JP2008210555A

JP2008210555A - 光学素子

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Publication number: JP2008210555A
Application number: JP2007043906A
Authority: JP
Inventors: Shingo Komiyama; 慎悟小宮山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2008-09-11

Abstract

【課題】白色光を入射させた際の色ムラや白色光または単色光を入射させたときの輝度ムラの発生を抑制した光学素子を提供すること。
【解決手段】基板２と、基板２の出射面２ａに設けられた複数の柱状体３とを有し、柱状体３は、ハニカム格子状に配置されていると共に、突出方向に対して垂直な面での断面における最大内接円の直径Ｒが使用波長の０．１倍以上３倍以下、高さＨが直径Ｒの０．５倍以上５倍以下、隣接する他の柱状体３との中心間隔Ｐが直径Ｒの０．５倍以上５倍以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばフォトニック構造を有する光学素子に関する。

フォトニック結晶は、光の波長領域において周期的に屈折率が変化する構造体である。そして、このフォトニック結晶を例えば発光ダイオードのような発光体の発光面に設けることで、発光体で発生した光の取出効率の向上を図ることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、フォトニック結晶は、発光面において格子状に配置された複数の円柱体で構成されており、互いに屈折率が異なる２つの物質である円柱体と空気層とが所定の間隔で規則的に配置された構造となっている。このため、発光面に対して臨界屈折角よりも大きい法線角度で発光面から出射する光が周期的に形成された円柱体と空気層とによる回折により、出射方向を臨界屈折角よりも小さくすることが可能となる。これにより、フォトニック結晶に入射した光は、円柱体により発光面に対してほぼ垂直な方向に回折する。したがって、発光面において全反射される光の割合が小さくなり、光の取出効率が向上する。

ところで、携帯電話機などの電子機器の表示部には、液晶表示装置が用いられている。この液晶表示装置には、通常、表示の視認性を高めるためのバックライトユニットが設けられている。このバックライトユニットは、光源からの照明光を内部で導光させた後、液晶パネルに向けて出射させる導光板を備えている。
そこで、このような導光板において、照明光の取出効率を向上させるため、出射面に上述したフォトニック結晶を設けることが考えられる。
特開２００６−４９８５５号公報

しかしながら、上記従来の光学素子においても、以下の課題が残されている。すなわち、円柱体を千鳥格子状に配置したフォトニック構造では、このフォトニック構造を経て出射する光の回折が顕著に現れる。このため、回折角度のフォトニック構造に入射する光の波長依存性が大きくなる。したがって、フォトニック構造に白色光を入射させた場合には分光（色ムラ）が発生し、また白色光または単色光を入射させた場合には出射角度に応じて輝度が大きく変化する（輝度ムラ）が発生するという問題がある。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたもので、白色光を入射させた際の色ムラや白色光または単色光を入射させたときの輝度ムラの発生を抑制した光学素子を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明にかかる光学素子は、基板と、該基板の一面に設けられた複数の柱状体とを有し、内部に光を導通させる光学素子であって、前記柱状体は、ハニカム格子状に配置されていると共に、突出方向に対して垂直な面での断面における最大内接円の直径が使用波長の０．１倍以上３倍以下、高さが前記直径の０．５倍以上５倍以下、隣接する他の柱状体との中心間隔が前記直径の０．５倍以上５倍以下であることを特徴とする。

この発明では、柱状体をハニカム格子状に配置することで柱状体及び柱状体の間の空気層による光の回折を低減し、白色光を入射させた際の色ムラや白色光または単色光を入射させたときの輝度ムラを軽減できる。すなわち、ハニカム格子状に配置された柱状体は、千鳥格子状に配置された柱状体の一部を周期的に取り除いた構造となっている。そのため、光の回折が、千鳥格子状に柱状体を配置した場合と比較して、柱状体を周期的に取り除いたことで弱くなる。したがって、使用波長における回折角度の波長依存性が小さくなり、色ムラや輝度ムラを低減できる。また、円柱体をハニカム格子状で均一に配置することで、基板の一面からの出射光の光量バラツキを抑制できる。
ここで、柱状体の断面における最大内接円の直径を使用波長の０．１倍以上３倍以下とすることにより、複数の柱状体及び空気層によって光を回折させて光学素子内を導光する光を効率よく取り出すことができる。また、高さを最大内接円の直径の０．５倍以上５倍以下とすることによっても、高い光の取出効率が得られる。そして、柱状体のピッチを最大内接円の直径の０．５倍以上５倍以下とすることにより、使用波長の光を確実に回折させることができる。
なお、隣接する２つの柱状体の一部が互いに重なっていてもよい。

