偏光分離素子
【課題】 層数が少なく、できるだけ単純な構造であり、かつ高い偏光分離効果を有する偏光分離素子を提供する。
【解決手段】 断面三角形状の溝を持つプリズム構造を有するプリズム基板上に薄膜を単層または多層に成膜し、紫外線硬化樹脂を介して同一の条件で作製されたプリズム基板を貼り合せることにより、少ない成膜回数で高い偏光分離効果を有することが可能となるため、光学的特性を低下させることなく、作製プロセスの簡略化を実現する。
【解決手段】 断面三角形状の溝を持つプリズム構造を有するプリズム基板上に薄膜を単層または多層に成膜し、紫外線硬化樹脂を介して同一の条件で作製されたプリズム基板を貼り合せることにより、少ない成膜回数で高い偏光分離効果を有することが可能となるため、光学的特性を低下させることなく、作製プロセスの簡略化を実現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、所定の偏光を選択的に透過し、他の偏光を選択的に反射する偏光分離素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）はブラウン管（ＣＲＴ:Cathode Ray Tube）と比較して低消費電力、かつ小型・薄型化が可能であり、現在では携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡなど小型の機器から、大型サイズの液晶テレビに至るまで、様々なサイズのものが幅広く使用されている。
【０００３】
ＬＣＤ装置は、主に液晶をガラス板で挟んだ液晶パネルと、偏光板、およびバックライト装置からなる。液晶はブラウン管の蛍光材料のようにそれ自身発光することがないため、ＬＣＤ装置内に光源を設ける必要がある。
【０００４】
図１に、ＬＣＤ装置の構成の一例を概略的に示す。図１Ａに示すように、１８インチ以上の大型ディスプレイの場合、液晶パネル１の直下に複数の光源７を設置し、反射板４を設けて画面全体を明るくするいわゆる直下型の構成をとっている。ところが、この構成を用いる場合装置が厚くなるため、ノートパソコンや小型液晶テレビなどには適さない。そこで、図１Ｂに示すように、小型ＬＣＤ装置の場合は液晶パネル１の横に光源７を置き、導光板５と反射シート６を併用するエッジライト型を採用している。
【０００５】
いずれの構成を用いる場合であっても、光源７からの光８に均一性を持たせ、輝度を向上させるために、光学フィルム２を用いている。
【０００６】
この光学フィルムは、たとえば以下の特許文献１に示されるような構成をとる。また、図２に、特許文献１に記載された光学フィルムの構造を示す。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−７８２３４号公報
【０００８】
特許文献１では、頂角が直角のプリズム構造を有する基板１１のプリズム面と、基板１１と同様の構造を有する基板１２のプリズム面とを対向させ、それぞれの山部と谷部が一致するように配置する。基板１１のプリズム構造面の斜辺を形成する平面上にはあらかじめ誘電体膜が複数積層してある。さらに接着層１５を介して誘電体膜が形成された基板１１と基板１２とを貼り合わせることにより、光学フィルムが作成される。誘電体膜は高屈折率材料１３と、低屈折率材料１４からなり、これを順に積層したものである。
【０００９】
特許文献１に記載された実施例は、高屈折率材料と低屈折率材料を交互に２８層積層しており、これらの誘電体膜は蒸着またはスパッタにより形成する。
【００１０】
上述したような光学フィルムは、誘電体膜の界面において、入射光のうちＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する。しかし、Ｓ偏光の反射係数は１ではないため、誘電体膜の界面において透過するものもある。
【００１１】
光学フィルムにより選択的に透過されたＰ偏光は液晶パネル側に直進して、ＬＣＤ装置を明るくする。しかし、基板１２側に透過したＳ偏光は有効に利用されないため、光の強度が失われることとなり、輝度の低下がおこる。
【００１２】
そこで、Ｓ偏光を基板１１側（バックライト側）に戻すとともに、再度液晶パネル方向に光を向けて偏光分離させ、Ｐ偏光を透過させる。これを繰り返すことにより、輝度を向上させることができる。
【００１３】
また、誘電体膜を積層させて偏光分離効果を高めることにより、Ｓ偏光を効率よく再利用することができる。偏光分離は誘電体膜の界面において起こるため、基板間の誘電体膜が多いほど偏光分離効果が高まる。そこで、Ｓ偏光の反射率を向上させるために、誘電体膜を多層積層して光学フィルムを作製する。
【００１４】
ＬＣＤ装置では、バックライトの消費電力がＬＣＤ装置の寿命に大きく影響を与える。たとえば、大型の液晶テレビにおいては、その９０％以上がバックライトの消費電力である。このため、バックライト自身の低消費電力化はもちろんのこと、光学フィルムの性能を向上させて輝度の低下を防ぐことにより、低消費電力化のみならずＬＣＤ装置の長寿命化を図ることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述の特許文献１に記載されたような、高屈折率材料と低屈折率材料を繰り返し積層させた構造体を用いて広帯域で偏光分離効果を得るためには、数種類の積層誘電体膜を組み合わせる必要があり、またその層数は数十層にも及ぶ。このような誘電体膜を真空蒸着法にて成膜する場合、膜厚や膜質の制御が困難である。
【００１６】
