WO2006011268A1 - 回折型集光フィルム及びそれを用いた面光源装置 - Google Patents

回折型集光フィルム及びそれを用いた面光源装置 Download PDF

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diffraction grating
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incident
film
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Tokutaro Komatsu
Yasuhiko Awano
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Hitachi Chemical Co., Ltd.
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    • G02F1/1336—Illuminating devices
    • G02F1/133615—Edge-illuminating devices, i.e. illuminating from the side

Definitions

  • the present invention relates to a diffractive light collecting film that emits white light incident from an oblique direction by bending it in a vertical direction and a surface light source device using the same, and in particular, observed when used for a backlight of a liquid crystal display.
  • the brightness in the front direction of the person can be improved.
  • Liquid crystal displays are used not only for display portions of computer displays and display portions of control panels for home appliances, but also for display portions of mobile phones, and there is a need for further reduction in power consumption, weight reduction, and thickness reduction. .
  • a liquid crystal display is not a self-luminous device, it is necessary to use an external light source or ambient external light.
  • a typical example of the external light source is a backlight system in which a surface light source is installed on the back of the liquid crystal panel.
  • the knock light method it is necessary to emit light emitted from the surface light source toward the front of the observer.
  • FIG. 1 A typical configuration of such a backlight system is shown in FIG.
  • Light 14 incident on the light guide plate 12 from the light source 90 and emitted obliquely is bent in the vertical direction by the prism sheet 91 and diffused by the diffuser 32 so that the color dispersion becomes small, and irradiates the liquid crystal panel 30 that displays an image.
  • the shape of the light guide plate and the shape of the prism sheet 91 provided between the light guide plate and the liquid crystal are optimized to increase the front brightness.
  • the display quality deteriorates when used for illumination of a liquid crystal display device in which the luminance unevenness is large in the vicinity of the light incident portion of the side light incident type backlight. For this reason, it is necessary to secure a certain distance from the light incident part as a non-display area, which is an obstacle to the small size of the liquid crystal display device.
  • conventional prism sheets it is difficult to achieve both high brightness and low brightness unevenness.For example, by forming a prism and providing a diffused shape on the surface, brightness unevenness can be reduced at the expense of brightness. ing.
  • the emission angle ⁇ 0 of the light emitted from the light guide plate depends on the design of the light guide plate. Also, the incident angle is often about 20 °-70 °. Therefore, the role of the prism sheet 91 is this light. Is efficiently bent in the direction where ⁇ 0 is 0 °, that is, in the vertical direction. For this purpose, it is necessary to reduce the Fresnel reflection, which is the interface reflection between the air layer and the prism sheet, and to allow more light to travel in the direction of 0 °.
  • the light bending angle can be reduced by providing an optical bending characteristic that does not reduce the luminance in the vertical direction even if the incident angle ⁇ i varies slightly.
  • the brightness in the front direction can be increased rather than being constant.
  • the light source is white light, it is necessary to reduce the dependence of the wavelength on the bending angle and suppress the spectrum as much as possible. Spectroscopy degrades the display quality by degrading the color reproducibility of the liquid crystal color display.
  • a conventional prism sheet bends outgoing light geometrically using refraction and total reflection. In this way, the method of bending the emitted light geometrically optically contributes to the reduction in thickness by increasing the thickness of the sheet because the height of the unevenness is large. Also, in the conventional prism sheet, each prism functions to bend light, so if there is a prism defect or foreign material, the light passing through the prism becomes an extraordinary ray and causes a display abnormality such as a bright spot. Display devices are very sensitive to defects and foreign objects and cause display abnormalities, thus reducing the quality of products. For this reason, it was necessary to be very careful in handling!
  • optical members using diffraction / interference phenomena based on wave optics have the advantage that they can be made thinner than elements using geometric optical effects, as well as focusing and diffusion. It is advantageous that a plurality of functions can be realized with a single element. However, it is not intended to bend white light because of spectroscopic or higher-order diffraction, but rather to diffuse white light to widen the viewing angle (Japanese Patent Laid-Open No. 7-114015 (page 1-2, representative diagram). ), Japanese Patent Laid-Open No. 9-325218 (page 1-2, representative figure), Japanese Patent Publication No. 10-506500 (page 1-4, FIG. 1-5), Japanese Patent Laid-Open No. 11-296054 ( Page 1-2, Figure 2-5), JP 20
  • a hologram optical element using diffraction / interference phenomenon based on such wave optics generates 1) diffracted light other than the diffraction order in which incident light is diffracted vertically, and 2) the diffraction efficiency of the diffraction order is 3)
  • chromatic dispersion was large. For example, when the period is small, the order of diffraction in the vertical direction is strong, or the chromatic dispersion is large. If the depth is not appropriate, the diffraction efficiency of the diffraction order will be low.
  • a thin diffractive condensing film that is thin, has high light transmittance and high condensing property, and excellent in handleability, and a surface light source device using the same.
  • An object of the present invention is to use a hologram optical element that utilizes a diffraction / interference phenomenon based on the wave nature of light that passes through a conventional prism sheet that uses refraction, thereby enabling high transmittance and thinness of the optical bending film.
  • a diffractive condensing film and a surface light source device using the same are realized.
  • the diffractive condensing film according to the present invention has a bending angle wavelength-dependent force and an oblique direction force that is bent and emitted in the vertical direction while suppressing the spectrum of white light that has entered. At the same time, by suppressing the change in the outgoing light angle with respect to the change in the incident light angle, a high light condensing performance that was impossible with conventional optical elements is realized.
  • the transmission diffraction grating according to the present invention is a film-like or plate-like diffraction grating, and the diffraction grating has an incident surface on which incident light is incident, and an output that transmits and emits incident light.
  • the angle a between the normal of one slope and the normal of the top surface of the film or plate is 70 degrees or more and 89.5 degrees or less, and the normal of the other slope is the film or
  • a The force is preferably 73 ° or more and 81 ° or less.
  • Pitch is preferably 10 ⁇ m or less.
  • the pitch is preferably 1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • N 4, 5, 6, 7, 8,
  • the lattice grooves are formed in an arc shape.
  • the average period d is ml X (6. 0 ⁇ 2. 0) m
  • the film having the polarization separation, color separation, or antireflection function is located adjacent to the transmission diffraction grating, or on the front and back of the hologram optical element.
  • the polarization separation, color separation, and antireflection functions are preferably provided by a grating having a relief shape with a period of 0.6 ⁇ m or less and a depth of 0.5 ⁇ m or less.
  • the surface light source device is characterized in that the transmissive diffraction grating is disposed on a light emitting surface of a surface light source.
  • the transmission type diffraction grating When the transmission type diffraction grating is not arranged, light is emitted in an angle range of 20 ° to 70 ° with respect to the normal direction of the light emission surface of the surface light source, and the hologram optical element is connected to the transmission type diffraction grating. When is installed, it is preferably emitted in an angle range of 10 ° to + 10 ° with respect to the normal direction of the light emitting surface of the surface light source.
  • the diffuser is a hologram diffuser that diffuses the incident light by limiting the incident light within a specific angle range in the space.
  • the hologram diffuser is integrally formed on the light exit surface of the light guide plate!
  • an antireflection film is disposed on the light exit surface of the hologram optical element.
  • the diffractive condensing film according to the present invention has a small change in the exit angle with respect to the change in the incident angle, so that a high condensing property can be realized.
  • the influence of the incident light distribution on the emission characteristics is small, high front luminance can be obtained regardless of the characteristics of the light guide plate used in combination with this optical element.
  • FIG. 1 is a diagram showing a typical configuration of a backlight type liquid crystal display.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the diffraction order and diffraction angle of diffracted light.
  • FIG. 3 is an explanatory view of a method for producing a diffraction grating shape approximating a four-step staircase pattern by multiple exposure.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of a technique for producing a diffraction grating shape approximating a four-step staircase pattern by exposure.
  • FIG. 5 is a diagram showing a deviation from the sawtooth shape of the diffractive condensing film (diffraction grating).
  • FIG. 6 is a diagram showing a diffractive condensing film (diffraction grating) having a fan-shaped groove.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining an incident angle ⁇ i and an exit angle ⁇ 0 in a diffractive condensing film (diffraction grating).
  • FIG. 8 is a diagram for explaining that a diffractive condensing film (diffraction grating) bends light emitted obliquely with a surface light source force in the vertical direction.
  • a diffractive condensing film diffiffraction grating
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the shape of a sawtooth of a diffractive condensing film (diffraction grating).
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a liquid crystal display.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a liquid crystal display.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram showing a method for defining and measuring a diffusion characteristic of a transmissive hologram diffuser.
  • FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a liquid crystal display.
  • FIG. 14 is an angular distribution of emitted light of a surface light source device in which a white LED light source is arranged on the end face of the light guide plate shown in FIG. 15 and a silver vapor deposition reflecting sheet is arranged on the lower surface.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of a light guide plate.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view schematically showing an apparatus for manufacturing a diffractive condensing film (diffraction grating).
