JP3980220B2 - 偏光変換素子及びｌｃｄパネル用照明装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【技術分野】
本発明は、光束の偏光方向を揃える偏光変換素子及びこの偏光変換素子を用いたＬＣＤパネル用照明装置に関する。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】
液晶ディスプレイでは、液晶表示素子（ＬＣＤパネル）を偏光方向が揃った光束（直線偏光光束）で照明する必要があるため、各種の偏光変換素子（偏光子）が用いられており、その中で、ノートパソコン、デジタルカメラ、ビデオカメラ等のＬＣＤパネルの照明は、バックライトと呼ばれる薄型の照明装置によって行われている。従来のバックライトは、基本的に、光源からの非偏光の光束を、断面楔状をした導光体内に導いてその一面から出射させ、このとＬＣＤパネルとの間に、何らかの偏光子を介在させる構成であった。偏光子は、振動方向がランダムな光束（非偏光光束）中の特定の偏光方向（振動方向）の光束を１００％吸収し、これと直交する方向の偏光成分を透過させるという性質上、少なくとも５０％の光エネルギロスが生じるのが避けられない。
【０００３】
【発明の目的】
本発明は、光エネルギの利用効率が高い、すなわち、少なくとも５０％以上の光エネルギを利用することができる偏光変換素子及びＬＣＤパネル用照明装置を得ることを目的とする。本発明は、光束射出面からの光量分布を可及的に均一にすることができる偏光変換素子及びＬＣＤパネル用照明装置を得ることを目的とする。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の偏光変換素子は、表裏の少なくとも一面を光束射出面とし一端面を非偏光光束の導光端面とした板状の導光体内に、屈折率の異なる２以上の媒質が隣接する面であってその法線ベクトルがある一つの法線面に収まるように屈曲した少なくとも一つの波状反射界面を設け、前記導光体の反対側の面には、導光体の導光方向と平行な稜線群を持つルーフミラー群が設けられ、前記屈折率の異なる２以上の媒質の屈折率ｎは、ｎ＞１であり、屈折率の異なる隣接する２つの媒質の屈折率ｎα、ｎβは、｜ｎα−ｎβ｜／（ｎα＋ｎβ）＜０．１６を満足し、前記波状反射界面は、導光体を伝播する光束を上記光束射出面に向けて反射させる反射面を有していることを特徴としている。
【０００５】
ルーフミラー群の頂角は９０°であるのが好ましい。
【０００６】
別の態様によると、本発明の偏光変換素子は、表裏の少なくとも一面を光束射出面とし一端面を非偏光光束の導光端面とした板状の導光体内に、屈折率の異なる２以上の媒質が隣接する面であってその法線ベクトルがある一つの法線面に収まるように屈曲した少なくとも一つの波状反射界面を設け、前記導光体は、波状反射界面の屈曲方向を決定する、互いに噛み合う凹凸を有する一対の導光体本体を有し、前記少なくとも一つの波状反射界面は、この一対の導光体本体の凹凸の間に挟着される合成樹脂フィルムと接着剤層とから構成され、前記屈折率の異なる２以上の媒質の屈折率ｎは、ｎ＞１であり、屈折率の異なる隣接する２つの媒質の屈折率ｎα、ｎβは、｜ｎα−ｎβ｜／（ｎα＋ｎβ）＜０．１６を満足し、前記波状反射界面は、導光体を伝播する光束を上記光束射出面に向けて反射させる反射面を有していることを特徴としている。
【０００７】
この態様では、合成樹脂フィルムと接着剤層とは複数層が備えられているのが好ましい。
【０００８】
波状反射界面の周期ｓは、導光体内に導入する非偏光光束の波長λより十分大きくし（ｓ≫λ）、回折による予期しない波長依存性が生じないようにする。
【０００９】
本発明の偏光変換素子を用いたＬＣＤパネル用照明装置は、導光端面に非偏光光源を有し、光束射出面をＬＣＤパネルとの対向面表裏の少なくとも一面を光束射出面とし一端面を非偏光光束の導光端面とした板状の導光体内に、屈折率の異なる２以上の媒質が隣接する面であってその法線ベクトルがある一つの法線面に収まるように屈曲した少なくとも一つ以上の波状反射界面を設けたことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態（図１０及び図１１の実施形態）と第２の実施形態（図２７〜図２９の実施形態）、及び複数の参考例を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明による偏光変換素子１０を用いた面状発光装置１の概念図である。偏光変換素子１０は、全体として扁乎な矩形状をしていて、表裏の一面（図の上面）を光束射出面１１、左右の端面の一方（図の左端面）を導光端面１２としている。導光端面１２には、非偏光光源２が対向しており、光束射出面１１上には、ＬＣＤパネル３が位置している。本発明の第一の特徴は、偏光変換素子１０の光束射出面１１から直接、偏光方向の揃った偏光光束が出射される点にあり、この偏光変換素子１０を用いた面状発光装置１によれば、偏光変換素子１０の光束射出面１１とＬＣＤパネル３との間に、何らの偏光子を要することなく、ＬＣＤパネル３に特定偏光光束（直線偏光光束）を与えることができる。偏光変換素子１０の光束射出面１１とは反対側の面を裏面１３、導光端面１２とは反対側の面を導光方向終端面１４とする。
【００１６】
図２、図３、図４は、本発明による偏光変換素子１０の第１の参考例を説明するための模式図である。偏光変換素子１０は、偏平で略矩形をなす屈折率ｎl、ｎ2の異なる２つの透光性材料１０Ａ、１０Ｂからなっており、この透光性材料１０Ａ、１０Ｂの対向面には、互いに噛み合う凹凸１０Ｃが形成されている。凹凸１０Ｃが噛み合うことにより透光性材料１０Ａ、１０Ｂ間に波形の反射界面が形成される。波形の反射界面は、光束射出面１１との直交面に対し、導光端面１２から入射した光を光束射出面１１側に反射するよう傾斜した傾斜面（反射面）１０Ｄと、光束射出面１１に対して直交した透過面１０Ｅとを交互に有している。導光端面１２から偏光変換素子１０内に入射した光は、透光性材料１０Ａと１０Ｂ内を交互に進み、傾斜面（反射面）１０Ｄでその一部が反射し、残りの光は透過して透過面１０Ｅに進む。透過面１０Ｅでは、入射した光の一部が反射されて傾斜面１０Ｄに至り、傾斜面１０Ｄにより裏面１３側に反射される。透過面１０Ｅに入射した光の残りの部分は透過面１０Ｅを透過する。つまり、透過面１０Ｅは、そこでの反射光を偏光変換素子１０の内部にとどめる作用を有している。傾斜面（反射面）１０Ｄの傾斜方向は、ここでの反射光が光束射出面１１から出射するように定められており、図２ないし図４では、光束射出面１１と略直交する方向に出射するように、光束射出面１１に対して略４５°傾斜している。傾斜面（反射面）１０Ｄ及び透過面１０Ｅからなる波状反射界面は、面各部の法線ベクトルがある１つの面（法線面）に収まるように屈曲して形成されている。さらに各屈曲点ｂの光束射出面と直交する方向の中間点ｍを結ぶ面（平均面）ｐはほぼ平面である。
【００１７】
次に、波形反射界面の両側の媒質の屈折率（この参考例においては透光性材料１０Ａと１０Ｂの屈折率）ｎl、ｎ2と偏光の関係について説明する。図５は、屈折率ｎlの媒質中を進む光が屈折率ｎ2の媒質との境界に、入射角θ１で入射するときの界面での反射光束と透過光束を描いている。この入射角θ１がｔａｎ-1（ｎ2／ｎl）に等しいときをブルースター角θBと呼ぶこと（θB＝ｔａｎ-1（ｎ2／ｎl））、および入射角θ１がブルースター角θBのときに、Ｐ偏光は１００％透過し、Ｓ偏光は一部を反射することが知られている。ｎl＝１、ｎ2＝１．５のとき、このθBは、５６．３°である。
【００１８】
図６は、ｎl＝１、ｎ2＝１．５のとき、各入射角における界面でのＰ偏光の反射率Ｒｐと透過率Ｔｐ、Ｓ偏光の反射率Ｒｓと透過率Ｔｓ、及びＲｐ／Ｒｓを描いたものである。ブルースター角では、Ｒｓは、約１５％である。よって、傾斜面（反射面）１０Ｄの傾斜を、該傾斜面（反射面）１０Ｄへの入射角がブルースター角になるように設定すれば、光束射出面１１からＳ偏光のみを取り出すことができることになる。すなわち、Ｐ偏光はすべての傾斜面１０Ｄを透過し、各傾斜面（反射面）１０Ｄに至った光束の１５％のエネルギのＳ偏光が光束射出面１１から取り出されることになる。
【００１９】
