(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
離れた場所にいる観察者に画像を提供することができる電子光学ディスプレー（２）に使用するバックライト組立体であって、
光発生装置（６）、前記光発生装置に接近して配置された開口装置（８）、前記開口装置から光を受ける第１の平行化装置（10）及び第２の平行化装置（12）、並びに光を変調する変調装置（16）を含み、
第１の平行化装置（10）は前記開口装置（８）と第２の平行化装置（12）との間に配置され、第１の平行化装置（10）は多数の光学的なマイクロコリメータ（30）を含み、各マイクロコリメータ（30）は前記開口装置（８）に接近した平坦な光入力面（32）及び平坦な光入力面に平行であり平坦な光入力面より大きい表面積の平坦な光出力面（34）を有し、マイクロコリメータ（30）はマイクロコリメータの間及び周囲の材料より高い屈折率の材料を内部に含み、前記第２の平行化装置（12）は多数のマイクロレンズ（40）を含み、使用中に光線がマイクロコリメータ（30）内部の内部反射を経由し第１の平行化装置（10）を通り伝達されて前記光出力面（34）から出るバックライト組立体。
【請求項２】
請求項１に記載のバックライト組立体であって、第２の平行化装置（12）は第１の平行化装置（10）に隣接して配置され且つ平坦な光入力面を有し、この平坦な光入力面は、第１の平行化装置から平行にされた光線を受け、光線を屈折させて伝達し、光線をディスプレー（２）へ指向し、第２の平行化装置の平坦な光入力面は第１の平行化装置の平坦な光出力面（34）に隣接するバックライト組立体。
【請求項３】
前記開口装置（８）及び第１の平行化装置（10）は、反射面を有する傾斜付き光学部材の列を含む請求項２に記載のバックライト組立体。
【請求項４】
前記開口装置（８）は光発生装置（６）と前記変調装置（16）の間に配置される請求項１に記載のバックライト組立体。
【請求項５】
前記第２の平行化装置（12）のマイクロレンズ（40）は平坦な光入射面及び球形の出力面を有する請求項１に記載のバックライト組立体。
【請求項６】
前記第１の平行化装置（10）及び第２の平行化装置（12）は有機ポリマー材料から製造され、約1.45乃至1.65の間の屈折率を有する請求項１に記載のバックライト組立体。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
a.発明の分野
本発明は、例えば液晶ディスプレーにような直視型電子光学ディスプレーに関し、特に、明るい光が一様に配分されるように設計された軍事用及び航空機用に適した小さい輪郭組立体のバックライトディスプレーの分野に関する。
b.従来技術の説明
現在、従来のCRTに依存しない大きなフルカラーディスプレイ装置を提供することに大きな労力が払われている。例えば、1993年３月に発行された「サイエンティフィックアメリカン」のフラットパネルディスプレー第90乃至97ページ参照。テレビジョン受信機、コンピュータのモニター、航空機用のディスプレー、宇宙航空ディスプレー及び軍用ディスプレーのような装置において、CRT技術を排除することが望ましい。CRT技術の欠点に関する説明は米国特許第4,843,381号及び米国特許第5,128,783号及び米国特許第5,161,041号参照。
例えば、プロジェクションディスプレー装置、オフスクリーンディスプレー装置及びダイレクトビューディスプレーのようなディスプレー装置は公知である。例えば、EP02525755Al、米国特許第4,659,185号及び米国特許第5,159,478号、及び日本の公開公報第24106及び42241号参照。このようなディスプレーは、テレビジョン受信機、コンピュータのモニター、航空機用のディスプレー、宇宙航空ディスプレー、自動車計器パネル及びテキスト、グラフまたはビデオ情報を提供する他の装置に広範に使用される。これらのタイプのディスプレーは、従来のCRTディスプレーと置換され小さい輪郭、軽量及び低電力消費を提供する。
CRTの欠点をなくすことができる１つのディスプレーはフラットパネルの液晶ディスプレー（LCD）である。通常LCDは、反射式または伝達式のいずれかである。反射ディスプレーはディスプレーを見るためにまわりの光の条件に依存する。伝達式LCDは、ディスプレーの画像ができるだけ明るくなることを保証するために照明装置またはバックライトを必要とする。しかしながら、LCDは多数の固有の欠点がある。例えば、（ディスプレーの表面に対して直角な方向から大きな角度の）大きな視角において、LCDは低いコントラストを呈し、視角が変化するとき色度が変化する。
バックライトの特性は、LCDの画素のマトリクス配列によって表示される画像の品質及びディスプレーの輪郭の双方に対して重要である。過去のバックライト装置の欠点の検討については米国特許第5,128,783号及び米国特許第5,161,041号参照。
従って、フラットパネル電気ディスプレー技術において小さい輪郭を維持しながら、フラットパネル電子光学ディスプレー分野において十分な輝度と一様なコントラストの画像とを提供し、広範な視覚にわたって見ることができる改良された照明／光学装置のニーズがある。
発明の要約
本発明は、大きいコントラストの有効な明るい一様な画像を提供し、広い目視角度にわたって見ることができる改良されたバックライト電子ディスプレーを有する直視型フラットパネルディスプレーに関する。フラットパネルディスプレーの一例は、本発明の特定の用途を実施するためにのみ言及される液晶ディスプレーであり、示した正確な形態に本発明を制限しようとするものではない。
改良されたバックライト液晶ディスプレーは、離れた場所にいる者に画像を提供することができる変調装置を有し、この変調装置は、開口装置に近い光源を有する改良されたバックライト組立体から間隔を置いて配置されており、この開口装置は、光源と変調装置との間に接近して作動可能に配置された開口部の配列と、拡散する光線を平行にして開口装置から出るようにする第１の装置とを有し、第１の平行化装置は、開口装置と変調装置との間の近傍に配置されており、さらに第１の平行化装置から出る光線を平行化する第２の装置を有し、前記第２の平行化装置は、第１の平行化装置と変調装置との間に密接して配置されている。本発明の他の特徴において、第１の平行化装置は、開口装置の機能を組み込んでおり、バックライト組立体は、平行化装置と組み合わされた光集中装置を有する。
