JP2020532823A - 格子を含む光導波路 - Google Patents

Abstract

光導波路は、ガラス板と、パターン状の第１の格子と、パターン状の第２の格子と、パターン状の光取出し部とを含む。ガラス板は、第１の面、および、第１の面の反対側の第２の面を有する。パターン状の第１の格子は、ガラス板の第１の面上にある。パターン状の第２の格子は、ガラス板の第２の面上にあり、各々、第１の格子と位置合わせされる。パターン状の光取出し部は、ガラス板の第１の面または第２の面上にある。

Description

関連出願の相互参照

本願は、米国特許法第１１９条の下、２０１７年８月２９日出願の米国仮特許出願第６２／５５１、３７５号の優先権の利益を主張し、その内容は依拠され、全体として参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、光を光導波路を介して広げる装置および方法に関する。特に、本開示は、例えば、表示装置のバックライトで、光をパターンを有する光導波路を介して広げることに関する。

液晶表示装置（ＬＣＤ）は、光弁を用いた表示装置であり、表示パネルは、個々に処理しうるアレイ状の光弁を含む。バックライトを用いて、発光画像をＬＣＤ表示装置で生成する。バックライトは、エッジライト方式、または、直下型方式のいずれかである。エッジライト方式のバックライトは、例えば、表面から光を発する光導波板に縁部で結合された発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイを含む。直下型方式のバックライトは、例えば、２次元の（２Ｄ）ＬＥＤアレイを、ＬＣＤパネルの直ぐ後ろに含む。エッジライト方式のバックライトは、典型的には直下型方式のバックライトより薄く、一方、直下型方式のバックライトは、表示部の暗い領域のＬＥＤを消灯しうるので、ダイナミックコントラストを改良することが可能である。

直下型方式のバックライトは、バックライト内で多数の反射を起こすことにより、大量の光損失を生じうる。

したがって、本明細書において、光損失を削減しながら、光を、光導波路を介して広げる装置および方法を開示する。

本開示のいくつかの実施形態は、光導波路に関する。光導波路は、ガラス板と、パターン状の第１の格子と、パターン状の第２の格子と、パターン状の光取出し部とを含む。ガラス板は、第１の面、および、第１の面の反対側の第２の面を有する。パターン状の第１の格子は、ガラス板の第１の面上にある。パターン状の第２の格子は、ガラス板の第２の面上にあり、各々、第１の格子と位置合わせされたものである。パターン状の光取出し部は、ガラス板の第１または第２の面上にある。

本開示の更に他の実施形態は、バックライトに関する。バックライトは、ガラス光導波路と、底部反射部と、複数の光源とを含む。ガラス光導波路は、底面および上面を有し、パターン状の光取出し部を底面または上面上に有し、パターン状の第１の格子を底面または上面上に有する。複数の光源は、底部反射部とガラス光導波路の間にある。各光源からの光は、対応する第１の格子によって、ガラス光導波路に結合されて、光の第１の部分がガラス光導波路内を横方向に進行して、光取出し部によって、ガラス光導波路から取り出される。

本開示の更に他の実施形態は、表示装置の製作方法に関する。方法は、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）をプリント回路基板（ＰＣＢ）に取り付ける工程を含む。方法は、更に、底部反射部を、複数のＬＥＤの間のＰＣＢに加える工程を含む。方法は、更に、光導波板を、複数のＬＥＤの上に加える工程を含み、光導波板は、底面および上面を有し、パターン状の光取出し部を底面または上面上に有し、パターン状の格子を底面または上面上に有するものである。方法は、更に、パターンを有する反射部を、光導波板の上に加える工程を含む。

本明細書に開示の装置および方法は、光損失を削減した光導波路、および、薄く効率の高いバックライトを提供し、そのバックライトは、２次元の（２Ｄ）局所減光能力を有する直下型方式バックライトである。

更なる特徴および利点を、次の詳細な記載に示し、それは、部分的には、当業者には、その記載から明らかであるか、または、次の詳細な記載、請求項、および、添付の図面を含む本明細書に記載の実施形態を実施することによって分かるだろう。

ここまでの概略的記載および次の詳細な記載の両方が、様々な実施形態を記載し、請求した主題の本質および特徴を理解するための概観または枠組みを提供することを意図すると、理解すべきである。添付の図面は、様々な実施形態の更なる理解のために提供されたものであり、本明細書に組み込まれ、その一部を形成する。図面は、本明細書に記載の様々な実施形態を示し、明細書の記載と共に、請求した主題の原理および動作を説明する役割を果たす。

透過格子を含む光導波路の一例を概略的に示している。 透過格子を含む光導波路の一例を概略的に示している。 反射格子を含む光導波路の一例を概略的に示している。 反射格子を含む光導波路の一例を概略的に示している。 透過格子および反射格子を含む光導波路の一例を概略的に示している。 透過格子および反射格子を含む光導波路の一例を概略的に示している。 透過格子および反射格子を含む光導波路の一例を概略的に示している。 透過格子および反射格子を含む光導波路の他の例を概略的に示している。 透過格子および反射格子を含む光導波路の他の例を概略的に示している。 透過格子および反射格子を含む光導波路の他の例を概略的に示している。 パターン状の光取出し部の一例を示している。 バックライトの一例を概略的に示している。 表示装置を製作するために第１のサブアセンブリの一例を概略的に示している。 表示装置を製作するために第１のサブアセンブリの一例を概略的に示している。 表示装置を製作するために第２のサブアセンブリの一例を概略的に示している。 表示装置を製作するために第２のサブアセンブリの一例を概略的に示している。 表示装置を製作するために第３のサブアセンブリの一例を概略的に示している。 表示装置を製作するために第３のサブアセンブリの一例を概略的に示している。 表示装置を製作するために第４のサブアセンブリの一例を概略的に示している。 表示装置を製作するために第４のサブアセンブリの一例を概略的に示している。 表示装置の一例を概略的に示している。 格子の例を示している。 格子の例を示している。 格子の一例を概略的に示している。 図１３Ａの格子の光線に対する応答の一例を示している。 透過格子の一例について、回折効率と格子の厚さの関係を示している。 反射格子の一例について、回折効率と格子の厚さの関係を示している。 透過格子を含む光導波路の一例を概略的に示しており、入射光の方位角φが、９０°に等しい。 透過格子を含む光導波路の一例を概略的に示しており、入射光の方位角φが、９０°に等しい。 図１６Ａ〜１６Ｂの例示的な透過格子について、方位角φが９０°に等しい場合の回折効率と入射極角θの関係を示している。 透過格子を含む光導波路の一例を概略的に示しており、入射光の方位角φが、０°に等しい。 透過格子を含む光導波路の一例を概略的に示しており、入射光の方位角φが、０°に等しい。 図１７Ａ〜１７Ｂの例示的な透過格子について、方位角φが０°に等しい場合の回折効率と入射極角θの関係を示している。 反射格子を含む光導波路の一例を概略的に示しており、入射光の方位角φが、９０°に等しい。 反射格子を含む光導波路の一例を概略的に示しており、入射光の方位角φが、９０°に等しい。 図１８Ａ〜１８Ｂの例示的な反射格子について、方位角φが９０°に等しい場合の回折効率と入射極角θの関係を示している。 反射格子を含む光導波路の一例を概略的に示しており、入射光の方位角φが、０°に等しい。 反射格子を含む光導波路の一例を概略的に示しており、入射光の方位角φが、０°に等しい。 図１９Ａ〜１９Ｂの例示的な反射格子について、方位角φが０°に等しい場合の回折効率と入射極角θの関係を示している。

