(57)【要約】【課題】簡単な構成、作製方法によって、発光装置からの無偏光の出射光のうち不要な偏光成分を発光装置に戻し、多重反射により所望の偏光に変換し、所望の偏光成分のみを出射できる偏光分離シート及びそれを用いた発光ユニットを提供すること。【解決手段】本発明の偏光分離シートの製造方法は、一方の主面上に複数のプリズム１２を有する透明基材１１の前記複数のプリズム１２上にそれぞれ異なる屈折率を有する少なくとも２種類の材料で構成された層を少なくとも３層積層する工程と、この積層構造１３１，１３２上に平坦化層１４を形成する工程と、を具備することを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の主面上に複数のプリズムを有する透明基材の前記複数のプリズム上にそれぞれ異なる屈折率を有する少なくとも２種類の材料で構成された層を少なくとも３層積層する工程と、この積層構造上に平坦化層を形成する工程と、を具備することを特徴とする偏光分離シートの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法により作製されたことを特徴とする偏光分離シート。
【請求項３】
前記積層構造は、前記プリズムに接する側から高屈折率層、低屈折率層の順に交互に積層されてなることを特徴とする請求項２に記載の偏光分離シート。
【請求項４】
発光装置と、前記発光装置の発光面上に設けられた請求項２又は請求項３記載の偏光分離シートと、を具備することを特徴とする発光ユニット。
【請求項５】
前記発光装置と前記偏光分離シートとの間に配置された四分の一波長板をさらに具備することを特徴とする請求項４記載の発光ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は偏光分離シート及びそれを用いた発光ユニットに関し、特に液晶ディスプレイなどの表示装置に使用される偏光分離シート及びそれを用いた発光ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄型で大画面のディスプレイが急速に市場を広げている。その中でも特に液晶ディスプレイは低消費電力、高明所コントラストなど優れた特徴を持ち、市場が大きく広がっている。液晶ディスプレイはバックライトから出射された光を偏光板により揃った偏光成分のみを取り出し、液晶層への電圧印加の有無によりスイッチングすることで画像の表示を行っている。通常に使用される偏光板は延伸したポリビニルアルコール（ＰＶＡ）フィルムに色素やヨウ素などを吸着させたもので、ＰＶＡフィルムの延伸方向に平行な電界成分を有する偏光を吸収することにより偏光分離を行う。したがって、バックライトなどの発光装置から出射された光の少なくとも半分は画像の表示には使用されていない。液晶ディスプレイにはブラウン管テレビ、プラズマテレビ、有機ＥＬディスプレイなどに比較して視野角が狭い、動画表示が苦手といった欠点があり、現在その改良が盛んに進められている。これら欠点の改良は液晶の材料や動作モードの改良、バックライトによる黒挿入などでなされつつあるが、ほとんどの場合ディスプレイ表面から出射される光の量（輝度）を減少させてしまう。そこで近年、従来は吸収型の偏光板によって吸収されていた光を有効に利用する方法が幾つか提案されている。例えば、住友３Ｍ社製のＤＢＥＦや日東電工社製のＰＣＦなどの光学フィルムがその一例である。これら反射型偏光板と呼ばれる部材は、吸収型偏光板が偏光を作り出すために吸収していた一方の偏光成分をバックライト側に反射させ、反射型偏光板とバックライトの反射板間を多重反射させることにより所望の偏光成分に変換させる機能を有する。
【０００３】
また、液晶プロジェクタでは、光源から出射された光を効率よく利用するため、プリズムと光学多層膜と位相差膜を組み合わせた偏光ビームスプリッタ（特許文献１，２参照）が偏光分離・変換に使用されている。
【特許文献１】特開平８−１５５２５号公報
