CN1989431A - 衍射型聚光膜以及使用此聚光膜的面光源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种薄型、光透过率和聚光性较高、操作性优良的衍射型聚光膜以及使用此聚光膜的面光源装置。提供一种衍射型聚光膜以及使用此聚光膜的面光源装置，其不是使用原来的利用了折射的棱镜片，而是通过使用利用了基于光的波动性质的衍射·干涉现象的全息照相光学元件，可同时实现光转向膜的高透过率和薄型化。本发明的衍射型聚光膜，转向角度的波长依存性较小，从斜方向入射的白色光的分光受到抑制而转向垂直方向射出。同时，相对入射光角度的变化将出射光角度的变化抑制到较小，从而实现以原有的光学元件不可能实现的高聚光性。

Description

衍射型聚光膜以及使用此聚光膜的面光源装置
技术领域
本发明涉及一种斜方向入射的白色光转向至垂直方向而射出的衍射型聚光膜以及使用此聚光膜的面光源装置，特别是使用在液晶显示器的背光构造中时可使朝向观察者的正面方向的辉度提高。
背景技术
液晶显示器除了用在电脑的显示部或家电制品的控制面板的显示部以外，亦可用在移动电话的显示部中，以求得更进一步的低消耗电力和轻量化、薄型化。
液晶显示器由于不是自我发光装置，因此需利用外部光源或周围的外光。作为外部光源，一种代表例是将面光源设置在液晶面板的背面所形成的背光方式。在背光方式时，由面光源而来的射出光需要朝向观察者的正面方向而射出。
上述背光方式的代表性构成图显示在图1中，光由光源90入射至导光板12并斜方向射出的光14在棱镜片91中转向至垂直方向中，通过扩散体32扩散成色散较小的光，然后照射到图像显示用的液晶面板30。导光板的形状或导光板和液晶之间所设的棱镜片91的形状须设计成最适化，使正面的辉度较高。
边缘入射型背光的光入射部附近的辉度不均匀程度较大，用在液晶显示装置的照明时会使显示品质下降。因此，须确保一种“由光入射部至某一特定的距离为止的区域”以作为非显示区，这对液晶显示装置的小型化是一种阻碍。先前的棱镜片中由于高辉度化和辉度不匀的降低此二者并存是困难的，所以，例如，通过在未形成棱镜的面上设置扩散形状，牺牲辉度使辉度不均匀降低。
由导光板所射出的光的射出角θo和导光板的设计有关。另外，入射角θi大多在20°～70°左右的范围内。因此，棱镜片91的任务是使光更有效率以及使θo转向至0°的方向，即垂直方向。因此，空气层和棱镜片的界面反射发生时的菲涅尔(Fresnel)反射较小，且尽可能使较多的光在0°的方向中前进。另外，射出光在具有角度分布时，即使在入射角θi多少有变动的情况下，由于光转向特性中朝向垂直方向的辉度仍未减少，则朝向正面方向的辉度较光转向角保持一定时还高。又，由于光源是白色光，由波长所造成的转向角度依存性较小，则只需控制“分光”。分光会使液晶彩色显示的色再生性劣化，显示品质亦会下降。
先前的棱镜片利用折射和全反射以几何光学方式使射出光转向。在此种以几何光学方式使射出光转向的方法中，由于凹凸的高度大而使棱镜片的膜厚较厚，这样会使薄型化变成较困难。又，先前的棱镜片中，各别的棱镜由于能使光达成转向的功能，则在棱镜缺陷或异物存在时，通过此棱镜的光会成为异常光线而造成辉点等的显示异常。显示装置对缺陷或异物很敏感，其会造成显示异常而使商品的品质下降。因此，在处理或制造时须很小心，使棱镜不会有缺陷或异物。
相对于此而言，依据波动光学使利用衍射·干涉现象的光学构件(全息照相(hologram)光学元件)在与利用几何光学效果的元件相比较时具有能达成薄型化的优点或能以一个元件来达成聚光或扩散等多种功能等优点。然而，由于伴随着分光或高次的衍射，则以上所称的使白色光转向的用途并不存在。反之，使白色光扩散以使视角变广时的用途(请参阅特开平7-114014号公报(第1-2页，代表图)，特开平9-325218号公报(第1-2页，代表图)以及特表平10-506500号公报(第1-4页，第1-5图)，特开平11-296054号公报(第1-4页，第1-5图)，特开2000-39515号公报(第1-2页，第1-2图))或使白色光分光时的用途(请参阅特开平9-113730号公报(第1-5页，代表图)以及特开平10-301110号公报(第1-2页，第68图))可加以利用。又，利用上述白色光扩散的效果，则即使在使用中的点矩阵的显示缺陷亦可不会被看见(请参阅特开平5-307174号公报(第1-2页，代表图)，特开平6-59257号公报(第1-2页，代表图)，特开平6-294955号公报(第1-2页，代表图)，特开平7-28047号公报(第1-2页，代表图)以及特开平7-49490号公报(第1-2页，代表图))。就全息照相光学元件的设计方法而言，其例如已记载于Victor Soifer，Victor Kotlyar，Leonid Doskolovich等人所著：“Iterative Methodfor Diffractive Optical Elements Computation”(美国)，Taylor&Francis，1977年第1-10页中。
依据此种波动光学，利用衍射·干涉现象的全息照相光学元件会有以下的问题：1)会发生入射光垂直地衍射之衍射阶数以外的衍射光，2)该衍射阶数的衍射效率变低，3)波长分散较大。例如，若周期小时，则垂直地衍射的阶数不会发生，且另一方面波长分散变大。若深度不适当，则该衍射阶数的衍射效率变低。
