JP5336474B2 - 半鏡面構成要素を備えたリサイクル型バックライト - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
次の同一出願人による同時係属中の国際出願ＰＣＴは参照によって本明細書に組み込まれる：国際出願ＰＣＴ第ＸＸＸＸ／ＸＸＸＸＸＸ号、「名称バックライト及びバックライトを使用する表示システム（BACKLIGHT AND DISPLAY SYSTEM USING SAME）」（代理人整理番号６３２７４ＷＯ００４）；国際出願ＰＣＴ第ＸＸＸＸ／ＸＸＸＸＸＸ号、名称「有益な設計特性を有する薄型中空のバックライト（THIN HOLLOW BACKLIGHTS WITH BENEFICIAL DESIGN CHARACTERISTICS）」（代理人整理番号６３０３１ＷＯ００３）；国際出願ＰＣＴ第ＸＸＸＸ／ＸＸＸＸＸＸ号、名称「有色ＬＥＤ光源を効率的に利用した白色光バックライト等）（WHITE LIGHT BACKLIGHTS AND THE LIKE WITH EFFICIENT UTILIZATION OF COLORED LED SOURCES）」（代理人整理番号６３０３３ＷＯ００４）；及び国際出願ＰＣＴ第ＸＸＸＸ／ＸＸＸＸＸＸ号、名称「エッジ照明バックライト用照準光インジェクタ（COLLIMATING LIGHT INJECTORS FOR EDGE-LIT BACKLIGHTS）」（代理人整理番号６３０３４ＷＯ００４）。

（発明の分野）
本発明は、通常バックライトと呼ばれる、表示又はその他の図形を背後から照射するのに好適な範囲の延長エリア光源、並びに同様の延長エリア照明装置に関する。本発明は、特に、前方及び後方の反射体を有し、これら反射体間に中空光リサイクリング空洞が形成されるバックライトに適用できる。

バックライトは、バックライトの出力エリアに対して内部光源が位置付けられる場所、及びバックライトの「出力エリア」が表示装置の可視エリア又は領域のどこに対応しているかによって、２つのカテゴリーうちの１つに該当すると考えることができる。バックライトの「出力エリア」は、領域又は表面それ自体と、その領域又は表面のエリア（平方メートル、平方ミリメートル、平方インチ等の単位を有する数量）とを区別するために、本明細書においては「出力領域」又は「出力表面」と呼ばれることもある。

第１のカテゴリーは「エッジ照明」である。エッジ照明バックライトでは、平面透視図によると、１つ以上の光源は、通常出力エリアに対応するエリア又はゾーンの外側である外縁又は周辺部に沿って配置される。多くの場合、光源（単数又は複数）は、バックライトの出力エリアを縁取るフレーム又はベゼルによって視界から遮断される。特に、ラップトップコンピュータのディスプレーのように非常に断面の薄いバックライトが所望である場合には、光源（単数又は複数）は通常、「光ガイド」と呼ばれる構成要素の中に光を放射する。光ガイドは透明で比較的薄い中実板であり、その長さ及び幅寸法は、バックライト出力エリアとほぼ同じである。光ガイドは、光ガイドの全長又は幅をはさんだ縁部に取り付けられたランプからの光をバックライトの反対側の縁部へと移動させる又はガイドするために全内部反射（ＴＩＲ）を用い、局所的抽出構造体の非均一パターンが光ガイドの表面に提供されて、光ガイドから出たこの導かれた光の一部を、バックライトの出力エリアに向け直す。このようなバックライトは通常、光ガイドの後ろ又は下に配置される反射性材料のような光管理フィルムと、光ガイドの前又は上に配置される反射性偏光フィルム及びプリズムであるＢＥＦフィルム（単数又は複数）を更に備えて、軸上の輝度を増加させる。

出願者の所見によると、既存のエッジ照明バックライトの欠点又は制限は次を含む：特に寸法の大きなバックライトに関しては、光ガイドに関連する質量又は重量が比較的大きい；光ガイドは、特定のサイズのバックライト用、及び特定の光源構造用に射出成形その他の方法で製造される必要があるので、異なるバックライトの間で交換可能でない構成要素を使用する必要がある；既存の抽出構造体パターンと同様に、バックライトの異なる位置の間でかなりの空間的不均一性を必要とする構成要素を使用する必要がある；及び、矩形の面積に対する周囲の割合は、面内の特性寸法Ｌ（例えば、所与のアスペクト比の矩形のバックライトの出力領域の長さ、若しくは幅、又は対角寸法）に伴って直線的に減少（１／Ｌ）するので、バックライトの寸法が大きくなると、ディスプレーの縁部に沿った空間又は「リアルエステート」が制限されるので、適切な照射を提供することが難しくなる。

第２のカテゴリーは「直接照明」である。直接照明バックライトでは、平面透視図によると、１つ以上の光源は、実質的に出力エリアに対応したエリア又はゾーン内に、通常はゾーン内の規則的なアレイ又はパターンとして配置される。あるいは、直接照明バックライトの光源（単数又は複数）は、バックライトの出力エリアのすぐ後方に配置されると言うこともできる。強く拡散する板は通常、光源の上側に取り付けられて、光を出力領エリア一面に広げる。この場合も同様に、軸上輝度及び効率を向上させるために、反射偏光子フィルム及びプリズムであるＢＥＦフィルム（単数又は複数）等の光管理フィルムを拡散板の上に設置することもできる。

出願者の所見によると、既存の直接照明バックライトの欠点又は制限は次を含む：強く拡散する板に付随する非効率性；ＬＥＤ光源の場合、適切な均一性及び輝度を得るために多数のＬＥＤ光源が必要であり、それに伴い構成要素のコストが高くなり発熱が増加する；達成可能なバックライトの薄さが制限され、この厚さを超えると光源は不均一で望ましくない「パンチスルー」を生成し、各光源の上側の出力エリア内に輝点が出現する。

場合によっては、直接照明バックライトはまた、バックライトの周辺部に１つ又はいくつかの光源を有してもよく、又はエッジ照明バックライトは、出力エリアのすぐ後ろに１つ又はいくつかの光源を有してもよい。このような場合、光の大部分がバックライトの出力エリアのすぐ後ろで生じる場合には、バックライトは「直接照明」であると考えられ、光の大部分がバックライトの出力エリアの周辺部で生じる場合には、バックライトは「エッジ照明」であると考えられる。

通常、あらゆる種類のバックライトが液晶（ＬＣ）ベースのディスプレーと共に使用される。液晶表示（ＬＣＤ）パネルは、その操作の方法が理由で光の１つの偏光状態のみを利用する。したがって、ＬＣＤ用途に関しては、単純に偏光されていない場合がある光の輝度及び不均一性だけでなく、正しい又は使用可能な偏光状態の光に対するバックライトの輝度及び不均一性を知ることが重要である場合がある。この点において、その他の全ての要素が等しい場合、非偏光を放射するバックライトよりも、使用可能な偏光状態の光を主として又は独占的に放射するバックライトの方が、ＬＣＤ用途においてはより効率的である。とはいうものの、ＬＣＤパネルの後ろに設けられる吸収偏光子によって使用不可能な偏光状態を容易に解消することができるので、使用可能な偏光状態にない光を独占的に放射するバックライト、更にはランダムに偏光した光を放射するバックライトであってもなお十分にＬＣＤ用途で使用することができる。

本出願は、とりわけ、反射性及び／又は透過性フィルム、表面、又は散乱特性及び鏡面反射特性の定義された組み合わせを有するその他の構成要素を開示する。本明細書においてこれら構成要素は「半鏡面反射」と呼ばれ、入射角の関数である「移動比率」として既知である量によって特徴付けられることができる。高い値の半球反射率（Ｒ^ｆ _ｈｅｍｉ）を有する出力面（前側表面）を備える好適な中空リサイクリング空洞バックライト内に適切に設置されると、構成要素はバックライトの出力特性を改善するのを助けることができ、新しい設計空間内にバックライトを構築することが可能となる。

本出願は、例えば、中空の光リサイクリング空洞を形成するものであって、前方の反射体は、出力照射領域を提供するために部分的に透過性である、前方及び後方の反射体と、光リサイクリング空洞の中に限定された角度分布にわたって光を放射するために配置される１つ以上の光源と、を備えるバックライトを開示する。有意には、バックライトは、鏡面反射特性及び散乱特性の所望のバランスを有する空洞を提供する構成要素を更に備え、構成要素は、入射角１５度において１５％を超え、かつ入射角４５度において９５％未満である移動比率によって特徴付けられる。前方又は後方の反射体は、構成要素であることができるか若しくは該構成要素を含むことができ、又は構成要素が前方及び後方の反射体と異なり得る。場合により、構成要素の移動比率は、入射角１５度において２０％を超え、又は入射角４５度において９０％未満である。

小面積ＬＥＤ光源とＶ字形反射体とを有することができる光源は、制限された又は部分的にコリメートされた角度分布で、光リサイクリング空洞の中に光を放射することができる。例えば、注入光は、バックライト出力エリアに平行な横断面を中心として、０〜６０度、又は０〜３０度の範囲で、半値最大出力（ＦＷＨＭ）で全角度幅を有するようにコリメートされることができる。このような場合には、リサイクリング空洞の前方の反射体は、望ましくは、一般に入射角に伴って増加する反射率と、一般に入射角に伴って減少する透過率とを有する。このような反射率及び透過率は、任意の入射面における非偏光可視光に対するものであってもよく、使用可能な偏光状態の斜光がｐ偏光される平面に入射する、使用可能な偏光状態の光に対するものであってもよい。

別の態様において、本開示は、出力照射領域を提供するために部分的に透過性である前方及び後方の反射体とを備え、空洞は約０．５を超えかつ約０．９５未満の空洞移動値を有し、更に前方の反射体は約０．６を超えるＲ_ｈｅｍｉを有する。

本出願のこれら及び他の態様は、以下の「発明を実施するための形態」から明らかとなるであろう。しかし、上記要約は、請求された主題に関する限定として決して解釈されるべきでなく、主題は、添付の特許請求の範囲によってのみ規定され、実行の間、補正されてもよい。本明細書全体を通して、添付の図面を参照し、ここで、同様の参照番号は同様の要素を示す。

汎用リサイクリングバックライト又は同様の延長エリア光源の概略的側面図。 表面の斜視図であり、異なる入射面及び異なる偏光状態。 中実光ガイドを包含するエッジ照明バックライトの概略的側面図。 中空リサイクリング空洞を包含するエッジ照明バックライトの概略的側面図。 中空リサイクリング空洞と、制限された角度分布にわたって空洞の中に光を放射するために配置された光源部材と、を包含するエッジ照明バックライトの概略的側面図。 光注入原理を示す、中実光ガイドを包含するエッジ照明バックライトの概略的側面図。 更に光注入原理を示す、中実光ガイドを包含するエッジ照明バックライトの概略的側面図。 中空リサイクリング空洞を包含する直接照明バックライトの概略的側面図。 鏡面反射、ランベルト、及び半鏡面反射体の効果を比較している、中空リサイクリング空洞を包含するバックライトの概略的側面図。 鏡面反射、ランベルト、及び半鏡面反射体の効果を比較している、中空リサイクリング空洞を包含するバックライトの概略的側面図。 鏡面反射、ランベルト、及び半鏡面反射体の効果を比較している、中空リサイクリング空洞を包含するバックライトの概略的側面図。 中空リサイクリング空洞を包含する直接照明バックライトの概略的側面図。 中空リサイクリング空洞を包含する直接照明バックライトの概略的側面図。 図１２のフィルムの、入射面（ファイ＝０）で測定された測定輝度対観測角のグラフ。 図１２のフィルムの、入射面（ファイ＝９０）で測定された測定輝度対観測角のグラフ。 試料とされた様々なフィルムの移動比率Ｔ対入射角のプロット。 他の試験フィルムの測定輝度対観測角のプロット。 他の試験フィルムの測定輝度対観測角のプロット。 他の試験フィルムの測定輝度対観測角のプロット。 他の試験フィルムの測定輝度対観測角のプロット。 他の試験フィルムの測定輝度対観測角のプロット。 実施例Ｇ〜Ｈのフィルムの反射光のコノスコープのプロットであり、フィルムは、実施例Ｇの入射面に対する第１の配向と、実施例Ｈの入射面に対する第２の配向とを有し、第１の配向は第２の配向に対して９０度回転。 実施例Ｇ〜Ｈのフィルムの反射光のコノスコープのプロットであり、フィルムは、実施例Ｇの入射面に対する第１の配向と、実施例Ｈの入射面に対する第２の配向とを有し、第１の配向は第２の配向に対して９０度回転。 他の試験フィルムの測定輝度対観測角のプロット。 他の試験フィルムの測定輝度対観測角のプロット。 他の試験フィルムの測定輝度対観測角のプロット。 他の試験フィルムの測定輝度対観測角のプロット。

