JP2009175238A - 光学素子及び光源ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子を出射面に垂直な軸を中心として９０°回転させても、光の回折特性が変化しない光学素子及びその光学素子を備えた光源ユニットを提供する。
【解決手段】柱状突起３が平面視で４回回転対称の配列とされている。
【選択図】図２

Description

この発明は、光学素子及び光源ユニットに関するものである。

フォトニック結晶は、光の波長領域において周期的に屈折率が変化する構造体である。このフォトニック結晶を、例えば、発光ダイオードのような発光体の光の出射面に設けることで、発光体で発生した光の取出効率の向上を図ることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、フォトニック結晶は、出射面において格子状に配置された複数の円柱状の柱状突起で構成されており、互いに屈折率が異なる２つの物質である柱状突起と空気層とが所定の間隔で規則的に配置された構造となっている。このため、出射面に対して臨界屈折角よりも大きい法線角度で出射面から出射する光を、周期的に形成された柱状突起と空気層とにより回折にさせ、出射方向を臨界屈折角よりも小さくすることが可能となる。これにより、フォトニック結晶に入射した光は、柱状突起により出射面に対して略垂直な方向に回折する。したがって、出射面において全反射される光の割合が小さくなり、光の取出効率が向上する。

ところで、携帯電話機などの電子機器の表示部には、液晶表示装置が用いられている。
この液晶表示装置には、通常、表示の視認性を高めるためのバックライトユニットが設けられている。このバックライトユニットは、光源からの照明光を内部で導光させた後、液晶パネルに向けて出射させる導光板を備えている。
そこで、このような導光板において、照明光の取出効率を向上させるため、出射面に上述したフォトニック結晶を設けることが考えられる。
特開２００６−４９８５５号公報

しかしながら、上記従来の光学素子においても、以下の課題が残されている。図７（ａ）に示すように、従来の千鳥状の柱状突起の配列では、平面視で三角形の単位格子が周期的に配列された３回回転対称の配列となっている。また、図７（ｂ）に示すように、従来のハニカム状の柱状突起の配列では、平面視で六角形の単位格子が周期的に配列された６回回転対称の配列となっている。
このため、従来の光学素子は、出射面に垂直な軸を中心として９０°回転させると、光の回折特性が回転の前後で異なってしまうという課題がある。

そこで、この発明は、光の出射面に垂直な軸を中心として９０°回転させても、光の回折特性が変化しない光学素子及びその光学素子を備えた光源ユニットを提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の光学素子は、基板と、該基板の一面に設けられた複数の柱状突起とを有し、内部に光を導通させる光学素子であって、前記柱状突起が平面視で４回回転対称の配列とされていることを特徴とする。
このように構成することで、光学素子を光の出射面である基板の一面に垂直な軸を中心として９０°回転させても、光の回折特性が変化しない。

また、本発明の光学素子は、前記柱状突起は、４つの前記柱状突起が正方形配置された単位格子からなる格子状の配列とされていることを特徴とする。

また、本発明の光学素子は、前記柱状突起は、突出方向に対して垂直な面での断面における最大内接円の直径が、隣接する他の前記柱状突起との中心間隔の０．１倍以上１．０倍以下であることを特徴とする。
このように構成することで、基板の一面に入射した光を効率よく確実に回折させることができる。

また、本発明の光学素子は、前記柱状突起の前記直径を前記基板の一面内の位置により異ならせたことを特徴とする。
このように構成することで、基板の一面内の位置に応じて回折効率を調整することができる。

また、本発明の光学素子は、記柱状突起は、前記突出方向の高さが前記直径の０．２倍以上１０倍以下であることを特徴とする。
このように構成することで、各回折次数の回折光の強度を制御することができる

また、本発明の光学素子は、前記柱状突起の前記高さを前記基板の一面内の位置により異ならせたことを特徴とする。
このように構成することで、基板の一面内の位置に応じて回折光の回折次数と強度の関係を調整することができる。

また、本発明の光源ユニットは、上記のいずれかの光学素子と光源とを備えたことを特徴とする。
このように構成することで、光学素子を基板の一面に垂直な軸を中心として９０°回転させても光の回折特性が変化しない光源ユニットを提供することができる。

