JP2006259115A - 両面表示装置及び面光源装置 - Google Patents

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剛大 倉田
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昭宏 船本
Shigeru Aoyama
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Abstract

【課題】 フロントライト側とバックライト側のいずれの側から見た場合にも見栄えのよい画像を表示させることのできる両面表示装置を提供する。
【解決手段】 両面表示装置21は、リバーシブルライト22と半透過型液晶パネル23を重ねて構成されている。半透過型液晶パネル23は、反射電極33を分散させて設けることにより、表示画面全体に反射領域34と透過領域35を設けてある。導光板24の光出射面26に垂直な方向における光出射面26から出射される光の輝度が、光出射面26から出射される光のピーク輝度の15%以上で、かつ、45%以下となるように、導光板24が設計されている。
【選択図】 図6

Description

本発明は、両面表示装置及び面光源装置に関する。
図1は従来の両面表示装置の一例(例えば、特許文献1)を示す概略断面図である。この両面表示装置11は、リバーシブルライト(均一に発光する機能と、透明性を持つ面光源装置であり、バックライトとフロントライトの機能を併せ持った面光源装置)12と半透過型液晶パネル13とから構成されており、リバーシブルライト12は半透過型液晶パネル13に対向させて配置されている。リバーシブルライト12は、導光板14の端面(光入射面)に対向させて冷陰極管等の光源15を配設したものであり、導光板14の光出射面16と反対側の面には微細な凹凸17が形成されている。なお、本明細書においては、リバーシブルライト12に関して半透過型液晶パネル13と反対側をフロントライト側と呼び、半透過型液晶パネル13に関してリバーシブルライト12と反対側をバックライト側と呼ぶことにする。また、光線は矢印で示し、特に断わりのない限りノイズ光は破線矢印で示すものとする。
この両面表示装置11において、図1に示すように、光源15から出射された光は、導光板14の端面から導光板14内部に入射し、導光板14の光出射面16とその反対面で全反射を繰り返すことによって導光板14内を伝搬して導光板14内の全体に広がる。このとき、凹凸17により散乱させられた光のうち、光出射面16に小さな入射角で入射した光は、光出射面16を透過してリバーシブルライト12から外部へ出射される。
そして、リバーシブルライト12から出射された光の一部は、半透過型液晶パネル13の透過領域を透過してバックライト側へ出射される。また、リバーシブルライト12から出射された光の一部は、半透過型液晶パネル13の反射領域で反射されてフロントライト側へ出射される。よって、バックライト側から見た場合には、リバーシブルライト12はバックライトとして機能し、半透過型液晶パネル13で生成された画像を視認することができる。また、フロントライト側から見た場合には、リバーシブルライト12はフロントライトとして機能し、半透過型液晶パネル13で生成された画像を視認することができる。
上記のような両面表示装置によれば、リバーシブルライト12も半透過型液晶パネル13もそれぞれ1枚ずつあれば良いので、部品点数が少なくて済む。その結果、両面表示装置11が安価になり、薄型化と軽量化が可能になるというメリットがある。しかしながら、このような両面表示装置11では、ノイズ光のためにフロントライト側から見た場合のコントラストが低いという問題があった。
図2はフロントライト側でコントラストが低い理由を説明する図である。光源15から導光板14内に入射した光の光量を”100”とすると、凹凸17で反射されて光出射面16に向かう光のうち、”0.5”の光量は光出射面16で反射されてフロントライト側へ出射され、またリバーシブルライト12の光出射面16から出射された”99.5”の光量のうちさらに”0.5”の光量は半透過型液晶パネル13の表面で反射されてフロントライト側へ出射される。従って、半透過型液晶パネル13内には”99”の光量の光しか入射しないが、このうち半透過型液晶パネル13の内部で反射されて信号光(画像)としてフロントライト側へ出射される光量は”6.4”に過ぎない。同様に、半透過型液晶パネル13を透過して信号光(画像)としてバックライト側へ出射される光量も”6.4”に過ぎない。従って、フロントライト側では、画像となる信号光が”6.4”に対してノイズ光が”0.5”+”0.5”=”1.0”となり、画像のコントラストは6.4:1(以下、ノイズ光に対する信号光の光量比をコントラスト比と呼ぶ。)となる。よって、ノイズ光の割合が大きいために画像のコントラストが低く、フロントライト側における画質が優れなかった。
図3はフロントライト側においてコントラストを向上させる方法を説明する図である。この両面表示装置11では、光出射面16に垂直な方向から傾けてリバーシブルライト12から光を出射させ、この光を半透過型液晶パネル13の反射領域で反射させることにより光出射面16に垂直な方向へ反射させている。従って、フロントライト側では、信号光は両面表示装置11に垂直な方向へ出射されるのに対し、光出射面16や半透過型液晶パネル13の表面で正反射されたノイズ光は斜め方向へ出射されることになる。よって、フロントライト側で正面から両面表示装置11を見たときには破線矢印で示すノイズ光が目に入らず、コントラストの低下が抑制される。
しかしながら、このような構造の両面表示装置11では、リバーシブルライト12の光出射面16から出射される光の出射ピーク角度θ(光出射面16から出射される光の輝度が最大となるピーク輝度方向が、光出射面16に垂直な法線となす角度)が小さいと、図2で説明した理由によりフロントライト側におけるコントラストが悪くなり(図2参照)、また図4に示すように出射ピーク角度θが大き過ぎる場合には、バックライト側における正面輝度が低下して正面から見えにくくなる。なお、特許文献2には、フロントライトと反射型液晶表示パネルからなる液晶表示装置の場合について記載があり、これによれば出射ピーク角度が5°以下ではコントラストが悪くなり、出射ピーク角度が15°以上では正面輝度が悪くなると報告されている。
