(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射面と、この入射面に隣接する出射面と、前記出射面に対向して設置される反射面と、を含む導光板において、
前記導光板に作用する二つの応力／ひずみは相互に直交し、その一方の応力の方向は前記入射面と４５°の角度を成し、前記出射面と平行であり、
δが光の位相差、ｄが前記導光板の厚さ、Ｃが相対応力の光学定数、Δσが応力差、λが光の波長を示す場合、前記応力／ひずみによる位相差δは次式
δ＝２πＣｄΔσ／λ≒２ｋπ＋π  （ｋ＝０，１，２，３，・・・）    （１）
を満足することを特徴とする導光板。
【請求項２】
ｍｏｄが余りを計算する関数であり、ａｂｓが絶対値を求める関数であり、ｃ光、ｄ光、ｆ光の光が、波長がそれぞれλｃ（６５６．３ｎｍ）、λｄ（５８９．３ｎｍ）、λｆ（４８６．１ｎｍ）であり、δｃ、δｄ、δｆがそれぞれｃ光、ｄ光、ｆ光の位相差を示し、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｆがそれぞれ前記ｃ光、ｄ光、ｆ光の重みを示す場合、前記応力差の最適値は次の目的関数
【数１】
0004516055.tif 000015
により求まることを特徴とする、請求項１に記載の導光板。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の導光板と、前記導光板の入射面に対向して設置された光源と、前記導光板の反射面に設置された反射シートと、前記導光板の出射面側に一定距離離隔して設置された偏光ビームスプリッタと、を含む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、導光板に関し、特にこの導光板を含む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の一方の側に設置される。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１０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に入射する。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。前記直線偏光Ｐの偏光方向が前記偏光シート１２の偏光軸の方向と平行であり、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４０は、光源４１と、導光板４２と、反射シート４３と、拡散シート４４と、プリズムシート４５と、四分の一波長板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の一方の側に設置される。前記反射シート４３と、前記四分の一波長板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に入射する。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、前記四分の一波長板４６を透過して前記反射シート４３で反射され、もう一回前記四分の一波長板４６を透過する。前記直線偏光Ｓは前記四分の一波長板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。
【０００７】
しかし、カラー液晶表示装置のバックライトモジュール４０において、前記偏光ビームスプリッタ４７及び前記偏光シート３２は、広帯域性及び多波長性を有する光にしか機能しないので、異なる波長の光に対して同様の位相差を形成させるために、色消しの四分の一波長板を利用しなければならない。
【０００８】
また、前記四分の一波長板４６と前記導光板との界面に光の損失が生じるので、光エネルギーの利用率が低下するという課題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
本発明に係る導光板は、入射面と、この入射面に隣接する出射面と、前記出射面に対向して設置される反射面と、を含む。前記導光板に作用する二つの応力／ひずみは相互に直交し（すなわち、光の位相差は二つの直交する応力または二つの直交するひずみによって生じる）、その一方の応力の向きは前記入射面と０°〜９０°の角度を成す。ここで、光の位相差と入射光とは次式に示す関係を有する。
【００１１】
δ＝２πＣｄΔσ／λ    （１）
【００１２】
ここで、δは光の位相差を示し、ｄは前記導光板の厚さ、Ｃは相対応力の光学定数、Δσは応力差、λは光の波長である。
【００１３】
前記一方の応力の向きは前記入射面と４５°の角度を成すことが好ましい。
【００１４】
また、前記応力差の最適値は次の目的関数により求まる。
【００１５】
【数２】
0004516055.tif 000002
【００１６】
ここで、ｍｏｄは余りを計算する関数であり、ａｂｓは絶対値を求める関数であり、δｃ、δｄ、δｆはそれぞれｃ光、ｄ光、ｆ光の位相差を示し、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｆはそれぞれ前記ｃ光、ｄ光、ｆ光の重みである。
【００１７】
前記導光板の反射面に複数の凹部を形成することが好ましい。
【００１８】
前記複数の凹部がＶ字形に形成される場合、前記Ｖ字形の複数の凹部は前記入射面から遠く離れるほど、前記Ｖ字形の複数の凹部が多く又は高くなる。
【００１９】