  • Fig.17 shows the case of changing ⁇ in the diffraction grating with pitch 5 / ⁇ ⁇ and a force 4 °.
  • Fig.18 shows the case where ⁇ is changed in a diffraction grating with pitch 5 / ⁇ ⁇ and a force 4 °.
  • Fig.19 shows the case where ⁇ is varied in a diffraction grating with a pitch of 5 / ⁇ ⁇ and a force of 70 °.
  • Figure 20 shows the case where ⁇ is varied in a diffraction grating with a pitch of 5 m and a force of 70 °.
  • FIG. 21 shows a diffraction grating having a pitch of 4 / ⁇ ⁇ , a force of S73.6 ° and a force of 5.4 ° as shown in FIG.
  • Fig.22 shows a diffraction grating with a pitch of 6 m, a force of S73.6 ° and a force of 5.4 °.
  • Fig.23 shows a diffraction grating with a pitch of 8 m, a force of S73.6 ° and a force of 5.4 °.
  • Fig.24 shows the intensity distribution shown in Fig.14 on the diffraction grating with a force of 73.6 ° and a force of 5.4 °.
  • Fig.25 shows the intensity distribution shown in Fig.14 on the diffraction grating with a force of 73.6 ° and a force of 5.4 °.
  • FIG. 26 is a chromaticity coordinate distribution when white light having the intensity distribution shown in FIG. 14 is incident on the prism sheet.
  • FIG. 27 shows a diffraction grating having a pitch of 8 / ⁇ ⁇ , a force of S73.6 ° and a force of 5.4 °, as shown in FIG.
  • Fig.28 shows the strength shown in Fig.14 on a diffraction grating with a pitch of 6 m, a force S73.6 ° and a force 5.4 °.
  • FIG. 29 shows a diffraction grating having a pitch of 4 / ⁇ ⁇ , a force of S73.6 ° and a force of 5.4 °, as shown in FIG.
  • Fig.30 shows a diffraction grating with pitch 4, 6, and 8 m, a force S73.6 °, a force 5.4 °,
  • Fig.31 shows a prism sheet and a diffraction grating with pitch 4 / ⁇ ⁇ , a force S73.6 °, a force 5.4 °
  • the output light intensity depends on the output angle.
  • Fig.32 shows a prism sheet, pitch 4, 6, and 8 m, a force S73.6 ° a force 55.4 °
  • the peak half-value width of the emitted light depends on the angle between the normal of the incident surface and the incident light.
  • Fig.33 shows a prism sheet and a diffraction grating with pitch 4 / ⁇ ⁇ , a force S73.6 °, a force 5.4 °
  • Fig. 14 shows changes in luminance unevenness with respect to the distance from the light incident portion when installed on the side light incident type backlight showing the intensity distribution shown in Fig. 14.
  • the diffractive condensing film according to the present invention has a wavelength-dependent force of a bending angle, an oblique direction force, suppresses the spectrum of incident white light and bends it in the vertical direction and emits it.
  • a hologram optical element including a diffraction grating controls emitted light by multiple interference of diffracted light that has passed through a large number of concave and convex shapes. Therefore, even if a single concave and convex shape is lost or a foreign object exists, the emitted light is controlled. There is little impact on. That is, it has a feature of excellent redundancy. But Therefore, handling and processing become easier than the conventional prism sheet.
  • a hologram optical element By using a hologram optical element, it is possible to add other light control functions such as a condensing function that can be simply bent.
  • a method for designing the hologram optical element is described in, for example, the above-mentioned Victor 'Sopher et al.
  • the grating cross-sectional shape is a sawtooth shape.
  • white light can be bent with reduced spectral and diffusion.
  • monochromatic light is passed through a normal diffraction grating, multiple diffractions such as primary light and secondary light occur, and light propagates at the respective diffraction angles.
  • the diffraction angle generally differs depending on the wavelength, which causes a problem of color dispersion.
  • the hologram optical element is an optical member in general that utilizes a diffraction / interference phenomenon based on wave optics.
  • the diffractive condensing film refers to an optical member that realizes the light deflection and condensing function by using the effect peculiar to the hologram optical element.
  • White light means light that includes the three primary colors of blue, green, and red.Bending in the vertical direction means that light that is incident obliquely on the surface of an optical member that has diffraction and interference effects is incident in the normal direction of the surface. This means that the light is emitted in a different direction.
  • the diffraction type condensing film of the first embodiment which is a transmission type diffraction grating
  • 0.46 ⁇ 1 ⁇ 0.50 / ⁇ blue light
  • ⁇ 1 0.48 m
  • ⁇ 2 0.55 m
  • the diffraction angular force that maximizes the diffraction efficiency of each wavelength is from ⁇ 5 degrees to +5 degrees It is included in the range.
  • Such a diffraction characteristic specifically defines an allowable range of the difference in diffraction angle depending on the wavelength in the diffraction type condensing film.
  • ⁇ is a constant in the range of 0 ⁇ ⁇ 5 (deg)
  • the average period d should be about 4.85 m from Equation (5).
  • FIG. 2 shows the relationship between the diffraction order and the diffraction angle.
  • the 0th-order light propagates in the same direction as the incident light out of the light emitted from the diffractive condensing film. From this, the diffracted light of the positive order comes out in the direction approaching the normal direction of the emission surface, and the diffracted light of the negative order is on the opposite side. Therefore, light emitted in the normal direction of the emission surface is always positive order diffracted light.
  • the diffractive condensing film of the first embodiment is a transmissive diffraction grating, and an angle a between the normal of one oblique surface and the normal of the upper surface of the film or plate is 70 degrees or more 89.5 Less than
  • a is a diffractive condensing i i B i B
  • the effect on the light collection effect of the film is small, but a light beam with any incident angle is desired by
  • the deflection can be controlled so that the light is emitted in the direction of Set ⁇ to the above angle range
  • the direction of the outgoing light of the surface light source device using the diffractive condensing film can be controlled to be perpendicular to the outgoing surface.
  • a is preferably 89.5 degrees or less because it is extremely difficult to produce a product exceeding 89.5 degrees due to restrictions on the actual mold processing and releasability during molding.
  • a of the diffractive condensing film is 73 degrees.
  • F is 81 degrees or less, good mold workability and mold releasability at the time of molding can be obtained, and this is preferable in terms of easy optical element production.
  • the pitch d of the diffractive condensing film is 10 / z m or less.
  • pitch d represents the distance from the apex of the sawtooth shape to the apex of the adjacent sawtooth shape.
  • the pitch does not have to be a strictly constant value, but if the standard deviation of the pitch exceeds 4% of the average value, the diffraction efficiency deteriorates and the variation in pitch becomes visible as unevenness. Is not preferable. Therefore, it is preferable that the standard deviation of the pitch does not exceed 4% of the average value.
  • the pitch is preferably 10 m or less.
  • the diffractive condensing film of the fourth embodiment has a diffractive condensing film pitch of 1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • a diffractive condensing film pitch of 1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • the pitch is 5 ⁇ m or less, a remarkable light collecting effect is obtained, and the front luminance of the surface light source device using the diffraction type light collecting film is greatly improved.
  • the pitch is less than l / z m, the spectral effect peculiar to the diffraction grating becomes remarkable, so it is not suitable as an optical member for a white light source.
  • the base film 100 and the photosensitive negative are obtained.
  • Type resin composition layer 101, photomask 102, an opening 103, a light shielding part 104, and an exposure part 105 are shown.
  • a diffractive condensing film contains at least one monomer such as pentaerythritol acrylate which can be polymerized as shown in JP-A-2004-37518 or FIG.
  • the photosensitive negative resin composition layer is irradiated with actinic rays, and a latent image with an exposure level of 4 or more gradations is applied to the photosensitive negative resin composition layer, and an etching operation is performed.
  • a base film 111, a photosensitive negative resin composition layer 112, a photomask 113, a light shielding portion 114, and an opening 115 are shown.
  • the diffractive condensing film of the fourth or fifth embodiment is a preferable shape for the cross-sectional shape of a transmission diffraction grating (diffractive condensing film) used to bend white light in the vertical direction.
  • a transmission diffraction grating diffractive condensing film
  • the diffractive condensing film of the fourth or fifth embodiment is a preferable shape for the cross-sectional shape of a transmission diffraction grating (diffractive condensing film) used to bend white light in the vertical direction. have. By making it a saw-tooth shape with a sharp tip or a shape that approximates an N-level step shape, it can be bent efficiently in the vertical direction.
  • the lattice cross-sectional shape does not affect even if the ideal sawtooth shape force is deviated as shown in FIG. At this time, it is preferable that the maximum value of the deviation 24 (28 in FIG. 5) from the straight line 26 is 0.2 m or less. Depending on the conditions, the diffraction efficiency may be maximized when the sawtooth force is slightly deviated.
