(57)【要約】  ディスプレイシステム（１００）が、光源（１１６ａ、１１６ｂ）とディスプレイパネル（１０２）との間に配置された半透過性ミラー（１２０）を有している。半透過性ミラーは、光源に面する、光を方向転換する入力結合素子（２０６）と、ディスプレイパネルに面する、光を方向転換する出力結合素子（２０８）と、入力結合素子および出力結合素子の間の多層反射体（２０４）とを含んでいる。半透過性ミラーは、光を側方に伸展させてパネルの照明をより均一にしている。半透明ミラーは、さらに光を伸展するために、入力結合素子および出力結合素子の間に透明な基材（２０２）を含んでもよい。光源は、制御透過ミラーの後方ではなく、制御透過ミラーの中に配置することができる。出力結合（２０８）素子は、制御透過ミラーの外へ抜け出した光が偏光されないように非偏光性であることができ、または出力光が偏光されるように偏光性であることもできる。
2008547174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学システムであって、
照明面および表示面を有する像形成パネルと、
前記像形成パネルの前記照明面に向けて配置された少なくとも第１の光源および第２の光源と、そして
前記像形成パネルと前記光源との間の制御透過ミラーと、を含み、
前記制御透過ミラーは、前記第１および前記第２の光源に面する入力結合素子と、そして前記像形成パネルに面する出力結合素子層と、前記入力結合素子と前記出力結合素子との間に配置された第１の多層反射体と、を含み、
前記第１の多層反射体は、前記光源から垂直に入射する光を反射し、
前記入力結合素子は、前記光源から前記第１の多層反射体に対して実質的に垂直な方向に伝搬する光の少なくとも一部を、前記第１の多層反射体を透過する方向へ向け直す、
光学システム。
【請求項２】
前記像形成パネルが、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルであり、前記ＬＣＤパネルの前記表示面に配置された第１の偏光子、および前記ＬＣＤパネルの前記照明面に配置された第２の偏光子をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記像形成パネルによって表示される像を制御するために結合された制御器をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記光源が、蛍光光源を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記光源が、発光ダイオードを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の光源は第１の波長で発光し、前記第２の光源は前記第１の波長とは異なる第２の波長で発光する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
底部反射体をさらに含み、前記光源が、前記底部反射体と前記制御透過ミラーとの間に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の多層反射体が、ポリマー多層フィルムを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記入力結合素子が、バルク拡散体、表面拡散体、構造体表面、および内部全反射入力結合器の少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記出力結合素子が、バルク拡散体、表面拡散体、構造体表面、および内部全反射出力結合器の少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記入力結合素子と前記出力結合素子との間に配置された基材をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記基材が、前記第１の多層反射体と前記出力結合素子との間に配置される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１の多層反射体が、前記基材と前記出力結合素子との間に配置される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記入力結合素子と前記出力結合素子との間に第２の多層反射体をさらに含み、前記基材が、前記第１の多層反射体と第２の多層反射体との間に配置されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記基材の少なくとも１つの縁部に配置された側部反射体をさらに含み、前記側部反射体がなければ前記基材から逃げる光を反射する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記出力結合素子が、前記制御透過ミラーから出る光を、実質的にただ１つの偏光状態で結合させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記出力結合素子が、連続ポリマーマトリックス中に分散ポリマー相を含み、前記分散ポリマー相または前記連続ポリマーマトリックスの少なくとも１つが、複屈折性のポリマー材料を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記出力結合素子が、ポリマーマトリックス中に配置された繊維を含み、前記繊維または前記ポリマーマトリックスの少なくとも１つが、複屈折性のポリマー材料を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記第１の光源からの光が、前記第１の光源より上の実質的に垂直な位置にある前記出力結合素子に到達せず、そして前記第２の光源からの光が、前記第１の光源より上の前記実質的に垂直な位置にある前記出力結合素子の外で結合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記制御透過ミラーと前記像形成パネルとの間に配置された、１つまたは２つ以上の光管理フィルムをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記光管理フィルムが、反射偏光子または輝度上昇フィルムの少なくとも１つを含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
光学システムであって、
像形成パネルと、
前記像形成パネルの後方に配置された少なくとも第１の光源と、そして
前記第１の光源から前記像形成パネルに向かって順に、第１の拡散体と、第１の多層反射体と、第２の拡散体と、を含み、
前記第１の光源からの少なくとも一部の光が、前記像形成パネルに向かって、前記第１の拡散体、前記第１の多層反射体、および前記第２の拡散体を通過し、前記第２の拡散体から出た前記第１の光源からの光の強度プロファイルが、前記第１の光源からの、前記第１の多層反射体の主表面に垂直な軸に沿った位置で最小値を有する、
光学システム。
【請求項２３】
前記第１の拡散体と前記第２の拡散体との間に配置された基材をさらに含み、前記基材が、前記第１の光源からの光に対して実質的に透明である、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
底部反射体をさらに含み、前記第１の光源が、前記底部反射体と前記第１の拡散体との間に配置される、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１の拡散体が、バルク拡散体または表面拡散体の少なくとも１つを含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第２の拡散体が、バルク拡散体または表面拡散体の少なくとも１つを含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２７】
前記第２の拡散体と前記像形成パネルとの間に配置された、少なくとも１つの輝度上昇層をさらに含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２８】
前記第２の拡散体が、実質的にただ１つの偏光状態の光を選択的に拡散する、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２９】
前記第２の拡散体が、連続ポリマーマトリックス中に分散ポリマー相を含み、前記分散ポリマー相または前記連続ポリマーマトリックスの少なくとも１つが、複屈折性のポリマー材料を含む、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記出力結合素子が、ポリマーマトリックス中に配置された繊維を含み、前記繊維または前記ポリマーマトリックスの少なくとも１つが、複屈折性のポリマー材料を含む、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
前記少なくとも第１の光源が、第１の波長で発光することが可能な少なくとも第１の光源、および前記第１の波長とは異なる第２の波長で発光することが可能な少なくとも第２の光源を含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３２】
制御透過ミラーであって、
入力結合素子と、
出力結合素子と、
第１の波長で垂直に入射する光を反射する第１の多層反射体と、
前記第１の波長で実質的に透明な基材と、を含み、
前記基材が、前記基材の周囲縁部の外へ伝搬する光を反射するように配置された縁部反射体を有し、前記基材と前記第１の多層反射体の両方が、前記入力結合素子と前記出力結合素子との間に配置されている、
制御透過ミラー。
【請求項３３】
前記第１の多層反射体が、ポリマー多層フィルムを含む、請求項３２に記載のミラー。
【請求項３４】
前記入力結合素子が、バルク拡散体、表面拡散体または反復表面の少なくとも１つを含む、請求項３２に記載のミラー。
【請求項３５】
前記出力結合素子が、バルク拡散体、表面拡散体または反復表面の少なくとも１つを含む、請求項３２に記載のミラー。
【請求項３６】
前記基材が、前記第１の多層反射体と前記出力結合素子との間に配置される、請求項３２に記載のミラー。
【請求項３７】
前記第１の多層反射体が、前記基材と前記出力結合素子との間に配置される、請求項３２に記載のミラー。
【請求項３８】
前記入力結合素子と前記出力結合素子との間に第２の多層反射体をさらに含み、前記基材が、前記第１の多層反射体と第２の多層反射体との間に配置される、請求項３２に記載のミラー。
【請求項３９】
前記出力結合素子が、偏光感応性である、請求項３２に記載のミラー。
【請求項４０】