偏光変換素子１０の光束射出面１１からのＳ偏光光束をより効果的にＬＣＤパネル３に与えるには、つまり光束射出面１１とほぼ直交する方向にＳ偏光光束を出射させるには、ブルースター角θBが４５°に近いことが望ましい。ｎ1とｎ2を近づけると、ブルースター角は、４５°に接近し、例えば、ｎ1＝１．５、ｎ2＝１．６では、θB＝４６．８°となる。図７は、ｎ1＝１．５、ｎ2＝１．６のとき、各入射角における界面でのＰ偏光の反射率Ｒｐと透過率Ｔｐ、Ｓ偏光の反射率Ｒｓと透過率Ｔｓ、及びＲｐ／Ｒｓを描いたものである。ＲｓとＲｐは値が小さいので１０倍して描いている。ブルースター角では、Ｒｓは、約０．３％である。Ｒｓの値が小さくなることから、より多くの傾斜面（反射面）１０Ｄを設定することができ、より大面積の光束射出面１１に対してＳ偏光のみを取り出すことができることになる。また、入射角が４５°に近くなるので、ほぼ光束射出面１１と直交する方向にＳ偏光光束を取り出すことができる。
【００２０】
光束射出面１１からＳ偏光を取り出すために、２つの媒質の屈折率ｎ1、ｎ2は、ｎ1＞１、ｎ2＞１であること、つまり双方ともに空気でないこと、及び
｜ｎ1−ｎ2｜／（ｎ1＋ｎ2）＜０．１６ ・・・式（１）
の条件を満足することが望ましい。第１の参考例では、ｎ1＝１．５、ｎ2＝１．６であるから、式（１）の値は０．０３である。
【００２１】
次に本発明の偏光変換素子１０の第２の参考例を説明する。図８は、同一の屈折率ｎ1からなる一対の透光性材料１０Ａと１０Ｂの対向面にそれぞれ、光束射出面１１の法線に対して対称な略±４５°の対をなす凹凸面を設けて、これを噛み合わせ、透光性材料１０Ａと１０Ｂの間に、屈折率ｎ2の接着剤１５を介在させている。この例によると、透光性材料１０Ａと接着剤１５の間、接着剤１５と透光性材料１０Ｂとの間にそれぞれ、波形反射界面が構成される。このため、波状反射界面の数が多くなり、かつ接着剤１５の屈折率を選択することにより、入射角をブルースタ一角に近づけた反射界面を容易に得ることができる。また、この例では、波状反射界面は偏光変換素子１０内を伝播する光束を偏光変換素子１０の外部に向けて反射する反射面として作用し、光束射出面１１側へ反射させる傾斜部１０Ｄ'と裏面１３側に反射させる傾斜部１０Ｄ"とが交互に配置されている。このため、裏面１３の外側には、裏面１３から偏光変換素子１０の外部に出た（あるいは出ようとする）光束を偏光変換素子１０内に戻す反射面（反射ミラー）１６が形成されている。傾斜部１０Ｄ"で裏面１３側に反射し反射面１６により偏光変換素子１０内に戻される光はほとんどＳ偏光であり、一部が傾斜部１０Ｄ"により導光端面１２の方向に反射される（ｎ1＝１．５、ｎ2＝１．６のとき約０．３％）ものの大部分は傾斜部１０Ｄ"を透過し光束射出面から射出される。
【００２２】
図８の例では、波形反射界面の隣り合う各傾斜部１０Ｄ'、１０Ｄ"の稜線を鋭角状に措いているが、実際に透光性材料１０Ａ、１０Ｂを加工すると、稜線が図９に示す第３の参考例のようになまる（鋭角状でなくなる）ことが考えられる。このような場合、各傾斜部１０Ｄ'、１０Ｄ"は、光束を偏光変換素子１０の外部に向けて反射する反射面として作用するのに対し、なまった稜線１０Ｆでの反射光は光束射出面１１に対する入射角が大きくなり、光束射出面１１の内面で全反射して外部に射出されない。つまり、なまった稜線１０Ｆはそこでの反射光を偏光変換素子１０内に留まらせる反射面として作用する。従って、この反射面１０Ｆを積極的に利用することにより光射出面積の大きい偏光変換素子を得ることができる。図９では、接着剤１５の図示を省略している。
【００２３】
図１０、図１１は、本発明の偏光変換素子の第１の実施形態を示す。この実施形態は光束射出面１１から取り出すＳ偏光光束の光量をコントロールするための構成を示す。ＬＣＤパネルの大きさ（導光方向の長さ）は、デジタルカメラ用の数インチからノートパソコンの１０数インチまで多様である。従って、照明装置も２０ｃｍ程度導光して光エネルギを射出するものと、数センチ以内に光を射出するものとがある。偏光変換素子の光射出面積が大きい場合、導光方向終端まで所定の光量で光を射出するために、非偏光光源から偏光変換素子の導光端面へ入射する光量に対する光射出面の単位面積当たりの射出光量は比較的小さくする必要がある。反対に、光射出面積が小さい場合は光射出面の単位面積当たりの射出光量は大きくして光量のロスをなくすことが望ましい。従って、反射光量をコントロールすることが望まれる。図１０、図１１に示した第１の実施形態は、図８で説明した例において、透光性材料１０Ａと１０Ｂとの間に、屈折率が透光性材料１０Ａ、１０Ｂの屈折率ｎ1と略等しいｍ枚の薄い合成樹脂シート１７を挟み、これらを屈折率ｎ2の接着剤１５で接着したものである。この第１の実施形態では、波状反射界面の数（反射回数）がｍ＋１倍に増えるから、合成樹脂シート１７の枚数を選択することにより、光束射出面１１からの出射光量をコントロールすることができる。
【００２４】
以上に説明した各参考例及び第１の実施形態では、偏光変換素子１０の導光端面１２から入射した非偏光光束は、導光端面１２側にある反射界面から順に、そのＳ偏光の一部を反射させつつ、導光方向終端面１４側に伝播していく。伝播中に光のエネルギを反射で奪われていくので、伝播光のエネルギは、導光方向終端面１４に向かって進むにつれ指数関数的に減じていくことになる（図１２参照）。
【００２５】
図１３ないし図２０は、より均一な光量分布を得るための参考例である。以下の実施形態では、波形反射界面を１本または２本の線で描いているが、図８ないし図１１で説明した参考例と第１の実施形態の反射界面の構成を利用できることは明らかである。
【００２６】
図１３に示す第４の参考例では、偏光変換素子１０の導光方向終端面１４の外側に、偏光変換素子１０を伝播し外部に出た（あるいは出ようとする）光を、偏光変換素子１０内に戻す反射面（反射ミラー）１８を設けている。いま、仮に導光端面１２から偏光変換素子１０内に入射した光の７５％を光束射出面１１からＳ偏光として取り出すとすると、導光端面１２で１．０であった光エネルギが導光方向終端面１４で０．５となるように偏光変換素子１０の反射率を設定する（波状反射界面の数及びＳ偏光反射率を設定する）。すると、光束射出面１１からは、導光端面１２から導光方向終端面１４方向への行きの光が波状反射界面の第1傾斜部１０Ｄ'で反射したものと、導光方向終端面１４から導光端面１２方向への戻りの光が傾斜部１０Ｄ"で反射したものとが重なって射出することになる。つまり、導光端面１２側では１．２５の光に対し、導光方向終端面１４側では１．００の光が得られ、肉眼では判別できない程度の均一な光量分布が得られる。
【００２７】
図１４に示す第５の参考例では、波形反射界面の傾斜部１０Ｄ'及び傾斜部１０Ｄ"の主導光方向に対する角度を導光端面１２から導光方向終端面１４に向けて変化させることにより、光量分布の均一化を図っている。図６、図７で説明したように、反射界面への入射角がブルースター角に等しいとき、反射光は全てＳ偏光であり、Ｐ偏光は全て透過する。そして、Ｓ偏光の反射率は、入射角が大きくなる程大きくなる。そこで、この実施形態では、傾斜部１０Ｄ'への入射角が導光端面１２側においてはブルースター角より小さく、導光端面１２から離れ導光方向終端面１４に近づくにつれて徐々に大きくなり、導光方向終端面１４付近でブルースター角より大きくなるように、傾斜部１０Ｄ'の主導光方向に対する角度を徐々に変化させている。
【００２８】
非偏光光源からの光は広がりを持っているので、偏光変換素子内を伝播する光も主導光方向に対し角度を持って分布する。この角度を導光角とする。いま、ｎ1＝１．５０、ｎ2＝１．６０、導光角範囲を２５°とすると、各反射界面角度（波状反射界面の法線と主導光方向のなす角）について、導光角２５°の範囲内の光の平均反射率は、表１のように変化する。この表から、傾斜部１０Ｄ'の角度を３５°から５５°に（４５°に対し±１０°）ずらせることにより、Ｓ偏光の反射率を約７倍変化させることができることが分かる。
【００２９】
【表１】
反射界面角度（°） Ｒｓ（％） Ｒｐ（％）
３５ ０．３３ ０．０５
４０ ０．４７ ０．０８
４５ ０．７４ ０．１８
５０ １．２７ ０．４６
５５ ２．３９ １．２４
【００３０】
図１５に示す第６の参考例では、光束射出面１１と裏面１３に、導光端面１２から導光方向終端面１４側にかけて薄くなる方向の角度△の楔形状を与えることにより、光量分布の改善を図っている。波状反射界面の反射面である各傾斜部１０Ｄ'、１０Ｄ"の反射界面角度が等しいとすると、導光角αで波状反射界面の傾斜部に入射した光線が光束射出面１１または裏面１３で一度反射して次の傾斜部に入射するときには、β＝α＋△で表される新しい導光角βで入射する。すなわち、光束射出面または裏面で一度反射する毎に導光角が楔の角度△だけ増えていく。前述のように、入射角が小さいとＳ偏光の反射率は低く、入射角が大きいと同反射率は高いから、導光体１０を楔状とすることにより光量分布の改善を図ることができる。例えば、反射界面角度を４５°、導光角を２５°とすると、反射界面に対する入射角は、
