WO2013011917A1 - 偏光光源、照明装置および表示装置 - Google Patents

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polarized light
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light source
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大祐 篠崎
豪 鎌田
昇平 勝田
昌洋 ▲辻▼本
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シャープ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a polarized light source, an illumination device, and a display device.
  • An illumination device described in Patent Document 1 is known as an edge light type illumination device that emits unpolarized light incident from the end face of a light guide so as to be aligned with polarized light in one direction.
  • a polarization conversion element in which a polarization separation film, a retardation plate ( ⁇ / 4 plate), and a reflection plate are combined is installed on the entire main surface of the light guide. The emitted unpolarized light is aligned with polarized light in one direction.
  • An object of the aspect of the present invention is to provide an inexpensive polarized light source, a light source device, and a display device that can emit light having a uniform polarization direction.
  • a polarized light source includes a rod-shaped light guide having a first end surface, a second end surface facing the first end surface, a third end surface adjacent to the first end surface, and the rod-shaped light guide.
  • a reflective polarizing layer that is disposed opposite the first end surface along the longitudinal direction, transmits the first polarized light, and reflects the second polarized light whose polarization direction is orthogonal to the first polarized light; the reflective polarizing layer;
  • a retardation layer disposed between the first end surface, a reflective layer disposed opposite to the second end surface, and a light emitting element that makes light incident on the third end surface.
  • the rod-shaped light guide may be a wedge-shaped light guide in which the distance between the first end surface and the second end surface gradually decreases from the side closer to the third end surface toward the far side.
  • the rod-shaped light guide may be a saw-toothed light guide having a serrated irregular shape formed on the second end face.
  • the reflective polarizing layer has a first light reflecting surface on which the second polarized light is reflected, and a distance between the first light reflecting surface and the first end surface is farther from a side closer to the third end surface. It may be gradually larger toward you.
  • the reflection layer has a second light reflection surface on which light incident on the reflection layer from the rod-shaped light guide is reflected, and the first light reflection surface and the second light reflection surface are parallel to each other. It may be.
  • the transmission direction of the first polarized light passing through the reflective polarizing layer and the second polarized light reflected by the reflective polarizing layer are transmitted through the retardation layer, reflected by the reflective layer, and again the retardation layer. And the transmission direction when passing through the reflective polarizing layer may be equal.
  • the rod-shaped light guide may include a scatterer that scatters light propagating through the rod-shaped light guide.
  • the density of the scatterer may decrease as the distance from the third end surface increases.
  • the angle formed between the slow axis of the retardation layer and the transmission axis of the reflective polarizing layer and the retardation of the retardation layer may be adjusted so as to be approximately maximum.
  • the angle formed between the slow axis of the retardation layer and the transmission axis of the reflective polarizing layer may be smaller than 45 °.
  • the angle formed by the slow axis of the retardation layer and the transmission axis of the reflective polarizing layer may be 36 ° or more and 40 ° or less.
  • the two rod-shaped light guides may be arranged to face each other with the light-emitting element interposed therebetween, and the light-emitting element may be configured to make light incident on the two rod-shaped light guides.
  • the polarized light source in one embodiment of the present invention may include a plurality of light source units including the rod-shaped light guide, the reflective polarizing layer, the retardation layer, the reflective layer, and the light emitting element.
  • the polarized light source according to an aspect of the present invention may further include an optical path changing member that changes a traveling direction of the first polarized light emitted from the reflective polarizing layer.
  • the optical path conversion member has a fourth end surface on which the first polarized light transmitted through the reflective polarizing layer is incident, and a fifth end surface that reflects the first polarized light incident from the fourth end surface, and the first polarized light May be incident on the fourth end face as P-polarized light.
  • An illumination device includes the polarized light source, an end surface facing the first end surface of the polarized light source, a light incident surface, and a light exit surface that is a main surface adjacent to the light incident surface.
  • a light guide is a light guide.
  • a display device includes the illumination device and a light modulation element that modulates light emitted from the light emission surface.
  • transmission direction of light when ⁇ 180 ° in FIG. It is a figure which shows the polar coordinate which shows the relationship between (theta) and (psi). It is a simulation result which shows the relationship between the retardation of a phase difference layer, the direction of a slow axis, and the light quantity of the light which permeate
  • FIG. 1 is a perspective view of a display device 1 according to the first embodiment.
  • the display device 1 includes an illumination device 3 and a light modulation element 2 that modulates light emitted from the light exit surface 10 b of the light guide 10 of the illumination device 3.
  • the light modulation element 2 is, for example, an active matrix type liquid crystal panel including a first substrate 31, a second substrate 32, a liquid crystal layer 33, and a polarizing plate 34.
  • the second substrate 32 is disposed to face the first substrate 31.
  • the liquid crystal layer 33 is sandwiched between the first substrate 31 and the second substrate 32.
  • the polarizing plate 34 is bonded to the light emission surface of the second substrate 32.
  • the light modulation element 2 is provided with a color filter and various wirings and electrodes for controlling the alignment of the liquid crystal layer 33 as required, but these are not shown in FIG.
  • the illumination device 3 includes a light guide 10 and a polarized light source 20 that causes linearly polarized light to enter the light incident surface 10 a of the light guide 10.
  • the light guide 10 is a transparent plate-like member having an end surface parallel to the XZ plane as a light incident surface 10a and a main surface parallel to the XY plane as a light exit surface 10b.
  • a plurality of grooves 11 extending in the X direction are formed along the Y direction on the main surface of the light guide 10 facing the light exit surface 10b. The light propagating in the Y direction inside the light guide 10 is totally reflected by the surface of the groove 10 and is emitted toward the light modulation element 2 from the light emission surface 10b.
  • the light guide 10 is made of a light-transmitting resin material having low birefringence so that the polarization characteristics of light propagating inside the light guide 10 are not impaired. “Having low birefringence” means that, for example, the retardation of light that enters from the light incident surface 10a, propagates in the Y direction, and reaches the farthest end from the light incident surface 10a is the wavelength of the light. Say that it is 1/4 or less.
  • the resin material having low birefringence is composed of, for example, a mixture of a positive birefringent substance and a negative birefringent substance, or a copolymer of a positive birefringent substance and a negative birefringent substance.
  • the polarized light source 20 includes a plurality of light source units 21 and an optical path conversion member 28.
  • the light source units 21 are arranged along the light incident surface 10 a of the light guide 10.
  • the optical path conversion member 28 changes the traveling direction of the light emitted from the plurality of light source units 21 and makes the light incident on the light incident surface 10 a of the light guide 10.
  • the light source unit 21 is a light source device that converts non-polarized light emitted from the light emitting element 23 into one polarized light and emits the light obliquely toward the light incident surface 10 a of the light guide 10.
  • the optical path conversion member 28 is, for example, a prism array including a plurality of prism elements 27 that refracts light emitted obliquely from the light source unit 21 and vertically enters the light incident surface 10 a of the light guide 10.
  • the optical path changing member 28 is not limited to one that changes the traveling direction of light by refraction, but may be one that changes the traveling direction of light by another optical action such as diffraction.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the light source unit 21.
  • the light source unit 21 includes a rod-shaped light guide 22, a reflective polarizing layer 24, a retardation layer 25, a reflective layer 26, and a light emitting element 23.
  • the rod-shaped light guide 22 is disposed along the light incident surface of the light guide.
  • the reflective polarizing layer 24 is disposed to face the first end face 22a parallel to the longitudinal direction (X direction) of the rod-shaped light guide 22.
  • the reflective polarizing layer 24 transmits the first polarized light (for example, P-polarized light) L1, and reflects the second polarized light (for example, S-polarized light) L2 whose polarization direction is orthogonal to the first polarized light L1.
  • the retardation layer 25 is disposed between the reflective polarizing layer 24 and the first end face 22 a of the rod-shaped light guide 22.
  • the reflective layer 26 is disposed so as to face the second end surface 22 b facing the first end surface 22 a of the rod-shaped light guide 22.
  • the light emitting element 23 makes light incident on the third end surface 22 c adjacent to the first end surface 22 a of the rod-shaped light guide 22.
  • the rod-shaped light guide 22 is a transparent rod-like member that is long in the X direction and has a third end surface 22c parallel to the YZ plane as a light incident surface and a first end surface 22a parallel to the XZ plane as a light emission surface.
  • the rod-shaped light guide 22 has a wedge shape in which the width in the Y direction gradually decreases from the side closer to the third end face 22c toward the side farther from the side.
