JPWO2009101797A1 - 照明装置および液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
本発明の目的は、薄く、かつ、高い耐熱温度を実現するとともに光利用効率の高い照明装置および液晶表示装置を提供することである。本発明の照明装置(100)は、互いに直交する偏光方向を有する第1および第2偏光成分を含む光を出射するバックライト(110)と、第1偏光成分の反射率が第1偏光成分の透過率よりも高く、第2偏光成分の透過率が第2偏光成分の反射率よりも高い選択反射偏光板(ワイヤーグリッド)(120)とを備える。選択反射偏光板(ワイヤーグリッド)(120)は、透明基板(122)と、透明基板(122)上に配列された複数の金属ワイヤー(124)とを有しており、金属ワイヤー(124)のピッチに対する金属ワイヤー(124)の幅の比は30%よりも大きく42%以下である。バックライト(110)の反射率は0.6以上である。本発明の照明装置は、液晶表示装置に好適に用いられる。液晶表示装置(150)は、照明装置(100)に加えて液晶パネル(200)を備えている。
Description
本発明は、照明装置および液晶表示装置に関する。
液晶表示装置は、軽量、薄型および低消費電力等の利点を有している。このため、液晶表示装置は、テレビ、コンピュータ、携帯端末等の表示部に利用されている。液晶表示装置の液晶パネルは、ブラウン管(Cathode Ray Tube:CRT)やプラズマディスプレイパネル(Plasma Display Panel:PDP)などの自発光型パネルとは異なり、それ自体は発光しない。このため、透過型液晶表示装置および透過反射両用型液晶表示装置では、液晶パネルの裏面にバックライトを配置し、バックライトから出射して液晶パネルを通過した光により、表示が行われる。
バックライトから出射される光は非偏光である。透過型液晶表示装置および透過反射両用型液晶表示装置には、液晶層を挟むように偏光板が設けられている。偏光板は、透過軸に平行な偏光方向の偏光成分を透過し、透過軸に直交する偏光方向の偏光成分を吸収する。このため、バックライトから出射された光のうちバックライトに近い偏光板を透過するのは略半分であり、バックライトからの光の略半分は利用されない。
そこで、選択反射偏光板を用いることにより、光の利用効率を増大させることが知られている。選択反射偏光板は、偏光方向の直交する2つの偏光成分のうちの一方を透過し、他方を反射する。選択反射偏光板は、例えば、バックライトを備える照明装置の出射面に配置される。選択反射偏光板は、透過軸に平行な偏光方向の偏光成分のほとんどを透過するが、一般的な偏光板では吸収される偏光成分のほとんどをバックライトに向けて反射する。バックライトに戻った光の一部は、バックライトにおいて反射されるとともに偏光状態が変化し、再びバックライトの出射面から選択反射偏光板に向かって出射される。バックライトの出射面から出射された光の一部は選択反射偏光板を透過する。以上のように、選択反射偏光板を設けることにより、光利用効率が増大し、液晶表示装置の輝度が1.2〜1.4倍ほど増加する。
選択反射偏光板は3つのタイプに分類される。第1のタイプの選択反射偏光板は誘電体の多層膜から形成される(例えば、特許文献1参照)。このタイプの選択反射偏光板は、面内に屈折率異方性を有する材料と等方性の材料とを多層重ねた構造(誘電体積層構造)を有しており、誘電体多層膜とも呼ばれている。
第2のタイプは液晶のような複屈折性材料を使用したものである(特許文献2参照)。このタイプの選択反射偏光板は液晶性材料を面内に配向させて形成されている。
そして、第3のタイプは、透明基板上に複数の金属ワイヤーを配列したものである。金属ワイヤーは、反射率の高い金属から形成されている。このタイプの選択反射偏光板は、ワイヤーグリッドとも呼ばれている。複数の金属ワイヤーは、金属薄膜をパターニングすることにより、対象となる光の波長以下のピッチで平行に配列されている。
これらの選択反射偏光板は、基本的に同様な機能を有しているが、それぞれに特徴がある。第1のタイプの選択反射偏光板は、誘電体ミラーと同様に、各層間における屈折率異方性に起因した屈折率差によって偏光の透過および反射が行われる。例えば、隣接する2つの層における入射面に垂直方向の屈折率の差がゼロである場合に光が透過する一方で、隣接する2つの層において入射面に平行方向の屈折率の差が大きい場合に2つの層の境界において光が反射し、結果として、選択反射が行われる。このため、第1のタイプの選択反射偏光板は、高い透過率および反射率を有している。しかしながら、誘電体積層構造の各層の厚さに応じて透過および反射に最適な波長が決まり、透過および反射の波長依存性が大きいため、波長分散が発生することがある。そこで、可視光全域で所望の性能を得るためには、バックライトの光源のR,G,B波長それぞれに対して最適となるように略200層程度の誘電体多層膜を形成し、さらにそれらを貼り合せる必要がある。この場合、簡便に製造することができないだけでなく、貼り合わされた層は150μm程度まで厚くなる。また、選択反射偏光板の偏光度は、各層の厚さ、屈折率および異方性のバラツキに応じて決定され、一般に、90%位である。
第2のタイプの選択反射偏光板は複屈折材料を利用するため、誘電体多層膜と比べて簡単な構造であり、容易に製造可能である。しかしながら、複屈折層によって透過および反射が行われるため、波長依存性が大きく、波長分散が発生し、選択反射偏光板の主面の法線方向に対して斜めの方向からの光に対して色が付くことがある。第2のタイプの選択反射偏光板の複屈折材料として、配向方向の制御し易い液晶材料が好適に用いられる。この場合、コレステリック液晶が使用されることが多く、その厚さは液晶パネルの液晶層と同等で4〜6μm程度である。また、この選択反射偏光板も偏光度を高くすることができず、第1のタイプの選択反射偏光板と同等程度である。
第3のタイプの選択反射偏光板は、可視光領域のうちの短波長である青の400nmと比べて金属ワイヤーのピッチを約1/2以下にすることにより、可視光領域の波長分散を抑制できる。また、一層の金属薄膜をパターニングした金属ワイヤーによって特性が決定され、上述した2つのタイプよりも薄く、0.1μm程度にすることが可能である。さらに、このタイプの偏光板の偏光度は金属ワイヤー間のスペースと金属ワイヤーのピッチに依存し、例えば金属ワイヤーのピッチ150nmで金属ワイヤーの幅が75nmである場合、偏光度は99.9%以上となり、高い偏光度を実現することができる。
