JP2008538012A - 垂直でない平行光照明を備えた液晶ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デバイスのコスト、複雑性またはサイズを増大することなく、ＬＣディスプレイデバイスのコントラストを増加する装置および方法の提供。
【解決手段】ディスプレイ装置（３０）は垂線から傾斜角φの入射光でその最大のコントラストを示すＬＣデバイス（１４）を有し、ここで傾斜角φは垂線から約＋／−１０度より大きい。バックライトユニット（３２）はＬＣデバイス（１４）に対して入射角θ_２の中心光線を有する実質的に平行化された照明を提供し、ここで入射角θ_２は傾斜角φの約＋／−５度以内である。照明の半値全幅の強度は入射角θ_２の前記中心光線の約＋／−１０度以内である。
【選択図】図３

Description

本発明は一般に液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置に関し、より詳細には、垂線に対して傾斜した角度の平行光バックライトを使用する液晶ディスプレイ装置に関する。

液晶ディスプレイはコストおよび性能面で改良が続けられており、多くのコンピュータ、機器類および娯楽用途に対して好適な種類のディスプレイになっている。ＬＣＤは、最小限の厚さで、軽量で、適度の優れた色特性に利点があるが、このディスプレイ技術にはいくつか重大な欠点が存在する。中でもＬＣＤの主な欠点は、比較的低い輝度および期待外れのコントラストである。

従来のラップトップコンピュータディスプレイに使用される透過型ＬＣＤは、バックライトディスプレイのタイプであって、ＬＣＤに対して外側方向に光を向けるための、ＬＣＤの背後に配置されている光供給面を有する。小型かつ低コストの両方を満たす好適なバックライト装置を提供する課題は、２つの基本的な方法のいずれか１つに従って対処されてきた。第１の方法では、広い角度範囲にわたり実質的に一定の輝度を有する、高度に拡散した本質的にランベルト光分布を提供するために光供給面が用いられる。軸上および軸近傍の輝度を増加することを目的として、この第１の方法に続いて、より平行化された光の照明を提供するために、多数の輝度向上フィルムがランベルト分布を有するこの光の一部を方向転換するために提案されてきた。輝度向上フィルムに関して提案された解決法の中には、例えば、米国特許第５，５９２，３３２号（Ｎｉｓｈｉｏ他）、米国特許第６，１１１，６９６号（Ａｌｌｅｎ他）、米国特許第６，２８０，０６３号（Ｆｏｎｇ他）および米国特許第５，６２９，７８４号（Ａｂｉｌｅａｈ他）に開示されている解決法がある。上述の特許に記載された輝度向上フィルム（ＢＥＦ）などをはじめとする解決法は、広い視野角全体にわたりある程度増加した輝度基準を提供している。しかし、ＢＥＦであっても、全体のコントラストは比較的不十分なままである。

バックライト照明を提供する第２の方法は、側方に配置されランプまたは他の光源からの入射光を受け、かつ全反射（ＴＩＲ）を用いてこの光を内部に誘導する光ガイドプレート（ＬＧＰ）を採用して、放射光が限定された角度範囲を有するようにする。ＬＧＰからの出力光は典型的に垂線に対してかなり急角度であり、例えば８０度またはそれ以上である。この第２の方法では、次に、ＬＧＰから出力される放射光を垂線方向に方向転換するために転換フィルムが用いられる。例えば、Ｃｌａｒｅｘ， Ｉｎｃ．，（ニューヨーク州ボールドウィン）から入手可能であるＨＳＯＴ（高散乱性光透過）光ガイドパネルを提供するフィルムのような、光方向転換フィルムと広く称される指向性転換フィルムは、拡散フィルムを必要とせず、または製造中にドットを印刷する必要なく、このタイプの均一なバックライトを提供するための改善された解決法を提供する。ＨＳＯＴ光ガイドパネルおよび他の種類の指向性転換フィルムは、様々な組み合わせのプリズム構造体のアレイを用いて、２次元面に対して垂線の方向に光ガイドプレートからの光を方向転換する。一例として、米国特許第６，７４６，１３０号（Ｏｈｋａｗａ）が、ＬＧＰ照明に対する転換フィルムとして作用する、光制御シートを開示している。

