JP2003203514A

JP2003203514A - 前方照明装置及びそれを用いた液晶表示装置

Info

Publication number: JP2003203514A
Application number: JP2002000455A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Honma; 英明本間
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2002-01-07
Filing date: 2002-01-07
Publication date: 2003-07-18

Abstract

(57)【要約】【課題】液晶装置の画像のボケやコントラストの低下を
抑制することが可能な前方照明装置を提供する。【解決手段】光源２と、前記光源から発せられた光が入
射する入射面と、前記入射面に略直交し、照明光を射出
する射出面を有する導光体３とを備え、被照明物の観察
面側に配置された照明装置において、前記導光体の表面
にプリズムアレイ４を備え、屈折率の異なる領域を設け
ることで、射出面に光の入射方向によって拡散性が異な
る異方性光散乱フィルム５を備えることにより、被照明
物を照明することを特徴とする前方照明装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被照明物と観察者
との間に配置されて使用され、被照明物に光を照射する
と共に、被照明物からの反射光を観察者が視認できるよ
うに該反射光を透過させるべく構成された前方照明装置
と、この前方照明装置を補助光源として備えた反射型液
晶表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶表示装置では、消費電力を抑
えるために、外光を反射して像を表示する反射型の液晶
が広く使用されてきている。しかしながら、この種の液
晶表示装置では、通常の明るい照明下では液晶パネルの
像を観察できるが、暗いところでは観察できない。その
ため、外部の照明がないところでも、像を観察すること
ができるように、後方照明装置（バックライト）を内蔵
するものが多い。しかしながら、後方照明装置は、通
常、液晶パネルの観察者と反対側の面に取り付けるため
に、後ろからの光を透過しなければならない。そのた
め、反射板もある程度後方からの光を透過する必要があ
るために、必然的に反射板の反射率は低いものとなって
しまう。

【０００３】上述したような事情から、後方照明装置を
備えた液晶表示装置は、外光を利用して像を観察する際
にその像が後方照明装置を備えていないものよりも暗く
なるという傾向がある。そのため、観察者側に照明装置
を備えることによって、照明装置を用いないときより
も、また照明を用いたときも明るい像が得られる前方照
明装置（フロントライト）を適用した液晶表示装置が広
く用いられるようになってきている。このような前方照
明装置を適用した液晶表示装置として、特開平５−１５
８０３４（特願平３−３１８９９１）号公報に開示され
ているような技術がある。同公報では、導光体の表面に
プリズムを設け、このプリズムによって導光体内部を進
行してきた光を被照明物の方向に曲げて、被照明物を照
明する技術が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような導光板で
は、プリズムアレイの周期的な凹凸からなるパターンと
液晶の周期的なセル構造からなるパターンとによりモア
レが発生しやすい。

【０００５】そこで、ディスプレイに近い面に、拡散層
が用いられる。しかし、このような拡散層を設けること
によって、像のボケや、後方散乱によるコントラストの
低下が起こってしまう。特にカラー表示のときにそれが
顕著である、という不都合がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、異方性光散
乱フィルムを用いることによって、この像のボケや後方
散乱によるコントラストの低下を抑制するものであり、
光源と、前記光源から発せられた光が入射する入射面
と、前記入射面に略直交し、照明光を射出する射出面を
有する導光体とを備え、被照明物の観察面側に配置され
た照明装置において、

【０００７】上記導光体の表面にプリズムアレイを備
え、射出面に光の入射方向によって拡散性が異なる異方
性光散乱フィルムを備えることにより、被照明物を照明
することを特徴とする前方照明装置である。

【０００８】さらに、その異方性光散乱フィルムが内部
に屈折率の異なる領域を有することを特徴とする前方照
明装置である。

【０００９】さらに、その異方性光散乱フィルムが内部
に傾斜した層状の屈折率の異なる領域を有することを特
徴とする前方照明装置である。

【００１０】従って、請求項４の発明の液晶表示装置に
おいては、以上のような手段を講じることにより、請求
項１から請求項３に示す前方照明装置を液晶表示装置に
適用することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の前方照明装置を用
いた反射型液晶表示装置について、要部を概念的に示す
断面図である。液晶パネル（６）と、その前面（観察者
側）に配置されたフロントライト（２）と液晶パネル
（６）とフロントパネルの間に配置された異方性光散乱
フィルム（５）とで構成されている。

