(57)【要約】【課題】  偏光分離が可能であると共に、所望の方向に光を出射可能な導光板、面光源装置及び液晶表示装置を提供する。【解決手段】  導光板３０は、光源部２０から出力された光１００が入射される第１面３１ａ、第１面に隣接している第２面３１ｂ、第１面に対向しており第２面に隣接している第３面３１ｄ、及び第２面に対向しており第３面に隣接する第４面３１ｃを有する導光板本体３１と、第２面３１ｂ上に設けられる回折格子部３２と、を備え、回折格子部３２は、誘電体からなる複数の格子３３が第１面から第３面に向かう所定方向に沿って周期Λで平行配置されて構成されており、光１００が有する可視領域の波長をλとしたとき、周期Λは１≧Λ／λ≧０．５を満たしており、導光板本体３１の屈折率をｎｓ、格子３３の屈折率をｎｇとしたとき、屈折率ｎｇは、ｎｇ−ｎｓ≧０．１５を満たしている。【選択図】  図１
2009123553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源部から出力された光が入射される第１面、前記第１面に隣接している第２面、前記第１面に対向しており前記第２面に隣接している第３面、及び前記第２面に対向しており前記第３面に隣接する第４面を有する導光板本体と、
前記第２面上に設けられる回折格子部と、
を備え、
前記回折格子部は、誘電体からなる複数の格子が前記第１面から前記第３面に向かう所定方向に沿って周期Λで平行配置されて構成されており、
前記光が有する可視領域の波長をλとしたとき、前記周期Λは
１≧Λ／λ≧０．５
を満たしており、
前記導光板本体の屈折率をｎｓ、前記格子の屈折率をｎｇとしたとき、前記屈折率ｎｇは、
ｎｇ−ｎｓ≧０．１５
を満たしていることを特徴とする導光板。
【請求項２】
前記回折格子部は、前記所定方向に沿って、前記回折格子部からの光の取出し効率が異なる複数の回折領域を有しており、
複数の前記回折領域の前記取出し効率は、前記所定方向において第３面側で高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
【請求項３】
前記導光板本体の前記第３面上に設けられており、前記光の偏光状態を変換して前記第１面側に反射する偏光変換素子を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の導光板。
【請求項４】
前記導光板本体の前記第４面上に前記光を反射する反射鏡が設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の導光板。
【請求項５】
可視領域を含む光を出力する光源部と、
前記光源部から出力された前記光が入射される第１面、前記第１面に隣接している第２面、前記第１面に対向しており前記第２面に隣接している第３面及び前記第２面に対向しており前記第３面に隣接する第４面を有する導光板本体及び前記第２面上に設けられる回折格子部を有する導光板と、
を備え、
前記回折格子部は、誘電体からなる複数の格子が前記第１面から前記第３面に向かう所定方向に沿って周期Λで平行配置されて構成されており、
前記光が有する可視領域の波長をλとしたとき、前記周期Λは、
１≧Λ／λ≧０．５
を満たしており、
前記導光板本体の屈折率をｎｓ、前記格子の屈折率をｎｇとしたとき、前記屈折率ｎｇは、
ｎｇ−ｎｓ≧０．１５
を満たしていることを特徴とする面光源装置。
【請求項６】
前記回折格子部は、前記所定方向に沿って、前記回折格子部からの光の取出し効率が異なる複数の回折領域を有しており、
複数の前記回折領域の前記取出し効率は、前記所定方向において第３面側で高くなっていることを特徴とする請求項５に記載の面光源装置。
【請求項７】
前記第３面の側方に配置されており、前記第３面から出力される前記光の偏光状態を変換して前記第１面側に反射する偏光変換素子を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の面光源装置。
【請求項８】
前記第４面に対して前記第２面側と反対側に設けられており、前記光を前記第２面側に反射せしめる反射鏡を更に備えることを特徴とする請求項５〜７の何れか一項に記載の面光源装置。
【請求項９】
面光源装置と、
前記面光源装置から出力される光が入射される液晶表示部と、
を備え、
前記面光源装置は、
可視領域を含む光を出力する光源部と、
前記光源部から出力された前記光が入射される第１面、前記第１面に隣接している第２面、前記第１面に対向しており前記第２面に隣接している第３面及び前記第２面に対向しており前記第３面に隣接する第４面を有する導光板本体及び前記第２面上に設けられる回折格子部を有する導光板と、
を備え、
前記回折格子部は、誘電体からなる複数の格子が前記第１面から前記第３面に向かう所定方向に沿って周期Λで平行配置されて構成されており、
前記光が有する可視領域の波長をλとしたとき、前記周期Λは、
１≧Λ／λ≧０．５
を満たしており、
前記導光板本体の屈折率をｎｓ、前記格子の屈折率をｎｇとしたとき、前記屈折率ｎｇは、
ｎｇ−ｎｓ≧０．１５
を満たしていることを特徴とする液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導光板、面光源装置及び液晶表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイ等の液晶表示装置として、液晶セル等の液晶表示素子の上下両面に一対の偏光板が設けられてなる液晶表示部を有し、その液晶表示部の背面側（下側）にバックライトとしての面光源装置が配置された構成のものが知られている。多くの液晶表示装置、特に、ノートパソコン等のようにモバイル用装置に利用される液晶表示装置では、薄型化等の観点から、面光源装置としてエッジライト型のものが使用されている。
【０００３】
エッジライト型の面光源装置は、光を伝搬可能な板状の導光板と、その導光板の一側面の側方に配置された光源とを有し、光源から出力され上記一側面を介して導光板内に導入し、導光板内に導入され全反射により伝搬している光を、導光板の上面（液晶パネル側の面）から面光束として出射させる。そして、導光板として、導光板内を伝搬する光を導光板外部に取り出すために回折格子部を備えたものが知られている。
【０００４】
回折格子部を備えた導光板としては、特許文献１に記載されているようないわゆるHolographic導光板がある。この導光板では、導光板に回折格子部を作り込み回折格子部の回折により導光板内を伝搬する光を外部に出射せしめる。Holographic導光板では、回折格子部の周期は高次の回折光が生成される程度に大きくなっている。このように高次の回折光が生じる周期では周期を調整することにより、導光板内を伝搬している光の出射角を制御可能であるため、液晶表示素子側に所望の角度で光を出射させることが可能である。
【０００５】
また、回折格子部を使った他の導光板として、例えば特許文献２に記載されているように、いわゆるwire gridとして知られる回折格子部を利用する導光板がある。このようなwire gridとしての回折格子部は、金属線を波長に比べて十分小さい周期で平行配置することで構成されており、偏光分離機能を有する。そのため、導光板内を伝搬する光を偏光分離して所望の偏光成分の光を出射させることが可能である。よって、例えば３Ｍ社製のＤＢＥＦ（Dual Brightness Enhancement Film）に代表される反射偏光板を使わなくても、液晶表示部の下層偏光板に吸収される光をリサイクルし、バックライトの利用效率を上げることができる。
【特許文献１】米国特許出願公開２００４／０２４６７４３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開２００３／０２１０３６９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、特許文献１に記載されているようなHolographic導光板では、回折格子部からの出射角を制御して液晶表示部側に所望の角度で出射させることが可能となっている。しかしながら、導光板から出射される光の偏光状態は、導光板内を伝搬している光の偏光状態と同様であり、通常、導光板内に導入される光は無偏光状態の光であることからHolographic導光板から回折格子部により出射される光も無偏光状態である。そのため、Holographic導光板を使用する場合、液晶表示素子の下層偏光板に吸収される光をリサイクルするために、不要偏光を出射光から分離し導光板側に戻す反射偏光板（例えば３Ｍ社製  ＤＢＥＦ等）を導光板と液晶表示部との間に設ける必要がある。
