(57)【要約】偏光を例えばＬＣＤに供給する装置を開示する。この装置は、基板（２０１）及び上部層（２０２）を具えている。基板（２０１）は光学的異方性であることが好ましく、上部層（２０２）は等方性または異方性のいずれかである。それぞれの屈折率は、基板（２０１）と上部層（２０２）との境界面（２１４）において偏光分離が生じるように選定する。さらに、これらの屈折率を、入射光（Ｌ）の入射角（θｉ）に制約が存在しないように、従って入射光（Ｌ）のコリメーションの必要性をなくすように選定する。上部層（２０２）は、光が内方または外方に外部結合される構造を具えている。
2004515898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面、及び入射光を受けるべく配置した側面を有する光学的異方性の基板と、
前記基板の前記上面との境界面をなす底面を有する上部層とを具えた照明装置において、
前記基板及び前記上部層が、
前記側面を通って前記基板内に向かう光の第１偏光成分が前記基板と前記上部層との境界面で反射して前記基板内に戻り、
前記側面を通って前記基板内に向かう光の第２偏光成分が前記基板と前記上部層との境界面で屈折して前記上部層内に入る
ような屈折率を有することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記基板の第１方向に沿った屈折率ｎｓ１と、前記上部層の前記第１方向に沿った屈折率ｎｔ１との間に、次式：
ｎｓ１＞√（１＋ｎｔ１＊ｎｔ１）
の関係があり、
前記基板の第２方向に沿った第２屈折率と前記基板の第３方向に沿った第３屈折率との加重平均値が、前記上部層の前記第２方向に沿った第２屈折率と前記上部層の前記第３方向に沿った第３屈折率との加重平均値以下であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記上部層が光学的に等方性であることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記上部層が光学的に異方性であることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置と、
前記基板の前記側面に光を向けるべく配置した光源と、
前記上部層から出射される偏光を受けるべく配置したディスプレイと
を具えていることを特徴とする表示システム。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の照明装置と、
前記基板の前記側面に光を向けるべく配置した光源と、
前記上層に含まれ、前記基板と前記上部層との境界面からの偏光を受けるべく配置したディスプレイと
を具えていることを特徴とする表示システム。
【請求項７】
非偏光の光を、光学的異方性の基板の側面を通してこの基板内に向けるステップと、
前記基板に光学的な上部層を設けるステップと、
前記非偏光の光の第１偏光成分が、前記基板と前記上部層との境界面に入射した際に反射して前記基板内に戻り、前記非偏光の光の第２偏光成分が、前記境界面に入射した際に屈折して前記上部層内に入るように、前記基板及び前記上部層の屈折率を選定するステップと、
前記上部層から光を取り出すステップと
を具えていることを特徴とするディスプレイの照明方法。
【請求項８】
前記第１偏光成分が、前記基板内では１つの屈折率ｎｓ１におかれて、前記上部層内では他の屈折率ｎｔ１におかれて、これらの屈折率には次式：
ｎｓ１＞√（１＋ｎｔ１＊ｎｔ１）
の関係があり、
前記第２偏光成分が、前記基板内では、前記上部層の屈折率以下の屈折率におかれる
ように、前記基板及び前記上部層の屈折率を選定することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、偏光をフラットパネルディスプレイに供給する照明装置、及びこうした照明装置を具えたディスプレイに関するものである。
【０００２】
（従来技術）
液晶型のフラットパネルディスプレイ（即ちＬＣＤ）は今日、非常に異なった特徴及び応用分野の製品に広く用いられている。多くの応用が、携帯電話及び携帯コンピュータのような小型の電池給電の携帯装置を含む。こうした応用の明らかに重要な特徴は、その消費電力であり、消費者が異なる製造者の製品の間から選択する際に、消費者にとって決定的な要素であり得る。
【０００３】