本発明のディスプレーの改良は、開口部装置及び第１及び第２の平行化装置が小さい輪郭の組立体に設けられた十分なエネルギーの明るく一様に配分された光源を提供することである。
本発明の１つの特徴によれば、開口装置は、平坦な反射面に配列された開口部のアレイを有する。第１の平行化装置は、マイクロコリメータの配列を有する。第２の平行化装置はマイクロレンズの対応する配列を有する。マイクロコリメータは、開口装置に接近した平坦な光入力面と、基板に隣接すると共に光入力面から離れてそれと平行な平坦な光出力面とを有する傾斜した光学部材、即ちテーパの付いた光学部材であり、光出力面は光入力面より大きく、光出力面積は光入力面積より大きい。光源からの拡散光線は、開口部をマイクロコリメータの光入力面まで通過し、マイクロコリメーの側面から内側への全反射を介してマイクロコリメータの配列を通って走行する。傾斜構造は、各マイクロコリメータの出力が一部が平行にされた光源になるように光源の一部を平行にする。マイクロコリメータの出力は、適当な距離でマイクロコリメータに隣接して配置されたマイクロレンズの対応する配列に向かう。光は各マイクロレンズを反射を介して伝達され、変調装置用にさらに平行にされた光源としてマイクロレンズの配列から出る。
本発明の他の特徴において、開口装置と第１の平行化装置との機能はマイクロコリメート部材の１つの組に組み合わされる。マイクロコリメータは、ミラー側壁と、光源に密接入力面接近した平坦な光入力面とを有する平坦な基板上の傾斜光学部材であり、入力面は、開口装置と、基板に隣接し、光入力面から間隔を置きそれに平行は平坦な光出力面として作用し、光出力面の面積は、光入力面よりも大きい。光源からの平行でない光源は、マイクロコリメータのミラー側から１回または２回の反射を介してマイクロコリメータの配列を通過する。各マイクロコリメータの出力が部分的に平行な光源となるように傾斜構造は光源を部分的に平行にする。マイクロコリメータからの出力は、適当な距離でマイクロコリメータに隣接して配置されるマイクロレンズの対応する配列に向かう。この光は反射を介して各マイクロレンズを通して伝達され、変調装置用にさらに平行にされた光としてマイクロレンズの配列から出る。
本発明の他の特徴において、開口装置は、平坦な反射面に配列された開口部の配列を有する。第１の平行化装置は、透明材料の平坦なスラブ（slab;厚板）を有し、第２の平行化装置はマイクロレンズの配列を有する。第１の平行化装置の透明材料の平坦なスラブは、開口装置と第２の平行化装置が空気で充填される場合よりも開口装置からの光が狭い角度配分に向かうことができるようにする。第１の平行化装置の出力は、開口部の配列に空間的に整合されると共に第１の平行化手段に隣接して配置されたマイクロレンズの配列に向かう。光は屈折を介して各マイクロレンズを通って伝達され、変調装置用にさらに平行にされた光源としてマイクロレンズの配列から出る。
本発明の他の特徴によれば、バックライト組立体は平行化装置と組み合わされた光集中装置を有する。光集中装置は、マイクロコンセントレータの配列である。マイクロコンセントレータは、ミラー側壁と、基板に隣接した平坦な光入力面と、光入力面から離れてそれと平行な平坦な出力面とを有する平坦な基板い取り付けられた光学部材であり、光出力面の面積は、光入力面の面積より小さい。光源からの平行でない光線は、マイクロコンセントレータのミラー側から１回またはそれ以上の反射を介してマイクロコンセントレータの配列を通過する。傾斜構造は、各マイクロコンセントレータの出力がマイクロコンセントレータの光入力面の面積よりも小さい面積である光源になる。マイクロコンセントレータの出力は、適当な距離でマイクロコンセントレータ上に配置されたマイクロレンズの対応する配列に向かう。この光は、屈折を介して各マイクロレンズを通って伝達され、変調装置用にほぼ平行にされた光源としてマイクロレンズから出る。
本発明の各特徴において、平行でない光源は、所定の光構成を確定する１つの細長い曲がった管状に傾斜部から成る。別の例として平行でない光源は複数の別になった管状のランプから成り、所定の照明形状を画定する。さらに、バックライト組立体は、ストレー光線をマイクロコンセントレータの配列に向けるために平行でない光源の背後に配置されたミラーのような反射面を有する。
本発明の改良されたバックライト構成は、受動ディスプレー並びに能動マトリクス電子ディスプレーにおいて等しく有効に作動する。
本発明の他の目的、効果及び新規な特徴は、次の説明において一部が説明され、次の実施例によって当業者に明らかになり、本発明のプラクティスによって学習される。本発明による目的及び利点は、特に請求の範囲で指摘した装置及び組み合わせによって実現され達成される。
【図面の簡単な説明】
本発明の上述した及び他の目的及び効果は、全体にわたって同じ参照符号が同じ部品を説明するために使用される図面と関連して行われる次の説明から明らかになる。
第１図は、本発明によって構成された液晶ディスプレーの実施例の断面図である。
第２図Ａは、本発明によるバックライト組立体の１つの実施例の拡大断面図である。
第2B図は、本発明によるバックライト組立体の１つの実施例の拡大断面図である。
第３図Ａ乃至第３図Ｄは、本発明の開口装置の可能な構成の平面図である。
第４図は、１つのマイクロコリメータの断面図である。
第５図Ａ乃至第５図Ｃは、マイクロコリメータの配列を有する第１の平行化装置の他の構成の斜視図である。
第７図Ａ乃至第７図Ｃは、マイクロレンズの配列を有する第２の平行化装置の他の構成の斜視図である。
第８図Ａ乃至第８図Ｃは、開口装置と、マイクロコリメータの配列と、マイクロレンズの配列とを有する本発明の他の構成の斜視図である。