また、本発明における光学素子は、前記柱状体が、円柱形状を有することとしてもよい。
この発明では、基板の一面に複数の円柱体を形成することでフォトニック結晶を構成する。

また、本発明における光学素子は、前記柱状体の前記使用波長における屈折率が、１．４以上であることが好ましい。
この発明では、柱状体と空気層との屈折率差を十分に確保することで、複数の柱状体及び空気層による光の回折をより確実に発生させて光の取出効率をより高くすることができる。

以下、本発明における光学素子の一実施形態を、図面を用いて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。ここで、図１は、導光板を示すもので（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。

［導光板］
本実施形態における光学素子は、例えば液晶表示装置のバックライトユニットに設けられる導光板（光学素子）１であって、図１に示すように、基板２と、基板２と一体的に形成されて基板２の一面から突出して形成された複数の円柱体（柱状体）３とを備えている。また、導光板１は、その一側面（図示略）が後述する光源５６から照射された照明光が入射する入射面となっており、円柱体３が形成された一面が出射面２ａとなっている。

そして、導光板１は、例えば使用する波長領域において透光性を有する樹脂材料で構成されている。
ここで、導光板１を構成する樹脂材料としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）などのポリオレフィン、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド（例えばナイロン６、ナイロン４６、ナイロン６６、ナイロン６１０、ナイロン６１２、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６−１２、ナイロン６−６６）、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ−（４−メチルペンテン−１）、アイオノマー、アクリル系樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリオキシメチレン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エチレン−ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリシクロヘキサンテレフタレート（ＰＣＴ）などのポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンオキシド、変性ポリフェニレンオキシド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、芳香族ポリエステル（液晶ポリマー）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、その他フッ素系樹脂、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系などの各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂など、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイなどが挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば、ブレンド樹脂、ポリマーアロイ、積層体などとして）用いることができる。
なお、導光板１は、使用する波長領域において透光性を示せば、樹脂材料に限らず、他の材料で構成されてもよい。

また、導光板１の透過率は、使用する光の波長領域において、８５％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。これにより、導光板１に入射した光の取出効率の向上を図る。
そして、導光板１は、その屈折率が使用する波長領域において１．４以上となっている。ここで、屈折率は、１．４以上１．７以下であることが好ましい。これにより、導光板１に入射した光の利用効率をさらに向上させることができると共に、出射する光に高い指向性を持たせることができる。また、導光板１の周辺環境の気温や湿度などによりフォトニック結晶としての機能が十分に発揮されないことを防止できる。

基板２は、ほぼ板形状を有しており、出射面２ａとは反対側の面に複数の溝部４が形成されている。
この溝部４は、入射面とほぼ平行となるように形成されており、断面がほぼＶ字状となっている。また、溝部４は、入射面に向かって傾斜した傾斜面４ａを有している。ここで、傾斜面４ａの傾斜角度θは、出射面２ａの法線方向に対して９０°未満であることが好ましく、６０°から８５°であることがより好ましい。これにより、入射した光を円柱体３に向けて効率よく導くことができる。
そして、溝部４は、光源５６から離間するにしたがって、その幅が小さくなっている。ここで、溝部４の幅Ｗは、例えば５０μｍから２００μｍであることが好ましい。また、溝部４の深さＤは、０．５μｍから１０μｍであることが好ましく、０．５μｍから５μｍであることがより好ましい。これにより、入射した光を円柱体３に向けて効率よく導くことができる。

