JP2007305589A - 照明装置及びこれを採用したディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光されたカラー光を提供する照明装置及びこれを採用したディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】光源１００と、光源１００から照射された光を直線偏光に変えてコリメートする偏光導光板ユニット２００と、偏光導光板ユニット２００の前方に配置されたものであって、光の偏光状態及び波長帯域に応じて選択的に光を反射する選択反射特性を有するコレステリック液晶カラーフィルタ３０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、照明装置及びこれを採用したディスプレイ装置に係り、特に、偏光性能が改善され、垂直出射光を提供する偏光導光板ユニットとコレステリック液晶カラーフィルタとを備えて、光効率及び色純度特性が改善された照明装置及びこれを採用したディスプレイ装置に関する。

平板表示装置として広く使われる液晶表示装置は、薄膜トランジスタを備えるアレイ基板とカラーフィルタ基板との間に液晶を注入して、前記液晶の異方性による光の屈折率の差を利用して映像効果を得る非発光素子であるのため、別途の光源、例えば、バックライトユニットのような照明装置を必要とする。

しかし、現在の液晶表示装置は、かかる光源から放出される総光量の約５％のみを画像の形成に利用している。このように低い光利用効率は、液晶表示装置内の偏光板及びカラーフィルタでの光吸収に起因する。液晶表示装置は、電界生成電極がそれぞれ形成されている二枚の基板を、二つの電極が形成されている面が対向するように配置し、二つの基板の間に液晶物質を注入して製作され、二つの電極に電圧を印加して生成される電場により液晶分子を動かすことによって、液晶分子の状態によって変わる光の透過率により画像を表現する装置である。すなわち、液晶表示装置は、通過する直線偏光の偏光方向を変化させることによって、光を通過または遮断するシャッタ機能を有するものであるので、一方向に直線偏光された光のみを使用し、このために、液晶表示装置の両面に偏光板が備えられる。このように液晶表示装置の両面に配置される偏光板は、一方向に偏光された光は透過させ、他の方向に偏光された光は吸収する吸収型偏光板であって、非偏光入射光の約５０％を吸収するため、液晶表示装置の低い光利用効率の原因となる。

また、液晶表示装置は、カラー画面を具現するために、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の三原色から構成されたカラーフィルタを必要とし、前記カラーフィルタは、主に染料または顔料を利用して形成される。かかる吸収型カラーフィルタは、入射するＲＧＢ光のうち透過バンドに該当するカラーのみを透過させ、残りの２／３を吸収するので、光利用効率が低い他の原因となる。

かかる問題を改善するために、吸収型偏光板を代替するか、または偏光板に入射するほとんどの光を液晶表示装置の背面に配置された背面偏光板の偏光方向と同じ偏光方向のみを有するように変換させて、光利用効率を向上させようとする研究が活発に進められつつある。例えば、導光板の上面にＤＢＥＦ（Ｄｕａｌ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｍ）のような多層構造の反射型偏光フィルムを付着して、液晶表示装置の光利用効率を向上させる。しかし、前記別途の反射型偏光フィルムは、高価であるだけでなく、具体的な偏光変換手段の部材として光利用効率の向上に限界がある。したがって、それ自体が偏光分離及び変換機能を有する偏光導光板についての集中的な研究が要求されている。

また、吸収型カラーフィルタを代替可能に、該波長帯の光のみを選択的に反射させる特性を有するコレステリック液晶をカラーフィルタとして利用したコレステリック液晶カラーフィルタが研究されている。

前記コレステリック液晶は、螺旋形構造を有し、このコレステリック液晶の選択反射波長帯は、螺旋形ピッチの調整により決定されるので、一つの画素でピッチの分布によって反射される波長帯を調節できる。

肉眼で見られる可視光線の波長領域は４００〜７００ｎｍであり、そのうち、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの中心波長帯は、６５０ｎｍ、５５０ｎｍ、４５０ｎｍ付近に該当する。

すなわち、前述したコレステリック液晶をＲ、Ｇ、Ｂカラー画素領域別に、それぞれの中心波長に対して左、右ピッチ偏差が生じるように条件を調節すれば、ピッチ偏差に該当する波長領域から左円偏光または右円偏光された光を選択的に反射させることによって、コレステリック液晶カラーフィルタを形成できる。

前記コレステリック液晶カラーフィルタは、光利用効率が高いだけでなく、該波長帯の光のみを選択的に反射させるので、既存のカラーフィルタに比べて色純度及びコントラスト比が向上する特性を有する。

しかし、かかるコレステリック液晶カラーフィルタを使用する時に最も大きい問題点は、光が垂直入射されずに傾斜入射される場合、反射波長バンドが移動して所望しない波長成分が透過するということである。すなわち、コレステリック液晶は、液晶の回転ピッチによって特定の波長のみを選択的に反射させるが、入射光の入射角によって光が通るコレステリック液晶カラーフィルタの厚さが異なるため、コレステリック液晶のピッチサイズが変わり、反射される光の波長が変わる。これは、ディスプレイに適用された時にクロストークとして作用し、これを減らすためには、コレステリック液晶カラーフィルタに入射する光は垂直に近くコリメートされることが必要である。