  • a wedge-shaped light guide having a right triangle shape as viewed from the Z direction with the end facing the third end surface 22c sharpened is used, but the end facing the third end surface 22c is used.
  • a trapezoidal wedge-shaped light guide that does not sharpen the edge, or a rectangular pillar-shaped light guide that has a constant width in the Y direction from the side closer to the third end face 22c toward the far side may be used.
  • a reflective layer 26 having a high reflectance such as aluminum is provided so as to face the second end face 22b.
  • the reflective layer 26 may be disposed in direct contact with the second end surface 22b, or may be disposed opposite the second end surface 22b with the air layer interposed therebetween.
  • the rod-shaped light guide 22 is made of a light-transmitting resin material having low birefringence so that the polarization characteristics of light propagating through the rod-shaped light guide 22 are not impaired. “Having low birefringence” means that, for example, the retardation of light that is incident from the third end face 22c, propagates in the X direction, and reaches the farthest end from the third end face 22c is the wavelength of the light. Say that it is 1/4 or less.
  • the resin material having low birefringence is composed of, for example, a mixture of a positive birefringent substance and a negative birefringent substance, or a copolymer of a positive birefringent substance and a negative birefringent substance.
  • the reflective polarizing layer 24 for example, DBEF (Dual Brightness Enhancement Film; manufactured by 3M) is used.
  • the reflective polarizing layer 24 is disposed so as to be inclined with respect to the first end face 22 a of the rod-shaped light guide 22.
  • the distance between the reflective polarizing layer 24 and the first end surface 22a of the rod-shaped light guide 22 is gradually increased from the side closer to the third end surface 22c of the rod-shaped light guide 22 toward the far side.
  • the transmission direction of the first polarized light L1 that is transmitted through the reflective polarizing layer 24 and the second polarized light L2 reflected by the reflective polarizing layer 24 are polarized and converted by the retardation layer 25 and the reflective layer 26 to form the first polarized light L5.
  • the transmission direction of the first polarized light L5 when passing through the reflective polarizing layer 24 is substantially equal. Therefore, the directivity of the first polarized light L1 and L5 emitted from the reflective polarizing layer 24 is increased.
  • the reflective polarizing layer 24 may be disposed in parallel with the first end face 22 a of the rod-shaped light guide 22. However, in that case, since the second end surface 22b of the rod-shaped light guide 22 is disposed obliquely with respect to the first end surface 22a, light propagates in the X direction inside the rod-shaped light guide 22. In the meantime, the angle of light emitted from the first end face 22a increases as the distance from the third end face 22c increases. For this reason, it is preferable that the reflective polarizing layer 24 be inclined with respect to the first end face 22a so that the angle of light emitted from the first end face 22a is uniform over the entire first end face 22a.
  • the light reflection surface 24a from which the second polarized light L2 is reflected by the reflective polarizing layer 24 and the light reflection surface 26a from which light incident on the reflective layer 26 from the rod-shaped light guide 22 is reflected by the reflective layer 26 are arranged in parallel to each other.
  • the transmission direction of the first polarized light L1 that passes through the reflective polarizing layer 24 and the second polarized light L2 reflected by the reflective polarizing layer 24 are converted by the phase difference layer 25 and the reflective layer 26 to obtain the first polarized light L5.
  • the transmission direction of the first polarized light L5 when passing through the reflective polarizing layer 24 is substantially equal.
  • the retardation layer 25 is a retardation layer that generates a phase difference of ⁇ / 2 (a phase difference corresponding to a quarter wavelength) with respect to the incident second polarized light L2.
  • the retardation layer 25 is disposed in parallel with the first end face 22 a of the rod-shaped light guide 22.
  • the second polarized light L2 reflected by the reflective polarizing layer 24 is converted into circularly polarized light L3 by the retardation layer 25, reflected by the reflective layer 26 to become circularly polarized light L4 having a different rotational direction, and then by the retardation layer 25.
  • the light is converted into the first polarized light L5 whose polarization direction is orthogonal to the second polarized light L2, and passes through the reflective polarizing layer 24.
  • the second polarized light L2 and the circularly polarized light L4 are obliquely incident on the retardation layer 25. Therefore, when the retardation layer 25 is arranged so that the slow axis of the retardation layer 25 forms 45 ° with the transmission axis of the reflective polarizing layer 24 when viewed from the Y direction, polarization conversion from the second polarized light L2 to the first polarized light L5 is performed. Not enough. Therefore, the slow axis of the retardation layer 25 is disposed so as to form an angle smaller than 45 ° with the transmission axis of the reflective polarizing layer 24 when viewed from the Y direction. Thereby, the polarization conversion from the second polarized light L2 to the first polarized light L5 is sufficiently performed, and the amount of transmitted light when the first polarized light L5 passes through the reflective polarizing layer 24 is substantially maximized.
  • a solid light source such as an LED (Light Emitting Diode) is used.
  • the light emitting element 23 emits non-polarized light L0 having a random polarization direction toward the third end face 22c of the rod-shaped light guide 22.
  • the non-polarized light L0 emitted from the light emitting element 23 is aligned with the unidirectional polarized light (first polarized light) by the retardation layer 25, the reflective polarizing layer 24, and the reflective layer 26, and is emitted from the reflective polarizing layer 24.
  • the first polarized lights L1 and L5 emitted from the reflective polarizing layer 24 are incident on the first end face 27a of the prism element 27 and reflected by the second end face 27b of the prism element 27, so that the traveling direction is in the Y direction. Converted.
  • the first polarized light L1 and L5 are polarized light having a vibration direction in a plane parallel to the XY plane
  • the second polarized light L2 is polarized light having a vibration direction orthogonal to the first polarized light.
  • the first polarized lights L1 and L5 are incident on the first end face 27a parallel to the YZ plane of the prism element 27 as P-polarized light. Since P-polarized light has less loss due to interface reflection (Fresnel loss) than S-polarized light, the first polarized light L1 and L5 are made incident as P-polarized light on the first end face 27a, thereby reducing the light loss. 3 is provided.
  • FIG. 3A is a simulation result showing the relationship between the transmission direction of light transmitted through the reflective polarizing layer and the amount of transmitted light.
  • the X ′ axis in FIG. 3C is an axis obtained by projecting the X axis shown in FIG. 2 onto a plane parallel to the reflective polarizing layer 24.
  • the light transmitted through the reflective polarizing layer is light having directivity in the direction where the elevation angle ⁇ is 120 ° to 180 ° and the azimuth angle ⁇ is 100 ° to 260 °.
  • the amount of transmitted light is the largest when the elevation angle ⁇ is 160 ° and the azimuth angle ⁇ is 180 °.
  • the azimuth angle ⁇ is viewed from the direction of 180 °, the half-value width of the transmitted light amount in the elevation direction is 22 °, and it can be seen that light having high directivity is emitted from the reflective polarizing layer 24.
  • the reason why the light emitted from the reflective polarizing layer 24 has directivity is as follows. That is, in FIG. 2, the light propagating through the rod-shaped light guide 22 is confined within the rod-shaped light guide 22 while the incident angle to the first end surface 22a of the rod-shaped light guide 22 is larger than the critical angle. When the angle of incidence on the first end face 22a becomes smaller than the critical angle, the light is sequentially emitted from the first end face 22a. Therefore, when viewed in the XY plane, the light emitted from the light emitting element 23 does not have directivity when entering the rod-shaped light guide 22, but has high directivity when emitted from the rod-shaped light guide 22. It becomes light to have.
  • the light transmitted through the reflective polarizing layer 24 is incident on the light incident surface 10a of the light guide 10 shown in FIG. 1 at a large angle. Therefore, as shown in FIG. 1, in the polarized light source 20, an optical path conversion member 28 is installed between the reflective polarizing layer 24 and the light incident surface 10 a of the light guide 10, and light emitted from the reflective polarizing layer 24. The traveling direction of the light is changed so that the light enters substantially perpendicularly to the light incident surface 10a of the light guide 10.
  • the angle ⁇ formed between the slow axis of the retardation layer 25 and the transmission axis of the reflective polarizing layer 24 refers to the slow axis of the retardation layer 25 and the transmission of the reflective polarizing layer 24 when viewed from the Y direction.
  • An angle formed with the axis that is, an angle formed between the transmission axis of the reflected polarizing layer 24 after projection and the slow axis of the retardation layer 25 when the transmission axis of the reflective polarizing layer 24 is projected onto the retardation layer 25).
  • the retardation of the retardation layer 25 is represented by the product of the thickness d of the retardation layer 25 and the birefringence ⁇ n of the retardation layer 25.
