JP2007241191A - 拡散性光学素子及びそれを用いた偏光素子及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＶＡ方式の液晶テレビジョンにおいて、そのディスプレイ画面を観察角度による画像の色や階調の変化を小さくして、どの方向から見ても自然な色と階調を持つ画像が得られるようにすることにある。
【解決手段】屈折率の異なる微細な領域構造の内面拡散層２を有し、垂直配向型の液晶表示装置の観察者側の偏光層３に配置して用いられ、入射光の一部を拡散光として透過させて、他の入射光をそのまま透過させるような特性を有する光学素子であって、前記内面拡散層２が、入射光角度０°の垂直方向から平行光を入射したとき、視野角度±５°程度の素抜け成分に相当する透過光を除いて、所定視野角度±θn だけずれた方向に透過光強度のピークを持ち、該所定視野角度±θn から視野角度が大きくなるにつれて透過光強度が減少するような拡散光を発する特性を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を拡散することにより、液晶表示装置の輝度の低下を抑制し、見る角度により色の変化の少ない液晶表示装置を形成し得る光学素子、光学フィルムの開発を目的とし、特に垂直配向された液晶セルを用いた液晶表示装置を斜め方向から見た際のガンマ特性の変化による色変化を補償するため、素抜け光線（非拡散性光線）の透過率が高く、後方散乱の少ない拡散性光学素子及びそれを用いた偏光素子、及びボケが少なく色変化の少ない液晶表示装置に関する。

透過型液晶表示装置は、フラットパネルディスプレイに代表される表示素子であり、軽く、薄く、低消費電力であることから、液晶テレビ用画面、カーナビゲーション用画面、パソコン（ＰＣ）用モニター画面、ノートＰＣ画面、ＦＡ画面等に幅広く使用されてきている。

透過型液晶表示装置としては、近年、ディスプレイ画面の用途の中で、特にテレビ用画面の用途として広く用いられるようになっている。このようなテレビジョンの用途においては、様々な角度から、中間階調を多く有するような画像を観察するため、どの方向からみても階調性が崩れず、色変化の少ない透過型液晶表示装置が求められている。

このようなＴＶ用途で用いられる液晶表示装置の一つとしては、垂直配向型の液晶を用いたＶＡ方式の液晶表示装置が知られている。このＶＡ方式タイプの液晶は、パソコンモニターなどに用いられているＴＮ方式の液晶表示装置などのように液晶が水平に配向しているのに対して垂直に配向している。

このようなＶＡ方式の液晶表示装置では、ＴＮ方式の液晶表示装置で生じるような上下方向（立設するディスプレイ画面に対してその画面縦方向の上下観察方向）又は下観察方向から見たときの色の破綻が生じ無いという特徴を持っている。

図３は、従来の垂直配向型（ＶＡ方式）の液晶表示装置における画面観察角度に対する階調（ガンマ値）変化を示す概要図であり、図４は、従来の垂直配向型（ＶＡ方式）の液晶表示装置における画面観察角度に対する色変化を示す概要図である。

ＶＡ方式の液晶表示装置では、図３に示すように、０°、３０°、６０°等の観察角度（上下方向の見る角度）によってガンマ値が変化してしまうという特性がある。このために、見る方向によっては画像の階調が不自然になってしまうという問題点がある。また図４に示すように、色に関しても、角度の付いた方向から観察すると画像が白茶けて見えてしまうという問題点があり、前記観察角度が大きくなるほど、その度合いが大きくなっている。

上述したように、従来の垂直配向型の液晶テレビ（ＶＡ方式液晶テレビ）では、見る角度によって、画像の色や階調が変化するので、全体に画像が白っぽくなったり、不自然な階調の画像になったりするという問題点があった。本発明の課題は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ＶＡ方式の液晶テレビジョンにおいて、そのディスプレイ画面を見る角度による、画像の色や階調の変化を小さくして、どの方向から見ても自然な色と階調を持つ画像が得られるようにすることにある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、本発明の請求項１に係る発明は、屈折率の異なる微細な領域構造の内面拡散層２を有し、垂直配向型の液晶表示装置の観察者側の偏光層３に配置して用いられ、入射光の一部を拡散光として透過させ、他の入射光をそのまま透過させるような特性を有する光学素子であって、前記内面拡散層２が、入射光角度０°の垂直方向から平行光を入射したとき、視野角度±５°程度の素抜け成分に相当する透過光を除いて、所定視野角度±θn だけずれた方向に透過光輝度のピークを持ち、該所定視野角度±θn から視野角度が大きくなるにつれて透過光輝度が減少するような拡散光を発する特性を有することを特徴とする拡散性光学素子である。

