JP2007155968A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位相差補償素子による光学補償を好適に行うことが可能な液晶表示装置を提供する。
【解決手段】本発明による液晶表示装置は、光源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を通過した光を拡散させるプリズムシート３０とを備えている。本発明による液晶表示装置は、プリズムシート３０の観察者側に設けられた位相差補償素子４１をさらに備えており、この位相差補償素子４１は、プリズム３１の表面形状に追従するように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、液晶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液晶表示装置に関する。

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素子が設けられており、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。

液晶表示装置の表示特性を改善するための代表的な技術として、位相差板を用いる方式がある。図２３に、位相差板を備えた液晶表示装置５００の一例を示す。図２３に示す液晶表示装置５００は、液晶表示パネル５２０と、液晶表示パネル５２０の背面側に配置された照明素子（バックライト）５１０とを備えている。

液晶表示パネル５２０は、一対の基板５２１および５２２と、これらの間に設けられた液晶層５２３とを有する。基板５２１および５２２の液晶層５２３側の表面には、液晶層５２３に電圧を印加するための電極や、液晶層５２３に含まれる液晶分子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。

液晶表示パネル５２０の観察者側と背面側（つまり観察者側とは反対側）には、それぞれ偏光板５５１、５５２が配置されている。偏光板５５１と液晶表示パネル５２０との間、および偏光板５５２と液晶表示パネル５２０との間には、それぞれ位相差板５４１、５４２が配置されている。

位相差板５４１および５４２は、位相差板５４１および５４２を通過する光に対して所定のリタデーションを与えることができる。このように位相差補償素子として位相差板５４１および５４２を設けることにより、種々の光学補償が可能になり、表示特性を向上させることができる。例えば、ＳＴＮモードの液晶表示装置では、着色現象を防止して白黒表示を行うために位相差板が用いられている（例えば特許文献１）。
特開平６−３１３８８２号公報

しかしながら、図２３に示しているように、照明素子５１０からは表示面法線方向（正面方向）だけでなく、表示面法線方向に対して傾斜した方向（斜め方向）にも光が出射する。正面方向の光と斜め方向の光とでは、液晶層５２３、位相差板５４１および５４２を通過する距離が異なり、また、液晶層５２３、位相差板５４１および５４２の屈折率異方性も、正面方向の光に対してと斜め方向の光に対してとでは異なり得る。従って、斜め方向の光と正面方向の光とに同じリタデーションを与えることは難しく、斜め方向の光と正面方向の光の両方について好適に光学補償を行うことは難しい。

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、位相差補償素子による光学補償を好適に行うことが可能な液晶表示装置を提供することにある。

本発明による液晶表示装置は、光源と、前記光源から出射した光を変調する液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルの観察者側に配置され、前記液晶表示パネルを通過した光を拡散させる光拡散素子とを備え、前記光拡散素子は、複数のプリズムを含むプリズムシートである液晶表示装置であって、前記プリズムシートの観察者側に設けられた位相差補償素子をさらに備え、前記位相差補償素子は、前記複数のプリズムの表面形状に追従するように形成されており、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、本発明による液晶表示装置は、前記位相差補償素子上に塗布材料から形成された偏光板をさらに備える。

ある好適な実施形態において、本発明による液晶表示装置は、前記複数のプリズムの表面と前記位相差補償素子との間に設けられ、前記複数のプリズムの屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層をさらに備える。

あるいは、本発明による液晶表示装置は、光源と、前記光源から出射した光を変調する液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルの観察者側に配置され、前記液晶表示パネルを通過した光を拡散させる光拡散素子とを備え、前記光拡散素子は、複数のプリズムを含むプリズムシートである液晶表示装置であって、前記プリズムシートと前記液晶表示パネルとの間に設けられた位相差補償素子をさらに備えており、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、本発明による液晶表示装置は、前記プリズムシート上に塗布材料から形成された偏光板をさらに備える。

ある好適な実施形態において、本発明による液晶表示装置は、前記複数のプリズムの表面と前記偏光板との間に設けられ、前記複数のプリズムの屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層をさらに備える。

ある好適な実施形態において、前記複数のプリズムのそれぞれは、表示面法線方向に対して第１の角度で傾斜した第１傾斜面を含む第１プリズム部と、表示面法線方向に対して前記第１の角度とは異なる第２の角度で傾斜した第２傾斜面を含み前記第１プリズム部の観察者側に位置する第２プリズム部とを有する。

ある好適な実施形態において、前記複数のプリズムのそれぞれは、表示面法線方向に対して前記第２の角度とは異なる第３の角度で傾斜した第３傾斜面を含み前記第２プリズム部の観察者側に位置する第３プリズム部をさらに有する。

ある好適な実施形態において、前記複数のプリズムのそれぞれは、表示面法線方向に略垂直な頂面を有する。

ある好適な実施形態において、前記光拡散素子は、特定の角度範囲内の角度で入射する光を他の角度で入射する光よりも強く拡散し、前記特定の角度範囲は、表示面法線方向に平行な第１の面内と表示面法線方向に平行で前記第１の面に交差する第２の面内とで異なっており、前記第１の面内における前記特定の角度範囲をＡ、前記第２の面内における前記特定の角度範囲をＢ、前記第１の面内において前記液晶表示パネルのコントラスト比が１以上である視角範囲をＣ、前記第２の面内において前記液晶表示パネルのコントラスト比が１以上である視角範囲をＤとしたとき、前記第１の面内における前記特定の角度範囲Ａと前記第２の面内における前記特定の角度範囲Ｂとの比Ａ／Ｂが、前記第１の面内における前記視角範囲Ｃと前記第２の面内における前記視角範囲Ｄとの比Ｃ／Ｄに略等しい。