本発明はバックライトモジュールにも係る。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、この入射面に隣接する出射面と、この出射面に対向して設置される反射面と、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反射面に設置される。前記偏光ビームスプリッタは前記入射面に設置される。
【００２０】
また、前記導光板に作用する二つの応力／ひずみは相互に直交し（すなわち、光の位相差は二つの直交する応力または二つの直交するひずみによって生じる）、その一方の応力の方向は前記入射面と０°〜９０°の角度を成し、
応力／ひずみによる光の位相差は式（１）のようになり、
δは光の位相差を示し、ｄは前記導光板の厚さ、Ｃは相対応力の光学定数、Δσは応力差、λは光の波長であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
従来技術と比べて、本発明に係る導光板は、一定の応力／ひずみを加えて製造されたものであり、前記応力／応力の差を調整することによって多波長の光に対して同様な位相差を形成し、ほぼ色消しの四分の一波長板と同様の性能を有するので、従来の色消しの四分の一波長板を設置せずに、多波長の光の直線偏光Ｓを前記導光板５２の内部で直線偏光Ｐに変換することができる。従って、導光板と色消しの四分の一波長板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。
【００２２】
また、本発明のバックライトモジュールに偏光ビームスプリッタを設置することにより、液晶表示パネルに多波長の偏光を提供し、光エネルギーの利用率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【００２４】
（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に隣接する出射面５２２と、この出射面５２２に対向して設置される反射面５２３と、を有する。前記反射面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はビスフェノールＡ型のポリカーボネート（Ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ−Ａ Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ，ＢＡＰＣ）からなる。前記凹部５２４はＶ字形に構成される。前記出射面５２２は平面に形成される。
【００２５】
前記導光板５２は光弾性効果（Ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ  Ｅｆｆｅｃｔ）により、一定の応力又はひずみ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に加えた応力σｘ及びσｙの方向は図３に示すように、σｘとＸ軸、及びσｙとＹ軸が成す角度θを０°〜９０°にし、４５°にすることが好ましい。
【００２６】
ブリュースター（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ）の法則により、屈折率と応力とは次の関係がある。
【００２７】
ｎδｙ−ｎδｘ＝Ｃ（σｙ―σｘ）＝ＣΔσ    （３）
【００２８】
ここで、ｎδｙ及びｎδｘは、それぞれ異なる方向の応力による屈折率、σｙ及びσｘは異なる方向の応力、Δσはσｙとσｘとの差、Ｃは相対応力の光学定数である。
【００２９】
式（３）により、前記の入射光が厚さがｄの導光板５２を透過する光路差ｌは次式を満足する。
【００３０】
ｌ＝ＣｄΔσ    （４）
【００３１】
従って、位相差δと波長λの入射光とは次式に示す関係を有する。
【００３２】
δ＝２πＣｄΔσ／λ    （５）
【００３３】
前記式（４）及び前記式（５）は、平面光弾性応力の光学法則と呼ばれる。この場合、応力が作用された導光板５２は位相差装置として利用される。
【００３４】
一般に、光弾性の実験において、ｆσを材料の応力フリンジの値（Ｓｔｒｅｓｓ  Ｆｒｉｎｇｅ  Ｖａｌｕｅ）とする場合、式（６）が得られる。
【００３５】
ｆσ＝λ／Ｃ    （６）
【００３６】
式（５）及び式（６）により、次式のようになる。
【００３７】
δ＝２πｄ（σｙ―σｘ）／ｆσ    （７）
【００３８】
前記ＸＹの座標軸で、ＪｏｎｅｓマトリックスであるＴは次式のように示される。
【００３９】
【数３】
0004516055.tif 000003
【００４０】
ここで、Ｒ（θ）が変換マトリクスである。式（８）は、次式のように変換される。
【００４１】
【数４】
0004516055.tif 000004
【００４２】
Ｙ軸の方向での偏光のＪｏｎｅｓベクトルは
【数５】
0004516055.tif 000005
である場合、光が前記導光板５２を透過した後、次式を満足する。
【００４３】
【数６】
0004516055.tif 000006
【００４５】
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。
【００４６】
【数８】
0004516055.tif 000007
【００４７】
従って、式（１１）を利用して、次式のように求められる。
【００４８】
【数９】
0004516055.tif 000008
【００４９】
前記Ｉｘは次の条件を満足する場合、最大値に達する。
【００５０】
【数１０】
0004516055.tif 000009
【００５１】
