专利名称：全息照相光学元件及使用它的面光源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及从倾斜方向入射的白色光向垂直方向折弯并射出的全息照相光学元件及使用该光学元件的面光源装置，特别能通过将其应用于液晶显示器的背面照明而能提高朝观察者的正向的辉度。
背景技术：
液晶显示器除了用于电脑的显示部或家电制品的控制面板的显示部以外，还被用于移动电话的显示部，从而要求进一步低电耗及轻量化、薄型化。
由于液晶显示器不是自发光显示器，所以需要利用外部光源或周围的外光。作为外部光源，代表实例是将面光源设置于液晶显示器的背面的背面照明方式。在背面照明方式的场合，必需使来自面光源的出射光向观察者的正向出射。
该背面照明方式的代表结构如图1所示。但是，全息照相光栅10以往是棱镜片。从导光板12倾斜出射的光被棱镜片向垂直方向折弯，并被漫射体32减少色散地漫射，照射在显示图像的液晶面板30。通过将导光板的形状或设在导光板与液晶之间的棱镜片的形状最适当化，进行提高正面的辉度的设计。
图2是表示向衍射光栅的入射角θi和出射角θo的图，但在此以置换为棱镜片进行说明。从导光板出射的光的出射角依赖于导光板的设计，但入射角θi大多为20°～70°左右。此时，棱镜片的作用是将该光高效地向θo为0°的方向、即垂直方向折弯。为此，减小作为空气层与棱镜片的界面反射的菲涅尔反射，且必须尽可能使更多的光沿0°方向行进。并且，通过具备在出射光具有角度分布时即使入射角θi多少变动也不减少向垂直方向的辉度的折弯光(光曲げ)特性，比折弯光角一定时更能提高向正向的辉度。并且，由于光源是白色光，所以需要减小倾斜角度的波长依赖性，并必需尽量抑制分光。分光使液晶颜色显示的色再现性恶化等，降低显示质量。
传统的棱镜片利用折射、全反射能几何光学地折弯出射光。对此，利用根据波动光学的衍射·干涉现象的光学部件(全息照相光学元件)与利用几何光学的效果的元件相比，具有能以一个元件实现薄型化的优点、聚光、漫射等的多个功能的优点。但是，伴随着分光(分光)或高次衍射，不仅用于折弯白色光的用途，当然也用于将白色光漫射扩展视野角度的用途(参照特开平7-114015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)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1-2页、第2-5图)、特开2000-39515号公报(第1-2页、第1-2图))，或用于将白色光分光的用途(参照特开平9-113730号公报(第1-5页、代表图)及特开平10-301110号公报(第1-2页、第68图)。此外，也被用于利用漫射白色光的效果，遮盖点阵的显示缺陷中(参照特开平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)及特开平7-49490号公报(第1-2页、代表图))。关于全息照相光学元件的设计方法，记载于例如ビクト一ル·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)(美国)，テイラ一 アンドフランシス(Taylor&Francis)，1997年，p.1.10。
就如上述几何光学地折弯出射光的方法而言，由于凹凸的高度大而加厚了片的膜厚，从而难于寄予薄型化。此外，由于传统的棱镜片的各个棱镜都具有折弯光功能，所以若有棱镜缺陷或异物，则通过该棱镜的光会成为异常光线、引起辉点等的显示异常。由于显示装置对缺陷或异物非常敏感而引起显示异常，所以降低了商品的质量。因此，必须在使用或制造时非常注意不能有棱镜缺陷或异物。
另一方面，全息照相光学元件具有如下问题1)产生入射光向垂直衍射的衍射次数以外的衍射光；2)降低了该衍射次数的衍射效率；3)波长分散大。例如，若周期小，则或没有向垂直衍射的次数，或波长分散增大。若深度不适当，则降低了该衍射次数的衍射效率。
本发明的目的是通过不使用传统的利用折射的棱镜片、而使用利用根据光的波动性质的衍射·干涉现象的全息照相光学元件，提供一种同时实现折弯光薄膜的高透射率和薄型化的全息照相光学元件及利用该全息照相光学元件的面光源装置。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供一种将从面光源出射的白色光向垂直方向折弯，色分散、偏振波分散小，衍射效率高的全息照相光学元件及利用它的面光源装置。
本发明的全息照相光学元件，倾斜角度的波长依赖性小，抑制从倾斜方向入射的白色光的分光，并且向垂直方向折弯出射。
上述全息照相光学元件是透射型衍射光栅最好是，在使接近0.46≤λ1≤0.50μm、0.53≤λ2≤0.57μm、0.60≤λ3≤0.64μm范围内的λ1、λ2、λ3的3波长的平行光而被充分准直的光以角度θi入射时，各波长的衍射效率成为最大的衍射角度在-5度到+5度的范围内。此时，最好是λ1＝0.48μm、λ2＝0.55μm、λ3＝0.62μm。