前記出力結合素子が、連続ポリマーマトリックス中に分散ポリマー相を含み、前記分散ポリマー相または前記連続ポリマーマトリックスの少なくとも１つが、複屈折性のポリマー材料を含む、請求項３９に記載のミラー。
【請求項４１】
前記出力結合素子が、ポリマーマトリックス中に配置された繊維を含み、前記繊維または前記ポリマーマトリックスの少なくとも１つが、複屈折性のポリマー材料を含む、請求項３９に記載のミラー。
【請求項４２】
前記反射体が、実質的に前記基材の周囲縁部全体に提供される、請求項３２に記載のミラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、次の出願、すなわち、本願と同じ日付で出願され、代理人整理番号６０７０８ＵＳ００２を有する米国特許出願番号１１／１６６，７２２、名称「混色照明光ユニットおよびそれを用いたシステム（COLOR MIXING ILLUMINATION LIGHT UNIT AND SYSTEM USING SAME）」と、本願と同じ日付で出願され代理人整理番号６０７０９ＵＳ００２を有する米国特許出願番号１１／１６７，００３、名称「エッジライト方式ディスプレイにおける側方光伸展のための光学素子およびそれを用いたシステム（OPTICAL ELEMENT FOR LATERAL LIGHT SPREADING IN EDGE-LIT DISPLAYS AND SYSTEM USING SAME）」と、本願と同じ日付で出願され代理人整理番号６０９７５ＵＳ００２を有する米国特許出願番号１１／１６７，００１、名称「照明素子およびそれを用いたシステム（ILLUMINATION ELEMENT AND SYSTEM USING SAME）」と、本願と同じ日付で出願され代理人整理番号６０９７６ＵＳ００２を有する米国特許出願番号１１／１６７，０１９、名称「偏光感応性照明素子およびそれを用いたシステム（POLARIZATION SENSITIVE ILLUMINATION ELEMENT AND SYSTEM USING SAME）」とに関連している。
（発明の分野）
本発明は、光学照明およびディスプレイに関し、より具体的には直下型方式のバックライトによって照明される標識およびディスプレイシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、ラップトップコンピュータ、手持ち式の計算機、デジタルウォッチおよびテレビなどの装置に使用されている光学ディスプレイである。一部のＬＣＤ、例えばＬＣＤモニターおよびＬＣＤテレビ（ＬＣＤ−ＴＶ）は、ＬＣＤパネルのすぐ後方に配置された多数の光源を使用して直接照明される。この構成は、一般に直下型ディスプレイと呼ばれ、大型のディスプレイではますます一般的となっている。この理由の１つは、あるレベルのディスプレイ輝度を達成するための光パワー要件が、ディスプレイ寸法の二乗値と共に増大するということである。一方で、ディスプレイの側面に沿って光源を設置するために利用できる領域は、ディプレイ寸法と共に線形に増加するにすぎない。したがって、ある段階に達すると、特定レベルの輝度を達成するために、光源を側部ではなくパネルの後方に配置しなければならなくなる。ＬＣＤ−ＴＶなど、一部のＬＣＤ応用装置では、ディスプレイは、他の応用装置と比べてより遠く離れた距離から見ることができるように、十分明るいことが必要となり、また、ＬＣＤ−ＴＶの視角要件は、ＬＣＤモニターおよび手持ち式の装置の視角要件と比べてより広範囲となりうるため、比較的小さな画面サイズに対しても直下型照明を用いたＬＣＤ−ＴＶがより一般に見られるようになっている。
【０００３】
一部のＬＣＤおよび大部分のＬＣＤ−ＴＶは、複数の冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）によって後方から照射される。これらの光源は直線状であり、ディスプレイの全幅にわたって広がっており、その結果、ディスプレイの背面は、より暗い領域によって分離された一連の明るい線条によって照射される。そのような照度分布は望ましいものではなく、したがって、ＬＣＤ装置の背面における照度分布を平滑化するために、拡散プレートが一般に用いられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
最近では、ＬＣＤ−ＴＶの拡散プレートには、ガラス、ポリスチレンビーズ、およびＣａＣＯ３粒子を含む様々な分散相を有するポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）のポリマーマトリックスが用いられている。これらのプレートは、ランプの高温に曝された後に変形したり反ったりすることがしばしばある。加えて、一部の拡散プレートは、ＬＣＤパネルの背面における照度分布をより均一にするために、幅全体にわたって空間的に変動する拡散特性を備えている。そのような不均一な拡散体は、印刷パターン拡散体（printed pattern diffusers）と呼ばれることがある。それらは、拡散パターンを組立ての際に照明光源に位置合わせしなければならないので、製造に費用を要し、製造コストを増加させるものとなっている。加えて、拡散プレートは、拡散粒子をポリマーマトリックス全体にわたって均一に分散するために、独自の押出し配合を必要とし、さらにコストを増大させる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施形態は、照明面および表示面を有する像形成パネルと、そして前記像形成パネルの照明面に向かって配置された少なくとも第１の光源および第２の光源とを含む光学システムに関する。制御透過ミラーが、像形成パネルと光源との間に配置されており、第１および第２の光源に面する入力結合素子と、そして像形成パネルに面する出力結合素子とを含んでいる。制御透過ミラーはまた、入力結合素子と出力結合素子との間に配置された第１の多層反射体を含み、そして入力結合素子または出力結合素子の少なくとも一方から離間されている。第１の多層反射体は、光源から垂直に入射する光を反射する。入力結合層は、第１の多層反射体へ光源から実質的に垂直な方向に伝搬する光の少なくとも一部を、第１の多層反射体を透過する方向へと方向転換する。
【０００６】
本発明の別の実施形態は、像形成パネルと、該像形成パネルの後方に配置された少なくとも第１の光源とを含む光学システムを対象とする。第１の光源から像形成パネルに向かって順に、第１の拡散体と、第１の多層反射体と、そして第２の拡散体がある。第１の光源からの少なくとも一部の光が、像形成パネルに向かって、第１の拡散体、第１の多層反射体、および第２の拡散体を通過する。第２の拡散体から出た第１の光源からの光の強度プロファイルは、第１の光源からの、第１の多層反射体の主表面に垂直な軸に沿った位置で最小値を有している。
【０００７】
本発明の別の実施形態は、光を方向転換する入力結合素子、光を方向転換する出力結合素子と、第１の波長で垂直に入射する光を反射する第１の多層反射体とを含む、制御透過ミラーを対象とする。前記制御透過ミラーはまた、第１の波長で実質的に透明な基材を含んでいる。基材は、基材の周囲縁部の外へ伝搬する光を反射させるように配置された側部反射体を有している。基材と第１の多層反射体の両方が、入力結合素子と出力結合素子との間に配置されている。
【０００８】
上記の本発明の概要は、図示した実施形態それぞれ、または本発明のすべての実現形態を説明することを意図したものではない。以下の図および詳細な説明によって、これらの実施形態をより具体的に例示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、照明看板および液晶ディスプレイ（ＬＣＤまたはＬＣディスプレイ）などのディスプレイに応用することができ、後方から直接照明される、直下型ディスプレイとして既知のＬＣＤに特に応用することができる。直下型ディスプレイのいくつかの例示的な例には、いくつかの種類のＬＣＤモニターおよびＬＣＤテレビ（ＬＣＤ−ＴＶ）が挙げられる。
【００１０】
直下型ディスプレイ装置１００の例示的な実施形態の概略分解図を図１に示す。そのようなディスプレイ装置１００は、例えばＬＣＤモニターまたはＬＤＣ−ＴＶにおいて使用することができる。装置１００は、液晶（ＬＣ）パネル１０２を使用しており、その液晶パネル１０２は、典型的には、パネルプレート１０６の間に配置されたＬＣの層１０４を含んでいる。プレート１０６は、多くの場合はガラスで形成されているが、ＬＣ層１０４における液晶の配向を制御するために、電極層と配列層を内表面に含んでいてもよい。電極構造は、一般に、ＬＣパネルのピクセル、液晶の配向を隣接するピクセルと独立して制御できるＬＣ層の領域を画定するように配列される。また、表示される像に色を付けるための色フィルターが、１つまたは２つ以上のプレート１０６と共に含まれてもよい。
【００１１】
上部吸収偏光子１０８がＬＣ層１０４より上に配置されており、下部吸収偏光子１１０がＬＣ層１０４より下に配置されている。図示した実施形態において、上部および下部吸収偏光子１０８、１１０は、ＬＣパネル１０２の外側に位置している。吸収偏光子１０８と、１１０とＬＣパネル１０２とは相まって、バックライト１１２から視聴者へと光がディスプレイ１００を透過するのを制御する。ＬＣ層１０４のピクセルが活性化されていないとき、そのピクセルを通過する光の偏光は変化しない。したがって、吸収偏光子１０８、１１０が垂直に整列しているとき、下部吸収偏光子１１０を通過する光は、上部吸収偏光子１０８によって吸収される。一方で、ピクセルが活性化されているとき、そのピクセルを通過する光の偏光が回転され、その結果、下部吸収偏光子１１０を透過する光の少なくとも一部は、上部吸収偏光子１０８をも透過するようになる。ＬＣ層１０４の様々なピクセルを、例えば制御器１１３によって選択的に活性化すると、結果として、光が特定の所望の場所でディスプレイを抜け出し、したがって視聴者によって認識される像が形成される。制御器１１３には、例えば、テレビ画像を受信し表示する、コンピュータまたはテレビ用制御器を挙げることができる。１つまたは２つ以上の任意選択層１０９が、例えば機械的保護および／または環境保護をディスプレイ面にもたらすために、上部吸収偏光子１０８の上方に提供されてもよい。例示的な一実施形態において、層１０９は、吸収偏光子１０８の上にハードコートを含んでもよい。
【００１２】
一部の種類のＬＣディスプレイは、上述の方式とは異なる方式で動作し、したがって上述のシステムとは細部が異なっていることがある。例えば、吸収偏光子は平行に整列されてもよく、ＬＣパネルは非活性化状態にあるときに光の偏光を回転させてもよい。それにもかかわらず、そのようなディスプレイの基本的な構造は、上述の構造と依然として同様である。
【００１３】
