JP2005189264A - 光学素子及びそれを用いた面光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光の波動的性質に基づく回折現象を利用したホログラム光学素子を用い、光曲げフィルムの高透過率と薄型化を同時に実現した光学素子とそれを用いた面光源装置を提供する。
【解決手段】 曲げ角度の波長依存性が小さく、斜め方向から入射した白色光の分光を抑えて垂直方向に集光するために使用されるホログラム光学素子であって、格子溝の平均周期が２〜２０μｍで、格子溝の凸部分の形状が三角形または台形であり、この三角形の頂角、または台形の平行な二辺に挟まれた二斜面のなす角θが６５°以下である光学素子。導光板の上に、前記の光学素子を配置した面光源装置。
【選択図】 図３

Description

本発明は、液晶ディスプレイ用の、光を曲げるフィルムや板に係り、特に観察者の正面の輝度を上げるために特定の角度範囲に回折光を制御するホログラム光学素子及びそれを用いた面光源装置に関するものである。ホログラム光学素子として、本発明では表面レリーフ型回折格子を例にとって説明する。

液晶ディスプレイは、コンピュータの表示部や家電製品の制御パネルの表示部のほか、携帯電話の表示部に用いられ、これに伴って消費電力の低減と軽量化・薄型化の要求が高まっている。
面光源を液晶のバックライトとして利用した場合、なるべく多くの光を観察者から見て正面方向へ出射させることが必要になる。

このような面光源装置として、代表的なものとして図１４に示すような透過型液晶ディスプレイ装置がある。ただし、回折格子１０のところが従来はプリズムシートとなっていた。導光板１２から斜めに出射された光はプリズムシートで垂直方向に曲げられ、拡散体２４で色分散や輝度むらが小さくなるよう拡散され、画像を表示する液晶パネル２２を透過する。導光板の形状や導光板と液晶の間に来るプリズムシートの形状を最適化して、正面の輝度が高くなるよう設計されている。このようなプリズムシートは垂直方向の輝度を上げるのに有効である（特許文献１）。

図２は回折格子への入射角θiと出射角θoを図示したものであるが、ここではプリズムシートに置き換えて説明する。導光板から出射される光の出射角は導光板の設計に依存するが，θiが６０°くらいになることが多い。そこで、プリズムシートの役割はこの光を効率よくθoが０°の方向、つまり垂直方向に曲げることである。そのためには、空気層とプリズムシートとの界面反射であるフレネル反射を小さくし、かつ、なるべく、多くの光が０°の方向に進むようにすることになる。また、出射光が角度分布を持つ場合には、θiが、多少変動しても、垂直方向への輝度が減少しないような光曲げ特性を持たせることで、光曲げ角が一定であるよりも正面方向への輝度を高く出来る。さらに、光源は白色光であるので、波長による分散を小さくして、液晶表示のむらやにじみがないようにしなくてはならない。このとき、従来のプリズムシートや導光板は、スネルの法則という屈折の法則を用いて、幾何光学的に出射光を曲げている。

これに対して、波動光学に基づく回折現象を利用した光学部材（ホログラム光学素子）は幾何光学的効果を利用した素子に比べて、薄型にできるという利点や集光や拡散などの複数の機能を一つの素子で実現できるという利点があり、表示用部材として使われている。ただし、分光や高次の回折を伴うため白色光を曲げるという用途ではなく、むしろ、白色光を拡散して視野角を広げるという用途（特許文献２、３、４、５、６）や、白色光を分光するという用途（特許文献７、８）で広く使われてきた。また、白色光を拡散するという効果を利用して、ドットマトリクスの表示欠陥を見えないようにすることにも使われてきた（特許文献９、１０、１１、１２、１３）。
一方で、回折格子を利用して白色光を分光せずに曲げるという用途では、虹や光曲げ効率の低さの問題があった。例えば、単色の光を従来のホログラム光学素子に通すと、１次光、２次光といった複数の回折が生じ、それぞれの回折角に光が伝播するので光の曲げ効率が落ちる。また、白色光を回折で曲げようとすると、一般には波長によって、回折角が異なるので波長の分散（虹）という問題が生じる。
従来、虹の発生を避けるため、回折格子の周期を変調して分光をなくしたり（特許文献１４）、カラーフィルタを入れたり（特許文献１４）、入射光を拡散光にしたり（特許文献１５）していた。しかし、現実には、格子形状を考えずに周期を変調するだけでは、出射角度分布が広がるので、輝度が落ちる。他方、カラーフィルタを入れるだけでは、図１６のように回折格子とカラーフィルタとの距離があるためにその間に分光が生じる。また、あまり入射光を拡散させると出射光ピークの輝度が落ちるという問題がある。
このように、従来の回折格子の設計では、格子形状が最適化されていないため、プリズムシートと同等の輝度および白色度を得ることが困難であり、白色光を分光させずに垂直方向に集光することが可能であるということも知られていなかった。ホログラム光学素子の設計方法については、例えば、非特許文献１に記載されている。

