JP4240037B2 - 光学フィルム及びそれを用いた面光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、出射光の方向を制御する光学フィルムと、このような光学フィルムを用いた面光源装置に関する。

従来、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などに液晶ディスプレー装置が提供され、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。代表的なものとして、透過型液晶パネルを用いた液晶ディスプレー装置がある。

このような液晶ディスプレー装置においては、液晶パネルを裏面から照明するバックライトとして面光源装置が用いられている。面光源装置は、光源からの光を面状に出射する導光板と、液晶ディスプレー装置の観察者の正面方向になるべく多くの光を出射させるように導光板の光を出射する方向を制御する光学フィルムとを有している。

図１は、従来の液晶ディスプレー装置の構成を示す図である。

液晶ディスプレー装置は、白色光を出射する発光ダイオードの如き光源１１１と、光源１１１から供給された光を導いて面状に出射する導光板１１２と、導光板１１２から斜めに出射された光１１４を出射面に対して垂直方向に曲げるプリズムシートの如き光学フィルム１１０、拡散体１３２、画像を表示する透過型の液晶パネル１３０と、を有している。これによって、液晶ディスプレー装置から観察者に向けて、液晶パネル１３０を照射した光１３４が出射される。

拡散体１３２は、光学フィルム１１０のプリズム構造又はホログラム構造の周期性と液晶パネル１３０における画素間隔の周期性とから発生するモアレを抑制するため、または、液晶パネル１３０と光学フィルム１１０との間に発生するニュートンリングを抑制するため、あるいは、光学フィルム１１０から出射された光１１６の色分散を小さくするため、に設置されている。しかし、拡散体１３２を設置することにより界面が増加し、それによるフレネル反射で輝度が低下する。そこで、拡散体１３２を、光学フィルム１１０の出射面に形成することが提案されている。特開平９−２８１３１０や特開平９−２８１３１１では、光学フィルムの出射面に微小ビーズやマイクロロッドを含有させ、光拡散性を付与すると同時に、出射面に凹凸を与え粗面化することが提案されている。しかし、これらの手法はモアレやニュートンリングの発生は抑えられるが、微小ビーズやマイクロロッドによる拡散性は拡散角度範囲を制御できず全空間にほぼ均等に拡散してしまうため、正面輝度が極端に低下するという問題がある。

ここで、液晶ディスプレー装置における、光源１１１、導光板１１２、光学フィルム１１０及び拡散体１３２は、液晶パネル１３０に面状に光を供給する面光源装置を構成している。

図２は、光学フィルム１１０における入射光１１４と出射光１１６の関係を示す図である。

図では、光学フィルム１１０への入射光１１４の入射角をθｉ、光学フィルム１１０からの出射光１１６の出射角をθｏとする。これら入射角θｉ及び出射角θｏは、光学フィルム１１０の入射面及び出射面の法線と入射光１１４及び出射光１１６がそれぞれなす角度である。

光学フィルム１１０への入射角θｉは、導光板１１２の設計に依存するが、２０〜８０°である。光学フィルム１１０の役割は、導光板１１２から入射面に斜めに入射した光を出射面に垂直方向である出射角θｏが０°の方向に効率よく曲げることである。そのためには、空気層と光学フィルム１１０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、多くの光が前記０°方向に進むように材質や形状を設計することになる。また、出射光１１６が角度分布を持つ場合には、入射角θｉが、多少変動しても、前記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、一定な光曲げ角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１１１は白色光を出射するので、波長による分散を小さくして、液晶パネル１３０の表示にむらやにじみがないようにしなくてはならない。

光学フィルム１１０や導光板１１２では、例えば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。このような場合、光学フィルム１１０は入射面にプリズムによる溝や谷を形成したプリズムシートにより構成することができる。このようなプリズムシートは、構造が簡単で容易に製造することができる。

一方、従来の屈折を利用したプリズムシートに代わって、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を用いた光学フィルムが提供されている。ホログラムを用いることで、光を曲げるだけでなく、集光の機能を付加することも可能である。ホログラムによる光学素子の作製方法については、例えばVictor Soifer, Victor Kotlyar and Leonid Doskolovich: “Iterative Methods for Diffractive Optical Elements Computation”, Taylor Francis (1997)に記載されている。

従来、ホログラムは、分光や高次の回折をともなうため白色光を曲げるという用途には適さないと考えられていた。

一方、導光板から斜めに出射させることで、出射光に指向性を持たせることができ、指向性を維持したまま垂直方向に曲げることで輝度を向上させることができることが知られている（例えば特許第２７３９７３０号公報参照。）

プリズムシート又はホログラムのいずれを利用した光学フィルムにおいても、光学フィルムによって出射方向を制御された出射光の輝度をさらに向上させることが求められている。

