JP5102623B2 - 光学フィルムにおける長い湾曲したウェッジ - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、複数の高分子個別光学素子を含む光リダイレクト高分子フィルムの形成に関する。特に、この光学素子は、フィルム面にウェッジ形状の湾曲した機構を含み、素子の長さは８００から４０００マイクロメータの範囲である。

発明の背景
光リダイレクトフィルムは、典型的には薄い透過性のある光学フィルムまたは基板であって、フィルムを出る光の分布がフィルムの表面にさらに法線であるように導かれるように、フィルムを通過する光を再分配する。典型的には、リダイレクトフィルムは、フィルムの光出口面において、配列されたプリズム状の溝、長方形の溝、またはピラミッドを備え、リダイレクトフィルムはフィルムを出る光線についてフィルム／空気の境界面の角度を変え、それにより、溝の屈折表面に直交する面を進む入射光分布の成分がフィルム表面にさらに法線である方向に再分配されるようになる。このような光リダイレクトフィルムは、たとえば液晶表示部（ＬＣＤ）、ラップトップコンピュータ、ワードプロセッサ、アビオニック表示部、携帯電話、ＰＤＡなどの明るさを改善するために用いられ、表示部をより明るくする。

以前の光リダイレクトフィルムは、光リダイレクトフィルムが液晶表示部または他の表示部と共に用いられると、モアレパターンが目に見える問題を生じる。光リダイレクトフィルムの表面機構が、バックライトアセンブリに利用される他の光学フィルム、導光板の後ろの印刷されたドットもしくは三次元機構のパターン、または表示部の液晶部分の内部の画素パターンと相互に作用して、望ましくない効果であるモアレを生成する。モアレを減じる当該技術で公知の方法は、レンズ形アレイがシートのいかなる縁部とも平行でなく、レンズ形アレイが別の光リダイレクトフィルムまたは電子表示機器に対して角度をつけるように、光リダイレクトフィルムをダイス切断することであった。さらに用いられる方法としては、リニアアレイ素子の幅についてリニアアレイを無作為化すること、リニアアレイにおいて溝の高さを変えること、リニアアレイに対向する側面上でフィルムに拡散面を加えること、システムに拡散フィルムを加えること、またはリニアアレイのリッジを丸み付けすること、が含まれる。モアレを減じるための上記の技術は、軸上の明るさの減少をも引起すか、またはモアレ問題を適切に解決するようには働かない。モアレおよび軸上の明るさは関連する傾向があり、すなわち軸上のゲインが高いフィルムはシステムにおいて大きなモアレを有することを意味する。比較的高い軸上のゲインを維持しつつモアレを減じることができれば有益であろう。

米国特許第５，９１９，５５１号（カッブ ジュニア（Cobb Jr.））らは、モアレ干渉パターンの可視性を減じるためにピッチが可変のリッジおよび／または溝を備えたリニアアレイフィルムを開示する。ピッチ変動は、隣接するリッジおよび／または谷部のグループにわたって、またはリッジおよび／または谷部の隣接する対の間にあり得る。このようにリニアアレイ素子のピッチが変わることがモアレを減じる一方で、フィルムのリニア素子はなおもバックライト導光体上のドットパターンおよび表示部の液晶部分の内部の電子機器と相互に作用する。この相互作用を減じるか、またはなくすために、素子のリニアアレイを切断することが望ましい。

米国特許第６，３５４，７０９号は、そのリッジラインに沿って高さが異なるリニアアレイを備えたフィルムを開示し、そのリッジラインも端から端まで動く。フィルムが光の
方向を変え、そのリッジラインに沿って高さが異なることでわずかにモアレを減じるが、システムに用いられた場合に、適度に高い軸上のゲインを維持しつつフィルムのモアレを著しく減じるようなフィルムを有することが望ましい。

米国特許第６，５８３，９３６号（カミンスキー（Kaminsky）ら）は、光ポリマ拡散レンズをマイクロ複製するためのパターンのついたローラを開示する。パターンのついたローラは、まずローラを複数の大きさの粒子でビードブラスト加工し、続くマイクロノジュールを生成するクロム処理プロセスによって生成される。ローラのこの製造方法は、入射光エネルギを拡散するよう意図される光拡散レンズに極めて適している。

発明が解決する課題
表示装置を見るときにモアレパターンが目に見えないよう、モアレを減じつつ高い軸上の明るさを有する光リダイレクトフィルムの必要性がある。さらに、可視光透過率が高いリダイレクトフィルムの必要性がある。

発明の概要
高いゲインを維持し、モアレを減じる光リダイレクトフィルムを与えることが、本発明の目的である。

ねじ曲ったり傷がついたりする傾向が少ない光リダイレクトフィルムを与えることが、別の目的である。

表示バックライト構成および出力のためにカスタマイズ可能な光リダイレクトフィルムを与えることが、さらに他の目的である。

本発明のこれらの、および他の目的は、高分子フィルムもしくは基板の上またはそこに複数の高分子個別光学素子を含む光リダイレクト高分子フィルムによって達成され、その素子はフィルム面に湾曲したウェッジ形状の機構を含み、素子の長さは８００から４０００マイクロメータの範囲である。

発明の有利な効果
本発明は、液晶システムにおいて用いられた場合に比較的高い軸上のゲインを維持しつつ著しくモアレを減じる、ウェッジ形状の個別光学素子でできた光リダイレクトフィルムを与える。