バックライト型ＬＣＤに対する要求は、適正に機能するために、ＬＣＤを線形偏光で照射しなければならないということである。偏光を得るためには、「通常の」非偏光の光を用いなければならない。このことは通常、非偏光の光の径路にいわゆる偏光子を置くことを必要として、これは大部分の入射光を除去する効果を有する。多くの応用が携帯製品を含むので、電池給電を必要とする。光源がいかに効率的であっても、低消費電力は常に、主要な考慮事項である。
【０００４】
従って、本発明の分野における一般的な問題は、偏光を供給する今日の照明装置が効率に欠けていることである。
【０００５】
米国特許５，８４５，０３５は、フラットパネル映像表示装置用の照明システムを開示している。開示されているシステムは、２層から成る光導波路を具えて、光学的異方性の第１層が屈折率ｎ０及びｎｅを有して、光学的等方性の第２層がｎｉの屈折率を有する。
【０００６】
米国特許番号５，８４５，０３５の構成における偏光分離は、限られた条件下のみ、かつ限定範囲の入射角θの入射光のみで発生し、ここで入射角θは、前記層の通常方向と入射光との角度である。
【０００７】
偏光分離を得るために、即ち、例えばＬＣＤの照明用の偏光を得るために、米国特許５，８４５，０３５は、第２層の屈折率ｎｉが、第１層の屈折率ｎ０、ｎｅのいずれかに一致すべきであることを示している。
【０００８】
これらの制約は、従来技術による照明システムが効率的であるためには、即ち境界面での十分な偏光分離を得るためには、照明システムに入る光を、米国特許番号５，８０８，７０９に示されている特定範囲内でコリメート（視準）させなければならないことを意味する。このことは言うまでもなく、照明システムの複雑性を増加させるか、あるいはコリメーション（視準）を適用しなければ、照明システムの効率が大幅に劣化する。
【０００９】
（発明の概要）
以下により詳細に述べるように、層間の境界面での偏光分離を得るために、入射角θには、この角が臨界入射角θｃよりも大きくなければならないという制約が存在する、ということを示すことができる。このことは、照明システムの内部結合しているフェーセット（反射表面）における入射角θｉに制約があることを暗に意味し、これについては以下により詳細に述べる。
【００１０】
従って本発明の１つの目的は、上述した従来技術のシステムに関する問題を克服することにある。この目的のために、請求項に記載の照明装置及び表示システムを提供する。
【００１１】
従って本発明による照明装置は、上面及び側面を有する光学的異方性の基板を具えている。この側面は、好適には外部光源からの入射光（Ｌ）を受ける。この表面に沿って上部層が存在する。この上部層は、前記基板の上面との境界面をなす底面を有し、例えばこの基板の表面と接触する。
【００１２】
前記基板及び前記上部層は、前記側面を通って基板内に向かう光の第１偏光成分が、前記側面における入射角にかかわらず、前記基板と前記上部層との境界面で反射して基板内に戻されるような屈折率を有する。
【００１３】
前記側面を通って前記基板内に向かう光の第２偏光成分は、前記側面における入射角にかかわらず、前記基板と前記上部層との境界面で屈折して前記上部層内に入る。
【００１４】
幾分詳細に述べれば、前記基板の第１方向に沿った第１屈折率と、前記上部層の第１方向に沿った第１屈折率とに次式：ｎｓ１≧√（１＋ｎｔ１＊ｎｔ１）の関係があれば、入射光の偏光が得られる。このことは、前記基板の前記第１方向に沿った第１屈折率の、√（１＋ｎｔ１＊ｎｔ１）よりも大きい値については、前記基板の側面に対するあらゆる入射角を有する光がこうした屈折率におかれると、前記基板と前記上部層との境界面において全反射され、従って前記上部層に達しないという効果を有する。
【００１５】
さらに、前記基板の第２方向に沿った第２屈折率と前記基板の第３方向に沿った第３屈折率との加重平均値が、前記上部層の前記第２方向に沿った屈折率と前記上層部の前記第３方向に沿った屈折率との加重平均値よりも小さい。このことは、こうした屈折率におかれた光が、前記基板の側面に対するあらゆる屈折率について、即ち入射角θにかかわらず、前記上部層内に屈折するという効果を有する。
【００１６】
本発明による照明装置の好適例は、光学的異方性の基板と、光学的異方性または光学的等方性のいずれかの基板との組み合わせを具えている。
【００１７】
