(57)【要約】１層以上の透過層を通して光を放出し、発光体と透過層との間の界面や透過層と空気との間の界面のような、１層以上の透過層により作製された１つ以上の界面で生じ得る全内反射を防止するためのエレメントをさらに含む発光体を含む放出型ディスプレイが開示されている。全内反射を防止することにより、放出型ディスプレイの輝度を高めることができる。全内反射を防止するためのエレメントとしては、体積拡散器、表面拡散器、マイクロ構造およびこれらまたはその他の好適なエレメントの組合わせが挙げられる。
2004513484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過層を通して目視者の位置に向って光を放出するよう配置された発光体と、
前記発光体と前記透過層との間に配置されて、前記透過層へ放出されて体積拡散器がなければ全内反射する筈の光の少なくとも一部を前記目視者の位置の方へ向かわせる体積拡散器とを含む発光素子。
【請求項２】
前記体積拡散器がバインダー中に分散された光散乱体を含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記散乱体が粒子を含む、請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記粒子の少なくとも一部が前記バインダーより高い屈折率を有する、請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記粒子の少なくとも一部が前記バインダーより低い屈折率を有する、請求項３に記載の発光素子。
【請求項６】
前記散乱体が空隙を含む、請求項２に記載の発光素子。
【請求項７】
前記散乱体が針状または長尺状である、請求項２に記載の発光素子。
【請求項８】
前記バインダーが前記透過層に対向する前記体積拡散器の側で前記体積拡散器と接触して配置されている材料とほぼ同一またはそれより大きい屈折率を有する、請求項２に記載の発光素子。
【請求項９】
前記体積拡散器が前記発光体と前記透過層との間に配置されている、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記体積拡散器が前記透過層と前記目視者の位置との間に配置されている、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記発光体と前記透過層との間に配置された表面拡散器をさらに含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記透過層と前記目視者の位置との間に配置された表面拡散器をさらに含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記体積拡散器が前記目視者の位置に向かって配向された拡散表面をさらに含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記発光体と前記透過層との間に配置されたマイクロ構造表面をさらに含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１５】
前記透過層と前記目視者の位置との間に配置されたマイクロ構造表面をさらに含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１６】
前記体積拡散器が前記目視者の位置に向かって配向されたマイクロ構造表面をさらに含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１７】
前記発光体がエレクトロルミネッセント発光素子を含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１８】
前記発光体が有機エレクトロルミネッセント発光素子を含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１９】
前記発光体が蛍光体ベースの発光素子を含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項２０】
基板と、
前記基板を通して光を放出するよう配置された有機発光体と、
発光素子中の前記有機発光体から放出された光の全内反射を防止する前記基板と前記有機発光体との間に配置されたフラストレータエレメントと
を含む発光素子。
【請求項２１】
前記フラストレータエレメントが体積拡散器を含む、請求項２０に記載の発光素子。
【請求項２２】
前記体積拡散器が前記基板に向かって配向された拡散表面を含む、請求項２１に記載の発光素子。
【請求項２３】
前記体積拡散器が前記基板に向かって配向されたマイクロ構造表面を含む、請求項２１に記載の発光素子。
【請求項２４】
前記フラストレータエレメントが表面拡散器を含む、請求項２０に記載の発光素子。
【請求項２５】
前記フラストレータエレメントがマイクロ構造表面を含む、請求項２０に記載の発光素子。
【請求項２６】
前記マイクロ構造表面が複数のプリズム状構造を含む、請求項２５に記載の発光素子。
【請求項２７】
前記有機発光体に対向する前記基板の側に配置されたプリズム状フィルムをさらに含む、請求項２０に記載の発光素子。
【請求項２８】
前記有機発光体に対向する前記基板の側に配置された表面拡散器をさらに含む、請求項２０に記載の発光素子。
【請求項２９】
放出装置の一部として含まれる１層以上の透過層を通して光を放出することのできる発光体と、前記１層以上の透過層により形成される１つ以上の界面で全内反射を防止することにより前記放出装置の輝度を増大する手段とを含む放出装置。
【請求項３０】
透過層を通して光を放出するよう配置された発光装置と、前記発光装置と前記透過層との間に配置されて全内反射を防止するフラストレータエレメントとを含み、よってフラストレータエレメントがない以外は同一のバックライトに比べてバックライトからの光をより多く結合するバックライトと、
前記バックライトからの光を用いて照射したときに情報を表示することができるように配置されたディスプレイエレメントと
を含むバックライト型ディスプレイ。
【請求項３１】
前記ディスプレイエレメントが光結晶光変調器を含む、請求項３０に記載のバックライトディスプレイ。
【請求項３２】
前記ディスプレイエレメントがグラフィックスディスプレイを含む、請求項３０に記載のバックライトディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、放出型ディスプレイおよびランプ、および放出型ディスプレイおよびランプの輝度および／またはコントラストを向上するためのエレメントに関する。
【０００２】
背景
情報ディスプレイには、手持形装置からラップトップコンピュータまで、テレビからコンピュータモニターまで、自動車のダッシュボードのディスプレイから標識用途までと多くの用途がある。これらディスプレイの多くが、情報を直接表示する（セグメントまたはピクセル発光素子を含むディスプレイによる等）か、または情報を目視者に表示するパネルを照明する（液晶ディスプレイおよびバックライトグラフィックスによる等）のに内部照明に頼っている。発光素子の輝度が増大すると、かかるディスプレイの目視性が増大することが多い。しかしながら、容易に輝度を増大させる能力を制限する恐れのある最大電力要件のような制約がある。例えば、バックライト液晶ディスプレイを含むラップトップコンピュータモニターは、光源に電力を与えるのに内部バッテリーを用いることが多い。光源からの光の出力が増大するとバッテリーへの負担が増す。電力要件を減じ、バッテリーの寿命を延ばすために、例えば、より一般的な目視範囲をカバーする狭い円錐角では通常目視されない広角光の向きを変えるマイクロプリズム光学フィルムが使われてきた。これによって、同等または少ないバッテリー電力を用いながらも、ディスプレイの見かけの輝度が増大する。望ましくない偏光状態（吸収により失われる）の光を再生する補助となる液晶ディスプレイ用の反射偏光子もまた開発されており、これによって利用可能な光が大幅に増える。これらの場合において、発光素子から既に出た光の向きを変えたり、再使用することによりディスプレイの輝度が増大されてきた。
【０００３】
発明の概要
本発明は、放出装置から出たより多くの光を結合することにより、放出装置および放出装置を用いて照明されるディスプレイの輝度を高めることを目的とする。これは、既に放出装置を離れた光の向きを変えたり、かつ／または再使用する公知の輝度向上の試みとは異なる。本発明を用いると、発光素子への電力の供給を増大する必要なしに、放出装置から放出される光の量を増大することができる。
【０００４】
