JP2009063997A - 転向フィルム、ディスプレイ装置およびプロセス - Google Patents
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Abstract
【課題】転向フィルム、ディスプレイ装置およびプロセスを提供する。
【解決手段】ターゲット角に向かって光を方向転換するための光方向転換物品は、特定の要件を満たす特徴を有する光出射面を備える。特徴の第1および第2の面は、35°〜55°の範囲内の角度αで互いに向かい合い、光方向転換物品は、1.60未満の屈折率を有する材料で形成され、ターゲット角は、5°〜25°である。
【選択図】図3
【解決手段】ターゲット角に向かって光を方向転換するための光方向転換物品は、特定の要件を満たす特徴を有する光出射面を備える。特徴の第1および第2の面は、35°〜55°の範囲内の角度αで互いに向かい合い、光方向転換物品は、1.60未満の屈折率を有する材料で形成され、ターゲット角は、5°〜25°である。
【選択図】図3
Description
本発明は、一般に、表面からの輝度を増強するためのディスプレイ照明物品に関し、より詳細には、導光板からの光を方向転換して偏光出力を提供する転向フィルムおよびプロセスに関する。
液晶ディスプレイ(LCD)は、コストおよび性能において改善し続けており、多くのコンピュータ、機器および娯楽用途向けの好ましいディスプレイタイプになりつつある。従来のラップトップコンピュータディスプレイに用いられる透過型LCDは、光をLCDに向かって外側に方向付けるために、LCDの背後に配置される光供給面を有するバックライト付きディスプレイの一種である。依然としてコンパクトかつ低コストでありながら十分に均一な明るさを有する適切なバックライト装置を提供するという課題が2つの基本的な手法のうちの1つに従って取り組まれてきた。第1の手法では、光供給面が、広範囲の角度にわたって本質的に一定の輝度を有する、高度に散乱した本質的にランベルト光分布を提供するために用いられる。軸上および軸付近の輝度を高めることを目的として、この第1の手法に従って、さらに平行化された照明を提供するために、ランベルト分布を有するこの光の一部を方向転換するためのいくつかの輝度増強フィルムが提案されている。輝度増強フィルムに関して提案された解決策の中には、たとえば、米国特許第5,592,332号(Nishioら)、米国特許第6,111,696号(Allenら)および米国特許第6,280,063号(Fongら)に記載されたものがある。上記特許に記載された輝度増強フィルム(BEF)などの解決策は、広視野角にわたって増大した明るさをある程度提供する。しかしながら、BEFによっても、全体的なコントラストは、依然として比較的不十分のままである。
バックライト照明を提供するための第2の手法は、側面に配置されたランプまたは他の光源からの入射光を受け入れ、この光を全内部反射(TIR)を用いて内部に導く導光板(LGP)を採用し、光がLGPから狭い範囲の角度にわたって発せられるようにした。LGPからの出射光は、典型的に、垂線に対して、例えば70°以上など、かなり急な角度である。この第2の手法では、その結果、光方向転換物品の一種である転向フィルムを用いて、LGPから発せられた光出力を垂線の方へ方向転換する。たとえば、ニューヨーク州ボールドウィンのClarex社から入手可能なHSOT(高度散乱光透過)導光パネルによって提供されるものなど、光方向転換物品または光方向転換フィルムと広く呼ばれる方向転向フィルムは、製造に際して拡散フィルムまたはドット印刷の必要性なしに、この種の均一なバックライトを提供するための改善された解決策を提供する。HSOT導光パネルおよびその他の種類の方向転向フィルムは、導光板からの光を垂線方向にまたは典型的に二次元の面に対して略垂直ないくつかの他の適切なターゲット角に向かって方向転換するために、様々な組み合わせで、プリズム構造の配列を用いる。一例として、米国特許第6,746,130号(Ohkawa)は、LGP照明のための転向フィルムとしての役割を果たす光制御シートを記載している。
図1を参照すると、ディスプレイ装置100における導光板10の全体的な機能が示されている。光源12からの光は、入力面18で入射し、図示したように、典型的にくさび形で導光板10の中に入る。この光は、全内部反射(TIR)条件がフラストレートし、次に、反射面142から反射されるまで導光板10の中で伝播し、出力面16で導光板から出る。次に、この光は、転向フィルム122に進み、LCDまたは他のタイプの空間光変調器もしくは光を変調する他の二次元バックライト構成要素などの光ゲートデバイス120を照らすように導かれる。ほとんどの条件下で最適化された観察のために、発光は、垂線Vを中心とした比較的狭い角度範囲にわたって提供されるべきである。偏光子124は、変調のための適切な偏光を有する光ゲートデバイス120を提供するために、照明経路に典型的に配置される。しかしながら、転向フィルム122を通過後の光は、本質的に偏光されないか、または非常に小さい偏光度を有するため、偏光子124は、光の約半分を吸収する必要がある。この問題を克服するために、吸収偏光子124と転向フィルム122の間に反射偏光子125が設けられることが多い。反射偏光子の一種が、Koikeらの「Surface light source device with polarization function」と題する米国特許第5,982,540号および米国特許第6,172,809号に開示されている。