发明内容
本发明提供一种以薄型方式使透过率和聚光性提高且操作性较佳的衍射型聚光膜以及使用此聚光膜的面光源装置。
本发明的目的在于提供一种衍射型聚光膜以及使用此聚光膜的面光源装置，其不是使用原来的利用了折射的棱镜片，而是通过使用利用了基于光的波动性质的衍射·干涉现象的全息照相光学元件，可同时实现光转向膜的高透过率和薄型化。
本发明的衍射型聚光膜转向角度的波长依存性较小，斜方向入射的白色光的分光受到抑制而转向至垂直方向射出。同时，相对入射光角度的变化，通过将射出光角度变化抑制成较小，可实现先前的光学元件中不可能实现的高的聚光性。
即，本发明的透过型衍射光栅是薄膜状或板状的衍射光栅，该衍射光栅具有入射光入射的入射面以及入射光透过并射出的射出面。上述入射面具有互相平行的截面呈锯齿状的微细晶格。该衍射光栅中由一方入射至上述衍射光栅中的光的CIE色坐标的x＝0.310、y＝0.316所在的白色光入射时的射出光的CIE色坐标x是0.31≤x≤0.37，且色坐标y是在0.3≤y≤0.42的范围，由斜方向入射的白色光的分光可受到抑制而转向至垂直方向射出，一方的斜面的法线与薄膜或板的上表面的法线所成的角αF是在70度以上89.5度以下，而且，另一方的斜面的法线与薄膜或板的上表面的法线所成的角αB相对入射光与薄膜或板的上表面的法线所成的角θi形成θi/2.69-5≤78-αB≤θi/2.26+5的关系。
αF理想的范围是在73°以上81°以下。
间距(pitch)较佳是在10μm以下。
间距较佳是在1μm以上5μm以下。
晶格截面形状较佳是具有近似于N阶(N＝4、5、6、7、8、...)的阶段状的晶格截面形状。
晶格槽较佳是形成圆弧状。
m1、m2＝1、2、3...时，较佳是具有平均周期d是m1×(6.0±2.0)μm、平均深度是m2×(5.0±1.0)μm的锯齿状或将该锯齿状以N(N＝4、5、6、7、8、...)阶来近似成的表面形状。
较佳是具有偏光分离、色分离或防反射功能的膜邻接于透过型衍射光栅而配置，或位于全息照相光学元件的表里两面中。
较佳是偏光分离、色分离或防反射功能由周期0.6μm以下、深度0.5μm以下的具有浮雕(relief)形状的晶格来给与。
本发明的面光源装置的特征是将上述透过型衍射光栅配置在面光源的光射出面上。
在未配置透过型衍射光栅的场合，光在相对面光源的光射出面的法线方向成20°至70°的角度范围射出，全息照相光学元件在配置了该透过型衍射光栅的场合，来自面光源的全部的射出光的60％以上出射到相对面光源的光射出面的法线方向成-10°至+10°的角度范围。
另外，较佳是除全息照相光学元件之外还使用扩散体。
较佳是该扩散体是一种使入射光限定在空间内的特定角度范围内扩散的全息照相扩散体。
较佳是该全息照相扩散体一体成形在导光板的光射出面上。
较佳是在全息照相光学元件的光射出面上配置反射防止膜。
较佳是同时配置以偏振或波长选择为目的的膜。
较佳是在邻接于导光板的一侧端面配置有光源的面光源中，导光板的里面形成多个与在板中传送的光的方向大致垂直的槽。
本发明的衍射型聚光膜相对于入射角变化而言射出角变化较小，因此可实现高的聚光性。此外，由于入射光分布对射出特性的影响较小，因此，可得到一种高的正面辉度，这与组合本光学元件而使用的导光板的特性无关。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1是表示背光方式的液晶显示器的代表性的构成图。
图2是已衍射的光的衍射阶数和衍射角的关系。
图3是由多重曝光制作近似于4阶段的阶段状的衍射光栅形状所用的方法的说明图。
图4是由曝光制作近似于4阶段的阶段状的衍射光栅形状所用的方法的说明图。
图5是表示衍射型聚光膜(衍射光栅)的锯齿形状所造成的偏移的图。
图6是表示具有扇形的槽的衍射型聚光膜(衍射光栅)的图。
图7是说明衍射型聚光膜(衍射光栅)中的入射角θi和射出角θo的图。
图8是说明由面光源倾斜地射出的光转向至衍射型聚光膜(衍射光栅)的垂直方向时的图。
图9是说明衍射型聚光膜(衍射光栅)的锯齿形状的图。
图10是表示液晶显示器的构成的图。
图11是表示液晶显示器的构成的图。
图12是表示透过的全息照相扩散体的扩散特性的规定方法以及测定方法的说明图。
图13是表示液晶显示器的构成的图。
图14是在图15中所示的导光板的端面上配置白色LED光源，在下面配置银蒸镀反射片的面光源装置的射出光的角度分布。
图15是导光板的剖面图。
图16是概略地表示衍射型聚光膜(衍射光栅)的制造装置的剖面图。
图17是间距5μm、αB是54°时的衍射光栅中αF变化时的射出光的尖峰强度。
图18是间距5μm、αB是54°时的衍射光栅中αF变化时的射出光的尖峰角度。
图19是间距5μm、αF是70°时的衍射光栅中αB变化时的射出光的尖峰强度。
图20是间距5μm、αF是70°时的衍射光栅中αB变化时的射出光的尖峰角度。
图21是间距4μm、αF是73.6°、αB是55.4°时的衍射光栅中具有图14所示的强度分布的白色光入射时的射出光的角度分布。
图22是间距6μm、αF是73.6°、αB是55.4°时的衍射光栅中具有图14所示的强度分布的白色光入射时的射出光的角度分布。