特開平０８−２６２４４１号公報（第１−２頁、第１図） 特開平０７−１１４０１５号公報（第１−２頁、代表図） 特開平０９−３２５２１８号公報（第１−２頁、代表図） 特表平１０−５０６５００号公報（第１−４頁、第１−５図） 特開平１１−２９６０５４号公報（第１−２頁、第２−５図） 特開２０００−３９５１５号公報（第１−２頁、第１−２図） 特開平０９−１１３７３０号公報（第１−５頁、代表図） 特開平１０−３０１１１０号公報（第１−２頁、第６８図） 特開平０５−３０７１７４号公報（第１−２頁、代表図） 特開平０６−０５９２５７号公報（第１−２頁、代表図） 特開平０６−２９４９５５号公報（第１−２頁、代表図） 特開平０７−０２８０４７号公報（第１−２頁、代表図） 特開平０７−０４９４９０号公報（第１−２頁、代表図） 特開平０８−２１１８２１号公報（第１−２頁、代表図） 特開平０９−１０５８８７号公報（第１−２頁、代表図） 特開２００２−７１９５９号公報（第５−６頁、第３図、第５−６図） ビクトール・ソイファー（Victor Soifer），ビクトール・コトラール（Victor Kotlyar）とレオニード・ドスコロヴィッチ（Leonid Doskolovich）著："アイテラティブ メソッド フォー ディフラクティブ オプティカル エレメンツ コンピュテーション （Iterative Methods for Diffractive Optical Elements Computation）",（米国），テイラー アンド フランシス（Taylor&Francis）、１９９７年、ｐ．１−１０

上述のような屈折の法則を用いた幾何光学的に光を曲げる方法では、凹凸の高さが大きいためシートの膜厚が厚くなってしまう。また、平らな面に光が斜めに入射・出射することになるので、フレネル損失が大きくなるという欠点もある。しかも、プリズムシートの頂角の形状に光学特性が大きく左右されるので取り扱いに非常に気をつけなくてはならなかった。また、液晶ディスプレイに用いるときは、格子溝の周期が大きいので、カラーフィルタの画素との干渉でモアレが生じやすかった。これに対し、回折現象を利用したホログラム光学素子は、１）入射光が垂直に回折する回折次数以外の回折光が発生する。２）そのために、必要とするその回折次数の回折効率が低くなる。３）波長分散が大きいというような問題があった。例えば、格子溝の周期が小さいと垂直方向に回折する次数がなかったり、波長分散が大きくなったりする。深さが適当でないと、垂直方向に向く回折次数の回折効率が低くなる。

本発明は、従来の屈折を利用したプリズムシートでなく、光の波動的性質に基づく回折現象を利用したホログラム光学素子を用い、上記の問題を解決し、光曲げフィルムの高透過率と薄型化を同時に実現することにある。

請求項１に記載の発明は、曲げ角度の波長依存性が小さく、斜め方向から入射した白色光の分光を抑えて垂直方向に集光するために使用されるホログラム光学素子であって、格子溝の平均周期が２〜２０μｍで、格子溝の凸部分の形状が三角形または台形であり、この三角形の頂角、または台形の平行な二辺に挟まれた二斜面のなす角θが６５°以下であることを特徴とする光学素子である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の二斜面のなす角θについて、二斜面の交点から三角形または台形の底辺に垂直に降ろした時の交点が底辺をａ：ｂに分割し、ａ＜ｂであるとき、Ｕ＝ａ／（ａ＋ｂ）とすると、６１．７°×Ｕ＋３０°＜θ＜６１．７°×Ｕ＋４０°であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子である。
請求項３に記載の発明は、波長６３３ｎｍのレーザー光を入射角θi（５５°＜θi＜７５°）で、光学素子面から、入射させたとき、輝度の出射角分布の重心が±８°内に入ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学素子である。
請求項４に記載の発明は、斜めに入射する白色光を垂直方向に集光するために使用されるホログラム光学素子であって、格子間隔あるいは深さが非周期的であり、格子溝の凸部分の形状が互いに略相似であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光学素子である。
請求項５に記載の発明は、異なる幅を持つ格子溝Ａ１、Ａ２、Ａ３．．Ａi．．が｛Ａ１・・・Ａ１｝、｛Ａ２・・・Ａ２｝、｛Ａ３・・・・Ａ３｝、．．．、｛Ａｉ・・・・Ａｉ｝、．．．のようにそれぞれ平均して５個以上を１単位として並んでいることを特徴とする請求項４に記載の光学素子である。
請求項６に記載の発明は、異なる深さを持つ格子溝Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３．．Ｂi．．が｛Ｂ１・・・Ｂ１｝、｛Ｂ２・・・Ｂ２｝、｛Ｂ３・・・・Ｂ３｝、．．．、｛Ｂｉ・・・・Ｂｉ｝、．．．のようにそれぞれ平均して５個以上を１単位として並んでいることを特徴とする請求項４に記載の光学素子である。
請求項７に記載の発明は、幅及び深さの異なる格子溝Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３．．Ｃi．．が｛Ｃ１・・・Ｃ１｝、｛Ｃ２・・・Ｃ２｝、｛Ｃ３・・・・Ｃ３｝、．．．、｛Ｃｉ・・・・Ｃｉ｝、．．．のようにそれぞれ平均して５個以上を１単位として並んでいることを特徴とする請求項４に記載の光学素子である。
請求項８に記載の発明は、幅や深さの異なる格子溝Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３．．Ｄi．．がＤ３、Ｄi、Ｄ２、Ｄ１、．．．、Ｄi、．．．、Ｄ３、．．．、Ｄ１、．．．のようにランダムに並んでいることを特徴とする請求項４に記載の光学素子である。
請求項９に記載の発明は、斜めに入射する白色光を垂直方向に集光するために使用されるホログラム光学素子であって、格子間隔あるいは深さが非周期的であり、格子溝の凸部分の形状が互いに略相似でないことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光学素子である。
請求項１０に記載の発明は、周期が同じで、異なる深さを持つ格子溝Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、．．、Ｅi、．．が｛Ｅ１・・・Ｅ１｝、｛Ｅ２・・・Ｅ２｝、｛Ｅ３・・・・Ｅ３｝、．．．、｛Ｅｉ・・・・Ｅｉ｝、．．．のようにそれぞれ平均して５個以上を１単位として並んでいることを特徴とする請求項９に記載の光学素子である。
請求項１１に記載の発明は、深さが同じで、異なる周期を持つ格子溝Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、．．、Ｆi、．．が｛Ｆ１・・・Ｆ１｝、｛Ｆ２・・・Ｆ２｝、｛Ｆ３・・・・Ｆ３｝、．．．、｛Ｆｉ・・・・Ｆｉ｝、．．．のようにそれぞれ平均して５個以上を１単位として並んでいることを特徴とする請求項９に記載の光学素子である。
請求項１２に記載の発明は、深さと周期の異なる格子溝Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、．．、Ｇi、．．が｛Ｇ１・・・Ｇ１｝、｛Ｇ２・・・Ｇ２｝、｛Ｇ３・・・・Ｇ３｝、．．．、｛Ｇｉ・・・・Ｇｉ｝、．．．のようにそれぞれ平均して５個以上を１単位として並んでいることを特徴とする請求項９に記載の光学素子である。
請求項１３に記載の発明は、周期や深さの異なる格子溝Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、．．、Ｈi、．．がＨ３、Ｈi、Ｈ２、Ｈ１、．．．、Ｈi、．．．、Ｈ３、．．．、Ｈ１、．．．のようにランダムに並んでいることを特徴とする請求項９に記載の光学素子である。
請求項１４に記載の発明は、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の光学素子とカラーフィルタとの間に拡散角分布の半値幅が７°以下の拡散体を配置したことを特徴とする光学素子である。
請求項１５に記載の発明は、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の光学素子と、それらと異なる空間周波数を持つ一つまたは複数の、回折格子ないしプリズムシートの高さを足し合わせるか裏面に配置することで作製される光学素子である。
請求項１６に記載の発明は、導光板の上に、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の光学素子を配置した面光源装置である。
請求項１７に記載の発明は、導光板の裏面は板中を伝播する光の向きと略垂直な複数の溝、表面は表面レリーフ型ホログラム拡散体であり、その上に、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の光学素子を配置した面光源装置である。

