JP2014082109A - 導光板、面光源装置および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複屈折性のファイバおよびマトリックスを用いた導光板において光源からの光を効率的に放出すること。
【解決手段】本発明の導光板は、光源からの光を内部に導入する光導入面を有する導光層と、等方性の第１マトリックス層と、第１マトリックス層の内部において光導入面の法線方向とは異なる方向に沿って配置された複屈折性を有する第１ファイバとを有し、導光層より光放出面側に設けられた偏光分離層と、第１マトリックス層の屈折率よりも低い屈折率であり、偏光分離層より光放出面側に設けられた低屈折率層と、等方性の第２のマトリックス層と、第２のマトリックス層の内部に配置された複屈折性を有する第２のファイバとを有し、低屈折率層より光放出面側に設けられた角度向上層とを備え、第１マトリックス層、第２のマトリックス層、第１ファイバおよび第２のファイバの屈折率が、所定の条件を満たしている。
【選択図】図４

Description

本発明は、導光板から放出される光の方向を制御する技術に関する。

液晶表示装置は、バックライトなどの面光源装置から放出される光を、偏光板および液晶を用いて透過または遮蔽することによって画像を表示する。

液晶表示装置に使用される偏光板としては、通常、ヨウ素で着色され、一軸延伸されたポリビニルアルコール（ＰＶＡ）フィルムを偏光板として用いて、その片面又は両面にトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルムを保護フィルムとして貼り合せたものが用いられている。また、ＴＡＣフィルムの代わりに、偏光子の片面にアクリル樹脂等によるコーティング層を設けたもの、またはノルボルネンやポリカーボネート等の位相差フィルムを貼り合せたもの等の吸収型偏光板が用いられることもある。

しかしながら、この吸収型偏光板は、偏光板の透過軸方向の光のみを透過し、残りの成分の光を吸収する特性を有しているため、原理的には光の利用効率が５０％を超えることはなく、内表面の反射率が４％であることを考慮すると最大でも４８％とするのが限界であった。このため、バックライトから放出される光の有効活用、およびバックライトの輝度を高めることが、液晶表示装置の課題の一つになっている。

この課題を解決する方法の一つとして、光学反射干渉特性を利用した反射型偏光板が知られている。反射型偏光板は、特定の偏光の光を反射し、それと逆の性質を示す偏光の光を透過するものであり、以下のように用いられる。反射型偏光板を透過した光が、直線偏光として吸収型偏光板を透過するように、反射型偏光板と吸収型偏光板とは軸合わせをした状態で配置される。そして、吸収型偏光板だけを配置した場合には偏光板で吸収されてしまう偏光の光を、反射型偏光板で反射させてバックライト側へ戻し、反射させて再利用することにより、バックライトから放出される光の利用効率を高めている。

反射型偏光板の一例として、住友スリーエム社からＤＢＥＦ（登録商標）という輝度上昇フィルムが市販されている。このフィルムは、可視光領域の広い領域に渡って偏光特性を確保する必要があるために、全体で数百層ものポリマーフィルムの積層がなされたものであり、厳密な制御が必要な工程のために製造コストが高いという問題がある。

そこで、より製造コストを低減する方法として、偏光感応性散乱Ｅｌｅｍｅｎｔ（ＰＳＳＥ）を利用した反射型偏光板が、特許文献１に開示されている。この例では、一方の偏光の光を透過し、他方の偏光の光を散乱することで偏光分離を実現している。

また、特許文献２には、偏光感応性散乱Ｅｌｅｍｅｎｔ（ＰＳＳＥ）として複屈折性のファイバを用い、等方性の屈折率を有する導光板と一体化させて偏光分離を実現した例が開示されている。この例では、複屈折性のファイバとマトリックスとからなる層で一方の偏光のみが散乱し、外部へ放出されることで偏光分離を実現している。

特開平１１−５０２０３６号公報 特開２００６−５１７７２０号公報

しかしながら、特許文献１の技術においては、散乱光の成分が反射偏光板に対して後方散乱しないと、望まない偏光も前方へ散乱しながら透過してしまうため、偏光の分離効率も悪く、光の利用効率もあまり高くできなかった。また、特許文献２の技術においては、複屈折性を有するファイバとマトリックスからなる層で散乱する成分の一部と、散乱しない他方の偏光成分とはＬＧＰ（Light Guide Plate）内を導波し続けて消失してしまうため、光の利用効率を高めることは困難である。また、散乱して放出される光の方向はファイバの形状で決まるとの記載があるものの、実際には外部に放出される光が２方向に分割されており、放出された偏光が効率的に利用できていなかった。

