JP2018518031A - 反射防止機構付き光ガイド - Google Patents

Abstract

反射防止機構付き光ガイドを開示する。光を吸収する反射防止機構を開示する。いくつかの実施形態では、光ガイドの非開始端における逆行反射によるピークは５％未満又は１％未満まで低減する場合がある。

Description

光ガイドは通常、光を一様に又は所望の面積範囲の上に運び、広げるために使用される一体型の透明体である。光は通常、開始端に沿って光ガイドの中に注入される。反射防止機構は境界面からの反射を抑制するために使用される。

一態様では、本明細書は光ガイドに関する。光ガイドは、第１の面内方向に沿って延びる開始端を有する開始領域と、導波領域と、導波領域に対して開始領域とは反対側にあり、非開始端を有する非開始領域と、を含み、非開始端は、第１の面内方向に平行な第２の面内方向に沿って延びる。導波領域は実質的に一定の厚さで、非開始領域は、開始端から非開始端へと光ガイド内を進む可視光の非開始端による可視の逆行反射を低減するための反射防止機構を含む。

別の態様では、本明細書は、開始端、及び開始端において可視光が平板光ガイド中に結合される際の特性出力分布を有する平板光ガイドに関し、極角の関数としての可視強度により特徴づけられる出力分布は１次ピークを含み、１次ピークはその半値全幅により区切られ、この半値全幅は３０度未満であり、１次ピークには光ガイドの全出力強度の７５％超が含まれる。出力分布には２次ピークも含まれ、この２次ピークには光ガイドの全出力強度の５％以下が含まれる。

光ガイドの立面図である。 逆行反射を示す図１の光ガイドの立面図である。 逆行反射の光学的効果を示す図１の光ガイドの立面図である。 反射防止機構を有する光ガイドの非開始領域の立面図である。 別の反射防止機構を有する光ガイドの非開始領域の立面図である。 別の反射防止機構を有する光ガイドの非開始領域の立面図である。 別の反射防止機構を有する光ガイドの非開始領域の立面図である。 別の反射防止機構を有する光ガイドの非開始領域の上面斜視図である。 光ガイドの角度対強度を見たグラフである。

図１は光ガイドの立面図である。光ガイド１００は開始端１１２を有する開始領域１１０と、導波領域１２０と、非開始端１３２を有する非開始領域１３０とを含む。

光ガイド１００は、光ガイドの特定の用途に適する任意の全体形状及びサイズであってもよい。通常、携帯用デバイスなどの薄さが非常に重要な要素となる用途には、より薄い光ガイドが望ましい。いくつかの実施形態では、光ガイドは、テレビなどの大きなサイズの用途において寸法安定性を得るために厚みを増してもよい。特定の光ガイドはくさび形状であってもよい。しかしながら、多くの最新用途では、そのようなくさび形の光ガイドは光抽出には優れているが、必ず一端を他端よりもずっと厚くする必要があり、積層するのが困難な全体形状及びサイズになる。光ガイドは任意の適切な材料から形成されてもよく、任意の適切なプロセスを経て形成されてもよい。いくつかの実施形態では、光ガイド１００は透明材料から形成される。いくつかの実施形態では、光ガイド１００はポリマーから形成される。いくつかの実施形態では、光ガイド１００はアクリルガラス（ＰＭＭＡ）又はポリカーボネートから形成される。適切な光ガイドは射出成型、研磨、付加製造、鋳造硬化、二光子マスタリング、エッチング、レーザーアブレーション、反応性イオンエッチング、又はその他の適切なプロセスなどのプロセスにより全体又は一部が形成されてもよい。いくつかの実施形態では、光ガイド１００は可撓性である。

光ガイド１００は適切なパターン、数、サイズの抽出体を含む。光ガイドと空気（あるいは別のより低屈折率の材料又は物質）との間の境界面において超臨界になることによりガイド内で全内部反射に別途閉じ込められた光（導波モード光）は、抽出体と相互作用し、光ガイドから漏れる又は放射することができる臨界前の光へと方向転換される。抽出体の形状とサイズの選択及び設計、並びに抽出体の配置及び配列により、光ガイドの面積範囲の上に、通常望ましい一様な光抽出を実現し得る。いくつかの実施形態では、所定の単位面積に対する抽出体の分布は勾配が付き、その単位面積に投射されたエネルギー密度に反比例する。換言すれば、光のエネルギー密度は光が光ガイドの中に注入される開始端に近いほど大きいため、活性領域全体にわたる光の一様性を維持するには抽出体は少ないのが望ましい。

