全息照相光學元件及使用它的面光源裝置的製作方法

2023-05-21 19:37:01

專利名稱：全息照相光學元件及使用它的面光源裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及從傾斜方向入射的白色光向垂直方向折彎並射出的全息照相光學元件及使用該光學元件的面光源裝置，特別能通過將其應用於液晶顯示器的背面照明而能提高朝觀察者的正向的輝度。
背景技術：
液晶顯示器除了用於電腦的顯示部或家電製品的控制面板的顯示部以外，還被用於行動電話的顯示部，從而要求進一步低電耗及輕量化、薄型化。
由於液晶顯示器不是自發光顯示器，所以需要利用外部光源或周圍的外光。作為外部光源，代表實例是將面光源設置於液晶顯示器的背面的背面照明方式。在背面照明方式的場合，必需使來自面光源的出射光向觀察者的正向出射。
該背面照明方式的代表結構如圖1所示。但是，全息照相光柵10以往是稜鏡片。從導光板12傾斜出射的光被稜鏡片向垂直方向折彎，並被漫射體32減少色散地漫射，照射在顯示圖像的液晶面板30。通過將導光板的形狀或設在導光板與液晶之間的稜鏡片的形狀最適當化，進行提高正面的輝度的設計。
圖2是表示向衍射光柵的入射角θi和出射角θo的圖，但在此以置換為稜鏡片進行說明。從導光板出射的光的出射角依賴於導光板的設計，但入射角θi大多為20°～70°左右。此時，稜鏡片的作用是將該光高效地向θo為0°的方向、即垂直方向折彎。為此，減小作為空氣層與稜鏡片的界面反射的菲涅爾反射，且必須儘可能使更多的光沿0°方向行進。並且，通過具備在出射光具有角度分布時即使入射角θi多少變動也不減少向垂直方向的輝度的折彎光(光曲げ)特性，比折彎光角一定時更能提高向正向的輝度。並且，由於光源是白色光，所以需要減小傾斜角度的波長依賴性，並必需儘量抑制分光。分光使液晶顏色顯示的色再現性惡化等，降低顯示質量。
傳統的稜鏡片利用折射、全反射能幾何光學地折彎出射光。對此，利用根據波動光學的衍射·幹涉現象的光學部件(全息照相光學元件)與利用幾何光學的效果的元件相比，具有能以一個元件實現薄型化的優點、聚光、漫射等的多個功能的優點。但是，伴隨著分光(分光)或高次衍射，不僅用於折彎白色光的用途，當然也用於將白色光漫射擴展視野角度的用途(參照特開平7-114015號公報(第1-2頁，代表圖)、特開平9-325218號公報(第1-2頁、代表圖)及特表平10-506500號公報(第1-4頁、第1-5圖)、特開平11-296054號公報(第1-2頁、第2-5圖)、特開2000-39515號公報(第1-2頁、第1-2圖))，或用於將白色光分光的用途(參照特開平9-113730號公報(第1-5頁、代表圖)及特開平10-301110號公報(第1-2頁、第68圖)。此外，也被用於利用漫射白色光的效果，遮蓋點陣的顯示缺陷中(參照特開平5-307174號公報(第1-2頁、代表圖)、特開平6-59257號公報(第1-2頁、代表圖)、特開平6-294955號公報(第1-2頁、代表圖)、特開平7-28047號公報(第1-2頁，代表圖)及特開平7-49490號公報(第1-2頁、代表圖))。關於全息照相光學元件的設計方法，記載於例如ビクト一ル·ソィファ一(Victor Soifer)、ビクト一ル·コトラ一ル(Victor Kotlyar)、レオニ一ド·ドスコロヴィッチ(Leonid Doskolovich)所著ァイテラティブ メソッド アオ一 ディフラクティブ オプティ力ル エレメンッ コンッピュテ一ション(Iterative Methods forDiffractive Optical Elements Computation)(美國)，テイラ一 アンドフランシス(TaylorFrancis)，1997年，p.1.10。
就如上述幾何光學地折彎出射光的方法而言，由於凹凸的高度大而加厚了片的膜厚，從而難於寄予薄型化。此外，由於傳統的稜鏡片的各個稜鏡都具有折彎光功能，所以若有稜鏡缺陷或異物，則通過該稜鏡的光會成為異常光線、引起輝點等的顯示異常。由於顯示裝置對缺陷或異物非常敏感而引起顯示異常，所以降低了商品的質量。因此，必須在使用或製造時非常注意不能有稜鏡缺陷或異物。
另一方面，全息照相光學元件具有如下問題1)產生入射光向垂直衍射的衍射次數以外的衍射光；2)降低了該衍射次數的衍射效率；3)波長分散大。例如，若周期小，則或沒有向垂直衍射的次數，或波長分散增大。若深度不適當，則降低了該衍射次數的衍射效率。
本發明的目的是通過不使用傳統的利用折射的稜鏡片、而使用利用根據光的波動性質的衍射·幹涉現象的全息照相光學元件，提供一種同時實現折彎光薄膜的高透射率和薄型化的全息照相光學元件及利用該全息照相光學元件的面光源裝置。

發明內容
為了實現上述目的，本發明提供一種將從面光源出射的白色光向垂直方向折彎，色分散、偏振波分散小，衍射效率高的全息照相光學元件及利用它的面光源裝置。