本発明は、複屈折性のファイバおよびマトリックスを用いた導光板において光源からの光を効率的に放出することを目的とする。

本発明の一実施形態によると、側面に配置される光源から照射される光を光放出面から放出する導光板であって、前記光源から放出される光を内部に導入する光導入面を側面に有する導光層と、等方性の屈性率ｎｍ１を有する第１マトリックス層と、前記第１マトリックス層の内部において前記光導入面の法線方向とは異なる方向に沿って配置された複屈折性（常光線屈折率ｎｏ１、異常光線屈折率ｎｅ１）を有する第１ファイバとを有し、前記導光層より前記光放出面側に設けられた偏光分離層と、前記第１マトリックス層の屈折率よりも低い屈折率であり、前記偏光分離層より前記光放出面側に設けられた低屈折率層と、等方性の屈性率ｎｍ２を有する第２のマトリックス層と、前記第２のマトリックス層の内部に配置された複屈折性（常光線屈折率ｎｏ２、異常光線屈折率ｎｅ２）を有する第２のファイバとを有し、前記低屈折率層より前記光放出面側に設けられた角度向上層とを備え、前記第１マトリックス層、前記第２のマトリックス層、前記第１ファイバおよび前記第２のファイバの屈折率が、｜ｎｍ１−ｎｏ１｜≦０．０１かつ｜ｎｍ２−ｎｏ２｜≦０．０１の条件、または｜ｎｍ１−ｎｅ１｜≦０．０１かつ｜ｎｍ２−ｎｅ２｜≦０．０１の条件を満たしていることを特徴とする導光板が提供される。

この導光板によれば、光源からの光を効率的に放出することができる。

また、別の好ましい態様において、前記低屈折率層は、気体の層であってもよい。

この導光板によれば、光源からの光をより効率的に放出することができる。

また、別の好ましい態様において、前記第１マトリックス層と前記第２マトリックス層とは同一組成の樹脂であり、前記第１ファイバと前記第２ファイバとは同一組成の樹脂であってもよい。

この導光板によれば、製造コストを低減することもできる。

また、別の好ましい態様において、前記第２ファイバは、長軸方向が前記第１ファイバの長軸方向と同一方向となるように配置されていてもよい。

この導光板によれば、放射される光を光放出面の法線方向に向けることができる。

また、別の好ましい態様において、前記導光層の前記光導入面および前記光放出面側の面以外の少なくとも一つの面に、光の偏光を回転させて反射させる反射板が設けられてしてもよい。

この導光板によれば、光源からの光をより効率的に放出することができる。

また、別の好ましい態様において、前記第１ファイバは、前記光導入面からの距離に応じて配置密度が変化し、前記第２ファイバの配置密度は、前記第１ファイバの配置密度とは逆相関を持っていてもよい。

この導光板によれば、放出される光の強度の面内のムラを低減することができる。

また本発明の一実施形態によると、上記記載の導光板と、前記側面に配置される光源とを備えることを特徴とする面光源装置が提供される。

この面光源装置によれば、光の放出に伴う消費電力を低減することができる。

また本発明の一実施形態によると、上記記載の面光源装置と、前記光放出面から放出される光が入射され、当該光の偏光方向の回転を制御する液晶パネルと、前記液晶パネルの少なくとも前記面光源装置とは反対側に設けられた偏光板とを備えることを特徴とする表示装置が提供される。

この表示装置によれば、表示に伴う消費電力を低減することができる。

本発明によれば、複屈折性のファイバおよびマトリックスを用いた導光板において光源からの光を効率的に放出することができる。

本発明の第１実施形態に係る面光源装置１の構成を示す概略図である。 本発明の第１実施形態に係る第１ファイバ１４の常光線屈折率ｎｏ１と異常光線屈折率ｎｅ１と入射光Ｌとの関係を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る第１ファイバ１４におけるＳ偏光とＰ偏光との屈折の態様を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係るＳ偏光の光とＰ偏光の光との放出方向を説明する図である。 本発明の各実施例に用いたファイバの光学特性をまとめた図である。 本発明の各実施例において作製した面光源装置１における出光角度分布を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る偏光分離層１０の第１ファイバ１４と角度向上層２０の第２ファイバ２４との密度分布の相関を説明する図である。 本発明の第３実施形態に係る表示装置５００の構成を説明する図である。

以下、本発明の実施形態に係る面光源装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合がある。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る面光源装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る面光源装置１の構成を示す概略図である。面光源装置１は、液晶表示装置などに用いられるエッジライト型のバックライトユニットである。面光源装置１は、導光板１００と光源８０とを有する。光源８０は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）またはＣＣＦＬ（Cold Cathode Fluorescent Lamp：冷陰極蛍光管）などである。光源８０からの光ＬＤは、導光板１００の側面（光導入面４０Ｓ）から入射し、光放出面ＬＳから放出される。光放出面ＬＳから放出される光は、光放出面ＬＳの法線方向（以下、ＥＤ方向という）を概ね向いている。

導光板１００は、偏光分離層１０、角度向上層２０、空気層３０、導光層４０、底面反射板５０および側面反射板６０と有している。

導光層４０は、光源８０から入射光が透過する材料で形成され、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）のような光学的に等方性を有する材料により形成される。光源８０からの入射光は、導光層４０の側面の光導入面４０Ｓから、導光層４０の内部に導入される。

