JP2010003510A - バックライトおよび液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正面方向に集光された指向性の高い偏光を照射できるバックライト、および光の利用効率が高く、正面方向の輝度が高い液晶表示装置を得る。
【解決手段】光源１と、この光源１から出射された光のうち、透過軸方向の偏光を透過し、他の偏光を反射する反射偏光素子３と、この反射偏光素子３を透過した偏光が入射される入射面２ａ、この入射面２ａと直交して設けられ、その法線が反射偏光素子３の透過軸方向と同方向である出射面２ｂ、および入射面２ａと平行な方向に延在し、出射面２ｂと対向する面に入射面２ａから遠ざかる方向に連続して配列された複数の三角プリズム２１〜２９を有する導光板２とを備え、三角プリズム２１〜２９の断面は二等辺三角形に形成され、その頂角を７４度から８８度の範囲内とした。
【選択図】図１

Description

この発明は、直線偏光を出射するバックライトおよびこのバックライトを備えた液晶表示装置に関するものである。

従来、直線偏光を出射するバックライトとして、光源から出射された無偏光の光を反射偏光フィルムに入射させ、この反射偏光フィルムによって導光板の出射面と平行な方向の直線偏光のみを導光板内に導き、この導光板から出射された直線偏光を導光板上に設けられたプリズムを用いて正面方向に集光させ液晶パネルに向けて直線偏光を出射するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３５２４７４号（第４頁、図１）

上記のようなバックライトでは、導光板の出射面と平行な方向の直線偏光のみを導光板内に導いているので、導光板から出射した偏光の一部がプリズムを透過する際にプリズム面で反射されて正面方向以外の方向に出射される。このため、正面方向に集光された指向性の高い直線偏光を得ることが困難であった。また、正面方向の輝度が高い液晶表示装置を得ることも困難であった。

この発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、正面方向に集光された指向性の高い直線偏光を出射できるバックライトを得るものである。また、正面方向の輝度が高い液晶表示装置を得るものである。

この発明に係るバックライトは、光源、前記光源から出射された光のうち、透過軸方向の偏光を透過し、他の偏光を反射する反射偏光素子、および前記反射偏光素子を透過した偏光が入射される入射面と、この入射面と直交して設けられ、その法線が前記反射偏光素子の透過軸方向と同方向である出射面と、前記入射面と平行な方向に延在し、前記出射面と対向する面に前記入射面から遠ざかる方向に連続して配列された複数の三角プリズムとを有する導光板を備え、前記三角プリズムの断面は二等辺三角形を形成し、その頂角が７４度から８８度の範囲内であることを特徴とするものである。

この発明によれば、正面方向以外の方向に出射する偏光を低減でき、正面方向に集光された指向性の高い偏光を出射できるバックライトを得ることができる。また、光の利用効率が高く、正面方向の輝度が高い液晶表示装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるバックライトを示す断面図であり、図２は本実施の形態における偏光方向が異なる偏光の入射角と反射率との関係を示す図である。また、図３ないし図６は、実施の形態１におけるバックライトおよび比較例のバックライトから出射される偏光の配光分布のシミュレーション結果を示した図であり、図７は本実施の形態における三角プリズムの断面頂角とバックライトから出射される偏光の正面方向の輝度との関係を示したものである。

まず図１を用いて実施の形態１のバックライトの構成について説明する。
図１において、本実施の形態のバックライトは、無偏光の光を出射する光源１と、この光源１と対向して設けられた入射面２ａ、この入射面２ａと直交して設けられた出射面２ｂおよび入射面２ａと平行な方向に延在し、出射面２ｂと対向する面に入射面２ａから遠ざかる方向に連続して配列された複数の三角プリズムを有する導光板２と、導光板２の入射面２ａ上に設置された反射偏光板３と、導光板２のプリズム面２ｃと対向して配置された反射シート４を備えている。

三角プリズム２１〜２９の断面は頂角が８０度、底角が５０度の二等辺三角形に形成されており、この三角プリズム２１〜２９の配列ピッチは５０μｍである。また、導光板２は、屈折率が１．４９のポリメチルメタクリレート（以下「ＰＭＭＡ」という）で形成されているが、材質はこれに限るものではなく、一般的に導光板に用いられる屈折率が１．５程度の材料であればよい。ただし、できるだけ複屈折のない等方性材料であることが望ましい。

反射偏光板３は、その透過軸の方向（透過する偏光の電界の振動方向）が、導光板２の出射面２ｂの法線と同方向になるように配置されている。この反射偏光板３には、例えば、住友３Ｍ社製のＤ−ＢＥＦを用いる。

