JP3874224B2 - 偏光成分を増加させる導光体ユニットおよび液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置に用いる、光の偏光成分を増大させる導光体ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
偏光波とは偏光成分に偏りがある光をいうが、このような偏光波を得る場合、従来は偏光板に偏光を有していない光を照射し、偏光成分であるｓ波又はｐ波のどちらか一方を吸収していた。従って、原理上、照射光の５０％以上は有効利用されず、実測値においては、照射光の約５８％が吸収されている。そして、従来の液晶表示（ＬＣＤ）装置では、偏光成分の吸収により偏光を得る偏光装置（偏光板）の他に印刷ドットの拡散シートをも使用していることが通例であり、この場合は、更に２０％の光が利用不可能となっている。
図１に従来のＬＣＤ装置のＬＣＤモジュール１００を示す。光源１０１において発生させた光は、導光板１０２における透過率約９６％、拡散シート１０３における透過率約８０％、下側偏光板１０４における透過率約４２％、ガラス基板１０５におけるアレイ開口率約４０％、カラ−フィルタ１０６の透過率約３０％、上側偏光板１０７の透過率約９０％であるため、実際の利用される光強度は光源１０１において発生した光の３．５％となっており、エネルギー有効利用の大きな障害になっている。特に携帯型パーソナル・コンピュータにおいては一定のバッテリー充電量に対し、より長い使用時間を確保することが重要な課題であり、バックライト１０８の消費電力は全消費電力の中で大きな割合を有しているため、高輝度で、低消費電力の液晶表示（ＬＣＤ）装置に使用されるバックライトシステムが切望されている。
【０００３】
また、下側偏光板１０４等に吸収された光エネルギーは熱エネルギーに変換されることになるが、この発生した熱はＬＣＤ装置の部品の劣化の要因となり、特に、ＳＴＮ（Ｓｕｐｅｒ Ｔｗｉｓｔｅｄ ｎｅｍａｔｉｃ）タイプの液晶物質は熱により表示品位が劣化するという性質を有するため、かかる熱発生を軽減することも重要な課題である。この光エネルギーの熱エネルギーへの変換は図１に示すように、光エネルギーの６６．４％（光エネルギーによる熱発生の６９％）が下側偏光板１０４および拡散シート１０３における光の吸収により生じている。
【０００４】
光の有効利用を促進するための１つの技術が、特開平４−２７１３２４に示されており、ここでは導光体を異なる屈折率を有する複数の屈折層にて積層して構成し、光入射端面から入射した光を、各屈折層の境界面にて屈折させ、出射面に臨界角より小である入射角で到達させることにより、光束減少を軽減し、光利用効率を高めている。
【０００５】
また、特開平２−２０１３１６においては、液晶セルと、その背面に配設された導光板と、この導光板上に設けられた着色フィルターと、導光板の背面側に設けられた反射板付偏光板と、導光体の側面に設置された光源により、偏光板の通過を１回に減らすことにより光源の光利用効率を高めている。
【０００６】
しかしながら、これらの技術のいずれも、偏光板に偏光成分を多く有する光を照射しているわけではなく、光のｓ波又はｐ波のどちらか一方を吸収することにより偏光を得るという点において先に説明した従来技術と何等変わりなく、この吸収され、利用されない偏光成分の少なくとも１部の利用を可能としえるものではなかった。なお、従来のバックライトにおいて２．７％程度偏光成分を含んだものも見受けられるが、それもバックライトにおいて光源からの光を偏光させることを意図したものではない。偏光板によらず、反射透過特性により、偏光成分を得る技術としては、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）や、透過型直線偏光器等が存在するが、いずれの技術においても、光のｓ波又はｐ波のどちらか一方のみ、または、それぞれを別々に利用しすることはできても、ｓ波とｐ波の双方を有効に利用しえるものではない。また、従来の透過型直線偏光器等は直接入射光を直接ブリュースター角で入射させているため、集約された光を幅広い出射面に拡散して出射することは不可能であり、さらには、薄形にするには加工が大変なため、かかる偏光板を使用せずに偏光を得るという技術をＬＣＤ装置の導光体ユニットとして利用することができなかった。
【０００７】
このような問題点を解決するために、本出願人は先に、平成７年特許願第４０６３３号において、偏光を得るに際して、従来は利用されていなかった偏光成分の少なくとも一部を利用可能にし、偏光を得る際の光利用効率を向上させる方法について出願している。これは、ｓ波偏光成分とｐ波偏光成分とでは反射透過特性が互いに異なることから、反射光（ｓ波（ｘ₁％），ｐ波（ｙ₁％））、透過光（ｓ波（ｘ₂％），ｐ波（ｙ₂％））は異なる比率のｓ波偏光成分とｐ波偏光成分を有しており（ｘ₁≠ｘ₂，ｙ₁≠ｙ₂）、この反射光または透過光のいずれか一方を光の偏光方向を変更する手段によりさらにｓ波偏光成分とｐ波偏光成分の比率を変更し、反射光および透過光を同時に利用できる方向に光の進行方向の変更手段により、進路を変更することにより、入射光（ｓ波（ｘ₀％），ｐ波（ｙ₀％））と異なるｓ波偏光成分とｐ波偏光成分の比率の光を反射光の進行方向において利用できる、というものである。
