JP2012504253A - 導光装置 - Google Patents

Abstract

より高い屈折率の要素間に低屈折率の中間層を備えた導光装置について説明する。この導光装置は、バックライトで使用するのに適している。
【選択図】図２

Description

本発明は導光装置に関する。この導光装置は様々な用途での使用に適し、特に、例えば液晶ディスプレイなどのディスプレイのバックライティングに関する用途に適する。

バックライトから生じる光の角度分布は、照明するディスプレイの効率及び視野角の両方を決定する上で重要である。

エッジリット型バックライトは、導光板の端部から導光板の出射領域全体にわたる地点へ光を導く。導光板内に閉じ込められて導光板の導光角内に伝播する光は、導光層の表面上の点状欠陥などの散乱構造により散乱することができる。粉末ＴｉＯ₂は、好適な散乱材料の一例である。このようなシステムの説明図を図１に示す。

図１では、透明ポリマーコア導光層（２）の端部にＬＥＤ（１）が配置されている。ＬＥＤからの光（３）は、導光層を通じて伝播し、点状欠陥（４）などの散乱構造により約９０°にわたって散乱する。図示の図では、装置を図のように上方から見ており、主光出射面を（５）で示している。通常、コア層は被覆されておらず、コアと周囲空気の間の屈折率のコントラストに依存して導光効果を与える。この種の構造から散乱した光は、出射角の全半球上の上面から放出される。

効率を高める試みでは、散乱構造を小ドット群の形で配置して、個々のドットの真上に低屈折率材料のマイクロレンズを配置することが知られている。このドットとマイクロレンズの組み合わせにより、バックライトにより与えられる出射角の範囲を或る程度制御できるようになる。しかしながら、このようなシステムでは、特定のシステムに対して望まれ得るだけの出射角の範囲の制御が常に行われるとは限らない。また、垂直入射から離れて入射する光に関しては、通常、バックライトの前方に位置する液晶スクリーンの透過率が低下し得るので、システム全体の透過率が低下する可能性がある。

国際公開第ＷＯ２００５／１０１０７０号

少なくとも別の、及び好ましくは、例えば光学効率を向上させた改善された導光装置を提供することが本発明の目的である。したがって、本発明は、高屈折率要素間に中間の低屈折率層を組み込むことにより、上述したような構成から実用的に集光できる光の角度範囲を大いに拡大できるという発見に部分的に基づく。

本発明の第１の態様によれば、
第１及び第２の被覆層の内面間に挟まれたコア導光層と、
第１の被覆層とコア導光層との間の境界面、及び／又は第２の被覆層とコア導光層との間の境界面に配置された複数の散乱構造と、
第１の被覆層の外層上に配列された一連のマイクロレンズと、
を備えた導光装置が提供され、マイクロレンズ及びコア導光層の屈折率は、被覆層の屈折率よりも大きい。

本発明のさらなる態様によれば、本発明の第１の態様による導光装置を備えたディスプレイ装置が提供される。このディスプレイ装置は液晶ディスプレイ装置とすることができ、従って液晶パネルとも呼ぶことができる液晶セルを備えることができる。

散乱構造は、コア導光層内に導かれた光を非誘導方向に屈折させる働きをする。コア導光層内に導かれた光は、導光装置内に保持されるとともに、散乱構造によって散乱されたものの導光装置から放射されるほど十分には散乱されていない光を含むことができる。非誘導方向は、散乱構造により約９０°にわたって散乱されて導光装置により放射される光を含む。

一連のマイクロレンズを配列した第１の被覆層の外層が、主光出射面である。光が非誘導方向かつ主光出射面の方向に実質的に９０°にわたって拡散されるようにするために、第１又は第２の被覆層の内面の一方、及び／又は第１及び第２の被覆層の内面に挟まれたコア導光層の表面の一方に点欠陥などの複数の散乱構造を設けることができる。これとは別に、或いはこれに加えて、コア導光層の本体内に散乱構造を配置することもできる。

散乱構造の各々は、その真上にマイクロレンズを配置することが好ましい。

導光装置は、少なくとも１つの光源からの光を受光し、全反射によって内部に少なくとも部分的に光を拘束するように構成される。特に、この導光装置は、エッジリット型導光装置として使用するのに適しており、装置の１又はそれ以上の端部に沿って１又はそれ以上の光源をさらに備えることができる。

