(57)【要約】【課題】透明基板を有し２色以上の光源を有する表示装置に用いた場合に、ＳＰ比の高い偏光光を出射できる多重回折格子を提供する。【解決手段】ｎ色（ｎ≧２）それぞれの波長に対応したｎ個の回折格子を、ｎ個の各回折格子の共通の一端に位置する各１本の格子線のうち、（ａ）ｎ＝２：波長が長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線が、波長が短い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と重ならないように配置し、（ｂ）ｎ≧３：波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と、波長が最も短い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線が重ならないように配置し、回折格子を構成する格子線の全部が互いに略平行になるようにしてｎ個の各回折格子を配置して重ねた状態となるように、格子線が配置されてなる多重回折格子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ色（ｎは２以上の整数である。）それぞれの波長に対応したｎ個の回折格子を、ｎ個の各回折格子の共通の一端に位置する各１本の格子線のうち、
（ａ）ｎが２の場合は、２色の光のうち波長が長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線が、２色のうち波長が短い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と重ならないように配置し、
（ｂ）ｎが３以上の場合は、ｎ色の光のうち波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と、波長が最も短い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線が重ならないように配置し、
さらに、（ａ）と（ｂ）のいずれにおいても、回折格子を構成する格子線の全部が互いに略平行になるようにしてｎ個の各回折格子を配置して重ねた状態となるように、格子線が配置されてなることを特徴とする多重回折格子。
【請求項２】
ｎが２の場合の前記（ａ）において、２色の光のうち波長が長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と、２色のうち波長が短い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線との距離が、波長が短い方の光の波長をＬｉとした場合に、
Ｌｉ×（（４ｉ−２）±１）／３２          （１）
（ただし、式（１）においてｉは１〜８の整数である。）
の範囲である請求項１に記載の多重回折格子。
【請求項３】
ｎが３以上の場合の前記（ｂ）において、ｎ色の光のうち波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と、波長が最も短い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線との距離が、波長が最も短い光の波長をＬｋとした場合に、
Ｌｋ×（（１６ｋ＋３）±２）／６４        （２）
または
Ｌｋ×（（１６ｋ＋１１）±２）／６４      （３）
（ただし、式（２）および（３）においてｋは０〜３の整数である。）
の範囲である請求項１または２に記載の多重回折格子。
【請求項４】
ｎが３以上の場合の上記（ｂ）において、ｎ色それぞれの波長に対応したｎ個の回折格子の格子線の中心線が、互いに重なることなく、格子線が配置される請求項１〜３のいずれかに記載の多重回折格子。
【請求項５】
ｎが３以上の場合の上記（ｂ）において、ｎ色の光のうち波長が最も長い光でも波長が最も短い光でもない光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と、波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線との距離が、波長が最も短い光の波長をＬｍとした場合に、
Ｌｍ×（（８ｍ−４）±３）／６４        （４）
（ただし、式（４）においてｍは１〜８の整数である。）
の範囲である請求項１〜４のいずれかに記載の多重回折格子。
【請求項６】
ｎが３以上である請求項１〜５のいずれかに記載の多重回折格子。
【請求項７】
ｎが３または４である請求項１〜６のいずれかに記載の多重回折格子。
【請求項８】
回折格子がワイヤグリッドからなる請求項１〜７のいずれかに記載の多重回折格子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重回折格子に関する。特に、２色以上の光源を有する表示素子に用いた場合に、ＳＰ比を向上させる作用を有する多重回折格子に関する。
