JP2005227565A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の柱状レンズシートを用いた液晶表示装置においては、柱状レンズシートを構成する柱状レンズがシート面に対して垂直に配向しているために、照明光を効率良く液晶パネルに導くことができなかった。
【解決手段】 液晶パネルに配された偏光板の外側に、柱状レンズシートの面に立てた垂線の方向を基準として視角方向に１０〜４５度傾斜して配向した柱状レンズから構成された柱状レンズシート拡散板を配することによって上記課題を解決した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、時計、携帯電話、オーディオ、携帯電子機器等の携帯機器に使用される液晶表示装置に関する。

近年、携帯機器等には、薄型軽量という特徴をもつ液晶表示素子が広く使われている。特に、携帯電話で用いる表示素子には小型軽量が要求されるため、ほとんどの携帯電話に液晶表示素子が使われている。しかし、液晶表示素子は受光型のため、携帯電話に要求される暗い場所での視認性に問題がある。そこで、液晶表示素子の前面または背面に照明装置を設置することが多い。一般には、前者の照明装置をフロントライト、後者をバックライトと称している。

図５にフロントライト方式の表示装置の断面を模式的に示す。図示するように、フロントライトは光源１４と導光板１５を有している。光源１４からの光は導光板１５によって下側（表示パネル側）に導かれ、液晶パネル１の背後に設けられた反射板１６で反射することにより液晶パネル１の表示を視認できるようになる。また、外部からの光（外光）は導光板１５を通過して液晶パネルに入射され、前述と同様にして液晶パネル１の表示が視認される。一方、図６にバックライト方式の表示装置の断面を模式的に示す。バックライトは光源１４と導光板１７を有し、液晶パネル１の下側に設置される。バックライトの光源１４からの光は導光板１７を通って上側に反射して液晶パネル１を照射し、表示が観察者に視認される。このように、フロントライトの導光板１５は反射板１６からの反射光が透過する構造になっているのが特徴であり、それに対してバックライトの導光板１７は光を拡散反射するのみで光を透過させることはできない。

このようなバックライトを用いた液晶表示装置において、視認性を良くするために、微細な柱状構造が面内に複数本配列された導光体シートを拡散層と組み合わせて、液晶と照明装置との間に設けることが知られている。この柱状構造の柱状中央領域は、この領域を取り巻いている外周領域に比べて屈折率が高く形成されており、厚さ方向に光を導く機能を有している（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３５５７６号公報（第３−５頁、第７図）

しかしながら、特許文献１の導光体シート（柱状レンズシート）を用いた液晶表示装置では、柱状レンズシートを構成する柱状レンズがシート面に対して垂直に配向しているために、一般に斜めからの照明成分が多い照明光を効率良く液晶パネルに導くことができないという課題を有していた。

また、携帯機器の多くは、液晶表示装置に表示された画像を斜めの視角から見ることが多く、液晶表示装置のほぼ真上に拡散光を照射する従来の液晶表示装置においては視認性が悪くなるという課題を有していた。

本発明の液晶表示装置においては、液晶パネルに配された偏光板の外側に、柱状レンズシートの面に立てた垂線の方向を基準として視角方向に傾斜して配向した複数の柱状レンズから構成された柱状レンズシートを配することによって、照明装置からの光を効率良く視角方向に散乱させることが可能となり、携帯機器で本発明の液晶表示装置を用いても視認性が良く明るい画像表示を可能とすることができる。

また、照明装置としてフロントライトを用いた場合においても、視認性が良く明るい画像表示を得ることが可能になった。

すなわち、本発明の液晶表示装置は、互いに対向する基板間に液晶層が配された液晶パネルと、少なくとも表示観察面側に設けられた偏光板とを有する液晶表示素子と、周囲の領域より屈折率の高い領域が厚み方向に連続的に形成された柱状レンズが面内に複数配列され、厚さ方向に光を導く機能を有する柱状レンズシートを備えるとともに、柱状レンズは、柱状レンズシートの面に立てた垂線の方向を基準として視角方向に傾斜している。

さらに、柱状レンズの傾斜角度を、柱状レンズシートの面に立てた垂線に対して１０〜４５度とした。ここで、液晶表示素子は、液晶パネルを挟むように設けられた一対の偏光板と、その背後に設けられた反射板を備えるとともに、柱状レンズシートが液晶表示素子の表示観察面の外方に設けられている。あるいは、液晶表示素子は、液晶パネルの表示観察面側に設けられた第一の偏光板と、液晶パネルの背後側に設けられた第二の偏光板と、第二の偏光板の背後に設けられた反射板を備えるとともに、柱状レンズシートは第二の偏光板と反射板の間に設けられている。あるいは、液晶パネルは内面に反射層を有する反射型液晶パネルであり、柱状レンズシートが液晶表示素子の表示観察面の外方に設けられている。さらに、表示観察面側から液晶パネルに光を照射するフロントライト型の照明装置を備えることとした。