【０００７】
一方、特許文献２に記載されているwire gridとしての回折格子部を備えた導光板の場合には、偏光分離された光が導光板から出射されることになる。よって、特許文献１に記載の導光板を使用する場合のように反射偏光板は不要である。しかしながら、特許文献２に記載のwire gridとしての回折格子部は、偏光分離機能を持たせるために回折格子部の周期が波長に比べて十分小さい。その結果、０次回折光が主に生成される。従って、出射角を制御することができない。そのため、導光板から出射される光を液晶表示部に向けて集光するための別の構造が液晶表示部との間に必要となる。
【０００８】
そこで、本発明は、偏光分離が可能であると共に、所望の方向に光を出射可能な導光板、面光源装置及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】
【０００９】
本発明に係る導光板は、光源部から出力された光が入射される第１面、第１面に隣接している第２面、第１面に対向しており第２面に隣接している第３面、及び第２面に対向しており第３面に隣接する第４面を有する導光板本体と、第２面上に設けられる回折格子部と、を備え、回折格子部は、誘電体からなる複数の格子が第１面から第３面に向かう所定方向に沿って周期Λで平行配置されて構成されており、上記光が有する波長をλとしたとき、周期Λは、
１≧Λ／λ≧０．５
を満たしており、導光板本体の屈折率をｎｓ、格子の屈折率をｎｇとしたとき、屈折率ｎｇは、
ｎｇ−ｎｓ≧０．１５
を満たしていることを特徴とする。
【００１０】
この構成では、光源部から出力された光が第１面から導光板本体内に入射される。そして、導光板内に入射された光は導光板本体内を第３面に向けて伝搬する。この際、第２面上に回折格子部が設けられていることから、導光板本体内を伝搬する光を第２面側から取り出すことが可能である。そして、光が有する波長λに対して回折格子部の周期Λが上記関係を満たすことから、導光板からの出射角を制御することができる。また、回折格子部を構成する格子の屈折率と導光板本体との屈折率が上記関係を満たすことから回折格子部により偏光分離することができ、Ｓ偏光成分が支配的な光を導光板から出射可能である。そのため、上記導光板を例えば液晶表示装置に適用した場合、出射光の伝搬方向を揃えるための素子や出射光から不要偏光をリサイクルするための素子を設ける必要がない。その結果、液晶表示装置の小型化及び薄型化を図ることができる。
【００１１】
本発明に係る導光板では、回折格子部は、所定方向に沿って、回折格子部からの光の取出し効率が異なる複数の回折領域を有しており、複数の回折領域の取出し効率は、所定方向において第３面側で高くなっていることが好ましい。
【００１２】
上記導光板では、導光板本体の第１面から入射された光は第３面側に伝搬されながら第２面上に設けられた回折格子部によって第２面側からＳ偏光成分の光が取り出される。よって、第１面側から第３面に伝搬する光は第３面に近づくにつれてＰ偏光成分の割合が多くなってくる。上記のように回折格子部が複数の回折領域を有し、第３面側に近くなるにつれて回折領域の取出し効率が高ければ、第３面側において光のＳ偏光成分を効率的に取り出される。従って、第３面側に伝搬するにつれてＰ偏光成分の割合が高くなっても、第２面から略均一に光を取り出すことが可能である。
【００１３】
また、本発明に係る導光板は、導光板本体の第３面上に設けられており、上記光の偏光状態を変換して第１面側に反射する偏光変換素子を更に備えることが好ましい。
【００１４】
この構成では、第１面から入射し第３面に到達した光の偏光状態が、偏光変換素子により変換されて第３面から再度導光板本体内に戻される。上記導光板では、導光板本体の第１面から入射された光は第３面側に伝搬されながら第２面上に設けられた回折格子部によって第２面側からＳ偏光成分の光が取り出される。よって、第１面側から第３面に伝搬する光は第３面に近づくにつれてＰ偏光成分の割合が多くなってくる。従って、偏光変換素子には、Ｐ偏光成分の割合が高い光が入射されることになるので、偏光変換素子から導光板本体には、Ｓ偏光成分の割合が高い光が戻される。その結果、第３面側からも確実に光を取り出すことが可能であり、第２面から略均一に光を出射させることができる。
【００１５】
また、本発明に係る導光板では、導光板本体の第４面上に上記光を反射する反射鏡が設けられていることが好ましい。
【００１６】
回折格子部に上記光が入射されると、その一部は前述したように第２面側から導光板本体の外部に取り出されるが、他の部分は導光板本体内に回折される。この際、導光板本体に回折された光のうち高次の回折光には、第４面にほぼ垂直入射に近い角度で入射する高次の回折光も含まれる。上記反射鏡を備えた導光板では、第４面に反射鏡を設けていることから、第４面にほぼ垂直入射に近い角度で入射する回折光を第２面側に反射し、回折格子部から０次の回折光として導光板本体外部に出射させることが可能となっている。そして、格子の屈折率が導光板本体の屈折率に対して上記関係を満たしている導光板では、回折格子部による高次の回折光はＳ偏光成分の割合が高くなっているので、反射鏡で反射され第２面側から導光板の外部に出射された光もＳ偏光成分が支配的な光として出射される。
【００１７】
本発明に係る面光源装置は、（Ａ）可視領域を含む光を出力する光源部と、（Ｂ）光源部から出力された光が入射される第１面、第１面に隣接している第２面、第１面に対向しており第２面に隣接している第３面及び第２面に対向しており第３面に隣接する第４面を有する導光板本体及び第２面上に設けられる回折格子部を有する導光板と、を備え、回折格子部は、誘電体からなる複数の格子が第１面から第３面に向かう所定方向に沿って周期Λで平行配置されて構成されており、上記光が有する可視領域の波長をλとしたとき、周期Λは、
１≧Λ／λ≧０．５
を満たしており、導光板本体の屈折率をｎｓ、格子の屈折率をｎｇとしたとき、屈折率ｎｇは、
ｎｇ−ｎｓ≧０．１５
を満たしていることを特徴とする。
【００１８】
この構成では、光源部から出力された光が第１面から導光板本体内に入射される。そして、導光板内に入射された光は導光板本体内を第３面に向けて伝搬する。この際、第２面上に回折格子部が設けられていることから、導光板本体内を伝搬する光を第２面側から取り出すことが可能である。そして、光が有する波長λに対して回折格子部の周期Λが上記関係を満たすことから、導光板からの出射角を制御することができる。また、回折格子部を構成する格子の屈折率と導光板本体との屈折率が上記関係を満たすことから回折格子部により偏光分離することができ、Ｓ偏光成分が支配的な光を導光板から出射可能である。よって、例えば、上記面光源装置を液晶表示装置に適用した場合、出射光の伝搬方向を揃えるための素子や出射光から不要偏光をリサイクルするための素子を設ける必要がない。その結果、液晶表示装置の小型化及び薄型化を図ることができる。
【００１９】
本発明に係る面光源装置では、回折格子部は、所定方向に沿って、回折格子部からの光の取出し効率が異なる複数の回折領域を有しており、複数の回折領域の取出し効率は、所定方向において第３面側で高くなっていることが好ましい。
【００２０】
面光源装置が備える導光板では、導光板本体の第１面から入射された光は第３面側に伝搬されながら第２面上に設けられた回折格子部によって第２面側からＳ偏光成分の光が取り出される。よって、第１面側から第３面に伝搬する光は第３面に近づくにつれてＰ偏光成分の割合が多くなってくる。上記のように回折格子部が複数の回折領域を有し、第３面側に近くなるにつれて回折領域の取出し効率が高ければ、第３面側において光のＳ偏光成分を効率的に取り出される。従って、第３面側に伝搬するにつれてＰ偏光成分の割合が高くなっても、第２面から略均一に光を取り出すことが可能である。
【００２１】
また、本発明に係る面光源装置では、第３面の側方に配置されており、第３面から出力される光の偏光状態を変換して第１面側に反射せしめる偏光変換素子を更に備えることが好ましい。
【００２２】
この構成では、第１面から入射し第３面に到達した光の偏光状態が、偏光変換素子により変換されて第３面から再度導光板本体内に戻される。上記導光板では、導光板本体の第１面から入射された光は第３面側に伝搬されながら第２面上に設けられた回折格子部によって第２面側からＳ偏光成分の光が取り出される。よって、第１面側から第３面に伝搬する光は第３面に近づくにつれてＰ偏光成分の割合が多くなってくる。従って、偏光変換素子には、Ｐ偏光成分の割合が高い光が入射されることになるので、偏光変換素子から導光板本体には、Ｓ偏光成分の割合が高い光が戻される。その結果、第３面側からも確実に光を取り出すことが可能であり、第２面から略均一に光を出射させることができる。