  • the main refractive index in the plane direction of the retardation layer 25 is nx and ny
  • the main refractive index in the optical axis direction (Z direction) of the retardation layer 25 is nz
  • the above simulation results are simulation results when the elevation angle ⁇ is set to 155 °, 160 °, and 165 °.
  • the angle ⁇ is optimized within a slightly wider range than the above range (37 ° to 39 °). it can.
  • the angle ⁇ is in the range of 36 ° to 40 °, the amount of light emitted from the reflective polarizing layer 24 can be substantially maximized.
  • the amount of light transmitted through the reflective polarizing layer 24 is maximized when the angle ⁇ is 45 ° and the retardation ⁇ n ⁇ d is 140 nm.
  • the polarized light source 20 of the present embodiment light is incident on the retardation layer 25 at an angle, so that the optimum conditions are different.
  • the optimum condition depends on the transmission direction (elevation angle ⁇ ) of the light transmitted through the reflective polarizing layer 24, but when the angle ⁇ is smaller than 45 ° and the retardation ⁇ n ⁇ d is larger than 1 ⁇ 4 of the wavelength of the light. This is the optimum condition.
  • the polarization light source 20 that converts the non-polarized light emitted from the light emitting element 23 into one polarized light and is emitted on the light incident surface 10a of the light guide 10 is installed. ing. Since the polarized light source 20 is formed by arranging the reflective polarizing layer 24, the retardation layer 25, and the reflective layer 26 along the light incident surface 10a of the light guide 10, the arrangement area of these optical members is small and the cost is small. Is also small. Therefore, it is possible to provide an inexpensive polarized light source 20 and illumination device 3 that can emit light having a uniform polarization direction.
  • the polarization direction of the light incident on the light modulation element 2 is aligned in one direction. Can be omitted. Therefore, an inexpensive display device with a small number of members is provided.
  • the polarizing plate on the light incident side of the light modulation element 2 is omitted, but a polarizing plate is disposed on the light incident side of the light modulation element 2 so as to increase the degree of polarization of light incident on the liquid crystal layer. It may be.
  • FIG. 7 is a schematic view of the light source unit 40 of the second embodiment.
  • the same reference numerals are given to components common to the light source unit 21 of the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.
  • a wedge-shaped light guide whose shape viewed from the Z direction is a right triangle is used as the rod-shaped light guide 22.
  • a sawtooth light guide having a sawtooth uneven shape formed on the second end surface 41b is used as the rod light guide 41.
  • the rod-shaped light guide 41 has a shape in which a plurality of small wedge-shaped light guides similar to the wedge-shaped light guide of the first embodiment are connected in the X direction.
  • the reflective layer 26 is provided so as to face the uneven slope formed in a sawtooth shape.
  • the width of the rod-shaped light guide 41 in the Y direction can be reduced, it is possible to provide a small polarized light source, an illumination device, and a display device.
  • FIG. 8 is a schematic view of the light source unit 42 of the third embodiment. Constituent elements common to the light source unit 21 of the first embodiment in the light source unit 42 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • one rod-shaped light guide 22, light emitting element 23, and reflective layer 26 are provided in one light source unit.
  • the light source unit 42 of the present embodiment a plurality of unit structures each including the rod-shaped light guide 43, the light emitting element 44, and the reflective layer 45 are provided in the X direction in one light source unit.
  • the rod-shaped light guide 43 is a small wedge-shaped light guide similar to the rod-shaped light guide 22 of the first embodiment.
  • the light emitting element 44 a solid light source such as an LED is used as in the light emitting element 23 of the first embodiment.
  • the reflective layer 45 is provided to face the slope of the rod-shaped light guide 43.
  • the width of the rod-shaped light guide 43 in the Y direction can be reduced, a small polarized light source, an illumination device, and a display device can be provided.
  • FIG. 9 is a schematic view of the light source unit 46 of the fourth embodiment. Constituent elements common to the light source unit 42 of the third embodiment in the light source unit 46 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the rod-shaped light guide 43 and the light emitting element 44 correspond one-to-one.
  • the light source unit 46 of the present embodiment two rod-shaped light guides 47 are arranged to face each other with one light-emitting element 48 interposed therebetween, and one light-emitting element 48 transmits light to the two rod-shaped light guides 48. Is made to enter.
  • a plurality of unit structures each including a light emitting element 48, a pair of rod-shaped light guides 47, and a pair of reflective layers 45 are provided in the X direction.
  • the pair of rod-shaped light guides 47 are arranged symmetrically with respect to a line parallel to the Y axis passing through the light emitting element 48 so that the light incident surfaces (third end surfaces) face each other. In this case, the directions of light emitted from the pair of rod-shaped light guides 47 are opposite to each other. For this reason, the reflective polarizing layer 50 is not inclined with respect to the light exit surface (first end surface) of the rod-shaped light guide 47 and is parallel to the light exit surface of the rod-shaped light guide 47 in the same manner as the phase difference layer 25.
  • the reflective polarizing layer 50 is not inclined with respect to the light exit surface (first end surface) of the rod-shaped light guide 47 and is parallel to the light exit surface of the rod-shaped light guide 47 in the same manner as the phase difference layer 25.
  • the directivity of the light emitted from the reflective polarizing layer 50 is slightly reduced, but the rod-shaped light guide 47 is small, and the propagation distance of the light propagating through the rod-shaped light guide 47 is small (light Therefore, the directivity is not greatly reduced.
  • FIG. 10 is a schematic view of the light source unit 51 of the fifth embodiment.
  • the same reference numerals are given to components common to the light source unit 21 of the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.
  • a wedge-shaped light guide whose shape viewed from the Z direction is a right triangle is used as the rod-shaped light guide 22.
  • a rectangular columnar light guide whose shape viewed from the Z direction is a rectangle is used as the rod-shaped light guide 52.
  • the rod-shaped light guide 52 is a transparent rod-like member that is long in the X direction and has a third end surface 52c parallel to the YZ plane as a light incident surface and a second end surface 52b parallel to the XZ plane as a light emission surface.
  • the light emitting element 53 causes non-polarized light to enter the third end surface 52 c of the rod-shaped light guide 52.
  • a reflective layer 56 is provided opposite to the second end surface 52 b facing the first end surface 52 a of the rod-shaped light guide 52.
  • the angle of the light emitted from the first end surface 52a does not increase with the square columnar rod-shaped light guide 52 as the distance from the third end surface 22c increases. Therefore, the reflective polarizing layer 54 is disposed so as to be parallel to the first end surface 52 a of the rod-shaped light guide 52, similarly to the retardation layer 55.
  • a scatterer 57 that diffuses light traveling through the rod-shaped light guide 52 and traveling toward the first end surface 52a is dispersed.
  • a scatterer having a particle diameter larger than the wavelength of light for example, 560 nm
  • a silicon-based resin powder having a diameter of 1 ⁇ m to 10 ⁇ m is suitable.
  • the density of the scatterers 57 is substantially uniform throughout the first end face 52a.
  • the particle size of the scatterer 57 When the particle size of the scatterer 57 is larger than the wavelength of light, Mie scattering tends to occur. In Mie scattering, as the particle size of the scatterer increases, forward scattering is more likely to occur, and sideward and backward scattering is less likely to occur.
  • the scatterer 57 By providing the scatterer 57 in the vicinity of the first end surface 52a of the rod-shaped light guide 52, it becomes easy to extract the light propagating through the rod-shaped light guide 52 from the first end surface 52a.
  • the scatterer 57 having a particle diameter of 1 ⁇ m to 10 ⁇ m since the scattering power is weak, there is little possibility that the polarization characteristics of the light propagating through the rod-shaped light guide 52 will be impaired.
  • the angle of the light guided is changed by scattering, and only a certain range of light that breaks the critical angle is emitted from the first end face 52a, so the direction of the light emitted from the first end face 52a is directed. The property is not greatly impaired.
  • the scatterer 57 that generates weak scattering is included in the vicinity of the first end surface 52a of the rod-shaped light guide 52, the amount of light emitted from the first end surface 52a is reduced to the entire first end surface 52a. Can be made uniform.
  • FIG. 11 is a schematic view of the light source unit 58 of the sixth embodiment. Constituent elements common to the light source unit 21 of the first embodiment in the light source unit 58 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the light source unit 58 is different from the light source unit 21 of the first embodiment in that a scatterer 59 is contained inside the rod-shaped light guide 22.
  • the functions and materials of the scatterer 59 are the same as those of the scatterer 57 described in the fifth embodiment.
