KR101117363B1 - 회절형 집광필름 및 그것을 이용한 면광원장치 - Google Patents

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야스히코 아와노
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히다치 가세고교 가부시끼가이샤
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Abstract

박형(薄型)으로 광투과율과 집광성이 높고, 취급성이 뛰어난 회절형 집광필름 및 그것을 이용한 면광원(面光源)장치를 제공한다. 종래의 굴절을 이용한 프리즘 시트가 아니고, 빛의 파동적 성질에 근거하는 회절?간섭 현상을 이용한 홀로그램 광학소자를 이용하는 것으로써 광굴절 필름의 고투과율과 박형화를 동시에 실현한 회절형 집광필름 및 그것을 이용한 면광장치를 제공한다. 본 발명에 관한 회절형 집광필름은, 굴절각도의 파장의존성이 작고, 경사 방향으로부터 입사한 백색광의 분광을 억제하여 수직방향으로 굴절시켜서 출사하는 것이다. 동시에, 입사광각도의 변화에 대하여 출사광 각도변화를 작게 억제하는 것으로써 종래의 광학소자에서는 불가능했던 높은 집광성을 실현한다.
Figure R1020077003648
회절형 집광필름, 면광장치

Description

회절형 집광필름 및 그것을 이용한 면광원장치{DIFFRACTION TYPE CONDENSING FILM AND SURFACE LIGHT SOURCE DEVICE USING THE SAME}
본 발명은, 경사 방향으로부터 입사한 백색광을 수직방향으로 굴절시켜서 출사하는 회절형 집광필름 및 그것을 이용한 면광원장치에 관한 것으로, 특히 액정 디스플레이의 백라이트에 이용하는 것에 의해 관찰자의 정면방향에의 휘도를 향상할 수가 있다.
액정 디스플레이는, 컴퓨터의 표시부나 가전제품의 제어 패널의 표시부외에, 휴대전화의 표시부로 이용할 수 있으며, 한층 더 저소비 전력화와 경량화, 박형화가 요청되고 있다.
액정 디스플레이는 자발광(自發光) 디바이스가 아니므로, 외부광원 또는 주위의 외광을 이용할 필요가 있다. 외부광원으로서는, 액정 패널의 배면에 면광원을 설치하는 백라이트 방식이 대표예이다. 백라이트 방식의 경우, 면광원으로부터의 출사광을 관찰자의 정면방향으로 출사되게 하는 것이 필요하게 된다.
이러한 백라이트 방식의 대표적인 구성을 도 1에 나타냈다. 광원(90)으로부터 도광판(12)에 입사하여, 비스듬히 출사된 빛(14)은 프리즘 시트(91)에서 수직방향으로 굴절되고, 확산체(32)에서 색분산이 작아지도록 확산되고, 화상을 표시하는 액정 패널(30)을 조사한다. 도광판의 형상이나 도광판과 액정의 사이에 설치한 프리즘 시트(91)의 형상을 최적화하여, 정면의 휘도가 높아지도록 설계되어 있다.
변입광(邊入光)형 백라이트의 입광부 부근은 휘도얼룩이 크고, 액정표시장치의 조명에 이용했을 경우는 표시 품질이 저하한다. 이 때문에, 입광부로부터 어떤 특정한 거리까지를 비표시 영역으로서 확보해야 할 필요가 있고, 액정표시장치의 소형화에 대해서는 장해가 되어 있다. 종래의 프리즘 시트에서는 고휘도화와 휘도얼룩저감의 양립은 어렵기 때문에, 예컨대 프리즘을 형성하고 있지 않은 면에 확산형상을 설치하는 것으로써 휘도를 희생하여 휘도얼룩의 저감하는 것이 시도되고 있다.
도광판으로부터 출사하는 광의 출사각θo는 도광판의 설계에 의존한다. 또한, 입사각θi가 20˚~70˚정도가 되는 것이 많다. 그래서, 프리즘 시트(91)의 역할은 이 광을 효율적으로 θo가 O˚의 방향, 즉 수직방향으로 굴절시키는 것이다. 그것을 위하여는, 공기층과 프리즘 시트와의 계면반사인 프레넬 반사를 작게 하고, 또한, 되도록이면, 많은 빛이 O˚의 방향으로 진행하도록 해야 한다. 또한, 출사광이 각도분포를 가질 경우에는, 입사각θi가, 다소 변동해도, 수직방향으로의 휘도가 감소하지 않는 것과 같은 광굴절 특성을 갖게 하는 것으로써 광굴절각이 일정한 것보다 정면방향으로의 휘도를 높게 할 수 있다. 더욱이, 광원은 백색광이므로, 파장에 의한 굴절각도 의존성을 작게 해서, 분광을 될 수 있는 한 억제해야 한다. 분광은, 액정의 칼러 표시의 색재현성(色再現性)을 열화시키는 등, 표시 품질을 떨어뜨 린다.
종래의 프리즘 시트는, 굴절, 전반사를 이용해서 기하광학적으로 출사광을 굴절시키고 있다. 이렇게 기하광학적으로 출사광을 굴절시키는 방법에서는, 요철(凹凸)의 높이가 크기 때문에 시트의 막두께가 두꺼워져 박형화에 기여하기 어려워진다. 또한, 종래의 프리즘 시트에서는 개개의 프리즘이, 빛을 굴절시키는 기능을 해내고 있기 때문에, 프리즘 결함이나 이물이 있으면 그 프리즘을 통과하는 빛은, 이상광선이 되어 휘점 등의 표시 이상을 야기해 버린다.
표시장치는, 결함이나 이물에 대단히 민감해서 표시 이상을 야기해버리기 때문에 상품의 품질을 저하시켜 버린다. 이 때문에 프리즘 결함이나 이물이 없도록 취급이나 제조에 대단히 주의할 필요가 있다.
이에 대하여, 파동광학에 근거하는 회절?간섭 현상을 이용한 광학부재(홀로그램 광학소자)는 기하광학적효과를 이용한 소자에 비교하여, 박형으로 할 수 있다는 이점과 집광이나 확산 등의 복수의 기능을 하나의 소자로 실현가능하다는 이점이 있다. 다만, 분광이나 높은 차원인 회절을 따르기 위해서 백색광을 굴절시키는 용도가 아니라, 오히려, 백색광을 확산해서 시야각을 넓힌다는 용도(특개평7-114015호 공보(제1-2페이지, 대표도), 특개평 9-325218호 공보(제1-2페이지, 대표도) 및 특표평 10-506500호 공보(제1-4페이지, 제1-5도), 특개평11-296054호 공보(제1-2페이지, 제2-5도), 특개 2000-39515호 공보(제1-2페이지, 제1-2도)참조)이나, 백색광을 분광한다는 용도(특개평9-113730호 공보(제1-5페이지, 대표도) 및 특개평10-301110호 공보(제1-2페이지, 제68도)참조)으로 사용되어 왔다. 또한, 백색 광을 확산한다는 효과를 이용하고, 도트 매트릭스의 표시 결함을 보이지 않도록 하는 것에도 사용되어 왔다 (특개평5-307174호 공보(제1-2페이지, 대표도), 특개평6-59257호 공보(제1-2페이지, 대표도), 특개평6-294955호 공보(제1-2페이지, 대표도), 특개평7-28047호 공보(제1-2페이지, 대표도) 및 특개평7-49490호 공보(제1-2페이지, 대표도)참조). 홀로그램 광학소자의 설계 방법에 대해서는, 예컨대, 빅터 소이파(Victor Soifer), 빅터 코트럴(Victor Kotlyar), 레오니드 도스코로비치(Leonid Doskolovich)저: ”아이테러티브 메쏘즈 포 디프렉티브 옵티컬 엘러멘츠 컴퓨테이션(lterative Methods for Diffractive Optical Elements Computation)”, (미국), 테일러 앤드 프렌시스(Taylor&Francis), 1997년, p.1 -10에 기재되어 있다.