画質および性能を妥協することなしに偏光照明を提供するのに必要な全体的な構成要素の数を削減することは、明らかに有利であろう。この目的を考慮して、偏光子125の構造を簡素化し、または機能を結合することによって、別個のユニットとしてのこの構成要素をなくすことを提案するいくつかの解決策が存在する。機能を結合しようとする試みでは、Araiの「Surface Light Source Device Outputting Polarized Frontal Illumination Light」と題する米国特許第6,027,220号が、少なくとも部分的に偏光された照明を生成することができる面光源デバイスを開示している。Araiの米国特許第6,027,220号の開示が示しているように、導光板10(図1)から出てくる光の本質的に一部の偏光がある。加えて、転向フィルムによって本質的に行われるこの光のさらなる偏光がある。一対の転向フィルムを用いる構造では、偏光にさらにもっと僅かな利得がある可能性がある。Araiの米国特許第6,027,220号の開示の手法に従って、面光源は、各転向フィルムに適切な材料を使用し、かつ導光板からの光の傾斜角に対するそれらの屈折率nに基づいてこれらの材料を合わせるだけで、ある程度の偏光を提供するように設計することができる。しかしながら、この手法は、ある程度の偏光を提供する利点を有するが、単に屈折率nを特定することに基づいてどれほどの改善が得られるのかについて、実際的な限界がある。さらに、複数の転向フィルムを用いる実施形態は、照明システム設計に、コスト、厚さおよび複雑さを加える。
さらに別の手法では、Suzukiの「Apparatus for Increasing a Polarization Component, Light Guide Unit, Liquid Crysta1 Display and Polarization Method」と題する米国特許第6,079,841号が、偏光を供給するようにそれ自体が設計される導光板を提供する。Suzukiの米国特許第6,079,841号の導光板は、好ましい偏光状態を達成するために、共に積層され、光のブルースター角の調整を提供するように配向された導光体のスタックを用いる。この方法は、導光体自体の中に偏光構成要素を組み込むという利点を有するが、この種の手法には欠点がある。導光板の複雑さと、2分の1または4分の1波長板および反射体に関する追加要件とが、照明経路における別個の構成要素としての偏光子をなくすことによって得られる利点を打ち消す。
Miの「Polarizing Turnig Film Using Total Internal Reflection」と題する同一出願人による米国特許第7,139,125号は、対応する導光板または他の方向デバイスからの光の角度範囲に応じて、垂線に近い角度で出力される適切な偏光を提供し、かつ2方向のどちらでも使用し得る偏光転向フィルムについて記述している。この目的を達成するために、Miの米国特許第7,139,125号の開示のフィルムは、比較的高い屈折率nを有する材料、例えばnが1.60を超える材料を採用する。
偏光転向フィルムは、LCDパネルに必要な偏光の少なくとも一部を提供するのに役立つことができるが、適切な材料のコスト要因および入手可能性が懸念され得る。さらに、すべてのタイプのLCDは、提供される光が高度に偏光される必要がない。広く使用されているLCデバイスの1つのタイプであるねじれネマチック(TN)LCデバイスは、偏光に対して感応性が低い。この種の光変調器を用いた装置では、偏光をもたらす転向フィルムの必要性が低く、より低い屈折率を有する低コスト材料で転向フィルムを提供することへの関心が増大している。また、多くのタイプのディスプレイ用途では、出射光が必ずしも垂線角度である必要はないが、出射光が垂線から離れて多少の傾斜角で方向付けられたときに、実際により良い可視性を提供し得ることも認識されている。例えば、アビオニクスおよび自動車用ディスプレイ、並びに、店頭用ディスプレイ、ゲーム用ディスプレイ、およびデータ入力と閲覧のための一部のデスクトップディスプレイを含む他のタイプのディスプレイは、垂線以外の角度で見られることが多い。
米国特許第5,592,332号明細書
米国特許第6,111,696号明細書
米国特許第6,280,063号明細書
米国特許第6,746,130号明細書
米国特許第5,982,540号明細書
米国特許第6,172,809号明細書
米国特許第6,027,220号明細書
米国特許第6,079,841号明細書
米国特許第7,139,125号明細書
したがって、ある種のディスプレイ装置および用途に適した転向フィルムの解決策が提案されているが、依然として、屈折率の有用な値を有する低コストの光学材料で製作することができる、垂線から傾斜した角度の範囲にわたって光を方向付けるための転向フィルムの必要性があることが分かる。