よって、上記両面表示装置については、フロントライト側とバックライト側とのいずれの側から見た場合にも見栄えのよい画像が得られるようにすることが望まれており、特に、フロントライト側におけるコントラストとバックライト側における輝度を改善することが必要とされている。
特開2002−357825号公報 特開2001−330828号公報
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、フロントライト側とバックライト側のいずれの側から見た場合にも見栄えのよい画像を表示させることのできる両面表示装置と面光源装置を提供することにある。
本発明にかかる第1の両面表示装置は、半透過型液晶パネルと面光源装置とを備えた両面表示装置であって、前記半透過型液晶パネルは、液晶層に入射した光を反射させる反射機能と液晶層に入射した光を透過させる透過機能とが、いずれも表示面全体に形成されており、前記面光源装置は、光源と、前記光源の光を面状に広げて前記半透過型液晶パネル側を向いた光出射面から出射させる導光板とを有し、前記導光板の光出射面に垂直な方向における前記光出射面から出射される光の輝度が、前記光出射面から出射される光のピーク輝度の15%以上で、かつ、45%以下であることを特徴としている。
本発明の第1の両面表示装置によれば、面光源装置側におけるコントラストが高く、半透過型液晶パネル側における正面輝度も良好な両面表示装置を製作することができる。
本発明にかかる第2の両面表示装置は、半透過型液晶パネルと面光源装置とを備えた両面表示装置であって、前記半透過型液晶パネルは、液晶層に入射した光を反射させる反射機能と液晶層に入射した光を透過又は半透過させる機能とが、区分的に形成されており、前記面光源装置は、光源と、前記光源の光を面状に広げて前記半透過型液晶パネル側を向いた光出射面から出射させる導光板とを有し、前記導光板の光出射面に垂直な方向における前記光出射面から出射される光の輝度が、前記光出射面から出射される光のピーク輝度の15%以上で、かつ、60%以下であることを特徴としている。
本発明の第2の両面表示装置によれば、面光源装置側におけるコントラストが高く、半透過型液晶パネル側における正面輝度も良好な両面表示装置を製作することができる。
本発明の第1又は第2の両面表示装置のある実施態様においては、前記導光板の光出射面から出射される光のピーク輝度の方向が、前記光出射面に垂直な法線に対して前記光源と反対側に傾いていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、面光源装置側と半透過型液晶パネル側との双方で自然な見栄えの画像を表示させることができ、また大きな輝度を得ることができる。
本発明の第1又は第2の両面表示装置の別な実施態様においては、前記導光板の光出射面から出射される光のピーク輝度の方向が、前記光出射面に垂直な法線に対して前記光源側に傾いていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、面光源装置側と半透過型液晶パネル側との双方で自然な見栄えの画像を表示させることができ、また輝線を低減することができる。
本発明の第1又は第2の両面表示装置のさらに別な実施態様においては、前記半透過型液晶パネルの、前記導光板と対向する面と反対面に拡散層を備え、前記拡散層の拡散角は、前記導光板の光出射面から出射される光の視野角特性の半値半角とほぼ等しくなっていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、半透過型液晶パネル側におけるバックライト側の画像の見栄えを良好にすることができる。
本発明の第1又は第2の両面表示装置のさらに別な実施態様においては、前記半透過型液晶パネルが、前記反射機能を形成するための反射電極を備え、前記反射電極は拡散特性を有すると共に、前記反射電極の拡散角は、前記導光板の光出射面から出射される光の視野角特性の半値半角とほぼ等しくなっていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、面光源装置側におけるフロントライト側の画像の見栄えを良好にすることができる。
本発明の第1又は第2の両面表示装置のさらに別な実施態様においては、前記導光板が、前記光出射面に反射防止膜又は反射防止構造を備えていることを特徴としている。ここで、反射防止膜としては誘電体多層膜を使用することができ、反射防止構造としては可視光の波長よりも十分に細かなパターンを使用することができる。このような実施態様によれば、面光源装置側におけるフロントライト側の画像の見栄えを良好にすることができる。
本発明の第1又は第2の両面表示装置のさらに別な実施態様においては、前記半透過型液晶パネルが、前記導光板と対向する面に反射防止膜又は反射防止構造を備えていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、面光源装置側におけるフロントライト側の画像の見栄えを良好にすることができる。
本発明の第1又は第2の両面表示装置のさらに別な実施態様においては、前記導光板の光出射面と対向する面に、前記光源側に位置する面が光出射面に対して傾斜した複数の凹部が形成され、前記光出射面から出射される光のピーク輝度の方向が光出射面に垂直な方向に対してなす角度をθ、前記導光板の屈折率をnで表わしたとき、前記傾斜面の傾斜角αが、
45°-〔arcsin(sinθ/n)〕/2≦α≦45°+〔arcsin(sinθ/n)〕/2
であることを特徴としている。かかる条件を考慮すれば、導光板内の光を拡散又は偏向させて光出射面から出射させるための凹部の設計を容易に行なうことができる。
上記実施態様においては、凹部はその長手方向に垂直な断面が略直角三角形状をしていることが望ましい。ここで断面が略直角三角形の凹部とは、凹部の表面と光出射面を延長した面とで囲まれる空間の断面形状が略直角三角形状であるという意味であり、かかる実施態様によれば凹部の製作を容易にすることができる。さらに、前記凹部の光源側に隣接して前記光出射面に凸部を形成してもよく、あるいは、前記凹部の光源から遠い側に隣接して前記光出射面に凸部を形成してもよい。前者の実施態様によれば、半透過型液晶パネル側における輝線(面光源装置のある方向だけが明るくなる、線状の輝度ムラ)を低減することができ、後者の実施態様によれば、面光源装置側における輝線を低減することができる。