発明の詳細な説明
本発明は、現在の光リダイレクトフィルムと比較して多数の利点を有する。フィルムのウェッジ形状の個別光学素子の大きさおよびフィルム上の配置は、モアレ減少と軸上のゲインとのトレードオフの平衡を保ち、モアレを著しく減じつつ比較的高い軸上のゲインを生成する。線、ドットまたは円の２つ以上の同一の繰返しパターンが不完全な位置合わせと重なると、または同一ではないが相関するパターンが重なると、結果としてモアレパターンが生じる。結果として生じるモアレパターンは、明るい線および暗い線または縁端の繰返しパターンである。線のサイズおよび周波数は、相互作用している２つのパターンに依存する。ＬＣＤ表示部などの表示装置では、ＬＣＤ装置を見る人が観察し得るモアレパターンは、表示された情報の質を妨害するので好ましくない。本発明の光リダイレクトフ
ィルムは、先行技術のリダイレクトフィルムと比較して、軸上のゲインを大きく維持しつつモアレを減じる。光学素子の長さが延びるにつれてパターンは一次元になりモアレパターンが発達し得る。光学素子の長さが短縮されるにつれて、スクリーンゲインが減じられる。フィルムがポリマの単一構造であるので、ねじ曲がる傾向はより少ない。フィルムが２層でできている場合、２つの層は異なる環境条件（たとえば熱および湿度）に対して典型的には異なるように（拡張したり接触したりして）反応するので、ねじ曲る傾向を有する。ねじ曲がりは、表示部において、表示を通して見えるフィルムの反りを引起すので、ＬＣＤの光リダイレクトフィルムには望ましくない。さらに、光学フィルムの反りは入射光エネルギの角度を変え、光学的な効率の損失を引起す。本発明は、引っ掻きおよび摩耗に抵抗する、ＵＶ硬化されたポリアクリレート（polyacrylate）から構築された先行技術の光学フィルムと比較して機械的により強固なことが示されたポリマを利用する。

光リダイレクトフィルムは、個別光学素子が湾曲したウェッジ形状の機構なので、素子のリッジラインと平行な面において進む光の一部の方向を変えることができる。さらに、本発明の光リダイレクトフィルムは、より効率的に光の方向を変えるために、光源および導光板の光出力に対してカスタマイズすることができる。個別光学素子によって、フィルムの設計が非常に柔軟になり、フィルム表面全体を通して異なる個別光学素子または異なる大きさもしくは配向を用いることが可能になり、フィルムに入る光を最も効率的に処理する。たとえば、導光板上のすべての点について角度の関数としての光出力がわかっている場合、導光板を出る光を効率的に処理するために、フィルム上で異なる形状、大きさ、または配向を有する湾曲したウェッジ形状の機構を用いる光リダイレクトフィルムが用いられることができる。これらの、および他の利点は下記の詳細な説明により明らかになる。

本願明細書に用いられる用語「透過性の」は、有意の偏差または吸収なく放射を通る能力を意味する。本発明については、「透過性の」材料とは、９０％を超えるスペクトラルトランスミッションを有する材料として定義される。用語「光」は可視光を意味する。用語「高分子フィルム」は、ポリマを含むフィルムを意味する。用語「ポリマ」はホモポリマ、コポリマ、およびポリマブレンドを意味する。

用語「光学ゲイン」、「軸上のゲイン」、または「ゲイン」は、出力光強度を入力光強度で除した比を意味する。ゲインはリダイレクトフィルムの効率の基準として用いられ、光リダイレクトフィルムの性能を比較するために利用することができる。

光学フィルムのコンテキストにおける個別光学素子は、光学フィルムにおける突起または凹みである、明らかに規定された形状の素子を意味する。個別光学素子は、光学フィルムの長さおよび幅に比べて小さい。用語「湾曲した表面」は、少なくとも１つの面において湾曲を有する、フィルム上の３次元の機構を示唆するよう用いられる。「ウェッジ形状の機構」は、１つ以上の傾斜した表面を含む素子を示唆するよう用いられ、これらの表面は平坦な表面と湾曲した表面との組合せであってもよい。ウェッジ形状の機構は少なくとも２つの湾曲した表面を含むことができ、さらに平坦な表面を有してもよく、または平坦な表面がなくてもよい。湾曲した表面は非対称でも非円形でもよい。ウェッジ形状の機構の一例は図１に見られる。

用語「光学フィルム」は、透過された入射光の性質を変える、薄いポリマフィルムを示唆するよう用いられる。たとえば、リダイレクト光学フィルムは、１．０を超える光学的な軸上のゲイン（出力／入力）をもたらす。

１つの実施の形態では、湾曲したウェッジ形状の機構は１つの湾曲した表面および１つの平坦な表面を有する。湾曲した表面は、１つ、２つ、または３つの軸に湾曲を有しても
よく、１つを超える方向に光の方向を変える役目をする。図１は、単一の湾曲したウェッジ形状の個別光学素子１の概略図であり、１つの湾曲した表面３および１つの平坦な表面５を有する。２つの表面が合うところには、リッジ７が形成される。リッジは素子の側面が合うところに形成される頂上部である。

別の実施の形態では、湾曲したウェッジ形状の機構は少なくとも２つの湾曲した表面を有する。これは、光リダイレクトフィルムが１つを超える方向に光の方向を変えることを可能にする。さらに、湾曲した表面は形状において非対称でもよい。

１つの実施の形態では、本発明の湾曲したウェッジ形状の素子は、無作為に配置され、互いに平行である。このため、リッジがほぼ同じ方向に位置合わせされる。ほぼ配向されたリッジラインを有するフィルムは、ある方向よりも他の方向に、より多くの光の方向を変え、それにより液晶バックライト照明システムで用いられた場合に、より高い軸上のゲインを生成する。図１に示されるように、リッジ７は湾曲している。たとえば、この湾曲は、フィルム面にあっても、フィルム面に直交しても、または図１の場合のように両方であってもよい（たとえば、フィルムは、幅方向および長さ方向に湾曲した素子を包含し得る）。素子が１つを超える方向に光の方向を変えることができるように、湾曲を備えた素子をフィルム面に有することが好ましい。

リッジラインの湾曲は、円または楕円の一部などの滑らかなアーチ形の湾曲である。湾曲が円の一部である場合の曲率半径が図２に示される。単一の湾曲したウェッジ形状の素子１１が、曲率半径１３を有して示される。円は素子の湾曲に適合し、この円の半径は素子の曲率半径である。曲率半径は、どれだけの光が各方向に方向を変えられ、フィルムがどれだけのモアレおよび軸上の明るさを有するかに影響する。同様の表示システムで用いられた場合の配列されたプリズム構造を包含する光リダイレクトフィルムと比較すると、０．８から２０ミリメートルの曲率半径が、表示システムで用いられた場合にモアレを著しく減じつつ比較的高い軸上のゲインを与えることがわかった。曲率半径が減少するにつれて軸上のゲインが減じられる。