意図される用途に適している輝度及び空間的均一性を提供すると同時に、次の特性のいくつか又は全てを組み合わせることが、次世代のバックライトに有益である：薄い断面；設計の簡易性、例えば最小数のフィルム構成要素及び最小数の光源、並びに簡便な光源レイアウト；軽量；バックライトの異なる位置間で実質的に空間的不均一性を有するフィルム構成要素を使用しない又は必要としない（例えば、顕著な勾配）；ＬＥＤ光源、加えて中実レーザ光源のような別の狭いエリアの高輝度な光源との適合性；通常は全て同色であるＬＥＤ光源間の色のばらつきに付随する問題に対する鈍感性；可能な範囲内で、ＬＥＤ光源の部分集合のバーンアウト又はその他の故障に対する鈍感性；及び上記「背景技術」で言及した制限及び欠点の少なくともいくつかの解消又は軽減。

バックライトにこれらの特性をうまく組み込むことができるかどうかは、一つには、バックライトを照射するのに使用する光源の種類に依存する。例えば、ＣＣＦＬは、それらの細長い発光領域にわたって白色発光を提供し、それら発光領域は、リサイクリング空洞で発生するように、ＣＣＦＬに衝突する一部の光を散乱させる働きもすることができる。しかしながら、ＣＣＦＬの典型的な発光は、実質的にランベルトな角度分布を有し、これは所与のバックライト設計において非効率的であり、そうでなければ望ましくない場合がある。更に、ＣＣＦＬの放射面は、多少は拡散的に反射するが、通常は吸収損失も有し、この吸収損失は、高度なリサイクリング空洞が所望である場合に顕著であることを出願人らは見出した。ＬＥＤダイはランベルトな仕方でも光を放射するが、ＣＣＦＬと比較して寸法が非常に小さいので、例えば、一体型封止レンズリフレクタ又は抽出器でＬＥＤ配光を容易に変更して、得られたパッケージ化ＬＥＤを前面発光、側面発光、又はその他の非ランベルト特性とすることができる。このような非ランベルト特性は、開示のバックライトに重要な利点を提供することができる。しかしながら、ＣＣＦＬと比較してＬＥＤ光源の寸法がより小さく、より高い輝度であることから、ＬＥＤを使用して、空間的に均一なバックライト出力エリアを作り出すことがより困難になる可能性もある。光を適切に水平移動させる又は混合することができないと、望ましくない着色帯域又はエリアが容易に発生する可能性があるので、これは、赤／緑／青（ＲＧＢ）ＬＥＤの配列のような個々の着色ＬＥＤを使用して白色光を生成する場合に特に当てはまる。このような色不均一性を軽減するために、蛍光体が青色又は紫外線放射ＬＥＤダイによって励起されて、ＬＥＤダイと同様の小さなエリア又は体積から強力な白色光を生成する白色光放射ＬＥＤを使用することができるが、白色ＬＥＤは、現在では個々の着色ＬＥＤの配置を用いて達成可能な色域と同じ幅のＬＣＤ色域を提供することはできず、したがって、全ての最終用途アプリケーションに望ましくない場合がある。

出願人らは、ＬＥＤ光源照射に適合し、かつ市販されている最先端のＬＥＤ装置に見られるバックライトより、少なくともいくつかの点で性能が優れているバックライト設計特性の組み合わせを見出した。これらバックライト設計特性は、次のいくつか又は全てを含む：
・光の大部分が、部分的に透過性で部分的に反射性である前方の反射体から出てくる前に、実質的に同一の広がりを持つ前方及び後方の反射体の間で重反射するを経るリサイクリング光空洞；
・例えば、低損失の前方及び後方の反射体並びに側方反射体を有する、実質的に囲まれた低吸収損失の空洞を設けることにより、かつ、例えば、全光源の累積発光エリアがバックライト出力エリアのほんの一部であることを確実にすることで、光源に付随する損失を非常に低く保つことにより、リサイクリング空洞を伝搬する光の総合損失は極めて低く保たれる；
・中空であるリサイクリング光空洞、即ち、空洞内の光の水平移動が、アクリル又はガラスなどの光学的に密な媒体内ではなく、空中、真空内などで優位に発生する；
・特定の（使用可能な）偏光状態の光のみを放射するように設計されたバックライトの場合、前方の反射体は、このような使用可能な光が水平移動する又は広がるのを維持し、かつ光線角度のランダム化によりバックライト出力の許容可能な空間的均一性を達成することができるだけの十分に高い反射性を有するが、バックライト用途における輝度が許容可能であることを確実にするために、用途で使用可能な適切な角度への十分に高い透過率も有する；
・リサイクリング光空洞は、鏡面反射と散乱特性のバランスを空洞に提供する構成要素（単数又は複数）を包含し、この構成要素は、空洞内における有意な光の平行移動又は混合を支持するのに十分な鏡面性を有するが、空洞内への注入光が狭い範囲の角度であるときでさえも、空洞内の定常状態の光の角度分布を実質的に均質化するのに十分な散乱性も有する（更に、特定の（使用可能な）偏光状態の光のみを放射するように設計されたバックライトの場合、空洞内のリサイクリングは、入射光線の偏光状態に対する反射偏光のある程度のランダム化を有するのが好ましく、これにより、使用に適さない偏光を使用可能な偏光に変換する機構が可能となる）；
・リサイクリング空洞の前方の反射体は、一般に入射角に伴って増加する反射率と、一般に入射角に伴って減少する透過率とを有し、反射率及び透過率は、非偏光可視光及び任意の入射面、並びに／又は使用可能な偏光状態の斜光がｐ偏光される平面に入射する、その使用可能な偏光状態の光に対するものである（更に、前方の反射体は高い値の半球反射率を有し、用途使用可能な十分に高い透過率を更に有する）；
・リサイクリング空洞に最初に注入された光を、横断面（バックライトの出力エリアに平行な横断面）に近い伝搬方向、例えば、（横断面まわり）０〜９０度、０〜６０度、又は０〜３０度の範囲の半値全幅（ＦＷＨＭ）の注入ビームに部分的にコリメートする又は閉じ込める光注入光学系。場合によっては、注入光の最大出力は、横断面と４０度以内の角度をなして、横断面より下に下方射出するのが望ましくあり得、別の場合には、横断面と４０度以内の角度をなして、前方の反射体に向かって横断面より上に上方射出を有するために注入光の最大出力を有することが望ましくあり得る。

最も単純な形のＬＣＤパネル用のバックライトは、ＬＥＤダイの有効発光面又はＣＣＦＬバルブの蛍光体の外層などの光生成面と、バックライト出力エリアと呼ばれる拡張された又は広いエリアの照射面又は領域を生成するような方法でこの光を分配する又は広げるための、発光輝度が空間的に均一な幾何学的かつ光学的配置、とから構成される。一般に、非常に高輝度な局所光源を、広いエリアの均一な出力表面に変換するプロセスは、バックライト空洞全表面との相互作用、及び光生成面との相互作用のせいで光の損失を生じる結果となる。第１の近似まで、このプロセスで、前方の反射体に関連する出力エリア又は表面を介して、（もしあれば）任意に所望の見る人のコーンに、（もしあれば）特定の（例えば、ＬＣＤ−使用可能な）偏光状態で送られなかった光は、いずれも「損失」光量である。同一出願人による関連出願には、リサイクリング空洞を包含する任意のバックライトを、２つの主要なパラメータによって独自に特徴付ける方法論が記載されている。この関連ＰＣＴ国際出願の名称は、「有益な設計特性を有する薄型中空バックライト（Thin Hollow Backlights With Beneficial Design Characteristics）」（代理人整理番号６３０３１ＷＯ００３）である。

ここで、図１に示される、前方の反射体１２及び後方の反射体１４が中空光リサイクリング空洞１６を形成する汎用バックライト１０に注意を向ける。バックライト１０は、この場合、前方の反射体１２の外側主要表面と一致する拡張された出力エリアつまり表面１８全面に光を放射する。前方及び後方の反射体は平面であり、互いに平行に図示されており、横寸法１３にわたって同一の広がりを持ち、この寸法は、出力エリア１８の長さ又は幅等の横寸法に対応する。前方の反射体は、比較的強い反射ビーム２０ａ及び比較的弱い透過ビーム２０ｂへと反射される初期光ビーム２０として図示されている、空洞内から前方の反射体に入射する光の相当量を反射する。様々なビームを表す矢印は事実上概略的であること、例えば、異なるビームの図示された伝搬方向及び角度分布は完全に正確であることを意図していないことに留意されたい。

図に戻ると、反射ビーム２０ａは後方の反射体１４によって強く反射してビーム２０ｃとなる。ビーム２０ｃは前方の反射体１２によって部分的に透過されて透過ビーム２０ｄを生成し、部分的に反射されて別のビーム（図示せず）を生成する。前方及び後方の反射体の間の多重反射は、矢印２２で示される空洞内の光の横方向伝搬を支持するのを補助する。全透過ビーム２０ｂ、２０ｄなどの総計が一貫せずに合計されてバックライト出力を提供する。

例証の目的で、小面積光源２４ａ、２４ｂ、２４ｃが図中の別の位置に示されている。光源２４ａはエッジ照明の位置に示され、光源２４ａからの光を（少なくとも部分的に）コリメートするのを助けることができる反射構造体２６が設けられている。光源２４ｂ及び２４ｃは直接照明の位置に示され、光源２４ｃは、通常、後方の反射体１４に設けられた穴又は開口（図示せず）と整列して、空洞１６の中に光が注入されるのを可能にする。反射側面（反射構造体２６以外は図示せず）はまた、典型的には寸法１３の端点に設けられ、損失を最小にするために、前方及び後方の反射体１２、１４を密封態様で接続するのが好ましい。直接照明のいくつかの実施形態では、一般に垂直な反射側面は、実際には、バックライトを類似の又は同一の隣接するバックライトと区別する薄い仕切りであってもよく、このようなバックライトはそれぞれ、実際にはより広いゾーンのバックライトの一部である。個々のサブバックライトの光源は、任意の所望の組み合わせでオン／オフされて、より大きなバックライトの照明されたゾーン及び暗いゾーンのパターンを提供する。このようなゾーンに分けられた背面照明は、コントラストを向上させるために、及び一部のＬＣＤ用途においてはエネルギー消費を減らすために、動的に使用することができる。

線光源又は点光源を均一で延長されたエリアの光源に変換するバックライト空洞、又はより一般的には任意の光空洞は、反射性光学構成要素と透過性光学構成要素の組み合わせを用いて作製することができる。多くの場合、所望の空洞は、その横方向寸法と比較して非常に薄い。均一な延長エリア光源を提供するのに好ましい空洞は、光を横方向に広げかつ光線の方向をランダム化する多重反射を作り出す空洞である。一般に、前面の面積に比べて光源の面積が小さいほど、空洞の出力領域にわたって均一な光強度を作り出す際に問題が大きくなる。