偏光分離層１０は、導光層４０の光放出面ＬＳ側の面に積層され、第１マトリックス層１２と、第１マトリックス層１２の内部に配置された複数の第１ファイバ１４とを有する。第１ファイバ１４は、その長手方向がＤ１方向に沿って配置されている。ここで、Ｄ１方向とは、図１に示すように、光導入面４０Ｓの法線方向（以下、Ｄ２方向という）およびＥＤ方向の双方に垂直な方向をいうものとする。

この例では、第１ファイバ１４は、光源８０からの距離が近い方から、配置の密度が粗、密、粗の順になるように配置されている。すなわち、第１ファイバ１４は、Ｄ２方向における中央部分において密に配置され端部ほど粗に配置される。このように配置することにより、偏光分離層１０から空気層３０へ光が放出するときの面内分布を均一な分布に近づけることができる。なお、第１ファイバ１４の配置の密度は連続的に変化してもよいし、段階的に変化してもよい。また、第１ファイバ１４の配置の密度は、Ｄ２方向で変化しなくてもよいし、上述とは異なる変化、例えば、光源８０からの距離が遠いほど密に配置されてもよい。また、図１において示した第１ファイバ１４は、配置の密度を模式的に記載したものであって実際の密度を反映しているわけではない。後述する第２ファイバ２４についても同様である。

第１ファイバ１４は、延伸して作製された樹脂である。そのため、第１ファイバ１４の長手方向（Ｄ１方向）の屈折率（以下、異常光線屈折率ｎｅ１という）と断面方向（Ｄ１に垂直な方向）の屈折率（以下、常光線屈折率ｎｏ１という）とが異なる複屈折性を有している。具体的には、常光線屈折率ｎｏ１は、異常光線屈折率ｎｅ１よりも小さい値であり、例えば、後述する実施例で示すポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の場合、ｎｏ１＝１．５３０１、ｎｅ１＝１．７０４７、Δｎ＝ｎｅ１−ｎｏ１＝０．１７４６（図５参照）となる。

第１ファイバ１４は、複屈折性を有する多様な材料を使用できるが、断面形状の安定性および耐久性に優れ、配向性の制御が容易である点から、ポリマーを延伸することによって製造されるポリマーファイバであることが好ましい。

具体的なポリマーファイバの材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などのポリオレフィン系繊維、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などのポリビニル系繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などのアクリル系繊維、ナイロン６（Ｎ６）、ナイロン６，６（Ｎ６６）、ナイロン４，６（Ｎ４６）、ナイロン６，１０（Ｎ６１０）などの脂肪族ポリアミド系繊維、ポリ（ｍ−フェニレンイソフタルアミド）（ＰＭＰＩＡ）、ポリ（ｐ−フェニレンテレフタルアミド）（ＰＭＰＴＡ）などの芳香族ポリアミド系繊維（アラミド繊維）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリ−ε−カプロラクトンなどのポリエステル系繊維、シルク、ウール、蜘蛛の糸などの動物性の繊維、キュプラ、レーヨン系繊維などのセルロース系植物繊維、などが挙げられる。

また、Δｎが大きいポリマーファイバを使用することが好ましい。Δｎが大きいと、偏光分離層１０の光拡散効率を向上させやすい。具体的には、Δｎが０．０３以上であり、望ましくは０．１以上、より望ましくは０．１５以上である。これらのポリマーファイバの常光線屈折率ｎｏ１および異常光線屈折率ｎｅ１は、ポリマーを延伸する際の引張速度や引張率、ポリマーの材質、ファイバの太さ（径）および密度を調整することにより制御される。

第１マトリックス層１２は、光源８０からの光が透過し、光学的に等方性を有する材料により形成される。また、第１マトリックス層１２は、第１ファイバ１４を内部に保持するため、第１ファイバ１４に対して密着性がよいことが望ましい。例えば、第１マトリックス層１２は、熱、放射線により重合／架橋反応する硬化性樹脂が挙げられる。具体的には、アクリロイル基、メタアクリロイル基、ビニル基、アリル基、スチリル基、チオール基、エポキシ基、ビニルエーテル基、オキセタニル基などを有する化合物を有するＵＶ硬化樹脂であってもよいし、シリコーン樹脂、アリルエステル、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド、ウレタン系樹脂などからなる熱硬化性樹脂であってもよいし、これらの２種類以上の混合物であってもよい。さらに、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）などのアクリル樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）などのポリオレフィン樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などのポリエステル樹脂、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）などのポリエーテル、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などのビニル樹脂、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアミド、ポリイミド、エポキシ樹脂、これらを構成するモノマーを２種以上用いた共重合体、ならびにこれらのポリマーブレンドなどであってもよい。複数の樹脂を混合することにより、第１マトリックス層１２の屈折率ｎｍ１を所望の値に制御することができる。

この例では、第１マトリックス層１２の屈折率ｎｍ１と、第１ファイバ１４の常光線屈折率ｎｏ１との差分値（以下、特に断らない限り差分の絶対値をいう）が所定値以下になっている。以下、この差分値が所定値以下になっているという条件を満たしていることを、屈折率が一致していると記載する。また、第１マトリックス層１２の屈折率ｎｍ１は、導光層４０の屈折率と一致していることが望ましいが、一致していなくてもよい。