이러한 파동광학에 근거한 회절?간섭 현상을 이용한 홀로그램 광학소자는, 1) 입사광이 수직으로 굴절되는 회절차수 이외의 회절광이 발생한다, 2) 상기 회절차수의 회절효율이 낮아진다, 3) 파장분산이 크다는 문제가 있다. 예컨대, 주기가 작다고 수직으로 굴절되는 차수가 없거나, 파장분산이 커지거나 한다. 깊이가 적당하지 않으면, 상기 회절차수의 회절효율이 낮아진다.
박형이며 광투과율과 집광성이 높고, 취급성이 뛰어난 회절형 집광필름 및 그것을 이용한 면광원장치를 제공한다.
본 발명의 목적은, 종래의 굴절을 이용한 프리즘 시트가 아니고, 빛의 파동적 성질에 근거하는 회절?간섭 현상을 이용한 홀로그램 광학소자를 이용하는 것으로써 광굴절 필름의 고투과율과 박형화를 동시에 실현한 회절형 집광필름 및 그것을 이용한 면광원장치를 제공한다.
본 발명에 관한 회절형 집광필름은, 굴절각도의 파장의존성이 작고, 경사 방향으로부터 입사한 백색광의 분광을 억제하여 수직방향으로 굴절시켜서 출사하는 것이다. 동시에, 입사광각도의 변화에 대하여 출사광 각도변화를 작게 억제하는 것으로써 종래의 광학소자에서는 불가능했던 높은 집광성(集光性)을 실현하는 것이다.
즉, 본 발명에 관한 투과형 회절격자는, 필름 모양 또는 판모양의 회절격자이며, 상기 회절격자는, 입사광이 입사하는 입사면과, 입사광을 투과해서 출사하는 출사면을 갖고, 상기 입사면은, 서로 평행한 단면이 톱니형상이 되는 미세한 격자를 갖고, 상기 회절격자는, 한 쪽으로부터 상기 회절격자에 입사한 광의 CIE색좌표의 x=0.310, y=0.316인 백색광을 입사했을 경우의, 출사광의 CIE색좌표 x가 0.31≤x≤0.37이며 색좌표 y가 0.3≤y≤0.42의 범위에 있는, 경사 방향으로부터 입사한 백색광의 분광을 억제하여 수직방향으로 굴절시켜서 출사하는, 한 쪽의 사면(斜面)의 법선이 필름 또는 판의 상면의 법선과 이루는 각αF가 70도 이상 89.5도 이하이며, 또한 다른 쪽의 사면의 법선이 필름 또는 판의 상면의 법선과 이루는 각 αB가, 입사광이 필름 또는 판의 상면의 법선과 이루는 각θi 대하여 θi/2.69-5≤78-αB≤θi/2.26+5이다.
αF가 73˚ 이상 81˚ 이하인 것이 바람직하다.
피치가 10μm 이하인 것이 바람직하다.
피치가 1μm 이상 5μm 이하인 것이 바람직하다.
격자 단면형상을 N레벨(N=4, 5, 6, 7, 8, …)의 계단모양과 근사한 격자단면형상을 가진 것이 바람직하다.
격자홈이 원호모양으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
m1, m2=1, 2, 3…이라고 했을 때, 평균의 주기d가 m1×(6.0±2.0)μm, 평균의 깊이 h가 m2×(5.0±1.0)μm인 톱니형상, 또는 이 톱니형상을 N레벨(N=4, 5, 6, 7, 8, …)과 근사한 표면형상을 가지는 것이 바람직하다.
편광분리, 색분리,또는 반사방지 기능을 갖는 막이 투과형 회절격자에 인접해서 배치되어 있거나, 또는, 홀로그램 광학소자의 표리(表裏)에 있는 것이 바람직하다.
편광분리, 색분리, 반사방지 기능이 주기 0.6μm 이하이며, 깊이 0.5μm 이하의 릴리프 형상을 갖는 격자에 의해 부여되는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 면광원장치는, 상기 투과형 회절격자를 면광원의 광출사면 위로 배치한 것을 특징으로 한다.
투과형 회절격자를 배치하지 않을 경우에는, 면광원의 광출사면의 법선방향에 대하여 20˚로부터 70˚의 각도범위에 빛이 출사되어, 홀로그램 광학소자를 투과형 회절격자를 설치했을 경우에는, 면광원으로부터의 전출사광의 60％이상이, 면광원의 광출사면의 법선방향에 대하여 -10˚로부터 +10˚의 각도범위에 출사하는 것이 바람직하다.
홀로그램 광학소자에 더해 확산체를 더 이용하는 것이 바람직하다.
확산체가 입사광을 공간내의 특정 각도범위 내에 한정해서 확산하는 홀로그램 확산체인 것이 바람직하다.
홀로그램 확산체가 도광판의 광출사면에 일체 성형되어 있는 것이 바람직하다.
홀로그램 광학소자의 광출사면 위로 반사방지막을 배치한 것이 바람직하다.
편광 또는 파장선택을 목적으로 한 필름을 동시에 배치하는 것이 바람직하다.
도광판의 1측 단면에 접해서 광원이 배치된 면광원이며, 도광판의 이면은 판중(板中)을 전파하는 빛의 방향과 거의 수직한 복수의 홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 회절형 집광필름은, 입사각변화에 대하여 출사각변화가 작기 때문에, 높은 집광성을 실현할 수 있다. 또한, 출사특성에 대한 입사광분포의 영향이 작기 때문에, 본 광학소자와 조합시켜서 이용할 수 있는 도광판의 특성에 의존하지 않고 높은 정면휘도를 얻을 수 있다.
도 1은, 백라이트 방식의 액정 디스플레이의 대표적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는, 굴절된 빛의 회절차수와 회절각의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은, 다중노광에 의해 4단계의 계단모양과 근사한 회절격자형상을 제작하는 수법의 설명도이다.
도 4는, 노광에 의해 4단계의 계단모양과 근사한 회절격자형상을 제작하는 수법의 설명도이다.
도 5는, 회절형 집광필름(회절격자)의 톱니형상으로부터의 어긋남을 나타내는 도면이다.
도 6은, 부채형의 홈을 가지는 회절형 집광필름(회절격자)을 나타내는 도면이다.
도 7은, 회절형 집광필름(회절격자)에 있어서의 입사각θi와 출사각θo를 설명하는 도면이다.
도 8은, 면광원으로부터 비스듬히 출사된 빛을 회절형 집광필름(회절격자)이 수직방향으로 굴절시키는 것을 설명하는 도면이다.
도 9는, 회절형 집광필름(회절격자)의 톱니의 형상을 설명하는 도면이다.
도 10은, 액정 디스플레이의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은, 액정 디스플레이의 구성을 나타내는 도면이다.
도 12는, 투과의 홀로그램 확산체의, 확산특성의 규정방법 및 측정방법을 나타내는 설명도이다.
도 13은, 액정 디스플레이의 구성을 나타내는 도면이다.
도 14는, 도 15에 나타내는 도광판의 단면에 백색 LED광원을 배합하고, 하면에 은증착 반사시트를 배합한 면광원장치의 출사광의 각도분포이다.
도 15는, 도광판의 단면도이다.
도 16은, 회절형 집광필름(회절격자)의 제조장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 17은, 피치 5μm, αB가 54˚인 회절격자에 있어서 αF을 변화시켰을 경우의 출사광 피크강도이다.
도 18은, 피치 5μm, αB가 54˚인 회절격자에 있어서 αF을 변화시켰을 경우의 출사광 피크각도이다.
도 19는, 피치 5μm, αF가 70˚인 회절격자에 있어서 αB을 변화시켰을 경우의 출사광 피크강도이다.
도 20은, 피치 5μm, αF가 70˚인 회절격자에 있어서 αB을 변화시켰을 경우의 출사광 피크각도이다.
도 21은, 피치 4μm, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚인 회절격자에 도 14에서 나타내는 강도분포를 가진 백색광이 입사되었을 때의 출사광의 각도분포이다.
도 22는, 피치 6μm, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚인 회절격자에 도 14에서 나타내는 강도분포를 가진 백색광이 입사되었을 때의 출사광의 각도분포이다.