従来より、最も薄いバックライトには、一般に中実光ガイドが使用されており、携帯端末に使用されるような非常に小型のディスプレーを除けば、最も薄いバックライトは、冷陰極蛍光灯（ＣＣＦＬ）などの直線的に連続する光源によって照射されてきた。中実光ガイドは、光ガイドの上面及び底面において、光の全内部反射（ＴＩＲ）現象を介して、損失の少ない光の移動及び鏡面反射を提供する。本出願の他の個所で記載されるように、光の鏡面反射は、光ガイド内の最も効率的な光の水平移動を提供する。中実光ガイドの上面又は底面に設置される抽出器は、光を光ガイドの外に方向付けるために光を向け直し、本質的に部分反射体を作り出す。

しかしながら、中実光ガイドは、大きなディスプレー対してコスト、重量及び光均一性といったいくつかの問題を提示する。大面積ディスプレーに関する均一性の問題は、バックライトの大きな出力領域の面積と比較すると効率的な点光源である個別の赤／緑／青（ＲＧＢ）着色ＬＥＤの出現と共に大きくなってきている。高輝度点光源は、中実光ガイドを利用する従来の直接照明バックライト並びにエッジ照明に関連する不均一性の問題の原因となり得る。不均一性の問題は、中実光ガイドと同様に顕著な光の水平移動を更に提供する中空光ガイドを作製することができれば、大幅に減少し得る。偏光及び光線角度リサイクリングシステムに関する一部の例では、中空空洞は中実空洞よりも、光を表示面にわたって横方向に広げる能力がより優れている可能性がある。一般に、中空光ガイドでこれを効果的に達成するために使用可能な構成要素のいくつかは、バックライト業界でこれまで入手可能ではなく、又は構成要素がすでに存在している場合であっても、中空光ガイドは今日に至るまで、均一で薄くかつ効率的な中空の光混合空洞を作り出すための正しい方法で構成されていない。

中実光ガイドは、全内部反射（ＴＩＲ）現象によって効率的な上部及び下部反射体を提供するにもかかわらず、効率的な中空の反射空洞は、薄く均一なバックライトを製造するための中実光ガイドに勝るいくつかの利点を有している。中実光ガイドは、主として、光が反射偏光子及びその他の輝度向上フィルムなどの他の構成要素と相互作用する前に、光の横方向分散を提供するために使用される。

しかしながら、中実ガイドのＴＩＲ表面は、最新のバックライトのニーズの全てを満たすには不十分であり、通常、中実光ガイドの上側及び下側に追加の光制御フィルムが付け加えられる。中実光ガイドを使用する今日のほとんどのシステムはまた、ＢＥＦ及びＤＢＥＦなどの輝度向上フィルムを利用するために、個別の後方の反射体を使用する。これらのフィルムは、光ガイドから抽出されるが、偏光又は伝搬角度が不適当であるので、ディスプレーに使用することができない光をリサイクルする。後方の反射体は通常白色反射体であり、その反射特性は実質的にランベルトである。しかしながら、水平移動の大半は、最初に中実ガイドのＴＩＲ表面で達成され、リサイクルされた光は変換されて、ランベルト後方の反射体によってディスプレーに戻される。別個の上部及び下部光管理フィルムがどうしても必要な場合は、中空光ガイドを作り、かつ更には反射偏光子及びその他の輝度向上フィルムの機能を同時に提供するために、それらを単独で使用するのがより効率的であり得る。この方法で、中実ガイド、並びにその他の輝度向上フィルムを省略することができる。

中実光ガイドを空気で置き換え、中実光ガイドのＴＩＲ表面を、高効率の低損失鏡面反射鏡及び半鏡面反射鏡で置き換えることを提案する。以下で説明するように、この種の反射体は、バックライト空洞内の光の、最適な水平移動を促進するために重要であり得る。光の水平移動は、光源の光学的配置によって開始することができ、又は光の水平移動は、低損失半鏡面反射鏡を利用して空洞内の光線を高度にリサイクリングすることにより誘発することができる。

中実光ガイドのＴＩＲ表面を、２つの一般的カテゴリーに分類される空間的に分離された低損失反射体で置き換えることができる。１つ目は前面用部分反射体であり、２つ目は背面及び側面用全反射体である。上記のように、いずれにせよ後者はしばしば、中実光ガイドシステムに加えられる。空洞内で光を最適に移動させかつ光を混合するために、前方及び後方の反射体の両方がランベルト面ではなく鏡面反射鏡又は半鏡面反射鏡であってもよい。更に、ある種の半鏡面反射成分は、空洞内のある場所で有用であり得、光の均一な混合を促進する。大きな光ガイドにおいて、光の水平移動の主要媒体として空気を用いることにより、より軽量で低価格な、かつより均一な表示バックライトの設計が可能となる。

光の横方向の広がりを顕著に促進するための中空光ガイドにとって、空洞に光を注入する手段は、中実光ガイドにおけるのと同様に重要である。中空光ガイドの形式は、直接照明バックライト、特に、複数であるが任意に隔たったゾーンを有するバックライト内の様々なポイントにおける光の注入に対する選択肢を増やすことができる。中空光ガイドシステムでは、ＴＩＲ及びランベルト反射体の機能は、鏡面反射鏡と半鏡面反射前方散乱拡散素子の組み合わせによって達成することができる。以下に説明されるように、ランベルト拡散素子又は反射素子の過剰使用は最適とは考えられない。

ここで記載する例示の部分反射体（前方の反射体）、特に、例えば、国際出願ＰＣＴ、名称「バックライト及びバックライトを用いた表示システム（BACKLIGHT AND DISPLAY SYSTEM USING SAME）」（代理人整理番号．６３２７４ＷＯ００４）に記載された非対称反射フィルム（ＡＲＦ）は、低損失反射を提供し、更に、中実光ガイド内のＴＩＲだけで可能なよりもより良好な、偏光の透過及び反射の制御も提供する。このように、表示面に対する横方向の改善された配光に加え、中空光ガイドは、大規模システムの改善された偏光制御も提供することができる。上記の好ましいＡＲＦを使用して、入射角によって透過を有意に制御することもまた可能である。このように、混合空洞からの光をかなりの程度コリメートすることができ、加えて、単一フィルム構成で偏光出力を提供する。

好ましい前方の反射体は、空洞内の比較的高いリサイクリングを支持するために、比較的高い総反射率を有する。これを、（目的波長範囲の）光が、全ての可能な方向から構成要素上に入射した場合の、構成要素（表面、フィルム、又はフィルムの一群かにかかわらない）の全反射率を意味する、「半球反射率」という用語を使って特徴付ける。したがって、構成要素は、正常方向を中心とする半球内の全方向から入射する（及び他に特に規定がなければ、全偏光状態の）光で照射され、同じ半球内に反射される全ての光は収集される。目的波長に対応した入射光線の全光束に対する反射光の全光束の割合によって、半球反射率、Ｒ_ｈｅｍｉを得る。光は通常、空洞の内部表面上に（前方の反射体、後方の反射体、又は側方反射体にかかわらず）全角度で入射するので、反射体をＲ_ｈｅｍｉで特徴付けることは、リサイクリング空洞にとって特に都合が良い。更に、垂直入射の反射率とは異なり、Ｒ_ｈｅｍｉは、入射角に伴う反射率のばらつきに反応せず、かつばらつきをすでに考慮に入れてあり、このことは、一部の構成要素（例えば、プリズムフィルム）にとって非常に有意であり得る。

実際、前方の反射体のいくつかの実施形態は、少なくとも平面への光入射に関して、入射角が垂直から離れるにつれて増加する（特定方向への）反射率（及び、一般に入射角に伴って減少する透過率）を示す。このような反射特性は、垂直に近い角度、即ち、バックライトの視軸に近い角度で、光を前方の反射体の外へ優先的に透過させ、このことは、（通常重要性の低い高角度での知覚輝度を犠牲にするが、これは通常重要ではない）ディスプレー業界では重要な、視角における表示の知覚輝度を増加させるのに役立つ。狭い視角は１つの画面に関してのみ望ましく、直交面では広い視角が望ましいこともあるので、角度挙動に伴って増加する反射率は、「少なくとも１つの平面での光入射に関する」と言える。一例は、一部のＬＣＤテレビへの応用であり、その場合、水平面で見るには広い視角が望ましく、狭い視角は垂直面に特定される。その他のケースでは、軸上輝度を最大にするために、直交する両方の平面において狭い視角が望ましい。

斜角反射率について論じるときには、図１ａの幾何学的考察を踏まえることが役に立つ。ここでは、ｘ−ｙ平面に位置する表面５０が見て取れ、ｚ軸は垂直方向である。表面が偏光フィルムであるか、部分的に偏光フィルムである場合（例えば、代理人整理番号．６３２７４ＷＯ００４に記載のＡＲＦ）、本出願の目的のために、ｙ軸は「通過軸」、及びｘ軸は「遮断軸」と指定される。換言すれば、フィルムが偏光フィルムである場合、偏光軸がｘ軸と平行な法線入射光線と比較して、偏光軸がｙ軸と平行な法線入射光線は優先的に透過される。広くは、表面５０は偏光フィルムである必要はないことは言うまでもない。

光は、あらゆる方向から表面５０に入射することができるが、ｘ−ｚ平面に平行な入射５２の第１の平面、及びｙ−ｚ平面に平行な入射５４の第２の平面に焦点をあてる。「入射の平面」は、言うまでもなく、光伝搬方向に対して垂直及び特定方向の表面を有する平面を指す。図には、平面５２に入射する１つの斜光線５３、平面５４に入射する別の斜光線５５が示されている。光線が非偏光であると仮定すると、光線はそれぞれ、それぞれの入射面に存在する偏光構成要素（「ｐ偏光」光と呼ばれ、図中では「ｐ」で表示されている）、及びそれぞれの入射面に垂直に配向された直交する偏光構成要素（「ｓ偏光」光と呼ばれ、図中では「ｓ」で表示されている）を有する。偏光面では、「ｓ」及び「ｐ」は、光線の方向によって、通過軸又は遮断軸のいずれかと整列し得ることに留意することが重要である。図中、光線５３のｓ偏光構成要素、及び光線５５のｐ偏光構成要素は通過軸（ｙ軸）と整列しているので、これらは優先的に透過されるが、逆の偏光構成要素（光線５３のｐ偏光及び光線５５のｓ偏光）は遮断軸と整列している。

これを踏まえて、前方の反射体が別の場所で言及された代理人整理番号６３２７４ＷＯ００４出願に記載されているようなＡＲＦである場合に、前方の反射体は「一般に入射角に伴って増加する反射率を示す」ことを（所望の場合に）特定することの意味を考えてみる。ＡＲＦは、遮断偏光状態の法線入射光線に対して非常に高い反射率を有し、通過偏光状態の法線入射光線に対して低いが尚十分な反射率（例えば、２５〜９０％）有する多層構造（例えば、所望の屈折率関係、及び所望の反射率特性を生成するように、適切な条件下で配向された共押出ポリマーミクロ層）を含む。遮断状態の光（光線５３のｐ偏光構成要素及び光線５５のｓ偏光構成要素）の非常に高い反射率は、一般に、全入射角に対して非常に高く維持される。通過状態の光（光線５３のｓ偏光構成要素、及び光線５５のｐ偏光構成要素）は、垂直入射で中間反射率を示すので、更に興味深い挙動をする。入射５２の平面の斜め通過状態の光は、ｓ偏光反射率の特性により、入射角の増加に伴って増加する反射率を示す（しかしながら、増加の相対量は、垂直入射の通過状態の反射率の初期値に依存する）。こうして、平面５２に平行な画面内のＡＲＦフィルムから放射した光は、部分的にコリメートされる又は閉じ込められる。しかしながら、６３２７４ＷＯ００４出願で論じられているように、入射５４の他の平面の斜め通過状態の光（即ち、光線５５のｐ偏光構成要素）は、面内屈折率差に対するミクロ層間のｚ軸屈折率差の規模及び偏光に依存して、３つのケースの挙動のいずれかを示すことができる。