  • the scatterer 57 of the fifth embodiment is selectively disposed in the vicinity of the first end surface 52a of the rod-shaped light guide, and the density of the scatterer 57 is substantially uniform over the entire first end surface 52a.
  • the scatterers 59 are arranged in the entire short-side direction (Y direction) of the rod-shaped light guide 22, and the density of the scatterers 59 decreases as the distance from the third end face 22 c increases. In FIG. 11, the density of the scatterers 59 in the short direction is uniform, but even if a density gradient is provided in the short direction so that the density of the scatterers 59 increases as it approaches the first end face 22a. Good.
  • the incident angle of light with respect to the first end surface 22a decreases as the distance from the third end surface 22c increases. Therefore, the amount of light emitted from the first end surface 22a increases as the distance from the third end surface 22c increases. Therefore, if the density of the scatterers 59 is reduced on the side far from the third end face 22c and the density of the scatterers 59 is increased on the side close to the third end face 22c, the amount of light emitted from the first end face 22a is uniform. It becomes.
  • the density of the scatterers 59 inside the wedge-shaped rod-shaped light guide 22 is changed along the light propagation direction (X direction), the amount of light emitted from the first end face 22a is changed.
  • the entire first end face 22a can be made uniform.
  • FIG. 12 is a perspective view of the illumination device 4 according to the seventh embodiment.
  • symbol is attached
  • the illumination device 4 is different from the illumination device 3 of the first embodiment in that the thickness of the light guide 60 gradually increases from the side closer to the end surface (light incident surface 60a) provided with the polarized light source 70 toward the far side.
  • a thin wedge-shaped light guide is used, and a polarized light source 70 is constituted by a single light source unit in which one light source unit 21 in FIG. 1 is enlarged.
  • a wedge-shaped light guide having a right triangle shape as viewed from the X direction with a sharpened end facing the light incident surface is used as the light guide 60.
  • a trapezoidal wedge-shaped light guide that does not sharpen the opposite ends may be used.
  • the polarized light source 70 is provided on a rod-shaped light guide 72 disposed along the light incident surface 60a of the light guide 60, and a first end surface 72a parallel to the longitudinal direction (X direction) of the rod-shaped light guide 72, A reflective polarizing layer 74 that transmits the first polarized light (for example, P-polarized light) and reflects the second polarized light (for example, S-polarized light) whose polarization direction is orthogonal to the first polarized light, and the reflective polarizing layer 74 and the first rod-shaped light guide 72.
  • first polarized light for example, P-polarized light
  • S-polarized light for example, S-polarized light
  • the retardation layer 75 disposed between the first end surface 72a, the reflective layer 76 disposed opposite to the second end surface 72b facing the first end surface 72a of the rod-shaped light guide 72, and the rod-shaped light guide 72.
  • a light emitting element 73 that makes light incident on a third end face 72c adjacent to the first end face 72a, and linearly polarized light emitted obliquely from the reflective polarizing layer 28 toward the light incident face 60a of the light guide 60.
  • a plurality of prism elements 27 that enter perpendicularly to 60 light incident surfaces 60a.
  • An optical path conversion member 28 made, and a.
  • the arrangement and functions of the rod-shaped light guide 72, the reflective polarizing layer 74, the retardation layer 75, the reflective layer 76, and the light source 73 are the same as those of the rod-shaped light guide 22, the reflective polarizing layer 24, the retardation layer 25, and the reflection of the first embodiment.
  • the arrangement and function of the layer 26 and the light source 23 are the same, and only the size is different.