本發明的全息照相光學元件，傾斜角度的波長依賴性小，抑制從傾斜方向入射的白色光的分光，並且向垂直方向折彎出射。
上述全息照相光學元件是透射型衍射光柵最好是，在使接近0.46≤λ1≤0.50μm、0.53≤λ2≤0.57μm、0.60≤λ3≤0.64μm範圍內的λ1、λ2、λ3的3波長的平行光而被充分準直的光以角度θi入射時，各波長的衍射效率成為最大的衍射角度在-5度到+5度的範圍內。此時，最好是λ1＝0.48μm、λ2＝0.55μm、λ3＝0.62μm。
上述全息照相光學元件最好是，在當使接近0.46≤λ1≤0.50μm、0.53≤λ2≤0.57μm、0.60≤λ3≤0.64μm範圍內的λ1、λ2、λ3的3波長的平行光而被充分準直的光以角度θi入射時，各波長的衍射效率成為最大的衍射次數為(m+m0)、m、(m-m0)(其中m0＝1，2，…)的透射型衍射光柵中，m在滿足公式(1)及公式(2)的範圍內，平均周期d滿足公式(3)。此時，最好是λ1＝0.48μm、λ2＝0.55μm、λ3＝0.62μm。
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)(此時，δ在0≤δ≤5(度)的範圍內)d＝m×λ2/sinθi…(3)
上述全息照相光學元件最好是，光柵的截面為鋸齒形狀，夾持齒前端的兩邊的長度有10％或以上的不同，夾角為60°或以下。
上述全息照相光學元件最好是，光柵截面形狀具有近似於N級(N＝4，5，6，7，8，…)臺階狀的光柵截面形狀。
上述全息照相光學元件最好是，是透射型衍射光柵，衍射光柵由折射率為n的材料形成，光柵槽的平均深度h為h＝α×d/(n-1)(其中，0.4≤α≤1.0，d為衍射光柵的平均周期)。
上述全息照相光學元件最好是，是透射型衍射光柵，光柵槽形成圓弧狀。
上述全息照相光學元件最好是，是用於將入射角θi為60°±15°的可視區域的白色光向垂直方向折彎所使用的透射型衍射光柵，當m1、m2＝1，2，3，…時，平均周期d為m1×(6.0±2.0)μm、平均深度h為m2×(5.0±1.0)μm的鋸齒形狀，或者該鋸齒形狀具有以N級(N＝4，5，6，7，8，…)近似的表面形狀。
上述全息照相光學元件最好是薄膜或板狀。
上述全息照相光學元件最好是，鄰接全息照相光學元件配置具有偏振光分離、色分離或防止反射功能的膜，或者，配置在全息照相光學元件表裡面。
上述全息照相光學元件最好是，通過具有周期為0.6μm或以下、深度為0.5μm或以下的浮雕形狀的光柵而給予偏振光分離、色分離或防止反射功能。
本發明的面光源裝置是好是，將上述全息照相光學元件配置在面光源的光出射面上。
上述面光源裝置最好是，在沒有配置全息照相光學元件時，相對於面光源的光出射面的法線方向光在20°到70°的角度範圍內出射，在配置全息照相光學元件時，相對於面光源的光出射面的法線方向來自面光源的全部出射光的60％或以上、最好是79％以上在-10°到+10°的角度範圍內出射。
上述面光源裝置最好是除了全息照相光學元件以外還使用漫射體。
上述面光源裝置最好是，漫射體是將入射光限定在空間內的特定角度範圍內漫射的全息照相漫射體。
上述面光源裝置最好是，全息照相漫射體在導光板的光出射面上一體成型。
上述面光源裝置最好是在全息照相光學元件的光出射面上配置防止反射膜。
上述面光源裝置最好同時配置以偏振光或波長選擇為目的的薄膜。
上述面光源裝置最好是，與導光板一側端面鄰接配置光源的面光源，導光板的裡面形成與在板中傳播的光的方向大致垂直的多個槽。
上述面光源裝置最好是，通過向全息照相光學元件的光入射角度在布留斯特角附近，對於來自全息照相光學元件的出射光加強特定方向的偏振光。


圖1是表示液晶顯示器的結構的圖。
圖2是說明全息照相光學元件(衍射光柵)的入射角θi和出射角θo的圖。
圖3是表示衍射光的衍射次數與衍射角度的關係的圖。
圖4是表示偏離全息照相光學元件(衍射光柵)鋸齒形狀的圖。
圖5是說明全息照相光學元件(衍射光柵)鋸齒形狀的圖。
圖6是具有扇形槽的全息照相光學元件(衍射光柵)的圖。
圖7是說明全息照相光學元件(衍射光柵)將從面光源傾斜出射的光向垂直方向折彎的圖。
圖8是表示液晶顯示器的結構的圖。
圖9是表示透射全息照相漫射體的、漫射特性的規定方法及測定方法的說明圖。
圖10是表示液晶顯示器的結構的圖。
圖11是導光板的截面圖。
圖12是概要表示全息照相光學元件(衍射光柵)的製造裝置的截面圖。
圖13是表示全息照相光學元件(衍射光柵)的衍射角與衍射效率的關係的曲線圖。
圖14是表示全息照相光學元件(衍射光柵)的衍射角與衍射效率關係的曲線圖。
圖15是表示全息照相光學元件(衍射光柵)的第1具體實例的圖。
圖16是表示全息照相光學元件(衍射光柵)的第2具體實例的圖。
具體實施例方式
以下，參照

本發明的全息照相光學元件及使用該全息照相光學元件的面光源裝置的實施方式。並且，本發明的方式不限於此。