図１は、従来のコレステリック液晶カラーフィルタを利用した照明装置の構造を示す断面図である。図１に示すように、従来のコレステリック液晶カラーフィルタを利用した照明装置は、バックライト光源１２、バックライト光源１２の一側に設けられる直線偏光板１１上に配置されるものであって、ガラス基板１上に配向膜２、１／４波長板３、及びコレステリック液晶層４が順次に積層された形態でなっている。かかる構造は、バックライト光源１２で偏光分離機能がなくて直線偏光板１１が要求される構造であって、直線偏光板１１は、バックライト光源１２からの光のうち、直線偏光のみを透過させ、残りは吸収する吸収型であるので、光利用効率が低い。また、コレステリック液晶層４に入射される光の入射角分布を小さい範囲でコリメートする手段が備えられていないという短所がある。

本発明の目的は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、コレステリック液晶カラーフィルタと、偏光効率が改善されて垂直出射光が増加する構造の偏光導光板ユニットとを共に備えて、偏光効率が高く、色純度特性が向上した偏光されたカラー光を提供する照明装置及びこれを採用したディスプレイ装置を提供することである。

上記目的を達成するための本発明の照明装置は、光源と、前記光源から照射された光を直線偏光に変えてコリメートする偏光導光板ユニットと、前記偏光導光板ユニットの前方に配置されたものであって、光の偏光状態及び波長帯域に応じて選択的に光を反射する選択反射特性を有するコレステリック液晶カラーフィルタと、を備えて偏光されたカラー光を提供することを特徴とする。

また、本発明のディスプレイ装置は、上記照明装置と、前記照明装置から出射された光を利用して映像を形成するディスプレイパネルと、を備えることを特徴とする。

本発明による照明装置は、偏光効率が改善され、垂直出射光が増加する構造の偏光導光板ユニットとコレステリック液晶カラーフィルタとを共に備えて、偏光効率が高く、色純度特性が向上した偏光されたカラー光を提供する。

本発明による照明装置は、次のような長所を有する。

第１に、偏光導光板ユニットが偏光を分離して出射する構造は、吸収型偏光板とは異なり、出射されない偏光を反射させ、かかる偏光が導光板内でリサイクルされて再び出射されうる構造であるので、光利用効率が高い。

第２に、吸収型カラーフィルタを使用せず、選択反射特性を有するコレステリック液晶カラーフィルタを使用し、反射された光は、導光板内でリサイクルされて再び出射されうる構造であるので、光利用効率が高い。

第３に、コレステリック液晶カラーフィルタに入射される光は、入射面にほぼ垂直の方向に入射されるので、色純度特性が向上した光が提供される。

第４に、ディスプレイ装置に採用されたとき、電力消耗が少なく、画質特性に優れる。

以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施形態による照明装置及びこれを採用したディスプレイ装置を詳細に説明する。しかし、下記に例示される実施形態は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明を当業者に十分に説明するために提供されるものである。以下の図面で、同じ参照符号は同じ構成要素を指し、図面上で、各構成要素のサイズは説明の明瞭性及び便宜上誇張されうる。

図２は、本発明の第１実施形態による照明装置を概略的に示す断面図である。図２に示すように、照明装置２０３０は、光源１００と、光源１００から照射された非偏光の光を直線偏光させて出射させる偏光導光板ユニット２００と、コレステリック液晶カラーフィルタ３０と、を備える。

光源１００としては、例えばＣＣＦＬ（Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ）のような線光源またはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）のような点光源が使われうる。

偏光導光板ユニット２００は、光源１００からの光を案内する導光板２６０と、導光板２６０の上部に設けられたコリメーティング部材２２０と、導光板２６０とコリメーティング部材２２０との間に配置されて、導光板２６０から出射された光をその偏光成分によって分離する偏光分離層２４０と、を備える。偏光分離層２４０は、所定方向の直線偏光を分離して透過させ、コリメーティング部材２２０は、出射面に垂直な方向に光をコリメーティングして出射する。これについては後述する。

コレステリック液晶カラーフィルタ３０は、偏光導光板ユニット２００の上部に配置されている。コレステリック液晶カラーフィルタ３０は、コレステリック液晶または液晶高分子からなるものであって、分子の構造特性を利用して光をその偏光状態及び波長によって選択的に反射又は透過させるカラーフィルタである。例えば、コレステリック液晶分子の構造は、一種の螺旋構造であって、その特徴を螺旋の回転方向と螺旋の繰り返し周期であるピッチとで表しうる。コレステリック液晶カラーフィルタ３０に入射された光のうち、螺旋の回転方向と同じ方向に円偏光され、かつその波長帯域が前記ピッチ範囲に該当する光が選択的に反射され、残りは透過される。コレステリック液晶カラーフィルタ３０の領域は、それぞれＲ、Ｇ、Ｂに対応する光が透過される画素領域３０Ａ〜３０Ｃに区分され、各領域は、ピッチ範囲がＲ、Ｇ、Ｂに対応する波長範囲の光が透過されるようにピッチ範囲が決定されたコレステリック液晶物質で満たされる。これにより、各領域によって特定の波長帯域の光が透過されるので、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラー光が出射される。

コレステリック液晶カラーフィルタ３０の下部及び上部には、第１及び第２偏光転換部材２０，４０が設けられうる。第１偏光転換部材２０は、偏光導光板ユニット２００の上部に配置されて、偏光導光板ユニット２００から出射された直線偏光を円偏光に変える。例えば、Ｓ偏光の光は左円偏光に、Ｐ偏光の光は右円偏光に転換される。第２偏光転換部材４０は、コレステリック液晶カラーフィルタ３０を透過した円偏光のカラー光を直線偏光に変える。例えば、左円偏光の光はＰ偏光に、右円偏光の光はＳ偏光に転換される。

