JP2008542991A - ディスプレイ用の照明装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

偏光によってディスプレイを照らす照明装置であって、当該照明装置は、光を導波する導波路、並びに、前記導波路に面する第１表面及び前記導波路からみて外方を向く第２表面を有する異方性層を含み、第１表面は予め定められた偏光をもつ光を導波路から出力するための出力手段を備え、第２表面は導波路から出力される光を予め定められた方向にコリメートするためのコリメート手段を備えている。

Description

本発明は、ディスプレイを偏光で照らす照明装置及びそのような照明装置を製造する方法に関する。

フラットパネルディスプレイ（例えば液晶ディスプレイ（LCD））は、携帯機器（例えばコンピュータ、パーソナル携帯情報機器（PDA）、デジタル記録装置、ハードドライブ装置及び移動通信端末など）を含む、多くの種類の電子機器の構成部分である。そのような装置で考慮すべきひとつは、効率的な態様でのエネルギーの使用であり、そのような装置が電池で駆動される場合、それらの電力消費は電池寿命を長引かせるために最小化される。

偏光照明装置（例えばバックライトまたはフロントライト）は、必要でない１つの偏光（例えばP偏光）からの光を再利用することができ、それを所望の偏光状態（S偏光）に変えることができるので、電子産業において幅広いアプリケーションを見出した。そのような光の再利用は、従来の偏光されていない照明装置では達成することができず、別の偏光装置をLCDに取り付ける必要がある。したがって、偏光照明装置は理論的に光効率を２倍に増加する。さらに、偏光バックライトの構造は、バックライトを構成するコンポーネントの積層構造全体を、より薄く、安く製造できるようにする。例えば、そのようなバックライトは、特許文献１から知られる。この文書において、システムに入射した光をコリメートすることがさらに提案されている。これが出力光のコントラスト比を増加させることが分かっているが、光出力が低下するという欠点がある。

特許文献１は、導波路、及び微細構造を備える異方性層を有するバックライトを記述している。導波路の一端において、光源が提供される。導波路の他端に、偏光解消端部反射体が提供される。異方性層は、屈折率マッチング等方性接着剤によって、液晶ディスプレイパネルの方へ向いた導波路の側面に接着される。等方性接着材層と異方性層との間の境界の構造はS偏光のみを屈折させ、S偏光は液晶ディスプレイパネルに向かって光導波路から出る。P偏光は導波路内部にとどまるが、例えば偏光解消端部反射体によって、その伝搬中にS偏光に変わる可能性がある。そのような従来のバックライトに関する問題は、装置から出力される光の分布がかなり幅広いことである。これは、特に観察者が特定の方向において最大光出力を要求する携帯型及び携帯端末ディスプレイにとって不利である。さらに、輝度を増す薄膜が開発された。拡散体、偏光子などを含む薄膜の積層全体中に薄膜の封入を必要とするので、バックライティング装置へのそのような薄膜の組み込みは、装置の複雑さ及び費用を増加させる。
米国特許出願公開第2003/0058386号明細書

本発明の目的は、従来のバックライト装置が直面するそれらの問題に対処することである。特に、光出力レベルを維持しつつ、コントラスト比を改善することが本発明の目的である。本発明の更なる目的は、装置製造の複雑さが増加する問題を回避しつつ、特定の観察方向における配光を改善することである。

本発明の第１の態様によれば、ディスプレイを偏光で照らす照明装置が提供され、本照明装置は、光を導波する導波路、並びに前記導波路に面する第１表面及び前記導波路からみて外方を向く第２表面を有する異方性層含み、第１表面は導波路から予め定められた偏光をもつ光を出力するための出力手段を備え、第２表面は導波路から出力される光を予め定められた方向にコリメートするためのコリメート手段を備えている。

このような態様で、照明装置中の光によって供給される光がより効率的に用いられる。本装置を用いる際に観察者によって感じられる輝度は、装置に供給される追加の電力を必要とせずに改善される。これは、異方性層が１つではなく２つの機能を提供するからである。この層は、S偏光だけを出力することができ、また出力光をコリメートすることができる。コリメートされた出力光は改善された光出力分布を備えており、観察者は観察位置においてディスプレイから改善された光出力を受ける。さらに、異方性層のこの改善された機能は、追加の薄膜コンポーネント必要とせず、又は装置製造の複雑さを増加することなく、達成される。したがって、光をコリメートするための従来の専用の薄膜を省くことができ、照明装置の製造をより単純に及びより安価にする。本発明の更なる利点は、異方性層を組み込んだ照明装置は従来の装置より薄いことであり、それによりアプリケーションの融通性及び範囲が改善し、さらに照明装置が配置される装置の大きさを低減することを可能にする。

