JP3521940B2 - 照明装置および液晶表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶テレビ、コンピュ
ータ用液晶ディスプレイ等に用いられる、平面照明装置
と直視型液晶表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶表示素子、特にカラー表示素
子を用いた直視型液晶表示装置の技術進歩は目ざまし
く、ＣＲＴに劣らぬ表示品位のディスプレイが数多く見
られるようになった。白黒表示においては、数年前まで
平面照明装置であるバックライトを用いない反射型液晶
表示素子が主流であった。しかし、現在は白黒表示にお
いてもほとんどバックライトを用いる透過型液晶表示素
子におきかわっている。カラー表示液晶ディスプレイで
は、バックライトなしではディスプレイとしての態をな
さず、バックライトは直視型液晶表示装置において必須
のデバイスとなっている。

【０００３】近年使用されるようになってきたいわゆる
ノートパソコンは、携帯性が重要であり、そのためバッ
テリー駆動が前提になっている。しかし、現状ではバッ
テリーを充電せずに駆動できる時間は、数時間であり、
一日の作業を継続して行える程度には至っていない。連
続使用時間の延長は、その意味で極めて重要である。特
に、照明装置は電力消費量の多いデバイスであり、照明
装置の低消費電力化は非常に意義が大きい。

【０００４】ところで、ノートパソコンに用いられてい
る液晶表示素子は、視野角に応じた特定のコントラスト
比分布を示している。スーパーツイステッドネマチック
素子の場合の代表的な例を図５に示す。図５は、表示画
面のコントラスト比中心を通る水平方向の線上でコント
ラスト比変化を示した図である。これから、液晶表示素
子の視野角は垂直方向から実質的に４０°〜５０°程度
広がっているとともに、中心付近には特にコントラスト
比が高い領域があることがわかる。

【０００５】実際には、ノートパソコンは作業者から見
た画面のコントラスト比が最も高くなるように、角度調
整されて使用されることが多い。したがって、最大コン
トラスト比を生じる視方向（多くは垂直方向か、ややそ
こからずれた方向にある）に照明の最大輝度が来るよう
にすれば、照明効率が実質的に向上することになる。

【０００６】一方、ノートパソコンに用いられている液
晶表示素子の視野角は実質的に４０°〜５０°程度以上
に広がっており、さらに広視野角化のための検討もなさ
れている。したがって、ある程度斜めからでも表示を見
ることができるように、照明装置の配光分布を調整する
ことも重要である。

【０００７】このように、照明装置の輝度分布（配光分
布）をこのコントラスト比分布に適合させることは実質
的な輝度向上の手段として意義が大きい。

【０００８】ところで、カラー液晶表示装置は、大別し
てＴＦＴを用いたアクティブマトリクス駆動によるＴＮ
液晶表示装置とマルチプレックス駆動のＳＴＮ液晶表示
装置との二方式がある。いずれも液晶層をガラス基板で
保持した素子の光入射側および光出射側に偏光板が装着
された構成となっていて、直線偏光入射光の偏光状態を
変調して液晶表示方式を行うものである。

【０００９】しかし、従来の液晶表示素子入射光の偏光
方向は、通常不揃いでランダム偏光であるため、表示素
子の入射側に装着された偏光板により入射光のうち半分
以上が吸収され、半分以上は、照明光として実質的に寄
与していない。

【００１０】偏光板に吸収される光を再利用した構造と
して、投射型液晶表示素子において、光源ランプと液晶
表示装置との間に無偏光を互いに直交する偏光成分に分
離する偏光分離器を介在させ、一方の偏光成分は偏光分
離器を直接出射させ、他方の偏光成分は光源ランプに集
束させて再び光源光として使用することが、提案されて
いる（特開平４−１８４４２９号）。

【００１１】しかし、この方法は、プロジェクター（投
射型）を前提としたものであり、光源と偏光分離器との
間に十分距離があることが必要である。また、光がかな
り平行光化されている場合にのみ、有効に投射型液晶表
示素子用の照明として機能するものである。したがっ
て、薄型化が必須条件となっており、照明装置の輝度分
布を液晶表示のコントラスト比分布に適合させるべき直
視型表示素子用の照明として採用することは不適当であ
る。

【００１２】また、表示面に垂直方向に光を集光する手
段として、照明光源と表示素子との間に、プリズムアレ
イを介在させることも提案されている。しかし、これは
照明光を特定範囲に絞ることにより表示面に垂直な方向
の輝度を向上するものであるため、照明光の配光分布が
狭くなる。また、これによっても、表示面に垂直な方向
の輝度は十分でない。したがって、直視型液晶表示装置
に適した照度分布は得られない。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、特定の偏光方
向を持つ偏光成分のみが直視型の液晶表示装置の照度向
上に寄与することに注目し、そのままでは、液晶表示素
子の照度向上に寄与しない偏光成分のうち、特定の方向
の光を選択的に偏光変換する。こうして、照度向上に寄
与し得る偏光方向を持つ偏光成分について、広い配光分
布を保ったままで特定方向に光強度を大きくすることが
できるようになり、輝度分布は直視型液晶表示装置に適
したものとなる。

【００１４】すなわち、本発明は、透明な面状導光体と
線状光源とが設けられ、面状導光体の側部から線状光源
の光が入射されるように配置された直視型表示装置用の
平面照明装置であって、面状導光体は面状導光体の内部
を全反射によって光が伝搬され、かつ、全反射条件が回
避されることによって、面状導光体の光出射面から光が
出射されるようにされ、第１の偏光成分を透過し、第１
の偏光成分に対して垂直な偏光方向を有する第２の偏光
成分の少なくとも一部を反射するように偏光分離が行わ
れる多層構造体が面状導光体の光出射面側に設けられ、
多層構造体は透明なポリマーを含み、面状導光体の光出
射面の反対側に光出射面と略平行に配置された光反射面
が設けられてなることを特徴とする平面照明装置を提供
する。

