JPWO2011125479A1 - 偏光導光板、照明装置および投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

偏光導光板は、対向する面を備え、これら面の一方の面が出射面１０ａとされる導光体１０と、導光体１０の上記対向する面の他方の面に設けられた反射層１２と、導光体１０の出射面１０ａ上に一定の方向に周期的に形成された複数の１／２波長板１１と、導光体１０内に、上記他方の面に沿って上記一定の方向に周期的に形成された複数の異方性屈折部１３と、を有する。異方性屈折部１３は、第１の偏光光に対する屈折率が導光体１０の屈折率より小さく、かつ、第２の偏光光に対する屈折率が導光体１０の屈折率より大きくなるように構成されている。

Description

本発明は、偏光性を有する光が出射される偏光導光板に関し、特に、液晶プロジェクタに代表される投射型表示装置の偏光導光板に関する。

特許文献１は、偏光性を有する光を出射する導光板を開示している。この導光板は、光源からの光が入射する入射端面および光が出射される出射面を有する第１層と、第１層の出射面側に形成された第２層と、第２層上に形成された、異方性物質よりなる第３層と、第２層内の、第１層との界面に形成された複数の光分布調節部とを有する。第１層の出射面とは反対側の面には、偏光変換板および反射板が形成されている。

第２層の第１層とは反対側の面は、プリズム面である。プリズム面は、断面が三角波の形状であるプリズム構造が反復して配列されたものである。

光分布調節部の幅は、光源から離れるにしたがって小さくなっている。光分布調節部の間隔は、光源から離れるにしたがって大きくなっている。これら光分布調節部は、光源から離れるにしたがって、反射される光量が徐々に減少するように構成されている。

第３層は、Ｐ偏光に対する第１の屈折率とＳ偏光に対する第２の屈折率が異なるように構成されている。第３層の第１の屈折率は、第１層および第２層の屈折率とほぼ同じである。第３層の第２の屈折率は、第１層および第２層の屈折率より大きい。

上記の導光板では、入射端面から入射した光のうち、Ｐ偏光の光は、第１層、第２層、第３層の各境界をそのまま透過する。第２層から第３層に入射したＰ偏光の光は、第３層の、第２層とは反対側の面によって第１層の方向へ反射される。

第３層から第２層に入射したＰ偏光の反射光は、光分布調節部で第３層の方向へ反射される、または、第１層および偏光変換板を透過して反射板にて第１層の方向へ反射される。このように、Ｐ偏光の光は、第３層と反射板の間で導光し、その導光過程において、偏光変換板を通過することで、Ｓ偏光の光に変換される。

一方、第１層から第２層へ向かうＳ偏光の光は、第１層と第２層の境界をそのまま透過する。第２層から第３層へ向かうＳ偏光の光は、第２層と第３層の境界で屈折して第３層内に入射する。第２層から第３層内に入射したＳ偏光の光のうち、第２層のプリズム面に対して所定の入射角度（全反射条件を満たす角度）で入射した光は、そのプリズム面で反射されて、第３層から外部へ出射される。

特表２００８−１１７７６６号公報

特許文献１に記載の導光板において、第２層のプリズム面に対して所定の入射角度で入射したＳ偏光の光が導光板から出射される。一方、Ｐ偏光の光は、導光板からは出射されずに、第３層と反射板の間を導光し、その導光過程において、偏光変換板を通過することで、Ｓ偏光の光に偏光変換される。すなわち、Ｐ偏光の光は、偏光変換板によってＳ偏光の光に変換されない限り、導光板内を導光しつづけ、導光板から出射されることはない。

通常、光を導光させる場合は、その導光過程において、光の一部が部材によって吸収され、その分、光損失となる。特許文献１に記載の導光板では、Ｐ偏光の光は、導光板から出射されることなく、必ず、導光板内を導光するため、その導光過程で、光損失が生じる。

また、特許文献１の図１８に示されるように、導光板の出射角度分布は±９０°程度あるため、以下のような問題が生じる。

一般に、光源からの光を表示素子に照射し、表示素子で形成された画像を投射光学系によって投射する投射型表示装置においては、光源の光出射断面積と出射光の発散角とで決まるエテンデューによる制約を考慮した設計が要求される。すなわち、光源から出射した光の全てを投射光として利用するために、光源の光出射断面積と出射光の発散角との積の値を、表示素子の表示面積と投射光学系のＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にする必要がある。この条件を満たさない場合、光源からの光の一部は、投射光として利用されない。

特許文献１に記載の導光板を投射型表示装置に適用した場合は、導光板から出射された光の一部（発散光）は投射光として利用されないため、その分、導光板から出射された光の利用効率が低くなる。

本発明の目的は、上記の導光過程における光損失の低減を図ることができ、上記のエテンデューの制約による問題を解決して出射角の広がりを抑制することができる偏光導光板、それを用いた照明装置および投射型表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の偏光導光板は、
対向する面を備え、これら面の一方の面が出射面とされる導光体と、
前記導光体の前記対向する面の他方の面に設けられた反射層と、
前記導光体の前記出射面に設けられた位相差手段と、
前記導光体内に、前記他方の面に沿って一定の方向に周期的に形成された複数の異方性屈折部と、を有し、
前記複数の異方性屈折部のそれぞれは、第１の偏光光に対する屈折率が前記導光体の屈折率より小さく、かつ、偏光状態が前記第１の偏光光と異なる第２の偏光光に対する屈折率が前記導光体の屈折率より大きくなるように構成されており、
前記位相差手段は、前記出射面から出射される前記第１および第２の偏光光の少なくとも一方の位相を変化させて、回転方向が同じ円偏光または偏光方向が同じ直線偏光の光を出射する。

本発明の照明装置は、
上記の偏光導光板と、
前記偏光導光板の端部に光を供給する少なくとも１つの光源と、を有する。

本発明の投射型表示装置は、
上記の照明装置と、
前記照明装置から出射された光が照射される表示素子と、
前記表示素子によって形成された画像を投射する投射光学系と、を有する。

