JP5062408B2 - バックライト用回折光学素子及びそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、バックライト用光学部材に関し、特に、液晶表示装置等の透過型表示装置を、背面からＬＥＤ等の光源を用いて照明するバックライト等と共に使用されるバックライト用回折光学素子及びそれを用いた液晶表示装置に関するものである。

表示装置として液晶表示装置（ＬＣＤ）は、既存のＣＲＴ方式の表示装置に比較し、薄型軽量であり、現在広く普及しつつある。ＬＣＤは自発光型の表示装置ではないため、別途これを照明する光源を配置する必要がある。低消費電力化や表示の明るさ向上といった要求が高まる中、この光源からの照明光をいかに効率良くＬＣＤに照射させるかが大きな課題となってきている。

従来、光源として、発光ダイオードパッケージに搭載されたレンズから発せられた光の大部分が該発光ダイオードパッケージのパッケージ軸にほぼ垂直となるように、該レンズ内の光を内部で導き直すもので、発光ダイオードパッケージにより発せられた光が、該レンズの鋸歯状部により屈折され、該レンズの全内部反射により反射される光源を使用するものが開示されている（特許文献１）。
特開２００３−８０８１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたような従来の光学部材では、特殊な形状のレンズ等を付加することにより光を配光するため、組立の際にＬＥＤやレンズ等の各部材の位置合わせを行う必要があった。特に、パネル直下に配置するサイドエミッタ型のＬＥＤ光源を使用する場合、ＬＥＤチップに反射鏡や特殊な形状のレンズ等を付加する必要があった。ここで、サイドエミッタ型の光源とは、光源の配光分布のピークが正面（０度）から側面（９０度）方向に倒れているものをいう。なお、射出光のピーク角度は、ランプ間距離やその他の拡散シートや輝度向上フィルム等の光学部材との兼ね合いで最適設計される場合も含む。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構造で光を配光し、平面を略均一に照明するバックライト用回折光学素子及びそれを用いた液晶表示装置を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するバックライト用回折光学素子であって、光源からの光を透過回折し、光軸中心に射出される０より大きい透過回折光の強度と比較して、周辺部に射出される透過回折光の強度の方が強い環状の強度分布で透過回折光を射出することを特徴とする。

また、回折光学素子は、フーリエ変換ホログラムからなることを特徴とする。

また、フーリエ変換ホログラムは、位相型の計算機ホログラムとして構成されていることを特徴とする。

さらに、本発明は、上記課題を解決するバックライト用回折光学素子を用いた液晶表示装置であって、光源と、光源に対向して配置された前記回折光学素子と、前記回折光学素子を射出した光の光路中に配置された透過型液晶表示素子とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、光源からの光を透過回折し、光軸中心に射出される０より大きい透過回折光の強度と比較して、周辺部に射出される透過回折光の強度の方が強い環状の強度分布で透過回折光を射出するので、簡単な構造でサイドエミッタ型の光源を実現でき、平面を略均一に照明することができる。また、光源の光軸方向と垂直な方向に多少のズレが生じても所望の配光分布を得ることができる。したがって、ＬＥＤチップ等の光源の発光面積が異なっても同じ配光分布が得られるため、発光面積を変更した場合でも設計変更の必要がない。

図１は本発明のバックライト用回折光学素子及びそれを用いた液晶表示装置の実施形態を示す断面図、図２はバックライト部の斜視図である。図１及び図２において、Ｌは光源の一例としてのＬＥＤ、１は回折光学素子の一例としてのホログラム、２は透過型液晶表示素子の一例としての液晶パネル、３は拡散板である。また、ＬＥＤ及びホログラムでバックライト部を構成し、バックライト部及び液晶パネルで液晶表示装置を構成する。

図１に示すように、本実施形態では、ホログラム１を直下型バックライトＬＥＤに対向して配置し、さらに、拡散板３を介して液晶パネル２を平行に配置する。ホログラム１は、本実施形態では、フーリエ変換ホログラムを使用している。フーリエ変換ホログラムは計算機ホログラムでも良いし、また、表面レリーフ型、振幅型、体積型であっても良い。

図２に示すように、ＬＥＤを並べたＬＥＤアレイＬａとホログラム１とは、１組として構成し、複数列に並べて配置され、全液晶パネル面に対応することが好ましい。なお、光源Ｌとホログラム１とは密着して配置してもよい。

図３は、ホログラム１の配光分布の概略を示す図である。光源Ｌから発光された光は、ホログラム１により回折され、回折光は光軸中心よりも周辺部の方が強度の強い環状の強度分布で出力される。