【００１５】また、多層構造体が、少なくとも２層の透
光性材料が積層されたものである前記の平面照明装置を
提供する。

【００１６】また、多層構造体の各層の厚みが０．０５
〜０．４５μｍである前記の平面照明装置を提供する。

【００１７】また、偏光分離器は、互いに屈折率の異な
る複数種類の透明ポリマー層が積層されたものである前
記の直視型表示素子用照明装置を提供する。

【００１８】また、上記の平面照明装置と、偏光板付の
液晶表示素子とが設けられ、平面照明装置を出射した光
線の主偏光方向と液晶表示素子における光入射側の偏光
板の偏光方向とが略一致するようにして、カラー表示が
行われてなるこをと特徴とする直視型液晶表示装置を提
供する。

【００１９】また、多層構造体と液晶表示素子との間
に、配光方位のうち光強度が極大になる光線の方向を、
液晶表示素子の表示面に略垂直な方向に偏向させる光偏
向手段を有する前記の直視型液晶表示装置を提供する。

【００２０】また、バッテリーによって動作し、液晶表
示素子はマルチプレックス駆動またはアクティブマトリ
クス駆動によって駆動される前記の直視型液晶表示装置
を提供する。

【００２１】

【発明の実施の態様】平面照明装置を作るには種々の方
式があるが、大別して二種に分類される。一般的に最も
多い方式は内部照光方式または直下型といわれる方式
で、光源が照光面内にある方式である。一方、エッジラ
イト型といわれる方式は光源が照光面外に配置され、照
光面である透明なアクリル樹脂板などからなる導光体の
一辺または二辺に蛍光ランプ（多くは冷陰極放電管）等
のたとえば略線状発光体を密着させ、反射体からなるラ
ンプカバーを設けて導光体内に光を導入する方式であ
る。

【００２２】本発明における光発生手段は、面状導光体
と、面状導光体の側部から光が入射されるように配置さ
れた光源と、を有するエッジライト型とする。エッジラ
イト型の平面照明装置はコンパクトで、直視型液晶表示
装置の携帯性を高める観点で最も望ましいからである。

【００２３】また、その際、前記面状導光体の光出射面
側に設けられて所定の入射方向近傍の光線についてｐ偏
光成分（第１の偏光成分）を透過し、ｓ偏光成分（第２
の偏光成分）の少なくとも一部を反射する偏光分離面
と、面状導光体の光出射面と反対の側に前記光出射面と
略平行に設けられた光反射面とからなる偏光変換手段を
備えることが好ましい。このような構成で光反射面を用
いると、偏光分離された光が再利用できるだけでなく、
反射の際に偏光方向が変化するため、上記の偏光分離面
と協働して偏光変換手段として作用する。以下、偏光分
離面を備えた素子を、偏光分離器ということにする。た
だし、これは偏光分離器が面状導光体などとは別個の素
子になっているという意味ではない。面状導光体に偏光
分離機能を併せ持たせてもよい。

【００２４】このような構成では、偏光分離器への入射
角が特定角度近傍の光については、偏光分離器を透過し
たｐ偏光成分は偏光板を透過した後、液晶表示素子へ入
射し、ｓ偏光成分は面状導光体内へと反射される。この
引き戻されたｓ偏光成分は面状導光体の表面で反射する
際、位相変化が生じ、ｐ偏光成分が生成され、前記偏光
分離器を透過しうるようになる。したがって、偏光分離
器で反射されたｓ偏光成分も面状導光体表面で反射する
ことによってｐ偏光成分に変換される成分が生じ、液晶
表示素子へと透過する成分に寄与する。その結果、特定
の視方向について、ｐ偏光成分の照度の高い平面照明装
置が得られる。

【００２５】この平面照明装置を液晶表示素子のバック
ライトとして用いるためには、液晶表示素子の光入射側
に設けられた偏光板は、偏光分離器から出射されたｐ偏
光成分に対して透過率最大となるように配置されること
が好ましい。すなわち平面照明装置における面状導光体
内を出射した光線の平均的偏光方向と液晶表示素子にお
ける光入射側の偏光板の偏光軸方向とが略一致するよう
に配置されることが好ましい。

【００２６】偏光分離器として用いることのできる多層
構造体は、相対的に屈折率の大きな透光性媒質と相対的
に屈折率の小さな透光性媒質とを交互に積層してなる多
層構造体や、面状透明支持体の少なくとも片方の面に、
好ましくは１０００ｎｍ以下の厚さを有する誘電体膜が
１層以上成膜されているもの、または屈折率の異なる複
数種類の透明ポリマー層が積層されたものなどがある
が、本発明では透明なポリマーを用いる。相対的に屈折
率の大きな透光性媒質と相対的に屈折率の小さな透光性
媒質とを交互に積層してなる多層構造体からなる偏光分
離器について、以下に説明する。

【００２７】この多層構造体は、斜入射光に対してその
透過率および反射率が斜入射光の偏光に依存する性質を
有する。これにより、非光吸収型の偏光素子として用い
ることができる。一般に、屈折率ｎ₀ の光学材料（以
下、光学材料ｎ₀ ともいう）と屈折率ｎ₁ の光学材料
（以下、光学材料ｎ₁ ともいう）との界面において、光
学材料ｎ₀ から光学材料ｎ₁ へと入射する光の入射角θ
₀₁が ｔａｎθ₀₁＝ｎ₁ ／ｎ₀ のとき、反射光にｐ偏光成分はなく、ｓ偏光となり、透
過光は残りのｓ偏光成分とｐ偏光成分からなることが知
られている。このとき、入射角θ₀₁をブリュースター角
θ_B という。ゆえに、屈折率ｎ₀ ，ｎ₁ の光学材料層を
交互に積層した場合、ブリュースター角近傍の入射角光
に対してｐ偏光成分は透過するがｓ偏光成分は複数の界
面で反射されて透過光成分はほとんどなくなる。したが
って、上記の多層構造体からの出射光は偏光性を有する
ことになる。

