(57)【要約】【課題】改良された光学キャビティを有し、光の指向性及び効率の増大を提供する。【解決手段】ディスプレイ１２０１は、ディスプレイ平面を規定する光変調器１２０８のアレイと、光ガイド１２０４と、前向き反射面と、後向き反射面と、を含む。光ガイド１２０４は複数の幾何学的光リダイレクタ１２０６を含み、光ガイドの後面の少なくとも５０％はディスプレイ平面に対して平行である。後向き反射面は、ディスプレイ平面に対して平行であり、複数のアパーチャを含む。【選択図】図１２
2009540503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレイ面を規定する光変調器のアレイと、
前面及び後面を有し、複数の幾何学的光リダイレクタが形成された光ガイドと、
前記ディスプレイ面の近傍に位置する後向き反射層であって、複数のアパーチャが形成された後向き反射層と、
前記光ガイドの前記後面の近傍に位置する前向き反射層と、
を備えるディスプレイ。
【請求項２】
前記光変調器のアレイは、光を選択的に前記後向き反射層の前記複数のアパーチャに通して画像の前記形成に寄与する複数のＭＥＭＳベースの光変調器を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３】
前記光ガイドの前記後面の少なくとも５０％は、前記ディスプレイ面に対して実質的に平行である、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項４】
前記光ガイドの前記後面の少なくとも７０％は、前記ディスプレイ面に対して実質的に平行である、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項５】
前記光ガイドの前記後面の少なくとも９０％は、前記ディスプレイ面に対して実質的に平行である、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項６】
前記後向き反射層は、誘電体ミラーを含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項７】
前記後向き反射層は、金属層を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項８】
前記後向き反射層は、前記光ガイドの前記前面に堆積される、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項９】
前記光ガイドの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記後向き反射層と前記光ガイドの前記前面との間に配置される反射層を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１０】
前記光ガイドは、少なくとも第１及び第２の層の複合体を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１１】
前記光ガイドの前記第１の層は、ガラス及びプラスチックのうちの一方を含む、請求項１０に記載のディスプレイ。
【請求項１２】
前記光ガイドの前記第２の層は、ガラス及びプラスチックのうちの一方を含む、請求項１１に記載のディスプレイ。
【請求項１３】
前記複数の幾何学的光リダイレクタは、実質的に平坦な反射面を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１４】
前記後向き反射層及び前記前向き反射層は、鏡面反射層を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１５】
前記前向き反射層及び前記後向き反射層のうちの少なくとも一方は、実質的に拡散性をもつ反射材料を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１６】
ランプと、該ランプによって出力された光の非ランダムな部分を前記光ガイド内に導入する光コリメータであって、コリメート光は所定の角度範囲内である、光コリメータと、を含む光インジェクションシステムを備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１７】
前記光ガイドと前記後向き反射層との間に位置するプリズム転向フィルムを備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１８】
前記光ガイドと前記後向き反射層との間に位置する輝度向上フィルムを備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１９】
前記光ガイドの側部の近傍に位置する側面向き反射層を備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２０】
前記複数の幾何学的光リダイレクタは、プリズム光リダイレクタを含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２１】
前記プリズム光ダイレクタは、ランプに面する第１の面及び前記ランプに面さない第２の面を有し、前記前向き反射面上に投射される前記第１の面のフットプリントのエリアは、前記前向き反射面上に投射される前記第２の面のフットプリントのエリアよりも大きい、請求項２０に記載のディスプレイ。
【請求項２２】
前記プリズム光ダイレクタは、ランプに面する第１の面及び前記ランプに面さない第２の面を有し、前記前向き反射面上に投射される前記第１の面のフットプリントのエリアは、前記前向き反射面上に投射される前記第２の面のフットプリントのエリアと実質的に等しい、請求項２０に記載のディスプレイ。
【請求項２３】
前記複数の幾何学的光リダイレクタは、反射光リダイレクタを含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２４】
前記ディスプレイ面に対して垂直な軸の４０度以内で前記後向き反射層から反射する光のうちの少なくとも５０％は、前記軸の４０度以内で前記後向き反射層に向けて戻るようにリダイレクトされる、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２５】
前記ディスプレイ面に対して垂直な軸の３０度以内で前記後向き反射層から反射する光のうちの少なくとも５０％は、前記軸の３０度以内で前記後向き反射層に向けて戻るようにリダイレクトされる、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２６】
前記ディスプレイ面に対して垂直な軸の２０度以内で前記後向き反射層から反射する光のうちの少なくとも５０％は、前記軸の２０度以内で前記後向き反射層に向けて戻るようにリダイレクトされる、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２７】
前記ディスプレイ面に対して垂直な軸の４０度以内で前記後向き反射層から反射する光のうちの少なくとも７０％は、前記軸の４０度以内で前記後向き反射層に向けて戻るようにリダイレクトされる、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２８】
前記ディスプレイ面に対して垂直な軸の３０度以内で前記後向き反射層から反射する光のうちの少なくとも７０％は、前記軸の３０度以内で前記後向き反射層に向けて戻るようにリダイレクトされる、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２９】
前記ディスプレイ面に対して垂直な軸の２０度以内で前記後向き反射層から反射する光のうちの少なくとも７０％は、前記軸の２０度以内で前記後向き反射層に向けて戻るようにリダイレクトされる、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３０】
前記ディスプレイ面に対して垂直な軸の４０度以内で前記光ガイドに入る光のうちの少なくとも９０％は、前記軸の４０度以内で前記光ガイドを出る、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３１】
前記ディスプレイ面に対して垂直な軸の３０度以内で前記後向き反射層から反射する光のうちの少なくとも９０％は、前記軸の３０度以内で前記後向き反射層に向けて戻るようにリダイレクトされる、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３２】
前記ディスプレイ面に対して垂直な軸の２０度以内で前記後向き反射層から反射する光のうちの少なくとも９０％は、前記軸の２０度以内で前記後向き反射層に向けて戻るようにリダイレクトされる、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３３】
前記光ガイドにおける前記複数の幾何学的光デフレクタの密度は、ランプからの距離の関数として変化する、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３４】
前記光ガイドにおける前記複数の幾何学的光デフレクタの密度は、光に対する前記幾何学的光デフレクタの角度の関数として変化する、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３５】
前記前向き反射層は、前記ディスプレイ面から約１０度未満の角度である、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３６】
前記後向き反射面は、前記ディスプレイ面の０．５ｍｍ以内に位置する、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３７】
前記光変調器のアレイは光変調器ピッチを有し、前記後向き反射面と前記ディスプレイ面との間の距離は、前記光変調器ピッチ未満である、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３８】
前記光変調器のアレイは基板上に形成され、前記後向き反射面と前記ディスプレイ面との間の距離は、前記基板の厚さ未満である、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３９】
複数の光変調器と、
前記複数の光変調器に結合され、前面及び後面を有し、複数の幾何学的光リダイレクタが形成された光ガイドと、
前記光ガイドの前記後面の近傍に位置する前向き反射層と、
前記光ガイドと前記複数の光変調器との間に位置し、複数のアパーチャが形成される後向き反射層であって、前記複数のアパーチャのそれぞれには、前記複数の光変調器のうちの少なくとも１つが関連付けられる、後向き反射層と、
を備えるディスプレイ。
【請求項４０】
前記複数のアパーチャの各アパーチャには、前記複数の光変調器内の単一の各光変調器が関連付けられる、請求項３９に記載のディスプレイ。
【請求項４１】
前記複数のアパーチャのそれぞれには、前記複数の光変調器のうちの複数の光変調器が関連付けられる、請求項３９に記載のディスプレイ。
【請求項４２】
前記複数のアパーチャのうちの複数のアパーチャには、単一の各光変調器が関連付けられる、請求項３９に記載のディスプレイ。
【請求項４３】
前記複数のアパーチャのそれぞれは光束を通過させることができ、個々のアパーチャと少なくとも１つの個々の光変調器との間の関連は、前記個々のアパーチャを通過した光束の実質的に全体が前記少なくとも１つの個々の光変調器によって変調される関係を含む、請求項３９に記載のディスプレイ。
【請求項４４】
前記複数のアパーチャのそれぞれは、画像形成に寄与するのに適した角度範囲内で光束を通過させることができ、個々のアパーチャと少なくとも１つの個々の光変調器との間の関連は、前記個々のアパーチャを前記適した角度範囲内で通過した光束の実質的に全体が前記少なくとも１つの個々の光変調器によって変調される関係を含む、請求項３９に記載のディスプレイ。
【請求項４５】
前記複数の光変調器は、前記後向き反射層の前記複数のアパーチャのうちの関連するアパーチャに光を選択的に通して画像の形成に寄与する、複数のＭＥＭＳベースの光変調器を含む、請求項３９に記載のディスプレイ。
【請求項４６】
画像を形成する方法であって、
ディスプレイ面を規定する光変調器のアレイを光学キャビティの近傍に設ける工程であって、前記光学キャビティは、前記光学キャビティの前面として後向き反射アパーチャ層を含むと共に、後面と、前記前面及び前記後面の間に位置する光ガイドとを含む、工程と、
前記後向き反射アパーチャ層から前記ディスプレイ面に対して垂直なディスプレイ軸を中心とした有効角度範囲内に光を反射する工程と、
前記光学キャビティの前記後面により、前記有効角度範囲に反射された光の部分を、前記ディスプレイ軸を中心とした前記有効角度範囲内で前記ディスプレイ面に向けてリダイレクトする工程であって、前記ディスプレイ軸を中心とした前記有効角度範囲内で前記リダイレクトされる光の強度は、初期総合光強度の少なくとも５０％である、工程と、
を含む方法。
【請求項４７】
前記ディスプレイ軸を中心とした前記有効角度範囲は、前記ディスプレイ軸を中心とした約４０度である、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記ディスプレイ軸を中心とした前記有効角度範囲は、前記ディスプレイ軸を中心とした約３０度である、請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
前記ディスプレイ軸を中心とした前記有効角度範囲内で前記リダイレクトされる光の強度は、初期総合光強度の少なくとも７０％である、請求項４６に記載の方法。
【請求項５０】
前記ディスプレイ軸を中心とした前記有効角度範囲内で前記リダイレクトされる光の強度は、初期総合光強度の少なくとも９０％である、請求項４６に記載の方法。
【請求項５１】
前面、後面、及び少なくとも２つの側面を有する光ガイドと、
前記少なくとも２つの側面の近傍に位置するが、前記少なくとも２つの側面に直に接触しない鏡面反射面と、
を備えるディスプレイ装置。
【請求項５２】
前記少なくとも２つの側面の近傍に位置する前記鏡面反射面は、前記少なくとも２つの側面からエアギャップによって離間される、請求項５１に記載のディスプレイ装置。
【請求項５３】
前記エアギャップは、約１０ミクロン〜約０．５ｍｍ幅である、請求項５２に記載のディスプレイ装置。
【請求項５４】
前記エアギャップは、約１０ミクロン幅未満である、請求項５２に記載のディスプレイ装置。
【請求項５５】
前記鏡面反射面のうちの少なくとも１つは、金属フィルムを含む、請求項５１に記載のディスプレイ装置。
【請求項５６】
前記光ガイドの第３の側面の近傍に位置する鏡面反射面を備える、請求項５１に記載のディスプレイ装置。
【請求項５７】
前記光ガイドの後側の近傍に位置する鏡面反射面を備える、請求項５１に記載のディスプレイ装置。
【請求項５８】
複数のアパーチャが形成され、前記光ガイドの前記前面の近傍に位置する後向き鏡面反射面を備える、請求項５７に記載のディスプレイ装置。
【請求項５９】
前記光ガイドの近傍に位置するＭＥＭＳベースの光変調器のアレイを備える、請求項５８に記載のディスプレイ装置。
【請求項６０】
前記光ガイドは、少なくとも２つの側面を含み、前記ディスプレイは、前記少なくとも２つの側面の近傍に位置する反射側面を備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項６１】
前記反射側面は、鏡面反射面を含む、請求項６０に記載のディスプレイ。
【請求項６２】
前記反射側面は、拡散反射面を含む、請求項６０に記載のディスプレイ。
【請求項６３】
前記少なくとも２つの側面と前記各反射側面との間にエアギャップを備える、請求項６０に記載のディスプレイ。
【請求項６４】
前記反射側面は鏡面反射面を含む、請求項６３に記載のディスプレイ。
【請求項６５】
前記反射側面は拡散反射面を含む、請求項６３に記載のディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
機械的光変調器から構築されるディスプレイは、液晶技術に基づくディスプレイに対する魅力的な代替である。機械的光変調器は、良好な視角並びに広範囲の色及びグレースケールで映像コンテンツを表示するのに十分に高速である。機械的光変調器は、投写型表示用途では成功している。機械的光変調器を使用するバックライト付きディスプレイは、十分に魅力的な輝度と低電力との組み合わせをまだ実証していない。当該技術分野において、速度、輝度、及び低電力の各属性を組み合わせたディスプレイが必要とされている。
【背景技術】
【０００２】
参照により本明細書に援用される、２００５年の９月２日に出願され共有される（特許文献１）には、アパーチャアレイを含み、このようなアパーチャ又は透光領域がその他は反射性の面（反射アパーチャ層と呼ばれる）の部分として形成される、ディスプレイの光学的効率を向上させる構造が開示された。この反射アパーチャ層は、第２の反射面を含むバックライトと結合されると、アパーチャを即座には透過しない光線の再循環を可能にする光学キャビティを形成する。反射層に形成されるアパーチャが８％−２０％という低い面積（エリア）比を有することにかかわらず、４０％−６０％範囲の光学スループット効率を有するディスプレイが記載された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願第１１／２１８，６９０号明細書
【特許文献２】米国特許第５，００５，１０８号明細書
【特許文献３】米国特許第５，２０２，９５０号明細書
【特許文献４】米国特許第５，８８４，８７２号明細書
【特許文献５】米国特許第６，０７９，８３８号明細書
【特許文献６】米国特許第６，１７４，０６４号明細書
【特許文献７】米国特許第６，７３１，３５５号明細書
【特許文献８】米国特許第６，８２７，４５６号明細書
【特許文献９】米国特許第７，０１４，３４９号明細書
【特許文献１０】米国特許第７，０４６，９０５号明細書
【特許文献１１】米国特許出願第１１／２５１，０３５号明細書
【特許文献１２】米国特許出願第１１／３６１，７８５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、一般的には、改良された光学キャビティを有し、光の指向性及び効率の増大を提供するディスプレイに関連する。一態様において、本発明は、光変調器アレイ、光ガイド、前向き反射面、及び後向き反射面を含むディスプレイに関連する。光ガイドは、バックライトから光を抽出する複数の幾何学的光リダイレクションセンタを含む。このようなリダイレクションセンタの様々な実施形態が、米国特許第５，００５，１０８号明細書、米国特許第５，２０２，９５０号明細書、米国特許第５，８８４，８７２号明細書、米国特許第６，０７９，８３８号明細書、米国特許第６，１７４，０６４号明細書、米国特許第６，７３１，３５５号明細書、米国特許第６，８２７，４５６号明細書、米国特許第７，０１４，３４９号明細書、及び米国特許第７，０４６，９０５号明細書に記載されており、これらの全体を参照により本明細書に援用する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
様々な実施形態では、ディスプレイは、後向き反射面の背後に位置する転向フィルム及び／又は輝度向上フィルムも含む。加えて、一実施形態において、ディスプレイは、ランプと、ランプによって出力された光のうちの非ランダムな部分を光ガイドに導入して、所定の角度範囲内のコリメート光を生成する光コリメータとを含む光インジェクションシステムを含む。コリメート光は、光のランダムよりも高い割合分が所定の角度範囲内で反射アパーチャ層に向けられる任意の入力光分散を含む。ディスプレイでの使用に適した様々な光コリメート・インジェクション技法が、米国特許第５，００５，１０８号明細書、米国特許第５，８８４，８７２号明細書、米国特許第６，０７９，８３８号明細書、及び米国特許第７，０１４，３４９号明細書に記載されており、これら全体が参照により本明細書に援用される。
【０００６】
一実施形態では、光変調器は、後向き反射層の対応するアパーチャを通過する光に選択的に干渉するＭＥＭＳベースの光変調器、例えば、シャッタである。別の実施形態では、シャッタは、電子ウェッティング（ｅｌｅｃｔｒｏ  ｗｅｔｔｉｎｇ）と呼ばれる機構を使用して光に選択的に干渉することができる液体ベースのシャッタである。別の実施形態では、光変調器は、液晶セルである。光変調器アレイがディスプレイ面を規定する。表示平面は、好ましくは実質的に平坦である。
【０００７】
光ガイドは、前面及び後面を含む。一実施形態では、光ガイドの後面の面積の約５０％〜約９５％は、ディスプレイ面に対して実質的に平行である。特定の一実施形態では、光ガイドの後面の面積の少なくとも５０％が、ディスプレイ面に実質的に平行である。別の実施形態では、光ガイドの後面の面積の少なくとも６０％が、ディスプレイ面に実質的に平行である。さらに別の実施形態では、光ガイドの後面の面積の少なくとも７０％が、ディスプレイ面に実質的に平行である。さらなる実施形態では、光ガイドの後面の面積の少なくとも８０％が、ディスプレイ面に実質的に平行である。さらに別の実施形態では、光ガイドの後面の面積の少なくとも８０％が、ディスプレイ面に実質的に平行である。
