JPH10506500A - 輝度調節フィルム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この輝度調節フィルムは、光の波長に対して小さい光学構造の反復アレイを含む。散乱効果および回折効果によって、より大きな寸法の光学構造を有する輝度強調光学装置に比較して軸外の照明強度を改善する。

Description

【発明の詳細な説明】 輝度調節フィルム 発明の分野 本発明は、一般に、光学ディスプレイ組体に組み込まれる光学フィルムに関す る。特に、本発明は、光源と組み合わせて光学ディスプレイ組体の輝度および視 角を制御する構造化光学フィルムに関する。 発明の背景 一般に、光学ディスプレイ組体は、ディスプレイによって提供される情報を認 識するのに必要な光源を含む。ラップトップコンピュータのような電池式装置に おいて、光源で消費する電力は、電池式装置全体で消費する電力の相当部分を占 める。したがって、所定の輝度を提供するのに必要な総電力を低減することで電 池寿命が増大するが、これは電池式装置には特に望ましいことである。 米国ミネソタ州セントポールの３Ｍ社から購入することのできる３Ｍの商標の 輝度強調フィルム(Brightness Enhancement Film：BEF)が、この問題を解決する ために使用される。この材料は、プリズムの反復的アレイを含んだフィルムであ る。そのプリズムは光の波長に比較して大きい。この材料は、“軸外(off-axis) ”からの光を集光し、この光を視聴者に向けて“軸上(on-axis)”に方向転換(re direct)または“リサイクル(recycle)”する。使用時に、この材料は、軸外輝度 を低下させることによって軸上輝度を増大させる。この方法では、この材料は、 ディスプレイ設計者が電力消費を低減しながら所望の軸上輝度を達成するのに役 立つ。 しかしながら、この製品を用いると、光学ディスプレイ組体を軸外において目 視するときに輝度が急激に低下する。軸外の視聴者に対するこの輝度の急激な低 下は、いくつかの用途において好ましくないことが知られている。 光学ディスプレイ組体における反復フィルムの使用に関連するもう１つの問題 は、視聴者に目立って気が散って好ましくないモアレパターンの発生である。 発明の大要 本発明の輝度調節フィルムは、上述の問題を解決することを目的とする。この フィルムは、非常に小型のプリズムが並ぶ線形アレイを含むシートとして製造さ れる。反復性すなわち「ピッチ」の寸法は、約１μｍから約３０μｍにまでの範 囲である。ピッチの寸法は、光の波長の約２〜６０倍である。 この輝度調整フィルムを１枚だけ光源上に配置して、軸上輝度を改善し、視聴 者が中心視軸から外れるときに輝度を「より滑らかに」低下させてもよい。また 、２枚の輝度調節フィルムをお互いに積み重ねることで、輝度調節フィルム組体 を製造することができる。このような輝度調節フィルム組体では、プリズム軸を 「交差」して、その組体を光源上方に配置する。 どちらの方法で構成されていても、プリズムは光源から放射される光と相互に 作用して、回折散乱と光の「リサイクル」とによってディスプレイの輝度を調節 する。回折散乱は、視角の関数として示される輝度の曲線勾配を緩やかにする。 この過程で、同様の幾何学的構造をもつが切子面の寸法が比較的大きい他の「利 得」生成フィルムに比べて、輝度は「より滑らかに」低下する。 回折散乱と小型プリズムも、モアレパターンを低減させる。物理的構造が小さ いほど、結果として生成されるパターンの空間周波数が増加し、モアレが低減す る。プリズムの寸法が狭いと、プリズム切子面の相対変位が増加するため、パタ ーンの空間周波数が増加する。回折散乱は、モアレのコントラストを低減するた め、モアレは見えにくくなる。 