JP2011118142A - 表示装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 特定の狭い領域で画像を視認する場合に、バックライトユニットから放射された光を有効利用できる表示装置を提供する。
【解決手段】 透過型表示パネルの背後にバックライトユニットが配置されている。透過型表示パネルとバックライトユニットとの間に回折光学素子が配置されている。回折光学素子は、バックライトユニットから放射された光を、透過型表示パネルを透過した後、透過型表示パネルの画面寸法よりも小さな観察領域に集光する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バックライトユニット、及び透過型表示パネルを有する表示装置及びその製造方法に関する。

透過型液晶表示装置に、導光板の側面（端面）から光を導入し、導光板の正面に向かって光を放射するバックライトユニットが用いられている。導光板の背面にローレット処理が施されている。導光板と液晶表示パネルとの間に配置されたプリズムシートが、導光板から斜めに出射された光を正面に向けて偏向させる（特許文献１）。導光板と液晶表示パネルとの間に、ホログラム光学素子を配置することにより、光を正面に向けて偏向させることも可能である（特許文献２、３）。

特開２００５−１４２０７８号公報 特開２００６−５８８４４号公報 国際公開第２００４／１０４６５８号

導光板から斜めに出射した光を正面に向けて偏向させると、液晶表示パネルを正面から視認したときに、均一で明るい表示が得られる。液晶表示パネルの観察者が一人であり、特定の狭い領域で画像を視認する場合には、正面に向けて偏向された光のうち、観察者に向かわない光は無駄になってしまう。

本発明の目的は、特定の狭い領域で画像を視認する場合に、バックライトユニットから放射された光を有効利用できる表示装置及びその製造方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
透過型表示パネルと、
前記透過型表示パネルの背後に配置されたバックライトユニットと、
前記透過型表示パネルと前記バックライトユニットとの間に配置され、前記バックライトユニットから放射された光を、前記透過型表示パネルを透過した後、前記透過型表示パネルの画面寸法よりも小さな観察領域に集光する回折光学素子と
を有する表示装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
透過型表示パネル、及び出射表面から斜めに出射光線束を斜めに出射させるバックライトユニットとを準備する工程と、
感光性画像記録媒体の第１の表面に、斜め方向から第１の参照光を照射すると共に、前記第１の表面に、前記第１の参照光と同一波長を有し、前記第１の参照光と可干渉な発散する第１の物体光を照射することにより、前記第１の参照光と前記第１の物体光との干渉状態を前記感光性画像記録媒体に記録することにより、回折光学素子を製作する工程と、
前記バックライトユニットを、前記出射表面が前記表示パネルに対向するように配置するとともに、前記透過型表示パネルと前記バックライトユニットとの間に、前記回折光学素子を配置する工程と
を有する表示装置の製造方法が提供される。

バックライトユニットから出射した光を、小さな視認領域に集光するため、視認領域内で観察する観察者に、明るい画像を提供することができる。

（１Ａ）は、実施例による表示装置の断面図であり、（１Ｂ）は、導光板の部分断面図である。 実施例による表示装置に用いられているバックライトユニットの平面図である。 実施例の変形例による表示装置に用いられているバックライトユニットの平面図である。 導光板から出射する光線束の進行方向の傾斜角に関する光強度の分布を、導光板に設けられた斜面の傾斜角ごとに示すグラフである。 （５Ａ）は、実施例による表示装置に用いられる回折光学素子を作製する装置の概略図であり、（５Ｂ）は、回折光学素子の断面図である。 実施例による表示装置の回折光学素子を作製するときに用いる物体光と、表示装置から正面に放射される光との関係を示す線図である。

図１Ａに、実施例による液晶表示装置の断面図を示す。液晶表示装置は、バックライトユニット１０、回折光学素子（ポログラム素子）１５、透過型液晶表示パネル１６、及び背面反射板１７を含む。バックライトユニット１０は、導光板１１、集光光学系１２、及び光源１３を含む。回折光学素子１５は、導光板１１と液晶表示パネル１６との間に配置されている。