  • the optimum grating shape depends on the incident angle, wavelength, period, depth, and refractive index. One method is to obtain an exact solution of the diffraction efficiency of a periodic diffraction grating. By changing the grating shape by trial and error and performing numerical calculations, one of the optimum shapes can be obtained.
  • a diffraction grating having a large groove and a large area used here it is made by transferring from a saddle type.
  • the transferred resin is cured by heat or UV light.
  • an electron beam resist is applied to a substrate, and after drawing an electron beam, a method of digging with RIE, a method of exposing and developing with X-ray radiation, a gray scale Examples include a method of exposing and developing a mask pattern, and a method of producing by a machining method using a cutting tool.
  • the material to be transferred is preferably an acrylic photo-curing resin with good light transmission depending on the conditions of use.
  • the diffractive condensing film of the sixth embodiment is the diffractive condensing film of any of the first to fifth embodiments, which is a transmissive diffraction grating, and the grating grooves are formed in an arc shape. It is what has been.
  • This diffractive condensing film has a grating groove arrangement of a diffraction grating suitable for a knock light in which an LED is installed at a corner portion of a light guide plate.
  • the grid grooves By making the grid grooves arc, light that propagates the LED power at the corner can be bent efficiently in the vertical direction, and the brightness in the front direction can be increased.
  • the lattice section has a sawtooth shape and the lattice grooves are formed concentrically around a certain point.
  • the arc-shaped lattice groove does not necessarily have to be a continuous groove.
  • the diffractive condensing film of the seventh embodiment is a transmissive diffraction grating that is used to bend white light in the visible region with an incident angle of 60 ° ⁇ 15 ° in the vertical direction.
  • the average period d force ml X (6.0 ⁇ 2.0) m
  • the cross-sectional shape is shown.
  • the direction of the grooves of the transmissive diffraction grating may be perpendicular or parallel to the incident light. It may also be cut vertically and horizontally.
  • Fig. 7 shows the relationship between the incident angle to the diffraction grating and the exit angle.
  • White light including the three primary colors of red, green, and blue is emitted from a surface light source that emits light like a light guide plate used in liquid crystal displays.
  • the angle between the normal direction of the diffraction grating incident surface and the incident light, that is, the incident angle 0 i is often in the range of 20-70 degrees.
  • the white light that has passed through the diffraction grating gathers in the vertical direction within the range of ⁇ 10 °, that is, the front direction as viewed from the observer, it can be said that the light is bent in the vertical direction.
  • the wavelength dependence of the diffraction angle is small when the difference is less than 10 °.
  • the diffraction grating may be added with the function of collecting and diffusing only by bending the light, and the surface on which the diffraction grating is manufactured is not only a flat surface, but also on a curved surface to add an optical function. It may be produced. Furthermore, the diffraction grating may be used together with a prism sheet. For example, when xyz space is considered, it can be considered that light is bent in the X direction by a diffraction grating and bent by a prism sheet in the y direction.
  • the diffractive condensing film of the eighth embodiment is the diffractive concentrating film according to any one of the first to seventh diffractive concentrating films, wherein the film having a polarization separation, color separation, or antireflection function is a diffractive concentrating film. It is either the force placed adjacent to the optical film or the front and back of the diffractive condensing film.
  • the diffractive condensing film of the ninth embodiment is the same as the diffractive condensing film of the eighth embodiment, in which the polarization separation, color separation, and antireflection functions have a period of 0. It is provided by a lattice having a relief shape of 0.5 m or less.
  • the polarization separation, color separation, and antireflection functions can be realized by creating a fine periodic structure.
  • a tenth embodiment is a surface light source device characterized in that the diffractive condensing film of any one of the first to ninth embodiments is arranged on a light emitting surface of a surface light source. is there.
  • the diffractive condensing film of the present embodiment bends light emitted obliquely to the surface light source force in a vertical direction as shown in FIG.
  • white light emitted from a surface light source can be efficiently bent by using a diffractive condensing film, and the color due to spectroscopy with high brightness in the front direction is small! / A surface light source device is obtained.
  • the normal direction of the light emitting surface of the surface light source is 20%.
  • 60% or more, preferably 70% or more, of the total light emitted from the surface light source is emitted from the surface light source. It is emitted in the angle range of 10 ° to + 10 ° with respect to the normal direction of the surface.
  • the light emitted from the surface light source has an angle ⁇ with respect to the upper surface of the film as shown at 18 in FIG. Eggplant
  • the light is incident on the diffraction grating from the surface side because the diffraction efficiency is increased.
  • the luminance in the front direction of the liquid crystal display device is increased by emitting light of 60% or more, preferably 70% or more in an angular range of ⁇ 10 ° to + 10 °.
  • a diffuser is further used in addition to the diffractive condensing film.
  • the diffractive condensing film and the diffuser may be a combination of two diffraction gratings and one diffuser on both sides of one film. Even if the light guide plate 12, the diffractive condensing film 10 and the diffuser 32 are arranged in this order as shown in FIG. 10, the light guide plate 12, the diffuser 32 and the diffractive condensing film 10 are arranged in this order as shown in FIG. Also good.
  • a light-guide plate a diffuser, a diffraction type condensing film, and a diffuser may be sufficient.
  • the diffusion of the diffuser may be due to surface irregularities or due to the refractive index distribution inside the film.
  • the hologram diffuser diffuses incident light within a specific angular range in space.
  • the diffuser is preferably a holoram diffuser that can define a diffusion angle and has high diffusion efficiency.
  • X be the direction parallel to the grooves of the diffraction grating.
  • the light scattering direction by the diffuser is defined by unit vectors (Sx, Sy, Sz).
  • the maximum values of Sx and Sy are defined by sin ( ⁇ 1) and sin ( ⁇ 2), respectively.
  • the range of 0 1 should be made as small as possible, and the range of 0 2 should be erased. Set to the minimum required angle.
  • the holodam diffuser may be a surface relief type or a volume phase type. Also, the diffusion characteristics of the hologram diffuser may vary depending on the location.
  • the hologram diffuser is integrally formed on the light emitting surface of the light guide plate.
  • the hologram diffuser is integrally formed on the light exit surface of the light guide plate in this way, thereby reducing the Fresnel loss. Can be reduced.
  • an antireflection film is disposed on the light exit surface of the diffractive condensing film.
  • the light emitted from the surface light source is bent by a film having a relief shape, and the force on the opposite side of the film is emitted vertically. On the other hand, approximately 4% of the light is reflected through the interface between the air and the film. .
  • an antireflection film non-reflection film
  • the antireflection function can be realized by covering with a dielectric multilayer film.
  • the method of making an anti-reflection film using a dielectric multilayer film is described, for example, in Shiro Fujiwara, Hideo Ikeda, Kozo Ishiguro, Hideaki Yokota, “Optical Thin Film 2nd Edition”, Kyoritsu Shuppan, 1984, p. 98-109. Yes.
  • This function can also be realized by providing a lattice with a small period. It is desirable that this period is 0.28 ⁇ 0.08 ⁇ m and the depth is 0.22 ⁇ 0.1 m.
  • the relief shape for bending light and the grating with a short period are on the front and back of the same film. Further, a plurality of the films may be stacked. Further, it is preferable that a diffuser or an antireflection film is provided on the surface of the light guide plate from which the emitted light is emitted.
  • FIG. 13 shows a backlight structure using a light guide plate 48 according to the present embodiment, and this knock light structure is for a small liquid crystal display device such as a mobile phone.
  • the knock light consists of a reflector 56, a light guide plate 48, a hologram diffuser 46, and a diffractive condensing film (diffraction grating for light bending) 10 from the bottom of the figure.
  • the light guide plate 48 and the hologram diffuser plate 46 are integrally formed. ing.
  • An LED light source 54 is provided on the light incident end face 52 side of the light guide plate 48.
  • the light emitted from the LED light source 54 is incident from the light incident end face 52 of the light guide plate 48, totally reflected several times on the reflection group formed on the back surface 50 of the light guide plate, and then the hologram formed on the output surface.
  • the light is emitted from the diffuser 46.
  • Diffraction-type condensing film 10 causes light to be bent in the vertical direction, not shown!
  • FIG. 14 shows the emitted light distribution of the backlight when the diffractive condensing film is removed.
  • NCW335T Nichia white LEDs connected in parallel were used as the light source, and a DC current of 6 OmA was stored in this.
  • the light guide plate 48 was manufactured by injection molding using polycarbonate.
  • the thickness is 0.8 mm, and the reflection groove on the back has the structure shown in Fig. 15.
  • the period is random in the range of 120 to 150 ⁇ m to prevent moiré with the pixels of the liquid crystal panel.
  • the hologram diffuser 46 formed on the exit surface is 60 degrees in the direction parallel to the light incident end face 52 (the diffusion angle at which the light intensity is halved is 60 degrees), and 1 degree in the direction perpendicular to the light incident end face 52. Diffusion characteristics were used.