以下、偏光導光板ユニット２００の構造と、偏光導光板ユニット２００が入射光を出射面に対して垂直にコリメーティングさせ、偏光された光を提供する原理とを詳細に説明する。導光板２６０は、入光面２６０ａと出光面２６０ｂとを備え、光源１００からの光は、入光面２６０ａを通じて入射され、出光面２６０ｂを通じて出射される。導光板２６０は、入射光を透過させる透明材質で構成され、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）またはポリカーボネート（ＰＣ）のような光学的等方性材料を使用できる。

コリメーティング部材２２０は、導光板２６０から出射された光を上部に反射させるための反射パターン２２６を備え、反射パターン２２６は、傾斜面２２６ｂを有する。コリメーティング部材２００は、例えば、基板２２３と、基板２２３上に形成された複数個の反射パターン２２６と、を備え、反射パターン２２６が導光板２６０に対向して配置される。基板２２３は、光が出射される出射面２２３ａを有し、反射パターン２２６は、出光面２６０ｂから出射された光が入射されるパターン下部面２２６ａと、前記入射された光を全反射させて出射面２２３ａ側に向かわせる傾斜面２２６ｂとを有する。反射パターン２２６は、例えば、多面体形状のパターンとなりうる。傾斜面２２６ｂは、出射面２２３ａに出射される光を出射面２２３ａに対して垂直に近い角度範囲でコリメーティングさせる。望ましくは、出射光を出射面２２３ａと垂直な方向にコリメーティングさせる役割を果たす。すなわち、傾斜面２２６ｂの勾配を調節して光がコリメーティングされる方向を調節できる。このとき、傾斜面２２６ｂの勾配は、傾斜面２２６ｂから全反射されて出射面２２３ａを通じて出射される光と、出射面２２３ａの法線とがなす角が約±１０°の範囲内に形成されることが望ましい。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、コリメーティング部材２２０は、反射パターン２２６が１次元アレイに配置されるか、または、２次元アレイに配置されうる。

偏光分離層２４０は、出光面２６０ｂとパターン下部面２２６ａとの間にそれぞれ配置され、屈折率の異なる材質からなる複数個の薄膜層で形成されて、パターン下部面２２６ａを通じて入射される光のうち、第１偏光は透過させ、第１偏光と直交する第２偏光は反射させる役割を果たす。ここで、第１偏光は、例えば、水平偏光（Ｐ偏光）であり、第２偏光は、垂直偏光（Ｓ偏光）でありうる。偏光分離層２４０が入射された光に対して偏光を分離する原理は後述する。

導光板２６０と偏光分離層２４０との間には、接着層２８０がさらに設けられうる。接着層２８０の屈折率は、導光板２６０よりも低い屈折率を有することが望ましい。この場合、出光面２６０ｂから出射される光のうち、臨界角よりも小さい入射角を有する光のみが接着層２８０に透過することができるので、傾斜面２２６ｂに入射する光の入射角分布が小さくなる。これにより、傾斜面２２６ｂで反射されて出射面２２３ａに出射される光の角度分布が小さくなる。

導光板２６０の入光面２６０ａと対向する面側の側部には、導光板２６０と接着層２８０との境界で全反射された光及び偏光分離層２４０で反射された偏光を再び導光板２６０の内部に反射させる反射板３１０がさらに備えられうる。反射板３１０により反射された光は、光路が一部変更されて導光板２６０の内部を伝播した後に接着層２８０を透過することができる。反射板３１０と導光板２６０との間に第３偏光転換部材３３０がさらに備えられることもある。この場合、偏光分離層２４０を透過できずに反射されたＳ偏光がＰ偏光に転換されて偏光分離層２４０を透過する。偏光転換を容易にするために、第４偏光転換部材３５０が出光面２６０ｂと対向する面に配置されることも可能である。第３及び第４偏光転換部材３３０，３５０は、例えば、異方性材質からなる１／４波長板でありうる。また、第３及び第４偏光転換部材３３０，３５０は、二つのうち一つのみを備えることが望ましい。

図４は、図２に示す偏光導光板ユニット２００における偏光分離層２４０の構造と、偏光分離層２４０で光が偏光方向に応じて分離される過程とを示す図面である。図４に示すように、偏光分離層２４０は、屈折率がｎ_ｉである導光板２６０及び屈折率がｎ_ａである接着層２８０が順次に積層された構造上に、屈折率がそれぞれｎ_１〜ｎ_５である第１〜第５層２４１〜２４５の薄膜が積層されて形成されている。光路を具体的に説明する。まず、導光板２６０を経由して接着層２８０に進む光の入射角θ_ｉの分布を説明すれば、（１）式の通りである。