第1實施例的全息照相光學元件是折彎角度的波長依賴性小且抑制從傾斜方向入射的白色光的分光並向垂直方向折彎出射的元件。
全息照相光學元件由於通過透射多個凹凸形狀的衍射光的多次幹涉來控制出射光，所以即使一個凹凸形狀存在缺陷或有異物，對出射光的影響也較小。即具有冗餘性優越的特徵。因此，使用或加工比傳統的稜鏡片方便。此外，使用全息照相光學元件，不僅能進行折彎，還能附加聚光功能等的其他的光控制功能。關於該全息照相光學元件的設計方法在例如上述ビクト一ル·ソイフア一等的文獻有所記載。
作為全息照相光學元件，若以衍射光柵為例，則一般將光柵截面形狀形成鋸齒狀有利於提高衍射效率。若再將形狀最適當化，則能抑制分光或漫射地折彎白色光。當單色光通過通常的全息照相光學元件時，則產生所謂1次光、2次光的多次衍射，會有由於光以各個衍射角傳播從而光的折彎效率降低的問題。此外，若以衍射折彎白色光，則一般因波長不同而衍射角不同從而產生色分散的問題。但是，通過恰當地設計全息照相光學元件，能抑制分散或光折彎效率的降低。在此，全息照相光學元件是利用根據波動光學的衍射·幹涉現象的光學部件全體。另外，所謂白色光是意味著包含藍綠紅3原色的光，所謂向垂直方向折彎意味著使從傾斜入射到具有衍射·幹涉效果的光學部件的面的光將其朝向變成面的法線方向地出射。
作為第1實施例的全息照相光學元件只要是如CGH(計算機生成全息圖像(Computer Generated Hologram))一樣包含多個像素的元件即可。全息照相光學元件的形式可以是表面浮雕型也可以是體積相位型，可以是薄膜的單面也可以是兩面，此外，也可以重疊。並且，可以是透射型也可以是反射型。也可以與根據幾何光學的原理的稜鏡組合。
第2實施例的全息照相光學元件是如下的光學元件，即在作為透射型衍射光柵的第1實施例的全息照相光學元件的基礎上，使接近0.46≤λ1≤0.50μm(藍色光)、0.53≤λ2≤0.57μm(綠色光)、0.60≤λ3≤0.64μm(紅色光)範圍內的λ1、λ2、λ3的3波長的平行光而被充分準直的光、例如λ1＝0.48μm、λ2＝0.55μm、λ3＝0.62μm以角度θi入射時，各波長的衍射效率成為最大的衍射角度包含在-5度到+5度的範圍的光學元件。這種全息照相光學元件是具體地規定透射型衍射光柵的波長所引起的衍射角度不同的允許範圍的元件。當使接近對應於藍色、綠色、紅色3原色的λ1＝0.48μm、λ2＝0.55μm、λ3＝0.62μm的3波長的平行光而被充分準直的光以角度θi入射時，若各波長的衍射效率成為最大的衍射角度能包含在-5度到+5度的範圍，則對包含該3波長以外的波長成分的白色光也能抑制分光地向垂直方向折彎。
第3實施例的全息照相光學元件是如下的光學元件，即在作為透射型衍射光柵的第1或第2實施例全息照相光學元件的基礎上，使接近0.46≤λ1≤0.50μm(藍色光)、0.53≤λ2≤0.57μm(綠色光)、0.60≤λ3≤0.64μm(紅色光)範圍內的λ1、λ2、λ3的3波長的平行光而的被充分準直的光、例如λ1＝0.48μm、λ2＝0.55μm、λ3＝0.62μm以角度θi入射時，各波長的衍射效率成為最大的衍射次數為(m+m0)、m、(m-m0)(其中，m0＝1，2，…)，m在滿足公式(1)及公式(2)的範圍內，平均周期d滿足公式(3)。
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)(其中δ在0≤δ≤5(度)的範圍)d＝m×λ2/sinθi…(3)用這些公式能表示抑制分光地向垂直方向折彎白色光的第3實施例全息照相光學元件的更具體的形態。可以認為是當使λ1＝0.48μm、λ2＝0.55μm、λ3＝0.62μm的3波長的光以角度θi入射時、各波長的衍射效率成為最大的衍射次數為(m+m0)、m、(m-m0)(此時，m0＝1，2，…)的平均周期d的透射型衍射光柵。此時，若λ2＝0.55μm的m次的衍射角為θ2，則公式(4)成立。
d×(sinθ1十sinθ2)＝m×λ2……(4)因此，為了將λ2波長的光向垂直方向、即θ2＝0折彎時，必須有下式d＝m×λ2/sinθi…(5)此時，若λ1的(m+m0)次的衍射角為θ1，λ3的(m-m0)次的衍射角為θ3，則d×(sinθi+sinθ1)＝m×λ2×(1+sinθ1/sinθi)＝(m+m0)×λ1…(6)d×(sinθi+sinθ3)＝m×λ2×(1+sinθ3/sinθi)＝(m-m0)×λ3…(7)為了抑制分光，將δ作為0≤δ≤5(deg)範圍的常數，必須有下式-δ≤θ1、θ3≤δ…(8)。
根據公式(6)、(7)、(8)，作為m應滿足的公式，導出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)。
