CN1667469A - 导光板、背照光以及液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种导光板具有导光板主体和光衍射机构，导光板具有光射出面，光衍射机构相对与导光板主体的前述光射出面对置的面对置；光源的光从导光板主体的端面射入导光板主体内；光衍射机构相对前述光射出面满足(1)式角度a°，且从前述导光板主体入射进前述光衍射机构的光源光中特定的1至多个波长的光特定偏光成分按(90－a)°衍射角衍射；0<a≤b+5…(1)，在此，cos(b)=n2/n1，n1是前述导光板的折射率，n2是接近前述导光板主体光射出面外侧的介质折射率，所谓衍射角指入射光与衍射光的夹角。

Description

导光板、背照光以及液晶显示装置
技术领域
本发明涉及一种构成均一面光源的导光板和背照光以及用其构成的液晶显示装置。
技术背景
作为液晶显示装置如图11所示，公知的结构中液晶显示元件101上下面配置一对偏光板102、103，同时，下侧偏光板103下面配置背照光。在笔记本个人电脑等多种液晶显示装置中，为了达到薄型化、低耗电化的目的，作为前述背照光使用边缘照光型背照光。作为边照光型的背照光一般采用把来自由反射板107集光的光源111的光从导光板109的一端面导入导光板109内进行照明的方式。并且，在前述导光板109底面采用丝网印刷等形成扩散反射层110，同时，为了毫无浪费地有效利用从前述导光板109漏出的光，在导光板109底面侧等配置反射板108。在前述下侧偏光板103和导光板109之间，采用的结构包括配置用于有效地利用光源111光并能对偏光选择分离而提高亮度膜104，在该提高亮度膜104下侧配置用于在液晶显示元件显示的有效角度范围进行集光或扩散的棱镜片105，再在该棱镜片105的下侧配置用于降低背照光不稳的扩散板106。
在图11所示结构的液晶显示装置中，因结构中使用提高亮度膜及棱镜系统，所以，结构复杂，制造效率低，同时存在部件数多，制造成本高的问题，甚至寿命也不长。
因此，为解决该问题，提案的液晶显示装置(参照专利文献1)的结构中，在液晶显示元件的内侧依次配置楔型导光板、全息图、λ/4板、反射板。在该液晶显示装置中，从光源射入导光板的光设成平行光，并且衍射角设为近90°。
专利文献：特开平11-281978号公报。
发明内容
但是，由于从光源射入导光板的光设成平行光的技术很困难，前述专利文献1记载的技术存在的问题在于不能获得完整的偏光分离功能。而且，相对液晶显示元件的显示面显示也不具备完整照射有效角度范围的光。
本发明是鉴于这种技术背景进行的，本发明的第一个目的在于提供的导光板、背照光以及液晶显示装置结构简单，组件数少，容易制造，能降低成本，同时，在相对液晶显示元件的显示面显示中能完整照射有效角度范围的光。本发明的第二个目的在于提供的导光板、背照光以及液晶显示装置能提高光利用效率。
解决问题的技术方案
这了达到前述目的，本发明提供以下技术方案。
[1]一种导光板，具有导光板主体和光衍射机构，导光板具有光射出面，光衍射机构相对与导光板主体的前述光射出面对置的面对置；光源的光从导光板主体的端面射入导光板主体内。光衍射机构相对光射出面满足(1)式角度a°，且从导光板主体入射进光衍射机构的光源光中特定的1至多个波长的光特定偏光成分按(90-a)°衍射角衍射。
0＜a≤b+5                  …(1)
在此，cos(b)＝n2/n1，n1是导光板的折射率，n2是接近导光板主体光射出面外侧介质的折射率。
[2]一种导光板，具有导光板主体和光衍射机构，导光板具有光射出面，光衍射机构相对与导光板主体的前述光射出面对置的面对置；光源的光从导光板主体的端面射入导光板主体内。光衍射机构相对光射出面满足(2)式角度a°，且从导光板主体入射进光衍射机构的光源光中特定的1至多个波长的光特定偏光成分按(90-a)°衍射角衍射。
(B-5)/2≤a≤(B+5)/2         …(2)
在此，把从导光板主体端面射入导光板主体内的光强度中导光板主体厚度方向的内部入射角分布半值幅设定为HW(°)，则B＝HW/2。
[3]一种导光板，具有导光板主体和光衍射机构，导光板具有光射出面，光衍射机构配置在光射出面上；光源的光从导光板主体的端面射入导光板主体内。光衍射机构相对光射出面满足(1)式角度a°，且从导光板主体入射进光衍射机构的光源光中特定的1至多个波长的光特定偏光成分按(90+a)°衍射角衍射。
0＜a≤b+5              …(1)
在此，cos(b)＝n2/n1，n1是导光板主体折射率，n2是接近导光板主体光射出面对置面外侧介质的折射率。