上述全息照相光学元件最好是，在当使接近0.46≤λ1≤0.50μm、0.53≤λ2≤0.57μm、0.60≤λ3≤0.64μm范围内的λ1、λ2、λ3的3波长的平行光而被充分准直的光以角度θi入射时，各波长的衍射效率成为最大的衍射次数为(m+m0)、m、(m-m0)(其中m0＝1，2，…)的透射型衍射光栅中，m在满足公式(1)及公式(2)的范围内，平均周期d满足公式(3)。此时，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)(此时，δ在0≤δ≤5(度)的范围内)d＝m×λ2/sinθi…(3)
上述全息照相光学元件最好是，光栅的截面为锯齿形状，夹持齿前端的两边的长度有10％或以上的不同，夹角为60°或以下。
上述全息照相光学元件最好是，光栅截面形状具有近似于N级(N＝4，5，6，7，8，…)台阶状的光栅截面形状。
上述全息照相光学元件最好是，是透射型衍射光栅，衍射光栅由折射率为n的材料形成，光栅槽的平均深度h为h＝α×d/(n-1)(其中，0.4≤α≤1.0，d为衍射光栅的平均周期)。
上述全息照相光学元件最好是，是透射型衍射光栅，光栅槽形成圆弧状。
上述全息照相光学元件最好是，是用于将入射角θi为60°±15°的可视区域的白色光向垂直方向折弯所使用的透射型衍射光栅，当m1、m2＝1，2，3，…时，平均周期d为m1×(6.0±2.0)μm、平均深度h为m2×(5.0±1.0)μm的锯齿形状，或者该锯齿形状具有以N级(N＝4，5，6，7，8，…)近似的表面形状。
上述全息照相光学元件最好是薄膜或板状。
上述全息照相光学元件最好是，邻接全息照相光学元件配置具有偏振光分离、色分离或防止反射功能的膜，或者，配置在全息照相光学元件表里面。
上述全息照相光学元件最好是，通过具有周期为0.6μm或以下、深度为0.5μm或以下的浮雕形状的光栅而给予偏振光分离、色分离或防止反射功能。
本发明的面光源装置是好是，将上述全息照相光学元件配置在面光源的光出射面上。
上述面光源装置最好是，在没有配置全息照相光学元件时，相对于面光源的光出射面的法线方向光在20°到70°的角度范围内出射，在配置全息照相光学元件时，相对于面光源的光出射面的法线方向来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°的角度范围内出射。
上述面光源装置最好是除了全息照相光学元件以外还使用漫射体。
上述面光源装置最好是，漫射体是将入射光限定在空间内的特定角度范围内漫射的全息照相漫射体。
上述面光源装置最好是，全息照相漫射体在导光板的光出射面上一体成型。
上述面光源装置最好是在全息照相光学元件的光出射面上配置防止反射膜。
上述面光源装置最好同时配置以偏振光或波长选择为目的的薄膜。
上述面光源装置最好是，与导光板一侧端面邻接配置光源的面光源，导光板的里面形成与在板中传播的光的方向大致垂直的多个槽。
上述面光源装置最好是，通过向全息照相光学元件的光入射角度在布留斯特角附近，对于来自全息照相光学元件的出射光加强特定方向的偏振光。
图1是表示液晶显示器的结构的图。
图2是说明全息照相光学元件(衍射光栅)的入射角θi和出射角θo的图。
图3是表示衍射光的衍射次数与衍射角度的关系的图。
图4是表示偏离全息照相光学元件(衍射光栅)锯齿形状的图。
图5是说明全息照相光学元件(衍射光栅)锯齿形状的图。
图6是具有扇形槽的全息照相光学元件(衍射光栅)的图。
图7是说明全息照相光学元件(衍射光栅)将从面光源倾斜出射的光向垂直方向折弯的图。
图8是表示液晶显示器的结构的图。
图9是表示透射全息照相漫射体的、漫射特性的规定方法及测定方法的说明图。
图10是表示液晶显示器的结构的图。
图11是导光板的截面图。
图12是概要表示全息照相光学元件(衍射光栅)的制造装置的截面图。
图13是表示全息照相光学元件(衍射光栅)的衍射角与衍射效率的关系的曲线图。
图14是表示全息照相光学元件(衍射光栅)的衍射角与衍射效率关系的曲线图。
图15是表示全息照相光学元件(衍射光栅)的第1具体实例的图。
图16是表示全息照相光学元件(衍射光栅)的第2具体实例的图。
具体实施例方式
以下，参照
本发明的全息照相光学元件及使用该全息照相光学元件的面光源装置的实施方式。并且，本发明的方式不限于此。
第1实施例的全息照相光学元件是折弯角度的波长依赖性小且抑制从倾斜方向入射的白色光的分光并向垂直方向折弯出射的元件。
全息照相光学元件由于通过透射多个凹凸形状的衍射光的多次干涉来控制出射光，所以即使一个凹凸形状存在缺陷或有异物，对出射光的影响也较小。即具有冗余性优越的特征。因此，使用或加工比传统的棱镜片方便。此外，使用全息照相光学元件，不仅能进行折弯，还能附加聚光功能等的其他的光控制功能。关于该全息照相光学元件的设计方法在例如上述ビクト一ル·ソイフア一等的文献有所记载。
