(57)【要約】【課題】本発明は、光エネルギーの利用率が高い導光板及びバックライトモジュールに関する。【解決手段】本発明に係る導光板は入射面と、この入射面に垂直な出射面と、前記出射面に対向して設置される底面と、を含む導光板において、前記導光板は応力複屈折性な導光板であり、主応力の一部と前記入射面とは０°〜９０°の角度を形成する。本発明は前記導光板を利用するバックライトモジュールを提供する。前記導光板の出射面にはサブ波長格子が形成される。【選択図】図３
2006351515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射面と、この入射面に垂直な出射面と、前記出射面に対向して設置される底面と、を含む導光板において、
前記導光板は応力複屈折性の導光板であり、
主応力の一部と前記入射面とは０°〜９０°の角度を形成することを特徴とする導光板。
【請求項２】
前記角度は４５°であることを特徴とする、請求項１に記載の導光板。
【請求項３】
前記導光板の底面には複数の凹部が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の導光板。
【請求項４】
前記出射面にはサブ波長格子が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の導光板。
【請求項５】
光源と、請求項１〜４に記載の導光板と、反射シートと、を含むバックライトモジュールにおいて、前記導光板は、入射面と、この入射面に垂直な出射面と、この出射面に対向して設置される底面と、を有し、前記光源は、前記導光板の入射面に対して設置され、前記反射シートは前記底面の一側に設置されることを特徴とするバックライトモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光エネルギーの利用率が高い導光板及びバックライトモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶は発光しないため、高輝度及び均等な光の分布を実現するために、液晶表示装置にバックライトモジュールを設置しなければならない。
【０００３】
従来技術として、図１に示すように、液晶表示装置１００は、液晶表示パネル１０とバックライトモジュール２０とを有する。前記バックライトモジュール２０は、光源２１と、導光板２２と、反射シート２３と、拡散シート２４と、プリズムシート２５と、を含む。前記液晶表示パネル１０の上方及び下方に、それぞれ上方偏光レンズ１１及び下方偏光レンズ１２を設置する。前記光源２１は前記導光板２２の一側に設置される。前記反射シート２３と、前記導光板２２と、前記拡散シート２４と、前記プリズムシート２５と、を順に積層するように構成する。前記液晶表示パネル２０は前記バックライトモジュール２０の上方に設置される。
【０００４】
前記バックライトモジュール２０が動作する時、前記光源２１が放出する自然光は、前記反射シート２３、前記導光板２２、前記拡散シート２４、前記プリズムシート２５を透過して面光源である光Ｔに変換されて前記下方偏光シート１２に入射される。前記入射光Ｔは振幅が同一、光ベクトルが垂直の直線偏光Ｐ及び直線偏光Ｓからなり、前記直線偏光Ｐの偏光方向が前記偏光シート１２の偏光軸の方向と同一であり、前記直線偏光Ｓの偏光方向が前記偏光シート１２の偏光軸の方向に垂直であると仮定する場合、前記直線偏光Ｐは前記偏光シート１２を透過するが、前記直線偏光Ｓは前記偏光シート１２に吸収される。従って、前記入射光の半分は前記偏光シート１２に吸収されるため、光エネルギーの利用率が低くなる。
【０００５】
また、従来技術として、図２に示すように、液晶表示装置３００は、液晶表示パネル３０とバックライトモジュール４０とを有する。前記バックライトモジュール３０は、光源３１と、導光板３２と、反射シート３３と、拡散シート３４と、プリズムシート３５と、１／４λフィルム４６と、偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ、ＰＢＳ）４７と、を含む。前記液晶表示パネル３０の上方及び下方に、それぞれ上方偏光レンズ３１及び下方偏光レンズ３２を設置する。前記光源４１は前記導光板４２の一側に設置される。前記反射シート４３と、前記１／４λフィルム４６と、前記導光板４２と、前記拡散シート４４と、前記プリズムシート４５と、前記偏光ビームスプリッタ４７と、を順に積層するように構成する。前記液晶表示パネル３０は前記バックライトモジュール４０の上方に設置される。
【０００６】