本発明の別の投射型表示装置は、
上記の照明装置より構成される、赤色、緑色、青色の各色の照明装置と、
前記赤色の照明装置から出射された赤色の光が照射される第１の表示素子と、
前記緑色の照明装置から出射された緑色の光が照射される第２の表示素子と、
前記青色の照明装置から出射された青色の光が照射される第３の表示素子と、
前記第１乃至第３の表示素子で表示される各色の画像を投射する投射光学系と、を有する。

本発明の第１の実施形態である偏光導光板の構成を示す模式図である。 図１に示す偏光導光板の一部を模式的に示す透視図である。 図１に示す偏光導光板の出射条件を説明するための模式図である。 図１に示す偏光導光板の導光条件を説明するための模式図である。 図１に示す偏光導光板の別の導光条件を説明するための模式図である。 図１に示す偏光導光板の異方性屈折部の大きさの条件（厚さおよび幅）を説明するための模式図である。 図１に示す偏光導光板の異方性屈折部の大きさを説明するための模式図である。 図１に示す偏光導光板の異方性屈折部の間隔を説明するための模式図である。 図１に示す偏光導光板の第１の実施例を示す模式図である。 図１に示す偏光導光板の第２の実施例を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態である偏光導光板の構成を示す模式図である。 図１１に示す偏光導光板のプリズムシートの一部を示す模式図である。 本発明の偏光導光板を備える照明装置の一例を示す模式図である。 本発明の偏光導光板を備える照明装置を用いた投射型表示装置の構成を示す模式図である。

１０ 導光体
１１ １／２波長板
１２ 反射層
１３ 異方性屈折部

以下、本発明における一実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態である偏光導光板の構成を示す断面図である。図２は、図１に示す偏光導光板の斜視図である。

図１および図２に示すように、偏光導光板は、液晶プロジェクタに代表される投射型表示装置に用いられるものであって、導光体１０と、導光体１０の一方の面上に設けられた１／２波長板１１と、導光体１０の他方の面上に設けられた反射層１２と、導光体１０内の反射層１２との境界面に設けられた複数の異方性屈折部１３とを有する。

導光体１０は、板状のものであって、屈折率が等方性である材料よりなる。屈折率等方性とは、偏光状態が異なる第１および第２の偏光光（Ｐ偏光の光およびＳ偏光の光）のそれぞれに対する屈折率が同じであることを示す。ここでは、導光体１０の屈折率をｎ0とする。

また、導光体１０は、複数の端面（通常、４つの端面）を有し、これら端面の少なくとも１つに、光源からの光が入射する。光源は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）のような半導体光源、あるいは固体光源と呼ばれる光源である。

１／２波長板１１の屈折率は、導光体１０の屈折率ｎ0とほぼ等しい。１／２波長板１１は、長方形の形状であって、その長手方向と交差する方向に周期的に形成されている。ここで、長手方向は、１／２波長板の長辺に沿った方向である。また、長手方向と交差する方向は、例えば、導光体１０の光源が設けられる端面に垂直な方向である。

異方性屈折部１３は、屈折率が異方性である材料よりなる。屈折率異方性とは、第１および第２の偏光光のそれぞれに対する屈折率が異なることを示す。ここでは、第１の偏光光に対する屈折率をｎ１とし、第２の偏光光に対する屈折率をｎ２とする。異方性屈折部１３は、ｎ１＜ｎ０＜ｎ２の条件を満たすように構成されている。

異方性屈折部１３は、直方体形状であって、その長手方向（１／２波長板１１の長手方向と同じ）と交差する方向に周期的に配置されている。

１／２波長板１１の幅や間隔および異方性屈折部１３の大きさ（高さ、長さおよび幅）は、導光条件や出射条件を考慮して適宜に設定する。ここで、高さは、導光体１０の１／２波長板１１が設けられた側の出射面１０ａに垂直な方向における厚さである。長さおよび幅は、出射面１０ａに垂直な方向から異方性屈折部１３を見た場合の交差する２辺の長さである。

次に、本実施形態の偏光導光板の動作について説明する。

本実施形態の偏光導光板では、光源から導光体１０の第１の端面に入射した光（非偏光光）の一部は、出射面１０ａおよび反射層１２の間で反射されるとともに、導光体１０内を第１の端面と対向する第２の端面の方へ向かって伝播する。この伝播過程において、光の一部が異方性屈折部１３に入射する。

異方性屈折部１３は、第１および第２の偏光光をそれぞれ出射面１０ａの異なる領域から出射させるための出射条件と、出射面１０ａと反射層１２との間で第１および第２の偏光光を導光させるための導光条件を満たすように構成されている。

まず、異方性屈折部１３の出射条件について説明する。

図３は、第１および第２偏光光に対する異方性屈折部１３の出射条件を説明するための図であって、図１に示した偏光導光板の一部を、導光体１０の第１の端面（光源が設けられた端面）および出射面１０ａに垂直な平面で切断した断面の模式図である。図３において、実線で示す矢印はＰ偏光の光を示し、破線で示す矢印はＳ偏光の光を示す。この例では、Ｐ偏光の光に対する屈折率がｎ1とされ、Ｓ偏光の光に対する屈折率がｎ2とされている。

異方性屈折部１３において、導光体１０の出射面１０ａ側に位置する面１３ａに対して、面１３ａとのなす角度φ０で入射したＳ偏光の光は、角度θ１で屈折し、面１３ａと対向する面１３ｂに到達する。ここで、Ｓ偏光の光の面１３ａに対する入射角度は「９０°−φ０」で与えられ、角度θ１より大きい。

面１３ｂは、異方性屈折部１３の反射層１２との界面である。面１３ａから入射して面１３ｂに到達したＳ偏光の光は、面１３ｂにて反射される。面１３ｂで反射されたＳ偏光の光は、側面１３ｃに到達する。

面１３ｂで反射されたＳ偏光の光の、側面１３ｃに対する入射角度θ２（＝９０°−θ１）は、臨界角（全反射が起こる最も小さな入射角）より小さい。このため、面１３ｂから側面１３ｃに入射したＳ偏光の光は、角度φ１（＞θ２）で屈折して、導光体１０の出射面１０ａに到達する。

