偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置
【課題】構造が簡単で耐久性が高く、構成部材の増加による製造工程の複雑化や、コスト増大、表示装置の大型化を招くことなく、光の利用効率を向上することができる偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置の提供。
【解決手段】本発明の偏光変換素子は、基材と、前記基材に設けられた偏光分離部及び偏光変換部と、を備え、入射する入射光の偏向方向を略一方向に揃えて射出する偏光変換素子であって、前記偏光分離部は、前記入射光を所定の偏光方向を有する一方の光と他の偏光方向を有する他方の光とに分離し、前記一方の光を透過させ、前記他方の光を反射し、前記偏光変換部は、前記偏光分離部で反射された前記他方の光の偏光方向を前記一方の光の偏光方向に変換し透過させることを特徴とする。
【解決手段】本発明の偏光変換素子は、基材と、前記基材に設けられた偏光分離部及び偏光変換部と、を備え、入射する入射光の偏向方向を略一方向に揃えて射出する偏光変換素子であって、前記偏光分離部は、前記入射光を所定の偏光方向を有する一方の光と他の偏光方向を有する他方の光とに分離し、前記一方の光を透過させ、前記他方の光を反射し、前記偏光変換部は、前記偏光分離部で反射された前記他方の光の偏光方向を前記一方の光の偏光方向に変換し透過させることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置に関し、特に、液晶ディスプレイやプロジェクタなどの、液晶により画像を表示する表示装置に用いられる偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、液晶を用いた表示装置において、単一の偏光方向に偏光した光を得るため、偏光板が用いられている。
例えば、ヨウ素や有機系染料などで染色したＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を一軸延伸したフィルムは、一の偏光のみを透過し、他の偏光を吸収する性質を有し、偏光板（偏光フィルム）として広く用いられている。
しかし、従来の偏光板は、入射光のうちの５０％以上が吸収されることとなるため、光の利用効率が低いという問題点があった。
【０００３】
そこで、光の偏光方向を一方向に揃え、光源からの光を効率的に利用する方法が検討されている。
例えば、特許文献１に記載の光学表示装置では、異方性積層干渉膜により、片方の偏光を透過させる一方、他方の偏光を反射させる。反射された偏光は、光共振器によって偏光配向がランダム化され、再び、異方性積層干渉膜へ入射し、その一部は透過され、他の一部は反射される。これを繰り返すことにより、最終的には、光源からの光の多く（７０％程度）を、偏光方向が揃った状態で透過させることができる。
【０００４】
また、例えば、特許文献２には、所定のプリズム上に高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層することで、片方の偏光を透過させる一方、他方の偏光を反射するように構成した再帰反射偏光子が提案されている。そして、この再帰反射偏光子と１／４波長板及び反射光源との組み合わせにより、光を効率的に利用する方法が提案されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１及び２に記載のような従来の方法では、異方性積層干渉膜や再帰反射偏光子のような偏光分離部材の他に、これらに反射された光の偏光方向を変換し、再度、偏光分離部材へと射出するための偏光変換部材を要する。このような構成部材の増加により、構造が複雑化し、偏光変換素子が大型化するとともに、偏光変換素子の耐久性が低下するおそれがあった。また、製造工程が複雑化し、コストが増大するおそれもある。さらに、偏光変換素子を用いた表示装置の大型化を招くという問題があった。
【０００６】
一方、特許文献３には、プリズム状凹凸の一部に、金属蒸着膜を形成し、広い範囲で明るい表示を得ることのできる再帰性反射板が開示されている。
しかしながら、特許文献３に記載の発明は、偏光能のない再帰性反射板に関する発明であって、本発明とは全く異なる技術的思想に基づいており、構成、作用、効果が全く異なるものである。
【０００７】
【特許文献１】特表平９−５０６９８５号公報
【特許文献２】特開２００２−１９６１４８号公報
【特許文献３】特開２００４−３７８３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記従来における諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、構造が簡単で耐久性が高く、構成部材の増加による製造工程の複雑化や、コスト増大、表示装置の大型化を招くことなく、光の利用効率を向上できる偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞ 基材と、前記基材に設けられた偏光分離部及び偏光変換部と、を備え、入射する入射光の偏向方向を略一方向に揃えて射出する偏光変換素子であって、前記偏光分離部は、前記入射光を所定の偏光方向を有する一方の光と他の偏光方向を有する他方の光とに分離し、前記一方の光を透過させ、前記他方の光を反射し、前記偏光変換部は、前記偏光分離部で反射された前記他方の光の偏光方向を前記一方の光の偏光方向に変換し透過させることを特徴とする偏光変換素子である。
該＜１＞に記載の偏光変換素子において、前記偏光分離部は、前記入射光を所定の偏光方向を有する前記一方の光と他の偏光方向を有する前記他方の光とに分離する。そして、前記一方の光は、前記偏光分離部を透過して、偏光変換素子の外部へ射出される。また、前記他方の光は前記偏光分離部に反射されて、前記偏光変換部へと向かう。
前記偏光変換部は、前記他方の光が前記偏光変換部を透過する間に、前記他方の光の偏光方向を前記一方の光の偏光方向に変換する。前記一方の光と同一の偏光方向を有するに至った前記他方の光は、偏光変換素子の外部へ射出される。
ここで、前記入射光の偏向方向を略一方向に揃える前記偏光分離部及び前記偏光変換部は、一の前記基材に集約されている。
＜２＞ 偏光分離部は、偏光変換部を透過した他方の光を反射し、前記偏光分離部を透過する一方の光の透過側に導光する前記＜１＞に記載の偏光変換素子である。
該＜２＞に記載の偏光変換素子において、前記偏光分離部は、前記偏光変換部で偏光方向が変換された前記他方の光を反射する。これにより、前記他方の光は、前記一方の光と同一の偏光方向を有した状態において、前記一方の光と同じ側に導光される。
＜３＞ 偏光変換部は、他方の光を屈折させ、偏光分離部を透過する一方の光の透過側に導光する前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の偏光変換素子である。
該＜３＞に記載の偏光変換素子において、前記偏光変換部は、前記偏光変換部で偏光方向が変換された前記他方の光を屈折させる。これにより、前記他方の光は、前記一方の光と同一の偏光方向を有した状態において、前記一方の光と同じ側に導光される。
＜４＞ 基材は、入射光が入射する入射部と、前記入射光が射出される射出部と、を有し、前記入射部及び前記射出部のいずれかは、複数の凸部を有する凹凸面であり、偏光分離部は、それぞれの前記凸部の一部に設けられ、偏光変換部は、それぞれの前記凸部の他の一部に設けられている前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の偏光変換素子である。
該＜４＞に記載の偏光変換素子において、前記基材は複数の前記凸部を有し、前記偏光分離部及び前記偏光変換部は複数の前記凸部のそれぞれに設けられている。それぞれの前記凸部に入射した前記入射光は、その前記凸部に設けられた前記偏光分離部及び前記偏光変換部により、偏向方向を略一方向に揃えられる。
＜５＞ 凸部は、入射光の進行方向と略平行な平行面と、前記入射光の進行方向と非平行な斜面と、を有し、偏光分離部は、前記斜面に設けられ、偏光変換部は、前記平行面に設けられている前記＜４＞に記載の偏光変換素子である。
該＜５＞に記載の偏光変換素子において、前記偏光分離部は前記斜面に、前記偏光変換部は前記平行面に設けられている。ここで、前記平行面は前記入射光の進行方向と平行なので、前記入射光が前記偏光分離部を介することなく、直接に前記偏光変換部に入射しにくい。つまり、前記偏光変換部には、前記偏光分離部で反射された前記他方の光のみが入射することとなる。
＜６＞ 偏光分離部と偏光変換部とは、連続して設けられている前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の偏光変換素子である。
該＜６＞に記載の偏光変換素子において、前記偏光分離部と前記偏光変換部とが連続して設けられているので、前記入射光は、両者を介し、偏向方向を略一方向に揃えられて射出される。
＜７＞ 偏光分離部は、高屈折材料と低屈折材料とが交互に複数積層された積層構造である前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の偏光変換素子である。
該＜７＞に記載の偏光変換素子において、前記高屈折材料と前記低屈折材料とが交互に複数積層された積層構造の前記偏光分離部は、前記入射光を所定の偏光方向を有する前記一方の光と他の偏光方向を有する前記他方の光とに適切に分離し、前記一方の光を透過させ、前記他方の光を反射できる。
＜８＞ 偏光変換部は、偏光方向を変換する材料の層である前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の偏光変換素子である。
該＜８＞に記載の偏光変換素子において、前記偏光方向を変換する材料の層である前記偏光変換部は、前記偏光分離部で反射された前記他方の光の偏光方向を前記一方の光の偏光方向に変換できる。
＜９＞ 偏光変換部は、基材に形成された微細凹凸構造である前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の偏光変換素子である。
該＜９＞に記載の偏光変換素子において、前記微細凹凸構造である前記偏光変換部は、前記偏光分離部で反射された前記他方の光の偏光方向を前記一方の光の偏光方向に変換できる。
＜１０＞ 前記＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の偏光変換素子を備えることを特徴とする表示装置である。
該＜１０＞に記載の表示装置は、前記＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の偏光変換素子を備え、偏光変換素子から得られる偏光方向の揃えられた光を用いて、文字や画像などの情報を表示できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、前記従来における諸問題を解決し、前記目的を達成することができ、構造が簡単で耐久性が高く、構成部材の増加による製造工程の複雑化や、コスト増大、表示装置の大型化を招くことなく、光の利用効率を向上できる偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置について、詳細に説明する。
【００１２】
（偏光変換素子）
図１は、本発明の偏光変換素子の概略構成を示す斜視図である。