次に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

（バックライトユニット、導光板）
図１は本実施形態のバックライトユニットの概略構成を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態における光源ユニットは、例えば、液晶表示装置に用いられるバックライトユニット（光源ユニット）１００であって、内部に光を導通させる導光板（光学素子）１と、光源１０，１１とを備えている。導光板１は基板２を備え、基板２の一面（光の出射面２ａ）には、複数の円柱状の柱状突起３が形成されている。

導光板１は、使用する波長領域において透光性を有する、例えば、ポリカーボネート等の樹脂材料により構成されている。
光源１０，１１は、例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）装置、蛍光灯等により構成され、導光板１の基板２の裏面２ｂ（出射面２ａと反対側の面）や側面２ｃに配置され、出射面２ａに白色光を所定の角度で入射させるように調整されている。

図２に示すように、柱状突起３は、基板２の出射面２ａに規則的に配列され、平面視で４つの柱状突起３が正方形配置された単位格子Ｕからなる格子状の配列とされている。ここで、出射面２ａに平行なＸ軸及びＹ軸を有するＸＹＺ直交座標系を設定すると、柱状突起３は、Ｚ軸に平行な軸を回転の中心として、ＸＹ平面視で４回回転対称の配列となっている。

また、図３に示すように、隣接する柱状突起３，３の中心の間隔であるピッチ（中心間隔）Ｐは、使用波長に対応して、回折光が所定の出射角で基板２の出射面２ａから射出されるように調整されている。ここで、使用する波長領域は、可視光領域である３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下となっている。本実施形態では、ピッチＰはＸ軸方向とＹ軸方向で等しく、例えば、約１．０μｍとなっている。

また、柱状突起３の直径Ｄは、ピッチ（中心間隔）Ｐの０．１倍以上１．０倍以下となっている。本実施形態では、柱状突起３の直径Ｄは、例えば、約０．７μｍとなっている。

そして、柱状突起３の高さＨは、柱状突起３の直径Ｄの０．２倍以上１０倍以下となっている。本実施形態では、柱状突起３の高さＨは、例えば、約２μｍとなっている。

ここで、柱状突起３の直径Ｄおよび高さＨは、基板２の出射面２ａ内で一様としてもよいし、要求される光の出射特性に応じて、出射面２ａ内の位置により異ならせてもよい。

また、柱状突起３の直径Ｄは、使用する波長の０．１倍以上５倍以下の範囲であることが好ましい。すなわち、柱状突起３の直径Ｄは、使用する波長領域のすべての波長において０．１倍以上５倍以下である７８ｎｍ以上１．９μｍ以下の範囲内であることが望ましい。

次に、この実施の形態の作用について説明する。
図１に示すように、光源１０，１１から白色光を照射して、導光板１の基板２の出射面２ａに所定の入射角で入射させる。出射面２ａに入射した白色光は、複数の柱状突起３により構成されたフォトニック構造により、所定の出射角で回折されて基板２の出射面２ａから射出される。

このとき、本実施形態の導光板１は、上述のように、柱状突起３が平面視で４回回転対称の格子状の配列とされている。そのため、導光板１を出射面２ａに垂直な軸を回転軸として９０°回転させても光の回折特性が変化しない。したがって、本実施形態によれば、導光板１を９０°回転させても光の回折特性が変化しないバックライトユニット１００を提供することができる。
また、本実施形態の導光板１は、４つの柱状突起３が正方形配置された単位格子Ｕからなる格子状の配列とされていることから、例えば八角形配置等、他の４回回転対称の単位格子の配列と比較して柱状突起３の密度を上昇させ、回折効率を向上させることができる。

ここで、図４は、柱状突起３のピッチＰを１μｍ、高さＨを２μｍとして、直径Ｄをピッチの０．１〜１．０倍まで変化させたときの直径Ｄと回折効率との関係を示すグラフである。図４に示すように、柱状突起３の直径ＤがピッチＰの約０．１倍より小さいか、または約１．０倍よりも大きい場合には、回折効率が略０％に近くなる。
したがって、上述のように、柱状突起３の直径Ｄを、ピッチＰの０．１倍以上１．０倍以下とすることで、出射面２ａに入射した光を効率よく確実に回折させることができる。
また、直径ＤをピッチＰの約０．７倍である約０．７μｍとすることで、回折効率を最大にすることができる。

