JP2006251352A - 表示装置およびレンズアレイシート - Google Patents

Abstract

【課題】表示面内の何れの方位においても良好な視野角特性を有する表示装置およびそのような表示装置に好適に用いられるレンズアレイシートを提供する。
【解決手段】本発明による表示装置は、指向性を有する光を出射する照明装置１０と、照明装置１０から出射した光を変調する表示パネル２０と、表示パネル２０の観察者側に配置された光拡散素子３０とを備えている。光拡散素子３０は、マトリクス状に配列された複数のレンズ３１を有する。各レンズ３１は、異方性の光拡散特性を有し、表示パネル２０の表示面に略垂直な第１の面内において光をもっとも強く拡散させ、且つ、表示パネル２０の表示面に略垂直で第１の面に直交する第２の面内においても光を拡散させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置に関し、特に、表示パネルから出射した光を拡散するための光拡散素子を備えた表示装置に関する。また、本発明は、表示装置用の光拡散素子として用いられるレンズアレイシートにも関する。

近年、携帯型電話機やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）に代表される携帯型電子機器が広く利用されている。携帯型電子機器の表示部には、薄型、軽量、低消費電力といった利点を有する液晶表示装置が用いられている。

液晶表示装置は、ＣＲＴやＰＤＰ（プラズマディスプレイパネル）などの自発光型の表示装置とは異なり、表示素子自体は発光しない。そのため、透過型の液晶表示装置では、液晶表示素子の背面側にバックライトと呼ばれる照明装置が設けられており、このバックライトからの照明光の透過光量を液晶表示素子が画素ごとに制御することによって画像の表示が行われる。

液晶表示装置としては、種々の方式のものが知られている。しかしながら、一部の方式（例えば、ＴＮ型やＳＴＮ型の液晶表示素子を用いる方式）は、視野角が狭いという欠点を有しており、それを解決するために様々な技術開発が行なわれている。

液晶表示装置の視野角特性を改善するための代表的な技術として、光学補償板を付加する方式がある。また、バックライトから出射された光をその指向性（平行度）を高めた上で液晶表示素子に入射させ、液晶表示素子を通過した光を液晶表示素子の前面に配置されたレンチキュラーレンズアレイシートによって拡散させる方式も知られている（例えば特許文献１）。
特開平９−２２０１１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている方式を用いても、視野角特性を表示面内の全方位において改善することは難しい。レンチキュラーレンズアレイシートは、レンチキュラーレンズの延びる方向に垂直な方向においては光を拡散させるものの、レンチキュラーレンズの延びる方向に平行な方向においては光を実質的に拡散させないので、表示面内の特定の方位（レンチキュラーレンズの延びる方向に平行な方位）において、視角が大きくなるに従って表示光の輝度が大きく低下してしまうからである。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、表示面内の何れの方位においても良好な視野角特性を有する表示装置およびそのような表示装置に好適に用いられるレンズアレイシートを提供することにある。

本発明による表示装置は、指向性を有する光を出射する照明装置と、前記照明装置から出射した光を変調する表示パネルと、前記表示パネルの観察者側に配置された光拡散素子と、を備えた表示装置であって、前記光拡散素子は、マトリクス状に配列された複数のレンズを有し、前記複数のレンズのそれぞれは、異方性の光拡散特性を有し、前記表示パネルの表示面に略垂直な第１の面内において光をもっとも強く拡散させ、且つ、前記表示パネルの表示面に略垂直で前記第１の面に直交する第２の面内においても光を拡散させ、そのことによって上記目的が達成される。

ある好適な実施形態において、前記複数のレンズのそれぞれは、前記表示パネルの表示面法線方向からみたときに、前記第１の面に略平行に短手方向が規定され、前記第２の面に略平行に長手方向が規定される平面形状を有している。