湾曲したウェッジ形状の素子は、フィルム上の多くの構成に置くことができ、導光板からの光出力に対してカスタマイズすることができる。１つの実施の形態では、湾曲したウェッジ形状の機構の約半分は互いに対して１８０度回転される。これにより、非対称な素子が用いられると、素子のリッジに直交し、かつ基板の表面に法線方向の面に等しいリダイレクションが生成される。この湾曲した機構の配向は図３に示される。

湾曲したウェッジ形状の機構は、光リダイレクトフィルム上で多くの方法により配向され得る。１つの実施の形態では、湾曲したウェッジ形状の機構は互いに対して互い違いにされる。このように互い違いにすることにより、光リダイレクトフィルム上の機構が十分に表面被覆され、システムにおけるモアレが減じられることが確実になる。図４は、１つのそのような実施の形態の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す。素子（２７として示される１つの素子）が互いに対して互い違いであり、重なっているので、機構が密に詰められ、したがってパターンがない領域がほとんどないか、あるとしても少ないことが可能になる。

別の実施の形態において、湾曲したウェッジ形状の機構は、互いに対向してミラー構成に配向される。このミラー構成では、機構が互いの鏡像であるように、機構の対が配置される。図３は、ミラー構成において互いに対向する湾曲したウェッジ形状の機構を備えた本発明の１つの実施の形態のＳＥＭを示す。ミラーに写されたこれらの対は、これら自体または他の対と交差し、重なり得る。この対は、光リダイレクトフィルム上にパターンがない領域がないように配置されてもよい。１つの湾曲した表面および１つの平らな表面を
備えた機構の場合、機構をミラーリングされた対に配置することは、軸上のゲインおよびモアレ減少の量を選択的に変えるのに有益である。平坦な側面は軸上のゲインに対してより大きく寄与し、湾曲した側面はモアレ減少に対してより大きく寄与する。

図５は、長さおよび幅は同一だが曲率半径が異なり、そのため素子の湾曲した、または平坦な表面の割合が異なるようになる、２つの個別の湾曲したウェッジ形状の機構を示す概略図である。２つの機構３１および３７は異なる曲率半径を有し、機構３７は機構３１よりも大きな曲率半径を有する。したがって、機構３７の平坦な側面３９は、機構３１の平坦な側面３５よりも、機構の表面領域の割合が大きい。機構３７の湾曲した側面３８は、機構３１の湾曲した側面３３よりも、機構の表面領域の割合が小さい。曲率半径を調整することにより、平坦または湾曲した表面の面積領域の割合が調整され、かつシステムにおける軸上の明るさおよびモアレを制御することができる。

個別光学素子の幅は好ましくは２０から３００マイクロメータである。素子の幅が４５０マイクロメータを超える場合、十分に大きいので見る人が液晶表示を通してこれを見ることができるようになり、表示の質を減じる。より好ましくは、素子の幅は１５から６０マイクロメータである。この範囲が優れた光の形状特性を与え、見る人が表示部を通して見ることができないことが示された。表示装置設計で用いられる特定の幅は、液晶表示の画素ピッチに部分的に依存する。モアレ干渉を最小限にするよう素子の幅を選択することができる。

湾曲したウェッジ形状の機構は、機構の最大のリッジ高さが１０から１５０マイクロメータであるのが好ましい。素子の高さが１９０マイクロメータを超えると、十分に大きいために見る人が液晶表示を通してこれを見ることができるようになり、それは望ましくない。素子の高さが５マイクロメータ未満であると、フィルムの軸上のゲインが減少する。ウェッジ形状の素子がこの範囲の高さであれば著しいモアレ減少をもたらす設計となる。素子の高さはフィルム厚さにも依存する。フィルムはウェッジ形状の機構を支持することができるよう十分に厚くなければならない。いくつかの実施の形態では、光リダイレクトフィルムはウェッジ形状の機構の高さの少なくとも２倍の厚さを有することが望ましい。光リダイレクトフィルムの厚さは、適用例に依存して、５０から５００マイクロメータの範囲であり得、より大きなサイズのＬＣＤ型表示部はより厚いフィルムを有し、より小さな携帯型表示部はより薄いフィルムを有する。フィルム厚さは一定の適用例においてはこの範囲外であってもよい。フィルム厚さに相対して、その形状の大きさおよび密度が変化してもよい。

１つの実施の形態では、湾曲したウェッジ形状の機構は、機構の最も高い点において８０から１１０度の開先角度を備えた断面を有する。これらのリッジ角度によって光リダイレクトフィルムの高い軸上の明るさが生成されることが示された。リッジの角度が７５度未満または１１５度を超える場合、光リダイレクトフィルムの軸上の明るさは減少する。

湾曲したウェッジ形状の機構は、１０から１００マイクロメータの平均ピッチを有する。平均ピッチは、２つの隣接した機構の最も高い点の間の距離の平均である。機構の寸法が異なるという理由で、また、機構はモアレを減じ、フィルム上にパターンのない領域がないことを確実にするために、重なり、交差し、フィルムの表面上に無作為に置かれているという理由で、平均ピッチは機構の幅とは異なる。いくつかの実施の形態において、パターンのない領域はウェッジ形状の素子と同じ光学的性能を有さず、軸上のゲインの減少に至るので、フィルム上のパターンのない領域が０．１％未満であるのが好ましい。

図６は、本発明の光管理フィルム４１の概略的断面図である。機構の各々とその隣接する機構とのピッチはフィルムにわたって異なる。たとえば、ピッチ４３、４４、４５、４
６は長さが異なる。機構の平均ピッチは、フィルム４７の断面の部分を取りだして、その部分のリッジ数で除すことで計算される。

１つの実施の形態では、フィルムの屈折率は１．４から２．０である。フィルムの屈折率が高くなればなるほど、フィルムはより大きな光リダイレクト力を有する。フィルムは、光を再循環し、また光を屈折させることによってその方向を変える。再循環プロセスでは、光リダイレクトフィルムに当たる光の一部が、表示モジュールの下部素子（たとえば拡散器および導光体）を通して反射されて戻る。次いで、この光は、再び光リダイレクトフィルムに向かって、バックリフレクタまたは他の表示部構成要素によって反射されて戻る。この光の一部は、ここでフィルムによって表示部を通して低損失で方向を変えられることができ、光の残りの部分はさらなる再循環のために利用可能である。