目視者またはディスプレイパネルに向かって光を放出する放出装置は、通常、１層以上の透過層を通してそれを行っている。放出光は、これらの層により導入される１つ以上の界面で全内反射を受ける。本発明は、かかる１つ以上の界面での全内反射を防止（ｆｒｕｓｔｒａｔｅ）し、目視者に対して光をより透過させるエレメントを提供する。放出装置自身が情報ディスプレイである場合には、本発明はまた、解像度を維持し、かつ／またはディスプレイのピクセルまたはセグメント間のコントラストを向上させるエレメントも提供する。
【０００５】
一態様において、本発明は透過層を通して目視者の位置へ光を放出するよう配置された発光体と、全内反射する透過層へ放出された光の少なくとも一部を目視者の位置へ向ける体積拡散器とを含む発光素子を提供する。例えば、体積拡散器は発光体と透過層との間、または透過層と目視者との間に配置することができる。透過層は、発光体が形成される基板（例えば、ガラスやプラスチックフィルム）、または、例えば、発光体上に形成またはラミネートされる保護層のような層とすることができる。発光体は、エレクトロルミネッセントエミッタ、発光ポリマー素子のような有機エミッタ、蛍光体ベースのエミッタ等のような好適なエミッタとすることができる。
【０００６】
他の態様において、本発明は、基板と、基板を通して光を放出するよう配置された有機発光体と、発光素子中の有機発光体から放出された光の全内反射を防止するよう基板と有機発光体との間に配置されたフラストレータエレメントとを含む発光素子を提供する。フラストレータエレメントは、体積拡散器、表面拡散器、マイクロ構造表面、反射防止コーティング、またはこれらの好適な組合わせ、および／または全内反射を防止するのに用いることのできるその他エレメントとすることができる。
【０００７】
さらに他の態様において、本発明は放出装置の一部として含まれる１層以上の透過層を通して光を放出することのできる発光体と、１層以上の透過層により作製された１つ以上の界面で全内反射を防止することにより放出装置の輝度を増大する手段とを含む放出装置を提供する。
【０００８】
さらに他の態様において、本発明は、バックライトを用いて照明したときに情報を表示することのできるディスプレイエレメントを照明するためのバックライトを含むバックライトディスプレイに係る。バックライトには、透過層を通して光を放出するよう配置された発光素子と、全内反射を防止して、フラストレータエレメントがない以外は同一のバックライトに比べて、バックライトからの光をより多く結合するために発光素子と透過層との間に配置されたフラストレータエレメントとが含まれる。
【０００９】
本発明の輝度向上エレメントはまた、ディスプレイにおいて光の向きを変える、再生する、その他処理するその他の光学エレメントと組み合わせることもできる。
【００１０】
詳細な説明
本発明は、ディスプレイの輝度を向上する、かつ／またはコントラストを向上するためのエレメントを含む改善された放出型ディスプレイに関する。
【００１１】
図１に、発光体１１２と１層以上の光透過層１１４を含む発光素子１１０の様式化された図を示す。素子１１０は、発光体１１２が目視者１１８に向かって透過層１１４を通して光を放出できるように構成されている。素子１１０の目視者側は、通常、前側と呼ばれ、逆側は裏側と呼ばれる。目視者１１８と透過層１１４との間には、透過層１１４より低い屈折率の領域１１６がある。領域１１６には通常、空気が含まれ、全体が空気で構成されていてもよいが、単独または組合わせの様々なフィルム（例えば、防眩フィルムまたはコーティング、防汚性フィルムまたはコーティング等）、光学エレメント（偏光子、フィルタ、ウェーブプレート、レンズ、プリズムフィルム等）、タッチスクリーンのようなユーザーインターフェース装置およびその他のエレメントを含むこともでき、透過層１１４とエレメントとの間に空隙があってもなくても、かつ／または領域１１６の別個のエレメント間にエアギャップがあってもよい。別個のエレメント間に空隙がないのが好ましいときは、光学接着剤を用いてエレメントをボンドすることができる。
【００１２】
素子１１０の操作中、発光体１１２から目視者に向かって放出される光の一部が、角度を成して透過層１１４に入り、一層以上の透過層１１４の中で光が全内反射する場合がある。光の全内反射（ＴＩＲ）は周知の現象であり、媒体を進行する光が低屈折率媒体との界面に当たり、その界面での光の入射角が臨界角を超えると生じ得る。このように、発光体１１２から目視者１１８までの光の経路において、光の屈折率が減少する界面は、全内反射可能な表面である。かかる全内反射は、目視者１１８に光が達するのを防ぎ、素子１１０の輝度を減少することができる。本発明は、ＴＩＲを防止してディスプレイからより多くの光を結合するエレメントを含めることによる輝度の高い放出型ディスプレイの作製に係る。
【００１３】
発光素子１１０は、エレクトロルミネッセント（ＥＬ）素子、有機エレクトロルミネッセント素子（ＯＬＥＤ）、無機発光ダイオード（ＬＥＤ）、蛍光体ベースのバックライト、陰極線管（ＣＲＴ）やプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）のような蛍光体ベースの直視ディスプレイ、電界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ）のような好適な放出装置を含むことができる。発光素子は、バックライトまたは直視ディスプレイとすることができ、白色光、単色光、多色光またはフルカラー（ＲＧＢ、赤色、緑色、青色）を放出することができ、セグメント（低解像度）またはピクセル（高解像度）ディスプレイとすることもできる。
【００１４】
発光体１１２は、適切に刺激されたときに光を放出するよう配置されたあらゆる好適な材料、材料の組合わせ、成分または成分の組合わせとすることができる。例えば、電界に投じると光を放出する無機エレクトロルミネッセント（ＥＬ）材料（ＥＬ材料はアノードとカソードとの間に配置して、アノードとカソードとの間に電位をかけると光が生成される）、紫外線に晒すと可視光を放出するリン光性材料およびその他材料が例示される。例示の発光体はＯＬＥＤを作製する材料を含むものである。ＯＬＥＤ発光体は、一般的に、アノードとカソード間に挟まれた有機発光材料を含む層状構造である。業界に知られているように、カソードと有機発光体との間に配置された電子輸送および／または注入材料、アノードと有機発光体との間に配置された正孔輸送および／または注入材料等といったその他の層を存在させることができる。有機発光材料は、小分子放出材料、発光ポリマー、ドープ発光ポリマーおよび現在知られている、または後に開発される材料およびその組合わせを含むことができる。ＯＬＥＤ素子を、アノードとカソード間にかけた電界に投じると、電子および正孔が作製されて、素子へ注入される。電子／正孔対は有機発光材料において結合されて、再結合において得られるエネルギーは、特定の色または、例えば、可視光を生成することができる。生成された光は通常、等方的に放出される。
【００１５】
多色ＯＬＥＤディスプレイは、異なる色の光を放出するＯＬＥＤ素子を近接配置し、素子に独立してアドレス可能とさせることにより作製することができる。多色ＯＬＥＤディスプレイはまた、カラーフィルタを用いると、色の純度の改善、色のコントラストの向上、または白色光またはその他単色ＯＬＥＤを用いるときの色の導入のいずれかを行うことができる。
【００１６】
再び図１を参照すると、透過層１１４は、目視者に届くことを意図した透明、または少なくとも十分に透過性の波長の光である発光素子において目視者と発光体との間に配置された一層または複数の層とすることができる。例えば、透過層は、発光体または発光素子を操作するためのその他素子（例えば、薄膜トランジスタ）が形成されるガラスまたはプラスチック基板を含むことができる。透過層はまた、透明電極、保護層、バリア層、カラーフィルタ、ウェーブプレート、偏光子および発光素子に好適なその他の透過層を含むこともできる。一般的に、透過層１１４と発光体１１２との間に空隙はないが、仲介層を一層または複数層を入れてもよい。
【００１７】
本発明によれば、エレメントを発光素子に含めると、全内反射を防止し、目視者に対して素子からより多くの光を結合したり、向きを変えることができる。再び図１を参照すると、かかるエレメント（本文書においては「ＴＩＲフラストレータ」と称す）は、発光体１１２と透過層１１４との間、透過層１１４と目視者１１８との間、および／または分離透過層１１４間または１層以上の透過層１１４内に配置することができる。以下に詳細を後述してある通り、ＴＩＲフラストレータは、体積拡散器、表面拡散器、マイクロ構造、埋設マイクロ構造、層状構造、ルーバー構造およびこれらの組合わせを含むことができる。
【００１８】