【０００８】
幾何学的光リダイレクタは、本明細書では抽出センタ、抽出構造、及びデフレクタとも呼ばれる。光リダイレクタの機能は、光ガイドから光を抽出して視聴者に向けることである。一実施形態では、光リダイレクタはプリズム形である。あるいは、光リダイレクタは球形、湾曲形、台形、楕円形である。光リダイレクタの表面は、好ましくは平坦である。光リダイレクタは光を抽出することが可能であり、光のランダムよりも高い割合分が所定の角度範囲内で反射アパーチャ層に向けられる。
【０００９】
いくつかの実施形態では、光検出器は、ランプに面する前面及びランプに面しない後面を有する。前向き反射面上のリダイレクタの前面のフットプリントエリアは、リダイレクタの後面の同様のフットプリントのエリアよりも大きくてよい。あるいは、光リダイレクタの前面及び後面のフットプリントエリアは等しい。加えて、光ガイド内の光リダイレクタの梱包密度は、ランプからの光リダイレクタの距離に応じて可変である。
【００１０】
後向き反射層（本明細書では反射アパーチャ層とも呼ばれる）は、複数のアパーチャを含み、光ガイドの前面、即ち光ガイドと、意図される視聴者との間に位置する。後向き反射層は、好ましくは、光変調器の背後に位置する。一実施形態では、後向き反射層は、光ガイドの前面への金属堆積から形成される。後向き反射層は、誘電性ミラーから、又は誘電層及び金属層の両方を含む薄膜積層から形成することもできる。後向き反射層は、好ましくは、９０〜９８％の範囲の反射率で鏡面反射する。
【００１１】
一特徴によれば、後向き反射層は、好ましくは、光変調器アレイの近傍に位置する。一実施形態では、後向き反射層は、光変調器アレイの０．５ｍｍ以内に位置する。別の実施形態では、光変調器アレイは基板上に形成され、後向き反射層と光変調器アレイとの間の距離は、基板の厚さ未満である。別の実施形態では、後向き反射層は、アパーチャの間隔を規定するピッチを有し、後向き反射層と光変調器アレイとの間の距離は、ピッチ未満である。
【００１２】
別の特徴によれば、アパーチャには、光変調器アレイ内の特定の光変調器が関連付けられる。この関連付けは、１対１、１対多、又は多対１であることができる。各アパーチャは光束を通す。アパーチャと関連する光変調器との任意の組において、光変調器は、アパーチャを通る光束の略全体を変調する。より具体的には、一実施形態では、単一の光変調器が、単一の関連するアパーチャを通る光束の略全体を変調する。別の実施形態では、単一の光変調器は、関連する複数のアパーチャを通る光束の略全体を変調する。さらに別の実施形態では、複数の光変調器が共に、単一のアパーチャを通る実質的にすべての光束を変調する。
【００１３】
前向き反射層（本明細書では後面リフレクタ又は反射後面とも呼ばれる）は、一実施形態では、ディスプレイ面に対して実質的に平行である。即ち、好ましくはディスプレイ面に対して約１０度未満の角度をなす。一実施形態では、前向き反射層は、ディスプレイ面に平行である。一実施形態では、前向き反射層は、光ガイドの後面に金属堆積される。前向き反射層は、誘電体ミラーから、又は、誘電層及び金属製の両方を含む薄膜積層から形成されてもよい。あるいは、前向き反射層は、エアギャップで光ガイドから離間される。前向き反射層は、一実施形態では、光を鏡面反射する。好ましくは、前向き反射層は９０〜９８％の範囲の反射率を有する。
【００１４】
このようなディスプレイは、放射された光を表示平面に垂直な（「ディスプレイ法線」と呼ぶ）軸を中心としてある角度範囲内に集中させる。例えば、光は、ディスプレイ法線を中心として有効角度範囲内の角度で後向き反射面から前向き反射層に反射した光のうちのランダムよりも高い割合分が、ディスプレイ法線を中心とした有効角度範囲内の角度で反射アパーチャ層に向けてリダイレクトされるように集中させることができる。有効角度範囲は、様々な実施形態において、ディスプレイ法線から約２０度−約４０度の範囲である。例えば、一実施形態では、有効角度範囲は、ディスプレイ法線から２０度以内の角度を含む。別の実施形態では、有効角度範囲は、ディスプレイ法線から３０度以内の角度を含む。さらに別の実施形態では、有効角度範囲は、ディスプレイ法線から４０度以内の角度を含む。
【００１５】
一実施形態では、有効角度範囲内の角度で後向き反射層から反射した光の少なくとも５０％はまた、有効角度範囲内の角度で光ガイドを出る。別の実施形態では、有効角度範囲内の角度で後向き反射層から反射した光の少なくとも７０％はまた、有効角度範囲内の角度で光ガイドを出る。さらなる実施形態では、有効角度範囲内の角度で後向き反射層から反射した光の少なくとも９０％はまた、有効角度範囲内の角度で光ガイドを出る。
【００１６】
別の態様において、本発明は、改良された光学キャビティを使用して画像を形成する方法に関連する。この方法は、ディスプレイ面を規定する光変調器アレイを光学キャビティの近傍に提供する工程を含む。光学キャビティは、前面、後面としての後面反射アパーチャ層及び前面と後面前面との間に位置する光ガイドを含む。光は、後面反射アパーチャ層から反射される。光の部分は、ディスプレイ面に対して垂直な表示軸を中心にした有効角度範囲内で反射される。光のこの部分は、初期総合光強度を有する。そして、反射光は、光学キャビティの後面によってリダイレクトされる。ディスプレイ法線を中心とした有効角度範囲内で反射アパーチャ層に向けてリダイレクトされた光は、初期強度の少なくとも５０％の強度を有する。一実施形態では、表示軸を中心として有効角度範囲内のリダイレクト光の強度は、初期総合光強度の少なくとも７０％である。別の実施形態では、表示軸を中心とした有効角度範囲内のリダイレクト光の強度は、初期総合光強度の少なくとも９０％である。一実施形態では、法線を中心とした有効角度範囲は、法線を中心として約４０度である。別の実施形態では、法線を中心とした有効角度範囲は、法線を中心として約３０度である。さらに別の実施形態では、有効角度範囲は、法線を中心として約２０度である。
【００１７】
有効角度で受けた光を有効角度で戻るようにリダイレクトするこの機能を、本明細書では円錐反射率（ｃｏｎｉｃａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）と呼ぶ。より具体的には、円錐反射率は、（入射軸に対して測定される）所定の角度範囲内の入射円錐光（ｉｎｃｏｍｉｎｇ  ｃｏｎｅ  ｏｆ  ｌｉｇｈｔ）を受け、それからその光を等しい出射軸に沿って再放射又は反射するバックライト又は照明システムの機能であって、出射軸を中心として同じ所定角度範囲にわたって測定される出射光の積分強度が、積分入射光のうちの指定される割合よりも大きい、バックライト又は照明システムの機能として定義される。入射円錐光は、好ましくは、バックライトの少なくとも直径２ｍｍのエリアを照明し、放射パワーは、好ましくは、同様又はより大きな面積にわたって反射光を積分することによって特定される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
上記考察は、添付図面を参照して本発明の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
【００１９】
【図１Ａ】ディスプレイ装置の断面図である。
【図１Ｂ】別のディスプレイ装置の断面図である。
【図２Ａ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置の断面図である。
【図２Ｂ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置の断面図である。
【図３Ａ】円錐反射率の特性を特定するための概略的な光学的レイアウトである。
【図３Ｂ】立体角の関数としての本発明の様々な実施形態において利用されるバックライトからの光出力強度のばらつきを示す図である。
【図４Ａ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置に使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図４Ｂ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置に使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図５Ａ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図５Ｂ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図５Ｃ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図５Ｄ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図６Ａ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図６Ｂ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図６Ｃ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図６Ｄ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図７Ａ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置の断面図である。
【図７Ｂ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図７Ｃ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図７Ｄ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図８Ａ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドの部分断面図である。
【図８Ｂ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドの部分断面図である。
【図８Ｃ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドの等角図である。
【図９Ａ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図９Ｂ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図９Ｃ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図１０Ａ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイにおいて使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する光インジェクションシステムの等角図である。
【図１０Ｂ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイにおいて使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する光インジェクションシステムの等角図である。
【図１０Ｃ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイにおいて使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する光インジェクションシステムの等角図である。
【図１０Ｄ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイにおいて使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する光インジェクションシステムの等角図である。
【図１１Ａ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイにおいて使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する光インジェクションシステムの等角図である。
【図１１Ｂ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイにおいて使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する光インジェクションシステムの等角図である。
【図１２】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置内の様々な構成要素の組み立て図である。
【図１３】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置内の様々な構成要素の組み立て図である。
【図１４】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置内の様々な構成要素の組み立て図である。
【図１５】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置内の様々な構成要素の組み立て図である。
【図１６】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置内の様々な構成要素の組み立て図である。
【図１７】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置の断面図である。
【図１８Ａ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図１８Ｂ】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置において使用される光ガイドと共に光ガイドに関連する前面反射層の部分断面図である。
【図１９】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置の断面図である。
【図２０】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置の断面図である。
【図２１】本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の全体的な理解を提供するために、ディスプレイ装置及びディスプレイ装置を構成する構成要素を含めた特定の例示的な実施形態をこれより説明する。しかし、本明細書において記載する装置に対して対処中の用途に向けて適宜適合及び変更が可能であり、本明細書において記載のシステム及び方法を他の適した用途に利用することが可能であり、他のこのような追加及び変更が本発明の範囲から逸脱しないことを当業者ならば理解するであろう。
【００２１】
「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ」という名称の米国特許出願第１１／２１８，６９０号明細書には、シャッタ組立体（アセンブリ）アレイ及びアパーチャアレイに頼って光学効率を増大させるバックライト付きディスプレイが記載されている。所与のピクセル内のシャッタ組立体は、対応するアパーチャを通る光学路を交互に開閉するように動作する。アパーチャは、本明細書では反射アパーチャ層と呼ばれるその他は反射性の面に透光領域として形成される。ディスプレイは、バックライトの部分として形成することができる第２の反射面を含む。
【００２２】
米国特許出願第１１／２１８，６９０号明細書に記載のディスプレイ装置の図を図１Ａに与える。このディスプレイ装置１０１では、アパーチャ１０２が、反射材料から製造することができるアパーチャ層１０４に規定される。アパーチャは、シャッタ組立体１０８内の電子機械式アクチュエータと共に形成されるシャッタ１０６によって交互に開閉することができる。シャッタは、光変調基板１０９上に構築される。変調基板１０９はバックライト１１０の上に配置され、バックライト１１０はランプ１１２によって照明される。シャッタを開閉するための機械式アクチュエータの詳しい説明は、２００５年１０月１４日に出願された共有される米国特許出願第１１／２５１，０３５号明細書において発見でき、これを参照により本明細書に援用する。
【００２３】
図１Ａ等のディスプレイは、利用可能なピクセルのわずかな割合（５〜２５％）を占めるアパーチャ開口部を有することができる。すると、多くの場合、光のスループット効率も同様にして制限される。即ち、バックライトの利用可能な照明パワーのたった５〜２５％のみが視聴者に提供される。しかし、アパーチャ層１０４が反射材料から形成され、バックライトも後面反射面１１４を保有する場合、バックライトは、最初にアパーチャを透過せず視聴者に届かない光線を再循環することが可能になる。このように再循環される例示的な光線を、図中１１８として示す。こういった再循環光線により、利用可能なバックライトパワーのうちのはるかに大きな割合分を、最終的に視聴者に届けることができる。表１は、アパーチャ開口部の割合が異なる一連のバックライトからの計算された効率結果及び金属面からの反射効率を示す。７５％という高いスループット効率を達成することができる。このような改良されたスループットを有するディスプレイは、等しいランプパワーでより高い輝度を視聴者に届けることができ、又は逆に、従来技術と比較して低パワーのバックライトによって同じ輝度を届けることができる。反射特性又は再循環特性を有するアパーチャ層を利用するディスプレイを以下、反射アパーチャディスプレイと呼ぶことにする。
【００２４】
【表１】
2009540503.tif 000003
【００２５】
ディスプレイ装置１０１はランプ１１２を含む。非制限的に、白熱灯、蛍光等、レーザ、又は発光ダイオード（ＬＥＤ）を含めたいくつかの異なる種類のランプをこれらディスプレイに利用することができる。さらに、ディスプレイ装置１０１のランプ１１２は、実際には、複数のランプの組立体（アセンブリ）であってもよい。例えば、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、及び青色ＬＥＤの組み合わせを、小型半導体チップ内で白色ＬＥＤと組み合わせるか、又は白色ＬＥＤの代用としてもよく、あるいは小型マルチランプパッケージ内に組み立ててもよい。同様に、ランプは、４色ＬＥＤ、例えば、赤色ＬＥＤ、黄色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、及び青色ＬＥＤの組み合わせの組立体であってもよい。
【００２６】
図１Ａ中、ランプ１１２からの光は、全反射によって光ガイド１１０全体に分散する。光ガイドは、光ガイドから光を抽出する、すなわち光線を、全反射条件をもはや満たさない方向に偏光させるように機能する散乱センタ１１６を含む。典型的な光ガイドでは、このような散乱センタは白色ドットアレイとして形成される。散乱ドットは、最終像へのアーチファクトを回避するために、シルクスクリーンを使用してランダムパターンに塗装される。白色塗装から形成されたドットは、反射光をランダムな方向に、理想的には入射光線角度と出射光線角度とに相関がない状態で散乱させる拡散リフレクタとして機能する（光線１１９の結果参照）。図１中、光ガイドから下方に偏光されて、光ガイドから出た光は、リフレクタ１１４からの反射によって光ガイドに戻されることになる。上方にアパーチャに向けて偏光されたが、開いたアパーチャを通って逃れ出ない光は、反射面１０４からの反射によって光ガイドに戻すことができる。面１０４からの反射後、光は面１１４から再び反射されるか、又は白色塗装のドットに衝突し、その方向が再びランダム化される。
【００２７】
散乱センタ１１６の密度は、光ガイドから放射される光の均一性を保証するように調整され、通常、低密度の抽出センタがランプ近傍に配置され、ランプから離れるにつれて高密度の抽出センタが配置される。
【００２８】
図１Ａにおいて光ガイドから逃れ出た光は、塗装ドット１１６のアレイからランダムに散乱されており、ランダムな角度分布でアパーチャから出る。その結果、視聴者が知覚する輝度（カンデラ／ｃｍ２単位）は、アパーチャ平面に対する視角とは無関係になる。光度（カンデラ単位又は単位立体角当たりから毎秒放射される光子数）はランバートの法則に従い、法線からアパーチャ平面への角度の余弦に伴って低下する。
【００２９】
携帯用装置の場合、多くの場合、又は一般的に、装置は、単一ユーザ向けに設計され、最も一般的な視角は、アパーチャ平面に対する上又はその周囲にある。このような用途の場合、アパーチャから出射するランダム分布又はランバート分布（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）の光は準最適である。視聴者に向けて直接ではなく、オフアングルで放射される光は無駄な光とみなすことができる。実際に、ランバート分布の場合、最も前向きな２０度の立体角内に向けられるのは、放たれる放射パワーのうちの１２％のみである。総放射パワーのより大きな割合（例えば、３０％以上）分をユーザに好都合な方向に向けることができるいかなる設計も、携帯用電子機器用の重要な特徴である、電力効率のかなりの改良を可能にする。