あるケースでは、ブルースター角が存在し、この光の反射率は、入射角が増加すると減少する。これは、平面５４に平行な画面内に明るい軸外のローブを生成し、これは通常、ＬＣＤ表示用途において好ましくない（とはいえ、他の用途では、この挙動は許容可能であり得、ＬＣＤ表示用途の場合でさえも、このローブ出力は、プリズムの転向フィルムを使用して再度視軸に向け直すことができる）。

別のケースでは、ブルースター角は存在しないか又は非常に大きく、ｐ偏光の反射率は、比較的入射角の増加によって変化しない。これは、参照画面内に比較的広い視角を生成する。

３番目のケースでは、ブルースター角は存在せず、ｐ偏光の反射率は入射角に伴って有意に増加する。これにより、基準画面内に比較的狭い視覚を生成することができ、そこでは、コリメーションの程度は、少なくとも一つには、ＡＲＦ内のミクロ層間のｚ軸屈折率差の規模を制御することで調節される。

言うまでもなく、反射性表面５０は、ＡＲＦのように非対称軸上偏光特性を有する必要はない。ミクロ層の数、層厚さ特性、屈折率等を適切に選択することにより、対称性を有する多層反射体を、例えば、高反射率であるが透過率もかなり高くなるように設計することは可能である。このようなケースでは、光線５３及び５５の両方のｓ偏光構成要素は、互いに同じやり方で入射角に伴って増加する。この場合も先と同様に、これはｓ偏光反射率の特性に起因するが、増加の相対量は、垂直入射反射率の初期値に依存する。光線５３及び５５の両方のｐ偏光構成要素は互いに同じ角度挙動を有するが、この挙動は、６３２７４ＷＯ００４出願で論じられているように、面内屈折率差に対するミクロ層間のｚ軸屈折率差の規模及び偏光を制御することで、上述した３つのケースのいずれかになるように制御することができる。

したがって、前方の反射体における入射角（存在する場合）に伴う反射率の増加は、使用可能な偏光状態の斜光がｐ偏光される平面に入射する、その使用可能な偏光状態の光に言及することができることがわかる。あるいは、このような反射率の増加は、任意の入射面における、非偏光の平均反射率ということができる。

好ましい後方の反射体はまた可視光の半球反射率が高く、前方の反射体はバックライトに必要な光を提供するために部分的に透過性となるように意図的に設計されているので、通常は前方の反射体よりもはるかに高い。後方の反射体の半球反射率はＲ^ｂ _ｈｅｍｉと呼ばれ、一方、前方の反射体の半球反射率はＲ^ｆ _ｈｅｍｉと呼ばれる。積Ｒ^ｆ _ｈｅｍｉ ^＊Ｒ^ｂ _ｈｅｍｉは、少なくとも７０％（０．７０）、若しくは７５％又は８０％であるのが好ましい場合がある。

中空光リサイクリング空洞の設計には、小面積光源から出力領域の全面積へと効率的かつ均一に光を広げることに関連する、いくつかの重要な態様が存在する。この重要な態様は次の通りである：１）光源から正しい方向で空洞の中に光を注入する；２）空洞内で、前方散乱拡散器又は半鏡面反射鏡面若しくは構成要素を使用する；３）最終的に空洞内の光線の方向をランダム化するためにほとんどの光線が前方及び後方の反射体の間で何度もリサイクルされるような、光を透過するが、同様に実質的に反射性である前方の反射体；及び４）最適な構成要素設計によって損失を最小にする。

従来のバックライトは、バックライトの均一性を強化するためにこれら技術の１つ以上を用いているが、非常に小さな面積の光源を有する薄型中空バックライトの正しい構造において４つ全てが同時に用いられたことはない。空洞設計のこれらの態様は、本明細書でより詳細に検討される。

光源から空洞への光の注入に関しては、中空光ガイドは、中実光ガイドと比べて有意に異なる要件を有する。例えば、図１０に示される米国特許第６，９０５，２２０号（ウゥートマン（Wortman）ら）のエッジ照明中実ガイドは、単に蛍光灯を中実光ガイドの一端に当接して配置することによる、中実ガイドへのエッジ注入を示す。バックライト２１０の類似構成が本出願の図２に示されている。蛍光灯２２４はランベルト発光である、即ち、光は全方向に均等に発散する。管の３／４を鏡２２６で覆うことで、ここでも中実光ガイド２４０の平らな垂直端部２４２上にランベルト光照射野入射を生成する。スネルの法則を単純に適用すると、この表面に入射する（及び中実ガイドの内部に透過される）最高角度の光線（＋／−９０度）でさえも、抽出機構に衝突しない限り、前側又は後側表面２４４、２４６との第１の衝突により完全内部反射することが示される。このように、光線は中実光ガイド２４０の全域に効率的に移動する。

中実光ガイドを中空光ガイドで置き換えると、光線は、中空ガイドに入射する際に全く屈折しない。一方の端部から入射する光線のランベルト分布によって、図３に示されるように、垂直方向に（前方の反射体に向けて）方向付けられる大量の光が存在する。図中、バックライト３１０は、中空光ガイド３１６と蛍光灯３２４とを有する。均一なバックライトを製造するために、部分的に反射性のフィルムは、光源付近で極めて反射性でなければならず、その上、空洞の面の全域に、中実ガイドの勾配がつけられている抽出パターンで必要である以上に高度に勾配がつけられている透過率を有さなければならない。

より均一な中空バックライトは、光の水平移動を促進する高度な指向性光源を製造するために、部分的にコリメートされた光源を使用して、又はコリメート光学手段を有するランベルト光源を使用して作製することができる。このような光注入器４２６の例が図４に示されており、バックライト４１０は、中空光ガイド４１６と、１つ以上の光源４２４と、注入器４２６とを備える。その他の好適な光注入器の例は、同一出願人による国際出願ＰＣＴ、名称「エッジ照明バックライト用コリメート光注入器（COLLIMATING LIGHT INJECTORS FOR EDGE-LIT BACKLIGHTS）」（代理人整理番号．６３０３４ＷＯ００４）に記載されている。光源からの光の所望のコリメーション度及び注入角度を提供するために、例えば、複合放物集光型光注入器、レンズ、抽出器等の任意の好適な技術を利用することができる。

いくつかの実施形態において、光線は、大部分が水平方向で、即ち、半値全幅（ＦＷＨＭ）を提供するコリメーション特性を有して中空光ガイドに注入されるのが好ましく、光は、横断面の周りである程度の対称性を持ってコリメートされる。光線角度の若干の有限分布は回避することができず、この分布は、光源の放射パターンと同時にコリメート光学系の形状によって最適化し、空洞の出力エリアにわたって光の均一性を提供するのを助けることができる。部分反射性前方の反射体及び半鏡面反射鏡の部分散乱は、均一で薄くかつ効率的な中空光ガイドを生み出すために注入光源光学系と調和して機能する、光リサイクリング及びランダム化光空洞を作り出す。

いくつかの実施形態において、エッジ照明バックライトの輝度均一性は、注入光出力の照準を定めることにより、隣接する光源又は光源の一群の間の距離を調節することにより、又はこの２つの技術を組み合わせることにより、増強することができる。例えば、光源から放射される光の方向を制御する手段として、本明細書に記載のような、狭い配光円錐角を有する、前方に放射する光源を選択することができる。エッジ照明バックライトでは、光源は通常、放射ビームが入力端部（単数又は複数）に対して実質的に垂直に方向付けられかつ互いに平行となるように、バックライトの１つ以上の縁部に沿って配列され得る。１つ以上の光源の照準を、非垂直方向に及びバックライトの選択された領域に向けて定めることにより、選択領域の輝度を増加させ、それに合わせてその他の領域の輝度を減少させることができる。

例えば、１つの縁部に沿って均一に配列された数個のＬＥＤを有するバックライトでは、ＬＥＤの照準を、バックライトのほぼ中心で全ビームが交差するように定めることができ、これによって中心部が明るくなり、縁部があまり明るくなくなる。全ビームのうちの一部が中心で交差するように方向付けると、中心輝度を減少させることができ、これにより輝度を所望のレベルに調節する機構が提供される。類似の構成を使用して、例えば、より明るい縁部及びあまり明るくない中心部を作り出すことができる。光源、レンズ、抽出機、コリメート反射器等の取り付け方向といった任意の好適な技術を用いて光源の放射方向を制御することができる。一般に、光の照準は、主に光が０度を含む横断面に対して任意の好適な角度で方向付けられるように定めることができる。

光源はまた、光源の間隔が不均一であるようにバックライトの１つ以上の縁部に配列され得る。この場合、バックライトの、より密集した光源を有する部分はより明るくなる。例えば、１つの縁部に沿って配置された４０個のＬＥＤを有するバックライトでは、各端部に向かって側面に並んでいる１０個のＬＥＤよりも２０個のＬＥＤを密集させて、中心部をより明るくすることができる。同様に調節してより明るい端部を作り出すことができる。

いくつかの実施形態では、１つ以上の光学素子を、光源と空洞への入り口との間に位置付けることができる。任意の好適な光学素子を含むことができる。例えば、１つ以上の吸収又は反射フィルターを光源と空洞との間に位置付けて、所望の光束分布を空洞に注入することができる。注入光から紫外線又は短波長光を削減又は除去してバックライト空洞材料の光崩壊を軽減させるために、他の種類のフィルターを設けることができる。好適な他のフィルムには、積層光学フィルム（例えば、ＤＢＥＦ、ＡＰＦ、非対称反射フィルム）、光方向転換フィルム（例えば、ＢＥＦ）等が挙げられる。

更に、例えば、光学素子は、１つ以上の光源からのある特有の光学特性（例えば、波長）を有する光を、もう１つの光学特性に変換するための蛍光体コーティングを有するフィルム又は層を含むことができる。例えば、米国特許第７，２５５，４６９号（ウィートリー（Wheatley）ら）、名称「光ガイド及び干渉反射体を有する蛍光体による照明システム（PHOSPHOR BASED ILLUMINATION SYSTEM HAVING A LIGHT GUIDE AND AN INTERFERENCE REFLECTOR）」を参照のこと。

１つ以上の光学素子は、空洞に注入される光の方向を変更するための任意の好適な構造体（単数又は複数）、例えば、屈折構造体、反射構造体、及び回折構造体も含むことができる。

ここで、中実光ガイドより優っている中空空洞のいくつかの利点について論じる。光は、損失の少ない中実光ガイドの中を横方向に遠い距離移動することができるが、光ガイドを射出し、偏光又は角度変換のためにリサイクルされる光は、その後、光の実質的な横方向の広がりに関与することはできない。その理由は、図５に示される光路図を用いて最もよく説明され、図５は、中実光ガイド５４０を有するバックライト５１０の概略的側面図を示している。光線５５０は、部分反射フィルム５４８で反射した後で光ガイド５４０に再入射する際に垂直に向けて屈折される。もしも光ガイド５４０が中空であれば、光線は、より多くの光線の横方向伝搬を提供する光路５５２内に進む。この効果は、空中から光ガイド５４０に角度約３０度以上でで入射する光線にとって重要である。もしも光線が、多くの角度にわたって光を散乱する別の抽出点で中実光ガイド５４０に再入射する場合、光の一部は高角度で横方向に広がるが、一部は非常に小さな角度で再入射する。正味の効果は減少した光の横方向伝搬である。

