JP4949500B2 - 偏光回折性の導光体、バックライト、および表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、透過型または半透過型の空間光変調器に用いられる導光体およびバックライト、そのバックライトを備えるディスプレイに関する。特に、本発明は、一般的な照明に利用可能な分配照明パネルに関する。

図１は、例えば携帯電話又はＰＤＡ機器に用いられる典型的な小型の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）モジュールの積層構造を示す。液晶ディスプレイは、背面（下側主面）に入力偏光子、前面（上側主面）に出力偏光子を備えるＬＣＤパネルであるフラットな透過型の空間光変調器（ＳＬＭ）を含む。後述するように、液晶ディスプレイモジュールのその他の部分が、概ねバックライトシステムとみなされる。光源（例えば、ＬＥＤあるいはレーザ）からの光は、導光体内へ導入され（coupled into）、全反射（ＴＩＲ）によってディスプレイの裏面全域に行き渡る。なお、導光体が散乱構造を有していなければ、光は、導光体の端面まで伝播する。導光体の内部には、複数の散乱構造が形成されている。その複数の散乱構造は、自身が形成されている導光体表面のＴＩＲ条件を壊すことにより光を取り出し、それによりＬＣＤパネルが照明される。こうして、光は、空気−導光体間の界面を通ることができるようになる。このような散乱構造は、導光体の表面又は背面のどちらに形成されてもよい。導光体の長さ方向に渡って均一な光を取り出すために、光散乱構造の分布密度が、光源から距離が離れるほど増える構成としてもよい。導光体の表面及び背面の両面から光が取り出されるため、バックライトの効率を向上させるために、導光体の下方に反射フィルムが配置される。導光体とＬＣＤパネルとの間には光学フィルムも配置され、表示領域の全域に渡る照明均一性を向上させ、かつ、所定の視角範囲における輝度を向上させている。光学フィルムは、典型的には、拡散層と、バックライト中央部の輝度を向上させるプリズムフィルム（輝度向上フィルム（BEF））とから構成される。こうした構造の形態は、周知技術であるため、ここで更なる説明は行わない。

本発明は、おもに、導光体から光を取り出す構造の形態に注目している。典型的な光取出構造では、導光体の全反射（ＴＩＲ）を壊すために、所定の方法によって表面を「粗化」している。このケースの光の取り出しでは、導光体の法線に対して大きな角度を有する光が出射され、光の干渉性も偏光も維持されない。

取り出される光の角度を制御することが可能な光取出構造には多くの種類があり、例えば、米国特許第６７８６６１３号（Ｍｉｎｅｂｅａ）明細書には、より垂直方向において光を取り出す楔形の光取出構造が記載されている。しかしながら、これらのどのタイプにおいても、非偏光光源からの偏光放射は起こっていない。

いかなる光源であっても、直交する２方向の電界強度比によって偏光量が計測される。これらの方向は、ＴＥ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）およびＴＭ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ）として知られている。電界強度比は、ＴＥ／ＴＭ比として知られており、光線の偏光レベルの尺度になる。

非偏光を伝播する導光体からの偏光放射に関する従来技術について、以下に記載する。

偏光バックライトの利点として、表示部の偏光子は潜在的に損失が無いことから、バックライトの明度を増加させることなく液晶表示部の明度を大幅に増加させることができるという点が挙げられる。実質的に１００を超えるＴＥ／ＴＭ比をもたらすバックライトは、表示部の偏光子と同様に機能するため、偏光子は必要とならない。より低いＴＥ／ＴＭ比のバックライトでさえ、偏光子による損失を改善する。

一方の偏光を反射し、他方の偏光を透過させる高偏光感度の干渉薄膜（ＤＢＥＦ）が、本技術分野においてよく知られている。市販のものは、軸外能力の低さおよび膜の吸収損失において制限を受けるため、通常、ＴＥ／ＴＭ比はおよそ３である。

米国特許出願公開第２００４／０２４６７４３号（Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．）明細書には、導光体の下面にプリントされた従来の矩形回折格子が開示されている。いくつかの偏光のうちの一つをさらに取り出すことにより、上記回折格子はある程度の偏光感度を示し、そのときの透過領域（ＴＥ／ＴＭ）の偏光比は回折格子の振幅（高さ）に左右される。しかしながら、偏光比ＴＥ／ＴＭは、「ＤＢＥＦ」膜ほど高くはなく、また、限られた入射角および波長において有効である。

米国特許第５６５０８６５号（Ｈｕｇｈｅｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）明細書には、導光体の上面に配置されて、ＴＥ偏光を透過しＴＭ偏光を反射するホログラフィック格子が開示されている。導光体の下面に設けられた位相差フィルム（phase retarding film）によってＴＭ領域が徐々にＴＥ領域へと変換されることにより、偏光の再利用が可能となる。ただし、設計費が高く、製造は困難である。