【０００８】
しかし、この発明においては、２つの問題点を有していることが判明している。第１の問題点は、出射光の一部分が導光体に再吸収されて明暗の縞が発生し、結果としてＰ偏光成分強度が低くなってしまうということである。図２に示すように従来未利用の偏光成分を利用するために導光体としてアクリル等の板を重ねた構造を採用している。図３では、アクリル板と反射板のなす角が１４度の場合を示しており、底面で全反射した光が上面から出射されるときには７０度傾いた角度で出射する。図３に表示された光のように出射すれば光が再び導光体に入射することはないが、出射する位置関係によれば、出射後すぐに隣接するアクリル板のエッジにおいて再び入射することもありうる。この再吸収された光は底面に進み、二度と出射されない。従って、場所によって出射光が全部出射する場所と再吸収されてしまう場所とが生じ、液晶表示装置としてみると明暗の縞模様になってしまう。当然のことながら、ロスが発生する分全体の輝度も低い。
【０００９】
第２の問題点は、装置全体が厚く重くなってしまうということである。底面で全反射してブリュースター角に一致する角は、アクリルシートの屈折率が１．４９、空気の屈折率が１．００であることを考慮すると、導光体の傾斜角が（２８／ｍ）度である場合に限られる。ｍは出射するまでに光が底面で全反射する回数である。図３は一度底面で全反射した後、隣接するアクリル板との界面で反射し、さらに底面で全反射するという、ｍ＝２の場合を示している。この場合、傾斜角は１４度となるが、この傾斜角で、１２インチクラスのモデルを作ると導光板全体の厚みは３０ｍｍを越えてしまう。これは非偏光の拡散光により液晶面を照射する従来のアプリケーションの主流が３ｍｍ程度であることを考慮すると、かなりの不利益となる。しかも図２の様に四角断面の全てがアクリルで埋め尽くされているために重く、液晶表示装置として用いるにはさらに薄く軽くする必要がある。また、非偏光拡散光利用の従来技術のものは、楔型にすることができ、その先端の空きスペースに配線板を配置する等によりスペースの有効利用を図っているものが多いのに対し、未利用偏光成分を利用する図２、図３のものは断面全体の形状が四角であり、一方の側が先細となっていないので、蛍光ランプと連結する側と反対側の導光体の形状が先細になっておらず、従来から用いられている楔型形状の導光体との互換性がないという問題点もある。
【００１０】
以上の問題点以外にも、従来の技術は次のような問題を有している。導光体から出射した光は導光体から斜め方向に出射することから、液晶画像装置の正面から見たときに輝度が最大となるようにするためには斜めの出射光を画面に対して垂直方向に補正することが必要である。液晶画像装置自体の軽量化に対する要求から、導光体シートと反射板ユニットのなす角を小さくする必要が生じており、その場合、出射光の出射方向もより斜めの角度が大きくなる。従来は、頂角側を導光体と反対方向にむけてプリズムを配置していたが、斜め角度が大きくなるに従って頂角もますます先鋭化する必要が生じ、プリズムの加工がますます困難となっていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、未利用の偏光成分を利用して光効率を向上させる液晶表示装置において、出射光の再吸収を防ぎ、明暗の縞模様が生じないようにすることを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、導光体ユニットの形状を楔型にできるようにして、従来からの液晶表示装置との互換性を維持することを目的とする。
【００１３】
さらに、本発明は、導光体の厚みをできるかぎり薄くできるようにして全体の軽量化・コンパクト化を図ることを目的とする。また、出射光が明暗の縞模様にならないようにすることを目的とする。
【００１４】
さらに、本発明は、プリズムの頂角をこれまでほどには先鋭にしなくとも、出射光の偏向の補正を可能とすることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、一側面が光の入射面であり、他側面が厚み方向に対して傾斜している導光体ユニット本体と、前記他側面に隣接して配置された反射板と、前記ユニット本体と前記反射板との間に配置された光の偏光方向を変化させる手段と、を含む導光体ユニットにおいて、前記導光体ユニット本体の大面積側の表面に、さらに複数の導光体膜を積層して成る導光体ユニットである。
【００１７】
また、本発明は、前記導光体ユニット本体が複数の導光体シートの積層体からなり、前記複数の導光体膜の方が、前記複数の導光体シートの積層体を構成する各導光体シートよりも薄いことを特徴とする導光体ユニットである。
【００１８】
さらに、本発明は、前記導光体ユニット本体が単一の導光体シートからなり、前記複数の導光体膜を構成する各導光体膜の方が、前記単一の導光体シートよりも薄いことを特徴とする導光体ユニットである。