本発明の光学素子を用いることで、従来のプリズムシートより薄くすることができ、モアレや虹のない光学素子である集光回折格子を得ることができる。また、この光学素子は、高透過であり、従来のプリズムシートと同等以上の輝度を得ることができ、面光源から出射される白色光が垂直方向に曲がり、色分散・角度分散が小さく、回折効率の高い回折格子である光学素子を提供することができる。この光学素子を用いた面光源装置は、光学素子の特性を生かし高透過率と薄型化を同時に実現することができる。

本発明は、面光源から出射される白色光が垂直方向に曲がるよう、色分散・角度分散が小さく、回折効率の高い回折格子である光学素子とそれを面光源と組み合わせることを特徴とする。
一般に回折格子の鋸歯（エシェレット）形状が回折効率を高くするのに有効である。そこで、さらに、形状を最適化し、回折効率を上げた回折格子を検討、設計した。光学素子が周期的な回折格子であれば、厳密結合解析 （ＲＣＷＡ）を使って設計することができる。ホログラム光学素子が非周期的な回折格子であれば、キルヒホッフの回折積分法や有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）を用いて計算することができる。
回折格子への入射角と出射角の関係を図２に示した。液晶表示に使われる導光板のように面状に発光する面光源から、赤緑青の３原色を含む白色光が出射される。そのとき、面光源装置の設計の都合上、回折格子面の垂線と格子面への入射光のなす角度θi、つまり入射角は６０°±１５°の範囲になることが多い。このとき、回折格子を通過したレーザー光がθo＝±１０°の範囲内の垂直方向つまり観察者から見て正面方向に、６０％以上の光が集まれば、垂直方向に曲げられたと言える。θi＝６０°で入射時に、４８０ｎｍ（青）と６２０ｎｍ（赤）の波長による回折角度は格子の周期で決まり、周期が２μｍ以上のとき、回折角度差が６°以下となる。回折角の波長依存性は差が６°以下のとき小さいと考えれる。波長による回折角度の違いに加え、波長による回折効率の違いも考慮する必要がある。例えば、赤い光に比べ、青い光は回折格子を透過しにくいという場合がある。その場合、赤と青の回折角度が同じであったとしても、回折効率が異なるため、色が赤みがかるということになる。波長分散の他に偏光分散についても考慮する必要がある。最も垂直に近い次数の回折効率について、回折効率の大きい偏光をＡ、小さい偏光をＢとすると、（Ａ−Ｂ）／Ａが２０％以下であるとき偏光依存性が小さいといえる。偏光依存性が５％以上のときには、面発光装置で必要とされる偏光のほうの回折効率が高くなるようにする方が望ましい。

