(57)【要約】【課題】偏光の利用効率を大幅に向上させることができる導光板、面光源装置、および液晶表示装置を提供すること。【解決手段】導光板３２０は、光源からの入射光を面状の出射光に変換する導光板３２０であって、入射光である偏光４１０の入射方向およびバックライト光４２０の出射方向の双方に平行なＸ−Ｚ平面に対して、平行な方向または直交する方向に遅相軸方向を揃えた光学異方性を有する構成を採る。また、バックライトユニット（面光源装置）は、導光板３２０と、Ｘ−Ｚ平面に平行な方向または直交する方向に偏光方向が一致する偏光４１０を、導光板３２０に入射させる光源とを有する。更に、液晶表示装置は、バックライトユニットと、導光板３２０の出射面３２３に対向配置され、出射面３２３からの出射光の観察者側への透過状態を切り替える液晶ユニットとを有する。【選択図】図２
2009231018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの入射光を面状の出射光に変換する導光板であって、
前記入射光の入射方向および前記出射光の出射方向の双方に平行な平面に対して、平行な方向または直交する方向に遅相軸方向を揃えた光学異方性を有する、
導光板。
【請求項２】
前記入射光を前記平面に平行に内部伝搬させて前記出射面から出射する、
請求項１記載の導光板。
【請求項３】
請求項１記載の導光板と、
前記平面に平行な方向または直交する方向に偏光方向が一致する偏光を、前記導光板に入射させる光源部と、
を有する面光源装置。
【請求項４】
前記光源部は、
半導体レーザと、
前記半導体レーザから出射されるレーザ光を、偏光方向を揃えた状態で幅を拡大させて前記導光板に入射させる光学系と、を有する、
請求項３記載の面光源装置。
【請求項５】
請求項３記載の面光源装置と、
前記導光板の出射面に対向配置され、前記出射面からの出射光の観察者側への透過状態を切り替える液晶表示素子と、
を有する液晶表示装置。
【請求項６】
前記導光板の出射面に対向配置され、前記出射面からの出射光の偏光方向と直交する方向に吸収軸を有する偏光板、を更に有する、
請求項５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、導光板、導光板を用いた面光源装置、および面光源装置を用いた液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、液晶表示装置（liquid crystal display：ＬＣＤ）は、ノート型パーソナルコンピュータに始まり、デスクトップ型パーソナルコンピュータや携帯端末などへの搭載が進んできた。更に、近年では、高性能化と急速な低価格化により、テレビジョン用ディスプレイの一つとして、大きな地位を占めるようになっている。
【０００３】
液晶表示装置は自発光型の表示装置ではないため、液晶表示素子と、面状の光源装置（以下、「面光源装置」または「バックライト」という）とを備える必要がある。バックライトは、エッジライト型と直下型に大別される。エッジライト型バックライトは、透明素材からなる導光板の側面に点状光または線状光を入射させ、導光板を通して光を面状光に変換し、液晶表示素子を照明する。直下型バックライトは、液晶表示素子の下側に発光素子を面状に多数配置して面状光を形成し、液晶表示素子を直接照明する。近年、特に低消費電力化や表示の明るさ向上などの要望が高まっている中、バックライトからの光をいかに効率良く液晶表示素子に利用するかが大きな課題となっている。
【０００４】
液晶表示素子は、通常、自己の偏光軸の方向の偏光成分のみをそれぞれ透過させる２枚の偏光板に挟まれている。したがって、バックライトから出射される光のうち、少なくとも液晶表示素子のバックライト側に配置されている偏光板（以下「光源側偏光板」という）の偏光軸方向（透過軸方向）に偏光方向が一致しない光は、液晶表示素子に利用されないことになる。
【０００５】
そこで、光源側偏光板の偏光軸方向に偏光方向が一致した直線偏光をバックライトから出射することが従来提案されている。これにより、バックライトから出射される光のうち、従来は光源側偏光板に吸収されてロスとなっていた略１／２の光をも利用することが可能となり、光の利用効率を大幅に向上させることができる。
【０００６】
