JP2006058533A

JP2006058533A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2006058533A
Application number: JP2004239494A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Okada; 訓明岡田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2006-03-02
Also published as: US20060038939A1; KR100652102B1; KR20060053102A

Abstract

【課題】液晶表示装置において、正面輝度を低下させずにモアレ縞の発生を抑制する。
【解決手段】液晶表示装置１００は、周期的に開口部１２を有する遮光材料層である第１の周期構造としての反射電極８と、第２の周期構造としてのプリズムシート５とを備える液晶表示装置であって、開口部１２のピッチおよび幅をそれぞれＰ_L、Ｗ_L、上記第２の周期構造のピッチをＰ_Pとしたとき、Ａ_n＝２Ｗ_L／Ｐ_L・ｓｉｎ（ｎπＷ_L／Ｐ_L）／（ｎπＷ_L／Ｐ_L）（ｎは自然数）で求められるＡ_nが０．０５以下であり、かつ、（２ｎ−１）／（２・Ｐ_L）＜１／Ｐ_P＜（２ｎ＋１）／（２・Ｐ_L）を満たしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、バックライトを備えた透過型液晶表示装置に関するものである。

液晶表示装置は、液晶表示パネルや導光体などのシート状の構成要素を複数層重ね合わせて構成される。液晶表示装置の構成要素のひとつである液晶表示パネルには画素が規則的なピッチで形成されている。一方、他の構成要素である導光体にも同じく規則的なピッチで溝または低屈折率物質の構造体が形成されている。したがって、これらの構成要素同士を重ね合わせると、一般に明暗格子を重ね合わせたときに発生することで知られているモアレ縞が生じる場合がある。こうして発生するモアレ縞（以下、単に「モアレ」ともいう。）によって液晶表示装置の視認性が劣化するという問題があった。

この問題を解決する技術の例として、特開２０００−２０６５２９号公報（特許文献１）に開示されている技術がある。以下、特許文献１に登場する画素ピッチＰ１、溝ピッチＰ２を、それぞれ画素ピッチＰ_L、溝ピッチＰ_Pと言い替える。特許文献１の技術は、画素ピッチＰ_L、溝ピッチＰ_Pをそれぞれ有する２つの周期構造を交差角度θで重ね合わせ、Ｐ_L＞Ｐ_Pのとき、任意の自然数ｍに対し、
｛２ｃｏｓθ／（２ｍ＋１）｝×Ｐ_L≒Ｐ_P …（１）
となるよう設定するものである。この条件を満たすとき、モアレの縞間隔は極小値をとり、モアレの縞間隔が人の目の分解能以下になるので、人の目による視認性を向上させることができる。
特開２０００−２０６５２９号公報

特許文献１に記載された技術は、画素ピッチＰ_L、溝ピッチＰ_P、交差角度θの３つのパラメータについて、一定の条件式を満たすように設定するというものである。しかしながら、画素ピッチＰ_Lは、パネルサイズ、解像度で決まるため、自由に決められるものではなくしかも様々な値をとりうる。一方、溝ピッチＰ_Pの方は、それぞれの液晶パネルに対し溝ピッチを最適化すると導光体のコストが高くなるため、自由度が極めて小さい。そのため、画素ピッチＰ_Lと溝ピッチＰ_Pの組合せが悪い場合、たとえば、Ｐ_LがＰ_Pの整数倍、もしくはそれに近い場合、モアレ抑制のために交差角度θを極端に大きくしなければならない。

通常、バックライト出射光の面内分布を均一化するため、画素配列方向とバックライトの導光板内の光の進行方向とは平行となるように設定される。すなわち、溝ピッチはバックライトの導光板内の光の進行方向に沿った長さである。この条件下で、溝の長手方向を光の進行方向に対し垂直、すなわち、２つの周期構造の交差角度θが０となるよう配置したとき、正面輝度は最も高くなる。交差角度θを大きくすると、正面輝度は低下するため、交差角度θはできるだけ小さくすることが望ましい。