反射界面角度＋導光角＝４５+２５＝７０°または
反射界面角度−導光角＝４５−２５＝２０°
のいずれかが２分の１の確率で生じることとなる。
入射角が一定角度増加したときの反射率増加量は、入射角が一定角度減少したときの反射率の減少量より大きい（図７参照）ので、導光端面１２から導光方向終端面１４側に近づくにつれて、Ｓ偏光の平均反射率が増えることになる。これにより内部を伝播する光量の減少を補って偏光変換素子１０の光束射出面１１からの射出光量分布をほぼ一定に保つことができる。
【００３１】
いま、ｎl＝１．５０、ｎ2＝１．６０、反射界面角度４５°とすると、導光角範囲内の光の平均反射率は、表２のように変化する。この表から、導光角範囲が導光端面１２付近で１５°、導光方向終端面１４付近で３５°になるように楔角△を設定すれば、Ｓ偏光の反射率を約４倍変化させることができることが分かる。
【００３２】
【表２】
導光角範囲（°） Ｒｓ（％） Ｒｐ（％）
±１５ ０．４７ ０．０４
±２０ ０．５７ ０．０８
±２５ ０．７４ ０．１８
±３０ １．０８ ０．４０
±３５ １．７５ ０．９１
【００３３】
図１６は、光束射出面１１と裏面１３に、導光端面１２から導光方向終端面１４側にかけて薄くなる方向の角度Δの楔形状を与えるとともに波状反射界面の反射面１０Ｄの深さとピッチを異ならせて偏光変換素子１０の楔形状を得た第７の参考例を示している。導光端面１２から導光方向終端面１４に近づくにつれてピッチを短くすることにより偏光変換素子１０内を伝播する光の単位長さあたりの分岐面通過数を多くすることができ、結果的に反射光量を多くすることができる。
【００３４】
次に、図１７は、接着剤１５の屈折率を変化させることで、光量分布を改善した第８の参考例である。Ｓ偏光の反射率は、屈折率で決まる。例えば垂直入射の場合、Ｓ偏光の反射率Ｒは、
Ｒ＝｛（ｎ1−ｎ2）／（ｎ1＋ｎ2）｝2
で与えられるから、ｎ1とｎ2の屈折率差が大きい程、Ｓ偏光の反射率が大きくなる。垂直入射でない場合も、式が複雑になるので省略するが、同様の傾向である。従って、透光性材料１０Ａ、１０Ｂ（あるいは合成樹脂シート１７）の屈折率ｎよりも、接着剤１５の屈折率の方が大きいという前提の下で、導光端面１２側から導光方向終端面１４側にかけて、接着剤１５の屈折率を徐々に大きくすれば、光量分布の改善を図ることができる。図において、導光端面１２側から導光方向終端面１４側にかけて、接着剤１５の屈折率がｎa、ｎb、ｎCと変化するとき、
ｎ＜ｎa＜ｎb＜ｎc
となるように接着剤１５を選択すればよい。接着剤１５としては、屈折率１．５〜１．６のものが一般的に用いられており、かつ異なる屈折率の接着剤を混合すると、その中間の屈折率の接着剤が得られる。
【００３５】
図１８と図１９は、第９の参考例を示す。この例は、合成樹脂シート１７を利用した第１の実施形態（図１０、図１１）を応用して、光量分布の改善を図った参考例である。この参考例では、導光端面１２から導光方向終端面１４側にかけて、透光性材料１０Ａと１０Ｂとの間に接着剤１５を介して挟着する合成樹脂シート１７の枚数を増加させることにより、波形反射界面の数を導光端面１２から導光方向終端面１４側にかけて増加させている。この参考例によれば、波状反射界面の数（密度）が導光端面１２側から導光方向終端面１４側にかけて増加するので、光量分布を改善することができる。
【００３６】
図２０は、第１０の参考例を示す。この例は、図９で説明した反射面１０Ｆをより積極的に利用している。偏光変換素子１０内の波形反射界面には、第１、第２の傾斜部１０Ｄ'、１０Ｄ"からなる光束を偏光変換素子１０の外部に向けて反射する反射面の他に、反射光を偏光変換素子１０内に留まらせる反射面１０Ｆが設けられている。反射面１０Ｆで反射した光はその大部分が光束射出面１１または裏面１３の内面で全反射して偏光変換素子内部に留まる。この反射面１０Ｆの密度は、導光端面１２側が高く、導光方向終端面１４側にかけて低くなっており、逆に第１、第２の傾斜部１０Ｄ ' 、１０Ｄ " からなる反射面の密度は、導光端面１２側が低く、導光方向終端面１４側にかけて高くなっている。反射面１０Ｆは、図示例では、光束射出面１１、裏面１３と略平行な面として措いているが、反射光を偏光変換素子１０内に留まらせることができる面形状であればよい。この参考例によれば、波状反射界面のピッチ（傾斜部の密度）が導光端面１２側から導光方向終端面１４側にかけて増加するのに加えて、導光端面１２側では反射面１０Ｆにより多くの光エネルギを偏光変換素子１０内に留まらせることができるので、光量分布を改善することができる。
【００３７】
以上の説明、参考例及び実施形態では、光束射出面１１からＳ偏光を取り出すことができることを述べ、波形反射界面を透過するＰ偏光については論じなかった。光エネルギの有効利用、特に５０％以上の利用を図るには、波状反射界面を透過していくＰ偏光を利用することが好ましい。図２１ないし図２９は、Ｐ偏光を利用する実施形態と参考例である。以下の実施形態と参考例では、偏光変換素子１０内の波状反射界面を描くことを省略し（全体形状としての偏光変換素子１０のみを描き）、あるいは波状反射界面を１本または２本の線で措いているが、図１ないし図１１、及び図１３ないし図２０で説明した波状反射界面の構成を前提としている。
【００３８】
図２１は、偏光変換素子１０の透光性材料１０Ａと１０Ｂを複屈折物質から構成してＰ偏光の利用効率を高めた第１１の参考例を示す。プラスチックには、複屈折を示すものが多くある。このような物質に偏光を入射させると、物質内を光が伝播するにつれ光の偏光状態が変化していく。例えば直線偏光が楕円偏光に変化したり、楕円偏光が長軸の方向を変化させたり、楕円率を変えたりする。従って、偏光変換素子１０を構成する透光性材料１０Ａと１０Ｂ（あるいは及び合成樹脂シート１７）を、複屈折を示すプラスチック材料から構成すると、伝播中に偏光状態が変化し、減少したＳ偏光成分を補充するようにＰ偏光成分の一部がＳ偏光成分に変化する。図２１の偏光変換素子１０内の直線、円、楕円は、光の伝播中の偏光状態の変化を示している。
【００３９】
図２２は、偏光変換素子１０の透光性材料１０Ａと１０Ｂを旋光物質１０Ｈから構成することによりＰ偏光の利用効率を高めた第１２の参考例である。旋光とは、物質内を光が伝播するとき光の偏光面が回転していく現象である。例えショ糖水溶液はこの旋光を示す物質である。溶液１００ｇ中にショ糖６５ｇが含まれる水溶液中では、光が１０ｃｍ進むと、偏光面が４３°回転する。よって、Ａ４版の横の長さ（約２１ｃｍ）では、約９０°偏光面が回転することになる。すなわち、この距離の伝播でＰ偏光とＳ偏光が入れ替わる。この参考例では、波形反射界面は、例えばフィルムシートを折り曲げて構成し、このフィルムシートと旋光物質１０Ｇをセル１９内に封入して偏光変換素子１０を構成する。なおショ糖水溶液の濃度を薄くすれば、単位伝播距離当たりの旋光回転角は小さくなるから、より大型のＬＣＤパネルの照明に用いることができる。
【００４０】
図２３は、図１３の参考例において、偏光変換素子１０の導光方向終端面１４と反射面（反射ミラー）１８の間に、四分の一波長板（λ／４板）２０を挿入してＰ偏光の利用効率を高めた第１３の参考例である。ただし、この例では導光端面１２で１．０であったＳ偏光成分の光エネルギが導光方向終端面１４で０．２５になるように反射界面を設定する。この参考例では、導光方向終端面１４から出て反射面（反射ミラー）１８で反射して再び偏光変換素子１０内に戻る光は、四分の一波長板（λ／４板）２０を２回通過し、その結果、光の偏光方向が９０°回転する。つまり、Ｐ偏光成分はＳ偏光成分に、Ｓ偏光成分はＰ偏光成分に変換される。従って、導光端面１２から導光方向終端面１４に至る行きの光路で残ってしまったＰ偏光成分は、反射面（反射ミラー）１８と四分の一波長坂（λ／４板）２０を介してＳ偏光成分に変換されて偏光変換素子１０内に戻ることとなり、このＳ偏光成分が導光方向終端面１４から導光端面１２へ向かう帰りの光路で、波状反射界面の傾斜部１０Ｄ"で反射されて光束射出面１１から出射し、さらに傾斜部１０Ｄ'及び反射面（反射ミラー）１６を介して光束射出面１１から出射することになる。図２３には、その下方に、偏光状態の変化を併せて描いた。