更に図５を参照すると、初期光線５５４が光線５５６として透過する際の横方向への屈折は、光を横方向に広げる中実光ガイドシステムに有意な利点を提供するように思われる。しかしながら、これは１つの断面又は透視図にのみ言えることである。このシステムを上側（即ち、バックライトの前方）から見ると、図６の平面図に示されるように、中空光ガイドは、図５の平面に直交する方向に沿って均一な光強度を提供するのに優れていることが理解できる。図６の光線６５４は、局所表面法線に向けて屈折されて光線６５６を生成し、光ガイド６４０の（図６の透視図の）左端に平行な方向にごくわずかに光線を広げる。図６の光ガイド６４０が中空である場合、光線６５４は光線６５６の光路中に屈折されない。その代わりに光線は光路６５８をたどり、そうして光ガイドの縁部の点光源の間の「空隙」を良好に充填する。

図２〜６はエッジ照明システムを図示しているが、同じ原理が直接照明システムに当てはまる。直接照明システムでは、光源は空洞の内部、又は穴又は入口のいずれかにあり、あるいは後方の反射体の中に入口が作られ、この入口を通って光が光源から空洞に入射する。いずれのケースでも、後方の反射体に、好ましくはできるだけ小さな開口部が形成され、その結果光源を挿入することができ、又は光源の光が、後方の反射体の総平均反射率への影響を最小にした状態で後方の反射体を通過することができる。

直接照明システムでは、所与の光源からの少量の光のみが、前方の反射体上の、その光源に正対する出力エリアの領域に直接入射するのが一般に好ましい。これを達成するためのアプローチの１つは、光を主に横方向に放射するように設計されたパッケージ化ＬＥＤなどである。この機能は通常、ＬＥＤパッケージの光学設計、特に封止レンズによって達成される。別のアプローチは、局所的反射体をＬＥＤの上側に設置して、前方の反射体の見通し線を遮断することである。任意の高性能の鏡をこの目的のために使用することができる。好ましくは、反射光を光源から離れて広げるように鏡は凸形状に湾曲しており、したがって反射光は再吸収されない。この構成はまた、光線方向ベクトルに実質的な左右方向成分をもたらす。負の焦点距離を有するレンズ又はフレネルレンズ（即ち、発散レンズ）などの屈折素子をこの目的のために使用することもできる。更に別のアプローチは、前方の反射体の偏光通過軸に対して位置合わせされていない１つの反射偏光子で光源を覆うことである。局所反射偏光子によって透過された光は前方の反射体に向かい、そこでほとんどが反射及びリサイクルされて、光の実質的な横方向の広がりを誘発する。これに関連して、同一出願人による米国特許出願公開第２００６／０１８７６５０号（エプシュタイン（Epstein）ら）、名称「光リサイクリング及び光源偏光子を有する直接照明バックライト（DIRECT LIT BACKLIGHT WITH LIGHT RECYCLING AND SOURCE POLARIZERS）」を参照する。

製造コスト又は効率の理由から、直接照明バックライトではランベルト放射ＬＥＤが好まれる場合がある。同様の理由で、個別の光偏光装置は好まれない場合がある。空洞内のリサイクリングの程度を大きくすることで、依然としてこのような空洞内の良好な均一性を達成することができる。これは、より高度に反射性である、例えば、全透過率が約１０％又は２０％未満であり、反対に反射率が９０％又は８０％である前方の反射体使用することで達成し得る。偏光バックライトでは、この構成は、およそ１％〜２％又はそれ以下である非常に低い透過率を有する前方の反射体の遮断軸を更に必要とする。しかしながら、極端に多くのリサイクリングは、空洞内の許容しがたい損失につながる場合がある。

局所的反射体又は偏光器が、ランベルト光源を隠蔽するための解決策として許容しがたい場合、図７に示されるように、前方及び後方の反射体７１２、７１４と同一の広がりを持つ第３の構成要素７６０を空洞７１６に加えることができる。この第３の構成要素７６０は、標準体積式ディフューザー、発散フレネルレンズの密集アレイ、又は別の部分反射体などのディフューザーであり得る。前方の反射体７１２が偏光する場合には、この第３の構成要素７６０は偏光する必要はない。レンズアレイを使用する場合、レンズは、線状、円形、楕円形、又は任意の好適な形状であり得る。線状レンズは、ＬＥＤの列に垂直な方向に光を広げるのに有用である。第３の構成要素に何を使用するにしても、空洞内の反射性の高い表面の間で使用され、かつリサイクル光は何度もこの構成要素を通過するので、非常に低損失な材料で作られるのが好ましい。

中実光ガイドに対する中空空洞の利点及び設計課題のいくつかを概説したところで、次に半鏡面反射性及び透過性構成要素の詳細な説明、及びランベルト又は鏡面反射性構成要素だけでなくそれらを中空リサイクリング空洞バックライトにおいて使用することの利点の解説を行う。

鏡とも呼ばれる純粋鏡面反射鏡は、「入射角は反射角に等しい」という光学法則に従って機能する。これは図８の中空空洞８１６に見られる。図中、前方及び後方の反射体８１２、８１４は共に純粋に反射鏡面である。図のように、最初に発射した斜光線８５０のごく一部は前方の反射体８１２を透過するが、残りは等角度で後方の反射体８１４に向かって反射し、再度等角度で前方の反射体８１２に向かって反射し、それを繰り返す。リサイクル光線の空洞８１６の横方向への通過は妨げられないので、この構成は空洞８１６全体に光の最大水平移動を提供する。しかしながら、所与の入射角で伝搬する光を他の入射角に変換する機構がないので、空洞内で角度混合は発生しない。

一方で、純粋のランベルト面の反射体は、光線を全方向に等しく向け直す。これは図９の中空空洞９１６に見られ、前方及び後方の反射体９１２、９１４は共に純粋のランベルト面である。同様に最初に発射した斜光線９５０は、前方の反射体９１２によって即時に全方向に散乱され、散乱光のほとんどは空洞９１６内に反射して戻されるが、一部は前方の反射体９１２を透過する。反射光の一部は「前方」（図に見られるように一般に右に向かって）に移動するが、同じ量が「後方」（一般に左に向かって）に移動する。前方散乱とは、反射光の横方向又は面内（当該散乱表面に平行な平面）伝搬成分を意味する。このプロセスが繰り返されると、数回の反射の後、光線の前方に向けられた成分は大きく減少する。ビームは急速に分散し、最小水平移動を引き起こす。

半鏡面反射鏡は、鏡面反射特性と拡散特性のバランスを提供する。図１０の中空空洞１０１６では、前方の反射体１０１２は純粋に反射鏡面であるが、後方の反射体１０１４は半鏡面反射鏡である。同様に最初に発射した斜光線１０５０の反射された部分は後方の反射体１０１８に当たり、光の量は調整されて実質的に前方散乱する。次に、光の反射コーンは部分的に透過されるが、これらは全て更にかなりの程度まで「前方」方向に伝搬しながら、ほとんどは後方の反射体１０１４に反射して（鏡面反射）戻される。

このように、半鏡面反射鏡は、光線の方向及び偏光の適切な混合を更に提供しながら、リサイクリング空洞の全域に光が横方向に広がるのを促進することがわかる。部分拡散であるが、実質的に前方に向けられた成分を有する反射体は、より少ない光線の全反射で、より多くの光をかなりの距離にわたって移動させる。定性的には、半鏡面反射鏡は、実質的に逆散乱よりも前方散乱をより多く提供する反射鏡であると説明することができる。半鏡面反射ディフューザーは、入射光の実質的過半数に関して光線方向の垂直成分を逆転させないディフューザーであると定義することができる。即ち、光は実質的に前方（ｚ）方向に透過され、かつある程度ｘ及びｙ方向に散乱される。半鏡面反射のより定量的説明は、実施例に関連して以下になされる。

図８〜１０は、主要光学構成要素を２つだけ使用する空洞設計を示す：前方及び後方の反射体。このケースでは、反射体の少なくとも一方は半鏡面反射鏡でなければならない。もう一方は、半鏡面反射鏡が効率及び均一性において有利であるが、鏡面反射鏡、若しくは半鏡面反射鏡、又はランベルト面であり得る。図１０の２つの構成要素システムの代替物として、リサイクリング空洞の中の前方及び後方の反射体の間に追加の光学構成要素を挿入することができ、このような追加構成要素は、所望の程度の半鏡面性を空洞に提供するように調整されてもよい。分かりやすい例が図１１に示されている。この場合、半鏡面反射拡散フィルム１１７０は、空洞１１１６の中の前方の反射体１１１２と後方の反射体１１１４との間に張架され、両者は共に鏡面反射鏡又は半鏡面反射鏡であり得る。多くの場合、空洞中の構成要素の数を最少にすることが望ましいが、前方又は後方の反射体の最少損失設計を考慮すると、第３の構成要素を使用して高効率空洞を提供できることもある。

空洞中の光線と前方拡散素子の混合は、いくつかの方法で達成することができる。混合は、前方又は後方の反射体の一体部分である拡散素子によって、若しくは前方又は後方の反射体に積層される拡散素子によって、又は図１１に示されるような、前方及び後方の反射体との間のどこかに設置される別個の散乱シートを使用して行うことが可能である。これら選択肢の任意の組み合わせも可能である。選択は、事柄、例えば光学損失、部品コスト、及び製造の利便性に対する相対的な重要性によってなされる。拡散素子は、前方又は後方の反射体に取り付けられても、前方又は後方の反射体の一体部分であってもよく、あるいはディフューザーと反射体との間に空隙を設けてもよい。

ディフューザーが、どちらか一方の反射体の一体部分であるか、どちらか一方の反射体に積層されるか、あるいは空洞中に別個の構成要素として設置されるかのいずれであるにせよ、所望の全体的光学性能は、後方の反射体から前方の反射体に行きまた再度戻る一往復光路を完了した光線に対する、ランベルト分布より実質的に狭い角度広がり関数である。半鏡面反射鏡は、反射鏡及びランベルト反射体の両方の特性を有することができ、又は鏡面反射方向の周りの明確なガウスコーンであることができる。性能はどのように構成されるかにに大きく依存する。ディフューザー構成要素は反射体と別個でもあり得ることを踏まえると、後方の反射体には次のようないくつかの可能な構造が存在する：（１）部分透過鏡面反射鏡に高反射率拡散反射体を加える；（２）高反射率鏡面反射鏡を覆う部分ランベルトディフューザー；（３）高反射率鏡面反射鏡に前方散乱ディフューザーを加える；又は（４）波形高反射率鏡面反射鏡。

各番号の構造では、最初に挙げた素子は空洞の中に配置される。構造（１）〜（３）の第１の素子は、後方の反射体の領域上で連続的又は不連続的であり得る。更に、第１の要素はディフューザー特性の勾配を有することができ、又はディフューザーの勾配がつけられている追加パターンを印刷又はコーティングすることも可能である。勾配がつけられているディフューザーは任意的であるが、様々なバックライトシステムの効率を最適化するために望ましい場合がある。用語「部分ランベルト」は、入射光線の一部のみを散乱する素子を意味するものと定義される。このような素子で散乱される光の一部はほぼ均一に全方向に向けられる。構造（１）において、部分鏡面反射鏡は前方の反射体で利用したものとは異なる構成要素である。この場合の部分反射体は、中程度の反射率の空間的に均一なフィルム、又は有孔の多層又は金属製反射体のような、空間的に均一な反射体であってもよい。鏡面性の程度は、孔の寸法及び数を変えることにより、若しくはフィルムの基本反射率を変えることにより、又はその両方により調整することができる。

構造（４）は、多層ポリマー鏡面フィルムを熱でエンボス加工することにより、又はこのようなフィルムを物理的に波形化することにより作ることができる。更に、これらの形状を有する任意の表面を、金属製又は過剰金属反射フィルムでコーティングすることができる。更に、（１）〜（３）の半鏡面反射構造は、その光移動特性を最適化するために波形化する又はエンボス加工することができる。

