JP2020098259A - 表示装置、および反射型偏光素子 - Google Patents

表示装置、および反射型偏光素子 Download PDF

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Abstract

【課題】光の利用効率を高めることができる表示装置、および反射型偏光素子を提供すること。【解決手段】表示装置１００は、光源部１１と、光源部１１から出射された光が入射する導光体１５と、導光体１５から出射された光を変調する液晶パネル１０と、導光体１５と液晶パネル１０との間に設けられた反射型偏光素子１とを備えている。反射型偏光素子１は、一方向に延在する反射性の金属部と、金属部の厚さ方向の端部に設けられた増反射部とを有し、反射型偏光素子１に対する光は、増反射部に対して金属部と反対側から入射する。増反射部は、金属部の端部に重なる低屈折率膜と、低屈折率膜に対して金属部とは反対側に設けられた高屈折率膜とを含み、高屈折率膜の膜厚は、金属部の厚さ、金属部の幅、および低屈折率膜の厚さに対応する適正な厚さに設定される。【選択図】図１

Description

本発明は、導光体を備えた表示装置、および反射型偏光素子に関するものである。
表示装置等では、光源部と、光源部から出射された光が入射する導光体とを備えた照明装置が用いられることがある。この種の照明装置において、導光体の出射面に対向するように反射型偏光素子を配置した構成が提案されている（特許文献１参照）。
特許文献１に記載の構成では、反射型偏光素子は、導光体から出射される光のうち、第１偏光成分の光のみを透過させ、第１偏光成分の光と偏光方向が異なる第２偏光成分の光を反射させる。反射型偏光素子で第２偏光成分の光が反射する際、偏光方向が回転する。このため、反射型偏光素子で反射した第２偏光成分の光の一部が第１偏光成分の光となって、導光体の内部で反射して反射型偏光素子に向かい、反射型偏光素子を透過する。従って、特許文献１には、上記の動作を繰り返せば、導光体から出射される光の偏光方向を揃えることができるとともに、光の利用効率を高めることができる、と記載されている。
特開２０１１−１３８６２７号公報
特許文献１に使用される反射型偏光素子に対しては、第１偏光成分の光に対する透過率、および第２偏光成分の反射率の双方が高いことが求められる。しかしながら、透過率、および反射率の双方が高い反射型偏光素子は、未だ実現されていないため、特許文献１に記載の構成を採用しても、反射型偏光素子での光の吸収が大きく、光の利用効率を高めることができないという課題がある。
上記課題を解決するために、本発明に係る表示装置の一態様は、光源部と、前記光源部から出射された光が入射する導光体と、前記導光体から出射された光を変調する液晶パネルと、前記導光体と前記液晶パネルとの間に設けられた反射型偏光素子と、を備え、前記反射型偏光素子は、一方向に延在する反射性の金属部と、前記金属部よりも光入射側に設けられた増反射部と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係る反射型偏光素子の一態様は、一方向に延在する反射性の金属部と、前記金属部よりも光入射側に設けられた増反射部と、を備え、前記増反射部は、低屈折率膜と、前記低屈折率膜に対して前記金属部とは反対側に設けられ、前記低屈折率膜より屈折率が大きい高屈折率膜と、を含み、前記金属部の厚さをＨｎｍとし、前記金属部の幅をＷｎｍとし、前記高屈折率膜の屈折率をｎとし、前記低屈折率膜の厚さをｔａとし、前記高屈折率膜の厚さをｔｂとしたとき、前記高屈折率膜の厚さｔｂは、以下の条件式（ａ１）、（ｂ１）
条件式（ａ１）
［（Ａ０×ｔａ＋Ｂ０）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］−３０ｎｍ≦ｔｂ
条件式（ｂ１）
［（Ａ０×ｔａ＋Ｂ０）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］＋３０ｎｍ≧ｔｂ
但し、上記条件式（ａ１）、（ａ２）において、
Ａ０＝−０．００２２Ｈ−０．３０７８
Ｂ０＝０．０４６１Ｈ＋１０３．９４
ｔｂ＞０
の双方を満たすことを特徴とする。
また、本発明に係る反射型偏光素子の別態様は、一方向に延在する反射性の金属部と、前記金属部よりも光入射側に設けられた増反射部と、を備え、前記増反射部は、低屈折率膜と、前記低屈折率膜に対して前記金属部とは反対側に設けられ、前記低屈折率膜より屈折率が大きい高屈折率膜と、を含み、前記金属部の厚さをＨｎｍとし、前記金属部の幅をＷｎｍとし、前記高屈折率膜の屈折率をｎとし、前記低屈折率膜の厚さをｔａとし、前記高屈折率膜の厚さをｔｂとしたとき、前記高屈折率膜の厚さｔｂは、以下の条件式（ａ２）、（ｂ２）
条件式（ａ２）
［（Ａ１×ｔａ＋Ｂ１）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］≦ｔｂ
但し、上記条件式（ａ２）において、
Ａ１＝−０．０００２Ｈ−０．４６２５
Ｂ１＝−０．２５３４Ｈ＋９０．２８
ｔｂ＞０
条件式（ｂ２）
［（Ａ２×ｔａ＋Ｂ２）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］≧ｔｂ
但し、上記条件式（ｂ２）において、
Ａ２＝−０．００４６Ｈ−０．１５３２
Ｂ２＝０．３４５６Ｈ＋１１７．６
の双方を満たすことを特徴とする。
