JP2001155520A

JP2001155520A - 面状光源、並びにそれを用いたバックライト光学系およびディスプレイ

Info

Publication number: JP2001155520A
Application number: JP33210799A
Authority: JP
Inventors: Hideo Maeda; 英男前田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-11-22
Filing date: 1999-11-22
Publication date: 2001-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】導光板の光利用効率を向上させて明るい面状
光源およびバックライト光学系を得る。【解決手段】導光板１の上面５の少なくとも一部にピ
ッチが０．５μｍ以下の回折格子７を形成し、高密度回
折格子が特定の直偏光を高効率で回折させる特性を利用
して、導光板１からの出射光を特定の直線偏光に揃え
る。さらに、導光板１の斜面８に位相差膜や光拡散パタ
ーン等を設けて偏光を回転させる機能を与え、回折格子
７から反射して斜面８に入射した偏光を回転させて、回
折効率の高い偏光成分を増加させる。導光板１内部の全
ての光を最終的に特定の直線偏光に揃えて出射させるこ
とができるので、従来では偏光板において失われていた
光量を全て用いることができ、光利用効率を２倍にする
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶パネル等、直
線偏光の偏光状態を変調して表示を行うディスプレイ、
およびそれに用いられる面状光源とバックライト光学系
に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶ディスプレイは、ガラス等からなる
一対の基板で液晶層を挟んだ素子（液晶パネル）の光入
射側および光出射側に偏光板を設けた構成を有してお
り、液晶パネルに入射された直線偏光の偏光状態を液晶
層により変調して表示を行うものである。この液晶ディ
スプレイのうち、透過型のものは、液晶パネルの背面か
ら光を照射するためにバックライトユニットを備えてい
る。

【０００３】近年、このバックライトユニットの効率を
向上させるために、バックライトユニットから出射する
光の偏光方向を直線偏光に揃えて、液晶パネルに付設し
ている偏光板の透過率を倍加する方法が提案されてい
る。

【０００４】例えば、特開平１０−７８５８１号公報に
は、図７に示すように、冷陰極管３と導光板１との間に
偏光ビームスプリッタ２１を設けたバックライトが開示
されている。以下に、このバックライトの動作について
説明する。偏光ビームスプリッタ２１は入射光を偏光方
向の互いに直交する透過光と反射光に分離する機能を有
する。冷陰極管３からの出射光（光線２１ａ）は一定の
偏光方向を持たない無偏光（ランダム偏光）であり、こ
れが偏光ビームスプリッタ２１に入射すると紙面に垂直
な方向のＳ偏光（光線２１ｃ）は反射され、紙面に平行
な方向のＰ偏光（光線２１ｂ）は透過して導光板１に入
射される。偏光ビームスプリッタ２１で反射された光線
２１ｃは、偏光ビームスプリッタ２１の下部に設けた反
射板２２で反射され、再び偏光方向を保ったまま偏光ビ
ームスプリッタ２１で反射されてリフレクタ４に戻る
（光線２１ｄ）。リフレクタ４面で反射された光は散乱
反射するため偏光方向が保たれず、Ｓ偏光とＰ偏光とが
混ざった光（光線２１ｅ）となる。この光線２１ｅが偏
光ビームスプリッタ２１に入射すると、上述と同様にＰ
偏光が導光板１に入射し、Ｓ偏光が再び反射されること
になる。この一連の動作が繰り返されて、最終的には全
ての光がＰ偏光として導光板１に入射する。

【０００５】このように、偏光ビームスプリッタ２１を
用いれば、導光板１に入射させる光を直線偏光化するこ
とにより、導光板１からの出射光をも直線偏光化するこ
とができ、液晶パネル１１へ直線偏光を入射させること
ができる。従って、従来では偏光板によってカットされ
ていた偏光成分が無くなり、光の利用効率を向上させる
ことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般的
には、導光板の斜面または上面に、光を拡散させるため
の光拡散パターンが設けられている。この光拡散パター
ンは、光の反射方向または透過方向を拡散させる機能を
持つと共に、偏光方向を回転させ、入射された直線偏光
の偏光純度を低下させるという機能を有している。従っ
て、上述したように導光板に直線偏光を入射させたとし
ても、光拡散パターンの機能によって導光板から液晶パ
ネル側に出射する光がランダム偏光化される。そして、
このランダム偏光は液晶パネルに付設した偏光板で直線
偏光化されてカットされる成分を有するため、光の利用
効率を向上させることができない。

