販売機の扉、冷凍庫の扉、小売広告、拡張現実スクリーン、自動車産業におけるヘッドアップディスプレイ、オフィス用スマートドア、携帯型民生用電子機器、及びセキュリティ監視がある。

しかし、半透明型ディスプレイではいくつかの性能特性が低くなり易い。従来の半透明型ディスプレイには、屋内及び屋外のいずれでも用いられる万能性をディスプレイに与える、透過性媒体及び反射性媒体のいずれもが組み込まれる。得られる「半透過反射媒体」には、金属上開口、ハーフミラー金属板、多層誘電体膜、直交偏光半透過反射体、等を含めることができる。しかし、実施形態には無関係に、これらのいわゆる半透過反射型ディスプレイには多くの短所がある。実際、そのようなディスプレイは光をある程度しか透過及び反射しないから、ディスプレイのコントラスト比が大きく制限される。例えば、市販の半透明型ディスプレイは約１５％の透過率しか提供せず、反射の性能はさらに一層低い。屋内装置において、従来の半透過型ディスプレイには低い明るさの問題があるだけでなく、反射性コンポーネントが周囲光景をあまりのも反射し過ぎて、最終的には表示されるべき主要な情報を歪めてしまう。さらに、画像がディスプレイの天然透明色と混合されるから、演色性が問題になる。

最も実用的な用途に対し、半透明型ディスプレイには（透明バックライト素子による）バックプレーン照明の支援が必要である。半透明性を維持するため、バックライトはオフ状態において十分に透明であり、オン状態において十分に明るくなることが必要である。さらに、透明バックプレーンの使用は従来の反射性媒体の使用を無効にし、したがって反射性媒体を排除することにより、画像の明るさ及び画像の品質のいずれをも大きく向上させることができる。

しかし、バックプレーン照明源を備えるための既存の技術は、市場のいくつかのコスト上及び性能上の要求を満たすには十分でないことが分かった。

透明バックプレーン
１つ以上の実施形態にしたがえば、新規なマスクレスエッチングにより、半透明型ディスプレイ用途におけるバックプレーンとしての用途を含む、あらゆる用途に用いることができる、拡散ガラス構造が作製される。方法は、ガラス基板の表面内及び／または表面上にナノメートルサイズの無秩序構造を含む光散乱領域を形成するための、低コストで、極めて制御性が高い、プロセスを含む。光散乱領域は得られる拡散ガラス構造の光散乱特性を極めて向上させる。動作において、光はガラス基板に導入され、ガラス基板内を導波路態様で伝搬して、光散乱領域に入射する。それに応じて光は散乱し、所望の光学特性にしたがって拡散ガラス構造からでる。

本開示で考えられる方法形態は、照明用途のためのガラス基板にテクスチャをつけるための、湿式化学エッチングプロセス及び、上述した半透明型ディスプレイ用途のような、そのプロセスで作成された物品を含む。化学エッチングプロセスは、氷酢酸（ＧＡＡ）と約４０％フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ）水溶液の混合物を含むエッチング浴内におけるガラス基板のエッチングを含む。得られる拡散ガラス構造はテクスチャ付平坦ガラス基板であり、ガラス材料は、全てコーニング社(Corning, Inc.)から入手できる、コード２３１８ガラス，Ｅａｇｌｅ ＸＧガラス，ソーダ石灰ガラス、等とすることができる。照明用途に対し、テクスチャ付ガラスは、エッチャントの組成、及びエッチング時間のような、プロセスパラメータを制御することで最適化することができる。

透明バックプレーンを備えるディスプレイシステム
本開示の１つ以上の実施形態にしたがえば、ディスプレイシステム用バックプレーンとして拡散ガラス構造を作製するための方法及び装置が開発されている。

半透過型（半透明型）ＬＣＤテレビジョンのような、従来の半透明型ディスプレイシステムがデジタル看板及びデジタル広告用に市販されている。これらのディスプレイシステムはオフ状態では（すなわち、付帯するＬＣＤ素子駆動エレクトロニクスによって画像が指令されていないときには）半透明である。半透明特性を維持するため、これらの従来のディスプレイシステムは、ＬＣＤを励起するための光を発生するために、不透明な光学バックプレーンを用いてはいない。代わりに、ディスプレイシステムは、オン状態において（すなわち、付帯エレクトロニクスが画像を指令しているときに）、背景の周囲光を用いる。したがって、ディスプレイスクリーンの背後にある（商品のような）物体を、ディスプレイシステムを通して見て、眺めることができる。同時に、スクリーンのいくつかの領域（またはスクリーン全面）上の、商業用途においてはスクリーンの背後の商品に関係付けられるであろう、視覚情報を受け取ることもできる。

しかし、半透明型ディスプレイシステムにともなう重大な問題は、そのようなディスプレイがとりわけて透明であるとはいえないことである。実際、測定により、そのようなディスプレイの透過率は約１５％に過ぎないことが示されている。したがって、比較的高レベルの周囲光をスクリーン近くに与えなければならないことが多く、これは必ずしも実行可能ではなく、あまりにも多くの理由から望ましいことでさえない。この結果、色、コントラスト比、等の非一様性のような、ディスプレイ面内の画像品質の一様性に関して多くの問題が生じる。

