JPWO2004099833A1 - ホログラム光学素子及びそれを用いた面光源装置 - Google Patents
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Abstract
Description
液晶ディスプレイは自発光デバイスではないので、外部光源または周囲の外光を利用する必要がある。外部光源としては、液晶パネルの背面に面光源を設置するバックライト方式が代表例である。バックライト方式の場合、面光源からの出射光を観察者の正面方向へ出射させることが必要になる。
このようなバックライト方式の代表的な構成を図1に示した。ただし、ホログラム光学格子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32で色分散が小さくなるよう拡散され、画像を表示する液晶パネル30を照射する。導光板の形状や導光板と液晶の間に設けた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。
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,入射角θiが20°〜70°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必要がある。また、出射光が角度分布を持つ場合には、入射角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、波長による曲げ角度依存性を小さくして、分光をできるだけ抑制する必要がある。分光は、液晶のカラー表示の色再現性を劣化させるなど、表示品質を落とす。
従来のプリズムシートは、屈折、全反射を利用し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・干渉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(特開平7−114015号公報(第1−2頁、代表図)、特開平9−325218号公報(第1−2頁、代表図)及び特表平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)参照)や、白色光を分光するという用途(特開平9−113730号公報(第1−5頁、代表図)及び特開平10−301110号公報(第1−2頁、第68図)参照)で使われてきた。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(特開平5−307174号公報(第1−2頁、代表図)、特開平6−59257号公報(第1−2頁、代表図)、特開平6−294955号公報(第1−2頁、代表図)、特開平7−28047号公報(第1−2頁、代表図)及び特開平7−49490号公報(第1−2頁、代表図)参照)。ホログラム光学素子の設計方法については、例えば、ビクトール・ソイファー(Victor Soifer),ビクトール・コトラール(Victor Kotlyar),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に記載されている。
上述のように幾何光学的に出射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り薄型化に寄与しにくくなる。また、従来のプリズムシートでは個々のプリズムが、光を曲げる機能を果たしているため、プリズム欠陥や異物があるとそのプリズムを通過する光は、異常光線となり輝点などの表示異常を引き起こしてしまう。表示装置は、欠陥や異物に非常に敏感であり表示異常を引き起こしてしまうため商品の品質を低下させてしまう。このためプリズム欠陥や異物がないように取扱いや製造に非常に気をつける必要があった。
一方、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)当該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った問題があった。例えば、周期が小さいと垂直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、当該回折次数の回折効率が低くなる。
本発明の目的は、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・干渉現象を利用したホログラム光学素子を用いることで、光曲げフィルムの高透過率と薄型化を同時に実現したホログラム光学素子及びそれを用いた面光源装置を提供する。
本発明に係るホログラム光学素子は、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曲げて出射するものである。
前記ホログラム光学素子は、透過型回折格子であって、0.46≦λ1≦0.50μm、0.53≦λ2≦0.57μm、0.60≦λ3≦0.64μmの範囲にあるλ1、λ2、λ3の3波長の平行光に近い充分にコリメートされた光を角度θiで入射させた時、各波長の回折効率が最大となる回折角度が、−5度から+5度の範囲に含まれることが好ましい。ここで、λ1=0.48μm、λ2=0.55μm、λ3=0.62μmが好ましい。
