JP2007178829A

JP2007178829A - 液晶表示装置用照明装置

Info

Publication number: JP2007178829A
Application number: JP2005378715A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Nasu; 須康介那
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2007-07-12

Abstract

【課題】液晶表示パネルと組み合わせたときに、薄型化を達成でき、かつ色ずれのない高品質表示を可能とする照明装置および液晶表示装置を提供する。
【解決手段】照明装置１０では、光源からの光を導く導光板１１と、前記導光板の表面に設けられた回折格子１２と、前記導光板の裏面側内面に形成されたプリズム１３とを有し、前記回折格子のピッチに対して前記回折格子から０次回折波のみが出力されるような入射光を得るべく、前記プリズムの斜面角度が設定される。この照明装置を液晶表示パネルと組み合わせたときには、液晶表示装置側の反射型偏光板、さらにバック偏光板が省略可能となって厚みを減少させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は液晶表示装置用照明装置に関するものである。

液晶表示装置はガラス層の間に電圧により分子方向を変えて透過率が変化する液晶材料を挟み込んだものであるため、それ自身では発光機能がない。このため、外部光を利用する反射型と称される形式のものもあるが、より見やすい画像を得るためには照明装置で強制的に明るくすることが必要となり、特にカラーを実現するためには必須となる。

このような照明装置のうちで、液晶の裏側に設けられたものはバックライト型と称され、最も広く用いられている。

バックライト型照明装置には、大別して発光層を有するものと、横方向に設けられた光源からの光を導く導光層を有する２つの形式があるが、いずれの場合でも液晶表示パネルとこれに対向する照明装置の面間で垂直かつ効率的に光を照射させる必要があり、このため、照明装置に面した液晶表示パネル面には、偏光板が設けられる。

この偏光板は、時間経過とともにいろいろな方向に振動する自然光に対してある方向に振動するものだけを通すことにより光量制御を行うものである。しかし、偏光板は通常５０パーセントのｐ偏光を透過するものの残りの光は吸収されてしまい、効率が低い。

このため、液晶表示パネルの受光面側に、偏光板に加えて反射型偏光板を設けたものも提案されている。

この反射型偏光板は、３Ｍ社から市販されている商品名ＤＢＥＦなどが知られている。

この反射型偏光板は、ｐ偏光を通し、ｓ偏光を反射させる機能を有し、通常の偏光板に加えて用いることにより、光量を増加させて光効率を３０パーセント程度増加させることができる利点を有するが、非常に高価な上、厚みが０．１〜０．１５ｍｍと厚く、薄型化の要求に反することとなる。

このため、バックライト型照明装置側に回折格子を設けたものが、例えば米国特許公開US2004-0051927号（特許文献１）に開示されている。

この文献に開示された照明装置では発光層あるいは導光層を有し、表面に形成された回折格子は光を偏光分離する機能を有するため、ｐ偏光を通過させる。
米国特許公開US2004-0051927号

しかし、このような照明装置では、回折格子を通過した光に多次光が含まれることがあり、このような多次光は分光しているため、液晶表示パネル上で色ずれが発生するという問題がある。

したがって、本発明の第１の目的は、液晶表示パネルと組み合わせたときに、薄型化を達成でき、かつ色ずれのない高品質表示を可能とする照明装置を提供することである。

また、本発明の第２の目的は、全体として薄型化を達成でき、かつ高画質表示の可能な液晶表示装置を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、光源からの光を導く導光板と、前記導光板の表面に設けられた回折格子と、前記導光板の裏面側内面に形成されたプリズムとを有し、前記回折格子のピッチに対して前記回折格子から０次回折波のみが出力されるような入射光を得るべく、前記プリズムの斜面角度が設定された照明装置が提供される。

本発明の第２の態様によれば、光源からの光を導く導光板と、その表面に設けられた回折格子と、前記導光板の裏面側内面に形成されたプリズムとを有し、前記回折格子のピッチに対して前記回折格子から０次回折波のみが出力されるような入射光を得るべく、プリズムの斜面角度が設定された照明装置と、共通基板とアレイ基板との間に液晶材料を保持し、表面側に波長板と偏光板、前記照明装置の前記回折格子と対向する裏面側に波長板を有する液晶表示パネルと、を備えた液晶表示装置が提供される。