米国特許第６６８８７５１号（Ｓｌｉｇｈｔ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．）明細書には、多層誘電体膜を下面に備えたバックライトが開示されている。誘電体膜は、一方の偏光を反射し、他方の偏光を透過させる。誘電体膜によって反射された光は導光体から取り出され（out-coupled）、透過した偏光は、第２膜を通過するときに、再利用されうるように変換（switched）される。なお、設計費が高く、入射角に関しては細心の注意を要する。

米国特許第５２５８８７１（Ｅａｓｔｍａｎ Ｋｏｄａｋ Ｃｏｍｐａｎｙ）明細書には二重回折格子が開示されており、その二重回折格子によって、２つの異なる点へ集光するＴＥ偏光とＴＭ偏光とに角度分離することができる。二重回折格子は、プロジェクター向けに設計されており、パネル液晶ディスプレイ向けではない。

Ｍ．Ｘｕ、Ｈ．Ｐ．ＵｒｂａｃｈおよびＤ．Ｋ．Ｇ．ｄｅ Ｂｏｅｒの『Simulations of birefringent gratings as polarizing color separator in backlight for flat-panel displays』（Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １５，５７８９（２００７））には、導光体上に設けられ、ＴＥ偏光を透過させてＴＭ偏光を反射する複屈折性素材からなる回折格子が開示されている。ただし、その設計によるとＴＥ／ＴＭ比は低い。

本発明の形態によれば、導光体は、光源から受光した光を配光する用途で設けられており、上記導光体は、偏光ベースで動作する空間光変調器のためのバックライト組立品の一部として形成可能である。例えば、これは液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）であってもよい。バックライトユニットは、ＬＣＤに対向する面の反対側の面に設けられ、導光体と接していない反射組立品を備えてよい。上記光源は、これら２つの主面に比べて面積の狭い上記導光体の他の面（例えば、端面）を照射してもよく、その光の大部分は、上記導光体全域で全反射されながら伝播される。上記導光体は、隣り合う層と光学的にほぼ接続されている層を少なくとも１つ備える。上記層の少なくとも一面または層間の界面は、組み合わされたときに、一方の偏光が他方に優先して取り出される(out-couple, extract)構造からなる。

上記構造は、その表面において２つの正方回折格子が組み合わされ、一方の回折格子は、他方の回折格子のほぼ２倍の空間周波数を有する。また、両回折格子の形状幅および形状高さは実質的に異なり、周波数の高い回折格子の方が形状幅は小さい。

本発明の他の形態によれば、導光体の内部で全反射した光が伝播する導光体の他の面または他の層間の界面には、透過する光の偏光面を９０度回転させる１／４波長板（quarter wave plate）が設けられている。

本発明のさらに他の形態によれば、リフレクタは、反射面と導光体との間の界面層に１／４波長板を備える。これにより、上記１／４波長板を通過する法線入射に近い光は、リフレクタによって反射された後、９０度回転した偏光面を有する。リフレクタに設けられた１／４波長板は導光体と接していない。

光源は、例えば、ＬＥＤ、蛍光灯、またはレーザーなどである。

本発明のさらに他の形態によれば、導光体の一面または一界面層には、層状複屈折材料からなる１つの回折格子構造（一次元または二次元の任意の形状）が設けられている。導光体の外面にはレンズアレイおよびパターン化位相層が設けられており、位相層の上面から放射された光は偏光する。

本発明の一つの形態によれば、光源から受光した光を配光させる導光体が提供される。その導光体は、第１主面と、第２主面と、当該第１主面と当該第２主面との間に設けられ、上記光源からの光が入射する端面とを有する導光体基板と、上記導光体基板の上記第１主面および上記第２主面の少なくとも一方に設けられている、上記導光体基板から上記光を取り出す光取出構造と、を備え、上記導光体基板は、上記第１主面と上記第２主面との間で全反射により光を伝播させ、上記光取出構造は、空間周波数が互いに異なる、交互に配置された第１回折格子と第２回折格子とを少なくとも含む。

本発明の一つの形態によれば、上記光取出構造は、ある偏光を他の偏光に優先して、上記導光体基板から上記光を取り出す。

本発明の一つの形態によれば、上記第１回折格子の空間周波数は、上記第２回折格子の空間周波数のほぼ２倍である。

本発明の一つの形態によれば、上記第１回折格子の形状高さは、第２回折格子の形状高さとは異なる。

本発明の一つの形態によれば、上記第２回折格子は、上記第１回折格子の形状高さを変化させる。

本発明の一つの形態によれば、上記第１回折格子の形状幅は、第２回折格子の形状幅とは異なる。

本発明の一つの形態によれば、上記第１回折格子および上記第２回折格子では、第１偏光について、上記第１回折格子から放射された光が、上記第２回折格子から放射された光と相殺的に干渉し、反射されて上記導光体基板内に戻る。

