(57)【要約】      （修正有）【課題】バックライトユニットを有する液晶表示装置における光源光の利用効率を向上させる。【解決手段】液晶表示パネルと、バックライトユニットとを有し、前記バックライトユニットは、複数の光源と、当該光源が発した光を面状光線に変換する導光板９と、当該光源が発した光を赤色系の光３ｒ、緑色系の光３ｇ、および青色系の光３ｂに分離する回折格子１０を有する液晶表示装置であって、前記回折格子は、前記導光板から見て前記液晶表示パネルとは反対の方向に、前記導光板よりも屈折率が低い低屈折率層１１を介して配置されており、かつ、前記光源から前記導光板に入射した光のうちの強度が最も高い主成分の光の伝播方向と平行な主断面で見たときに、前記赤色系の光、前記緑色系の光、および前記青色系の光のすべての光の−１次回折光の回折方向が、当該回折格子の垂線方向よりも前記光源側に傾くように配置されている液晶表示装置。【選択図】図５
2011154078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤色系の光のみが通過する第１のサブ画素、緑色系の光のみが通過する第２のサブ画素、および青色系の光のみが通過する第３のサブ画素を有する画素がマトリクス状に配置された表示領域を有する液晶表示パネルと、当該液晶表示パネルに照射する面状光線を生成するバックライトユニットとを有し、
前記バックライトユニットは、複数の光源と、当該光源が発した光を面状光線に変換する導光板と、当該光源が発した光を赤色系の光、緑色系の光、および青色系の光に分離する回折格子を有し、
前記液晶表示パネルは、前記赤色系の光を前記第１のサブ画素に導き、前記緑色系の光を前記第２のサブ画素に導き、前記青色系の光を前記第３のサブ画素に導く集光部材を有する液晶表示装置であって、
前記回折格子は、前記導光板から見て前記液晶表示パネルとは反対の方向に、前記導光板よりも屈折率が低い低屈折率層を介して配置されており、かつ、
前記光源から前記導光板に入射した光のうちの強度が最も高い主成分の光の伝播方向と平行な主断面で見たときに、前記赤色系の光、前記緑色系の光、および前記青色系の光のすべての光の−１次回折光の回折方向が、当該回折格子の垂線方向よりも前記光源側に傾くように配置されていることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
前記低屈折率層の屈折率と前記回折格子の格子定数との積が、345nm以上、420nm以下であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項３】
前記低屈折率層の屈折率は、空気の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記バックライトユニットは、前記導光板と前記液晶表示パネルとの間に配置されるプリズムシートを有することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項５】
前記プリズムシートは、前記主断面で見たときの、前記緑色系の前記−１次回折光の前記液晶表示パネルへの入射角を概ね０°にするプリズム面を有することを特徴とする請求項４に記載の液晶表示装置。
【請求項６】
前記回折格子の格子溝の深さと前記低屈折率層の屈折率との積が、160nm以上、420nm以下であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項７】
前記低屈折率層の屈折率をｎ1、前記導光板の屈折率をｎ2としたときに、ｎ22−ｎ12≧0.75の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項８】
前記液晶表示パネルは、液晶層を挟んで配置された一対の偏光板を有し、
当該一対の偏光板のうちの、前記バックライトユニットと前記液晶層との間に配置される偏光板は、その透過軸方向が、前記導光板内での前記主成分の光の伝播方向と概ね平行になるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示装置に関し、特に、バックライトユニットを有するカラー液晶表示装置に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶表示装置には、液晶表示パネルの後方に配置したバックライトユニットからの光の透過率を制御することで映像や画像を提示するものがある。このバックライトユニットの構成は、直下型とエッジライト型（導光板方式と呼ぶこともある。）とに大別される。
【０００３】
エッジライト型のバックライトユニットは、導光板の端部に１個乃至数個の光源を配置した構成になっており、光源が発した光を当該導光板により面状光線に変換して液晶表示パネルに照射する。このエッジライト型のバックライトユニットは、直下型に比べて薄型化、軽量化が容易である。また、エッジライト型のバックライトユニットは、直下型に比べて光源の数を少なくできるので、低消費電力化や、発熱量（動作時の温度上昇）を抑えることも容易である。そのため、エッジライト型のバックライトユニットを有する液晶表示装置は、たとえば、携帯電話端末やデジタルカメラなどの携帯型電子機器の液晶モニタ（表示デバイス）に多く用いられている。
【０００４】
ところで、携帯型電子機器の液晶モニタは、ＲＧＢ方式などのカラー表示に対応しているものが多い。ＲＧＢ方式のカラー表示に対応した液晶モニタにおける１つの画素は、たとえば、赤色系の光の輝度を制御する第１のサブ画素、緑色系の光の輝度を制御する第２のサブ画素、および青色系の光の輝度を制御する第３のサブ画素の３つのサブ画素からなり、当該３つのサブ画素の輝度の組み合わせにより画素の色を制御する。
【０００５】
このとき、第１のサブ画素には、バックライトユニットからの光（白色光）のうちの赤色系の光のみが透過する赤色フィルタが設けられる。また、第２のサブ画素には、バックライトユニットからの光（白色光）のうちの緑色系の光のみが透過する緑色フィルタが設けられる。また、第３のサブ画素には、バックライトユニットからの光（白色光）のうちの青色系の光のみが透過する青色フィルタが設けられる。
【０００６】
このような従来のカラー液晶表示装置では、たとえば、第１のサブ画素に入射した光（白色光）のうちの赤色系の光のみが透過し、緑色系の光および青色系の光は吸収または反射される。これは第２のサブ画素および第３のサブ画素についても同様で、第２のサブ画素では赤色系の光および青色系の光が吸収または反射され、第３のサブ画素では赤色系の光および緑色系の光が吸収または反射される。すなわち、従来のカラー液晶表示装置におけるそれぞれのサブ画素は、入射した白色光の中から所望の波長域の光のみを通過（出射）させるので、バックライトユニットからの光の利用効率が低いという問題があった。
【０００７】
バックライトユニットを有するカラー液晶表示装置における上記の問題を解決する方法として、たとえば、バックライトユニットと液晶表示パネルの間に、透過型回折格子とレンズアレイを配置する方法が提案されている（たとえば、特許文献１を参照。）。このような液晶表示装置では、バックライトユニットからの白色光を、前記透過型回折格子により赤色系の光、緑色系の光、および青色系の光に分離し、前記レンズアレイにより赤色系の光を第１のサブ画素に導き、緑色系の光を第２のサブ画素に導き、青色系の光を第３のサブ画素に導く。そのため、たとえば、従来の液晶表示装置において第２のサブ画素や第３のサブ画素で吸収されていた赤色系の光を第１のサブ画素に導くことができ、バックライトユニットからの光の利用効率を高められると考えられる。
【０００８】
前記特許文献１、および以下の説明で挙げる特許文献２は、それぞれ、下記の通りである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−６２６９２号公報
