JP2009080214A

JP2009080214A - 液晶表示装置

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Publication number: JP2009080214A
Application number: JP2007248255A
Authority: JP
Inventors: Kazushi Nagato; 一志永戸; Tsutomu Hasegawa; 励長谷川; Seijitsu Oka; 青日大岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2009-04-16
Also published as: US20090079911A1

Abstract

【課題】白の反射率を増加させ、コントラスト及び視野角の低下をできるだけ小さく抑制することができる液晶表示装置を提供することにある。
【解決手段】液晶表示装置においては、第１及び第２の基板間に光散乱性の液晶から構成される液晶層が保持されている。第２の基板下には、第１方向に沿って延出され、第２方向に沿って配置されたプリズム体から構成される第１のプリズムアレイが配置されている。また、第１のプリズムアレイ下には、第２方向に沿って延出され、第１方向に沿って配置されたプリズム体から構成される第２のプリズムアレイが配置されている。第１及び第２のプリズムアレイは、頂角の和が１８０度から２４０度の範囲内に定められ、その一方の頂角が９０度より大きく定められる。
【選択図】図１

Description

この発明は、明るい反射表示を実現する液晶表示装置に関する。

液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、よく知られるように、ＣＲＴディスプレイと比べると、奥行きを薄くでき場所を取らない特徴があるため、現在では家庭用、オフィスパソコン、ノートパソコン等のディスプレイの主流となっている。また、最近の携帯電話、デジカメ、デジタルビデオ、カーナビ等のモバイル機器では、ほとんどの機器で液晶ディスプレイが搭載され、綺麗なカラー画像が表示されている。

液晶ディスプレイの欠点は、周囲から入射する光線が強い場合には輝度やコントラストが減少し、見にくい画像になってしまうことである。液晶ディスプレイを含む発光型或いは透過型ディスプレイは、自ら光を放っており、自ら光るタイプのディスプレイでは、周辺から光線が液晶ディスプレイに入射する場合には、画質が大きく劣化する虞がある。従って、液晶ディスプレイでは、周囲から入射する光線に負けないための、高輝度（１０００ｃｄ／ｍ^２）で高コントラスト比（１０００：１）に設計することが必要になっている。

一方、通常のオフィス作業で我々が取り扱う書類では、照明で照らされて反射光線の輝度は、せいぜい２５０ｃｄ／ｍ^２、コントラストは１０：１程度である。これらの反射原稿は、周囲からの光線を反射するものであり、周囲からの入射光線に従って反射光線の光量が変化し周囲が明るいほど見易くなる。発光型・透過型のディスプレイは、反射型原稿と比較すると極端に高輝度・高コントラストであるため、長時間の作業では目の疲労、場合によってはディスプレイ症候群などを発症する場合もある。

このような背景から、ＯＡ用のパソコンのディスプレイ或いは明るい場所で使用するモバイル機器のディスプレイとしては、反射型のディスプレイが望まれている。携帯電話の一部では、液晶の一部を反射型にして、明るい場所でも見えるようにしているものもある。反射型のディスプレイとしては、現在までに様々な発表がなされているが、その一例としてポリマー分散型液晶（Polymer Dispersed Liquid Crystal以下省略して単に“ＰＤＬＣ”と称する。）がある。

ＰＤＬＣにおいては、ＩＴＯ電極が形成された上側のガラス基板及び同様にＩＴＯ電極が形成された下側のガラス基板との間に、高分子中に分散された液晶微粒子が薄膜内に保持されている構造を備えている。通常、このように液晶微粒子が高分子中に分散された状態では、液晶は配向していないため、液晶分子は、様々な方向を向けられ、外部から光線が入射されている場合には、入射光線は、ＰＤＬＣ内で散乱される。ＩＴＯ電極間に駆動電源が接続されて電圧が印加されると、印加電界で液晶分子が配向される。従って、外部から来た光線は、ＰＤＬＣ内で散乱されること無く、ＰＤＬＣ内を透過される。透過した光線は、下側のガラス基板背面の薄い空気層を通過して、ＰＤＬＣの背面に設置されている光吸収体に向けられている。このような構造のＰＤＬＣにおいては、光線がＰＤＬＣ内で散乱される散乱状態では、白が観察され、光線がＰＤＬＣを透過する透過状態では、背面の光吸収体の色が観察されることとなる。

この様なＰＤＬＣでは、高分子中に分散している液晶の小粒子に電界が加えられて液晶が配向される。液晶は、光シャッターとして用いられ、散乱-非散乱状態が切り換えられることから、原理的に偏光板が必要無いことを特徴としている。偏光板が必要な液晶では、偏光板により透過する光線が制限され、２枚の板の間に液晶を挟みこんで液晶を支持しているため、入射する光量の半分以上が吸収されてしまう問題がある。これに対し、ＰＤＬＣでは偏光板、配向板を使用しないことで光量の吸収が大幅に減少するため明るい画面が得られる。従って、外部からの光線を取り込んで表示する反射型ディスプレイへの応用が考えられている。