【００１２】異方性光散乱フィルム（５）は、導光板か
ら射出された光を散乱し、フロントライト（２）からの
光のうち所定角度範囲内の照明光を所望の形に散乱させ
て、液晶パネル（６）に入射させる。この所定角度範囲
を液晶パネルにおけるリタデーションのために最適な入
射角度内（±３０度程度）とすることで、表示のコント
ラストを向上させることができる。

【００１３】このようなプリズムアレイ（４）を表面に
有する導光板（３）は、たとえば、熱可塑性の樹脂を用
いて、インジェクションにより整形することができる。
このような方法によれば、導光板を保持する部分も同時
に造りこむことができるため、部品点数を減らすことが
可能である。

【００１４】また、このような導光板（３）は、フィル
ムをエンボス加工し、アクリル等からなる基板にラミネ
ートしても良い。フィルムのエンボス加工は製造コスト
を抑制するのに有効な方法である。

【００１５】前記液晶パネル（６）は、一般的な構造の
ものからなり、印加電圧の有無に応じて入射光を変調
し、白／黒（透過／非透過）の切り替え表示を行なう。
また、カラーフィルター等によりカラー表示可能な液晶
表示装置であっても良い。本発明の液晶表示装置は、Ｔ
Ｎ方式，ＳＴＮ方式，ゲストホスト方式，ポリマー分散
型など液晶の駆動方式に特に限定されるものではなく、
さらには、吸収率、散乱性等を電気信号等によって、制
御することが可能な装置であれば良い。

【００１６】次に図２を用いて、詳細な説明を行う。導
光板を伝播してきた入射光（ア）は、その一部が、上面
のプリズム面で反射し下面の方に射出する。この出射光
（イ）は異方性光散乱フィルム（５）に入射し、散乱さ
れる。散乱された光は、液晶パネル（６）を透過し、背
面の反射層（７）で反射し再び液晶パネル（６）に入射
する。

【００１７】反射型液晶パネルから反射してきた光
（ウ）は、再び異方性光散乱フィルムに入射する。また
再度、異方性散乱フィルム（５）に液晶パネル（６）か
らの光が入射したときには、その光の進行方向がフィル
ム中の屈折率の異なる層の傾斜と異なる角度であるた
め、ほとんど散乱しない。そのため、液晶の像から射出
した光は散乱されないため、ほとんどボケなく、観察者
に観察される。

【００１８】本発明の液晶表示装置は、ＴＮ方式，ＳＴ
Ｎ方式，ゲストホスト方式，ポリマー分散型など液晶の
駆動方式に特に限定されるものではない。

【００１９】次に、異方性光散乱フィルム（５）の一例
を図３に示す。図から判るように、屈折率の異なる部分
（５ａ、５ｂ）は、フィルムの厚さ方向に対して傾斜し
て層状に分布した構造である。

【００２０】図３の異方性光散乱フィルムの光学特性に
ついて、まず、断面図（図４）で考える。屈折率の異な
る部分（屈折率が大きい部分５ａ、小さい部分５ｂ）が
層状に分布した上記傾斜方向に沿った角度（図４（ｂ）
に示すようにフィルムの垂線から角度θをなす、図の入
射光Ａ）で入射する光に対しては、光散乱が生じること
になる。すなわち、入射角度θから入射する入射光Ａ
が、この異方性光散乱フィルムから出射する際、散乱す
ることを概念的に説明すると、図４（ａ）に示すように
入射光Ａ₀は屈折率が異なっている界面ａ１，ａ２、ａ
３・・・・・でそれぞれ屈折され、出射光Ａ₁の方向に
散乱される。また、入射光Ａ₀と平行な入射光Ｂ₀も屈折
率が異なってい界面でそれぞれ屈折され、出射光Ｂ₁の
方向に散乱される。屈折率の異なる界面を図４（ａ）の
ようにランダムに形成することで、屈折する位置、光路
が異なり散乱して出射させることができる。

