JP2009015303A - 導光板ユニット、面光源装置及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 所定の偏光成分の光をより均一に出射可能な導光板ユニット、面光源装置及び液晶表示装置を提供する。
【解決手段】 導光板ユニット３０は、光Ｌ１を導光可能であり、光が出射される第１の面３１ｂを有する導光板３１と、導光板が有する第１の面に対して設けられる回折格子３４とを備え、回折格子は、複数の直線状の金属線３３が金属線の長手方向に略直交する方向に配置されて構成されており、複数の金属線の配列方向における金属線の長さｗが、回折格子の空間周期Λの略５５％以上略８５％以下となっている。このように、空間周期Λに対する金属線３３の長さｗの比を０．６５以上０．８５以下とすることで、回折格子３４に入射する光Ｌ１のうち所定の偏光成分の一部を第１の面３１ｂから出射させることが可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、導光板ユニット、面光源装置及び液晶表示装置に関するものである。

液晶ディスプレイ等の液晶表示装置としては、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。

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の一側面の側方に光源が配置され、光源に対向する導光板の上記一側面を介して導光板内に光源からの光が導入され、導光板内を伝搬させながら導光板の上面（液晶パネル側の面）から面光束を出射させる構成が一般的である。

上述のような面光源装置を含む液晶表示装置では、通常、面光源装置から出射された光を均質化すると共に、液晶表示部での表示に有効な角度範囲に光を集光又は広げるための拡散板やプリズムシートが面光源装置と液晶表示部との間に配置されている。

ところで、従来の液晶表示装置では、面光源装置からは非偏光状態の光が出力され、液晶セル等の液晶表示素子の下面に設けられた偏光板を通過することで、２つの偏光成分のうちの一方の光が選択的に液晶表示素子に入射する。このように非偏光状態の光が偏光板を通過し偏光成分が選択される場合、偏光板を通過しない不要な偏光成分は、通常、偏光板で吸収される。その結果、光の利用効率が低下するという問題点があった。

このような問題点を解決する方法として、例えば、特許文献１に記載されているように、導光板の出射面上に複数の直線上の金属細線が所定の間隔で平行配列されてなるワイヤグリッドを利用することが提案されている。ワイヤグリッドは、例えば、非特許文献１に記載されているように、一方の偏光成分を透過させ、他方の偏光成分を反射させる偏光子である。
米国特許出願公開２００７／００４７２１４号明細書 Xiang-Dong Mi, David Kessler, Lee W. Tutt and Lura Weller-Brophy, "LowFill-Factor Wire Grid Polarizers for LCD Backlighting," SID Digest,pp1004-1007, 2005

ワイヤグリッド型偏光子は、非偏光状態の光が入射すると、一方の偏光成分を透過させる一方、他方の偏光成分は反射する。よって、反射された方の偏光成分を導光板内に再度戻し、導光板内で又は拡散板を再度通過させるなどによって非偏光状態にすることで、ワイヤグリッド型偏光子により分離された方の偏光成分を再度利用することが可能となる。その結果として、面光源装置から出射される光の利用効率向上が図られる。

しかしながら、従来、ワイヤグリッド型偏光子は、２つの偏光成分（Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分）を完全に分離するために使用されることが一般的である。そのため、導光板にワイヤグリッド型偏光子を設けた場合、例えば導光板から均一に光を出射することが困難である。

そこで、本発明は、所定の偏光成分の光をより均一に出射可能な導光板ユニット、面光源装置及びそれらを用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明の導光板は、光を導光可能であり、光が出射される第１の面を有する導光板と、導光板が有する第１の面に対して設けられる回折格子と、を備え、回折格子は、複数の直線状の金属線が並列に配置されて構成されており、金属線の長手方向に垂直で第１の面に平行な方向の金属線の長さが、回折格子の空間周期の略５５％以上略８５％以下である、ことを特徴とする。

また、本発明の面光源装置は、光を導光可能であり、光が出射される第１の面を有する導光板と、導光板において導光される光を出力するための光源と、導光板が有する第１の面に対して設けられる回折格子とを備え、回折格子は、複数の直線状の金属線が並列に配置されて構成されており、金属線の長手方向に垂直で第１の面に平行な方向の金属線の長さが、回折格子の空間周期の略５５％以上略８５％以下である、ことを特徴とする。

更に、本発明に係る液晶表示装置は、面光源装置と、面光源装置から出射される光が入射される液晶表示部と、を備え、面光源装置は、光を導光可能であり、光が出射される第１の面を有する導光板と、導光板において導光される光を出力するための光源と、導光板が有する第１の面に対して設けられる回折格子とを備え、回折格子は、複数の直線状の金属線が並列に配置されて構成されており、金属線の長手方向に垂直で第１の面に平行な方向の金属線の長さが、回折格子の空間周期の略５５％以上略８５％以下である、ことを特徴とする。

本発明に係る導光板ユニット、面光源装置及び液晶表示装置の構成では、導光板の第１の面に対して回折格子が設けられており、この回折格子は、複数の直線状の金属線が並列に配置されて構成されており、即ち、その金属線の長手方向に略直交する方向に配置されて構成されている。このような構成の回折格子は、回折格子に入射された光のうち所定の偏光成分の光を選択的に透過し、透過しなかった光を反射する偏光分離手段として機能する。上記構成では、導光板内で光が導光されながら第１の面に到達した光又は第１の面から出射された光が回折格子に入射され、所定の偏光成分が回折格子を透過して出射され、他の部分は導光板内に戻される。

回折格子のフィルファクタ（回折格子の空間周期に対する、金属線の長手方向に垂直で第１の面に平行な方向の金属線の長さ（複数の金属線の配列方向における金属線の長さ）の比）が、一つの偏光成分（例えばＰ偏光）の透過率が最大になるように設定されていれば、光が一度回折格子に入射されると、その一つの偏光成分の殆どが出射される。この場合、導光板ユニットから均一に光を出射することが困難である。

これに対して、本発明の導光板ユニット、面光源装置及び液晶表示装置では、第１の面に対して設けられる回折格子のフィルファクタを０．５５以上０．８５以下とし、所定の偏光成分（例えばＰ偏光）に対する回折格子の透過率を抑制している。これにより、前述したように、一つの偏光成分の透過率が最大になるように設定されている場合に比べて、より多くの光が導光板内に戻される。そして、導光板内に再度戻される光における上記所定の偏光成分の割合も高くなる。そのため、導光板ユニットからより均一に所定の偏光成分の光を出射することができる。上記導光板ユニットや面光源装置を含む液晶表示装置では、不要偏光成分の再利用のための新たな偏光素子を設ける必要がないので、液晶表示装置の薄型化を図ることができる。また、液晶表示装置の液晶表示部を均一な光で照射することができることから、画像ムラを抑制することができる。

なお、上記のように回折格子を第１の面に対して設ける場合、例えば、回折格子を直接第１の面上に設けてもよいし、第１の面上に形成された透光性を有する誘電体層を介して回折格子を設けてもよいし、又は、第１の面から離間させて回折格子を設けてもよい。

本発明に係る導光板ユニットでは、上記金属線の長手方向に垂直で第１の面に平行な方向の金属線の長さが上記空間周期の略６５％以上略８５％以下であることが好ましい。また、本発明に係る面光源装置では、上記金属線の長手方向に垂直で第１の面に平行な方向の金属線の長さが上記空間周期の略６５％以上略８５％以下であることが好ましい。同様に、本発明に係る液晶表示装置では、上記金属線の長手方向に垂直で第１の面に平行な方向の金属線の長さが上記空間周期の略６５％以上略８５％以下であることが好ましい。

本発明に係る導光板ユニットでは、導光板が有する第２の面であって第１の面に対向している第２の面に対して設けられる反射手段を更に備え、反射手段は、第２の面に向けて伝搬してきた光を非偏光化して導光板側に反射することが好適である。同様に、本発明に係る面光源装置では、導光板が有する第２の面であって第１の面に対向している第２の面に対して設けられる反射手段を更に備え、反射手段は、第２の面側に配置されており第２の面側に向けて伝搬してきた光を非偏光化して導光板側に反射することが好適である。また、同様に、本発明に係る液晶表示装置では、導光板に対して設けられた反射手段を更に備え、導光板は、第１の面に対向する第２の面を有し、反射手段は、第２の面側に配置されており第２の面側に向けて伝搬してきた光を非偏光化して導光板側に反射することが好適である。