上述したように、回折格子で白色光を垂直に曲げるには様々な要素を検討する必要があるが、本発明によれば、ホログラム光学素子の形状を最適化すれば、白色光を分光や拡散を抑えて曲げることが可能である。ここで、ホログラム光学素子とは波動光学に基づく回折現象を利用した光学部材全般であり、フィルム、立方体、球などさまざまな形状を取りうる。具体的には請求項１ないし請求項３のように、回折格子を適切に設計することで分散や光曲げ効率の低下を抑えた素子が作製できる。ここで、白色光とは赤青緑の３原色を含む光を意味する。垂直方向に集光するとは、図１のように、回折効果をもつ光学部材の面に斜めから入射した光を、面の法線方向に向きを変えて伝播させることを意味する。
回折格子の形状は、請求項１に記載のように、格子溝の平均周期が２μｍ以上、２０μｍ以下であり、かつ、格子溝の凸部分の形状が略三角形または略台形であり、しかも、三角形の頂角、または台形の平行な二辺に挟まれた二斜面のなす角θが６５°以下であればよい。ここでいう形状とは正確には光が感じる屈折率分布である。図３に示したように凸部分は連続していなくても良いが、凸部分と凸部分の間隔ｃは凸部分の底辺（ａ＋ｂ）の５０％以下であることが望ましい。凸部分が台形の場合、台形の頭の平坦な部分は底辺（ａ＋ｂ）に比べて５％以下であることが好ましい。
格子周期が大きすぎると面光源装置に用いられる他のフィルム、例えばカラーフィルタの画素との干渉でモアレが発生する。一方、周期が小さすぎると、波長による出射角度の違い（波長分散）が大きくなるため虹が発生しやすい。平均周期は４μｍ以上、９μｍ以下がより好ましい。このとき、平均高さは、２．８μｍ以上、１６μｍ以下が好ましい。 図３に示した二斜辺のなす角θが、大きすぎると出射角分布が広がり（角度分散）、集光性が悪くなるので、出射角０°方向の輝度が低下する。最適なθは、主に入射角度・頂点の位置（Ｕ値）によって決定される。このほか、回折格子に用いる材料の屈折率も考慮する必要がある。
三角形や台形の形状は角が丸まっていてもよいし、斜辺が曲線でも良い。必ずしも斜辺が直線の方が特性がよいとは限らない。格子溝の向きは面光源装置から斜めに出射される光と略垂直である方が好ましい。格子溝の斜面は階段で近似された形状であってもよい。たとえば、図４のように８階調で近似された形状であっても良いが、一つのステップは用いる波長の半分以下の長さであることが好ましい。

面光源装置から回折格子への光の入射角が６７°近傍であり、空気層から屈折率１．５４±０．５の回折格子を通って空気層に抜ける場合には、回折格子が請求項２に記載のような形状であれば、垂直方向に効率よく光が曲がる。
このようにして設計した回折格子は、請求項３に記載のようにレーザー光に対しても、垂直方向に光を曲げることが出来る。
回折格子は光を曲げる機能だけでなく、集光や拡散の機能を付加してもよく、また、回折格子の作製される面は平面だけでなく、光学的な機能を付加するために曲面の上に作製されても良い。回折格子は面上に一様に形成されていても、複数の形状が四角や円の区画を作ってもよい。さらに、回折格子は、プリズムシートと一緒に用いられても良い。たとえば、ｘｙｚ空間を考えたとき、回折格子でｘ方向からｚ方向に光を曲げ、ｙ方向からｚ方向にはプリズムシートで曲げるということも考えられる。回折格子がフィルムや板である場合、片面にあっても両面にあっても、または、重ねられていてもよい。

すでに述べたように本発明の回折格子においても、格子が周期的である場合は各波長による回折角は、最大５，６°のずれが存在する。しかし、回折角と輝度分布の重心を計算すると、そのずれは最大２°程度に収まる。ここで、重心θoは次の（１）式で与えられる。
θo ＝ （Σθi×Ｌi ）／（ΣＬi） （１）
i i
但し、θiは、透過光のｉ次の回折角、Ｌiは、ｉ次の回折効率である。
上述のように出射光の各波長の角度分布の重心は０°近傍にすることができるが、回折格子が周期的である場合、波長によって各回折次数のピーク位置が異なるため虹は完全には消えない。請求項４に記載の発明は、白色光を垂直方向に効率よく曲げる特性は維持しつつ、各波長の各回折次数のピーク位置を一定でなくすることで虹を消す方法の一つを示している。つまり、格子間隔あるいは深さが非周期的であり、格子溝の凸部分の形状が略相似であればよい。形状が略相似であることで、機械加工のようなバイトで金型を加工する方法でも作製可能となる。

請求項５ないし請求項８に記載の発明は、虹を消すのに望ましい格子溝の形状を示している。請求項５は格子溝の幅を変調することで各波長のピーク位置を一定でなくしようとするものである。図５に示したように、凸部の間隔を変えることで実現することができる。周期的回折格子として最低の格子数である５周期を１単位としている。例えば、図３のａ,ｂ,ｃを用いると、ａ+ｂを５μｍで固定し、ｃを変えることに相当する。サイクルＡ１はｃが１μｍ、Ａ２はｃが２μｍ、Ａ３はｃが−1μｍというように変調する。ａ＋ｂ＋ｃの値が、４μｍ以上、９μｍの範囲内であまり偏らないようにするのが好ましい。

請求項６に記載の発明は格子溝の深さを変調することでピークの位置を一定でなくしようとするものである。図６に示したように、凸部の頭の形状を変えることで実現することができる。この場合、格子数が同じであると５周期分の長さも同じになるので、液晶画素との干渉でモアレが生じやすい。したがって、１サイクルあたりの長さを最大で画素ピッチの半分くらいとし、しかも、格子数を各格子形状で変えることが望ましい。例えば、画素ピッチが１２０μｍで、格子周期が５μｍである場合、格子数は多くても２０くらいにする必要がある。凸部の頭の形状を変えるには、凸部の頭の形状を図３のように台形形状とすることで、可能となる。台形の頭の平坦な部分は底辺（ａ＋ｂ）に比べて５％以下であることが好ましいので深さを変調するには自ずと、限界がある。例えば、サイクルＢ１は０％、Ｂ２は２％、Ｂ３は５％だけ平坦にするというように変調する。平坦な部分の割合が５％以下で、なるべく偏らないようにするのが好ましい。