第９図は、透明な材料の平坦なスラブを有する他の実施例である。
第10図Ａ乃至第10図Ｃは、透明な材料の平坦なスラブを有する他の実施例の斜視図である。
第11図は、マイクロコンセントレータの配列を有する他の実施例である。
第12図は、１つのマイクロコンセントレータの断面図である。
第13図Ａ乃至第13図Ｃは、マイクロコンセントレータの配列を有する本発明の他の構成の斜視図である。
第14図Ａ乃至第14図Ｃは、マイクロコンセントレータの配列とマイクロレンズの配列を有する本発明の他の構成の斜視図である。
第15図Ａ及び第15図Ｂは、マイクロコリメータ、マイクロコンセントレータ及びマイクロレンズの製造方法を示す。
好ましい実施例の詳細な説明
本発明の好ましい実施例は、上述した図面を参照することによって当業者がさらによく理解できるであろう。図面に示した本発明の好ましい実施例は本発明を示した形態そのものに制限することを意図するものではない。それらは本発明の原理及びその適用及び実際的な使用を説明するために、当業者が最もよく活用することができるように選択されたものである。
本発明の１つの好ましい用途は、数字２によって表される第１図に示す液晶ディスプレーのようなフラットパネルディスプレー用のバックライト装置である。ディスプレーは光発生装置６と、光反射装置４と、開口装置８と、第１の平行化装置10と、第２の平行化装置12と、追加的な入力光極性化装置14と、変調装置16と、追加的な出力光極性装置18と、追加的な出力光極性化装置18と、画像ディスプレー装置20とを有する。
光発生装置６と、反射装置４と、入力光極性化装置14と、変調装置16と、出力光極性化装置18と、ディスプレー装置20の正確な特徴は、重要なものではなく、広範に変化し、フラットパネルディスプレーの技術分野で従来から使用されるような部材を本発明に使用することができる。有効な光発生装置６の例は、曲がりくねったまたは別になった蛍光管の光を含む。有効な反射装置４は、金属反射器と、金属コートガラスミラーと、フォスフォールスクリーンと、チタニクムダイオキサイド層等のような白い表面でコートされた反射器とを含む。使用可能な極性化装置14及び18の例は、プラスティックシートのポラロイド材料等である。図示した変調装置16は、液晶セル、電子クロミック変調器及びリードジルコニウムランタンチタン（PZLT）変調器である。液晶セルの液晶材料材料は、広範に変化することができ、ツイストネマティク材料（TN）、超ツイストネマティク材料（STN）及びポリマー放散液晶（PDLC）材料を含むがそれには制限されないものである。このような液晶材料は、行列のマトリックス配列で当業者に知られている。1993年７月１日に出願された好ましいディスプレー装置16は米国特許出願第08/086,414号に示されている。
第１図において、光発生装置６は、開口装置８に接近しており、開口装置８は、極性装置10に接近しており、極性装置10は、第２の平行化装置12に接近している。第２の平行化装置12は、変調装置16に接近している極性化装置14の近傍にある。ここで使用する用語の「接近」は、部材とその機能に依存して約2.54cm（１インチ）未満に配置されることを意味する。
第２図Ａは、光発生装置６と、反射装置４と、開口装置８と、第１の平行化装置10と、第２の平行化装置12との分解断面図である。開口装置８は、反射領域24と、透明な開口領域22とを有する基板21を有する。第１の平行化装置10は、マイクロコリメータ30の配列を有する。マイクロコリメータ30は、接着剤促進層28を介して平坦な基板26に取り付けられている傾斜（tapered）光学部材である。マイクロコリメータ30は、開口装置８の透明な開口部22に隣接した平坦な光入力面32と、傾斜側面33と、光入力面32よりも表面積が大きい平坦な光出力面34とを有する。光源６からの平行ではない光は、開口装置８の開口部22を通過し、マイクロコリメータの側面33から内側に全反射を介してマイクロコリメータ30の配列を通過する。傾斜構造は各マイクロコリメータの出力での光線の一部を平行にする。好ましくは、バックライト組立体は、開口部22を通ってストレー光線を反射する反射装置４を有する。
第２の平行化装置12は、マイクロコリメータ30上に配置されたマイクロレンズ40の対応する配列を有する。マイクロレンズ40の配列は、接着剤促進層38を介して基板36に取り付けられる。基板26及び36の高さは、さらに平行にされた光を得るためにマイクロコリメータ30とマイクロレンズ40との間に必要な距離に等しい寸法である。光は、屈折を介して各マイクロレンズを通って伝達され、変調装置16用のさらに平行化された光としてマイクロレンズから出る。
平坦な基板21,26及び36は、約400乃至700nmの範囲の波長の範囲の光を通す。以下に説明するような好ましい製造方法において、基板26及び36は、約250乃至約400nmの範囲の紫外線（UV）を通すようになっている。この範囲は、紫外線（UV）によって始まる反応モノマーの光重合によってマイクロコリメータ及びマイクロレンズを形成することが可能とする。これらの３つの基板の屈折率は等しいかほぼ等しく、約1.45乃至約1.65の範囲である。最も好ましい屈折率は、約1.50乃至約1.60である。基板21,24,26は、透明な固体材料から製造することができる。好ましい材料は、透明なポリマー、ガラス及び溶融シリカを有する。これらの材料の望ましい特性は、装置の通常の作動温度で機械的光学的な安定性を有する。もっとも好ましい材料は、ガラス、アクリル、ポリカーボネート及びポリエステルである。また基板26及び36は、マイクロコリメータ30及びマイクロレンズ40との間のスペーサとして作用する。基板26及び30の組み合わされた厚さは、マイクロレンズ40によってマイクロコリメータ30からの光を平行にするために適性化される。