第２の面に向けて伝搬してくる光には、回折格子により導光板側に反射された光も含まれ、その光では回折格子を透過した偏光成分とは異なる偏光成分の割合が高くなる傾向にある。上記反射手段を含む構成では、第２の面に向けて伝搬してきた光であって反射手段に届いた光は反射手段により非偏光化されて導光板側に反射される。そのため、回折格子には非偏光状態の光が入射される。その結果、所定の偏光成分の光をより均一に出射可能である。

また、本発明に係る面光源装置では、光源の外側に配置されており光源から出射された光を導光板側に反射させる反射部材を更に備えることが好適である。同様に、本発明に係る液晶表示装置では、光源の外側に配置されており光源から出射された光を導光板側に反射させる反射部材を更に備えることが好適である。このように、反射部材を更に備えることで光源から出射された光を好適に導光板に入射することができる。その結果、光源から出射された光の利用効率が高くなる。

また、上記回折格子が第１の面上に直接設けられている場合、空間周期が上記光の波長の略５７％以下であることが好ましい。この場合、導光板の屈折率が略１．４９であることが有効である。また、上記回折格子が第１の面から離間して配置されており回折格子の周囲の媒質が空気である場合、上記空間周期は、上記光の波長の略４０％以下であることが好ましい。上記空間周期の上限は回折格子を高次の回折光の発生が抑制され０次の回折光を主に生じせしめる０次の回折格子として機能させるためのものであり、上記空間周期を採用することで、回折格子がより確実に０次の回折格子として機能することになる。

また、上記回折格子が第１の面上に直接設けられており導光板の屈折率が略１．４９の場合、青色系の光（例えば波長略４７５ｎｍの光）に対しては、空間周期は２７１ｎｍ以下とすることができ、赤色系の光（例えば波長略６４０ｎｍの光）に対しては、空間周期は３６４．８ｎｍ以下とすることができる。また、上記回折格子が第１の面から離間して配置されており回折格子の周期の媒質が空気である場合、青色系の光（例えば波長略４７５ｎｍの光）に対して空間周期は略１９０ｎｍ以下とすることができ、赤色系の光（例えば波長略６４０ｎｍの光）に対して空間周期は略２５６ｎｍ以下とすることができる。

また、波長５００ｎｍより長い波長を有する光が上記回折格子に入射した場合の回折格子の透過率が略７％以上略３０％以下であることが好ましい。これにより、例えば、緑色系の光（例えば波長略５７５ｎｍの光）や赤色系の光（例えば波長略６４０ｎｍの光）を上記透過率の範囲で取り出すことができる。

また、波長５００ｎｍ以下の波長を有する光が回折格子に入射した場合の回折格子の透過率が略７％以上略３５％以下であることが好ましい。これにより、例えば、青色光の光（例えば波長略４７５ｎｍの光）を上記透過率の範囲で取り出すことができる。

更に、上記回折格子の回折格子法線の方向における金属線の長さは空間周期の略５倍以下であることが好ましい。回折格子法線の方向における金属線の長さを上記範囲とすることで、光を効率的に利用することが可能である。

また、金属線の長手方向に略直交する金属線の断面形状は、正方形又は矩形であることが好ましい。金属線がこのような断面形状を有する場合には、上述したフィルファクタの制御が容易になるとともに、吸収による光の損失を低減できる。

また、上記回折格子を透過した光の偏光度が略７０％以上であることが好ましい。この場合、導光板ユニットから出射される光を、例えば、液晶表示装置が有する液晶表示素子のバックライトとして好適に使用することができる。

また、回折格子を透過した光において、回折格子の回折格子法線の方向に対して略０°以上略３０°以下の角度範囲内での輝度が略均一であることが好適である。この場合、導光板ユニットから出射される光を、例えば、液晶表示装置における液晶表示素子に対するバックライト等のような照明光として利用した場合、輝度ムラなどが低減されることになる。

また、上記導光板は、第１の面に対向する第２の面と、第１及び第２の面の側方に位置する第３の面と、を有し、第３の面は、第１及び第２の面の少なくとも一方に対して傾斜していることが好ましい。この場合、傾斜角度を調整することで、回折格子への光の入射角を小さくすることができる。回折格子へ光の入射角が大きいと回折格子を構成する金属線による光損失が大きくなる傾向にあるが、上記のように入射角を小さくすることで、金属線により光損失を低減できるため、結果として、光を効率的に利用することが可能である。本発明に係る面光源装置においては、光源部が第３の面に対向して配置されており、光源部から出射された光が第３の面から導光板内に入射する場合には、第３の面は第２の面に対して傾斜しており、傾斜角度が略０°より大きく略３０°以下である、とすることができる。また、本発明に係る面光源装置においては、光源部が第２の面に対向して配置されており、光源部から出射された光が第２の面から導光板内に入射する場合、第３の面は第２の面に対して傾斜していることが好ましい。

本発明の導光板ユニット及びそれを含む面光源装置によれば、所定の偏光成分の光をより均一に出射することが可能である。更に、本発明の液晶表示装置によれば、液晶表示装置が有する面光源装置から所定の偏光成分の光をより均一に出射することが可能であることから、画像ムラを抑制することが可能となっている。

以下、図面を参照して本発明の導光板ユニット、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。

図１は、本発明に係る面光源装置の一実施形態の構成を模式的に示す側面図である。面光源装置１０は、光源部２０と導光板ユニット３０とを有し、光源部２０が導光板ユニット３０の側方に配置されたエッジライト型の装置である。面光源装置１０は液晶表示装置、特にノートパソコン等のようなモバイル可能な装置に適用される液晶表示装置のバックライトとして好適に利用される。

光源部２０は、可視光を含む光Ｌ１を出射する光源２１と、光源２１の外側に配設された反射部材２２とを有する。図１では、説明の便宜上、反射部材２２は断面構成を示している。また、光を実線の矢印として模式的に示しており、この光の示し方は他の図においても同様である。光源２１としては、棒状の蛍光灯が例示されるが、波長４００〜７００ｎｍの可視光を含む光Ｌ１を出力するものであれば特に限定されず、例えば、発光ダイオードを利用することも可能である。ここでは、光源２１は蛍光灯として説明する。

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たものであり、導光板３０側に開口部を有する。この光源部２０の構成では、光源２１から出力された光Ｌ１は、反射部材２２で反射され開口部から導光板３０側に出力される。

導光板ユニット３０は、無色透明の樹脂からなり光を導光可能な平板状の透光性部材としての導光板３１を有する。無色透明の樹脂としては、アクリル、ポリスチレン、ポリカーボネート系等の樹脂が例示される。ここでは、導光板３１は、アクリル系の樹脂であるＰＭＭＡからなるものとして説明する。

導光板３１は、略直方体形状の板状体であり、光源部２０と対向しており光源部２０からの光Ｌ１が入射される側面（第３の面）３１ａと、側面３１ａの一方の縁部で入射面３１ａと交差している出射面（第１の面）３１ｂと、出射面３１ｂと対向しており側面３１ａの他方の縁部で入射面３１ａと交差している裏面（第２の面）３１ｃと、入射面３１ａと対向しており出射面３１ｂ及び裏面３１ｃに略直交している側面３１ｄとを有する。導光板３１は、直方体形状のもののほかに、例えば、くさび型のものとすることも可能である。以下では、説明の便宜上、裏面３１ｃに対して出射面３１ｂが位置する側を「上」方向として説明する。以下の説明では、光Ｌ１が入射される側面３１ａを入射面３１ａとも称す。

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。図１に示すように、出射面３１ｂと裏面３１ｃとは略平行であり、入射面３１ａは裏面３１ｃに対して傾斜している。入射面３１ａと裏面３１ｃとがなす傾斜角度αは約０°より大きく約３０°以下とすることができ、約２０°が例示される。裏面３１ｃのほぼ全面には、入射面３１ａから入射された光Ｌ１を出射面３１ｂ側に拡散させながら反射する拡散・反射膜（反射手段）３２ａが形成されている。拡散・反射膜３２ａとしては、拡散性塗料の塗膜などが例示される。ここでは、裏面３１ｃ上に設けられる反射手段として拡散・反射膜３２ａを例示したが、裏面３１ｃ側に伝搬してきた光Ｌ１を拡散させながら反射するものであれば特に限定されず、溝及び／又は突条などの微細構造が裏面３１ｃに形成されたものとしてもよい。また、図１に示すように、側面３１ｄ上にも、反射手段として拡散・反射膜３２ｂを形成しておくことができる。