リサイクリング空洞の前方の反射体は、後方の反射体と同様であるが、注目すべき違いを有する構造を用いて半鏡面反射とすることができる。いくつかの構造は：（ａ）部分反射ランベルトディフューザーに部分鏡面反射鏡を加える；（ｂ）前方散乱ディフューザーに部分鏡面反射鏡を加える；（ｃ）前方散乱部分反射体；又は（ｄ）（ａ）〜（ｃ）の種々の組み合わせ、である。

これら構造の素子は、前方の反射体の領域上で連続的又は不連続的であり得る。例えば、このような素子は、散乱の勾配若しくは反射特性の勾配、又はその両方を有することができる。勾配がつけられているパターンを素子に印刷又はコーティングすることも可能である。勾配がつけられているディフューザーは任意的であるが、様々なバックライトシステムの効率を最適化するために望ましい場合がある。用語「部分ランベルト」は、入射光線の一部のみをランベルトパターンへと散乱する素子を意味し、残りは、鏡面反射のように他の何らかの角度分布へと散乱される。

同様に、上に挙げた第１の素子は、リサイクリング空洞の内部に配置される。３つの構造全ての第１の素子は、部分反射体の領域上で連続的又は不連続的であり得、第１の素子は、ディフューザー特性の勾配を有することができ、又は勾配がつけられている追加ディフューザーパターンを素子に印刷又はコーティングすることができる。

ディフューザーが空洞の中のいずれかの場所に配置される場合、前方及び後方の反射体の一方又は両方は鏡面反射であり得る。反射体の１つはまたランベルト面でもありえるが、一般にこれは、特にエッジ照明バックライトにとっては、最適な構造ではない。この場合、他の反射体は半鏡面反射又は鏡面反射でなければならない。前方散乱拡散器は、表面式又は体積式ディフューザーであり得、両方向又は偏光状態に対して対称性又は非対称性であり得る。

定量的には、半鏡面性の程度（所与の反射体又はその他構成要素の鏡面反射対ランベルト特性）は、それぞれＦ及びＢと呼ばれる前方及び後方散乱光成分の光束を比較することによって効果的に特徴付けることができる。前方及び後方散乱光する光束は、立体角全てに対する積分反射強度（又は光学透過性構成要素の場合は積分透過強度）から得ることができる。半鏡面性の程度は、次に：
Ｔ＝（Ｆ−Ｂ）／（Ｆ＋Ｂ）
で得られる「移動比率」Ｔによって特徴付けることができる。

光束は純粋鏡面反射鏡から純粋ランベルト面に移動するので、Ｔは０〜１に及ぶ。純粋鏡面反射鏡では後方散乱は存在せず（Ｂ＝０）、したがって、Ｔ＝Ｆ／Ｆ＝１である。純粋ランベルト反射体では、前方及び後方散乱した光束は同一であり（Ｆ＝Ｂ）、したがってＴ＝０である。実験的に測定された値を有する実施例は下記の通りである。任意の実際の反射性又は透過性構成要素の移動比率は、入射角の関数である。前方散乱光の量は、例えば、ほぼ垂直な入射光とグレージング入射光によって異なることが予想されるため、これは論理にかなう。

リサイクリング空洞に関連して、「有効空洞移動比率」、即ち、リサイクリング空洞の完全な循環又はサイクルの後の所与の入射光が経験する移動比率を確定することができる。この量は、特に、少なくとも１つの半鏡面反射成分と少なくとも１つの散乱構成要素と（半鏡面反射面又はランベルト面にかかわらず）を包含する空洞において興味深い。移動比率は一般に入射角の関数であるので、有効空洞移動比率を、空洞に注入されるコリメート光のＦＷＨＭ特性の点から評価又は特定することができる。

移動比率は、ある角度の光線と反射体又はディフューザーとの単一相互作用に関して明確に定義される。良好なリサイクリング空洞は、全角度の光線と、少なくとも２つの反射又は散乱構成要素、及び恐らく３つ以上の反射又は散乱構成要素、との複数の相互作用を生じさせる。単一相互作用の移動比率は入射角の関数であるので、総空洞移動比率の説明は単一構成要素と比べてより複雑である。「有効空洞移動比率」、又はより記述的には「空洞移動値」は、空洞が、どれだけ良好に注入点から注入された光を空洞内の遠点まで広げることができるか、更にどれだけ十分にそれをランダム化して光を見る人に向かって均一に方向付けることができるかの尺度である。相対空洞移動値の簡単な評価方法は、鏡面反射、半鏡面反射、及びランベルト構成要素の様々な組み合わせの優劣を判定するのに有用である。この目的のため、次のように表わされる各構成要素の前方移動数ｆＴを定義する。

ｆＴ＝Ｆ／（Ｆ＋Ｂ）
式中、Ｆ及びＢは本明細書に記載のように決定又は測定されるが、ここでは単一相互作用の全角度にわたって平均化する。適切な平均を得るためには、入射角１５〜７５度の約１５度未満おきの測定で十分である。Ｆ及びＢは前方及び後方散乱光の相対比率であり、定義によりＦ＋Ｂ＝１であるので、簡単に前方散乱光の一部であるｆＴ＝Ｆが得られる。次に、空洞移動値ＣＴは、空洞の前方及び後方の反射体のＦ値の積である：
ＣＴ＝Ｆ_前方 ^＊Ｆ_後方。

例えば、鏡面反射前方の反射体（Ｆ_前方＝１）及び半鏡面反射後方の反射体（Ｆ_後方＝０．７５、及び移動比率Ｔ＝０．５）の総空洞移動値はＣＴ＝１^＊０．７５＝０．７５である。

別の例では、前方の反射体がＦ_前方＝０．５（Ｔ＝０）であるランベルト面であり、後方の反射体がＦ_後方＝０．７５（Ｔ＝０．５）である半鏡面反射面の場合、総空洞移動値はＣＴ＝０．５^＊０．７５＝０．３７５である。後者の空洞は、第１の例の空洞よりもかなり少ない光を注入点から所与の距離まで移動させることが予測される。この予測は、本明細書に記載の実験によって確認される。

いくつかの用途において、前方の反射体は、いくつかの構成要素の積み重ね、例えば、鏡面反射又は半鏡面反射鏡と、それに続く光方向転換層又は１つ以上の拡散器とから構成することができ、転換層と拡散器は互いに積層されてもされなくてもよい。前方及び後方の反射体はそれぞれ、特定の順番で組み立てられる構成要素の一群であると定義することができる。前方の反射体又は後方の反射体を構成する全構成要素の総体的な移動特性は、１回の測定で決定され得る。個々の構成要素（例えば、フィルム）の、構成要素のスタックの移動特性に及ぼす影響は、積み重ねの中の構成要素の順番及び配向、並びに積み重ねの中の他の構成要素の特性に依存する。少なくともこれらの理由により、積み重ねは全体として測定され得る。前方の反射体の構成要素は、オートロニクス社（オートロニクス社（Autronics））及びレイジアント・イメージング社（Radiant Imaging）（米国ワシントン州デュバル（Duvall, Washington, USA））により製造されるもののような測定装置の中に、内部空洞表面を測定する光ビームに対向させて設置され得る。

半鏡面反射鏡に関して上述したＦ及びＢの測定は反射モードで行われ、これは、入射ビームの一部が散乱層を２回通過する又は散乱層から１回反射することを意味する。ディフューザーが、空洞の中の前方及び後方の反射体の間のどこかに位置付けられる中間構成要素だとすると、光線は移動プロセス中に、前方から後方へのサイクルを１回として、２回通過する。このため、中間構成要素のＦ及びＢ値を、鏡にコーティングされたディフューザーと同じ方法で測定した値であると定義する。中間構成要素は、前方又は後方の反射体のいずれかと同じグループにすることができ、中間構成要素と選択された反射体の移動特性の組み合わせを共に測定することができる。光の大部分が中間構成要素の上側で（又は空洞の中の孔を介して下側から）空洞の中に注入される場合、中間構成要素は下部反射体と同じグループになり得る。光の大部分が中間構成要素の下方で注入される場合、中間構成要素は移動測定のために前方の反射体と同じグループになり得る。

空洞内の少なくとも１つの方位角（面内）方向に沿った積ＣＴが約０．５を超えかつ約０．９５未満である場合、空洞は半鏡面反射であると定義される。いくつかの実施形態において、半鏡面反射空洞のＣＴは約０．６を超えるのが好ましい場合がある。他の実施形態において、半鏡面反射空洞のＣＴは約０．７を超えるのが好ましい場合がある。

中間構成要素が完全に前方及び後方の反射体と同じ範囲にない場合、総空洞移動ＣＴは、異なる構成要素を包含する空洞の異なる領域のＣＴ値の加重平均であると解釈される。

最も一般的なディフューザーでは、Ｔは０〜１の範囲であり、Ｆは０．５〜１．０の範囲である。しかしながら、いくらかの再帰反射性を有する材料をディフューザーとして使用する場合、Ｔは負数であり得、０〜−１の範囲であり、Ｆは０〜０．５の範囲である。再帰反射性材料の例には、ガラスビーズ、及び９０度又はほぼ９０度傾斜したファセット有するプリズム構造体が挙げられる。平面基板上の中実プリズムアレイ（例えば、ＢＥＦ）は、プリズムの線状方向に垂直な平面内の平面側に入射する光に対して再帰反射性であるが、＋／−１０度未満のように限定された角度範囲にわたってのみである。

鏡面的に反射性の個々のファセットを有する、中空の９０度にファセットされた構造体は、０〜４５度の角度範囲全体に対して再帰反射性であり、加えて溝方向に垂直な方向に対して０〜９０度の入射角全てに関して前方移動はゼロである。

ＢＥＦ及びその多くの変形物のような非対称構成要素、又は、ブレンド又はホログラフィック構造体のような非対称拡散体は、様々な方向に沿って異なる空洞移動値を生成することができる。

Ｆの値を乗じて得たＣＴの値は、空洞の移動特性の相対測定値にすぎない。光源からの距離の関数である光の強度の数値もまた、空洞形状、並びに前方及び後方の反射体の反射率に依存する。反射体の反射率が高いほど、光は更に空洞内を移動することができる。例示の実施形態において、Ｒ_ｈｅｍｉは、前方の反射体では０．６を超えることができ、また更には０．８超えることができ、後方の反射体では約０．９５を超えることができる。

前方及び後方の反射体として、鏡面反射（例えば、ＥＳＲ、平均Ｔ≒１）、半鏡面反射−１（例えば、空隙を有するＥＳＲの上のＢＥＦ−ＩＩＩ、プリズム長さ軸に垂直な平均Ｔ≒０．６７）、半鏡面反射鏡−２（例えば、ビーズコーティングＥＳＲ、平均Ｔ≒０．４）及びランベルト（例えば、ＴＩＰＳ、平均Ｔ≒０．０２）反射体の異なる組み合わせを用いて実験用空洞で、空洞移動値を測定した。この実験では、前方及び後方の反射体の両方は、空洞の長さに沿った可変光損失の複雑さを解消するために、高反射率を有するように選択した。このように、光移動特性が試料間の唯一の主要変数である。

光を、水平の下方３０度に照準を合わせた緑色レーザを使用して、幅１０．１６ｃｍ（４インチ）の空洞（高さ１．２７ｃｍ（１／２インチ）、長さ３０．４８ｃｍ（１２インチ））の一方の開口端に注入した。広域アモルファスシリコン太陽電池は空洞の他端を覆い、電流計と直列に接続されると光検出器として機能した。空洞の端の検出器によって収集された光の量で測定した相対空洞移動は、上記分析から予想されたように次の順番で減少した：（半鏡面反射鏡／鏡面反射鏡）＞（ランベルト面／鏡面反射鏡）＞（半鏡面反射鏡／半鏡面反射鏡）＞（半鏡面反射鏡／ランベルト面）＞（ランベルト面／ランベルト面）。２番目にリスト化された構成要素は、最初にレーザ光が向けられた下部反射体であった。これらの組み合わせのいくつかの順番は、様々な他の半鏡面反射構成要素のＴ値に応じて変化し得る。群を抜いた最高移動値を提供する（ＥＳＲ／ＥＳＲ）ケースに正規化された相対強度を次の表に挙げる。測定した強度は、ＣＴの計算値で線形であることに留意されたい。実際の強度は、上記のように多くの要因に依存するのでこのことが予想される。しかしながら、ＣＴ値は、光を移動させる様々な空洞構造内の相対強度の良好な予測を提供する。