マイクロコリメータ30及びマイクロレンズ40は、透明な固体ポリマー材料から製造される。好ましい材料は、基板と等しいかまたはほぼ等しい約1.45乃至約1.65の間の屈折率を有し、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリスチレン及びアクリレートモノマーの光重合によって形成されたポリマーを含む。さらに好ましい材料は、約1.50と約1.60との間の屈折率を有し、ウレタンアクリレート及びメタクリルレート、エステルアクリレート及びメタクリレート、エポキシアクリレート及びメタクリレート（ポリ）エチレングリコールアクリレート及びメタクリレート及び有機モノマーを含むビニールから成るアクリレートモノマー混合物の光重合によって形成されるポリマーを含む。有効なモノマーは、メチルメタクリレート、ｎブチルアクリレート、２エチルヘキシルアクリレート、1,4ブタネヂオールジアクリレート、エソキシレートビスフェノールＡジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、1,6ヘキサネジオールジアクリレート、トリメチロールプロパン、トリアクリレート、ペンタエリチリトルトリアクリレート、ペンタエリチリトルテトラアクリレートを含む。特に有効なものは少なくとも１つのモノマーが反応フォトポリマーと架橋結合した網状組織を形成するようなジアクリレートまたはトリアクリルレートのような複数機能のモノマーである混合物である。本発明の方法に使用される最も好ましい材料は、エソキシレートビスフェノールＡジアクリレート及びトリメチルプロパントリアクリレートの光重合混合物によって形成された架橋結合ポリマーである。最も好ましい材料の屈折率は約1.53乃至約1.56の範囲である。
マイクロコリメータ30の間の隙間領域35の屈折率は、各マイクロコリメータ30の屈折率未満でなければならない。隙間領域の好ましい材料は、1.00の屈折率の空気か、約1.30乃至1.40の間の屈折率を有するフルオロポリマー材料である。最も好ましい材料は空気である。
第２図Ａに示す接着推進層28及び38は、光伝達性の有機材料であり、例えば光重合アクリレートモノマー材料のようなポリマーから形成されたマイクロコリメータ30及びマイクロレンズ40がそれらの各基板に強く接着するようにする。このような材料は、当業者によく知られている。接着促進層の厚さは重要ではなく、広範に変化する。本発明の好ましい実施例において、接着層28及び38は、約１マイクロメータ未満の厚さである。
第２図Ｂは、第２図Ａに示す開口装置８の機能が第１の平行化装置10と組み合わされる本発明の他の実施例を示す。第２図Ｂにおいて、マイクロコリメータ30の側部33は、反射層でコートされミラー表面を形成する。入力端部32は、光線を受けるために透明のままであり、マイクロコリメータの配列の入力開口部になる。マイクロコリメータの側面33に使用されるコーティングは、アルミニウム、クロームまたは銀のような反射材料である。
第３図Ａは、基板21と、反射領域24と、透明な開口領域22とを有する開口装置８の断面図である。この図面において、開口領域22は、第３図Ｂに示すように正方形または矩形の配列に配置されるが、第３図Ｃに示すような６角形のパターンのような他の構成も可能である。開口領域22は、長さ寸法42と、幅寸法44と、直径50とを有する第３図Ｂ及び第３図Ｃに示すような矩形または円のような形状である。光の開口部22の面積の合計は、基板21の面積全体の約５％乃至約50％の範囲である。さらに好ましくは光の開口部22の面積の合計は、基板21の面積全体の約10％乃至約40％の範囲である。もっとも好ましいのは、光の開口部22の面積の合計は、基板21の面積全体の約20％乃至約30％の範囲である。寸法42,44及び50は、これらのパラメータと合致するように調整される。
開口領域22は、第３図Ｂの繰り返し距離46及び48及び第３図Ｃの52及び54を有する。繰り返し距離46,48,52及び54は、等しいかまたは等しくなく、ディスプレーの解像度及び寸法に依存して広範に変化する。繰り返し距離38及び40の所望の値は、約10ミクロン乃至約40ミリメートルの範囲である。繰り返し距離38及び40のさらに好ましい値は、約50ミクロン乃至約10ミリメートルの範囲である。繰り返し距離38及び40の最も好ましい値は、約100ミクロン乃至約２ミリメートルの範囲である。第３図Ｄは、開口部22の他の形状を示す。各開口部22は、基板21の長さ、幅の寸法58及び繰り返し寸法60に対応する長さ56を有する。幅58及び繰り返し距離60は第３図Ｂ及び第３図Ｃにおいて上述したようなものに対応する。
１つのマイクロコリメータ30が第４図に示されている。入力面32と出力面34に平行な平面でマイクロコリメータ30の断面は正方形、矩形または円形のような形状である。入力面の各々の形状は、対応する開口部22と同じ形状であることが好ましい。従って、光入力面32の面積全体は、上述した開口部22の全体面積にほぼ等しい。
光入力面32は幅寸法68及び長さ寸法69（図示せず）を有する。別の例として、もし入力面32の形状が円形であるならば、直径50を表す。幅の寸法68は、対応する開口部22の幅の寸法に等しいことが好ましい。長さの寸法69は、開口部22の対応する長さの寸法にほぼ等しい。
光出力面34は、幅寸法72及び長さ寸法73（図示せず）を有する。別の例として、もし出力面32の形状が円形であるならば、直径50を表す。幅の寸法72は、ディスプレーの寸法及び解像度に依存して広範に変化する。すなわち、ラップトップコンピュータディスプレー及び航空ディスプレーのような小さいディスプレーは、大きなスクリーンのフラットパネルテレビジョンのような非常に小さな寸法対大きなディスプレーを有する。すべての光出力面34の面積の合計が約40パーセント乃至約100パーセントの範囲が好ましい。さらに好ましいのはすべての光出力面34の面積の合計が約55パーセント乃至約100パーセントの範囲である。最の好ましいのはすべての光出力面34の面積の合計が約70パーセント乃至約100パーセントの範囲である。寸法72及び73はこれらのパラメータに合致するように調整される。
マイクロコリメータ30の高さは寸法70を有する。寸法70の所望の値は、幅72の約0.3倍乃至約6.0倍の範囲である。寸法70のさらに好ましい値は幅72の約0.4倍乃至約4.0倍の範囲である。寸法70の最も好ましい値は幅72の約0.5倍乃至約3.0倍の範囲である。