そこで、本発明は、正面輝度が高く、なおかつモアレが抑制された液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づく液晶表示装置の一つの局面では、周期的に開口部を有する遮光材料層である第１の周期構造と、第２の周期構造とを備える液晶表示装置であって、上記開口部のピッチおよび幅をそれぞれＰ_L、Ｗ_L、上記第２の周期構造のピッチをＰ_Pとしたとき、Ａ_n＝２Ｗ_L／Ｐ_L・ｓｉｎ（ｎπＷ_L／Ｐ_L）／（ｎπＷ_L／Ｐ_L）（ｎは自然数）で求められるＡ_nが０．０５以下であり、かつ、（２ｎ−１）／（２・Ｐ_L）＜１／Ｐ_P＜（２ｎ＋１）／（２・Ｐ_L）を満たしている。

上記目的を達成するため、本発明に基づく液晶表示装置の他の局面では、周期的に開口部を有する遮光材料層である第１の周期構造と、第２の周期構造とを備える液晶表示装置であって、上記開口部のピッチおよび幅をそれぞれＰ_L、Ｗ_L、上記第２の周期構造のピッチをＰ_Pとしたとき、ｎＷ_L＝ｍＰ_L（ｍ，ｎは自然数）であり、かつ、（２ｎ−１）／（２・Ｐ_L）＜１／Ｐ_P＜（２ｎ＋１）／（２・Ｐ_L）を満たしている。

本発明によれば、任意の開口ピッチ、任意のプリズムピッチ、任意の画素開口率についてモアレコントラストを効果的に抑制する条件を導き出すことができる。この場合、液晶表示パネルとプリズムシートとの交差角度は０とすることができるので、正面輝度を高く保つことができる。

（実施の形態１）
（構成）
図１、図２を参照して、本発明に基づく実施の形態１における液晶表示装置について説明する。ここでは、透過型液晶表示装置としても機能し、反射型液晶表示装置としても機能する半透過型液晶表示装置について説明する。本実施の形態における液晶表示装置１００の断面図を図１に示す。この液晶表示装置１００に含まれる液晶表示パネル６の画素配置を平面図で示したものが図２である。

図１は図２のＩ−Ｉ線における矢視断面図に相当する。図１では主要部品のみ図示し、液晶表示パネル６の前後に設けられる偏光板などは図示していない。液晶表示装置１００は、液晶表示パネル６と、液晶表示パネル６の観察面１３と反対の側に配置されたバックライト１とを備えている。バックライト１は、光源２と、光源２から出射された光を受けて内部を伝搬させる導光板３と、導光板３と液晶表示パネル６との間に挿入され導光板３を伝搬する光を液晶表示パネル６側に導くためのプリズムシート５とを備えている。導光板３の光出射側の表面上にはマイクロドット４がランダムに形成されている。導光板３を伝播する光はマイクロドット４により導光板の外に漏れ出し、プリズムシート５により上方に出射される。図１においては光を進行の様子を多数の矢印で示している。図２におけるｘ軸の正の向きが導光板３内での光の進行の向きである。図１に示したプリズムシート５に形成された溝の方向は図２ではｙ軸方向に相当する。

液晶表示パネル６は、カラーフィルタ層１０が形成されたガラス基板１１と、ＴＦＴ層（図示せず）が形成されたガラス基板７と、ガラス基板１１とガラス基板７との間に充填された液晶層９とを備える。ガラス基板７は、透過電極（図示せず）と反射電極８とを備える。反射電極８は、金属膜で形成されており、バックライト１からの光を遮光する性質を有する。ただし、反射電極８は周期的に配列された開口部１２を有する。すなわち、反射電極８の層は、周期的に開口部１２を有する遮光材料層である。バックライト１からの光は反射電極８の開口部１２を透過し、液晶層９で光変調され、液晶表示パネル６の観察面１３側に出射される。図２中にＲ，Ｇ，Ｂとあるのは、各領域がカラーフィルタ層１０の赤、緑、青の領域にそれぞれ対応していることを意味する。