本発明の他の要点は、上記に開示した照明装置を具えた表示システムであり、この照明装置は前記基板の側面（２１２）を照明すべく配置した光源を具えている。フラットパネルＬＣＤのようなディスプレイを、前記上部層から放射される偏光を受けるべく配置する。こうした場合には。このディスプレイは前記照明装置に接する独立した装置である。しかし、本発明のさらに他の好適例によれば、ＬＣＤのような表示装置を前記上部層内に内蔵することが可能であり、この場合には、この表示装置は、前記基板と前記上部層との境界面からの偏光を受ける。
【００１８】
開示した照明装置の利点は、効率的な偏光を供給することができ、このことにより、携帯コンピュータ、携帯電話、等の消費電力が重要な要素である携帯装置に使用可能である、ということにある。
【００１９】
こうした装置の他の利点は、入射光の広範な入射角について偏光を供給することができ、このことは、光源と装置の基板との間に、レンズ等のようなコリメート装置の必要性をなくすということである。このことは、表示装置が、従来技術による装置よりもより少数の部品を含み複雑性が小さいということを意味する。
【００２０】
本発明のこれら及び他の利点は、以下の実施例の説明より明らかになる。
【００２１】
（好適な実施例の詳細な説明）
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
本発明の分野に関する幾何学的配置の用語を導入するために、並びに前に参照した米国特許５，８４５，０３５による従来技術の構成に関する制約を示すために、図１ａ及び図１ｂに、屈折率ｎｉを有する光学的等方性の基板１０１に入る光Ｌを示す。等方性の基板１０１の真上に、異方性のそれぞれの方向に屈折率ｎ０及びｎｅを有する異方性の上部層１０２がある。
【００２２】
米国特許５，８４５，０３５に開示されている従来技術に関する欠点は、限られた条件下でのみ、かつ限られた入射角θについてのみ偏光分離が作用して、等方性の基板１０１と上部層１０２との間の境界面１０３において偏光分離が生じるためには、ｎ０またはｎｅのいずれかがｎｉと一致すべきである、ということである。即ち、次式のようになる。
１．  ｎ０＜ｎｅ，ｎ０＝ｎｉ
異方性層における内部結合
ｓｉｎ（θ）＞ｓｉｎ（θｃ）＝ｎｉ／ｎｅ
２．  ｎ０＜ｎｅ，ｎｅ＝ｎｉ
異方性層における内部結合
ｓｉｎ（θ）＞ｓｉｎ（θｃ）＝ｎ０／ｎｅ
ここに、θは境界面１０３上への入射角であり、θｃは臨界角である。
【００２３】
従って、偏光分離を得るためには、境界面１０３上への入射角を臨界角θｃよりも大きくなるように制限する必要がある。このことは、内部結合の側面１０４における入射角θｉを制限することによって行わなければならない。即ち、基板に入る光Ｌを、偏光分離が効率的に生じるための特定の角度範囲にコリメート（視準）しなければならない。このことは、照明システムの複雑性が増加して、効率損失の可能性も増加することを暗に意味する。コリメーション（視準）を用いなければ、偏光分離の効率が実質的に劣化する。
【００２４】
ここで図２を参照して、従来技術の照明システムに関する問題の解決法について説明する。本発明による装置は、基板２０１及び上部層２０２を具えている。基板２０１は光学的異方性であることが好ましく、この上部層は等方性でも異方性でもよく、これについては以下に説明する。
【００２５】
光Ｌが、屈折率ｎｓ１、ｎｓ２、ｎｓ３を有する基板２０１内に結合されて、ここで指標１、２、及び３はそれぞれ、図２に示す方向ｘ１、ｘ２、及びｘ３を表わす。上部層１０２は、一般的な場合には、屈折率ｎｔ１、ｎｔ２、及びｎｔ３によって特徴づけられる。等方性の上部層の場合には、これらの屈折率はｎｔ１＝ｎｔ２＝ｎｔ３のように関係づけられる。以下に説明するように、屈折率の適切な選定によって、入射光Ｌのコリメーション上の制約を減らすか、なくすことさえもできる。
【００２６】
光Ｌの１つの偏光成分、例えば成分Ｓは、基板２０１内で屈折率ｎｓ１におかれて、上部層２０２内でｎｔ１におかれる。ｎｓ１＞ｎｔ１の場合には、入射角θが（１）式のように定義される臨界角θｃより大きいものとすれば、偏光Ｓは上部層２０２内に結合しない。
θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎｔ１／ｎｓ１）      （１）
【００２７】
