JP2009109969A - プリズムシ−ト、光学部材及びそれを用いた面状光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】輝度を向上させるプリズムシ−ト、光学部材及びそれを用いた面光源装置を提供する。
【解決手段】略平坦な光入射面を有し、光入射面に対向する面上に略三角形状の断面を有するプリズムを連続して形成した上向きプリズムシ−トであって、入射光と当該入射面の法線がなす角の当該プリズムと垂直な方向へ射影した角度成分をθｉ、当該シ−トの屈折率をｎ、プリズム前面が光入射面となす角をα、プリズム後面が光入射面となす角をβとした場合に、当該プリズムの形状が、以下の式（１）と式（２）と式（３）を全て満足する上向きプリズムシ−ト。ｔａｎ（β）＝ｓｉｎ（θｉ）／｛−１＋√［ｎ２−ｓｉｎ２（θｉ）］｝・・・（１）α＞９０−ｓｉｎ−１［（１／ｎ）ｓｉｎ（θｉ）］・・・（２）α＜９０−β＋ｓｉｎ−１｛ｎ＊ｓｉｎ（ｓｉｎ−１［（１／ｎ）ｓｉｎθｉ］−β）｝・・・（３）
【選択図】図３

Description

本発明は、光出射面の垂直方向における特定の偏光の輝度を向上させるプリズムシ−ト、光学部材及びそれを用いた面状光源装置に関する。

液晶ディスプレイは、コンピュ−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。液晶ディスプレイは自発光デバイスではないので、外部光源または周囲の外光を利用する必要がある。外部光源としては、液晶パネルの背面に面光源を設置するバックライト方式が代表例である。バックライト方式の場合、面光源からの出射光を観察者の正面方向へ出射させることが必要になる。

このようなバックライト方式の代表的な構成を図１に示した。光源９０から導光板９１に入射し、斜めに出射された光は集光フィルム９３で垂直方向に曲げられ、拡散板９７で色分散が小さくなるよう拡散され、偏光板９４、位相差板９５などを経て液晶パネル特性に好適な偏光状態となり、画像を表示する液晶パネル９６を照射する。図１では、集光フィルムの例として、下面にプリズムを形成した下向きプリズムシ−トを示している。このバックライト方式の液晶ディスプレイは、導光板の形状や導光板と液晶の間に設けた下向きプリズムシ−ト９３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。

導光板から出射され、下向きプリズムシ−トなどの集光フィルムに入射する光の、集光フィルムに対する入射角θｉは導光板の設計に依存する。図２に示すように、θｉは５０°〜７０°くらいになることが多く、このままでは面光源装置の正面輝度はきわめて小さい。従って、集光フィルム９３によって、この光を効率よくθｏが０°の方向、つまりシ−トに対して垂直方向に曲げる必要がある。そのためには、空気層とプリズムシ−トとの界面反射であるフレネル反射を小さくし、かつ、なるべく、多くの光がθｏ＝０°の方向に進むようにしなければならない。また、出射光が角度分布を持つ場合には、入射角θｉが多少変動しても、垂直方向への輝度が減少しないような光曲げ特性を持たせることで、光曲げ角が一定であるよりも正面方向への輝度を高く出来る。さらに、光源は白色光であるので、波長による曲げ角度依存性を小さくして、分光をできるだけ抑制する必要がある。分光は、液晶のカラ−表示の色再現性を劣化させるなど、表示品質を落とす。

例えば特許文献１に記載されているような従来の下向きプリズムシ−トは、主に全反射を利用して出射光を曲げている。全反射に際して、入射光の角度変化と出射光の角度変化は等しいため、従来の下向きプリズムシ−トは「広い角度範囲の入射光を狭い角度範囲に出射する」という集光性を示さない。特許文献２では、集光性を付与するため、プリズム面を湾曲させた下向きプリズムシ−トが開示されている。いずれの場合も、下向きプリズムシ−トは偏光分離機能を有さず、特定の偏光の利用効率を向上させることはできない。これを解決するために、下記のような偏光分離フィルムと組み合わせて使用される場合がある。

偏光分離フィルムとしては、異なる樹脂膜を多数積層して構成したもの（特許文献３）、複屈折を有する多層膜によるもの（特許文献４）、コレステリック液晶を利用したもの（特許文献５）、位相差板と光学活性層を積層したもの（特許文献６）、可視光の波長以下の周期をもつ回折格子を利用したもの（特許文献７）などが知られている。これらはすべて、フィルムに対してほぼ垂直に入射した光に対して、特定の偏光成分を透過する機能を有する。

特許第２７３９７３０号公報 特開２００３−１８７６１７号公報 特許第３１８７８２１号公報 特許第３７０４３６４号公報号 特開平８−２７１８３７号公報 特開２００６−１０６５９２号公報 特開２００７−１７８７９３号公報 「応用光学Ｉ」（応用物理学選書１）、鶴田匡夫 著、培風館、１９９０年