上記した直下型バックライトについて、光源側偏光板の偏光軸方向に偏光方向が一致した面状光を出射する技術が、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１記載の直下型バックライトは、直線偏光を出射する面発光型レーザチップを、面状に多数配置している。これにより、光源側偏光板の偏光軸方向に偏光方向が一致した面状光を出射することができる。
【０００７】
ところが、特許文献１記載の技術では、均一な面光源を得るために、レーザチップから光源側偏光板までの距離を長くしたり、間に光散乱機能を有する部材を配置したり、あるいは多数のレーザチップを高密度に並べるなどの対策が必要となり、バックライトの厚みが大きくなるという問題がある。近年、液晶表示装置の薄型化の要求は高まっており、このような厚みの増大は望ましくない。
【０００８】
そこで、上記したエッジライト型バックライトについて、光源側偏光板の偏光軸方向に偏光方向が一致した面状光を出射する技術が、例えば特許文献２に記載されている。特許文献２記載のエッジライト型バックライトは、複屈折の少ない材料により形成される導光板と、この導光板に直線偏光を入射する光源とを有している。これにより、元の直線偏光の偏光特性の低下を抑えた状態で、光源側偏光板の偏光軸方向に偏光方向が一致した面状光を出射することができる。
【特許文献１】特開２００５−１５７０２５号公報
【特許文献２】特開２００６−２０２７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２記載の技術では、十分に複屈折の少ない材料の形成は困難であり、また、導光板の光学異方性と導光板内部を伝搬する偏光の偏光方向との相対関係によっては、偏光特性の大幅な低下が起こり得る。したがって、特許文献２記載の技術では、偏光の利用効率の向上に一定の限界がある。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、偏光の利用効率を大幅に向上させることができる導光板、面光源装置、および液晶表示装置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】
【００１１】
本発明の導光板は、光源からの入射光を面状の出射光に変換する導光板であって、前記入射光の入射方向および前記出射光の出射方向の双方に平行な平面に対して、平行な方向または直交する方向に遅相軸方向を揃えた光学異方性を有する構成を採る。
【００１２】
本発明の面光源装置は、上記導光板と、前記平面に平行な方向または直交する方向に偏光方向が一致する偏光を、前記導光板に入射させる光源とを有する構成を採る。
【００１３】
本発明の液晶表示装置は、上記面光源装置と、前記導光板の出射面に対向配置され、前記出射面からの出射光の観察者側への透過状態を切り替える液晶表示素子とを有する構成を採る。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、遅相軸方向に平行な平面に対して、平行な方向または直交する方向のいずれかに入射光の偏光方向を一致させた状態で、入射光を伝搬することができる。これにより、偏光の偏光特性の低下を抑えた状態で面状光への変換が可能となり、偏光の利用効率を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る液晶表示装置の構成を示す断面構成図である。以下、液晶表示装置の画像の観察者が位置する側を、「観察者側」といい、観察者側とは反対の側を「背面側」という。また、説明の便宜のために、出射面３２３の法線方向をＺ軸、出射面３２３と入射面３２１との交線の方向をＹ軸、Ｙ軸およびＺ軸に直交する方向をＸ軸とする。
【００１７】
図１において、液晶表示装置１００は、画像を形成する液晶ユニット２００と、液晶ユニット２００の背面側に配置され、液晶ユニット２００を照明するバックライトユニット（面光源装置）３００とを有する。バックライトユニット３００は、光源部３１０および導光板３２０を有する。
【００１８】
まず、液晶ユニット２００の構成について説明する。
【００１９】
図１に示すように、液晶ユニット２００は、観察者側偏光板２１０、カラーフィルタ基板２２０、液晶層２３０、ＴＦＴ（thin film transistor）基板２４０、および光源側偏光板（光学フィルム）２５０を、この順に積層して構成される。本実施の形態では、ＩＰＳ（in-plane switching）モードの液晶ユニット２００を採用する。
【００２０】
観察者側偏光板２１０は、所定の１方向に偏光軸を有し、偏光軸方向の偏光成分のみを透過させる。