ＰＤＬＣ層を反射型ディスプレイに使用し、高い反射率、即ち、明るい白を表示したい場合には、後方散乱の量を多くする必要がある。しかし、反射型ディスプレイを構成する場合には、後方散乱による白が薄くしかも下地が透けてしまう現象が生ずる問題がある。

この問題を避けるために、基板裏側に鏡面を設けてＰＤＬＣ層を抜けた光線を再び全て後方へと反射させて、白色の明るさを改善すること提案されている。しかし、この方法では、任意の色を出すことができない問題がある。つまり、ＰＤＬＣ層の裏側を鏡面にするために、明るい白の表示は可能であるが、ＰＤＬＣ層が透明になった場合には、裏の鏡面が見え、メタリックな銀と白の表示になってしまう問題がある。

ＰＤＬＣ層の後方散乱を増加させる反射型ディスプレイとして、特許文献１に開示されているようにＰＤＬＣ層の後方にプリズムアレイを設置する構造が知られている。この構造の反射型ディスプレイでは、前方散乱した光線の一部がプリズムアレイで全反射され、後方散乱されてＰＤＬＣ層に戻され、後方散乱される光線量を増加させている。また、より反射率を増加させる方法としては、プリズムアレイを更に一枚重ねて直交配置することで更に大きな反射率を得ることが想定される。しかし、プリズムアレイの枚数を増やすほど、黒レベルの反射率も大きくなり、コントラストが減少される虞がある。更に、プリズムアレイを使用することによる、視野角が減少してしまう虞もある。
特開平９−１５２５９８

以上述べてきた様に、ＰＤＬＣを使用した反射型ディスプレイでは、前方散乱が少なく明るい白が得られない問題がある。これに対し、ＰＤＬＣ層の裏側にプリズムアレイを設置する構造では、後方散乱を増加させて白の反射率を新聞紙程度の５０％以上まで増加させることが可能となる。しかし、プリズムアレイを使用したことにより、コントラストや視野角の低下を招いてしまう問題もある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされてものであり、その目的は、プリズムアレイを用いて白の反射率を増加させ、コントラスト及び視野角の低下をできるだけ小さく抑制することができる液晶表示装置を提供することにある。

この発明によれば、
液晶駆動用の第１電極を設けた第１面を有する第１基板と、
前記第１電極に対向する第２電極を設けた第２面を有する第２基板と、
前記第１及び第２基板間に保持された光散乱性の液晶から構成される液晶層と、
前記第２基板の前記第２面に対抗する面側に配置され、第１方向に沿って延出される第１のプリズム頂部を有し、前記第１方向に交差する第２方向に沿って配置された複数のプリズム体から構成され、前記第１のプリズム頂部が第１の頂角を有する第１のプリズムアレイと、
前記第１のプリズムアレイ下に配置され、前記第２方向に沿って延出される第２のプリズム頂部を有し、前記第１方向に沿って配置された複数のプリズム体から構成され、前記第２のプリズム頂部が第２の頂角を有する第２のプリズムアレイと、
前記第２のプリズムアレイ下に配置された入射された光線を吸収する光吸収層とを有し、
前記第１及び第２の頂角の和が１８０度以上、且つ、２４０度以下に定められ、前記第１及び第２の頂角の一方が９０度より大きいことを特徴とする液晶表示装置が提供される。

この発明の液晶表示装置においては、ＰＤＬＣ層の裏側に２枚のプリズムアレイが設けられることで、白の反射率を新聞紙並みに増加させている。また、２枚のプリズムアレイの頂角を最適に設定して、白の反射率をある程度維持しながら、高いコントラストと広い視野角を実現することができる。このような液晶表示装置では、明るい白を表現でき、見やすい反射型の液晶表示装置を実現することができる。

以下、必要に応じて図面を参照しながら、この発明の一実施の形態に係る液晶表示装置を説明する。

［第１の実施の形態]
この発明の第１の実施の形態に係るＰＤＬＣを使用した反射型ディスプレイについて詳細に説明する。

図１（ａ）及び（ｂ）は、この発明の第１の実施の形態に係るＰＤＬＣ及びプリズムアレイを組み合わせた反射型ディスプレイの基本構造を示している。図１(ａ)は、プリズムアレイを背面に備えたＰＤＬＣディスプレイを示す斜視図であり、図１(ｂ)は、図１（ａ）に示したディスプレイの構造を示す断面図である。