近年、液晶表示装置の応用用途が広がりつつあり、車載用表示装置のように使用温度が高い場所でも安定に動作することが要求されている。また、画質を向上させるために、液晶表示装置の解像度および輝度を向上させることが要求されており、そのために、液晶表示装置内での画像信号処理の高速化によるドライバの周波数の増大やバックライトの光源の高出力が必要とされ、使用時の温度が上昇する傾向にある。
一方、液晶表示装置のデザインまたはコンパクト化の観点から、液晶表示装置を薄くすることが要求されている。このため、液晶表示装置に用いられる部材を薄くすることが要求されている。例えば、透明基板として、厚さ0.2mm程度のガラス基板、または、厚さ0.1mm程度のプラスチック基板が用いられている。また、液晶表示装置に使用される光学フィルムを10ミクロン単位で薄くするような設計が行われている。
このような液晶表示装置を実現するために、薄く且つ耐熱性に優れた選択反射偏光板が要求されている。第1のタイプは積層される層の数が多いこと、第2のタイプの選択反射偏光板は液晶層を2枚のフィルム等で挟んで形成されることに対して、第3のタイプの選択反射偏光板(ワイヤーグリッド)は、透明基板の片面上に金属ワイヤーを形成しているため、薄くできるとともに高い耐熱温度を実現することができる。
特表平10−511322号公報
特開平6−281814号公報
特開2006−47829号公報
上述したように、ワイヤーグリッドは、薄く且つ耐熱性に優れている、しかしながら、ワイヤーグリッドは、金属から形成された金属ワイヤーを備えており、必然的に金属による光吸収が発生する。このため、ワイヤーグリッドを備える照明装置の光利用効率は他のタイプの選択反射偏光板を備える照明装置と比べて低い場合がある。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、薄く、かつ、高い耐熱温度を実現するとともに光利用効率の高い照明装置および液晶表示装置を提供することにある。
本発明による照明装置は、互いに直交する偏光方向を有する第1および第2偏光成分を含む光を出射するバックライトと、前記第1偏光成分の反射率が前記第1偏光成分の透過率よりも高く、前記第2偏光成分の透過率が前記第2偏光成分の反射率よりも高い選択反射偏光板とを備える照明装置であって、前記選択反射偏光板は、透明基板と、前記透明基板上に配列された複数の金属ワイヤーとを有しており、前記金属ワイヤーのピッチに対する前記金属ワイヤーの幅の比は30%よりも大きく42%以下であり、前記バックライトの反射率は0.6以上である。
ある実施形態において、前記バックライトの反射率は0.6以上0.8以下である。
ある実施形態において、前記金属ワイヤーのピッチは200nm以下である。
ある実施形態において、前記金属ワイヤーの厚さはほぼ100nmである。
本発明による液晶表示装置は、液晶パネルと、互いに直交する偏光方向を有する第1および第2偏光成分を含む光を出射するバックライトと、前記液晶パネルと前記バックライトとの間に配置された選択反射偏光板であって、前記第1偏光成分の反射率が前記第1偏光成分の透過率よりも高く、前記第2偏光成分の透過率が前記第2偏光成分の反射率よりも高い、選択反射偏光板とを備える液晶表示装置であって、前記選択反射偏光板は、透明基板と、前記透明基板上に配列された複数の金属ワイヤーとを有しており、前記金属ワイヤーのピッチに対する前記金属ワイヤーの幅の比は30%よりも大きく42%以下であり、前記バックライトの反射率は0.6以上である。
本発明によれば、薄く、かつ、高い耐熱温度を実現するとともに光利用効率の高い照明装置および液晶表示装置を提供することができる。
100 照明装置
110 バックライト
120 選択反射偏光板
122 透明基板
124 金属ワイヤー
150 液晶表示装置
200 液晶パネル
110 バックライト
120 選択反射偏光板
122 透明基板
124 金属ワイヤー
150 液晶表示装置
200 液晶パネル
以下、図面を参照して、本発明による照明装置および液晶表示装置の実施形態を説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
図1に、本発明による照明装置の実施形態の模式図を示す。本実施形態の照明装置100は、バックライト110と、選択反射偏光板120とを備えている。選択反射偏光板120はある方向の直線偏光を透過する透過軸を有しており、選択反射偏光板120は、バックライト110から出射された光のうち透過軸に平行な偏光方向の偏光成分を主に透過し、バックライト110から出射された光のうち透過軸に直交する偏光方向の偏光成分を主に反射する。
図2(a)に、選択反射偏光板120の模式的な斜視図を示し、図2(b)に、図2(a)の2B−2B’線に沿った模式的な断面図を示す。選択反射偏光板120は、透明基板122と、透明基板122上に配列された複数の金属ワイヤー124とを備えている。選択反射偏光板120はワイヤーグリッドとも呼ばれる。複数の金属ワイヤー124は互いに平行に配置されている。金属ワイヤー124の幅Wおよびピッチ(周期)Pは一定であり、金属ワイヤー124のW/Pは30%より大きく42%以下である。なお、本明細書において、このW/Pをメタル比とも呼ぶ。例えば、金属ワイヤー124の幅Wは45nmであり、金属ワイヤー124のピッチPは150nmである。例えばワイヤーグリッド120が形成された基板全体の幅(図2(a)に示した長さLに垂直な方向の一辺の幅)が150mmである場合、約100万本の金属ワイヤー124が配列される。また、金属ワイヤー124の長さLはピッチPと比べて十分に大きく、例えば150μmである。また、金属ワイヤー124の長さLが透明基板122の一辺の長さ程度となるように金属ワイヤー124は透明基板122の一辺にわたって設けられていてもよい。金属ワイヤー124の厚さTは例えば、100nmである。金属ワイヤー124の幅W、ピッチP、厚さT、長さL等は、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)を用いて測定できる。