この例では、所定値は「０．０２」（すなわち、｜ｎｍ１−ｎｏ１｜≦０．０２）であればよく、「０．０１」（すなわち、｜ｎｍ１−ｎｏ１｜≦０．０１）であることが望ましく、「０．００３」（すなわち、｜ｎｍ１−ｎｏ１｜≦０．００３）であることがより好ましい。このようにすることで、空気層３０に取り出されるＰ偏光成分の増加率を２０％以下とし、望ましくは１０％以下として、十分な偏光分離が実現できる。なお、増加率は、ｎｍ１＝ｎｏ１である場合に空気層３０に取り出されるＰ偏光成分を基準にして増加した割合である。

図２は、本発明の第１実施形態に係る第１ファイバ１４の常光線屈折率ｎｏ１と異常光線屈折率ｎｅ１と入射光Ｌとの関係を説明する図である。図２に示すように、第１ファイバ１４において、入射光ＬのＳ偏光（入射面と垂直な面で振動）は異常光線屈折率ｎｅの光学的影響を受ける一方、Ｐ偏光（入射面で振動）は常光線屈折率ｎｏ１の光学的影響を受ける。

図３は、本発明の第１実施形態に係る第１ファイバ１４におけるＳ偏光とＰ偏光との屈折の態様を説明する図である。図３は、図２におけるＤ１方向に沿って偏光分離層１０を見た場合の図を示している。図３（ａ）に示す黒丸は、紙面と垂直な平面（Ｄ１方向）で振動するＳ偏光を示し、図３（ｂ）に示す矢印は紙面と平行な平面で振動するＰ偏光を示している。

上述したとおり、Ｓ偏光の光は、第１ファイバ１４の異常光線屈折率ｎｅ１の光学的影響を受ける。第１マトリックス層１２の屈折率ｎｍ１と第１ファイバ１４との異常光線屈折率ｎｅ１とが一致しないため、第１マトリックス層１２から第１ファイバ１４に入射した光のうちＳ偏光の光は、図３（ａ）に示すように屈折する。

一方、Ｐ偏光の光は、第１ファイバ１４の常光線屈折率ｎｏ１の光学的影響を受ける。第１マトリックス層１２の屈折率ｎｍ１と第１ファイバ１４との常光線屈折率ｎｏ１とが一致するため、第１マトリックス層１２から第１ファイバ１４に入射した光のうちＰ偏光の光は、図３（ｂ）に示すように概ね直進する。

このように、導光層４０から偏光分離層１０に入射した光は、Ｓ偏光成分が屈折、散乱し、Ｐ偏光成分が直進する。空気層３０の屈折率ｎａは「ほぼ１」であり、マトリックス層１２および第１ファイバ１４の屈折率よりも小さい。そのため、屈折、散乱したＳ偏光の光の一部が偏光分離層１０から空気層３０へ放出されるが、それ以外の光の大部分については、偏光分離層１０と空気層３０との界面で全反射する。その結果、光源８０の光のうちＳ偏光成分を分離して空気層３０に取り出すことができる。

図１に戻って説明を続ける。角度向上層２０は、空気層３０を介して、偏光分離層１０の光放出面ＬＳ側の面に積層され、第２マトリックス層２２と、第２マトリックス層２２の内部に配置された複数の第２ファイバ２４とを有する。第２ファイバ２４は、その長手方向がＤ１方向に沿って配置されている。この例では、第２ファイバ２４は、光源８０からの距離にかかわらず、配置の密度は同じように配置されている。なお、角度向上層２０の端部がフレーム等により偏光分離層１０と離隔した状態になるように支持されることによって、空気層３０が形成される。

第２ファイバ２４は、第１ファイバ１４と同様に延伸して作製された樹脂であり、第２ファイバ２４の長手方向の屈折率（以下、異常光線屈折率ｎｅ２という）と断面方向の屈折率（以下、常光線屈折率ｎｏ２という）とが異なる複屈折性を有している。具体的には、常光線屈折率ｎｏ２は、異常光線屈折率ｎｅ２よりも小さい値である。

第２ファイバ２４は、第１ファイバ１４と同様に、複屈折性を有する多様な材料を使用できるが、断面形状の安定性および耐久性に優れ、配向性の制御が容易である点から、ポリマーを延伸することによって製造されるポリマーファイバであることが好ましい。また、第１ファイバ１４と同様に、Δｎが大きいポリマーファイバを使用することが好ましい。Δｎが大きいと、角度向上層２０の光拡散効率を向上させやすい。具体的には、Δｎが０．０３以上であり、望ましくは０．１以上、より望ましくは０．１５以上である。具体的なポリマーファイバの例については、第１ファイバ１４の説明でも述べたため、詳細の説明を省略する。

第２マトリックス層２２は、第１マトリックス層１２と同様に、光源８０からの光が透過し、光学的に等方性を有する材料により形成される。また、第２マトリックス層２２は、第２ファイバ２４を内部に保持するため、第２ファイバ２４に対して密着性がよいことが望ましい。例えば、第２マトリックス層２２は、熱、放射線により重合／架橋反応する硬化性樹脂が挙げられる。具体的な硬化性樹脂の例については、第１マトリックス層１２の説明でも述べたため、説明を省略する。