図１（ａ）及び（ｂ）に示されるように、ＰＤＬＣディスプレイは、液晶駆動用のＩＴＯ電極が形成された上側のガラス基板１０及びこのガラス基板１０に間隙を空けて対向配置され、同様にＩＴＯ電極が形成された下側のガラス基板１２を備えている。ガラス基板１０、１２間の間隙には、高分子中に液晶微粒子が分散されたＰＤＬＣ層１１が保持されている。ＰＤＬＣ層１１の後方散乱を増加させるために、図１に示す様にＰＤＬＣ層の後方、即ち、下側のガラス基板１２の背面に第１のプリズムアレイ１３が設けられ、この第１のプリズムアレイ１３の背面に第１のプリズムアレイ１３の頂部１５に交差するように配置された頂部１６を有した第２のプリズムアレイ１４が設けられている。第２のプリズムアレイ１４の背面に光吸収層１７が設けられている。ガラス基板１０、１２のＩＴＯ電極は、図１（ｂ）に示すように液晶駆動源１８に接続されている。液晶駆動源１８がオフ状態にある場合には、後に説明するように外部から入射される光線を前方散乱並びに後方散乱させて液晶ディスプレイに白色表示させている。また、液晶駆動源１８がオンされるオン状態では、ＩＴＯ電極間のＰＤＬＣ層１１に電界を印加して液晶に配向を与えて外部から入射される光線を透過して光吸収層１７に向けている。従って、液晶ディスプレイには、黒表示、或いは、光吸収層１７の色が表示される。

第１及び第２のプリズムアレイ１３は、複数のプリズム体が配列されて一体化されて構成されている。第１のプリズムアレイ１３は、プリズム体の頂部１５が第１方向Ｄ１に延出され、複数のプリズム部が第１方向Ｄ１に交差する第２方向Ｄ２Ｄ２、好ましくは、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２に配列されている。同様に、第２のプリズムアレイ１４は、プリズム体の頂部１６が第２方向Ｄ２に延出され、複数のプリズム部が第１方向Ｄ１に配列されている。

図１に示される配置では、第１のプリズムアレイ１３のプリズム体の頂部１５が下側のガラス基板１２の背面に接触されている。第２のプリズムアレイ１４のプリズム体の頂部１６が第１のプリズムアレイの底面に接触させている。第２のプリズムアレイ１４の底面には、光吸収層１７が設けられている。この２枚のプリズムアレイ１３、１４が下側のガラス基板１２の背面に設けられることによって、ディスプレイにおける白の反射率を大きく増加することができる。
第１のプリズムアレイ１３の頂部１５は、頂角θ１を有し、第２のプリズムアレイ１４の頂部１６は、頂角θ２を有している。ここで、下記に説明されるように、第１プリズムアレイ１３の頂角θ１及び第２のプリズムアレイ１４の頂角θ２の和（θ１＋θ２）が１８０度以上且つ２４０度以下に定められている。第１プリズムアレイ１３の頂角θ１或いは第２のプリズムアレイ１４の頂角θ２のいずれか一方が９０度より大きく定められている。好ましくは、第１のプリズムアレイ１３の頂角θ１は、９０度以上に定められている。

以下に、比較例１、２及び３を参照しながら、第１及び第２のプリズムアレイ１３，１４が下側のガラス基板１２の背面に設けられ、それらの頂角θ１、θ２の組み合わせが上述した範囲に最適化されることによって反射率は高く維持したままで、視野角をできるだけ大きくし、且つ、コントラストをできるだけ大きくすることができる根拠について説明する。

［比較例１］
図２（ａ）及び（ｂ）は、第１の比較例に係るプリズムアレイを備えていない反射型ディスプレイを示している。始めに、この図２（ａ）及び（ｂ）を参照してプリズムアレイ１３、１４が設けられる技術的背景に関して説明する。図２（ａ）及び（ｂ）の説明において、比較例１に係る液晶表示装置は、プリズムアレイ１３、１４が設けられていない点においてこの発明の実施の形態に係る液晶表示装置と相違するが、他の構成要素に関しては、実質同一であるので、この発明の実施の形態に係る液晶表示装置の説明の一部をなすものとする。

始めに、ＰＤＬＣにおける散乱について図２（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。図２（ａ）は、電圧が印加されないオフ状態におけるＰＤＬＣ内における入射光線の散乱を示し、図２（ｂ）は、電圧が印可されるオン状態におけるＰＤＬＣを入射光線が透過して透明となる様子を示している。

図２（ａ）及び（ｂ）に示されるように、ＰＤＬＣには、外部の様々な方向から光線ＬＲ１〜ＬＲ３が上側のガラス基板１００及びこの基板１００に形成されたＩＴＯ電極１０３を介してＰＤＬＣ層（ポリマー分散型液晶層）１０１に入射される。ＰＤＬＣ層１０１では、高分子中に液晶微粒子１０２が分散されている
駆動電源１０８がオンされてＩＴＯ電極１０３、１０４間に電圧が印加された状態では、図２（ｂ）に示すように液晶微粒子１０２、即ち、液晶分子が配向され、光線ＬＲは、ＰＤＬＣ層（ポリマー分散型液晶層）１０１、ＩＴＯ電極１０４、このＩＴＯ電極１０３が形成された上側のガラス基板１０５、空気層１０７を通過してＰＤＬＣの背面に設置されている光吸収体１０６に達し、この光吸収体１０６に吸収される。従って、背面の光吸収体の色が外部から観察される。