本発明の請求項２に係る発明は、上記請求項１に係る拡散性光学素子において、前記内面拡散層２のヘイズ値が、４０〜７０％であることを特徴とする拡散性光学素子である。

本発明の請求項３に係る発明は、上記請求項１に係る拡散性光学素子において、前記内面拡散層２により拡散透過される拡散光が、視野角度±１０〜±４０°の範囲の所定視野角度θn に透過光輝度のピークを持つことを特徴とする拡散性光学素子である。

本発明の請求項４に係る発明は、上記請求項１に係る拡散性光学素子において、前記内面拡散層２の外部光に対する後方への光散乱率が３％以下であることを特徴とする拡散性光学素子である。

本発明の請求項５に係る発明は、上記請求項１乃至４のいずれか１項に係る拡散性光学素子における内面拡散層２を、垂直配向型の液晶表示装置の観察者側の偏光層３側に配置して、バックライト７により該内面拡散層２を背面から照明した際の輝度の半値角が４０〜７０％の間であることを特徴とする拡散性光学素子である。

本発明の請求項６に係る発明は、上記請求項１乃至５のいずれか１項に係る拡散性光学素子を、垂直配向型の液晶表示装置の観察者側の偏光層３に積層配置してなることを特徴とする偏光素子である。

本発明の請求項７に係る発明は、垂直配向型の液晶表示装置の観察者側の偏光層３及び内面拡散層２として、上記請求項６に係る偏光素子を配置したことを特徴とする液晶表示装置である。

本発明の拡散性光学素子、偏光素子、液晶表示装置によれば、後方散乱が少なく、広い拡散範囲に光を拡散し、比較的に素抜け光線（非拡散性光線）の割り合いが大きい拡散層を垂直配向型の液晶表示装置の観察者側の偏光層（第２偏光層）の前面に配置することによって、見る角度による色変化が少なく且つコントラストの低下や、表示画像のボケ、正面での輝度低下などが認識できない程小さく、且つ、垂直配向型液晶の特徴である、暗部の表現力、低コストなどの特徴を生かしたままの液晶テレビを提供することができる。

本発明の拡散性光学素子の実施の形態を以下に詳細に説明すれば、図１は、本発明の拡散性光学素子（フィルムシート）面の裏面（観察者側とは反対面）に平行光を入射光角度０°の垂直方向から入射したときに、その拡散性光学素子の表面（観察者側の面）の光出射方向へ出射する光の出射角度θと透過光輝度との関係を示す。

本発明の拡散性光学素子は、図１に示すように、平行光を入射光角度０°の垂直方向か
ら入射したときに、光入射角度±５°程度の素抜け成分に相当する透過光を除いて、所定視野角度±θn だけずれた方向に透過光輝度のピークを持つように拡散光を発する特性を有している。

また、本発明の拡散性光学素子は、前記所定視野角度±θn から、その視野角度が大きくなるにつれて、その透過光輝度が減少するような拡散光を発する特性を有しているものである。

図２は、本発明の拡散性光学素子及びそれを適用する垂直配向型（ＶＡ方式）の液晶表示装置の一例を説明する概要側断面図であり、図示するように、観察者側から順に、内面拡散層２、偏光層３（第２偏光層）、透明支持体層４、垂直配向液晶セル層５、偏光層６（第１偏光層）、バックライト７（面光源ユニット）を備えた垂直配向型（ＶＡ方式）の液晶表示装置１である。

本発明の拡散性光学素子は、この垂直配向型（ＶＡ方式）の液晶表示装置１の画面前面側（観察者側）にある偏光層３（第２偏光層）の前面（観察者側）に内面拡散層２として配置して用いるものである。

また、本発明の拡散性光学素子である内面拡散層２は、必要に応じて、垂直配向型の液晶表示装置の観察者側にある偏光層３に積層接着して拡散性機能の備えた偏光素子とすることが可能である。

通常、ＶＡ方式の液晶表示装置１では画面の正面方向からの観察角度の違いによって、色や階調が変化している。正面方向の光を、これら角度の違う方向にもっていくと、それぞれの光が平均化されるので、正面方向と角度のついた方向での色や階調の変化が小さくなる。そのため、ＶＡ方式の液晶表示装置１の前面（観察者）側の表面に、拡散性光学素子（拡散フィルム）を設置した場合には、見る角度による、色や階調の変化を小さくすることができる。また、この時に拡散の範囲が広く、強く拡散するフィルムを用いるほど、色変化を小さくすることができる。

しかし、垂直配向型（ＶＡ方式）の液晶表示装置１として、例えば、液晶テレビジョン装置では、輝度を稼ぐために（光の利得を得るために）、バックライト光の広がる範囲を制限して、照明光が正面近くに強く発せられるようにしている。