【特許文献２】米国特許２００２／００７５４２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、バックライトユニットからの光の利用効率を高めるために当該バックライトユニットと液晶表示パネルの間に配置する透過型回折格子について、本願発明者らが回折効率を計算したところ、以下のようなことがわかった。
【００１１】
まず、一般的な透過型回折格子では、液晶表示装置で必要とされる波長領域（すなわち可視光領域）のすべてで回折効率が高くなることはなく、少なくともどこかの波長領域で回折効率が小さくなることがわかった。そのため、透過型回折格子を利用する従来のカラー液晶表示装置では、たとえば、赤色系の光と緑色系の光の回折効率（利用効率）は高くなるが、青色系の光の回折効率（利用効率）は小さいというような問題が生じる。
【００１２】
また、格子定数などを最適化することで波長領域毎の回折効率の差が小さくなるようにした透過型回折格子では、全体的に回折効率が小さくなってしまうことがわかった。そのため、液晶表示装置全体でみた光の利用効率はそれほど向上しないという問題が生じる。
【００１３】
すなわち、透過型回折格子を用いた従来の液晶表示装置では、バックライトユニットからの白色光について、可視光領域のすべての波長領域で利用効率を向上させることが難しいという問題があった。
【００１４】
本発明の目的は、バックライトユニットを有する液晶表示装置における光源光の利用効率を向上させることが可能な技術を提供することにある。
【００１５】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面によって明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概略を説明すれば、以下の通りである。
【００１７】
赤色系の光のみが通過する第１のサブ画素、緑色系の光のみが通過する第２のサブ画素、および青色系の光のみが通過する第３のサブ画素を有する画素がマトリクス状に配置された表示領域を有する液晶表示パネルと、当該液晶表示パネルに照射する面状光線を生成するバックライトユニットとを有し、前記バックライトユニットは、複数の光源と、当該光源が発した光を面状光線に変換する導光板と、当該光源が発した光を赤色系の光、緑色系の光、および青色系の光に分離する回折格子を有し、前記液晶表示パネルは、前記赤色系の光を前記第１のサブ画素に導き、前記緑色系の光を前記第２のサブ画素に導き、前記青色系の光を前記第３のサブ画素に導く集光部材を有する液晶表示装置であって、前記回折格子は、前記導光板から見て前記液晶表示パネルとは反対の方向に、前記導光板よりも屈折率が低い低屈折率層を介して配置されており、かつ、前記光源から前記導光板に入射した光のうちの強度が最も高い主成分の光の伝播方向と平行な主断面で見たときに、前記赤色系の光、前記緑色系の光、および前記青色系の光のすべての光の−１次回折光の回折方向が、当該回折格子の垂線方向よりも前記光源側に傾くように配置されている液晶表示装置。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の液晶表示装置によれば、回折格子により白色光を赤色系の光、緑色系の光、および青色系の光に分離したときのそれぞれの光の回折効率を向上させることができるので、光源が発した光の利用効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の一般的な液晶表示装置における画素の平面構成の一例を示す模式平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線の位置における断面構成の一例を示す模式断面図である。
【図３（ａ）】透過型回折格子およびレンズアレイを有する液晶表示装置の断面構成の一例を示す模式断面図である。
【図３（ｂ）】緑色系の光が集光される様子を示す模式断面図である。
【図３（ｃ）】赤色系の光が集光される様子を示す模式断面図である。
【図３（ｄ）】青色系の光が集光される様子を示す模式断面図である。
【図４】図３（ａ）に示した構成の液晶表示装置における透過型回折格子の回折効率の波長依存性の一例を示すグラフ図である。
【図５】本発明による実施例１の液晶表示装置における主要部分の断面構成の一例を示す模式断面図である。
【図６】実施例１の液晶表示装置における主要部分の平面構成の一例を示す模式平面図である。
【図７】回折格子への入射角と回折光の出射角度との関係を説明するための模式断面図である。
【図８】０次回折光と−１次回折光の光路を示す模式断面図である。
【図９】−１次回折光におけるＴＭ偏光およびＴＥ偏光の回折効率の波長依存性を示すグラフ図である。
【図１０】実施例１のバックライトユニットにおける回折格子の格子定数と回折効率との関係の波長依存性の一例を示すグラフ図である。
【図１１】実施例１のバックライトユニットにおける回折格子のブレーズ角度と回折格子との関係の波長依存性の一例を示すグラフ図である。
【図１２】比較例１のバックライトユニットにおける回折効率の波長依存性を示すグラフ図である。
【図１３】本発明による実施例２の液晶表示装置における主要部分の断面構成の一例を示す模式断面図である。
【図１４】実施例２のバックライトユニットにおける光の波長と回折効率の関係の屈折率依存性を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明について、図面を参照して実施の形態（実施例）とともに詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは、同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２１】
図１および図２は、従来の一般的な液晶表示装置における画素の概略構成の一例および動作原理を説明するための模式図である。
図１は、従来の一般的な液晶表示装置における画素の平面構成の一例を示す模式平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線の位置における断面構成の一例を示す模式断面図である。
【００２２】
本発明は、エッジライト型のバックライトユニットを有するカラー液晶表示装置において、当該バックライトユニットの光源が発した光の利用効率を高めることを目的としている。そこでまず、ＲＧＢ方式のカラー表示に対応した従来の液晶表示装置を例に挙げ、その概略構成および動作原理、ならびにその問題点について簡単に説明する。
【００２３】
ＲＧＢ方式のカラー表示に対応した液晶表示装置は、たとえば、図１および図２に示すように、赤色フィルタＦＲを有する第１のサブ画素、緑色フィルタＦＧを有する第２のサブ画素、および青色フィルタＦＢを有する第３のサブ画素からなる画素がマトリクス状に配置された表示領域を有する液晶表示パネル１と、当該液晶表示パネル１に照射する面状光線を生成するバックライトユニット２とを有する。
【００２４】
なお、赤色フィルタＦＲは、赤色系の光のみが通過し、緑色系の光および青色系の光は吸収（または反射）する波長フィルタである。また、緑色フィルタＦＧは、緑色系の光のみが通過し、赤色系の光および青色系の光は吸収（または反射）する波長フィルタである。また、青色フィルタＦＢは、青色系の光のみが通過し、赤色系の光および緑色系の光は吸収（または反射）する波長フィルタである。
【００２５】
本発明に関わる液晶表示装置におけるバックライトユニット２は、前述のようにエッジライト型であり、液晶表示パネル１の後方に配置された導光板と、当該導光板の端部に配置された１個または２個以上の白色光源とを有する。この白色光源が発した光は、導光板に入射し、当該導光板により面状光線に変換されて液晶表示パネル１側に出射する。
【００２６】
