光学素子及びこれを用いた偏光面光源並びにこれを用いた表示装置
【課題】 作製容易で、且つ、入射光を介して励起発光した光を所定の振動面を有する直線偏光として均一に出射し得る光学素子等を提供する。
【解決手段】 光学素子１は、透光性樹脂１１ａと透光性樹脂中に含有され励起光源２から入射した光によって励起発光する発光性材料１１ｂとを具備して板状に形成された発光導光体１１と、発光導光体に積層され、発光導光体で励起発光した光のうち所定の振動面を有する直線偏光を反射して外部に出射するための複屈折を示す微細構造１２ａを具備して板状に形成された偏光分離層１２とを備えることを特徴とする。
【解決手段】 光学素子１は、透光性樹脂１１ａと透光性樹脂中に含有され励起光源２から入射した光によって励起発光する発光性材料１１ｂとを具備して板状に形成された発光導光体１１と、発光導光体に積層され、発光導光体で励起発光した光のうち所定の振動面を有する直線偏光を反射して外部に出射するための複屈折を示す微細構造１２ａを具備して板状に形成された偏光分離層１２とを備え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、光学素子及びこれを用いた偏光面光源並びにこれを用いた表示装置に関し、特に、作製容易で、且つ、入射光を介して励起発光した光を所定の振動面を有する直線偏光として均一に出射し得る光学素子及びこれを用いた偏光面光源並びにこれを用いた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置は、その原理上、液晶セルに偏光を入射させる必要がある。このため、従来は、バックライトの出射面側に偏光子を配置することにより偏光を得て、当該偏光を液晶セルに入射させる構成を専ら採用してきた。しかしながら、例えば、偏光子として吸収型偏光子（ヨウ素や二色性染料を用いて、Ｓ偏光及びＰ偏光のうち一方の偏光を吸収し、他方の偏光を透過させる偏光子）を用いる限り、バックライトから出射した光の利用効率は５０％以下とならざるを得なかった。
【０００３】
このため、バックライトの出射面側に、コレステリック液晶からなる円偏光分離膜（特許文献１参照）や、屈折率異方性を有する多層薄膜積層体からなる直線偏光分離膜（特許文献２参照）を配置することにより、上記吸収型偏光子を用いる場合には吸収損失となって失われていた方向の偏光を再利用し、光の利用効率を高める提案がなされている。
【０００４】
一方、バックライトを構成する導光体（光源から出射した光を液晶セルに導くための板状の透光性材料）自体に微細なプリズム構造等を設けることにより偏光分離機能を付与し、これにより効率良く偏光を得る提案もなされている（特許文献３、４参照）。
【０００５】
しかしながら、バックライトを構成する導光体自体に偏光分離機能を付与する場合、導光体内部に伝搬する光の強度が光源近傍と遠方とでは異なるため、導光体の光出射面の全面から均一な強度の光を出射するためには、偏光分離機能を有する微細構造のパターンを厳密に設計する必要がある。例えば、出射される偏光の強度が導光体の光出射面の全面で均一になるように、光源の近傍では微細構造の分布状態を粗にし、光源の遠方では微細構造の分布状態を密にするが如くである。
【０００６】
上記のような微細構造の設計は極めて手間が掛かる他、微細構造を形成するために必要な部材の互換性に乏しいという問題がある。すなわち、微細構造の設計は、導光体の寸法や光源の配置（サイドライト型、直下型）に応じて個別に行う必要があり手間が掛かる他、転写成形やマスク露光成形などによって微細構造を作製する場合、微細構造の分布状態に応じて個別に型を用意する必要があった。
【特許文献１】特開平９−３０４７７０号公報
【特許文献２】米国特許第６０２５８９７号明細書
【特許文献３】特開２００５−５０４４１２号公報
【特許文献４】米国特許第５７２９３１１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、作製容易で、且つ、入射光を介して励起発光した光を所定の振動面を有する直線偏光として均一に出射し得る光学素子及びこれを用いた偏光面光源並びにこれを用いた表示装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するべく、本発明は、特許請求の範囲の請求項１に記載の如く、透光性樹脂と当該透光性樹脂中に含有され外部から入射した光によって励起発光する発光性材料とを具備して板状に形成された発光導光体と、前記発光導光体に積層され、前記発光導光体で励起発光した光のうち所定の振動面を有する直線偏光を反射して外部に出射するための複屈折を示す微細構造を具備して板状に形成された偏光分離層とを備えることを特徴とする光学素子を提供するものである。
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、発光導光体に外部から入射した光（励起光）によって発光性材料が励起発光し、当該励起発光した光の大部分は、光学素子と空気との屈折率差に応じて空気界面で全反射され、光学素子内で伝送される。斯かる伝送光の内、発光導光体に積層された偏光分離層の複屈折性を示す微細構造に衝突した光は、斜め入射光の偏光の偏りに関するフレネルの式に従って、所定の振動面を有する直線偏光（Ｐ偏光又はＳ偏光）のみが選択的に反射（残りの光はそのまま透過）される。そして、斯かる反射光の内、全反射角よりも小さい角度で反射した光が外部に出射することになる。
【００１０】
ここで、偏光分離層を設けない場合を考えれば、上記のような選択的な反射が生じないため、光学素子内の発光性材料によって励起発光した光は、立体角の関係上、約８０％が光学素子内に閉じ込められて全反射を繰り返している状態である。
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、前記閉じ込められた光が、偏光分離層の複屈折性を示す微細構造による反射により、全反射条件が崩れた場合にのみ光学素子外部に出射することになるため、微細構造の分布状態によって出射効率を任意に制御可能である。
【００１２】
一方、微細構造での反射によって全反射角よりも大きい角度で反射した光、微細構造に衝突しなかった光、及び、微細構造で反射されなかった光は、光学素子内に閉じ込められて全反射を繰り返しつつ伝送され、微細構造に衝突して全反射角よりも小さい角度で反射することにより外部に出射する機会を待つことになる。以上の動作が繰り返されることにより、結果的に、光学素子から所定の振動面を有する直線偏光が効率良く出射されることになる。
【００１３】
ここで、光学素子から出射される直線偏光は、発光導光体に含有された発光性材料によって励起発光された光である。すなわち、発光導光体に含有された発光性材料が光源としての機能を奏することになる。従って、従来のように光源からの距離に応じて微細構造のパターンを厳密に設計する必要がなく、例えば、発光導光体に発光性材料を均一に含有させれば、たとえ単純な一定の繰り返し構造の微細構造にしたとしても、所定の振動面を有する直線偏光を均一に出射することが可能である。
【００１４】
以上のように、請求項１に係る発明によれば、導光体の寸法や光源の配置に応じて個別に微細構造の設計を行う必要がなく作製容易で、且つ、入射光を介して励起発光した光を所定の振動面を有する直線偏光として均一に出射することが可能である。
【００１５】
なお、本発明における「透光性樹脂」とは、少なくとも外部から入射した光（励起光）及び発光性材料が励起発光した光の波長に対して透明性を有する樹脂を意味する。
【００１６】
好ましくは、特許請求の範囲の請求項２に記載の如く、前記偏光分離層は、複屈折性を示す第１層と屈折率が等方性を示す第２層とが積層されて形成されており、前記第１層と前記第２層との界面に前記微細構造が形成されていると共に、前記第１層及び前記第２層の特定方向の屈折率が略等しいものとされる。
【００１７】
また、好ましくは、特許請求の範囲の請求項３に記載の如く、前記微細構造は、それぞれ略三角形状の断面を有し互いに略平行に形成された複数条の凹溝と、前記各凹溝にそれぞれ嵌合する複数条の凸条との組合せで構成される。
【００１８】
なお、特許請求の範囲の請求項４に記載の如く、前記第２層を前記発光導光体と一体化することも可能である。すなわち、発光導光体の一部が偏光分離層の第２層を兼ねる構成を採用することも可能である。また、特許請求の範囲の請求項５に記載の如く、前記第１層は、液晶材料から形成することが可能である。
【００１９】
また、本発明は、特許請求の範囲の請求項６に記載の如く、請求項１から５のいずれかに記載の光学素子と、前記光学素子に含有された発光性材料を励起し得る波長の光を出射する励起光源とを備えることを特徴とする偏光面光源としても提供される。
