JP4985059B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、バックライト付の液晶表示装置に関し、特に、バックライト利用効率向上のみならず、色再現性、コントラスト向上を図った直視型の液晶表示装置に関するものである。

液晶表示装置は、薄型軽量であり、省エネ型の表示装置として多く使用されている。しかし、液晶表示パネル自体は自己発光型の表示素子ではないので、暗い場所で使用する場合には、バックライトを配置して背面側から光を照射して表示するようにしている。このバックライトの光の利用効率は、省エネや携帯機器の電池寿命の観点から、少しでも効率を高めることが求められている。この光の利用効率低下の要因としては、液晶表示パネルではその表示の原理から直線偏光にそろえるために偏光板が必要であり、これによりバックライトの光は通常ほぼ半分以下に低下してしまうことがあげられる。

特許文献１には、層の面内で屈折率異方性を有する層と屈折率が等方性である層を交互に多数積層した偏光分離性能を有するフィルムが示されている。このフィルムにランダムな偏光の光を入射させることにより、一方向の偏光の光は通過し、それに直交する偏光の光は反射させることができる。このフィルムは、「ＤＢＥＦ」（商品名）で実際に使用されている。

このような偏光分離フィルムは、通過する偏光の光および反射される偏光の光のいずれも１０％程度は漏れてしまう。すなわち、本来は透過すべき偏光の光が１０％程度は透過しなく、逆に本来は反射されるべき偏光の光も１０％程度は反射されないという問題があった。このため、このような偏光分離フィルムでは、液晶表示パネルの偏光板の代替はできなく、入射側にも通常の偏光板を用いざるをえなく、この偏光板によりバックライトの光の損失が増大していた。

通常の偏光板のように偏光吸収機能を有するのではなく偏光分離機能を持つ偏光板、すなわち一方の偏光方向の光は高い光透過率を持ち、もう一方の偏光方向の光は高い反射率を持つワイヤグリッド偏光板（非特許文献１、非特許文献２参照）が知られている。これを用いれば、液晶表示装置においてバックライトの光の利用効率を上げることが望める。

ワイヤグリッド偏光板は、透明基材上に一定周期で平行に直線格子状の金属層が配置されており、金属層の長手方向に平行する方向に振動する電界ベクトルを持つような偏光を反射し、金属層の長手方向に直交する方向に振動する電界ベクトルを持つ偏光を透過することにより、直線偏光を得るものである。このようなワイヤグリッド偏光板を光源ユニットと液晶表示パネルとの間に挿入することにより、液晶表示パネルの入射側に偏光板を用いずに、光源ユニットからの光の高い利用効率を得ることが可能となる。

特許文献２には、ワイヤグリッド偏光板とλ／４板または拡散板とを組み合わせて液晶表示装置に用いることが示されている。前者の場合、光源から出射し、ワイヤグリッド偏光板により反射された偏光成分の光は、λ／４板と反射板とにより偏光方向を回転し、ワイヤグリッド偏光板を通過する偏光方向の光に変換する。また、後者の場合、ワイヤグリッド偏光板により反射された偏光成分の光を拡散板によりランダム偏光にし、再度ワイヤグリッド偏光板を通過させる。これらの方法により、ワイヤグリッド偏光板を通過する光を増加させ、光の利用効率を上げることが開示されている。

また、特許文献３、特許文献４には、ワイヤグリッド偏光板とプリズムシートとを組み合わせて、バックライトの光の利用効率を上げることが示されている。

特表平９−５０６９８４号公報 特開昭６３−１６８６２６号公報 特開２００６−１３９２８３号公報 特開２００６−４７８２９号公報 『現代人の物理１−光と磁気』（東京農業大学 佐藤勝昭 １９８８年 Ｐ．１０３（朝倉書店） Ｊ．Ｐ．Ａｕｔｏｎ，"ＩｎｆｒａｒｅｄＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＰｏｌａｒｉｚｅｒｂｙＰｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ"，Ａｐｐｌｉｅｄ．Ｏｐｔｉｃｓ．Ｖｏｌ．６．ｐ．１０２３（１９６７）

上記したように、液晶表示装置において、ワイヤグリッド偏光板は輝度向上効果を有しているが、現状の液晶表示装置に用いられている偏光板と「ＤＢＥＦ」との組み合わせをワイヤグリッド偏光板で代替することには課題があった。その理由はワイヤグリッド偏光板の偏光分離能が光の入射角に大きく依存するためである。ワイヤグリッド偏光板では、透明基材上に一定周期で平行に直線格子状の金属層が配置されている。このワイヤグリッド偏光板の格子の長手方向に直交する方向に対して光の入射角の絶対値が大きくなるほど短波長側の偏光分離能が低下するため、液晶表示装置としての色再現性、コントラストが低下するという課題があった。