【００２１】
カラーフィルタ基板２２０は、透明基板２２１の液晶層２３０側の面に、ブラックマトリックス２２２および各色（赤、緑、青）の画素のカラーフィルタを配置した画素層２２３と、オーバーコート層２２４と、観察者側偏光板２１０の偏光軸に配向方向が一致する配向膜２２５とを、この順に重ねて構成されている。
【００２２】
液晶層２３０は、スペーサ２３１にて間隔が保持されたカラーフィルタ基板２２０とＴＦＴ基板２４０との間に、液晶を充填して構成されている。
【００２３】
ＴＦＴ基板２４０は、透明基板２４１の液晶層２３０側の面に、ＴＦＴ素子などのアクティブ素子２４２、共通電極２４３、および信号線２４４を配置している。ＴＦＴ基板２４０は、更に、絶縁膜２４５と、画素電極２４６と、ＴＦＴ基板２４０の配向膜２２５と配向方向が直交する配向膜２４７とを、この順に重ねて構成されている。
【００２４】
光源側偏光板２５０は、ＴＦＴ基板２４０の配向膜２４７の配向方向に一致する偏光軸を有し、偏光軸方向の偏光成分のみを透過させる。すなわち、光源側偏光板２５０と観察者側偏光板２１０とは、互いに直交する偏光軸を有している。ここでは、光源側偏光板２５０の偏光軸方向は、Ｘ軸方向に一致しており、光源側偏光板２５０の吸収軸２５１は、Ｙ軸方向に一致しているものとする。
【００２５】
このような液晶ユニット２００によれば、液晶層２３０に電圧が印加されている画素では、バックライトユニット３００側から入射する光（以下「バックライト光」という）を観察者側に到達させ、その他の画素ではバックライト光を観察者側に到達させないようにすることができる。但し、バックライト光のうち、光源側偏光板２５０の吸収軸方向（ここではＹ軸方向）の偏光成分については、電圧の印加状態にかかわらず吸収され、観察者側に到達しない。したがって、バックライト光が、光源側偏光板２５０の吸収軸方向に直交する方向に偏光方向が一致した面状光であれば、光源側偏光板２５０でのバックライト光のロスを最小限に抑えることが可能である。以下、説明の便宜のため、光源側偏光板２５０の吸収軸方向に直交する方向を、光源側偏光板２５０の偏光軸方向とする。
【００２６】
なお、バックライトユニット３００が十分に偏光度の高い光を出射可能な場合には、光源側偏光板２５０を省略することも可能である。この場合には、大幅な高透過率化が可能である。
【００２７】
次に、バックライトユニット３００の概略構成について説明する。
【００２８】
バックライトユニット３００は、導光板３２０の端面から線状光を入射するサイドライト方式のバックライトである。
【００２９】
バックライトユニット３００の光源部３１０は、直線偏光の点状のビームを合成して出射する発光装置３１１を有する。また、光源部３１０は、発光装置３１１の出射ビームをＹ軸方向に広げて線状光に変換するために、回折光学素子や各種光学レンズを有する。具体的には、光源部３１０は、第１の非球面レンズ３１２、第２の非球面レンズ３１３、プリズム３１４、およびシリンドリカルフレネルレンズ３１５を有する。発光装置３１１から出射される偏光４１０は、上記各レンズおよびプリズムを介して導光板３２０に入射される。図１において、矢印４１１は、光源部３１０から出射した直後の偏光４１０の偏光方向を示し、矢印４１２は、導光板３２０に入射するときの偏光４１０の偏光方向を示す。光源部３１０から出射した直後および導光板３２０に入射するときの偏光４１０の偏光方向は、それぞれＸ−Ｚ平面に平行な方向（Ｙ軸方向に偏光成分をほとんど有さない状態）となっている。以下、説明の便宜のため、光源部３１０から出射した直後および導光板３２０に入射するときの偏光４１０の偏光方向を、Ｚ軸方向とする。光源部３１０の詳細については、別図を用いて後述する。
【００３０】
バックライトユニット３００の導光板３２０は、矩形平板状の光学的に透明な樹脂であり、光源部３１０により入射された偏光４１０を、液晶ユニット２００を照射する面状光であるバックライト光４２０に変換する。図１において、方向４２１は、バックライト光４２０の偏光方向を示す。バックライト光４２０は、偏光方向がＺ軸方向に一致した状態（Ｙ軸方向に偏光成分をほとんど有さない状態）となっている。導光板３２０の詳細については、別図を用いて後述する。
【００３１】
このようなバックライトユニット３００によれば、偏光４１０から生成したバックライト光４２０で、液晶ユニット２００を照明することができる。
【００３２】