【特許文献２】特開２００４−１４５３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＤＢＥＦやＰＣＦなどの光学フィルムは、数百層もの積層構造の膜厚や、連続的なコレステリック液晶の螺旋ピッチなどの制御などが必要であり、容易に作製することはできなかった。
【０００５】
また、液晶プロジェクタに使用される特許文献１に記載の偏光ビームスプリッタは、片面がのこぎり状の凹凸を有する光学ブロックを光学多層膜を介して接合しなければならないため、大きな面積や微細な凸凹の周期を有する構造体は作れなかった。
【０００６】
特許文献２に記載の偏光ビームスプリッタは、偏光分離のための光学多層膜や反射膜を形成した透明基板と位相差膜を接着剤を介して重ね合わせ、基板法線方向から傾いた角度で切断して形成するため、作製工程が複雑であり、大きな面積の構造体を得ることは非常に困難であった。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成、作製方法によって、発光装置からの無偏光の出射光のうち不要な偏光成分を発光装置に戻し、多重反射により所望の偏光に変換し、所望の偏光成分のみを出射できる偏光分離シート及びそれを用いた発光ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の偏光分離シートの製造方法は、一方の主面上に複数のプリズムを有する透明基材の前記複数のプリズム上にそれぞれ異なる屈折率を有する少なくとも２種類の材料で構成された層を少なくとも３層積層する工程と、この積層構造上に平坦化層を形成する工程と、を具備することを特徴とする。
【０００９】
本発明の偏光分離シートは、上記方法により作製されたことを特徴とする。本発明の偏光分離シートにおいては、前記積層構造は、前記プリズムに接する側から高屈折率層、低屈折率層の順に交互に積層されてなることが好ましい。
【００１０】
本発明の発光ユニットは、発光装置と、前記発光装置の発光面上に設けられた上記偏光分離シートと、を具備することを特徴とする。本発明の発光ユニットにおいては、前記発光装置と前記偏光分離シートとの間に配置された四分の一波長板をさらに具備することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、一方の主面上に複数のプリズムを有する透明基材の前記複数のプリズム上にそれぞれ異なる屈折率を有する少なくとも２種類の材料で構成された層を少なくとも３層積層する工程と、この積層構造上に平坦化層を形成する工程と、を具備するので、簡単な構成、作製方法によって、発光装置からの無偏光の出射光のうち不要な偏光成分を発光装置に戻し、多重反射により所望の偏光に変換し、所望の偏光成分のみを出射できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る発光ユニットを示す概略構成図である。図１に示す発光ユニットは、平面照明装置である発光装置３０と、発光装置３０上に配置された光路調整部材２０と、光路調整部材２０上に配置された偏光分離シート１０とから主に構成されている。光路調整部材２０は、発光装置３０から出射された光の方向を発光装置３０の表面の法線方向に向けるための部材であり、特に必須な部材ではない。すなわち、偏光分離シート１０は、発光装置３０上に直接設けられていてもよく、他の部材を介して設けられていてもよい。
【００１３】
本実施の形態においては、発光装置３０として、平面照明装置である冷陰極管３１を用いた例について説明しているが、発光装置３０として、ＬＥＤを多数配置した構造や、有機ＥＬやＦＥＤなどの面発光体などを用いることができる。また、発光装置３０として、冷陰極管やＬＥＤなどを導光板の側面（横または角）に設置したサイドライト方式やエッジライト方式のバックライトやフロントライトを使用することもできる。
【００１４】