開始端１１２を含む開始領域１１０は光ガイド１００のその他の部分より厚くてもよく、光源又は入射光を光ガイド中に結合させる際の補助となる注入光学系又は他の機構を含んでもよい。いくつかの実施形態では、１つ以上の光源は部分的に又は完全に開始領域に埋め込まれてもよく、より具体的には開始端に埋め込まれてもよい。開始領域１１０は光ガイドの活性領域の外側にあってもよく、それゆえディスプレイを照明するために使用する光に寄与するようには設計されていない。

導波領域１２０は実質的に一定の厚さであるべきである。実質的に一定の厚さとは導波領域の厚さの変化が５％以下、１％以下、又は０．１％以下であることを意味し得る。いくつかの実施形態では、実質的に一定の厚さとは導波領域の厚さが製造ばらつき以外では変化しないことを意味し得る。いくつかの実施形態では、実質的に一定の厚さとは導波領域の厚さが抽出体又は他の光学活性の微細要素の存在以外では変化しないことを意味し得る。

非開始領域１３０は導波領域に対して開始領域とは反対側にあり、非開始端１３２を含む。いくつかの実施形態では、他の図と共により詳細に説明されているように、非開始領域１３０は１つ以上の反射防止機構を含んでもよい。非開始領域１３０は光ガイドの活性領域の外側にあってもよく、それゆえディスプレイを照明するために使用する光に寄与するようには設計されていない。非開始領域１３０のいくらか又は一部は、バックライト又はディスプレイ中の光ガイド１００の据え付け又は固定に使用してもよい。

開始領域１１０、導波領域１２０、及び非開始領域１３０の正確な境界は幾分流動的である。しかしながら、いくつかの実施形態では、光ガイド１００の一部を各領域に割り当てると役立つ場合がある。例えば、いくつかの実施形態では、開始領域１１０及び非開始領域１３０は、光ガイドの直線範囲の最初と最後のそれぞれ２０％、１５％、１０％、５％、２％又は１％であってもよい。導波領域は直線範囲（すなわち中央の６０％、７０％、８０％、９０％、９６％、又は９８％）により光ガイド領域のバランスをとる。開始領域及び非開始領域はいくつかの実施形態では互いとサイズが異なる場合がある。いくつかの実施形態では、光ガイド１００の下に光の反射を増幅するための鏡面反射体が配設されている。

図２は逆行反射を示す図１の光ガイドの立面図である。光ガイド２００は開始端２１２を有する開始領域２１０と、導波領域２２０と、非開始端２３２を有する非開始領域２３０とを含む。例示的な光線２４０を示し、非開始端２３２における逆行反射を説明する。例示的な光線２４０は非開始端２３２に入射した際に光ガイド２００の外面における全内部反射によって導波されている。光ガイド２００及び周囲媒質間の比屈折率差と入射角とに応じて、例示的な光線２４０は非開始端の境界面において全内部反射するか、又は媒質の変化に起因するフレネル反射により部分的に反射する場合がある。いずれにしても、次に少なくとも一部の例示的な光線２４０は、開始端２１２から非開始端２１２まで光ガイドを進む光の法線方向に逆行する。非逆行光を抽出するために設計された抽出体は逆行光を抽出することがあるが、多くの場合意図された又は設計された方向ではない。

図３は逆行反射の光学的効果を示す図１の光ガイドの立面図である。光ガイド３００は開始端３１２を有する開始領域３１０と、導波領域３２０と、非開始端３３２を有する非開始領域３３０とを含む。逆行光３６０と同様に高コリメート光３５０が放射される。図３は光ガイド中で抽出された光の集合効果を示していることを除いては図２と同様である。多くの場合、光は高コリメート光３５０として抽出され得る。しかしながら逆行光３６０も存在する場合がある。高コリメート光に頼ったシステム（例えば、入力角度に高感度である転向フィルムシステム）に対して、この逆行光は不要な視覚アーチファクトを生成するか、又は見えるように設計されていない又は意図されていない位置からの視界を確保する場合がある。したがって、いくつかの用途においては、光ガイドによって生成される逆行光を除去するか、又はその量を減らすことが望ましいことがある。