９０°−θ_ｃ１＝９０°−ｓｉｎ^−１（１／ｎ_ｉ）＜θ_ｉ＜θ_ｃ２＝ｓｉｎ^−１（ｎ_ａ／ｎ_ｉ）…（１）
ここで、θ_ｃ１は、屈折率がｎ_ｉである導光板２６０から屈折率が１である空気層に光が進むときに全反射が起こる臨界角であって、光源１００から空気層を経由して屈折率がｎ_ｉである導光板２６０に光が進むときは、導光板２６０に入射された角θ_Ｌの最大値となり、したがって、出光面２６０ｂでは、９０°−θ_ｃ１が接着層２８０に向かう最小の入射角となる。また、θ_ｃ２は、導光板２６０から接着層２８０に進むときに全反射が起こる臨界角であって、接着層２８０に進む入射角の最大値となる。（１）式の入射角分布及びスネルの法則に基づいて、第１〜第５層の境界面２４１ａ〜２４５ａでの入射角θ_１〜θ_５が決まる。このような入射角θ_１〜θ_５が各層の境界面２４１ａ〜２４５ａでのブリュースター角θ_Ｂ１〜θ_Ｂ５に該当すれば、Ｓ偏光は反射され、Ｐ偏光は透過される。ブリュースター角は、屈折率がｎ_１である媒質から屈折率がｎ_２である媒質に光が進む場合、ｔａｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）と定義され、各層の境界面２４１ａ〜２４５ａで偏光分離が起こるためには、入射角θ_１〜θ_５の範囲は、ブリュースター角θ_Ｂ１〜θ_Ｂ５を含むように設計されねばならない。

例えば、ｎ_１がｎ_２よりも大きい場合であって、光が屈折率の高い媒質ｎ_１から低い媒質ｎ_２に進む第２層の境界面２４２ａで入射角θ_２の範囲がブリュースター角θ_Ｂ２を含むとする。第２層の境界面２４２ａを透過した角θ_３は、屈折率がｎ_３である第３層２４３への入射角となり、入射角θ_２よりも大きい値となる。一方、第３層の境界面２４３ａでも入射角θ_３がブリュースター角θ_Ｂ３を含むためには、前記境界面２４３ａでのブリュースター角θ_Ｂ３は、第１層の境界面２４２ａでのブリュースター角θ_Ｂ２よりも大きくなることが望ましい。したがって、ｎ_３は、ｎ_２よりも相対的に大きい値となることが望ましい。このような原理によって、複数層の薄膜層で構成された場合、屈折率が相対的に高い物質と相対的に低い物質とが交互に積層された形態で形成されることが望ましい。

偏光分離層２４０をなす薄膜は、可視光領域で透明な薄膜であれば使用可能であり、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３，ＣｅＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５，ＴｉＯ_２，ＺｎＳ，ＺｒＯ_２，ＣａＦ_２，ＭｇＦ_２のような物質が使われうる。

導光板２６０と接着層２８０との屈折率がそれぞれ１．５９、１．４５であり、偏光分離層２４０が屈折率２．３５及び１．６３である二つの材質が交互に積層された場合、前記θ_ｉの範囲は、（１）式により５１．０３°＜θ_ｉ＜６５．７８°となる。

表１は、前記θ_ｉの範囲によって各境界面２４１ａ〜２４５ａで入射角θ_１〜θ_５の範囲とブリュースター角θ_Ｂ１〜θ_Ｂ５とを計算したものである。

表１に示すように、第２〜第５境界面２４２ａ〜２４５ａでの入射角θ_２〜θ_５の範囲は、ブリュースター角θ_Ｂ２〜θ_Ｂ５を含んでいる。第１境界面２４１ａでの入射角θ_１は、ブリュースター角θ_Ｂ１を含まないが、例えば、接着層２８０の屈折率を１．４５より若干高くして入射角θ_１範囲にブリュースター角θ_Ｂ１を含めうるということが分かる。各境界面２４１ａ〜２４５ａでの入射角θ_１〜θ_５がブリュースター角θ_Ｂ１〜θ_Ｂ５に該当する場合、垂直偏光（Ｓ偏光）の透過率は最小値０となるので、入射光のうち、一定部分のＳ偏光は透過されずに反射され、水平偏光（Ｐ偏光）のみが透過される。また、入射角θ_１〜θ_５がブリュースター角θ_Ｂ１〜θ_Ｂ５から外れるにつれてＳ偏光の透過率が次第に増加するので、全体的にＳ偏光の光は少量のみが次の層に進む。このような過程は、境界面２４１ａ〜２４５ａで繰り返され、Ｓ偏光は各層の境界面から反射され続けて、Ｐ偏光成分の光が分離されて偏光分離層２４０を通過する。各層の境界面２４１ａ〜２４５ａから反射された光は、主にＳ偏光となるが、一部のＰ偏光も含む。入射角θ_１〜θ_５がブリュースター角に該当する場合、Ｐ偏光が全部透過するが、入射角がブリュースター角θ_Ｂ１〜θ_Ｂ５から外れるにつれてＰ偏光の透過量も少しずつ減少するためである。このように反射されたＰ偏光は、導光板２６０を進み、偏光分離層２４０を透過できる入射角に変わって偏光分離層２４０を通過する。Ｓ偏光の光は、導光板２６０の内部を進む間に偏光が変わりうる。導光板２６０は、光学的等方性材質で形成されるが、一般的に等方性材質としても偏光方向によって屈折率が完全に同じではないためである。または、第３及び第４偏光転換部材３３０，３５０によりＰ偏光に偏光が変わって、再び偏光分離層２４０を通過できる。

図５は、図２に示す偏光導光板ユニットから出射される光のＳ偏光及びＰ偏光の入射角に対する透過率を示すグラフである。グラフは、波長が５５０ｎｍである光についてのものである。グラフを参照すれば、入射角６４°でＰ偏光の透過率は最大値１００％を表し、それを外れるにつれて少しずつ減少するということが分かる。また、Ｓ偏光の透過率は、入射角の全範囲で約５％未満の少量に表れて、全体的に見るとき、偏光分離効率が非常に優秀であるということが分かる。