도 23은, 피치 8μm, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚인 회절격자에 도 14에서 나 타내는 강도분포를 가진 백색광이 입사되었을 때의 출사광의 각도분포이다.
도 24는, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚인 회절격자에 도 14에서 나타내는 강도분포를 가지는 백색광이 입사되었을 경우의, 출사광 피크휘도 및 적분강도의 회절격자 피치 의존성이다.
도 25는, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚인 회절격자에 도 14에서 나타내는 강도분포를 가지는 백색광이 입사되었을 경우의, 출사광 피크각도 및 피크 반치폭의 회절격자 피치 의존성이다.
도 26은, 프리즘 시트에 도 14에서 나타내는 강도분포를 가진 백색광이 입사되었을 경우의, 색도좌표분포이다.
도 27은, 피치 8μm, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚인 회절격자에 도 14에서 나타내는 강도분포를 가진 백색광이 입사되었을 경우의, 색도좌표분포이다.
도 28은, 피치 6μm, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚인 회절격자에 도 14에서 나타내는 강도분포를 가진 백색광이 입사되었을 경우의, 색도좌표분포이다.
도 29는, 피치 4μm, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚인 회절격자에 도 14에서 나타내는 강도분포를 가진 백색광이 입사되었을 경우의, 색도좌표분포이다.
도 30은, 피치 4, 6,및 8μm, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚인 회절격자와, 프리즘 시트에 대하여 백색의 코리메이트광이 입사되었을 경우의, 입사광각도에 대한 출사각의 의존성이다.
도 31은, 프리즘 시트와, 피치 4μm, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚인 회절격자에 대하여, 입사면의 법선에 대하여 70도의 각도를 이루고, 홈방향에 대하여 수직한 쪽으로부터 백색의 코리메이트광이 입사되었을 경우의, 출사광강도의 출사각도 의존성이다.
도 32는, 프리즘 시트와, 피치 4, 6,및 8μm, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚인 회절격자에 대하여, 홈방향에 대하여 수직한 쪽으로부터 백색의 코리메이트광이 입사되었을 경우의, 입사면의 법선과 입사광이 이루는 각도에 대한 출사광의 피크 반치폭 의존성이다.
도 33은, 프리즘 시트와, 피치 4μm, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚의 회절격자를 도 14에서 나타내는 강도분포를 나타내는 변입광형 백라이트 위로 설치했을 경우의, 입광부에서의 거리에 대한 휘도얼룩의 변화이다.
이하에서, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 회절형 집광필름 및 그것을 이용한 면광원장치의 실시형태에 대해서 설명한다. 또한, 본 발명의 형태는 이것에 제한되지 않는다.
본 발명에 의한 회절형 집광필름은, 굴절각도의 파장의존성이 작고, 경사 방향으로부터 입사한 백색광의 분광을 억제하여 수직방향으로 굴절시켜서 출사하는 것이다. 일반적으로, 회절격자를 포함하는 홀로그램 광학소자는, 다수의 요철형상을 투과한 회절광의 다중간섭에 의해 출사광을 제어하고 있으므로, 한 개의 요철형 상이 결손하거나, 이물이 존재해도 출사광에의 영향은 적다. 즉 용장(冗長)성이 뛰어나다는 특징이 있다. 따라서, 취급이나 가공이, 종래의 프리즘 시트보다 편하다. 또한, 홀로그램 광학소자를 이용하는 것으로써 굴절시킬 뿐만 아니라, 집광의 기능 등 다른 광제어 기능을 부가하는 것도 가능하다. 이 홀로그램 광학소자의 설계 방법에 대해서는, 예컨대, 상기 빅터 소이퍼 이외의 문헌에 기재되어 있다.
홀로그램 광학소자로서, 회절격자를 예로 들면, 일반적으로 격자단면형상을 톱니형상으로 하는 것이 회절효율을 높게 하는데도 유효하다. 더욱이 형상을 최적화하면, 백색광을 분광이나 확산을 억제하여 굴절시키는 것이 가능하다. 단색의 빛을 통상의 회절격자에 통과시키면, 1차광, 2차광이라는 복수의 회절이 생기고, 각각의 회절각에 광이 전파하므로 광의 굴절효율이 떨어진다는 문제가 있다. 또한, 백색광을 회절로 굴절시키려고 하면, 일반적으로는 파장에 따라 회절각이 다르므로, 색의 분산이라고 하는 문제가 생긴다. 그러나, 회절격자를 적절하게 설계함으로써 분산이나 광굴절 효율의 저하를 억제할 수 있다.여기에서, 홀로그램 광학소자는 파동광학에 근거하는 회절?간섭 현상을 이용한 광학부재 전반이다. 또한, 회절형 집광필름이란, 상기 홀로그램 광학소자 특유의 효과를 이용해서 광의 편향 및 집광 기능을 실현하는 광학부재를 가리킨다. 또한, 백색광이란 진초록빨강의 3원색을 포함하는 빛을 의미하고, 수직방향으로 굴절하게 하는 것이란, 회절?간섭 효과를 가지는 광학부재의 면에 경사로부터 입사한 빛을, 면의 법선방향으로 방향을 바꾸어서 출사되게 하는 것을 뜻하고 있다.
상기의 회절형 집광필름 중에서, 투과형 회절격자인 제1의 실시형태의 회절 형 집광필름에 있어서는, 0.46≤λ1≤0.50μm(청색광), 0.53≤λ2≤0.57μm(녹색광), 0.60≤λ3≤0.64μ(적색광)의 범위에 있는 λ1, λ2, λ3의 3파장의 평행광에 가까운 충분히 코리메이트된 광, 예컨대 λ1=0.48μm, λ2=0.55μm, λ3 = 0.62μm이 각도θi로 입사된 때, 각 파장의 회절효율이 최대가 되는 회절각도가, -5도로부터 +5도의 범위에 포함되는 것이다. 이러한 회절특성은, 회절형 집광필름에 있어서의 파장에 의한 회절각도의 차이의 허용할 수 있는 범위를 구체적으로 규정하는 것이다. 청색, 녹색, 적색의 3원색에 대응하는 λ1=0.48μm, λ2=0.55μm, λ3=0.62μm의 3파장의 평행광에 가까운 충분히 코리메이트된 광이 각도θi에서 입사되었을 때, 각 파장의 회절효율이 최대가 되는 회절각도가, -5도로부터 +5도(0도가 회절격자 출사면의 법선방향)의 범위에 포함되도록 하면, 이 3파장이외의 파장성분을 포함하는 백색광에 관해서도 분광을 억제하여 수직방향으로 구부릴 수 있다.
투과형 회절격자인 곳의, 제1의 실시형태의 회절형 집광필름에 있어서, 0.46≤λ1≤0.50μm(청색광), 0.53≤λ2≤0.57μm(녹색광), 0.60≤λ3≤0.64μ(적색광)의 범위에 있는 λ1, λ2, λ3의 3파장의 평행광에 가까운 충분히 코리메이트된 광, 예컨대 λ1=0.48μm, λ2=0.55μm, λ3=0.62μm의 3파장의 광을 각도θi에서 입사시킨 때, 각 파장의 회절효율이 최대가 되는 회절차수가 (m+m0), m, (m-m0), (단, m0=1, 2, ?…)이며, m이 식(1) 및 식 (2)을 만족하는 범위에 있고, 평균주기 d가 식(3)을 채운다.
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)
(단지 δ은, 0≤δ≤5(도)의 범위)
d=m×λ2/sinθi ??(3)
이러한 식에 의해, 분광을 억제하여 백색광을 수직방향으로 굴절시키는 회절형 집광필름의 보다 구채적 형태가 나타난다. λ 1 = 0.48μm, λ2=0.55μm, λ3=0.62μm의 3파장의 광이 각도θi에서 입사되었을 때, 각 파장의 회절효율이 최대가 되는 회절차수(回折次數)가 (m+m0), m, (m-m0), (m0=1, 2, ?…)인 평균주기 d의 투과형 회절격자를 생각한다. 이 때, λ2=0.55μm에 대한 m차의 회절각을 θ2라고 하면, 식(4)이 성립된다.
d×(sinθi+sinθ2)=m×λ2 ??(4)
따라서, λ2의 파장의 광을 수직방향, 즉 θ2=0으로 굴절시키기 위해서는, d=m×λ2/sinθi ??(5)
인 것이 필요하다.