【００２１】また、上記傾斜方向と略直角方向から入射
する入射光（Ｃ₀）は、界面に直角に入射しているので
屈折率が異なる界面でも屈折されないために散乱されず
に出射する。

【００２２】次に、平面図で考えると、屈折率の異なる
部分の形状が縦長（あるいは、横長）であると、その部
分に入射する光が散乱出射する場合には、それぞれの部
分からの出射光の光散乱特性が、横長（あるいは、縦
長）となるような異方性を持つ。図５は、入射光Ａを異
方性光散乱フィルム（５）に入射させて散乱させた場合
の散乱光分布を示しており、光が散乱して光が照射して
エリアを白く表示して示している。

【００２３】次に、本発明の異方性光散乱フィルム
（５）の構造について詳細に説明する。上述したよう
に、本発明の異方性光散乱フィルム（５）の内部には、
屈折率の異なる部分が不規則な形状・厚さで分布してい
る。

【００２４】一方、異方性光散乱フィルム（５）は、図
２に示すように、入射光が異方性光散乱フィルム（５）
から液晶パネル（６）の前面側に入射する際に光散乱が
生じて、その散乱光は液晶パネルの背面側の反射板
（７）で反射し、再び異方性光散乱フィルムを透過して
前面に出射する。この際に異方性光散乱フィルムは、出
射する散乱光を光拡散せずにそのまま透過させる。

【００２５】従って、前記異方性光散乱フィルム（５）
の持つ散乱性の入射角度依存性により、表示光出射の際
の不必要な散乱を生じることがないため、、表示像のぼ
けを軽減させる事ができる。加えて、このような異方性
光散乱フィルムでは、不必要な後方散乱が少ないため、
表示の明るさやコントラストを向上させることが出来
る。

【００２６】以下、本発明の異方性光散乱フィルム
（５）を作製する手段について説明する。本発明の異方
性光散乱フィルム（５）は光学的な露光手段により作製
することができる。

【００２７】＜作製手段１＞図６は、図３に示す構造の
異方性光散乱フィルムを、ランダムマスクパターンを利
用して作製する光学系の一例を示す説明図である。ＵＶ
光源（１５）から出た紫外光をコリメート光学系（１
６）により平行光（１７）とし、マスク原版（１８）を
照射する。マスク原版（１８）は、ガラス基板（２０）
とランダムパターンであるクロムパターンとからなる。

【００２８】マスク原版（１８）のＵＶ照射側とは反対
の面には感光材料（１９）を密着して配置しており、マ
スク原版（１８）のパターンを感光材料（１９）に露光
照射する。

【００２９】この際、図示のようにＵＶ平行光（１７）
とマスク原版（１８）は所定角度αだけ傾いて配置され
ているため、パターン露光は感光材料（１９）中で、所
定角度傾いてなされることになる。この角度が、異方性
光散乱フィルム中の屈折率の異なる部分の傾斜角度（す
なわち、入射角度依存性の散乱ピーク角度θ）に相当す
ることになるので、前記角度は用途に応じて０から６０
度程度の範囲内で適宜選択される。

【００３０】また、ここで使用する感光材料（１９）
は、ＵＶ光の露光部と未露光部との屈折率の変化の形態
で記録できる感光材料であり、記録しようとする濃淡模
様より高い解像力を持ち、その厚みの方向にもパターン
を記録できるような材料である必要がある。

【００３１】このような記録材料としては、体積型ホロ
グラム用感光材料が利用でき、アグフア社製ホログラム
用銀塩感光材料８Ｅ５６乾板，デュボン社製ホログラム
用感光材料ＨＲＦフィルムあるいは重クロム酸ゼラチ
ン，ポラロイド社製記録材料などが使用可能である。

【００３２】図６で用いられるランダムパターンを持つ
マスク原版（１８）は、計算機を用いた乱数計算から作
製した白黒パターンデータを、所謂フォトリソグラフイ
ーの手法によりガラス基板上の金属クロムパターンとし
てエッチングしたものを用いた。もちろんマスク原版の
作成方法としては、上記方式に限定されるものではな
く、リス乾板を使った写真手法などにより作製しても同
様なマスクを作製できることは周知である。