ある好適な実施形態において、前記第１の面内における前記特定の角度範囲Ａは、前記第１の面内における前記視角範囲Ｃと略等しいかまたはそれよりも狭く、前記第２の面内における前記特定の角度範囲Ｂは、前記第２の面内における前記視角範囲Ｄと略等しいかまたはそれよりも狭い。

ある好適な実施形態において、前記複数のプリズムのそれぞれの前記第１の面に平行な断面と前記第２の面に平行な断面とは互いに異なる形状を有している。

ある好適な実施形態において、本発明による液晶表示装置は、前記光源を含む照明素子を備えている。

ある好適な実施形態において、前記照明素子は、表示面法線方向に対して３０°以上の角をなす方向における輝度が、表示面法線方向における輝度の１３％以下となるような配光分布を有する。

ある好適な実施形態において、前記照明素子は、表示面法線方向に対して３０°以上の角をなす方向における輝度が、表示面法線方向における輝度の３％以下となるような配光分布を有する。

ある好適な実施形態において、前記照明素子は、前記光源から出射した光の指向性を制御する指向性制御素子を有している。

本発明によると、位相差補償素子による光学補償を好適に行うことが可能な液晶表示装置が提供される。

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。

（実施形態１）
図１に、本実施形態における液晶表示装置１００を示す。液晶表示装置１００は、液晶表示パネル２０と、液晶表示パネル２０の背面側に配置された照明素子（バックライト）１０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とを有する。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に含まれる液晶分子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。また、本実施形態では、観察者側に配置された基板２２の液晶層２３側にカラーフィルタ２４が設けられている。

液晶表示パネル２０の観察者側には、位相差補償素子４１および偏光板５１が設けられている。また、液晶表示パネル２０の背面側にも、位相差補償素子４２および偏光板５２が設けられている。観察者側の位相差補償素子４１と液晶表示パネル２０との間に、光拡散素子３０が配置されている。

照明素子１０は、少なくとも光源を含んでいる。照明素子１０の具体的な構成については、後述する。本実施形態における照明素子１０から出射する光は、表示面法線方向（正面方向）における強度が著しく強くなっている。つまり、照明素子１０から出射する光は、高い指向性を付与されている。照明素子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を通過する光をほぼ一様に変調することができる（つまり液晶層２３を通過する光にほぼ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（つまり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。

本実施形態における光拡散素子３０は、複数のプリズム３１を含むプリズムシートである。図２に、プリズムシート３０のプリズム３１を拡大して示す。個々のプリズム３１は図２に示すように、表示面法線方向に対して傾斜した傾斜面３１ｓを含み、その断面形状は三角形である。液晶表示パネル２０から出射した光は、プリズム３１の傾斜面３１ｓで全反射することによって拡散される。照明素子１０から出射する光の輝度分布に応じて傾斜面３１ｓの傾斜角を適宜設定することにより、プリズムシート３０から出射する光に所定の輝度分布を実現することができる。プリズムシート３０としては、公知の種々のプリズムシートを用いることができる。

本実施形態における液晶表示装置１００では、プリズムシート３０の観察者側に設けられた位相差補償素子４１は、図１および図２に示すように複数のプリズム３１の表面形状に追従するように形成されている。つまり、位相差補償素子４１は、従来一般的に用いられてきた平板状の位相差板とは異なっている。

また、従来、偏光板としては、ヨウ素を含む延伸されたＰＶＡフィルムをＴＡＣフィルムで保護したものが一般的に用いられてきたが、本実施形態では、位相差補償素子４１上に設けられた偏光板５１は、塗布材料から形成されたもの（塗布型偏光板と呼ばれる。）である。

既に述べたように、照明素子１０からは指向性の高い光が出射する。そのため、光は、背面側の位相差補償素子４２および液晶層２３を通過する際には、ほぼ一様なリタデーションを与えられる。また、観察者側の位相差補償素子４１は、プリズム３１の表面形状に追従するように形成されているので、プリズム３１の傾斜面３１ｓで拡散されて位相差補償素子４１を通過する光にもほぼ一様なリタデーションが与えられる。このように、液晶表示装置１００では、位相差補償素子４１、４２による光学補償を好適に行うことができ、優れた表示特性が得られる。

プリズム３１の表面形状に追従する位相差補償素子４１は、具体的には、塗布材料を用いて形成することができる。以下、図３を参照しながら位相差補償素子４１の形成方法の一例を示す。

まず、図３（ａ）に示すように、プリズムシート３０上に配向膜３３を塗布法または印刷法により形成する。この配向膜３３は、後述する液晶ポリマーを配向させるために設けられる。配向膜３３の材料としては、液晶分子の配向制御に用いられる一般的な配向膜の材料（例えばポリイミドやポリビニルアルコールなどの水平配向膜材料）を用いることができる。続いて、配向膜３３にラビング処理を施し、所定の方向の配向規制力を付与する。なお、配向膜３３として光配向膜材料を用いてもよく、その場合には配向膜に光を照射することによって配向規制力を付与すればよい。