前記バックライトモジュール４０が動作する時、前記光源４１が放出する自然光は、前記導光板４２、前記拡散シート４４、前記プリズムシート４５を透過して面光源である光Ｔに変換されて前記偏光ビームスプリッタ４７に入射される。前記入射光Ｔは振幅が同一、光ベクトルが垂直の直線偏光Ｐ及び直線偏光Ｓからなると仮定する場合、前記直線偏光Ｐは前記偏光ビームスプリッタ４７及び前記偏光シート３２を透過するが、前記直線偏光Ｓは前記偏光ビームスプリッタ４７で前記バックライトモジュール４０へ反射された後、前記プリズムシート４５、前記拡散シート４４、前記導光板４２、前記１／４λフィルム４６を透過して前記反射シート４３で反射され、もう一回前記１／４λフィルム４６を透過する。前記直線偏光Ｓは前記１／４λフィルム４６を二回透過して直線偏光Ｐ１（この直線偏光Ｐ１は前記直線偏光Ｐと同じ偏光方向を有する）に変換され、前記直線偏光Ｐ１は前記偏光ビームスプリッタ４７及び前記偏光シート３２を透過することができる。従って、前記バックライトモジュール４０は光の再利用を実現できるので、前記従来技術であるバックライト２０と比べて輝度が二倍程度に高まる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前記バックライト４０において、前記偏光ビームスプリッタ４７で反射された前記直線偏光Ｓは、前記導光板４２から出射されてから前記１／４λフィルム４６で前記直線偏光Ｐ１に変更されるので、前記１／４λフィルム４６及び前記導光板４２の界面に光エネルギーの損失が生じる課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明は、光エネルギーの利用率が高い導光板及びこの導光板を利用するバックライトモジュールを提供する。
【０００９】
本発明に係る導光板は、入射面と、この入射面に垂直な出射面と、前記出射面に対向して設置される底面と、を含む。前記導光板は、応力複屈折性（Ｓｔｒｅｓｓ  Ｂｉｒｅｆｒｉｇｅｎｔ）の導光板であり、主応力の一部と前記入射面とは０°〜９０°の角度を形成し、４５°であることが好ましい。さらに、前記導光板の出射面にサブ波長格子構造を形成する。
【００１０】
また、本発明に係るバックライトモジュールは、光源と、導光板と、反射シートと、偏光ビームスプリッタと、を含む。前記導光板は、入射面と、この入射面に垂直な出射面と、前記出射面に対向して設置される底面と、を有する。前記光源は、前記導光板の入射面に対して設置される。前記反射シートと、前記導光板と、前記偏光ビームスプリッタと、を順に積層して構成する。前記導光板は応力複屈折性の導光板であり、主応力の一部と前記入射面とは０°〜９０°の角度を形成し、４５°であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係るバックライトモジュールは、光源と、導光板と、反射シートと、を含む。前記導光板は、入射面と、この入射面に垂直な出射面と、この出射面に対向して設置される底面と、を有する。前記光源は、前記導光板の入射面に対して設置される。前記反射シートは前記底面の一側に設置される。前記導光板は応力複屈折性の導光板であり、主応力の一部と前記入射面とは０°〜９０°の角度を形成し、４５°であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
従来技術と比べて、本発明に係る導光板は応力複屈折性の導光板であり、位相遅延（Ｐｈａｓｅ  Ｄｅｌａｙ）が大きく形成され、ほぼ１／４λフィルムと同様の性能を有するため、１／４λフィルムをさらに設置せず、直線偏光Ｓを前記導光板の内部で直線偏光Ｐに変換することができる。従って、導光板と１／４λフィルムとの界面に生じる光の反射及び発散等による光エネルギーの損失を防止し、光エネルギーの利用率を高める。
【００１３】
さらに、本発明に係るバックライトモジュールに、偏光ビームスプリッタと、又は導光板の出射面に形成されたサブ波長格子と、をさらに設置することにより、反射型液晶パネルへ偏光の光が形成されるので、光エネルギーの利用率を高める。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、図面を参照して本発明に係る実施例について説明する。
【００１５】
（実施例１）
