JP5426687B2 - 照明器具及び他の照明システムにおける光管理のためのブリュースター角フィルム - Google Patents
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Description
上記で検討したように、図2のバックライト構成は、バックライトの出力を表面全体にわたってより均一にすることにより、直接照明バックライトにおけるランプを隠すのに役立つ。ランプを隠すのに役立つその他のバックライト構成も、本明細書で詳しく説明される。しかし最初に、線状光源、蛇行光源、及び点光源を用いたバックライトを含む、直接照明バックライトのより一般的なタイプについて検討する。図1の直接照明バックライト10には、3つの光源20a〜cが示されている。これら光源は、1つの実施形態における3つの別々の線状ランプであり、一般的に線状光源として知られるものである。ここで図3を見ると、別の代表的なバックライト21の平面図が示されており、ここで光源23a〜cは、大きな蛇行ランプ24の一部分である。
図5は、バックライトの出力面の全体又は一部分にわたって延びる経路に沿った、バックライトの輝度の理想的プロットである。この経路は、光源の真上の出力面ゾーン(すなわち、光源ゾーン64)、並びにいずれかの光源の真上にない出力面ゾーン(すなわち、空隙ゾーン66)を含むよう選択される。曲線60については、光を選択的に反射するための反射体40は装置内に存在しない。よって、光源ゾーン64は、比較的暗い空隙ゾーン66の間にある比較的明るいスポットとなる。
用語反射体は、少なくとも約30%の反射率を有する構造体を指す。様々な実施形態において、反射体は少なくとも約50%、80%又は90%の反射率を有する。特に指示されない限り、全ての反射率値は、垂直入射における反射率を指す。
図7と同様、図8では、線83及び84はそれぞれ、第1の材料及び第2の材料のnx値又はny値を表わすが、ここでn1xとn2xとの間の差は一定のままであり、またn1yとn2yとの間の差も一定のままであることが示されている。線87及び88は、n1z及びn2zの値を示し、n1zとn2zとの間の差が増加してnxy値間の差を超えると、内部ブリュースター角が減少することが示されている。
複屈折多層反射体は、配向性(延伸)複屈折ポリマー材料で作製することができる。x軸方向及びy軸方向に異なる延伸比率を用いることにより、それぞれの方向によって内部ブリュースター角の値が非常に異なる、非対称性反射体を作製できる。概略的な屈折率のセットが図21に例示される。図8に示される情報により、図21のフィルムの組み合わせのx−z面又はy−z面のいずれかに入射する光に関してブリュースター角が存在する。z軸の屈折率は当然x−z面又はy−z面のいずれかに入射する光において同じであるが、Δnz/Δnyの比率は、Δnz/Δnxの比率より大きいため、内部ブリュースター条件は、y−z面においてx−z面におけるよりも小さい角度で生じる。x−z面とy−z面の間の方位角については、一連の内部ブリュースター角値が存在する。よって、2材料だけからなる多層反射体は、異なる面内方向に沿って異なるブリュースター角を示し得る。光源を効果的に隠すためには、あらゆる面内方向において垂直入射角での反射率が相対的に高いことが望ましい場合がある。一部の実施形態において、反射率はどの軸においても約50%を超える。具体的な材料の例を以下に記載する。
例えば、米国特許第5,882,774号に、複屈折の層状構造が説明される。一般的に、好ましい多層反射体40は、z軸の屈折率差がx軸及びy軸の屈折率差の一方又は両方よりも大きいものである。
図10及び図11に例示される代表的な1実施形態において、反射体70は、例えば等方性媒体74の中に等方性小板又は円盤72の形態の空隙を含む、不連続相の材料である。この空隙を有する材料の利点は、ブリュースター角を空中で約50°の低さにまですることができる点である。空隙は、当該技術分野において周知のプロセスである押出成形又は鋳型成型において、発泡剤を使用することにより、ポリマーフィルム内に創ることができる。
ある代表的な実施形態において、反射体92は多層構造であり、530のPEN(ポリエチレンナフタレート)及びPMMAの等方性層を含む。個々の層は、厚さが500nm〜2000nmの範囲である。