コア導光層とマイクロレンズの間の被覆層を中間層と呼ぶことができる。マイクロレンズは、中間層と直接接触することが好ましい。

コア導光層の屈折率がｎ１であり、中間層の屈折率がｎ２であり、マイクロレンズの屈折率がｎ３である場合、好ましい関係はｎ３≧ｎ１＞ｎ２である。好ましくは、ｎ１及びｎ３のｎ２に対する屈折率の比率をできるだけ高くすべきである。特に、ｎ３／ｎ２を、例えば約１．２を上回るようにできるだけ高くすべきである。

本発明の様々な態様には多くの利点が伴い、これには、所望の範囲の出射角への光結合効率が向上すること、マイクロレンズ表面へのトポロジーがそれほど急勾配でないこと、角度分布に望ましくないピークを生じる可能性のある迷光が最小限となることが含まれる。光結合効率が向上すると、必要な入射光の量が低減され、従って光源のコストが削減される。本発明はまた、出射角を制御することもできるため、これに伴って視野角を設定することができる。

導光装置
導光装置は、照明、バックライティング、看板及びディスプレイ目的などの様々な機能に使用される。通常、導光装置は、射出成形又は鋳造された透明プラスチック部品で構築され、透明プラスチック部品の端部における機械的連結により、蛍光灯又は複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源が統合される。このような装置の例が、国際公開第ＷＯ２００５／１０１０７０号に記載されており、該特許内容はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。

これらの装置の全てに共通することは、光源からの光が、通常はプラスチックで作成される透明な導光板を通じ、全反射によって導かれるということである。エッジリット型バックライティングの用途では、非誘導光が、透明導光板内の光伝播方向の光に対して実質的に垂直方向に放射される。これは、透明導光板の内部又は表面上に位置する点欠陥又はフィルムなどの散乱構造と相互作用するように光が導かれることにより実現することができる。透明導光板の端部へ向けて蛍光灯又はＬＥＤを統合することができる。良好な結合を行うことが、装置の光学性能に関して重要である。

様々な技術に基づいて、ＬＥＤを導光層に結合することができる。これは、突き合わせ結合処理によって実現することができ、この場合、導光層の端部からの反射を低減させるように作用する高屈折率のフォトニック接着剤によるｕｖ硬化により、ＬＥＤが導光板の端部に取り付けられる。導光層を熱劈開又は研磨して、光源から導光層への光の良好な結合を容易にする好適な光学面を導光層の端部に提供することができる。

光源
光源は、バックライティングで使用するのに適した光源などの、当業者に公知のいずれの光源であってもよい。このような光源として、１又はそれ以上のＬＥＤ、冷陰極蛍光ランプ、レーザダイオード、有機発光ダイオード光源、及びその他のエレクトロルミネセント素子が挙げられる。光は非指向性であってもよい。特に、この光源は、エッジリット構成で使用するのに適していることが好ましい。ＬＥＤは、端面発光ＬＥＤ、側面発光ＬＥＤ、上面発光ＬＥＤ又はベアダイＬＥＤなどの、当業者に公知の設計のいずれであってもよい。

コア導光層
コア導光層は、様々な好適な光透過性ポリマー材料から作成することができる。好ましくは、コア導光層は高い光透過性を有するべきである。コア導光層に適した材料としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン及びその他の光学ポリマーが挙げられる。コア導光層は、必要な性能に応じて、通常は厚みが約０．５ｍｍ〜約４ｍｍの範囲、例えば１ｍｍである。コア導光層の屈折率は、約１．４〜約１．８であり、例えば１．５とすることができる。

マイクロレンズ
マイクロレンズは、通常、直径が約０．５〜５ｍｍの小型レンズである。特に、マイクロレンズは、直径が約２．２５ｍｍの半球を含むことができる。マイクロレンズは、通常、厚みが約０．００１ｍｍ〜１ｍｍの表面特徴を有することができるフレネルレンズとすることができる。マイクロレンズの屈折率は、約１．４〜約１．８であり、例えば１．６とすることができる。マイクロレンズに適した材料として、ポリカーボネート、ラッカーなどのｕｖ硬化材料、又はエポキシが挙げられる。