本発明は従来技術のこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ワイヤグリッド偏光板の偏光分離機能を活かすために、ワイヤグリッド偏光板への光の入射角を制御し、色再現性を改善し、コントラスト比の低下を抑制し、光の利用効率を向上し、また、液晶表示装置の厚さをより薄くすることである。

本発明の第１の態様は、透明基板間に液晶層を挟持し、その液晶層の両外側に偏光板を配置し、観察側と反対側の偏光板の背後に、法線方向からの角度により出射光の強度を調整する出射光調整光学板と、光源ユニットとを配置した液晶表示装置であって、前記観察側と反対側の偏光板は１枚または２枚とされており、このうち最も前記光源ユニットに近い偏光板が、透明基材上に一定周期で平行に直線格子状の金属層が配置されてなるワイヤグリッド偏光板で構成され、前記出射光調整光学板が、前記ワイヤグリッド偏光板の格子の長手方向に直交する方向に対して、法線方向θ＝０°での出射光の光強度を１００としたときに、±３０°傾いた方向の出射光の光強度を０．５以下とするものであることを特徴とする液晶表示装置である。

本発明の第２の態様は、第１の態様の出射光調整光学板が、ワイヤグリッド偏光板の格子の長手方向に直交する方向に対して、法線方向θ＝０°での出射光の光強度を１００としたときに、±２０°傾いた方向の出射光の光強度を１０以下とするものである液晶表示装置である。

本発明の第３の態様は、第１の態様または第２の態様の出射光調整光学板が、光源ユニット側からワイヤグリッド偏光板側に連通した導波路構造を有し、導波路構造の光源ユニット側には導波路構造の開放端以外の部分に反射層が設けられている光学板である液晶表示装置である。

本発明の第４の態様は、第３の態様の出射光調整光学板の光源ユニット側からワイヤグリッド偏光板側に連通した導波路構造が、ワイヤグリッド偏光板の格子の長手方向に直交する方向での断面において、ワイヤグリッド偏光板側を底部として形成される略台形形状である液晶表示装置である。

本発明の第５の態様は、第４の態様の出射光調整光学板の光源ユニット側からワイヤグリッド偏光板側に連通した導波路構造が、ワイヤグリッド偏光板側を底部として形成される略錐体である液晶表示装置である。

本発明の第６の態様は、第１の態様〜第５の態様のいずれかの前記観察側と反対側の偏光板は１枚であって、当該１枚の偏光板がワイヤグリッド偏光板である液晶表示装置である。

本発明の第７の態様は、第１の態様〜第６の態様のいずれかの前記ワイヤグリッド偏光板が光硬化性樹脂のインプリントにより作成されたことを特徴とする液晶表示装置である。

本発明によると、液晶表示装置のバックライトの光の利用効率を向上させることができ、また、同時に青領域の色再現性、コントラスト比向上も可能である。さらには、部品点数を減らし、液晶表示装置をより薄くできうる効果がある。

本発明の液晶表示装置は、液晶表示パネルの観察側と反対側に光源ユニットを配置したバックライト付の液晶表示装置である。液晶表示パネルとしては、公知の各種透過方式の液晶表示パネルが使用できる。代表的なものとしては、ツイストネマチック方式、ＳＴＮ方式、強誘電方式、スメクチック方式などがある。

液晶パネルの構造としては、透明基板に電極、配向膜、カラーフィルタ、遮光膜、能動素子等を配置して、２枚の基板間に液晶層を挟持し、２枚の基板または同一基板の２つの電極間に印加する電圧により液晶分子を駆動して表示を可変できるものであれば使用できる。液晶層の両側に偏光板を用いて表示する。

光源ユニットとしては、通常のバックライト構造が使用できる。具体的には、光源ユニットとして散乱版の裏面（液晶パネル側と反対側）に冷陰極放電管、ＥＬ、ＬＥＤ等の光源を設けたもの、導光板の側面に冷陰極放電管、電球、ＬＥＤ等の光源を設けたもののいずれも使用可能である。

本発明では、液晶表示パネルの観察側と反対側すなわち光源ユニット側にワイヤグリッド偏光板と出射光調整光学板とを配置して、光源ユニットからの光の利用効率を向上させる。

以下、図面を参照して説明する。

図１は、本発明による液晶表示装置の構成を示す断面図であり、液晶表示パネル１の観察側と反対側に、ワイヤグリッド偏光板２、出射光調整光学板３、光源ユニット４が積層されている。