図１に示すように、本発明の偏光変換素子１は、基材２と、基材２に設けられた偏光分離部３及び偏光変換部４と、を備えてなり、さらに必要に応じて、保護層５などのその他の構成を備えてなる。
このような偏光変換素子１の形態としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、偏光板や偏光フィルムなどが挙げられる。
【００１３】
＜基材＞
前記基材２の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、長方形状、正方形状、円状などが挙げられる。
基材２は、例えば、図１に示すように、長方形状の外形を有し、入射光が入射する入射部２１と、入射光が射出される射出部２２と、を有する。ここで、入射部２１及び射出部２２のいずれかは、図１に示すように、複数の凸部２３を有する凹凸面２４とされていることが好ましい。
このような凹凸面２４により、基材２の表面積を大きくし、後述する偏光分離部３及び偏光変換部４を設けるためのスペースを確保できる。これにより、偏光変換素子１を小さく、薄くすることが可能となる。
【００１４】
基材２の構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、単層、多層などが挙げられる。
基材２の大きさとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
基材２の平均厚みとしては、基材２として通常採用される範囲の厚みであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、１０μｍ〜１０ｍｍが好ましく、５０μｍ〜５ｍｍがより好ましく、１００μｍ〜１ｍｍが特に好ましい。
基材２の平均厚みは、例えば、基材２を測定計で挟んで基材２の厚みを測定する膜厚計、光学的な干渉を利用して基材２の厚みを測定する非接触膜厚計などを使用することにより、測定できる。
【００１５】
基材２の材料としては、透明であり、ある程度の強度を有するものであれば、特に制限はなく、例えば、樹脂、ガラスなどが挙げられる。
柔軟性があり、軽量である点において、基材２が樹脂であることが好ましい。
前記樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などが挙げられる。
前記熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリメチルメタクリレート樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ＭＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、熱可塑性エラストマー、又はこれらの共重合体、シクロオレフィンポリマーなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００１６】
また、従来の樹脂製の偏光フィルムと異なり、偏光変換素子１に耐熱性が付加できる点で、基材２がガラスであることも好ましい。
前記ガラスとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＢＫ７などの光学ガラス、コーニング１７３７などの液晶用ガラスなどが挙げられる。
【００１７】
また、基材２のヘイズとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、５０％以下が好ましく、３０％以下がより好ましく、１０％以下が特に好ましい。前記ヘイズが５０％を超えると、入射光が基材２を透過しにくくなり、光の利用効率が低下することがある。
ここで、前記「ヘイズ」とは、曇り度合いの値を指し、例えば、ＪＩＳ ７１０５に準拠したヘイズメータ（型番：ＨＺ−１、スガ試験機（株）製）などの測定装置により評価される値である。
【００１８】
＜＜凸部＞＞
前記凸部２３の形状は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、図２に示すように、入射光の進行方向と略平行な平行面２３Ａと、入射光の進行方向と非平行な斜面２３Ｂと、を有することが好ましい。
ただし、凸部２３の形状は、これに限定されることなく、例えば、図３に示すような円弧状の表面２３Ｃを有するものであってもよい。また、例えば、図４に示すような、格子状に配設された四角錐形状であってもよい。
【００１９】
また、各凸部２３の寸法については、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、２つの凸部２３の間隔であるピッチｐ（図２参照）は、１μｍ〜１０ｍｍが好ましく、５μｍ〜５ｍｍがより好ましく、１０μｍ〜１ｍｍが特に好ましい。このピッチｐは、凸部２３の幅に相当する。また、基材２を基準とした高さＨは、１０μｍ〜１０ｍｍが好ましく、５０μｍ〜５ｍｍがより好ましく、１００μｍ〜１ｍｍが特に好ましい。また、基材２に対する凸部２３の仰角θは、５〜７５°が好ましく、１０〜６０°がより好ましく、２０〜４５°が更に好ましく、３０°が特に好ましい。
なお、ピッチｐ、高さＨ、仰角θは、例えば、測定顕微鏡により測定することができる。装置としてはオリンパス社ＳＴＭ６などが挙げられる。
【００２０】
＜偏光分離部＞
前記偏光分離部３としては、入射光を所定の偏光方向を有する一方の光と他の偏光方向を有する他方の光とに分離し、一方の光を透過させ、他方の光を反射できれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、高屈折材料（第１の材料）と低屈折材料（第２の材料）とが交互に複数積層された積層構造が、偏光分離能や透過率の点で、好ましい。
【００２１】
＜＜高屈折材料（第１の材料）＞＞
前記高屈折材料（第１の材料）としては、前記低屈折材料（第２の材料）よりも屈折率の高い材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属酸化物、硫化物などが挙げられる。
金属酸化物としては、例えば、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＺｎＳ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＺｎＯ２、ＳｎＯ２などが挙げられる。中でも、ＴｉＯ２が、安定性の点で好ましい。
【００２２】
＜＜低屈折材料（第２の材料）＞＞
前記低屈折材料（第２の材料）としては、前記高屈折材料（第１の材料）よりも屈折率の低い材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、酸化物、フッ化物、などが挙げられる。
金属酸化物としては、例えば、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６、Ｎａ５Ａｌ３Ｆ１４、ＳｒＦ２などが挙げられる。中でも、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２が、安定性の点で好ましい。
高屈折率材料（第１の材料）と低屈折材料（第２の材料）との屈折率の差としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、０．１〜１．５が好ましく、０．２〜１がより好ましく、０．３〜０．７が特に好ましい。
高屈折率材料（第１の材料）と低屈折材料（第２の材料）の積層数としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、５〜２００層が好ましく、１０〜１００層がより好ましく、１５〜６０層が特に好ましい。
高屈折率材料（第１の材料）と低屈折材料（第２の材料）の１層の厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．０１〜１０μｍが好ましく、０．０２〜１μｍがより好ましく、０．０３〜０．５μｍが特に好ましい。
本材料の積層は、真空成膜によって行う。通常の光学コーティングと同様に、蒸着やスパッタで行うことが好ましい。それぞれの厚さは、λ／（４ｎ）の奇数倍±λ／（８ｎ）が好ましい。λは、使用する中心波長を示し、ｎはそれぞれの材料の屈折率を示す。
それぞれの膜の表面粗さは、膜形成面の表面粗さの影響を大きく受ける。膜形成面の表面粗さＲａは１μｍ以下が好ましく、０．１μｍ以下がより好ましく、０．０１μｍ以下が特に好ましい。膜形成面の表面粗さが粗すぎる場合、多層薄膜による偏光分離効果が低下してしまう。
【００２３】
このような偏光分離部３は、例えば、図２に示すように、入射光をＰ波とＳ波に分離し、Ｐ波を所定の偏光方向を有する一方の光として透過させる。一方、Ｓ波を他の偏光方向を有する他方の光として反射し、反射された他方の光は、後述する偏光変換部４へと向かう。
【００２４】
偏光分離部３は、図１から４に示すように、基材２に複数存在する個々の凸部２３の一部に設けられることが好ましい。特に、偏光分離部３は、図２に示すように、凸部２３の斜面２３Ｂに設けられることが好ましい。
また、偏光分離部３は、例えば、図２に示すように、偏光変換部４を透過した他方の光を反射し、偏光分離部３を透過する一方の光の透過側に導光することが好ましい。これにより、他方の光を、一方の光と同一の偏光方向を有した状態において、一方の光と同じ側に射出することができ、偏光方向のみならず進行方向も揃った光を得ることができる。
【００２５】
なお、図４に示すように、凸部２３が４つの面によって構成される場合、すなわち、凸部２３が、格子状に配設された四角錐形状であった場合は、各凸部２３において、最大３面に偏光分離部３が形成される。
また、いずれの場合においても、各凸部２３において共通した面に偏光分離部３が形成されることが好ましく、図１及び２に示すように、２つの面によって凸部２３が構成される場合においては、断面視でルーバー状をなすように、偏光分離部３の形成位置が構成されることがより好ましい。
【００２６】
＜偏光変換部＞
前記偏光変換部４は、偏光分離部３で反射された他方の光の偏光方向を、偏光分離部３を透過した一方の光の偏光方向に変換し透過させることができれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、偏光方向を変換する材料の層（偏光変換材料層）や、基材２に形成された微細凹凸構造などが挙げられる。
【００２７】
＜＜偏光変換材料層＞＞
前記偏光変換材料層としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、位相差膜や波長板、構造性複屈折構造膜などが挙げられる。
前記偏光変換材料層は、簡易に形成できるなどの点で、好ましい。
【００２８】
＜＜微細凹凸構造＞＞
前記微細凹凸構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、回折格子、構造性複屈折構造などが挙げられる。
前記微細凹凸構造は、耐久性などの点で、好ましい。
【００２９】
このような偏光変換部４は、例えば、図２に示すように、偏光分離部３に反射された他方の光（Ｓ波）の偏光方向を、一方の光（Ｐ波）の偏光方向に変換し、最終的にＰ波として他方の光を透過させる。
【００３０】
偏光変換部４は、図１から４に示すように、基材２に複数存在する個々の凸部２３のうち、偏光分離部３と異なる他の一部に設けられることが好ましい。偏光分離部３を凸部２３の一部に設け、偏光変換部４を凸部２３の他の一部に設けることにより、凹凸面２４の広い表面を有効に活用し、偏光変換素子１を小さく、薄くすることが可能になる。
