JP2009122586A

JP2009122586A - 表示装置

Info

Publication number: JP2009122586A
Application number: JP2007299114A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kawada; 靖川田
Original assignee: Toshiba Matsushita Display Technology Co Ltd
Current assignee: Japan Display Central Inc
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2009-06-04

Abstract

【課題】広角度視野と低消費電力との両立が可能で、かつ、光学素子の特性を確保した液晶表示装置を提供する。
【解決手段】バックライトユニットからの平行光の輝度を増加させ、光学素子４の可変屈折率媒体17とレンズアレイＬにより液晶表示パネルへの光の入射角を大きくして広角度視野に対応できる。バックライトユニットからの平行光の輝度を低減させ、光学素子４の可変屈折率媒体17とレンズアレイＬにより液晶表示パネルへの光の入射角を小さくし、バックライトユニットでの消費電力を抑制して低消費電力に対応できる。広角度視野と低消費電力とを両立できる。レンズアレイＬをフレネルレンズFLによって構成することで、可変屈折率媒体17の厚み分布を均一化する。透明基板15，16間に印加する電圧によって可変屈折率媒体17に均一な電界分布を与え、光学素子４の特性を確保できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バックライトユニットからの光を変調させて透過させる表示素子を備えた表示装置に関する。

いわゆるバックライト方式と称されるカラー表示の液晶表示装置は、液晶層を介して互いに対向配置された一対の基板を備えた表示素子としての液晶表示素子である液晶表示パネルの背面に、バックライトユニットを配置して構成されている。

そして、液晶表示パネルは、その主表面において、液晶層に光透過の程度をそれぞれ独立に制御できる多数の画素がマトリックス状に配置されて表示部が構成されているとともに、この表示部にバックライトユニットからの放射光を透過できるように構成されている。

このように構成された液晶表示装置は、その長所の一つとして低消費電力が挙げられるが、さらなる低消費電力化への構成が要望されている。

一方、液晶表示装置として、近年、その表示部に対して大きな角度視野から観察しても鮮明な映像を認識でき、いわゆる広角度視野に優れたものがある。

この場合、このような液晶表示装置における広視野角での観察は、その必要時において有効となるもので、例えば少数の観察者が移動せずに前方で観察する場合には、その有効性はあまり発揮されないことになる。

このような事情に基づき、バックライトユニットの輝度を、バックライトユニットと液晶パネルの間に配置された光学素子の散乱特性によって可変にするなどして、低消費電力と広角度視野の両立を図った液晶表示装置が提案されている(例えば、特許文献１参照。)。
特開２００６−１４０１２６号公報

しかしながら、上述の表示装置では、光学素子の散乱性によってのみバックライトユニットから液晶パネルに入射する光の輝度と配光を制御しているため、不必要な方向への配光も同時に生じ、充分な低消費電力設計が容易でないなどの問題点を有している。

これに対し、レンズによる屈折効果を用いて本来必要な方向へのみ配光を制御することが考えられる。構成としては、レンズシートで液晶層を挟み込み、液晶層に電圧を印加することでレンズ〜液晶層間のインデックス(屈折率)を制御して屈折角度を可変にするもので、３Ｄ表示装置の切り換えなどにも用いられている方式である。

しかしながら、この場合、レンズシートの凹凸形状によって、挟み込まれた液晶層の厚みが変化し、液晶層に電圧を印加した時の電界強度に偏りが生じ、この電界強度の偏りによってレンズ〜液晶層間のインデックスマッチングにも偏りが生じ、レンズの屈折効果を充分に引き出せないなどの問題を有している。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、広角度視野と低消費電力との両立が可能で、かつ、光学素子の特性を確保した表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、平行光を発光し、輝度を変化させることが可能なバックライトユニットと、このバックライトユニットからの光を変調させて透過させる表示素子と、この表示素子と前記バックライトユニットとの間に設けられ、このバックライトユニットからの光の前記表示素子への入射角を変化させる光学素子とを具備し、前記光学素子は、一対の基板と、これら基板間に介在され、これら基板間に印加される電圧に対応して屈折率が変化する光変調層とを備え、前記基板の少なくとも一方は、前記光変調層側の面にフレネルレンズにより構成されたレンズアレイを有しているものである。