バックライト１１２は光を生成し、その光をＬＣパネル１０２の背面に導く。バックライト１１２は光混合空洞１１４（cavity）を含んでおり、その光混合空洞１１４は、光を生成するための多数の光源１１６を含んでいる。光源１１６は、冷陰極蛍光灯などの直線状の光源であってもよい。また、白熱電球またはアークランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、平坦な蛍光パネルまたは外部の蛍光ランプなど、他の種類の光源を使用してもよい。光源を列挙したが、これは、限定または包括を意図するものではなく、単に例示を意図したものである。
【００１４】
光混合空洞１１４は、底部反射体１１８を含んでもよく、該底部反射体１１８は、光源１１６から下向きに、ＬＣパネル１０２から離れる方向に伝搬する光を反射する。底部反射体１１８はまた、以下で説明するように、ディスプレイ装置１００内で光を再利用するのにも有用となりうる。底部反射体１１８は、鏡面反射体であってもよく、または拡散反射体であってもよい。底部反射体１１８として使用することができる鏡面反射体の一例が、ミネソタ州セントポールのスリーエムカンパニー社（3M Company）から入手可能なビキュイティ（Vikuiti）（商標）Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｓｐｅｃｕｌａｒ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ（ＥＳＲ）フィルムである。好適な拡散反射体の例には、二酸化チタン、硫酸バリウム、炭酸カルシウムなどのような拡散反射粒子を加えた、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン、ポリスチレンなどのようなポリマーが挙げられる。ミクロ孔質材料およびフィブリル含有材料を含んだ拡散反射体の他の例には、同一所有者の米国特許第６，７８０，３５５号に論じられている。
【００１５】
また、光混合空洞１１４は、光源１１６とＬＣパネル１０２との間に配置された制御透過ミラー１２０を含んでいる。制御透過ミラー１２０は、空洞１１４内で光の一部を反射し、各光源１１６から側方に光を伸展させた後に、空洞１１４から一部の光を逃すようにする。側方に光が伸展することにより、空洞１１４を抜け出る光の強度プロファイルをより均一にすることができ、その結果、視聴者はより均一に照明された像を見ることになる。加えて、異なる光源１１６が異なる色の光を発生させる場合、側方に光が伸展することにより、それぞれの色がより複雑に混合される。制御透過ミラー１２０の動作については、以下でより詳細に論じる。
【００１６】
空洞１１４はまた、反射壁１２２を備えていてもよい。反射壁１２２は、例えば、底部反射体に使用されているものと同じ鏡面反射材料または拡散反射材料で、もしくは他の種類の反射材料で形成されていてもよい。
【００１７】
光管理層１２４の配列が、空洞１１４とＬＣパネル１０２との間に配置されてもよい。光管理層１２４は、ディスプレイ装置１００の働きを改善するように、空洞１１４から伝搬する光に作用する。例えば、光管理層１２４は、反射偏光子１２６を含んでいてもよい。光源１１６が典型的には非偏光を発生させる一方で、下部吸収偏光子１１０は単一の偏光状態のみを透過させるので、これは有用である。したがって、光源１１６によって生成された光の約半分は、ＬＣ層１０４へと透過するのに適していない。反射偏光子１２６は、しかしながら、さもなければ下部吸収偏光子１１０に吸収される光を反射するのに使用することができ、したがって、この光は、反射偏光子１２６と空洞１１４との間での反射によって再利用することができる。反射偏光子１２６によって反射された光は、その後に制御透過ミラー１２０によって反射することができ、また、その光は空洞１１４に再び入り、底部反射体１１８によって反射することもできる。反射偏光子１２６によって反射された光の少なくとも一部は、偏光を解消され、後に反射偏光子１２６に偏光状態で戻ることができ、そして反射偏光子１２６および下部吸収偏光子１１０を通じてＬＣパネル１０２へと伝搬される。このようにして、反射偏光子１２６は、光源１１６によって放たれた光がＬＣパネル１０２に到達する割合を増加させるために使用することができ、したがって、ディスプレイ装置１００によって形成される像はより明るくなる。
【００１８】
任意の好適な種類の反射偏光子、例えば、多層光学フィルム（ＭＯＦ）反射偏光子、拡散反射偏光フィルム（ＤＲＰＦ）（連続／分散相偏光子など）、ワイヤグリッド反射偏光子またはコレステリック反射偏光子を使用することができる。
【００１９】
ＭＯＦと連続／分散相反射偏光子の両方が、少なくとも２種類の材料、通常は高分子材料の間における屈折率の差異を利用して、１つの偏光状態の光を選択的に反射し、一方で直交する偏光状態にある光を透過させる。ＭＯＦ反射偏光子の一部の例が、同一所有者の米国特許第５，８８２，７７４号に記載されている。商業的に入手可能なＭＯＦ反射偏光子の例には、ミネソタ州セントポールのスリーエムカンパニー社（3M Company）から入手可能な、拡散面を含むビキュイティ（Vikuiti）（商標）ＤＢＥＦ−Ｄ２００およびＤＢＥＦ−Ｄ４００多層反射偏光子が挙げられる。
【００２０】
本発明に関連して有用なＤＲＰＦの例には、同一所有者の米国特許第５，８２５，５４３号に記載されている連続／分散相反射偏光子、および、例えば同一所有者の米国特許第５，８６７，３１６号に記載されている拡散反射多層偏光子が挙げられる。他の好適な種類のＤＲＰＦが、米国特許第５，７５１，３８８号に記載されている。
【００２１】
本発明に関連して有用なワイヤグリッド偏光子の一部の例には、米国特許第６，１２２，１０３号に記載されているものが挙げられる。ワイヤグリッド偏光子は、とりわけ、ユタ州オレム（Orem）のモックステック社（Moxtek Inc.）から市販されている。
【００２２】
本発明と関連して有用なコレステリック偏光子の一部の例には、例えば、米国特許第５，７９３，４５６号および米国特許第６，９１７，３９９号に記載されているものが挙げられる。コレステリック偏光子はしばしば、コレステリック偏光子を透過した光が直線偏光に変換されるように、出力側に４分の１波長抑制層と共に提供される。
【００２３】
反射偏光子１２６によって反射された光の偏光を混合するのを補助するために、偏光混合層１２８を、空洞１１４と反射偏光子１２６との間に配置してもよい。例えば、偏光混合層１２８は、４分の１波長抑制層などの複屈折層であってもよい。
【００２４】
光管理層１２４はまた、１つまたは２つ以上の輝度上昇層１３０ａ、１３０ｂを含んでいてもよい。輝度上昇層とは、軸外光をディスプレイの軸線により接近した伝搬方向に向け直す表面構造を含んだものである。これが、ＬＣパネル１０２を通過する照明光の視角を制御し、典型的には、ＬＣパネル１０２を通じて軸上で伝搬する光の量を増加させる。結果的に、視聴者が見る像の軸上輝度が上昇する。
【００２５】
輝度上昇層の一例は、屈折と反射を組み合わせて照明光を向け直す多数のプリズム状隆起部を有している。ディスプレイ装置に使用することができるプリズム状の輝度上昇層の例には、ＢＥＦＩＩ  ９０／２４、ＢＥＦＩＩ  ９０／５０、ＢＥＦＩＩＩＭ  ９０／５０、およびＢＥＦＩＩＩＴを含めて、ミネソタ州セントポールのスリーエムカンパニー社（3M Company）から入手可能な、プリズム状フィルムのビキュイティ（Vikuiti）（商標）ＢＥＦＩＩおよびＢＥＦＩＩＩシリーズが挙げられる。ただ１つの輝度上昇層を使用してもよいが、一般的な手法は、２つの輝度上昇層１３０ａ、１３０ｂを、それらの構造を互いに対して約９０°で配向して使用することである。この交差した構成によって、２次元における照明光の視角、水平方向および垂直方向の視角が制御される。
【００２６】
制御透過ミラーのある特定の実施形態について、これから図２Ａを参照して説明する。図は、一部の光源１１６ａ、１１６ｂと、底部反射体１１８および制御透過ミラー１２０の部分と、側部反射体１２２とを含む空洞１１４の一部を示す。制御透過ミラー１２０は、ＣＣＦＬなどの線光源またはＬＥＤなどの準点光源を使用する直下型ディスプレイ用の均一なバック照明を有利にもたらすが、他の種類の光源と共に使用することもできる。制御透過ミラー１２０は、光源１１６ａ、１１６ｂによって生成された光に対して実質的に透明な基材２０２を含んでいてもよい。広帯域多層反射体２０４が、基材２０２の少なくとも一方の側に配置される。図示した実施形態において、多層反射体２０４は、基材２０２の下側に配置されている。多層反射体２０４は、例えば積層法によって、接着剤を使用してまたは使用せずに、基材２０２に取り付けることができる。図示した実施形態において、多層反射体２０４は、基材２０２の、光源１１６ａ、１１６ｂに面する側に積層されている。
【００２７】
基材２０２は、有機または無機の任意の好適な透明材料、例えばポリマーまたはガラスで形成することができる。好適なポリマー材料は、非晶質または半晶質であってもよく、ホモポリマー、コポリマーまたはそれらのブレンド物を含んでもよい。例としてのポリマー材料には、限定されないが、ポリ（カーボネート）（ＰＣ）；ポリ（スチレン）（ＰＳ）；アクリレート、例えばニュージャージー州ロッカウェー（Rockaway）のサイロ・インダストリーズ社（Cyro Industries）からＡＣＲＹＬＩＴＥ（登録商標）ブランドで供給されるアクリル板；などの非晶質ポリマーと、イソオクチルアクリレート／アクリル酸；ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）；ＰＭＭＡコポリマー；シクロオレフィン、シクロオレフィンコポリマー；アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）；スチレンアクリロニトリルコポリマー（ＳＡＮ）；エポキシ；ポリ（ビニルシクロヘキサン）；ＰＭＭＡ／ポリ（フッ化ビニル）のブレンド；アタクチックポリ（プロピレン）；ポリ（フェニレンオキサイド）合金；スチレンブロックコポリマー；ポリイミド；ポリスルホン；ポリ塩化ビニル；ポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）；ポリウレタン；などのアクリルコポリマーと、ポリ（エチレン）、ポリ（プロピレン）；ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）；ポリ（カーボネート）／脂肪族ＰＥＴのブレンド；ポリ（エチレンナフタレート）（ＰＥＮ）；ポリアミド；アイオノマー；酢酸ビニル／ポリエチレンコポリマー；酢酸セルロース；酢酸酪酸セルロース；フルオロポリマー；ポリ（スチレン）−ポリ（エチレン）コポリマー；ＰＥＴおよびＰＥＮのコポリマーなどの半結晶性ポリマーと、透明なガラス繊維パネルとが挙げられる。これらの材料の一部、例えばＰＥＴ、ＰＥＮおよびそれらのコポリマーは、材料の屈折率を等方性材料の屈折率から変化させるように配向することができる。