なお、角度向上層２０は、偏光分離層１０と同じ構成をとることもできる。すなわち、第１マトリック層１２と第２マトリックス層２２とが同じ組成の樹脂であり、第１ファイバ１４と第２ファイバ２４とが同じ組成の樹脂であってもよい。

角度向上層２０においても、偏光分離層１０と同様に、第２マトリックス層２２の屈折率ｎｍ２と、第２ファイバ２４の常光線屈折率ｎｏ２とが一致している。また、屈折率が一致していることの条件についても、偏光分離層１０と同様に、｜ｎｍ２−ｎｏ２｜≦０．０２を満たせばよい。この条件は、｜ｎｍ２−ｎｏ２｜≦０．０１であることが望ましく、｜ｎｍ１−ｎｏ１｜≦０．００３であることがより好ましい。

角度向上層２０には、導光層４０から偏光分離層１０を通過して取り出されたＳ偏光の光が入射する。角度向上層２０に入射したＳ偏光の光は、第２マトリックス層２２と第２ファイバ２４との界面において屈折する。このように、空気層３０側から入射したＳ偏光の光は、角度向上層２０において屈折、散乱し、光放出面ＬＳから取り出される。このため、偏光分離層１０から空気層３０に取り出されるときの光の拡がりが、角度向上層２０によってさらに拡げられることになる。

このように、角度向上層２０は放出される光を拡がり角度をより大きくする機能を有し、Ｓ偏光とＰ偏光とを分離することを主たる目的としたものではないから、角度向上層２０の厚さは、偏光分離層１０よりも薄くすることが可能であるが、偏光分離層１０の厚さ以上であってもよい。

底面反射板５０は導光層４０の底面側に設けられ、導光層４０側に導光層４０から漏れ出た光を反射する反射面が設けられている。側面反射板６０は、導光層４０の光導入面４０Ｓと対向する側面側に設けられ、導光層４０側に導光層４０から漏れ出た光を反射する反射面が設けられている。底面反射板５０および側面反射板６０により、導光層４０の内部の光のうち光放出面ＬＳ側以外から漏れ出た光を導光層４０に戻すことができる。

なお、側面反射板６０は、光導入面４０Ｓと対向する側面側以外に設けられていてもよいし、光導入面４０Ｓ側における光源８０以外の領域に側面反射板６０が設けられていてもよい。また、底面反射板５０または側面反射板６０と導光層４０との間に位相差板が設けられていてもよい。位相差板は、例えば、位相をλ／４ずらす、λ／４板であればよい。以上が、面光源装置１の構成についても説明である。

続いて、面光源装置１において光源８０からの光が光放出面ＬＳから取り出されるまでの原理について、図４を用いて説明する。

図４は、本発明の第１実施形態に係るＳ偏光の光とＰ偏光の光との放出方向を説明する図である。この図は、図１に示す面光源装置１をＤ１方向に見た図である。図４においては、光源８０からの光のうち、Ｓ偏光の光を一点鎖線で、Ｐ偏光の光を二点鎖線で模式的に表している。

Ｐ偏光の光は、偏光分離層１０において、第１ファイバ１４による屈折、散乱がほとんど起きないため直進する。偏光分離層１０から空気層３０へ入射するときの入射角によっては、光の一部は空気層３０に取り出される場合があるが、大部分が偏光分離層１０と空気層３０との界面において全反射する。Ｐ偏光の光は反射を繰り返すうちに、減衰しつつもその一部がＳ偏光に回転していく。

一方、Ｓ偏光の光は、偏光分離層１０において屈折、散乱し、偏光分離層１０から空気層３０へ入射するときの入射角が小さくなった光が空気層３０に取り出されていく。このとき、Ｐ偏光から回転したＳ偏光に回転した光、および全反射により取り出されなかったＳ偏光の光は、再び、偏光分離層１０において屈折、散乱し、空気層３０に取り出されていく。この結果、偏光の分離効率が向上される。

偏光分離層１０において様々な角度で入射するため、取り出される光（放出光）も所定の分布を持つ。図４において破線で記した扇型Ｗ１が、偏光分離層１０からの放出光の分布を模式的に表したものであり、Ｌ１方向がピーク強度となる放出光の方向（出射方向）を模式的に示したものである。Ｌ１方向の出射角については、以下の説明では出射角α１という。

偏光分離層１０から放出されたＳ偏光の光は、空気層３０を通過し、角度向上層２０へ入射する。角度向上層２０において屈折、散乱した光は、さらにＥＤ方向に拡がった状態となり、角度向上層２０の光放出面ＬＳから外部空間へ取り出される。図４において破線で記した扇型Ｗ２が、角度向上層２０からの放出光の分布を模式的に表したものであり、Ｌ２方向がピーク強度となる放出光の方向（出射方向）を模式的に示したものである。Ｌ２方向の出射角については、以下の説明では出射角α２という。