本発明に係る表示装置の第１構成例の一態様を模式的に示す説明図。 本発明を適用した反射型偏光素子の一態様を示す説明図。 図２に示す金属部等を拡大して示す断面図。 図３に示す反射型偏光素子の増反射部の構成と光学特性との関係を示す説明図。 図３に示す金属部の幅を４０ｎｍとし、高屈折率膜をＴｉＯ２とした場合の積Ｔｐ×Ｒｓの値を示す説明図。 図３に示す金属部の幅を６０ｎｍとし、高屈折率膜をＴｉＯ２とした場合のＴｐ×Ｒｓの値を示す説明図。 図３に示す金属部の幅を４０ｎｍとし、高屈折率膜をＴａ２Ｏ５とした場合の積Ｔｐ×Ｒｓの値を示す説明図。 図３に示す金属部の幅を６０ｎｍとし、高屈折率膜をＴａ２Ｏ５とした場合の積Ｔｐ×Ｒｓの値を示す説明図。 図５に示す結果のうち、金属部の厚さが５０ｎｍで、幅が４０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の厚さと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフ。 図５に示す結果のうち、金属部の厚さが１００ｎｍで、幅が４０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の厚さと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフ。 図５に示す結果のうち、金属部の厚さが１５０ｎｍで、幅が４０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の厚さと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフ。 図５に示す結果のうち、金属部の厚さが２００ｎｍで、幅が４０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の厚さと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフ。 図６に示す結果のうち、金属部の厚さが５０ｎｍで、幅が６０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の厚さと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフ。 図６に示す結果のうち、金属部の厚さが１００ｎｍで、幅が６０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の厚さと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフ。 図７に示す結果のうち、金属部の厚さが１００ｎｍで、幅が４０ｎｍの場合におけるＴａ２Ｏ５の厚さと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフ。 図７に示す結果のうち、金属部の厚さが１５０ｎｍで、幅が４０ｎｍの場合におけるＴａ２Ｏ５の厚さと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフ。 図８に示す結果のうち、金属部の厚さが５０ｎｍで、幅が６０ｎｍの場合におけるＴａ２Ｏ５の厚さと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフ。 図８に示す結果のうち、金属部の厚さが１００ｎｍで、幅が６０ｎｍの場合におけるＴａ２Ｏ５の厚さと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフ。 図３に示す金属部の幅を４０ｎｍとし、高屈折率膜をＴｉＯ２とした場合の高屈折率膜の最適な厚さ等を示す説明図。 図３に示す金属部の幅を６０ｎｍとし、高屈折率膜をＴｉＯ２とした場合の高屈折率膜の最適な厚さ等を示す説明図。 図３に示す金属部の幅を４０ｎｍとし、高屈折率膜をＴａ２Ｏ５とした場合の高屈折率膜の最適な厚さ等を示す説明図。 図３に示す金属部の幅を６０ｎｍとし、高屈折率膜をＴａ２Ｏ５とした場合の高屈折率膜の最適な厚さ等を示す説明図。 図３に示す金属部の幅が４０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の最適な厚さ等の変化を示すグラフ。 図３に示す金属部の幅が６０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の最適な厚さ等の変化を示すグラフ。 図３に示す金属部の幅Ｗが４０ｎｍの場合におけるＴａ２Ｏ５の最適な厚さ等の変化を示すグラフ。 図３に示す金属部の幅Ｗが６０ｎｍの場合におけるＴａ２Ｏ５の最適な厚さ等の変化を示すグラフ。 図３に示す高屈折率膜の最適な厚さ、下限値、および上限値の近似式における係数を決定する方法を示す説明図。 近似式に基づいた適正化条件２を検証するための説明図。 本発明に係る表示装置の第２構成例の一態様を模式的に示す説明図。 本発明に係る表示装置の第３構成例の一態様を模式的に示す説明図。
図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明で参照する図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならしめてある。また、以下の説明では、金属部３が延在している方向をＹ方向とし、金属部３が並列している方向をＸ方向としてある。
［表示装置の第１構成例］
図１は、本発明に係る表示装置の第１構成例の一態様を模式的に示す説明図である。図１に示すように、本発明を適用した表示装置１００は、光源部１１と、光源部１１から出射された光が入射する導光体１５と、導光体１５から出射された光を変調する液晶パネル１０と、導光体１５と液晶パネル１０との間に設けられた反射型偏光素子１とを備えている。光源部１１、導光体１５および反射型偏光素子１は照明装置１１０を構成している。また、表示装置１００は、液晶パネル１０に対して照明装置１１０とは反対側に偏光素子１８を有している。