이때, λ1에 대한 (m+m0)차의 회절각을 θ1, λ3에 대한 (m-m0)차의 회절각을 θ3으로 하면, d×(sinθi+sinθ1)=m×λ2×(1+sinθ1/sinθi)= (m+m0)×λ1 ??(6)
d×(sinθi+sinθ3)=m×λ2×(1+sinθ3/sinθi)= (m-m0)×λ3 ??(7)
분광을 억제하기 위해서는, δ을, 0≤δ≤5(deg)의 범위의 정수로서,
-δ≤θ1, θ3≤δ??(8)
인 것이 필요하다.
식(6), (7), (8)부터, m이 만족해야 할 식으로서,
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)
이 유도된다.
식(5), (9), (10)을 만족하면, 파장λ1, λ2, λ3의 광은 ±δ도이내의 범위로 굴절되게 된다. 예를 들면 θi=65도, m0=1, δ=1도로서, 적합한 투과형 회절격자를 구해본다. 이 경우, 식(9), (10)부터
7.69≤m≤8.08??(11)
이 되므로, 이것을 만족하는 정수로는, m=8밖에 없다. 따라서, 평균주기 d는 식(5)로부터, 약 4.85μm로 하면 좋다. 격자의 단면형상은, λ1=0.48μm에 대해서는 9차의, λ2=0.55μm에 대해서는 8차의, λ3=0.62μm에 대하여는 7차의 회절효율이 최대가 되도록 적당히 고르면 좋다.
도 2에는 회절차수와 회절각도의 관계를 나타냈다. 회절형 집광필름으로부터의 출사광 중에서 입사광과 같은 방향으로 전파하는 것이 0차광(次光)이다. 이것에 의해 출사면의 법선방향에 가까이 가는 방향으로 나가는 것이 정(正)의 차수의 회절광이며, 반대측이 부(負)의 차수의 회절광이다. 따라서, 출사면의 법선방향으로 출사하는 빛은 반드시 정(正)의 차수의 회절광이 된다.
제1의 실시형태의 회절형 집광필름은, 투과형 회절격자이며, 한 쪽의 사면의 법선이 필름 또는 판의 상면의 법선과 이루는 각αF가 70도 이상 89.5도 이하이며, 또한 다른 쪽의 사면의 법선이 필름 또는 판의 상면의 법선과 이루는 각αB가, 전기의 입사각θi에 대하여 θi/2-5≤90-αB≤θi/2+5인 것이다.αB가 회절형 집광필름의 집광효과에 주는 영향은 작지만, αB에 의해 임의의 입사각의 광선을 바라는 방향으로 출사하도록 편향제어할 수 있다. 상기 각도범위에 αB을 설정함으로써, 상기 회절형 집광필름을 이용한 면광원장치의 출사광의 방향을 출사면에 대하여 수직으로 제어할 수가 있다. 한편, αF가 클수록 회절형 집광필름의 집광효과는 높아지기 때문에, 70도 이상인 것이 바람직하다. 단지, 실제의 금형가공 및 성형시의 이형성(離型性)의 제약 때문에, 89.5도를 넘는 것을 제작하는 것은 지극히 곤란하기 때문에, αF가 89.5도 이하인 것이 바람직하다.
제2의 실시형태의 회절형 집광필름은, 상기 회절형 집광필름의 αF가 73도 이상 81도 이하인 것이다. αF가 73도 이상인 경우, 제1의 실시형태의 회절형 집광필름보다 더욱이 높은 집광성을 얻을 수 있는 점에서 바람직하다. 동시에, αF가 81도 이하이면, 양호한 금형가공성 및 성형시의 이형성을 얻을 수 있고, 광학소자제작이 용이한 점에서 바람직하다.
제3의 실시형태의 회절형 집광필름은, 상기 회절형 집광필름의 피치d가 10μm 이하인 것이다. 여기에서, 피치d는 톱니형상의 정점으로부터 인접하는 톱니형상의 정점까지의 거리를 나타낸다. 피치는 엄밀하게 일정치일 필요는 없지만, 피치의 표준편차가 평균치의 4％을 넘어서 커지면, 회절효율이 열화하는 동시에, 피치의 불균일이 얼룩으로서 시인(視認)되게 되고, 바람직하지 못하다. 따라서, 피치의 표준편차는 평균치의 4％를 넘지 않는 것이 바람직하다. 또한, 피치가 10μm을 넘으면, 후술하는 집광효과를 얻을 수 없고, 정면휘도가 낮기 때문에, 피치는 10μm 이하인 것이 바람직하다.
제4의 실시형태의 회절형 집광필름은, 상기 회절형 집광필름의 피치가 1μm 이상 5μm 이하인 것이다. 후술하는 것과 같이, 피치가 5μm 이하가 되면 현저한 집광효과를 얻을 수 있고, 상기 회절형 집광필름을 이용한 면광원장치의 정면휘도가 크게 향상한다. 한편으로는, 피치가 1μm미만인 것에서는, 회절격자 특유의 분광효과가 현저해지기 때문에, 백색광원용의 광학부재로서는 적당하지 않다.
제5의 실시형태의 회절형 집광필름은, 제4의 실시형태의 회절형 집광필름에 있어서, 격자단면형상을 N레벨(N=4, 5, 6, 7, 8, …)의 계단모양과 근사한 격자단면형상을 가지는 것이다. 회절형 집광필름을 제작하는 일반적인 방법의 하나로서, 도 3에 나타내는 것과 같은 다중노광에 의한 방법이 알려져 있다. 도 3에서는, 감광성 수지에 2회의 노광과 에칭을 행하는 것에 의해, N=4의 계단모양과 근사한 격자형상을 얻고 있다. 도면 중에는, 베이스 필름(100), 감광성 네거티브형 수지조성물층(101), 포토마스크(102), 개구부(103), 차광부(104), 노광부(105)가 나타나 있 다.
회절형 집광필름을 제작하는 방법의 하나로서, 특개 2004-37518 또는 도 4에 나타내는 것과 같은, 적어도 1종류이상의 중합가능한 펜타에리스리톨 아크릴레이트 등의 모노머를 함유하는 감광성 네거티브형 수지조성물층에, 활성광선을 조사하고, 감광성 네거티브형 수지조성물층에 활성광선의 폭로(曝露)량의 4층조 이상의 잠상(潛像)을 형성하는 공정, 에칭조작을 하는 일없이 후가열하는 공정에 의해 얻을 수 있는 표면요철에 의한 방법이 있다. 도면에서는, 감광성 수지에 3회의 노광을 행하는 것에 의해, N=4의 계단모양과 근사한 격자형상을 얻고 있다. 도면 중에는, 베이스 필름(111), 감광성 네거티브형 수지조성물층(112), 포토마스크(113), 차광부(114), 개구부(115)가 나타나 있다.
제 4또는 제 5의 실시형태의 회절형 집광필름은, 백색광을 수직방향으로 굴절하게 하기 위해서 사용되는 투과형 회절격자(회절형 집광필름)의 격자단면형상에 있어서 바람직한 형상을 갖고 있다. 선단의 뾰족한 톱니형상 혹은, 그것을 N레벨의 계단모양과 근사한 형상으로 하는 것으로써 효율적으로 수직방향으로 구부릴 수 있다.
