JP3591699B2 - 偏光素子、光学素子、照明装置及び液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、液晶表示装置等の輝度向上や表示ムラの抑制などに好適な偏光素子、並びにそれを用いた光学素子及び照明装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来、入射光の約半分が吸収されてロスとなる偏光板の難点を克服して液晶表示装置の輝度を向上させうる偏光素子として、コレステリック液晶層と１／４波長板の積層体からなる素子が知られていた。この素子は、コレステリック液晶層を透過した円偏光を１／４波長板にて直線偏光に変換し、それを偏光板に偏光軸を一致させて入射させ、吸収ロスを防止するようにしたものである。
【０００３】
しかしながら、偏光板に吸収される光成分を多く含有するためか液晶表示装置の輝度向上が期待値ほどでなく、表示ムラが著しい問題点があった。また光路制御による輝度や光利用効率の向上等を目的にプリズムアレイ層を配置した場合に、正面（垂直）方向における輝度の低下が大きい問題点もあった。
【０００４】
【発明の技術的課題】
本発明は、偏光板による吸収ロスの少ない偏光を形成できて、入射光の利用効率よく液晶セルに供給でき、輝度に優れて表示ムラの少ない液晶表示装置を形成できると共に、プリズムアレイ層を配置した場合の正面方向における輝度の低下が小さい偏光素子、光学素子、照明装置の開発を課題とする。
【０００５】
【課題の解決手段】
本発明は、コレステリック液晶ポリマーがグランジャン配向して入射光を反射と透過を介して偏光に分離する機能を示し、反射光の波長域が重複しない２層以上のアクリル系サーモトロピックコレステリック液晶ポリマー層が、隣接する上下層の当該液晶ポリマーの混合層を介して密着重畳し、グランジャン配向の螺旋ピッチが厚さ方向に変化して連続した反射光の波長域を示す円偏光分理層からなり、（ａ）ヘイズが１０％以下、及び入射光に対する（ｂ）平行透過光の割合が４０〜６０％、（ｃ）鏡面反射光の割合が２５％以上、（ｄ）拡散反射光の割合が２０％以下、かつ（ｅ）全反射光における鏡面反射光の分率が６０％以上であることの前記（ａ）〜（ｅ）の全てを満すと共に、照明装置又は液晶表示装置の形成に用いるものであることを特徴とする偏光素子を提供するものである。
【０００６】
また本発明は、前記の偏光素子の少なくとも片面に１層又は２層以上の位相差層からなる１／４波長板を有し、必要に応じてその上方に二色性物質含有の偏光板を有してなり、照明装置又は液晶表示装置の形成に用いるものであることを特徴とする光学素子、及び面光源の上方に前記の偏光素子又は光学素子を有することを特徴とする照明装置、並びにその照明装置の光出射側に、偏光板が介在した状態で液晶セルを有することを特徴とする液晶表示装置を提供するものである。
【０００７】
なお本発明において平行透過光は、偏光素子に平行光を入射させた場合に、その透過光において平行状態にある光を意味し、拡散透過光は前記の場合に平行状態にない光を意味する。また鏡面反射光、拡散反射光は、偏光素子の全体を介した反射を理想鏡面に基づく反射とみなして、反射法則を満足する光（鏡面反射光）であるか、満足しない光（拡散反射光）であるかによる。さらに鏡面反射光の分率は、全反射光に占める鏡面反射光の割合を意味し、式：鏡面反射光／（鏡面反射光＋拡散反射光）×１００にて算出される。
【０００８】
なお以後、平行透過光の割合（平行透過光／入射光×１００）を平行線透過率、拡散透過光の割合（拡散透過光／入射光×１００）を拡散透過率、透過光の割合（全透過光／入射光×１００）を全光線透過率、鏡面反射光の割合（鏡面反射光／入射光×１００）を鏡面反射率、拡散反射光の割合（拡散反射光／入射光×１００）を拡散反射率、鏡面反射光の分率を鏡面反射分率ということもある。前記において、透過光＝平行透過光＋拡散透過光である。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の偏光素子は、少ないコレステリック液晶ポリマー層の重畳で広い帯域の反射波長域を示す円偏光分離層を形成できて量産性に優れ、偏光分離機能とその分離機能の広波長域性に優れて偏光板による吸収ロスの少ない偏光を入射光の利用効率よく提供し、その配置で生じる色度差が小さくて、プリズムアレイ層を配置した場合にも正面方向の輝度低下が小さい光学素子や照明装置を形成でき、輝度に優れて広い波長域で色ムラ等の表示ムラの少ない液晶表示装置を形成することができる。
【００１０】
また面内におけるヘイズや平行線透過率、全光線透過率や拡散透過率、鏡面反射率や拡散反射率等のバラツキを抑制することで、輝度の均一化に加えて色ムラ等の表示ムラをさらに低減でき、明るくて良視認性の液晶表示装置を形成することができる。
【００１１】
前記の効果は、偏光素子におけるヘイズ、平行線透過率、鏡面反射率、拡散反射率及び鏡面反射分率を所定値としたことに基づき、その鏡面反射率や拡散反射率、鏡面反射分率は、下記の究明の結果である。すなわち本発明者らは上記の課題を克服するために鋭意研究を重ねた結果、コレステリック液晶層の厚さを一定としてそれと１／４波長板を組合せた光学素子としたとき、コレステリック液晶層の鏡面反射率や拡散反射率や鏡面反射分率が輝度に影響することを究明し、またその鏡面反射率等が全反射率（反射光／入射光×１００）と大きく関係することを究明した。
【００１２】
すなわちコレステリック液晶層では、無配向時、層表裏での表面反射により拡散反射光を含まない鏡面反射特性を示すがその反射率が低く、配向処理により全反射率が増大して、自然光では入射可視光の半分を反射光として得ることも可能である（全反射率５０％）。しかしその全反射率の上昇過程で拡散反射光が発生してそれと鏡面反射光が混在した反射光となり、しかもその混在割合が全反射率の増大と共に変化する。