側壁33は入力平面32を出力平面34に接続する。側壁33は好ましくは、直線であるが、好ましくは第４図に示すように外側に湾曲している。
開口部22に対応するマイクロコリメータ30の配列の各図面が第５図Ａ、第５図Ｂ及び第５図Ｃに示されている。図面は、１つのマイクロコリメータ30の可能な構成と、マイクロコリメータ30の配列の可能な構成を示している。
第２の平行化装置12は、マイクロレンズ40の配列を有する。マイクロレンズ40は、マイクロコリメータ30用に前に示されたような同じモノマーから製造されることが好ましく、マイクロコリメータ30の屈折率に等しいか、ほぼ等しい屈折率を有する。しかしながら、透明な材料、例えば前述した材料を使用することができる。
１つのマイクロレンズ40が第６図に示されている。マイクロレンズ40は、球面レンズかまたは非球面のレンズである。寸法80はマイクロレンズ40の光入力面を表し、約10ミクロンから40ミリメートルまで変化することができる。寸法80のさらに好ましい値は、約50ミクロンから約２ミリメートルまでの範囲である。高さ82の所望の値は、寸法80の約0.05倍から約3.0倍まで変化する。高さ82のさらに好ましい値は寸法80の約0.10倍から幅86の約2.0倍まで変化する。高さ88の最も好ましい値は幅86の約0.2倍から幅86の約1.0倍まで変化する。もしマイクロレンズ80が球形レンズである場合には、レンズは曲率84を有する１つの曲面を有する。曲率半径は、対応するマイクロプリズム配列の繰り返し距離46及び48または52及び54に依存して広範に変化する。曲率半径の好ましい値は約５ミクロンから約20ミリメートルまで変化する。曲率半径のさらに好ましい値は約25ミクロンから約５ミリメートルまで変化する。曲率半径84の最も好ましい値は約50ミクロンから約１ミリメートルまで変化する。マイクロレンズ40がマイクロコリメータ30から出る光のすべてを集めるようにするために、マイクロレンズ80のｆ数は比較的に小さいものでなければならない。マイクロレンズ80のｆ数は約0.5乃至約4.0で変化する。さらに好ましいマイクロレンズ80のｆ数は約0.6乃至約3.0で変化する。最も好ましいマイクロレンズ80のｆ数は約0.7乃至約2.0で変化する。
第３図Ｂ、第３図Ｃ及び図3Dに示す開口部の配列に対応するマイクロレンズ40の配列の斜視図が図7A,図7B及び図7Cにそれぞれ示されている。従って、マイクロレンズの配列は開口部22の配列と同じ繰り返し距離を有する。
対応するマイクロコリメータの配列の分解斜視図が第８図Ａ、第８図Ｂ及び第８図Ｃに示されている。すべての開口部22において、対応するマイクロコリメータ30及び各マイクロコリメータ30の外面34に整合した対応するマイクロレンズ40が存在する。動作において、マイクロコリメータ30から出たほぼ平行な光線30は、変調装置16用にさらに平行にされた光源を提供する。
本発明の他の実施例が第９図、第10図Ａ、第10図Ｂ及び第10図Ｃに示されている。この実施例において、第１の平行化装置は、透明な材料の平坦なスラブ70を有する。マイクロレンズ40の配列は平坦なスラブ70に取り付けられている。拡散光線は、屈折によって基板21を通って伝達され、スネルの法則によって平坦なスラブを通る。光線はマイクロレンズ40に入り、屈折によってマイクロレンズ40を通って伝わり変調装置16のほぼ平行にされた光源としてマイクロレンズ40から出る。好ましくはスラブのウエーブガイド70は、前述したような基板21及び36と同じ特性を有する。スラブウエーブガイド70の厚さは、反射光線がマイクロレンズ40によって平行にされるように最適化される。
第10図Ａ、第10図Ｂ及び第10図Ｃは、スラブのウエーブガイド70の表面に取り付けられるマイクロレンズ40の配列の可能な構成を示している。前述したように、１つのマイクロレンズ40は、１つの開口部22に関連する。
本発明の他の実施例が第11図に示されている。バックライト組立体は、マイクロレンズ40の配列と組み合わされて光集中装置を有する。光集中装置は、好ましくは、マイクロコンセントレータ90の配列である。マイクロコンセントレータ90は、接着剤促進層94を介して平坦な基板92に固定されミラー側壁98と、基板に隣接した平坦な光入力面96とを有する傾斜光部材であり、光出力面100の面積は、光入力面96の面積より小さい。各マイクロコンセントレータ90の出力は、光入力面96の面積よりほぼ小さい面積の光源になる。マイクロコンセントレータ90の出力は、適当な距離でマイクロコンセントレータ90上に配置されたマクロレンズ40の対応する配列に向いている。光は屈折を介して各マクロレンズ40通って伝えられ、変調装置のためにほぼ平行にされた光源としてマクロレンズから出る。
１つのマイクロコンセントレータ90が第12図に示されている。寸法102,104及び106はマイクロコリメータ30の上に配置された寸法72,70及び68と同じ寸法である。
第13図Ａ乃至第13図Ｂ及び第14図Ａ乃至第14図Ｃは、マクロレンズ40の対応する配列を有するマイクロコンセントレータの配列の可能な構成を示す。
マイクロコリメータ30と、マイクロコンセントレータ90及びマイクロレンズ40の配列は、射出成型、圧縮成形、高温ローラ圧力成形、成形型を使用しない成形及び光重合処理を含む種々の技術によって製造することができる。好ましい技術は、参照によってここに組み込まれている米国特許に示され図示されているような光重合処理である。この方法に対するいくつかのサンプルの変形例が第15図Ａ及び第15図Ｂに示されている。
