JP2012013969A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザダイオードを光源とし、低消費電力を実現する液晶表示装置を提供する。
【解決手段】実施の形態によれば、第１のレーザ光を出射する半導体レーザダイオードと、第１のレーザ光を反射し、１次元的に広がった分布を有する第２のレーザ光とする第１の反射部材と、第２のレーザ光を反射し、２次元的に広がった分布を有する第３のレーザ光とする第２の反射部材と、第３のレーザ光が入射される液晶光スイッチと、液晶光スイッチを通過した第３のレーザ光が入射され、散乱光を発する第１の散乱部材と、を有する液晶表示装置である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、液晶表示装置に関する。

液晶表示装置のバックライトの光源としてＬＥＤを適用する技術がある。この技術は光源を、従来の冷陰極管からＬＥＤに置き換えることにより、低消費電力化を図っている。

もっとも、光源をＬＥＤとした場合であっても、液晶光スイッチの偏光板や、カラーフィルタでの光量損失が生じる。このため、冷陰極管と比較して、必ずしも光源から発せられる光の利用効率が高いとは言えず、消費電力の低減幅も大きくはない。

米国特許公開２００７−０２３６９２７明細書

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、半導体レーザダイオードを光源とし、低消費電力を実現する液晶表示装置を提供することにある。

実施の形態の液晶表示装置は、第１のレーザ光を出射する半導体レーザダイオードと、第１のレーザ光を反射し、１次元的に広がった分布を有する第２のレーザ光とする第１の反射部材と、第２のレーザ光を反射し、２次元的に広がった分布を有する第３のレーザ光とする第２の反射部材とを備えている。さらに、第３のレーザ光が入射される液晶光スイッチと、液晶光スイッチを通過した第３のレーザ光が入射され、散乱光を発する第１の散乱部材と、を備えている。

第１の実施の形態の液晶表示装置の模式図である。 第１の実施の形態の第１の反射体の反射面近傍の部分拡大図である。 第１の実施の形態の第２の反射体の反射面近傍の部分拡大図である。 第１の実施の形態の液晶光スイッチと第１の散乱部材の模式図である。 第２の実施の形態の第１の反射体の反射面近傍の部分拡大図である。 第２の実施の形態の透明粒子によるレーザ光散乱の光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施の形態の透明粒子の粒径と散乱光の偏光保持率を示す図である。 第４の実施の形態の液晶表示装置の模式図である。

以下、図面を用いて実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
本実施の形態の液晶表示装置は、第１のレーザ光を出射する半導体レーザダイオードと、第１のレーザ光を反射し、１次元的に広がった分布を有する第２のレーザ光とする第１の反射部材と、第２のレーザ光を反射し、２次元的に広がった分布を有する第３のレーザ光とする第２の反射部材と、第３のレーザ光が入射される液晶光スイッチと、液晶光スイッチを通過した第３のレーザ光が入射され、散乱光を発する第１の散乱部材と、を有する。

本実施の形態の液晶表示装置は、上記構成を有することにより、光源である半導体レーザダイオード（ＬＤ）から出射されるレーザ光の偏光を保ったまま、液晶光スイッチまで光が伝播される。したがって、液晶光スイッチの偏光板における光量損失が極めて少なくなり、装置の消費電力が低減される。

図１は、本実施の形態の液晶表示装置の模式図である。図１（ａ）は液晶表示装置の模式上面図、図１（ｂ）は第１の反射部材等の図１（ａ）の上面図に平行な面の模式断面図、図１（ｃ）は図１のＡ−Ａ面の模式断面図である。なお、本明細書では、液晶表示装置の表示面側を便宜上、液晶表示装置の上面と称するものとする。

液晶表示装置１００は、光源であり第１のレーザ光Ｌ_１を出射する半導体レーザダイオード１０を備えている。半導体レーザダイオード１０は偏光方向のそろったレーザ光を出射する点光源である。以下、第１のレーザ光Ｌ_１が、波長λが例えば４００ｎｍの紫外光である場合を例に説明する。