作为全息照相光学元件，若以衍射光栅为例，则一般将光栅截面形状形成锯齿状有利于提高衍射效率。若再将形状最适当化，则能抑制分光或漫射地折弯白色光。当单色光通过通常的全息照相光学元件时，则产生所谓1次光、2次光的多次衍射，会有由于光以各个衍射角传播从而光的折弯效率降低的问题。此外，若以衍射折弯白色光，则一般因波长不同而衍射角不同从而产生色分散的问题。但是，通过恰当地设计全息照相光学元件，能抑制分散或光折弯效率的降低。在此，全息照相光学元件是利用根据波动光学的衍射·干涉现象的光学部件全体。另外，所谓白色光是意味着包含蓝绿红3原色的光，所谓向垂直方向折弯意味着使从倾斜入射到具有衍射·干涉效果的光学部件的面的光将其朝向变成面的法线方向地出射。
作为第1实施例的全息照相光学元件只要是如CGH(计算机生成全息图像(Computer Generated Hologram))一样包含多个像素的元件即可。全息照相光学元件的形式可以是表面浮雕型也可以是体积相位型，可以是薄膜的单面也可以是两面，此外，也可以重叠。并且，可以是透射型也可以是反射型。也可以与根据几何光学的原理的棱镜组合。
第2实施例的全息照相光学元件是如下的光学元件，即在作为透射型衍射光栅的第1实施例的全息照相光学元件的基础上，使接近0.46≤λ1≤0.50μm(蓝色光)、0.53≤λ2≤0.57μm(绿色光)、0.60≤λ3≤0.64μm(红色光)范围内的λ1、λ2、λ3的3波长的平行光而被充分准直的光、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的衍射角度包含在-5度到+5度的范围的光学元件。这种全息照相光学元件是具体地规定透射型衍射光栅的波长所引起的衍射角度不同的允许范围的元件。当使接近对应于蓝色、绿色、红色3原色的λ1＝0.48μm、λ2＝0.55μm、λ3＝0.62μm的3波长的平行光而被充分准直的光以角度θi入射时，若各波长的衍射效率成为最大的衍射角度能包含在-5度到+5度的范围，则对包含该3波长以外的波长成分的白色光也能抑制分光地向垂直方向折弯。
第3实施例的全息照相光学元件是如下的光学元件，即在作为透射型衍射光栅的第1或第2实施例全息照相光学元件的基础上，使接近0.46≤λ1≤0.50μm(蓝色光)、0.53≤λ2≤0.57μm(绿色光)、0.60≤λ3≤0.64μm(红色光)范围内的λ1、λ2、λ3的3波长的平行光而的被充分准直的光、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的衍射次数为(m+m0)、m、(m-m0)(其中，m0＝1，2，…)，m在满足公式(1)及公式(2)的范围内，平均周期d满足公式(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)的范围)d＝m×λ2/sinθi…(3)用这些公式能表示抑制分光地向垂直方向折弯白色光的第3实施例全息照相光学元件的更具体的形态。可以认为是当使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的衍射次数为(m+m0)、m、(m-m0)(此时，m0＝1，2，…)的平均周期d的透射型衍射光栅。此时，若λ2＝0.55μm的m次的衍射角为θ2，则公式(4)成立。
d×(sinθ1十sinθ2)＝m×λ2……(4)因此，为了将λ2波长的光向垂直方向、即θ2＝0折弯时，必须有下式d＝m×λ2/sinθi…(5)此时，若λ1的(m+m0)次的衍射角为θ1，λ3的(m-m0)次的衍射角为θ3，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)为了抑制分光，将δ作为0≤δ≤5(deg)范围的常数，必须有下式-δ≤θ1、θ3≤δ…(8)。
根据公式(6)、(7)、(8)，作为m应满足的公式，导出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)。
若满足公式(5)、(9)、(10)，则波长λ1、λ2、λ3的光能在±δ度以内被衍射。例如设θi＝65度、m0＝1、δ＝1度，试求适当的透射型衍射光栅。此时，根据公式(9)、(10)，有下式成立7.69≤m≤8.08……(11)作为满足上式的整数，则只有m＝8。因此，平均周期d根据公式(5)约为4.85μm即可。对于光栅的截面形状，若是使相对于λ1＝0.48μm为9次的衍射效率成为最大、相对于λ2＝0.55μm为8次的衍射效率成为最大、相对于λ3＝0.62μm为7次的衍射效率成为最大地适当选择即可。