たとえば、層数の増加に伴い、プリズム頂角部分や谷底部分の形状がなまってしまう。また、斜面に対して成膜するため、膜厚のずれや頂角部、谷部の位置のずれという問題が生じやすくなる。これらの原因により、偏光分離効果の低下を引き起こしてしまう。
【００１７】
また、反応性スパッタ法を用いた場合では、レートが１０〜５０ｎｍ．ｍ／ｍｉｎと遅いため、生産性に問題があった。
【００１８】
そこで、光学的特性の側面だけでなく、生産プロセスの観点からも、層数が少なく、できるだけ単純な構造である偏光分離素子（光学フィルム）が要求される。
【００１９】
したがって、この発明の目的は、層数が少なく、できるだけ単純な構造であり、かつ高い偏光分離効果を有する偏光分離素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するために、この発明の第１の態様は、誘電体膜層が形成された断面三角形状の溝が連続して形成された構造面を有する第１および第２のプリズム基板が、それぞれの山部と谷部が一致するように対向し、第１および第２のプリズム基板の間に接着用透明樹脂を配置して貼り合わせたことを特徴とする偏光分離素子である。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、少ない成膜層数で高い偏光分離効果を有することが可能となる。たとえばプリズム基板上に３層の誘電体膜を成膜して貼り合せることにより、上下各３層と接着層を合わせて７層の誘電体膜効果を得ることができる。
【００２２】
この方法を用いて作製した偏光分離素子は、従来の方法で作製した偏光分離素子と比較して、誘電体膜の成膜回数が半分で済むため、誘電体膜の成膜精度が高くなる。このため、光学的特性を低下させることなく、作製プロセスの簡略化を実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図３は、この発明を適用して作製した偏光分離素子の構成を示す断面図である。この偏光分離素子は、参照符号２１で示すプリズム基板と、参照符号２２で示されるプリズム基板と、参照符号２３で示される誘電体多層膜によって構成されている。
【００２５】
プリズム基板２１は、断面三角形状の溝を持つプリズム構造を有し、透明樹脂を射出成型またはプレスすることにより作製されている。また、プリズム基板２２もプリズム基板２１と同様の透明樹脂により作製されている。
【００２６】
プリズム基板２１および２２は、バックライト装置からの入射光を透過させることができる透明な樹脂材料により作製される。プリズム基板の材料としては、比較的屈折率の高い透明樹脂が好適であり、ポリカーボネート（ＰＣ、ｎ＝１．５９）、アクリル樹脂、エポキシ樹脂など屈折率が１．５〜１．９程度の透明樹脂であればいずれも用いることができる。
【００２７】
誘電体多層膜２３は、プリズム基板２１およびプリズム基板２２のプリズム構造面上に形成されており、お互い比較して屈折率の高い材料（以下、Ｈと適宜称する）による誘電体膜２３ａと、屈折率の低い材料（以下、Ｌと適宜称する）による誘電体膜２３ｂとが、［Ｈ−Ｌ−Ｈ］の順に３層積層されている。
【００２８】
上述のようにプリズム構造面上に誘電体多層膜２３が形成されたプリズム基板２１およびプリズム基板２２を、それぞれのプリズム構造面が互いに対向するように配置し、プリズム基板２１の三角形状断面山部と、プリズム基板２２の三角形状断面谷部が一致するようにして貼り合せることにより偏光分離素子が作製される。基板の貼り合せは、貼り合せ面に紫外線硬化樹脂を塗布して接着層２４とし、紫外線を照射して硬化させることにより行う。
【００２９】
誘電体膜を［Ｈ−Ｌ−Ｈ］の３層構造にした場合、接着層に用いる樹脂材料の屈折率は任意のものを用いることができる。しかし、接着層として高屈折率材料の誘電体膜と近い屈折率を有する材料を用いた場合、誘電体多層膜の構造は［Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｈ−Ｈ−Ｌ−Ｈ］となっている。この場合、内側の３層（高屈折率材料誘電体膜−接着層−高屈折率材料誘電体膜）の部分ではほとんど偏光分離が起こらず、実質的には［Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ−Ｈ］の５層構造と同様であると考えられる。
【００３０】
このため、接着層には低屈折率材料を用いるほうがより好適である。接着剤としては、紫外線硬化型アクリレート系樹脂（屈折率１．５０〜１．５１）、紫外線硬化型エポキシ系樹脂（屈折率１．４６〜１．５７）、紫外線硬化型フッ素系接着剤（屈折率１．４５３〜１．５６７）、アモルファスフッ素樹脂等（屈折率１．３４）の他、熱硬化型のエポキシ系やイソシアネート系の接着剤が使用できる。屈折率を制御するためにフッ素等を添加してもよい。屈折率は１．３程度の比較的低いものが良く、透過率は９５％以上であることが望ましい。
【００３１】
この方法を用いる場合、高屈折率材料の誘電体膜からなる接着面の間に低屈折率の紫外線硬化樹脂を薄く塗布して貼り合わせるため、低屈折率の接着層が偏光分離効果をもたらす誘電体膜層の一部として機能している。つまり、屈折率に差を持たせることにより光学的効果も得られることになる。
【００３２】
一方、特許文献１に記載された光学的フィルムにおいて、接着剤は誘電体膜を多層に成膜したプリズム基板と、もう１枚のプリズム基板とを貼り合せるために用いられる。特許文献１における光学フィルムで使用する接着剤の屈折率は、上部または下部のプリズム基板の屈折率に可能な限り近くに整合されるべきである、と記載されている。つまり、接着剤は、偏光分離効果を持たせるものではなく、光学的には基板の一部として振舞うよう構成されている。
【実施例】
【００３３】