本発明の一つの形態によれば、上記第１偏光とは異なる第２偏光について、上記第１回折格子から放射された光は上記第２回折格子から放射された光と相殺的に干渉せず、上記第２偏光の光は、上記導光体基板から取り出される。

本発明の一つの形態によれば、交互に配置された上記第１回折格子と上記第２回折格子とを含む上記光取出構造は、上記第１回折格子および上記第２回折格子のみからなる。

本発明の一つの形態によれば、上記光取出構造は、少なくとも、上記第１回折格子および第２回折格子と交互に配置された第３回折格子をさらに備え、
上記第３回折格子の空間周波数は、上記第１回折格子の空間周波数の整数倍である。

本発明の一つの形態によれば、第１層と、第２層とを備え、上記光源からの光は、上記端面に入射して上記第１層内に入り、上記第２層の屈折率は、上記第１層の屈折率よりも小さく、上記光取出構造は、上記第２層に設けられ、上記第１層は、当該第１層内における光の向きを上記第２層の方に向ける非回折光取出形状を含む。

本発明の一つの形態によれば、少なくとも３層備え、そのうちの少なくとも一層が上記光取出構造を含み、その他の層が非回折光取出形状を含む。

本発明の一つの形態によれば、上記第１主面は、上記光取出構造を含み、上記第２主面は、全反射を壊すことなく上記導光体内から第２主面に入射する光の位相を回転させる第一の１／４波長板層を含む。

本発明の一つの形態によれば、反射されて上記第一の１／４波長板層の内部を戻ってきた光の偏光を補正するための、上記第一の１／４波長板層に隣り合い、上記第一の１／４波長板と光学的に接していない第二の１／４波長板層をさらに備える。

本発明の一つの形態によれば、上記第１回折格子および上記第２回折格子は、対称的に交互配置された少なくとも２つの平行正方回折格子を含む。

本発明の一つの形態によれば、上記第１回折格子および上記第２回折格子は、レンズ状の形状である。

本発明の一つの形態によれば、上記第１回折格子および上記第２回折格子は、不透明の表面領域を有していない屈折性回折格子である。

本発明の一つの形態によれば、光源から受光した光を配光させる導光体を提供する。堂光体は、第１主面と、第２主面と、当該第１主面と当該第２主面との間に設けられ、上記光源からの光が入射する端面とを有する導光体基板と、上記導光体基板の上記第１主面および上記第２主面の少なくとも一方に設けられている、上記導光体基板から上記光を取り出す光取出構造と、を備え、上記導光体基板は、上記第１主面と上記第２主面との間で全反射により光を伝播させ、上記光取出構造は、上記導光体基板からの非偏光を、第１偏光および第２偏光それぞれに対応する２つの異なる角度で回折する複屈折回折層を含む。

本発明の一つの形態によれば、上記複屈折回折層は、レンズ状の正方回折格子を含む。

本発明の一つの形態によれば、上記複屈折回折層は、複屈折材料、反応性メソゲン材料、及び液晶材料のうちの少なくとも１つの材料による正方形のアレイを含む。

本発明の一つの形態によれば、さらに、レンズアレイと、パターン化位相子とを備え、
上記レンズアレイは、同一偏光の光を供給するために、上記レンズアレイが上記第２偏光の光を通す上記パターン化位相子の領域とは異なる上記パターン化位相子の領域に上記第１偏光を通す。

本発明の一つの形態によれば、上記レンズアレイは、レンズ状のレンズを含み、
上記パターン化位相子は、偏光面を９０度回転させる複屈折半波長層のレンズ状ストリップ（lenticular strips）を含む。

本発明の一つの形態によれば、表示装置用のバックライトは、上記何れかの導光体と、上記導光体に入射する光を供給する光源とを備える。

本発明の一つの形態によれば、表示装置用のバックライトは、上記何れかの少なくとも３つの導光体と、上記３つの導光体のうち、第１の導光体に関係付けられた第１色の光源と、上記３つの導光体のうち、第２の導光体に関係付けられた第２色の光源と、上記３つの導光体のうち、第３の導光体に関係付けられた第３色の光源と、を備える。

本発明の一つの形態によれば、表示装置は、上記何れかのバックライトと、上記バックライトによって照明される空間光変調器と、を備える。

上述した関連する目的を達成するために、本発明は、下記に詳細に説明する、特に請求項において示される構成を含んでいる。本発明の所定の実施形態について、以下の記述及び付属の図面によって詳細に説明する。ただし、これらの実施形態は本発明が用いられるであろう様々な方式のうちの数例に過ぎない。本発明の他の目的、特徴、および優れた点は、添付図面を参照した以下に示す記載によって明白になるであろう。