光源１は、その種類に特に制約はなく、ＬＥＤやライトガイド、冷陰極蛍光ランプなどを用いることができる。

次に、図１を用いて、本実施の形態のバックライトの動作を説明する。
光源１から出射された無偏光の光は反射偏光板３に到達すると、反射偏光板３の透過軸の方向すなわち導光板２の出射面２ｂの法線方向に電界の振動方向を持つ偏光は反射偏光板３を透過され、反射偏光板３の透過軸の方向と直交する方向に電界の振動方向を持つ偏光は反射偏光板３によって反射される。

反射偏光板３を透過して入射面２ａから導光板２へ入射した光のうち、例えば伝播光１０ａは導光板２に形成された三角プリズム２３に到達し、この三角プリズム２３の入射面２ａから遠い側の斜面で屈折して導光板２から出射する。そして、この伝播光１０ａは、この三角プリズム２３と隣接する三角プリズム２４に到達し、三角プリズム２４の入射面２ａに近い斜面から導光板２に再度入射した後、三角プリズム２４の入射面２ａから遠い側の斜面で全反射されて、導光板２の出射面２ｂのほぼ正面方向に方向を変えられる。その後、伝播光１０ａは導光板２の出射面２ｂから液晶パネル５に向かって出射される。

ところで、偏光には、電界の振動方向が入射光線と反射光線を含む面に対して平行なｐ波と、これに垂直なｓ波が存在する。図２（ａ）はｐ波およびｓ波が、本実施の形態で用いたＰＭＭＡ（屈折率１．４９）から空気に向かって入射するときの入射角と境界面での反射率の関係を示した図であり、図２（ｂ）はｐ波およびｓ波が、空気からＰＭＭＡに向かって入射するときの入射角と境界面での反射率の関係を示した図であるが、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、入射角の増加とともに反射率が単調増加するｓ波とは異なり、ｐ波の反射率は入射角の増加とともに０に向かって減少し、その後増加する特性を有する。本実施の形態においては、反射偏光板３の透過軸方向を導光板２の出射面２ｂの法線方向と同方向に設けることによって、導光板２内に入射する偏光はｐ波となるので、伝播光１０ａが三角プリズム２３、２４を透過するときの境界面での偏光の反射率を０に近づけることができる。その結果、伝播光１０ａは、導光板２の出射面２ｂの正面方向以外の方向にほとんど出射することなく正面方向に出射される。

また、反射偏光板３を透過して入射面２ａから導光板２へ入射した光のうち、例えば伝播光１０ｂは導光板２に形成された三角プリズム２２に到達し、この三角プリズム２２の入射面２ａから遠い側の斜面で屈折して導光板２から出射する。そして、この伝播光１０ｂは、この三角プリズム２２と隣接する三角プリズム２３に到達し、三角プリズム２３の入射面２ａに近い斜面から導光板２に再度入射した後、導光板２の出射面２ｂに到達する。導光板２の出射面２ｂに到達した伝播光１０ｂは、出射面２ｂへの入射角が大きいため、出射面２ｂで全反射され、導光板２のプリズム面２ｃに向かう。これを繰り返して伝播光１０ｂは導光板２内部を入射面２ａから遠い方向へ伝播し、やがて伝播光１０ａと同様に導光板２の出射面２ｂから出射面２ｂの正面方向に向かって出射される。

また、反射偏光板３で反射された光１０ｃは、反射偏光板３の透過軸の方向、すなわち導光板２の出射面２ｂの法線方向と直交する方向に電界の振動方向を持つ偏光であるが、光１０ｃは光源１の表面で散乱反射されることによって、前記電界の振動方向が回転し、一部の光は透過軸の方向に電界の振動方向を有するような光となって、反射偏光板３を透過して導光板２に入射し、前記伝播光１０ａまたは伝播光１０ｂと同様に導光板２内を伝播して、導光板２の出射面２ｂの正面方向に出射される。

このように、導光板２に入射された光１０ａ、１０ｂ、１０ｃはいずれも三角プリズム２１〜２９を透過するときの境界面での反射率が０に近くなるので、正面方向以外の方向に出射することなく、正面方向に集光された指向性の高い偏光となる。

次に、図３および図４を用いて、光線追跡法による幾何光学シミュレーションを実施したときの、本実施の形態のバックライトおよび比較例のバックライトから出射される偏光の配光分布について説明する。なお、導光板２の厚さは１ｍｍとしている。
また、便宜上、本実施の形態における伝播光１０ａまたは１０ｂのように三角プリズム２１〜２９の延在方向と直交する面内で振動する偏光を垂直偏光、三角プリズム２１〜２９の延在方向と平行な面内で振動する偏光を平行偏光とそれぞれ定義する。