請求項７に記載の発明は格子溝の形状は相似で周期と深さを同時に変調するものである。図７に示したように、凸部の大きさを変えることで実現することができる。液晶セルの画素ピッチが１２０μｍで、平均格子周期が５μｍである場合、１サイクルあたりの格子数は、多くても２０くらいにするのが好ましい。格子周期は、例えば、６μｍ、５μｍ、４μｍというように変調させる。

請求項５ないし請求項７に記載の発明は、周期的回折格子の特性を利用しているが、請求項８のように全く周期的でない回折格子を使うことも出来る。つまり、図８に示したように凸部の形状は略相似であるが、大きさ、あるいは間隔が一定でない回折格子である。例えば、周期を３μｍ，５μｍ，４μｍと変え、それぞれについて、ｃ／（ａ＋ｂ＋ｃ）を０．０、０．０２、０．０と変え、これらを連続して並べた回折格子である。

請求項９に記載の発明は、図３の頂角の位置Ｕを変えることで形状は相似でないものもあるが、出射方向は同じである格子形状を並べた光学素子である。Ｕを変えた場合、頂点を挟む二斜面のなす角θもそれに合わせて変える必要がある。このような形状は、例えば、電子線露光によって作製することができる。Ｓｉウエハ上に耐ドライエッチング性の電子線用レジストをスピンコートし、電子線露光した後、フルオロカーボンなどのガスを用いてドライエッチングする。

請求項１０ないし請求項１３に記載の発明は、虹を消すのに望ましい格子溝の形状を示している。請求項１１は格子溝の幅を変調することで各波長のピーク位置を一定でなくしようとするものである。図９に示したように、深さ一定で頂角θを変えることで実現することができる。周期的回折格子として最低のサイクル数である５周期を最低の１単位としている。例えば、入射角θiが６７°で、深さを５．２４μｍとしたとき、Ｕを０．５、０．２、０．３というように変えると、周期はそれぞれ、６．６３、４．７８、５．１６μｍとなる。画素ピッチが１２０μｍで、平均格子周期が５μｍである場合、１サイクルあたりの格子数は、多くても２０くらいにするのが好ましい。

請求項１０に記載の発明は、格子溝の深さを変調することでピークの位置を一定でなくしようとするものである。図１０に示したように、周期一定で頂角θを変えることで実現することができる。例えば、入射角θiが６７°であれば、周期４．７８μｍとしたとき、Ｕを０．５、０．２、０．３というように変えると、深さはそれぞれ、３．７８、５．２４、４．８５μｍとなる。画素ピッチが１２０μｍで、平均格子周期が５μｍである場合、１サイクルあたりの格子数は、多くても２０くらいにするのが好ましい。

請求項１２に記載の発明は、格子溝の形状を周期と深さを同時に変調するものである。図１１に示したように、凸部の大きさを変えることで実現することができる。例えば、形状が小さい方が、高いアスペクト比の溝でも転写できる場合に有効である。入射角θiが６７°であれば、周期が２．５、８．０、５．０μｍと変わり、頂点の位置Ｕがそれぞれ０．２、０．５、０．３と変わるとき、深さは２．７４、６．３３、５．０７μｍとなる。画素ピッチが１２０μｍで、平均格子周期が５μｍである場合、１サイクルあたりの格子数は、多くても２０くらいにするのが好ましい。

請求項１０ないし請求項１２は、周期的回折格子の特性を利用しているが、請求項１３のように全く周期的でない回折格子を使うことも出来る。つまり、図１２に示したように、大きさ、あるいは間隔が一定でない回折格子である。

請求項１５に記載の発明のようにすることで、さらに白色度を上げることが可能である。図１３に示したように、請求項１ないし請求項１３記載の回折格子Ｐと、ある空間周波数を持つ回折格子Ｑの高さを足すだけでよい。実際の作製の都合上、回折格子Ｑは周期が大きいものが良い。例えば、周期が４．７８μｍ、深さが６．４６μｍで頂点の位置Ｕが０．５の回折格子Ｐと周期が２０．０μｍ、深さが１５．８μｍの回折格子Ｑを足せば回折格子Ｒができる。

回折格子により曲げられた光は、一般に分光するので、上述のような設計をしても、完全に虹をなくすことは困難である。したがって、場合によっては、回折格子に加え、拡散体と併用する必要がある。けれども、拡散角度分布の広い拡散体を用いると輝度が低下する。しかし、上述のように工夫された形状の回折格子を用いれば、請求項１４に記載の発明のように拡散角度分布の狭い拡散体でも、虹を消すことが出来る。拡散体としては、散乱角度が狭く規定でき、かつ散乱効率の高い拡散体がよい。散乱効率・散乱角度は図１５に示したように、輝度計を用いて測定できる。拡散角度が±７°とは、図１５のθ１方向、θ２方向共に、拡散角分布の半値幅が７°であることを意味している。このような拡散体の例としては、ホログラム拡散体のほか、一つの溝の平均サイズが２から２０μｍで、平均のアスペクト比が０．１から０．３程度の幾何光学的な拡散体も使用できる。ホログラム拡散体の製造方法としては、特許文献１６の実施例に記載の方法が使える。拡散体は回折格子の裏に一体で作製する方が、空気と光学素子の界面におけるフレネル損を減らすことができ有利である。