既に説明したように、光源側偏光板２５０の偏光軸方向に偏光方向が一致した面状光をバックライトユニット３００から出射することによって、光源側偏光板２５０でのバックライト光のロスを抑えることが可能である。そこで、本実施の形態のバックライトユニット３００は、偏光４１０をその直線偏光を保ったまま導光板３２０に入射させるとともに、導光板３２０の内部で偏光特性が損なわれることなく所望の偏光方向で面状光が出射されるように、導光板３２０の光学異方性と、導光板３２０に入射する偏光４１０の偏光方向とを制御する。
【００３３】
次に、バックライトユニット３００の導光板３２０の構成について説明する。
【００３４】
図２は、本実施の形態に係る導光板３２０の構成を示す斜視図である。
【００３５】
図２に示すように、導光板３２０は、偏光４１０が入射される入射面３２１と、入射面３２１から入射した偏光４１０を反射する反射面３２２と、反射面３２２で反射した偏光４１０を出射する矩形の出射面３２３とを有する矩形平板である。
【００３６】
導光板３２０は、透明な樹脂であって、出射面３２３の法線方向またはこの法線方向に直交する１方向のうち、予め定められた１方向が遅相軸方向となるように、光学異方性を制御して製作されたものである。
【００３７】
導光板３２０の素材としては、例えば、ポリスチレンやポリメチルメタクリレートなどのアクリル系樹脂、ポリカーボネートなどのポリエステル系樹脂、シクロオレフィン系樹脂、セルロース系樹脂、ＡＢＳ（acrylonitrilebutadiene styrene）樹脂、ＡＳ（acrylonitrile styrene）樹脂、またはメタクリレートとスチレンの共重合体など適用することができる。材料がヘイズを有する場合は、偏光解消が発生し易い。したがって、反射面３２２から出射面３２３までの透過ヘイズ値が１０％以下、好ましくは５％以下となる材料および厚さを選定することが望ましい。
【００３８】
導光板３２０の作製手法としては、例えば、押出し成型や射出成型、圧縮成型、キャスティング法などを適用することができるが、平板状態での面精度が高く仕上がり、かつ、予め定めた方向に全体の遅相軸方向を精度良く揃えることができれば、どのような製法を適用してもよい。但し、正の固有複屈折が大きい材料、つまり分子構造上、応力などにより光学異方性が発生しやすい材料を用いる場合には、射出成型などでは導光板３２０の面内において光学異方性の向きを揃えることが困難であるため、材料を溶融させるときに流動性が高くなるような改質を行うなど、材料に改良が適宜必要である。また、導光板３２０は、厚みが数百μｍ程度のフィルム状であっても良い。この場合、ポリマーフィルムを加熱延伸処理することにより、フィルム状の導光体の遅相軸を容易に制御することができる。本実施の形態のように、光源としてレーザを用いる場合には、入射時にビームを集光させることが容易であるため、このようなフィルム状の導光体であっても、少ないロスで導光体内部に光を入れることが可能である。
【００３９】
本実施の形態では、導光板３２０として、アクリル樹脂を用いて押出し成型により光学異方性を制御して作製したアクリル平板を採用する。また、導光板３２０は、その遅相軸方向が、出射面３２３の法線方向（Ｚ軸方向）に一致するように光学異方性を制御されているものとする。アクリル樹脂は負の固有複屈折を持つため、例えば、Ｚ軸方向、つまり導光板３２０の厚さ方向に圧縮成形することにより、導光板３２０の遅相軸方向（光学軸方向）をＺ軸方向に一致させることができる。
【００４０】
また、図１に示す液晶ユニット２００の光源側偏光板２５０の偏光方向（ＴＦＴ基板２４０の配向膜２４７の配向方向）は、Ｘ軸方向に一致し、観察者側偏光板２１０の偏光方向は、Ｙ軸方向に一致するものとする。
【００４１】
図３は、導光板３２０の異方性を説明するための図である。図３（Ａ）は、Ｘ−Ｚ平面上の各方向における屈折率の大きさを楕円体で表わすものであり、図３（Ｂ）は、Ｘ−Ｙ平面上の各方向における屈折率の大きさを楕円体で表わすものである。図３（Ａ）および図３（Ｂ）において、楕円体の各部の中心からの距離は、中心から各部へと向かう方向における屈折率の大きさをで示す。
【００４２】
図３（Ａ）に示すように、遅相軸方向であるＺ軸方向の屈折率Ｎｚは、Ｘ軸方向の屈折率Ｎｘよりも大きく、Ｘ−Ｚ平面上で最大となっている。一方、図３（Ｂ）に示すように、Ｘ−Ｙ平面上での屈折率はどの方向も同じであり、Ｙ軸方向の屈折率ＮｙはＸ軸方向の屈折率Ｎｘと同一となっている。各軸方向の屈折率Ｎｘ、Ｎｙ，Ｎｚの関係は、以下の式（１）を満たす。