ここで、本開示の好適な実施形態を詳細に記載し、その例を、添付の図面に示している。全図を通して、同じ、または、類似の部分を指すには、可能な限り同じ参照番号を用いている。しかしながら、本開示は、多くの異なる形態で実施しうるものであり、本明細書に示した実施形態に限定されると解釈されるべきではない。

本明細書において、範囲を、「約」１つの特定の値から、および／または、「約」他の特定の値までと表しうる。そのような範囲を表す場合には、他の実施形態は、その１つの特定の値から、および／または、他方の特定の値までの範囲を含む。同様に、値を、例えば、「約」を前に付けて概数で表す場合には、その特定の値が他の実施形態を形成することが理解されよう。更に、各範囲の端点は、他方の端点との関係でと、他方の端点とは独立にとの両方で、重要であることが理解されよう。

本明細書において用いる、例えば、上に、下に、右、左、前、後ろ、上部、底部、垂直、および、水平などの方向を表す用語は、示した図面に関する記載であり、絶対的な向きを意味することを意図しない。

別段の記載がない限りは、本明細書に示した、いずれの方法も、工程が特定の順序で行われることを要するとも、いずれの装置も、特定の向きであることを要すると解釈されることを意図しない。したがって、方法の請求項が、工程の行われる順序を実際に記載しないか、または、いずれの装置の請求項も、個々の構成要素の順序も向きも実際に記載しないか、そうではなく具体的に、請求項または明細書の記載で、工程は特定の順序に限定されるとも、装置の構成要素の特定の順序も向きも記載しない場合には、いかなる点でも、順序も向きも推測されることを全く意図しない。このことは、記載がないことに基づく、いずれの解釈にも当てはまり、そのような解釈は、工程の配列、動作フロー、構成要素の順序、または、構成要素の向きについての論理的事項、文法構造または句読点に由来する単なる意味、並びに、明細書に記載された実施形態の数または種類を含む。

本明細書において用いるように、原文の英語で単数を表す不定冠詞および定冠詞は、文脈から、そうでないことが明らかでない限りは、複数のものを含む。したがって、例えば、不定冠詞を付けた構成要素は、文脈から、そうでないことが明らかでない限りは、そのような構成要素を２つ以上有する態様を含む。

ここで、図１Ａ〜１Ｂを参照すると、透過格子１０６を含む例示的な光導波路１００を概略的に示している。図１Ａは、光導波路１００の側面図であり、図１Ｂは、透過格子１０６の底面図である。光導波路１００は、第１の面１０２、および、第１の面１０２の反対側の第２の面１０４を有するガラス板１０１を含む。光導波路１００は、ガラス板１０１の第１の面１０２上に透過格子１０６を含む。他の例において、光導波路１００は、２次元の（２Ｄ）アレイ状の透過格子１０６など、パターン状の透過格子１０６を、ガラス板１０１の第１の面１０２上に含む。光導波路１００は、パターン状の光取出し部（不図示）も含み、それを、例えば図５を参照して後述する。パターン状の光取出し部は、ガラス板１０１の第１の面１０２または第２の面１０４上にある。

図１Ｂに示したように、透過格子１０６は、ｙ軸に平行な複数の線を含む線形格子である。透過格子１０６は、透過格子１０６に入射した光１０８を光導波路１００に結合して、光の一部、つまり、１１２と示した透過した一次（Ｔ１）光が、全内部反射により、ｘｚ平面で光導波路内を横方向に進行するようにする。全内部反射により光導波路１００内を横方向に進行する光は、最終的に、光取出し部によって、光導波路１００から取り出される。１１０と示した透過したゼロ次（Ｔ０）光を含む残りの部分の光は、ガラス板１０１の第２の面１０４を透過する。

図２Ａ〜２Ｂは、反射格子１２６を含む例示的な光導波路１２０を概略的に示している。図２Ａは、光導波路１２０の側面図であり、図２Ｂは、反射格子１２６の上面図である。光導波路１２０は、第１の面１２２、および、第１の面１２２の反対側の第２の面１２４を有するガラス板１２１を含む。光導波路１２０は、ガラス板１２１の第２の面１２４上に反射格子１２６を含む。他の例において、光導波路１２０は、２Ｄアレイ状の反射格子１２６など、パターン状の反射格子１２６を、ガラス板１２１の第２の面１２４上に含む。光導波路１２０は、パターン状の光取出し部（不図示）も含み、それを、例えば図５を参照して後述する。パターン状の光取出し部は、ガラス板１２１の第１の面１２２または第２の面１２４上にある。