【背景技術】
【０００２】
２色以上の光源を有する液晶表示素子等の表示素子は、透明基板の背面側（観察者と反対側）の光源から出射した光を透明基板を通過させて透明基板から観察者側に出射させる。このような表示素子には、偏光フィルムが用いられることがあり、偏光フィルムにおける光の損失を低減するために、透明基板から出射する光は、ＳＰ比の高い偏光光であることが望まれている。ここで、ＳＰ比とは、（ｓ偏光成分の０次反射回折以外の回折光の回折効率合計）／（ｐ偏光成分の０次反射回折以外の回折光の回折効率合計）である。そして、ＳＰ比の高い偏光光を出射させるために、ＳＰ比を向上させる作用を有する多重回折格子を設置することが提案されている。
【０００３】
２色以上の光源を用いた表示素子としては、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色の光の光源を有する表示素子が挙げられる。Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の光源を有する表示素子において、ＳＰ比の高い偏光光を出射させるための多重回折格子として、３色それぞれの波長に対応した間隔を有する３つの回折格子を、共通の片方の端の３つの格子線を揃えて丁度重なるようにして３つの回折格子を重ねた格子線を有する多重回折格子が提案されている（例えば、特許文献１参照）が、さらにＳＰ比の高い偏光光を出射できる多重回折格子が求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】韓国公開特許第１０−２００６−０１２７６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、透明基板を有し２色以上の光源を有する表示装置に用いた場合に、ＳＰ比の高い偏光光を出射できる多重回折格子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上記の課題を解決すべく、多重回折格子の構成について鋭意検討を続けた結果、各色に対応した回折格子の重ね方により、ＳＰ比の高い偏光光を出射できる多重回折格子となる場合があることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、＜１＞〜＜８＞を提供する。
【０００７】
＜１＞  ｎ色（ｎは２以上の整数である。）それぞれの波長に対応したｎ個の回折格子を、ｎ個の各回折格子の共通の一端に位置する各１本の格子線のうち、
（ａ）ｎが２の場合は、２色の光のうち波長が長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線が、２色のうち波長が短い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と重ならないように配置し、
（ｂ）ｎが３以上の場合は、ｎ色の光のうち波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と、波長が最も短い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線が重ならないように配置し、
さらに、（ａ）と（ｂ）のいずれにおいても、回折格子を構成する格子線の全部が互いに略平行になるようにしてｎ個の各回折格子を配置して重ねた状態となるように、格子線が配置されてなることを特徴とする多重回折格子。
＜２＞  ｎが２の場合の前記（ａ）において、２色の光のうち波長が長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と、２色のうち波長が短い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線との距離が、波長が短い方の光の波長をＬｉとした場合に、
Ｌｉ×（（４ｉ−２）±１）／３２          （１）
（ただし、式（１）においてｉは１〜８の整数である。）
の範囲である＜１＞に記載の多重回折格子。
＜３＞  ｎが３以上の場合の前記（ｂ）において、ｎ色の光のうち波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と、波長が最も短い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線との距離が、波長が最も短い光の波長をＬｋとした場合に、
Ｌｋ×（（１６ｋ＋３）±２）／６４        （２）
または
Ｌｋ×（（１６ｋ＋１１）±２）／６４      （３）
（ただし、式（２）および（３）においてｋは０〜３の整数である。）
の範囲である＜１＞または＜２＞に記載の多重回折格子。
＜４＞  ｎが３以上の場合の上記（ｂ）において、ｎ色それぞれの波長に対応したｎ個の回折格子の格子線の中心線が、互いに重なることなく、格子線が配置される＜１＞〜＜３＞のいずれかに記載の多重回折格子。