【００２３】
更に、本発明に係る面光源装置では、第４面に対して第２面側と反対側に設けられており、光を第２面側に反射せしめる反射鏡を更に備えることが好ましい。
【００２４】
回折格子部に上記光が入射されると、その一部は前述したように第２面側から導光板本体の外部に取り出されるが、他の部分は導光板本体内に回折される。この際、導光板本体に回折された光のうち高次の回折光には、第４面にほぼ垂直入射に近い角度で入射する高次の回折光も含まれる。上記反射鏡を備えた面光源装置では、第４面にほぼ垂直入射に近い角度で伝搬してきた回折光は、反射鏡により第２面側に反射され、回折格子部から０次の回折光として導光板本体外部に出射させることになる。そして、格子の屈折率が導光板本体の屈折率に対して上記関係を満たしている導光板では、回折格子部による高次の回折光はＳ偏光成分の割合が高くなっているので、反射鏡で反射され第２面側から導光板の外部に出射された光もＳ偏光成分が支配的な光として出射される。
【００２５】
また、本発明に係る透過型画像表示装置は、（１）面光源装置と、（２）面光源装置から出力される光が入射される液晶表示部と、を備え、上記面光源装置は、（ａ）可視領域を含む光を出力する光源部と、（ｂ）光源部から出力された光が入射される第１面、第１面に隣接している第２面、第１面に対向しており第２面に隣接している第３面及び第２面に対向しており第３面に隣接する第４面を有する導光板本体及び第２面上に設けられる回折格子部を有する導光板と、を備え、回折格子部は、誘電体からなる複数の格子が第１面から第３面に向かう所定方向に沿って周期Λで平行配置されて構成されており、上記光が有する可視領域の波長をλとしたとき、周期Λは、
１≧Λ／λ≧０．５
を満たしており、導光板本体の屈折率をｎｓ、格子の屈折率をｎｇとしたとき、屈折率ｎｇは、
ｎｇ−ｎｓ≧０．１５
を満たしていることを特徴とする。
【００２６】
この構成では、面光源装置が有する光源部から出力された光が、導光板が有する導光板本体の第１面から導光板本体内に入射される。そして、導光板本体内に入射された光は導光板本体内を第３面に向けて伝搬する。この際、第２面上に回折格子部が設けられていることから、導光板本体内を伝搬する光を第２面側から取り出すことが可能である。そして、光が有する波長λに対して回折格子部の周期Λが上記関係を満たすことから、導光板からの出射角を制御することができる。また、回折格子部を構成する格子の屈折率と導光板本体との屈折率が上記関係を満たすことから回折格子部により偏光分離することができ、Ｓ偏光成分が支配的な光を導光板から出射可能である。よって、面光源装置からはＳ偏光成分が支配的であり所定の方向に集光された面光束を液晶表示素子に向けて出力することができる。そのため、液晶表示装置では、面光源装置からの出力光を集光し、その伝搬方向を揃えるための素子や出力光から不要偏光をリサイクルするための素子を設ける必要がない。その結果、液晶表示素子の小型化及び薄型化を図ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、偏光分離が可能であると共に、所望の方向に光を出射可能な導光板、面光源装置及びそれらを備えた液晶表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の導光板、面光源装置及び液晶表示装置の実施形態について説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。更に、本明細書における「上」、「下」等の方向を示す語は、図面に示された状態に基づいた便宜的な語である。
【００２９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る液晶表示装置の一実施形態の構成を概略的に示す側面図である。液晶表示装置１は、液晶表示素子１０と、本発明に係る面光源装置の一実施形態である面光源装置４０とを備えており、ノートパソコン等のようなモバイル可能な装置に好適に適用される。以下の説明では、図１に示すように、面光源装置４０と液晶表示素子１０との配列方向をｚ軸方向とも称し、ｚ軸方向に略直交する２つの方向をｘ軸方向及びｙ軸方向とも称す。
【００３０】
液晶表示素子１０は、液晶セル１１の上下面に偏光板１２，１３が積層されて構成されている。以下の説明では、偏光板１２、液晶セル１１及び偏光板１３の積層方向をｚ軸方向とし、ｚ軸方向に略直交する２つの方向を図１に示すようにｘ軸方向及びｙ軸方向と称す。液晶セル１１及び偏光板１２，１３は、従来の液晶表示装置等の透過型画像表示装置で用いられているものを用いることができる。液晶セル１１としては、ＴＦＴ型、ＳＴＮ型等の公知の液晶セルが例示される。また、上下一対の偏光板１２，１３は、互いにその透過軸を直交させる状態に配置され、これらの偏光板１２，１３の透過軸は、液晶セル１１における液晶分子の配向方向と平行になるように配置されている。
【００３１】
面光源装置４０は、液晶表示素子１０の背面側（下側）に配置されており、液晶表示素子１０にバックライトを供給するためのものである。面光源装置４０は、光源部２０と導光板３０とを有し、光源部２０が導光板３０の側方に配置されたエッジライト型の装置である。
【００３２】
光源部２０は、可視領域の光を含む光１００を出射する光源２１を有する。光源２１としては、ＬＤ（Laser Diode）や、ＬＥＤ（Light Emitting Device）や、ＣＣＦＬ（Cold CathodeFluorescent Lamp）等が例示されるが、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光を含む光１００を出力するものであれば特に限定されない。
【００３３】
また、光源部２０は、光源２１から出力される光１００を効率的に利用する観点から、図１に示すように、反射部材２２を有することが好ましい。反射部材２２は、内面が鏡面加工又は白色反射加工された板状の反射板が光源２１の周囲を覆うように筒状に湾曲されて構成されており、導光板３０側に開口を有する。この光源部２０の構成では、例えば、ＣＣＦＬのように指向性を有しない光源を利用したとしても、光源２１から出力された光１００を、反射部材２２で反射させて開口から導光板３０側に出力できる。
【００３４】
導光板３０は、光源部２０の側方に配置されている。導光板３０は、光１００を伝搬可能な導光板本体３１と、導光板本体３１に対して設けられた回折格子部３２、反射鏡３４及び偏光変換素子３５とを含んで構成されている。
【００３５】
導光板本体３１の材料としては、光１００、特に、光１００に含まれる可視領域の光に対して吸収の小さい材料、例えば、アクリル、ポリスチレン、ポリカーボネート系等の樹脂、石英又は酸化タンタルが例示される。
【００３６】
導光板本体３１は、略直方体形状であり、光源２１に対向している入射面（第１面）３１aと、入射面３１ａに略直交している出射面（第２面）３１ｂと、出射面３１ｂと対向しており入射面３１ａと略直交している裏面（第４面）３１ｃと、入射面３１ａと対向しており出射面３１ｂ及び裏面３１ｃと略直交している側面（第３面）３１ｄとを有する。入射面３１ａ、出射面３１ｂ、裏面３１ｃ及び側面３１ｄはいずれも平坦である。導光板本体３１のｘ軸方向の幅Ｗ１、すなわち、入射面３１ａと側面３１ｄとの間の距離は例えば１０ｍｍであり、ｙ軸方向の幅Ｗ２（不図示）も例えば１０ｍｍである。また、導光板本体３１の厚さＤ、すなわち、裏面３１ｃと出射面３１ｂとの間の距離は例えば１ｍｍである。
【００３７】
導光板本体３１に、入射面３１ａを介して光１００が入射された場合、入射面３１ａから導光板本体３１内に入射された光１００と、入射面３１ａとの法線Ｎａとのなす角度αは臨界角より小さいことから、光１００は、導光板本体３１内を主に全反射により伝搬することになる。
【００３８】
回折格子部３２は、層状であって出射面３１ｂ上に設けられている。回折格子部３２は、導光板本体３１内を伝搬する光１００を導光板本体３１の外側に取り出すためものものでって、光１００のうちＳ偏光成分の一部を液晶表示素子１０に向けて回折せしめ、出射光１０１を生成する。この回折格子部３２の構成については後ほど詳述する。
【００３９】
反射鏡（反射手段）３４は、裏面３１ｃのほぼ全面に設けられており、反射鏡３４は、例えば、誘電体多層膜及び金属などを蒸着した金属薄膜等からなる。
【００４０】