本発明の面光源装置は、光源と、前記光源の光を面状に広げて光出射面から出射させる導光板とを備えた面光源装置であって、前記光出射面に垂直な方向における前記光出射面から出射される光の輝度が、前記光出射面から出射される光のピーク輝度の15%以上で、かつ、60%以下であることを特徴としている。この面光源装置は、液晶層に入射した光を反射させる反射機能と液晶層に入射した光を透過又は半透過させる機能とが区分的に形成された半透過型液晶パネルに用いることにより、面光源装置側におけるコントラストが高く、半透過型液晶パネル側における正面輝度も良好な両面表示装置を製作することができる。
本発明の携帯情報端末は、本発明にかかる両面表示装置を表示部として備えたものである。本発明の携帯情報端末は、本発明の両面表示装置を表示部として用いているので、表示部を表裏から見ることができ、しかもいずれの面においても見栄えの良好な画像を表示させることができる。
なお、本発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。
以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。ただし、以下に説明する実施例は一部の例を示すものであって、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
図5は本発明の実施例1による両面表示装置の分解斜視図、図6はその概略断面図である。この両面表示装置21は、リバーシブルライト22(面光源装置)と半透過型液晶パネル23とからなる。リバーシブルライト22は、導光板24と光源25によって構成されており、光源25は導光板24の一方端面(光入射面28)に対向させて配置されている。光源25はいわゆる線状光源であって、冷陰極管、複数個のLEDを線状に並べたもの、1個のLEDから出射される光を線状に広げて線状光源化したものなどが用いられる。図示例では、光源25は導光板24の幅とほぼ等しい長さを有している。
導光板24は、ポリカーボネイトやポリメチルメタクリレート、ガラス等の透明で屈折率の高い材料によって形成されている。導光板24の一方主面は光を出射させるための平坦な光出射面26となっている。導光板24の光出射面26と対向する面(パターン面)には微細な偏向パターン27が多数形成されている。偏向パターン27は、当該実施例では光源25の長さ方向と平行に延びたストライプ状をしており、光源25の長さ方向と直交する方向に沿って配列されている。偏向パターン27は、光源側に位置する傾斜面27aとほぼ垂直面となった再入射面27bとからなり、その長さ方向と直交する断面が略直角三角形状をした凹部によって形成されている。なお、光出射面26に垂直な方向をz軸方向とし、光源25の長さ方向と平行な方向をx軸方向とし、z軸方向及びx軸方向と直交する方向をy軸方向とする。
しかして、光源25から出射された光は、図6に示すように、光入射面28から導光板24内に入射し、光出射面26とパターン面との間で全反射を繰り返しながら導光板24全体に広がっていく。導光板24内を伝播する光は、傾斜面27aで反射される度に、光出射面26に対する入射角が小さくなっていき、全反射の臨界角よりも小さな入射角で光出射面26に入射した光は光出射面26から半透過型液晶パネル23に向けて出射される。なお、この実施例では、光出射面26から出射される光は、zy平面内で光出射面26から出射されるので、光出射面26から出射される光の輝度が最大となる方向(以下、ピーク輝度方向という。)が光出射面26に垂直な法線Nに対してなす角度を出射ピーク角度θとする。出射ピーク角度θは、傾斜面27aの傾斜角などによって調整することができる。
半透過型液晶パネル23は、ガラス基板29、30間に液晶層31を挟みこんで封止したものである。リバーシブルライト22に近い側のガラス基板29の内面には透明電極やカラーフィルタ32等が形成されている。また、リバーシブルライト22から遠い側のガラス基板30の内面にはTFTや画素電極、ブラックマトリクス等が形成されており、半透過型液晶パネル23には多数の画素が形成されている。ガラス基板30の内面には、一定ピッチ毎に金属薄膜などの反射電極33が設けられており、各画素は片側半分が反射電極33で覆われた反射領域34となっており、他方半分が反射電極33のない透過領域35となっている。
従って、図6に示すように、リバーシブルライト22の光出射面26から出射された光が半透過型液晶パネル23内に入射すると、反射領域34に入射した光は反射電極33で反射されて元の方向へ戻り、導光板24を透過してフロントライト側で観察される。これに対し、透過領域35に入射した光はガラス基板30を透過してバックライト側で観察される。よって、この両面表示装置21で半透過型液晶パネル23の各画素がオンオフ制御されて画像が生成されていると、フロントライト側においては表示面全体で画像を観察することができ、同時に、バックライト側においても表示面全体で画像を観察することができる。
いま、上記のように表示面(画素領域)全体で両面表示を行なうことのできる両面表示装置21について、両面で見栄えのよい画像を観察できるようにするための条件を考える。図7は一般的な半透過型液晶パネル23(図7ではLCDと記載している。)を想定し、導光板24の特性を変化させたときのフロントライト側(図ではFL側と表わしている。)とバックライト側(図ではBL側と表わしている。)における画像品質をシミュレーションにより評価した結果を示している。半透過型液晶パネル23は、一般的なTFT型の半透過型液晶パネルを想定し、透過率が6.5%、反射率が6.5%であるとした(因みに、反射型液晶パネルの場合には、一般に反射率10〜13%である。)。また、リバーシブルライト22の光出射面26から出射される光のピーク輝度(ピーク輝度方向における輝度)はいずれも3000cd/mとし、サンプル1〜10においては図7に示すように出射ピーク角度θを6°から15°まで変化させた。このとき、サンプル1〜10においては、ピーク輝度に対する光出射面26に垂直な法線方向の輝度の比(以下、これを法線方向輝度比という。図7では、N/P輝度比と記載している。)は、55%から14%までの値となる。
このような条件でサンプル1〜10の両面表示装置において、バックライト側へ透過する光のピーク輝度(以下においては、これをバックライト側ピーク輝度と呼ぶことがある。)と、光出射面26に垂直な法線方向の輝度(以下においては、これをバックライト側正面輝度と呼ぶことがある。)を評価した結果は、図7に示す通りである。また、フロントライト側における法線方向でのノイズ光の輝度(ノイズ輝度)、法線方向での信号光の輝度(信号輝度)と共に、それぞれのコントラスト比を評価した結果は、図7に示す通りである。なお、フロントライト側の輝度は、反射光の拡散効果(10°)を考慮している。