図６は、図２に示す偏光導光板ユニットから出射される光のＳ偏光及びＰ偏光の波長に対する透過率を示すグラフである。実線で表したものは、入射角が６４°である場合であり、点線で表したものは、入射角が５４°、７４°である場合である。グラフを参照すれば、Ｐ偏光の透過率は、全範囲で約９０％以上であり、Ｓ偏光の透過率は、波長範囲が４５０〜７００ｎｍである可視光領域のほとんどで約２０％以下と表れている。

偏光分離層２４０を構成する層が多いほど、偏光分離が複数個の境界面で繰り返し起きるので、一般的に偏光分離効率は向上すると見られる。また、入射角の分布を考慮してブリュースター角が最適に設計されるように各層の屈折率を選択することによっても、偏光分離効率を向上させることができる。

図７は、本発明の第２実施形態による照明装置５０３０を概略的に示す断面図である。図７に示すように、本発明の第２実施形態による照明装置５０３０は、光源１００と、光源１００から照射された非偏光の光を直線偏光させて出射させる偏光導光板ユニット５００と、コレステリック液晶カラーフィルタ３０と、を備える。コレステリック液晶カラーフィルタ３０の下部及び上部には、第１及び第２偏光転換部材２０，４０が設けられうる。

第１及び第２偏光転換部材２０，４０ならびにコレステリック液晶カラーフィルタ３０の構造及び動作は、図２の実施形態で説明したものと同じであるので、ここでは詳細な説明は省略する。

偏光導光板ユニット５００は、光源１００からの光を案内する導光板２６０と、導光板２６０の上面に形成されて導光板２６０から出射された光の偏光を分離してコリメーティングさせる微細構造層５７０と、を備える。導光板２６０は、光が入射される入光面２６０ａと、光が出射される出光面２６０ｂと、を備える。微細構造層５７０は、凹状に陥没されて形成された凹部５１３と凸状に形成された凸部５１５とからなる出射ユニット５１７が反復的に配列された第１層５１０と、第１層５１０上に形成され、入射光の偏光によって異なる屈折率を有する異方性物質で形成された第２層５４０とからなる。異方性物質としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などが使われうる。凹部５１３と凸部５１５とは連続的に形成されており、隣接する出射ユニット５１７と出射ユニット５１７との間には、平面部５１９が形成されている。凹部５１３は、曲面と平面とからなるか、または少なくとも二つの平面からなりうる。導光板２６０の側部には、反射板３１０がさらに備えられることもあり、また、導光板２６０と反射板３１０との間には、第３偏光転換部材３３０がさらに備えられることもある。

上述した構造の偏光導光板ユニット５００の作用を説明すれば、次の通りである。光源１００から照射された光は、入光面２６０ａを通じて導光板２６０に入射されて全方向に放射される。このとき、下方に向かう光は、導光板２６０の下面で反射されて出光面２６０ｂに向かい、出光面２６０ｂに向かう光は、第１層５１０を屈折、透過して第２層５４０に入射する。このとき、導光板２６０及び第１層５１０は、光学的等方性物質からなって光の偏光方向に影響を受けない一方、第２層５４０は、光学的異方性物質からなるので、第２層５４０に入射された光は、偏光方向によって屈折特性が変わってその経路が変わる。導光板２６０及び第１層５１０は、屈折率が同じであるか、または類似した物質からなる。例えば、導光板２６０は、屈折率が１．４９であるＰＭＭＡで形成され、第１層５１０は、屈折率が１．５である樹脂で形成されうる。一方、導光板２６０と第１層５１０とは、同じ物質で一体的に形成されることもある。第２層５４０は、第１偏光に対しては第１層５１０の屈折率と同じであるか、または類似しているが、第２偏光に対しては第１層３６７よりも高い屈折率を有する物質で形成される。ここで、第１偏光は、例えば、水平偏光（Ｐ偏光）であり、第２偏光は、垂直偏光（Ｓ偏光）でありうる。この場合、第１偏光の光Ｉ_ｐは、第１層５１０をそのまま透過して第２層５４０の上面に臨界角よりも大きい角で入射されて下方に向かって全反射される。また、第２偏光の光Ｉ_ｓは、第１層５１０の凸部５１５に臨界角より大きい角で入射されるので、第２層５４０に向かって全反射されて出射面５４０ａに垂直に近い角度で出射される。出射されない第１偏光の光Ｉ_ｐは、導光板２６０の内部を伝播する間に、または、第３偏光転換部材３３０により偏光が変換されて上部に出射することができる。

図８は、本発明の第３実施形態による照明装置６０３０を概略的に示す断面図である。図８に示すように、本発明の第３実施形態による照明装置６０３０は、光源１００と、光源１００から照射された非偏光を直線偏光させて出射させる偏光導光板ユニット６００と、コレステリック液晶カラーフィルタ３０と、を備える。コレステリック液晶カラーフィルタ３０の下部及び上部には、第１及び第２偏光転換部材２０，４０が設けられうる。第３実施形態の照明装置６０３０は、微細構造層を除いては図７の構成と同じであるので、これについてのみ説明する。

