光学素子及び光源ユニット
【課題】色再現性が良好で、かつ色ムラの発生を防止することができる光学素子及び光源ユニットを提供する。
【解決手段】基板２上には柱状突起４が互いに交差する第一の方向（Ｘ軸方向）及び第二の方向（Ｙ軸方向）へ四角格子状に配列され、柱状突起４は第一の方向から入射する第一の光Ｌｒの波長に対応した間隔ｄ１で第一の方向に配列され、柱状突起４は第二の方向から入射する第二の光Ｌｇの波長に対応した間隔ｄ２で第二の方向に配列され、第一の方向及び第二の方向の双方に交差する第三の方向に配列された柱状突起４の列Ｌ３の間隔ｄ３が、第三の方向に直交する方向から入射する第三の光Ｌｂの波長に対応していることを特徴とする。
【解決手段】基板２上には柱状突起４が互いに交差する第一の方向（Ｘ軸方向）及び第二の方向（Ｙ軸方向）へ四角格子状に配列され、柱状突起４は第一の方向から入射する第一の光Ｌｒの波長に対応した間隔ｄ１で第一の方向に配列され、柱状突起４は第二の方向から入射する第二の光Ｌｇの波長に対応した間隔ｄ２で第二の方向に配列され、第一の方向及び第二の方向の双方に交差する第三の方向に配列された柱状突起４の列Ｌ３の間隔ｄ３が、第三の方向に直交する方向から入射する第三の光Ｌｂの波長に対応していることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光学素子及び光源ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、光の波長領域において周期的に屈折率が変化する構造体である。このフォトニック結晶を、例えば、発光ダイオードのような発光体の光の出射面に設けることで、発光体で発生した光の取出効率の向上を図ることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、フォトニック結晶は、出射面において格子状に配置された複数の円柱状の柱状突起で構成されており、互いに屈折率が異なる２つの物質である柱状突起と空気層とが所定の間隔で規則的に配置された構造となっている。このため、出射面に対して臨界屈折角よりも大きい法線角度で出射面から出射する光を、周期的に形成された柱状突起と空気層とにより回折させ、出射方向を臨界屈折角よりも小さくすることが可能となる。これにより、フォトニック結晶に入射した光が、出射面において全反射される光の割合が小さくなり、光の取出効率が向上する。
【０００３】
ところで、携帯電話機などの電子機器の表示部には、液晶表示装置が用いられている。
この液晶表示装置には、通常、表示の視認性を高めるためのバックライトユニットが設けられている。このバックライトユニットは、光源からの照明光を内部で導光させた後、液晶パネルに向けて出射させる導光板を備えている。
そこで、このような導光板において、照明光の取出効率を向上させるため、出射面に上述したフォトニック結晶を設けることが考えられる。
また、特に中・小型のバックライトでは、導光板の薄型化のために、導光板の光の出射面に垂直な側端面から光を入射させる、いわゆるエッジ方式が主に採用されている。
【特許文献１】特開２００６−４９８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の光学素子においても、以下の課題が残されている。光学素子に光を入射させる光源として主にＬＥＤが用いられるが、白色ＬＥＤを用いた場合、白色光がＲＧＢの各色の光の波長をバランスよく含んでいないため、色再現性が低下するという課題がある。また、上述のエッジ方式において色再現性を向上させるためにＲＧＢの各色のＬＥＤを光源として用いた場合、出射面から射出される各色の光に偏りが生じ、色ムラが発生するという課題がある。
【０００５】
そこで、この発明は、色再現性が良好で、かつ色ムラの発生を防止することができる光学素子及び光源ユニットを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の光学素子は、基板と、該基板の一面に設けられた複数の柱状突起とを有し、内部に光を導通させる光学素子であって、前記柱状突起は、互いに交差する第一の方向及び第二の方向に格子状に配列され、前記第一の方向においては、該第一の方向から入射する第一の光の波長に対応した間隔で配置され、前記第二の方向においては、該第二の方向から入射する第二の光の波長に対応した間隔で配置され、前記第一の方向及び前記第二の方向の双方に交差する第三の方向に配列された前記柱状突起の列が、前記第三の方向に直交する方向から入射する第三の光の波長に対応した間隔で配置されていることを特徴とする。
【０００７】
このように構成することで、基板に各方向から入射した各光を、基板の一面から略同一の角度で出射させ、各光を効率よく合成することができる。そのため、基板の一面から各光を偏りなく均一に射出させ、基板から射出される合成光に含まれる波長のバランスを向上させることができる。したがって、色再現性が良好で、かつ色ムラの発生を防止された光学素子を提供することができる。
【０００８】
また、本発明の光学素子は、前記第一の方向の前記柱状突起の間隔をｄ１、前記第二の方向の前記柱状突起の間隔をｄ２、前記第三の方向の前記柱状突起の列の間隔をｄ３とし、前記第一の光の波長をλ１、前記第二の光の波長をλ２、前記第三の光の波長をλ３とし、前記基板の一面に入射する、前記第一の光の入射角をα１、前記第二の光の入射角をα２、前記第三の光の入射角をα３とし、前記基板の一面から出射する、前記第一の光の出射角をβ１、前記第二の光の出射角をβ２、前記第三の光の出射角をβ３とし、前記基板の屈折率をｎ、空気の屈折率をａとし、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３を整数とした場合に、前記間隔ｄ１、ｄ２、ｄ３は、それぞれ下記の式（１）、式（２）、式（３）の関係を満たし、前記波長λ１、λ２、λ３に対応して前記出射角β１、β２、β３を所定の値とするように調整されていることを特徴とする。
【０００９】
ｄ１・（ｎ・ｓｉｎα１−ａ・ｓｉｎβ１）＝Ｎ１・λ１…（１）
ｄ２・（ｎ・ｓｉｎα２−ａ・ｓｉｎβ２）＝Ｎ２・λ２…（２）
ｄ３・（ｎ・ｓｉｎα３−ａ・ｓｉｎβ３）＝Ｎ３・λ３…（３）
【００１０】
このように構成することで、基板の一面から所定の方向に各波長の光を射出させて合成することができる。これにより、従来、正面方向に光を射出させるために用いられていたプリズムシートが不要になる。したがって、従来よりも光学素子の部材を削減することができ、光学素子を薄型化することができるだけでなく、材料コストを削減し、環境負荷を低減することができる。
【００１１】
また、本発明の光学素子は、前記間隔ｄ１、ｄ２、ｄ３は、前記出射角β１、β２、β３のそれぞれを０°に近づけるように調整されていることを特徴とする。
【００１２】
このように構成することで、導光板の一面から垂直に各波長の光を射出させて、各光を偏りなく均一に合成することができる。
【００１３】
また、本発明の光学素子は、前記第一の方向は前記第二の方向に直交し、前記第三の方向は、４つの前記柱状突起が矩形配列された単位格子の対角線と平行であることを特徴とする。
【００１４】
このように構成することで、柱状突起は垂直格子状に配列される。そして、上記の式（１）〜式（３）の関係を満たす場合には、各波長λ１、λ２、λ３の光を射出する各光源を、下記の式（４）を満たすように選定することで、各波長λ１、λ２、λ３に対応する間隔ｄ１、ｄ２、ｄ３を容易に選定することができる。
【００１５】
λ３＝λ１・λ２／√（λ１２＋λ２２）…（４）
【００１６】
また、本発明の光学素子は、前記基板の一面に前記単位格子を複数備えた柱状突起ユニットが複数配置され、前記基板の一面内における位置により前記柱状突起ユニットの配置密度が異なることを特徴とする。
【００１７】
このように構成することで、基板の一面内の位置によって輝度が異なる場合であっても、柱状突起ユニットの密度の増減により所望の方向に射出される光の量を調整し、基板の一面における輝度を均一にすることができる。
【００１８】
また、本発明の光学素子は、前記柱状突起は、前記基板の一面に垂直な断面の輪郭形状が放物線状の形状であることを特徴とする。
【００１９】
このように構成することで、柱状突起の基端側から先端側に向けて屈折率が緩やかにかつ比較的均一に変化していくいため、回折効率が向上する。
【００２０】
また、本発明の光学素子は、前記柱状突起は、前記基板の一面に平行な断面の輪郭形状が楕円状の形状であることを特徴とする。
【００２１】
このように構成することで、各方向から基板に入射する各光に対する柱状突起の回折効率を異ならせることができる。
【００２２】
また、本発明の光学素子は、前記基板の前記柱状突起側に光拡散層が設けられていることを特徴とする。
【００２３】
このように構成することで、各光の入射角が変動して出射角が基板の一面に垂直ではなくなった場合であっても、これらの光を拡散させて、基板の一面に垂直な方向に射出される光を増加させることができる。
【００２４】
また、本発明の光学素子は、前記第一の光は赤色光であり、前記第二の光は緑色光であり、前記第三の光は青色光であることを特徴とする。
【００２５】
このように構成することで、各色の光を合成させて、ＲＧＢの各色の光の波長をバランスよく含んだ色再現性の高い白色光を得ることができる。
【００２６】
また、本発明の光源ユニットは、上記のいずれかの光源素子を備え、前記基板に前記第一の光を前記第一の方向から入射させる第一の光源と、前記基板に前記第二の光を前記第二の方向から入射させる第二の光源と、前記基板に前記第三の光を前記第三の方向に垂直な方向から入射させる第三の光源と、を有することを特徴とする。
【００２７】
このように構成することで、各光源から射出された各光は、光学素子に入射して基板の一面から射出されて均一に合成される。したがって、色再現性が良好で、かつ色ムラの発生が防止された光源ユニット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】
【００２８】
＜第一実施形態＞
次に、本発明の第一実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００２９】
（バックライトユニット、導光板）
図１は本実施形態のバックライトユニットの全体構成を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う矢視断面図である。また、図２は、図１のバックライトユニットの導光板の一部を拡大して示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【００３０】
図１（ａ）および図１（ｂ）に示す本実施形態の光学ユニットは、例えば、液晶表示装置のバックライトユニット（光学ユニット）１００であって、内部に光を導通させる導光板（光学素子）１と、導光板１に光を照射する複数の光源Ｒ，Ｇ，Ｂとを備えている。また、導光板１は、基板２と、基板２の表面（一面）２ａの回折領域３に形成された複数の円柱状の柱状突起４とを有している。これらの柱状突起４は基板２の表面２ａから略垂直に突出するように形成されている。基板２は、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）等、光源Ｒ，Ｇ，Ｂに使用する波長領域において透光性を有する材料により形成されている。また、光源Ｒ，Ｇ，Ｂは、例えば、ＬＥＤにより構成されている。