【００３０】
したがって、反射アパーチャ層を含むディスプレイを、光をディスプレイ法線により近い角度に集中させる手段を設けることにより、特にモバイル用途に向けて改良することができる。
【００３１】
液晶ディスプレイ装置に使用されるこのような光集中を提供する一般的な方法は、プリズム輝度向上フィルム（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ  ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  ｅｎｈａｎｃｉｎｇ  ｆｉｌｍ）（及び任意選択の拡散フィルム）をバックライトと光変調器との間に導入することである。しかし、このような方法は、意外なことに反射アパーチャ層を有するディスプレイでの使用には不適である。図１Ｂは、輝度向上フィルムを含むディスプレイ構造を示す。図１Ｂのディスプレイアパーチャ１５０は光変調基板１５９を含み、そして光変調器基板１５９は反射アパーチャ層１５４、アパーチャ１５２のアレイ、シャッタ１５６、及びシャッタ組立体１５８を含む。ディスプレイ装置１５０は、ランプ１６２、散乱センタ１６６、及び後方反射フィルム１６４を含むバックライト１６０も含む。基板１５９と１６０との間には、プリズム輝度向上フィルム（又はＢＥＦフィルム）１７０及び拡散フィルム１７２が配置される。
【００３２】
プリズム輝度向上フィルム（又ＢＥＦフィルム）は、液晶ディスプレイにおいて（ディスプレイ法線に沿った）前方方向でのルミナンスを５０％〜１００％量、増大させることが知られている。ＢＥＦフィルムは光を再分散させるように働き、比較的より多くの光をディスプレイ法線の＋／−４０度以内に向け、より少ない光を法線に対してより傾斜した角度に沿って逃す。この効果の一例を光線１６９として示す。しかし、ディスプレイ１５０等の反射アパーチャ表示システムでのディスプレイの輝度又はルミナンスの測定は、同様の光集中効果を示さない。測定されるディスプレイ１５０から放射される光は、表１のモデルから予期される強度よりも低く、且つよりランダムに角度分布である。
【００３３】
表示システム１５０の不首尾は、一面では拡散フィルム１７２の存在、特に拡散フィルム１７２と反射アパーチャ層１５４との組み合わせに起因し得る。ＢＥＦフィルム１７０は、不適な角度で衝突する光の部分のみを再循環するように設計され、拡散フィルム１７２は、こういった不適な光線をリダイレクト又はランダム化するために設けられる。しかし、反射アパーチャ１５４を有するディスプレイに配置された場合、拡散フィルムは、層１５４から反射された後にバックライトに戻されることになった好適な角度の光線をもリダイレクト又はランダム化するようにも働く（光線１６８参照）。一層悪いことに、光線は、システム１５０等のディスプレイでは８回又は１２回と多数回の再循環が可能であるため、ＢＥＦフィルムによって生み出される好適な集中の度合いはいずれも、拡散フィルム１７２を繰り返し通過することによって完全に低減又は無効化され得る。
【００３４】
ディスプレイ１５０において抽出要素として白色塗装ドット１６６を使用することも、ディスプレイ装置１５０の指向性効率の低下の一因である。何故なら、塗装は光をランダムに又は拡散するように反射するように設計されるためである。
【００３５】
拡散散乱の利用に依存しない光を視聴者に届けるより効率的な方法が、図２Ａの本発明の例示的な実施形態であるディスプレイ装置２０１によって表される。ディスプレイ装置２０１は、ランプ２０２、ランプリフレクタ２０３、光ガイド２０４、一連の抽出要素２０５、光変調基板２０６、反射アパーチャ層２０７、一連のシャッタ組立体２０８、及び一連のアパーチャ２０９を含む。ディスプレイ装置は、アパーチャ層２０７の平面に対して実質的に平行である平面に配置されるバックリフレクタ２１０も含む。ディスプレイ装置２０１はＢＥＦフィルムを含まず、且つ拡散層を含まない。
【００３６】
ディスプレイ装置１０１とは対照的に、図２の抽出要素２０５は、白色塗装から作られるドットではなく楔又はプリズムのようなデフレクタで構成される。図２のデフレクタは鏡面反射するように設計され、多くの場合ではＢＥＦフィルム等のいかなる中間変調フィルムも必要なく、ランプ２０２からの光を視聴者に対してより直接リダイレクトすることが可能である（光線２１１参照）。塗装ドットの分布と同様に、各デフレクタ２０５は、光ガイドを通る総光束のうちのわずかな部分のみを受けるように設計される。出力の均一性を保証するために、デフレクタは、光ガイドに沿って制御されて配置又は分散され、場合によっては、ランプ源の近傍ではデフレクタ２０５の密度が低く、ランプから離れるにつれてデフレクタの密度が高くなる。
【００３７】
ディスプレイ装置２０１のデフレクタ２０５は、光線２１１の偏光で示されるように、光を主に鏡面反射するように設計される。塗装ドットの場合でのように光をランダムな方向に散乱させるのではなく、鏡面デフレクタは、光がアパーチャに近づく際に、通常は光のランダム分布又はランバート分布よりも狭い発散になるように、光の角度発散の制御を保持するように設計し、且つ方向付けることができる。ユーザに好適な方向での角度分布の制御は、バックライトを省電力化する手段である。
【００３８】
反射アパーチャと併用される場合、ディスプレイ装置２０１によって示される指向性を提供する方法は、拡散体を含まないため、ディスプレイ装置１５０よりも強力な利点を有する。反射アパーチャ層からバックライトに戻る、光線２１２等の光をディスプレイの後面で主に鏡面反射し、法線に対して実質的ないかなる角度変更もない状態でアパーチャ２０９に２度目のパスとして戻すことができる。
【００３９】
光の角度又は指向性を実質的に変更せずに光を戻す、反射する、又は再循環させる能力は、本発明のディスプレイに併用されるバックライトにとって好ましい特徴である。特に、特定の構造的バックライト構造を利用して、光が反射アパーチャ層からの複数回の再循環はね返りを受けている間、このような光の初期角度分布を保持する光学キャビティを含むことが有利である。反射した際に特定の角度分布を保持する能力を、本明細書では円錐反射率と呼ぶ。
【００４０】
円錐反射率とは、図３Ａ及び図３Ｂに関連して説明するバックライトの測定可能な特性である。図３Ａは、バックライト３０２（テスト対象装置としても知られる）、ランプ３０４、コリメートレンズ３０６、半鍍銀ミラー３０８、集中レンズ３１０、対物アパーチャストップ３１２、照明アパーチャ３１３、集光レンズ３１４、及び検出器３１６を含む可能な１つの測定システム３０１を示す。動作に際して、ランプは、レンズ３０６及び３１０を含むレンズ系を通して光をバックライト上に合焦させる。レンズ３１０とアパーチャストップ３１２との組み合わせにより、特定の角度発散内の光のみがバックライトに入射することが保証される。光は、バックライトから様々な角度に反射するが、入射円錐の角度発散以下の角度発散を有する光のみが、レンズ３１０及びアパーチャストップ３１２を再び通過することができる。アパーチャ３１２を再び通過した光は、次に、半鍍銀ミラー３０８を透過し、検出器３１６において測定することができる。アパーチャ３１２は調整可能なアパーチャであるため、バックライト３０２の反射効率を、より緩い又はより厳しいといった様々な円錐角度に対応して測定することができる。
【００４１】
より一般的には、円錐反射率は、（入射軸に対して測定される）所定の角度範囲内の入射円錐光を受け、それからその光を等しい出射軸に沿って再放射又は反射するバックライト又は照明システムの機能であって、出射軸を中心として同じ所定角度範囲にわたって測定される出射光の積分強度が、積分入射光のうちの指定される割合よりも大きい、バックライト又は照明システムの機能として定義される。放射パワーは、同じ所定の立体角範囲にわたって光度（入射強度又は出射強度）を積分することによって特定される。入射円錐光は、好ましくは、バックライトの少なくとも直径２ｍｍの面積を照明し、放射パワーは、好ましくは、同様又はより大きな面積にわたって反射光を積分することによって特定される。所定の角度範囲は、場合によっては基準軸を中心として約４０度であり、場合によっては３０度以内であり、場合によっては２０度以内である。反射アパーチャディスプレイでの使用に適した（所定の角度にわたって積分される）指定の割合は、場合によっては積分入射光の５０％を超え、場合によっては７０％を超え、場合によっては９０％を超え、場合によっては９５％を超える。場合によっては、円錐反射率測定の入射軸及び出射軸の両方が、バックライトの水平面に対する法線に沿って方向付けられる。
【００４２】
図３Ｂは、円錐反射率テストの妥当性を示す比較プロットである。図３Ｂの曲線Ａは、バックライト３０２に入射する際のランプ３０４からの光の角度分布を表す。この例では、曲線Ａは切断ガウス（ｔｒｕｎｃａｔｅｄ  Ｇａｕｓｓｉａｎ）の形状と同様の形状である。曲線Ｂは、ディスプレイ１５０に含まれていた拡散フィルムと併せてＢＥＦフィルムを含む照明システム等の照明システムから測定される反射角度分布を示す。曲線Ｃは、ディスプレイシステム２０１等のバックライトから測定される反射角度分布を示す。曲線Ｂ及びＣのそれぞれに対しては、光分布にいくらかの散乱又は広がりが発生し、バックライトへの吸収により、積分強度にもいくらかの損失が発生したことが明らかである。しかし、曲線Ｂに示すように、ディスプレイ装置１５０は、曲線Ｃで測定された分布よりも明らかに広い、即ちランダムな分布を有する光を戻す。典型的な光線が再循環ディスプレイにおいて複数回（４回以上）反射されることを考えると、曲線Ｂに示される光分布の広域化（ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ）又は劣化が、曲線Ｃと比較して、ディスプレイ法線に沿って見た場合の輝度の顕著な低下をもたらし得ることが分かる。ディスプレイ１５０及び２０１のバックライトの円錐反射率は、マーカー３６０で示される角度範囲内の曲線Ｂ及びＣそれぞれの積分として定義される。入射光からの積分強度の割合として表現される場合の円錐反射率である曲線Ａは、バックライトからの有用再循環効率又は複数回の再循環イベント後であっても有用円錐光を投射し維持する能力として厳密に定義される再循環効率の直接的な表現である。
【００４３】
図３Ｂに示される円錐反射率の挙動は、ランプ１６２及び２０２等の照明ランプから光をリダイレクトする能力とは無関係なバックライトの特性である。図１Ｂからのディスプレイ装置１５０及び図２Ａからのディスプレイ装置２０１は両方とも、いかなる反射アパーチャもない状態で測定された場合、同様の角度分布の光を提供することができる。しかし、図２Ａからのディスプレイ装置２０１は、その向上した円錐反射率特性により明らかなように、複数回の再循環イベントの後でも角度分布を維持する特別な追加能力を示す。
【００４４】
光の抽出
図２Ｂ〜図１６は、塗装ドット１１６又は拡散フィルム１７２によって提供されるような拡散散乱に頼らずにバックライトに指向性を提供するいくつかの方法を説明する。これら代替の実施態様の共通要素は、デフレクタ２０５又は図２Ｂ〜図１６に説明される他のデフレクタ構造等の幾何学的抽出構造の組み込みである。このような幾何学的抽出構造を使用して、ディスプレイ装置内でランプと反射アパーチャとの間での光の角度分布を制御するために、いくつかの光学構成が可能である。図２Ｂのディスプレイ装置２５１によって示される一方法では、光を特定の角度発散で光ガイド内に注入するランプ・レンズ系が設けられ、特定の角度発散は、次に、主に鏡面的な反射によって保持され、アパーチャを通過する。ディスプレイ装置２５１は、ランプ２５２、ランプリフレクタ２５３、光ガイド２５４、一連の鏡面デフレクタ２５５、光変調基板２５６、アパーチャ層２５７、一連のシャッタ組立体２５８、及び一連のアパーチャ２５９を含む。光ガイド２５４は、光ガイド上面２６０及び光ガイド下面２６１を含む。ディスプレイ装置は、アパーチャ層２５７の平面に実質的に平行である平面に配置されるバックリフレクタ２６２も含む。ディスプレイ装置２５１は、ランプ２５２及びリフレクタ２５３からなるインジェクションシステム２６３を含む。インジェクションシステム２６３は、光ガイド２５４に入る光の角度発散を制御するように設計される。これは、湾曲した形状をリフレクタ２５３に提供し、ランプ２５２を湾曲したリフレクタ２５３の焦点の近傍又は火面領域（ｃａｕｓｔｉｃ  ｒｅｇｉｏｎ）内に配置することによって達成することができる。リフレクタ２５３の形状は円筒形、球形、放物線形、楕円形、双曲線形、扁円形、又は上記形状の任意の組み合わせであってよい。リフレクタの形状が適切であり、ランプが焦点に配置された状態で、インジェクタは、ランバートよりも狭い固定角度分布を有する光を、例えばｘ軸から＋／−２５度以内に放射することができる。
【００４５】
いくつかの特別な幾何学的設計又はインジェクタ２６３によって生成される光線の特定のサブセットには、インジェクタによって生成される同じ角度発散を、変更なしでアパーチャ２５９を通してディスプレイ装置を通して保持し、視聴者に届けることができる。ディスプレイ装置２５１は、このような特定の設計ガイドラインセットを示す。
ａ）光ガイド上面２６０と光ガイド下面２６１とは平行である。
ｂ）バックリフレクタ面２６２とアパーチャ層２５７とは平行である。
ｃ）すべてのデフレクタ２５５は、導波管の水平軸即ちｘ軸に対して同じ角度を共有する。
注入された光は、全反射によって光ガイド２５４の内側に閉じ込められ、すべての同じ傾斜角を有する平坦な偏光面を呈するデフレクタ２５５のうちの１つによって散乱した後、アパーチャ２５９を通ってのみ出射することができる。ｘ−ｚ平面内を伝搬する光線セットに考察をさらに制限する場合、アパーチャ２５９を出射する光線の発散は、インジェクタ２６３を出射する際の発散と同じである。
【００４６】
ディスプレイ装置２５１の周縁の周りには、１組のサイド又はエッジ２６５がある。特に、再循環ディスプレイの設計では、光ガイドの全幅を伝搬する光を、光ガイドへの反射によって戻すことができるように、これらエッジが反射性金属で囲まれるか、又はコーティングされることが好ましい。他の実施態様では、これらエッジは、白色塗料等の拡散反射性材料で囲むか、又はコーティングすることができる。
【００４７】
実際には、バックライトシステムの設計において規則ａ）、ｂ）、又はｃ）を厳守する必要はなく、場合によってはこれらを厳守することは最適ではない。例えば、アパーチャ２５９から放射される光の均一性を向上させるために、楔形光ガイドが平行板又は平板光ガイドよりも好ましいことがある。同様に、ｘ軸に対して様々な分布のデフレクタ（２５５）角度を利用して、ユーザのニーズを満たすように、放射される光線の角度分布を広げ、適合させることができる。しかし、一般に、鏡面デフレクタの存在は、光線がディスプレイ装置を通過する際に光インジェクタによってもたらされるコリメーションのある側面を保持するか、又はそのうちのある程度を維持できるようにする。３次元コリメーション用の技法及び設計については、図１０及び図１１に関連してさらに後述する。
【００４８】
デフレクタ２５５は、光を鏡面反射するプリズム様要素の一例である。いくつかの実施形態では、平坦な金属コーティングを有するようなプリズムを設けて、吸収損失を最小限に抑えながらの鏡面反射を保証することができる。しかし、様々な代替の幾何学的抽出構造が可能であり、そのうちのいくつかは、光の伝搬方向を制御可能に変更するために反射ではなく屈折に依存する。こういった構造によっては、少なくとも１つの平坦且つ／又は切子面面を含むものもあれば、ラウンドの又は湾曲するものもある。これら構造はすべて、入射光のランダムな又は自由なリダイレクトを回避するために、平坦であり凹凸のない面を含む。抽出要素に対する代替の設計を図４〜図９に関連して後述する。
【００４９】
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の例示的な実施形態による改良された光学キャビティの形成に使用される、バックライトに含めるのに適した２つの反射プリズム構造４０１及び４５１を示す。これら各プリズム構造は、ディスプレイ装置２５１内のデフレクタ２５５のように、光ガイド４０９及び４５９の底面に成形される。図４Ａ及び図４Ｂは、光ガイド内に形成される構造４０１及び４５１の断面図を表す。構造４０１及び４５１は、実際には、図４Ａ及び図４Ｂの視野に垂直に延びる細長い構造である。
【００５０】
各プリズム４０１及び４５１は、プリズム前面４０２及び４５２と、プリズム後面４０３及び４５３とを含む。プリズム前面はランプに面する。（ランプは図４Ａ及び図４Ｂに示されていないが、これら図では光ガイドの左側に配置されている）。プリズム後面４０３及び４８３はランプとは逆の方向に面する。各プリズム４０１及び４５１は、左右両側で水平反射後面４０４及び４５４に接続される。平坦な金属製反射コーティング４０５及び４５５が、各光ガイド４０９及び４５９の後面に直接接触して位置決する。
【００５１】
反射後面に沿った特定のポイントが、Ａ、Ｂ、Ｃ又はＡ’、Ｂ’、Ｃ’としてそれぞれ記される。矢印４０６及び４５６は、光ガイド内部の軌跡から反射されてより垂直な方向、即ち光ガイドから出てアパーチャそしてディスプレイの視聴者に向かう光線を表す。矢印４０７及び４５７は、光ガイド内部の軌跡を辿り、水平に対して高入射角度を保有し、プリズム４０１及び４５１に衝突しない光線を表す。シャドウゾーンが、ポイントＡとＢとの間又はポイントＡ’とＢ’との間にそれぞれ存在し、シャドウゾーン内では、ランプから離れて伝搬している光線のごくわずかしか、反射後面に衝突しない。
【００５２】
プリズム４０１及び４５１は、射出成形又はスタンピングによってプラスチック光ガイドの一体部分として製造することができる。プリズムは、ガラス又はプラスチックにダイアモンドターンド加工又はレーザ機械加工を施して形成することもできる。反射層は、形成後に物理的又は化学的な蒸着（蒸着又はスパッタリングの薄膜技法を含む）によって追加することができる。プリズムの高さ及び幅の範囲は５ミクロン〜３００ミクロンの範囲であることができる。プリズム前面４０２及び４５２並びにプリズム後面４０３及び４５３は、好ましくは平坦であり、凹凸の度合いは２ミクロン未満、好ましくは０．５ミクロン、より好ましくは０．１ミクロン未満の物理的寸法に制限される。
【００５３】
反射後面４０４及び４５４は、ディスプレイ装置内の反射アパーチャ層（図示せず）に実質的に平行である平面内で方向付けられる。互いに対向する２つの反射層を設けることにより、光ガイドから外に方向付けられ、アパーチャを出射しない光線４０６及び４５６等の光線は、反射層間の再循環後に、アパーチャから出射する２回目及び３回目の機会を得ることができる。反射後面４０４及び４５４が反射アパーチャに対して実質的に平行な平面に方向付けられることをさらに提供することにより、光線４０８等の再循環された光線を、アパーチャ層に関連する法線（このような法線は図４Ａにおいてｚ軸で示される）に対する出射角度を何ら変更することなく実質的に再循環することができる。
【００５４】
光ガイドから均一な抽出束を提供するために、プリズムの間隔、即ちポイントＡとＣとの間の距離又はポイントＡ’とＣ’との間の距離を好ましくはランプからの距離に応じて変化させることが有用である。プリズムの間隔が近いほど、高密度のプリズムが可能であり、ひいては入射光に対する抽出光の比率が高くなる。このようなプリズム密度のばらつきは、ランプからの距離に応じて自然に発生する入射束のばらつきを補償することができる。抽出効率に関して、ポイントＡとＢとの間の面積又はポイントＡ’とＢ’との間の面積は、多くの場合、デッドスペースとみなされる。したがって、プリズム間の好ましい実用的な最小間隔は、ＡとＢとの間隔によって決まる。
【００５５】
再循環効率に関して、ポイントＡとＢとの間又はポイントＡ’とＢ’との間の反射面の形状は、依然として重要な設計考慮事項である。バックライトシステムの全体効率は、プリズム４０１又は４５１に関して示される設計を使用して増大させることができる。プリズム４０１では、反射面４０５とプリズム後面４０３との間の角度は、反射面４０５とプリズム前面４０２との間に形成される角度よりも小さい。その結果、ポイントＡとＢとの間に残る水平な反射後面４０４の面積が増大する。そして、これは、ｚ軸に対する光線の角度を実質的に変更せずに、光線４０８等の光線を再循環するバックライトシステムの能力を向上させる。
【００５６】
一方で、プリズム構造４５１は、再循環効率を増大させる代替の設計を示す。プリズム４５１は、その断面が、プリズム前面４５２及びプリズム後面４５３が両方とも水平な反射後面４５４に対して同様の角度をなす二等辺三角形に類似するように設計される。プリズム４５１は、光ガイドから光線を抽出するに当たり、光線の動きが左から右へ（即ち、ランプから離れていく）か、それとも右から左（ランプに向かう）かに関わりなく同等に効率的である。さらに、プリズム４５１は、互いに効果的に相互作用して再循環効率を増大させるように設計される。例えば、光線４５８は、アパーチャ層（図示せず）から再循環された後、ｚ軸にいくらか平行な軌跡に沿って左側のプリズム４５１に衝突して示される。この光線は、左側のプリズム４５１によって右側のプリズム４５１に方向付けられ、右側のプリズム４５１において、ｚ軸に対してやはり実質的に平行なパスに沿ってアパーチャに向けて戻るようにリダイレクトされる。プリズム４５１の近傍には、ランプからの照明に関してポイントＡ’とＢ’との間のデッドスペースがやはり存在するが、プリズム４０１と比較して、ここで水平な反射後面４５４に対してこのデッドエリアの占める割合ははるかに小さい。しかし、二等辺三角形に近い形状を有するプリズム４５１のようなプリズムは、非常に高密度（例えば、Ａ’とＣ’との間隔がＡ’とＢ’との間隔よりも小さいような密度）に製造される場合であっても、光を効率的に再循環する能力を維持することができる。