したがって、本開示の１つ以上の別の実施形態にしたがえば、透明型ディスプレイシステム用に、透明バックプレーンが提供される。透明バックプレーンは拡散ガラス構造に関連して上で論じたコンポーネントのいくつかまたは全てを用いて形成される。拡散ガラス構造は半透明型ディスプレイシステムに配置され、光はその１つ以上の縁端に沿って、及び／またはその１つ以上の境界に沿って、導入される。光はガラス板内を導波路態様で伝搬し、光散乱領域に入射する。よって、光は散乱して透明バックプレーンからでて、半透明型ディスプレイシステムのＬＣＤを照明する。したがって、透明バックプレーンは半透明型ディスプレイシステムのＬＣＤ素子に対する光源を改善する。散乱素子は適する光の波長及び角度無依存ＬＣＤ励起を提供するために形成される。さらに、散乱素子は、ディスプレイ素子の各領域がオフ状態にあるときにバックプレーンの（それを通して視認することができる）高レベルの透明度を達成するに十分に低い、適するヘイズ比を生じる。

以下に挙げられる利点は（透明バックプレーンのような）拡散ガラス構造及び／またはそのような構造の形成に用いられるプロセスのいずれにも関する。

透明バックライトとしての使用において、拡散ガラス構造は透明型ディスプレイの明るさ、機能及び視角を高めるに肝要な追加の照明を与えるであろう。

透明バックライトの付加は半透明型ディスプレイにおける反射性媒質の必要を排除するであろう（これは反射型ディスプレイの主要な欠点を排除する）。したがって、半透明型ディスプレイは透過モードだけで作動し、よって眩輝及び反射によるいかなる画像の歪みも排除する。反射性媒質の排除の別の利点は大きく改善された（完全に近づく）カラーバランスの維持にある。従来の半透過型素子を用いると、反射ビームは２回カラーフィルタを通過するが、透過ビームは１回しか通過せず、この結果、ＲモードとＴモードの間でカラーアンバランスが生じる。透過専用モードで作動させることで、半透明型ディスプレイはより優れた画像描画品質を有するであろう。さらに、設計者が半透明型ディスプレイに反射性媒体を維持するとしても、透明バックライトによる照明があると、透過光が反射光を圧倒し、よって見る人には周囲光のいかなる反射も見えなくなる。

さらにまた、透明バックライトとしての使用において、拡散ガラス構造は拡散ガラス構造内への注入光の調整による色忠実度の向上を提供する。そのような調整が半透明型ディスプレイの自然色調と混合するための色の選択を含む場合、ディスプレイの色忠実度が改善される。さらに、１つ以上の別の実施形態において、光注入は、瞬時純色量に基づいてシーンカラーを強めるために（光注入源を調整する、例えば異なる色のＬＥＤを制御する、ことで）適応可能であり得る。

テクスチャ付ガラスの作製のためのエッチング手法の第一義的な利点は工業的な量で普通に入手できる化学薬品を用いる湿性溶液しか必要ではないことであり、これは、研磨エッチングプロセス、エッチング粒子プロセス及び／またはエッチングクリームプロセスのような他の手法に比較して、プロセスコストをかなり低める。新規なエッチング手法に必要な溶液は、一般的ではあるが非常に危険なフッ酸成分も含まず、この結果、生産に対してより一層安全な混合液が得られる。本プロセスの結果、上述したエッチングクリームのような、幾つかの他のプロセスと比較して、幅の狭い横方向構造寸法分布が得られる。

建築用途において、拡散ガラス構造は屋内照明及び屋外照明のいずれにも用いることができる。例えば、透明バックプレーンは天窓として用いることができ、この場合、テクスチャ付ガラスは天候条件に比較的影響されないであろう。天窓としての使用の利点には、風化作用による褪色への強い耐性及び夜間のような、低照度条件において（単に日光を通すのではなく）、追加の照明を与えるための、人工光を提供することができる能力がある。

さらにまた、拡散ガラス構造を作製するためのプロセスは、プロセス前及びプロセス後のいずれのイオン交換処理とも適合する。イオン交換による化学的強化ガラスの使用は、半透明型ディスプレイのＬＣＤ板のような、他の脆弱な構造に保護を与えるために用いることができる。

他の手法に比較して、新規なプロセスにしたがって作製された拡散ガラス構造を用いて得られる照明は、極めて一様であり、光透過率が高く、作製できる基板の大きさに理論的限界はない。

透明バックプレーンとしての使用において、得られる拡散ガラス構造は、高められた明るさ，（オフ状態における）透明度の維持、改善された光一様性、改善された光の波長及び入射角、改善された色座標、及び比較的簡単で費用効果の高い入力光学系も示す。

当業者には、添付図面とともになされる本明細書の説明から、本開示の実施形態の他の態様、特徴及び利点が明らかであろう。

説明の目的のため、現在好ましい形態が図面に示されているが、図示される精確な構成／配置及び計装に実施形態が限定されないことは当然である。

図１は本開示の１つ以上の実施形態にしたがう光拡散構造の側断面図である。 図２は図１の光拡散装置の正面図である。 図３は、図１の光拡散装置を作製するために実施することができる、プロセス工程を示すフローチャートである。 図４Ａは、図１の光拡散装置の作製プロセスをさらに説明する、中間構造の側断面図である。 図４Ｂは、図１の光拡散装置の作製プロセスをさらに説明する、中間構造の側断面図である。 図４Ｃは、図１の光拡散装置の作製プロセスをさらに説明する、中間構造の側断面図である。 図５Ａは光拡散装置の表面にエッチングでつくり込まれた光散乱素子の画像を示し、画像は第１のエッチング条件の結果を示している。 図５Ｂは光拡散装置の表面にエッチングでつくり込まれた光散乱素子の画像を示し、画像は第１のエッチング条件とは異なる第２のエッチング条件の結果を示している。 図６は、異なる作製条件にかけられた、多くの異なる光拡散装置サンプルの表面にエッチングでつくり込まれた光散乱素子の多くの光学特性を列挙している表である。 図７は、１つはイオン交換プロセスにかけられている、２つの光拡散装置の表面にエッチングでつくり込まれた光散乱素子の光散乱特性のグラフである。 図８は、異なる作成条件にかけられた、多くの光拡散装置サンプルの光散乱層の表面硬度特性の表である。 図９は、異なるコーティングパラメータを用いて被覆された、多くの光拡散装置サンプルの表面にエッチングでつくり込まれた光散乱素子の光散乱特性のグラフである。 図１０は、本開示の１つ以上の実施形態にしたがう、光拡散装置及び複数の電子ディスプレイ素子を用いるディスプレイシステムの側断面図である。 図１１は、光源を含む、本明細書に開示される光拡散実施形態の一部の簡略な部分図である。 図１２は、ファイバ光源を含む、本明細書に開示される光拡散実施形態の簡略な側面図である。 図１３は本開示の１つ以上の実施形態にしたがう光拡散コンポーネントを用いるディスプレイシステムの略図である。 図１４は、図１３のディスプレイシステムの、なお一層の詳細の略図である。