前記のように導光板から斜めに光を出射した光を指向性を維持したまま垂直方向に曲げると、輝度は向上させることができるが、出射角度を導光板の面上で一定にすることが難しく、輝度ムラが起こりやすかった。そこで、輝度を維持しつつ輝度ムラをなくすような拡散体を導光板と光学フィルムの間に入れることが考えられるが、そのためには拡散体の角度範囲が制限されていなくてはならない。ところが、角度範囲の制限された拡散体を使用する場合、導光板から斜めに入射した光では所望の拡散特性を確保し、輝度分布を制御することが難しかった。

本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、光の出射方向を制御する光学フィルムであって、さらに高輝度を維持しながらモアレやニュートンリングや輝度むらを解消できる光学フィルム及びそれを用いた面光源装置を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するために、本発明に係る光学フィルムは、入射光を曲げる形状を形成した入射面と、空間内の特定角度範囲のみに光を拡散する拡散体を形成した、前記入射面に対向する出射面とを有し、前記入射面の形状は、前記入射面に入射した光を前記出射面に垂直方向に曲げる。

好ましくは、前記入射光は白色光であり、前記入射面の形状は、前記白色光を前記出射面に垂直方向に曲げる。

好ましくは、前記入射面の形状は、平均周期２００μｍ以下の溝又は山からなる。

好ましくは、溝又山は、同心円状に沿って円弧状に形成されている。

好ましくは、前記溝又は山は、ホログラムを構成する。

好ましくは、前記ホログラムは、入射角が６０°±１５°の白色光を出射面に垂直方向に曲げる透過型回折格子であって、光学材料の屈折率をｎとし、ｍ１，ｍ２＝１，２，３・・・としたとき、平均の周期がｍ１×（５．０±１．０）μｍ、平均の深さがｍ２×（３．７±１．０）／（ｎ−１）μｍである鋸歯形状を有する。

好ましくは、前記鋸歯形状は、Ｎレベル（Ｎ＝４，５，６・・・）で近似したものである。

好ましくは、前記溝又は山は、断面が略三角形である。

好ましくは、前記溝又は山は、光が前記三角形の内部で全反射することを利用して光を曲げる。

好ましくは、前記出射面の拡散体の拡散角度が、全ての方向において１０度以下である。ここで、前記拡散角度は、角度対透過光強度のグラフにおいてピーク強度の１／２の強度における角度幅であることが好ましい。特に好ましくは５度以下であり、Ｘ方向５度、Ｙ方向２度のような異方性のものも含む。

好ましくは、前記出射面の拡散体のヘイズ値が５０％以下である。特に好ましくは２５％以下である。

好ましくは、前記出射面の拡散体が、エンボス加工によって作られたものである。

好ましくは、前記エンボス加工は、スペックルパターンが形成された電鋳型からの転写によるものである。

好ましくは、前記エンボス加工は、微細凹凸形状が形成された金型ロールからの転写によるものである。好ましくは、機械加工、メッキ、機械加工及びメッキ、により微細凹凸形状を形成した金型ロールを含む。

本発明に係る面光源装置は、前記光学フィルムを導光板の光出射面上に配置してなる面光源装置において、光学フィルムの入射光を曲げる形状が形成されている入射面を導光板側に向けて設定する。

好ましくは、前記導光板が、光出射面に異方性拡散特性を有するホログラム拡散体を一体整形してある。

好ましくは、前記導光板と光学フィルムの間、もしくは光学フィルムの光出射面上に、偏光分離、色分離または反射防止の機能を有するフィルムを配置した。好ましくは、拡散体フィルムを単体で別配置する構成は必要ない。

好ましくは、前記導光板の出射面、前記光を曲げる部材の入射面及び出射面は、平行である。

好ましくは、前記導光板は、出射面に対して寝かせた角度、すなわち大きな出射角で光を出射し、この方向に光の指向性を持たせる。前記導光板は、光源から入射した光をあまり曲げずに大きな出射角で出射することにより高い輝度を確保する。

好ましくは、前記光を曲げる部材は、前記導光板による指向性を維持したまま、光を前記出射面に対して垂直方向に曲げる。好ましくは、前記拡散体は、前記部材から出射された光を狭い拡散範囲に効率よく拡散させる。前記部材によって前記拡散体に垂直に近く光を入射することにより、輝度を維持したままムラを生じないように光を拡散することができる。

好ましくは、前記導光板の出射輝度は、この導光板の出射面からの出射角５０°〜８０°の間にピークを持ち、ピークの半値幅が３０°以下である。好ましくは、前記光を曲げる部材は、前記導光板を出射した光を、光の指向性を維持したまま前記導光板の出射面に垂直方向に向けて曲げる。好ましくは、前記拡散体は、前記部材を出射した光をさらに狭い範囲に効率よく拡散する垂直偏向拡散体である。

以下、本発明に係る光学フィルム及び面光源装置を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図３は、光学フィルム１１０に形成された回折格子による回折光の方向を示す図である。