液晶表示装置１００の表示面の輝度を明るくするには、半導体レーザダイオード１０として、例えば、リッジ導波路型レーザでワイドストライプの半導体レーザダイオード等の高出力の半導体レーザダイオードを用いることが望ましい。

液晶表示装置１００は、第１のレーザ光Ｌ_１の出射方向に、第１のレーザ光Ｌ_１を平行光にするコリメータレンズ１２と、第１のレーザ光Ｌ_１の光量分布を均一化する回折格子１４を備えている。コリメータレンズ１２には、表面反射による光量損失を抑制するため、第１のレーザ光の波長Ｌ_１に対する無反射コーティング施されていることが望ましい。回折格子１４には、例えば、イエナオプティックＬＯＳ社製の回折型ホモジナイザを適用できる。

そして、液晶表示装置１００は、第１のレーザ光Ｌ_１を反射し、１次元的に広がった分布、すなわち、線状の分布を有する第２のレーザ光Ｌ_２とする第１の反射部材１６を備えている。第１の反射部材１６は、反射面を有する第１の反射体１８と、第１の反射体１８の反射面上に設けられる第１の透明部材２０とで構成される。第１のレーザ光Ｌ_１は、波長および偏光を保ったまま第１の反射部材１６で反射され、第２のレーザ光Ｌ_２となる。

第１の反射体１８は、例えば、成型したガラスを基材とし、第１のレーザ光Ｌ_１の入射される表面が、例えばＡｌやＡｇなど第１のレーザ光Ｌ_１に対する反射率の高い金属がコーティングされた反射面となっている。第１の反射体１８の基材は、ガラスに限らず、樹脂や金属であっても構わない。

また、反射体の表面に反射率を上げるための１層または多層の誘電体膜を蒸着等で形成しても良い。誘電体膜の光学厚さは、反射率を上げる観点から、第１のレーザ光Ｌ_１の波長を、λとすると、ｍλ／４ｎであることが望ましい。なお、ｍは整数、ｎは誘電体膜の屈折率である。誘電体膜としては、具体的にはＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２等を用いることが可能である。

第１の透明部材２０は、例えば、透明樹脂や石英等の透明ガラスであり、第１の反射体１８の反射面に組み合うよう加工されている。第１の透明部材２０の半導体レーザダイオード１０側の端面は、表面反射による光量損失を抑制するため、第１のレーザ光Ｌ_１の波長に対する無反射コーティング施されていることが望ましい。または、ブリュースターアングルになるよう端面を第１のレーザ光Ｌ_１に対して傾けた構成とすることが望ましい。

なお、第１の透明部材２０は、第１の反射部材１６の強度を確保するとともに、製造を容易にする観点からは、存在することが好ましい。もっとも、光学特性上は必ずしも必須の構成要素ではなく、第１の反射部材１６の反射面側が空気等の気体であってもかまわない。

図２は、本実施の形態の第１の反射体の反射面近傍の部分拡大図である。反射体１８の反射面は、平面の組み合わせで形成されることが望ましく、例えば、図２に示すように三角形の凹凸形状となっていることが望ましい。このような反射面の凹凸形状を第１のレーザ光Ｌ_１の強度分布に合わせて最適化することで、線状の分布を有する第２のレーザ光Ｌ_２の光強度分布を均一化することができる。反射面を平面で構成することで、光の強度分布を均一化するための設計が容易になるという利点がある。

また、第１の反射部材１６の反射面の、第１のレーザ光Ｌ_１の入射方向に対する角度は、４５±５度であることが望ましい。これによって、第１のレーザ光Ｌ_１を略直角に曲げて第２のレーザ光Ｌ_２とすることが可能となる。

さらに、液晶表示装置１００は、第２のレーザ光Ｌ_２を反射し、２次元的に広がった分布、すなわち面状の分布を有する第３のレーザ光Ｌ_３とする第２の反射部材２２を備えている。第２の反射部材２２は、反射面を有する第２の反射体２４と、第２の反射体２４の反射面上に設けられる第２の透明部材２６とで構成される。第２のレーザ光Ｌ_２は、波長および偏光を保ったまま第２の反射部材２２で反射され、第３のレーザ光Ｌ_３となる。