そして、輝度を変化させることが可能なバックライトユニットからの平行光の表示素子への入射角を可変させる光学素子を、一対の基板間に電圧に対応して屈折率が変化する光変調層を介在するとともに、少なくともいずれか一方の基板の光変調層側の面にフレネルレンズにより構成されたレンズアレイを形成して構成する。

本発明によれば、バックライトユニットからの平行光の輝度を増加させるとともに、光学素子の光変調層とレンズアレイとにより表示素子への光の入射角を大きくすることで広角度視野に対応でき、バックライトユニットからの平行光の輝度を低減させるとともに、光学素子の光変調層とレンズアレイとにより表示素子への光の入射角を小さくすることでバックライトユニットでの消費電力を抑制して低消費電力に対応できるので、広角度視野と低消費電力との両立が可能になるとともに、レンズアレイをフレネルレンズによって構成することで、光変調層の厚み分布を均一化し、基板間に印加する電圧によって光変調層に均一な電界分布を与えることができるので、光学素子の特性を確保できる。

以下、本発明の一実施の形態の表示装置の構成を図１ないし図５を参照して説明する。

図２および図３において、１は表示装置としての液晶表示装置を示し、この液晶表示装置１は、表示素子としての液晶表示素子である、いわゆるアクティブマトリクス型の液晶表示パネル２と、この液晶表示パネル２の背面に配置された面状光源装置であるバックライトユニット３と、これら液晶表示パネル２とバックライトユニット３との間に配置された光学素子４とを備え、液晶表示パネル２の表示部がマトリクス状に配置された図示しない複数の画素の集合によって構成され、それぞれの画素が、バックライトユニット３から照射され光学素子４により入射角が設定された透過光を独立して変調制御できるように構成されている。

液晶表示パネル２には、外部回路として図示しない垂直走査回路および映像信号駆動回路が備えられ、この垂直走査回路によって走査信号線のそれぞれに順次走査信号(電圧)が供給され、そのタイミングに合わせて映像信号駆動回路から映像信号線に映像信号(電圧)を供給するように構成されている。

なお、垂直走査回路および映像信号駆動回路は、液晶駆動電源回路から電源が供給されているとともに、ＣＰＵからの画像情報がコントローラによってそれぞれ表示データおよび制御信号に分けられて入力されるように構成されている。

バックライトユニット３は、光源である冷陰極線管５からの光を、導光体である導光板６および拡散板７により面状光に変換して平行光すなわちコリメート光として出射するもので、冷陰極線管５に電圧を印加する図示しないバックライトユニット制御手段としてのバックライト電源回路を備えており、このバックライト電源回路を介して冷陰極線管５に印加する電圧を制御可能に構成されている。したがって、バックライトユニット３は、バックライト電源回路によりその輝度を制御可能に構成されている。

光学素子４は、バックライトユニット３から液晶表示パネル２への光照射の配光度合いを可変させる機能を有し、その配光度合いは、パルス電源を含む光学素子制御手段としての駆動電圧印加回路11によって制御されるように構成されている。すなわち、この駆動電圧印加回路11は、光学素子４に印加する電圧を制御することで、入射角を制御可能に構成されている。そして、この駆動電圧印加回路11と上記バックライト電源回路とにより、制御手段である制御部13が構成されている。この制御部13は、バックライト電源回路と駆動電圧印加回路11とにより、バックライトユニット３の輝度の増減と光学素子４による入射角の増減とを対応、例えば線形に制御可能に構成されている。

また、光学素子４は、図１、図４および図５に示すように、液晶表示パネル２と略同じ大きさの一対の基板である透明基板15，16を備え、これら透明基板15，16間に、光変調層としての可変屈折率媒体17が配設されている。

透明基板15，16の少なくともいずれかの対向面、本実施の形態では透明基板16の透明基板15側の主面には、配光特性を制御するための凹凸構造がマトリクス状に形成されてレンズアレイＬをなしている。すなわち、透明基板16は、レンズシートとなっている。さらに、透明基板15，16の可変屈折率媒体17側の主面には、配光を電気的に制御するための透明電極21，22が形成されており、これらの透明電極21，22間に接するように可変屈折率媒体17が位置している。

透明基板15，16は、例えばガラス、樹脂、あるいは金属酸化物などにより形成され、例えば屈折率がｎ１に設定されている。特に、配光角度を大きく変化させたい場合には、可変屈折率媒体17の屈折率と透明基板15，16の屈折率との間に大きな差が必要となるため、例えば酸化チタン(Ｔｉ₂Ｏ₃)、高屈折率プラスチック、あるいは高屈折率ガラスなどを用いることが好ましい。