【００１９】
さらに、本発明は、前記複数の導光体膜を構成する各導光体膜が、おのおの略同一形状であることを特徴とする導光体ユニットである。
【００２０】
さらに、本発明は、前記導光体ユニット本体の大面積側の表面の面積と、前記導光体膜を構成する各導光体膜の面積が略同一であることを特徴とする導光体ユニットである。
【００２１】
さらに、本発明は、一側面が光の入射面であり、他側面が厚み方向に対して傾斜している導光体ユニット本体と、前記他側面の側に配置された反射板と、前記ユニット本体と前記反射板との間に配置された光の偏光方向を変化させる手段と、を含む導光体ユニットにおいて、前記他側面の表面は、端部を切りそろえ、さらに、導光体ユニットの厚み方向と垂直な方向に複数の溝形状を付与したことを特徴とする導光体ユニットである。
【００２２】
さらに、本発明は、前記溝形状が、他側面の傾斜する角度よりも傾斜角の小さな溝面と、傾斜角の大きな溝面との組み合わせからなり、前記傾斜角の大きな溝面の傾斜角がブリュースター角に関連する角度傾斜を有して成る導光体ユニットである。
【００２３】
さらに、本発明は、前記溝形状が、他側面の傾斜する角度よりも傾斜角の小さな溝面と、傾斜角の大きな溝面との組み合わせからなり、前記傾斜角の大きな溝面の傾斜角φが
φ＝ｃｏｓ^-1｛（ｎ₂／ｎ₁）〔ｎ₁ ²／（ｎ₁ ²＋ｎ₂ ²）〕^1/2｝／２ [rad]
但し、ｎ₁ は導光体の屈折率 、 ｎ₂ は導光体以外の屈折率、
であらわされることを特徴とする導光体ユニットである。
【００２４】
さらに、本発明は、一側面が光の入射面であり、他側面が厚み方向に対して傾斜している導光体ユニット本体と、前記他側面に隣接して配置された反射板と、前記ユニット本体と前記反射板との間に配置された光の偏光方向を変化させる手段と、を含む導光体ユニットであって、前記導光体ユニット本体の大面積側に、片面にのみ頂角部が形成されたプリズム・シートを配置する導光体ユニットにおいて、前記プリズムシートの頂角部が形成された側を前記導光体ユニット本体に向けて配置することを特徴とする導光体ユニットである。
【００２５】
さらに、本発明は、前記プリズムの頂角部の形状が左右対称であって、前記頂角部の角度が
ｓｉｎ^-1〔（ｎ₀／ｎ₁）ｓｉｎ（Ａ＋α−π／２）〕−３α＋π／２＝０
であらわされる関係を満足することを特徴とする導光体ユニットである。
ただし、α：頂角×１／２ [rad]
ｎ₀：プリズム周囲の物質の屈折率
ｎ₁：プリズムの屈折率
Ａ：プリズムに入射する光と、プリズムの頂角部を有する面と反対側の面からの垂線とのなす角度 [rad]
である。
【００２６】
さらに、本発明は液晶表示セルの背後に前記導光体ユニットを含むバックライト・ユニットを備える液晶表示装置である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
偏光成分を増加させる装置は第１の偏光成分と第２の偏光成分を有する光を互いに異なる屈折率を有する２つの物質の境界において反射した光、および、透過した光のうちいずれか一方の光の偏光方向を変化させる手段と、偏光方向を変化させた光または偏光方向を変化させた光に対する他方の光のうちいずれか一方の光の進行方向をこれらの光を同時に利用する方向に変化させる手段とを含む。光の偏光方向を変化させる手段としては１／４波長板、１／２波長板等の位相の変化を行う位相子やファラデー素子等の偏波面を回転する旋光子等があり、光の進行方向を変化させる手段は反射板やプリズムシート等がある。そして、光の偏光方向を変化させ、同時に光の進行方向を変化させる手段としてフレネル・ロム等があるが、これらの使用はすべて本発明の思想に包含される。さらに、異なる屈折率を有する物質の境界は偏光ビームスプリッタや、透過型直線偏光器等の既存の偏光器を用いることもできる。したがって、既存の偏光器と光の偏光方向を変化させる手段と光の進行方向を変化させる手段により、または、既存の偏光器とフレネル・ロムのみにより本発明を構成できる。
【００２８】
導光体ユニットは、導光体ユニット本体と、さらにこれに対して積層された複数の導光体膜から成り、一側面が光の入射面であるユニット本体と、前記ユニット本体の他側面に配置された反射板と、前記ユニット本体と前記反射板との間に配置された光の偏光方向を変化させる手段とを含む。この導光体本体の他側面は厚み方向に対して傾斜している。複数の導光体膜は、導光体ユニット本体の大面積側の表面に積層されている。この導光体ユニット本体や複数の導光体膜はアクリルシート等の光の内部吸収の少ない素材が好ましく、アクリル、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ポリカーボネート、ポリエチレン、Ｓｅ、ＡｇＣｌ等の透過型の物質が好ましい。また、導光体本体の形状は板またはシート状の形状に限定されず、棒状の導光体や曲面を有する導光体等その利用に即した形状に変化させることが可能である。導光体本体は単一のものでもよく、複数のシートを積層したものでもよい。そして、これらの導光体は同一の形状、素材に限定されず、強度を必要とする部材を厚く、強度を必要としない部材を薄く設計することや、強度を有する導光体に異なる屈折率を有する物質を多層蒸着させることにより、強度を維持しつつ、積層数を増加させることも考えられる。導光体本体にアクリルシートを使用した場合、強度および光利用効率の関係から、その厚さは０．１〜４．０ｍｍであることが望ましい。なお、本発明でいう積層は導光体と導光体の間に空気を挿入することには限定されず、水蒸気の進入による導光体ユニットの劣化防止や、導光体の剥離防止等の為、導光体と導光体の間には水や接着剤、その他導光体と屈折率が異なる物質を挿入することも含む。本発明の反射板は反射率が高ければ高いほど好ましく、アルミ蒸着シート、銀蒸着シート、金属箔等が挙げられる。