１つ以上の構成要素に空間的に勾配がつけられている場合は（例えば、ディフューザー）、総空洞移動値は同様に勾配がつけられている。次に、空洞の領域にわたって測定したＣＴ値を平均して空洞移動ＣＴを決定することが出る。

有用なバックライト空洞形状、例えば、空洞深さ１４ｍｍを有する１１６．８ｃｍ（４６インチ）ダイアゴナルＬＥＤディスプレーでは、前方の反射体Ｒ^ｆ _ｈｅｍｉが７０％以上であり、コリメート光注入のＦＷＨＭが６０度以下の場合に、出力輝度の比較的均一な空間的変動を提供するためには、０．５０を超えるＣＴ値が必要であることを本出願人らは見出した。

詳細な実施例は下記の通りであり、実質的にランベルトから実質的に鏡面反射まで、広範囲の反射体の種類を示している。半鏡面反射の例は構造（２）及び（３）に関し、選択されたディフューザーで鏡面反射鏡を覆って作製した。全試料は、反射光の角度分布に対して特徴付けられた。これは、ドイツのオートロニック−メルチャーズ社（autronic-MELCHERS GmbH）から入手可能なオートロニックス・コノスコープ（Autronics Conoscope）を使用して反射モードで行われた。試料をコノスコープ（conoscope）レンズの焦点から約２ｍｍの場所に設置する。試料を、選択した入射角で白色コリメート光を用いて、機器で照射する。試料から反射した光をコノスコープ（conoscope）レンズで収集し、二次元検出器アレイ（ＣＣＤカメラ）の上に画像化する。キャリブレーションファイルを使用してこの画像を角度分布関数に変換する。機器は、半鏡面反射体及び拡散反射体の角度反射特性における非常に有用な比較を提供する。反射体の有意な反射成分は鏡面反射角近傍の検出器の飽和を引き起こすことができるが、この値は、低感受性の機械設定で別個に測定することができる。

実施例Ｆ：ビーズコーティングされたＥＳＲ
ビキュィティ（Vikuiti）（商標）ＥＳＲフィルムと実質的に同一のフィルムを、ＬＣＤバックライトの輝度向上フィルムとしてよく使用されるビーズゲインディフューザーフィルムの構造と同様に、ポリマー結合剤と混合されたＰＭＭＡビーズでコーティングした。フィルム試料をオートロニック・コノスコープ（Autronics Conoscope）に挿入し、方位角方向ファイ（表面に垂直な方向を中心に回転する入射面の回転）が０である入射面における様々な入射角θで、コリメート光入射で照射した。測定した反射光強度対全シータ及びファイ角度の角度データは、入射角４５度の等高線図である図１２のような等高線図を用いて視覚化することができる。等高線図は極座標であり、反射角は、任意の方位角（ファイ）方向に沿って０度〜８０度の範囲である。水平方向はファイ＝０軸と呼ばれ、垂直方向はファイ＝９０軸と呼ばれる。検出器は、ファイ＝０度軸の近くの約シータ＝４２度〜８０度の角度範囲で遮断され、結果的に図に見ることができるようなアーチファクトとなる。鏡面的に反射した構成要素の角度中心は、ファイ＝０度軸に沿った−４５度付近にはっきりと見て取れる。

上で説明したように、鏡面反射特性対ランベルト特性の程度は、プロットの左半分及び右半分の積分強度（ファイ＝９０軸の右及び左の積分強度）から得ることができる、前方及び後方散乱光成分（それぞれＦ及びＢ）の光束を比較することで効果的に特徴付けることができる。次に、鏡面性の程度は、移動比率Ｔ＝（Ｆ−Ｂ）／（Ｆ＋Ｂ）で特徴付けることができる。

図１２の等高線図は図示のみを目的としており、Ｔの計算には使用されなかった。代わりに、ファイ＝０及びファイ＝９０方向に関してそれぞれ図１３ａ及び１３ｂに示される反射率の定量的値が使用された。ファイ＝０軸に沿って、ガウスの散乱分布、並びに角度によって変化しないランベルト基準構成要素の特徴を見ることができる。θ＝４２度〜９０度からのデータは、オートロニクス社（Autronics）製機器の入射ビーム光学構成要素によって遮断されているので、記録されていない。これらの角度でゆっくり変化する輝度データを有する反射体については、隣接する領域の値を用いてこの遮断領域のデータを推定することができる。ランベルト反射体については、ファイ＝９０軸に沿って強度は比較的平坦である。全立体角にわたって積分すると、この試料（入射角４５）の移動比率値Ｔ＝０．５０が得られる。

上で説明したように、移動比率は一般に入射角の関数である。垂直入射では、ほとんどの試料において、前方及びリバース構成要素は一般に等しく、Ｔ＝０が得られる。しかしながら、入射角が大きいと、所与の反射体の前方散乱の程度はより明らかになる。ビーズコーティングしたＥＳＲを様々な入射角で測定し、これらの入射角に関する移動比率Ｔを図１４の曲線Ｆとしてプロットする。最大移動比率はθ＝４５度付近で発生する。同様に、更に以下で説明されるＭＣＰＥＴの移動比率（実施例Ｃ参照）を同じ方法で測定した。これらの試料に関しては、測定した移動比率は、恐らく測定した入射角のわずかな誤差のせいで垂直入射で厳密にゼロではない。

図１４のプロットでは、理想的なランベルト反射体又はトランスミッタ（ディフューザー）が破線で示されており、全入射角で値Ｔ＝０を有している。これに対し、理想的な鏡面反射鏡又はトランスミッタ（濃い実線で示される）は、Ｔが０に下降する厳密に０度の入射角を除いては、全入射角で値Ｔ＝１を有する。

種々の他の反射体を、以下の追加実施例に概略されたように更に構成した。他の種類の反射体は異なる反射特性を有するが、傾向は類似している。１５度を超えると、一般に、移動比率は入射角に伴って緩やかに増加する。最も急速な増加は、垂直入射を超えた小角度で起こる。純粋鏡面反射鏡は垂直入射でＴ＝０を有し、その他の全角度でＴ＝１である。純粋ランベルト反射体は全角度でＴ＝０を有する。実施例Ａ〜Ｋは、広範囲の移動比率は異なる反射体構造を用いて作られることを明確に示している。図１４にデータは要約されており、試料の説明、ラベリング、並びに４５度での反射率及び移動比率（Ｔ）は次の表に提供される。

これら実施例及び図１４の検討の結果、（１）実質的にランベルトの構成要素と区別するために、入射角１５度での移動比率Ｔが０．１５（１５％）を超える、好ましくは０．２０（２０％）を超える場合、及び（２）実質的に鏡面反射の構成要素と区別するために、入射角４５度での移動比率Ｔが０．９５（９５％）未満、好ましくは０．９（９０％）未満の場合であれば、反射体又はその他構成要素を半鏡面反射であると特徴付けられる。

あるいは、「半鏡面反射」を、ランベルトの構成要素と区別するために、入射角４５度で０．２（２０％）を超える移動比率Ｔを有すると特徴付けることが望まれる場合がある。反射成分を区別するために、光の少なくとも１０％は、４５度鏡面反射方向を中心とする１０度を含む夾角のコーンの外にある方向に散乱するという要件を加えてもよい。

波形化又は熱成形薄膜ミラーのような、局所的に鏡面反射であるが全体的に半鏡面反射である反射体を特徴付けるときには、測定条件を変更する必要がある。オートロニクス社（Autronics）の機器のような測定システムのスポットサイズが、反射体の平均形状寸法より小さい場合は、反射角度分布の良好な推定を得るために、成形反射体上の異なる場所で数回測定する必要がある。

実施例Ｅ：Ｘ−ＥＳＲ上のＴＨＶ中のＴｉＯ２粒子
構造（２）の実施例である、部分ランベルト面に高反射率鏡面反射鏡を加えたものを、拡散フィルムを広帯域多層膜鏡に積層して作製した。鏡は、従来のビキュィティ（Vikuiti）（商標）に関しては、ＰＥＮ及びＰＭＭＡの多層構造で作製したが、４００ｎｍから１６００ｎｍまで延びる広範な反射帯域（したがって表示はＸ−ＥＳＲと）を用いた。０．１重量％のＴｉＯ_２白色顔料をＴＨＶにブレンドして拡散フィルムを作製し、次にこれを滑らかなフィルムとして押出成形及びキャストした。標準的なポリマー押出し及びフィルムキャスティングプロセスを用いた。チタニアとＴＨＶとの間の屈折率の大きな差異（２．４対１．３５）とあいまって、小粒径のチタニアは広角度拡散ディフューザーをもたらす。濃度の低いチタニアのみが、拡散フィルムがほとんどの光を反射するのを防止する。相当量の光がＴＨＶフィルムを通過して、多層膜鏡で鏡面的に反射される。入射角４５度の鏡面反射ビームに関して図１５ａ及び１５ｂに示される反射結果は、−４５度における鏡面反射に近い反射と広いランベルトバックグラウンドの組み合わせを示す。

ファイ＝０トレースに関し、鏡面反射ビームのピーク値はここでは図示されていない。低感度の記録測定では、θ＝−４５度の測定ピーク輝度は１，９０７であった。鏡面反射及びランベルト構成要素の相対強度は、ＴｉＯ２の濃度を変える、若しくはＴＨＶフィルムの厚さを変える、又はその両方により調節することができる。

部分反射性鏡面反射鏡と高反射率ランベルト反射体の組み合わせを含む構造１に関しても、実施例Ｋ（以下）と同様の結果が予想される。その場合、鏡面反射対ランベルト散乱光の相対量は、透過値の異なる部分反射体を使用して調節することができる。ランベルト反射体は、後方の反射体による透過損失を回避するために、非常に高い反射率を維持する必要がある。

実施例Ｋ：Ｘ−ＥＳＲ上の恵和（Keiwa）ＰＢＳ−０７０
実質的に前方散乱である反射体は、前方散乱ディフューザーを鏡面反射鏡と組み合わせて得ることができる。これは構造の実施例である。（３）市販のディフューザー、恵和オプルス（Keiwa Opulus）ＰＢＳ−０７０を上記の広帯域多層鏡面反射鏡（Ｘ−ＥＳＲ）に積層した。入射角４５度の場合に関して図１６に示されている測定反射分布は、鏡面反射方向の辺りでガウス分布に近い。この場合、４５度で入射する光のほとんどは、−４５度の鏡面反射方向の辺りで比較的狭いコーン状に反射する。ファイ＝９０軸に沿ったピーク輝度は０．８しかなかった。この試料は、４５度において非常に高い移動比率Ｔ＝０．９４３を有する。

実施例Ｉ：Ｘ−ＥＳＲ上のＤＦＡ
他の実質的に前方散乱の拡散器を使用して、実施例Ｋよりも広範囲の散乱光分布を得ることができる。粒子の屈折率とこくわずかに異なる屈折率を有するマトリクス中の球形粒子を用いて作製した拡散器はこの特性を有することができる。１つの実施例は、３Ｍ社（3M Co.）のＤＦＡとして知られるディフューザーフィルムである。粒子負荷及びディフューザーの厚さは、移動比率に影響を与える鏡面性の度合いを決定する。０．４ｍｍ厚さのＤＦＡシートをＸ−ＥＳＲに積層し、４５度の入射光線を用いてオートロニクス社（Autronics）の機器の中で測定した。ファイ＝０及びファイ＝９０度軸に沿った反射角度に関して抽出した輝度データを、図１７ａ及び１７ｂに示す。純粋ランベルト構成要素は存在しないが、４５度における測定移動比率はＴ＝０．６５１まで降下する。

