JP2011053265A

JP2011053265A - 回折型集光フィルムおよび面光源装置

Info

Publication number: JP2011053265A
Application number: JP2009199537A
Authority: JP
Inventors: Takenao Yoshikawa; 武尚吉川; Masayuki Kyoi; 正之京井; Yasushi Sugimoto; 靖杉本; Toshihiro Endo; 俊博遠藤
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-17

Abstract

【課題】液晶ディスプレイに用いられる面光源装置の正面輝度を向上する回折型集光フィルムを提供する。
【解決手段】２つの頂部を有する格子パターンからなる回折格子を備えた回折型集光フィルム１を提供する。回折型集光フィルム１の備える格子パターン２は、法線と角αをなす第一の面と、法線と角βをなす第二の面と、前記第二の面と角δをなして第二の頂部を形成する、前記第二の面が角γだけ傾いた第三の面と、を備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、回折型集光フィルム、および、回折型集光フィルムを用いた面光源装置に関するものである。

非自発光デバイスである液晶ディスプレイでは、一般的に、外部光の供給源としてバックライトを利用するバックライト方式が採用されている。バックライト方式の液晶ディスプレイでは、光学素子パターンが形成された光学部品を用いて斜め方向から入射した光を垂直方向に曲げて出射させる技術が知られている。

例えば、特許文献１に記載の技術では、波動光学に基づく回折現象を利用した光学素子パターンを有する回折型集光フィルムによって、光の反射、透過方向を制御している。

特開２００６-０５８８４４号公報

しかしながら、携帯電話などの液晶ディスプレイでは、高精細化や動画再生に対応するため、より一層の高輝度特性や低消費電力化、軽量化が求められている。また、バックライト方式では、集光フィルムの上面または下面に拡散フィルムを配置する場合があるが、このような構成では液晶ディスプレイの正面輝度が低下してしまうため、より高い正面輝度が得られる回折型集光フィルムが要求される。

そこで、本発明では、より高い正面輝度を得ることが可能な技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明の回折型集光フィルムは、より高い正面輝度を得ることが可能な技術を提供する。

例えば、本発明の回折型集光フィルムの一方の面に備えられる回折格子は、格子パターンが一方向に連続してなり、前記格子パターンは、前記回折型集光フィルムの他方の面の法線と角αをなす第一の面と、前記法線と角βをなし、前記第一の面と、前記一方の面側の先端の辺である第一の頂部を形成する第二の面と、前記第二の面と角δをなし、第二の頂部を形成する第三の面と、を備え、前記角βは、前記角αよりも小さく、前記第三の面は、前記第二の面を、前記角δが格子パターンの内角となる方向へ角γだけ傾けた面であることを特徴とする回折型集光フィルム。

以上のように、本発明に係る回折型集光フィルムによれば、より高い正面輝度を得ることが可能な技術を提供することができる。

一般的な面光源装置２００の構造を説明するための概略説明図。（ａ）一般的なプリズムシート２０４ａの有するプリズムパターン３０４ａのＸ方向断面を、Ｙ方向へ見た場合の概略図、図２（ｂ）一般的な格子パターン３０４ｂのＸ方向断面を、Ｙ方向へ見た場合の概略図。光の入射角および出射角を説明するための説明図。回折型集光フィルム１のＸ方向断面図。格子パターン４を備える回折集光フィルムのＸ方向断面図。図６（ａ）拡散フィルムを用いない構成の面光源装置６１の概略説明図、図６（ｂ）拡散フィルム１０５を用いた構成の面光源装置６２の概略説明図、図６（ｃ）回折型集光フィルム１よりも背面側に拡散フィルム１０５備えた構成の面光源装置６３の概略説明図。携帯電話などの小型液晶ディスプレイに用いられる面光源装置６４の概略説明図。ロール金型８０の概略図。ロール金型８０に切削される反転パターン９の断面図。ロール金型８０に対する切削加工の説明図。反転パターン９の転写成形加工の説明図。（ａ）回折型集光フィルム１のＸ方向断面写真、（ｂ）回折型集光フィルム２０４ｂのＸ方向断面写真。回折型集光フィルム２０４ｂ、および、回折型集光フィルム１の出射光について、所定の位置における輝度値を示すグラフ。