【００１３】
前記の変化は、全反射率の上昇当初では拡散反射光の発生が優勢なためか、拡散反射率が増加し鏡面反射率が低下するものである。一方、全反射率がさらに上昇すると今度は鏡面反射光の発生が優勢になるのか、拡散反射率が減少しつつ鏡面反射率が上昇を始めて拡散反射率よりも鏡面反射率が大きい混在割合となる状態へと到る。
【００１４】
本発明は、前記した混在割合の変化において、２５％以上の鏡面反射率、２０％以下の拡散反射率、及び６０％以上の鏡面反射分率とした偏光素子が、輝度の向上に有効なことを究明したことに基づき、これより輝度の向上をもたらす光の有効利用の点より、鏡面反射光が多く、拡散反射光が少ない反射特性を示すことが有利であると考えられる。
【００１５】
また本発明者らは、上記の鏡面反射率や拡散反射率や鏡面反射分率の面内におけるバラツキが、輝度ムラや色ムラの原因となることも究明した。そのバラツキによる輝度ムラや色ムラの程度は、正面（垂直）方向に比べて斜視方向ではより大きくなる。前記のバラツキを鏡面反射率や拡散反射率では１０％以下、鏡面反射分率では１５％以下とすることにより輝度ムラや色ムラを大きく抑制することができる。
【００１６】
【発明の実施形態】
本発明による偏光素子は、コレステリック液晶ポリマーがグランジャン配向して入射光を反射と透過を介して偏光に分離する機能を示し、反射光の波長域が重複しない２層以上のアクリル系サーモトロピックコレステリック液晶ポリマー層が、隣接する上下層の当該液晶ポリマーの混合層を介して密着重畳し、グランジャン配向の螺旋ピッチが厚さ方向に変化して連続した反射光の波長域を示す円偏光分理層からなり、（ａ）ヘイズが１０％以下、及び入射光に対する（ｂ）平行透過光の割合が４０〜６０％、（ｃ）鏡面反射光の割合が２５％以上、（ｄ）拡散反射光の割合が２０％以下、かつ（ｅ）全反射光における鏡面反射光の分率が６０％以上であることの前記（ａ）〜（ｅ）の全てを満すものであり、照明装置又は液晶表示装置の形成に用いるものである。
【００１７】
前記偏光素子の例を図２に示した。１が入射光を反射と透過を介して偏光に分離する機能を示す層（円偏光分離層）である。なお１１は支持基材、１２，１３はコレステリック液晶層である。また図１は、単層のコレステリック液晶層からなる円偏光分離層の例である。
【００１８】
前記のヘイズ、平行線透過率、鏡面反射率、拡散反射率及び鏡面反射分率を満足することにより、その偏光素子を１／４波長板と組合せて液晶表示装置に適用した場合に、偏光素子不使用のものに比べて輝度を安定して向上させることができ、表示ムラを抑制することができる。またプリズムアレイ層を配置した場合の正面方向の輝度低下を小さくすることができる。
【００１９】
輝度の向上や表示ムラの抑制、プリズムアレイ層を配置した場合の輝度低下の抑制等の点より好ましいヘイズは、８％以下、就中５％以下、平行線透過率は４２〜６０％、就中４５〜５５、鏡面反射率は３０％以上、就中３５％以上、拡散反射率は１５％以下、就中１０％以下、鏡面反射分率は７０％以上、就中７５％以上である。
【００２０】
また前記輝度向上等の点より、入射光に対する透過光の割合、すなわち全光線透過率が４０〜６５％、就中４２〜６０％、特に４５〜５５％であること、又は／及び入射光に対する拡散透過光の割合、すなわち拡散透過率が１０％以下、就中８％以下、特に５％以下であることが好ましい。
【００２１】
さらに輝度ムラや色ムラ等の表示ムラ、特に斜視方向の表示ムラの抑制などの点より、偏光素子の面内におけるバラツキは、ヘイズにおいて６％以下、就中５％以下、特に４％以下であること、平行線透過率において１５％以下、就中１２％以下、特に８％以下であること、鏡面反射率、拡散反射率において１０％以下、就中８％以下、特に５％以下であること、及び鏡面反射分率において１５％以下、就中１０％以下、特に７％以下であることが好ましい。
【００２２】
加えて前記輝度ムラ等の抑制などの点より、偏光素子の面内におけるバラツキは、全光線透過率において１５％以下、就中１２％以下、特に８％以下であること、又は／及び拡散透過率において６％以下、就中４％以下、特に３％以下であることが好ましい。
【００２３】
偏光素子は、コレステリック液晶ポリマーをグランジャン配向させることにより形成され、これにより自然光を反射と透過を介して左右の円偏光に分離する円偏光分離層を得ることができる。
【００２４】
前記のコレステリック液晶は、グランジャン配向の螺旋ピッチの相違に基づいて波長特性の異なる円偏光分離機能を示すが、本発明にては反射光の波長域が重複しない２層以上のアクリル系サーモトロピックコレステリック液晶ポリマー層が、隣接する上下層の当該液晶ポリマーの混合層を介して密着重畳し、厚さ方向にグランジャン配向の螺旋ピッチが変化して連続した反射光の波長域を示す円偏光分離層が用いられる。これは、反射光の中心波長が異なる２層以上のコレステリック液晶層の重畳体からなる円偏光分離層であり、螺旋ピッチ相違の２層以上のコレステリック液晶層が反射光の中心波長に基づいて長短の順序通りに重畳して厚さ方向に螺旋ピッチが変化する円偏光分離層などであってもよい。
【００２５】
前記した螺旋ピッチの厚さ方向の変化や反射光の中心波長が異なる、従って螺旋ピッチが異なるコレステリック液晶層の２層又は３層以上の重畳化は、分離機能の広波長域化などを目的としたものである。すなわち単層一定配向のコレステリック液晶層では通例、選択反射性（円偏光二色性）を示す波長域に限界があり、その限界は約１００ｎｍの波長域に及ぶ広い範囲の場合もあるが、その波長範囲でも液晶表示装置等に適用する場合に望まれる可視光の全域には及ばないから、螺旋ピッチの変化範囲を拡大して円偏光二色性を示す波長域を拡大させることなどを目的とする。
【００２６】