若滿足公式(5)、(9)、(10)，則波長λ1、λ2、λ3的光能在±δ度以內被衍射。例如設θi＝65度、m0＝1、δ＝1度，試求適當的透射型衍射光柵。此時，根據公式(9)、(10)，有下式成立7.69≤m≤8.08……(11)作為滿足上式的整數，則只有m＝8。因此，平均周期d根據公式(5)約為4.85μm即可。對於光柵的截面形狀，若是使相對於λ1＝0.48μm為9次的衍射效率成為最大、相對於λ2＝0.55μm為8次的衍射效率成為最大、相對於λ3＝0.62μm為7次的衍射效率成為最大地適當選擇即可。
在圖3上表示了衍射次數與衍射角度的關係。在來自全息照相光學元件的出射光中沿與入射光同向傳播的光為0次光。以此向接近出射面的法線方向出射的光是正次數的衍射光，相反側為負次數的衍射光。
第4實施例的全息照相光學元件是在第1～第3實施例的任一全息照相光學元件的基礎上，光柵截面為鋸齒形狀，夾持齒前端的兩邊的長度有10％或以上的不同，夾角為60°或以下的形狀的全息照相光學元件。
第5實施例的全息照相光學元件是在第4實施例全息照相光學元件的基礎上，光柵截面形狀具有近似於N級(N＝4，5，6，7，8，…)的臺階狀的光柵截面形狀的全息照相光學元件。
第4或第5實施例的全息照相光學元件對於用於將白色光向垂直方向折彎的透射型衍射光柵(全息照相光學元件)的光柵截面形狀來說，具有理想的形狀。前端尖的鋸齒形狀、或者將其做成近似於N級的臺階狀的形狀，可以高效地向垂直方向折彎。
還有光柵截面形狀也可以如圖4所示地偏離理想的鋸齒形狀。此時，從直線的偏離量(圖4的28)的最大值最好在0.2μm或以下。根據條件，通過從鋸齒形狀稍微偏離，有時衍射效率會成為最大。最適當的光柵形狀因入射角度、波長、周期、深度、折射率而異。用求出周期的衍射光柵的衍射效率的嚴密解的方法，若以嘗試法改變光柵形狀並計算數值，則能獲得一個最適當的形狀。
第6實施例的全息照相光學元件是如下的全息光學元件，即在作為透射型光柵的第4或第5實施例的全息照相光學元件的基礎上，由折射率n的材料構成衍射光柵，光柵槽的平均深度h為h＝α×d/(n-1)(其中，0.4≤α≤1.0，d是衍射光柵的平均周期)的全息光學元件。
用上述關係式表示第6實施例全息照相光學元件的、用於將白色光向垂直方向折彎的透射型衍射光柵(全息照相光學元件)的光柵槽的深度的理想範圍。
衍射光柵的深度和周期及鋸齒位置偏離的關係如圖5所示。衍射光柵的光柵槽的平均深度h過深過淺都會降低光沿垂直方向到達的效率。如此，在衍射光柵的折射率為n時光柵槽的平均深度h為α×d/(n-1)(其中，0.4＜α＜1.0)的條件時，效率較高。此時，最適當的深度h依賴於周期d與鋸齒的尖的位置偏離u。例如周期為5μm、u/d為20％時，5.5μm是一個最適當的深度。在此使用的深槽在批量生產大面積的衍射光柵時能從鑄模轉印。用熱或UV光硬化被轉印的樹脂。作為製造具有本發明中所使用的深槽的鑄模方法列舉有在基板上塗敷電致用抗蝕劑，在描繪了電子束以後用RIE蝕刻的方法或用X射線放射光曝光·顯影的方法；將灰色標度掩模的圖形曝光·顯影的方法；或利用刀具以機械加工法製作的方法。轉印的材質根據使用條件最好是透光性優良的丙烯系的光硬化樹脂。
第7實施例的全息照相光學元件是在作為透射型衍射光柵的第1～第6實施例中的任一全息照相光學元件的基礎上將光柵槽形成圓弧狀的全息照相光學元件。
該全息照相光學元件具有適合於在導光板的角部設置LED的方式的背光照明的衍射光柵的光柵槽配置。通過將光柵槽做成圓弧狀，可以將從角部的LED傳播的光高效地向垂直方向折彎，能提高正向的輝度。最好是如圖6所示光柵截面為鋸齒形狀，將光柵槽形成為以某一點為中心的同心圓狀。圓弧狀的光柵槽不必一定是連續的槽。
第8實施例的全息照相光學元件具有以下表面形狀的全息照相光學元件，即在用於將入射角θi為60°±15°的可視區域的白色光向垂直方向折彎的透射型衍射光柵的第1～第7實施例中的任一全息照相光學元件的基礎上，當m1、m2＝1，2，3，…時，平均周期d為m1×(6.0±2.0)μm、平均深度h為m2×(5.0±1.0)μm的鋸齒形狀，或者該鋸齒形狀以N級(N＝4，5，6，7，8，…)近似的表面形狀。
利用上述關係式表示在第8實施例全息照相光學元件的、特別是當入射角θi為60°±15°的範圍時適合的透射型衍射光柵的周期、光柵槽深度、截面形狀。
就第1～第8實施例的中任一全息照相光學元件而言，透射型衍射光柵的槽的朝向相對於入射光即可以垂直也可以平行。此外，無論縱切橫切均可。
向衍射光柵的入射角與出射角的關係如圖2所示。與液晶顯示所使用的導光板一樣從面狀發光的面光源出射包含紅綠藍3原色的白色光。此時，考慮面光源裝置的設計的方便，大多是衍射光柵入射面的法線方向和入射光所成的角度、即入射角θi為20～70度的範圍的情況。此時，通過衍射光柵的白色光若沿±10°範圍內的垂直方向即從觀察者所見的正向有60％或以上的光聚集的話則為向垂直方向被傾斜。此外，當差在10°或以下時衍射角的波長依賴性小。除了上述波長分散也必須考慮偏振波分散。對於最接近垂直的次數的衍射效率，若將衍射效率大的偏振波設為A、小的偏振波設為B，則在(A-B)/A為20％或以下時，可以認為偏振波依賴性小。當偏振波依賴性為5％或以上時，在液晶顯示裝置中最好使用衍射效率高的偏振波。衍射光柵不僅僅具有折彎光的功能，也可以附加聚光或漫射的功能，此外，衍射光柵的製作面不僅僅是平面，為了附加光學功能也可以在曲面上製作。並且，衍射光柵也可以與稜鏡片一起使用。例如，在考慮xyz空間時，也可以考慮用衍射光柵將光向x方向折彎，用稜鏡片向y方向折彎。