また、偏光変換素子３５は、側面３１ｄ上に設けられており、側面３１ｄ側から順に配置されたλ／４板３６と反射鏡３７とを含んで構成されている。この構成では、側面３１ｄから出射された光１００はλ／４板３６を通過して反射鏡３７で側面３１ｄ側（又は入射面３１ａ側）に反射された後、λ／４板３６を再度通過して導光板本体３１内に戻される。これにより、入射面３１ａから入射され導光板本体３１内を伝搬した後、側面３１ｄに到達した光１００は、偏光変換素子３５により偏光状態が変換されて導光板本体３１内に戻されることになる。
【００４１】
上記導光板３０の構成では、光源部２０から出力された光１００は、入射面３１ａを介して導光板本体３１内に入射され、導光板本体３１内を側面３１ｄ側に向けて、すなわち、ｘ軸方向（所定方向）に伝搬する。導光板本体３１内を伝搬する光１００のうちＳ偏光成分の一部は、出射面３１ｂ上に設けられた回折格子部３２によって出射面３１ｂ側から取り出される。この出射面３１ｂ側から取り出された光は、出射光１０１として液晶表示素子１０に入射される。一方、回折格子部３２により導光板３０外部に取り出されない光１００は、導光板本体３１内に戻される。この際、回折格子部３２による回折によって、導光板本体３１内での全反射条件を満たさないように戻される光が生じる場合もあるが、裏面３１ｃに反射鏡３４を設けられていることにより、上記全反射条件を満たさない光を偏光状態を変えずに出射面３１ｂ側に反射させて出射面３１ｂから出射可能である。
【００４２】
上記のように、導光板３０では、入射面３１ａから入射した光１００が側面３１ｄ側に伝搬しながらＳ偏光成分の一部が出射光１０１として導光板本体３１の外部に取り出される。そのため、光１００が側面３１ｄ側に伝搬するにつれて光１００におけるＰ偏光成分の割合が多くなる。よって、Ｐ偏光成分の割合が高い光１００が側面３１ｄを介して偏光変換素子３５へ入射されることになる。その結果、Ｓ偏光成分の割合の高い光が偏光変換素子３５から導光板本体３１に戻されることになるので、側面３１ｄ側においても出射面３１ｂから確実に出射光１０１が出射される。従って、Ｓ偏光成分が支配的な出射光１０１を出射面３１ｂから略均一に出射することが可能であり、面光源装置４０によりＳ偏光成分が支配的な面光束を出力できる。
【００４３】
次に、導光板３０の一つの特徴である回折格子部３２について詳細に説明する。
【００４４】
図２は、図１に示した導光板の側面図である。図２では、屈折率が約１．４５である導光板本体３１の出射面３１ｂ上に設けられた回折格子部３２に光１００が一回入射した場合の回折格子部３２による回折光の一例を示している。以下の説明では、導光板本体３１の外側、すなわち、液晶表示素子１０側（図２中、上側）に回折されるｍ次回折光を透過回折光１００Ｔｍと称し、導光板本体３１の裏面３１ｃ側に回折されるｍ次回折光を反射回折光１００Ｒｍと称す。そして、透過回折光１００Ｔｍが導光板３０からの出射光１０１となり、反射回折光１００Ｒｍは導光板本体３１内を伝搬することになる。導光板本体３１内を伝搬する光は、光１００及び反射回折光１００Ｒｍを含むことになるが、反射回折光１００Ｒｍは光１００から生じていることから、特に断らない限り、導光板本体３１内を伝搬する光は光１００と称す。
【００４５】
回折格子部３２は、複数の格子３３が周期Λでｘ軸方向に配列されて構成されている回折格子である。格子３３は、一方向（ｙ軸方向）に延在しており誘電体からなる線状体である。格子３３の長手方向に略直交する格子３３の断面形状は正方形が例示されるが、矩形であってもよい。格子３３の幅ｗ及び高さ（ｚ軸方向の長さ）ｄは、例えば６５ｎｍが例示される。
【００４６】
回折格子部３２の周期Λは光１００における可視領域内の波長をλとしたとき、
【数１】
2009123553.tif 000003
を満たしている。換言すれば、格子３３が、式（１）を満たす周期Λでｘ軸方向に離散的に配置されて回折格子部３２が構成されている。周期Λとしては４２０ｎｍが例示される。
【００４７】
波長λを有する光の回折格子部３２による回折はｍ次回折光の回折角をφｍとしたとき、
【数２】
2009123553.tif 000004
で表される。
【００４８】
例えば、周期Λが波長λに対して十分小さいとｍ＝０、すなわち、０次の回折光しか存在しないが、周期Λが式（１）を満たすことにより、回折格子部３２は０次より大きい次数の回折光を有する。その結果、図１に示したように、導光板本体３１の外側及び裏面３１ｃ側に向けて透過回折光１００Ｔｍ及び反射回折光１００Ｒｍが生じる。図２に示すように導光板本体３１の屈折率が約１．４５であり、格子３３と空気との屈折率差で回折格子部３２が形成されている場合、式（１）の条件において許容される回折光の次数は、±２次までである。その中で、１次反射回折光１００Ｒ１及び−２次透過回折光１００Ｒ−２の強度は非常に小さくなるため、図２では示していない。また、導光板本体３１内を伝搬する光１００は出射面３１ｂに臨界角より大きい角度で入射することになることから、後述するように０次透過回折光１００Ｔ０もほとんど生じないため、図２では示していない。従って、図２に示したように屈折率が１．４５である導光板本体３１上に設けられ式（１）を満たす回折格子部３２に光１００が一回入射した場合に生じる主要な回折光は、−１次反射回折光１００Ｒ−１、０次反射回折光１００Ｒ０、−２次反射回折光１００Ｒ−２、−１次透過回折光１００−１である。そして、導光板本体３１の外側、図１中において液晶表示素子１０側への回折光としての透過回折光１００Ｔ−１が導光板本体３１からの出射光１０１となり、導光板本体３１内への回折光としての反射回折光１００Ｒ０，１００Ｒ−２は導光板本体３１内を伝搬する光１００となる。また、反射回折光１００Ｒ−１は、反射鏡３４により反射された後、出射面３１ｂ側から出射されて出射光１０１となる。
【００４９】
出射光１０１の出射角θoutは回折角φｍに対応するものであるから、周期Λを式（２）を満たす範囲内で調整することで、液晶表示素子１０に向けた出射光１０１を生成することが可能となっており、回折格子部３２は出射角制御機能を有する。そして、図２に示した場合では、−１次透過回折光１００Ｔ−１の出射角θout（又は回折角φ−１）は、ほぼ出射面３１ｂの法線Ｎｂ方向、例えば法線Ｎｂを基準にして−３０°〜３０°の範囲内に出射可能である。また、反射回折光１００Ｒ−１は、−１次透過回折光１００Ｔ−１の場合と同様に、回折角φ−１を例えば−３０°〜３０°の範囲とすることが可能であるため、反射鏡３４で反射されて出射面３１ｂ上の回折格子部３２へほぼ垂直入射する。その結果、０次透過回折光１００Ｔ０として、法線Ｎｂを基準として−３０°〜３０°で出射されることになる。
【００５０】
式（１）に示しているように、一つの波長λに対して周期Λが決まるため、例えば、回折格子部３２を設計する際、設計用に仮定した波長λと、可視領域内の他の波長との差に応じて回折角φｍにも差が生じ、結果として出射角θoutに幅が生じることになる。しかしながら、可視領域の波長範囲内であれば一つの波長λに対して設定していればよい。設計用の波長λとしては、青色系の４７０ｎｍ、緑色系の５５５ｎｍ、赤色系の６４０ｎｍが例示される。ただし、可視領域内での出射角θoutの変動幅を小さくする観点から４００ｎｍ〜７００ｎｍの中心波長である５５０ｎｍ近傍が好ましく、青色系、緑色系、赤色系の波長から選択する場合には、緑色系の５５５ｎｍが好ましい。
【００５１】
また、格子３３は、その屈折率をｎｇとし、導光板本体３１の屈折率をｎｓとしたとき、屈折率差ｎｄ（＝ｎｇ−ｎｓ）は、
【数３】
2009123553.tif 000005
を満たしている。言い換えれば、格子３３は、導光板本体３１が有する屈折率ｎｓに対して式（３）を満たす屈折率ｎｇを有する誘電体材料から構成されている。例えば、屈折率が約１．４５である石英から導光板本体３１が構成されている場合、格子３３は屈折率が約１．６０以上の誘電体材料から構成することができる。屈折率が１．６０以上の誘電体材料としては、例えば、屈折率が２．０５である酸化タンタルや屈折率が２．５である酸化チタン（ＴｉＯ２）などである。格子３３の材料として酸化タンタル又は酸化チタンを使用する場合には、例えば、導光板本体３１の材料として屈折率が約１．４９であるアクリルを使用することも可能である。
【００５２】
回折格子部３２は、式（３）を満たしていることによりＳ偏光成分を主に導光板本体３１の外側に回折せしめることが可能となっており、偏光分離機能を有する。
【００５３】
式（３）を満たすことにより、回折格子部３２が偏光分離機能を有することを回折格子部３２による光１００の回折効率の計算結果に基づいて具体的に説明する。計算モデルとしては、図２に示したように、回折格子部３２に入射角θinで光１００が一回入射した場合を仮定している。計算条件は、式（１）及び式（３）を満たすように以下のとおりとしている。