本発明の光学素子の使い方としては、請求項１６に記載したように、導光板の上に載せて使うのが一般的であるが、さらに、請求項１７に記載したように、導光板の裏面は板中を伝播する光の向きと略垂直な複数の溝、表面は表面レリーフ型ホログラム拡散体であるような面光源の上に、配置することで高い輝度と輝度の均一性を得ることができる。液晶ディスプレイに使用される面光源装置であれば、偏光子・ガラス・カラーフィルタ・透明ガラス電極・液晶層等がその上に配置される。カラーフィルタと本発明の光学素子との距離は近いほうがよい。可能であるならばカラーフィルタの画素の間隔より短い距離のほうがよい。

以下に、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の形態はこれに制限されない。
図１６は、本実施の形態にかかる導光板４２を用いたバックライト構造を示しており、このバックライト構造は、携帯電話等の小型液晶表示装置用のものである。バックライトは、図の下から反射板５０、導光板にホログラム拡散体３８を一体にした導光板４２、本発明のホログラム光学素子（光曲げ用回折格子）１０と拡散角の半値幅がｘ，ｙ方向とも±７°である拡散体４０を一体とした一体フィルム５６、カラーフィルタ５４を備えた液晶パネル５２で構成される。導光板４２の入射端面４６側には、ＬＥＤ光源４８が設けられている。この構成により、ＬＥＤ光源４８から発せられた光を導光板４２の入射端面４６から入射させ、導光板の裏面４４に形成した反射グルーブに何度か全反射した後、出射面に形成したホログラム拡散体３８から出射させる。ホログラム光学素子１０により光を垂直方向に回折させ、液晶面に対して略均一な輝度の分布光束を伝達するものである。

導光板４２は、ポリカーボネートを用いて、射出成型法により作製した。厚み０．８ｍｍ、裏面の反射グルーブは図２０に示す構造で、周期は液晶パネルの画素とのモアレを防止するため１２０〜１５０μｍの範囲でランダムとなっている。また出射面に形成したホログラム拡散体３８は、入射端面４６に平行な方向に６０°（光強度が半分になる拡散角度が６０°）、入射端面４６に垂直な方向に１°の拡散特性とした。
ホログラム光学素子１０を形成するための光硬化型樹脂としては、アクリル樹脂系の紫外線硬化樹脂、例えば、ウレタンアクリレートや、エポキシアクリレートが用いられる。ホログラム光学素子の回折格子の形状は表１に示した回折格子Ａのようにした。

次に、ホログラム光学素子１０の製造方法について図１７を用いて説明する。図１７に示したように、ホログラム光学素子１０の製造装置８２において、金型ロール７６には、光硬化型樹脂６４を供給する供給ヘッド６２が対向して配置されており、金型ロール７６の回転方向下流には、メータリングロール７２、ニップロール７４、紫外線照射装置８０、離型ロール７８が、この順序で設けられている。
金型ロール７６には、その周面に回折格子溝が形成されており、光硬化型樹脂６４の表面に回折格子溝を転写するようになっている。回折格子溝の形成は、ダイヤモンドバイトを製作し、金型ロール７６の表面にダイヤモンドバイトと精密加工機により溝加工を施した。この金型ロール７６は真鍮の材質で製作し、ダイヤモンドバイトで溝加工後、速やかにクロム無電解メッキを行い表面の酸化、光沢、機械強度保護を行った。光硬化型樹脂６４としては、本実施の形態では商品名サンラットＲ２０１（三洋化成工業株式会社製商品名）を用いた。
製造時には、光硬化型樹脂６４を樹脂タンク５８から圧力制御装置６０、供給ヘッド６２を介して金型ロール７６に供給する。供給の際には、光硬化型樹脂６４の供給圧力は圧力センサで検知しながら、圧力制御装置６０で制御し、金型ロール７６に塗布する圧力を調整している。金型ロール７６に塗布した光硬化型樹脂６４は、メータリングロール７２により膜厚を一定に調節している。メータリングロール７２には、ドクターブレード６６が設けられており、メータリングロール７２に付着した樹脂を掻き取り、金型ロール７６に塗布された樹脂の均斉度を安定化させている。
メータリングロール７２の下流にあるニップロール７４と金型ロール７６との間には、透明ベースフィルム（透光フィルム）６８が供給されており、透明ベースフィルム６８をニップロール７４と金型ロール７６とで挟み込んで、光硬化型樹脂６４に透明ベースフィルム６８を密着させている。光硬化型樹脂６４に透明ベースフィルム６８が密着した状態で紫外線照射装置８０に到達すると、紫外線照射装置８０から発した紫外線により光硬化型樹脂６４が硬化するとともに、透明ベースフィルム６８に接着し、一体のフィルムとした後、離型ロール７８により金型ロール７６から一体のフィルムシート７０を剥離する。これにより、長尺のフィルムシート７０を連続的に得ることができる。
このようにして製造したフィルムシート７０を所定の寸法に裁断してホログラム光学素子１０を得る。なお、ホログラム光学素子（回折格子）は射出成形や熱プレス工法でも作製することもできる。
尚、本実施形態における透明ベースフィルム６８としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を用いたが、これに限らず、ポリカーボネートやアクリル樹脂、熱可塑性ウレタン等を用いることができる。また、光硬化型樹脂６４としてもアクリル変性エポキシやアクリル変性ウレタン等の他の材料を選定することが可能である。紫外線照射装置８０の光源は、メタルハライドランプ（最大８Ｋｗ）を用い、フィルムシート７０の送り速度は、３ｍ／分で製作した。送り速度は、光硬化型樹脂６４の硬化特性、透明ベースフィルム６８の光吸収特性により変化するが、更にＷ（ワット数）の高いメタルハライドランプを用いることにより、送り速度を速めることが可能である。