  • the polarized light source 70 is composed of one light source unit, the number of parts is small. Therefore, an inexpensive polarized light source 70, illumination device 4, and display device can be provided.
  • the straight reflective polarizing layer 24 is arranged to be inclined with respect to the first end face 22a of the rod-shaped light guide 22, but the configuration of the reflective polarizing layer 24 is not limited to this.
  • a reflective polarizing layer 80 bent in a sawtooth shape may be disposed to face the first end surface 22 a of the rod-shaped light guide 22.
  • the reflective polarizing layer 80 in FIG. 13 has an inclined surface 81a inclined with respect to the first end surface 22a of the rod-shaped light guide 22, and the inclined surface 81a serves as a light reflecting surface to reflect the second polarized light L2.
  • the inclined surface 81a is, for example, parallel to the light reflecting surface 26a of the reflecting layer 26. According to the light source unit 85, the installation space for the reflective polarizing layer 80 can be reduced, so that the space-saving light source unit 85 is provided.
  • Embodiments of the present invention can be used in the fields of polarized light sources, illumination devices, and display devices.

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Abstract

　偏光光源は、棒状導光体と、反射偏光層と、位相差層と、反射層と、発光素子と、を備えている。棒状導光体は、第１端面、前記第１端面と対向する第２端面、前記第１端面と隣接する第３端面とを有する。反射偏光層は、前記棒状導光体の長手方向に沿った前記第１端面と対向して配置され、第１偏光を透過し、前記第１偏光と偏光方向が直交する第２偏光を反射する。位相差層は、前記反射偏光層と前記第１端面との間に配置される。反射層は、前記第２端面に対向して配置される。発光素子は、前記第３端面に光を入射する。

Description

偏光光源、照明装置および表示装置
　本発明は、偏光光源、照明装置および表示装置に関する。
　本願は、２０１１年７月２１日に、日本に出願された特願２０１１－１６００４１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　導光体の端面から入射した無偏光の光を一方向の偏光に揃えて射出するエッジライト方式の照明装置として、特許文献１に記載の照明装置が知られている。特許文献１の照明装置は、偏光分離膜と位相差板（λ／４板）と反射板とを組み合わせた偏光変換素子を導光体の主面全体に設置し、導光体の主面から射出された無偏光の光を一方向の偏光に揃える。
特開２０１０－７２２８７号公報
　特許文献１の照明装置では、偏光変換素子を導光体の主面全体に配置するので、偏光分離膜や位相差板などの光学部材を広い面積で使用する。そのため、部材のコストが上昇し、装置全体のコストアップにつながる。
　本発明の態様における目的は、偏光方向の揃った光を射出可能な安価な偏光光源、光源装置および表示装置を提供することにある。
　本発明の一態様における偏光光源は、第１端面、前記第１端面と対向する第２端面、前記第１端面と隣接する第３端面とを有する棒状導光体と、前記棒状導光体の長手方向に沿った前記第１端面と対向して配置され、第１偏光を透過し、前記第１偏光と偏光方向が直交する第２偏光を反射する反射偏光層と、前記反射偏光層と前記第１端面との間に配置された位相差層と、前記第２端面に対向して配置された反射層と、前記第３端面に光を入射する発光素子と、を備えている。
　前記棒状導光体は、前記第１端面と前記第２端面との距離が前記第３端面に近い側から遠い側に向けて徐々に小さくなる楔形の導光体でもよい。
　前記棒状導光体は、前記第２端面に鋸歯状の凹凸形状が形成された鋸歯状導光体でもよい。
　前記反射偏光層は、前記第２偏光が反射される第１光反射面を有し、前記第１光反射面と前記第１端面との距離は、前記第３端面に近い側から遠い側に向けて徐々に大きくなっていてもよい。
　前記反射層は、前記棒状導光体から前記反射層に入射した光が反射される第２光反射面を有し、前記第１光反射面と、前記第２光反射面とは、互いに平行であってもよい。
　前記反射偏光層を透過する前記第１偏光の透過方向と、前記反射偏光層で反射された前記第２偏光が、前記位相差層を透過し、前記反射層で反射され、再び前記位相差層を透過して前記反射偏光層を透過する際の透過方向と、が等しくてもよい。
　前記棒状導光体は、前記棒状導光体の内部を伝播する光を散乱する散乱体を含んでいてもよい。
　前記散乱体の密度は、前記第３端面から遠ざかるほど小さくなっていてもよい。
　前記反射偏光層で反射された前記第１偏光が、前記位相差層を透過して前記反射層で反射され、再び前記位相差層を透過して前記反射偏光層を透過する際の透過光量が概ね最大となるように、前記位相差層の遅相軸と前記反射偏光層の透過軸とのなす角度と、前記位相差層のリタデーションと、が調整されていてもよい。
　前記位相差層の遅相軸と前記反射偏光層の透過軸とのなす角度は、４５°よりも小さくてもよい。
　前記位相差層の遅相軸と前記反射偏光層の透過軸とのなす角度は、３６°以上４０°以下であってもよい。
　前記発光素子を挟んで２つの前記棒状導光体が対向配置され、前記発光素子は、前記２つの棒状導光体に光を入射させるよう構成されてもよい。
　本発明の一態様における偏光光源は、前記棒状導光体、前記反射偏光層、前記位相差層、前記反射層および前記発光素子を含む複数の光源ユニットを備えていてもよい。
　本発明の一態様における偏光光源は、さらに前記反射偏光層から射出された前記第１偏光の進行方向を変更する光路変換部材を備えていてもよい。
　前記光路変換部材は、前記反射偏光層を透過した第１偏光が入射する第４端面と、前記第４端面から入射した前記第１偏光を反射する第５端面とを有し、前記第１偏光は前記第４端面に対してＰ偏光として入射してもよい。
　本発明の他の態様における照明装置は、前記偏光光源と、前記偏光光源の第１端面と対向する端面を光入射面と、前記光入射面と隣接する主面である光射出面とを有する導光体と、を備えている。
　本発明のさらに他の態様における表示装置は、前記照明装置と、前記光射出面から射出された光を変調する光変調素子と、を備えている。
　本発明の態様によれば、偏光方向の揃った光を射出可能な安価な偏光光源、光源装置および表示装置を提供することができる。
第１実施形態の表示装置の斜視図である。 光源ユニットの概略図である。 反射偏光層を透過する光の透過方向と透過光量との関係を示すシミュレーション結果を示す図である。 図３Ａにおいてψ＝１８０°としたときの光の透過方向と透過光量との関係を示すシミュレーション結果を示す図である。 θとψとの関係を示す極座標を示す図である。 位相差層のリタデーションおよび遅相軸の方向と、反射偏光層を透過する光の光量との関係を示すシミュレーション結果である。 位相差層のリタデーションおよび遅相軸の方向と、反射偏光層を透過する光の光量との関係を示すシミュレーション結果である。 位相差層のリタデーションおよび遅相軸の方向と、反射偏光層を透過する光の光量との関係を示すシミュレーション結果である。 第２実施形態の光源ユニットの概略図である。 第３実施形態の光源ユニットの概略図である。 第４実施形態の光源ユニットの概略図である。 第５実施形態の光源ユニットの概略図である。 第６実施形態の光源ユニットの概略図である。 第７実施形態の照明装置の斜視図である。 光源ユニットの変形形態の概略図である。
［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態の表示装置１の斜視図である。
　表示装置１は、照明装置３と、照明装置３の導光体１０の光射出面１０ｂから射出された光を変調する光変調素子２と、を備えている。
　光変調素子２は、例えば、第１基板３１と、第２基板３２と、液晶層３３と、偏光板３４と、を備えたアクティブマトリクス型の液晶パネルである。第２基板３２は、第１基板３１と対向配置されている。液晶層３３は、第１基板３１と第２基板３２との間に挟持されている。偏光板３４は、第２基板３２の光射出面に貼合されている。光変調素子２には、カラーフィルターや、液晶層３３の配向を制御するための各種配線および電極などが必要に応じて付設されるが、図１ではそれらの図示は省略している。