また、図8は、図7の数値に基づいて、光出射面から出射される光の出射ピーク角度θの変化に対するバックライト側正面輝度とフロントライト側でのコントラスト比の変化を表わした図である。
良好な見栄えを得ることのできる最適な両面表示装置の条件は、
導光板: ピーク輝度 3000cd/m
出射ピーク角度 10°
視野角 ±14°
半透過型液晶パネル:
透過率 6.5%
反射率 6.5%
バックライト側:
バックライト側ピーク輝度 195cd/m
バックライト側正面輝度 60cd/m
フロントライト側:
コントラスト比 14
と考えられる。従って、図7に示したサンプルのうちではサンプル5が最も好ましく、サンプル5を含むある範囲のサンプルが、見栄えの良好な両面表示装置として最適なものである。しかし、実験的には、フロントライト側ではコントラスト比が10よりも小さくなると画像の見栄えが悪くなり、また、バックライト側ではバックライト側正面輝度がバックライト側ピーク輝度の15%を下ると暗くなって画像の見栄えが悪くなる。よって、図7に示したサンプルのうちでは、サンプル3〜サンプル9が最適なサンプルとなる。この最適な範囲は図8に示す範囲となり、出射ピーク角度θで表わせば、8°以上14°以下となる。また、バックライト側における法線方向輝度比で表わせば、15%以上45%以下となる。
以上のシミュレーション結果から分かるように、バックライト側における法線方向の輝度/ピーク輝度(法線方向輝度比)を15%以上45%以下となるようにすることにより、両面表示装置の両面で画像の見栄えを良好にすることができる。特に、フロントライト側におけるコントラスト比とバックライト側における正面輝度を良好にすることができる。
図9は半透過型液晶パネル23を透過してバックライト側へ出射される光の指向特性(視野角特性)を表わしている。すなわち、図9の横軸は、半透過型液晶パネル23を透過してバックライト側へ出射される光の、光出射面26に垂直な法線Nから図った出射角度(光源から遠い側で正、光源に近い側で負の値をとる。)を表わし、縦軸は各出射方向における出射光の輝度を表わしており、出射光のピーク輝度を”100”としている。なお、半透過型液晶パネル23は光学的には平行平板であるから、図9の横軸は光出射面26から出射される光の出射角度を表わしていると考えることもできる。従って、図9のピーク輝度に対応する出射角度が出射ピーク角度θであり、出射角度が0°のときの出射輝度がバックライト側正面輝度であり、ピーク輝度を”100”としているから、出射角度が0°のときの出射輝度の値が法線方向輝度比を表わす。よって、かかる指向特性図における出射角度が0°のときの出射輝度(バックライト側正面輝度)が図の最適範囲内にあれば、両面で見栄えの良好な両面表示装置21が得られる。よって、半透過型液晶パネル23からバックライト側へ出射される光の指向特性を実験により、あるいはシミュレーションにより求めておけば、図9のような指向特性図を用いて容易に両面表示装置21を最適設計することができる。
また、光出射面26から出射される光が、ピーク強度を一定に保ったままで出射ピーク角度θを変化させると、図9の指向特性を表わす曲線は横軸と平行に移動し、それに伴って出射角度が0°のときのバックライト側正面輝度が変化する。従って、図9の曲線を水平方向に平行移動させ、出射角度0°で出射輝度15である点を当該曲線が通過するときの出射ピーク角度θの値と、出射角度0°で出射輝度45である点を当該曲線が通過するときの出射ピーク角度θの値とを求めれば、出射ピーク角度θの最適な範囲を知ることができる。図9に示す指向特性の場合には、出射ピーク角度θの最適範囲は8°以上14°以下となる。
こうして出射ピーク角度θが決まれば、図10に示す偏向パターン27の傾斜面27aの傾斜角αは、次式を満たすように決めればよい。
|α−45°| ≦ 〔arcsin(sinθ/n)〕/2 …(数1)

又は
45°−〔arcsin(sinθ/n)〕/2≦α≦45°+〔arcsin(sinθ/n)〕/2 …(数2)
但し、θは出射ピーク角度、nは導光板の屈折率である。
図10に示すように、偏向パターン27に対して導光板24の表面と平行な方向から光が入射し、この光が傾斜面27aで全反射した後に光出射面26から出射ピーク角度θの方向へ出射されるためには、傾斜面27aの傾斜角αは、
α=45°−〔arcsin(sinθ/n)〕/2 …(数3)
であればよい。傾斜面27aに入射する光は、図10に破線矢印で示すように、上方から傾斜面27aに入射すると考えてよいから、この光が出射ピーク角度θで出射されるためには、傾斜角αは(数3)の値よりも大きくなければならない。すなわち、
45°−〔arcsin(sinθ/n)〕/2≦α
となる。これが(数2)の左側の不等式である。
例えば、導光板24の屈折率がn=1.5、出射ピーク角度をθ=10°とすれば、傾斜面27aの傾斜角αの範囲は、上記(数2)より、
41.7°≦α≦48.3°
と決めることができる。
また、図11に実線矢印で示すように、ピーク輝度方向が出射ピーク角度θとなるように設計したとしても、図11に細い破線矢印で示すように、導光板24のパターン面で全反射して傾斜面27aに上方から入射した光L1は、出射ピーク角度θよりも大きな角度で出射される。この光L1は、半透過型液晶パネル23に入射することなく斜め方向へ出射されるので、バックライト側で輝線となる。また、図11に太い破線矢印で示すように、下方から傾斜面27aに入射した光L2は、傾斜面27aを透過してフロントライト側へ出射されるので、フロントライト側でも輝線が発生する。
上記のようなバックライト側の輝線を抑制するためには、図12に示すように、偏向パターン27の光源側に隣接させて断面三角形状の凸部36を設ければよい。光源側に凸部36を設けていると、光L1は凸部36で2回全反射することによって光出射面26から出射される。光出射面26から略垂直に出射された光L1は半透過型液晶パネル23に入射するので、バックライト側の輝線を低減させ、輝度を向上させることができる。
また、フロントライト側の輝線を抑制するためには、図13に示すように、偏向パターン27の光源と反対側に隣接させて断面略直角三角形状の凸部37を形成すればよい。光源と反対側に凸部37を設けていると、傾斜面27aから漏れた光L2は、凸部37に再入射してその斜面で全反射される。光出射面26から略垂直に出射された光L2は半透過型液晶パネル23に入射するので、凸部37を設けることにより、フロントライト側での輝線を低減させ、輝度を向上させることができる。