図４及び図５は、シミュレーションでの配光分布を示す図である。

図４は、±３０度に配光分布を持つ緑色ＬＥＤ光源の光に対して、本実施形態のホログラム１により回折した回折光をシミュレーションで表した図である。図４に示すように、ホログラム１は、光源からの光を透過回折し、光軸中心に射出される０より大きい透過回折光の強度と比較して、周辺部に射出される透過回折光がホログラム１の法線から約±３５度の方向で環状に強度の強い分布を持つように出力する。

図５は、配光がランバシアン分布を持つ緑色ＬＥＤ光源の光に対して、本実施形態のホログラム１により回折した回折光をシミュレーションで表した図である。図４に示すように、ホログラム１は、光源からの光を透過回折し、光軸中心に射出される０より大きい透過回折光の強度と比較して、周辺部に射出される透過回折光がホログラム１の法線から約±８０度の方向で環状に強度の強い分布を持つように出力する。

このように、ホログラム１が光源からの光を透過回折し、光軸中心に射出される０より大きい透過回折光の強度と比較して、周辺部に射出される透過回折光を環状に強度の強い分布を持つように出力するので、簡単な構造でサイドエミッタ型の光源を実現でき、平面を略均一に照明することができる。また、光源の光軸方向と垂直な方向に多少のズレが生じても所望の配光分布を得ることができる。したがって、ＬＥＤチップ等の光源の発光面積が異なっても同じ配光分布が得られるため、発光面積を変更した場合でも設計変更の必要がない。

次に、本実施形態のホログラム１の作製方法について説明する。

図６は、本実施形態のホログラムの原版の製造方法を実施する工程を示す図である。５は原画、６はフーリエ変換像、７は基板、８はクロム層、９はフォトレジスト、１０は原版である。なお、基板７は、ガラスやシリコン原板等である。

まず、ステップ（１）において、原画５を作成し、次に、ステップ（２）において、原画５のフーリエ変換像６を、計算機でＦＦＴ等の計算をして作成する。フーリエ変換像６は二値以上に多値化したフーリエ変換像６である。次に、ステップ（３）において、基板７上に、クロム層８、フォトレジスト９を積層したものに電子ビーム描画露光やマスク露光等を施し、凹凸パターンの潜像をフォトレジスト９に形成する。次に、ステップ（４）において、フォトレジストの潜像をポジ現像する。次に、ステップ（５）において、フォトレジストパターンにあわせてウェットエッチングによりクロム層８をエッチングし、余分なクロムを除去する。続いて、ステップ（６）において、ドライエッチングにより基板７を所定深さエッチングし、除去する。次に、ステップ（７）において、残りのフォトレジスト９を剥離する。

次に、ステップ（８）において、全面にフォトレジスト９を再塗布する。次にステップ（９）において電子ビーム描画露光やマスク露光を施し、ステップ（１０）において現像する。続いて、ステップ（１１）において、フォトレジストパターンにあわせてウェットエッチングによりクロム層８をエッチングする。次に、ステップ（１２）において、ドライエッチングにより基板７をエッチングする。この際、ステップ（６）でしたエッチングの半分の深さだけ行う。続いて、ステップ（１３）において、残りのフォトレジストを剥離し、ステップ（１４）において、残りのクロムを全て除去する。このような処理を施すことで、原版１０が得られる。

図７乃至図１０は、本発明のフーリエ変換ホログラムを作製する方法を示す図である。図７及び図８は、第１実施形態としてスタンパーを用いる場合を示す。図７は、スタンパーを作製する工程を示す図である。１０は原版、１１は導電性膜、１２はスタンパーである。まず、ステップ（１５ａ）において、ステップ（１４）で得られた原版１０に導電性膜１１を蒸着する。次に、ステップ（１６ａ）において、ニッケルメッキ（電鋳）を行い、ステップ（１７ａ）において、原版１０をはがしてスタンパー１２としての金型を形成する。

次に、図８は、図７で作成したスタンパーによりフーリエ変換ホログラムを大型化する工程を示す。１２はスタンパー、１３は熱可塑性樹脂である。ステップ（１８ａ）において、ステップ（１７ａ）で作成したスタンパー１２により、熱可塑性樹脂１３に押圧スタンプを行い、スタンパー１２の幅だけ熱可塑性樹脂１３を搬送して止める。ステップ（１９ａ）において、熱可塑性樹脂１３のステップ（１８ａ）で押圧スタンプされた部分の隣接部分に別に押圧スタンプを行い、再度スタンパー１２の幅だけ熱可塑性樹脂１３を搬送して止める。これを繰り返すことで、大型化することができる。

