JP4989658B2 - 全内部反射を用いた偏光転向フィルム - Google Patents
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Description
前記光方向転換物品が、
(a)入射角の範囲にわたって入射照明を受け入れるための入射面と、
(b)複数の光方向転換構造を備える出射面とを備え、
各光方向転換構造が、
(i)前記入射面の平面に対して第1の角度で配向される内部反射面と、
(ii)発光角で出射光を発するための出射面とを有し、
前記出射面が、前記入射面の平面に対して第2の角度で配向され、
垂線から60°より大きい主角での入射照明の場合に、光が、前記内部反射面から反射されて、前記ターゲット角の5°以内である発光角で前記出射面から発せられる光方向転換物品を提供する。本発明は、ある角度範囲にわたって照明を発するための照明光源と、上記光方向転換物品と、前記光方向転換物品からの前記出射光を調整することによって、画像を形成するための光ゲートデバイスとを備えるディスプレイ装置をさらに提供する。
図8A〜図8Dの輪郭プロットを参照すると、入射角θin=63°である。これらのプロットでは、横軸(x軸)は遠い底角を示し、縦軸(y軸)は屈折率nを示す。図8A〜図8Dは、図3Aに関して表現された順序で整理されている。図8Aは、導光板10からの光が平面22に入射する第1の境界における応答を示す。図8Bは、転向フィルム20内の光が遠い面26に入射する第2の境界における応答を示す。図8Cは、出射角の応答であるθoutを示す。図8Dは、図8A、図8Bおよび図8Cに表された複合条件による結果の重なりを示す合成輪郭プロットである。その結果、図8Dの合成輪郭プロットは、最適な偏光分離を提供する転向フィルム20の設計に利用可能な「作動空間」を示す。
図9A〜図9Dは、図8A〜図8Dの順序と類似の順序を示しており、同じ光方向転換構造および材料を用いるが、入射主角θin=70°である。図8Aと比較すると、留意すべきは、図9Aにおける領域1の|θin−θb|<5°が、1.5<n<2.0に存在しないことである。領域2の|θin−θb|<10°および領域3の|θin−θb|<15°が、この輪郭プロットに現れる。図9Bおよび図9Cの輪郭プロットに示される他の挙動は、実施例1の挙動と類似である。図9Dにおいて、|θout|<5°、|θin−θb|<5°および|θ4−θb|<5°の重なる領域1は存在しない。図9Dは、|θout|<5°、|θin−θb|<10°および|θ4−θb|<5°の場合の重なる領域3および|θout|<10°、|θin−θb|<15°および|θ4−θb|<10°を満たす重なる領域4を示している。
図10A〜図10Dは、図9A〜図9Dの順序と類似の順序を示しており、同じ光方向転換構造および材料を用いるが、入射主角θin=75°である。領域1の|θin−θb|<5°も領域2の|θin−θb|<10°も、図10Aの1.5<n<2.0では存在しない。図10Aにおける領域3は、|θin−θb|<15°を満たす。図10Bおよび図10Cにおける他の特徴は、実施例2における図9Bおよび図9Cの特徴に類似している。図10Dにおいて、領域3は、|θout|<5°、|θin−θb|<15°および|θ4−θb|<5°を満たし、重なる領域4は、|θout|<10°、|θin−θb|<15°および|θ4−θb|<10°を満たす。
(i)転向フィルム20の基体に対して、導光板10からの入射光をブルースター角に近い主角θinに向け、
(ii)転向フィルム20の中からの入射光がブルースター角に近い主角θ3であるように、転向フィルム20の光方向転換構造の遠い面26を正しい位置に置く。
次に図4を参照すると、転向フィルム20内で光に対する第3の境界を提供するための直線的に細長い光方向転換構造を用いる本発明の別の実施形態が示されている。ここで、遠い面26(本実施形態では、内部反射面とも呼ばれる)に入射する光は、全内部反射(TIR)を用いて反射され、次に、屈折角θ7がブルースター角に近い場合には、近い面24(本実施形態では、出射面とも呼ばれる)に角度θ6で入射する。図4の配置で、転向フィルム20内で光路は3つの境界を含む。第2の境界は、ブルースター角を用いない。代わりに、TIRが第2の境界で生じる。
図3A、図3B、図3Cおよび図4は、1つの基体から形成される転向フィルム20を示している。しかしながら、用いられる材料の屈折率が同一であるか、または異なる場合を含めて、2つ以上の材料を用いて転向フィルム20を製作することがより実用的である場合がある。図5Aは、図3Bの偏光転向フィルム20を示す断面図であり、基体28および光方向転換構造34が異なる屈折率nおよびn1を有する。ここで、基体28は、その上に光方向転換構造34が取り付けられる面を提供する。光方向転換構造34は、その後基体28に取り付けられる透明媒体の別個のシートの上に形成されることが可能である。あるいは、光方向転換構造34は、別個に製作され、基体28に取り付けられることも可能である。図5Bは、図4の転向フィルム20の場合の類似の配置を示す。