液晶表示パネル１は、観察者側の透明基板１１Ａとその反対側の透明基板１１Ｂとの間に液晶層１２が挟まれており、両透明基板１１Ａ、１１Ｂの外側には偏光板１３Ａ、１３Ｂが配置されている。観察側の偏光板１３Ａと反対側の偏光板１３Ｂの偏光軸は適宜定めればよい。ツイストネマチックの場合には、２枚の偏光板の偏光軸はほぼ直交するかほぼ平行するかの状態に合わせられる。この図では、分かりやすくするために、配向膜、カラーフィルタ、遮光膜、能動素子、シール材、間隔制御用のスペーサ等については省略してある。

ツイストネマチック方式の液晶表示パネル１の２枚の偏光板１３Ａ、１３Ｂを、偏光軸が直交するように配置した場合について説明する。この場合、電圧無印加時には液晶分子がねじれて配向しており、光源ユニット側の偏光板１３Ｂを透過して入射した光は液晶層１２をねじれて進行して観察者側の偏光板１３Ａを透過する。一方、電圧印加時には液晶分子が基板に垂直に立ち上がって配向して、入射した光はそのまま液晶層１２を進行して観察者側の偏光板１３Ａで遮断される。この偏光板の配置は、液晶の動作モードにより最適な配置を選択すればよい。ただし、光源ユニット側の偏光板１３Ｂの偏光軸とワイヤグリッド偏光板の偏光軸とは一致させる。

光源ユニット４は、反射板１４、光源としての冷陰極放電管１５、冷陰極放電管１５からの照明光を拡散させる白色散乱板１６、白色散乱板１６からの拡散光の拡散角を絞るビーズ散乱板１７を有している。この光源ユニットは、反射板を平面ではなく、冷陰極放電管に沿った曲面にしてもよく、図示していない導光板や散乱板を併用してもよく、戻ってきた光を散乱させるもしくは偏光方向を変える手段と反射させる手段を有していればよい。

ワイヤグリッド偏光板２は、図２に模式的に示したように、ガラス等の透明基板２１の表面（入射側表面に限定されないが、図１の構成では、光源ユニットからの入射側表面が望ましい。）に、アルミニウム、銀、Ｃｒ等の金属からなり一定周期で平行に配置された直線格子状の金属層２２が形成されている。２３は入射光、２４は格子の長手方向に平行な偏光方向、２５は格子の長手方向に直交する偏光方向を示す。θはワイヤグリッド偏光板２の法線方向を０°として格子の長手方向に直交する方向（図２の横方向）への傾斜角を示す。

可視光域で十分な偏光分離性能を発揮するために、光の回折を抑制して偏光板として機能させるために金属層のピッチが０．３μｍ以下とされる。光の利用効率を高くするためには、金属層のピッチに対して金属層のある部分の比は、０．３〜０．７とされる。０．３よりも小さいと、ｓ偏光の反射が充分得られにくくなり、０．７より大きいとｐ偏光の透過率が低下する。金属層のある部分の溝の深さ（凸部の高さ）は、０．０５μｍから０．４μｍに設定される。０．０５μｍより小さいと青領域の偏光分離能が低下すやすくなり、０．４μｍを超えるとｐ偏光の透過率が低下しやすく、かつ、作製も難しくなりやすい。

このようなワイヤグリッド偏光板２は、前記したように、ランダム偏光（自然偏光）の光２３を入射させると、金属層２２の長手方向に平行に振動する電界ベクトルを持つような偏光を持つ成分２４を反射し、金属層２２の長手方向に直交に振動する偏光方向の成分２５を透過する。このようなワイヤグリッド偏光板２に光源ユニットからの光を入射させることで、その金属層２２の長手方向に直交する偏光方向を持った直線偏光が出射光として得られるものである。

ワイヤグリッド偏光板は、透明基材上に一定周期で平行に直線格子状の金属層が配置されている。通常は、微細な格子状の凹凸を基板表面に形成し、その凸部の上に金属層を形成している。

本発明のワイヤグリッド偏光板は、細かい制御が容易なのでインプリント法で形成することが好ましい。特に、光インプリント法で製造すれば、低温で成形できるので、ひずみも少なく有利である。

具体的には、光重合性化合物、重合開始剤、必要に応じて添加剤を混ぜた組成物を透明基板上に膜状に供給し、これに微細な凹凸のある型を押し付け、その状態で光照射して光重合性化合物を重合性させる。重合後に型を除去し、表面に微細な凹凸が形成された透明基板が得られる。この凸部の上に金属層を設ける。必要に応じて、光重合したシートを透明基板から剥離して用いることもできる。

出射光調整光学板３は、その法線方向からの角度により出射光の強度を調整する光学板であり、ワイヤグリッド偏光板の格子の長手方向に直交する方向に対して、法線方向θ＝０°での出射光の光強度を１００としたときに、±３０°傾いた方向の出射光の光強度を０．５以下となるようなものが使用できる。この±３０°傾いた方向の出射光の光強度が０．５を超えると、光の利用効率の減少は当然少し増えるが著しい影響ではなく、青領域の色再現性、コントラスト比に悪影響を生じる。