円柱体３は、基板２の一面に規則的に配列されている。すなわち、円柱体３は、基板２の一面にハニカム格子状に配置されている。
また、円柱体３の直径Ｒは、使用する波長の０．１倍以上３倍以下となっている。ここで、使用する波長領域は、可視光領域である３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下となっている。したがって、円柱体３の直径は、使用する波長領域のすべての波長において０．１倍以上３倍以下である、７８ｎｍ以上１．１４μｍ以下の範囲内となっている。
そして、円柱体３の高さＨは、円柱体３の直径の０．５倍以上５倍以下となっている。さらに、隣接する他の円柱体３の中心との間隔であるピッチ（中心間隔）Ｐは、円柱体３の直径の０．５倍以上５倍以下となっている。

［導光板の製造方法］
次に、以上のような構成の導光板１の製造方法について、図２から図４を参照しながら説明する。ここで、図２から図４は、導光板１の製造方法を示す工程図である。
まず、例えばＳｉ（シリコン）などで構成された基材１１上にレジスト層１２を形成し（図２（ａ））、フォトリソグラフィ技術などにより円柱体３と同様の形状、配置を有する凸部１３を形成する（図２（ｂ））。
そして、凸部１３が形成されたレジスト層１２の表面に導電膜１４を形成する（図２（ｃ））。ここで、導電膜１４を構成する導電材料としては、例えばＮｉ（ニッケル）やＡｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｆｅ（鉄）、Ｚｎ（亜鉛）、Ａｇ（銀）など及びこれらの合金などが挙げられる。また、導電膜１４の形成方法としては、例えば蒸着法やイオンプレーティング法、スパッタ法などの気相成長法、電解メッキや無電解メッキなどの湿式メッキ法などが挙げられる。

次に、導電膜１４の表面に、電鋳法を用いて金属（電鋳金属）を電着させ、導電膜１４上に電鋳金属層１５を形成する（図２（ｄ））。ここで、電鋳金属層１５を構成する金属材料としては、例えばＮｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｇ、Ａｕ（金）などが挙げられる。これにより、凸部１３の形状が精密に転写される。
その後、基材１１及びレジスト層１２を除去することで、凸部１３と対応する凹部１６を有する第１型部材１７を形成する（図２（ｅ））。

また、例えばＳｉなどで構成された基材２１上にレジスト層２２を形成し（図３（ａ））、上述と同様に、フォトリソグラフィ技術などにより溝部４と同様の形状、配置を有する凸部２３を形成する（図３（ｂ））。そして、凸部２３が形成されたレジスト層２２の表面に導電膜２４を形成し（図３（ｃ））、さらに電鋳金属層２５を形成した後（図３（ｄ））、基材２１及びレジスト層２２を除去することで、第２型部材２７を形成する（図３（ｅ））。

続いて、第１及び第２型部材１７、２７を、それぞれの凹部１６、２６が対向するようにして射出成形機に設置する（図４（ａ））。そして、第１及び第２型部材１７、２７の間に加熱により軟化した樹脂材料３０を射出し、これを冷却硬化させる（図４（ｂ））。その後、第１及び第２型部材１７、２７を離間させる。以上のようにして、図１に示すような導光板１を製造する。

［液晶表示装置］
以上のような構成の導光板１は、例えば図５に示すような液晶表示装置５０に用いられる。ここで、図５は、液晶表示装置を示す概略断面図である。
この液晶表示装置５０は、図５に示すように、素子基板５１と、素子基板５１に対向配置された対向基板５２と、素子基板５１及び対向基板５２の間に配置された液晶層５３と、素子基板５１の外側（液晶層５３から離間する側）に配置されたバックライトユニット５４とを備えている。そして、液晶表示装置５０は、素子基板５１と対向基板５２とをシール材５５で貼り合わせており、このシール材５５によって液晶層５３が素子基板５１と対向基板５２との間で封止されている。