扇形Ｗ１と扇形Ｗ２との比較、Ｌ１方向とＬ２方向との比較から、角度向上層２０は、主として以下に示す２種類の作用をもたらす。第１に、角度向上層２０は、偏光分離層１０から放出された光のピーク強度となる方向をＥＤ方向（出射角が０°）に近づける。第２に、角度向上層２０は、偏光分離層１０から放出された光の拡がりを、さらに大きく拡げる。すなわち、角度向上層２０が空気層３０を介して存在することにより、角度向上層２０が存在しない場合に比べて、光放出面ＬＳから放出される光がＥＤ方向に向き、かつ拡がりを大きくすることができ、Ｓ偏光の光を効率的に利用することができる。したがって、液晶ディスプレイのバックライトユニットとして面光源装置１を用いた場合、正面輝度を大きくして消費電力を低減することができるとともに、視野角を広くしつつ、視野角により輝度が急激に変化しないようにすることもできる。

［実施例］
角度向上層２０における第２ファイバ２４の材料を変えた複数の実施例により作製した面光源装置１について、光放出面ＬＳからの出射角α２および光の拡がり（以下、出光角度分布という）を測定した結果を説明する。第２ファイバ２４の材料としては、実施例１としてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、実施例２としてポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、実施例３としてナイロン６，１０を用いた。比較例としては、角度向上層２０を用いない構成（偏光分離層１０からの放出光を測定）、および角度向上層２０の代わりにプリズムフィルムを用いた構成について、出光角度分布を測定した。

図５は、本発明の各実施例に用いたファイバの光学特性をまとめた図である。図５におけるファイバの常光線屈折率ｎｏおよび異常光線屈折率ｎｅは、アッベ式の屈折率計と中間液を使用した方法、または偏光顕微鏡を使用したコンペンセータ法によって測定した屈折率である。

偏光分離層１０は、第１ファイバ１４は、糸径が２２μｍで２４フィラメントのＰＥＴファイバを用いた。６ｃｍ×９ｃｍのＰＭＭＡ製の導光層３４上に、長手方向がＤ１方向に沿うように、第１ファイバ１４を配列した。このとき、光源８０からの距離が離れるに従い、第１ファイバ１４の配置密度が、粗、密、粗となるように並べて配置した。そして、硬化後の屈折率（第１マトリックス層１２の屈折率ｎｍ１）が１．５３０となるように設計したＵＶ硬化樹脂を浸透させた。離型処理を施したガラス板で上部を覆ったのち、真空脱泡をして第１ファイバ１４と第１マトリックス層１２の間の空気を除去した。ＵＶランプを使用して、樹脂を硬化後、ガラス板を剥離して、偏光分離層１０が設けられた導光層４０を作製した。どの実施例においても、このように作製した偏光分離層１０および導光層４０を用いた。なお、偏光分離層１０の厚さは、３５０μｍとした。

［実施例１］
実施例１における第２ファイバ２４は、糸径が２２μｍで２４フィラメントのＰＥＴファイバを用いた。離型処理を施したガラス板上に、長手方向がＤ１同一方向に沿うようにして、隙間が無いように第２ファイバ２４を配列させた。その後、硬化後の屈折率（第２マトリックス層２２の屈折率ｎｍ２）が１．５３０となるように設計したＵＶ硬化樹脂を浸透させた。離型処理を施したガラス板で上部を覆ったのち、真空脱泡して第２ファイバ２４と第２マトリックス層２２の間の空気を除去した。ＵＶランプを使用して、樹脂を硬化後、ガラス板を剥離して、角度向上層２０を作製した。なお、角度向上層２０の厚さは、１５０μｍとした。

このように作製した角度向上層２０を偏光分離層１０の上に空気層３０を介して配置した。最後に偏光分離層１０および導光層３０の側面および導光層３０の底面（偏光分離層１０が設けられた面と対向する面）の全体を反射板で覆い本発明の面光源装置１を作製した。

［実施例２］
実施例２における第２ファイバ２４は、糸径が１９μｍで２４フィラメントのＰＥＮファイバを用いた。その他の構成は、実施例１と同様である。

［実施例３］
実施例３における第２ファイバ２４は、糸径が２６μｍで２４フィラメントのナイロン６，１０ファイバを用いた。その他の構成は、実施例１と同様である。

［出光角度分布］
図６は、本発明の各実施例において作製した面光源装置１における出光角度分布を説明する図である。図６の最下欄におけるＳ偏光成分の出光角度分布は、円の左右がＤ２方向、上下がＤ１方向に対応し、中心が出射角０°、演習部分が出射角９０°を示し、黒色に近いほど輝度が高い。また、同欄の角度は、ピーク強度となる角度を示し、実施例１〜３においては、出射角α２に対応する。なお、比較例１においては、出射角α１に対応する。また、正面輝度は、ＥＤ方向から測定した輝度、すなわち円の中心における測定結果を示している。

比較例１である角度向上層２０を用いない構成の測定結果のとおり、出射角α１は４７°である。実施例１〜３の全てにおいてＳ偏光成分の出射角α２は、ＥＤ方向（出射角０°）に近づき、またその拡がりも光源８０側の方向に大きくなり、全体的に出光角度分布が正面に向く結果となっている。そのため、正面輝度が２〜１０％程度向上するだけでなく、視野角も広がっている。