ある好適な実施形態において、前記複数のレンズのそれぞれを前記表示パネルの表示面法線方向からみたときの平面形状は、前記第１の面に略平行な短軸と、前記第２の面に略平行な長軸とを有する楕円形である。

ある好適な実施形態において、前記短軸と前記長軸との比は、前記照明装置から出射される光の前記第１の面内における配光分布の半値角と、前記照明装置から出射される光の前記第２の面内における配光分布の半値角との比に略等しい。

ある好適な実施形態において、前記光拡散素子は、前記複数のレンズを含むレンズ層と、前記レンズ層上に形成された平坦化層とを有する。

ある好適な実施形態において、前記レンズ層の屈折率ｎ₁、前記平坦化層の屈折率ｎ₂および空気の屈折率ｎ₃は、ｎ₃＜ｎ₁＜ｎ₂の関係を満足する。

ある好適な実施形態において、前記レンズ層の屈折率ｎ₁および前記平坦化層の屈折率ｎ₂は、ｎ₁―ｎ₂≦０．２の関係を満足する。

本発明によるレンズアレイシートは、マトリクス状に配列された複数のレンズを有する表示装置用のレンズアレイシートであって、前記複数のレンズのそれぞれは、異方性の光拡散特性を有し、前記複数のレンズのそれぞれを前記表示パネルの表示面法線方向からみたときの平面形状は、楕円形であり、そのことによって上記目的が達成される。

ある好適な実施形態において、本発明によるレンズアレイシートは、前記複数のレンズを含むレンズ層と、前記レンズ層上に形成された平坦化層とを有する。

ある好適な実施形態において、前記レンズ層の屈折率ｎ₁、前記平坦化層の屈折率ｎ₂および空気の屈折率ｎ₃は、ｎ₃＜ｎ₁＜ｎ₂の関係を満足する。

ある好適な実施形態において、前記レンズ層の屈折率ｎ₁および前記平坦化層の屈折率ｎ₂は、ｎ₁―ｎ₂≦０．２の関係を満足する。

本発明による表示装置が備える光拡散素子は、マトリクス状に配列された複数のレンズを有している。これらのレンズのそれぞれは、異方性の光拡散特性を有し、表示パネルの表示面に略垂直な第１の面内において光をもっとも強く拡散させ、且つ、表示パネルの表示面に略垂直で第１の面に直交する第２の面内においても光を拡散させる。従って、本発明による表示装置では、照明装置から出射した光が異方的な配光分布を有していても、表示光には方位角依存性の小さな配光分布を与えることができ、表示面内の何れの方位においても良好な視野角特性が得られる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１に、本実施形態における液晶表示装置１００を模式的に示す。液晶表示装置１００は、図１に示すように、指向性を有する光を出射する照明装置１０と、照明装置１０から出射した光を変調する液晶表示パネル２０と、液晶表示パネル２０の観察者側に配置された光拡散素子３０とを備えている。

液晶表示パネル２０は、一対の基板２１および２２と、これらの間に設けられた液晶層２３とを有している。背面側に配置された基板（例えばＴＦＴ基板）２１の背面と観察者側に配置された基板（例えばカラーフィルタ基板）２２の前面には、それぞれ偏光板２４および２５が設けられている。基板２１および２２の液晶層２３側の表面には、液晶層２３に電圧を印加するための電極や、液晶層２３の配向方向を規定するための配向膜（いずれも不図示）が形成されている。照明装置１０から出射した光の透過光量を液晶表示パネル２０で画素ごとに制御することによって、画像の表示が行われる。

照明装置１０は、液晶表示パネル２０の背面側に配置されており、光源１と、光源１から出射した光を液晶表示パネル２０に導く導光板２とを有している。光源１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）である。導光板２には、光源１から出射して導光板２内部に入射した光を液晶表示パネル２０側に出射させるための構造が形成されている。例えば、導光板２の２つの主面のうちの少なくとも一方に、プリズムやシボが形成されている。