第9實施例的全息照相光學元件是在第1～第8中的任一全息照相光學元件的基礎上，其全息照相光學元件是薄膜或板狀的元件。
如此，全息照相光學元件的形狀是薄膜或板狀，不比立方體或球體積大即可。
第10實施例的全息照相光學元件是在第1～第9中的任一全息照相光學元件的基礎上，具有偏振光分離、色分離或防止反射功能的膜與全息照相光學元件鄰接配置，或者在全息照相光學元件的表裡面。
第11實施例的全息照相光學元件是在第10實施例的全息照相光學元件的基礎上，通過具有周期為0.6μm或以下且深度為0.5μm或以下的浮雕形狀的光柵而附加偏振光分離、色分離、防止反射功能。
如此，通過將用於把從面光源出射的白色光向垂直方向折彎的全息照相光學元件與偏振光分離、色分離、防止反射的功能組合，可以提高光的利用效率。
用製作細微的周期構造的方法可以實現偏振光分離、色分離、防止反射功能。
第12實施例是以將第1～第11實施例中的任一全息照相光學元件配置於面光源的光出射面上為特徵的面光源裝置。
本實施例的全息照相光學元件如圖7所示將從面光源傾斜出射的光向垂直方向折彎。如第12實施例所示，通過使用全息照相光學元件可以高效地將從面光源出射的白色光折彎，可以獲得正向的輝度高、因分光產生著色(色づき)小的面光源裝置。
第13實施例是在第12實施例的面光源裝置的基礎上，在沒有配置全息照相光學元件的場合下，相對於面光源的光出射面的法線方向，在20°～70°的角度範圍內出射光，在設置了全息照相光學元件的場合下，相對於面光源的光出射面的法線方向，在-10°～+10°的角度範圍內出射來自面光源的全出射光的60％或以上、最好是70％或以上。
最好是在全息照相光學元件的光柵截面形狀為鋸齒形狀的透射型衍射光柵的場合下，來自面光源的出射光成為與沿如圖5的18所示鋸齒的齒向的長的一方的邊的方向大致平行，再向衍射光柵入射，這樣衍射效率較高。
此外一般地若光從膜的斜向入射·出射，則會增大菲涅爾損失。因此將具有鋸齒形狀的光柵面朝向面光源側，比反向設置的場合可以降低菲涅爾損失。此外，若是板狀的衍射光柵，則出射光與面垂直地射出，由此，也降低了菲涅爾損失。
如第13實施例所示，由於在-10°～+10°的角度範圍射出60％以上、最好是70％以上來自面光源的光，所以能實現提高液晶顯示裝置的正面方向輝度並且分光少、可高品位的顯示的背光照明用的面光源裝置。
第14實施例是在第12或第13實施例的面光源裝置的基礎上附加全息照相光學元件並還使用漫射體。
由於即使有稍微的色分散，人的眼睛也能識別，所以也可以如此地加入漫射體。作為漫射體與全息照相光學元件的組合，可以使用本發明者們的特願2002-23797號公報的方法。全息照相光學元件與漫射體的配置·組合可以是一片薄膜的兩面，也可以用兩片衍射光柵和一片漫射體。可以如圖1所示按導光板12、全息照相光學元件10、漫射體32的順序配置，也可以如圖8按導光板12、漫射體32、全息照相光學元件10的順序配置。此外，也可以是導光板、漫射體、全息照相光學元件、漫射體的結構。漫射體的漫射可以利用表面的凹凸，也可以利用薄膜內部的折射率分布。
第15實施例是在第14實施例的面光源裝置的基礎上，全息照相漫射體將入射光限定於空間內的特定角度範圍內進行漫射。
如此，作為漫射體，理想的是能規定漫射角度並且漫射效率高的漫射體。光在向z方向傳播時，將與衍射光柵槽平行的朝向作為x。如圖9所示用單位矢量(Sx、Sy、Sz)定義因漫射體產生的光散射方向。此外，Sx、Sy、Sz的最大值分別用sin(θ1)、sin(θ2)定義。由於此時色分散在y方向產生，所以儘可能減小θ1的範圍，並為了消除色分散能將θ2的範圍設定成最低限度必要的角度。作為這種全息照相漫射體的製造方法，可以採用特開2002-71959號公報的實施例所述的方法。全息照相漫射體可以是表面浮雕型也可以是體積相位型。此外，全息照相漫射體的漫射特性即使因位置而異也無關緊要。
第16實施例是在第15實施例的面光源裝置的基礎上將全息照相漫射體一體成型於導光板的光出射面上。
在按導光板、全息照相漫射體、全息照相光學元件的順序配置時，通過這樣將全息照相漫射體一體成型於導光板的光出射面上，可以降低菲涅爾損失。
第17實施例是在第12～第16中的任一實施例的面光源裝置基礎上將防止反射膜配置在全息照相光學元件的光出射面上。