【００３３】＜作製手段２＞図７は、図３に示す構造の
異方性光散乱フィルムを、スペックルパターンを利用し
て作製する光学系の一例を示す説明図である。レーザー
光源（２３）から出たレーザー光ですりガラス（２５）
を照射する。すりガラス（２５）のレーザー照射側とは
反対の面には、所定距離Ｆをおいて感光材料（１９）を
配置し、すりガラス（２５）で透過散乱したレーザー光
が作り出す複雑な干渉パターンであるスペックルパター
ンが感光材料に露光照射される。

【００３４】この際、図７に示すように、すりガラス
（２５）と感光材料（１９）は所定角度αだけ傾いて配
置されているため、スペックルパターンは感光材料中
で、所定角度傾いて露光されることになる。この角度
が、異方性光散乱フィルム中の屈折率の異なる部分の傾
き（すなわち、入射角度依存性の散乱ピーク角度θ）に
相当することになるので、前記角度は用途に応じて０〜
６０度程度の範囲内で適宜選択される。

【００３５】記録に使用するレーザ光源は、アルゴンイ
オンレーザーの５１４．５ｎｍ，４８８ｎｍまたは４５
７．９ｎｍの波長のうち、感光材料の感度に応じて適宜
選択して使用することができる。また、アルゴンイオン
レーザー以外でもコヒーレント性の良いレーザー光源で
あれば使用可能であり、例えばヘリウムネオンレーザー
やクリプトンイオンレーザーなどが使用できる。

【００３６】スペックルパターンは、コヒーレント性の
良い光が粗面で散乱反射または透過した時に生ずる明暗
の斑点模様であり、粗面の微小な凹凸で散乱した光が不
規則な位相関係で干渉するために生ずるものである。

【００３７】「光測定ハンドブック朝倉書店田幸敏
治ほか著１９９４年１１月２５日発行」の記述（ｐ．２
６６−Ｐ．２６８）によれば、濃度や位相が位置によっ
てランダムな値を示すようなスペックルパターンでは、
前記パターンの大きさは、感光材料から拡散板を見込む
角度に反比例して、パターンの平均径が決定される。従
って、拡散板の大きさを、水平方向よりも垂直方向で大
きくした場合、感光材料上に記録されるパターンは、水
平方向よりも垂直方向が細かいものとなる。

【００３８】図７の光学系での作製方法によるスペック
ルパターンでは、使用するレーザー光の波長λおよびす
りガラス（２５）の大きさＤ，すりガラス（２５）と感
光材料（１９）との距離Ｆが、記録されるスペックルパ
ターンの平均サイズｄを決定することになり、一般に、
ｄは次式で表される。ｄ＝１．２λＦ／Ｄ

【００３９】また、このスペックルパターンの奥行き方
向の平均の長さｔはｔ＝４．０λ（Ｆ／Ｄ）² で表される。

【００４０】以上より、λおよびＦ／Ｄの値を最適な散
乱性を持つように最適化することで所望の３次元的な屈
折率分布を持つ異方性光散乱フィルムを得ることが出来
る。

【００４１】一例として、λ＝０．５μｍで、Ｆ／Ｄ＝
２とすると、ｄ＝１．２μｍ、ｔ＝８μｍとなり、フィ
ルム表面上の濃淡模様は平均１．２μｍで分布し、フィ
ルムの厚み方向には、前記傾斜角度に従った方向に平均
８μｍの大きさで分布することになる。

【００４２】ただし、これらの大きさはあくまでも平均
の大きさであり、実際にはこれらの大きさを中心に大小
様々な大きさで、屈折率の異なる部分が表面上および奥
行き方向に傾斜して分布することになり、図３に示すよ
うな本発明の異方性光散乱フィルムとなる。

【００４３】＜作製手段３＞本発明の異方性光散乱フィ
ルム（５）は、すりガラス（２５）の大きさを縦横で異
ならせ、長方形あるいは楕円形は、図７に示す光学系で
作製できる。