普通の液晶テレビジョンの画面では、輝度が半値を示す画面観察角度（半値角）が、正面方向（画面に垂直な０°の方法）に対して斜め方向の±４０°〜±７０°程になるように、光の広がり範囲が絞られている。そのため、ただ単に強い拡散性を持つ拡散フィルムを設置した場合には、光の広がる範囲が広くなって、液晶テレビジョン画面の観察輝度が大幅に低下してしまう。そのために、画面の観察輝度の低下を抑えながら、色の変化を小さくできるように工夫する必要がある。

ＶＡ方式の液晶表示装置における液晶画面の色変化は、図１に示すように、画面の正面方向（画面に対して垂直な角度０°方向）からの角度に対して、斜め方向の観察角度が大きくなるほど大きく、角度の小さいところでは色変化が小さい。例えば、角度１０°以下くらいの小さい角度では、ほとんど色の変化がないので、この方向にはあまり光をもっていく必要がない。

一方、画面の正面に光を集めている関係上、正面方向（画面に対して垂直な角度０°方向）からの角度に対して、斜め方向の観察角度が大きくなるほど輝度が低くなる。そのため、観察角度の大きいところ（画面に対してかなり斜めの観察方向）では、弱い光でも色
補正効果がある。また、画面正面からの角度が７０°、８０°等のように非常に大きな斜めの観察角度からは、画像を見る機会が実際上少ないので、多少の色変化があっても大きな問題にはならない。

そのため、これらの範囲に拡散される光を少なくして、色補正のために多くの光を持っていく必要がある、例えば１０°〜４０°程度の観察角度の方向に、適切な輝度の光を重点的に持っていき画面から出射させ、他の光はなるべく正面近辺に存在させて画面から出射させることにより、色変化の影響を小さくしながら、画面輝度の低下を抑えることができる。

図１に示すように、本発明の拡散性光学素子（内面拡散層２）は、入射した光に対する出射する拡散光の輝度が、図示するような分布を示しており、正面（０°の方向）方向と色補正のために光を廻わしたい１０°〜４０°程度の方向とに、重点的に光を持っていくことができるようになる。このため、効果的に色変化を抑えることができる。

一方、透過光と拡散光との比率により、色変化と輝度が変わってくる。拡散光の比率を高めると色変化が小さくなるが、輝度低下が大きくなり、他方、透過光の比率を高めるとその逆になる。

色変化の値として、ＣＩＥ１９７６ ｕ’ｖ’表色系において、液晶表示装置の画面正面の色を（ｕ0'，ｖ0'）、その他の観察角度での色を（ｕ1'，ｖ1'）とし、Δｕ’ｖ’＝［（ｕ1'−ｕ0') ² ＋（ｖ1'−ｖ0'）² ）^1/2 とするとき、Δｕ’ｖ’は０．０４以下程度になるように抑えた方が良い。そのためには拡散光を強めた方が良く、本発明の拡散性光学素子（内面拡散層２）は、ヘイズ値で３０以上になるようにした方が良い。

一方、輝度に関しては、拡散を弱めて、透過光を強くしたほうが良く、画面正面の輝度低下を３０％以下の低下に抑えようとすると、本発明の拡散性光学素子（内面拡散層２）は、ヘイズ値で７０以下にしたほうが良い。

上記のような拡散特性を持つ本発明の拡散性光学素子（内面拡散層２）は、例えば、次のような方法によって作製することができる。

まず、酢酸ビニル樹脂と、ある種のアクリル系モノマーと、ＵＶ光に対する開始剤を、有機溶剤（例えばメチルエチルケトン）に溶かして、これらをトリアセチルセルロースフィルム（ＴＡＣ）上に塗工する。このようにして得られた樹脂フィルムに、ＵＶ光を露光した後、オーブンにより過熱を行うと、相分離して拡散性を持つ本発明の拡散性光学素子としての光拡散フィルムが得られる。

このような方法で約２０μｍの厚みに樹脂を塗工して作製した時の本発明の拡散性光学素子としての光拡散フィルム面に、垂直に平行光（入射角度０°の光）を入れたときの入射角度０°に対する±６０°の範囲での透過（出射）光輝度を、光輝度計（例えばＥＬｄｉｍ）にて測定したときの結果を、一例として図５に示す。

図５に示すように、拡散性光学素子の光拡散フィルム面の正面方向（出射角度０°の方向）に素抜けの光があり、そこから約±２０°の方向にピークを示すような拡散特性が得られており、本発明の拡散性光学素子のような特性を持つ光学素子（内面拡散層２）になっている。