図1に示したバックライト110から出射された光のうち、金属ワイヤー124の延びている方向に直交する偏光方向の偏光成分は主に選択反射偏光板120を透過し、金属ワイヤー124の延びている方向に平行な偏光方向の偏光成分は主に選択反射偏光板120において反射される。このように、選択反射偏光板120の透過軸は金属ワイヤー124の延びている方向と直交しており、選択反射偏光板120の反射軸は、金属ワイヤー124の延びている方向と平行である。本実施形態の照明装置100は液晶表示装置に好適に用いられる。
図3に、本発明による液晶表示装置の実施形態の模式図を示す。本実施形態の液晶表示装置150は、照明装置100に加えて液晶パネル200を備えており、選択反射偏光板120は、バックライト110と液晶パネル200との間に配置されている。
バックライト110は、光を出射する光源112と、出射面114aおよび裏面114bを有する導光板114と、導光板114の裏面114bと対向する反射シート116と、導光板114の出射面114aと対向する拡散シート117と、集光フィルム118とを有している。光源112は例えば発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)である。光源112から出射された光は非偏光である。光源112からの光は導光板114を伝達し、導光板114の出射面114aから拡散シート117に向かって出射する。拡散シート117は導光板114の出射面114aから出射された光を拡散し、集光フィルム118は、液晶パネル200の主面に垂直な成分が増大するように光を集光する。また、導光板114の裏面114bから出射された光は反射シート116において反射され、導光板114の出射面114aから出射される。
バックライト110からの光は選択反射偏光板120に向けて出射される。この光は非偏光である。バックライト110から出射された光のうち選択反射偏光板120の透過軸と平行な偏光方向の偏光成分のほとんどは選択反射偏光板120を透過し、液晶パネル200の表示に用いられる。
液晶パネル200は、第1偏光板212と、第1透明基板220と、画素電極222と、液晶層230と、第2透明基板240と、対向電極242と、第2偏光板252とを有している。第1偏光板212の透過軸は第2偏光板252の透過軸と直交するようにクロスニコルに配置されている。第1偏光板212の透過軸は選択反射偏光板120の透過軸と平行である。選択反射偏光板120を透過した光の偏光成分は主に選択反射偏光板120の透過軸に平行であるが、選択反射偏光板120よりも液晶層230の近くに選択反射偏光板120よりも偏光度の高い第1偏光板212が設けられている。選択反射偏光板120の偏光度は、例えば99.6%であり、第1偏光板212の偏光度は例えば99.99%である。
一方、出射光のうち選択反射偏光板120の反射軸に平行な偏光方向の偏光成分のほとんどは、選択反射偏光板120において反射されてバックライト110に戻る。バックライト110に戻った光は、バックライト110において反射され、選択反射偏光板120に向かって進行する。バックライト110に戻った光のうち、選択反射偏光板120に再び向かう光の割合をバックライト110の反射率と呼ぶ。本実施形態の照明装置100においてバックライト110の反射率は0.6〜0.8である。ここでバックライトの反射率とは、完全拡散面である白い平面による反射光の光束量の総和に対する、完全拡散面の一部を置き換えたバックライトによる反射光の光束量の総和の比率を意味する。なお、バックライトの反射率測定方法は後述する。バックライト110において反射され選択反射偏光板120に再び到達する光の一部は選択反射偏光板120を透過し、液晶パネル200の表示に用いられる。このように、選択反射偏光板120は、最初に選択反射偏光板120に入射したときに透過軸と直交する成分のほとんどをバックライト110に向けて反射し、最終的に、この光の一部を透過させて液晶パネル200の表示に用いている。このように、選択反射偏光板120を備える照明装置100の光利用効率は、透過軸と直交する偏光方向の偏光成分を吸収する一般的な偏光板を備える照明装置よりも向上している。
以下に、図4を参照して、照明装置100の光利用効率のさらなる向上を検討するにあたって、本願発明者が考え出したモデルを説明する。図4において、ワイヤーグリッド120の反射軸を紙面に平行に示している。
バックライト110から出射される光は非偏光であり、ワイヤーグリッド120の反射軸に直交する偏光方向の偏光成分および平行な偏光方向の偏光成分の両方を有している。ワイヤーグリッド120の反射軸と直交する偏光方向の偏光成分のほとんどはワイヤーグリッド120を透過する。ワイヤーグリッド120の反射軸と直交する偏光方向の偏光成分のうちワイヤーグリッド120を透過する割合を示す透過率をaとする。なお、厳密には、ワイヤーグリッド120の反射軸と直交する偏光方向の偏光成分の光も幾分かはワイヤーグリッド120において反射される。ワイヤーグリッド120の反射軸と直交する偏光方向の偏光成分のうちワイヤーグリッド120において反射される割合を示す反射率をbとする。この場合、a>bである。
一方、バックライト110から出射される光のうちワイヤーグリッド120の反射軸と平行な成分のほとんどはワイヤーグリッド120において反射される。ワイヤーグリッド120の反射軸と平行な偏光方向の偏光成分のうちワイヤーグリッド120において反射される割合を示す反射率をb’とする。また、厳密には、この偏光成分の幾分かはワイヤーグリッド120において反射されることなくワイヤーグリッド120を透過する。ワイヤーグリッド120の反射軸と平行な偏光方向の偏光成分のうちワイヤーグリッド120を透過する割合を示す透過率をa’とする。この場合、a’<b’である。
また、ワイヤーグリッド120の透過率a、a’および反射率b、b’を比較すると、a>a’、 b<b’である。なお、a+b<1、a’+b’<1であり、1−a=b、1−a’=b’とはならない。なぜならワイヤーグリッド120は金属ワイヤー124を有しており、光の幾分かは金属ワイヤー124に吸収されるからである。これは、光を透過しないアルミニウム(Al)膜の反射率が1にならないのと同様の理由である。