[4]一种导光板，具有导光板主体和光衍射机构，导光板具有光射出面，光衍射机构配置在光射出面上；光源的光从导光板主体的端面射入导光板主体内。光衍射机构相对光射出面满足(2)式角度a°，且从导光板主体入射进光衍射机构的光源光中特定的1至多个波长的光特定偏光成分按(90+a)°衍射角衍射。
(B-5)/2≤a≤(B+5)/2           …⑵
在此，把从导光板主体端面射入导光板主体内的光强度中导光板主体厚度方向的内部入射角分布半值幅设定为HW(°)，则B＝HW/2。
[1]、[2]、[3]及[4]的发明能对从导光板射出的光扩角(角度范围)进行控制。因此，如果使用该导光板构成液晶显示装置，相对液晶显示元件显示面的显示中，能有效地照射有效角度范围的光。由于不用棱镜也能控制射出光的扩角，所以结构简单，组件数少，能提供比现有成品更薄的背照光，并且，能提供薄型、耗电低且低价的液晶显示装置。
另外，从光源入射进导光板的光扩角大时，即使采用[1]、[3]结构，也能完全控制导光板的射出光扩角，而从光源入射进导光板的光集光时，从完全控制射出光扩角的观点出发，可以采用[2]、[4]结构。
在此，光衍射机构可以把入射进光衍射机构的光中多个波长的光中特定偏光成分由光衍射机构按上述各衍射角衍射。从而由于对多个波长光中特定偏光成分衍射，就能实现清晰的液晶显示。
特别是，多个波长可以是3个波长，一旦特定的3波长中特定偏光成分衍射，就能实现更清楚的液晶显示。
具体来说，3波长可以包括从420～480nm中选择的1波长、从500～560nm中选择的1波长以从600～650nm选择的1波长，一旦作为上述3波长选择各自特定范围的波长，能够与LED(发光二极管)或CCFL(冷阴极萤光灯)的发光波长良好地匹配，适合彩色显示。
光衍射机构可以是全息图，由此能获得完全偏光分离功能，从而能提高光利用效率。
特别是作为全息图最好是立体型全息图。由于该立体型全息图采用模压成型或冲压成型等容易制造，所以能提高生产率。
并且，立体型全息图使从导光板主体端面入射进导光板主体内的光源参照光和从相对光射出面近平行配置的扩散板射出的物体光在应设立体型全息图的记录面上形成干涉图案，从扩散板射出的物体光强度射出角分布半值幅t相对预设导光板的射出光强度射出角分布半值幅s可以满足(3)式。
s-5≤t≤s+5        …(3)
因此，因能把导光板射出的射出光扩角精密地设定在所需范围，能提供高品质的导光板。
另外，全息图记录面和扩散板的间隔设定在0.3m以上且能形成图案，这时能进一步降低光射出面的光射出强度不稳性。特别是能减轻局部的、短周期的不稳性。
另外，在[1]、[2]、[3]和[4]中，特定偏光成分可以是S偏光成分，从而能提高射出光强度，且容易进行偏光分离，所以能明显清晰地显示。
在这种情况下，除了导光板端面和光射出面外剩余面中至少一面侧中配置偏光方向变换机构，该偏光方向变换机构能把入射的P偏光成分变换反向射成S偏光成分。
在这种情况下，能把P偏光成分无浪费地变换成S偏光成分后作为照明光利用，从而能显著提高光利用率。
具体来说，作为偏光方向变换机构可以用扩散反射板。到达扩散反射板的P偏光一部分变换成S偏光而反射，该反射的S偏光能用作照明光，所以能更进一步提高光利用率。
另外，作为偏光方向变换机构，使用由λ/4位相差板和镜面反射板构成的偏光方向变换机构，在除了导光板端面和光射出面外的剩余的四面中至少一面侧还可以通过λ/4位相差板配置镜面反射板。
在这种情况下，利用λ/4位相差板和镜面反射板的作用，使到达此处的P偏光变换成S偏光并反射，再入射进导光板内，由于能把该反射的S偏光作为照明光使用，所以，能进一步提高光利用率。
在[1]、[2]的情况下，光衍射机构的导光板主体和反向面由诱电体多层膜或金属膜层积形成镜面，就能进一步提高光利用率。
而在[3]、[4]的情况下，导光板主体的光射出面和对置面由诱电体多层膜或金属膜层积形成镜面，也能进一步提高光利用率。
本发明的背照光配置有上述导光板和配置于该导光板端面侧的光源。
本发明的另一背照光配置有上述导光板、设于该导光板至少一端面侧的光源、设于该光源与前述导光板之间的透镜、设于光源外侧的反射板。
在这些背照光中，能控制从导光板的光射出面射出的光扩角(角度范围)。因此，如果用背照光构成液晶显示装置，在相对液晶显示元件显示面的显示中能有效地照射有效角度范围内的光。并且，因不用棱镜也能控制射出光的扩角，结构简单，组件数少。所以，能提供比以往成品更薄型的背照光。
本发明的液晶显示装置是用上述背照光构成的。
本发明的另一液晶显示装置具有液晶电池、配置于该液晶电池上下两面侧的一对偏光板以及置于下侧偏光板下面侧的上述背照光。
在这些液晶显示装置中，因能控制从导光板的光射出面射出的光扩角(角度范围)，在相对液晶显示元件显示面的显示中能有效地照射有效角度范围内的光。并且，因不用棱镜也能控制射出光的扩角，结构简单，组件数少。另外，因不会产生棱镜片和液晶电池所致干扰，能省略扩散板。从而能提供比以往成品更薄型且低耗电的液晶显示装置。