特に、法線方向θ＝０°での出射光の光強度を１００としたときに、±２０°傾いた方向の出射光の光強度を１０以下にすることが好ましい。この±２０°傾いた方向の出射光の光強度が１０を超えると、青領域のｐ偏光の透過率が低下し、偏光分離能が低下しやすくなるため、色再現性が低下しやすくなる。

出射光調整光学板３の具体的な構造としては、図３に模式的に示したように、光源ユニット側（図の下側）からワイヤグリッド偏光板側（図の上側）に連通した導波路構造３１を有し、導波路構造３１の光源ユニット側には導波路構造の開放端３３以外の部分に反射層３４が設けられている。この導波路構造３１は開放端３３から入射した光が周辺の媒体３２との界面で反射して出射光の傾きを法線方向に近い角度に集光して図の上側に抜けてゆく。これにより出射光調整光学板３を光源ユニット側から入射して通過した光は、法線方向に光強度分布が高い光として出射する。

開放端３３以外の部分に到達した光は、開放端３３以外の部分に設けられた反射層３４で反射されて再利用される。また、ワイヤグリッド偏光板２で反射された光は、導波路構造３１のワイヤグリッド偏光板２側の開放端３５から出射光調整光学板３に入射し、光源ユニット側に出射して再利用される。このワイヤグリッド偏光板２側の開放端３５を光源ユニット側の開放端３３よりも広くしておくことにより、ワイヤグリッド偏光板２で反射された光をより多く再利用できる。

この出射光調整光学板３の導波路構造３１は、図３に示すように、ワイヤグリッド偏光板の格子の長手方向に直交する方向での断面において、ワイヤグリッド偏光板側を底部として形成される略台形形状とされることが好ましい。この導波路構造３１はワイヤグリッド偏光板の格子の長手方向には連続していてもよいが、連続していない略錐体状とすることが好ましい。

図３においては、上側がワイヤグリッド偏光板側を下側が光源ユニット側を示す。図３において、光源ユニット側から開放端３３に入射した光は斜めに外側に傾斜している導波路構造３１の内面３６で反射されながら進行して、出射角が出射光調整光学板の法線方向に近い角度に集められてワイヤグリッド偏光板側の開放端３５から出射する。

光源ユニット側の開放端３３以外の部分に到達した光は反射層３４で反射されて、光源ユニット側に戻る。また、ワイヤグリッド偏光板で偏光方向が合わずに反射された光は、出射光調整光学板のワイヤグリッド偏光板側の開放端３５から導波路構造３１に入射し、光源ユニット側から開放端３３から光源ユニット側に出射する。これらの光源ユニット側に戻った光は、光源ユニット側の反射層と散乱板とにより再度出射光調整光学板に戻ってきて再利用される。これにより、光の利用効率が向上する。

この略台形状は、断面が台形状のみでなく、出射光の法線方向への光の集中を促進するために台形の側辺を曲線としたり、折れ線とする場合も含む。特に、やや外側に膨らんだ曲線状とすることが好ましい。略錐体状も同様に円錐状、角錐状のみでなく、出射光の法線方向への光の集中を促進するために錐体の側面を曲面としたり、平面の組み合わせとする場合も含む。特に、やや外側に膨らんだ曲面状とすることが好ましい。以下により具体的に説明する。

この導波路構造の側壁形状の最適化により出射光の散乱角を任意の角度に制限することが可能である。導波路構造が略角錐形状の場合の側壁は以下の式１で表される。
（ｘ＋ｋ_１）^２＋（ｙ＋ｋ_２）^２＝Ｋ_３ ^２ （式１）
ただし、ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３は曲線を定義する定数であり、ｘ、ｙは各曲線の座標。

断面略台形状の基になる台形の側辺の傾きは、８０°以上９０°未満、特には８２°〜８７°であることが好ましい。また、ワイヤグリッド偏光板の格子の長手方向に直交する方向での断面において、導波路構造のピッチは、２μｍより小さいと光が導波しにくくなり、２００μｍを超えると光のムラが生じやすくなるので、２μｍ〜２００μｍとされることが好ましい。