從面光源射出的光被具有浮雕形狀的薄膜折彎，從薄膜的相反一側垂直出射，但此時在通過空氣與薄膜的界面之際約4％進行菲涅爾反射。為了防止該反射，只要如此具備防止反射膜(無反射膜)即可。防止反射功能可以通過用電介體多層膜覆蓋來實現。利用電介體多層膜製作反射防止膜的方法記載於例如藤原史郎編、池田英生·石黑浩三·橫田英嗣著「光學薄膜第2版」共立出版、1984年，p.98-109。此外，也可以通過設置周期小的光柵來實現該功能。最好是該周期為0.28μm±0.08μm、深度為0.22μm±0.1μm。此外，為了減少薄膜與空氣的界面而使菲涅爾損失為最小，最好是折彎光的浮雕形狀和周期小的光柵在同一薄膜的表裡面。並且，該薄膜也可以多層重疊。此外，在導光板的出射光的出射的表面上，最好有漫射體或防止反射膜。
第18實施例是在第12～第17中的任一實施例的面光源裝置的基礎上，同時配置以偏振光或波長選擇為目的的薄膜。
利用如此地設置以偏振光或波長選擇為目的的薄膜，可以提高光的利用效率。例如，從導光板的面光源出射的光以入射角60°左右入射薄膜時，若存在周期0.6μm或以下、深度0.5μm或以下的浮雕形狀，則可以80％或以上的效率只反射具有特定波長及偏振光的光，並且剩餘的光以80％或以上的效率透射。此時，以波長或入射角度選擇最恰當的浮雕形狀。此時若再利用被反射的光，可以提高光的利用效率。例如，將周期0.6μm或以下、深度0.5μm或以下的浮雕形狀與彩色濾光片的紅綠藍的基體(マトリクス)一致來設計周期、深度，並與向垂直方向折彎光的薄膜組合，同時，將基體的位置對正，由此利用偏振薄膜或彩色濾光片可以獲得提高損失光的利用效率的液晶顯示裝置。原因是偏振光薄膜損失兩個偏振光中的一個、即損失光量的50％，彩色濾光片損失3原色中的2個、即損失光量的67％，只透射某偏振光的某色，若可以再利用折返光，則可以大幅度增大光的利用效率。此外，為了減少在空氣與薄膜臨界面的菲涅爾反射，最好是折彎光的浮雕形狀和亞微型周期小的光柵在同一薄膜的表裡面。並且，亞微型周期小的光柵的層也可以多層重疊。此外，在成為面光源的發光層的導光板的出射光的射出表面上，最好有漫射體或防止反射膜。
第19實施例是在第12～第18中的任一實施例的面光源裝置的基礎上，與導光板的一側端面接觸配置光源的面光源，導光板的裡面形成與傳播於板中的光的朝向大致垂直的多個槽。
在圖10中，從左端面入射的光被導光板的裡面50反射，然後，被導光板表面的漫射體46漫射，再被衍射光柵等的全息照相光學元件(光折彎薄膜)折彎，向垂直方向出射。在這種的配置中，通過適當地調整從導光板的裡面的反射角度與在導光板表面的漫射角度及全息照相光學元件(光折彎薄膜)的折彎角度，可以提高垂直方向的輝度。
第20實施例是在第12～第19中的任一實施例的面光源裝置的基礎上，向全息照相光學元件的光入射角度成為在布儒斯特角附近，對來自全息照相光學元件的出射光加強特定方向的偏振光。
若n1、n0分別是薄膜和空氣的折射率，則向薄膜入射時的布儒斯特角θB由公式(12)定義。
tan(θB)＝n1/n0 … (12)由於光若以布儒斯特角入射，則電場矢量的振動方向垂直於入射面的成分完全地透射，所以若選擇這些偏振光(P偏振光)，則能使界面的透射率達到100％。此外，全息照相光學元件也有偏振波依賴性。大體上，就相對於平面透射率高的偏振光和用全息照相光學元件透射率高的偏振光而言，朝向一致。因此，這樣通過使向全息照相光學元件的光入射角度在布儒斯特角附近，從而能加強從面光源裝置的出射光的P偏振光強度。這時通過與使用P偏振光的液晶面板組合，可以進一步提高正面方向的輝度。
實施例圖10表示使用本實施例的導光板48的背面照明構造，該背光照明構造用於行動電話等的小型液晶顯示裝置。背面照明從圖的下方開始由反射板56、導光板48、全息照相漫射體46、全息照相光學元件(光折彎用衍射光柵)10構成，導光板48和全息照相漫射體46被一體成型。在導光板48的入光端面52側設有LED光源54。利用該結構，使從LED光源54發出的光從導光板48的入光端面52入射，當在形成於導光板裡面50的反射槽紋上全反射多次以後，從形成於出射面上的全息照相漫射體46出射。利用全息照相光學元件10使光向垂直方向曲折，對未圖示的液晶面傳遞輝度分布大致均勻的光通量。
用聚碳酸脂通過注射成型法製造導光板48。厚度0.8mm、裡面的反射槽紋是圖1所示的構造，為了防止與液晶面板的像素的幹擾，周期在120～150μm的範圍內隨機選擇。此外形成於出射面上的全息照相漫射體46具有沿平行於入光端面52的方向60度(光強度為一半的漫射角度為60度)、沿垂直於入光端面52的垂直方向1度的漫射特性。
作為用於形成全息照相光學元件10的光硬化型樹脂，使用丙烯樹脂系的紫外線硬化樹脂，例如聚氨酯丙烯酸酯或環氧基丙烯酸酯。全息照相光學元件的衍射光柵的形狀在圖5中為h＝6.2μm、d＝5μm、u＝1μm。