従来のバックライトを示す図である。 本発明の第１実施形態を概略的に示す図である。 図２に示す実施形態の回折層を詳細に示す図である。 特定の間隔および光の入射角における回折格子高さに応じて、導光体からＴＥおよびＴＭが取り出されるときの変化を示すグラフである。 高さに応じて変化するＴＥ／ＴＭ比を示すグラフである。 第２実施形態に係る、異なる屈折率を有する多重層を示す図である。 第３実施形態に係る、１／４波長位相層を示す図である。 第４実施形態に係る、リフレクタに設けられた１／４波長層を示す図である。 第５実施形態に係る、光遅延取出形状（retarder extraction features）を示す図である。 図７に示す実施形態を詳細に示す図である。 第６実施形態に係る、３つの導光体と３つの異なる有色光源を示す図である。 図９に示す実施形態の変形例を示す図である。 本発明に係る、導光体を備えた表示装置を示す図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明中、同様の番号は同様の部材を表す。

図１に、典型的な小領域液晶ディスプレイを示す。上記液晶ディスプレイは、液晶表示パネル１とバックライトユニット２とを含み、バックライトユニット２は、多数の構成要素を含んでおり、関連する部材を以下に記載する。白色光源３は、薄型の導光体４の端部（例えば、端面）に光が入射するように配置されている。白色光源３は、蛍光灯、リン光体を有するＬＥＤ、ＲＧＢのＬＥＤ群、レーザー、又は他の光源を用いることができる。導光体４は、入射光を全反射（ＴＩＲ）１４させ、ディスプレイの全領域に光が到達するように設計されている。導光体４の面のうち、より大きな面または主面の少なくとも一方に、導光体４内の全反射１５を壊して入射光１３を導光体４から出射させる形状６が設けられている。なお、形状６を設ける面としては上記導光体の表面、背面（図示）、又はその両主面（第１および第２主面とも称する）が挙げられる。通常、導光体４からの出射光１３が上記ディスプレイに対して有する角度―輝度特性は適当でないため、４つの追加層と、強拡散体７と、互いに交差するよう垂直方向に配置された２つの輝度向上フィルム８・９と、弱拡散体１０とを設けて、適切な角度分布が得られるようにする。多くの場合、輝度向上フィルム８の上方に配置される輝度向上フィルム９には、弱拡散体１０が含まれる。追加層１１には偏光変換フィルムを使用することができる。上記偏光変換フィルムは、通常、一方の偏光成分を反射して他方の反射成分を透過する干渉薄膜である。反射された光は、非偏光となるため拡散体を通って再利用され、さらに背面リフレクタ５によって上記膜に向かって再び反射される。その結果、上記光は、液晶ＳＬＭ１の後部偏光子１２によってより好適に伝播されるよう偏光される。しかしながら、この干渉膜の効率性は限られたものである。

本発明の第１実施形態の概略を図２に示す。

本発明の第１実施形態は、図１の従来のバックライト２を参照して説明するバックライト２０を含む。以下、関連する変更箇所のみを説明する。

図２に示すとおり、本発明に係る装置は、液晶空間光変調器（ＳＬＭ）１と、バックライト２０とを備える。バックライトは、光源３と、導光体４と、リフレクタ５とを備える。弱拡散層２１および偏光交換膜１１の２層がそれぞれ設けられてよいが、本構成においては必須ではない。導光体４の１つのまたは両主面に、サブ波長（sub-wavelength）の光取出構造２３が設けられる。この例では、光取出構造２３は上面に設けられている。

導光体４内の光１３はＴＩＲ１４によって光取出構造へと伝播し、光取出構造２３によって表面２４から取り出される。光取出構造２３の形態を図３ａに示す。具体的には、光取出構造２３は、交互に配置された２つ以上の回折格子によって形成されている。本実施形態においては、２つの回折格子（例えば、第１回折格子および第２回折格子）はそれぞれレンズ状の形状を有しており、図３ａにその断面が示されている。回折格子は、導光体４からの放射強度が表示部において実質的に同じになるように導光体４の表面に配置されている。これは、導光体上の位置によって密度やサイズが変化する領域に回折構造を設けることによって実現される。光取出構造の断面には、対称的に交互に配置された２つの平行正方回折格子３０・３１が設けられ、一方の回折格子（例えば第１回折格子）は、他方（例えば第２回折格子）のちょうど２倍の空間周波数を有していることが好ましい。回折格子３０・３１のそれぞれの高さ３４・３５（例えば形状高さ）は異なっており、それぞれのピーク幅３２・３３（例えば形状幅）も異なる。空間周波数が高い回折格子３１のピーク幅３３は、空間周波数の低い回折格子３０のピーク幅３２よりも小さい。