本発明は、ターゲット角に向かって光を方向転換するための光方向転換物品であって、
前記光方向転換物品が、
(a)入射角の範囲にわたって入射照明を受け入れるための入力面と、
(b)複数の光方向転換構造を備える出力面とを備え、
各光方向転換構造が、
(i)前記入力面に対して第1の底角β1で定義されるように、一方向に垂線から離れて傾斜する出射面と、
(ii)前記入力面に対して第2の底角β2で定義されるように、前記出射面に対して反対方向に垂線から離れて傾斜する第2の面とを有し、
前記第1および第2の面が、35°〜55°の範囲内の角度αで互いに向かい合い、
前記光方向転換物品が、1.60未満の屈折率を有する材料で形成され、
かつ前記ターゲット角θoutが、5°〜25°の範囲内である、光方向転換物品を提供する。
前記光方向転換物品が、
(a)入射角の範囲にわたって入射照明を受け入れるための入力面と、
(b)複数の光方向転換構造を備える出力面とを備え、
各光方向転換構造が、
(i)前記入力面に対して第1の底角β1で定義されるように、一方向に垂線から離れて傾斜する出射面と、
(ii)前記入力面に対して第2の底角β2で定義されるように、前記出射面に対して反対方向に垂線から離れて傾斜する第2の面とを有し、
前記第1および第2の面が、35°〜55°の範囲内の角度αで互いに向かい合い、
前記光方向転換物品が、1.60未満の屈折率を有する材料で形成され、
かつ前記ターゲット角θoutが、5°〜25°の範囲内である、光方向転換物品を提供する。
また、本発明は、ディスプレイ装置および光を方向転換するためのプロセスも提供する。
本発明の利点は、本発明が、垂線から傾斜した角度範囲にわたって光を方向付けるための転向フィルムを提供することである。本発明の転向フィルムは、屈折率の標準値を有する低コストの光学材料で製作することができる。
本明細書は、特に本発明の要旨を指摘しかつ明確に主張する請求項で完結するが、本発明は、添付図面に関連して以下の説明がなされたときに、より良く理解されると考えられる。
本説明は、特に本発明による装置の一部を形成する要素または本発明による装置とより直接的に協働する要素を対象にする。具体的に示されたり、記載されていない要素は、当業者に周知である様々な形態をとってもよいことが理解されるべきである。
本発明の装置は、一般にプリズムとして成形される光方向転換構造を用いる。本物のプリズムは、少なくとも2つの平面を有する。しかしながら、光方向転換構造の1つまたは複数の面は、すべての実施形態において平面である必要がなく、湾曲していても、または多数の断面を有していてもよいため、より一般的な用語である「光方向転換構造」が本明細書で使用される。
前掲の背景技術に記載したように、従来の転向フィルムは、導光板または類似の光供給構成要素から斜めの入射角で、通常は垂線から60°以上で受けた光を方向転換する。転向フィルムは、典型的にプリズム形状で、かつ様々な寸法の屈折構造の配列を一般に用いて、導光板からの光を垂線に向かって方向転換する。これらはフィルムとして設けられるため、垂線(V)は、フィルム表面の二次元平面に対するものと考えられる。
図1を参照して示されたように、光源12は、導光板10の側面に設置される。導光板10のこの配置および設計は、転向フィルムの必要な角度挙動および配置設計を決定づける。導光板10の性能条件の範囲に関して、本発明の光方向転換物品は、図1の配置において、従来の転向フィルム122と置き換えるように用いることができる。
図2Aを参照すると、比較例として、導光板10とともに用いられる従来の転向フィルム122の概略断面図を示しており、主要な角度および幾何的関係を示している。転向フィルム122は、導光板10に向かって下向きに面する複数のプリズム構造を有し、各構造は、近い面24(図1の実施形態に図示されているように光源12に対して近い)および遠い面26を有し、両側面は、水平方向Hに対する頂角αと底角β1およびβ2によって決定されるように、フィルムの垂線方向Vから傾斜している。導光板10からの光は、中心主光線入射角θinを中心とした小さい角度範囲にわたって入射する。転向フィルム122の平面22におけるLCディスプレイ要素に供給される光の主光線出射角θoutは、中心入射角θin、転向フィルム122の屈折率nおよび遠い面26が傾斜する底角β1を含む複数の因子によって決定される。放射光のための出射角θoutは、転向フィルム122に対して好ましくは垂直であるが、出射角θoutは、ターゲット角と見なすことができ、一部の用途の場合には、垂線に対してある程度傾斜していてもよい。ほとんどの従来の転向フィルムでは、ターゲット角が垂線である。