在此，通过调整前述衍射机构的衍射效率，在依次透过背照光导光板、下侧偏光板的光在该下侧偏光板面内，可以设定实质均一的光强度分布，从而能更进一步提高光强度分布的均一性。
附图简要说明
图1是表示本发明液晶显示装置的第一实施方式的模式侧视图。
图2是说明图1导光板的光衍射机构等作用的模式侧视图。
图3是说明衍射角的模式图。
图4是说明第二实施方式液晶显示装置导光板作用的模式侧视图。
图5是用于说明内部入射角α及外部入射角α’等的导光板模式侧视图。
图6是用于图5说明的曲线图，(a)是表示规定条件下到达左端面10L的光及从左端面10L入射的各偏光成分入射高h和强度关系的曲线，(b)是表示(a)情况下到达左端面10L的光及从左端面10L入射的各偏光成分的外部入射角α’和强度关系曲线，(c)是表示(a)情况下到达左端面10L的光及从左端面10L入射的偏光成分的内部入射角α和强度关系的曲线，(d)是表示不同于(a)条件情况下到达左端面10L的光与从左端面10L入射的各偏光成分的内部入射角α和强度关系的曲线。
图7是说明第三实施方式的液晶显示装置导光板作用的模式侧视图。
图8是说明第四实施方式的液晶显示装置导光板作用的模式侧视图。
图9是说明该实施方式中作为光衍射机构使用的全息图制作方法的模式侧视图。
图10是用于说明图9半值幅s的从光射出面射出光强度的射出角分布曲线。
图11是以往液晶显示装置的模式侧视图。
标号说明：
1液晶显示装置，2液晶电池，3偏光板(上侧)，4偏光板(下侧)，5背照光，6光源，7反射板，8集光透镜，10导光板主体，11光衍射机构(全息图等)，12偏光方向变换机构，20扩散板，51导光板主体的光射出面，52导光板主体的底面，70、71、72、73导光板。
具体实施方式
第一实施方式
图1表示本发明的第一实施方式的液晶显示装置。在图1中，标号1是液晶显示装置。液晶显示装置1具有液晶显示元件60、导光板70和光源部160。导光板70和光源部160构成边照光型背照光5。
液晶显示元件60由液晶电池2、偏光板3和4构成。液晶电池2上下两侧分别配置偏光板3、4。
液晶显示元件60下侧的偏光板4下面侧设有导光板70。导光板70主要具有导光板主体10、光衍射机构11和偏光方向变换机构12。
导光板主体10是其上面成为光射出面51的板状体，且配置在偏光板4之下。在该导光板主体10的底面52上，光衍射机构11层积成一体。在本实施方式中，作为光衍射机构11使用全息图。导光板主体10的左端面10L配置光源部160。
光源部160具有光源6、集光透镱8和反射板7。面向导光板10的左端面10L配置光源6，在该光源6和导光板主体10之间配置集光透镱8，在光源6的外侧配置反射板7。光源部160的光从左端面10L入射进导光板主体107内。
另外，在导光板主体10的右端面10R侧及导光板70的底面侧配置偏光方向变换机构12，该偏光方向变换机构12能把P偏光成分至少一部分变成反射成S偏光成分。在本实施方式中，作为偏光方向变换机构12，使用扩散反射板。
液晶电池2结构中，在ITO(铟锡复合氧化物)、氧化锡等透明电极上通过框状片材粘合着形成定向膜的上下一对透明基板(玻璃、塑料等)，在由这两透明基板间的前述框状片材包围区域内封入液晶。作为前述定向膜，可以使用以往液晶显示装置中所用的定向膜。例如，除了聚酰亚胺、聚酰胺等高分子膜外，可以使用如氧化硅、氧化铝等无机膜等，这些高分子膜能利用摩擦(ラビンゲ)形成定向膜。或者，也可以通过倾斜喷镀碳酸硅形成定向膜。另外，也可以把这些氧化硅、氧化钛等无机膜作为绝缘膜层积，也可以层积蔗光膜、彩色膜等。此外，在透明电极与透明基板间也可以层积能防止碱液溶出的无机膜(氧化硅、氧化铝等)，并且也可以层积蔗光膜、彩色膜等。在本实施方式中，前述液晶电池2使用90°螺旋的TN型液晶显示元件。
前述上下一对偏光板3、4配置成其透过轴相互垂直状态，并且，这些偏光板3、4的透过轴配置得与液晶电池2的液晶分子定向方向平行。
作为导光板主体10的材质，例如，可以使用丙烯类、苯乙烯类及聚碳酯类等塑料或玻璃等。
并且，在本实施方式中，光衍射机构11如图2所示，在从导光板主板10入射进行光衍射机构11的光中特定1至多个波长光特定偏光成分(本实施方式中的S偏光成分)按(90-a)°衍射角衍射，作为衍射光输出。
0＜a≤b+5        …(1)
在此，cos(b)＝n2/n1，n1是导光板主体10的折射率，n2是导光板主体10的光射出面51外侧介质的折射率。并且，如图2所示，衍射角定义为射入光衍射机构11的入射光和从光衍射机构11射出的衍射光的夹角。即，由图3说明，入射光i在点D衍射且衍射光d射出的情况下，衍射角为入射光i与衍射光d的夹角γ。另外，角度b在入射到导光板主体10中的光在导光板主体10表面全反射的情况下，在表面的入射角度(表面和入射光的夹角)。在此，也可以是ab/2。