또 격자단면형상은, 이상적인 톱니형상으로부터 도5에 나타낸 것 같이 어긋나도 괜찮다. 이 때, 직선26로부터의 어긋남24의 어긋남량 (도5의 28)의 최대치가 0.2μm 이하인 것이 바람직하다. 조건에 따라서는, 톱니형상으로부터 조금 어긋난 곳에서 회절효율이 최대가 될 경우도 있다. 알맞은 격자형상은, 입사각도, 파장, 주기, 깊이, 굴절율에 의해 다르다. 주기적 회절격자의 회절효율의 엄밀해(嚴密解) 를 구하는 방법으로, 격자형상을 시행착오로 바꾸어서 수치계산하면, 최적의 형상의 하나를 얻을 수 있다.
여기서 사용되는 깊은 홈에서 면적이 넓은 회절격자를 양산하려면 주형(鑄型)으로부터 전사해서 만든다. 전사된 수지는 열 또는 UV광으로 경화한다. 본 발명에서 이용하는 깊은 홈를 가지는 주형을 만드는 방법으로서는, 기판상에 전자선용 레지스트를 도포하고, 전자선묘화(電子線描畵)한 뒤 RIE로 파는 방법이나 X선 방사광으로 노광?현상하는 방법, 그레이 스케일 마스크의 패턴을 노광?현상하는 방법, 바이트를 이용해서 기계가공법에서 제작하는 방법을 들 수 있다. 전사되는 재질은 사용 조건에 따라, 광투과성이 좋은 아크릴계의 광경화 수지가 바람직하다.
제6의 실시형태의 회절형 집광필름은, 투과형 회절격자인 제1 내지 제5의 실시형태중의 어떤 회절형 집광필름에 있어서, 격자홈이 원호모양으로 형성되어 있는 것이다.
이 회절형 집광필름은, 도광판의 코너부에 LED를 설치하는 방식의 백라이트에 알맞은 회절격자의 격자홈배치를 갖고 있다. 격자홈을 원호모양으로 하는 것으로써 코너부의 LED로부터 전파하는 빛을 효율 좋게 수직방향으로 굴절시킬 수 있고, 정면방향의 휘도를 높게 할 수가 있다. 도 6에 나타낸 것 같이 격자단면은 톱니형상으로 해서 어떤 일점을 중심으로 하는 동심원모양에 격자홈을 형성하는 것이 바람직하다. 원호모양의 격자홈은 반드시 연속한 홈일 필요는 없다.
제7의 실시형태의 회절형 집광필름은, 입사각θi가 60˚±15˚의 가시영역의 백색광을 수직방향으로 굴절하게 하기 위해서 사용하는 투과형 회절격자인 제1 내 지 제6의 실시형태중의 어느 것의 회절형 집광필름에 있어서, m1, m2=1, 2, 3…이라고 했을 때, 평균의 주기 d가 m1×(6.0±2.0)μm, 평균의 깊이 h가 m2×(5.0±1.0)μm인 톱니형상, 또는 이 톱니형상을 N레벨(N=4, 5, 6, 7, 8, …)과 근사한 표면형상을 가지는 것이다.
상기 관계식에 의해, 제8의 실시형태의 회절형 집광필름에 있어서의, 특히 입사각θi가 60˚±15˚의 범위에 있을 경우에 최적인 투과형 회절격자의 주기, 격자홈깊이, 단면형상이 나타나 있다.
제1로부터 제7의 실시형태중의 어느 회절형 집광필름에 있어서도, 투과형 회절격자의 홈의 방향은, 입사광에 대하여, 수직이라도 평행이라도 좋다. 또한, 종횡으로 절단되어도 좋다.
회절격자으로의 입사각과 출사각의 관계를 도 7에 나타냈다. 액정표시에 사용되는 도광판과 같이 면모양으로 발광하는 면광원으로부터, 적녹청의 3원색을 포함하는 백색광이 출사된다. 그 때, 면광원장치의 설계의 형편상, 회절격자입사면의 법선방향과 입사광이 이루는 각도, 즉 입사각θi는 20~70도의 범위가 되는 것이 많다. 이때, 회절격자를 통과한 백색광이 ±10˚의 범위내의 수직방향 즉 관찰자에게서 보아 정면방향에, 60％이상의 빛이 모이면, 수직방향으로 굴절될 수 있다고 말할 수 있다. 또한, 회절각의 파장의존성은 차이가 10˚이하인 경우 작다. 상기 파장분산 이외에 편파분산에 관해서도 고려해야 한다. 가장 수직에 가까운 차수의 회절효율에 대해서, 회절효율의 큰 편파를 A, 작은 편파를 B라고 하면, (A-B)/A가 20％이하일 때 편파의존성이 작다고 말할 수 있다. 편파의존성이 5％이상인 때에는, 액정표시장치에서 회절효율의 높은 분의 편파를 이용하도록 하는 것이 바람직하다. 회절격자는 빛을 굴절시키는 기능뿐만 아니라, 집광이나 확산의 기능을 부가해도 좋고, 또한, 회절격자가 제작되는 면은 평면뿐만 아니라, 광학적인 기능을 부가하기 위해서 곡면 위에 제작되어도 좋다. 더욱이, 회절격자는, 프리즘 시트와 함께 이용할 수 있어도 좋다. 예를 들면, xyz공간을 생각했을 때, 회절격자로 x방향으로 빛을 굴절시키고, y 방향에는 프리즘 시트로 굴절시키는 것도 생각된다.
제8의 실시형태의 회절형 집광필름은, 제 1 내지 제 7중의 어떤 회절형 집광필름에 있어서, 편광분리, 색분리,또는 반사방지 기능을 갖는 막이 회절형 집광필름에 인접해서 배치되어 있거나, 또는, 회절형 집광필름의 표리(表裏)중 어느 쪽에 있는 것이다.
제9의 실시형태의 회절형 집광필름은, 제8의 실시형태의 회절형 집광필름에 있어서, 편광분리, 색분리, 반사방지 기능이 주기 0.6μm 이하로, 깊이 0.5μm 이하의 릴리프 형상을 갖는 격자에 의해 부여되는 것이다.
이처럼, 면광원으로부터 출사하는 백색광을 수직방향으로 굴절하게 하기 위해서 사용되는 회절형 집광필름과 편광분리나 색분리나 반사방지의 기능을 조합시키는 것으로써 빛의 이용 효율을 상승시킬 수 있다.
편광분리, 색분리, 반사방지 기능은, 미세한 주기구조를 만드는 것으로 실현할 수 있다.
제10의 실시형태는, 제1 내지 제9의 실시형태의 어느 것의 회절형 집광필름을 면광원의 광출사면 위로 배치한 것을 특징으로 하는 면광원장치다.
본 실시형태의 회절형 집광필름은 도 8과 같이 면광원으로부터 경사지게 나간 빛을 수직방향으로 굴절하게 한다. 제10의 실시형태와 같이 , 회절형 집광필름을 쓰는 것으로 면광원으로부터 출사하는 백색광을 효율적으로 굴절시킬 수 있고, 정면방향의 휘도가 높고, 분광에 의한 착색이 작은 면광원장치를 얻을 수 있다.
제11의 실시형태는, 제10의 실시형태의 면광원장치에 있어서, 회절형 집광필름을 배치하지 않을 경우에는, 면광원의 광출사면의 법선방향에 대하여 20˚로부터 70˚의 각도범위로 빛이 출사되어, 회절형 집광필름을 설치했을 경우에는, 면광원으로부터의 전출사광의 60％이상, 바람직하게는 70％이상이, 면광원의 광출사면의 법선방향에 대하여 -10˚로부터 +10˚의 각도범위에 출사하는 것이다.
회절형 집광필름의 격자단면형상이 톱니형인 투과형 회절격자의 경우에는, 면광원으로부터의 출사광이, 도 9의 18에 나타낸 바와 같이, 필름 상면과 αF의 각을 이루는 사면의 측으로부터, 회절격자에 입사된 쪽이 회절효율이 높아져 바람직하다.
또 일반적으로 빛이 막의 경사로부터 입사?출사하면 프레넬 손실이 증대한다. 따라서 톱니형상을 갖는 격자면을 면광원측으로 향하는 만큼이, 반대로 적합한 것에 설치할 경우보다 프레넬 손실을 저감할 수 있다. 또한, 판모양의 회절격자이면 출사광은 면에 수직으로 나가게 되고, 이것에 의해도, 프레넬 손실은 저감한다.