同様の数字が同様の要素を示す図面を参照すれば、１つ以上のディスプレイシステムへの様々な光学コンポーネントの提供に関連して用いるための多くの特徴及び方法形態が図に示されている。

光拡散構造
図１〜２を参照すれば、ディスプレイシステムまたは他の用途のために、本開示の１つ以上の実施形態にしたがう拡散装置１００を用いて光を処理することができる。一般に、拡散装置１００は、構造の１つ以上の縁端または境界から光を受け取り、ガラス構造内で光を伝搬し、光を拡散及び散乱して（図２に矢印で示されるように）有用な目的のために構造の前面から出す。

拡散装置１００は、相互に隔てられた、第１の平坦表面１０４及び第２の平坦表面１０６を有するガラス基板（またはガラス板）１０２を有する。本明細書で後に明示的にまたは内在的に開示される処理パラメータに耐え得る、適するいかなる市販ガラス板も用いることができる。拡散装置１００は、ガラス板１０２の第１の表面１０４の上及び／または内に配された、複数の、サブミクロンサイズ（例えばナノメートルサイズ）の、好ましくは無秩序に配置された、（光散乱層と見なすことができる）光散乱素子１１０を有する、少なくとも１つの散乱層も有する。

二点鎖線の矢印で示されるように、光はガラス板１０２に入って伝搬し初め、光線が散乱素子１１０に当たるまでガラス板１０２を通って伝搬することができる。ガラス板１０２及び散乱素子１１０の光学特性にしたがい、光は散乱して拡散装置１００からでる。光学特性は一般に（散乱層１１０の深さに依存して）表面散乱型または体積散乱型であり、散乱素子１１０を作成するためのプロセスによって制御することができるであろう。

複数の散乱素子１１０の大きさが拡散装置１００の光散乱特性に影響することが分かっている。特に、比較的小さい素子１１０は光を後方に、また前方にも散乱する。約１５０ｎｍ以上の粒子は光を主に前方に散乱し、これは拡散装置１００において一般に望ましい。実際、主に前方への散乱は装置１００における高透過率及び適切なヘイズ比を助長する。さらに詳しくは、素子１１０の普通寸法は、高透過率を達成するため、約２００ｎｍのオーダーとすべきである。実際、素子１１０の最小寸法が小さくなると、光は後方散乱されるようになり、この結果、透過率が悪影響を受けるであろう。約５００ｎｍより大きな寸法の素子１１０は光を前方に散乱するが、角度幅が小さく、これはあまり望ましくない。上述の光散乱特性を散乱素子寸法の関数とすれば、散乱素子１１０の近似最小寸法は、（ｉ）約１００ｎｍから約５００ｎｍの間、（ii）約２００ｎｍから約３００ｎｍの間、及び（iii）約２５０ｎｍの内の１つになり得る。

拡散装置１００の光散乱特性は、ガラス板１０２，散乱素子１１０及び、本明細書で後に論じられる、オーバーコート材料のそれぞれの屈折率の影響も受ける。ガラス板１０２（及び必要に応じる、オーバーコート材料）はおそらく、約１.４〜１.６のオーダーの屈折率を有するであろう。

拡散装置を作製するための方法形態
図３並びに図４Ａ，４Ｂ及び４Ｃを次に参照する。図３は拡散装置１００（及びその異形態）の作成に関連するプロセスフロー／工程を示すフローチャートであり、図３Ａ，３Ｂ及び３Ｃは拡散装置１００を作製にともなう方法形態をさらに示す中間構造の高水準の略図である。

処置３０２において、ガラス板１０２がエッチング工程の準備のために処理される。詳しくは、所望の厚さ及び／または平坦度を得るために研削及び研磨することができ、及び／またはそうではなくとも寸法を合わせることができ、その後洗滌することができる（図３及び図４Ａを参照）。次に、処置３０４において、ガラス板１０２の、エッチングされるべきではない、表面１０６に（好ましくは表面全体にわたって）耐エッチング性または防エッチング性の保護フィルム１０６Ａが貼り付けられる（図３及び図４Ａを参照）。次に、処置３０６において、ガラス板１０２の、エッチングされるべき、少なくとも表面１０４が、吸着有機汚染物のような、汚染物を除去るためのプロセスにかけられる。そのようなプロセスには、ＵＶオゾン発生器に構造体を入れることで表面１０４をオゾンにさらす工程を含めることができる。