第２の反射体２４は、例えば、成型したガラスを基材とし、第２のレーザ光Ｌ_２の入射される表面が、例えばＡｌやＡｇなど第２のレーザ光Ｌ_２に対する反射率の高い金属がコーティングされた反射面となっている。第２の反射体２４の基材は、ガラスに限らず、樹脂や金属であっても構わない。

また、反射体の表面に反射率を上げるための１層または多層の誘電体膜を蒸着等により形成しても良い。誘電体膜の光学厚さは、反射率を上げる観点から、第２のレーザ光Ｌ_２の波長を、λとすると、ｍλ／４ｎであることが望ましい。なお、ｍは整数、ｎは誘電体膜の屈折率である。

第２の透明部材２６は、例えば、透明樹脂や石英等の透明ガラスであり、第２の反射体２４の反射面に組み合うよう加工されている。第２の透明部材２６の第２の反射部材２４側の端面は、表面反射による光量損失を抑制するため、第２のレーザ光Ｌ_２の波長に対する無反射コーティング施されていることが望ましい。または、ブリュースターアングルになるよう端面を第２のレーザ光Ｌ_２に対して傾けた構成とすることが望ましい。

なお、第２の透明部材２６は、第２の反射部材２２の強度を確保するとともに、製造を容易にする観点からは、存在することが好ましい。もっとも、光学特性上は必ずしも必須の構成要素ではなく、第２の反射部材２２の反射面側が空気等の気体であってもかまわない。

図３は、本実施の形態の第２の反射体の反射面近傍の部分拡大図である。反射体２２の反射面は、平面の組み合わせで形成されることが望ましく、例えば、図３に示すように三角形の凹凸形状となっていることが望ましい。このような反射面の凹凸形状を第２のレーザ光Ｌ_２の強度分布に合わせて最適化することで、面状の分布を有する第３のレーザ光Ｌ_３の光強度分布を均一化することができる。反射面を平面で構成することで、光の強度分布を均一化するための設計が容易になるという利点がある。

また、第２の反射部材２２の反射面の、第２のレーザ光Ｌ_２の入射方向に対する角度は、４５±５度であることが望ましい。これによって、第２のレーザ光Ｌ_２を略直角に曲げて第３のレーザ光Ｌ_３とすることが可能となる。

なお、第１の反射部材１６と第２の反射部材２２との間は、図１に示すように接していても、離間していても構わない。また、別個の部材ではなく、一体化した部材であってもかまわない。

さらに、液晶表示装置１００は、図１（ｃ）に示すように、第３のレーザ光Ｌ_３が入射される液晶光スイッチ２８を、第２の反射部材２２の上面側に備えている。液晶光スイッチ２８は、液晶を用いて入射光に対し、出射光の強度を変調する。例えば、２枚の偏光方向の直交する偏光板の間に設けられる液晶の配向を制御することで、出射光のオン・オフを制御する。

本実施の形態によれば、第３のレーザ光Ｌ_３は偏光が保たれている。このため、例えば、液晶光スイッチ２８の入射側の偏光板の偏光方向を、第３のレーザ光Ｌ_３の偏光方向にそろえておくことで、液晶光スイッチ２８の入射時の偏光板による光量損失を極めて小さくすることが可能である。

また、液晶光スイッチ２８を通過した第３のレーザ光Ｌ_３が入射され、散乱光を発する第１の散乱部材３０が、液晶光スイッチ２８の上面に備えられている。本実施の形態において、第１の散乱部材３０は第３のレーザ光Ｌ_３を励起光として蛍光を発する蛍光体である。

図４は、本実施の形態の液晶光スイッチと第１の散乱部材の模式図である。図４（ａ）は第１の散乱部材である蛍光体の上面模式図、図４（ｂ）は第１の散乱部材である蛍光体の一部の上面模式図、図４（ｃ）は図４（ｂ）のＢ−Ｂ面での断面模式図である。