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は前記応力σｘの方向と前記Ｘ軸との成す角度θを４５°にするように設置される。
【００５４】
一般的には、カラー液晶表示装置に白光照明システムを設置することが原因で、バックライトで多波長の光を同様な偏光に変換する必要がある。例として、色消しの四分の一波長板を設置する前記導光板５２を利用して、波長がλｃ（６５６．３ｎｍ）、λｄ（５８９．３ｎｍ）、λｆ（４８６．１ｎｍ）の異なる光ｃ、ｄ、ｆを同様な偏光に変換する場合、前記光ｃ、ｄ、ｆによる位相差δｃ、δｄ、δｆは次式を満足する。
【００５５】
【数１２】
0004516055.tif 000010
【００５６】
また、式（１６）の応力差Δσの最適値は次の目的関数を用いて求められる。
【００５７】
【数１３】
0004516055.tif 000011
【００５８】
ここで、ｍｏｄは余りを計算する関数であり、ａｂｓは絶対値を求める関数である。Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｆはそれぞれ前記光ｃ、ｄ、ｆの重みである。従って、前記光ｃ、ｄ、ｆによる位相差δｃ、δｄ、δｆはそれぞれδｃ＝２ｋｃπ＋π，δｄ＝２ｋｄπ＋π，δｆ＝２ｋｆπ＋πを満足し、即ち、光が四分の一波長板を透過して生じる位相差に等しい場合、ｙが最小値をとり、応力差の最適値が求められる。
【００５９】
本実施例において、前記導光板５２の厚さは０．８ｍｍ程度に設けられる。前記導光板５２はビスフェノールＡ型のポリカーボネート（Ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ−Ａ Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ，ＢＡＰＣ）からなる場合、その相対応力の光学定数ＣはＣ＝８．９×１０−１２Ｐａ−１となる。前記光ｃ、ｄ、ｆの重みはそれぞれ等しく、即ち、Ｗｃ＝Ｗｄ＝Ｗｆ＝１と仮定する場合、応力差Δσと前記目的関数との関係は図５に示すようになる。図５に示すように、０〜５×１０７Ｐａの範囲において、前記応力差Δσの最適値は３．９２７×１０７Ｐａであり、前記光ｃ、ｄ、ｆによる位相差δｃ、δｄ、δｆは次式のようになる。
【００６０】
【数１４】
0004516055.tif 000012
【００６１】
従って、前記応力差Δσを最適化することにより、前記導光板５２が色消しの四分の一波長板の特性を有することができる。また、誤差の最大値は４％ほどである。なお、前記相対応力の光学定数Ｃが波長の異なる光によって変化する場合、光の位相差δは次式に示すようになる。
【００６２】
【数１５】
0004516055.tif 000013
【００６３】
【数１６】
0004516055.tif 000014
【００６４】
ここで、Ｃｃｏｎｓｔは定数であり、Ｃｃ、Ｃｄ、Ｃｆはそれぞれｃ、ｄ、ｆの相対応力の光学定数である。
【００６５】
前記導光板５２に作用する応力は、例えば、前記導光板の成型工程において施され、応力凍結法により前記導光板に保持される。
【００６６】
（実施例２）
図６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。
【００６７】
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を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で利用することができる。
【００６８】
本発明に係る導光板は、上述の実施例の他、次のような変形がある。例えば、前記導光板を楔形に形成する。前記導光板の反射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も形成することができる。前記複数の凹部は、均一に形成され、又は、入射面から離れる方向に沿って寸法又は密度が大きく形成される。
【００６９】
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。
【００７０】
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と拡散シートと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とプリズムシートとの間に設置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【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に係る導光板に作用する応力差と目的関数との関係を示すグラフである。
【図６】実施例２に係るバックライトを示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
５０  バックライトモジュール
５１  光源
５２  導光板
５２１  入射面
５２２  出射面
５２３  反射面
５２４  凹部
５３  反射シート
５４  拡散シート
５５  プリズムシート
５７  偏光ビームスプリッタ
【図１】
0004516055.tif 000016
【図２】
0004516055.tif 000017
【図３】
0004516055.tif 000018
【図４】
0004516055.tif 000019
【図５】
0004516055.tif 000020
【図６】
0004516055.tif 000021