前記ホログラム光学素子は、0.46≦λ1≦0.50μm、0.53≦λ2≦0.57μm、0.60≦λ3≦0.64μの範囲にあるλ1、λ2、λ3の3波長の平行光に近い充分にコリメートされた光を角度θiで入射させた時、各波長の回折効率が最大となる回折次数が(m+m0)、m、(m−m0)、(但し、m0=1、2、・・・・)である透過型回折格子において、mが式(1)及び式(2)を満たす範囲にあり、平均周期dが式(3)を満たすことが好ましい。ここで、λ1=0.48μm、λ2=0.55μm、λ3=0.62μmが好ましい。
m×{λ2×(1−sinδ/sinθi)−λ1}≦m0×λ1
≦m×{λ2×(1+sinδ/sinθi)−λ1} ‥(1)
m×{λ3−λ2×(1+sinδ/sinθi)}≦m0×λ3
≦m×{λ3−λ2×(1−sinδ/sinθi)} ‥(2)
(ただしδは、0≦δ≦5(度)の範囲)
d=m×λ2/sinθi ‥(3)
前記ホログラム光学素子は、格子の断面が鋸歯形状であって、歯の先端をはさむ二辺の長さが10%以上異なり、夾角が60°以下であることが好ましい。
前記ホログラム光学素子は、子断面形状をNレベル(N=4,5,6,7,8,・・・)の階段状に近似した格子断面形状を持つことが好ましい。
前記ホログラム光学素子は、透過型回折格子であって、回折格子が屈折率nの材料から形成されており、格子溝の平均の深さhが、h=α×d/(n−1)(但し、0.4≦α≦1.0、dは回折格子の平均周期)であることが好ましい。
前記ホログラム光学素子は、透過型回折格子であって、格子溝が円弧状に形成されていることが好ましい。
前記ホログラム光学素子は、入射角θiが60°±15°の可視領域の白色光を垂直方向に曲げるために使用する透過型回折格子であって、m1,m2=1,2,3・・・としたとき、平均の周期dがm1×(6.0±2.0)μm、平均の深さhがm2×(5.0±1.0)μmである鋸歯形状、あるいはこの鋸歯形状をNレベル(N=4,5,6,7,8,・・・)で近似した表面形状を持つことが好ましい。
前記ホログラム光学素子は、フィルムまたは板状であることが好ましい。
前記ホログラム光学素子は、偏光分離、色分離、または反射防止機能を有する膜がホログラム光学素子に隣接して配置されているか、または、ホログラム光学素子表裏にあることが好ましい。
前記ホログラム光学素子は、偏光分離、色分離、反射防止機能が周期0.6μm以下で、深さ0.5μm以下のレリーフ形状を有する格子によって付与されることが好ましい。
本発明に係る面光源装置は、前記ホログラム光学素子を面光源の光出射面上に配置したものである。
前記面光源装置は、ホログラム光学素子を配置しない場合には、面光源の光出射面の法線方向に対して20°から70°の角度範囲に光が出射され、ホログラム光学素子を設置した場合には、面光源からの全出射光の60%以上、好ましくは70%以上が、面光源の光出射面の法線方向に対して−10°から+10°の角度範囲に出射されることが好ましい。
前記面光源装置は、ホログラム光学素子に加えさらに拡散体を用いることが好ましい。
前記面光源装置は、拡散体が入射光を空間内の特定角度範囲内に限定して拡散するホログラム拡散体であることが好ましい。
前記面光源装置は、ホログラム拡散体が導光板の光出射面に一体成型されていることが好ましい。
前記面光源装置は、ホログラム光学素子の光出射面上に反射防止膜を配置したことが好ましい。
前記面光源装置は、偏光または波長選択を目的としたフィルムを同時に配置することが好ましい。
前記面光源装置は、導光板の一側端面に接して光源が配置された面光源であって、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が形成されていることが好ましい。
前記面光源装置は、ホログラム光学素子への光入射角度がブリュースター角の近傍となるようにして、ホログラム光学素子からの出射光について特定方向の偏光が強められていることが好ましい。
図2は、ホログラム光学素子(回折格子)における入射角θiと出射角θoを説明する図である。
図3は、回折された光の回折次数と回折角の関係を示す図である。
図4は、ホログラム光学素子(回折格子)の鋸歯形状からのずれを示す図である。
図5は、ホログラム光学素子(回折格子)の鋸歯の形状を説明する図である。
図6は、扇形の溝を持つホログラム光学素子(回折格子)を示す図である。
図7は、面光源から斜めに出射した光をホログラム光学素子(回折格子)が垂直方向に曲げることを説明する図である。
図8は、液晶ディスプレイの構成を示す図である。
図9は、透過のホログラム拡散体の、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。
図10は、液晶ディスプレイの構成を示す図である。
図11は、導光板の断面図である。
図12は、ホログラム光学素子(回折格子)の製造装置を概略的に示した断面図である。
図13は、ホログラム光学素子(回折格子)の回折角と回折効率の関係を示したグラフである。
図14は、ホログラム光学素子(回折格子)の回折角と回折効率の関係を示したグラフである。
図15は、ホログラム光学素子(回折格子)の第1の具体例を示す図である。
図16は、ホログラム光学素子(回折格子)の第2の具体例を示す図である。