図４（ａ）に示すように、第２の反射部材２２の上面側、すなわち液晶表示装置１００の表示面側に設けられる第１の散乱部材３０は、画素単位で区分けされる。図４（ｂ）に示すように、区分けされた各画素には波長４００ｎｍの紫外光で励起され、赤色を発する赤色蛍光体（Ｒ）、緑色を発する緑色蛍光体（Ｇ）、青色を発する青色蛍光体（Ｂ）が形成されている。具体的には、例えば赤色蛍光体（Ｒ）はアパタイト系の蛍光体、緑色蛍光体（Ｇ）はＳＯＳＥ系の蛍光体、青色蛍光体（Ｂ）はＬＯＳ系の蛍光体である。例えば、これらの蛍光体の粒子が樹脂中に封入されて各画素に配置される。

また、液晶光スイッチ２８は、画素単位で、出射光のオン・オフ制御が可能なように構成されている。液晶光スイッチ２８を通過した第３のレーザ光Ｌ_３は励起光として、それぞれの蛍光体に入射され、蛍光体が発光して所定の色の散乱光を発する。散乱光となることにより、表示装置として要求される一定の視野角も確保される。

また、カラーフィルタを用いて光の波長を選択することなしに全光量を使うため、色の表示に伴う光量損失を極めて小さくすることが可能である。

なお、蛍光体の発光量子効率は、蛍光体の種類により異なる。したがって、画素の大きさを蛍光体の量子効率に合わせて設定するか、または、画素の大きさは一定のまま蛍光体とともに透明な散乱体を混合することで、画素間の発光強度を調節することが可能である。

また、波長４００ｎｍの紫外光で励起され、シアン色、または黄色を発する蛍光体を加えて、４色の蛍光体により第１の散乱部材３０を構成することで、表示できる色域を拡大することも可能である。

本実施の形態によれば、光源となる半導体レーザダイオードから出射されたレーザ光を、偏光を保ったまま面状の分布を備えるレーザ光として、液晶光スイッチまで伝播することが可能となる。したがって、液晶光スイッチの偏光板での光量損失を極めて小さくすることができる。また、蛍光体を用いることで、色の表示に伴う、カラーフィルタを用いた光の選択がないため、光量損失も極めて小さくすることが可能である。また、２つの反射部材を用いることで、表示画面の奥行方向を薄くすることが可能となる。

なお、本実施の形態では、紫外光を光源とし、第１の散乱部材を赤色蛍光体（Ｒ）、緑色蛍光体（Ｇ）、青色蛍光体（Ｂ）とする場合を例に説明したが、例えば、青色レーザ光を光源とし、第１の散乱部材を赤色蛍光体（Ｒ）、緑色蛍光体（Ｇ）とする構成をとることも可能である。

（第２の実施の形態）
本実施の形態の液晶表示装置は、半導体レーザダイオードと液晶光スイッチとの間に、複数の透明粒子を含有する第２の散乱部材を、さらに有し、第１、第２および第３のレーザ光の波長をλ、複数の透明粒子の平均粒径をＤとする場合に、０．２λ≦Ｄ≦λであること以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図５は、本実施の形態の第１の反射体の反射面近傍の部分拡大図である。第１の透明部材２０内の、第１の反射体１８側にあたる領域に、第１の透明部材２０の主材料と屈折率の異なる複数の透明粒子３２が含有されている。この例では、第１の透明部材２０が、第２の散乱部材に対応する。透明粒子の屈折率が周囲と異なることにより、レーザ光の散乱を生じさせることが可能となる。

ここで、透明粒子３２の平均粒径をＤとする場合に、第１および第２のレーザ光の波長をλとすると、０．２λ≦Ｄ≦λである。平均粒径とは、各透明粒子の短径と長径の平均値を算出し、この平均値を複数の透明粒子についてさらに平均化して得られる値を意味する。