図２を用いて、放出型ディスプレイ素子における光のトラップの概念を示す。一般化を排除することなく、図２に、例えば、ガラス基板２２０上に配置されたＯＬＥＤ素子２１２を含む放出型ディスプレイ２１０を示す。ＯＬＥＤ素子２１２は、有機エミッタ層２１４、透明アノード２１６およびカソード２１８を含む。ディスプレイ２１０と目視者２２２との間の空間はこの例においては空気である。有機エミッタ２１４は、広い角度にわたって光が放出される等方性光源とすることができる。カソード２１８は、ディスプレイ２１０の背面に向かって放出された光が前側へ向きを変えることができるよう通常、反射性である。ガラス基板２２０は、空気よりも高い屈折率（空気の屈折率は約１、ガラスの一般的な屈折率は約１．５）を有し、透明アノード２１６は通常、ガラス基板２２０よりも高い屈折率を有している。透明アノードとしては、一般的に屈折率が約１．８のインジウム酸化錫（ＩＴＯ）のような透明導電性酸化物が例示される。
【００１９】
このように、図２において、目視者へ放出される光は、ＴＩＲが生じる２つの界面、すなわち、アノード／基板界面と基板／空気界面と当たる。それ自体で少なくとも３種類の光線を調べることができる。まず、光線Ａは、アノード／基板界面か、基板／空気界面でのＴＩＲについての臨界角よりも小さい角度で放出された光を表す。光線Ｂは、アノード／基板界面でのＴＩＲについての臨界角よりも小さいが、基板／空気界面でのＴＩＲについての臨界角より大きい角度で放出された光を表す。光線Ｂはこのようにディスプレイに「トラップ」されると考えられる。光線Ｃは、ＴＩＲおよびアノード／基板界面についての臨界角より大きな角度で放出された光を表す。光線Ｃも同様にディスプレイに「トラップ」されると考えられる。本発明によれば、ＴＩＲフラストレータを用いて、アノード／基板界面または基板／空気界面をはじめとする、光が目視者に伝わるにつれてＴＩＲが生じる何れ、または全ての界面でＴＩＲを防止することができる。
【００２０】
図２に示す状況を考慮し、ガラス基板（屈折率１．５１）およびＩＴＯアノード（屈折率１．８）および有機発光体（屈折率１．７）を用いて、以下のことを計算することができる。ＩＴＯ／ガラス界面（図２の２１６／２２０界面）で、有機発光体から約６３°以上の角度（発光層２１４において法線から測定）で放出された光は全内反射する。これは約４６％の放出強度を構成する。ガラス／空気界面で、有機発光体から約３６°〜約６３°の角度で放出された光は全内反射する（これより大きな角度で放出された光は、ＩＴＯ／ガラス界面でのＴＩＲのためにこの界面には達しない）。これはさらに３５％の放出強度を構成する。従って、ディスプレイ２１０を透過する最終的な光の強度は、有機発光体２１４により生成される光の約１９％である。識別された界面の一方または両方でＴＩＲの少なくとも一部を防止すると、高い電位が与えられて透過光の総量が増大する。
【００２１】
図２に示す状況は、ＯＬＥＤディプレイよりもさらに一般的なことである。さらに一般的な状況とは、放出材料が配置されて、透明導電性材料のような高インデックスの材料を通して、そして次に基板を通して、さらに空気を通して、目視者へと光が放出される。基板のインデックスは、高インデックス材料のインデックスより小さく、基板のインデックスは空気のインデックスより大きい。
【００２２】
図３（ａ）および（ｂ）に、放出型ディスプレイ３１０および３１０’におけるＴＩＲフラストレータとしての体積拡散器の使用を示す。放出型ディスプレイ３１０および３１０’は夫々、基板３２０と、基板に配置された発光素子３１２とを含み、この素子３１２は発光層３１４、透明電極層３１６および背面電極層３１８とを有している。
【００２３】
図３（ａ）に、基板３２０に配置され、ディスプレイ３１０の前側に位置する体積拡散器３３０を示す。体積拡散器は、マトリックスまたはバインダー中に配置された、散乱中心を含むものと説明することができる。散乱中心とマトリックスとの間のインデックスの差は、その入射角度のために全内反射する目視者に対して光の一部を散乱するのに十分大きいのが好ましい。図３（ａ）において、体積拡散器３３０のマトリックスは、基板３２０とほぼ同じまたはこれより大きな反射率を有しているのが好ましい。これによって、光線が、基板／体積拡散器界面でＴＩＲなしで体積拡散器３３０に入ることができる。体積拡散器３３０に法線またはほぼ法線入射で入る光線は、一般的に、散乱中心により妨げられない観察者に向かって通過する。基板／空気界面で全内反射する、角度を成して伝わる光線は体積拡散器３３０へ入り散乱される。散乱光の少なくとも一部は、臨界角よりも小さな角度で目視者に向かって方向が変えられ、素子から出て結合されて輝度が増大する。臨界角より大きな角度で散乱された光は、体積拡散器３３０において全内反射して、散乱プロセスを繰り返し、これによってディスプレイ素子から出た光をより多く結合させることができる。
【００２４】
図３（ｂ）に、基板３２０とディスプレイ３１０’の発光素子３１２との間に配置された体積拡散器３４０を示す。体積拡散器３４０のマトリックスは、透明電極層３１６とほぼ同じまたはこれより大きな反射率を有しているのが好ましい。これによって、光線が、透明電極／体積拡散器界面でＴＩＲなしで体積拡散器３４０に入ることができる。体積拡散器３４０に入る光線は、一般的に、散乱中心により妨げられない観察者に向かって通過する。電極／基板界面で全内反射する、角度を成して伝わる光線は体積拡散器３４０へ入り散乱される。散乱光の少なくとも一部は、臨界角よりも小さな角度で目視者に向かって方向が変えられ、素子から出て結合されて輝度が増大する。臨界角より大きな角度で散乱された光は、体積拡散器／基板界面で全内反射して、散乱プロセスを繰り返し、これによってディスプレイ素子から出た光をより多く結合させることができる。
【００２５】
例証の体積拡散器は十分に低い密度の散乱中心を有しており、発光素子（法線またはほぼ法線入射で入る）におけるＴＩＲを受けやすい、角度を成して放出される光の大部分は散乱される機会が比較的少ない。さらに、例証の体積拡散器は十分に高い密度の散乱中心を有しており、高い入射角度（臨界角より大きな角度）で放出された光の一部は目視者に向かって散乱し、素子から出た高角度の光を目視者に向かって結合することができる。体積拡散器エレメントにおける低入射角光線対高入射角光線の光学経路の差の性質のために、低入射角光線は、高入射角光線よりも散乱中心に統計的に当たりにくい。これは、高入射光線よりも平均して時間を費やすのが少なく、平均して拡散器における移動距離が少ないことによる。さらに、体積拡散器の厚さ方向を貫く最初の移動に際して散乱中心に当たらない高入射角光線は、体積拡散器／基板界面、または体積拡散器／空気界面（またはその他適用される界面）で全内反射し、目視者に向かって層から散乱される別の機会を有している。
【００２６】
図３（ａ）および（ｂ）に図示するような体積拡散器ＴＩＲフラストレータはあらゆる好適な手段により提供してよい。例えば、好適な体積拡散器は、フィルムとして提供されて、光学接着剤を用いて基板および／または発光素子および／またはその他コンポーネントへボンドすることができる。例証の光学接着剤は、ディスプレイ構造の光学接着層の直ぐ背後に配置された発光素子の層の屈折率とほぼ同じまたはこれより大きい屈折率を有している。他の例を挙げると、体積拡散器は、適切な光学接着剤またはその他好適な接着剤またはボンディングに好適なバインダーに配置された低インデックス粒子、高インデックス粒子、気泡、間隙、相分離材料の領域等を含む。この場合、体積拡散器は、基板、透明電極、光学フィルムまたはその他コンポーネントのような発光素子の層にコートされて、これを用いて素子の一部を素子の他の部分へ、または追加の光学フィルム、またはディスプレイの前部に任意で提供されるようなその他のコンポーネントをボンドすることができる。他の実施形態において、体積拡散器は、基板または基板の一部に拡散またはその他配置された粒子または気泡を含んでいてもよい。例えば、粒子をガラスフリット内に配置して、好適にコート、レベリングおよび焼成されてガラス基板、または、体積拡散ＴＩＲフラストレータとして作用するガラス基板上の層を形成してもよい。同様に、粒子をバインダーと混合させて、ポリマー基板、または体積拡散ＴＩＲフラストレータとして作用する基板上のポリマー層へと形成することができる。
【００２７】