レンズアレイＬは、フレネルレンズ面Ffと非レンズ面AFとを可変屈折率媒体17側に有し回折光学面Gfが平面状に形成されたフレネルレンズFLにより構成されている。したがって、レンズアレイＬを有する透明基板16の厚み分布が、通常のレンズアレイを用いる場合よりも均一化されている。

また、可変屈折率媒体17は、電気信号によって屈折率が大きく変化する材料、例えば液晶材料、液晶材料と強誘電体ナノパーティクル、あるいは強誘電体薄膜などが用いられ、レンズアレイＬをフレネルレンズFLにより構成したことで、その厚み分布が略一定となっている。なお、可変屈折率媒体17としては、電気磁気光効果(カー効果)などを示す固体材料も用いることができるものの、印加電圧が高くなるため用途が限られてくる。ここでは、例えば、可変屈折率媒体17は、電圧が印加されていない状態での屈折率がｎＬ(＝ｎ１)、電圧が印加された状態での屈折率がｎｓ(＜ｎＬ)であり、電圧の印加によって、レンズアレイＬが形成された透明基板16の屈折率との差が変化するように構成されている。

透明電極21，22は、例えばＩＴＯ、あるいはＩＺＯなどの透明導電膜を用いることができ、また、屈折率の観点から半導体薄膜などを用いることも可能である。そして、これら透明電極21，22は、駆動電圧印加回路11に電気的に接続されている。

そして、光学素子４は、駆動電圧印加回路11により透明電極21，22へと電圧を印加することで可変屈折率媒体17の液晶分子25のチルト角を可変させて屈折率を可変させることにより、可変屈折率媒体17の屈折率と透明基板15，16の屈折率との大小関係によって、可変屈折率媒体17から透明基板16へと入射する光の屈折状態を可変させて、透過する光の入射角を制御可能に構成されている。

具体的に、透明電極21，22間に電圧を印加しない、すなわち可変屈折率媒体17に電圧を印加しない状態では、可変屈折率媒体17の屈折率ｎＬと透明基板15，16の屈折率ｎ１との大小関係はｎＬ＝ｎ１となるため、可変屈折率媒体17から透明基板16へ入射する光はスネルの法則による屈折を受けることはない。

ここでは、透明基板16の可変屈折率媒体17と接触する側の主面のレンズアレイＬは、透明基板16の界面での屈折が生じないため、光を殆どそのまま透過させ、狭い配光角度θ１を保ったままとなる。

また、透明電極21，22間に信号電圧が印加されると、すなわち可変屈折率媒体17に電圧を印加する状態では、可変屈折率媒体17の屈折率が、例えばｎｓ(＜ｎＬ)という小さい値を示す。

このとき、可変屈折率媒体17の屈折率ｎｓと透明基板15，16の屈折率ｎ１との大小関係がｎｓ＜ｎ１となるため、可変屈折率媒体17から透明基板16へ入射する光がスネルの法則による屈折を受け、透明基板16の可変屈折率媒体17と接触する側の主面のレンズアレイＬが光を拡散させるため、広い配光角度θ２が形成される。

次に、上記一実施の形態の液晶表示装置の作用を説明する。

(1) 低消費電力モード
この場合、制御部13により、図５に示すように、バックライト電源回路からのバックライトユニット３への電力供給を抑制することによって、その照度を弱め、同時に、駆動電圧印加回路11からの光学素子４への駆動電圧を所定値、例えば０にして配光性を全くない状態としたり、あるいは、駆動電圧を低くして配光性がわずかに存在する状態としたりする。

このようにした場合、バックライトユニット３からの光は、ほぼそのまま光学素子４、液晶表示パネル２を透過することになり、図３に示すように、中心近傍の視点V1に対応する位置に、比較的狭い極明領域B1が形成され、この極明領域B1の周囲に暗領域Ｄが形成される。

液晶表示装置１の前方で、例えば少数の観察者が移動せずにこの液晶表示装置１を観察する場合、この液晶表示装置１において特に広視野角の特性が要求されないことから、このモードとして用いることで充分となる。