この第２の方法を改善する、Ｙａｍａｇｕｃｈｉの米国特許第６，４２１，１０３号「平行性プレートを用いるバックライト部を含む液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ−Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａ Ｂａｃｋｌｉｇｈｔ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ Ｐｌａｔｅ）」およびＡｇａｎｏの米国特許第６，３２７，０９１号「平行性プレートおよびバックライトシステム（Ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ Ｐｌａｔｅ ａｎｄ Ｂａｃｋｌｉｇｈｔ Ｓｙｓｔｅｍ）」の両方は、バックライトからＬＣＤに平行化された照明を提供することを開示している。平行化された光は、一般にＬＣＤのコントラスト比を改善し、調節された光に対して拡散体と組み合わせて用いられる場合に、有効視野角を効果的に増加させることができることが示されている。図１Ａを参照すると、ＬＣディスプレイ１０は、ＬＣデバイス１４に直角に平行化された光照明を提供するバックライトユニット１２を有する。ＬＣデバイス１４は、透過基体の間に挟まれた液晶材料を有する。拡散体１６はその後、ＬＣデバイス１４からの調節光を拡散し、図１Ａに示されるように視野角を拡大する。図１Ｂを参照すると、バックライトユニット１２から提供される中心光線２２の周りに照明の円錐体２０が示されている。代替として主光線（ｃｈｉｅｆ ｏｒ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｒａｙ）と称されることもある中心光線２２は、ＬＣデバイス１４の表面に対して垂直である。上述の方法は、ＬＧＰ照明を用いるときに、若干の増加したコントラスト量を提供する。しかし、依然として、改良の余地がある。さらに、この方法を用いて達成されるコントラストのさらなる利得が視野角の損失により相殺される場合の有無は明らかにされていない。

コントラストを最適化するための代替の方略は、ＬＣデバイス自体の性能を最適化することに向けられる。図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃを参照すると、輝度、コントラストおよび色を測定するために、フランス、サンタクレア（Ｓａｉｎｔ Ｃｌａｉｒ）のＥｌｄｉｍ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＥＺＣＯＮＴＲＡＳＴコノスコープを用いて、ねじれネマチック（ＴＮ）ＬＣデバイスについて得られる、従来のコントラスト図が示されている。図２Ａは低電圧（公称３．６Ｖ）におけるＴＮ ＬＣデバイスに対して得られる。図２Ｂはより高い電圧レベル（公称４．０Ｖ）に対するコントラストを示している。図２Ｃはさらにより高い電圧レベル（公称５．０Ｖ）に対するコントラストを示している。最大コントラスト領域２４は最高のコントラスト特性を示しており、この領域は電圧が増加するに伴い垂線の方向に移動する（図２Ａ〜２Ｃの図の表示では、水平および垂直軸に対する測定は図２Ａに表記されたのと同様である）。図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃの移行が示すとおり、駆動電圧を増加したＴＮ ＬＣＤに対する測定可能なコントラストの改善が存在する。最大のコントラストは必ずしも垂直方向に発生しないという事実は、特に、垂直配向（ＶＡ）ＬＣＤおよび複屈折光学補償（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）（ＯＣＢ）タイプＬＣＤを含む、他の種類のＬＣに対しても保たれる。

図２Ａ〜２Ｃの移行がより高い電圧でコントラストの改善を示しているため、考えられるコントラスト比を増加するための方法は単純に、より高い駆動電圧を採用することである。これが単純明快であるが、このような方法は望ましくない悪影響を有する。直角におけるコントラストの改善に対する追加電力要求に対処するために、より厚い電極材料およびより大きい構成要素を用いて各ＬＣＤピクセルを駆動する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）デバイスを製造する必要がある。これはＬＣデバイス製造に対するコストを追加し、ディスプレイ解像度を制限するサイズの制約を課す。したがって、より高いデバイスコントラストを提供するために駆動電圧を増加することは、制限されることが判明している。
米国特許第５，５９２，３３２号明細書 米国特許第６，１１１，６９６号明細書 米国特許第６，２８０，０６３号明細書 米国特許第５，６２９，７８４号明細書 米国特許第６，７４６，１３０号明細書 米国特許第６，４２１，１０３号明細書 米国特許第６，３２７，０９１号明細書

上述の方法はディスプレイコントラストにおいていくつかの漸進的な改良を提供しているが、例えば医療診断に使用される画像などの、繊細な細部を有する画像のためにより効果的にＬＣＤを使用するには、さらなるコントラスト比の増加が必要である。この結果、デバイスのコスト、複雑性またはサイズを増大することなく、ＬＣディスプレイデバイスのコントラストを増加する装置および方法に対する必要性が存在する。