好ましい実施の形態において、出力手段は第１表面に形成される第１の複数の微細構造を有し、第１の複数の微細構造のうちの少なくとも１つは第１長手方向軸を備え、コリメート手段は第２表面に形成される第２の複数の微細構造を有する。

好ましい実施の形態において、第２の複数の微細構造は、第１長手方向軸の方向に光をコリメートするように配置される。

好ましい実施の形態において、第２の複数の微細構造のうちの少なくとも１つは、第１長手方向軸に対して角度をなして配置される第２長手方向軸を備えている。第２の複数の微細構造の形状がコリメーションの１つの方向を決定するのに対して、第２長手方向軸に対する第１長手方向軸の方向は、第２の複数の微細構造によってコリメートされた光のコリメーションの方向を決定する。このような態様で、出力光が選ばれた方向において改善された分布を備えているように、出力光が分布する方向が制御される。

好ましい実施の形態において、第１及び第２長手方向軸の間の角度は、90°−導波路の全内部反射角から90°+全内部反射角までで規定される範囲内にある。このような態様で、所望の方向における更なる改善されたコリメーションが達成される。

好ましい実施の形態において、第１長手方向軸は第２長手方向軸に対して実質的に垂直である。このような態様で、光はディスプレイに対して垂直方向にコリメートされる。

好ましい実施の形態において、第２の複数の微細構造は第２表面から伸びる複数の光学素子を有し、当該光学素子は導波路が配置されている面に対して角度をなして配置されている。このような態様で、装置から出力される光のより大きな割合がコリメートされる。したがって、出力光の更なる改善された分布に結びつく。

好ましい実施の形態において、光学素子は出力光の伝搬方向と約±45°の範囲の角度をなす。このような態様で、異方性層の屈折率に基づいて、またさらに最適化されたコリメート効果が達成される。

好ましい実施の形態において、光学素子はプリズムである。このような態様で、第２表面の表面積は、層の表面に再現するのが比較的容易であって予め定められた方向に出力光をコリメートする光学素子を備えることによって増加する。

好ましい実施の形態において、プリズムはお互いに対して傾けられる。このような態様で、所望の程度のコリメーションを提供するように、コリメーションの程度はさらに制御されることができる。

好ましい実施の形態において、プリズム達は異なる大きさである。このような態様でモアレ効果は低減される。

好ましい実施の形態において、光学素子は波状構造を備えている。

本発明の第２の態様によれば、液晶ディスプレイパネルと、前記液晶ディスプレイパネルに偏光を提供するための上述のような照明装置とを有する液晶ディスプレイ装置が提供される。

本発明の第３の態様によれば、偏光によってディスプレイを照らす照明装置のための異方性層を製造する方法が提供され、当該照明装置は光を導波するための導波路を含み、当該方法は前記層を第１及び第２ローラーに通すことにより前記層を圧印加工することを含み、第１ローラーはネガ溝構造を備え、第２ローラーはネガプリズム構造を備え、層の第１表面が溝構造で圧印加工され、層の第２の対向する表面はプリズム構造で圧印加工される。このような態様で、２つの機能を備えた異方性層は比較的単純な方法で提供される。したがって、照明装置の製造の複雑さ、厚み及びコストを増加させる追加の層を提供する必要性を回避する。

本発明をより十分に理解できるように、その実施の形態が以下に、単なる例示として、図面を参照して説明される。

図1は、本発明の実施の形態による偏光照明装置を示す。図1において、照明装置1（例えばバックライト）は液晶ディスプレイ2用として示される。照明装置1は、等方性の導波路3、S偏光20及びP偏光22の光源であるランプ12を有する。導波路3は、PMMA、ポリカーボネートを含むプラスチック、又はガラス等の材料でできていることができる。PMMAの導波路は、例えば42°の全反射角度及び1.5の屈折率n_wを備えている。