ある実施形態において、反射体は、配向PENとTHV(テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、フッ化ビニリデンのポリマーであり、3MのDyneon(商標)THVフルオロ熱可塑性材料として販売されている)とが交互になった層構造となっている。一実施形態において、配置されたPEN層は、nx=ny=1.75及びnz=1.49を有し、一方でTHV層はn=1.35を有する。他の実施形態において、反射体は、配置されたPET/THVミラーである。一実施例において、配置されたPET(ポリエチレンテレフタレート(polyethylene teraphalate))層はnx=ny=1.65及びnz=1.49を有する。これらの種類の反射体は、アクリル樹脂(n=1.49)に浸漬したときに、それぞれ54°及び51°の内部ブリュースター角(入射媒体内で測定)を有する。PEN/THVの反射体は、垂直入射角において約99%の反射率で作製することができる。しかしながら、空気中でのp偏光反射は、PEN/THVについては垂直入射角での99%から90°での90%まで減少し、またPET/THVについては99%から80%まで減少する。好ましくは、PEN/THVタイプの構成が、光放射及び/又は光抽出要素と組み合わせて使用される。
他の代表的な実施形態において、多層反射体は、シンジオタクチックポリスチレン(sPS)及びPMMAの交互の層で作製することができる。sPS材料は、約1.57(波長による)の面内(x−y)屈折率を達成するために2軸配向とすることができ、一方で厚さ屈折率、すなわちz軸の屈折率は、およそ1.62である。特に指定されない限り、屈折率は全て、633nmの波長における値を指す。PMMAは、多層反射フィルムが配向される際に、屈折率約1.49で実質的に等方性のままである。空中の多層反射フィルムに対する入射角に対してプロットされた、s偏光及びp偏光の、このsPS及びPMMAの単一境界面における反射率に関する角度依存性が、図15に図示される。曲線130はp偏光の反射率を図示し、曲線132はs偏光の反射率を図示する。多層sPS/PMMA反射体は、垂直入射角において約10%から90%までの反射率の任意の望ましい値を有するように設計することができる。p偏光の反射率は、入射角が増加するのに比例して低下する。sPS/PMMA反射体の別の代表的な実施形態は、垂直入射角で約80%の反射率を有する。
低屈折率材料としてシリコーンポリアミドを使用すると、少ない層数でより高い反射率を達成することができる。sPS及びシリコーンポリアミド層を有し、許容可能な反射率を達成し得る反射体の構造の一例が図18に例示され、等方性層が1.41の屈折率を有し、交互の層が1.62のz軸の屈折率及び1.57の面内屈折率を有する。約1000の層を使用し、反射体は、垂直入射で、約400〜850nmのスペクトルにおいて、約99.5%の反射率を有するように作製され得る。このようなミラーの反射率対角度の曲線が図19に図示される。曲線180は、空中の、フィルム積層体のp偏光の反射率を示し、曲線184は空気の境界面を有さない積層体のp偏光の反射率をグラフにする。容認できる鏡は、数百層だけを用いて作製することもできる。
適切な多層積層体の非対称延伸により、反射体の面内軸の一方のブリュースター角を、それに直交する面内軸よりも、遥かに小さくすることができる。この方法により、少なくとも反射体の一方の軸に関する内部ブリュースター角を、空気中で60度近くにすることができる。この値は、空気/ポリマーのブリュースター角に近い。高角度では、フィルムを通り抜ける光透過よりも表面反射の方が勝るため、この点は重要である。このような非対称反射体は、バルブを隠す度合いが同じか又は改善された状態を維持しながら、バックライトの効率を高めることができる。
内部ブリュースター角を有する反射体の1つの実施形態は、対称2軸配向のsPS/シリコーンポリアミド反射体である。シリコーンポリアミドは屈折率が1.41であり、これはPMMAの屈折率よりもかなり低く、取扱い可能な層数を用いながら高反射率の反射体を提供することができる。この実施形態の2つの材料の屈折率は、図18に例示されるものと同じである。等方性層が1.41の屈折率を有し、交互の複屈折層が1.62のz軸の屈折率及び1.57の面内屈折率を有する。屈折率は、この場合における両方の伸張方向に関して同じである。モデルとして、400〜850nmの光を反射するこの反射体積層(400層の積層)について、角度に対する反射率が図20に示されている。曲線2000は多層積層体及びその空気の境界面のp偏光の反射率を示し、曲線2004は表面−空気の境界面反射だけを除去した積層のp偏光の反射率を示している。p偏光のピーク反射率は、ゼロ度において約90%である。ブリュースター角は約85度にあり、表面反射によってp偏光の全反射率の最小値が、約15%の最小反射率で約70度に移行する。
2つのブリュースター角を有する非対称反射体の1つの実施形態は、単軸配向のsPS/シリコーンポリアミド層の積層である。1つの例において、この実施形態の積層は、約210組の層組み合わせを有し、非延伸軸又は強軸に沿って偏光された光について、ゼロ度で99%の反射率を有する。sPS及びSPAの積層が標準テンターにおけるように単軸配向されている場合、図21に示すような積層屈折率の組を得ることができる。