光路調整部材２０としては、プリズムシート、シリンドリカルレンズシート、マイクロレンズアレイシートなどを用いることができる。これらはサイドライト方式やエッジライト方式のバックライトやフロントライトのような発光装置の表面の法線から大きく傾いた方向に出射光が分布する場合に特に有効である。
【００１５】
偏光分離シート１０は、一方の主面上に複数のプリズムを有する透明基材の前記複数のプリズム上にそれぞれ異なる屈折率を有する少なくとも２種類の材料で構成された層を少なくとも３層積層し、この積層構造上に平坦化層を形成することにより製造される。すなわち、偏光分離シート１０は、透明基材１１のプリズム１２上に設けられた積層構造１３と、積層構造１３上に設けられた平坦化層１４とから主に構成されている。
【００１６】
ここで、本発明の偏光分離シートの原理を図２を用いて説明する。バックライトなどの発光装置３０から出射された光４１は無偏光状態である。プリズムの傾斜面に形成する後述する積層膜の屈折率や膜厚の組み合わせを適切に調整すると、プリズムと積層膜の界面において紙面に平行な電界成分のｐ波をほとんど透過させ、紙面に垂直な電界成分のｓ波はほとんど反射させることができる。ｐ波はそのまま直進して発光装置３０側と反対側の面より出射光４３として出射される。一方ｓ波は積層膜への入射角と同じ角度で反射され別のプリズムと積層膜との界面でさらに反射されて、発光装置３０へと戻される。発光装置３０バックライトに戻った光は反射板等で反射され、偏光面が変化して再度発光装置３０から出射される（リサイクル光４２）。その結果、再度ｐ波成分は透過し、ｓ波成分は反射する。このようにしてプリズムと積層膜の界面で反射されたｓ波成分は多重反射を繰り返しｐ波へと変換される。上記機能を有する光学シートを偏光分離シートと呼ぶ。
【００１７】
図３は、本発明の実施の形態に係る偏光分離シートの構成を示す断面図である。透明基材（ここでは、透明シート）１１上に、稜線が互いに略平行になるように配置されたプリズム１２が形成されている。プリズム１２上には、積層構造（光学多層膜）１３が形成されている。本実施の形態では、積層構造１３は、プリズム１２に接する側から高屈折率層１３１と低屈折率層１３２とが交互に積層されて構成されている。なお、積層構造１３の構成は、これに限定されず、屈折率が異なる２種類以上の材料で構成された層を３層以上積層し、偏光分離が可能な層構成であれば特に制限はない。
【００１８】
積層構造１３における高屈折率層１３１、低屈折率層１３２の層数は、偏光分離シートを通過した光の偏光度を高めるために多いことが望ましい。この場合において、波長帯域を広げるために１層毎に膜厚を厳密に制御することが好ましい。偏光度、波長帯域、膜厚制御などを考慮すると、層数は１００層以下が望ましく、１５層以下がより望ましい。
【００１９】
また、積層構造１３において、偏光分離を効率よく行うためには、高屈折率層１３１と低屈折率層１３２との間の屈折率差は大きいほど良く、０.０５以上が望ましく、０.１以上がさらに望ましい。高屈折率層１３１、低屈折率層１３２を構成する材料としては、各種無機物、有機物を使用することが可能である。高屈折率層１３１の材料としては、例えばＺｎＳ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５などを用いることができ、低屈折率材料１３２としては、ＳｉＯ２などの無機物を用いることができる。高屈折率層１３１、低屈折率層１３２は、スパッタリング法や蒸着法などの気相法で形成することができる。また、多層同時押出成型や、熱可塑性フィルム上にゾルゲル法、スパッタリング法などの気相法などで多層膜をあらかじめ形成しておき、プリズム形状の型を加熱した状態で前記多層膜に押し当ててプリズム形状の賦形を行うことも可能である。
【００２０】