第1の実施の形態のホログラム光学素子は、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曲げて出射するものである。
ホログラム光学素子は、多数の凹凸形状を透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、ひとつの凹凸形状が欠損したり、異物が存在しても出射光への影響は少ない。すなわち冗長性に優れるという特徴がある。したがって、取扱いや加工が、従来のプリズムシートより楽になる。また、ホログラム光学素子を用いることで、曲げるだけでなく、集光の機能など他の光制御機能を付加することも可能である。このホログラム光学素子の設計方法については、例えば、前記ビクトール・ソイファー他の文献に記載されている。
ホログラム光学素子として、回折格子を例にとれば、一般に格子断面形状を鋸歯形状とすることが回折効率を高くするのに有効である。さらに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。単色の光を通常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という問題がある。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という問題が生じる。しかし、ホログラム光学素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ることが出来る。ここで、ホログラム光学素子とは波動光学に基づく回折・干渉現象を利用した光学部材全般である。また、白色光とは青緑赤の3原色を含む光を意味し、垂直方向に曲げるとは、回折・干渉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出射させることを意味している。
第1の実施の形態のホログラム光学素子としては、CGH(Computer Generated Hologram)のように、多数のピクセルを含むものであっても良い。ホログラム光学素子のタイプは表面レリーフ型でも体積位相型でもよく、フィルムの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。さらに、透過型でも反射型でもよい。幾何光学的な原理に基づくプリズムと組み合わせても良い。
第2の実施の形態のホログラム光学素子は、透過型回折格子である第1の実施の形態のホログラム光学素子において、0.46≦λ1≦0.50μm(青色光)、0.53≦λ2≦0.57μm(緑色光)、0.60≦λ3≦0.64μ(赤色光)の範囲にあるλ1、λ2、λ3の3波長の平行光に近い充分にコリメートされた光、例えばλ1=0.48μm、λ2=0.55μm、λ3=0.62μmを角度θiで入射させた時、各波長の回折効率が最大となる回折角度が、−5度から+5度の範囲に含まれるものである。このようなホログラム光学素子は、透過型回折格子における波長による回折角度の違いの許容できる範囲を具体的に規定するものである。青色、緑色、赤色の3原色に対応するλ1=0.48μm、λ2=0.55μm、λ3=0.62μmの3波長の平行光に近い充分にコリメートされた光を角度θiで入射させた時、各波長の回折効率が最大となる回折角度が、−5度から+5度(0度が回折格子出射面の法線方向)の範囲に含まれるようにすれば、この3波長以外の波長成分を含む白色光についても分光を抑えて垂直方向に曲げることができる。
第3の実施の形態のホログラム光学素子は、透過型回折格子である第1又は第2の実施の形態のホログラム光学素子において、0.46≦λ1≦0.50μm(青色光)、0.53≦λ2≦0.57μm(緑色光)、0.60≦λ3≦0.64μ(赤色光)の範囲にあるλ1、λ2、λ3の3波長の平行光に近い充分にコリメートされた光、例えばλ1=0.48μm、λ2=0.55μm、λ3=0.62μmの3波長の光を角度θiで入射させた時、各波長の回折効率が最大となる回折次数が(m+m0)、m、(m−m0)、(但し、m0=1、2、・・・・)であり、mが式(1)及び式(2)を満たす範囲にあり、平均周期dが式(3)を満たすものである。
m×{λ2×(1−sinδ/sinθi)−λ1}≦m0×λ1
≦m×{λ2×(1+sinδ/sinθi)−λ1} ‥(1)
m×{λ3−λ2×(1+sinδ/sinθi)}≦m0×λ3
≦m×{λ3−λ2×(1−sinδ/sinθi)} ‥(2)
(ただしδは、0≦δ≦5(度)の範囲)
d=m×λ2/sinθi (3)
これらの式によって、分光を抑えて白色光を垂直方向に曲げる第3の実施の形態のホログラム光学素子のより具体的な形が示される。λ1=0.48μm、λ2=0.55μm、λ3=0.62μmの3波長の光を角度θiで入射させた時、各波長の回折効率が最大となる回折次数が(m+m0)、m、(m−m0)、(m0=1、2、・・・・)である平均周期dの透過型回折格子を考える。この時、λ2=0.55μmに対するm次の回折角をθ2とすると、式(4)が成り立つ。
d×(sinθi+sinθ2)=m×λ2 ‥(4)
したがって、λ2の波長の光を垂直方向、すなわちθ2=0、に曲げるには、
d=m×λ2/sinθi ‥(5)
であることが必要である。
この時、λ1に対する(m+m0)次の回折角をθ1、λ3に対する(m−m0)次の回折角をθ3、とすると、