在图3上表示了衍射次数与衍射角度的关系。在来自全息照相光学元件的出射光中沿与入射光同向传播的光为0次光。以此向接近出射面的法线方向出射的光是正次数的衍射光，相反侧为负次数的衍射光。
第4实施例的全息照相光学元件是在第1～第3实施例的任一全息照相光学元件的基础上，光栅截面为锯齿形状，夹持齿前端的两边的长度有10％或以上的不同，夹角为60°或以下的形状的全息照相光学元件。
第5实施例的全息照相光学元件是在第4实施例全息照相光学元件的基础上，光栅截面形状具有近似于N级(N＝4，5，6，7，8，…)的台阶状的光栅截面形状的全息照相光学元件。
第4或第5实施例的全息照相光学元件对于用于将白色光向垂直方向折弯的透射型衍射光栅(全息照相光学元件)的光栅截面形状来说，具有理想的形状。前端尖的锯齿形状、或者将其做成近似于N级的台阶状的形状，可以高效地向垂直方向折弯。
还有光栅截面形状也可以如图4所示地偏离理想的锯齿形状。此时，从直线的偏离量(图4的28)的最大值最好在0.2μm或以下。根据条件，通过从锯齿形状稍微偏离，有时衍射效率会成为最大。最适当的光栅形状因入射角度、波长、周期、深度、折射率而异。用求出周期的衍射光栅的衍射效率的严密解的方法，若以尝试法改变光栅形状并计算数值，则能获得一个最适当的形状。
第6实施例的全息照相光学元件是如下的全息光学元件，即在作为透射型光栅的第4或第5实施例的全息照相光学元件的基础上，由折射率n的材料构成衍射光栅，光栅槽的平均深度h为h＝α×d/(n-1)(其中，0.4≤α≤1.0，d是衍射光栅的平均周期)的全息光学元件。
用上述关系式表示第6实施例全息照相光学元件的、用于将白色光向垂直方向折弯的透射型衍射光栅(全息照相光学元件)的光栅槽的深度的理想范围。
衍射光栅的深度和周期及锯齿位置偏离的关系如图5所示。衍射光栅的光栅槽的平均深度h过深过浅都会降低光沿垂直方向到达的效率。如此，在衍射光栅的折射率为n时光栅槽的平均深度h为α×d/(n-1)(其中，0.4＜α＜1.0)的条件时，效率较高。此时，最适当的深度h依赖于周期d与锯齿的尖的位置偏离u。例如周期为5μm、u/d为20％时，5.5μm是一个最适当的深度。在此使用的深槽在批量生产大面积的衍射光栅时能从铸模转印。用热或UV光硬化被转印的树脂。作为制造具有本发明中所使用的深槽的铸模方法列举有在基板上涂敷电致用抗蚀剂，在描绘了电子束以后用RIE蚀刻的方法或用X射线放射光曝光·显影的方法；将灰色标度掩模的图形曝光·显影的方法；或利用刀具以机械加工法制作的方法。转印的材质根据使用条件最好是透光性优良的丙烯系的光硬化树脂。
第7实施例的全息照相光学元件是在作为透射型衍射光栅的第1～第6实施例中的任一全息照相光学元件的基础上将光栅槽形成圆弧状的全息照相光学元件。
该全息照相光学元件具有适合于在导光板的角部设置LED的方式的背光照明的衍射光栅的光栅槽配置。通过将光栅槽做成圆弧状，可以将从角部的LED传播的光高效地向垂直方向折弯，能提高正向的辉度。最好是如图6所示光栅截面为锯齿形状，将光栅槽形成为以某一点为中心的同心圆状。圆弧状的光栅槽不必一定是连续的槽。
第8实施例的全息照相光学元件具有以下表面形状的全息照相光学元件，即在用于将入射角θi为60°±15°的可视区域的白色光向垂直方向折弯的透射型衍射光栅的第1～第7实施例中的任一全息照相光学元件的基础上，当m1、m2＝1，2，3，…时，平均周期d为m1×(6.0±2.0)μm、平均深度h为m2×(5.0±1.0)μm的锯齿形状，或者该锯齿形状以N级(N＝4，5，6，7，8，…)近似的表面形状。
利用上述关系式表示在第8实施例全息照相光学元件的、特别是当入射角θi为60°±15°的范围时适合的透射型衍射光栅的周期、光栅槽深度、截面形状。
就第1～第8实施例的中任一全息照相光学元件而言，透射型衍射光栅的槽的朝向相对于入射光即可以垂直也可以平行。此外，无论纵切横切均可。
向衍射光栅的入射角与出射角的关系如图2所示。与液晶显示所使用的导光板一样从面状发光的面光源出射包含红绿蓝3原色的白色光。此时，考虑面光源装置的设计的方便，大多是衍射光栅入射面的法线方向和入射光所成的角度、即入射角θi为20～70度的范围的情况。此时，通过衍射光栅的白色光若沿±10°范围内的垂直方向即从观察者所见的正向有60％或以上的光聚集的话则为向垂直方向被倾斜。此外，当差在10°或以下时衍射角的波长依赖性小。除了上述波长分散也必须考虑偏振波分散。对于最接近垂直的次数的衍射效率，若将衍射效率大的偏振波设为A、小的偏振波设为B，则在(A-B)/A为20％或以下时，可以认为偏振波依赖性小。当偏振波依赖性为5％或以上时，在液晶显示装置中最好使用衍射效率高的偏振波。衍射光栅不仅仅具有折弯光的功能，也可以附加聚光或漫射的功能，此外，衍射光栅的制作面不仅仅是平面，为了附加光学功能也可以在曲面上制作。并且，衍射光栅也可以与棱镜片一起使用。例如，在考虑xyz空间时，也可以考虑用衍射光栅将光向x方向折弯，用棱镜片向y方向折弯。