在液晶显示装置1中，如图2所示，光源6的光由集光透镜8集光，从导光板主体10的左端面10L入射到导光板主体10内。这时，光源6的光一部分由反射板7反射后经集光透镜8集光，从导光板主体10的左端面10L入射到导光板主体10内。该入射光是具有S偏光成分、P偏光成分的非偏光。在图2中，S偏光(偏光面垂直于纸面)用s表示，而偏光P(偏光面平行于纸面)用p表示。
入射到前述导光板主体10的入射光中S偏光成分如图2所示，在导光板主体10内反射，到达导光板主体10的底面52，入射到光衍射机构11内，由该光衍射机构11衍射到上方向地入射到偏光板4内。这时，相对导光板主体10的光射出面51按a(°)角度到达该导光板主体10的底面52且入射进光衍射机构11中的来自光源6的光中特定1至多个波长光的S偏光成分、光衍射机构11的光中特定1至多个波长光的S偏光成分，由光衍射机构11按(90-a)(°)的衍射角衍射。因此，能控制从导光板主体10的光射出面51射出的光扩角(角度范围)(β)(参照图2)，可以把这种角度控制的衍射光入射到下侧的偏光板4内。具体来说，按角度a入射的光能相对光射出面51垂直射出的方式衍射。
并且，由于下侧偏光板4的透过轴与S偏光成分的偏光方向一致，入射到下侧偏光板4的S偏光不会有任何光损失，透过下侧偏光板4，能作为入射到液晶电池2内的照明光利用。这时，因能完全控制从导光板主体10的光射出面51射出的光扩角(β)，相对液晶显示元件显示面显示中能完全照射有效角度范围内的光。
另外，为了用作彩色液晶显示元件，光衍射机构11可以从三原色即从420～480nm选择1波长、从500～560nm选择1波长以及从600～650nm选择1波长进行衍射。
另外，入射到前述导光板主体10内的入射光中P偏光成分(图2中用p表示)，如图2所示，通过导光板主体10的底面52到达光衍射机构11，没有由该光衍射机构11衍射而反射，由导光板主体10的光射出面51与底面52反复反射后，从导光板主体10的右端面10R输出，由偏光方向变换机构12反射并再入射进导光板主体10内。在本实施方式中，由于作为偏光方向为换机构12使用扩散反射板，从导光板主体10的右端面10R输出的P偏光由该扩散反射板12扩散反射，变成含有P偏光成分和S偏光成分的非偏光。即，从导光板主体10的右端面输出的P偏光一部分由扩散反射板12变换成S偏光，再入射进前述导光板主体10内。透过光衍射机构11，由配置在导光板主体10下面侧的偏光方向变换机构12反射再入射进导光板主体10。在本实施方式中，由于作为偏光方向变换机构12使用扩散反射板，从导光板主体10下面侧输出的P偏光由该扩散反射板12扩散反射，变成含有P偏光成分和S偏光成分的非偏光。即，从导光板主体10下面侧输出的P偏光一部分由扩散反射板12变换成S偏光，再入射进导光板主体10内。
从前述导光板主体10右端面10R和下面侧再入射进导光板主体10内的S偏光由光衍射机构11按上述同样衍射入射进下侧偏光板4内。由于毫无浪费地把这种P偏光成分变换成S偏光成分，能作为照明光利用，能显著提高光利用效率。
第二实施方式
随后，参照图4说明本发明第二实施方式的液晶显示装置。由于本实施方式的液晶显示装置与第一实施方式不同点只在于导光板本身，所以只详细说明导光板。本实施方式的导光板71不同于第一实施方式导光板70之处只在于光衍射机构11。
具体来说，本实施方式的光衍射机构11如图4所示，相对导光板主体10的光射出面51成a(°)角度，从导光板主体10到达导光板主体10底面52入射进光衍射机构11中的来自光源6的光中，特定1至多个波长的光中特定偏光(本实施方式中的S偏光)按(90-a)°的衍射角衍射。并且角度a(°)在从左端面10L入射到导光板主体10内部的来自光源6的光强度厚度方向(导光板主体厚度方向)的内部入射角度α的分布半值幅为2B(°)时，满足关系式(B-5)/2≤a≤(B+5)/2。
在此，对内部入射角α和其半值幅详细说明。如图5所示，要考虑光源6的光入射到导光板主体10的左端面10L的情况。将导光板主体10厚度方向的座标设为h，将原点设为导光板主体10的厚度中心。并且，将光源6至左端面10L的距离设为x。导光板主体10的左端面10L中按相应于各高度h的外部入射角α从光源6入射光。
在此，如图5所示，入射到左端面10L的入射光外部入射角α’成为从光源6至左端面10L引出的垂线即光射出面51与入射光的夹角。并且，当光从左端面10L入射进导光板主体10内时，因在导光板主体10内根据折射率光折射，入射到导光板主体10内的入射光入射角与外部入射角α’不同，该角为内部入射角α。内部入射角α也是成为垂线即光射出面51的角度。