図２Ｂに示したように、反射格子１２６は、ｙ軸に平行な複数の線を含む線形格子である。反射格子１２６は、反射格子１２６に入射した光１２８を光導波路１２０に結合して、光の一部、つまり、１３２と示した反射した一次（Ｒ１）光が、全内部反射により、ｘｚ平面で光導波路内を横方向に進行するようにする。全内部反射により光導波路１２０内を横方向に進行する光は、最終的に、光取出し部によって、光導波路１２０から取り出される。残りの部分の光は、１３０と示した反射したゼロ次（Ｒ０）光、および、１３４と示したＴ０光を含む。Ｔ０光１３４は、ガラス板１２１の第２の面１２４を透過し、一方、Ｒ０光１３０は、ガラス板１２１の第１の面１２２に向かって戻るように反射される。

図３Ａ〜３Ｃは、透過格子１４６および反射格子１４８を含む例示的な光導波路１４０を、概略的に示している。図３Ａは、光導波路１４０の側面図であり、図３Ｂは、反射格子１４８の上面図であり、図３Ｃは、透過格子１４６の底面図である。光導波路１４０は、第１の面１４２、および、第１の面１４２の反対側の第２の面１４４を有するガラス板１４１を含む。光導波路１４０は、ガラス板１４１の第１の面１４２上に透過格子１４６を含む。光導波路１４０は、ガラス板１４１の第２の面１４４上に反射格子１４８を含む。透過格子１４６は、反射格子１４８とｚ軸方向に位置合わせされる。他の例において、光導波路１４０は、ガラス板１４１の第１の面１４２上の２Ｄアレイ状の透過格子１４６およびガラス板１４１の第２の面１４４上の２Ｄアレイ状の反射格子１４８など、パターン状の透過格子１４６およびパターン状の反射格子１４８を含み、各透過格子は、反射格子とｚ軸方向に位置合わせされる。光導波路１４０は、パターン状の光取出し部（不図示）も含み、それを、例えば図５を参照して後述する。パターン状の光取出し部は、ガラス板１４１の第１の面１４２または第２の面１４４上にある。

図３Ｂに示したように、反射格子１４８は、ｙ軸に平行な複数の線を含む線形格子である。図３Ｃに示したように、透過格子１４６も、ｙ軸に平行な複数の線を含む線形格子である。一例において、透過格子１４６の線と反射格子１４８の線とは、約１０°内で、互いに平行である。透過格子１４６は、透過格子１４６に入射した光１５０を光導波路１４０に結合して、光の一部、つまり、１５８と示したＴ１光が、全内部反射により、ｘｚ平面で光導波路内を横方向に進行するようにする。反射格子１４８は、反射格子１４８に入射した光１５０を光導波路１４０に結合して、光の一部、つまり、１５４と示したＲ１光が、全内部反射により、ｘｚ平面で光導波路内を横方向に進行するようにする。全内部反射により光導波路１４０内を横方向に進行する光は、最終的に、光取出し部によって、光導波路１４０から取り出される。残りの部分の光は、１５２と示したＲ０光、および、１５６と示したＴ０光を含む。Ｔ０光１５６は、ガラス板１４１の第２の面１４４を透過し、一方、Ｒ０光１５２は、ガラス板１４１の第１の面１４２に向かって戻るように反射される。

図４Ａ〜４Ｃは、透過格子１６６および反射格子１６８を含む例示的な光導波路１６０を、概略的に示している。図４Ａは、光導波路１６０の側面図であり、図４Ｂは、反射格子１６８の上面図であり、図４Ｃは、透過格子１６６の底面図である。光導波路１６０は、第１の面１６２、および、第１の面１６２の反対側の第２の面１６４を有するガラス板１６１を含む。光導波路１６０は、ガラス板１６１の第１の面１６２上に透過格子１６６を含む。光導波路１６０は、ガラス板１６１の第２の面１６４上に反射格子１６８を含む。透過格子１６６は、反射格子１６８とｚ軸方向に位置合わせされる。他の例において、光導波路１６０は、ガラス板１６１の第１の面１６２上の２Ｄアレイ状の透過格子１６６およびガラス板１６１の第２の面１６４上の２Ｄアレイ状の反射格子１６８など、パターン状の透過格子１６６およびパターン状の反射格子１６８を含み、各透過格子は、反射格子とｚ軸方向に位置合わせされる。光導波路１６０は、パターン状の光取出し部（不図示）も含み、それを、例えば図５を参照して後述する。パターン状の光取出し部は、ガラス板１６１の第１の面１６２または第２の面１６４上にある。

図４Ｂに示したように、反射格子１６８は、ｘ軸に平行な複数の線を含む線形格子である。図４Ｃに示したように、透過格子１６６は、ｙ軸に平行な複数の線を含む線形格子である。一例において、透過格子１６６の線と反射格子１６８の線とは、約１０°内で、互いに直交する。透過格子１６６は、透過格子１６６に入射した光１７０を光導波路１６０に結合して、光の一部、つまり、１７８と示したＴ１光が、全内部反射により、ｘｚ平面で光導波路内を横方向に進行するようにする。反射格子１６８は、反射格子１６８に入射した光１７０を光導波路１６０に結合して、光の一部、つまり、１７４と示したＲ１光が、全内部反射により、（破線で示したように）ｙｚ平面で光導波路内を横方向に進行するようにする。全内部反射により光導波路１６０内を横方向に進行する光は、最終的に、光取出し部によって、光導波路１６０から取り出される。残りの部分の光は、１７２と示したＲ０光、および、１７６と示したＴ０光を含む。Ｔ０光１７６は、ガラス板１６１の第２の面１６４を透過し、一方、Ｒ０光１７２は、ガラス板１６１の第１の面１６２に向かって戻るように反射される。

図５は、例示的なパターン状の光取出し部２２０を示している。光取出し部２２０のパターンは、２２２に示したような単位長さＬ_０、および、２２４で示したような単位幅Ｗ_０を有する個々の単位ブロックについてのものである。図示した単位ブロックの中心Ｘは、その下に光源が配置される領域に対応する。図７Ａを参照して後述するように、各光源は、図示した単位ブロックを含みうる。概して、光取出し特徴物の密度は、中心Ｘからの距離と共に増加する。いくつかの例において、光取出し特徴物は、格子を形成するパターンを有し、中心領域Ｘと、中心から直交して延伸する領域Ｙは、光取出し特徴物が疎に分布し、一方、角部領域Ｚでは、より蜜に分布する。他の例において、望ましい光出射分布を生成するのに適するように、他の光取出し特徴物パターンを用いうる。