本発明の両面表示装置21にあっては、1枚のリバーシブルライト22と1枚の半透過型液晶パネル23からなるので、両面表示の可能な表示装置の部品点数を少なくできる。よって、両面表示装置21を安価に提供できると共に、両面表示装置21の薄型化と軽量化を図ることができる。しかも、フロントライト側におけるコントラストを良好にすると共に、バックライト側における正面輝度を向上させることができ、フロントライト側とバックライト側の両面で画像の見栄えを良好にすることができる。さらに、後述の実施例2で説明するような領域分割型の両面表示装置と比較すると、実施例1の両面表示装置21ではフロント側においてもバックライト側においても全面表示することができるので、表示画面の面積が同じであれば両面表示装置21を小型化することができる。
上記実施例では、光源25として線状光源を用い、それに伴って断面略直角三角形状のストライプ状をした微細な偏向パターン27をパターン面に形成していたが、両面表示装置の構造はこれに限るものではない。例えば、図14に示す両面表示装置では、光源25としてLEDを用いたいわゆる点光源を使用している。点光源とは、導光板24の幅に比べて長さの十分に短い光源である。図14では点光源を1つ配置しているが、複数個用いてもよい。また、導光板24の上面(パターン面)には、光源25を中心として同心円状に微小な偏向パターン27が設けられている。偏向パターン27は長さ方向と直交する断面が略直角三角形状をした比較的短いものであり、光源25に近い側の面が傾斜面となり、光源25から遠い側の面が光出射面26にほぼ垂直な再入射面となっている。各偏向パターン27は、光出射面26に垂直な方向から見たとき、その長さ方向が光源25と結ぶ方向と概略直交するように配置されており、円周方向に沿って離散的に配列されている。
図14のような構造の両面表示装置においても、導光板24の光出射面26に垂直な方向における光出射面26から出射される光の輝度が、光出射面26から出射される光のピーク輝度の15%以上45%以下となるようにすれば、すなわち法線方向輝度比が15%以上45%以下となるようにすれば、フロントライト側におけるコントラストとバックライト側の正面輝度が良好で、いずれの面における見栄えも良好な両面表示装置を製作することができる。
なお、上記導光板24は、ポリカーボネイトやポリメチルメタクリレート等の透明な樹脂材料を用いて射出成形法やスタンパを用いた成形法により製作するのが望ましい。例えば、射出成形法の場合には、偏向パターン27の反転形状パターンを形成された金型と鏡面または反射防止構造を有する金型とからなる一対の金型を用いる。一対の金型の間に溶融した樹脂材料を射出してキャビティ内に充填し、樹脂充填後に成形品を冷却して樹脂を硬化させた後、金型を型開きして成形品を金型から排出させる。このようにして射出成形すれば、導光板を安価に量産することができる。なお、この場合断面直角三角形状の偏向パターンの再入射面を光出射面から垂直な方向から少し傾けておけば、導光板と金型との離型性を良好にすることができる。
図15は本発明の実施例2による両面表示装置41の構造を示す概略断面図である。この両面表示装置41に用いられているリバーシブルライト22は、実施例1で説明したものと同様な構造を有しているが、後述のように実施例1のリバーシブルライト22とは光出射面26から出射される光の指向特性が異なっている。なお、光源25及び偏向パターン27は、図5に示したような線状光源とストライプ状の偏向パターンでもよく、図14に示したような点光源と同心円状配置された偏向パターンであってもよい。
半透過型液晶パネル42は、反射領域34と透過領域35が区分的に設けられている点が実施例1と異なっている。すなわち、この半透過型液晶パネル42では、半透過型液晶パネル42の片側半分の全体に反射電極33が形成されていて反射領域34となっており、半透過型液晶パネル42の他方半分全体には反射電極33は設けられていなくて透過領域35となっている。
リバーシブルライト22の光出射面26から光を出射させると、反射領域34では半透過型液晶パネル42内に入射した光が反射電極33で反射され、導光板24を透過してフロントライト側へ出射される。一方、透過領域35では半透過型液晶パネル42内に入射した光はガラス基板30を透過してバックライト側へ出射される。従って、フロントライト側から両面表示装置41を見ると、両面表示装置41の片側半分(反射領域34)でのみ画像を見ることができる。また、バックライト側から両面表示装置41を見ると、両面表示装置41の他方半分(透過領域35)でのみ画像を見ることができる。よって、この両面表示装置41では、フロントライト側とバックライト側とで表示領域が異なっている。
実施例1の場合と同様にして、両面表示装置41について、両面で見栄えのよい画像を観察できるようにするための条件を考える。図16はこのタイプの一般的な半透過型液晶パネル42(図16ではLCDと記載している。)を想定し、導光板24の特性を変化させたときのフロントライト側とバックライト側における画像品質をシミュレーションにより評価した結果を示している。半透過型液晶パネル42は、一方で入射光を反射し他方で入射光を半透過する反射/半透過型のSTN型液晶パネルを想定し、透過率が6.5%、反射率が13.0%であるとした。また、リバーシブルライト22の光出射面26から出射される光のピーク輝度はいずれも3000cd/mとし、サンプル11〜23においては図16に示すように出射ピーク角度θを3°から15°まで変化させた。このとき、サンプル11〜23においては、法線方向輝度比は、80%から14%までの値となる。
このような条件でサンプル11〜23の両面表示装置41において、バックライト側ピーク輝度とバックライト側正面輝度を評価した結果は、図16に示す通りである。また、フロントライト側における法線方向でのノイズ輝度、法線方向での信号光の信号輝度、コントラスト比を評価した結果も、図16に示す通りである。なお、フロントライト側のコントラスト比では、半透過型液晶パネル42自体のコントラスト(20:1)も考慮している。
また、図17は、図16の数値に基づいて、光出射面26から出射される光の出射ピーク角度θの変化に対するバックライト側正面輝度とフロントライト側でのコントラスト比の変化を表わした図である。
良好な見栄えを得ることのできる最適な両面表示装置の条件は、
導光板: ピーク輝度 3000cd/m