【００２８】多層構造体は、２層以上の屈折率の異なる
透光性材料からなるものであれば何でもよいが、界面に
おける反射率の偏光依存性は一般に屈折率差が大きいほ
ど強く発現するため、屈折率差の大きな組み合わせが好
ましい。たとえば、空気（ｎ≒１. ０）と透明樹脂、た
とえばアクリル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポ
リスチレン等のようなプラスチック（ｎ≒１. ５）との
組み合わせがある。上記の組み合わせは、安価に大面積
の多層構造体が得やすい点でも好ましい。

【００２９】多層構造体の各層の厚さに基本的に制限は
ない。また、場所によって不均質な構成でもよく、均質
なプラスチック中に偏平な気泡層が層状に分散されたよ
うな構成でもよい。多層構造体中の各層が略平行に配置
されればよい。

【００３０】材質として、透明誘電体多層膜を用いるこ
ともできる。誘電体多層膜を多層構造体として用いる場
合は、多層構造体の各層界面反射光が互いに干渉し合わ
ないような、光波長オーダに比べ１０倍程度以上の層の
厚さとして、白色光源に対して波長依存性の少ない偏光
特性を得るようにすることができる。一方、各層の厚さ
が厚すぎると多層構造体全体の厚さが厚くなり軽量・薄
型化に適合しなくなる。したがって、本目的には３μｍ
から１００μｍ程度までの層厚が適切である。また、膜
厚を不規則にすれば、光干渉に起因した色付きを軽減す
ることができる。したがって、各層の厚さを不揃いにす
ることが好ましい場合もある。

【００３１】均質なプラスチック中に偏平な気泡層が層
状に分散されたような構成の場合では、偏平な気泡層の
厚さが３μｍから１００μｍ程度までであればよい。他
の構成として、厚さが３μｍから１００μｍ程度までの
透明な薄板を、直径が数十μｍ程度のビーズやグラスフ
ァイバー等のギャップ制御材を散布した上に積層した多
層構造体もある。この場合、均質なプラスチック中に偏
平な気泡層が層状に分散されたような構成に比べて、屈
折率の異なる界面における入射角が偏平な気泡層のよう
に場所によって異なることがないため、消光比の高い偏
光作用が得やすい。

【００３２】ブリュースター角条件における屈折率ｎ₀
の光学材料と屈折率ｎ₁ の光学材料との界面のｓ偏光の
反射率Ｒ_s は、数１のようになる。

【００３３】

【数１】

【００３４】屈折率差の大きいほど反射率Ｒ_s は大き
い。したがって、層間の多重反射を考慮しない近似（本
発明の場合充分当てはまる近似）において、多層構造体
への入射光の内ｐ偏光成分が１００％透過されかつｓ偏
光成分がｘ％透過されるために必要な層数Ｎは、数２で
求められる。

【００３５】

【数２】

【００３６】したがって、空気（ｎ₁ ≒１. ０）とプラ
スチック（ｎ₀ ≒１. ５）との組み合わせで多層構造体
が構成されている場合、ブリュースター角θ_B ＝５６.
３°、Ｒ_s ＝１４. ８％となり、ｓ偏光成分透過率が２
％以下となるために必要な層数は１２層であることがわ
かる。

【００３７】すなわち、均質なプラスチック中に偏平な
気泡層が層状に分散されたような構成の場合は、偏平な
気泡層が深さ方向に６個以上形成されていれば、ブリュ
ースター角近傍の入射光に対して、ｓ偏光成分透過率は
２％以下となり、他の９８％以上の光は反射される。一
方、ｐ偏光成分は光量ロスなく１００％に近い透過率が
得られる。

【００３８】多層構造体の偏光機能は、上記説明のよう
に、入射角がブリュースター角のとき、最も有効に作用
する。したがって、光源と面状導光体とからなる平面照
明装置において多層構造体を配置する場合、光源と面状
導光体および光反射手段などのさらに付加された光学素
子によって、多層構造体への入射光の入射角がブリュー
スター角近傍の成分が多くなるような構成とすることが
実質的な輝度向上のためには好ましい。

【００３９】一方、光干渉を利用した誘電体膜を用いた
偏光分離器が偏光分離機能を発現する理由は以下のよう
に考えられる。この偏光分離器も、斜入射光に対してそ
の透過率および反射率が斜入射光の偏光に依存する性質
を有し、非光吸収型の偏光素子として用いることができ
る。

【００４０】屈折率ｎ₀ の光学材料と屈折率ｎ₂ の光学
材料の間に、屈折率ｎ₁ の可視光オーダの膜厚の光学材
料があるとき、光は干渉する。光学材料ｎ₀ から光学材
料ｎ₁ へと入射する光の入射角をθ₀ 、出射角をθ₁ と
する。光学材料ｎ₁ から光学材料ｎ₂ へと入射する入射
角をθ₁ 、出射角をθ₂ とする。光学材料ｎ₁ 、膜厚ｄ
₁ での干渉の効果を考慮した反射複素振幅は、数３のよ
うになる。

【００４１】

【数３】

【００４２】ここでρ_a 、ρ_b は各々光学材料ｎ₀ と光
学材料ｎ₁ 、光学材料ｎ₁ と光学材料ｎ₂ の界面で生じ
るフレネル反射の振幅反射率を示す。

【００４３】反射強度は、ρ^* をρの複素共役として、
数４のようになる。

【００４４】

【数４】

【００４５】ｐ偏光成分は、数５のようになる。

【００４６】

【数５】

【００４７】ｓ偏光成分は、数６のようになる。

【００４８】

【数６】

【００４９】屈折率ｎ₀ 、ｎ₂ と、屈折率ｎ₁ と膜厚ｄ
₁ がある条件を満たすと、ある入射角度θ₀ のとき、ｐ
偏光成分の透過光強度とｓ偏光成分の透過光強度の比
は、干渉がない場合と比べて大きくなることが知られて
いる。上述の計算式は、干渉膜が１層のときのものであ
るが、干渉膜が多層のときでも同様に考えればよい。