图23是间距8μm、αF是73.6°、αB是55.4°时的衍射光栅中具有图14所示的强度分布的白色光入射时的射出光的角度分布。
图24是αF是73.6°、αB是55.4°时的衍射光栅中具有图14所示的强度分布的白色光入射时的射出光的尖峰辉度和积分强度的衍射光栅间距的依赖性。
图25是αF是73.6°、αB是55.4°时的衍射光栅中具有图14所示的强度分布的白色光入射时的射出光的尖峰角度和尖峰半值宽度的衍射光栅间距的依赖性。
图26是棱镜片中具有图14所示的强度分布的白色光入射时的色度坐标分布。
图27是间距8μm、αF是73.6°、αB是55.4°时的衍射光栅中具有图14所示的强度分布的白色光入射时的色度坐标分布。
图28是间距6μm、αF是73.6°，αB是55.4°时的衍射光栅中具有图14所示的强度分布的白色光入射时的色度坐标分布。
图29是间距4μm、αF是73.6°、αB是55.4°时的衍射光栅中具有图14所示的强度分布的白色光入射时的色度坐标分布。
图30是间距4.6μm和8μm、αF是73.6°、αB是55.4°时的衍射光栅以及白色的准直(collimate)光对着棱镜片入射时，射出角相对于入射光角度的依赖性。
图31是相对于棱镜片和间距4μm、αF是73.6°、αB是55.4°时的衍射光栅，一种对入射面的法线形成70度的角度且相对于槽方向是由垂直方向而来的白色准直光入射时，射出光强度相对于射出角度的依赖性。
图32是棱镜片和相对于间距4.6μm和8μm、αF是73.6°、αB是55.4°时的衍射光栅，相对于槽方向是由垂直方向而来的白色准直光入射时，射出光的尖峰半值宽度相对于入射面的法线和入射光所形成的角度的依赖性。
图33是棱镜片和间距4μm、αF是73.6°、αB是55.4°时的衍射光栅设置在图14所示的强度分布显示用的光边缘入射型背光构造上时，辉度不均的变化相对于距光入射部的距离的关系图。
具体实施方式
以下将参照附图来说明本发明的衍射型聚光膜及使用此种聚光膜的面光源装置的实施方式。又，本发明的实施方式不限于此。
本发明的衍射型聚光膜中上述之转向角度的波长依赖性较小，由斜方向入射的白色光的分光受到抑制而转向至垂直方向中射出。一般而言，由于含有衍射光栅的全息照相光学元件由透过多个凹凸形状的衍射光的多重干涉控制该射出光，所以，即使1个凹凸形状有缺陷而存在着异物时，对入射光的影响也不大。即，具有所谓冗余性较优的特征。因此，处理或加工较先前的棱镜片容易。另外，通过使用全息照相光学元件，不只可达成转向作用，另外也可达成聚光的功能等的其它的光控制功能。就此种全息照相光学元件的设计方法而言，例如，已记载在Victor Soifer另外的文件中。
作为全息照相光学元件，若以衍射光栅为例，则晶格截面形状通常在做成锯齿形状时衍射效率可有效地提高。并且，若使形状最适化，则可使分光或扩散受到抑制而使白色光转向。若将单色的光通过通常的衍射光栅，则会发生所谓1次光、2次光的多次衍射，由于光以各自的衍射角来传送，所以会有转向效率下降的问题。而且，若白色光由于衍射而转向，则通常会由于波长而使衍射角不同，此时会发生色的分散问题。然而，通过适当地设计各衍射光栅，可抑制分散或光转向效率的低下。此处，所谓全息照相光学元件是指利用了基于波动光学的衍射·干涉现象的全部的光学构件。另外，所谓衍射型聚光膜是指利用全息照相光学元件特有的效果以实现光的偏向和聚光功能所用的光学构件。还有，所谓白色光是指含有蓝绿红的3原色的光。所谓转向至垂直方向是指：与具有衍射·干涉效果的光学构件的面成倾斜而入射的光变换方向至该面的法线方向中而射出。
在上述的衍射型聚光膜中，就透过型的衍射光栅的第1实施方式的衍射型聚光膜而言，0.46≤λ1≤0.50μm(蓝色光)，0.53≤λ2≤0.57μm(绿色光)，0.60≤λ3≤0.64μm(红色光)的范围中的λ1、λ2、λ3的3波长的充分对准至接***行光的光，例如λ1＝0.48μm、λ2＝0.55μm、λ3＝0.62μm以角度θi入射时，各波长的衍射效率成为最大时的衍射角度包含在-5度至+5度的范围中。此种衍射特性具体地规定了衍射型聚光膜中的波长所造成的衍射角度的不同的可允许的范围。对应于蓝绿红的3原色的λ1＝0.48μm、λ2＝0.55μm、λ3＝0.62μm的3波长的充分地对准至接***行光的光以角度θi入射时，若各波长的衍射效率成为最大时的衍射角度是包含在-5度至+5度(0度是衍射光栅射出面的法线方向)的范围中，则即使是含有该3波长以外的波长成份的白色光，分光仍可受到抑制而转向至垂直方向中。
透过型衍射光栅的第1实施方式的衍射型聚光膜中，0.46≤λ1≤0.50μm(蓝色光)，0.53≤λ2≤0.57μm(绿色光)，0.60≤λ3≤0.64μm(红色光)的范围中的λ1、λ2、λ3的3波长的充分地对准至接***行光的光，例如，λ1＝0.48μm，λ2＝0.55μm，λ3＝0.62μm的3波长的光以角度θi入射时，各波长的衍射效率成为最大时的衍射阶数是(m+m0)、m、(m-m0)(但m0＝1、2、...)，m满足式(1)和式(2)的范围，平均周期d满足式(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)
d＝m×λ2/sinθi.........(3)