・導光板本体３１の材料：石英（屈折率：１．４５）
・回折格子部３２の周期Λ：４２０ｎｍ
・格子３３の材料：酸化タンタル（屈折率：２．０５）
・格子３３の幅ｗ：６５ｎｍ
・格子３３の高さｄ：６５ｎｍ
・波長λ：５５５ｎｍ
導光板本体３１の屈折率が１．４５の場合の、前述したように、高次の回折光としては、±２次までの回折光が許容される。なお、２次透過回折光１００Ｔ−２は殆ど生じないため考慮していない。
【００５４】
図３は、入射角θin対する回折格子部３２の回折効率の計算結果を示す図面であり、図３（ａ）は、Ｓ偏光成分に対する計算結果を示す図面であり、図３（ｂ）は、P偏光成分に対する計算結果を示す図面である。
【００５５】
図３に示した結果では、入射角θinとして全反射角より小さい角度に対しても示しているが、図１に示したように、光源２１からの光１００が入射面３１ａを介して導光板本体３１内に入射する場合、入射面３１ａから入射した光１００と入射面３１ａの法線Ｎａとのなす角度αは、全反射角である約４３．６°より小さくなる。その結果、入射角θinは、９０°−αと９０°との間になる傾向にある。すなわち、図３に示した結果では、臨界角より大きい約４６．４°より更に大きい入射角θinに対する回折特性が重要となる。
【００５６】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分共に、４６．４°より大きい入射角θinでは０次反射回折光１００Ｒ０が生じている一方、０次透過回折光１００Ｔ０は殆ど生じておらず、光１００においてＳ偏光成分及びＰ偏光成分の多くはほぼ全反射と同様に反射されていることがわかる。これは回折格子部３２が式（１）を満たしていることによる。
【００５７】
一方、回折格子部３２の影響により、Ｓ偏光成分に対しては、図３（ａ）に示されているように、−１次透過回折光１００Ｔ−１、−１次反射回折光１００Ｒ−１，−２次反射回折光R−２のような高次の回折光が生じている。これに対して、図３（ｂ）にすように、Ｐ偏光成分に対しては−１次透過回折光１００Ｔ−１、−１次反射回折光１００Ｒ−１及び−２次反射回折光１００Ｒ−２はほとんど生じていない。すなわち、回折格子部３２における回折特性はＰ偏光成分とＳ偏光成分とで異なっており、回折格子部３２は、Ｐ偏光成分に対してよりもＳ偏光成分に対して回折格子として作用していることがわかる。その結果、導光板３０の出射面３１ｂ側からはＳ偏光成分の光が主に出射することが可能であり、回折格子部３２が偏光分離素子として機能していることになる。
【００５８】
次に、屈折率差ｎｄと偏光分離度との関係について計算結果を基づいて説明する。この場合も回折格子部３２に入射角θinで光１００が一回入射した場合について計算を実施している。計算するために仮定した諸条件のうち、導光板本体３１の材料及び屈折率ｎｓ、回折格子部３２における周期Λ及び光１００の波長λは図３に示した計算の場合と同様である。この場合、Λ／λは約０．７５７であり、式（１）を満たしている。
【００５９】
また、光源２１が所定の配光特性、言い換えれば、指向性を有するものとして、光１００のうち入射角θinが５０°、６０°、７０°、８０°の光の成分の強度を３、１６、１４、１１(ａ．ｕ)と仮定している。
【００６０】
計算では、幅ｗ及び高さｄを適宜変えながら偏光分離度を示す指標としてのＳ／Ｐ比、及び全回折効率ηを算出した。Ｓ／Ｐ比及び全回折効率ηは式（４）及び式（５）のように定義している。
【数４】
2009123553.tif 000006
【数５】
2009123553.tif 000007
式（４）及び式（５）において、ＥＳ−２Ｒ、ＥＳ−１Ｒ及びはＥＳ−１Ｔは、それぞれＳ偏光成分に対する−２次反射回折光１００Ｒ−２の回折効率、−１次反射回折光１００Ｒ−１に対する回折効率、−１次透過回折光１００Ｔ−１に対する回折効率を示している。同様に、ＥＰ−２Ｒ、ＥＰ−１Ｒ及びＥＰ−１ＴはＰ偏光成分に対する−２次反射回折光１００Ｒ−２の回折効率、−１次反射回折光１００Ｒ−１に対する回折効率、及び−１次透過回折光１００Ｔ−１に対する回折効率を示している。
【００６１】
なお、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分における−２次透過回折光１００Ｔ−２を含めていないのは、上記計算条件では、−２次透過回折光１００Ｔ−２がほとんど生じないからである。また、０次反射回折光１００Ｒ０は、上記入射角θinの範囲では、実質的に導光板本体３１の内部反射とみなすことができるため、全回折効率η及びＳ／Ｐ比の定義には含めていない。
【００６２】
また、計算のための幅ｗの最小値を２５ｎｍ（ｗ／λ＝０．０５）とし最大値は４２０ｎｍ（ｗ／λ＝０．７５７）とし、高さｄの最小値は０ｎｍとし、最大値は４２０ｎｍ（ｄ／λ＝０．７５７）とした。
【００６３】
図４〜図１０は、格子３３の屈折率ｎｇがそれぞれ１．６０、１．６５、１．７０、１．７５、１．９０、２．０５及び２．５０の場合の幅ｗ及び高さｄに対してＳ／Ｐ比及び全回折効率ηを示す図面である。図４〜図１０の各図では、幅ｗ及び高さｄを波長λで規格化した値に対してＳ／Ｐ比及び全回折効率ηをマッピングしている。また、図４〜図１０の各図において（ａ）は、ｗ／λ及びｄ／λに対するＳ／Ｐ比の分布を示しており、（ｂ）は、ｗ／λ及びｄ／λに対する全回折効率ηの分布を示している。
【００６４】
図４に示した結果に基づいてｗ／λ及びｄ／λと、Ｓ／Ｐ比及び全回折効率ηとの対応関係を表１に示す。表１では省略しているが、屈折率１．６０の場合、最大のＳ／Ｐ比として９が得られている。
【表１】
2009123553.tif 000008
【００６５】
また、図５に示した計算結果に基づいてｗ／λ及びｄ／λと、Ｓ／Ｐ比及び全回折効率ηとの対応関係を表２に示す。表２では省略しているが、屈折率１．６５の場合、最大のＳ／Ｐ比として１０が得られている。
【表２】
2009123553.tif 000009
【００６６】
図６に示した結果に基づいてｗ／λ及びｄ／λと、Ｓ／Ｐ比及び全回折効率ηとの対応関係を表３に示す。表３では省略しているが、屈折率１．７０の場合、最大のＳ／Ｐ比として１１が得られている。
【表３】
2009123553.tif 000010
【００６７】
図７に示した結果に基づいてｗ／λ及びｄ／λと、Ｓ／Ｐ比及び全回折効率ηとの対応関係を表４に示す。表４では省略しているが、屈折率１．７５の場合、最大のＳ／Ｐ比として１２が得られている。
【表４】
2009123553.tif 000011
【００６８】
図８に示した結果に基づいてｗ／λ及びｄ／λと、Ｓ／Ｐ比及び全回折効率ηとの対応関係を表５に示す。表５では省略しているが、屈折率１．９０の場合、最大のＳ／Ｐ比として１７が得られている。
【表５】
2009123553.tif 000012
【００６９】
図９に示した結果に基づいてｗ／λ及びｄ／λと、Ｓ／Ｐ比及び全回折効率ηとの対応関係を表６に示す。表６では省略しているが、屈折率２．０５の場合、最大のＳ／Ｐ比として２３が得られている。
【表６】
2009123553.tif 000013
【００７０】
図１０に示した結果に基づいてｗ／λ及びｄ／λと、Ｓ／Ｐ比及び全回折効率ηとの対応関係を表７に示す。表７では省略しているが、屈折率２．５０の場合、最大のＳ／Ｐ比として５０が得られている。
【表７】
2009123553.tif 000014
【００７１】
更に、比較のために格子３３の屈折率が１．５０及び１．５５の場合の計算結果を図１１及び図１２に示す。図１１及び図１２では、図４〜図１０の場合と同様に、幅ｗ及び高さｄを波長λで規格化した値に対してＳ／Ｐ比及び全回折効率ηをマッピングしている。また、図１１及び図１２において（ａ）は、ｗ／λ及びｄ／λに対するＳ／Ｐ比の分布を示しており、（ｂ）は、ｗ／λ及びｄ／λに対する全回折効率ηの分布を示している。
【００７２】
図１１に示した結果に基づいてｗ／λ及びｄ／λと、Ｓ／Ｐ比及び全回折効率ηとの対応関係を表８に示す。表８では省略しているが、屈折率１．５０の場合、最大のＳ／Ｐ比として８が得られている。
【表８】
2009123553.tif 000015
【００７３】
また、図１２に示した結果に基づいてｗ／λ及びｄ／λと、Ｓ／Ｐ比及び全回折効率ηとの対応関係を表９に示す。表９では省略しているが、屈折率１．５５の場合、最大のＳ／Ｐ比として８が得られている。
【表９】
2009123553.tif 000016
【００７４】