【００５０】以上によって、面状透明支持体の少なくと
も片方の面に、１０００ｎｍ以下の厚さを有する誘電体
膜が１層以上成膜されている偏光分離器からの出射光
は、高い偏光性を持つ光を出射することになる。ここで
１０００ｎｍ以下とは、主に可視光波長オーダ以下とい
うことであり、好ましくは８００ｎｍ以下程度である。

【００５１】偏光分離器の可視光波長オーダの膜厚を有
する誘電体膜は光干渉を利用するために、一般に層数が
増加すると特定の波長の偏光度を向上させることができ
る反面、波長依存性が大きくなる。用いるバックライト
光源のスペクトルが狭帯波長光の場合は、光のバックラ
イト波長域に対して偏光度が高くなる多層膜構成とする
ことができる。しかし、あまり多層の膜とすると生産性
に難が生じるおそれがあるため、好ましくは、５〜１５
層程度である。一方カラー表示用に白色のバックライト
を用いる場合は、偏光度の波長依存性を低く抑えるた
め、５層以下、特に単層の干渉膜を用いることが好まし
い。高い偏光度は得られないが、可視域全域でフラット
な偏光度を得るとともに、膜厚制御の容易さからＴｉＯ
₂ またはＺｒＯ₂ の単層膜を形成することが好ましい。

【００５２】偏光分離器に用いられる面状透明支持体の
材質としては、ガラスやアクリル、ポリカーボネート、
ポリウレタン、ポリスチレン等のプラスチックがある。
軽い材質であること、表面が滑らかであることが望まし
い。

【００５３】誘電体膜の材質としては、ＴｉＯ₂ 、Ｚｒ
Ｏ₂ 、ＺｎＳ、Ｙ₂ Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂、ＭｇＦ₂ 、Ｎａ₃
ＡｌＦ₆ 、Ｔａ₂ Ｏ₅ などが考えられる。これらの誘電
体膜の屈折率は、通常１．４〜２．５程度であり、適当
な屈折率を持つ誘電体を選んで、成膜すればよい。ま
た、成膜は蒸着、スパッタなど通常用いられる方法でな
されればよい。

【００５４】本発明では、偏光分離器として、屈折率の
異なる複数種類の透明ポリマー層が積層されたものを採
用できる。この場合も、前述の多層構造体または誘電体
薄膜の場合と同じように、非光吸収性の偏光分離器とし
て作用する。

【００５５】偏光分離器は、バックライト光の波長域に
対して偏光度が高くなる多層膜構成とすることができ
る。あまり多層の膜とすると生産性に難が生じるおそれ
があるため、好ましくは３０層以上、さらに好ましくは
１００〜４００層程度とする。屈折率の異なる透明性ポ
リマーの材質はいわゆる多層ラミネート成形に適したも
のが好ましい。また、その屈折率の差は大きいほど好ま
しい。

【００５６】透明ポリマーの材質はアクリル、ポリカー
ボネート、ポリウレタン、ポリスチレン、トリアセチル
セルロース、ポリメチルペンテン、ポリエーテルスルホ
ン等のプラスチックから２種以上が選択されることが好
ましい。また、効率をよくするためにはその屈折率の差
は０．０３以上であることが好ましい。

【００５７】その選択にあたっては偏光分離器の製造法
を考慮しなければならない。多層ラミネート品の製造法
としてはキャスト法、多層押し出し法などがあるが、３
０層以上の多層膜が経済的に成形できる多層押し出し法
を採用することが好ましい。

【００５８】その製造方法は米国特許明細書第３７７３
８８２号、米国特許明細書第３８８４６０６号に述べら
れている。光の干渉作用の少ない十分な厚さの偏光分離
器は、その全体の厚さが大きくなる。したがって、光の
干渉性を利用するため、屈折率の異なるポリマーの少な
くともその一方の光学的厚さが０．０５μｍ以上０．４
５μｍ以下であることが好ましい。また、その厚さは、
両方のポリマーに対してほぼ等しいよりも大きく異なる
ほうが各層の厚さ変動によるいわゆる真珠光沢色が発現
しにくいので好ましい。また、表面にシリコーンなどの
ハードコート層を設けてもよい。

【００５９】光の干渉性を利用した偏光分離器の概念的
断面図を図４に示す。第１のポリマー層２１と第２のポ
リマー層２２とが交互に積層されており、このうち少な
くとも第２のポリマー層２２は光の干渉を起こす程度に
薄い。

【００６０】製造法を考慮した好ましいポリマーの好ま
しい組み合せの例はアクリルとポリカーボネート、アク
リルとポリスチレン、ポリメチルペンテンとポリカーボ
ネートなどが挙げられる。

【００６１】本発明の直視型液晶表示装置をその代表的
な構成図である図１を用いて以下に詳述する。以下、面
状導光体を導光体ともいう。

【００６２】照光面である透明な導光体３（アクリル樹
脂板）の一辺に導光体側面の長さに対応した長さを有す
る蛍光ランプ１（冷陰極放電管）を密着させ、内面に反
射体を設けたランプカバー２を設けてランプ出射光を導
光体３内に導入する。

【００６３】前述のように、平面照明装置を直視型液晶
表示装置に用いる場合、照明光の配光特性が極めて重要
である。導光体３中を伝搬する光の指向性（角度分布）
は、蛍光ランプの配光特性、反射体の集光特性、導光板
の伝搬特性等によって決まる。そして、導光体の伝搬特
性においては、前述のように、導光体端部より入射した
光を導光体内部に送る機能と、送られた光を所定の方向
に出射する機能が重要である。

【００６４】導光体端部より入射した光を導光体内部に
送る機能は導光体に使用する材料およびその界面反射特
性に応じて決まる。つまり、導光体３の液晶表示素子１
２側においては導光体３の屈折率によって定まる全反射
角θ_c 以上の入射角の光が全反射されて導光体３内を伝
搬し、全反射角θ_c 以下の入射角の光が導光体３の表面
で屈折し液晶表示素子１２側に出射される。たとえば、
空気（ｎ≒１. ０）と透明樹脂（たとえば、ｎ≒１.
５）の界面における全反射角θ_c は、数７のようにな
り、入射角が４２．２°以下の入射光が導光体３の照光
面より出射することができる。