【００２０】
好ましくは、特許請求の範囲の請求項７に記載の如く、前記発光性材料は、紫外光を吸収して可視光を励起発光する材料とされ、前記励起光源は、紫外線を発光する光源とされる。
【００２１】
さらに、本発明は、特許請求の範囲の請求項８に記載の如く、請求項７に記載の偏光面光源を備えることを特徴とする表示装置としても提供される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、作製容易で、且つ、入射光を介して励起発光した光を所定の振動面を有する直線偏光として均一に出射することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る偏光面光源の概略構成を示す縦断面図であり、図１（ａ）は励起光源の近傍位置にある発光性材料で励起発光された光が外部に出射する状態を、図１（ｂ）は励起光源から離れた位置にある発光性材料で励起発光された光が外部に出射する状態を示す。図１に示すように、本実施形態に係る偏光面光源１０は、光学素子１と、光学素子１の側面に沿って配置された励起光源２とを備えている。
【００２４】
光学素子１は、発光導光体１１と、発光導光体１１に積層された偏光分離層１２とを備えている。発光導光体１１は、透光性樹脂１１ａと、透光性樹脂１１ａ中に含有され外部から入射した光（励起光源２から入射した図中破線の矢符で示す光）によって励起発光する発光性材料１１ｂとを具備して板状に形成されている。
【００２５】
励起光源２として紫外線を発光する光源を用いる場合、紫外線に対して十分な透明性を有するという点で、透光性樹脂１１ａとしては、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ノルボルネン系樹脂などを好適に用いることができる。
【００２６】
また、励起光源２として紫外線を発光する光源を用いる場合、紫外線によって励起発光するという点で、発光性材料１１ｂとしては、クマリンなどの蛍光染料や、ＺｎＳなどの蛍光顔料を好適に用いることができる。
【００２７】
偏光分離層１２は、発光導光体１１で励起発光した光（図中実線の矢符で示す光）のうち所定の振動面を有する直線偏光を反射して外部に出射するための複屈折性を示す微細構造１２ａを具備して板状に形成されている。
【００２８】
本実施形態に係る偏光分離層１２は、複屈折性（異方性）を示す第１層１２１と屈折率が等方性を示す第２層１２２とが積層されて形成されており、第１層１２１と第２層１２２との界面に微細構造１２ａが形成されていると共に、第１層１２１及び第２層１２２の特定方向の屈折率が略等しくなるように形成されている。
【００２９】
複屈折性を示す第１層１２１としては、延伸や押し出しによって配向したポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などの樹脂や液晶ポリマーなどを好適に用いることができる。また、液晶材料を配向膜上に塗布した後、硬化重合させて得ることも可能である。また、後述するように、微細構造１２ａを形成する際に、第２層１２２に微細加工を施す場合には、第２層１２２の表面にナノオーダの微細な傷が形成されていることが多いため、特別な配向処理を行わなくても、第２層１２２の表面にそのまま液晶材料を塗布するだけで、複屈折性を示す液晶配向を得ることも可能である。さらに、第２層１２２に延伸加工を施しておけば、延伸軸方向への液晶配向能をある程度有することになるため、当該延伸加工を施した第２層１２２に液晶材料を塗布することによっても、複屈折性を示す液晶配向を得ることが可能である。
【００３０】
また、屈折率が等方性を示す第２層１２２としては、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エポキシ樹脂、ノルボルネン系樹脂などの屈折率異方性の小さい樹脂を好適に用いることができる。
【００３１】
第１層１２１及び第２層１２２の略等しく設定された特定方向の屈折率と、透光性樹脂１１ａの屈折率とは、略等しくなるように材料を選択することが望ましいが、双方の屈折率に差異がある場合には、発光導光体１１と偏光分離層１２とを接着する接着層の屈折率を双方の屈折率の中間値とすることにより、屈折率差に起因した無用な反射を低減できる。
【００３２】
本実施形態に係る微細構造１２ａは、それぞれ略三角形状の断面を有し互いに略平行に形成された複数条の凹溝３と、各凹溝３にそれぞれ嵌合する複数条の凸条４との組合せで構成されている。より具体的には、各凹溝３とこれに嵌合する各凸条４とは、空隙を有さないように密着嵌合されている。
【００３３】
上記凹溝３及び凸条４は、例えば、精密に整形した金型に対して第１層１２１又は第２層１２２の材料となる樹脂板を加圧、加熱するなどして微細な金型形状を転写する方法や、樹脂表面に紫外線硬化樹脂を塗布し、所望の形状が得られる露光量に対応するマスクを被せて露光する方法、精密フライス盤等を用いて直接切削する方法などによって形成することが可能である。
【００３４】
以上に説明した構成を有する偏光面光源１０によれば、励起光源２から発光導光体１１に入射した光（励起光）によって発光性材料１１ａが励起発光し、当該励起発光した光の大部分が、光学素子１と空気との屈折率差に応じて空気界面で全反射され、光学素子１内で伝送される。斯かる伝送光の内、発光導光体１１に積層された偏光分離層１２の複屈折性を示す微細構造１２ａに衝突した光は、斜め入射光の偏光の偏りに関するフレネルの式に従って、所定の振動面を有する直線偏光（Ｐ偏光又はＳ偏光）のみが選択的に反射（残りの光はそのまま透過）される。そして、斯かる反射光の内、全反射角よりも小さい角度で反射した光が外部に出射することになる。
【００３５】
ここで、光学素子１から出射される直線偏光は、発光導光体１１に含有された発光性材料１１ａによって励起発光された光である。すなわち、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、発光導光体１１に含有された各発光性材料１１ａがそれぞれ光源としての機能を奏することになる。従って、従来のように光源からの距離に応じて微細構造のパターンを厳密に設計する必要がなく、例えば、発光導光体１１に発光性材料１１ａを均一に含有させれば、たとえ単純な一定の繰り返し構造の微細構造１２ａにしたとしても、所定の振動面を有する直線偏光を均一に出射することが可能である。なお、図１に示すように、発光性材料１１ａによって励起発光された光が外部に出射するまでに複数回の反射を繰り返す場合には、各種の方向から微細構造１２ａに向けて光が照射されるため、出射光分布の正面からの偏りを低減する上で、微細構造１２ａは左右対称の形状とすることが好ましい。
【００３６】
なお、本発明に係る偏光面光源の構成としては、図１に示す構成に限るものではなく、図２に示すように、励起光源２を光学素子１の直下に配置した構成や、図３に示すように、偏光分離層１２の第２層１２２を発光導光体１１と一体化（すなわち、第２層１２２が透光性樹脂１１ｂで形成されている）した構成を採用することも可能である。
【００３７】
以下、本発明に係る偏光面光源において採用可能な偏光分離層の構成（第１の実施形態〜第８の実施形態）について、より具体的に説明する。
【００３８】
＜第１の実施形態＞
図４は、本発明に係る偏光面光源において採用可能な偏光分離層の第１の実施形態を説明する説明図であり、図４（ａ）は屈折率が等方性を示す第２層１２２の斜視図を、図４（ｂ）は複屈折性を示す第１層１２１の斜視図を、図４（ｃ）は第２層１２２側から入射した自然光（無偏光の光）の偏光分離の状態を示す縦断面図を、図４（ｄ）は第１層１２１側から入射した自然光（無偏光の光）の偏光分離の状態を示す縦断面図を示す。
【００３９】
図４に示すように、本実施形態に係る偏光分離層においては、第１層１２１側に凹溝３が設けられ、第２層１２２側に凹溝３と嵌合する凸条４が設けられている。そして、第１層１２１に設けられた凹溝３を横断する方向の屈折率と第２層１２２の屈折率とが同一の値ｎ１とされている。また、第１層１２１に設けられた凹溝３に沿った方向の屈折率ｎ２がｎ１よりも大きな値とされている。
【００４０】
以上の構成を有する偏光分離層において、図４（ｃ）に示すように、第２層１２２側から入射した自然光Ｌ１は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突し、凹溝３と凸条４の屈折率が同じである方向（図４（ｃ）の紙面に平行な方向）に振動面を有する光（Ｐ偏光）Ｌ２は界面を透過する一方、凹溝３と凸条４の屈折率が異なる方向（図４（ｃ）の紙面に垂直な方向）に振動面を有する光（Ｓ偏光）Ｌ３は全反射条件を満足する場合に界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００４１】