通过以上各式，可显示该分光受到抑制后白色光转向至垂直方向的衍射型聚光膜的更具体的形式。λ1＝0.48μm，λ2＝0.55μm，λ3＝0.62μm的3波长的光以角度θi入射时，可考虑各波长的衍射效率成为最大时的衍射阶数是(m+m0)、m、(m-m0)(m0＝1、2、...)时的平均周期d的透过型衍射光栅。此时对λ2＝0.55μm的m次的衍射角若成为θ2时，则式(4)成立。
d×(sinθi+sinθ2)＝m×λ2.........(4)
因此，λ2的波长的光转向至垂直方向，即，θ2＝0时，
d＝m×λ2/sinθi.........(5)
是必要的。
此时，对λ1的(m+m0)次的衍射角若成为θ1，对λ3的(m-m0)次的衍射角若成为θ3时，则
d×(sinθi+sinθ1)＝m×λ2×(1+sinθ1/sinθi)＝(m+m0)×λ1 ......(6)
d×(sinθi+sinθ3)＝m×λ2×(1+sinθ3/sinθi)＝(m-m0)×λ3 ......... (7)
为了使分光受到抑制，δ须设定成0≤δ≤5(deg)的范围中的定数，且
-δ≤θ1，θ2≤δ ........(8)
是必要的。
由式(6)、(7)、(8)可导出(9)、(10)而成为m应满足的式子，
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)
若满足式(5)、(9)、(10)，则波长λ1、λ2、λ3的光在±δ度以内的范围中衍射。例如，在θi＝65度，m0＝1，δ＝1度时，可试图求得适合的透过型衍射光栅。此时，由式(9)，(10)可得
7.69≤m≤8.08......... (11)
则满足此式的整数只有m＝8。因此，平均周期d在与式(5)比较下若成为大约4.85μm时亦可。若适宜地选取晶格的截面形状，使得对λ1＝0.48μm时9次，对λ2＝0.55μm时8次，对λ3＝0.62μm时7次的衍射效率成为最大时亦可。
图2是已衍射的光的衍射阶数和衍射角度的关系。由衍射型聚光膜而来的射出光之中与入射光同方向传送的光是0次光。因此，靠近射出面的法线方向的方向中所射出的光是正的阶数的衍射光，相反侧的光是负的阶数的衍射光。于是，射出面的法线方向中所射出的光必定是正的阶数的衍射光。
第1实施方式的衍射型聚光膜是一种透过型衍射光栅。一方的斜面的法线与聚光膜或板的上表面的法线所形成的角αF是在70度以上89.5度以下，且另一方的斜面的法线与聚光膜或板的上表面的法线所形成的角αB对入射角θi而言是θi/2-5≤90-αB≤θi/2+5。虽然αB对衍射型聚光膜的聚光效果的影响不大，但通过αB可对任意的入射角的光线进行偏向控制使光线在所期望的方向中射出。通过将αB设定在上述的角度范围中，则可控制该使用衍射型聚光膜的面光源装置的射出光的方向使此射出光的方向对该射出面成为垂直的方向。另一方面，由于αF较大的衍射型聚光膜的聚光效果较大，则αF在70度以上时较佳。然而，由实际的模具加工以及成形时的脱模性的制约，由于超过89.5度的制作很困难，所以αF较佳是在89.5度以下。
第2实施方式的衍射型聚光膜中上述衍射型聚光膜的αF是在73度以上81度以下。αF在73度以上时，理想的情况是可得到一种比第1实施方式的衍射型聚光膜更高的聚光性。同时，αF若在81度以下，则理想情况是可得到良好的模具加工性以及成形时的脱模性，光学元件的制作较容易。
第3实施方式的衍射型聚光膜中上述衍射型聚光膜的间距(pitch)d小于10μm。此处，间距(pitch)d表示由锯齿状的顶点至相邻接的锯齿状的顶点为止的距离。虽然间距不必严格地设定成一定值，但间距的标准偏差若超越平均值的4％而偏离时，则衍射效率会劣化，同时该间距会形成偏差而被视为不均匀，这样是不理想的。因此，理想情况是间距的标准偏差不超越平均值的4％。另外，间距若超越10μm，则不能得到下述的聚光效果，此时由于正面辉度下降，则间距在10μm以下时较理想。
第4实施方式的衍射型聚光膜中上述衍射型聚光膜的间距是在1μm以上5μm以下。如下所述，间距若在5μm以下，则可得到显著的聚光效果，使用该衍射型聚光膜的面光源装置的正面辉度可得以提高。另一方面，在间距未满1μm时，由于衍射光栅特有的分光效果较显著，所以不适合用作白色光源用的光学构件。
第5实施方式的衍射型聚光膜是一种在第4实施方式的衍射型聚光膜中具有使晶格截面形状近似于N(N＝4、5、6、7、8、...)阶的阶段状的截面形状。制作衍射型聚光膜所用的一般方法中的一种是如图3所示的以多重曝光来进行的方法，其已为人所知。图3中，通过对感光性树脂施加2次的曝光和蚀刻，则可得到近似于N＝4的阶段状的晶格形状。图3中示出基(base)膜100，感光性负片型树脂组成物101，光罩102，开口部103，遮光部104以及曝光部105。
制作衍射型聚光膜所用的方法中的一种如特开2004-37518或图4所示，其是通过下述二种过程以得到表面凹凸所用的方法，首先是以活性光照射至含有至少一种以上的可聚合的季戊四醇丙烯酸酯等的单体的感光性负片型树脂组成物层，以便在感光性负片型树脂组成物层中形成活性光的曝光量的4阶段以上的潜像，然后在未进行蚀刻操作之下进行加热过程以得到表面凹凸。图4中通过在感光性树脂上施加3次曝光，则可得到近似N＝4的阶段状的晶格形状。图4中示出了基(base)膜111，感光性负片型树脂组成物112，光罩113，遮光部114以及开口部115。