第9实施例的全息照相光学元件是在第1～第8中的任一全息照相光学元件的基础上，其全息照相光学元件是薄膜或板状的元件。
如此，全息照相光学元件的形状是薄膜或板状，不比立方体或球体积大即可。
第10实施例的全息照相光学元件是在第1～第9中的任一全息照相光学元件的基础上，具有偏振光分离、色分离或防止反射功能的膜与全息照相光学元件邻接配置，或者在全息照相光学元件的表里面。
第11实施例的全息照相光学元件是在第10实施例的全息照相光学元件的基础上，通过具有周期为0.6μm或以下且深度为0.5μm或以下的浮雕形状的光栅而附加偏振光分离、色分离、防止反射功能。
如此，通过将用于把从面光源出射的白色光向垂直方向折弯的全息照相光学元件与偏振光分离、色分离、防止反射的功能组合，可以提高光的利用效率。
用制作细微的周期构造的方法可以实现偏振光分离、色分离、防止反射功能。
第12实施例是以将第1～第11实施例中的任一全息照相光学元件配置于面光源的光出射面上为特征的面光源装置。
本实施例的全息照相光学元件如图7所示将从面光源倾斜出射的光向垂直方向折弯。如第12实施例所示，通过使用全息照相光学元件可以高效地将从面光源出射的白色光折弯，可以获得正向的辉度高、因分光产生着色(色づき)小的面光源装置。
第13实施例是在第12实施例的面光源装置的基础上，在没有配置全息照相光学元件的场合下，相对于面光源的光出射面的法线方向，在20°～70°的角度范围内出射光，在设置了全息照相光学元件的场合下，相对于面光源的光出射面的法线方向，在-10°～+10°的角度范围内出射来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学元件的光栅截面形状为锯齿形状的透射型衍射光栅的场合下，来自面光源的出射光成为与沿如图5的18所示锯齿的齿向的长的一方的边的方向大致平行，再向衍射光栅入射，这样衍射效率较高。
此外一般地若光从膜的斜向入射·出射，则会增大菲涅尔损失。因此将具有锯齿形状的光栅面朝向面光源侧，比反向设置的场合可以降低菲涅尔损失。此外，若是板状的衍射光栅，则出射光与面垂直地射出，由此，也降低了菲涅尔损失。
如第13实施例所示，由于在-10°～+10°的角度范围射出60％以上、最好是70％以上来自面光源的光，所以能实现提高液晶显示装置的正面方向辉度并且分光少、可高品位的显示的背光照明用的面光源装置。
第14实施例是在第12或第13实施例的面光源装置的基础上附加全息照相光学元件并还使用漫射体。
由于即使有稍微的色分散，人的眼睛也能识别，所以也可以如此地加入漫射体。作为漫射体与全息照相光学元件的组合，可以使用本发明者们的特愿2002-23797号公报的方法。全息照相光学元件与漫射体的配置·组合可以是一片薄膜的两面，也可以用两片衍射光栅和一片漫射体。可以如图1所示按导光板12、全息照相光学元件10、漫射体32的顺序配置，也可以如图8按导光板12、漫射体32、全息照相光学元件10的顺序配置。此外，也可以是导光板、漫射体、全息照相光学元件、漫射体的结构。漫射体的漫射可以利用表面的凹凸，也可以利用薄膜内部的折射率分布。
第15实施例是在第14实施例的面光源装置的基础上，全息照相漫射体将入射光限定于空间内的特定角度范围内进行漫射。
如此，作为漫射体，理想的是能规定漫射角度并且漫射效率高的漫射体。光在向z方向传播时，将与衍射光栅槽平行的朝向作为x。如图9所示用单位矢量(Sx、Sy、Sz)定义因漫射体产生的光散射方向。此外，Sx、Sy、Sz的最大值分别用sin(θ1)、sin(θ2)定义。由于此时色分散在y方向产生，所以尽可能减小θ1的范围，并为了消除色分散能将θ2的范围设定成最低限度必要的角度。作为这种全息照相漫射体的制造方法，可以采用特开2002-71959号公报的实施例所述的方法。全息照相漫射体可以是表面浮雕型也可以是体积相位型。此外，全息照相漫射体的漫射特性即使因位置而异也无关紧要。
第16实施例是在第15实施例的面光源装置的基础上将全息照相漫射体一体成型于导光板的光出射面上。
在按导光板、全息照相漫射体、全息照相光学元件的顺序配置时，通过这样将全息照相漫射体一体成型于导光板的光出射面上，可以降低菲涅尔损失。
第17实施例是在第12～第16中的任一实施例的面光源装置基础上将防止反射膜配置在全息照相光学元件的光出射面上。
从面光源射出的光被具有浮雕形状的薄膜折弯，从薄膜的相反一侧垂直出射，但此时在通过空气与薄膜的界面之际约4％进行菲涅尔反射。为了防止该反射，只要如此具备防止反射膜(无反射膜)即可。防止反射功能可以通过用电介体多层膜覆盖来实现。利用电介体多层膜制作反射防止膜的方法记载于例如藤原史郎编、池田英生·石黑浩三·横田英嗣著「光学薄膜第2版」共立出版、1984年，p.98-109。此外，也可以通过设置周期小的光栅来实现该功能。最好是该周期为0.28μm±0.08μm、深度为0.22μm±0.1μm。此外，为了减少薄膜与空气的界面而使菲涅尔损失为最小，最好是折弯光的浮雕形状和周期小的光栅在同一薄膜的表里面。并且，该薄膜也可以多层重叠。此外，在导光板的出射光的出射的表面上，最好有漫射体或防止反射膜。