本発明が解決しようとする課題は、斜め方向から入射した白色光を垂直方向に曲げて集光し、かつ特定の方向の直線偏光を優先的に出射する偏光分離型集光フィルムを提供すること、及びそれを用いて当該偏光の利用効率が高く簡便な面光源装置を提供することである。従来のプリズムシ−トは、偏光分離機能をもたないため、偏光利用効率を高めるためには偏光分離フィルムと組み合わせる必要がある。他方、従来の偏光分離フィルムは斜めに入射した光を曲げることができない。このため、偏光利用効率の高い面光源装置は両者を組み合わせて使用しなければならず、部材数、コスト、組み立て工数が増加する問題があった。
本発明は、光出射面の垂直方向における特定の偏光の輝度を向上させるプリズムシ−ト、光学部材及びそれを用いた面状光源装置に提供することを目的とする。

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、特定の方向の直線偏光を優先的に出射することで、光出射面の垂直方向における特定の偏光の輝度を向上させるプリズムシ−ト、光学部材及びそれを用いた面状光源装置に関する。

本発明に係る上向きプリズムシートは、前記課題を解決するために、略平坦な光入射面を有し、光入射面に対向する面上に略三角形状の断面を有するプリズムを連続して形成した上向きプリズムシ−トであって、入射光と当該入射面の法線がなす角の当該プリズムと垂直な方向へ射影した角度成分をθｉ、当該シ−トの屈折率をｎ、入射光とプリズム面法線のなす角がより大きなプリズム面すなわちプリズム前面が光入射面となす角をα、入射光とプリズム面法線のなす角がより小さなプリズム面すなわちプリズム後面が光入射面となす角をβとした場合に、当該プリズムの形状が、以下の式（１）と式（２）と式（３）を全て満足する。
ｔａｎ（β）＝ｓｉｎ（θｉ）／｛−１＋√［ｎ２−ｓｉｎ２（θｉ）］｝・・・・・・・・・（１）
α＞９０−ｓｉｎ−１［（１／ｎ）ｓｉｎ（θｉ）］・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
α＜９０−β＋ｓｉｎ−１｛ｎ＊ｓｉｎ（ｓｉｎ−１［（１／ｎ）ｓｉｎθｉ］−β）｝・・（３）

本発明に係る上向きプリズムシートは、プリズムのピッチが４μｍ以上３０μｍ以下であるのが好ましい。

本発明に係る面状光源装置は、前記上向きプリズムシートを用いるのが好ましい。

本発明に係る光学部材は、前記課題を解決するために、略平坦な光入射面を有し、光入射面に対向する面上に略三角形状の断面を有するプリズムを連続して形成した上向きプリズムシ−トを、プリズムの方向が略平行になり，かつ隣接する上向きプリズムシ−トの光入射面とプリズム形成面が接するように複数枚配置した光学部材であって、当該光学シ−トの総枚数をｊ０とし、最初に光が入射する上向きプリズムシ−トから数えてｊ番目の上向きプリズムシ−トについて、入射光と当該シ−トの入射面の法線がなす角の当該プリズムと垂直な方向へ射影した角度成分をθｉ（ｊ）、出射光と当該シ−トの入射面の法線がなす角の当該プリズムと垂直な方向へ射影した角度成分をθｏ（ｊ）、当該シ−トの屈折率をｎ（ｊ）、入射光とプリズム面法線のなす角がより大きなプリズム面すなわちプリズム前面が光入射面となす角をα（ｊ）、入射光とプリズム面法線のなす角がより小さなプリズム面すなわちプリズム後面が光入射面となす角をβ（ｊ）とした場合に、当該プリズムの形状が以下の式（４）と式（５）と式（６）と式（７）と式（８）を全て満足する。
θｏ（ｊ）＝β（ｊ）−ｓｉｎ−１｛√［ｎ（ｊ）２−ｓｉｎ２θｉ（ｊ）］ｓｉｎβ（ｊ）−ｃｏｓβ（ｊ）ｓｉｎθｉ（ｊ）｝・・・・（４）
θｉ（ｊ）＝θｏ（ｊ−１）・・・・（５）
α（ｊ）＞９０−ｓｉｎ−１［（１／ｎ）ｓｉｎθｉ（ｊ）］・・・（６）
α（ｊ）＜９０−β（ｊ）＋ｓｉｎ−１｛ｎ＊ｓｉｎ（ｓｉｎ−１［（１／ｎ）ｓｉｎθｉ（ｊ）］−β（ｊ））｝・・・・（７）
θｏ（ｊ０）＝０・・・・（８）

本発明に係る光学部材は、プリズムのピッチが４μｍ以上３０μｍ以下であるのが好ましい。

本発明に係る面状光源装置は、前記光学部材を用いるのが好ましい。

本発明により、光出射面の垂直方向における特定の偏光の輝度を向上させるプリズムシ−ト、光学部材及びそれを用いた面状光源装置に提供することが可能となった。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。この実施の形態は、光入射面に対向する面上に略三角形状の断面を有するプリズムを連続して形成した上向きプリズムシ−トである。特に、実施の形態のプリズムシートは、フィルムの出射面に略三角形断面を有するプリズムを形成した透明光学フィルムを用いてなり、光出射面の垂直方向における特定の偏向の輝度を向上できる。