上述したように、体積拡散ＴＩＲフラストレータは一般的にマトリックスまたはバインダー内に配置された散乱部位を含んでいる。マトリックス材料は、所望の波長で透過性のあらゆる好適な材料を含むことができる。マトリックス材料は、体積拡散器の下にあるディスプレイにおける近接層の屈折率とほぼ同じまたはこれより大きい屈折率を有しているのが好ましい。マトリックス材料としては、光学接着剤、熱可塑材、フォトポリマー、熱硬化材料、エポキシ、ポリイミド、ナノ複合体材料等が例示される。体積拡散器マトリックスは、単一、均質材料とすることができる。またはマトリックスは２種類以上の材料を含むことができる。例えば、マトリックスの組成は、屈折率、透過率および／または体積拡散器の厚さを通るマトリックスのその他の特性を変えるために、マトリックスの厚さを通して変えることができる。かかる厚さを変える構造は、ここでは層状構造と呼ぶ。他の例を挙げると、高および低屈折率の交互の領域、高および低光学密度の領域、および／または体積拡散器における水平位置に応じたその他の特性といった、体積拡散器の面において、マトリックスの組成を変えることができる。かかる水平方向に変える構造は、ここではルーバー構造と呼ぶ。ルーバー構造は、例えば、低入射角の光に大幅な悪影響を与えることなく、高入射角の光のＴＩＲを防止するために、高入射角の光の光学経路を変えるのに有用である。体積拡散器の散乱部位に関して、高入射角の光は、ルーバー構造において、低入射角の光よりもより多く、領域毎に光学変化をサンプリングする傾向がある。
【００２８】
散乱中心としては、体積拡散器のマトリックス中に配置された粒子、間隙（例えば、気泡またはポケット）、相分散材料等を挙げることができる。特定しない場合、「粒子」、「散乱部位」および「散乱体」という用語は、体積拡散器の散乱部位を参照して同義語として用いられる。通常、散乱部位とマトリックス間のインデックスの差が大きいと、より効率的な散乱が生じる。２種類以上の散乱体を用いることもできる。例えば、高インデックス粒子タイプおよび低インデックス粒子タイプを同じ体積拡散器において用いることができる。粒子の充填量は一般に用途に応じて異なる。例えば、ランプまたはバックライト用途において、粒子の充填量は、体積拡散器のないディスプレイに比べて、目視者に向かってディスプレイからの光をより多く結合するよう十分に多く、所望の量の法線およびほぼ法線の光が、妨げられていない体積拡散器を通過できるよう十分に低くするのが好ましい。粒子の充填量は、体積拡散器の厚さ、ディスプレイにおける体積拡散器の位置、散乱体の屈折率、散乱体のサイズ、マトリックスの材料およびディスプレイのその他エレメント、特定のディスプレイ用途およびその他関連に応じて異なる。
【００２９】
散乱中心は、マトリックスを通るディスバースメントおよび体積拡散器を通って伝わる光と所望の相互作用について好適なサイズとすることができる。例証の散乱体は、散乱される光の波長のオーダーまたはそれより大きく、体積拡散器の厚さよりは少なくともやや小さい。散乱体は、あらゆる所望の形状、例えば、球形、針形、平形、矩形等とすることができる。散乱体はまた、マトリックスの特定の方向に配向させることもできる。例えば、体積拡散器は、フィルムの厚さ方向に沿った長軸を有するマトリックスと複数の矩形エアポケット、または円柱状間隙を含むマイクロポーラスフィルムとすることができる。他の例を挙げると、体積拡散器は、特定の方向、例えば、拡散器の厚さ方向または拡散器の面の軸に沿って直線に並べるようにして配向された複数の矩形散乱体を含むことができる。体積拡散体に配向された矩形または針状の散乱体は、非対称の目視特性を生じる、例えば、水平方向に広い視野角にわたって向上した輝度を与え、一方、垂直方向に狭い視野角にわたって向上した輝度を与えることができる。
【００３０】
特に好適な体積拡散器としては、Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙより３Ｍ　１４７２−４という商品名で入手可能なマイクロポーラスポリプロピレンフィルムおよびＭｉｎｎｅｓｏｔａ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙより販売されている透明接着テープ上でバッキングとして用いられているような熱押出し酢酸セルロースフィルムをはじめとするマイクロポーラスフィルム；アクリル、熱可塑材、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、フォトポリマー、光学接着剤およびＴｉＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＳｉＯ４のような白色無機粒子が分散されたその他といった好適な透過性バインダーと粒子対バインダーの重量または体積フラクションが１％〜５０％で粒子サイズが１ミクロン未満から１０ミクロン以上であるその他材料；アクリル、熱可塑材、ＰＥＴ、フォトポリマー、光学接着剤およびポリスチレン粒子、ポリテトラフルオロエチレン粒子（Ｔｅｆｌｏｎという商品名で入手可能なもの）のような有機粒子が分散されたその他といった透過性バインダーと粒子対バインダーの重量または体積フラクションが１％〜５０％で粒子サイズが１ミクロン未満から１０ミクロン以上であるその他材料；およびポリエチレンに分散されたポリスチレンのような相分離組成物が挙げられる。バインダー中に分散された粒子を含む体積拡散器は、一般に、ＰＥＴまたはポリカーボネートフィルムまたはその他好適なフィルム上への溶液コーティングまたはその他好適なコーティングにより形成することができる。体積拡散器の厚さは可変であるが、一般的な厚さは約１ミクロンから５０ミクロンである。粒子サイズは、粒子の種類およびその他要因に応じて変えることができる。一般的な粒子サイズは約１ミクロン以下から１０ミクロンである。色の分散を減じるには約１〜５ミクロンの粒子サイズが好ましい。
【００３１】
例証のＴＩＲのフラストレータにはまた、表面拡散器も含まれる。図４（ａ）および（ｂ）に、表面拡散器を含む放出型ディスプレイの例を示す。図４（ａ）に、放出装置４１２、光透過基板４１４および表面拡散器４１６を含む放出型ディスプレイ４１０を示す。透過基板４１４は、素子４１２と表面拡散器４１６との間に配置されている。表面拡散器４１６は、所望の波長の光を実質的に透過し、基板４１４の反射率に近いまたはこれより大きな屈折率を有する材料からできているのが好ましい。表面拡散器４１６は目視者に向かって配向された粗面を有している。
【００３２】
図４（ｂ）に、放出装置４２２、表面拡散エレメント４３０および透過基板４３８を含む放出型ディスプレイ４２０を示す。放出装置４２２は、図示してあるように、電極４２４と４２８との間に配置された放出層４２６を含むことができる。表面拡散エレメント４３０は、２枚の層４３２および４３４を含んでいる。４３２および４３４の層の一方は、粗または拡散表面４３６が与えてある層である。２枚の層４３２および４３４の他方は、ケースバイケースで拡散層を基板４３８または素子４２２にラミネートするのに用いられる光学的に透明な接着剤またはその他透明な材料とすることができる。ボンディング機能の他に、空隙がエレメント間に存在しないように、接着層は、拡散層の粗面を覆うようにコートする役割を果たすことができる。あるいは、非接着層を用いて、例えば、接着機能を与える必要なしに、粗面を平坦化するのに用いることができる。層４３２および４３４は異なる屈折率を有しており、層４３２は層４３６よりも高い屈折率を有しているのが好ましい。層４３２の屈折率は、電極４２８と層４３２との間に配置された電極４２８またはその他層（図示せず）とほぼ同じ、またはこれより高い屈折率を有しているのが好ましい。
【００３３】
図示するように、表面拡散器は、全内反射が放出型ディスプレイの輝度を減じることのできる界面に配置することができる。表面拡散器は、高入射角度の光を散乱することにより、目視者に向かって放出型ディスプレイからより多くの光を結合し、ＴＩＲを防止することができる。表面拡散器はまた、ディスプレイと目視者との間に直接与えられるときは特に、ディスプレイに光沢のない見かけを与える。これは、周囲の光の反射による眩輝を減じて、ディスプレイの見かけのコントラストを改善することができる。表面拡散器は、ディスプレイに既に含まれるエレメントの表面をエンボス加工またはその他粗面化することにより提供することができる。特に拡散表面を与えるために追加の層を加えることもできる。また、体積拡散器のようなその他のＴＩＲフラストレータを拡散表面にさらに与えることもできる。
【００３４】
特に好適な表面拡散器としては、光沢のないポリカーボネート、ＰＥＴまたはその他好適なフィルム；伸張ポリエチレンフィルム；砂吹きフィルム；エンボス加工酢酸セルロースフィルムのような熱エンボス加工表面構造フィルム；透明ビーズスクリーンフィルム（例えば、透明基板上の透明バインダーに部分的に埋め込まれたサブミリメートルサイズのガラスビーズからできたフィルム）；透明基板上に形成されたレーザー重合不規則構造拡散器；不規則レーザードリルフィルム；およびその他かかる不規則な構造、光沢のない、またはエンボス加工フィルムが挙げられる。表面拡散器に用いられるあらゆる表面構造を用いて、元の構造のフィルムにエンボス加工したり、元の構造にコーティングすることによりフィルムを形成することにより、逆構造を有する他の表面拡散器を作製することもできる。