第18实施例是在第12～第17中的任一实施例的面光源装置的基础上，同时配置以偏振光或波长选择为目的的薄膜。
利用如此地设置以偏振光或波长选择为目的的薄膜，可以提高光的利用效率。例如，从导光板的面光源出射的光以入射角60°左右入射薄膜时，若存在周期0.6μm或以下、深度0.5μm或以下的浮雕形状，则可以80％或以上的效率只反射具有特定波长及偏振光的光，并且剩余的光以80％或以上的效率透射。此时，以波长或入射角度选择最恰当的浮雕形状。此时若再利用被反射的光，可以提高光的利用效率。例如，将周期0.6μm或以下、深度0.5μm或以下的浮雕形状与彩色滤光片的红绿蓝的基体(マトリクス)一致来设计周期、深度，并与向垂直方向折弯光的薄膜组合，同时，将基体的位置对正，由此利用偏振薄膜或彩色滤光片可以获得提高损失光的利用效率的液晶显示装置。原因是偏振光薄膜损失两个偏振光中的一个、即损失光量的50％，彩色滤光片损失3原色中的2个、即损失光量的67％，只透射某偏振光的某色，若可以再利用折返光，则可以大幅度增大光的利用效率。此外，为了减少在空气与薄膜临界面的菲涅尔反射，最好是折弯光的浮雕形状和亚微型周期小的光栅在同一薄膜的表里面。并且，亚微型周期小的光栅的层也可以多层重叠。此外，在成为面光源的发光层的导光板的出射光的射出表面上，最好有漫射体或防止反射膜。
第19实施例是在第12～第18中的任一实施例的面光源装置的基础上，与导光板的一侧端面接触配置光源的面光源，导光板的里面形成与传播于板中的光的朝向大致垂直的多个槽。
在图10中，从左端面入射的光被导光板的里面50反射，然后，被导光板表面的漫射体46漫射，再被衍射光栅等的全息照相光学元件(光折弯薄膜)折弯，向垂直方向出射。在这种的配置中，通过适当地调整从导光板的里面的反射角度与在导光板表面的漫射角度及全息照相光学元件(光折弯薄膜)的折弯角度，可以提高垂直方向的辉度。
第20实施例是在第12～第19中的任一实施例的面光源装置的基础上，向全息照相光学元件的光入射角度成为在布儒斯特角附近，对来自全息照相光学元件的出射光加强特定方向的偏振光。
若n1、n0分别是薄膜和空气的折射率，则向薄膜入射时的布儒斯特角θB由公式(12)定义。
tan(θB)＝n1/n0 … (12)由于光若以布儒斯特角入射，则电场矢量的振动方向垂直于入射面的成分完全地透射，所以若选择这些偏振光(P偏振光)，则能使界面的透射率达到100％。此外，全息照相光学元件也有偏振波依赖性。大体上，就相对于平面透射率高的偏振光和用全息照相光学元件透射率高的偏振光而言，朝向一致。因此，这样通过使向全息照相光学元件的光入射角度在布儒斯特角附近，从而能加强从面光源装置的出射光的P偏振光强度。这时通过与使用P偏振光的液晶面板组合，可以进一步提高正面方向的辉度。
实施例图10表示使用本实施例的导光板48的背面照明构造，该背光照明构造用于移动电话等的小型液晶显示装置。背面照明从图的下方开始由反射板56、导光板48、全息照相漫射体46、全息照相光学元件(光折弯用衍射光栅)10构成，导光板48和全息照相漫射体46被一体成型。在导光板48的入光端面52侧设有LED光源54。利用该结构，使从LED光源54发出的光从导光板48的入光端面52入射，当在形成于导光板里面50的反射槽纹上全反射多次以后，从形成于出射面上的全息照相漫射体46出射。利用全息照相光学元件10使光向垂直方向曲折，对未图示的液晶面传递辉度分布大致均匀的光通量。
用聚碳酸脂通过注射成型法制造导光板48。厚度0.8mm、里面的反射槽纹是图1所示的构造，为了防止与液晶面板的像素的干扰，周期在120～150μm的范围内随机选择。此外形成于出射面上的全息照相漫射体46具有沿平行于入光端面52的方向60度(光强度为一半的漫射角度为60度)、沿垂直于入光端面52的垂直方向1度的漫射特性。
作为用于形成全息照相光学元件10的光硬化型树脂，使用丙烯树脂系的紫外线硬化树脂，例如聚氨酯丙烯酸酯或环氧基丙烯酸酯。全息照相光学元件的衍射光栅的形状在图5中为h＝6.2μm、d＝5μm、u＝1μm。
以下，说明全息照相光学元件10的制造装置88及制造方法。如图12所示，在全息照相光学元件10的制造装置88中，面对模具辊82配置供给光硬化型树脂70的供给头68，在模具辊82的旋转方向下游，按顺序设有计量辊78、夹持辊80、紫外线照射装置86、起模辊84。