一方、図４（ｄ）に示すように、第１層１２１側から入射した自然光Ｌ４は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突するが、入射角が小さいためＰ偏光及びＳ偏光の両方が全反射せず、界面を透過することになる。
【００４２】
従って、本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第２層１２２側に積層されることになる。
【００４３】
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明に係る偏光面光源において採用可能な偏光分離層の第２の実施形態を説明する説明図であり、図５（ａ）は屈折率が等方性を示す第２層１２２の斜視図を、図５（ｂ）は複屈折性を示す第１層１２１の斜視図を、図５（ｃ）は第２層１２２側から入射した自然光（無偏光の光）の偏光分離の状態を示す縦断面図を、図５（ｄ）は第１層１２１側から入射した自然光（無偏光の光）の偏光分離の状態を示す縦断面図を示す。
【００４４】
図５に示すように、本実施形態に係る偏光分離層においても、第１の実施形態に係る偏光分離層と同様に、第１層１２１側に凹溝３が設けられ、第２層１２２側に凹溝３と嵌合する凸条４が設けられている。そして、第１層１２１に設けられた凹溝３を横断する方向の屈折率と第２層１２２の屈折率とが同一の値ｎ１とされている。ただし、第１層１２１に設けられた凹溝３に沿った方向の屈折率ｎ２がｎ１よりも小さな値とされている点で、第１の実施形態と異なる。
【００４５】
以上の構成を有する偏光分離層において、図５（ｃ）に示すように、第２層１２２側から入射した自然光Ｌ４は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突するが、入射角が小さいためＰ偏光及びＳ偏光の両方が全反射せず、界面を透過することになる。
【００４６】
一方、図５（ｄ）に示すように、第１層１２１側から入射した自然光Ｌ１は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突し、凹溝３と凸条４の屈折率が同じである方向（図５（ｄ）の紙面に平行な方向）に振動面を有する光（Ｐ偏光）Ｌ２は界面を透過する一方、凹溝３と凸条４の屈折率が異なる方向（図５（ｃ）の紙面に垂直な方向）に振動面を有する光（Ｓ偏光）Ｌ３は全反射条件を満足する場合に界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００４７】
従って、本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第１層１２１側に積層されることになる。
【００４８】
＜第３の実施形態＞
図６は、本発明に係る偏光面光源において採用可能な偏光分離層の第３の実施形態を説明する説明図であり、図６（ａ）は屈折率が等方性を示す第２層１２２の斜視図を、図６（ｂ）は複屈折性を示す第１層１２１の斜視図を、図６（ｃ）は第２層１２２側から入射した自然光（無偏光の光）の偏光分離の状態を示す縦断面図を示す。
【００４９】
図６に示すように、本実施形態に係る偏光分離層においても、第１の実施形態に係る偏光分離層と同様に、第１層１２１側に凹溝３が設けられ、第２層１２２側に凹溝３と嵌合する凸条４が設けられている。そして、第１の実施形態と同様に、第１層１２１に設けられた凹溝３に沿った方向の屈折率ｎ２が、凹溝３を横断する方向の屈折率ｎ１よりも大きな値とされている。ただし、第２層１２２の屈折率が、第１層１２１に設けられた凹溝３に沿った方向の屈折率と同一の値ｎ２とされている点で、第１の実施形態と異なる。
【００５０】
以上の構成を有する偏光分離層において、図６（ｃ）に示すように、第２層１２２側から入射した自然光Ｌ１は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突し、凹溝３と凸条４の屈折率が同じである方向（図６（ｃ）の紙面に垂直な方向）に振動面を有する光（Ｓ偏光）Ｌ３は界面を透過する一方、凹溝３と凸条４の屈折率が同じ方向（図６（ｃ）の紙面に平行な方向）に振動面を有する光（Ｐ偏光）Ｌ２は全反射条件を満足する場合に界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００５１】
一方、第１層１２１側から入射した自然光は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突するが、入射角が小さいためＰ偏光及びＳ偏光の両方が全反射せず、界面を透過することになる（図示省略）。
【００５２】
従って、本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第２層１２２側に積層されることになる。
【００５３】
＜第４の実施形態＞
図７は、本発明に係る偏光面光源において採用可能な偏光分離層の第４の実施形態を説明する説明図であり、図７（ａ）は屈折率が等方性を示す第２層１２２の斜視図を、図７（ｂ）は複屈折性を示す第１層１２１の斜視図を、図７（ｃ）は第１層１２１側から入射した自然光（無偏光の光）の偏光分離の状態を示す縦断面図を示す。
【００５４】
図７に示すように、本実施形態に係る偏光分離層においても、第１の実施形態に係る偏光分離層と同様に、第１層１２１側に凹溝３が設けられ、第２層１２２側に凹溝３と嵌合する凸条４が設けられている。ただし、第１層１２１に設けられた凹溝３に沿った方向の屈折率ｎ２が、凹溝３を横断する方向の屈折率ｎ１よりも小さな値とされている点、第２層１２２の屈折率が第１層１２１に設けられた凹溝３に沿った方向の屈折率と同一の値ｎ２とされている点で、第１の実施形態と異なる。
【００５５】
以上の構成を有する偏光分離層において、図７（ｃ）に示すように、第１層１２１側から入射した自然光Ｌ１は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突し、凹溝３と凸条４の屈折率が同じである方向（図７（ｃ）の紙面に垂直な方向）に振動面を有する光（Ｓ偏光）Ｌ３は界面を透過する一方、凹溝３と凸条４の屈折率が同じ方向（図７（ｃ）の紙面に平行な方向）に振動面を有する光（Ｐ偏光）Ｌ２は全反射条件を満足する場合に界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００５６】
一方、第２層１２１側から入射した自然光は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突するが、入射角が小さいためＰ偏光及びＳ偏光の両方が全反射せず、界面を透過することになる（図示省略）。
【００５７】
従って、本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第１層１２１側に積層されることになる。
【００５８】
＜第５の実施形態＞
本実施形態に係る偏光分離層は、複屈折性を示す第１層１２１側に凸条４が設けられ、屈折率が等方性を示す第２層１２２側に凹溝３が設けられている点を除き、第１の実施形態に係る偏光分離層と同様の構成を有する（図示省略）。
【００５９】
本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第１の実施形態と同様に第２層１２２側に積層され、Ｓ偏光が全反射条件を満足する場合、凹溝３と凸条４の界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００６０】
＜第６の実施形態＞
本実施形態に係る偏光分離層は、複屈折性を示す第１層１２１側に凸条４が設けられ、屈折率が等方性を示す第２層１２２側に凹溝３が設けられている点を除き、第２の実施形態に係る偏光分離層と同様の構成を有する（図示省略）。
【００６１】
本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第２の実施形態と同様に第１層１２１側に積層され、Ｓ偏光が全反射条件を満足する場合、凹溝３と凸条４の界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００６２】
＜第７の実施形態＞
本実施形態に係る偏光分離層は、複屈折性を示す第１層１２１側に凸条４が設けられ、屈折率が等方性を示す第２層１２２側に凹溝３が設けられている点を除き、第３の実施形態に係る偏光分離層と同様の構成を有する（図示省略）。
【００６３】