【００４１】
図２４ないし図２６は、偏光変換素子１０の導光方向終端面１４に、導光方向終端面１４の正面から見たときにその稜線群２１ａが光束射出面１１の法線方向に対して４５°傾斜したルーフミラー群２１群を形成することにより、Ｐ偏光の利用効率を高めた第１４の参考例である。図２５は図２４の矢印Ａ方向から偏光変換素子１０を見た図、図２６は図２４を真上からみた図である。ルーフミラーには、光線を反射させるとともに、稜線と直交する方向の像を反転させる効果がある。このため、稜線に対して４５°の偏光方向をもって入射した光は、偏光方向が９０°回転する。図２５のように、稜線群２１ａを光束射出面１１に対して４５°傾いた形状としておくと、波形反射界面の各傾斜部を透過するＰ偏光成分の偏光方向は稜線２１ａに対し４５°となり、ルーフミラー群２１により偏光方向が９０°回転してＳ偏光成分として偏光変換素子１０内に戻る。すなわち、図２３の参考例における四分の一波長板（λ／４板）２０と同等の偏光変換作用がこのルーフミラー群２１によって得られる。図２５における実線の傾斜線は稜線群２１ａを示し、破線の傾斜線は、隣り合うミラーの谷部を示している。
【００４２】
図２７、図２８は、第２の実施形態を示す。この実施形態では、偏光変換素子１０の裏面１３に、導光方向と平行な稜線群２２ａを持つルーフミラー群２２を設けることにより、Ｐ偏光の利用効率を高めている。図２８は図２７の矢印Ｂ方向から偏光変化素子１０を見た図である。このルーフミラー群２２の各面は、図２８に明らかなように、その法線面が主導光方向と直交している。ルーフミラー群の頂角は９０°より大きくなっている。図２８中の細線は、ある１本の光線が偏光変換素子１０中を伝播していく様子を示し、矢印は入射時のある方向の振動方向を持つ光線が、光束射出面１１とルーフミラー群２２との間での反射の繰り返しにより、どのように変換されていくかを示している。矢印の方向が大きく変化しているのは、反射の繰り返しにより、偏光変換素子１０内を伝播する光線の偏光方向が大きく回転していることを意味している。よって、偏光変換素子１０中を光が伝播する間にＰ偏光成分をＳ偏光成分に変換して、減少するＳ偏光成分を補い、Ｐ偏光成分を有効利用することが可能となる。
【００４３】
図２９は、図２７、図２８に示した第２の実施形態の変形例であり、ルーフミラー群２２の頂角を９０°に設定した点に特徴がある。図中の細線は、偏光変換素子１０中の波形反射界面で導光方向終端面１４方向に反射した１本の光線を描いたものである。この変形例によれば、導光方向終端面１４に設けた頂角９０°のルーフミラー群２２によってＰ偏光成分がＳ偏光成分に変換されるだけでなく、裏面１３に至った光線を光束射出面１１側に戻す作用が得られ、ルーフミラー群２２が図８の変形例の反射面（反射ミラー）１６の役割を兼ねることになる。
【００４４】
なお、本発明において偏光変換素子１０内に設ける波形反射界面の最小ピッチ（間隔）ｓは、偏光変換素子１０を伝播する非偏光光束の波長λより十分大きく（ｓ≫λ）し、回折現象が生じないようにする。回折が生じると、予期せぬ波長依存性が生じる可能性がある。
【００４５】
なお、以上のすべての実施形態及び参考例において、波状反射界面は、面各部の法線ベクトルがある１つの面（法線面）に収まるように屈曲して形成された面であり、さらに各屈曲点ｂの光束射出面と直交する方向の中間点ｍを結ぶ面（平均面）ｐはほぼ平面である。
【００４６】
以上、第１及び第２実施形態と各参考例について説明したが、本発明の偏光変換素子は、各実施形態単独と各参考例単独の形態だけでなく、これらを組み合わせた形態も当然可能である。
【発明の効果】
本発明の偏光変換素子によれば、別部材としての偏光子を必要とすることなく、従来のバックライトの導光体に相当する部材の光束射出面から直接、偏光状態が揃った偏光光束を取り出すことができる。また、本発明によれば、少なくとも５０％以上の光エネルギを利用することができる偏光変換素子が得られ、さらに光束射出面からの光量分布を可及的に均一にすることができる偏光変換素子及びＬＣＤパネル用照明装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による偏光変換素子を用いた面状発光装置の概念的断面図である。
【図２】本発明による面状発光素子の第１の参考例を示す、一対の透光性材料の分離状態の斜視図である。
【図３】図２の一対の透光性材料の結合状態を示す斜視図である。
【図４】図３のモデルの光束の反射と透過の状態を示す模式断面図である。
【図５】反射と透過の法則及びブルースター角を説明する図である。
【図６】隣り合う２つの媒質の屈折率が１と１．５の場合のブルースタ一角及びＳ偏光とＰ偏光の反射率と透過率を示すグラフ図である。
【図７】隣り合う２つの媒質の屈折率が１．５と１．６の場合のブルースター角及びＳ偏光とＰ偏光の反射率と透過率を示すグラフ図である。
【図８】本発明による偏光変換素子の第２の参考例を示す図４に対応する模式断面図である。
【図９】本発明による偏光変換素子の第３の参考例を示す図４に対応する模式断面図である。
【図１０】本発明による偏光変換素子の第１の実施形態を示す、一対の透光性材料とフィルム材料の分離状態の模式断面図である。
【図１１】図１０の一対の透光性材料とフィルム材料を結合した状態を示す模式断面図である。
【図１２】本発明による偏光変換素子の光量分布の例を示す図である。
【図１３】光量分布を改善した偏光変換素子の第４の参考例を示す模式断面図である。
【図１４】光量分布を改善した偏光変換素子の第５の参考例を示す模式断面図である。
【図１５】光量分布を改善した偏光変換素子の第６の参考例を示す模式断面図である。
【図１６】光量分布を改善した偏光変換素子の第７の参考例を示す模式断面図である。
【図１７】光量分布を改善した偏光変換素子の第８の参考例を示す模式断面図である。
【図１８】光量分布を改善した偏光変換素子の第９の参考例を示す、一対の透光性材料とフィルム材料の結合前の状態を示す模式断面図である。
【図１９】同結合状態の模式断面図である。
【図２０】光量分布を改善した偏光変換素子の第１０の参考例を示す模式断面図である。
【図２１】光エネルギの利用効率を高めた偏光変換素子の第１１の参考例を示す斜視図である。
【図２２】光エネルギの利用効率を高めた偏光変換素子の第１２の参考例を示す斜視図である。
【図２３】光エネルギの利用効率を高めた偏光変換素子の第１３の参考例を示す模式断面図である。
【図２４】光エネルギの利用効率を高めた偏光変換素子の第１４の参考例を示す斜視図である。
【図２５】図２４のＡ矢視図である。
【図２６】図２４の平面図である。
【図２７】光エネルギの利用効率を高めた偏光変換素子の第２の実施形態を示す斜視図である。
【図２８】図２７のＢ矢視端面図である。
【図２９】光エネルギの利用効率を高めた第２の実施形態の偏光変換素子の変形例を示す、図２８に対応する端面図である。
【符号の説明】
１０ 偏光変換素子
１０Ａ １０Ｂ 透光性材料
１０Ｄ 反射面（傾斜面）
１０Ｄ' 傾斜部（反射面）
１０Ｄ" 傾斜部（反射面）
１０Ｅ 反射面（透過面）
１０Ｆ 反射面
１０Ｇ 旋光物質
１１ 光束射出面
１２ 導光端面
１３ 裏面
１４ 導光方向終端面
１５ 接着剤
１６ １８ 反射面（反射ミラー）
２０ 四分の一波長板
２１ ２２ ルーフミラー群
【技術分野】
本発明は、光束の偏光方向を揃える偏光変換素子及びこの偏光変換素子を用いたＬＣＤパネル用照明装置に関する。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】
液晶ディスプレイでは、液晶表示素子（ＬＣＤパネル）を偏光方向が揃った光束（直線偏光光束）で照明する必要があるため、各種の偏光変換素子（偏光子）が用いられており、その中で、ノートパソコン、デジタルカメラ、ビデオカメラ等のＬＣＤパネルの照明は、バックライトと呼ばれる薄型の照明装置によって行われている。従来のバックライトは、基本的に、光源からの非偏光の光束を、断面楔状をした導光体内に導いてその一面から出射させ、このとＬＣＤパネルとの間に、何らかの偏光子を介在させる構成であった。偏光子は、振動方向がランダムな光束（非偏光光束）中の特定の偏光方向（振動方向）の光束を１００％吸収し、これと直交する方向の偏光成分を透過させるという性質上、少なくとも５０％の光エネルギロスが生じるのが避けられない。