光導波板を任意の適した方法で処理して、光取出し特徴物を生成しうる。一例において、光取出し特徴物は、高散乱塗料で被膜された表面の領域、レーザ破損された領域、並びに／若しくは、プラスチックまたは他のガラスでガラス表面上に形成されたプリズムまたはレンズなどの微少光学特徴物でありうる。他の例において、光取出し特徴物を、光導波板の表面をエッチングすることによって形成しうる。エッチングのパラメータを変化させて、望ましい光取出し特徴物を実現しうる。

図６は、バックライト３００の一例を概略的に示している。一例において、バックライト３００は、直下型方式の２Ｄ局所減光可能バックライトである。バックライト３００は、底部反射部３０２、複数の光源３０４、ガラス光導波路３１０、および、パターンを有する反射部３２０を含む。底部反射部３０２は、金属または他の適した材料などの反射材料を含む。複数の光源３０４は、底部反射部３０２とガラス光導波路３１０の間に、２Ｄアレイ状に配置されて、３０５に示したピッチを有する。一例において、各光源３０４は、ＬＥＤ、または、他の適した光源を含む。

光導波路３１０は、第１の面３１２、および、第１の面３１２の反対側の第２の面３１４を有するガラス板３１１を含む。光導波路３１０は、２Ｄアレイ状の第１の格子３１６など、パターン状の第１の（例えば、透過）格子３１６を、ガラス板３１１の第１の面３１２上に含む。光導波路３１０は、２Ｄアレイ状の第２の格子３１８など、パターン状の第２の（例えば、反射）格子３１８を、ガラス板３１１の第２の面３１４上に含む。各光源３０４は、第１の格子３１６と垂直方向に位置合わせされ、更に、各第１の格子３１６は、対応する第２の格子３１８と垂直方向に位置合わせされる。光導波路３１０は、例えば、図５を参照して記載したようなパターン状の光取出し部（不図示）も含む。パターン状の光取出し部は、ガラス板３１１の第１の面３１２または第２の面３１４上にある。

パターンを有する反射部３２０は、（パターンを有する反射部３２０内の白色領域によって示された）第１の（つまり、反射）領域３２５、および、各光源３０４と位置合わせされた（まとめて、第２の領域３２６と称し、パターンを有する反射部３２０内の黒色領域によって示された）第２の（つまり、透明）領域３２６ａ、３２６ｂ、および、３２６ｃを含む。第１の領域３２５は、第２の領域３２６より反射性であり、第２の領域３２６は、第１の領域３２５より透過性である。第２の領域３２６は、小さい部分領域３２６ａ、大きい部分領域３２６ｂ、および、更に大きい領域３２６ｃが示すように、ｘ軸方向にサイズが異なる。この例において、光導波路３１０とパターンを有する反射部３２０の間に空気間隙がある。他の例において、パターンを有する反射部３２０は、光導波路３１０に、例えば、パターンを有する金属層または多層誘電膜をガラス板３１１の第２の面３１４上に用いることによって、一体に組み込まれうる。

各光源３０４から発せられた光の少なくとも一部を、格子３１６、３１８によって光導波路３１０に結合し、全内部反射によって、横方向に広げる。各光源３０４から発せられた光の他の部分は、底部反射部３０２およびパターンを有する反射部３２０での反射により、底部反射部３０２とパターンを有する反射部３２０の間で横方向に広げられる。３３０で示した光線Ｒ１は、透明領域３２６ａを透過し、一方、３３２で示した光線Ｒ２は、最初に、反射領域３２５で反射され、次に、底部反射部３０２によって反射され、最後に、パターンを有する反射部３２０の透明領域３２６ｂを透過する。３３４で示した光線Ｒ３は、全内部反射により、光導波路３１０内で横方向に広げられ、次に、光導波路３１０から、パターン状の光取出し部によって取り出され、最後に、パターンを有する反射部３２０の透明領域３２６ｃを透過する。

３３４のような光線Ｒ３は、パターンを有する反射部３２０と底部反射部３０２の間で何度も反射する間に損失を生じることなく、より長い距離を横方向に進行しうる。３３４のような光線Ｒ３は光導波路３１０で内部吸収されるが、バックライト３００のＬＥＤのピッチ３０５が、一例では約１５０ｍｍ未満、他の例では約８０ｍｍ未満なので、内部吸収は比較的小さい。３３４のような光線Ｒ３は、光導波路３１０から取り出される前に、ＬＥＤのピッチ３０５の約半分を進行する。一例において、適した光導波路３１０は、７５ｍｍ超の長さについて、４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、および、６５０ｎｍで、９８％以上の内部伝達率を有する。そのように適した光導波路の一つを、ＣｏｒｎｉｎｇのＩｒｉｓ（商標）ガラスを用いて製作しうる。ガラス光導波路は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）で作られた光導波路と比べて、高い熱安定性、および、高い機械的安定性を有しうる。

底部反射部３０２とパターンを有する反射部３２０の間の光学距離を、３４０で示している。格子を通して光導波路３１０に結合された各ＬＥＤ３０４からの光を用いる光導波路に採用することによって、光学距離３４０を光導波路３１０の厚さと同じ位に短くしうる。光導波路３１０の厚さは、例えば、約０．１ｍｍと２ｍｍの間の範囲内でありうる。

図７Ａ〜１１は、表示装置を製作する例示的な方法を示している。図７Ａは、表示装置を製作するための例示的な第１のサブアセンブリ４００の上面図であり、図７Ｂは、側面図である。第１のサブアセンブリ４００は、複数のＬＥＤ４０４をプリント回路基板（ＰＣＢ）４０２に取り付けることによって製作される。ＬＥＤ４０４は、２Ｄアレイ状に配置され、各ＬＥＤ４０４は、４１２に示したような単位長さＬ_０、および、４１４に示したような単位幅Ｗ_０を有する個々の単位ブロック４１０を有する。一例において、各単位ブロック４１０は、図５を参照して既に記載、図示した光取出し部パターン２２０など、光導波路の各パターン状の光取出し部を、各ＬＥＤ４０４と垂直に位置合わせする場所を画定する。