図３は本実施の形態のバックライトから液晶パネル５方向に向かって出射される偏光の配光分布を、図４は本実施の形態のバックライトから反射シート４方向に向かって出射される偏光の配光分布をそれぞれ比較例とともに示したものである。図３および図４において、横軸は、導光板２の出射面２ｂの法線方向を０度とし、この法線方向から時計周りを正方向、反時計周りを負方向としたときの偏光の出射方向を表し、縦軸は偏光の輝度を相対値で表している。
なお、図３および図４において比較例として示したのは、図１に示した本実施の形態におけるバックライトにおいて、反射偏光板３の透過軸方向を導光板２の入射面２ａの法線を軸として９０度回転させ、三角プリズム２１〜２９の延在方向と平行な振動方向を持つ偏光（平行偏光）を導光板２の内部に入射させたバックライトから出射される偏光の配光分布である。

図３において、本実施の形態のバックライトから液晶パネル５に向かって出射される偏光は、０度方向の輝度が最も高く、導光板２の出射面２ｂのほぼ正面方向、すなわち−１５度〜＋１０度方向に偏光が集光されて出射されていることがわかる。
一方、比較例のバックライトから液晶パネル方向に向かって出射される偏光は、本実施例のバックライトに比べて正面方向の輝度が低く、しかも正面方向ではない−６０度から−１５度の方向にも出射していることがわかる。

また、図４において、本実施の形態のバックライトから反射シート４に向かって出射される偏光は、図３で示した液晶パネル５側に出射される偏光に比べて十分小さく、また本実施の形態のバックライトが比較例のバックライトよりも反射シート４方向の出射量が少なく、本実施の形態のバックライトが比較例のバックライトよりも液晶パネル５方向に効率よく出射していることがわかる。

以上は、導光板２の三角プリズム２１〜２９の断面が頂角８０度の二等辺三角形に形成された場合についてであるが、次に比較例として、三角プリズム２１〜２９の断面が頂角７０度および頂角９０度の二等辺三角形に形成されたバックライトから液晶パネル５方向および反射シート４方向に出射される偏光の配光分布を図５および図６にそれぞれ示す。

図５（ａ）および図６（ａ）は導光板２から液晶パネル５方向へ出射される偏光の配光分布、図５（ｂ）および図６（ｂ）は導光板２から反射シート４方向へ出射される偏光の配光分布をそれぞれ示す。また、図５および図６において横軸は、図３および図４と同様に、導光板２の出射面２ｂの法線方向を０度とし、この法線方向から時計周りを正方向、反時計周りを負方向としたときの偏光の出射方向を表し、縦軸は導光板２から出射される偏光の輝度を相対値で表している。

図５（ａ）に示すように、垂直偏光、平行偏光のいずれを導光板２に入射した場合であっても、三角プリズムの断面頂角が７０度の場合は、−１５度方向と＋５度方向の二方向に輝度のピークが現れる。また、図６（ａ）に示すように、三角プリズムの断面頂角が９０度の場合は、−５度方向と＋１５度方向の二方向に輝度のピークが現れる。
また、図５（ｂ）および図６（ｂ）に示すように、導光板２から反射シート４の方向へ出射される偏光の量も、三角プリズムの断面頂角が８０度の場合よりも増加し、光の取り出し効率が低下していることがわかる。

次に、図７を用いて、三角プリズムの断面頂角を６０度から１１０度まで順に変化させたときの、０度方向の輝度（以下「正面輝度」という）の変化を示す。
図７に示すように、正面輝度は三角プリズムの断面頂角が８２度付近をピークとして両側に下がっている。なお、三角プリズムの断面頂角が７０度および９４度付近で正面輝度が増加するのは、図５および図６で示した正面方向以外に出射される偏光のピークの影響である。

このように、図７で示した三角プリズムの断面頂角と正面輝度の関係、および図３ないし図６に示したバックライトから出射される偏光の配光分布（三角プリズムの断面頂角が７０度、８０度、９０度以外の図示しないものも含む）を考慮すると、バックライトから出射される偏光が正面方向に指向性をもって出射されるのは、導光板に入射される偏光が垂直偏光であって、且つ、配光分布に正面方向以外のピークが発生しない条件、すなわち三角プリズムの断面頂角が７４度から８８度の範囲内にあることが必要となる。特に、正面輝度が高い７８度から８４度の範囲内にあることが望ましい。