第4或第5实施方式的衍射型聚光膜为了使白色光转向至垂直方向，则对所使用的透过型衍射光栅(衍射型聚光膜)而言须具有令人满意的形状。通过前端的尖的锯齿形状或使前端近似成N阶的阶段状，则可使白色光很有效地转向至垂直方向中。
另外，晶格截面形状即使由理想的锯齿形状如图5所示般发生偏移时也没关系。此时，由于直线26的偏差使24的偏差量(图5的28)的最大值在0.2μm以下时是理想的。据此条件，则偏离锯齿形状的少许偏差下也有衍射效率成为最大的情况。最适合的晶格形状会由于入射角度、波长、周期、深度、折射率而不同。在求得周期的衍射光栅的衍射效率的严密解法中，若以试误法来改变晶格形状以进行数值计算，则可得到一种最适合的形状。
此处，在已使用的深槽中量产面积大的衍射光栅时，由模型来进行转写(transfer)。转写后的树脂以热或紫外光来硬化。作为制作具有本发明中所用的深槽的模型的制作方法，可使用以下所列举的方法：在基板上涂布电子线用保护层，电子线描绘之后以RIE来进行的取出方法或以X线放射光来进行的曝光显像方法，使灰度掩模的图形曝光显像用的方法，使用钻头以机械加工方法来制作时所用的方法等。转写的材质对应于使用条件而以光透过性良好的丙烯酸系的光硬化树脂较理想。
第6实施方式的衍射型聚光膜，在透过型衍射光栅即第1至第5实施方式中的任一种的衍射型聚光膜中，晶格槽以圆弧状形成。
该衍射型聚光膜具有一种衍射光栅的晶格槽配置，其适合用于导光板的角隅部中设有LED的方式的背光构造中。通过将晶格槽做成圆弧状，由角隅部的LED所传送的光可效率良好地转向至垂直方向中，正面方向的辉度可较高。如图6所示，晶格截面是锯齿状时，晶格槽形成以某一点作为中心的同心圆状是理想的。圆弧状的晶格槽未必是连续的槽。
第7实施方式的衍射型聚光膜为了使入射角θi角在60°±15°的可视范围中的白色光转向至垂直方向，所使用的透过型衍射光栅即第1或第6实施方式中的任一种的衍射型聚光膜中，m1、m2＝1、2、3...时，其具有平均周期d是m1×(6.0±2.0)μm，平均深度h是m2×(5.0±1.0)μm的锯齿形状或该锯齿形状以N(N＝4、5、6、7、8、...)阶近似的表面形状。
通过以上的关系式，以显示第8实施方式的衍射型聚光膜中特别是入射角θi角在60°±15°的范围时适当的透过型衍射光栅的周期，晶格槽深以及截面形状。
即使在第1至第7实施方式中任一种的衍射型聚光膜中，透过型衍射光栅的槽的方向对入射光而言既可是垂直也可是平行。另外，即使在纵横方向中切割也可以。
朝向衍射光栅的入射角和射出角的关系如图7所示。就像液晶显示器中所使用的导光板一样，由面状发光的面光源使含有红绿蓝3原色的白色光射出。此时，在面光源装置的设计的安排上，衍射光栅入射面的法线方向和入射光所形成的角度即入射角大多是在20至70度的范围中。此时，透过衍射光栅的白色光在±10°的范围内的垂直方向，即由观察者来看时的正面方向中若60％以上的光被聚集，则称为转向至垂直方向。而且，衍射角的波长依赖性在差值是10°以下时较小。上述波长分散的其它方面，即使在偏波分散时亦有必要考虑。就最接近垂直的阶数的衍射效率而言，若衍射效率大的偏波称为A，小的偏波称为B，则(A-B)/A在20％以下时偏波依赖性较小。偏波依赖性在5％以上时，期望能使用液晶显示装置中衍射效率高的偏波。衍射光栅不只能使光发生转向，而且具有聚光功能或扩散的功能亦可。另外，衍射光栅的制作面不只是平面上，且为了具有光学的功能亦可制作在曲面上。另外，衍射光栅亦可与棱镜片一起使用。例如，在考虑xyz空间时，衍射光栅使光转向至x方向，亦可考虑以棱镜片使光转向至y方向。
第8实施方式的衍射型聚光膜，在第1至第7实施方式的衍射型聚光膜中，具有偏光分离、色分离或防反射功能的膜邻接于衍射型聚光膜而配置，或位于衍射型聚光膜的表面上或里面中之任一种方式均可。
第9实施方式的衍射型聚光膜，在第8实施方式的衍射型聚光膜中，偏光分离、色分离或防反射功能通过具有周期0.6μm以下、深度0.5μm以下的浮雕形状的晶格给与。
因此，为了使由面光源所射出的白色光转向至垂直方向，通过将所使用的衍射型聚光膜以及偏光分离或色分离或防反射功能相组合，可使光的利用效率提高。
偏光分离、色分离或防反射功能可通过制作微细的周期构造来实现。
第10实施方式的面光源装置的特征是使第1至第9实施方式中任一种的衍射型聚光膜配置在面光源的光射出面上。
本实施方式的衍射型聚光膜是如图8所示使由面光源倾斜地射出的光转向至垂直方向。就像第10实施方式一样，通过使用衍射型聚光膜，可使面光源所射出的白色光有效率地转向。可得到一种正面方向的辉度较高、由分光所造成的色偏差较小的面光源装置。
第11实施方式是一种在第10实施方式的面光源装置中未配置该衍射型聚光膜时，相对于面光源的光射出面的法线方向而言光是20°至70°的范围中射出，在配置该衍射型聚光膜时，由面光源而来的全部的射出光的60％以上、较佳是70％以上是在对该面光源的光射出面的法线方向成-10°至+10°的角度范围中射出。
衍射型聚光膜的晶格截面形状是锯齿形状的透过型衍射光栅时，由面光源而来的射出光如图9的18所示是由膜上表面和形成αF的角的斜面侧入射至衍射光栅，衍射效率高而较理想。