バックライトユニット２から液晶表示パネル１側に出射する光３ｗは、通常白色光であり、プリズムシートなどの光学シートにより、液晶表示パネル１への入射角が概ね０°になるように調整されている。そのため、第１のサブ画素、第２のサブ画素、および第３のサブ画素には、それぞれ、白色光３ｗが入射する。以下、このような構成のバックライトユニット２を有する液晶表示装置を、従来例１の液晶表示装置と呼ぶ。
【００２７】
しかしながら、第１のサブ画素には赤色フィルタＦＲがあるので、第１のサブ画素を通過する光は白色光３ｗのうちの赤色系の光３ｒのみである。また、第２のサブ画素には緑色フィルタＦＧがあるので、第２のサブ画素を通過する光は白色光３ｗのうちの緑色系の光３ｇのみである。また、第３のサブ画素には青色フィルタＦＢがあるので、第３のサブ画素を通過する光は白色光３ｗのうちの青色系の光３ｂのみである。
【００２８】
すなわち、従来例１の液晶表示装置におけるそれぞれのサブ画素は、入射した白色光３ｗの中から所望の波長域の光のみを通過（出射）させるので、光源が発した光の利用効率が低い。
【００２９】
従来例１の液晶表示装置における光の利用効率を高める方法としては、たとえば、バックライトユニット２と液晶表示パネル１の間に、透過型回折格子とレンズアレイを配置する方法が提案されている。
【００３０】
図３（ａ）乃至図３（ｄ）および図４は、透過型回折格子およびレンズアレイを有する液晶表示装置の概略構成の一例および動作原理ならびに問題点の一例を説明するためのグラフ図である。
図３（ａ）は、透過型回折格子およびレンズアレイを有する液晶表示装置の断面構成の一例を示す模式断面図である。図３（ｂ）は、緑色系の光が集光される様子を示す模式断面図である。図３（ｃ）は、赤色系の光が集光される様子を示す模式断面図である。図３（ｄ）は、青色系の光が集光される様子を示す模式断面図である。
図４は、図３（ａ）に示した構成の液晶表示装置における透過型回折格子の回折効率の波長依存性の一例を示すグラフ図である。
【００３１】
バックライトユニット２と液晶表示パネル１の間に透過型回折格子とレンズアレイを配置した液晶表示装置（以下、従来例２の液晶表示装置と呼ぶ。）は、たとえば、図３（ａ）に示すように、バックライトユニット２と液晶表示パネル１の間に透過型回折格子４が配置されており、液晶表示パネル１の第１の基板５と第１の偏光板６との間にレンズアレイ（複数のシリンドリカルレンズ７）が配置されている。このシリンドリカルレンズ７は、曲率方向が１つの画素において第１のサブ画素、第２のサブ画素、および第３のサブ画素が並んでいる方向（ｘ方向）と平行であり、当該曲率方向の幅が画素のｘ方向の寸法と概ね等しい。また、バックライトユニット２は、従来例１の液晶表示装置のものとは異なり、液晶表示パネル１への入射角が75°から85°になる白色光３ｗが出射する。
【００３２】
このとき、バックライトユニット２から出射した白色光３ｗは、透過型回折格子４により、赤色系の光３ｒ、緑色系の光３ｇ、および青色系３ｂの光に分離される。分離された赤色系の光３ｒ、緑色系の光３ｇ、および青色系の光３ｂは、回折方向が異なる。そのため、透過型回折格子４の格子定数やブレーズ角度によりそれぞれの色の光の回折方向を調整するとともに、シリンドリカルレンズ７で焦点位置を調整することにより、赤色系の光３ｒを第１のサブ画素に導き、緑色系の光３ｇを第２のサブ画素に導き、青色系の光３ｂを第３のサブ画素に導くことができる。
【００３３】
透過型回折格子４により分離された緑色系の光３ｇの回折方向が、図３（ａ）に示したように液晶表示パネル１（第１の偏光板６）の入射面に対して垂直である場合、当該緑色系の光３ｇは、シリンドリカルレンズ７により、たとえば、図３（ｂ）に示したように、緑色フィルタＦＧを有する第２のサブ画素に集光される。すなわち、従来例２の液晶表示装置は、従来例１の液晶表示装置において赤色フィルタＦＲおよび青色フィルタＦＢで吸収（または反射）されていた緑色系の光３ｇを、緑色フィルタＦＧを有する第２のサブ画素に導くことができるので、緑色系の光３ｇの利用効率が向上すると考えられる。なお、図３（ｂ）に示した断面図は、それぞれ、基板や液晶層の厚さの関係が実際の液晶表示パネル１における関係と異なる。そのため、図３（ｂ）では、第２のサブ画素に集光される緑色系の光３ｇの拡がり角が大きくなっているが、実際の液晶表示パネル１における拡がり角は、たとえば、43度程度である。
【００３４】
また、透過型回折格子４により分離された緑色系の光３ｇの回折方向が、図３（ａ）に示したように液晶表示パネル１（第１の偏光板６）の入射面に対して垂直である場合、当該回折格子４により分離された赤色系の光３ｒの回折方向と、青色系の光３ｂの回折方向は、緑色系の光３ｇの回折方向を挟んで互いに反対の方向に傾く。このとき、透過型回折格子４により分離された赤色系の光３ｒは、シリンドリカルレンズ７により、たとえば、図３（ｃ）に示したように、赤色フィルタＦＲを有する第１のサブ画素に集光される。またこのとき、透過型回折格子４により分離された青色系の光３ｂは、シリンドリカルレンズ７により、たとえば、図３（ｄ）に示したように、青色フィルタＦＢを有する第３のサブ画素に集光される。したがって、従来例２の液晶表示装置は、赤色系の光３ｒおよび青色系の光３ｂの利用効率も向上すると考えられる。なお、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示した断面図は、それぞれ、基板や液晶層の厚さの関係が実際の液晶表示パネル１における関係と異なる。そのため、図３（ｃ）では、第１のサブ画素に集光される赤色系の光３ｒの拡がり角が大きくなっているが、実際の液晶表示パネル１における拡がり角は、たとえば、41度程度である。また、図３（ｄ）では、第３のサブ画素に集光される青色系の光３ｂの拡がり角が大きくなっているが、実際の液晶表示パネル１における拡がり角は、たとえば、41度程度である。
【００３５】
以上のようなことから、従来例２の液晶表示装置は、従来例１の液晶表示装置に比べて、光源が発した光の利用効率が向上すると考えられる。
【００３６】
しかしながら、従来例２の液晶表示装置で用いる透過型回折格子４について、回折効率の波長依存性を調べると、たとえば、図４に示すような結果が得られる。なお、図４は、横軸が透過型回折格子４に入射する光の波長λ（nm）、縦軸が回折効率ＤＥ（％）のグラフである。また、図４は、格子定数ｄが550nm、ブレーズ角度θBが42.3度、屈折率ｎが1.5の透過型回折格子４のモデルに、波長λの光を入射させたときの回折効率ＤＥを計算した結果を示している。またこのとき、透過型回折格子４への光の入射角度は76度にし、緑色系の光３ｇの回折方向が当該回折格子の垂線方向（液晶表示パネル１への入射角が0度になる方向）になるようにしている。
【００３７】
図４からわかるように、透過型回折格子４を用いた場合、ＴＭ偏光の回折効率ＤＥは、可視波長の全域において10％以下である。また、ＴＥ偏光の回折効率ＤＥは、緑色系の光３ｇでは約20％であるものの、赤色系の光３ｒおよび青色系の光３ｂでは10％程度である。
【００３８】
すなわち、従来例２の液晶表示装置のように、回折格子を用いて白色光３ｗを波長領域毎の光に分離し、当該分離した光を対応するサブ画素に集光させても、回折格子の回折効率ＤＥが低いので、液晶表示装置全体で考えると、光源が発した光の利用効率はそれほど向上しない。
【００３９】
しかしながら、回折格子を用いて白色光３ｗを波長領域毎の光に分離し、当該分離した光を対応するサブ画素に集光させる方法は、回折効率を向上させることができれば、光源が発した光の利用効率の向上に対して有効である。そこで、本発明では、回折格子の回折効率を向上させる方法を提案する。
【実施例１】
【００４０】
図５および図６は、本発明による実施例１の液晶表示装置の概略構成の一例および動作原理を説明するための模式図である。