出射面３１ｂ上には、複数の直線状の金属細線３３が金属細線（金属ストリップ）３３の長手方向に略直交する方向にほぼ等間隔で配列されてなる金属グレーティング（回折格子）３４が設けられている。金属グレーティング３４の回折格子法線の方向は、出射面３１ｂの法線方向と一致している。金属細線３３の長手方向に略直交する金属細線３３の断面形状は、矩形が例示されるが、例えば、正方形であってもよい。このように断面形状を矩形又は正方形とすることで、後述するフィルファクタの制御が容易になるとともに、吸収による光の損失を低減できる。金属細線３３の材質は特に限定されないが、例えばアルミニウム又は銀から形成されていることが好ましい。これは、可視光の波長域での吸収が少ないためである。なお、光学的にはアルミニウムがより好ましい。

金属グレーティング３４は、いわゆるワイヤグリッドと同様に、金属細線３３の長手方向に略直交する平面に対してＴＭモードを選択的に透過させると共に、ＴＥモードを主に反射させる反射型の偏光分離手段である。本実施形態においてＴＭモードはＰ偏光成分に対応し、ＴＥモードはＳ偏光成分に対応するため、以下、ＴＭモード及びＴＥモードをＰ偏光成分及びＳ偏光成分と称して説明する。

金属グレーティング３４のフィルファクタは、０．５５以上０．８５以下、好ましくは０．６５以上０．８５以下である。フィルファクタとは、金属グレーティング３４の空間周期Λに対する金属細線３３の幅（金属細線３３の配列方向における金属細線３３の長さ）ｗの比、すなわち、ｗ／Λで定義される。金属細線３３の空間周期Λ及び金属細線３３の幅ｗ並びに金属細線３３の厚さｔは、フィルファクタが０．５５以上０．８５以下、好ましくは０．６５以上０．８５以下になるように規定すると共に、金属グレーティング３４を介した光Ｌ１の所望の取出し量に応じて規定すればよい。

金属グレーティング３４の空間周期Λの上限は導光板３１の屈折率及び入射角に依存する。空間周期Λの上限は、金属グレーティング３４を、入射角によらずに、高次の回折光をほとんど生じさせない一方、０次の回折光を主に生じさせる０次の回折格子として機能させるためのものである。図１に示すように、金属グレーティング３４が出射面３１ｂ上に直接設けられ例えば導光板３１の屈折率が約１．４９０である場合、空間周期Λは、光Ｌ１の波長λの５７％であることが好ましい。このような範囲とすることによって、可視光のほぼ全波長範囲で所定の特性を好適に得ることができる。また、空間周期Λの下限は、金属グレーティング３４を作製するための微細加工技術に依存して決定されるが、例えば約６５ｎｍである。金属細線３３の幅ｗは、例えば、フィルファクタが０．５５以上０．８５以下、好ましくは０．６５以上０．８５以下となるように空間周期Λに応じて規定すればよい。

また、金属細線３３の厚さｔは、P偏光成分の金属細線３３による吸収を低減する観点から４００ｎｍ以下であることが好ましい。例えば光Ｌ１の波長が５２７ｎｍである場合、厚さｔが４００ｎｍより大きいと、Ｐ偏光成分の金属細線３３による吸収が１５％より大きくなる傾向にあり、光Ｌ１の利用効率が低減する。よって、厚さｔは４００ｎｍ以下であることが好ましい。厚さｔの下限は、光Ｌ１のうちＰ偏光成分の所定の取出し量を得ることができると共に、Ｓ偏光成分を反射可能に決定されていればよいが、例えば約３０ｎｍである。厚さｔが３０ｎｍより小さいと、金属グレーティング３４がほぼ存在しない場合と同様に光Ｌ１が透過するおそれがあり、Ｓ偏光成分の透過率が増加する場合があるからである。

金属グレーティング３４の製造方法としては、リソグラフィー技術などの微細加工技術を利用するものが例示される。例えば、金属細線３３の材質からなる所望の厚さｔの金属薄膜を出射面３１ｂ上に形成した後、その金属薄膜をリソグラフィー技術により所望の空間周期Λ及び幅ｗを有する回折格子に加工することで、金属グレーティング３４とすればよい。また、例えば、金属微粒子を分散したペーストでナノインプリンティングをすることで金属グレーティング３４を作製することも可能である。

導光板ユニット３０では、金属グレーティング３４のフィルファクタを０．５５以上０．８５以下の値としていることが重要である。

従来、ワイヤグリッドのフィルファクタは一つの偏光成分の透過率を最大にするように選択されている。これまでは、ワイヤグリッドを空気中に配置した場合に、そのフィルファクタの値として０．４〜０．６の範囲内の値が採用されている。従来のワイヤグリッドでは、Ｐ偏光成分の透過量の最大化と共に、Ｓ偏光成分の反射量の最大化を図るために、フィルファクタを小さくするように開発が進められており、例えば、非特許文献１では、フィルファクタとして０．１８〜０．２５の範囲内の値を実現している旨が記載されている。

これに対して、本発明者は、フィルファクタをより小さくして一方の偏光成分の透過量の最大化を図るという従来のワイヤグリッドの開発傾向とは異なり、フィルファクタを調整して一方の偏光成分の透過量を制御することに着目した。そして、本発明者は、フィルファクタを調整することによって、Ｐ偏光成分の透過量を制御することができることを見出し、更に、フィルファクタを上述した所定の範囲内である０．５５以上０．８５以下、好ましくは０．６５以上０．８５以下の値とすることで、導光板３１から光Ｌ１を所定量取出しながら、導光板３１内で光Ｌ１を効率的に伝搬可能であることを見出した。そして、導光板ユニット３０の構成では、金属グレーティング３４のフィルファクタが上記所定の範囲内の値となっているので、金属グレーティング３４に入射する光Ｌ１のＰ偏光成分の透過量が制御できており、入射した光のうちＰ偏光成分の一部を透過させながら他の部分を反射させることが可能となっている。

導光板ユニット３０及びそれを含む面光源装置１０の作用効果について説明する。

光源２１から光Ｌ１が出力されると、出力された光Ｌ１は反射部材２２の開口部から入射面３１ａに向けて出力される。このようにして光源部２０から出力された光Ｌ１は、入射面３１ａを介して導光板３１に入射され、裏面３１ｃ上に設けられた拡散・反射膜３２ａによって出射面３１ｂ側に反射される。拡散・反射膜３２ａによって拡散されるので、拡散・反射膜３２により出射面３１ｂ側に反射された光Ｌ１は、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とが約５０％ずつ含まれる非偏光状態となっている。

出射面３１ｂ上には金属グレーティング３４が形成されており、金属グレーティング３４が、Ｐ偏光成分を所定の取出し量に応じて透過し、その他の部分を反射させることから、金属グレーティング３４に入射する光Ｌ１のうち一部が透過され他の部分は裏面３１ｃ側に反射される。そして、裏面３１ｃには拡散・反射膜３２ａが形成されているため、光Ｌ１は出射面３１ｂと裏面３１ｃとの間で反射を繰り返しながら導光板３１内を伝搬する。

金属グレーティング３４が前述した透過及び反射特性を有することから、反射され裏面３１ｃ側に向かう光Ｌ１ではＳ偏光成分が支配的になる傾向にある。しかしながら、光Ｌ１は、裏面３１ｃ側では拡散・反射膜３２ａによって拡散されながら反射されるため、出射面３１ｂ側に反射された光Ｌ１は、非偏光状態の光となる。その結果、出射面３１ｂには非偏光状態の光Ｌ１が入射する。従って、出射面３１ｂのほぼ全面からＰ偏光成分の光が出射される。以下では、光Ｌ１のうち出射面３１ｂから出射された光を光Ｌ２とも称す。

仮に導光板３１上に形成する金属グレーティングのフィルファクタを従来のワイヤグリッド型の偏光子の開発傾向に沿って小さくした場合、その金属グレーティングは光Ｌ１のうちＰ偏光成分をより多く透過することが考えられる。そのため、出射面３１ｂのうち入射面３１ａ近傍で主に光が出射されることになる。その結果、導光板３１内で光Ｌ１の伝搬が困難となり、結果として、出射面３１ｂのほぼ全面から光を出射できない傾向にある。

これに対して、図１に示した導光板ユニット３０では、金属グレーティング３４のフィルファクタを０．５５以上０．８５以下、好ましくは０．６５以上０．８５以下の値としていることにより、光Ｌ１の取出し量を制御している。その結果、出射面３１ｂから光Ｌ１の一部を取り出しながら光Ｌ１を導光板３１内で伝搬させることができる。更に、後述するシミュレーション結果に示されているように、金属グレーティング３４はＳ偏光成分を選択的に反射させると共に、Ｐ偏光成分のうち透過されない部分もより多く反射可能である。そして、反射された光Ｌ１は、拡散・反射膜３２ａで再度非偏光状態の光Ｌ１に変換された後に、出射面３１ｂ上に設けられた金属グレーティング３４に入射される。そのため、導光板ユニット３０の構成では、金属グレーティング３４により分離され導光板３１内に戻された光Ｌ１も効率的に再利用できている。また、図１に示したように、側面３１ｄ上に拡散・反射膜３２ｂを設けている場合には、側面３１ｄまで伝搬してきた光を非偏光状態にして入射面３１ａ側に戻せるため光Ｌ１を更に有効に利用することが可能である。