次に、図３（ｂ）に示すように、熱反応性または紫外線反応性の液晶ポリマーを塗布法や印刷法を用いて配向膜３３上に付与し、その後、この液晶ポリマーに熱処理を施したり紫外線を照射したりすることによって液晶ポリマーの配向処理を行う。このとき、液晶ポリマーは、配向膜３３の配向規制力の方向に沿って配向する。液晶ポリマーとしては、例えば、メルク社製のリアクティブメソゲン材料を用いることができる。このようにして、プリズム３１の表面形状に追従した位相差補償素子４１を形成することができる。

なお、この後、位相差補償素子４１上には、図３（ｃ）に示すように、塗布材料を用いて塗布型偏光板５１が形成される。塗布型偏光板５１の材料としては、例えば、Federal State Unitary Enterprise（ＮＩＯＰＩＫ）社製の塗布型偏光板材料を用いることができる。

勿論、塗布型偏光板５１を必ずしも用いる必要はなく、位相差補償素子４１上に平坦化層を形成し、この平坦化層に一般的な偏光板を貼り付けてもよい。本実施形態のように塗布型偏光板５１を用いると、表示装置の薄型化を図ることができる。

なお、位相差補償素子４１の屈折率がプリズム３１の屈折率よりも高いと、プリズム３１の傾斜面３１ｓで全反射が起こらない。また、位相差補償素子４１の屈折率がプリズム３１の屈折率とほぼ同じである場合にも、全反射の臨界角が大きくなり、表示面法線方向から入射する光が傾斜面３１ｓで全反射しないことがある。図４に示すように、プリズム３１の表面と位相差補償素子４１との間に、プリズム３１の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層３５を設けると、プリズム３１や位相差補償素子４１の屈折率によらず、光を全反射させることができるので、プリズム３１用や位相差補償素子４１用の材料の制約を少なくすることができる。低屈折率層３５の屈折率は、プリズム３１の屈折率よりも０．１３以上低いことが好ましい。低屈折率層３５の材料としては、ＳｉＯ_XやＭｇＦ₂、アモルファスふっ素樹脂などを用いることができる。

図５に、プリズムシート３０に用いられる他のプリズム３１Ａを示す。図５に示すプリズム３１Ａは、第１プリズム部３１ａと、第１プリズム部３１ａの観察者側に位置する第２プリズム部３１ｂとを有している。プリズム３１Ａの断面形状は、２つの台形を積み重ねた形状であり、第１プリズム部３１ａおよび第２プリズム部３１ｂの断面形状はそれぞれ台形である。

第１プリズム部３１ａは、表示面法線方向に対して所定の角度αで傾斜した第１傾斜面３１ｓ１を含んでいる。また、第２プリズム部３１ｂは、表示面法線方向に対して第１傾斜面３１ｓ１の傾斜角度αとは異なる角度βで傾斜した第２傾斜面３１ｓ２を含んでいる。

第１傾斜面３１ｓ１の傾斜角度αと第２傾斜面３１ｓ２の傾斜角度βとが異なっているため、第１傾斜面３１ｓ１で全反射する光と、第２傾斜面３１ｓ２で全反射する光とは、図５に模式的に示すように互いに異なる方向に向けられる。そのため、プリズム３１Ａを含むプリズムシート３０は、光の進行方向を複数の方向に変換することができ、光の進行方向を一方向にしか変換できない図２に示すプリズムシート３０よりも、所望の輝度分布を実現しやすい。それ故、広い角度範囲にわたってコントラスト比の高い表示を行うことが可能になる。

プリズム３１Ａを含むプリズムシート３０の効果を、より具体的に説明する。まず、図６に、照明素子１０から出射した光の輝度分布の一例を示す。図６に示すように、照明素子１０から出射した光は、正面方向の輝度が著しく高く、高い指向性を有している。

次に、図７に、プリズム３１Ａを含むプリズムシート３０によって拡散された光の輝度分布の一例を示す。まず、図６に示す輝度分布に比べ、輝度の偏りが低減されていることがわかる。また、０°付近のピークに加え、±３０°付近にショルダーが存在し、±６０°付近にもピークが存在していることがわかる。±３０°付近のショルダーは、第１傾斜面３１ｓ１での全反射に起因したものであり、±６０°付近のピークは、第２傾斜面３１ｓ２での全反射に起因したものである。

続いて、図８に、プリズム３１を含むプリズムシート３０（図２参照）によって拡散された光の輝度分布を示す。図８に示すように、輝度の偏り自体は低減されているものの、０°付近以外には明瞭なショルダーやピークは存在していない。これは、プリズム３１が光の進行方向を一方向にしか変換できないからである。

図７と図８とを比較すればわかるように、プリズム３１Ａを含むプリズムシート３０によれば、広い角度範囲で輝度を高くすることができ、広い角度範囲にわたってコントラスト比を高くすることができる。