【００２９】
本発明においては、明暗の縞模様を無くすために導光体膜の厚みを薄くしている。図４の導光体の本体部分、即ち、図４の右斜め下半分の、ＣＦＬの光が直接端面から入射する部分は、より多くの光をＣＦＬから入射させるためにこのままの形状が必要であるが、残りの半分（左斜め上）は、同じ厚みである必要はない。後述するように、導光体膜の積層体中の膜と膜との境界部分、即ち、膜−空気−膜という界面において、ブリュースター角で入射された光がＰ成分の全部とＳ成分の一部を透過させ、反射されたＳ成分は位相差板と反射板の積層体からなる反射ユニットで反射されてＰ成分に変換されるのであるから、導光体膜の厚みは何ら問題ではなく、界面の数が多数存在するほうが望ましいのである。導光体ユニットの軽量化という観点からは、導光体膜は極力薄い方が望ましい。この部分の導光体膜の厚みを極端に薄くすることでスペースの余裕が生じ、導光体膜を図２のように膜の寸法を徐々に変えることで段差をつけて形成する必要がなく、同程度の大きさの導光体膜を積層して使用することができるので、導光体膜エッジからの再入射による光ロスをなくすことができ、明暗の縞模様が生じなくなった。また、かりに導光体膜に図２のような段差を残したとしても、導光体膜は薄く、エッジの寸法も極めて小さいため、再入射する可能性は少なく、視認できるような縞模様は生じない。以上のような構成を採用することで、従来の導光体ユニットの断面形状が図２のように四角になっていたのに対し、本発明では、図４に示すように、断面を三角形状とすることが可能となった。このことにより、導光体ユニットの重量・体積を従来の約半分程度とすることができるようになった。また、従来型の（偏光を発生しない）バックライトが楔形断面の導光体を使いスペースの有効利用を達成しているのと同様の形態を本発明によって実現でき、従来型とコンパチブルな形状で、今回の新型偏光バックライトに置き換えることが初めて可能になった。また、この例ではアクリル（導光体膜）、空気（その周囲の物質）として説明しているが、導光体膜の材質及びその周囲の物質の材質については、その材質の屈折率が、入射光がブリュースター角又はそれに近い角度を満足する屈折率であれば何でも良い。
【００３０】
導光体ユニットは、一側面が光の入射面であるユニット本体と、ユニット本体に積層された複数の薄膜と、前記ユニット本体の他側面に配置された反射板と、前記ユニット本体と前記反射板との間に配置された光の偏光方向を変化させる手段と、を含む。この前記ユニット本体は厚み方向に対して傾斜しており、且つ、前記反射板側の端部に向かって光が入射するよう構成されている。この導光体ユニットを左右対称に配した２灯式バックライトも本発明の思想に包含される。
【００３１】
導光体ユニットは反射板側の端部に向かって入射する光を平行に集約することにより光利用効率を高めている。かかる光の集約手段としては、レンズや凸面鏡を使用した集約手段や導光体の光を入射させる端面を凸レンズの形状にする手段またはそれらの組み合わせによる手段等がある。
【００３２】
導光体ユニットは導光体の傾斜角をブリュースター角に関連する角度にすることにより光利用効率を高めている。導光体ユニットは、反射板による反射方向を補正することにより光利用効率を高めている。かかる手段としては、反射板を傾ける、角度を変更して出射するフレネル・ロムを用いる、プリズムシートを用いる等があり、この反射板を傾けることに関しては省スペースのために階段状にする等も考えられる。さらに、導光体への再入射の際、反射率を抑えるため異なる屈折率を有する物質をユニット本体の反射板側に沿って積層し、段階的に光の進行方向を変化させることも考えられる。かかる構成により導光体の反射板側における光の拡散を制御することも可能である。
【００３３】
導光体ユニットは出射面における光の出射方向を補正することにより利用性を高めている。かかる手段としては、プリズムシートを用いる、導光体の反射面側に溝を施す等があり、このプリズムシート等の形状はブリュースター角に関連する角度にすることによりさらに利用性を高めている。
【００３４】
本発明の導光体ユニットは、積層された複数の導光体から成り、一側面が光の入射面であり、他側面が厚み方向に傾斜しており、他側面の端部を切りそろえられた形状であるユニット本体を含む。この複数の導光体はユニット本体の厚み方向に対してブリュースター角に関連するように角度傾斜して形成されている。