出射ピーク角度 9°
視野角 ±14°
半透過型液晶パネル:
透過率 6.5%
反射率 13.0%
バックライト側:
バックライト側ピーク輝度 195cd/m
バックライト側正面輝度 68cd/m
フロントライト側:
コントラスト比 15.4
と考えられる。従って、図16に示したサンプルのうちではサンプル17が最も好ましく、サンプル17を含むある範囲のサンプルが、見栄えの良好な両面表示装置として最適なものである。しかし、実験的には、フロントライト側ではコントラスト比が10よりも小さくなると画像の見栄えが悪くなり、また、バックライト側ではバックライト側正面輝度がバックライト側ピーク輝度の15%を下ると暗くなって画像の見栄えが悪くなる。よって、図16に示したサンプルの内では、サンプル13〜サンプル22が最適なサンプルとなる。この最適な範囲は図17に示す範囲となり、出射ピーク角度θで表わせば、5°以上14°以下となる。また、バックライト側における法線方向輝度比で表わせば、15%以上60%以下となる。
以上のシミュレーション結果から分かるように、バックライト側における法線方向輝度比(N/P輝度比)を15%以上60%以下となるようにすることにより、両面表示装置41の両面で画像の見栄えを良好にすることができる。特に、フロントライト側におけるコントラスト比とバックライト側における正面輝度を良好にすることができる。
なお、半透過型液晶パネル23の光出射面26から出射される光の指向特性図、あるいは半透過型液晶パネル42を透過した光の指向特性図を用いて最適な設計を行なう方法は、実施例1において図9で説明した通りであるから、実施例2については説明を省略する。
上記実施例では、半透過型液晶パネル42内に設けた反射電極33によって領域分割型の半透過型液晶パネル42を作製していたが、その他にも図18、図19に示すような構造を用いてもよい。
図18A、図18B、図18Cの変形例はいずれも透過型液晶パネル43を用いた領域分割型の両面表示装置41の異なる構造を示す概略断面図である。すなわち、図18A、図18B及び図18Cの両面表示装置41では、透過型液晶パネル43のバックライト側の内部の一部(反射領域34)のみに反射シート44を設けて半透過型液晶パネル42を構成している。このような変形例によれば、半透過型液晶パネル42の構造を簡単にすることができる。
さらに、図18Bの変形例では、透過領域35と対応する領域において、リバーシブルライト22のバックライト側(もしくは半透過型液晶パネル側)の表面に拡散シート45を設けている。また、図18Cの変形例では、透過領域35と対応する領域において、リバーシブルライト22のバックライト側(もしくは半透過型液晶パネル側)の表面に2枚のプリズムシート46、47と拡散シート45を重ねている。プリズムシート46、47は、断面三角形状のプリズムを互いに平行に配列させたものであり、プリズムシート46とプリズムシート47とでは、プリズム配列方向を互いに直交させるようにして重ねている。このプリズムシート46、47は両面表示装置41からバックライト側(もしくは半透過型液晶パネル側)へ出射された光を両面表示装置41に垂直な方向に揃える働きをしている。
図19Aに示す変形例では、半透過型液晶パネル42における反射領域34の内部に設けた反射電極33に光を拡散させるよう拡散処理を施してある。また、図19Bに示す変形例では、透過型液晶パネル43のバックライト側に配設した反射シート44に光を拡散させるよう拡散処理を施してある。さらに、図19A及び図19Bの変形例では、リバーシブルライト22のフロントライト側の表面のうち、透過領域35と対向する領域には反射板48を配置してあり、導光板24のパターン面から漏れた光を反射板48で反射させて導光板24内に再入射させることにより光の損失を小さくしている。
なお、図示しないが、半透過型液晶パネル42を反射領域と半透過領域とに領域分割し、反射領域では入射した光のほぼ全てを反射させるようにし、半透過領域では入射した光の一部(例えば約50%)が透過し、残りの光(例えば約50%)が反射するようにしてもよい。このような反射領域は、反射領域全体に反射電極を設けることにより得ることができる。また、半透過領域では、ハーフミラーを用いてもよく、あるいは、反射電極を隙間をあけて分散配置(実施例1の半透過型液晶パネルのような構造)するようにしてもよい。このような反射領域/半透過領域型の場合には、フロントライト側では反射領域と半透過領域を合わせた全体で画像を見ることができ、バックライト側では半透過領域のみで画像を見ることができるようになる。
次に、実施例1又は実施例2の両面表示装置を基礎にして、その画像の見栄えをさらに向上させた両面表示装置を以下において説明する。ここでは実施例1の両面表示装置21を例にとって説明するが、実施例2の両面表示装置41であってもよい。この両面表示装置21にあっては、図20に示すように、半透過型液晶パネル23の、バックライト側の面に拡散層51が設けられている。例えば、半透過型液晶パネル23の表面に偏光板を貼り付けるための粘着層に微少なビーズを混入させることにより拡散層51を形成する。さらに、この拡散層51は、その拡散角が、導光板24の光出射面26から出射される光の視野角特性の半値半角K/2(図9参照)と同程度になるようにしている。半透過型液晶パネル23のバックライト側の面にこのような拡散層51を設けることにより、バックライト側における画像の見栄えをより良好にすることができる。
また、半透過型液晶パネル23の反射電極33には、拡散効果を持たせている。例えば、半透過型液晶パネル23の画素ピッチよりも十分に小さなサイズで反射電極33の表面に微細な凹凸パターンを形成することにより、拡散効果を持たせている。さらに、反射電極33の拡散角は、導光板24の光出射面26から出射される光の視野角特性の半値半角K/2と同程度になるようにしている。反射電極33にかかる拡散効果を持たせることにより、フロントライト側における画像の見栄えをより良好にすることができる。
図21に示す実施例4では、実施例1の両面表示装置21(実施例2の両面表示装置41でもよい。)において、導光板24の光出射面26と、半透過型液晶パネル23のバックライト側と反対側の表面とのうち、いずれか少なくとも一方の面に蒸着法やスパッタ法などにより反射防止膜(ARコート)52を成膜している。かかる実施例によれば、光出射面26や半透過型液晶パネル23の光出射面26と対向する表面における正反射を抑制し、ノイズ光の発生を抑えることができるので、フロントライト側におけるコントラストを良好にして画質を向上させることができる。