図面の簡単な説明 典型的で具体的な輝度調節フィルム１０と、それに関連する調節フィルム組体 ３２とを添付の図面に示す。図面を問わず、同一の参照番号は同一のものを示す 。 図１は、輝度調節フィルム１０および輝度調節フィルム組体３２を示す部分図 である。 図２は、輝度調節フィルム１０を組み込んだ光学ディスプレイ組体１６を示す 断面図である。 図３は、輝度調節フィルム組体３２を組み込んだ光学ディスプレイ組体１６を 示す断面図である。 図４は、輝度調節フィルム組体３２に複数のサンプルを用いた場合に、視角の 関数としての輝度の垂直スキャンを示す図である。 図５は、輝度調節フィルム１０に複数のサンプルを用いた場合に、視角の関数 としての輝度の垂直スキャンを示す図である。 図６は、垂直スキャンデータを水平スキャンデータと比較した結果を示すグラ フ図である。 図７は、輝度調節フィルム１０の利得と輝度調節フィルム組体３２の利得とを ピッチの関数として比較した結果を示すグラフ図である。 図８は、輝度調節フィルム１０を用いた場合の頂角の関数としての利得を算出 した結果を示すグラフ図である。 図９は、種々の輝度調節フィルム１０を用いた場合の視角の関数としての輝度 の傾斜を示すグラフ図である。 図１０は、ピッチの関数としての電力半値角のプロットである。 発明の詳細な説明 図１は、第１の輝度調節フィルム１０を第２の輝度調節フィルム３３に積み重 ねて形成した典型的な輝度調節組体３２を示す。図面の縮尺は、フィルムおよび 組体の構造をよりわかりやすく示すために拡大したものである。図面には、座標 系１９を含んでいるが、これは、輝度調節フィルム１０および輝度調節フィルム 組体３２の幾何学的構造を説明するのに役立つ。輝度調節フィルム１０は、好ま しくは、プリズム１２およびプリズム１１に特徴を示した等辺直角プリズム(reg ula right prism)が並ぶアレイを含む。プリズム１２とそれに隣接するプリズム １１とによって、ピッチ「Ｐ」が決まる。個々のプリズム１２は第１の切子面５ ５と第２の切子面５６とを有する。典型的な切子面構造は、１．０μｍ〜３０． ０μｍの間隔のピッチを有することが望ましいが、ピッチの範囲は、２．０μｍ 〜２０．０μｍが好ましく、２．０μｍ〜１０．０μｍが最も好ましい。プリズ ムは、第１の表面１４および第２の表面１７を有する本体部分１３上に形成され る。プリズムは、第１の表面１４上または第２の表面１７上に形成されるが、両 方には形成されない。したがって、本体部分１３の一方の表面は、非切子面であ って実質的に平坦すなわち平面であり、本体部分１３の他方の表面は、プリズム 構造を有する。 適切な切子面構造は、種々の写真技術および機械技術を含む様々な技術のどれ を用いても製造することができることが理解できよう。他の反復構造も本発明の 範囲内において考えられるが、等辺直角プリズムが並ぶ線形アレイは、光学的な 性能と製造の容易さとの両面から考えても好ましい。種々の典型的な性能曲線が この形態のフィルムの実例から得られるが、種々の変更がなされてもよい。例え ば、プリズムの頂角３５は９０°からずれていてもよいし（７０°から１２０° ）、プリズムの切子面は二等辺または同一の形でなくてもよいし、プリズムはお 互いに対して傾いていてもよい。実際には、好ましい輝度調節フィルム１０は、 厚さ約０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）のシートとして形成することができ る。このシートは、問題の波長において透明である材料から製造されなければな らない。一般に、光学ディスプレイは、可視波長（０．４μｍ＞λ＞０．７μｍ ）で動作し、ポリカーボネートのような熱可塑性ポリマーを用いてフィルムを形 成することができる。