以下、実施例によりこの発明を具体的に説明するが、この発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００３４】
屈折率が１．７１である透明樹脂を、プリズム面の断面が、プリズム頂角９０°、プリズム高さ２５μｍ、プリズムピッチ５０μｍの直角二等辺三角形状であり、基板の形状が縦１０ｍｍ、横１０ｍｍの正方形となるように射出成型することにより、プリズム基板を作製する。
【００３５】
作製したプリズム基板上に、誘電体多層膜を成膜する。誘電体多層膜は、屈折率が２．３であるＮｂ2Ｏ5と、屈折率が１．５であるＳｉＯ2とを、反応性スパッタ法によりＮｂ2Ｏ5−ＳｉＯ2−Ｎｂ2Ｏ5［Ｈ−Ｌ−Ｈ］の順に交互に積層することにより作製されている。
【００３６】
次いで、誘電体多層膜を成膜したプリズム基板上に接着剤を塗布し、プリズム基板同士を貼り合わせる。屈折率１．３８の紫外線硬化型樹脂を薄く塗布したあと、紫外線硬化樹脂面と、もう一つの誘電体膜を成膜したプリズム基板のプリズム面を対向させ、山部と谷部が一致するようにし、０．０５Ｎの荷重をかけて貼り合せる。この後、紫外線を２０秒間照射して接着層を硬化させ、偏光分離素子を作製した。
【００３７】
偏光分離素子は、Ｐ偏光をできる限り透過させて、Ｓ偏光をできる限り反射させることにより、バックライトから照射された光量の無駄を少なくすることが可能である。つまり、Ｐ偏光の反射率は０％に近く、Ｓ偏光の反射率は１００％に近いことが要求される。Ｐ偏光は反射しても再利用されるが、Ｓ偏光が透過してしまうと輝度の低下の原因となるため、特にＳ偏光の反射率を向上させることが重要である。
【００３８】
上述の方法により、以下のそれぞれの実施例および比較例の偏光分離素子を作製する。
【００３９】
＜実施例１＞
偏光分離素子Ａはプリズム基板に３層の誘電体膜を形成し、プリズム基板のプリズム面を接着層を介して貼り合せて作製され、誘電体膜の厚さは接着層を中心として非対称であるように構成されている。また、プリズム面に成膜する誘電体多層膜は、プリズム基板上に高屈折率材料のＮｂ2Ｏ5を成膜し、次いで低屈折率のＳｉＯ2、高屈折率材料のＮｂ2Ｏ5を成膜することにより、プリズム基板側から高屈折率材料、低屈折率材料、高屈折率材料（［Ｈ−Ｌ−Ｈ］）となるようにし、接着層には偏光分離素子Ａ，Ｂと同様の屈折率１．３８の紫外線硬化樹脂を用いている。偏光分離素子Ａの全体の構造としては、［Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ―Ｈ］となる。以下の表１に、偏光分離素子Ａの誘電体膜材料およびその厚さを示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
＜実施例２＞
偏光分離素子Ｂはプリズム基板に３層の誘電体膜を形成し、プリズム基板のプリズム面を接着層を介して貼り合せて作製され、誘電体膜の厚さは接着層を中心として対称であるように構成した他は、実施例１と同様とする。偏光分離素子Ｂの全体の構造としては、［Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ―Ｈ］となる。以下の表２に、偏光分離素子Ｂの誘電体膜材料およびその厚さを示す。
【００４２】
【表２】
【００４３】
＜実施例３＞
偏光分離素子Ｃはプリズム基板に３層の誘電体膜を形成し、プリズム基板のプリズム面を接着層を介して貼り合せて作製され、誘電体膜材料およびその厚さは実施例２の偏光分離素子Ｂと同様であるが、接着用の紫外線硬化樹脂に屈折率が１．６のものを用いている。偏光分離素子Ｃの全体の構造としては、［Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ―Ｈ］となる。以下の表３に、偏光分離素子Ｃの誘電体膜材料およびその厚さを示す。
【００４４】
【表３】
【００４５】
＜実施例４＞
偏光分離素子Ｄはプリズム基板に２層の誘電体膜を形成し、プリズム基板のプリズム面を接着層を介して貼り合せて作製され、誘電体膜の厚さが接着層を中心として対称であるように構成されている。また、プリズム面に成膜する誘電体多層膜は、プリズム基板上に低屈折率のＳｉＯ2を成膜し、次いで高屈折率材料のＮｂ2Ｏ5を成膜することにより、外側が低屈折率材料、内側が高屈折率材料（［Ｌ−Ｈ］）となるようにし、接着層には偏光分離素子Ａ，Ｂと同様の屈折率１．３８の紫外線硬化樹脂を用いている。偏光分離素子Ｄの全体の構造としては、［Ｌ−Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ］となる。以下の表４に、偏光分離素子Ｄの誘電体膜材料およびその厚さを示す。
【００４６】
【表４】
【００４７】
＜比較例１＞
偏光分離素子Ｅは、従来知られている方法で作製した５層の誘電体膜を有する構造である。以下の表１に、偏光分離素子Ｂの誘電体膜材料およびその厚さを示す。
【００４８】
【表５】
【００４９】
このようにして作製した実施例１〜４および比較例１の偏光分離素子を用いた場合の、Ｐ偏光、Ｓ偏光の反射率を以下の表６に示す。測定は光の３原色である赤Ｒ（６５０ｎｍ）、緑Ｇ（５５０ｎｍ）、青Ｂ（４５０ｎｍ）のそれぞれについて行い、また各実施例および比較例について入射角が０°の場合と５°の場合の反射率を測定した。
【００５０】
【表６】
【００５１】
表６に示す測定結果より、比較例の偏光分離素子は入射角を５°にした場合、短波長側において急激なＳ偏光反射率の低下が起こるのに対し、各実施例の偏光分離膜は広帯域で安定した反射率を得ることができる。
【００５２】