１／２波長板１１の屈折率は、導光体１０の屈折率とほぼ等しいため、側面１３ｃからのＳ偏光の光は、屈折することなく、面１０ａを通過して１／２波長板１１内に入射する。１／２波長板１１において、入射した光は、導光体１０とは反対側の面１１ａに到達する。入射した光の面１１ａに対する入射角度（９０°−θ１）が臨界角より小さい場合、入射した光は、面１１ａから出射角βで出射される。この面１１ａから出射される光は、Ｐ偏光の光である。

このように、異方性屈折部１３において、面１３ａから入射して側面１３ｃから出射されるという条件（出射条件）を満たすＳ偏光の光は、１／２波長板１１にてＰ偏光の光に変換された後、出射角βで出射される。

なお、図３には示されていないが、面１３ａから入射し、側面１３ｃから出射されるＳ偏光の光が、反射層１２にて反射された後、１／２波長板１１を通過して出射されるという条件も、出射条件として成立する。

また、異方性屈折部１３において、導光体１０の第１の端面側に位置する側面１３ｄに対して、入射角度φ０で入射したＰ偏光の光は、角度θ１（＞φ０）で屈折し、面１３ｂに到達する。

側面１３ｄから入射して面１３ｂに到達したＰ偏光の光は、面１３ｂにて反射される。面１３ｂで反射されたＰ偏光の光は、面１３ａに到達する。

面１３ｂで反射されたＰ偏光の光の面１３ａに対する入射角度θ２（＝９０−θ１）は、臨界角より小さい。このため、Ｐ偏光の光は、面１３ａに対して角度φ１で屈折して、出射面１０ａに到達する。

面１３ａからのＰ偏光の光の出射面１０ａに対する入射角度（９０°−φ１）が臨界角より小さい場合、Ｐ偏光の光は、出射面１０ａから出射角βで出射される。

このように、異方性屈折部１３において、側面１３ｄから入射して面１３ａから出射されるという条件（出射条件）を満たすＰ偏光の光は、出射面１０ａから出射角βで出射される。

なお、図３には示されていないが、側面１３ｄから入射したＰ偏光の光が、反射層１２を介さずにそのまま面１３ａから出射されるという条件も、出射条件として成立する。

１／２波長板１１が無い状態で、導光体１０の出射面１０ａに垂直な方向から見た場合、出射面１０ａのＳ偏光の光が出射される領域は、出射面１０ａのＰ偏光の光が出射される領域と異なる。１／２波長板１１は、出射面１０ａのＳ偏光の光が出射される領域上に形成されている。

なお、１／２波長板１１は、出射面１０ａのＳ偏光の光が出射される領域ではなく、Ｐ偏光の光が出射される領域上に形成してもよい。この場合の偏光導光板からの出射光は、Ｓ偏光の光である。

次に、異方性屈折部１３の導光条件について説明する。

図４は、異方性屈折部１３の導光条件を説明するための図であって、図１に示した偏光導光板の一部を、導光体１０の第１の端面および出射面１０ａに垂直な平面で切断した断面の模式図である。

異方性屈折部１３において、面１３ａに対して、面１３ａとのなす角度φ０’で入射したＳ偏光の光は、角度θ１’で屈折して、面１３ｂに到達する。面１３ａから入射して面１３ｂに到達したＳ偏光の光は、面１３ｂにて反射される。面１３ｂで反射されたＳ偏光の光は、側面１３ｃに到達する。

面１３ｂで反射されたＳ偏光の光の、側面１３ｃに対する入射角度θ２’（＝９０°−θ１’）は、臨界角より小さい。このため、面１３ｂから側面１３ｃに入射したＳ偏光の光は、屈折して、導光体１０の出射面１０ａに到達する。ここで、側面１３ｃから出射したＳ偏光の光の、側面１３ｃとのなす角度はφ１’である。

側面１３ｃからのＳ偏光の光の、出射面１０ａに対する入射角度（９０°−φ１’）は、臨界角より大きい。よって、Ｓ偏光の光は、出射面１０ａにて反射される。

このように、異方性屈折部１３において、面１３ａから入射し、面１３ｂにて反射され、側面１３ｃから出射されるという導光条件を満たすＳ偏光の光は、出射面１０ａにて反射されて導光体１０内を伝播する。

また、異方性屈折部１３において、側面１３ｄに対して、入射角度φ０’で入射したＰ偏光の光は、角度θ１’で屈折して、面１３ｂに到達する。

側面１３ｄから入射して面１３ｂに到達したＰ偏光の光は、面１３ｂにて反射される。面１３ｂで反射されたＰ偏光の光は、面１３ａに到達する。

面１３ｂで反射されたＰ偏光の光の、面１３ａに対する入射角度θ２’は、臨界角より小さい。このため、面１３ｂから面１３ａに入射したＰ偏光の光は、屈折して、導光体１０の出射面１０ａに到達する。ここで、面１３ａから出射したＰ偏光の光の、面１３ａとのなす角度はφ１’である。

面１３ａからのＰ偏光の光の、出射面１０ａに対する入射角度（９０°−φ１’）は、臨界角より大きい。よって、Ｐ偏光の光は、出射面１０ａにて反射されて導光体１０内を伝播する。

このように、異方性屈折部１３において、側面１３ｄから入射し、面１３ｂにて反射され、面１３ａから出射されるという導光条件を満たすＰ偏光の光は、出射面１０ａにて反射されて導光体１０内を伝播する。

図５は、異方性屈折部１３の別の導光条件を説明するための図であって、図１に示した偏光導光板の一部を、導光体１０の第１の端面および出射面１０ａに垂直な平面で切断した断面の模式図である。