本発明によれば、良好な輝度と視認性を有する薄型軽量の液晶表示装置を提供できるために、液晶表示装置の表示品質が向上するのみならず、液晶表示装置の薄型軽量化をも実現できるという効果を有する。

以下に本発明の液晶表示装置に関して図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明による液晶表示装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。図１で示した液晶表示装置は、両面を偏光板３ａ、３ｂで挟持された液晶パネル１と、第一偏光板３ａの上に配された柱状レンズシート２、および、第二偏光板３ｂの下に配置された反射板４を備えている。液晶パネル１は、ガラス基板の間に液晶が配向封入されており、外部からの画像信号に対応した電圧を図示していないマトリックス状に配列した画素電極に印加して液晶を励起することによって光を位相変調する作用を持っている。第一偏光板３ａと第二偏光板３ｂは、液晶パネル１で位相変調された光を強度分布に変換して画像を可視化する。この配置において、第二偏光板３ｂは省略しても良い。

柱状レンズシート２は、微細な柱状の領域が面内に複数本配列された構成である。柱状の領域はそれを取り巻く外周領域に比べて屈折率が高く形成されている。そのため、柱状レンズシートは厚さ方向に光を導く機能を有している。ここでは、周囲に比べて屈折率の高い柱状の領域を柱状レンズと称する。すなわち、屈折率が中心に向かう程連続的に大きくなっているグレイディッドインデックス型柱状レンズ、または中心部分の屈折率がそれを取り巻く外周領域の屈折率よりも高い２層構造になっているステップインデックス型柱状レンズが平面状に複数配列されているフィルム構造になっている。

図７に柱状レンズシートの構造を模式的に示す。図７（ａ）は、柱状レンズシートの模式的断面図である。図示するように、柱状レンズシートは、柱状の高屈折率領域２０が低屈折率領域２１に囲まれて面内に配列されており、この柱状構造が柱状レンズを形成している。図では高屈折率領域２０と低屈折率領域２１とは明確な領域を形成しているように描かれているが、グレイディッドインデックス型柱状レンズにおいては、高屈折率領域２０と低屈折率領域２１とは明確な境界を持たず、屈折率は低屈折率領域２１から高屈折率領域２０にかけてなだらかに大きくなっている。その変化の仕方は、製造方法や製造条件によって異なるが、正規分布あるいは２次関数などの偶数関数的に変化する。もちろん、ステップインデックス型柱状レンズの場合は、高屈折率領域２０と低屈折率領域２１とは明確な境界を持っている。

グレイディッドインデックス型柱状レンズの場合においても、ステップインデックス型柱状レンズの場合においても、それらを構成する柱状レンズの光軸の方向を柱状レンズの配向方向と呼ぶことにする。本発明で用いる柱状レンズシート２は、柱状レンズの配向方向が柱状レンズシートの面に立てた垂線の方向を基準として傾斜して形成されている。柱状レンズシートの面に立てた垂線の方向に対して配向方向がなす角度を傾斜角と呼ぶことにすると、その傾斜角は１０〜４５度の範囲内にある。

このとき、図７（ａ）のように、柱状レンズの配向方向とは逆の方向から入った光２２は、柱状レンズシートの中を直線的に透過する。一方、柱状レンズの配向方向から入った光２３は、柱状レンズ内部を導波して散乱して出射される。このように、散乱して出射される光の入射角は、柱状レンズの屈折率分布の仕方や高屈折率領域と低屈折率領域との屈折率差、柱状レンズシートの厚みなどで所定の角度範囲に定まる。ここで、散乱して出射される光の入射角を散乱入射角と呼ぶことにする。また、柱状レンズシートを直線的に透過する光の入射角を直線透過角と呼ぶことにする。柱状レンズシートの散乱入射角は、柱状レンズの光軸に対して±１０〜４５度の任意の値を持たせることができる。