ホログラムを構成する回折格子の周期を５μｍにすると、赤（λ１：６２０ｎｍ）、緑（λ２：５５０ｎｍ）、青（λ３：４８０ｎｍ）のそれぞれの波長について、６０°で入射したとき、７，８，９次が垂直方向になる。緑の場合は図のように８次が垂直方向となる。深さを最適にして、この回折効率を計算してみると、それぞれの波長について７，８，９次がピークになるので、波長分散の小さい回折格子が得られることが分かる。入射角がθ、空気中に屈折率をｎ０、回折格子の材料の屈折率をｎ、格子間隔をｄとし、λ３の回折次数をｍ、λ１とλ２とλ３の回折次数の差がｍ１で等しいとする。出射角が０°として、光が回折格子の面から入射すると、
ｎ０・ｓｉｎ（θ）−ｎ・ｓｉｎ（０）
＝ｍ・λ３／ｄ
≒（ｍ−ｍ１）・λ２／ｄ
≒（ｍ−２・ｍ１）・λ１／ｄ ・・・ （１）
という式が成立する。

ｎ０＝１としてこれを解くと式（２）、（３）のようになる。

ｄ＝０．４８μｍ・ｍ１・λ２／｛（λ２−λ３）ｓｉｎ（θ）｝・・・（２）
ｍ＝ｍ１・λ２／（λ２−λ３） ・・・ （３）
ｍ１を固定すると、格子間隔ｄは入射角の正弦で決まることが分かる。

光学フィルムに斜めに入射する白色光をホログラムによって出射面に垂直方向に曲げることが可能である。ここで、白色光とは赤青緑の３原色を含む光を意味し、垂直方向に曲げるとは、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している。

単色の光をホログラムに通すと、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色の分散がある。しかし、ホログラム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ることができる。

図４は、光学フィルム１１０に形成されたホログラムの作用を示す図である。

光学フィルム１１０の入射面に形成されたホログラムは、図のように導光板１１２から斜めに出た光１１４を出射面の垂直方向に曲げて出射光１１６とする。

ホログラムを使うことで導光板１１２から出射された白色光を効率よく曲げることができる。

ホログラムとしては回折格子が代表的であるが、その回折格子の溝の向きは、入射光に対して、垂直でも平行でもよい。また、縦横に切ってあってもよい。さらに、ホログラムとしてＣＧＨ（Computer Generated Hologram）のように、多数のピクセルであってもよい。ホログラムのタイプは表面レリーフ型でも体積位相型でもよく、光学フィルム１１０の片面にあっても両面にあっても、又は、重ねられていてもよい。

図５は、光学フィルム１１０に形成された回折格子における入射角と出射角の関係を示す図である。

面光源装置においては、導光板１１２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、光学フィルム１１０の入射面に形成された回折格子面の垂線と格子面への入射光のなす角度、つまり入射角は６０°±１５°の範囲になることが多い。このとき、前記回折格子を通過したレーザー光が光学フィルム１１０の出射面に垂直方向に対して±１０°の範囲内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いえる。６０°で入射時に、４８０ｎｍ（青）と６２０ｎｍ（赤）の波長による分散角度は格子の周期で決まり、周期が１．２μｍ以上のとき、９°以下となる。回折角の波長依存性は差が１０°以下のとき小さいと考えると、波長分散の他に偏波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波をＡ、小さい偏波をＢとすると、（Ａ−Ｂ）／Ａが２０％以下であるとき偏波依存性が小さいといえる。偏波依存性が５％以上のときには、面光源装置で必要とされる偏波のほうの回折効率が高くなるようにする方が望ましい。回折格子は光を曲げる機能だけでなく、光学的な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よい。たとえば、ｘｙｚ空間を考えたとき、回折格子でｘ方向に光を曲げ、ｙ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。

面光源装置において導光板１１２から出射される白色光を垂直方向に曲げるために使用されるホログラムを形成した光学フィルム１１０に、偏光分離や色分離や反射防止の機能を組み合わせることで、光の利用効率を上げることができる。

偏光分離や色分離や反射防止の機能は、微細な周期構造を作ることで実現できる。また、ホログラムとして表面レリーフ型ホログラムの回折格子を使うことができる。表面レリーフ型ホログラムは転写工法で作製でき生産性が高いので大量生産に向いている。

図６は、光学フィルム１１０に形成された回折格子の深さと周期及び鋸歯の位置ずれの関係を示す図である。

回折格子の深さは深さすぎても浅すぎても、出射面の垂直方向に光が出射する効率は落ちる。入射角が６０°であるとき、平均の周期ｄが０．６μｍ以上１０μｍ以下であり、回折格子の屈折率をｎとしたとき格子溝の平均の深さｈがｍ×ｄ／（ｎ−１）（但し、０．５＜ｍ＜１．０）の条件のとき、効率が高い。このとき、最適な深さは、周期と鋸歯の山の位置ずれｕに依存する。たとえば周期が５μｍで、ずれ量ｕ／ｄが０％のときは７．４μｍが最適な深さの一つである。周期が５μｍでｕ／ｄが２０％のときは６．２μｍが最適な深さの一つである。