例如，在图5所示状况下，导光板主体10的厚度2h为4.0mm，从导光板主体10的左端面10L至光源6的距度x为0.7mm，导光板主体10的折射率为1.49，导光板主体外的折光率为1.00(相当于空气)，则光源6的光从导光板主体10的左端面10L入射进导光板主体10内。并且，到达导光板主体10的左端面10L的光中，高度h与光强度的关系按标准偏差2.0mm的高斯分布(参照图6(a)的实线)
在此，光源6的光入射到导光板主体10内部时，因在空气-导光板主体的界面有反射损失，入射到导光板主体10内后P偏光成分和S偏光成分强度互不相同。从左端面10L入射到导光板主体10内的P偏光成分的强度与高度h的关系如图6(a)的虚线所示，S偏光成分的强度与高度关系如图6(b)的一点划线所示。
在此，上述图6(a)的光强度与高度h的关系可以表示成光强度与外部入射角α’的函数，导光板主体10的厚度方向中光强度的外部入射角α’的分布如图6(b)所示。在此，实线指从光源6到达左端面10L的全光，虚线指从左端面10L入射到导光板主体10内的P偏光成分，一点划线指从左端面10L入射到导光板主体10内的S偏光成分。
并且，在图6(b)的P偏光成分和S偏光成分中的外部入射角α’与强度关系变换成根据折射率差的内部入射角α与强度关系，即变换成从左端面10L入射到导光板主体10的光强度厚度方向的内部角度分布，如图6(c)所示。在此，虚线表示P偏光成分，一点划线表示S偏光成分。
另外，从导光板主体的左端面10L入射到导光板主体10内的光强度在导光板主体10厚度方向的内部入射角分布半值幅HW，例如可以根据图6(c)所示内部入射角α与强度关系式以图6(c)所示方式计算。在图6(c)中，对S偏光表示半值幅HW的半分量(B＝HW/2)。在此，因提取出S偏光，根据与S偏光相关的曲线计算半值幅HW。从而计算曲线的半值幅HW(°)，作为HW/2可以计算B。另外，图中的b是第一实施方式中与全反射相关的角度b。
另外，在导光板主体10的厚度2h为7.0mm，其它与上述相同的情况下，光强度的外部入射角α’分布如图6(d)所示。
即使使用这种导光板71，由于光衍射机构11将按上述规定角度a入射到光衍射机构(11)的光与第一实施方式相同对着光射出面51垂直射出而衍射，完全能控制导光板71的射出光的扩角(β)。
即，角义a因满足(B-5)/2≤a≤(B+5)/2，在对光源光进行集光地入射到导光板主体10内的情况下，可以控制从光射出面51射出光的扩角(β)(也可以变小扩角)，从而能使显示中有效角度范围光更有效射出。另外，在满足关系式(B-5)/2≤a≤(B+5)/2a的情况下，角度a对着导光板主体10的底面具有入射角度分布，入射的向下光的中心角度范围变成规定的范围。
特别是，在从光源6入射到导光板主体10的光扩角变小即光源的入射光强度内部入射角分布小的情况下，还可以是ab/2或aB/2。在此，b是根据第一实施方式的cos(b)＝n2/n1计算的角度b。
另外，在本实施方式中，角度a还可以具有0＜a≤b+5的条件。
第三实施方式
随后，参照图7对第三实施方式的液晶显示装置进行说明。本实施方式的液晶显示装置不同于第一实施方式的点只是导光板，所以，只对导光板进行详细说明。本实施方式的导光板72不同于第一实施方式的导光板70的第一点在于，光衍射机构11是设置在导光板主体10的光射出面51上的点。第二点在于，该光衍射机构11相对光射出面51满足0＜a≤b+5的角度a°，把从导光板主体10入射的来自光源6的光中特定1个至多个波长光中特定偏光成分(本实施方式中的S偏光成分)按(90+a)°的衍射角衍射。在此，也可以满足ab/2。
即使在这种情况下，与第一实施方式相同，相对光射出面51满足上述范围a(°)角度从光源入射到光衍射机构11的光中特定1个至多个波长光的S偏光成分由光衍射机构11按90-a(°)衍射角衍射，从光射出面51射出。再按90+a(°)的衍射角衍射，从光射出面51射出。因此能控制从光射出面51射出的光扩角(角度范围)(β)，能使这样角度控制的衍射光入射到下侧偏光板4内。具体来说，按角度a入射的光相对光射出面51垂直射出地进行衍射。
另外，下侧偏光板4的透过轴与S偏光成分的偏光方向一致，所以入射到下侧偏光板4的S偏光不会有任何光损失，透过下侧偏光板4，入射到液晶电池2内，作为照明光利用。这时，由于能完全控制从导光板主体10的光射出面51射出的光扩角(β)，能在相对液晶显示元件显示面的显示中完全照射有效角度范围的光。