次に、処置３０８において、ガラス板１０２の表面１０４が、氷酢酸（ＧＡＡ）とフッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｈ）の１つ以上の比の混合液を含むエッチング浴にさらされることで、エッチングされる（図３及び図４Ｂを参照）。例えば、エッチング浴は氷酢酸（ＧＡＡ）とある％濃度のフッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｈ）の混合比として定めることができる。混合比は約１：１から９：１の間とすることができる。フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｈ）の％濃度は約２０％〜５０％とすることができ、４０％が好ましい。エッチング時間は約３０秒と約１５分の間の範囲とすることができるが、そうすれば所望の結果が得られるのであれば他の時間を用いることができる。温度は室温またはいくらか高められた温度とすることができる。ここでも、エッチング時間及び温度は得られる散乱素子１１０の最小寸法、形状及び分布に影響するであろう。実際、エッチング組成、エッチング時間及びエッチング温度は、得られるエッチングされたガラス板１０２の表面テクスチャを定める、肝要なプロセス変数である。

処置３１０において、ガラス板１０２の少なくとも（今では散乱素子または散乱層１１０を有する）表面１０４は、エッチングプロセス中に導入された材料の望ましくない残留物を除去するため、脱イオン水中リンスのような、リンス処理を受ける。

必要に応じる工程として、ガラス板１０２は処置３１２においてイオン交換プロセスを受けることができる。そのようなプロセスが望ましければ、プロセスは当然、イオン交換が可能なガラス板１０２を提供する工程で始まるであろう。例えば、本開示の実施形態での使用に適するイオン交換可能なガラスにはアルカリアルミノケイ酸ガラスまたはアルカリアルミノホウケイ酸ガラスがあるが、他のガラス組成も考えられる。本明細書に用いられるように、イオン交換が可能であることは、ガラスが、ガラス板１０２の表面またはその近傍にある陽イオンを、同じ原子価の、より大径であるかまたはより小径である陽イオンと交換できることを意味する。

イオン交換プロセスはガラス板１０２を溶融塩浴内にあらかじめ定められた時間浸漬することによって行われ、ガラス板の表面またはその近傍でガラス板内にあるイオンが、例えば塩浴からの、より大径のイオンと交換される。例として、溶融塩浴は硝酸カリウム（ＫＮＯ_３）を含むことができ、溶融塩浴の温度は約４００〜５００℃の範囲とすることができ、あらかじめ定められた時間は約４〜２４時間の範囲、好ましくは約４〜１０時間の間とすることができる。ガラス板１０２内への大径イオンの導入は、表面領域近傍に圧縮応力を生成することによって、ガラス板を強化する。圧縮応力と釣り合うように、ガラス板１０２の中央領域にないに対応する引張応力が誘起される。

別の例として、ガラス板１０２内のナトリウムイオンを溶融塩浴からのカリウムイオンで置き換えることができるが、ルビジウムまたはセシウムのような、より大きな原子半径を有する他のアルカリ金属イオンで、ガラス内の小径アルカリ金属イオンを置き換えることができる。特定の実施形態にしたがえば、ガラス板１０２内の小径のアルカリ金属イオンをＡｇ^＋イオンで置き換えることができる。同様に、硫酸塩、ハロゲン塩、等のような、ただしこれらには限定されない、アルカリ金属塩をイオン交換プロセスに用いることができる。ガラスネットワークが緩和し得る温度より低い温度における大径イオンによる小径イオンの置換は、応力プロファイルを生じさせるイオン分布をガラス板１０２の表面にわたって形成する。大量の導入イオンは、ガラス板１０２の表面に圧縮応力（ＣＳ）を、中央領域に引張応力（中央張力またはＣＴ）を、生じさせる。

処置３１４において、別の選択肢には、ガラス板１０２が硬化性樹脂１１２で被覆されて硬化される（図３及び図４Ｃを参照）、コーティングプロセスを含めることができる。多くの樹脂のいずれも用いることができるが、適する樹脂の１つは、ハネウエル社(Honeywell Corp.)から入手できる、Ａｃｃｕｇｌａｓｓ Ｔ-１１１である。樹脂は、スプレーノズルによるガラス板１０２の表面への塗布を容易にするため、可溶最大濃度の何分の１かに希釈することができる。コーティング１１２の厚さはスプレーノズルの移動速度を変えることで制御することができ、移動速度はｍｍ/分で表される。ガラス板１０２及び塗布された樹脂コーティング１１２は次いで樹脂を堅くするために高温で硬化させることができる。

実施例及び測定
光拡散構造１００の性能特性の予測に関し、最大光取出し効率、最小光減衰、最大明澄度及び最大透明度のような、多くの簡単な尺度がふさわしいと見なされてきた。これらの尺度を満たすため、上述したエッチングプロセスを、混合比、％濃度、エッチング時間、エッチング温度、イオン交換の適用、コーティングの適用、等のような、１つ以上のパラメータを変えることによって適合させることができる。この点に関し、以下に提示される、多くの実験を行った。

コーニング社のＣｏｒｎｉｎｇ（登録商標）Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラス（コード２３１８）、コーニング社のＥａｇｌｅ ＸＧガラス及びガーディアンウルトラホワイト(Guardian Ultrawhite)ガラスを含む、イオン交換可能ガラス板１０２の一連の試料片を用いて多くの試行を行った。ガラス板１０２は約２インチ×２インチ（約５ｃｍ×５ｃｍ）から約２.５インチ×２.５インチ（約６３.５ｃｍ×６３.５ｃｍ）の大きさで受け取ったかまたはそのような寸法に切断した。ガーディアンウルトラホワイトガラスサンプルは約１.１ｍｍの厚さに研削及び研磨し、コード２３１８ガラス試料は約０.７ｍｍの厚さにつくり、またＥａｇｌｅ ＸＧガラス試料は約０.５ｍｍの厚さにつくった。