光源１３から出射し、集光光学系１２で集光された光が、導光板１１の１つの端面（以下、「入射端面」という。）１１Ａから導光板１１内に入射する。導光板１１には、例えばポリカーボネート、アクリル樹脂等が用いられる。導光板１１の出射表面１１Ｂに平行な平面をｘｙ面とし、入射端面の法線方向をｘ軸の負の向き、出射平面の法線方向をｚ軸の正の向きとするｘｙｚ直交座標系を定義する。集光光学系１２は、光源１３から出射した発散光線束を、ｘｙ面内に関して集光し、ほぼ平行光線束にする。

導光板１１の、出射表面１１Ｂとは反対側の表面（背面）に、ローレット（ナーリング）処理が施され、複数の斜面１１Ｃが形成されている。斜面１１Ｃは、出射表面１１Ｂを基準平面として、入射端面１１Ａに向かって高くなるように傾斜している。

導光板１１に入射した光は、背面に形成された斜面１１Ｃで反射され、出射表面１１Ｂから出射する。出射表面１１Ｂから出射した光が、回折光学素子（ホログラム素子）１５に入射する。回折光学素子１５で回折された光が液晶表示パネル１６を透過して、前方の視認領域５０に集光される。液晶表示パネル１６は、光の３原色を構成する複数の赤色画素１６Ｒ、緑色画素１６Ｇ、及び青色画素１６Ｂを有する。

視認領域５０は、液晶表示パネル１６の大きさよりも小さい。バックライトユニット１０から出射された光を、小さな視認領域５０に集光するため、光の利用効率を高めることができる。具体的には、バックライトユニット１０の明るさが同一であれば、液晶表示パネル１６を透過した光を発散させる場合に比べて、画像がより明るくなる。また、同じ明るさの画像を得るために、光源１３として、より暗い発光素子を用いることができる。また、視認領域５０の外側で観察する場合には、画像が暗くなり、覗き込みされた場合にも、画像の識別が困難になるという効果が得られる。

導光板１１の背面を通して外部に出射した光は、背面反射板１７で反射され、導光板１１に戻される。

図１Ｂに、導光板１１の部分断面図を示す。ｘｙ面に対する斜面１１Ｃの傾斜角をθ_１とする。導光板１１に入射した光Ｐ_１が導光板１１内を伝搬する。一部の導波光は、斜面１１Ｃで反射され、出射表面１１Ｂを通って外部に出射する。出射光線束Ｐ_２はｚ軸をｘ軸の正の向きに傾けた方向に伝搬する。出射光線束Ｐ_２のうち光強度が最も高い向きと、出射表面１１Ｂとのなす角（以下、「出射光線束の傾斜角」という。）をθ_２とする。

図２に、バックライトユニット１０の平面図を示す。光源１３は、複数の点光源を含む。点光源１３には、例えば白色光を出射する発光ダイオードが用いられる。集光光学系１２は、点光源に対応して配置されたレンズを含む。各レンズは、対応する点光源から出射し、発散する光を、ｘｙ面内に関して集光し、ほぼ平行光線束にする。ｘｙ面内に関して平行光線束にされた光が、導光板１１の入射端面１１Ａに入射する。斜面１１Ｃの平面形状は、例えば１つの頂点が入射端面１１Ａとは反対側の端面を向く正三角形である。また、斜面１１Ｃは、光の進行方向に向かって密度が高くなるように分布している。これにより、出射表面１１Ｂ（図１Ｂ）から出射する光の強度を、面内で均一に近づけることができる。

光源１３として、点光源に代えて冷陰極管を用いてもよい。冷陰極管を用いる場合には、集光光学系１２は不要である。

図３に、バックライトユニット１０の他の構成例を示す。図３に示した例では、導光板１１の入射端面１１Ａが、ｘｙ面内に関して内側に向かって凸になるように湾曲している。湾曲部は、光源１３を構成する点光源ごとに設けられている。この湾曲部が、集光光学系１２として作用する。