まず、本発明の理解のため、バックライト方式の液晶ディスプレイの代表的な構造について、図１を参照しながら説明する。

図１に示すように、一般的な面光源装置２００は、光を反射する反射板２０２と、側面に設けられる光源としてのバックライト２１０からの光を均一な面発光に変えるための導光板（ライトガイド）２０３と、導光板２０３から入射する光の向きを、上面の法線方向へと曲げるための光学素子パターンが形成された光学部品２０４と、光を散乱、拡散させて均一化させるための拡散フィルム２０５とが背面側からこの順で積層されてなる。面光源装置２００の上面に液晶層および基板等からなる液晶パネル２０６が配置され液晶ディスプレイとして構成される。以下、バックライトの長手方向に沿った方向をＹ方向、光学素子パターン列が並ぶ方向をＸ方向と称する。

光学部品２０４には、例えば、図２（ａ）に示すプリズムパターン３０４ａを備えたプリズムシート２０４ａや、図２（ｂ）に示す格子パターン３０４ｂを備えた回折型集光フィルム２０４ｂが使用される。

図２（ａ）は、一般的なプリズムシート２０４ａの有するプリズムパターン３０４ａのＸ方向断面を示す図である。

プリズムシート２０４ａは、導光板２０３に対向する連続した複数のプリズムパターン３０４ａを備えるプリズム面を有している。プリズム面は、三角柱状をしたプリズムパターン３０４ａが一方向に連続して配列されたものであり、一般的なプリズムパターン３０４ａでは、頂部の角度θが６３〜９０°、ピッチｄが２０〜５０μｍ程度である。

導光板から出射される光の光学素子パターンへの入射光６の入射角θi（図３参照）は、その設計に依存するが、一般的には６０°程度であることが多い。そこで、プリズムシートは、この光を効率よく出射角θoが０°の方向、つまり上面の法線方向に曲げる必要がある。そのため、プリズムシートパターンでは、空気層との界面反射であるフレネル反射が小さく、多くの光が０°の方向に進むよう設計される。また、導光板からの出射光７が角度分布を持つ場合には、θiが多少変動しても法線方向への輝度が減少しないよう、プリズムシートに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できる。さらに、光源であるバックライト２１０からの光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、プリズムシート２０４ａでは、スネルの法則に基づいて幾何光学的に出射光を曲げている。このような、幾何光学的に光を曲げる方法では、プリズムパターン３０４ａの凹凸の高さが大きいため、シートの膜厚が厚くなり薄型化が難しい。

一方、図２（ｂ）に示す波動光学に基づく回折・干渉現象を利用して光を偏向および集光する回折型集光フィルム２０４ｂでは、導光板２０３に対向する面に、プリズムシートよりも頂部の角度θが小さく、かつ、微細な格子パターン３０４ｂからなる回折格子面を備えている。

ここで、一般的な回折型集光フィルムの構造について、図３を参照しながら説明する。また、図１２（ｂ）に、このような回折型集光フィルム２０４ｂのＸ方向断面の写真を示す。

格子パターン３０４ｂは、フィルムの光出射面（上面）１５０の法線ｎに対して、角αをなす斜面１１０と、角βをなす斜面１２０と、からなる三角柱形状のパターンであり、これらが一方向に連続することで、Ｘ方向断面が鋸歯状の回折格子面を形成している。

斜面１２０と法線ｎのなす角βは、斜面１１０と法線ｎのなす角αよりも小さくに形成され、導光板から出射される入射光６が入射する。

なお、一般的な格子パターン３０４ｂでは、頂部の角度θが４０〜５０°、ピッチｄは１〜１０μm程度である。なお、厚さが一般的なプリズムシート２０４ａに比べて薄いため、装置の薄型化が容易であり、また、入射角変化に対して出射角変化が小さく高い集光性と正面輝度が得られるという利点がある。加えて、回折型集光フィルムを含むホログラム光学素子では、多数の格子パターンを通過した回折光の多重干渉により出射光を制御しているので、一部の格子パターンが欠損したり、異物が存在したりしても出射光への影響が少なく、取り扱いや加工が従来のプリズムシートより容易になる。

しかしながら、液晶ディスプレイのさらなる進化に伴い、より集光等の光制御機能を付加したり、白色光（赤・緑・青の３原色を含む光）の分光や拡散を抑えて効率良く光を曲げさせたりすることが可能な回折型集光フィルムが望まれている。