本発明の第３の態様によれば、光源からの光を導く導光板と、その表面に設けられた回折格子と、前記導光板の裏面側内面に形成されたプリズムとを有し、前記回折格子のピッチに対して前記回折格子から０次回折波のみが出力されるような入射光を得るべく、前記プリズムの斜面角度が設定された照明装置と、共通基板とアレイ基板との間に液晶材料を保持し、表面側に波長板および偏光板、前記照明装置の前記回折格子と対向する裏面側に波長板および偏光板を有する液晶表示パネルとを備えた液晶表示装置が提供される。

本発明にかかる照明装置によれば、導光板の液晶表示パネルに対向する面に回折格子を設けるとともに、導光板の裏面側内面に形成されたプリズムを有し、回折格子のピッチに対して回折格子から０次回折波のみが出力されるような入射光を得るべく、プリズムの斜面角度が設定されているため、照明装置から液晶表示パネルに向かう回折波は０次回折波のみとなって、色ずれの問題が発生せず、また、照明装置側のコントラスト（ｐ波／ｓ波）が液晶パネル側の偏光板および反射型偏光板のコントラストよりも高い場合には液晶パネル側の偏光板および反射型偏光板を省略することができ、液晶表示装置全体の厚さを減少させることができる。

また、本発明にかかる液晶表示装置によれば、液晶表示パネルに対向する面に回折格子を設け、導光層の下面には回折格子からの透過波が回折格子のピッチに対して回折格子から０次回折波のみが出力されるような入射光を得るべく、プリズムの斜面角度が設定されているため、照明装置から液晶表示パネルに向かう回折波は０次回折波のみとなって、色ずれの問題が発生せず、また、照明装置側のコントラスト（ｐ波／ｓ波）が液晶パネル側の偏光板および反射型偏光板のコントラストよりも高い場合には液晶パネル側の偏光板および反射型偏光板を省略することができ、液晶表示装置全体の厚さを減少させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態のいくつかを詳細に説明する。

図１は本発明にかかる照明装置およびこれを用いた液晶表示装置の一実施形態を説明する断面図であり、液晶表示パネルと照明装置とを組み合わせた状態を示している。

まず、液晶表示パネル１０は、上からフロント偏光板１、接着層２、波長板３、共通ガラス板４、液晶層５、アレイガラス板６、波長板７を順次積層して構成される。液晶層５は所定距離を隔てて対向された共通ガラス板４とアレイガラス板６の間に液晶材料が封入されたものである。

液晶表示パネル１０に対向するように照明装置２０が設けられる。この照明装置２０には、ポリカーボネート（ＰＣ）の導光板１１が用いられることが多いが、これに限る必要はない。また、導光板１１の側面に光源（図示せず）が設けられることが多い。

導光板の液晶パネル対向面には通常アルミニウム製である回折格子１２が設けられ、反対側の内面には鏡面加工されたプリズム１３が形成されている。この回折格子は、良く知られているように、偏光分離機能を有するものである
図２は本発明の他の実施形態を示す断面図である。

この実施の形態では、図１に示された照明装置２０は全く同じものであるが、液晶表示パネル１０‘は図１に示されたものと少し異なっている。すなわち、液晶表示パネル１０‘は図１に示された液晶表示パネル１０の構成を完全に含み、波長板７の下に接着層８を介してバック偏光板９が追加された構成となっている。

図３は比較例としての従来の照明装置およびこれを用いた液晶表示装置の構成を示す断面図である。

この液晶表示装置は、液晶表示パネル１００と照明装置２００との組み合わせからなり、図１および図２に示した構成要素と対応する構成要素については、１００番台および２００番台の参照番号を付している。

比較例においては、照明装置２００の表面には回折格子が形成されていない。また、液晶表示パネル１００は波長板１０７の下に、接着層１０８を介して偏光板１０９、さらに接着層１１０を介して反射型偏光板１１１が設けられている。このような偏光板１０９および反射型偏光板１１１を設けるのは、光効率を向上させるためであるが、これらの厚さは０．１３５〜０.２７ｍｍであるため、図１の実施形態に比べて２７０μｍ、図２の実施形態に比べて１３５μｍも厚さが厚くなっている。