照明装置は、第１表面5及び第２表面7を備える異方性層10（または薄膜とも呼ばれる）をさらに有する。第１表面5及び第２表面7は微細構造6,8を備えている。異方性層10は、等方性接着材層16を形成する屈折率マッチング接着剤によって導波路1に接着される。等方性接着材層16と異方性層10との間の境界上の第１表面5の微細構造6は、S偏光20をだけを屈折させる。S偏光20は、LCDディスプレイ2に向かって導波路3から出力される出力光である。P偏光は、出力されずに導波路3内部にとどまり、例えば導波路3の一端に配置されている偏光解消端部反射体14からの反射により、導波路3を伝搬中にS偏光21に変わる可能性がある。そして、S偏光21は異方性層10によって最終的には出力される。このような態様で、ランプ12からの光は再利用される。

異方性層10について、当該層は一般的に薄膜状であることができる。薄膜は、例えばポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリエチレンナフタレート等の材料であることができる。製造の間、薄膜を単軸又は僅かに二軸にするために、それを一方向へ引き伸ばすことができる。例えば、引き伸ばされたPET薄膜は、薄膜の面内の１つの方向において1.52及び薄膜の面内の垂直な方向において1.56の通常の屈折率n₀、並びに1.69の異常光屈折率n_eを備えている。一実施の形態において、異方性層10の屈折率n₀は導波路の屈折率n_wに実質的に整合する。

第１表面5上の微細構造6は、一般的に、第１長手方向軸30に沿って第１表面5に配置されている複数の溝である。溝構造は、接着材層16と異方性層10との間の屈折率における不整合のためにS偏光を外部へ結合させ、一方、P偏光に対してはこれら２つの間の屈折率が整合し、したがってP偏光は導波路3内部にとどまる。S偏光の出力効率に影響を及ぼす主な要因は、ランプ12及び反射体13の吸収である。ランプ反射体系12、13が導波路3に全ての光を結合させるというわけではなく、そのうえ光は端部反射体14で反射した後に戻って来る。反射体14によって反射された光の一部は、また吸収される。ランプ及び反射体系の光が照射されたときの典型的な吸収値は40パーセント周辺である。したがって、例えば、溝の間隔をより小さくすることにより、ランプ及び反射体系に戻っていく光は少なくなり、そして光効率が改善する。S偏光の出力効率、P及びS偏光間のコントラスト比及びS及びP偏光の角分布に影響する更なる要因は、複屈折薄膜、接着材層、導波路の回折の異なる屈折率、並びに溝の上部角度、溝間の間隔及び導波路3の端部のデフレクタ14の特性及び効率である。本発明では、特に、溝に平行な方向における配光を改善するために、微細構造8が第２表面7に備えられる。したがって、異方性層10は、2つの機能を備えている。層10は、S偏光のみを出力し、かつ、出力光を予め定められた方向（例えば溝の方向）にコリメートする。

図2a及び2bは、本発明の実施の形態による異方性層の更なる詳細を示す。図2aは第１及び第２表面のアウトラインを示し、図2bは第１表面及び第２表面の立体図を示す。特に、コリメート手段8は、好ましくは第１長手方向軸30の方向に出力光をコリメートするために第２表面7内又は第２表面上に形成された第２の複数の微細構造8を有することができ、第２の複数の微細構造8の少なくとも１つは第２長手方向軸32を備えている。第１長手方向軸30は、第２長手方向軸32に対して角度をなして配置されている。第１及び第２長手方向軸間の角度が、９０°−導波路の全内部反射角から９０°+全内部反射角までの範囲内であることが好ましいことが見出されている。従って、例えば、スネルの法則に従って決定されるように４２°の全反射角を持つPMMA又はガラスの導波路3では、この範囲は９０−４２から９０＋４２まで、すなわち４８°から１３２°までになる。図2に示した実施の形態において、第１長手方向軸30は第２長手方向軸32に対して実質的に垂直（すなわち実質的に９０°の角度）である。第２の複数の微細構造8は、第２表面6から伸びる複数の光学素子8₁、8₂..8_nを有し、光学素子8₁、8₂、8_nは、第２表面6の表面積を増加させる役目をする。一実施の形態において、光学素子は第２表面から伸び、光学素子は導波路が配置されている面に対して角度をなして配置される。他の実施の形態では、この角度は約±45°の範囲内にある。図2a及びbにおいて、前記光学素子はプリズムである。しかし、微細構造8はプリズム（例えば図2a及びbに示される直角プリズム）に限られないことが見出された。実際、相対的に大きな表面積を有する任意の上部層構造（すなわちLCDディスプレイに面する異方性層10の表面中に又は上に形成される任意の構造）は、光をコリメートすることに適していることが見出された。導波路が配置されている面に対して光の出射面が斜めの角度をなす場合、出力光がコリメートされることが見出された。特に、光学素子は、第２表面から伸びることができ、導波路が配置されている面に対して角度をなして配置されることができる。