【００５７】
図５Ａ〜図５Ｄは、本発明の例示的な実施形態による改良された光学キャビティの形成に使用される、バックライトに組み込むためのいくつかの代替のプリズム構造５０１、５２１、５４１、及び５６１を示す。これらも、プラスチック射出成形又はスタンピングによって光ガイド５０３、５２３、５４３、及び５６３に製造することができる。プリズム５０１は、光ガイドからの突起として一般に形成されるプリズム４０１の形状を逆にした形状であり、水平な反射後面５０４の下方に延びる。各プリズム５０１、５２１、５４１、及び５６１に関連する光ガイド面は、平坦な金属フィルムコーティング５０５、５２５、５４５、及び５６５に直接接触する。光線５０６、５２６、５４６、及び５６６は、導波管内を伝搬する光をどのように反射プリズム５０１、５２１、５４１、及び５６１によって抽出し、法線即ちｚ軸に沿ってアパーチャ層（図示せず）に向けて方向付けることができるかを示す。プリズム４０１を反射後面４０４で囲む構造とは対照的に、プリズム５０１はシャドウゾーンを形成せず、反射後面５０４に沿ったすべてのポイントは、光ガイド内を伝搬する光を等確率で受けて反射する。その結果、プリズム５０１は、一般に、プリズム４０１よりも高密度に詰め込むことができる。
【００５８】
プリズム５０１とは対照的に、図５Ｂのプリズム５２１は、水平な反射後面５２４に対して同様の角度を呈する２面を有する二等辺三角形により類似する断面形状を有する。プリズム５２１は、光ガイドから光線を抽出するに当たり、光線の動きが左から右へ（即ち、ランプから離れていく）か、それとも右から左（ランプに向かう）かに関わりなく同等に効率的である。
【００５９】
上述したプリズムとは対照的に、図５Ｃのプリズム５４１は、水平後面５４４の上下両方に延びるいくつかの特徴を有し、したがって、各プリズム４０１及び５０１からの効率及びシャドウ化での利点のうちのいくつかを有する。
【００６０】
図５Ｄのプリズム５６１は台形断面を有する。上面５６７は反射後面５６４に対して実質的に平行である。上面５６７及び後面５６４は両方とも、バックライトシステム内で法線即ちｚ軸に対する光線の角度を実質的に変更せずに、光を再循環させることができる。プリズム５０１と同様に、プリズム５６１は、シャドウ化の影響からの効率ペナルティなしで互いに非常に密に詰め込むことができる。
【００６１】
図６Ａ〜図６Ｄは、本発明の例示的な実施形態による改良された光学キャビティの形成に使用される、バックライトに含めるのに適した別の組の幾何学的抽出構造６０１、６２１、６４１、及び６６１を表す。抽出構造６０１、６２１、６４１、及び６６１のいずれも、コーティング４０５又は４５５等の金属コーティングとの直接接触を含まない。抽出構造６０１、６２１、６４１、及び６６１は、屈折プリズム構造と呼ばれる。プリズム構造６０１、６２１、６４１、及び６６１は、プラスチック射出成形又はスタンピングによって光ガイドの一体部分として形成することができる。プリズム６０１、６２１、６４１、及び６６１は、屈折又は全反射によって光を偏光させる。全反射は、光が誘電体界面に臨界角よりも大きな角度で入射する場合に１００％の反射効率で発生する。全反射の条件は、光ガイドの屈折率ｎ１が周囲媒質の屈折率ｎ２よりも大きければ、光ガイド内からプリズム６０１、６２１、６４１、及び６６１に衝突する光線について容易に満たされる。例えば、プラスチック製又はガラス製の光ガイドは、通常、１．３〜１．７の範囲の屈折率（ｎ１）を有するのに対して、空気中の屈折率の範囲は１．０〜１．１である。
【００６２】
各プリズム構造６０１、６２１、６４１、及び６６１には、反射後面６０４、６２４、６４４、及び６６４がそれぞれ関連付けられる。反射後面は、金属面又は誘電体ミラーから形成することができる。（誘電体ミラーは、面からの反射を最大化するように調整された厚さ及び屈折率を有する複数の薄膜誘電層から構成される）。金属反射層と併せて１つ又は複数の誘電層を含むハイブリッドリフレクタを利用することも可能である。反射後面６０４、６２４、６４４、及び６６４は、光ガイドからエアギャップで離間することができる。反射後面６０４、６２４、６４４、及び６６４は、ディスプレイ装置内で反射アパーチャ層（図示せず）に対して実質的に平行である平面内で方向付けられる。
【００６３】
図６Ａは、光ガイド６０２内を伝搬した後、プリズム６０１に衝突した異なる２つの光線に対するプリズム６０１の影響を示す。光線６０５は、プリズム６０１によって全反射され、それにより、法線即ちｚ軸に近い角度に、即ち光ガイドから離れてアパーチャそしてディスプレイの視聴者に向かうようにリダイレクトされる光線を示す。光線６０６は、光ガイド６０２と外部媒質との界面で屈折する光線を示す。光線６０６は、次に、反射後面６０４から反射され、光ガイド内に再送入される。再送入後、光線６０６はもはや光ガイド６０２の上面での全反射条件を満たさず、抽出されてアパーチャ層に向かって伝搬する。
【００６４】
屈折プリズム構造６０１及び６２１の形状は、互いに逆である。プリズム６２１は、一般に、光ガイド６２２からの突起として形成され、光ガイド６２２の水平面よりも下方に延びる。光線６２６は、プリズム６２１によって屈折し、反射後面６２４からの反射後、光ガイドの上面からの抽出に利用できるようになる。プリズム６０１及び６２１は両方とも、光ガイドの水平面に対して同様の角度を呈する２面を有する二等辺三角形に類似する断面形状を有する。プリズム６０１及び６２１は、光ガイドから光線を抽出するに当たり、光線の動きが左から右へ（即ち、ランプから離れていく）か、それとも右から左（ランプに向かう）かに関わりなく同等に効率的である。プリズム６２１からの屈折はシャドウ化の影響を受けないため、プリズム６０１よりも高密度で製造することができる。
【００６５】
プリズム６４１は、プリズム前面６４３及びプリズム後面６４５を有して製造される。プリズム前面６４３は、一般に、ランプ（図示せず）の方向に面する。プリズム前面６４３は、光ガイド６４２の水平面に対して小さな角度（６５度以下）をなすのに対して、プリズム後面６４５は、一般に、水平面に対して６５度よりも大きな角度をなす。プリズム６４１の形状は、屈折した光線の方向を制御するのを助けるものである。光線６４８は全反射されるのに対して、光線６４９はプリズム６４１によって屈折する。しかし、光線６４９は、反射後面６４４に全く交差せずに光ガイドに戻される。したがって、光線６４９は、強度の吸収損失を何ら受けずに光ガイドに戻すことができる。
【００６６】
図６Ｄは、互いの近傍に配置された２つの屈折プリズム構造６６１及び６６１’の影響を示す。これらプリズムの両方には、光ガイド６６２の水平面に対して異なる角度をなすプリズム前面６６３及びプリズム後面６５５が形成される。光線６６９はプリズム６６１によって屈折し、それから、水平面に対してはるかに平行な角度で光ガイドに戻される。光線６６９は、次に、プリズム６６１’から全反射され、それにより、法線即ちｚ軸により近い角度に、即ち光ガイドから離れてアパーチャそしてディスプレイの得視聴者に向かって方向付けられる。
【００６７】
図７Ａは、本発明の実施形態によるディスプレイ装置７０１を示す。ディスプレイ装置７０１は、段式後面７０３を含む楔形光ガイド７０２を特徴とする。ディスプレイ装置７０１は、ランプ７１０、ランプリフレクタ７１１、光変調基板７１３、アパーチャ層７１４、一連のシャッタ組立体７１５、及び一連のアパーチャ７１６も含む。シャッタ組立体７１５とアパーチャ層７１４との間隔は、光変調基板７１３の厚さよりも狭い。ディスプレイ装置は、アパーチャ層７１４の平面に対して実質的に平行である平面に配置されるバックリフレクタ７０９も含む。
【００６８】
図７Ｂ〜図７Ｄは、光ガイド７０２の段式後面と共に利用することができる代替の幾何学的抽出構造を表す。図７Ｂに示すように、ウェッジ光ガイド７０２の底部は、光ガイド７０２内の段７０６を隔てる、平行である傾斜面又は切子面７０４のセットを含む。傾斜面７０４は、光ガイド７０２から光を偏光又は抽出するように方向付けられる。段７０６は、アパーチャ層（図示せず）に実質的に平行に方向付けられるのに対して、傾斜面７０４は、アパーチャ層に対して傾斜して方向付けられる。光ガイド７０２内を伝搬する光線７０７は、傾斜面７０４によって反射され、それにより、法線即ちｚ軸に近い角度で、即ち光ガイドから離れてアパーチャそしてディスプレイの視聴者に向かうように方向付けられる。光線７０８等の再循環された光線は、段７０６に衝突した場合、アパーチャ層の法線（図７Ｂにおいて、このような法線はｚ軸で示される）に対して出射角度を何ら変更せずに再循環される。
【００６９】
プリズム構造４０１又は４５１と比較して、図示の光ガイド７０１の段構造は、普通ならば構造の抽出効率を制限するか、又は切子面７０４の可能な間隔を制限する恐れがあるシャドウ化を切子面７０４の間で何ら受けない。
【００７０】
傾斜面７０４及び段７０６は、光線７０７及び７０８の反射面として働く平坦な金属層７０９に密着する。
【００７１】
図７Ｃは、ウェッジ光ガイドの底部に対する代替の実施形態を示す。図７Ｃは、アパーチャ層に対して傾斜面７０４及び段７０６と同様に方向付けられる傾斜面７２４及び段７２６を含む。しかし、傾斜面７２４及び段７２６は、後に平坦な金属と密着しない。それに代えて、傾斜面７２４及び段７２６は、傾斜面７２４及び段７２６からの反射が全反射によって発生し得るように、ウェッジ光ガイドの誘電率よりも低い誘電率を含むギャップによって隔てられる。傾斜面７２４及び段７２６には、反射後面７２８が関連付けられる。反射後面７２８は、金属面又は誘電体ミラーから形成することができる。（誘電体ミラーは、面からの反射を最大化するように調整された厚さ及び屈折率を有する複数の薄膜誘電層から構成される）。金属反射層と併せて１つ又は複数の誘電層を含むハイブリッドリフレクタを利用することも可能である。反射後面７２８は、光ガイドからエアギャップで離間することができる。反射後面７２８は、傾斜面７２４と段７２６との平均方向に対して平行な平面に方向付けられる。
【００７２】
図７Ｄは、ウェッジ光ガイドの底部に対する代替の実施形態を示す。図７Ｄは、アパーチャ層に対して面７０４及び７０６と同様に方向付けられる傾斜面７４４及び段７４６を含む。しかし、傾斜面７４４及び段７４６は、後に平坦な金属と密着しない。それに代えて、傾斜面７４４及び段７４６は、面７４４及び７４６からの反射が全反射によって発生し得るように、ウェッジ光ガイドの誘電率よりも低い誘電率を含むギャップによって隔てられる。傾斜面７４４及び段７４６には、反射後面７４８が関連付けられる。反射後面７４８は、金属面又は誘電体ミラーから形成することができる。金属反射層と併せて１つ又は複数の誘電層を含むハイブリッドリフレクタを利用することも可能である。反射後面７４８は、光ガイドからエアギャップで離間することができる。反射後面７４８は、各バックライトシステム内の反射アパーチャ層７０９に対して実質的に平行である平面に方向付けられる。
【００７３】
プリズム構造６０１、６２１、６４１、及び６６１等の屈折構造は、光ガイドの上面、即ちアパーチャ層の真裏にある面に配置される場合にも効率的であることができる。図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の例示的な実施形態による改良された光学キャビティの部分の形成に使用される、光ガイド８０２及び８２２に組み込むことができる上面プリズム構造８０１及び８２１を示す。これらプリズム構造は専ら屈折によって機能し、反射はすべてのプリズム面で回避される。図８Ａのプリズム８０１は、ランプに面するプリズム前面８０３及びプリズム後面８０５を含む。光ガイドの水平な上面は、各図において８０４及び８２４によってそれぞれ示される。非限定的に、プリズム構造４０１、４５１、５０１、５２１、５４１、５６１、６０１、６２１、６４１、及び６６１に関連して示したものと同じ幾何学的変形は、上面に沿って配置された場合にも有用である。例えば、プリズムは、光ガイドの水平な上面の上方に延びてよく（プリズム８２１及び面８２４のように）、又は水平な上面よりも下方に延びてよい（プリズム８０１及び面８０４のように）。プリズムは、各面と水平面との間に同様の角度を有する二等辺三角形に類似する形状を有してもよく（プリズム８２１のように）、又は水平な上面に対して非常に異なる角度をなす面を有してもよい（プリズム８０１のように）。プリズム８０１のプリズム前面８０３は、水平面８０４に対して６５度よりも大きな角度をなす。
【００７４】
光線８０６及び８２６は、光ガイド８０２及び８２２内をそれぞれ伝搬した後、上面プリズム構造８０１及び８２１に交差する光線の例示的なパスを示す。プリズム構造８０１及び８２１の両方において、光ガイドは屈折率ｎ１を有するのに対して、周囲媒質は屈折率ｎ２を有する。屈折率ｎ１はｎ２よりも大きい。屈折プリズム構造４０１、４５１、５０１、又は５２１とは対照的に、屈折プリズム構造８０１及び８２１は、光を光ガイドから出射させ、ｚ軸に対して平行に近い角度に、又は視聴者に向けて直接リダイレクトするための機構を有さない。光ガイドから抽出される光の角度範囲はまだ狭いが、一般に、水平面８０４又は８２４の法線から２０度よりも大きな角度に向けて方向付けられる。図１３〜図１５に関連して説明するように、これらのオフアクシス光線は、転向フィルムと呼ばれることもあるプリズムシートによって法線に沿ってリダイレクトすることができる。
【００７５】
図８Ｃは、本発明の例示的な実施形態による改良された光学キャビティに両方とも貢献する１組の底部プリズム構造８４２並びに１組の上部プリズム構造８４３の両方を含む光ガイド８４１を示す。光学キャビティは、光ガイド８４１のすぐ左側に示されるランプ８４４及び反射アパーチャ層（図示せず）に実質的に平行である反射後面８４５も含む。一連の底部プリズム構造８４２は、屈折プリズム構造６２１と同様の形状を有する。上部プリズム構造８４３は、プリズム８２１と同様の形状を有する。構造８４２及び８４３内のプリズムは垂直軸に沿って方向付けられ、当初の方向がｘ軸に向けられているか、それともｙ軸に向けられているかに関わりなく、光ガイドから抽出されたいかなる光も垂直軸即ちｚ軸に向けてリダイレクトすするのを助ける。
【００７６】
この時点までに説明した幾何学的抽出構造は、平坦な面及び切子面を含んでいた。しかし、図９Ａ〜図９Ｃに示される抽出構造９０１、９２１、及び９４１は、ラウンドの又は湾曲した面を特徴とする。このような構造は、本発明の例示的な実施形態による改良された光学キャビティの部分の形成に使用される、バックライトに含めるためにも適する。図９Ａの抽出構造９０１は、屈折構造として光ガイド９０２の上面に設けられる。光ガイドは、外部媒質ｎ２の屈折率よりも大きな屈折率ｎ１を有する。ラウンド抽出構造９０１は、水平面９０４の上方に延びる。図９Ａは、平行パスで抽出構造に入るが、それから別れるパスで光ガイドを出る２つの光線９０５及び９０６を示す。したがって、光ガイドから光を抽出する機能を実行するに際して、ラウンド構造は、ランプ及びインジェクタによって提供される角度分布と比較して抽出された光線の角度分布を増大させることができる。抽出構造９０１に対する代替では、水平面９０４の上方に突出せずに光ガイドの水平上面の下方に窪むラウンド抽出器も可能である。
【００７７】
図９Ｂのラウンド抽出構造９２１は、非平坦な幾何学的抽出構造の別の例である。ラウンド構造９２１は、光ガイド９２２の底面に成形又はスタンピングされて、水平面９２４の上方に延びる。ラウンド構造９２１は、金属コーティングが光ガイド面に密着しない屈折構造として示される。光ガイドは、外部媒質ｎ２の屈折率よりも大きな屈折率ｎ１を有する。
【００７８】
図９Ｂは、ラウンド抽出構造９２１によって全反射される２つの光線９２５及び９２６を示す。これら２つの光線は、平行パスでラウンド構造に直面するが、反射後、別れたパスで出射する。これらパスは両方とも、ここでは、光ガイド（図示せず）の上面からの抽出に十分な角度を得ている。抽出構造９０１と同様に、ラウンド抽出構造９２１は、注入された光と比較して抽出光の角度分布を増大させることができる。
【００７９】
ラウンド抽出構造９２１には、反射後面９２７が関連付けられる。反射後面９２７は、金属面又は誘電体ミラーから形成することができる。金属反射層と併せて１つ又は複数の誘電層を含むハイブリッドリフレクタを利用することも可能である。反射後面９２７は、光ガイドからエアギャップで離間することができる。反射後面９２７は、ディスプレイ装置内で反射アパーチャ層（図示せず）に対して実質的に平行である平面に方向付けられる。光ガイドが金属でコンフォーマルコーティングされる代替の構造を利用することも可能である。水平な光ガイド面９２４が金属でコンフォーマルコーティングされる実施形態では、水平面９２４は、反射後面として働く。
【００８０】
図９Ｃのラウンド抽出構造９４１は、非平坦な抽出構造の別の例である。ラウンド構造９４１は、光ガイド９４２の底面に成形又はスタンピングされて、水平面９４４の下方に延びる。ラウンド構造９４１は、いかなる金属コーティングも光ガイド面に密着しない屈折構造として示される。光ガイドは、外部媒質ｎ２の屈折率よりも大きな屈折率ｎ１を有する。
【００８１】
図９Ｃは、光ガイドからラウンド構造９４１によって屈折され、それから反射後面９２７と構造及び方向付けが同様の反射後面９４７から反射される光線９４５を示す。次に、光線９４５は光ガイドに戻り、ここでは、光ガイドの上面から抽出される軌跡上にある。
【００８２】
図５〜図９を参照して上述した幾何学的抽出構造の形状は平坦で切子面状又はラウンド形である。しかし、すべての事例において、面からのランダムな又は光学拡散散乱の発生を回避するために、幾何学的抽出面の少なくとも部分が、光学系に平坦な面であることが好ましい。完全な平坦性又は平坦性は求められず、好ましくは、残る表面凹凸性は、２ミクロン未満、好ましくは０．５ミクロン未満、より好ましくは０．１ミクロン未満の物理的な直径に制限される。
【００８３】
３次元コリメーション−ランプ及びインジェクタを使用
この時点までの光線の解析は、単一の平面、例えば図２Ｂに示されるｘ−ｚ平面内で伝搬する光線のみを考慮してきた。しかし、３次元では、光線軌跡の解析ははるかに複雑である。ｘ軸に平行しない（即ち、図２Ｂにおいて紙面に入るように、又は紙面から出るように移動する角度成分を有する）ｘ−ｙ平面内を伝搬するランプ２５２からの光線は、デフレクタ２５５から反射し、法線即ちｚ軸に対してはるかに斜めの角度で光ガイドから出射する。すべてのデフレクタ２５５がｘ−ｚ平面内に含まれる傾斜角に制限される場合、アパーチャからの出射角度の分布は、角度分布の厳しい制御がｘ−ｚ平面では確立されるが、ｙ−ｚ平面に沿っては（ランバート分布であっても）分布が残らず、かなり非対称であり得る。
【００８４】
狭分布の強度を提供するために、出射アパーチャの法線又は極から任意の方位角への傾斜に対して、バックライトシステム内で光をコリメートするための追加の手段を考えることが有利である。このようなコリメーションは、ランプからの放射パターンに整合する形状又は構成のデフレクタを提供することにより、又は光ガイドとアパーチャアレイとの間にコリメーション手段を挿入することにより、ランプ又はインジェクタ組立体の設計にコリメーション機能をさらに追加することによって実現することができる。これら各選択肢についてこれより順に検討する。
【００８５】
図１０Ａ〜図１０Ｄは、本発明の例示的な実施形態による改良された光学キャビティの部分の形成に使用される、バックライトに注入される光をコリメートするための４つの構成を示す。図１０Ａのバックライトシステム１００１は、任意選択のバックリフレクタ１００３及び湾曲リフレクタ１００４がそれぞれに関連付けられた複数のランプ１００２と、光ガイド板１００５とを含む。ランプ１００２とリフレクタ１００３及び１００４とは一緒に光インジェクタ１００６を構成する。光線１００８等の光線は、ランプ１００２を出てバックリフレクタ１００３から反射され、そして湾曲リフレクタ１００４から反射された後、ｘ軸に対して実質的にコリメートされた状態で光ガイド１００５に入る。湾曲リフレクタを出る光線の発散は、＋／−５０度以内に制御され、場合によっては＋／−２０度以内という狭い発散に制御することができる。
【００８６】
湾曲リフレクタ１００４に使用される湾曲は、円、放物線、楕円、双曲線、又は上記の任意の組み合わせに近似する弧を含むことができる。リフレクタ１００４の曲率は、ｘ−ｙ平面に沿った断面並びにｘ−ｚ平面に沿った断面で明らかにされる。３次元で考えると、湾曲リフレクタ１００４の曲率は、放物線形又は楕円形円筒形の表面部分、球の部分、円環の部分として考えることができる。ランプ１００２は、湾曲リフレクタ１００４の焦点の近傍又は火面領域内に配置される。