在模具辊82上，在其圆周面上形成衍射光栅槽，在光硬化型树脂70的表面上转印衍射光栅槽。就衍射光栅槽的形成而言，先制作金刚石刀具，通过金刚石刀具和精密加工机械在模具辊82的表面上实施槽加工。用黄铜的材质制作该模具辊82，在用金刚石刀具加工槽以后，迅速进行无铬电解电镀，进行表面氧化、光亮、机械强度保护。作为光硬化型树脂70在本实施例中使用的是商品名为圣拉多(サンラット)R201(三洋化成工业株式会社制商品名)。
在制造时，从树脂罐64通过压力控制装置66、供给头68将光硬化型树脂70供给到模具辊82。在供给时，光硬化型树脂70的供给压力由压力传感器检测，同时由压力控制装置66控制，调整在模具辊82上涂敷的压力。对于在模具辊82上涂敷的光硬化型树脂70，利用计量辊78将膜厚调节成一定。在计量辊78上设有刮刀72，刮取粘着在计量辊78上的树脂，使涂敷于模具辊82上的树脂稳定化。
在计量辊78下游的夹持辊80与模具辊82之间，供给透明带基薄膜(透光薄膜)74，并用夹持辊80和模具辊82夹持透明带薄膜74，使透明带基薄膜74紧密结合在光硬化型树脂70上。当透明带基薄膜74以紧密结合在光硬化型树脂70上的状态到达紫外线照射装置86时，光硬化型树脂70被从紫外线照射装置86发出的紫外线硬化，同时粘着在透明带基薄膜74上，成为一体的薄膜以后，利用起模辊84从模具辊82剥离一体的薄膜片76。由此，能连续地获得长的薄膜片76。
将如此制造的薄膜片76裁断成规定的尺寸，获得全息照相光学元件10。此外，也可以用注射成型或热压加工方法制作全息照相光学元件(衍射光栅)。
此外，作为本实施例的透明带基薄膜74，使用了聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，但不局限于此，也可以使用聚碳酸酯或丙烯树脂、热塑性聚氨酯等。此外，作为光硬化型树脂70也可以选定丙烯变性环氧或丙烯变性聚氨酯等其他材料。紫外线照射装置86的光源使用金属卤化物灯(最大8Kw)、薄膜片76的输送速度为3m/分进行制作。输送速度因光硬化型树脂70的硬化特性、透明带基薄膜74的光吸收特性而变化，但通过使用更高W(瓦数)的金属卤化物灯，可以加快输送速度。
如此制作的面光源装置具有足够的正向辉度，也看不见因干扰引起的不均或因分光引起的着色，作为液晶显示装置用的背光照明器显示出优越的特性。该全息照相光学元件(衍射光栅)的光学特性如图13及图14所示。图13是将波长488nm的激光的入射角度设定为50°、60°、70°、将偏振角设定为0°(P偏振光)和90°(S偏振光)，进行总计6种实验的结果。凡例的“50-0”意味着入射角为50°、偏振角为0°。另一方面，图14是波长为633nm进行同样的实验的结果。同样，在60°入射时，向垂直方向的0°折曲并出射。另一方面，在70°入射时，分布原样不偏移10°地偏向大致垂直方向。即，光向更正向折曲。利用该效果，能提高正向的辉度。
图15是表示作为透射型衍射光栅的全息照相光学元件的第1具体实例的截面图。
该第1具体实例是与上述第2、第4及第8实施例的全息照相光学元件相当的全息照相元件。该全息照相光学元件10由折射率为1.48的光硬化丙烯树脂构成，具有周期d＝5μm的锯齿状的光栅。当以图的方向对该全息照相光学元件给予入射角为67度的入射光(接近平行光而被充分准直的光)时，能得到下表1所示的结果。
表1
图16是表示作为透射型衍射光栅的全息照相光学元件的第2具体实例的截面图。该第2具体实例是与上述第2及第8实施例的全息照相光学元件相当的全息照相光学元件。该全息照相光学元件10由折射率为1.48的光硬化丙烯树脂构成，具有周期d＝5μm的锯齿状的光栅。当以图的方向对该全息照相光学元件给予入射角为67度的入射光(接近似平行光而被充分直的光)时，得到下表2所示的结果。
表2
在该第2具体实例中，0.48μm的9次和10次，衍射效率几乎相等，0.62μm的7次和8次，其衍射效率也几乎相等。
将作为这些透射型衍射光栅的全息照相光学元件的第1及第2具体实例与上述实施例的导光板组合而成的背光照明能获得充分的正向辉度，且看不出因分光引起的着色。
如以上所说明的那样，由于本发明的全息照相光学元件通过透射多个凹凸形状的衍射光的多次干涉来控制出射光，所以即使一个凹凸形状有缺陷、存在异物，对出射光的影响也小，并且使用或加工比传统的棱镜片容易。此外，能同时实现高透射率和薄型化。通过将该全息照相光学元件用于面光源装置，可以抑制从斜向入射的白色光的分光、高效地向垂直方向折弯并出射，可以提高正向的辉度。
权利要求
1.一种全息照相光学元件，其特征在于，折弯角度的波长依赖性小，抑制从倾斜方向入射的白色光的分光，并且将光向垂直方向折弯而射出。