  • an acrylic resin-based ultraviolet curable resin for example, urethane acrylate or epoxy acrylate is used.
  • a manufacturing apparatus 88 and a manufacturing method of the diffractive condensing film 10 will be described.
  • a supply head 68 for supplying the photocurable resin 70 is disposed opposite to the mold roll 82. Downstream of the mold roll 82 in the rotational direction, a metering roll 78, a roll-up roll 80, an ultraviolet irradiation device 86, and a release roll 84 force are provided in this order.
  • a diffraction grating groove is formed on the peripheral surface of the mold roll 82, and the diffraction grating groove is transferred to the surface of the photocurable resin 70.
  • a diamond tool was manufactured, and the surface of the die roll 82 was grooved with a diamond tool and a precision processing machine.
  • the mold roll 82 was made of a brass material, and after grooving with a diamond bite, chrome electroless plating was performed immediately to protect the surface for oxidation, gloss, and mechanical strength.
  • the product name Sunrat R201 (trade name, manufactured by Sanyo Kasei Co., Ltd.) is used as the photocurable resin 70.
  • the photocurable resin 70 is supplied from the resin tank 64 to the mold roll 82 via the pressure controller 66 and the supply head 68.
  • the pressure applied to the mold roll 82 is adjusted by controlling the supply pressure of the photo-curing type resin 70 with the pressure control device 66 while detecting with the pressure sensor.
  • the film thickness of the light-curing resin 70 applied to the mold roll 82 is adjusted to be constant by the metering tool 78.
  • the metering roll 78 is provided with a doctor blade 72, which removes the resin adhering to the metering roll 78 and stabilizes the uniformity of the resin applied to the mold roll 82. Yes.
  • a transparent base film (translucent film) 74 is supplied between the -up roll 80 and the mold roll 82 downstream of the metering roll 78, and the transparent base film 74 is transferred to the up-roll 80.
  • the transparent base film 74 is adhered to the photo-curing resin 70 by sandwiching the film with a mold roll 82.
  • the UV irradiation device 86 with the transparent base film 74 in close contact with the photocurable resin 70, the UV light emitted from the UV irradiation device 86 hardens the photocurable resin 70 and adheres to the transparent base film 74.
  • the integral film sheet 76 is peeled off from the mold roll 82 by the release roll 84. Thereby, the long film sheet 76 can be obtained continuously.
  • the film sheet 76 thus manufactured is cut into a predetermined dimension to obtain the diffractive condensing film 10.
  • the diffractive condensing film can also be produced by injection molding or hot pressing.
  • an acrylic thermoplastic resin such as polymethyl methacrylate and a thermoplastic resin such as polycarbonate or polycyclohexylene can be used.
  • the transparent base film 74 in the present embodiment is not limited to a force using polyethylene terephthalate (PET), and polycarbonate, acrylic resin, thermoplastic urethane, or the like can be used.
  • other materials such as acrylic-modified epoxy and acrylic-modified urethane can be selected as the photocurable resin 70.
  • the light source of the ultraviolet irradiation device 86 was a metal halide lamp (maximum 8 Kw), and the film sheet 76 was manufactured at a feed rate of 3 mZ.
  • the feed rate can be increased by using a metal-no-ride lamp with a high W (wattage) power, which varies depending on the curing characteristics of the photocurable resin 70 and the light absorption characteristics of the transparent base film 74. Is possible.
  • the surface light source device manufactured in this way has a sufficient front direction luminance, and has excellent characteristics as a backlight for a liquid crystal display device, without seeing unevenness due to moire or coloring due to spectroscopy. Indicated. In the following measurement, light having the angular distribution shown in FIG. 14 was made incident on the diffractive condensing film, and the angle dependence of the emitted light intensity was examined using RISA COLOR / CD7 manufactured by Highland.
  • Figure 17 shows the output when ⁇ is varied in a diffraction grating with a pitch of 5 / ⁇ ⁇ and a force of 4 °.
  • the light peak intensity was shown. The greater the a, the greater the output light intensity.
  • the peak intensity is 20% higher than when the force is 70 °. Also, as shown in Figure 18,
  • ⁇ should be 73 degrees or larger.
  • Figure 19 shows the output when ⁇ is varied in a diffraction grating with a pitch of 5 / ⁇ ⁇ and a force of 70 °.
  • the degree of change ⁇ ⁇ satisfies the following relationship.
  • equation (12) for example, when changing the peak position of the emitted light by + 5 °, a is reduced by 1.86 °.
  • Figures 21, 22, and 23 show the pitch in the diffraction grating of the same shape with ⁇ force ⁇ 3.6 ° a force 55.4 °.
  • FIG. 25 shows the peak luminance and integrated intensity plotted against the pitch. Even if the pitch is changed, the total amount of emitted light, that is, the integrated intensity, hardly changes. However, as shown in FIG. 25, the half width of the peak is reduced, in other words, the light condensing property is increased. Brightness is improved. Also, since the peak angle has hardly changed, it can be seen that there is no need to consider the influence on the emission direction when the pitch is changed. Therefore, it is preferable that the pitch of the diffraction grating is smaller in order to increase the light collection degree and improve the front brightness of the knocklight.
  • the pitch of the diffraction grating is reduced, the problem of spectroscopy becomes remarkable.
  • the magnitude of the spectrum can be evaluated as the amount of change in color coordinates when the observation direction is changed with respect to the light source.
  • 26 to 29 show the color coordinate distribution of the prism sheet and the diffraction grating.
  • the pitch is 6 m and 8 m, the color coordinate distribution range of the prism sheet shown in Fig. 26 is almost the same.
  • the pitch is 4 m, the distribution range is slightly larger than the prism sheet.
  • the pitch of the diffraction grating is desirably 2 ⁇ m or more.
  • White collimated light (half-width 3.9 °) is applied to the diffraction grating whose force S73.6 ° a is 55.4 °.
  • the diffraction grating when the incident angle is large, the output angle change with respect to the incident angle change is small. This tendency is more noticeable as the diffraction grating pitch is smaller.
  • the high light condensing performance seen in the diffraction grating with a pitch of 4 m is due to the characteristics of the diffraction grating that emits the emitted light near a specific angle regardless of the incident angle, and cannot be realized with a prism sheet! Is an advantage.
  • the diffraction grating exhibits a diffusion effect for parallel light.
  • Figure 31 shows a white collimated light (half-width 3.9 °) at a 70 ° angle with respect to the normal of the incident surface and a prism sheet with a pitch of 4 m and a force of 73.6 ° a. Is incident on a 55.4 ° diffraction grating.
  • FIG. 33 is a plot of luminance unevenness against the distance of the light incident portion where the LEDs are arranged for the backlight unit shown in FIG.
  • RISA COLORZCD7 manufactured by Irand was used and observed from the normal direction of the exit surface of the backlight unit.
  • the measurement was performed even when a prism sheet was used in FIG. 13 instead of the diffractive condensing film.
  • the luminance unevenness when the diffraction grating is used is small as compared with the conventional prism sheet. Therefore, by using the diffractive condensing film, it is possible to reduce the “frame area” near the light incident portion and to reduce the size of the backlight unit.