【００８７】
湾曲リフレクタ１００４は、ランプ１００２の前面に配置される平坦な金属シートから形成してよく、又は成形された光ガイド１００５の外側エッジへのコーティングとして追加される金属薄膜によって形成してもよい。
【００８８】
光ガイド１００５は、デフレクタ１０１０のアレイを含む。デフレクタ１０１０は、リッジがｙ軸に平行になるように配置される。即ち、デフレクタ１０１０の平坦な面の法線はｘ−ｚ平面内に含まれる。デフレクタ１０１０は、光ガイド１０５の底面に形成され、プリズム４５１と同様である。非制限的に、プリズム４０１、５０１、５２１、５４１、５６１、６０１、６２１、６４１、６６１、８０１、８２１、８４１、９０１、９２１、９４１、又は７０４等の段切子面はいずれも、プリズム４５１に代えて光ガイド１００５に使用することができる。デフレクタ１０１０は、光ガイド１００５内に不均等な間隔で構成される。インジェクタ１００６から離れるほど間隔を密にすることにより、放射光の均一性の提供が助けられる。
【００８９】
デフレクタ１０１０は、一般に、ｙ軸に沿って互いに平行に方向付けられる。代替の実施形態では、デフレクタは、湾曲した又は波状の外観を有してよく、大まかな又は平均の向きがｙ軸に沿う。
【００９０】
バックライトシステム１００１は、角度発散の３次元制御が主に光インジェクタ１００６からのコリメーションによって確立されるバックライトの一例である。インジェクタによって提供される角度発散は、発散角度α１及びα２をそれぞれ有する２つの直交する平面、即ちｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面に沿って考えることができる。デフレクタ１０１０からの鏡面反射が完全であり、図３の下で列挙したその他の平行である条件ａ）、ｂ）、及びｃ）を想定すると、アパーチャからの最大発散は、
式１：    ｓｉｎ２（α）＝ｓｉｎ２（α１）及びｓｉｎ２（α２）
として与えられる。しかし、実際には、アパーチャの法線から測定される発散アルファは、以下の理由のうちのいくつかにより、式１の発散よりも大きくても又は小さくてもよい。
１．デフレクタ１０１０間のシャドウ化が、通常、ｘ−ｚ平面に沿った放射角度範囲を狭める。
２．屈折によって抽出される光（例えば、図６Ａ参照）は、通常、光線のうちのサブセットを、純粋な反射によって実現されるものとは非常に異なり、光ガイドの平面により近い角度範囲内に放射する。
３．ラウンド面によって抽出される光は、より広い角度範囲に現れるが、それでもやはり光ガイドの平面近傍では集中された状態を保つ傾向を有する。
【００９１】
図１０Ｂのバックライトシステム１０２１は、角度発散の３次元制御が主に光インジェクタ１０２６からのコリメーションによって確立されるバックライトの別の例である。図１０Ｂのバックライトシステム１０２１は、コリメータ１０２４がそれぞれに関連付けられた複数のランプ１０２２及び光ガイド板１０２５を含む。ランプ１０２２とコリメータ１０２４とは一緒に光インジェクタ１０２６を構成する。光線１０２８等の光線は、ランプ１０２２から出てコリメータ１０２４の両サイドから反射され、それからｘ軸に対して実質的にコリメートされた状態で光ガイド１０２５に入る。湾曲リフレクタを出る光線の発散は、＋／−５０度以内に制御され、場合によっては＋／−２０度以内という狭い発散に制御することができる。
【００９２】
コリメータ１０２４は、湾曲した漏斗又は円錐の形状であり、ランプ１０２２に最も近い開口部は狭く、光ガイド１０２５に面する開口部は広い。コリメータ１０２４に示す漏斗形はｘ−ｙ断面においてのみ明らかであるが、他の実施形態では、漏斗形は３次元で存在し、この場合、漏斗形はｘ−ｚ平面での断面においても明らかである。あるいは、インジェクタは、図２Ｂのリフレクタ２５３等のｘ−ｚ平面での湾曲リフレクタ及びコリメータ１０２４に示されるような漏斗形の両方を含むことができる。コリメータ１０２４内の壁の特定の湾曲形状は、コリメータのスループット効率を増大させることが分かっている。このような形状は、当分野において複合パラボリックコリメータ（ｃｏｍｐｏｕｎｄ  ｐａｒａｂｏｌｉｃ  ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）、ＣＰＣとして知られている（又は複合パラボリックコンセントレータとしても知られていることもある）。当分野において既知の多くのＣＰＣは、回転放物面として形成されるが、バックライトシステム１０２１での適用に適切なコリメータは、ｙ軸に平行してより広い軸を有し、ｙ−ｚ平面においてより楕円的な断面を有することができる。
【００９３】
コリメータ１０２４は、曲げられた又はスタンピングされた金属から形成してもよく、又は成形された光ガイドの表面に金属薄膜をコーティングすることによって形成してもよい。あるいは、多くのＣＰＣ設計が、成形された光ガイドと低屈折率を有するその周囲媒質との界面からの全反射を利用することによって効率的に機能するため、コリメータ１０２４の表面は全く金属化される必要はない。
【００９４】
インジェクタ１０２６及び１００６は両方とも複数のランプ１０２２及び１００２を含み、前者の場合、ＣＰＣ構造によってコリメートされ、後者の場合、湾曲ミラーによってコリメートされる。代替の実施形態では、一連のランプは、フレネルレンズを含み、より効率的なクラスのＴＩＲフレネルレンズも含む一連の屈折レンズによってコリメートすることができる。
【００９５】
光ガイド１０２５は、光ガイド１０２５の底面に形成されたデフレクタ１０３０のアレイを含む。デフレクタ１０３０は３次元物体である。デフレクタ１０３０の狭いほうの寸法での断面は台形であり、したがって、プリズム６６１と同様である。より長い軸に沿ったデフレクタ１０３０の断面も台形であるが、はるかに長い上面を有する。デフレクタ１０３０は、２：１よりも大きな、場合によっては２０：１よりも大きな長さと幅のアスペクト比を有する。デフレクタ１０３０はすべて、長軸をｙ軸に平行であるように配置される。即ち、偏光面の法線がｘ−ｚ平面内に含まれる。デフレクタ１０３０は、光ガイド１００５内で不均等な間隔で配置される。インジェクタ１００６から離れるほど間隔を密にすることにより、放射光の均一性を保証するのを助ける。
【００９６】
デフレクタ１０３０の断面はプリズム６６１と同様であるが、非制限的に、プリズム構造４０１、４５１、５０１、５２１、５４１、５６１、６０１、６２１、６４１、８０１、８２１、８４１、９０１、９２１、又は９４１のうちの任意のものと同様の断面を有する同様の３次元物体を形成してもよい。
【００９７】
デフレクタ１０３０の表面は、入射光に対して真の３次元曲率を呈するのに対して、デフレクタ１０１０の表面は、単純な平坦物体として挙動する。デフレクタ１０３０の３次元形状により、且つインジェクタ１０２６によって注入される光の完全に満たないコリメーションにより、光のいくらかの散乱が、法線がｘ−ｚ平面にないデフレクタの面から発生する。その結果、バックライトシステム１００１と比較して、ｚ軸に対して測定されるシステム１０２１のアパーチャを出射する光の発散角度は、かなり広くなる。しかし、デフレクタ１０３０の有限寸法により、光ガイド１０２５の底部に沿ったデフレクタの配置及び密度のばらつきをはるかに改良することもできる。したがって、光ガイド１０２１からの光の放射は、光ガイド１００１で可能なよりも高度の均一性になるように設計することができる。デフレクタ１０３０の規則的又は周期的な配置はディスプレイにモアレフリンジ又は照明アーチファクトに繋がる恐れがあるため、デフレクタ１０３０の位置もランダム化することができる。
【００９８】
図１０Ｃのバックライトシステム１０４１は、角度発散の３次元制御が主に光インジェクタ１０４６からの光のコリメーションによって確立されるバックライトの別の例である。図ｌ０Ｃのバックライトシステム１０４１は、複数のランプ１０４２及び任意選択の湾曲リフレクタ１０４３を含み、これらは一緒にビームエクスパンダ１０４４の端部に配置される。ランプ、リフレクタ、及びビームアクスパンダは一緒に光インジェクタ１０４６を構成する。バックライトシステムは、光ガイド板１０４５も含む。光線１０４８等の光線は、ランプ１０４２を出て、ビームエクスパンダ１０４４の両サイドの切子面から反射され、それからｘ軸に対して実質的にコリメートされた状態で光ガイド１０４５に入る。インジェクタ１０４６を出る光線の発散は、＋／−５０度以内に制御され、場合によっては＋／−２０度以内という狭い発散に制御することができる。
【００９９】
図１０Ｃに示すように、ｘ−ｙ平面での断面として見た場合、ビームエクスパンダ１０４４は、図７Ａ及び図７Ｂのウェッジ光ガイド７０２に対して示した形状と同様の形状を有する。ビームエクスパンダ１０４４は、主にｙ軸に沿って伝搬する光を主にｘ軸に沿ったコリメートされた光にリダイレクトするデフレクタ１０４７を含む。任意選択のデフレクタ１０４３は、図２Ｂのリフレクタ２５３と同様の様式で湾曲し、ランプ１０４２は、任意選択的に、湾曲リフレクタ１０４３の焦点の近傍又は火面領域内に配置される。この様式では、ランプ１０４２及びリフレクタ１０４３は、ランバート分布よりも狭い固定角度分布を有する光をｘ軸から＋／−３０度の角度内に放射することができる。代替の実施形態では、湾曲リフレクタ１０４３を、ビームエクスパンダ１０４４の形状の部分として成形し、ランプ１０４２とビームエクスパンダとの間に配置することができる複合パラボリックコリメータで置換することができる。代替の実施形態では、ランプ１０４２とビームエクスパンダ１０４４との間に配置されるフレネルレンズ又は他の屈折レンズの使用を通して、コリメーションの程度が高い光をビームエクスパンダに注入することができる。
【０１００】
光ガイド１０４５は、光ガイド１０４５の底面に形成される、デフレクタ１０５０及び１０５１を含むデフレクタのアレイを含む。図１０Ｃのデフレクタ１０５０はデフレクタ１０３０と同様である。デフレクタ１０５１は、デフレクタ１０５０と同様であるが、デフレクタ１０５０よりも高い。各デフレクタ１０５０及び１０５１の断面は、同様の角度を有する台形である。デフレクタ１０５０及び１０５１は、長軸がｙ軸に対して平行であるように配置される。即ち、偏光面の法線はｘ−ｚ平面内に含まれる。デフレクタ１０５０及び１０５１は、光ガイド１０４５の底面上に等間隔で配置されるが、デフレクタ１０５０又は１０５１の高さは、インジェクタ１０４６からの距離の関数として変化させることが可能である。光ガイド１０４５にわたってのデフレクタサイズの変化を制御することによって、放射光の均一性を向上させることができる。ディスプレイでのモアレフリンジ又は照明アーチファクトを回避するために、デフレクタ１０５０及び１０５１の位置又は配置もランダム化することができる。
【０１０１】
デフレクタ１０５０の断面はプリズム６６１と同様であるが、サイズを変化させた同様の３次元物体を、非制限的に、プリズム構造４０１、４５１、５０１、５２１、５４１、５６１、６０１、６２１、６４１、８０１、８２１、８４１、９０１、９２１、又は９４１の任意のものと同様の断面で形成してもよい。
【０１０２】
図１０Ｄのバックライト１０６１は、角度発散の３次元制御が主に光インジェクタ１０６６からのコリメーションによって確立されるバックライトの別の例である。図１０Ｄのバックライトシステム１０６１は、ランプ１０６２、リフレクタ１０６８、及びインジェクタ光ガイド１０６４を含む。バックライトシステム１０６１は、光ガイド板１０６５も含む。インジェクタ光ガイド１０６４と光ガイド１０６５との間には、後向きプリズムシート１０６３が配置される。ランプ１０６２、光ガイド１０６４、リフレクタ１０６８、及びプリズムシート１０６３は一緒に光インジェクタ１０６６を構成する。インジェクタ光ガイド１０６４は、後部エッジに沿って塗装ドット又は蛍光ドット１０６７のアレイを含むことができ、この機能は、光ガイド１０６４を出射させる角度範囲内に光を散乱させることである。
【０１０３】
プリズムシート１０６３は２つの面を有する。即ち、平坦でインジェクタ光ガイド１０６４に面する前面及び一連のプリズム構造を含み、光ガイド１０６４から逆の方向を向いた後面である。プリズムシート１０６３内のリッジは、ｚ軸に対して平行であるように位置合わせされる。光線１０７８等の光線は、ランプ１０６２を出て、塗装ドット１０６７によって散乱し、その後、光ガイド１０６４を出て後向きプリズムシート１０６３に直面する。後向きプリズムシート１０６３は２つの機能を実行する。即ち、光ガイド１０６５への注入前に角度外光を取り、ｘ軸に沿ってリダイレクトすること、及び光ガイド１０６４からｘ方向光を取り、光ガイド１０６４に戻して再循環することである。後向きプリズムシート１０６３を使用すると、インジェクタ１０６６を出る光線の発散は、＋／−５０度以内に制御され、場合によっては＋／−２０度以内という狭い発散に制御することができる。
【０１０４】
代替の実施形態では、プリズムシート１０６３は、別個の構成要素として追加されず、むしろ、プリズム形状はインジェクタ光ガイド１０６４に成形されてその一体部分を形成する。別の代替の実施形態では、プリズムシート１０６３の向きは逆であり、プリズム構造がランプ１０６２に面する前向きプリズムシートを形成する。
【０１０５】
光ガイド１０６５は、光ガイド１０６５の底面に形成され、デフレクタ１０１０と同様のデフレクタ１０７０のアレイを含む。デフレクタ１０３０、１０５０、又は１０５１に関連して説明したデフレクタの変形の任意のものを、光ガイド１０６５内に代わりに配置してもよい。デフレクタ１０７０は、リッジがｙ軸に平行になるように配置される。即ち、平坦な面の法線はｘ−ｚ平面内に含まれる。デフレクタ１０１０は、光ガイド１００５内に不等間隔で配置される。インジェクタ１００６から離れるほど間隔を密にすることにより、放射光の均一性の向上が助けられる。
【０１０６】
上述したように、バックライトシステム１００１、１０２１、１０４１、及び１０６１は、指向性光効率的なディスプレイに使用するための改良された光学キャビティの部分を形成するために利用することができる。
【０１０７】
半径方向デフレクタを使用した３Ｄコリメーション
図１１Ａのバックライトシステム１１０１は、角度発散の３次元制御が確立され、改良された光学キャビティに含めるのに適したバックライトの別の例である。バックライトシステム１１０１は、複数のランプ１１０２及び光ガイド板１１０５を含む。光ガイド１１０５はデフレクタ１１１０のアレイを含む。デフレクタ１１１０はデフレクタ１０１０と同様の形状を有する。デフレクタは、光ガイド１１０５の底に沿って一連の同心円に配置される。光線１１０８及び１１０９等の光線は、ｘ−ｙ平面内においてデフレクタ１１１０の向きに実質的に垂直な半径方向にランプ１１０２を出る。デフレクタ１１１０からの反射後、光線１１０８及び１１０９は、アパーチャに向けて（図示せず）、法線即ちｚ軸により近い角度、即ち光ガイド１１０５から離れる角度にリダイレクトされる。放射光の均一性を向上させるために、デフレクタ１１１０の配置密度又は同心円の間隔も、光ガイド１１０５全体で有利に調整することが可能である。
【０１０８】
バックライトシステム１１１０は、アパーチャから放射される光の発散を＋／−５０度、場合によっては＋／−２０度という狭い円錐角に制御することが可能である。角度の制御は、デフレクタ１１１０の配置をランプ１１０２の放射パターンと実質的に整合させることによって実現される。デフレクタ１１１０の長軸は、ランプ１１０２から放射される光線（又は動径ベクトル）に対して垂直な向きである。換言すれば、デフレクタ１１１０からの偏光面の法線は、ｚ軸及びランプ１１０２からの動径ベクトルを含む平面内に含まれる。
【０１０９】
図１１Ｂのバックライトシステム１１５１は、３次元制御が放射状デフレクタパターンによって確立されるバックライトの別の例である。バックライトシステム１１５１は、ランプ１１５２、光ガイド板１１５５、及びデフレクタ１１６０のアレイを含む。デフレクタ１１６０はデフレクタ１０３０と同様の形状を有する。セグメント化された又は３次元デフレクタ１１６０は、一連の円の円周に沿って配置され、その円周に対して実質的に平行に向けられる。セグメント化されたデフレクタは、円周方向に対して完全に平行である必要はなく、円周方向に沿って平均の向きの周囲にランダムな配置を有することができる。デフレクタ１１６０の密度は、ランプ１１５２からの距離に関数として変化する。ランプ１１５２から離れるほど間隔を密にすることにより、放射光の均一性の保証が助けられる。
【０１１０】
別の実施形態では、段光ガイド７０２の原理を使用して連続円周デフレクタを構築することができる。段光７０２でのように、底面は、光ガイド内の平坦又は水平な段を隔てる傾斜面又は切子面面の平行なセットを含むことができる。各傾斜面又は各切子面は、湾曲した側面を含み、その半径の曲率はランプ１１０２を中心とする。
【０１１１】
光ガイド１１０５及び１１５５に使用される任意のデフレクタの断面は、非制限的に、プリズム４０１、４５１、５０１、５２１、５４１、５６１、６０１、６２１、６４１、８０１、８２１、８４１、９０１、９２１、又は９４１の任意のものの断面に一致してもよい。
【０１１２】
ＢＥＦフィルムを使用した３Ｄコリメーション
図１２は、本発明の例示的な実施形態による改良された光学キャビティを組み込んだディスプレイ１２０１の斜視図である。ディスプレイ１２０１は、角度発散の３次元制御が確立されるバックライトの別の例を含む。バックライトシステム１２０１は、複数のランプ１２０２、ランプリフレクタ１２０３、光ガイド１２０４、一連のデフレクタ１２０６、バックリフレクタ１２０５、シャッタ１２１１を有する光変調板１２０８、及び輝度向上フィルムとしても知られる前向きプリズムシート１２１０を含む。光変調板１２０８は、アパーチャ１２１３のアレイを規定する反射アパーチャ層１２０９を含む。アパーチャ層１２０９の反射面は一般に、アパーチャから逃れ出ない光を光学キャビティ内に戻す、即ち再循環できるように、光ガイドに面する。
【０１１３】
前向きプリズムシート１２１０は、２つの面を有する。即ち、平坦で光ガイド１２０４に面する後面及び一連のプリズム構造を含み、光ガイド１２０４に面しない前面である。プリズムシート１２１０内の溝又はリッジは、ｘ軸に平行に位置合わせされる。
【０１１４】
光ガイド１２０４は、デフレクタ１０１０と同様の形状のデフレクタ１２０６のアレイを含む。デフレクタ１０１０、１０３０、１０５０、又は１０５１に関連して説明したデフレクタ変形のうちの任意のものを、光ガイド１２０４内のデフレクタ１２０６に代えて使用してもよい。デフレクタ１２０６は、リッジがｙ軸に平行なように配置される。即ち、デフレクタ１２０６の平坦な面の法線がｘ−ｚ平面内に含まれる。デフレクタ１２０６は、光ガイド１２０４内に不等間隔で配置される。ランプ１２０２よりも離れるほどデフレクタ１２０６の間隔を密にすることにより、放射光の均一性の増大が助けられる。光ガイドは反射後面（図示せず）を含み、反射後面は、金属コーティング４０５、４５５、５０５、又は５２５と同様に光ガイドの後面上の反射金属コーティングによって形成することができる。
【０１１５】
ディスプレイ１２０１はランプリフレクタ１２０３を含み、ランプリフレクタ１２０３は、（光のコリメーションに使用するために）ｘ−ｚ平面での断面で見た場合に湾曲しているが、ｘ−ｙ平面での注入光のコリメーションは限られているか、又はｘ−ｙ平面において注入光をコリメートする手段を有さない。しかし、バックライトシステム１２０１は、光が光ガイド１２０４を出た後にｙ−ｚ平面において光をコリメート可能な、プリズム輝度向上フィルムとしても知られている前向きプリズムシート１２１０を含む。前向きプリズムシート１２１０のコリメーション機能は、以下のようにして動作する。光ガイド１２０４を出た、ｙ−ｚ平面においてｚ軸から離れて傾斜した光線は、プリズムシート１２１０内のプリズムによって屈折し、ｚ軸により近いパスに沿って方向付けられる。光ガイド１２０４を出た、ｚ軸のより近くに位置合わせされた光線は、全反射によってプリズムシート１２１０の内部で反射され、再循環のために光ガイド１２０４に戻される。ｙ−ｚ平面で測定される場合、プリズムシート１２１０を出てアパーチャに到達するすべての光のうちの３０％超を、ｚ軸から＋／−３０度の角度以内に含むことができる。
【０１１６】
したがって、ディスプレイ１２０１は、プリズム様のデフレクタ１２０６から可能な鏡面反射に加えて、湾曲ランプリフレクタ１２０３により一平面（ｘ−ｚ平面）に沿ってコリメートするように設計される。さらなるコリメーションが、輝度向上フィルムとしても知られている前向きプリズムシート１２１０によりｙ−ｚ平面に沿って実現される。
【０１１７】
いくつかの実施形態では、拡散フィルムが光ガイド１２０４とプリズムフィルム１２１０との間に挿入される。拡散フィルムは、デフレクタ１２０６の規則的なアレイによって発生する視覚的アーチファクトの除去を助ける。
【０１１８】
別の代替の実施形態では、プリズムシート１２１０の向きが逆になり、プリズム構造が光ガイド１２０４に向かって面する後向きプリズムシートを形成するが、プリズムの溝はｘ軸に沿って位置合わせされたままである。
【０１１９】
代替の実施形態では、プリズムシート１２１０は別個の構成要素として設けられず、むしろ、プリズム形状は、光ガイド１２０４の上面に成形され、その一体部分を形成する。