反射率bおよび反射率b’で反射された光はともにバックライト110に戻る方向に進行する。この光は、図3に示した集光フィルム118、拡散シート117を通って導光板114、さらにその下方の反射シート116において反射し、その後、その一部は再びバックライト110の出射面からワイヤーグリッド120に向けて出射される。このように、一旦ワイヤーグリッド120において反射された後、再びワイヤーグリッド120に向けて出射される光は再帰光と呼ばれる。ここで、ワイヤーグリッド120において反射されてバックライト110に戻る光のうち、再帰光となる割合をαとする。このαは、バックライト110の反射率を示す。反射率αはバックライト110に含まれる光学素子(図3に示した反射シート116、拡散シート117、集光フィルム118など)の光学特性および配置等に依存する。バックライト110に戻った光は、集光フィルム118や拡散シート117等を通過し、ワイヤーグリッド120において反射されたときの偏光方向は維持されない。ここでは、再帰光は非偏光とする。再帰光は、上述したのと同様に、反射率b、b’で再び反射され、透過率a、a’で透過する。再帰光のうち反射率b、b’で再び反射された光は再度バックライト110に戻る。このような透過および反射が理論的には無限回繰り返される。
ワイヤーグリッド120を透過した光には、ワイヤーグリッド120の反射軸に直交する偏光方向の偏光成分だけでなく、ワイヤーグリッド120の反射軸に平行な偏光方向の偏光成分も含まれている。しかしながら、ワイヤーグリッド120によって本来的に選択された偏光成分は、ワイヤーグリッド120の反射軸に直交する偏光方向の偏光成分であり、ワイヤーグリッド120の反射軸に平行な偏光方向の偏光成分ではない。図3に示した液晶表示装置150においてワイヤーグリッド120を透過した光のうちワイヤーグリッド120の反射軸に平行な偏光方向の偏光成分は、第1偏光板212に吸収される。
また、ワイヤーグリッド120によって選択された光(すなわち、ワイヤーグリッド120を透過した光のうちワイヤーグリッド120の反射軸に直交する偏光方向の光)の光束量は、ワイヤーグリッド120において1度も反射されることなく透過した光の光束量、および、ワイヤーグリッド120において1回以上反射された後にワイヤーグリッド120を透過した光の光束量の合計である。ワイヤーグリッド120によって選択された光の光束量を合計すると、
I=I0/2*(a/(1−α((b+b’)/2))) (式1)
となる。ここで、I0はバックライト110から最初にワイヤーグリッド120に向けて出射された光の光束量を示す。また、光束量Iは再帰回数無限回までの光束を含んでいる。
I=I0/2*(a/(1−α((b+b’)/2))) (式1)
となる。ここで、I0はバックライト110から最初にワイヤーグリッド120に向けて出射された光の光束量を示す。また、光束量Iは再帰回数無限回までの光束を含んでいる。
なお、理想的には、透過率a=1.0、透過率a’=0.0、反射率b=0.0、反射率b’=1.0であり、バックライト110の反射率α=1.0である。これらを(式1)に代入すると、ワイヤーグリッド120によって選択された光の光束量IはI0となり、ワイヤーグリッド120に入射した光の全てがワイヤーグリッド120によって選択された光となる。
また、仮想的に、透過率a=0.8、透過率a’=0.2、反射率b=0.2、反射率b’=0.8とし、ワイヤーグリッド120の反射率α=1.0として(式1)に代入すると、ワイヤーグリッド120によって選択された光の光束量Iは0.8I0となる。なお、この仮想的なケースでは、ワイヤーグリッド120による光の吸収を無視しており、バックライト110から最初にワイヤーグリッド120に向けて出射された光の光束量I0のうち、透過率a’でワイヤーグリッド120を透過した光は液晶パネルの入射側偏光板で吸収されるためこれを除く光の総和は、ワイヤーグリッド120によって選択された光となる。ここで、光の利用効率を計算すると、本来、液晶パネルで使用される光は液晶パネルの入射側偏光板の透過軸に平行な偏光方向を有する偏光成分だけなので、その光束量は0.5I0であるが、上述したように、ワイヤーグリッド120によって選択された光の光束量Iは0.8I0であり、光の利用効率は1.6(=0.8I0÷0.5I0)となる。
このモデルに従えば、(式1)から理解されるように、ワイヤーグリッド120によって選択された光の光束量は、I0、透過率a、a’、反射率b、b’、および、バックライト110の反射率αの関数である。透過率a、a’および反射率b、b’は、金属ワイヤー124のピッチP、幅W、厚さT、メタル比(W/P)に応じて変化する。なお、一般に、メタル比(W/P)が増大するほど、透過率aが減少し、反射率b’が増大する。
また、上述したように、光束量Iは、ワイヤーグリッド120において反射されることなくワイヤーグリッド120を透過した光の光束量と、ワイヤーグリッド120において1回以上反射された後にワイヤーグリッド120を透過した光の光束量との和である。ここで、ワイヤーグリッド120において反射されることなくワイヤーグリッド120を透過した光の光束量をI1と示し、ワイヤーグリッド120において1回以上反射された後にワイヤーグリッド120を透過した光の光束量をI2と示す。光束量I1は、ワイヤーグリッド120の透過率aと関連性が強く、光束量I2は、ワイヤーグリッド120の透過率aだけでなく反射率b、b’およびバックライト110の反射率αとも関連性が強い。ワイヤーグリッド120の透過率aが大きいほど、光束量I1が大きい。また、ワイヤーグリッド120の反射率b、b’およびバックライト110の反射率αが大きいほど、光束量I2が大きい。
本願発明者は、ワイヤーグリッドを備える照明装置の光利用効率を向上させるためには、ワイヤーグリッドにおける金属ワイヤーのピッチ、幅、メタル比を変化させるだけでなく、バックライトの反射率を考慮することが重要であるという知見を見出した。
以下、図5を参照して、バックライトの反射率を測定する反射率測定システムを説明する。図5(a)に、反射率測定システム510の模式図を示す。反射率測定システム510は、バックライトを支持する支持台512と、支持台512の上方に配置された光源514と、輝度計516とを有している。バックライトを支持台512に配置すると、光源514は、バックライトの中心の上方に位置している。輝度計516は、例えば、BM−5(トプコン製)の輝度計が用いられる。輝度計516は光源514に近いところから極角方向に移動可能である。