また、導波路構造３１の高さと光源ユニット側の開放端３３の幅のアスペクト比は、６より小さいと光のリサイクル性が低くなりやすく輝度向上が得られにくくなり、３５を超えると導波光が減衰しやすくやはり輝度向上が得られにくくなるので、６〜６０が好ましい。また、光源ユニット側の開放端３３の幅は、ワイヤグリッド偏光板側の開放端３５の幅の０．０５〜０．８倍であることが好ましい。この幅の比は、１を超えるとワイヤグリッド偏光板側の開口部が光源ユニット側の開口部より小さくなるため輝度向上効果が発現しにくくなる。また、０．０５より小さいと反射光のリサイクル性が低下しやすい。特に、０．０５〜０．３として断面が略台形状とすることが出射光の方向を法線方向に集中させるのに好ましい。このような光学フィルムの具体例としてはＵＳ６４７３２２０やＵＳ２００６／０２９１０６７に記載されたフィルムがあげられる。

冷陰極放電管１５から出た自然偏光の照明光は、白色散乱板１６とビーズ散乱板１７を経て、拡散光を制限された散乱角内に変換できる出射光調整光学板３に入射する。この出射光調整光学板３において、光はワイヤグリッド偏光板２への光の入射角がワイヤグリッド偏光板の格子の長手方向に直交する方向に対して、法線方向θ＝０°での出射光の光強度を１００としたときに、±３０°傾いた方向の出射光の光強度を０．５以下になるように制限される。好ましくは、±２０°傾いたときの入射光強度が１０以下に、より好ましくは、±２５°傾いたときの入射光強度が５以下に制限される。

この制御された光は液晶表示パネル１の光源ユニット４側のワイヤグリッド偏光板２に入射し、その金属層に直交する偏光方向の光の成分のみが透過される。一方、その金属層に平行な偏光方向の光の成分はワイヤグリッド偏光板２で反射され、出射光調整光学板３により再び反射方向へ反射されて自然偏光となり、再度ワイヤグリッド偏光板１に入射される。また、出射光調整光学板３を通過して光源ユニット４側に戻った光は、ビーズ散乱板１７、白色散乱板１２、反射板１５等を経由して再度出射光調整光学板３に入射し、ワイヤグリッド偏光板２に入射する。

このような光路を経て冷陰極放電管１５から出た照明光はほとんどがワイヤグリッド偏光板２を透過する偏光成分になるため、光源の利用効率が高くなり、少ない電力で明るい表示が可能になる。ワイヤグリッド偏光板２を透過した直線偏光は、液晶表示パネル１の光源ユニット側の偏光板へ入射する。

図４は、液晶表示パネルの光源ユニット側の偏光板をワイヤグリッド偏光板で代替した例の構成を示す断面図であり、図１と同じ部材には同じ番号を付与している。

液晶表示パネル１の観察者側の透明基板１１Ａの前に偏光板１３Ａが配置されているが、その反対側の透明基板１１Ｂの光源ユニット側には直接ワイヤグリッド偏光板２が配置されている。この場合、ワイヤグリッド偏光板２の偏光軸は、液晶の動作モードによって適宜決められる。この例では、液晶表示装置の液晶表示パネル１を構成する光源ユニット側の偏光板１３Ｂを省略できるため、部品点数が減るだけでなく、液晶表示装置をより薄くできる効果がある。

図１の例の際に説明したツイストネマチック方式の液晶表示パネル１の例に合わせた場合には、偏光板１３Ａの偏光軸とワイヤグリッド偏光板２の偏光軸との偏光軸が直交するように配置する。これにより電圧無印加時には液晶分子がねじれて配向しており、光源ユニット側のワイヤグリッド偏光板２を透過して入射した光は液晶層１２をねじれて進行して観察者側の偏光板１３Ａを透過する。一方、電圧印加時には液晶分子が基板に垂直に立ち上がって配向して、入射した光はそのまま液晶層１２を進行して観察者側の偏光板１３Ａで遮断される。

また、本発明の液晶表示装置は、ワイヤグリッド偏光板２への光の入射角がワイヤグリッド偏光板の金属層からなる直線格子の長手方向に直交する方向に対して法線方向θ＝０°に対して±３０°傾いたときの入射光強度が、０°のときの入射光を１００％としたときの０．５％以下とされる。より好ましくは、±２０°傾いたときの入射光強度が１０％以下、さらに好ましくは、±２５°傾いたときの入射光強度が５％以下とされる。

冷陰極放電管１５から出た自然偏光の照明光は、白色散乱板１６とビーズ散乱板１７とを経て拡散光を制限された散乱角内に変換できる出射光調整光学板３に入射する。この出射光調整光学板３の設計によりワイヤグリッド偏光板２に入射する光の入射角をワイヤグリッド偏光板の導電性層からなる直線格子の長手方向に直交する方向に対して法線方向θ＝０°に対して±３０°傾いたときの光強度が０°のときの入射光を１００％としたときの０．５％以下に制御する。

ワイヤグリッド偏光板の性能を決定する要因の一つがピッチｐ［ｎｍ］と入射光の波長λ［ｎｍ］との関係であり、一般に「レイリー共鳴」と呼ばれる現象として現れる。この共鳴が起こる最も長い波長（最大共鳴波長）λ_{ｒｅｓｍａｘ}は以下の式２で表されることが知られている。