図22は実施例4の変形例を示す概略断面図である。この変形例では、導光板24の光出射面26と、半透過型液晶パネル23のバックライト側と反対側の表面とのうち、いずれか少なくとも一方の面に反射防止構造53を形成している。反射防止構造53は、導光板24の光出射面26、あるいは半透過型液晶パネル23の表面の偏光板に、金型による射出成形や熱転写法などにより、可視光の波長よりも小さなサイズの微少な凹凸パターンを形成したものである。かかる変形例によれば、光出射面26や半透過型液晶パネル23の光出射面26と対向する表面において正反射を抑制し、ノイズ光の発生を抑えることができるので、フロントライト側におけるコントラストを良好にして画質を向上させることができる。
図23Aは実施例5による両面表示装置61の概略断面図である。これまで説明した実施例では、フロントライト側におけるコントラストとバックライト側における正面輝度を向上させることを目的としたが、用途や機器への組み込み状態によってはバックライト側のピーク輝度方向の向きも考慮する必要がある。図23Aの両面表示装置61では、導光板24の上部に光源25が配置され、バックライト側へ透過した光のピーク輝度方向は、光源から遠い方向へ向いて傾いている。
このような両面表示装置61は、光源25が携帯電話62の蝶番と反対側に位置するようにして、図23B及び図23Cに示すような折り畳み式の携帯電話62に組み込まれる。但し、フロントライト側(リバーシブルライト側)が携帯電話62の外側を向き、バックライト側(半透過型液晶パネル側)が携帯電話62の内側を向くようにして組み込まれる。図23Cのように携帯電話62が折り畳まれている場合には、表示部を正面から見ることが多いので、こちらをフロントライト側としておけば、正面から見栄えやコントラストのよい画像を見ることができる。また、図23Bのように携帯電話62が開かれている場合には、図24A及び図24Bに示すように画面を斜め下方から見ることになるので、バックライト側の輝度ピーク方向から画像をみることになり、バックライト側の画像をより明るくすることができて画像の見栄えが良くなる。
また、図25Aは実施例5の変形例による両面表示装置61の概略断面図である。図25Aの両面表示装置61では、バックライト側へ透過した光のピーク輝度方向は、光源側に向いて傾いている。
このような両面表示装置61は、光源25が携帯電話62の蝶番側に位置するようにして、図25B及び図25Cに示すような折り畳み式の携帯電話62に組み込まれている。但し、フロントライト側(リバーシブルライト側)が携帯電話62の外面側を向き、バックライト側(半透過型液晶パネル側)が携帯電話62の内面側を向くようにして組み込まれる。図25Cのように携帯電話62が折り畳まれている場合には、表示部を正面から見ることが多いので、こちらをフロントライト側としておけば、正面から見栄えやコントラストのよい画像を見ることができる。また、図25Bのように携帯電話62が開かれている場合には、図26A及び図26Bに示すように画面を斜め下方から見ることになるので、バックライト側の輝度ピーク方向から画像をみることになり、バックライト側の画面がより明るくなって画像の見栄えが良くなる。
次に、本発明の両面表示装置を表示部に備えた各種携帯情報端末を説明する。図27Aは閉じた状態の折り畳み式携帯電話62を表わし、図27Bは開いた状態の携帯電話62を表わしている。この携帯電話62は、例えば実施例1のような全面表示型の両面表示装置21を表示部に組み込まれている。
図28Aは閉じた状態の折り畳み式携帯電話62を表わし、図28Bは開いた状態の携帯電話62を表わしている。この携帯電話62は、例えば実施例2のような領域分割型の両面表示装置41を表示部に組み込まれている。
図29Aは閉じた状態の折り畳み式電子辞書63を表わし、図29Bは開いた状態の電子辞書63を表わしている。この電子辞書63は、例えば実施例1のような全面表示型の両面表示装置21を表示部に組み込まれている。
図30Aは閉じた状態の折り畳み式電子辞書63を表わし、図30Bは開いた状態の電子辞書63を表わしている。この電子辞書63は、例えば実施例2のような領域分割型の両面表示装置41を表示部に組み込まれている。
本発明の両面表示装置は、これら以外にも携帯用パソコン、電子手帳その他の携帯情報端末にも組み込むことができ、表面と裏面とのいずれでも画像の見栄えの良い表示部を提供することができる。
図1は従来例の両面表示装置の一例を示す概略断面図である。 図2はフロントライト側で従来例の両面表示装置のコントラストが低い理由を説明する図である。 図3はフロントライト側におけるコントラストを向上させる方法を説明する図である。 図4はバックライト側で従来例の両面表示装置の正面輝度が低下する理由を説明する図である。 図5は本発明の実施例1による両面表示装置の分解斜視図である。 図6は本発明の実施例1による両面表示装置の概略断面図である。 図7は、実施例1の両面表示装置において、導光板の特性を変化させたときのフロントライト側とバックライト側における画像品質をシミュレーションにより評価した結果を示す図である。 図8は、図7の数値に基づいて、光出射面から出射される光の出射ピーク角度θの変化に対するバックライト側正面輝度とフロントライト側でのコントラスト比の変化を表わした図である。 図9は、半透過型液晶パネルを透過してバックライト側へ出射される光の指向特性を表わした図である。 図10は、偏向パターンの傾斜面の傾斜角αと出射ピーク角度θとの関係を表わした図である。 図11は、両面表示装置に輝線が発生する様子を説明する図である。 図12は、光源側に断面三角形状の凸部を有する偏向パターンの断面図である。 図13は、光源と反対側に断面略直角三角形状の凸部を有する偏向パターンの断面図である。 図14は、実施例1の変形例を示す分解斜視図である。 図15は、本発明の実施例2による両面表示装置の構造を示す概略断面図である。 図16は、実施例2の両面表示装置において、導光板の特性を変化させたときのフロントライト側とバックライト側における画像品質をシミュレーションにより評価した結果を示す図である。 図17は、光出射面から出射される光の出射ピーク角度θの変化に対するバックライト側正面輝度とフロントライト側でのコントラスト比の変化を表わした図である。 図18A、図18B、図18Cは、いずれも領域分割型の両面表示装置の変形例を示す概略断面図である。 図19A、図19Bは、いずれも領域分割型の両面表示装置の変形例を示す概略断面図である。 