反射率測定システム510は、以下に示すように、バックライトの反射率を測定する。バックライトを非点灯にし、光源514からバックライトに向けて光を照射する。輝度計516は、非点灯のバックライトにおいて反射された光の光束量を測定する。また、輝度計516を光源514に近いところから極角方向に移動させて、極角ごとに光束量を測定する。その後、極角に対する輝度を積分し、出射光量に対して反射率を計算する。この場合、光源514は、発散光源よりも、平行度の高い光束を出射する光源が望ましい。光源からの光が発散すると、出射光量に対する反射の程度を想定しにくいためである。平行度は5°程度が望ましい。反射率測定システム510は、バックライトのサイズが大きい場合に好適に用いられる。
なお、反射率測定システムは、図5(a)に示した反射率測定システム510に限定されない。図5(b)に、別の反射率測定システム520の模式図を示す。
反射率測定システム520は、バックライトを支持する支持台522と、積分球をもった反射率測定器524とを有している。反射率測定器524にはランプ525および光束計526が設けられている。この反射率測定器524は、例えば、ミノルタ社製の反射率測定器を用いることができる。バックライトを支持台522に配置すると、ランプ525は、バックライトの上方に位置している。光束計526を傾けて測定し積分することを、積分球で行う。結果的に、反射率測定システム520も反射率測定システム510と同様の測定を行っている。反射率測定システム520は、バックライトのサイズが小さい場合に好適に用いられる。
ここで、本実施形態の照明装置100と比較する目的で、図6および図7を参照して、比較例1および比較例2の照明装置を説明する。
図6(a)に、比較例1の照明装置600Aの構成を示し、図6(b)に、比較例2の照明装置600Bの構成を示す。比較例1の照明装置600Aでは、選択反射偏光板620Aとして市販のワイヤーグリッド(MOXTEK社製)を用いている。このワイヤーグリッドの金属ワイヤーはAl(アルミニウム)から形成されており、金属ワイヤーのピッチは150nm、金属ワイヤーの幅は75nm、金属ワイヤーのメタル比は50%であり、金属ワイヤーの厚さは100nmである。また、比較例2の照明装置600Bでは、選択反射偏光板620Bとして、第1のタイプの選択反射偏光板であるDBEF(Dual Brightness Enhancement Films)(3M社製)を用いている。なお、比較例2の照明装置600Bは、選択反射偏光板620Bを除いて比較例1の照明装置600Aと同様の構成を有している。なお、比較例1および比較例2の照明装置600A、600Bには、選択反射偏光板620A、620Bによって選択された偏光成分以外の成分を除去するために、選択反射偏光板620A、620Bの透過軸と平行な透過軸を有する偏光板622を配置している。
図7を参照して、比較例1および比較例2の照明装置の光利用効率を説明する。図7に、比較例1および比較例2の照明装置の光利用効率の測定結果を示している。比較例1および比較例2の照明装置の光利用効率の測定は以下のように行った。比較例1および比較例2の照明装置を積分球内に配置し、比較例1および比較例2の照明装置の出射全光束を測定した。また、比較例1および比較例2の照明装置から選択反射偏光板を取り除いてバックライトから偏光板を通過する出射全光束を測定した。また、選択反射偏光板を備えた照明装置の出射全光束の値を、選択反射偏光板を備えない照明装置の出射全光束の値で除算して、光利用効率とした。
図7のグラフから理解されるように、選択反射偏光板としてワイヤーグリッドおよび誘電体多層膜のいずれを用いても、光利用効率は向上する。また、ワイヤーグリッドを備えた比較例1の照明装置の光利用効率はDBEFを備えた比較例2の照明装置よりも低い。これは、ワイヤーグリッドの偏光に対する透過率および反射率がDBEFのそれよりも低いからである。具体的には、DBEFの透過率および反射率はともに90%くらいであるのに対して、上記のワイヤーグリッドの透過率および反射率はともに85%くらいである。ワイヤーグリッドを備える比較例1の照明装置において波長450nm〜700nmにわたる平均利用効率は1.23であるのに対して、DBEFを備える比較例2の照明装置において平均利用効率は1.39である。このように、一般的には、選択反射偏光板としてワイヤーグリッドを用いた照明装置の光利用効率は、誘電体多層膜を用いた照明装置よりも低い。なお、図5に示した反射率測定システム510または反射率測定システム520を用いて比較例1および2の照明装置に用いたバックライトの反射率αを測定したところ、バックライトの反射率αは可視光領域の平均で0.65〜0.75であった。
ここで、図4を参照して上述したモデルに基づいて照明装置およびワイヤーグリッドの特性を説明する。まず、シミュレーションでメタル比W/Pを変化させてワイヤーグリッドの透過率および反射率を計算する。この透過率および反射率から、モデルにおける透過率a、a’、反射率b、b’を求めて、(式1)に代入して光束量を求める。なお、上述したようにメタル比W/Pが増大するほど、透過率aが減少し、反射率b’が増大する。
以下、図8を参照して、照明装置の光利用効率に対するバックライトの反射率の影響を説明する。図8(a)〜図8(d)に、それぞれ、バックライトの反射率76%、68%、100%、50%であるときのメタル比に対する効率の変化を示す。縦軸は、(式1)に従った結果をI0/2で割った値を効率と示している。このI0/2は、光束量I0の非偏光が理想的な偏光板を透過すると光束量I0が1/2になることに対応している。
ワイヤーグリッドがない場合、または、メタル比が0(すなわち、金属ワイヤーの幅Wが0)であり、金属ワイヤーが存在せず、透明基板のみが存在している場合、効率は1.0である。これは、(式1)の右辺かっこ内が1.0ということを意味している。したがって、効率が1.0の場合、仮に選択反射偏光板があったとしても、その効果が得られていないともいえる。一方、効率が1.0よりも大きい場合、液晶パネルの入射側偏光板において吸収される偏光成分の一部が再利用されることを意味しており、選択反射偏光板の効果が得られたといえる。なお、図8のグラフには示していないが、メタル比100%は金属膜に相当しており、この場合、光は透過せず、効率は0となる。ここでは、金属ワイヤーのピッチは150nmである。