　照明装置３は、導光体１０と、導光体１０の光入射面１０ａに直線偏光を入射させる偏光光源２０と、を備えている。
　導光体１０は、ＸＺ平面と平行な端面を光入射面１０ａ、ＸＹ平面と平行な主面を光射出面１０ｂとする透明な板状部材である。導光体１０の光射出面１０ｂと対向する主面には、Ｘ方向に延びる溝１１がＹ方向に沿って複数本形成されている。導光体１０の内部をＹ方向に伝播する光は、溝１０の表面で全反射し、光射出面１０ｂから光変調素子２に向けて射出される。
　導光体１０は、内部を伝播する光の偏光特性が損なわれないように、低複屈折性を有する光透過性の樹脂材料で構成されている。「低複屈折性を有する」とは、例えば、光が光入射面１０ａから入射し、Ｙ方向に伝播して、光入射面１０ａから最も遠い端部に至るまでに受けるリタデーションが光の波長の１／４以下であることを言う。低複屈折性を有する樹脂材料は、例えば、正の複屈折物質と負の複屈折物質との混合体、もしくは正の複屈折物質と負の複屈折物質との共重合体で構成される。
　偏光光源２０は、複数の光源ユニット２１と、光路変換部材２８と、を備えている。光源ユニット２１は、導光体１０の光入射面１０ａに沿って配列されている。光路変換部材２８は、複数の光源ユニット２１から射出された光の進行方向を変更して導光体１０の光入射面１０ａに入射させる。
　光源ユニット２１は、発光素子２３から射出された無偏光の光を一偏光に変換して導光体１０の光入射面１０ａに向けて斜めに射出する光源装置である。光路変換部材２８は、例えば、光源ユニット２１から斜めに射出された光を屈折させて導光体１０の光入射面１０ａに対して垂直に入射させる複数のプリズム素子２７からなるプリズムアレイである。
光路変換部材２８は、屈折により光の進行方向を変更するものに限らず、回折などの他の光学作用によって光の進行方向を変更するものでもよい。
　図２は、光源ユニット２１の概略図である。
　光源ユニット２１は、棒状導光体２２と、反射偏光層２４と、位相差層２５と、反射層２６と、発光素子２３と、を備えている。棒状導光体２２は、導光体の光入射面に沿って配置される。反射偏光層２４は、棒状導光体２２の長手方向（Ｘ方向）と平行な第１端面２２ａと対向して配置される。反射偏光層２４は、第１偏光（例えばＰ偏光）Ｌ１を透過し、第１偏光Ｌ１と偏光方向が直交する第２偏光（例えばＳ偏光）Ｌ２を反射する。位相差層２５は、反射偏光層２４と棒状導光体２２の第１端面２２ａとの間に配置される。反射層２６は、棒状導光体２２の第１端面２２ａと対向する第２端面２２ｂに対向して配置される。発光素子２３は、棒状導光体２２の第１端面２２ａと隣接する第３端面２２ｃに光を入射する。
　棒状導光体２２は、ＹＺ平面と平行な第３端面２２ｃを光入射面とし、ＸＺ平面と平行な第１端面２２ａを光射出面とするＸ方向に長手の透明な棒状部材である。棒状導光体２２は、第３端面２２ｃに近い側から遠い側に向けてＹ方向の幅が徐々に小さくなる楔形の形状を有している。図２の例では、第３端面２２ｃと対向する端部を尖らせたＺ方向から見て直角三角形の形状をなす楔形導光体が用いられているが、第３端面２２ｃと対向する端部を尖らせない台形形状の楔形導光体、または、第３端面２２ｃに近い側から遠い側に向けてＹ方向の幅が一定である四角柱状の導光体が用いられてもよい。棒状導光体２２の第２端面２２ｂには、アルミニウムなどの高反射率の反射層２６が対向して設けられている。
反射層２６は、第２端面２２ｂに直接接触して対向配置されていてもよく、第２端面２２ｂと空気層を挟んで対向配置されていてもよい。
　棒状導光体２２は、内部を伝播する光の偏光特性が損なわれないように、低複屈折性を有する光透過性の樹脂材料で構成されている。「低複屈折性を有する」とは、例えば、光が第３端面２２ｃから入射し、Ｘ方向に伝播して、第３端面２２ｃから最も遠い端部に至るまでに受けるリタデーションが光の波長の１／４以下であることを言う。低複屈折性を有する樹脂材料は、例えば、正の複屈折物質と負の複屈折物質との混合体、もしくは正の複屈折物質と負の複屈折物質との共重合体で構成される。
　反射偏光層２４としては、例えば、ＤＢＥＦ（Ｄｕａｌ　Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ　Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　Ｆｉｌｍ；３Ｍ社製）が用いられる。反射偏光層２４は、棒状導光体２２の第１端面２２ａに対して傾斜して配置されている。反射偏光層２４と棒状導光体２２の第１端面２２ａとの距離は、棒状導光体２２の第３端面２２ｃに近い側から遠い側に向けて徐々に大きくなっている。
　この場合、反射偏光層２４を透過する第１偏光Ｌ１の透過方向と、反射偏光層２４で反射された第２偏光Ｌ２が位相差層２５及び反射層２６によって偏光変換され、第１偏光Ｌ５として反射偏光層２４を透過する際の第１偏光Ｌ５の透過方向と、が概ね等しくなる。よって、反射偏光層２４から射出される第１偏光Ｌ１，Ｌ５の指向性が高まる。
　反射偏光層２４は、棒状導光体２２の第１端面２２ａと平行に配置されていてもよい。
しかし、その場合には、棒状導光体２２の第２端面２２ｂは第１端面２２ａに対して斜めに傾いて配置されているため、棒状導光体２２の内部をＸ方向に光が伝播していく間に、第１端面２２ａから射出される光の角度が第３端面２２ｃから遠ざかるにつれて大きくなってしまう。そのため、第１端面２２ａから射出される光の角度が第１端面２２ａ全体で均一になるように、反射偏光層２４を第１端面２２ａに対して傾けて配置することが好ましい。
　本実施形態の場合、反射偏光層２４において第２偏光Ｌ２が反射される光反射面２４ａと、反射層２６において棒状導光体２２から反射層２６に入射した光が反射される光反射面２６ａとは、互いに平行に配置されている。これにより、反射偏光層２４を透過する第１偏光Ｌ１の透過方向と、反射偏光層２４で反射された第２偏光Ｌ２が位相差層２５及び反射層２６によって偏光変換され、第１偏光Ｌ５として反射偏光層２４を透過する際の第１偏光Ｌ５の透過方向と、が概ね等しくなる。
　位相差層２５は、入射した第２偏光Ｌ２に対してπ／２の位相差（１／４波長分の位相差）を生じさせる位相差層である。位相差層２５は、棒状導光体２２の第１端面２２ａと平行に配置されている。反射偏光層２４で反射された第２偏光Ｌ２は、位相差層２５で円偏光Ｌ３に変換され、反射層２６で反射されて回転方向の異なる円偏光Ｌ４となった後、位相差層２５で第２偏光Ｌ２と偏光方向が直交する第１偏光Ｌ５に変換され、反射偏光層２４を透過する。
　位相差層２５には、第２偏光Ｌ２および円偏光Ｌ４が斜めに入射する。そのため、位相差層２５の遅相軸がＹ方向から見て反射偏光層２４の透過軸と４５°をなすように配置されていると、第２偏光Ｌ２から第１偏光Ｌ５への偏光変換が十分に行われない。そのため、位相差層２５の遅相軸は、Ｙ方向から見て反射偏光層２４の透過軸と４５°よりも小さい角度をなすように配置されている。これにより、第２偏光Ｌ２から第１偏光Ｌ５への偏光変換が十分に行われるようになり、第１偏光Ｌ５が反射偏光層２４を透過する際の光の透過量が概ね最大化される。
　発光素子２３としては、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）などの固体光源が用いられる。発光素子２３は、偏光方向がランダムな無偏光の光Ｌ０を棒状導光体２２の第３端面２２ｃに向けて射出する。発光素子２３から射出された無偏光の光Ｌ０は、位相差層２５、反射偏光層２４および反射層２６によって一方向の偏光（第１偏光）に揃えられて反射偏光層２４から射出される。反射偏光層２４から射出された第１偏光Ｌ１，Ｌ５は、プリズム素子２７の第１の端面２７ａに入射し、プリズム素子２７の第２の端面２７ｂで反射することにより、進行方向がＹ方向に変換される。
　本実施形態の場合、第１偏光Ｌ１，Ｌ５は、ＸＹ平面と平行な面内に振動方向を有する偏光であり、第２偏光Ｌ２は、第１偏光と直交する振動方向を有する偏光である。第１偏光Ｌ１，Ｌ５は、プリズム素子２７のＹＺ平面と平行な第１の端面２７ａにＰ偏光として入射する。Ｐ偏光はＳ偏光に比べて界面反射によるロス（フレネル損失）が少ないため、第１の端面２７ａに対して第１偏光Ｌ１，Ｌ５をＰ偏光として入射させることで、光のロスの少ない照明装置３が提供される。
　図３Ａは、反射偏光層を透過する光の透過方向と透過光量との関係を示すシミュレーション結果である。図３Ｂは、図３Ａにおいてψ＝１８０°としたときの光の透過方向と透過光量との関係を示すシミュレーション結果である。なお、図３Ａおよび図３Ｂのθとψは、図３Ｃにおける極座標の仰角と方位角をそれぞれ示す。図３ＣのＸ′軸は、図２に示すＸ軸を反射偏光層２４と平行な平面に投影した軸である。
　図３Ａに示すように、反射偏光層を透過する光は、仰角θが１２０°ないし１８０°、方位角ψが１００°ないし２６０°の方向に指向性を持った光である。図３Ｂに示すように、仰角θが１６０°、方位角ψが１８０°のときに透過光量が最も大きくなる。方位角ψが１８０°の方向から見たときの仰角方向の透過光量の半値幅は２２°であり、高い指向性を持った光が反射偏光層２４から射出されていることがわかる。
　反射偏光層２４から射出される光が指向性をもつ理由は次のとおりである。すなわち、図２において、棒状導光体２２の内部を伝播する光は、棒状導光体２２の第１端面２２ａへの入射角が臨界角よりも大きい間は棒状導光体２２の内部に閉じ込められ、第１端面２２ａへの入射角が臨界角よりも小さくなった時点で第１端面２２ａから順次射出される。よって、ＸＹ平面内で見たとき、発光素子２３から射出された光は棒状導光体２２に入射した時点では指向性を持たないが、棒状導光体２２から射出する時点では高い指向性を有する光となる。