ちなみに選択反射の中心波長が３００〜９００ｎｍの範囲にあるコレステリック液晶層の螺旋ピッチの異なる数種を同じ方向の円偏光を反射する組合せで重畳することにより可視光域をカバーできる円偏光分離層を効率的に形成することができる。なお同じ方向の円偏光を反射するもの同士の組合せで重畳する点は、各層で反射される円偏光の位相状態を揃えて各波長域で異なる偏光状態となることを防止し、利用できる状態の偏光の増量を目的とする。
【００２７】
また上記した円偏光分離層における反射光の中心波長に基づく長短順序通りのコレステリック液晶層の重畳は、視角変化による透過光の色変化の抑制などを目的とする。その場合、同じ螺旋ピッチのコレステリック液晶層間に、螺旋ピッチの異なるコレステリック液晶層が前記中心波長の長短の順序通りに１層又は２層以上介在した形態のものの如く、同じ螺旋ピッチのコレステリック液晶層を２層以上含む層構造なども許容される。
【００２８】
円偏光分離層の形成には、得られる偏光素子の取扱性や薄膜性などの点よりアクリル系サーモトロピックコレステリック液晶ポリマーが用いられる。その場合、偏光素子を形成するコレステリック液晶ポリマー層は、フィルム等の単層物やそれをプラスチックフィルム等で支持した複層物などとして得ることができる。液晶表示装置等の良視認視野角の拡大などの点より偏光素子を形成する好ましいコレステリック液晶ポリマー層は、ドメイン等の欠陥の少ない状態でグランジャン配向したものである。
【００２９】
なおアクリル系サーモトロピックコレステリック液晶ポリマーには、適宜なものを用いてよく、特に限定はない。従って、液晶配向性を付与する共役性の直線状原子団（メソゲン）がポリマーの側鎖に導入された側鎖型の種々のものを用いうる。複屈折率差の大きいコレステリック液晶ポリマーほど選択反射の波長域が広くなり、層数の軽減や大視野角時の波長シフトに対する余裕などの点より好ましく用いうる。なお液晶ポリマーとしては、取扱い性や実用温度での配向の安定性などの点より、ガラス転移温度が３０〜１５０℃のものが好ましい。
【００３０】
（削除）
【００３１】
前記側鎖型の液晶ポリマーの例としては、ポリアクリレートやポリメタクリレートを主鎖骨格とし、側鎖として共役性の原子団からなるスペーサ部を必要に応じ介してパラ置換環状化合物等からなる低分子液晶化合物（メソゲン部）を有するもの、低分子カイラル剤含有のネマチック系液晶ポリマー、キラル成分導入の液晶ポリマー、ネマチック系とコレステリック系の混合液晶ポリマーなどがあげられる。
【００３２】
前記の如く、例えばアゾメチン形やアゾ形、アゾキシ形やエステル形、ビフェニル形やフェニルシクロヘキサン形、ビシクロヘキサン形の如きパラ置換芳香族単位やパラ置換シクロヘキシル環単位などからなるネマチック配向性を付与するパラ置換環状化合物を有するものにても、不斉炭素を有する化合物等からなる適宜なキラル成分や低分子カイラル剤等を導入する方式などによりコレステリック配向性のものとすることができる（特開昭５５−２１４７９号公報、米国特許明細書第５３３２５２２号等）。なおパラ置換環状化合物におけるパラ位における末端置換基は、例えばシアノ基やアルキル基、アルコキシ基などの適宜なものであってよい。
【００３３】
またスペーサ部としては、屈曲性を示す例えばポリメチレン鎖−（ＣＨ_２）_ｎ−やポリオキシメチレン鎖−（ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ）_ｍ−などがあげられる。スペーサ部を形成する構造単位の繰返し数は、メソゲン部の化学構造等により適宜に決定され、一般にはポリメチレン鎖の場合にはｎが０〜２０、就中２〜１２、ポリオキシメチレン鎖の場合にはｍが０〜１０、就中１〜３である。
【００３４】
コレステリック液晶ポリマーからなる円偏光分離層の形成は、従来の低分子液晶の配向処理に準じた方法で行うことができる。ちなみにその例としては、支持基材上にポリイミドやポリビニルアルコール、ポリエステルやポリアリレート、ポリアミドイミドやポリエーテルイミド等の膜を形成してレーヨン布等でラビング処理した配向膜、又はＳｉＯ_２の斜方蒸着層、又は延伸処理による配向膜等からなる適宜な配向膜の上に液晶ポリマーを展開してガラス転移温度以上、等方相転移温度未満に加熱し、液晶ポリマー分子がグランジャン配向した状態でガラス転移温度未満に冷却してガラス状態とし、当該配向が固定化された固化層を形成する方法などがあげられる。
【００３５】
前記の支持基材としては、例えばトリアセチルセルロースやポリビニルアルコール、ポリイミドやポリアリレート、ポリエステルやポリカーボネート、ポリスルホンやポリエーテルスルホン、アモルファスポリオレフィンや変性アクリル系ポリマー、エポキシ系樹脂の如きプラスチックからなる単層又は積層あるいは延伸フイルム、あるいはガラス板などの適宜なものを用いうる。薄型化等の点よりは、プラスチックフィルムが好ましい。
【００３６】
液晶ポリマーの展開は、例えば液晶ポリマーの溶媒による溶液をスピンコート法やロールコート法、フローコート法やプリント法、ディップコート法や流延成膜法、バーコート法やグラビア印刷法等の適宜な方法で薄層展開し、それを必要に応じ乾燥処理する方法などにより行うことができる。前記の溶媒としては、例えば塩化メチレンやシクロヘキサノン、トリクロロエチレンやテトラクロロエタン、Ｎ−メチルピロリドンやテトラヒドロフランなどの適宜なものを用いうる。
【００３７】
また液晶ポリマーの加熱溶融物、好ましくは等方相を呈する状態の加熱溶融物を前記に準じ展開し、必要に応じその溶融温度を維持しつつ更に薄層に展開して固化させる方法などの、溶媒を使用しない方法、従って作業環境の衛生性等が良好な方法によっても液晶ポリマーを展開させることができる。
【００３８】