図５は、本発明による実施例１の液晶表示装置における主要部分の断面構成の一例を示す模式断面図である。図６は、実施例１の液晶表示装置における主要部分の平面構成の一例を示す模式平面図である。
なお、図５に示した断面図は、図６に示したｘ軸方向と平行であり、かつ、ｙ軸方向を法線方向とする断面で見た図である。以下、図５に示した断面を主断面と呼ぶ。
【００４１】
実施例１の液晶表示装置は、エッジライト型（導光板方式）のバックライトユニットと、液晶表示パネル１とを有する。このとき、バックライトユニットは、たとえば、図５および図６に示すように、複数の光源８、導光板９、回折格子１０、低屈折率層１１、およびプリズムシート１２を有する。またこのとき、液晶表示パネル１は、たとえば、図５および図６に示すように、第１の基板５、第２の基板１３、液晶層１４、第１の偏光板６、第２の偏光板１５、レンチキュラレンズ（複数のシリンドリカルレンズ７）、および拡散シート１６を有する。
【００４２】
バックライトユニットは、光源８が発した光を導光板９により面状光線に変換して液晶表示パネル１に照射する照明装置であり、複数の光源８は、導光板９の端部に配置されている。実施例１では、複数の光源８の配置位置の一例として、図６に示したように、導光板９の短辺の１つに沿って配置されている場合を挙げる。このとき、光源８が発した光のうちの強度が最も高い主成分の光の伝播方向は、導光板９の長辺方向（ｘ方向）と概ね平行になる。
【００４３】
光源８は、白色光３ｗが得られるものであればよいが、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および青（Ｂ）の波長領域が分離され、それぞれのスペクトル幅が狭いものが望ましい。実施例１では、光源８の一例として、Ｒ，Ｇ，Ｂの波長領域にピーク波長を持つ個別の発光ダイオード（LED）を挙げる。このとき、光源８は、赤色系の光３ｒを発するLEDチップ、緑色系の光３ｇを発するLEDチップ、および青色系の光３ｂを発するLEDチップの３つを１つのパッケージに実装したLEDパッケージを用いることが望ましいが、これに限らず、各色毎に独立したLEDパッケージになっているものでもよい。なお、光源８は、発光ダイオードに限らず、Ｒ，Ｇ，Ｂの波長領域に発光のピークを持つ３波長蛍光体を用いた蛍光管であってもよい。
【００４４】
導光板９は、従来のエッジライト型のバックライトユニットに用いられているものと同じものでよく、実施例１では、屈折率が1.64のポリエステルでなる導光板を用いる。また、導光板９は、液晶表示パネル１と対向する面（以下、第１の主面と呼ぶ。）とは反対側の面（以下、第２の主面と呼ぶ。）にＶ溝９ｖが設けられている。
【００４５】
回折格子１０は、導光板９から見て液晶表示パネル１とは反対の方向に配置されており、導光板９と回折格子１０との間には、導光板９よりも屈折率が低い低屈折率層１１が介在している。また、実施例１の液晶表示装置における回折格子１０は、反射型であり、複数の回折素子１０ａと、当該複数の回折素子１０ａを一体的に固定する基材１０ｂと、回折素子１０ａと低屈折率層１１との間に介在する反射層１０ｃとを有する。複数の回折素子１０ａは、導光板９の長辺方向（ｘ方向）、すなわち光源８から導光板９に取り込まれた光のうちの主成分の光の伝播方向に並んでおり、各回折素子１０ａの稜線は、導光板９の短辺方向（ｙ方向）に延びている。反射層１０ｃは、可視波長の範囲で反射率が高いことが望ましく、たとえば、銀やアルミニウムの薄膜を用いることが望ましい。実施例１の液晶表示装置（バックライトユニット）では、回折格子１０として、フィルム状の基材１０ｂ上に樹脂を用いて複数の回折素子１０ａを形成してのこぎり波状の格子形状を設け、その上の反射層１０ｃとしてアルミニウム膜を成膜したものを用いる。
【００４６】
また、低屈折率層１１には、導光板９よりも屈折率が低く、空気よりも屈折率が高い材料を用いる。実施例１では、導光板９と反射層１０ｃとの間に、屈折率が1.26のポーラスシリカでなる低屈折率層１１を設けた。ポーラスシリカは、微細なシリカ粒子の間に空孔を含むことで屈折率を小さくしたもので、シリカ粒子と空孔との比率により屈折率を調整することができる。実施例１のバックライトユニットでは、上記のようなフィルム状の回折格子１０を、低屈折率層１１を介して導光板９に貼り付けている。
【００４７】
プリズムシート１２は、導光板９と液晶表示パネル１との間に配置する。このとき、複数のプリズムは、導光板９の長辺方向（ｘ方向）、すなわち光源８から導光板９に取り込まれた光のうちの主成分の光の伝播方向に並んでおり、各プリズムの稜線は、導光板９の短辺方向（ｙ方向）に延びている。
【００４８】
一方、液晶表示パネル１は、ＲＧＢ方式のカラー表示に対応しており、１つの画素が、たとえば、図６に示したように、赤色フィルタＦＲを有する第１のサブ画素、緑色フィルタＦＧを有する第２のサブ画素、および青色フィルタＦＢを有する第３のサブ画素の３つのサブ画素からなる。またこのとき、１つの画素を構成する３つのサブ画素は、導光板９の長辺方向（ｘ方向）、すなわち光源８から導光板９に取り込まれた光のうちの主成分の光の伝播方向に並んでいる。
【００４９】
第１の基板５は、ＴＦＴ基板またはアクティブマトリクス基板などと呼ばれる基板であり、ガラス基板などの絶縁基板の表面に、走査信号線、映像信号線、ＴＦＴ素子、および画素電極などを有する薄膜積層体が形成されている。第２の基板１３は、対向基板またはＣＦ基板などと呼ばれている基板であり、ガラス基板などの絶縁基板の表面に、赤色フィルタＦＲ、緑色フィルタＦＧ、および青色フィルタＦＢなどを有する薄膜積層体が形成されている。
【００５０】
実施例１の液晶表示装置における第１の基板５、第２の基板１３、液晶層１４、第１の偏光板６、および第２の偏光板１５の構成の組み合わせは、たとえば、従来の液晶表示パネルにおける組み合わせのいずれかであればよいので、これらの構成例に関する具体的な説明は省略する。
【００５１】
レンチキュラレンズは、液晶層１４よりもバックライトユニット（導光板９）側に配置されている第１の基板５と第１の偏光板６との間に配置する。このレンチキュラレンズは、導光板９の長辺方向（ｘ方向）、すなわち光源８から導光板９に取り込まれた光のうちの主成分の光の伝播方向に並んだ複数のシリンドリカルレンズ７からなる。このとき、各シリンドリカルレンズ７は、曲率方向が導光板９の長辺方向と概ね平行であり、軸方向が導光板９の短辺方向と概ね平行である。またこのとき、各シリンドリカルレンズ７の幅（曲率方向の寸法）は、１つの画素のｘ方向の寸法と概ね等しい。このレンチキュラレンズの構成や形成方法については、すでに周知であるので、構成例や形成方法などに関する具体的な説明は省略する。
【００５２】
実施例１の液晶表示装置では、以下のような方法で光源８が発した光（白色光３ｗ）を面状光線に変換し、液晶表示パネル１に照射する。
【００５３】
まず、光源８が発した光を導光板９に取り込む。このとき導光板９に取り込まれた光は、白色光３ｗであり、第１の主面および第２の主面で全反射をしながら伝播する。このとき、導光板９の第２の主面にＶ溝９ｖを設けておくと、当該Ｖ溝９ｖに入射した白色光３ｗの一部あるいは全部が屈折して低屈折率層１１に出射する。
【００５４】
導光板９から低屈折率層１１に出射した白色光３ｗは、回折格子１０（反射層１０ｃ）で反射し、赤色系の光３ｒ、緑色系の光３ｇ、および青色系の光３ｂに分離する。このとき、回折格子１０は、たとえば、図５に示したように、主断面で見たときの赤色系の光３ｒ、緑色系の光３ｇ、および青色系の光３ｂの−１次回折光の回折方向が、導光板９（回折格子１０）の垂線方向９ｐよりも光源８側に傾くようにする。このような回折格子１０の具体的な構成例については、後述する。
【００５５】
回折格子１０により分離された赤色系の光３ｒ、緑色系の光３ｇ、および青色系の光３ｂは、それぞれ、図５に示したような光路で低屈折率層１１、導光板９、およびプリズムシート１２を通過し、液晶表示パネル１に入射する。