図8において、白丸は、比較例1の照明装置における実測値である。上述したように、比較例1の照明装置では、メタル幅50%、ピッチ150nmの金属ワイヤーを有するワイヤーグリッドを用いている。また、図8(a)および図8(b)においてDBEFを備える比較例2の照明装置の実測値を太線で示す。なお、DBEFではメタル幅の概念がないため、線状に示している。
まず、図8(a)を参照する。ここでは、バックライトの反射率αが76%である。
上述したように、光束量Iは、ワイヤーグリッドにおいて反射することなくワイヤーグリッドを透過した光の光束量I1と、ワイヤーグリッドにおいて1回以上反射された後にワイヤーグリッドを透過した光の光束量I2との和である。メタル比が小さいほど、光束量I1が増大し、光束量I2が減少する。反対に、メタル比が大きいほど、光束量I1が減少し、光束量I2が増大する。
図8(a)に示すように、0からある程度までの範囲においてメタル比が増大するとともに効率が増大する。これは、メタル比の増大とともに光束量I1は減少するが、光束量I1の減少分よりも光束量I2の増加分が大きくなり、全体として、光束量Iすなわち効率が増大しているからである。一方、メタル比が増大しすぎると、効率が低下し始める。これは、メタル比が増大しすぎると、光束量I1の減少分が光束量I2の増加分よりも大きくなり、全体として、光束量Iすなわち効率が低下するからである。このため、メタル比に対して効率は極大をとる。以下の説明において、効率が極大となるメタル比を「極大メタル比」と呼ぶ。極大メタル比は50%よりも低い。図8(a)に示すように、効率の極大値は約1.4である。なお、この値は、DBEFを備える比較例2の照明装置と近い。ワイヤーグリッドを用いても、メタル比を効果的に変えることにより、DBEFを備える比較例2の照明装置とほぼ同等になるように効率を向上させることができる。なお、DBEFを備える比較例2の照明装置の効率がわずかながら高いのは、DBEFの透過率および反射率がワイヤーグリッドよりも高いからである。
次に、図8(b)を参照する。ここでは、バックライトの反射率を68%としている。この場合、効率の極大値は、DBEFを備える比較例2の照明装置の値には及ばないものの、1.3よりも大きい。極大メタル比は約30%である。
以上のように、耐熱性および厚さに対して有利なワイヤーグリッドを選択反射偏光板として用いても、メタル幅(W)をピッチ(P)に対して30%程度にすることで効率を向上させることが可能である。このため、光利用効率を実質的に低減させることなく従来よりも耐熱性の優れた薄い照明装置を作製することができる。なお、一般的なバックライトと市販のワイヤーグリッドとを備える比較例1の照明装置の実測値がほぼ計算値と一致しているので、図4を参照して説明したモデルおよび(式1)は基本的に妥当であると考えられる。
また、バックライトの反射率と効率との関係をさらに検討するために、バックライトの反射率αが1.0および0.5としたときの効率の変化を説明する。図8(c)に示すように、バックライトの反射率が1.0の場合、バックライトに戻った光は完全反射する。この場合、極大メタル比は40%程度であり、極大値は1.6よりも大きい。なお、実際には、反射率1.0のバックライトを作製することは困難であり、これは仮想的なケースである。また、図8(d)に示すように、バックライトの反射率が0.5の場合、極大メタル比は25%程度であり、極大値は約1.2である。
図8(a)〜図8(d)の比較から理解されるように、メタル比が等しい場合、バックライトの反射率が高いほど、光の利用効率が増大する。これは、メタル比が等しい場合、光束量I1は等しいが、バックライトの反射率が高いほど、光束量I2が大きいからである。
図9に、バックライトの反射率と極大メタル比との関係を示す。極大メタル比はバックライトの反射率に対して略リニアな相関関係を有している 図9に示すように、バックライトの反射率を求めれば、極大メタル比を求めることができる。
バックライトの反射率αが比較的低い場合、ワイヤーグリッドにおいて反射されてもバックライトに反射されてワイヤーグリッドに戻る光が少ない。この場合、極大メタル比は比較的低い。ワイヤーグリッドの反射率b’が多少低くても、ワイヤーグリッドの透過率aが高ければ、最初にワイヤーグリッドの透過軸に平行な偏光方向の偏光成分が高い割合でワイヤーグリッドを透過するからである。このように、バックライトの反射率αが比較的低い場合、反射率b’の増大よりも透過率aの減少の抑制を優先させること、すなわち、光束量I2の増大よりも光束量I1の低下の抑制を優先させることが有効である。
一方、バックライトの反射率αが比較的高い場合、ワイヤーグリッドにおいて反射された光のほとんどがワイヤーグリッドに戻る。この場合、極大メタル比は比較的高い。ワイヤーグリッドの透過率aが多少低くても、ワイヤーグリッドの反射率b’が高ければ、最初ワイヤーグリッドの透過軸に直交する偏光方向の偏光成分は偏光方向が変化してワイヤーグリッドに戻る。このように、バックライトの反射率αが比較的高い場合、透過率aの減少よりも反射率b’の増大を優先させること、すなわち、光束量I1の低下よりも光束量I2の増大を優先させることが有効である。
なお、バックライトの反射率が100%であれば、ワイヤーグリッドにおいて反射された光はすべてワイヤーグリッドに戻る。このときの極大メタル比は42%となり、極大メタル比は50%までは達しない。これは、ワイヤーグリッドにおいて光の吸収が発生し、光束量I2が光束量I1よりも大きくなることはないからである。以上から、バックライトの反射率が低いほど、極大メタル比は低いほうにシフトする。なお、バックライトの反射率が0の場合(すなわち、再帰光が無い場合)、極大メタル比は0であり、その効率が1.0となる。
図10に、バックライトの反射率αに対する効率の極大値(最大効率)の変化を示す。丸印は、図8(a)〜図8(d)に示したバックライトの反射率に対する照明装置の最大効率を示している。なお、金属ワイヤーのピッチは150nmである。