本実施の形態によれば、透過軸の方向が導光板２の出射面２ｂの法線と同方向である反射偏光板３を用いて透過軸方向の偏光を導光板２内に入射させることで、出射面２ｂと対向する面に設けられた断面が頂角７４度から８８度の範囲内にある二等辺三角形の三角プリズム２１〜２９を透過するときの境界面での偏光の反射率を０に近づけることができるので、正面方向以外の方向に出射する偏光を低減でき、正面方向に集光された指向性の高い偏光を出射できるバックライトを得ることができる。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２におけるバックライトの構成を示す断面図である。また、図９および図１０はそれぞれシミュレーションによる本実施の形態のバックライトおよび比較例のバックライトから出射される偏光の配光分布を示す図であり、図１１は、本実施の形態における三角プリズムの断面頂角と配光特性との関係を示す図である。

まず、図８を用いて実施の形態２のバックライトの構成について説明する。
図８において、本実施の形態のバックライトは、導光板２の両側端面に相対向して入射面２ａ、２ｄが設けられており、この入射面２ａ、２ｄにそれぞれ対向して設けられた光源１、光源１１が配置されている。また、入射面２ａ、２ｄには透過軸の方向が導光板２の出射面２ｂの法線方向である反射偏光板３および３１がそれぞれ設けられている。これらの点を除けば、本実施の形態は実施の形態１と同様の構成を有するものである。

次に、図８を用いて本実施の形態のバックライトの動作について説明する。
光源１から出射される光１０ａ〜１０ｃの経路は、実施の形態１で説明した経路と同じである。一方、光源１１から出射される光の経路も光源１からの出射光の経路と同様に、反射偏光板３１によって反射偏光板３１の透過軸方向に電界の振動方向を持つ光が透過され、それ以外の光（たとえば１１０ｃ）は反射される。反射偏光板３１を透過し、導光板２に入射した光のうち、例えば伝播光１１０ａは導光板２に形成された三角プリズム２７に到達し、この三角プリズム２７の入射面２ｄから遠い側の斜面で屈折して導光板２から出射する。そして、この伝播光１１０ａは、この三角プリズム２７と隣接する三角プリズム２６に到達し、三角プリズム２６の入射面２ｄに近い斜面から導光板２に再度入射した後、三角プリズム２６の入射面２ｄから遠い側の斜面で全反射されて、導光板２の出射面２ｂのほぼ正面方向に方向を変えられる。その後、伝播光１１０ａは導光板２の出射面２ｂから出射されて、液晶パネル５に向かって出射される。

また、たとえば伝播光１１０ｂは導光板２のプリズム面２ｃに形成された三角プリズム２８に到達し、この三角プリズム２８の入射面２ｄから遠い側の斜面で屈折して導光板２から出射する。そして、この伝播光１１０ｂは、この三角プリズム２８と隣接する三角プリズム２７に到達し、三角プリズム２７の入射面２ｄに近い斜面から導光板２に再度入射した後、導光板２内部を入射面２ｄから遠ざかる方向に向かって伝播し、やがて伝播光１１０ａと同様にして導光板２の出射面２ｂから正面方向に向かって出射される。

ここで、三角プリズム２１〜２９の断面形状は二等辺三角形であることから、光源１１から出射され導光板２の出射面２ｂから出射される光（例えば１１０ａ）の配光分布は、光源１から出射され導光板２の出射面２ｂから出射される光（例えば１０ａ）の配光分布と左右対称になり、正面方向へより輝度の高い偏光を出射することができる。

次に、図９を用いて、シミュレーションによる本実施の形態に係るバックライト（三角プリズムの断面頂角が８０度の場合）から出射される偏光の配光分布を、比較例のバックライトから出射される偏光の配光分布とともに示す。光源１から出射される光も光源１１から出射される光も、導光板２の出射面２ｂから正面方向に出射されるので、実施の形態１のような光源１のみによる片側点灯の場合よりも、正面方向により輝度の高い偏光を出射し、斜め方向への迷光が少ない配光分布となる。

また、図１０は、シミュレーションによる三角プリズム２１〜２９の頂角が７６度のバックライトから出射される偏光の配光分布を比較例として示したものである。図１０においては、光源１および光源１１から出射された光は導光板２から出射される偏光の出射方向が正面から約１０度ずれた方向となるため、光源１および光源１１の光源を両方点灯したときには２つのピークができ、正面方向の輝度は低下する。