導光板１１の背面に形成された斜面の傾斜角θ_１を異ならせた複数の試料を作製し、出射光の傾斜角θ_２に対する出射光の光強度分布を測定した。

図４に、その測定結果を示す。横軸は、出射光線束の傾斜角θ_２を単位「°」で表し、縦軸は、光強度を任意単位で表す。一点鎖線、太い実線、破線、及び細い実線は、それぞれ斜面１１Ｃの傾斜角θ_１が１°、５°、７°、及び１１°の試料の光強度を示す。

傾斜角θ_１が１°の試料では、他の試料に比べて光強度の最大値が低い。傾斜角θ_１が５°〜１１°の間では、光強度の最大値は同程度である。斜面の傾斜角θ_１が大きくなるに従って、光強度分布の広がりが大きくなっている。図４に示した測定結果から、斜面の傾斜角θ_１を小さくしすぎると、導光板１１からの光の取り出し効率が悪くなることがわかる。また、斜面の傾斜角θ_１を大きくしすぎると、出射光線束のｚｘ面内における広がり角が大きくなる。

図１Ａに示した回折光学素子１５で視認領域５０への集光効率を高めるためには、回折光学素子１５に入射する光の広がり角を小さくすることが好ましい。光源１３から出射された光の利用効率の低下を抑制し、かつバックライトユニット１０から出射された光を視認領域５０へ効率的に集光するために、出射光線束の傾斜角θ_２を２５°〜４０°の範囲内にすることが好ましい。言い換えれば、斜面の傾斜角θ_１を２°〜８°の範囲内にすることが好ましく、５°〜７°の範囲内にすることがより好ましい。

図５Ａを参照して、回折光学素子１５の作製方法について説明する。図５は、回折光学素子１５の作製装置の概略図を示す。レーザ光源３０Ｒが赤色のレーザビームを出射する。レーザ光源３０Ｒに代えて、緑色のレーザビームを出射するレーザ光源３０Ｇ、及び青色のレーザビームを出射するレーザ光源３０Ｂを設置することができる。赤色用のレーザ光源３０Ｒとして、例えば波長６４７ｎｍのレーザビームを出射するクリプトンレーザを用いることができる。緑色用のレーザ光源３０Ｇ及び青色用のレーザ光源３０Ｂとして、それぞれ波長５１４ｎｍ及び波長４８８ｎｍのレーザビームを出射するアルゴンイオンレーザを用いることができる。

ステージ３９に、感光性画像記録媒体２０が保持されている。感光性画像記録媒体２０は、図５Ｂに示すように、フィルムベース２０ａ、及びその表面に形成された感光材料層２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂを含む。感光材料層２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂは、感光性モノマー等の感光材料をコーティングすることにより形成される。感光材料として、フォトポリマー、例えばデュポン社製フォトポリマー「Ｏｍｎｉｄｅｘ」を用いることができる。なお、他のフォトポリマー、銀塩乳剤、サーモプラスチック等を用いてもよい。感光材料層２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂは、それぞれ赤色光、緑色光、青色光に対して最も高い感度を持つ。

レーザ光源３０Ｒから出射したレーザビームが、部分反射鏡３１で２本のレーザビームに分岐される。部分反射鏡３１に代えて、ビームスプリッタを用いてもよい。一方のレーザビームは、折り返しミラー３２で反射され、コリメート光学系３５で平行光線束にされる。平行光線束にされたレーザビームは、感光性画像記録媒体２０の第１の表面に斜め入射する。他方のレーザビームは、折り返しミラー３６で反射され、凸レンズ３７及びピンホール３８を経由して発散光線束となり、感光性画像記録媒体２０の第１の表面に入射する。発散光線束の中心光線は、感光性画像記録媒体２０のほぼ中心に垂直入射する。コリメート光学系３５は、２枚の凸レンズ３５ａ、３５ｃと、両者の間に配置されたピンホール３５ｂを含む。

コリメート光学系３５で平行光線束にされ、感光性画像記録媒体２０に斜め入射するレーザビームが参照光となり、凸レンズ３７及びピンホール３８を経由した発散光線束が物体光となる。参照光と物体光との干渉により、感光性画像記録媒体２０の感光材料層２０Ｒに、潜像が記録される。