【０００３】
【発明の目的】
本発明は、光エネルギの利用効率が高い、すなわち、少なくとも５０％以上の光エネルギを利用することができる偏光変換素子及びＬＣＤパネル用照明装置を得ることを目的とする。本発明は、光束射出面からの光量分布を可及的に均一にすることができる偏光変換素子及びＬＣＤパネル用照明装置を得ることを目的とする。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の偏光変換素子は、表裏の少なくとも一面を光束射出面とし一端面を非偏光光束の導光端面とした板状の導光体内に、屈折率の異なる２以上の媒質が隣接する面であってその法線ベクトルがある一つの法線面に収まるように屈曲した少なくとも一つの波状反射界面を設け、前記導光体の反対側の面には、導光体の導光方向と平行な稜線群を持つルーフミラー群が設けられ、前記屈折率の異なる２以上の媒質の屈折率ｎは、ｎ＞１であり、屈折率の異なる隣接する２つの媒質の屈折率ｎα、ｎβは、｜ｎα−ｎβ｜／（ｎα＋ｎβ）＜０．１６を満足し、前記波状反射界面は、導光体を伝播する光束を上記光束射出面に向けて反射させる反射面を有していることを特徴としている。
【０００５】
ルーフミラー群の頂角は９０°であるのが好ましい。
【０００６】
別の態様によると、本発明の偏光変換素子は、表裏の少なくとも一面を光束射出面とし一端面を非偏光光束の導光端面とした板状の導光体内に、屈折率の異なる２以上の媒質が隣接する面であってその法線ベクトルがある一つの法線面に収まるように屈曲した少なくとも一つの波状反射界面を設け、前記導光体は、波状反射界面の屈曲方向を決定する、互いに噛み合う凹凸を有する一対の導光体本体を有し、前記少なくとも一つの波状反射界面は、この一対の導光体本体の凹凸の間に挟着される合成樹脂フィルムと接着剤層とから構成され、前記屈折率の異なる２以上の媒質の屈折率ｎは、ｎ＞１であり、屈折率の異なる隣接する２つの媒質の屈折率ｎα、ｎβは、｜ｎα−ｎβ｜／（ｎα＋ｎβ）＜０．１６を満足し、前記波状反射界面は、導光体を伝播する光束を上記光束射出面に向けて反射させる反射面を有していることを特徴としている。
【０００７】
この態様では、合成樹脂フィルムと接着剤層とは複数層が備えられているのが好ましい。
【０００８】
波状反射界面の周期ｓは、導光体内に導入する非偏光光束の波長λより十分大きくし（ｓ≫λ）、回折による予期しない波長依存性が生じないようにする。
【０００９】
本発明の偏光変換素子を用いたＬＣＤパネル用照明装置は、導光端面に非偏光光源を有し、光束射出面をＬＣＤパネルとの対向面表裏の少なくとも一面を光束射出面とし一端面を非偏光光束の導光端面とした板状の導光体内に、屈折率の異なる２以上の媒質が隣接する面であってその法線ベクトルがある一つの法線面に収まるように屈曲した少なくとも一つ以上の波状反射界面を設けたことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態（図１０及び図１１の実施形態）と第２の実施形態（図２７〜図２９の実施形態）、及び複数の参考例を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明による偏光変換素子１０を用いた面状発光装置１の概念図である。偏光変換素子１０は、全体として扁乎な矩形状をしていて、表裏の一面（図の上面）を光束射出面１１、左右の端面の一方（図の左端面）を導光端面１２としている。導光端面１２には、非偏光光源２が対向しており、光束射出面１１上には、ＬＣＤパネル３が位置している。本発明の第一の特徴は、偏光変換素子１０の光束射出面１１から直接、偏光方向の揃った偏光光束が出射される点にあり、この偏光変換素子１０を用いた面状発光装置１によれば、偏光変換素子１０の光束射出面１１とＬＣＤパネル３との間に、何らの偏光子を要することなく、ＬＣＤパネル３に特定偏光光束（直線偏光光束）を与えることができる。偏光変換素子１０の光束射出面１１とは反対側の面を裏面１３、導光端面１２とは反対側の面を導光方向終端面１４とする。
【００１６】
図２、図３、図４は、本発明による偏光変換素子１０の第１の参考例を説明するための模式図である。偏光変換素子１０は、偏平で略矩形をなす屈折率ｎl、ｎ2の異なる２つの透光性材料１０Ａ、１０Ｂからなっており、この透光性材料１０Ａ、１０Ｂの対向面には、互いに噛み合う凹凸１０Ｃが形成されている。凹凸１０Ｃが噛み合うことにより透光性材料１０Ａ、１０Ｂ間に波形の反射界面が形成される。波形の反射界面は、光束射出面１１との直交面に対し、導光端面１２から入射した光を光束射出面１１側に反射するよう傾斜した傾斜面（反射面）１０Ｄと、光束射出面１１に対して直交した透過面１０Ｅとを交互に有している。導光端面１２から偏光変換素子１０内に入射した光は、透光性材料１０Ａと１０Ｂ内を交互に進み、傾斜面（反射面）１０Ｄでその一部が反射し、残りの光は透過して透過面１０Ｅに進む。透過面１０Ｅでは、入射した光の一部が反射されて傾斜面１０Ｄに至り、傾斜面１０Ｄにより裏面１３側に反射される。透過面１０Ｅに入射した光の残りの部分は透過面１０Ｅを透過する。つまり、透過面１０Ｅは、そこでの反射光を偏光変換素子１０の内部にとどめる作用を有している。傾斜面（反射面）１０Ｄの傾斜方向は、ここでの反射光が光束射出面１１から出射するように定められており、図２ないし図４では、光束射出面１１と略直交する方向に出射するように、光束射出面１１に対して略４５°傾斜している。傾斜面（反射面）１０Ｄ及び透過面１０Ｅからなる波状反射界面は、面各部の法線ベクトルがある１つの面（法線面）に収まるように屈曲して形成されている。さらに各屈曲点ｂの光束射出面と直交する方向の中間点ｍを結ぶ面（平均面）ｐはほぼ平面である。
【００１７】
次に、波形反射界面の両側の媒質の屈折率（この参考例においては透光性材料１０Ａと１０Ｂの屈折率）ｎl、ｎ2と偏光の関係について説明する。図５は、屈折率ｎlの媒質中を進む光が屈折率ｎ2の媒質との境界に、入射角θ１で入射するときの界面での反射光束と透過光束を描いている。この入射角θ１がｔａｎ-1（ｎ2／ｎl）に等しいときをブルースター角θBと呼ぶこと（θB＝ｔａｎ-1（ｎ2／ｎl））、および入射角θ１がブルースター角θBのときに、Ｐ偏光は１００％透過し、Ｓ偏光は一部を反射することが知られている。ｎl＝１、ｎ2＝１．５のとき、このθBは、５６．３°である。
【００１８】
図６は、ｎl＝１、ｎ2＝１．５のとき、各入射角における界面でのＰ偏光の反射率Ｒｐと透過率Ｔｐ、Ｓ偏光の反射率Ｒｓと透過率Ｔｓ、及びＲｐ／Ｒｓを描いたものである。ブルースター角では、Ｒｓは、約１５％である。よって、傾斜面（反射面）１０Ｄの傾斜を、該傾斜面（反射面）１０Ｄへの入射角がブルースター角になるように設定すれば、光束射出面１１からＳ偏光のみを取り出すことができることになる。すなわち、Ｐ偏光はすべての傾斜面１０Ｄを透過し、各傾斜面（反射面）１０Ｄに至った光束の１５％のエネルギのＳ偏光が光束射出面１１から取り出されることになる。
【００１９】
偏光変換素子１０の光束射出面１１からのＳ偏光光束をより効果的にＬＣＤパネル３に与えるには、つまり光束射出面１１とほぼ直交する方向にＳ偏光光束を出射させるには、ブルースター角θBが４５°に近いことが望ましい。ｎ1とｎ2を近づけると、ブルースター角は、４５°に接近し、例えば、ｎ1＝１．５、ｎ2＝１．６では、θB＝４６．８°となる。図７は、ｎ1＝１．５、ｎ2＝１．６のとき、各入射角における界面でのＰ偏光の反射率Ｒｐと透過率Ｔｐ、Ｓ偏光の反射率Ｒｓと透過率Ｔｓ、及びＲｐ／Ｒｓを描いたものである。ＲｓとＲｐは値が小さいので１０倍して描いている。ブルースター角では、Ｒｓは、約０．３％である。Ｒｓの値が小さくなることから、より多くの傾斜面（反射面）１０Ｄを設定することができ、より大面積の光束射出面１１に対してＳ偏光のみを取り出すことができることになる。また、入射角が４５°に近くなるので、ほぼ光束射出面１１と直交する方向にＳ偏光光束を取り出すことができる。
【００２０】
光束射出面１１からＳ偏光を取り出すために、２つの媒質の屈折率ｎ1、ｎ2は、ｎ1＞１、ｎ2＞１であること、つまり双方ともに空気でないこと、及び
｜ｎ1−ｎ2｜／（ｎ1＋ｎ2）＜０．１６ ・・・式（１）
の条件を満足することが望ましい。第１の参考例では、ｎ1＝１．５、ｎ2＝１．６であるから、式（１）の値は０．０３である。
【００２１】