以下にその原理を詳述する。第一に、上向きプリズムシ−トの集光性について説明する。図３は上向きプリズムシートの断面の一部を示す図である。この上向きプリズムシート１は、略平坦なプリズムシート底面１０を光入射面の内側として有している。このプリズムシート底面１０に対向する面上に、プリズム前面１１及びプリズム後面１２を２つの辺とする略三角形状の断面を有するプリズムを形成している。

図３のような構造の上向きプリズムシ−ト１において、プリズムシ−ト底面１０の法線に対して角度θｉで入射光２０が斜め入射する場合を考える。入射光２０は、プリズムシート１内で屈折されプリズム後面１２から出射される。

以下のパラメータθｉ、θｏ、φ１、φ２及びφ３の定義は図３の記載に従う。同様に、パラメータα、βの定義も図３の記載に従う。つまり、入射面の法線と入射光２０のなす角度をθｉとする。また、入射面の出射面側への法線と出射光２４とのなす角度をθｏとする。また、プリズムの入射面の内側となるプリズム底面での屈折角をφ１とする。また、入射光２０のプリズム後面１２に対する入射角をφ２とする。また、出射光２４のプリズム後面１２に対する入射角をφ３とする。また、プリズム前面１１が光入射面（プリズムシート底面）となす角をαとする。また、プリズム後面１２が光入射面となす角をβとする。

プリズム底面での屈折角φ１は、プリズムシ−トを構成する材料の屈折率をｎとすると、スネルの法則（非特許文献１参照）より、
ｎ＊ｓｉｎ（φ１）＝ｓｉｎ（θｉ）・・・・（９）
を満足する。

同様に、プリズム後面１２での屈折に際しても、プリズム後面１２に対する入射角φ２と出射角φ３を用いて、
ｎ＊ｓｉｎ（φ２）＝ｓｉｎ（φ３）・・・（１０）
が成り立つ。

プリズム後面１２のプリズム底面１０に対する傾斜角（後面底角）は前述したようにβであるので、
φ２＝β−φ１・・・（１１）
φ３＝β−θｏ・・・（１２）
の関係が成り立ち、式（１０）に式（１１），（１２）を代入して
ｎ＊ｓｉｎ（β−φ１）＝ｓｉｎ（β−θｏ）・・・（１３）
となる。以上を基に、入射光２０の入射面（プリズムシート底面１０）に対する任意の入射角θｉに対して、屈折率ｎの材料で作製した上向きプリズムの最適形状をなす各値を算出する。

まず、プリズム後面１２のプリズムシート底面１０に対する角度である後面底角βの最適値を求める。上向きプリズムシ−ト１の出射光２４がシ−ト底面１０の法線方向（正面方向）へ向かう場合、θｏ＝０となる。θｏ＝０を代入し、式（１３）を変形すると、
−ｎ＊［ｓｉｎ（φ１）ｃｏｓ（β）−ｃｏｓ（θｏ）ｓｉｎ（β）］＝ｓｉｎ（β）・・（１４）
となる。

式（９）より、
ｓｉｎ（φ１）＝（１／ｎ）ｓｉｎ（θｉ）・・・（１５）
ｎ＊ｃｏｓ（φ１）＝√［ｎ２−ｓｉｎ２（θｉ）］・・・（１６）
であるから、これらを式（１４）に代入して整理すると、
ｔａｎ（β）＝ｓｉｎ（θｉ）／｛−１＋√［ｎ２−ｓｉｎ２（θｉ）］｝・・・（１７）
となり、最適な後面底角βの値が求められる。ただし、θｉとｎは次式の関係を満足しなければならない。
−１＋√［ｎ２−ｓｉｎ２（θｉ）］＞０・・・（１８）

式（１８）が満足されない場合、上向きプリズム１の形状をどのように設定しても、出射光２４を正面方向へ向けることはできない。従って、上向きプリズムシ−ト１への入射角θｉが大きい場合、より屈折率ｎの大きな材料を用いる必要が生じる。

次に、プリズム前面のプリズムシート底面１０に対する角度である前面底角αの望ましい値の範囲を求める。図４は上向きプリズムシート１における、プリズム前面１１への入射による迷光を示す図である。図４に示すように、前面底角αが小さい場合、プリズムシート底面１０で屈折した光がプリズム前面１１に入射し、全反射あるいは屈折されることによって迷光２１が生じる。プリズム前面での反射による迷光２１を生じさせないためには、
α＞９０−φ１＝９０−ｓｉｎ−１［（１／ｎ）ｓｉｎ（θｉ）］・・・（１９）
となることが必要である。

次に、プリズム前面への再入射による迷光について説明する。図５は上向きプリズムシート１における、プリズム前面への再入射による迷光の発生要因を示す図である。図５に示すように、前面底角αが大きい場合、プリズム後面１２から出射した光の一部がプリズム前面１１に再入射し、迷光を生じる。
α＜９０−θｏ・・・・（２０）
であればプリズム後面１２から出射した光の一部はプリズム前面１１には再入射しない。式（１３）からθｏを求めて代入すると、
α＜９０−β＋ｓｉｎ−１（ｎ＊ｓｉｎ（φ１−β））・・・（２１）
が得られる。