第１傾斜面３１ｓ１の傾斜角度αと、第２傾斜面３１ｓ２の傾斜角度βとは、所望する輝度分布に応じて適宜設定される。表示面法線方向に進行する光は、第１傾斜面３１ｓ１では表示面法線方向に対して角度２αをなす方向に反射され、第２傾斜面３１ｓ２では表示面法線方向に対して角度２βをなす方向に反射される。そのため、ピークやショルダーを発生させたい角度に応じて、傾斜角度αおよびβを設定すればよい。また、拡散光の輝度分布に発生するピークやショルダーの幅は、照明素子１０からの光の指向性の高さ（例えば半値角によって表される）に依存するので、傾斜角度αおよびβを設定する際には、そのことも考慮することが好ましい。十分に広い角度範囲でコントラスト比を高くする観点からは、第１傾斜面３１ｓ１の傾斜角度αと第２傾斜面３１ｓ２の傾斜角度βとの差が１５°以上あることが好ましい。

なお、図５に例示した形状に限定されず、プリズムが異なる傾斜角で傾斜した複数の傾斜面を含んでいれば、光の進行方向を複数の方向に変換でき、所望の輝度分布を実現することができる。

例えば、図５に示すプリズム３１Ａは、表示面法線方向に略垂直な頂面３１ｔを有しているが、図９に示すように、プリズム３１Ｂが頂面を有していなくてもよい。図９に示すプリズム３１Ｂでは、第２プリズム部３１ｂの断面形状は三角形であり、頂面は設けられていない。このようなプリズム３１Ｂであっても、光の進行方向を複数の方向に変換することができるため、同様の効果を得ることができる。

なお、図５に示したプリズム３１Ａの頂面３１ｔは、傾斜面３１ｓ１および３１ｓ２とは異なり、光の進行方向を変換する機能を奏さない。そのため、頂面３１ｔを設けると、進行方向が変換されない光の量が増えるので、正面方向の輝度を高くすることができる。そのため、正面方向の輝度を比較的高く保ちたい場合には、頂面３１ｔを設けることが好ましい。

また、図５および図９には、２つのプリズム部（第１プリズム部３１ａおよび第２プリズム部３１ｂ）を有するプリズム３１Ａ、３１Ｂを示したが、プリズムは３つ以上のプリズム部を有してもよい。例えば、図１０に示すプリズム３１Ｃのように、第２プリズム部３１ｂの観察者側に位置する第３プリズム部３１ｃを設けてもよい。第３プリズム部３１ｃは、表示面法線方向に対して第２傾斜面３１ｓ２の傾斜角度βとは異なる角度γで傾斜した第３傾斜面３１ｓ３を含んでいる。

第３傾斜面３１ｓ３の傾斜角度γは、第１傾斜面３１ｓ１の傾斜角度αと同じであってもよいし、異なっていてもよい。第３傾斜面３１ｓ３の傾斜角度γと第１傾斜面３１ｓ１の傾斜角度αとが同じである場合には、プリズム３１Ｃは光の進行方向を二方向に変換する。一方、第３傾斜面３１ｓ３の傾斜角度γと第１傾斜面３１ｓ１の傾斜角度αとが異なっている場合には、プリズム３１Ｃは光の進行方向を三方向に変換する。このように、第１傾斜面３１ｓ１および第２傾斜面３１ｓ２とは異なる角度で傾斜した傾斜面をさらに設けることにより、光の進行方向をさらに多方向に変換することができ、より多様な輝度分布を実現することができる。

また、全反射型のプリズムではなく、図１１に示すような屈折型のプリズム３１Ｄを用いてもよい。図１１に示すプリズム３１Ｄでは、光は第１傾斜面３１ｓ１、第２傾斜面３１ｓ２および第３傾斜面３１ｓ３で屈折し、そのことによって拡散される。このような屈折を利用するプリズム３１Ｄであっても、同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では断面形状が左右対称であるプリズムを示したが、プリズムの断面形状は必ずしも左右対称である必要はない。所望する輝度分布や、もともとの輝度分布（照明素子１０から出射する光の輝度分布）に応じて、プリズムの断面形状を左右非対称にしてもよい。

プリズムシート３０は、種々の材料（例えば熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂などの樹脂）を用いて形成することができる。傾斜角度が異なる複数の傾斜面を形成するためには、例えば、プリズムの形状に応じた金型を作製しておき、紫外線硬化性樹脂から形成されたドライフィルムをこの金型を用いて押圧成型した後に紫外線により硬化させればよい。あるいは、この金型にスピンコート法を用いて紫外線硬化樹脂や熱硬化性樹脂を流し込んだ後に、成型されたこれらの樹脂を硬化させてもよい。

続いて、光拡散素子としてプリズムシート３０を用いる別の利点を図１２、図１３（ａ）および（ｂ）を参照しながら説明する。光拡散素子を備えた従来の液晶表示装置では、表示がぼやけるという問題が発生することがあった。既に述べたように、コントラスト比を高くするためには、できるだけ指向性の高い光を液晶層に入射させることが好ましい。つまり、液晶層に対して垂直に入射する光をできるだけ多くし、液晶層に対して斜めに入射する光をできるだけ少なくすることが好ましい。ところが、当然ながら、実際には、液晶層に対して斜めに入射する光も少なからず存在し、液晶層への入射角が大きな光も存在する。液晶層への入射角が大きな光は、液晶層や位相差板によって十分に変調されない光である。そのため、このような光が光拡散素子によって正面方向に拡散されてしまうと、表示がぼやけてしまう。