図10に示すように、バックライトの反射率αが高いほど、最大効率も高い。これは、少なくとも同じメタル比である場合、バックライトの反射率αが高くなると、光束量I1が変化することなく光束量I2が増大することから説明できる。
なお、図10のグラフには、参考のために、ワイヤーグリッドに代えてDBEFを備える照明装置の最大効率の値を四角印で示している。この照明装置は、x軸に示した反射率を有するバックライトとともに選択反射偏光板として上述したDBEFを備えている。
なお、図9を参照して上述したように、ワイヤーグリッドを備える照明装置では、極大メタル比はバックライトの反射率に応じて変化しており、最大効率となるときのワイヤーグリッドの透過率および反射率はバックライトの反射率に応じて変化する。一方、DBEFには、ワイヤーグリッドのメタル比のように開口という概念がなく、DBEFの透過率および反射率は一定である。したがって、DBEFを備える照明装置の効率の変化は、バックライトの反射率の変化に起因する光束量I2の変化に基づいている。
上述したように、DBEFの透過率および反射率はワイヤーグリッドよりも高い値を有しているため、DBEFを備える照明装置の効率はワイヤーグリッドを備える照明装置の効率よりも高い。また、図10から理解されるように、バックライトの反射率αが0.5である場合、DBEFを備える照明装置の効率は、ワイヤーグリッドを備える照明装置の効率とほぼ等しい。バックライトの反射率αが0.5よりも大きくなるほど、DBEFを備える照明装置の効率とワイヤーグリッドを備える照明装置の効率との差が大きくなる。ワイヤーグリッドを備える照明装置では、図9を参照して上述したように、バックライトの反射率が大きいほど、極大メタル比が大きい。この結果、ワイヤーグリッドの透過率が低下するとともにワイヤーグリッドの反射率が増大し、光束量I1が減少して光束量I2が増大する。一方、上述したように、DBEFの透過率および反射率は一定であり、バックライトの反射率が0.5から1.0に変化した場合、光束量I1が減少することなく、光束量I2が増大する。したがって、DBEFを備える照明装置の効率の増加分は、ワイヤーグリッドを備える照明装置よりも大きい。なお、これは、ワイヤーグリッドに吸収される成分があることも寄与している。
ただし、現実的には、バックライトの反射率αが1.0となることはない。図10のグラフから理解されるように、バックライトの反射率が0.6〜0.8であれば、ワイヤーグリッドを備える照明装置の最大効率を、DBEFを備える照明装置の最大効率とほぼ同等にすることができる。
以下、図11〜図13を参照してワイヤーグリッド自体の特性を説明する。
まず、図11を参照して、金属ワイヤーのピッチ依存性を説明する。図11(a)に、波長に対する垂直反射率のピッチ依存性を示しており、図11(b)に、波長に対する平行透過率のピッチ依存性を示している。垂直反射率は、ワイヤーグリッドの透過軸に対してクロスニコルの関係にある直線偏光を照射したときのワイヤーグリッドの反射率を示しており、図4に示した反射率b’に対応している。また、平行透過率はワイヤーグリッドの透過軸に対して平行ニコルの関係にある直線偏光を照射したときのワイヤーグリッドの透過率を示しており、図4に示した透過率aに対応している。ここでは、ピッチ(P)を100nm、150nm、200nmおよび250nmと変化させている。なお、メタル比は50%であり、メタル幅(W)は、それぞれ、50nm、75nm、100nmおよび125nmである。
図11(a)に示すように、ピッチが大きいほど垂直反射率(選択反射偏光板の透過軸に直交する偏光方向の偏光成分の反射率)は低下する。これは、金属ワイヤーの設けられていない幅が波長に対して大きいほど、透過成分が増大し、反射成分が減少するからである。このため、波長が短いほど、垂直反射率は低い。また、ピッチが200nm以下であれば、可視光領域に相当する400nm〜700nmにおいて垂直反射率はほぼ一定となる。
また、図11(b)に示すように、ピッチが大きいほど、平行透過率(選択反射偏光板の透過軸に平行な偏光方向の偏光成分の透過率)は低下する。これは、ピッチの増大に対して偏光選択性が低下するためであり、ワイヤーグリッドの開口幅比率を極値としてそれに近づくからである。また、金属ワイヤーのピッチが波長の1/2に相当する場合、光はワイヤーグリッドを透過しないため、特に低波長において透過率が急激に低下する。ピッチが200nm以下であると、可視光領域に相当する波長400nm〜700nmの範囲において平行透過率はほぼ一定となる。以上から、金属ワイヤーのピッチは200nm以下であることが好ましく、150nm以下であることがさらに好ましい。
次に、図12を参照して、メタル比依存性を説明する。図12(a)に、波長に対する垂直反射率のメタル比依存性を示しており、図12(b)に、波長に対する平行透過率のメタル比依存性を示している。ここでは、金属ワイヤーのピッチは150nmであり、メタル比を10%、30%、50%および80%に変化させている。
図12(a)に示すように、メタル比が小さいほど垂直反射率は低い。これは、金属ワイヤーの設けられていない幅が波長に対して大きいほど、透過成分が増大し、反射成分が減少するからである。したがって、光の波長が短いほど、垂直反射率は低い。また、メタル比が30%よりも大きければ、可視光領域に相当する波長400nm〜700nmの範囲にわたって垂直反射率は80%以上でほぼ一定である。このため、メタル比は30%よりも大きいことが好ましい。なお、メタル比が高くなるほど反射率が増大しており、反射率のみの観点からみると、メタル比は高いほど好ましい。
また、図12(b)に示すように、メタル比が高いほど平行透過率は低い。これは、金属ワイヤーの設けられている幅が大きいほど、反射成分が増大し、透過成分が減少するからである。メタル比は50%以下であることが好ましい。なお、メタル比が30%以下であるとき、透過率は90%を超え、可視光領域に相当する波長400nm〜700nmの範囲において、波長の変化に応じてメタル比はほぼ一定である。このように、透過率のみの観点からはメタル比は50%以下であることが好ましく、さらに、メタル比が30%以下であることにより、波長依存性のない特性が得られる。以上から、メタル比が50%以下であることが好ましい。