上向きプリズムシ−ト１の場合、集光性能を損なうことなくプリズム先端部に湾曲面、あるいは平坦部を形成することができる。図６は上向きプリズムシート１のプリズム前面１１側に生じるブラインド・リージョンを示す図である。図６に示すように、９０−φ１に比べてαを大きくすると、プリズム先端の斜線部はプリズム谷部の陰になり、光が入射しない。従って、例えば図７のように図６に示した斜線の範囲内に収まるような湾曲部を設けても上向きプリズムシ−トの光学特性には影響しない。プリズムシ−トを使用する際に、プリズム先端部が摩耗、変形あるいは欠落することがよくあるが、上向きプリズムシ−ト１はこのような損傷に対する裕度が高いという利点がある。また、あらかじめプリズム先端に湾曲部を設けておくことにより、プリズム先端が隣接する光学部材を傷つける事を予防できる。

上記に従って設計した上向きプリズムシ−ト１が集光性を有することを以下に示す。図８、図９に式（９）、（１３）から求めた入射角θｉと出射角θｏの相関をプロットした。図中の斜めの線は、入射角の変化量と出射角の変化量が等しい場合の傾きを持っている。図中の矢印よりも入射角が大きい領域では、入射角の変化量よりも出射角の変化量の方が小さい。すなわち、この範囲の入射角を有する入射光に対して上向きプリズムシ−ト１は集光性を示す。

図８は後面底角βを６０度とし、上向きプリズムシ−トの構成材料の屈折率を１．４５から１．６５まで変化させた場合の入射角−出射角相関である。屈折率が高いほど出射光の方向は正面方向へ近づくが、集光性を示す入射角度範囲の下限は大きくなる。図９は屈折率を１．５として、後面底角βを５０度から７５度まで変化させた場合の入射角−出射角相関である。後面底角βが大きいほど出射光の方向は正面方向へ近づくが、集光性を示す角度範囲の下限は大きくなる。従って、上向きプリズムシ−トの集光性を利用するためには、例えば前述の図２に示すような、高角度に光を出射する特性を持った導光板と組み合わせる方が好ましい。

第２に、上向きプリズムシ−ト１の偏光分離特性について説明する。上向きプリズムシ−ト１に、図１０に示すような非偏光の光が斜め入射した場合を考える。プリズムシ−ト底面１０、及びプリズム後面１２に入射した際に、入射角とプリズム材料の屈折率で決まる一定の割合で入射光がフレネル反射される。非特許文献１によれば、プリズム底面１０でのｓ偏光の透過率Ｔ（Ｓ１）は、
Ｔ１（ｓ）＝ｓｉｎ（２＊θｉ）ｓｉｎ（２＊φ１）／ｓｉｎ２（θｉ＋φ１）・・・（２２）
プリズム後面でのｓ偏光の透過率Ｔ（Ｓ２）は、
Ｔ２（ｓ）＝ｓｉｎ［２＊（β−φ１）］ｓｉｎ（２＊β）／ｓｉｎ２（４＊β−２＊φ１）・・・（２３）
と表される。一方、ｐ偏光の各面での透過率Ｔ１（ｐ）、Ｔ２（ｐ）は、
Ｔ１（ｐ）＝ｓｉｎ（２＊θｉ）ｓｉｎ（２＊φ１）／ｓｉｎ２（θｉ＋φ１）ｃｏｓ２（θｉ−φ１）・・・（２４）
Ｔ２（ｐ）＝ｓｉｎ［２＊（β−φ１）］ｓｉｎ（２＊φ１）／ｓｉｎ２（４＊β−２＊φ１）ｓｉｎ２（２＊φ１）・・・（２５）
となる。上向きプリズムシ−ト全体としてのｓ偏光透過率はＴ２（ｓ）Ｔ１（ｓ）、ｐ偏光透過率はＴ２（ｐ）Ｔ１（ｐ）と表される。

屈折率（ｎ＝）１．７３、後面底角（β＝）６０度の上向きプリズムシ−ト１に対して以上の式を用いて出射角と出射光強度を計算した結果を表１に示す。プリズム後面への入射角が臨界角を越え、光が全反射されて迷光となってしまう場合は「全反射」と記載している。特に入射角が６０度付近の場合、ｐ偏光の入射光は全くフレネル反射を生じずに全て透過する。ｐ偏光とｓ偏光の透過率比は約２以上あり、プリズムシ−トに偏光分離機能があることがわかる。また、入射光が透過する角度範囲が入射角５０度から入射角８５度までの３５．０度であるのに対して、出射角の変動量は１７．２度であることから、上向きプリズムシ−ト１がある角度広がりを持つ入射光２０をより狭い角度範囲に出射する、集光特性を示すことがわかる。