素子基板５１は、平面視でほぼ矩形状であってガラス基板を基体としており、このガラス基板上に種々の金属膜や絶縁膜、半導体層、不純物層などが形成されている。そして、素子基板５１には、フォトリソグラフィ技術やインクジェット法などの所定の手法を用いてガラス基板上に形成された画素電極、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）及び蓄積コンデンサなどを含む画素部分と、画素に電気信号などを供給する配線部分とを備えている。さらに、素子基板５１の内側の面（液晶層５３側の面）には、液晶層５３を構成する液晶分子の配向を制御する配向膜が形成されている。

対向基板５２は、素子基板５１と同様に、平面視でほぼ矩形状であってガラス基板を基体としており、このガラス基板上にブラックマトリックスやカラーフィルタ層、保護膜及び電極などが形成されている。また、対向基板５２の内側の面には、配向膜が形成されている。この配向膜は、液晶分子の配向方向が素子基板５１に形成された配向膜による配向方向と直交するように形成されている。

バックライトユニット５４は、上述した導光板１と、導光板１に向けて照明光を照射する光源５６と、光を導光板１に向けて反射する反射板５７とを備えている。
光源５６は、例えば白色ＬＥＤなどの発光素子を備えており、照明光を導光板１の入射面に向けて照射する構成となっている。
反射板５７は、導光板１の外側（出射面２ａから離間する側）に配置されており、導光板１の溝部４において反射されずに透過した光を導光板１に向けて反射する構成となっている。

以上のような構成の液晶表示装置５０では、光源５６から出射した照明光が導光板１の入射面から導光板１内に入射する。そして、導光板１に入射した光は、溝部４において円柱体３が形成された出射面２ａに向けて反射される。このとき、斜面部４ａの傾斜角度θを出射面２ａの法線方向に対して６０°から８５°とすることで、光源５６から入射した光が出射面２ａに向けて効率よく導かれる。また、溝部４の幅を光源５６から離間するにしたがって狭くすることで、出射面２ａに向けて光が均一に導かれる。そして、溝部４において導光板１から出射した光は、反射板５７により反射されて導光板１に再入射する。

その後、出射面２ａに向けて反射された光は、複数の円柱体３により出射面２ａに対してほぼ垂直な方向に回折され、出射面２ａから出射する。このとき、円柱体３をハニカム格子状に配置しているので、使用する波長領域における色ムラや輝度ムラが低減される。また、円柱体３の直径を使用する波長領域のすべての波長において０．１倍以上３倍以下である７８ｎｍ以上１．１４μｍ以下、高さを直径の０．５倍以上５倍以下、ピッチを直径の０．５倍以上５倍以下とすることで、使用波長領域において光の回折が発生する。

［電子機器］
そして、上述した液晶表示装置５０は、例えば図６に示すような携帯電話機１００の表示部１０１として用いられる。ここで、図６は、携帯電話機を示す斜視図である。
この携帯電話機１００は、表示部１０１、複数の操作ボタン１０２、受話口１０３、送話口１０４及び上記表示部１０１を有する本体部を備えている。

以上のような構成の導光板１によれば、円柱体３をハニカム格子状に配置することで、使用波長領域における回折角度の波長依存性が小さくなり、使用波長領域における色ムラや輝度ムラの発生が抑制される。また、円柱体３の直径を使用する波長領域のすべての波長において０．１倍以上３倍以下である７８ｎｍ以上１．１４μｍ以下、高さを直径の０．５倍以上５倍以下、ピッチを直径の０．５倍以上５倍以下とすることで、使用波長領域において光の回折を発生させることができる。
そして、円柱体３の屈折率を１．４以上として空気層との屈折率差を十分に確保することで、複数の円柱体３による光の回折を確実に行って光の取出効率を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、基板及び円柱体の屈折率を１．４以上としているが、複数の円柱体によって光を回折させることができれば、１．４未満であってもよい。
また、柱状体を円柱形状としているが、四角柱のような角柱など、他の形状であってもよい。