液晶ポリマーの展開層を配向させるための加熱処理は、上記した如く液晶ポリマーのガラス転移温度から等方相転移温度までの温度範囲、すなわち液晶ポリマーが液晶相を呈する温度範囲に加熱することにより行うことができる。また配向状態の固定化は、ガラス転移温度未満に冷却することで行うことができ、その冷却条件については特に限定はない。通例、前記の加熱処理を３００℃以下の温度で行いうることから、自然冷却方式が一般に採られる。なおコレステリック液晶ポリマーの展開液には安定剤や可塑剤や金属類などの種々の添加剤を必要に応じて配合することができる。
【００３９】
支持基材上に形成する液晶ポリマーの固化層の厚さは、配向の乱れや透過率低下の防止、選択反射の波長域の広さなどの点より、０．５〜５０μｍ、就中１〜３０μｍ、特に２〜１０μｍが好ましい。支持基材上の液晶ポリマー固化層は、支持基材との一体物として用いうるし、支持基材より剥離してフィルム等として用いることもできる。なお支持基材を有する場合には、その基材を含めた合計厚が２〜５００μｍ、就中５〜３００μｍ、特に１０〜２００μｍであることが好ましい。
【００４０】
なお上記した螺旋ピッチが厚さ方向に変化する円偏光分離層の製造は、例えば配向処理したコレステリック液晶ポリマー層同士の２枚又は３枚以上の所定数を熱圧着により接着する操作などにより行うことができる。熱圧着処理には、ロールラミネータ等の適宜な加熱押圧手段を介してコレステリック液晶ポリマー層をガラス転移温度以上、等方相転移温度未満に加熱して圧着処理する方式などの適宜な方式を採ることができる。
【００４１】
支持基材との一体物からなる液晶ポリマーの固化層の場合には、その固化層同士が密接するように前記に準じて重畳処理することにより厚さ方向に螺旋ピッチが変化する円偏光分離層、ひいては本発明による偏光素子を得ることができる。
【００４２】
なお厚さ方向に螺旋ピッチが変化する円偏光分離層は、色ムラ防止等の点より連続した反射光の波長域を示すものとされる。かかる円偏光分離層の製造は、例えば上記した熱圧着操作等で形成したコレステリック液晶ポリマー層の重畳体をガラス転移温度以上、等方相転移温度未満に加熱して、その密着界面に上下の層を形成するコレステリック液晶ポリマーが混合した層を形成する方法などにより行うことができる。
【００４３】
前記において、上下の層のコレステリック液晶ポリマーが混合して形成されたコレステリック液晶ポリマー層は、螺旋ピッチが上下の層とも異なって厚さ方向に螺旋ピッチが多段階に変化した円偏光分離層を形成し、通例その螺旋ピッチは上下の層を形成するコレステリック液晶ポリマー層の中間値をとって、上下の層と共に連続した反射光の波長域を示す領域を形成する。
【００４４】
従って上下の層で反射光の波長域が重複しないコレステリック液晶ポリマー層の組合せ、すなわち反射光の波長域に不連続による欠落域が存在する組合せで用いた場合に、上下の層の混合により形成されたコレステリック液晶ポリマー層が前記欠落域を埋めて反射光の波長域を連続化することができる。
【００４５】
よって例えば、反射波長域が５００ｎｍ以下のものと６００ｎｍ以上のものの２種のコレステリック液晶ポリマー層を用いて、反射波長域の不連続域である５００〜６００ｎｍの波長域の光についても反射する円偏光分離層を得ることができ、これは少ないコレステリック液晶ポリマー層の重畳で、広い帯域の反射波長域を示す円偏光分離層を形成しうることを意味する。
【００４６】
本発明の偏光素子は、液晶表示装置の形成などに好ましく用いうる。その場合、偏光素子は、その少なくとも片面に１層又は２層以上の位相差層からなる１／４波長板を付加した光学素子として用いることもできる。光学素子の例を図２、図３に示した。２が１／４波長板で、２１，２２が位相差層である。さらに３は偏光板である。
【００４７】
１／４波長板は、図２、図３に例示の如く円偏光分離層１を透過した円偏光を直線偏光化するためのものであり、１層又は２層以上の位相差層にて形成される。１／４波長板は、視角変化による色変化の角度依存性の低減などの点より円偏光分離層における反射光の中心波長が長波長のコレステリック液晶ポリマー層側に配置することが好ましい。
【００４８】
１／４波長板（位相差層）としては、可視光域の場合、直線偏光化効果や斜め透過光による色変化の補償などの点より正面位相差が１００〜１８０ｎｍのものが好ましく用いられる。すなわち面内の最大屈折率をｎ_ｘ、それに直交する方向の屈折率をｎ_ｙ、厚さ方向の屈折率をｎ_ｚ、厚さをｄとした場合に式：（ｎ_ｘ−ｎ_ｙ）ｄ＝△ｎｄ＝１００〜１８０ｎｍを満足する１／４波長板が好ましく用いられる。
【００４９】
前記１／４波長板機能を示す位相差層と共に必要に応じて用いられる位相差層は、１／４波長板機能を示す位相差層を斜め透過した光の色バランスを垂直透過した光の色バランスに可及的に一致させて、偏光板を介した視認をより色付きの少ない中間色とすることなどを目的とする補償用のものであり、正面位相差（△ｎｄ）が１００〜７２０ｎｍものが好ましく用いられる。
【００５０】
なお前記において色変化の補償等の点より好ましく用いうる位相差層は、厚さ方向の屈折率が面内方向の一方又は両方のそれよりも大きいもの、あるいは式：（ｎ_ｘ−ｎ_ｚ）／（ｎ_ｘ−ｎ_ｙ）で表されるＮｚが５以下、就中２以下、特に１．５以下、更には１．１以下（いずれもマイナス値を許容する）のものである。
【００５１】
位相差層は、任意な材質で形成してよく透明性に優れ、就中８０％以上の光透過率を示して均一な位相差を与えるものが好ましい。一般には例えばポリカーボネートやポリエステル、ポリスルホンやポリエーテルスルホン、ポリスチレンやポリエチレン、ポリプロピレンの如きポリオレフィン、ポリビニルアルコールや酢酸セルロース系ポリマー、ポリ塩化ビニルやポリ塩化ビニリデン、ポリアリレートやポリメチルメタクリレート、ポリアミド等のプラスチックからなる延伸フィルム、液晶ポリマー、就中、捩じれ配向の液晶ポリマーなどが用いられる。
【００５２】