【０１２０】
幾何学的抽出構造と転向フィルムとの併用
バックライトシステムの設計は、潜在的に競合するいくつかの設計パラメータを考慮する。即ち、ａ）放射光の主方向の制御、ｂ）放射光の発散角度の制御、ｃ）バックライトにわたっての強度の均一性、ｄ）照明又は電力の効率、及びｅ）製造コストである。プリズム様デフレクタ形の使用は、性能パラメータに対する設計者の制御を向上させることができるが、幾何学的抽出構造の使用は、それ自体では、すべての性能パラメータが許容可能なことを保証することができない。場合によっては、光ガイドから光を抽出する機能を抽出光の最終方向を制御する機能から分離することが有益である。場合によっては、幾何学的抽出構造と併せてプリズム転向フィルムを使用することにより、改良されたシステムをもたらすことができる。
【０１２１】
図１３は、改良された光学キャビティを使用して形成された別のディスプレイの斜視図である。ディスプレイ１３１０は、幾何学的抽出構造と併せて転向フィルムを含む。ディスプレイ１３０１は、複数のランプ１３０２、ランプ筐体１３０３、光ガイド１３０４、一連のデフレクタ１３０６、シャッタ１３１１を有する光変調板１３０８、及び転向フィルムとしても知られる後向きプリズムシート１３１０を含む。光変調板は、アパーチャ１３１３のアレイを規定する反射アパーチャ層１３０９を含む。
【０１２２】
後向きプリズムシート１３１０は２つの面を有する。即ち、光ガイド１３０４の方を向く一連のプリズム構造を含む後面及び平坦で光ガイド１３０４に面しない前面である。プリズムシート１３１０内のプリズム間の溝は、ディスプレイ１３０１のｙ軸に平行に位置合わせされる。
【０１２３】
図１３に示すデフレクタ１３０６は、デフレクタ９２１及び９４１と同様のラウンドデフレクタである。デフレクタ１３０６によって散乱する光線１３２０は、法線即ちｚ軸から２０度よりも大きな角度で光ガイド１３０４から出る傾向を有する。後向きプリズムシート１３１０は、軸外軌跡からの光をリダイレクトし、ｚ軸に対する平行度がより高いパスに沿ってアパーチャ１３１３を通して送る能力を有する。このため、後向きプリズムシート１３１０は転向フィルムと呼ばれる。
【０１２４】
代替の実施形態では、プリズムシート１３１０は、別個の構成要素として追加されず、むしろ、プリズム形状は光ガイド１３０４の上面又は光変調板１３０８の底面に成形されてその一体部分を形成する。別の代替の実施形態では、プリズムシート１３１０の向きは逆であり、プリズム構造が光ガイド１３０４から逆の方向を向く前向きプリズムシートを形成するが、プリズムの溝はｙ軸に沿って位置合わせされたままである。
【０１２５】
デフレクタ１３０６には、転向フィルム１３１０の形状を補完するような形状が設計される。例えば、デフレクタ８０１、８２１、９０１、９２１、及び９４１のような形状のデフレクタは、優先的に散乱光を斜角で、即ちｚ軸に実質的に平行しない方向に、例えばｚ軸に対して２０度よりも大きな角度それた角度で送る傾向を有する。このようなデフレクタは、転向フィルム１３１０がｚ軸に沿って光をリダイレクトするために使用される、ディスプレイ１３０１等のディスプレイに組み合わせるのによりよく適している。デフレクタ４０１、４５１、５０１、５２１、５４１、５６１、６０１、６２１、６４１等のデフレクタも、それぞれの前面と後面との角度が光ガイド１３０４の水平面に対して略４５度未満に保持される限り、プリズムシート１３１０のような転向フィルムと有益に整合する出射斜角範囲を発生させるために有効であることができる。
【０１２６】
代替の実施形態では、転向フィルム１３１０内のプリズムによって形成されるプリズム角度を、光ガイド１３０４からの出射角度範囲に整合するように調整することも可能である。シート１３１０内のプリズムのピークに形成される角度は、６０〜１２０度のいずれの範囲であってもよい。
【０１２７】
図１４のディスプレイ１４０１は、光学キャビティ内で幾何学的抽出構造と併せて転向フィルムを使用する別の例である。ディスプレイ１４０１は、複数のランプ１４０２、ランプ筐体１４０３、光ガイド１４０４、一連のデフレクタ１４０６、シャッタ１４１１を有する光変調器１４０８板、及び転向フィルムとしても知られる後向きプリズムシート１４１０を含む。光変調板１４０８は、アパーチャ１４１３のアレイを規定する反射アパーチャ層１４０９を含む。
【０１２８】
後向きプリズムシート１４１０は２つの面を有する。即ち、光ガイド１４０４の方を向く一連のプリズム構造を含む後面及び平坦で光ガイド１４０４に面しない前面である。プリズムシート１３１０とは対照的に、プリズムシート１４１０の溝は同心円に沿って位置合わせされ、その半径はランプ１４０２に端を発する。
【０１２９】
図１４に示すデフレクタ１４０６は、デフレクタ４０１又は４５１と同様のプリズム様デフレクタである。転向フィルム１４１０を補完する抽出角度にするために、プリズム前面と光ガイド１４０４の水平面との角度は、略４５度未満に保たれる。デフレクタ１４０６は、プリズムシート１４１０の溝に対して平行に、同心円に沿って位置合わせされる。
【０１３０】
デフレクタ１４０６によって散乱する光線は、法線即ちｚ軸から２０度よりも大きな角度で光ガイド１４０４を出る傾向を有する。後向きプリズムシート１４１０は、軸外軌跡からの光をリダイレクトし、ｚ軸に対する平行度がより高いパスに沿ってアパーチャ１４１３を通して送る能力を有する。このため、後向きプリズムシート１４１０は転向フィルムと呼ばれる。
【０１３１】
代替の実施形態では、プリズムシート１４１０は、別個の構成要素として追加されず、むしろ、プリズム形状は光ガイド１４０４の上面又は光変調板１４０８の底面に成形されてその一体部分を形成する。別の代替の実施形態では、プリズムシート１４１０の向きは逆であり、プリズム構造が光ガイド１４０４から逆の方向を向く前向きプリズムシートを形成するが、プリズムの溝はデフレクタ１４０６に対して平行である円に位置合わせされたままである。
【０１３２】
デフレクタ１４０６には、転向フィルム１４１０の形状を補完するような形状が設計される。例えば、デフレクタ８０１、８２１、９０１、９２１、及び９４１のような形状のデフレクタは、優先的に散乱光を斜角で、即ちｚ軸に実質的に平行しない方向に、例えばｚ軸に対して２０度よりも大きくそれた角度で送る傾向を有する。このようなデフレクタは、理想的には、転向フィルムがｚ軸に沿って光をリダイレクトするために使用される、ディスプレイ１４０１等のディスプレイに組み合わせるのに適する。デフレクタ４０１、４５１、５０１、５２１、５４１、５６１、６０１、６２１、６４１等のデフレクタも、それぞれの前面と後面との角度が光ガイド１４０４の水平面に対して略４５度未満に保持される限り、プリズムシート１４１０のような転向フィルムと有益に整合する出射斜角範囲を発生させるために有効であることができる。
【０１３３】
代替の実施形態では、転向フィルム１４１０内のプリズムによって形成されるプリズム角度を、光ガイド１４０４からの出射角度範囲に整合するように調整することも可能である。シート１４１０内のプリズムのピークに形成される角度は、６０〜１２０度のいずれの範囲であってもよい。
【０１３４】
図１５のディスプレイ１５０１は、角度発散の３次元制御が確立されるディスプレイ装置の別の例である。ディスプレイ１５０１は、複数のランプ１５０２、ランプ筐体１５０３、光ガイド１５０４、一連のデフレクタ１５０６、シャッタ１５１１を有する光変調器板１５０８、後向きプリズムシート１５１０、及び拡散シート１５１２を含む。光変調板１５０８は、アパーチャ１５１３のアレイを規定する反射アパーチャ層１５０９を含む。
【０１３５】
後向きプリズムシート１５１０は２つの面を有する。即ち、光ガイド１５０４に面する一連のプリズム構造を含む後面及び平坦で光ガイド１５０４から逆の方向を向く前面である。プリズムシート１５１０内のプリズム間の溝は、バックライトシステム１５０１のｙ軸に平行して位置合わせされる。
【０１３６】
別の代替の実施形態では、プリズムシート１５１０の向きは逆になり、プリズム構造が光ガイド１５０４から逆の方向を向いた前向きプリズムシートを形成する。
【０１３７】
ディスプレイ１５０１の動作はディスプレイ１３０１の動作と同様であり、追加の拡散器１５１２を有する。場合によっては、バックライトから抽出することができる角度範囲はかなり斜めである。即ち、光ガイド１５０４の平面の略３０度以内に保持される。この場合、拡散シート１５１２が、後向きプリズムシート１５１０によって効果的にリダイレクトされた光束が増大するように、利用可能な角度の広がりを増大させるために有効であり得る。拡散シート１５１２は、入射光を限られた出射角度範囲に、例えば入射光線の＋／−２０度以下の円錐に広げるように設計される。拡散シート１５１２は、広いランバートプロファイルの出射光線を生成せず、したがって再循環プロセスにおいてそこを通過する光線の分布を過度に広げない。
【０１３８】
交差ＢＥＦ又は交差転向フィルム
図１６のディスプレイ１６０１は、光学キャビティにおいて角度発散の３次元制御が確立されるディスプレイ装置の別の例である。ディスプレイ１６０１は、複数のランプ１６０２、ランプ筐体１６０３、光ガイド１６０４、一連のデフレクタ１６０６、シャッタ１６１１を有する光変調器板１６０８、２枚の前向きプリズムシート１６１０及び１６１２を含む。光変調板１６０８は、アパーチャ１６１３のアレイを規定する反射アパーチャ層１６０９を含む。
【０１３９】
前向きプリズムシート１６１０及び１６１２はそれぞれ２つの面を有する。即ち、平坦で光ガイド１６０４に面する後面及び一連のプリズム構造を含み、光ガイド１６０４から逆の方向を向いた前面である。プリズムシート１２１０内の溝又はリッジは、ｘ軸に対して平行に位置合わせされる。プリズムシート１６１０及び１６１２内の溝は、直交する又は垂直な方向に方向付けられる。
【０１４０】
２枚のプリズムシート１６１０及び１６１２を使用する場合、ディスプレイ１６０１は、光ガイド１６０４から実質的にランダムな放射をとり、ｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面の両方で実質的なコリメーションを提供する機能を有する。
【０１４１】
別の代替の実施形態では、プリズムシート１６１０及び１６１２の両方の向きが逆になり、両プリズム構造が光ガイド１６０４に面する後向きプリズムシートを形成する。
【０１４２】
ディスプレイ組立体１４０１等での放射状デフレクタ設計を使用する場合、２つの垂直に方向付けられたプリズムフィルムを利用することもできる。これらプリズムフィルムのうちの一方は、プリズムシート１４１０等の円周方向に向けられるのに対して、第２のプリズムシートは、半径方向に向けられたプリズムを含む。
【０１４３】
図１０〜図１６のディスプレイは様々なランプを含む。非制限的に、白熱灯、蛍光灯、レーザ、又は発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む多数の異なる種類のランプをこれらディスプレイに利用することができる。さらに、図１０〜図１６に示されるランプ１００２、１０２２、１０４２、又は１１０２等のランプのうちの任意のランプが、実際には、複数のランプの組立体であってもよい。例えば赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、及び青色ＬＥＤの組み合わせを、小型半導体チップ内で白色ＬＥＤと組み合わせるか、又は白色ＬＥＤの代用としてもよく、あるいは小型マルチランプパッケージ内に組み立ててもよい。同様に、ランプは、４色以上のＬＥＤ、例えば、赤色ＬＥＤ、黄色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、及び青色ＬＥＤの組み合わせの組立体であってもよい。
【０１４４】
複数のカラーランプが利用される（フィールドシーケンシャルカラーと呼ばれる）一動作実施態様では、３つの異なる色、例えば、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、及び青色ＬＥＤのそれぞれからの光が、照明周波数を２０〜６００Ｈｚ範囲内で変えながら、光学キャビティ内に順次導入される。異なるカラーフィールドが、一般に人間の目が検出できる速度よりも高速な１００Ｈｚを超える周波数で導入されると、目は異なるカラーフィールドを単一の色相のカラー画像として知覚する傾向を有する。目が近くする色は、相対強度、即ち別色ランプからのパルスが利用する持続時間に依存する。
【０１４５】
この時点までに示した実施形態は、ＭＥＭＳ型又はシャッタ型光変調基板を使用するディスプレイを説明した。図１７及びディスプレイ装置１７０１は、液晶光変調器を利用し、反射アパーチャを有する本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ装置を示す。ディスプレイ装置１７０１の指向性及び照明効率も、幾何学的又は平坦なデフレクタ構造の使用及び円錐反射率の向上から恩恵を受ける。
【０１４６】
ディスプレイ装置１７０１は、バックライト１７０４、底部変調基板１７０６、及び上部変調基板１７０８を含む。バックライト１７０４は、ランプ１７０２、ランプリフレクタ１７０３、光ガイド１７０４、及び一連の鏡面デフレクタ１７０５を含む。底部変調基板１７０６は、反射アパーチャ層１７０７、一連のアパーチャ開口部１７０９、及び液晶用の透明電極１７２０を含む。ディスプレイ装置は、アパーチャ層１７０７の平面に実質的に平行である平面に配置されるバックリフレクタ１７１２も含む。上部変調基板１７０８は、パターニングされたブラックマトリックス１７２２及び液晶用の透明電極１７２６を含む。基板１７０６と１７０８との間には、液晶層１７２４が配置される。図示されていないのは、液層層１７２４に付随する偏光層及びラビング層である。液晶層１７２４は、電極１７２０と１７２６の両端に印加される電圧に応答して、アパーチャ１７０９を通過する光の強度を変調する。ディスプレイ１７０１は、変調基板１７０６の表面上の利用可能な面積の７０％未満を占めるアパーチャ１７０９を含む。
【０１４７】
ランプ１７０２から注入された光は、デフレクタ１７０５のうちの１つによって散乱した後、アパーチャ１７０９に向けて抽出されるまで、全反射によって光ガイド１７０４の内部に取り込まれる。デフレクタ１７０５は、同様の傾斜角を有する平坦な偏光面を呈する。指向性を低下させない効率的な再循環は、光線１７２８で示すように、反射アパーチャ層１７０７とバックリフレクタ層１７１２との間の反射によって実現される。
【０１４８】
ディスプレイ装置１７０１の周縁では、１組のサイド又はエッジ１７１５がある。これらエッジは、光ガイド１７０４の全幅を伝搬する光を反射によって光ガイド１７０４内に戻すことができるように、反射性金属で囲まれるか、又は反射性金属でコーティングされる。
【０１４９】
本発明の代替の実施形態では、ディスプレイ装置１７０１の液晶光変調器又はディスプレイ装置２０１及び２５１に示す機械式シャッタ以外の代替の光変調器を利用することができる。例えば、液体シャッタを利用することができる。即ち、不透明な液体又は染料を含む液体を、後向き反射層の対応するアパーチャのうちの１つの前面に又はそこから離れるように選択的に移動させることができる。このような液体シャッタは、電子ウェッティング又はダイアフラムの開又は閉によって作動させることができる。
【０１５０】
図１８Ａ、図１８Ｂは、円錐反射率の属性に注目した場合、バックライトでの再循環効率に対して行うことができる改良を示す。図１８Ａ及び図１８Ｂは、バックライト構成要素１８０１及び１８５１の断面を示す。これらバックライト構成要素１８５１のうちの一方は、他方のバックライトシステムであるバックライトシステム１８０１よりも高い円錐反射率を有する。その結果、バックライトシステム１８５１は、反射アパーチャ層を使用するディスプレイにおいて効率を増大させることができる。各バックライト構成要素１８０１及び１８５１は、１組のプリズムデフレクタ構造１８０２及び１８５２を含む。プリズム偏光構造１８０２及び１８５２は、図１８Ａ及び図１８Ｂの図の紙面から出て延びる長いプリズム構造である。プリズム偏光構造は、各光ガイド１８０３及び１８５３の底面に形成される。各光ガイド１８０３及び１８５３の底面は、金属反射フィルム１８０４及び１８５４でコーティングされる。バックライト１８０１及び１８５１内の各プリズムデフレクタ構造１８０２及び１８５２を結び付けるのは、水平反射後面１８０５及び１８５５であり、水平反射後面１８０５及び１８５５も金属反射フィルムでコーティングされる。水平面１８０５及び１８５５は、反射アパーチャ層（図示せず）に対して実質的に平行である。各プリズムデフレクタ構造１８０２及び１８５２は、プリズム前面（１８０６及び１８５６）並びにプリズム後面（１８０８及び１８５８）を含む。プリズム偏光構造１８０２の形状は、バックライト構造の水平面１８０５に平行であるプリズム前面１８０６からの投射又はフットプリント（点線１８０７の長さで示される）が、プリズム後面１８０８の投射又はフットプリント１８０９と実質的に同じ長さ（又は３次元で考える場合には面積）であるという点で、断面は対称とみなされる。対照的に、プリズムデフレクタ構造１８５２の形状は、バックライト構造の水平面１８５５に平行であるプリズム面１８５６の投射又はフットプリント（点線１８５７の長さで示される）が、プリズム後面１８０８の投射又はフットプリント１８０９よりも長い（又は３次元で考える場合には面積がより大きい）という点で、断面は非対称と考えられる。
【０１５１】
プリズム偏光構造１８０２及び１８５２は両方とも、光線１８１２及び１８６２で示されるように、ランプ（図示せず）から視聴者に向けて光を偏光するように設計される。バックライトシステム１８０１と１８５１とを比較すると、プリズム前面１８０６が水平１８０５と共に形成する角度は、バックライト１８５１内のプリズム前面１８５６によって形成される角度と同じ角度である。プリズムデフレクタ構造１８０２と１８５２との数密度又は平均間隔も、２つのバックライトシステム１８０１及び１８５１において同じである。したがって、バックライトシステム１８０１及び１８５１は、光をランプから視聴者に向けてリダイレクトする機能を比較したときに同様の効率及び指向性になるように設計される。
【０１５２】
円錐反射率（図２に関連して説明したように）に関しては、バックライトシステム１８０１及び１８５１の挙動はかなり異なる。プリズムデフレクタ構造１８０２の投射総面積は、プリズムデフレクタ構造１８５２の投射面積よりもはるかに大きい。したがって、バックライトシステム１８５１の水平反射平面１８５５の面積は、バックライトシステム１８０１の水平反射後面１８０５の面積よりも大きい。システム１８５１内の後面のより大きな割合分が水平且つ平坦な反射面１８５５に向けられるため、このシステムでは、相対的にはるかに小さい割合のランダム光散乱が発生する。
【０１５３】
円錐反射率のモデリング
バックライトの予想円錐反射率は、後述のモデルを使用して推定することができる。このモデルは、有効角度範囲内でバックライトに衝突し、バックライトによってまた同様の有効角度範囲内で戻される光の割合を推定する。例示的なモデルでは、有効角度範囲は、バックライトの前面に垂直な軸（「ディスプレイ法線」）から＋／−４０度である。即ち、ディスプレイ法線から４０度以内の角度でバックライトに衝突する光のうちのどのくらいの割合が、バックライトによってディスプレイ法線の４０度以内で戻されるかである。代替のモデルは、より広い又は狭い有効角度範囲を利用することができる。
【０１５４】
モデルは、以下の仮定を含む。プリズムデフレクタ構造１８０２及び１８５２等の光抽出要素に衝突するいかなる光も斜角で偏光され、光ガイド内の全反射によって収容されるか、又は光ガイドのエッジに沿って吸収される。即ち、モデルは、光抽出要素から偏光された再循環光を有効角度範囲内に戻すことができるという可能性を無視する。バックライトの水平反射後面のみ、即ち反射後面１８０５及び１８５５等のディスプレイ法線に対して垂直な前向き反射面のみが、バックライトの円錐反射率に寄与する。さらに、水平反射後面が９５％の効率で入射光を鏡面反射するものと仮定される。したがって、有効角度範囲内の角度で水平反射後面に衝突する光の９５％が、有効角度範囲内の角度で戻される。モデルによれば、バックライトの円錐反射率は、バックライト総面積のうちの水平反射後面が占める割合を水平反射後面の反射率で乗算したものに等しい。
【０１５５】
バックライトシステム１８０１に関して、プリズムデフレクタ構造１８０２の断面積は、後面バックライト総面積の６０％を占める。バックライトシステム１８０１の水平反射後面１８０５は、４０％のみを構成する。したがって、モデルによれば、バックライトシステム１８０１の予想円錐反射率は３８％である（即ち、（水平反射後面面積４０％）×（反射率９５％））。これとは対照的に、バックライトシステム１８５２では、プリズムデフレクタ構造１８５２の断面積は、総後面面積の３０％に低減されるのに対して、反射後面１８５５は面積の７０％を占める。したがって、バックライトシステム１８５２は、モデルによれば、円錐反射率６６．５％を有するものと予想される（即ち、（水平反射後面面積７０％）×（反射率９５％））。
【０１５６】