微細構造層６７０は、導光板２６０上に形成されたものであって、第１凹部６１３と、凸部６１５と、凸部６１５に連続的に形成された第２凹部６１６とからなる出射ユニット６１７が反復的に配列された第１層６１０と、第１層６１０上に形成され、入射光の偏光によって異なる屈折率を有する異方性物質で形成された第２層６４０とからなる。導光板２６０及び第１層６１０は、光学的等方性物質からなり、屈折率が同じであるか、または類似した物質からなる。第２層６４０は、光学的異方性物質からなり、例えば、第１偏光の光Ｉ_ｐに対しては第１層６１０の屈折率と同じであるか、または類似した屈折率を有するが、第２偏光の光Ｉ_ｓに対しては第１層６１０よりも高い屈折率を有する物質で形成される。光が導光板２６０、第１層６１０、及び第２層６４０を経由し、第２偏光の光Ｉ_ｓが分離されて垂直出射される原理は、第２実施形態で説明したところと実質的に同一である。第２凹部６１６は、上部に出射される光量のうち、大きい出射角を有して出射される光を減らして垂直出射光量をさらに増加させるためのものである。ここで、出射角は、第２層６４０の上面の法線と出射光とがなす角を意味する。第２凹部６１６が相対的に大きい出射角を有して出射される光を垂直出射光に近くする役割を果たす。すなわち、第２凹部６１６の第１面６１６ａを通過した光のうち、第２偏光の光Ｉ_ｓが第２凹部６１６の第２面６１６ｂで全反射されて上方に出射される。第２凹部６１６の第２面６１６ｂから反射されるとき、光は、出射面６４０ａに対して垂直に近い出射角を有して出射される。第１及び第２凹部６１３，６１６は、少なくとも二つの平面からなるか、または曲面と平面とからなりうる。また、隣接する出射ユニット６１７と出射ユニット６１７との間には、平面部６１９が形成されている。垂直出射光量が増加するように、第１凹部６１３、凸部６１５、及び第２凹部６１６それぞれの中心角のサイズを適切に調節できる。

図９は、本発明の第４実施形態による照明装置７０３０の構造を概略的に示す断面図であり、図１０は、図９に示す照明装置７０３０における第１及び第２出光層７２０，７４０の配置を示す斜視図である。図９及び図１０に示すように、照明装置７０３０は、光源１００と、光源１００から照射された光をコリメーティングするコリメータ１１０を経て入射された非偏光の光を直線偏光させて出射させる偏光導光板ユニット７００と、コレステリック液晶カラーフィルタ３０と、を備える。コレステリック液晶カラーフィルタ３０の下部及び上部には、第１及び第２偏光転換部材２０，４０が設けられうる。

第１及び第２偏光転換部材２０，４０とコレステリック液晶カラーフィルタ３０の構造及び動作は、図２の実施形態で説明したところと同一であるので、ここでは詳細な説明は省略する。

偏光導光板ユニット７００は、光源１００から照射される光の入射角分布を低減するコリメータ１１０と、コリメータ１１０を通じて入射された光を案内する導光板２６０と、導光板２６０の下部に配置され、偏光方向によって異なる屈折率を有する異方性物質からなる異方層７１０と、異方層７１０の下部に配置されて異方層７１０を透過した光を上部に出射させる第１出光層７２０と、を備える。

コリメータ１１０は、光源１００と隣接した導光板２６０の側部に配置されている。コリメータ１１０は、光源１００側が狭く、導光板２６０側が広い台形の形態になるように対向して配置された複数個の反射鏡１１２と、対向する反射鏡１１２の間に配置されたものであって、下面（底面）が光源１００に向かい、前記下面と対向する角部（コーナ）が導光板２６０に向かう三角プリズム１１４を備える。

導光板２６０は、光が入射される入光面２６０ａと、入射された光が出射される出光面２６０ｂと、を備え、光学的等方性物質からなる。

異方層７１０は、第１偏光の光Ｉ_ｐに対しては導光板２６０よりも低い屈折率を有し、第２偏光の光Ｉ_ｓに対しては導光板２６０と同じであるか、または類似した屈折率を有する光学的異方性物質からなる。

第１出光層７２０は、等方性物質からなり、異方層７１０を通過した光を全反射により出光面２６０ｂに垂直の方向にコリメーティングさせるための第１出光パターン７２０ａを備える。第１出光パターン７２０ａは、例えば、プリズムパターンで構成され、第１方向に沿って一次元アレイに配列されている。

導光板２６０の側部には、反射板３１０がさらに備えられ、また、導光板２６０と反射板３１０との間には、例えば、１／４波長板のような第３偏光転換部材３３０がさらに備えられうる。導光板２６０の上部には、第２出光層７４０がさらに備えられ、第２出光層７４０は、出光面２６０ｂを通じて出射される光をさらにコリメーティングする第２出光パターン７４０ａを有する。図９に示すように、第２出光層７４０は、第２出光パターン７４０ａが配列された方向が前記第１方向と垂直である第２方向に配置される。