積層構造１３上には、紫外線などのエネルギー線照射や加熱などによって硬化する樹脂又は加熱した熱可塑性樹脂等で構成された透明な平坦化層１４が形成される。この平坦化層１４により、積層構造１３を有するプリズム１２が平坦化層１４内に埋め込まれて、偏光分離シート１０の表面が平坦化される。この平坦化層１４は、偏光分離の効率を高め、また別の光学フィルムへの貼り合わせを容易にしたり、偏光分離シート１０における発光装置３０側と反対側の空気層との界面での全反射によりｓ波の漏れを減少させたりすることができる。平坦化層１４を構成する材料としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂や、ゾルゲル反応により形成したＳｉＯ２などを使用することができる。
【００２１】
透明基材１１としては、ガラス板、アクリル板、ＰＥＴフィルムなどの樹脂フィルムなどを使用することが可能である。プリズム１２の材料としては、透明基材１１と同様、ガラスやアクリルやＰＥＴなどの樹脂などを使用することができる。透明基材１１とプリズム１２とは異なる材料で構成されていてもよく、同じ材料で構成されていてもよい。ただし、透明基材１１とプリズム１２との間の界面での反射は偏光分離の効率を低下させるため、できるだけ近い屈折率を有する材料を使用することが望ましく、同じ材料で形成することが最も望ましい。
【００２２】
プリズム１２の形成は、透明基材１１上に熱硬化樹脂や紫外線硬化樹脂などを塗布し、プリズム１２の形状の型を押し当てた後、加熱や紫外線照射により樹脂を硬化させた後に型から取り外す方法や、熱可塑性の透明基材に、加熱したプリズム形状の型を押し当てたりするなどの方法で行うことが可能である。なお、型はロール形状に加工したものを使用することにより長尺の透明基材に連続的に賦形することができる。また、プリズム形状の金型を用い射出成型により形成することもでき、フォトリソグラフィを用いて加工することも可能である。
【００２３】
透明基材１１のプリズム１２の頂角５１は、プリズム１２と積層構造１３との界面で反射された光を発光装置３０に効率よく戻すために、およそ９０°±５°であることが望ましい。また、プリズム１２の断面形状は、略直角二等辺三角形が好ましい。
【００２４】
発光装置３０と偏光分離シート１０との間に四分の一波長板を配置してもよい。これにより、発光装置３０に戻されるｓ波は、再度プリズム１２に入射する前に、二度四分の一波長板を通過するため、半波長分だけ位相が変化してｐ偏光成分に効率よく変換される。
【００２５】
透明基材１１や平坦化層１４の表面にハードコート層を設けてもよい。これにより、透明基材１１や平坦化層１４が傷つきにくくなり取り扱いが容易になる。ハードコート層の材料としては、アクリル系樹脂、エポキシ系の樹脂などや、シリカゾルが添加されたものなどを使用できる。
【００２６】
また、ハードコート層上に反射防止処理を施すことにより、偏光分離の効率を高めることが可能となる。反射防止処理としては、低屈折率材料の単一層構造や、低屈折率層と高屈折率層の積層構造などの反射防止膜を形成する方法や、モスアイ構造を透明基材１１や平坦化層１４に形成する方法などを挙げることができる。
【００２７】
発光装置３０により無偏光の平行光線を偏光分離シート１０に対して垂直に入射させた時、可視光波長全域に渡ってｓ波反射率を５０％以上とし、ｐ波反射率を３０％以下にすることができる。また、上記実施の形態の方法によれば、簡単な作製方法によって、発光装置からの無偏光の出射光のうち不要な偏光成分を発光装置に戻し、多重反射により所望の偏光に変換し、所望の偏光成分のみを出射できる偏光分離シートを得ることができる。
【００２８】
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
（実施例１）