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Abstract

　薄型で光透過率と集光性が高く、取扱い性に優れる回折型集光フィルム及びそれを用いた面光源装置を提供する。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回折型集光フィルム及びそれを用いた面光源装置を提供する。本発明に係る回折型集光フィルムは、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。同時に、入射光角度の変化に対して出射光角度変化を小さく抑えることで、従来の光学素子では不可能だった高い集光性を実現する。

Description

明 細 書
回折型集光フィルム及びそれを用いた面光源装置
技術分野
[0001] 本発明は、斜め方向から入射した白色光を垂直方向に曲げて出射する回折型集 光フィルム及びそれを用いた面光源装置に関するもので、特に液晶ディスプレイのバ ックライトに用いることにより観察者の正面方向への輝度を向上することができる。 背景技術
[0002] 液晶ディスプレイは、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、携帯電話の表示部に用いられ、より一層の低消費電力化と軽量化、薄型化が 求められている。
[0003] 液晶ディスプレイは自発光デバイスではな 、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。ノ 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。
[0004] 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。光源 90から導光板 12 に入射し、斜めに出射された光 14はプリズムシート 91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 91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。
[0005] 辺入光型バックライトの入光部付近は輝度ムラが大きぐ液晶表示装置の照明に用 いた場合は表示品質が低下する。このため、入光部からある特定の距離までを非表 示領域として確保する必要があり、液晶表示装置の小形ィ匕に当たって障害となって いる。従来のプリズムシートでは高輝度化と輝度ムラ低減の両立は難しいため、例え ばプリズムを形成して 、な 、面に拡散形状を設けることで、輝度を犠牲にして輝度ム ラの低減が図られている。
[0006] 導光板から出射される光の出射角 Θ 0は導光板の設計に依存する。また、入射角 が 20° — 70° くらいになることが多い。そこで、プリズムシート 91の役割はこの光 を効率よく Θ 0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、なるベぐ多 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 Θ i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。
[0007] 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《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 、ように取扱!/ヽゃ製 造に非常に気をつける必要があった。
[0008] 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 、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ぐむしろ、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 20
00— 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 、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'ソィファー（Victor Soifer) ,ビクト 一ノレ.コトラーノレ (Victor Kotlyar)，レオニード 'ドスコロヴイッチ (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ッコンビ ユア ~~ンヨン (Iterative Methods for Diflractive Optical Elements Computation) , (米 国），ティ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。
[0009] このような波動光学に基づく回折 ·干渉現象を利用した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力つたり、波長分散が大きくなつたりする。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。
発明の開示
[0010] 薄型で光透過率と集光性が高ぐ取扱い性に優れる回折型集光フィルム及びそれ を用いた面光源装置を提供する。
[0011] 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ぐ光の波動的性質に 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回折型集光フィルム及びそれを用いた面光 源装置を提供する。
[0012] 本発明に係る回折型集光フィルムは、曲げ角度の波長依存性力 、さぐ斜め方向 力も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。同時に 、入射光角度の変化に対して出射光角度変化を小さく抑えることで、従来の光学素 子では不可能だった高い集光性を実現するものである。
[0013] すなわち、本発明に係る透過型回折格子は、フィルム状又は板状の回折格子であ つて、該回折格子は、入射光が入射する入射面と、入射光を透過して出射する出射 面とを有し、前記入射面は、互いに平行な断面が鋸歯形状となる微細な格子を有し 、該回折格子は、一方力 前記回折格子に入射した光の CIE色座標の x=0.310、 y = 0.316である白色光を入射した場合の、出射光の CIE色座標 Xが 0.31≤x≤0.37か つ色座標 yが 0.3≤y≤0.42の範囲にある、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、一方の斜面の法線がフィルムまたは板の上面の法 線となす角 a が 70度以上 89.5度以下であり、かつ他方の斜面の法線がフィルムまた
F
は板の上面の法線となす角 α 力 入射光がフィルムまたは板の上面の法線となす角
Β
Θに対して θ /2.69-5≤78- α ≤ θ /2.26+5である。
i i B i
[0014] a 力 73° 以上 81° 以下であることが好ましい。
F
[0015] ピッチが 10 μ m以下であることが好ましい。
[0016] ピッチが 1 μ m以上 5 μ m以下であることが好ましい。
[0017] 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 持つことが好ましい。
[0018] 格子溝が円弧状に形成されて 、ることが好ま 、。
[0019] ml ,m2 = l , 2, 3 · · ·としたとき、平均の周期 dが ml X (6. 0 ± 2. 0) m、平均の 深さ 11カ¾12 (5. 0 ± 1. 0) m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。
[0020] 偏光分離、色分離、または反射防止機能を有する膜が透過型回折格子に隣接して 配置されている力、または、ホログラム光学素子の表裏にあることが好ましい。
[0021] 偏光分離、色分離、反射防止機能が周期 0. 6 μ m以下で、深さ 0. 5 μ m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。
[0022] 本発明に係る面光源装置は、前記透過型回折格子を面光源の光出射面上に配置 したことを特徴とする。
[0023] 透過型回折格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 2 0° 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透過型回折格子を 設置した場合には、面光源力 の全出射光の 60%以上力 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。
[0024] ホログラム光学素子にカ卩えさらに拡散体を用いることが好ま 、。
[0025] 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。 [0026] ホログラム拡散体が導光板の光出射面に一体成形されて!、ることが好ま 、。
[0027] 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。
[0028] 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 、。
[0029] 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。
[0030] 本発明による回折型集光フィルムは、入射角変化に対して出射角変化が小さいた め、高い集光性を実現できる。また、出射特性に対する入射光分布の影響が小さい ため、本光学素子と組み合わせて用いられる導光板の特性に依らず高い正面輝度 が得られる。
図面の簡単な説明
[0031] [図 1]図 1は、バックライト方式の液晶ディスプレイの代表的な構成を示す図である。
[図 2]図 2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 3]図 3は、多重露光により 4段階の階段状に近似した回折格子形状を作製する手 法の説明図である。
[図 4]図 4は、露光により 4段階の階段状に近似した回折格子形状を作製する手法の 説明図である。
[図 5]図 5は、回折型集光フィルム（回折格子)の鋸歯形状からのずれを示す図である
[図 6]図 6は、扇形の溝を持つ回折型集光フィルム（回折格子)を示す図である。
[図 7]図 7は、回折型集光フィルム（回折格子）における入射角 Θ iと出射角 Θ 0を説明 する図である。
[図 8]図 8は、面光源力も斜めに出射した光を回折型集光フィルム（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 9]図 9は、回折型集光フィルム（回折格子)の鋸歯の形状を説明する図である。
[図 10]図 10は、液晶ディスプレイの構成を示す図である。
[図 11]図 11は、液晶ディスプレイの構成を示す図である。
[図 12]図 12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 13]図 13は、液晶ディスプレイの構成を示す図である。
[図 14]図 14は、図 15に示す導光板の端面に白色 LED光源を配し、下面に銀蒸着反 射シートを配した面光源装置の出射光の角度分布である。
[図 15]図 15は、導光板の断面図である。
圆 16]図 16は、回折型集光フィルム (回折格子)の製造装置を概略的に示した断面 図である。
[図 17]図 17は、ピッチ 5 /ζ πι、 a 力 4° の回折格子において α を変化させた場合の
B F
出射光ピーク強度である。
[図 18]図 18は、ピッチ 5 /ζ πι、 a 力 4° の回折格子において α を変化させた場合の
B F
出射光ピーク角度である。
[図 19]図 19は、ピッチ 5 /ζ πι、 a 力 70° の回折格子において α を変化させた場合の
F Β
出射光ピーク強度である。
[図 20]図 20は、ピッチ 5 m、 a 力 70° の回折格子において α を変化させた場合の
F Β
出射光ピーク角度である。
[図 21]図 21は、ピッチ 4 /ζ πι、 a 力 S73.6° a 力 5.4° の回折格子に図 14で示す強
F B
度分布を持つ白色光を入射させた時の出射光の角度分布である。
[図 22]図 22は、ピッチ 6 m、 a 力 S73.6° a 力 5.4° の回折格子に図 14で示す強
F B
度分布を持つ白色光を入射させた時の出射光の角度分布である。
[図 23]図 23は、ピッチ 8 m、 a 力 S73.6° a 力 5.4° の回折格子に図 14で示す強
F B