異方性屈折部１３において、側面１３ｄに対して、入射角度φ０’で入射したＳ偏光の光は、角度θ１’で屈折して、面１３ｂに到達する。

側面１３ｄから入射して面１３ｂに到達したＳ偏光の光は、面１３ｂにて反射される。面１３ｂで反射されたＳ偏光の光は、面１３ａに到達する。

面１３ｂで反射されたＳ偏光の光の、面１３ａに対する入射角度θ２’（＝９０°−θ１’）は、臨界角より小さい。このため、面１３ｂから面１３ａに入射したＳ偏光の光は、屈折して、導光体１０の面１０ａに到達する。ここで、面１３ａから出射したＳ偏光の光の、面１３ａとのなす角度はφ１’である。

面１３ａからのＳ偏光の光の、出射面１０ａに対する入射角度（９０°−φ１’）は、臨界角より大きい。よって、Ｓ偏光の光は、出射面１０ａにて反射されて導光体１０内を伝播する。

このように、異方性屈折部１３において、側面１３ｄから入射し、面１３ｂにて反射され、面１３ａから出射されるという導光条件を満たすＳ偏光の光は、出射面１０ａで反射されて、導光体１０内を伝播する。

また、異方性屈折部１３において、面１３ａに対して、面１３ａとのなす角度φ０’で入射したＰ偏光の光は、角度θ１’で屈折して、面１３ｂに到達する。

面１３ａから入射して面１３ｂに到達したＰ偏光の光は、面１３ｂにて反射される。面１３ｂで反射されたＰ偏光の光は、入射角度θ２’で側面１３ｃに入射する。入射角度θ２’は、臨界角より小さい。このため、面１３ｂから側面１３ｃに入射したＰ偏光の光は、角度φ１’で屈折して、出射面１０ａに到達する。

出射面１０ａに入射するＰ偏光の光の入射角度（９０°−φ１’）は、臨界角より大きい。よって、Ｐ偏光の光は、出射面１０ａにて反射され、導光体１０内を伝播する。

このように、異方性屈折部１３において、面１３ａから入射し、面１３ｂにて反射され、側面１３ｃから出射されるという導光条件を満たすＰ偏光の光は、出射面１１ａで反射されて、導光体１０内を伝播する。

以上のように、本実施形態の偏光導光板によれば、異方性屈折部１３の出射条件を満たす第１および第２の偏光光（Ｓ偏光およびＰ偏光の光）が、出射面１０ａから出射される。出射面１０ａから出射された第１および第２の偏光光のうちの一方は１／２波長板１１によって偏光変換される。その結果、偏光導光板からは、第１および第２の偏光光のうちの一方の偏光光が出射されることとなり、その出射角の広がりは角度βが取り得る範囲内に制御される。ここで、出射角βは、導光体１０の第１の端面（光源が配置される側の端面）および出射面１１ａのそれぞれと交差（または直交）する第１の平面の面内方向において取り得る出射角度である。

具体的に説明すると、図３に示したＳ偏光の光の出射条件において、角度φ０が４８．１°であり、角度φ１が５２．０°である場合、出射角βは６７．３°である。角度φ０が４５．０°であり、角度φ１が４８．９°である場合、出射角βは８０．５°である。角度φ０が４４．３°であり、角度φ１が４８．２°である場合、出射角βは８９．８°である。光源から導光体１０内に入射した光の、出射面１０ａと平行な面に対する最大角度が４８．１°以下である場合、出射角度幅は２２．５°である。ここで、出射角度幅は、出射角βの最大角度と最小角度で与えられる角度幅であって、本実施形態の偏光導光板の出射光の出射角の角度広がりである。

なお、図３〜図５に示した例において、Ｓ偏光とＰ偏光の屈折率の大小関係や、１／２波長板１１が形成される領域は適宜に変更することができる。

また、本実施形態の偏光導光板において、第１および第２の偏光光のうちの一方のみが出射光として出射されるためには、導光体１０の出射面１０ａにおける、第１の偏光光が出射される第１の領域と第２の偏光光が出射される第２の領域は完全に分離される必要がある。

以下、出射面１０ａの第１および第２の偏光光が出射される領域を分離することができる異方性屈折部１３の大きさおよび間隔について説明する。

図６は、異方性屈折部１３の大きさの条件（厚さおよび幅）を説明するための図であって、導光体１０の第１の端面および出射面１０ａに垂直な平面で切断した断面の模式図である。図６において、破線で示す矢印はＳ偏光、実線で示す矢印はＰ偏光である。

異方性屈折部１３の幅（面１３ａ、１３ｂの長さ）をＢとし、異方性屈折部１３の厚さ（側面１３ｃ、１３ｄの長さ）をＨとし、導光体１０の厚さをＤとする。

面１３ａから入射し、側面１３ｃから出射したＰ偏光の光の、側面１３ｃの垂線とのなす角度の最大角度をφ１ｍａｘとし、その最大角度φ１ｍａｘを与える、面１３ａに入射したＰ偏光の光の、面１３ａとのなす角度をφ０ｍａｘとする。

側面１３ｄから入射し、面１３ａから出射したＳ偏光の光の、面１３ａとのなす角度の最小角度をφ１ｍｉｎとし、その最小角度φ１ｍｉｎを与える、側面１３ｄに入射したＳ偏光の光の、側面１３ｄの垂線とのなす角度をφ０ｍｉｎとする。また、面１３ａにおける最小角度φ１ｍｉｎで出射したＳ偏光の光の出射点から、面１３ａの側面１３ｃ側の端部までの最短距離をＸとする。

以下の式（１）〜（４）を満たすように異方性屈折部１３を形成することで、出射面１０ａの第１および第２の偏光光が出射される領域（Ｓ偏光の出射領域およびＰ偏光の出射領域）を分離することができる。

図７は、異方性屈折部の間隔を説明するための図であって、導光体１０の第１の端面および出射面１０ａに垂直な平面で切断した断面の模式図である。図７において、破線で示す矢印はＳ偏光、実線で示す矢印はＰ偏光である。

隣接する２つの異方性屈折部１３Ａ、１３Ｂの間隔をＰとする。異方性屈折部１３Ａは、導光体１０の第１の端面（光源が設けれる側の端面）側に配置されている。

反射層１２で反射され、異方性屈折部１３Ｂの側面１３ｄから入射し、異方性屈折部１３Ｂの面１３ａから出射したＳ偏光の光の、面１３ａとのなす角度の最大角度をφ１ｍａｘとする。