另一方面，入射到导光板主体10的入射光中的P偏光成分即使到达导光板主体10的光射出面51的光衍射机构11，在该光衍射机构11不衍射而反射，在导光板主体10的光射出面51与底面52处反复反射后，从导光板主体10的右端面10R输出，由偏光方向变换机构12反射再入射到导光板主体10内。在本实施方式中，由于作为偏光方向变换机构12使用扩散反射板，从导光板主体10的右端面10R输出的P偏光成分在该扩散反射板12扩散反射，变成含有P偏光成分和S偏光成分的非偏光，从导光板主体10的右端面输出的P偏光成分的一部分由扩散反射板12变换成S偏光成分，再入射进导光板主体10内。
从光源6入射到导光板主体10的P偏光成分的一部分透过底面52，由配置于导光板主体10下面侧的偏光方向变换机构12反射，再入射进导光板主体10内。在本实施方式中，由于作为偏光方向变换机构12使用扩散反射板，从导光板主体10下面侧输出的P偏光成分由该扩散反射板12扩散反射，P偏光成分和S偏光成分由扩散反射板12变换成S偏光成分，再入射到导光板主体10内。
在前述导光板主体10内从其右端面10R和下面侧再入射的S偏光成分，由光衍射机构11与上述相同衍射入射进上侧偏光板4内。因不会浪费这种P偏光成分而能变换成S偏光成分并作为照明光利用，所以能显著提高光利用效率。
第四实施方式
随后，参照图8对第四实施方式的液晶显示装置进行说明。由于本实施方式的液晶显示装置不同于第三实施方式之处只是导光板，所以，只对导光板进行详细说明。本实施方式的导光板73不同于第三实施方式的导光板72之处在于光衍射机构11。
具体来说，本实施方式的光衍射机构11对导光板主体10的光射出面51成a(°)角度，在从导光板主体10到达该导光板主体10的底面52从光源60入射进光衍射机构11的光中，特定的一个或数个波长光中特定偏光成分(本实施方式中为S偏光成分)按(90+a)°的衍射角衍射。并且，角度a(°)从左端面10L入射进导光板主体10内部来自光源6的光强度厚度方向(导光板主体厚度方向)的内部入射角α分布半值幅HW为2B(°)时，满足关系式(B-5)/2≤a≤(B+5)/2。
在此，对内部入射角α或其半值幅HW的说明与第二实施方式的相同。
即使使用这种导光板73，由于光衍射机构11能按上述规定角度a把入射进光衍射机构11的光同第三实施方式一样地相对光射出面51以垂直射出的方式衍射，能完全控制从导光板73射出光的扩角(β)。
即，因角度a满足关系式(B-5)/2≤a≤(B+5)/2，即使对来自光源光集光并入射到导光板主体10内的情况下，也能控制从光射出面51射出的光扩角(β)(也能缩小扩角)，从而能使显示中有效角度范围光更有效射出。另外，在满足关系式(B-5)/2≤a≤(B+5)/2的情况下，角度a相对导光板主体10底面具有入射角度分布，入射的向下光的中心角度范围变成规定的范围。
特别是，来自光源6入射进导光板主体10中的光扩角小的情况下，即光源入射的光强度内部入射角分布狭的情况下，ab/2或aB/2。在此，b是根据第一实施方式设定的cos(b)＝n2/n1计算出的角度b。
另外，本实施方式中，角度a也可以具有必要条件0＜a≤b+5。
此外，本发明并不局限于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，光源6或光源部160只设置在导光板70等一端面(左端面10L)，但并不局限于此，光源6或光源部160也可以设置在导光板的二个以上端面。例如，在上述实施方式中，光源6或光源部160还可以设置在导光板的右端面10R等上。
在上述实施方式中，偏光方向变换机构12配置在导光板主体10的下面侧及右端面侧，但并不局限于特定的这种配置方式，偏光方向变换机构12也可以配置在除了作为前述导光板的光入射面的左端面10L及光射出面51外剩余四面中至少一面侧。
在上述实施方式中，作为偏光方向变换机构12使用扩散反射板，但并不特别局限于这种结构。例如，作为偏光方向变换机构12也可以采用λ/4位相差板和镜面反射板的结构。即，在除了导光板的光入射面及光射出面51外剩余四面中至少一面侧，也可以使用通过λ/4位相差板配置镜面反射板的结构。在这种情况下，例如，在上述实施方式中，从导光板主体10射出的P偏光成分首先在透过λ/4位相差板时变换成左转圆偏光，使该左转圆偏光在前述镜面反射板处反射，该反射时，变换成右转圆偏光，该右转圆偏光再次透过前述λ/4位相差板时变换成S偏光成分，从而从前述导光板主体10射出的P偏光由λ/4位相差板及镜面反射板变换成S偏光，再次入射进导光板主体10内。再次入射的S偏光由前述光衍射机构11衍射，入射进前述下侧偏光板4内。
或者，在设置于第一及第二实施方式中的导光板主体10底面的光衍射机构11下面，或者在第三及第四实施方式中的导光板主体10的底面上，也可以采用层积各个诱导体多层膜或金属膜形成镜面结构。在这种情况下，光透过该诱电体多层膜或金属膜而不透过到下面侧。从而能提高光利用率。