d×(sinθi+sinθ1)=m×λ2×(1+sinθ1/sinθi)
=(m+m0)×λ1 ‥(6)
d×(sinθi+sinθ3)=m×λ2×(1+sinθ3/sinθi)
=(m−m0)×λ3 ‥(7)
分光を抑えるためには、δを、0≦δ≦5(deg)の範囲の定数として、
−δ≦θ1、θ3≦δ ‥(8)
であることが必要である。
式(6)、(7)、(8)から、mが満たすべき式として、
m×{λ2×(1−sinδ/sinθi)−λ1}≦m0×λ1
≦m×{λ2×(1+sinδ/sinθi)−λ1} ‥(9)
m×{λ3−λ2×(1+sinδ/sinθi)}≦m0×λ3
≦m×{λ3−λ2×(1−sinδ/sinθi)} ‥(10)
が導かれる。
式(5)、(9)、(10)を満たせば、波長λ1、λ2、λ3の光は±δ度以内の範囲に回折されることになる。たとえばθi=65度、m0=1、δ=1度として、適合する透過型回折格子を求めてみる。この場合、式(9)、(10)から
7.69≦m≦8.08 (11)
となるので、これを満たす整数としては、m=8しかない。したがって、平均周期dは式(5)より、約4.85μmとすればよい。格子の断面形状は、λ1=0.48μmにたいしては9次の、λ2=0.55μmにたいしては8次の、λ3=0.62μmに対しては7次の回折効率が最大となるように適宜選べばよい。
図3には回折次数と回折角度の関係を示した。ホログラム光学素子からの出射光の中で入射光と同じ方向に伝播するのが0次光である。これより出射面の法線方向に近づく方向に出るのが正の次数の回折光であり、反対側が負の次数の回折光である。したがって、出射面の法線方向に出射される光は必ず正の次数の回折光となる。
第4の実施の形態のホログラム光学素子は、第1ないし第3の実施の形態のいずれかのホログラム光学素子において、格子の断面が鋸歯形状であって、歯の先端をはさむ二辺の長さが10%以上異なり、夾角が60°以下であるものである。
第5の実施の形態のホログラム光学素子は、第4の実施の形態のホログラム光学素子において、格子断面形状をNレベル(N=4,5,6,7,8,・・・)の階段状に近似した格子断面形状を持つものである。
第4又は第5の実施の形態のホログラム光学素子は、白色光を垂直方向に曲げるために使用される透過型回折格子(ホログラム光学素子)の格子断面形状にとって好ましい形状を有している。先端のとがった鋸歯形状あるいは、それをNレベルの階段状に近似した形状にすることで、効率よく垂直方向に曲げることができる。
なお格子断面形状は、理想的な鋸歯形状から図4に示したようにずれてもかまわない。この時、直線からのずれ量(図4の28)の最大値が0.2μm以下であることが好ましい。条件によっては、鋸歯形状から少しずれたところで回折効率が最大になる場合もある。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。
第6の実施の形態のホログラム光学素子は、透過型回折格子である第4または第5の実施の形態のホログラム光学素子において、回折格子が屈折率nの材料から形成されており、格子溝の平均の深さhが、h=α×d/(n−1)(但し、0.4≦α≦1.0、dは回折格子の平均周期)であるものである。
前記関係式によって、第6の実施の形態のホログラム光学素子における、白色光を垂直方向に曲げるために使用される透過型回折格子(ホログラム光学素子)の格子溝の深さの好ましい範囲が示されている。
回折格子の深さと周期および鋸歯の位置ずれの関係を図5に示した。回折格子の格子溝の平均の深さhは深すぎても浅すぎても、垂直方向に光が届く効率は落ちる。このように、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α×d/(n−1)(但し、0.4<α<1.0)の条件のとき、効率が高い。このとき、最適な深さhは、周期d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u/dが20%のときは5.5μmが最適な深さの一つである。ここで使われる深溝で面積の広い回折格子を量産するには鋳型から転写して作る。転写された樹脂は熱またはUV光で硬化する。本発明で用いる深い溝を持つ鋳型を作る方法としては、基板上に電子線用レジストを塗布し、電子線描画したのちRIE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、バイトを用いて機械加工法で作製する方法が挙げられる。転写される材質は使用条件に応じて、光透過性の良いアクリル系の光硬化樹脂が望ましい。
第7の実施の形態のホログラム光学素子は、透過型回折格子である第1ないし第6の実施の形態のいずれかのホログラム光学素子において、格子溝が円弧状に形成されているものである。
このホログラム光学素子は、導光板のコーナー部にLEDを設置する方式のバックライトに適した回折格子の格子溝配置を有している。格子溝を円弧状にすることで、コーナー部のLEDから伝播する光を効率良く垂直方向に曲げることができ、正面方向の輝度を高くすることができる。図6に示したように格子断面は鋸歯形状とし、ある一点を中心とする同心円状に格子溝を形成するのが好ましい。円弧状の格子溝は必ずしも連続した溝である必要はない。