【００６５】

【数７】θ_c ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ）＝４２．２°

【００６６】導光体に用いる好ましい透明樹脂として
は、たとえばアクリル、ポリカーボネート、ポリウレタ
ン、ポリスチレン、シリコーン等がある。

【００６７】導光体の液晶表示素子と反対の面において
は、アルミニウム反射面等の光反射面５を形成しておけ
ば反射光は導光体内を導光される。なお、光反射面５は
導光体３の液晶表示素子１２側面での出射光を増大させ
るために拡散反射面としてもよい。

【００６８】一方、導光体３への光の入射角が全反射角
θ_c 以上の場合が大半であると導光体から出射される光
がわずかとなるため、全反射条件を回避し導光板３の液
晶表示素子１２側に出射させる機能が必要となる。その
手段として、導光体３の表面に白色の光拡散材を形成す
る方法や導光体表面にレンチキュラーまたはプリズムの
フレネル形状（マイクロレンズアレイ、プリズムアレイ
等）を形成する方法などがある。

【００６９】この場合のフレネル形状は、導光体の液晶
表示素子１２側の面に形成されていても、反対側に形成
されていてもよい。またフレネル形状をしたフイルム状
の板を導光体の面に載せてもよい。載せるときは、フイ
ルムと導光体の間に空気層が存在しないようにすること
が必要である。このために、貼りあわせた後に脱気した
り、屈折率がフイルムと同等の接着剤を用いて貼り付け
ることが好ましい。またフイルムの屈折率は導光体とほ
ぼ同じであることが望ましい。

【００７０】本発明で用いる多層構造体は、特定の範囲
の入射角（ブリュースター角）の光に対して、強い偏光
分離機能を発現する。したがって、輝度向上のために
は、偏光分離器へ入射する光の角度が、偏光分離器のブ
リュースター角で極大を持ち、かつほぼその角度に光量
が集中していることが望ましい。よって導光体から出射
する光の角度を制御することが重要となる。

【００７１】出射角度を制御するためには、前述の白色
の光拡散材の分布、導光体の表面に形成されたレンチキ
ュラーまたはプリズムのフレネル形状（マイクロレンズ
アレイ、プリズムアレイ等）の調節、等が行える。たと
えば導光体と同じ成分で作られたプリズムアレイ１３の
フイルムを導光体の表面に載せることにより導光体から
出た光の強度最大はほぼ＋４０°〜＋８０°と−４０°
〜−８０°の片寄った範囲に集中する。

【００７２】具体的には、偏光分離器６として、前述の
ように偏平な気泡層が層状に分散されたような多層構造
体を形成した場合、アクリル樹脂と気泡層との界面での
ブリュースター角θ_B は３３. ７°となる。したがっ
て、アクリル樹脂側からの多層構造体への入射光が３
３. ７°近傍になるように蛍光ランプの配光特性・反射
体の集光特性・導光板の伝搬特性等を最適化することに
より、ｐ偏光成分のみが液晶表示素子１２側に出射され
る。一方、ｓ偏光成分は全反射されたのと同様に導光体
３中を伝搬することになる。なお、この偏光分離器６に
よる偏光特性は入射光がブリュースター角条件から少々
ずれても充分発現する効果であり、この場合入射角２０
°から全反射角近傍である入射角４０°の光線に対して
も、ｓ，ｐ偏光成分の消光比が若干劣化するが、偏光分
離作用は顕著である。

【００７３】偏光分離器を出射した光の指向性は、液晶
表示素子の観測者の視野角すなわち液晶表示素子面の垂
直方向に分布しているとは限らない。むしろ、図１のよ
うな構成で、偏光分離器にブリュースター角近傍の入射
角で入射した光の出射方向は、片寄った視野角域の範囲
に集中することが普通である。たとえば、導光体中を伝
搬する光の光軸を含む面内で、液晶表示素子面の垂直方
向に対して−４０゜〜−７０°および４０°〜７０°の
範囲に集中し、観測者の視野角域に到達する光はわずか
となる。したがって、これでは、明るい表示とはいえな
くなる。

【００７４】たとえば、図１において、アクリル樹脂側
からの多層構造体への入射光が３３. ７°の場合、多層
構造体からの出射角はｓｉｎ^-1（（ｓｉｎ３３. ７°）
／ｎ）＝５６. ３°となる。このように、片寄った視野
角域（±４０°〜±７０°）に配光分布を有する平面照
明装置の配光分布を照光面の垂直方向に変換するため
に、偏光分離器の光出射側に、さらに光偏向器を設ける
ことが有効である。光偏向器としては、表面にレンチキ
ュラー形状またはフレネル形状を有するマイクロレンズ
アレイやプリズムアレイ等を用いることができる。

【００７５】図１には偏光分離器６が積層された導光体
３と液晶表示素子１２の光入射側の偏光板９との間にフ
レネル形状を表面に有するプリズムアレイ７を導光体３
中を伝搬する光の進行方向にプリズム面を並列に配置し
た場合が示されている。すなわち、プリズムアレイ７は
柱状プリズムであり、導光体３内を出射する光線の平均
的光軸を含む面での断面は三角形状となる。プリズムア
レイ７はその形状および配置（プリズム頂角を光入射側
にするか光出射側にするか）に応じて、プリズムの入射
面と出射面で屈折が生じるのみの場合と全反射が起こる
場合とがあり、出射光の配向分布を制御できる。最終的
に必要とする配光分布と偏光分離器出射光の配光分布と
から最適な形状、配置が決定されればよい。

【００７６】たとえば、断面形状が頂角おおよそ６０°
の２等辺三角形のプリズムアレイ７を用い、頂角が偏光
分離器面に面するように配置する。こうすると、偏光分
離器から６０°近傍の出射角で透過してきた光はプリズ
ム側面から入射し他の側面で全反射した後、プリズム底
面から液晶表示素子側に垂直入射方向に対応して出射さ
れる。したがって、偏光分離器から６０°近傍の出射角
で放出される光の配光方位を液晶表示素子面に垂直方向
の配光方位に変換することができる。