駆動電源１０８がオフの状態では、図２（ａ）に示すように液晶微粒子１０２は配向されないため液晶分子は様々な方向に向けられ、外部からの入射光線ＬＲ１〜ＬＲ３は、散乱され、この散乱状態では、白が観察されるはずであるが次のような理由で光吸収層１０６の色が透けて見えることとなる。この入射光線ＬＲ１〜ＬＲ３には、液晶微粒子１０２で散乱されるが、そのままＰＤＬＣ層１０１を通過してしまう光線ＬＲ１がある。このような散乱は、前方散乱と称せられている。これに対して、符号ＬＲ２が付された光線の様に、液晶微粒子１０２で散乱されて入射側に射出される散乱光ＬＲ２がある。このような散乱は、後方散乱と称せられている。更に、符号ＬＲ３で示されるように、前方散乱でＰＤＬＣ層１０１を通過するが、ＩＴＯ電極１０３が設けられたガラス基板１０５とこのガラス基板１０５の背後の空気層１０７の界面で全反射され、或いは、光吸収層１０６で表面反射されて、再び入射側へ向けられ、ＰＤＬＣ外に射出される後方散乱もある。実際のＰＤＬＣでは、これら散乱が複雑に関わりながら、散乱が生じているが、結果として、ＰＤＬＣ層１０１を通過する光線ＬＲ１に基づく前方散乱及びＰＤＬＣ層１０１の入射側へ戻される光線ＬＲ２、ＬＲ３に基づく後方散乱とに分かけられ、他の光線は、ＰＤＬＣ層１０１で吸収される。

ＰＤＬＣ層１０１が反射型ディスプレイに使用され、高い反射率、即ち、明るい白を表示したい場合には、後方散乱の量を多くする必要がある。前方散乱で反対側に光線が抜け出る場合には、光吸収層１０６の色が透けて見えることとなる。ＰＤＬＣ層１０１での散乱は、主として前方散乱であるが、ＰＤＬＣ層１０１が反射型ディスプレイに用いられる場合には、後方散乱によって白が薄くしかも下地が透けてしまう現象等が観測される。

この現象を避けるために、基板裏側を鏡面にすることにより、ＰＤＬＣ層１０１を抜けた光線が再び全て後方に反射させて白色の明るさを改善する構造が提案されている。この様な構造の反射型ディスプレイにあっては、白の反射率を６０％以上の値とすることができる。しかし、この構造では、任意の色を出すことができない問題がある。即ち、ＰＤＬＣ層の裏側を鏡面にするために、明るい白の表示は可能であるが、ＰＤＬＣ層１０１が透明になった場合には裏の鏡面が見えることになり、この場合にはメタリックな銀と白の表示になってしまう問題がある。

［比較例２］
図３（ａ）及び（ｂ）は、図２に示したＰＤＬＣ層の後方に単一のプリズムアレイが配置された第２の比較例に係る反射型ディスプレイを示している。図３（ａ）は、電圧が印加されないオフ状態におけるＰＤＬＣ内における入射光線の散乱を示し、図３（ｂ）は、電圧が印可されるオン状態におけるＰＤＬＣを入射光線が透過して透明となる様子を示している。図３（ａ）及び（ｂ）に示す反射型ディスプレイでは、前方散乱した光線の一部がプリズムアレイ１０９で全反射され、後方散乱としてＰＤＬＣ層１０１に戻し、後方散乱される光線量を増加させている。ここで、プリズムアレイ１０９は、頂角９０°の直角プリズムアレイが配列されて形成されている。

駆動電源１０８がオンされてＩＴＯ電極１０３、１０４間に電圧が印加された状態では、図３（ｂ）に示すように微粒子１０２、即ち、液晶分子が配向され、光線ＬＲは、ＰＤＬＣ層（ポリマー分散型液晶層）１０１、ＩＴＯ電極１０４、このＩＴＯ電極１０３が形成された上側のガラス基板１０５、空気層１０７を通過してＰＤＬＣの背面に設置されているプリズムアレイ１０９で屈折されて光吸収体１０６に達し、この光吸収体１０６に吸収される。反射型ディスプレイを入射角が小さな垂直方向に近い方向から見た場合には、プリズムアレイ１０９を透過して下の着色層１０６を見ることとなり、背面の光吸収体の色が外部から観察される。

駆動電源１０８がオフの状態では、図３（ｂａ）に示すように液晶微粒子１０２は配向されないため液晶分子は様々な方向に向けられ、外部からの入射光線ＬＲ４、ＬＲ５は、散乱されて白が観察される。ここで、図３（ｂａ）に符号ＬＲ４、ＬＲ５で示される光線軌跡は、前方散乱される光線の進み方を示している。

図３（ａ）に示されるように、前方散乱した光線ＬＲ４、ＬＲ５は、ＰＤＬＣ層１０１を通過してＩＴＯ電極１０３及びガラス基板１０５を透過し基板１０５の背面に向けられる。この通過してきた前方散乱光線ＬＲ４、ＬＲ５は、空気層１１０を介して、プリズムアレイ１０９を構成する個々のプリズムアレイに進入される。