【００３５】
例証のＴＩＲのフラストレータにはまた、マイクロ構造表面も含まれる。通常、マイクロ構造は、ミクロンまたは数十ミクロンの寸法を有する表面にある意図された、かつ繰り返しとされることの多い突出部および／または凹みと説明することができる。マイクロ構造エレメントを用いて、光の向きおよび分布を管理または変えることができることは周知である。例えば、プリズムフィルムは、法線入射または小さな目視角で見るときにディスプレイの見かけの輝度を増大するために、光が透過する円錐角を制限するために液晶ディスプレイに用いられてきた。
【００３６】
図５（ａ）に、透明基板５１４上に配置された放出装置５１２および基板５１４の目視者側に配置されたマイクロ構造フィルム５１６を含む放出型ディスプレイ５１０を示す。マイクロ構造フィルム５１６はＴＩＲフラストレータとして作用し得る。マイクロ構造フィルム５１６は、基板５１４の屈折率とほぼ同じ、またはこれより高い屈折率を有しているのが好ましい。
【００３７】
図５（ｂ）に、放出装置５２２と透過基板５３８との間に配置されたマイクロ構造エレメント５３０を含む放出型ディスプレイ５２０を示す。放出装置５２２はマイクロ構造エレメント５３０および基板５３８を通して目視者へ光を放出することができる。放出装置５２２は、電極５２４と５２８との間に挟まれた放出層５２６を含むように図示されている。マイクロ構造エレメント５３０は、間にマイクロ構造界面５３６を備えた２つの層５３２および５３４を含むように図示されている。一般的に、５３２および５３４の一方の層がマイクロ構造フィルムであり、その他の層はマイクロ構造フィルムのマイクロ構造表面に充填されるのに用いられる接着剤またはその他材料である。このようにして、マイクロ構造エレメント５３０は、基板や放出装置のようなディスプレイにおけるその他のエレメント間でボンド、ラミネートまたはその他配置することのできる２つの平らな表面を有している。これが埋め込みマイクロ構造と考えられるものを作製する。層５３２および５３４は異なる屈折率を有しており、層５３４は層５３２よりも高い屈折率を有しているのが好ましい。さらに、層５３２の屈折率は、電極５２８と層５３２との間に配置された電極５２８またはその他層（図示せず）とほぼ同じ、またはこれより高い屈折率を有しているのが好ましい。マイクロ構造エレメント５３０は、電極５２８と基板５３８との間の界面で全内反射する光のＴＩＲフラストレータとして作用することができる。
【００３８】
放出型ディスプレイについて、マイクロ構造エレメントは単独またはその他のエレメント（体積拡散器等）と組み合わせて用いて、ＴＩＲを防止し、かつ／または目視者に到達する前に後に当たる界面でＴＩＲについて臨界角を超えないような角度まで光の向きを変えることができる。
【００３９】
特に好適なマイクロ構造としては、レンズ形レンズ；マイクロレンズレットアレイ：ビーズまたはキューブコーナー再起反射性シーティング；Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇよりブライトネスエンハンスメントフィルムという商品名で販売されているようなプリズムおよびその他光学向上フィルム；回折格子；およびその他好適なマイクロ構造フィルムが挙げられる。マイクロ構造はまた、逆マイクロ構造を有するその他のマイクロ構造フィルムを形成するための鋳型として用いることもできる。
【００４０】
マイクロ構造フィルムは、フィルムのマイクロ構造表面が目視者に向くようにし、フィルムの逆の表面を平滑にして、放出型ディスプレイの前側にラミネートまたはその他配置することができる。マイクロ構造フィルムは、目視者から離れた方にマイクロ構造があるようにして配向させることもできる。マイクロ構造はまた、埋め込み構造に提供することもできる。マイクロ構造フィルムのマイクロ構造を異なる材料でコートすると、両側が平滑であるが、中間にマイクロ構造界面を有するフィルム状構造が形成される。
【００４１】
マイクロ構造は、単一またはその他のＴＩＲフラストレータと共に用いることができる。例えば、放出装置において、放出装置と透明基板との間に配置された体積拡散器、そして基板の逆側にマイクロ構造フィルムを含めるのが望ましい。あるいは、ＴＩＲフラストレータエレメントを、マイクロ構造表面を含む単一エレメントと組み合わせるのが望ましい。例えば、透過マトリックス中に体積拡散粒子のある分散液をマイクロ構造表面にコートし、乾燥またはその他硬化させて、マイクロ構造表面から剥して、マイクロ構造と体積拡散性の両方を備えたフィルムを生成することができる。あるいは、体積拡散分散液を用いて、透過性マイクロ構造フィルムのマイクロ構造表面を充填して、埋め込みマイクロ構造、拡散性粒子およびその他のディスプレイエレメントにボンディングされる平らな表面を有するエレメントを作製することができる。
【００４２】
ＴＩＲフラストレータを用いて、例えば、放出型ディスプレイからの光をより多く結合することに加えて、所望の目視角度まで光の向きを変えることができる。例えば、プリズムマイクロ構造を用いて、観察者がディスプレイを見やすいように、広角光を法線付近の狭い円錐角へと向きを変えることができる。この結果、全内反射を防止することにより得られる輝度に加えて、輝度が見かけ上増大する。さらに、マイクロ構造、回折格子等を用いて所望の法線を外れた目視角度まで光の向きを変えることができる。例えば、パーソナルデジタル補助器、携帯電話ディスプレイ等のような手持形装置は、ディスプレイを傾けるため、法線を外れた角度で見られることが多い。所望の法線を外れた目視軸方向へ光の向きを変える構造を用いてディスプレイの輝度をさらに増大することができる。さらに他の用途において、ＴＩＲフラストレータ上の構造を用いて、一方向における利用可能な目視角度を制限し、他の方向における利用可能な目視角度は制限しないようにすることができる。例えば、テレビやデスクトップコンピュータモニタのような永久据付け型ディスプレイは、様々な水平位置から見られることが多く、一般的にほぼ同じ垂直位置から見られる。構造を用いて、法線の方へ光の向きを変え、それ以外は天井や床に向け、尚、左右については広い視野角を与えたままとすることができる。
【００４３】
体積拡散器、表面拡散器およびマイクロ構造に加えて、反射防止コーティングもまたＴＩＲフラストレータとして用いることができる。反射防止コーティングは、１／２波長の奇数倍の光学経路長の差により、１つの層から反射する特定の波長の光が１層以上の近接または連続相から光が反射するのを、破壊して妨げるように設計された多層コーティングを含む。全内反射が生じる界面で反射防止コーティングを用いることにより、全内反射光の大半を、破壊妨害により取り消して、ディスプレイの輝度を増大させることができる。本発明は、反射が望ましくない放出型ディスプレイにおいて適正な界面で反射防止コーティングを用いることを意図したものである。反射防止コーティングを含めると、その他のＴＩＲフラストレータおよび光学エレメントの代わりとする、これに加える、あるいはこれらと組み合わせることができる。例証の反射防止コーティングとしては、ベーマイト（三水和アルミニウム）コーティングのような広帯域反射防止コーティングが挙げられる。
【００４４】
本発明は、あらゆる好適なエレメントを用いて、放出型ディスプレイの全内反射を防止して、かかるエレメントが、上述したうちのいずれか（例えば、体積拡散器、表面拡散器、マイクロ構造、反射防止コーティング等）に分類されるかされないかに関わらず輝度を増大することを意図している。
【００４５】
輝度向上のために用いられるＴＩＲフラストレータのタイプ、および用いられる構造は、通常、最終用途に応じて異なる。一つの要件は、放出装置はパネル、ディスプレイまたは目視するその他対象を照明するのに用いるか（例えば、放出装置は液晶ディスプレイのバックライトとして用いられる）、あるいは放出装置は直視ディスプレイとして用いるか（例えば、放出装置そのものは情報ディスプレイ素子であり、情報ディスプレイの単なる照明源ではない）である。バックライトおよびその他照明用途のようなある用途については、ＴＩＲのためにトラップまたは失われるＴＩＲフラストレータの対象は、素子からできる限りの光を結合する。これらの用途については、選択肢の一つとして体積拡散器を挙げることができる。
【００４６】