2つのブリュースター角を有する反射体の1つの実施形態は、図21の実施形態に似ているが、屈折率1.41のシリコーンポリアミドが、屈折率1.35のTHVと交換される。同じ効果を達成するために、遥かに少ない層、約120の層の対が必要とされる。これらの例のフィルム積層は、この効果を最大にするために、ほぼ均一な2軸から真に単軸の延伸まで、任意の非対称の方法で方向付けることができる。
固体境界面を有する反射体は多くの場合、面と平行な境界面について、空気中から通常はアクセスできないブリュースター角を有する。その結果、反射体は、反射体に当たる光のかなりの部分がブリュースター角において透過していた状況に比べ、全体的な透過率が低い。構造化表面又はディフューザーを追加することによって、非常に大きな角度で反射体を横切る光の放射及び抽出を許可することで、アクセスできなかったブリュースター角がアクセス可能になることができる。バックライト90の一実施形態が図12に例示される。図2のバックライト30と同様の多くの方法で、バックライト90は反射性偏光子32、ランプ36及び後方反射体34を有する光キャビティ22を含む。バックライト90はまた、反射体92及び光路変更層94を含む。光路変更層94は、入射光の透過の際の光の分布を修正することができる。層94は、ここで放射層とも呼ばれる。
バックライトを出る光を、垂線に近く向けることができる別のバックライト実施形態が図13に図示される。バックライト100は、光キャビティ22から、反射体102の反対側に位置付けられるマイクロ構造プリズム状フィルム101を含み、プリズム構造103は、反射体と反対方向を向いている。任意の接着剤層104はプリズム状フィルム101を反射体102に結合する。記載された他のバックライトの実施形態と同様に、光キャビティ22は反射性偏光子32、ランプ36及び後方反射体34を含む。一実施形態において、プリズム状フィルム101は、独立した反射体構造102に積層された面側部105を有する。あるいは、反射体が多層コーティングタイプのフィルムである場合、反射体102はプリズムフィルム101の面側部105にコーティングされる。
例1及び例2の実験結果をここに記述する。例1として、図12に示すバックライト90が構築され、テストが行われた。この例1は、3M Companyから入手可能なCG 3536 Scotch Calディフューザーフィルムなどの光抽出層98として、ディフューザーを有する。実施例1は、光注入層94としてプリズム状層を組み込む。試験のための実施例1を構成するため、反射性偏光子32がアクリルプレートに積層された。バックライト22内の蛍光灯の上にアクリルプレートが位置付けられ、反射性偏光子の透過軸が、ランプ36の軸と垂直に位置付けられた。その下部プリズム状注入層94及び上部抽出層98を有する等方性反射体92が、このプレートの上に定置され、プリズム表面に空隙を残した。プリズム層94及び抽出層98は、等方性反射体92をはさんで反対側に、透明な接着剤を用いて積層された。例1の等方性反射体92は、530層を有する多層PEN/PMMA積層体であった。個々の層の厚さは、約500nm〜約2000nmの範囲であった。この反射体の屈折率は、630nm測定して1.64及び1.49であった。
カラーディスプレイで使用されるため、これら広帯域の部分的反射体において色を制御するのは重要なことである。色は、反射スペクトルの形状によって制御される。米国特許第5,126,880号及び同第5,568,316号は、薄い層と非常に厚い層とを組み合わせて利用することにより、多層干渉反射体のイリデッセンスが低減することを教示している。一定の角度(例えば垂直入射において)において高い反射率が所望される場合、この手法において多数の層が必要とされ、これは非常に厚いフィルムを生じさせる。
光の横方向の(空間的な)分配も、通常は均一となることが望ましい。これは、リサイクルした光をランダム化する拡散要素を少なくとも1つ含む反射バックライトキャビティによって達成できる。複数光源の使用とバックライト内でのそれらの間隔も、バックライトから発する光の均一性を改善するのに利用できる。図17は光キャビティ3302、内部ブリュースター角を有する反射体3304、ディフューザー3306、及び光学的光路変更フィルム3307を含む、バックライト3300のこれらの概念を例示する。光キャビティ3302は、ディフューザーミラー3308及び多数の点光源、蛇行光源又は線形光源3310を含む。