導光体１５は、いわゆるライトトンネルであり、出射部１５２での光の輝度分布を均一化するため、入射部１５１から出射部１５２に向かって壁面１５０が連続的に拡径した形状を有している。このため、入射部１５１から入射した光は、導光体１５の壁面１５０で反射しながら徐々に光束の角度が揃えられて、出射部１５２に対してほぼ垂直な方向に光束が揃えられることになる。
本実施形態において、液晶パネル１０は、カラーフィルターを内蔵した透過型のカラー液晶パネルであり、光源部１１は白色光を出射する。光源部１１から出射された白色光は、導光体１５の入射部１５１を介して導光体１５の内部に入射した後、導光体１５の壁面１５０で反射しながら出射部１５２から出射される。
本実施形態において、光源部１１は、光源１２と光学素子１３とを備えている。光源１２は、例えば、第１波長の光を放出する発光ダイオード等の発光素子である。光学素子１３は、例えば、光源１２から導光体１５に向かって、第１機能膜、蛍光体含有部材、および第２の機能膜が順に積層された構造を有している。第１機能膜は、第１波長の光を透過させると共に、第２波長の光を反射させる。蛍光体含有部材は、第１波長の光により励起されて第２波長の光を放出する。第２機能膜は、第２波長の光を透過させると共に、第１波長の光を反射させる。従って、光源部１１から出射される光は、第２波長の光である。本実施形態では、第１波長の光が紫外光であり、光源部１１から出射される第２波長の光は白色光である。
このように構成した表示装置１００において、反射型偏光素子１は、導光体１５の出射部１５２に対向している。このため、導光体１５から出射される光のうち、第１偏光成分の光を透過させ、第１偏光成分の光と偏光方向が異なる第２偏光成分の光を反射するため、液晶パネル１０には、第１偏光成分の光が入射する。このため、液晶パネル１０は、第１偏光成分の光を変調し、偏光素子１８は、例えば、第２偏光成分の光を透過する。それ故、表示装置１００は直視型の表示装置として、カラー画像を表示する。
かかる表示装置１００および照明装置１１０において、反射型偏光素子１で第２偏光成分の光が反射する際、偏光方向が回転する。このため、反射型偏光素子１で反射した第２偏光成分の光の一部が第１偏光成分の光となって、導光体１５の内部で反射して再び、反射型偏光素子１に向かい、反射型偏光素子１を透過する。従って、上記の動作を繰り返せば、導光体１５から出射される光の偏光方向を揃えることができる。また、反射型偏光素子１において、以下に説明する構成を採用することにより、第１偏光成分の光に対する透過率（Ｔｐ）、および第２偏光成分の反射率（Ｒｓ）の双方を高めておけば、光の利用効率を高めることができる。
［反射型偏光素子１の構成］
図２は、本発明を適用した反射型偏光素子１の一態様を示す説明図である。図３は、図２に示す金属部３等を拡大して示す断面図である。図２および図３に示す反射型偏光素子１は、図１を参照して説明した表示装置１００等に用いられる。図２および図３に示すように、反射型偏光素子１は、透光性の基板２と、基板２の一方面２ａに形成された反射性の金属部３とを有するワイヤーグリッド反射型偏光素子である。複数の金属部３は、等ピッチで一方向（Ｙ方向）に延在してワイヤーグリッドを形成している。本実施形態において、複数の金属部３は、互いに平行に並列している。
本実施形態の反射型偏光素子１では、金属部３の厚さ方向の端部に増反射部６が設けられており、光は、金属部３に対して増反射部６が設けられている側から入射する。従って、図１に示す表示装置１００において、反射型偏光素子１は、金属部３に対して増反射部６が設けられている側を導光体１５に向けて配置される。それ故、反射型偏光素子１の光の吸収が小さいので、光の利用効率を高めることができる。本実施形態では、金属部３の厚さ方向の両端部のうち、基板２と反対側の端部に増反射部６が設けられており、光は、増反射部６に対して基板２とは反対側から入射する。
基板２は、ガラス基板、石英基板、水晶基板等の透光性基板である。基板２は、例えば、厚さが０．５ｍｍから１０ｍｍである。金属部３の幅ＷおよびスペースＳ（金属部３の間隔）は、例えば４００ｎｍ以下である。本実施形態において、金属部３の幅ＷおよびスペースＳは各々、例えば２０ｎｍから３００ｎｍであり、金属部３の厚さＨは、２０ｎｍから３００ｎｍである。可視光波長領域において金属部３での吸収損失を小さく抑えるという観点から、金属部３には、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウムを主成分とする合金、銀、または銀を主成分とする合金等の反射性金属が用いられることが好ましい。本実施形態において、金属部３はアルミニウムからなる。隣り合う金属部３の間では、金属部３等をパターニングする際に基板２がエッチングされて、溝２ｂが形成されている。なお、反射型偏光素子１では、金属部３の側面にシリコン酸化膜等の耐水膜が形成されることもある。
かかる反射型偏光素子１は、金属部３のピッチが入射光の波長よりも十分短ければ、入射光のうち、金属部３の延在方向に直交する方向に振動する第１偏光成分の直線偏光（ｐ偏光、ＴＭ波）を透過し、金属部３の延在方向に振動する第２偏光成分の直線偏光（ｓ偏光、ＴＥ波）については反射する。その際、第２偏光成分の直線偏光は、偏光方向が回転する。
本実施形態において、増反射部６は、金属部３の端部３０に重なる低屈折率膜４と、低屈折率膜４に対して金属部３とは反対側に設けられた高屈折率膜５とを有している。ここで、「低屈折率」および「高屈折率」とは、低屈折率膜４と高屈折率膜５とにおける屈折率の相対的な大小関係を意味しており、高屈折率膜５は、低屈折率膜４より屈折率が大きい。
（反射型偏光素子１の詳細構成）