【００３１】
特に、偏光変換部４は、図２に示すように、凸部２３の平行面２３Ａに設けられることが好ましい。
もし、入射光が直接に偏光変換部４に入射した場合、この入射光は複数の偏光方向の光が混在したまま、偏光変換素子１から射出されることとなる。このため、通常は、入射光が直接、偏光変換部４に入射しないように制御することが必要となる。このため、全ての入射光が偏光分離部３に入射するように、スリットなどを用いて、入射光の入射位置が制御される。
これに対し、偏光分離部３を斜面２３Ｂに、偏光変換部４を平行面２３Ａに設けた場合には、入射光が入射する部分を制御することが不要となる。平行面２３Ａは入射光の進行方向と平行なので、入射光は直接には偏光変換部４に入射しにくいためである。つまり、偏光変換部４には、偏光分離部３で反射された他方の光のみが入射することとなり、煩雑な入射光の制御をすることなく、効率よく偏向方向の揃った光を得ることができる。
【００３２】
また、偏光変換部４は、例えば、図２に示すように、偏光分離部３で反射された他方の光を屈折させ、偏光分離部３を透過する一方の光の透過側に導光することが好ましい。これにより、他方の光を、一方の光と同一の偏光方向を有した状態において、一方の光と同じ側に射出することができ、偏光方向のみならず進行方向も揃った光を得ることができる。
特に、他方の光を大きく屈折させることができる偏光変換部４を用いた場合には、図５に示すように、隣接する偏光分離部３による反射を用いることなく、他方の光を一方の光と同じ側に射出できる。この場合、他方の光を反射させるために偏光分離部３の仰角θを精密に調整する必要がなくなるため好ましい。他方の光を大きく屈折させる偏光変換部４としては、例えば、構造性複屈折膜などが挙げられる。
【００３３】
＜偏光分離部及び偏光変換部の位置関係＞
本発明の偏光変換素子１において、入射光の偏光方向を略一方向に揃える働きをする偏光分離部３及び偏光変換部４は、一の基材２に集約されているので、構造が簡単で耐久性が高く、構成部材の増加による製造工程の複雑化や、コスト増大、表示装置の大型化を招くことなく、光の利用効率を向上できる。
なお、偏光分離部３と偏光変換部４とは、連続して設けられていることが好ましい。
ここで、連続するとは、例えば、図１から５に示すように、偏光分離部３と偏光変換部４とが隣接、密着していることを意味する。なお、例えば、図６に示すように、凸部２３上の一部に、偏光分離部３と偏光変換部４とが重複（積層）して設けられている場合もまた、両者は連続して設けられているといえる。
このように、偏光分離部３と偏光変換部４とが連続して設けられている場合、両者の隙間を介して偏光の混在する入射光がそのまま射出されることがなくなり、入射光は両者を介して射出されるので、効率よく入射光の偏光方向をそろえることができる。
【００３４】
＜その他の構成＞
前記その他の構成としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、保護層５、平坦化膜、反射防止膜などが挙げられる。
【００３５】
＜＜保護層＞＞
前記保護層５は、例えば、図１に示すように、偏光分離部３及び偏光変換部４が形成された凸部２３（凹凸面２４）を覆うように形成される。保護膜５は、凸部２３（凹凸面２４）を覆うことによって形成された面（保護膜５における凸部２３側と反対側の面）が平坦面５Ａとなっていることが好ましい。この平坦面５Ａは、例えば、基材２の一方の面だけに凸部２３が形成された場合には、基材２の入射部２１に平行となるように形成される。
前記保護層５の材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、樹脂などが挙げられる。中でも、紫外線硬化樹脂が、生産性や強度の点で好ましい。
前記保護層５の厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．０１〜１０００μｍが好ましく、０．１〜５００μｍがより好ましく、１〜１００μｍが特に好ましい。保護層５の厚みが、０．０１μｍ未満であると、強度が不十分となることがあり、１０００μｍを超えると、反りが発生することがある。
【００３６】
（偏光変換素子の製造方法）
＜凸部の形成＞
偏光変換素子１を製造するにあたり、基材２上に凸部２３を形成する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。
【００３７】
基材２及び凸部２３を樹脂で形成する場合には、例えば、（１）ダイより押し出したシート状の樹脂材料を、この樹脂材料の押し出し速度と略同速度で回転する転写ローラ（凸部２３の反転型が表面に形成されている）と、この転写ローラに対向配置され、同速度で回転するニップローラ板とで挟圧し、転写ローラ表面の凹凸形状（凸部２３の型形状）を樹脂材料に転写する形成方法が採用できる。
また、（２）ホットプレスにより、凸部２３の反転型が表面に形成されている転写型板（スタンパー）と樹脂板とを積層し、熱転写によりプレス成形して、凸部２３が形成された基材２を製造する方法が採用できる。
【００３８】
さらに、他の製造方法として、（３）透明なフィルム（例えば、ポリエステル、セルロースアシレート、アクリル、ポリカーボネート、ポリオレフィンなど）の表面に、凹凸ローラ（凸部２３の反転型が表面に形成されている）表面の凹凸を転写形成する基材２の製造方法が採用できる。
より具体的には、表面に接着剤と樹脂とが順次塗布されることにより、接着剤層と樹脂層（例えばＵＶ硬化性樹脂）とが２層以上に形成されている透明なフィルムを連続走行させ、この透明なフィルムを回転する凹凸ローラに巻き掛け、樹脂層に凹凸ローラ表面の凹凸を転写し、透明なフィルムが凹凸ローラに巻き掛けられている状態で樹脂層を硬化させる（例えばＵＶ照射する）凹凸状シートの製造方法が採用できる。なお、接着剤はなくてもよい。
【００３９】
さらに、他の製造方法として、（４）基材２上に凸部２３が形成された形状の金型を用意し、この金型内に前述の成分の樹脂を流し込み、成形する製造方法が挙げられる。この場合は、基材２上に凸部２３をエンボスローラなどで形成するのではなく、基材２と凸部２３とを一体に成形する製造方法となる。
【００４０】
図８は、凸部２３を備えた基材２を製造する装置の一例を示す図である。図８に示すように、この装置８０は、塗布手段８２と、乾燥手段８９と、エンボスローラ８３と、樹脂硬化手段８５とを備えている。
【００４１】
基材２としては、例えば、幅５００ｍｍ、厚み１００μｍの透明なＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）のフィルムを使用する。
エンボスローラ８３としては、長さ（基材２の幅方向）が７００ｍｍ、直径が３００ｍｍのＳ４５Ｃ製で表面の材料をニッケルとしたローラを使用する。
エンボスローラ８３表面の略５００ｍｍ幅の全周に、ダイヤモンドバイト（シングルポイント）を使用した切削加工により、エンボスローラ８３の軸方向のピッチが５０μｍの溝が形成される。
溝の断面形状は、頂角が６０°の三角形状で、溝の底部も平坦部分のない９０°の三角形状である。即ち、溝幅は５０μｍであり、溝深さは約２５μｍである。
この溝は、エンボスローラ８３の周方向に継ぎ目がないエンドレスとなるので、このエンボスローラ８３により、基材２に断面が三角形の凸部２３が形成できる。エンボスローラ８３の表面には、溝加工後にニッケルメッキを施す。
塗布手段８２として、エクストルージョンタイプの塗布ヘッド８２Ｃを用いたダイコータを使用している。
塗布液（樹脂液）として、基材２の組成の樹脂液を使用した。塗布液（樹脂液）の湿潤状態の厚みは有機溶剤乾燥後の膜厚が２０μｍになるように、原料槽８２Ａから塗布ヘッド８２Ｃへの各塗布液（樹脂液）の供給量を、供給装置８２Ｂにより制御する。
乾燥手段８９として熱風循環式の乾燥装置を用いた。熱風の温度は１００℃とする。
ニップローラ８４として、直径が２００ｍｍで、表面にゴム硬度が９０度のシリコーンゴムの層を形成したローラを使用した。エンボスローラ８３と、ニップローラ８４とで基材２を押圧するニップ圧（実効のニップ圧）は、０．５Ｐａとする。
樹脂硬化手段８５としては、メタルハライドランプを使用し、１，０００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギーで照射を行う。
以上により、凸部２３が形成された基材２を作製することができる。
【００４２】
＜偏光分離部の形成＞
偏光分離部３の形成方法としては、特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、真空蒸着装置による真空蒸着や、イオンプレーティング、スパッタリングなどが挙げられ、この中でも、真空蒸着やイオンプレーティングが、成膜対象となる凸部２３の一部のみに成膜しやすいために好ましい。
また、蒸着物質の密着性を良くするための前処理として、プラズマ処理や、プライマ処理を成膜したい面に対して行うことが好ましい。
【００４３】
［真空蒸着装置］
偏光分離部３は、例えば、図９に示すような、通常の真空蒸着装置９０を用いて形成される。
この真空蒸着装置９０は、被蒸着材料である基材２を保持する試料台９１と、蒸着材料９５を加熱し、基材２に対して蒸着させるための坩堝９２と、これらが封入された系を真空にする排気系（図示省略）とを有する。排気系は、例えば、油拡散ポンプ、ロータリーポンプ、及びターボ分子ポンプのいずれか、又は二以上を複合させたものが設置される。これらの中でも、排気手順が簡易な点で、ターボ分子ポンプを採用することが好ましい。また、偏光分離部３の膜厚（層厚）を制御するために、シャッターや膜厚モニターが設置されることが好ましい。
ここで、図１０に示すように、成膜したい部分（例えば、図２における凸部２３の斜面２３Ｂ）に選択的に成膜するために、蒸着源９５と、成膜したい面とが対向するように基材２を設置する。例えば、成膜したい部分が影になってしまう場合には、影にならないような角度に基材２を設置する。
【００４４】
＜偏光変換部の形成＞
偏光変換材料層を偏光変換部４とする場合には、上述の偏光分離部３と同様の方法にて、偏光変換部４を形成することができる。
一方、基材２の微細凹凸形状を偏光変換部４とする場合には、例えば、以下の方法により、偏光変換部４を形成することができる。
すなわち、回折格子が表面に凹凸形状として形成された金型に、紫外線硬化樹脂を均一に塗布し、紫外線硬化することにより凹凸形状を転写して形成する方法が挙げられる。
【００４５】
＜保護層の形成＞
保護層５の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、２液硬化樹脂、溶媒によるコーティングで成膜することが好ましく、これらの中でも、紫外線硬化樹脂によって成膜することが好ましい。
硬化前の粘度は、１０ｃｐｓから２，０００ｃｐｓが好ましい。粘度が２，０００ｃｐｓより高いと、保護層５の平坦性が安定せず、粘度が１０ｃｐｓより低いと、必要な保護層５の厚みが得られない。
保護層５と基材２との屈折率差は、０．２以下が好ましく、０．１以下がより好ましく、０．０５以下が更に好ましく、ほぼ同じ屈折率であることが特に好ましい。屈折率差が０．２よりも大きいと、その界面で乱反射が生じるおそれがある。
【００４６】