異方性屈折部１３Ａの面１３ａから入射し、異方性屈折部１３Ａの側面１３ｃから出射し、反射層１２で反射されたＰ偏光の光の、反射層１２とのなす角度の最小角度をφ１ｍｉｎとする。

異方性屈折部１３Ｂの面１３ａを含む平面上の、最小角度φ１ｍｉｎを与える反射層１２からのＰ偏光の光が通過する点から、面１３ａの端部（側面１３ｄ側）までの最短距離をＹとする。

以下の式（５）〜（６）を満たすように異方性屈折部１３Ａ、１３Ｂを形成することで、出射面１０ａの第１および第２の偏光光が出射される領域（Ｓ偏光の出射領域およびＰ偏光の出射領域）を分離することができる。

また、本実施形態の偏光導光板において、異方性屈折部１３の間隔を狭めることで、反射層１２で反射され、異方性屈折部１３の側面１３ｄから入射して面１３ａから出射する第１の偏光光と、異方性屈折部１３の面１３ａから入射して側面１３ｃから出射する第２の偏光光とがそれぞれ、出射面１０ａからは出射されずに、導光体１０内を導光するように構成することもできる。

以下、上記のような導光を実現する異方性屈折部１３の間隔について説明する。

図８は、異方性屈折部の間隔を説明するための図であって、導光体１０の第１の端面および出射面１０ａに垂直な平面で切断した断面の模式図である。図８において、破線で示す矢印はＳ偏光、実線で示す矢印はＰ偏光である。

隣接する２つの異方性屈折部１３Ａ、１３Ｂの間隔をＰとする。異方性屈折部１３Ａは、導光体１０の第１の端面（光源が設けれる側の端面）側に配置されている。異方性屈折部１３Ａ、１３Ｂのそれぞれの幅（面１３ａ、１３ｂの長さ）をＢとし、厚さ（側面１３ｃ、１３ｄの長さ）をＨとする。導光体１０の厚さをＤとする。

異方性屈折部１３Ａを通過することなく、反射層１２に入射したＳ偏光の光の、反射層１２とのなす角度の最大角度をφ０ｍａｘとする。異方性屈折部１３Ｂにおいて、側面１３ｄから入射し、面１３ａから出射したＳ偏光の光の、面１３ａとのなす角度の最大角度をφ１ｍａｘとする。異方性屈折部１３Ａにおいて、面１３ａから入射し、面１３ｂ（反射層１２との界面）で反射され、側面１３ｃから出射したＰ偏光の光の、側面１３ｃの垂線とのなす角度の最小角度をφ１ｍｉｎとする。

以下の式（７）〜（８）を満たすように異方性屈折部１３Ａ、１３Ｂの間隔Ｐを設定することで、反射層１２で反射され、異方性屈折部１３Ｂの側面１３ｄから入射して面１３ａから出射するＳ偏光の光と、異方性屈折部１３Ａの面１３ａから入射し、面１３ｂで反射され、側面１３ｃから出射するＰ偏光の光とを導光させることができる。

（実施例１）
図９は、本発明の第１実施例である偏光導光板の構成を説明するための模式図である。

図９において、破線で示す矢印はＳ偏光、実線で示す矢印はＰ偏光である。異方性屈折部１３の幅をＢとし、厚さをＨとする。導光体１０の厚さをＤとする。１／２波長板１１の幅をｂとする。出射面１０ａ側の面から入射し、側面から出射したＰ偏光の光が、直接または反射層１２を介して１／２波長板１１に入射する異方性屈折部１３の、Ｐ偏光の光が出射された側面を含む平面と、１／２波長板１１の端部との最短距離をＬとする。異方性屈折部１３の間隔をＰとする。

異方性屈折部１３の間隔Ｐは、前述した式（１）〜（６）の条件を満たす。導光体１０の屈折率ｎ０が１．５０であり、異方性屈折部１３の屈折率ｎ１、ｎ２がそれぞれ１．４５、１．５５である。導光体１０の厚さＤが１ｍｍである。異方性屈折部１３の幅Ｂが３００μｍであり、厚さＨが１００μｍである。異方性屈折部１３の間隔Ｐが３００μｍである。１／２波長板１１の幅ｂが２８５μｍである。最短距離Ｌが７０１μｍである。

上記の条件において、角度φ０が４８．１°であり、角度φ１が５２．０°である場合、出射角βは６７．３°である。角度φ０が４５．０°であり、角度φ１が４８．９°である場合、出射角βは８０．５°である。角度φ０が４４．３°であり、角度φ１が４８．２°である場合、出射角βは８９．８°である。光源から導光体１０内に入射した光の、出射面１０ａと平行な面に対する最大角度が４８．１°以下である場合、偏光導光板の出射光の出射角の角度広がりを２２．７°程度にすることができる。

（実施例２）
図１０は、本発明の第２実施例である偏光導光板の構成を説明するための模式図である。

図１０において、破線で示す矢印はＳ偏光、実線で示す矢印はＰ偏光である。異方性屈折部１３の幅をＢとし、厚さをＨとする。導光体１０の厚さをＤとする。１／２波長板１１の幅をｂとする。出射面１０ａ側の面から入射し、側面から出射したＰ偏光の光が、直接または反射層１２を介して１／２波長板１１に入射する異方性屈折部１３の、Ｐ偏光の光が出射された側面を含む平面と、１／２波長板１１の端部との最短距離をＬとする。異方性屈折部１３の間隔をＰとする。異方性屈折部１３の間隔Ｐは、前述した式（７）〜（８）の条件を満たす。

導光体１０の屈折率ｎ０が１．５０であり、異方性屈折部１３の屈折率ｎ１、ｎ２がそれぞれ１．４５、１．５５である。導光体１０の厚さＤが１ｍｍである。異方性屈折部１３の幅Ｂが３００μｍであり、厚さＨが１００μｍである。異方性屈折部１３の間隔Ｐが８０μｍである。１／２波長板１１の幅ｂが１９６μｍである。最短距離Ｌが７０１μｍである。

