(57)【要約】コリメート光ホモジナイザーにおいて光の角度分布を制限するために、マイルドディフューザ（１１）に光を通した後に、上面及び下面が光閉込層（１５、１７）と光吸収層（１６、１８）で覆われたスラブ光導波路（１２）に通す。光吸収層は光閉込層の屈折率より大きな屈折率を有し、光閉込層はスラブ光導波路の屈折率より小さな屈折率を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の屈折率を有し、入口、上側表面、及び下側表面を備える全反射光導波路と、
前記入口を被覆するマイルドディフューザと、
第２の屈折率を有し、前記光導波路の前記表面のひとつに配設された光閉込層と、
第３の屈折率を有し、前記光閉込層上に配設された光吸収層を備え、
前記第３の屈折率は前記第２の屈折率より大きく、前記第２の屈折率は前記第１の屈折率より僅かに小さい、
ことを特徴とするコリメート光ホモジナイザー。
【請求項２】
さらに、
前記第２の屈折率を有し、前記光導波路の前記ひとつの表面とは反対の表面上に配設された第２の光閉込層と、
前記第３の屈折率を有し、前記第２の光閉込層上に配設された第２の光吸収層と、
を備える、請求項１に記載のホモジナイザー。
【請求項３】
前記光閉込層は、それぞれ、感圧接着剤を含み、前記光吸収層は、それぞれ黒色ポリイミドを含む、請求項２に記載のホモジナイザー。
【請求項４】
前記光閉込層は、それぞれ、薄膜コーティングを含み、前記光吸収層は、それぞれ吸収保護層を含む、請求項２に記載のホモジナイザー。
【請求項５】
前記光導波路は、屈折率が１．４８９３のアクリル樹脂であり、前記光閉込層は、屈折率が１．４８００のアクリル感圧接着剤であり、前記光吸収層は屈折率が１．６４から１．６７の黒色ポリイミドである、請求項１に記載のホモジナイザー。
【請求項６】
前記光導波路は出口表面を有し、さらに、前記出口表面に隣接した楔型光抽出路を備える、請求項１に記載のホモジナイザー。
【請求項７】
前記マイルドディフューザは、約８度より小さい制御拡散角を有する、請求項１に記載のホモジナイザー。
【請求項８】
前記マイルドディフューザは、半値全幅散乱が＋／−５度に制御された散乱角を有することを特徴とする、請求項７に記載のホモジナイザー。
【請求項９】
前記マイルドディフューザは前記光導波路入口の前方に隣接して配置される、請求項１に記載のホモジナイザー。
【請求項１０】
前記マイルドディフューザは前記光導波路入口上にエンボス加工される、請求項１に記載のホモジナイザー。
【請求項１１】
前記光導波路は楔型光抽出路領域を有する、請求項１に記載のホモジナイザー。
【請求項１２】
第１の屈折率を有し、入口表面、出口表面、上側表面及び下側表面を備える透光性スラブ光導波路と、
前記入口表面の前方に隣接して配設されたマイルドディフューザと、
第２の屈折率を有し、前記上側面及び下側面上に配設された光閉込層と、
第３の屈折率を有し、前記光閉込層上に配設された光吸収層と、
前記出口表面に隣接した配置された楔型光抽出路と、を備え、
前記第３の屈折率は前記第２の屈折率より大きく、前記第２の屈折率は前記第１の屈折率より僅かに小さい、
配光用光導波路。
【請求項１３】
前記マイルドディフューザは、約８度より下の制御拡散角を有する、請求項１２に記載の光導波路。
【請求項１４】
前記マイルドディフューザは、半値全幅散乱が＋／−５度より下の制御散乱角を有する、請求項１３に記載の光導波路。
【請求項１５】
前記第１の屈折率は１．４８９３であり、前記第２の屈折率は１．４８００であり、前記第３の屈折率は１．６４から１．６７である、請求項１２に記載の光導波路。
【請求項１６】
第１の屈折率、エンボス加工された拡散表面を有する入口表面、定断面積領域、及び楔型光抽出路領域を有する透過スラブ光導波路を備え、
前記定断面積領域は上側表面及び下側表面を有し、
前記上側表面及び下側表面上には第２の屈折率を有する光閉込層が配設され、
前記光閉込層上には第３の屈折率を有する光吸収層が配設され、
前記第３の屈折率は前記第２の屈折率より大きく、前記第２の屈折率は前記第１の屈折率より僅かに小さい、
配光用光導波路。
【請求項１７】
前記マイルドディフューザは、約８度よりした制御散乱角を有する、請求項１６に記載の光導波路。
【請求項１８】
前記マイルドディフューザは、半値全幅散乱が＋／−５度より下の制御散乱角を有する、請求項１７に記載の光導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路に入射したコリメート光を効率よく均質化する技術に関し、詳細には、液晶表示装置（ＬＣＤ）のバックライト技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コリメートされたバックライトとフロント拡散スクリーンを使用するとＬＣＤの品質が大幅に改善されることが知られている。この種の手法はサッコマンノ（Ｓａｃｃｏｍａｎｎｏ）（米国特許第6,428,198号）に記載されており、この特許をリファレンスとして以下に組み込む。サッコマンノには、アーク灯を使用し、その光を集め、均質化し、光導管のアレーに結合することが記載されている。次に、各光導管は非結象光を照射し、光をコリメートした後、光抽出路の端部に照射する。