導光体を照射する光において、典型的な角度及び偏光の範囲からの光が入射したとき、図３ａに示すこの複合回折格子は、主な回折順序で強く偏光された光を放射する。偏光強度（ＴＥ／ＴＭ比）およびピーク幅は、照明光の状態に左右されるが、通常は導光体４におけるＴＩＲ錐（ＴＩＲ cone）の範囲内の光である。単一の導光体４およびＬＥＤなどの単一の波長光源３によって、１０よりも大きいＴＥ／ＴＭ比が簡単に得られうる。

回折格子２３（第１および第２回折格子を含む）の表面には不透明性領域が無く、単純な屈折回折格子である。

本発明の発明思想は、図３ａに示すような光取出構造の構造に最も関係がある。具体的には、設計は、導光体４内の上下界面で反射したときのＴＥ偏光およびＴＭ偏光間で起こる固有位相差を利用して行われる。レンズ状の回折格子構造２３は、２つの異なる回折格子からなり、それらのうち、第２回折格子によって、第１回折格子の高さ（例えば、形状高さ）が変化させられる。これにより、１つの偏光において、一方の回折格子層からの放射領域と第２回折格子層からの放射領域が逆位相になるという効果がある。したがって、上記二重の回折格子層から放射される第１偏光は、相殺的に干渉される（interfere destructively）。上記第１偏光は、回折格子を通過することができないため、すべての第１偏光が導光体２５に向かって反射する。しかしながら、２つの偏光間における固有位相差のため、第２偏光は、相殺的に干渉されることがなく、回折格子を透過することができ、より偏光された光ビームとなって導光体から取り出される。ここに記載する構造により、上記バックライト導光体からの高レベルの偏光が得られる。これにより、液晶の下部偏光子による損失を低減、または当該偏光子を省略することができる。

本発明に係るデバイスの利点は、吸収構造を含まずに導光体構造を備えることができる点にある。したがって、製造時の追加費用が少なくて済む。従来の偏光膜（Ｄ-ＤＥＦｓ）では効率が悪い。

ピッチ３１の特定の値に対する第２回折格子の高さ３５に応じて、また導光体内の特定の入射角を有する光に対する第１回折格子の高さ３４に応じて、導光体から取り出されたＴＥ３６およびＴＭ３７の変化を図３ｂに示す。図３ｃは、高さ３５に応じて変化するＴＥ／ＴＭ比を示す。所定の値の高さにおける最高値は、相殺的な干渉に相当する３８ａおよび３８ｂに示されている。

ピークは、導光体材料の屈折率、導光体内の光の波長、および導光体の角度範囲に左右される。どのピークが使われるかは、これらの値のバランスによって決まる。

４０５ｎｍのＬＥＤにおける高ＴＥ／ＴＭ比でのこの構成（arrangement）の例を以下に説明する。回折格子３１の空間ピッチの値は１５５．１４ｎｍであり、回折格子３０のピッチは３１０．２８ｎｍである。ピーク形状幅３３は７７．１ｎｍであり、ピーク形状幅３２は１５５．１４ｎｍである。形状高さ３５は１３０．６ｎｍであり、形状高さ３４は１６３．３ｎｍである。なお、これらは所定の場合での例に過ぎず、本発明では、波長帯域、導光体形状、および層に適用可能な、相互作用する多重回折格子の一般的形状について述べている。

本発明は、単に２つの回折格子に限定されない。最小ピッチ（例えば、第１回折格子の空間周波数）の整数倍であるピッチ（空間周波数）を有する多重回折格子（例えば、第３回折格子や第４回折格子など）が、本システムの性能向上のために組み合わされてもよい（例えば、本発明の導光体が、第１、第２、および第３回折格子を備えてもよい）。極端に言えば、離散型フーリエ余弦分布に連続曲線断面を近似させるために、多重回折格子が組み合わされてもよい。なお、ピッチおよび空間周波数は、互いに対応している。例えば、所定の範囲内の構造数を増加させるように、構造間の距離が短くなるにつれて（つまり、ピッチが増加するにつれて）、これらの構造の空間周波数は高くなる。

本発明の第２実施形態を図４に示す。便宜上、図２の実施形態と本実施形態との相違点のみを以下に記述する。

本実施形態において、バックライト４０の導光体４は第２層４１を備え、第２層４１の屈折率は、導光体４（第１層とも称される）の屈折率よりも小さい。回折構造２３は、第２層４１上に設けられている。この構成において、第２層４１の角度範囲ははるかに狭まる。つまり、取り出された光の性質が、単一導光体での構成に比べて大幅に向上する。

主要部である導光体４から取り出され、第２層４１によって形成された二次導光体へ入射する光４２は、導光体４の反対側の面に設けられた適当な非回折光取出構造によって制御することができる。上記非回折構造は、例えば、浅い楔形構造４８であり、図中４７の箇所において導光体光１３のうち、わずか一部の光の向きを第２層４１の方へ変える。