実施例Ｇ及びＨ：非対称移動比率を有する反射体
２７重量％のＰＭＭＡとＰＥＮの混合物を２軸押し出し機の中でブレンドし、標準的フィルム作製機器を用いてキャストした。続いて、キャストウェブを、ＰＥＮフィルムを製造するのに使用する条件を用いて、長さ配向装置及び幅出し機の中で配向した。伸張比は３．７×３．７であった。得られたフィルムの厚さは５０マイクロメートル、垂直入射の半球反射率は約７５％であった。このフィルムをＸ−ＥＳＲに積層し、２つの異なる配向で、オートロニック・コノスコープ（Autronics Conoscope）の中で測定した。ブレンドディフューザーフィルムはＸ及びＹ方向に同じように配向されたが、非対称性散乱分布を示す。これは、ダイを通して押出す間にＰＭＭＡ分散相粒子が延伸したことに起因する可能性がある。図１８ａ及び１８ｂに示されるコノスコープのプロットはそれぞれＸ及びＹ軸に沿った入射光に対する非対称を示す。４５度における測定移動比率は、それぞれ０．５３７及び０．６１２であった。非対称は、ＬＣＤバックライト設計におけるＬＥＤ設置に関するより多くの選択肢を提供することができる。

実施例Ａ：ＴＩＰＳ近ランベルト反射体
様々な近ランベルト拡散反射体が、米国特許第５，９７６，６８６号（ケイトー（Kaytor）ら）に記載されている。特に効率的な反射体は、熱誘起相分離（ＴＩＰＳ）と記載されるプロセスを用いて作製することができる。厚さ約０．２７ｍｍの２枚のＴＩＰＳフィルムを積層して作製した、厚さ約０．５５ｍｍの反射体を、前述の実施例と同様にオートロニックス・コノスコープ（Autronics Conoscope）の中で測定した。ファイ＝０及びファイ＝９０方向に沿ったトレースを、図１９ａ及び１９ｂにプロットし、近ランベルト特性を示す。−４５度において小さな鏡面反射ピークがはっきりとわかる。この反射体の移動比率は全試料の中で最も低く、４５度においてＴ＝０．０１１であった。

実施例Ｃ：ＭＣＰＥＴ
日本の古河製のＭＣＰＥＴと呼ばれる拡散反射体のシートを、オートロニクス社（Autronics）の機器の中で測定した。反射体の厚さは０．９３ｍｍであり、法線入射光線に対する半球反射率は約９８％であった。ＭＣＰＥＴはＴＩＰＳフィルムよりわずかに多い反射成分を有するが、図２０ａ及び２０ｂに示されるコノスコープデータのファイ＝０及びファイ＝９０トレースから明らかなように、なお実質的にランベルトである。移動比率対入射角のプロットは、前掲の図１４に示されている。

他のいくつかの半鏡面反射鏡の半球反射率を、上記実施例と同じ方法で測定した。各反射体に関する短い説明は下記の通りであり、入射角４５度の場合に関する測定した反射体の移動比率を表ＩＩに記載する。近垂直入射光に関する全試料の半球形反射率を、ＮＩＳＴのキャリブレーションされた参照反射体を使用して、パーキンエルマー・ラムダ（Perkin Elmer Lambda）９５０の中で測定した。反射体全てが約９５％以上の反射率を示す。

実施例Ｄ：Ｘ−ＥＳＲ上のバルクディフューザー
アストラ（Astra）８５Ｃは、透過率８５％の、アストラプロダクツ（Astra Products）製半鏡面反射バルクディフューザーである。このディフューザーの一片、クラレックス（Clarex）−ＤＲ ＩＩＩＣ光拡散フィルム、等級番号８５Ｃ、をＸ−ＥＳＲフィルムに積層した。

実施例Ｂ：白色反射体
Ｗ２７０、日本の三菱製の厚さ１２５マイクロメートルの白色反射体
実施例Ｊ：Ｘ−ＥＳＲ上のマイクロレンズアレイ
マイクロレンズのアレイをＸ−ＥＳＲのフィルムの表面上にキャストして、半鏡面反射鏡を製造した。マイクロレンズの外径は３０マイクロメートル、高さは約６．３マイクロメートルである。レンズの湾曲は球形であり、半径は１８．７マイクロメートルである。マイクロレンズを、表面積の約９０％が鏡で覆われた六角形アレイにキャストした。レンズの材料は、屈折率が約ｎ＝１．５である紫外線硬化樹脂であった。他の幾何学形状及び寸法のレンズセットを使用することも可能である。

バックライト実施例
寸法及び形状の異なる多数の中空リサイクリング空洞バックライトを、様々な低損失反射フィルム及び半鏡面反射構成要素を使用して製造した。一部においては、例えば、ビーズＥＳＲフィルム（上記の実施例Ｆ）を後方の反射体として使用し、別の非対称反射フィルム（ＡＲＦ）を前方の反射体として使用した。他においては、非対称反射フィルムを有するリサイクリング空洞の前方に、ゲイン拡散フィルムを含ませた。バックライトの多くは、空洞に注入される光を、ランベルト分布よりも実質的に小さい半値最大出力で全角度幅に閉じ込める光源部材（例えば、くさび形の反射体に配置された複数の色のＬＥＤの列）を更に備えた。バックライトの多くは、ＬＣＤ表示用途又はその他の用途に好適であるような十分な総輝度及び均一性を示した。これらバックライトの例は、同一出願人による国際出願ＰＣＴの以下の一群に記載されており、この一群は参照により本明細書に組み込まれる：「バックライト及びバックライトを使用した表示システム（Backlight and Display System Using Same）」（代理人整理番号６３２７４ＷＯ００４）；「有益な設計特性を有する薄型中空バックライト（Thin Hollow Backlights With Beneficial Design Characteristics）」（代理人整理番号６３０３１ＷＯ００３）；「着色ＬＥＤ光源を効率的に利用する白色光バックライト等（White Light Backlights and the Like With Efficient Utilization of Colored LED Sources）」（代理人整理番号６３０３３ＷＯ００４）；及び「エッジ照明バックライト用コリメート光注入器（Collimating Light Injectors for Edge-Lit Backlights）」（代理人整理番号６３０３４ＷＯ００４））。

別段の指定がない限り、「バックライト」に対する言及はまた、その意図される用途において通常均一な照射を提供する他の延長エリア照明装置にも適用されることが意図されている。このような他の装置は偏光又は非偏光出力を提供することができる。例には、ライトボックス、標識、チャンネル文字、及び、「照明器具」とも呼ばれる、屋内（例えば、家庭又はオフィス）又は屋外用途用に設計された一般的な照射装置が挙げられる。エッジ照明は、対向する主要表面の両方から、即ち、上記にて言及された「前方の反射体」及び「後方の反射体」の両方から（その場合前方及び後方の反射体は共に部分透過性である）光を放射するように構成され得ることにも留意されたい。このような装置は、バックライトの反対側に設置される２つのＬＣＤパネル及びその他の図形部材を照射することができる。その場合、前方及び後方の反射体は同一又は類似構造であってもよい。

用語「ＬＥＤ」とは、可視光、紫外光、赤外光を問わず、光を発するダイオードを指す。それは、従来型又は超放射型の種類にかかわらず、「ＬＥＤ」として販売されている非干渉性封入又は密閉型半導体デバイスを含む。ＬＥＤが紫外線などの非可視光線を発する場合、及びＬＥＤが可視光線を発するある特定の場合、ＬＥＤは蛍光体を含むようにパッケージ化され（あるいは遠隔配置された蛍光体を照射することができ）、短波長の光を長波長の可視光線に変え、特定の場合には白色光を発する装置を提供する。「ＬＥＤダイ」は、最も基本的な形態、即ち半導体加工手順によって製造される個々の構成要素又はチップの形態のＬＥＤである。構成要素又はチップは、デバイスに電圧を加えるための電力の適用に好適な電気接点を含むことができる。構成要素又はチップの個々の層及びその他の機能的要素は、通常、ウェハスケールで形成された後、仕上がったウェハは個々の小片部に切られて、多数のＬＥＤダイとなることができる。ＬＥＤは、カップ状反射体又はその他反射性基材、ドーム形レンズ又は任意のその他既知の形状又は構造に形成された封入材料、抽出器（単数又は複数）、及び、前方放射、側方放射、又はその他の所望の光出力分布を生成するために使用することができるその他のパッケージ素子も含むことができる。

別段の指定がない限り、ＬＥＤに対する言及は、有色又は白色を問わず、及び偏光又は非偏光を問わず、小さな放射面積で明るい光を放射することができる他の光源にも適用されることが意図されている。例には、半導体レーザ装置、及び固体状レーザポンプが含まれる。

別段の指定がない限り、本明細書と請求項で用いられている形状寸法、量、及び物理的特性を表す全ての数は、全ての場合において「約」という用語によって修飾されることを理解されたい。したがって、特に逆の指定がない限り、前述の明細書及び添付の特許請求の範囲に記載されている数値パラメータは、本願明細書で開示する教示を利用する当業者が得ようと試みる所望の特性に応じて変えることのできる近似値である。

本開示の範囲及び趣旨から逸脱することなく、本開示に様々な修正及び変更を加えることができることは当業者には明白であり、本開示は、本明細書に記載された例示的な実施形態に限定されないことが理解されるべきである。本明細書で言及された全ての米国特許、特許出願公報、非公開特許出願、及びその他特許及び非特許文献は、これらのあらゆる主題が上記開示に直接対立しない範囲において、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。

Claims (3)

1. 中空の光リサイクリング空洞を形成するものであって、前方の反射体は出力照射エリアを提供するために部分的に透過性である、前方及び後方の反射体と、
   鏡面反射特性及び散乱特性の所望のバランスを有する空洞を提供する構成要素であって、該構成要素は、表面に垂直な方向からの入射角が１５度のときにおいて１５％を超えかつ表面に垂直な方向からの入射角が４５度のときにおいて９５％未満である移動比率によって特徴付けられ、該前方又は後方の反射体は、該構成要素であることができるか若しくは該構成要素を含むことができ、又は該構成要素は該前方及び後方反射体とは異なることができる、構成要素と、
   光リサイクリング空洞の中に、前記出力照射エリアに平行な面に関して、限定された角度分布にわたって光を放射するために配置される１つ以上の光源部材と、を備え、
   該前方の反射体が非偏光可視光に対して半球反射率Ｒ^ｆ _ｈｅｍｉを有し、該後方の反射体が非偏光可視光に対して半球反射率Ｒ^ｂ _ｈｅｍｉを有し、Ｒ^ｆ _ｈｅｍｉ ^＊Ｒ^ｂ _ｈｅｍｉが少なくとも０．７０であり、ここで、前記半球反射率は、全ての可能な方向から構成要素上に光が入射した場合の、該構成要素の全反射率を意味し、
   所与の入射角の光に対する前記構成要素の移動比率が（Ｆ−Ｂ）／（Ｆ＋Ｂ）と等しく、式中、Ｆは、該入射光が前記構成要素と相互作用するときに、前記構成要素の表面に平行な平面における入射光に関して平行な方向に散乱される光の量であり、Ｂは、該入射光が前記構成要素と相互作用するときに、前記構成要素の表面に平行な平面における入射光に関して平行でない方向に散乱される光の量である、バックライト。
2. 前記出力照射エリアが横断面を画定し、前記光源部材が、０〜６０度の範囲の該横断面に対して半値最大出力（ＦＷＨＭ）で全角度幅を有して、前記光リサイクリング空洞の中に光を放射する、請求項１に記載のバックライト。
3. 前記前方の反射体が、一般に入射角に伴って増加する反射率と、一般に入射角に伴って減少する透過率とを有する、請求項１に記載のバックライト。

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