另外，一般而言，光由膜的斜面入射或射出时，菲涅尔(Fresnel)损失会增大。因此，具有锯齿形状的晶格面向着面光源侧时可较逆向地设置时的菲涅尔(Fresnel)损失更低。而且，若是板状的衍射光栅，则射出光成为与面垂直而射出，由此也可使菲涅尔损失减低。
就像第11实施方式一样，在-10°至+10°的角度范围中，通过使60％以上较佳是70％以上的光射出，可使液晶显示装置的正面方向辉度变高，且可实现背光用的面光源装置，其可达成分光少的高品位的显示。
第12实施方式是一种在第10或第11实施方式的面光源装置中除了衍射型聚光膜之外还使用扩散体的实施方式。
由于人的眼睛中即使有一点点的色分散也可辨认，于是加入扩散体亦可。作为扩散体和衍射型聚光膜的组合方法，可使用本发明者的特开2003-222727号公报的方法。衍射型聚光膜和扩散体的配置·组合即使在一个膜的两面上进行亦可，衍射光栅2个和扩散体1个时亦可。如图10所示，可依照导光板12、衍射型聚光膜10、扩散体32的顺序而配置，但如图11所示依照导光板12、扩散体32、衍射型聚光膜10的顺序而配置亦可。而且，导光板、扩散体、衍射型聚光膜、扩散体此种顺序的构成亦可。扩散体的扩散亦可为表面的凹凸所造成，但亦可为膜内部的折射率分布所造成。
第13实施方式是一种在第12实施方式的面光源装置中全息照相扩散体使入射光限定在空间内的特定角度范围内而扩散时的情况。
因此，作为扩散体，可规定扩散角度，且优选扩散效率高的全息照相扩散体。光在z方向传送时，与衍射光栅的槽平行的方向成为x方向。如图12所示，由扩散体所造成的光的散乱方向以单位向量(Sx、Sy、Sz)来定义。另外，Sx、Sy的最大值分别以sin(θ1)、sin(θ2)来定义。此时，色分散由于在y方向中产生，所以θ1的范围应尽可能小，θ2的范围设定成最低限的必要的角度以消除色分散。作为此种全息照相扩散体的制法，可采用特开2002-71959号公报的实施例中所记载的方法。全息照相扩散体亦可为表面浮雕型或体积相位型。另外，全息照相扩散体的扩散特性即使由于场所而不同也没有关系。
第14实施方式是一种在第12实施方式的面光源装置中全息照相扩散体一体成型地形成在导光板的光射出面上时的情形。
以导光板、全息照相扩散体、衍射型聚光膜此种顺序而配置时，使全息照相扩散体在导光板的光射出面上一体成型，则可使菲涅尔损耗下降。
第15实施方式是一种在第10或14实施方式的面光源装置中在衍射型聚光膜的光射出面上配置一反射防止膜时的情形。
由面光源所射出的光在具有浮雕形状的膜中转向，由膜的相反侧垂直地射出，此时通过空气和膜的界面的阶数中大约4％是菲涅尔反射。对于防止此种反射，只要具备反射防止膜(无反射膜)即可。防反射功能是以介电体多层膜来覆盖而达成。由介电体多层膜所形成的反射防止膜的作法例如已描述在藤原史郎、池田英生·石黑浩三·横田英嗣所著的“光学薄膜第2版”共立出版、1984年、第98至109页中的记载。另外，该功能即使在设有周期小的晶格时也可实现。该周期是0.28±0.08μm、深度是0.22±0.1μm时较佳。另外，膜与空气的界面小时为了使菲涅尔损耗成为最小限，则使光转向用的浮雕形状和周期小的晶格较佳是同时存在于膜的表面或里面中。还有，此种膜多个重叠时亦可。另外，导光板的射出光的射出表面中较佳是存在着扩散体或反射防止膜。
实施例
图13是表示使用本实施方式中所示的导光板48的背光构造，该背光构造是移动电话等的小型液晶显示装置用的构造。该背光构造由图13下方的反射板56、导光板48、全息照相扩散体46、衍射型聚光膜(光转向用衍射光栅)10所构成。导光板48和全息照相扩散体46是一体成形者。导光板48的入光端面52侧中设有LED光源54。通过该构成，由LED光源54所发出的光由导光板48的入光端面52入射，导光板的里面50中所形成的反射群(group)在若干程度的全反射之后，由形成于射出面的全息照相扩散体46射出。通过衍射型聚光膜10使光衍射至垂直方向，对图中未示出的液晶面传送一种大致均匀的辉度的分布光束。
图14中表示除了衍射型聚光膜以外时上述背光构造的射出光分布。光源中使用4个并列连接的日亚化学制白色LED(NSCW335T)，并对白色LED(NSCW335T)施加60毫安的直流电流。测定过程中使用HighLand社制造的RISA COLOR/CD7。
导光板48使用聚碳酸酯，利用射出成型法而制成。厚度0.8mm，里面的反射群的构造如图15所示，为了防止液晶面板的像素所造成的波纹，周期可随机地位于120～150μm的范围中。另外，射出面中所形成的全息照相扩散体46的扩散特性是在与入光端面62平行的方向中有60度的扩散(光强度成为一半时的扩散角度是60度)，在与入光端面62垂直的方向中有1度的扩散。
作为形成衍射型聚光膜10用的光硬化型树脂，可使用丙烯酸树脂系的紫外线硬化树脂，例如，尿烷丙烯酸盐或环氧丙烯酸盐。
其次，对衍射型聚光膜10的制造装置88和制造方法进行说明。如图16所示，衍射型聚光膜10的制造装置88中，模具辊82中供给光硬化型树脂70所用的头部68相面对而配置，在模具辊82的旋转方向下游中依序设有计量辊78、挟持辊80、紫外线照射装置86、脱模辊84。