また、偏光分離膜Ｄは外側を低屈折率材料とし、誘電体膜２層と接着層による５層構造であり、７層構造（誘電体膜上下各３層＋接着層）と比較して全体的な反射率は落ちるものの、広帯域で安定した反射率を保持しつつ、作製工程はさらに短縮されたものとなる。
【００５３】
［評価］
上述の実施例１〜４および比較例１の各偏光分離素子における偏光分離特性を測定した。測定は、白色バックライトユニット上に各実施例の偏光分離素子と偏光板を載置し、分光光度計（Ｖ−５００、日本分光製）を１８０°回転させて面内のピーク輝度を測定する。偏光分離素子を使用しないときの輝度を１として算出した各実施例および比較例における偏光分離素子の輝度を輝度向上率とした。
【００５４】
［評価結果］
各実施例の輝度向上率は、以下のとおりである。
【００５５】
実施例１ １．７倍
実施例２ １．６倍
実施例３ １．５倍
実施例４ １．４倍
比較例１ １．２倍
【００５６】
上述のように、実施例１で作製した偏光分離素子Ａは、従来の５層膜構造の偏光分離素子Ｅと比較して同等の厚さでありながら、広帯域化が可能である。また、入射角度による波長分散も少なく、可視光領域内において高い偏光分離特性を保つことができる。
【００５７】
また、実施例２の偏光分離素子Ｂは、同一の条件で作製された２枚のプリズム基板を貼り合せることにより、作製工程の簡略化が実現するとともに、偏光分離素子Ａとほぼ同等の偏光分離特性を有する。
【００５８】
実施例３の偏光分離素子Ｃは、偏光分離素子Ｂと比較して接着層の屈折率が高いため多少偏光分離効果を得にくくなるが、広帯域で十分に安定した偏光分離特性が得られるとともに、同一の条件で作製された２枚のプリズム基板を貼り合せるため作製工程の簡略化が実現する。
【００５９】
実施例４の偏光分離素子Ｄは、プリズム基板上に成膜する誘電体膜が２層であるため、偏光分子素子Ａ，Ｂ，Ｃと比較して多少偏光分離効果を得にくくなるが、成膜が２層となるため作製工程の簡略化が実現する。
【００６０】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００６１】
たとえば、１層の誘電体膜を成膜したプリズム基板を接着層を介して貼り合せた、３層の誘電体多層膜を有する偏光分離素子としてもよい。この偏光分離素子を用いる場合、製造工程をさらに短縮することができる。
【００６２】
また、誘電体膜の層数は奇数に限ったものではなく、偶数の誘電体膜を有する構造であってもよい。たとえば、一方のプリズム基板には３層、他方のプリズム基板には２層の誘電体膜を成膜し、接着層と合わせて６層の誘電体多層膜を有する偏光分離素子としてもよい。この場合も高屈折率材料と低屈折率材料が交互に積層された構造となるように注意が必要である。
【００６３】
さらに、上述の一実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【００６４】
上述のような偏光分離素子は、ＬＣＤ装置において、バックライト装置からの光をより多く、効率的に利用し、輝度を向上させるために有効であり、液晶テレビ、デジタルカメラ、携帯電話、ＰＤＡなどの液晶表示装置に用いられる。
【００６５】
この発明を適用した偏光分離素子を使用することにより、バックライト装置の低消費電力化が可能となり、ＬＣＤ装置の長寿命化につながる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】ＬＣＤ装置の構成の一例を示す略線図である。
【図２】従来の方法で作製した偏光分離素子の一例を示す略線図である。
【図３】この発明を適用した偏光分離素子の構造を示す断面図である。
【図４】この発明を適用した一実施例を示す略線図である。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・液晶パネル
２・・・光学フィルム
３・・・拡散板
７・・・光源
１１・・・プリズム基板
１２・・・プリズム基板
１３・・・高屈折率材料
１４・・・低屈折率材料
１５・・・接着層
２１・・・プリズム基板
２２・・・プリズム基板
２３・・・誘電体多層膜
２３ａ・・・高屈折率材料
２３ｂ・・・低屈折率材料
２４・・・接着層
【技術分野】
【０００１】
この発明は、所定の偏光を選択的に透過し、他の偏光を選択的に反射する偏光分離素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）はブラウン管（ＣＲＴ:Cathode Ray Tube）と比較して低消費電力、かつ小型・薄型化が可能であり、現在では携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡなど小型の機器から、大型サイズの液晶テレビに至るまで、様々なサイズのものが幅広く使用されている。
【０００３】
ＬＣＤ装置は、主に液晶をガラス板で挟んだ液晶パネルと、偏光板、およびバックライト装置からなる。液晶はブラウン管の蛍光材料のようにそれ自身発光することがないため、ＬＣＤ装置内に光源を設ける必要がある。
【０００４】
図１に、ＬＣＤ装置の構成の一例を概略的に示す。図１Ａに示すように、１８インチ以上の大型ディスプレイの場合、液晶パネル１の直下に複数の光源７を設置し、反射板４を設けて画面全体を明るくするいわゆる直下型の構成をとっている。ところが、この構成を用いる場合装置が厚くなるため、ノートパソコンや小型液晶テレビなどには適さない。そこで、図１Ｂに示すように、小型ＬＣＤ装置の場合は液晶パネル１の横に光源７を置き、導光板５と反射シート６を併用するエッジライト型を採用している。
【０００５】