図４〜図１０及び表１〜表７に示したように、格子３３と導光板本体３１との屈折率差ｎｄが式（３）を満たすことで、偏光分離ができていることがわかる。そして、屈折率差ｎｄが大きくなるにつれてより大きいＳ／Ｐ比及び全回折効率ηを実現できている。なお、比較のために示した屈折率ｎｇが１．５０及び１．５５の場合、すなわち屈折率差ｎｄが０．０５及び０．１０の場合であっても、Ｓ／Ｐ比は３以上を実現できていることから、偏光分離は可能である。
【００７５】
しかしながら、屈折率差が１．５０及び１．５５の場合で実現可能な全回折効率では、例えば、液晶表示装置１のバックライトとして使用するには実用的ではない。そのため、前述したように、屈折率差ｎｄは０．１５以上であることが必要である。更に、屈折率差ｎｄを０．１５以上とすることにより、各Ｓ／Ｐ比における全回折効率ηの調整幅が広くなっている。これにより全回折効率ηの調整が容易となっている。また、比較用に示した屈折率ｎｇが１．５０及び１．５５の場合には、最大Ｓ／Ｐ比は共に８程度であり屈折率差ｎｄの変動に対するＳ／Ｐ比の変動幅が小さい（例えば最大Ｓ／Ｐ比はほとんど変化していない）が、屈折率ｎｇが１．６０以上、すなわち、屈折率差ｎｄが０．１５以上とすることで、最大Ｓ／Ｐ比を９以上とすることができると共に、屈折率差ｎｄの変化に対応させてＳ／Ｐ比を確実により大きくすることができていることがわかる。従って、屈折率差ｎｄを０．１５以上とすることで、Ｓ／Ｐ比の調整幅も広がることになる。なお、屈折率差ｎｄは、０．１５以上であればよいが、より高いＳ／Ｐ比及び広い回折効率の調整範囲を実現する観点から、０．５０以上であることがより好ましい。
【００７６】
また、表１〜表７に示した結果より、幅ｗを大きくするとＳ／Ｐ比は小さくなる一方、全回折効率ηは大きくなる傾向にあり、回折格子部３２の高さｄを大きくすると、Ｓ／Ｐ比及び全回折効率ηの両方が大きくなる傾向にあることが分かる。よって、このような傾向を考慮して幅ｗ及び高さｄを選択することによって、所望のＳ／Ｐ比及び全回折効率ηを実現することが可能である。そして、より高いＳ／Ｐ比を実現し、且つ全回折効率ηの調整幅を広げる観点から、ｗ／λは、０．１３〜０．１７であることが好ましく、ｄ／λは、０．０８〜０．１６であることが好ましい。この範囲にｗ／λ及びｄ／λを有することにより、屈折率差が０．５０以上でＳ／Ｐ比を７以上とすることが可能であり、更に、より広い範囲で全回折効率ηを調整可能であるからである。
【００７７】
上記屈折率差ｎｄと偏光分離度との関係についての計算では、波長λとして５５５ｎｍを仮定しているが、波長λを青色系の４７０ｎｍ及び赤色系の６３０ｎｍとした場合についても式（３）を満たすことで偏光分離が可能である。
【００７８】
周期Λとして上記計算条件と同じ４２０ｎｍを採用して波長λを４７０ｎｍとした場合の計算結果の一例を表１０及び表１１に示す。計算条件は波長λとして５５５ｎｍの代わりに４７０ｎｍを採用しており、表１０は屈折率ｎｇが１．６０の場合の結果を示しており、表１１は、屈折率ｎｇが２．０５の場合の結果を示している。表１０及び表１１の作成方法は、波長λが５５５ｎｍの場合と同様である。すなわち、ｗ／λ及びｄ／λを変更しながらＳ／Ｐ比及び全回折効率を計算した後、ｗ／λ及びｄ／λに対して計算結果をマッピングして、ｗ／λ及びｄ／λとＳ／Ｐ比及び全回折効率ηとの対応関係を表１０及び表１１としてまとめている。表１０及び表１１には示していないが、屈折率ｎｇが１．６０の場合及び屈折率ｎｇが２．０５の場合でそれぞれ最大Ｓ／Ｐ比として８及び１１が得られている。
【表１０】
2009123553.tif 000017
【表１１】
2009123553.tif 000018
【００７９】
周期Λとして上記計算条件と同じ４２０ｎｍを採用して波長λを６４０ｎｍとした場合の計算結果の一例を表１２及び表１３示す。表１２は屈折率ｎｇが１．６０の場合の結果を示しており、表１３は、屈折率ｎｇが２．０５の場合の結果を示している。表１２，１３の作成方法は、波長λが５５５ｎｍの場合と同様である。表１２及び表１３には示していないが、屈折率ｎｇが１．６０の場合及び屈折率ｎｇが２．０５の場合でそれぞれ最大Ｓ／Ｐ比として１２及び１７が得られている。
【表１２】
2009123553.tif 000019
【表１３】
2009123553.tif 000020
【００８０】
表１０〜表１３に示す結果より、同じ周期Λを有する回折格子部３２に波長λの異なる光が入射しても屈折率差ｎｄが０．１５以上であることにより偏光分離ができていることがわかる。よって、式（３）を満たすことにより、偏光分離が可能である。
【００８１】
以上説明したように回折格子部３２は式（１）及び式（３）を満たすことにより、出射角制御機能と偏光分離機能を有しており、従来のHolographic導光板が備える回折格子部部とwire gridとの両方の機能を一つの回折格子部３２で実現できている。このような回折格子部３２は、次のようにして作製することが可能である。
【００８２】
すなわち、先ず、導光板本体３１の出射面３１ｂ上に式（３）を満たすように選択された格子３３の材料からなる層を厚みがｄとなるように形成する。次いで、式（１）を満たすように設定された周期Λで幅ｗの格子３３が配列されるように、例えばリソグラフィー技術などを用いて出射面３１ｂ上の層の一部を除去する。幅ｗ及び高さｄは、前述したように所望の偏光分離度及び回折効率により予め設定しておけばよい。
【００８３】
なお、式（１）を満たすように周期Λを設定する場合、使用する波長λは可視領域の波長において中心（５５０ｎｍ）近傍の波長がより好ましい。この波長に対して周期Λを設定することで、設計用の波長λと、可視領域における他の波長との差による出射角θoutの設計値からのズレを少なくすることができるからである。そして、このような設計用に使用した波長λと、可視領域における他の波長との差による出射角θoutの設計値からのズレを考慮して、可視領域内において出射角θoutが法線Ｎｂ方向を基準として−３０°〜３０°の範囲になっていることが好ましい。
【００８４】
導光板３０は、上述したように式（１）及び式（３）を満しており偏光分離機能と出射角制御機能を有する回折格子部３２を導光板本体３１の出射面３１ｂ上に備えている多機能光学シートである。導光板３０は、式（１）及び式（３）を満たす回折格子部３２を備えることから、出射面３１ｂからＳ偏光成分がより支配的な出射光１０１を液晶表示素子１０に向けて出力することができる。その結果、導光板３０を備える面光源装置４０からは液晶表示素子１０側に向けて伝搬するように集光されたＳ偏光成分がより支配的な面光束を出力可能となっている。
【００８５】
従来のように面光源装置から単にバックライトとして出射面から無偏光状態の光を種々の方向に出射した場合、面光源装置と透過型画像表示素子との間には、出射光の伝搬方向を出射面の法線方向に近づけるように調整するためのプリズムシートや、透過型画像表示素子の偏光板でカットされる不要偏光を再利用するために出射光から不要偏光を分離するための偏光分離素子等を配置する必要がある。
【００８６】
これに対して、本実施形態の導光板３０及びそれを備えた面光源装置４０ではＳ偏光成分の割合が高い面光束を液晶表示素子１０に向けて出力することができることから、図１に示したように、導光板３０からの出射光１０１を直接液晶表示素子１０に入射させることができる。このように、導光板３０と液晶表示素子１０との間に従来配置されていたプリズムシートなどを用いなくても良いことから、液晶表示装置１を小型化・薄型化することを図ることが可能である。
【００８７】
また、導光板３０は、導光板本体３１の裏面３１ｃ上に反射鏡３４を備えているため、回折格子部３２によって導光板本体３１内に回折した反射回折光１００Ｒｍのうち、例えば図２に示した反射回折光１００Ｒ−１のように裏面３１ｃに対して臨界角より小さい角度で入射する回折光を出射面３１ｂ側から出射することができる。その結果、入射面３１ａから入射された光１００を有効に利用することができる。図２に示した場合を例にして具体的に説明する。
【００８８】
図２に示したように、反射回折光１００Ｒｍのうち０次反射回折光１００Ｒ０及び−２次反射回折光Ｒ−２はほぼ全反射条件を満たすことから反射鏡３４を設けていなくても導光板本体３１内を伝搬可能である。この反射回折光１００Ｒ０及び反射回折光１００Ｒ−２は、出射面３１ｂに全反射角より大きい入射角θｉｎで入射することになるので、回折が生じる前の光１００が回折格子部３２に入射した場合と同様に透過回折光１００Ｔｍ及び反射回折光１００Ｒｍが生じることになる。
【００８９】