【００３１】
図１（ａ）に示すように、本実施形態の導光板１は平面視で略矩形状であり、角の一つが面取りされた五角形の形状を有している。面取りされた部分の側面２ｂは、後述する柱状突起４の列Ｌ３（図２（ａ）参照）と平行に形成されている。
ここで、図１（ａ）に示すように基板２の表面２ａに平行なＸＹ平面を有するＸＹＺ直交座標系を設定すると、基板２のＹ軸に平行な側面２ｙには、赤色光（第一の光）Ｌｒを平面視でＸ軸方向に照射する赤色光源Ｒが配置されている。また、基板２のＸ軸に平行な側面２ｘには、緑色光（第二の光）Ｌｇを平面視でＹ軸方向に照射する緑色光源Ｇが配置されている。また、基板２の面取りされた部分の側面２ｂには、青色光（第三の光）Ｌｂを後述する柱状突起４の列Ｌ３と垂直な方向に照射する青色光源Ｂが配置されている。
【００３２】
すなわち、基板２のＹ軸に平行な側面２ｙは赤色光Ｌｒが入射する入射面となっており、導光板１のＸ軸に平行な側面２ｘは緑色光Ｌｇが入射する入射面となっている。また、上述の面取りされた部分の側面２ｂは青色光Ｌｂが入射する入射面となっている。そして、基板２の表面２ａの柱状突起４が形成された回折領域３が、各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの出射面となっている。
【００３３】
また、基板２の表面２ａには、図２（ａ）に示すように、複数の柱状突起４が、互いに直交するＸ軸方向（第一の方向）及びＹ軸方向（第二の方向）にそれぞれ等しい間隔ｄ１，ｄ２で四角格子状に配列されている。すなわち、柱状突起４は垂直格子状の配列となっている。換言すると、柱状突起４の配列は、Ｙ軸方向に配列された柱状突起４の列Ｌ１が一定の間隔ｄ１でＸ軸方向に配列され、Ｘ軸方向に配列された柱状突起４の列Ｌ２も一定の間隔ｄ２でＹ軸方向に配列されている。
また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の双方に交差する方向、例えば、矩形配列された４つの柱状突起４からなる単位格子Ｕの対角線の方向（第三の方向）に配列された柱状突起４の列Ｌ３も、一定の間隔ｄ３で配列されている。
【００３４】
また、本実施形態では、Ｘ軸方向の柱状突起４の間隔ｄ１、Ｙ軸方向の柱状突起４の間隔ｄ２、及び、柱状突起４の列Ｌ３の間隔ｄ３は、それぞれ下記の式（１）、式（２）、式（３）の関係を満たしている。ここで、間隔ｄ１，ｄ２はそれぞれ柱状突起４の中心間隔であり、間隔ｄ３は、列Ｌ３の中心線の間隔である。
【００３５】
ｄ１・（ｎ・ｓｉｎα１−ａ・ｓｉｎβ１）＝Ｎ１・λ１…（１）
ｄ２・（ｎ・ｓｉｎα２−ａ・ｓｉｎβ２）＝Ｎ２・λ２…（２）
ｄ３・（ｎ・ｓｉｎα３−ａ・ｓｉｎβ３）＝Ｎ３・λ３…（３）
【００３６】
ここで、λ１は赤色光Ｌｒの波長、λ２は緑色光Ｌｇの波長、λ３は青色光Ｌｂの波長である。また、図２（ｂ）に示すように、α１は基板２の表面２ａに入射する赤色光Ｌｒの入射角、α２は基板２の表面２ａに入射する緑色光Ｌｇの入射角、α３は基板２の表面２ａに入射する青色光Ｌｂの入射角である。また、β１は基板２の表面２ａから出射する赤色光Ｌｒの出射角、β２は基板２の表面２ａから出射する緑色光Ｌｇの出射角、β３は基板２の表面２ａから出射する青色光Ｌｂの出射角である。また、ｎは基板２の屈折率、ａは空気の屈折率、Ｎ１及びＮ２及びＮ３は整数である。
そして、間隔ｄ１，ｄ２，ｄ３は、それぞれ、波長λ１，λ２，λ３に対応して出射角β１，β２，β３のそれぞれを０°に近づけるように調整されている。
【００３７】
本実施形態では、各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの波長λ１，λ２，λ３は、下記の式（４）を略満たすように選定されている。
【００３８】
λ３＝λ１・λ２／√（λ１２＋λ２２）…（４）
【００３９】
例えば、式（４）を略満たす波長λ１，λ２，λ３の組合せの例として、以下の（５）〜（７）の組合せが挙げられる。
【００４０】
（λ１，λ２，λ３）＝（４００ｎｍ，５２０ｎｍ，６２０ｎｍ）…（５）
（λ１，λ２，λ３）＝（４１０ｎｍ，５３０ｎｍ，６５０ｎｍ）…（６）
（λ１，λ２，λ３）＝（４２０ｎｍ，５５０ｎｍ，６５０ｎｍ）…（７）
【００４１】
本実施形態では、例えば、上記の（７）の組合せを採用している。
また、空気の屈折率ａは１．０であり、導光板１はポリカーボネートにより形成されていることから、上記の波長領域における基板２の屈折率ｎは約１．５９となっている。
また、上述の各光源Ｒ，Ｇ，Ｂは、図２（ｂ）に示すように、光源Ｒ，Ｇ，Ｂから照射した各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂが基板２の表面２ａに対してそれぞれ約５０°の入射角α１，α２，α３で入射するようにＺ軸に対する角度が調整されて基板２の各側面２ｙ，２ｘ，２ｂに設置されている。
【００４２】
そして、Ｘ軸方向の柱状突起４の中心の間隔ｄ１は、上記の式（１）においてＮ１＝１とし、赤色光Ｌｒの出射角β１が略０°となるように、赤色光Ｌｒの波長λ１に対応して、約３３７ｎｍに設定されている。すなわち、Ｘ軸方向の柱状突起４の間隔ｄ１は、波長λ１の約０．８２倍となっている。
【００４３】
また、Ｙ軸方向の柱状突起４の中心の間隔ｄ２は、上記の式（２）においてＮ２＝１とし、緑色光Ｌｇの出射角β２が略０°となるように、緑色光Ｌｇの波長λ２に対応して、約５２０ｎｍに設定されている。すなわち、Ｙ軸方向の柱状突起４の間隔ｄ２は、緑色光Ｌｇの波長λ２の約０．８２倍となっている。
【００４４】
また、単位格子Ｕの対角線の方向に配列された柱状突起４の列Ｌ３の中心の間隔ｄ３は、上記の式（３）においてＮ３＝１とし、青色光Ｌｂの出射角β３が略０°となるように、青色光Ｌｂの波長λ３に対応して、約５３３ｎｍに設定されている。すなわち、単位格子Ｕの対角線の方向に配列された柱状突起４の列Ｌ３の間隔ｄ３は、青色光Ｌｂの波長λ３の約０．８２倍となっている。
【００４５】
ここで、Ｘ軸方向の柱状突起４の間隔ｄ１、Ｙ軸方向の柱状突起４の間隔ｄ２、及び、柱状突起４の列Ｌ３の間隔ｄ３は、それぞれ各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの波長λ１，λ２，λ３の約０．５倍以上かつ約１０倍以下であることが望ましい。この範囲であれば、導光板１の特性が許容できる範囲を超えて劣化することがない。
【００４６】
このように、柱状突起４はＸ軸方向から導光板１に入射する赤色光Ｌｒの波長λ１に対応した間隔ｄ１でＸ軸方向に配列されている。また、柱状突起４はＹ軸方向から導光板１に入射する緑色光Ｌｇの波長λ２に対応した間隔ｄ２でＹ軸方向に配列されている。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の双方に交差する単位格子Ｕの対角線方向に配列された柱状突起４の列Ｌ３の間隔ｄ３が、その対角線方向に直交する方向から入射する青色光Ｌｂの波長λ３に対応している。
【００４７】
次に、本実施形態の作用について説明する。
図１（ａ）に示すように、赤色光源Ｒから赤色光Ｌｒを照射して、基板２のＹ軸と平行な側面２ｙに平面視でＸ軸方向から入射させる。同時に、緑色光源Ｇから緑色光Ｌｇを照射して、基板２のＸ軸に平行な側面２ｘに平面視でＹ軸方から入射させる。また、同時に、青色光源Ｂから青色光Ｌｂを照射して、導光板１の基板２の面取りされた側面２ｂに平面視で柱状突起４の列Ｌ３と垂直な方向から入射させる。このとき、上述のように各光源Ｒ，Ｇ，ＢのＺ軸に対する光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの照射角度が調整されているので、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂから照射された各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂは、図２（ｂ）に示すように、基板２の表面２ａに対してそれぞれ主に約５０°の入射角α１，α２，α３で入射する。
【００４８】
ここで、上述のように、図２（ａ）に示す柱状突起４の間隔ｄ１、ｄ２、及び柱状突起４の列Ｌ３の間隔ｄ３は、それぞれ上記の式（１）、式（２）、式（３）の関係を満たし、それぞれ各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの波長λ１，λ２，λ３に対応して、図２に示す出射角β１，β２，β３がそれぞれ略０°になるように調整されている。そのため、基板２の表面２ａに入射した各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂは、基板２の表面２ａと略垂直な方向へ回折されて基板２から射出される。これにより、導光板１の各側面２ｘ，２ｙ，２ｂに平面視で異なる各方向から入射させた各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを、基板２の表面２ａから略垂直方向（Ｚ軸方向）に射出させて合成することができる。
【００４９】
これにより、従来、基板２の表面２ａに垂直な正面方向に光を射出させるために用いられていたプリズムシートが不要になる。したがって、従来よりも導光板１及びバックライトユニット１００の部材を削減することができ、導光板１及びバックライトユニット１００を薄型化することができるだけでなく、材料コストを削減し、環境負荷を低減することができる。
【００５０】
また、光源として赤色光源Ｒ、緑色光源Ｇ及び青色光源Ｂを用い、照明光として赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ及び青色光Ｌｂを用いることで、基板２の表面２ａから略垂直方向（Ｚ軸方向）にＲＧＢの各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの波長λ１，λ２，λ３をバランスよく含んだ色再現性の高い白色の合成光を照射することができる。
【００５１】
また、柱状突起４はＸ軸方向とＹ軸方向に垂直格子状に配列され、単位格子Ｕの対角線の方向がＸ軸とＹ軸の双方に交差する第三の方向とされている。これにより、各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの波長λ１，λ２，λ３を上記の式（４）を満たすように選定することができ、上記の式（１）〜式（３）の関係を満たす柱状突起４の間隔ｄ１、ｄ２、及び柱状突起４の列Ｌ３の間隔ｄ３を容易に決定することができる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態の導光板１によれば、基板２の各側面２ｘ，２ｙ，２ｂに各方向から入射した各光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを、基板２の表面２ａから略垂直方向に出射させ、各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを効率よく合成することができる。そのため、基板２の表面２ａから各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを偏りなく均一に射出させ、基板２から射出される合成光に含まれる波長λ１，λ２，λ３のバランスを向上させることができる。したがって、色再現性が良好で、かつ色ムラの発生が防止された導光板１を提供することができる。