模具辊82中在其周面形成衍射光栅槽，光硬化型树脂70的表面上形成衍射光栅槽以进行转写。衍射光栅槽形成时须制作一种金刚石钻头，模具辊82的表面上通过金刚石钻头和精密加工机以进行槽的加工。该模具辊82是以黄铜材质来制作。以金刚石钻头来进行槽的加工之后，快速地进行非电解镀铬，并进行表面的氧化、光泽、机械强度的保护。作为光硬化型树脂70，使用了本实施方式中的商品名Sun Light R201(三洋化成工业株式会社制商品名)。
制造时，将光硬化型树脂70由树脂槽64经由压力控制装置66、供给头68而供给至模具辊82。供给时，光硬化型树脂70的供给压力以压力感测器来检知的同时，以压力控制装置66来控制，然后调整模具辊82上所涂布的压力。模具辊82上所涂布的光硬化型树脂70通过计量辊78使膜厚调整至一定值。计量辊78中设有调节刮板72，以刮离付着在计量辊78中上的树脂，可使模具辊82上所涂布的树脂的均一度安定。
透明基膜(透光膜)74供给至计量辊78的下游中的挟持辊80和模具辊82之间。透明基膜74以挟持辊80和模具辊82挟着，使透明基膜74粘合在光硬化型树脂70上。光硬化型树脂70上粘合透明基膜74的状态下，若该透明基膜74到达紫外线照射装置86，则通过紫外线照射装置86所发出的紫光可使光硬化型树脂70硬化，同时粘贴至透明基膜74，成为一体的膜之后，通过离型辊84使一体的膜片76由模具辊82剥离。因此，可连续地得到长尺寸的膜片76。
将这样制造的膜片76裁定成一定的尺寸，则可得到衍射型聚光膜10。另外，衍射型聚光膜(衍射光栅)可由注塑成型或热压法制作而成。此时可使用聚甲基丙烯酸甲酯等的丙烯酸系热可塑性树脂、聚碳酸盐、聚环烯烃等的热可塑性树脂。
还有，作为本实施方式中的透明基膜74，可使用PET，但不限于此，亦可使用聚碳酸盐或丙烯酸树脂，热可塑性尿烷等。另外，作为光硬化型树脂70，亦可选择丙烯酸变性环氧树脂或丙烯酸变性尿烷等的其它材料。紫外线照射装置86的光源使用卤化金属灯(最大8kw)，膜片76的运送速度是3米/分。运送速度虽然可根据光硬化型树脂70的硬化特性、透明基膜74的光吸收特性来变化，但也可通过进一步使用瓦特数高的卤化金属灯使该运送速度更快。
以上述方式所制成的面光源装置具有充分的正面方向辉度，由波纹所造成的不均或由分光所造成的色偏差亦不会被看见，作为液晶显示装置用的背光构造显示出了优良的特性。在以下的测定中，使具有图14所示的角度分布的光入射至衍射型聚光膜，使用HighLand社制造的RISA COLOR/CD7调查射出光强度的角度依赖性。
图17中表示了间距5μm、αB是54°的衍射光栅中使αF变化时的射出光的尖峰强度。αF越大射出光的强度越大，αF是81°时比αF是70°时可得到高20％的尖峰强度。另外，如图18所示，即使αF变化时，尖峰角度几乎不受影响。即，αF越大越可得到高的正面辉度。为了使聚光性变高，αF的大小较佳是在73度以上。
另一方面，以上述的方法制作光学元件时，αF小时模具的制作以及由模具所得到的成型品的剥离较容易。
图19是间距5μm、αF是70°时的衍射光栅中αB变化时的射出光的尖峰强度。与αF时的情况不同，若αB比65°还大，则虽然尖峰强度的大小变低，但在65度以下时αB的依赖性几乎看不见。如图20所示，射出光的尖峰角度因αB而变大。因此，可选择αB使射出光的尖峰较佳是来自所期望的方向。射出光角度的变化量δθo相对于αB的变化量δαB满足以下的式子。
δθo＝-2.69δαB.........(12)
依据式(12)可知，例如，射出光尖峰位置在变化+5°时，若αB小至1.86°时是较佳的。
图21、22、23中表示了αF是73.6°、αB是55.4°时的同一形状的衍射光栅中其间距变化时的射出光强度的角度分布。如图中所示，衍射光栅的间距越小，越可得到更尖锐、尖峰强度高的射出光分布。尖峰辉度和积分强度对间距所绘出的图如图24所示。即使变更间距，射出光的总量(即，积分强度)几乎未变化。如图25所示，间距的半值宽度变小。换言之，由于聚光性变更高，正面的尖峰辉度可提高。另外，由于尖峰角度几乎未变化，所以间距变化时对射出方向的影响不必考虑。因此，为了使聚光度变高，提高背光的正面辉度，衍射光栅的间距越小越好。
然而，若衍射光栅的间距变小，则分光的问题会变显著。在对光源的观测方向改变时，分光的大小可评价成色坐标的变化量。图26至图29中示出了棱镜片和衍射光栅的色坐标分布。间距在6μm和8μm时，其与图26中所示的棱镜片的色坐标分布的范围大约属相同程度。若间距成为4μm，则分布范围比棱镜片稍微变大。实用上衍射光栅的间距较佳是2μm以上。
在上述4μm间距衍射光栅中所看到的高的聚光性起因于射出光角度变化对入射光角度的变化较小时衍射光栅特有的性质。这可用图30来说明。图30为白色的准直光(半值宽度3.9度)分别对着棱镜体和间距4μm、6μm和8μm，αF是73.6°，αB是55.4°的衍射光栅入射时，射出角相对于入射光角度的依赖性。光源中有1灯使用日亚化学制白色LED(NSCW335T)，施加15mA的直流电流而使其发光。由光源所射出的光通过凸透镜和缝隙而变换成平行光。在使用以白四角所示的向下棱镜的光学膜(棱镜片)时，入射光的角度变化和射出光的角度变化相等，完全没有聚光性。这是因为棱镜片在棱镜面上的全反射进行光的偏向所造成。一方面，在衍射光栅上特别是入射角较大时射出角变化对入射角变化变小。此种倾向在衍射光栅的间距越小时越显著地看见。即，间距是4μm的衍射光栅上所看到的高的聚光性是不论入射角多大时射出光在特定的角度附近射出时的衍射光栅的特性，其是以棱镜片不能实现的优点。