本発明の装置および方法は、偏光を提供するために支持構成要素のための複数の可能な構造を可能にする。図6は、本発明による偏光転向フィルム20を用いるディスプレイ装置60を示す概略断面図である。LC空間光変調器70は、導光板10および転向フィルム20から受け取った偏光を変調する。2分の1波長板80は任意である。後部偏光子72および前部偏光子73は、LC空間光変調器70自体のために設けられる。しかしながら、光を吸収することによって動作しない本発明の偏光転向フィルム20とは異なり、これらの組み込まれた偏光子は、吸収力があり、LC変調器の動作に必要である。図7Aは、図7Aの図において垂直に延在する転向フィルム20の光方向転換構造75および溝に対して45°で配向される一対の偏光子を用いたLC空間光変調器70のための偏光透過軸172および173を示す概略平面図である。この場合、2分の1波長板80は、転向フィルム20とLC空間光変調器70との間に設けられ、偏光の偏光方向を、平断面に対する平行から後部偏光子72に対する平行に変化させる。2分の1波長板80の光軸は、後部偏光子72に対して22.5°で配向される。
本発明の転向フィルム20は、硫黄を含有するポリマー、特にポリチオウレタン、ポリスルフィドなどを含む比較的高い屈折率を有する材料を用いて製作することができる。また、高屈折率の材料としては、2004年8月12日に公開されたSadayoriらの「Polycarbodiimide having high index of refraction and production method thereof」と題する米国特許出願公開第2004/0158021号に開示されるように、熱安定性に優れ、高い加工性と成形性を有するポリカルボジイミドコポリマーが挙げられる。これらの材料の屈折率は、589nmで1.738から1.757まで変化した。また、Chisholmらの「HIGH INDEX COATED LIGHT MANAGEMENT FILMS」と題する米国特許出願公開第2004/0109305号に開示されるように、たとえば、チタニア、ジルコニアおよびバリアなどの高屈折率材料のドープ微小球またはビーズを有する材料も、1.7前後の高屈折率を示す。また、高屈折率の材料としては、たとえば、ポリエチレンナフタレート(PEN)およびポリブチレン−2,6−ナフタレート(PBN)などの多くのポリエステルが挙げられる。これらの材料は、Hebrinkらの「Method for making coPEN/PMMA multilayer optical films」と題する米国特許第6,830,713号で論じられているように、約1.64から約1.9にまで変化する屈折率を有する。高屈折率を有する他の周知の材料も用いることができる。
図11の表1は、本発明の実施例および比較例を示しており、種々の材料を用いた種々の条件下で、本発明の転向フィルム20がどのように作用するかについて示している。これらの具体的な実施形態のために、フィルム設計は、遠い底角β1、近い底角β2および屈折率nによって特定される。フィルム性能は、出射角θout、P偏光の透過率TpおよびS偏光の透過率Tsによって与えられる。入射面および出射面における2つのブルースター角条件は、それぞれ、θin−θbおよびθ4−θbによって与えられる。最右欄のYの記入は、十分な結果を示している。全般的に、Tpを最大にし、Tsを低く維持しながら、転向フィルムのターゲットが|θout|<5°であることを確認する。しかしながら、Tpを最大にすることは、Tsを低く維持することより重要である。|θin−θb|<16°(または|θ4−θb|<16°)であるとき、ブルースター角条件は、入射面(または出射面)に大してほぼ満たされると考えられる。
θin=63°の場合には、β2≧90°−θ2=59.96°、
θin=70°の場合には、β2≧90°−θ2=58.1°、
θin=75°の場合には、β2≧90°−θ2=57.1°。
θin=63°の場合には、β2≧90°−θ2=61.7°、
θin=70°の場合には、β2≧90°−θ2=60.01°、
θin=75°の場合には、β2≧90°−θ2=59.08°。
51.0°≦β1≦59.5°
ただし、θin=63°の場合に、底角β2が61.7°未満であってはならない。これらの関係を考えると、許容可能な性能のためにフィルムを回転することは有利ではない。
θin=63°の場合には、β2≧90°−θ2=63.3°、
θin=70°の場合には、β2≧90°−θ2=61.7°、
θin=75°の場合には、β2≧90°−θ2=60.8°。
46.5°≦β1≦55.0°
ただし、θin=63°の場合に、底角β2が63.3°未満でなければならない。これらの関係を考えると、許容可能な性能のためにフィルムを回転することは有利ではない。
θin=63°の場合には、β2≧90°−θ2=68.0°、
θin=70°の場合には、β2≧90°−θ2=66.7°、
θin=75°の場合には、β2≧90°−θ2=66.0°。
34.0°≦β1≦41.5°
ただし、θin=63°の場合に、底角β2が68.0°未満でなければならない。これらの関係を考えると、許容可能な性能のためにフィルムを回転することは有利ではない。
図16の表6は、本発明の実施例および比較例を示しており、本発明の転向フィルム20が種々の材料を用いた種々の条件下で、どのように作用するかについて示している。
10 導光板
12 光源
14 端面
16 出射面
18 入射面
20 転向フィルム
22 平面
24、24’ 近い面
26、26’ 遠い面
28 基体
29 切頂面
31、32、33、35 光線
34 光方向転換構造
41、42、43、45 光線
52 反射面
60 ディスプレイ装置
70 LC空間光変調器
72 後部偏光子
73 前部偏光子
75 光方向転換構造
80 2分の1波長板
82 点光源
100 ディスプレイ装置
120 光ゲートデバイス
122 転向フィルム
124 偏光子
125 反射偏光子
142 反射面
172、173 透過軸
α 頂角
β1 底角
β2 底角