いずれの構成を用いる場合であっても、光源７からの光８に均一性を持たせ、輝度を向上させるために、光学フィルム２を用いている。
【０００６】
この光学フィルムは、たとえば以下の特許文献１に示されるような構成をとる。また、図２に、特許文献１に記載された光学フィルムの構造を示す。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−７８２３４号公報
【０００８】
特許文献１では、頂角が直角のプリズム構造を有する基板１１のプリズム面と、基板１１と同様の構造を有する基板１２のプリズム面とを対向させ、それぞれの山部と谷部が一致するように配置する。基板１１のプリズム構造面の斜辺を形成する平面上にはあらかじめ誘電体膜が複数積層してある。さらに接着層１５を介して誘電体膜が形成された基板１１と基板１２とを貼り合わせることにより、光学フィルムが作成される。誘電体膜は高屈折率材料１３と、低屈折率材料１４からなり、これを順に積層したものである。
【０００９】
特許文献１に記載された実施例は、高屈折率材料と低屈折率材料を交互に２８層積層しており、これらの誘電体膜は蒸着またはスパッタにより形成する。
【００１０】
上述したような光学フィルムは、誘電体膜の界面において、入射光のうちＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する。しかし、Ｓ偏光の反射係数は１ではないため、誘電体膜の界面において透過するものもある。
【００１１】
光学フィルムにより選択的に透過されたＰ偏光は液晶パネル側に直進して、ＬＣＤ装置を明るくする。しかし、基板１２側に透過したＳ偏光は有効に利用されないため、光の強度が失われることとなり、輝度の低下がおこる。
【００１２】
そこで、Ｓ偏光を基板１１側（バックライト側）に戻すとともに、再度液晶パネル方向に光を向けて偏光分離させ、Ｐ偏光を透過させる。これを繰り返すことにより、輝度を向上させることができる。
【００１３】
また、誘電体膜を積層させて偏光分離効果を高めることにより、Ｓ偏光を効率よく再利用することができる。偏光分離は誘電体膜の界面において起こるため、基板間の誘電体膜が多いほど偏光分離効果が高まる。そこで、Ｓ偏光の反射率を向上させるために、誘電体膜を多層積層して光学フィルムを作製する。
【００１４】
ＬＣＤ装置では、バックライトの消費電力がＬＣＤ装置の寿命に大きく影響を与える。たとえば、大型の液晶テレビにおいては、その９０％以上がバックライトの消費電力である。このため、バックライト自身の低消費電力化はもちろんのこと、光学フィルムの性能を向上させて輝度の低下を防ぐことにより、低消費電力化のみならずＬＣＤ装置の長寿命化を図ることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述の特許文献１に記載されたような、高屈折率材料と低屈折率材料を繰り返し積層させた構造体を用いて広帯域で偏光分離効果を得るためには、数種類の積層誘電体膜を組み合わせる必要があり、またその層数は数十層にも及ぶ。このような誘電体膜を真空蒸着法にて成膜する場合、膜厚や膜質の制御が困難である。
【００１６】
たとえば、層数の増加に伴い、プリズム頂角部分や谷底部分の形状がなまってしまう。また、斜面に対して成膜するため、膜厚のずれや頂角部、谷部の位置のずれという問題が生じやすくなる。これらの原因により、偏光分離効果の低下を引き起こしてしまう。
【００１７】
また、反応性スパッタ法を用いた場合では、レートが１０〜５０ｎｍ．ｍ／ｍｉｎと遅いため、生産性に問題があった。
【００１８】
そこで、光学的特性の側面だけでなく、生産プロセスの観点からも、層数が少なく、できるだけ単純な構造である偏光分離素子（光学フィルム）が要求される。
【００１９】
したがって、この発明の目的は、層数が少なく、できるだけ単純な構造であり、かつ高い偏光分離効果を有する偏光分離素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するために、この発明の第１の態様は、誘電体膜層が形成された断面三角形状の溝が連続して形成された構造面を有する第１および第２のプリズム基板が、それぞれの山部と谷部が一致するように対向し、第１および第２のプリズム基板の間に接着用透明樹脂を配置して貼り合わせたことを特徴とする偏光分離素子である。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、少ない成膜層数で高い偏光分離効果を有することが可能となる。たとえばプリズム基板上に３層の誘電体膜を成膜して貼り合せることにより、上下各３層と接着層を合わせて７層の誘電体膜効果を得ることができる。
【００２２】
この方法を用いて作製した偏光分離素子は、従来の方法で作製した偏光分離素子と比較して、誘電体膜の成膜回数が半分で済むため、誘電体膜の成膜精度が高くなる。このため、光学的特性を低下させることなく、作製プロセスの簡略化を実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図３は、この発明を適用して作製した偏光分離素子の構成を示す断面図である。この偏光分離素子は、参照符号２１で示すプリズム基板と、参照符号２２で示されるプリズム基板と、参照符号２３で示される誘電体多層膜によって構成されている。
【００２５】
プリズム基板２１は、断面三角形状の溝を持つプリズム構造を有し、透明樹脂を射出成型またはプレスすることにより作製されている。また、プリズム基板２２もプリズム基板２１と同様の透明樹脂により作製されている。
【００２６】