제11의 실시형태와 같이 , -10˚로부터 +10˚의 각도범위에 60％이상, 바람직하게는 70％이상의 빛을 출사되게 하는 것에 의해, 액정표시장치의 정면방향휘도 를 높일 수 있으며, 또한 분광이 적고 고품위의 표시를 가능하게 하는 백라이트용의 면광원장치가 실현된다.
제12의 실시형태는, 제10 또는 제11의 실시형태의 면광원장치에 있어서, 회절형 집광필름에 가해 확산체를 더 이용하는 것이다.
육안으로는 미세한 색분산이라도 인식되므로, 이렇게 확산체를 넣어도 좋다. 확산체와 회절형 집광필름의 조합시키는 방법으로서는, 본 발명자들의 특개 2003-222727호 공보의 방법을 사용할 수가 있다. 회절형 집광필름과 확산체의 배치?조합은, 한 장의 필름의 양면이라도 좋고, 회절격자 2장과 확산체 1장이라도 좋다. 도 10과 같이 도광판(12), 회절형 집광필름(10), 확산체(32)의 순서로 배치해도, 도 11과 같이 도광판(12), 확산체(32), 회절형 집광필름(10)의 순서로 배치해도 좋다. 또한, 도광판, 확산체, 회절형 집광필름, 확산체의 구성이라도 좋다. 확산체의 확산은 표면의 요철에 의한 것이라도, 필름 내부의 굴절율분포에 의한 것이라도 좋다.
제13의 실시형태는, 제12의 실시형태의 면광원장치에 있어서, 홀로그램 확산체가 입사광을 공간내의 특정 각도범위내로 한정해서 확산하는 것이다.
이와 같이, 확산체로서는, 확산각도를 규정할 수 있고, 또한 확산효율이 높은, 홀로그램 확산체가 바람직하다. 빛이 z방향에 전파할 때, 회절격자의 구로 평행한 쪽을 x라고 한다. 도 12와 같이 확산체에 의한 빛의 산란 방향을 단위 벡터(Sx, Sy, Sz)로 정의한다. 또한, Sx, Sy의 최대치는 각각, sin(θ1), sin(θ2)로 정의한다. 이 경우 색분산은 y방향에 생기므로, θ1의 범위를 되도록이면 작게 해 서, θ2의 범위를 색분산을 없애는 데 최저한 필요한 각도로 설정한다. 이러한 홀로그램 확산체의 제법으로서는, 특개 2002-71959호 공보의 실시예에 기재된 방법을 채용할 수가 있다. 홀로그램 확산체는 표면 릴리프형이라도 체적위상형이라도 좋다. 또한, 홀로그램 확산체의 확산특성은 장소에 따라 달라도 괜찮다.
제14의 실시형태는, 제15의 실시형태의 면광원장치에 있어서, 홀로그램 확산체가 도광판의 광출사면에 일체성형되어 있는 것이다.
도광판, 홀로그램 확산체, 회절형 집광필름의 순서로 배치해서 이용할 경우에는, 이처럼, 홀로그램 확산체를 도광판의 광출사면에 일체성형하는 것에 의해, 프레넬 손해를 저감할 수가 있다.
제15의 실시형태는, 제10 내지 제14중의 어느 것의 실시형태의 면광원장치에 있어서, 회절형 집광필름의 광출사면 위로 반사방지막을 배치한 것이다.
면광원으로부터 나간 빛은, 릴리프 형상을 가진 필름으로 굴절시킬 수 있고, 필름의 반대측으로부터 수직으로 출사하지만, 그 때 공기와 필름의 계면을 지날 때마다 약4％가 프레넬 반사한다. 그것을 막기 위해서는, 이렇게 반사방지막(무반사막)을 구비하면 좋다. 반사방지 기능은, 유전체 다층막으로 덮는 것으로 실현된다. 유전체 다층막에 의한 반사방지막의 만드는 방법은, 예컨대, 후지와라 시로 편, 이케다 히데오?이시구로 코조? 요코타 히데쯔구 저 「광학박막 제2판」공립 출판, 1984년, p.98 -109에 기재되어 있다. 또한, 이 기능은, 주기의 작은 격자를 설치하는 것이라도 실현할 수 있다. 이 주기는 0.28±0.08μm, 깊이는 0.22±0.1μm인 것이 바람직하다. 또한, 필름과 공기의 계면(界面)을 적게 해서 프레넬 손해를 최소 한으로 하기 위해서는, 빛을 굴절시키는 릴리프 형상과 주기가 작은 격자는 같은 필름의 표리에 있는 것이 바람직하다. 더욱이, 이 필름은 복수 겹쳐도 좋다. 또한, 도광판의 출사광이 나가는 표면에는, 확산체나 반사방지막이 있는 것이 바람직하다.
(실시예)
도 13은, 본 실시형태에 관한 도광판(48)을 이용한 백라이트 구조를 나타내고 있으며, 이 백라이트 구조는, 휴대전화 등의 소형액정표시장치용이다. 백라이트는, 도면의 아래로부터 반사판(56), 도광판(48), 홀로그램 확산체(46), 회절형 집광필름(광굴절용 회절격자)(10)로 이루어지고, 도광판(48)과 홀로그램 확산판(46)은 일체성형되어 있다. 도광판(48)의 입광단면(52)측에는, LED광원(54)이 설치되어 있다. 이 구성에 의해, LED광원(54)으로부터 발생한 빛을 도광판(48)의 입광단면(52)으로부터 입사시키고, 도광판의 이면(50)에 형성한 반사그루브에 몇번 전반사한 후, 출사면에 형성한 홀로그램 확산체(46)로부터 출사되게 한다. 회절형 집광필름(10)에 의해 빛을 수직방향으로 굴절하게 해서, 도시하지 않는 액정면에 대하여 거의 균일한 휘도의 분포 광속을 전달하는 것이다.
도 14에, 회절형 집광필름을 제외했을 경우의 상기 백라이트의 출사광분포를 나타낸다. 광원에는, 병렬 접속한 소위 아화학제 백색LED(NSCW335T)을 4개 이용하고, 이것에 60mA의 직류전류를 가했다. 측정에는, 하이랜드사제RISA COLOR/CD7을 이용했다.
도광판(48)은, 폴리 카보네이트를 이용하고, 사출성형법에 의해 제작했다. 두께0.8mm, 이면의 반사그루브는 도 15에 나타내는 구조에서, 주기는 액정 패널의 화소와의 모와레를 방지하기 위해서 120~150μm의 범위에서 랜덤하다. 또한 출사면에 형성한 홀로그램 확산체(46)는, 입광단면(52)에 평행한 쪽에 60도(광강도가 반이 되는 확산각도가 60도), 입광단면(52)에 수직한 쪽에 1도의 확산특성으로 했다.
회절형 집광필름(10)을 형성하기 위한 광경화형 수지로서는, 아크릴수지계의 자외선경화 수지, 예컨대, 우레탄 아크릴레이트나, 에폭시 아크릴레이트를 이용할 수 있다
다음으로, 회절형 집광필름(10)의 제조장치(88) 및 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 16에 나타낸 것 같이, 회절형 집광필름(10)의 제조장치(88)에 있어서, 금형 롤(82)에는, 광경화형 수지(70)를 공급하는 공급 헤드(68)가 대향해서 배치되고 있어, 금형 롤(82)의 회전방향 하류에는, 메탈링 롤(78), 닙 롤(80), 자외선조사 장치(86), 이형(離型) 롤(84)이, 이 순서로 설치되어 있다.
금형 롤(82)에는, 그 주면에 회절격자홈이 형성되고 있고, 광경화형 수지(70)의 표면에 회절격자홈을 전사하게 되어 있다. 회절격자홈의 형성은, 다이아몬드 바이트를 제작하고, 금형 롤(82)의 표면에 다이아몬드 바이트와 정밀가공기에 의해 홈(溝)가공을 행했다. 이 금형 롤(82)은 놋쇠의 재질로 제작하고, 다이아몬드 바이트에서 홈가공후, 신속하게 크롬 무전해 도금을 하여 표면의 산화, 광택, 기계강도보호를 행했다. 광경화형 수지(70)로서는, 본 실시형태에서는 상품명 선래트 R201(산요 화성공업주식회사제 상품명)을 이용했다.