また、図５は、柱状突起３のピッチＰを１μｍ、直径Ｄを０．５μｍとして、高さＨを０．３μｍ（直径Ｄの０．６倍）、０．９μｍ（直径Ｄの１．８倍）、１．５μｍ（直径Ｄの３．０倍）の三通りに変化させたときの回折光の出射角度と強度の関係を示すグラフである。ここで、図５中、実線Ａは高さＨを０．３μｍ、破線Ｂは高さＨを０．９μｍ、一点鎖線Ｃは高さＨを１．５μｍ、としたときのデータを表している。
図５に示すように、柱状突起３の高さＨを変化させると、各次数の回折光を表すピークの位置（出射角度）及び強度が変化する。

そのため、柱状突起３の直径Ｄ及び高さＨを出射面２ａ内における位置により異ならせた場合には、出射面２ａ内の位置に応じて、導光板１の回折特性を異ならせることができる。例えば、基板２の出射面２ａにおいて、比較的輝度が低くなりやすい光源１０，１１から離れた領域の柱状突起３の直径Ｄを回折効率が最大となる約０．７μｍに近い値にすることで、その領域の輝度を上昇させることができる。そして、比較的輝度が高くなりやすい光源１０，１１に近い領域の柱状突起３の直径Ｄを、回折効率が最大となる約０．７μｍから離れた値とすることで、その領域の輝度を低下させることができる。

したがって、出射面２ａ内の位置により直径Ｄを調整して、出射面２ａの輝度を光源１０，１１からの距離によらず、均一にすることができる。
また、出射面２ａ内における位置に応じて柱状突起３の高さＨを調整することで、各次数の回折光の強度を制御して出射面２ａ内の輝度を均一にしたり、出射光として用いる回折光の次数を選択して出射光の出射角を調整したりすることができる。

また、柱状突起３の断面における最大内接円の直径Ｄを使用波長の０．１倍以上５倍以下とすることにより、複数の柱状突起３及び空気層によって光を回折させて、導光板１内に導光された光を効率よく取り出すことができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、導光板１を出射面２ａに垂直な軸を中心として９０°回転させても、光の回折特性が変化しない導光板１及びバックライトユニット１００を提供することができる。
また、柱状突起３により光源１０，１１の光を効率よく利用できるため、バックライトユニット１００の高輝度化、省エネルギー化を実現することができる。
また、柱状突起３により回折特性を制御することができるため、従来、光の出射特性を制御するために用いられていた光学部材を用いる必要が無い。したがって、導光板１及びバックライトユニット１００の部品点数を削減し、コストを削減することができる。

（導光板の製造方法）
次に、本実施形態の導光板１の製造方法の一例について説明する。
まず、上述の柱状突起３の型を製造するために、シリコン等により形成された型基板（図示略）を用意し、その型基板の一面に、フォトリソグラフィー法、エッチング法等により、図１〜図３に示す柱状突起３の形状及び配置に対応した複数の凹部を形成する。
次に、型基板の凹部に紫外線硬化樹脂を充填する。紫外線硬化樹脂としては、例えば、主に波長約３６５ｎｍで硬化するものを用いる。

次に、型基板上に基板２の出射面２ａを型基板に対向させた状態で配置し、基板２の側面２ｃと型基板の凹部との位置関係が、上述の基板２の側面２ｃと柱状突起３との位置関係を満たすように、基板２と型基板とをアライメントする。
次いで、基板２を透して型基板の凹部に充填された紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して硬化させ、紫外線硬化樹脂と基板２を一体化させる。このとき、紫外線硬化樹脂と基板２との密着性を高めるために、シランカップリング剤を基板２の型基板側の表面に塗布しておいてもよい。

そして、基板２を型基板から剥離させることで、基板２の出射面２ａに紫外線硬化樹脂により形成された柱状突起３を備えた導光板１が製造される。
このとき、型基板と紫外線硬化樹脂との離型性を高めるために、フッ素系容媒を使用して型基板の凹部の内側を含む型基板の表面にフッ素系の分子膜を形成してもよい。この場合、分子膜の膜厚は溶媒分子の大きさ程度であることが望ましい。