上記の条件において、角度φ０が４８．１°であり、角度φ１が５２．０°である場合、出射角βは６７．３°である。角度φ０が４５．０°であり、角度φ１が４８．９°である場合、出射角βは８０．５°である。角度φ０が４４．３°であり、角度φ１が４８．２°である場合、出射角βは８９．８°である。光源から導光体１０内に入射した光の、出射面１０ａと平行な面に対する最大角度が４８．１°以下である場合、偏光導光板の出射光の出射角の角度広がりを２２．７°程度にすることができる。

（実施例３）
本発明の第３実施例の偏光導光板も、図１０に示すような構成とされる。

本実施例の偏光導光板においては、導光体１０の屈折率ｎ０が１．５０であり、異方性屈折部１３の屈折率ｎ１、ｎ２がそれぞれ１．４５、１．５５である。導光体１０の厚さＤが５００μｍである。異方性屈折部１３の幅Ｂが２６０μｍであり、厚さＨが１００μｍである。異方性屈折部１３の間隔Ｐが８０μｍである。１／２波長板１１の幅ｂが５０μｍである。最短距離Ｌが３１０μｍである。

上記の条件においても、角度φ０が４８．１°であり、角度φ１が５２．０°である場合、出射角βは６７．３°である。角度φ０が４５．０°であり、角度φ１が４８．９°である場合、出射角βは８０．５°である。角度φ０が４４．３°であり、角度φ１が４８．２°である場合、出射角βは８９．８°である。この場合も、偏光導光板の出射光の出射角の角度広がりを２２．７°程度にすることができる。

以上説明した本実施形態の偏光導光板によれば、偏光導光板から出射される光の出射角の広がりを、エテンデューの制約に基づく光利用可能な範囲内に収めることができる。

また、導光体１０内を伝播する光を、１／４波長板１１と反射層１２の間で光を循環させて利用することができるので、光利用効率を向上させることができる。

さらに、本実施形態の偏光導光板によれば、以下のような作用効果を奏する。

一般に、照明装置に用いられる導光板においては、光源からのある程度の出射角度分布を有する入射光を有効に利用するために、角度変換手段が設けられる。角度変換手段としては、例えば、導光板をくさび形状にする手法や、導光板内にプリズム部を設ける手法などがある。このような角度変換手段を設けることで、導光板内に入射した光の導光角度（より具体的には、入射した光の出射側の面とのなす角度）が、その導光過程において徐々に変化し、これにより出射条件を満たす光を増大することができる。

プロジェクタの照明装置に用いられる導光板は小型であるため、例えば、くさび形状構造のくさび角度（反射面と出射面とのなす角度）が小さいと、入射した光が入射面と対向する面に到達するまでに、十分な導光角度の変化を得ることができず、くさび形状構造による光量増大の効果が半減する。このため、くさび形状構造は、ある程度大きなくさび角度を有するものとされる。

前述した特許文献１に記載の導光板においても、入射光を有効に利用するために、上記の角度変換手段を適用することが望ましい。この場合、角度変換手段は、例えば、第１層の厚さを入射面から離れるに従って徐々に薄くするように構成することで実現される。

特許文献１に記載の導光板では、第２層のプリズム面に対して所定の入射角度で入射するという角度条件を満たすＳ偏光の光のみが導光板から出射され、Ｐ偏光の光は、そのような角度条件を満たす場合であっても、導光板からは出射されずに、第３層と反射板の間を導光する。

第２層のプリズム面で反射された、角度条件を満たすＰ偏光の光は、第１層および偏光変換板を透過して反射板にて第１層の方向へ反射される。このとき、Ｐ偏光の光は、偏光変換板によりＳ偏光の光に変換されるとともに、くさび形状構造により導光角度が変化する。この場合、くさび角度がある程度小さければ、反射板で反射されたＳ偏光の光は、角度条件を満たすため、導光板の出射面から出射される。

しかし、プロジェクタへ適用するためには、くさび角度をある程度大きくする必要がある。この場合、上記のようにして反射板で反射されたＳ偏光の光は、角度条件を満たさなくなるため、導光板からは出射されずに、第３層と反射板の間を導光する。このため、くさび形状構造による光量増大の効果は半減する。

このように、特許文献１に記載の導光板においては、プロジェクタへ適用する場合に、角度変換手段による光量増大の効果を十分に得ることができないため、高輝度のプロジェクタを実現することは困難である。

これに対して、本実施形態の偏光導光板によれば、角度条件（出射条件）を満たす光は、偏光状態に関係なく、導光体１０の出射面１０ａから出射される。また、異方性屈折部１３を透過することで、入射光の導光角度も変化するため、くさび構造等の角度変換手段を用いる必要がない。したがって、本実施形態の偏光導光板によれば、特許文献１に記載の導光板と比較して、出射光量が多く、高輝度のプロジェクタを実現することができる。

次に、本実施形態の偏光導光板の作製方法について説明する。

まず、異方性屈折部１３となる領域に凹部を有する導光体を作成する。導光体は、金型成形、切削加工等に作成することができる。

次に、導光体の凹部が形成された面と反射層（反射板）の一方の面に配向膜を塗布し、配向処理を行う。次に、ＵＶ硬化型液晶モノマーを、スクリーン印刷により凹部に埋め込む。その後、導光体の凹部が形成された面と反射層の一方の面を貼り合わせる。

貼り合わせた導光体および反射層を加熱した後、冷却し、ＵＶ硬化型液晶モノマーを配向させる。最後に、ＵＶ光を照射して、配向したＵＶ硬化型液晶モノマーを硬化させた後、１／２波長板を、導光体の反射層とは反対側の面の所定の領域に貼り付ける。これにより、第１の実施形態の偏光導光板を得る。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態の偏光導光板では、出射光は、出射面１０ａの垂線に対して傾きを有する。ここでは、出射面１０ａに垂直な方向に光を出射することが可能な形態について説明する。