そのような追加層の個数は定まっておらず、また、導光体の下面もしくは両面に設けられてもよい。いずれかの面または界面には、１つ以上の光取出構成が設けられていてもよい。

図５に示すさらに他の実施形態においては、導光体構成の変形例が示されている。便宜上、図２の実施形態との相違点のみを以下に記述する。

図２の実施形態では、導光体内の相当量の光が取り出される場合、一方の偏光の取り出しによって、導光体４内の他方に関係する偏光量が減少する。したがって、ＴＥ光が取り出されるに従い、非偏光という前提（the assumption of non-polarise light）が薄れ、導光体内のＴＥ／ＴＭ光の比は減少し、よって光源３から離れるほどＴＥ／ＴＭの取り出しは減少する。

これを防ぐために、導光体４の光取出構造２３とは逆側の面に第２層５０が追加される。層５０は、光を屈折させない（よってＴＩＲを壊さない）が、ＴＩＲ光にとって典型的な方向に対する角度における入射光の位相に影響を与え、それにより、反射後の偏光面が９０度回転する（１／４波長板層）。

非偏光５２は、表面からＴＥ光５１を放射する、偏光光取出構造２３の層に入射する。反射光５３は、比較的強力なＴＭ成分を有する。光は、１／４波長板層５０に入射し、５４において全反射する。反射光はＴＥ方向５５に向かって回転し、偏光層に対する光の取り出しはさらに効率的になり、偏光の取り出しが維持される。次のパス（pass）では、偏光面は戻る方向に回転するため、導光体４内の光は平均的に非偏光される。そして、光取出構造２３に入射する光は、優先的ＴＥモード（preferential TE mode）に向かってわずかにバイアスがかかり、それにより、光取出効率およびＴＥ／ＴＭ比がさらに向上する。

図５の実施形態に基づき図６に示すさらに他の実施形態では、回折構造は光６１を含むことを特徴としており、優先的ＴＥモードにおいて、光６１は導光体４に戻る。通常、この光は、導光体による全反射を受けない方向に進み、リフレクタ５に反射されることによって取り出される。

１／４波長板層５０が導光体４の底部に設けられている場合、光６１は、回転偏光の状態で光６２として通過し、回転偏光の状態で光６４として反射され、１／４波長板層５０を通過してＴＭモードの光６５になる。そして、その光が取り出される。この光は、バックライトの最終的なＴＥ／ＴＭ比を低減させる。

この現象は、図６に示すとおり、もう１つの（例えば、第２の）１／４波長板層６０をリフレクタ５上に設けることによって回避できる。この第２層６０は、もう一方の（例えば、第１の）１／４波長板層５０とは光学的に接していない。第１の１／４波長板層５０を通過した光は、光６２として回転偏光となるが、第２の１／４波長板層６０上の６３に示す箇所で補正されて回転光線６４となり、再度第１の１／４波長板層５０を通過することによりＴＥ光線６５になる。これにより、システムのＴＥ／ＴＭ比が向上する。

さらに他の実施形態を図７に、この実施形態の詳細を図８に示す。本実施形態は図２に示す実施形態に基づいて説明するが、図２の実施形態以降でなされた改良を本実施形態に適用してもよい。他の実施形態との相違点として、本実施形態のバックライト７０は、光取出構造２３の層の代わりに、導光体上の複屈折回折層７１を利用する。領域８５に入射した非偏光８４は、２つの異なる偏光８６・８７に分かれ、その２つの角度における回折ピークは複屈折回折層７１によって生成される。当該ビームは、その後レンズ層７２、パターン化位相層７３の順に通過し、一方のビームは逆偏光の状態に変換されて偏光放射され、両光線７４ａおよび７４ｂは同じ偏光状態になる。

本実施形態は、導光体４の内部で偏光状態が変化することを問題としていない。

複屈折層７１は、例えば、上記パターンで正方配列の複屈折材料、反応性メソゲン材料、または液晶材料８３からなるレンズ状の正方回折格子を含んでもよい。この場合、「レンズ状」とは、本頁の平面に対して垂直であって、長手方向に沿って同じ断面を有する線状ストリップ（line strips）を言う。レンズアレイ７２はレンズ８０を含んでよく、位相差フィルム７３は偏光面を９０度回転させる複屈折半波長層のレンズ状片８１を含んでよい。遅延領域は、複屈折回折領域と同じ素材で構成されてよい。