度分布を持つ白色光を入射させた時の出射光の角度分布である。
[図 24]図 24は、 a 力 73.6° a 力 5.4° の回折格子に図 14で示す強度分布を持つ
F B
白色光を入射させた場合の、出射光ピーク輝度および積分強度の回折格子ピッチ 依存性である。
[図 25]図 25は、 a 力 73.6° a 力 5.4° の回折格子に図 14で示す強度分布を持つ
F B
白色光を入射させた場合の、出射光ピーク角度およびピーク半値幅の回折格子ピッ チ依存性である。
[図 26]図 26は、プリズムシートに図 14で示す強度分布を持つ白色光を入射させた場 合の、色度座標分布である。 [図 27]図 27は、ピッチ 8 /ζ πι、 a 力 S73.6° a 力 5.4° の回折格子に図 14で示す強
F B
度分布を持つ白色光を入射させた場合の、色度座標分布である。
[図 28]図 28は、ピッチ 6 m、 a 力 S73.6° a 力 5.4° の回折格子に図 14で示す強
F B
度分布を持つ白色光を入射させた場合の、色度座標分布である。
[図 29]図 29は、ピッチ 4 /ζ πι、 a 力 S73.6° a 力 5.4° の回折格子に図 14で示す強
F B
度分布を持つ白色光を入射させた場合の、色度座標分布である。
[図 30]図 30は、ピッチ 4、 6、および 8 m、 a 力 S73.6° a 力 5.4° の回折格子と、プ
F B
リズムシートに対して白色のコリメート光を入射させた場合の、入射光角度に対する 出射角の依存性である。
[図 31]図 31は、プリズムシートと、ピッチ 4 /ζ πι、 a 力 S73.6° a 力 5.4° の回折格子
F B
に対して、入射面の法線に対して 70度の角度をなし、溝方向に対して垂直な方向か ら白色のコリメート光を入射させた場合の、出射光強度の出射角度依存性である。
[図 32]図 32は、プリズムシートと、ピッチ 4、 6、および 8 m、 a 力 S73.6° a 力 55.4°
F B
の回折格子に対して、溝方向に対して垂直な方向から白色のコリメート光を入射させ た場合の、入射面の法線と入射光がなす角度に対する出射光のピーク半値幅依存 性である。
[図 33]図 33は、プリズムシートと、ピッチ 4 /ζ πι、 a 力 S73.6° a 力 5.4° の回折格子
F B
を図 14で示す強度分布を示す辺入光型バックライト上に設置した場合の、入光部か らの距離に対する輝度ムラの変化である。
発明を実施するための最良の形態
[0032] 以下に、添付図面を参照しながら本発明に係る回折型集光フィルム及びそれを用 いた面光源装置の実施の形態について説明する。なお、本発明の形態はこれに制 限されない。
[0033] 本発明による回折型集光フィルムは、曲げ角度の波長依存性力 、さぐ斜め方向 力 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。一般に 、回折格子を含む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 つて、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、曲げるだけでなぐ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 'ソィファー他の文献に記載されている。
[0034] 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。単色の光を通常の回折格子に 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 、回折格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、回折型集光フィルムとは、前記ホログラム光学素子特有の効 果を用いて光の偏向及び集光機能を実現する光学部材を指す。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。
[0035] 上記の回折型集光フィルムの中で、透過型回折格子である第 1の実施の形態の回 折型集光フィルムにおいては、 0.46≤ λ 1≤0.50 /ζ πι (青色光）、 0.53≤ぇ2≤0.57 m (緑色光）、 0.60≤ λ 3≤0.64 /ζ (赤色光）の範囲にあるえ 1、 λ 2、 λ 3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 λ 1=0.48 m、 λ 2=0.55 m、 λ 3=0.62 mを角度 Θ i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力 —5度から + 5度の範囲に含まれるものである。このような回折特性は、回折型集光フ イルムにおける波長による回折角度の違!、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 λ 1=0.48 μ τη λ 2=0.55 μ τη λ 3=0.62 m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 Θ i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度力も + 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。
[0036] 透過型回折格子であるところの、第 1の実施の形態の回折型集光フィルムにおいて 、 0.46≤ λ1≤0.50/ζπι (青色光）、 0.53≤ λ2≤0.57/ζπι (緑色光）、 0.60≤ぇ3≤ 0.64 ^ (赤色光）の範囲にあるえ 1、 λ2、 λ 3の 3波長の平行光に近い充分にコリメ一 トされた光、例えば λ 1=0.48 m、 λ2=0.55 m、 λ 3=0.62 mの 3波長の光を角度 Θ i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=l、 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。
[0037] m X { λ 2 X (1-sin δ /sin θ ΰ~ λ 1}≤ m0 X λΐ
≤mX{12X(l + sin6/sin0i)-ll} · · (1)
mX{13-12X(l + sin6/sin0i)}≤mOX λ3
≤mX{13-12X (1-sin δ /sin Θ i)} · · (2)
(ただし δは、 0≤ δ≤5(度)の範囲）
d=mX 12/sin0i (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回折型集光フィルム のより具体的な形が示される。え 1=0.48 μΐη, λ 2=0.55 m、え 3=0.62 μ mの 3波長 の光を角度 Θ i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+mO) 、 m、（m— mO)、（mO=l、 2、 · · · である平均周期 dの透過型回折格子を考える。この時 、 λ 2=0.55 μ mに対する m次の回折角を Θ 2とすると、式 (4)が成り立つ。
[0038] dX(sin0i+sin02)=mX 12 · · (4)
したがって、 λ 2の波長の光を垂直方向、すなわち Θ 2=0、に曲げるには、
d=mX 12/sin0i · · (5)
であることが必要である。
[0039] この時、 λ 1に対する (m+mO)次の回折角を 01、 λ 3に対する (m— mO)次の回折角 を 03、とすると、
dX(sin0i + sin0 l)=mX 12X(l + sin01/sin Θ i)
= (m+mO)X λΐ - - (6)
d X (sin 0 i + sin 03) = m X λ 2 X (1 + sin 03/sin Θ i) = (m-mO)X 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≤ θ 1, Θ 3≤ δ · ' (8)
であることが必要である。
[0040] 式（6)、 (7)、 (8)から、 mが満たすべき式として、
m X { λ 2 X (1-sin δ /sin θ i)- λ 1}≤ m0 X λ 1
≤mX{12X(l + sin6/sin0i)-ll} · · (9)
mX{13-12X(l + sin6/sin0i)}≤mOX λ3
≤mX{X3-X2X (1-sin δ /sin Θ i)} · · (10)
が導かれる。
[0041] 式（5)、（9)、（10)を満たせば、波長え 1、 λ2、 λ 3の光は士 δ度以内の範囲に回 折されることになる。たとえば Θ i=65度、 mO=l、 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. 85 mとすればよい。格子の断面形状は、 λ 1=0.48 mにたいしては 9次の、 2=0.55 mにたいしては 8次の、 λ 3=0.62 m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ょ 、。
[0042] 図 2には回折次数と回折角度の関係を示した。回折型集光フィルムからの出射光 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。
[0043] 第 1の実施の形態の回折型集光フィルムは、透過型回折格子であって、一方の斜 面の法線がフィルムまたは板の上面の法線となす角 a が 70度以上 89.5度以下であ
F
り、かつ他方の斜面の法線がフィルムまたは板の上面の法線となす角 力 前記の
B
入射角 0に対して 0 /2-5≤90-α ≤ Θ /2+5であるものである。 a が回折型集光 i i B i B
フィルムの集光効果に与える影響は小さいが、 a によって任意の入射角の光線を望
B
む方向に出射するよう偏向制御する事ができる。上記角度範囲に α を設定すること によって、当該回折型集光フィルムを用いた面光源装置の出射光の方向を出射面に 対して垂直に制御することができる。一方、 a が大きいほど回折型集光フィルムの集
F
光効果は高くなるため、 70度以上であることが好ましい。ただし、実際の金型加工及 び成形時の離型性の制約から、 89.5度を超えるものを作製することは極めて困難で あるため、 a は 89.5度以下であることが好ましい。
F
[0044] 第 2の実施の形態の回折型集光フィルムは、前記回折型集光フィルムの a が 73度
F
以上 81度以下であるものである。 a が 73度以上の場合、第 1の実施の形態の回折
F
型集光フィルムよりさらに高い集光性が得られる点で好ましい。同時に、 α
Fが 81度以 下であれば、良好な金型加工性及び成形時の離型性が得られ、光学素子作製が容 易である点で好ましい。
[0045] 第 3の実施の形態の回折型集光フィルムは、前記回折型集光フィルムのピッチ dが 10 /z m以下のものである。ここで、ピッチ dは鋸歯形状の頂点から隣接する鋸歯形状 の頂点までの距離を表す。ピッチは厳密に一定値である必要はないが、ピッチの標 準偏差が平均値の 4%を越えてばらつくと、回折効率が劣化すると共に、ピッチのばら つきがムラとして視認されるようになり、好ましくない。従って、ピッチの標準偏差は平 均値の 4%を越えないことが好ましい。また、ピッチが 10 mを越えると、後述する集光 効果が得られず、正面輝度が低いため、ピッチは 10 m以下であることが好ましい。
[0046] 第 4の実施の形態の回折型集光フィルムは、前記回折型集光フィルムのピッチが 1 μ m以上 5 μ m以下のものである。後述するように、ピッチが 5 μ m以下になると顕著な 集光効果が得られ、当該回折型集光フィルムを用いた面光源装置の正面輝度が大 きく向上する。一方で、ピッチが l /z m未満のものでは、回折格子特有の分光効果が 顕著になるため、白色光源用の光学部材としては適当ではな 、。
[0047] 第 5の実施の形態の回折型集光フィルムは、第 4の実施の形態の回折型集光フィ ルムにおいて、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。回折型集光フィルムを作製する一般的な方法の 1つ として、図 3に示すような多重露光による方法が知られている。図 3では、感光性榭脂 に 2回の露光とエッチングを施すことにより、 N=4の階段状に近似した格子形状を得て いる。図中には、ベースフィルム 100、感光性ネガ型榭脂組成物層 101、フォトマスク 102、開口部 103、遮光部 104、露光部 105が示されている。