液晶表示パネル６の反射電極８は、開口部１２が規則正しく配列した周期構造である。いわば「第１の周期構造」である。一方、プリズムシート５は、図１に示すように、断面が鋸歯状の周期構造である。いわば「第２の周期構造」である。この２つの周期構造を互いに重ね合わせて液晶表示パネル６の観察面１３側から観察したとき、モアレが視認される。

（モアレの発生原理についての検討）
一般的モデルとして、周期構造Ａと周期構造Ｂの２つの周期構造の間で発生するモアレについて説明する。周期構造ＡのピッチをＰ_A、周期構造ＢのピッチをＰ_Bとおく。周期構造Ａの空間周波数ｆ_AはＰ_Aの逆数で表される。周期構造Ｂの空間周波数ｆ_Bも同様である。すなわち、
ｆ_A＝１／Ｐ_A …（２）
ｆ_B＝１／Ｐ_B …（３）
空間周波数ｆ_Aの周期構造と、空間周波数ｆ_Bの周期構造は次式で表される。

ｇ_A（ｘ）＝（１＋ｃｏｓ（２πｆ_Aｘ））／２ …（４）
ｇ_B（ｘ）＝（１＋ｃｏｓ（２πｆ_Bｘ））／２ …（５）
この２つの周期構造を重ね合わせると、
ｇ_C（ｘ）＝ｇ_A（ｘ）×ｇ_B（ｘ）
＝（１＋ｃｏｓ（２πｆ_Aｘ））×（１＋ｃｏｓ（２πｆ_Bｘ））／４
＝｛１＋ｃｏｓ（２πｆ_Aｘ）＋ｃｏｓ（２πｆ_Bｘ）｝／４
＋｛ｃｏｓ（２π（ｆ_A＋ｆ_B）ｘ）＋ｃｏｓ（２π（ｆ_A−ｆ_B）ｘ）｝／８
…（６）
となり、空間周波数ｆ_A、ｆ_Bで表される項以外に、あらたに空間周波数ｆ_A＋ｆ_B、ｆ_A−ｆ_Bで表される成分が現れる。特に周波数ｆ_A−ｆ_Bで表される濃淡成分は、周波数が低いためより視認されやすく、この周波数成分の濃淡がモアレと呼ばれる。一方、周波数ｆ_A＋ｆ_Bの成分は、ｆ_Aやｆ_Bよりも周波数が高く、Ｐ_AやＰ_Bが十分に小さければきわめて高い周波数となるため、視認されない。

（液晶表示装置におけるモアレ）
次に、遮光材料層として開口ピッチＰ_L、開口幅Ｗ_Lの透過開口部を備えた透過型液晶表示パネルとプリズムピッチＰ_Pのプリズムシートの間のモアレについて説明する。透過型液晶表示パネルの透過率プロファイルＴ_F（ｘ）は、フーリエ級数展開を行なって、次式で表される。ただし、ｎは自然数である。

Ｔ_F（ｘ）＝Ａ₀／２＋ΣＡ_nｃｏｓ（２πｎｆ_Lｘ） …（７）
ｆ_L＝１／Ｐ_L …（８）
Ａ₀＝２Ｗ_L／Ｐ_L …（９）
Ａ_n＝２Ｗ_L／Ｐ_L・ｓｉｎ（ｎπＷ_L／Ｐ_L）／（ｎπＷ_L／Ｐ_L） …（１０）
上式より、Ａ_nはｓｉｎｃ関数に従うことがわかる。Ａ_nはＷ_LとＰ_Lとの関係により定まる。

図３に透過率プロファイルＴ_F（ｘ）の一例を示す。図４にそのときの空間周波数成分を表す図を示す。横軸は空間周波数、縦軸は各成分の大きさを表す。図３、図４は、Ｐ_L＝２．５Ｗ_Lのときの結果である。