前記した厚さ方向の屈折率が大きい位相差層は、前記のポリマー等をキャスティング法や押出法等の適宜な方式で形成したフィルムを、例えば熱収縮性フィルムとの接着下に一軸や二軸等の方式で加熱延伸する方式などの適宜な方式で形成することができる。位相差層における前記した△ｎｄやＮｚ等の特性は、フィルムの材質や厚さ、延伸倍率や延伸温度等の条件を変えることにより制御することができる。位相差層の一般的な厚さは、単層物に基づき１０〜５００μｍ、就中２０〜２００μｍであるが、これに限定されない。
【００５３】
なお１／４波長板等の位相差層を液晶ポリマーで形成する場合、上記円偏光分離層の場合に準じ液晶ポリマーの配向フィルムや透明基材で支持した液晶ポリマーの配向層等の適宜な形態を有するものとして得ることができる。液晶ポリマーを用いた場合には、延伸処理なしに目的の位相差層を形成することもできる。
【００５４】
１／４波長板は、前記の如く単層の位相差層からなっていてもよいし、位相差が相違する２層又は３層以上の位相差層の重畳体からなっていてもよい。位相差が相違する位相差層の重畳化は、目的の１／４波長板や補償板として機能する波長範囲の拡大などに有効である。位相差層の重畳体とする場合、厚さ方向の屈折率が面内屈折率の少なくとも一方よりも高い位相差層を１層又は２層以上配置することが上記した点より好ましい。
【００５５】
輝度の向上効果等の点より好ましい光学素子は、所定の偏光軸の直線偏光を透過し、それ以外の光を反射するものである。光学素子は、図３に例示の如く１／４波長板２の上方に、偏光板３を配置した形態とすることもできる。この場合には、別個の偏光板を用いることなくそのまま液晶セルに適用することができる。
【００５６】
偏光板としては、二色性物質を含有させた吸収型偏光板やポリエン配向フィルム、あるいは当該フィルムに透明保護層を設けたものなどの適宜なものを用いうる。ちなみに吸収型偏光板の例としては、ポリビニルアルコール系フィルムや部分ホルマール化ポリビニルアルコール系フィルム、エチレン・酢酸ビニル共重合体系部分ケン化フィルムの如き親水性高分子フィルムに、ヨウ素や二色性染料等の二色性物質を吸着させて延伸したフィルムなどがあげられる。また、ポリエン配向フィルムの例としては、ポリビニルアルコールの脱水処理物やポリ塩化ビニルの脱塩酸処理物などがあげられる。なお偏光板の厚さは通例５〜８０μｍであるが、これに限定されない。
【００５７】
液晶表示装置の形成には、明るい表示の達成性、すなわち１／４波長板を介し高度に直線偏光化された光を可及的に吸収ロスを防止しつつ偏光板を透過させて、液晶セルへの高度な直線偏光の入射による良好なコントラスト比の表示を得る点などより、二色性物質含有の吸収型偏光板などの如く偏光度の高いものが好ましく用いられる。就中、光透過率が４０％以上で、偏光度が９５．０％以上、特に９９％以上の二色性物質含有の吸収型偏光板が好ましく用いられる。
【００５８】
前記の透明保護層は、特に二色性物質含有の偏光板の如く耐水性に乏しい場合などに保護目的で設けられるもので、プラスチックの塗布方式やフィルムとしたものの積層方式などの適宜な方式で形成してよい。フィルム等の分離物で形成する場合には、接着層で積層一体化することが反射ロスの防止等の点より好ましい。透明保護層の厚さは適宜に決定してよく、一般には１ｍｍ以下、就中５００μｍ以下、特に１〜３００μｍとされる。なおプラスチックとしては、適宜なものを用いてよいが、一般には上記の液晶ポリマー支持用の透明基材や位相差層等で例示したものなどが用いられる。
【００５９】
なお透明樹脂層は、微粒子を含有させる方式などにて表面微細凹凸構造の形態に形成することもできる。その微粒子には、例えば平均粒径が０．５〜５μｍのシリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化錫、酸化インジウム、酸化カドミウム、酸化アンチモン等の導電性のこともある無機系微粒子や、架橋又は未架橋ポリマー等の有機系微粒子などの透明樹脂層中で透明性を示すものが用いられる。微粒子の含有量は２〜２５重量％、就中５〜２０重量％が一般的である。
【００６０】
偏光板を１／４波長板の上側に配置するに際して、１／４波長板に対する偏光板の配置角度は、１／４波長板の位相差特性やそれに入射する円偏光の特性などに応じて適宜に決定しうるが、光利用効率の向上等の点より１／４波長板を介し直線偏光化された光の偏光方向（振動方向）に対し偏光板の透過軸を可及的に平行に配置することが好ましい。
【００６１】
本発明による光学素子は、自然光等の光源からの光を偏光素子を介し反射光と透過光として左右の円偏光などに分離し、その偏光素子を透過した円偏光や楕円偏光を１／４波長板で直線偏光化して偏光板などに供給しうるようにしたものである。
【００６２】
従って図４、図５に例示した如く、かかる偏光素子や光学素子をサイドライト型導光板やＥＬランプなどの適宜な面光源４の上に配置して液晶表示装置のバックライト等として好適な照明装置を形成することができる。なお図例の面光源は、導光板４の側面に光源４２を配置してなる。
【００６３】
前記図例の照明装置によれば、光源４２よりの光が導光板４の側面に入射し裏面等での反射を介して導光板の表面より出射し、その出射光は、導光板の表面側に配置した円偏光分離層１を所定の円偏光（垂直）や楕円偏光（斜め）として透過し、１／４波長板２を介し直線偏光化されて偏光板３に入射する。一方、所定外の円偏光として円偏光分離層１で反射された光は、導光板に再入射して裏面等に配置された反射層４１を介し反射され、戻り光として再び円偏光分離層１に入射する。
【００６４】
前記の円偏光分離層による反射光は、導光板の裏面で反射される際に偏光状態が変化させられ、一部又は全部の反射光が円偏光分離層を透過しうる所定の円偏光となる。従って円偏光分離層による反射光は、その円偏光分離層を透過しうる所定の円偏光となるまで円偏光分離層と導光板との間に閉じ込められて、それらの間で反射を繰り返す。