参照光の光強度を、物体光の光強度の２倍〜１０倍の範囲内とすることが好ましい。また、参照光と物体光とのエネルギ密度の合計を約１ｍＪ／ｃｍ^２とすることが好ましい。照射時間は、例えば３０秒とする。

赤色用レーザ光源３０Ｒを緑色用レーザ光源３０Ｇに取り替えて、同様の露光を行うことにより、感光材料層２０Ｇに潜像が記録される。同様に、青色用レーザ光源３０Ｂを用いて露光を行うことにより、感光材料層２０Ｂに潜像が記録される。潜像を形成した後、１２０℃で２時間の熱処理を行うことにより、感光性材料層２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂに形成された潜像に対応する屈折率分布を顕在化させる。これにより、図１Ａに示した回折光学素子１５が得られる。参照光及び物体光が入射した第１の表面が、導光板１１に対向するように回折光学素子１５が配置される。さらに、回折光学素子１５は、導光板１１から出射し回折光学素子１５に入射する光の進行方向と、回折光学素子１５を作製する際の参照光の進行方向とがほぼ一致する姿勢で配置される。具体的には、参照光の入射面がｚｘ面に平行になる。

参照光の中心光線と、感光性画像記録媒体２０の第１の表面とのなす角は、図１Ｂに示した出射光線束の傾斜角θ_２と等しくする。すなわち、参照光の入射角は、９０°−θ_２になる。例えば、導光板１１に形成した斜面１１Ｃの傾斜角θ_１を５°にした場合、出射光線束の傾斜角θ_２は約２９°になる。この場合、参照光の入射角を６１°にすることが好ましい。なお、バックライトユニット１０から出射して回折光学素子１５に入射する光線束のうち光強度が最も高い方向と、回折光学素子の表面の法線とのなす角度、すなわち９０°−θ_２と、回折光学素子１５への参照光の入射角との差が、１０°以下であれば、回折光学素子１５の所期の機能を発揮することができる。

図６を参照して、実施例による液晶表示装置の正面に放射される光と、物体光との関係について説明する。導光板１１から回折光学素子１５に光が入射する。この入射光は、回折光学素子１５を作製するときの参照光の経路にほぼ一致する。このため、回折光学素子１５によって回折され、液晶表示パネルの前方に放射される光の経路と、物体光の経路とは、回折光学素子１５に関して面対称の関係になる。

従って、図５に示した凸レンズ３７の焦点距離をｆ、回折光学素子１５から視認領域５０までの距離をＬ、液晶表示パネル１６の横方向の長さをＷ_１、視認領域５０の直径をＷｖとすると、
Ｗ_１／Ｗｖ＝（ｆ−Ｌ）／ｆ
が成立する。

一例として、観察者の両目の間隔が６５ｍｍであるとすると、視認領域５０の直径Ｗｖを１００ｍｍ程度にすれば、両目で同時に明るい画像を視認することができる。液晶表示パネル１６の横方向の長さが６インチ（１５２ｍｍ）、回折光学素子１５から視認領域５０までの距離Ｌを７００ｍｍとすると、焦点距離ｆは２０４６ｍｍになる。このように、必要とされる視認領域５０の大きさ、回折光学素子１５から視認領域５０までの距離、液晶表示パネル１６の大きさが決まると、回折光学素子１５を作製するときの物体光用の凸レンズ３７の焦点距離を算出することができる。言い換えると、凸レンズ３７の焦点距離を変えることにより、所望の距離Ｌで所望の大きさの視認領域５０を確保することができる。

実施例においては、回折光学素子１５を作製する際に、光の三原色を構成する３つの波長のレーザビームを用いている。このため、白色のバックライトを用いる場合に、波長の相違に起因する回折光の経路のずれが小さくなる。これにより、画像の色づきが抑制される。

色づき抑制効果を高めるために、回折光学素子１５を形成するときに用いる赤色用レーザ光源３０Ｒの中心波長と、液晶表示パネル１６の赤色画素１６Ｒのカラーフィルタの透過帯域の中心波長との差を１０ｎｍ以下にすることが好ましい。同様に、緑色用レーザ光源３０Ｇの中心波長と、緑色画素１６Ｒのカラーフィルタの透過帯域の中心波長との差を１０ｎｍ以下にすることが好ましく、青色用レーザ光源３０Ｂの中心波長と、青色画素１６Ｂのカラーフィルタの透過帯域の中心波長との差を１０ｎｍ以下にすることが好ましい。