以下、第１偏光成分の直線偏光をｐ偏光とし、第２偏光成分の直線偏光をｓ偏光として説明する。図４は、図３に示す反射型偏光素子１の増反射部６の構成と光学特性との関係を示す説明図である。図４には、光学特性として、ｐ偏光の光の反射率Ｒｐ、ｐ偏光の光の透過率Ｔｐ、ｓ偏光の光の反射率Ｒｓ、およびｓ偏光の光の透過率Ｔｓを示してある。さらに、図４には、ｐ偏光の光の透過率Ｔｐとｓ偏光の光の反射率Ｒｓとの積（Ｔｐ×Ｒｓ）で規定される光の利用効率を示してある。
図３に示す反射型偏光素子１において、金属部３の厚さＨおよび低屈折率膜４の厚さｔａを一定にして、高屈折率膜５の厚さｔｂを変化させると、図４に示すように、ｐ偏光の光の反射率Ｒｐ、ｐ偏光の光の透過率Ｔｐ、ｓ偏光の光の反射率Ｒｓ、およびｓ偏光の光の透過率Ｔｓが変化する。本実施形態では、ｐ偏光の光の透過率Ｔｐ、およびｓ偏光の光の反射率Ｒｓの双方が高いことが好ましいことから、例えば、ｐ偏光の光の透過率Ｔｐとｓ偏光の光の反射率Ｒｓとの積（Ｔｐ×Ｒｓ）が高いことが好ましいことになる。例えば、本実施形態では、光の利用効率が、金属部３が延在する一方向に対して直交する他方向に振動する第１偏光成分の直線偏光（ｐ偏光）の透過率Ｔｐと、一方向に振動する第２偏光成分の直線偏光（ｓ偏光）の反射率との積で規定され、光の利用効率が８０％以上であることが好ましい。
但し、反射型偏光素子１に設ける増反射部６は、レンズ等に設ける通常の増反射膜と異なる挙動を示すため、反射型偏光素子１に設ける増反射部６の最適条件は、レンズ等に設ける通常の増反射膜の最適条件と大きく異なる。そこで、本願発明者は、ｐ偏光の光の透過率Ｔｐとｓ偏光の光の反射率Ｒｓとの積（Ｔｐ×Ｒｓ）が高い反射型偏光素子１を得るための条件を検討したので、その検討結果を図５〜図２８を参照して説明する。
以下に説明する検討では、金属部３、低屈折率膜４、および高屈折率膜５として、以下の条件を選定した。また、金属部３のピッチＰは１４０ｎｍである。なお、ｐ偏光の光の透過率Ｔｐ、ｓ偏光の光の反射率Ｒｓ、および屈折率ｎの値は、波長を５４０ｎｍとした場合の値である。
金属部３
材質＝アルミニウム（Ａｌ）
厚さ＝５０ｎｍ〜２５０ｎｍ
幅＝４０ｎｍ、６０ｎｍ
低屈折率膜４
材質＝シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）
屈折率ｎ＝１．４６
厚さ＝２０ｎｍ〜２００ｎｍ
高屈折率膜５
材質＝チタン酸化膜（ＴｉＯ２）
屈折率ｎ＝２．６６
材質＝タンタル酸化膜（Ｔａ２Ｏ５）
屈折率ｎ＝２．１４
厚さ＝２０ｎｍ〜１８０ｎｍ
（反射型偏光素子１の検討結果１）
まず、反射型偏光素子１の金属部３、および増反射部６の構成を変化させた場合の積Ｔｐ×Ｒｓのシミュレーション結果を図５〜図８に示す。
図５は、図３に示す金属部３の幅Ｗを４０ｎｍとし、高屈折率膜５をＴｉＯ２とした場合の積Ｔｐ×Ｒｓの値を示す説明図である。図６は、図３に示す金属部３の幅Ｗを６０ｎｍとし、高屈折率膜５をＴｉＯ２とした場合のＴｐ×Ｒｓの値を示す説明図である。図７は、図３に示す金属部３の幅Ｗを４０ｎｍとし、高屈折率膜５をＴａ２Ｏ５とした場合の積Ｔｐ×Ｒｓの値を示す説明図である。図８は、図３に示す金属部３の幅Ｗを６０ｎｍとし、高屈折率膜５をＴａ２Ｏ５とした場合の積Ｔｐ×Ｒｓの値を示す説明図である。なお、図５〜図８では、金属部３の厚さＨ、低屈折率膜４の厚さｔａ、および高屈折率膜５の厚さｔｂを変化させた場合の積Ｔｐ×Ｒｓの値を示してある。但し、今回の検討では、積Ｔｐ×Ｒｓが比較的高い値となる条件範囲を中心に検討し、その結果を図５〜図８に示してある。なお、図５〜図８に示す積Ｔｐ×Ｒｓの値は、１００倍して％に変換する前の値である。
図５〜図８に示すように、金属部３の厚さＨ、金属部３の幅Ｗ、低屈折率膜４の厚さｔａ、高屈折率膜５の材質、および高屈折率膜５の厚さｔｂのいずれが変化した場合でも、積Ｔｐ×Ｒｓが変化することが分かる。
（反射型偏光素子１の検討結果２）
次に、図５〜図８に示す結果に基づいて、積Ｔｐ×Ｒｓがピークとなる高屈折率膜５の厚さｔｂを検討したので、その結果を図９〜図２２に示す。
図９は、図５に示す結果のうち、金属部３の厚さＨが５０ｎｍで、幅Ｗが４０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の厚さｔｂと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフである。図１０は、図５に示す結果のうち、金属部３の厚さＨが１００ｎｍで、幅Ｗが４０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の厚さｔｂと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフである。図１１は、図５に示す結果のうち、金属部３の厚さＨが１５０ｎｍで、幅Ｗが４０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の厚さｔｂと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフである。図１２は、図５に示す結果のうち、金属部３の厚さＨが２００ｎｍで、幅Ｗが４０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の厚さｔｂと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフである。
図１３は、図６に示す結果のうち、金属部３の厚さＨが５０ｎｍで、幅Ｗが６０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の厚さｔｂと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフである。図１４は、図６に示す結果のうち、金属部３の厚さＨが１００ｎｍで、幅Ｗが６０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の厚さｔｂと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフである。