＜５＞  ｎが３以上の場合の上記（ｂ）において、ｎ色の光のうち波長が最も長い光でも波長が最も短い光でもない光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と、波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線との距離が、波長が最も短い光の波長をＬｍとした場合に、
Ｌｍ×（（８ｍ−４）±３）／６４        （４）
（ただし、式（４）においてｍは１〜８の整数である。）
の範囲である＜１＞〜＜４＞のいずれかに記載の多重回折格子。
＜６＞  ｎが３以上である＜１＞〜＜５＞のいずれかに記載の多重回折格子。
＜７＞  ｎが３または４である＜１＞〜＜６＞のいずれかに記載の多重回折格子。
＜８＞  回折格子がワイヤグリッドからなる＜１＞〜＜７＞のいずれかに記載の多重回折格子。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の多重回折格子は、透明基板を有し２色以上の光源を有する表示装置に用いた場合、従来の多重回折格子よりＳＰ比の高い偏光光を出射できる多重回折格子となり、液晶表示素子などの表示素子に好適に使用することができるので、本発明は工業的に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】回折格子を重ねて多重回折格子を設計することを示す概念図。
【図２】実施例１のシミュレーションの計算における回折格子の位置のシフトのやり方の概念図。
【図３】実施例１のシミュレーション結果を示す図。
【図４】実施例２のシミュレーションの計算における回折格子の位置のシフトのやり方の概念図。
【図５】実施例１のシミュレーション結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の多重回折格子は、ｎ色（ｎは２以上の整数）それぞれの波長に対応したｎ個の回折格子を、ｎ個の各回折格子の共通の一端に位置する各１本の格子線のうち、
（ａ）ｎが２の場合は、２色の光のうち波長が長い光の波長に対応した回折格子の格子線が、２色のうち波長が短い光の波長に対応した回折格子の格子線と重ならないように配置し、
（ｂ）ｎが３以上の場合は、ｎ色の光のうち波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の格子線と、波長が最も短い光の波長に対応した回折格子の格子線が重ならないように配置し、
さらに、（ａ）と（ｂ）のいずれにおいても、回折格子を構成する格子線の全部が互いに略平行になるようにしてｎ個の各回折格子を配置して重ねた状態となるように、格子線が配置されてなることを特徴とする。
【００１１】
図１に示すように、多重回折格子は、各色の波長に対応した回折格子を、格子線が略平行になるように重ね合わせて配置するように設計する。回折格子は、直線状の格子線を一定の間隔を空けて多数並べてなる。通常は略長方形（正方形を含む）の各回折格子には４つの辺があり、略平行に並んだ格子線のうち、端に位置する格子線が「一端」である。「共通の一端」とは、各々の回折格子について２つある「一端」のうち、図１の一端Ａのように共通の側にあるものを選んだ「一端」を意味する。ただし、２つの回折格子を重ね合わせたときに、格子線の間隔方向（格子線の長手方向と垂直な方向）における回折格子の重ね合わせ位置のシフトの大きさが、格子線の間隔が大きい方の格子線の中心線の間隔以上である場合は、２つの回折格子の各々の端部にある格子線のうち、それらの中心線の間隔が、格子線の間隔が大きい方の回折格子の格子線の中心線の間隔以下となるように、「共通の一端」の格子線を選ぶ。また、中心線とは、直線状の格子線の間隔方向の幅の中央を通る線である。
【００１２】
従来の多重回折格子は、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の光源を有する表示素子用のＲ、Ｇ、Ｂ３つの回折格子を、３つの回折格子の共通の一端にある各１つずつ、合計３つの格子線を揃えて丁度重なるようにして３つの回折格子を重ねた格子線を有する多重回折格子であった。３つの回折格子の共通の一端を揃えて配置することが当然とされて多重回折格子が製造されていたが、本発明者は、各回折格子の共通の一端を揃えずに、位置をシフトさせるという極めて簡単は配置の変更により、意外にも、ＳＰ比の高い偏光光を出射できる多重回折格子となることを見出したのである。
【００１３】
本発明の多重回折格子において、ｎが２の場合は、２色の光のうち波長が長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と、２色のうち波長が短い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線との距離が、波長が短い方の光の波長をＬｉとした場合に、Ｌｉの１／８、２／８、３／８、４／８、５／８、６／８、７／８となる距離付近に効果が低くなる傾向のある部分があることがわかり、該２本の格子線の各々の格子線の中心線間の距離が、