照明装置１０は、さらに、導光板２から出射した光の指向性を制御する指向性制御素子３を有している。指向性制御素子３は、導光板２と液晶表示パネル２０との間に設けられている。

図２に、指向性制御素子３として用いられるプリズムシートの一例を示す。図２に示すプリズムシート３は、導光板２側の主面上に形成された複数のプリズム３ａを有しており、図３に示すように、導光板２から出射した光を全反射現象を利用して表示面法線方向に向ける。このように、導光板２から出射した光は、指向性制御素子としてのプリズムシート３によって高い指向性を付与される。なお、図２に例示したプリズムシート３は、「全反射型プリズムシート」とも呼ばれる。また、導光板２として、主面に法線ベクトル理論に基づいてマイクロレンズアレイが形成された導光板を用いると、マイクロレンズでの全反射により導光板内を伝搬する光を効率よく全反射型プリズムシート（指向性制御素子）３に出射することができるので好ましい。

照明装置１０から出射する光が高い指向性を有していると、液晶層２３を通過する光を一様に変調することができる（液晶層２３を通過する光に一様なリタデーションを与えることができる）ので、液晶分子の屈折率異方性に起因した表示品位の視角依存性を低減することができる。液晶層２３を通過した光は、そのままでは指向性が高く、輝度に大きな偏りを有している（表示面法線方向の輝度が著しく高く、斜め方向の輝度が低い）が、光拡散素子３０によって拡散されることにより、輝度の偏りを低減され、そのことによって視野角が広がる。

図４に、指向性制御素子３として市販の全反射型プリズムシート（三菱レーヨン株式会社製）を備えた照明装置１０から出射した光の配光分布を示す。図４には、表示面の上下方向に沿った配光分布と、表示面の左右方向に沿った配光分布とを示している。なお、ここでは、図２に示すように、プリズム３ａの稜線が表示面の上下方向に直交する（すなわち表示面の左右方向に一致する）ようにプリズムシート３を配置している。

図４からわかるように、照明装置１０からの出射光は、表示面の上下方向において表示面の左右方向におけるよりも指向性が高い。具体的には、表示面上下方向における配光分布の半値角が約±１５°であるのに対し、表示面左右方向における配光分布の半値角は約±３０°である。なお、全反射型プリズムシートを用いる場合には、プリズム３ａの角度を変更することにより、プリズム３ａの稜線に垂直な方向（ここでは表示面上下方向）については、配光分布の半値角を±１０°程度まで小さくすることができる。

上述したように、照明装置１０からの出射光の配光分布は、方位によって異なっており、等方的ではない。しかしながら、本実施形態における液晶表示装置１００では、光拡散素子３０が後述するように異方的な光拡散特性を有しているので、液晶表示装置１００から観察者側に出射する光に、方位角依存性の小さな配光分布を持たせることができ、全方位について良好な視野角特性を実現することができる。以下、光拡散素子３０の具体的な構造および作用を説明する。

図５（ａ）および（ｂ）に、本実施形態における光拡散素子３０を示す。図５（ａ）は、表示面法線方向から見た光拡散素子３０を模式的に示す上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）中の５Ｂ−５Ｂ’線に沿った断面図である。

光拡散素子３０は、図５（ａ）に示すように、マトリクス状に配列された複数のレンズ３１を有するレンズアレイシートである。レンズ３１は、表示パネル２０の表示面法線方向から見たときに、表示面上下方向に沿って短手方向が規定され、表示面左右方向に沿って長手方向が規定される平面形状を有している。レンズ３１の平面形状は、具体的には、表示面上下方向に略平行な短軸３１ａと、表示面左右方向に略平行な長軸３１ｂとを有する楕円形である。つまり、各レンズ３１は、回転楕円体の一部のような形状を有している。