逆に、本願発明の実施の形態においては、比較例に比べて液晶表示装置としての全体の厚さを大幅に減少させることができる。

次にこのような厚さの減少が可能となる条件について説明する。

図４は、図１および図２で共通に使用された照明装置の概略断面を示す断面図である。

例えば屈折率が１．５９のポリカーボネート導光板１１の表面にはピッチｐ、厚さｔのアルミニウム製の回折格子１２が形成され、反対面には斜面がθ_{ｐｒｉｓｍ}の角度をなす斜面が形成されている。

このような回折格子のピッチおよびプリズムの傾斜面については、回折格子からの透過光および反射光が０次回折波のみになるための条件が次のように求められる。

まず、透過光について検討する。図５に示すように、光が導光板内部から回折格子の法線に対して角度θinの角度でピッチｄの回折格子に入射し、透過するものとする。

ここで携帯型電話等に用いられる液晶表示装置用のバックライト光源は白色ＬＥＤが一般的であり、図７のような発光スペクトルを有している。同図から、波長範囲の最小値は０．４[μｍ]であることがわかる。

これより回折格子のピッチｄに関しては、この格子ピッチdを小さくしていくと、
ｄ_{ｔｒａｎｓ}＝λ／n_air = ０．４／１＝０．４［μｍ］
のとき、回折格子への入射角度 θ_in= 0［deg］のときだけ0次回折波となる。

したがって、
ｄ_{ｔｒａｎｓ}＞０．４［μｍ］
であるときには、入射角がどのような入射角度θinであっても多次回折波は必ず発生し、色ずれが発生することになるため、色ずれ防止のためには格子ピッチは０．４以下でなければならない。

逆に格子ピッチが
ｄ_{ｔｒａｎｓ}＜０．４［μｍ］
であるときには、入射角がある角度範囲Δθであれば透過光は０次回折波のみとなる。

次式にλ = ０．４［μｍ］、n = １．５９ (導光板の材質PCの屈折率)を代入すると、
ｄ_{ｔｒａｎｓ}＝λ／（n_air＋ｎ_ｐｃ）＝０．４／（１＋１．５９）
＝０．１５４４[μｍ]
であり、このピッチよりも小さい値であるときはΔθが９０度となるため、入射角度の如何に関わらず、透過光はすべて０次回折波のみとなる。

これらの中間のピッチに関しては、主なピッチの値に対する角度範囲Δθの値が図６に示される。入射角度θ_inが２Δθ内である場合には透過波は０次回折波のみとなる。

次に、反射光について検討する。図８に示すように、光が導光板内部から回折格子の法線に対して角度θ_ｉｎの角度でピッチｄの回折格子に入射し反射するものとする。

格子ピッチｄを小さくしていくと、最小波長は前述したように０．４［μｍ］であるから、
ｄ_ref＝λ／n_pc = ０．４／１．５９＝０．２５１６［μｍ］
のとき、θin=０[deg]のときだけ0次回折波となる。

したがって、
ｄ_ref＞０．２５１６［μｍ］
のとき、どのようなθinであっても多次回折波は必ず発生する。

逆に格子ピッチが
ｄ_ref＜０．２５１６［μｍ］
のとき、 θin が０[deg]から角度範囲２Δθであれば0次回折波のみとなる。

したがって、
ｄ_ref＝λ／２n_pc = ０．４／（２×１．５９）＝０．１２５７［μｍ］
これらの中間のピッチに関しては、主なピッチの値に対する角度範囲Δθの値が図９に示される。入射角度θ_inが２Δθ内である場合には反射波は０次回折波のみとなる。

以上の透過と反射の場合について格子ピッチｄと角度範囲との関係を図１０のグラフに示す。

このグラフにしたがって、０次回折波のみが発生する格子ピッチが選択される。

また、ある格子ピッチが選択された場合、０次回折波のみが発生する入射角内に入射光が入るようにする必要がある。このためには入射角が常に０度付近であれば、適応する格子ピッチの範囲は最も広いことになる。