さらに、微細構造を帯びていない出射面の水平部分は出力光をコリメートしないので、相対的に大きな表面積を提供するために微細構造8₁、8₂等の間の間隔を減少させることによって、コリメーションの程度は増加される。出力光の出射角は異方性層の屈折率に依存する。上記で与えられた屈折率を備えている薄膜では、導波路3の面と約-45°から+45°の範囲内の角度をなす微細構造8は、良好な光コリメーション及び配光結果を提供する。更なる実施の形態において、光学素子8は、波状構造（例えば正弦波関数）を備えることができる。他の実施の形態では、光学素子8は、異なる大きさを備えるプリズムを有することができる。お互いに対して相対的に大きく及び小さい大きさのプリズムを混ぜて使用する場合、モアレ効果が最小化されることが見出された。さらに、プリズムはお互いに対して傾けられることができる。例えば、特定のアプリケーションに必要とされる微細構造8は異方性層の特性（例えばその屈折率）、及び異方性層について想定される当該特定のアプリケーションに依存することが見出された。例えば、プリズムを有する複数の微細構造8は、一方向へ光をコリメートする。第１長手方向軸に対する第２長手方向軸の方向に基づいて、光をある範囲の角度にコリメートするために、プリズムは配向されることができる。例えば、第１長手方向軸が第２長手方向軸に対して実質的に垂直方向を向く場合、図3及び4を参照して図と共に記載されるように、光は水平方向にコリメートされる。さらに、第１軸が第２軸に対して中間的な角度を向く場合、コリメーションの方向も垂直方向と水平方向の中間になる。

図3a及び3bは、従来技術の装置の光出力分布を示し、図4a及び4bは、本発明の一実施の形態による照明装置の光出力分布を示す。特に、図3a及び3bは、ランプ位置が図3の底にある偏光バックライトの上部から見た場合の、従来技術の偏光バックライトの光出力分布を示す。図3aにS偏光が示され、図3bにP偏光が示される。特に出力S偏光の配光が広いことが分かる。

図4a及び4bは、偏光バックライトの上から見て上部に、すなわち第２表面6上にプリズム構造を備える偏光バックライトの光出力分布を示す。ランプ位置は図4a及び4bの底に示される。図4aにS偏光が示され、図4bにP偏光が示される。従来技術のバックライトのシミュレーションが図3a及び3b中に示され、図4a及び4bは、上部にプリズム構造を備えている本発明の一実施の形態によるバックライトのシミュレーション結果を示す。これらの図において、水平角度はx軸にプロットされ、垂直角度はy軸にプロットされる。メインの図の下及び脇に示されたグラフにおいて、下のグラフは、x軸の水平角度に対する出力光の強度をy軸に示す。メインの図の脇のグラフは、x軸の垂直角度に対する出力光の強度をy軸に示す。これらのシミュレーションにおいて、異方性層は図2を参照して与えられた屈折率を備え、溝深さ33は50マイクロメートル、溝間隔34は200マイクロートル、溝先端角度35は65°、薄膜厚36は100マイクロメートル、プリズム先端角度37は、90°、そしてプリズム高さ38は50マイクロメートルである。図3と図4の比較から、S偏光が垂直の視角の方へずっと多く集中していることが明確に分かる。この効果は、図2に示されるプリズム微細構造に起因する。導波路から出力されるP偏光が増加していないことも明確に分かる。したがって、微細構造、特に異方性層10の上部に配置されるプリズムが存在する結果として、コントラストが損われることはない。本発明の薄膜を製造する１つの方法は２つのローラーによって薄膜を圧印加工することであり、この２つのローラーの間で加熱された薄膜がプレスされる。第１ローラーはネガ溝構造を備え、第２ローラーはネガプリズム構造を備えている。しかし、本方法はこの点で制限されない。他の実施の形態において、薄膜は選ばれた第１及び第２の微細構造形状に従って、両面に彫刻される。他の実施の形態では、レーザアブレーションが所望の様式で薄膜の輪郭を描くために用いられることができる。