【００４４】一例を挙げると、すりガラス（２５）の大
きさＤが縦（ｙ）方向と横（ｘ）方向で異なり、前記
（Ｆ／Ｄｘ）＝２，（Ｆ／Ｄｙ）＝２０で、他の条件が
上記と同じだとすると、スペックルパターンの横方向の
平均サイズｄｘ＝１．２μｍで、縦方向の平均サイズｄ
ｙ＝１２μｍとなり、縦横比１：１０の平均サイズのス
ペックルパターンが得られる。これを、＜作製手段２＞
と同様に露光することで、縦横方向の散乱性が異なる散
乱異方性を持つ本発明の異方性光散乱フィルムが得られ
る。

【００４５】上述の＜作製手段１〜３＞は一例であり、
本発明はこれに限るものでなく、また光学的な露光手段
に限るものでもない。

【００４６】本発明の液晶表示装置の液晶表示パネル
（６）には、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素に対応してカラーフィルタ
を搭載したカラー表示用パネルまたはモノクロ表示用パ
ネルのいずれを使用してもよい。

【００４７】以上、本発明の好適な実施の形態につい
て、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかか
る構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技
術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更
例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及
び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと
了解される。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被照明物に対向し平面にされた内側面と導光板の側方に
配置された光源から入射した光を被照明物側に反射し得
るプリズム面が形成された外側面と異方性散乱層を有す
る導光体とに光の入射方向によって、光の散乱性が異な
る異方性散乱層を配置することにより、プリズム面と液
晶表示装置とのモアレを無くし、且つボケ、後方散乱に
起因するコントラストの低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の異方性光散乱フィルムを有する液晶表
示装置の説明図である。

【図２】本発明の導光板と異方性光散乱フィルムに光が
入射したときの散乱性を示す説明図である。

【図３】内部に屈折率の異なる領域を有する異方性光散
乱フィルムの構成斜視図である。

【図４】異方性光散乱フィルムの作用を説明する概念断
面図であり、（ａ）は屈折率が異なる界面で屈折され散
乱する状態を、（ｂ）は入射光が屈折率の異なる界面に
平行して入射した場合に於ける散乱性と、界面に略直角
に入射した場合に於ける直進性を示す図である。

【図５】異方性光拡散フィルムによって拡散された状態
を示す拡散分布図である。

【図６】ＵＶ光を使った内部に屈折率の異なる領域を有
する異方性光散乱フィルムの作製方法を説明する図であ
る。

【図７】レーザー光を使った内部に屈折率の異なる領域
を有する異方性光散乱フィルムの作製方法を説明する図
である。

【符号の説明】

１…前方照明装置２…光源３…導光体４…プリズムアレイ５…異方性光散乱フィルム５ａ…屈折率高５ｂ…屈折率低６…液晶パネル７…反射層１５…ＵＶ光源１６…コリメート光学
系１７…ＵＶ平行光１８…マスク原板１９…感光材料２０…ガラス基板２３…レーザー光源２４…レーザー光２５…すりガラス２６，２７…コリメート光学
系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｆ 1/13357 Ｇ０２Ｆ 1/13357 // Ｆ２１Ｙ 103:00 Ｆ２１Ｙ 103:00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源から発せられた光が入射
する入射面と、前記入射面に略直交し、照明光を射出す
る射出面を有する導光体とを備え、被照明物の観察面側
に配置された照明装置において、前記導光体の表面にプリズムアレイを備え、射出面に光
の入射方向によって拡散性が異なる異方性光散乱フィル
ムを備えることにより、被照明物を照明することを特徴
とする前方照明装置。
【請求項２】前記異方性光散乱フィルムが内部に屈折率
の異なる領域を有することを特徴とする請求項１に記載
の前方照明装置。
【請求項３】前記異方性光散乱フィルムが内部に傾斜し
た層状の屈折率の異なる領域を有することを特徴とする
請求項２に記載の前方照明装置。
【請求項４】請求項１〜３いずれか１項に記載の前方照
明装置を用いたことを特徴とする液晶表示装置。