【００５３】
また、本実施形態のバックライトユニット１００によれば、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂから射出された各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂは、導光板１に入射して基板２の表面２ａから射出されて均一に合成される。したがって、色再現性が良好で、かつ色ムラの発生が防止されたバックライトユニット１００を提供することができる。
【００５４】
また、本実施形態では、上述のように、柱状突起４の間隔ｄ１、ｄ２、及び柱状突起の対角線方向の列Ｌ３の間隔ｄ３を、出射角β１，β２，β３がそれぞれ０°に近づくように調整したが、出射角β１，β２，β３がそれぞれ０°と等しくなるように調整してもよい。これにより、導光板１の表面２ａからより垂直に各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを射出させて、各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを偏りなく均一に合成することができる。
【００５５】
また、本実施形態では、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、円柱状の形状の柱状突起４を用いたが、円柱状の柱状突起４の代わりに、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、Ｚ軸に平行な断面視で放物線状の輪郭形状を有する柱状突起４ｂを用いてもよい。これにより、柱状突起４ｂの基端側から先端側に向けて導光板１の屈折率が緩やかにかつ比較的均一に変化していくいため、導光板１の回折効率を向上させることができる。
【００５６】
また、３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、基板２の表面２ａに平行な断面の輪郭形状が楕円状の柱状突起４ｂを用いることで、各方向から基板２に入射する各光に対する柱状突起４ｂの回折効率を異ならせ、導光板１の各方向に対する回折効率を調整することができる。
【００５７】
（導光板の製造方法）
次に、本実施形態の導光板１の製造方法の一例について説明する。
まず、上述の柱状突起４の型を形成するために、シリコン等により形成された型基板（図示略）を用意し、型基板の一面に、フォトリソグラフィー法、エッチング法等により、図２（ａ）に示す柱状突起４に対応した複数の円柱状の凹部を形成する。このとき、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すような垂直断面の輪郭形状が放物線状の柱状突起４ｂを形成する場合には、適宜グレーマスクを使用して、柱状突起４ｂの形状に対応した形状の凹部を形成する。
次に、型基板上の凹部に紫外線硬化樹脂を充填する。紫外線硬化樹脂としては、例えば、主に波長３６５ｎｍで硬化するものを用いる。
【００５８】
次に、型基板上に導光板１の基板２を配置し、基板２の各側面２ｘ，２ｙ，２ｂと型基板の凹部との位置関係が、上述の基板２の各側面２ｘ，２ｙ，２ｂと柱状突起４，４ｂとの位置関係を満たすように、基板２と型基板とをアライメントする。
次いで、基板２を透して型基板の凹部に充填された紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して硬化させ、紫外線硬化樹脂と基板２を一体化させる。このとき、紫外線硬化樹脂と基板２との密着性を高めるために、シランカップリング剤を基板２の型基板側の表面に塗布しておいてもよい。
【００５９】
そして、基板２を型基板から剥離させることで、上述の柱状突起４，４ｂを備えた導光板１が製造される。
このとき、型基板と紫外線硬化樹脂との離型性を高めるために、凹部の内側を含む型基板の表面にフッ素系容媒を使用してフッ素系の分子膜を形成してもよい。この場合、分子膜の膜厚は溶媒分子の大きさ程度であることが望ましい。
【００６０】
＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態について、図１〜図３を援用し、図４（ａ）及び図４（ｂ）を用いて説明する。本実施形態では、導光板１Ｂの基板２の回折領域３の全域に柱状突起４が一様に配置されていない点で、上述の第一実施形態と異なっている。その他の点は第一実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
【００６１】
図４（ａ）に示すように、本実施形態のバックライトユニット１００Ｂは、基板２の表面２ａの回折領域３に、複数の柱状突起ユニット４０が配置された導光板１Ｂを備えている。
柱状突起ユニット４０は、図４（ｂ）に示すように、上述の第一実施形態と同様に配置された柱状突起４を、例えば、数百〜数千程度備えた矩形の領域である。ここで、柱状突起ユニット４０の柱状突起４の数は、入射光に回折を生じさせる範囲であれば特に限定されない。
【００６２】
柱状突起ユニット４０は、図４（ａ）に示すように、基板２の表面２ａの回折領域３内の位置によって密度を異ならせて配置されている。具体的には、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂに近いほど柱状突起ユニット４０の配置密度は低く、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂから遠くなるほど柱状突起ユニット４０の配置密度は高くなっている。
【００６３】
一般に、基板２の回折領域３においては、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂに近いほど光源Ｒ，Ｇ，Ｂからの光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂが多く回折されるため、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂに近いほど輝度が高く、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂから遠くなるほど輝度が低下する傾向がある。しかし、本実施形態によれば、基板２の表面２ａ垂直方向（Ｚ軸方向）に回折されて射出される光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの量を柱状突起ユニット４０の密度によって調整し、回折領域３内における輝度を均一にすることができる。
【００６４】
＜第三実施形態＞
次に、本発明の第三実施形態について、図１〜図４を援用し、図５を用いて説明する。本実施形態では、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂの回折領域３を挟んで反対側に、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂからの光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを各光源Ｒ，Ｇ，Ｂ方向に反射させるミラーＭｒ，Ｍｇ，Ｍｂが配置されている点で、上述の第一、第二実施形態と異なっている。その他の点は第一、第二実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
【００６５】
図５に示すように、本実施形態のバックライトユニット１００Ｃは、平面形状が八角形の導光板１Ｃを備えている。導光板１Ｃの基板２ＣのＹ軸に平行な側面２ｙには、第一実施形態と同様に赤色光源Ｒが設けられ、基板２Ｃの回折領域３を挟んで反対側の側面２ｙ’には、赤色光Ｌｒを反射する赤色光反射ミラーＭｒが設けられている。赤色光反射ミラーＭｒは、反射された赤色光Ｌｒ’が平面視でＸ軸方向に反射されるように角度が調整されて設置されている。
【００６６】
同様に、回折領域３を挟んで緑色光源Ｇの反対側には、緑色光Ｌｇを平面視でＹ軸方向に反射する緑色光反射ミラーＭｇが設けられ、回折領域３を挟んで青色光源Ｂの反対側には、青色光Ｌｂを柱状突起４の列Ｌ３と垂直な方向に反射する青色光反射ミラーＭｂが設けられている。
【００６７】
本実施形態によれば、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂから照射され、回折領域３においてＺ軸方向に回折されずに回折領域３を通過した光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを、各反射ミラーＭｒ，Ｍｇ，Ｍｂによって反対方向に反射させて、再度、回折領域３に入射させることができる。したがって、回折領域３においてＺ軸方向に回折される光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを増加させ、輝度を向上させることができる。
なお、本実施形態の変形例として、各反射ミラーＭｒ，Ｍｇ，Ｍｂの代わりに各光源Ｒ，Ｇ，Ｂを配置して、回折領域３の両側から光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを照射するようにしてもよい。これにより、各反射ミラーＭｒ，Ｍｇ，Ｍｂを設置する場合と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
（液晶表示装置）
次に、上述の実施形態において説明したバックライトユニット１００を備えた液晶表示装置について説明する。
図６は、液晶表示装置を示す概略断面図である。この液晶表示装置５０は、素子基板５１と、素子基板５１に対向配置された対向基板５２と、素子基板５１及び対向基板５２の間に配置された液晶層５３と、素子基板５１の外側（液晶層５３の反対側）に配置されたバックライトユニット１００とを備えている。そして、液晶表示装置５０は、素子基板５１と対向基板５２とをシール材５５で貼り合わせており、このシール材５５によって液晶層５３が素子基板５１と対向基板５２との間で封止されている。
【００６９】
素子基板５１は、平面視で略矩形状であってガラス基板を基体としており、このガラス基板上に種々の金属膜や絶縁膜、半導体層、不純物層などが形成されている。そして、素子基板５１には、フォトリソグラフィー技術やインクジェット法などの手法を用いてガラス基板上に形成された画素電極、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）及び蓄積コンデンサなどを含む画素部分と、画素に電気信号などを供給する配線部分とを備えている。さらに、素子基板５１の内側の面（液晶層５３側の面）には、液晶層５３を構成する液晶分子の配向を制御する配向膜が形成されている。
【００７０】
対向基板５２は、素子基板５１と同様に、平面視で略矩形状であってガラス基板を基体としており、このガラス基板上にブラックマトリックスやカラーフィルタ層、保護膜及び電極などが形成されている。また、対向基板５２の内側の面には、配向膜が形成されている。この配向膜は、液晶分子の配向方向が素子基板５１に形成された配向膜による配向方向と直交するように形成されている。