直交する偏光Ｐは、基板２０１内では屈折率ｎｓ２とｎｓ３とを加重平均した屈折率におかれ、上部層２０２内では屈折率ｎｔ２とｎｔ３とを加重平均した屈折率におかれる。基板２０１内のこの平均屈折率が上部層２０２内の平均屈折率よりも小さい場合には、すべての入射角θについて、偏光Ｐが上部層２０２内に屈折する。
【００２８】
内部結合面２１３における内部結合角θｉ，ｍａｘ、即ち空気対基板２０１の内部結合角θｉ，ｍａｘは、面２１２の法線に対して、そして臨界角θｃに関して、次式のように定義される。
θｉ，ｍａｘ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎｓ１＊ｃｏｓ（θｃ））      （２）
【００２９】
内部結合角θｉ，ｍａｘは、基板と上部層との境界面２１４において全反射（ＴＩＲ）が生じる最大の内部結合角である。図２に示す構造を用いて十分な偏光分離が生じるためには、内部結合光を＋θｉ，ｍａｘ〜−θｉ，ｍａｘの範囲内にコリメートすべきである。
【００３０】
図３に、ｎｔ１の値を１．５４に選定した場合についての、θｃ及びθｉ，ｍａｘの例をｎｓ１の関数として示す。ｎｓ１の増加と共に、境界面２１４において内部に結合され得る角度範囲、及び全反射する角度範囲が増加する。内部結合面２１２において内部結合されるすべての角度の光が前記基板と上部層との境界面２１４において全反射される際には、コリメーションを必要としない。この条件は、基板２０１の屈折率と上部層２０２の屈折率との組み合わせに次式（３）のように依存することは、（２）式より計算することができる。
ｎｓ１＝√（１＋ｎｔ１＊ｎｔ１）      （３）
【００３１】
この条件を、図４のグラフに示す。（３）式による条件よりも大きいｎｓ１の値については、すべての内部結合角の偏光Ｓは境界面２１４で全反射するが、より小さいｎｓ１の値については、特定の内部結合角の範囲の光のみが境界面２１４で全反射して、こうした場合にはコリメーションを用いるべきである。
【００３２】
こうしたｎｓ１の大きい値は、光学的等方性の基板については実際には達成困難であるが、ｎｅを非常に大きくすることができる異方性の基板を用いれば、より容易に達成することができ、これについては以下の例で説明する。
【００３３】
偏光の外部結合は、上部層２０２の内部（上部層が多重の積層で存在する場合には、あるいはこれに続く上部層のいずれかの内部）か、あるいは上部層２０２（上部層が多重の積層で存在する場合には、あるいはこれに続く上部層のいずれか）の境界面２１５のいずれかにおいて得ることができる。
【００３４】
上部層２０２の内部を外部に結合させるためには、散乱プロセス中の偏光解消を無視できるものとすれば、放出される偏光の異方性の散乱または等方性の散乱のいずれかを用いることができる。
【００３５】
上部層２０２の表面２１５を外部結合させるために、例えばエンボス加工またはレーザー書込みのレリーフ構造、レンズアレイ、屈折率変動、あるいは表面粗さのようないずれの微細構造を利用することもできる。しかし、ここでも外部結合プロセスは、偏光解消が大きくならないようにすべきである。
【００３６】
ここで、上述したプロセスの第１例について、図５ａ及び図５ｂを参照して説明する。基板５０１は、例えばｘ１方向に伸張させた伸張ＰＥＮフィルムであり、屈折率ｎｓ１＝１．８６及びｎｓ２＝ｎｓ３＝１．５６を有する。上部層５０２は、例えばｘ２方向に伸張させた伸張ＰＥＴフィルムであり、屈折率ｎｔ１＝ｎｔ３＝１．５４及びｎｔ２＝１．６７を有する。
【００３７】
図５ａに、照明装置の断面図を示す。基板５０１内における内部結合角θｉ，ａｉｒ＝１０°（破線）及び８０°（実線）について、偏光１を有する光Ｌがそれぞれ屈折率ｎｓ１及びｎｔ１におかれる。θｉ，ａｉｒは、基板５０１内に内部結合される光の、入射平面の法線Ｎに対する角度として定義される。
【００３８】
図５ｂに、偏光２を有する光Ｌについての断面図を示し、この偏光は、基板５０１内における同様の内部結合角について、屈折率ｎｓ２、ｎｓ３及びｎｔ２、ｎｔ３におかれる。
【００３９】
図５ａ及び図５ｂの例に見られるように、偏光２のみが上部層５０２に入射して、上部層２では、従来技術において既知の適切な装置によって偏光２を結合出力させることができる。この構成についての臨界角は、θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎｔ１／ｎｓ１）＝５５．９°によって定義される。基板５０１内における内部結合角に対する、基板５０１と上部層５０２との境界面におけるＴＩＲについての条件を再計算すれば、すべての内部結合光の角度（θｉ，ａｉｒ＝０°〜９０°）について十分な偏光分離が生じることになり、即ち、内部結合光のコリメーションが不要である。