また、本実施形態の製造方法によれば、例えば、石英等、紫外線を透過する材料により形成された一対の型基板を用い、凹部に紫外線硬化樹脂を充填させた一対の型基板により、基板２を出射面２ａ側及び裏面２ｂ側から挟みこんで紫外線を照射することで、基板２の出射面２ａ及び裏面２ｂの双方に柱状突起３を形成することも可能である。

（液晶表示装置）
次に、バックライトユニットを備えた液晶表示装置について説明する。
図６は、本実施形態の液晶表示装置５０を示す概略断面図である。この液晶表示装置５０は、素子基板５１と、素子基板５１に対向配置された対向基板５２と、素子基板５１及び対向基板５２の間に配置された液晶層５３と、素子基板５１の外側（液晶層５３の反対側）に配置されたバックライトユニット１００’とを備えている。そして、液晶表示装置５０は、素子基板５１と対向基板５２とをシール材５５で貼り合わせており、このシール材５５によって液晶層５３が素子基板５１と対向基板５２との間で封止されている。

素子基板５１は、平面視で略矩形状であってガラス基板を基体としており、このガラス基板上に種々の金属膜や絶縁膜、半導体層、不純物層などが形成されている。そして、素子基板５１には、フォトリソグラフィー技術やインクジェット法などの手法を用いてガラス基板上に形成された画素電極、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）及び蓄積コンデンサなどを含む画素部分と、画素に電気信号などを供給する配線部分とを備えている。さらに、素子基板５１の内側の面（液晶層５３側の面）には、液晶層５３を構成する液晶分子の配向を制御する配向膜が形成されている。

対向基板５２は、素子基板５１と同様に、平面視で略矩形状であってガラス基板を基体としており、このガラス基板上にブラックマトリックスやカラーフィルタ層、保護膜及び電極などが形成されている。また、対向基板５２の内側の面には、配向膜が形成されている。この配向膜は、液晶分子の配向方向が素子基板５１に形成された配向膜による配向方向と直交するように形成されている。

バックライトユニット１００’は、上述の実施形態において説明した導光板１と同様の導光板１’を備え、導光板１’の基板２’の側面２ｃ’のみに光源１０が配置され、基板２’の柱状突起３が形成された光の出射面２ａ’と反対側の裏面２ｂ’に、複数の溝部４が形成されている点で、上述のバックライトユニット１００と異なっている。その他の点は同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。

溝部４は、入射面とほぼ平行となるように形成されており、断面がほぼＶ字状となっている。また、溝部４は、入射面である裏面２ｂ’に向かって傾斜した傾斜面を有している。ここで、傾斜面の傾斜角度θは、出射面２ａ’の法線方向に対して９０°未満であることが好ましく、６０°から８５°であることがより好ましい。これにより、入射した光を柱状突起３に向けて効率よく導くことができる。

そして、溝部４は、光源１０から離間するにしたがって、その幅Ｗが小さくなっている。
ここで、溝部４の幅Ｗは、例えば５０μｍから２００μｍであることが好ましい。また、溝部４の深さＤｐは、０．５μｍから１０μｍであることが好ましく、０．５μｍから５μｍであることがより好ましい。これにより、入射した光を柱状突起３に向けて効率よく導くことができる。

反射板５７は、導光板１の裏面２ｂ’側に配置されており、導光板１’を透過した光を導光板１’に向けて反射する構成となっている。

以上のような構成の液晶表示装置５０は、導光板１’を出射面２ａ’に垂直な軸を中心として９０°回転させても、光の回折特性が変化しないバックライトユニット１００’を備えているので、液晶表示装置５０を９０°回転させても表示特性が変化することが無い。
また、光源１０の光を効率よく利用できるため、液晶表示装置５０の高輝度化、省エネルギー化を実現することができる。
また、柱状突起３により回折特性を制御することができるため、従来、光の出射特性を制御するために用いられていた光学部材を用いる必要が無い。したがって、液晶表示装置５０の部品点数を削減することができる。

尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、柱状突起の配列は、４回回転対称であれば上述の正方形配置に限定されず、上述の単位格子を、八角形配置等の多角形配置にしてもよい。
また、隣接する２つの柱状突起は、一部が互いに重なっていてもよい。

また、上述のように、柱状突起を基板の一面のみに形成する場合には、その反対側の面は、鏡面であってもよく、ドット・パタン、溝、切削傷等を形成してもよい。これにより、光を反射、散乱させることができる。

また、柱状突起は、紫外線硬化樹脂ではなく熱硬化樹脂により形成してもよい。また、型基板の形成方法は、上述のフォトリソグラフィー法、エッチング法による加工に限定されない。また、基板の出射面の柱状突起の非形成面は、平面であってもよく、球面あるいは凹凸があってもよく、湾曲していてもよい。

また、導光板を構成する樹脂材料としては、上述の実施形態で説明したポリカーボネート（ＰＣ）以外にも、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）などのポリオレフィン、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド（例えばナイロン６、ナイロン４６、ナイロン６６、ナイロン６１０、ナイロン６１２、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６−１２、ナイロン６−６６）、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリ−（４−メチルペンテン−１）、アイオノマー、アクリル系樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリオキシメチレン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エチレン−ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリシクロヘキサンテレフタレート（ＰＣＴ）などのポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンオキシド、変性ポリフェニレンオキシド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、芳香族ポリエステル（液晶ポリマー）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、その他フッ素系樹脂、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系などの各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂など、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイなどが挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば、ブレンド樹脂、ポリマーアロイ、積層体などとして）用いることができる。
なお、導光板は、使用する波長領域において透光性を示せば、樹脂材料に限らず、他の材料で構成されてもよい。例えば、石英等、フォトリソグラフィー法、エッチング法により加工できるものを用いることができる。また、紫外線硬化樹脂を硬化可能な程度に紫外線を透過させる材料を用いることが好ましい。

また、光学素子の透過率は、使用する光の波長領域において、８５％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。これにより、導光板に入射した光の取出効率の向上を図る。

また、光学素子の屈折率は、１．４以上１．７以下であることが好ましい。これにより、導光板に入射した光の利用効率をさらに向上させることができると共に、出射する光に高い指向性を持たせることができる。また、導光板の周辺環境の気温や湿度などによりフォトニック結晶としての機能が十分に発揮されないことを防止できる。

本発明の実施の形態におけるバックライトユニットの概略断面図である。 本発明の実施の形態における導光板の拡大平面図である。 本発明の実施の形態における導光板の拡大断面図である。 本発明の実施の形態における柱状突起の直径と回折効率との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態における柱状突起の高さと回折光の出射角度及び強度との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態における液晶表示装置の概略断面図である。 従来の柱状突起の配列を示す平面図である。

符号の説明

１，１’ 導光板（光学素子）、２，２’ 基板、２ａ，２ａ’ 出射面（一面）、２ｂ，２ｂ’ 裏面、２ｃ，２ｃ’ 側面、３ 柱状突起、１０，１１ 光源、１００，１００’ バックライトユニット（光源ユニット）、Ｄ 直径、Ｈ 高さ、Ｐ ピッチ（中心間隔）、Ｕ 単位格子

Claims (7)

1. 基板と、該基板の一面に設けられた複数の柱状突起とを有し、内部に光を導通させる光学素子であって、
   前記柱状突起が平面視で４回回転対称の配列とされていることを特徴とする光学素子。
2. 前記柱状突起は、４つの前記柱状突起が正方形配置された単位格子からなる格子状の配列とされていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
3. 前記柱状突起は、突出方向に対して垂直な面での断面における最大内接円の直径が、隣接する他の前記柱状突起との中心間隔の０．１倍以上１．０倍以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学素子。
4. 前記柱状突起の前記直径を前記基板の一面内の位置により異ならせたことを特徴とする請求項３記載の光学素子。
5. 前記柱状突起は、前記突出方向の高さが前記直径の０．２倍以上１０倍以下であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の光学素子。
6. 前記柱状突起の前記高さを前記基板の一面内の位置により異ならせたことを特徴とする請求項５記載の光学素子。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光学素子と光源とを備えたことを特徴とする光源ユニット。

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