2.根据权利要求1所述的全息照相光学元件，其特征在于，是透射型衍射光栅，在使0.46≤λ1≤0.50μm、0.53≤λ2≤0.57μm、0.60≤λ3≤0.64μm范围内的λ1、λ2、λ3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的衍射角度包含在-5度到+5度的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的全息照相光学元件，其特征在于，在当使0.46≤λ1≤0.50μm、0.53≤λ2≤0.57μm、0.60≤λ3≤0.64μm范围内的λ1、λ2、λ3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的衍射次数为(m+m0)、m、(m-m0)(其中m0＝1，2，…)的透射型衍射光栅中，m在满足公式(1)及公式(2)的范围内，并且平均周期d满足公式(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)的范围内)d＝m×λ2/sinθi…(3)。
4.根据权利要求1～3中任何一项所述的全息照相光学元件，其特征在于，光栅的截面为锯齿形状，夹持齿前端的两边的长度有10％或以上的不同，夹角为60°或以下。
5.根据权利要求4所述的全息照相光学元件，其特征在于，权利要求4所述的全息照相光学元件的光栅截面形状具有近似于N级(N＝4，5，6，7，8，…)台阶状的光栅截面形状。
6.根据权利要求4或5所述的全息照相光学元件，其特征在于，是透射型衍射光栅，衍射光栅由折射率为n的材料形成，光栅槽的平均深度h为h＝α×d/(n-1)(其中，0.4≤α≤1.0，d为衍射光栅的平均周期)。
7.根据权利要求1～6中任何一项所述的全息照相光学元件，其特征在于，是透射型衍射光栅，光栅槽形成圆弧状。
8.根据权利要求1～7中任何一项所述的全息照相光学元件，其特征在于，是用于将入射角θi为60°±15°的可视区域的白色光向垂直方向折弯的透射型衍射光栅，当m1、m2＝1，2，3，…时，具有平均周期d为m1×(6.0±2.0)μm、平均深度h为m2×(5.0±1.0)μm的锯齿形状，或者该锯齿形状具有以N级(N＝4，5，6，7，8，…)近似的表面形状。
9.根据权利要求1～8中任何一项所述的全息照相光学元件，其特征在于，全息照相光学元件为薄膜或板状。
10.根据权利要求1～9中任何一项所述的全息照相光学元件，其特征在于，具有偏振光分离、色分离或防止反射功能的膜邻接全息照相光学元件配置，或者，配置在全息照相光学元件表里面。
11.一种全息照相光学元件，其特征在于，通过具有周期为0.6μm或以下、深度为0.5μm或以下的浮雕形状的光栅而给予权利要求10所述的偏振光分离、色分离或防止反射功能。
12.一种面光源装置，其特征在于，将权利要求1～11中任何一项所述的全息照相光学元件配置在面光源的光出射面上。
13.根据权利要求12所述的面光源装置，其特征在于，当在权利要求12所述的面光源装置没有配置全息照相光学元件时，相对于面光源的光出射面的法线方向光在20°到70°的角度范围内出射，当配置全息照相光学元件时，相对于面光源的光出射面的法线方向来自面光源的全部出射光的60％或以上在-10°到+10°的角度范围内出射。
14.根据权利要求12或13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漫射体。
15.根据权利要求14所述的面光源装置，其特征在于，漫射体是将入射光限定在空间内的特定角度范围内漫射的全息照相漫射体。
16.根据权利要求15所述的面光源装置，其特征在于，全息照相漫射体在导光板的光出射面上一体成型。
17.根据权利要求12～16中任何一项所述的面光源装置，其特征在于，在全息照相光学元件的光出射面上配置防止反射膜。
18.根据权利要求12～17中任何一项所述的面光源装置，其特征在于，同时配置以偏振光或波长选择为目的的薄膜。
19.根据权利要求12～18中任何一项所述的面光源装置，其特征在于，是与导光板一侧端面邻接配置光源的面光源，导光板的里面形成与在板中传播的光的方向大致垂直的多个槽。
20.根据权利要求12～19中任何一项所述的面光源装置，其特征在于，通过向全息照相光学元件的光入射角度在布儒斯特角附近，对于来自全息照相光学元件的出射光加强特定方向的偏振光。
全文摘要
本发明在于提供一种薄型、透光率高、使用性优越的全息照相光学元件及使用它的面光源装置。是一种折弯角度的波长依赖性小、抑制从倾斜方向入射的白色光的分光且向垂直方向折弯并射出的全息照相光学元件。是一种全息照相光学元件，其，使在0.46≤λ1≤0.50μm(蓝色光)、0.53≤λ2≤0.57μm(绿色光)、0.60≤λ3≤0.64μm(红色光)范围的λ1、λ2、λ3的3波长的光以角度θi入射透射型衍射光栅时，各波长的衍射效率为最大的衍射角度包含在－5度到+5度的范围。
文档编号G02F1/1335GK1784617SQ200480012070
公开日2006年6月7日 申请日期2004年5月7日 优先权日2003年5月7日
发明者星野铁哉, 杉本靖 申请人:日立化成工业株式会社