また、図７（ｂ）には柱状レンズシートの模式的平面図を示す。図示するように、柱状レンズシートは略円形の断面を持った高屈折率領域２０が低屈折率領域２１に取り囲まれて一様に分布して配列している。この配列の仕方はモワレ縞の発生を防ぐために不規則な配列をさせるのが望ましいが、高屈折率領域２０の実効的な直径が液晶パネルの画素に比較して十分小さな場合は、製造時のマスク作製を容易にするため規則的に配列させても良い。この柱状レンズシートの製造は、例えば、屈折率の異なる２種類以上の光重合性化合物からなる液状反応層に、グラデーション加工を施したフォトマスクを介して紫外線を照射することによって、光照射強度による光重合性化合物の光重合速度の違いによって屈折率の分布状態を制御することによって行う。

再び図１に戻って、柱状レンズシート２は図示していない接合層によって第一偏光板３ａと接合して配置しても良いし、接合せずに配置しても良い。接合層としては、エポキシ系接着剤やアクリル系接着剤のような通常の光学接着剤層を用いても良いが、通常のフィルム粘着剤を用いるのが簡便である。

図１において、外部環境やフロントライトなどの照明装置から入射した入射光１３は、図示するように液晶表示装置に斜めに入射する。柱状レンズシート２の配向方向は柱状レンズシートに立てた垂線に対して視点方向に傾けて形成されているために、それと逆側から入射した入射光は柱状レンズシート２には直線透過角で入射することになり直線的に透過する。そして、第一偏光板３ａ、液晶パネル１、第二偏光板３ｂを順に透過した後、反射板４で反射されて再び同様の光路をたどって柱状レンズシート２の裏面から入射する。このとき、光は柱状レンズシート２に散乱入射角で入射することになるので、柱状レンズシート２から出射する光はシート表面で散乱され、広い視野角で視点１１に達する。

上述のように傾斜角は１０〜４５度、散乱入射角は±１０〜４５度の角度で任意に設定することができる。そのため、傾斜角を視点に合わせておくことによって、視点方向が最も明るい液晶表示装置を構成することができる。また、散乱入射角をより狭い範囲にした柱状レンズシートを用いるほど、出射光の指向性が高くなり、明るい液晶表示装置とすることができる。

次に、柱状レンズシート２が第二偏光板３ｂと反射板４との間に配置された構成の液晶表示装置を図２に示す。作用は図１に示した場合と同様であるので説明を省略するが、このような構成とすることで見やすい視点位置で明るい画像表示を得ることができる。図示するように第二偏光板３ｂの背後側に柱状レンズシートを配する場合は、液晶パネル１へ再度入射する光が散乱光となるために光の利用効率が悪くなる。従って、この場合、柱状レンズシート２と第二偏光板３ｂとの間にプリズムシートを少なくとも１枚挿入するのが望ましい。このプリズムシートは、図２に示す光入射面に対して垂直な方向の稜線を持った微細プリズム群が柱状レンズシート側表面に形成されたシートであって、第二偏光板３ｂに入射する散乱光を垂直方向に揃える機能を有している。

柱状レンズシートとして、柱状レンズのレンズ径が、０．２μｍ〜２５０μｍ、レンズ高さ（柱状レンズシート層厚）が１０μｍ〜２００μｍの柱状レンズアレイシートを用いることができる。しかしながら、製造歩留まりや光利用効率あるいはハンドリングのし易さなどを考慮すると、レンズ径は０．５μｍ〜１００μｍ、レンズ高さは２０μｍ〜８０μｍとするのが好ましい。また、柱状レンズの屈折率差は０．０１〜０．０５のものを用いることができる。さらに柱状レンズの傾斜角は１０〜７０度のものが利用できるが、１０〜４５度のものを用いた方が、より見やすい角度で明るい画像が得られるために好ましい。

次に、内部に内面反射層を有する液晶パネルを用いた構成を図３に模式的に示す。このような構成では、第二偏光板は不要となり、構成が簡単になる。また、このような液晶パネルを用いることにより、視差による画像のボケがなくなり、より鮮明な画像を表示できるようになる。内面反射層５としては、液晶パネル１の下側基板に形成されている駆動電極として金属電極を用いたり、駆動電極とは別に誘電体多層膜ミラーを用いたりすることができる。

次に、フロントライトを照明装置に用いた場合の構成を図４に模式的に示す。このフロントライト６は、ＬＥＤ光源からの光を面状に液晶パネル１に照射すると同時に、液晶パネル１からの光を視点１１側に透過する機能を持っている。また、外部環境からの外光もまた、フロントライト６を透過して液晶パネル１を照明する。