なお、プリズムフィルムを使用した比較例２は、出射角は正面に向いているものの、放出光がほとんど無くなる角度（サイドバンド）が発生する。そのため、視野角が狭くなるという問題が生じる。また、プリズムによる偏光解消が生じて、出射角が正面を向いているにもかかわらず、Ｓ偏光成分の正面輝度が低下することがわかる。ファイバを用いた角度向上層２０においては、プリズムフィルムの様な現象は起きず、表示装置に適する構成であることがわかる。

このように、本発明の一実施形態に係る面光源装置１においては、角度向上層２０が偏光分離層１０と空気層３０を介して設けられることによって、光の利用効率の向上、偏光分離効率の向上をしつつ、光の角度分布も正面方向に制御することができる。面光源装置１を液晶表示装置のバックライトとして使用することで、低消費電力、高輝度で均一輝度のディスプレイを製造することもできる。

＜第２実施形態＞
上述した第１実施形態において、第１ファイバ１４は配置密度が光源８０からの距離に応じて変化するように配列され、第２ファイバ２４は配置密度が変化しないように配列されていたが、第２ファイバ２４についても配列密度が変化するようにした構成が第２実施形態である。

図７は、本発明の第２実施形態に係る偏光分離層１０の第１ファイバ１４と角度向上層２０の第２ファイバ２４との密度分布の相関を説明する図である。図７に示す縦軸は密度を示し、横軸は光源８０からの距離を示している。

第１実施形態において説明したとおり、第１ファイバ１４の配置密度は、スペクトルＳ１に示すとおり、光源８０から遠くなるにつれて、粗、密、粗の順に変化する。第２実施形態における第２ファイバ２４の配置密度は、スペクトルＳ２に示すとおり、光源８０から遠くなるにつれて、密、粗、密の順に変化する。すなわち、第２実施形態では、第１ファイバ１４の配置密度と第２ファイバ２４の配置密度とが逆相関を持つように構成されている。

導光層４０の大きさ、光源８０からの光の照射範囲、偏光分離層１０の構成などの条件によっては、偏光分離層１０における第１ファイバ１４の配置密度を図７に示すようにすると、Ｓ偏光の光が空気層３０に取り出される量が光源８０からの距離に応じて変化しないようにできる場合がある一方、光の拡がり（図４に示す扇型Ｗ１の拡がり）が光源８０からの距離に応じて変化する場合がある。例えば、第１ファイバ１４の配置密度が密であるほど光の拡がりが大きくなる一方、粗であるほど光の拡がりが小さくなる。

このような場合であっても、角度向上層２０における第２ファイバ２４の配置密度の分布を、図７に示すように第１ファイバ１４と相関を持つように規定することで、光の拡がりを光源８０からの距離によらず一定に近づけることができる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態においては、本発明の第１実施形態に係る面光源装置１を液晶ディスプレイなどの表示装置に適用した場合の構成について説明する。

図８は、本発明の第３実施形態に係る表示装置５００の構成を説明する図である。表示装置５００は、液晶パネル２、偏光板３、４およびこれらに向けて光を放出する面光源装置１を有する。偏光板３は、面光源装置１から概ねＥＤ方向に取り出されるＳ偏光の光を通過させるように軸合わせがされている。液晶パネル２は、複数の画素毎に設けられた液晶駆動回路と、その液晶駆動回路によって透過する光の偏光方向の回転を制御する液晶とを有する。この例では、偏光板４は、偏光板３が通過させる光とは偏光が９０度回転した光を通過させるように軸合わせがされている。なお、面光源装置１からの光は偏光方向が揃っているため、液晶パネル２の面光源装置１側の偏光板３は無くてもよい。

このような表示装置５００は、スマートフォン、携帯電話、パーソナルコンピュータ、ＴＶなどに置いて用いることができる。

＜変形例１＞
上述した実施形態においては、第１ファイバ１４および第２ファイバ２４の長手方向となるＤ１方向はＤ２方向と直交していた。第１ファイバ１４の長手方向は、必ずしもＤ２方向と直交していなくてもよくＤ２方向と異なる方向であればよいが、正面輝度、出光角度分布への影響が少ない状態（直交時に比べた変化が１０％程度）とするために、Ｄ２方向とのなす角が７０度以上９０度以下であることが望ましく、８０度以上９０度以下であることがさらに望ましい。

また、第１ファイバ１４と第２ファイバ２４とは長手方向が同一方向であったが、光放出面ＬＳからの出光角度分布にどのような分布を所望するかによって、同一方向でなくてもよい。すなわち、第１ファイバ１４の長手方向と同様に、第２ファイバ２４の長手方向は、必ずしもＤ２方向と直交していなくてもよくＤ２方向と異なる方向であればよいが、正面輝度、出光角度分布への影響が少ない状態（直交時に比べた変化が１０％程度）とするために、Ｄ２方向とのなす角が７０度以上９０度以下であることが望ましく、８０度以上９０度以下であることがさらに望ましい。