另外，在上述实施方式中，作为液晶电池2使用TN型液晶显示元件，但并不特别局限于这种类型，例如，也可以使用超级扭转向列(STN)型液晶显示元件。或者，也可以使用除了直接利用偏光成分以外作动模式的液晶显示元件。另外，还可以使用在STN型液晶显示元件上层积位相差板或其它液晶电池使色白黑化的FSTN型液晶显示元件、DSTN型液晶显示元件。此外，也可以使用使滤色器与液晶显示元件组合而彩色化的彩色STN型液晶显示元件。
在该发明中，作为导光板主体，也可以使用如上述实施方式所示的光射出面51和底面52形成平行状的结构(剖面为矩形)，还可以使用把光射出面51和底面52配置成非平行状的结构，例如形成楔形。
作为光衍射机构11，没有特别限定，例如，可以是示例全息图、衍射格子等。全息图没有特别限定，例如，可以使用丙烯类、聚乙烯咔唑类等光聚合物、重铬酸明胶、阻光层.银盐等种种感光材料。也可以使用李普曼型(リツプマンタィプ)体积·位相型全息图，但从提高生产率来看，优选使用立体型全息图。即，立体型全息图例如使用利用模压成型或冲压成型等容易制造，能提高生产率。
换言之，衍射机构用立体型或体积型的结构，体积型结构性能上适合，但从生产率考虑优选立体型结构。立体型衍射机构可以采用组合或重合正弦波、矩形波、三角波等单纯形状来制作，比用全息图更优。这些结构可以使用FDTD(Finite-Difference Time-Domain)法、结合波(Rigorous Coupled-Wave Analysis)法等设计、解析。这时，也可以按二值或多值离散值设计衍射机构的微细机构。
图9表示本发明中制作作为光衍射机构使用的全息图11时参照光和物体光的关系。导光板主体10的底面层积配置用于全息图形成的感光材料11a，在导光板主体10下面侧离间配置扩散板20。扩散板20的表面与光射出面51近平行。并且，全息图11设于光射出面51上的情况下，在此，从扩散板20射出的物体光强度射出角分布以及从导光板主体10的光射出面51射出的光强度射出角分布，分别以由垂直于光射出面51的方向射出的光为基准(0°)。另外，图10中图示从导光板主体10的光射出面51射出光的强度射出角分布代表的设定值以及其半值幅s。这种干涉条纹设定通常由计算机执行。
此外，如上述实施形式，在采用在除了导光板入射面及光射出面外剩余四面中至少一侧上配置偏光方向变换机构12的结构的情况下，最好符合该偏光方向变换机构12的发射光包含在参照光中地形成全息图图案。通常，计算相对多个波长的全息图图案，通过对其和加算计算出最终的图案。
另外，在透过下侧偏光板4后的光在该下侧偏光板4面内面方向光强度分布因实质上能均一地调整光衍射机构11的衍射效率，所以根据最终图案计算衍射光强度和分光特性分布，对扩散板20的亮度和分光特性分布进行修正。并且，该修正可以使用按最终图案试作的导光板实测数据进行。
用计算机计算图案而制作全息图时，可以利用如特开2001-337584号公报记载的方法。为了减少计算量，也可对多个全息图分割计算。
在上述实施方式中，必须要保持全息图11中只有S偏光成分衍射的偏光特性。一般在全息图内部的入射光、衍射光与方向向量数量积成比例地衍射P偏光成分，S偏光成分不取决于此，而具有按一定强度衍射的偏光特性。即，在入射光与衍射光平行的情况下(数量积为1)，P偏光成分、S偏光成分都衍射，而在入射光和衍射光垂直的情况下(数量积为0)，P偏光成分不衍射而只有S偏光成分衍射。因此，为了保持在全息图11中只有S偏光成分衍射的偏光特性，可以把全息图11内部的入射光与衍射光夹角(衍射角)设定为90°。从而能完全确保偏光分离功能。
另外，为了有效地获得显示中有效角度范围的光，必须能按上述各衍射角衍射。利用这种结构，能具有偏光分离功能和有效获得显示中有效角度范围光功能两方面的功能。
本发明涉及的导光板(70、71、72、73)、背照光5、液晶显示装置(1)并不特别限定于上述实施方式，可以有种种变更设计。
此外，导光板主体10和光衍射机构11可以接触，也可相互夹持介质而分离。
另外，在上述实施方式中，光衍射机构11不衍射P偏光成分而按规定衍射角衍射S偏光成分，但也可以作动为不衍射S偏光成分而按规定衍射角衍射P偏光成分。
发明效果
如上所述，根据本发明，能控制从导光板射出的光扩角(角度范围)，从而，根据用该导光板构成的的液晶显示装置，能相对液晶显示元件显示面有效地照射显示中有效角度范围的光。另外，即使不用棱镜片也能控制射出光的扩角，所以结构简单，部件数也少，并且能提供比以往成品更薄型的背照光，且能提供低价、薄型、低耗电力的液晶显示装置。

Claims (22)

1、一种导光板，具有导光板主体和光衍射机构，导光板具有光射出面，光衍射机构相对与导光板主体的前述光射出面对置的面对置；光源的光从导光板主体的端面射入导光板主体内；光衍射机构相对前述光射出面满足(1)式角度a°，且从前述导光板主体入射进前述光衍射机构的光源光中特定的1至多个波长的光特定偏光成分按(90-a)°衍射角衍射；