Ｎｘ ≒ Ｎｙ ＜ Ｎｚ      ・・・・・・（１）
【００４３】
図２に示す導光板３２０の反射面３２２には、導光板３２０に入射した光を出射面３２３から出射するための反射構造が形成されている。この反射構造としては、光を散乱させる白色インクなどを印刷した構造や、入射した光をできるだけ同一面内で反射させて出射面３２３から出射する方向に導けるような形状を有する微細なプリズム構造を適用することができる。また、微細プリズム構造を適用する場合、微細プリズム構造を出射面３２３面の方に設けてもよく、または、反射面３２２と出射面３２３の両面に設けてもよい。
【００４４】
微細プリズムは、出射面３２３から出射される面状光が均一になるように配置されればよく、連続したライン状のものや、独立してランダムに配置されたもの、独立して規則的に配置されたものなど、各種の配置を適用することができる。
【００４５】
個々のプリズムの形状は、凸状でも凹状でもよく、様々な頂角度の三角形状、半円または楕円形状、四角形状などを適用可能である。これらは、液晶表示素子が配置される側に効率良く、さらに面状照明光が均一になるように形状が選択され、適宜配置される。
【００４６】
なお、プリズム形状は、導光板３２０に入射された偏光４１０が、Ｘ−Ｙ平面内においてほとんど拡散作用を受けずに直進しながら伝播し、プリズム部で出射面３２３側に偏向されるように制御されている。これにより、Ｘ−Ｙ平面に平行な方向で偏光４１０が入射した場合、偏光４１０は、Ｘ−Ｙ平面に平行に内部伝搬され、出射面３２３から出射する。
【００４７】
導光板３２０にプリズムなどの微細構造を形成する手法としては、金型を用いて射出成型や圧縮成型時に形成する手法、押出し成型やキャスティング法で作製した平板に熱やＵＶ（ultraviolet）によるインプリント法により転写する手法、炭酸ガスレーザなどで溶融飛散させて形成する手法、およびダイヤモンドバイトで切削して形成する手法などを適用することができる。
【００４８】
また、導光板３２０の形状としては、平板形状や楔形状を適用することができる。この場合は、導光板３２０の薄型化や軽量化に有利である。ここでは、反射面３２２に、微細プリズム構造（図示せず）として、ダイヤモンドバイトで機械的に略Ｖ字の凹型形状の溝を形成したものとする。
【００４９】
導光板３２０からの面状出射光（バックライト光４２０）は、各種光学フィルムにより任意に調整可能である。例えば、拡散フィルムを用いることで面内分布をより均一化したり、プリズムシートを用いることで正面方向に集光効率をより高めたりすることが可能である。プリズムシートや拡散シートは、例えば、基材となるポリエステルフィルム上にプリズム層や拡散層を形成して構成される。ポリエステルフィルムの多くは光学異方性を有するため、当該フィルムの遅相軸方向（最大屈折率方位）が導光板から出射される偏光方向と平行または直交の関係にあることが好ましい。
【００５０】
なお、導光板３２０の反射面３２２側には、反射シート（図示せず）を配置してもよい。これにより、液晶表示素子側とは反対側の面に出てしまう光を再利用することができる。この反射シートは、できるだけ偏光解消を抑制するという観点から、金属を蒸着した鏡面状のものが好ましい。
【００５１】
また、導光板３２０の端面からの光の漏れによる利用効率低下を抑制するという観点から、例えば、各端面に粘着剤を介して反射シートを貼ってもよい。
【００５２】
このような構成の導光板３２０によれば、入射面３２１から入射した偏光４１０は、反射面３２２と出射面３２３との間を反射しながら導光板３２０内部を伝搬し、微細プリズム構造において、出射面３２３の法線方向に偏向される。また、偏光４１０は、導光板３２０のＸ−Ｚ面に平行に伝搬して出射面３２３から出射する。したがって、偏光４１０が、導光板３２０内を伝搬される過程で、Ｙ軸方向の偏向成分を有さない状態またはＹ軸方向の偏光成分しか有さない状態を保持すれば、その偏光特性は保持される。また、バックライト光４２０の偏光方向は、液晶ユニット２００の光源側偏光板２５０の偏光方向に揃うことになる。偏光４１０の偏光特性が保持されるのは、偏光４１０の入射方向がＸ−Ｚ平面に平行であり、かつ、偏光４１０の偏光方向が、Ｘ−Ｙ平面に対して、平行な方向または直交する方向に揃っている場合である。
【００５３】
次に、バックライトユニット３００の光源部３１０について説明する。
【００５４】