初めにガラス板１０２を（社内で）洗浄した（または供給者から受け取ったままとした）。次に、試料の一方の表面（例えば表面１０６）に、エッチングされないように保護するため、シート材を貼り付けた。シート材貼付け後、ガラス板１０２のエッチングされるべき表面（例えば表面１０４）から吸着有機汚染物を除去するため、ガラス板１０２をＵＶ／オゾンクリーナー内に入れた。次に、ある混合比のＧＡＡと４０％フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ）を含むウエットエッチング浴を用いてガラス板１０２にエッチング処理を施した。コード２３１８ガラス板１０２については試料毎に混合比を１：１から９：１まで変えた。エッチング時間も約３０秒から約１５分まで変えた。次に、試料をＤＩ（脱イオン）水中でリンスし、送風乾燥した。

次いで試料を顕微鏡撮影し、その後、ザイゴ(Zygo)ＮｅｗＶｉｅｗ（商標）モデル７３００白色光表面形状測定器を用いて表面テクスチャを測定した。図５Ａは混合比及びエッチング時間の第１の極限（すなわち、混合比９：１，エッチング時間３０秒）においてエッチングしたあるコード２３１８ガラス板１０２の表面テクスチャプロファイルを示す。図５Ｂは混合比及びエッチング時間の第２の極限（すなわち、混合比１：１，エッチング時間１５分）においてエッチングした別のコード２３１８ガラス板１０２の表面テクスチャプロファイルを示す。結果から、高混合比エッチャントを用いた長時間エッチングでは深く、粗い構造が形成され、低混合比エッチャントを用いた短時間エッチングでは浅く、細かい構造が形成されることが明らかである。

エッチングに続いて、少なくともいくつかの試料を（上述した）イオン交換プロセスにかけた。

図６を参照すれば、エッチングプロセスの重要な属性はエッチャント混合比及びエッチング時間を用いて表面テクスチャ構造を調整できる能力である。図６は様々な条件にかけたコード２３１８ガラス板１０２の表面テクスチャ属性を要約している表である。表のそれぞれの行は所与のガラス板試料を表す。それぞれの列は、（ｉ）氷酢酸対４０％フッ化アンモニウム比（６-１）、（ii）エッチング時間（６-２）、（iii）％で表した透過ヘイズ（６-３）、（iv）ｎｍ単位で測定した平均粗さ，Ｒａ（６-４），（ｖ）ｎｍ単位で測定したＲＭＳ粗さ，Ｒｑ（６-５）、（vi）ｎｍ単位の高さ，Ｈ（６-６）、（vii）指数として表した歪度，Ｒｓｋ（６-７）、及び（vii）指数として表した尖度，Ｒｋｕ（６-８）である。測定は上述したザイゴＮｅｗＶｉｅｗモデル７３００光学表面形状測定器で（２０Ｘレンズ及び２Ｘズームの顕微鏡設定を用いて）行った。短フィルタ波長及び長フィルタ波長はそれぞれ０.５μｍ及び５０μｍであった。平均粗さＲａ，ＲＭＳ粗さＲｑ、歪度Ｒｓｋ及び尖度Ｒｋｕは試料の表面素子１１０の特性を定める。Ｒａは表面プロファイルの平均高さである。ＲｑはＲＭＳ平均である。振幅が二乗されるから、ＲｑはＲａより山及び谷に敏感である。Ｒｓｋは表面構造の高さ分布の歪度である。Ｒｓｋが０より小さければ谷をもつ表面であり得るし、Ｒｓｋが０より大きければ山をもつ平坦面であり得る。１.０より大きな数値は表面上の極度の谷または山を示し得る。Ｒｋｕは高さ分布の尖度である。尖度は高さの無秩序性及び表面の尖鋭性の尺度である。尖度が３の表面は無秩序な表面を表す。３より小さい尖度は無秩序性が低い表面を意味する。完全に無秩序な表面は３の尖度値を有し、値が３から離れるほど、表面の無秩序性は低くなり、反復性が高くなる。スパイクをもつ表面の尖度は高くなり、緩い凹凸のある表面の尖度は低くなる。

混合比１：１のエッチャントを用いて１０分間エッチングした試料では、ＲＭＳ粗さが２３２ｎｍ、歪度が−０.５、及び尖度が３の表面が得られることが分かった。これは間隔が無秩序な谷のある表面を示す。対照的に、混合比９：１のエッチャントを用いて１０分間エッチングした試料では、ＲＭＳ粗さが４ｎｍ、歪度が−０.３、及び尖度が４の表面が得られ、これは、間隔は無秩序であるが、より浅い谷のある表面である。これらの２つの結果の主要な違いは透過ヘイズである。実際、混合比１：１のエッチャントを用いて１０分間エッチングした試料では約７８％のヘイズが生じるが、混合比９：１のエッチャントを用いて１０分間エッチングした試料で生じるヘイズは約１３％である。前者のヘイズレベルはいくつかのディスプレイ用途では許容できず、後者のヘイズレベルは多くのディスプレイ用途に適する。

エッチングされたガラス板１０２の表面構造の横方向間隔及び最小深さは一義的に酢酸とフッ化アンモニウムの混合比で定められる。実際、特に酢酸：４０％フッ化アンモニウム＝１：１から酢酸：４０％フッ化アンモニウム＝１５：１までの範囲にある、エッチャント混合比でさらに試験を行った。最善の光散乱性能は酢酸：４０％フッ化アンモニウム比９：１のエッチャントを用いて１０分間エッチングした試料で測定された。

図７を参照すれば、イオン交換したエッチング試料及びイオン交換していないエッチング試料の光散乱試験を行った。図７のプロットは、Ｙ軸にパワー測定値（単位：Ｗ）、Ｘ軸に距離（単位：ｃｍ）を有する。イオン交換無の試料（７-１）及びイオン交換有の試料（７-２）についてのプロットは、イオン交換プロセスがエッチングされた光拡散構造１００の光散乱効果を強めたことを明らかにしている。改質イオン交換層１１０はガラス板１０２内に光をより長く導波するに役立つ若干高い屈折率を示し、したがって光が粗面とより長時間相互作用して、全体の明るさを高めると考えられる。