上記のような屈折率ｎが１．７を越える高屈折材料としては、重フリントガラス、ランタンフリントガラス、ランタンクラウンガラスなどの光学ガラスや、硫黄や臭素などのヘテロ原子を含む樹脂材料、微粒子酸化チタンなどの金属酸化物を粒径が可視光の波長以下の微粒子として樹脂中に分散させた複合材料などが知られている。光学ガラスは破損しやすく、成形に高温が必要なため取扱が難しい。また、ヘテロ原子を含む樹脂材料は耐環境性が低く着色しやすいものが多く、廃棄時の環境への影響も懸念される。複合材料は分散状態の安定性、透明性および成型時の金型追随性が劣り、金型の摩耗が速くなるという問題がある。

また、プリズムの後面底角βが小さいと、プリズム後面での全反射による迷光が生じやすくなる。また、量産品する場合に、金型の作製と金型からの転写が困難になるという問題もある。

従って、アクリルなどの一般的な透明樹脂材料を用い、後面底角βが７０度以下の上向きプリズムシ−ト１で集光性、偏光分離性を実現できる方が好ましい。このために、上向きプリズムシ−ト１を複数枚重ねて用いる方法が考えられる。この場合はそれぞれのシ−トの光曲げ効果が重畳されるため、個々の上向きプリズムシ−ト１の光曲げ角度は小さくても良く、小さい屈折率ｎ、後面底角βでも所期の効果を実現できる。

複数の上向きプリズムシ−トを用いる場合、プリズムシ−トの総数をｊ０とし、ｊ番目のプリズムシ−トの屈折率、入射角、出射角、前面底角、後面底角をそれぞれｎ（ｊ）、θｉ（ｊ）、θｏ（ｊ）、α（ｊ）、β（ｊ）とすると、α（ｊ）、β（ｊ）は以下の式２６−３０を満足しなければならない。ただし、最も下側のプリズムシ−トを１番目、最も上側をＪ０番目とする。図１１に４枚のプリズムシ−トを使用した場合の構成を例示する。
θｏ（ｊ）＝β（ｊ）−ｓｉｎ−１｛√［ｎ（ｊ）２−ｓｉｎ２θｉ（ｊ）］ｓｉｎβ（ｊ）−ｃｏｓβ（ｊ）ｓｉｎθｉ（ｊ）｝・・・（２６）
θｉ（ｊ）＝θｏ（ｊ−１）・・・（２７）
α（ｊ）＞９０−ｓｉｎ−１［（１／ｎ）ｓｉｎθｉ（ｊ）］・・・（２８）
α（ｊ）＜９０−β（ｊ）＋ｓｉｎ−１｛ｎ＊ｓｉｎ（ｓｉｎ−１［（１／ｎ）ｓｉｎθｉ（ｊ）］−β（ｊ））｝・・・（２９）
θｏ（ｊ０）＝０・・・（３０）

例として、２枚の上向きプリズムシ−トを用いた場合の入射角と出射角、出射光強度の計算値を表２に示す。下側の上向きプリズムシ−トは後面底角β＝６０度、上側のプリズムシ−トは後面底角β＝５０度で、屈折率ｎはいずれも１．５０とした。入射角６０度から８５度の光に対して、約−１２度から２．５度の範囲に光を出射するという集光性が見られる。また、光が全反射されない角度範囲において、ｐ偏光とｓ偏光が３：２から２：１の強度比で偏光分離されている。例えば前述の図２のような角度分布の光を入射光として用いた場合、良好な偏光分離能と集光性が実現できる。

図１２は、下側の上向きプリズムシ−トが前面底角α＝６０°、後面底角β＝３０°、ピッチｄ＝３０μｍであり、上側の上向きプリズムシ−トが前面底角α＝７５°、後面底角β＝５５°、ピッチｄ＝３０μｍの場合に、前述の図２で示すような角度分布の光を入射させた場合に測定した出射光分布である。ｓ偏光とｐ偏光成分の分離が確認できる。また、入射光のピ−クが半値幅２４°であるのに対し、出射光の半値幅は１８°となっており、上述の集光性があることが実証された。

次に、上向きプリズムシ−トの色づきの問題について説明する。屈折によって光を曲げる場合、波長毎に屈折率が異なるために光の曲がる角度が異なる。このため、たとえばレンズ光学系では焦点距離が波長によってかわる色収差が生じる（非特許文献１参照）。同様に、上向きプリズムシ−トも屈折によって光を曲げているため、色づきが生じる。

図１３は、図１２と同じ上向きプリズムシ−トからの出射光のＣＩＥ色度座標分布である。プリズムの材質として、ｎｄ＝１．５０のアクリル系光硬化樹脂を用いている。色度座標は、ｘが０．２９から０．４０、ｙが０．３１から０．４２の広い範囲に分布しており、顕著な分光効果が生じていることがわかる。

レンズ系の場合は、屈折率の波長変化量と屈折率が異なる材質を用いて複数のレンズを作製し、貼り合わせることで色収差を解消している。しかしながら、光学フィルムや面状光源に適用すると、フィルム厚さが増加すると共に構造が複雑化するため、好ましくない。