本発明の目的は、
（ａ）垂線から傾斜角φの入射光でその最大コントラストを示し、傾斜角φが垂線から約＋／−１０度より大きいＬＣデバイス；および
（ｂ）ＬＣデバイスに対し入射角θ_２の中心光線を有する実質的に平行化された光照明を提供するバックライトユニットであって、入射角θ_２が傾斜角φの約＋／−５度以内であり、かつ照明の半値全幅強度（ｆｕｌｌ−ｗｉｄｔｈ ｈａｌｆ−ｍａｘｉｍｕｍ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）が入射角θ_２の中心光線の約＋／−１０度以内であるバックライトユニット；
を含むディスプレイ装置を提供することである。

本発明は、液晶デバイスのコントラスト特性に適している角度において平行化された光照明を提供する。本発明はさらに、追加の構成要素の必要性なく、および結果として生じる輝度損失なく、コントラストの向上を提供する。

本発明のこれらのおよび他の目的、特徴、利点は、当業者には、本発明の例示的実施形態を示し、説明している図面と併せて、以下の詳細な説明を読むことにより、明らかになる。

本明細書は、特に本発明の対象を指摘し、且つ明確に特許請求する特許請求の範囲で完結するが、本発明は、添付図面と併せたときの以下の説明からより良く理解されることを確信する。

本記載は、特に、本発明による装置の一部を形成するか、または装置とより直接的に共働する要素に関する。特に示されていないまたは説明されていない要素は、当業者には既知の様々な形態をとり得ることは理解されるべきである。

本発明は、平行光を提供することによりＬＣデバイスのコントラストを改善するものであって、この平行光の中心光線（主光線と称されることもある）は、垂線に対してある傾斜角を有し、ＬＣデバイスの角度コントラスト特性に緊密に適合する。すなわち、バックライトユニットから垂直方向に（ＬＣデバイス面と垂直に）光を提供する代わりに、本発明はこの光をコントラストのためにより好適な角度で提供する。

図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃのコントラストプロットを再度参照すると、最大コントラスト領域２４として示されている最良のコントラストは、多くの場合、垂線から測定可能に傾斜している角度の光に対して達成されることが指摘されている。ある範囲の電圧バイアス状態の下では、ＬＣデバイス１４に関し、最大コントラストが提供される入射光の角度は、典型的に垂線から約１０度より大きい角度であり得る。図３を参照すると、例えばＣＬＡＲＥＸ（登録商標）高散乱光透過（ＨＳＯＴ）バックライトなどの、テーパー形の光ガイドプレート３２を有するディスプレイ３０が示されている。例えば冷陰極蛍光ライト（ＣＣＦＬ）などの光源２６は光ガイドプレート３２に入射する照明源を提供する。光ガイドプレート３２から放射される光は、この光の半値全幅（ＦＷＨＭ）輝度がほぼこの光に対する中心光線２２の周りで約＋／−１０度以内であるように、実質的に平行化される。図３に示されているとおり、光ガイドプレート３２からの中心光線２２は傾斜角θ_１をなす。この光はその後、本実施形態では転換フィルムとも呼ばれる、光方向転換フィルム３４に進む。光方向転換フィルム３４は中心光線２２を方向転換し、傾いた入射角θ_２でＬＣデバイス１４に入射する、光方向転換された光の中心光線２３を提供する。本明細書での説明の目的のために、光方向転換フィルム３４からの光の出力角度は、この光がＬＣデバイス１４に入射するので、入射角θ_２と呼ばれる。光方向転換フィルム３４を通過する光もまた、入射角θ_２のこの光に対する半値全幅（ＦＷＨＭ）輝度がほぼ、この中心光線２３の周りで約＋／−１０度以内であるように、実質的に平行化される。垂直軸Ｎに対して傾いた入射角θ_２のこの光方向転換された平行光はその後、ＬＣデバイス１４により調節される。調節された光はその後、拡散体１６に進み、より広い範囲全体にわたり視野角を拡大する。

本発明の光方向転換フィルム３４は好ましくは、柔軟性のある透明な材料から製造され、最も好ましくは高分子材料から製造される。高価ではなく高い光透過特性を有する多数の好適なポリマーが存在する。好適な材料には、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、セルロースエステル、ポリスチレン、ポリビニル樹脂、ポリスルホンアミド、ポリエーテル、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリウレタン、ポリフェニレンスルフィド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアセタール、ポリスルホネート、ポリエステルイオノマーおよびポリオレフィンイオノマーが包含される。コポリマーおよび／またはこれらのポリマーの混合物を使用することができる。