【０００７】本発明はこのような従来技術の課題を解決
するためになされたものであり、ランダム偏光光源であ
る冷陰極管からの光の利用効率を損なうことなく、導光
板から出射される光を直線偏光化してバックライト光の
利用効率を向上させることができる面状光源、並びにそ
れを用いた明るいバックライト光学系およびディスプレ
イを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願発明者は、上記課題
を解決するために鋭意検討および研究を行った結果、導
光板の上面に高密度の回折格子を設けることにより、光
の利用効率を向上させた面状光源、並びにそれを用いた
バックライト光学系およびディスプレイが得られること
を見い出した。

【０００９】すなわち、本発明の面状光源は、少なくと
も光源と導光板とを備え、該光源からの光を該導光板の
端面から入射させて該導光板の上面から出射させる面状
光源において、該導光板の上面の少なくも一部に、その
ピッチが０．５μｍ以下である回折格子を有し、該導光
板の下面が該上面に対して傾いた斜面であり、該斜面に
偏光を回転させるための位相差膜、または偏光を回転さ
せるための光拡散パターンを有し、そのことにより上記
目的が達成される。

【００１０】前記回折格子の前面側に散乱板を有する
か、または、該回折格子が光を散乱させる機能を有する
のが好ましい。

【００１１】本発明のバックライト光学系は、本発明の
面状光源を備え、そのことにより上記目的が達成され
る。

【００１２】本発明のディスプレイは、表示パネルの背
面側に、本発明の面状光源が前記上面側を該表示パネル
側に配して配置され、そのことにより上記目的が達成さ
れる。

【００１３】以下、本発明の作用について説明する。

【００１４】本発明にあっては、導光板の上面の少なく
とも一部に回折格子を有しているので、その回折条件に
従って導光板内の光が上面から外部へ出射される。この
回折格子のピッチが回折格子に入射する光の波長以下の
場合、回折格子に入射する光の偏光方向によって回折効
率が変化する。本発明では回折格子のピッチを０．５μ
ｍ以下にしてあるので、Ｓ偏光は回折効率が高くなって
導光板から出射され、Ｐ偏光は反射率が高くなって反射
されて導光板内を導光し続ける。従って、出射光を特定
の直線偏光（Ｓ偏光）に揃えることが可能となる。

【００１５】さらに、導光板の斜面に位相差膜や光拡散
パターン等を設けて偏光を回転させる機能を与えている
ので、導光板の上面に設けた回折格子から反射して斜面
に入射したＰ偏光が回転し、回折効率の高いＳ偏光成分
を与えることができる。この光が上面の回折格子に入射
すると、Ｓ偏光成分は導光板から出射され、Ｐ偏光成分
は反射されるので、導光板内部の全ての光を最終的にＳ
偏光に揃えて出射させることが可能となる。よって、従
来では偏光板で失われていた光量を全て利用することが
できる。

【００１６】回折格子の前面側に散乱板を設けるか、ま
たは、散乱ホログラム等の光散乱機能を有する回折格子
を用いることにより、着色性を緩和してバックライト光
を白色性を向上することが可能である。

【００１７】なお、本発明において、Ｐ偏光とは光の信
号方向が入射光と法線方向を含む平面内にあるものを言
い、Ｓ偏光とは光の信号方向が入射光と法線方向を含む
平面に垂直な面内にあるものを言う。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００１９】図１は本発明の一実施形態である液晶ディ
スプレイの概略構成を示す断面図である。液晶ユニット
１１の観察者５とは反対側（背面側）に、偏光板１２を
介して面状光源が配置されている。この面状光源はサイ
ドライト方式であり、導光板１の入射端側２に冷陰極管
３とリフレクタ４とを備えている。そして、この導光板
１の上面（観察者６側の面）５には、高密度回折格子７
を有する。なお、高密度回折格子とは、そのピッチΛが
小さい回折格子のことを言う。この高密度回折格子は、
一般的なフォトリソグラフィー法により形成することが
可能である。