次に本発明の偏光変換素子１０の第２の参考例を説明する。図８は、同一の屈折率ｎ1からなる一対の透光性材料１０Ａと１０Ｂの対向面にそれぞれ、光束射出面１１の法線に対して対称な略±４５°の対をなす凹凸面を設けて、これを噛み合わせ、透光性材料１０Ａと１０Ｂの間に、屈折率ｎ2の接着剤１５を介在させている。この例によると、透光性材料１０Ａと接着剤１５の間、接着剤１５と透光性材料１０Ｂとの間にそれぞれ、波形反射界面が構成される。このため、波状反射界面の数が多くなり、かつ接着剤１５の屈折率を選択することにより、入射角をブルースタ一角に近づけた反射界面を容易に得ることができる。また、この例では、波状反射界面は偏光変換素子１０内を伝播する光束を偏光変換素子１０の外部に向けて反射する反射面として作用し、光束射出面１１側へ反射させる傾斜部１０Ｄ'と裏面１３側に反射させる傾斜部１０Ｄ"とが交互に配置されている。このため、裏面１３の外側には、裏面１３から偏光変換素子１０の外部に出た（あるいは出ようとする）光束を偏光変換素子１０内に戻す反射面（反射ミラー）１６が形成されている。傾斜部１０Ｄ"で裏面１３側に反射し反射面１６により偏光変換素子１０内に戻される光はほとんどＳ偏光であり、一部が傾斜部１０Ｄ"により導光端面１２の方向に反射される（ｎ1＝１．５、ｎ2＝１．６のとき約０．３％）ものの大部分は傾斜部１０Ｄ"を透過し光束射出面から射出される。
【００２２】
図８の例では、波形反射界面の隣り合う各傾斜部１０Ｄ'、１０Ｄ"の稜線を鋭角状に措いているが、実際に透光性材料１０Ａ、１０Ｂを加工すると、稜線が図９に示す第３の参考例のようになまる（鋭角状でなくなる）ことが考えられる。このような場合、各傾斜部１０Ｄ'、１０Ｄ"は、光束を偏光変換素子１０の外部に向けて反射する反射面として作用するのに対し、なまった稜線１０Ｆでの反射光は光束射出面１１に対する入射角が大きくなり、光束射出面１１の内面で全反射して外部に射出されない。つまり、なまった稜線１０Ｆはそこでの反射光を偏光変換素子１０内に留まらせる反射面として作用する。従って、この反射面１０Ｆを積極的に利用することにより光射出面積の大きい偏光変換素子を得ることができる。図９では、接着剤１５の図示を省略している。
【００２３】
図１０、図１１は、本発明の偏光変換素子の第１の実施形態を示す。この実施形態は光束射出面１１から取り出すＳ偏光光束の光量をコントロールするための構成を示す。ＬＣＤパネルの大きさ（導光方向の長さ）は、デジタルカメラ用の数インチからノートパソコンの１０数インチまで多様である。従って、照明装置も２０ｃｍ程度導光して光エネルギを射出するものと、数センチ以内に光を射出するものとがある。偏光変換素子の光射出面積が大きい場合、導光方向終端まで所定の光量で光を射出するために、非偏光光源から偏光変換素子の導光端面へ入射する光量に対する光射出面の単位面積当たりの射出光量は比較的小さくする必要がある。反対に、光射出面積が小さい場合は光射出面の単位面積当たりの射出光量は大きくして光量のロスをなくすことが望ましい。従って、反射光量をコントロールすることが望まれる。図１０、図１１に示した第１の実施形態は、図８で説明した例において、透光性材料１０Ａと１０Ｂとの間に、屈折率が透光性材料１０Ａ、１０Ｂの屈折率ｎ1と略等しいｍ枚の薄い合成樹脂シート１７を挟み、これらを屈折率ｎ2の接着剤１５で接着したものである。この第１の実施形態では、波状反射界面の数（反射回数）がｍ＋１倍に増えるから、合成樹脂シート１７の枚数を選択することにより、光束射出面１１からの出射光量をコントロールすることができる。
【００２４】
以上に説明した各参考例及び第１の実施形態では、偏光変換素子１０の導光端面１２から入射した非偏光光束は、導光端面１２側にある反射界面から順に、そのＳ偏光の一部を反射させつつ、導光方向終端面１４側に伝播していく。伝播中に光のエネルギを反射で奪われていくので、伝播光のエネルギは、導光方向終端面１４に向かって進むにつれ指数関数的に減じていくことになる（図１２参照）。
【００２５】
図１３ないし図２０は、より均一な光量分布を得るための参考例である。以下の実施形態では、波形反射界面を１本または２本の線で描いているが、図８ないし図１１で説明した参考例と第１の実施形態の反射界面の構成を利用できることは明らかである。
【００２６】
図１３に示す第４の参考例では、偏光変換素子１０の導光方向終端面１４の外側に、偏光変換素子１０を伝播し外部に出た（あるいは出ようとする）光を、偏光変換素子１０内に戻す反射面（反射ミラー）１８を設けている。いま、仮に導光端面１２から偏光変換素子１０内に入射した光の７５％を光束射出面１１からＳ偏光として取り出すとすると、導光端面１２で１．０であった光エネルギが導光方向終端面１４で０．５となるように偏光変換素子１０の反射率を設定する（波状反射界面の数及びＳ偏光反射率を設定する）。すると、光束射出面１１からは、導光端面１２から導光方向終端面１４方向への行きの光が波状反射界面の第1傾斜部１０Ｄ'で反射したものと、導光方向終端面１４から導光端面１２方向への戻りの光が傾斜部１０Ｄ"で反射したものとが重なって射出することになる。つまり、導光端面１２側では１．２５の光に対し、導光方向終端面１４側では１．００の光が得られ、肉眼では判別できない程度の均一な光量分布が得られる。
【００２７】
図１４に示す第５の参考例では、波形反射界面の傾斜部１０Ｄ'及び傾斜部１０Ｄ"の主導光方向に対する角度を導光端面１２から導光方向終端面１４に向けて変化させることにより、光量分布の均一化を図っている。図６、図７で説明したように、反射界面への入射角がブルースター角に等しいとき、反射光は全てＳ偏光であり、Ｐ偏光は全て透過する。そして、Ｓ偏光の反射率は、入射角が大きくなる程大きくなる。そこで、この実施形態では、傾斜部１０Ｄ'への入射角が導光端面１２側においてはブルースター角より小さく、導光端面１２から離れ導光方向終端面１４に近づくにつれて徐々に大きくなり、導光方向終端面１４付近でブルースター角より大きくなるように、傾斜部１０Ｄ'の主導光方向に対する角度を徐々に変化させている。
【００２８】
非偏光光源からの光は広がりを持っているので、偏光変換素子内を伝播する光も主導光方向に対し角度を持って分布する。この角度を導光角とする。いま、ｎ1＝１．５０、ｎ2＝１．６０、導光角範囲を２５°とすると、各反射界面角度（波状反射界面の法線と主導光方向のなす角）について、導光角２５°の範囲内の光の平均反射率は、表１のように変化する。この表から、傾斜部１０Ｄ'の角度を３５°から５５°に（４５°に対し±１０°）ずらせることにより、Ｓ偏光の反射率を約７倍変化させることができることが分かる。
【００２９】
【表１】
反射界面角度（°） Ｒｓ（％） Ｒｐ（％）
３５ ０．３３ ０．０５
４０ ０．４７ ０．０８
４５ ０．７４ ０．１８
５０ １．２７ ０．４６
５５ ２．３９ １．２４
【００３０】
図１５に示す第６の参考例では、光束射出面１１と裏面１３に、導光端面１２から導光方向終端面１４側にかけて薄くなる方向の角度△の楔形状を与えることにより、光量分布の改善を図っている。波状反射界面の反射面である各傾斜部１０Ｄ'、１０Ｄ"の反射界面角度が等しいとすると、導光角αで波状反射界面の傾斜部に入射した光線が光束射出面１１または裏面１３で一度反射して次の傾斜部に入射するときには、β＝α＋△で表される新しい導光角βで入射する。すなわち、光束射出面または裏面で一度反射する毎に導光角が楔の角度△だけ増えていく。前述のように、入射角が小さいとＳ偏光の反射率は低く、入射角が大きいと同反射率は高いから、導光体１０を楔状とすることにより光量分布の改善を図ることができる。例えば、反射界面角度を４５°、導光角を２５°とすると、反射界面に対する入射角は、
反射界面角度＋導光角＝４５+２５＝７０°または
反射界面角度−導光角＝４５−２５＝２０°
のいずれかが２分の１の確率で生じることとなる。
入射角が一定角度増加したときの反射率増加量は、入射角が一定角度減少したときの反射率の減少量より大きい（図７参照）ので、導光端面１２から導光方向終端面１４側に近づくにつれて、Ｓ偏光の平均反射率が増えることになる。これにより内部を伝播する光量の減少を補って偏光変換素子１０の光束射出面１１からの射出光量分布をほぼ一定に保つことができる。
【００３１】
いま、ｎl＝１．５０、ｎ2＝１．６０、反射界面角度４５°とすると、導光角範囲内の光の平均反射率は、表２のように変化する。この表から、導光角範囲が導光端面１２付近で１５°、導光方向終端面１４付近で３５°になるように楔角△を設定すれば、Ｓ偏光の反射率を約４倍変化させることができることが分かる。