プリズム基板２１および２２は、バックライト装置からの入射光を透過させることができる透明な樹脂材料により作製される。プリズム基板の材料としては、比較的屈折率の高い透明樹脂が好適であり、ポリカーボネート（ＰＣ、ｎ＝１．５９）、アクリル樹脂、エポキシ樹脂など屈折率が１．５〜１．９程度の透明樹脂であればいずれも用いることができる。
【００２７】
誘電体多層膜２３は、プリズム基板２１およびプリズム基板２２のプリズム構造面上に形成されており、お互い比較して屈折率の高い材料（以下、Ｈと適宜称する）による誘電体膜２３ａと、屈折率の低い材料（以下、Ｌと適宜称する）による誘電体膜２３ｂとが、［Ｈ−Ｌ−Ｈ］の順に３層積層されている。
【００２８】
上述のようにプリズム構造面上に誘電体多層膜２３が形成されたプリズム基板２１およびプリズム基板２２を、それぞれのプリズム構造面が互いに対向するように配置し、プリズム基板２１の三角形状断面山部と、プリズム基板２２の三角形状断面谷部が一致するようにして貼り合せることにより偏光分離素子が作製される。基板の貼り合せは、貼り合せ面に紫外線硬化樹脂を塗布して接着層２４とし、紫外線を照射して硬化させることにより行う。
【００２９】
誘電体膜を［Ｈ−Ｌ−Ｈ］の３層構造にした場合、接着層に用いる樹脂材料の屈折率は任意のものを用いることができる。しかし、接着層として高屈折率材料の誘電体膜と近い屈折率を有する材料を用いた場合、誘電体多層膜の構造は［Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｈ−Ｈ−Ｌ−Ｈ］となっている。この場合、内側の３層（高屈折率材料誘電体膜−接着層−高屈折率材料誘電体膜）の部分ではほとんど偏光分離が起こらず、実質的には［Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ−Ｈ］の５層構造と同様であると考えられる。
【００３０】
このため、接着層には低屈折率材料を用いるほうがより好適である。接着剤としては、紫外線硬化型アクリレート系樹脂（屈折率１．５０〜１．５１）、紫外線硬化型エポキシ系樹脂（屈折率１．４６〜１．５７）、紫外線硬化型フッ素系接着剤（屈折率１．４５３〜１．５６７）、アモルファスフッ素樹脂等（屈折率１．３４）の他、熱硬化型のエポキシ系やイソシアネート系の接着剤が使用できる。屈折率を制御するためにフッ素等を添加してもよい。屈折率は１．３程度の比較的低いものが良く、透過率は９５％以上であることが望ましい。
【００３１】
この方法を用いる場合、高屈折率材料の誘電体膜からなる接着面の間に低屈折率の紫外線硬化樹脂を薄く塗布して貼り合わせるため、低屈折率の接着層が偏光分離効果をもたらす誘電体膜層の一部として機能している。つまり、屈折率に差を持たせることにより光学的効果も得られることになる。
【００３２】
一方、特許文献１に記載された光学的フィルムにおいて、接着剤は誘電体膜を多層に成膜したプリズム基板と、もう１枚のプリズム基板とを貼り合せるために用いられる。特許文献１における光学フィルムで使用する接着剤の屈折率は、上部または下部のプリズム基板の屈折率に可能な限り近くに整合されるべきである、と記載されている。つまり、接着剤は、偏光分離効果を持たせるものではなく、光学的には基板の一部として振舞うよう構成されている。
【実施例】
【００３３】
以下、実施例によりこの発明を具体的に説明するが、この発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００３４】
屈折率が１．７１である透明樹脂を、プリズム面の断面が、プリズム頂角９０°、プリズム高さ２５μｍ、プリズムピッチ５０μｍの直角二等辺三角形状であり、基板の形状が縦１０ｍｍ、横１０ｍｍの正方形となるように射出成型することにより、プリズム基板を作製する。
【００３５】
作製したプリズム基板上に、誘電体多層膜を成膜する。誘電体多層膜は、屈折率が２．３であるＮｂ2Ｏ5と、屈折率が１．５であるＳｉＯ2とを、反応性スパッタ法によりＮｂ2Ｏ5−ＳｉＯ2−Ｎｂ2Ｏ5［Ｈ−Ｌ−Ｈ］の順に交互に積層することにより作製されている。
【００３６】
次いで、誘電体多層膜を成膜したプリズム基板上に接着剤を塗布し、プリズム基板同士を貼り合わせる。屈折率１．３８の紫外線硬化型樹脂を薄く塗布したあと、紫外線硬化樹脂面と、もう一つの誘電体膜を成膜したプリズム基板のプリズム面を対向させ、山部と谷部が一致するようにし、０．０５Ｎの荷重をかけて貼り合せる。この後、紫外線を２０秒間照射して接着層を硬化させ、偏光分離素子を作製した。
【００３７】
偏光分離素子は、Ｐ偏光をできる限り透過させて、Ｓ偏光をできる限り反射させることにより、バックライトから照射された光量の無駄を少なくすることが可能である。つまり、Ｐ偏光の反射率は０％に近く、Ｓ偏光の反射率は１００％に近いことが要求される。Ｐ偏光は反射しても再利用されるが、Ｓ偏光が透過してしまうと輝度の低下の原因となるため、特にＳ偏光の反射率を向上させることが重要である。
【００３８】
上述の方法により、以下のそれぞれの実施例および比較例の偏光分離素子を作製する。
【００３９】
＜実施例１＞
偏光分離素子Ａはプリズム基板に３層の誘電体膜を形成し、プリズム基板のプリズム面を接着層を介して貼り合せて作製され、誘電体膜の厚さは接着層を中心として非対称であるように構成されている。また、プリズム面に成膜する誘電体多層膜は、プリズム基板上に高屈折率材料のＮｂ2Ｏ5を成膜し、次いで低屈折率のＳｉＯ2、高屈折率材料のＮｂ2Ｏ5を成膜することにより、プリズム基板側から高屈折率材料、低屈折率材料、高屈折率材料（［Ｈ−Ｌ−Ｈ］）となるようにし、接着層には偏光分離素子Ａ，Ｂと同様の屈折率１．３８の紫外線硬化樹脂を用いている。偏光分離素子Ａの全体の構造としては、［Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ―Ｈ］となる。以下の表１に、偏光分離素子Ａの誘電体膜材料およびその厚さを示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