以上のようにして、基材２の少なくとも一方の面に、複数の凸部２３が形成され、凸部２３の、斜面２３Ｂに偏光分離層３が、平行面２３Ａに偏光変換部４が形成され、凸部２３を覆うように保護膜５が形成された偏光変換素子１が完成する。
【００４７】
（表示装置）
本発明の表示装置は、前記偏光変換素子を備えるものであれば特に制限はないが、例えば、液晶ディスプレイやプロジェクタなどの、液晶により画像を表示する表示装置などが挙げられる。
【００４８】
本発明の表示装置の概略構成の一例を図７に示す。
表示装置１００は、バックライト１０１、偏光変換素子１、偏光板１０２、液晶パネル１０３、偏光板１０４を、この順に備えた液晶ディスプレイである。
このような表示装置１００において、バックライト１０１から放出された光は、入射光として偏光変換素子１に入射する。入射光は、偏光変換素子１によって、偏光方向が揃えられ、偏光板１０２に入射する。
このとき、偏光板１０２は、偏光変換素子１から射出された入射光を透過するように、入射光の偏光方向に合わせて配置されている。このため、バックライト１０１からの光の多くが、液晶パネル１０３まで到達することとなる。
液晶パネル１０３は、画素ごとに入射光の偏光方向を制御し、所望の画素からの入射光のみが、偏光板１０４を透過して、表示装置１００の外部に射出されることとなる。
従来の表示装置では、バックライトからの光の５０％が偏光板で吸収されていたところ、本発明によれば、偏光変換素子１によって、偏光板１０２への入射光の吸収を大幅に削減し、バックライト１０１からの光の利用効率を飛躍的に向上できる。
【実施例】
【００４９】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００５０】
（実施例）
＜偏光変換素子の作製＞
下記の材料を用い、図２に示すものと略同一の断面構成を有する偏光変換素子を作製した。
基板：表面にピッチ０．９ｍｍ、頂角４０度の凹凸アクリルシート（日本特殊光学樹脂ＬＰ４０）。厚さは２ｍｍ。
偏光変換部：位相差板（エドモンドオプティクス５３３３４−Ｊ）を、光学接着剤（エドモンドオプティクス社製、ＮＯＡ）で貼り付けた。
偏光分離部：次の表１の真空成膜（Ｎｏ．１から順に２０層積層）を実施。図１０の方法により、電子ビーム蒸着法により形成した。蒸着面の表面粗さは０．００５μｍだった。
なお、下層とは、基板側の層の意味である。
【００５１】
【表１】
【００５２】
（評価）
＜偏光変換効率の評価＞
光量計（マルチチャンネル分光器、オーシャンオプティクス社製）で測定。波長５３０ｎｍでの透過率で評価した。
本偏光板（偏光変換素子）の透過率は、６０％であった。
従来型の偏光板（偏光変換素子）では、原理的に５０％以下の透過率となる。原理的な不透過光を５０％とすると、そのうちの少なくとも２０％を活用できたことになる。
【００５３】
（比較例：エドモンドオプティクス社３８４９３−Ｊ）
エドモンドオプティクス社３８４９３−Ｊは、色素を含有させたポリマーを配向させ、これをフィルムではさんだ構造となっている。
この方式の偏光板（偏光変換素子）は、透過する偏光に直交する成分の光は吸収してしまうため、５０％以上の光を吸収することになる。
透過率を測定したところ、４０％であった。これは、原理的な不透過光を５０％、それ以外の損失１０％と考えることができる。原理的な不透過光５０％のうちの活用率は０％と考えられる。
【００５４】
（シミュレーション結果）
（計算例１）
基板屈折率を１．５、厚さ０．７ｍｍ、偏光変換部を微細な凹凸構造による構造複屈折位相差板とし、偏光分離部を実施例１と同様とした偏光板（偏光変換素子）について、光線追跡シミュレーションソフト「ＺＥＭＡＸ」（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）を用いてシミュレーションを行った。シミュレーション結果としては、本偏光板（偏光変換素子）の透過率が６０％であり、実施例１の結果と同等であった。
なお、微細な凹凸構造は、ＫＯＮＩＫＡ ＭＩＮＯＬＴＡ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＰＯＲＴ ＶＯＬ．３（２００６）にあるようなもので、ピッチ３００ｎｍ、高さ１，５００ｎｍとした。
【００５５】
（計算例２）
基板屈折率を１．５、厚さ０．７ｍｍ、偏光変換部を理想的位相差板とし、偏光分離部を、基板側からＴｉＯ２層（厚み４９．５ｎｍ）及びＳｉＯ２層（厚み８１．２ｎｍ）の繰り返し１０組を積層したもの（合計２０層）とした偏光板（偏光変換素子）について、光線追跡シミュレーションソフト「ＺＥＭＡＸ」（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）を用いてシミュレーションを行った。シミュレーション結果としては、本偏光板（偏光変換素子）の透過率が６４％であった。
なお、理想的位相差板とは、偏光方向を理想的に変化させられる特性を持つ位相差板とした。
【００５６】
（計算例３）
基板を屈折率を１．５、厚さ０．７ｍｍ、偏光変換部を理想的位相差板とし、偏光分離部を、基板側からＴｉＯ２層（厚み４９．５ｎｍ）及びＳｉＯ２層（厚み８１．２ｎｍ）の繰り返し３０組を積層したもの（合計６０層）とした偏光板（偏光変換素子）について、光線追跡シミュレーションソフト「ＺＥＭＡＸ」（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）を用いてシミュレーションを行った。シミュレーション結果としては、本偏光板（偏光変換素子）の透過率が６５％であった。
【００５７】
（計算例４）
基板を屈折率を１．５、厚さ０．７ｍｍ、偏光変換部を理想的位相差板とし、偏光分離部を、基板側からＴｉＯ２層（厚み４９．５ｎｍ）及びＳｉＯ２層（厚み８１．２ｎｍ）の繰り返し１００組を積層したもの（合計２００層）とした偏光板（偏光変換素子）について、光線追跡シミュレーションソフト「ＺＥＭＡＸ」（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）を用いてシミュレーションを行った。シミュレーション結果としては、本偏光板（偏光変換素子）の透過率が５８％であった。
【００５８】
（計算例５）
基板を屈折率を１．５、厚さ０．７ｍｍ、偏光変換部を理想的位相差板とし、偏光分離部を、基板側からＴｉＯ２層（厚み４９．５ｎｍ）及びＳｉＯ２層（厚み８１．２ｎｍ）の繰り返し１５０組を積層したもの（合計３００層）とした偏光板（偏光変換素子）について、光線追跡シミュレーションソフト「ＺＥＭＡＸ」（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）を用いてシミュレーションを行った。シミュレーション結果としては、本偏光板（偏光変換素子）の透過率が５１％であった。
【００５９】
本発明所定の構成を備えた実施例の偏光変換素子は、所定の構成を欠く比較例の偏光変換素子に比べ、きわめて優れた偏光変換効率を有することがわかる。
具体的には、比較例の偏光変換素子では、６０％以上の光が偏光変換素子を透過できずに失われるのに対し、実施例の偏光変換素子では、光の損失は５０％以下であり、比較例の約５／６に抑えられている。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置は、構造が簡単で耐久性が高く、構成部材の増加による製造工程の複雑化や、コスト増大、表示装置の大型化を招くことなく、光の利用効率を向上することができる偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置として好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、本発明の偏光変換素子を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の偏光変換素子の凸部を拡大した正面図である。
【図３】図３は、本発明の偏光変換素子の他の実施形態における凸部を拡大した正面図である。
【図４】図４は、本発明の他の実施形態における偏光変換素子を示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明の偏光変換素子の他の実施形態における凸部を拡大した正面図である。
【図６】図６は、本発明の偏光変換素子の他の実施形態における凸部を拡大した正面図である。
【図７】図７は、本発明の表示装置の概略構成を示す図である。
【図８】図８は、凸部を備えた基材の製造に用いられる製造装置の構成を示す図である。
【図９】図９は、偏光分離部を形成する際に用いられる蒸着装置の構成を示す断面図である。
【図１０】図１０は、偏光分離部を形成する際の、蒸着源に対する支持体の設置態様を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 偏光変換素子
２ 基材
３ 偏光分離部
４ 偏光変換部
５ 保護層
５Ａ 平坦面
２１ 入射部
２２ 射出部
２３ 凸部
２３Ａ 平行面
２３Ｂ 斜面
２４ 凹凸面
８０ 製造装置
８２ 塗布手段
８２Ａ 原料槽
８２Ｂ 供給装置
８２Ｃ 塗布ヘッド
８３ エンボスローラ
８４ ニップローラ
８５ 樹脂硬化手段
８９ 乾燥手段
９０ 真空蒸着装置
９１ 試料台
９２ 坩堝
９５ 蒸着材料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置に関し、特に、液晶ディスプレイやプロジェクタなどの、液晶により画像を表示する表示装置に用いられる偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、液晶を用いた表示装置において、単一の偏光方向に偏光した光を得るため、偏光板が用いられている。
例えば、ヨウ素や有機系染料などで染色したＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を一軸延伸したフィルムは、一の偏光のみを透過し、他の偏光を吸収する性質を有し、偏光板（偏光フィルム）として広く用いられている。
しかし、従来の偏光板は、入射光のうちの５０％以上が吸収されることとなるため、光の利用効率が低いという問題点があった。
【０００３】
そこで、光の偏光方向を一方向に揃え、光源からの光を効率的に利用する方法が検討されている。
例えば、特許文献１に記載の光学表示装置では、異方性積層干渉膜により、片方の偏光を透過させる一方、他方の偏光を反射させる。反射された偏光は、光共振器によって偏光配向がランダム化され、再び、異方性積層干渉膜へ入射し、その一部は透過され、他の一部は反射される。これを繰り返すことにより、最終的には、光源からの光の多く（７０％程度）を、偏光方向が揃った状態で透過させることができる。
【０００４】
また、例えば、特許文献２には、所定のプリズム上に高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層することで、片方の偏光を透過させる一方、他方の偏光を反射するように構成した再帰反射偏光子が提案されている。そして、この再帰反射偏光子と１／４波長板及び反射光源との組み合わせにより、光を効率的に利用する方法が提案されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１及び２に記載のような従来の方法では、異方性積層干渉膜や再帰反射偏光子のような偏光分離部材の他に、これらに反射された光の偏光方向を変換し、再度、偏光分離部材へと射出するための偏光変換部材を要する。このような構成部材の増加により、構造が複雑化し、偏光変換素子が大型化するとともに、偏光変換素子の耐久性が低下するおそれがあった。また、製造工程が複雑化し、コストが増大するおそれもある。さらに、偏光変換素子を用いた表示装置の大型化を招くという問題があった。