材料およびピッチは、装置で利用する動作波長に基づいて 選ぶことが望ましく、また、以下の式をほぼ満たすことができる：すなわち、（ λ＝０．５μｍに対して６０＞Ｐ／λ＞２）。フィルムの厚さ「Ｔ」とプリズム の高さ「ｔ」との間の関係は重要ではないが、良好に規定されたプリズム切子面 を備えたより薄い支持体を使用することが望ましい。したがって、プリズムの高 さと全体の厚さの一般的な比は、ほぼ、以下の式を満たす：すなわち、（２０／ １２５＞ｔ／Ｔ＞２／１２５）。 プリズムを並べた線形アレイの光学的な性能は、対称的ではないことを理解さ れたい。輝度調節フィルム１０をＸＺ平面について測定した輝度は、水平スキャ ンと呼ばれる。輝度調節フィルム１０をＹＺ平面について測定した輝度は、垂直 スキャンと呼ばれる。垂直スキャンおよび水平スキャンは、図６に示すように、 異なるものである。 図１の輝度調節フィルム組体３２は、２枚のシートを「交差」し個々のシート の光学的効果の和を求められるようにしたものである。輝度調節フィルム１０は 、プリズム頂点に平行なプリズム軸５８を有し、輝度調節フィルム３３は、その 輝度調節フィルム１０のプリズム頂点に平行なプリズム軸５７を有する。これら の ２つの軸をＹ平面上に投影することで、輝度調節フィルム組体３２の交差角θを 規定することができる。 図２に、光源１５としてのバックライトと、ディスプレイパネル２３と、輝度 調節フィルム１０との組体である光学ディスプレイ組体１６を示す。光源１５を バックライトとして示す。そのバックライトはランプ１８を含む。このランプ１ ８は、ライトガイド２０に結合されたランプリフレクタ２９に囲まれている。ラ イトガイド２０内の光はすべて、ライトガイドの表面で内部反射するが、最後に は反射抽出スポットに当たる。実際には、ライトガイド２０は、ライトガイド２ ０の下部表面に沿ってパターン化された多数のそうした抽出スポットを有する。 これらの抽出スポットは、ディスプレイパネル２３に均一に光を分散するように 機能する。ライトガイド２０から抽出された光は、２つの機能をなす拡散器２１ に当たる。拡散器２１によって、ライトガイドの抽出スポットのパターンは視聴 者２５に不明瞭なものとなる。また、拡散器２１によって、ディスプレイパネル ２３の照明はさらに一様になる。 光源１５からの光は、輝度調節フィルム１０の非切子面すなわち平坦な第２の 表面１７に入射する。この入射光の大部分は、ディスプレイパネル２３に向けら れる。この光が、最終的にはディスプレイ組体１６の前に位置する視聴者２５に 向けられる。輝度調節フィルム１０に入射する光の一部は、拡散器２１に戻され る。輝度調節フィルム１０から拡散器２１に戻される光は、拡散器２１を透過す るか、拡散器２１から反射される。ライトガイド２０に伝わった光は、リフレク タ３１で反射されて逆戻りする。この光は、最終的には方向を変えられてディス プレイ組体１６から放射される。この作用が「リサイクル」と呼ばれ、輝度調節 フィルムが利得を生成するのに有効である。 用途を問わず、最適な光源１５は、その用途の特定の必要条件によって異なる ので、特定のパラメータを述べることはできない。ただし、光源１５に戻された 光および吸収された光または減衰した光は、視聴者２５に到達しないため、ディ スプレイの照明には寄与しないので、光源１５の反射率が重要な設計パラメータ であることに留意することは重要である。図２には、バックライトを示したが、 その他の光源を本発明の範囲から逸脱しない範囲で使用できることは、理解され よう。例えば、図３は、光源１５としてＥＬランプ２２からなる組体である光学 ディスプレイ組体１６を示す図である。 また、図３には、ディスプレイパネル２３および輝度調節フィルム組体３２を 示す。