図４は反射防止機構を有する光ガイドの非開始領域の立面図である。非開始領域４００は非開始端の上又は非開始端に沿って配置された反射防止機構４６０を含む。反射防止機構４６０は、吸収性塗料（黒色又はその他の適切な顔料）、吸収性テープ（リム又はその他の適切なタイプ）、又は交差した一対の吸収偏光子などの吸収性層であってもよい。いくつかの実施形態では、反射防止機構４６０は可視光を吸収し、赤外光などの不可視光として再放射するのに適した、量子ドット又は蛍光体などのダウンコンバータを含んでもよい。いくつかの実施形態では、反射防止機構４６０は、モスアイ構造、ナノ構造反射防止面、又は任意の適切な反射防止コーティングなどの反射防止面であってもよい。

図５は別の反射防止機構を有する光ガイドの非開始領域の立面図である。非開始領域５００は非開始端５６０及び非開始端の反対側に配設された反射防止機構５６２を含む。図５において、反射防止機構の配置及び非開始端の形状は、非開始端に入射する光のうちの少なくとも一部が非開始端により全内部反射し、反射防止機構内に結合されるようになっている。反射防止機構５６２は、吸収性層、テープ、ダウンコンバータ、又はその他の構造などの任意の適切な反射防止機構であってもよい。

図６は別の反射防止機構を有する光ガイドの非開始領域の立面図である。非開始領域６００は反射防止機構６６２の反対側のトップ面上に配置されたマイクロ構造６６０を含む。マイクロ構造６６０は空洞又は「窪んだへそ」状であり、空気又は別の低屈折率媒質で満たされている。マイクロ構造６６０は、光が反射防止機構６６２内に結合されるように、マイクロ構造と空気の間の境界面において光が全内部反射される点で、図５の非開始端５６０と同様の光学的挙動を示す。任意の適切な数のマイクロ構造６６０を使用して所望の反射防止効果を与えてもよい。マイクロ構造６６０は光ガイドの幅（紙面の内外）に直線的に延びてもよく、又は離散的な機構であってもよい。反射防止機構６６２は任意の吸収性又は本明細書で説明するその他の反射防止機構であってもよい。

図７は別の反射防止機構を有する光ガイドの非開始領域の立面図である。非開始領域７００は任意の適切な反射防止機構であり得る反射防止機構７６０を含む。いくつかの実施形態では、反射防止機構７６０は非開始領域７００内の微細複製又はカットされた溝で、後にカーボンブラックなどの吸収性材料で満たされる。任意の適切な形状及びサイズを有する複数の溝の反射防止機構７６０を使用して、所望の光の吸収を達成してもよい。

図８は別の反射防止機構を有する光ガイドの非開始領域の上面斜視図である。非開始領域８００は光ガイドの厚さ方向に沿って延びる複数の構造体８６０を含む。複数の構造体は鋳造硬化微細複製プロセスなどの任意の適切な手法により形成され得る。いくつかの実施形態では、複数の構造体は一体型の部品として光ガイドと一緒に射出成型される場合がある。いくつかの実施形態では、複数の構造体８６０は線状プリズムである。いくつかの実施形態では、複数の構造体８６０はそれぞれ頂角を有し、各頂角は９０度未満である。いくつかの実施形態では、各頂角は６０度未満である。いくつかの実施形態では、各頂角は４５度未満である。いくつかの実施形態では、各頂角は３０度未満である。いくつかの実施形態では、複数の構造体８６０は平らなファセットを有する。いくつかの実施形態では、複数の構造体８６０は平らなファセットに加えて、又はその代わりに曲線状のファセットを有する。いくつかの実施形態では、複数の構造体８６０は区分的に曲線状の又は平らなファセットを有する。

詳細に説明されていない他の反射防止機構も可能であり、検討されている。例えば、光ガイドは方向選択抽出を実現するくさび形抽出体を含んでもよい（すなわち光は第１の方向から抽出体に入射した際効率よく抽出されるが、第１の方向以外の方向から抽出体に入射した際は抽出の効率が下がる）。これらの抽出体を使用すると望ましくない逆行光の抽出を防止するのに役立ち得る。

もう一つの例は、非開始領域付近の抽出体の密度を急激に変化させることである。急激とは抽出体の密度の不連続又は段階的な変化、若しくは非開始領域付近の密度の連続的ではあるが著しく急な増加を指し得る。これは光が非開始端に到達して逆行光になるのを防止し得る。上に説明又は記載したどの反射防止機構も単独で又は組み合わせて使用することができる。