ただし、重要なのは斜面の傾き角であり、溝が深さの数十％埋まっていても良い。ここで使われる深溝で面積の深い回折格子を量産するには鋳型から転写して作ることが望ましい。鋳型から転写する樹脂としては熱又はＵＶ光で硬化する樹脂を用いることが望ましい。

深い溝を持つ鋳型を作る方法としては、石英基板上に電子線レジストを塗布し、電子線描画したのちＲＩＥ（反応性イオンエッチング）で掘る方法やＸ線放射光で露光・現像する方法、グレースケールマスクのパターンを露光・現像する方法、バイトで彫る機械加工法で作製する方法がある。鋳型から転写される光学フィルムの樹脂としての性質は使用条件に応じて、光透過性のよいアクリル樹脂やＰＭＭＡ樹脂、あるいは、転写性のよいオレフィン樹脂が望ましい。

図６に示すように鋸歯の歯の向きは、矢印１１８のように長い方の辺に沿った方向で規定される。鋸歯の歯の向きは入射光と平行に近い方が、回折効率が高く、入射光と垂直に近い場合は回折効率が低い。

光学フィルム１１０に形成された回折格子は、入射面つまり、導光板１１２からの光の入射面側に形成され、導光板１１２からの入射光を回折する。

一般に光が膜の斜めから入射・出射するとフレネル損失が増大するが、鋸歯の向きを下にすることで、平面に入射するよりは入射時のフレネル損失を低減できる。また、光学フィルム１１０に形成された回折格子であれば出射光は面に垂直に出ることになり、これによっても、フレネル損失は低減する。

図７は、光学フィルム１１０に形成された回折格子の溝１２０の形状の一例を示す図である。図７（ａ）は光学フィルム１１０の上面図であり、図７（ｂ）は光学フィルム１１０の正面図である。

回折格子の溝１２０を扇状にすることで、点光源に対応して垂直方向に光を曲げて、輝度を高くすることができる。図に示した扇状の溝１２０は鋸歯で、ある一点を取り巻く同心円に沿って円弧状に溝を形成する。すなわち、円弧状の反射面を形成する。扇状の溝１２０は必ずしも連続した溝である必要はない。

図８は、光学フィルム１１０に形成された回折格子の三角形の鋸歯１２６からのずれの大きさを示す図である。

回折効率が最大になる条件は鋸歯１２６から少しずれたところに存在する。図には、このずれ１２８が示されている。最適な格子形状は、入射角度、波長、周期、深さ、屈折率によって異なる。周期的回折格子の回折効率の厳密解を求める方法で、格子形状を試行錯誤で変えて数値計算すれば、最適な形状の一つが得られる。

回折格子の垂直方向への回折効率は実用上７０％以上であるのが望ましい。光学フィルム１１０にプリズムを形成したプリズムシートではフレネル損をいれて、約９０％の高い曲げ効率が実現されているが、光学フィルム１１０に形成した回折格子でも同等の特性を出すことができる。

光源にLEDを用いた場合、導光板の入光部近傍で輝度むらが発生しやすいが、導光板の上に設置する光学フィルム１１０をプリズムシートではなく回折格子やホログラムなどにすることにより、輝度むらを抑制することができる。

図９は、拡散体による光の散乱方向を定義するベクトル（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）を示す図である。

光学フィルム１１０の出射面は回折格子の溝の向きをｘ方向としてｘｙ面内にあり、光はｚ方向に伝播するものとする。図中において、ｚ方向に進む入射光１３６、光学フィルム１１０によって観測器１４０方向に散乱された散乱光１４２が示されている。また、散乱方向を向いた単位ベクトル１３８、この単位ベクトル１３８の終点を含む光学フィルム１１０に平行な参照面１４４が示されている。

前記ベクトル（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）は、散乱方向を向いた前記単位ベクトルの方向余弦、すなわち（ｃｏｓ（θ１），ｃｏｓ（θ２），ｃｏｓ（θ３））で定義される。ただし、角度θ１，θ２，θ３は、前記単位ベクトルがｘ，ｙ，ｚ軸とそれぞれなす角である。

ここで、θ１の範囲をなるべく小さくして、θ２の範囲を隣り合う異なる次数の角度分布の谷間が埋まるくらいの大きさに設定する。つまり、８次の回折角が０°、９次の回折角が７°であれば、理想的には−ｃｏｓ（８３°）＜Ｓｙ＜ｓｉｎ（８３°），Ｓｘ＝０である拡散体がよい。なお、導光板１１２の光にある色むらをなくすためには、ｘ，ｙ方向の向きが逆になり、−ｃｏｓ（８３°）＜Ｓｘ＜ｓｉｎ（８３°），Ｓｙ＝０であるような拡散体がよい。このようなホログラム拡散体の製法としては、特開２００１−７１９５９号公報の実施例に記載の方法を採用することができる。ホログラム拡散体は表面レリーフ型でも体積位相型でもよい。