0＜a≤b+5…(1)
在此，cos(b)＝n2/n1，n1是前述导光板的折射率，n2是接近前述导光板主体光射出面外侧的介质折射率。
2、一种导光板，具有导光板主体和光衍射机构，导光板具有光射出面，光衍射机构相对与导光板主体的前述光射出面对置的面对置；光源的光从前述导光板主体的端面射入前述导光板主体内；前述光衍射机构相对前述光射出面满足(2)式角度a°，且从前述导光板主体入射进前述光衍射机构的光源光中特定的1至多个波长的光特定偏光成分按(90-a)°衍射角衍射；
(B-5)/2≤a≤(3+5)/2…(2)
在此，把从前述导光板主体端面射入前述导光板主体内的光强度在前述导光板主体厚度方向中内部入射角分布半值幅设定为HW(°)，则B＝HW/2。
3、一种导光板，具有导光板主体和光衍射机构，导光板具有光射出面，光衍射机构配置在光射出面上；光源的光从前述导光板主体的端面射入前述导光板主体内；前述光衍射机构相对前述光射出面满足(1)式角度a°，且从前述导光板主体入射进前述光衍射机构的光源光中特定的1至多个波长的光特定偏光成分按(90+a)°衍射角衍射；
0＜a≤b+5…(1)
在此，cos(b)＝n2/n1，n2是前述导光板主体折射率，n2是接近前述导光板主体中光射出面的相对面外侧的介质折射率。
4、一种导光板，具有导光板主体和光衍射机构，导光板具有光射出面，光衍射机构配置在光射出面上；光源的光从前述导光板主体的端面射入前述导光板主体内；前述光衍射机构相对前述光射出面满足(2)式角度a°，且从前述导光板主体入射进前述光衍射机构的光源光中特定的1至多个波长的光特定偏光成分按(90+a)°衍射角衍射；
(B-5)/2≤a≤(B+5)/2…(2)
在此，把从前述导光板主体端面射入前述导光板主体内的光强度中前述导光板主体厚度方向中内部入射角分布半值幅设定为HW(°)，则B＝HW/2。
5、根据权利要求1-4任一项记载的导光板，前述光衍射机构把入射进前述光衍射机构的光中多个波长的光特定偏光成分按前述衍射角衍射。
6、根据权利要求5记载的导光板，前述多个波长是3波长。
7、根据权利要求6记载的导光板，前述3波长包括从420～480nm中选择的1波长、从500～560nm中选择的1波长以及从600～650nm选择的1波长。
8、根据权利要求1-4任一项记载的导光板，前述光衍射机构是全息图。
9、根据权利要求8记载的导光板，作为前述全息图使用立体型全息图。
10、根据权利要求9记载的导光板，前述立体型全息图使从导光板主体端面入射进前述导光板主体内的光源参照光和相对前述光射出面近平行配置的扩散板射出的物体光在应设立体型全息图的记录面上形成干涉的图案；从前述扩散板射出的物体光的强度射出角分布半值幅t相对已设定的前述导光板的射出光强度射出角分布半值幅s满足(3)式；
s-5≤t≤s+5…(3)
11、根据权利要求10记载的导光板，前述全息图记录面和前述扩散板的间隔设定在0.3m以上，形成图案。
12、根据权利利要求1-4任一记载的导光板，前述特定偏光成分是S偏光成分。
13、根据权利要求12记载的导光板，相对前述导光板除了端面和光射出面外剩余面中至少一面侧，配置偏光方向变换机构，该偏光方向变换机构把入射的P偏光成分变换反射成S偏光成分。
14、根据权利要求13记载的导光板，作为前述偏光方向变换机构使用扩散反射板。
15、根据权利要求13记载的导光板，作为偏光方向变换机构，使用由λ/4位相差板和镜面反射板构成的偏光方向变换机构，在除了导光板端面和光射出面外至少一面侧通过λ/4位相差板配置镜面反射板。
16、根据权利要求1或2记载的导光板，前述光衍射机构的前述导光板主体和反面由诱电体多层膜或金属膜层积形成镜面。
17、根据权利要求3或4记载的导光板，前述导光板主体的前述光射出面和对置面由诱电体多层膜或金属膜层积形成镜面。
18、一种背照光，配置有权利要求1-4任一项记载的导光板和配置于该导光板端面侧的光源。
19、一种背照光，配置有权利要求1-4任一项记载的导光板、设于该导光板至少一端面侧的光源、设于该光源与前述导光板之间的透镜、设于光源外侧的反射板。
20、一种液晶显示装置，是用权利要求18记载的背照光构成的。
21、一种液晶显示装置，具有液晶电池、配置于该液晶电池上下两面侧的一对偏光板以及置于下侧偏光板下面侧的权利要求18记载的背照光。
22、根据权利要求21记载的液晶显示装置，调整前述光衍射机构的衍射率，能实质均一地设定依次透过前述背照光导光板、前述下侧偏光板光在该下侧偏光板面内光强度分布。
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