図１２は、プリズムシート３０が光を拡散する様子を模式的に示す斜視図であり、図１２中には、表示面に平行で互いに直交する２つの方向ＸおよびＹと、表示面に垂直な方向（表示面法線方向）Ｚとを示している。また、図１３（ａ）は、図１２中の方向ＸおよびＺに平行な断面を示す図であり、図１３（ｂ）は、図１２中の方向ＹおよびＺに平行な断面を示す図である。なお、図１２、図１３（ａ）および（ｂ）では、説明の簡単さのために、プリズムの形状を省略してプリズムシート３０を平板状に示している。

プリズムシート３０は、図１２に模式的に示しているように、液晶表示パネル２０の光変調部（液晶層２３、位相差補償素子４１および４２を総称してこう呼ぶ。）で変調された光を拡散させる。このとき、プリズムシート３０は、図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、特定の角度範囲で入射する光を他の角度で入射する光よりも強く拡散する。具体的には、プリズムシート３０は、比較的小さな入射角（入射光が表示面法線方向となす角）で入射する光を強く拡散し、比較的大きな入射角で入射する光を弱く拡散する。

プリズムシート３０は、光拡散特性に上述したような入射角依存性を有しているので、液晶層２３に大きな入射角で入射した光をほとんど拡散することなく、液晶層２３に垂直に入射した光や小さな入射角で入射した光を拡散することができる。そのため、液晶層２３に大きな入射角で入射した光が正面方向に拡散されることによる表示のぼやけが防止される。

プリズムシート３０が光を強く拡散する角度範囲（「高拡散角度範囲」と呼ぶ。）は、図１３（ａ）と図１３（ｂ）とに示しているように、方向ＸおよびＺに平行な面内と方向ＹおよびＺに平行な面内とで異なっていることが好ましい。つまり、プリズムシート３０の高拡散角度範囲は、表示面内における方位に応じて異なっていることが好ましく、さらに言い換えると、プリズムシート３０の高拡散角度範囲が方位角依存性を有していることが好ましい。

上述したように、プリズムシート３０の光拡散特性は、三次元的な異方性を有していることが好ましい。さらに、この光拡散特性の三次元的な異方性が、光変調部で変調された光の特性に応じて設定されていると、表示のぼやけが効果的に防止され、高品位の表示を容易に実現することができる。以下、光変調部で変調された光の特性と、光拡散特性の三次元的な異方性との関係を詳しく説明する。

本願発明者は、光変調部で変調された光の特性を評価するパラメータとして、白表示状態の輝度と黒表示状態の輝度との比すなわちコントラスト比に着目し、光変調部のコントラスト特性に応じてプリズムシート３０の高拡散角度範囲を設定することにより、表示品位を大きく向上できることを見出した。

図１４に、光変調部のコントラスト特性の一例を示す。図１４は、表示面内における方位とコントラスト比との関係を示す図であり、図１４においてハッチングが付されている部分は、コントラスト比が１以上である視角範囲を示している。この部分を、以下ではコントラストコーンと呼ぶ。

図１４からもわかるように、コントラストコーンは、表示面内における方位によってその幅が異なっている。図１４に示す例では、コントラストコーンは、方向Ｘに沿った幅が最も広く、方向Ｙに沿った幅が最も狭い。このように、光変調部のコントラスト特性は方位角依存性を有している。

コントラスト比が１未満であるということは、黒表示状態の輝度が白表示状態の輝度よりも高いということであり、光が光変調部で好適に変調されないことを表している。これに対し、コントラスト比が１以上であるということは、光が光変調部で好適に変調されることを表している。そのため、コントラストコーンの方位角依存性に応じて、プリズムシート３０の高拡散角度範囲の方位角依存性を設定することによって、表示のぼやけを効果的に改善することができる。

プリズムシート３０の光拡散特性は、具体的には、表示面法線方向に平行なある面（「第１の面」と称する。）内における高拡散角度範囲をＡ（図１３（ａ）参照）、表示面法線方向に平行で第１の面に交差する面（「第２の面」と称する。）内における高拡散角度範囲をＢ（図１３（ｂ）参照）、第１の面および第２の面内におけるコントラスト比が１以上である視角範囲をそれぞれＣおよびＤ（図１４参照）としたとき、ＡとＢとの比Ａ／ＢがＣとＤとの比Ｃ／Ｄに略等しくなるように設定されていることが好ましい。つまり、コントラストコーンの幅が相対的に狭い方向においては、プリズムシート３０の高拡散角度範囲も相対的に狭く、コントラストコーンの幅が相対的に広い方向においては、プリズムシート３０の高拡散角度範囲も相対的に広いことが好ましい。このように光拡散特性を設定されたプリズムシート３０は、光変調部で好適に変調されなかった光をあまり拡散せずに、光変調部で好適に変調された光を拡散することができ、表示のぼやけを効果的に改善することができる。

表示のぼやけを改善する効果を高くするためには、第１の面内における高拡散角度範囲Ａは、第１の面内におけるコントラスト比が１以上の視角範囲Ｃと略等しいかそれよりも狭いことが好ましく、第２の面内における高拡散角度範囲Ｂは、第２の面内におけるコントラスト比が１以上の視角範囲Ｄと略等しいかそれよりも狭いことが好ましい。このような構成とすることによって、実質的にコントラストコーン内の光（コントラスト比が１以上の視角範囲の光）のみを強く拡散することができ、表示のぼやけをいっそう効果的に改善することができる。