光学フィルム１１０において偏光又は波長選択を行うことにより、光の利用効率を上げることができる。たとえば、面光源装置から出た光が、入射角６０°近傍で光学フィルム１１０に入射するときの周期０．６μｍ以下で、深さ０．５μｍ以下のレリーフ形状が存在すると、特定の波長及び偏光を持った光だけが、８０％以上の効率で反射され、残りの光は８０％以上の効率で透過する。このとき、波長や入射角度で最適なレリーフ形状を選択する。ここで反射された光を再利用すれば、光の利用効率を上げることができる。たとえば、周期０．６μｍ以下で、深さ０．５μｍ以下のレリーフ形状をカラーフィルタの赤緑青のマトリクスにあわせて、周期や深さを設計し、光を垂直方向に曲げるフィルムと組み合わせ、かつ、マトリクスの位置を合わせることで、偏光フィルムやカラーフィルタでロスしていた光の利用効率を上げた液晶表示装置ができる。なぜなら、偏光フィルムでは二つの偏光のうち一つ、つまり、光量の５０％を失い、カラーフィルタでは３原色の内２つ、つまり、光量の６７％を失っているが、ある偏光のある色だけを透過し、戻り光を再利用することができれば、光の利用効率を大幅に増大させることが可能となるからである。また、光を曲げるレリーフ形状とサブミクロン周期の小さな格子は、空気とフィルムの界面でのフレネル反射を少なくするために、同じフィルムの表裏にあるのが好ましい。さらに、サブミクロン周期の小さな格子の層は複数重ねてもよい。また、面光源装置における発光層となる導光板の出射光の出る表面には、拡散体や反射防止膜のあるのが好ましい。

図１０は、液晶ディスプレー装置の他の例を示す図である。

この液晶ディスプレー装置においては、光源１５４から導光板１４８の左の端面１５２に入射した光は、導光板１４８の裏面１５０で反射され、次に、導光板１４８表面の拡散体１４６で拡散され、さらに回折格子などの光学フィルム１６０，１６２で曲げられて、垂直方向へ出射される。導光板１４８の裏面１５０からの反射角度と導光板１４８表面での拡散角度及び光学フィルム１６０，１６２の曲げ角度を最適に調整することで、垂直方向での輝度を高くすることができる。

光源１５４からの距離によって光の広がり角度が異なるので、場所によって、拡散特性を変えたほうが面内で均一な輝度が得られる。

光学フィルム１６０，１６２の屈折率をｎ１、空気の屈折率をｎ０とすると、光学フィルム１６０，１６２に入射する場合のブリュースター角θBは式（４）で定義される。

ｔａｎ（θB）＝ｎ１／ｎ０ ・・・ （４）
ブリュースター角で光が入射すると、電場ベクトルの振動方向が入射面に平行な成分は完全に透過するので、こちらの偏光（P成分）を選べば、界面での透過率を１００％にできる。また、ホログラムも偏波依存性がある。たいてい、平面に対して透過率の高い偏波とホログラムで透過率の高い偏光は向きが一致するので、両者共、透過率の高いほうの偏光を選択することは可能である。

次に、添付図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されない。

図１１は、本実施の形態の光学フィルムの構成を示す図である。

光学フィルム１０は、透明なベースフィルム１１の一方の面である入射面１２に所定形状が形成され、他方の面である出射面１３にホログラムが形成されている。

ベースフィルム１１は、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）により構成されている。入射面１２の所定形状と出射面１３のホログラムは、ベースフィルム１１上に光硬化樹脂によって形成したものである。

ベースフィルム１１は、入射した白色光を入射面１２に形成された所定形状で曲げ、出射面１３から垂直に出射するようにする。出射面１３に形成されたホログラムは、ディフューザとして出射面１３から出射される光の方向を拡散する。

入射面１２には、前記所定形状として幾何光学的な屈折により光を曲げるプリズムを形成することができる。このプリズムの溝又は山は、略三角形の断面を有し、前記三角形の内部で光が全反射することを利用して光の方向を曲げる。

また、入射面１２には、光の波動的性質を利用して光を曲げる回折格子又はホログラムを形成することにより光を曲げることもできる。

図１２は、光学フィルム１０の入射面１２に形成された回折格子の形状を示す図である。

回折格子の寸法は、ｈ＝６．２μｍ、ｄ＝５μｍ、ｕ＝１μｍである。

入射面１２には、前記所定形状として平均周期２００μｍ以下の溝又は山からなる、ホログラムを形成することができる。このホログラムは、入射角が６０°±１５°の白色光を出射面に垂直方向に曲げる透過型回折格子であって、光学材料の屈折率をｎとし、ｍ１，ｍ２＝１，２，３・・・としたとき、平均の周期がｍ１×（５．０±１．０）μｍ、平均の深さがｍ２×（３．７±１．０）／（ｎ−１）μｍである鋸歯形状を有す。このとき、光学特性は主に斜面の傾きで決まるので、例えば、溝が深さの５０％まで埋まっていても機能しうる。この鋸歯形状は、Ｎレベル（Ｎ＝４，５，６・・・）で近似したものである。つまり、斜面は（Ｎ−１）段の階段で近似している。