【００２８】
入力結合素子２０６が多層反射体２０４の下側に配置されており、出力結合素子２０８が基材２０２の上側に配置されている。入力結合素子２０６および出力結合素子２０８は、制御透過ミラー１２０に入る光を結合させるように、または制御透過ミラー１２０から出る光を結合させるように、これらの結合素子２０６、２０８に入る光の少なくとも一部の方向を変化させるために使用されている。入力結合素子２０６および出力結合素子２０８の例示的な実施形態は、拡散体を、表面拡散体とバルク拡散体の両方、および微細反復表面を含んでいる。入力結合素子２０６および出力結合素子２０８のある例示的な実施形態について、以下にさらに詳細に説明する。出力結合素子２０８は、入力結合素子２０６と同じであってもよく、例えば、入力結合素子および出力結合素子２０６、２０８が両方ともバルク拡散体であってもよく、また、出力結合素子２０８が、入力結合素子２０６と異なっていてもよい。入力結合素子および出力結合素子２０６、２０８は積層されてもよく、あるいは、基材２０２および多層反射体２０４と一体に形成してもよい。
【００２９】
多層誘電反射体２０４は、一般に、誘電体スタックの基本構造ブロックを形成する光学的反復単位で構成されている。光学的反復単位は、典型的には、少なくとも高屈折率材料および低屈折率材料の２つ以上の層を含んでいる。多層反射体は、赤外、可視または紫外波長域および偏光の所与の直交する対の一方または両方を反射するように、これらの構造ブロックを使用して設計することができる。一般に、スタックは、以下の関係式に従って層の光学的厚さを制御することによって、特定の波長λの光を反射するように構成することができる。
【００３０】
λ＝（２／Ｍ）×Ｄｒ
式中、Ｍは反射光の次数を表す整数であり、Ｄｒは光学的反復単位の光学的厚さである。一次反射（Ｍ＝１）の場合、光学的反復単位は、λ／２の光学的厚さを有している。単純な４分の１波スタックは、各層がλ／４の光学的厚さを有する多数の層を含んでいる。広帯域反射体は、様々な波長に調整された複数の１／４波スタック、スタック全体にわたって層厚さの連続階調変化を伴うスタック、またはそれらの組み合わせを含むことができる。多層反射体はさらに、非光学層を含んでいてもよい。例えば、共押出しされた高分子誘電反射体は、反射体フィルムの形成を促進するために、且つ反射体を保護するために使用される保護境界層および／または表面薄層を含んでいてもよい。本発明に特に好適な高分子光学スタックは、「多層光学フィルム」と題された刊行済みのＰＣＴ特許出願ＷＯ９５／１７３０３および米国特許第６，５３１，２３０号に記載されている。他の実施形態において、誘電体スタックは、無機材料のスタックであってもよい。低屈折率材料に使用するのに好適な材料の一部に、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２およびＣａＦ２などが挙げられる。高屈折率材料に使用するのに好適な材料の一部に、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５およびＺｎＳｅなどが挙げられる。本発明は４分の１波スタックに限定されないが、しかしながら、例えば、コンピュータで最適化されたスタックおよびランダムな層厚さのスタックを含めて、あらゆる誘電体スタックにより広く応用が可能である。
【００３１】
誘電体スタックによる特定の波長で光の反射は、スタックを通じた伝搬角度に幾分か依存している。多層反射体は、特定の角度でスタック内を伝搬する光に対する反射バンドの輪郭（profile）（例えばバンド中心およびバンド端）を有しているとみなすことができる。スタックにおける伝搬角度が変化すると、このバンドの輪郭は変化する。スタックにおける伝搬角度は一般に、スタックおよび周囲媒体中の材料の入射角および屈折率の関数である。スタックにおける伝搬角度が変化すると、反射バンドの輪郭のバンド端の波長は変化する。典型的には、高分子材料を検討する場合、垂直に入射する光に対する反射体のバンド端は、空中でのかすめ入射で見ると、その垂直入射の値の約８０％までシフトする。この効果は、米国特許第６，２０８，４６６号により詳細に記載されている。バンド端は、空気よりも高い屈折率を有する媒体を使用する反射体の中へ光が結合されると、さらに著しくシフトすることがある。また、バンド端のシフトは、典型的には、ｓ−偏光光に対するものよりもｐ−偏光光に対するものの方が大きい。
【００３２】
反射のバンドの輪郭が角度に依存する（例えば、バンド端が角度と共にシフトする）のは、効果的な層厚さが変化することによるものである。角度が垂直入射から増加すると、反射バンドはより短い波長に向かってシフトする。所与の層を通じた全経路長は角度に伴って増加する一方で、角度に伴うバンド位置の変化は、角度に伴う層を通じた全経路長の変化には依存していない。むしろ、バンド位置は、所与の層の上面および下面から反射される光線の間の経路長の差異に依存している。この経路差は、周知の公式ｎ．ｄ．ｃｏｓθによって示されるように入射角と共に減少するが、この公式は、波長λを計算するために使用されるものであり、その波長λに所与の層がλ／４厚の層として調整される。ここで、ｎは層の屈折率であり、θは層の垂直線に対する光の伝搬角度である。
【００３３】
上記の説明では、どのようにして反射バンドの輪郭のバンド端が角度の関数として変化するかを述べている。本明細書で使用するとき、「バンド端」という語は概して、多層反射体が実質的な反射から実質的な透過へと変化する領域を指している。この領域は相当に鮮明であり、単一波長として説明される。他の場合には、反射と透過との間の遷移は、より漸次的であってもよく、中心波長およびバンド幅から説明することができる。いずれの場合にも、しかしながら、反射と透過との相当な違いがバンド端の両側に存在する。
【００３４】
特定の波長で光は、増加する伝搬角度（反復単位の境界面に垂直な軸から測定して）でスタック中を伝搬するとき、光はバンド端に接近する。１つの例において、十分高い伝搬角度において、スタックは、その特定の波長の光に対して実質的に透明となり、光はスタックを透過する。したがって、所与の波長の光に対して、スタックは、それに満たないとスタックが実質的に光を反射する付随する伝搬角度と、それを超えるとスタックが実質的に光を透過する別の伝搬角度とを有している。したがって、ある多層スタックにおいて、光の各波長は、それに満たないと実質的な反射が生じる対応角と、それを超えると実質的な透過が生じる対応角とを有すると考えることができる。関連する波長に対して、バンド端が鮮明になるほど、これらの２つの角度はより接近する。本明細書の趣旨に沿って、これらの２つの角度は同じであり、且つθｍｉｎの値を有すると近似する。
【００３５】
上記の説明は、所与のスタックにおける単色光が、伝搬角度の増加と共に、反射から透過へと推移する方式を述べたものである。スタックが、異なる波長で成分を混合した光で照明される場合、反射スタックが反射的である状態から透過的である状態に変化する角度θｍｉｎは、それぞれの波長成分ごとに異なるものとなる。バンド端は、角度の増加に伴って、より短い波長へと移動するので、θｍｉｎの値は、より長い波長で光に対しては小さくなり、より長い波長で光を、より短い波長での光と比べてより多く、多層反射体を透過することができる可能性がある。ある実施形態において、制御透過ミラーを抜け出す光の色が比較的均一であることが望ましい。色の釣り合いをとるための１つの手法は、より短い波長で光をより長い波長での光と比べてより多く制御透過ミラーの中に結合させる入力結合素子および出力結合素子を使用することである。
【００３６】
そのような結合素子の一例は、図４Ａおよび５Ａに関連して論じるように、ポリマーマトリックス内に分散した散乱粒子を含有するバルク拡散体である。散乱粒子は、周囲のマトリックスとは異なる屈折率を有している。拡散散乱の性質とは、他に特別な条件がない限り、より短い波長で光は、より長い波長での光と比べてより散乱されるということである。
【００３７】
加えて、散乱の程度は、粒子の屈折率と周囲のマトリックスの屈折率との間の差異に依存している。屈折率の差異が、より短い波長でより大きい場合、より多くの短い波長の光が散乱される。拡散結合素子の具体的な一実施形態において、マトリックスは２軸的に延伸されたＰＥＮで形成され、それは、赤色光に対しては約１．７５、青色光に対しては約１．８５の面内屈折率を有しており、ここで、光はｓ−偏光され、すなわち高分散を有する。面内屈折率は、電界ベクトルがフィルムの平面に平行に偏光された光の屈折率である。フィルムの厚さ方向に平行に偏光された光に対する面外屈折率は、約１．５である。ｐ−偏光された光は、面内屈折率および面外屈折率の組み合わせである実効屈折率を経験するので、ｐ−偏光された光に対する屈折率は、ｓ−偏光された光の屈折率よりも低いものとなる。マトリックス内の粒子は、高屈折率を有することがあり、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）粒子は約２．５の屈折率を有する。ＴｉＯ２の屈折率は、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲にわたって約０．２５だけ変動するが、この変動は、同じ波長範囲にわたるＰＥＮの屈折率変動の約０．１よりも大きい。したがって、粒子とマトリックスとの間の屈折率の差異は、可視スペクトル全体にわたって約０．１５だけ変動し、結果として青色光に対する散乱が増加する。それゆえに、粒子とマトリックスとの間の屈折率の差異は、可視スペクトルにわたって相当に変動することがある。
【００３８】
したがって、拡散散乱機構は波長に依存し、また屈折率は可視スペクトルにわたって大きく異なることから、青色光が多層反射体内に散乱される程度は比較的高く、それによって、より短い波長でθｍｉｎがより大きな値となることが少なくとも部分的に補正される。
【００３９】
入力結合素子および出力結合素子の他の実施形態、例えば、図４Ｂ〜４Ｄおよび５Ｂ〜５Ｄを参照して以下に説明する実施形態は、光の方向転換に関して主として屈折効果に依存している。例えば、結合素子は、多層反射体に入るまたはから出る光を結合させるための表面構造またはホログラフィック的な特徴を備えていてもよい。垂直に材料が分散することにより、より短い波長に対してより大きな屈折効果がもたらされる。したがって、屈折効果を用いる入力結合素子および出力結合素子はまた、より短い波長でθｍｉｎがより大きな値となることを少なくとも部分的に補正することができる。