図８Ａは、表示装置を製作するための例示的な第２のサブアセンブリ４２０の上面図であり、図８Ｂは、側面図である。第２のサブアセンブリ４２０は、図７Ａ〜７Ｂを参照して既に記載、図示した第１のサブアセンブリ４００の複数のＬＥＤ４０４の間のＰＣＢ４０２に底部反射部４２２を加えることによって製作される。底部反射部４２２は、金属材料、または、他の適した反射材料を含みうる。

図９Ａは、表示装置を製作するための例示的な第３のサブアセンブリ４３０の上面図であり、図９Ｂは、側面図である。第３のサブアセンブリ４３０は、図８Ａ〜８Ｂを参照して既に記載、図示した第２のサブアセンブリ４２０の複数のＬＥＤ４０４の上に光導波板４３２を加えることによって製作される。本明細書において、例えば、図１Ａ〜５を参照して記載したように、光導波板４３２は、底面および上面を有し、底面または上面上にパターン状の光取出し部、および、底面および／または上面上にパターン状の格子を含む。

図１０Ａは、表示装置を製作するための例示的な第４のサブアセンブリ４４０の上面図であり、図１０Ｂは、側面図である。第４のサブアセンブリ４４０は、図９Ａ〜９Ｂを参照して既に記載、図示した第３のサブアセンブリ４３０の光導波板４３２の上にパターンを有する反射部４４２を加えることによって製作される。パターンを有する反射部４４２は、黒色のドットで示した第１の領域４４４、および、黒色のドットの間の連続した白色の余白で示した第２の領域４４６を含む。一例において、第１の領域４４４および第２の領域４４６によって提供されたパターンは、図７Ａを参照して既に記載した個々の単位ブロック４１０に分割される。第１の領域４４４は、第２の領域４４６より透明で、第２の領域４４６は、第１の領域４４４より反射性である。ドットなどの第１の領域４４４の密度は、パターンを有する反射部４４２の平面内で異なる。第１の領域４４４は、最も低い面密度をＬＥＤ４０４の真上で有し、最も高い面密度を、単位ブロック間の角部で有する。第１の領域４４４の面密度は、ドットの数、ドットのサイズ、または、それらの組合せによって異なりうる。第１の領域４４４の面密度の違いは、光がパターンを有する反射部４４２を通った後に均一な照明分布を提供するように設計しうる。ドットを不規則に配置して、パターンの可視度を最小にしうる。一例において、ドットのサイズは、約５μｍと５０００μｍの間の範囲でありうる。ドットは、円形、矩形、または、任意の他の適した形状でありうる。

図１１は、例示的な表示装置４５０を概略的に示している。表示装置４５０は、拡散板４５２を、図１０Ａ〜１０Ｂを参照して既に記載した第４のサブアセンブリ４４０のパターンを有する反射部４４２の上に加え、更に、量子ドットフィルム４５４を拡散板４５２の上に加えることによって製作される。表示装置４５０の製作は、更に、プリズムフィルム４５６を量子ドットフィルム４５４の上に加える工程と、反射偏光子４５８をプリズムフィルム４５６の上に加える工程と、表示パネル４６０を、反射偏光子４５８の上に加える工程とを含む。

図１２Ａは、例示的な円形格子５００を示している。円形格子５００は、複数の入れ子状の円５０２を含み、それは、格子の縁部では、円の一部を含む。一例において、図１Ａ、２Ａ、３Ａ、および、４Ａの各透過格子および各反射格子は、円形格子でありうる。

図１２Ｂは、例示的な楕円形格子５１０を示している。楕円形格子５１０は、複数の入れ子状の楕円５１２を含み、それは、格子の縁部では、楕円の一部を含む。一例において、図１Ａ、２Ａ、３Ａ、および、４Ａの各透過格子および各反射格子は、楕円形格子でありうる。他の例において、図１Ａ、２Ａ、３Ａ、および、４Ａの各透過格子および各反射格子は、他の適した形状でありうる。

適した格子は、光源の波長λより短く、λ（ｎｇ−１）より長いピッチを有し、ｎｇは、ガラス光導波板の屈折率である。格子のピッチは、一次の回折光が存在するように、λ（ｎｇ−１）より長い。格子のピッチは、０°に等しい入射角についての一次の回折光が全内部反射条件を満たすように、λより短い。尚、これらの条件下で、格子の線に平行な平面に入射した光について、一次の反射または透過光は、入射角に関わらず、全内部反射を満たす。格子の線に垂直な平面に入射した光について、一次の光線（透過格子についてのＴ１およびＴ−１、若しくは、反射格子についてのＲ１およびＲ−１）の１つは、入射角に応じて、全内部反射条件を満たすか、または、消える。他方の一次の光線は、全内部反射条件を満たすか、または、満たさないことがありうる。光線が全内部反射しない場合でも、光線は、光源から離れて横方向に向きを変える。この一部の光は、図６に示したように底部反射部とパターンを有する反射部の間で何度も反射することにより、横方向に進行しうる。透過格子について、一次の回折からの横方向の結合効率は、０°に等しい入射角について、約５０％である。反射格子について、一次の回折からの横方向の結合効率は、０°に等しい入射角について、約６７％である。横方向の回折効率を高めるには、２つの格子、つまり、光導波路の底部上の格子と光導波路の上面の格子を用いうる。

図１３Ａは、例示的な格子６００を概略的に示している。この例において、格子６００は、基材６０２および基材６０２から延伸する複数の平行な線６０４を含む線形バイナリー格子である。格子６００の各線６０４は、６０６で示したピッチ、６０８で示した幅、および、６１０で示した厚さを有する。図１３Ａには、４つの線６０４を示しているが、格子６００は、任意の適した数の平行な線６０４を含みうる。格子デューティ比は、格子幅６０８を格子ピッチ６０６で除したものと定義される。格子６００の表面輪郭は、正方形または矩形でありうる。格子を用いるべきゾーンが幅と異なる長さを有する場合に、矩形表面輪郭が、光を、より均一に広げうる。