【００２０】従来の導光板では、斜面と上面とがテーパ
をなすので、導光板に入射した光が斜面と上面とで反射
を繰り返す内に全反射条件から外れて、導光板外部に出
射する。これに対して、本発明では、上面５に回折格子
７を有しているので、導光板１に入射した光は回折条件
に従って上面５から外部に出射する。その回折条件を、
下記式（１）に示す。

【００２１】Ｎ１・ｓｉｎθ１＋ｓｉｎθ２＝λ／Λ ・・・（１）但し、Ｎ１は導光板の屈折率、θ１は導光板内で光が回
折格子に入射する入射角、θ２は回折角、λは光の波
長、Λは回折格子のピッチである。

【００２２】導光板１内において、光は全反射角よりも
大きい角度で伝搬するが、回折格子７への入射角が小さ
いほど高い回折効率が得られるため、導光板１内の光の
うち、導光板外部に出射する効率が最も高いのは、全反
射角付近の光である。従って、θ１は全反射角と仮定す
る。このとき、例えばＮ１を１．５、λを０．５μｍと
すると、回折角θ２を０とするためには、Λは０．５と
なる。

【００２３】回折格子７に入射する光の入射角θ１が全
反射角（θ０とする）以上であれば、回折光と反射光が
発生し、入射角θ１が全反射角（θ０）より小さい場合
には回折光と反射光と透過光が発生する。いずれの場合
も、回折格子の諸元（ピッチ、屈折率、形状および深さ
によって回折効率が決定される。実際には、冷陰極管３
から導光板１に入射した光の全てが全反射条件を満たす
ことから、回折光と反射光のみが発生すると仮定する。

【００２４】ここで、回折格子７のピッチΛが波長より
も小さい場合には、図２に示すように、入射光の偏光方
向が回折効率に影響を与える。ここでは、入射光がＰ偏
光の場合、回折効率は低く、反射率が高い。一方、入射
光がＳ偏光の場合、回折効率が高く、反射率は低い。こ
のため、導光板１内を導光する光は、回折格子７に入射
する度にＳ偏光が回折によって外部に出射し、Ｐ偏光は
反射によって内部を導光し続ける。この導光板１内に、
回折格子以外に偏光回転機能を有するデバイスが無い場
合には、導光板１内がＰ偏光の光で満たされる。

【００２５】そこで、本発明では、導光板１の斜面８に
偏光回転機能を与える。例えば、図３（ａ）に示すよう
に、導光板１の斜面８に位相差膜９を設ける。なお、位
相差膜とは、光が膜中を透過する際に、偏光方向の相直
交する２つの直線偏光毎に受ける位相変化が、相異なる
性質を有する膜のことを言う。１次または２次以上の光
学的異方性を有する媒質として有機化合物がよく知られ
ており、例えばスピンコートや蒸着、スパッタリング等
の方法で位相差膜９を形成することができる。このよう
な位相差膜９斜面８に形成すると、図３（ａ）に示すよ
うに、導光板１の上面５の回折格子７から反射して斜面
８に入射するＰ偏光に位相差を付与して偏光回転させる
ことができる。そして、この光が上面５の回折格子７に
入射するとＰ偏光成分が全反射し、Ｓ偏光成分が外部に
出射するので、外部への出射光のＳ偏光成分を増加させ
ることができる。

【００２６】または、図３（ｂ）に示すように、導光板
１の斜面８に光拡散パターン１０を設けることによって
も、疑似的に偏光を回転させることができる。光拡散パ
ターン１０で反射した光は、散乱されることによって正
反射以外の方向に光が曲げられるので、偏光が回転する
のである。例えば、半球状、三角錘状、四角錘状、四角
柱状、ランダムな凹凸等の形状の光拡散パターンが挙げ
られる。なお、光拡散パターン１０を斜面８に形成した
場合の動作については、上述の位相差膜９を設けた場合
と同様である。

【００２７】このように、導光板１の斜面８に偏光回転
機能を付与すると、回折格子７からのＰ偏光の反射光が
斜面８において偏光回転し、Ｓ偏光とＰ偏光の成分を持
つ光となり、上面５の回折格子７に入射した際にＳ偏光
が出射し、Ｐ偏光は反射する。この動作を繰り返すこと
により、最終的には全ての光がＳ偏光となって導光板１
外に出射される。このため、従来の導光板の出射光がラ
ンダム偏光の光であるのに対して、本発明の導光板では
直線偏光に揃えることができる。よって、従来、図１に
示す液晶パネル１１の導光板１側に設けられた偏光板１
２を通過する際に光量が半分に減衰していたところを、
殆ど透過させることができるので、光の利用効率を２倍
にすることができる。