このような事情に鑑み、本発明に係る回折型集光フィルム１は、斜め方向から入射した白色光の分光や拡散を抑えるとともに、その光をより効率良く出射させるものである。

以下、本発明の実施形態に基づいて、図面を参照しながら具体的に説明する。

図４は、本発明の一実施形態に係る回折型集光フィルム１を、その格子パターン２に対してＸ方向に切断した場合の断面図である。

回折格子が形成される回折型集光フィルム１の光入射面１６には、光出射面（上面）１５の法線ｎに対して角αをなす斜面１１と、法線ｎに対して角αよりも小さな角βをなし、斜面１１と回折格子の背面側先端の辺となる頂部１３を形成する斜面１２ａと、斜面１２と角δをなして頂部１４を形成する斜面１２ｂと、を備える四角柱状の格子パターン２を備えている。このような格子パターン２は、その頂部１３が略平行となるように一方向に連続して配列され、Ｘ方向断面が鋸歯状の回折格子を形成している。なお、斜面１２ｂは、斜面１２ａを前記角δが格子パターン２の内角となる方向へ、角γだけ傾けた面である。

ここで、斜面１１と斜面１２ａのなす角（αとβの合計角）は６０°以下であり、αは９〜１７°、βは４３〜５１°の範囲内にあることが好適である。

また、角γは１０°〜３０°の範囲内にあることが望ましい。具体的には、角度γが１０°以上の場合は正面輝度の向上効果が高まり、角度γが３０°以下であれば良好な転写金型の加工性およびフィルム成形時の離型性が得られるため、フィルム成形性が容易となる点で好適である。

さらに、頂部１４の位置は、図４における格子パターン２の高さｈの０．７５〜０．９倍であることが望ましい。ここで格子パターン２の高さｈとは、回折格子の先端の辺である頂部１３から、その根元部分（光入射面１６）までのＸ方向の距離を示す。頂部１４の位置が格子パターン２の高さｈの０．７５〜０．９倍の範囲であれば、転写金型の加工性およびフィルム成形時の離型性が得られ、フィルム成形性が容易となる。

また、格子パターン２のピッチｄは、１〜１０μmの範囲であることが望ましい。ここで、格子パターン２のピッチｄとは、隣接する頂部１３間の距離を表す。ピッチｄが１０μｍを超えると回折格子としての集光効果が得られず正面輝度が低くなり、ピッチｄが1μm未満になると分光作用が強まって出射光が虹色になる。

なお、ピッチｄは厳密に一定値である必要はないが、ピッチｄの標準偏差が平均値の４％を超えてばらつくと、回折効率が低下し、そのばらつきがむらとして観察者に視認されるようになってしまう。従って、ピッチｄの標準偏差は平均値の４％を超えないことが望ましい。

さらに、図５に示すように、斜面１２ａおよび斜面１２ｂの形成する頂部１３が面取りされ、曲線的に接続されるような格子パターン４により回折格子を構成とすることも可能である。

本発明に係る回折型集光フィルム１の構造について説明した。回折型集光フィルム１によれば、バックライトの光を効率的に正面方向へと導くことが可能であるため、バッテリの消費量を抑えながら、高い正面輝度を得る事ができる。従って、これを用いることで、正面方向の輝度が高く分光による色づきの小さい面光源装置が得られる。

そこで、回折型集光フィルム１を面光源装置に用いた場合の例について、図６（ａ）〜図６（ｃ）および図７を参照しながら説明する。

図６（ａ）は、拡散フィルムを用いない構成の面光源装置６１の概略説明図である。

面光源装置６１は、光を反射する反射板１０２と、側面に設けられるバックライト１０からの光を均一な面発光に変えるための導光板（ライトガイド）１０３と、回折型集光フィルム１とが、背面側からこの順で積層されてなる。このような面光源装置６１では、装置の厚さが抑制されると共に、高い正面輝度が得られる。

図６（ｂ）は、拡散フィルム１０５を用いた構成の面光源装置６２の概略説明図である。

面光源装置６２は、反射板１０２と、側面にバックライト１０を備える導光板１０３と、回折型集光フィルム１と、拡散フィルム１０５とが、背面側からこの順で積層されてなる。このような面光源装置６１では、拡散フィルム１０５が光を散乱、拡散させて均一化し、人の目で認識される僅かな色分散を抑制するため、白色度の高い光を出射することが可能である。