上述した構造の偏光導光板ユニット７００の作用を説明すれば、次の通りである。コリメータ１１０は、光源１００から照射された光が導光板２６０の上面または下面に達するとき、その入射角分布が臨界角以上の範囲にコリメーティングするものである。ここで、入射角は、導光板２６０の上面または下面の法線と光とがなす角を意味する。導光板２６０の下部に設けられた異方層７１０は、特定の偏光に対してのみ全反射を起こして偏光分離を行うものであるので（これについては後述する）、これを効率的にするために、導光板に入射される光の分布を１次的にコリメーティングさせる必要があるためである。コリメータ１１０の具体的な形状は、図示した例に限定されず、例えば、コリメータ１００の長さや三角プリズム１１４の屈折率または頂角サイズなどは、コリメーティング効果を考慮して多様な形態に設けられうる。コリメータ１１０を通じて導光板２６０に入射された光は、全方向に向かい、上方に向かう光は、出光面２６０ｂで全反射されて下方に向かい、下方に向かう光は、異方層７１０に入射される。このとき、異方層７１０は、第１偏光の光Ｉ_ｐに対しては導光板２６０よりも低い屈折率を有し、第２偏光の光Ｉ_ｓに対しては導光板２６０の屈折率と同じであるか、または類似した物質で構成される。したがって、第１偏光の光Ｉ_ｐは、異方層７１０の境界面で全反射されて上方に向かい、第２偏光の光Ｉ_ｓは、異方層７１０を通過して第１出光層７２０に入射される。第１出光層７２０は、等方性物質で異方層７１０の第２偏光の光Ｉ_ｓに対する屈折率と同じであるか、または類似した屈折率を有する。したがって、第１出光層７２０に入射された光は、異方層７１０と第１出光層７２０との境界面を透過し、出光パターン７２０ａに達した後に上部に全反射され、このとき全反射される方向は、出光面２６０ｂとほぼ垂直の方向になる。異方層７１０を透過せずに全反射された第１偏光の光Ｉ_ｐは、導光板２６０の内部を伝播する間に、または第３偏光転換部材３３０により偏光が変換されて異方層７１０に入射され、出光面２６０ｂにほぼ垂直の方向に出射されうる。導光板２６０の上部に第２出光パターン７４０ａの配列方向が第１出光パターン７２０ａの配列方向と垂直である第２出光層７４０が設けられる場合、垂直出射光量はさらに増加する構造となる。

図１１は、本発明の実施形態によるディスプレイ装置を概略的に示す断面図である。図１１に示すように、ディスプレイ装置は、光源１００と、偏光されたカラー光を提供する照明装置２０３０と、照明装置２０３０から出射された光を利用して映像を形成するディスプレイパネル５０と、を備える。照明装置２０３０は、第１実施形態（図２の２０３０）の構造で示したが、第２〜第４実施形態による照明装置（図７の５０３０、図８の６０３０、図９の７０３０）が採用されることも可能である。前記照明装置が直線偏光され、出射面に垂直の方向にコリメーティングされるだけでなく、色純度特性が改善されたカラー光を提供する原理は上述した通りである。ディスプレイパネル５０は、例えば、液晶パネルでありうる。ディスプレイ装置は、ディスプレイパネル５０の上部に拡散板６０をさらに備えうる。ディスプレイパネル５０は、照明装置２０３０から出射された光を利用して映像を形成し、拡散板６０は、ディスプレイパネル５０を通じて形成された映像に対して視野角確保のために光を拡散するために使われる。

上述した実施形態は、例示的なものに過ぎないものであって、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能である。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲内で決まらねばならない。

本発明は、平板表示装置関連の技術分野に適用可能である。

従来のコレステリック液晶カラーフィルタを利用した照明装置の構造を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による照明装置を概略的に示す断面図である。 図２に示す照明装置におけるコリメーティング部材の実施形態を示す斜視図である。 図２に示す照明装置におけるコリメーティング部材の実施形態を示す斜視図である。 図２に示す偏光分離層の構造と偏光が分離される過程とを示す図面である。 図２に示す偏光導光板ユニットから出射される光のＳ偏光及びＰ偏光の入射角に対する透過率を示すグラフである。 図２に示す偏光導光板ユニットから出射される光のＳ偏光及びＰ偏光の波長に対する透過率を示すグラフである。 本発明の第２実施形態による照明装置を示す断面図である。 本発明の第３実施形態による照明装置を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による照明装置を示す断面図である。 図９に示す照明装置における第１及び第２出光層の配置を示す斜視図である。 本発明の実施形態によるディスプレイ装置を示す断面図である。

符号の説明

２０ 第１偏光転換部材、
３０ コレステリック液晶カラーフィルタ、
４０ 第２偏光転換部材、
１００ 光源、
２００ 偏光導光板ユニット、
２２０ コリメーティング部材、
２２３ 基板、
２２３ａ 出射面、
２２６ 反射パターン、
２２６ａ パターン下部面、
２２６ｂ 傾斜面、
２４０ 偏光分離層、
２６０ 導光板、
２６０ａ 入光面、
２６０ｂ 出光面、
２８０ 接着層、
３１０ 反射板、
３３０ 第３偏光転換部材、
３５０ 第４偏光転換部材、
２０３０ 照明装置。

Claims (31)