＜実施例２＞
偏光分離素子Ｂはプリズム基板に３層の誘電体膜を形成し、プリズム基板のプリズム面を接着層を介して貼り合せて作製され、誘電体膜の厚さは接着層を中心として対称であるように構成した他は、実施例１と同様とする。偏光分離素子Ｂの全体の構造としては、［Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ―Ｈ］となる。以下の表２に、偏光分離素子Ｂの誘電体膜材料およびその厚さを示す。
【００４２】
【表２】
【００４３】
＜実施例３＞
偏光分離素子Ｃはプリズム基板に３層の誘電体膜を形成し、プリズム基板のプリズム面を接着層を介して貼り合せて作製され、誘電体膜材料およびその厚さは実施例２の偏光分離素子Ｂと同様であるが、接着用の紫外線硬化樹脂に屈折率が１．６のものを用いている。偏光分離素子Ｃの全体の構造としては、［Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ―Ｈ］となる。以下の表３に、偏光分離素子Ｃの誘電体膜材料およびその厚さを示す。
【００４４】
【表３】
【００４５】
＜実施例４＞
偏光分離素子Ｄはプリズム基板に２層の誘電体膜を形成し、プリズム基板のプリズム面を接着層を介して貼り合せて作製され、誘電体膜の厚さが接着層を中心として対称であるように構成されている。また、プリズム面に成膜する誘電体多層膜は、プリズム基板上に低屈折率のＳｉＯ2を成膜し、次いで高屈折率材料のＮｂ2Ｏ5を成膜することにより、外側が低屈折率材料、内側が高屈折率材料（［Ｌ−Ｈ］）となるようにし、接着層には偏光分離素子Ａ，Ｂと同様の屈折率１．３８の紫外線硬化樹脂を用いている。偏光分離素子Ｄの全体の構造としては、［Ｌ−Ｈ−Ｌ−Ｈ−Ｌ］となる。以下の表４に、偏光分離素子Ｄの誘電体膜材料およびその厚さを示す。
【００４６】
【表４】
【００４７】
＜比較例１＞
偏光分離素子Ｅは、従来知られている方法で作製した５層の誘電体膜を有する構造である。以下の表１に、偏光分離素子Ｂの誘電体膜材料およびその厚さを示す。
【００４８】
【表５】
【００４９】
このようにして作製した実施例１〜４および比較例１の偏光分離素子を用いた場合の、Ｐ偏光、Ｓ偏光の反射率を以下の表６に示す。測定は光の３原色である赤Ｒ（６５０ｎｍ）、緑Ｇ（５５０ｎｍ）、青Ｂ（４５０ｎｍ）のそれぞれについて行い、また各実施例および比較例について入射角が０°の場合と５°の場合の反射率を測定した。
【００５０】
【表６】
【００５１】
表６に示す測定結果より、比較例の偏光分離素子は入射角を５°にした場合、短波長側において急激なＳ偏光反射率の低下が起こるのに対し、各実施例の偏光分離膜は広帯域で安定した反射率を得ることができる。
【００５２】
また、偏光分離膜Ｄは外側を低屈折率材料とし、誘電体膜２層と接着層による５層構造であり、７層構造（誘電体膜上下各３層＋接着層）と比較して全体的な反射率は落ちるものの、広帯域で安定した反射率を保持しつつ、作製工程はさらに短縮されたものとなる。
【００５３】
［評価］
上述の実施例１〜４および比較例１の各偏光分離素子における偏光分離特性を測定した。測定は、白色バックライトユニット上に各実施例の偏光分離素子と偏光板を載置し、分光光度計（Ｖ−５００、日本分光製）を１８０°回転させて面内のピーク輝度を測定する。偏光分離素子を使用しないときの輝度を１として算出した各実施例および比較例における偏光分離素子の輝度を輝度向上率とした。
【００５４】
［評価結果］
各実施例の輝度向上率は、以下のとおりである。
【００５５】
実施例１ １．７倍
実施例２ １．６倍
実施例３ １．５倍
実施例４ １．４倍
比較例１ １．２倍
【００５６】
上述のように、実施例１で作製した偏光分離素子Ａは、従来の５層膜構造の偏光分離素子Ｅと比較して同等の厚さでありながら、広帯域化が可能である。また、入射角度による波長分散も少なく、可視光領域内において高い偏光分離特性を保つことができる。
【００５７】
また、実施例２の偏光分離素子Ｂは、同一の条件で作製された２枚のプリズム基板を貼り合せることにより、作製工程の簡略化が実現するとともに、偏光分離素子Ａとほぼ同等の偏光分離特性を有する。
【００５８】
実施例３の偏光分離素子Ｃは、偏光分離素子Ｂと比較して接着層の屈折率が高いため多少偏光分離効果を得にくくなるが、広帯域で十分に安定した偏光分離特性が得られるとともに、同一の条件で作製された２枚のプリズム基板を貼り合せるため作製工程の簡略化が実現する。
【００５９】
実施例４の偏光分離素子Ｄは、プリズム基板上に成膜する誘電体膜が２層であるため、偏光分子素子Ａ，Ｂ，Ｃと比較して多少偏光分離効果を得にくくなるが、成膜が２層となるため作製工程の簡略化が実現する。
【００６０】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００６１】
たとえば、１層の誘電体膜を成膜したプリズム基板を接着層を介して貼り合せた、３層の誘電体多層膜を有する偏光分離素子としてもよい。この偏光分離素子を用いる場合、製造工程をさらに短縮することができる。
【００６２】