示された実施の形態においてはS偏光が出力される。しかし本発明はこの点で制限されず、出力光は、他の実施の形態では、P偏光であることができる。

本発明の特定の実施の形態を上に述べたが、本発明が上記とは別の方法で実施されることができることはいうまでもない。上記の説明は本発明を制限することを意図されない。

本発明の実施の形態による偏光照明装置を示す図。 本発明の実施の形態による異方性層の更なる詳細を示す図。 本発明の実施の形態による異方性層の更なる詳細を示す図。 従来技術の装置の光出力分布を示す図。 従来技術の装置の光出力分布を示す図。 本発明の実施の形態による照明装置の光出力分布を示す図。 本発明の実施の形態による照明装置の光出力分布を示す図。

Claims (18)

1. ディスプレイを偏光によって照らす照明装置であって、
   光を導波する導波路、並びに
   前記導波路に面する第１表面、及び前記導波路からみて外方を向く第２表面を備える異方性層を有し、
   第１表面は予め定められた偏光をもつ光を前記導波路から出力する出力手段を備え、第２表面は前記導波路から出力される光を予め定められた方向にコリメートするコリメート手段を備える照明装置。
2. 前記出力手段が第１表面に形成された第１の複数の微細構造を有し、第１の複数の微細構造のうちの少なくとも１つが第１長手方向軸を備え、前記コリメート手段が第２表面に形成された第２の複数の微細構造を有する請求項１に記載の装置。
3. 第２の複数の微細構造が光を第１長手方向軸の方向にコリメートする請求項２に記載の装置。
4. 第２の複数の微細構造のうちの少なくとも１つが、第１長手方向軸に対して角度をなして配置された第２長手方向軸を備える請求項３に記載の装置。
5. 第１及び第２長手方向軸の間の角度が、９０°−前記導波路の全内部反射角から９０°+前記全内部反射角までで規定される範囲である請求項４に記載の装置。
6. 第１長手方向軸が第２長手方向軸に対して実質的に垂直である請求項４又は請求項５に記載の装置。
7. 第１の複数の微細構造が複数の溝を有する請求項２に記載の装置。
8. 第２の複数の微細構造が第２表面から伸びる複数の光学素子を有し、前記光学素子が、前記導波路が配置された面に対して角度をなして配置される請求項３に記載の装置。
9. 前記角度が約±４５°の範囲である請求項８に記載の装置。
10. 前記光学素子がプリズムである請求項８に記載の装置。
11. 前記プリズムが互いに対して傾けられている請求項１０に記載の装置。
12. 前記プリズムが異なる大きさである請求項１０に記載の装置。
13. 前記光学素子が波状構造を有する請求項８に記載の装置。
14. 前記波状構造が正弦波関数を有する請求項１３に記載の装置。
15. 前記光学素子が第２表面の表面積を増加させる請求項８に記載の装置。
16. 前記異方性層の屈折率が前記導波路の材料の屈折率と実質的に整合する請求項１に記載の装置。
17. 液晶ディスプレイパネル、及び前記液晶ディスプレイパネルに偏光を提供する請求項１から請求項１６のいずれか一項に記載の照明装置を有する液晶ディスプレイ装置。
18. 偏光によってディスプレイを照らす照明装置の製造方法であって、
    異方性層を提供するステップ、
    前記異方性層を、当該層を第１及び第２ローラーに通すことによって圧印加工するステップ、並びに
    前記異方性層を導波路に、当該層の第１表面が前記導波路に面し、当該層の第２表面が前記導波路からみて外方を向くように、結合するステップを有し、
    第１ローラーがネガ溝構造を備え、第２ローラーがネガプリズム構造を備え、前記層の第１表面が溝構造によって圧印加工され、前記層の第２の対向する面がプリズム構造によって圧印加工される方法。