１つの実施の形態では、個別光学素子はポリカーボネートを含む。ポリカーボネートは高い光学的透過値を有し、さらに強固かつ耐久性がある。ポリカーボネートのこの耐久性により、本発明の光リダイレクトフィルムは、ＵＶ硬化されたポリアクリレートなどのより繊細で脆弱な材料でできた他の典型的な光リダイレクトフィルムほどは傷つきにくい。ポリカーボネートは、さまざまな適用例のために等級ごとに利用可能であり、高温抵抗性のあるもの、寸法安定性が優れたもの、環境的に安定性が向上したもの、および溶融粘度が低いものが作られる。

１つの実施の形態では高分子フィルムは一体構造であって、そこでは機構および機構を載せたフィルムまたは基板は、機構とフィルムの機構がない部分との間に遷移点がない、単一の構造を含む。フィルムの大部分に一体化された機構を有することは、いくつかの利点を導く。第１に、フィルムが同じポリマでできているので、機構が基板にコーティングされたり取付けられたりした場合に生じるような屈折率変化がない。屈折率変化がないことは、内部境界面からの反射損失がないこと、および光透過効率がより高いことを意味する。第２に、フィルムが単一構造であるので、ねじ曲がる傾向が少ない。フィルムが２層からできている場合、２つの層は異なる環境条件（たとえば熱および湿度）に対して典型的には異なるように（拡張したり接触したりして）反応するので、ねじ曲る傾向がある。ねじ曲がりは、表示部において、表示部を通して見えるフィルムの反りを引起すので、また、湾曲した表面にわたって光エネルギの入射角が変化するために光学的効率の損失を引起すので、ＬＣＤの光リダイレクトフィルムには望ましくない。

さらに、光リダイレクトフィルムの、または個別光学素子の１つ以上の表面は、テクスチャ、コーティング、染め加工、発光層、艶消し仕上げ、拡散仕上げ、鏡面仕上げ、および光学的に滑らかな仕上げの１つ以上を有することができ、フィルムの光出力分布において所望の効果を生成する。ここで光学的に滑らかな仕上げとは、光が、ほとんどまたは全く光散乱なく表面を通って透過されることができるような表面仕上げを記述するために用いられる。

１つの実施の形態では、フィルムの表面上またはその表面の個別光学素子は、液晶表示の画素間隔に対するいかなる干渉もなくすような方法で無作為化されるのが好ましい。この無作為化は、光学素子の大きさ、形状、位置、深さ、配向、角度、または密度を含み得る。これは、モアレおよび同様の効果に打ち勝つための拡散器層の必要性をなくし得る。さらに、個別光学素子のうちの少なくともいくつかは、フィルムの出口表面にわたってグループ化されて配置されてもよく、グループの各々における光学素子のうちの少なくともいくつかは異なる大きさまたは形状特性を有しており、それがフィルムにわたって異なるグループの各々について、集合的に平均の大きさまたは形状特性を生成し、任意の単一の光学素子についての機械加工の許容誤差を超えた平均固有値を得、かつモアレおよび液晶表示の画素間隔との干渉効果に打ち勝つ。さらに、個別光学素子のうちの少なくともいく
つかは、フィルムが２つの異なる軸に沿って光を配向し直す／方向を変える能力をカスタマイズするために、互いに対して異なる角度で配向されてもよい。機構を無作為化する際には、平らな、ファセットのない表面領域を回避するようにフィルムの性能を得ることが重要である。ファセットのない、または平らな領域を回避するこれらの機構の擬似的な無作為配置のためのアルゴリズムが存在する。

個別光学素子の光リダイレクト表面がフィルムの光出口表面と作る角度もまた、フィルムの光リダイレクト機能を光源の表面にわたって非均一な光入力分布に合わせるために、液晶表示部の表示領域にわたって異なってもよい。

光リダイレクトフィルムの個別光学素子はさらに、互い違い、相互連結、および／または交差構成において互いに重なってもよく、優れた表面領域被覆を有する光学的構造を生成する。さらに、個別光学素子はグループ化されて配置され、いくつかの個別光学素子は１つの軸に沿って配向され、他の個別光学素子は別の軸に沿って配向されてもよい。さらに、各グループにおける個別光学素子の配向は異なってもよい。さらに、光リダイレクトフィルムの個別光学素子の大きさ、形状、位置および／または配向が異なっていてもよく、光源によって放射される光分布の変化の要因となる。

光リダイレクトフィルムの個別光学素子の性質およびパターンはまた、たとえば単球ラップトップのために１つのパターン、二球フラットパネル表示部、ＣＣＦＬ光源、ＬＥＤ光源などのために別のパターンなど、異なる光分布を放射する異なる型の光源のために光リダイレクトフィルムを最適化するよう、カスタマイズされてもよい。

さらに、そこで所望の視角内のバックライトからの入射光のより多くを配向し直し、または方向を変えるために、光リダイレクトフィルムの個別光学素子の配向、大きさ、位置および／または形状がバックライトまたは他の光源の光出力分布に適合される光リダイレクトフィルムシステムが与えられてもよい。さらに、バックライトは、１つの軸に沿って光の方向を変える個別光学変形体を含んでもよく、光リダイレクトフィルムは、１つの軸に直交する別の軸に沿って光の方向を変える個別光学素子を含んでもよい。

図７は、光リダイレクト高分子フィルム１１１が液晶表示部に組入れられた、表示部１０１の１つの例を示す。光は光源１０３によって導光体１０７へ出力される。光源１０３は典型的には冷陰極管またはＬＥＤであるが、光を生成することができるいかなる源でもよい。導光体１０７はテーパ状またはスラブであってもよく、かつ導光体１０７の片側にバックリフレクタ１０５を有する。光は、バックリフレクタ１０５のある側と反対側を通って導光体を出て、拡散器１０９を通過し得る。拡散器１０９は、表示部にわたって導光体１０７の光出力を均し、導光体上にしばしば印刷され、またはエンボス加工されたあらゆる機構を隠し、モアレを減じるよう機能する。次に光は、光リダイレクトフィルム１１１を通る光がフィルムに入る光と比較してより狭い円錐において光リダイレクトフィルム１１１を出るように、光リダイレクトフィルム１１１を通る。光リダイレクトフィルム１１１は、導光体１０７の方と反対側の表面上に個別光学素子があるように配向されるのが好ましい。次に光は液晶表示モジュール１１３に入る。光リダイレクトフィルムと液晶部分との間には、頂部拡散器または反射偏光子などの他のフィルムがあり得る。光リダイレクトフィルム１１１上のウェッジ形状の機構は、モアレパターンがＬＣＤパネルを通して目に見えないように、画素または他の繰返す素子の寸法、ピッチ、または角度配向に対して異なっていたり無作為化されたりする、ピッチまたは角度配向を有してもよい。