【０００６】
一方、特許文献３には、プリズム状凹凸の一部に、金属蒸着膜を形成し、広い範囲で明るい表示を得ることのできる再帰性反射板が開示されている。
しかしながら、特許文献３に記載の発明は、偏光能のない再帰性反射板に関する発明であって、本発明とは全く異なる技術的思想に基づいており、構成、作用、効果が全く異なるものである。
【０００７】
【特許文献１】特表平９−５０６９８５号公報
【特許文献２】特開２００２−１９６１４８号公報
【特許文献３】特開２００４−３７８３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記従来における諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、構造が簡単で耐久性が高く、構成部材の増加による製造工程の複雑化や、コスト増大、表示装置の大型化を招くことなく、光の利用効率を向上できる偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞ 基材と、前記基材に設けられた偏光分離部及び偏光変換部と、を備え、入射する入射光の偏向方向を略一方向に揃えて射出する偏光変換素子であって、前記偏光分離部は、前記入射光を所定の偏光方向を有する一方の光と他の偏光方向を有する他方の光とに分離し、前記一方の光を透過させ、前記他方の光を反射し、前記偏光変換部は、前記偏光分離部で反射された前記他方の光の偏光方向を前記一方の光の偏光方向に変換し透過させることを特徴とする偏光変換素子である。
該＜１＞に記載の偏光変換素子において、前記偏光分離部は、前記入射光を所定の偏光方向を有する前記一方の光と他の偏光方向を有する前記他方の光とに分離する。そして、前記一方の光は、前記偏光分離部を透過して、偏光変換素子の外部へ射出される。また、前記他方の光は前記偏光分離部に反射されて、前記偏光変換部へと向かう。
前記偏光変換部は、前記他方の光が前記偏光変換部を透過する間に、前記他方の光の偏光方向を前記一方の光の偏光方向に変換する。前記一方の光と同一の偏光方向を有するに至った前記他方の光は、偏光変換素子の外部へ射出される。
ここで、前記入射光の偏向方向を略一方向に揃える前記偏光分離部及び前記偏光変換部は、一の前記基材に集約されている。
＜２＞ 偏光分離部は、偏光変換部を透過した他方の光を反射し、前記偏光分離部を透過する一方の光の透過側に導光する前記＜１＞に記載の偏光変換素子である。
該＜２＞に記載の偏光変換素子において、前記偏光分離部は、前記偏光変換部で偏光方向が変換された前記他方の光を反射する。これにより、前記他方の光は、前記一方の光と同一の偏光方向を有した状態において、前記一方の光と同じ側に導光される。
＜３＞ 偏光変換部は、他方の光を屈折させ、偏光分離部を透過する一方の光の透過側に導光する前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の偏光変換素子である。
該＜３＞に記載の偏光変換素子において、前記偏光変換部は、前記偏光変換部で偏光方向が変換された前記他方の光を屈折させる。これにより、前記他方の光は、前記一方の光と同一の偏光方向を有した状態において、前記一方の光と同じ側に導光される。
＜４＞ 基材は、入射光が入射する入射部と、前記入射光が射出される射出部と、を有し、前記入射部及び前記射出部のいずれかは、複数の凸部を有する凹凸面であり、偏光分離部は、それぞれの前記凸部の一部に設けられ、偏光変換部は、それぞれの前記凸部の他の一部に設けられている前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の偏光変換素子である。
該＜４＞に記載の偏光変換素子において、前記基材は複数の前記凸部を有し、前記偏光分離部及び前記偏光変換部は複数の前記凸部のそれぞれに設けられている。それぞれの前記凸部に入射した前記入射光は、その前記凸部に設けられた前記偏光分離部及び前記偏光変換部により、偏向方向を略一方向に揃えられる。
＜５＞ 凸部は、入射光の進行方向と略平行な平行面と、前記入射光の進行方向と非平行な斜面と、を有し、偏光分離部は、前記斜面に設けられ、偏光変換部は、前記平行面に設けられている前記＜４＞に記載の偏光変換素子である。
該＜５＞に記載の偏光変換素子において、前記偏光分離部は前記斜面に、前記偏光変換部は前記平行面に設けられている。ここで、前記平行面は前記入射光の進行方向と平行なので、前記入射光が前記偏光分離部を介することなく、直接に前記偏光変換部に入射しにくい。つまり、前記偏光変換部には、前記偏光分離部で反射された前記他方の光のみが入射することとなる。
＜６＞ 偏光分離部と偏光変換部とは、連続して設けられている前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の偏光変換素子である。
該＜６＞に記載の偏光変換素子において、前記偏光分離部と前記偏光変換部とが連続して設けられているので、前記入射光は、両者を介し、偏向方向を略一方向に揃えられて射出される。
＜７＞ 偏光分離部は、高屈折材料と低屈折材料とが交互に複数積層された積層構造である前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の偏光変換素子である。
該＜７＞に記載の偏光変換素子において、前記高屈折材料と前記低屈折材料とが交互に複数積層された積層構造の前記偏光分離部は、前記入射光を所定の偏光方向を有する前記一方の光と他の偏光方向を有する前記他方の光とに適切に分離し、前記一方の光を透過させ、前記他方の光を反射できる。
＜８＞ 偏光変換部は、偏光方向を変換する材料の層である前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の偏光変換素子である。
該＜８＞に記載の偏光変換素子において、前記偏光方向を変換する材料の層である前記偏光変換部は、前記偏光分離部で反射された前記他方の光の偏光方向を前記一方の光の偏光方向に変換できる。
＜９＞ 偏光変換部は、基材に形成された微細凹凸構造である前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の偏光変換素子である。
該＜９＞に記載の偏光変換素子において、前記微細凹凸構造である前記偏光変換部は、前記偏光分離部で反射された前記他方の光の偏光方向を前記一方の光の偏光方向に変換できる。
＜１０＞ 前記＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の偏光変換素子を備えることを特徴とする表示装置である。
該＜１０＞に記載の表示装置は、前記＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の偏光変換素子を備え、偏光変換素子から得られる偏光方向の揃えられた光を用いて、文字や画像などの情報を表示できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、前記従来における諸問題を解決し、前記目的を達成することができ、構造が簡単で耐久性が高く、構成部材の増加による製造工程の複雑化や、コスト増大、表示装置の大型化を招くことなく、光の利用効率を向上できる偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置について、詳細に説明する。
【００１２】
（偏光変換素子）
図１は、本発明の偏光変換素子の概略構成を示す斜視図である。
図１に示すように、本発明の偏光変換素子１は、基材２と、基材２に設けられた偏光分離部３及び偏光変換部４と、を備えてなり、さらに必要に応じて、保護層５などのその他の構成を備えてなる。
このような偏光変換素子１の形態としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、偏光板や偏光フィルムなどが挙げられる。
【００１３】
＜基材＞
前記基材２の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、長方形状、正方形状、円状などが挙げられる。
基材２は、例えば、図１に示すように、長方形状の外形を有し、入射光が入射する入射部２１と、入射光が射出される射出部２２と、を有する。ここで、入射部２１及び射出部２２のいずれかは、図１に示すように、複数の凸部２３を有する凹凸面２４とされていることが好ましい。
このような凹凸面２４により、基材２の表面積を大きくし、後述する偏光分離部３及び偏光変換部４を設けるためのスペースを確保できる。これにより、偏光変換素子１を小さく、薄くすることが可能となる。
【００１４】
基材２の構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、単層、多層などが挙げられる。
基材２の大きさとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
基材２の平均厚みとしては、基材２として通常採用される範囲の厚みであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、１０μｍ〜１０ｍｍが好ましく、５０μｍ〜５ｍｍがより好ましく、１００μｍ〜１ｍｍが特に好ましい。
基材２の平均厚みは、例えば、基材２を測定計で挟んで基材２の厚みを測定する膜厚計、光学的な干渉を利用して基材２の厚みを測定する非接触膜厚計などを使用することにより、測定できる。
【００１５】
基材２の材料としては、透明であり、ある程度の強度を有するものであれば、特に制限はなく、例えば、樹脂、ガラスなどが挙げられる。
柔軟性があり、軽量である点において、基材２が樹脂であることが好ましい。
前記樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などが挙げられる。
前記熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリメチルメタクリレート樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ＭＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、熱可塑性エラストマー、又はこれらの共重合体、シクロオレフィンポリマーなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００１６】
また、従来の樹脂製の偏光フィルムと異なり、偏光変換素子１に耐熱性が付加できる点で、基材２がガラスであることも好ましい。
前記ガラスとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＢＫ７などの光学ガラス、コーニング１７３７などの液晶用ガラスなどが挙げられる。
【００１７】
また、基材２のヘイズとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、５０％以下が好ましく、３０％以下がより好ましく、１０％以下が特に好ましい。前記ヘイズが５０％を超えると、入射光が基材２を透過しにくくなり、光の利用効率が低下することがある。