目視者に向かって体積拡散器を通って伝わる光は、妨害されることなく目視者に向かって通過でき、目視者に向かって素子から散乱および結合でき、臨界角より大きな角度で妨害されずに通過して体積拡散器内で全内反射でき、臨界角より大きな角度で散乱して体積拡散器内で全内反射できる。体積拡散器内で全内反射する光は、その他の散乱部位に当たって、目視者に対して素子から出て結合する機会がある。すなわち、体積拡散器を１回目に通過した際に、または１回目の散乱イベントに際して直ぐに結合しなかった光は、拡散器および散乱イベントに後に通過させている間に目視者に向かって、素子から結合させることができる。体積拡散器におけるかかる光再生は、放出装置の輝度を大幅に増大させることができる。かかる光再生はまた、放出装置が、例えば、直視ピクセルディスプレイの場合には、放出装置の解像度に悪影響を及ぼす恐れがある。というのは、再生現象は、体積拡散器における側面の光の伝搬に依存しているためであり、これは、ピクセルが互いに十分に近接した間隔である場合にはピクセル間のクロストークを招く可能性がある。詳細を後述してある通り、直視放出型ディスプレイについて輝度向上エレメントとして体積拡散器を用いるときは、その他のエレメントを含めて、解像度およびコントラストを維持する補助とすることができる。
【００４７】
直視ディスプレイのようなある用途については、近接ピクセル間のピクセル解像度およびコントラストが維持、さらには向上するのが好ましい。ＴＩＲフラストレータそれ自体を用いて、最低コストで輝度、解像度およびコントラストを増大することができる。例えば、ＴＩＲフラストレータを用いて、ＴＩＲフラストレータに１回目に通した際に目視者に向かって素子から出る高入射角光を結合することができるが、１回の通過で目視者に向かってディスプレイから出た向きをつけられていない光は大量には再生されない。表面拡散器は、素子から出た１回通過の光を結合するのに好適な選択肢となり得るが、粗い外側表面のために、表面拡散器内でＴＩＲを妨害し、これがピクセル間の光のクロストークへとつながり、解像度が減少する。マイクロ構造も、目視者に向かって素子から出た１回通過の光の向きを変えるのに用いることができるため、好適な選択肢とすることができる。さらに、拡散表面を備えた体積拡散器のようなエレメントの組合わせ、表面拡散器に続いてマイクロ構造エレメント、コントラスト維持マイクロ構造を備えた体積拡散器等を用いると、所望量の輝度向上が達成され、かつ、コントラストの維持または向上、そして解像度の維持も成される。
【００４８】
解像度を維持できるＴＩＲフラストレータの他の例を図６に示す。エレメント６１０は、吸収領域６１４により分離された透過／拡散領域６１２を含む。吸収領域６１４は、例えば、黒色材料またはその他光吸収材料でできたマイクロルーバーを含むことができる。透過／拡散領域６１２は、上述した体積拡散器を形成するのに好適な材料で作製することができる。透過領域を分離するマイクロルーバーのような吸収領域を含むエレメントは、米国特許第４，６２１，８９８号、同第４，７６６，０２３号、同第５，１４７，７１６号、同第５，２０４，１６０号および同第５，２５４，３８８号に開示されているような様々な技術により作製することができる。吸収領域６１４を用いて、エレメント６１０内で内部反射する光を吸収、またはブロックすることができる。これは、エレメント６１０を通って光が横方向に長距離（すなわち、他のピクセル領域に）伝播するのを防ぐことができる。内部反射光が、他のピクセル領域に進行するのを防ぐことによって、ピクセルのクロストークを減少することができる。これが解像度維持の助けとなる。しかしながら、吸収領域６１４により吸収される内部反射光が輝度の向上に寄与しないというトレード・オフが生じ得る。しかしながら、この光の吸収の結果、解像度およびコントラストが維持が成される。
【００４９】
あるいは、ルーバー構造を形成して、光吸収領域を含む必要はなく、特にルーバーを含んで、反射界面を与え、光が目視者に向かって反射できるようにすることによって、大量の光を吸収せずに、ピクセルのクロストークを抑えることができる。
【００５０】
ピクセル間のクロストークを減じる補助とするために、吸収エレメント６１４間の間隔は、ピクセル間の距離以下のオーダーとするのが好ましい。例えば、吸収エレメント６１４間の間隔は、ピクセル間の間隔と同じにし、エレメント６１０をピクセルへとパターン化される放出装置と基板間に配置して、各ピクセルが透過／拡散領域６１２を直接通って放出されるようにすることができる。あるいは、吸収エレメント６１４間の間隔を、ピクセル間隔より遥かに小さくして、ピクセルとエレメント６１０間の位置合わせがあまり問題にならないようにすることができる。
【００５１】
本発明のＴＩＲフラストレータは任意で、放出装置において機能を与える特性を備えることができる。例えば、染料や顔料のような着色剤は、体積拡散器ＴＩＲフラストレータのバインダーに分散させて、放出光が好ましい色座標を示さないような場合に所望の着色を与えることができる。着色剤はまた他のタイプのＴＩＲフラストレータに入れることもできる。ＴＩＲフラストレータに完全性を与えるのが望ましいその他の機能としては、偏光、光再生、コントラスト向上等が挙げられる。
【００５２】
本発明のＴＩＲフラストレータは、ディスプレイの全幅にわたって完全体エレメントとして提供でき、ディスプレイの一部をカバーするようにしたり、選択したやり方でディスプレイの選択部分をカバーするようにパターン化することができる。例えば、ピクセルアレイの放出装置を含むディスプレイにおいては、体積拡散器をパターン化して、単一の体積拡散器を単一の発光体または発光体の群と組み合わせることができる。これには、例えば、特定の波長で良好に動作する散乱体を選択する等、各タイプの発光体について異なるタイプの体積拡散器を選択できるという利点がある。ＴＩＲフラストレータをパターニングする他の利点は、ピクセルディスプレイにおいて解像度を維持できる能力である。例えば、別個の体積拡散器をパターニングし、各体積拡散器を特定のピクセルまたはサブピクセルと関連させて、体積拡散器内の散乱および内部反射によるピクセルクロストークを減じることができる。パターン化体積拡散器およびピクセルを分離するブラックマトリックスを形成するのも、コントラストを向上させながら、ピクセルクロストークを減じる補助となる。ＴＩＲフラストレータは、様々なフォトリソグラフィー法、印刷法および選択的トランスファー法をはじめとする何らかの好適な方法によりパターン化することができる。例えば、体積拡散器、マイクロ構造等は、ドナーシートからディスプレイ基板まで、ドナーシートの選択的レーザー誘導加熱により、バインダー中の粒子を選択的に伝熱することによってパターン化してもよい。放出装置およびＴＩＲフラストレータをディスプレイ基板上で同時にパターン化するのも望ましい。放出装置、バインダー中の粒子およびマイクロ構造の選択的熱物質トランスファーは、米国特許第６，１１４，０８８号、同第５，９７６，６９８号および同第５，６８５，９３９号、および共譲渡米国特許出願第０９／４５１，９８４号に開示されている。
【００５３】
実施例
以下の実施例は本発明のいくつかの態様を例証するためのものであり、請求の範囲を限定するものではない。
【００５４】
これらの実施例において、輝度向上はゲインで定量化される。ゲインは、基本線測定に対して与えられた視野角で光の強度を比較する無次元の測定である。例えば、放出装置の輝度は、視野角の関数として測定して、基本線を決めることができる。次に、ＴＩＲフラストレータを素子に付与して、再び視野角の関数として輝度を測定することができる。ＴＩＲフラストレータを備えた素子の輝度対与えられた視野角での素子のみの輝度の比率は、その視野角でのゲインである。例えば、法線入射で１．５のゲインは、基本線測定に比べて、０°の視野角で輝度の５０％の増大を表す。例えば、８０°で０．７のゲインは、基本線測定に比べて、８０°の視野角で輝度の３０％の増大を表す。
【００５５】
様々なＴＩＲフラストレータを試験して、その相対ゲインを放出装置における他のＴＩＲフラストレータと比較した。様々なＴＩＲフラストレータの性能を試験するために用いた放出装置には、紫外線（ｕｖ）光源およびｕｖ光源上部に配置された蛍光染色ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）フィルムが含まれていた。ＰＶＣフィルムの屈折率は１．５２４、厚さは約０．２５ｍｍであった。ｕｖ光源は、ｕｖ光子を染色ＰＶＣフィルムに放出し、染料を励起し、可視光が放出された。ＰＥＴフィルム（厚さ約０．０７ｍｍ、屈折率１．６５）を基板として用いた。基板を染色ＰＶＣフィルム上部に配置し、その構造から放出される光の強度を視野角の関数として測定した。この測定は、行った全てのゲイン測定について基本線となった。素子において異なる構造で様々なＴＩＲフラストレータを試験するために、ＴＩＲフラストレータをＰＥＴ基板と染色ＰＶＣフィルムとの間、ＰＥＴ基板の上部またはその両方に配置した。試験構造は、基板を通して光を放出するランバート光放出装置、例えば、ＯＬＥＤのようなエレクトロルミネッセントランプをシミュレートするためのものであった。異なるタイプのＴＩＲフラストレータを用いた結果を以下の実施例において報告する。