另一方面，衍射光栅对平行光显示出扩散效果。图31与图30相同是使用测定装置，图31是相对入射面的法线形成70度的角度的白色准直光(半值宽度是3.9度)入射棱镜片和间距4μm、αF是73.6°且αB是55.4°时的衍射光栅，射出光强度相对于射出角度的分布图。棱镜片由于以折射和全反射而使光偏向，所以射出光的指向性与入射光几乎相等(半值宽度是4.3度)。在使用衍射光栅时由于产生衍射光，所以射出光的尖峰宽度变宽(半值宽度是11.3度)。图32是射出光的尖峰半值宽度相对于入射光的入射面的法线所形成的角度的依赖性。不论入射光的角度如何，衍射光栅比棱镜片显示出对平行光更高的扩散性能。
衍射光栅的光扩散能力在组合至背光构造时会显示出辉度不均已减低的效果。图33是图13所示的背光单元中辉度不均相对于至已配置LED的光射入部的距离的图解。测试时使用HighLand社制造的RISA COLOR/CD7，由背光单元射出面的法线方向观测。由入射光将15mm×15mm的范围切分成0.15mm×0.15mm的晶格，算出距入射光的距离相等的点所测定的辉度分布的标准偏差，以此种偏差作为辉度不均之值。为了进行比较，图13中即使利用棱镜片亦可取代衍射型聚光膜来进行测定。
如图33所示，在与先前的棱镜片比较时，使用衍射光栅时的辉度不均匀性较小。因此，通过使用衍射型聚光膜，光入射部附近的“框范围”会缩小，可使背光单元小型化。
如上所述，通过使用本发明的衍射光栅作为面光源装置的聚光膜，可同时实现先前技术上困难的高的正面辉度和小的辉度不均。

Claims (17)

1.一种透过型衍射光栅，为膜状或板状的衍射光栅，其特征在于，
该衍射光栅具有入射光所入射的入射面和入射光可透过而射出的射出面，
上述入射面具有互相平行的截面成锯齿状的微细的晶格，
该衍射光栅具有由一方入射至该衍射光栅中的光的CIE色坐标的x＝0.310、y＝0.316的白色光入射时，射出光的CIE色坐标x在0.31≤x≤0.37且色坐标y在0.3≤y≤0.42的范围，由斜方向所入射的白色光的分光受到抑制而转向垂直方向中射出，射出光的角度变化比入射光的角度变化更小所造成的聚光性，并且，
一方的斜面的法线和膜或板的上表面的法线所形成的角度αF在70度以上89.5度以下，而且，另一方的斜面的法线和膜或板的上表面的法线所形成的角度αB相对于入射光和膜或板的上表面的法线所形成的角度θi具有θi/2.69-5≤78-αB≤θi/2.69+5的关系。
2.根据权利要求1所述的透过型衍射光栅，其特征在于，
αF在73°以上81°以下。
3.根据权利要求1或2所述的透过型衍射光栅，其特征在于，
间距在10μm以下。
4.根据权利要求3所述的透过型衍射光栅，其特征在于，
间距在1μm以上5μm以下。
5.根据权利要求1至4任一项所述的透过型衍射光栅，其特征在于，
具有使晶格截面形状近似于N(N＝4、5、6、7、8、...)阶的阶段状的晶格截面形状。
6.根据权利要求1至5任一项所述的透过型衍射光栅，其特征在于，
晶格槽形成圆弧状。
7.根据权利要求1至6任一项所述的透过型衍射光栅，其特征在于，
m1、m2＝1、2、3...时，具有平均周期d是m1×(6.0±2.0)μm、平均深度h是m2×(5.0±1.0)μm的锯齿形状或将该锯齿形状以N(N＝4、5、6、7、8、...)阶来近似成的表面形状。
8.根据权利要求1至7任一项所述的透过型衍射光栅，其特征在于，
具有偏光分离、色分离或防反射功能的膜邻接于透过型衍射光栅而配置，或位于全息照相光学元件的表里两面。
9.根据权利要求8所述的透过型衍射光栅，其特征在于，
通过周期0.6μm以下、深度0.5μm以下的具有浮雕形状的晶格给与偏光分离、色分离或防反射功能。
10.一种面光源装置，其特征在于，
将权利要求1至9任一项所述的透过型衍射光栅配置在面光源的光射出面上。
11.根据权利要求10所述的面光源装置，其特征在于，
在未配置透过型衍射光栅的场合，相对于面光源的光射出面的法线方向，光是由20°至70°的角度范围中射出，全息照相光学元件在配置了透过型衍射光栅的场合，由面光源而来的全部射出光的60％以上是在相对面光源的光射出面的法线方向成-10°至+10°的角度范围中射出。
12.根据权利要求10或11所述的面光源装置，其特征在于，
除了全息照相光学元件以外还使用扩散体。
13.根据权利要求12所述的面光源装置，其特征在于，
扩散体为将入射光限定在空间内的特定角度范围内而进行扩散的全息照相扩散体。
14.根据权利要求13所述的面光源装置，其特征在于，
全息照相扩散体在导光板的光射出面上一体成形。
15.根据权利要求10至14所述的面光源装置，其特征在于，
在全息照相光学元件的光射出面上配置反射防止膜。
16.根据权利要求10至15所述的面光源装置，其特征在于，
同时配置以偏光或波长选择作为目的的膜。
17.根据权利要求10至16所述的面光源装置，其特征在于，
邻接于导光板的一侧端面而配置有光源的面光源中，导光板的里面形成与在板中传送的光的方向大致垂直的多个槽。
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