λ_{ｒｅｓｍａｘ}＝ｐ（ｎ＋ｓｉｎθ）・・・式２
ただし、式２においてｎ、θはそれぞれ基板の屈折率、光の入射角を意味する。

レイリー共鳴が起こる波長前後においては、ワイヤグリッド偏光板の偏光分離能が急激に低下する。このため、可視光に対し充分な偏光分離性能を示すためには、最大共鳴波長λ_{ｒｅｓｍａｘ}が可視光の波長よりも短くなるようにしなければならない。

図５にＧｒａｔｉｎｇｓｏｌｖｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ社製の電磁界シミュレーションソフト「ＧＳｏｌｖｅｒ」により計算した、本発明のワイヤグリッド偏光板のＲ（６１０ｎｍ）、Ｇ（５５０ｎｍ）、Ｂ（４３０ｎｍ）の各波長における透過光の透過率と入射角との関係を示す。計算は光が透明基板側からワイヤグリッド偏光板に入射する条件で、入射角θ＝０°〜６０°、ピッチｐ＝２００ｎｍ、金属層幅ｗ＝８０ｎｍ、金属層の厚みｔ＝８０ｎｍとして、基板屈折率ｎが１．５のものについて行った。金属層の材料としては、導電率が高く、可視光の反射率が高いアルミニウムを選定した。

図５のグラフの横軸は入射角、縦軸は透過度を表す。光の透過率は角度依存性があり、短波長のほうが角度依存性が大きい。特に４３０ｎｍ（青）の光は光の入射角がワイヤグリッド偏光板の金属層からなる直線格子の長手方向に直交する方向に対して法線方向θ＝０°に対して±３０°傾いたときときに、０°入射のときの約９０％、また金属層からなる直線格子の長手方向に直交する方向に対して法線方向θ＝０°に対して±４０°のときに０°入射の約８５％まで透過率が低下し、入射角が大きくなると青の透過率低下のため、色再現性に課題が生じる。そのため、ワイヤグリッド偏光板に入射する光の入射角はワイヤグリッド偏光板の金属層からなる直線格子の長手方向に直交する方向に対して法線方向θ＝０°に対して±３０°傾いたときの光強度が０°のときの入射光を１００％としたときの０．５％以下に制限することが重要である。

偏光度は、下記の式３に基づいて計算した。ここで、Ｔ_ｐはｐ偏光の透過率を、Ｔ_ｓはｓ偏光の透過率を表す。

偏光度＝（（Ｔ_ｐ−Ｔ_ｓ）／（Ｔ_ｐ＋Ｔ_ｓ））^０．５・・・式３

上記の式２に示すように、レイリー共鳴という点から見た場合には、入射角が大きくなれば、最大共鳴波長λ_{ｒｅｓｍａｘ}は長波長側にシフトする。λ_{ｒｅｓｍａｘ}が４００ｎｍ以上になると、可視光に対し充分な偏光分離性能が発揮されないといえる。そこで、ピッチｐをたとえば１５０ｎｍというように小さくすれば、λ_{ｒｅｓｍａｘ}は小さくなり、θ＝９０°としてもλ_{ｒｅｓｍａｘ}＜４００ｎｍと可視光以下の波長となる。しかし、この場合においても、ｓ偏光の漏れの影響から偏光分離能は入射角度が大きくなると低下する
図６のグラフはピッチｐを１５０ｎｍとしたときの入射角度と偏光度の関係を波長別に示した図であり、横軸は波長、縦軸は偏光度を表す。図６に示すように、偏光度は、入射角θの影響を大きく受け、入射角θが＋３０°〜−３０°では、最大共鳴波長λ_{ｒｅｓｍａｘ}は、４００ｎｍ以下と紫外領域であり、可視光に対する透過光の偏光度はほぼ９８％程度以上となり、良好な偏光分離性能を有することがわかる。しかし、入射角θが３０°より大きくなると、波長が短いほど偏光度は急速に低下し、図６においても４０°では９５％を下回ってしまう。

このように、レイリー共鳴という点からの最大共鳴波長λ_{ｒｅｓｍａｘ}の点からも当然ではあるが、ｓ偏光の漏れの影響から偏光分離能は入射角度が大きくなると低下するため、θ＝０°に対して±３０°傾いたときの光強度が０°のときの入射光を１００％としたときの０．５％以下に制限することが重要である。

これにより、青領域の色再現性、コントラスト比向上の効果が得られる。中でも、±２０°傾いたときの入射光強度が、０°のときの入射光を１００％としたときの１０％以下とすることが好ましく、さらに、±２５°傾いたときの入射光強度が、０°のときの入射光を１００％としたときの５％以下とすることがさらに好ましい。