一方、図２に示したような−１次反射回折光１００Ｒ−１は、全反射条件を満たさないことから、反射鏡３４を設けていなければ裏面３１ｃから外部に漏れてしまうことになる。しかしながら、導光板３０は、反射鏡３４を備えていることから、−１次反射回折光１００Ｒ−１は、反射鏡３４で反射されて回折格子部３２に再入射される。再入射される反射回折光１００Ｒ−１は、その入射角θinが全反射角より小さくなるので、０次透過回折光として導光板３０の外部に出射され出射光１０１となる。このように反射回折光１００Ｒ−１が出射されても、図３に示したように反射回折光１００Ｒ−１は、Ｓ偏光成分が支配的であるため、バックライトとして好適に利用することが可能である。
【００９０】
なお、Ｓ偏光成分が支配的な−１次反射回折光１００Ｒ−１は、前述したように０次透過回折光１００Ｔ０として出射面３１ｂ側から出射されることから、反射鏡３４での反射は偏光状態を変化させない鏡面反射であることが好ましい。
【００９１】
更に、導光板本体３１の側面上３１ｄに偏光変換素子３５が設けられていることから、前述したように、側面３１ｄ側に向けて伝搬してきたＰ偏光成分がより支配的になった光１００の偏光を変換して導光板本体３１内に戻すことが可能である。これにより、回折格子部３２での回折により導光板本体３１内に戻されたＰ偏光成分の光１００も更に有効に利用可能となっている。
【００９２】
上記導光板３０によって出射面３１ｂ側から出射光１０１を出射できることを計算結果を基に具体的に説明する。図１３は、光源追跡法による導光板からの出射光の照度分布の計算結果を示す図面である。図１３では、偏光変換素子３５からの再入射も考慮している。
【００９３】
光線追跡のための計算条件は次のとおりである。
・導光板本体３１の大きさ（Ｗ１×Ｗ２×Ｄ）：１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ
・波長λ：５５５ｎｍ
・導光板本体３１の屈折率ｎｓ：１．４５
・周期Λ：４２０ｎｍ
・格子３３の屈折率ｎｇ：２．０５
・格子３３の高さｄ：６５ｎｍ
・格子３３の幅ｗ：６５ｎｍ
【００９４】
上記計算条件において入射面３１ａから入射した光１００が回折格子部３２に一回入射した場合のＳ／Ｐ比、全回折効率及び出射光１０１の偏光度を算出すると次の結果が得られた。
・Ｓ／Ｐ比：２２．５６
・全回折効率η：０．１１０
・出射光の偏光度：約０．８９
なお、出射光１０１の偏光度は、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分の強度をＳ，Ｐとしたとき、偏光度は（Ｓ−Ｐ）／（Ｓ＋Ｐ）である。
【００９５】
例えば、従来の反射偏光板（例えば３Ｍ社製  ＤＢＥＦ）を通過した後の光の偏光度は約０．６程度であるため、従来より高い偏光度を有する光を出射光１０１として生成できることが分かる。そして、図２に示すように、上記の幅ｗ及び高さｄの格子３３を含んで構成される回折格子部３２を利用することによって、側面３１ｄ側においても確実に出射光１０１が出射されていることがわかる。
【００９６】
図１４は、図１３に示した計算結果における出射角分布を示す図面である。図１４において、横軸は出射角θoutを示しており、縦軸は光度を示している。図１４に示したように、上記条件においては、出射面３１ｂの法線Ｎｂ方向に対して約−１０°〜１０°の範囲内に出射光１０１を出射できており、ほぼ法線Ｎｂ方向に出射光１０１を出射できている。
【００９７】
図１４に示した場合と波長以外の条件は同じとし、波長５５５ｎｍの代わりに青色系の波長４７０ｎｍを用いて計算した場合、出射角範囲は−５°〜２５°であり、赤色系の波長６３０ｎｍを用いて計算の場合、出射角範囲は−３０°〜−５°であった。よって、波長５５５ｎｍに対して設定した周期Λを用いることで、青色系、緑色系の光に対しても法線Ｎｂ方向を基準にして−３０°〜３０°の範囲内に光を出射することが可能である。
【００９８】
（第２の実施形態）
図１５は、本発明に係る導光板の他の実施形態の構成を概略的に示す側面図である。導光板３０Ａは、回折格子部３２の代わりに回折格子部３２Ａを備えている点で、導光板３０と相違する。この相違点以外の導光板３０Ａの構成は、図１及び図２に示した導光板３０の構成と同様である。この導光板３０Ａは、導光板３０の場合と同様に液晶表示装置１及びそれに適用される面光源装置４０に好適に利用することができる。以下、導光板３０Ａについて導光板３０との相違点である回折格子部３２Ａの構成を中心にして説明する。
【００９９】
回折格子部３２Ａは、式（３）を満たす屈折率ｎｇの誘電体材料からなる格子３３が式（１）を満たす周期Λで配置されて構成されている。よって、回折格子部３２Ａも、回折格子部３２の場合と同様に、導光板本体３１内を伝搬する光１００のうちＳ偏光成分の光を主に液晶表示素子１０に向けて出射することが可能となっている。換言すれば、回折格子部３２も偏光分離機能及び出射角制御機能を有する。その結果、回折格子部３２Ａも、図１に示した回折格子部３２と同様の作用効果を奏する。
【０１００】
また、回折格子部３２Ａは、格子３３の幅ｗ及び高さｄが異なる第１〜第Ｍの回折領域３８１〜３８Ｍを含んでいる。この点において、回折格子部３２Ａの構成は、図１及び図２に示した回折格子部３２の構成と相違する。ここでは、第１〜第Ｍの回折領域３８１〜３８Ｍ内の格子の幅ｗを幅ｗ１〜ｗＭ及び第１〜第Ｍの回折領域３８１〜３８Ｍ内の格子３３の高さｄを高さｄ１〜ｄＭとも称す。図１５では、一例としてＭ＝３の場合を示している。
【０１０１】
第１〜第Ｍの回折領域３８１〜３８Ｍは、それぞれ周期Λで配置された格子３３を含むため、各第１〜第Ｍの回折領域３８１〜３８Ｍは式（１）及び式（３）を満たす回折格子部として機能する。また、第１〜第Ｍの回折領域３８１〜３８Ｍ内の格子３３の幅ｗ１〜ｗＭ及び高さｄ１〜ｄＭは、第１〜第Ｍの回折領域３８１〜３８Ｍにおいて側面３１ｄに近くなるにつれて光１００の取出し効率が高くなるように設定している。回折格子部３２Ａでの全回折効率が高ければ、結果として取出し効率が高くなる為、各第１〜第Ｍの回折領域３８１〜３８Ｍの全回折効率は側面３１ｄ側に近づくにつれて高くなっていることになる。
【０１０２】
前述したように、回折格子部３２Ａでは、Ｓ偏光成分の光を主に液晶表示素子１０側に回折させる。そのため、入射面３１ａから入射した光１００が側面３１ｄ側に伝搬するにつれて導光板本体３１内を伝搬する光１００ではＰ偏光成分が多くなる。言い換えれば、Ｓ偏光成分が減少する。よって、このＳ偏光成分の減少分を補填するように、第１〜第Ｍの領域３８１〜３８Ｍにおける全回折効率を高くすることにより、ｘ軸方向において出射面３１ｂから略均一に光を出射せしめることができる。全回折効率の調整は、例えば幅ｗ１〜ｗＭ及び高さｄ１〜ｄＭの少なくとも一方を調整して実施すればよい。
【０１０３】
このように第１〜第Ｍの回折領域３８１〜３８Ｍを有する回折格子部３２Ａを導光板３０Ａが備える場合には、第１〜第Ｍの回折領域３８１〜３８Ｍの全回折効率の違いによりＳ偏光成分の減少分を補正できることから、例えば偏光変換素子３５は設けない構成とすることもできる。ただし、偏光変換素子３５を設けない場合には、側面３１ｄに反射鏡を設け、側面３１ｄから光が漏れないようにすることが導光板本体３１内に入射された光１００を有効利用する観点から好ましい。なお、図１５に示すように、回折格子部３２Ａと偏光変換素子３５とを組み合わせることは、ｘ軸方向における照度の均一性をより確実に図ることができるため好ましい。
【０１０４】
（第３の実施形態）
図１６は、本発明に係る導光板の更に他の実施形態の構成を概略的に示す側面図である。導光板３０Ｂは、回折格子部３２の代わりに回折格子部３２Ｂを備える点で、導光板３０の構成と主に相違する。この相違点以外の導光板３０Ｂの構成は、導光板３０の構成と同様である。なお、図１６では、反射鏡３４及び偏光変換素子３５の記載は省略している。この導光板３０Ｂは、導光板３０の場合と同様に液晶表示装置１及びそれに適用される面光源装置４０に好適に利用することができる。以下、導光板３０Ｂについて導光板３０との相違点である回折格子部３２Ｂの構成を中心にして説明する。
【０１０５】
回折格子部３２Ｂは、式（３）を満たす屈折率ｎｇを有する複数の格子３３を含んで構成されている。複数の格子３３は、周期Λ１で配置される格子群と、周期Λ２で配置される格子群と、周期Λ３で配置されている格子群とに分けることができる。換言すれば、回折格子部３２Ｂは、周期Λ１，Λ２，Λ３でそれぞれ格子３３が配置されてなる３つの回折格子部が重畳されたものに対応する。
【０１０６】