【００７１】
反射板５７は、導光板１の外側（基板２の表面２ａから離間する側）に配置されており、導光板１を透過した光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを導光板１に向けて反射する構成となっている。
また、バックライトユニット１００は、液晶表示装置５０と、反射板５７との間に導光板１が配置され、回折領域３と液晶表示装置５０の画像表示領域が平面的に重なるように配置されている。
【００７２】
以上のような構成の液晶表示装置５０では、色再現性が良好で、かつ色ムラの発生が防止されたバックライトユニット１００を備えているので、液晶表示装置５０の表示性能を向上させることができる。
【００７３】
尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の実施形態では、柱状突起の配列を垂直格子状の配列として説明したが、柱状突起が互いに交差する第一の方向及び第二の方向へ四角格子状に配列されたものであれば、柱状突起の配列は垂直格子状でなくてもよい。
また、導光板の平面形状は、上述の実施形態で説明した形状に限定されない。
【００７４】
また、柱状突起の先端側に光を拡散させる光拡散フィルム（光拡散層）を配置してもよい。これにより、各光の入射角が変動して出射角が基板の一面に垂直ではなくなった場合であっても、これらの光を拡散させて、基板の一面に垂直な方向に射出される光を増加させることができる。したがって、各色の光を基板の一面で均一に合成することができ、基板の一面内での位置の違いによる色ムラの発生を防止することができる。
【００７５】
また、上述の第二実施形態では、回折領域内の柱状突起ユニットの配置密度を異ならせることにより、回折領域内の輝度が均一になるように調整したが、輝度の調整は柱状突起の直径を変化させたり、柱状突起の高さを変化させたり、柱状突起の形状を変化させたりすることにより行っても良い。
また、柱状突起は熱硬化樹脂により形成してもよい。
【００７６】
また、導光板を構成する樹脂材料としては、上述の実施形態で説明したポリカーボネート（ＰＣ）以外にも、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）などのポリオレフィン、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド（例えばナイロン６、ナイロン４６、ナイロン６６、ナイロン６１０、ナイロン６１２、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６−１２、ナイロン６−６６）、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリ−（４−メチルペンテン−１）、アイオノマー、アクリル系樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリオキシメチレン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エチレン−ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリシクロヘキサンテレフタレート（ＰＣＴ）などのポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンオキシド、変性ポリフェニレンオキシド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、芳香族ポリエステル（液晶ポリマー）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、その他フッ素系樹脂、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系などの各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂など、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイなどが挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば、ブレンド樹脂、ポリマーアロイ、積層体などとして）用いることができる。
なお、導光板は、使用する波長領域において透光性を示せば、樹脂材料に限らず、他の材料で構成されてもよい。
【００７７】
また、光学素子の透過率は、使用する光の波長領域において、８５％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。これにより、導光板に入射した光の取出効率の向上を図る。
【００７８】
また、光学素子の屈折率は、１．４以上１．７以下であることが好ましい。これにより、導光板に入射した光の利用効率をさらに向上させることができると共に、出射する光に高い指向性を持たせることができる。また、導光板の周辺環境の気温や湿度などによりフォトニック結晶としての機能が十分に発揮されないことを防止できる。
【００７９】
そして、上述の実施形態では、本発明の光学素子を導光板に適用する例について説明したが、本実施形態の光学素子を導光板以外に適用できることは言うまでもない。また、上述の実施形態では、エッジ方式について説明したが、本発明の光学素子は、例えば、有機ＥＬや半導体レーザー等の光源上に直接配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第一実施形態におけるバックライトユニットの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う矢視断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態における柱状突起の配列を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態における柱状突起の変形例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は柱状突起の斜視図である。
【図４】本発明の第二実施形態におけるバックライトユニットの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は柱状突起ユニットの拡大平面図である。
【図５】本発明の第三実施形態におけるバックライトユニットの構成を示す平面図である。
【図６】本発明の実施形態における液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１，１Ｂ，１Ｃ 導光板（光学素子）、２，２Ｃ 基板、２ａ 表面（一面）、２ｂ，２ｘ，２ｙ 側面、３ 回折領域、４，４ｂ 柱状突起、４０ 柱状突起ユニット、５０ 液晶表示装置、５１ 素子基板、５２ 対向基板、５３ 液晶層、５５ シール材、５７ 反射板、１００，１００Ｂ，１００Ｃ バックライトユニット（光源ユニット）、α１，α２，α３ 入射角、β１，β２，β３ 出射角、λ１，λ２，λ３ 波長、ｄ１，ｄ２，ｄ３ 間隔、ａ，ｎ 屈折率、Ｂ 青色光源（第三の光源）、Ｇ 緑色光源（第二の光源）、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 列、Ｌｂ 青色光（第三の光）、Ｌｇ 緑色光（第二の光）、Ｌｒ 赤色光（第一の光）、Ｍｂ，Ｍｇ，Ｍｒ ミラー、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３ 整数、Ｒ 赤色光源（第一の光源）、Ｕ 単位格子
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光学素子及び光源ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、光の波長領域において周期的に屈折率が変化する構造体である。このフォトニック結晶を、例えば、発光ダイオードのような発光体の光の出射面に設けることで、発光体で発生した光の取出効率の向上を図ることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、フォトニック結晶は、出射面において格子状に配置された複数の円柱状の柱状突起で構成されており、互いに屈折率が異なる２つの物質である柱状突起と空気層とが所定の間隔で規則的に配置された構造となっている。このため、出射面に対して臨界屈折角よりも大きい法線角度で出射面から出射する光を、周期的に形成された柱状突起と空気層とにより回折させ、出射方向を臨界屈折角よりも小さくすることが可能となる。これにより、フォトニック結晶に入射した光が、出射面において全反射される光の割合が小さくなり、光の取出効率が向上する。
【０００３】
ところで、携帯電話機などの電子機器の表示部には、液晶表示装置が用いられている。
この液晶表示装置には、通常、表示の視認性を高めるためのバックライトユニットが設けられている。このバックライトユニットは、光源からの照明光を内部で導光させた後、液晶パネルに向けて出射させる導光板を備えている。
そこで、このような導光板において、照明光の取出効率を向上させるため、出射面に上述したフォトニック結晶を設けることが考えられる。
また、特に中・小型のバックライトでは、導光板の薄型化のために、導光板の光の出射面に垂直な側端面から光を入射させる、いわゆるエッジ方式が主に採用されている。
【特許文献１】特開２００６−４９８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の光学素子においても、以下の課題が残されている。光学素子に光を入射させる光源として主にＬＥＤが用いられるが、白色ＬＥＤを用いた場合、白色光がＲＧＢの各色の光の波長をバランスよく含んでいないため、色再現性が低下するという課題がある。また、上述のエッジ方式において色再現性を向上させるためにＲＧＢの各色のＬＥＤを光源として用いた場合、出射面から射出される各色の光に偏りが生じ、色ムラが発生するという課題がある。
【０００５】
そこで、この発明は、色再現性が良好で、かつ色ムラの発生を防止することができる光学素子及び光源ユニットを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の光学素子は、基板と、該基板の一面に設けられた複数の柱状突起とを有し、内部に光を導通させる光学素子であって、前記柱状突起は、互いに交差する第一の方向及び第二の方向に格子状に配列され、前記第一の方向においては、該第一の方向から入射する第一の光の波長に対応した間隔で配置され、前記第二の方向においては、該第二の方向から入射する第二の光の波長に対応した間隔で配置され、前記第一の方向及び前記第二の方向の双方に交差する第三の方向に配列された前記柱状突起の列が、前記第三の方向に直交する方向から入射する第三の光の波長に対応した間隔で配置されていることを特徴とする。
【０００７】