符号ＬＲ５が付された光線のように、プリズムアレイへの入射角が大きな前方散乱光線は、図３（ａ）に示すようにプリズムアレイ１０９をも通過してプリズムアレイ１０９背後の空気層１０７を介して光吸収層１０６に向けられ、この光吸収層１０６で吸収される。これに対して、図３（ａ）に符号ＬＲ４が付された前方散乱光線のように、プリズムアレイ１０９への入射角が大きな光線にあっては、プリズムアレイ１０９とプリズムアレイ１０９の裏側の空気層１０７の境界面で全反射され、全反射した光線は、再びＰＤＬＣ層１０１に戻されて再散乱される。即ち、前方散乱でＰＤＬＣ層１０１を抜け出した光線も、その一部は、再びＰＤＬＣ層１０１に戻されて後方散乱に寄与することになる。この様にＰＤＬＣ層１０１の背面に、プリズムアレイ１０９を設けることで、後方散乱の光線量を増加させて、白の反射率を増加させている。

［比較例３］
図３（ａ）及び（ｂ）に示すプリズムアレイ１０９に更にもう一枚のプリズムアレイ１０９を直交配置して重ね合わせてより大きな反射率を得る構造を想定することができる。ここで、追加されるプリズムアレイ１０９にも、頂角９０°の直角プリズムアレイが配列されているものとする。

図４には、ＰＤＬＣ層１０１の厚さを変化させた場合におけるプリズムアレイ１０９の枚数、白の反射率及び着色層（黒）の反射率との関係を示している。図４において、符号Ｗは白レベルの曲線Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４の反射率を示し、符号Ｂは黒レベルの曲線Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４の反射率を示している。曲線Ｇ１は、厚さ４０μｍのＰＤＬＣ層における白レベルＷ及び黒レベルＢの反射率の変化を示し、曲線Ｇ２は、厚さ３０μｍのＰＤＬＣ層における白レベルＷ及び黒レベルＢの反射率の変化を示し、曲線Ｇ３は、厚さ２５μｍのＰＤＬＣ層における白レベルＷ及び黒レベルＢの反射率の変化を示し及び曲線Ｇ４は、厚さ１５μｍのＰＤＬＣ層における白レベルＷ及び黒レベルＢの反射率の変化を示している。また、図４のグラフの横軸は、夫々プリズムアレイ１０９が設けられていないプリズムアレイ無しＰ０の液晶表示装置における測定、１つのリズムアレイ１０９が設けられているプリズムアレイ１枚Ｐ１の液晶表示装置における測定及び２枚のリズムアレイ１０９が設けられているプリズムアレイ２枚Ｐ２の液晶表示装置における測定を示している。図４には、新聞の白レベルＰＷ及び新聞の黒レベルＰＢが比較の為に破線で示されている。

図４に示す曲線Ｇ１〜Ｇ４からＰＤＬＣ層１０１が厚いほど、白の反射率は高くなることが理解される。また、プリズムアレイ１０９を使用しない場合とプリズムアレイ１０９を使用する場合と比較すると、プリズムアレイ１０９を使用した場合には、反射率の増加は格段と大きくなることが判明する。プリズムアレイ１０９を２枚使用した場合には、新聞紙の白レベルＰＷに相当する約５０％の反射率をも超えることができる。

しかし、同時にＰＤＬＣ層１０１が厚い（Ｇ４＞Ｇ１）ほど、また、プリズムアレイの枚数を増やす程、黒レベルの反射率も大きくなる。表示装置の性能を評価する１つにコントラストがあり、コントラストは、白レベルＷの反射率の黒レベルＢの反射率に対する比であり、黒レベルＢの反射率の変化がコントラストに大きく影響する。即ち、ＰＤＬＣ層１０１が厚く、プリズムアレイ１０９の枚数が多い時には、場合によっては黒レベルＢの反射率が増加するため、コントラストの減少を生ずる場合もある。更に他の問題として、プリズムアレイ１０９を使用することによる、視野角が減少する問題も生ずる。図２（ａ）に示されるように、ブリズムアレイ１０９を使用する場合には、全反射を利用して白の反射率が増加される。図２（ｂ）に示されるように、電圧を印加して垂直に近い方向から見た場合には、下の着色層を見ることができるが、斜め方向から見ると全反射を生じてしまう。全反射を生ずる角度が視野角に相当しており、プリズムアレイ２枚使用した場合には、視野角は左右上下とも±２５度程度まで減少してしまう問題がある。

このような背景から、図１（ａ）及び（ｂ）に示されるこの発明の実施の形態に係る液晶表示装置においては、第１のプリズムアレイ１３におけるプリズムアレイ頂部１５の頂角θ１及び第２のプリズムアレイ１４におけるプリズムアレイ頂部１６の頂角θ２の組み合わせを最適化している。即ち、第１のプリズムアレイの頂角（θ１）と第２のプリズムアレイの頂角（θ２）の和（θ１＋θ２）が１８０度以上、且つ、２４０度以下で、第１プリズムアレイの頂角（θ１）或いは第２のプリズムアレイの頂角（θ２）のいずれか一方が９０度より大きくなるように最適化している。この最適化に基づき、下記に説明するように、白レベルの反射率はある程度維持しながら、高いコントラストと広い視野角を実現することができる。