【００３２】
【表２】
導光角範囲（°） Ｒｓ（％） Ｒｐ（％）
±１５ ０．４７ ０．０４
±２０ ０．５７ ０．０８
±２５ ０．７４ ０．１８
±３０ １．０８ ０．４０
±３５ １．７５ ０．９１
【００３３】
図１６は、光束射出面１１と裏面１３に、導光端面１２から導光方向終端面１４側にかけて薄くなる方向の角度Δの楔形状を与えるとともに波状反射界面の反射面１０Ｄの深さとピッチを異ならせて偏光変換素子１０の楔形状を得た第７の参考例を示している。導光端面１２から導光方向終端面１４に近づくにつれてピッチを短くすることにより偏光変換素子１０内を伝播する光の単位長さあたりの分岐面通過数を多くすることができ、結果的に反射光量を多くすることができる。
【００３４】
次に、図１７は、接着剤１５の屈折率を変化させることで、光量分布を改善した第８の参考例である。Ｓ偏光の反射率は、屈折率で決まる。例えば垂直入射の場合、Ｓ偏光の反射率Ｒは、
Ｒ＝｛（ｎ1−ｎ2）／（ｎ1＋ｎ2）｝2
で与えられるから、ｎ1とｎ2の屈折率差が大きい程、Ｓ偏光の反射率が大きくなる。垂直入射でない場合も、式が複雑になるので省略するが、同様の傾向である。従って、透光性材料１０Ａ、１０Ｂ（あるいは合成樹脂シート１７）の屈折率ｎよりも、接着剤１５の屈折率の方が大きいという前提の下で、導光端面１２側から導光方向終端面１４側にかけて、接着剤１５の屈折率を徐々に大きくすれば、光量分布の改善を図ることができる。図において、導光端面１２側から導光方向終端面１４側にかけて、接着剤１５の屈折率がｎa、ｎb、ｎCと変化するとき、
ｎ＜ｎa＜ｎb＜ｎc
となるように接着剤１５を選択すればよい。接着剤１５としては、屈折率１．５〜１．６のものが一般的に用いられており、かつ異なる屈折率の接着剤を混合すると、その中間の屈折率の接着剤が得られる。
【００３５】
図１８と図１９は、第９の参考例を示す。この例は、合成樹脂シート１７を利用した第１の実施形態（図１０、図１１）を応用して、光量分布の改善を図った参考例である。この参考例では、導光端面１２から導光方向終端面１４側にかけて、透光性材料１０Ａと１０Ｂとの間に接着剤１５を介して挟着する合成樹脂シート１７の枚数を増加させることにより、波形反射界面の数を導光端面１２から導光方向終端面１４側にかけて増加させている。この参考例によれば、波状反射界面の数（密度）が導光端面１２側から導光方向終端面１４側にかけて増加するので、光量分布を改善することができる。
【００３６】
図２０は、第１０の参考例を示す。この例は、図９で説明した反射面１０Ｆをより積極的に利用している。偏光変換素子１０内の波形反射界面には、第１、第２の傾斜部１０Ｄ'、１０Ｄ"からなる光束を偏光変換素子１０の外部に向けて反射する反射面の他に、反射光を偏光変換素子１０内に留まらせる反射面１０Ｆが設けられている。反射面１０Ｆで反射した光はその大部分が光束射出面１１または裏面１３の内面で全反射して偏光変換素子内部に留まる。この反射面１０Ｆの密度は、導光端面１２側が高く、導光方向終端面１４側にかけて低くなっており、逆に第１、第２の傾斜部１０Ｄ ' 、１０Ｄ " からなる反射面の密度は、導光端面１２側が低く、導光方向終端面１４側にかけて高くなっている。反射面１０Ｆは、図示例では、光束射出面１１、裏面１３と略平行な面として措いているが、反射光を偏光変換素子１０内に留まらせることができる面形状であればよい。この参考例によれば、波状反射界面のピッチ（傾斜部の密度）が導光端面１２側から導光方向終端面１４側にかけて増加するのに加えて、導光端面１２側では反射面１０Ｆにより多くの光エネルギを偏光変換素子１０内に留まらせることができるので、光量分布を改善することができる。
【００３７】
以上の説明、参考例及び実施形態では、光束射出面１１からＳ偏光を取り出すことができることを述べ、波形反射界面を透過するＰ偏光については論じなかった。光エネルギの有効利用、特に５０％以上の利用を図るには、波状反射界面を透過していくＰ偏光を利用することが好ましい。図２１ないし図２９は、Ｐ偏光を利用する実施形態と参考例である。以下の実施形態と参考例では、偏光変換素子１０内の波状反射界面を描くことを省略し（全体形状としての偏光変換素子１０のみを描き）、あるいは波状反射界面を１本または２本の線で措いているが、図１ないし図１１、及び図１３ないし図２０で説明した波状反射界面の構成を前提としている。
【００３８】
図２１は、偏光変換素子１０の透光性材料１０Ａと１０Ｂを複屈折物質から構成してＰ偏光の利用効率を高めた第１１の参考例を示す。プラスチックには、複屈折を示すものが多くある。このような物質に偏光を入射させると、物質内を光が伝播するにつれ光の偏光状態が変化していく。例えば直線偏光が楕円偏光に変化したり、楕円偏光が長軸の方向を変化させたり、楕円率を変えたりする。従って、偏光変換素子１０を構成する透光性材料１０Ａと１０Ｂ（あるいは及び合成樹脂シート１７）を、複屈折を示すプラスチック材料から構成すると、伝播中に偏光状態が変化し、減少したＳ偏光成分を補充するようにＰ偏光成分の一部がＳ偏光成分に変化する。図２１の偏光変換素子１０内の直線、円、楕円は、光の伝播中の偏光状態の変化を示している。
【００３９】
図２２は、偏光変換素子１０の透光性材料１０Ａと１０Ｂを旋光物質１０Ｈから構成することによりＰ偏光の利用効率を高めた第１２の参考例である。旋光とは、物質内を光が伝播するとき光の偏光面が回転していく現象である。例えショ糖水溶液はこの旋光を示す物質である。溶液１００ｇ中にショ糖６５ｇが含まれる水溶液中では、光が１０ｃｍ進むと、偏光面が４３°回転する。よって、Ａ４版の横の長さ（約２１ｃｍ）では、約９０°偏光面が回転することになる。すなわち、この距離の伝播でＰ偏光とＳ偏光が入れ替わる。この参考例では、波形反射界面は、例えばフィルムシートを折り曲げて構成し、このフィルムシートと旋光物質１０Ｇをセル１９内に封入して偏光変換素子１０を構成する。なおショ糖水溶液の濃度を薄くすれば、単位伝播距離当たりの旋光回転角は小さくなるから、より大型のＬＣＤパネルの照明に用いることができる。
【００４０】
図２３は、図１３の参考例において、偏光変換素子１０の導光方向終端面１４と反射面（反射ミラー）１８の間に、四分の一波長板（λ／４板）２０を挿入してＰ偏光の利用効率を高めた第１３の参考例である。ただし、この例では導光端面１２で１．０であったＳ偏光成分の光エネルギが導光方向終端面１４で０．２５になるように反射界面を設定する。この参考例では、導光方向終端面１４から出て反射面（反射ミラー）１８で反射して再び偏光変換素子１０内に戻る光は、四分の一波長板（λ／４板）２０を２回通過し、その結果、光の偏光方向が９０°回転する。つまり、Ｐ偏光成分はＳ偏光成分に、Ｓ偏光成分はＰ偏光成分に変換される。従って、導光端面１２から導光方向終端面１４に至る行きの光路で残ってしまったＰ偏光成分は、反射面（反射ミラー）１８と四分の一波長坂（λ／４板）２０を介してＳ偏光成分に変換されて偏光変換素子１０内に戻ることとなり、このＳ偏光成分が導光方向終端面１４から導光端面１２へ向かう帰りの光路で、波状反射界面の傾斜部１０Ｄ"で反射されて光束射出面１１から出射し、さらに傾斜部１０Ｄ'及び反射面（反射ミラー）１６を介して光束射出面１１から出射することになる。図２３には、その下方に、偏光状態の変化を併せて描いた。
【００４１】
図２４ないし図２６は、偏光変換素子１０の導光方向終端面１４に、導光方向終端面１４の正面から見たときにその稜線群２１ａが光束射出面１１の法線方向に対して４５°傾斜したルーフミラー群２１群を形成することにより、Ｐ偏光の利用効率を高めた第１４の参考例である。図２５は図２４の矢印Ａ方向から偏光変換素子１０を見た図、図２６は図２４を真上からみた図である。ルーフミラーには、光線を反射させるとともに、稜線と直交する方向の像を反転させる効果がある。このため、稜線に対して４５°の偏光方向をもって入射した光は、偏光方向が９０°回転する。図２５のように、稜線群２１ａを光束射出面１１に対して４５°傾いた形状としておくと、波形反射界面の各傾斜部を透過するＰ偏光成分の偏光方向は稜線２１ａに対し４５°となり、ルーフミラー群２１により偏光方向が９０°回転してＳ偏光成分として偏光変換素子１０内に戻る。すなわち、図２３の参考例における四分の一波長板（λ／４板）２０と同等の偏光変換作用がこのルーフミラー群２１によって得られる。図２５における実線の傾斜線は稜線群２１ａを示し、破線の傾斜線は、隣り合うミラーの谷部を示している。