図示の調節フィルム組体３２は、２つの「交差」フィルムから構成されて いる。これらのシートは、光源１５から離れたプリズムに重ねられており、一方 のシートのプリズム軸が他方のシートのプリズム軸に直交して積み重ねられる。 複数の交差フィルムを重ねる場合、個々の層の反復性または頂角を２つのシート の間で変更すると、種々の効果を達成することができる。さらに、交差角θを変 更することもできる。 図２または図３の光学ディスプレイ組体１６のいずれかに用いる適切なディス プレイパネル２３の典型的な例は、ディジタル時計、ラップトップコンピュータ や、その他の機器などの至る所にみられる液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）である。 ディスプレイパネル２３は、輝度調節フィルム組体３２または輝度調節フィルム １０から光を受け取る。ディスプレイパネルに用いられる現在利用可能な一般の ディスプレイ技術は、トランジスタおよび／または電極素子のアレイまたは繰り 返しパターンを用いて情報を表示することを含むことを理解することは重要なこ とである。ディスプレイ組体１６内でディスプレイパネル２３とその他のパター ン化された光学デバイスとを組み合わせてパターン化することで、視聴者２５に 目障りなモアレパターンが生成されることがある。モアレパターンは、複数の過 程によって引き起こされる。透光性の反復構造構造を透過することで、光は変調 する。この変調光が反射されて視聴者に戻された場合、反射光と「うなり」を起 こし、あるパターンを生じる。この作用は視角にも依存し、パターンはある方向 においては目視できるが、その他の視角においては目視できない。一般に、モア レを調節することは難しく、モアレを低減する基本的な方法は、パターンを生じ る構造を物理的に分割することである。ただし、この解決方法では、ディスプレ イ組体は厚くなり複雑になるので、受け入れられない。 輝度調節フィルム１０は、視聴者２５が気づかない値にまでモアレパターンの 空間周波数を増大させる効果を組み合わせることによって、また、コントラスト を低減してモアレパターンの変調を視聴者の識別力のしきい値以下に抑えること によって、モアレを大幅に低減する。こうした結果は、輝度調節フィルムの単一 シートを用いて、また、「交差」構成による多重シートを用いて得られる。 図４は、反復性またはピッチを変化させることによって、垂直に交差する輝度 調節フィルム組体３２の光学的性能を比較した図である。曲線４４は、大型の５ ０μｍのフィルムを表し、曲線４６はバックライトだけの輝度曲線を表す。中間 の曲線は、その他のピッチを示す。曲線４８は、ピッチが２０μｍのフィルムか ら得られる。曲線４９は、ピッチが１０μｍのフィルムから得られる。曲線４２ は、ピッチが５μｍのフィルムから得られる。曲線４７は、ピッチが２．５μｍ のフィルムの輝度を表し、曲線４３はピッチが１μｍのフィルムの輝度を示す。 曲線４６は、バックライトのみの最大輝度に対して正規化された強度軸４１上に 単位値を定義する。図からわかるように、バックライトのみの輝度の傾斜は、非 常に緩やかである。曲線４４によって表される従来技術による装置は、バックラ イトのみを用いたときよりも軸上では実質的に明るい。ただし、多くの用途では 、視聴者が軸から外れるときに、輝度が急激に低下し、光がその角度である程度 視聴者に向けられていても、表示される情報が突然見えなくなる。このような効 果は視聴者を当惑させる。コントラスト比（最大輝度と最小輝度の比）を減少さ せることによって、輝度調節フィルム１０および輝度調節フィルム組体３２の表 示がさらに見やすくなり、しかも、軸上利得はほとんど変わらない。この効果は 、曲線４２の光の分布を曲線４４の光の分布と比較することで理解することがで きる。 