図４は、バックライトユニット３００の構成を示す断面構成図である。
【００５５】
図４に示すように、発光装置３１１は、導光板３２０の背面側の、入射面３２１とは反対側の位置に配置され、導光板３２０の入射面３２１が設けられた他端側に向けて、Ｘ軸方向に平行な角度で、直線偏光である偏光４１０を出力する。
【００５６】
具体的には、発光装置３１１は、三原色の半導体レーザダイオード（laser diode：ＬＤ）を含む。青色レーザダイオードとしては、例えば、ＧａＮ系またはＩｎＧａＮ系の半導体材料が用いられる。緑色レーザダイオードとしては、例えば、ＩｎＧａＮ系またはＺｎＳｅ系などの半導体材料が用いられる。赤色レーザダイオードとしては、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料が用いられる。短波長のレーザ光については、ＳＨＧ（second harmonic generation：二次高調発生装置）を用い、光の波長を半分にすることによって生成するようにしてもよい。これにより、長寿命で高出力化が容易な赤外レーザダイオードを用いて短波長のレーザ光を生成することができる。特に、ＬＤ励起ファイバレーザとＳＨＧとを組み合わせた場合には、高出力な緑色レーザを実現することが可能であり、より好ましい。
【００５７】
上記三原色のレーザダイオードは、液晶表示装置の色再現性の観点から、青色として４３０〜４８０ｎｍ（ナノメートル）、緑色として５２０〜５５０ｎｍ、赤色として６２０〜６６０ｎｍにピークを有するものが好ましい。更には、４４０〜４７０ｎｍ、５２５〜５４５ｎｍ、６２５〜６５０ｎｍの間にピークを有するものが、より好ましい。ここでは、４４５ｎｍの青色レーザダイオード、赤外レーザダイオードを基にした５３５ｎｍの緑色ＳＨＧレーザ、および６３５ｎｍの赤色レーザダイオードを用いるものとする。
【００５８】
発光装置３１１は、例えば、各色のレーザダイオードを、偏光方向が揃う向きで、同一ライン上に並べて構成することができ、各色のレーザダイオードの出力光の合成光を、偏光４１０として出力する。このように、半導体レーザやＳＨＧを用いることにより、発光装置３１１の小型化および高効率化が容易となり、更に、大量生産による低価格化が容易となる。
【００５９】
また、発光装置３１１は、半導体レーザダイオードからの出射ビームをガウス形状のものに変換するための手段を有し、更に、例えば、クロスダイクロプリズムにより３色のレーザ光を混合し、白色光レーザとして出力することができる。
【００６０】
ここでは、発光装置３１１は、図１で説明したように、Ｚ軸方向に偏光方向を一致させて、偏光４１０を出射する。
【００６１】
第１の非球面レンズ３１２は、発光装置３１１から出射される偏光４１０の光路上に配置され、偏光４１０を、その偏光方向をＺ軸方向に揃えた状態で、かつ、Ｙ軸方向における光密度を均一にした状態で、Ｙ軸方向に広げる。
【００６２】
第２の非球面レンズ３１３は、第１の非球面レンズ３１２から出射される偏光４１０を、その偏光方向をＺ軸方向に揃えた状態で、導光板３２０の幅とほぼ一致する幅の平行光にコリメートする。
【００６３】
図５は、偏光４１０が広げられる様子を示す平面図である。ここでは、光源部３１０を導光板３２０側から見たときの様子を示している。
【００６４】
図５に示すように、発光装置３１１から出射された平行光の偏光４１０は、第１の非球面レンズで導光板３２０の幅にほぼ一致する幅まで広げられ、第２の非球面レンズ３１３で平行光に再び変換される。但し、第１の非球面レンズおよび第２の非球面レンズ３１３は、発光装置３１１から出射される偏光４１０の光密度を均一に保持する。このように、第２の非球面レンズ３１３から出射する偏光４１０は、導光板３２０の幅にほぼ一致する幅であって光密度が均一な平行光となる。
【００６５】
図４に示すプリズム３１４は、導光板３２０の入射面３２１に対向して配置され、第２の非球面レンズ３１３から出射される偏光４１０を、導光板３２０の入射面３２１に向けて１８０度折り返す。
【００６６】
シリンドリカルフレネルレンズ３１５は、プリズム３１４から出射される偏光４１０を、Ｚ軸方向に収束させ、導光板３２０の入射面３２１に集光させる。なお、シリンドリカルフレネルレンズ３１５に替えて、ロッドレンズなどの光学素子を用いてもよい。
【００６７】
なお、以上の発光装置３１１からの偏光４１０を伝達するための各光学素子の素材は、樹脂またはガラスをあることが望ましい。この場合には、複屈折がほとんどなく光学的に等方であるため、偏光４１０の偏光特性の劣化を抑えることが容易となる。