第8の実施の形態のホログラム光学素子は、入射角θiが60°±15°の可視領域の白色光を垂直方向に曲げるために使用する透過型回折格子である第1ないし第7の実施の形態のいずれかのホログラム光学素子において、m1,m2=1,2,3・・・としたとき、平均の周期dがm1×(6.0±2.0)μm、平均の深さhがm2×(5.0±1.0)μmである鋸歯形状、あるいはこの鋸歯形状をNレベル(N=4,5,6,7,8,・・・)で近似した表面形状を持つものである。
上記関係式によっては、第8の実施の形態のホログラム光学素子における、特に入射角θiが60°±15°の範囲にある場合に好適な透過型回折格子の周期、格子溝深さ、断面形状が示されている。
第1から第8の実施の形態のいずれのホログラム光学素子においても、透過型回折格子の溝の向きは、入射光に対して、垂直でも平行でも良い。また、縦横に切ってあっても良い。
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、回折格子入射面の法線方向と入射光のなす角度、つまり入射角θiは20〜70度の範囲になることが多い。このとき、回折格子を通過した白色光が±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。また、回折角の波長依存性は差が10°以下のとき小さい。前記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、液晶表示装置で回折効率の高い方の偏波を用いるようにするのが望ましい。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。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。
第9の実施の形態のホログラム光学素子は、第1ないし第8のいずれかのホログラム光学素子において、ホログラム光学素子がフィルムまたは板状であるものである。
このように、ホログラム光学素子の形状はフィルムまたは板状である方が、立方体や球であるよりもかさばらないですむ。
第10の実施の形態のホログラム光学素子は、第1ないし第9のいずれかのホログラム光学素子において、偏光分離、色分離、または反射防止機能を有する膜がホログラム光学素子に隣接して配置されているか、または、ホログラム光学素子の表裏にあるものである。
第11の実施の形態のホログラム光学素子は、第10の実施の形態のホログラム光学素子において、偏光分離、色分離、反射防止機能が周期0.6μm以下で、深さ0.5μm以下のレリーフ形状を有する格子によって付与されるものである。
このように、面光源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光学素子と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、色分離、反射防止機能は、微細な周期構造を作ることで実現できる。
第12の実施の形態は、第1ないし第11の実施の形態のいずれかのホログラム光学素子を面光源の光出射面上に配置したことを特徴とする面光源装置である。
本実施の形態のホログラム光学素子は図7のように面光源から斜めに出た光を垂直方向に曲げる。第12の実施の形態のように、ホログラム光学素子を使うことで面光源から出射される白色光を効率よく曲げることができ、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。
第13の実施の形態は、第12の実施の形態の面光源装置において、ホログラム光学素子を配置しない場合には、面光源の光出射面の法線方向に対して20°から70°の角度範囲に光が出射され、ホログラム光学素子を設置した場合には、面光源からの全出射光の60%以上、好ましくは70%以上が、面光源の光出射面の法線方向に対して−10°から+10°の角度範囲に出射されるものである。
ホログラム光学素子の格子断面形状が鋸歯形状の透過型回折格子の場合には、面光源からの出射光が、図5の18に示す鋸歯の歯の向きの歯の長い方の辺に沿った方向とおおむね平行になるようにして、回折格子に入射させた方が回折効率が高くなり好ましい。
また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。したがって鋸歯形状を有する格子面を面光源側に向ける方が、逆向きに設置する場合よりもフレネル損失を低減できる。また、板状の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。
第13の実施の形態のように、−10°から+10°の角度範囲に60%以上、好ましくは70%以上の光を出射させることにより、液晶表示装置の正面方向輝度を高められ、かつ分光が少なく高品位の表示を可能にするバックライト用の面光源装置が実現できる。
第14の実施の形態は、第12または第13の実施の形態の面光源装置において、ホログラム光学素子に加えさらに拡散体を用いるものである。