マイクロレンズアレイは、例えば射出成形できる、或いはリールツウリール熱エンボス加工技術又はｕｖ硬化リールツウリール技術により形成できる単一シートとして製造することができる。このようなシートの全体の厚みは、通常約０．０１ｍｍ〜１ｍｍとすることができる。

被覆層
被覆層は、様々な好適な光透過性ポリマー材料から作成することができる。被覆層は、コア導光層及びマイクロレンズよりも低い屈折率を有する。被覆層に適した材料としては、フルオロポリマーなどの透明ポリマーが挙げられる。

被覆層の厚みは、通常約０．０１ｍｍ〜０．３ｍｍである。被覆層の屈折率は、約１．２５〜約１．４であり、例えば１．３５とすることができる。被覆層に適した材料は、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）である。中間層の厚みに対するコア導光層の厚みの割合は、約５よりも大きいことが有利である。

反射層
光は、散乱構造により、（主光出射面に向かって）上向き及び下向き方向の両方に散乱される。第２の被覆層と実質的に平行に及びこの裏側に設置した反射シートを使用して、下向き方向に散乱された光を上向き方向に反射して戻すことが有利である。反射シートは、第２の被覆層に、この被覆層の主要面に沿って取り付けることができる。このような反射層は、例えば、上部にアルミニウム層を真空蒸着したポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの金属蒸着ポリマーフィルム又は類似物で作成することができる。

散乱構造
光が非誘導方向かつ主光出射面の方向に実質的に９０°にわたって拡散されるようにするために、第１又は第２の被覆層の内面の一方、及び／又は第１及び第２の被覆層の内面に挟まれたコア導光層の表面の一方に点欠陥などの複数の散乱構造を設けることができる。これとは別に、或いはこれに加えて、コア導光層内に散乱構造を配置することもできる。散乱構造はマイクロレンズと直接位置を合わせて配置されることが好ましい。散乱構造は、コア導光層の表面内又は被覆層の表面内への窪みとすることができる。或いは、コア導光層の表面又は被覆層の表面上にＴｉＯ₂などの粉末を堆積させることができる。

導光装置の用途
本発明による導光装置は、照明、バックライティング、看板及びディスプレイ目的などの様々な機能に使用することができる。

当技術分野では、液晶装置が周知である。透過モードで動作する液晶ディスプレイ装置は、通常、液晶パネルと呼ぶこともできる液晶セルと、導光装置を組み込んだバックライトユニットと、１又はそれ以上の偏光子とを備える。液晶セルも周知の装置である。一般に、液晶セルは、通常２つの透明基板を備え、これらの間に液晶材料の層が配置される。液晶ディスプレイセルは２つの透明板を備えることができ、これらの内面を透明導電性電極でそれぞれコーティングすることができる。液晶材料を構成する分子が好ましい方向に並ぶようにするために、セルの内面上に配向層が導入される。透明板は、スペーサによって約２ミクロンなどの好適な間隔まで分離される。透明板の間の空間をフロー充填によって満たすことにより、これらの間に液晶材料が導入される。セルの前方及び後方には偏光子を配置することができる。液晶セルの後方には、従来の手段を使用してバックライトユニットが配置される。動作中、透過モードで動作する液晶セルは、導光装置を含むことができるバックライトユニットなどの光源からの光を調整する。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を限定的な意味ではなく例示のみを目的として説明する。

公知のエッジリット型導光装置を示す図である。 公知の導光装置の側面図である。 本発明によるエッジリット型導光装置を示す図である。 本発明による導光装置の側面図である。 本発明による装置と比較装置の、放出される光の角度と放射強度を対比させたプロットである。

図１では、透明ポリマーコア導光層（２）の端部にＬＥＤ（１）が配列される。ＬＥＤからの光（３）は、導光層を通じて伝播し、点状欠陥（４）などの散乱構造により約９０°にわたって散乱して導光層から出る（３ａ）。図示の図では、装置を図のように上方から見ており、主光出射面を（５）で示し、点状欠陥（４）が反対側の下面に配置されている。コア導光層（２）をさらなる低屈折率の透明導光層（図示せず）間に挟むことにより、これを被覆することができる。見ている者には、点状欠陥により散乱される光のかなりの割合が伝わらない。