【００３５】
本発明の導光体ユニットは、単一の導光体、または積層された複数の導光体シートから成り、一側面が光の入射面であり、他側面が、厚み方向に傾斜しており、端部を切りそろえられた形状であり、さらに、図４の他側面の部分拡大に示すように導光体ユニットの厚み方向と垂直な方向に複数の溝形状を付与したことを特徴とする導光体ユニットを含む。この導光体ユニットはユニット本体の厚み方向に対してブリュースター角に関連するように角度傾斜して積層されている。この溝形状は、他側面自体の傾斜する角度よりも傾斜角の小さな溝面と、傾斜角の大きな溝面（図４の部分拡大において２８．０度）との組み合わせからなる。ブリュースター角に関連するとは、溝部分で全反射した入射光がブリュースター角に一致する様に溝角度を設計することをいう。
【００３６】
図５を基に、媒質の屈折率と溝の角度の関係を一般式を用いて表す。導光体の屈折率をｎ₁、導光体以外（図５では空気）の屈折率をｎ₂、導光体底面の溝（傾斜角の大きな溝面）の角度をφとする。ブリュースター角θ_Bとｎ₁・ｎ₂の関係は
θ_B＝ｓｉｎ^-1〔ｎ₁ ²／（ｎ₁ ²＋ｎ₂ ²）〕^1/2 [rad]
又、幾何解析により、導光体上面での入射角は溝角度φを使って表すと
π／２−２φ [rad]
と表せる。従って導光体上面でのスネルの法則は
ｓｉｎθ_B／ｓｉｎ（π／２−２φ）＝ｎ₁／ｎ₂
これをφについて解くと一般解が与えられる。
φ＝ｃｏｓ^-1｛（ｎ₂／ｎ₁）〔ｎ₁ ²／（ｎ₁ ²＋ｎ₂ ²）〕^1/2｝／２ [rad]
この一般式を満足する組み合わせであれば、どのような媒質であっても本発明の条件を満足する。
【００３７】
光の偏光方法は、第１の偏光成分と第２の偏光成分を有する光を互いに異なる屈折率を有する２つの物質の境界に進入させ、一部の光を反射させ、一部の光を透過させる段階と、反射させた光または透過させた光の偏光方向を変化させる段階と、反射させた光または透過させた光の進行方向を反射させた光および透過させた光の双方を同時に利用できる方向に変化させる段階とを含む。また、光の偏光方法は、傾斜し、積層された複数の導光体から成り、一側面がユニット本体の他側面に隣接する面に向かって第１、第２の両偏光成分を含む光を入射させる段階と、他側面に隣接する面において第１、第２の両偏光成分を含む光を反射させる段階と、複数の導光体のそれぞれの出射面側の面において第１の出射方向を有する第１の偏光成分を第２の偏光成分より多く含む光を透過させ、第２の偏光成分を第１の偏光成分より多く含む光の一部を反射させる段階と、一部反射された第２の偏光成分を第１の偏光成分より多く含む光のそれぞれをユニット本体より出射させる段階と、ユニット本体より出射された第２の偏光成分を第１の偏光成分より多く含む光のそれぞれについて光の偏光方向を変化させる段階と、偏光方向を変化させられた光をそれぞれ反射する段階と、偏光方向を変化させられ反射された光の偏光方向を再度変化させ、第２の出射方向を有する第１の偏光成分を第２の偏光成分より多く含む光にする段階と、第２の出射方向を有する第１の偏光成分を第２の偏光成分より多く含む光のそれぞれをユニット本体に進入させる段階と、複数の導光体のそれぞれの出射面側の面において第２の出射方向を有する第１の偏光成分を第２の偏光成分より多く含む光のそれぞれを透過させる段階とを含む。
【００３８】
液晶表示装置は、液晶表示セルとその背後にあるバックライト・ユニットとを含み、バックライト・ユニットは、光源と、液晶を挟んだガラス基板と、上側偏光板と、第１の偏光成分と第２の偏光成分を有する光を互いに異なる屈折率を有する２つの物質の境界において反射した光、および、透過した光のうちいずれか一方の光の偏光方向を変化させる手段と、偏光方向を変化させた光または偏光方向を変化させた光に対する他方の光のうちいずれか一方の光の進行方向をこれらの光を同時に利用する方向に変化させる手段とを含む。
【００３９】
液晶表示装置は、光源と、液晶を挟んだガラス基板と、上側偏光板と、ユニット本体の厚み方向に対して傾斜して積層された複数の導光体から成り、一側面が光の入射面であるユニット本体と、ユニット本体の出射面に配置されたプリズムシートと、ユニット本体の他側面に配置された反射板と、ユニット本体と反射板との間に配置された光の偏光方向を変化させる手段とを含む。
【００４０】
ここで、本発明の動作原理について説明するが、その前に、動作原理の理解を容易にするために、図５、図６、および図７に基づいて、互いに異なる屈折率の物質の境界面を光が透過、屈折または反射する際に、その光の偏光成分についてどのような変化が起きるかについて説明する。
図５において、互いに異なる屈折率ｎ₁，ｎ₂を有する２の物質２０１，２０２の境界２０３に光２０４を進入させた場合は、入射角φ₁が臨界角以下の場合、一部の光２０５は反射し、一部の光２０６は透過する。ここで、面の入射点における入射光線の作る平面を入射面とすると、入射光２０４の偏光成分を入射面に平行なｐ波成分と入射面に垂直なｓ波成分とに分けることができる。
【００４１】
この時点での各偏光成分、ｐ波，ｓ波の透過率は、Ｍａｘｗｅｌｌの方程式を誘電体について変形することにより、