Ｌｉ×（（４ｉ−２）±１）／３２          （１）
（ただし、式（１）においてｉは１〜８の整数である。）
の範囲である場合が好ましい。
【００１４】
ｎが３以上の場合は、ｎ色の光のうち波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と、波長が最も短い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線との距離が、波長が最も短い光の波長をＬｋとした場合に、Ｌｋの１／８、２／８、３／８、４／８、５／８、６／８、７／８となる距離付近で、０／４、１／４、２／４、３／４、４／４となる距離に近い部分に効果が低くなる傾向のある部分があることがわかり、ｎ色の光のうち波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と、波長が最も短い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線との距離が、
Ｌｋ×（（１６ｋ＋３）±２）／６４        （２）
または
Ｌｋ×（（１６ｋ＋１１）±２）／６４      （３）
（ただし、式（２）および（３）においてｋは０〜３の整数である。）
の範囲である場合が好ましい。
【００１５】
また、ｎが３以上の場合では、ｎ色それぞれの波長に対応したｎ個の回折格子の格子線の中心線が、互いに重なることなく、格子線が配置されることがより好ましい。
【００１６】
例えば、ｎ＝３のとき、３色の光のうち波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の共通の一端の格子線ＤＢと、波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の共通の一端の格子線ＤＲとが重ならないだけではなく、波長が中間の光の波長に対応した回折格子の共通の一端の格子線ＤＧが、ＤＢともＤＲとも重ならないように配置することがより好ましい。
【００１７】
例えば、ｎ＝４のとき、４色の光のうち波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の共通の一端の格子線ＤＤ１と、波長が最も短い光の波長に対応した回折格子の共通の一端の格子線ＤＤ４とが重ならないだけではなく、波長が中間の光を回折させるための回折格子の共通の一端の格子線ＤＤ２とＤＤ３が、いずれもＤＤ１ともＤＤ４とも重ならないように配置することがより好ましい。
【００１８】
ｎが３以上の場合において、ｎ色の光のうち波長が最も長い光でも波長が最も短い光でもない光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と、波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線との距離が、波長が最も短い光の波長をＬｍとした場合に、Ｌｍの１／８、２／８、３／８、４／８、５／８、６／８、７／８となる距離付近に効果が低下する傾向がある部分があることがわかり、ｎ色の光のうち波長が最も長い光でも波長が最も短い光でもない光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線と、波長が最も長い光の波長に対応した回折格子の格子線の中心線との距離が、
Ｌｍ×（（８ｍ−４）±３）／６４        （４）
（ただし、式（４）においてｍは１〜８の整数である。）
の範囲である場合がさらに好ましい。
【００１９】
ｎは３以上であることが、本発明の効果が顕著に現れるので好ましく、実用上はｎが３または４である場合が特に用いられる。
【００２０】
本発明の多重回折格子の材料は、それが設置される透明基板の材料の屈折率と大きく異なる屈折率を有する材料を用いることが好ましい。透明基板の屈折率をｎｓ、格子線の材料の屈折率をｎｇとしたとき、屈折率ｎｇが
ｎｇ−ｎｓ≧０．１５
を満たすように、格子線の材料を選択することができる。
【００２１】
透明基板が通常は高分子フィルム、ガラス等からなるので、多重回折格子の材料としては、酸化タンタル、酸化チタン、酸化モリブデン、酸化ニオブ等の高屈折率の金属化合物、タンタル、チタン、モリブデン、ニオブ、銅、アルミニウムなどの金属を挙げることができる。
【００２２】
本発明の多重回折格子としては、回折線の材料として金属を用いたワイヤグリッドが製造が容易であるので好ましい。
【００２３】
これらの材料を用いて、真空蒸着、スパッタリング、フォトリソグラフ等の工業的に通常用いられる方法により、本発明の多重回折格子を製造することができる。
【００２４】