一方、プリズムピッチＰ_Pのプリズムシートからの出射光は次式で表される。

Ｉ（ｘ）＝（１＋ｃｏｓ（２πｆ_Pｘ））／２ …（１１）
ｆ_P＝１／Ｐ_P …（１２）
プリズムシートから出射された光が、液晶表示パネルに入射し、観察面側に出射するとき、その観察面側への出射光Ｏ（ｘ）は
Ｏ（ｘ）＝Ｉ（ｘ）×Ｔ_F（ｘ） …（１３）
で表される。このＯ（ｘ）は、式（６）の結果から導き出されるように、様々な空間周波数の成分を含むが、そのうち一番低い周波数の成分がモアレとして視認される。プリズムシート出射光の空間周波数ｆ_Pがｎ×ｆ_Lの近傍に位置するときは、この空間周波数ｆ_Pとｎｆ_Lの間でモアレが生じ、このときｆ_P−ｎｆ_Lの逆数がモアレの周期となる。

ｆ_Pがｎｆ_Lの近傍に位置する条件は、次式で表せられる。

ｎｆ_L−ｆ_L／２＜ｆ_P＜ｎｆ_L＋ｆ_L／２ …（１４）
この条件下では、様々な空間周波数のうち、ｆ_P−ｎｆ_Lが一番小さいため、この空間周波数のモアレが強く視認される。しかし、このとき一方の周波数成分を小さくすれば、モアレコントラストを抑制することができる。ここでは、空間周波数ｎｆ_Lの成分を小さくすることを考える。式（１４）を満足する関係において、画素開口パネルの透過率Ｔ_F（ｘ）のｎｆ_Lの空間周波数成分を０にすると、モアレコントラストは大幅に低減される。
空間周波数ｎｆ_Lの成分Ａ_nを０にする条件として、式（１０）より、
Ｗ_L／Ｐ_L＝ｍ／ｎ（ｍは自然数） …（１５）
が導き出される。すなわち、
ｎＷ_Ｌ＝ｍＰ_Ｌ …（１６）
のとき、Ａ_ｎは０となる。また式（１４）は、Ｐ_LとＰ_Pを用いて、
（２ｎ−１）／（２・Ｐ_L）＜１／Ｐ_P＜（２ｎ＋１）／（２・Ｐ_L） …（１７）
と表される。

上記の関係を整理すると、
ｎＷ_L＝ｍＰ_L （ｍ，ｎは自然数）
でかつ、
（２ｎ−１）／（２・Ｐ_L）＜１／Ｐ_P＜（２ｎ＋１）／（２・Ｐ_L）
のときモアレコントラストを効果的に抑制できる。

この関係について、図５、図６を参照して説明する。図５、図６は、Ｐ_Ｌ＝３Ｗ_Ｌのときの透過率プロファイルＴ_F（ｘ）とその空間周波数成分を、図３、図４と同様の表示形式で表したものである。ここでは、プリズムシートの空間周波数が３×ｆ_Lの近傍であり、その３×ｆ_Lの成分値が０であるため、モアレコントラストは低くなる。

なお、ｎＷ_L＝ｍＰ_Lの条件を満たしていることがより望ましいが、厳密に満足していなくてもよい。式（１７）を満足する関係において、Ａ_nが０でなくても、Ａ_nの値が０．０５以下であれば、モアレコントラストを大幅に抑制できている。

液晶表示パネルの設計においては、パネルサイズと解像度により、画素ごとの開口ピッチが一義的に定まる。また、プリズムシートについても、現に流通しているプリズムシートの種類が少ないため、プリズムピッチの選択の自由度は小さい。これに対して本発明では、任意の開口ピッチ、任意のプリズムピッチ、任意の画素開口率についてモアレコントラストを効果的に抑制する条件を導き出すことができる。この場合、画素ごとの開口幅の自由度がなくなるが、開口幅の自由度がなくなったとしても液晶表示パネルの設計において、特に大きな制限を与えるものではない。また、本発明によれば、交差角度はどのような値でもよくなるので、液晶表示パネルとプリズムシートとの交差角度は０とすることができ、その結果、正面輝度を高く保つことができる。