【００６８】
このような構成の光源部３１０によれば、偏光４１０を、導光板３２０の幅方向に拡大して導光板３２０の入射面３２１に投影することで、短い距離で効率良く点状光から線状光に変換し、導光板３２０の内部に入射させることができる。また、導光板３２０に入射する偏光４１０は、Ｘ−Ｚ平面と平行に伝搬し、かつ偏光方向がＺ軸方向に一致した直線偏光となる。
【００６９】
偏光４１０の入射方向がＸ−Ｚ平面に平行であり、かつ、偏光４１０の偏光方向が、Ｘ−Ｙ平面に対して、平行な方向または直交する方向に揃っている場合に、偏光４１０の偏光特性が保持されることは、すでに説明した通りである。したがって、偏光４１０の偏光方向がＺ軸方向に一致していることから、バックライト光４２０の偏光方向は、Ｘ軸方向、つまり液晶ユニット２００の光源側偏光板２５０の偏光軸に揃うことになる。また、液晶ユニット２００の光源側偏光板２５０の偏光軸にバックライト光４２０の偏光方向が一致する場合には、光源側偏光板２５０でのバックライト光４２０のロスが低減されることも既に説明した通りである。
【００７０】
したがって、以上のような構成を有する液晶表示装置１００によれば、偏光４１０の利用効率を大幅に向上させることができる。
【００７１】
以下、液晶表示装置１００における偏光４１０の利用効率に関する実験結果について説明する。
【００７２】
本発明者は、本実施の形態における導光板３２０の基となるアクリル平板の光学異方性を、クロスニコル下で観察した。すなわち、テーブルライトの上に、ポラライザ、アクリル平板、アナライザを置き、ポラライザとアナライザの吸収軸が直交するように配置した。アクリル板のＸ−Ｙ平面における複屈折を見るために、アクリル板をＸ−Ｙ平面がポラライザおよびアナライザに平行となるように配置してＸ−Ｙ平面上で回転させたが、透過率は０.１％しかなく、光抜けはほとんど発生しなかった。このことから、アクリル板には、Ｘ−Ｙ平面における光学異方性がほとんど無いということが確認された。
【００７３】
次に、Ｘ−Ｚ平面における複屈折を見るために、アクリル板をＸ−Ｚ平面がポラライザおよびアナライザに平行となるように配置してＸ−Ｚ平面上で回転させた。その結果、アクリル板の基準軸とポラライザの基準軸とのなす角度が４５度付近のとき、透過率は３０％で最大となり、上記角度が０度付近のとき、透過率は１％で最小となった。すなわち、アクリル板の遅相軸方向はＺ軸方向にあり、アクリル樹脂は負の固有複屈折を持つことから、この方向がアクリル板の遅相軸方向であることが確認された。
【００７４】
このようなアクリル板から作製された導光板３２０を組み込んだ状態で、輝度計を用いて、バックライトユニット３００単体および液晶表示装置１００それぞれの、観察者側の画面中央の輝度を測定した。そして、測定した輝度から、液晶ユニット２００の光の透過率を測定したところ、透過率８.５％という結果を得た。
【００７５】
一方、比較のために、比較の対象となる導光板の材料として、ポリカーボネートを用いて高圧力下で射出成型を行うことにより、楔型の板を作製した。すなわち、光学異方性の制御を行わずに、従来の手法と同様に導光板を作製した。そして、この楔形の板について、同様にクロスニコル下でＸ−Ｙ平面における光学異方性を観察したところ、透過率が１５％と光抜けが発生している領域があった。すなわち、Ｘ−Ｙ平面内において遅相軸方向の向きが一様ではない状態となっていることが確認された。
【００７６】
このような板に対して、底面に機械的に略Ｖ字の凹型形状の溝を形成し、プリズム構造を有する導光板を作製した。また、作製した導光板を用いて、本実施の形態の液晶表示装置１００と同様に、レーザを光源とするバックライトを作製し、更に、ＩＰＳモードの液晶表示ユニットを用いて液晶表示装置を作製した。そして、液晶表示ユニットの光の透過率を測定したところ、透過率５％という結果を得た。
【００７７】
このように、本実施の形態に係る液晶表示装置１００における液晶ユニット２００の光の透過率は、光学異方性の制御が行われていない従来の導光板を用いた液晶表示装置における液晶ユニットの光の透過率よりも高い。
【００７８】
以上の実験結果からも、光学異方性の制御が行われた導光板３２０とその遅相軸方向に偏光方向が平行または直交となるような偏光を導光板３２０に入射させる光源部３１０とを用いることにより、光の利用効率が非常に高い液晶表示装置１００が実現できることが分かる。