第15図Ａは、第１図第２図第４図及び第５図に示すタイプのマイクロコリメータ30及び第11図乃至第14図のマイクロコリメータ90をつくる光重合処理を示している。フォトマスク180が透明で光透過性の領域を有する接着剤層26を有する基板24に接触するように配置される。モノマー及びフォトイニシエータを有するほぼ一様な厚さの光重合化が可能な混合物が接着層28を有する基板26とリリース層112を有するバッキングプレート110との間に配置される。マイクロコリメータまたはマイクロコンセントレータを形成するために光重合可能な混合層内の大部分の紫外線を吸収するために十分な量のフォトイニシエータが存在しなければならない。紫外線を所定の角度にわたって拡散するようにするためにフォトマスク108と紫外線118の光源との間に光拡散器が配置される。マイクロコリメータ30とマイクロコンセントレータ90のタイプを形成するために、拡散器は、（50％の強度点で測定して）ほぼ15゜乃至45゜の角度全体にわたって光を拡散しなければならない。光重合化混合物114は、モノマー混合体の光重合化領域に十分な状態で所定の時間にわたってフォトマスク108の透明領域を通って拡散器116によって紫外線118に露出され、マイクロコリメータすなわちマイクロコンセントレータの配列を形成する。紫外線に露出した後、リリース層112及び露出されない光重合化混合物114と共にバッキングプレート110が除去され、層28を基板26によって取り付けられたマイクロコンセントレータまたはマイクロコリメータの配列が残る。
第15図Ｂは、図示したタイプのマイクロレンズ40をつくる方法示している。この方法は、第15図Ａの方法と同様の方法である。マイクロレンズを形成するために光重合可能な混合層内の大部分の紫外線を吸収するために十分な量のフォトイニシエータが存在しなければならない。紫外線を所定の角度にわたって拡散するようにするためにフォトマスク108と紫外線118の光源との間に光拡散器116が配置される。図示したようなマイクロレンズ40を形成するために、拡散器は、（50％の強度点で測定して）ほぼ15゜乃至125゜の角度全体にわたって光を拡散しなければならない。光重合化混合物114は、モノマー混合体の光重合化領域に十分な状態で所定の時間にわたってフォトマスク108の透明領域を通って拡散器116によって紫外線118に露出され、マイクロレンズ40の配列を形成する。光重合化領域がリリース層112に接触する前に紫外線が遮断される。拡散器116を通過する光の角度拡散を制御することによって、また基板層の厚さを制御することによって、球形のマイクロレンズまたは非球形のマイクロレンズを形成することができる。
本発明はバックライトを必要とする用途に使用することができる。このような用途の例は、コンピュータターミナル、テレビジョン、航空機のコックピットのディスプレー、自動車の計器パネル、テキスト、グラフまたはビデオ情報を提供する他の装置である。
次の特定の例が本発明を説明するために提案されるがそれに制限を加えるためのものではない。
例Ｉ
第15図Ａに示されているような光露出硬化を使用して0.1mm（0.004インチ）の厚さのポリエステルフィルムに1.3mm（0.050インチ）の中心から中心への間隔を有する傾斜光学部材の配列が形成される。紫外線及び可視光線が通過するフォトマスクは正方形のパターンで配置され、0.6mm（0.025インチ）のブラックラインによって分離されたフォトリトグラフ的につくられた0.6mm×0.6mm（0.025インチ×0.025インチ）の正方形の透明領域を有する12.7cm×12.cm（５インチ×５インチ）のガラスマスクが使用された。フォトマスクの隣接する開放正方形の間の中心から中心の間の距離は1.3mm（0.050インチ）である。このマスク上に数滴のメタノールを配置して0.17mm（0.006インチ）の厚さのポリ（エチレンテレフタレート）（PET）フィルムスペーサが押される。このスペーサフィルム上に数滴以上のメタノールを配置して0.1mm（0.004インチ）の厚さのポリ（エチレンテレフタレート）（PET）基板フィルムが押される。この基板フィルムは、それを反応させ、ポリマー化モノマー溶液に接着可能にする超薄型のフィルム面を準備する。このような表面活性フィルムは、当業者には公知である。メタノールの表面張力は２つのフィルムを柔らかくするがマスクにしっかりと接着する。このマスク、スペーサフィルム及び表面活性PET基板フィルムは配列基板サブ組立体を構成する。
分離した12.7cm×12.7cm×0.3cm（５インチ×５インチ×0.125インチ）のブランクガラスプレート上に数滴のメタノールが適用され、0.1mm（0.004インチ）の厚さのPETフィルムがその上に押し付けられ、表面張力によって所定の位置に保持される。これはリリースフィルムサブ組立体を構成する。リリースフィルムサブ組立体は、ねじ付き穴を有する黒の金属製のプラットフォームにフィルム側を上にして配置される。0.1mm（0.005インチ）の厚さのガラススペーサがリリースフィルムサブ組立体の縁部の周りに配置される。ほぼ10ミリリットルの液体光重合化可能な混合物がリリースフィルムの中央に配置される。光重合化可能な混合物は、ほぼ63％のエソキラレートビフェノールＡジアクリレート、31％のトリメチロールプロパントリアクリレート、２％α，αジメチルロキシーαーヒドロキシアセトフェノン（ダロクール1173）フォトイニシエータ、２％ベンジジメチルケタル（イルガクール651）フォトイニシエータ及び１部のヒドロキシシクロヘキシル・フェニールケトン及び１部のベンゾフェノン（イルガクール500）フォトイニシエータから成る。イニシエータの全体の百分率は6.0％である。配列基板組立体（フォトマスク／スペーサ／基板）は、光重合化可能な混合物の上にPET基板側を下にして配置される。透明な12.7cm×12.7cm×0.6cm（５インチ×５インチ×0.25インチ）の厚さのガラスプレートは、製造組立体全体の上に配置され、プレートを一緒に押してバッキングプレートと基板ポリエステルフィルムとの間に0.03cm（0.050インチ）の厚さの光重合化可能な層を形成するために金属クランプ及びねじが使用される。