本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第３の実施形態と同様に第２層１２２側に積層され、Ｐ偏光が全反射条件を満足する場合、凹溝３と凸条４の界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００６４】
＜第８の実施形態＞
本実施形態に係る偏光分離層は、複屈折性を示す第１層１２１側に凸条４が設けられ、屈折率が等方性を示す第２層１２２側に凹溝３が設けられている点を除き、第４の実施形態に係る偏光分離層と同様の構成を有する（図示省略）。
【００６５】
本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第４の実施形態と同様に第１層１２１側に積層され、Ｐ偏光が全反射条件を満足する場合、凹溝３と凸条４の界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００６６】
以下、実施例及び比較例を示すことにより、本発明の特徴をより一層明らかにする。
【００６７】
＜実施例１＞サイドライト型偏光面光源（図１参照）
偏光分離層を構成する複屈折性を示す第１層として、ポリエチレンテレフタレート樹脂（カネボウ合繊株式会社製：ＫＡＮＥＢＯ ＰＥＮ）を厚み２００μｍに成膜し、１１５℃で約５倍に延伸した。得られた延伸フィルムは、厚みが約４０μｍとなり、屈折率異方性Δｎ＝約０．３となった。
【００６８】
上記延伸フィルムの延伸軸方向に沿って、ルーリングエンジンを用いて精密刻線することにより、各辺が２μｍの正三角形の断面形状を有する複数条の凹溝を１０μｍピッチで形成した。そして、凹溝を形成した側の面に、等方性を示す第２層として、ウレタンアクリル系ハードコート剤（大日本インキ社製：ユニディック１７−８１３樹脂、光反応開始剤イルガキュア９０７ ２重量％添加）を塗布して凹溝に包埋させ、紫外線によって重合硬化させて、偏光分離層の一体品を作製した。
【００６９】
透光性樹脂としてのＪＳＲ製ＡＲＴＯＮ樹脂溶液（トルエン３０重量％溶液）に、発光性材料としてのクマリンを１重量％だけ溶解分散し、キャスト成膜して厚み１ｍｍの発光導光体を作製した。
【００７０】
上記偏光分離層と発光導光体とを積層し、光学接着剤（ＮＯＲＬＡＮＤ社製：ＮＯＡ６５）によって接着することにより、光学素子を作製した。
【００７１】
以上のようにして作製した光学素子の側面（発光導光体の側面）から、フィリップス社製ブラックライト（主発光波長３６０ｎｍ以下）を照射すると、出射面の法線方向に対して±３０°程度の範囲で直線偏光が出射し、Ｓ偏光とＰ偏光の強度比は、約１：５であった。
【００７２】
＜実施例２＞直下型偏光面光源（図２参照）
偏光分離層を構成する等方性を示す第２層としての日本ゼオン社製ゼオノア（厚み２ｍｍ）に、精密金型の熱プレスを用いて形状転写することにより、各辺が２μｍの正三角形の断面形状を有する複数条の凸条を１０μｍピッチで形成した。なお、前記精密金型は、ルーリングエンジンを用いて精密刻線することにより複数条の凹溝が形成されたものであり、凹溝の内部には、凹溝と平行方向の多数の微細な筋が存在していた。斯かる精密金型の形状を転写した第２層の凸条にも微細な筋が転写されていた。
【００７３】
上記凸条を形成した側の面に、複屈折性を示す第１層として、高砂香料工業社製Ｌ４２モノマー（ＲＮ＝４６１０５５−１０−７）２０重量％トルエン溶液（光反応開始剤イルガキュア９０７ ２重量％添加）を塗布し、９０℃で２分間乾燥させた後、紫外線によって重合硬化させ、偏光分離層の一体品を作製した。
【００７４】
透光性樹脂としてのクラレ社製ＰＶＡ（重合度２４００）水溶液（３０重量％）に、発光性材料としての住友大阪セメント社製ＺｎＳナノ粒子（粒径１０ｎｍ）を４重量％添加し、厚み１ｍｍに成膜して発光導光体を作製した。
【００７５】
上記偏光分離層と発光導光体とを積層し、光学粘着材（日東電工社製：Ｎｏ．７厚み２５μｍ）によって接着することにより、光学素子を作製した。
【００７６】
以上のようにして作製した光学素子の下面（発光導光体の下面）から、フィリップス社製ブラックライト（主発光波長３６０ｎｍ以下）を照射すると、出射面の法線方向に対して±３０°程度の範囲で直線偏光が出射し、Ｓ偏光とＰ偏光の強度比は、約１：４であった。
【００７７】
＜実施例３＞サイドライト型偏光面光源（第２層と発光導光体の一体型）（図３参照）
透光性樹脂及び第２層として、重量部の比率がメタクリル酸：アクリル酸：トリメチロールプロパントリアクリレート＝４：１：１の混合物に対して光反応開始剤イルガキュア１８４を５部（重量部）添加した配合液に、発光性材料としての蛍光剤Ａｌｑを３重量％添加し、これをガラス基板間に封入して紫外線により重合硬化させ、厚み３ｍｍの発光導光体（第２層を含む）を作製した。
【００７８】
上記発光導光体に実施例２と同様の表面加工を施し、実施例２と同様に複屈折性を示す第１層としての液晶を凹溝に包埋して配向させることにより、光学素子を作製した。
【００７９】
以上のようにして作製した光学素子の側面（発光導光体の側面）から、ナイトライド社製紫外線発光ＬＥＤ（主発光波長３７０ｎｍ）を照射すると、出射面の法線方向に対して±３０°程度の範囲で直線偏光が出射し、Ｓ偏光とＰ偏光の強度比は、約１：４であった。
【００８０】
＜比較例＞
実施例１の発光導光体のみからなる光学素子の側面から、フィリップス社製ブラックライト（主発光波長３６０ｎｍ以下）を照射すると、出射した光は自然光であった。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る偏光面光源の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】図２は、本発明の他の実施形態に係る偏光面光源の概略構成を示す縦断面図である。
【図３】図３は、本発明のさらに他の実施形態に係る偏光面光源の概略構成を示す縦断面図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態に係る偏光分離層の概略構成を示す図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態に係る偏光分離層の概略構成を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第３の実施形態に係る偏光分離層の概略構成を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第４の実施形態に係る偏光分離層の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１・・・光学素子
２・・・励起光源
３・・・凹溝
４・・・凸条
１０・・・偏光面光源
１１・・・発光導光体
１１ａ・・・透光性樹脂
１１ｂ・・・発光性材料
１２・・・偏光分離層
１２ａ・・・微細構造
１２１・・・第１層
１２２・・・第２層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及びこれを用いた偏光面光源並びにこれを用いた表示装置に関し、特に、作製容易で、且つ、入射光を介して励起発光した光を所定の振動面を有する直線偏光として均一に出射し得る光学素子及びこれを用いた偏光面光源並びにこれを用いた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置は、その原理上、液晶セルに偏光を入射させる必要がある。このため、従来は、バックライトの出射面側に偏光子を配置することにより偏光を得て、当該偏光を液晶セルに入射させる構成を専ら採用してきた。しかしながら、例えば、偏光子として吸収型偏光子（ヨウ素や二色性染料を用いて、Ｓ偏光及びＰ偏光のうち一方の偏光を吸収し、他方の偏光を透過させる偏光子）を用いる限り、バックライトから出射した光の利用効率は５０％以下とならざるを得なかった。
【０００３】
このため、バックライトの出射面側に、コレステリック液晶からなる円偏光分離膜（特許文献１参照）や、屈折率異方性を有する多層薄膜積層体からなる直線偏光分離膜（特許文献２参照）を配置することにより、上記吸収型偏光子を用いる場合には吸収損失となって失われていた方向の偏光を再利用し、光の利用効率を高める提案がなされている。
【０００４】
一方、バックライトを構成する導光体（光源から出射した光を液晶セルに導くための板状の透光性材料）自体に微細なプリズム構造等を設けることにより偏光分離機能を付与し、これにより効率良く偏光を得る提案もなされている（特許文献３、４参照）。
【０００５】