Ｔｐ＝ｓｉｎ（２φ₁）×ｓｉｎ（２φ₂）／（ｓｉｎ²（φ₁＋φ₂）×ｃｏｓ²（φ₁−φ₂））
Ｔｓ＝ｓｉｎ（２φ₁）×ｓｉｎ（２φ₂）／ｓｉｎ2（φ₁＋φ₂）
ｎ₁×ｓｉｎ（φ₁）＝ｎ₂×ｓｉｎ（φ₂）
但し、Ｔｐ ： ｐ波の透過率（１−反射率Ｒｐ）
Ｔｓ ： ｓ波の透過率（１−反射率Ｒｓ）
φ₁ ： 光の入射角
φ₂ ： 光の出射角
ｎ₁ ： 入射前の物質（物質２０１）の屈折率
ｎ₂ ： 入射後の物質（物質２０２）の屈折率
または、
Ｒｐ＝（（（ｎ₁／ｃｏｓ（φ₁））−（ｎ₂／ｃｏｓ（φ₂）））／（（ｎ₁／ｃｏｓ（φ₁））＋（ｎ₂／ｃｏｓ（φ₂）））²
Ｒｓ＝（（（ｎ₁×ｃｏｓ（φ₁））−（ｎ₂×ｃｏｓ（φ₂）））／（（ｎ₁×ｃｏｓ（φ₁））＋（ｎ₂×ｃｏｓ（φ₂）））²
であることが知られている。
【００４２】
このときの反射率は図６、図７に示すように入射角φ₁，出射角φ₂とも、角度に応じてｐ波・ｓ波の偏光成分の反射率に差が生じ、また、同一の入射角φ₁であってもｓ波・ｐ波の偏光成分において反射率の違いが生ずる(ｓ波・ｐ波偏光成分の反射透過特性が異なる)。例えば屈折率１．４９のアクリルから屈折率１．００の空気中に光が進む場合（図７）、その全反射を起こす臨界角は４２．１度であるが、仮に、それよりも小さい角度である４０度で入射したとした場合、出射角φ₂はスネルの法則から７７．８度となり、これを上述のＲｓ、Ｒｐの導入式に代入することにより算出すると、ｓ波の場合の反射率は３５．６９％であり、ｐ波の透過率は７．９８％である。
【００４３】
そして、反射しなかった光は、導光体２０２を透過する。この透過した光はｓ波の場合は（１００−３５．６９＝６４．３１）％であり、ｐ波の場合は（１００−７．９８＝９２．０２）％である。従って、図５において、ｓ波偏光成分を１００％、ｐ波偏光成分を１００％有する入射光２０４が屈折率１．４９のアクリルから屈折率１．００の空気中に４０度で進入した場合、境界面での乱反射や物質１、２内での光の内部吸収等の光エネルギーのロスがなければ、反射光２０５はｓ波偏光成分を３５．６９％、ｐ波偏光成分を７．９８％有し、透過光２０６はｓ波偏光成分を６４．３１％、ｐ波偏光成分を９２．０２％有することとなる。
【００４４】
本発明において、導光体から出射される光は、正面から７０度と大きく傾いている。この光を正面に偏向（変角）させる方法としては、次の二つの方法がある。まず、第１の方法は、図８に示すように、屈折を２回させて正面に偏向させる方法であり、プリズムシートの頂角を有するほうを上向きにして使用する。プリズムの材質が、ｎ＝１．５８のとき、正面に偏向させるには、頂角が３２度のプリズムシートが必要とされる。第２の方法は、図９に示すように、屈折を１回と全反射を１回させて正面に偏向させる方法であり、プリズムシートの頂角を有するほうを下向きにして使用する。この場合は、頂角が６５．４度のプリズムシートが必要とされる。以上からわかるように、プリズムを上向きに使っても下向きに使っても、同様の効果が期待できる。製造面から考えると、プリズムの製造は、頂角が小さくなるほど困難であるので、プリズムシートを下向きに使用したほうが、頂角が大きくてすみ、歩留まり・コストの点で有利である。
【００４５】
なお、これらの光学部品（導光体、導光体膜、プリズム）は内部に複屈折を持たないことが望ましい。そのためには、複屈折を生じない透明材料を用いて、これらの光学部品を成形してやるとよい。また、このバックライトから出射される光の偏光軸は画面の縦横の方向である。しかるに現状市場に出回っているＴＮモードの液晶パネルの偏光軸は画面の＋／−４５度の方向であり、一致しない。これを解決するために、両者の間に位相差フィルムを挿入することが有効である。位相差フィルムの組み合わせにより、偏光軸を４５度だけ回転させＴＮ液晶パネルの偏光軸と一致させることが可能となる。同等の効果を持つ方法として両者の間に新たなＴＮ液晶セルを挿入し、その新しいＴＮセルの設計値を偏光軸が４５度回転するように設計することにより、前記位相差フィルムの組み合わせの場合と同等の効果を得ることが可能となる。
【００４６】
【実施例】
以下実施例について図４を参照してさらに詳細に説明を行う。
【００４７】
対角５インチのサンプルを開発・設計・製作し、その性能を評価した。図１０にプロトタイプの断面図を示す。導光体底面には図４の部分拡大に示すように２８.０度の角度を構成するように５００ミクロンピッチの溝が切られている。導光体は２ｍｍ厚の単位ユニット５枚構成で合計１０ｍｍ厚である。導光体の上には０.２ｍｍ厚の薄いアクリル板が５枚重ねられている。計算上（０.８５）¹⁰＝０.２０であり、８０％のＳ偏光が反射し、理論限界では８０％のメリットが期待できる。出射光の強度比は約５が期待される。
【００４８】
今回試作したサンプル、および比較のために試作した従来設計サンプルの緒元を表１に示す。
【００４９】
【表１】

【００５０】