図１３Ｂは、図１３Ａの格子６００の光線に対する応答６２０の例を示している。波ベクトルｋを有する光線、Ｐ偏光電場Ｅ１、および、Ｓ偏光電場Ｅ２は、入射極角θおよび方位角φで、格子に当たる。φ＝０°の場合、入射平面は、格子の線に垂直である。φ＝９０°の場合、入射平面は、格子の線に平行である。α＝０°の場合、光線は、Ｓ偏光（ＴＥ）を有する。α＝９０°の場合、光線は、Ｐ偏光（ＴＭ）を有する。β＝０°の場合、光線は、直線偏光する。β＝±４５°の場合、光線は、円偏光する。

図１４は、偏光されていない垂直入射光の場合に、透過格子の一例について、回折効率と格子の厚さの関係を示している。この例において、透過格子は、４７６ｎｍの波長について、０．４７μｍのピッチ、および、５０％の格子デューティ比で設計されたものである。回折効率は、最適な格子の厚さ、および、デューティ比を選択することによって最高になる。図１４に示すように、この例において、Ｔ１＋Ｔ−１についての最高回折効率は、格子の厚さが約０．３０μｍの場合の約５０％である。Ｔ１＋Ｔ−１について、同様の最高回折効率が、デューティ比が約４０％と６０％の間の範囲内の場合に維持される。デューティ比が約４０％より低くなると、Ｔ１＋Ｔ−１についての回折効率は低下して、デューティ比が２０％の場合には、Ｔ１＋Ｔ−１についての回折効率は、約４０％未満になる。デューティ比が約６０％より高くなると、Ｔ１＋Ｔ−１についての回折効率は低下して、デューティ比が８０％の場合には、Ｔ１＋Ｔ−１についての回折効率は、約３０％未満になる。

図１５は、偏光されていない垂直入射光の場合に、反射格子の一例について、回折効率と格子の厚さの関係を示している。この例において、反射格子は、アルミニウムで作られ、４７６ｎｍの波長について、０．４７μｍのピッチ、および、５０％の格子デューティ比で設計されたものである。他の例において、反射格子は、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２など、低い屈折率の誘電材料と高い屈折率の誘電材料が交互に積み重ねられた積層体で作られうる。回折効率は、最適な格子の厚さ、および、デューティ比を選択することによって最高になる。図１５に示すように、この例において、Ｒ１＋Ｒ−１についての最高回折効率は、格子の厚さが約０．１５μｍの場合の約７０％である。Ｒ１＋Ｒ−１について、同様の最高回折効率が、デューティ比が約４０％と６０％の間の範囲内の場合に維持される。デューティ比が約４０％より低くなると、Ｒ１＋Ｒ−１についての回折効率は低下して、デューティ比が２０％の場合には、Ｒ１＋Ｒ−１についての回折効率は、約３０％未満になる。デューティ比が約６０％より高くなると、Ｒ１＋Ｒ−１についての回折効率は低下して、デューティ比が８０％の場合には、Ｒ１＋Ｒ−１についての回折効率は、約４０％未満になる。

デューティ比が高すぎると、Ｒ０が高くなりすぎて、望ましくない。例えば、デューティ比が約８０％の場合、Ｒ０は、約８０％より高い。デューティ比が低すぎると、Ｔ０が高くなりすぎて、望ましくない。例えば、デューティ比が約２０％の場合、Ｔ０は、約５０％より高い。デューティ比が約４０％と６０％の間の範囲内の場合、Ｔ０とＲ０の両方は低く、望ましいものであるＲ１＋Ｒ−１は、高い。例えば、デューティ比が５５％の場合、厚さが約０．２３μｍより厚い格子について、Ｒ１＋Ｒ−１は６０％より高い。デューティ比が５３％の場合、Ｒ１＋Ｒ−１は、約０．２１μｍと０．６０μｍの間の範囲内の厚さを有する格子について、６０％より高い。

図１６Ａ〜１６Ｂは、透過格子７０２を含む例示的な光導波路７００を概略的に示しており、入射光の方位角φが、９０°に等しい。図１６Ａは、光導波路７００の側面図であり、図１６Ｂは、透過格子７０２の上面図である。この例において、透過格子７０２は、４７６ｎｍの波長について、０．４７μｍのピッチ、０．２９μｍの厚さ、および、４５％の格子デューティ比で設計されたものである。図１６Ａに示すように、方位角φ＝９０°の場合には、Ｔ１とＴ−１の両方が同じ回折効率を有し、入射極角θに関わらず、全内部反射条件を満たす。したがって、Ｔ１とＴ−１の両方が、長い距離を進行しうる。

図１６Ｃは、図１６Ａ〜１６Ｂの例示的な透過格子について、方位角φが９０°に等しい場合の回折効率と入射極角θの関係を示している。この例において、Ｔ１＋Ｔ−１についての最高回折効率は、θが約１５°の場合の約６０％である。

図１７Ａ〜１７Ｂは、透過格子７２２を含む例示的な光導波路７２０を概略的に示しており、入射光の方位角φが、０°に等しい。図１７Ａは、光導波路７２０の側面図であり、図１７Ｂは、透過格子７２２の上面図である。この例において、透過格子７２２は、４７６ｎｍの波長について、０．４７μｍのピッチ、０．２９μｍの厚さ、および、４５％の格子デューティ比で設計されたものである。方位角φ＝０°の場合、Ｔ１は、入射極角θに応じて、全内部反射条件を満たすか、または、光導波路７２０を通り抜けるかのいずれかである。Ｔ−１も、全内部反射条件を満たさないことがありうる。いずれの場合も、ＴおよびＴ−１は、光源から離れるように横方向に向きを変える。

図１７Ｃは、図１７Ａ〜１７Ｂの例示的な透過格子について、方位角φが０°に等しい場合の回折効率と入射極角θの関係を示している。この例において、Ｔ１＋Ｔ−１についての最高回折効率は、θが約５°の場合の約５０％である。尚、図１７Ｃを図１６Ｃと比べると、φ＝０°か９０°であるかに関わらず、極角θが６０°未満の場合に、Ｔ０は４０％より高い。この影響は、反射格子を光導波路の上部に含むことによって抑制されうる。更に、極角θが３０°未満の際に、Ｔ０は、方位角φ＝０°の場合の方が、方位角φ＝９０°の場合より高い。この影響は、透過格子の線に直交する線を有する反射格子を用いることで抑制されうる。