図１１は横軸を入射角とし、図４に示す導光板のプリズム角をパラメータとした場合の導光板上面内側表面に入射する光のエネルギーをシミュレーションにより求めた様子を示すグラフである。図中、各曲線に付けられた番号はプリズム角を表している。

図１１によれば、入射角０度付近で最大エネルギーが得られるプリズム角度は４０度付近、例えば４０±１度とすればよいことがわかる。

また、図１及び図２に示されるような反射型偏光板、あるいは反射型偏光板と偏光板を省略できるためには、これらのコントラストよりも照明装置の回折格子のコントラストが高いことが必要となる。ここでコントラストはｐ偏光とｓ偏光の比率、すなわちｐ波／ｓ波で表される。

以上により、照明装置において、確実に０次光のみが出力される格子ピッチ範囲に入射光を導くような角度を有するプリズムを裏面に備え、液晶表示パネルの反射型偏光板と偏光板よりもコントラストが高い場合には、反射型偏光板あるいは反射型偏光板と偏光板を省略することが可能となり、液晶表示装置の薄型化を図ることが可能となる。

本発明にかかる照明装置およびこれを用いた液晶表示装置の一実施形態を説明する断面図である。本発明の他の実施形態を示す断面図である。比較例としての従来の照明装置およびこれを用いた液晶表示装置の構成を示す断面図である。図１および図２で共通に使用された照明装置の概略断面を示す断面図である。光が回折格子の法線に対して角度θ_ｉｎでピッチｄの回折格子に入射するときに透過光が０次回折光となるための条件を検討するための説明図である。主なピッチの値に対する角度範囲Δθの値を示す図表である。液晶表示装置用のバックライト光源として用いられる白色ＬＥＤの発光スペクトルを示すグラフである。光が回折格子の法線に対して角度θ_ｉｎでピッチｄの回折格子に入射するときに反射光が０次回折光となるための条件を検討するための説明図である。主なピッチの値に対する入射角度範囲Δθの値を示す図表である。透過と反射の場合について格子ピッチｄと角度範囲との関係を示すグラフである。横軸を入射角とし、図４に示す導光板のプリズム角をパラメータとした場合の導光板上面内側表面でのエネルギーをシミュレーションにより求めた様子を示すグラフである。

符号の説明

１フロント偏光板
２、８、１０２、１０８、１１０接着剤層
３、７、１０３、１０７波長板
４、１０４共通ガラス板
５、１０５液晶層
６、１０６アレイガラス板
９、１０９バック偏光板
１０、１０‘ 液晶表示パネル
１１、２０１導光板
１２回折格子
１３２０２プリズム
２０、２００照明装置
１１１反射型偏光板

Claims

光源からの光を導く導光板と、
前記導光板の表面に設けられた回折格子と、
前記導光板の裏面側内面に形成されたプリズムとを有し、
前記回折格子のピッチに対して前記回折格子から０次回折波のみが出力されるような入射光を得るべく、前記プリズムの斜面角度が設定された照明装置。
前記導光板が厚さ１ｍｍのポリカーボネート樹脂であり、前記格子のピッチが０．１５４４μｍを超え０．４０μｍ未満であるときに、前記プリズム斜面角度が４０±１度の範囲に設定されることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
光源からの光を導く導光板と、その表面に設けられた回折格子と、前記導光板の裏面側内面に形成されたプリズムとを有し、前記回折格子のピッチに対して前記回折格子から０次回折波のみが出力されるような入射光を得るべく、プリズムの斜面角度が設定された照明装置と、
共通基板とアレイ基板との間に液晶材料を保持し、表面側に波長板と偏光板、前記照明装置の前記回折格子と対向する裏面側に波長板を有する液晶表示パネルと、
を備えた液晶表示装置。
光源からの光を導く導光板と、その表面に設けられた回折格子と、前記導光板の裏面側内面に形成されたプリズムとを有し、前記回折格子のピッチに対して前記回折格子から０次回折波のみが出力されるような入射光を得るべく、前記プリズムの斜面角度が設定された照明装置と、
共通基板とアレイ基板との間に液晶材料を保持し、表面側に波長板および偏光板、前記照明装置の前記回折格子と対向する裏面側に波長板および偏光板を有する液晶表示パネルと、
を備えた液晶表示装置。