図８は、２つの光リダイレクト高分子フィルム１３１および１３３が液晶表示部に組入れられた、表示部１２１を示す。この設定は、光が光源１２３によって導光体１２７へ出力される、図８に類似する。光源１２３は典型的には冷陰極管またはＬＥＤであるが、光
を生成することができるいかなる源であってもよい。導光体１２７はテーパ状でもスラブであってもよく、かつ導光体１２７の片側にバックリフレクタ１２５を有する。光は、バックリフレクタ１２５の側と反対側を通って導光体を出て、拡散器１２９を通過し得る。拡散器１２９は、表示部にわたって導光体１２７の光出力を均し、導光体上にしばしば印刷され、またはエンボス加工されたあらゆる機構を隠し、モアレを減じるよう機能する。次に光は光リダイレクトフィルム１３１および光リダイレクトフィルム１３３を通る。２つの光リダイレクトフィルムは、フィルム上のウェッジ形状の機構の長さ方向が互いに対して８０から１００度、好ましくは互いに対して９０度の角度にあるように、交差する。光リダイレクトフィルム１３１および１３３の双方が、個別のウェッジ形状の光学素子が導光体１２７の方と反対を向くように配向されるのが好ましいが、いくつかの適用例については、リダイレクトフィルムは導光体の方に面したウェッジ形状の機構と共に用いることができる。他の実施の形態において、光リダイレクトフィルムはウェッジ形状の機構をフィルムの両側に有したり、または、フィルムのウェッジ形状の機構と対向する側に拡散テクスチャなどの異なるテクスチャを有したりすることができる。次いで、光は液晶表示モジュール１３５に入る。光リダイレクトフィルムと液晶部分との間には頂部拡散器または反射偏光子などの他のフィルムがあり得る。好ましくは、光リダイレクトフィルム１３１および１３３上のウェッジ形状の機構は、モアレパターンがＬＣＤパネルを通して目に見えないように、画素または他の繰返す素子の寸法、ピッチ、または角度配向に相対して異なっていたり無作為化されたりするピッチまたは角度配向を有する。

図９は、光源１７３、ウェッジ形状の素子１７７を備えた光リダイレクトフィルム１７５、および表示部１７９を含む表示システム１７１を示す。表示部１７９は、液晶表示または有機発光ダイオード表示（ＯＬＥＤ）を含むいかなる型の表示部であってもよい。表示部１７９はアクティブでも、パッシブでも、または静的であってもよい。光リダイレクトフィルム１７５は、光リダイレクトフィルム１７５の光源１７３に対して遠い表面にウェッジ形状の機構１７７を有する。表示システム１７１はさらに、光リダイレクトフィルム１７５のウェッジ形状の素子の長さ方向に対して好ましくは８０から１００度で交差され得る第２の光リダイレクトフィルム（示されない）を有することができる。

図１０は、光リダイレクトフィルム１８５が光リダイレクトフィルム１８５の光源１８３に対して近い表面にウェッジ形状の機構１８７を有すること以外は表示システム１７１に類似した、表示システム１８１を示す。表示システム１８１は、光源１８３、ウェッジ形状の機構１８７を備えた光リダイレクトフィルム１８５、および表示部１８９を含む。表示部１８９は液晶表示または有機発光ダイオード表示（ＯＬＥＤ）を含むいかなる型の表示部であってもよい。表示システム１８１はさらに、光リダイレクトフィルム１８５のウェッジ形状の素子の長さ方向に対して、好ましくは８０から１００度で交差され得る第２の光リダイレクトフィルム（示されない）を有することができる。

好ましくは、液晶表示システムにおける本発明の光リダイレクトフィルムは、少なくとも１．３の軸上のゲインを有する。本発明の光リダイレクトフィルムは、減じられたモアレと高い軸上のゲインとの平衡を保っている。ＬＣＤ製造業者は表示部の明るさを著しく増加させるために少なくとも１．３の軸上のゲインを好むことが示された。

視覚的には、モアレ効果は、２つの類似する空間パターン間の幾何学的な干渉を指す。この干渉は、同じまたはほとんど同じ周期性または高調波を包含するパターン間で最も明らかである。モアレパターンは、スクリーンの周期的な成分の和および差の結果である。結果として生じる顕著なモアレパターンは、２つの元のパターンのいずれかよりも低い周波数と、振動している高調波成分の強さに依存する振幅と、２つのパターンの相対的な配向に依存する配向とを有する。たとえば、互いに対して垂直に位置合わせされて角度θで配向された、等しい周期ｐを有する２つの方形波透過回折格子によって生成されたモアレ
パターンは、ｐ／θにほぼ等しい周期で水平に配向され、個別の回折格子の線形状のコンボリューションによって与えられる線形状を有する。明らかに、角度が０になると周期は無限に広くなる。しかしながら、完全に位置合わせされたスクリーンについては、それらがほぼ同一の周期を有する場合にモアレが顕著である。結果として生じるモアレパターンは、ｐ１＊ｐ２／（ｐ１−ｐ２）に等しい周期を有し、ここでｐ１およびｐ２は２つのスクリーンの周期である。たとえば、回折格子１が周期ｐ１＝０．０５ｍｍを有しており、回折格子２が周期ｐ２＝０．０５０１ｍｍを有していれば、結果として生じるモアレ周期は２５ｍｍになる。