本明細書において検討したように、本発明の光学的アセンブリのいくつかの実施形態には、反射性偏光子は含まれない。反射性偏光子を含む実施形態については、その構成要素に関して数多くのオプションがある。反射性偏光子には、内部ブリュースター角を示すものもあれば、示さないものもあるが、これについては本明細書で更に詳しく検討される。使用される反射性偏光子は、直交する反射軸と透過軸とを有することができる。
照明及び効率を向上させるためには、後方反射体が全体的な高反射率と低吸収率とを有するだけではなく、反射の際に入射光の偏光を少なくとも一部変換するタイプのものであることも有利である。すなわち、ある偏光状態の光が後方反射体に入射した場合、反射光の少なくとも一部分が、最初の偏光状態に直交する別の偏光状態に偏光される。
このように、光学的反復単位で配置された複数のマイクロ層を有する様々な反射性多層光学フィルムを記載してきた。マイクロ層の屈折率は、フィルムが、垂直入射と比較した大きな入射角において、大幅に低減した反射率及びそれに対応して大幅に増加した透過率を提供する内部ブリュースター角を有するように選択され得る。換言すると、内部ブリュースター角は、フィルムが、垂直入射光線と比較して高い角度の光線を優先的に透過させることを可能にする。この優先的な斜角の透過は、垂線、すなわちフィルムのz軸を中心に回転対称であってもよく又はこれは非対称であってもよい。対称の場合、マイクロ層の間の境界面は第1入射面(例えば、x−z面)にて第1内部ブリュースター角を、第2入射面(例えば、y−z面)にて第2内部ブリュースター角を有してもよく、第1内部ブリュースター角と第2内部ブリュースター角は実質的に同一である。非対称の場合、マイクロ層間の境界面は、y−z面における第2内部ブリュースター角とは実質的に異なる第1面にて第1内部ブリュースター角を有し得る。
1)1つ以上の光源及びこれらの定置(上記の多くの実施例)と、
2)
(2a)高効率後方反射体及び
(2b)前方部分透過性反射体(例えば、本明細書において記載される又は参照として組み込まれるフィルムの1つ)によって主に画定される光リサイクリングキャビティと、
3)前方反射体と後方反射体との間に位置する1つ以上の拡散素子(これは要素2の一部であるか又は別個であり得る)と、
4)前方反射体の出口側に位置する光路変更層と、を含み得る。
上記のように、光源はエッジ照明システムにおいて縁部に定置され又は直接照明方式で定置され得る。光源の定置、並びに光源からの光の放射の指向性及びこれがシステム内の反射体及びディフューザーの角性能にどのように関連するかは、照明システムの効率性及び均一性に大きな影響を有し得る。
効率的な光リサイクリングキャビティは、キャビティ内に注入されるか、又はキャビティ内でリサイクルされる光の指向性及び偏光方向の両方を効率的に混合することを意図される。これは、低損失反射体及び2つの反射体の間に位置する光路変更要素の両方を必要とする。リサイクリング光学キャビティ内において、光の大部分が、部分的に透過性で部分的に反射性の前面反射体から出る前に実質的に同一の広がりをもつ前面反射体と後方反射体の間で複数の反射を経験する。
リサイクリング光学キャビティは、キャビティに鏡面特性と拡散特性のバランスを提供する構成要素を含み、構成要素は所望の度合いの横方向の光移動を支援するための十分な鏡面性を有するがまた、キャビティ内における定常光の所望の角度及び空間的分布を実質的に提供するために十分な拡散性を有する。偏光照明システムに関し、キャビティ内のリサイクリングは好ましくは、入射光の偏光状態に対する、反射した偏光の一定の度合いのランダム化を含み、これは使用不可能な偏光を使用可能な偏光に変換するメカニズムを可能にする。前方反射体及び後方反射体の組み合わせ体並びに拡散素子は個別の光源から前方反射体の表面までの光の移動を制御する光導体を作る。このプロセスを制御するメカニズムがここで記載される。
(2)高反射率鏡面性後方反射体を覆う部分ランベルトディフューザー、
(3)高反射率鏡面性後方反射体上の前方散乱ディフューザー、
(4)鏡面性後方反射体上の部分再帰反射コーティング、
(5)波形化高反射率鏡面性反射体、
(6)拡散反射体。
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。
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。約10°の間隔で10°から80°までの測定が、適切な平均を提供するために十分である。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、キャビティ移動CTは、キャビティの前方反射体及び後方反射体のF値の積である:
CT=F前方 *F後方。