出射面３１ｂのほぼ全面から均一にＰ偏光成分が支配的な光Ｌ２を出射する観点から、金属グレーティング３４は、金属グレーティング３４に光Ｌ１が一回入射した場合のＰ偏光成分の透過率Ｔ_Ｐが、金属グレーティング３４への光Ｌ１の入射角θ（図１参照）が約０°〜約３０°において、約７％〜約３５％であるように構成されていることが好ましい。透過率Ｔ_Ｐは、金属グレーティング３４に入射する光Ｌ１の強度をＩ１とし、金属グレーティング３４から出射される光Ｌ２のＰ偏光成分の強度をＩ２_Ｐとしたとき、Ｔ_Ｐ＝１００×Ｉ２_Ｐ／Ｉ１である。この場合、出射面３１ｂの任意の場所の透過率Ｔ_Ｐが約７％〜約３５％となる。そして、透過率Ｔ_Ｐが約７％以上であることで、光Ｌ２を、例えば液晶表示装置における照明光（バックライト）として好適に利用することができる。また、透過率Ｔ_Ｐが約３５％以下であることで、導光板３１における入射面３１ａと対向する側面３１ｄ側においても光Ｌ２をより確実に出射することができる。なお、透過率Ｔ_Ｐは、上記入射角θの範囲内において、波長５００ｎｍより長い波長を有する光（例えば緑色系又は赤色系の光）に対しては約７％〜約３０％であり、波長５００ｎｍ以下の波長を有する光（例えば青色系の光）に対しては約７％〜約３５％であることが好ましい。

また、金属グレーティング３４は、金属グレーティング３４に光Ｌ１が一回入射した場合のＳ偏光成分の透過率Ｔ_Ｓが、入射角θが約０°〜約３０°において約０％〜約５％であるように構成されていることも好ましい。透過率Ｔ_Ｓは、金属グレーティング３４から出射される光Ｌ２のＳ偏光成分の強度をＩ２_Ｓとしたとき、Ｔ_Ｓ＝１００×Ｉ２_Ｓ／Ｉ１である。この場合、出射面３１ｂの任意の場所の透過率Ｔ_Ｓが約０％〜約５％となる。金属グレーティング３４に入射され光Ｌ２として出射されない光は、前述したように、導光板３１側に戻される。そして、導光板３１の裏面３１ｂには、拡散・反射膜３２ａが設けられており裏面３１ｃ側に伝搬してきた光を非偏光状態にして反射させる。よって、Ｓ偏光成分の透過率Ｔ_Ｓが上記範囲であれば、Ｓ偏光成分はより多く導光板３１内に戻され非偏光状態に変換された後、再度金属グレーティング３４に入射されることになる。従って、不要偏光としてのＳ偏光成分を有効に再利用することが可能である。

更に、金属グレーティング３４は、金属グレーティング３４への垂直入射において、金属グレーティング３４に光Ｌ１が一回入射した場合の反射率Ｒの最大値が約８０％以上９０％以下であるように構成されていることが好ましい。反射率Ｒは、金属グレーティング３４で導光板３１側に戻された光のうちＰ偏光成分の強度をＩ３_Ｐとし、Ｓ偏光成分の強度をＩ３_Ｓとしたとき、Ｒ＝１００×（Ｉ３_Ｐ＋Ｉ３_Ｓ）／Ｉ１である。反射率Ｒの最大値が上記範囲を満たすことにより、導光板３１内に一定の光を戻すことができることから、出射面３１ｂ側からほぼ均一に光Ｌ２を出射することができる。

更にまた、金属グレーティング３４は、光Ｌ２における偏光度ηが約７０％以上であるように構成されていることが好ましい。偏光度ηは、η＝１００×（Ｉ２_Ｐ−Ｉ２_Ｓ）／（Ｉ２_Ｐ＋Ｉ２_Ｓ）である。偏光度ηが上記範囲である場合、光Ｌ２はＰ偏光成分がより支配的となっており、例えば液晶表示装置において液晶表示素子の入射面に通常設けられる偏光板（例えば、図２の偏光板４０参照）でカットされるＳ偏光成分が少なくなるので、光Ｌ２を有効に利用することができる。

上述した金属グレーティング３４の好ましい構成は、フィルファクタが０．５５以上０．８５以下、好ましくは０．６５以上０．８５以下を満たす範囲内で空間周期Λ及び厚さｔを調整することで実現できる。そして、空間周期Λは、前述した光Ｌ１の波長λの５７％以下である範囲内で調整することが好ましく、更に、厚さｔは、４００ｎｍ以下で調整することが好ましい。金属グレーティング３４の空間周期Λ及び厚さｔの選択は、例えば、シミュレーションを実施して決定することができる。

更に、導光板３０及び面光源装置１０の構成では、光源部２０が反射部材２２を有すること、及び、入射面３１ａが出射面３１ｂ及び裏面３１ｃに対して傾斜していることで、金属グレーティング３４による光損失の低減も図れている。

例えば、裏面３１ｃ及び出射面３１ｂと、入射面３１ａとが直交している場合、入射面３１ａをとおして入射された光Ｌ１は、導光板３１と空気との屈折率で決まる臨界角より大きい入射角で出射面３１ｂに入射し易く、金属グレーティング３４による光損失が大きくなる。

これに対して、入射面３１ａを裏面３１ｃに対して傾斜させ、裏面３１ｃに向けて光Ｌを入射させる場合には、出射面３１ｂへの光Ｌ１の入射角θが臨界角より小さくなり易い。その結果、光損失が低減され、光Ｌ１の利用効率が向上する。このような光Ｌ１の利用効率の向上の観点から、裏面３１ｃに対する入射面３１ａの傾斜角度αを、前述したような約０°より大きく約３０°以下とすることができ、例えば約２０°である。

また、光源部２０が反射部材２２を有し、反射部材２２のうち入射面３１ａと対向する部分が開口していることから、光源２１から出射された光Ｌ１が効率的に裏面３１ｃに向けて出射されるので、入射角θを小さくすることが更に図られている。光源２１から出射された光Ｌ１を裏面３１ｃ側に向けて導光板３１に入射する観点から、図１に示す構成では、反射部材２２は、図１に示すように、少なくとも光源２１の上側を覆っていることが好ましい。

そして、上記のように光源部２０から出射される光Ｌ１が裏面３１ｃ側に向かうように導光板ユニット３０及び面光源装置１０が構成されていることで、前述した入射角θをより実現し易くなっている。

また、反射部材２２を利用していることで、光源２１から出射される光Ｌ１を効率的に導光板３０に入射できるので、光源２１からの光Ｌ１の利用効率も更に向上する。

以上説明したように、導光板ユニット３０及び面光源装置１０は、出射面３１ｂ上に金属グレーティング３４を設けていることによって、出射面３１ｂのほぼ全面からＰ偏光成分の光Ｌ２をより均一に出射可能であると共に、光源２１から出射される光Ｌ１を効率的に利用することができる。そのため、導光板ユニット３０及びそれを含む面光源装置１０は、それらをバックライトとして含む液晶表示装置の薄型化及び軽量化を図ることが可能である。この点について、図２を利用して具体的に説明する。

図２は、本発明に係る液晶表示装置の一実施形態の構成を模式的に示す側面図である。液晶表示装置１は、ノートパソコン等のモバイル型の装置に好適に利用されるものであり、図１に示した面光源装置１０が液晶表示部４０の背面（図２中の下側）に設けられて構成されている。液晶表示部４０は、液晶表示素子４１の上下両面に偏光板４２，４３が設けられて構成されている。液晶表示素子４１としてはＴＦＴ型、ＳＴＮ型等の公知の液晶セルが例示される。

図２に示すように、面光源装置１０と液晶表示部４０との間には、面光源装置１０から出射された光Ｌ２の向きを出射面３１ｂの法線方向に偏向させ、液晶表示部４０への入射する光の均一性を向上させるためのプリズムシート５０が配置されていることが好適である。プリズムシート５０は、導光板３０と同様の透明材料から構成された板状体であり、プリズムシート５０の上面及び下面の何れか一方に、面光源装置１０から出射された光Ｌ２を出射面３１ｂの法線方向に偏向させるように構成されたプリズムが複数配置された公知のものを使用すればよい。なお、図２ではプリズムシート５０を模式的に示している。ここでは、図２に示すようにプリズムシート５０が配置されているものとして説明する。