図２は、基本的に図１に示す従来技術の装置の側面図を、いくつかを追加して示している。第１（上側）及び第２（下側）の被覆層を（６）及び（７）でそれぞれ示し、マイクロレンズを（８）で示している。従来、低屈折率の、及び被覆層（６）と同じ屈折率のマイクロレンズが使用されてきた。被覆層（６）及び（７）のそれぞれの内面（６ａ）及び（７ａ）の間には、コア導光層（２）が挟まれる。被覆層（６）及び（７）は、コア導光層（２）よりも低い屈折率を有する。光散乱体を（４ａ）で示している。（１０）で示す円弧内を伝播する光線は、少なくともさらなる散乱構造にぶつかるまで導光装置内に誘導、すなわち保持される。光線（すなわち光子）が実質的に垂直に、又は少なくとも（１１）で示す範囲の角度内で散乱した場合、光線は導光装置から出て、ディスプレイ用途に有用な範囲内でマイクロレンズから抜け出す。

実際のシステムでは、説明した２つの角度範囲（１０）と（１１）の間に、或る角度範囲が存在する。この範囲を、（１２）で示す円弧によって表している。（１２）で表す角度内に散乱した光線すなわち光子は、制御不能な形でシステムから出ることができる。これらの中にはディスプレイを実用的に照明するように進むものもあるが、多くはそうでない。

図３は、本発明による構成を示しており、図４は、基本的にこのような構成の側面図である。図３及び図４では、被覆層（６）及び（７）の厚みを図２から減少させることにより導光装置が変更されている。図３では、これらの上側及び下側被覆層を、層（６ｂ）及び（７ｂ）としてそれぞれ示している。任意に、反射層（１４）を第２の被覆層（７ｂ）の後方に配置し、或いは第２の被覆層（７ｂ）に取り付けることができる。被覆層（６ｂ）及び（７ｂ）は、被覆層（６）及び（７）と比較して厚みが減少しているため、被覆層（６ｂ）及び（７ｂ）の厚みに対するコア導光層（２ａ）の比率は、より高いものになっている。また、マイクロレンズ（８ｂ）は、被覆層（６ｂ）及び（７ｂ）よりも屈折率の高い材料で形成される。この場合、通常マイクロレンズ（８ｂ）をコア導光層（２）と同じ高屈折率材料で作成することができるが、マイクロレンズの方が被覆層よりも屈折率が高くなる。集光される光の角度範囲は、主に光線が低屈折率材料の薄層（６ｂ）からマイクロレンズ（８ｂ）の高屈折率層内に屈折するときの光線角度の増加に起因して大幅に拡大する。図２において円弧（１２）で示した失われる可能性のある角度範囲はほとんど無くなり、これを図４では（１２ａ）で示している。したがって、本発明による新たなシステムの光学効率は大幅に高くなる。散乱構造は、図４においても（４）及び（４ｂ）で示している。

ここで、以下の実施例を参照しながら例示のみを目的として本発明を説明する。

ＴｉＯ２粒子を浸透させたスクリーン印刷インクを使用して、ＰＭＭＡシート（コア導光層）上に規則的ドットパターン（散乱特徴）を印刷した。感圧接着剤を使用して、ＦＥＰで作成した被覆層をコアの両側に積層させた。被覆層の一方の露出した主要面に沿って、やはり感圧接着剤を使用してアルミニウムめっきＦＥＰ層を施した（反射層）。他方の被覆層の露出した主要面上に、個別に射出成形した半球状のポリスチレンマイクロレンズのアレイを、ｕｖ硬化接着剤を使用して散乱特徴の真上に、これと位置を合わせて取り付けた。この装置を側方から照射した。

Ｚｅｍａｘレイトレーシングソフトウェアを使用して、２つのシステム（ａ）ｎ１＝ｎ３＝１．５かつｎ２＝１．３、及び（ｂ、比較例）ｎ２＝ｎ３＝１．３かつｎ１＝１．５について計算を行った。出射分布の差異を図５に示す。本発明による構成の光の分布は、０度に近い角度により顕著に集中しており（すなわち表面に対して垂直に放射されており）、このことは多くのバックライトシステムにとって理想的な状況である。