以下，說明全息照相光學元件10的製造裝置88及製造方法。如圖12所示，在全息照相光學元件10的製造裝置88中，面對模具輥82配置供給光硬化型樹脂70的供給頭68，在模具輥82的旋轉方向下遊，按順序設有計量輥78、夾持輥80、紫外線照射裝置86、起模輥84。
在模具輥82上，在其圓周面上形成衍射光柵槽，在光硬化型樹脂70的表面上轉印衍射光柵槽。就衍射光柵槽的形成而言，先製作金剛石刀具，通過金剛石刀具和精密加工機械在模具輥82的表面上實施槽加工。用黃銅的材質製作該模具輥82，在用金剛石刀具加工槽以後，迅速進行無鉻電解電鍍，進行表面氧化、光亮、機械強度保護。作為光硬化型樹脂70在本實施例中使用的是商品名為聖拉多(サンラット)R201(三洋化成工業株式會社制商品名)。
在製造時，從樹脂罐64通過壓力控制裝置66、供給頭68將光硬化型樹脂70供給到模具輥82。在供給時，光硬化型樹脂70的供給壓力由壓力傳感器檢測，同時由壓力控制裝置66控制，調整在模具輥82上塗敷的壓力。對於在模具輥82上塗敷的光硬化型樹脂70，利用計量輥78將膜厚調節成一定。在計量輥78上設有刮刀72，刮取粘著在計量輥78上的樹脂，使塗敷於模具輥82上的樹脂穩定化。
在計量輥78下遊的夾持輥80與模具輥82之間，供給透明帶基薄膜(透光薄膜)74，並用夾持輥80和模具輥82夾持透明帶薄膜74，使透明帶基薄膜74緊密結合在光硬化型樹脂70上。當透明帶基薄膜74以緊密結合在光硬化型樹脂70上的狀態到達紫外線照射裝置86時，光硬化型樹脂70被從紫外線照射裝置86發出的紫外線硬化，同時粘著在透明帶基薄膜74上，成為一體的薄膜以後，利用起模輥84從模具輥82剝離一體的薄膜片76。由此，能連續地獲得長的薄膜片76。
將如此製造的薄膜片76裁斷成規定的尺寸，獲得全息照相光學元件10。此外，也可以用注射成型或熱壓加工方法製作全息照相光學元件(衍射光柵)。
此外，作為本實施例的透明帶基薄膜74，使用了聚對苯二甲酸乙二酯(PET)，但不局限於此，也可以使用聚碳酸酯或丙烯樹脂、熱塑性聚氨酯等。此外，作為光硬化型樹脂70也可以選定丙烯變性環氧或丙烯變性聚氨酯等其他材料。紫外線照射裝置86的光源使用金屬滷化物燈(最大8Kw)、薄膜片76的輸送速度為3m/分進行製作。輸送速度因光硬化型樹脂70的硬化特性、透明帶基薄膜74的光吸收特性而變化，但通過使用更高W(瓦數)的金屬滷化物燈，可以加快輸送速度。
如此製作的面光源裝置具有足夠的正向輝度，也看不見因幹擾引起的不均或因分光引起的著色，作為液晶顯示裝置用的背光照明器顯示出優越的特性。該全息照相光學元件(衍射光柵)的光學特性如圖13及圖14所示。圖13是將波長488nm的雷射的入射角度設定為50°、60°、70°、將偏振角設定為0°(P偏振光)和90°(S偏振光)，進行總計6種實驗的結果。凡例的「50-0」意味著入射角為50°、偏振角為0°。另一方面，圖14是波長為633nm進行同樣的實驗的結果。同樣，在60°入射時，向垂直方向的0°折曲並出射。另一方面，在70°入射時，分布原樣不偏移10°地偏向大致垂直方向。即，光向更正向折曲。利用該效果，能提高正向的輝度。
圖15是表示作為透射型衍射光柵的全息照相光學元件的第1具體實例的截面圖。
該第1具體實例是與上述第2、第4及第8實施例的全息照相光學元件相當的全息照相元件。該全息照相光學元件10由折射率為1.48的光硬化丙烯樹脂構成，具有周期d＝5μm的鋸齒狀的光柵。當以圖的方向對該全息照相光學元件給予入射角為67度的入射光(接近平行光而被充分準直的光)時，能得到下表1所示的結果。
表1

圖16是表示作為透射型衍射光柵的全息照相光學元件的第2具體實例的截面圖。該第2具體實例是與上述第2及第8實施例的全息照相光學元件相當的全息照相光學元件。該全息照相光學元件10由折射率為1.48的光硬化丙烯樹脂構成，具有周期d＝5μm的鋸齒狀的光柵。當以圖的方向對該全息照相光學元件給予入射角為67度的入射光(接近似平行光而被充分直的光)時，得到下表2所示的結果。
表2

在該第2具體實例中，0.48μm的9次和10次，衍射效率幾乎相等，0.62μm的7次和8次，其衍射效率也幾乎相等。
將作為這些透射型衍射光柵的全息照相光學元件的第1及第2具體實例與上述實施例的導光板組合而成的背光照明能獲得充分的正向輝度，且看不出因分光引起的著色。
如以上所說明的那樣，由於本發明的全息照相光學元件通過透射多個凹凸形狀的衍射光的多次幹涉來控制出射光，所以即使一個凹凸形狀有缺陷、存在異物，對出射光的影響也小，並且使用或加工比傳統的稜鏡片容易。此外，能同時實現高透射率和薄型化。通過將該全息照相光學元件用於面光源裝置，可以抑制從斜向入射的白色光的分光、高效地向垂直方向折彎並出射，可以提高正向的輝度。
權利要求
1.一種全息照相光學元件，其特徵在於，折彎角度的波長依賴性小，抑制從傾斜方向入射的白色光的分光，並且將光向垂直方向折彎而射出。