図2Bは、プリズム構造がLCデバイスまたは他の光変調器に向かって上向きに面する転向フィルム20aの異なる配置を示している。平面22は、ここでは入力面であり、構造化された面が出力面である。この構成では、本発明に用いられる基本的なパターン、この場合もやはり出力面上の各光方向転換構造が、近い面24(図1の実施形態に図示されているように、光源12に対して近い)および遠い面26を有し、両側面が、入力面の平面に平行であり、かつ図2A、図2Bおよび以下の図において水平配向を有するHと表示された基準線に対する頂角αと底角β1およびβ2によって決定されるように、フィルムの垂線方向Vから斜めに傾斜している。導光板10からの光は、中心入射主角θinを中心とした小さい角度範囲にわたって入射する。転向フィルム20の構造化された出力面からLCディスプレイ要素に供給される主光線の出射角θoutは、中心入射主角θin、転向フィルム20の屈折率nおよび遠い面26が平面22に対して斜めの角度で傾斜する底角β1を含む複数の因子によって決定される。図2Bは、β1=52.3°、β2=75°およびn=1.58の場合の米国特許第6,027,220号の図8、またはβ1=55.7°、β2=71.1°およびn=1.58の場合の米国特許第6,027,220号の図9に対応する。
図2Cは、屈折率n>1.6を有する米国特許第7,139,125号の図2Bに対応する、プリズム構造が上の方を向いている偏光転向フィルム20bを示す。
図2A〜2Cでは、転向フィルムの出射角は、垂線方向に最適化される。図2Bおよび2Cでは、転向フィルムから出て来る光の偏光コントラストが内部で強調される。
図3を参照すると、本発明の改善された転向フィルム20の主要な特徴が示されている。光方向転換構造は、この場合もやはり上向きに面している(より一般的には、観察者およびLCデバイスまたは他の光変調器に向かって外向きに面している)。各光方向転換構造は、光源12の位置(図1)に関連して近い面24および遠い面26を有する。遠い面26は、図2Bに図示されたように、発光面または光出射面である。遠い面26に対して与えられた(平面22に対する)適切な斜めの傾斜によって、平面22上の中心照明光線R1(主光線とも呼ばれる)を中心とした入射光は、ターゲット角であるフィルムの垂線方向Vに向かって適切に方向転換される。一実施形態では、光方向転換構造は、転向フィルム20の面に沿って延長方向に直線的に細長く、その結果、各光方向転換構造は、出力面の一方の縁から他方の縁まで一般に一列に延び、隣接する光方向転換構造は、典型的に平行に延在する。図3の断面図に関して、直線状の延長方向は、紙面に対して垂直である。この配置が、転向フィルム20の製作に関して利点を有することは十分認識され得る。しかしながら、光方向転換構造は、そのような延長した線形の態様に厳格に配置される必要はない。1つの重要な特徴は、図3の断面側面図に図示されているように、導光板10からの入射光の角度、転向フィルムの屈折率nおよび出射光の角度に対する光方向転換構造の様々な面の角度関係である。
本発明の実施形態では、ターゲット角または出射角θoutは、式(1)に記載したように、入射角θin、光方向転換構造の屈折率nおよび遠い底角β1によって決定される。
導光板からの入射光は、主角を中心とした一群の角度にわたって入射し、その結果、入射光の大部分は、主角の+/−15°以内である。式(1)および後の式は、主角として入射角θinを用いる。
式(1)が、偏光のいかなる考慮事項にも依存しないで、図2B、図2Cおよび図3に示された上向きに配向された光方向転換構造または外向きに面する光方向転換構造のタイプを用いる転向フィルムに関して一般に適用されるθinに対するθoutの関係を示していることに留意することは有益である。さらなる対策を講じることなく、偏光を改善するためには、追加の偏光構成要素または第2の転向フィルムが必要な場合がある。
図2Bに示されている比較例によれば、底角β1、β2、屈折率nおよび入射角θinは、一方の偏光の光に対して高い透過率を提供し、他方の偏光の光に対して低い透過率を提供し、かつθ2が入射平面22での屈折角である場合にβ2=90°−θ2となるように選択される。
図2Cに示されている比較例によれば、入射平面22における入射角θinおよび屈折角θ2と、遠い面26におけるθ3およびθ4のすべてが、それぞれのブルースター角に近づくように選択され、その結果、何らかの偏光手段を提供する。
しかしながら、このブルースター角関係は、本発明の転向フィルムの重要な特徴、角度および表面のうちのいくつかを示している図3では不要である。各光方向転換構造は、上述のように遠い面26および近い面24を有し、各々が、それぞれ、底角β1またはβ2で水平面から上向きに傾斜している。頂角αは、面24と面26が交差した所に形成される。ターゲット角または出射角θoutは、垂線(V)を中心とせず、5°≦θout≦25°となるように垂線から斜めにされる。転向フィルムと、この転向フィルムを組み込んだディスプレイは、5°〜25°の角度で見られることが多いので、アビオニクスおよび自動車用ディスプレイ、並びに、店頭用ディスプレイ、ゲーム用ディスプレイおよびデータ入力と閲覧のための一部のデスクトップディスプレイを含む他のタイプのディスプレイ向けに設計される。これは、適切な底角β1、β2、頂角α、屈折率nおよび入射角θinを選択することによって可能になる。
3界面転向フィルム
次に図4を参照すると、転向フィルム20内で光に対する第3の界面を提供するための直線的に細長い光方向転換構造を用いる本発明の別の実施形態が示されている。ここで、遠い面26に入射する光は、全内部反射(TIR)を用いて反射され、次に、屈折角θ7がブルースター角に近い場合には、近い面24に角度θ6で入射する。図4の配置で、転向フィルム20内で光路は3つの界面を含む。第2の界面は、ブルースター角を用いない。代わりに、TIRが第2の界面で生じる。