図１１は、本発明の第２の実施形態である偏光導光板の構成を示す断面図である。

図１１に示すように、本実施形態の偏光導光板は、第１の実施形態の偏光導光板にプリズムシート１５を加えたものである。プリズムシート１５以外の構成は、第１の実施形態の偏光導光板と同じである。

プリズムシート１５が持つ複数の頂角が、導光体１０の出射面１０ａと対向するように設けられている。図１２に、プリズムシート１５の一部を拡大した拡大図を示す。

図１２に示すように、プリズムシート１５は、断面形状が三角形のプリズム面１５ａが２次元に配置されたものである。プリズム面１５ａの頂角は、出射面１０ａおよび１／２波長板１１から出射される光の角度（例えば、図３に示した出射角β）に基づいて決定される。例えば、出射角βが６７°より大きく、９０°より小さい場合、プリズムシート１５の屈折率を１．５０とすると、プリズム面１５ａの頂角は７０°程度の角度とされる。

頂角７０°のプリズム面１５ａを有するプリズムシート１５は、プリズム面１５ａの三角形状の一辺を形成する面に平行な面と、出射面１０ａとのなす角度δが、５５°となるように、出射面１０ａ上に配置される。この配置によれば、出射面１０ａに垂直な方向を基準として、出射角の角度広がり±１２°の出射光を得ることができる。

（他の実施形態）
上述した第１および第２の実施形態のいずれかにおいて、１／２波長板１１を第１の１／４波長板とし、この第１の１／４波長板の間に第２の１／４波長板を設けても良い。第１および第２の１／４波長板は、一定の方向（異方性屈折部１３の並び方向）に交互に周期的に配置される。第１の１／４波長板の光学軸は、第２の１／４波長板の光学軸と直交する。

本他の実施形態の偏光導光板によれば、例えば、出射面１０ａから出射したＳ偏光およびＰ偏光の光のうち、Ｓ偏光の光が第１の１／４波長板を通過し、Ｐ偏光の光が第２の１／４波長板を通過する。そして、第１および第２の１／４波長板のそれぞれから、同じ回転方向の円偏光（右回りまたは左回りの円偏光）が出射される。

本他の実施形態の偏光導光板から出射された円偏光の光路中に、第３の１／４波長板を設けることで、Ｐ偏光およびＳ偏光のうちの一方の偏光の光を得ることができる。

本他の実施形態の偏光導光板も、第１の実施形態で説明した、出射条件や導光条件、異方性屈折部１３の大きさの条件（厚さおよび幅）や間隔の条件を満たす。

（照明装置）
次に、本発明の偏光導光板を備える照明装置について説明する。

図１３に、本発明の偏光導光板を備える照明装置の断面構造の一例を示す。

図１３に示す照明装置は、図１に示した偏光導光板と、光源２０とからなる。この照明装置は、携帯電話機等の液晶表示装置や液晶プロジェクタに代表される投射型表示装置の照明装置として用いることができる。

光源２０は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）のような半導体光源、あるいは固体光源と呼ばれる光源であって、導光体１０の端面１０ｂと対向するように設けられている。光源２０からの光を導光体１０内に効率良く入射させることができるのであれば、光源２０は、端面１０ｂに対してどのように配置されてもよい。例えば、光源２０の発光部が端面１０ｂと近接して配置されてもよく、また、発光部と端面１０ｂの間に、発光部からの光を端面１０ｂに入射させるための光学部材（プリズムやレンズ）を配置してもよい。

光源２０から出射した光（非偏光光）は、端面１０ｂから導光体１０内に入射する。光源２０から導光体１０の端面１０ｂに入射した光（非偏光光）は、出射面１０ａおよび反射層１２で反射されるとともに、導光体１０内を端面１０ｂと対向する端面１０ｃの方へ向かって伝播する。この伝播過程において、光の一部が異方性屈折部１３に入射する。

異方性屈折部１３において、出射条件を満たす第１および第２の偏光光が出射面１０ａから出射される。出射面１０において、第１の偏光光が出射される領域は、第２の偏光光が出射される領域と異なる。１／２波長板１１が第１の偏光光が出射される領域に設けられており、出射面１０ａから出射された第１の偏光光は、１／２波長板１１によって第２の偏光光に変換される。図１３では、１／２波長板１１がＳ偏光の光が出射される領域に設けられており、出射面１０ａから出射されたＳ偏光の光は、１／２波長板１１によってＰ偏光の光に変換される。

本照明装置によれば、異方性屈折部１３によって出射光の角度広がり（出射角）を、エテンデューの制約に基づく光利用可能な範囲内に収めることができる。

なお、本照明装置では、第１の実施形態の偏光導光板を用いているが、これに代えて、第２の実施形態の偏光導光板または他の実施形態の偏光導光板を用いてもよい。

また、複数の光源２０が、端面１０ｂに対して設けられてもよい。

さらに、端面１０ｂ、１０ｃの両方に、少なくとも１個の光源２０が設けられても良い。

（投射型表示装置）
以上説明した本発明の偏光導光板を備える照明装置は、液晶プロジェクタに代表される投射型表示装置に適用することができる。

図１４は、本発明の偏光導光板を備える照明装置を用いた投射型表示装置の構成を示す模式図である。図１４を参照すると、投射型表示装置は、照明装置３００〜３０２、表示素子である液晶素子３０３〜３０５、クロスダイクロイックミラー３０６および投射光学系３０７を有する。

照明装置３００〜３０２はいずれも、上述した照明装置によって構成される。照明装置３００の光源として、青色ＬＥＤが用いられる。照明装置３０１の光源として、緑色ＬＥＤが用いられる。照明装置３０２の光源として、赤色ＬＥＤが用いられる。

照明装置３００から出射された青色の光は、液晶素子３０３に照射される。液晶素子３０３は、不図示の液晶駆動回路によって駆動され、外部から供給された映像信号に基づく青色用の画像を形成する。

照明装置３０１から出射された緑色の光は、液晶素子３０４に照射される。液晶素子３０４は、不図示の液晶駆動回路によって駆動され、外部から供給された映像信号に基づく緑色用の画像を形成する。