【００４０】
それゆえに、制御透過ミラーに入る光は、θｍｉｎの値において広範な変動を有しうるという了解の下で、以下の説明では、簡潔にするため、θｍｉｎの単一の値のみを参照する。
【００４１】
多層反射体を通過する光の量を制御するためにシステムの設計者が使用することができる別の効果は、ブルースター角を選択することであり、そのブルースター角とは、すなわち、ｐ−偏光した光が多層反射体を反射損失なく通過する角度である。多層反射体内の隣接する等方性層１および２が、それぞれ屈折率ｎ１およびｎ２を有する場合、層１から層２に進む光に対する層１におけるブルースター角の値θＢは、式ｔａｎθＢ＝ｎ２／ｎ１で与えられる。したがって、多層反射体の異なる層で用いる特定の材料は、ブルースター角の所望の値が得られるように選択することができる。
【００４２】
多層反射体に対するブルースター角が存在することにより、入力結合層および出力結合層を利用して大角度にわたって光を方向転換する以外に、光に反射体を通過させるための別の機構が得られる。制御透過ミラー内の角度は、ｐ−偏光に対して増加するので、反射バンドはブルースター角において実質的に消滅する。ブルースター角を超える角度では、反射バンドが再び現れ、引き続きより短い波長へシフトする。
【００４３】
ある実施形態において、青色光に対するθＢの値をθｍｉｎよりも小さく設定し、ただしθＢを赤色光に対するθｍｉｎよりも大きくすることが可能となることがある。この構成は、青色光が多層反射体を通る透過を増加させることになりうるものであり、それによって、より短い波長の光に対してθｍｉｎがより高い値となるのが少なくとも部分的に補正される。
【００４４】
光源１１６ａからの光の少なくとも一部は、制御透過ミラー１２０に向かって伝搬する。光線２１０によって例示する光の一部分は、入力結合素子２０６を通過し、多層反射体２０４にθｍｉｎよりも大きい角度で入射し、基材２０２の中に透過している。ここで角度は、多層反射体２０４の垂直線２３０に対する角度として示している。光線２１２によって示す光の別の部分は、入力結合素子２０６にθｍｉｎ未満の角度で入射しているが、入力結合素子２０６によって少なくともθｍｉｎの角度に方向転換され、多層反射体２０４を透過して基材２０２に入っている。光線２１４によって例示する、光源１１６ａからの光の別の部分は、入力結合素子２０６を通過し、多層反射体２０４にθｍｉｎ未満の角度で入射している。結果的に、光２１４は、多層反射体２０４によって反射されている。θｍｉｎの値は、光源１１６ａから放たれた波長で光が多層反射体２０４を透過する前に、多層反射体２０４のバンド端がどの程度シフトするかによって決まる。
【００４５】
ある実施形態において、多層反射体２０４は、多層反射体２０４と基材２０２との間の空気または他の比較的屈折率の低い材料の層を防止するような方式で基材２０２に取り付けられることが望ましい。基材２０２と多層反射体２０４との間のそのような密着した光学結合によって、基材２０２に到達する前に、光が多層反射体２０４において内部全反射を生じる可能性が減じられる。
【００４６】
基材内の光の最大角度θｍａｘは、入力結合素子２０６の屈折率ｎｉと基材２０２の屈折率ｎｓとの相対屈折率によって決まる。入力結合素子２０６が表面結合素子である場合、ｎｉの値は、その表面が形成されている材料の屈折率に等しい。入力結合素子２０６から基材２０２の中への伝搬は、スネルの法則に従う。光が、９０°に近いかすめ入射で入力結合素子２０６と基材２０２との境界面に入射すると仮定する場合、θｍａｘの値は次式によって与えられる。
【００４７】
θｍａｘ=ｓｉｎ−１（ｎｉ／ｎｓ）
したがって、光は、基材２０２に沿ってθ＝９０°の方向に伝搬でき、ここでｎｓの値はｎｉの値に等しいかまたはそれ未満である。θｍａｘの値をより大きくすると、光が側方に伸展するのを増進し、したがって輝度の均一性を向上させることができる。
【００４８】
出力結合素子２０８は、光の少なくとも一部を制御透過ミラー２００から抽出するために使用されている。例えば、光２１２の一部は、光２２０として制御透過ミラー１２０を抜け出すように、出力結合素子２０８によって拡散させることができる。
【００４９】
基材内の光の他の部分、例えば光線２２２は、出力結合素子２０８によって方向転換させることができない場合がある。光２２２が、ｎｅを出力結合素子の屈折率として出力結合素子の臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（１／ｎｅ）を超える角度で、出力結合素子２０８の上面に入射する場合、光２２２は、出力結合素子２０８内で内部全反射し、光２２４として基材２０２へ方向を向け直す。反射光２２４は、その後に入力結合素子２０６の下面で内部全反射することができる。あるいは、光２２４は、その後に入力結合素子２０６によって方向転換し、制御透過ミラー１２０を抜け出て底部反射体１１８に向かうこともできる。
【００５０】
基材２０２の中に少なくともθｍｉｎの角度で入る光が、出力結合素子２０８にθｃよりも大きい角度で入射している場合、出力結合素子２０８の外に方向転換されない光は、典型的には、出力結合素子２０８内で内部全反射する。しかしながら、基材の中にθｍｉｎの角度で入る光が、出力結合素子２０８にθｃ未満の伝搬角度で到達する場合、その光の何分の１かは、出力結合素子２０８によって方向転換されなくても、出力結合素子２０８と空気との境界面でフレネル反射損失を受けて、出力結合素子２０８を透過することができる。したがって、光が多重反射を受け、またその方向が空洞１１４内で転換される可能性が大いにある。光はまた、基材２０２内で、且つ／または、制御透過ミラー１２０と底部反射体１１８との間の空間内で、横断方向に伝搬することもできる。これらの複数の効果が相まって、光が側方に伸展し、より均一な輝度のバックライト照明を生じるように抽出される公算が増す。
【００５１】
多層反射体が、θｍｉｎよりも小さいブルースター角θＢの値を有する可能性は除き、光源１１６ａにおいて生じる光に対する禁止角領域θｆが存在する。この禁止角領域θｆは、θｍｉｎの半分の角度を有し、光源１１６ａの上方に位置している。光は、禁止角領域内で多層反射体１２２を通過することはできない。このことを、制御透過ミラー１２０の上で示すグラフで概略的に示す。このグラフは、光源１１６ａから放たれた光の定性的な輝度曲線を示し、その輝度曲線は、軸線２３０に対応する位置で、光源１１６ａのすぐ上の位置で最小値を有している。光源１１６ａより上の暗い領域は、他の光源からの光が存在しない場合にのみ見られるものである。しかしながら、近接する光源、例えば光源１１６ｂからの光は、軸線２３０において光源１１６ａから垂直方向に上の点で、制御透過ミラー１２０から逃げることが可能であり、したがって、この制御透過ミラー１２０を使用するバックライトは、様々な光源からの光を混合する上で効果的である。
【００５２】
基材２０２の１つまたは２つ以上の縁部は、反射体１２２で覆われてもよい。このようにして、さもなければ基材２０２から逃げる光は、光２２６として再び基材２０２の中に反射されており、有用な照明光として制御透過ミラー１２０から取り出すことができる。反射体１２２は、多層誘電反射体、基材２０２の縁部上の金属被覆、多層ポリマー反射体、拡散ポリマー反射体などを含めた任意の好適な種類の反射体であってもよい。図示した実施形態において、基材２０２の側部の反射体１２０は、光混合空洞１１４の側部の周りで使用されているものと同じ反射体であるが、これは本発明を限定することを意図したものではなく、基材２０２の縁部の周りの反射体は、混合空洞１１４の側部反射体と異なっていてもよい。
【００５３】
上に示した制御透過ミラーの説明を考慮すると分かることであるが、入力結合素子２０６の役割は、さもなければ多層反射体２０４にθｍｉｎ未満の角度で入射する少なくとも一部の光を、多層反射体２０４に少なくともθｍｉｎの角度で入射するように方向転換することである。また、出力結合素子２０８の役割は、さもなければ制御透過ミラー１２０内で内部全反射する少なくとも一部の光を、制御透過ミラー１２０から抜け出すように方向転換することである。
【００５４】
制御透過ミラー１２０は、図２Ｂに概略的に示すように、基材２０２の両側に配置された２つの多層反射体２０４、２０５を任意選択により備えていてもよい。多層反射体２０４、２０５は好ましくは、必須ではないが、同じ値のθｍｉｎを有している。
【００５５】
制御透過ミラーはまた、基材２０２の、光源１１６から離れた側に配置された単一の多層反射体を有する一方で、制御透過ミラー１２０内を伝搬する光の角度範囲を制御する上で依然として効果的であることができる。そのような配置の例示的な実施形態を図３に概略的に示す。光源１１６ａからの光３１２が、多層反射体２０５にθｍｉｎ未満の角度で入射する場合、その光は多層反射体２０５によって反射され、光３１７として入力結合素子２０６の外に再び進むこともできる。多層反射体２０５によって反射された光はまた、より大きな角度で基材２０２に戻るように、入力結合素子２０６によって方向転換されることもできる。例えば、光線３１４は入力結合素子２０５によって方向転換され、引き続き入力結合素子２０４の下面で内部全反射されて再び基材２０２に入る。内部全反射された光線３１６は、引き続き多層反射体２０５にθｍｉｎを超える角度で戻ることができ、多層反射体２０５を透過することができる。
【００５６】
光源１１６ａからの他の光は、多層反射体２０５にθｍｉｎを超える角度で入射することができ、したがって、多層反射体２０５を透過して出力結合素子２０８に向かう。その光は、例えば例示的な光線３１８と同様に、出力結合素子２０８の表面で内部全反射することもでき、もしくは、例えば例示的な光線３２０と同様に、出力結合素子２０８の外へ方向転換することもできる。
【００５７】
光源１１６からの、あるとしてもごくわずかな光が、光源１１６ａの上へ垂直に、すなわち軸線３３０に沿ってまたは軸線３３０に近い角度で、制御透過ミラー１２０から逃げる一方で、隣接する光源、例えば光源１１６ｂからの光は、直接光源１１６ａの上へ、すなわち軸線３３０においてまたは軸線３３０の近くで制御透過ミラー１２０から逃げることができる。光源１１６ａ、１１６ｂが、互いに過度に接近して離間されている場合、各光源１１６ａ、１１６ｂの「禁止領域」が重なり合い、それによって、少なくとも光源１１６ａ、１１６ｂから光が抽出されない制御透過ミラー１２０の領域が生じることがある。したがって、隣接する光源１１６ａ、１１６ｂを、少なくとも約ｄ＝ｈ．ｔａｎ（θｍｉｎ）の値を有する分離間隔ｄで離間することが好ましく、式中ｈは基材２０２の厚さである。この式は単に近似的なものであるが、それは、基材２０２の厚さが、多層反射体２０５、入力結合素子２０６、および出力結合素子２０８の厚さよりも非常に厚いので、これらの層２０５、２０６、２０８の厚さを無視できると仮定しているためである。隣接する光源１１６ａ、１１６ｂの間隔と基材２０２の厚さとの関係が、ある光源からの光をその最隣接光源の上方で抽出することが必要なときに関わってくる。他の条件は、光抽出素子の設計のために選択されてもよい。例えば、光抽出素子は、ある光源からの光が、その最隣接光源の上方ではなく、第２の最隣接光源の上方で抽出されるように設計することができる。