図５は、図１に示す第１のプリズムアレイ１３の頂部１５の頂角θ１及び第２のプリズムアレイ１４の頂部１６の頂角θ２の組み合わせを変化させた場合における、白レベルの反射率、黒レベルの反射率及びコントラストをプロットしグラフＷＲ、ＢＲ及びＣｔを示している。
第１のプリズムアレイ１３の頂角θ１と第２のプリズムアレイ１４の頂角θ２は、夫々６０度・９０度・１２０度の３種類を作製して、合計９種類の組み合わせの実験を行った。図５に示すグラフＷＲ、ＢＲ及びＣｔから明らかなように、頂角θ１、θ２の組み合わせによって白反射率、黒反射率、及びコントラストの値は大きく変化してしまった。白の反射率は大きなほど、黒反射率は小さなほど、コントラストは大きなほど特性の良いことを示している。各頂角θ１、θ２の組み合わせに対して、(1)〜(9)の数字を対応させている。
図５からは第１のプリズムアレイ１３の頂角θ１の変化と、第２プリズムアレイ１４の頂角θ２の変化の、白反射率ＷＲ・黒反射率ＢＲ・コントラストＣｔへの影響を考えると、第１のプリズムアレイ１３の頂角θ１の影響が大きいことがわかる。白の反射率ＷＲに関しては、二枚のプリズムアレイ１３、１４を使用することでほぼ５０%前後を維持している。しかし黒の反射率ＢＲに関しては、第１のプリズムアレイ１３の頂角θ１によって影響を受け、頂角θ１が小さいほど黒の反射率ＢＲは大きくなっている。コントラストＣｔは、白の反射率ＷＲを黒の反射率ＢＲで割ったものであるので、白の反射率変化ＷＲよりも０に近い黒の反射率変化ＢＲがコントラストＣｔに大きく影響する。図５から明らかなように、黒の反射率ＢＲは、第１プリズムアレイ１３の頂角θ１に大きく影響を受けている。そのためコントラストＣｔを計算すると、図５に示すようにこちらもほとんど第１プリズムアレイ１３の頂角θ１に大きく影響を受けている。つまり第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が大きくなるほど、コントラストが大きくなる傾向がある。
反射型ディスプレイとしては、コントラストＣｔが大きく、白の反射率ＷＲが大きい、即ち、明るいディスプレイが理想的である。コントラストＣｔの基準値としては、新聞紙のコントラスト程度である７を基準とする。図５から判明することは、第２プリズムアレイ１４の頂角θ２に関わらず、第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が６０度ではコントラストＣｔは非常に小さい。これに比べて第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が１２０度では、第２のプリズムアレイ１４に関係なくコントラスＣｔが７以上とすることができる。第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が９０度の場合には、コントラストＣｔは、第２のプリズムアレイ１４の影響を大きく受け、コントラストＣｔが７以上とすることができるのは、第２プリズムアレイ１４の頂角θ２が１２０度以上の場合である。
図５から反射型ディスプレイとして高いコントラストと反射率を実現できるのは、第１プリズムアレイ１３の頂角が９０度以上であること、そして第１プリズムアレイ１３の頂角θ１と第２のプリズムアレイ１４の頂角θ２の和は１８０度以上が必用なことがわかる。また、第１プリズムアレイ１３の頂角θ１と第２のプリズムアレイ１４の頂角θ２が供に９０度では、やはりコントラストＣｔが７以上にならない。そこで、第１プリズムアレイ１３の頂角θ１と第２のプリズムアレイ１４の頂角θ２の一方は、９０度より大きな必要がある。
図２からわかるように白の反射率に関しては、第１プリズムアレイ１３と第２のプリズムアレイ１４の和（θ１＋θ２）が２００度程度にならない限り、５０％付近の値で大きな変化は無い。第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が９０度、６０度、１２０度の順に白の反射率が少しずつ低くなっている。これに対して、第２のプリズムアレイ１４に関しては、同じ第１プリズムアレイ１３の頂角θ１に対して、６０度、９０度、１２０度の順に白の反射率が少しずつ低くなっている。一方黒の反射率ＢＲは、第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が６０度、９０度、１２０度の順に低くなっている。また、第２のプリズムアレイ１４に関しても、同じ第１プリズムアレイ１３の頂角θ２に対して、６０度、９０度、１２０度の順に黒の反射率が少しずつ低くなっている。黒の反射率ＢＲに関しては、主として第１プリズムアレイ１３の頂角θ１の影響を大きく受けていることがわかる。コントラストＣｔは、白の反射率ＷＲを黒の反射率ＢＲで割ったものなので、黒の反射率ＢＲの影響を受けやすい。つまり、コントラストＣｔは第１プリズムアレイ１３の頂角θ１の影響を大きく受けることになる。従って、第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が９０度より大きいことが好ましこととなる。
図６を参照して、第１プリズムアレイ１３の黒の反射率ＢＲへの影響が大きな理由を説明する。破線で示した様なプリズムアレイ２０への入射光２１は、プリズムアレイ斜面２２で屈折してプリズムアレイ２０の内部を進んでゆく。プリズムアレイ底面２３まで進んだ光線は、ここでも屈折し、破線で示した様に外へと出てゆく。プリズムアレイへ２０の入射角θがある程度大きくなった場合には、図６に実線で示すようにプリズムアレイ底面２３で全反射して、図６に示すような経路で再びプリズムアレイ２０の外側へと出て行く。この全反射になる入射角度は、プリズムアレイの頂角が大きいほど大きくなり、例えば、頂角θが６０度の場合には、３３度、頂角θが９０度では４０度、１２０度では５８度となる。黒の反射率ＢＲが低くなり十分に濃い黒を表現するためには、プリズムアレイ２０に入射した光線がその裏側にある黒の着色層まで到達する必要がある。つまり、プリズムアレイ２０が第１プリズムアレイ１３に相当すると仮定すると、第１プリズムアレイ１３で全反射する光線が多くなると、それだけ下側（第２プリズムアレイ１４の側）へと抜ける光線の量が少なくなってしまう。上述の様に頂角θが６０度の場合には３３度で、頂角θが９０度では、４０度で、頂角θが１２０度では５８度で全反射を生ずるため、頂角θが１２０度の場合には、頂角θが６０度の場合の二倍近い範囲の光線が下側へと通過することができる。つまり、第１プリズムアレイ１３を光線が通過する際に、第１プリズムアレイ１３の頂角θ１の角度によって、下側に抜ける光線の量に大きな差ができてしまうのである。