図１５は、図７に示す結果のうち、金属部３の厚さＨが１００ｎｍで、幅Ｗが４０ｎｍの場合におけるＴａ２Ｏ５の厚さｔｂと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフである。図１６は、図７に示す結果のうち、金属部３の厚さＨが１５０ｎｍで、幅Ｗが４０ｎｍの場合におけるＴａ２Ｏ５の厚さｔｂと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフである。
図１７は、図８に示す結果のうち、金属部３の厚さＨが５０ｎｍで、幅Ｗが６０ｎｍの場合におけるＴａ２Ｏ５の厚さｔｂと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフである。図１８は、図８に示す結果のうち、金属部３の厚さＨが１００ｎｍで、幅Ｗが６０ｎｍの場合におけるＴａ２Ｏ５の厚さｔｂと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係を示すグラフである。
図１９は、図３に示す金属部３の幅Ｗを４０ｎｍとし、高屈折率膜５をＴｉＯ２とした場合の高屈折率膜５の最適な厚さｔｂ０等を示す説明図である。図２０は、図３に示す金属部３の幅Ｗを６０ｎｍとし、高屈折率膜５をＴｉＯ２とした場合の高屈折率膜５の最適な厚さｔｂ０等を示す説明図である。図２１は、図３に示す金属部３の幅Ｗを４０ｎｍとし、高屈折率膜５をＴａ２Ｏ５とした場合の高屈折率膜５の最適な厚さｔｂ０等を示す説明図である。図２２は、図３に示す金属部３の幅Ｗを６０ｎｍとし、高屈折率膜５をＴａ２Ｏ５とした場合の高屈折率膜４の最適な厚さｔｂ０等を示す説明図である。
図５〜図８に示す結果に基づいて、各条件における高屈折率膜５（ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５）の厚さｔｂと積Ｔｐ×Ｒｓとの関係をグラフにすると、図９〜図１８に示すように、高屈折率膜５（ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５）が所定の厚さ（最適な厚さｔｂ０）になったとき、積Ｔｐ×Ｒｓのピークが出現することがわかる。
そこで、ピーク付近の変化を、高屈折率膜５の厚さｔｂを変数とする以下の二次関数に近似し、その近似式における係数ａ、ｂ、ｃを図１９〜図２２に示す。
ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ
ｙ＝積Ｔｐ×Ｒｓ
ｘ＝高屈折率膜５の厚さｔｂ
上式において、積Ｔｐ×Ｒｓが最大値となる高屈折率膜５の最適な厚さｔｂ０は−ｂ／２ａであるから、積Ｔｐ×Ｒｓがピークとなるときの高屈折率膜５の最適な厚さｔｂ０を求めることができるので、それらの値を図１９〜図２２に示す。
また、上式によれば、ｙ＝８０％（積Ｔｐ×Ｒｓ）以上としたときの高屈折率膜５の下限値ｔｂ１、および上限値ｔｂ２を求めることができるので、それらの値を図１９〜図２２に示す。なお、条件によっては、積Ｔｐ×Ｒｓが８０％以上とならない場合もある。
（反射型偏光素子１の検討結果３）
次に、図１９〜図２２に示す積Ｔｐ×Ｒｓがピークとなるときの高屈折率膜５の最適な厚さｔｂ０、高屈折率膜５の下限値ｔｂ１、および高屈折率膜５の上限値ｔｂ２を、低屈折率膜４の厚さｔａを変数として、グラフ化すると、図２３〜図２６等に示す結果が得られる。
図２３は、図３に示す金属部３の幅Ｗが４０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の最適な厚さｔｂ０等の変化を示すグラフである。図２４は、図３に示す金属部３の幅Ｗが６０ｎｍの場合におけるＴｉＯ２の最適な厚さｔｂ０等の変化を示すグラフである。図２５は、図３に示す金属部３の幅Ｗが４０ｎｍの場合におけるＴａ２Ｏ５の最適な厚さｔｂ０等の変化を示すグラフである。図２６は、図３に示す金属部３の幅Ｗが６０ｎｍの場合におけるＴａ２Ｏ５の最適な厚さｔｂ０等の変化を示すグラフである。
図２３〜図２６に示すように、積Ｔｐ×Ｒｓがピークとなるときの高屈折率膜５の最適な厚さｔｂ０、高屈折率膜５の下限値ｔｂ１、および高屈折率膜５の上限値ｔｂ２は各々、低屈折率膜４の厚さｔｂを変数とする一次関数からなる以下の近似式で表すことができる。ここで、係数ａ、ｂは、金属部３の厚さＨの変数である。
ｙ＝ａｘ＋ｂ
ｙ＝高屈折率膜５の厚さｔｂ
ｘ＝低屈折率４の厚さｔａ
係数ａ、ｂ＝金属部３の厚さＨの変数
（反射型偏光素子１の検討結果４）
図２７は、図３に示す高屈折率膜５の最適な厚さｔｂ０、下限値ｔｂ１、および上限値ｔｂ２の近似式における係数を決定する方法を示す説明図である。
上記結果からすれば、特定の条件を基準に、高屈折率膜５の最適な厚さｔｂ０、高屈折率膜５の下限値ｔｂ１、および高屈折率膜５の上限値ｔｂ２を、低屈折率膜４を変数とする近似式として表し、特定の条件から変化させたパラメーターの影響を補正すればよいことになる。その結果、特定の条件を含む広い範囲にわたって、高屈折率膜５の最適な厚さｔｂ０、高屈折率膜５の下限値ｔｂ１、および高屈折率膜５の上限値ｔｂ２を低屈折率膜４の厚さｔａを変数とする一般式とすることができる。
より具体的には、図２３に示す以下の条件を基準にして、高屈折率膜５の最適な厚さｔｂ０、高屈折率膜５の下限値ｔｂ１、および高屈折率膜５の上限値ｔｂ２を、低屈折率膜４の厚さｔａを変数とする一次関数からなる近似式で表し、特定の条件から変化させたパラメーターの影響を補正する。