厚さ１００μｍのＰＥＴフィルム（透明基材）上に紫外線硬化型のアクリル樹脂を塗布した上に、複数の隣り合ったピッチ１００μｍの略直角二等辺三角形の形状をしたプリズムが形成された金型を押し当て、ＰＥＴフィルム側から紫外線照射することによりプリズムシートを作製した。このプリズムシートのプリズムが形成された面にスパッタリングにより光学多層膜（積層構造）を形成した。光学多層膜においては、高屈折率層としてＺｎＳを用い、低屈折率層としてＳｉＯ２を用いた。光学多層膜における各層の膜厚は、６０ｎｍ（ＺｎＳ）／１３０ｎｍ（ＳｉＯ２）／６０ｎｍ（ＺｎＳ）とした。なお、膜厚は図３に示す矢印５３の方向、つまりプリズムの傾斜面５２に垂直な方向で測定を行うものとする。上記光学多層膜上に透明平坦化層として、紫外線硬化型のアクリル樹脂を均一な厚みに塗布し紫外線を照射して硬化した。ＰＥＴフィルムを含めた全体の厚みは２００μｍであった。
【００２９】
作製したサンプルを、液晶モニターに使用されているバックライト上に載せ、吸収型偏光板の吸収軸をプリズムの長手方向に合わせて観察した所、サンプルの位置が周囲に比較して明るくなっていることを確認した。
【００３０】
（実施例２）
厚さ１００μｍのＰＥＴフィルム上に紫外線硬化型のアクリル樹脂を塗布した上に、複数の隣り合ったピッチ１００μｍの略直角二等辺三角形の形状をしたプリズムが形成された金型を押し当て、ＰＥＴフィルム側から紫外線照射することによりプリズムシートを作製した。このプリズムシートのプリズムが形成された面にスパッタリングにより光学多層膜を形成した。光学多層膜において、高屈折率層としてＺｎＳを用い、低屈折率層としてＳｉＯ２を用いた。光学多層膜における各層の膜厚は、７０ｎｍ（ＺｎＳ）／８０ｎｍ（ＳｉＯ２）／７０ｎｍ（ＺｎＳ）／１３０ｎｍ（ＳｉＯ２）／１２０ｎｍ（ＺｎＳ）とした。上記光学多層膜上に透明平坦化層として、紫外線硬化型のアクリル樹脂を均一な厚みに塗布し紫外線を照射して硬化した。ＰＥＴフィルムを含めた全体の厚みは２００μｍであった。
【００３１】
作製したサンプルを、液晶モニターに使用されているバックライト上に載せ、吸収型偏光板の吸収軸をプリズムの長手方向に合わせて観察した所、サンプルの位置が周囲に比較して明るくなっていることを確認した。
【００３２】
（実施例３）
厚さ１００μｍのＰＥＴフィルム上に紫外線硬化型のアクリル樹脂を塗布した上に、複数の隣り合ったピッチ１００μｍの略直角二等辺三角形の形状をしたプリズムが形成された金型を押し当て、ＰＥＴフィルム側から紫外線照射することによりプリズムシートを作製した。このプリズムシートのプリズムが形成された面にスパッタリングにより光学多層膜を形成した。光学多層膜において、高屈折率層としてＺｎＳを用い、低屈折率層としてＳｉＯ２を用いた。光学多層膜における各層の膜厚は、４６ｎｍ（ＺｎＳ）／９４ｎｍ（ＳｉＯ２）／５０ｎｍ（ＺｎＳ）／１４０ｎｍ（ＳｉＯ２）／６９ｎｍ（ＺｎＳ）／１９０ｎｍ（ＳｉＯ２）／９３ｎｍ（ＺｎＳ）とした。上記光学多層膜上に透明平坦化層として、紫外線硬化型のアクリル樹脂を均一な厚みに塗布し紫外線を照射して硬化した。ＰＥＴフィルムを含めた全体の厚みは２００μｍであった。
【００３３】
作製したサンプルを、液晶モニターに使用されているバックライト上に載せ、吸収型偏光板の吸収軸をプリズムの長手方向に合わせて観察した所、サンプルの位置が周囲に比較して明るくなっていることを確認した。
【００３４】
（実施例４）
厚さ１００μｍのＰＥＴフィルム上に紫外線硬化型のアクリル樹脂を塗布した上に、複数の隣り合ったピッチ１００μｍの略直角二等辺三角形の形状をしたプリズムが形成された金型を押し当て、ＰＥＴフィルム側から紫外線照射することによりプリズムシートを作製した。このプリズムシートのプリズムが形成された面にスパッタリングにより光学多層膜を形成した。光学多層膜において、高屈折率層としてＺｎＳを用い、低屈折率層としてＳｉＯ２を用いた。光学多層膜における各層の膜厚は、４６ｎｍ（ＺｎＳ）／９４ｎｍ（ＳｉＯ２）／４６ｎｍ（ＺｎＳ）／１４０ｎｍ（ＳｉＯ２）／６９ｎｍ（ＺｎＳ）／１４０ｎｍ（ＳｉＯ２）／９３ｎｍ（ＺｎＳ）／１９０ｎｍ（ＳｉＯ２）／９３ｎｍ（ＺｎＳ）とした。上記光学多層膜上に透明平坦化層として、紫外線硬化型のアクリル樹脂を均一な厚みに塗布し紫外線を照射して硬化した。ＰＥＴフィルムを含めた全体の厚みは２００μｍであった。