[0048] 回折型集光フィルムを作製する方法の一つとして、特開 2004-37518または図 4に示 すような、少なくとも一種類以上の重合可能なペンタエリスリトールアタリレート等のモ ノマーを含有する感光性ネガ型榭脂組成物層に、活性光線を照射し、感光性ネガ型 榭脂組成物層に活性光線の曝露量の 4階調以上の潜像を形成する工程、エツチン グ操作を行うことなく後加熱する工程により得られる表面凹凸による方法がある。図で は、感光性榭脂に 3回の露光を施すことにより、 N=4の階段状に近似した格子形状を 得ている。図中には、ベースフィルム 111、感光性ネガ型榭脂組成物層 112、フォト マスク 113、遮光部 114、開口部 115が示されている。
[0049] 第 4又は第 5の実施の形態の回折型集光フィルムは、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（回折型集光フィルム)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。
[0050] なお格子断面形状は、理想的な鋸歯形状力も図 5に示したようにずれても力まわな い。この時、直線 26からのずれ 24のずれ量（図 5の 28)の最大値が 0. 2 m以下で あることが好ましい。条件によっては、鋸歯形状力も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。
[0051] ここで使われる深溝で面積の広 、回折格子を量産するには铸型から転写して作る 。転写された榭脂は熱または UV光で硬化する。本発明で用いる深い溝を持つ铸型 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。
[0052] 第 6の実施の形態の回折型集光フィルムは、透過型回折格子である第 1ないし第 5 の実施の形態のいずれかの回折型集光フィルムにおいて、格子溝が円弧状に形成 されているものである。
[0053] この回折型集光フィルムは、導光板のコーナー部に LEDを設置する方式のノック 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力も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 、。
[0054] 第 7の実施の形態の回折型集光フィルムは、入射角 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 6 の実施の形態のいずれかの回折型集光フィルムにおいて、 ml,m2 = l, 2, 3 · · 'とし たとき、平均の周期 d力ml X (6. 0± 2. 0) m、平均の深さ h力 ¾η2 Χ (5. 0± 1. 0) /z mである鋸歯形状、あるいはこの鋸歯形状を Νレベル（Ν= 4, 5, 6, 7, 8, " で 近似した表面形状を持つものである。
[0055] 上記関係式によって、第 8の実施の形態の回折型集光フィルムにおける、特に入射 角 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。
[0056] 第 1から第 7の実施の形態のいずれの回折型集光フィルムにおいても、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 つても良い。
[0057] 回折格子への入射角と出射角の関係を図 7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 0 i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) ZA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ぐ集 光や拡散の機能を付加してもよぐまた、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。
[0058] 第 8の実施の形態の回折型集光フィルムは、第 1ないし第 7のいずれかの回折型集 光フィルムにおいて、偏光分離、色分離、または反射防止機能を有する膜が回折型 集光フィルムに隣接して配置されている力、または、回折型集光フィルムの表裏いず れかにあるものである。
[0059] 第 9の実施の形態の回折型集光フィルムは、第 8の実施の形態の回折型集光フィ ルムにおいて、偏光分離、色分離、反射防止機能が周期 0. 以下で、深さ 0. 5 m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。
[0060] 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回 折型集光フィルム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。
[0061] 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。
[0062] 第 10の実施の形態は、第 1ないし第 9の実施の形態のいずれかの回折型集光フィ ルム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。
[0063] 本実施の形態の回折型集光フィルムは図 8のように面光源力 斜めに出た光を垂 直方向に曲げる。第 10の実施の形態のように、回折型集光フィルムを使うことで面光 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ぐ分光 による色づきの小さ！/、面光源装置が得られる。
[0064] 第 11の実施の形態は、第 10の実施の形態の面光源装置において、回折型集光フ イルム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° 力 70 ° の角度範囲に光が出射され、回折型集光フィルム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。 [0065] 回折型集光フィルムの格子断面形状が鋸歯形状である透過型回折格子の場合に は、面光源からの出射光が、図 9の 18に示すように、フィルム上面と α の角をなす斜
F
面の側から、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。
[0066] 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。したがつ 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、これによつても、フレネル損失は低減する。
[0067] 第 11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。
[0068] 第 12の実施の形態は、第 10または第 11の実施の形態の面光源装置において、回 折型集光フィルムに加えさらに拡散体を用いるものである。
[0069] 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!ヽ 。拡散体と回折型集光フィルムの組み合わせ方としては、本発明者らの特開 2003— 222727号公報の方法を使用することができる。回折型集光フィルムと拡散体の配置 '組み合わせは、一枚のフィルムの両面でもよぐ回折格子 2枚と拡散体 1枚でもよい 。図 10のように導光板 12、回折型集光フィルム 10、拡散体 32の順に配置しても、図 11のように導光板 12、拡散体 32、回折型集光フィルム 10の順に配置しても良い。ま た、導光板、拡散体、回折型集光フィルム、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。
[0070] 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。
[0071] 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、ホロダラ ム拡散体が好ましい。光力 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 12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( Θ 1)、 sin( θ 2)で定義する。この場合色分 散は y方向に生じるので、 0 1の範囲をなるベく小さくして、 0 2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。ホロダラ 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 ヽてもかまわな ヽ。
[0072] 第 14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。
[0073] 導光板、ホログラム拡散体、回折型集光フィルム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。
[0074] 第 15の実施の形態は、第 10ないし第 14のいずれかの実施の形態の面光源装置 において、回折型集光フィルムの光出射面上に反射防止膜を配置したものである。
[0075] 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 力 垂直に出射する力 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. 08 ^ m,深さは 0. 22±0. 1 m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。
実施例
[0076] 図 13は、本実施の形態にカゝかる導光板 48を用いたバックライト構造を示しており、 このノ ックライト構造は、携帯電話等の小型液晶表示装置用のものである。ノ ックライ トは、図の下から反射板 56、導光板 48、ホログラム拡散体 46、回折型集光フィルム（ 光曲げ用回折格子） 10からなり、導光板 48とホログラム拡散板 46は一体成形されて いる。導光板 48の入光端面 52側には、 LED光源 54が設けられている。この構成に より、 LED光源 54から発せられた光を導光板 48の入光端面 52から入射させ、導光 板の裏面 50に形成した反射グループに何度か全反射した後、出射面に形成したホ ログラム拡散体 46から出射させる。回折型集光フィルム 10により光を垂直方向に回 折させ、図示しな!、液晶面に対して略均一な輝度の分布光束を伝達するものである
[0077] 図 14に、回折型集光フィルムを除いた場合の上記バックライトの出射光分布を示す 。光源には、並列接続した日亜ィ匕学製白色 LED (NSCW335T)を 4個用い、これに 6 OmAの直流電流をカ卩えた。測定には、ハイランド社製 RISA COLOR/CD7を用いた。
[0078] 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. 8m m、裏面の反射グルーブは図 15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— 150 μ m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。
[0079] 回折型集光フィルム 10を形成するための光硬化型榭脂としては、アクリル榭脂系の 紫外線硬化榭脂、例えば、ウレタンアタリレートや、エポキシアタリレートが用いられる
[0080] 次に、回折型集光フィルム 10の製造装置 88及び製造方法について説明する。図 1 6に示したように、回折型集光フィルム 10の製造装置 88において、金型ロール 82に は、光硬化型榭脂 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、 -ップロール 80、紫外線照射装 置 86、離型ロール 84力 この順序で設けられている。
[0081] 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、光硬化型榭脂 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カロ ェ後、速やかにクロム無電解メツキを行い表面の酸化、光沢、機械強度保護を行った 。光硬化型榭脂 70としては、本実施の形態では商品名サンラット R201 (三洋化成ェ 業株式会社製商品名）を用いた。 [0082] 製造時には、光硬化型榭脂 70を榭脂タンク 64から圧力制御装置 66、供給ヘッド 6 8を介して金型ロール 82に供給する。供給の際には、光硬化型榭脂 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榭脂 70は、メータリング口 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に付着した榭脂を搔き取り、金型ロール 82に塗布された榭脂の均斉度を安定ィ匕させている。