ここで、導光板２の出射面２ｂから出射される偏光の配光特性の優劣を見る指標として「正面輝度／ピーク輝度」の値を求める。なお、正面輝度とは導光板２の出射面２ｂの法線方向の輝度、ピーク輝度とは導光板２の出射面２ｂから出射される全方向の偏光のうち、もっとも輝度が高い方向に出射される偏光の輝度を表す。
例えば、本実施の形態に係るバックライトから出射される偏光の配光分布を示す図９においては、正面輝度の値とピーク輝度の値が一致しているので、「正面輝度／ピーク輝度」の値は１となる。一方、比較例のバックライトから出射される偏光の配光分布を示す図１０においては、正面輝度が＋１０度付近に見られるピーク輝度より低いので、「正面輝度／ピーク輝度」の値は１より小さくなる。

図１１は、三角プリズム２１〜２９の頂角を７４度から８８度まで変化させたときの「正面輝度／ピーク輝度」の値を示したものである。三角プリズムの頂角が７８度〜８４度の範囲で「正面輝度／ピーク輝度」の値が１となっている。導光板から正面方向に高輝度の光を取り出すためには、ピーク輝度を有する偏光の出射方向が正面方向（０度方向）に一致していること、すなわち「正面輝度／ピーク輝度」の値が１であることが望ましい。図１１に示すように、三角プリズム２１〜２９の頂角が７８度から８４度の範囲にあるときに、正面方向に指向性の高い偏光を出射できるバックライトを得ることができることがわかる。

本実施の形態によれば、導光板２の端面両側に相対向する一対の入射面２ａ、２ｄを設け、この入射面２ａ、２ｄから反射偏光板３、３１を介して導光板の出射面の法線方向に電界の振動方向を持つ偏光を、導光板２のプリズム面２ｃに形成された断面が頂角７８度から８４度の範囲にある二等辺三角形をなす三角プリズムで屈折、反射させることにより、正面方向の輝度がより高く、正面方向に集光された指向性の高い偏光を出射するバックライトを得ることができる。

実施の形態３．
図１２は、この発明の実施の形態３におけるバックライトの構成を示す断面図である。
まず、本実施の形態のバックライトの構成について説明する。
図１２において、光源１と反射偏光板３との間には１／４λ位相差板６が配置されており、この１／４λ位相差板６の遅相軸は反射偏光板３の透過軸の方向に対して４５度傾けた方向になるように配置されている。また、光源１の周囲には、光源１をカバーし、光を導光板２に向かって反射するリフレクタ７が設けられており、このリフレクタ７の内面は鏡面に形成されている。また、光源１の１／４λ位相差板６に対向する面は、金属蒸着あるいは光学的鏡面処理により、光を鏡面反射させるような面にされている。これらの点を除けば、実施の形態１と同様の構成を有するものである。

次に、本実施の形態のバックライトの動作について説明する。
光源１から放射された無偏光の光は１／４λ位相差板６を透過して反射偏光板３に到達する。ここで、導光板２の出射面２ｂの法線方向に平行な電界の振動方向を有する光は入射面２ａから導光板２内に入射し、導光板２の出射面２ｂの法線方向と直交する方向に電界の振動方向を有する光は光源１方向に戻る。このとき、１／４λ位相差板６を透過することにより偏光は回転し、直線偏光が円偏光になって光源１およびリフレクタ７に到達する。

そして、光源１あるいはリフレクタ７で鏡面反射された光は偏光状態を維持したまま再度１／４λ位相差板６に到達する。そして、１／４λ位相差板６を透過することにより、円偏光は導光板２の出射面２ｂの法線方向に電界の振動方向を持つ直線偏光になり、反射偏光板３を透過して入射面２ａから導光板２内に入射される。

本実施の形態によれば、光源１と反射偏光板３との間に形成される光路上に１／４λ位相差板６を配置し、反射偏光板３で反射された光を往復透過させて偏光方向を変え、導光板２内に入射させることにより、光の利用効率を向上させることができる。

実施の形態４．
図１３は、この発明の実施の形態４におけるバックライトの構成を示す断面図である。
図１３において、本実施の形態のバックライトは、導光板２と１／４λ位相差板６との間に配置する反射偏光板をワイヤーグリッド偏光板９としたものであり、この点を除けば、実施の形態３と同様の構成であり、光源１から放射された光の経路も実施の形態３と同様である。

ここで、ワイヤーグリッド偏光板９の金属細線の伸びる方向は三角プリズム２１〜２９の延在方向と同方向であり、このワイヤーグリッド偏光板９を透過する偏光の電界の振動方向は導光板２の出射面２ｂの法線方向になる。
実施の形態１においては、反射偏光板に住友３Ｍ社製のＤ−ＢＥＦを用いる例を示したが、Ｄ−ＢＥＦは斜め方向から入射する光に対しては正面方向からの入射光よりも偏光度が落ちる傾向があった。これと比較して、ワイヤーグリッド偏光板は斜め方向からの光に対しても偏光度が低下しないという利点がある。