図１８Ａ〜１８Ｂは、反射格子７４２を含む例示的な光導波路７４０を概略的に示しており、入射光の方位角φが、９０°に等しい。図１８Ａは、光導波路７４０の側面図であり、図１８Ｂは、反射格子７４２の上面図である。この例において、反射格子７４２は、４７６ｎｍの波長について、０．４７μｍのピッチ、０．１６μｍの厚さ、および、５０％の格子デューティ比で設計されたものである。

図１８Ｃは、図１８Ａ〜１８Ｂの例示的な反射格子について、方位角φが９０°に等しい場合の回折効率と入射極角θの関係を示している。この例において、Ｒ１＋Ｒ−１についての最高回折効率は、θが約０°の場合の約７０％である。

図１９Ａ〜１９Ｂは、反射格子７６２を含む例示的な光導波路７６０を概略的に示しており、入射光の方位角φが、０°に等しい。図１９Ａは、光導波路７６０の側面図であり、図１９Ｂは、反射格子７６２の上面図である。この例において、反射格子７６２は、４７６ｎｍの波長について、０．４７μｍのピッチ、０．１６μｍの厚さ、および、５０％の格子デューティ比で設計されたものである。

図１９Ｃは、図１９Ａ〜１９Ｂの例示的な反射格子について、方位角φが０°に等しい場合の回折効率と入射極角θの関係を示している。この例において、Ｒ１＋Ｒ−１についての最高回折効率は、θが約０°の場合の約７０％である。

本明細書に開示の直下型方式バックライトは、光導波路を含まない直下型方式バックライトと比べて、光効率を改良する。光効率は、ＬＥＤの上に配置されたガラス光導波路によって改良される。ＬＥＤからの光の少なくとも一部を、ガラス光導波路内で、全内部反射によって、横方向に広げる。全内部反射は、ＬＥＤから発せられた垂直入射光を光導波路へ、全内部反射臨界角より大きい角度で結合するガラス光導波路上の格子によって可能になる。

当業者には、本開示の精神および範囲を逸脱することなく、様々な変更および変形が可能なことが明らかだろう。したがって、本開示は、添付の請求項および等価物の範囲内である限りは、そのような変更および変形を網羅することを意図する。
の全てを含むものであると解釈されるべきである。

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

実施形態１
光導波路において、
第１の面、および、前記第１の面の反対側の第２の面を有するガラス板と、
前記ガラス板の前記第１の面上のパターン状の第１の格子と、
前記ガラス板の前記第２の面上のパターン状の第２の格子であって、各々、前記第１の格子と位置合わせされたものである前記第２の格子と、
前記ガラス板の前記第１または第２の面上のパターン状の光取出し部と
を含む光導波路。

実施形態２
各前記第１の格子および各前記第２の格子は、光を前記光導波路に結合させて、前記光の一部は該光導波路内を横方向に進行し、前記光取出し部によって、該光導波路から取り出されるものである、実施形態１に記載の光導波路。

実施形態３
各前記第１の格子は、第１の線を含む線形格子であり、
各前記第２の格子は、第２の線を含む線形格子である、実施形態１に記載の光導波路。

実施形態４
前記第１の線は、前記第２の線に平行である、実施形態３に記載の光導波路。

実施形態５
前記第１の線は、前記第２の線に直交するものである、実施形態３に記載の光導波路。

実施形態６
各前記第１の格子は、円形格子または楕円形格子であり、
各前記第２の格子は、円形格子または楕円形格子である、実施形態１に記載の光導波路。

実施形態７
前記パターン状の光取出し部は、各前記格子の近くで、該光取出し部を低密度に含み、各該格子の遠くで、該光取出し部を高密度に含むものである、実施形態１に記載の光導波路。

実施形態８
バックライトにおいて、
底面および上面を有するガラス光導波路であって、パターン状の光取出し部を前記底面または前記上面上に有し、パターン状の第１の格子を該底面または該上面上に有するガラス光導波路と、
底部反射部と、
前記底部反射部と前記ガラス光導波路の間の複数の光源と
を含み、
各前記光源からの光を、対応する前記第１の格子によって、前記ガラス光導波路に結合して、前記光の第１の部分は該ガラス光導波路内を横方向に進行し、前記光取出し部によって、該ガラス光導波路から取り出されるものであるバックライト。

実施形態９
第１の領域および第２の領域を含み、パターンを有する反射部であって、前記第１の領域は前記第２の領域より反射性が高く、該第２の領域は該第１の領域より透過性が高いものである反射部を、
更に含み、
前記ガラス光導波路は、前記パターンを有する反射部と前記複数の光源の間にあり、
各前記光源からの前記光の第２の部分は、前記底部反射部および前記パターンを有する反射部での反射により、該底部反射部と該パターンを有する反射部の間で横方向に進行するものである、実施形態８に記載のバックライト。

実施形態１０
前記パターン状の第１の格子は、前記ガラス光導波路の前記上面上にあり、各該第１の格子からの一次の反射光は、全内部反射条件を満たすものである、実施形態８に記載のバックライト。

実施形態１１
前記パターン状の第１の格子は、前記ガラス光導波路の前記底面上にあり、各該第１の格子を通った一次の透過光は、全内部反射条件を満たすものである、実施形態８に記載のバックライト。

実施形態１２
前記ガラス光導波路は、パターン状の第２の格子を含み、
前記パターン状の第２の格子と、前記パターン状の第１の格子は、前記ガラス光導波路の反対側の面上に位置するものである、実施形態８に記載のバックライト。