【００５８】
様々な種類の入力結合素子の例示的な実施形態について、これから図４Ａ〜４Ｄを参照して論じることにする。これらの実施形態において、多層反射体４０４は、基材と入力結合素子４０６との間にある。他の例示的な実施形態において（図示なし）、基材は、入力結合素子と多層反射体との間にあってもよい。
【００５９】
図４Ａにおいて、制御透過ミラー４２０の例示的な実施形態は、入力結合素子４２６と、多層反射体４０４と、基材４０２と、出力結合素子４０８とを含んでいる。この特定の実施形態において、入力結合素子４２６はバルク拡散層であり、透明マトリックス４２６ｂ内に分散された拡散粒子４２６ａを含んでいる。入力結合素子４２６にθｍｉｎ未満の角度で入る光の少なくとも一部、例えば光線４２８は、入力結合素子４２６内でθｍｉｎを超える角度で散乱し、結果的に多層反射体４０４を透過する。一部の光、例えば光線４３０は、多層反射体４０４を通過するのに十分な角度で、入力結合素子４２６内で散乱することができず、多層反射体４０４によって反射される。透明なマトリックス４２６ｂに好適な材料には、限定されないが、基材内での使用に好適なものとして本明細書に列挙した材料などのポリマーが挙げられる。
【００６０】
拡散粒子４２６ａは、光を拡散させるのに有用ないかなる種類の粒子であってもよく、例えば、屈折率が周囲のポリマーマトリックスと異なる透明な粒子、拡散反射粒子、またはマトリックス４２６ｂ内の気孔または気泡であってもよい。好適な透明粒子の例には、中実または中空の無機粒子、例えばガラスビーズまたはガラス殻、中実または中空のポリマー粒子、例えば中実のポリマー球またはポリマーの中空殻が挙げられる。好適な拡散反射粒子の例には、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ４）などの粒子が挙げられる。加えて、マトリックス４２６ｂ内の気孔を、光を拡散させるために使用することもできる。そのような気孔は、気体、例えば空気または二酸化炭素で充填してもよい。
【００６１】
制御透過ミラー４４０の別の例示的な実施形態を図４Ｂに概略的に示し、ここで、入力結合素子４４６は表面拡散体４４６ａを含んでいる。表面拡散体４４６ａは、多層反射体４０４の底層に、または多層反射体４０４に取り付けられた別個の層に提供されることができる。表面拡散体４４６ａは、成形するか、型押しするか、鋳造するか、または他の方法で調製することができる。
【００６２】
入力結合素子４４６に入射する光の少なくとも一部、例えば光線４４８は、表面拡散体４４６ａによって散乱されて、θｍｉｎを超える角度で伝搬し、結果的に多層反射体４０４を透過する。一部の光、例えば光線４５０は、多層反射体４０４を通過するのに十分な角度で、表面拡散体４４６ａによって散乱することができず、反射される。
【００６３】
制御透過ミラー４６０の別の例示的な実施形態を図４Ｃに概略的に示し、ここで、入力結合素子４６６は、小平面４６７ａおよび４６７ｂを有する微細反復構造体（microreplicated structure）４６７を含んでいる。構造体４６７は、多層反射体４０４の底層に、または多層反射体４０４に取り付けられた別個の層に提供されることができる。構造体４６７は、表面拡散体４４８が、大部分が不規則な表面構造を含んでいるのに対して、構造体４６７は、画定された小平面４６７ａ、４６７ｂをもって規則的な構造を含んでいるという点で、表面拡散体４４８とは異なっている。
【００６４】
入力結合素子４６６に入射する光の少なくとも一部、例えば小平面４６７ａで入射する光線４６８は、小平面４６７ａにおける屈折がなければ、多層反射体４０４にθｍｉｎの角度で到達しない。したがって、光線４６８は多層反射体４０４を透過する。一部の光、例えば光線４７０は、小平面４６７ｂによってθｍｉｎ未満の角度に屈折され、したがって多層反射体４０４によって反射される。
【００６５】
制御透過ミラー４８０の別の例示的な実施形態を図４Ｄに概略的に示し、ここで、入力結合素子４８６は、多層反射体４０４と光学的に接触している表面部分４８２と、多層反射体４０４と光学的に接触していない他の表面部分４８４とを有しており、間隙４８８が、素子４８６と多層反射体４０４との間に形成されている。間隙４８８の存在が、入射光の一部の内部全反射（ＴＩＲ）をもたらす。この種類の結合素子は、ＴＩＲ入力結合素子と呼ばれることもある。
【００６６】
入力結合素子４８６に入射する光の少なくとも一部、例えば接触していない表面部分４８４に入射する光線４９０は、小平面４８４における内部反射がなければ、多層反射体４０４にθｍｉｎの角度で到達しない。したがって、光線４９０は多層反射体４０４を透過することができる。一部の光、例えば光線４９２は、多層反射体４０４へと、接触している表面部分４８２を透過することができる。この光は、多層反射体４０４にθｍｉｎ未満の角度で入射し、したがって多層反射体４０４によって反射される。
【００６７】
他の種類のＴＩＲ入力結合素子が、米国特許第５，９９５，６９０号により詳細に記載されている。
【００６８】
本明細書で詳細に説明する入力結合素子、例えば表面または体積ホログラムを含む入力結合素子に加えて、他の種類の入力結合素子を使用してもよい。また、入力結合素子は、光を方向転換するための様々な手法を組み合わせてもよい。例えば、入力結合素子は、表面構造、表面散乱パターンまたは表面ホログラムなどの表面処理を、バルク拡散粒子と組み合わせてもよい。
【００６９】
ある実施形態においては、入力結合素子および出力結合素子の屈折率が、例えば、多層反射体４０４の平均屈折率（高屈折率層および低屈折率層の屈折率の平均値）と同等かそれ以上の比較的高い屈折率をそれぞれ有することが望ましいことがある。入力結合素子および出力結合素子の屈折率をより高くすると、光が多層反射体４０４を通って伝搬することができる角度を増加するのに役立ち、それによってバンド端のシフトがより大きくなる。これによって、制御透過ミラーを通過する短波長の光の量を増加し、したがってバックライト照明の色をより均一にすることができる。入力結合素子および出力結合素子に使用することができる好適な高屈折率ポリマー材料の例には、２軸的に延伸されたＰＥＮおよびＰＥＴが挙げられるが、それらのＰＥＮおよびＰＥＴは、延伸の量によっては、６３３ｎｍの波長に対してそれぞれ１．７５および１．６５の面内屈折率値を有することができる。
【００７０】
入力結合素子および出力結合素子に対する材料の選択と相応して、基材は、大角度で入るまたは出る大量の光をブロックするＴＩＲを生じることのない屈折率（an index）を有するように選択しなければならない。逆に、基材の屈折率（an index）が低いと、基材よりも高い屈折率を有する入力結合素子からの入射の後の、基材内における伝搬の角度が大きくなる。これらの２つの効果は、システムの性能を、色のバランスおよび光の側方への伸展に関して最適化するように選択することができる。
【００７１】
同様の手法を、出力結合素子に使用することができる。例えば、制御透過ミラー５２０は、図５Ａでは、入力結合素子５０６と、多層反射体５０４と、基材５０２と、出力結合素子５２８とを有するものとして概略的に示されている。この特定の実施形態において、出力結合素子５２８はバルク拡散層であり、透明マトリックス５２８ｂ内に分散された拡散粒子５２８ａを含んでいる。拡散粒子５２８ａおよびマトリックス５２８ｂとして使用するのに好適な材料については、図４Ａの入力結合素子に関連して上で論じた。
【００７２】
基材５０２から出力結合素子５２８に入る光の少なくとも一部、例えば光線５３０は、出力結合素子５０８内の拡散粒子５２８ａによって散乱し、結果的に光出力結合素子５２８の外へ透過することができる。一部の光、例えば光線５３２は、出力結合素子５２８内で散乱することができず、出力結合素子５２８の上面５２９にθの入射角で入射している。θの値が、マトリックス５２８ｂの物質に対して、臨界角θｃ以上である場合、光５３２は、図示のように表面５２９で内部全反射する。
【００７３】
制御透過ミラー５４０の別の例示的な実施形態を図５Ｂに概略的に示し、ここで、出力結合素子５４８は表面拡散体５４８ａを含んでいる。表面拡散体５４８ａは、図示のように基材５０２の上面に、または基材５０２に取り付けられた別個の層に提供されることができる。
【００７４】
基材５０２内を伝搬する一部の光、例えば光５５０は、表面拡散体５４８ａに入射しており、光混合層５４０の外へ散乱している。一部の他の光、例えば光５５２は、表面拡散体５４８ａによって散乱することができない。表面拡散体５４８ａにおける入射角に応じて、光５５２は図示のように内部全反射することができ、または一部の光が基材５０２内に再び反射される一方で、一部の光は制御透過鏡５４０の外へ透過することができる。
【００７５】
制御透過ミラー５６０の別の例示的な実施形態を図５Ｃに概略的に示し、ここで、出力結合素子５６６は、小平面５６７ａおよび５６７ｂを有する微細反復構造体５６７（microreplicated structure）を含んでいる。構造体５６７は、図示のように基材５０２に取り付けられた別個の層５６８に、または基材５０２自体の上面と一体に提供されることができる。構造体５６７は、表面拡散体が、大部分が不規則な表面構造を含んでいるのに対して、構造体５６７は、画定された小平面５６７ａ、５６７ｂをもってより規則的な構造を含んでいるという点で、表面拡散体５４８ａとは異なっている。
【００７６】
基材５０２内を伝搬する一部の光、例えば光５７０は、表面拡散体５６７に入射しており、光混合層５６０の外へ散乱している。一部の他の光、例えば光５７２は、構造体５６７によって光混合層５６０の外へ屈折することができないが、基材５０２に戻ることができる。光が光混合層５６０から逃げる伝搬角度の具体的な範囲は、少なくとも、光混合層５６０を構成する異なる層の屈折率および構造体５６７の形状を含めて、多数の要因に依存している。
【００７７】
制御透過ミラー５８０の別の例示的な実施形態を図５Ｄに概略的に示し、ここで、出力結合素子５８６は、多層反射体５０４と光学的に接触している表面部分５８２と、多層反射体５０４と光学的に接触しない他の表面部分５８４とを有しており、間隙５８８を素子５８６と基材５０２との間に形成している。
【００７８】