図８を参照すれば、耐スクラッチ性もガラス板１０２のテクスチャ付表面の望ましい特性である。図８に示される表は試料１〜５及び対照６のそれぞれの行と（ｍｍ/分単位で測定した）移動速度に対する列（８-１）、（Ｈ単位で表した）鉛筆の硬度に対する列（８-２）、及び（ｇ/ｍ^２単位で測定した）コーティング重量に対する列（８-３）を含む。鉛筆硬度試験はテクスチャ付表面１１０の耐スクラッチ性の示数として用いた。参考のため、鉛筆硬度のスケールは以下の通りである：９Ｈ，８Ｈ,...，２Ｈ，Ｈ，Ｆ，ＨＢ，Ｂ，２Ｂ,...，８Ｂ，９Ｂ。９Ｈは最も高い耐スクラッチ性を示し、９Ｂは最も低い耐スクラッチ性を示す。テクスチャ付ガラス表面は少なくとも約２Ｈの硬度を有することが望ましいであろう。コード２３１８ガラス板１０２のエッチングプロセス後のこの試験による鉛筆硬度は２Ｈであった。

耐スクラッチ性を高めるため、いくつかの試料を（図３及び４Ｃに関して上で論じたように）硬化性樹脂で全面コーティングし、硬化させた。詳しくは、多くの試料に最大可溶濃度の２５％に希釈したＡｃｃｕｇｌａｓｓ Ｔ-１１１樹脂をスプレーした。コーティング層１１２の厚さはスプレーノズルの移動速度を５０ｍｍ/分と４００ｍｍ/分の間で変えることによって制御した。次いで試料を５４０℃で２０分間硬化させた。図８はテクスチャ付表面１１０の耐スクラッチ性へのコーティング１１２の効果を示す。０.１ｇ/ｃｍ^２の最も小さいコーティング重量で表されるような、最も薄いコーティングは最も高い４００ｍｍ/分のノズル速度において施された。コーティングが全くない表面で得られた鉛筆硬度は２Ｈであった。４００ｍｍ/分の移動速度で施された最も薄いコーティングでさえ、鉛筆硬度を２Ｈから５Ｈに向上させた。ノズル速度を遅くし、コーティング堆積速度を高めることでコーティング厚をさらに厚くしても、鉛筆硬度をさらに高めることにはならなかった。

さらに、薄いＡｃｃｕｇｌａｓｓ Ｔ-１１１コーティングの適用の結果、図９に示されるように、強められた光散乱効果が得られた。詳しくは、図９のプロットは、Ｙ軸にパワー測定値（単位：Ｗ）、Ｘ軸に距離（単位：ｃｍ）を有する。試料についてのプロットはイオン交換無の試料（９-１）及び、ノズル移動速度が５０ｍｍ/分（９-２）から４００ｍｍ/分（９-３）の範囲の、コーティング厚が様々なイオン交換試料を含む。

光拡散装置及びディスプレイシステム
光拡散装置１００及び複数の電子ディスプレイ素子を用いるディスプレイシステム１００Ａの側断面図を示す、図１０を次に参照する。ディスプレイシステム１００Ａは、複数のディスプレイコンポーネント／素子１５０がその上に配置される基盤として、光拡散装置１００の上述した態様及び／または特徴のいずれをも用いることができる。

ガラス板１０２は、ディスプレイシステム１００Ａを見る人に向けられる概ね平坦な表面１０６及び、複数のディスプレイコンポーネント１５０がその上に配される、反対側の表面１０４を提供する。個々のディスプレイコンポーネント１５０の集合体は見る人に所望のディスプレイ解像度を提供するために電子制御信号にしたがって光を操作するための多数のピクセルサイトを定める。例として、ディスプレイコンポーネント１５０は、アレイに配列された、個々のＭＥＭＳコンポーネント、ＯＬＥＤコンポーネント、等とすることができる。

光拡散装置１００は、１つ以上の縁端または境界から、及び／または見る側の表面１０６から、ガラス板１０２に入るいかなる光もディスプレイ素子１５０に向けて伝搬する間に拡散及び散乱されるような、光拡散特性を提供する。さらに、ディスプレイコンポーネント１５０から後方伝搬するいかなる光も、そのような光が見る人に戻る途中で素子１１０を通過する間に、再び拡散されるであろう。有利なことに、そのような追加の拡散はディスプレイコンポーネント１５０から見る人に戻ってくる光のさらに良好な角放射を生じさせる。

光拡散装置１００は、ディスプレイ素子１５０のアレイがその上に配されるに適するように平坦化された表面１１４を示し、光拡散装置１００は、高ヘイズ比、高透過比及び所望の光散乱特徴（例えば広角散乱）を提供する。

光源を備える光拡散装置
少なくとも１つの光源を有する、本明細書に開示される光拡散実施形態の略図である図１１及び１２を次に参照する。いずれの場合も、実施形態は図１０のディスプレイコンポーネント１５０を備えていてもいなくても差し支えない。

図１１は、ガラス（またはプラスチック）板１０２に近接して配置された光源１６０を有する、光拡散装置１００Ｂを示す。光源１６０からの光がガラス板１０２内に結合され、ガラス板１０２内を導波路態様で伝搬して、光の少なくとも一部が散乱層によって拡散及び散乱されるような、光源１６０の特定の位置を確立することができる。例えば、光源１６０は、ガラス板１０２の１つ以上の縁端１６２または１つ以上の境界１６４に沿って配置された、１つまたは複数のＬＥＤ、あるいはその他の適する光発生素子とすることができる。１つ以上の実施形態において、ガラス板１０２の縁端１６２は斜角処理する（及び、金属化反射面１６６を有する）ことができる。斜角は、ガラス板１０２内を伝搬しているいかなる光も、少なくとも１つの縁端１６２からの光の抜出しを減じる、１つ以上の方向に向け直すように選ばれる。