市販のＤＥＬＬ ＸＰＳシリーズノートパソコンのバックライト（Ｄｅｌｌ Ｉｎｃ．、ラウンドロック、テキサス州から入手可能）を取り外した。光ガイド以外の他のバックライト部品と付属のＬＥＤとを離間してわきにおいた。背面反射体を高鏡面反射体（Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｓｐｅｃｕｌａｒ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ、ＥＳＲ）（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ、セントポール、ミネソタ州から入手可能）で置き換え、光ガイド／反射体の組み合わせをバックライトＰシャーシの中に戻した。ＬＥＤを外側で駆動した。光ガイド／反射体の輝度対視野角をＷＥＳＴＡＲ ＦＰＭ−５２０ディスプレイ光学測定システム（Ｗｅｓｔａｒ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、セントチャールズ、ミズーリ州から入手可能）によりＰＲ−７０５ ＳＰＥＣＴＲＡＳＣＡＮ分光放射計（Ｐｈｏｔｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．、チャッツワース、カリフォルニア州から入手可能）を使用して測定した。輝度を強度に変換し、その後測定した最大値の百分率として正規化した。この強度は視野角の関数として図９に「初期」と示されている。

光ガイド／反射体の組み合わせを取り外した。黒色のＫＲＹＬＯＮ ＳＨＯＲＴ ＣＵＴＳ趣味／工芸用マーカーペン（Ｓｈｅｒｗｉｎ−Ｗｉｌｌｉａｍｓ Ｃｏ．、クリーブランド、オハイオ州から入手可能）を使用して光ガイドの非開始端に黒色の塗料を塗布した。光ガイド／反射体の組み合わせをＰシャーシに戻し、前回同様に測定した。この強度は視野角の関数として図９に「黒色先端部」と示されている。

１次ピーク及び（逆行反射による）２次ピークの半値全幅の値（ＦＷＨＭ）を算出し、処理なし及び塗料付きの両方の光ガイドのデータに対してこれらのピーク内の強度の百分率を算出した。処理なしの場合、全光ガイド強度の７７．２％が１次ピークのＦＷＨＭ内にあり、全光ガイド強度の６．２％は２次ピークのＦＷＨＭ内にあった。非開始端を黒色に塗った場合、全光ガイド強度の８５．２％が１次ピークのＦＷＨＭ内にあり、全光ガイド強度の０．４％が２次ピークのＦＷＨＭ内にあった。１次ピークのＦＷＨＭは２７度であった。

以下は、本開示による例示的な実施形態である。

項目１
第１の面内方向に沿って延びる開始端を有する開始領域と、
導波領域と、
導波領域に対して開始領域とは反対側にあり、非開始端を有する非開始領域と、を含む光ガイドであって、非開始端は第１の面内方向に平行な第２の面内方向に沿って延び、
導波領域は実質的に一定の厚さであり、
非開始領域は、開始端から非開始端へと光ガイド内を進む可視光の非開始端による可視の逆行反射を低減するための反射防止機構を含む、光ガイド。

項目２反射防止機構は非開始端上に配置された吸収性塗料を含む、項目１に記載の光ガイド。

項目３反射防止機構は第２の面内方向に直交する厚さ方向に沿って延びる複数の構造体を含む、項目１に記載の光ガイド。

項目４複数の構造体は線状プリズムを含む、項目３に記載の光ガイド。

項目５複数の構造体のそれぞれが頂角を有し、各頂角は４５度未満である、項目３に記載の光ガイド。

項目６光ガイドが可撓性である、項目１に記載の光ガイド。

項目７反射防止機構は光ガイドの非開始端上に配置された吸収性テープを含む、項目１に記載の光ガイド。

項目８反射防止機構は非開始端に近接配置されているが非開始端上にはない吸収性テープを含み、吸収性テープの配置及び非開始端の形状は、開始端から非開始端に入射する光のうちの少なくとも一部が吸収性テープ内に結合されるように構成されている、項目１に記載の光ガイド。

項目９反射防止機構は非開始端付近の急激に密集する抽出体領域を含む、項目１に記載の光ガイド。

項目１０反射防止機構はナノ構造反射防止面を含む、項目１に記載の光ガイド。

項目１１反射防止機構は非開始端に近接して非開始端に平行に延びる溝を含み、溝はカーボンブラックを含む、項目１に記載の光ガイド。

項目１２反射防止機構は非開始端上に反射防止コーティングを含む、項目１に記載の光ガイド。

項目１３反射防止機構はモスアイ構造を含む、項目１に記載の光ガイド。

項目１４反射防止機構はダウンコンバータを含む、項目１に記載の光ガイド。

項目１５項目１に記載の光ガイドを含むバックライト。

項目１６項目１５に記載のバックライトを含むディスプレイ。

項目１７開始端、及び開始端において可視光が平板光ガイド中に結合される際の特性出力分布を有する平板光ガイドであって、極角の関数としての可視強度により特徴づけられる出力分布は、
自身の半値全幅により区切られ、３０度未満の半値全幅を有し、光ガイドの全出力強度の７５％超を含む、１次ピークと、
光ガイドの全出力強度の５％以下を含む２次ピークとを含む、平板光ガイド。