光拡散素子３０に入射した光は、図５（ｂ）に示すように、光拡散素子３０の観察者側の表面と空気層との界面において屈折し、そのことによって拡散される。光拡散素子３０のレンズ３１は、表示面の上下方向についても光を拡散するし、表示面の左右方向についても光を拡散する。ただし、レンズ３１が上述したような形状を有しているため、レンズ３１の光拡散特性の強さは、表示面の上下方向と左右方向とで異なっている。つまり、レンズ３１は、異方性の光拡散特性を有している。

光拡散素子３０に平行光を入射させたときの様子を図６に示す。図６に示すように、光拡散素子３０のレンズ３１は、表示面に垂直な無数の面のうち、表示面の上下方向に平行な面Ｐ１内において光をもっとも強く拡散させ、且つ、表示面の左右方向に平行な面Ｐ２内においても光を拡散させる。

本実施形態における液晶表示装置１００は、光拡散素子３０のレンズ３１が上述したような光拡散特性を有しているので、表示面の上下方向と左右方向の両方について光を拡散することができ、表示面内のいずれの方位についても視野角を広げることができる。また、レンズ３１は、異方的に光を拡散させるので、照明装置１０から出射した光の異方的な配光分布（図４参照）を、等方的な配光分布に近付けることができ、方位角依存性の小さな視野角特性を実現することができる。

レンズ３１の光拡散特性の異方性は、レンズ３１の平面形状の楕円率を変化させることによって調整することができるので、照明装置１０から出射した光の配光分布と、表示光に所望する配光分布とに応じ、レンズ３１の平面形状の楕円率を適宜決定すればよい。

より等方的な配光分布を実現する観点からは、短軸３１ａと長軸３１ｂとの比を、照明装置１０から出射される光の面Ｐ１内における配光分布の半値角と、面Ｐ２内における配光分布の半値角との比に略等しくすることが好ましい。このような構成とすることにより、光を平行度の高い状態で液晶表示パネル２０の補償層（液晶層２３および必要に応じて設けられる位相差板）を通過させた後に、光拡散素子３０で全方位に適宜拡散させることができ、全方位について均一に視野角を広げることができる。

例えば、図４に示したように、面Ｐ１内における配光分布（表示面上下方向に沿った配光分布）の半値角が約±１５°、面Ｐ２内における配光分布（表示面左右方向に沿った配光分布）の半値角が約±３０°である場合、短軸３１ａと長軸３１ｂとの比を約１／２とすることにより、方位角依存性の小さい配光分布が得られる。一般的な全反射型のプリズムシートを備えた照明装置では、半値角の比は１／３以上１／２以下であることが多いので、短軸３１ａと長軸３１ｂとの比は、１／３以上１／２以下であることが好ましい。

なお、本実施形態では、レンズ３１は、その短軸３１ａが表示面上下方向に平行で、その長軸３１ｂが表示面左右方向に平行であるように配置されているが、本発明は勿論これに限定されない。照明装置１０から出射した光の配光分布が、表示面の上下方向について大きな半値角を有し、表示面の左右方向について小さな半値角を有している場合には、レンズ３１をその短軸３１ａが表示面左右方向に平行になるように配置すればよい。つまり、レンズ３１の短軸３１ａを、表示面に垂直な無数の面のうち配光分布の半値角がもっとも小さな面に平行に配置することにより、効果的に視野角を広げることができる。

また、本実施形態で例示したような楕円形の平面形状を有するレンズ３１は、以下の点でも優れている。単に異方的に光を拡散するためであれば、平面形状が長方形で長手方向に沿った曲率半径と短手方向に沿った曲率半径とが異なるようなレンズを用いることもできるが、そのようなレンズでは、角の部分から光が漏れてしまうことがあり、等方的な配光分布を実現しにくいことがある。これに対し、楕円形の平面形状を有するレンズ３１では、そのような光漏れが発生することがないので、等方的な配光分布を実現しやすい。また、入射する擬似平行光に対する全反射角（すなわち光の向きをもっとも大きく変える角度）に近い角度の界面を基材に近い部分に形成しやすいので、広い角度範囲に光を拡散させることが容易である。