【００７９】
導光板を複屈折の少ない材料により形成することにより、偏光の偏光特性の低下を抑えることが考えられるが、例えば複屈折性を光の波長の１／１０に抑えたとしても、光学的に見て偏光特性の低下を十分に抑えられるとは言い難い。更に複屈折性を小さい値に抑えるためには、特殊な材料を選択したりする必要があるため、導光板のコストが増大し、安価なバックライトを実現することは困難となる。
【００８０】
この点、光学異方性の制御は、材料の加圧などにより比較的容易かつ安価に行うことができる。したがって、本実施の形態に係る導光板３２０によれば、コストの増大を抑えた状態で、光の利用効率を大幅に向上させることができる。
【００８１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、導光板３２０は、出射面３２３の法線方向であるＺ軸を遅相軸方向とする光学異方性を有している。これにより、Ｘ−Ｚ平面に平行に伝搬し、Ｙ軸方向に偏光成分を有さない偏光を用いた場合に、その偏光を、偏光特性の劣化を抑えた状態で面状光に変換することができ、偏光の利用効率を大幅に向上させることができる。また、この導光板３２０を有するバックライトユニット３００は、このような偏光を導光板３２０に入射させる光源部３１０を更に有するので、偏光方向がＺ軸方向に揃った面状光のバックライト光４２０を出力することができる。更に、このバックライトユニット３００を有する液晶表示装置１００は、導光板３２０の出射面３２３に対向配置され、出射面３２３からの出射光の観察者側への透過状態を切り替える液晶ユニット２００を更に有するので、高いコントラストおよび高い輝度の画像を表示することができる。
【００８２】
なお、以上説明した実施の形態では、導光板３２０の出射面３２３の法線方向であるＺ軸方向に遅相軸方向を一致させた場合について説明したが、Ｘ−Ｚ平面に平行な他の方向、またはＸ−Ｚ平面に直交する方向に遅相軸方向を一致させるように、導光板３２０の光学異方性を制御してもよい。Ｘ−Ｚ平面に直交する方向に遅延軸方向を一致させる場合には、偏光４２０の偏光方向はＹ軸方向に一致させる必要がある。また、この場合には、液晶ユニット２００の光源側偏光板２５０の吸収軸方向を、Ｘ軸方向に一致させる必要がある。
【００８３】
また、本実施の形態では、ＩＰＳモードの液晶ユニット２００に適用した例について説明したが、これに限定されるものではなく、ＴＮ（twisted nematic）方式、ＶＡ（vertically aligned）方式など、各種の液晶表示素子に適用することができる。更に、導光板３２０に入射する光はレーザ光に限定されるものではなく、偏光方向が揃った平行光であればよい。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明に係る導光板、面光源装置、および液晶表示装置は、偏光の利用効率を大幅に向上させることができる導光板、面光源装置、および液晶表示装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る液晶表示装置の構成を示す断面構成図
【図２】本実施の形態に係る導光板の構成を示す斜視図
【図３】本実施の形態に係る導光板の異方性を説明するための図
【図４】本実施の形態におけるバックライトユニットの構成を示す断面構成図
【図５】本実施の形態における偏光が広げられる様子を示す平面図
【符号の説明】
【００８６】
１００  液晶表示装置
２００  液晶ユニット
２１０  観察者側偏光板
２２０  カラーフィルタ基板
２２１、２４１  透明基板
２２２  ブラックマトリックス
２２３  画素層
２２４  オーバーコート層
２２５  配向膜
２３０  液晶層
２３１  スペーサ
２４０  ＴＦＴ基板
２４２  アクティブ素子
２４３  共通電極
２４４  信号線
２４５  絶縁膜
２４６  画素電極
２４７  配向膜
２５０  光源側偏光板
３００  バックライトユニット
３１０  光源部
３１１  発光装置
３１２  第１の非球面レンズ
３１３  第２の非球面レンズ
３１４  プリズム
３１５  シリンドリカルフレネルレンズ
３２０  導光板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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