【００２８】以上、本発明に係る導光板の基本原理を説
明したが、次に、実際の導光板の輝度を均斉化する方法
について説明する。

【００２９】本発明において、回折格子は導光板内の光
を外部に出射させる役割を果たしており、輝度均斉化を
図るためには、導光板の上面全体に回折格子を形成して
各場所の回折効率を最適化する方法が考えられる。しか
し、場所毎に回折格子の回折率を制御するためには、導
光板全面にわたって高い作製精度が要求され、生産コス
トが高くなる。そこで、回折格子を従来の光拡散パター
ンと同様に上面全体に設けるのではなく、図４（ａ）お
よび図４（ｂ）に示すように、一部に島状に形成し、そ
の島状光拡散パターン１３の配列や大きさの分布を最適
化して輝度均斉化を図る方法が有効である。この方法で
は、回折効率を場所毎に所望の値に設定しなくても、回
折効率に再現性を持たせれば、導光板面積に占める回折
格子の面積率で光の出射量を制御することができ、輝度
均斉化を容易に実現することができる。なお、図４では
導光板１の斜面８に位相差膜９を形成した場合に、上面
５に島状回折格子１３を配列した様子を示したが、斜面
８に光拡散パターンを形成した場合も同様である。

【００３０】ところで、上記式（１）に示すように、回
折格子から導光板外部への回折角θ２は波長の関数であ
り、波長によって回折角が異なる。このため、導光板外
部の観察者によっては、導光板の上面が虹色様に着色さ
れ、液晶バックライトユニットとして要求される白色性
が損なわれる。

【００３１】この着色性を緩和するには、回折格子の観
察者側に散乱板を配置する方法がある。この散乱板に入
射した各色が散乱されて互いに重なることによって白色
化することができる。または、このような散乱板の機能
を回折格子に付加することにより、散乱板を追加して設
けなくてもよい。散乱板の機能を有する回折格子として
は、図５に示すように、散乱光を記録したホログラム
（散乱ホログラム）１４を用いることができる。なお、
図５では導光板１の斜面８に位相差膜９を形成した場合
を示しているが、斜面８に光拡散パターンを形成した場
合も同様であり、また、散乱ホログラム１４を島状に設
けてもよいことは言うまでもない。

【００３２】散乱ホログラムとは、回折格子のピッチの
スペクトルを広帯域にしたものであり、最も代表的な作
製方法としては二光束干渉露光法が挙げられる。これに
ついて図６を用いて説明する。二光束干渉露光法とは、
物体光と参照光の干渉縞を記録するホログラム露光法の
ことである。光源としてはレーザ１５を用い、例えば、
緑色から紫外光までの波長が得られるＡｒレーザ、Ｈｅ
−Ｃｄレーザ等が適している。このレーザ光をミラー１
６ａを用いて二光束に分割し、空間フィルタ１７によっ
て可干渉性を高めて露光乾板１８上に干渉露光する。こ
のとき、一方の光束中に拡散板１９を設けて散乱光を発
生させて物体光とする。その後、露光乾板１８に現像処
理および定着処理を施して散乱ホログラムを得る。な
お、除振台２０上に光学系を設定することにより外部の
振動の影響を取り除くことができる。この図６におい
て、１６ｂ、１６ｃおよび１６ｄもミラーである。この
ようにして作製した散乱ホログラムをそのまま用いても
よく、これを原盤として２Ｐ法（ＰｈｏｔｏＰｏｌｙ
ｍｅｒ）等により複製してもよい。

【００３３】このように構成された本実施形態の面状光
源によれば、偏光板１２に偏光方向が揃った光を照射す
ることができるので、バックライト光学系およびディス
プレイの光利用効率を高くすることができ、低消費電力
で明るい表示を得ることができる。