제조시에는, 광경화형 수지(70)를 수지탱크(64)로부터 압력제어장치(66), 공 급 헤드(68)를 통해서 금형 롤(82)에 공급한다. 공급시에는, 광경화형 수지(70)의 공급압력은 압력센서로 검지하면서, 압력제어장치(66)로 제어하고, 금형 롤(82)에 도포하는 압력을 조정하고 있다. 금형 롤(82)에 도포한 광경화형 수지(70)는, 메탈링 롤(78)에 의해 막두께를 일정하게 조절하고 있다. 메탈링 롤(78)에는, 닥터 블레이드(72)가 설치되어 있으며, 메탈링 롤(78)에 부착된 수지를 긁어내고, 금형 롤(82)에 도포된 수지의 균제도를 안정화시킨다.
메탈링 롤(78)의 하류에 있는 닙 롤(80)과 금형 롤(82)의 사이에는, 투명 베이스 필름(투광 필름)(74)이 공급되고 있으며, 투명 베이스 필름(74)을 닙 롤(80)과 금형 롤(82)로 끼우고, 광경화형 수지(70)에 투명 베이스 필름(74)을 밀착시킨다. 광경화형 수지(70)에 투명 베이스 필름(74)이 밀착한 상태에서 자외선조사 장치(86)에 도달하면, 자외선조사 장치(86)로부터 출발한 자외선에 의해 광경화형 수지(70)가 경화하는 동시에, 투명 베이스 필름(74)에 접착하고, 일체의 필름으로 한 후, 이형 롤(84)에 의해 금형 롤(82)로부터 일체의 필름 시트(76)를 박리한다. 이것에 의해, 장척의 필름 시트(76)를 연속적으로 얻을 수 있다.
이렇게 하여 제조한 필름 시트(76)를 소정의 치수로 재단해서 회절형 집광필름(10)을 얻는다. 또한, 회절형 집광필름(회절격자)은 사출성형이나 열 프레스 공법에서 제작할 수도 있다. 그 경우는, 폴리 메틸메타클리레이트 등의 아크릴계 열가소성수지, 폴리카보네이트, 폴리시클로올레핀 등의 열가소성수지를 이용할 수 있다.
한편, 본실시 형태에 있어서의 투명 베이스 필름(74)으로서, 폴리에틸렌 텔 레프탈레이트(PET)를 이용했지만, 이것에 한하지 않고, 폴리카보네이트나 아크릴수지, 열가소성 우레탄 등을 이용할 수 있다. 또한, 광경화형 수지(70)로서도 아크릴 변성 에폭시나 아크릴 변성 우레탄 등의 다른 재료를 선정하는 것이 가능하다. 자외선조사 장치(86)의 광원은, 메탈 할로이드 램프(최대8Kw)를 이용하고, 필름 시트(76)의 전송속도는, 3m/분으로 제작했다. 전송속도는, 광경화형 수지(70)의 경화 특성, 투명 베이스 필름(74)의 광흡수 특성에 의해 변화되지만, 더욱 W(와트 타일러수)가 높은 메탈 할로이드 램프를 이용하는 것에 의해, 전송속도를 빠르게 하는 것이 가능하다.
이와 같이 제작한 면광원장치는, 충분한 정면방향휘도를 갖고 있으며, 모와레에 의한 얼룩이나 분광에 의한 착색도 발견되지 않고 액정표시장치용의 백라이트로서 뛰어난 특성을 나타냈다. 이하의 측정에서는, 도 14에 나타내는 각도분포를 가지는 빛을 회절형 집광필름에 입사시키고, 하이랜드사제 RISA COLOR/CD7을 사용하여 출사광강도의 각도의존성을 조사했다.
도 17에, 피치 5μm, αB가 54˚인 회절격자에 있어서 αF을 변화시켰을 경우의 출사광 피크강도를 나타냈다. αF가 큰 만큼 출사광강도는 커지고, αF가 81˚인 경우는 αF가 70˚인 경우보다 20％ 높은 피크강도를 얻을 수 있다. 또한, 도 18에 나타낸 것 같이, αF을 변화시켜도 피크각도는 거의 영향을 받지 않는다. 즉, αF을 크게 할수록 높은 정면휘도가 얻어진다. 집광성을 높이기 위해서는, αF의 크기 는 73도 이상이 바람직하다.
한편으로, 상기의 방법으로 광학소자를 제작할 경우, αF가 작은 쪽이 금형의 제작 및 금형으로부터의 성형품의 박리가 용이하다.
도 19는, 피치 5μm, αF가 70˚인 회절격자에 있어서 αB을 변화시켰을 경우의 출사광 피크강도이다. αF의 경우와 달리, αB가 65˚보다 커지면 피크강도는 크게 저하하지만, 65˚ 이하에서는 거의 αB 의존성은 생각되지 않는다. 도 20에서 생각되는 것 같이, 출사광의 피크각도는 αB에 의해 크게 변화된다. 따라서, αB은 출사광 피크가 바람직한 방향으로 오도록 고르게 되어야 한다. αB의 변화량δαB에 대하여 출사광각도의 변화량δθo은 다음 식의 관계를 만족한다.
δθo=-2.69δαB(12)
식(12)에 의하면, 예컨대 출사광 피크 위치를 +5˚ 변화시키고 싶을 경우, αB을 1.86˚ 작게 하면 좋은 것을 알 수 있다.
도 21, 22, 23에, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚의 동일형상의 회절격자에 있어서 피치를 변화시켰을 경우의 출사광강도의 각도분포를 나타냈다. 도면으로부터 분명한 것처럼, 회절격자의 피치가 작을수록, 보다 첨예하게 피크강도의 높은 출사광분포를 얻을 수 있다. 피크휘도와 적분강도를 피치에 대하여 플롯한 것이 도 24이다. 피치를 변화시켜도, 출사광의 총량, 즉 적분강도는 거의 변화되지 않지만, 도 25에 나타낸 것 같이 피크의 반치폭이 작아지기 때문에, 바꿔 말하면 보다 집광성이 높아지기 때문에, 정면의 피크휘도가 향상하고 있다. 또한, 피크각도는 거의 변화되지 않고 있기 때문에, 피치를 바꾸었을 때에 출사 방향으로의 영향을 고려할 필요는 없는 것을 알 수 있다. 따라서, 집광도를 높이고, 백라이트의 정면휘도를 향상시키기 위해서는, 회절격자의 피치는 작을수록 바람직하다.
그러나, 회절격자의 피치가 작아지면 분광의 문제가 현저해진다. 분광의 크기는, 광원에 대하여 관측 방향을 바꾸었을 경우의, 색좌표의 변화량으로서 평가할 수 있다.
도 26으로부터 도 29에, 프리즘 시트와 회절격자의 색좌표분포를 나타냈다. 피치가 6μm과 8μm인 경우는, 도 26에 나타낸 프리즘 시트의 색좌표분포의 범위와 거의 같은 정도이다. 피치가 4μm이 되면 분포 범위는 프리즘 시트보다 약간 커진다. 실용적으로는, 회절격자의 피치는 2μm 이상인 것이 바람직하다.