尚、第１プリズムアレイ１３と第２のプリズムアレイ１４の頂角の和が２４０度では、黒の反射率ＢＲがかなり小さくなるため、コントラストＣｔとしては十分な値を得られているが、白の反射率ＷＲは４５％程度まで減少し、新聞紙よりも暗くなってしまっている。これ以上角度を大きくした場合には、黒が濃くなるので更なるコントラストＣｔの上昇は望めるが、更に白の反射率ＷＲが減少してしまっている。従って、明るい反射型ディスプレイを実現するためには、これ以上角度を大きくすることは避けるべきであり、第１プリズムアレイ１３と第２のプリズムアレイ１４の頂角θ１，θ２の和（θ１＋θ２）は２４０度が上限となる。

次に視野角に関しての説明を行う。図７は、図５の測定データを書き換えたものであり、○印が第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が９０度である場合及び△印が第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が１２０度の場合の白反射率ＷＲ・黒反射率ＢＲ、コントラストＣｔの第２プリズムアレイ１４の頂角θ２に対する依存性を示したグラフである。この図７は、図５と同様に、第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が９０度で第２プリズムアレイ１４の頂角θ２が１２０度の場合に、白反射率ＷＲ、黒反射率ＢＲ、コントラストＣｔがもっとも最適化された状態になっていることがわかる。この第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が９０度の条件で第２プリズムアレイ１４の頂角θ２を様々に変化させて、視野角の測定を行った測定データが図８に示されている。第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が９０度、第２プリズムアレイ１４の頂角θ２が６０度の場合の視野角は、２０度も得られてなく、少し斜めから見ると全反射のために、黒が見えるはずのところが銀色に見えてしまう。第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が９０度で、第２プリズムアレイ１４の頂角θ２も９０度の場合には、視野角はやや広くなり４０度程度となる。第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が９０度で、第２プリズムアレイ１４の頂角θ２が１２０度の場合には、視野角は更に広くなり６０度程度となる。つまり今回の実験から得られることは、第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が９０度で、第２プリズムアレイ１４の頂角θ２が１２０度の場合が、白の反射率ＷＲもほぼ満足できる値で、コントラストＣｔは、ほぼ最高値また視野角も６０度と十分に広く、最良の組み合わせであることがわかった。従って、第１の頂角が９０度から１２０度の範囲内に定められ、第２の頂角が９０度から１２０度の範囲内に定められることが好ましく、第１の頂角が９０度に定められ、第２の頂角が１２０度に定められ、或いは、第１の頂角が１２０度に定められ、第２の頂角が９０度に定められることがより好ましい。