次に、実際の実施例について説明する。

（実施例１）
下記の条件について、モアレコントラストを調べた。

プリズムシートピッチＰ_P：３０μｍ
画素ごとの開口ピッチＰ_L：１５０μｍ
画素ごとの開口幅Ｗ_L：６０μｍ
この場合、画素開口パネル（遮光材料層）およびプリズムシートの基本空間周波数ｆ_L、ｆ_Pは、それぞれ、
ｆ_P＝３３．３３［本／ｍｍ］
ｆ_L＝６．６７［本／ｍｍ］
と求められ、ｎ＝５としたとき式（１７）の関係を満足する。またｍ＝１のとき式（１６）も満足する。このときモアレは観察されなかった。

一方、従来技術のように、画素開口パネルとプリズムシートの配列を交差させてモアレを抑制する場合、式（１）より交差角度θは２５．８°と求められる。実際に交差角度θを２５．８°にした場合、交差角度θがきわめて大きいため、正面輝度は大幅に低下した。

このことから、従来技術によればモアレ抑制のためには交差角度θを大きくして正面輝度を低下させざるを得ないが、本発明によれば、交差角度θを操作する必要はないので、正面輝度を低下させずにモアレを抑制することができるといえる。

（比較例１）
下記の条件について、モアレコントラストを調べた。

プリズムシートピッチＰ_P：３０μｍ
画素ごとの開口ピッチＰ_L：１５０μｍ
画素ごとの開口幅Ｗ_L：７０μｍ
この場合、画素開口パネル（遮光材料層）およびプリズムシートの基本空間周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Pは、実施例１と同様に、
ｆ_P＝３３．３３［本／ｍｍ］
ｆ_L＝６．６７［本／ｍｍ］
と求められ、ｎ＝５としたとき式（１７）の関係を満足する。しかし式（１６）の関係を満たす自然数ｍは存在せず、Ａ_nは０．１と、０．０５より大きい値となる。このときモアレは強く現れた。

このことから、式（１７）を満たすときでもＡ_nが０．０５より大きくなるときにはモアレは抑制できない場合があることがわかる。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明に基づく実施の形態１における液晶表示装置の断面図である。本発明に基づく実施の形態１における液晶表示装置に含まれる液晶表示パネルの平面図である。本発明に基づく実施の形態１の説明に用いた透過率プロファイルＴ_F（ｘ）の第１の例である。本発明に基づく実施の形態１の説明に用いた空間周波数成分の分布を示す第１のグラフである。本発明に基づく実施の形態１の説明に用いた透過率プロファイルＴ_F（ｘ）の第２の例である。本発明に基づく実施の形態１の説明に用いた空間周波数成分の分布を示す第２のグラフである。

符号の説明

１バックライト、２光源、３導光板、４マイクロドット、５プリズムシート、６液晶表示パネル、７ガラス基板、８反射電極、９液晶層、１０カラーフィルタ層、１１ガラス基板、１２開口部、１３観察面、１００液晶表示装置。

Claims

周期的に開口部を有する遮光材料層である第１の周期構造と、
第２の周期構造とを備える液晶表示装置であって、
前記開口部のピッチおよび幅をそれぞれＰ_L、Ｗ_L、前記第２の周期構造のピッチをＰ_Pとしたとき、
Ａ_n＝２Ｗ_L／Ｐ_L・ｓｉｎ（ｎπＷ_L／Ｐ_L）／（ｎπＷ_L／Ｐ_L）（ｎは自然数）
で求められるＡ_nが０．０５以下であり、かつ、
（２ｎ−１）／（２・Ｐ_L）＜１／Ｐ_P＜（２ｎ＋１）／（２・Ｐ_L）
を満たしている、液晶表示装置。
周期的に開口部を有する遮光材料層である第１の周期構造と、
第２の周期構造とを備える液晶表示装置であって、
前記開口部のピッチおよび幅をそれぞれＰ_L、Ｗ_L、前記第２の周期構造のピッチをＰ_Pとしたとき、
ｎＷ_L＝ｍＰ_L （ｍ，ｎは自然数）
であり、かつ、
（２ｎ−１）／（２・Ｐ_L）＜１／Ｐ_P＜（２ｎ＋１）／（２・Ｐ_L）
を満たしている、液晶表示装置。