なお、拡散フィルム１０５は、図６（ｃ）に示すように、回折型集光フィルム１よりも背面側に備えるような構成としても良い。

面光源装置６３は、反射板１０２と、側面にバックライト１０を備える導光板１０３と、拡散フィルム１０５と、回折型集光フィルム１と、液晶パネル１０６とが、背面側からこの順で積層されてなる。このように拡散フィルム１０５を配置した場合でも、本発明に係る回折型集光フィルム１の正面方向の輝度の高さからすれば、十分な正面輝度を得ることが可能である。

図７は、携帯電話などの小型液晶ディスプレイに用いられる面光源装置６４の概略説明図である。面光源装置６４では、拡散フィルム１０５に代えて、ホログラム拡散体１０７が備えられている。

面光源装置６４は、反射板１０２と、側面にバックライト１０を備える導光板１０３と、ホログラム拡散体１０７と、回折型集光フィルム１とが、背面側からこの順で積層されてなる。なお、導光板１０３とホログラム拡散体１０７とは、一体に形成されている。

このような構成によれば、バックライト１０からの光は導光板１０３の光出射面に形成されたホログラム拡散体１４から出射されて、回折型集光フィルム１に入射する。回折型集光フィルム１は高効率に光を回折し、液晶パネル１０６に対して均一な輝度の分布光束を伝達することができる。

次に、回折型集光フィルム１を製造する際の実施例について説明する。

本実施例では、回折型集光フィルム１の製造方法として、転写原版である金型を製作して転写し、フィルム上に光学素子パターンを成形する方法を用いた。フィルム状の光学部品は生産効率の高いロール金型を用いて、一般的なロール・ツー・ロール方式での連続転写成形により製造した。

以下、図４に示すαが３６°、βが１０．３°、γが２０°の格子パターンが連続し、ピッチｄが５μm、高さｈが５．５μmの回折格子を有する回折型集光フィルム１を製造した際の方法について記載する。

まず、図９に示すような回折格子の反転パターン９を備えるロール金型８０を作成した。

図８に、ロール金型８０の概略図を示す。ロール金型８０の反転パターン９は、金型表面に回折格子の反転形状を切削加工することで形成される。

具体的には、まず、ロール金型８０の表面に厚さ１００μｍの無電界Ni-Pめっき処理を施す。その後、図１０で示すように、めっき面を単結晶のダイヤモンドバイト９９を用いて円周方向に沿って切削する。

なお、ダイヤモンドバイトによる切削時に、図９に示す反転パターン９の、Ｘ方向断面が鋸歯状の先端をＸ軸方向に塑性流動するよう調整することで、角γが２０°の頂部９１を備えた反転パターン９が成形される。このような反転パターン９の頂部９１の転写により、回折型集光フィルム１の頂部１４が形成される。

次に、ロール金型８０を基材フィルムに転写し、回折型集光フィルム１を成形する。

図１１は、転写成形装置９０による基材フィルム９２への転写成形処理の説明図である。

転写成形装置９０は、紫外線硬化樹脂を供給する塗工用ダイ３４と、任意の反転パターンを備えるロール金型８０と、紫外線硬化樹脂を硬化させるための紫外線照射機構３１と、支持ロール３５と、押しロール３２と、剥離ロール３３と、を備えている。

ロール状に巻かれた基材フィルム９２は、一旦展開して回折格子の転写成形を受け、その後再び図示しない巻取り機構でロール状に巻き取られる。

展開された基材フィルム９２は支持ロール３５により搬送され、一方の表面に塗工用ダイ３４によって紫外線硬化樹脂が塗布される。これにより、基材フィルム９２の一方の表面には、紫外線硬化樹脂層９３が形成される。

次に、基材フィルム９２上に形成された紫外線硬化樹脂層９３が、押しロール３２によってロール金型８０に押圧される。この際、基材フィルム９２は、紫外線硬化樹脂が反転パターン９に押し込まれるとともに、紫外線硬化樹脂層９３の逆の面から紫外線照射機構３１により紫外線の照射を受ける。これにより、未硬化の紫外線硬化樹脂が硬化し、反転パターン９が紫外線硬化樹脂層９３に転写され、回折格子が形成される。

その後、剥離ロール３３により紫外線硬化樹脂層９３はロール金型８０から剥離され、回折型集光フィルム１が得られる。

図１２（ａ）に、上記実施例で得られた回折型集光フィルム１の断面写真を示す。

図１２（ａ）に示すように、本発明に係る回折型集光フィルム１は、斜面１１と、斜面１１と背面側の先端となる辺である頂部１３を形成する斜面１２ａと、斜面１２ａと頂部１４を形成する斜面１２ｂと、を備える格子パターンが形成されている。