モデルから得られる円錐反射率のこれらの値は、反射アパーチャベースのディスプレイシステムの再循環モデルに入力することができる。再循環モデルは、アパーチャ比が１０％であり（即ち、アパーチャは反射アパーチャ層において層の総面積の１０％を構成する）、反射アパーチャ層の反射率が９５％であると仮定する。再循環モデルは、有効角度範囲内のバックライトの再循環効率、即ち有効角度でバックライト内に導入され、有効角度範囲内の角度でアパーチャを通過する光の割合を推定する。
【０１５７】
したがって、このモデルによれば、バックライトシステム１８０１を組み込んだ反射アパーチャベースのディスプレイは、再循環効率１２％を有することになる。バックライトシステム１８５１を組み込んだ反射アパーチャベースのディスプレイは、再循環効率１９％を有することになる。バックライト１８５１は、アパーチャ比１０％から予想されるスループットの実質的に２倍の値に光学スループットを向上させている。
【０１５８】
バックライト１８０２の円錐反射率３８％は、同じ４０度の立体角に対して拡散リフレクタ又はランバートリフレクタ（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を使用して実現される円錐反射率とおよそ同じであるにすぎない。バックライト１８５１からの指向性及び効率の向上した結果は、大部分、水平で実質的に平行である鏡面バックリフレクタの面積割合を高くすることによって達成され、これは入射角度分布の保持を助ける。結果として、再循環を繰り返した後であっても、バックライト１８５１を使用して構築されたディスプレイは、ランダムよりも高い割合の光をユーザに好適な方向に投射した。
【０１５９】
図１８Ａ及び図１８Ｂに関連して行った観察を拡張して、表２に、本明細書に記載の改良された光学キャビティを使用して形成されたディスプレイの再循環効率が、バックライト内の（プリズム偏光構造１８５２を含む広範な形状を有する）抽出要素の面積密度が低減するにつれてどのように向上するかを示す。表２内のデータは、上記モデルを使用して導き出された。即ち、データは以下の仮定に基づく。即ち、（ｉ）ディスプレイのバックライト内のデフレクタ構造が、円錐反射率に寄与せず、（ｉｉ）バックライト内の水平反射面が反射率９５％を有し（アパーチャに平行）、（ｉｉｉ）円錐反射率はディスプレイ法線に対して＋／−４０度の円錐に沿って測定され、（ｉｖ）ディスプレイが、反射率９５％及びアパーチャ面積１０％を有する反射アパーチャ層を含む。
【０１６０】
【表２】
2009540503.tif 000004
【０１６１】
表２から、デフレクタ又は抽出センタに捧げられる面積がバックライト面積の５０％未満に保たれる場合は常に、指向性を失うことなく、再循環効率における大きな恩恵が明らかである。デフレクタの面積が２０％未満に保たれる場合、よりよい結果が実現され、デフレクタの面積が１０％未満に保たれる場合、さらによい結果が実現される。同様に、表２は、ディスプレイバックライトの円錐反射率が５０％を超えるようになった場合、指向性を失うことなく再循環効率における大きな恩恵を実現することができることを示す。円錐反射率が７０％を超えるようになった場合、よりよい結果が実現され、円錐反射率が９０％を超えるようになった場合、さらによい結果が実現される。
【０１６２】
同様の円錐反射率結果、ひいては再循環効率を、図４〜図９において説明されるものを含め、反射式であれ屈折式であれ、広範な幾何学的抽出構造から得ることができる。さらに、表２において例示のために仮定したように、幾何学的抽出センタが完全な吸収効果を有するものと仮定する必要はない。入射光の部分を有効角度で戻す抽出センタは、バックライトの円錐反射率を向上させる。センタ９０１及び９２１のようなラウンド抽出センタは、円錐反射率結果に向けてプラスに寄与することができる抽出センタの例である。デフレクタ５６１のような台形構造も円錐反射率結果を向上させる。このような抽出センタを使用して、９５％を超える円錐反射率が可能になると共に、５０％を超える再循環効率を実現することができる。
【０１６３】
転向フィルム１３１０及びＢＥＦフィルム１２１０のような光変調フィルムは、入射光の方向を変更することが知られている。このような変調フィルムは、いくつかの反射アパーチャディスプレイでは依然として有用であるが、その変調効果は一般に、円錐反射テストにおいて測定されるように可逆的である。（例えば、転向フィルム１３１０を有する）バックライトシステムに入射した光は、光ガイドへのパス上の転向フィルムによってリダイレクトすることができる。しかし、光ガイド内又は背後の平行である反射後面から跳ね返った後、２つの屈折面間のランダム又は拡散の散乱が回避される限り、光がまだ規定の有効角度範囲内でアパーチャ層に到達することができるように、光が転向フィルムを通って戻る際に光のコースを逆にすることができる。
【０１６４】
組立体及び一体型光ガイドの説明
図１９は、ＭＥＭＳダウン（ＭＥＭＳ  ｄｏｗｎ）構成と呼ばれる本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ組立体１９００の断面図である。ディスプレイ組立体１９００は、光ガイド１９１６、反射アパーチャ層１９２４、及び１組のシャッタ組立体１９０２を特徴とし、これらはすべて別個の基板上に構築される。シャッタ組立体１９０２は、反射アパーチャ層１９２４に直接対向して面するように、基板１９０４上に構築され位置する。シャッタ組立体と反射アパーチャ層との間の垂直距離は、約０．５ｍｍ未満である。
【０１６５】
代替の実施形態では、シャッタ組立体と反射アパーチャ層との間の距離は、０．５ｍｍよりも大きいが、それでもディスプレイピッチより小さい。ディスプレイピッチは、ピクセルの間隔として定義され、多くの場合、後向き反射層内のアパーチャの間隔として確立される。シャッタ組立体と反射アパーチャ層との間の距離がディスプレイピッチ未満の場合、アパーチャを通過する光のより大きな割合分が、対応するシャッタ組立体によって遮断される。
【０１６６】
ディスプレイ組立体（アセンブリ）１９００は、１つ又は複数のランプ１９１８によって照明される光ガイド１９１６を含む。ランプ１９１８は、例えば、非制限的に、白熱灯、蛍光灯、レーザ、又は発光ダイオードであってよい。ランプ組立体は、ランプからの円錐光を所定の角度範囲内で光ガイドに導入するための光リフレクタ又はコリメータ１９１９を含む。
【０１６７】
光ガイドは、光ガイドから垂直軸即ちディスプレイのｚ軸に沿ってリダイレクトするように機能する１組の幾何学的抽出構造又はデフレクタ１９１７を含む。デフレクタ１９１７に利用される光学的形状又は構造は、非制限的に、図４〜図９に関連して説明したもののいずれであってもよい。デフレクタ１９１７の密度は、ランプ１９１８からの距離に伴って変化する。
【０１６８】
ディスプレイ組立体１９００は、光ガイド１９１６の背後に位置する前向き反射層１９２０を含む。ディスプレイ組立体１９００には、前向き反射層は、光ガイド１９１６の後面上に直接堆積される。他の実施態様では、後面反射層１９２０は、光ガイドからエアギャップによって離間される。後面反射層１９２０は、反射アパーチャ層１９２４の平面と実質的に平行である平面に向けられる。
【０１６９】
光ガイド１９１６とシャッタ組立体１９０２との間には、任意選択の散光器１９１２及び任意選択の転向フィルム１９１４が配置される。
【０１７０】
光ガイド１９１６とシャッタ組立体１９０２との間には、アパーチャ板１９２２も配置される。アパーチャ板１９２２の上面には、反射アパーチャ層又は後向き反射層１９２４が配置される。反射層１９２４は、シャッタ組立体１９０２のシャッタ１９１０のうちの１つの閉位置の真下にそれぞれ配置される複数の表面アパーチャ１９０８を規定する。光学キャビティが、後向き反射層１９２４と前向き反射層１９２０との間の光の反射によって形成される。
【０１７１】
アパーチャ板１９１６は、ガラス又はプラスチックから形成することができる。後向き反射層１９２４の場合、金属層又は薄膜を板１９１６上に堆積させることができる。高反射性金属層は、スパッタリング、蒸着、イオンプレーティング、レーザアブレーション、又は化学蒸着を含むいくつかの蒸着技法によって形成される、内包物のない微粒子金属フィルムであってよい。この反射用途に有効な金属は、非制限的に、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｄ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｍｏ及び／又はその合金を含む。堆積後、微細加工分野において既知のいくつかのフォトリソグラフィ及びエッチング技法のうちの任意の技法によって金属層をパターニングして、アパーチャ１９０８のアレイを規定することができる。
【０１７２】
別の実施態様では、後向き反射層１９２４を、誘電体ミラー等のミラーから形成することができる。誘電体ミラーは、高屈折率材料と低屈折率材料とを交互にした誘電性薄膜の積層として製造される。入射光の部分は、屈折率が変わる各界面から反射される。誘電層の厚さを波長の何らかの固定の割合又は倍数に制御し、複数の平行である誘電界面（場合によっては７以上）からの反射を追加することにより、９８％を超える反射率を有する最終的な反射面を製造することが可能である。１つ又は複数の誘電層を金属反射層に組み合わせて含むハイブリッドリフレクタも利用することが可能である。
【０１７３】
基板１９０４は、ディスプレイ１９００の前面を形成する。基板１９０４上に配置される低反射率フィルム１９０６が、シャッタ組立体１９０２と基板１９０４との間に配置される複数の表面アパーチャ１９３０を規定する。フィルム１９０６に選択される材料は、周辺光の反射を最低限に抑え、ひいてはディスプレイのコントラストを増大させるように設計される。いくつかの実施形態では、フィルム１９０６は、Ｗ又はＷ−Ｔｉ合金等の低反射性金属で構成される。他の実施形態では、フィルム１９０６は、入射光の２０％未満を反射するように設計される吸光材料又は誘電フィルム積層で作られる。
【０１７４】
追加の光学フィルムを基板１９０４の外面上、即ち視聴者に最も近い面上に配置することができる。例えば、この外面上への円偏光器又は薄膜ノッチフィルタ（ランプ１９１８の波長の光を通過させる）の包含は、普通なら発生するディスプレイのルミナンス低下なしで、周辺光の反射率をさらに低減することができる。
【０１７５】
シートメタル又は成形プラスチック組立体ブラケット１９３４が、アパーチャ板１９２２、シャッタ組立体１９０２、基板１９０４、光ガイド１９１６、及びその他の構成部品を一緒にエッジ周辺に保持する。組立体ブラケット１９３２は、ネジ又はインデントタブで固定されて、結合されたディスプレイ組立体１９００に剛性が追加される。実施態様によっては、光源１９１８は、エポキシポッティング化合物によって所定位置に成形される。
【０１７６】
組立体ブラケットは、光ガイド１９１６及びアパーチャ板１９２２のエッジ又はサイドの近傍に位置する側面向き反射フィルム１９３６を含む。これら反射フィルムは、光ガイド又はアパーチャ板のいずれかの側部から放射された光をいずれも光学キャビティ内に戻すことによって光学キャビティでの光漏れを低減する。光ガイドの側部と側面向き反射フィルム１９３６との間の距離は、好ましくは約０．５ｍｍ未満であり、より好ましくは約０．１ｍｍ未満である。様々な実施形態では、側面向き反射フィルム１９３６は、光ガイド１９１６の側部から逃れ出る光の鏡面反射又は拡散反射を提供する。
【０１７７】
図２０は、本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ組立体２０００の断面図である。ディスプレイ組立体２０００は、光ガイド２０１６と同じ基板に集積される反射アパーチャ層２０２４を特徴とする。シャッタ組立体２００２は、別個の基板２００４に構築され、ＭＥＭＳダウン構成で、例えばシャッタ組立体が反射アパーチャ層２０２４に直接対向して面した状態で位置する。反射アパーチャ層内のアパーチャは、約０．５ｍｍ未満のピッチを有する。シャッタ組立体２００２と反射アパーチャ層２０２４との垂直距離はアパーチャピッチ未満である。
【０１７８】
シャッタ組立体基板２００４は、アパーチャ層２０２４内の個々のアパーチャが個々のシャッタ組立体と位置合わせされるように反射アパーチャ層２０２４と位置合わせされる。即ち、シャッタ組立体２００２がアパーチャと位置合わせされ、且つシャッタ組立体が反射アパーチャ層に比較的近いことから、所与のアパーチャを通過する実質的にすべての光は、そのアパーチャにわたって位置するシャッタ組立体２００２によって変調される。本明細書に含まれる他の実施形態において説明した液晶セル又はシャッタ組立体である光変調器も同様に、個々の又は群になったアパーチャに個々の又は群になった光変調器が関連付けられるように、反射アパーチャ層と位置合わせすることができる。
【０１７９】
ディスプレイ組立体２０００は、１つ又は複数のランプ２０１８によって照明される光ガイド２０１６を含む。ランプ２０１８は、例えば、非制限的に、白熱灯、蛍光灯、レーザ、又は発光ダイオードであってよい。ランプ組立体は、ランプからの円錐光を所定の角度範囲内で光ガイドに導入するための光リフレクタ又はコリメータ２０１９を含む。
【０１８０】
光ガイドは、光ガイドから垂直軸即ちディスプレイのｚ軸に沿ってリダイレクトするように機能する１組の幾何学的抽出構造又はデフレクタ２０１７を含む。デフレクタ２０１７に利用される光学的形状又は構造は、非制限的に、図４〜図９に関連して説明したもののいずれであってもよい。デフレクタ２０１７の密度は、ランプ２０１８からの距離に伴って変化する。
【０１８１】
後向き反射層２０２４は、光ガイド２０１６の外面に直接堆積される金属層又は薄膜である。高反射性金属層は、スパッタリング、蒸着、イオンプレーティング、レーザアブレーション、又は化学蒸着を含むいくつかの蒸着技法によって形成される、内包物のない微粒子金属フィルムであってよい。この反射用途に有効な金属は、非制限的に、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｄ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｍｏ及び／又はその合金を含む。堆積後、微細加工分野において既知のいくつかのフォトリソグラフィ及びエッチング技法のうちの任意の技法によって金属層２０２４をパターニングして、アパーチャ２００８のアレイを規定することができる。
【０１８２】
別の実施態様では、反射層２０２４を、誘電体ミラー等のミラーから形成することができる。誘電体ミラーは、高屈折率材料と低屈折率材料とを交互にした誘電性薄膜の積層として製造される。入射光の部分は、屈折率が変わる各界面から反射される。誘電層の厚さを波長の何らかの固定の割合又は倍数に制御し、複数の平行である誘電界面（場合によっては７以上）からの反射を追加することにより、９８％を超える反射率を有する最終的な反射面を製造することが可能である。１つ又は複数の誘電層を金属反射層に組み合わせて含むハイブリッドリフレクタも利用することが可能である。
【０１８３】
図２０にまた示されるように、透明な低屈折率誘電層２０２５が、光ガイドの基板上の、反射アパーチャ層２０２４のすぐ前又は真下に位置し堆積される。層２０２５の屈折率は、全反射条件が光ガイドと低屈折率層２０２５との界面に存在するように、下にある光ガイドの屈折率よりも低い。全反射は、ランプ２０１８からの光線を光ガイド２０１６の全幅にわたって分散できるようにする無損失の方法である。ディスプレイ組立体１９００では、低屈折率層の機能は、光ガイド１９１６と（任意選択の）拡散フィルム１９１４との間のエアギャップにより、又は代替の実施態様では、光ガイド１９１６とアパーチャ板１９２２との間のエアギャップにより実行される。ディスプレイ組立体２０００では、低屈折率層２０２５は、シリカエアロゲル等の多孔性材料、低分子量メチルシロキサン、フルオロポリマー、又は上記の任意の組み合わせから形成することができる。
【０１８４】
光ガイド２０１６は、ガラス材料又はプラスチック材料の組み合わせから製造することができる。図２０のディスプレイ組立体２０００の場合、光ガイド２０１６は２個複合体として構築される。複合光ガイドの底層である層２０２１は、成形、スタンピング、又は型押しされて、プリズム又は幾何学的抽出構造２０１９を形成するプラスチック本体又はプラスチックフィルムから形成される。複合光ガイドの上層である層２０２３はガラスから作られる。ガラス層２０２３は、低屈折率層２０２５及び反射アパーチャ層２０２４の形成のために平坦な面を提供する。ガラスはプラスチックよりも高い処理温度に耐えることもでき、このため、広範な異なる薄膜又は厚膜材料からの層２０２５及び２０２４の形成に適する。
【０１８５】
複合光ガイド２０１６の２層は、薄く透明で屈折率が整合する接着剤又はエポキシによって接合することができる。接合接着剤は、反射が光ガイドの２つの半体の界面において回避されるように、プラスチック層２０２１の屈折率とガラス層２０２３の屈折率との間の中間の屈折率を有するものが選択される。
【０１８６】
他の実施態様では、光ガイド２０１６の上層２０２１及び２０２３は両方とも、プラスチックから形成される。さらに他の実施態様では、光ガイド２０１６の底層２０２１及び上層２０２３は両方とも、ガラスから形成される。さらに他の実施態様では、光ガイド２０１６は、単一のガラス又はプラスチックから形成されてもよい。
【０１８７】
複合光ガイド２０１６のエッジは、側面向き反射フィルム２０３６でコーティングされる。フィルム２０３６等の反射フィルムは、光ガイドの両側部からの放射を防ぎ、このような光を光学キャビティに戻して返すことによって光学キャビティでの光漏れを低減する。
【０１８８】
ディスプレイ組立体２０００は、光ガイド２０１６の背後に位置する前向き反射層２０２０を含む。ディスプレイ組立体２０００では、後面反射層２０２０はエアギャップによって光ガイドから離間される。後面反射層２０２０は、反射アパーチャ層２０２４の平面に実質的に平行である平面に方向付けられる。
【０１８９】
反射層２０２４は、シャッタ組立体２００２のシャッタ２０１０のうちの１つの閉位置の真下にそれぞれ配置される複数の表面アパーチャ２００８を規定する。複合光ガイド２０１６は、シャッタ組立体２００２から所定の距離離れて支持され、ギャップ２０２６を形成する。ギャップ２０２６は、好ましくは０．５ｍｍ未満であり、光ガイド２０１６を基板２００４に取り付ける機械的支持及び／又はエポキシシール２０２８によって保持される。
【０１９０】
シャッタ組立体２００４は、ディスプレイ組立体２０００の前面を形成する。基板２００４に配置される吸収フィルム２００６が、シャッタ組立体２００２と基板２００４との間に配置される複数の表面アパーチャ２０３０を規定する。フィルム２００６は、周辺光を吸収し、ひいてはディスプレイのコントラストを増大するように設計される。
【０１９１】
エポキシ２０２８は、好ましくは約２００Ｃ未満の硬化温度を有するべきであり、好ましくは摂氏１度当たり約５０ｐｐｍ未満の熱膨張係数を有するべきであり、水分耐性を有するべきである。例示的なエポキシ２０２８は、エポキシテクノロジー社（Ｅｐｏｘｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．）によって販売されるＥＰＯ−ＴＥＫ  Ｂ９０２２−１である。
【０１９２】
エポキシシール２０２８は、作業流体２０３２を封止する。作業流体２０３２は、好ましくは約１０ＣＰ未満の粘度、好ましくは約２．０を超える相対誘電率、約１０４Ｖ／ｃｍを超える絶縁破壊強さ、及び基板２０１６の屈折率に厳密に一致した屈折率で作られる。作業流体２０３２は潤滑剤として機能することもできる。その機械的及び電気的特性は、シャッタを開位置と閉位置とで移動させるために必要な電圧を低減するに当たって有効である。一実施態様では、作業流体２０３２は、好ましくは約１．５未満の低屈折率を有する。別の実施態様では、作業流体２０３２は、基板２００４の屈折率に一致した屈折率を有する。適した作業流体２０３２は、非制限的に、脱イオン水、メタノール、エタノール、シリコーン油、フッ化シリコーン油（ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ  ｓｉｌｉｃｏｎｅ  ｏｉｌ）、ジメチルシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ヘキサメチルジシロキサン、及びジエチルベンゼンを含む。
【０１９３】
シートメタル又は成形プラスチック組立体ブラケット２０３４が、シャッタ組立体２００２、基板２００４、光ガイド２０１６、後面反射層２０２０、及びその他の構成部品を一緒にエッジ周辺も保持する。組立体ブラケット２０３２は、ネジ又はインデントタブで固定されて、結合されたディスプレイ組立体２０００に剛性が追加される。実施態様によっては、光源２０１８は、エポキシポッティング化合物によって所定位置に成形される。
【０１９４】