図５は、１枚の輝度調節フィルム１０を用いた場合の視角の関数としての軸上 利得の垂直スキャンを示す図である。この図を図４に示す組体３２の性能と比較 し、単一シートおよび多重シートの性能を対比することができる。図５では、曲 線６４はピッチが５０μｍの従来の材料からなる単一シートの輝度を示し、曲線 ４６はバックライトのみの輝度を表す。曲線６８は、ピッチが２０μｍのフィル ムの測定値を表す。曲線６９は１０μｍの材料から得られたデータを示す。曲線 ７０は、ピッチが５μｍの材料の輝度を示す。曲線６７は、ピッチが２．５μｍ の材料の輝度を表し、曲線６３はピッチが１μｍのフィルムの輝度を表す。 図６は、ピッチが１０μｍの単一シートの輝度調節フィルムの「水平」方向お よび「垂直」方向の性能を比較した図である。曲線５９は水平スキャンに対応し 、曲線６０は垂直スキャンを示す。この２つのスキャンから、これらの２つの方 向に沿って輝度調節フィルム１０に光学的な対称性がないことがわかる。 図７は、輝度調節組体３２の利得および輝度調節フィルム１０の利得をピッチ の関数として比較した図である。ピッチが２０μｍ以下の範囲では、最大利得値 が低下し始める。この範囲では、軸上利得と、軸外輝度と、モアレ低減との間に 最も好ましい関係がみられる。この領域およびこの領域に近い下側部分では、得 られるコントラスト比が、モアレが最低で視野が好ましい光学ディスプレイ組体 を提供する。図７において、曲線５０はθが９０°である輝度調節フィルム組体 ３２に対する利得を示し、曲線５２は単一シートの輝度調節フィルム１０に対す る利得を示す。 図８は、等辺プリズムの頂角と完全なバックライトに対して生成される最大利 得との関係を算出した結果を示す図である。曲線５４は、最大利得が９０°の頂 角で生じることを示す。９０°よりも小さいかまたは９０°よりも大きい角度で 使用することはできるが、９０°に近い頂角を選択し、所望の軸上利得を達成し 、ピッチを調整して、所望の軸上利得とコントラスト属性とを達成することが望 ましい。 図９は、図５にプロットされたデータを示し、より狭いピッチにおける輝度の 傾斜を望ましい状態に変更したことをよりわかりやすく表示した図である。曲線 ３９は１０μｍのピッチに対応し、曲線４０および曲線４５は、それぞれ５μｍ および２．５μｍのピッチに対応する。異常な曲線５１を描くのは、ピッチが１ μｍの材料を用いた場合であり、曲線５３は従来の材料を用いた場合である。最 も望ましくかつ好ましいディスプレイは、ピッチが約２μｍ〜１０μｍの輝度調 節フィルム１０を用いた場合に得られることは、明白である。 図１０は、最大輝度が最大値の１／２に低下する視角を示す。曲線６１は、一 連の単一輝度調節フィルムのピッチを変更して得られたものであり、曲線６２は 一連のフィルムを交差して得られたものである。どちらの曲線からも、ピッチが 約５μｍ以下の場合には、視角がかなり増加することがわかる。 以上、具体的で典型的なフィルムについて説明してきたが、本発明の範囲を逸 脱することなく、さまざまな修正および変更を加えることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 オニール，マーク ビー. アメリカ合衆国，ミネソタ 55133−3427, セント ポール，ポスト オフィス ボッ クス 33427 （番地なし) (72)発明者 ウォルトマン，デビット エル. アメリカ合衆国，ミネソタ 55133−3427, セント ポール，ポスト オフィス ボッ クス 33427 （番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．