1. 光源と、
   前記光源から照射された光を直線偏光に変えてコリメートする偏光導光板ユニットと、
   前記偏光導光板ユニットの前方に配置されたものであって、光の偏光状態及び波長帯域に応じて選択的に光を反射する選択反射特性を有するコレステリック液晶カラーフィルタと、を備え、偏光されたカラー光を提供することを特徴とする照明装置。
2. 前記コレステリック液晶カラーフィルタと前記偏光導光板ユニットとの間に配置されたものであって、前記偏光導光板ユニットから出射された直線偏光を円偏光に変える第１偏光転換部材と、
   前記コレステリック液晶カラーフィルタの前方に配置されたものであって、前記コレステリック液晶カラーフィルタを透過した円偏光を直線偏光に変える第２偏光転換部材と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記偏光導光板ユニットは、
   前記光源からの光を案内する導光板と、
   前記導光板の前方に設けられたものであって、前記導光板から出射された光を前方に反射させるための傾斜面を有する複数の反射パターンを備えるコリメーティング部材と、
   前記複数の反射パターンと前記導光板との間にそれぞれ設けられたものであって、前記導光板から入射される光のうち、第１偏光を透過させ、前記第１偏光と垂直な第２偏光を反射させる偏光分離層と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記反射パターンは、多面体形状を有することを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記偏光分離層は、屈折率の異なる複数の薄膜層が積層されて形成されることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
6. 前記偏光分離層は、屈折率の異なる物質からなる２つの薄膜層が交互に積層された複数の薄膜層からなることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
7. 前記コリメーティング部材は、前記傾斜面の勾配を調節することにより、前記傾斜面から全反射されて前記コリメーティング部材の出射面を通じて出射される光と前記出射面の法線とがなす角が、±１０°の範囲になるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
8. 前記反射パターンは、一次元または二次元アレイ形態に配列されたことを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
9. 前記導光板の側部に配置された反射板をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
10. 前記導光板と前記反射板との間に第３偏光転換部材がさらに備えられていることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
11. 前記導光板の背面に第４偏光転換部材がさらに備えられていることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
12. 前記偏光分離層を構成するそれぞれの薄膜層は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＺｎＳ、ＺｒＯ_２、ＣａＦ_２、又はＭｇＦ_２からなることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
13. 前記導光板と前記偏光分離層との間に前記導光板よりも低い屈折率を有する物質からなる接着層がさらに備えられていることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
14. 前記偏光導光板ユニットは、
    前記光源からの光を案内する導光板と、
    前記導光板上に形成されたものであって、凹状に陥没されて形成された凹部と凸状に形成された凸部とからなる出射ユニットが繰り返し配列された第１層と、前記第１層上に形成され、入射光の偏光に応じて異なる屈折率を有する異方性物質で形成された第２層とを備える微細構造層と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
15. 隣接する前記出射ユニット間に平面部が備えられていることを特徴とする請求項１４に記載の照明装置。
16. 前記凹部は、曲面と平面とからなることを特徴とする請求項１４に記載の照明装置。
17. 前記偏光導光板ユニットは、
    前記光源からの光を案内する導光板と、
    前記導光板上に形成されたものであって、凹状に陥没されて形成された第１凹部と凸状に形成された凸部と前記凸部に連続的に形成された第２凹部とからなる出射ユニットが繰り返し配列された第１層と、前記第１層上に形成され、入射光の偏光に応じて異なる屈折率を有する異方性物質で形成された第２層とを備える微細構造層と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
18. 前記第１及び第２凹部は、曲面と平面とからなることを特徴とする請求項１７に記載の照明装置。
19. 隣接する前記出射ユニット間に平面部が備えられていることを特徴とする請求項１７に記載の照明装置。
20. 前記導光板と前記第１層とが一体的に形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の照明装置。
21. 前記偏光導光板ユニットは、
    前記光源からの光を案内する導光板と、
    前記光源と対向する前記導光板の側面に隣接して設けられ、光の入射角分布を小さくして前記導光板に入射させるコリメータと、
    前記導光板の背面に設けられたものであって、偏光方向に応じて異なる屈折率を有する異方性物質からなる異方層と、
    前記異方層上に設けられたものであって、前記異方層を透過した光を反射させて前記導光板の前方に向かわせる複数の第１出光パターンが形成された第１出光層と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
22. 前記コリメータは、
    前記光源から前記導光板に向かって広がるように台形形態に対向して配置された複数の反射鏡と、
    前記対向する反射鏡の間に配置されたものであって、底面が前記光源に対向しており、前記底面と対向する角部が前記導光板に対向している三角プリズムと、を備えることを特徴とする請求項２１に記載の照明装置。
23. 前記第１出光パターンは、プリズムパターンであることを特徴とする請求項２１に記載の照明装置。
24. 前記第１出光パターンは、第１方向に沿って一次元アレイに配列されたことを特徴とする請求項２１に記載の照明装置。
25. 前記導光板の前面に第２出光パターンが形成された第２出光層をさらに備えることを特徴とする請求項２４に記載の照明装置。
26. 前記第２出光パターンは、前記第１方向と垂直な第２方向に沿って一次元アレイに配列されたことを特徴とする請求項２５に記載の照明装置。
27. 前記導光板の側部に配置された反射板をさらに備えることを特徴とする請求項２１に記載の照明装置。
28. 前記導光板と前記反射板との間に第３偏光転換部材がさらに備えられていることを特徴とする請求項２７に記載の照明装置。
29. 請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の照明装置と、
    前記照明装置から出射された光を利用して映像を形成するディスプレイパネルと、を備えることを特徴とするディスプレイ装置。
30. 請求項１４〜１９のうちいずれか１項に記載の照明装置と、
    前記照明装置から出射された光を利用して映像を形成するディスプレイパネルと、を備えることを特徴とするディスプレイ装置。
31. 請求項２１〜２６のうちいずれか１項に記載の照明装置と、
    前記照明装置から出射された光を利用して映像を形成するディスプレイパネルと、を備えることを特徴とするディスプレイ装置。

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