図３に示すように、本実施例に係る導光板５２は、平板型に設けられており、入射面５２１と、この入射面５２１に垂直な出射面５２２と、この出射面５２２に対向して設置される底面５２３と、を有する。前記底面５２３に複数の凹部５２４が形成される。本実施例において、前記導光板５２はポリカーボネート樹脂（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ  Ｒｅｓｉｎ）からなる。前記凹部５２４はＶ字型に構成される。前記出射面５２２は平面に形成される。
【００１６】
前記導光板５２は、光弾性効果（Ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ  Ｅｆｆｅｃｔ）により、一定の応力又は応変を加えて製造した応力複屈折性の導光板である。図３に示すように、前記入射面５２１に垂直な方向をＸ軸、前記Ｘ軸に垂直で前記出射面５２２に平行な方向をＹ軸と定義する場合、前記導光板５２に加えた主応力δｘ及びδｙは、図３に示すように、δｘとＸ軸、及びδｙとＹ軸が形成する角度θを０°〜９０°にし、４５°にすることが好ましい。
【００１７】
前記導光板５２は、一定の応力又は応変を加えて製造されたものであり、位相遅延が大きく形成され、ほぼ１／４λフィルムと同様の性能を有するので、１／４λフィルムをさらに設置せずに、直線偏光Ｓを前記導光板の内部で直線偏光Ｐに変換することができる。従って、導光板と該１／４λフィルムとの界面に生じる光の反射及び発散などによる光エネルギーの損失を防止し、光エネルギーの利用率を高める。
【００１８】
図４を参照すると、前記導光板５２に入射された直線偏光Ｓの変化について説明する。
【００１９】
図４に示すように、光がＸＺ平面に入射される場合、直線偏光Ｐの電界ベクトルの方向がＸＺ平面に沿い、直線偏光Ｓの電界ベクトルの方向がＸＺ平面で法線の方向に平行となり、前記偏光ビームスプリッタの偏光軸はＸ軸に平行となるように設置される。入射光が非常に小さい角度θｉで入射される場合に限り、前記入射光が前記出射面５２２から出射されるので、前記底面５２３に複数の凹部５２４を形成することにより、前記入射光の角度θｉを変更する。次に、説明の便利のために、θｉ＝０とされ、即ち、出射光が前記出射面５２２の法線に沿って出射されると仮想される。この場合、直線偏光ＳのＪｏｎｅｓベクトルは
【００２０】
【数１】
2006351515.tif 000003
【００２１】
のようになる。ブリュースター（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ）の法則により、屈折率と主応力とは次式の関係がある。
【００２２】
【数２】
2006351515.tif 000004
【００２３】
ここで、ｎδｙ及びｎδｘは、それぞれ異なる応力方向での屈折率、Ｃは相対応力・光学定数である。
【００２４】
前記式（１）により、前記入射光が厚さｄの導光板５２を透過して形成する光路差ｌは次式のようになる。
【００２５】
【数３】
2006351515.tif 000005
【００２６】
従って、位相遅延δと波長λの入射光との関係は次式のようになる。
【００２７】
【数４】
2006351515.tif 000006
【００２８】
前記式（２）及び前記式（３）は、平面光弾性応力・光学法則と呼ばれる。応力が作用された導光板５２は位相遅延器として利用される。
【００２９】
一般に、光弾性の実験において、ｆδ＝λ／Ｃ（ｆδは材料の応力フリンジ値（Ｓｔｒｅｓｓ  Ｆｒｉｎｇｅ  Ｖａｌｕｅ）である）とされる場合、位相遅延であるδは次式のようになる。
【００３０】
【数５】
2006351515.tif 000007
【００３１】
前記導光板５２の前記δｙ及びδｘの方向によるＪｏｎｅｓベクトルは次式のようになる。
【００３２】
【数６】
2006351515.tif 000008
【００３３】
前記導光板５２のＸＹの座標軸の方向によるＪｏｎｅｓベクトルは次式のようになる。
【００３４】
【数７】
2006351515.tif 000009
【００３５】
ここで、Ｒ（θ）が変換マトリクスである。式（６）により、次式のように変換される。
【００３６】
【数８】
2006351515.tif 000010
【００３７】
前記入射光が前記導光板５２を透過した後、電界の放出強度であるＥｏは次式のようになる。
【００３８】
【数９】
2006351515.tif 000011
【００３９】
【数１０】
2006351515.tif 000012
【００４０】
前記入射光は、偏光軸がＸ軸方向に平行な偏光ビームスプリッタを透過すると、その光強度Ｉｘは次式のようになる。
【００４１】
【数１１】
2006351515.tif 000013
【００４２】
従って、式（４）を利用して、次式のように求められる。
【００４３】
【数１２】