続いて、光変調部のコントラスト特性とプリズムシート３０の光拡散特性との好ましい関係をより具体的に説明する。図１５、図１６および図１７に、光変調部のコントラストコーンとプリズムシート３０の光拡散特性との好ましい組み合わせの例を示す。図１５（ａ）、図１６（ａ）および図１７（ａ）が光変調部のコントラストコーンを示しているのに対し、図１５（ｂ）、図１６（ｂ）および図１７（ｂ）は、プリズムシート３０の光拡散特性を示している。図１５（ｂ）、図１６（ｂ）および図１７（ｂ）には、第１の面（方向ＸおよびＺに平行な平面）内におけるヘイズ値の入射角依存性が曲線Ｌ１で示されており、第２の面（方向ＹおよびＺに平行な平面）内におけるヘイズ値の入射角依存性が曲線Ｌ２で示されている。

図１５（ａ）に示すコントラストコーンは、方向Ｘに沿った幅が相対的に広く、方向Ｙに沿った幅が相対的に狭い。このことと対応するように、図１５（ｂ）に示すように、第１の面内におけるヘイズ値の入射角依存性を表す曲線Ｌ１は、第２の面内におけるヘイズ値の入射角依存性を表す曲線Ｌ２よりもブロードな形状を有している。つまり、図１５（ａ）に示しているように、第１の面内におけるコントラスト比が１以上の視角範囲Ｃは、第２の面内におけるコントラスト比が１以上の視角範囲Ｄよりも広く、また、図１５（ｂ）に示しているように、第１の面内における高拡散角度範囲Ａは、第２の面内における高拡散角度範囲Ｂよりも広い。なお、図１５（ｂ）では、ヘイズ値が５以上の角度範囲を高拡散角度範囲として示している。

また、図１５（ａ）および（ｂ）を互いに比較すればわかるように、第１の面内における高拡散角度範囲Ａは、同じ面内におけるコントラスト比が１以上の視角範囲Ｃよりも小さい。また、第２の面内における高拡散角度範囲Ｂは、同じ面内におけるコントラスト比が１以上の視角範囲Ｄよりも小さい。

このように、プリズムシート３０のヘイズ値の入射角依存性をコントラストコーンの形状に応じて設定することにより、表示のぼやけを抑制して表示品位を大幅に向上することができる。

図１６（ａ）および（ｂ）に示す組み合わせや図１７（ａ）および（ｂ）に示す組み合わせについても、それぞれコントラストコーンの形状に応じてプリズムシート３０のヘイズ値が適切に設定されているので、同様の効果が得られる。

プリズムシート３０の光拡散特性に三次元的な異方性を持たせるためには、プリズムの形状を調整すればよい。例えば、プリズムの第１の面に平行な断面形状と、第２の面に平行な断面形状とを異ならせることにより、プリズムの第１の面内における光拡散特性と第２の面内における光拡散特性とを異ならせることができる。

次に、照明素子（バックライト）１０の具体的な構成を説明する。図１８に、照明素子１０の具体的な構成の一例を示す。

図１８に示す照明素子１０は、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）や冷陰極管である。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。

照明素子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プリズムシート３を有している。指向性制御素子として機能するこのプリズムシート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。

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４を有しており、図１９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、プリズムシート３によって高い指向性を付与される。

勿論、照明素子１０としては、図１８に例示したものに限定されず、種々のバックライトを用いることができるが、より高いコントラスト比を得るためには、より指向性の高い光を出射し得るものを用いることが好ましい。具体的には、照明素子１０が、表示面法線方向に対して３０°以上の角をなす方向における輝度が表示面法線方向における輝度の３％以下となるような配光分布を有すると、十分に高いコントラスト比を容易に実現することができる。

図２０（ａ）および（ｂ）に、照明素子１０の好ましい配光分布の例を示す。図２０（ａ）に示す配光分布では、表示面法線方向における輝度がもっとも高く、角度が大きくなるにつれて急に輝度が低くなる。これに対し、図２０（ｂ）に示す配光分布では、表示面法線方向から３０°付近まで比較的高い輝度が保たれている。図２０（ａ）および（ｂ）に示す配光分布のいずれにおいても、表示面法線方向に対して３０°以上の角をなす方向における輝度が表示面法線方向（０°）における輝度の３％以下である。そのため、これらのような配光分布を有する照明素子１０を用いることによって、優れた表示品位が得られる。

配光分布の他の例を図２０（ｃ）に示す。図２０（ｃ）に示す配光分布では、表示面法線方向に対して３０°以上の角をなす方向における輝度は、表示面法線方向（０°）における輝度の８％〜１３％以下である。このような配光分布の照明素子１０を用いる場合であっても、光変調部（液晶層２３および位相差補償素子４１および４２）による光学変調のパターン（すなわちコントラストコーンの形状）を適宜選択することによって、十分に優れた表示品位を得ることができる。

図２０（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示した配光分布（それぞれ配光分布Ａ、ＢおよびＣと称する。）と、図１５（ａ）、図１６（ａ）および図１７（ａ）に示したコントラストコーン（それぞれコントラストコーンＡ、ＢおよびＣと称する。）との組み合わせの適否を表１に示す。表１中、「○」は「△」よりも良好に組み合わされることを示し、「◎」はさらに良好に組み合わせられることを示している。