このように構成することで、基板に各方向から入射した各光を、基板の一面から略同一の角度で出射させ、各光を効率よく合成することができる。そのため、基板の一面から各光を偏りなく均一に射出させ、基板から射出される合成光に含まれる波長のバランスを向上させることができる。したがって、色再現性が良好で、かつ色ムラの発生を防止された光学素子を提供することができる。
【０００８】
また、本発明の光学素子は、前記第一の方向の前記柱状突起の間隔をｄ１、前記第二の方向の前記柱状突起の間隔をｄ２、前記第三の方向の前記柱状突起の列の間隔をｄ３とし、前記第一の光の波長をλ１、前記第二の光の波長をλ２、前記第三の光の波長をλ３とし、前記基板の一面に入射する、前記第一の光の入射角をα１、前記第二の光の入射角をα２、前記第三の光の入射角をα３とし、前記基板の一面から出射する、前記第一の光の出射角をβ１、前記第二の光の出射角をβ２、前記第三の光の出射角をβ３とし、前記基板の屈折率をｎ、空気の屈折率をａとし、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３を整数とした場合に、前記間隔ｄ１、ｄ２、ｄ３は、それぞれ下記の式（１）、式（２）、式（３）の関係を満たし、前記波長λ１、λ２、λ３に対応して前記出射角β１、β２、β３を所定の値とするように調整されていることを特徴とする。
【０００９】
ｄ１・（ｎ・ｓｉｎα１−ａ・ｓｉｎβ１）＝Ｎ１・λ１…（１）
ｄ２・（ｎ・ｓｉｎα２−ａ・ｓｉｎβ２）＝Ｎ２・λ２…（２）
ｄ３・（ｎ・ｓｉｎα３−ａ・ｓｉｎβ３）＝Ｎ３・λ３…（３）
【００１０】
このように構成することで、基板の一面から所定の方向に各波長の光を射出させて合成することができる。これにより、従来、正面方向に光を射出させるために用いられていたプリズムシートが不要になる。したがって、従来よりも光学素子の部材を削減することができ、光学素子を薄型化することができるだけでなく、材料コストを削減し、環境負荷を低減することができる。
【００１１】
また、本発明の光学素子は、前記間隔ｄ１、ｄ２、ｄ３は、前記出射角β１、β２、β３のそれぞれを０°に近づけるように調整されていることを特徴とする。
【００１２】
このように構成することで、導光板の一面から垂直に各波長の光を射出させて、各光を偏りなく均一に合成することができる。
【００１３】
また、本発明の光学素子は、前記第一の方向は前記第二の方向に直交し、前記第三の方向は、４つの前記柱状突起が矩形配列された単位格子の対角線と平行であることを特徴とする。
【００１４】
このように構成することで、柱状突起は垂直格子状に配列される。そして、上記の式（１）〜式（３）の関係を満たす場合には、各波長λ１、λ２、λ３の光を射出する各光源を、下記の式（４）を満たすように選定することで、各波長λ１、λ２、λ３に対応する間隔ｄ１、ｄ２、ｄ３を容易に選定することができる。
【００１５】
λ３＝λ１・λ２／√（λ１２＋λ２２）…（４）
【００１６】
また、本発明の光学素子は、前記基板の一面に前記単位格子を複数備えた柱状突起ユニットが複数配置され、前記基板の一面内における位置により前記柱状突起ユニットの配置密度が異なることを特徴とする。
【００１７】
このように構成することで、基板の一面内の位置によって輝度が異なる場合であっても、柱状突起ユニットの密度の増減により所望の方向に射出される光の量を調整し、基板の一面における輝度を均一にすることができる。
【００１８】
また、本発明の光学素子は、前記柱状突起は、前記基板の一面に垂直な断面の輪郭形状が放物線状の形状であることを特徴とする。
【００１９】
このように構成することで、柱状突起の基端側から先端側に向けて屈折率が緩やかにかつ比較的均一に変化していくいため、回折効率が向上する。
【００２０】
また、本発明の光学素子は、前記柱状突起は、前記基板の一面に平行な断面の輪郭形状が楕円状の形状であることを特徴とする。
【００２１】
このように構成することで、各方向から基板に入射する各光に対する柱状突起の回折効率を異ならせることができる。
【００２２】
また、本発明の光学素子は、前記基板の前記柱状突起側に光拡散層が設けられていることを特徴とする。
【００２３】
このように構成することで、各光の入射角が変動して出射角が基板の一面に垂直ではなくなった場合であっても、これらの光を拡散させて、基板の一面に垂直な方向に射出される光を増加させることができる。
【００２４】
また、本発明の光学素子は、前記第一の光は赤色光であり、前記第二の光は緑色光であり、前記第三の光は青色光であることを特徴とする。
【００２５】
このように構成することで、各色の光を合成させて、ＲＧＢの各色の光の波長をバランスよく含んだ色再現性の高い白色光を得ることができる。
【００２６】
また、本発明の光源ユニットは、上記のいずれかの光源素子を備え、前記基板に前記第一の光を前記第一の方向から入射させる第一の光源と、前記基板に前記第二の光を前記第二の方向から入射させる第二の光源と、前記基板に前記第三の光を前記第三の方向に垂直な方向から入射させる第三の光源と、を有することを特徴とする。
【００２７】
このように構成することで、各光源から射出された各光は、光学素子に入射して基板の一面から射出されて均一に合成される。したがって、色再現性が良好で、かつ色ムラの発生が防止された光源ユニット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】
【００２８】
＜第一実施形態＞
次に、本発明の第一実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００２９】
（バックライトユニット、導光板）
図１は本実施形態のバックライトユニットの全体構成を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う矢視断面図である。また、図２は、図１のバックライトユニットの導光板の一部を拡大して示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【００３０】
図１（ａ）および図１（ｂ）に示す本実施形態の光学ユニットは、例えば、液晶表示装置のバックライトユニット（光学ユニット）１００であって、内部に光を導通させる導光板（光学素子）１と、導光板１に光を照射する複数の光源Ｒ，Ｇ，Ｂとを備えている。また、導光板１は、基板２と、基板２の表面（一面）２ａの回折領域３に形成された複数の円柱状の柱状突起４とを有している。これらの柱状突起４は基板２の表面２ａから略垂直に突出するように形成されている。基板２は、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）等、光源Ｒ，Ｇ，Ｂに使用する波長領域において透光性を有する材料により形成されている。また、光源Ｒ，Ｇ，Ｂは、例えば、ＬＥＤにより構成されている。
【００３１】
図１（ａ）に示すように、本実施形態の導光板１は平面視で略矩形状であり、角の一つが面取りされた五角形の形状を有している。面取りされた部分の側面２ｂは、後述する柱状突起４の列Ｌ３（図２（ａ）参照）と平行に形成されている。
ここで、図１（ａ）に示すように基板２の表面２ａに平行なＸＹ平面を有するＸＹＺ直交座標系を設定すると、基板２のＹ軸に平行な側面２ｙには、赤色光（第一の光）Ｌｒを平面視でＸ軸方向に照射する赤色光源Ｒが配置されている。また、基板２のＸ軸に平行な側面２ｘには、緑色光（第二の光）Ｌｇを平面視でＹ軸方向に照射する緑色光源Ｇが配置されている。また、基板２の面取りされた部分の側面２ｂには、青色光（第三の光）Ｌｂを後述する柱状突起４の列Ｌ３と垂直な方向に照射する青色光源Ｂが配置されている。
【００３２】
すなわち、基板２のＹ軸に平行な側面２ｙは赤色光Ｌｒが入射する入射面となっており、導光板１のＸ軸に平行な側面２ｘは緑色光Ｌｇが入射する入射面となっている。また、上述の面取りされた部分の側面２ｂは青色光Ｌｂが入射する入射面となっている。そして、基板２の表面２ａの柱状突起４が形成された回折領域３が、各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの出射面となっている。
【００３３】
また、基板２の表面２ａには、図２（ａ）に示すように、複数の柱状突起４が、互いに直交するＸ軸方向（第一の方向）及びＹ軸方向（第二の方向）にそれぞれ等しい間隔ｄ１，ｄ２で四角格子状に配列されている。すなわち、柱状突起４は垂直格子状の配列となっている。換言すると、柱状突起４の配列は、Ｙ軸方向に配列された柱状突起４の列Ｌ１が一定の間隔ｄ１でＸ軸方向に配列され、Ｘ軸方向に配列された柱状突起４の列Ｌ２も一定の間隔ｄ２でＹ軸方向に配列されている。
また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の双方に交差する方向、例えば、矩形配列された４つの柱状突起４からなる単位格子Ｕの対角線の方向（第三の方向）に配列された柱状突起４の列Ｌ３も、一定の間隔ｄ３で配列されている。
【００３４】
また、本実施形態では、Ｘ軸方向の柱状突起４の間隔ｄ１、Ｙ軸方向の柱状突起４の間隔ｄ２、及び、柱状突起４の列Ｌ３の間隔ｄ３は、それぞれ下記の式（１）、式（２）、式（３）の関係を満たしている。ここで、間隔ｄ１，ｄ２はそれぞれ柱状突起４の中心間隔であり、間隔ｄ３は、列Ｌ３の中心線の間隔である。
【００３５】
ｄ１・（ｎ・ｓｉｎα１−ａ・ｓｉｎβ１）＝Ｎ１・λ１…（１）
ｄ２・（ｎ・ｓｉｎα２−ａ・ｓｉｎβ２）＝Ｎ２・λ２…（２）
ｄ３・（ｎ・ｓｉｎα３−ａ・ｓｉｎβ３）＝Ｎ３・λ３…（３）
【００３６】
ここで、λ１は赤色光Ｌｒの波長、λ２は緑色光Ｌｇの波長、λ３は青色光Ｌｂの波長である。また、図２（ｂ）に示すように、α１は基板２の表面２ａに入射する赤色光Ｌｒの入射角、α２は基板２の表面２ａに入射する緑色光Ｌｇの入射角、α３は基板２の表面２ａに入射する青色光Ｌｂの入射角である。また、β１は基板２の表面２ａから出射する赤色光Ｌｒの出射角、β２は基板２の表面２ａから出射する緑色光Ｌｇの出射角、β３は基板２の表面２ａから出射する青色光Ｌｂの出射角である。また、ｎは基板２の屈折率、ａは空気の屈折率、Ｎ１及びＮ２及びＮ３は整数である。
そして、間隔ｄ１，ｄ２，ｄ３は、それぞれ、波長λ１，λ２，λ３に対応して出射角β１，β２，β３のそれぞれを０°に近づけるように調整されている。
【００３７】
本実施形態では、各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの波長λ１，λ２，λ３は、下記の式（４）を略満たすように選定されている。
【００３８】
λ３＝λ１・λ２／√（λ１２＋λ２２）…（４）
【００３９】
例えば、式（４）を略満たす波長λ１，λ２，λ３の組合せの例として、以下の（５）〜（７）の組合せが挙げられる。
【００４０】
（λ１，λ２，λ３）＝（４００ｎｍ，５２０ｎｍ，６２０ｎｍ）…（５）
（λ１，λ２，λ３）＝（４１０ｎｍ，５３０ｎｍ，６５０ｎｍ）…（６）
（λ１，λ２，λ３）＝（４２０ｎｍ，５５０ｎｍ，６５０ｎｍ）…（７）
【００４１】
本実施形態では、例えば、上記の（７）の組合せを採用している。
また、空気の屈折率ａは１．０であり、導光板１はポリカーボネートにより形成されていることから、上記の波長領域における基板２の屈折率ｎは約１．５９となっている。