図４は光方向転換フィルム３４の単一プリズム要素３６における光経路を示している。ピーク半角（ｐｅａｋ ｈａｌｆ−ａｎｇｌｅ）α１およびα２は等しくても、または等しくなくてもよい。ＬＣデバイス１４に提供される入射角θ_２は以下の式を用いて決定できる。

ここで、
典型的な屈折率ｎは１．４５から１．８の範囲である。
典型的な入射角θ_１は６０°から８０°の範囲である。
典型的な半角α_１およびα_２は２０°から４０°の範囲である。

下記の表は垂直方向からほぼ１０°の角度をなしている入射角θ_２を提供するいくつかの例をまとめている。

代替の実施形態
本発明で使用される方法は、照明を提供するための、光ガイドプレート３２および光方向転換フィルム３４を使用するバックライトディスプレイ装置に対して特に有利である。しかし、他の種類の表面領域光プレートおよびこれらを支持する光調整フィルムを使用する場合に、この同一の全体的な方法を適用することができる。例えば、図５は、拡散タイプのバックライトユニット１２（例えば、上述の背景技術部分で説明した輝度向上フィルムと共に使用されるバックライトユニットなど）を示している。実質的にランベルト分布の、光供給面３８からの光出力は、その後、平行性（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ）フィルム４０または他の種類の平行性要素（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）により平行化される。平行性フィルム４０上の平行性構造体４２は、図５に示されているとおり、非対称であり、垂線Ｎに対してＬＣデバイス１４への入射角θ_２をなす、中心光線２５を有する平行光を提供する。

例えば医用画像などの、特に優れたコントラストを要求する用途に関して必要なコントラスト比を達成するために、本発明では、ＬＣデバイス１４の最大コントラスト角度と、バックライトユニット１２及び例えば転換フィルムなどのユニット１２を支持する光調整フィルムからの入射照明の中心光線の角度とを、可能な限り緊密に一致させる。

図２Ａ〜２Ｃに関して示されているとおり、例えばＴＮ、面内切り替え（ＩＰＳ）、ＶＡまたはＯＣＢデバイスといった特定の種類のＬＣデバイスは、垂線から感知できるほど軸が外れている傾斜角φで入射する光に対してこの最良のコントラスト応答を有すことができる。傾斜角φは垂線から約＋／−２５度および約＋／−１０度の間であり得る。

本発明の方法は特に、傾斜角φが垂線から約＋／−１０度より大きい場合に好適である。本発明の方法は、傾斜角φの大きさが増加するに伴って価値が増す。任意の個々の場合でも、上述の背景技術部分に記されたとおり、傾斜角φは供給電圧のファクターである。本発明の技術は実質的に、傾斜角φの約＋／−５度以内である、中心光線入射角θ_２を有する平行光を提供し、ここで照明のＦＷＨＭ強度は中心光線の約＋／−１０度以内である。ＬＣデバイス１４自体の向きは、例えば、最良の角度に対して構成要素を回転することにより、用途に対して最適化できる。

ＬＣデバイスの種類およびその使用に応じて、他の種類の構成要素もまた光経路内に配置することができる。これらには、例えば、偏光子、フィルタ、補正フィルム（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｆｉｌｍ）および他の光調整構成要素が包含される。

本発明は特定の好ましい実施形態への詳細な言及により詳細に説明されているが、当業者であれば、様々な変形形態および修正形態は、本発明の範囲から逸脱することなく、上記に説明されたとおりおよび添付の特許請求の範囲に述べられているとおり、本発明の範囲内で有効であり得ることは理解される。例えば、説明された実施形態は光方向転換フィルム３４とＬＧＰ３２の組み合わせ、または平行性フィルム４０と拡散光供給面３８の組み合わせのどちらかを使用するが、他の種類の光調整構成要素を代替的にバックライトユニット１２として使用して、コントラストに対する好適な角度で光を提供することができる。