【００５６】
実施例１：体積拡散器
本実施例において、染色ＰＶＣフィルムとＰＥＴ基板間にラミネートされた体積拡散器と関連したゲインは、散乱体充填量の関数として測定された。体積拡散器は、様々な量のＳｂ２Ｏ３粒子（屈折率＝２．１、平均直径＝３ミクロン）を熱可塑性ＰＥＴ材料（屈折率＝１．５６）に分散させて、マトリックスを作製し、２０番のマイヤーバーを用いてその混合物をＰＥＴ基板にコーティングすることにより作製した。コーティングを乾燥させて、ＰＥＴ基板にボンドされた体積拡散器からなる構造体を形成した。体積拡散器は夫々約４ミクロンの厚さを有していた。各構造体について、体積拡散器側に染色ＰＶＣフィルムを約３００°Ｆで熱ラミネートした。得られた試料は、順番に染色ＰＶＣフィルム、厚さ４ミクロンの体積拡散器およびＰＥＴ基板を有していた。各試料をｕｖ光源に置き、ゲインを角度の関数として測定した。表１に各試料について法線入射でのゲインを示す。試料は、体積拡散器中のＳｂ２Ｏ３粒子の重量パーセントで示してある。
【００５７】
【表１】
2004513484.tif 000003
【００５８】
表１によれば、体積拡散器の粒子の充填量が多いと、素子から出る光がより多く結合された。各試料について、最大のゲインは０°の視野角で得られ、視野角が増大にするにつれてゲインは徐々に減少した。粒子の充填量が最大（４０ｗｔ．％以上）の試料においては、７０°を超える視野角でゲインは１未満に落ちた。
【００５９】
これらの結果に加えて、同じ構造体を用いて、体積拡散器中の粒子について５０％の充填レベルで、体積拡散器の厚さの関数としてゲインを試験した。これらの結果によれば、厚い体積拡散器についてはゲインは最終的に落ちたが、法線入射では１を超えるゲインが維持された。このことから、粒子充填量の多い体積拡散器の厚さが増大すると、粒子充填量の多いものよりゲインの改善にやや反作用を及ぼす傾向があることが分かった。
【００６０】
実施例２：体積拡散器
本実施例において、体積拡散器ＴＩＲフラストレータについて、体積拡散器と染色ＰＶＣフィルム間に配置されたラミネーション接着剤の屈折率の関数としてゲインを測定した。体積拡散器は、Ｓｂ２Ｏ３粒子を熱可塑性ＰＥＴ（ＰＥＴに対して４０ｗｔ．％の粒子）中に分散し、この混合物をＰＥＴ基板上にコートすることにより作製した。体積拡散器は約４ミクロンの厚さを有していた。体積拡散器を様々な接着剤を用いて染色ＰＶＣフィルムにラミネートした。接着剤の種類、接着剤の屈折率および各試料の測定されたゲインを表２に示す。
【００６１】
【表２】
2004513484.tif 000004
【００６２】
表２によれば、接着率の屈折率が染色ＰＶＣフィルムの屈折率に近づけば近づくほど、観察されるゲインが高くなる（染色ＰＶＣフィルムの屈折率＝１．５２４）。これは、発光体と体積拡散器との間の光学結合が良くなって、その結果輝度が向上することを示している。
【００６３】
実施例３：体積拡散器
本実施例において、体積拡散器ＴＩＲフラストレータについて、体積拡散器とガラス基板間に配置されたラミネーション接着剤の屈折率の関数としてゲインを測定した。同じ体積拡散器を実施例２に記載したようにして作製した（熱可塑性ＰＥＴに分散し、ＰＥＴ基板にコートした粒子）。体積拡散器のコート側を、表３に示した様々な接着剤を用いて厚さ１ｍｍのガラス基板へラミネートした。染色ＰＶＣフィルムを、３Ｍラミネーティング接着剤８１４１（屈折率＝１．４７５）という商品名で市販されているＭｉｎｎｅｓｏｔａ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇより市販されている光学的に透明な接着剤を用いてガラス基板のもう一方の側にラミネートした。各構造体についてのゲインを表３に示す。
【００６４】
【表３】
2004513484.tif 000005
【００６５】
表３によれば、接着剤とガラス基板との間の屈折率の差が小さいときに高いゲインが得られた。ただし、夫々のケースについて大きなゲインが観察された。
【００６６】
実施例４：表面および体積拡散器としての酢酸セルロースフィルム
厚さ３０ミクロンの酢酸セルロースフィルム（屈折率＝１．４９）にやや縦長で光沢のない深さ約１〜２ミクロンのパターンをエンボス加工した。これは、Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙより３Ｍマジックテープという商品名で販売されている接着テープのバッキングに用いられているのと実質的に同一の基板およびパターンであった。酢酸セルロースフィルムのエンボス加工表面に、３Ｍラミネーティング接着剤８１４１を用いて染色ＰＶＣフィルムをラミネートした。この構造体は法線入射で１．６８１のゲインを示した。エンボス加工により与えられる表面粗さに加えて、酢酸セルロースフィルムは、バルクでサブミクロンサイズの間隙を含んでいた。空隙は、エンボス加工プロセス中に人為的に作製した。
【００６７】
実施例５：表面拡散器
本実施例において、ゲインを測定し、様々な表面拡散器で比べた。各ケースにおいて、記載した拡散表面を、３Ｍラミネーティング接着剤８１４１を用いて染色ＰＶＣフィルムにラミネートした。
【００６８】
拡散表面５Ａは、屈折率が１．６５の厚さ０．０７ｍｍのＰＥＴフィルム上の複数のドーム状の突出部から構成されていた。表面５Ａは、逆ドーム構造を有する鋳型にＰＥＴを鋳造することにより作製した。鋳型は、ビーズの直径３０ミクロンから９０ミクロンで、平均直径が６０ミクロンのビーズ突出スクリーンから複製することにより作製した。
【００６９】
拡散表面５Ｂは、拡散表面５Ａと同じであったが、逆構造を有していた（すなわち、複数の球状の凹み）。
【００７０】
拡散表面５Ｃは、１０％／９０％ポリエチレン／ポリプロピレンフィルム（厚さ＝０．０７ｍｍ、屈折率＝１．４９）を９：１の比率（伸張方向対未伸張方向）まで伸張することにより作製した。フィルムを伸張すると表面が粗面化された。
【００７１】
拡散表面５Ｄは、ジェネラルエレクトリック社より製品コード８Ｂ３５で市販されている厚さ０．１５ｍｍの光沢のないポリカーボネートフィルムであった。
【００７２】
拡散表面５Ｅは実施例４に記載されたエンボス加工酢酸セルロースフィルムであった。
【００７３】
拡散表面５Ｆは、不規則に配置され、近接して充填されたベーマイト（三水和アルミニウム）マイクロ構造から構成されていた。厚さ６００オングストロームのアルミニウムコーティングを厚さ０．０３ｍｍのＰＥＴ基板へ熱水蒸気処理することにより作製した。拡散表面５Ｆの厚さは約０．１ミクロン、屈折率は１．５８であった。
【００７４】
表４に各試料について法線入射でのゲインを示す。
【００７５】
【表４】
2004513484.tif 000006
【００７６】
表４によれば、表面拡散器を用いると、放出装置の輝度を向上することができる。表４に示されたゲインを、表１に示されたものと比べると分かるように、体積拡散器は表面拡散器よりも、放出装置から出た光をより効率的に結合させることができる。これは、目視者に向かって前方に光が散乱する複数の機会を与える体積拡散器の性質によるものと考えられる。実施例５において報告された表面拡散器について視野角の関数としてゲインが増大したことも注記しておく。これは、広い視野角についてゲインの減少を示す傾向があった体積拡散器の挙動とは対比を成すものである。これは、体積拡散器と表面拡散器をＴＩＲフラストレータとして組み合わせた放出装置において広い視野角にわたって比較的高いゲインが得られるということを示唆している。
【００７７】
実施例６：マイクロ構造
本実施例において、ゲインを測定し、様々なマイクロ構造試料で比べた。各ケースにおいて、記載したマイクロ構造試料を、３Ｍラミネーティング接着剤８１４１を用いて染色ＰＶＣフィルム（染色ＰＶＣフィルムに向かってマイクロ構造を配向）にラミネートした。
【００７８】
マイクロ構造６Ａは、約０．８ミクロン離れ、主表面から上に高さ約０．０２６ミクロン出た、複数の平行畦を有する正弦表面回折格子であった。回折格子は、厚さ５ミクロンの熱可塑性ＰＥＴを厚さ０．０７ｍｍのＰＥＴフィルム上に熱エンボス加工することにより形成した。
【００７９】
マイクロ構造６Ｂは、ホットメルト注入の厚さ０．１０ｍｍのポリカーボネートフィルム（インデックス＝１．５８）に鋳造されたマイクロレンズアレイであった。
【００８０】
マイクロ構造６Ｃはフォトポリマー鋳造によりＰＥＴフィルムへと鋳造されたレンズ状アレイであった。レンズ状シーティングでできた円柱レンズの空間周波数は７８ミクロン、楕円レンズは高さ２３ミクロン、長軸対単軸アスペクト比は１．３５であった。硬化後のフォトポリマーの屈折率は１．５７であった。