次に図4を参照すると、転向フィルム20内で光に対する第3の界面を提供するための直線的に細長い光方向転換構造を用いる本発明の別の実施形態が示されている。ここで、遠い面26に入射する光は、全内部反射(TIR)を用いて反射され、次に、屈折角θ7がブルースター角に近い場合には、近い面24に角度θ6で入射する。図4の配置で、転向フィルム20内で光路は3つの界面を含む。第2の界面は、ブルースター角を用いない。代わりに、TIRが第2の界面で生じる。
図4の光路に従って、角度θinで導光板10から入射する光は、角度θ2で屈折される。遠い面26において、入射角θ3は、角度θ5で全内部反射をもたらす。その反射光は、近い面24で入射し、角度θ7で屈折される。出射光の角度θoutは、5°〜25°である。
主要な条件として、最初に遠い面26に光を入射させるためには、以下の条件が満たされなければならない。
全内部反射を受けることなく、光が近い面24を通過するためには、以下の条件が満たされなければならない。
式中、
である。
図4の実施形態の場合には、光方向転換構造要素自体は、これらの要素が形成されるフィルムまたはシートの面に対してかなり外向きに延長され得る。これらは、たとえば、基体に組み込まれまたは取り付けられる、別個に製作された構成要素であってもよい。他の可能な改良としては、いくつかの態様において光の挙動を調整するために、遠い面26にコーティングを施すことが挙げられる。たとえば、TIR反射を用いる代わりに、反射コーティングを用いることが有利である場合がある。あるいは、遠い面26が、望ましくない偏光状態を有する光などの光をリサイクルするように構成されることも可能である。
基体に追加される構造
図3および図4は、1つの基体から形成される転向フィルム20を示している。しかしながら、用いられる材料の屈折率が同一であるか、または異なる場合を含めて、2つ以上の材料を用いて転向フィルム20を製作することがより実用的である場合がある。図5Aは、図3の転向フィルム20を示す断面図であり、基体28および光方向転換構造34が異なる屈折率nおよびn1を有する。ここで、基体28は、その上に光方向転換構造34が取り付けられる面を提供する。光方向転換構造34は、その後基体28に取り付けられる透明媒体の別個のシートの上に形成されることが可能である。あるいは、光方向転換構造34は、別個に製作され、基体28に取り付けられることも可能である。
図3および図4は、1つの基体から形成される転向フィルム20を示している。しかしながら、用いられる材料の屈折率が同一であるか、または異なる場合を含めて、2つ以上の材料を用いて転向フィルム20を製作することがより実用的である場合がある。図5Aは、図3の転向フィルム20を示す断面図であり、基体28および光方向転換構造34が異なる屈折率nおよびn1を有する。ここで、基体28は、その上に光方向転換構造34が取り付けられる面を提供する。光方向転換構造34は、その後基体28に取り付けられる透明媒体の別個のシートの上に形成されることが可能である。あるいは、光方向転換構造34は、別個に製作され、基体28に取り付けられることも可能である。
光方向転換構造の基本形状に対する改良は、光路の製作を簡単にし、または光路の特性を変更するのに役立つ場合がある。たとえば、図5Bは、光方向転換構造34の先端または頂点が、(切頂面29を表す水平の点線の方向に向かって)切り取られるか、および/またはこれらの構造間の開先角度γが丸められている場合の図5Aの転向フィルムを示す概略断面図である。これは、頂上付近のプリズムの先端が、図5Bにおける主光線31、32および33に用いられないため、可能である。
同様に、図5Cは、遠い面26が曲面または追加のセグメント面27を有する場合の図5Aの転向フィルムを示す概略断面図であり、曲面または追加のセグメント面27は、一次光線41および42が遠い面26を通って好ましい方向に進む間に、二次光線43を好ましい方向に方向転換する。
図5Dは、基体が異なる屈折率n1を有し、かつ近い面24に曲面または追加のセグメント面25がある図4の転向フィルムを示す概略断面図である。図5Dにおけるプリズムの先端も同様に切り取ることができる。
図5Aおよび図5Dの実施形態は、コストにも製作にも利点を有し得る。たとえば、一部の材料は、容易に入手可能であり、基体28に最適であり得る。1.60未満、望ましくは1.45〜1.55もしくは1.47〜1.52の範囲内の屈折率を有する材料が、光方向転換構造34を提供する際の使用により適している。複合材料設計を用いることによって、コスト削減および高い最適性能の両方を達成することができる。
ディスプレイ装置および偏光子の配向