人の目にはわずかな色分散でも認識されるので、このように拡散体を入れてもよい。拡散体とホログラム光学素子の組み合わせ方としては、本発明者らの特願2002−23797号公報の方法を使用することができる。ホログラム光学素子と拡散体の配置・組み合わせは、一枚のフィルムの両面でもよく、回折格子2枚と拡散体1枚でもよい。図1のように導光板12、ホログラム光学素子10、拡散体32の順に配置しても、図8のように導光板12、拡散体32、ホログラム光学素子10の順に配置しても良い。また、導光板、拡散体、ホログラム光学素子、拡散体の構成でもよい。拡散体の拡散は表面の凹凸によるものでも、フィルム内部の屈折率分布によるものでもよい。
第15の実施の形態は、第14の実施の形態の面光源装置において、ホログラム拡散体が入射光を空間内の特定角度範囲内に限定して拡散するものである。
このように、拡散体としては、拡散角度が規定でき、かつ拡散効率の高い、ホログラム拡散体が好ましい。光がz方向に伝播するとき、回折格子の溝と平行な向きをxとする。図9のように拡散体による光の散乱方向を単位ベクトル(Sx、Sy、Sz)で定義する。また、Sx、Syの最大値はそれぞれ、sin(θ1)、sin(θ2)で定義する。この場合色分散はy方向に生じるので、θ1の範囲をなるべく小さくして、θ2の範囲を色分散を消すのに最低限必要な角度に設定する。このようなホログラム拡散体の製法としては、特開2002−71959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。また、ホログラム拡散体の拡散特性は場所により異なっていてもかまわない。
第16の実施の形態は、第15の実施の形態の面光源装置において、ホログラム拡散体が導光板の光出射面に一体成型されているものである。
導光板、ホログラム拡散体、ホログラム光学素子の順に配置して用いる場合には、このように、ホログラム拡散体を導光板の光出射面に一体成型することにより、フレネル損を低減することができる。
第17の実施の形態は、第12ないし第16のいずれかの実施の形態の面光源装置において、ホログラム光学素子の光出射面上に反射防止膜を配置したものである。
面光源から出た光は、レリーフ形状を持ったフィルムで曲げられ、フィルムの反対側から垂直に出射するが、そのさい空気とフィルムの界面を通るたびに約4%がフレネル反射する。それを防ぐには、このように反射防止膜(無反射膜)を備えればよい。反射防止機能は、誘電体多層膜で覆うことで実現できる。誘電体多層膜による反射防止膜の作り方は、例えば、藤原史郎編、池田英生・石黒浩三・横田英嗣著「光学薄膜第2版」共立出版、1984年、p. 98−109に記載されている。また、この機能は、周期の小さな格子を設けることでも実現できる。この周期は0.28±0.08μm、深さは0.22±0.1μmであることが望ましい。また、フィルムと空気の界面を少なくしてフレネル損を最小限にするためには、光を曲げるレリーフ形状と周期の小さな格子は同じフィルムの表裏にあるのが好ましい。さらに、このフィルムは複数重ねても良い。また、導光板の出射光の出る表面には、拡散体や反射防止膜があるのが好ましい。
第18の実施の形態は、第12ないし第17の実施の形態のいずれかの面光源装置において、偏光または波長選択を目的としたフィルムを同時に配置するものである。
このように偏光または波長選択を目的としたフィルムを設けることで、光の利用効率を上げることができる。たとえば、導光板の面光源から出た光が、入射角60°近傍でフィルムに入射するとき周期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原色のうち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良い。また、面光源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があるのが好ましい。
第19の実施の形態は、第12ないし第18の実施の形態のいずれかの面光源装置において、導光板の一側端面に接して光源が配置された面光源であって、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が形成されているものである。
図10で左の端面から入射した光は導光板の裏面50で反射され、次に、導光板表面の拡散体46で拡散され、さらに回折格子などのホログラム光学素子(光曲げフィルム)で曲げられて、垂直方向へと出射する。このような配置において、導光板の裏面からの反射角度と導光板表面での拡散角度およびホログラム光学素子(光曲げフィルム)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。
第20の実施の形態は、第12ないし第19の実施の形態のいずれかの面光源装置において、ホログラム光学素子への光入射角度がブリュースター角の近傍となるようにして、ホログラム光学素子からの出射光について特定方向の偏光が強められているものである。
n1、n0をそれぞれ、フィルムと空気の屈折率とすると、フィルムに入射する場合のブリュースター角θBは式(12)で、定義される。
tan(θB)= n1/n0 ‥(12)