本実施の形態によれば、反射偏光板としてワイヤーグリッド偏光板９を配置することにより、光の入射角度によらず、斜めから入射した場合でも正面から入射した光にほぼ等しい高い透過率を得ることができるので、光の利用効率を向上させることができる。

また、ワイヤーグリッド偏光板の金属細線の伸びる方向を三角プリズム２１〜２９の延在方向と同方向にすることにより、三角プリズム２１〜２９が延在する方向と直交する方向に振動する偏光を導光板２内に入射できるので、実施の形態１と同様に正面方向に集光された指向性の高い偏光を出射できるバックライトを得ることができる。

実施の形態５．
図１４はこの発明の実施の形態５における導光板成形時の樹脂の流れを示す図であり、図１５は本実施の形態における導光板を形成する樹脂の分子の配向を示す図である。また、図１６は本実施の形態における導光板の屈折率楕円体の断面図である。

本実施の形態のバックライトは、実施の形態１のバックライトと同様の構成を有するものである。本実施の形態に係るバックライトの導光板は、図１４（ａ）のように、導光板の入射面２０ａと平行な方向に延在した三角プリズム２０ｃのパターンが機械加工により形成された金型内に、入射面２０ａと対向する側に設けられたゲート２０ｂから、矢印３０で示すような入射面２０ａと直交する方向に、例えば一軸性の複屈折を有する樹脂を注入・充填させることによってゲート２０ｂ付きの導光板２０を成形して製造される。ここで、ゲート２０ｂはバックライトの光学特性に悪影響を及ぼす恐れの少ない導光板２０の入射面２０ａと対向する側に設けられている。

このように成形された導光板２０においては、図１５（ａ）に示すように、導光板２０を形成する樹脂を構成する分子４０は、樹脂の注入方向に従って三角プリズム２０ｃの伸びる方向と直交する方向、すなわち分子４０の長軸が三角プリズム２０ｃの配列方向に配向される。したがって、分子４０の長軸は入射面２０ａから入射される光の進行方向５０に対して概ね平行な方向に配向することになる。

一軸性の複屈折を有する材料においては、３次元空間の方向に対する屈折率の値のプロットは分子の長軸方向に伸びたラグビーボールのような回転楕円体（屈折率楕円体）となるので、光の進行方向５０と垂直な平面でこの屈折率楕円体を切ると、その断面６０は図１６（ａ）のような円となる。したがって、光が多少斜めから入射しても、あるいは樹脂の分子４０の向きが所望する方向と若干ずれていても、それほど屈折率に影響がない状態となる。

一方、図１４（ｂ）に示すように、一軸性の複屈折を有する樹脂を、入射面２０ａに直交する側面に設けられたゲート２０ｂから、三角プリズム２０ｃの延在方向と平行な方向に注入して導光板２０を成形した場合、導光板２０内部の分子４０は、図１５（ｂ）のように、樹脂の注入方向に従って三角プリズム２０ｃの延在方向に配向される。したがって、分子４０の長軸は光の進行方向５０に対して概ね直交する方向に配向することになる。

この場合、屈折率楕円体を光の進行方向５０と垂直な平面で切ると、その断面６０は図１６（ｂ）のような楕円となる。したがって、光の波面や分子の向きのずれによって複屈折の影響を受けやすくなる。

このように、入射面２０ａと対向する側から入射面２０ａと直交する方向に向かって注入される樹脂で導光板２０を形成し、樹脂を構成する分子４０の長軸を導光板の三角プリズム２０ｃの配列方向に配向したことによって、実施の形態１に示したＰＭＭＡのような等方性材料だけではなく、高い複屈折を有する材料を導光板に用いても屈折率の差が少なく等方的な特性を有する導光板を得ることができる。

次に、図１７ないし図２１を用いて、バックライトの導光板を形成する樹脂の種類と注入方向を変化させて、バックライトから出射される偏光の配光分布について比較実験した結果を示す。
図１７は、比較実験に用いたバックライトの構成を示す図である。図１７において、導光板７２は、幅４６ｍｍ、長さ６９ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの板形状である。出射面７２ｂと対向する面には入射面７２ａと平行な方向に延在する三角プリズムがピッチ５０μｍで入射面７２ａから遠ざかる方向に向かって複数配列されており、三角プリズムの断面は頂角８０度の二等辺三角形をなしている。