しかしながら、バックライトを構成する導光体自体に偏光分離機能を付与する場合、導光体内部に伝搬する光の強度が光源近傍と遠方とでは異なるため、導光体の光出射面の全面から均一な強度の光を出射するためには、偏光分離機能を有する微細構造のパターンを厳密に設計する必要がある。例えば、出射される偏光の強度が導光体の光出射面の全面で均一になるように、光源の近傍では微細構造の分布状態を粗にし、光源の遠方では微細構造の分布状態を密にするが如くである。
【０００６】
上記のような微細構造の設計は極めて手間が掛かる他、微細構造を形成するために必要な部材の互換性に乏しいという問題がある。すなわち、微細構造の設計は、導光体の寸法や光源の配置（サイドライト型、直下型）に応じて個別に行う必要があり手間が掛かる他、転写成形やマスク露光成形などによって微細構造を作製する場合、微細構造の分布状態に応じて個別に型を用意する必要があった。
【特許文献１】特開平９−３０４７７０号公報
【特許文献２】米国特許第６０２５８９７号明細書
【特許文献３】特開２００５−５０４４１２号公報
【特許文献４】米国特許第５７２９３１１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、作製容易で、且つ、入射光を介して励起発光した光を所定の振動面を有する直線偏光として均一に出射し得る光学素子及びこれを用いた偏光面光源並びにこれを用いた表示装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するべく、本発明は、特許請求の範囲の請求項１に記載の如く、透光性樹脂と当該透光性樹脂中に含有され外部から入射した光によって励起発光する発光性材料とを具備して板状に形成された発光導光体と、前記発光導光体に積層され、前記発光導光体で励起発光した光のうち所定の振動面を有する直線偏光を反射して外部に出射するための複屈折を示す微細構造を具備して板状に形成された偏光分離層とを備えることを特徴とする光学素子を提供するものである。
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、発光導光体に外部から入射した光（励起光）によって発光性材料が励起発光し、当該励起発光した光の大部分は、光学素子と空気との屈折率差に応じて空気界面で全反射され、光学素子内で伝送される。斯かる伝送光の内、発光導光体に積層された偏光分離層の複屈折性を示す微細構造に衝突した光は、斜め入射光の偏光の偏りに関するフレネルの式に従って、所定の振動面を有する直線偏光（Ｐ偏光又はＳ偏光）のみが選択的に反射（残りの光はそのまま透過）される。そして、斯かる反射光の内、全反射角よりも小さい角度で反射した光が外部に出射することになる。
【００１０】
ここで、偏光分離層を設けない場合を考えれば、上記のような選択的な反射が生じないため、光学素子内の発光性材料によって励起発光した光は、立体角の関係上、約８０％が光学素子内に閉じ込められて全反射を繰り返している状態である。
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、前記閉じ込められた光が、偏光分離層の複屈折性を示す微細構造による反射により、全反射条件が崩れた場合にのみ光学素子外部に出射することになるため、微細構造の分布状態によって出射効率を任意に制御可能である。
【００１２】
一方、微細構造での反射によって全反射角よりも大きい角度で反射した光、微細構造に衝突しなかった光、及び、微細構造で反射されなかった光は、光学素子内に閉じ込められて全反射を繰り返しつつ伝送され、微細構造に衝突して全反射角よりも小さい角度で反射することにより外部に出射する機会を待つことになる。以上の動作が繰り返されることにより、結果的に、光学素子から所定の振動面を有する直線偏光が効率良く出射されることになる。
【００１３】
ここで、光学素子から出射される直線偏光は、発光導光体に含有された発光性材料によって励起発光された光である。すなわち、発光導光体に含有された発光性材料が光源としての機能を奏することになる。従って、従来のように光源からの距離に応じて微細構造のパターンを厳密に設計する必要がなく、例えば、発光導光体に発光性材料を均一に含有させれば、たとえ単純な一定の繰り返し構造の微細構造にしたとしても、所定の振動面を有する直線偏光を均一に出射することが可能である。
【００１４】
以上のように、請求項１に係る発明によれば、導光体の寸法や光源の配置に応じて個別に微細構造の設計を行う必要がなく作製容易で、且つ、入射光を介して励起発光した光を所定の振動面を有する直線偏光として均一に出射することが可能である。
【００１５】
なお、本発明における「透光性樹脂」とは、少なくとも外部から入射した光（励起光）及び発光性材料が励起発光した光の波長に対して透明性を有する樹脂を意味する。
【００１６】
好ましくは、特許請求の範囲の請求項２に記載の如く、前記偏光分離層は、複屈折性を示す第１層と屈折率が等方性を示す第２層とが積層されて形成されており、前記第１層と前記第２層との界面に前記微細構造が形成されていると共に、前記第１層及び前記第２層の特定方向の屈折率が略等しいものとされる。
【００１７】
また、好ましくは、特許請求の範囲の請求項３に記載の如く、前記微細構造は、それぞれ略三角形状の断面を有し互いに略平行に形成された複数条の凹溝と、前記各凹溝にそれぞれ嵌合する複数条の凸条との組合せで構成される。
【００１８】
なお、特許請求の範囲の請求項４に記載の如く、前記第２層を前記発光導光体と一体化することも可能である。すなわち、発光導光体の一部が偏光分離層の第２層を兼ねる構成を採用することも可能である。また、特許請求の範囲の請求項５に記載の如く、前記第１層は、液晶材料から形成することが可能である。
【００１９】
また、本発明は、特許請求の範囲の請求項６に記載の如く、請求項１から５のいずれかに記載の光学素子と、前記光学素子に含有された発光性材料を励起し得る波長の光を出射する励起光源とを備えることを特徴とする偏光面光源としても提供される。
【００２０】
好ましくは、特許請求の範囲の請求項７に記載の如く、前記発光性材料は、紫外光を吸収して可視光を励起発光する材料とされ、前記励起光源は、紫外線を発光する光源とされる。
【００２１】
さらに、本発明は、特許請求の範囲の請求項８に記載の如く、請求項７に記載の偏光面光源を備えることを特徴とする表示装置としても提供される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、作製容易で、且つ、入射光を介して励起発光した光を所定の振動面を有する直線偏光として均一に出射することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る偏光面光源の概略構成を示す縦断面図であり、図１（ａ）は励起光源の近傍位置にある発光性材料で励起発光された光が外部に出射する状態を、図１（ｂ）は励起光源から離れた位置にある発光性材料で励起発光された光が外部に出射する状態を示す。図１に示すように、本実施形態に係る偏光面光源１０は、光学素子１と、光学素子１の側面に沿って配置された励起光源２とを備えている。
【００２４】
光学素子１は、発光導光体１１と、発光導光体１１に積層された偏光分離層１２とを備えている。発光導光体１１は、透光性樹脂１１ａと、透光性樹脂１１ａ中に含有され外部から入射した光（励起光源２から入射した図中破線の矢符で示す光）によって励起発光する発光性材料１１ｂとを具備して板状に形成されている。
【００２５】
励起光源２として紫外線を発光する光源を用いる場合、紫外線に対して十分な透明性を有するという点で、透光性樹脂１１ａとしては、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ノルボルネン系樹脂などを好適に用いることができる。
【００２６】
また、励起光源２として紫外線を発光する光源を用いる場合、紫外線によって励起発光するという点で、発光性材料１１ｂとしては、クマリンなどの蛍光染料や、ＺｎＳなどの蛍光顔料を好適に用いることができる。
【００２７】
偏光分離層１２は、発光導光体１１で励起発光した光（図中実線の矢符で示す光）のうち所定の振動面を有する直線偏光を反射して外部に出射するための複屈折性を示す微細構造１２ａを具備して板状に形成されている。
【００２８】
本実施形態に係る偏光分離層１２は、複屈折性（異方性）を示す第１層１２１と屈折率が等方性を示す第２層１２２とが積層されて形成されており、第１層１２１と第２層１２２との界面に微細構造１２ａが形成されていると共に、第１層１２１及び第２層１２２の特定方向の屈折率が略等しくなるように形成されている。
【００２９】