このような方法で、指定したような特性が得られる仕組みについては、まだ十分には解明されていないが、ポリエチレンテレフタレートフィルム（ＰＥＴ）に塗工した場合には
釣鐘型の普通の散乱特性しか得られていないので、おそらく、ＴＡＣフィルムと酢酸ビニルとの反応で、規則性のある構造が構成されているものと考えられる。

このようにして作製した本発明の拡散性光学素子である内面拡散層２を、バックライト７の輝度の半値角が約５０°で、薄紫系の色に対して図４に示したような色変化のあるＶＡ方式の液晶テレビジョンである液晶表示装置１の画面前面の偏光層３（第２偏光層）の前面に、図２に示すようにして積層して配置した。

図５は、本発明の拡散性光学素子を配置した垂直配向型（ＶＡ方式）の液晶表示装置の画面観察角度に対する階調（ガンマ値）変化を示す概要図であり、図６は、本発明の拡散性光学素子を配置した垂直配向型（ＶＡ方式）の液晶表示装置の画面観察角度に対する色変化を示す概要図である。

この場合に、図６から、色変化Δｕ’ｖ’は、元の色変化Δｕ’ｖ’（図４参照）の半分以下の０．０３以内程度に抑えられている。また、この時の正面輝度は、元の正面輝度が約４００ｃｄであるのに対して、約３２０ｃｄになっており、２０％程度の輝度低下に抑えられている。

実際に画像を観察して見たところでは、見る位置に対する色や、階調の変化、また正面から見たときの輝度低下など、ほぼ気に掛からない程度の良好な画像が観察できるものである。

このような本発明の拡散性光学素子である光学フィルムを、ＶＡ方式の液晶テレビジョンである液晶表示装置の画面前面側（観察側）の偏光層（偏光板）の前面に適用することによって、どこからみてもきれいな映像が楽しめ、設置場所を取らない薄型テレビジョンとして利用が可能であると考えられる。

本発明の拡散性光学素子の光出射角度に対する透過光輝度の概要図。 本発明の拡散性光学素子を垂直配向型（ＶＡ方式）の液晶表示装置に適用した状態を説明する装置の概要側面図。 従来の垂直配向型（ＶＡ方式）の液晶表示装置における画面観察角度に対する階調（ガンマ値）変化を示す概要図。 従来の垂直配向型（ＶＡ方式）の液晶表示装置における画面観察角度に対する色変化を示す概要図。 本発明の拡散性光学素子を配置した垂直配向型（ＶＡ方式）の液晶表示装置の画面観察角度に対する階調（ガンマ値）変化を示す概要図。 本発明の拡散性光学素子を配置した垂直配向型（ＶＡ方式）の液晶表示装置の画面観察角度に対する色変化を示す概要図。

符号の説明

１…垂直配向型液晶表示装置
２…内面散乱層
３…偏光層（第２偏光層）
４…透明支持体層
５…垂直配向液晶セル
６…偏光層（第１偏光層）
７…バックライト（面光源ユニット）

Claims (7)

1. 屈折率の異なる微細な領域構造の内面拡散層２を有し、垂直配向型の液晶表示装置の観察者側の偏光層３に配置して用いられ、入射光の一部を拡散光として透過させ、他の入射光をそのまま透過させるような特性を有する光学素子であって、前記内面拡散層２が、入射光角度０°の垂直方向から平行光を入射したとき、視野角度±５°程度の素抜け成分に相当する透過光を除いて、所定視野角度±θn だけずれた方向に透過光輝度のピークを持ち、該所定視野角度±θn から視野角度が大きくなるにつれて透過光輝度が減少するような拡散光を発する特性を有することを特徴とする拡散性光学素子。
2. 前記内面拡散層２のヘイズ値が４０〜７０％であることを特徴とする請求項１記載の拡散性光学素子。
3. 前記内面拡散層２により拡散透過される拡散光が、視野角度±１０〜±４０°の範囲の所定視野角度θn に透過光輝度のピークを持つことを特徴とする請求項１記載の拡散性光学素子。
4. 前記内面拡散層２の外部光に対する後方への光散乱率が３％以下であることを特徴とする請求項１記載の拡散性光学素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項記載の拡散性光学素子における内面拡散層２を垂直配向型の液晶表示装置の観察者側の偏光層３側に配置して、バックライト７により該内面拡散層２を背面から照明した際の輝度の半値角が４０〜７０°の間であることを特徴とする拡散性光学素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載の拡散性光学素子を垂直配向型の液晶表示装置の観察者側の偏光層３に積層配置してなることを特徴とする偏光素子。
7. 垂直配向型の液晶表示装置の観察者側の偏光層３及び内面拡散層２として請求項６記載の偏光素子を配置したことを特徴とする液晶表示装置。

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