導光板７２を形成する材料として、複屈折の小さな材料であるシクロオレフィン・コポリマー（ポリプラスチックス社製ＴＯＰＡＳ、屈折率 １．５３）、および高い複屈折を示すポリカーボネート（三菱エンプラ社製ユーピロン、屈折率 １．５９）の２種類を用いた。
射出成形時の樹脂注入方向は、図１４（ａ）で示したような入射面７２ａと対向する側から注入したものと、図１４（ｂ）で示したような三角プリズム７２ｃの列に沿って注入したものの２通りである。
実験に用いた導光板７２はいずれも転写性が良く、プリズム頂点の曲率半径は１μｍ以内にそろえられている。また、射出成形による残留応力の特異な影響の有無を調べるため、別のサンプルを用いてアニール処理（１２０℃、１５０時間）を行い、処理前後の特性を比較したが、このアニール処理によって偏光放射特性は変化しないことが確認された。

光源７１には、評価解析を容易にする２次元性を実現するため、ライトガイドを用いた。導光板７２の入射面７２ａ側および出射面７２ｂ側には、偏光板７６および偏光板７７をそれぞれ設置している。
入射面側の偏光板７６は、その透過軸の方向が導光板７２の出射面７２ｂの法線方向に一致するように設置されている。また、出射面７２ｂ側の偏光板７７を９０度回転することにより、導光板７２の出射光のうち、三角プリズム７２ｃの列に平行な振動方向を持つ偏光（平行偏光）と三角プリズム７２ｃの列に直交する方向の偏光（垂直偏光）をそれぞれ透過させ、それぞれの輝度を測定した。

材質がシクロオレフィン・コポリマーで、樹脂を図１４（ａ）の方向に注入して作製した導光板についての輝度測定結果（出射光の配光分布）を図１８に示す。垂直偏光に関しては、正面方向（０度）および−５０度方向付近に放射ピークがあり、平行偏光に関しては全角度領域に渡ってほとんど出射が認められなかった。
図１９には、このバックライトをモデル化して、光線追跡法による幾何光学シミュレーションを実施した結果を示す。図１８と図１９とを比べると、垂直偏光のピーク位置はよく一致しており（正面方向（０度）および−５０度方向付近）、平行偏光はどちらもほとんど出射が無く、ほぼ光学設計どおりの特性を持った導光板が実現できていることがわかる。シクロオレフィン・コポリマー製導光板については、樹脂の注入方向にかかわらず、ほとんど同様の特性を示す。

図２１には、材質がポリカーボネートの導光板についての幾何光学シミュレーション結果を示す。ピーク位置などは、図１９のシクロオレフィン・コポリマー製導光板の結果とほとんど同じである。ポリカーボネートに関しても、樹脂を図１４（ａ）の方向に注入して作製した導光板７２については図２１のシミュレーション結果と同様の光学特性を示すが、樹脂を図１４（ｂ）の方向に注入して作製した導光板７２については、図２０のような特性を示した。図２０と図２１とを比較すると、シミュレーションでは出射の無かった平行偏光が増大している。正面方向のピーク輝度は垂直偏光の８割近い値になっており、これは導光板７２の入射面側の偏光板７６で垂直偏光のみが入射したにもかかわらず、導光板７２内部で偏光状態が崩れてしまったことを示す。

以上の結果から、図１４（ａ）の樹脂注入方向で成形した導光板７２では光学シミュレーションどおりの特性が得られるが、図１４（ｂ）のように成形した導光板７２では、図１４（ａ）の導光板とは異なり、一部で幾何光学シミュレーションでは表せない現象が起きている。これが、図１５および図１６で説明した材料の複屈折の影響と考えられ、複屈折を有する樹脂を図１４（ｂ）の注入方向に注入して成形した場合は、上記のように光学設計どおりの特性が得られない場合がある。

本実施の形態によれば、入射面２０ａと対向する側からこの入射面２０と直交する方向に注入される樹脂によって導光板２０を構成することにより、複屈折を有する材料で導光板２０を成形しても、表示に有効利用できる偏光を光学設計通りに出射できるバックライトを得ることができる。

すなわち、本実施の形態によれば、三角プリズムの配列方向に分子４０の長軸方向が配向している樹脂によって導光板２０を構成することにより、複屈折を有する材料で導光板２０を成形しても、表示に有効利用できる偏光を光学設計通りに出射できるバックライトを得ることができる。

また、本実施の形態によれば、三角プリズム２０ｃが形成された導光板２０を樹脂で一体成形することにより、導光板２０から出射した偏光を正面方向に集光させる集光プリズムを別部品として設ける必要がなくなる。