ここで、例えば、第１の透明部材２０は透明樹脂であり、透明粒子３２は、球形の石英ガラスの粒子である。

図６は、透明粒子によるレーザ光散乱の光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。図６に示すように、平均粒径が上記範囲にあれば、入射方向と同じ方向に対して、±５度程度の角度をなして散乱される。

この時、散乱光の偏光方向も僅かに傾く。もっとも、その傾きは、±５度程度であり、液晶光スイッチ２８を通過する際の偏光板による光量損失の増加は大きくない。

図７は、透明粒子の粒径と散乱光の偏光保持率を示す図である。波長λが４００ｎｍの場合に透明粒子の粒径をパラメータとしてシミュレーションした結果である。

なお、ここで偏光保持率とは、第１の偏光角を持つ光の光量Ｓを入射し、透明粒子による散乱後に第１の偏光角と同じ偏光角を持つ光量をＳ１、第１の偏光角と直交する第２の偏光角を持つ光量をＳ２とする場合に、
偏光保持率＝（（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ＋１）／２
を計算して得られる値を意味する。

図７から明らかなように、平均粒径をＤとする場合に、０．２λ≦Ｄ≦λであれば、偏光保持率が６０％以上となり、光量損失が低く抑えられる。さらに、０．２λ≦Ｄ≦０．８λであれば、偏光保持率が７０％以上確保できるためより望ましい。

本実施の形態のように、レーザ光を偏光を保ったまま２つの反射部材を用いて液晶光スイッチに伝播する構成をとる場合、光の利用効率をおとさないためには、各部材間の正確な位置合わせが必要とされる。本実施の形態のように、複数の透明粒子３２が含有された第２の散乱部材を設けることで、偏光を保ちながらもレーザ光が散乱される。したがって、各部材の作成と組み立ての余裕度を広くすることができる。よって、設計が容易で、かつ、製造も容易な液晶表示装置が実現可能である。

また、第１の反射部材１６の反射面が図２に示すように、平面の組み合わせで形成される場合、凸部の間に反射光の暗部が生じ、第２のレーザ光Ｌ_２の光強度分布の均一性が損なわれる場合がある。本実施の形態のように、第２の散乱部材を設けることで、第１のレーザ光Ｌ_１、および、第２のレーザ光Ｌ_２が散乱されるため、第２のレーザ光Ｌ_２の光強度分布の均一性が向上するという利点もある。

なお、図５のように、第１の透明部材２０の、第１の反射体１８側にあたる領域に、複数の透明粒子３２が含有されている構成は、第１の透明部材２０を製造する際に、例えば、樹脂中に透明粒子３２を沈降させる方法などで簡便に製造できる観点から望ましい。しかし、第１の透明部材２０中に均一に、透明粒子３２が分散される構成であってもかまわない。

また、第１の透明部材２０にかえて、上述の第１の透明部材２０と同様に、第２の透明部材２６に透明粒子を含有させて、第２の散乱部材とする構成であってもかまわない。あるいは、第１の透明部材２０と第２の透明部材２６の双方に、透明粒子を含有させて、両方を第２の散乱部材としてもかまわない。

また、第１の透明部材２０、第２の透明部材２６と別個に、複数の透明粒子を含有する部材を設けて第２の散乱部材としてもかまわない。例えば、第１の反射体１８や第２の反射体２４の反射面上に、透明粒子を分散または塗布する構成であってもかまわない。

また、ここでは透明粒子が球形の場合を例に説明したが、例えば、透明粒子に紡錘形の粒子を用い、粒子の長手方向が、レーザ光の偏光方向と平行となるよう配置すれば、さらに、偏光保持率を向上させることができ望ましい。

（第３の実施の形態）
本実施の形態の液晶表示装置は、紫外光ではなく可視光を出射する半導体レーザダイオードを適用し、第１の散乱部材を蛍光体ではなく、無色または透明の拡散板とする以外は第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態によれば、装置の消費電力が低減された単色の液晶表示装置を実現することが可能となる。