基本条件
金属部３（Ａｌ）の幅＝４０ｎｍ
高屈折率膜５の材質＝ＴｉＯ２
基本条件における近似式
ｙ＝ａｘ＋ｂ
ｘ＝低屈折率膜４（ＳｉＯ２）の厚さｔａ
係数ａ、ｂ＝金属部３の厚さＨの変数
より具体的には、図２３において、高屈折率膜５の最適な厚さｔｂ０、高屈折率膜５の下限値ｔｂ１、および高屈折率膜５の上限値ｔｂ２における各近似式において、係数ａ、ｂは、図２７の係数の一覧（ａ）に示すように、金属部３（Ａｌ）の厚さＨの変数である。また、基本条件において、各近似式における係数ａ、ｂは、図２７の係数ａのグラフ（ｂ）、および図２７の係数ｂのグラフ（ｃ）で示すように、以下の一次関数で近似できる。
高屈折率膜５の最適な厚さｔｂ０の近似式１
ｔｂ０＝Ａ０×ｔａ＋Ｂ０
Ａ０＝−０．００２２Ｈ−０．３０７８
Ｂ０＝０．０４６１Ｈ＋１０３．９４
高屈折率膜５の下限値ｔｂ１の近似式２
ｔｂ１＝Ａ１×ｔａ＋Ｂ１
Ａ１＝−０．０００２Ｈ−０．４６２５
Ｂ１＝−０．２５３４Ｈ＋９０．２８
高屈折率膜５の上限値ｔｂ２の近似式３
ｔｂ２＝Ａ２×ｔａ＋Ｂ２
Ａ２＝−０．００４６Ｈ−０．１５３２
Ｂ２＝０．３４５６Ｈ＋１１７．６
（反射型偏光素子１における高屈折率膜５の厚さの適正化条件１）
上記結果から、反射型偏光素子１については、高屈折率膜５の厚さｔｂを、最適な厚さｔｂ０の近似式１に対して一定の幅を設けた範囲に設定すれば、積Ｔｐ×Ｒｓを高い値とすることができる。例えば、図２３〜図２６に示す特性に基づいて、近似式１で求めた最適な厚さｔｂ０に対して±３０ｎｍの範囲に高屈折率膜５の厚さｔｂを設定すれば、積Ｔｐ×Ｒｓを高い値とすることができる。なお、近似式１で求めた最適な厚さｔｂ０に対して±２０ｎｍの範囲に高屈折率膜５の厚さｔｂを設定すれば、積Ｔｐ×Ｒｓをさらに高い値とすることができる。
また、基本条件では、金属部３（Ａｌ）の幅が４０ｎｍであるため、Ｗｎｍを変更した場合、条件式を変更する必要がある。本実施形態では、図２３に示す特性と図２４に示す特性との比較結果、および図２５に示す特性と図２６に示す特性との比較結果に基づいて、金属部３の幅を４０ｎｍからＷｎｍに変更した場合、（Ｗ−４０）ｎｍに相当する分、近似式から求めた厚さから減じる。かかる補正によれば、金属部３（Ａｌ）の幅が４０ｎｍ以外の場合でも、近似式に基づいて、高屈折率膜５を適正な厚さに設定することができる。
また、基本条件では、高屈折率膜５の材質が、屈折率が２．６６のＴｉＯ２であるため、材質を変更した場合、条件式を変更する必要がある。本実施形態では、図２３に示す特性と図２５に示す特性との比較結果、および図２４に示す特性と図２６に示す特性との比較結果に基づいて、高屈折率膜５を屈折率がｎの材質に変更した場合には、近似式から求めた厚さに（２．６６／ｎ）を乗じた値とする。かかる補正によれば、高屈折率膜５の材質がＴｉＯ２以外の場合でも、近似式に基づいて、高屈折率膜５を適正な厚さに設定することができる。
すなわち、金属部３の厚さをＨｎｍとし、金属部３の幅をＷｎｍとし、高屈折率膜５の屈折率をｎとし、低屈折率膜４の厚さをｔａとし、高屈折率膜５の厚さをｔｂとしたとき、高屈折率膜５の厚さｔｂを、以下の条件式（ａ１）、（ｂ１）
条件式（ａ１）
［（Ａ０×ｔａ＋Ｂ０）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］−３０ｎｍ≦ｔｂ
条件式（ｂ１）
［（Ａ０×ｔａ＋Ｂ０）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］＋３０ｎｍ≧ｔｂ
但し、上記条件式（ａ１）、（ｂ１）において、
Ａ０＝−０．００２２Ｈ−０．３０７８
Ｂ０＝０．０４６１Ｈ＋１０３．９４
ｔｂ＞０
の双方を満たすように設定すれば、積Ｔｐ×Ｒｓが高い反射型偏光素子１を実現できる。なお、高屈折率膜５の厚さが薄すぎる場合には、近似式の信頼性が低下する傾向にあるため、高屈折率膜５の厚さｔｂについては５ｎｍ以上であることが好ましい。
（反射型偏光素子１における高屈折率膜５の厚さの適正化条件２）
図２８は、近似式に基づいた適正化条件２を検証するための説明図である。
上記結果から、反射型偏光素子１については、近似式２、３に基づいて、高屈折率膜５の厚さを下限値ｔｂ１から上限値ｔｂ２までの間に設定すれば、積Ｔｐ×Ｒｓを高い値とすることができる。
この場合も、基本条件では、金属部３（Ａｌ）の幅が４０ｎｍであるため、Ｗｎｍを変更した場合、条件式を変更する必要がある。本実施形態では、図２３に示す特性と図２４に示す特性との比較結果、および図２５に示す特性と図２６に示す特性との比較結果に基づいて、金属部３の幅を４０ｎｍからＷｎｍに変更した場合、（Ｗ−４０）ｎｍに相当する分、近似式から求めた厚さから減じる。かかる補正によれば、金属部３（Ａｌ）の幅が４０ｎｍ以外の場合でも、近似式に基づいて、高屈折率膜５を適正な厚さに設定することができる。
また、基本条件では、高屈折率膜５の材質が、屈折率が２．６６のＴｉＯ２であるため、材質を変更した場合、条件式を変更する必要がある。本実施形態では、図２３に示す特性と図２５に示す特性との比較結果、および図２４に示す特性と図２６に示す特性との比較結果に基づいて、高屈折率膜５を屈折率がｎの材質に変更した場合には、近似式から求めた厚さに（２．６６／ｎ）を乗じた値とする。かかる補正によれば、高屈折率膜５の材質がＴｉＯ２以外の場合でも、近似式に基づいて、高屈折率膜５を適正な厚さに設定することができる。
すなわち、金属部３の厚さをＨｎｍとし、金属部３の幅をＷｎｍとし、高屈折率膜５の屈折率をｎとし、低屈折率膜４の厚さをｔａとし、高屈折率膜５の厚さをｔｂとしたとき、高屈折率膜５の厚さｔｂは、以下の条件式（ａ２）、（ｂ２）
条件式（ａ２）