ここで、前記「ヘイズ」とは、曇り度合いの値を指し、例えば、ＪＩＳ ７１０５に準拠したヘイズメータ（型番：ＨＺ−１、スガ試験機（株）製）などの測定装置により評価される値である。
【００１８】
＜＜凸部＞＞
前記凸部２３の形状は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、図２に示すように、入射光の進行方向と略平行な平行面２３Ａと、入射光の進行方向と非平行な斜面２３Ｂと、を有することが好ましい。
ただし、凸部２３の形状は、これに限定されることなく、例えば、図３に示すような円弧状の表面２３Ｃを有するものであってもよい。また、例えば、図４に示すような、格子状に配設された四角錐形状であってもよい。
【００１９】
また、各凸部２３の寸法については、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、２つの凸部２３の間隔であるピッチｐ（図２参照）は、１μｍ〜１０ｍｍが好ましく、５μｍ〜５ｍｍがより好ましく、１０μｍ〜１ｍｍが特に好ましい。このピッチｐは、凸部２３の幅に相当する。また、基材２を基準とした高さＨは、１０μｍ〜１０ｍｍが好ましく、５０μｍ〜５ｍｍがより好ましく、１００μｍ〜１ｍｍが特に好ましい。また、基材２に対する凸部２３の仰角θは、５〜７５°が好ましく、１０〜６０°がより好ましく、２０〜４５°が更に好ましく、３０°が特に好ましい。
なお、ピッチｐ、高さＨ、仰角θは、例えば、測定顕微鏡により測定することができる。装置としてはオリンパス社ＳＴＭ６などが挙げられる。
【００２０】
＜偏光分離部＞
前記偏光分離部３としては、入射光を所定の偏光方向を有する一方の光と他の偏光方向を有する他方の光とに分離し、一方の光を透過させ、他方の光を反射できれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、高屈折材料（第１の材料）と低屈折材料（第２の材料）とが交互に複数積層された積層構造が、偏光分離能や透過率の点で、好ましい。
【００２１】
＜＜高屈折材料（第１の材料）＞＞
前記高屈折材料（第１の材料）としては、前記低屈折材料（第２の材料）よりも屈折率の高い材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属酸化物、硫化物などが挙げられる。
金属酸化物としては、例えば、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＺｎＳ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＺｎＯ２、ＳｎＯ２などが挙げられる。中でも、ＴｉＯ２が、安定性の点で好ましい。
【００２２】
＜＜低屈折材料（第２の材料）＞＞
前記低屈折材料（第２の材料）としては、前記高屈折材料（第１の材料）よりも屈折率の低い材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、酸化物、フッ化物、などが挙げられる。
金属酸化物としては、例えば、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６、Ｎａ５Ａｌ３Ｆ１４、ＳｒＦ２などが挙げられる。中でも、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２が、安定性の点で好ましい。
高屈折率材料（第１の材料）と低屈折材料（第２の材料）との屈折率の差としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、０．１〜１．５が好ましく、０．２〜１がより好ましく、０．３〜０．７が特に好ましい。
高屈折率材料（第１の材料）と低屈折材料（第２の材料）の積層数としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、５〜２００層が好ましく、１０〜１００層がより好ましく、１５〜６０層が特に好ましい。
高屈折率材料（第１の材料）と低屈折材料（第２の材料）の１層の厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．０１〜１０μｍが好ましく、０．０２〜１μｍがより好ましく、０．０３〜０．５μｍが特に好ましい。
本材料の積層は、真空成膜によって行う。通常の光学コーティングと同様に、蒸着やスパッタで行うことが好ましい。それぞれの厚さは、λ／（４ｎ）の奇数倍±λ／（８ｎ）が好ましい。λは、使用する中心波長を示し、ｎはそれぞれの材料の屈折率を示す。
それぞれの膜の表面粗さは、膜形成面の表面粗さの影響を大きく受ける。膜形成面の表面粗さＲａは１μｍ以下が好ましく、０．１μｍ以下がより好ましく、０．０１μｍ以下が特に好ましい。膜形成面の表面粗さが粗すぎる場合、多層薄膜による偏光分離効果が低下してしまう。
【００２３】
このような偏光分離部３は、例えば、図２に示すように、入射光をＰ波とＳ波に分離し、Ｐ波を所定の偏光方向を有する一方の光として透過させる。一方、Ｓ波を他の偏光方向を有する他方の光として反射し、反射された他方の光は、後述する偏光変換部４へと向かう。
【００２４】
偏光分離部３は、図１から４に示すように、基材２に複数存在する個々の凸部２３の一部に設けられることが好ましい。特に、偏光分離部３は、図２に示すように、凸部２３の斜面２３Ｂに設けられることが好ましい。
また、偏光分離部３は、例えば、図２に示すように、偏光変換部４を透過した他方の光を反射し、偏光分離部３を透過する一方の光の透過側に導光することが好ましい。これにより、他方の光を、一方の光と同一の偏光方向を有した状態において、一方の光と同じ側に射出することができ、偏光方向のみならず進行方向も揃った光を得ることができる。
【００２５】
なお、図４に示すように、凸部２３が４つの面によって構成される場合、すなわち、凸部２３が、格子状に配設された四角錐形状であった場合は、各凸部２３において、最大３面に偏光分離部３が形成される。
また、いずれの場合においても、各凸部２３において共通した面に偏光分離部３が形成されることが好ましく、図１及び２に示すように、２つの面によって凸部２３が構成される場合においては、断面視でルーバー状をなすように、偏光分離部３の形成位置が構成されることがより好ましい。
【００２６】
＜偏光変換部＞
前記偏光変換部４は、偏光分離部３で反射された他方の光の偏光方向を、偏光分離部３を透過した一方の光の偏光方向に変換し透過させることができれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、偏光方向を変換する材料の層（偏光変換材料層）や、基材２に形成された微細凹凸構造などが挙げられる。
【００２７】
＜＜偏光変換材料層＞＞
前記偏光変換材料層としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、位相差膜や波長板、構造性複屈折構造膜などが挙げられる。
前記偏光変換材料層は、簡易に形成できるなどの点で、好ましい。
【００２８】
＜＜微細凹凸構造＞＞
前記微細凹凸構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、回折格子、構造性複屈折構造などが挙げられる。
前記微細凹凸構造は、耐久性などの点で、好ましい。
【００２９】
このような偏光変換部４は、例えば、図２に示すように、偏光分離部３に反射された他方の光（Ｓ波）の偏光方向を、一方の光（Ｐ波）の偏光方向に変換し、最終的にＰ波として他方の光を透過させる。
【００３０】
偏光変換部４は、図１から４に示すように、基材２に複数存在する個々の凸部２３のうち、偏光分離部３と異なる他の一部に設けられることが好ましい。偏光分離部３を凸部２３の一部に設け、偏光変換部４を凸部２３の他の一部に設けることにより、凹凸面２４の広い表面を有効に活用し、偏光変換素子１を小さく、薄くすることが可能になる。
【００３１】
特に、偏光変換部４は、図２に示すように、凸部２３の平行面２３Ａに設けられることが好ましい。
もし、入射光が直接に偏光変換部４に入射した場合、この入射光は複数の偏光方向の光が混在したまま、偏光変換素子１から射出されることとなる。このため、通常は、入射光が直接、偏光変換部４に入射しないように制御することが必要となる。このため、全ての入射光が偏光分離部３に入射するように、スリットなどを用いて、入射光の入射位置が制御される。
これに対し、偏光分離部３を斜面２３Ｂに、偏光変換部４を平行面２３Ａに設けた場合には、入射光が入射する部分を制御することが不要となる。平行面２３Ａは入射光の進行方向と平行なので、入射光は直接には偏光変換部４に入射しにくいためである。つまり、偏光変換部４には、偏光分離部３で反射された他方の光のみが入射することとなり、煩雑な入射光の制御をすることなく、効率よく偏向方向の揃った光を得ることができる。
【００３２】
また、偏光変換部４は、例えば、図２に示すように、偏光分離部３で反射された他方の光を屈折させ、偏光分離部３を透過する一方の光の透過側に導光することが好ましい。これにより、他方の光を、一方の光と同一の偏光方向を有した状態において、一方の光と同じ側に射出することができ、偏光方向のみならず進行方向も揃った光を得ることができる。
特に、他方の光を大きく屈折させることができる偏光変換部４を用いた場合には、図５に示すように、隣接する偏光分離部３による反射を用いることなく、他方の光を一方の光と同じ側に射出できる。この場合、他方の光を反射させるために偏光分離部３の仰角θを精密に調整する必要がなくなるため好ましい。他方の光を大きく屈折させる偏光変換部４としては、例えば、構造性複屈折膜などが挙げられる。
【００３３】
＜偏光分離部及び偏光変換部の位置関係＞
本発明の偏光変換素子１において、入射光の偏光方向を略一方向に揃える働きをする偏光分離部３及び偏光変換部４は、一の基材２に集約されているので、構造が簡単で耐久性が高く、構成部材の増加による製造工程の複雑化や、コスト増大、表示装置の大型化を招くことなく、光の利用効率を向上できる。
なお、偏光分離部３と偏光変換部４とは、連続して設けられていることが好ましい。
ここで、連続するとは、例えば、図１から５に示すように、偏光分離部３と偏光変換部４とが隣接、密着していることを意味する。なお、例えば、図６に示すように、凸部２３上の一部に、偏光分離部３と偏光変換部４とが重複（積層）して設けられている場合もまた、両者は連続して設けられているといえる。
このように、偏光分離部３と偏光変換部４とが連続して設けられている場合、両者の隙間を介して偏光の混在する入射光がそのまま射出されることがなくなり、入射光は両者を介して射出されるので、効率よく入射光の偏光方向をそろえることができる。
【００３４】
＜その他の構成＞
前記その他の構成としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、保護層５、平坦化膜、反射防止膜などが挙げられる。
【００３５】
＜＜保護層＞＞
前記保護層５は、例えば、図１に示すように、偏光分離部３及び偏光変換部４が形成された凸部２３（凹凸面２４）を覆うように形成される。保護膜５は、凸部２３（凹凸面２４）を覆うことによって形成された面（保護膜５における凸部２３側と反対側の面）が平坦面５Ａとなっていることが好ましい。この平坦面５Ａは、例えば、基材２の一方の面だけに凸部２３が形成された場合には、基材２の入射部２１に平行となるように形成される。