傾斜光学部材の配列を形成するたみに製造組立体全体は紫外線放射の露出装置のコリメーティングレンズの下に配置される。紫外線を所定の範囲にわたって拡散する透明なプラスティックフィルムの光拡散シートがUV放射露出装置の平行化レンズとフォトマスクとの間に配置される。傾斜した光部材を形成するために、ほぼ20゜の（50％の強度点で測定して）全体角度上に光が散乱するように拡散器が選択される。製造組立体は80秒間にわたって紫外線の光が放射される。製造組立体は分解され傾斜した光学的な部材の配列を有する配列フィルムが形成されるが、傾斜光学部材の間の隙間領域は未反応な光重合可能な材料でカバーされ、イソプロパノールの移動漕に配置され10分間放置される。残留モノマーを除去した後に、傾斜光学部材は窒素ガス流で乾燥され、水晶ウインドウで包囲された窒素ガス排出包囲体内に配置され、さらに20秒間の紫外線放射で硬化される。
傾斜光学部材を評価するために光学顕微鏡を使用する。個々の傾斜光学部材の断面形状は、基板（出力端部）に隣接した傾斜光学部材の端部においてほぼ0.1cm×0.1cm（0.040×0.040インチ）の寸法の正方形である。基板（入力端部）へ離れた傾斜光学部材の端部は0.05cm×0.05cm（0,020インチ×0,020インチ）の寸法を有する。傾斜光学部材の高さはほぼ0.13cm（0.050インチ）である。
例II
例Ｉの傾斜光学部材の配列の側壁に反射性アルミニウムコーティングを形成するために、配列が基板側を下にして真空エバポレータに配置される。ほぼ１ミクロンのアルミニウムが傾斜光学部材に配置される。蒸気アルミニウムは傾斜光学部材の両側及び基板から離れた傾斜光学部材の端部をコートする。アルミニウムコート配列は、エバポレータから取り除かれる。基板から離れた傾斜光学部材の端部にコートされたアルミニウムは15ミクロンの砂でコートされた紙やすりで光学部材の端部が磨かれ、次に３ミクロン次に0.3ミクロンの砂でコートされた紙やすりで磨くことによって取り除かれる。アルミニウムコートされた側壁を有する光学部材の配列は、光入力端部として0.05cm×0.05cm（0.020インチ×0,020インチ）の端部、光出力端部として光学部材の0.1cm×0.1cm（0.040インチ×0.040インチ）の端部、また光入力端部として0.1c×0.1cm（0.040インチ×0,040インチ）の端部、光出端部として光学部材の0.05cm×0.05cm（0.020インチ×0,020インチ）の端部を使用することによってマイクリコリメータの配列のいずれかとして使用することができる。
例III
第15図Ｂに示されているような光露出セットアップを使用して0.1cm（0.004インチ）の厚さのポリエステルフィルムに0.13cm（0.050インチ）の中心から中心への間隔を有する傾斜光学部材の配列が形成される。紫外線及び可視光線が通過するフォトマスクは正方形のパターンで配置され、0.6mm（0.025インチ）のブラックラインによって分離されたフォトリトグラフ的につくられた0.6mm×0.6mm（0.025インチ×0.025インチ）の正方形の透明領域を有する12.7cm×12.7cm（５インチ×５インチ）のガラスマスクが使用された。フォトマスクの隣接する開放正方形の間の中心から中心の間の距離は0.13cm（0.050インチ）である。このマスク上に数滴のメタノールを配置して0.3mm（0.013インチの）の厚さのポリ（エチレンテレフタレート）（PET）フィルムスペーサが押される。このスペーサフィルム上に数滴以上のメタノールを配置して0.1mm（0,004インチ）の厚さのポリ（エチレンテレフタレート）（PET）基板フィルムが押される。この基板フィルムは、それを反応させ、ポリマー化モノマー溶液に接着可能にする超薄型のフィルム面を準備する。このような表面活性フィルムは、当業者には公知である。メタノールの表面張力は２つのフィルムを柔らかくするがマスクにしっかりと接着する。このマスク、スペーサフィルム及び表面活性PET基板フィルムは配列基板サブ組立体を構成する。
分離した12.7cm×12.7cm×0.3cm（５インチ×５インチ×0.125インチ）のブランクガラスプレート上に数滴のメタノールが適用され、0.1mm（0.004インチ）の厚さのPETフィルムがその上に押し付けられ、表面張力によって所定の位置に保持される。これはリリースフィルムサブ組立体を構成する。リリースフィルムサブ組立体は、ねじ付き穴を有する黒の金属製のプラットフォームにフィルム側を上にして配置される。0.12mm（0.005インチ）の厚さのガラススペーサがリリースフィルムサブ組立体の縁部の周りに配置される。ほぼ10ミリリットルの液体光重合化可能な混合物がリリースフィルムの中央に配置される。光重合化可能な混合物は、ほぼ63％のエソキラレートビフェノールＡジアクリレート、31％のトリメチロールプロパントリアクリレート、２％α，αジメチルロキシーαーヒドロキシアセトフェノン（ダロクール1173）フォトイニシエータ、２％ベンジジメチルケタル（イルガクール651）フォトイニシエータ及び１部のヒドロキシシクロヘキシル・フェニールケトン及び１部のベンゾフェノン（イルガクール500）フォトイニシエータから成る。イニシエータの全体の百分率は6.0％である。配列基板組立体（フォトマスク／スペーサ／基板）は、光重合化可能な混合物の上にPET基板側を下にして配置される。透明な12.7cm×12.7cm×0.15cm（５インチ×５インチ×0.25インチ）の厚さのガラスプレートは、製造組立体全体の上に配置され、プレートを一緒に押してバッキングプレートと基板ポリエステルフィルムとの間に1.3mm（0.050インチ）の厚さの光重合化可能な層を形成するために金属クランプ及びねじが使用される。
傾斜光学部材の配列を形成するために製造組立体全体は紫外線放射の露出装置のコリメーティングレンズの下に配置される。紫外線を所定の範囲にわたって拡散する透明なプラスティックフィルムの光拡散シートがUV放射露出装置の平行化レンズとフォトマスクとの間に配置される。傾斜した光部材を形成するために、ほぼ90゜の（50％の強度点で測定して）全体角度上に光が散乱するように拡散器が選択される。製造組立体は30秒間にわたって紫外線の光が放射される。光重合領域はリリースフィルムに接触しない。製造組立体は分解され傾斜した光学的な部材の配列を有する配列フィルムが形成されるが、傾斜光学部材の間の隙間領域は未反応な光重合可能な材料でカバーされ、イソプロパノールの移動漕に配置され10分間放置される。残留モノマーを除去した後に、傾斜光学部材は窒素ガス流で乾燥され、水晶ウインドウで包囲された窒素ガス排出包囲体内に配置され、さらに20秒間の紫外線放射で硬化される。
