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1. WO2011125479 - 偏光導光板、照明装置および投射型表示装置

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明 細 書

発明の名称 偏光導光板、照明装置および投射型表示装置

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008  

先行技術文献

特許文献

0009  

発明の概要

0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019  

図面の簡単な説明

0020  

符号の説明

0021  

発明を実施するための形態

0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116   0117   0118   0119   0120   0121   0122   0123   0124   0125   0126   0127   0128   0129   0130   0131   0132   0133   0134   0135   0136   0137   0138   0139   0140   0141   0142   0143   0144   0145   0146   0147   0148   0149  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14  

明 細 書

発明の名称 : 偏光導光板、照明装置および投射型表示装置

技術分野

[0001]
 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。

背景技術

[0002]
 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。
[0003]
 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。
[0004]
 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。
[0005]
 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。
[0006]
 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。
[0007]
 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。
[0008]
 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。

先行技術文献

特許文献

[0009]
特許文献1 : 特表2008-117766号公報

発明の概要

[0010]
 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。
[0011]
 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。
[0012]
 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。
[0013]
 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。
[0014]
 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。
[0015]
 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。
[0016]
 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。
[0017]
 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。
[0018]
 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。
[0019]
 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。

図面の簡単な説明

[0020]
[図1] 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2] 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3] 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4] 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5] 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6] 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7] 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8] 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9] 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10] 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。
[図11] 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12] 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。
[図13] 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。
[図14] 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。

符号の説明

[0021]
10 導光体
11 1/2波長板
12 反射層
13 異方性屈折部

発明を実施するための形態

[0022]
 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。
[0023]
 (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。
[0024]
 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。
[0025]
 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。
[0026]
 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。
[0027]
 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。
[0028]
 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。
[0029]
 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。
[0030]
 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。
[0031]
 次に、本実施形態の偏光導光板の動作について説明する。
[0032]
 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。
[0033]
 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。
[0034]
 まず、異方性屈折部13の出射条件について説明する。
[0035]
 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。
[0036]
 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。
[0037]
 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。
[0038]
 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。
[0039]
 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。
[0040]
 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。
[0041]
 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。
[0042]
 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。
[0043]
 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。
[0044]
 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。
[0045]
 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。
[0046]
 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。
[0047]
 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。
[0048]
 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。
[0049]
 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。
[0050]
 次に、異方性屈折部13の導光条件について説明する。
[0051]
 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。
[0052]
 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。
[0053]
 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。
[0054]
 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。
[0055]
 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。
[0056]
 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。
[0057]
 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。
[0058]
 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。
[0059]
 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。
[0060]
 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。
[0061]
 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。
[0062]
 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。
[0063]
 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。
[0064]
 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。
[0065]
 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。
[0066]
 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。
[0067]
 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。
[0068]
 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。
[0069]
 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。
[0070]
 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。
[0071]
 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。
[0072]
 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。
[0073]
 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。
[0074]
 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。
[0075]
 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。
[0076]
 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。
[0077]
 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。
[0078]
 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。
[0079]
 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。
[0080]
 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。
[0081]
[数1]


 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。
[0082]
 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。
[0083]
 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。
[0084]
 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。
[0085]
 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。
[0086]
 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。
[0087]
[数2]


 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。
[0088]
 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。
[0089]
 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。
[0090]
 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。
[0091]
 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。
[0092]
 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。
[0093]
[数3]


 (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。
[0094]
 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。
[0095]
 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。
[0096]
 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。
[0097]
 (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。
[0098]
 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。
[0099]
 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。
[0100]
 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。
[0101]
 (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。
[0102]
 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。
[0103]
 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。
[0104]
 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。
[0105]
 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。
[0106]
 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。
[0107]
 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。
[0108]
 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。
[0109]
 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。
[0110]
 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。
[0111]
 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。
[0112]
 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。
[0113]
 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。
[0114]
 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。
[0115]
 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。
[0116]
 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。
[0117]
 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。
[0118]
 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。
[0119]
 (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。
[0120]
 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。
[0121]
 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。
[0122]
 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。
[0123]
 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。
[0124]
 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。
[0125]
 (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。
[0126]
 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。
[0127]
 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。
[0128]
 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。
[0129]
 (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。
[0130]
 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。
[0131]
 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。
[0132]
 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。
[0133]
 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。
[0134]
 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。
[0135]
 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。
[0136]
 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。
[0137]
 また、複数の光源20が、端面10bに対して設けられてもよい。
[0138]
 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。
[0139]
 (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。
[0140]
 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。
[0141]
 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。
[0142]
 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。
[0143]
 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。
[0144]
 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。
[0145]
 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。
[0146]
 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。
[0147]
 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。
[0148]
 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。
[0149]
 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。

請求の範囲

[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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、
[数1]


の条件を満たす、請求項4または7に記載の偏光導光板。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]

[ 図 14]