図２に示した液晶表示装置１の構成では、面光源装置１０において光源２１から光Ｌ１が出力されると、前述したように出射面３１ｂのほぼ全面からＰ偏光成分の光Ｌ２が略均一に出力される。この面光源装置１０から出射された光Ｌ２は、プリズムシート５０を介して出射面３１ｂの法線方向にその進行方向が揃えられた後、液晶表示部４０に入射される。

従来、液晶表示部の背面（図２中、下側）に配置される面光源装置からは、通常、非偏光状態の光が出力される。そして、液晶表示部が有する下側の偏光板により所定の偏光成分が選択され液晶表示素子に入射される。偏光板４３は、通常、偏光板４３を透過しない不要な偏光成分を吸収するため光の利用効率の低下が生じる。そのため、面光源装置からの光を再利用するための光学素子（例えば、従来のワイヤグリッド型の偏光子や四分の一波長板等）を更に設けることが知られているが、この場合には、液晶表示装置の薄型化や小型化が困難である。

これに対して、本実施形態の導光板ユニット３０及びそれを含む面光源装置１０では、前述したように、出射面３１ｂ上に金属グレーティング３４が設けていることによって、導光板３１内に入射した光Ｌ１のうちＰ偏光成分の一部が出射面３１ｂ側から取り出されると共に、取り出されない光Ｌ１は、導光板３１内に反射される。

導光板３１内に反射された光Ｌ１は、裏面３１ｃと出射面３１ａとの間で反射を繰り返しながら導光板３１内を伝搬するが、その際に、光Ｌ１が裏面３１ｃ側で非偏光状態に変換されるため、出射面３１ｂのほぼ全面に非偏光状態の光Ｌ１が入射されることになる。その結果、導光板ユニット３０では入射面３１ａを介して入射された光Ｌ１の再利用を図りながら、出射面３１ｂのほぼ全面からＰ偏光の光Ｌ２を出射することができる。

そのため、液晶表示装置１では、従来のように、偏光板４３とは別の不要偏光成分の再利用のための偏光子などを設ける必要がない。従って、液晶表示装置１では、光学部品を低減することが可能であるので、液晶表示装置１の薄型化・軽量化を図ることができる。更に、金属グレーティング３４が導光板３１の出射面３１ｂ上に設けられ光学素子の集積化が図れていることにより、液晶表示装置１の薄型化・軽量化が更に可能となっている。更に、導光板ユニット３０では、より均一に光Ｌ２を出射することが可能であるため、液晶表示部４０で画像ムラを抑制できている。

図３は、本発明に係る面光源装置の他の実施形態を模式的に示す側面図である。

面光源装置１０_１は、光源部２０と導光板ユニット３０_１を含んで構成される。光源部２０の構成は面光源装置１０の場合と同様である。導光板ユニット３０_１は、導光板３１の出射面３１ｂの前方に回折格子素子３５を備えている点で、図１に示した導光板ユニット３０と主に相違する。この相違点を中心にして説明する。

回折格子素子３５は、金属グレーティング３４を含んでいる。回折格子素子３５は、金属グレーティング３４を支持するための平板状の透光性部材３５ａを有することもできる。透光性部材３５ａは、導光板３１の出射面３１ｂから出射される光に対して実質的に透明である誘電体材料から構成されていれば特に限定されない。

回折格子素子３５が透光性部材３５ａを有する場合、金属グレーティング３４の構成は、図１に示した導光板ユニット３０の場合と同様である。そのため、ここでは、回折格子素子３５が透光性部材３５ａを有しない場合、金属グレーティング３４の構成についてより詳細に説明する。

この場合は、金属グレーティング３４が空気中に配置されていることになる。金属グレーティング３４のフィルファクタは、０．６５以上０．８５以下とすることができる。また、空間周期Λは、金属グレーティング３４を０次の回折格子として機能させる観点から、金属グレーティング３４に入射する光の波長の約４０％以下とすることが好ましい。空間周期Λとしては、例えば青色系の光（波長４７５ｎｍ近傍の光）に対しては約１９０ｎｍ以下とすることができ、赤色系の光（波長６４０ｎｍ近傍の光）に対して約２５６ｎｍ以下とすることができる。また、波長７００ｎｍ近傍の光に対しては、約２８０ｎｍ以下とすることができる。

導光板ユニット３０_１では、光源部２０から出力された光Ｌ１は入射面３１ａから導光板３１内に入射され、導光板３１内を導光する。そして、導光中の光Ｌ１のうち出射面３１ｂにおける全反射条件を満たさない光が出射面３１ｂから出射され、回折格子素子３５の金属グレーティング３４に入射することになる。なお、導光板ユニット３０_１において出射面３１ｂから出射される光を光Ｌ１_１と称す。

金属グレーティング３４は、入射した光Ｌ１_１のうちＰ偏光成分の一部を透過し他の部分を反射させるため、導光板ユニット３０_１からはＰ偏光成分が支配的な光Ｌ２を出力することができる。また、金属グレーティング３４により導光板３１側に回折された光、換言すれば、金属グレーティング３４により反射した光は、導光板３１内に出射面３１ｂ側から再度入射する。この再入射する光は、Ｓ偏光成分がＰ偏光成分に比べてより多く含まれるが、拡散・反射膜３２ａや拡散・反射膜３２ｂで反射される際に、非偏光状態に戻されるため、導光板３１に戻された光を有効に再利用可能である。

また、金属グレーティング３４では、一方の偏光成分の透過率が最大になるようにフィルファクタが設定されておらず、一方の偏光成分（ここでは、Ｐ偏光成分）の透過率が制御されているため、光Ｌ２を金属グレーティングから均一に出射することが可能である。

よって、導光板ユニット３０_１を備えた面光源装置１０_１からは、Ｐ偏光成分が支配的な光Ｌ２を均一に出力することができる。また、この面光源装置１０_１は、図２に示した液晶表示装置１において、面光源装置１０の代わりに使用することが可能である。

図４は、本発明に係る面光源装置の更に他の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。

面光源装置１０_２は、光源部２０が導光板ユニット１０_２の裏面３１ｃ側に設けられている点で、主に図１に示した面光源装置１０の構成と主に相違する。

導光板ユニット３０_２は、導光板３１と、導光板３１の出射面３１ｂ上に設けられた金属グレーティング３４とを含んで構成されている。導光板３１が有する側面３１ａ上には拡散・反射膜３２ｃが形成されており、裏面３１ｃは、側面３１ａ側から順に第１領域３１ｃ_１及び第２領域３１ｃ_２を有し、第２領域３１ｃ_２上には拡散・反射膜３２ａが形成されている。側面３１ｄにも拡散・反射膜３２ｃが形成することができることは、導光板ユニット３０の場合と同様である。裏面３１ｃにおいて拡散・反射膜３２ａが設けられていない第１領域３１ｃ_１は、光源部２０からの光Ｌ１が入射される入射領域となる。この第１領域３１ｃ_１は、図４に示すように側面３１ａが裏面３１ｃに対して傾斜している場合には、側面３１ａの直下であることが好ましい。ここでは、側面３１ａが裏面３１ｃに対して傾斜している場合について説明する。

光源部２０は、裏面３１ｃにおける第１領域３１ｃ_１の下方に配置されている。光源部２０は、光源２１を含んで構成されている。光源２１は、可視光を含む光Ｌ１を出力できれば特に限定されないが、導光板ユニット１０_２においては、光源２１はＬＥＤとすることができる。光源２１の周囲に反射部材２２が設けられていることが好ましいことは、面光源装置１０の場合と同様である。

上記構成の面光源装置１０_２では、光源部２０から出力された光Ｌ１は、裏面３１ｃの第１領域３１ｃ_１を通して導光板３１内に入射される。導光板３１内に入射された光Ｌ１は、側面３１ａ上に設けられた拡散・反射膜３２ｃで反射され、導光板３１内を導光されることになる。そして、導光板ユニット３０の場合と同様に、導光板３１内を伝搬しながら、金属グレーティング３４によりＰ偏光成分の一部が光Ｌ２として出射される。また、金属グレーティング３４による回折で導光板３１内に戻ってきた光は、拡散・反射膜３２ａ，３２ｂや拡散・反射膜３２ｃにより非偏光状態に変換され、再利用される。