これを解決するためには、回折効果を利用して色収差をうち消してやればよい。光学用途に用いられる透明材料は、波長が短いほど屈折率が大きいため、波長が短い光ほど大きく曲がる。一方、回折格子を用いる場合は、ｍを回折次数、λを入射光の波長として、
θｏ＝ｓｉｎ−１［ｓｉｎ（θｉ）−ｍλ／ｄ］・・・・（３１）
と表される。すなわち、λが小さいほど回折による角度変化は小さく、屈折による色収差とは逆の挙動を示す。従って、ピッチｄを適当な大きさに調整することにより、色収差が解消できる。

上向きプリズムシ−ト１を形成するための光硬化型樹脂としては、アクリル樹脂系の紫外線硬化樹脂、例えば、ウレタンアクリレ−トや、エポキシアクリレ−トが用いられる。

次に、上向きプリズムシ−ト１の製造装置及び製造方法について説明する。図１４は上向きプリズムシート１の製造装置の具体例を示す図である。図１４に示したように、上向きプリズムシ−ト１の製造装置８８にあって、金型ロ−ル８２には、光硬化型樹脂７０を供給する供給ヘッド６８が対向して配置されており、金型ロ−ル８２の回転方向下流には、メ−タリングロ−ル７８、ニップロ−ル８０、紫外線照射装置８６、離型ロ−ル８４が、この順序で設けられている。

金型ロ−ル８２には、その周面に回折格子溝が形成されており、光硬化型樹脂７０の表面に回折格子溝を転写するようになっている。回折格子溝の形成は、ダイヤモンドバイトを製作し、金型ロ−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−ル８２は真鍮の材質で製作し、ダイヤモンドバイトで溝加工後、速やかにクロム無電解メッキを行い表面の酸化、光沢、機械強度保護を行った。

製造時には、光硬化型樹脂７０を樹脂タンク６４から圧力制御装置６６、供給ヘッド６８を介して金型ロ−ル８２に供給する。供給の際には、光硬化型樹脂７０の供給圧力は圧力センサで検知しながら、圧力制御装置６６で制御し、金型ロ−ル８２に塗布する圧力を調整している。金型ロ−ル８２に塗布した光硬化型樹脂７０は、メ−タリングロ−ル７８により膜厚を一定に調節している。メ−タリングロ−ル７８には、ドクタ−ブレ−ド７２が設けられており、メ−タリングロ−ル７８に付着した樹脂を掻き取り、金型ロ−ル８２に塗布された樹脂の均斉度を安定化させている。

メ−タリングロ−ル７８の下流にあるニップロ−ル８０と金型ロ−ル８２との間には、透明ベ−スフィルム（透光フィルム）７４が供給されており、透明ベ−スフィルム７４をニップロ−ル８０と金型ロ−ル８２とで挟み込んで、光硬化型樹脂７０に透明ベ−スフィルム７４を密着させている。光硬化型樹脂７０に透明ベ−スフィルム７４が密着した状態で紫外線照射装置８６に到達すると、紫外線照射装置８６から発した紫外線により光硬化型樹脂７０が硬化するとともに、透明ベ−スフィルム７４に接着し、一体のフィルムとした後、離型ロ−ル８４により金型ロ−ル８２から一体のフィルムシ−ト７６を剥離する。これにより、長尺のフィルムシ−ト７６を連続的に得ることができる。

このようにして製造したフィルムシ−ト７６を所定の寸法に裁断して上向きプリズムシ−ト１を得る。なお、上向きプリズムシ−ト１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、ポリメチルメタクリレ−トなどのアクリル系熱可塑性樹脂、ポリカ−ボネ−ト、ポリシクロオレフィンなどの熱可塑性樹脂を用いることができる。

尚、本実施形態における透明ベ−スフィルム７４としては、ポリエチレンテレフタレ−ト（ＰＥＴ）を用いたが、これに限らず、ポリカ−ボネ−トやアクリル樹脂、熱可塑性ウレタン等を用いることができる。また、光硬化型樹脂７０としてもアクリル変性エポキシやアクリル変性ウレタン等の他の材料を選定することが可能である。紫外線照射装置８６の光源は、メタルハライドランプ（最大８Ｋｗ）を用い、フィルムシ−ト７６の送り速度は、３ｍ／分で製作した。送り速度は、光硬化型樹脂７０の硬化特性、透明ベ−スフィルム７４の光吸収特性により変化するが、更にＷ（ワット数）の高いメタルハライドランプを用いることにより、送り速度を速めることが可能である。

上向きプリズムシ−トを作製する方法の一つとして、特開２００４−３７５１８号公報または図１５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−ルアクリレ−ト等のモノマ−を含有する感光性ネガ型樹脂組成物層に、活性光線を照射し、感光性ネガ型樹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、エッ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、感光性樹脂に３回の露光を施すことにより、Ｎ＝４の階段状に近似したプリズム形状を得ている。図中には、ベ−スフィルム１１１、感光性ネガ型樹脂組成物層１１２、フォトマスク１１３、遮光部１１４、開口部１１５が示されている。