また、上述の各光源Ｒ，Ｇ，Ｂは、図２（ｂ）に示すように、光源Ｒ，Ｇ，Ｂから照射した各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂが基板２の表面２ａに対してそれぞれ約５０°の入射角α１，α２，α３で入射するようにＺ軸に対する角度が調整されて基板２の各側面２ｙ，２ｘ，２ｂに設置されている。
【００４２】
そして、Ｘ軸方向の柱状突起４の中心の間隔ｄ１は、上記の式（１）においてＮ１＝１とし、赤色光Ｌｒの出射角β１が略０°となるように、赤色光Ｌｒの波長λ１に対応して、約３３７ｎｍに設定されている。すなわち、Ｘ軸方向の柱状突起４の間隔ｄ１は、波長λ１の約０．８２倍となっている。
【００４３】
また、Ｙ軸方向の柱状突起４の中心の間隔ｄ２は、上記の式（２）においてＮ２＝１とし、緑色光Ｌｇの出射角β２が略０°となるように、緑色光Ｌｇの波長λ２に対応して、約５２０ｎｍに設定されている。すなわち、Ｙ軸方向の柱状突起４の間隔ｄ２は、緑色光Ｌｇの波長λ２の約０．８２倍となっている。
【００４４】
また、単位格子Ｕの対角線の方向に配列された柱状突起４の列Ｌ３の中心の間隔ｄ３は、上記の式（３）においてＮ３＝１とし、青色光Ｌｂの出射角β３が略０°となるように、青色光Ｌｂの波長λ３に対応して、約５３３ｎｍに設定されている。すなわち、単位格子Ｕの対角線の方向に配列された柱状突起４の列Ｌ３の間隔ｄ３は、青色光Ｌｂの波長λ３の約０．８２倍となっている。
【００４５】
ここで、Ｘ軸方向の柱状突起４の間隔ｄ１、Ｙ軸方向の柱状突起４の間隔ｄ２、及び、柱状突起４の列Ｌ３の間隔ｄ３は、それぞれ各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの波長λ１，λ２，λ３の約０．５倍以上かつ約１０倍以下であることが望ましい。この範囲であれば、導光板１の特性が許容できる範囲を超えて劣化することがない。
【００４６】
このように、柱状突起４はＸ軸方向から導光板１に入射する赤色光Ｌｒの波長λ１に対応した間隔ｄ１でＸ軸方向に配列されている。また、柱状突起４はＹ軸方向から導光板１に入射する緑色光Ｌｇの波長λ２に対応した間隔ｄ２でＹ軸方向に配列されている。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の双方に交差する単位格子Ｕの対角線方向に配列された柱状突起４の列Ｌ３の間隔ｄ３が、その対角線方向に直交する方向から入射する青色光Ｌｂの波長λ３に対応している。
【００４７】
次に、本実施形態の作用について説明する。
図１（ａ）に示すように、赤色光源Ｒから赤色光Ｌｒを照射して、基板２のＹ軸と平行な側面２ｙに平面視でＸ軸方向から入射させる。同時に、緑色光源Ｇから緑色光Ｌｇを照射して、基板２のＸ軸に平行な側面２ｘに平面視でＹ軸方から入射させる。また、同時に、青色光源Ｂから青色光Ｌｂを照射して、導光板１の基板２の面取りされた側面２ｂに平面視で柱状突起４の列Ｌ３と垂直な方向から入射させる。このとき、上述のように各光源Ｒ，Ｇ，ＢのＺ軸に対する光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの照射角度が調整されているので、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂから照射された各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂは、図２（ｂ）に示すように、基板２の表面２ａに対してそれぞれ主に約５０°の入射角α１，α２，α３で入射する。
【００４８】
ここで、上述のように、図２（ａ）に示す柱状突起４の間隔ｄ１、ｄ２、及び柱状突起４の列Ｌ３の間隔ｄ３は、それぞれ上記の式（１）、式（２）、式（３）の関係を満たし、それぞれ各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの波長λ１，λ２，λ３に対応して、図２に示す出射角β１，β２，β３がそれぞれ略０°になるように調整されている。そのため、基板２の表面２ａに入射した各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂは、基板２の表面２ａと略垂直な方向へ回折されて基板２から射出される。これにより、導光板１の各側面２ｘ，２ｙ，２ｂに平面視で異なる各方向から入射させた各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを、基板２の表面２ａから略垂直方向（Ｚ軸方向）に射出させて合成することができる。
【００４９】
これにより、従来、基板２の表面２ａに垂直な正面方向に光を射出させるために用いられていたプリズムシートが不要になる。したがって、従来よりも導光板１及びバックライトユニット１００の部材を削減することができ、導光板１及びバックライトユニット１００を薄型化することができるだけでなく、材料コストを削減し、環境負荷を低減することができる。
【００５０】
また、光源として赤色光源Ｒ、緑色光源Ｇ及び青色光源Ｂを用い、照明光として赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ及び青色光Ｌｂを用いることで、基板２の表面２ａから略垂直方向（Ｚ軸方向）にＲＧＢの各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの波長λ１，λ２，λ３をバランスよく含んだ色再現性の高い白色の合成光を照射することができる。
【００５１】
また、柱状突起４はＸ軸方向とＹ軸方向に垂直格子状に配列され、単位格子Ｕの対角線の方向がＸ軸とＹ軸の双方に交差する第三の方向とされている。これにより、各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの波長λ１，λ２，λ３を上記の式（４）を満たすように選定することができ、上記の式（１）〜式（３）の関係を満たす柱状突起４の間隔ｄ１、ｄ２、及び柱状突起４の列Ｌ３の間隔ｄ３を容易に決定することができる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態の導光板１によれば、基板２の各側面２ｘ，２ｙ，２ｂに各方向から入射した各光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを、基板２の表面２ａから略垂直方向に出射させ、各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを効率よく合成することができる。そのため、基板２の表面２ａから各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを偏りなく均一に射出させ、基板２から射出される合成光に含まれる波長λ１，λ２，λ３のバランスを向上させることができる。したがって、色再現性が良好で、かつ色ムラの発生が防止された導光板１を提供することができる。
【００５３】
また、本実施形態のバックライトユニット１００によれば、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂから射出された各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂは、導光板１に入射して基板２の表面２ａから射出されて均一に合成される。したがって、色再現性が良好で、かつ色ムラの発生が防止されたバックライトユニット１００を提供することができる。
【００５４】
また、本実施形態では、上述のように、柱状突起４の間隔ｄ１、ｄ２、及び柱状突起の対角線方向の列Ｌ３の間隔ｄ３を、出射角β１，β２，β３がそれぞれ０°に近づくように調整したが、出射角β１，β２，β３がそれぞれ０°と等しくなるように調整してもよい。これにより、導光板１の表面２ａからより垂直に各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを射出させて、各色の光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを偏りなく均一に合成することができる。
【００５５】
また、本実施形態では、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、円柱状の形状の柱状突起４を用いたが、円柱状の柱状突起４の代わりに、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、Ｚ軸に平行な断面視で放物線状の輪郭形状を有する柱状突起４ｂを用いてもよい。これにより、柱状突起４ｂの基端側から先端側に向けて導光板１の屈折率が緩やかにかつ比較的均一に変化していくいため、導光板１の回折効率を向上させることができる。
【００５６】
また、３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、基板２の表面２ａに平行な断面の輪郭形状が楕円状の柱状突起４ｂを用いることで、各方向から基板２に入射する各光に対する柱状突起４ｂの回折効率を異ならせ、導光板１の各方向に対する回折効率を調整することができる。
【００５７】
（導光板の製造方法）
次に、本実施形態の導光板１の製造方法の一例について説明する。
まず、上述の柱状突起４の型を形成するために、シリコン等により形成された型基板（図示略）を用意し、型基板の一面に、フォトリソグラフィー法、エッチング法等により、図２（ａ）に示す柱状突起４に対応した複数の円柱状の凹部を形成する。このとき、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すような垂直断面の輪郭形状が放物線状の柱状突起４ｂを形成する場合には、適宜グレーマスクを使用して、柱状突起４ｂの形状に対応した形状の凹部を形成する。
次に、型基板上の凹部に紫外線硬化樹脂を充填する。紫外線硬化樹脂としては、例えば、主に波長３６５ｎｍで硬化するものを用いる。
【００５８】
次に、型基板上に導光板１の基板２を配置し、基板２の各側面２ｘ，２ｙ，２ｂと型基板の凹部との位置関係が、上述の基板２の各側面２ｘ，２ｙ，２ｂと柱状突起４，４ｂとの位置関係を満たすように、基板２と型基板とをアライメントする。
次いで、基板２を透して型基板の凹部に充填された紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して硬化させ、紫外線硬化樹脂と基板２を一体化させる。このとき、紫外線硬化樹脂と基板２との密着性を高めるために、シランカップリング剤を基板２の型基板側の表面に塗布しておいてもよい。
【００５９】
そして、基板２を型基板から剥離させることで、上述の柱状突起４，４ｂを備えた導光板１が製造される。
このとき、型基板と紫外線硬化樹脂との離型性を高めるために、凹部の内側を含む型基板の表面にフッ素系容媒を使用してフッ素系の分子膜を形成してもよい。この場合、分子膜の膜厚は溶媒分子の大きさ程度であることが望ましい。
【００６０】
＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態について、図１〜図３を援用し、図４（ａ）及び図４（ｂ）を用いて説明する。本実施形態では、導光板１Ｂの基板２の回折領域３の全域に柱状突起４が一様に配置されていない点で、上述の第一実施形態と異なっている。その他の点は第一実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