図１３は、光学フィルム１０の製造方法を説明する図である。

最初のステップＳ１１においては、光学フィルム１０を作製するベースとなるベースフィルムを用意する。このベースフィルムには、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を材質とするものを利用することができる。

ステップＳ１２においては、ステップＳ１１で準備したベースフィルムにおいて、出射面となる一つの面にホログラムを形成する。さらに、ステップＳ１３において、入射面となる前記一つの面に対向する他の面に回折格子のような所定形状を形成する。

図１４は、前記ステップＳ１２又はＳ１３におけるホログラム又は所定形状の製造装置を示す図である。

ここでは、製造装置８８は、前記ステップＳ１２における光学フィルム１０の出射面１３にディフューザとなるホログラムを形成するものとして説明するが、同様に回折格子やプリズムの形成も可能である。また、Ｓ１３における光学フィルム１０の入射面１２へのプリズムの形成は、出射面１３にホログラムが形成されたベースフィルム１０の入射面１２に対して、この製造装置８８によって同様に形成される。

製造装置８８において、金型ロール８２には、光硬化型樹脂７０を供給する供給ヘッド６８が対向して配置されており、金型ロール８２の回転方向下流には、メータリングロール７８、ニップロール８０、紫外線照射装置８６、離型ロール８４が、この順序で設けられている。

金型ロール８２には、その周面の回転方向に沿って溝条が形成されており、溝条に型取りされて光硬化型樹脂７０の表面に凸条を形成するようになっている。

溝条の形成は、ダイヤモンドバイトを製作し、金型ロール８２の表面にダイヤモンドバイトと精密旋盤加工機により溝加工を施した。この金型ロール８２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７０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）を用いた。

製造時には、光硬化型樹脂７０を樹脂タンク６４から圧力制御装置６６、供給ヘッド６８を介して金型ロール８２に供給する。供給の際には、光硬化型樹脂７０の供給圧力は圧力センサーで検知しながら、圧力制御装置６６で制御し、金型ロール８２に塗布する圧力を調整している。金型ロール８２で塗布した光硬化型樹脂７０は、メータリングロール７８により膜厚を一定に調整している。メータリングロール７８には、ドクターブレード７２が設けられており、メータリングロール７８に付着した樹脂を掻き取り、金型ロール８２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７８の下流にあるニップロール８０と金型ロール８２との間には、ベースフィルム１０となる透明ベースフィルム（透明フィルム）７４が供給されており、透明ベースフィルム７４をニップロール８０と金型ロール８２で挟み込んで、光硬化型樹脂７０に透明ベースフィルム７４を密着させている。

光硬化型樹脂７０に透明ベースフィルム７４が密着した状態で紫外線照射装置８６に到達すると、紫外線照射装置８６から発した紫外線により光硬化型樹脂７０が硬化するとともに、透明ベースフィルム７４に接着し、一体のフィルムとした後、離型ロール８４により金型ロール８２から一体のフィルムシート７６を剥離する。これにより、長尺のフィルムシート７６を連続的に得ることができる。

このようにベースフィルム７４の出射面にホログラムを形成した一体のフィルムシート７６とした後、同様の工程によりフィルムシート７６の入射面１２にプリズムを形成する。これらの工程によって、ベースフィルム１１の出射面１３にホログラムが、入射面１２にプリズムが一体として形成された光学フィルム１０が作製される。

このようにして製造したフィルムを所定の寸法に裁断して光学フィルム１０を得る。従来行われていた射出成型や熱プレス工法では、回折格子の肉厚に関して成型上の限界があり、例えば、２インチサイズの面で０．８〜１．０ｍｍ、６インチサイズの面で１．０〜１．５ｍｍの肉厚であり、それ以上薄くすることは困難であったが、本実施の形態では、金型ロール８２により連続的に製造するものであるから、従来よりも肉厚を薄くすることができる。

また、長尺のフィルムを裁断して光学フィルム１０とするものであるから従来の製造方法に比較して製造が容易であり、製造コストを低減することができる。

即ち、従来行われていた射出成型法では、サイズの異なる光学フィルム１０を製造する場合には、サイズ毎にその製品特有の金型を成型する必要があり、製造コストが高くなっていた。また、定尺寸法で透明樹脂を熱プレスして製作する方法では、型取り後定尺品の各端面をカットし、カット面を研磨する工程が必要であり、カット工程や研磨工程の工数がかかっていたが、本実施の形態では、フィルムを所定の寸法に裁断するだけでよい。