【００７７】このようにして、液晶表示素子を垂直配光
方位で照光する直線偏光を生ずる平面照明装置が得られ
る。導光体中を伝搬する光の指向性が高いと、結果的に
平面照明装置から出射される光の配光分布が垂直方向に
集中し、明るい表示に対応した視野角の範囲が狭くなり
すぎる場合がある。このようなときには、液晶表示素子
と上述のプリズムアレイ等の偏向手段との間に、指向性
を劣化させる拡散板８等の光学素子を配置することがで
きる。

【００７８】また、導光体内を伝搬する光の指向性を劣
化させるために、導光体の液晶表示素子と反対側面に形
成された光反射面５を拡散面としてもよい。また、偏光
分離器自体をその構造体界面で光散乱も生じるように微
細な凹凸構造を有するものとしてもよい。前述のように
均質なプラスチック中に偏平な気泡層が層状に分散され
たような構成の偏光分離器の場合では、気泡層の界面形
状はランダムであり微細な凹凸構造が生じやすいため、
光拡散効果も同時に発現しやすい。

【００７９】図１では多層構造体を導光体の表面に形成
した場合について示した。

【００８０】本発明において直線偏光を効率良く平面照
明装置から得るためには、多層構造体において反射され
導光体内に引き戻されたｓ偏光を、導光体内を伝搬中に
効率よくｐ偏光成分を含む光に変換し再利用することが
重要である。ｓ偏光をｐ偏光成分を含む光に変換する方
法は種々存在するが、以下に代表例を記す。

【００８１】一般に、金属面に直線偏光が斜入射し反射
された場合、直線偏光は金属の光学物性定数（屈折率
ｎ、吸収係数ｋ）に応じて楕円偏光となることが知られ
ている。すなわち、ｓ偏光が入射しても反射光にはｐ偏
光成分が生成される。したがって、本発明において導光
体３の液晶表示素子１２と反対側の面に形成された光反
射面５がアルミニウム等の金属である場合、この光反射
面で反射されるたびにｓ偏光の一部がｐ偏光に変換され
る。

【００８２】別な方法として、透光性高分子材料からな
る位相差板を用いる方法がある。たとえば、適当な膜厚
を有するこの位相差板４を導光体３の反射面５と偏光分
離器６との間に配置することにより、偏光分離器により
反射されたｓ偏光は楕円偏光になりその一部をｐ偏光に
変換することができる。図１は、この位相差板４を導光
体３に設けた光反射面５上に密着させて効率よく偏光変
換を行う構成例を示す。また、位相差板４は偏光分離器
６と導光板３との間に配置されていてもよい。

【００８３】図２には、偏光分離器として、面状透明支
持体の片方の面に誘電体膜を１層成膜した偏光分離器を
用い、導光体の全反射条件を回避して液晶表示素子側に
光を出射させるためのプリズムアレイ１３を用いた例で
ある。６ａは面状透明支持体、６ｂは誘電体膜である。
他の構成はほぼ図１と同じであるので、図２には図１と
同じ部品には同じ番号を付して、説明を省略する。

【００８４】先に述べたように、偏光分離器を導光体と
は別の構成としてもよいが、両者一体の構成としてもよ
い。たとえば導光体の表面に誘電体干渉膜等の偏光分離
層を形成する。導光体と導光体の外部と誘電体干渉膜の
それぞれの界面が偏光分離器と同様な効果を示す。導光
体を出射する光の出射光量を多くしたり均一化するため
に、導光体の構造をプリズムアレイ状等にした場合は、
プリズムアレイ形状の表面に誘電体干渉膜を形成すれば
よい。

【００８５】このような例を示したのが図３である。導
光体３の表面にプリズムアレイ形状を形成し、さらに誘
電体膜６ｃを形成している。導光体と、誘電体膜との界
面で偏光分離機能が発現する。他の構成はほぼ図１と同
じであるので、図３には図１と同じ部品には同じ番号を
付して、説明を省略する。

【００８６】

【実施例】［実施例１〜３］ 図１を参照しながら、本発明の実施例について説明す
る。照光面である透明なアクリル樹脂板の導光体３の一
辺に蛍光ランプ１（冷陰極放電管）を密着させ、反射体
からなるランプカバー２を設けて導光体内に光を導入す
るエッジライト型バックライトにおいて多層構造体から
なる偏光分離器６を組み合わせた。

【００８７】蛍光ランプ１としては、１０インチ液晶表
示面の側面長（１５２ｍｍ）に対応した長さを有し管径
の細い１０Ｗと１６Ｗの冷陰極放電管を使用した。ま
た、ランプカバー２としては、冷陰極放電管を包み込む
ような円筒形または楕円筒形の反射鏡を、導光体３とし
ては、アクリル樹脂製の透光性導光板（ｎ＝１. ４９）
で大きさは１６０ｍｍ×２２０ｍｍ×５ｍｍのものを用
いた。

【００８８】さらに、導光体３の裏面および蛍光ランプ
設置面に対向する導光体側面に位相差板４を設け、その
上にＡｌ金属反射膜からなる光反射面を形成した。偏光
分離器６の多層構造体としては、均質な透明プラスチッ
ク板（ｎ≒１. ５）中に、その厚さ方向の高さが１０μ
ｍ程度で半径数ｍｍ程度の偏平な気泡層が約５層位層状
に分散された構成を採用して、導光体３の光出射面側に
装着した。

【００８９】また、プリズムアレイ７として、断面形状
が頂角５８゜の２等辺三角形のプリズムアレイを用い、
頂角が偏光分離器６に面するように配置した。プリズム
アレイ板の厚さは２ｍｍでプリズムアレイのピッチは約
１ｍｍとした。さらに、プリズムアレイ７の光出射面側
には、拡散板８を、視野角を広げるために用いた。