考察
薄い低屈折率の中間層と高屈折率のマイクロレンズとの組み合わせは、制御された、すなわちより狭い角度範囲にわたって高い放射エネルギーを提供する。本発明による装置は、広範囲の入射角による捕捉も可能とし、従って光学効率が高められる。

２ コア導光層
４ａ 光散乱体
６ 第１の被覆層
６ａ 第１の被覆層の内面
７ 第２の被覆層
７ａ 第２の被覆層の内面
８ マイクロレンズ
１０ 円弧
１１ 円弧
１２ 円弧

Claims (22)

1. 第１及び第２の被覆層の内面間に挟まれたコア導光層と、
   前記第１の被覆層と前記コア導光層との境界面に、及び／又は前記第２の被覆層と前記コア導光層との境界面に、及び／又は前記コア導光層内に配置された複数の散乱構造と、
   前記第１の被覆層の外層上に配列された一連のマイクロレンズと、
   を備え、前記マイクロレンズ及び前記コア導光層の屈折率が、前記被覆層の屈折率よりも大きい、
   ことを特徴とする導光装置。
2. 前記第１の被覆層と前記コア導光層との境界面、及び／又は前記第２の被覆層と前記コア導光層との境界面に複数の散乱構造が配置される、請求項１に記載の導光装置。
3. 前記散乱構造の各々が、その真上に配置されたマイクロレンズを有する、請求項１又は請求項２に記載の導光装置。
4. 前記マイクロレンズの屈折率と前記コア導光層の屈折率が実質的に同じである、請求項１から請求項３のいずれかに記載の導光装置。
5. 前記マイクロレンズの屈折率と前記コア導光層の屈折率が約１.４〜約１.８であり、前記第１及び第２の被覆層の屈折率が約１.２５〜約１.４である、請求項１から請求項４のいずれかに記載の導光装置。
6. 前記被覆層の屈折率に対する前記マイクロレンズの屈折率の比率が約１.２よりも大きい、請求項１から請求項５のいずれかに記載の導光装置。
7. 前記コア導光層の厚みが約０.５ｍｍ〜約４ｍｍである、請求項１から請求項６のいずれかに記載の導光装置。
8. 前記被覆層の厚みが約０.０１ｍｍ〜約０.３ｍｍである、請求項１から請求項７のいずれかに記載の導光装置。
9. 前記コア導光層が透明ポリマーで作成される、請求項１から請求項８のいずれかに記載の導光装置。
10. 前記コア導光層がポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）で作成される、請求項９に記載の導光装置。
11. 前記第１及び第２の被覆層が透明ポリマーで作成される、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の導光装置。
12. 前記マイクロレンズが、約０.５〜５ｍｍの直径を有する、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の導光装置。
13. 前記マイクロレンズがフレネルレンズである、請求項１から請求項１２のいずれかに記載の導光装置。
14. 前記フレネルレンズの表面特徴の厚みが、約０.００１ｍｍ〜１ｍｍである、請求項１３に記載の導光装置。
15. 前記マイクロレンズが、ポリカーボネート又はｕｖ硬化材料で作成される、請求項１から請求項１４のいずれかに記載の導光装置。
16. 前記第２の被覆層の外面に施された反射層をさらに備える、請求項１から請求項１５のいずれかに記載の導光装置。
17. 前記導光装置が、１又はそれ以上の光源をさらに備えてエッジリット型導光装置を形成する、請求項１から請求項１６のいずれかに記載の導光装置。
18. 前記１又はそれ以上の電源が、ＬＥＤ、冷陰極蛍光ランプ、レーザダイオード、有機発光ダイオード光源、及びその他のエレクトロルミネセント装置から選択される、請求項１７に記載の導光装置。
19. 前記１又はそれ以上の光源がＬＥＤであり、該ＬＥＤが、端面発光ＬＥＤ、側面発光ＬＥＤ、上面発光ＬＥＤ又はベアダイＬＥＤから選択される、請求項１８に記載の導光装置。
20. 前記１又はそれ以上の光源が、前記導光装置に突き合わせ結合される、請求項１７から請求項１９のいずれかに記載の導光装置。
21. 請求項１から請求項２０のいずれかに記載の導光装置を備える、ディスプレイ装置。
22. 前記ディスプレイ装置が液晶装置である、請求項２１に記載のディスプレイ装置。

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