このことから、液晶表示装置１を低消費電力で駆動させることができるようになる。

(2) 広視野角モード
この場合、制御部13により、図４に示すように、バックライト電源回路からのバックライトユニット３への電力供給を上記低消費電力モード時よりも大きくすることによって、その輝度を強め、同時に、駆動電圧印加回路11からの光学素子４への駆動電圧を、上記低消費電力モード時の所定値よりも高い通常の電圧とし、その配光を広くする。

このようにした場合、バックライトユニット３からの光は、光学素子４によって配光され、広がりを有して液晶表示パネル２を透過することになり、図２に示すように、中央近傍の視点V1、および、この視点V1の左右方向の視点V2，V3まで対応する位置に、比較的広い明領域B2が形成される。

液晶表示装置１の前方で、例えば少数の観察者が移動しながらこの液晶表示装置１を観察する場合、あるいは、多数の観察者が移動せずにこの液晶表示装置１を観察する場合などには、液晶表示装置１において特に広視野角の特性が要求されることから、このモードを必要時に用いることで充分となる。

このように、上記一実施の形態によれば、輝度を変化させることが可能なバックライトユニット３からの平行光の液晶表示パネル２への入射角を光学素子４により可変させる構成とすることにより、バックライトユニット３からの平行光の輝度を増加させるとともに、光学素子４により液晶表示パネル２への光の入射角を大きくすることで広角度視野に対応でき、バックライトユニット３からの平行光の輝度を低減させるとともに、光学素子４により液晶表示パネル２への光の入射角を小さくすることでバックライトユニット３での消費電力を抑制して低消費電力に対応できるので、広角度視野と低消費電力との両立が可能になる。

また、レンズアレイＬをフレネルレンズFLによって構成することで、透明基板16の凹凸構造を抑制することが可能になるので、透明基板15，16間に介在される可変屈折率媒体17の厚み分布を均一化でき、各透明電極21，22間に印加されて可変屈折率媒体17に印加される電界強度の均一性が向上し、可変屈折率媒体17の電界誘起変形が均一化することで、例えば一般的なレンズアレイを用いる場合と比較して、光学素子４の特性を確保でき、特に広視野角モードにおいて、確実に広視野角を得ることが可能になる。

さらに、制御部13により、バックライトユニット３の輝度の増減と光学素子４による入射角の増減とを対応させて線形に制御することで、広視野角モードと低消費電力モードとを容易に切り換え制御できる。

なお、上記一実施の形態において、バックライトユニット３の輝度と、光学素子４による入射角とは、それぞれ独立して制御してもよい。

また、光学素子としては、例えばエレクトロウェッティング素子など、入射角を可変できる構成であれば、任意のものを用いることが可能である。

同様に、表示素子としては、バックライトユニット３からの光を変調させて透過させるものであれば、任意のものを用いることが可能である。

本発明の一実施の形態の表示装置の光学素子の要部を拡大して示す説明図である。同上表示装置の広視野角モードを示す説明図である。同上表示装置の低消費電力モードを示す説明図である。同上広視野角モードでの光学素子を示す説明図である。同上低消費電力モードでの光学素子を示す説明図である。

符号の説明

１表示装置としての液晶表示装置
２表示素子としての液晶表示パネル
３バックライトユニット
４光学素子
13 制御手段である制御部
15 基板である透明基板
16 基板である透明基板
17 光変調層としての可変屈折率媒体
FL フレネルレンズ
Ｌレンズアレイ

Claims

平行光を発光し、輝度を変化させることが可能なバックライトユニットと、
このバックライトユニットからの光を変調させて透過させる表示素子と、
この表示素子と前記バックライトユニットとの間に設けられ、このバックライトユニットからの光の前記表示素子への入射角を変化させる光学素子とを具備し、
前記光学素子は、
一対の基板と、
これら基板間に介在され、これら基板間に印加される電圧に対応して屈折率が変化する光変調層とを備え、
前記基板の少なくとも一方は、前記光変調層側の面にフレネルレンズにより構成されたレンズアレイを有している
ことを特徴とした表示装置。
前記バックライトユニットの輝度と、前記光学素子による入射角とをそれぞれ制御可能な制御手段を具備した
ことを特徴とした請求項１記載の表示装置。
前記制御手段は、前記バックライトユニットの輝度の増減と前記光学素子による入射角の増減とを対応させて制御可能である
ことを特徴とした請求項２記載の表示装置。
前記制御手段は、前記バックライトユニットの輝度の増減と前記光学素子による入射角の増減とを線形に制御可能である
ことを特徴とした請求項３記載の表示装置。