なお、光拡散素子３０の観察者側の表面は、図５（ｂ）に示したような形状を有しているので、周囲光を反射してしまう。反射された周囲光の光量が、光拡散素子３０を通過した光（すなわち表示光）の光量を上回ると、表示を目視することが困難になる。

上述したような周囲光による表示品位の低下を抑制するためには、図７に示すように、複数のレンズ３１を含むレンズ層３０ａ上に平坦化層３０ｂを形成し、レンズ層３０ａの屈折率ｎ₁、平坦化層３０ｂの屈折率ｎ₂を、ｎ₃＜ｎ₁＜ｎ₂の関係を満足するように設定することが好ましい。なお、ｎ₃は空気の屈折率である。このような構成を採用すると、周囲光はレンズ３１の表面形状の影響を受けない。また、光拡散素子３０の表面が平坦となるため、光拡散素子３０の表面での周囲光の反射が少なくなる。

レンズ層３０ａの屈折率ｎ₁および平坦化層３０ｂの屈折率ｎ₂は、ｎ₁―ｎ₂≦０．２の関係を満足することがさらに好ましい。レンズ層３０ａと平坦化層３０ｂとの界面におけるフレネル反射は、これらの屈折率差を小さくすることによって少なくすることができ、レンズ層３０ａの屈折率ｎ₁および平坦化層３０ｂの屈折率ｎ₂が、上記のｎ₁―ｎ₂≦０．２の関係を満足すると、周囲光による表示品位の悪化（極端なコントラスト比の低下）を防止する効果が高い。

図５（ｂ）および図７には、光拡散素子３０に凸レンズ３１が設けられている構成を例示したが、図８に示すように、光拡散素子３０には凹レンズ３１’が設けられていてもよい。凹レンズ３１’が設けられている場合にも、凸レンズ３１が設けられている場合と同様に、平面形状の楕円率を変化させることにより、所望の異方的な光拡散特性を発現させることができる。

光拡散素子３０は、例えば以下のようにして製造することができる。まず、レンズ層３０ａを、金型スタンパー方式、転写方式、フォトリソ方式、印刷方式などにより形成する。レンズ層３０ａの材料としては、ポリカーボネート（ＰＣ）やアクリル系の紫外線硬化樹脂などを用いることができる。次に、レンズ層３０ａ上に平坦化層３０ｂをダイコーター法、スピンコーター法、ディップ法、蒸着法、ロールコーター法を用いて形成する。平坦化層３０ｂの材料としては、フッ素系樹脂、アクリル系の紫外線硬化樹脂、フッ化マグネシウム、ＳｉＯｘなどを用いることができる。

なお、本実施形態では、全反射型プリズムシートを有する照明装置を備えた液晶表示装置を例として本発明を説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、指向性の高い光を出射する照明装置を備えた液晶表示装置一般に広く用いることができる。液晶分子の屈折率異方性に起因した視角依存性を低減するためには、照明装置から出射する光の配光分布は、半値角が１０°以下であることが好ましく、５°以下であることがより好ましく、２°〜３°であることがさらに好ましい。また、必ずしも導光板２と別個に指向性制御素子３が設けられている必要もなく、導光板２そのものが指向性の高い光を出射するような構造であってもよい。