さらに、図１２（ａ）に示す本発明に係る回折型集光フィルム１と、図１２（ｂ）に示す従来の回折型集光フィルム２０４ｂと、を用いてそれぞれ面光源装置を構成し、面光源装置から出射される光強度の角度依存性を測定した。なお、面光源装置は、導光板からの入射光６の入射角θiが、光出射面の法線ｎに対して約６５°となる際に、正面輝度が最大となるよう調整した。図１３に、その結果を示す。

図１３は、従来の回折型集光フィルム２０４ｂ、および、本発明に係る回折型集光フィルム１の出射光について、所定の位置における輝度値を示すグラフである。なお、横軸に示す出射光の輝度値は輝度測定機を用いて計測し、法線ｎ方向を０°、Ｘ方向のバックライト１０が配置される方向をマイナス、その反対側の方向をプラスの値で表した。また、縦軸に示す輝度は、所定の基準値に対する相対値で示した。

その結果、図１３に示すように、回折型集光フィルム１の輝度値を表す曲線Ａは、従来の回折型集光フィルム２０４ｂの輝度値を表す曲線Ｂと比較して、０°に近づく程高く、離れる程低い。従って、回折型集光フィルム１は、従来の製品に比べて高い正面輝度を備えていることがわかる。

以上、回折型集光フィルム１、および、当該フィルムを用いて面光源装置を作製した場合の一実施例について説明した。結果、従来の回折型集光フィルムを用いた場合に比べて高い正面輝度が得られて、本発明の有効性が確認された。

さらに、本発明は、上記のような実施形態には制限されない。上記の実施形態は、本発明の技術的思想の範囲内で様々な変形が可能である。

例えば、本発明に係る回折型集光フィルムを用いた面光源装置の構造は、上記実施形態に記載されるものに限定されず、どのような部材をどのような順で組み合わせても構わない。

また、上記の実施形態は、本発明の要旨を例示することを意図し、本発明を限定するものではない。多くの代替物、修正、変形例は当業者にとって明らかである。

１：回折型集光フィルム、２,４：格子パターン、６：入射光、７：出射光、９：反転パターン、１０：バックライト、１０２,２０２：反射板、１０３,２０３：導光板、１０５：拡散フィルム、１０６,２０６：液晶パネル、１０７：ホログラム拡散体

Claims

一方の面に回折格子を備える回折型集光フィルムであって、
前記回折格子は、格子パターンが一方向に連続してなり、
前記格子パターンは、
前記回折型集光フィルムの他方の面の法線と角αをなす第一の面と、
前記法線と角βをなし、前記第一の面と、前記一方の面側の先端の辺である第一の頂部を形成する第二の面と、
前記第二の面と角δをなし、当該第二の面と第二の頂部を形成する第三の面と、を備え、
前記角βは、前記角αよりも小さく、
前記第三の面は、前記第二の面を、前記角δが格子パターンの内角となる方向へ角γだけ傾けた面であること
を特徴とする回折型集光フィルム。
請求項１に記載の回折型集光フィルムであって、
前記角γは、１０〜３０°であること
を特徴とする回折型集光フィルム。
請求項１または２に記載の回折型集光フィルムであって、
前記第二の頂部の位置は、前記回折格子の高さの０．７５〜０．９倍であること
を特徴とする回折型集光フィルム。
請求項１から３のいずれか一項に記載の回折型集光フィルムであって、
隣接する前記第一の頂部間の距離が、１〜１０μｍであること
を特徴とする回折型集光フィルム。
一方の面に回折格子を備える回折型集光フィルムであって、
前記回折格子を備えた面は、その表面が、第一の面と第二の面とを有する三角柱状パターンの繰り返しにより形成されており、
前記第二の面は、前記回折型集光フィルムの面の法線方向となす角が、頂部付近の領域よりも根元付近の領域のほうが小さいことを特徴とする回折型集光フィルム。
請求項１から５のいずれか一項に記載の回折型集光フィルムと、
前記回折型集光フィルムの前記格子パターンを有する面側に設けられた光源と、
前記回折型集光フィルムの前記他方の面側に設けられ、光を拡散させる拡散手段と、
を用いた面光源装置。