2006351515.tif 000014
【００４４】
前記Ｉｘは次式の条件を満足する場合、最大値に達する。
【００４５】
【数１３】
2006351515.tif 000015
【００４６】
従って、光エネルギーを最大限に利用するために、前記導光板５２は前記主応力δｘの方向と前記Ｘ軸とで形成された角度θを４５°にするように設置される。前記主応力δｘ方向と前記Ｘ軸とが形成する角度θが４５°と等しくない場合、光エネルギーを最大限に利用できないが、前記直線偏光Ｓを二次利用することができることは無論である。
【００４７】
前記導光板５２の厚さが０．８ｍｍ程度に設けられる場合、実際の厚さはｄ＝０．８×２ｍｍになる。前記導光板５２がポリカーボネート（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ，ＰＣ）からなる場合、その材料の応力フリンジ値はｆδ＝６．６ｋＮ／ｍにする。
【００４８】
【数１４】
2006351515.tif 000016
【００４９】
実際の応用において、前記材料の応力フリンジ値が大き過ぎる場合、応力の複屈折の動作に対して制御し難くなる。この場合、前記位相遅延δが［０，２π］の範囲にされると、平均光強度
【００５０】
【数１５】
2006351515.tif 000017
【００５１】
は次式で与えられる。
【００５２】
【数１６】
2006351515.tif 000018
【００５３】
前記式（１４）により、θ＝π／４にされると、平均光強度である
【００５４】
【数１７】
2006351515.tif 000019
【００５５】
＝０．２５になる。前記直線偏光Ｓが前記導光板５２内でｎ回反射されてから、前記偏光ビームスプリッタ５７を透過して形成された平均光強度
【００５６】
【数１８】
2006351515.tif 000020
【００５７】
は、１−（０．７５）ｎになり、具体的な結果が次の表のようになる。
【００５８】
【表１】
2006351515.tif 000021
【００５９】
この場合、前記角度θの大小を制御して、前記直線偏光Ｓを八回繰返して反射させた後、前記直線偏光Ｓの９０％部分は前記偏光ビームスプリッタ５７で前記直線偏光Ｐに変換される。
【００６０】
上述のように、本実施例において、異なる偏光の変換は、前記導光板５２による誤差の程度に関係せず、良好に行うことができる。前記応力を加える方法は、例えば、前記導光板５２を形成する場合、応力を加えて応力凍結法で保持することであっても良い。材料の力学特性により、応力及び複屈折の関係と、応変で示される位相方程式と、を求めることができる。
【００６１】
（実施例２）
図５を参照すると、本実施例に係るバックライトモジュール５０には、実施例１に係る導光板５２が利用される。前記バックライトモジュール５０は、さらに光源５１と、反射シート５３と、拡散シート５４と、プリズムシート５５と、偏光ビームスプリッタ５７と、を有する。前記光源５１は前記入射面５２１に対向して設置される。前記反射シート５３と、前記導光板５２と、前記拡散シート５４と、前記プリズムシート５５と、を順に積層するように設置する。本実施例において、前記光源５１としては発光ダイオードが利用される。
【００６２】
前記バックライトモジュール５０が動作すると、前記光源５１が放出する自然光は、前記導光板５２、前記拡散シート５４、前記プリズムシート５５を透過して面光源である光Ｔに変換されて前記偏光ビームスプリッタ５７に入射される。前記入射光Ｔは振幅が同一、光ベクトルが垂直な直線偏光Ｐ及び直線偏光Ｓからなると仮定する場合、前記直線偏光Ｐは前記偏光ビームスプリッタ５７を透過して液晶表示パネル（図面せず）に到達するが、前記直線偏光Ｓは、前記偏光ビームスプリッタ５７から透過せず、前記偏光ビームスプリッタ５７で前記バックライトモジュール５０まで反射され、前記プリズムシート５５、前記拡散シート５４、前記導光板５２を順に透過して、前記反射シート５３で前記導光板５２へ反射される。これにより、前記直線偏光Ｓは、前記導光板５２の中で直線偏光Ｐ１に変換されて、前記偏光ビームスプリッタ５７から透過して出射されることができる。前記バックライトモジュール５０にさらに前記ビームスプリッタ５７を設置することにより、液晶表示パネル用の偏光を提供し、光エネルギーを高効率的に利用することができる。
【００６３】
（実施例３）