【００５６】
液晶表示パネル１に入射した光、言い換えると第１の偏光板６を通過した赤色系の光３ｒ、緑色系の光３ｇ、および青色系の光３ｂは、それぞれ、レンチキュラレンズ（シリンドリカルレンズ７）により第１のサブ画素、第２のサブ画素、および第３のサブ画素に集光される。
【００５７】
このように、実施例１の液晶表示装置は、反射型の回折格子１０を用いて、光源８からの白色光３ｗを、導光板９から液晶表示パネル１に向けて出射させる前に分離する点が、特許文献１などに開示された方法（導光板９から液晶表示パネル１に向けて出射した白色光３ｗを分離する方法）とは大きく異なる。
【００５８】
なお、実施例１の液晶表示装置のように、反射型の回折格子１０を用いて、光源８からの白色光３ｗを、導光板９から液晶表示パネル１に向けて出射させる前に分離するバックライトユニットの構成は、たとえば、特許文献２に従来技術として挙げられている。しかしながら、当該従来技術に関する文献および特許文献２には、反射型回折格子の具体的な構成、特に、実施例１のように赤色系の光、緑色系の光、および青色系の光の−１次回折光が回折格子の垂線方向よりも光源側に傾くようにする構成に関する記載は見られない。また、当該従来技術に関する文献および特許文献２には、反射型回折格子における回折効率に関する記載も見られない。そのため、実施例１のように赤色系の光３ｒ、緑色系の光３ｇ、および青色系の光３ｂの−１次回折光が回折格子１０の垂線方向９ｐよりも光源８側に傾くようにするための回折格子１０の構成および回折効率について本願発明者らが独自に調べたところ、以下のようなことがわかった。
【００５９】
図７乃至図９は、実施例１のバックライトユニットにおける回折格子の構成例および作用効果を説明するための模式図である。
図７は、回折格子への入射角と回折光の出射角度との関係を説明するための模式断面図である。図８は、０次回折光と−１次回折光の光路を示す模式断面図である。図９は、−１次回折光におけるＴＭ偏光およびＴＥ偏光の回折効率の波長依存性を示すグラフ図である。
【００６０】
光源８が発した光３は、入射角ψで導光板９に入射した後、当該導光板９の第１の主面および第２の主面で全反射をしながら伝播する。この導光板９を伝播する光３が、第２の主面に設けられたＶ溝９ｖの傾斜面に入射すると、その一部または全部が屈折し、低屈折率層１１に出射する。
【００６１】
導光板９から低屈折率層１１に出射する光３は、導光板９の表面に近い角度で出射されるため、低屈折率層１１を通って回折格子１０に入射する光３の入射角度は90°に近く、拡がり角も小さい。このように、回折格子１０への入射角度は拡がりが小さく、概ね60°から90°の範囲にある。また、輝度ピークは入射角度が75°の付近にあり、概ね70°から80°の範囲にある。また、回折格子１０への入射角度の拡がりは、Ｖ溝９ｖの傾斜角度αに依存しており、傾斜角度αを小さくすると回折格子１０への入射角度の拡がりを小さくすることができる。こうして、回折格子１０に入射する光３の入射角度の拡がりを小さくすると、回折格子１０の反射層１０ｃで反射した光３は回折し、色毎（波長毎）に異なる角度に分離することができる。このとき、波長の長い赤色系の光３ｒのほうが回折角度が大きくなり、波長の短い青色系の光３ｂに比べて光源８により近く回折される。
【００６２】
さて、低屈折率層１１の屈折率をｎ1、回折格子１０の格子定数をｄ、低屈折率層１１に出射した光３の波長をλ、当該光３の反射層１０ｃへの入射角をｉ、回折次数をｍとすると、ｍ次回折光の回折角度θ1は、下記数式１で表される。
【００６３】
【数１】
2011154078.tif 000003
【００６４】
このとき、入射角度ｉを正にとることにすると、回折格子１０（導光板９）の垂線９ｐに対して光源８側に回折される回折光の回折角度θ1は負になる。
【００６５】
次に、低屈折率層１１と導光板９との界面（第２の主面）、および導光板９と空気層の界面（第１の主面）においてスネルの法則を用いると、回折角度θ1で回折した光３が導光板９の第１の主面から液晶表示パネル１側に出射するときの出射角度θ3は、sin（θ3）＝ｎ1・sin（θ1）であるため、回折格子１０への入射角度ｉとの間に、下記数式２で表される関係を有する。
【００６６】
【数２】
2011154078.tif 000004
【００６７】
実施例１の液晶表示装置では、前述のように、−１次回折光を液晶表示パネル１側に出射させる。すなわち、実施例１の液晶表示装置では、たとえば、図８に示すように、−１次回折光は液晶表示パネル１側に出射させ、０次回折光は導光板９に戻し、当該導光板９を伝播させる。そのためには、可視波長範囲において、下記数式３の関係を満たすようにする必要がある。なお、図８において、回折格子１０（反射層１０ｃ）で反射した後の光の光路は、二点差線で示した光路が０次回折光の光路であり、実線で示した光路が−１次回折光の光路である。
【００６８】
【数３】
2011154078.tif 000005
【００６９】
０次回折光の回折角度は、入射角度ｉと同じであるため、低屈折率層１１と導光板９との界面（第２の主面）、あるいは導光板９と空気層との界面（第１の主面）で反射し、再びほぼ同じ入射角度で回折格子１０に入射して再度回折される。一方、生じる回折次数がさらに多くなり０次と−１次以外の回折次数が生じると、所望の回折次数以外の回折光が、所定の角度とは異なる角度で導光板９から出射されたり、０次光とは異なる角度で回折格子１０に入射するようになり、光利用効率が低下する。そのため、回折次数は少ないことが望ましく、光源８の主要な波長範囲、さらに望ましくは可視波長範囲において０次と−１次のみが生じるように回折格子１０の格子定数ｄを定めることが望ましい。可視波長は、一般的には380nmから780nmとされる場合が多いが、人によって見える範囲に差があり、400nm以上としても差し支えない。また、バックライトユニットに用いられる光源８は、通常、420nm以下の光は少なく、420nm以上としても実用的に問題ない。そのため、波長400nm以上の光の回折次数が０次と−１次のみとなるようにするには、数式３から、格子定数ｄと屈折率ｎ1の積ｎ1ｄが400nm以下となるようにすればよい。また、波長420nm以上の光の回折次数が０次と−１次のみとなるようにするためには、数式３から、格子定数と屈折率の積ｎ1ｄが420nm以下となるようにすればよい。
【００７０】
以上のようなことから、格子定数と屈折率の積ｎ1ｄが370nm、回折素子１０ａのブレーズ角度θBが32°のノコギリ歯状の回折格子１０（エシェレット回折格子）における−１次回折光の回折効率の波長依存性の計算したところ、図９に示すような結果が得られた。なお、図９は、横軸が光の波長λ（nm）、縦軸が回折効率ＤＥ（％）のグラフ図である。
【００７１】
また、図９のグラフ図には、上記の回折格子１０における反射層１０ｃとしてアルミニウム膜を用い、低屈折率層１１として屈折率ｎ1が1.26の材料を用い、回折格子１０の格子定数ｄを294nmとした場合の結果を示している。
【００７２】
図９からわかるように、上記の条件を満たす反射型の回折格子１０を用いた場合、波長400nmから700nmまでの範囲では、ＴＭ偏光の回折効率ＤＥが高く、かつ、波長依存性も小さくほぼ一定の回折効率が得られている。一方、この波長域におけるＴＥ偏光の−１次の回折効率ＤＥは小さく、この場合、80％以上が０次回折光として回折格子１０で正反射する。０次回折光は、再び低屈折率層１１および導光板９を伝播し、回折格子１０に再度入射して再利用される。なお、０次回折光は、ＴＥ偏光が多くなるので、導光板９あるいは低屈折率層１１を伝播する途中で偏光を解消し、ＴＭ偏光の成分を増やして再び回折格子１０に入射させることが望ましい。
【００７３】