このような構成の液晶表示装置において、フロントライト６と第一偏光板３ａとの間に柱状レンズシート２を配置した。フロントライト６からの照明光は、柱状レンズシート２に対して視点１１と逆側に傾いて斜入射するため、柱状レンズシート２を直線透過し、液晶パネル１に達する。また、液晶パネル１側からの反射光は、散乱入射角で第一偏光板３ａに戻ってくるために、柱状レンズシート２からは特定の角度範囲内で散乱されて視点１１に達する。そのため、視点１１から見た表示画像は明るく、視野角も視点範囲内に広く取ることができる。

図８に本発明で用いた柱状レンズシートの光透過特性を示す。図８において、横軸は柱状レンズシートへの光の入射角、縦軸は光透過強度を表している。図中には、傾斜角が０度の柱状レンズシートの特性曲線３０と、傾斜角がα度の柱状レンズシートの特性曲線３１を表している。ただし、測定雰囲気は大気中であり、柱状レンズシート単体で評価した場合を示してある。

特性曲線３０の場合は、柱状レンズシートは角度±βで透過する光の強度がほぼゼロになっていることがわかる。入射角が−β〜βの範囲内では光は散乱透過され、入射角の絶対値がβ以上の範囲内では光は散乱されずに直進透過する。すなわち、βは散乱入射角の境界値である。

一方、柱状レンズの傾斜角をα度とした場合の特性曲線３１は、傾斜角が０度の場合の特性曲線３０に比べて、散乱入射角がそのままα度だけずれた位置にシフトする。そのとき、散乱入射角の範囲はほとんど変化なく、α−β〜α＋βの範囲内にシフトするだけである。従って、図８における特性曲線３１では、角度αで入射した光は透過時に散乱を受けるが角度−αで入射した光は散乱を受けずに直線透過する。ここで、βの値は、柱状レンズアレイシートの層厚、柱状レンズの口径、あるいは柱状レンズの屈折率差などを調整することによって、１０〜４５度程度までの任意の値に制御することができる。また、傾斜角αの値は、製造時の光照射角度を傾斜させることによって、０〜７０度程度の任意の角度に設定することができる。

以下に、本発明の実施例を具体的に説明する。

図１に示す構成の本発明の液晶表示装置を作製した。柱状レンズシートとしては、散乱入射角３０度で傾斜角０度のグレイディッドインデックス型柱状レンズを一様に配列したものを比較試料として、散乱入射角３０度で傾斜角１５度のグレイディッドインデックス型柱状レンズを一様に配列したものを本試料として用いた。また、柱状レンズシートの厚みは７０μｍ、柱状レンズ径は３０μｍとした。液晶パネルとしては、単純マトリックス型のＳＴＮ（Ｓｕｐｅｒ−Ｔｗｉｓｔｅｄ−Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶パネルを用いた。作製した液晶表示装置の真上から柱状レンズの配向方向に１５度傾けて光検出器を固定し、照明光源からの照明光入射角を変化させて輝度を測定し図９に示した。図９において、本試料に対する結果を曲線３２で、比較試料に対する結果を曲線３３で表してある。

本試料に対しては、入射角１５度は照明光入射角が柱状レンズの配向方向と一致した場合に相当し、入射角−１５度はそれと対称な位置に照明光が入射した場合に相当する。この結果から分かるように、入射角−１５度と１５度の２箇所に輝度のピークがあることが分かる。入射角−１５度の場合のピークは柱状レンズシートに入射した光が液晶パネル側に散乱入射されるために生じるピークで、入射角１５度の場合のピークは液晶パネル側から柱状レンズシートに戻った光が散乱出射されるために生じるピークである。本試料に対しては、柱状レンズシートの柱状レンズ配向方向を検出器側に向けた場合の方が、その逆に配置した場合に比べておよそ４倍輝度が向上していることが分かった。

また、比較試料に対しては真上から光を照射したときに最も輝度が高くなるが、本試料の最大ピークの約半分の明るさしか得られなかった。さらに、比較試料の最大ピーク近傍よりも本試料の最大ピーク近傍の方が、広い角度範囲で輝度が向上していることが分かった。

この結果から、図１の構成で柱状レンズシートの柱状レンズの配向方向を視点の方向と一致させることで、より明るく視野の広い表示が可能であることが分かった。

図２に示す配置において実施例１で示したのと同一の測定を行った。なお、プリズムシートは用いなかった。その結果、比較試料の場合も本試料の場合も実施例１で得られた結果と比較して輝度が全体的に約２０％低減したが、同一の結果が得られ、図２の構成で柱状レンズシートの柱状レンズの配向方向を視点の方向と一致させることで、より明るく視野の広い表示が可能であることが分かった。