このように作製した面光源装置は、充分な正面方向輝度を有しており、モアレによるむらや分光による色づきも見られず液晶表示装置用のバックライトとして優れた特性を示した。このホログラム光学素子（回折格子）の光学特性を図１８および図１９に示した。図１８は、波長４８８ｎｍのレーザー光の入射角度を５０、６０，７０°、偏光角を０°（Ｐ偏光）と９０°（Ｓ偏光）に設定して、計６種類の実験を行ったものである。凡例の“５０−０”は入射角５０°、偏光角０°を意味している。一方、図１９は波長を６３３ｎｍにして同様の実験を行ったものである。ともに、６０°入射のときには、垂直方向の０°に回折され、出射されている。一方、７０°入射のときには、そのまま、１０°ずれるのではなく、やや垂直方向に分布が偏る。つまり、より正面方向に光が回折される。この効果を利用すれば、正面方向での輝度を上げることができる。

比較のため用いたプリズムシートの形状は、図３において、θ＝４３．１５°、ｄ＝５０μｍ、Ｕ＝０．３であり、市販の回折格子の形状は、θ＝９０°、ｄ＝１．６７μｍ、Ｕ＝０．２９である。これらの形状を表１にまとめて示した。比較のために、回折格子Ａより深さのすこし深いものも作製し、回折格子Ｂとした。また、図７のように周期と深さが一定でなく、形状が相似な回折格子Ｃを作製した。回折格子Ｃの格子周期は、６μｍ、５μｍ、４μｍ、６．５μｍ、５．５μｍ、４．５μｍ、６μｍ、５μｍ、４μｍ・・・・である。、それぞれの周期が７つづつで、一組となっているので、４２格子溝で１周する。形状は回折格子Ａと相似である。
このようにして加工した回折格子は従来のプリズムシートや回折格子に比べ表２のような特性となった。表２では、深さが異なる場合の特性についても記している。輝度の評価は図６の形態で、モアレ・虹の評価は図１６の形態で行った。輝度は図１５のように輝度計で垂直方向から測定し、虹とモアレは目視で観察した。

回折格子はプリズムシートに比べ、溝の深さを小さく出来る分、それを保持するために必要な全体の膜厚も小さく出来た。その結果、プリズムシートでは０．１５ｍｍであった厚さｔを０．１３ｍｍまで減らすことができた。また、プリズムシートはカラーフィルタの画素との干渉でモアレが発生したが、回折格子では発生しなかった。
一方、市販の周期の小さい回折格子は虹が発生すると同時に輝度も落ちるので使えない。
さらに、回折格子ＡとＢを比較すると、格子深さが深いほうに変化しても正面輝度は大きくは変化しない。そして、回折格子ＡとＣでは拡散体を入れた図１６の評価では差が出ないが、拡散体を入れない場合、回折格子Ｃは回折格子Ａよりも虹が薄くなるという違いがでる。

面光源から斜めに出射した光を回折格子が垂直方向に集光することを説明する図。 回折格子における入射角θiと出射角θoを説明する図。 回折格子の鋸歯の形状を説明する図。 階段状の鋸歯の形状を説明する図。 溝形状は相似で異なる周期の溝を持つ回折格子の一例を示す図。 溝形状は相似で異なる高さの溝を持つ回折格子の一例を示す図。 溝形状は相似で異なる大きさの溝を持つ回折格子の一例を示す図。 溝形状は相似で格子の並びに周期性がない回折格子の一例を示す図。 溝形状は必ずしも相似でなく異なる周期の溝を持つ回折格子の一例を示す図。 溝形状は必ずしも相似でなく異なる高さの溝を持つ回折格子の一例を示す図。 溝形状は必ずしも相似でなく５個以上の格子が並んだ回折格子の一例を示す図。 溝形状は必ずしも相似でなく非周期的に格子が並んだ回折格子の一例を示す図。 回折格子Ｐと、ある空間周波数を持つ回折格子Ｑの高さを足して新たな回折格子を得る例を示す図。 液晶ディスプレイの構成を示す図。 拡散特性の規定方法および測定方法を示す説明図である。 液晶ディスプレイの構成を示す図。 回折格子の製造装置を概略的に示した断面図。 回折格子の回折角と回折効率の関係を示したグラフ。 回折格子の回折角と回折効率の関係を示したグラフ。 導光板の形状を説明した断面図。

符号の説明

１０．回折格子（ホログラム光学素子）
１２．導光板
１４．入射光
１６．出射光
１８．周期の小さい回折格子Ｐ
２０．周期の大きい回折格子Ｑ
２２．液晶パネル
２４．拡散体
２６．垂直な出射光
２８．入射するレーザー光とその向き
３０．透過の光学素子
３２．輝度計
３４．拡散方向が方向ベクトルＳ（Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚ）である拡散透過光の向き
３６．上下の散乱角の指標であるＳｘの範囲が−sin（θ1）＜Ｓｘ＜sin（θ1）かつ左右の散乱角の指標であるＳｙの範囲が−sin（θ2）＜Ｓｙ＜sin（θ2）である拡散光の広がりを示す領域
３８. ホログラム拡散体
４０. 拡散角の半値幅がｘ、ｙ方向とも±７°である拡散体
４２. 導光板
４４. 導光板の裏面
４６. 導光板の入光端面
４８. 光源
５０. 反射板
５２．液晶パネル
５４．カラーフィルタ
５６．光学素子と拡散体の一体フィルム
５８．樹脂タンク
６０．圧力制御装置
６２．供給ヘッド
６４．光硬化型樹脂
６６．ドクターブレード
６８．透明ベースフィルム
７０．フィルムシート
７２．メータリングロール
７４．ニップロール
７６．金型ロール
７８．離型ロール
８０．紫外線照射装置
８２．製造装置