図20は、本発明の実施例3による両面表示装置の構造を示す概略断面図である。 図21は、本発明の実施例4による両面表示装置の構造を示す概略断面図である。 図22は、本発明の実施例4による両面表示装置の別な構造を示す概略断面図である。 図23Aは本発明の実施例5による両面表示装置の概略断面図、図23B及び図23Cは該両面表示装置を表示部に組み込まれた携帯電話を示す斜視図である。 図24A及び図24Bは実施例5の携帯電話使用時における表示部の様子を説明する斜視図及び断面図である。 図25Aは本発明の実施例5の変形例による両面表示装置の概略断面図、図25B及び図25Cは該両面表示装置を表示部に組み込まれた携帯電話を示す斜視図である。 図26A及び図26Bは実施例5の変形例の携帯電話使用時における表示部の様子を説明する斜視図及び断面図である。 図27A及び図27Bは、いずれも携帯電話の一例を示す斜視図である。 図28A及び図28Bは、いずれも異なる携帯電話を示す斜視図である。 図29A及び図29Bは、いずれも電子辞書の一例を示す斜視図である。 図30A及び図30Bは、いずれも異なる電子辞書を示す斜視図である。
符号の説明
21 両面表示装置
22 リバーシブルライト
23 半透過型液晶パネル
24 導光板
25 光源
26 光出射面
27 偏向パターン
27a 傾斜面
27b 再入射面
28 光入射面
29、30 ガラス基板
31 液晶層
32 カラーフィルタ
33 反射電極
34 反射領域
35 透過領域
36 凸部
37 凸部
41 両面表示装置
42 半透過型液晶パネル
43 透過型液晶パネル
44 反射シート
45 拡散シート
46、47 プリズムシート
48 反射板
51 拡散層
52 反射防止膜(ARコート)
53 反射防止構造
61 両面表示装置
62 携帯電話
63 電子辞書

Claims (14)

  1. 半透過型液晶パネルと面光源装置とを備えた両面表示装置であって、
    前記半透過型液晶パネルは、液晶層に入射した光を反射させる反射機能と液晶層に入射した光を透過させる透過機能とが、いずれも表示面全体に形成されており、
    前記面光源装置は、光源と、前記光源の光を面状に広げて前記半透過型液晶パネル側を向いた光出射面から出射させる導光板とを有し、
    前記導光板の光出射面に垂直な方向における前記光出射面から出射される光の輝度が、前記光出射面から出射される光のピーク輝度の15%以上で、かつ、45%以下であることを特徴とする両面表示装置。
  2. 半透過型液晶パネルと面光源装置とを備えた両面表示装置であって、
    前記半透過型液晶パネルは、液晶層に入射した光を反射させる反射機能と液晶層に入射した光を透過又は半透過させる機能とが、区分的に形成されており、
    前記面光源装置は、光源と、前記光源の光を面状に広げて前記半透過型液晶パネル側を向いた光出射面から出射させる導光板とを有し、
    前記導光板の光出射面に垂直な方向における前記光出射面から出射される光の輝度が、前記光出射面から出射される光のピーク輝度の15%以上で、かつ、60%以下であることを特徴とする両面表示装置。
  3. 前記導光板の光出射面から出射される光のピーク輝度の方向が、前記光出射面に垂直な法線に対して前記光源と反対側に傾いていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の両面表示装置。
  4. 前記導光板の光出射面から出射される光のピーク輝度の方向が、前記光出射面に垂直な法線に対して前記光源側に傾いていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の両面表示装置。
  5. 前記半透過型液晶パネルの、前記導光板と対向する面と反対面に拡散層を備え、前記拡散層の拡散角は、前記導光板の光出射面から出射される光の視野角特性の半値半角とほぼ等しくなっていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の両面表示装置。
  6. 前記半透過型液晶パネルは、前記反射機能を形成するための反射電極を備え、前記反射電極は拡散特性を有すると共に、前記反射電極の拡散角は、前記導光板の光出射面から出射される光の視野角特性の半値半角とほぼ等しくなっていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の両面表示装置。
  7. 前記導光板は、前記光出射面に反射防止膜又は反射防止構造を備えていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の両面表示装置。
  8. 前記半透過型液晶パネルは、前記導光板と対向する面に反射防止膜又は反射防止構造を備えていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の両面表示装置。
  9. 前記導光板の光出射面と対向する面に、前記光源側に位置する面が光出射面に対して傾斜した複数の凹部が形成され、前記光出射面から出射される光のピーク輝度の方向が光出射面に垂直な方向に対してなす角度をθ、前記導光板の屈折率をnで表わしたとき、前記傾斜面の傾斜角αが、
    45°-〔arcsin(sinθ/n)〕/2≦α≦45°+〔arcsin(sinθ/n)〕/2
    であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の両面表示装置。
  10. 前記凹部は、その長手方向に垂直な断面が略直角三角形状をしていることを特徴とする、請求項9に記載の両面表示装置。
  11. 前記凹部の光源側に隣接して前記光出射面に凸部が形成されていることを特徴とする、請求項10に記載の両面表示装置。
  12. 前記凹部の光源から遠い側に隣接して前記光出射面に凸部が形成されていることを特徴とする、請求項10に記載の両面表示装置。
  13. 光源と、前記光源の光を面状に広げて光出射面から出射させる導光板とを備えた面光源装置であって、
    前記光出射面に垂直な方向における前記光出射面から出射される光の輝度が、前記光出射面から出射される光のピーク輝度の15%以上で、かつ、60%以下であることを特徴とする面光源装置。
  14. 請求項1又は2に記載した両面表示装置を表示部として備えた携帯情報端末。
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