図６を参照すると、本実施例に係る導光板７２は実施例１に係る導光板５２と比べて、次の異なる点がある。前記導光板７２の出射面７２２にサブ波長格子（Ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｇｒａｔｉｎｇ）７２４が設けられる。前記サブ波長格子７２４は格子周期が入射光の波長より小さく形成される一次元格子又は多次元格子である。前記サブ波長格子７２４の寸法を調整し、前記出射面７２２を偏光ビームスプリッタとして利用することにより、直線偏光Ｐを透過させ、直線偏光Ｓを反射させることができる。
【００６４】
（実施例４）
図７を参照すると、本実施例に係るバックライトモジュール７０は実施例３に係る導光板７２を利用し、さらに光源７１と、反射シート７３と、拡散シート７４と、プリズムシート５５と、を含む。前記光源７１は、前記導光板７２の入射面７２１に対向して設置され、前記反射シート７３と、前記導光板７２と、前記拡散シート７４と、前記プリズムシート７５と、を順に積層するように構成する。
【００６５】
前記バックライトモジュール７０が動作すると、前記光源７１が放出する自然光の光Ｔは、直接前記出射面７２２のサブ波長格子７２４に入射され、又は、前記反射シート７３で反射されて前記サブ波長格子７２４に入射されると、光Ｔの直線偏光Ｐは前記サブ波長格子７２４から透過して前記液晶表示パネルに到達するが、直線偏光Ｓは前記サブ波長格子７２４から透過せずに該サブ波長格子７２４で前記導光板へ反射されて、前記導光板７２から透過し、もう一回前記反射シート７３で反射されて前記導光板７２へ入射され、前記導光板７２の中で直線偏光Ｐ１に変換される。これにより、前記直線偏光Ｐ１を前記サブ波長格子７２４から透過させる。前記サブ波長格子７２４を利用することにより、液晶パネル用の偏光を提供し、光エネルギーの利用率を高める。
【００６６】
本発明に係る導光板は、上述の実施例の他、次の変形がある。例えば、前記導光板を楔形に形成する。前記導光板の底面に形成された複数の凹部の断面は、円柱形、半円球形、ピラミッド形、ピラミッドの先端を除去する形状などに形成することもできる。前記複数の凹部は、均一に形成され、又は、入射面から離れた方向に沿って寸法又は密度が大きく形成される。
【００６７】
また、前記導光板は、例えばポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）又は（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｔｈｙｌｅｎｅ）又はガラスからなる。
【００６８】
なお、本発明に係るバックライトモジュールは次の変形もある。例えば、冷陰極の蛍光ライトを光源として利用する。偏光ビームスプリッタを導光板の出射面及び拡散シートの間に設置してもよいが、前記偏光ビームスプリッタを前記拡散シート及びプリズムシートの間に設置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】従来のバックライトモジュール及び液晶表示パネルからなる液晶表示装置の正面図である。
【図２】従来の他のバックライトモジュール及び液晶表示パネルからなる液晶表示装置の正面図である。
【図３】実施例１に係る導光板の斜視図である。
【図４】実施例１に係る導光板の光路の模式図である。
【図５】実施例２に係るバックライトモジュールの正面図である。
【図６】実施例３に係る導光板の斜視図である。
【図７】実施例４に係るバックライトモジュールの正面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１００、３００  液晶表示装置
１０、３０  液晶表示パネル
１１、３１  上方偏光シート
１２、３２  下方偏光シート
２０、４０  バックライトモジュール
２１、４１  光源
２２、４２  導光板
２３、４３  反射シート
２４、４４  拡散シート
２５、４５  プリズムシート
４６  １／４λフィルム
４７  偏光ビームスプリッタ
５０、７０  バックライトモジュール
５１、７１  光源
５２、７２  導光板
５２１、７２１  入射面
５２２、７２２  出射面
５２３  底面
５２４  凹部
５３、７３  反射シート
５４、７４  拡散シート
５５  プリズムシート
５７  偏光ビームスプリッタ
７２４  サブ波長格子
【図１】
2006351515.tif 000022
【図２】
2006351515.tif 000023
【図３】
2006351515.tif 000024
【図４】
2006351515.tif 000025
【図５】
2006351515.tif 000026
【図６】
2006351515.tif 000027
【図７】
2006351515.tif 000028