Claims (17)

1. 曲げ角度の波長依存性が小さく、斜め方向から入射した白色光の分光を抑えて垂直方向に集光するために使用されるホログラム光学素子であって、格子溝の平均周期が２〜２０μｍで、格子溝の凸部分の形状が三角形または台形であり、この三角形の頂角、または台形の平行な二辺に挟まれた二斜面のなす角θが６５°以下であることを特徴とする光学素子。
2. 請求項１に記載の二斜面のなす角θについて、二斜面の交点から三角形または台形の底辺に垂直に降ろした時の交点が底辺をａ：ｂに分割し、ａ＜ｂであるとき、Ｕ＝ａ／（ａ＋ｂ）とすると、６１．７°×Ｕ＋３０°＜θ＜６１．７°×Ｕ＋４０°であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 波長６３３ｎｍのレーザー光を入射角θ（５５°＜θ＜７５°）で、光学素子面から、入射させたとき、輝度の出射角分布の重心が±８°内に入ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学素子。
4. 斜めに入射する白色光を垂直方向に集光するために使用されるホログラム光学素子であって、格子間隔あるいは深さが非周期的であり、格子溝の凸部分の形状が互いに略相似であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光学素子。
5. 異なる幅を持つ格子溝Ａ１、Ａ２、Ａ３．．Ａi．．が｛Ａ１・・・Ａ１｝、｛Ａ２・・・Ａ２｝、｛Ａ３・・・・Ａ３｝、．．．、｛Ａｉ・・・・Ａｉ｝、．．．のようにそれぞれ平均して５個以上を１単位として並んでいることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
6. 異なる深さを持つ格子溝Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３．．Ｂi．．が｛Ｂ１・・・Ｂ１｝、｛Ｂ２・・・Ｂ２｝、｛Ｂ３・・・・Ｂ３｝、．．．、｛Ｂｉ・・・・Ｂｉ｝、．．．のようにそれぞれ平均して５個以上を１単位として並んでいることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
7. 幅及び深さの異なる格子溝Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３．．Ｃi．．が｛Ｃ１・・・Ｃ１｝、｛Ｃ２・・・Ｃ２｝、｛Ｃ３・・・・Ｃ３｝、．．．、｛Ｃｉ・・・・Ｃｉ｝、．．．のようにそれぞれ平均して５個以上を１単位として並んでいることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
8. 幅や深さの異なる格子溝Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３．．Ｄi．．がＤ３、Ｄi、Ｄ２、Ｄ１、．．．、Ｄi、．．．、Ｄ３、．．．、Ｄ１、．．．のようにランダムに並んでいることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
9. 斜めに入射する白色光を垂直方向に集光するために使用されるホログラム光学素子であって、格子間隔あるいは深さが非周期的であり、格子溝の凸部分の形状が互いに略相似でないことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光学素子。
10. 周期が同じで、異なる深さを持つ格子溝Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、．．、Ｅｉ、．．が｛Ｅ１・・・Ｅ１｝、｛Ｅ２・・・Ｅ２｝、｛Ｅ３・・・・Ｅ３｝、．．．、｛Ｅｉ・・・・Ｅｉ｝、．．．のようにそれぞれ平均して５個以上を１単位として並んでいることを特徴とする請求項９に記載の光学素子。
11. 深さが同じで、異なる周期を持つ格子溝Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、．．、Ｆｉ、．．が｛Ｆ１・・・Ｆ１｝、｛Ｆ２・・・Ｆ２｝、｛Ｆ３・・・・Ｆ３｝、．．．、｛Ｆｉ・・・・Ｆｉ｝、．．．のようにそれぞれ平均して５個以上を１単位として並んでいることを特徴とする請求項９に記載の光学素子。
12. 深さと周期の異なる格子溝Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、．．、Ｇi、．．が｛Ｇ１・・・Ｇ１｝、｛Ｇ２・・・Ｇ２｝、｛Ｇ３・・・・Ｇ３｝、．．．、｛Ｇｉ・・・・Ｇｉ｝、．．．のようにそれぞれ平均して５個以上を１単位として並んでいることを特徴とする請求項９に記載の光学素子。
13. 周期や深さの異なる格子溝Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、．．、Ｈi、．．がＨ３、Ｈi、Ｈ２、Ｈ１、．．．、Ｈi、．．．、Ｈ３、．．．、Ｈ１、．．．のようにランダムに並んでいることを特徴とする請求項９に記載の光学素子。
14. 請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の光学素子とカラーフィルタとの間に拡散角分布の半値幅が７°以下の拡散体を配置したことを特徴とする光学素子。
15. 請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の光学素子と、それらと異なる空間周波数を持つ一つまたは複数の、回折格子ないしプリズムシートの高さを足し合わせるか裏面に配置することで作製される光学素子。
16. 導光板の上に、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の光学素子を配置した面光源装置。
17. 導光板の裏面は板中を伝播する光の向きと略垂直な複数の溝、表面は表面レリーフ型ホログラム拡散体であり、その上に、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の光学素子を配置した面光源装置。
    

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