前記保護層５の材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、樹脂などが挙げられる。中でも、紫外線硬化樹脂が、生産性や強度の点で好ましい。
前記保護層５の厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．０１〜１０００μｍが好ましく、０．１〜５００μｍがより好ましく、１〜１００μｍが特に好ましい。保護層５の厚みが、０．０１μｍ未満であると、強度が不十分となることがあり、１０００μｍを超えると、反りが発生することがある。
【００３６】
（偏光変換素子の製造方法）
＜凸部の形成＞
偏光変換素子１を製造するにあたり、基材２上に凸部２３を形成する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。
【００３７】
基材２及び凸部２３を樹脂で形成する場合には、例えば、（１）ダイより押し出したシート状の樹脂材料を、この樹脂材料の押し出し速度と略同速度で回転する転写ローラ（凸部２３の反転型が表面に形成されている）と、この転写ローラに対向配置され、同速度で回転するニップローラ板とで挟圧し、転写ローラ表面の凹凸形状（凸部２３の型形状）を樹脂材料に転写する形成方法が採用できる。
また、（２）ホットプレスにより、凸部２３の反転型が表面に形成されている転写型板（スタンパー）と樹脂板とを積層し、熱転写によりプレス成形して、凸部２３が形成された基材２を製造する方法が採用できる。
【００３８】
さらに、他の製造方法として、（３）透明なフィルム（例えば、ポリエステル、セルロースアシレート、アクリル、ポリカーボネート、ポリオレフィンなど）の表面に、凹凸ローラ（凸部２３の反転型が表面に形成されている）表面の凹凸を転写形成する基材２の製造方法が採用できる。
より具体的には、表面に接着剤と樹脂とが順次塗布されることにより、接着剤層と樹脂層（例えばＵＶ硬化性樹脂）とが２層以上に形成されている透明なフィルムを連続走行させ、この透明なフィルムを回転する凹凸ローラに巻き掛け、樹脂層に凹凸ローラ表面の凹凸を転写し、透明なフィルムが凹凸ローラに巻き掛けられている状態で樹脂層を硬化させる（例えばＵＶ照射する）凹凸状シートの製造方法が採用できる。なお、接着剤はなくてもよい。
【００３９】
さらに、他の製造方法として、（４）基材２上に凸部２３が形成された形状の金型を用意し、この金型内に前述の成分の樹脂を流し込み、成形する製造方法が挙げられる。この場合は、基材２上に凸部２３をエンボスローラなどで形成するのではなく、基材２と凸部２３とを一体に成形する製造方法となる。
【００４０】
図８は、凸部２３を備えた基材２を製造する装置の一例を示す図である。図８に示すように、この装置８０は、塗布手段８２と、乾燥手段８９と、エンボスローラ８３と、樹脂硬化手段８５とを備えている。
【００４１】
基材２としては、例えば、幅５００ｍｍ、厚み１００μｍの透明なＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）のフィルムを使用する。
エンボスローラ８３としては、長さ（基材２の幅方向）が７００ｍｍ、直径が３００ｍｍのＳ４５Ｃ製で表面の材料をニッケルとしたローラを使用する。
エンボスローラ８３表面の略５００ｍｍ幅の全周に、ダイヤモンドバイト（シングルポイント）を使用した切削加工により、エンボスローラ８３の軸方向のピッチが５０μｍの溝が形成される。
溝の断面形状は、頂角が６０°の三角形状で、溝の底部も平坦部分のない９０°の三角形状である。即ち、溝幅は５０μｍであり、溝深さは約２５μｍである。
この溝は、エンボスローラ８３の周方向に継ぎ目がないエンドレスとなるので、このエンボスローラ８３により、基材２に断面が三角形の凸部２３が形成できる。エンボスローラ８３の表面には、溝加工後にニッケルメッキを施す。
塗布手段８２として、エクストルージョンタイプの塗布ヘッド８２Ｃを用いたダイコータを使用している。
塗布液（樹脂液）として、基材２の組成の樹脂液を使用した。塗布液（樹脂液）の湿潤状態の厚みは有機溶剤乾燥後の膜厚が２０μｍになるように、原料槽８２Ａから塗布ヘッド８２Ｃへの各塗布液（樹脂液）の供給量を、供給装置８２Ｂにより制御する。
乾燥手段８９として熱風循環式の乾燥装置を用いた。熱風の温度は１００℃とする。
ニップローラ８４として、直径が２００ｍｍで、表面にゴム硬度が９０度のシリコーンゴムの層を形成したローラを使用した。エンボスローラ８３と、ニップローラ８４とで基材２を押圧するニップ圧（実効のニップ圧）は、０．５Ｐａとする。
樹脂硬化手段８５としては、メタルハライドランプを使用し、１，０００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギーで照射を行う。
以上により、凸部２３が形成された基材２を作製することができる。
【００４２】
＜偏光分離部の形成＞
偏光分離部３の形成方法としては、特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、真空蒸着装置による真空蒸着や、イオンプレーティング、スパッタリングなどが挙げられ、この中でも、真空蒸着やイオンプレーティングが、成膜対象となる凸部２３の一部のみに成膜しやすいために好ましい。
また、蒸着物質の密着性を良くするための前処理として、プラズマ処理や、プライマ処理を成膜したい面に対して行うことが好ましい。
【００４３】
［真空蒸着装置］
偏光分離部３は、例えば、図９に示すような、通常の真空蒸着装置９０を用いて形成される。
この真空蒸着装置９０は、被蒸着材料である基材２を保持する試料台９１と、蒸着材料９５を加熱し、基材２に対して蒸着させるための坩堝９２と、これらが封入された系を真空にする排気系（図示省略）とを有する。排気系は、例えば、油拡散ポンプ、ロータリーポンプ、及びターボ分子ポンプのいずれか、又は二以上を複合させたものが設置される。これらの中でも、排気手順が簡易な点で、ターボ分子ポンプを採用することが好ましい。また、偏光分離部３の膜厚（層厚）を制御するために、シャッターや膜厚モニターが設置されることが好ましい。
ここで、図１０に示すように、成膜したい部分（例えば、図２における凸部２３の斜面２３Ｂ）に選択的に成膜するために、蒸着源９５と、成膜したい面とが対向するように基材２を設置する。例えば、成膜したい部分が影になってしまう場合には、影にならないような角度に基材２を設置する。
【００４４】
＜偏光変換部の形成＞
偏光変換材料層を偏光変換部４とする場合には、上述の偏光分離部３と同様の方法にて、偏光変換部４を形成することができる。
一方、基材２の微細凹凸形状を偏光変換部４とする場合には、例えば、以下の方法により、偏光変換部４を形成することができる。
すなわち、回折格子が表面に凹凸形状として形成された金型に、紫外線硬化樹脂を均一に塗布し、紫外線硬化することにより凹凸形状を転写して形成する方法が挙げられる。
【００４５】
＜保護層の形成＞
保護層５の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、２液硬化樹脂、溶媒によるコーティングで成膜することが好ましく、これらの中でも、紫外線硬化樹脂によって成膜することが好ましい。
硬化前の粘度は、１０ｃｐｓから２，０００ｃｐｓが好ましい。粘度が２，０００ｃｐｓより高いと、保護層５の平坦性が安定せず、粘度が１０ｃｐｓより低いと、必要な保護層５の厚みが得られない。
保護層５と基材２との屈折率差は、０．２以下が好ましく、０．１以下がより好ましく、０．０５以下が更に好ましく、ほぼ同じ屈折率であることが特に好ましい。屈折率差が０．２よりも大きいと、その界面で乱反射が生じるおそれがある。
【００４６】
以上のようにして、基材２の少なくとも一方の面に、複数の凸部２３が形成され、凸部２３の、斜面２３Ｂに偏光分離層３が、平行面２３Ａに偏光変換部４が形成され、凸部２３を覆うように保護膜５が形成された偏光変換素子１が完成する。
【００４７】
（表示装置）
本発明の表示装置は、前記偏光変換素子を備えるものであれば特に制限はないが、例えば、液晶ディスプレイやプロジェクタなどの、液晶により画像を表示する表示装置などが挙げられる。
【００４８】
本発明の表示装置の概略構成の一例を図７に示す。
表示装置１００は、バックライト１０１、偏光変換素子１、偏光板１０２、液晶パネル１０３、偏光板１０４を、この順に備えた液晶ディスプレイである。
このような表示装置１００において、バックライト１０１から放出された光は、入射光として偏光変換素子１に入射する。入射光は、偏光変換素子１によって、偏光方向が揃えられ、偏光板１０２に入射する。
このとき、偏光板１０２は、偏光変換素子１から射出された入射光を透過するように、入射光の偏光方向に合わせて配置されている。このため、バックライト１０１からの光の多くが、液晶パネル１０３まで到達することとなる。
液晶パネル１０３は、画素ごとに入射光の偏光方向を制御し、所望の画素からの入射光のみが、偏光板１０４を透過して、表示装置１００の外部に射出されることとなる。
従来の表示装置では、バックライトからの光の５０％が偏光板で吸収されていたところ、本発明によれば、偏光変換素子１によって、偏光板１０２への入射光の吸収を大幅に削減し、バックライト１０１からの光の利用効率を飛躍的に向上できる。
【実施例】
【００４９】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００５０】
（実施例）
＜偏光変換素子の作製＞
下記の材料を用い、図２に示すものと略同一の断面構成を有する偏光変換素子を作製した。
基板：表面にピッチ０．９ｍｍ、頂角４０度の凹凸アクリルシート（日本特殊光学樹脂ＬＰ４０）。厚さは２ｍｍ。
偏光変換部：位相差板（エドモンドオプティクス５３３３４−Ｊ）を、光学接着剤（エドモンドオプティクス社製、ＮＯＡ）で貼り付けた。
偏光分離部：次の表１の真空成膜（Ｎｏ．１から順に２０層積層）を実施。図１０の方法により、電子ビーム蒸着法により形成した。蒸着面の表面粗さは０．００５μｍだった。
なお、下層とは、基板側の層の意味である。
【００５１】
【表１】
【００５２】
（評価）
＜偏光変換効率の評価＞
光量計（マルチチャンネル分光器、オーシャンオプティクス社製）で測定。波長５３０ｎｍでの透過率で評価した。
本偏光板（偏光変換素子）の透過率は、６０％であった。
従来型の偏光板（偏光変換素子）では、原理的に５０％以下の透過率となる。原理的な不透過光を５０％とすると、そのうちの少なくとも２０％を活用できたことになる。
【００５３】
（比較例：エドモンドオプティクス社３８４９３−Ｊ）
エドモンドオプティクス社３８４９３−Ｊは、色素を含有させたポリマーを配向させ、これをフィルムではさんだ構造となっている。
この方式の偏光板（偏光変換素子）は、透過する偏光に直交する成分の光は吸収してしまうため、５０％以上の光を吸収することになる。
透過率を測定したところ、４０％であった。これは、原理的な不透過光を５０％、それ以外の損失１０％と考えることができる。原理的な不透過光５０％のうちの活用率は０％と考えられる。
【００５４】
（シミュレーション結果）
（計算例１）
基板屈折率を１．５、厚さ０．７ｍｍ、偏光変換部を微細な凹凸構造による構造複屈折位相差板とし、偏光分離部を実施例１と同様とした偏光板（偏光変換素子）について、光線追跡シミュレーションソフト「ＺＥＭＡＸ」（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）を用いてシミュレーションを行った。シミュレーション結果としては、本偏光板（偏光変換素子）の透過率が６０％であり、実施例１の結果と同等であった。