金属グレーティング３４の構成は、図１に示した導光板ユニット３０及びそれを含む面光源装置１０の構成と同様であるため、導光板ユニット３１_２及び面光源装置１０_２は、導光板ユニット３０及びそれを含む面光源装置１０と同じ作用効果を有する。そして、導光板ユニット３１_２を含む面光源装置１０_２は、図２に示した液晶表示装置１において、面光源装置１０に代えて使用することができる。なお、図４では、金属グレーティング３４が出射面３１ｂ上に直接形成されている場合を示しているが、図３に示した導光板ユニット３０_２の場合と同様に、金属グレーティング３４を出射面３１ｂから離間して配置することも可能である。

前述したように、導光板ユニット３０_２では、側面３１ａが裏面３１ｃに対して傾斜しているとしたが、側面３１ａは裏面３１ｃに対して傾斜していなくてもよい。この場合、例えば、光源部２０から出力された光Ｌ１が側面３１ａに向けて伝搬するように、光源部２０の向き、又は、光源部２０が反射部材２２を有している場合は、反射部材２２の開口部の位置を調整すればよい。

次に、金属グレーティング３４のフィルファクタを所定の範囲内の値に制御することで、金属グレーティング３４に入射する光Ｌ１の透過量を制御できることについてシミュレーション結果を基に具体的に説明する。

先ず、金属グレーティング３４が空気中に配置されているとし、表１に示す５つの条件で実施したシミュレーションについて説明する。金属グレーティング３４が空気中に配置されている場合は、図３に示した構成において、回折格子部３５が透光性部材３５ａを有しない場合に対応する。条件１〜３は、フィルファクタの所定の範囲である０．６５以上０．８５以下の場合であり、条件４はフィルファクタが０．５の場合となっている。表１中の厚さｔは、金属グレーティング３４の回折格子法線の方向における金属細線３３の長さであり、金属グレーティング３４における溝深さに対応する。

シミュレーション手法は、時間領域差分（FDTD : Finite Difference Time Domain）法を採用している。金属グレーティング３４に入射する光Ｌ１の波長は５２７ｎｍとし、光Ｌ１をＰ偏光の光及びＳ偏光の光であるとした場合についてそれぞれシミュレーションを実施している。シミュレーションでは、光源２１からでた光Ｌ１が傾斜した入射面３１ａを通して導光板３１内に入射するとしている。そして、臨界角より小さい角度で出射面３１ｂに入射した光Ｌ１が光Ｌ１_１として出射され、金属グレーティング３４に入射するとした。シミュレーションでは、角度スペクトルを得るために、金属グレーティング３４に対する光Ｌ１の入射角θ（図１参照）を１０°刻みで変化させている。更に、シミュレーションでは、導光板３１の材質は屈折率１．４９０のＰＭＭＡとした。また、金属細線３３の材質としては銀を採用しており、銀の屈折率（複素屈折率）において、実数部を０．０５１とし、虚数部を３．３６６としている。

図５は条件１及び条件２の場合に対するシミュレーション結果を示す図である。図５（ａ）はＰ偏光の透過スペクトル及び反射スペクトルを示しており、図５（ｂ）はＳ偏光の透過スペクトル及び反射スペクトルを示している。また、図６は条件３及び条件４の場合に対するシミュレーション結果を示す図である。図６（ａ）はＰ偏光の透過スペクトル及び反射スペクトルを示しており、図６（ｂ）はＳ偏光の透過スペクトル及び反射スペクトルを示している。図５及び図６において横軸は入射角θを示しており、縦軸は反射率及び透過率を示している。

図５（ａ）に示されている条件１，２の場合のＰ偏光の透過スペクトルと図６（ａ）に示されている条件４の場合のＰ偏光の透過スペクトルとを比較すれば、条件４の場合に比べて条件１，２の場合では、Ｐ偏光の透過量が抑制されている。具体的には、条件１，２の場合には、入射角θが０°〜３０°においてＰ偏光の透過率を約７％〜約３０％の範囲に制御できており、特に、条件２の場合には約７％〜約２２％に制御できている。なお、条件３は、空間周期Λが波長５２７ｎｍの４０％を超えている場合である。この条件３の場合、図６（ａ）に示されているように、Ｐ偏光の透過量を条件１，２の場合と同様に条件４の場合より制御できてはいる。しかしながら、条件３の場合、図６（ａ）に示した全入射角θで透過率は約３０％を超える結果となっている。

更に、図５（ａ）及び図６（ａ）に示されている条件１〜３の場合のＰ偏光の反射スペクトルと図６（ａ）に示されている条件４の場合のＰ偏光の反射スペクトルとを比較すると、条件４の場合に比べて条件１〜３の場合の方がＰ偏光の反射率も向上しており、特に条件１，２の場合には、図５（ａ）に示すように入射角θが約０°の場合、すなわち、光Ｌ１が出射面３１ｂに対してほぼ垂直入射した場合には、Ｐ偏光が約７５％〜約９０％反射していることが分かる。

更に、図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示されている条件１〜４の場合のＳ偏光の透過スペクトルによれば、Ｓ偏光の透過率は入射角θが０°〜６０°で０％〜１０％程度、特に、入射角θが０°〜３０°で０％〜５％程度に抑えられている。また、条件１〜４の場合のＳ偏光の反射スペクトルによれば、入射角θが０°〜６０°において約９０％以上が反射していることが分かる。

以上、図３に示したように出射面３１ｂから離して金属グレーティング３４を配置し金属グレーティング３４周囲の媒質が空気の場合、図５及び図６を利用して説明したように、フィルファクタを従来より大きい０．６５以上０．８５以下とすることで金属グレーティング３４により光Ｌ１のうちＰ偏光成分の一部を選択的に取り出すことができ、その透過量を制御できる。また、Ｓ偏光成分の光の選択的な反射も可能であるため、Ｓ偏光成分に対するＰ偏光成分の比が大きい、すなわち、Ｐ偏光成分が支配的な透過光を得ることが可能となっている。更に、光Ｌ１のうち金属グレーティング３４を透過しない光は金属グレーティング３４で反射されるため、再利用できる。

次に、図１に示した構成、すなわち、金属グレーティング３４が出射面３１ｂ上に直接形成されている場合のシミュレーション結果を説明する。シミュレーションは、表２に示す条件５〜１０の場合について実施した。条件５〜９は、フィルファクタが０．５５以上０．８５以下、空間周期Λが光Ｌ１の波長λの５７％以下及び厚さｔが４００ｎｍ以下の場合となっている。一方、条件１０は、フィルファクタは上記範囲を満たしていない場合となっている。

シミュレーションは、図１に示した構成、すなわち、導光板３１の出射面３１ｂ上に金属グレーティング３４が直接設けられている構成を２次元モデルとし、光Ｌ１が金属グレーティング３４に一回入射する場合を仮定して実施した。シミュレーション手法は、条件１〜４の場合と同様に、ＦＤＴＤ法を採用し、金属グレーティング３４に入射する光Ｌ１をP偏光の光及びＳ偏光の光であるとした場合についてそれぞれシミュレーションを実施している。シミュレーションでは、角度スペクトルを得るために、金属グレーティング３４に対する光Ｌ１の入射角θ（図１参照）を１０°刻みで変化させている。更に、シミュレーションでは、導光板３１の材質は屈折率１．４９０のＰＭＭＡとし、出射面３１ｂに対して裏面３１ｃと反対側の媒質は屈折率１．００の空気としている。また、金属細線３３の材質は銀とし、金属細線３３の屈折率は、銀の屈折率（複素屈折率）を採用している。具体的には、波長５２７ｎｍに対しては、屈折率の実数部及び虚数部をそれぞれ０．０５１，３．３６６とし、波長４７５ｎｍに対しては、屈折率の実数部及び虚数部をそれぞれ０．０４９，２．９２７とし、波長６４０ｎｍに対しては、屈折率の実数部及び虚数部をそれぞれ０．０５４，４．３１７としている。

図７は、条件５及び条件６の場合のシミュレーション結果を示す図である。図７（ａ）は、条件５の場合のシミュレーション結果を示している。図７（ｂ）は、条件６の場合のシミュレーション結果を示している。より具体的には、図７（ａ）及び図７（ｂ）では、条件５，６の場合において、金属グレーティング３４に入射した光Ｌ１に対する導光板３１から取り出された光Ｌ２の割合である透過率の入射角θに対する変化としての透過スペクトルと、金属グレーティング３４に入射した光Ｌ１のうち、導光板３１に戻された光の割合である反射率の入射角θに対する変化としての反射スペクトルを示している。前述したように、条件５，６の場合では、光Ｌ１はそれぞれＰ偏光及びＳ偏光の光としていることから、反射率は、Ｐ偏光及びＳ偏光の光に対して戻された光の強度の和を、金属グレーティング３４に入射するＰ偏光及びＳ偏光の光の強度の和で除したものをパーセント形式で表したものに対応する。図７（ａ）及び図７（ｂ）の横軸は入射角θを示しており、縦軸は透過率及び反射率を示している。