【特許文献１】米国特許第6,428,198号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
先行特許は、有効な、コリメート光及び拡散スクリーンの構成を教示するものであるが、医療画像などの応用では、僅かに大きくそして少ない光効率デバイスを犠牲にしても、黒レベルコントラストや画像の鮮鋭度を改善するニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によると、制御された散乱角を有するマイルドディフューザがスラブ光導波路の入射開口に設けられる。このマイルドディフューザはコリメーションソース（例えば、非イメージング光学部品）と光抽出路間に挿入される。従来からバックライトの拡散に使用されてきたディフューザと異なり、本発明によるディフューザは、その制御散乱角が、約８度以下であり、最良には、＋／−５度の半値全幅（ＦＷＨＭ）散乱であり、従来のディフューザ構成と対比するためにここでは「マイルドディフューザ」と称することにする。さらに、スラブ光導波路はコリメートビームを均質化するように機能する。スラブ光導波路は光抽出路と離れた素子であってよく、あるいは、光抽出路は均質化スラブ部を含む「引き込み」部を有しても良い。
【０００５】
この均質化技術は、コリメート光源を与える周期的構造に起因する不規則性を克服するのに特に有効である。あらゆるディフューザは全ビーム発散を当然に増加するので、スラブ光導波路の屈折率より僅かに小さい屈折率を有する光閉込層をスラブ光導波路の１以上の外表面に配設する。さらに、光吸収ブラック層を光閉込層上に配設する。光吸収層はスラブ光導波路や光閉込層より屈折率が高い。この組合せの結果、スラブ光導波路は高角度光を除去できる。
【０００６】
このような高角度光は隣り合う画素間のぼやけを増大させるとともに、結果的に黒レベルコントラストを低下させる。この影響については、ヤマグチ（米国特許第6,421,103号）に記載される。したがって、スラブ光導波路から出射される光は均質化され、高角度光が除去されたものになって、光抽出路に供給されて均一な出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
まず、図１において、第１の屈折率を有するアクリル（他の光学特性材質も使用可能であるが）スラブ光導波路１２は、例えばアクリル感圧接着剤（ＰＳＡ）のような光閉込層１５により上面４３が被覆される。本発明に好適なＰＳＡの種類は、Ｒｅｘａｍ  ＯＣＡＶ３である。光閉込層１５は、スラブ光導波路１２の屈折率より僅かに小さい第２の屈折率を有する。本発明の一実施形態において、アクリルスラブ光導波路１２の屈折率は１．４８９３、光閉込層１５の屈折率は１．４８００である。
【０００８】
屈折率に僅かな相違があるため、光閉込層１５は、所定条件下で光導波路内に光を捕らえるように働く。したがって、マイルドディフューザ１１を介して、所定の閾値より小さな角度の広がりでアクリル系スラブ光導波路１２の面４１に入射したコリメート光は、全反射（ＴＩＲ）によりスラブ光導波路１２内部に閉じ込められる。閾値より大きな角度の広がりの光はスラブ光導波路１２から出射して光閉込層１５に入射する。本発明の実施形態において光閉込層１５にＰＳＡを使用した場合、その機械的な接着作用により、例えば、デュポン（Ｄｕｐｏｎｔ）のカプトン（Ｋａｐｔｏｎ）ＣＢ黒色ポリイミドのような光吸収層１６はスラブ光導波路１２に固着されてサンドイッチ構造が形成される。
【０００９】
本発明の他の実施形態では、光吸収層が光閉込層上に配設され、例えば、所定の実施形態において、光閉込層１５は、アクリルスラブ１２上の薄膜コーティングであり、光吸収層は、例えばクレイロン（Ｋｒｙｌｏｎ）のウルトラフラット（Ｕｌｔｒａ−Ｆｌａｔ）またはテテナール（Ｔｅｔｅｎａｌ）のカメララッカー（Ｋａｍｅｒａｌａｃｋ）などの黒色塗料の保護膜である。なお、光閉込層は、例えば光の３波長分のような十分な厚みが必要で、黒色層に達した光のエバネッセント性により全反射光が不意に吸収されることがないようにする。
【００１０】
光吸収層１６の屈折率は光閉込層１５の屈折率より大きい。この屈折率の差により、光閉込層１５内部の光、すなわち、ＴＩＲにより光導波路１５内部に閉じ込められなかった光は光吸収層１６の方に出射して吸収される。
【００１１】