なお、微細な凹凸構造は、ＫＯＮＩＫＡ ＭＩＮＯＬＴＡ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＰＯＲＴ ＶＯＬ．３（２００６）にあるようなもので、ピッチ３００ｎｍ、高さ１，５００ｎｍとした。
【００５５】
（計算例２）
基板屈折率を１．５、厚さ０．７ｍｍ、偏光変換部を理想的位相差板とし、偏光分離部を、基板側からＴｉＯ２層（厚み４９．５ｎｍ）及びＳｉＯ２層（厚み８１．２ｎｍ）の繰り返し１０組を積層したもの（合計２０層）とした偏光板（偏光変換素子）について、光線追跡シミュレーションソフト「ＺＥＭＡＸ」（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）を用いてシミュレーションを行った。シミュレーション結果としては、本偏光板（偏光変換素子）の透過率が６４％であった。
なお、理想的位相差板とは、偏光方向を理想的に変化させられる特性を持つ位相差板とした。
【００５６】
（計算例３）
基板を屈折率を１．５、厚さ０．７ｍｍ、偏光変換部を理想的位相差板とし、偏光分離部を、基板側からＴｉＯ２層（厚み４９．５ｎｍ）及びＳｉＯ２層（厚み８１．２ｎｍ）の繰り返し３０組を積層したもの（合計６０層）とした偏光板（偏光変換素子）について、光線追跡シミュレーションソフト「ＺＥＭＡＸ」（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）を用いてシミュレーションを行った。シミュレーション結果としては、本偏光板（偏光変換素子）の透過率が６５％であった。
【００５７】
（計算例４）
基板を屈折率を１．５、厚さ０．７ｍｍ、偏光変換部を理想的位相差板とし、偏光分離部を、基板側からＴｉＯ２層（厚み４９．５ｎｍ）及びＳｉＯ２層（厚み８１．２ｎｍ）の繰り返し１００組を積層したもの（合計２００層）とした偏光板（偏光変換素子）について、光線追跡シミュレーションソフト「ＺＥＭＡＸ」（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）を用いてシミュレーションを行った。シミュレーション結果としては、本偏光板（偏光変換素子）の透過率が５８％であった。
【００５８】
（計算例５）
基板を屈折率を１．５、厚さ０．７ｍｍ、偏光変換部を理想的位相差板とし、偏光分離部を、基板側からＴｉＯ２層（厚み４９．５ｎｍ）及びＳｉＯ２層（厚み８１．２ｎｍ）の繰り返し１５０組を積層したもの（合計３００層）とした偏光板（偏光変換素子）について、光線追跡シミュレーションソフト「ＺＥＭＡＸ」（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）を用いてシミュレーションを行った。シミュレーション結果としては、本偏光板（偏光変換素子）の透過率が５１％であった。
【００５９】
本発明所定の構成を備えた実施例の偏光変換素子は、所定の構成を欠く比較例の偏光変換素子に比べ、きわめて優れた偏光変換効率を有することがわかる。
具体的には、比較例の偏光変換素子では、６０％以上の光が偏光変換素子を透過できずに失われるのに対し、実施例の偏光変換素子では、光の損失は５０％以下であり、比較例の約５／６に抑えられている。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置は、構造が簡単で耐久性が高く、構成部材の増加による製造工程の複雑化や、コスト増大、表示装置の大型化を招くことなく、光の利用効率を向上することができる偏光変換素子及び該偏光変換素子を備える表示装置として好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、本発明の偏光変換素子を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の偏光変換素子の凸部を拡大した正面図である。
【図３】図３は、本発明の偏光変換素子の他の実施形態における凸部を拡大した正面図である。
【図４】図４は、本発明の他の実施形態における偏光変換素子を示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明の偏光変換素子の他の実施形態における凸部を拡大した正面図である。
【図６】図６は、本発明の偏光変換素子の他の実施形態における凸部を拡大した正面図である。
【図７】図７は、本発明の表示装置の概略構成を示す図である。
【図８】図８は、凸部を備えた基材の製造に用いられる製造装置の構成を示す図である。
【図９】図９は、偏光分離部を形成する際に用いられる蒸着装置の構成を示す断面図である。
【図１０】図１０は、偏光分離部を形成する際の、蒸着源に対する支持体の設置態様を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 偏光変換素子
２ 基材
３ 偏光分離部
４ 偏光変換部
５ 保護層
５Ａ 平坦面
２１ 入射部
２２ 射出部
２３ 凸部
２３Ａ 平行面
２３Ｂ 斜面
２４ 凹凸面
８０ 製造装置
８２ 塗布手段
８２Ａ 原料槽
８２Ｂ 供給装置
８２Ｃ 塗布ヘッド
８３ エンボスローラ
８４ ニップローラ
８５ 樹脂硬化手段
８９ 乾燥手段
９０ 真空蒸着装置
９１ 試料台
９２ 坩堝
９５ 蒸着材料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、前記基材に設けられた偏光分離部及び偏光変換部と、を備え、入射する入射光の偏向方向を略一方向に揃えて射出する偏光変換素子であって、
前記偏光分離部は、前記入射光を所定の偏光方向を有する一方の光と他の偏光方向を有する他方の光とに分離し、前記一方の光を透過させ、前記他方の光を反射し、
前記偏光変換部は、前記偏光分離部で反射された前記他方の光の偏光方向を前記一方の光の偏光方向に変換し透過させる
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】
偏光分離部は、偏光変換部を透過した他方の光を反射し、前記偏光分離部を透過する一方の光の透過側に導光する
請求項１に記載の偏光変換素子。
【請求項３】
偏光変換部は、他方の光を屈折させ、偏光分離部を透過する一方の光の透過側に導光する
請求項１から２のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項４】
基材は、入射光が入射する入射部と、前記入射光が射出される射出部と、を有し、
前記入射部及び前記射出部のいずれかは、複数の凸部を有する凹凸面であり、
偏光分離部は、それぞれの前記凸部の一部に設けられ、
偏光変換部は、それぞれの前記凸部の他の一部に設けられている
請求項１から３のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項５】
凸部は、入射光の進行方向と略平行な平行面と、前記入射光の進行方向と非平行な斜面と、を有し、
偏光分離部は、前記斜面に設けられ、
偏光変換部は、前記平行面に設けられている
請求項４に記載の偏光変換素子。
【請求項６】
偏光分離部と偏光変換部とは、連続して設けられている
請求項１から５のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項７】
偏光分離部は、高屈折材料と低屈折材料とが交互に複数積層された積層構造である
請求項１から６のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項８】
偏光変換部は、偏光方向を変換する材料の層である
請求項１から７のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項９】
偏光変換部は、基材に形成された微細凹凸構造である
請求項１から７のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の偏光変換素子を備える
ことを特徴とする表示装置。
【請求項１】
基材と、前記基材に設けられた偏光分離部及び偏光変換部と、を備え、入射する入射光の偏向方向を略一方向に揃えて射出する偏光変換素子であって、
前記偏光分離部は、前記入射光を所定の偏光方向を有する一方の光と他の偏光方向を有する他方の光とに分離し、前記一方の光を透過させ、前記他方の光を反射し、
前記偏光変換部は、前記偏光分離部で反射された前記他方の光の偏光方向を前記一方の光の偏光方向に変換し透過させる
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】
偏光分離部は、偏光変換部を透過した他方の光を反射し、前記偏光分離部を透過する一方の光の透過側に導光する
請求項１に記載の偏光変換素子。
【請求項３】
偏光変換部は、他方の光を屈折させ、偏光分離部を透過する一方の光の透過側に導光する
請求項１から２のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項４】
基材は、入射光が入射する入射部と、前記入射光が射出される射出部と、を有し、
前記入射部及び前記射出部のいずれかは、複数の凸部を有する凹凸面であり、
偏光分離部は、それぞれの前記凸部の一部に設けられ、
偏光変換部は、それぞれの前記凸部の他の一部に設けられている
請求項１から３のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項５】
凸部は、入射光の進行方向と略平行な平行面と、前記入射光の進行方向と非平行な斜面と、を有し、
偏光分離部は、前記斜面に設けられ、
偏光変換部は、前記平行面に設けられている
請求項４に記載の偏光変換素子。
【請求項６】
偏光分離部と偏光変換部とは、連続して設けられている
請求項１から５のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項７】
偏光分離部は、高屈折材料と低屈折材料とが交互に複数積層された積層構造である
請求項１から６のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項８】
偏光変換部は、偏光方向を変換する材料の層である
請求項１から７のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項９】
偏光変換部は、基材に形成された微細凹凸構造である
請求項１から７のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の偏光変換素子を備える
ことを特徴とする表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１２２３８２（Ｐ２０１０−１２２３８２Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９４６８９（Ｐ２００８−２９４６８９）
【出願日】平成２０年１１月１８日（２００８．１１．１８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１８日（２００８．１１．１８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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