また、図８は、条件７〜９の場合のシミュレーション結果を示す図である。図８において、横軸は入射角θ、縦軸は透過率及び反射率を示しており、条件７〜９の場合における透過スペクトル及び反射スペクトルを示していることは、図７の場合と同様である。

更に、図９は、条件１０の場合のシミュレーション結果を示す図である。図９において、横軸は入射角θ、縦軸は透過率及び反射率を示しており、図９が、条件１０の場合における透過スペクトル及び反射スペクトルを示していることは、図７の場合と同様である。

図７（ａ）に示したように、条件５の場合では、入射角θが０°〜３０°の範囲において、Ｐ偏光の透過率が約１０％〜約２０％の範囲内であり、Ｓ偏光の透過率はほぼ０％近傍で変化していることが分かる。また、反射率は、入射角θが０°〜３０°において約６０％〜約８０％の範囲内であり、垂直入射では約８０％程度であることが分かる。また、図７（ｂ）に示すように、条件６の場合では、Ｐ偏光の透過率が約１５％〜約２５％の範囲内であり、Ｓ偏光成分の透過率はほぼ約０％〜約５％範囲内で変化していることが分かる。また、反射率は、入射角θが０°〜３０°において約４０％〜約７０％の範囲内であり、垂直入射において、約７０％を実現できている。

また、図８に示したように、条件７〜９の場合では、Ｐ偏光の透過率は約７％〜約３５％を満たしており、Ｓ偏光の透過率は約０％を満たしている。更に、反射率は約４０％〜約７０％を実現でき、垂直入射において、約６０％以上を実現できている。そして、波長λが５００ｎｍより長い、５２７ｎｍ（緑色系）、６４０ｎｍ（赤色系）では、Ｐ偏光の透過率を約３０％以下とすることができており、波長λが５００ｎｍ以下の４７５ｎｍ（青色系）においては、Ｐ偏光の透過率を約３５％以下とすることができている。このように、フィルファクタが０．６である条件７〜９の場合においても、導光板３１の出射面３１ｂ上に設けられた金属グレーティング３４では、Ｐ偏光の透過率及びＳ偏光の透過率を所望の値に制御することが可能であり、結果として、Ｐ偏光成分が支配的な光Ｌ２を出射面３１ｂのほぼ全面から出射することが可能である。

一方、図９に示したように、条件１０の場合では、Ｓ偏光の透過率は入射角θが０°〜３０°において約０％程度であり、入射角θが３０°においてＰ偏光の透過率は約２０％であるが、入射角θが０°〜２０°の範囲においてＰ偏光の透過率は約４０％程度となっている。また、反射率は、入射角θが０°〜３０°において約５０％〜約７０％であり、垂直入射において約６０％程度である。このように、フィルファクタが０．５である条件１０の場合の構成では、条件５〜８の場合に比べて、Ｐ偏光の透過率が高くなる一方、反射率が低くなる。そのため、例えば、条件５〜９の場合に比べて出射面３１ｂのほぼ全面から均一に光Ｌ２を出射することが困難になる。

図７〜図９に示したシミュレーション結果に基づいて説明したように、フィルファクタが０．５の場合には、Ｐ偏光成分の透過率が大きくなる傾向にあるのに対して、フィルファクタが０．５５以上０．８５以下を満たす条件５〜９の構成を採用することで、Ｐ偏光成分の透過率を所望の範囲にすることが可能である。その結果、出射面３１ｂのほぼ全面から均一にＰ偏光成分が支配的な光Ｌ２を出射することが可能であり、不要偏光を有効に再利用することができる。

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、導光板ユニット３０は、裏面３１ｃ上に反射手段としての拡散・反射膜３２ａが設けられているとしたが、裏面３１ｃ上に拡散・反射膜３２ａを形成していなくてもよい。例えば、図１０に示す面光源装置１０_３のように、面光源装置１０_３が、裏面３１ｃの下側に、拡散・反射膜３２ａと同様に、光Ｌ１を拡散させることで非偏光化して反射する拡散・反射板（反射手段）６０を有する構成とすることも可能である。この場合、側面３１ａから入射した光Ｌ１や、出射面３１ｂ側で金属グレーティング３４により反射されて裏面３１ｃ側に向かう光Ｌ１は、裏面３１ｃから一度出射された後、裏面３１ｃの下側に配置された拡散・反射板６０により反射された後、裏面３１ｃを介して導光板３１内に入射されて金属グレーティング３４に入射されることになる。ここでは、図１に示した構成を例にして説明したが、図３及び図４に示した導光板ユニット３０_１，３０_２及びそれらを含む面光源装置１０_１，１０_２においても同様である。更に、拡散・反射膜３２ｂ，３２ｃについてもそれらが設けられる導光板３１の側面に離間して配置される反射手段を採用することもできる。

また、側面３１ａは、出射面３１ｂ及び裏面３１ｃに対して傾斜しているとしたが、例えば、側面３１ａは、裏面３１ｃ及び出射面３１ｂの少なくとも一方に対して傾斜していればよく、裏面３１ｃ及び出射面３１ｂのどちらかに対して略直交しているとすることも可能である。更に、出射面３１ｂと裏面３１ｃとは略平行としているがこれに限定されず、例えば、出射面３１ｂ及び裏面３１ｃのうち一方が他方に対して傾斜していてもよい。

また、例えば図１に示した構成では、導光板３１の一側面３１ａに対して光源２１を配置しているが、導光板３１の複数の側面に光源２１を設置することも可能である。例えば、図１に示したように、側面３１ｄに拡散・反射膜３２ｂを形成せずに、側面３１ｄに対向する位置に光源２１を別に設置してもよい。この場合には側面３１ｄも入射面として機能する。同様に、図４に示した構成において、裏面３１ｃにおいて導光板３１が有する他の側面の近傍側の下方に光源２１を配置することも可能である。更に、光源２１の外側には反射部材２２を配置しているが、反射部材２２は配置しないとすることもできる。ただし、反射部材２２を配置することが光の利用効率向上の観点から好ましいことは、前述したとおりである。更に、図１に示したように導光板３１の側方に光源部２０を配置する場合には、光源部２０からの光Ｌ１が入射される面以外の側面には、拡散・反射膜３２ａと同様の拡散・反射膜を形成することもできる。更に、図４に示したように、導光板３１の裏面３１ｃの一部から光Ｌ１を入射させる場合には、導光板３１が有する全ての側面に拡散・反射膜３２ａと同様の拡散・反射膜を形成することも可能である。

更に、図２に示した液晶表示装置１では、液晶表示素子４１の下面側に偏光板４３を設けているが、例えば、金属グレーティング３４の透過特性においてＳ偏光成分の透過率をほぼ０％に近づけていれば、偏光板４３を設けないとすることも可能である。

更に、金属グレーティング３４は、金属グレーティング３４の回折格子法線の方向、換言すれば、出射面３１ｂの法線方向に対して光Ｌ２の出射角度θ_ｏが約０°〜約３０°の範囲において、光Ｌ２の輝度が均一であるように構成されていることが好ましい。これにより、図２に示したような液晶表示装置１の液晶表示部４０において輝度が均一な画像を表示することが可能である。

また、これまでの説明では、特に断らない限り、光源２１は蛍光灯としたが、前述したように、発光ダイオードでもよい。そして、光Ｌ１の波長λに対して空間周期Λを規定する際には、光源２１として発光ダイオードを採用することが考えられる。

更に、図１に示した導光板ユニット３０及び面光源装置１０では、金属グレーティング３４が出射面３１ｂ上に直接設けられているとしたが、例えば、出射面３１ｂ上に誘電体層を設け、その誘電体層上に金属グレーティング３４を形成してもよい。誘電体層は、透光性部材３５ａと同じ材料から構成することができ、その屈折率は導光板３１のものと同じでも異なっていてもよい。誘電体層は、例えばコーティング膜である。