【００３５】
作製したサンプルを、液晶モニターに使用されているバックライト上に載せ、吸収型偏光板の吸収軸をプリズムの長手方向に合わせて観察した所、サンプルの位置が周囲に比較して明るくなっていることを確認した。
【００３６】
（実施例５）
厚さ１００μｍのＰＥＴフィルム上に紫外線硬化型のアクリル樹脂を塗布した上に、複数の隣り合ったピッチ１００μｍの略直角二等辺三角形の形状をしたプリズムが形成された金型を押し当て、ＰＥＴフィルム側から紫外線照射することによりプリズムシートを作製した。このプリズムシートのプリズムが形成された面にスパッタリングにより光学多層膜を形成した。光学多層膜において、高屈折率層としてＺｎＳを用い、低屈折率層としてＳｉＯ２を用いた。光学多層膜における各層の膜厚は、５０ｎｍ（ＺｎＳ）／１０１ｎｍ（ＳｉＯ２）／５０ｎｍ（ＺｎＳ）／１０１ｎｍ（ＳｉＯ２）／６９ｎｍ（ＺｎＳ）／１４０ｎｍ（ＳｉＯ２）／６９ｎｍ（ＺｎＳ）／１４０ｎｍ（ＳｉＯ２）／６９ｎｍ（ＺｎＳ）／１４０ｎｍ（ＳｉＯ２）／６９ｎｍ（ＺｎＳ）とした。上記光学多層膜上に透明平坦化層として、紫外線硬化型のアクリル樹脂を均一な厚みに塗布し紫外線を照射して硬化した。ＰＥＴフィルムを含めた全体の厚みは２００μｍであった。
【００３７】
作製したサンプルを、液晶モニターに使用されているバックライト上に載せ、吸収型偏光板の吸収軸をプリズムの長手方向に合わせて観察した所、サンプルの位置が周囲に比較して明るくなっていることを確認した。
【００３８】
（比較例１）
厚さ１００μｍのＰＥＴフィルム上に紫外線硬化型のアクリル樹脂を塗布した上に、複数の隣り合ったピッチ１００μｍの略直角二等辺三角形の形状をしたプリズムが形成された金型を押し当て、ＰＥＴフィルム側から紫外線照射することによりプリズムシートを作製した。光学多層膜は形成せずに上記プリズム面上に透明平坦化層として、紫外線硬化型のアクリル樹脂を均一な厚みに塗布し紫外線を照射して硬化した。ＰＥＴフィルムを含めた全体の厚みは２００μｍであった。
【００３９】
作製したサンプルを、液晶モニターに使用されているバックライト上に載せ、吸収型偏光板の吸収軸をプリズムの長手方向に合わせて観察した所、サンプルの位置の明るさは周囲と比較して大差ないことを確認した。
【００４０】
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態における材料、数値などは例示であり、適宜変更することができる。また、本発明に係る偏光分離シートは、シート状体に限定されず、本発明の効果を発揮できれば、フィルム状体、板状体などであっても良い。その他、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態に係る発光ユニットを示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る偏光分離シートにおける偏光分離・変換の原理を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る偏光分離シートの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  偏光分離シート
１１  透明基材
１２  プリズム
１３  積層構造
１３１  高屈折率層
１３２  低屈折率層
１４  平坦化層
２０  光路調整部材
３０  発光装置
３１  冷陰極管
４１，４３  出射光
４２  リサイクル光
５１  プリズムの頂角
５２  プリズムの傾斜面
５３  膜厚測定の方向
【図１】
2006349971.tif 000003
【図２】
2006349971.tif 000004
【図３】
2006349971.tif 000005