複屈折性を示す第１層１２１としては、延伸や押し出しによって配向したポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などの樹脂や液晶ポリマーなどを好適に用いることができる。また、液晶材料を配向膜上に塗布した後、硬化重合させて得ることも可能である。また、後述するように、微細構造１２ａを形成する際に、第２層１２２に微細加工を施す場合には、第２層１２２の表面にナノオーダの微細な傷が形成されていることが多いため、特別な配向処理を行わなくても、第２層１２２の表面にそのまま液晶材料を塗布するだけで、複屈折性を示す液晶配向を得ることも可能である。さらに、第２層１２２に延伸加工を施しておけば、延伸軸方向への液晶配向能をある程度有することになるため、当該延伸加工を施した第２層１２２に液晶材料を塗布することによっても、複屈折性を示す液晶配向を得ることが可能である。
【００３０】
また、屈折率が等方性を示す第２層１２２としては、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エポキシ樹脂、ノルボルネン系樹脂などの屈折率異方性の小さい樹脂を好適に用いることができる。
【００３１】
第１層１２１及び第２層１２２の略等しく設定された特定方向の屈折率と、透光性樹脂１１ａの屈折率とは、略等しくなるように材料を選択することが望ましいが、双方の屈折率に差異がある場合には、発光導光体１１と偏光分離層１２とを接着する接着層の屈折率を双方の屈折率の中間値とすることにより、屈折率差に起因した無用な反射を低減できる。
【００３２】
本実施形態に係る微細構造１２ａは、それぞれ略三角形状の断面を有し互いに略平行に形成された複数条の凹溝３と、各凹溝３にそれぞれ嵌合する複数条の凸条４との組合せで構成されている。より具体的には、各凹溝３とこれに嵌合する各凸条４とは、空隙を有さないように密着嵌合されている。
【００３３】
上記凹溝３及び凸条４は、例えば、精密に整形した金型に対して第１層１２１又は第２層１２２の材料となる樹脂板を加圧、加熱するなどして微細な金型形状を転写する方法や、樹脂表面に紫外線硬化樹脂を塗布し、所望の形状が得られる露光量に対応するマスクを被せて露光する方法、精密フライス盤等を用いて直接切削する方法などによって形成することが可能である。
【００３４】
以上に説明した構成を有する偏光面光源１０によれば、励起光源２から発光導光体１１に入射した光（励起光）によって発光性材料１１ａが励起発光し、当該励起発光した光の大部分が、光学素子１と空気との屈折率差に応じて空気界面で全反射され、光学素子１内で伝送される。斯かる伝送光の内、発光導光体１１に積層された偏光分離層１２の複屈折性を示す微細構造１２ａに衝突した光は、斜め入射光の偏光の偏りに関するフレネルの式に従って、所定の振動面を有する直線偏光（Ｐ偏光又はＳ偏光）のみが選択的に反射（残りの光はそのまま透過）される。そして、斯かる反射光の内、全反射角よりも小さい角度で反射した光が外部に出射することになる。
【００３５】
ここで、光学素子１から出射される直線偏光は、発光導光体１１に含有された発光性材料１１ａによって励起発光された光である。すなわち、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、発光導光体１１に含有された各発光性材料１１ａがそれぞれ光源としての機能を奏することになる。従って、従来のように光源からの距離に応じて微細構造のパターンを厳密に設計する必要がなく、例えば、発光導光体１１に発光性材料１１ａを均一に含有させれば、たとえ単純な一定の繰り返し構造の微細構造１２ａにしたとしても、所定の振動面を有する直線偏光を均一に出射することが可能である。なお、図１に示すように、発光性材料１１ａによって励起発光された光が外部に出射するまでに複数回の反射を繰り返す場合には、各種の方向から微細構造１２ａに向けて光が照射されるため、出射光分布の正面からの偏りを低減する上で、微細構造１２ａは左右対称の形状とすることが好ましい。
【００３６】
なお、本発明に係る偏光面光源の構成としては、図１に示す構成に限るものではなく、図２に示すように、励起光源２を光学素子１の直下に配置した構成や、図３に示すように、偏光分離層１２の第２層１２２を発光導光体１１と一体化（すなわち、第２層１２２が透光性樹脂１１ｂで形成されている）した構成を採用することも可能である。
【００３７】
以下、本発明に係る偏光面光源において採用可能な偏光分離層の構成（第１の実施形態〜第８の実施形態）について、より具体的に説明する。
【００３８】
＜第１の実施形態＞
図４は、本発明に係る偏光面光源において採用可能な偏光分離層の第１の実施形態を説明する説明図であり、図４（ａ）は屈折率が等方性を示す第２層１２２の斜視図を、図４（ｂ）は複屈折性を示す第１層１２１の斜視図を、図４（ｃ）は第２層１２２側から入射した自然光（無偏光の光）の偏光分離の状態を示す縦断面図を、図４（ｄ）は第１層１２１側から入射した自然光（無偏光の光）の偏光分離の状態を示す縦断面図を示す。
【００３９】
図４に示すように、本実施形態に係る偏光分離層においては、第１層１２１側に凹溝３が設けられ、第２層１２２側に凹溝３と嵌合する凸条４が設けられている。そして、第１層１２１に設けられた凹溝３を横断する方向の屈折率と第２層１２２の屈折率とが同一の値ｎ１とされている。また、第１層１２１に設けられた凹溝３に沿った方向の屈折率ｎ２がｎ１よりも大きな値とされている。
【００４０】
以上の構成を有する偏光分離層において、図４（ｃ）に示すように、第２層１２２側から入射した自然光Ｌ１は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突し、凹溝３と凸条４の屈折率が同じである方向（図４（ｃ）の紙面に平行な方向）に振動面を有する光（Ｐ偏光）Ｌ２は界面を透過する一方、凹溝３と凸条４の屈折率が異なる方向（図４（ｃ）の紙面に垂直な方向）に振動面を有する光（Ｓ偏光）Ｌ３は全反射条件を満足する場合に界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００４１】
一方、図４（ｄ）に示すように、第１層１２１側から入射した自然光Ｌ４は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突するが、入射角が小さいためＰ偏光及びＳ偏光の両方が全反射せず、界面を透過することになる。
【００４２】
従って、本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第２層１２２側に積層されることになる。
【００４３】
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明に係る偏光面光源において採用可能な偏光分離層の第２の実施形態を説明する説明図であり、図５（ａ）は屈折率が等方性を示す第２層１２２の斜視図を、図５（ｂ）は複屈折性を示す第１層１２１の斜視図を、図５（ｃ）は第２層１２２側から入射した自然光（無偏光の光）の偏光分離の状態を示す縦断面図を、図５（ｄ）は第１層１２１側から入射した自然光（無偏光の光）の偏光分離の状態を示す縦断面図を示す。
【００４４】
図５に示すように、本実施形態に係る偏光分離層においても、第１の実施形態に係る偏光分離層と同様に、第１層１２１側に凹溝３が設けられ、第２層１２２側に凹溝３と嵌合する凸条４が設けられている。そして、第１層１２１に設けられた凹溝３を横断する方向の屈折率と第２層１２２の屈折率とが同一の値ｎ１とされている。ただし、第１層１２１に設けられた凹溝３に沿った方向の屈折率ｎ２がｎ１よりも小さな値とされている点で、第１の実施形態と異なる。
【００４５】
以上の構成を有する偏光分離層において、図５（ｃ）に示すように、第２層１２２側から入射した自然光Ｌ４は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突するが、入射角が小さいためＰ偏光及びＳ偏光の両方が全反射せず、界面を透過することになる。
【００４６】
一方、図５（ｄ）に示すように、第１層１２１側から入射した自然光Ｌ１は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突し、凹溝３と凸条４の屈折率が同じである方向（図５（ｄ）の紙面に平行な方向）に振動面を有する光（Ｐ偏光）Ｌ２は界面を透過する一方、凹溝３と凸条４の屈折率が異なる方向（図５（ｃ）の紙面に垂直な方向）に振動面を有する光（Ｓ偏光）Ｌ３は全反射条件を満足する場合に界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００４７】
従って、本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第１層１２１側に積層されることになる。
【００４８】
＜第３の実施形態＞