導光体４内の非偏光８４は、回折構造８３に達する。回折構造は、図３ａに示す構成と同じ形状でもよいし、高さ３５が０の正方回折格子でもよい。本実施形態の場合、回折構造を構成する素材は導光体と同じでも違っていてもよいが、複屈折材料で構成される。これは、回折格子の回折性は屈折率に左右されるため、回折格子に達した光８４が偏光によって異なる角度８６・８７で回折されるためである。回折分光は、図示するように同一平面上にあるものの、レンズ状である。レンズ７２は、２本の光線をコリメート（平行化）する。ここで、レンズ７２と回折格子面７１との間隔距離は、層間にある物質（例えば、接着剤または空気）の焦点距離とほぼ同じである。平行光は、偏光という点において空間的に離れており、複屈折材料８１のレンズ状の縞からなるレンズの上部に半波長の厚みを有する第２層７３がレンズ層に位置合わせされている。縞の間隔はレンズと同じであり、縞の幅は、間隔のおよそ半分である。そして、ある１つの偏光は、回転して縞から出現する光を生成し、その光７４ａ・７４ｂは同じ偏光状態にある。

本発明の全ての特徴は白色光源によって機能するが、光源の波長範囲を広くすることは、光取出膜の単一設計には最適ではない。

有色光源を備えることにより偏光状態を向上させるためには、光源スペクトルの異なる波長での高ＴＥ／ＴＭのために最適化された異なる設計を混成することにある。例えば、赤、緑、青の発光用に最適化された光取出構造（例えば、３０、３１、３２、３３、３４、３５といった異なる値）を、それぞれ単独で用いずに、混成してもよい。

図９に示す他の特徴では、バックライト９０は、３色の光源（例えば、赤、緑、青の３色の光源９１、９２、９３）のそれぞれに対応する３つの導光体（第１導光体、第２導光体、および第３導光体）を含む。上記３つの導光体は、それぞれに対応する光取出構造９４、９５、９６を備える。これにより、単一の導光体および光源という好適な実施形態よりも高ＴＥ／ＴＭ比を実現する。

上記実施形態に適用可能な他の変形例を、図１０に示す。表示部１００は、ＳＬＭ内に液晶領域を備える内部偏光子構造１０２の下に多色蛍光体層１０１を備える。この場合、バックライトがパネルを照射するためには、蛍光体を励起する、ただ１つの波長が必要である。有色発光１０３は、ＳＬＭ（空間光変調器）画素を通過して所定の蛍光体に伝播する全ての発光２２から生成される。光取出構造がこの波長のために設計される。

図１１に、他の変形例を示す。変形表示部１１１およびバックライト部材１１０を図２の実施例に基づいて説明する。ここでは、光取出構造２３の代わりに、偏光１１３が導光体表面に対する法線として取り出されるように光取出構造１１２を設計する。この場合、液晶セル１１１の外面にプリントされた蛍光領域１１６に、画素１１５を通して光の焦点を合わせるためにレンズアレイ１１４を使ってもよい。光取出構造１１２は好適な実施形態やそれに続く実施形態と同じ一般的な設計であるが、同じ素材で異なる寸法を有しても良い。そして、蛍光体は有色発光１０３を放射する。したがって、液晶セルはカラーフィルタを備える必要がないため、システムの明度を向上させることが可能である。その上、偏光子１２・１１７は標準的な偏光子であるため、この設計によって容易に製造することを可能とする。

ここに記載される光取出構造は、当技術分野において周知のナノインプリント技術を用いて製造することができる。

本発明においては、所定の好適な実施例に関して記述がされているが、本明細書の理解に基づいて、当業者が相当物や変更をなしうる。本発明は、そのような相当物や変更も含含むものであり、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。

本発明における導光体は、光源からの光を配光させることができる。上記導光体は、隣り合う層に実質的に光学的に接する少なくとも１つの層を含んでいる。少なくとも１面または層間の１界面は、組み合わせた時に、一方の偏光を他方に対して優先的に取り出す構造を有する。

Claims (24)