【００４２】
図２７、図２８は、第２の実施形態を示す。この実施形態では、偏光変換素子１０の裏面１３に、導光方向と平行な稜線群２２ａを持つルーフミラー群２２を設けることにより、Ｐ偏光の利用効率を高めている。図２８は図２７の矢印Ｂ方向から偏光変化素子１０を見た図である。このルーフミラー群２２の各面は、図２８に明らかなように、その法線面が主導光方向と直交している。ルーフミラー群の頂角は９０°より大きくなっている。図２８中の細線は、ある１本の光線が偏光変換素子１０中を伝播していく様子を示し、矢印は入射時のある方向の振動方向を持つ光線が、光束射出面１１とルーフミラー群２２との間での反射の繰り返しにより、どのように変換されていくかを示している。矢印の方向が大きく変化しているのは、反射の繰り返しにより、偏光変換素子１０内を伝播する光線の偏光方向が大きく回転していることを意味している。よって、偏光変換素子１０中を光が伝播する間にＰ偏光成分をＳ偏光成分に変換して、減少するＳ偏光成分を補い、Ｐ偏光成分を有効利用することが可能となる。
【００４３】
図２９は、図２７、図２８に示した第２の実施形態の変形例であり、ルーフミラー群２２の頂角を９０°に設定した点に特徴がある。図中の細線は、偏光変換素子１０中の波形反射界面で導光方向終端面１４方向に反射した１本の光線を描いたものである。この変形例によれば、導光方向終端面１４に設けた頂角９０°のルーフミラー群２２によってＰ偏光成分がＳ偏光成分に変換されるだけでなく、裏面１３に至った光線を光束射出面１１側に戻す作用が得られ、ルーフミラー群２２が図８の変形例の反射面（反射ミラー）１６の役割を兼ねることになる。
【００４４】
なお、本発明において偏光変換素子１０内に設ける波形反射界面の最小ピッチ（間隔）ｓは、偏光変換素子１０を伝播する非偏光光束の波長λより十分大きく（ｓ≫λ）し、回折現象が生じないようにする。回折が生じると、予期せぬ波長依存性が生じる可能性がある。
【００４５】
なお、以上のすべての実施形態及び参考例において、波状反射界面は、面各部の法線ベクトルがある１つの面（法線面）に収まるように屈曲して形成された面であり、さらに各屈曲点ｂの光束射出面と直交する方向の中間点ｍを結ぶ面（平均面）ｐはほぼ平面である。
【００４６】
以上、第１及び第２実施形態と各参考例について説明したが、本発明の偏光変換素子は、各実施形態単独と各参考例単独の形態だけでなく、これらを組み合わせた形態も当然可能である。
【発明の効果】
本発明の偏光変換素子によれば、別部材としての偏光子を必要とすることなく、従来のバックライトの導光体に相当する部材の光束射出面から直接、偏光状態が揃った偏光光束を取り出すことができる。また、本発明によれば、少なくとも５０％以上の光エネルギを利用することができる偏光変換素子が得られ、さらに光束射出面からの光量分布を可及的に均一にすることができる偏光変換素子及びＬＣＤパネル用照明装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による偏光変換素子を用いた面状発光装置の概念的断面図である。
【図２】本発明による面状発光素子の第１の参考例を示す、一対の透光性材料の分離状態の斜視図である。
【図３】図２の一対の透光性材料の結合状態を示す斜視図である。
【図４】図３のモデルの光束の反射と透過の状態を示す模式断面図である。
【図５】反射と透過の法則及びブルースター角を説明する図である。
【図６】隣り合う２つの媒質の屈折率が１と１．５の場合のブルースタ一角及びＳ偏光とＰ偏光の反射率と透過率を示すグラフ図である。
【図７】隣り合う２つの媒質の屈折率が１．５と１．６の場合のブルースター角及びＳ偏光とＰ偏光の反射率と透過率を示すグラフ図である。
【図８】本発明による偏光変換素子の第２の参考例を示す図４に対応する模式断面図である。
【図９】本発明による偏光変換素子の第３の参考例を示す図４に対応する模式断面図である。
【図１０】本発明による偏光変換素子の第１の実施形態を示す、一対の透光性材料とフィルム材料の分離状態の模式断面図である。
【図１１】図１０の一対の透光性材料とフィルム材料を結合した状態を示す模式断面図である。
【図１２】本発明による偏光変換素子の光量分布の例を示す図である。
【図１３】光量分布を改善した偏光変換素子の第４の参考例を示す模式断面図である。
【図１４】光量分布を改善した偏光変換素子の第５の参考例を示す模式断面図である。
【図１５】光量分布を改善した偏光変換素子の第６の参考例を示す模式断面図である。
【図１６】光量分布を改善した偏光変換素子の第７の参考例を示す模式断面図である。
【図１７】光量分布を改善した偏光変換素子の第８の参考例を示す模式断面図である。
【図１８】光量分布を改善した偏光変換素子の第９の参考例を示す、一対の透光性材料とフィルム材料の結合前の状態を示す模式断面図である。
【図１９】同結合状態の模式断面図である。
【図２０】光量分布を改善した偏光変換素子の第１０の参考例を示す模式断面図である。
【図２１】光エネルギの利用効率を高めた偏光変換素子の第１１の参考例を示す斜視図である。
【図２２】光エネルギの利用効率を高めた偏光変換素子の第１２の参考例を示す斜視図である。
【図２３】光エネルギの利用効率を高めた偏光変換素子の第１３の参考例を示す模式断面図である。
【図２４】光エネルギの利用効率を高めた偏光変換素子の第１４の参考例を示す斜視図である。
【図２５】図２４のＡ矢視図である。
【図２６】図２４の平面図である。
【図２７】光エネルギの利用効率を高めた偏光変換素子の第２の実施形態を示す斜視図である。
【図２８】図２７のＢ矢視端面図である。
【図２９】光エネルギの利用効率を高めた第２の実施形態の偏光変換素子の変形例を示す、図２８に対応する端面図である。
【符号の説明】
１０ 偏光変換素子
１０Ａ １０Ｂ 透光性材料
１０Ｄ 反射面（傾斜面）
１０Ｄ' 傾斜部（反射面）
１０Ｄ" 傾斜部（反射面）
１０Ｅ 反射面（透過面）
１０Ｆ 反射面
１０Ｇ 旋光物質
１１ 光束射出面
１２ 導光端面
１３ 裏面
１４ 導光方向終端面
１５ 接着剤
１６ １８ 反射面（反射ミラー）
２０ 四分の一波長板
２１ ２２ ルーフミラー群
Claims (6)
- 表裏の少なくとも一面を光束射出面とし一端面を非偏光光束の導光端面とした板状の導光体内に、屈折率の異なる２以上の媒質が隣接する面であってその法線ベクトルがある一つの法線面に収まるように屈曲した少なくとも一つの波状反射界面を設け、前記導光体の反対側の面には、導光体の導光方向と平行な稜線群を持つルーフミラー群が設けられ、
前記屈折率の異なる２以上の媒質の屈折率ｎは、ｎ＞１であり、屈折率の異なる隣接する２つの媒質の屈折率ｎα、ｎβは、｜ｎα−ｎβ｜／（ｎα＋ｎβ）＜０．１６を満足し、前記波状反射界面は、導光体を伝播する光束を上記光束射出面に向けて反射させる反射面を有していることを特徴とする偏光変換素子。 - 請求項１項記載の偏光変換素子において、ルーフミラー群の頂角は９０°である偏光変換素子。
- 表裏の少なくとも一面を光束射出面とし一端面を非偏光光束の導光端面とした板状の導光体内に、屈折率の異なる２以上の媒質が隣接する面であってその法線ベクトルがある一つの法線面に収まるように屈曲した少なくとも一つの波状反射界面を設け、前記導光体は、波状反射界面の屈曲方向を決定する、互いに噛み合う凹凸を有する一対の導光体本体を有し、前記少なくとも一つの波状反射界面は、この一対の導光体本体の凹凸の間に挟着される合成樹脂フィルムと接着剤層とから構成され、
前記屈折率の異なる２以上の媒質の屈折率ｎは、ｎ＞１であり、屈折率の異なる隣接する２つの媒質の屈折率ｎα、ｎβは、｜ｎα−ｎβ｜／（ｎα＋ｎβ）＜０．１６を満足し、前記波状反射界面は、導光体を伝播する光束を上記光束射出面に向けて反射させる反射面を有していることを特徴とする偏光変換素子。 - 請求項３項記載の偏光変換素子において、合成樹脂フィルムと接着剤層とは複数層が備えられている偏光変換素子。
- 請求項１から４のいずれか１項記載の偏光変換素子において、波状反射界面の周期ｓは、導光体内に導入する非偏光光束の波長λより十分大きい（ｓ≫λ）偏光変換素子。
- 請求項１から５のいずれか１項記載の偏光変換素子を用いたＬＣＤパネル用照明装置であって、導光端面に非偏光光源を有し、光束射出面をＬＣＤパネルとの対向面としたＬＣＤパネル用照明装置。
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