現状使用されている集光フィルムであるプリズムシート（ＢＥＦ）では、このような角度制御は容易ではない。本発明では、拡散光を制限された散乱角内に変換できる出射光調整手段３を用いてワイヤグリッド偏光板２を用いることにより、高い光利用効率を有し、かつ、青領域の色再現性、コントラスト比もよい液晶表示装置を得ることができる。さらに、ワイヤグリッド偏光板２で光源ユニット側の偏光板も兼用することにより、偏光板を１枚減らすことができ、薄型化、軽量化も可能になる。

〔例１−１〕ワイヤグリッド偏光板の作製
次のような手法でワイヤグリッド偏光板を作製した。図７を参照しつつ説明する。

基板４１として、厚さ５０μｍの高透過ＰＥＴフィルム（帝人デュポン社製「帝人テトロンＯ３」（２０ｍｍ×２０ｍｍ）を用い、その表面に下記組成からなる光硬化性アクリレート組成物Ｑ１をスピンコータを用いて塗工（１０００ｒｐｍ×１０秒）し、９０℃の熱風循環オーブン中で１分間保持して乾燥せしめ、被膜４２を形成した。

組成物Ｑ１：
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート（新中村化学社製）：６０質量部、
ネオペンチルグリコールジアクリレート（新中村化学社製）：４０質量部、
Ｉｒｇａｃｕｒｅ９０７（チバスペシャリティーケミカルズ社製）：４質量部。

凹凸構造を表面に有するモールド４３として、石英製モールド（２５ｍｍ四方）を使用し、その中央部の表面に格子形状の凹凸構造（ピッチ＝２００ｎｍ、凸部の幅＝８０ｎｍ、格子の高さ＝２００ｎｍ、凸部の断面形状が矩形であり、凸部が図７でみて奥行方向に長さ２５ｍｍ連続、凹凸構造を中心の２５ｍｍ四方に形成）を形成したものを使用した。次いで、この石英製モールドを、ＰＥＴフィルム上の組成物Ｑ１による被膜４２に押し付けて、そのまま０．５ＭＰａ（ゲージ圧）でプレスした。

つぎに２５℃にて、モールド側から高圧水銀灯を１５秒間照射して組成物Ｑ１の硬化物を得た。２５℃にて、モールドを硬化物から剥離して、モールドの凹凸構造が反転した凹凸構造を表面に有する組成物Ｑ１の硬化物がＰＥＴフィルム上に形成された微細パターン形成体を得た。さらに、ＰＥＴ基板から硬化物を剥離して硬化物のみからなる微細パターン形成体を得ることもできた。

得られたＰＥＴ基板付きの微細パターン形成体の凸部上に、斜方蒸着法にてアルミニウムを蒸着させ、凸部上に金属膜（厚さ：８０ｎｍ、幅：８０ｎｍ）を形成し、ＰＥＴ基板によるワイヤグリッド偏光板を得た。

〔例１−２〕偏光分離能の評価
光源ユニットとして、側端部にＬＥＤ光源を配置し、液晶表示パネル側に散乱光が出射するようにした楔型の導光板を配置したものを用いた。出射光調整光学板は図８に示すような導波路構造５１を有するものを用いる。導波路構造５１のピッチＰは５５μｍ、光源ユニット側の開放端５３の幅Ｗ_１は５μｍ、ワイヤグリッド偏光板側の開放端５５の幅Ｗ_２は５２μｍ、略円錐体状の導波路構造部の長さＬ_１は１６５μｍ、その先の長さＬ_２は１３５μｍとした。この導波路構造５１のアスペクト比（Ｌ_１／Ｗ_１）は、３３であった。また、光源ユニット側の開放端５３の幅Ｗ_１とワイヤグリッド偏光板側の開放端５５の幅Ｗ_２の比（Ｗ_１／Ｗ_２）は０．０９６であった。導波路構造５１内部の屈折率は１．５、その周囲の媒体の屈折率は１．４５とした。光源ユニット側の開放端５３以外の出射光調整光学板には反射層５４を形成した。

この出射光調整光学板に光学ユニット側から散乱光を入射したときの出射光の角度依存性をＬｉｇｈｔ−Ｔｏｏｌ（ｖｅｒ．５．４０ ＯＲＡ社製）を用いてシミュレーションしたときの結果を図９に太い実線で示す。図９において、縦軸は光の強度、横軸は出射光調整光学板の法線方向をθ＝０°としたときの傾斜角を示す。出射光調整光学板の法線方向θ＝０°に対して±３０°傾いたときの光強度が０°のときの入射光を１００％としたとき０％であり、±２５°傾いたとき０％であり、±２０°傾いたとき０％であり、±１０°傾いたとき４０％である。