本発明は、種々の表示モードに好適に用いられ、視野角特性の低い表示モード（例えば、ＳＴＮモードやＴＮモード、ＥＣＢモード）に特に好適に用いられる。

本発明によれば、表示面内の何れの方位においても良好な視野角特性を有する表示装置およびそのような表示装置に好適に用いられるレンズアレイシートが提供される。

本発明の好適な実施形態における液晶表示装置１００を模式的に示す断面図である。 液晶表示装置１００が備える照明装置１０に設けられる全反射型のプリズムシート３を模式的に示す斜視図である。 全反射型のプリズムシート３の機能を説明するための図である。 全反射型のプリズムシート３を有する照明装置１０から出射した光の配光分布を表示面上下方向と表示面左右方向について示すグラフである。 （ａ）は、液晶表示装置１００が備える光拡散素子３０を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）中の５Ｂ−５Ｂ’線に沿った断面図である。 光拡散素子３０の機能を説明するための図である。 光拡散素子３０の他の構成を模式的に示す断面図である。 光拡散素子３０のさらに他の構成を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 光源
２ 導光板
３ 指向性制御素子（プリズムシート）
３ａ プリズム
１０ 照明装置（バックライト）
２０ 液晶表示パネル
２１、２２ 基板
２３ 液晶層
２４、２５ 偏光板
３０ 光拡散素子（レンズアレイシート）
３０ａ レンズ層
３０ｂ 平坦化層
３１ レンズ（凸レンズ）
３１’ レンズ（凹レンズ）
３１ａ 短軸
３１ｂ 長軸

Claims (11)

1. 指向性を有する光を出射する照明装置と、
   前記照明装置から出射した光を変調する表示パネルと、
   前記表示パネルの観察者側に配置された光拡散素子と、を備えた表示装置であって、
   前記光拡散素子は、マトリクス状に配列された複数のレンズを有し、
   前記複数のレンズのそれぞれは、異方性の光拡散特性を有し、前記表示パネルの表示面に略垂直な第１の面内において光をもっとも強く拡散させ、且つ、前記表示パネルの表示面に略垂直で前記第１の面に直交する第２の面内においても光を拡散させる表示装置。
2. 前記複数のレンズのそれぞれは、前記表示パネルの表示面法線方向からみたときに、前記第１の面に略平行に短手方向が規定され、前記第２の面に略平行に長手方向が規定される平面形状を有している請求項１に記載の表示装置。
3. 前記複数のレンズのそれぞれを前記表示パネルの表示面法線方向からみたときの平面形状は、前記第１の面に略平行な短軸と、前記第２の面に略平行な長軸とを有する楕円形である請求項１または２に記載の表示装置。
4. 前記短軸と前記長軸との比は、前記照明装置から出射される光の前記第１の面内における配光分布の半値角と、前記照明装置から出射される光の前記第２の面内における配光分布の半値角との比に略等しい請求項３に記載の表示装置。
5. 前記光拡散素子は、前記複数のレンズを含むレンズ層と、前記レンズ層上に形成された平坦化層とを有する請求項１から４のいずれかに記載の表示装置。
6. 前記レンズ層の屈折率ｎ₁、前記平坦化層の屈折率ｎ₂および空気の屈折率ｎ₃が、ｎ₃＜ｎ₁＜ｎ₂の関係を満足する請求項５に記載の表示装置。
7. 前記レンズ層の屈折率ｎ₁および前記平坦化層の屈折率ｎ₂が、ｎ₁―ｎ₂≦０．２の関係を満足する請求項６に記載の表示装置。
8. マトリクス状に配列された複数のレンズを有する表示装置用のレンズアレイシートであって、
   前記複数のレンズのそれぞれは、異方性の光拡散特性を有し、
   前記複数のレンズのそれぞれを前記表示パネルの表示面法線方向からみたときの平面形状は、楕円形であるレンズアレイシート。
9. 前記複数のレンズを含むレンズ層と、前記レンズ層上に形成された平坦化層とを有する請求項８に記載のレンズアレイシート。
10. 前記レンズ層の屈折率ｎ₁、前記平坦化層の屈折率ｎ₂および空気の屈折率ｎ₃が、ｎ₃＜ｎ₁＜ｎ₂の関係を満足する請求項９に記載のレンズアレイシート。
11. 前記レンズ層の屈折率ｎ₁および前記平坦化層の屈折率ｎ₂が、ｎ₁―ｎ₂≦０．２の関係を満足する請求項１０に記載のレンズアレイシート。

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