表１からわかるように、図２０（ａ）に示した配光分布Ａおよび図２０（ｂ）に示した配光分布Ｂは、コントラストコーンＡ、ＢおよびＣのいずれとも非常に良好に組み合わせられる。また、表１から、図２０（ｃ）に示した配光分布Ｃについては、コントラストコーンＡよりもコントラストコーンＢと組み合わせることが好ましく、コントラストコーンＣと組み合わせることがさらに好ましいことがわかる。

これらのことからもわかるように、光学変調を好適に行うためには、照明素子１０の配光分布の山の部分（高輝度の部分）が、コントラストコーン（コントラストコーンで示される角度範囲）に略一致するか、コントラストコーン内に位置することが好ましい。配光分布の山の部分がコントラストコーンの外にはみだすと、光学変調が好適に行えないことがある。

図２０（ｃ）に示した程度の指向性は、例えば、図１８に示した全反射型プリズムシート３を備えた照明素子１０を用いることによって容易に実現することができる。また、図２０（ａ）および（ｂ）に示した程度の指向性は、米国特許第５９４９９３３号明細書や米国特許第５５９８２８１号明細書に開示されているバックライトを用いることによって実現できる。上記米国特許第５９４９９３３号明細書には、導光板の主面上にレンチキュラマイクロプリズムが設けられたエッジライト型のバックライトが開示されている。また、上記米国特許第５５９８２８１号明細書には、光源から出射した光を開口部を介してマイクロコリメータおよびマイクロレンズに入射させる直下型のバックライトが開示されている。

（実施形態２）
図２１に、本実施形態における液晶表示装置２００を示す。実施形態１における液晶表示装置１００がプリズムシート３０と偏光板５１との間に設けられた位相差補償素子４１を備えているのに対し、本実施形態における液晶表示装置２００は、プリズムシート３０と液晶表示パネル２０との間に設けられた位相差補償素子４１’を備えている。

この位相差補償素子４１’は、塗布材料を用いて形成される必要はなく、一般的な種々の位相差板であってよい。プリズムシート３０上には、塗布材料から形成された偏光板５１が設けられている。

本実施形態における液晶表示装置２００においては、照明素子１０から出射した光は、高い指向性を保ったまま、背面側の位相差補償素子４２、液晶層２３および観察者側の位相差補償素子４１’を通過するので、ほぼ一様なリタデーションを与えられる。そのため、液晶表示装置２００では、位相差補償素子４１’、４２による光学補償を好適に行うことができ、優れた表示特性が得られる。

なお、観察者側の位相差補償素子４１’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（つまり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、プリズムシート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。

また、プリズム３１や偏光板５１の材料によらず光を全反射させるために、図２２に示すように、プリズム３１の表面と偏光板５１との間に、プリズム３１の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層３５を設けてもよい。

本実施形態におけるプリズムシート３０についても、プリズムの形状は図２１や図２２に例示したものに限定されない。図５、図９、図１０および図１１に示したプリズムを用いてもよい。

本発明によると、位相差補償素子による光学補償を好適に行うことが可能な液晶表示装置が提供される。本発明は、透過型の液晶表示装置全般に好適に用いられ、特に、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）の液晶表示装置に好適に用いられる。

ＳＴＮモードのような複屈折性を利用する表示モードでは、液晶層に斜めに入射する光による表示への悪影響が大きいので、指向性の高い光を液晶層に入射させ、液晶層で変調された光を光拡散素子によって拡散させる視野角拡大技術を用いることが好ましく、本発明を用いる意義が大きい。

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が備えるプリズムシートのプリズムを拡大して示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、位相差補償素子４１および偏光板５１の形成方法を説明するための図である。 プリズムと位相差補償素子との間に設けられた低屈折率層を有するプリズムシートを模式的に示す断面図である。 プリズムシートのプリズムの他の例を示す断面図である。 照明素子から出射した光の輝度分布の一例を示すグラフである。 図５に示すプリズムを有するプリズムシートによって拡散された光の輝度分布の一例を示すグラフである。 図２に示すプリズムを有するプリズムシートによって拡散された光の輝度分布の一例を示すグラフである。 プリズムシートのプリズムの他の例を示す断面図である。 プリズムシートのプリズムの他の例を示す断面図である。 プリズムシートのプリズムの他の例を示す断面図である。 光拡散素子（プリズムシート）の機能を説明するための図である。 （ａ）および（ｂ）は、プリズムシートの好ましい機能を説明するための図である。 光変調部のコントラスト特性の一例を示す図であり、表示面内における方位とコントラスト比との関係を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、光変調部のコントラストコーンとプリズムシートの光拡散特性との好ましい組み合わせを示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、光変調部のコントラストコーンとプリズムシートの光拡散特性との好ましい組み合わせを示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、光変調部のコントラストコーンとプリズムシートの光拡散特性との好ましい組み合わせを示す図である。 液晶表示装置１００が備える照明素子（バックライト）の一例を示す側面図である。 図１８に示す照明素子が備えるプリズムシート（指向性制御素子）の機能を説明するための図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、照明素子から出射する光の配光分布の例を示すグラフである。 本発明の好適な実施形態における他の液晶表示装置２００を模式的に示す断面図である。 本発明の好適な実施形態における他の液晶表示装置２００を模式的に示す断面図である。 従来の液晶表示装置５００を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０ 照明素子（バックライト）
２０ 液晶表示パネル
２１ 背面基板
２２ 前面基板
２３ 液晶層
２４ カラーフィルタ
３０ 光拡散素子（プリズムシート）
３１ プリズム
３１ａ 第１プリズム部
３１ｂ 第２プリズム部
３１ｃ 第３プリズム部
３１ｓ１ 第１傾斜面
３１ｓ２ 第２傾斜面
３１ｓ３ 第３傾斜面
３１ｔ 頂面
３５ 低屈折率層
４１、４１’、４２ 位相差補償素子
５１、５２ 偏光板
１００、２００ 液晶表示装置