照明装置３０２から出射された赤色の光は、液晶素子３０５に照射される。液晶素子３０５は、不図示の液晶駆動回路によって駆動され、外部から供給された映像信号に基づく赤色用の画像を形成する。

液晶素子３０３〜３０５によって形成された各色の画像光は、クロスダイクロイックミラー３０６を介して投射光学系３０７に入射する。投射光学系３０７は、液晶素子３０３〜３０５によって形成された各色の画像を不図示のスクリーン（またはスクリーンに代わる部材）上に投射する。

別の投射型表示装置は、本発明の偏光導光板の端面に、赤色、緑色および青色の各色の光源を備える照明装置を用いる。この場合、赤色、緑色および青色の所定の偏光（Ｐ偏光またはＳ偏光）の光（白色光に対応する）が照明装置から出射される。この照明装置からの出射光が表示素子（例えば液晶素子）に照射される。表示素子は、外部からの映像信号に基づく赤色、緑色および青色の画像を時分割で表示する。この時分割表示に同期して光源の発光タイミングを制御する。表示素子に形成された各色の画像が投射光学系によって投射される。

本発明の偏光導光板およびそれを備える照明装置は、上述した投射型表示装置の他、液晶ディスプレイのバックライトとして用いることができる。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成および動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。

この出願は、２０１０年３月３１日に出願された日本出願特願２０１０−０８０７９２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (12)

1. 対向する面を備え、これら面の一方の面が出射面とされる導光体と、
   前記導光体の前記対向する面の他方の面に設けられた反射層と、
   前記導光体の前記出射面に設けられた位相差手段と、
   前記導光体内に、前記他方の面に沿って一定の方向に周期的に形成された複数の異方性屈折部と、を有し、
   前記複数の異方性屈折部のそれぞれは、第１の偏光光に対する屈折率が前記導光体の屈折率より小さく、かつ、偏光状態が前記第１の偏光光と異なる第２の偏光光に対する屈折率が前記導光体の屈折率より大きくなるように構成されており、
   前記位相差手段は、前記出射面から出射される前記第１および第２の偏光光の少なくとも一方の位相を変化させて、回転方向が同じ円偏光または偏光方向が同じ直線偏光の光を出射する、偏光導光板。
2. 前記位相差手段は、前記一定の方向に、周期的に形成された複数の１／２波長板を有する、請求項１に記載の偏光導光板。
3. 前記複数の異方性屈折部のそれぞれは、直方体形状であって、前記導光体の前記出射面側に位置する第１の面から入射して、該第１の面に隣接する第２の面から出射した前記第１の偏光光が、前記複数の１／２波長板のいずれかを通過するように形成されている、請求項２に記載の偏光導光板。
4. 前記複数の異方性屈折部のそれぞれは、前記第２の面と対向する第３の面から入射し、前記第１の面から出射した前記第２の偏光光が、前記出射面の前記複数の１／２波長板が形成されていない領域を通過するように形成されている、請求項３に記載の偏光導光板。
5. 前記位相差手段は、前記一定の方向に交互に形成された、複数の第１の１／４波長板および複数の第２の１／４波長板を有し、該第１の１／４波長板の光学軸が、該第２の１／４波長板の光学軸と直交する、請求項１に記載の偏光導光板。
6. 前記複数の異方性屈折部のそれぞれは、直方体形状であって、前記導光体の前記出射面側に位置する第１の面から入射して、該第１の面に隣接する第２の面から出射した前記第１の偏光光が、前記複数の第１の１／４波長板のいずれかを通過するように形成されている、請求項５に記載の偏光導光板。
7. 前記複数の異方性屈折部のそれぞれは、前記第２の面と対向する第３の面から入射し、前記第１の面から出射した前記第２の偏光光が、前記複数の第２の１／４波長板のいずれかを通過するように形成されている、請求項６に記載の偏光導光板。
8. 前記複数の異方性屈折部のそれぞれの、前記一定の方向における長さをＢとし、前記出射面と垂直な方向における高さをＨとし、前記導光体の前記対向する面の間隔をＤとし、
   前記導光体の屈折率をｎ０とし、前記複数の異方性屈折部の、前記第１および第２の偏光光に対する屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とし、
   前記第１の面から入射して前記第２の面から出射した第１の偏光光の、前記第２の面の垂線とのなす角度の最大角度をφ１ｍａｘとし、該最大角度を与える、前記第１の面に入射した第１の偏光光の、前記第１の面とのなす角度をφ０ｍａｘとし、
   前記第３の面から入射して前記第１の面から出射した前記第２の偏光光の、前記第１の面とのなす角度の最小角度をφ１ｍｉｎとし、該最小角度を与える、前記第３の面に入射した前記第２の偏光光の、前記第３の面の垂線とのなす角度をφ０ｍｉｎとし、
   前記第１の面における前記最小角度で出射した前記第２の偏光光の出射点から、前記第１の面の前記第２の面側の端部までの最短距離をＸとする場合、
   

   

   の条件を満たす、請求項４または７に記載の偏光導光板。
9. 断面形状が三角形状の複数のプリズム部が平面上に形成されたプリズムシートを、さらに有し、
   前記プリズムシートは、前記導光体の前記出射面と対向するように配置されている、請求項１から８のいずれか１項に記載の偏光導光板。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の偏光導光板と、
    前記偏光導光板の端部に光を供給する少なくとも１つの光源と、を有する照明装置。
11. 請求項１０に記載の照明装置と、
    前記照明装置から出射された光が照射される表示素子と、
    前記表示素子によって形成された画像を投射する投射光学系と、を有する、投射型表示装置。
12. 請求項１０に記載の照明装置より構成される、赤色、緑色、青色の各色の照明装置と、
    前記赤色の照明装置から出射された赤色の光が照射される第１の表示素子と、
    前記緑色の照明装置から出射された緑色の光が照射される第２の表示素子と、
    前記青色の照明装置から出射された青色の光が照射される第３の表示素子と、
    前記第１乃至第３の表示素子で表示される各色の画像を投射する投射光学系と、を有する、投射型表示装置。

Images