なお、図11および図12を参照して上述したように、金属ワイヤーのピッチを150nm以下、メタル比を30%よりも大きくすることが望ましい。メタル比を30%よりも大きくするためには、金属ワイヤーのピッチが150nmであるとき金属ワイヤーのメタル幅を50nmよりも大きくし、金属ワイヤーのピッチが100nmであるとき金属ワイヤーのメタル幅を30nmよりも大きくする。図11に示すように、ピッチ100nmのときの透過率および反射率はピッチ150nmのときよりも高い。しかし、実際には、メタル幅30nm程度の金属ワイヤーを形成することはかなり困難である。
また、仮に、金属ワイヤーのメタル幅を比較的形成しやすいように50nmに固定し、金属ワイヤーのピッチが100nmであるときと150nmであるときを比較する。この場合、金属ワイヤーのピッチが150nmであるときの反射率は金属ワイヤーのピッチが100nmであるときの反射率とほぼ等しい一方、金属ワイヤーのピッチが150nmであるときの透過率は金属ワイヤーのピッチが100nmであるときよりも高いため、幅の小さい金属ワイヤーの形成の困難さを考慮すると金属ワイヤーのピッチは100nmよりも150nmであることが好ましい。
次に、図13を参照して、メタル厚依存性を説明する。図13(a)に、波長に対する垂直反射率のメタル厚依存性を表すグラフを示しており、図13(b)に、波長に対する平行透過率のメタル厚依存性を示している。ここでは、金属ワイヤーのピッチは150nmであり、メタル比は50%である。
また、ここでは、金属ワイヤーの材料としてAl(アルミニウム)を用いている。Alは、銀(Ag)の次に反射率の高い金属であり、また、Agよりも可視光に対する波長依存性がフラットであり、経時変化(曇り)に対して反射率を維持し易い。このため、Alは金属ワイヤーの材料として好適に用いられる。
図13(a)に示すように、メタル厚が小さいほど垂直反射率は低い。これは、メタル厚が薄いと、光の一部はワイヤーグリッドを透過するからである。また、メタル厚が100nm、300nm、500nmであるとき、垂直反射率はほぼ等しいが、メタル厚が50nmであるときの垂直反射率は、メタル厚が100nm、300nm、500nmであるときの垂直反射率よりも低い。したがって、メタル厚は100nm以上あることが好ましい。
図13(b)に示すように、メタル厚を50nm、100nm、300nmおよび500nmと変化させたところ、図13(b)から理解されるように、メタル厚が100nmであるとき、平行透過率が最も高く、メタル厚が100nmよりも薄くなっても厚くなっても平行透過率は低下する。したがって、メタル厚はほぼ100nm(具体的には、80nm〜120nm)であることが好ましい。
以上から、バックライトと組み合わせて使用されるワイヤーグリッドは高い透過率を有していることが好ましい。また、メタル比は30%よりも大きいことが好ましい。透過率および反射率の観点からワイヤーグリッド120において金属ワイヤー124のピッチは150nm以下であることが好ましいが、加工の観点からみると、100nm以下のピッチで金属ワイヤーを形成することは困難であることから、ピッチを150nmとし、メタル比を大きくして透過率を増大させることが好ましい。また、金属ワイヤー124の厚さは100nmであることが好ましい。
なお、上述した説明では、集光フィルムおよび拡散フィルムは導光板と一体的に設けられていたが、本発明はこれに限定されない。集光フィルムおよび拡散フィルムは導光板と一体的に設けられていなくてもよく、バックライト110の構成要素でなくてもよい。また、照明装置100は、集光フィルムおよび拡散フィルムを有していなくてもよい。
また、上述した液晶表示装置150は、偏光度の高い第1偏光板212を有していたが、本発明はこれに限定されない。ワイヤーグリッド120によって偏光が選択されるため、第1偏光板212を設けなくてもよい。
また、上述した液晶表示装置150では、選択反射偏光板120は、バックライト110と一体的に設けられていたが、本発明はこれに限定されない。選択反射偏光板120は、液晶パネル200と一体的に設けられていてもよい。
また、上述した説明では、液晶表示装置は透過型液晶表示装置であったが、本発明はこれに限定されない。透過反射両用型液晶表示装置であってもよい。
なお、参考のために、本願の基礎出願である特願2008−31941号の開示内容を本明細書に援用する。
本発明による照明装置は、薄く、かつ、耐熱性が優れているとともに高い光利用効率を実現することができる。このような照明装置は、液晶表示装置に好適に用いられる。
Claims (5)
- 互いに直交する偏光方向を有する第1および第2偏光成分を含む光を出射するバックライトと、
前記第1偏光成分の反射率が前記第1偏光成分の透過率よりも高く、前記第2偏光成分の透過率が前記第2偏光成分の反射率よりも高い選択反射偏光板と
を備える照明装置であって、
前記選択反射偏光板は、透明基板と、前記透明基板上に配列された複数の金属ワイヤーとを有しており、
前記金属ワイヤーのピッチに対する前記金属ワイヤーの幅の比は30%よりも大きく42%以下であり、前記バックライトの反射率は0.6以上である、照明装置。 - 前記バックライトの反射率は0.6以上0.8以下である、請求項1に記載の照明装置。
- 前記金属ワイヤーのピッチは200nm以下である、請求項1または2に記載の照明装置。
- 前記金属ワイヤーの厚さはほぼ100nmである、請求項1から3のいずれかに記載の照明装置。
- 液晶パネルと、
互いに直交する偏光方向を有する第1および第2偏光成分を含む光を出射するバックライトと、
前記液晶パネルと前記バックライトとの間に配置された選択反射偏光板であって、前記第1偏光成分の反射率が前記第1偏光成分の透過率よりも高く、前記第2偏光成分の透過率が前記第2偏光成分の反射率よりも高い、選択反射偏光板と
を備える液晶表示装置であって、
前記選択反射偏光板は、透明基板と、前記透明基板上に配列された複数の金属ワイヤーとを有しており、
前記金属ワイヤーのピッチに対する前記金属ワイヤーの幅の比は30%よりも大きく42%以下であり、前記バックライトの反射率は0.6以上である、液晶表示装置。
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