Claims (16)

1. 光源と、
   前記光源から出射した光を変調する液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルの観察者側に配置され、前記液晶表示パネルを通過した光を拡散させる光拡散素子と、を備え、
   前記光拡散素子は、複数のプリズムを含むプリズムシートである液晶表示装置であって、
   前記プリズムシートの観察者側に設けられた位相差補償素子をさらに備え、
   前記位相差補償素子は、前記複数のプリズムの表面形状に追従するように形成されている液晶表示装置。
2. 前記位相差補償素子上に塗布材料から形成された偏光板をさらに備える請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記複数のプリズムの表面と前記位相差補償素子との間に設けられ、前記複数のプリズムの屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層をさらに備える請求項１または２に記載の液晶表示装置。
4. 光源と、
   前記光源から出射した光を変調する液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルの観察者側に配置され、前記液晶表示パネルを通過した光を拡散させる光拡散素子と、を備え、
   前記光拡散素子は、複数のプリズムを含むプリズムシートである液晶表示装置であって、
   前記プリズムシートと前記液晶表示パネルとの間に設けられた位相差補償素子をさらに備える液晶表示装置。
5. 前記プリズムシート上に塗布材料から形成された偏光板をさらに備える請求項４に記載の液晶表示装置。
6. 前記複数のプリズムの表面と前記偏光板との間に設けられ、前記複数のプリズムの屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層をさらに備える請求項５に記載の液晶表示装置。
7. 前記複数のプリズムのそれぞれは、表示面法線方向に対して第１の角度で傾斜した第１傾斜面を含む第１プリズム部と、表示面法線方向に対して前記第１の角度とは異なる第２の角度で傾斜した第２傾斜面を含み前記第１プリズム部の観察者側に位置する第２プリズム部と、を有する請求項１から６のいずれかに記載の液晶表示装置。
8. 前記複数のプリズムのそれぞれは、表示面法線方向に対して前記第２の角度とは異なる第３の角度で傾斜した第３傾斜面を含み前記第２プリズム部の観察者側に位置する第３プリズム部をさらに有する請求項７に記載の液晶表示装置。
9. 前記複数のプリズムのそれぞれは、表示面法線方向に略垂直な頂面を有する請求項７または８に記載の液晶表示装置。
10. 前記光拡散素子は、特定の角度範囲内の角度で入射する光を他の角度で入射する光よりも強く拡散し、
    前記特定の角度範囲は、表示面法線方向に平行な第１の面内と表示面法線方向に平行で前記第１の面に交差する第２の面内とで異なっており、
    前記第１の面内における前記特定の角度範囲をＡ、前記第２の面内における前記特定の角度範囲をＢ、前記第１の面内において前記液晶表示パネルのコントラスト比が１以上である視角範囲をＣ、前記第２の面内において前記液晶表示パネルのコントラスト比が１以上である視角範囲をＤとしたとき、
    前記第１の面内における前記特定の角度範囲Ａと前記第２の面内における前記特定の角度範囲Ｂとの比Ａ／Ｂが、前記第１の面内における前記視角範囲Ｃと前記第２の面内における前記視角範囲Ｄとの比Ｃ／Ｄに略等しい請求項１から９のいずれかに記載の液晶表示装置。
11. 前記第１の面内における前記特定の角度範囲Ａは、前記第１の面内における前記視角範囲Ｃと略等しいかまたはそれよりも狭く、前記第２の面内における前記特定の角度範囲Ｂは、前記第２の面内における前記視角範囲Ｄと略等しいかまたはそれよりも狭い請求項１０に記載の液晶表示装置。
12. 前記複数のプリズムのそれぞれの前記第１の面に平行な断面と前記第２の面に平行な断面とが互いに異なる形状を有している請求項１０または１１に記載の液晶表示装置。
13. 前記光源を含む照明素子を備えた請求項１から１２のいずれかに記載の液晶表示装置。
14. 前記照明素子は、表示面法線方向に対して３０°以上の角をなす方向における輝度が、表示面法線方向における輝度の１３％以下となるような配光分布を有する請求項１３に記載の液晶表示装置。
15. 前記照明素子は、表示面法線方向に対して３０°以上の角をなす方向における輝度が、表示面法線方向における輝度の３％以下となるような配光分布を有する請求項１３に記載の液晶表示装置。
16. 前記照明素子は、前記光源から出射した光の指向性を制御する指向性制御素子を有している請求項１３から１５のいずれかに記載の液晶表示装置。

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