まず、光源からの光の出射特性について示す。光源はφ２ＣＦＬを使用し、なるべく点光源に近づけた。リフレクター形状はパラボラ状とし、光源から反射した光が導光体に平行に入射するよう設計した。又、ランプ軸方向の集光をするため、集光シートを導光体の入射端に配置した。図１１に出射特性を示す。横軸は傾き角、縦軸は光度である。軸垂直・水平両方向に集光されていることが判る。半値幅は垂直が±１９度水平が±３２度であった。
【００５１】
図１２、図１３に導光体ユニットからの出射特性を示す。図１２は１/４波長板の無い状態であり、図１３は１/４波長板を付けた時である。１/４波長板により反射されたＳ偏光成分がＰに変換されていることが判る。計算によれば、Ｐ偏光成分は２８％増加し、Ｓ偏光成分は３３％減少した。７０度での強度比は３.５であり、予め計算により求めた約５と良い対応を見せた。
【００５２】
導光体の上部には偏向板が配置された。図１４に今回試作した偏向板の断面図を掲載する。この偏向板は斜面での全反射を利用して最終出射角度が０度になる様調整している。
【００５３】
図１５に偏向板を通過した後の特性を示す。７０度に傾いていた光は、偏向板により正面に向きを変えた。正面での半値幅は＋１２／−１８度である。偏向板は複屈折を持たぬようポリカーボネートで作ったので偏光度は２.８と良好に保たれている。
【００５４】
次に面内均一度を測定した。角度は振らず正面のみで、図１６に示す９ポイントを測定した。［最小輝度］／［最大輝度］＝８５％であり、従来品と比較して差がない事が確認された。
【００５５】
最後に従来型設計バックライトとの性能比較を行った。表２に比較結果を示す。
【００５６】
【表２】

【００５７】
ＢＥＦを一枚使用したバックライトと比較してＰ偏向成分強度は２６％アップしていることが判った。この２６％が、このバックライトの従来型からのメリットと言える。
【００５８】
【発明の効果】
本発明により、未利用の偏光成分を利用して光効率を向上させる液晶表示装置において、出射光の再吸収を防ぎ、明暗の縞模様が生じないようにすることができた。
【００５９】
また、本発明により、導光体ユニットの形状を楔型にできるようにして、従来からの液晶表示装置との互換性を保たせることができた。
【００６０】
さらに、本発明により、導光体の厚みをできるかぎり薄くできるようにして全体の軽量化・コンパクト化を図ることができた。また、出射光が明暗の縞模様にならないようにすることができた。
【００６１】
さらに、本発明は、プリズムの頂角をこれまでほどには先鋭にしなくとも、出射光の補正を可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＬＣＤ装置を示す模式図である。
【図２】従来のＬＣＤ偏光板ユニットの構造を示す図である。
【図３】従来のＬＣＤ偏光板ユニットの構造を示す図である。
【図４】本発明のＬＣＤ偏光板ユニットの構造を示す図である。
【図５】異なる物質間における光の屈折を示す図である。
【図６】屈折率１．０の物質から屈折率１．４９の物質に光が入射する場合の反射率の特性曲線を示す図である。
【図７】屈折率１．４９の物質から屈折率１．０の物質に光が入射する場合の反射率の特性曲線を示す図である。
【図８】プリズムシートによる光の偏向を示す図である。
【図９】プリズムシートによる光の偏向を示す図である。
【図１０】本発明のＬＣＤ偏光ユニットの構造を示す図である。
【図１１】ランプの出射特性を示す図である。
【図１２】導光体ユニットからの出射特性を示すグラフである。
【図１３】導光体ユニットからの出射特性を示すグラフである。
【図１４】偏光板の断面図である。
【図１５】偏光板を通過した後の出射特性を示すグラフである。
【図１６】面内均一度の測定地点を示した図である。
【符号の説明】
１００ 従来のＬＣＤ装置
１０１ 光源
１０２ 導光板
１０３ 拡散シート
１０４ 下側偏光板
１０５ ガラス基板
１０６ カラーフィルタ
１０７ 上側偏光板
１０８ バックライト
２０１ 物質１
２０２ 物質２
２０３ 物質の境界
２０４ 入射光
２０５ 反射光
２０６ 透過光

Claims (24)

1. 一側面が光の入射面であり、他側面が厚み方向に対して傾斜している導光体ユニット本体と、
   前記他側面に隣接して配置された反射板と、
   前記ユニット本体と前記反射板との間に配置された光の偏光方向を変化させる手段と、を含む導光体ユニットにおいて、
   前記導光体ユニット本体の大面積側の表面に、さらに複数の導光体膜を積層して成る導光体ユニット。
2. 一側面が光の入射面であり、他側面が厚み方向に対して傾斜している導光体ユニット本体と、
   前記他側面の側に配置された反射板と、
   前記ユニット本体と前記反射板との間に配置された光の偏光方向を変化させる手段と、を含む導光体ユニットにおいて、
   前記他側面の表面はさらに、導光体ユニットの厚み方向と垂直な方向に複数の溝形状を付与して成る導光体ユニット。
3. 前記溝形状が、他側面の傾斜する角度よりも傾斜角の小さな溝面と、傾斜角の大きな溝面との組み合わせからなり、前記傾斜角の大きな溝面の傾斜角がブリュースター角に関連する角度傾斜を有する、請求項２に記載の導光体ユニット。