また、上記実施形態では２つの型部材の間に樹脂を充填することによって導光板を形成しているが、例えば以下の製造方法など、他の製造方法であってもよい。ここで、図７は他の導光板の製造方法を示す工程図である。
まず、上述と同様に第１及び第２型部材１７、２７を形成する。そして、板状の樹脂基板１１０の一面に加熱した第２型部材２７を押圧することで、第２型部材２７の凹部２６の形状が樹脂基板１１０に熱転写する（図７（ａ））。これにより、樹脂基板１１０の一面に溝部４が形成される。
次に、樹脂基板１１０の他方の面と第１型部材１７の凹部１６とを間隙をあけて対向配置する。そして、樹脂基板１１０と第１型部材１７との間に樹脂１１１を注入し、第１型部材１７及び樹脂基板１１０によって樹脂１１１を押圧した状態で紫外線照射や加熱により樹脂１１１を硬化させる（図７（ｂ））。これにより、第１型部材１７の凹部１６の形状が樹脂１１１に転写され、硬化した樹脂１１１により円柱体３が形成される。
ここで、樹脂１１１の屈折率は、樹脂基板１１０の屈折率と同等であることが好ましい。これにより、樹脂基板１１０と硬化した樹脂１１１との間の界面における光の反射を防止できる。以上のようにして、導光板１を製造する。
また、型部材を用いず、例えば石英などで構成された基板にフォトリソグラフィ技術などを用いて円柱体や溝部を直接形成することで、導光板を製造してもよい。

また、基板の出射面と反対側の面に断面ほぼＶ字状の溝部を形成しているが、入射した光を円柱体に向けて効率よく導くことができれば、他の形状であってもよい。このとき、例えば図８（ａ）に示す導光板１２０のように、基板２の出射面２ａと反対側の面にほぼ半球状である複数の凸部１２１を平面状に分散して設けてもよい。この凸部１２１は、その直径が例えば２０μｍ以上２００μｍ以下程度となっており、ドットパターンまたはＭＬＡ（マイクロレンズアレイ）を構成している。このように、複数の凸部１２１を設けることで、出射面２ａと反対側の面において凸部１２１を２次元で配置することが可能となる。これにより、溝部４を形成する場合と比較して設計の自由度が向上し、より均一に光を散乱させることができる。ここで、凸部１２１は、入射した光を円柱体３に向けて効率よく導くことができれば、レンズとして機能する必要はない。
そして、凸部１２１に限らず、図８（ｂ）に示す導光板１３０のように、ほぼ半球状の凹部１３１を設けてもよい。このように凹部１３１を形成しても、上述と同様の作用、効果を奏する。

また、導光板が光源から出射した照明光を側面から入射させる構成となっているが、出射面とは反対側の面から照明光を入射させる構成としてもよい。この場合は、基板に溝部を形成する必要がなくなる。
また、光学素子が、バックライトユニットの導光板として設けられているが、導光板に限らず、有機ＥＬ装置やＬＥＤなどの発光素子の出射面に直接設けられてもよい。

本発明の導光板を示す平面図及びＡ−Ａ矢視断面図である。導光板の製造方法を示す工程図である。同じく、導光板の製造方法を示す工程図である。同じく、導光板の製造方法を示す工程図である。導光板を備える液晶表示装置を示す概略断面図である。液晶表示装置を備える携帯電話機を示す斜視図である。導光板の他の製造方法を示す工程図である。本発明を適用可能な他の導光板を示す断面図である。

符号の説明

１，１２０，１３０導光板、２基板、２ａ出射面（一面）、３円柱体（柱状体）、Ｈ高さ、Ｐピッチ（中心間隔）、Ｒ直径

Claims

基板と、該基板の一面に設けられた複数の柱状体とを有し、内部に光を導通させる光学素子であって、
前記柱状体は、ハニカム格子状に配置されていると共に、突出方向に対して垂直な面での断面における最大内接円の直径が使用波長の０．１倍以上３倍以下、高さが前記直径の０．５倍以上５倍以下、隣接する他の前記柱状体との中心間隔が前記直径の０．５倍以上５倍以下であることを特徴とする光学素子。
前記柱状体が、円柱状であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
前記柱状体の前記使用波長における屈折率が、１．４以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。