実施形態１３
各前記第２の格子は、各前記第１の格子の線に直交する線を含むものである、実施形態１２に記載のバックライト。

実施形態１４
各前記第１の格子は、アルミニウムを含むものである、実施形態８に記載のバックライト。

実施形態１５
各前記第１の格子のデューティ比は、４０％と６０％の間である、実施形態８に記載のバックライト。

実施形態１６
各前記第１の格子のピッチは、前記複数の光源によって生成された光の波長より短いものである、実施形態８に記載のバックライト。

実施形態１７
各前記第１の格子は、線形格子、円形格子、または、楕円形格子を含むものである、実施形態８に記載のバックライト。

実施形態１８
前記ガラス光導波路は、０．１ｍｍと２ｍｍの間の厚さを有するものである、実施形態８に記載のバックライト。

実施形態１９
表示装置の製作方法において、
複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）をプリント回路基板（ＰＣＢ）に取り付ける工程と、
底部反射部を、前記複数のＬＥＤの間の前記ＰＣＢに加える工程と、
底面および上面を有し、パターン状の光取出し部を前記底面または前記上面上に有し、パターン状の格子を該底面または該上面上に有する光導波板を、前記複数のＬＥＤの上に加える工程と、
パターンを有する反射部を、前記光導波板の上に加える工程と
を含む方法。

実施形態２０
拡散板を、前記パターンを有する反射部の上に加える工程と、
量子ドットフィルムを、前記拡散板の上に加える工程と、
プリズムフィルムを、前記量子ドットフィルムの上に加える工程と、
反射偏光子を、前記プリズムフィルムの上に加える工程と、
表示パネルを、前記反射偏光子の上に加える工程と
を更に含む、実施形態１９に記載の方法。

１００、１２０、１４０、１６０ 光導波路
１０１、１２１、１４１、１６１、３１１ ガラス板
１０６、１４６、１６６ 透過格子
１２６、１４８、１６８ 反射格子
３００ バックライト
３０２、４２２ 底部反射部
３０４ 光源
３１０ ガラス光導波路
３１６ 第１の格子
３１８ 第２の格子
３２０ パターンを有する反射部
４００ 第１のサブアセンブリ
４０４ ＬＥＤ
４２０ 第２のサブアセンブリ
４３０ 第３のサブアセンブリ
４３２ 光導波板
４４０ 第４のサブアセンブリ
４４２ 反射部

Claims (15)

1. 光導波路において、
   第１の面、および、前記第１の面の反対側の第２の面を有するガラス板と、
   前記ガラス板の前記第１の面上のパターン状の第１の格子と、
   前記ガラス板の前記第２の面上のパターン状の第２の格子であって、各々、前記第１の格子と位置合わせされたものである前記第２の格子と、
   前記ガラス板の前記第１または第２の面上のパターン状の光取出し部と
   を含む光導波路。
2. 各前記第１の格子および各前記第２の格子は、光を前記光導波路に結合させて、前記光の一部は該光導波路内を横方向に進行し、前記光取出し部によって、該光導波路から取り出されるものである、請求項１に記載の光導波路。
3. 各前記第１の格子は、第１の線を含む線形格子であり、
   各前記第２の格子は、第２の線を含む線形格子である、請求項１または２に記載の光導波路。
4. 各前記第１の格子は、円形格子または楕円形格子であり、
   各前記第２の格子は、円形格子または楕円形格子である、請求項１または２に記載の光導波路。
5. 前記パターン状の光取出し部は、各前記格子の近くで、該光取出し部を低密度に含み、各該格子の遠くで、該光取出し部を高密度に含むものである、請求項１から４のいずれか１項に記載の光導波路。
6. バックライトにおいて、
   底面および上面を有するガラス光導波路であって、パターン状の光取出し部を前記底面または前記上面上に有し、パターン状の第１の格子を該底面または該上面上に有するガラス光導波路と、
   底部反射部と、
   前記底部反射部と前記ガラス光導波路の間の複数の光源と
   を含み、
   各前記光源からの光を、対応する前記第１の格子によって、前記ガラス光導波路に結合して、前記光の第１の部分は該ガラス光導波路内を横方向に進行し、前記光取出し部によって、該ガラス光導波路から取り出されるものであるバックライト。
7. 第１の領域および第２の領域を含み、パターンを有する反射部であって、前記第１の領域は前記第２の領域より反射性が高く、該第２の領域は該第１の領域より透過性が高いものである反射部を、
   更に含み、
   前記ガラス光導波路は、前記パターンを有する反射部と前記複数の光源の間にあり、
   各前記光源からの前記光の第２の部分は、前記底部反射部および前記パターンを有する反射部での反射により、該底部反射部と該パターンを有する反射部の間で横方向に進行するものである、請求項６に記載のバックライト。
8. 前記パターン状の第１の格子は、前記ガラス光導波路の前記上面上にあり、各該第１の格子からの一次の反射光は、全内部反射条件を満たすものである、請求項６または７に記載のバックライト。
9. 前記パターン状の第１の格子は、前記ガラス光導波路の前記底面上にあり、各該第１の格子を通った一次の透過光は、全内部反射条件を満たすものである、請求項６または７に記載のバックライト。
10. 前記ガラス光導波路は、パターン状の第２の格子を含み、
    前記パターン状の第２の格子と、前記パターン状の第１の格子は、前記ガラス光導波路の反対側の面上に位置するものである、請求項６または７に記載のバックライト。
11. 各前記第２の格子は、各前記第１の格子の線に直交する線を含むものである、請求項１０に記載のバックライト。
12. 各前記第１の格子のピッチは、前記複数の光源によって生成された光の波長より短いものである、請求項６から１１のいずれか１項に記載のバックライト。
13. 前記ガラス光導波路は、０．１ｍｍと２ｍｍの間の厚さを有するものである、請求項６から１２のいずれか１項に記載のバックライト。
14. 表示装置の製作方法において、
    複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）をプリント回路基板（ＰＣＢ）に取り付ける工程と、
    底部反射部を、前記複数のＬＥＤの間の前記ＰＣＢに加える工程と、
    底面および上面を有し、パターン状の光取出し部を前記底面または前記上面上に有し、パターン状の格子を該底面または該上面上に有する光導波板を、前記複数のＬＥＤの上に加える工程と、
    パターンを有する反射部を、前記光導波板の上に加える工程と
    を含む方法。
15. 拡散板を、前記パターンを有する反射部の上に加える工程と、
    量子ドットフィルムを、前記拡散板の上に加える工程と、
    プリズムフィルムを、前記量子ドットフィルムの上に加える工程と、
    反射偏光子を、前記プリズムフィルムの上に加える工程と、
    表示パネルを、前記反射偏光子の上に加える工程と
    を更に含む、請求項１４に記載の方法。

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