明らかに著しく異なる周期を有する回折格子は、それらが周波数の近い高調波を有する場合、モアレ効果を生成し得る。周期ｐ１を有する方形波スクリーンは、１／ｐ１の倍数ｎ、すなわちｎ／ｐ１である高調波を有する。これらの周期ｐ２の第２のスクリーンの基本波を備えた高調波の振動は、ｐ１＊ｐ２／（ｎ＊ｐ２−ｐ１）に等しい周期を有する振動を生成する。周期ｐ１＝０．２５ｍｍを有するスクリーンおよび周期ｐ２＝０．０５０１を有するスクリーンの第５高調波（ｎ＝５）を考慮されたい。結果として生じるモアレ周期は２５ｍｍである。

結果として生じるモアレが実際に観察されるか否かは、結果として生じる周期および変調に依存する。これらのパラメータの組合わさった視覚的影響は、コントラスト変調閾値のヴァン ネス ボウマン（Van Nes Bouman）曲線に包含されている。この曲線は、周期／度（cycle/degree）で与えられるパターンの空間周波数の関数として、見る人がパターンを観察するために必要となる最小限のコントラストを示す。一般に、目は２から１０周期／度の周波数に最も敏感であり、５周期／度でピークとなる。この範囲では、視覚閾値は０．１％以下の変調である。空間的周期を周期／度の空間周波数に変換するためには、見える距離を観察者に導入することを必要とする。見える距離１８インチでは、１度は８ｍｍ以下の範囲を定める。したがって８ｍｍをモアレパターンの空間的周期ｍｍで除すると、その空間周波数を周期／度で生じる。上記の例については、２５ｍｍのモアレ周期は０．３２周期／度以下に対応する。この空間周波数では、視覚閾値は１％以下の変調である。フーリエ解析から、純粋な方形波スクリーンは１．８％以下の変調を有し、それを見る人にわずかに見えることになる。

モアレパターンの可視性に関する鍵となるパラメータは、周期／度での空間周波数およびその変調である。これらの性質が下部にあるスクリーンに由来するので、その構造パラメータが鍵となる。上記の例で説明されるように、直線スクリーンまたは一方向においてのみ異なるスクリーンは、直線モアレパターンを生成する。ウェッジ形状の機構におけるようなパターンの中に湾曲した構造を導入することにより、パターンは二次元となる。周期的な配置は結果として二次元の高調波成分を生じる。潜在的にモアレを生成し得るのは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の黒いマトリクス構造の周期性を備えたこれらの周期的成分の振動である。この二次元のパターンは、重なったダイヤモンドまたはシヌソイドとして見ることができる。上述のように、ウェッジ形状の機構の長さが延びるにつれてパターンは一次元になり、モアレパターンが発達し得る。ウェッジ形状の機構の長さが短縮されるにつれてスクリーンゲインが減じられ、したがって利益がない。この中間の長さのウェッジパターンが上述のようなモアレパターンを結果として生じることができる。これは、ウェッジ形状の素子の湾曲した構造が結果としてコントラストのより低いモアレパターンを生じるという点を除いて、ＴＦＴとリニアスクリーンとの間に発達したモアレに類似している。導入される無作為化は周期性の切断をも助け、さらにモアレが観察されることを減じる。

図１１は光学的最適化グラフを示す。これは光リダイレクトフィルムの軸上のゲイン対モアレ減少（軸上のゲインについての数字が大きいほど表示は軸上でより明るく、モアレ
数が高いほどシステムにおいてモアレがより大量である）のグラフである。理想的には、完全な光リダイレクトフィルムはグラフの上部左手の隅であって軸上のゲインが大きく、モアレがない。現実的には、モアレおよび軸上のゲインは直接関係づけられ、モアレを減じるために用いられる方法は軸上の明るさにも負の影響を有する。液晶産業においては、解像度が増加するにつれて（モアレがさらに顕著になり）、製造業者が所望する妥協位置、すなわち軸上の明るさの損失を最小限にしつつモアレが著しく減じられる位置がある。この基準に適合するフィルムを生成しようとする以前の試みは失敗し、確かにモアレをうまく減じるが、多くの適用例については軸上の明るさが低いフィルムを生成してきた。

本発明の光リダイレクトフィルムを作るための１つの製造工程は、スリットダイから溶融押出されたポリマを利用する。一般に、Ｔダイまたはコートハンガーダイが用いられる。プロセスは、スリットダイを通してポリマまたはポリマブレンドを押出し成形し、押出されたウェブを所望の表面ジオメトリを備えた精密にパターン化されたローラ上で急速に冷ますことを含み、その結果、透明なシートの表面機構がそのガラス凝固温度以下に冷やされて、光学素子の所望の形状を保持する。

本発明のフィルムは、パターンのまわりの真空成形、ウェブ上でコーティングされ、次いで硬化されたＵＶ硬化可能な材料を用いた表面機構の射出成形、およびポリマウェブにおいて表面機構をエンボス加工することによって製造され得る。

本発明は、いかなる液晶表示装置に関連して用いられてもよく、その典型的な構成は下記に記述される。液晶（ＬＣ）は電子表示に広く用いられる。これらの表示システムでは、ＬＣ層は偏光子層とアナライザ層との間に位置し、法線軸に対して層を通して方位角のねじれを示す導波器を有する。アナライザは、その吸収軸が偏光子の吸収軸に直交するよう配向される。偏光子によって極性化された、液晶セルを通過する入射光は、液晶の分子配向によって影響を受け、それはセルにわたって電圧を適用することによって変えることができる。この原理を採用することによって、周囲光を含む外部源からの光の透過を制御することができる。この制御を達成するのに必要なエネルギは、一般に、陰極線管などの他の表示の型で用いられる発光材料に必要なエネルギよりも著しく少ない。したがって、ＬＣ技術は、軽量、低電力消費、および長期間作動が重要な特徴となるような、デジタル腕時計、計算器、ポータブルコンピュータおよび電子ゲームを含むがこれらに限定されない多くの適用例に用いられる。

実施例
以下の実施例は本発明の実行を例示する。これらは本発明のあらゆる可能な変形を漏れなく示すようには意図されない。特に表示のない限り、部分および割合は重量による。