図２１は、本発明の例示的な実施形態によるディスプレイ組立体２１００の断面図である。ディスプレイ組立体２１００は、シャッタ組立体２１０２、反射アパーチャ層２１２４、及び光ガイド２１１６を特徴とし、これらはすべて同じ基板上に集積される。シャッタ組立体２１０２は、ディスプレイ２０１及び２５１でのように反射アパーチャ層２１２４の上に直接製造される。ディスプレイ２０１、２５１、及び２１００でのシャッタ組立体の構成は、ＭＥＭＳアップ（ＭＥＭＳ−ｕｐ）構成と呼ばれる。ディスプレイ組立体２１００は、別個の基板上に製造され、シャッタ組立体２１０２からギャップによって離間されるカバー板２１２２も含む。
【０１９５】
ディスプレイ組立体２１００は、１つ又は複数のランプ２１１８によって照明される光ガイド２１１６を含む。ランプ２１１８は、例えば、非制限的に、白熱灯、蛍光灯、レーザ、又は発光ダイオードであってよい。ランプ組立体は、ランプからの円錐光を所定の角度範囲内で光ガイドに導入するための光リフレクタ又はコリメータ２１１９を含む。
【０１９６】
光ガイドは、光ガイドから垂直軸即ちディスプレイのｚ軸に沿ってリダイレクトするように機能する１組の幾何学的抽出構造又はデフレクタ２１１７を含む。デフレクタ２１１７に利用される光学的形状又は構造は、非制限的に、図４〜図９に関連して説明したもののいずれであってもよい。デフレクタ２１１７の密度は、ランプ２１１８からの距離に伴って変化する。
【０１９７】
後向き反射層２１２４は、光ガイド２１１６の上に薄膜構造の部分として直接堆積される金属層又は薄膜である。金属層は、スパッタリング、蒸着、イオンプレーティング、レーザアブレーション、又は化学蒸着を含むいくつかの蒸着技法によって形成される、内包物のない微粒子金属フィルムを含むことができる。この反射用途に有効な金属は、非制限的に、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｄ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｍｏ及び／又はその合金を含む。堆積後、微細加工分野において既知のいくつかのフォトリソグラフィ及びエッチング技法のうちの任意の技法によって金属層２１２４をパターニングして、アパーチャ２１０８のアレイを規定することができる。
【０１９８】
別の実施態様では、反射層２１２４を、誘電体ミラー等のミラーから形成することができる。誘電体ミラーは、高屈折率材料と低屈折率材料とを交互にした誘電性薄膜の積層として製造される。入射光の部分は、屈折率が変わる各界面から反射される。誘電層の厚さを波長の何らかの固定の割合又は倍数に制御し、複数の平行である誘電界面（場合によっては７以上）からの反射を追加することにより、９８％を超える反射率を有する最終的な反射面を製造することが可能である。１つ又は複数の誘電層を金属反射層に組み合わせて含むハイブリッドリフレクタも利用することが可能である。
【０１９９】
図２１にまた示されるように、透明な低屈折率誘電層２１２５が、光ガイドの基板上の、反射アパーチャ層２１２４のすぐ前又は真下に位置し堆積される。層２１２５の屈折率は、全反射条件が光ガイドと低屈折率層２１２５との界面に存在するように、下にある光ガイドの屈折率よりも低い。全反射は、ランプ２１１８からの光線を光ガイド２１１６の全幅にわたって分散できるようにする無損失の方法である。ディスプレイ組立体１９００では、低屈折率層の機能は、光ガイド１９１６と（任意選択の）拡散フィルム１９１４との間のエアギャップにより、又は代替の実施態様では、光ガイド１９１６とアパーチャ板１９２２との間のエアギャップにより実行される。ディスプレイ組立体２１００では、低屈折率層２１２５は、シリカエアロゲル等の多孔性材料、低分子量メチルシロキサン、フルオロポリマー、又は上記の任意の組み合わせから形成することができる。
【０２００】
光ガイド２１１６は、ガラス材料又はプラスチック材料の組み合わせから製造することができる。図２１のディスプレイ組立体２１００の場合、光ガイド２１１６は２個複合体として構築される。複合光ガイドの底層である層２１２１は、成形、スタンピング、又は型押しされて、プリズム又は幾何学的抽出構造２１１９を形成するプラスチック本体又はプラスチックフィルムから形成される。複合光ガイドの上層である層２１２３はガラスから作られる。ガラス層２１２３は、アパーチャ層２１２４及びシャッタ組立体２１０２の両方の形成のために平坦な面を提供する。ガラスはプラスチックよりも高い処理温度に耐えることもでき、このため、広範な異なる薄膜又は厚膜材料からの層２１２４及び２１０２の形成に適する。
【０２０１】
複合光ガイド２１１６の２層は、薄く透明で屈折率が整合する接着剤又はエポキシによって接合することができる。接合接着剤は、反射が光ガイドの２つの半体の界面において回避されるように、プラスチック層２１２１の屈折率とガラス層２１２３の屈折率との間の中間の屈折率を有するものが選択される。
【０２０２】
他の実施態様では、光ガイド２１１６の上層２１２１及び２１２３は両方とも、プラスチックから形成される。さらに他の実施態様では、光ガイド２１１６の底層２１２１及び上層２１２３は両方とも、ガラスから形成される。さらに他の実施態様では、光ガイド２１１６は、単一のガラス又はプラスチックから形成されてもよい。
【０２０３】
ディスプレイ組立体２１００は、光ガイド２１１６の背後に位置する前向き反射層２１２０を含む。ディスプレイ組立体２１００では、後面反射層２１２０はエアギャップによって光ガイドから離間される。後面反射層２１２０は、反射アパーチャ層２１２４の平面に実質的に平行である平面に方向付けられる。
【０２０４】
反射層２１２４は、シャッタ組立体２１０２のシャッタ２１１０のうちの１つの閉位置の真下にそれぞれ配置される複数の表面アパーチャ２１０８を規定する。反射アパーチャ２１０８並びにシャッタ組立体２１０２を同じ基板上に順次形成する方法は、２００６年２月２３日に出願された同時共有される米国特許出願第１１／３６１，７８５号明細書に開示されており、これを参照により本明細書に援用する。
【０２０５】
カバー板２１２２が、ディスプレイ組立体２１００の前面を形成する。カバー板２１２２の後面側は、コントラストを増大させるためにブラックマトリクス２１２４で覆うことができる。カバー板２１２２は、シャッタ組立体２１０２から所定の位置離れて支持され、ギャップ２１２６を形成する。ギャップ２１２６は、好ましくは約０．５ｍｍ未満であり、カバー板２１２２を、シャッタ組立体２１０２を含む複合光ガイド２１１６に取り付ける機械的支持及び／又はエポキシシール２１２８によって保持される。
【０２０６】
エポキシ２１２８は、好ましくは約２１０Ｃ未満の硬化温度を有するべきであり、好ましくは摂氏１度当たり約５０ｐｐｍ未満の熱膨張係数を有するべきであり、水分耐性を有するべきである。例示的なエポキシ２１２８は、エポキシテクノロジー社（Ｅｐｏｘｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．）によって販売されるＥＰＯ−ＴＥＫ  Ｂ９０２２−１である。
【０２０７】
エポキシシール２１２８は、作業流体２１３２を封止する。作業流体２１３２は、作業流体２０３２と同様の仕様で設計され、作業流体２０３２と同様の材料から作られる。
【０２０８】
シートメタル又は成形プラスチック組立体ブラケット２１３４が、シャッタ組立体２１０２、複合光ガイド２１１６、カバー板２１２２、及び後面反射層２１２１を一緒にエッジ周辺も保持する。組立体ブラケット２１３２は、ネジ又はインデントタブで固定されて、結合されたディスプレイ組立体２１００に剛性が追加される。実施態様によっては、光源２１１８は、エポキシポッティング化合物によって所定位置に成形される。
【０２０９】
組立体ブラケットは、複合光ガイド２１１６の両エッジ又は両サイドの近傍に位置する側面向き反射フィルム２１３６を含む。これら反射フィルムは、光ガイドの両側から放射されたいかなる光も光学キャビティ内に戻して返すことによって光学キャビティでの光漏れを低減する。光ガイドの両側と側面向き反射フィルムとの間の距離は、好ましくは約０．５ｍｍ未満、より好ましくは０．１ｍｍ未満である。
【０２１０】
本発明は、本発明の精神又は本質的特徴から逸脱することなく他の特定の形態において具体化することができる。したがって、上記実施形態は、すべての点において本発明の制限ではなく例示としてみなされるべきである。
【図１Ａ】
2009540503.tif 000005
【図１Ｂ】
2009540503.tif 000006
【図２Ａ】
2009540503.tif 000007
【図２Ｂ】
2009540503.tif 000008
【図３Ａ】
2009540503.tif 000009
【図３Ｂ】
2009540503.tif 000010
【図４Ａ】
2009540503.tif 000011
【図４Ｂ】
2009540503.tif 000012
【図５Ａ】
2009540503.tif 000013
【図５Ｂ】
2009540503.tif 000014
【図５Ｃ】
2009540503.tif 000015
【図５Ｄ】
2009540503.tif 000016
【図６Ａ】
2009540503.tif 000017
【図６Ｂ】
2009540503.tif 000018
【図６Ｃ】
2009540503.tif 000019
【図６Ｄ】
2009540503.tif 000020
【図７Ａ】
2009540503.tif 000021
【図７Ｂ】
2009540503.tif 000022
【図７Ｃ】
2009540503.tif 000023
【図７Ｄ】
2009540503.tif 000024
【図８Ａ】
2009540503.tif 000025
【図８Ｂ】
2009540503.tif 000026
【図８Ｃ】
2009540503.tif 000027
【図９Ａ】
2009540503.tif 000028
【図９Ｂ】
2009540503.tif 000029
【図９Ｃ】
2009540503.tif 000030
【図１０Ａ】
2009540503.tif 000031
【図１０Ｂ】
2009540503.tif 000032
【図１０Ｃ】
2009540503.tif 000033
【図１０Ｄ】
2009540503.tif 000034
【図１１Ａ】
2009540503.tif 000035
【図１１Ｂ】
2009540503.tif 000036
【図１２】
2009540503.tif 000037
【図１３】
2009540503.tif 000038
【図１４】
2009540503.tif 000039
【図１５】
2009540503.tif 000040
【図１６】
2009540503.tif 000041
【図１７】
2009540503.tif 000042
【図１８Ａ】
2009540503.tif 000043
【図１８Ｂ】
2009540503.tif 000044
【図１９】
2009540503.tif 000045
【図２０】
2009540503.tif 000046
【図２１】
2009540503.tif 000047
【手続補正書】
【提出日】平成21年2月5日(2009.2.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレイ面を規定する光変調器のアレイと、
前面及び後面を有し、複数の幾何学的光リダイレクタが形成された光ガイドであって、前記光ガイドの前記後面の少なくとも５０％は、前記ディスプレイ面に対して略平行である光ガイドと、
前記ディスプレイ面の近傍に位置する後向き反射層であって、複数のアパーチャが形成された後向き反射層と、
前記光ガイドの前記後面の近傍に位置する前向き反射層と、
を備えるディスプレイ。
【請求項２】
前記光変調器のアレイは、光を選択的に前記後向き反射層の前記複数のアパーチャに通して画像の前記形成に寄与する複数のＭＥＭＳベースの光変調器を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３】
前記光ガイドの前記後面の少なくとも７０％は、前記ディスプレイ面に対して実質的に平行である、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項４】
前記光ガイドの前記後面の少なくとも９０％は、前記ディスプレイ面に対して実質的に平行である、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項５】
前記後向き反射層は、誘電体ミラーを含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項６】
前記後向き反射層は、金属層を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項７】
前記光ガイドの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記後向き反射層と前記光ガイドの前記前面との間に配置される反射層を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項８】
前記光ガイドは、少なくとも第１及び第２の層の複合体を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項９】
前記光ガイドの前記第１の層は、ガラス及びプラスチックのうちの一方を含む、請求項８に記載のディスプレイ。
【請求項１０】
前記光ガイドの前記第２の層は、ガラス及びプラスチックのうちの一方を含む、請求項９に記載のディスプレイ。
【請求項１１】
前記複数の幾何学的光リダイレクタは、実質的に平坦な反射面を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１２】
ランプと、該ランプによって出力された光の非ランダムな部分を前記光ガイド内に導入する光コリメータであって、コリメート光は所定の角度範囲内である、光コリメータと、を含む光インジェクションシステムを備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１３】
前記光ガイドと前記後向き反射層との間に位置するプリズム転向フィルムを備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１４】
前記光ガイドと前記後向き反射層との間に位置する輝度向上フィルムを備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１５】
前記光ガイドの側部の近傍に位置する側面向き反射層を備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１６】
前記複数の幾何学的光リダイレクタは、プリズム光リダイレクタを含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１７】
前記プリズム光ダイレクタは、ランプに面する第１の面及び前記ランプに面さない第２の面を有し、前記前向き反射面上に投射される前記第１の面のフットプリントのエリアは、前記前向き反射面上に投射される前記第２の面のフットプリントのエリアよりも大きい、請求項１６に記載のディスプレイ。
【請求項１８】
前記プリズム光ダイレクタは、ランプに面する第１の面及び前記ランプに面さない第２の面を有し、前記前向き反射面上に投射される前記第１の面のフットプリントのエリアは、前記前向き反射面上に投射される前記第２の面のフットプリントのエリアと実質的に等しい、請求項１６に記載のディスプレイ。
【請求項１９】
前記ディスプレイ面に対して垂直な軸の４０度以内で前記後向き反射層から反射する光のうちの少なくとも７０％は、前記軸の４０度以内で前記後向き反射層に向けて戻るようにリダイレクトされる、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２０】
前記ディスプレイ面に対して垂直な軸の３０度以内で前記後向き反射層から反射する光のうちの少なくとも７０％は、前記軸の３０度以内で前記後向き反射層に向けて戻るようにリダイレクトされる、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２１】
前記ディスプレイ面に対して垂直な軸の２０度以内で前記後向き反射層から反射する光のうちの少なくとも７０％は、前記軸の２０度以内で前記後向き反射層に向けて戻るようにリダイレクトされる、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２２】
前記光ガイドにおける前記複数の幾何学的光デフレクタの密度は、ランプからの距離の関数として変化する、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２３】
前記光ガイドにおける前記複数の幾何学的光デフレクタの密度は、光に対する前記幾何学的光デフレクタの角度の関数として変化する、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２４】
前記前向き反射層は、前記ディスプレイ面から約１０度未満の角度である、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２５】
前記後向き反射面は、前記ディスプレイ面の０．５ｍｍ以内に位置する、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２６】
前記光変調器のアレイは光変調器ピッチを有し、前記後向き反射面と前記ディスプレイ面との間の距離は、前記光変調器ピッチ未満である、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２７】
前記光変調器のアレイは基板上に形成され、前記後向き反射面と前記ディスプレイ面との間の距離は、前記基板の厚さ未満である、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項２８】
複数の光変調器と、
前記複数の光変調器に結合され、前面及び後面を有し、複数の幾何学的光リダイレクタが形成された光ガイドと、
前記光ガイドの前記後面の近傍に位置する前向き反射層と、
前記光ガイドと前記複数の光変調器との間に位置し、複数のアパーチャが形成される後向き反射層であって、前記複数のアパーチャのそれぞれには、前記複数の光変調器のうちの少なくとも１つが関連付けられる、後向き反射層と、
を備えるディスプレイ。
【請求項２９】
前記複数のアパーチャの各アパーチャには、前記複数の光変調器内の単一の各光変調器が関連付けられる、請求項２８に記載のディスプレイ。
【請求項３０】
前記複数のアパーチャのそれぞれには、前記複数の光変調器のうちの複数の光変調器が関連付けられる、請求項２８に記載のディスプレイ。
【請求項３１】
前記複数のアパーチャのうちの複数のアパーチャには、単一の各光変調器が関連付けられる、請求項２８に記載のディスプレイ。
【請求項３２】
前記複数の光変調器は、前記後向き反射層の前記複数のアパーチャのうちの関連するアパーチャに光を選択的に通して画像の形成に寄与する、複数のＭＥＭＳベースの光変調器を含む、請求項２８に記載のディスプレイ。
【請求項３３】
前面、後面、及び少なくとも２つの側面を有する光ガイドと、
前記少なくとも２つの側面の近傍に位置するが、前記少なくとも２つの側面に直に接触しない鏡面反射面と、
を備えるディスプレイ装置。
【請求項３４】
前記少なくとも２つの側面の近傍に位置する前記鏡面反射面は、前記少なくとも２つの側面からエアギャップによって離間される、請求項３３に記載のディスプレイ装置。
【請求項３５】
前記エアギャップは、約１０ミクロン〜約０．５ｍｍ幅である、請求項３４に記載のディスプレイ装置。
【請求項３６】
前記エアギャップは、約１０ミクロン幅未満である、請求項３４に記載のディスプレイ装置。
【請求項３７】
前記鏡面反射面のうちの少なくとも１つは、金属フィルムを含む、請求項３３に記載のディスプレイ装置。
【請求項３８】
前記光ガイドの第３の側面の近傍に位置する鏡面反射面を備える、請求項３３に記載のディスプレイ装置。
【請求項３９】
前記光ガイドの後側の近傍に位置する鏡面反射面を備える、請求項３３に記載のディスプレイ装置。
【請求項４０】
複数のアパーチャが形成され、前記光ガイドの前記前面の近傍に位置する後向き鏡面反射面を備える、請求項３９に記載のディスプレイ装置。
【請求項４１】
前記光ガイドの近傍に位置するＭＥＭＳベースの光変調器のアレイを備える、請求項４０に記載のディスプレイ装置。
【請求項４２】
前記光ガイドは、少なくとも２つの側面を含み、前記ディスプレイは、前記少なくとも２つの側面の近傍に位置する反射側面を備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項４３】
前記反射側面は、鏡面反射面を含む、請求項４２に記載のディスプレイ。
【請求項４４】
前記反射側面は、拡散反射面を含む、請求項４２に記載のディスプレイ。
【請求項４５】
前記少なくとも２つの側面と前記各反射側面との間にエアギャップを備える、請求項４２に記載のディスプレイ。
【請求項４６】
前記反射側面は鏡面反射面を含む、請求項４５に記載のディスプレイ。
【請求項４７】
前記反射側面は拡散反射面を含む、請求項４５に記載のディスプレイ。
【国際調査報告】
2009540503.tif 000048
2009540503.tif 000049