【００６５】
前記の如くサイドライト型導光板では、反射光が円偏光分離層と導光板の反射層の間に閉じ込められ、その間で反射を繰り返す内に偏光状態が変換されて円偏光分離層を透過しうる状態となり、入射光の初期透過光と共に出射され、これにより反射ロスによる光の未利用分が低減される。
【００６６】
一方、円偏光分離層より出射した光は１／４波長板を介して直線偏光や直線偏光成分の多い楕円偏光に変換され、この変換光はその直線偏光方向が偏光板の透過軸と合致したとき、殆ど吸収されずに偏光板を透過し、これにより吸収ロスによる光の未利用分も低減される。その結果、従来では反射ロスや吸収ロスとなっていた光も有効利用でき、光の利用効率を向上させることができる。従って面光源としてはサイドライト型の導光板が好ましく用いうる。
【００６７】
前記の導光板としては、裏面に反射層を有して光を表面側に出射するようにした適宜なものを用いうる。好ましくは、光を吸収なく効率的に出射するものが用いられる。（冷，熱）陰極管等の線状光源や発光ダイオード等の光源を導光板４の側面に配置し、その導光板に導光板内を伝送される光を拡散や反射、回折や干渉等により板の片面側に出射するようにした、液晶表示装置で公知のサイドライト型バックライトなどはその例である。
【００６８】
前記において、内部の伝送光を片面側に出射するようにした導光板は、例えば透明又は半透明の樹脂板の光出射面又はその裏面にドット状やストライプ状に拡散体を設けたものや、樹脂板の裏面に凹凸構造、就中、微細プリズムアレイ状の凹凸構造を付与したものなどとして得ることができる。
【００６９】
一方の面側に光を出射する導光板は、それ自体で円偏光分離層で反射された光を偏光変換する機能を有しうるが、導光板の裏面に反射層４１を設けることで反射ロスをほぼ完全に防止することができる。拡散反射層や鏡面反射層などの反射層は、円偏光分離層で反射された光を偏光変換する機能に優れ、本発明においては好ましい。
【００７０】
ちなみに凹凸面等で代表される拡散反射層は、その拡散に基づいて偏光状態がランダムに混在して偏光状態を解消する。またアルミニウムや銀等の蒸着層、それを設けた樹脂板、金属箔などからなる金属面で代表される鏡面反射層は、円偏光が反射されるとその偏光状態が反転する。
【００７１】
照明装置の形成に際しては、図５に例示の如く、光の出射方向を制御するためのプリズムシート等からなるプリズムアレイ層５、均一な発光を得るための拡散板、漏れ光を戻すための反射手段、線状光源からの出射光を導光板の側面に導くための光源ホルダなどの補助手段を導光板４の上下面や側面などの所定位置に必要に応じ１層又は２層以上を配置して適宜な組合せ体とされる。
【００７２】
前記において、導光板の表面側（光出射側）に配置したプリズムアレイ層や拡散板、あるいは導光板に付与したドットなどは拡散効果等で反射光の位相を変化させる偏光変換手段として機能しうる。なお２層以上のプリズムアレイ層を配置する場合には、各層におけるプリズムアレイを直交ないし交差させるなどしてアレイの配置角度をずらせることにより、光学的異方性が解消される状態に配置することが好ましい。
【００７３】
本発明において、偏光素子や光学素子や照明装置を形成する円偏光分離層や１／４波長板、偏光板や導光板等の各部品は、必要に応じて接着層を介し積層一体化することができる。形成部品の積層一体化は、各界面での反射ロスの抑制や各界面への異物等の侵入防止による表示品位等の低下予防、光学系のズレによる補償効率や偏光変換効率等の低下防止などに有効である。従って１／４波長板、偏光板や導光板等がそれぞれ複数の層で形成される場合にも、各層を接着層等を介して密着一体化することが好ましい。
【００７４】
前記の積層一体化には適宜な接着剤等を用いうるが、就中、応力緩和性に優れる粘着層が、光源等からの熱で円偏光分離層や１／４波長板や偏光板等に生じる応力を抑制して、光弾性変形により発生する屈折率の変化を防止し、明るくて視認性や表示品位の信頼性に優れる液晶表示装置を形成する点などより好ましく用いうる。
【００７５】
粘着層の形成には、例えばアクリル系重合体やシリコーン系ポリマー、ポリエステルやポリウレタン、ポリエーテルや合成ゴムなどの適宜なポリマーを用いてなる透明な粘着剤を用いうる。就中、光学的透明性や粘着特性、耐候性などの点よりアクリル系粘着剤が好ましく用いうる。また粘着層としては、熱により積層体内部に発生する内部応力の緩和による光弾性変形の防止性などの点より、緩和弾性率が２×１０^５〜１×１０^７ｄｙｎｅ／ｃｍ^２、就中２×１０^６〜８×１０^６ｄｙｎｅ／ｃｍ^２のものが好ましい。
【００７６】
粘着層の厚さは適宜に決定してよい。一般には、接着力や薄型化等の点より１〜５００μｍ、就中２〜２００μｍ、特に５〜１００μｍとされる。なお粘着層には必要に応じて、石油系樹脂やロジン系樹脂、テルペン系樹脂やクマロンインデン系樹脂、フェノール系樹脂やキシレン系樹脂、アルキド系樹脂の如き粘着付与剤、フタル酸エステルやリン酸エステル、塩化パラフィンやポリブテン、ポリイソブチレンの如き軟化剤、あるいはその他の各種充填剤や老化防止剤などの適宜な添加剤を配合することができる。
【００７７】
積層一体化した光学素子等の形成は、例えばフィルム等の薄葉体を剥離剤で表面処理してなるセパレータ上に設けた粘着層を偏光素子の接着面に移着し、その上に１／４波長板を圧着し、さらにその１／４波長板上に粘着層を同様に移着し、その上に偏光板を配置して圧着する方式などがあげられる。
【００７８】
また導光板等の接着面にセパレータ上に設けた粘着層を移着し、その上に偏光素子を配置して圧着した後、その上に粘着層を同様にして移着して１／４波長板や必要に応じての偏光板を順次圧着する方式、あるいは予め所定の接着面に設けた粘着層を介して偏光素子や１／４波長板、偏光板や導光板等の被着体を所定の順序で積層し、それをプレス処理して一括的に圧着する方式などもあげられる。