【００３４】以上の実施形態において、導光板の素材は
特に限定されないが、射出成型で製造可能であるという
製法上の利点、透明性および屈折率等の光学的特性か
ら、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、メ
チルメタクリレートと他のアクリレートやメタクリレー
トとの共重合体、ポリカーボネート等の透明樹脂を用い
ることができる。また、ＰＭＭＡに比べて比重の小さい
シクロオレフィンポリマー（ＰＭＭＡ１．２に対してシ
クロオレフィンポリマー１．０）を用いれば、軽量化を
図ることができるので好適である。また、シクロオレフ
ィンポリマーはＰＭＭＡに比べて射出成型時の流動性が
良いので薄型成型に向いており、屈折率が高い（ＰＭＭ
Ａ１．４９に対してシクロオレフィンポリマー１．５
３）ので光閉じ込めの効果が大きく、導光板の薄型化を
図るのに好適である。さらに、シクロオレフィンポリマ
ーは吸湿性が少ないので、高湿条件下でも形状の変形が
少ないという利点を有する。

【００３５】本発明の導光板は、上述のような樹脂を用
いて射出成型またはコンプレッション成型することによ
り製造することができ、このとき同時に上述した光拡散
パターンを導光板に形成することができる。また、導光
板の成型後に印刷により光拡散パターンを形成すること
もできる。

【００３６】本発明の面状光源において、光源装置とし
ては、冷陰極管とリフレクタを組み合わせたものを用い
ることができる。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
導光板の上面の少なくとも一部にピッチが０．５μｍ以
下の回折格子を設けているので、特定の偏光方向の光の
みを導光板の外部に出射させることができる。また、導
光板の斜面に偏光を回転させる機能を与えているので、
導光板内部の光の偏光方向を回折効率の高い偏光方向に
変換することができ、導光板内部の全ての光を特定の偏
光方向に揃えて外部に出射させることができる。よっ
て、光の利用効率を高めることができる。

【００３８】スピンコート、蒸着およびスパッタリング
等の簡単な方法を用いて導光板の斜面に位相差膜を形成
することにより、偏光を回転させる機能を与えることが
できるので、低コストで面状光源を作製可能であり、量
産性にも優れている。

【００３９】または、導光板を射出成形やコンプレッシ
ョン形成等で形成する際に斜面に光拡散パターンを形成
することにより、偏光を回転させる機能を与えることが
できるので、低コストで作製可能であり、量産性にも優
れている。

【００４０】本発明の面状光源を用いることにより、従
来では偏光板で失われていた光量を全て用いることがで
きるので、バックライト光学系やディスプレイの光利用
効率を向上して低消費電力で明るい表示を実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である液晶ディスプレイの
概略構成を示す断面図である。

【図２】回折格子における回折効率特性の偏光依存性を
示す図である。

【図３】（ａ）は導光板の斜面に回転機能を与えるため
に位相差膜を設けた構成を示す断面図であり、（ｂ）は
導光板の斜面に回転機能を与えるために拡散パターンを
設けた構成を示す断面図である。

【図４】（ａ）は導光板の上面に回折格子を島状に設け
た構成を示す断面図であり、（ｂ）はその平面図であ
る。

【図５】導光板の上面に散乱ホログラムを設けた構成を
示す断面図である。

【図６】散乱ホログラムの作製方法の一例について説明
するための図である。

【図７】従来の面状光源を用いた液晶ディスプレイの概
略構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１導光板２入射端３冷陰極管４リフレクタ５導光板の上面６観察者７高密度回折格子８導光板の斜面９位相差膜１０光拡散パターン１１液晶パネル１２偏光板１３島状回折格子１４散乱ホログラム１５レーザ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄミラー１７空間フィルタ１８露光乾板１９拡散板２０除振台２１偏光ビームスプリッタ２２反射板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも光源と導光板とを備え、該光
源からの光を該導光板の端面から入射させて該導光板の
上面から出射させる面状光源において、該導光板の上面の少なくも一部に、そのピッチが０．５
μｍ以下である回折格子を有し、該導光板の下面が該上面に対して傾いた斜面であり、該
斜面は偏光を回転させるための位相差膜、または偏光を
回転させるための光拡散パターンを有する面状光源。
【請求項２】前記回折格子の前面側に散乱板を有する
か、または、該回折格子が光を散乱させる機能を有する
請求項１に記載の面状光源。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の面状光
源を備えたバックライト光学系。
【請求項４】表示パネルの背面側に、請求項１または
請求項２に記載の面状光源が前記上面側を該表示パネル
側に配して配置されたディスプレイ。