図６は、本発明に係る偏光面光源において採用可能な偏光分離層の第３の実施形態を説明する説明図であり、図６（ａ）は屈折率が等方性を示す第２層１２２の斜視図を、図６（ｂ）は複屈折性を示す第１層１２１の斜視図を、図６（ｃ）は第２層１２２側から入射した自然光（無偏光の光）の偏光分離の状態を示す縦断面図を示す。
【００４９】
図６に示すように、本実施形態に係る偏光分離層においても、第１の実施形態に係る偏光分離層と同様に、第１層１２１側に凹溝３が設けられ、第２層１２２側に凹溝３と嵌合する凸条４が設けられている。そして、第１の実施形態と同様に、第１層１２１に設けられた凹溝３に沿った方向の屈折率ｎ２が、凹溝３を横断する方向の屈折率ｎ１よりも大きな値とされている。ただし、第２層１２２の屈折率が、第１層１２１に設けられた凹溝３に沿った方向の屈折率と同一の値ｎ２とされている点で、第１の実施形態と異なる。
【００５０】
以上の構成を有する偏光分離層において、図６（ｃ）に示すように、第２層１２２側から入射した自然光Ｌ１は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突し、凹溝３と凸条４の屈折率が同じである方向（図６（ｃ）の紙面に垂直な方向）に振動面を有する光（Ｓ偏光）Ｌ３は界面を透過する一方、凹溝３と凸条４の屈折率が同じ方向（図６（ｃ）の紙面に平行な方向）に振動面を有する光（Ｐ偏光）Ｌ２は全反射条件を満足する場合に界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００５１】
一方、第１層１２１側から入射した自然光は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突するが、入射角が小さいためＰ偏光及びＳ偏光の両方が全反射せず、界面を透過することになる（図示省略）。
【００５２】
従って、本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第２層１２２側に積層されることになる。
【００５３】
＜第４の実施形態＞
図７は、本発明に係る偏光面光源において採用可能な偏光分離層の第４の実施形態を説明する説明図であり、図７（ａ）は屈折率が等方性を示す第２層１２２の斜視図を、図７（ｂ）は複屈折性を示す第１層１２１の斜視図を、図７（ｃ）は第１層１２１側から入射した自然光（無偏光の光）の偏光分離の状態を示す縦断面図を示す。
【００５４】
図７に示すように、本実施形態に係る偏光分離層においても、第１の実施形態に係る偏光分離層と同様に、第１層１２１側に凹溝３が設けられ、第２層１２２側に凹溝３と嵌合する凸条４が設けられている。ただし、第１層１２１に設けられた凹溝３に沿った方向の屈折率ｎ２が、凹溝３を横断する方向の屈折率ｎ１よりも小さな値とされている点、第２層１２２の屈折率が第１層１２１に設けられた凹溝３に沿った方向の屈折率と同一の値ｎ２とされている点で、第１の実施形態と異なる。
【００５５】
以上の構成を有する偏光分離層において、図７（ｃ）に示すように、第１層１２１側から入射した自然光Ｌ１は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突し、凹溝３と凸条４の屈折率が同じである方向（図７（ｃ）の紙面に垂直な方向）に振動面を有する光（Ｓ偏光）Ｌ３は界面を透過する一方、凹溝３と凸条４の屈折率が同じ方向（図７（ｃ）の紙面に平行な方向）に振動面を有する光（Ｐ偏光）Ｌ２は全反射条件を満足する場合に界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００５６】
一方、第２層１２１側から入射した自然光は、第１層１２１の凹溝３と第２層１２２の凸条４との界面に衝突するが、入射角が小さいためＰ偏光及びＳ偏光の両方が全反射せず、界面を透過することになる（図示省略）。
【００５７】
従って、本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第１層１２１側に積層されることになる。
【００５８】
＜第５の実施形態＞
本実施形態に係る偏光分離層は、複屈折性を示す第１層１２１側に凸条４が設けられ、屈折率が等方性を示す第２層１２２側に凹溝３が設けられている点を除き、第１の実施形態に係る偏光分離層と同様の構成を有する（図示省略）。
【００５９】
本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第１の実施形態と同様に第２層１２２側に積層され、Ｓ偏光が全反射条件を満足する場合、凹溝３と凸条４の界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００６０】
＜第６の実施形態＞
本実施形態に係る偏光分離層は、複屈折性を示す第１層１２１側に凸条４が設けられ、屈折率が等方性を示す第２層１２２側に凹溝３が設けられている点を除き、第２の実施形態に係る偏光分離層と同様の構成を有する（図示省略）。
【００６１】
本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第２の実施形態と同様に第１層１２１側に積層され、Ｓ偏光が全反射条件を満足する場合、凹溝３と凸条４の界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００６２】
＜第７の実施形態＞
本実施形態に係る偏光分離層は、複屈折性を示す第１層１２１側に凸条４が設けられ、屈折率が等方性を示す第２層１２２側に凹溝３が設けられている点を除き、第３の実施形態に係る偏光分離層と同様の構成を有する（図示省略）。
【００６３】
本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第３の実施形態と同様に第２層１２２側に積層され、Ｐ偏光が全反射条件を満足する場合、凹溝３と凸条４の界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００６４】
＜第８の実施形態＞
本実施形態に係る偏光分離層は、複屈折性を示す第１層１２１側に凸条４が設けられ、屈折率が等方性を示す第２層１２２側に凹溝３が設けられている点を除き、第４の実施形態に係る偏光分離層と同様の構成を有する（図示省略）。
【００６５】
本実施形態に係る偏光分離層を採用する場合、前述した発光導光体１１は、第４の実施形態と同様に第１層１２１側に積層され、Ｐ偏光が全反射条件を満足する場合、凹溝３と凸条４の界面で反射し、外部に出射されることになる。
【００６６】
以下、実施例及び比較例を示すことにより、本発明の特徴をより一層明らかにする。
【００６７】
＜実施例１＞サイドライト型偏光面光源（図１参照）
偏光分離層を構成する複屈折性を示す第１層として、ポリエチレンテレフタレート樹脂（カネボウ合繊株式会社製：ＫＡＮＥＢＯ ＰＥＮ）を厚み２００μｍに成膜し、１１５℃で約５倍に延伸した。得られた延伸フィルムは、厚みが約４０μｍとなり、屈折率異方性Δｎ＝約０．３となった。
【００６８】
上記延伸フィルムの延伸軸方向に沿って、ルーリングエンジンを用いて精密刻線することにより、各辺が２μｍの正三角形の断面形状を有する複数条の凹溝を１０μｍピッチで形成した。そして、凹溝を形成した側の面に、等方性を示す第２層として、ウレタンアクリル系ハードコート剤（大日本インキ社製：ユニディック１７−８１３樹脂、光反応開始剤イルガキュア９０７ ２重量％添加）を塗布して凹溝に包埋させ、紫外線によって重合硬化させて、偏光分離層の一体品を作製した。
【００６９】
透光性樹脂としてのＪＳＲ製ＡＲＴＯＮ樹脂溶液（トルエン３０重量％溶液）に、発光性材料としてのクマリンを１重量％だけ溶解分散し、キャスト成膜して厚み１ｍｍの発光導光体を作製した。
【００７０】
上記偏光分離層と発光導光体とを積層し、光学接着剤（ＮＯＲＬＡＮＤ社製：ＮＯＡ６５）によって接着することにより、光学素子を作製した。
【００７１】
以上のようにして作製した光学素子の側面（発光導光体の側面）から、フィリップス社製ブラックライト（主発光波長３６０ｎｍ以下）を照射すると、出射面の法線方向に対して±３０°程度の範囲で直線偏光が出射し、Ｓ偏光とＰ偏光の強度比は、約１：５であった。
【００７２】
＜実施例２＞直下型偏光面光源（図２参照）
偏光分離層を構成する等方性を示す第２層としての日本ゼオン社製ゼオノア（厚み２ｍｍ）に、精密金型の熱プレスを用いて形状転写することにより、各辺が２μｍの正三角形の断面形状を有する複数条の凸条を１０μｍピッチで形成した。なお、前記精密金型は、ルーリングエンジンを用いて精密刻線することにより複数条の凹溝が形成されたものであり、凹溝の内部には、凹溝と平行方向の多数の微細な筋が存在していた。斯かる精密金型の形状を転写した第２層の凸条にも微細な筋が転写されていた。