　反射偏光層２４を透過した光は、図１に示した導光体１０の光入射面１０ａに対して大きな角度で入射する。そのため、図１に示すように、偏光光源２０においては、反射偏光層２４と導光体１０の光入射面１０ａとの間に光路変換部材２８が設置され、反射偏光層２４から射出された光が導光体１０の光入射面１０ａに対して概ね垂直に入射するように、光の進行方向が変換されている。
　図４ないし図６は、位相差層２５のリタデーションを１３０ｎｍから１６０ｎｍまで変化させながら、位相差層２５の遅相軸と反射偏光層２４の透過軸とのなす角度φを３５°から４２°まで変化させたときに、反射偏光層２４から方位角ψ＝１８０°および仰角θの方向に射出される光（波長：５５０ｎｍ）の光量がどのように変化するかを示したシミュレーション結果を示す図である。
　なお、「位相差層２５の遅相軸と反射偏光層２４の透過軸とのなす角度φ」とは、Ｙ方向から見たときの位相差層２５の遅相軸と反射偏光層２４の透過軸とのなす角度（すなわち、反射偏光層２４の透過軸を位相差層２５上に投影したときの、投影後の反射偏光層２４の透過軸と位相差層２５の遅相軸とのなす角度）を意味する。
　また、位相差層２５のリタデーションは、位相差層２５の厚みｄと位相差層２５の複屈折Δｎとの積で表される。シミュレーションにおいては、位相差層２５の面方向の主屈折率をｎｘおよびｎｙ、位相差層２５の光軸方向（Ｚ方向）の主屈折率をｎｚとし、Δｎ＝ｎｘ－ｎｚ＝０．００１、ｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚとして計算を行っている。リタデーションΔｎ・ｄを変化させる場合には、位相差層２５の厚みｄを変化させる。
　図４に示すように、仰角θが１６０°の場合には、角度φが３８°、リタデーションΔｎ・ｄが１４２ｎｍのときに、反射偏光層２４を透過する光の光量が最大になる。図５に示すように、仰角θが１６５°の場合には、角度φが３９°、リタデーションΔｎ・ｄが１４１ｎｍのときに、反射偏光層２４を透過する光の光量が最大になる。図６に示すように、仰角θが１５５°の場合には、角度φが３７°、リタデーションΔｎ・ｄが１４３ｎｍのときに、反射偏光層２４を透過する光の光量が最大になる。
　上記のシミュレーション結果は、仰角θを１５５°、１６０°、１６５°としたときのシミュレーション結果である。実際には、図３に示すように、仰角θの範囲は１５５°から１６５°の範囲よりも広いので、角度φは上記の範囲（３７°以上３９°以下）よりも若干広い範囲で最適化できる。例えば、角度φが３６°以上４０°以下の範囲であれば、反射偏光層２４から射出される光の光量を概ね最大にすることができる。
　位相差層２５に光が垂直に入射する場合には、角度φが４５°、リタデーションΔｎ・ｄが１４０ｎｍのときに、反射偏光層２４を透過する光の光量が最大になる。本実施形態の偏光光源２０では、位相差層２５に対して斜めに光が入射するため、その最適条件が異なるものとなっている。最適条件は、反射偏光層２４を透過する光の透過方向（仰角θ）にもよるが、角度φが４５°よりも小さく、リタデーションΔｎ・ｄが光の波長の１／４よりも大きいときに最適条件となる。
　以上説明した本実施形態の表示装置１においては、導光体１０の光入射面１０ａに、発光素子２３から射出された無偏光の光を一偏光に変換して射出する偏光光源２０が設置されている。偏光光源２０は、導光体１０の光入射面１０ａに沿って反射偏光層２４、位相差層２５および反射層２６を配置して形成されているので、これらの光学部材の配置面積が小さくコストも小さい。よって、偏光方向の揃った光を射出可能な安価な偏光光源２０および照明装置３を提供することができる。このような偏光光源２０および照明装置３を備えた表示装置１は、光変調素子２に入射する光の偏光方向が一方向に揃っているため、光変調素子２の光入射側の偏光板を省略することができる。よって、部材点数の少ない、安価な表示装置が提供される。
　なお、本実施形態では、光変調素子２の光入射側の偏光板を省略したが、光変調素子２の光入射側に偏光板を配置し、液晶層に入射する光の偏光度を高めるようにしてもよい。
［第２実施形態］
　図７は、第２実施形態の光源ユニット４０の概略図である。光源ユニット４０において第１実施形態の光源ユニット２１と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
　第１実施形態の光源ユニット２１では、棒状導光体２２として、Ｚ方向から見た形状が直角三角形である楔形導光体が用いられていた。これに対して、本実施形態の光源ユニット４０では、棒状導光体４１として、第２端面４１ｂに鋸歯状の凹凸形状が形成された鋸歯状導光体が用いられている。棒状導光体４１は、第１実施形態の楔形導光体と相似形をなす複数の小型の楔形導光体をＸ方向に繋げたような形状を有する。反射層２６は、鋸歯状に形成された凹凸の斜面に対向して設けられている。
　この構成によれば、棒状導光体４１のＹ方向の幅を小さくすることができるので、小型の偏光光源、照明装置および表示装置を提供することができる。
［第３実施形態］
　図８は、第３実施形態の光源ユニット４２の概略図である。光源ユニット４２において第１実施形態の光源ユニット２１と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
　第１実施形態の光源ユニット２１では、１つの光源ユニット内に、棒状導光体２２、発光素子２３および反射層２６が１つずつ設けられていた。これに対して、本実施形態の光源ユニット４２では、１つの光源ユニット内に、棒状導光体４３、発光素子４４および反射層４５を１組とする単位構造体がＸ方向に複数設けられている。棒状導光体４３は、第１実施形態の棒状導光体２２と相似形をなす小型の楔形導光体である。発光素子４４は、第１実施形態の発光素子２３と同様にＬＥＤなどの固体光源が用いられる。反射層４５は、棒状導光体４３の斜面に対向して設けられている。
　この構成によれば、棒状導光体４３のＹ方向の幅を小さくすることができるので、小型の偏光光源、照明装置および表示装置を提供することができる。
［第４実施形態］
　図９は、第４実施形態の光源ユニット４６の概略図である。光源ユニット４６において第３実施形態の光源ユニット４２と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
　第３実施形態の光源ユニット４２では、棒状導光体４３と発光素子４４とが１対１に対応していた。これに対して、本実施形態の光源ユニット４６では、１つの発光素子４８を挟んで２つの棒状導光体４７が対向配置され、１つの発光素子４８が、２つの棒状導光体４８に光を入射させる構成となっている。１つの光源ユニット内には、発光素子４８、一対の棒状導光体４７および一対の反射層４５を１組とする単位構造体がＸ方向に複数設けられている。
　一対の棒状導光体４７は、互いの光入射面（第３端面）が向かい合うように、発光素子４８を通るＹ軸と平行な線に対して線対称に配置されている。この場合、一対の棒状導光体４７から射出される光の方向は互いに逆方向となる。そのため、反射偏光層５０は、棒状導光体４７の光射出面（第１端面）に対して傾斜させず、位相差層２５と同様に、棒状導光体４７の光射出面と平行となるように配置される。この場合、反射偏光層５０から射出される光の指向性は若干低下するが、棒状導光体４７が小型であり、棒状導光体４７の内部を伝播する光の伝播距離が小さくなる（光が反射層４９で反射される回数が少なくなる）ため、指向性の低下はそれほど大きくならない。
　この構成によれば、第３実施形態の構成に比べて発光素子４８の数を少なくすることができるため、安価な偏光光源、照明装置および表示装置を提供することができる。
［第５実施形態］
　図１０は、第５実施形態の光源ユニット５１の概略図である。光源ユニット５１において第１実施形態の光源ユニット２１と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
　第１実施形態の光源ユニット２１では、棒状導光体２２として、Ｚ方向から見た形状が直角三角形である楔形導光体が用いられていた。これに対して、本実施形態の光源ユニット５１では、棒状導光体５２として、Ｚ方向から見た形状が長方形である四角柱状導光体が用いられている。棒状導光体５２は、ＹＺ平面と平行な第３端面５２ｃを光入射面とし、ＸＺ平面と平行な第２端面５２ｂを光射出面とするＸ方向に長手の透明な棒状部材である。
　発光素子５３は、棒状導光体５２の第３端面５２ｃに無偏光の光を入射させる。棒状導光体５２の第１端面５２ａと対向する第２端面５２ｂには反射層５６が対向して設けられている。
　四角柱状の棒状導光体５２では、楔形導光体を用いた場合と異なり、第１端面５２ａから射出される光の角度が第３端面２２ｃから遠ざかるにつれて大きくなることはない。そのため、反射偏光層５４は、位相差層５５と同様に、棒状導光体５２の第１端面５２ａと平行となるように配置される。
　棒状導光体５２の第１端面５２ａの近傍には、棒状導光体５２の内部を伝播し第１端面５２ａに向けて進行する光を散乱させる散乱体５７が分散されている。散乱体５７としては、光の波長（例えば５６０ｎｍ）よりも大きい粒径の散乱体が用いられる。例えば、直径が１μｍ～１０μｍのシリコン系樹脂粉体（東芝シリコン製、トスパール１２０）が好適である。散乱体５７の密度は第１端面５２ａ全体で概ね均一である。
　散乱体５７の粒径が光の波長よりも大きくなると、ミー散乱が生じやすくなる。ミー散乱では、散乱体の粒径が大きくなるほど、前方散乱が生じやすくなり、側方および後方への散乱は生じにくくなる。散乱体５７を棒状導光体５２の第１端面５２ａの近傍に設けることにより、棒状導光体５２の内部を伝播した光を第１端面５２ａから取り出しやすくなる。粒径が１μｍ～１０μｍの散乱体５７では、散乱能が弱いため、棒状導光体５２の内部を伝播する光の偏光特性が損なわれる惧れは少ない。また、導光している光は散乱することで角度が変化し、臨界角を破ったある範囲の光のみが第１端面５２ａから射出されるので、第１端面５２ａから射出される光の指向性が大きく損なわれることもない。