発明実施例１
発明実施例１は、ゼネラルエレクトリック（General Electric）社から入手可能なコンパクトディスク光学グレードポリカーボネートでできたモノリシック構造（単層）として本発明に従って生成された。フィルムは、パターンのあるローラと滑らかなプレッシャローラとの間のニップに（およそ３１５℃で押出し加工された）鋳造ポリカーボネートが押出される、押出しロール成形を用いて生成された。結果としてのフィルムは厚さおよそ１２５マイクロメータで、パターンのある側面および滑らかな側面を有した。パターンは、湾曲したウェッジ形状の機構から構成されていた。

発明実施例１は、個別に平均で長さ１３６０マイクロメータ、幅５０マイクロメータ、高さ２４マイクロメータ、および開先角度９０度である機構を有していた。機構は、２つの隣接した機構の最も高い点の間の距離がおよそ３５マイクロメータの平均ピッチであるように、フィルムの表面にわたって、無作為で、重なっており、交差していた。

発明実施例２
発明実施例２は、発明実施例１と同じ材料、プロセスおよび厚さを備えて、同じ態様で準備された。発明実施例２は、個々に平均で長さ９５０マイクロメータ、幅４４マイクロメータ、高さ２２マイクロメータ、および開先角度９０度の機構を有していた。機構は、２つの隣接した機構の最も高い点の間の距離がおよそ２２マイクロメータの平均ピッチであるように、フィルムの表面にわたって、無作為で、重なっており、交差していた。

比較例１
比較例１は、商業的に入手可能な明るさ増強フィルムである、３Ｍ（登録商標）が製造するＢＥＦＩＩであった。ＢＥＦＩＩは、コーティングされてからＵＶ硬化されたポリアクリレート（polyacryate）（厚さおよそ２５マイクロメータ）でできた明るさ増強機構を伴う配向されたポリエステル（厚さおよそ１００マイクロメータ）の２層構造（２層間の接着のために第３の層を有し得る）である。機構は、ピッチ５０マイクロメータ、高さ２５マイクロメータ、および開先角度９０度を備えた連続的なリニアプリズムである。

比較例２
比較例２は、商業的に入手可能な明るさ増強フィルムである、３Ｍ（登録商標）が製造するＢＥＦＩＩＩ−Ｔであった。ＢＥＦＩＩＩ−Ｔの構造はＢＥＦＩＩに類似しており、わずかに異なる機構を有する。機構は、平均ピッチ５０マイクロメータ、開先角度９０度、および高さが可変の連続的なリニアプリズムである。高さはプリズムの長さに沿って異なり、プリズムに「波状の（wavy）」外観を与える。プリズムのリッジラインは高さが異なるが、フィルムの面と平行な面においては異ならない。フィルムは、システムにおけるモアレを減じるように設計された。

比較例３
比較例３は、発明実施例１および２と同じ構造であるが異なる機構を有する。機構は、個別に平均で長さ４００マイクロメータ、幅５８マイクロメータ、高さ２９マイクロメータ、および開先角度９０度の機構を有していた。機構は、２つの隣接した機構の最も高い点の間の距離がおよそ３５マイクロメータの平均ピッチであるように、フィルムの表面にわたって、無作為で、重なっており、交差していた。

フィルムは、フィルムパターン側を光源から遠ざけて置くことにより、その光の方向を変える特性に関して検査され、光源は拡散式の均等拡散面光源（diffuse, Lambertian light source）である。明るさ増加を比較するために相対輝度対角度の０度の方位角グラフが用いられた。結果は図１２に示され、ここで１５１は相対輝度対均等拡散面光源の角度に対応する。グラフ上の他の列は、軸上のゲインの減少における、相対輝度対本発明のフィルムおよび比較フィルムの角度に対応する。１５３−比較例１、１５５−比較例２、１５７−発明実施例１、１５９−発明実施例２、１６１−比較例３である。

上記で挙げた本発明例と比較例との光リダイレクトフィルムが、モアレについて視覚的に評価された。フィルムは白い非常に拡散した均等拡散バックライトで検査された。各フィルムは、フィルムの機構の長い軸がフィルムに置かれたＲＧＢ ＬＣＤアレイに平行に位置合わせされるように置かれた。観察は、モアレが最も発生する、軸外で行われた。ラップトップサイズの表示部に典型的な解像度範囲が光リダイレクトフィルムで検査され、モアレが視覚的に評価されて互いにランク付けされた。ＬＣＤパネルは、０．３０７５ｍｍ、０．２９８ｍｍ、０．２７９ｍｍ、０．２６４ｍｍ、０．２２５０ｍｍ、０．２１７５ｍｍおよび０．２０５５ｍｍの解像度を有していた。フィルムは０から５の目盛りでランク付けされ、０はモアレを有さず、５は最大のモアレを有する。視覚的なランク付けは以下の通りである。

次いでデータがノーマライズされた。以下の表はランク付けデータおよび発明の実施例と比較例とのモアレの相対的ランク付けを示す。

モアレおよび軸上の明るさは、液晶表示システムにおけるフィルムの性能にとって別個に重要であるが、モアレ減少および軸上のゲインの平衡を保つことが液晶表示における性能全体において重要である。軸上の明るさを著しく減じることなくモアレを減じるという難問は市場で十分に対応されておらず、以前の試みは成功していなかった。図１１は、光リダイレクトフィルムの軸上のゲイン対モアレ減少の光学的最適化グラフを示す（軸上のゲインについての数字が大きいほど表示は軸上でより明るく、モアレ数が高いほどシステムにおいてモアレがより大量である）。理想的には、完全な光リダイレクトフィルムはグラフの上部左手の隅であって軸上のゲインが大きく、モアレがない。現実的には、モアレおよび軸上のゲインは逆に関係づけられ、モアレを減じるために用いられる方法は軸上の明るさにも負の影響を有する。液晶産業においては、解像度が増加するにつれて（モアレがさらに顕著になり）、製造業者が所望する妥協位置、すなわち軸上の明るさの損失を最小限にしつつモアレが著しく減じられる位置があり、それが図１１にそれぞれ発明の実施例１および２である点１４５および１４７を包含する囲まれた領域として示される。この基準を満たすフィルムを生成しようとする以前の試みは失敗し、モアレを著しく減じることなく軸上の明るさを減じるフィルムを有し、また確かにモアレをうまく減じるが、多くの適用例については軸上の明るさが低いフィルムを生成してきた。点１４３である比較例２はモアレを減じるが、図１１でグラフに示されたように、点１４１（比較例１）と比較
すると、モアレを著しく減じることなく軸上のゲインを減じている。他の試みによって非常にモアレの低いフィルムである点１４９が生成された。比較例３である。しかし比較例３におけるように、いくつかの適用例については十分な軸上の明るさを有さない。