傾斜光学部材を評価するために光学顕微鏡を使用する。レンズはほぼ0.64mm（0.025インチ）の直径を有する円形である。レンズの高さはほぼ0.64mm（0.025インチ）である。
例IV
例IIのアルミニウムコートマイクロコリメータの配列及び例IIIのマイクロレンズの配列を使用する第２図Ｂの構成になるようにコリメーティング光組立体が構成される。ほぼ30ワットの入力電力を有する曲がった傾向ランプが光源として使用される。蛍光ランプの表面の明るさは3000フットランバになるように調整される。アルミニウムマイクロコリメータの配列は、曲がった蛍光ランプの平面からほぼ6.4mm（0.25インチ）の距離に配置される。マイクロコリメータの小さい研磨端部は、ランプに面している。マイクロレンズの配列は、マイクロコリメータの配列に隣接して配置され、各マイクロレンズの入力面がマイクロコリメータの出力面に整合するように整合される。マイクロレンズとマイクロコリメータとの間の空隙を調整するためにマイクロコリメータの配列の出力側とマイクロレンズの配列の入力側との間にPETのスペーサフィルムが配置される。マイクロコリメータとマイクロレンズとの間の全体の空隙がほぼ1.3mm（0,050インチ）であるときに最良の結果が得られる。平行化光組立体からの出力光は、組立体の平面に直角な方向から測定してほぼ±20゜の角度の広がりを有する。出力光の配分の中心においては、平行化光組立体の照度はほぼ3000フットランバである。
例Ｖ
例IIIの開口部の配列及び例３のマイクロレンズの配列としてアルミニウムコートマスクを使用する第９図の構成になるようにコリメーティング光組立体が構成される。アルミニウムコートマスクは正方形に配置され可視光線を通す0.64mm（0.025インチ）ブラックラインによって分離された0.64mm×0.64mm（0,025インチ×0,025インチ）の透明な領域を有する。フォトマスクの隣接した開放正方形の間の中心から中心の距離は1.28mm（0.050インチ）である。ほぼ30ワットの入力電力を有する曲がった傾向ランプが光源として使用される。蛍光ランプの表面の明るさは3000フットランバになるように調整される。アルミニウムマイクロコリメータの配列は、曲がった蛍光ランプの平面からほぼ6.4mm（0.25インチ）の距離に配置される。マイクロレンズの配列は、マイクロコリメータの配列に隣接して配置され、各マイクロレンズの入力面がマイクロコリメータの出力面に整合するように整合される。マイクロレンズとマイクロコリメータとの間の空隙を調整するためにマイクロコリメータの配列の出力側とマイクロレンズの配列の入力側との間にPETのスペーサフィルムが配置される。マイクロコリメータとマイクロレンズとの間の全体の空隙がほぼ1.28mm（0.050インチ）であるときに最良の結果が得られる。平行化光組立体からの出力光は、組立体の平面に直角な方向から測定してほぼ±20゜の角度の広がりを有する。出力光の配分の中心においては、平行化光組立体の照度はほぼ3000フットランバ（foot−lamberts）である。
例VI
例IIのアルミニウムコートマイクロコンセントレータの配列及び及び例IIIのマイクロレンズの配列を使用する第９図の構成になるようにコリメーティング光組立体が構成される。ほぼ30ワットの入力電力を有する曲がった傾向ランプが光源として使用される。蛍光ランプの表面の明るさは3000フットランバになるように調整される。アルミニウムマイクロコリメータの配列は、曲がった蛍光ランプの平面からほぼ0.64mm（0.25インチ）の距離に配置される。マイクロレンズの配列は、マイクロコンセントレータの大きい端部がランプに面するように向けられる。マイクロレンズの配列は、マイクロコリメータの配列に隣接して配置され、各マイクロレンズの入力面がマイクロコリメータの出力面に整合するように整合される。マイクロレンズとマイクロコリメータとの間の空隙を調整するためにマイクロコリメータの配列の出力側とマイクロレンズの配列の入力側との間にPETのスペーサフィルムが配置される。マイクロコリメータとマイクロレンズとの間の全体の空隙がほぼ1.27mm（0.050インチ）であるときに最良の結果が得られる。平行化光組立体からの出力光は、組立体の平面に直角な方向から測定してほぼ±20゜の角度の広がりを有する。出力光の配分の中心においては、平行化光組立体の照度はほぼ3000フットランバである。
特定の上述した好ましい実施例を説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく当業者によって種々の変形がなされることは理解できよう。
【図１】
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【図３Ａ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図８Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図８Ｃ】
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【図１０Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１１】
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【図１３Ｂ】
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【図１２】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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