【００７９】
本発明による偏光素子や光学素子、照明装置には、その表面や層間の適宜な位置に光拡散板などの適宜な光学層を配置することもできる。その場合、光学層は応力緩和性に優れる粘着層等を介して偏光素子等に積層一体化してもよい。かかる事前接着方式は、組立てラインにおける順次の接着方式よりも品質の安定した信頼性に優れる素子が得られるなどの利点を有している。
【００８０】
なお本発明においては、偏光素子や光学素子、照明装置を形成する液晶層や１／４波長板、偏光板や導光板、接着層やその他の光学層等の部品を、例えばサリチル酸エステル系化合物、ベンゾフェノール系化合物、ベンゾトリアゾール系化合物、シアノアクリレート系化合物、ニッケル錯塩系化合物等の紫外線吸収剤で処理する方式などにより紫外線吸収能をもたせることもできる。
【００８１】
上記のように本発明の偏光素子や光学素子は、サイドライト型導光板等の適宜な面光源と組合せて、円偏光分離層による反射円偏光を偏光変換して出射光として再利用することで反射ロスを防止し、その出射光を１／４波長板を介し位相制御して偏光板透過性の直線偏光成分をリッチに含む状態に変換することで偏光板による吸収ロスを防止して輝度の向上をはかりうるようにしたものである。
【００８２】
従って、光の利用効率に優れて偏光板を透過しやすい光を提供し、大面積化等も容易であることより液晶表示装置等におけるバックライトシステムなどとして種々の装置に好ましく用いうる。その場合、１／４波長板を出射した光を光源として利用する点よりは、直線偏光や楕円偏光の長径方向成分などとして偏光板を透過しうる直線偏光成分を６５％以上、就中７０％以上含むことが好ましい。
【００８３】
本発明による照明装置をバックライトシステムに用いた液晶表示装置を図６、図７に例示した。これは、照明装置を形成する導光板４の光出射面側に、光学素子を介して液晶セル６を配置したものであり、液晶セル６は、図例の如く光学素子の１／４波長板２の側に配置される。なお図中、６１は偏光板、７は視認光拡散用の光拡散板である。
【００８４】
本発明の光学素子や照明装置は、液晶セルの両側に偏光板を有する液晶表示装置の形成に特に好ましく用いることができる。なお１／４波長板の上側に偏光板を有する光学素子の場合には、液晶セルにおける光学素子を設ける側の偏光板は省略することができる。
【００８５】
液晶表示装置は一般に、偏光板、液晶セル、バックライト、及び必要に応じての補償用位相差板等の構成部品を適宜に組立てて駆動回路を組込むことなどにより形成される。本発明においては上記の如く、液晶セルの視認背面側に１／４波長板側ないし偏光板側を介して光学素子又は照明装置を配置する点を除いて特に限定はなく従来に準じて形成することができるが、各構成部品は粘着層を介して接着一体化されていることが好ましい。
【００８６】
また本発明の光学素子や照明装置は、偏光状態の光を入射させる必要のある液晶セル、例えばツイストネマチック液晶やスーパーツイストネマチック液晶を用いたものなどに好ましく用いうるが、非ツイスト系の液晶や二色性物質を液晶中に分散させたゲストホスト系の液晶、あるいは強誘電性液晶を用いたものなどにも用いうる。
【００８７】
液晶表示装置の形成に際しては、例えば視認側の偏光板の上に設ける光拡散板やアンチグレア層、反射防止膜や保護層や保護板、あるいは液晶セルと視認側等の偏光板の間に設ける補償用位相差板などの適宜な光学層を適宜に配置することができる。ちなみに輝度の向上等を目的に通例、バックライトと液晶セル間に配置される複数のポリマーの薄膜を積層した光学層（特開平４−２６８５０５号公報、ＰＣＴ公開９５／１７６９１号公報）なども配置することができる。
【００８８】
前記の補償用位相差板は、複屈折の波長依存性などを補償して視認性を向上させることなどを目的とするものである。本発明においては、視認側又は／及びバックライト側の偏光板と液晶セルの間等に必要に応じて配置される。なお補償用位相差板としては、波長域などに応じて適宜なものを用いることができ、１層又は２層以上の位相差層の重畳層として形成されていてよい。補償用位相差板は、上記した１／４波長板で例示の延伸フィルムや液晶ポリマー層などとして得ることができる。
【００８９】
【実施例】
参考例１
アクリル系サーモトロピックコレステリック液晶ポリマーの２０重量％テトラヒドロフラン溶液を、厚さ５０μmの三酢酸セルロースフィルムのポリビニルアルコールラビング処理面（約０．１μm厚）にワイヤバーにて塗工し、１６０±２℃で５分間加熱配向処理したのち室温で放冷して、厚さ２μm、選択反射の波長域５００〜６００nmの左円偏光を透過する円偏光分離層を有する偏光素子を得た。
【００９０】
ついで、ポリカーボネートの延伸フィルムからなる正面位相差１４０ｎｍ、Ｎｚ１の１／４波長板を厚さ２０μｍのアクリル系粘着層を介して前記円偏光分離層に接着して光学素子を得、前記偏光素子の下に面光源を配置して照明装置を得た。なお面光源は、裏面にドット印刷を施した厚さ４ｍｍのアクリル系導光板の側面に直径３ｍｍの冷陰極管を配置してアルミニウム蒸着フィルムにて包囲し前記ドット下面に発泡ポリエステルフィルムからなる反射シートを設けたものからなり、それを厚さ２０μｍのアクリル系粘着層を介し円偏光分離層の下に配置し、プレス圧着して積層一体化した。
【００９１】
参考例２
導光板上にプリズムシートを配置したほかは参考例１に準じ照明装置を得た。
【００９２】
実施例１