開示されるフィルムが前方反射体として光キャビティ内で利用されるとき、光路変更層はキャビティからの光束を受容する。光路変更層に入射する光束は、θ0及びφ0(フィルムの最大光透過の極角及び方位角)の規定値周辺を中央に合わせた角度分布を有する。Δθe及びΔφeによってもたらされる角度範囲Δθ及びΔφは、光の殆どを所望の角度範囲に効率的に向け直すことができる、マイクロ構造の設計を可能にする。光路変更層は、特定の角制御のための、ランベルト出力又はプリズム若しくはホログラム構造のための、バルクディフューザーであり得る。Δθe及びΔφeによるパラメータは、同日付けで出願された、共通の譲受人による米国特許出願番号第XX/XXXXXX号「Reflective Film Combinations With Output Confinement in Both Polar and Azimuthal Directions and Related Constructions」(本明細書に参照として組み込まれる)により完全に記載される。
代表的な照明システムの概略図が図34に図示される。上記で概説された原理を使用して、指定のコリメートされた光出力角度分布2α及び2βを有する、薄い大面積の効率的な照明システムが構成され得る。角度α及びβはそれぞれ、基本フィルム特性出力角度Δθe及びΔφeに起因する場合があり、光路変更層は、標準的な光学設計及び光線追跡ツールの使用によって設計され得る。配光2α及び2βが、光の強度が中央値の1/eとなる角度範囲として画定される。2αがθe及びマイクロ構造によって決定される角度範囲である場合、これは180°の大きさ又は20°の狭さであり得る。中間値の30°、45°、60°、90°及び120°もまた容易に達成される。2βが方位範囲Δφe及びマイクロ構造によって決定される角度範囲である場合、これは180°の大きさ又は45°の小ささであり得る。中間値の60°、90°及び120°もまた容易に達成される。多層フィルム及びプリズムの主軸は、照明器具又は他の照明装置の縁部に対して任意の角度で方向付けられ得る。図34において軸は単に例示的な目的で位置合わせされている。矩形の形状に加えて照明システムは任意の形状であり得る。輪郭は非常に薄い場合があるが、厚い(深い)キャビティも同様に容易に構成される。
エッジ照明型の中空キャビティ照明システムにて向上した光移動において、均一性を促進するために、キャビティ内の大きな距離に効率的に光を拡散させるため、前方反射体及び後方反射体のキャビティ移動比CT及びしたがって前方移動比率fTは、光移動値が高くなるように選択される。LCDのための直接照明のゾーン分割されたバックライトの場合、所定の小面積の光源、例えば、極部化された照明ゾーンの1つ又は僅かなLEDからの光の拡散の範囲を制限する必要性が存在する。しかしながら、ゾーン内の均一性が依然として何らかの手段により作られなくてはならず、製造の費用及び容易さの両方が主な検討事項である。これらの後者の理由のために、システム内の様々なゾーンの間の壁又は他の反射性障壁を使用せずに、所定の局所的な光源からの光を閉じ込めることが望ましい。
(1)前方プレート上の、角度を選択できる部分的に透過性の反射体と、
(2)拡散構成要素と、
(3)低い又は負のキャビティ移動比率を提供するように組み合わされる前方反射体及び後方反射体と、
(4)前方反射体の角度選択を補完するように選択される放出パターンを有する局所的な光源と、
(5)光路変更層とである。
Claims (3)
- 照明システムであって、
光源と、
前記光源からの光の一部を反射し、前記光源からの他の光を透過するように配された多層光学フィルムであって、前記多層光学フィルムは第1面内軸と関連する第1内部ブリュースター角及び前記第1面内軸と垂直な第2面内軸と関連する第2内部ブリュースター角を有し、前記第2内部ブリュースター角は前記第1内部ブリュースター角と異なる多層光学フィルムと、を含む、照明システム。 - 前記第1面内軸が強軸であり、前記第2面内軸が弱軸であり、前記多層光学フィルムは、前記強軸と平行に偏光された、拡張された波長帯域の垂直入射光の少なくとも75、80、85又は90%を反射し、前記多層光学フィルムは、前記弱軸と平行に偏光された、前記拡張された波長帯域の垂直入射光の少なくとも50、60、70又は80%を反射する、請求項1に記載のシステム。
- 照明システムであって、
光源と、
前記光源からの光の一部を反射し、前記光源からの他の光を透過するように配された多層光学フィルムであって、前記多層光学フィルムは2つの垂直な面内軸それぞれと関連する内部ブリュースター角を有し、前記内部ブリュースター角の少なくとも1つが90°未満の空中の入射角に対応する、多層光学フィルムと、を含む、照明システム。
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