出力結合素子５８６に入射する光の少なくとも一部、例えば光線５９０は、出力結合素子５８６に接触していないものの間隙５８８に隣接する多層反射体の表面の一部分に入射し、そして光５９０は基材５０２内で内部全反射する。一部の光、例えば光線５９２は、接触している表面部分５８２を透過することができ、また接触していない表面部分５８４で内部全反射することができ、そして制御透過ミラー５８０から出て結合される。
【００７９】
本明細書で説明した出力結合素子に加えて、他の種類の出力結合素子を使用してもよい。また、出力結合素子は、制御透過ミラーから出る光を方向転換するための様々な手法を組み合わせてもよい。例えば、出力結合素子は、表面構造または表面散乱パターンなどの表面処理を、バルク拡散粒子と組み合わせてもよい。
【００８０】
ある実施形態において、出力結合素子は、光が抽出される程度が出力結合素子全体にわたって均一となるように構成してもよい。他の実施形態において、出力結合素子は、光が制御透過ミラーから抽出される程度が出力結合素子全体にわたって均一とならないように構成してもよい。例えば、図５Ａに示す出力結合素子５２８の実施形態において、拡散粒子５２８ａの密度は、出力結合素子５２８のある部分から他の部分よりも高い割合で光を抽出することができるように、出力結合素子５２８全体にわたって変動させてもよい。図示した実施形態において、拡散粒子５２８ａの密度は、出力結合素子５２８の左側でより高くなっている。同様に、図５Ｂ〜５Ｄに示す出力結合素子５４８、５６８、５８６は、出力結合素子５４８、５６８、５８６のある部分から他の部分よりも高い割合で光を抽出することができるように設計し形作ることができる。制御透過ミラーからの光の抽出に不均一性をもたらすこと、例えば、光をより多く含む制御透過ミラーの部分からはより低い割合で光を抽出し、光をより少なく含む制御透過ミラーの部分からはより高い割合で光を抽出することによって、ＬＣパネルに向かって伝搬する照明光の輝度プロファイルをより均一にすることができる。
【００８１】
光が制御透過ミラー内で行う跳ね返りの回数は、入力結合素子と出力結合素子の両方の反射性によって影響を受ける場合があり、したがって抽出される光の均一性も影響をうけうる。均一性のためのトレードオフとなるのは、入力結合素子、多層反射体および出力結合素子における吸収によって生じる輝度損失である。この吸収損失は、材料および材料の加工条件を適切に選択することによって減じることができる。
【００８２】
ある例示的な実施形態において、制御透過ミラーは、１つの偏光状態にある光が混合空洞から選択的に抽出されるように、偏光感応性であってもよい。偏光感応性の制御透過ミラー６２０のある例示的な実施形態の横断面を、図６Ａに概略的に示す。制御透過ミラー６２０は、光学的基材６０２と、多層反射体６０４と、入力結合素子６０６と、偏光感応性の出力結合素子６２８とを含んでいる。以下の説明を明確にするために、ここでは３次元座標系を使用する。座標系の軸線は、制御透過ミラー６２０がｘ−ｙ平面に平行に位置し、ｚ軸が制御透過ミラー６２０の厚さにわたる方向を有するように、任意に割り当てられている。図６Ａに示す横方向寸法はｘ軸に平行であり、ｙ方向は図面に垂直な方向に延びている。
【００８３】
ある実施形態において、基材６０２内を伝搬する光のただ１つの偏光の抽出は、２つの材料、例えば、少なくとも一方が複屈折性である異なるポリマー相を含有する出力結合素子６２８によって達成される。図示した例示的な実施形態において、出力結合素子６２８は、第１の材料で形成された散乱素子６２８ａを有しており、その散乱素子６２８ａは、第２の材料で形成された連続マトリックス６２８ｂ内に埋め込まれている。２つの材料の屈折率は、１つの偏光状態にある光に対しては実質的に一致し、直交偏光状態にある光に対しては依然として一致しない。散乱素子６２８ａおよびマトリックス６２８ｂのいずれかまたは両方とも、複屈折性であってもよい。
【００８４】
例えば、屈折率が、ｘ−ｚ平面内に偏光された光に対して実質的に一致し、第１および第２の材料の屈折率が、それぞれｎ１およびｎ２である場合、ｎ１ｘ≒ｎ１ｚ≒ｎ２ｘ≒ｎ２ｚを維持する条件が得られ、ここで、下付き文字ｘおよびｚは、それぞれｘおよびｚ軸に平行に偏光された光の屈折率を表している。ｎ１ｙ≠ｎ２ｙの場合、ｙ軸に平行に偏光された光、例えば光６３０は、出力結合素子６２８内で散乱し、制御透過ミラー６２０から出ることができる。直交偏光された光、例えばｘ−ｚ平面内に偏光された光線６３２は、この偏光状態に対する屈折率が一致するため、出力結合素子６２０内を進む際に依然として実質的に散乱されない。結果的に、光６３２が、出力結合素子６２８の上面６２９に、連続相６２８ｂの臨界角θｃ以上の角度で入射する場合、光６３２は、図示のように表面６２９で内部全反射する。
【００８５】
出力結合素子６２８から抽出される光が十分に偏光するようにするために、一致させる屈折率は、好ましくは少なくとも±０．０５以内で一致し、より好ましくは±０．０１以内で一致している。これによって、１つの偏光に対する散乱の量が減少する。ｙ−偏光にある光が分散する量は、屈折率の不一致の程度、ある材料相と他の材料相との比、および分散相の領域寸法を含めて、多数の要因に依存している。ｙ−偏光した光が、出力結合素子６２８内で前方散乱する量を増加させるための好ましい範囲には、少なくとも約０．０５の屈折率差、約０．５μｍから約２０μｍの範囲内の粒径、および約１０％以下またはそれ以上の粒子添加量が含まれる。
【００８６】
偏光感応性の出力結合素子の様々な構成が利用可能である。例えば、図６Ｂに概略的に示す出力結合素子６４８の実施形態において、散乱素子６４８ａは、連続マトリックス６４８ｂ内にポリマー粒子の分散相を構成している。この図は、出力結合素子６４８のｘ−ｙ平面における横断面図を示していることに留意されたい。散乱素子６４８ａおよび／またはマトリックス６４８ｂの複屈折ポリマー材料は、例えば１つまたは２つ以上の方向に延伸することによって配向される。分散相／連続相の偏光素子については、同一所有者の米国特許第５，８２５，５４３号および第６，５９０，７０５号により詳細に記載されている。
【００８７】
出力結合素子６５８の別の実施形態を、図６Ｃに横断面図で概略的に示す。この実施形態において、分散素子６５８ａは、繊維、例えばポリマー繊維またはガラス繊維の形態で、マトリックス６５８ｂ内に提供されている。マトリックス６５８ｂが複屈折性である一方で繊維６５８ａが等方性であってもよく、またはマトリックス６５８ｂが等方性である一方で繊維６５８ａが複屈折性であってもよく、あるいは繊維６５８ａおよびマトリックス６５８ｂが両方とも複屈折性であってもよい。繊維をベースとした偏光感応性の出力結合素子６５８における光の散乱は、繊維６５８ａの寸法および形状と、繊維６５８ａの体積分率と、出力結合素子６５８の厚さと、複屈折量に影響を及ぼす配向度とに少なくとも部分的に依存している。異なる種類の繊維が、散乱素子６５８ａとして提供されてもよい。１つの好適な種類の繊維６５８ａは、１種類のポリマー材料で形成された単純なポリマー繊維であり、そのポリマー材料は等方性であっても複屈折性であってもよい。マトリックス６５８ｂ内に配置されるこの種類の繊維６５８ａの例が、米国特許出願番号第１１／０６８，１５９号により詳細に記載されている。出力結合素子６５８内で使用するのに好適となりうるポリマー繊維の別の例は、複合ポリマー繊維であり、その複合ポリマー繊維においては、１つのポリマー材料で形成された多数の散乱繊維が、別のポリマー材料の充填材内に配置されて、いわゆる「海島」構造を形成する。散乱繊維および充填材のいずれかまたは両方が、複屈折性であってもよい。散乱繊維は、単一のポリマー材料で形成するか、または、２つまたはそれ以上のポリマー材料、例えば連続相中の分散相で形成することができる。複合繊維については、米国特許出願番号１１／０６８，１５８および米国特許出願番号１１／０６８，１５７により詳細に記載されている。
【００８８】
入力結合素子もまた偏光感応性であってもよいことは理解されよう。例えば、非偏光光が制御透過ミラーに入射する場合、偏光感応性の散乱入力結合素子を使用して、１つの偏光状態の光を制御透過ミラー内で散乱させることができ、直交偏光状態にある光を多層反射体によって再び底部反射体に反射することが可能となる。次いで、反射光の偏光を、制御透過ミラーに戻る前に混合させることができる。したがって、入力結合素子によって、実質的にただ１つの偏光状態にある光が制御透過ミラーに入るようにすることができる。制御透過ミラーの異なる層が光の偏光を維持する場合、非偏光感応性の出力結合素子を使用していても、実質的にただ１つの偏光の光を制御透過ミラーから抽出することができる。入力結合素子および出力結合素子の両方が、偏光感応性であってもよい。また、出力結合素子として使用される偏光感応層のいずれかが、入力結合素子として使用されてもよい。
【００８９】
発光ダイオード（ＬＥＤ）などの準点光源に特に好適な制御透過ミラーの他の実施形態において、光源は、制御透過ミラー自体の中に位置していてもよい。そのような手法の１つの例示的な実施形態を、図７Ａに横断面図で概略的に示す。制御透過ミラー７２０は、基材７２２と、多層反射体７２４と、出力結合素子７２８とを有している。基材７２２の下面は、方向転換層７２６を備えていてもよい。側部反射体７３２は、光混合層７２０の縁部の周りに提供されうる。側部反射体は、基材７２２の周囲縁部の外へ伝搬するいかなる光をも反射させるために使用することができる。
【００９０】
方向転換層７２６は、光を向け直す透過性方向転換層７２６ａ、例えば、バルク拡散体もしくは表面拡散体または構造化表面を含めて、入力結合素子として使用するための上述の層のいずれかを含んでいてもよい。透過性方向転換層７２６ａは、透過性方向転換層７２６ａを透過した光を反射する底部反射体７１８と共に使用されてもよい。底部反射体７１８は、いかなる好適な種類の反射体であってもよい。底部反射体７１８は、鏡面反射体であっても拡散反射体であってもよく、例えば金属で被覆した反射体またはＭＯＦ反射体から形成されてもよい。底部反射体７１８は、図示のように透過性方向転換層７２６ａに取り付けてもよく、または透過性方向転換層７２６ａから分離されてもよい。しかしながら、方向転換層７２６は、光を制御透過ミラー７２０の中に結合させるためには使用されていないため、この実施形態では入力結合素子とは呼ばれない。方向転換層７２６の様々な構成が可能である。ある例示的な実施形態において、例えば図７Ｂに概略的に示すように、方向転換層７２６は、単純に拡散反射体を含んでいてもよい。
【００９１】