【００６１】
図４（ａ）に示すように、本実施形態のバックライトユニット１００Ｂは、基板２の表面２ａの回折領域３に、複数の柱状突起ユニット４０が配置された導光板１Ｂを備えている。
柱状突起ユニット４０は、図４（ｂ）に示すように、上述の第一実施形態と同様に配置された柱状突起４を、例えば、数百〜数千程度備えた矩形の領域である。ここで、柱状突起ユニット４０の柱状突起４の数は、入射光に回折を生じさせる範囲であれば特に限定されない。
【００６２】
柱状突起ユニット４０は、図４（ａ）に示すように、基板２の表面２ａの回折領域３内の位置によって密度を異ならせて配置されている。具体的には、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂに近いほど柱状突起ユニット４０の配置密度は低く、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂから遠くなるほど柱状突起ユニット４０の配置密度は高くなっている。
【００６３】
一般に、基板２の回折領域３においては、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂに近いほど光源Ｒ，Ｇ，Ｂからの光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂが多く回折されるため、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂに近いほど輝度が高く、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂから遠くなるほど輝度が低下する傾向がある。しかし、本実施形態によれば、基板２の表面２ａ垂直方向（Ｚ軸方向）に回折されて射出される光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂの量を柱状突起ユニット４０の密度によって調整し、回折領域３内における輝度を均一にすることができる。
【００６４】
＜第三実施形態＞
次に、本発明の第三実施形態について、図１〜図４を援用し、図５を用いて説明する。本実施形態では、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂの回折領域３を挟んで反対側に、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂからの光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを各光源Ｒ，Ｇ，Ｂ方向に反射させるミラーＭｒ，Ｍｇ，Ｍｂが配置されている点で、上述の第一、第二実施形態と異なっている。その他の点は第一、第二実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
【００６５】
図５に示すように、本実施形態のバックライトユニット１００Ｃは、平面形状が八角形の導光板１Ｃを備えている。導光板１Ｃの基板２ＣのＹ軸に平行な側面２ｙには、第一実施形態と同様に赤色光源Ｒが設けられ、基板２Ｃの回折領域３を挟んで反対側の側面２ｙ’には、赤色光Ｌｒを反射する赤色光反射ミラーＭｒが設けられている。赤色光反射ミラーＭｒは、反射された赤色光Ｌｒ’が平面視でＸ軸方向に反射されるように角度が調整されて設置されている。
【００６６】
同様に、回折領域３を挟んで緑色光源Ｇの反対側には、緑色光Ｌｇを平面視でＹ軸方向に反射する緑色光反射ミラーＭｇが設けられ、回折領域３を挟んで青色光源Ｂの反対側には、青色光Ｌｂを柱状突起４の列Ｌ３と垂直な方向に反射する青色光反射ミラーＭｂが設けられている。
【００６７】
本実施形態によれば、各光源Ｒ，Ｇ，Ｂから照射され、回折領域３においてＺ軸方向に回折されずに回折領域３を通過した光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを、各反射ミラーＭｒ，Ｍｇ，Ｍｂによって反対方向に反射させて、再度、回折領域３に入射させることができる。したがって、回折領域３においてＺ軸方向に回折される光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを増加させ、輝度を向上させることができる。
なお、本実施形態の変形例として、各反射ミラーＭｒ，Ｍｇ，Ｍｂの代わりに各光源Ｒ，Ｇ，Ｂを配置して、回折領域３の両側から光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを照射するようにしてもよい。これにより、各反射ミラーＭｒ，Ｍｇ，Ｍｂを設置する場合と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
（液晶表示装置）
次に、上述の実施形態において説明したバックライトユニット１００を備えた液晶表示装置について説明する。
図６は、液晶表示装置を示す概略断面図である。この液晶表示装置５０は、素子基板５１と、素子基板５１に対向配置された対向基板５２と、素子基板５１及び対向基板５２の間に配置された液晶層５３と、素子基板５１の外側（液晶層５３の反対側）に配置されたバックライトユニット１００とを備えている。そして、液晶表示装置５０は、素子基板５１と対向基板５２とをシール材５５で貼り合わせており、このシール材５５によって液晶層５３が素子基板５１と対向基板５２との間で封止されている。
【００６９】
素子基板５１は、平面視で略矩形状であってガラス基板を基体としており、このガラス基板上に種々の金属膜や絶縁膜、半導体層、不純物層などが形成されている。そして、素子基板５１には、フォトリソグラフィー技術やインクジェット法などの手法を用いてガラス基板上に形成された画素電極、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）及び蓄積コンデンサなどを含む画素部分と、画素に電気信号などを供給する配線部分とを備えている。さらに、素子基板５１の内側の面（液晶層５３側の面）には、液晶層５３を構成する液晶分子の配向を制御する配向膜が形成されている。
【００７０】
対向基板５２は、素子基板５１と同様に、平面視で略矩形状であってガラス基板を基体としており、このガラス基板上にブラックマトリックスやカラーフィルタ層、保護膜及び電極などが形成されている。また、対向基板５２の内側の面には、配向膜が形成されている。この配向膜は、液晶分子の配向方向が素子基板５１に形成された配向膜による配向方向と直交するように形成されている。
【００７１】
反射板５７は、導光板１の外側（基板２の表面２ａから離間する側）に配置されており、導光板１を透過した光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを導光板１に向けて反射する構成となっている。
また、バックライトユニット１００は、液晶表示装置５０と、反射板５７との間に導光板１が配置され、回折領域３と液晶表示装置５０の画像表示領域が平面的に重なるように配置されている。
【００７２】
以上のような構成の液晶表示装置５０では、色再現性が良好で、かつ色ムラの発生が防止されたバックライトユニット１００を備えているので、液晶表示装置５０の表示性能を向上させることができる。
【００７３】
尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の実施形態では、柱状突起の配列を垂直格子状の配列として説明したが、柱状突起が互いに交差する第一の方向及び第二の方向へ四角格子状に配列されたものであれば、柱状突起の配列は垂直格子状でなくてもよい。
また、導光板の平面形状は、上述の実施形態で説明した形状に限定されない。
【００７４】
また、柱状突起の先端側に光を拡散させる光拡散フィルム（光拡散層）を配置してもよい。これにより、各光の入射角が変動して出射角が基板の一面に垂直ではなくなった場合であっても、これらの光を拡散させて、基板の一面に垂直な方向に射出される光を増加させることができる。したがって、各色の光を基板の一面で均一に合成することができ、基板の一面内での位置の違いによる色ムラの発生を防止することができる。
【００７５】
また、上述の第二実施形態では、回折領域内の柱状突起ユニットの配置密度を異ならせることにより、回折領域内の輝度が均一になるように調整したが、輝度の調整は柱状突起の直径を変化させたり、柱状突起の高さを変化させたり、柱状突起の形状を変化させたりすることにより行っても良い。
また、柱状突起は熱硬化樹脂により形成してもよい。
【００７６】
また、導光板を構成する樹脂材料としては、上述の実施形態で説明したポリカーボネート（ＰＣ）以外にも、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）などのポリオレフィン、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド（例えばナイロン６、ナイロン４６、ナイロン６６、ナイロン６１０、ナイロン６１２、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６−１２、ナイロン６−６６）、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリ−（４−メチルペンテン−１）、アイオノマー、アクリル系樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリオキシメチレン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エチレン−ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリシクロヘキサンテレフタレート（ＰＣＴ）などのポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンオキシド、変性ポリフェニレンオキシド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、芳香族ポリエステル（液晶ポリマー）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、その他フッ素系樹脂、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系などの各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂など、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイなどが挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば、ブレンド樹脂、ポリマーアロイ、積層体などとして）用いることができる。
なお、導光板は、使用する波長領域において透光性を示せば、樹脂材料に限らず、他の材料で構成されてもよい。
【００７７】
また、光学素子の透過率は、使用する光の波長領域において、８５％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。これにより、導光板に入射した光の取出効率の向上を図る。