【００９０】液晶セル１１としては、ＴＦＴ駆動のＴＮ
液晶であって、ＶＧＡ対応画素数を有するＲＧＢカラー
ＴＦＴ駆動ＴＮ液晶表示セルを用いた。

【００９１】入射側偏光板９としては、通常の光吸収型
有機偏光板を用いた。１０：１程度の要求コントラスト
比であれば、上記偏光板を用いず、上記多層構造体のみ
でよい場合もある。しかし、この場合は偏光の消光比が
低い（１０：１程度、たとえば、光吸収型有機偏光板で
あれば１０００：１程度になる）ため、１００：１以上
のコントラスト比が要求されるＴＦＴ駆動液晶ＴＶでは
入射側偏光板が必要になる。このとき、光吸収型有機偏
光板の偏光軸は多層構造体から出射するｐ偏光に対して
最大透過率となるよう、偏光分離器６の出射光の偏光方
向と偏光板９の偏光軸方向とを一致させた。

【００９２】出射側偏光板１０も同様に光吸収型有機偏
光板を用いた。偏光軸の向きは表示モード（ノーマリホ
ワイト、ノーマリブラック）によって適宜選ばれるが、
本実施例では、ノーマリホワイト表示とし、入射側偏光
板９の偏光軸に対して９０゜偏光軸が回転した方向に出
射側偏光板１０の偏光軸をとった。

【００９３】光源、導光体の特性を種々に変えて、ラン
プ消費電力と垂直方向視野の明るさを調整して実施例１
〜３を行った。これと従来例の比較を表１に示す。

【００９４】

【表１】

【００９５】実施例１では従来例に比べて輝度が１. ５
倍に向上したばかりでなく、視野角範囲もせばまってい
ない。実施例２では明るさ、視野角とも従来例とほぼ同
じにしているが、ランプ消費電力が２／３に低減し、バ
ッテリー駆動時間が延長した。実施例３ではランプの消
費電力と、垂直方向明るさを従来例と同じにしたが、視
野角が広がった。

【００９６】このように、使用する液晶表示素子のコン
トラスト比曲線に応じたさまざまな配光分布を得ること
ができる。特に、垂直方向視野の明るさを選択的に明る
くすることが可能になっている。

【００９７】［実施例４〜６］ 図２を参照しながら、本発明の別の実施例について説明
する。照光面である透明なアクリル樹脂板の導光体３の
一辺に蛍光ランプ１（冷陰極放電管）を密着させ、反射
体からなるランプカバー２を設けて導光体内に光を導入
するエッジライト型バックライトを用いた。

【００９８】蛍光ランプ１としては、汎用のノートパソ
コンの側面長（１２０ｍｍ）に対応した長さを有し管径
（３ｍｍ）の２Ｗと４Ｗの冷陰極放電管を使用した。ま
た、ランプカバー２としては、冷陰極放電管を包み込む
ような円筒形または楕円筒形の反射鏡を、導光体３とし
ては、アクリル樹脂製の透光性導光板（ｎ＝１. ４９）
で大きさは１２８ｍｍ×２２５ｍｍ×２．８ｍｍのもの
を用いた。

【００９９】さらに、導光体３の裏面および蛍光ランプ
設置面に対向する導光体側面に位相差板４を設け、その
上にアルミニウム金属反射膜からなる光反射面５を形成
した。位相差板は１／４波長板とした。

【０１００】プリズムアレイ１３として断面形状が頂角
１６０°の２等辺三角形のプリズムアレイを用い、頂角
が偏光分離器６に面するように配置した。プリズムアレ
イ板の厚さは２ｍｍでプリズムアレイのピッチは約１ｍ
ｍとした。プリズムアレイ１３と導光体３は同じ材質の
アクリル樹脂を用いた。またプリズムアレイ１３と導光
体３の間には屈折率がアクリル樹脂と同じ１．４９の光
学接着剤を用いた。

【０１０１】偏光分離器６としては、均質なガラス基板
（ｎ＝１. ５２）６ｂの表面に、酸化チタン（ＴｉＯ
₂ ：ｎ＝２．３５）膜６ａを１層成膜し、導光体３の光
出射面側に装着した。この偏光分離器の分離角は７２°
となった。

【０１０２】また、プリズムアレイ７として断面形状が
頂角６０°の２等辺三角形のプリズムアレイを用い、頂
角が偏光分離器６に面するように配置した。プリズムア
レイ板の厚さは２ｍｍでプリズムアレイのピッチは約１
ｍｍとした。さらに、プリズムアレイ７の光出射面側に
は、拡散板８を、視野角を広げるために用いた。

【０１０３】液晶表示素子１２は、複屈折を有するフイ
ルム（位相差板）が積層されたモノクロ表示のＳＴＮ液
晶表示セルを用いた。ツイスト角は２４０°である。

【０１０４】入射側偏光板９としては、通常の光吸収型
有機偏光板を用いた。このとき、光吸収型有機偏光板の
偏光軸は偏光分離器から出射するｐ偏光に対して最大透
過率となるよう、偏光分離器６の出射光の偏光方向と入
射側偏光板９の偏光軸方向とを一致させた。

【０１０５】出射側偏光板１０も同様に光吸収型有機偏
光板を用いた。偏光軸の向きは適宜選ばれるが、本実施
例では、入射側偏光板９の偏光軸に対して８５°偏光軸
が回転した方向に出射側偏光板１０の偏光軸をとった。

【０１０６】光源、導光体の特性を種々に変えて、ラン
プ消費電力と垂直方向視野の明るさを調整して実施例４
〜６を行った。これと偏光分離器のない従来例との比較
を表２に示す。

【０１０７】

【表２】

【０１０８】実施例４では従来例に比べて輝度が１. ５
倍に向上したばかりでなく、視野角範囲はせばまってい
ない。実施例５では明るさ、視野角とも従来例とほぼ同
じにしたが、ランプ消費電力が２／３に低減し、バッテ
リー駆動時間が延長した。実施例６ではランプの消費電
力と、垂直方向明るさを従来例と同じにしたが、視野角
が広がっている。