［（Ａ１×ｔａ＋Ｂ１）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］≦ｔｂ
但し、上記条件式（ａ２）において、
Ａ１＝−０．０００２Ｈ−０．４６２５
Ｂ１＝−０．２５３４Ｈ＋９０．２８
ｔｂ＞０
条件式（ｂ２）
［（Ａ２×ｔａ＋Ｂ２）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］≧ｔｂ
但し、上記条件式（ｂ２）において、
Ａ２＝−０．００４６Ｈ−０．１５３２
Ｂ２＝０．３４５６Ｈ＋１１７．６
の双方を満たすように設定すれば、積Ｔｐ×Ｒｓが高い反射型偏光素子１を実現できる。なお、高屈折率膜５の厚さが薄すぎる場合には、近似式の信頼性が低下する傾向にあるため、高屈折率膜５の厚さｔｂについては５ｎｍ以上であることが好ましい。
かかる条件式（ａ２）、（ｂ２）について、検証するために、図２８に示すように、基本条件（ｉ）と、金属部３の幅を６０ｎｍとし、（Ｗ−４０）ｎｍの補正を行った場合（ii）と、高屈折率膜５として、屈折率が２．１４のＴａ２Ｏ５を用い、（２．６６／ｎ）の補正を行った場合（iii）と、（Ｗ−４０）ｎｍの補正および（２．６６／ｎ）の補正を行った場合（iv）の各々に対し、下限値ｔｂ１および上限値ｔｂ２を求めた。具体的には、金属部３の幅を６０ｎｍとした場合（ii）では、基本条件（ｉ）の算出結果に（Ｗ−４０）＝２０ｎｍを減じた。高屈折率膜５として、屈折率が２．１４のＴａ２Ｏ５用い場合（iii）では、基本条件（ｉ）の算出結果に２．１４を乗じた。金属部３の幅を６０ｎｍとし、かつ、高屈折率膜５として、屈折率が２．１４のＴａ２Ｏ５用い場合（iv）では、基本条件（ｉ）の算出結果に２．１４を乗じた後、２０ｎｍを減じた。
図２８に示す結果を図９等に示すグラフと対比すれば、積Ｔｐ×Ｒｓが８０％となる条件範囲を含ませることができ、条件式（ａ２）、（ｂ２）が適正であることがわかる。また、積Ｔｐ×Ｒｓが８０％となる条件が存在しない場合でも、条件式（ａ２）、（ｂ２）によれば、積Ｔｐ×Ｒｓが比較的高くなる条件範囲を設定することができる。
［表示装置の第２構成例］
図２９は、本発明に係る表示装置の第２構成例の一態様を模式的に示す説明図である。図２９に示すように、本発明を適用した表示装置１００は、赤色光（Ｒ）に対応する液晶パネル１０（Ｒ）、緑色光（Ｇ）に対応する液晶パネル１０（Ｇ）、および青色光（Ｂ）に対応する液晶パネル１０（Ｂ）が設けられており、液晶パネル１０（Ｒ）、１０（Ｇ）、１０（Ｂ）の各々に対し、光源部１１、導光体１５、および反射型偏光素子１を備えた照明装置１１０（Ｒ）、１１０（Ｇ）、１１０（Ｂ）が設けられている。従って、照明装置１１０（Ｒ）は赤色光（Ｒ）を液晶パネル１０（Ｒ）に出射し、照明装置１１０（Ｇ）は緑色光（Ｇ）を液晶パネル１０（Ｇ）に出射し、照明装置１１０（Ｂ）は緑色光（Ｂ）を液晶パネル１０（Ｂ）に出射する。
液晶パネル１０（Ｒ）、１０（Ｇ）、１０（Ｂ）の各々から出射された変調光は、ダイクロイックプリズムからなる光路合成素子１２０によって合成された後、投射光学系１３０によって、スクリーン等の被投射部材１４０に投射される。
このような構成の場合、光源１２自身が所定の色光を出射してもよく、この場合、光学素子１３は、レンズ等からなる態等であってもよい。
［表示装置の第３構成例］
図３０は、本発明に係る表示装置の第３構成例の一態様を模式的に示す説明図である。図１に示す表示装置１００では、液晶パネル１０が透過型であったが、図３０に示すように、液晶パネル１０が反射型であってもよい。この場合、照明装置１１０と液晶パネル１０との間に偏光素子１８が斜めに配置される。
なお、液晶パネル１０が反射型である場合に、図２９に示すように、液晶パネル１０および照明装置１１０を色光毎に設けて投射型表示装置を構成してもよい。
［他の実施形態］
上記実施形態では、金属部３の厚さ方向の両端部のうち、金属部３の基板２と反対側の端部３０に増反射部６が設けられていたが、光入射側に増反射部６が設けられている構造であれば、金属部３の基板２側の端部３０に増反射部６が設けられた態様であってもよい。
本発明を適用した反射型偏光素子１を備えた電子機器は、上記実施形態の投射型表示装置に限定されない。例えば、投射型のＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）や直視型のＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）、パーソナルコンピューター、デジタルスチルカメラ、液晶テレビ等の電子機器に用いてもよい。
１…反射型偏光素子、２…基板、３…金属部、４…低屈折率膜、５…高屈折率膜、６…増反射部、１０…液晶パネル、１１…光源部、１２…光源、１３…光学素子、１５…導光体、１８…偏光素子、１００…表示装置、１１０…照明装置、１２０…光路合成素子、１３０…投射光学系、１４０…被投射部材

Claims (10)

  1. 光源部と、
    前記光源部から出射された光が入射する導光体と、
    前記導光体から出射された光を変調する液晶パネルと、
    前記導光体と前記液晶パネルとの間に設けられた反射型偏光素子と、
    を備え、
    前記反射型偏光素子は、一方向に延在する反射性の金属部と、前記金属部よりも光入射側に設けられた増反射部と、を有することを特徴とする表示装置。
  2. 請求項１に記載の表示装置において、
    前記反射型偏光素子は、前記金属部に対して前記増反射部が設けられている側を前記導光体の出射部に向けて配置されていることを特徴とする表示装置。
  3. 請求項１または２に記載の表示装置において、
    前記液晶パネルが複数の色毎に設けられ、