[0083] メータリングロール 78の下流にある-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-ッ プロール 80と金型ロール 82とで挟み込んで、光硬化型榭脂 70に透明ベースフィル ム 74を密着させて 、る。光硬化型榭脂 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 硬化型榭脂 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。
[0084] 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回折型集光フィ ルム 10を得る。なお、回折型集光フィルム（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。その場合は、ポリメチルメタタリレートなどのアクリル系熱可塑 性榭脂、ポリカーボネート、ポリシクロォレフィンなどの熱可塑性榭脂を用いることがで きる。
[0085] 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)を用いた力 これに限らず、ポリカーボネートやアクリル榭脂、熱可塑性ウレ タン等を用いることができる。また、光硬化型榭脂 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 8 6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 、 3mZ分で製作した。送り速度は、光硬化型榭脂 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力 更に W (ワット数)の高いメタルノヽライドランプを 用いることにより、送り速度を速めることが可能である。 [0086] 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。以下の測定では、図 14に示す角度分布を持つ光を回折型集光フィル ムに入射させ、ハイランド社製 RISA COLOR/CD7を用いて出射光強度の角度依存 性を調べた。
[0087] 図 17に、ピッチ 5 /ζ πι、 a 力 4° の回折格子において α を変化させた場合の出射
B F
光ピーク強度を示した。 a が大きいほど出射光強度は大きくなり、 a 力 の場合
F F
はひ 力 70° の場合よりも 20%高いピーク強度が得られる。また、図 18に示したように、
F
a を変化させてもピーク角度はほとんど影響されない。すなわち、 a を大きくするほ
F F
ど高い正面輝度が得らる。集光性を高めるためには、 α の大きさは 73度以上が好ま
F
しい。
[0088] 一方で、上述の方法で光学素子を作製する場合、 a が小さい方が金型の製作お
F
よび金型力 の成型品の剥離が容易である。
[0089] 図 19は、ピッチ 5 /ζ πι、 a 力 70° の回折格子において α を変化させた場合の出射
F Β
光ピーク強度である。 a の場合と異なり、 a 力 ¾5° より大きくなるとピーク強度は大
F B
きく低下するが、 65° 以下ではほとんど α依存性は見られない。図 20に見られるよう
Β
に、出射光のピーク角度は α によって大きく変化する。従って、 a は出射光ピーク
B B
が望ましい方向に来るように選ぶべきである。 a の変化量 δ a に対して出射光角
B B
度の変化量 δ Θ は次式の関係を満たす。
[0090] δ Θ = -2.69 δ a (12)
o B
式 (12)によれば、例えば出射光ピーク位置を +5° 変化させたい場合、 a を 1.86° 小
B
さくすれば良いことが分かる。
[0091] 図 21、 22、 23に、 α 力^ 3.6° a 力 55.4° の同一形状の回折格子に於いてピッチ
F B
を変化させた場合の出射光強度の角度分布を示した。図から明らかなように、回折格 子のピッチが小さいほど、より尖鋭でピーク強度の高い出射光分布が得られる。ピー ク輝度と積分強度をピッチに対してプロットしたものが図 24である。ピッチを変化させ ても、出射光の総量、すなわち積分強度はほとんど変化しないが、図 25に示したよう にピークの半値幅が小さくなる、言い換えればより集光性が高くなるため、正面のピ ーク輝度が向上している。また、ピーク角度はほとんど変化していないことから、ピッ チを変えた際に出射方向への影響を考慮する必要はない事が分かる。従って、集光 度を高め、ノ ックライトの正面輝度を向上させるためには、回折格子のピッチは小さ いほど好ましい。
[0092] し力しながら、回折格子のピッチが小さくなると分光の問題が顕著になる。分光の大 きさは、光源に対して観測方向を変えた場合の、色座標の変化量として評価できる。 図 26から図 29に、プリズムシートと回折格子の色座標分布を示した。ピッチが 6 mと 8 mの場合は、図 26に示したプリズムシートの色座標分布の範囲とほぼ同程度であ る。ピッチが 4 mになると分布範囲はプリズムシートよりやや大きくなる。実用的には 、回折格子のピッチは 2 μ m以上であることが望ましい。
[0093] 上述の、 4 mピッチ回折格子で見られた高い集光性は、入射光角度の変化に対し て出射光角度変化が小さいという回折格子特有の性質に起因するものである。これ を図 30を用いて説明する。図 30は、プリズムシートと、ピッチ 4、 6、および 8 m、 a
F
力 S73.6° a が 55.4° の回折格子に対して白色のコリメート光 (半値幅 3.9° )をそれぞ
B
れ入射させた場合の、入射光角度に対する出射角の依存性である。光源には日亜 化学社製白色 LED (NSCW335T)を 1灯用い、 15mAの直流電流を加えてこれを発 光させた。光源カゝら出た光は凸レンズとスリットにより平行光に変換した。白四角で示 した下向きプリズムを用いた光学フィルム (プリズムシート）の場合、入射光の角度変 ィ匕と出射光の角度変化は等しぐ集光性は全くない。これは、プリズムシートがプリズ ム面での全反射により光の偏向を行っていることによる。一方、回折格子では、特に 入射角が大きい場合に入射角変化に対する出射角変化が小さくなる。この傾向は、 回折格子のピッチが小さいほど顕著に見られる。すなわち、ピッチが 4 mの回折格 子で見られた高い集光性は、入射角によらず出射光を特定の角度付近に出射する 回折格子の特性によるもので、プリズムシートでは実現できな!、長所である。
[0094] 一方、回折格子は平行光に対しては拡散効果を示す。図 31は、図 30と同じ測定 装置を用いて、入射面の法線に対して 70° の角度で白色のコリメート光（半値幅 3.9 ° )をプリズムシートとピッチ 4 m、 a 力 73.6° a が 55.4° の回折格子に入射させ
F B
た場合の、出射光強度の出射角度分布である。プリズムシートは屈折と全反射で光 を偏向させているため、出射光の指向性は入射光とほぼ等しい (半値幅 4.3° )0回折 格子の場合は回折光が生じるため、出射光のピーク幅が広がっている (半値幅 11.3 ° )。図 32は、出射光ピークの半値幅を入射光の入射面法線に対する角度でプロット したものである。入射光の角度によらず、回折格子はプリズムシートよりも平行光に対 する高 、拡散性能を示すことがわかる。
[0095] 回折格子の光拡散能力は、バックライトに組み込んだ場合に輝度ムラ低減という効 果となって現れる。図 33は、図 13に示すバックライトユニットについて、 LEDが配置 された入光部力もの距離に対して輝度ムラをプロットしたものである。測定にはノ、イラ ンド社製 RISA COLORZCD7を用い、バックライトユニットの出射面の法線方向か ら観測した。入光部から 15mm X I 5mmの範囲を 0. 15mm X O. 15mmの格子に 区切り、入光部力もの距離が等しい点について測定した輝度分布の標準偏差を算出 して、これを輝度ムラとした。比較のために、図 13において回折型集光フィルムのか わりにプリズムシートを用いた場合にっ 、ても測定した。
[0096] 図 33に示すように、従来のプリズムシートに比べて、回折格子を用いた場合の輝度 ムラは小さい。従って、回折型集光フィルムを用いることにより、入光部付近の「額縁 領域」を縮小し、バックライトユニットを小型化することが可能になる。
[0097] 以上のように、本発明の回折格子を面光源装置の集光フィルムとして用いることで、 従来は困難であった高い正面輝度と小さな輝度ムラを同時に実現することが可能で ある。

Claims

請求の範囲
[1] フィルム状又は板状の回折格子であって、
該回折格子は、入射光が入射する入射面と、入射光を透過して出射する出射面と を有し、
前記入射面は、互いに平行な断面が鋸歯形状となる微細な格子を有し、 該回折格子は、一方から前記回折格子に入射した光の
CIE色座標の x= 0.310、 y= 0.316である白色光を入射した場合の、出射光の CIE色 座標 Xが 0.31≤x≤0.37かつ色座標 yが 0.3≤y≤0.42の範囲にある、斜め方向力 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、
入射光の角度変化よりも出射光の角度変化が小さくなる事による集光性を有する、 一方の斜面の法線がフィルムまたは板の上面の法線となす角 が 70度以上 89.5
F
度以下であり、かつ他方の斜面の法線がフィルムまたは板の上面の法線となす角 a
B
力 入射光がフィルムまたは板の上面の法線となす角 Θに対して Θ . /2.69-5≤78- a ≤ Θ /2.69+5である透過型回折格子。
B i
[2] a 力 73° 以上 81° 以下である請求項 1に記載の透過型回折格子。
F
[3] ピッチが 10 μ m以下である請求項 1または 2に記載の透過型回折格子。
[4] ピッチが 1 μ m以上 5 μ m以下である請求項 3に記載の透過型回折格子。
[5] 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 持つ請求項 1から 4のいずれかに記載の透過型回折格子。
[6] 格子溝が円弧状に形成されている請求項 1から 5のいずれかに記載の透過型回折 格子。
[7] ml ,m2 = l , 2, 3 · · ·としたとき、平均の周期 dが ml X (6. 0 ± 2. 0) m、平均の 深さ 11カ¾12 (5. 0 ± 1. 0) m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請求項 1から 6のいずれかに記 載の透過型回折格子。
[8] 偏光分離、色分離、または反射防止機能を有する膜が透過型回折格子に隣接して 配置されている力、または、ホログラム光学素子の表裏にある、請求項 1から 7のいず れかに記載の透過型回折格子。
[9] 偏光分離、色分離、反射防止機能が周期 0. 6 IX m以下で、深さ 0. 5 μ m以下のレ リーフ形状を有する格子によって付与される請求項 8に記載の透過型回折格子。
[10] 請求項 1から 9のいずれかに記載の透過型回折格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。
[11] 透過型回折格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 2 0° 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透過型回折格子を 設置した場合には、面光源力 の全出射光の 60%以上力 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請求項 10に記載の面 光源装置。
[12] ホログラム光学素子に加えさらに拡散体を用いる、請求項 10または 11に記載の面 光源装置。
[13] 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項 12に記載の面光源装置。
[14] ホログラム拡散体が導光板の光出射面に一体成形されている、請求項 13に記載の 面光源装置。
[15] 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、請求項 10から 14のい ずれかに記載の面光源装置。
[16] 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 項 10な!、し 15の!、ずれかに記載の面光源装置。
[17] 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 求項 10な!、し 16の!、ずれかに記載の面光源装置。
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