4. 前記溝形状が、他側面の傾斜する角度よりも傾斜角の小さな溝面と、傾斜角の大きな溝面との組み合わせからなり、前記傾斜角の大きな溝面の傾斜角φが
   φ＝ｃｏｓ^-1｛（ｎ₂／ｎ₁）〔ｎ₁ ²／（ｎ₁ ²＋ｎ₂ ²）〕^1/2｝／２ [rad]
   但し、ｎ₁ は導光体の屈折率 、 ｎ₂ は導光体以外の屈折率、
   であらわされる請求項３に記載の導光体ユニット。
5. 前記導光体ユニット本体の大面積側の表面に、さらに複数の導光体膜を積層して成る請求項２乃至４に記載の導光体ユニット。
6. 前記導光体ユニット本体が複数の導光体シートの積層体からなり、前記複数の導光体膜の方が、前記複数の導光体シートの積層体を構成する各導光体シートよりも薄いことを特徴とする、請求項１または５に記載の導光体ユニット。
7. 前記導光体ユニット本体が単一の導光体シートからなり、前記複数の導光体膜を構成する各導光体膜の方が、前記単一の導光体シートよりも薄いことを特徴とする、請求項１または５に記載の導光体ユニット。
8. 前記複数の導光体膜を構成する各導光体膜が、おのおの略同一形状であることを特徴とする請求項１または５に記載の導光体ユニット。
9. 前記導光体ユニット本体の大面積側の表面の面積と、前記導光体膜を構成する各導光体膜の面積が略同一であることを特徴とする、請求項１または５に記載の導光体ユニット。
10. 前記複数の導光体膜に、さらに光の偏光方向を変化させる位相差フィルムを配置して成る請求項１または５に記載の導光体ユニット。
11. 前記位相差フィルムは旋光性フイルムである、請求項１０に記載の導光体ユニット。
12. 前記位相差フィルムはＴＮ液晶セルである、請求項１０に記載の導光体ユニット。
13. 一側面が光の入射面であり、他側面が厚み方向に対して傾斜している導光体ユニット本体と、
    前記他側面に隣接して配置された反射板と、
    前記ユニット本体と前記反射板との間に配置された光の偏光方向を変化させる手段と、を含む導光体ユニットであって、
    前記導光体ユニット本体の大面積側に、片面にのみ頂角部が形成されたプリズム・シートを配置する導光体ユニットにおいて、
    前記プリズムシートの頂角部が形成された側を前記導光体ユニット本体に向けて配置して成る導光体ユニット。
14. 前記プリズムの頂角部の形状が左右対称であって、前記頂角部の角度が
    ｓｉｎ^-1〔（ｎ₀／ｎ₁）ｓｉｎ（Ａ＋α−π／２）〕−３α＋π／２＝０
    であらわされる関係を満足して成る、請求項１３に記載の導光体ユニット。
    ただし、α：頂角×１／２ [rad]
    ｎ₀：プリズム以外の部分の屈折率
    ｎ₁：プリズムの屈折率
    Ａ：プリズムに入射する光と、プリズムの頂角部を有する面と反対側の面からの垂線とのなす角度 [rad]
15. 前記導光体ユニット本体の大面積側の表面と前記プリズムシートとの間に、さらに複数の導光体膜を積層して成る請求項１３または１４に記載の導光体ユニット。
16. 前記プリズムシートに、さらに光の偏光方向を変化させる位相差フィルムを配置して成る請求項１３乃至１５に記載の導光体ユニット。
17. 前記位相差フィルムは旋光性フイルムである、請求項１６に記載の導光体ユニット。
18. 前記位相差フィルムはＴＮ液晶セルである、請求項１６に記載の導光体ユニット。
19. 液晶表示セルと、
    前記液晶表示セルの背後に配置された導光体ユニットと、
    を含み、
    前記導光体ユニットが、
    一側面が光の入射面であり、他側面が厚み方向に対して傾斜している導光体ユニット本体と、
    前記他側面に隣接して配置された反射板と、
    前記ユニット本体と前記反射板との間に配置された光の偏光方向を変化させる手段と、
    前記導光体ユニット本体の大面積側の表面にさらに積層された複数の導光体膜と、
    を含んで成る液晶表示装置。
20. 液晶表示セルと、
    前記液晶表示セルの背後に配置された導光体ユニットと、
    を含み、
    前記導光体ユニットが、
    一側面が光の入射面であり、他側面が厚み方向に対して傾斜している導光体ユニット本体と、
    前記他側面に隣接して配置された反射板と、
    前記ユニット本体と前記反射板との間に配置された光の偏光方向を変化させる手段と、
    前記導光体ユニット本体の大面積側に配置され、片面にのみ頂角部が形成されたプリズム・シートと、
    を含み、前記プリズムシートの頂角部が形成された側を前記導光体ユニット本体に向けて配置して成る、液晶表示装置。
21. 前記導光体ユニット本体の大面積側の表面と前記プリズムシートとの間に、さらに複数の導光体膜を積層して成る請求項２０に記載の液晶表示装置。
22. 前記プリズムシートに、さらに光の偏光方向を変化させる位相差フィルムを配置して成る請求項２０に記載の液晶表示装置。
23. 前記位相差フィルムは旋光性フイルムである、請求項２２に記載の液晶表示装置。
24. 前記位相差フィルムはＴＮ液晶セルである、請求項２２に記載の液晶表示装置。

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