2.根據權利要求1所述的全息照相光學元件，其特徵在於，是透射型衍射光柵，在使0.46≤λ1≤0.50μm、0.53≤λ2≤0.57μm、0.60≤λ3≤0.64μm範圍內的λ1、λ2、λ3的3波長的光以角度θi入射時，各波長的衍射效率成為最大的衍射角度包含在-5度到+5度的範圍內。
3.根據權利要求1或2所述的全息照相光學元件，其特徵在於，在當使0.46≤λ1≤0.50μm、0.53≤λ2≤0.57μm、0.60≤λ3≤0.64μm範圍內的λ1、λ2、λ3的3波長的光以角度θi入射時、各波長的衍射效率成為最大的衍射次數為(m+m0)、m、(m-m0)(其中m0＝1，2，…)的透射型衍射光柵中，m在滿足公式(1)及公式(2)的範圍內，並且平均周期d滿足公式(3)，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)(其中，δ在0≤δ≤5(度)的範圍內)d＝m×λ2/sinθi…(3)。
4.根據權利要求1～3中任何一項所述的全息照相光學元件，其特徵在於，光柵的截面為鋸齒形狀，夾持齒前端的兩邊的長度有10％或以上的不同，夾角為60°或以下。
5.根據權利要求4所述的全息照相光學元件，其特徵在於，權利要求4所述的全息照相光學元件的光柵截面形狀具有近似於N級(N＝4，5，6，7，8，…)臺階狀的光柵截面形狀。
6.根據權利要求4或5所述的全息照相光學元件，其特徵在於，是透射型衍射光柵，衍射光柵由折射率為n的材料形成，光柵槽的平均深度h為h＝α×d/(n-1)(其中，0.4≤α≤1.0，d為衍射光柵的平均周期)。
7.根據權利要求1～6中任何一項所述的全息照相光學元件，其特徵在於，是透射型衍射光柵，光柵槽形成圓弧狀。
8.根據權利要求1～7中任何一項所述的全息照相光學元件，其特徵在於，是用於將入射角θi為60°±15°的可視區域的白色光向垂直方向折彎的透射型衍射光柵，當m1、m2＝1，2，3，…時，具有平均周期d為m1×(6.0±2.0)μm、平均深度h為m2×(5.0±1.0)μm的鋸齒形狀，或者該鋸齒形狀具有以N級(N＝4，5，6，7，8，…)近似的表面形狀。
9.根據權利要求1～8中任何一項所述的全息照相光學元件，其特徵在於，全息照相光學元件為薄膜或板狀。
10.根據權利要求1～9中任何一項所述的全息照相光學元件，其特徵在於，具有偏振光分離、色分離或防止反射功能的膜鄰接全息照相光學元件配置，或者，配置在全息照相光學元件表裡面。
11.一種全息照相光學元件，其特徵在於，通過具有周期為0.6μm或以下、深度為0.5μm或以下的浮雕形狀的光柵而給予權利要求10所述的偏振光分離、色分離或防止反射功能。
12.一種面光源裝置，其特徵在於，將權利要求1～11中任何一項所述的全息照相光學元件配置在面光源的光出射面上。
13.根據權利要求12所述的面光源裝置，其特徵在於，當在權利要求12所述的面光源裝置沒有配置全息照相光學元件時，相對於面光源的光出射面的法線方向光在20°到70°的角度範圍內出射，當配置全息照相光學元件時，相對於面光源的光出射面的法線方向來自面光源的全部出射光的60％或以上在-10°到+10°的角度範圍內出射。
14.根據權利要求12或13所述的面光源裝置，其特徵在於，除了全息照相光學元件以外還使用漫射體。
15.根據權利要求14所述的面光源裝置，其特徵在於，漫射體是將入射光限定在空間內的特定角度範圍內漫射的全息照相漫射體。
16.根據權利要求15所述的面光源裝置，其特徵在於，全息照相漫射體在導光板的光出射面上一體成型。
17.根據權利要求12～16中任何一項所述的面光源裝置，其特徵在於，在全息照相光學元件的光出射面上配置防止反射膜。
18.根據權利要求12～17中任何一項所述的面光源裝置，其特徵在於，同時配置以偏振光或波長選擇為目的的薄膜。
19.根據權利要求12～18中任何一項所述的面光源裝置，其特徵在於，是與導光板一側端面鄰接配置光源的面光源，導光板的裡面形成與在板中傳播的光的方向大致垂直的多個槽。
20.根據權利要求12～19中任何一項所述的面光源裝置，其特徵在於，通過向全息照相光學元件的光入射角度在布儒斯特角附近，對於來自全息照相光學元件的出射光加強特定方向的偏振光。
全文摘要
本發明在於提供一種薄型、透光率高、使用性優越的全息照相光學元件及使用它的面光源裝置。是一種折彎角度的波長依賴性小、抑制從傾斜方向入射的白色光的分光且向垂直方向折彎並射出的全息照相光學元件。是一種全息照相光學元件，其，使在0.46≤λ1≤0.50μm(藍色光)、0.53≤λ2≤0.57μm(綠色光)、0.60≤λ3≤0.64μm(紅色光)範圍的λ1、λ2、λ3的3波長的光以角度θi入射透射型衍射光柵時，各波長的衍射效率為最大的衍射角度包含在－5度到+5度的範圍。
文檔編號G02F1/1335GK1784617SQ200480012070
公開日2006年6月7日 申請日期2004年5月7日 優先權日2003年5月7日
發明者星野鐵哉, 杉本靖 申請人:日立化成工業株式會社