このように、垂線に対して角度的に傾斜している平行化されたバックライトを使用する液晶ディスプレイ装置を提供するための装置および方法が提供される。

平行化されたバックライトを使用するＬＣディスプレイの概略図である。 従来の平行化されたバックライトからの平行光の方向および角度の広がり示す拡大側面図である。 駆動電圧レベルにおけるＬＣデバイスに対するコントラストの図である。 駆動電圧レベルにおけるＬＣデバイスに対するコントラストの図である。 駆動電圧レベルにおけるＬＣデバイスに対するコントラストの図である。 光方向転換フィルムを用いて、本発明による、ある傾斜角の平行化された光を提供するバックライトユニットを示す概略図である。 本発明による光方向転換フィルムのプリズム構造体を通る中心光線の経路を示す概略図である。 本発明の別の実施形態による、ある傾斜角の平行化された光を提供する散乱バックライトユニットを示す概略図である。

符号の説明

１０：ディスプレイ
１２：バックライトユニット
１４：ＬＣデバイス
１６：拡散体
２０：照明の円錐体
２２：中心光線
２３：中心光線
２４：最大コントラスト領域
２５：中心光線
２６：光源
３０：ディスプレイ
３２：光ガイドプレート（ＬＧＰ）
３４：光方向転換フィルム
３６：プリズム要素
３８：光供給面
４０：平行性フィルム
４２：平行性構造体
Ｎ ：垂線
θ_１ ：角
θ_２ ：入射角
α１，α２：角
φ ：傾斜角

Claims (16)

1. （ａ）垂線から傾斜角φの入射光でその最大のコントラストを示し、傾斜角φが垂線から約＋／−１０度より大きいＬＣデバイス；および
   （ｂ）該ＬＣデバイスに対し入射角θ_２の中心光線を有する実質的に平行化された照明を提供するバックライトユニットであって、入射角θ_２が傾斜角φの約＋／−５度以内であり、かつ照明の半値全幅強度が入射角θ_２の中心光線の約＋／−１０度以内であるバックライトユニット；
   を含むディスプレイ装置。
2. ＬＣデバイスにより調節された光を拡散するために配置された拡散体をさらに含む、請求項１記載のディスプレイ装置。
3. バックライトユニットが、
   （ａ）光源；
   （ｂ）ＬＣデバイスの表面に対して第１傾斜角の平行化された光を放射するための光ガイドプレート；および
   （ｃ）前記平行化された光を入射角θ_２で傾斜角φの方向へ方向転換するための光方向転換フィルム；
   を含む、請求項１記載のディスプレイ装置。
4. バックライトユニットが、
   （ａ）少なくとも１つの光源；
   （ｂ）少なくとも１つの光源により供給される出力光を提供するための光供給面；
   （ｃ）傾斜角φの方向へ前記出力光を平行化するための平行性要素；
   を含む、請求項１記載のディスプレイ装置。
5. ＬＣデバイスが、ねじれネマチックデバイスである、請求項１記載のディスプレイ装置。
6. ＬＣデバイスが、光学補償複屈折デバイスである、請求項１記載のディスプレイ装置。
7. 傾斜角φが、垂線から約＋／−２５度と約＋／−１０度との間である、請求項１記載のディスプレイ装置。
8. 平行性要素が、非対称の光学構造体を含む、請求項４記載のディスプレイ装置。
9. 平行性要素がフィルムである、請求項４記載のディスプレイ装置。
10. ＬＣデバイスが、垂直方向に配列されたデバイスである、請求項１記載のディスプレイ装置。
11. ＬＣデバイスが、面内切り替えデバイスである、請求項１記載のディスプレイ装置。
12. （ａ）垂線から傾斜角φの入射光で最大のコントラストを示し、傾斜角φが垂線から約＋／−１０度より大きいＬＣデバイスを提供する工程；及び
    （ｂ）傾斜角φの約＋／−５度以内の、ＬＣデバイスに対し入射角θ_２の中心光線を有する、入射光として実質的に平行化された照明をＬＣデバイスへ方向付ける工程であって、前記照明の半値全幅強度が入射角θ_２の前記中心光線の約＋／−１０度以内であること；
    を含む、画像を形成する方法。
13. ＬＣデバイスを提供する前記工程が、ねじれネマチックＬＣデバイスを提供する工程を含む、請求項１２記載の方法。
14. 傾斜角φが、垂線から約＋／−１０度と、垂線から＋／−２５度との間である、請求項１２記載の方法。
15. 実質的に平行化された照明を方向付ける工程が、光ガイドプレートとＬＣデバイスとの間に光方向転換フィルムを配置する工程を含む、請求項１２記載の方法。
16. 実質的に平行化された照明を方向付ける工程が、光供給面とＬＣデバイスとの間に平行性フィルムを配置する工程を含む、請求項１２記載の方法。

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