有利なことに、マイルドディフューザにより、光ファイバ２１により光学的に駆動される非イメージングコリメータ２２のような離散コリメート光源を混合することが可能になる。好ましいマイルドディフューザとしては、リフレクサイト（Ｒｅｆｌｅｘｉｔｅ）（コネチカット州（CT）、エイボン（Avon））から入手可能な、対称な半角がそれぞれ、＋／−３．９度、＋／−３．８度、＋／−２．８度の部品番号ＢＰ３３６、ＢＰ３０２、ＢＰ３２１のものでよい。実験室での検査から、Ｗａｖｉｅｎ社（カリフォルニア州（ＣＡ）、サンタクラリタ（Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒｉｔａ））の”ＳｏｌａｒＴｅｃ  ＣＬ  Ｌｉｇｈｔ”光ファイバ・イルミネータ、三菱レーヨン（日本、東京）のＥＳＫＡ  ＳＫ６０ファイバ、及びポリキャスト（Ｐｏｌｙｃａｓｔ）（コネチカット州、スタンフォード（Ｓｔａｍｆｏｒｄ））のＰｏｌｙIIアクリルと組み合わせて使用した場合、ＢＰ３２１が好ましいことが判明した。本発明の他の実施形態では、マイルドディフューザ１１はスラブ光導波路１２の入口開口上にエンボス加工される。
【００１２】
閾値限界内に制限された角度の光はスラブ光導波路１２を通り抜け、表面４２から出射される。有効なことに、このような角度制限されたコリメート光は、液晶表示装置（ＬＣＤ）の裏側に見られるような楔型光抽出路２３に特に適している。
【００１３】
本発明の所定の実施形態の場合、スラブ光導波路１２の下側表面４４に、第２の光閉込層１７が設けられ、層１７上に第２の光吸収層１８が配設される。これらの光学層は上述した光閉込層１５、光吸収層１６と同様に機能する。
【００１４】
図２には、本発明の別の実施形態が示される。この実施形態の場合、マイルドディフューザ、スラブ光導波路、及び楔型光抽出路は同一のモノリシック基板５０、好適にはアクリル樹脂から作製される。モノリシック基板５０は、２つの異なる領域として、定断面積のスラブ光導波路領域６１と楔型光抽出路領域６２を備える。光はエンボス加工された入射口ディフューザ５１を通ってスラブ光導波路領域６１に入射する。前記実施形態と同様にスラブ光導波路領域６１は上側表面５３と下側表面５４を有する。
【００１５】
上側表面５３と下側表面５４は、前記実施形態と同様に、光閉込層１５、１７でそれぞれ被覆される。各光閉込層１５、１７は、モノリシック基板５０の屈折率より僅かに小さい第２の屈折率を有する。この僅かな屈折率の差により、光閉込層１５、１７は、所定条件下で光導波路領域６１内に光を捕らえるように働く。したがって、エンボス加工された入口ディフューザ５１を介して、所定の閾値より小さな角度の広がりでモノリシック基板５０に入射したコリメート光は、全反射（ＴＩＲ）によりモノリシック基板５０内部に閉じ込められる。閾値より大きな角度の広がりの光はスラブ光導波路１２から出射して光閉込層１５、１７に入る。
【００１６】
光閉込層上１５、１７にはそれぞれ、光吸収層１６、１８が配設される。各光吸収層１６、１８の屈折率は光閉込層１５、１７の屈折率より大きい。この屈折率の差により、光閉込層１５、１７内部の光、すなわち、ＴＩＲによりモノリシック基板５０内部に閉じ込められなかった光は光吸収層１６、１８に進入して吸収される。
【００１７】
下記の表１は、厚さが６mm、屈折率が１．４８９３のアクリルスラブと、屈折率が１．４８００のＰＳＡ製光閉込層を備えた実施形態に関するスネルの法則の計算結果の詳細である。この計算において入射光の角度は空気中で５から２３度までである。計算結果によれば、１０度以上の発散角の光は吸収される。さらに表１に示されているのは、入射光が少なくとも１回、反射して光閉込層に入るのに必要な最小スラブ長である。例えば、角度が１０度以上の光が吸収されるには、少なくとも２インチ（５０．８mm）のスラブ長が必要である。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、代替形態が考えられる。例えば、コリメータ２２と光ファイバ２１を備えた非イメージングコリメート光源の代わりに、コリメート発光ダイオード（ＬＥＤ）または低開口数ファイバのアレーを入力源にしてよい。また、光導波路は中実である必要はなく、例えば、ホワイトヘッド（Ｗｈｉｔｅｈｅａｄ）（米国特許第4,260,220号）に記載されるように、ＴＩＲフィルムを使用することにより中空であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に基づいたホモジナイザーを示す。
【図２】本発明を楔型光抽出路と組み合わせた場合の本発明のホモジナイザーを示す。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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