尚、本実施形態における透明ベースフィルム７４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７０としてもアクリル変成エポキシやアクリル変成ウレタン等の他の材料を選定することが可能である。

また、紫外線照射装置８６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７６の送り速度は、６ｍ／ｍｉｎで製作した。送り速度は、光硬化型樹脂７０の硬化特性、透明ベースフィルム７４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。

図１５は、光学フィルム及び面光源装置を用いた液晶ディスプレー装置の構成を示す図である。

この液晶ディスプレー装置は、携帯電話又は薄型パソコン等に用いるものであって、光源５４、反射板５６、導光板４８、拡散体４６、光学フィルム１０を有する面光源装置と、液晶パネル５８とを有している。

面光源装置においては、図の下から反射板５６、導光板４８、拡散体４６、光学フィルム１０の順に配置されている。光源５４を発した光は、導光板４８の入光端面５２から入射され、導光板４８の出射面に対向する裏面５０に形成した図示しない凸条（凸部）に全反射され、出射面の全面からこの出射面に形成されたホログラムの如き拡散体４６に向けて出射される。この拡散体４６としては、出射面上の位置によって光を拡散する方向が異なる非等方的な拡散特性を有するホログラムを用いることができる。

このホログラムは、導光板４８の底面で光が反射するために視点と光源を結ぶ直線上に生じ得る輝線を低減するように、前記直線と垂直な方向に光を拡散する。また、このホログラムは、色分散を抑制する。

このホログラムには、表面レリーフ型ホログラムを利用することができる。この表面レリーフ型ホログラムは、スペックルパターンが形成された電鋳型のロールからの転写によるエンボス加工によるものである。

このホログラムにおいて、スペックルと称される例えば細長い楕円状の窪みが一定の方向を長手方向として多数ランダムに形成されている。ホログラムに入射された光は、このスペックルの長手方向と直交する方向に強く拡散される。したがって、スペックルの方向とそのサイズを設定することにより、光を非等方的に拡散するホログラムの特性を設定することができる。

なお、拡散体４６は、面光源装置の構造を簡略化するために、省略することもできる。この場合、導光板４８から出射された光は、拡散体４６で拡散されることなく直接に光学フィルム１０に入射する。

拡散体４６にて拡散された光は、光学フィルム１０に入射する。光学フィルム１０は、光曲げ及び反射防止用のものであり、拡散体４６から斜めに入射された光を垂直方向に曲げ、図示しない液晶パネル５８に対して略均一な輝度の分布光束を効率よく伝達する。

なお、前記面光源装置では、光学フィルム１０には偏光分離、色分離又は反射防止の少なくとも一つの機能を有するフィルムを隣接して配置することができる。このフィルムは、周期０．６μｍ以下、深さ０．５μｍ以下のレリーフ形状を有する回折格子によって構成することができる。

図１６は、光学フィルム１０に形成されたプリズムの配置とホログラムの拡散方向の第１の具体例を示す図である。

第１の具体例においては、図示しない導光板において、矩形状の光学フィルム１０の一つの角の近傍に相当する位置に対応する導光板に光源５４が配置されている。すなわち、光源５４は、この光学フィルム１０と平行に配置された同様の矩形状の導光板の一つの角の近傍に配置されている。この導光板は前記光源５４からの光を光学フィルム１０に反射し、光学フィルム１０には導光板から光が斜めに入射している。

光学フィルム１０の入射面においては、前記導光板から入射した光を出射面に垂直な方向に曲げるように、前記光源５４を軸とした同心円状に溝又は山を配置したプリズムが形成されている。

光学フィルム１０においては、入射面のプリズムによる光の反射によって、視点と光源５４を結ぶ線上に連続して光が反射したことによる輝線が生じ得る。このような輝線が現れると、液晶パネルにおける画像等の品質が低下する。

出射面に形成されたホログラムは、ディフューザとして前記同心円の接線方向ｔに光を拡散している。したがって、出射面から出射される光は前記輝線と垂直方向に拡散されることになるので、前記輝線の出現が抑制される。

同様に、光学フィルム１０の入射面にホログラムを形成した場合も、ディフューザとして前記接線方向ｔに光を拡散することにより、輝線の出現を抑制することができる。

図１７は、光学フィルム１０に形成されたプリズムの配置とホログラムの拡散方向の第２の具体例を示す図である。

第２の具体例においては、図示しない導光板において、矩形状の光学フィルム１０の一辺の近傍に相当する位置に光源５４が配置されている。すなわち、光源５４は、この光学フィルム１０と平行に配置された同様の矩形状の導光板の一つの辺の近傍に配置されている。

光学フィルム１０の入射面においては、前記導光板から入射した光を出射面に垂直な方向に曲げるように、前記光源が近傍に配置された辺と平行に溝又は山を配置したプリズムが形成されている。