また、誘電体膜の層数は奇数に限ったものではなく、偶数の誘電体膜を有する構造であってもよい。たとえば、一方のプリズム基板には３層、他方のプリズム基板には２層の誘電体膜を成膜し、接着層と合わせて６層の誘電体多層膜を有する偏光分離素子としてもよい。この場合も高屈折率材料と低屈折率材料が交互に積層された構造となるように注意が必要である。
【００６３】
さらに、上述の一実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【００６４】
上述のような偏光分離素子は、ＬＣＤ装置において、バックライト装置からの光をより多く、効率的に利用し、輝度を向上させるために有効であり、液晶テレビ、デジタルカメラ、携帯電話、ＰＤＡなどの液晶表示装置に用いられる。
【００６５】
この発明を適用した偏光分離素子を使用することにより、バックライト装置の低消費電力化が可能となり、ＬＣＤ装置の長寿命化につながる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】ＬＣＤ装置の構成の一例を示す略線図である。
【図２】従来の方法で作製した偏光分離素子の一例を示す略線図である。
【図３】この発明を適用した偏光分離素子の構造を示す断面図である。
【図４】この発明を適用した一実施例を示す略線図である。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・液晶パネル
２・・・光学フィルム
３・・・拡散板
７・・・光源
１１・・・プリズム基板
１２・・・プリズム基板
１３・・・高屈折率材料
１４・・・低屈折率材料
１５・・・接着層
２１・・・プリズム基板
２２・・・プリズム基板
２３・・・誘電体多層膜
２３ａ・・・高屈折率材料
２３ｂ・・・低屈折率材料
２４・・・接着層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体膜層が形成された断面三角形状の溝が連続して形成された構造面を有する第１および第２のプリズム基板が、それぞれの山部と谷部が一致するように対向し、
上記第１および第２のプリズム基板の間に接着用透明樹脂を配置して貼り合わせたことを特徴とする偏光分離素子。
【請求項２】
上記第１および第２のプリズム基板に成膜された第１および第２の誘電体膜層は、ほぼ同一の構造を有することを特徴とする請求項１に記載の偏光分離素子。
【請求項３】
上記第１および第２の誘電体膜層のそれぞれは、同一の材料を同一の順番で積層したものである請求項２に記載の偏光分離素子。
【請求項４】
上記第１および第２の誘電体膜層のそれぞれは、同一の材料を同一の順番で同一の厚みを持たせて積層したものである請求項２に記載の偏光分離素子。
【請求項５】
上記第１および第２の誘電体膜層は、１層または２層以上の薄膜を成膜してなる請求項２に記載の偏光分離素子。
【請求項６】
上記誘電体膜層は、高屈折率材料および低屈折率材料からなり、
上記プリズム基板に対して高屈折率材料および低屈折率材料を交互に成膜してなる請求項５に記載の偏光分離素子。
【請求項７】
接着層の屈折率が、接着面の誘電体膜の屈折率と０．２以上の差を有することを特徴とする請求項１に記載の偏光分離素子。
【請求項８】
上記接着層は、接着面の誘電体膜と比して低屈折率の材料からなる請求項７に記載の偏光分離素子。
【請求項９】
上記接着層は、屈折率が１．７以下である請求項６に記載の偏光分離素子。
【請求項１】
誘電体膜層が形成された断面三角形状の溝が連続して形成された構造面を有する第１および第２のプリズム基板が、それぞれの山部と谷部が一致するように対向し、
上記第１および第２のプリズム基板の間に接着用透明樹脂を配置して貼り合わせたことを特徴とする偏光分離素子。
【請求項２】
上記第１および第２のプリズム基板に成膜された第１および第２の誘電体膜層は、ほぼ同一の構造を有することを特徴とする請求項１に記載の偏光分離素子。
【請求項３】
上記第１および第２の誘電体膜層のそれぞれは、同一の材料を同一の順番で積層したものである請求項２に記載の偏光分離素子。
【請求項４】
上記第１および第２の誘電体膜層のそれぞれは、同一の材料を同一の順番で同一の厚みを持たせて積層したものである請求項２に記載の偏光分離素子。
【請求項５】
上記第１および第２の誘電体膜層は、１層または２層以上の薄膜を成膜してなる請求項２に記載の偏光分離素子。
【請求項６】
上記誘電体膜層は、高屈折率材料および低屈折率材料からなり、
上記プリズム基板に対して高屈折率材料および低屈折率材料を交互に成膜してなる請求項５に記載の偏光分離素子。
【請求項７】
接着層の屈折率が、接着面の誘電体膜の屈折率と０．２以上の差を有することを特徴とする請求項１に記載の偏光分離素子。
【請求項８】
上記接着層は、接着面の誘電体膜と比して低屈折率の材料からなる請求項７に記載の偏光分離素子。
【請求項９】
上記接着層は、屈折率が１．７以下である請求項６に記載の偏光分離素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１２６５５７（Ｐ２００６−１２６５５７Ａ）
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３１５６１８（Ｐ２００４−３１５６１８）
【出願日】平成１６年１０月２９日（２００４．１０．２９）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月２９日（２００４．１０．２９）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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