【００４０】
ここで、上述したプロセスの第２例について、図６ａ及び図６ｂを参照して説明する。基板６０１は、例えばｘ１方向に伸張させた伸張ＰＥＮフィルムであり、屈折率ｎｓ１＝１．８６、ｎｓ２＝ｎｓ３＝１．５６を有する。上部層６０２は、例えば屈折率ｎｔ１＝ｎｔ２＝ｎｔ３＝１．５７を有する等方性のＰＣフィルムである。
【００４１】
図６ａに、照明装置の断面図を示す。基板６０１内における内部結合角θｉ，ａｉｒ＝１０°（破線）及び８０°（実線）について、偏光１を有する光Ｌがそれぞれ屈折率ｎｓ１及びｎｔ１におかれる。θｉ，ａｉｒは、基板６０１内に内部結合される光の、入射平面の法線Ｎに対する角度として定義される。
【００４２】
図６ｂに、偏光２を有する光Ｌについての断面図を示し、この偏光は、基板６０１内における同様の内部結合角について、屈折率ｎｓ２、ｎｓ３及びｎｔ２、ｎｔ３におかれる。
【００４３】
ここでも、図６ａ及び図６ｂの例に見られるように、偏光２のみが上部層６０２に入射して、上部層２では、従来技術において既知の適切な装置によって偏光２を結合出力させることができる。この構成についての臨界角は、θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎｔ１／ｎｓ１）＝５７．５７°によって定義される。基板６０１内における内部結合角に対する、基板６０１と上部層６０２との境界面におけるＴＩＲについての条件を再計算すれば、θｉ，ａｉｒ＝８５．８°よりも小さいすべての内部結合光の角度について十分な偏光分離が生じることになり、即ち、実際には、実質的に内部結合されるすべての光についてコリメーションが不要である。
【００４４】
図７ａ及び図７ｂに、本発明によるバックライト型ＬＣＤシステムを図式的に示す。ＬＣＤユニット７０３及び７０７はそれぞれ液晶７０４及び７０８を具え、従来技術より既知のように、これらは適正に機能するために、光源７０５から出る偏光を必要とする。
【００４５】
図７ａに示す装置では、ＬＣＤユニット７０３は、上部層７０２及び基板７０１の真上に位置する。基板７０１及び上部層７０２は、図１〜図６に関連して上述したように配置することが好ましい。上部層７０２からＬＣＤユニット７０３への偏光の内部結合は、上述したように例えばリリーフ構造によって行うことが好ましい。
【００４６】
図７ｂに示す装置では、ＬＣＤユニットは、基板上７０１に位置する、上部層７０７として統合したユニットである。基板７０１及びＬＣＤ／上部層７０７は、図１〜図６に関連して上述したように配置することが好ましい。ＬＣＤユニット／上部層７０７内への偏光の外部結合は、上述したように例えば散乱によって行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】照明装置の図式的な側面図であり、従来技術の装置の制約を示す。
【図２】本発明による照明装置の透視図である。
【図３】本発明による照明装置に関係するパラメータを示す図である。
【図４】本発明による照明装置に関係するパラメータを示す図である。
【図５】本発明による照明装置の第１実施例における光の径路の図式的な側面図である。
【図６】本発明による照明装置の第２実施例における光の径路の図式的な側面図である。
【図７】本発明による表示システムの図式的な透視図である。
【国際公開パンフレット】
2004515898.tif 000003
2004515898.tif 000004
2004515898.tif 000005
2004515898.tif 000006
2004515898.tif 000007
2004515898.tif 000008
2004515898.tif 000009
2004515898.tif 000010
2004515898.tif 000011
2004515898.tif 000012
2004515898.tif 000013
2004515898.tif 000014
2004515898.tif 000015
2004515898.tif 000016
2004515898.tif 000017
【国際調査報告】
2004515898.tif 000018
2004515898.tif 000019