상기의, 4μm피치 회절격자에서 발견된 높은 집광성은, 입사광각도의 변화에 대하여 출사광 각도변화가 작다고 하는 회절격자 특유의 성질에 기인하는 것이다. 이것을 도 30을 이용해서 설명한다. 도 30은, 프리즘 시트와, 피치 4, 6 및 8μm, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚인 회절격자에 대하여 백색의 코리메이트광(반치폭3.9˚)이 각각 입사되었을 경우의, 입사광각도에 대한 출사각의 의존성이다. 광원에는 소위 아화학사제 백색LED(NSCW335T)을 한 개 이용하고, 15mA 의 직류전류를 가해서 이것을 발광시켰다. 광원으로부터 나간 빛은 볼록렌즈와 슬릿에 의해 평행광으로 변환했다. 백사각(白四角)으로 나타낸 하향 프리즘을 이용한 광학 필름(프리즘 시트)의 경우, 입사광의 각도변화와 출사광의 각도변화는 동일하며, 집광성은 전혀 없다. 이것은, 프리즘 시트가 프리즘면에서의 전반사에 의해 광의 편향을 하는 것에 의한다. 한편, 회절격자에서는, 특히 입사각이 클 경우에 입사각변화에 대하는 출사각변화가 작아진다. 이 경향은, 회절격자의 피치가 작을수록 현저하게 나타난다. 즉, 피치가 4μm의 회절격자에서 나타난 높은 집광성은, 입사각에 의하지 않고 출사광을 특정한 각도부근으로 출사하는 회절격자의 특성에 의한 것으로, 프리즘 시트에서는 실현되지 않는 장점이다.
한편, 회절격자는 평행광에 대하여는 확산 효과를 나타낸다. 도 31은, 도 30과 같은 측정장치를 이용하고, 입사면의 법선에 대하여 70˚의 각도에서 백색의 코리메이트광(반치폭3.9˚)을 프리즘 시트와 피치 4μm, αF가 73.6˚ αB가 55.4˚인 회절격자에 입사시킨 경우의, 출사광 강도의 출사각도 분포이다. 프리즘 시트는 굴절과 전반사로 빛을 편향시키고 있기 때문에, 출사광의 지향성은 입사광과 거의 같다 (반치폭4.3˚). 회절격자의 경우는 회절광이 생기기 때문에, 출사광의 피크 폭이 넓어져 있다 (반치폭11.3˚). 도 32는, 출사광 피크의 반치폭을 입사광의 입사면 법선에 대한 각도로 플롯한 것이다. 입사광의 각도에 의하지 않고, 회절격자는 프리즘 시트보다 평행광에 대한 높은 확산성능을 나타내는 것을 알 수 있다.
회절격자의 광확산 능력은, 백라이트에 조합했을 경우에 휘도얼룩저감이라고 하는 효과가 되어서 나타난다. 도 33은, 도 13에 나타내는 백라이트 유닛에 대해 서, LED가 배치된 입광부에서의 거리에 대하여 휘도얼룩을 플롯한 것이다. 측정에는 하이랜드사제 RISA COLOR/CD7을 이용하여, 백라이트 유닛의 출사면의 법선방향으로부터 관측했다. 입광부에서 15mm×15mm의 범위를 0.15mm×0.15mm의 격자로 구분하고, 입광부에서의 거리가 같은 점에 대해서 측정한 휘도분포의 표준편차를 산출하고, 이것을 휘도얼룩이라고 했다. 비교를 위하여, 도 13에 있어서 회절형 집광필름의 대신에 프리즘 시트를 이용했을 경우에 관해서도 측정했다.
도 33에 나타낸 바와 같이, 종래의 프리즘 시트에 비교하여, 회절격자를 이용했을 경우의 휘도얼룩은 작다. 따라서, 회절형 집광필름을 이용하는 것에 의해, 입광부 부근의 「액자영역」을 축소하고, 백라이트 유닛을 소형화함이 가능하게 된다.
이상과 같이 , 본 발명의 회절격자를 면광원장치의 집광필름으로서 이용하는 것으로써 종래는 곤란했던 높은 정면휘도와 작은 휘도얼룩을 동시에 실현하는 것이 가능하다.

Claims (17)

  1. 필름 모양 또는 판모양의 회절격자이며,
    상기 회절격자는, 입사광이 입사하는 입사면과, 입사광을 투과해서 출사하는 출사면을 갖고,
    상기 입사면은, 서로 평행한 단면이, 각 격자가 2개의 사면(斜面)을 갖는 톱니형상이 되는 격자를 갖고,
    상기 회절격자는, 상기 입사면으로부터 상기 회절격자에 입사한 광의 CIE색좌표의 x=0.310, y=0.316인 백색광을 입사했을 경우의, 출사광의 CIE색좌표x가 0.31≤x≤0.37이며 색좌표y가 0.3≤y≤0.42의 범위에 있는, 상기 입사면에 대하여 경사방향으로부터 입사한 백색광의 분광을 억제하여 수직방향으로 굴절시켜서 출사하는,
    입사광의 각도변화보다도 출사광의 각도변화가 작아지는 것에 의한 집광성을 갖는,
    상기 2개의 사면의 한 쪽의 사면(斜面)의 법선이 필름 또는 판의 상면의 법선과 이루는 각αF가 70도 이상 89.5도 이하이며, 또한 상기 2개의 사면의 다른 쪽의 사면의 법선이 필름 또는 판의 상면의 법선과 이루는 각αB가, 입사광이 필름 또는 판의 상면의 법선과 이루는 각θi에 대하여 θi/2.69-5≤78-αB≤θi/2.69+5인 투과형 회절격자.
  2. 제 1항에 있어서,
    αF가 73˚ 이상 81˚ 이하인 투과형 회절격자.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    격자 간의 피치가 10μm 이하인 투과형 회절격자.
  4. 제 3항에 있어서,
    격자 간의 피치가 1μm 이상 5μm 이하인 투과형 회절격자.
  5. 제 1항에 있어서.
    N을 4이상의 자연수로 하고, 격자단면형상을 N레벨의 계단모양으로 하는 격자단면형상을 가진 투과형 회절격자.
  6. 제 1항에 있어서,
    격자홈이 원호모양으로 형성되어 있는 투과형 회절격자.
  7. 제 1항에 있어서,
    m1, m2=1, 2, 3…이라고 했을 때, 평균의 주기d가 m1×(6.0±2.0)μm, 평균의 깊이 h가 m2×(5.0±1.0)μm인 톱니형상, 또는 이 톱니형상을 N을 4이상의 자연수로 하여 N레벨로 하는 표면형상을 가지는 투과형 회절격자.
  8. 제 1항에 있어서.
    편광분리, 색분리, 또는 반사방지 기능을 갖는 막이 투과형 회절격자에 인접해서 배치되어 있거나, 또는, 홀로그램 광학소자의 표리(表裏)에 있는, 투과형 회절격자.
  9. 제 8항에 있어서,
    편광분리, 색분리, 반사방지 기능이 주기 0.6μm 이하이며, 깊이 0.5μm 이하의 릴리프 형상을 갖는 격자에 의해 부여되는 투과형 회절격자.
  10. 제1항에 기재된,
    투과형 회절격자를 면광원의 광출사면 위로 배치한 것을 특징으로 하는 면광원장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    투과형 회절격자를 배치하지 않을 경우에는, 면광원의 광출사면의 법선방향에 대하여 20˚로부터 70˚의 각도범위에 빛이 출사되어, 홀로그램 광학소자의 투과형 회절격자를 설치했을 경우에는, 면광원으로부터의 전출사광의 60％이상이, 면광원의 광출사면의 법선방향에 대하여 -10˚로부터 +10˚의 각도범위에 출사되는 면광원장치.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    투과형 회절격자에 가해 확산체를 가지는 면광원장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    확산체가 입사광을 공간내의 특정 각도범위내에 한정해서 확산하는 홀로그램 확산체인 것을 특징으로 하는 면광원장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    홀로그램 확산체가 도광판의 광출사면에 일체성형되어 있는 면광원장치.
  15. 제 10항에 있어서,
    홀로그램 광학소자의 광출사면 위로 반사방지막을 배치한 면광원장치.
  16. 제 10항에 있어서,
    편광 또는 파장선택을 목적으로 한 필름을 동시에 배치하는 것을 특징으로 하는 면광원장치.
  17. 제 10항에 있어서,
    도광판의 1측 단면에 접해서 광원이 배치된 면광원이며, 도광판의 이면은 판중(板中)을 전파하는 빛의 방향과 수직한 복수의 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 면광원장치.
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