上向きプリズムシ−トは、図１６に示すように、感光性ネガ型樹脂組成物層に活性光線を照射し、感光性ネガ型樹脂組成物層に潜像を形成した後にエッチングを行う工程を繰り返すことにより得られる表面凹凸による方法がある。図では、感光性樹脂に２回の露光を施すことにより、Ｎ＝４の階段状に近似したプリズム形状を得ている。図中には、ベ−スフィルム１００、感光性ネガ型樹脂組成物層１０１、フォトマスク１０２、遮光部１０４、開口部１０３、樹脂の感光部１０５が示されている。

ここで使われる深溝で面積の広い上向きプリズムシ−トを効率よく量産するには鋳型から転写して作ることが適している。転写された樹脂は熱またはＵＶ光で硬化する。本発明で用いる深い溝を持つ鋳型を作る方法としては、基板上に電子線用レジストを塗布し、電子線描画したのちＲＩＥで掘る方法やＸ線放射光で露光・現像する方法、グレ−スケ−ルマスクのパタ−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。

図１７、図１８、図１９は、それぞれピッチｄが８、６、４μｍの場合の色度座標分布のシミュレ−ション結果である。シミュレ−ションにはＧＳｏｌｖｅｒ ｖｅｒｓｉｏｎ ４．２０（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｏｌｖｅｒ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ社製）を用いた。ｄ＝８μｍの場合、ｄ＝３０μｍの場合よりも色度座標分布は縮小しており、ｄ＝６μｍの場合は更に色度座標の分布範囲が狭くなっている。ｄ＝４μｍとすると、回折効果が優勢になってしまい、色度座標分布は再び拡大している。

図２０、図２１、図２２は、それぞれピッチｄが８、６、４μｍの場合にｐ偏光およびｓ偏光の出射角度分布を上記と同様にシミュレ−トした結果である。回折格子のピッチｄが入射光の波長に近づくと、分光効果により集光特性が劣化すると予想されるが、ピッチが６μｍ以上であれば集光特性の劣化はほとんど見られない。ピッチが４μｍの場合にはピ−クの半値幅が大きくなっており、集光性が劣化している。

以上のように、例えばアクリル樹脂を用いて下側の上向きプリズムシ−トが前面底角α＝６０°、後面底角β＝３０°、ピッチｄ＝６μｍであり、上側の上向きプリズムシ−トが前面底角α＝７５°、後面底角β＝５５°、ピッチｄ＝６μｍとなるようにすると、良好な集光性と偏光分離特性が得られる。

液晶表示装置の例を示す図である。 上向きプリズムシ−トに入射させる光の角度分布を示す図である。 上向きプリズムシ−トの光曲げ特性と形状パラメ−タを示す図である。 上向きプリズムシ−トにおける、プリズム前面への入射による迷光の発生要因を示す図である。 上向きプリズムシ−トにおける、プリズム前面への再入射による迷光の発生要因を示す図である。 上向きプリズムシ−トのプリズム前面側に生じるブラインド・リ−ジョンを示す図である。 光学特性に影響を与えずに先鋭部を除いたプリズムシ−トの例を示す図である。 上向きプリズムシ−トの集光特性の屈折率依存性を示す図である。 上向きプリズムシ−トの集光特性の後面底角依存性を示す図である。 上向きプリズムシ−トと偏光成分の関係を示す図である。 複数枚の上向きプリズムシ−トを用いた面状光源装置の例を示す図である。 上向きプリズムシ−トの偏光分離特性の測定結果を示す図である。 上向きプリズムシ−トの色度座標分布の測定結果を示す図である。 ロ−ル金型と光硬化樹脂を用いた上向きプリズムシ−トの連続作製装置の例を示す図である。 階調露光による上向きプリズムシ−トの作製法例を示す図である。 階調露光とエッチングによる上向きプリズムシ−トの作製法例を示す図である。 ピッチ８μｍの上向きプリズムシ−トの色度座標分布のシミュレ−ション結果を示す図である。 ピッチ６μｍの上向きプリズムシ−トの色度座標分布のシミュレ−ション結果を示す図である。 ピッチ４μｍの上向きプリズムシ−トの色度座標分布のシミュレ−ション結果を示す図である。 ピッチ８μｍの上向きプリズムシ−トの偏光分離特性のシミュレ−ション結果を示す図である。 ピッチ６μｍの上向きプリズムシ−トの偏光分離特性のシミュレ−ション結果を示す図である。 ピッチ４μｍの上向きプリズムシ−トの偏光分離特性のシミュレ−ション結果を示す図である。