図５に示した凸レンズ３５ａ、３５ｃ、３６には、レーザ光源３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂの中心波長において色収差が補償された色消しレンズを用いることが好ましい。

また、左右方向に関する視認特性を対称にするために、観察者から見てｘ軸方向が上下方向になるように、液晶表示装置を配置することが好ましい。

上記実施例では、バックライトユニットの光源として白色光源を用いたが、単色光源を用いることも可能である。単色光源を用いる場合には、回折光学素子２０を形成するときに用いるレーザ光源として、バックライトユニットの光源の波長に近い波長のものを用いることが好ましい。また、回折光学素子２０の感光材料層は１層のみでよく、レーザ光源の波長域で高い感度を持つものを選択することが好ましい。

上記実施例による液晶表示装置は、車載用表示装置、遊戯用表示装置、携帯電話、デジタルスチルカメラ用表示装置、オーディオ装置用表示装置、パソコン用表示装置、一人用テレビ等に適用することができる。また、実施例のバックライトユニット及び回折光学素子は、液晶表示パネルのみならず、他の透過型画像表示パネルのバックライトとして用いることも可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ バックライトユニット
１１ 導光板
１１Ａ 入射端面
１１Ｂ 出射表面
１１Ｃ 斜面
１２ 集光光学系
１３ 光源
１５ 回折光学素子
１６ 透過型液晶表示パネル
１７ 背面反射板
２０ 感光性画像記録媒体
２０ａ フィルムベース
２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ 感光材料層
５０ 視認領域
３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂ レーザ光源
３１ 部分反射鏡
３２ 折り返しミラー
３５ コリメート光学系
３６ 折り返しミラー
３７ 凸レンズ
３８ ピンホール
３９ ステージ

Claims (5)

1. 透過型表示パネルと、
   前記透過型表示パネルの背後に配置されたバックライトユニットと、
   前記透過型表示パネルと前記バックライトユニットとの間に配置され、前記バックライトユニットから放射された光を、前記透過型表示パネルを透過した後、前記透過型表示パネルの画面寸法よりも小さな観察領域に集光する回折光学素子と
   を有する表示装置。
2. 前記バックライトユニットは、
   入射端面から入射した光を伝搬させると共に、前記回折光学素子に対向する出射表面から斜めに出射させ、出射光線束のうち光強度が最も高い方向と、前記出射表面とのなす角度が２５°〜４０°の範囲内である請求項１に記載の表示装置。
3. 透過型表示パネル、及び出射表面から斜めに出射光線束を斜めに出射させるバックライトユニットとを準備する工程と、
   感光性画像記録媒体の第１の表面に、斜め方向から第１の参照光を照射すると共に、前記第１の表面に、前記第１の参照光と同一波長を有し、前記第１の参照光と可干渉な発散する第１の物体光を照射することにより、前記第１の参照光と前記第１の物体光との干渉状態を前記感光性画像記録媒体に記録することにより、回折光学素子を製作する工程と、
   前記バックライトユニットを、前記出射表面が前記表示パネルに対向するように配置するとともに、前記透過型表示パネルと前記バックライトユニットとの間に、前記回折光学素子を配置する工程と
   を有する表示装置の製造方法。
4. 前記バックライトユニットから出射して前記回折光学素子に入射する光線束のうち光強度が最も高い方向と、前記回折光学素子の前記第１の表面の法線とのなす角度と、前記第１の表面への前記第１の参照光の入射角との差が、１０°以下である請求項３に記載の表示素子の製造方法。
5. 前記バックライトユニットから出射して前記回折光学素子に入射する光線束のうち光強度が最も高い方向と、前記回折光学素子の前記第１の表面の法線とのなす角度が、２５°〜４０°の範囲内である請求項４に記載の表示装置の製造方法。

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