本発明の装置および方法は、LCDのための光を提供するために支持構成要素のための複数の可能な構造を可能にする。図6は、本発明による転向フィルム20を用いるディスプレイ装置60を示す概略断面図である。LC空間光変調器70は、導光板10および転向フィルム20から受け取った光を変調する。後部偏光子72および前部偏光子73は、LC空間光変調器70のために設けられる。図7Aは、図7Aの図において垂直に延在する転向フィルム20の光方向転換構造75および溝に対して45°で配向される一対の偏光子を用いたLC空間光変調器70のための偏光透過軸172および173を示す概略平面図である。この場合、LC空間光変調器70は、ノートブックおよびモニターディスプレイで使用される基本モードであるねじれネマチック(TN)LCDとすることができる。有利なことに、光出力は、非偏光、すなわちP偏光とS偏光の平均に対して最適化されるので、米国特許第7,139,125号の図6に示されているような2分の1波長板は必要ない。
本発明の装置および方法は、LCDのための光を提供するために支持構成要素のための複数の可能な構造を可能にする。図6は、本発明による転向フィルム20を用いるディスプレイ装置60を示す概略断面図である。LC空間光変調器70は、導光板10および転向フィルム20から受け取った光を変調する。後部偏光子72および前部偏光子73は、LC空間光変調器70のために設けられる。図7Aは、図7Aの図において垂直に延在する転向フィルム20の光方向転換構造75および溝に対して45°で配向される一対の偏光子を用いたLC空間光変調器70のための偏光透過軸172および173を示す概略平面図である。この場合、LC空間光変調器70は、ノートブックおよびモニターディスプレイで使用される基本モードであるねじれネマチック(TN)LCDとすることができる。有利なことに、光出力は、非偏光、すなわちP偏光とS偏光の平均に対して最適化されるので、米国特許第7,139,125号の図6に示されているような2分の1波長板は必要ない。
図7Bは、転向フィルム20の溝および光方向転換構造75に対して平行または垂直に配向される一対の偏光子を用いたLC空間光変調器70のための偏光透過軸172および173を示す概略平面図である。この場合、LC空間光変調器70は、垂直配向(VA)LCDまたはIPS LC要素を用いることができる。後部偏光子の透過軸172は、断面の平面と平行である。
一実施形態では、ディスプレイ装置は、一対の交差偏光子を備え、光方向転換構造は、延長方向に細長く、交差偏光子のそれぞれは、光方向転換物品の延長方向に対して実質的に平行または垂直に配向される。別の実施形態では、ディスプレイ装置は、一対の交差偏光子を備え、光方向転換構造は、延長方向に細長く、偏光子は、光方向転換物品の延長方向に対して実質的に+/−45°で配向される。
図7Aに示されているように、光方向転換構造75は、直線方向に細長く、実質的に平行に延在してもよい。図7Cは、他の実施形態における弓状に細長い光方向転換構造75を有する転向フィルム20を示す概略平面図である。この配置は、よりコンパクトな設計を行うために、導光板10の1つまたは複数の隅部において発光ダイオード(LED)などの点光源を用いる場合に有利である。後部偏光子の透過軸172は、断面の平面とほぼ平行である。
転向フィルム20を形成するための材料
本発明の転向フィルム20は、典型的には約1.42〜約1.64、より好ましくは約1.47〜約1.55の屈折率を有するポリマー材料を用いて製作することができる。可能なポリマーとしては、限定されるものではないが、ポリ(メチルメタクリレート)、ポリ(シクロオレフィン)、ポリカーボネート、ポリスルフォンおよび様々なコポリマーが挙げられ、コポリマーには、アクリル酸塩、脂環式アクリル酸塩、炭酸塩、スチレン、スルホン、および望ましい光学特性、具体的には可視域での高い透過性と低レベルのヘイズとを与えることが知られているその他の部分の様々な組み合わせが含まれる。また、前述のポリマーの様々な混和性ブレンドも、本発明に使用することができる可能な材料の組み合わせである。ポリマー組成物は、熱可塑性でも熱硬化性でもよい。前者は、優れた溶解プロセス可能性を必要とする適切な溶解プロセスによって製造可能であり、一方後者は、適切なUVキャストおよび硬化プロセスまたは熱硬化プロセスによって製作することができる。
本発明の転向フィルム20は、典型的には約1.42〜約1.64、より好ましくは約1.47〜約1.55の屈折率を有するポリマー材料を用いて製作することができる。可能なポリマーとしては、限定されるものではないが、ポリ(メチルメタクリレート)、ポリ(シクロオレフィン)、ポリカーボネート、ポリスルフォンおよび様々なコポリマーが挙げられ、コポリマーには、アクリル酸塩、脂環式アクリル酸塩、炭酸塩、スチレン、スルホン、および望ましい光学特性、具体的には可視域での高い透過性と低レベルのヘイズとを与えることが知られているその他の部分の様々な組み合わせが含まれる。また、前述のポリマーの様々な混和性ブレンドも、本発明に使用することができる可能な材料の組み合わせである。ポリマー組成物は、熱可塑性でも熱硬化性でもよい。前者は、優れた溶解プロセス可能性を必要とする適切な溶解プロセスによって製造可能であり、一方後者は、適切なUVキャストおよび硬化プロセスまたは熱硬化プロセスによって製作することができる。
(転向フィルムの正規化ピーク強度(または光学利得)およびピーク角度)