１つ以上の実施形態は１つ以上の光源及び、２０１０年１０月２８日に出願された米国仮特許出願第６１/４０７６９８号の明細書に開示さているタイプの、付帯構造を用いることができる。上記明細書の全開示はその全体が本明細書に参照として含められる。

図１２は、ガラス板１０２の１つ以上の縁端に沿って延びる少なくとも１本の光拡散ファイバ１７０を有し、必要に応じて、ガラス板１０２の縁端近傍の光学的外観を改善するための、光を方向転換させるかまたは遮断する境界１７２Ａ，１７２Ｂを有することができる。光拡散ファイバ１７０の直径は約２５０〜３００μｍのオーダーとすることができる。

基本実施形態において、１つ以上のレーザ源は、ファイバ１７０に結合され、その後拡散のためにガラス板１０２に結合される、白色（または準白色）光を発生する。１つ以上の別の実施形態において、赤色レーザ源（１２-１）、緑色レーザ源（１２-２）及び／または青色レーザ源（１２-３）のような、１つ以上のレーザ源が、単一のファイバ１７０または複数本のファイバ内に異なる波長の光エネルギーを、先に論じたように、そのような光をガラス板１０２に結合して拡散及び散乱させる態様で結合することができる。複数のレーザ源を用いれば、それぞれのレーザ源のパワーレベルを調節することで任意の数の色の生成が可能になる。

所望の色画像機能を達成するためのレーザ源変調（例えば時系列変調）にともなう様々な構造及び方法形体に関するさらなる詳細及びファイバ１７０の使用に関する別の詳細は、２０１１年４月２６日に出願された米国特許出願第１３/０９４２２１号の明細書、２０１１年１０月１１日に出願された米国仮特許出願第６１/５４５７１３号の明細書及び２０１１年１０月１１日に出願された米国仮特許出願第６１/５４５７２０号の明細書に見ることができる。これらの明細書の開示はそれぞれの全体が本明細書に参照として含められる。

透明バックプレーンを備えるディスプレイシステム
図１３〜１４を参照し、本開示の１つ以上の別の実施形態にしたがえば、透明型または半透明型のディスプレイシステム２００にバックプレーンを提供するための方法及び装置が開発されている。

図１３を参照すれば、ディスプレイシステム２００は、ユーザから見えるディスプレイ表面上に画像１０，テキスト１２，等を表示するように動作する。ディスプレイシステム２００は、システム２００の背後の１つ以上の物体１４を、特に物体１４の前方に画像表示が指令されていないときは（または、おそらくはそのときに限り）、システム２００を通して見ることができるように、透明性または半透明性も示す。言い換えれば、ディスプレイシステム２００はその１つ以上の領域にわたり、そのような領域に付随するディスプレイ素子（例えば、ＬＣＤ素子）がオフ状態にあるときに、少なくとも半透明である。他方で、ディスプレイシステム２００の同じ領域（または別の領域）は、そのような領域に付随するディスプレイ素子がオン状態にあるときには、半不透明または完全に不透明である。したがって、ディスプレイシステム２００を通してディスプレイ背後の（商品、等のような）物体１４を見て眺めることができ、同時に、ディスプレイのいくつかの領域上の視覚情報（画像１０，テキスト１２，等）を受け取ることができる。

図１３〜１４を見ると、ディスプレイシステム２００は、相互に隔てられた第１の主面２０４及び第２の主面２０６，及び、ディスプレイ層２０２内（またはディスプレイ層２０２上）にアレイ形態で配され、第１の主面２０４に（またはそこから）見るための画像１０，テキスト１２，等を電気信号に応答して形成するように動作する、複数のディスプレイ素子（図示せず）を有する、ディスプレイ層２０２を有する。ディスプレイシステム２００は、相互に隔てられた第１の主面１１４及び第２の主面１１６を有し、第１の主面１１４から拡散光を発生するように動作する、光拡散バックプレーン１００Ｄも有する。光拡散バックプレーン１００Ｄは、本明細書に明示的にまたは内在的に開示されているかまたは示唆されている光拡散実施形態のいずれか、特に、拡散装置に光を結合するために１つ以上の光源１６０または１本以上の光拡散ファイバ１７０を用いる実施形態を用いて、実施できることに注意されたい。光拡散バックプレーン１００Ｄは、その第１の主面１１４がディスプレイ層２０２の第２の主面２０６に向けられ、よって拡散光が複数のディスプレイ素子のための光源になるように、配位される。

特定の実施形態を参照することで本明細書の開示の特徴を説明したが、これらの実施形態がそのような実施形態の原理及び応用の例示に過ぎないことは当然である。したがって、添付される特許請求の範囲に定められる組合せの精神及び範囲を逸脱することなく、例示実施形態に数多くの改変がなされ得ること及び他の構成／配置が案出され得ることは当然である。

１０ 画像
１２ テキスト
１２-１ 赤色レーザ源
１２-２ 緑色レーザ源
１２-３ 青色レーザ源
１４ 物体
１００，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ 光拡散装置
１００Ａ，２００ ディスプレイシステム
１０２ ガラス基板（ガラス板）
１０４，１０６ ガラス基板（ガラス板）の平坦表面
１０６Ａ 保護フィルム
１１０ 光散乱素子
１１２ 硬化性樹脂
１１４ 光拡散バックプレーンの第１の主面（平坦化面）
１１６ 光拡散バックプレーンの第２の主面
１５０ ディスプレイコンポーネント／素子
１６０ 光源
１６２ ガラス板の縁端
１６４ ガラス板の境界
１６６ 金属化反射面
１７０ 光拡散ファイバ
１７２Ａ，１７２Ｂ 光方向転換／遮断境界
２０２ ディスプレイ層
２０４，２０６ ディスプレイ層の主面