次に図９（ａ）及び（ｂ）を参照して、例えば第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が６０度及び第２プリズムアレイ１４の頂角θ２が１２０度の場合と順番が逆で、第１プリズムアレイ３の頂角θ１が１２０度及び第２プリズムアレイ１４の頂角θ２が６０度の場合とで反射率が異なる理由について説明する。本来純粋に順番が変わっただけでは、光線追跡から考えると反射率に差は生じないはずである。実際に測定した反射率に差が生ずる原因は解析できてないが、定性的には２つの原因が考えられる。１つはプリズムアレイ１３，１４内部でのロスが原因であり、もう１つはどちらのプリズムアレイ１３，１４でより多くの全反射を行うのかに起因していると思われる。図９（ａ）に示す様に、第１のプリズムアレイ１３の頂角θ１が小さく、第２のプリズムアレイ１４の頂角θ２が大きな場合には、図９（ａ）に示すようにある方向から入射した光線は、第１のプリズムアレイ１３の下面で全反射を生じて、再び第１のプリズムアレイ１３から出射されてくる。これに対して図９（ｂ）に示す様に、第１のプリズムアレイ１３の頂角θ１が大きく、第２のプリズムアレイ１４の頂角θ２が小さな場合には、図９（ａ）に示した角度と同じ入射角の光線に対しては、第１プリズムアレイ１３を透過して第２プリズムアレイ１４に入射し、第２プリズムアレイ１４の下面で全反射して図示したような経路で再び第１のプリズムアレイ１３から出射されてくる。結果的には全反射して戻ってくるのであるが、経路に関しては図示した様に大きく異なっている。図９（ｂ）の様に経路が長くなると、プリズムアレイ内部でのロスも大きくなるが各媒体の境界面で生ずる、表面反射などによるロスも大きくなってしまう。このために第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が６０度・第２プリズムアレイ１４の頂角θ２が１２０度の方が、第１プリズムアレイ１３の頂角θ１が１２０度・第２プリズムアレイの頂角θ２が６０度の場合と比較して反射率が大きくなる一因でもある。

以上のように、この発明の液晶表示装置によれば、白の反射率を増加させ、コントラスト及び視野角の低下をできるだけ小さく抑制することができる。

（ａ）及び（ｂ）は、この発明の実施の形態に係る液晶表示装置の構造を概略的に示す斜視図及び断面図である。（ａ）及び（ｂ）は、比較例１に係る液晶表示装置の構造及び光線軌跡を概略的に示す断面図である。（ａ）及び（ｂ）は、比較例２に係る液晶表示装置の構造及び光線軌跡を概略的に示す断面図である。比較例１、比較例２及び比較例３に係る液晶表示装置における白レベル及び黒レベルでの反射率を示すグラフである。図１（ａ）及び（ｂ）に示される液晶表示装置における白反射率、黒反射率及びコントラストの測定値を示したグラフである。図１（ａ）及び（ｂ）に示される液晶表示装置において、第１プリズムアレイの頂角がコントラストに与える影響が大きいことを説明する為のプリズムアレイにおける光線の軌跡を示す模式図である。図１（ａ）及び（ｂ）に示される液晶表示装置における第１及び第２プリズムアレイの頂角と白反射率、黒反射率及びコントラストの関係を示したグラフである。図１（ａ）及び（ｂ）に示される液晶表示装置における第２プリズムアレイの頂角と視野角の関係について示すグラフである。図１（ａ）及び（ｂ）に示される液晶表示装置におけるプリズムアレイの並べ方の順序で反射率が変化することを説明為の組み合わせプリズムアレイにおける光線の軌跡を示す模式図である。

符号の説明

１０、１２．．．ガラス基板、１１．．．ＰＤＬＣ層、１３，１４．．．プリズムアレイ、１５，１６．．．プリズム頂部、

Claims

液晶駆動用の第１電極を設けた第１面を有する第１基板と、
前記第１電極に対向する第２電極を設けた第２面を有する第２基板と、
前記第１及び第２基板間に保持された光散乱性の液晶から構成される液晶層と、
前記第２基板の前記第２面に対抗する面側に配置され、第１方向に沿って延出される第１のプリズム頂部を有し、前記第１方向に交差する第２方向に沿って配置された複数のプリズム体から構成され、前記第１のプリズム頂部が第１の頂角を有する第１のプリズムアレイと、
前記第１のプリズムアレイ下に配置され、前記第２方向に沿って延出される第２のプリズム頂部を有し、前記第１方向に沿って配置された複数のプリズム体から構成され、前記第２のプリズム頂部が第２の頂角を有する第２のプリズムアレイと、
前記第２のプリズムアレイ下に配置された入射された光線を吸収する光吸収層とを有し、
前記第１及び第２の頂角の和が１８０度以上、且つ、２４０度以下に定められ、前記第１及び第２の頂角の一方が９０度より大きいことを特徴とする液晶表示装置。
前記第１の頂角が９０度より大きいことを特徴とする請求項１の液晶表示装置。
前記液晶層は、ポリマー分散型液晶で構成されることを特徴とする請求項１の液晶表示装置。
前記第１の頂角が９０度から１２０度の範囲内に定められ、前記第２の頂角が６０度から１２０度の範囲内に定められることを特徴とする請求項１の液晶表示装置。
前記第１の頂角が９０度から１２０度の範囲内に定められ、前記第２の頂角が９０度から１２０度の範囲内に定められることを特徴とする請求項１の液晶表示装置。
前記第１の頂角が９０度に定められ、前記第２の頂角が１２０度に定められることを特徴とする請求項１の液晶表示装置。
前記第１の頂角が１２０度に定められ、前記第２の頂角が１２０度に定められることを特徴とする請求項１の液晶表示装置。