    前記光源部、前記導光体、および前記反射型偏光素子を備えた照明装置が前記複数の色毎に設けられ、
    前記複数の色毎の液晶パネルから出射される各変調光の光路が光路合成素子によって合成されることを特徴とする表示装置。
  4. 請求項１から３までの何れか一項に記載の表示装置において、
    前記増反射部は、低屈折率膜と、前記低屈折率膜に対して前記金属部とは反対側に設けられ、前記低屈折率膜より屈折率が大きい高屈折率膜と、を含むことを特徴とする表示装置。
  5. 請求項４に記載の表示装置において、
    前記金属部の厚さをＨｎｍとし、前記金属部の幅をＷｎｍとし、前記高屈折率膜の屈折率をｎとし、前記低屈折率膜の厚さをｔａとし、前記高屈折率膜の厚さをｔｂとしたとき、前記高屈折率膜の厚さｔｂは、以下の条件式（ａ１）、（ｂ１）
    条件式（ａ１）
    ［（Ａ０×ｔａ＋Ｂ０）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］−３０ｎｍ≦ｔｂ
    条件式（ｂ１）
    ［（Ａ０×ｔａ＋Ｂ０）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］＋３０ｎｍ≧ｔｂ
    但し、上記条件式（ａ１）、（ｂ１）において、
    Ａ０＝−０．００２２Ｈ−０．３０７８
    Ｂ０＝０．０４６１Ｈ＋１０３．９４
    ｔｂ＞０
    の双方を満たすことを特徴とする表示装置。
  6. 請求項４に記載の表示装置において、
    前記金属部の厚さをＨｎｍとし、前記金属部の幅をＷｎｍとし、前記高屈折率膜の屈折率をｎとし、前記低屈折率膜の厚さをｔａとし、前記高屈折率膜の厚さをｔｂとしたとき、前記高屈折率膜の厚さｔｂは、以下の条件式（ａ２）、（ｂ２）
    条件式（ａ２）
    ［（Ａ１×ｔａ＋Ｂ１）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］≦ｔｂ
    但し、上記条件式（ａ２）において、
    Ａ１＝−０．０００２Ｈ−０．４６２５
    Ｂ１＝−０．２５３４Ｈ＋９０．２８
    ｔｂ＞０
    条件式（ｂ２）
    ［（Ａ２×ｔａ＋Ｂ２）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］≧ｔｂ
    但し、上記条件式（ｂ２）において、
    Ａ２＝−０．００４６Ｈ−０．１５３２
    Ｂ２＝０．３４５６Ｈ＋１１７．６
    の双方を満たすことを特徴とする表示装置。
  7. 請求項１から６までの何れか一項に記載の表示装置において、
    前記一方向に対して直交する他方向に振動する第１偏光成分の直線偏光の透過率と、前記一方向に振動する第２偏光成分の直線偏光の反射率との積で規定される光の利用効率が８０％以上であることを特徴とする表示装置。
  8. 一方向に延在する反射性の金属部と、前記金属部よりも光入射側に設けられた増反射部と、を備え、
    前記増反射部は、低屈折率膜と、前記低屈折率膜に対して前記金属部とは反対側に設けられ、前記低屈折率膜より屈折率が大きい高屈折率膜と、を含み、
    前記金属部の厚さをＨｎｍとし、前記金属部の幅をＷｎｍとし、前記高屈折率膜の屈折率をｎとし、前記低屈折率膜の厚さをｔａとし、前記高屈折率膜の厚さをｔｂとしたとき、前記高屈折率膜の厚さｔｂは、以下の条件式（ａ１）、（ｂ１）
    条件式（ａ１）
    ［（Ａ０×ｔａ＋Ｂ０）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］−３０ｎｍ≦ｔｂ
    条件式（ｂ１）
    ［（Ａ０×ｔａ＋Ｂ０）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］＋３０ｎｍ≧ｔｂ
    但し、上記条件式（ａ１）、（ａ２）において、
    Ａ０＝−０．００２２Ｈ−０．３０７８
    Ｂ０＝０．０４６１Ｈ＋１０３．９４
    ｔｂ＞０
    の双方を満たすことを特徴とする反射型偏光素子。
  9. 一方向に延在する反射性の金属部と、前記金属部よりも光入射側に設けられた増反射部と、を備え、
    前記増反射部は、低屈折率膜と、前記低屈折率膜に対して前記金属部とは反対側に設けられ、前記低屈折率膜より屈折率が大きい高屈折率膜と、を含み、
    前記金属部の厚さをＨｎｍとし、前記金属部の幅をＷｎｍとし、前記高屈折率膜の屈折率をｎとし、前記低屈折率膜の厚さをｔａとし、前記高屈折率膜の厚さをｔｂとしたとき、前記高屈折率膜の厚さｔｂは、以下の条件式（ａ２）、（ｂ２）
    条件式（ａ２）
    ［（Ａ１×ｔａ＋Ｂ１）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］≦ｔｂ
    但し、上記条件式（ａ２）において、
    Ａ１＝−０．０００２Ｈ−０．４６２５
    Ｂ１＝−０．２５３４Ｈ＋９０．２８
    ｔｂ＞０
    条件式（ｂ２）
    ［（Ａ２×ｔａ＋Ｂ２）×（２．６６／ｎ）−（Ｗ−４０）］≧ｔｂ
    但し、上記条件式（ｂ２）において、
    Ａ２＝−０．００４６Ｈ−０．１５３２
    Ｂ２＝０．３４５６Ｈ＋１１７．６
    の双方を満たすことを特徴とする反射型偏光素子。
  10. 請求項８または９に記載の反射型偏光素子において、
    前記一方向に対して直交する他方向に振動する第１偏光成分の直線偏光の透過率と、前記一方向に振動する第２偏光成分の直線偏光の反射率との積で規定される光の利用効率が８０％以上であることを特徴とする反射型偏光素子。
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