このように、実施例１の液晶表示装置においては、バックライトユニットからＴＭ偏光に強く偏光した光３ｒ，３ｇ，３ｂが出射される。そのため、第１の偏光板６は、このＴＭ偏光の光３ｒ，３ｇ，３ｂをより多く透過するようにすることが望ましい。したがって、第１の偏光板６は、透過軸がＴＭ偏光の方向に近くなるように、すなわち導光板９の長辺方向（ｘ方向）と平行に近くなるように配置することが望ましい。このとき、第１の偏光板６の透過軸は、具体的には、導光板９の長辺方向（ｘ方向）となす角度が0°以上15°以下の範囲にあるようにすることが望ましい。特に、10°以下とすると第１の偏光板６を透過する光量が増加するためさらに望ましい。
【００７４】
上記のような条件を満たす実施例１のバックライトユニットについて、主断面と概ね平行に伝播する光の、導光板９からの出射角度θ3を数式２より求めた結果、赤色系の光３ｒ、緑色系の光３ｇ、および青色系の光３ｂの出射角度θ3は、それぞれ、表１に示したような値になった。このように、実施例１のバックライトユニットでは、ＲＧＢすべてで導光板９からの出射角度θ3が負になっており、導光板９の垂線９ｐよりも光源８側に斜めに出射されていることが分かる。
【００７５】
【表１】
2011154078.tif 000006
【００７６】
このように、導光板９の垂線９ｐに対して斜めに出射される場合、回折格子１０に対してＴＭ偏光となる偏光は、導光板９の界面（第１の主面および第２の主面）に対してはＰ偏光となる。Ｐ偏光はＳ偏光に比べて界面での反射率が小さいため、ＴＭ偏光を効率良く導光板９の外に取り出すことができる。そのため、ＴＭ偏光を用いることにより、導光板９の界面での反射を低減し、液晶表示パネル１に照射される光量を向上する効果もある。さらにＰ偏光の反射率を小さくするように導光板９の表面に反射防止層あるいは反射防止構造を設けることも、光量の増加に有効である。
【００７７】
また、実施例１では、赤色系、緑色系、および青色系のすべての光が導光板９から光源８側に傾いて出射されるため、プリズムシート１２を設けて緑色系の光３ｇが液晶表示パネル１に垂直に近く入射するようにした。また、実施例１では、屈折率1.6のプリズム材料を用いてプリズムシート１２を形成しているので、波長530nmの緑色系の光３ｇが液晶表示パネル１にほぼ垂直に入射するように、プリズムシート１２の底角βを49.9°とした。表１に示したθPは、このプリズムシート１２からの出射角度である。このように、緑色系の光３ｇは垂直に近い入射角でレンチキュラレンズ（シリンドリカルレンズ７）に入射し、青色系の光３ｂは光源８とは反対側の角度、赤色系の光３ｒは光源８側の角度を持ってレンチキュラレンズに入射して、液晶層１４の付近において色ごとに異なる位置（サブ画素）に集光される。
【００７８】
なお、それぞれの色の光の集光位置は、たとえば、レンチキュラレンズとサブ画素の開口領域との相対位置をずらすことによっても調整することができる。つまり、レンチキュラレンズ（シリンドリカルレンズ７）とサブ画素の開口領域との相対位置を調整することにより、たとえば、液晶表示パネル１に対して斜めに入射した緑色系の光３ｇを、緑色フィルタＦＧを有する第２のサブ画素に集光させることもできるので、この場合にはプリズムシート１２は必ずしも用いなくてもよい。また、プリズムシート１２を設けなくても、従来技術のように、液晶表示パネル１にサブ画素ごとにプリズム、レンズあるいはフレネルレンズなどを設け、これにより光の出射方向を調整することもできる。
【００７９】
次に、反射型の回折格子１０における格子定数ｄと回折効率ＤＥとの関係について説明する。
【００８０】
図１０は、実施例１のバックライトユニットにおける回折格子の格子定数と回折効率との関係の波長依存性の一例を示すグラフ図である。
なお、図１０は、横軸が格子定数と屈折率の積ｎ1ｄ（nm）、縦軸が回折効率ＤＥ（％）のグラフ図である。また、図１０には、赤色系の光３ｒに対する格子定数ｄと回折効率ＤＥとの関係、緑色系の光３ｇに対する格子定数ｄと回折効率ＤＥとの関係、および青色系の光３ｂに対する格子定数ｄと回折効率ＤＥとの関係を示している。なお、赤色系の光３ｒ、緑色系の光３ｇ、および青色系の光３ｂは、それぞれ、代表的な波長である650nm、550nm、および450nmにしている。また、ブレーズ角度θBは、広い波長範囲で回折効率が高くなる32°とした。
【００８１】
図１０からわかるように、低屈折率層１１の屈折率ｎ1を一定とした場合、格子定数ｄを大きくすると短波長側で回折効率ＤＥが低下し、格子定数ｄを小さくすると長波長側で回折効率ＤＥが低下する。また、図１０によると、格子定数と屈折率の積ｎ1ｄを345nm以上、420nm以下とすれば、各波長の光３ｒ，３ｇ，３ｂの回折効率が60%以上となり、従来例２の液晶表示装置に比べて回折効率ＤＥ、言い換えると光源８が発した光の利用効率が非常に高くなる。また、図１０によると、格子定数と屈折率の積ｎ1ｄを350nm以上、410nm以下とすれば各波長の光３ｒ，３ｇ，３ｂの回折効率が70%以上となり、光源８が発した光の利用効率がさらに高くなる。またさらに、格子定数と屈折率の積ｎ1ｄを360nm以上、380nm以下とすれば、赤色系の光３ｒおよび青色系の光３ｂの回折効率も高くなるので、可視波長の範囲における回折効率、言い換えると光源８が発した光の利用効率を高くするためには、格子定数と屈折率の積ｎ1ｄを370nm程度とすることが特に望ましい。
【００８２】
ところで、格子定数と屈折率の積ｎ1ｄを380nm以下とすると、波長380nm以上の可視波長の光はすべて光源８側に回折され、導光板９から光源８側に傾いて出射される。また、積ｎ1ｄを420nm以下とすると、波長420nm以上の光は光源８側に回折される。したがって、光源８に含まれる実質的な可視波長範囲の光が光源８側に傾いて出射されるように格子定数ｄを定めることで、可視波長の光の回折効率を高くする格子定数ｄの条件を満たすことができる。つまり、青色系の光３ｂの波長領域における輝度ピークが光源８側に傾いて出射される場合に、実質的な可視波長での回折効率が高くなるといえる。輝度ピークの出射方向が、導光板９の垂線９ｐに対して1°、悪くても5°傾いていれば測定可能であり、有意に光源８方向に傾いていると判断できる。
【００８３】
また、導光板９と低屈折率層１１との屈折率の差が小さいと、光源８から導光板９に入射した光の中に、導光板９と低屈折率層１１との界面で全反射せず、Ｖ溝９ｖに至る前に低屈折率層１１に出射する光が生じる。そのため、バックライトユニットの光利用効率を高くし、また面内の輝度分布を均一にするためには、光源８から導光板９に入射した光が導光板９と低屈折率層１１との界面のうちのＶ溝９ｖを除く部分では全反射するように、導光板９と低屈折率層１１の屈折率を定めることが望ましい。つまり、光源８からの光を導光板９に効率良く閉じ込めるためには、導光板９の屈折率ｎ2は大きいことが望ましく、低屈折率層１１の屈折率ｎ1は小さいことが望ましい。特に、導光板９の屈折率ｎ2と低屈折率層１１の屈折率ｎ1との関係が、下記数式４を満たすようにすると、Ｖ溝９ｖ以外の部分では導光板９に入射した光をすべて低屈折率層１１との界面で全反射させることができ、望ましい。
【００８４】
【数４】
2011154078.tif 000007
【００８５】
実施例１で挙げた導光板９の屈折率ｎ2および低屈折率層１１の屈折率ｎ1は、それぞれ、ｎ2＝1.64およびｎ1＝1.26であり、ｎ22−ｎ12＝1.1であるため、数式４を満たしている。
【００８６】
一方、ｎ22−ｎ12＜１の場合には、光源８から導光板９への入射角度をψとし、ψcを下記数式５で定義すると、ψ＞ψcの角度で、導光板９に入射した光の中に、低屈折率層１１へ出射される光が生じる。
【００８７】
【数５】
2011154078.tif 000008
【００８８】