図４に示す構成の液晶表示装置を作製した。液晶パネルとしては、内面反射層としてＣｒ電極を用いた反射型ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）液晶パネルを使用した。柱状レンズシートとしては、傾斜角０度、１５度、３０度、４５度、６０度のものを用いた。

構成した液晶表示装置から５０ｃｍ離れた位置で測定器の角度を変化させて輝度を測定した結果を図１０に示す。図１０には、各々傾斜角０度、１５度、３０度、４５度、６０度の柱状レンズシートを用いた場合の輝度曲線３４，３５，３６，３７，３８を表す。いずれの場合も傾斜角を付けた場合の方が、垂直配向の柱状レンズシートの場合に比べて輝度が高くなっていることがわかる。

また、傾斜角を付けた柱状レンズシートの全てが測定角０度と傾斜角に対応する位置にピークを有していることがわかる。傾斜角に対応する位置のピークは散乱光成分によるものであるが、測定角０度の位置のピークは直線透過成分によるピークと考えられる。傾斜角１５度の柱状レンズシートを用いた場合３５における０度の位置のピークは、直線透過成分と散乱成分の両方を含むことがわかる。

図１０の結果から見ると、傾斜角が１５〜４５度の柱状レンズシートを用いることによって、十分高い輝度が得られることがわかり、また十分な散乱光成分を持っているために広い視野角の液晶表示装置とすることができることがわかる。また、傾斜角が４５度以上においても、垂直配向の柱状レンズシートを用いる場合よりも高い輝度が得られるが、輝度ピークの角度が大きくなるために視点に達する光利用効率が低下する。また、本実施例で示した効果は、傾斜角１０度の柱状レンズシートを用いることによっても得られることが分かっている。以上の結果から、柱状レンズシートの傾斜角は１０〜４５度とするのが望ましいことが分かった。

本発明の液晶表示装置を模式的に示す断面図である。 本発明の液晶表示装置の構成例を模式的に示す断面図である。 本発明の液晶表示装置の構成例を模式的に示す断面図である。 本発明の液晶表示装置の構成例を模式的に示す断面図である。 従来のフロントライトを備える液晶表示装置の構成を模式的に示す断面図である。 従来のバックライトを備える液晶表示装置の構成を模式的に示す断面図である。 本発明に用いた柱状レンズシートの構造を示す模式図である。 本発明で用いた柱状レンズシートの特性を表すグラフである。 本発明の照明装置の実施例に関する特性を示すグラフである。 本発明の照明装置の実施例に関する特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 液晶パネル
２ 柱状レンズシート
３ａ 第一偏光板
３ｂ 第二偏光板
４ 反射板
５ 内面反射層
６ フロントライト
２０ 高屈折率領域
２１ 低屈折率領域

Claims (6)

1. 互いに対向する基板間に液晶層が配された液晶パネルと、少なくとも表示観察面側に設けられた偏光板とを有する液晶表示素子と、
   周囲の領域より屈折率の高い領域が厚み方向に連続的に形成された柱状レンズが面内に複数配列され、厚さ方向に光を導く機能を有する柱状レンズシートを備えるとともに、
   前記柱状レンズは、前記柱状レンズシートの面に立てた垂線の方向を基準として視角方向に傾斜していることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記柱状レンズの傾斜角度は、前記柱状レンズシートの面に立てた垂線に対して１０〜４５度であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
3. 前記液晶表示素子は、前記液晶パネルを挟むように設けられた一対の偏光板と、その背後に設けられた反射板を備えるとともに、前記柱状レンズシートが前記液晶表示素子の表示観察面の外方に設けられたことを特徴とする請求項1または請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 前記液晶表示素子は、前記液晶パネルの表示観察面側に設けられた第一の偏光板と、前記液晶パネルの背後側に設けられた第二の偏光板と、前記第二の偏光板の背後に設けられた反射板を備えるとともに、前記柱状レンズシートは前記第二の偏光板と前記反射板の間に設けられたことを特徴とする請求項1または請求項２に記載の液晶表示装置。
5. 前記液晶パネルは内面に反射層を有する反射型液晶パネルであり、前記柱状レンズシートが前記液晶表示素子の表示観察面の外方に設けられたことを特徴とする請求項1または請求項２に記載の液晶表示装置。
6. 表示観察面側から前記液晶パネルに光を照射するフロントライト型の照明装置を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の液晶表示装置。

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