本発明のフィルムがポリカーボネートポリマから構築されたので、結果として生じる光リダイレクトフィルムは、より繊細なＵＶ硬化されたプリズム構造から構築された制御材と比較して強固で傷つきにくく、摩耗耐性がある。さらに、ポリカーボネートポリマは、ＬＣＤバックライトアセンブリにおいて見られる過酷な状況において一貫した光学的性能を与えることが示された。

本発明は、ある好ましい実施の形態に対して特定して参照することによって詳細に記述されたが、本発明の精神および範囲内で変形および修正を達成できることが理解される。

１つの湾曲した表面および１つの平坦な表面を有する、１つの湾曲したウェッジ形状の個別光学素子の概略図である。 湾曲が円の部分である場合の曲率半径を示す概略図である。 個別光学素子が互いに対してミラーリングされる場合の本発明の実施の一形態のＳＥＭ画像を示す図である。 個別光学素子が互いに対して互い違いであってかつ重なる場合の、本発明の実施の一形態のＳＥＭ画像を示す図である。 長さおよび幅は同一だが曲率半径が異なり、そのため湾曲した、または平坦な素子の表面の割合が異なるようになる、２つの個別の湾曲したウェッジ形状の機構を示す図である。 本発明の光管理フィルムの断面の概略図である。 光リダイレクト高分子フィルムを組込んだ液晶表示の概略図である。 ２つの光リダイレクト高分子フィルムを組込んだ液晶表示の概略図である。 表示部と、光リダイレクトフィルムの光源に対して遠い表面にウェッジ形状の素子を有する光リダイレクトフィルムとを含む、表示システムの概略図である。 表示部と、光リダイレクトフィルムの光源に対して近い表面にウェッジ形状の素子を有する光リダイレクトフィルムとを含む、表示システムの概略図である。 光学的最適化グラフの図である。 実施例における、相対輝度対角度を示すグラフである。

符号の説明

部分表
１ 単一の湾曲したウェッジ形状の個別光学素子
３ 湾曲した表面
５ 平坦な表面
７ リッジ
１１ 単一の湾曲したウェッジ形状の個別光学素子
１３ 曲率半径
２３ 湾曲したウェッジ素子
２７ 素子
３１ 機構
３３ 湾曲した側面
３５ 平坦な側面
３７ 機構
３８ 湾曲した側面
３９ 平坦な側面
４１ 光管理フィルムの断面
４３ ピッチ
４４ ピッチ
４５ ピッチ
４６ ピッチ
４７ フィルム断面の部分
１００ 表示部
１０１ 光源
１０３ バックリフレクタ
１０５ 導光体
１０７ 拡散器
１０９ 光リダイレクト高分子フィルム
１１１ 液晶表示モジュール
１２１ 表示部
１２３ 光源
１２５ バックリフレクタ
１２７ 導光体
１２９ 拡散器
１３１ 光リダイレクトフィルム
１３３ 光リダイレクトフィルム
１３５ 液晶表示モジュール
１４１ 比較例１
１４３ 比較例２
１４５ 発明実施例１
１４７ 発明実施例２
１４９ 比較例３
１５１ 光源の相対輝度対角度のプロット
１５３ 比較例１の相対輝度対角度のプロット
１５５ 比較例２の相対輝度対角度のプロット
１５７ 発明実施例１の相対輝度対角度のプロット
１５９ 発明実施例２の相対輝度対角度のプロット
１６１ 比較例３の相対輝度対角度のプロット
１７１ 表示システム
１７３ 光源
１７５ 光リダイレクトフィルム
１７７ ウェッジ形状の機構
１７９ 表示部
１８１ 表示システム １７３ 光源
１８５ 光リダイレクトフィルム
１８７ ウェッジ形状の機構
１８９ 表示部。

Claims (10)

1. 光リダイレクトフィルムであって、高分子フィルムまたは基板の少なくとも１つの表面の上またはそこに複数の個別の高分子光学素子を含み、前記光学素子は少なくとも２つの表面を有し、前記表面の少なくとも１つは湾曲し、前記光学素子の長さは９５０から１３６０マイクロメータの範囲である、フィルム。
2. 前記光学素子は少なくとも１つの非対称な形状の表面を有する、請求項１に記載のフィルム。
3. 前記光学素子は互いに対して回転される、請求項１に記載のフィルム。
4. 前記光学素子は互いに対し互い違いであって互いに交差する、請求項１に記載のフィルム。
5. 前記光学素子は無作為に配置される、請求項１に記載のフィルム。
6. 前記光学素子は０．８から２０ミリメートルの曲率半径を有する少なくとも１つの湾曲した表面を有する、請求項１に記載のフィルム。
7. 前記光学素子は、前記光学素子の最も高い点において８０から１１０度の開先角度を有する断面を有する、請求項１に記載のフィルム。
8. 表示システムであって、バックライトアセンブリを含み、バックライトアセンブリは少なくとも１つの光源および前記バックライトアセンブリから受取った光の方向を変えるための少なくとも１つの光リダイレクトフィルムを有し、前記１つの光リダイレクトフィルムは、前記高分子フィルムまたは基板の少なくとも１つの表面上またはそこに複数の個別の高分子光学素子を有する高分子フィルムまたは基板を含み、前記光学素子は少なくとも２つの表面を有し、前記表面の少なくとも１つは湾曲し、前記光学素子の長さは９５０から１３６０マイクロメータの範囲である、表示システム。
9. 前記１つの光リダイレクトシステム上の個別光学素子の長さ方向に対して８０から１００度で回転される第２の光リダイレクトフィルムをさらに含む、請求項８に記載の表示システム。
10. 前記光学素子は、０．８から２０ミリメートルの曲率半径を有する少なくとも１つの湾曲した表面を有する、請求項８に記載の表示システム。

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