符号の説明

１ 上向きプリズムシ−ト
１０ プリズムシ−ト底面
１１ プリズム前面
１２ プリズム後面
２０ 入射光
２１ プリズム前面での反射による迷光
２２ 出射光がプリズム前面へ再入射して屈折することで生じる迷光
２３ 出射光がプリズム前面へ再入射して反射することで生じる迷光
２４ 出射光
２５ プリズムシ−ト底面でのフレネル反射光
２６ プリズム後面でのフレネル反射光
３０ 入射光のｐ偏光成分の電場ベクトル
３１ 入射光のｓ偏光成分の電場ベクトル
３２ 出射光のｐ偏光成分の電場ベクトル
３３ 出射光のｓ光成分の電場ベクトル
６４ 樹脂タンク
６６ 圧力制御装置
６８ 光硬化樹脂供給ヘッド
７０ 光硬化樹脂
７２ ドクタ−ブレ−ド
７４ 透明ベ−スフィルム
７６ フィルムシ−ト
７８ メ−タリングロ−ル
８０ ニップロ−ル
８２ 金型ロ−ル
８４ 離型ロ−ル
８６ 紫外線照射装置
８８ 上向きプリズムシ−トの製造装置
９０ 光源
９１ 導光板
９２ 反射板
９３ 下向きプリズムシ−ト（集光フィルム）
９４ 偏光板
９５ 位相差板
９６ 液晶パネル
９７ 拡散板
１００，１１１ ベ−スフィルム
１０１，１１２ 感光性樹脂
１０２，１１３ フォトマスク
１０３，１１５ フォトマスクの開口部
１０４，１１４ フォトマスクの遮光部
１０５ 感光性樹脂の露光された部分

Claims (8)

1. 略平坦な光入射面を有し、光入射面に対向する面上に略三角形状の断面を有するプリズムを連続して形成した上向きプリズムシ−トであって、
   入射光と当該入射面の法線がなす角の当該プリズムと垂直な方向へ射影した角度成分をθｉ、当該シ−トの屈折率をｎ、入射光とプリズム面法線のなす角がより大きなプリズム面すなわちプリズム前面が光入射面となす角をα、入射光とプリズム面法線のなす角がより小さなプリズム面すなわちプリズム後面が光入射面となす角をβとした場合に、当該プリズムの形状が、以下の式（１）と式（２）と式（３）を全て満足する上向きプリズムシ−ト。
   ｔａｎ（β）＝ｓｉｎ（θｉ）／｛−１＋√［ｎ２−ｓｉｎ２（θｉ）］｝・・・（１）
   α＞９０−ｓｉｎ−１［（１／ｎ）ｓｉｎ（θｉ）］・・・（２）
   α＜９０−β＋ｓｉｎ−１｛ｎ＊ｓｉｎ（ｓｉｎ−１［（１／ｎ）ｓｉｎθｉ］−β）｝・・・（３）
2. プリズムのピッチが４μｍ以上３０μｍ以下である、請求項１に記載の上向きプリズムシ−ト。
3. 前記プリズムの先端部に湾曲面を形成する請求項１に記載の上向きプリズムシート。
4. 請求項１乃至３のいずれか一に記載の記載の上向きプリズムシ−トを用いた面状光源装置。
5. 略平坦な光入射面を有し、光入射面に対向する面上に略三角形状の断面を有するプリズムを連続して形成した上向きプリズムシ−トを、プリズムの方向が略平行になり，かつ隣接する上向きプリズムシ−トの光入射面とプリズム形成面が接するように複数枚配置した光学部材であって、
   当該光学シ−トの総枚数をｊ０とし、最初に光が入射する上向きプリズムシ−トから数えてｊ番目の上向きプリズムシ−トについて、入射光と当該シ−トの入射面の法線がなす角の当該プリズムと垂直な方向へ射影した角度成分をθｉ（ｊ）、出射光と当該シ−トの入射面の法線がなす角の当該プリズムと垂直な方向へ射影した角度成分をθｏ（ｊ）、当該シ−トの屈折率をｎ（ｊ）、入射光とプリズム面法線のなす角がより大きなプリズム面すなわちプリズム前面が光入射面となす角をα（ｊ）、入射光とプリズム面法線のなす角がより小さなプリズム面すなわちプリズム後面が光入射面となす角をβ（ｊ）とした場合に、当該プリズムの形状が以下の式（４）と式（５）と式（６）と式（７）と式（８）を全て満足する光学部材。
   θｏ（ｊ）＝β（ｊ）−ｓｉｎ−１｛√［ｎ（ｊ）２−ｓｉｎ２θｉ（ｊ）］ｓｉｎβ（ｊ）−ｃｏｓβ（ｊ）ｓｉｎθｉ（ｊ）｝・・・（４）
   θｉ（ｊ）＝θｏ（ｊ−１）・・・（５）
   α（ｊ）＞９０−ｓｉｎ−１［（１／ｎ）ｓｉｎθｉ（ｊ）］・・・（６）
   α（ｊ）＜９０−β（ｊ）＋ｓｉｎ−１｛ｎ＊ｓｉｎ（ｓｉｎ−１［（１／ｎ）ｓｉｎθｉ（ｊ）］−β（ｊ））｝・・・（７）
   θｏ（ｊ０）＝０・・・（８）
6. プリズムのピッチが４μｍ以上３０μｍ以下である、請求項５に記載の光学部材。
7. 前記プリズムの先端部に湾曲面を形成する請求項５に記載の光学部材。
8. 請求項５乃至７のいずれか一に記載の光学部材を用いた面状光源装置。

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