本発明の多重回折格子が用いられる表示装置の光源としては、可視領域の光を含む光を出射する２色以上の光源を用いる。光源としては、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光を含む２色以上の光を出力するものであれば特に限定されないが、具体的にはＬＤ（Laser  Diode）や、ＬＥＤ（Light  Emitting  Diode）等が例示される。通常は各色を混合すると白色光となるように設定し、通常は、２色であれば青色と黄色、３色であれば赤色、緑色、青色とする。表示装置の色の再現性を向上させるために、赤色、緑色、青色の３色に、例えば、深い青色、深い赤色、黄色、黄緑色、青緑色の光源を加えることもできる。また、白色ＬＥＤや冷陰極蛍光灯などのように、単一の光源でも複数の発光強度ピーク波長を有する光を出射する光源は、その複数の発光強度ピーク波長の数の色の光源とする。つまり、ｓ個の発光強度ピーク波長を有する光源は、ｓ色の光源とする。
【実施例】
【００２５】
次に本発明を実施例によってさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
多重回折格子を次のように設計した場合の光の取り出し効率を計算機シミュレーションにより求めた。
【００２６】
（入射光）
多重回折格子への光源からの入射光は、３色の場合は、波長４８０ｎｍの青色光、波長５６０ｎｍの緑色光、波長６４０ｎｍの赤色光、２色の場合は、波長４８０ｎｍの青色光、波長５４０ｎｍの緑色光とした。入射角は、実際の入射光に近いシミュレーションを行うために、多重格子面に対して垂直方向を０度として、５０、６０、７０、８０度の４通りを設定し、各色について、入射光量を入射角別に、５０度：６０度：７０度：８０度が３：１６：１４：１１の比率となるように割り振った。光は、ｐ偏光とｓ偏光が等分となるように設定した。
【００２７】
（透明基板）
屈折率が１．４５の材料からなる透明基板の上に多重回折格子が形成されているとし、光が基板側から入射し、入射光が多重回折格子に１回入射した場合に、透明基板の多重回折格子が形成されている側に出射する光の量を求め、ｓ偏光とｐ偏光の比（ＳＰ比）を算出した。
【００２８】
ＳＰ比＝（ｓ偏光成分の０次反射回折以外の回折光の回折効率合計）／（ｐ偏光成分の０次反射回折以外の回折光の回折効率合計）
【００２９】
（計算法）
計算機シミュレーションの計算には、ＲＣＷＡ（Rigorous  Coupled  Wave  Analysis）法を用いた。計算プログラムとして、Rsoft  Diffractmod（商品名）を用いた。
【００３０】
実施例１
光源を３色とし、重ねる前の回折格子を次のように設定した。
これら＃１、＃２および＃３の回折格子を重ねた場合に、少なくとも一部が重なった格子線について、図２のように格子線を重ねて格子を設定した。そして、格子線を図２のようにシフトさせ、シフトさせた各々の場合についてＳＰ比を計算した。計算格子線の材料の屈折率は２．０５とした。
【００３１】
＃１回折格子（青色用）
格子線の間隔ｐ１＝３６０ｎｍ、（格子線の線幅）÷（格子線の間隔）＝０．１５
格子線の線高ｄ１＝７０ｎｍ、格子線の線幅ｗ１＝５４ｎｍ
＃２回折格子（緑色用）
格子線の間隔ｐ１＝４２０ｎｍ、（格子線の線幅）÷（格子線の間隔）＝０．１５
格子線の線高ｄ１＝８０ｎｍ、格子線の線幅ｗ１＝６３ｎｍ
＃３回折格子（赤色用）
格子線の間隔ｐ１＝４８０ｎｍ、（格子線の線幅）÷（格子線の間隔）＝０．１５
格子線の線高ｄ１＝９０ｎｍ、格子線の線幅ｗ１＝７２ｎｍ
【００３２】
シミュレーション結果を図３に示した。
波長λ＝４８０ｎｍ、５６０ｎｍ、６４０ｎｍのいずれの場合においても、各回折格子の共通の一端の回折線を揃えて重ねた場合よりも、重ならないようにシフトさせた場合の方が、ＳＰ比が高くなる結果となった。
【００３３】
実施例２
光源を２色とし、重ねる前の回折格子を次のように設定した。
これら＃１および＃２の回折格子を重ねた場合に、少なくとも一部が重なった格子線について、図４のように格子線を重ねて格子を設定した。そして、格子線を図４のようにシフトさせ、シフトさせた各々の場合についてＳＰ比を計算した。格子線の材料の屈折率は２．０５とした。
【００３４】
＃１回折格子（青色用）
格子線の間隔ｐ１＝３６０ｎｍ、（格子線の線幅）÷（格子線の間隔）＝０．１５
格子線の線高ｄ１＝７０ｎｍ、格子線の線幅ｗ１＝５４ｎｍ
＃２回折格子（緑色用）
格子線の間隔ｐ１＝４２０ｎｍ、（格子線の線幅）÷（格子線の間隔）＝０．１５
格子線の線高ｄ１＝８０ｎｍ、格子線の線幅ｗ１＝６３ｎｍ
【００３５】
シミュレーション結果を図５に示した。
波長λ＝４８０ｎｍ、５４０ｎｍのいずれの場合においても、各回折格子の共通の一端の回折線を揃えて重ねた場合よりも、重ならないようにシフトさせた場合の方が、ＳＰ比が高くなる結果となった。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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