参考例１に準じメソゲン比率の相違により選択反射の波長域が４００〜４７０nm又は６００〜７００nmの左円偏光を透過する厚さ５μmの円偏光分離層を有する２種の偏光素子を得、その２種の偏光素子を液晶ポリマー層同士を重ねあわせて１３０℃のラミネートロールに導入し、液晶ポリマー層が密着した重畳体からなる選択反射の波長域が４００〜７００nmの円偏光分離層を有する偏光素子を得たのち、その螺旋ピッチの多きい側にポリカーボネートの延伸フィルムからなる正面位相差１３５nm、Ｎz０．５の１／４波長板を厚さ２０μmのアクリル系粘着層を介し接着して光学素子を得、それを用いて参考例１に準じ照明装置を得た。
【００９３】
実施例２
導光板上にプリズムシートを配置したほかは実施例１に準じ照明装置を得た。
【００９４】
比較例１
加熱配向の処理時間を２分間としたほかは参考例１に準じ円偏光分離層を形成して偏光素子、光学素子及び照明装置を得た。
【００９５】
比較例２
導光板上にプリズムシートを配置したほかは比較例１に準じ照明装置を得た。
【００９６】
比較例３
加熱配向の処理温度のバラツキを１６０±２０℃と大きくしたほかは実施例１に準じ円偏光分離層を形成して偏光素子、光学素子及び照明装置を得た。
【００９７】
比較例４
導光板上にプリズムシートを配置したほかは比較例３に準じ照明装置を得た。
【００９８】
評価試験
光学特性
実施例、参考例、比較例で得た偏光素子におけるヘイズ、平行線透過率、全光線透過率、拡散透過率、鏡面反射率、拡散反射率及び鏡面反射分率と、その面内におけるバラツキを調べた（日本電色工業社製、ＮＤＨ−２０Ｄ）。その結果を表１に示した。
【００９９】
輝度向上度、色度差、表示ムラ、
実施例、参考例、比較例で得た照明装置の光出射側に偏光板を、最大輝度を示す軸角度に調節して配置し、その正面（垂直）方向の輝度と色度（ｘ_１，ｙ_１）及びそれらのバラツキを調べて（トプコン社製、ＢＭ−７）、光学素子がない状態での正面輝度を１００とした場合の割合による輝度向上度を求めると共に、光学素子がない状態での正面方向の色度（ｘ_０，ｙ_０）より次式により色度差を算出した。
色度差＝√｛（ｘ_１−ｘ_０）^２＋（ｙ_１−ｙ_０）^２｝
また偏光板上より目視観察して表示ムラを調べた。その結果を表２に示した。
【０１００】
【表１】

【０１０１】
【表２】

【図面の簡単な説明】
【図１】単層コレステリック液晶層からなる円偏光分離層例の断面図
【図２】偏光素子例及び光学素子例の断面図
【図３】他の光学素子例の断面図
【図４】照明装置例の断面図
【図５】他の照明装置例の断面図
【図６】液晶表示装置例の断面図
【図７】他の液晶表示装置例の断面図
【符号の説明】
１：偏光に分離する層
１１：支持基材
１２，１３：コレステリック液晶層
２：１／４波長板
２１，２２：位相差層
３：偏光板
４：導光板（面光源）
４１：反射層
４２：光源
５：プリズムアレイ層
６：液晶セル（液晶表示装置）
６１：偏光板

Claims (16)

1. コレステリック液晶ポリマーがグランジャン配向して入射光を反射と透過を介して偏光に分離する機能を示し、反射光の波長域が重複しない２層以上のアクリル系サーモトロピックコレステリック液晶ポリマー層が、隣接する上下層の当該液晶ポリマーの混合層を介して密着重畳し、グランジャン配向の螺旋ピッチが厚さ方向に変化して連続した反射光の波長域を示す円偏光分理層からなり、（ａ）ヘイズが１０％以下、及び入射光に対する（ｂ）平行透過光の割合が４０〜６０％、（ｃ）鏡面反射光の割合が２５％以上、（ｄ）拡散反射光の割合が２０％以下、かつ（ｅ）全反射光における鏡面反射光の分率が６０％以上であることの前記（ａ）〜（ｅ）の全てを満すと共に、照明装置又は液晶表示装置の形成に用いるものであることを特徴とする偏光素子。
2. 請求項１において、（ａ）面内におけるヘイズのバラツキが６％以下、及び（ｂ）平行透過光の割合の面内におけるバラツキが１５％以下、（ｃ）鏡面反射光の割合の面内におけるバラツキが１０％以下、（ｄ）拡散反射光の割合の面内におけるバラツキが１０％以下、かつ（ｅ）鏡面反射光の分率の面内におけるバラツキが１５％以下であることの前記（ａ）〜（ｅ）の全てを満す偏光素子。
3. 請求項１又は２において、入射光に対する透過光の割合が４０〜６５％である偏光素子。
4. 請求項３において、透過光の割合の面内におけるバラツキが１５％以下である偏光素子。
5. 請求項１〜４の一において、入射光に対する拡散透過光の割合が１０％以下である偏光素子。
6. 請求項５において、拡散透過光の割合の面内におけるバラツキが６％以下である偏光素子。
7. 請求項１〜６の一に記載の偏光素子の少なくとも片面に１層又は２層以上の位相差層からなる１／４波長板を有してなり、照明装置又は液晶表示装置の形成に用いるものであることを特徴とする光学素子。
8. 請求項７において、所定の偏光軸の直線偏光は透過し、それ以外の光は反射する光学素子。
9. 請求項７又は８において、位相差層が１層又は２層以上の液晶ポリマー層からなる光学素子。
10. 請求項９において、液晶ポリマー層が捩じれ配向の液晶ポリマーからなる光学素子。
11. 請求項７〜１０の一において、１／４波長板の上方に二色性物質含有の偏光板を有する光学素子。
12. 面光源の上方に請求項１〜６の一に記載の偏光素子又は請求項７〜１１の一に記載の光学素子を有することを特徴とする照明装置。
13. 請求項１２において、少なくとも１層のプリズムアレイ層を有する照明装置。
14. 請求項１３において、アレイの配列方向が上下の層で交差する状態にある２層以上のプリズムアレイ層を有する照明装置。
15. 請求項１２〜１４の一に記載の照明装置の光出射側に、偏光板が介在した状態で液晶セルを有することを特徴とする液晶表示装置。
16. 形成層の全部又は一部が接着層を介して密着した請求項７〜１１の一に記載の光学素子、請求項１２〜１４の一に記載の照明装置又は請求項１５に記載の液晶表示装置。

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