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垂直な成分は完全に透過するので、こちらの偏光(P偏光)を選べば、界面での透過率を100%にできる。また、ホログラム光学素子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光とホログラム光学素子で透過率の高い偏光は向きが一致する。したがって、このようにホログラム光学素子への光入射角度をブリュースター角の近傍になるようにすることにより、面光源装置からの出射光はP偏光強度が強められたものになる。この場合P偏光を用いる液晶パネルと組合わせることにより、より正面方向の輝度を高めることができる。
導光板48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11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46は、入光端面52に平行な方向に60度(光強度が半分になる拡散角度が60度)、入光端面52に垂直な方向に1度の拡散特性とした。
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図5において、h=6.2μm、d=5μm、u=1μmとした。
次に、ホログラム光学素子10の製造装置88及び製造方法について説明する。図12に示したように、ホログラム光学素子10の製造装置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、その周面に回折格子溝が形成されており、光硬化型樹脂70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82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商品名)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に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節している。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、透明ベースフィルム(透光フィルム)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とで挟み込んで、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。
このようにして製造したフィルムシート76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、3m/分で製作した。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。
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、モアレによるムラ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13および14に示した。図13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14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。
図15は、透過型回折格子であるホログラム光学素子の第1の具体例を示す断面図である。
この第1の具体例は、前記第2、第4及び第8の実施の形態のホログラム光学素子に該当するものである。このホログラム素子10は、屈折率1.48の光硬化アクリル樹脂からなり、周期d=5μmの鋸歯状の格子を有する。このホログラム光学素子に図の方向で入射角67度の入射光(平行光に近い充分にコリメートされた光)を与えたとき、次の表1のような結果が得られた。
図16は、透過型回折格子であるホログラム光学素子の第2の具体例を示す断面図である。
この第2の具体例は、前記第2及び第8の実施の形態のホログラム光学素子に該当するものである。このホログラム素子10は、屈折率1.48の光硬化アクリル樹脂からなり、周期d=5μmの鋸歯状の格子を有する。このホログラム光学素子に図の方向で入射角67度の入射光(平行光に近い充分にコリメートされた光)を与えたとき、次の表2のような結果が得られた。
この第2の具体例において、0.48μmの9次と10次はほぼ回折効率等しく、0.62μmの7次と8次もほぼ等しい。
これら透過型回折格子であるホログラム光学素子の第1及び第2の具体例を前記実施の形態における導光板と組合わせたバックライトは、充分な正面方向輝度が得られ、分光による色づきも見られなかった。
以上説明したように、本発明のホログラム光学素子は、多数の凹凸形状を透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、ひとつの凹凸形状が欠損したり、異物が存在しても出射光への影響は少なく、取扱いや加工が、従来のプリズムシートより容易になる。また、高透過率と薄型化を同時に実現することができる。このホログラム光学素子を面光源装置に用いることで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効率的に曲げて出射することができ、正面方向での輝度を上げることができる。
Claims (20)
- 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曲げて出射するホログラム光学素子。