また、本実施の形態によれば、樹脂を注入するゲート２０ｂを導光板２０の入射面２０ａと対向する側に設けたので、ゲートの存在によってバックライトの光学特性が悪影響を受ける可能性を少なくできる。

実施の形態６．
本実施の形態６は、実施の形態１から実施の形態５までのいずれかのバックライトを備えた液晶表示装置であり、たとえば図１に示すように液晶パネル５を導光板２の出射面側に対向させて配置させたものである。このとき、液晶パネル５の裏面側に配置された偏光板の透過軸方向を導光板２の入射面に直交する方向に合わせて配置する。これにより、導光板２から出射される垂直偏光（三角プリズム２１〜２９の延在方向と直交する方向に電界の振動方向を持つ直線偏光）を効率よく液晶パネル５に入射させることができる。液晶パネル５としては、液晶パネルに貼付された偏光板の透過軸の方向が、通常、バックライトの導光板の入射面に対して直交方向に合わせられているＩＰＳ（Ｉｎ Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）方式の液晶パネルが望ましい。

本実施の形態によれば、実施の形態１から実施の形態５までに示された、入射面に直交する方向に振動方向を持つ直線偏光が出射されるバックライトに、その偏光方向に偏光板の透過軸を合わせて液晶パネルを設置することにより、光の利用効率が高く、正面方向の輝度が高い液晶表示装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１におけるバックライトを示す断面図である。 この発明の実施の形態１における偏光の入射角と反射率の関係示す図である。 この発明の実施の形態１における出射光の配光分布を示す図である。 この発明の実施の形態１における出射光の配光分布を示す図である。 この発明の実施の形態１の出射光の配光分布における比較例を示す図である。 この発明の実施の形態１の出射光の配光分布における比較例を示す図である。 この発明の実施の形態１における三角プリズムの頂角と正面輝度の関係を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるバックライトを示す断面図である。 この発明の実施の形態２における出射光の配光分布を示す図である。 この発明の実施の形態２の出射光の配光分布における比較例を示す図である。 この発明の実施の形態２における三角プリズムの頂角と配光特性の関係を示す図である。 この発明の実施の形態３におけるバックライトを示す断面図である。 この発明の実施の形態４におけるバックライトを示す断面図である。 この発明の実施の形態５における導光板の成形時の樹脂の流れを示す図である。 この発明の実施の形態５における導光板の分子の配向を示す図である。 この発明の実施の形態５における導光板の屈折率楕円体の断面図である。 この発明の実施の形態５における実験に用いたバックライトを示す断面図である。 この発明の実施の形態５における出射光の輝度測定結果を示す図である。 この発明の実施の形態５における出射光の輝度に関する計算結果を示す図である。 この発明の実施の形態５における出射光の輝度測定結果を示す図である。 この発明の実施の形態５における出射光の輝度に関する計算結果を示す図である。

符号の説明

１，１１ 光源、 ２，２０ 導光板、２ａ，２ｄ，２０ａ 入射面、２ｂ 出射面、 ３、３１ 反射偏光素子、 ５ 液晶パネル、 ６ 位相差板、 ９ ワイヤーグリッド偏光板、 ２０ｃ，２１〜２９ 三角プリズム、 ４０ 分子。

Claims (7)

1. 光源、前記光源から出射された光のうち、透過軸方向の偏光を透過し、他の偏光を反射する反射偏光素子、および前記反射偏光素子を透過した偏光が入射される入射面と、この入射面と直交して設けられ、その法線が前記反射偏光素子の透過軸方向と同方向である出射面と、前記入射面と平行な方向に延在し、前記出射面と対向する面に前記入射面から遠ざかる方向に連続して配列された複数の三角プリズムとを有する導光板を備え、前記三角プリズムの断面は二等辺三角形を形成し、その頂角が７４度から８８度の範囲内であることを特徴とするバックライト。
2. 前記導光板は、相対向する一対の入射面を有し、前記三角プリズムの頂角が７８度から８４度の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のバックライト。
3. 前記光源と前記反射偏光素子との間に形成される光路上に位相差板を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバックライト。
4. 前記反射偏光素子は、前記三角プリズムと同方向に延在する金属細線を有するワイヤーグリッド偏光板であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のバックライト。
5. 前記導光板は、前記入射面と直交する方向に注入される樹脂によって構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のバックライト。
6. 前記導光板は、前記三角プリズムの配列方向に分子の長軸方向が配向している樹脂によって構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のバックライト。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のバックライトを液晶パネルの背面側に備えた液晶表示装置。

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