（第４の実施の形態）
本実施の形態の液晶表示装置は、光源として赤色、緑色、青色のレーザ光を出射する３個の半導体レーザダイオードを有し、第１の散乱部材を蛍光体ではなく、無色または透明の拡散板とする以外は第１の実施の形態と同様である。

図８は、本実施の形態の液晶表示装置の模式図である。図８（ａ）は液晶表示装置の模式上面図、図８（ｂ）は第１の反射部材等の図８（ａ）の上面図に平行な面の模式断面図、図８（ｃ）は図１のＡ−Ａ面の模式断面図である。

図８に示すように、本実施の形態の液晶表示装置２００は、赤色のレーザ光を発する第１の半導体レーザダイオード１０ａ、緑色のレーザ光を発する第２の半導体レーザダイオード１０ｂ、および、青色のレーザ光を発する第３の半導体レーザダイオード１０ｃを備えている。また、それぞれの半導体レーザダイオードに対応するコリメータレンズ１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、光路変更用のプリズム４０を備えている。

また、第１の散乱部材３０は、透明または無色の拡散板である。第１の散乱部材３０は、液晶光スイッチ２８を通過してくる第３のレーザ光Ｌ_３を散乱することで、コヒーレント性を失わせて安全性を確保するとともに、表示装置として要求される所定の視野角を実現する。

本実施の液晶表示装置２００は、時系列的に出射するレーザ光の色を切り替えて第１のレーザ光Ｌ_１とする。これによって、表示画面に赤色、緑色、青色の３色の画素構成を実現することが可能になる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。

例えば、半導体レーザダイオードから出射されるレーザ光の中心軸近傍の光のみを利用するのであれば、コリメータレンズと回折格子を省く構成をとることも可能である。

そして、実施の形態の説明においては、液晶表示装置等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる液晶表示装置に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての液晶表示装置は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

１０ 半導体レーザダイオード
１２ コリメータレンズ
１４ 回折格子
１６ 第１の反射部材
１８ 第１の反射体
２０ 第１の透明部材
２２ 第２の反射部材
２４ 第２の反射体
２６ 第２の透明部材
２８ 液晶光スイッチ
３０ 第１の散乱部材
３２ 透明粒子

Claims (7)

1. 第１のレーザ光を出射する半導体レーザダイオードと、
   前記第１のレーザ光を反射し、１次元的に広がった分布を有する第２のレーザ光とする第１の反射部材と、
   前記第２のレーザ光を反射し、２次元的に広がった分布を有する第３のレーザ光とする第２の反射部材と、
   前記第３のレーザ光が入射される液晶光スイッチと、
   前記液晶光スイッチを通過した前記第３のレーザ光が入射され、散乱光を発する第１の散乱部材と、
   を有することを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記半導体レーザダイオードと前記液晶光スイッチとの間に、複数の透明粒子を含有する第２の散乱部材を、さらに有し、
   前記レーザ光の波長をλ、前記複数の透明粒子の平均粒径をＤとする場合に、０．２λ≦Ｄ≦λであることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
3. 前記第１の反射部材および前記第２の反射部材の反射面が、平面の組み合わせで形成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の液晶表示装置。
4. 前記第１の散乱部材が蛍光体であることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の液晶表示装置。
5. 前記第１、第２および第３のレーザ光が紫外光であり、前記第１の散乱部材が赤色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体であることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の液晶表示装置。
6. 前記半導体レーザダイオードと前記第１の反射部材との間に、前記第１のレーザ光が入射されるコリメータレンズと、前記コリメータレンズを通過した前記第１のレーザ光が入射される回折格子を、さらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれか一項記載の液晶表示装置。
7. 前記第１の反射部材の反射面の前記第１のレーザ光の入射方向に対する角度、および、前記第２の反射部材の反射面の前記第２のレーザ光の入射方向に対する角度が、４５±５度であることを特徴とする請求項１ないし請求項６いずれか一項記載の液晶表示装置。
   
   
   
   
   

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