この光学フィルム１０の出射面１３においては、前述の輝線の出現を抑制するため、前記平行な溝又は山の方向ｔを拡散方向としたホログラムが形成されている。

同様に、光学フィルム１０の入射面にホログラムを形成した場合も、ディフューザとして前記方向ｔに光を拡散することにより、輝線の出現を抑制することができる。

前述のように本実施の形態では、面光源装置から出射された白色光が垂直方向に曲がるよう、色分散・偏波分散が小さく、回折効率の高いホログラムを用いた光学フィルムと、このような光学フィルムを用いた面光源装置を提供した。

ホログラムとして、回折格子を例にとれば、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。また、鋸歯形状よりさらに、形状を最適化し、回折効率を上げた回折格子の設計も可能である。

本発明によると、さらに輝度を向上させた、光の出射方向を制御する光学フィルムと、このような光学フィルムを用いた面光源装置を提供することができる。

図１は、従来の液晶ディスプレー装置の構成を示す図である。 図２は、光学フィルムにおける入射光と出射光の関係を示す図である。 図３は、光学フィルムに形成された回折格子による回折光の方向を示す図である。 図４は、光学フィルムに形成されたホログラムの作用を示す図である。 図５は、光学フィルムに形成された回折格子における入射角と出射角の関係を示す図である。 図６は、光学フィルムに形成された回折格子の深さと周期及び鋸歯の位置ずれの関係を示す図である。 図７は、光学フィルムに形成された回折格子の溝の形状の一例を示す図である。 図８は、光学フィルムに形成された回折格子の三角形の鋸歯からのずれの大きさを示す図である。 図９は、拡散体による光の散乱方向を定義するベクトル（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）を示す図である。 図１０は、液晶ディスプレー装置の他の例を示す図である。 図１１は、本実施の形態の光学フィルムの構成を示す図である。 図１２は、光学フィルムの入射面に形成された回折格子の形状を示す図である。 図１３は、光学フィルムの製造方法を説明する図である。 図１４は、図１３のステップＳ１２又はステップＳ１３におけるホログラム又は所定形状の製造装置を示す図である。 図１５は、光学フィルム及び面光源装置を用いた液晶ディスプレー装置の構成を示す図である。 図１６は、光学フィルムに形成されたプリズムの配置とホログラムの拡散方向の第１の具体例を示す図である。 図１７は、光学フィルムに形成されたプリズムの配置とホログラムの拡散方向の第２の具体例を示す図である。

Claims (10)

1. 入射光を曲げる形状を形成した入射面と、
   空間内の特定角度範囲のみに光を拡散する拡散体を形成した、前記入射面に対向する出射面を有し、
   前記入射面の形状は、前記入射面に入射した光を前記出射面に垂直方向に曲げ、平均周期２００μｍ以下の溝又は山からなり、前記溝又は山は、ホログラムを構成し、
   前記ホログラムは、入射角が６０°±１５°の白色光を出射面に垂直方向に曲げる透過型回折格子であって、光学材料の屈折率をｎとし、平均の周期が５．０±１．０μｍ、平均の深さが（３．７±１．０）／（ｎ−１）μｍである鋸歯形状、または、該形状の溝が深さの５０％未満だけ埋まっている形状であり、前記平均の周期ｄと鋸歯の山の位置ずれｕが、ｕ／ｄ≦０．２の範囲にあり、
   前記出射面に形成された拡散体は、前記溝又は山の方向を拡散方向とした異方性拡散体であること
   を特徴とする光学フィルム。
2. 前記鋸歯形状は、Ｎレベル（Ｎ＝４，５，６・・・）で近似したものであることを特徴とする請求項１記載の光学フィルム。
3. 前記出射面の拡散体の拡散角度が、全ての方向において１０度以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学フィルム。
4. 前記出射面の拡散体のヘイズ値が５０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学フィルム。
5. 前記出射面の拡散体が、エンボス加工によって作られたものであることを特徴とする請求項３または４に記載の光学フィルム。
6. 前記エンボス加工は、スペックルパターンが形成された電鋳型からの転写によるものであることを特徴とする請求項５に記載の光学フィルム。
7. 前記エンボス加工は、微細凹凸形状が形成された金型ロールからの転写によるものであることを特徴とする請求項５に記載の光学フィルム。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の光学フィルムを導光板の光出射面上に配置してなる面光源装置において、光学フィルムの入射光を曲げる形状が形成されている入射面を導光板側に向けて設定することを特徴とする面光源装置。
9. 前記導光板が、光出射面に異方性拡散特性を有するホログラム拡散体を一体整形してあることを特徴とする請求項８に記載の面光源装置。
10. 前記導光板と光学フィルムの間、もしくは光学フィルムの光出射面上に、偏光分離、色分離または反射防止の機能を有するフィルムを配置したことを特徴とする請求項８または９に記載の面光源装置。

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