Claims (10)

1. 装置において、
   相互に隔てられた第１及び第２の平表面を有するガラス板、及び
   前記ガラス板の前記第１の表面にエッチングでつくり込まれた複数のサブミクロンサイズ光散乱素子を有する少なくとも１つの散乱層、
   を備え、
   前記ガラス板の前記第２の表面の１つ以上の縁端及び／または境界から前記ガラス板に入る光が前記散乱素子によって拡散及び散乱される、
   ことを特徴とする装置。
2. 少なくとも１つの光源であって、前記光源からの光が前記ガラス板に結合され、前記ガラス板内を導波路態様で伝搬し、前記光の少なくとも一部が前記散乱層により拡散及び散乱されるように、前記ガラス板に近接して配された少なくとも１つの光源、及び
   前記ガラス板の１つ以上の縁端または１つ以上の境界に沿って配された１つ以上の光発生素子を有する少なくとも１つの光源、
   の内の少なくとも一方をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記散乱層上に配された複数の電子ディスプレイ素子であって、それぞれが、画像の１つ以上のピクセル化領域を１つ以上のそれぞれの電子コマンド信号に応答して形成するために動作することができる電子ディスプレイ素子、
   をさらに備え、
   １つ以上の縁端、境界及び／または前記第２の表面から前記ガラス板に入る光が前記ガラス板に結合され、前記ガラス板内を導波モードで伝搬し、前記光の少なくとも一部が前記電子ディスプレイ素子に向けて伝搬する間に前記光の前記少なくとも一部が前記散乱素子によって拡散及び散乱され、
   前記ディスプレイ素子から後方に伝搬する光が前記散乱層によって拡散及び散乱され、伝搬して、前記ガラス板の前記第２の表面から見る人に向けてでる、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. （ｉ）相互に隔てられた第１及び第２の平表面を有する透明基板及び（ii）前記透明基板の前記第１の表面及び前記第２の表面の少なくとも一方の上に配された複数の電子ディスプレイ素子を有するディスプレイ層であって、それぞれが、前記透明基板の前記第１の表面から見ることができる画像の１つ以上のピクセル化領域を１つ以上のそれぞれの電子コマンド信号に応答して形成するために動作することができるディスプレイ層、
   （ｉ）相互に隔てられた前記第１の平表面及び前記第２の平表面、及び前記散乱層を有する前記ガラス板、を有する光拡散バックプレーン、及び
   （ｉ）少なくとも１つの光源であって、前記光源からの光が前記ガラス板に結合され、前記ガラス板内を導波路態様で伝搬し、前記光の少なくとも一部が前記散乱層によって拡散及び散乱されるように、前記ガラス板に近接して配された少なくとも１つの光源及び（ii）前記ガラス板の１つ以上の縁端または１つ以上の境界に沿って配された１つ以上の光発生素子を有する少なくとも１つの光源、の少なくとも一方、
   を備え、
   前記光拡散バックプレーンの前記第１の表面が、前記ディスプレイ層の前記第１の表面から見ることができる画像の提供を容易にするため、前記ガラス板の前記第１の表面で拡散並びに散乱された前記光の前記少なくとも一部が前記複数の電子ディスプレイ素子に向けて伝搬して前記複数の電子ディスプレイ素子に当たるように、前記ディスプレイ素子の前記第２の表面に向けて導かれる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記ディスプレイ層及び前記光拡散バックプレーンの少なくとも一方は、前記ディスプレイ層及び前記光拡散バックプレーンの前記少なくとも一方を通して前記装置の背後にある１つ以上の物体を見ることができるように、透明性または半透明性を示すことを特徴とする請求項４の記載の装置。
6. 前記透明性または前記半透明性が、前記ディスプレイ素子が前記物体の前方に画像を形成していないときに、有効である、
   前記ディスプレイ層が、前記ディスプレイ素子が前記物体の前方に画像を形成しているときに、半不透明および完全に不透明の少なくとも一方であるように動作する、及び
   見る人が前記装置を通して前記物体を見ることができ、同時に、前記ディスプレイ層の前記第１の表面の少なくとも１つの領域上の前記画像から視覚情報を受け取ることができるように、前記ディスプレイ層が動作する、
   の内の少なくとも１つであることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記散乱素子の最小寸法が、（ｉ）約１００ｎｍから約５００ｎｍの間、（ii）約２００ｎｍから約３００ｎｍの間、及び（iii）約２５０ｎｍ、の内の１つであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. 前記ガラス板の前記第１の表面上に配された、前記散乱素子を覆う、コーティングをさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の装置。
9. 光拡散コンポーネントを作製する方法において、
   相互に隔てられた第１及び第２の平表面を有するガラス板を提供する工程、及び
   前記ガラス板の前記第１の表面に複数のサブミクロンサイズ光散乱素子をエッチングでつくり込む工程、
   を含み、
   前記散乱素子の最小寸法が、（ｉ）約１００ｎｍから約５００ｎｍの間、（ii）約２００ｎｍから約３００ｎｍの間、及び（iii）約２５０ｎｍ、の内の１つである、
   ことを特徴とする方法。
10. 前記ガラス板の前記第１の表面上に、前記エッチングでつくられた散乱素子を覆う、コーティングを施す工程をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。

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