γ 開先角度
n 屈折率
θin1 第1の導光板に対する入射角
θin1’ 第2の導光板に対する入射角
θout 出射角
θ2 平面における屈折角
θ3 遠い面における入射角
θ4 遠い面における屈折角
θ5 遠い面における反射角
θ6 近い面における入射角
θ7 近い面における屈折角
V フィルムの垂線方向
V1 遠い面の垂線方向
V2 近い面の垂線方向
H 水平方向
R1 中心照明光線
Claims (17)
- ターゲット角に向かって光を方向転換するための光方向転換物品であって、
前記光方向転換物品が、
(a)入射角の範囲にわたって入射照明を受け入れるための入射面と、
(b)複数の光方向転換構造を備える出射面とを備え、
各光方向転換構造が、
(i)前記入射面の平面に対して第1の角度で配向される内部反射面と、
(ii)発光角で出射光を発するための発光面とを有し、
前記発光面が、前記入射面の平面に対して第2の角度で配向され、
垂線から60°より大きい主角での入射照明の場合に、光が、前記内部反射面から反射されて、前記ターゲット角の5°以内である発光角で前記発光面から発せられ、
前記主角が70°以下である入射照明の場合に、前記照明が前記入射面でブルースター角の±11°以内の入射角で導かれ、前記光がブルースター角の±11°以内である入射角で前記発光面に入射し、
前記主角が70°以上である入射照明の場合に、前記照明が前記入射面でブルースター角の±16°以内の入射角で導かれ、前記光がブルースター角の±16°以内である入射角で前記発光面に入射する、
光方向転換物品。 - 1.6より大きい屈折率を有する材料を含む請求項1記載の光方向転換物品。
- 少なくとも2つの異なる主角のいずれか一方での入射照明の場合に、各主角が垂線から60°より大きく、前記主角が互いから5°以上の差を有し、前記発光角が前記ターゲット角の5°以内である請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記主角に対する前記出射光が、95%を超える1つの偏光の透過率を有する請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記主角に対する前記出射光が、90%を超える1つの偏光の透過率をさらに有する請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記主角に対する出射光が、直交偏光に関して55%未満の透過率を有する請求項5記載の光方向転換物品。
- 前記主角に対する前記出射光が、直交偏光に関して50%未満の透過率を有する請求項5記載の光方向転換物品。
- 少なくとも3つの異なる主角のそれぞれでの入射照明の場合に、各主角が垂線から60°より大きく、前記主角が互いから5°以上の差を有し、前記発光角が前記ターゲット角の5°以内である請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記ターゲット角が、前記光方向転換物品の平面に対して垂直である請求項1記載の光方向転換物品。
- 複数の前記光方向転換構造が、実質的に平行であり、前記出射面の一方の縁から他方の縁まで延在している請求項1記載の光方向転換物品。
- 少なくとも2つの材料を含み、前記材料が異なる屈折率を有する請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記内部反射面が、湾曲している部分を有する請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記発光面が、湾曲している部分を有する請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記発光面が、2つ以上の斜面を含む請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記光方向転換構造が、先端が切り取られたような形である請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記光方向転換構造が、弓状パターンで延在している請求項1記載の光方向転換物品。
- (a)ある角度範囲にわたって照明を発するための照明光源と、
(b)ターゲット角に向かって光を方向転換するための光方向転換物品であって、
前記光方向転換物品が、
(i)入射角の範囲にわたって入射照明を受け入れるための入射面と、
(ii)複数の光方向転換構造を備える出射面とを備え、
各光方向転換構造が、前記入射面の平面に対して第1の角度で配向される内部反射面と、発光角で出射光を発するための発光面とを有し、前記発光面が、前記入射面の平面に対して第2の角度で配向され、垂線から60°より大きい主角での入射照明の場合に、光が、前記内部反射面から反射されて、前記ターゲット角の5°以内である発光角で前記発光面から発せられ、
前記主角が70°以下である入射照明の場合に、前記照明が前記入射面でブルースター角の±11°以内の入射角で導かれ、前記光がブルースター角の±11°以内である入射角で前記発光面に入射し、
前記主角が70°以上である入射照明の場合に、前記照明が前記入射面でブルースター角の±16°以内の入射角で導かれ、前記光がブルースター角の±16°以内である入射角で前記発光面に入射する、
光方向転換物品と、
(c)前記光方向転換物品からの出射光を調整することによって、画像を形成するための光ゲートデバイスとを備えるディスプレイ装置。
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