一般に、配光は、空間分布および角度分布に関して規定される。光の空間分布は、導光板の上面および/または下面上にマイクロ特徴を慎重に配置することによって、極めて均一に作られ、実現されうる。光の角度分布は、光度Iに関して極角θと方位角の関数として規定される。光の角度分布は、EZ Contrast 160(フランスのEldim社から入手可能)で測定される。極角θは、光の方向と導光板の垂線Vとの間の角度である。方位角は、垂線方向Vに対して垂直な面上への光の投射と導光板の長さ方向に平行な方向との間の角度である。導光板の長さ方向は、光源12および垂線方向Vに対して垂直である。また、光の角度分布は、輝度Lに関して、極角θと方位角の関数として規定することもできる。輝度Lと光度Iは、L=I/cos(θ)の関係がある。
一般に、配光は、空間分布および角度分布に関して規定される。光の空間分布は、導光板の上面および/または下面上にマイクロ特徴を慎重に配置することによって、極めて均一に作られ、実現されうる。光の角度分布は、光度Iに関して極角θと方位角の関数として規定される。光の角度分布は、EZ Contrast 160(フランスのEldim社から入手可能)で測定される。極角θは、光の方向と導光板の垂線Vとの間の角度である。方位角は、垂線方向Vに対して垂直な面上への光の投射と導光板の長さ方向に平行な方向との間の角度である。導光板の長さ方向は、光源12および垂線方向Vに対して垂直である。また、光の角度分布は、輝度Lに関して、極角θと方位角の関数として規定することもできる。輝度Lと光度Iは、L=I/cos(θ)の関係がある。
導光板からの配光のピーク光度は、最大光度と定義される。配光のピーク角度は、ピーク光度が生じる極角と定義される。次に、各光度分布は、ピーク光度およびピーク角度を定義する。
正規化ピーク強度は、転向フィルムの光学利得とも呼ばれ、導光板から放出された光のピーク光度に対する転向フィルムを透過した光のピーク光度の比と定義される。その結果、転向フィルムの正規化ピーク強度は、光源の絶対レベルには依存せず、主として転向フィルムの設計自体に依存する。
したがって、様々な転向フィルムの設計は、2つの重要な量、すなわち正規化ピーク光度(または光学利得)と転向フィルムを透過した光のピーク角度に関して比較され得る。
実施例の実施形態の結果
図8A〜8Hは、一定の底角β1およびβ2の場合の、正規化ピーク強度の値およびピーク角度の値を屈折率nの関数として示し、頂角αは、それぞれ68°、60°、50°、40°、36°、30°、20°、10°である。これらのグラフのそれぞれにおいて、横軸は、1.3〜1.7の範囲内の屈折率nを示す。左の縦軸は、入射光のピーク強度に対するピーク強度の尺度(白ダイヤで表示)である。右の縦軸は、ディスプレイの垂線Vに対するピーク角度の尺度(黒四角で表示)である。導光板からの主光線の入射角は、約70度である。
図8A〜8Hは、一定の底角β1およびβ2の場合の、正規化ピーク強度の値およびピーク角度の値を屈折率nの関数として示し、頂角αは、それぞれ68°、60°、50°、40°、36°、30°、20°、10°である。これらのグラフのそれぞれにおいて、横軸は、1.3〜1.7の範囲内の屈折率nを示す。左の縦軸は、入射光のピーク強度に対するピーク強度の尺度(白ダイヤで表示)である。右の縦軸は、ディスプレイの垂線Vに対するピーク角度の尺度(黒四角で表示)である。導光板からの主光線の入射角は、約70度である。
図10Aは、図8A〜8Hで与えられた本発明の転向フィルムの実施形態に対して計算された頂角α、屈折率およびピーク角度の値を一覧表示した表を示す。ピーク角度の値の許容範囲は、図10Aにおいてボールド体で記載され、Aと表示されている。領域A内の値は、図8A〜8Hに同様に記載されている。
図10Bは、図8A〜8Hの実施形態の頂角α、屈折率および正規化ピーク強度の値を一覧表示した表を示す。所望の範囲のピーク強度の値は、図10Bにおいてボールド体で記載され、Cと表示されている。領域C内の値は、図8A〜8Hに同様に記載されている。
一定範囲内にある構造および屈折率nを有する転向フィルムの実行可能な解決策があることが、図8A〜8Hと、図10Aおよび10Bの対応する表から分かる。実行可能な解決策は、A、BおよびCが交差する領域に与えられる。これらの結果は、比較的高い強度の出力が、約1.45〜1.55の屈折率を有する材料で達成され得るので、約5〜25°の出射角範囲を有する許容し得る転向フィルムが、60〜20°、好ましくは50〜35°の範囲内にある頂角αを有して提供され得ることを示している。約1.45〜1.55の屈折率は、多くのより一般的な光学プラスチックの使用を可能にする。屈折率の好ましい範囲は、約1.47〜1.52の範囲内である。
いくつかの実施形態では、底角β1と底角β2が等しい。これらの角度が等しくない場合には、転向フィルム20は、同一面内で方向をその元の位置から交互に180度回転され得る。図9Aおよび図9Bに示されているように、転向フィルム20は、入射光が主角θin1にあるときに一方の位置に配置され、入射光が主角θin2にあるときに同一面内で180度回転される。この回転が行われたとき、近い面24および遠い面26の機能は、適切に変化する。