図１７を利用して回折格子部３２Ｂについてより具体的に説明する。図１７は、図１６に示した回折格子部の構成を説明するための導光板の模式図である。図１７（ａ）は、周期Λ１〜Λ３でそれぞれ配置された格子３３を含む回折格子部を備えた導光板の模式図である。図１７（ｂ）は、図１７（a）に示した回折格子部から周期Λ１の格子群を抽出した場合の導光板の模式図である。図１７（ｃ）は、図１７（a）に示した回折格子部から周期Λ２の格子群を抽出した場合の導光板の模式図である。同様に、図１７（ｄ）は、図１７（a）に示した回折格子部から周期Λ３の格子群を抽出した場合の導光板の模式図である。
【０１０７】
図１７（ｂ）〜図１７（ｄ）に示した導光板３０Ｂ１，３０Ｂ２，３０Ｂ３は、それぞれ波長λ１，λ２，λ３に対して式（１）を満たすように規定された周期Λ１，Λ２，Λ３で格子３３が配置されてなる回折格子部３２B１〜３２Ｂ３を備えたものに対応する。従って、各導光板３０B１〜３０B３は、導光板３０と同様の作用効果を奏する。なお、波長λ１としては、青色系の４２０ｎｍが例示され、波長λ２としては、緑色系の５５５ｎｍが例示され、波長λ３としては赤色系の６３０ｎｍが例示される。周期Λ１，Λ２，Λ３は、上記に例示した波長λ１，λ２，λ３に対応して３６０ｎｍ，４２０ｎｍ，４８０ｎｍが例示される。
【０１０８】
そして、図１７（a）に示した導光板３０Ｂが有する回折格子部３２Ｂは、図１７（ｂ）〜図１７（ｄ）に示した回折格子部３２Ｂ１〜３２Ｂ３を構成する複数の格子３３からなる格子群が一つの出射面３１ｂ上に重畳されて構成されている。
【０１０９】
従って、入射面３１ａから入射される光１００に含まれる波長λ１，λ２，λ３の光は、回折格子部３２Ｂにおける周期Λ１，Λ２，Λ３でそれぞれ配置された格子群に従って回折される。言い換えれば、図１７（ｂ）〜図１７（ｄ）に示した各導波板３０Ｂ１〜３０Ｂ３にそれぞれ波長λ１，λ２，λ３の光が入射された場合とほぼ同様に回折される。その結果、導光板３０Ｂでは、波長λ１，λ２，λ３の光に含まれるＳ偏光成分をより確実に導光板本体３１の外側であって液晶表示素子１０側に回折することができる。
【０１１０】
このように導光板３０Ｂでは、可視領域から選択される３つの波長λ１，λ２，λ３に対して設計された格子群が重畳されて回折格子部３２Ｂが形成されているため、可視領域に含まれる各波長の光に対してより高い偏光分離度を実現できると共に、少なくとも光１００に含まれる可視領域の波長範囲において法線Ｎｂ方向からの広がりが抑制された面光束を出射することが可能である。よって、液晶表示装置１においてカラーを表示する場合に色ムラなどが抑制することが可能となっている。
【０１１１】
また、前述したように、回折格子部３２Ｂは、回折格子部３２Ｂ１〜３２Ｂ３をそれぞれ構成する格子３３が出射面３１ｂ上に重畳されて構成されているものとみなすことができる。各回折格子部３２Ｂ１〜３２Ｂ３は式（１）及び式（３）を満たしている第１の実施形態で説明した回折格子部３２に対応する。そして、回折格子部３２では、偏光分離機能を有しており、より高いＳ／Ｐ比を実現する場合には、表１〜表７に示したように格子３３の幅ｗはより小さくなる傾向にある。そのため、式（１）及び式（３）を満たす各回折格子部３２Ｂ１〜３２Ｂ３を構成する格子群を出射面３１ｂ上において重畳して一つの回折格子部３２Ｂを形成することが容易となっている。
【０１１２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、導光板３０，３０Ａ，３０Ｂは、裏面３１ｃに接するように光の経路変換手段としての反射鏡３４が設けられており、側面３１ｄに接するように偏光変換素子３５が設けられているとしたが、導光板３０，３０Ａ，３０Ｂは、反射鏡３４及び偏光変換素子３５を備えなくても良い。例えば、面光源装置４０が、裏面３１ｃの下側に裏面３１ｃから離して配置された反射鏡３４を有していてもよい。同様に、面光源装置４０が、側面３１ｄの側方に側面３１ｄから離して配置された偏光変換素子３５を有していてもよい。また、導光板３０に入射された光１００を有効利用する観点から反射鏡３４を利用することが好ましいが、導光板本体３１内では光１００の多くは全反射で伝搬するため、導光板３０，３０Ａ，３０Ｂ及び面光源装置４０の何れも反射鏡３４を備えない構成とすることも可能である。更に、例えば第２の実施形態で示したように、ｘ軸方向の光の取り出し効率を調整することによって、偏光変換素子３５を設けない構成とすることもできる。また、導光板３０，３０Ａ，３０Ｂ及び面光源装置４０は、液晶表示装置１に適用されるものとして説明したが、導光板３０，３０Ａ，３０Ｂ及び面光源装置４０は、液晶表示装置１のような透過型画像表示装置であれば好適に適用することができる。また、入射面３１ａ、出射面３１ｂ、裏面３１ｃ及び側面３１ｄのうち対向する面は平行であるとしているが、これに限定されない。入射面３１ａから入射された光１００を導光板本体３１内で伝搬でき、出射面３１ｂからＳ偏光成分が支配的な光を出射光１０１として取り出せれば、例えば、出射面３１ｂに対して入射面３１ａ及び側面３１ｄの少なくとも一方が傾斜していてもよい。このように入射面３１ａ及び側面３１ｄを傾斜させることで入射角θｉｎを調整することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明に係る液晶表示装置の一実施形態の側面図である。
【図２】図１に示した導光板の側面図である。
【図３】入射角θinに対する回折格子部の回折効率の計算結果を示す図面である。
【図４】回折格子部が有する格子の屈折率ｎｇを１．６０としたときのＳ／Ｐ比及び全回折効率の計算結果を示す図面である。
【図５】回折格子部が有する格子の屈折率ｎｇを１．６５としたときのＳ／Ｐ比及び全回折効率を示す図面である。
【図６】回折格子部が有する格子の屈折率ｎｇを１．７０としたときのＳ／Ｐ比及び全回折効率を示す図面である。
【図７】回折格子部が有する格子の屈折率ｎｇを１．７５としたときのＳ／Ｐ比及び全回折効率を示す図面である。
【図８】回折格子部が有する格子の屈折率ｎｇを１．９０としたときのＳ／Ｐ比及び全回折効率を示す図面である。
【図９】回折格子部が有する格子の屈折率ｎｇを２．０５としたときのＳ／Ｐ比及び全回折効率を示す図面である。
【図１０】回折格子部が有する格子の屈折率ｎｇを２．５０としたときのＳ／Ｐ比及び全回折効率を示す図面である。
【図１１】比較のために回折格子部が有する格子の屈折率ｎｇを１．５０としたときのＳ／Ｐ比及び全回折効率を示す図面である。
【図１２】比較のために回折格子部が有する格子の屈折率ｎｇを１．５５としたときのＳ／Ｐ比及び全回折効率を示す図面である。
【図１３】光源追跡法による導光板からの出射光の照度分布の計算結果を示す図面である。
【図１４】図１３に示した計算結果における出射角分布を示す図面である。
【図１５】本発明に係る導光板の他の実施形態の構成を概略的に示す側面図である。
【図１６】本発明に係る導光板の更に他の実施形態の構成を概略的に示す側面図である。
【図１７】図１６に示した回折格子部の構成を説明するための導光板の模式図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１…液晶表示装置、２０…光源部、２１…光源、３０，３０Ａ，３０Ｂ…導光板、３１…導光板本体、３１ａ…入射面（第１面）、３１ｂ…出射面（第２面）、３１ｃ…裏面（第４面）、３１ｄ…側面（第３面）、３２，３２Ａ，３２Ｂ…回折格子部、３３…格子、３４…反射鏡、３５…偏光変換素子、４０…面光源装置、１００…光、１０１…出射光、３８１〜３８Ｍ…複数の回折領域、Λ…周期。
【図１】
2009123553.tif 000021
【図２】
2009123553.tif 000022
【図３】
2009123553.tif 000023
【図１４】
2009123553.tif 000024
【図１５】
2009123553.tif 000025
【図１６】
2009123553.tif 000026
【図１７】
2009123553.tif 000027
【図４】
2009123553.tif 000028
【図５】
2009123553.tif 000029
【図６】
2009123553.tif 000030
【図７】
2009123553.tif 000031
【図８】
2009123553.tif 000032
【図９】
2009123553.tif 000033
【図１０】
2009123553.tif 000034
【図１１】
2009123553.tif 000035
【図１２】
2009123553.tif 000036
【図１３】
2009123553.tif 000037