- 透過型回折格子であって、0.46≦λ1≦0.50μm、0.53≦λ2≦0.57μm、0.60≦λ3≦0.64μmの範囲にあるλ1、λ2、λ3の3波長の光を角度θiで入射させた時、各波長の回折効率が最大となる回折角度が、−5度から+5度の範囲に含まれることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のホログラム光学素子。
- 0.46≦λ1≦0.50μm、0.53≦λ2≦0.57μm、0.60≦λ3≦0.64μmの範囲にあるλ1、λ2、λ3の3波長の光を角度θiで入射させた時、各波長の回折効率が最大となる回折次数が(m+m0)、m、(m−m0)、(但し、m0=1、2、・・・・)である透過型回折格子において、mが式(1)及び式(2)を満たす範囲にあり、平均周期dが式(3)を満たすことを特徴とする請求の範囲第1項または第2項に記載のホログラム光学素子。
m×{λ2×(1−sinδ/sinθi)−λ1}≦m0×λ1
≦m×{λ2×(1+sinδ/sinθi)−λ1} ‥(1)
m×{λ3−λ2×(1+sinδ/sinθi)}≦m0×λ3
≦m×{λ3−λ2×(1−sinδ/sinθi)} ‥(2)
(ただしδは、0≦δ≦5(度)の範囲)
d=m×λ2/sinθi ‥(3) - 格子の断面が鋸歯形状であって、歯の先端をはさむ二辺の長さが10%以上異なり、夾角が60°以下であることを特徴とする請求の範囲第1項ないし第3項のいずれかに記載のホログラム光学素子。
- 請求の範囲第4項に記載のホログラム光学素子における格子断面形状をNレベル(N=4,5,6,7,8,・・・)の階段状に近似した格子断面形状を持つことを特徴とする請求の範囲第4項に記載のホログラム光学素子。
- 透過型回折格子であって、回折格子が屈折率nの材料から形成されており、格子溝の平均の深さhが、h=α×d/(n−1)(但し、0.4≦α≦1.0、dは回折格子の平均周期)である請求の範囲第4項または第5項に記載のホログラム光学素子。
- 透過型回折格子であって、格子溝が円弧状に形成されていることを特徴とする請求の範囲第1項ないし第6項のいずれかに記載のホログラム光学素子。
- 入射角θiが60°±15°の可視領域の白色光を垂直方向に曲げるために使用する透過型回折格子であって、m1,m2=1,2,3・・・としたとき、平均の周期dがm1×(6.0±2.0)μm、平均の深さhがm2×(5.0±1.0)μmである鋸歯形状、あるいはこの鋸歯形状をNレベル(N=4,5,6,7,8,・・・)で近似した表面形状を持つことを特徴とする請求の範囲第1項ないし第7項のいずれかに記載のホログラム光学素子。
- ホログラム光学素子がフィルムまたは板状であることを特徴とする請求の範囲第1項ないし第8項のいずれかに記載のホログラム光学素子。
- 偏光分離、色分離、または反射防止機能を有する膜がホログラム光学素子に隣接して配置されているか、または、ホログラム光学素子表裏にあることを特徴とする請求の範囲第1項ないし第9項のいずれかに記載のホログラム光学素子。
- 請求の範囲第10項に記載の偏光分離、色分離、反射防止機能が周期0.6μm以下で、深さ0.5μm以下のレリーフ形状を有する格子によって付与されることを特徴とするホログラム光学素子。
- 請求の範囲第1項ないし第11項のいずれかに記載のホログラム光学素子を面光源の光出射面上に配置したことを特徴とする面光源装置。
- 請求の範囲第12項に記載の面光源装置において、ホログラム光学素子を配置しない場合には、面光源の光出射面の法線方向に対して20°から70°の角度範囲に光が出射され、ホログラム光学素子を設置した場合には、面光源からの全出射光の60%以上が、面光源の光出射面の法線方向に対して−10°から+10°の角度範囲に出射されることを特徴とする請求の範囲第12項に記載の面光源装置。
- ホログラム光学素子に加えさらに拡散体を用いることを特徴とする請求の範囲第12項または第13項に記載の面光源装置。
- 拡散体が入射光を空間内の特定角度範囲内に限定して拡散するホログラム拡散体であることを特徴とする請求の範囲第14項に記載の面光源装置。
- ホログラム拡散体が導光板の光出射面に一体成型されていることを特徴とする請求の範囲第15項に記載の面光源装置。
- ホログラム光学素子の光出射面上に反射防止膜を配置したことを特徴とする請求の範囲第12項ないし第16項のいずれかに記載の面光源装置。
- 偏光または波長選択を目的としたフィルムを同時に配置することを特徴とする請求の範囲第12項ないし第17項のいずれかに記載の面光源装置。
- 導光板の一側端面に接して光源が配置された面光源であって、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が形成されていることを特徴とする請求の範囲第12項ないし第18項のいずれかに記載の面光源装置。
- ホログラム光学素子への光入射角度がブリュースター角の近傍となるようにして、ホログラム光学素子からの出射光について特定方向の偏光が強められていることを特徴とする請求の範囲第12項ないし第19項のいずれかに記載の面光源装置。
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