輝度調節フィルムであって、 本体部分を具備し、前記本体部分は第１の表面と第２の表面とを有し、 前記第１の表面は３０μｍ未満のピッチである反復的な切子面構造のアレイを 有し、 前記第２の表面は実質的に平面である、 輝度調節フィルム。 ２．前記反復的な切子面構造は複数のプリズムであり、 該プリズムは２μｍ〜２０μｍのピッチを特徴とする、 請求項１に記載の輝度調節フィルム。 ３．前記複数のプリズムの各プリズムは頂角を有し、該プリズム頂角のそれぞれ は実質的に等しく、 前記複数のプリズムの各プリズムは等辺の切子面を有し、 前記複数のプリズムの各プリズムは２μｍ〜１０μｍのピッチを特徴とし、 前記複数のプリズムの各プリズムは、各プリズムのプリズム軸が他の全てのプ リズムのプリズム軸に平行となるように、隣接するプリズムに平行に位置する、 請求項２に記載の輝度調節フィルム。 ４．前記複数のプリズムの各プリズムは隣接するプリズムに接し、 前記複数のプリズムの各プリズムは実質的に９０°の頂角を有する、 請求項３に記載の輝度調節フィルム。 ５．前記複数のプリズムの各プリズムは隣接するプリズムに当接し、 前記複数のプリズムの各プリズムは７０°〜１２０°の頂角を有する、 請求項３に記載の輝度調節フィルム。 ６．第１の輝度調節フィルムを具備し、かつ、第２の輝度調節フィルムを有し、 前記第１の輝度調節フィルムは第１のプリズム軸を有し、 前記第２の輝度調節フィルムは第２のプリズム軸を有し、 前記第１のプリズム軸と前記第２のプリズム軸とは平行ではなく交差角θをな し、 前記第１および第２の輝度調節フィルムのそれぞれは第１の表面と第２の表面 とを有する本体部分を有し、 前記それぞれの第１の表面は３０μｍ未満のピッチを特徴とするプリズムの線 形アレイを有し、 前記それぞれの第２の表面は実質的に平面であり、 前記第１の輝度調節フィルムの前記第１の表面のプリズムが前記第２の輝度調 節フィルムの前記第２の表面に近接するように、前記第１の輝度調節フィルムを 前記第２の輝度調節フィルムに積み重ねてなる、 構成を具備した輝度調節フィルム組体。 ７．交差角θが４５°よりも大きく、１３５°未満である請求項６に記載の輝度 調節フィルム組体。 ８．交差角θが実質的に９０°である請求項６に記載の輝度調節フィルム組体。 ９．照明を供与するための光学組体であって、 反射率が０より大きく、かつ光を放射する光源と、 前記光源に近接して配置された輝度調節フィルムと、を具備し、 前記輝度調節フィルムは本体部分を有し、該本体部分は第１の表面と第２の表 面とを有し、 前記第１の表面は３０μｍ未満のピッチを特徴とする反復的な切子面構造のア レイをを有し、 前記第２の表面は実質的に平面である、 構成を具備した光学組体。 １０．視聴者に情報を表示するための光学ディスプレイ組体であって、 反射率が０より大きな光源と、 ディスプレイパネルと、 前記光源と前記ディスプレイパネルとの間に配置された輝度調節フィルムと、 を具備し、 前記輝度調節フィルムは第１の表面を有し、前記第１の表面は等辺直角プリズ ムからなる線形アレイを有し、 前記プリズムは３０μｍ未満のピッチを有する、 構成を具備した光学ディスプレイ組体。 １１．前記プリズムのピッチが２μｍ〜２０μｍである請求項１０に記載の光学 ディスプレイ組体。 １２．前記プリズムのピッチが２μｍ〜１０μｍである請求項１０に記載の光学 ディスプレイ組体。 １３．視聴者に情報を表示するための光学組体であって、 反射率が０より大きな光源と、 ディスプレイパネルと、 前記光源と前記ディスプレイパネルとの間に配置された輝度調節フィルム組体 と、を具備し、 前記輝度調節フィルム組体は角度θで交差する第１の輝度調節フィルムと第２ の輝度調節フィルムとを含み、角度θは４５°より大きくであり１３５°未満で ある、 構成を具備した光学組体。 １４．角度θが実質的に９０°である請求項１３に記載の光学組体。