項目１８１次ピークは光ガイドの全出力強度の８０％超を含み、２次ピークは光ガイドの全出力強度の１％以下を含む、項目１７に記載の光ガイド。

項目１９項目１７に記載の光ガイドを含むバックライト。

項目２０項目１９に記載のバックライトを含むディスプレイ。

図における要素に関する記載は、別段の指定がない限り、他の図の対応する要素に等しく適用されると理解すべきである。本発明は、上述の特定の実施例及び実施形態に限定されると考えられるべきでなく、そのような実施形態は、本発明の様々な態様の説明をわかりやすくするために詳細に説明されている。したがって、本発明は、添付の請求項及びその均等物により定義される発明の範囲内の各種変形例、同等な処理、及び代替装置のような発明の全態様を網羅するものと解されるべきである。

Claims (20)

1. 第１の面内方向に沿って延びる開始端を有する開始領域と、
   導波領域と、
   前記導波領域に対して前記開始領域とは反対側にあり、非開始端を有する非開始領域と、を含む光ガイドであって、
   前記非開始端は前記第１の面内方向に平行な第２の面内方向に沿って延び、
   前記導波領域は実質的に一定の厚さであり、
   前記非開始領域は、前記開始端から前記非開始端へと前記光ガイド内を進む可視光の前記非開始端による可視の逆行反射を低減するための反射防止機構を含む、光ガイド。
2. 前記反射防止機構は前記非開始端上に配置された吸収性塗料を含む、請求項１に記載の光ガイド。
3. 前記反射防止機構は前記第２の面内方向に直交する厚さ方向に沿って延びる複数の構造体を含む、請求項１に記載の光ガイド。
4. 前記複数の構造体は線状プリズムを含む、請求項３に記載の光ガイド。
5. 前記複数の構造体のそれぞれが頂角を有し、各頂角は４５度未満である、請求項３に記載の光ガイド。
6. 前記光ガイドが可撓性である、請求項１に記載の光ガイド。
7. 前記反射防止機構は前記光ガイドの前記非開始端上に配置された吸収性テープを含む、請求項１に記載の光ガイド。
8. 前記反射防止機構は前記非開始端に近接配置されているが前記非開始端上にはない吸収性テープを含み、前記吸収性テープの配置及び前記非開始端の形状は、前記開始端から前記非開始端に入射する光のうちの少なくとも一部が前記吸収性テープ内に結合されるように構成されている、請求項１に記載の光ガイド。
9. 前記反射防止機構は前記非開始端付近の急激に密集する抽出体領域を含む、請求項１に記載の光ガイド。
10. 前記反射防止機構はナノ構造反射防止面を含む、請求項１に記載の光ガイド。
11. 前記反射防止機構は前記非開始端に近接して前記非開始端に平行に延びる溝を含み、前記溝はカーボンブラックを含む、請求項１に記載の光ガイド。
12. 前記反射防止機構は前記非開始端上に反射防止コーティングを含む、請求項１に記載の光ガイド。
13. 前記反射防止機構はモスアイ構造を含む、請求項１に記載の光ガイド。
14. 前記反射防止機構はダウンコンバータを含む、請求項１に記載の光ガイド。
15. 請求項１に記載の光ガイドを含むバックライト。
16. 請求項１５に記載のバックライトを含むディスプレイ。
17. 開始端、及び前記開始端において可視光が平板光ガイド中に結合される際の特性出力分布を有する平板光ガイドであって、極角の関数としての可視強度により特徴づけられる前記出力分布は、
    自身の半値全幅により区切られ、３０度未満の半値全幅を有し、前記光ガイドの全出力強度の７５％超を含む、１次ピークと、
    前記光ガイドの前記全出力強度の５％以下を含む２次ピークとを含む、平板光ガイド。
18. 前記１次ピークは前記光ガイドの前記全出力強度の８０％超を含み、前記２次ピークは前記光ガイドの前記全出力強度の１％以下を含む、請求項１７に記載の光ガイド。
19. 請求項１７に記載の光ガイドを含むバックライト。
20. 請求項１９に記載のバックライトを含むディスプレイ。

Images