＜変形例２＞
上述した実施形態において、偏光分離層１０の第１マトリックス層１２の屈折率ｎｍと第１ファイバ１４の常光線屈折率ｎｏ１とを一致させていたが、第１マトリックス層１２の屈折率ｎｍ１と第１ファイバ１４の異常光線屈折率ｎｅ１と一致させてもよい。この場合には、Ｓ偏光成分ではなく、Ｐ偏光成分が空気層３０に取り出されるようになる。そのため、角度向上層２０についても同様にして、第２マトリックス層２２の屈折率ｎｍ２と第２ファイバ２４の異常光線屈折率ｎｅ２と一致させてもよい。

＜変形例３＞
上述した実施形態において、偏光分離層１０と角度向上層２０との間には、空気層３０が存在していたが、偏光分離層１０の第１マトリックス層１２の屈折率ｎｍ１よりも低い屈折率の層（低屈折率層）であれば、空気層３０でなくてもよい。このような低屈折率層が偏光分離層１０と角度向上層２０との間に設けられていれば、偏光分離層１０から取り出されるべきではない光（Ｐ偏光成分）の全反射条件が維持されるためである。光源８０からの光の照射範囲、導光層４０の厚さなどにもよるが、低屈折率層の屈折率は、ｎｍ１−０．２以下、望ましくはｎｍ１−０．３であるが、限りなく１に近い方が望ましい。そのため、低屈折率層は、空気層３０のように気体で構成されることが望ましい。

＜変形例４＞
上述した実施形態においては、第１ファイバ１４および第２ファイバ２４は、断面形状が円形であったが、円形でなくてもよい。例えば、断面形状が三角形、長方形、六角形などの規則的および不規則な多角形、または曲線および直線の辺を組み合わせた形状であってもよい。

また、第１ファイバ１４および第２ファイバ２４の長さは、長短が混在していていもよく、Ｄ１方向の両端まで連続したファイバになっていなくてもよい。また、層の厚さ方向に何本分積層されるかについてもそれぞれ所望の光学特性に応じて設定すればよい。

１…面光源装置、２…液晶パネル、３，４…偏光板、１０…偏光分離層、１２…第１マトリックス層、１４…第１ファイバ、２０…角度向上層、２２…第２マトリックス層、２４…第２ファイバ、３０…空気層、４０…導光層、４０Ｓ…光導入面、５０…底面反射板、６０…側面反射板、８０…光源、１００…導光板、５００…表示装置

Claims (8)

1. 側面に配置される光源から照射される光を光放出面から放出する導光板であって、
   前記光源から放出される光を内部に導入する光導入面を側面に有する導光層と、
   等方性の屈性率ｎｍ１を有する第１マトリックス層と、前記第１マトリックス層の内部において前記光導入面の法線方向とは異なる方向に沿って配置された複屈折性（常光線屈折率ｎｏ１、異常光線屈折率ｎｅ１）を有する第１ファイバとを有し、前記導光層より前記光放出面側に設けられた偏光分離層と、
   前記第１マトリックス層の屈折率よりも低い屈折率であり、前記偏光分離層より前記光放出面側に設けられた低屈折率層と、
   等方性の屈性率ｎｍ２を有する第２のマトリックス層と、前記第２のマトリックス層の内部に配置された複屈折性（常光線屈折率ｎｏ２、異常光線屈折率ｎｅ２）を有する第２のファイバとを有し、前記低屈折率層より前記光放出面側に設けられた角度向上層と
   を備え、
   前記第１マトリックス層、前記第２のマトリックス層、前記第１ファイバおよび前記第２のファイバの屈折率が、｜ｎｍ１−ｎｏ１｜≦０．０１かつ｜ｎｍ２−ｎｏ２｜≦０．０１の条件、または｜ｎｍ１−ｎｅ１｜≦０．０１かつ｜ｎｍ２−ｎｅ２｜≦０．０１の条件を満たしていることを特徴とする導光板。
2. 前記低屈折率層は、気体の層であることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
3. 前記第１マトリックス層と前記第２マトリックス層とは同一組成の樹脂であり、
   前記第１ファイバと前記第２ファイバとは同一組成の樹脂であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の導光板。
4. 前記第２ファイバは、長軸方向が前記第１ファイバの長軸方向と同一方向となるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の導光板。
5. 前記導光層の前記光導入面および前記光放出面側の面以外の少なくとも一つの面側に、光の偏光を回転させて反射させる反射板が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の導光板。
6. 前記第１ファイバは、前記光導入面からの距離に応じて配置密度が変化し、
   前記第２ファイバの配置密度は、前記第１ファイバの配置密度とは逆相関を持つことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の導光板。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の導光板と、
   前記側面に配置される光源と
   を備えることを特徴とする面光源装置。
8. 請求項７に記載の面光源装置と、
   前記光放出面から放出される光が入射され、当該光の偏光方向の回転を制御する液晶パネルと、
   前記液晶パネルの少なくとも前記面光源装置とは反対側に設けられた偏光板と
   を備えることを特徴とする表示装置。