このワイヤグリッド偏光板と出射光調整光学板とを用いて、Ｒ（６１０ｎｍ）、Ｇ（５５０ｎｍ）、Ｂ（４３０ｎｍ）の各波長における偏光分離能とコントラスト比、および輝度（規格化）を求めた。結果を表１にまとめた。

〔例２〕偏光分離能の評価（比較例）
例１−２と同じ光源ユニットとワイヤグリッド偏光板とを用い、出射光調整光学板の代りに、直交して設置したプリズムシート(住友スリーエム社製：ＢＥＦ)２枚と組み合わせ例１−２と同様に各波長における偏光分離能とコントラスト比、および輝度（規格化）を求めた。結果を表１にまとめた。

この例２（比較例）のプリズムシートを用いて、光学ユニット側から散乱光を入射したときの出射光の角度依存性を上記例１−２と同じ測定方法で測定した結果を図９に破線で示す。また、散乱板のみを用いた光学ユニットだけの場合の出射光の角度依存性を図９に点と細い実線で示す。

本発明による液晶表示装置の例の構成を示す断面図である。 ワイヤグリッド偏光板の構成と作用を模式的に示す図である。 本発明の液晶表示装置に用いる出射光調整光学板の構成を模式的に示す図である。 本発明による液晶表示装置の他の例の構成を示す断面図である。 本発明のワイヤグリッド偏光板の各波長による透過光の透過率と入射角の関係を示す図である。 ワイヤグリッド偏光板の入射角による偏光度の波長依存性を示す図である。 本発明におけるワイヤグリッド偏光板の製造方法を示す模式図である。 本発明における出射光調整光学板の具体的構成を示す断面図である。 本発明における出射光調整光学板の出射光角度依存を示す図である。

符号の説明

１…液晶表示パネル
２…ワイヤグリッド偏光板
３…出射光調整光学板
４…光源ユニット
１１Ａ、１１Ｂ…透明基板
１２…液晶層
１３Ａ、１３Ｂ…偏光板
１４…反射板
１５…冷陰極放電管
１６…白色散乱板
１７…ビーズ散乱板
２１…透明基板
２２…金属層
２３…入射光
２４…格子の長手方向に平行な偏光方向
２５…格子の長手方向に直交する偏光方向
３１…導波路構造
３２…媒体
３３…開放端
３４…反射層
３５…開放端
３６…内面
４１…基板
４２…被膜
４３…モールド
５１…導波路構造
５２…媒体
５３…開放端
５４…反射層
５５…開放端

Claims (7)

1. 透明基板間に液晶層を挟持し、その液晶層の両外側に偏光板を配置し、観察側と反対側の偏光板の背後に、法線方向からの角度により出射光の強度を調整する出射光調整光学板と、光源ユニットとを配置した液晶表示装置であって、前記観察側と反対側の偏光板は１枚または２枚とされており、このうち最も前記光源ユニットに近い偏光板が、透明基材上に一定周期で平行に直線格子状の金属層が配置されてなるワイヤグリッド偏光板で構成され、前記出射光調整光学板が、前記ワイヤグリッド偏光板の格子の長手方向に直交する方向に対して、法線方向θ＝０°での出射光の光強度を１００としたときに、±３０°傾いた方向の出射光の光強度を０．５以下とするものであることを特徴とする液晶表示装置。
2. 出射光調整光学板が、ワイヤグリッド偏光板の格子の長手方向に直交する方向に対して、法線方向θ＝０°での出射光の光強度を１００としたときに、±２０°傾いた方向の出射光の光強度を１０以下とするものである請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 出射光調整光学板が、光源ユニット側からワイヤグリッド偏光板側に連通した導波路構造を有し、導波路構造の光源ユニット側には導波路構造の開放端以外の部分に反射層が設けられている光学板である請求項１または２に記載の液晶表示装置。
4. 出射光調整光学板の光源ユニット側からワイヤグリッド偏光板側に連通した導波路構造が、ワイヤグリッド偏光板の格子の長手方向に直交する方向での断面において、ワイヤグリッド偏光板側を底部として形成される略台形形状である請求項３に記載の液晶表示装置。
5. 出射光調整光学板の光源ユニット側からワイヤグリッド偏光板側に連通した導波路構造が、ワイヤグリッド偏光板側を底部として形成される略錐体である請求項４に記載の液晶表示装置。
6. 前記観察側と反対側の偏光板は１枚であって、当該１枚の偏光板がワイヤグリッド偏光板である請求項１〜５のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
7. ワイヤグリッド偏光板が光硬化性樹脂のインプリントにより作成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の液晶表示装置。

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