したがって、本発明は、低い屈折率の光学ポリマーを用いた低コストの転向フィルムの解決策を提供する。
本発明について、特にその特定の好ましい実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明の精神および範囲内で変更形態および変形形態がもたらされ得ることが理解されよう。本明細書に記載されている特許および他の出版物は、参照により本明細書に組み込まれる。
1、2、3、4 領域
10 導光板
12 光源
14 端面
16 出力面
18 入力面
20、20a、20b 転向フィルム
22 平面
24 近い面
25 セグメント面
26 遠い面
27 セグメント面
28 基体
29 切頂面
31、32、33、35 光線
34 光方向転換構造
41、42、43、45 光線
52 反射面
60 ディスプレイ装置
70 LC空間光変調器
72 後部偏光子
73 前部偏光子
75 光方向転換構造
82 点光源
100 ディスプレイ装置
120 光ゲートデバイス
122 転向フィルム
124 偏光子
125 反射偏光子
142 反射面
172、173 透過軸
α 頂角
β1 底角
β2 底角
γ 開先角度
n 屈折率
θin1 第1の導光板に対する入射角
θin2 第2の導光板に対する入射角
θout 出射角またはターゲット角
θ2 平面での屈折角
θ3 遠い面での入射角
θ4 遠い面での屈折角
θ5 遠い面での反射角
θ6 近い面での入射角
θ7 近い面での屈折角
V フィルムの垂線方向
V1 遠い面の垂線方向
V2 近い面の垂線方向
H 水平方向
R1 中心照明光線
10 導光板
12 光源
14 端面
16 出力面
18 入力面
20、20a、20b 転向フィルム
22 平面
24 近い面
25 セグメント面
26 遠い面
27 セグメント面
28 基体
29 切頂面
31、32、33、35 光線
34 光方向転換構造
41、42、43、45 光線
52 反射面
60 ディスプレイ装置
70 LC空間光変調器
72 後部偏光子
73 前部偏光子
75 光方向転換構造
82 点光源
100 ディスプレイ装置
120 光ゲートデバイス
122 転向フィルム
124 偏光子
125 反射偏光子
142 反射面
172、173 透過軸
α 頂角
β1 底角
β2 底角
γ 開先角度
n 屈折率
θin1 第1の導光板に対する入射角
θin2 第2の導光板に対する入射角
θout 出射角またはターゲット角
θ2 平面での屈折角
θ3 遠い面での入射角
θ4 遠い面での屈折角
θ5 遠い面での反射角
θ6 近い面での入射角
θ7 近い面での屈折角
V フィルムの垂線方向
V1 遠い面の垂線方向
V2 近い面の垂線方向
H 水平方向
R1 中心照明光線
Claims (10)
- ターゲット角に向かって光を方向転換するための光方向転換物品であって、
前記光方向転換物品が、
(a)入射角の範囲にわたって入射照明を受け入れるための入力面と、
(b)複数の光方向転換構造を備える出力面とを備え、
各光方向転換構造が、
(i)前記入力面に対して第1の底角β1で定義されるように、一方向に垂線から離れて傾斜する出射面と、
(ii)前記入力面に対して第2の底角β2で定義されるように、前記出射面に対して反対方向に垂線から離れて傾斜する第2の面とを有し、
前記第1および第2の面が、35°〜55°の範囲内の角度αで互いに向かい合い、
前記光方向転換物品が、1.60未満の屈折率を有する材料で形成され、
かつ前記ターゲット角θoutが、5°〜25°の範囲内である、光方向転換物品。 - 前記第1および第2の底角が、実質的に等しい、請求項1記載の光方向転換物品。
- 1.45〜1.55の範囲内の屈折率を有する材料から成る、請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記光方向転換物品が、異なる屈折率を有する少なくとも2つの材料で製作される、請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記出射面および前記第2の出射面の少なくとも一方に、複数の斜面がある、請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記出射面および前記第2の出射面の少なくとも一方の少なくとも一部にわたる湾曲がある、請求項1記載の光方向転換物品。
- 少なくとも1つの光方向転換構造が、先端が切り取られたような形である、請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記光方向転換物品が、入射照明の2つの異なる主角を有する2つの異なる導光板とともに利用され得る、請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記ターゲット角が、垂線から10°〜20°の範囲内である、請求項1記載の光方向転換物品。
- 前記複数の光方向転換構造が、実質的に平行であり、前記出力面の一端から他端まで延在している、請求項1記載の光方向転換物品。
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