ただし、ランバーシンアンに近い出射分布を持つ発光ダイオードのように、通常の光源８では、70°以上の光量は小さく、光源８から70°以上の角度で出射した光の中に低屈折率層１１へ出射する光が含まれていても回折効率への影響はほとんどない。そのため、実施例１の液晶表示装置では、導光板９の屈折率ｎ2と低屈折率層１１の屈折率ｎ1との関係を、下記数式６で表される条件を満たすようにしても、光源８が発した光の利用効率はほとんど変わらない。
【００８９】
【数６】
2011154078.tif 000009
【００９０】
またさらに、光源８が発光ダイオードの場合、光源８から60°以上の角度で出射した光の中に低屈折率層１１へ出射する光が含まれていても回折効率への影響はほとんどない。そのため、実施例１の液晶表示装置では、導光板９の屈折率ｎ2と低屈折率層１１の屈折率ｎ1との関係を、下記数式７で表される条件を満たすようにしても、光源８が発した光の利用効率はほとんど変わらない。
【００９１】
【数７】
2011154078.tif 000010
【００９２】
次に、回折格子１０のブレーズ角度θBと回折効率ＤＥとの関係について説明する。
【００９３】
図１１は、実施例１のバックライトユニットにおける回折格子のブレーズ角度と回折効率との関係の波長依存性の一例を示すグラフ図である。
なお、図１１は、横軸がブレーズ角度θB、縦軸が回折効率ＤＥ（％）のグラフ図である。また、図１１には、格子定数ｄと屈折率ｎ1の積ｎ1ｄを370nmとしたときの赤色系の光３ｒに対するブレーズ角度と回折効率との関係、および青色系の光３ｇに対するブレーズ角度と回折効率との関係を示している。なお、赤色系の光３ｒおよび青色系の光３ｂは、それぞれ、代表的な波長である650nmおよび450nmにしている。
【００９４】
図１１からわかるように、ブレーズ角度θBを小さくしていくと、短波長（450nm）側、長波長（650nm）側とも回折効率ＤＥが低下する。そのため、ブレーズ角度θBは、25°以上が望ましい。回折効率はブレーズ角度θBに対して対称となるため、ブレーズ角度θBは、25°以上、65°以下とすることが望ましい。また、格子定数と屈折率の積ｎ1ｄは、前述のように、345nm以上420nm以下であることが望ましく、特に、360nm以上380nm以下が望ましい。そのため、上記のブレーズ角度θBとして望ましい範囲と、積ｎ1ｄとして望ましい範囲とを考慮すると、たとえば、格子溝の深さ（回折素子１０ａの高さ）と低屈折率層１１の屈折率ｎ1との積は、160nm以上、420nm以下とすることが望ましく、特に、168nm以上、380nm以下とすることが望ましい。
【００９５】
このように、実施例１のバックライトユニットで用いる回折格子１０は、格子定数ｄが波長λに比べて小さいので、格子溝深さが同じであれば回折効率ＤＥに与える格子溝の形状の影響は小さい。そのため、実施例１のバックライトユニットで用いる反射型の回折格子１０は、エシェレット型の格子形状とは異なる正弦波状の形状やバイナリ形状としても、図９に示した例と同程度まで回折効率ＤＥを高くすることができる。このとき格子溝の深さは、エシェレット型の格子と同程度にする必要があり、エシュレット回折格子と同様に、160nm以上420nm以下とすることが望ましく、168nm以上380nm以下がさらに望ましい。
【００９６】
（比較例１）
実施例１のバックライトユニットのように、導光板９から見て液晶表示パネル１とは反対側に反射型の回折格子１０を配置する場合、たとえば、格子定数ｄと低屈折率層１１の屈折率ｎ1の積ｎ1ｄを変えることで、−１次回折光の回折方向を変えることができる。そして、実施例１のバックライトユニットでは、その積ｎ1ｄの値を370nm程度にすることで、赤色系の光３ｒ、緑色系の光３ｇ、および青色系の光３ｂの−１次回折光の回折方向が、導光板９の垂線９ｐよりも光源８側に傾くようにしている。
【００９７】
このようにすることの効果を、別の観点から説明するために、比較例１として、緑色系の−１次回折光の回折方向が導光板９の垂線９ｐと概ね平行になるようにした回折格子１０を挙げる。なお、比較例１においても、低屈折率層１１には屈折率1.26のポーラスシリカを用い、導光板９には屈折率1.64のポリエステルを用いている。また、比較例１では、緑色系の−１次回折光の回折方向が導光板９の垂線９ｐと概ね平行になるように、格子定数ｄを428.6nm（ｎ1ｄ＝540nm）とした。このとき、導光板９から液晶表示パネル１側に出射する赤色系（λ＝630nm）の−１次回折光、緑色系（λ＝530nm）の−１次回折光、および青色系（λ＝460nm）の−１次回折光の出射角度θ3は、それぞれ、下記の表２に示すような角度になる。
【００９８】
【表２】
2011154078.tif 000011
【００９９】
表２からもわかるように、緑色系の−１次回折光の回折方向が導光板９の垂線９ｐと概ね平行（θ3＝-1.5°）になるようにした場合、青色系の−１次回折光の回折方向は光源８とは反対側に傾く。また、実施例１のバックライトユニットでは、表１に示したように赤色系（λ＝630nm）の−１次回折光と青色系（λ＝460nm）の−１次回折光との角度差が52.9°であったのに対し、比較例１のバックライトユニットでは22.9°と小さくなっている。すなわち、実施例１のバックライトユニットでは、従来例２よりも格子定数ｄの小さな回折格子１０を用いることで、波長の分離角度を大きくすることができている。このように分離角度を大きくすることができると、たとえば、焦点距離の短いレンチキュラレンズ（シリンドリカルレンズ）を用いても同じ距離だけ離れた位置に各波長の光を分離して集光できる。そのため、実施例１の液晶表示装置は、たとえば、第１の基板５を薄くすることができ、その結果として液晶表示装置を薄くすることができる。また、画素サイズの大きな場合においても、第１の基板５を厚くすることなく各波長の光に分離して集光できる。
【０１００】
図１２は、比較例１のバックライトユニットにおける回折効率の波長依存性を示すグラフ図である。
なお、図１２は、横軸が光の波長λ（nm）、縦軸が回折効率ＤＥ（％）のグラフ図である。
【０１０１】
図１２からわかるように、比較例１のバックライトユニットにおけるＴＭ偏光の回折効率ＤＥは、短波長側で小さくなっており、赤色系の光３ｒに比べて緑色系の光３ｇおよび青色系の光３ｂの回折効率ＤＥが低く、特に青色系の光３ｂ（λ＝450nm）の回折効率ＤＥが非常に小さくなっている。このような比較例１のバックライトユニットを有する液晶表示装置において、第１の偏光板６の透過軸の方向を回折格子１０で回折したＴＭ偏光の方向に合わせると、赤色だけが強くなり、青色は非常に暗くなってしまう。そのため、比較例１のバックライトユニットを有する液晶表示装置では、ＴＭ偏光ではなく、回折効率の波長依存性が小さい（色による特性の差が小さい）ＴＥ偏光を用いる必要がある。しかしながら、ＴＥ偏光は、回折効率ＤＥが約20％と小さく、さらに、導光板９の界面（第１の主面および第２の主面）に対してＳ偏光となるので出射される際に導光板９の界面での反射率が大きくなり、光量が小さくなる。このことからも、実施例１のバックライトユニット（回折格子１０）の構成は、光源８が発した光の利用効率を向上させるための構成として非常に好ましいことがわかる。
【０１０２】
以上説明したように、実施例１の液晶表示装置は、回折効率の波長依存性が小さく、かつ、回折効率の高いＴＭ偏光をバックライトユニット２から液晶表示パネル１に向けて出射させることができるので、光源８が発した光の利用効率を向上させることができる。
【実施例２】
【０１０３】
図１３は、本発明による実施例２の液晶表示装置における主要部分の断面構成の一例を示す模式断面図である。
なお、図１３は、図７と同様に主断面で見たバックライトユニットの断面構成を示している。
【０１０４】
実施例２の液晶表示装置の構成は、基本的には実施例１の液晶表示装置の構成と同じである。実施例２の液晶表示装置において実施例１と異なる点は、導光板９と低屈折率層１１の屈折率の組み合わせ、および回折格子１０の構成である。そのため、実施例２では、実施例１と異なる点と、作用効果のみを説明する。