【００８１】
レンズ状アレイ６Ｃが円柱レンズから構成されていたのに対し、レンズアレイ６Ｂが二次元アレイレンズであった以外は、マイクロレンズアレイ６Ｂは、マイクロ構造６Ｃと実質的に同じ空間周波数、レンズ高さおよびアスペクト比を有していた。
【００８２】
表５に各試料について法線入射でのゲインを示す。
【００８３】
【表５】
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【００８４】
実施例５に記載した表面拡散器と同様に、マイクロ構造表面は広い視野角で高いゲインを示した。マイクロ構造６Ａの表面回折格子は、約２５°〜６０°の視野角について最大のゲインを示した。
【００８５】
実施例７：マイクロ構造
本実施例において、ゲインは同様のマイクロ構造プリズムフィルムの視野角および視野配向の関数として測定された。マイクロ構造フィルムは、５０ミクロン離れた複数の平行Ｖ形溝から構成されていた。溝は、６６°の頂角を有するピーク、またはプリズムを画定した。マイクロ構造は、フォトポリマー（屈折率＝１．５７）をＰＥＴフィルムに鋳造することにより作製された。３種類の異なるマイクロ構造フィルムを作製した。１つ目は０ミクロン「平」のもの（「平」とは、マイクロ構造間の平らな谷部分の幅である）、２つ目は５ミクロン平、３つ目は１０ミクロン平であった。マイクロ構造フィルムにポリ酢酸ビニル（ＰＶＡｃ、屈折率＝１．４６６）を充填し（マイクロ構造側に）、平滑な表面ができるよう均した。ＰＶＡｃ表面を、３Ｍラミネーティング接着剤８１４１を用いて染色ＰＶＣフィルムにラミネートした。ゲインを広い視野角にわたって測定し、法線入射および２０°の視野角で表６に示してある。法線を外れた視野角でのゲインを、２つの配向で測定した。すなわち、溝方向（Ｈ）に対して平行に、かつ溝方向（Ｖ）に対して垂直に視野角を測定した。Ｖ方向で最大のゲインを示したため、２０°の視野角を下記に記してある。
【００８６】
【表６】
2004513484.tif 000008
【００８７】
表６から、輝度向上は角度依存性を有することが分かる。ある用途については、特定の配向および法線を外れた視野角においてゲインを増大するのが望ましい場合がある。例えば、手持形装置の場合、目視者がディスプレイをやや傾いた視野角で見えるようやや後ろに傾けることが多い。
【００８８】
実施例８：体積拡散器とマイクロ構造の組合わせ
以下の実施例は、異なる粒子充填量および／または異なる厚さを有する体積拡散器を含む様々な構造のゲインを比較するものである。さらに、各構造体のゲインをプリズムフィルム追加の有無により比較する。
【００８９】
Ｓｂ２Ｏ３粒子を、ＢＦグッドリッチ社よりＣａｒｂｏｓｅｔ５２５（屈折率１．４８）という商品名で市販されているアクリル中に様々な粒子充填量で分散させた。様々な充填量の重量パーセントを表７に示す。混合物をＰＥＴ基板上にコートし、乾燥させて体積拡散器を形成した。表７に示したものを除いて、体積拡散器コーティングの厚さは約４ミクロンであった。体積拡散器を、３Ｍラミネーティング接着剤８１４１を用いて、体積拡散器側が染色ＰＶＣフィルムに向くようにして染色ＰＶＣフィルムにラミネートした。
【００９０】
各ケースにおいて、プリズムフィルム有り、または無しでゲインを測定した。プリズムフィルムを用いるときは、プリズムフィルムをラミネートの上部に置き、プリズムがラミネートから離れるように、プリズムフィルムとラミネートとの間に空隙を与えて配置した。用いたプリズムフィルムは、Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ＣｏｍｐａｎｙよりＢＥＦ　ＩＩＩという商品名で市販されている光学フィルムであった。インデックス１．５７のフォトポリマーでできており、プリズム角度が９０°で平均プリズムピッチが５０ミクロンの平行プリズムを形成する複数のＶ形溝を有している。
【００９１】
【表７】
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【００９２】
表７によれば、体積拡散器中の粒子充填量を増やすことによりゲインが増大することが分かる。表７によればまた、放出装置と基板との間に体積拡散器ＴＩＲフラストレータを含め、基板の逆側にさらにプリズムを含めると体積拡散器のみに比べてゲインをさらに増大できることも分かる。表７によればまた、粒子充填量が十分に高いと、体積拡散器の厚さが制限され、その厚さを超えると、散乱中心の密度が悪影響をもたらし、利点に反作用を及ぼす。
【００９３】
輝度向上のための体積拡散器に加えて、プリズムフィルムを用いると、視野角にゲインが大いに依存していることが観察されたことを注記しておく。体積拡散器のみを用いると、観察されるゲインは法線入射で最大であり、視野角が広がると徐々に減少するが、粒子の充填量に応じて６０°以上までの視野角については１を超えた（多くの場合は１．５を超えた）ままである（粒子の充填量が多いと広い視野角でゲインの減少が早かった）。さらにプリズムフィルムを用いると、ゲインは、プリズムフィルムがないよりも法線入射で高く、ゲインは約３０°〜３５°の視野角まで徐々に減少した。３０°〜３５°で、ゲインの急な減少がゲイン１未満で観察され、最低ゲインは約４０°〜５０°の視野角で観察された。約５０°を超えると、ゲインは再び増えるが、１未満のままであった。ゲインの角度依存性は、体積拡散器のないプリズムフィルムのみを用いたゲインの角度依存性を反映するものである。ただし、体積拡散器とプリズムフィルムがあると、ゲインはプリズムフィルムのみよりも全視野角について高かった。
【００９４】
実施例９：異なるバインダーを有する体積拡散器
本実施例において、染色ＰＶＣフィルムとＰＥＴ基板間にラミネートされた体積拡散器と関連したゲインは、体積拡散器を作製するのに用いたバインダーの関数として測定された。体積拡散器は、Ｓｂ２Ｏ３粒子（平均直径３ミクロン）を異なるバインダーに粒子対バインダーの重量比２：３で分散させることにより作製した。粒子／バインダー混合物を２０番のマイヤーバーを用いてＰＥＴ基板にコートした。コーティングを乾燥させて、ＰＥＴ基板にボンドされた体積拡散器からなる構造体を形成した。体積拡散器は夫々約４ミクロンの厚さを有していた。各構造体について、体積拡散器側に染色ＰＶＣフィルムを約３００°Ｆで熱ラミネートした。得られた試料は、順番に染色ＰＶＣフィルム、厚さ４ミクロンの体積拡散器およびＰＥＴ基板を有していた。各試料をｕｖ光源に置き、ゲインを角度の関数として測定した。
【００９５】
表８に各試料について法線入射でのゲインを示す。バインダー材料および各体積拡散器の屈折率を表に示す。表８に示したバインダー材料「ＰｅｎｔａｌｙｎＣ／Ｅｌｖａｘ」は、染色ＰＶＣフィルムに近づけた屈折率（屈折率１．５２４）となるように選んだ材料のブレンドであった。このバインダーに用いた材料は、Ｈｅｒｃｕｌｅｓ（デラウェア州、ウィルミントン）よりＰｅｎｔａｌｙｎＣという商品名で入手可能な粘着付与材（屈折率１．５４６）およびデュポン（デラウェア州、ウィルミントン）よりＥｌｖａｘ２１０という商品名で入手可能な酢酸ビニル／エチレンコポリマーブレンド（屈折率１．５０１）であった。
【００９６】
【表８】
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【００９７】
染色ＰＶＣフィルムの屈折率が１．５２４だったのを想起されたい。表８によれば、バインダーの屈折率が、ディスプレイ構造の体積拡散器直下に配置された染色ＰＶＣフィルムの屈折率により近いと高いゲインが観察された。表８によればまた、染色ＰＶＣフィルムよりもやや高い屈折率を有するバインダーは、染色ＰＶＣフィルムよりもかなり低い屈折率を有するバインダーよりも高いゲインを示した。
【図面の簡単な説明】
【図１】
放出型ディスプレイの概略図。
【図２】
放出型ディスプレイにおける全内反射についての潜在的な界面の概略図。
【図３（ａ）】
体積拡散器を含む放出型ディスプレイの概略図。
【図３（ｂ）】
体積拡散器を含む放出型ディスプレイの概略図。
【図４（ａ）】
表面拡散器を含む放出型ディスプレイの概略図。
【図４（ｂ）】
表面拡散器を含む放出型ディスプレイの概略図。
【図５（ａ）】
マイクロ構造エレメントを含む放出型ディスプレイの概略図。
【図５（ｂ）】
マイクロ構造エレメントを含む放出型ディスプレイの概略図。
【図６】
体積拡散器を維持する分解能の概略図。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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