1. 光源から受光した光を配光させる導光体であって、
   第１主面と、第２主面と、当該第１主面と当該第２主面との間に設けられ、上記光源からの光が入射する端面とを有する導光体基板と、
   上記導光体基板の上記第１主面および上記第２主面の少なくとも一方に設けられている、上記導光体基板から上記光を取り出す光取出構造と、を備え、
   上記導光体基板は、上記第１主面と上記第２主面との間で全反射により光を伝播させ、
   上記光取出構造は、空間周波数が互いに異なる、交互に配置された第１回折格子と第２回折格子とを少なくとも含むことを特徴とする導光体。
2. 上記光取出構造は、ある偏光を他の偏光に優先して、上記導光体基板から上記光を取り出すことを特徴とする請求項１に記載の導光体。
3. 上記第１回折格子の空間周波数は、上記第２回折格子の空間周波数のほぼ２倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の導光体。
4. 上記第１回折格子の形状高さは、第２回折格子の形状高さとは異なることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の導光体。
5. 上記第２回折格子は、上記第１回折格子の形状高さを変化させることを特徴とする請求項４に記載の導光体。
6. 上記第１回折格子の形状幅は、第２回折格子の形状幅とは異なることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の導光体。
7. 上記第１回折格子および上記第２回折格子では、第１偏光について、上記第１回折格子から放射された光が、上記第２回折格子から放射された光と相殺的に干渉し、反射されて上記導光体基板内に戻ることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の導光体。
8. 上記第１偏光とは異なる第２偏光について、上記第１回折格子から放射された光は上記第２回折格子から放射された光と相殺的に干渉せず、上記第２偏光の光は、上記導光体基板から取り出されることを特徴とする請求項７に記載の導光体。
9. 交互に配置された上記第１回折格子と上記第２回折格子とを含む上記光取出構造は、上記第１回折格子および上記第２回折格子のみからなることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の導光体。
10. 第１層と、第２層とを備え、
    上記光源からの光は、上記端面に入射して上記第１層内に入り、
    上記第２層の屈折率は、上記第１層の屈折率よりも小さく、
    上記光取出構造は、上記第２層に設けられ、
    上記第１層は、当該第１層内における光の向きを上記第２層の方に向ける非回折光取出形状を含むことを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の導光体。
11. 少なくとも３層備え、
    そのうちの少なくとも一層が上記光取出構造を含み、その他の層が非回折光取出形状を含むことを特徴とする請求項１０に記載の導光体。
12. 上記第１主面は、上記光取出構造を含み、
    上記第２主面は、全反射を壊すことなく上記導光体内から第２主面に入射する光の位相を回転させる第一の１／４波長板層を含むことを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の導光体。
13. 反射されて上記第一の１／４波長板層の内部を戻ってきた光の偏光を補正するための、上記第一の１／４波長板層に隣り合い、上記第一の１／４波長板と光学的に接していない第二の１／４波長板層をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の導光体。
14. 上記第１回折格子および上記第２回折格子は、対称的に交互配置された少なくとも２つの平行正方回折格子を含むことを特徴とする請求項１から１３の何れか１項に記載の導光体。
15. 上記第１回折格子および上記第２回折格子は、レンズ状の形状であることを特徴とする請求項１から１４の何れか１項に記載の導光体。
16. 上記第１回折格子および上記第２回折格子は、不透明の表面領域を有していない屈折性回折格子であることを特徴とする請求項１から１５の何れか１項に記載の導光体。
17. 光源から受光した光を配光させる導光体であって、
    第１主面と、第２主面と、当該第１主面と当該第２主面との間に設けられ、上記光源からの光が入射する端面とを有する導光体基板と、
    上記導光体基板の上記第１主面および上記第２主面の少なくとも一方に設けられている、上記導光体基板から上記光を取り出す光取出構造と、を備え、
    上記導光体基板は、上記第１主面と上記第２主面との間で全反射により光を伝播させ、
    上記光取出構造は、上記導光体基板からの非偏光を、第１偏光および第２偏光それぞれに対応する２つの異なる角度で回折する複屈折回折層を含むことを特徴とする導光体。
18. 上記複屈折回折層は、レンズ状の正方回折格子を含むことを特徴とする請求項１７に記載の導光体。
19. 上記複屈折回折層は、複屈折材料、反応性メソゲン材料、及び液晶材料のうちの少なくとも１つの材料による正方形のアレイを含むことを特徴とする請求項１７に記載の導光体。
20. さらに、レンズアレイと、パターン化位相子とを備え、
    上記レンズアレイは、同一偏光の光を供給するために、上記レンズアレイが上記第２偏光の光を通す上記パターン化位相子の領域とは異なる上記パターン化位相子の領域に上記第１偏光を通すことを特徴とする請求項１７から１９の何れか１項に記載の導光体。
21. 上記レンズアレイは、レンズ状のレンズを含み、
    上記パターン化位相子は、偏光面を９０度回転させる複屈折半波長層のレンズ状ストリップ（lenticular strips）を含むことを特徴とする請求項２０に記載の導光体。
22. 請求項１から２１の何れか１項に記載の導光体と、
    上記導光体に入射する光を供給する光源とを備えることを特徴とする表示装置用のバックライト。
23. 請求項１から２２の何れか１項に記載の少なくとも３つの導光体と、
    上記３つの導光体のうち、第１の導光体に関係付けられた第１色の光源と、
    上記３つの導光体のうち、第２の導光体に関係付けられた第２色の光源と、
    上記３つの導光体のうち、第３の導光体に関係付けられた第３色の光源と、を備えることを特徴とする表示装置用のバックライト。
24. 請求項２２または２３に記載のバックライトと、
    上記バックライトによって照明される空間光変調器と、を備えることを特徴とする表示装置。

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