　この構成によれば、棒状導光体５２の第１端面５２ａ近傍に、弱散乱を生じる散乱体５７が含有されているため、第１端面５２ａから射出される光の光量を第１端面５２ａ全体で均一化することができる。
［第６実施形態］
　図１１は、第６実施形態の光源ユニット５８の概略図である。光源ユニット５８において第１実施形態の光源ユニット２１と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
　光源ユニット５８において第１実施形態の光源ユニット２１と異なる点は、棒状導光体２２の内部に散乱体５９が含有されている点である。散乱体５９の機能及び材料などは第５実施形態で説明した散乱体５７と同じである。第５実施形態の散乱体５７は、棒状導光体の第１端面５２ａ近傍に選択的に配置され、散乱体５７の密度は第１端面５２ａ全体で概ね均一となっていたが、本実施形態の散乱体５９は、棒状導光体２２の短手方向（Ｙ方向）全体に配置され、散乱体５９の密度は第３端面２２ｃから遠ざかるほど小さくなっている。図１１では、短手方向の散乱体５９の密度は均一となっているが、第１端面２２ａに近付くにつれて散乱体５９の密度が大きくなるように、短手方向に密度勾配を持たせてもよい。
　楔形の棒状導光体２２では、第３端面２２ｃから遠ざかるほど第１端面２２ａに対する光の入射角は小さくなる。そのため、第３端面２２ｃから遠ざかるほど第１端面２２ａから射出される光の光量が大きくなる。そのため、第３端面２２ｃから遠い側で散乱体５９の密度を小さくし、第３端面２２ｃに近い側で散乱体５９の密度を多くすれば、第１端面２２ａから射出される光の光量は均一化される。
　この構成によれば、光の伝播方向（Ｘ方向）に沿って楔形棒状導光体２２の内部の散乱体５９の密度を変化させているので、第１端面２２ａから射出される光の光量を第１端面２２ａ全体で均一化することができる。
［第７実施形態］
　図１２は、第７実施形態の照明装置４の斜視図である。照明装置４において第１実施形態の照明装置３と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
　照明装置４において第１実施形態の照明装置３と異なる点は、導光体６０として、偏光光源７０が設けられた端面（光入射面６０ａ）に近い側から遠い側に向けて厚みが徐々に薄くなる楔形の導光体が用いられている点と、偏光光源７０が図１の１つの光源ユニット２１を大型化した単一の光源ユニットによって構成されている点である。
　図１２の例では、導光体６０として、光入射面と対向する端部を尖らせたＸ方向から見て直角三角形の形状をなす楔形導光体が用いられているが、光入射面と対向する端部を尖らせない台形形状の楔形導光体が用いられてもよい。
　偏光光源７０は、導光体６０の光入射面６０ａに沿って配置された棒状導光体７２と、棒状導光体７２の長手方向（Ｘ方向）と平行な第１端面７２ａに設けられ、第１偏光（例えばＰ偏光）を透過し、第１偏光と偏光方向が直交する第２偏光（例えばＳ偏光）を反射する反射偏光層７４と、反射偏光層７４と棒状導光体７２の第１端面７２ａとの間に配置された位相差層７５と、棒状導光体７２の第１端面７２ａと対向する第２端面７２ｂに対向して配置された反射層７６と、棒状導光体７２の第１端面７２ａと隣接する第３端面７２ｃに光を入射する発光素子７３と、反射偏光層２８から導光体６０の光入射面６０ａに向けて斜めに射出された直線偏光を導光体６０の光入射面６０ａに対して垂直に入射させる複数のプリズム素子２７からなる光路変換部材２８と、を備えている。
　棒状導光体７２、反射偏光層７４、位相差層７５、反射層７６および光源７３の配置や機能は、第１実施形態の棒状導光体２２、反射偏光層２４、位相差層２５、反射層２６および光源２３の配置や機能と同じであり、異なるのはサイズのみである。
　この構成では、偏光光源７０が１つの光源ユニットによって構成されているので、部品点数が少ない。そのため、安価な偏光光源７０、照明装置４および表示装置を提供することができる。
［変形形態］
　図１等では、真っ直ぐな反射偏光層２４を棒状導光体２２の第１端面２２ａに対して傾斜して配置したが、反射偏光層２４の構成はこれに限定されない。例えば、図１３に示すように、鋸歯状に屈曲した反射偏光層８０を棒状導光体２２の第１端面２２ａに対して対向配置してもよい。図１３の反射偏光層８０は、棒状導光体２２の第１端面２２ａに対して傾斜した傾斜面８１ａを有し、この傾斜面８１ａが光反射面となって第２偏光Ｌ２が反射される。傾斜面８１ａは、例えば、反射層２６の光反射面２６ａと平行である。この光源ユニット８５によれば、反射偏光層８０の設置スペースを小さくすることができるので、省スペースな光源ユニット８５が提供される。
　本発明の態様は、偏光光源、照明装置および表示装置の分野に利用することができる。
１…表示装置、２…光変調素子、３…照明装置、４…照明装置、１０…導光体、１０ａ…光入射面、１０ｂ…光射出面、２０…偏光光源、２１…光源ユニット、２２…棒状導光体、２２ａ…第１端面、２２ｂ…第２端面、２２ｃ…第３端面、２３…発光素子、２４…反射偏光層、２４ａ…光反射面、２５…位相差層、２６…反射層、２６ａ…光反射面、２７ａ…第１の端面、２７ｂ…第２の端面、２８…光路変換部材、４０…光源ユニット、４１…棒状導光体、４１ｂ…第２端面、４２…光源ユニット、４３…棒状導光体、４４…発光素子、４５…反射層、４６…光源ユニット、４７…棒状導光体、４８…発光素子、４９…反射層、５０…反射偏光層、５１…光源ユニット、５２…棒状導光体、５３…発光素子、５４…反射偏光層、５５…位相差層、５６…反射層、５７…散乱体、５８…光源ユニット、５９…散乱体、６０…導光体、７０…偏光光源、７２…棒状導光体、７２ａ…第１端面、７２ｂ…第２端面、７２ｃ…第３端面、７３…発光素子、７４…反射偏光層、７５…位相差層、７６…反射層、８０…反射偏光層、８１ａ…傾斜面（光反射面）、８５…光源ユニット、Ｌ１…第１偏光、Ｌ２…第２偏光

Claims (17)

  1. 　第１端面、前記第１端面と対向する第２端面、前記第１端面と隣接する第３端面とを有する棒状導光体と、
    　前記棒状導光体の長手方向に沿った前記第１端面と対向して配置され、第１偏光を透過し、前記第１偏光と偏光方向が直交する第２偏光を反射する反射偏光層と、
    　前記反射偏光層と前記第１端面との間に配置された位相差層と、
    　前記第２端面に対向して配置された反射層と、
    　前記第３端面に光を入射する発光素子と、を備えている偏光光源。
  2. 　前記棒状導光体は、前記第１端面と前記第２端面との距離が前記第３端面に近い側から遠い側に向けて徐々に小さくなる楔形の導光体である請求項１に記載の偏光光源。
  3. 　前記棒状導光体は、前記第２端面に鋸歯状の凹凸形状が形成された鋸歯状導光体である請求項１に記載の偏光光源。
  4. 　前記反射偏光層は、前記第２偏光が反射される第１光反射面を有し、前記第１光反射面と前記第１端面との距離は、前記第３端面に近い側から遠い側に向けて徐々に大きくなっている請求項２に記載の偏光光源。
  5. 　前記反射層は、前記棒状導光体から前記反射層に入射した光が反射される第２光反射面を有し、前記第１光反射面と、前記第２反射面とは、互いに平行である請求項４に記載の偏光光源。
  6. 　前記反射偏光層を透過する前記第１偏光の透過方向と、前記反射偏光層で反射された前記第２偏光が、前記位相差層を透過し、前記反射層で反射され、再び前記位相差層を透過して前記反射偏光層を透過する際の透過方向と、が概略等しい請求項４に記載の偏光光源。
  7. 　前記棒状導光体は、前記棒状導光体の内部を伝播する光を散乱する散乱体を含む請求項１に記載の偏光光源。
  8. 　前記散乱体の密度は、前記第３端面から遠ざかるほど小さくなっている請求項７に記載の偏光光源。
  9. 　前記反射偏光層で反射された前記第１偏光が、前記位相差層を透過して前記反射層で反射され、再び前記位相差層を透過して前記反射偏光層を透過する際の透過光量が概ね最大となるように、前記位相差層の遅相軸と前記反射偏光層の透過軸とのなす角度と、前記位相差層のリタデーションと、が調整されている請求項１に記載の偏光光源。
  10. 　前記位相差層の遅相軸と前記反射偏光層の透過軸とのなす角度は４５°よりも小さい請求項９に記載の偏光光源。
  11. 　前記位相差層の遅相軸と前記反射偏光層の透過軸とのなす角度は３６°以上４０°以下である請求項１０に記載の偏光光源。
  12. 　前記発光素子を挟んで２つの前記棒状導光体が対向配置され、前記発光素子は、前記２つの棒状導光体に光を入射させるよう構成されている請求項１に記載の偏光光源。
  13. 　前記棒状導光体、前記反射偏光層、前記位相差層、前記反射層および前記発光素子を含む複数の光源ユニットを備えている請求項１に記載の偏光光源。
  14. 　さらに、前記反射偏光層から射出された前記第１偏光の進行方向を変更する光路変換部材を備えている請求項１に記載の偏光光源。
  15. 　前記光路変換部材は、前記反射偏光層を透過した前記第１偏光が入射する第４端面と、前記第１の端面から入射した前記第１偏光を反射する第５端面とを有し、
    　前記第１偏光は前記第４端面に対してＰ偏光として入射する請求項１４に記載の偏光光源。
  16. 　請求項１に記載の偏光光源と、
    　前記偏光光源の第１端面と対向する端面を光入射面と、前記光入射面と隣接する主面である光射出面とを有する導光体と、を備えている照明装置。
  17. 　請求項１６に記載の照明装置と、
    　前記光射出面から射出された光を変調する光変調素子と、を備えている表示装置。
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