【００７８】
また、光学素子の屈折率は、１．４以上１．７以下であることが好ましい。これにより、導光板に入射した光の利用効率をさらに向上させることができると共に、出射する光に高い指向性を持たせることができる。また、導光板の周辺環境の気温や湿度などによりフォトニック結晶としての機能が十分に発揮されないことを防止できる。
【００７９】
そして、上述の実施形態では、本発明の光学素子を導光板に適用する例について説明したが、本実施形態の光学素子を導光板以外に適用できることは言うまでもない。また、上述の実施形態では、エッジ方式について説明したが、本発明の光学素子は、例えば、有機ＥＬや半導体レーザー等の光源上に直接配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第一実施形態におけるバックライトユニットの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う矢視断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態における柱状突起の配列を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態における柱状突起の変形例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は柱状突起の斜視図である。
【図４】本発明の第二実施形態におけるバックライトユニットの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は柱状突起ユニットの拡大平面図である。
【図５】本発明の第三実施形態におけるバックライトユニットの構成を示す平面図である。
【図６】本発明の実施形態における液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１，１Ｂ，１Ｃ 導光板（光学素子）、２，２Ｃ 基板、２ａ 表面（一面）、２ｂ，２ｘ，２ｙ 側面、３ 回折領域、４，４ｂ 柱状突起、４０ 柱状突起ユニット、５０ 液晶表示装置、５１ 素子基板、５２ 対向基板、５３ 液晶層、５５ シール材、５７ 反射板、１００，１００Ｂ，１００Ｃ バックライトユニット（光源ユニット）、α１，α２，α３ 入射角、β１，β２，β３ 出射角、λ１，λ２，λ３ 波長、ｄ１，ｄ２，ｄ３ 間隔、ａ，ｎ 屈折率、Ｂ 青色光源（第三の光源）、Ｇ 緑色光源（第二の光源）、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 列、Ｌｂ 青色光（第三の光）、Ｌｇ 緑色光（第二の光）、Ｌｒ 赤色光（第一の光）、Ｍｂ，Ｍｇ，Ｍｒ ミラー、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３ 整数、Ｒ 赤色光源（第一の光源）、Ｕ 単位格子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板の一面に設けられた複数の柱状突起とを有し、内部に光を導通させる光学素子であって、
前記柱状突起は、互いに交差する第一の方向及び第二の方向に格子状に配列され、前記第一の方向においては、該第一の方向から入射する第一の光の波長に対応した間隔で配置され、前記第二の方向においては、該第二の方向から入射する第二の光の波長に対応した間隔で配置され、
前記第一の方向及び前記第二の方向の双方に交差する第三の方向に配列された前記柱状突起の列が、前記第三の方向に直交する方向から入射する第三の光の波長に対応した間隔で配置されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記第一の方向の前記柱状突起の間隔をｄ１、前記第二の方向の前記柱状突起の間隔をｄ２、前記第三の方向の前記柱状突起の列の間隔をｄ３とし、
前記第一の光の波長をλ１、前記第二の光の波長をλ２、前記第三の光の波長をλ３とし、
前記基板の一面に入射する、前記第一の光の入射角をα１、前記第二の光の入射角をα２、前記第三の光の入射角をα３とし、
前記基板の一面から出射する、前記第一の光の出射角をβ１、前記第二の光の出射角をβ２、前記第三の光の出射角をβ３とし、
前記基板の屈折率をｎ、空気の屈折率をａとし、
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３を整数とした場合に、
前記間隔ｄ１、ｄ２、ｄ３は、それぞれ下記の式（１）、式（２）、式（３）の関係を満たし、前記波長λ１、λ２、λ３に対応して前記出射角β１、β２、β３を所定の値とするように調整されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
ｄ１・（ｎ・ｓｉｎα１−ａ・ｓｉｎβ１）＝Ｎ１・λ１…（１）
ｄ２・（ｎ・ｓｉｎα２−ａ・ｓｉｎβ２）＝Ｎ２・λ２…（２）
ｄ３・（ｎ・ｓｉｎα３−ａ・ｓｉｎβ３）＝Ｎ３・λ３…（３）
【請求項３】
前記間隔ｄ１、ｄ２、ｄ３は、前記出射角β１、β２、β３のそれぞれを０°に近づけるように調整されていることを特徴とする請求項２記載の光学素子。
【請求項４】
前記第一の方向は前記第二の方向に直交し、
前記第三の方向は、４つの前記柱状突起が矩形配列された単位格子の対角線と平行であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記基板の一面に前記単位格子を複数備えた柱状突起ユニットが複数配置され、前記基板の一面内における位置により前記柱状突起ユニットの配置密度が異なることを特徴とする請求項４記載の光学素子。
【請求項６】
前記柱状突起は、前記基板の一面に垂直な断面の輪郭形状が放物線状の形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記柱状突起は、前記基板の一面に平行な断面の輪郭形状が楕円状の形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記基板の前記柱状突起側に光拡散層が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記第一の光は赤色光であり、前記第二の光は緑色光であり、前記第三の光は青色光であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の光学素子を備え、
前記基板に前記第一の光を前記第一の方向から入射させる第一の光源と、
前記基板に前記第二の光を前記第二の方向から入射させる第二の光源と、
前記基板に前記第三の光を前記第三の方向に垂直な方向から入射させる第三の光源と、
を有することを特徴とする光源ユニット。
【請求項１】
基板と、該基板の一面に設けられた複数の柱状突起とを有し、内部に光を導通させる光学素子であって、
前記柱状突起は、互いに交差する第一の方向及び第二の方向に格子状に配列され、前記第一の方向においては、該第一の方向から入射する第一の光の波長に対応した間隔で配置され、前記第二の方向においては、該第二の方向から入射する第二の光の波長に対応した間隔で配置され、
前記第一の方向及び前記第二の方向の双方に交差する第三の方向に配列された前記柱状突起の列が、前記第三の方向に直交する方向から入射する第三の光の波長に対応した間隔で配置されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記第一の方向の前記柱状突起の間隔をｄ１、前記第二の方向の前記柱状突起の間隔をｄ２、前記第三の方向の前記柱状突起の列の間隔をｄ３とし、
前記第一の光の波長をλ１、前記第二の光の波長をλ２、前記第三の光の波長をλ３とし、
前記基板の一面に入射する、前記第一の光の入射角をα１、前記第二の光の入射角をα２、前記第三の光の入射角をα３とし、
前記基板の一面から出射する、前記第一の光の出射角をβ１、前記第二の光の出射角をβ２、前記第三の光の出射角をβ３とし、
前記基板の屈折率をｎ、空気の屈折率をａとし、
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３を整数とした場合に、
前記間隔ｄ１、ｄ２、ｄ３は、それぞれ下記の式（１）、式（２）、式（３）の関係を満たし、前記波長λ１、λ２、λ３に対応して前記出射角β１、β２、β３を所定の値とするように調整されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
ｄ１・（ｎ・ｓｉｎα１−ａ・ｓｉｎβ１）＝Ｎ１・λ１…（１）
ｄ２・（ｎ・ｓｉｎα２−ａ・ｓｉｎβ２）＝Ｎ２・λ２…（２）
ｄ３・（ｎ・ｓｉｎα３−ａ・ｓｉｎβ３）＝Ｎ３・λ３…（３）
【請求項３】
前記間隔ｄ１、ｄ２、ｄ３は、前記出射角β１、β２、β３のそれぞれを０°に近づけるように調整されていることを特徴とする請求項２記載の光学素子。
【請求項４】
前記第一の方向は前記第二の方向に直交し、
前記第三の方向は、４つの前記柱状突起が矩形配列された単位格子の対角線と平行であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記基板の一面に前記単位格子を複数備えた柱状突起ユニットが複数配置され、前記基板の一面内における位置により前記柱状突起ユニットの配置密度が異なることを特徴とする請求項４記載の光学素子。
【請求項６】
前記柱状突起は、前記基板の一面に垂直な断面の輪郭形状が放物線状の形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記柱状突起は、前記基板の一面に平行な断面の輪郭形状が楕円状の形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記基板の前記柱状突起側に光拡散層が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記第一の光は赤色光であり、前記第二の光は緑色光であり、前記第三の光は青色光であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の光学素子を備え、
前記基板に前記第一の光を前記第一の方向から入射させる第一の光源と、
前記基板に前記第二の光を前記第二の方向から入射させる第二の光源と、
前記基板に前記第三の光を前記第三の方向に垂直な方向から入射させる第三の光源と、
を有することを特徴とする光源ユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１７５２３９（Ｐ２００９−１７５２３９Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１４６５（Ｐ２００８−１１４６５）
【出願日】平成２０年１月２２日（２００８．１．２２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２２日（２００８．１．２２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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