図９及び図１０は第２実施形態としてのＵＶ複製原版を使用する場合を示す。図９は、ＵＶ複製原版を作成する工程を示す図である。１０は原版、１４は複製原版用基板、１５はＵＶ硬化樹脂、１６はＵＶ複製原版である。まず、ステップ（１５ｂ）において、ステップ（１４）で得られた原版１０にＵＶ硬化樹脂１５を塗布し、その上に複製原版用基板１４を押し付ける。複製原版用基板１４は、ＰＥＴフィルム又はポリカーボネートフィルム等を使用する。次に、ステップ（１６ｂ）において、ＵＶ照射をし、ＵＶ硬化樹脂１５を硬化させる。続いて、ステップ（１７ｂ）において、原版１０をはがすと、ＵＶ複製原版１６が形成される。

次に、図１０は図９で作成したＵＶ複製原版１６によりフーリエ変換ホログラムを大型化する工程を示す。１６はＵＶ複製原版、１７はエンボスローラ、１８はＵＶ硬化樹脂を塗布した基材、１９はＵＶ照射装置である。ステップ（１８ｂ）において、ステップ（１７ｂ）で作成したＵＶ複製原版１６をエンボスローラ１７の周囲に配置する。続いて、ステップ（１９ｂ）において、ＵＶ複製原版１６を周囲に配置したエンボスローラ１７と、エンボスローラ１７の下に設けた他のローラとでＵＶ硬化樹脂を塗布した基材１８を挟持し、エンボスローラ１７を回転させることで、ＵＶ硬化樹脂を塗布した基材１８はエンボスパターンが形成されながら搬送され、その下流でＵＶ照射装置によりＵＶ照射され、硬化され、大型化される。

次に、図１１において他の大型化の実施形態を説明する。図１１は、原版１０を作成せずに、直接大型化するステップアンドリピートの方法を示す図である。２０は大型の基板である。ステップ（１）及びステップ（２）は前記図３で説明したものと同様な工程であり、フーリエ変換像６を作成する。ＵＶ複製原版１６として、図８のステップ（１９ａ）で得られた大型化されたフーリエ変換ホログラムを用いても良い。

次に、ステップ（３−１）において、大型の基板２０には、前記図３のステップ（３）で示したのと同様にクロム層８、フォトレジスト９が塗布されており、大型の基板２０に、電子ビーム描画露光やマスク露光等を施し、凹凸パターンの潜像をフォトレジストに形成し、次いで、大型の基板２０をフーリエ変換像６の幅の寸法分搬送し止める。続いてステップ（３−２）において、再度大型の基板２０に、電子ビーム描画露光やマスク露光等を施し、凹凸パターンの潜像をフォトレジストに形成し、次いで、大型の基板２０をフーリエ変換像６の幅の寸法分搬送し止める。これを繰り返すことで大型の基板２０に露光する。

次に、図７で示したステップ（４）からステップ（１４）までの工程を大型の基板２０に施すことで大型化される。したがって、大型のバックライト用回折光学素子が作成できるようになり、用途が拡大し、様々なものに適用できるようになる。

本実施形態を示す断面図である。 本実施形態を示す斜視図である。 本実施形態のホログラムの配光分布の概略を示す図である。 シミュレーションでの配光分布を示す図である。 シミュレーションでの配光分布を示す図である。 本実施形態のホログラムの原版の製造方法を示す図である。 本実施形態のスタンパーの製造方法を示す図である。 本実施形態の大型化したホログラムの第一の製造方法を示す図である。 本実施形態のＵＶ複製の製造方法を示す図である。 本実施形態の大型化したホログラムの第二の製造方法を示す図である。 本実施形態の大型化したホログラムの他の製造方法を示す図である。

符号の説明

１…ホログラム（回折光学素子）、２…液晶パネル（透過型液晶表示素子）、３…拡散板、５…原画、６…フーリエ変換像、７…基板、８…クロム、９…フォトレジスト、１０…原版、１１…導電性膜、１２…スタンパー、１３…熱可塑性樹脂、１４…複製原版用基板、１５…ＵＶ硬化樹脂、１６…ＵＶ複製原版、１７…エンボスローラ、１８…ＵＶ硬化樹脂を塗布した基材、１９…ＵＶ照射装置、２０…大型の基板、Ｌ…ＬＥＤ（光源）

Claims (4)

1. 光源からの光を透過回折し、
   光軸中心に射出される０より大きい透過回折光の強度と比較して、周辺部に射出される透過回折光の強度の方が強い環状の強度分布で透過回折光を射出することを特徴とするバックライト用回折光学素子。
2. 前記回折光学素子は、フーリエ変換ホログラムからなることを特徴とする請求項１に記載のバックライト用回折光学素子。
3. 前記フーリエ変換ホログラムは、位相型の計算機ホログラムとして構成されていることを特徴とする請求項２に記載のバックライト用回折光学素子。
4. 光源と、
   光源に対向して配置された前記回折光学素子と、
   前記回折光学素子から射出した前記透過回折光の光路中に配置された透過型液晶表示素子と、
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のバックライト用回折光学素子を用いた液晶表示装置。

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