他の種類の光源もまた使用できるが、光源７１６、例えばＬＥＤは、発光面７１６ａが少なくとも基材７２２に直接面するように配置されており、また基材７２２内にはめ込まれていてもよい。したがって、発光面７１６ａは、方向転換層７２６と多層反射体７２４との間に配置されている。この実施形態において、光源７１６からの光７３４は、基材７２２の下面に位置する方向転換層７２６を透過することなく、基材７２２に入っている。反射損失を減じ、且つ光源７１６から基材７２２の中に結合される光の量を増すために、屈折率整合材料、例えばジェルが発光面７１６と基材７２２との間に提供されてもよい。
【００９２】
光源７１６は、担体７１７の上に配置されてもよい。担体７１７は、任意選択により光源７１６への電気的接続をもたらすことができ、また任意選択により、光源７１６を冷却するための熱的経路をもたらすこともできる。光源７１６を担体７１７に装着するための様々な手法が、同一所有者の米国特許出願公報２００５／０２６５０２９Ａ１でより詳細に論じられている。
【００９３】
光源７１６がすべて、同じスペクトル成分を有する光を放ってもよく、または異なる光源７１６が、異なるスペクトル成分を有する光を放ってもよい。例えば、ある光源７１６は、別の光源７１６が緑色光を放ち、第３の光源７１６が赤色光を放つ一方で、青色光を放ってもよい。ＬＥＤは、異なる光源が異なる波長で光を生成するところで使用するのに特に好適である。光が制御透過ミラー内で側方に伸展する効果を、異なる色の光源７１６からの光を混合するために使用して、制御透過ミラーから放たれた光が、光源７１６によって放たれたすべてのスペクトル成分の効果的な混合物となるようにしてもよい。
【００９４】
光源７１６が、入力結合素子を通過させることなく、光を基材７２２の中に直接送り込む場合にも、多層反射体７２４は依然として、基材７２２内を伝搬する光が制御透過ミラー７２０の外へ抜け出しうる最小角度θｍｉｎを制御する。光線７３６および７３８によって例示された一部の光は、光源７１６から基材７２２の中に、θｍｉｎ未満の角度で放たれており、したがって多層反射体７２４によって反射される。反射光の一部、例えば光線７３６は、底部反射体７１８への入射の前後に方向転換層７２６によって方向転換されてよく、そして再び基材の中へθｍｉｎを超える角度で光線７３６ａとして反射される。結果的に、光の一部、例えば光線７３６ａは、多層反射体７２４からわずか１度の反射の後、引き続き多層反射体を透過することができる角度範囲へと方向転換される。反射光の別の部分、例えば光線７３８は、方向転換層７２６で方向転換することができず、したがって、多層反射体７２４で別の反射を生じる角度で底部反射体７１８から反射されている。
【００９５】
光線７４０および７４２によって例示する、光源７１６から放たれた光の一部は、光源７１６から基材７２２の中へとθｍｉｎ以上の角度で放たれ、したがって多層反射体７２４を透過している。透過光の一部、例えば光線７４０は、出力結合素子７２８によって方向転換することができ、したがって制御透過ミラーの外へ光７４０ａとして透過する。透過光の別の部分、例えば光線７４２は、方向転換されることなく出力結合素子７２８を通過することができ、出力結合素子７２８の上面７２８ａに臨界角θｃを超える角度で入射する場合、基材７２２に向かって内部全反射される。
【００９６】
基材７２２内を伝搬する光の一部７４４は、縁部反射体７３２で反射することができる。縁部反射体７３２は、基材７２２の縁部から逃げる光の量を減じるために使用することができ、こうして損失を低減している。
【００９７】
制御透過ミラー７５０の別の実施形態を図７Ｃに概略的に示し、ここで、基材７５２はまた、方向転換層としても機能している。この実施形態において、基材７５２は、それを通過する光の一部が方向転換されるように、ある拡散粒子を含有している。一例において、光源７１６からθｍｉｎ未満の角度で伝搬する光線７５４は、多層反射体７２４にθｍｉｎを超える角度で入射するように、基材７５２内で方向転換されうる。別の例において、多層反射体７２４によって反射される光線７５６は、底部反射体７１８によってθｍｉｎを超える角度で反射されるように、基材７５２内で方向転換されうる。
【実施例】
【００９８】
（実施例１）
ミネソタ州セントポールのスリーエムカンパニー（3M Company）より入手可能な、多層ポリマー反射フィルムの３Ｍビキュイティ（Vikuiti）（商標）ブランドのＥＳＲフィルムからなるフィルムを、光学的に明澄な感圧性接着剤（ＰＳＡ）を使用して、３ｍｍの厚さを有するポリカーボネートプレートの両面に積層することによって構造体を形成した。次いでＥＳＲフィルムの外表面を、３Ｍ  Ｓｃｏｔｃｈ（商標）ブランドのマジックテープ（登録商標）（Magic Tape）で覆った。約６４０ｎｍの波長を有する偏光を放つペンレーザを使用して、ＥＳＲフィルムに対する垂直入射で構造体を照射した。構造体に入射する光線の寸法は、約２ｍｍ×３ｍｍであった。
【００９９】
構造体の出力側に、禁止角領域に対応する暗い中央のスポットが存在し、そのスポットは、それぞれ７ｍｍおよび６ｍｍの長軸および短軸を有する楕円形の形状をなしていた。複屈折性の水晶板を、その光軸を偏光の方向に対して約４５°で配置したレーザービームに挿入すると、構造体の出力側の光パターンは、円形のパターンに形状が変化した。
【０１００】
基材をθｍａｘで伝搬する光に対応する光パターンの外径は、それぞれ１６ｍｍおよび１５ｍｍの長軸および短軸を有する楕円形状であった。θｍａｘの値はこの例では比較的低く、それは、ポリカーボネートプレートの屈折率（ｎ＝１．５８）がマジックテープ（登録商標）（Magic Tape）の屈折率よりも相当に高いものであったためである。
【０１０１】
また、約２５ｍｍの内径を有する不鮮明な二次リングが観測され、これは、二次反射によって生じたものと考えられた。
【０１０２】
（実施例２）
ＥＳＲのフィルムを、光学的に明澄なＰＳＡを使用して、３ｍｍの厚さを有するアクリルプレートの片側に積層し、ＥＳＲの外表面をマジックテープ（登録商標）（Magic Tape）のストリップで覆った。レーザーペンを使用して、ＥＳＲフィルムを有する積層の側を２ｍｍ×３ｍｍの光線で照射した。積層の出力側の、結果として生じた暗い中央のスポットは、約８ｍｍ×９ｍｍの寸法を有していた。
【０１０３】
出力照射パターンの外径は十分には画定されなかったが、非常に大きく、少なくとも５０ｍｍであった。この結果は、実施例１と比べてより大きいθｍａｘの値と整合するが、これは、マジックとアクリルプレートの屈折率（いずれの場合もｎ〜１．４９）が非常に合致していたからである。
【０１０４】
（実施例３）
ポリカーボネートプレートが１２ｍｍの厚さを有していたことを除いて、実施例１の構造体と類似した構造体を構成した。２ｍｍ×３ｍｍの入力ビームを有するペンライトで垂直に照射すると、構造体は、約２６ｍｍ×２８ｍｍの楕円形の出力光パターンを生じた。θｍａｘで画定される光パターンの外径は、直径が約６０ｍｍであった。パターンの外側縁部において光の強度が低いため、パターンの外側縁部を明確に識別することは困難であった。
【０１０５】
本明細書で説明した制御透過ミラーは、液晶ディスプレイパネルを照明するための用途に限定されない。また、制御透過ミラーは、個別の光源が光を生成するために使用され、且つ１つまたは２つ以上のその個別の光源を含むパネルの外で均一な照明を得ることが望まれるいかなる場所においても使用することができる。したがって、制御透過ミラーは、固体空間照明用途に、また標識、照明パネルなどに用途を見出すことができる。
【０１０６】
本発明は、上述の特定の実施例に限定されるとみなされるべきではなく、むしろ、添付の特許請求の範囲において明確に記載された本発明のすべての態様を包含するものと理解されるべきである。さまざまな修正、等価な工程、ならびに本発明の適用が可能となろう多数の構造が、本発明の対象とされる当業者には、本明細書を検討すれば容易に明らかとなろう。特許請求の範囲は、そのような修正および工夫を含むことが意図されている。
【０１０７】
本発明は、添付の図面と共に、本発明のさまざまな実施形態に関する以下の詳細な説明を考慮すれば、より完全に理解されよう。
【０１０８】
本発明はさまざまな修正および代替の形態に容易に応じるが、その細部は、一例として図面に示してあり、また詳しく説明することにする。しかしながら、その意図は、説明する特定の実施形態に本発明を限定することではないことを理解されたい。逆に、その意図は、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の趣旨と範囲に含まれるすべての修正物、等価物、ならびに代替物を網羅することである。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】概略的に示した、本発明の原理による側方光伸展素子を有するバックライトを使用したバックライト型液晶ディスプレイ装置。
【図２Ａ】本発明の原理による制御透過ミラーの実施形態の一部を示す概略横断面図。
【図２Ｂ】本発明の原理による制御透過ミラーの実施形態の一部を示す概略横断面図。
【図３】本発明の原理による制御透過ミラーの別の実施形態の一部を示す概略横断面図。
【図４Ａ】本発明の原理による制御透過ミラー用の入力結合素子の実施形態を示す概略横断面図。
【図４Ｂ】本発明の原理による制御透過ミラー用の入力結合素子の実施形態を示す概略横断面図。
【図４Ｃ】本発明の原理による制御透過ミラー用の入力結合素子の実施形態を示す概略横断面図。
【図４Ｄ】本発明の原理による制御透過ミラー用の入力結合素子の実施形態を示す概略横断面図。
【図５Ａ】本発明の原理による制御透過ミラー用の出力結合素子の実施形態を示す概略横断面図。
【図５Ｂ】本発明の原理による制御透過ミラー用の出力結合素子の実施形態を示す概略横断面図。
【図５Ｃ】本発明の原理による制御透過ミラー用の出力結合素子の実施形態を示す概略横断面図。
【図５Ｄ】本発明の原理による制御透過ミラー用の出力結合素子の実施形態を示す概略横断面図。
【図６Ａ】本発明の原理による偏光感応性制御透過ミラーの実施形態を示す概略横断面図。
【図６Ｂ】概略的に示した、本発明の原理による偏光感応性出力結合素子の実施形態。
【図６Ｃ】概略的に示した、本発明の原理による偏光感応性出力結合素子の実施形態。
【図７Ａ】本発明の原理による、光源が制御透過ミラー内で発光する、制御透過ミラーの他の実施形態の一部を示す概略横断面図。
【図７Ｂ】本発明の原理による、光源が制御透過ミラー内で発光する、制御透過ミラーの他の実施形態の一部を示す概略横断面図。
【図７Ｃ】本発明の原理による、光源が制御透過ミラー内で発光する、制御透過ミラーの他の実施形態の一部を示す概略横断面図。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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