【０１０５】
実施例２の液晶表示装置（バックライトユニット）では、低屈折率層１１の材料として、屈折率1.34のフッ素化樹脂を用いた。また、導光板９には、屈折率1.6のポリカーボネート（PC）を用いた。このような組み合わせにした場合、実施例１と同様に回折格子１０の格子定数ｄと低屈折率層１１の屈折率ｎ1の積ｎ1ｄを370nmにするには、格子定数ｄを276.1nmにすればよい。
【０１０６】
また、実施例２のバックライトユニットでは、ｎ22−ｎ12＝0.76であり、数式７を満たしている。ただし、ｎ22−ｎ12が１よりも小さいため、光源８から導光板９に入射した光は、Ｖ溝９ｖに当たる前に低屈折率層１１に出射しやすくなる。そのため、実施例２のバックライトユニットでは、たとえば、図１３に示すように、導光板９の光源８から近い位置に、光源８側から光の進行方向に向かって厚くなる傾斜面（テーパ）９ｔを設けた。この傾斜面９ｔで反射した光は、この部分が平坦な場合に比べて第１の主面および第２の主面への入射角が大きくなるので、導光板９と低屈折率層１１に入射する際の入射角度が実施例１の場合に比べて大きくなる。そのため、導光板９と低屈折率層１１との界面で全反射する光量が増加し、屈折して低屈折率層１１に出射する光量を低減することができる。なお、図１３では、傾斜面９ｔで導光板９の厚さを増加させ、低屈折率層１１を設ける位置において導光板９に段差を設けているが、この段差は設けなくてもよく、傾斜面９ｔ以外のところに低屈折率層１１を設けてもよい。また、低屈折率層１１を用いて傾斜面９ｔを形成してもよい。またさらに、傾斜面９ｔに反射膜を設けてもよい。
【０１０７】
実施例２のバックライトユニットについて、主断面と概ね平行に伝播する光が導光板９から出射するときの出射角度θ3を数式２より求めた結果、赤色系の光３ｒ、緑色系の光３ｇ、および青色系の光３ｂの出射角度θ3は、それぞれ、表３に示したような値になった。また、表３に示したθPは、導光板９と液晶表示パネル１との間に配置されたプリズムシート１２からの出射角度であり、表３に示した出射角度θ3で導光板９を出射した光が、屈折率1.6のプリズム材料を用いて形成され、かつ、底角βが50.3度のプリズムシート１２を通過したときの出射角度である。
【０１０８】
【表３】
2011154078.tif 000012
【０１０９】
図１４は、実施例２のバックライトユニットにおける光の波長と回折効率の関係の屈折率依存性を示すグラフ図である。
なお、図１４は、横軸が光の波長λ（nm）、縦軸が回折効率ＤＥ（％）のグラフ図である。また、図１４には、導光板の屈折率ｎ2を1.6、ｎ１ｄを370nmに固定し、低屈折率層の屈折率ｎ1を1.0にした場合、1.26にした場合、および1.34にした場合の波長と回折効率との関係を示している。また、回折格子のブレーズ角度θBは、実施例１と同じ32°にした。
【０１１０】
図１４からわかるように、低屈折率層１１の屈折率ｎ1を1.34にした場合（実施例２の場合）の回折効率ＤＥは、1.26にした場合（実施例１の場合）や1.0にした場合（空気と同程度にした場合）にくらべて若干低下するが、回折効率ＤＥの高い波長域はほとんど変化せず、波長400nmから700nmの範囲で回折効率ＤＥが70％以上となっている。特に、実施例２の屈折率ｎ1＝1.34における回折効率ＤＥは、実施例１の屈折率ｎ1＝1.26の場合との差が小さく、実施例１と同等の回折効率を実現できているといえる。
【０１１１】
実施例１と実施例２を比較すると、図１４からわかるように、低屈折率層１１の屈折率ｎ1は小さいことが望ましいといえる。また、表１と表３を比較すると、青色系（λ＝460nm）の回折光と赤色系（λ＝630nm）の回折光の分離角度の差は、実施例１のバックライトユニットでは52.9°であり、実施例２のバックライトユニットでは53.0°である。そのため、低屈折率層１１の屈折率ｎ1が大きいほうがＲＧＢ波長の分離角度が大きくなることが分かる。一方、低屈折率層１１の屈折率ｎ1が小さいと、導光板９と低屈折率層１１との界面で導光板９への光閉じ込め効果が大きくなり、効率よく導光板９内に光を伝播させることができる。
【０１１２】
また、低屈折率層１１の屈折率ｎ1を小さくすると、導光板９の屈折率ｎ2を小さくしても数式４、数式６または数式７を満たすことできるので、導光板９の材料としてポリカーボネート、ＰＭＭＡ、環状ポリマーなどを用いることができる。また、たとえば、数式７を満たすようすれば、導光板９から低屈折率層１１に直接出射する光量は小さく問題はない。そのため、たとえば、数式７を満たす低屈折率層１１を用いる場合には、適用できる低屈折率層１１の材料の選択範囲が広くなり、低屈折率層１１として光損失のより小さい材料を用いることができるようになる。
【０１１３】
しかしながら、低屈折率層１１の屈折率ｎ1が小さく空気の屈折率に近くなると、回折格子１０に当たらず導光板９の空気との界面から直接取り出される光が生じるようになる。そのため、導光板９の空気側の界面から直接光が取り出されないようにするためには、低屈折率層１１の材料として、たとえば、下記数式８を満たすようなものを選ぶことが望ましい。
【０１１４】
【数８】
2011154078.tif 000013
【０１１５】
以上説明したように、実施例２の液晶表示装置によれば、光源８が発した光の利用効率を向上させることができる。
【０１１６】
また、実施例２の液晶表示装置は、導光板９と低屈折率層１１の材料の組み合わせの自由度を高くすることができる。
【０１１７】
以上、本発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることはもちろんである。
【０１１８】
たとえば、本明細書では、エッジライト方式のバックライトユニットの構成の一例として、図６に示したように導光板９の短辺の１つに沿って複数の光源８を配置した構成を挙げた。しかしながら、本発明は、これに限らず、導光板９の長辺の１つに沿って複数の光源８を配置した構成のバックライトユニットであってもよいことはもちろんである。
【０１１９】
また、実施例１および実施例２では、反射型の回折格子１０により白色光を赤色系の光３ｒ、緑色系の光３ｇ、および青色系の光３ｂの３種類の光に分離する例を挙げた。しかしながら、本発明は、これに限らず、たとえば、４種類以上の光に分離してもよいことはもちろんである。
【符号の説明】
【０１２０】
１  液晶表示パネル
２  バックライトユニット
３  光
３ｗ  白色光
３ｒ  赤色系の光
３ｇ  緑色系の光
３ｂ  青色系の光
４  透過型回折格子
５  第１の基板
６  第１の偏光板
７  シリンドリカルレンズ
８  光源
９  導光板
９ｖ  Ｖ溝
９ｔ  傾斜面
１０  （反射型の）回折格子
１０ａ  回折素子
１０ｂ  基材
１０ｃ  反射層
１１  低屈折率層
１２  プリズムシート
１３  第２の基板
１４  液晶層
１５  第２の偏光板
１６  拡散シート
ＦＲ  赤色フィルタ
ＦＧ  緑色フィルタ
ＦＢ  青色フィルタ
【図１】
2011154078.tif 000014
【図２】
2011154078.tif 000015
【図３（ａ）】
2011154078.tif 000016
【図３（ｂ）】
2011154078.tif 000017
【図３（ｃ）】
2011154078.tif 000018
【図３（ｄ）】
2011154078.tif 000019
【図４】
2011154078.tif 000020
【図５】
2011154078.tif 000021
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2011154078.tif 000029
【図１４】
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