なお、これまでの説明では、導光板と金属グレーティングとを含んで導光板ユニットとし、導光板ユニットと光源部とを含んで面光源装置としたが、導光板ユニットを、導光板装置とみなした場合、面光源装置を、光源部を更に含む導光板装置とみなすこともできる。更に、図１に示したように、導光板３１に金属グレーティング３４が直接設けられている場合、例えば、導光板３１を導光板本体とし、その導光板本体の出射面（第１の面）上に金属グレーティング（回折格子）が形成されているものと考えられる。この場合、導光板ユニット３０は、導光板本体と金属グレーティングを含む一つの導光板とみなすことができる。

本発明に係る面光源装置の一実施形態の側面図である。 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。 本発明に係る面光源装置の他の実施形態の断面図である。 本発明に係る面光源装置の更に他の実施形態の断面図である。 条件１，２の場合のシミュレーション結果を示す図面である。 条件３及び条件４の場合のシミュレーション結果を示す図面である。 条件５，６の場合のシミュレーション結果を示す図面である。 条件７〜９の場合のシミュレーション結果を示す図面である。 条件１０の場合のシミュレーション結果を示す図面である。 本発明に係る面光源装置の更に他の実施形態の側面図である。

符号の説明

１…液晶表示装置、１０，１０_１，１０_２，１０_３…面光源装置、２１…光源、２２…反射部材、３０，３０_１，３０_２…導光板ユニット、３１…導光板、３１ａ…側面，入射面（第３の面）、３１ｂ…出射面（第１の面）、３１ｃ…裏面（第２の面）、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ…拡散・反射膜（反射手段）、３３…金属細線（金属線）、３４…金属グレーティング（回折格子）、４０…液晶表示部、６０…拡散・反射板（反射手段）、ｗ…金属線の幅（金属線の配列方向の長さ）、Λ…空間周期。

Claims (30)

1. 光を導光可能であり、前記光が出射される第１の面を有する導光板と、
   前記導光板が有する第１の面に対して設けられる回折格子と、
   を備え、
   前記回折格子は、複数の直線状の金属線が並列に配置されて構成されており、
   前記金属線の長手方向に垂直で前記第１の面に平行な方向の前記金属線の長さが、前記回折格子の空間周期の略５５％以上略８５％以下である、
   ことを特徴とする導光板ユニット。
2. 前記金属線の長手方向に垂直で前記第１の面に平行な方向の前記金属線の長さが前記空間周期の略６５％以上略８５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の導光板ユニット。
3. 前記導光板が有する第２の面であって前記第１の面に対向している前記第２の面に対して設けられる反射手段を更に備え、
   前記反射手段は、前記第２の面に向けて伝搬してきた光を非偏光化して前記導光板側に反射する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の導光板ユニット。
4. 前記回折格子が前記第１の面上に直接設けられている場合、前記空間周期が前記光の波長の略５７％以下であ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ユニット。
5. 前記回折格子が前記第１の面から離間して配置されており前記回折格子の周囲の媒質が空気である場合、前記空間周期は前記光の波長の略４０％以下であ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ユニット。
6. 波長５００ｎｍより長い波長を有する光が前記回折格子に入射した場合の前記回折格子の透過率が略７％以上略３０％以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の導光板ユニット。
7. 波長５００ｎｍ以下の波長を有する光が前記回折格子に入射した場合の前記回折格子の透過率が略７％以上略３５％以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の導光板ユニット。
8. 前記回折格子の回折格子法線の方向における前記金属線の長さが４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の導光板ユニット。
9. 前記金属線の前記長手方向に略直交する前記金属線の断面形状が正方形又は矩形であることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の導光板ユニット。
10. 前記回折格子を透過した光の偏光度が略７０％以上であることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の導光板ユニット。
11. 前記回折格子を透過した光において、前記回折格子の回折格子法線の方向に対して略０°以上略３０°以下の角度範囲内での輝度が略均一であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の導光板ユニット。
12. 前記導光板は、
    前記第１の面に対向する第２の面と、
    前記第１及び第２の面の側方に位置する第３の面と、
    を有し、
    前記第３の面は、前記第１及び第２の面の少なくとも一方に対して傾斜していることを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載の導光板ユニット。
13. 光を導光可能であり、前記光が出射される第１の面を有する導光板と、
    前記導光板において導光される前記光を出力するための光源と、
    前記導光板が有する第１の面に対して設けられる回折格子と
    を備え、
    前記回折格子は、複数の直線状の金属線が並列に配置されて構成されており、
    前記金属線の長手方向に垂直で前記第１の面に平行な方向の前記金属線の長さが、前記回折格子の空間周期の略５５％以上略８５％以下である、
    ことを特徴とする面光源装置。
14. 前記金属線の長手方向に垂直で前記第１の面に平行な方向の前記金属線の長さが前記空間周期の略６５％以上略８５％以下であることを特徴とする請求項１３に記載の面光源装置。
15. 前記導光板が有する第２の面であって前記第１の面に対向している前記第２の面に対して設けられる反射手段を更に備え、
    前記反射手段は、前記第２の面側に配置されており前記第２の面側に向けて伝搬してきた光を非偏光化して前記導光板側に反射する、
    ことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の面光源装置。
16. 前記光源の外側に配置されており前記光源から出射された光を前記導光板側に反射させる反射部材を更に備えることを特徴とする請求項１３〜１５の何れか一項に記載の面光源装置。
17. 前記回折格子が前記第１の面上に直接設けられている場合、前記空間周期が前記光の波長の５７％以下であることを特徴とする請求項１３〜１６の何れか一項に記載の面光源装置。
18. 前記回折格子が前記第１の面から離間しており前記回折格子の周囲の媒質が空気である場合、前記空間周期が前記光の波長の略４０％以下であることを特徴とする請求項１３〜１６に記載の面光源装置。
19. 波長５００ｎｍより長い波長を有する光が前記回折格子に入射した場合の前記回折格子の透過率が略７％以上略３０％以下であることを特徴とする請求項１３〜１８の何れか一項に記載の面光源装置。
20. 波長５００ｎｍ以下の波長を有する光が前記回折格子に入射した場合の前記回折格子の透過率が略７％以上略３５％以下であることを特徴とする請求項１３〜１８の何れか一項に記載の面光源装置。
21. 前記回折格子の回折格子法線の方向における前記金属線の長さが４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１３〜２０の何れか一項に記載の面光源装置。
22. 前記金属線の前記長手方向に略直交する前記金属線の断面形状が正方形又は矩形であることを特徴とする請求項１３〜２１の何れか一項に記載の面光源装置。
23. 前記回折格子を透過した光の偏光度が略７０％以上であることを特徴とする請求項１３〜２２の何れか一項に記載の面光源装置。
24. 前記回折格子を透過した光において、前記回折格子の回折格子法線の方向に対して略０°以上略３０°以下の角度範囲内での輝度が略均一であることを特徴とする請求項１３〜２３の何れか一項に記載の面光源装置。
25. 前記導光板は、
    前記第１の面に対向する第２の面と、
    前記第１及び第２の面の側方に位置する第３の面と、
    を有し、
    前記第３の面は前記第１及び第２の面の少なくとも一方に対して傾斜している、
    ことを特徴とする請求項１３〜２４の何れか一項に記載の面光源装置。
26. 前記光源部が前記第３の面に対向して配置されており、
    前記光源部から出射された光が前記第３の面から前記導光板内に入射する場合、前記第３の面は前記第２の面に対して傾斜しており、傾斜角度が略０°より大きく略３０°以下であることを特徴とする請求項２５に記載の面光源装置。
27. 面光源装置と、
    前記面光源装置から出射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、
    光を導光可能であり、前記光が出射される第１の面を有する導光板と、
    前記導光板において導光される前記光を出力するための光源と、
    前記導光板が有する第１の面に対して設けられる回折格子と
    を備え、
    前記回折格子は、複数の直線状の金属線が並列に配置されて構成されており、
    前記金属線の長手方向に垂直で前記第１の面に平行な方向の前記金属線の長さが、前記回折格子の空間周期の略５５％以上略８５％以下である、
    ことを特徴とする液晶表示装置。
28. 前記金属線の長手方向に垂直で前記第１の面に平行な方向の前記金属線の長さが前記空間周期の略６５％以上略８５％以下であることを特徴とする請求項２７に記載の液晶表示装置。
29. 前記導光板に対して設けられた反射手段を更に備え、
    前記導光板は、前記第１の面に対向する第２の面を有し、
    前記反射手段は、前記第２の面側に配置されており前記第２の面側に向けて伝搬してきた光を非偏光化して前記導光板側に反射する、
    ことを特徴とする請求項２７又は２８に記載の液晶表示装置。
30. 前記光源の外側に配置されており前記光源から出射された光を前記導光板側に反射させる反射部材を更に備えることを特徴とする請求項２７〜２９の何れか一項に記載の液晶表示装置。

Images