【００７３】
上記凸条を形成した側の面に、複屈折性を示す第１層として、高砂香料工業社製Ｌ４２モノマー（ＲＮ＝４６１０５５−１０−７）２０重量％トルエン溶液（光反応開始剤イルガキュア９０７ ２重量％添加）を塗布し、９０℃で２分間乾燥させた後、紫外線によって重合硬化させ、偏光分離層の一体品を作製した。
【００７４】
透光性樹脂としてのクラレ社製ＰＶＡ（重合度２４００）水溶液（３０重量％）に、発光性材料としての住友大阪セメント社製ＺｎＳナノ粒子（粒径１０ｎｍ）を４重量％添加し、厚み１ｍｍに成膜して発光導光体を作製した。
【００７５】
上記偏光分離層と発光導光体とを積層し、光学粘着材（日東電工社製：Ｎｏ．７厚み２５μｍ）によって接着することにより、光学素子を作製した。
【００７６】
以上のようにして作製した光学素子の下面（発光導光体の下面）から、フィリップス社製ブラックライト（主発光波長３６０ｎｍ以下）を照射すると、出射面の法線方向に対して±３０°程度の範囲で直線偏光が出射し、Ｓ偏光とＰ偏光の強度比は、約１：４であった。
【００７７】
＜実施例３＞サイドライト型偏光面光源（第２層と発光導光体の一体型）（図３参照）
透光性樹脂及び第２層として、重量部の比率がメタクリル酸：アクリル酸：トリメチロールプロパントリアクリレート＝４：１：１の混合物に対して光反応開始剤イルガキュア１８４を５部（重量部）添加した配合液に、発光性材料としての蛍光剤Ａｌｑを３重量％添加し、これをガラス基板間に封入して紫外線により重合硬化させ、厚み３ｍｍの発光導光体（第２層を含む）を作製した。
【００７８】
上記発光導光体に実施例２と同様の表面加工を施し、実施例２と同様に複屈折性を示す第１層としての液晶を凹溝に包埋して配向させることにより、光学素子を作製した。
【００７９】
以上のようにして作製した光学素子の側面（発光導光体の側面）から、ナイトライド社製紫外線発光ＬＥＤ（主発光波長３７０ｎｍ）を照射すると、出射面の法線方向に対して±３０°程度の範囲で直線偏光が出射し、Ｓ偏光とＰ偏光の強度比は、約１：４であった。
【００８０】
＜比較例＞
実施例１の発光導光体のみからなる光学素子の側面から、フィリップス社製ブラックライト（主発光波長３６０ｎｍ以下）を照射すると、出射した光は自然光であった。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る偏光面光源の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】図２は、本発明の他の実施形態に係る偏光面光源の概略構成を示す縦断面図である。
【図３】図３は、本発明のさらに他の実施形態に係る偏光面光源の概略構成を示す縦断面図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態に係る偏光分離層の概略構成を示す図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態に係る偏光分離層の概略構成を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第３の実施形態に係る偏光分離層の概略構成を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第４の実施形態に係る偏光分離層の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１・・・光学素子
２・・・励起光源
３・・・凹溝
４・・・凸条
１０・・・偏光面光源
１１・・・発光導光体
１１ａ・・・透光性樹脂
１１ｂ・・・発光性材料
１２・・・偏光分離層
１２ａ・・・微細構造
１２１・・・第１層
１２２・・・第２層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性樹脂と当該透光性樹脂中に含有され外部から入射した光によって励起発光する発光性材料とを具備して板状に形成された発光導光体と、
前記発光導光体に積層され、前記発光導光体で励起発光した光のうち所定の振動面を有する直線偏光を反射して外部に出射するための複屈折性を示す微細構造を具備して板状に形成された偏光分離層とを備えることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記偏光分離層は、複屈折性を示す第１層と屈折率が等方性を示す第２層とが積層されて形成されており、前記第１層と前記第２層との界面に前記微細構造が形成されていると共に、前記第１層及び前記第２層の特定方向の屈折率が略等しいことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記微細構造は、それぞれ略三角形状の断面を有し互いに略平行に形成された複数条の凹溝と、前記各凹溝にそれぞれ嵌合する複数条の凸条との組合せで構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２層は、前記発光導光体と一体化されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１層は、液晶材料から形成されていることを特徴とする請求項２から４の何れかに記載の光学素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の光学素子と、
前記光学素子に含有された発光性材料を励起し得る波長の光を出射する励起光源とを備えることを特徴とする偏光面光源。
【請求項７】
前記発光性材料は、紫外光を吸収して可視光を励起発光する材料とされ、
前記励起光源は、紫外線を発光する光源とされていることを特徴とする請求項６に記載の偏光面光源。
【請求項８】
請求項７に記載の偏光面光源を備えることを特徴とする表示装置。
【請求項１】
透光性樹脂と当該透光性樹脂中に含有され外部から入射した光によって励起発光する発光性材料とを具備して板状に形成された発光導光体と、
前記発光導光体に積層され、前記発光導光体で励起発光した光のうち所定の振動面を有する直線偏光を反射して外部に出射するための複屈折性を示す微細構造を具備して板状に形成された偏光分離層とを備えることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記偏光分離層は、複屈折性を示す第１層と屈折率が等方性を示す第２層とが積層されて形成されており、前記第１層と前記第２層との界面に前記微細構造が形成されていると共に、前記第１層及び前記第２層の特定方向の屈折率が略等しいことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記微細構造は、それぞれ略三角形状の断面を有し互いに略平行に形成された複数条の凹溝と、前記各凹溝にそれぞれ嵌合する複数条の凸条との組合せで構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２層は、前記発光導光体と一体化されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１層は、液晶材料から形成されていることを特徴とする請求項２から４の何れかに記載の光学素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の光学素子と、
前記光学素子に含有された発光性材料を励起し得る波長の光を出射する励起光源とを備えることを特徴とする偏光面光源。
【請求項７】
前記発光性材料は、紫外光を吸収して可視光を励起発光する材料とされ、
前記励起光源は、紫外線を発光する光源とされていることを特徴とする請求項６に記載の偏光面光源。
【請求項８】
請求項７に記載の偏光面光源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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−３４３３８６（Ｐ２００６−３４３３８６Ａ）
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１６６５９４（Ｐ２００５−１６６５９４）
【出願日】平成１７年６月７日（２００５．６．７）
【出願人】（０００００３９６４）日東電工株式会社 (5,557)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月７日（２００５．６．７）
【出願人】（０００００３９６４）日東電工株式会社 (5,557)
【Ｆターム（参考）】
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