【０１０９】このように、やはり、使用する液晶表示素
子のコントラスト比曲線に応じたさまざまな配光分布を
得ることができる。特に、垂直方向視野の明るさを選択
的に明るくすることが可能になっている。

【０１１０】［参考例Ａ］ 図３を参照しながら説明する。導光体３の表面形状をプ
リズムアレイ状にした。その表面にＺｒＯ₂ とＳｉＯ₂
の薄膜を交互に３層均一に形成した。具体的には導光体
の上にＺｒＯ₂ 、ＳｉＯ₂ 、ＺｒＯ₂ の順で形成し、分
離角における偏光度が５３０ｎｍ付近で最大となるよう
にした。導光体と誘電体干渉膜は一体構成とした。導光
体３のプリズムアレイの頂角は１６０°とした。このと
き誘電体干渉膜から出てくる光の方向は、導光体の面に
垂直方向に対して広がりを持っているので、さらに導光
体と反対の方向に頂角が導光体に向いたプリズムアレイ
を設置した。以上述べた以外の構成は実施例４と同じと
した。このとき実施例１と比べると若干輝度が上昇し
た。これは、参考例Ａは界面が少なくなったために、界
面反射が少なくなったためと考えられる。また一体成形
することにより実施例４に比べて厚さを薄くすることが
可能となる。また大量生産においてコストが安くなるメ
リットもある。

【０１１１】［実施例７］ 図２と同様の形態で、偏光分離器として、アクリルとポ
リカーボネートの４００層の積層品を用いた。偏光分離
器を使用しない場合に比べて、垂直方向の輝度が約１．
５倍に向上した。

【０１１２】

【発明の効果】本発明によれば、特定のコントラスト比
の高い領域に対して特に実質的照度の高い直視型表示装
置用の平面照明装置が得られる。特に、本発明では、プ
リズムアレイ等を単独で用いた場合とは異なり、所望の
視野角方向の光のうち、そのままでは実質的に表示装置
の照明光として寄与しない光を偏光変換することによ
り、その所望の視方向についての照度を向上する。した
がって、広い照度分布を維持したまま、特定方向には照
度の高い照明装置が得られる。これは、視野角の広い直
視型表示装置用の平面照明装置として最適なものであ
る。

【０１１３】さらに、光発生手段として、いわゆるエッ
ジライト型の光源を用いることにより、直視型表示装置
用の照明光として適した拡散光を、容易に得ることがで
きる。また、特に偏光変換手段を、エッジライトの導光
体の光出射面側に設けられた偏光分離面と、面状導光体
の光出射面と反対の側に設けられた光反射面を協働させ
て構成するならば、エッジライト用の導光体を偏光変換
のための空間としても用いることとなる。したがって、
非常にコンパクトな構成とすることができてさらに望ま
しい。

【０１１４】さらに、平面照明装置を出射した光線の偏
光方向と液晶表示素子の光入射側の偏光軸方向とを略一
致させるように、液晶表示素子の背面に本発明の平面照
明装置を配置すれば、実用的な視野角で照度が高く、か
つ消費電力の小さい直視液晶表示装置を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示した断面図

【図２】本発明の他の実施例を示した断面図

【図３】本発明の他の実施例を示した断面図

【図４】本発明に用いる偏光分離器の構成を示す断面図

【図５】ＳＴＮ液晶表示素子のコントラスト比曲線を示
すグラフ

【符号の説明】

１：蛍光ランプ ２：ランプカバー ３：導光体 ４：位相差板 ５：光反射面 ６：偏光分離器 ７：プリズムアレイ ８：拡散板 １２：液晶表示素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大井 好晴 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町松原1160 番地 エイ・ジー・テクノロジー株式会 社内 (72)発明者 尾関 正雄 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社 中央研究所内 (72)発明者 伊藤 宏明 神奈川県川崎市幸区塚越３丁目474番地 ２ 旭硝子株式会社 玉川分室内 (56)参考文献 特開 昭53−96698（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−241590（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−6525（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−189627（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−157621（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−158801（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−156421（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−75705（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−116105（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−159811（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−43764（ＪＰ，Ａ) 米国特許4798448（ＵＳ，Ａ)

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明な面状導光体と線状光源とが設けら
   れ、面状導光体の側部から線状光源の光が入射されるよ
   うに配置された直視型表示装置用の平面照明装置であっ
   て、面状導光体は面状導光体の内部を全反射によって光が伝
   搬され、かつ、全反射条件が回避されることによって、
   面状導光体の光出射面から光が出射されるようにされ、 第１の偏光成分を透過し、第１の偏光成分に対して垂直
   な偏光方向を有する第２の偏光成分の少なくとも一部を
   反射するように偏光分離が行われる多層構造体が面状導
   光体の光出射面側に設けられ、 多層構造体は透明なポリマーを含み、 面状導光体の光出射面の反対側に光出射面と略平行に配
   置された光反射面が設けられてなることを特徴とする平
   面照明装置。
2. 【請求項２】多層構造体の各層の厚みが０．０５〜０．
   ４５μｍである請求項１に記載の平面照明装置。
3. 【請求項３】光反射面が拡散反射面である請求項１また
   は２に記載の平面照明装置。
4. 【請求項４】互いに屈折率の異なる複数種類の透明ポリ
   マー層が多層構造体に用いられ、互いの屈折率の差が
   ０．０３以上である請求項１、２または３に記載の平面
   照明装置。
5. 【請求項５】透明ポリマー層は、多層押し出し法で形成
   されてなる請求項４に記載の平面照明装置。
6. 【請求項６】透明ポリマー層が全部で３０層以上積層さ
   れてなる請求項４または５に記載の 平面照明装置。
7. 【請求項７】光反射面がアルミニウムである請求項１〜
   ６のいずれか１項に記載の平面照明装置。
8. 【請求項８】請求項１〜７のいずれか１項に記載の平面
   照明装置と、偏光板付の液晶表示素子とが設けられ、平
   面照明装置を出射した光線の主偏光方向と液晶表示素子
   における光入射側の偏光板の偏光方向とが略一致するよ
   うにして、カラー表示が行われてなる直視型液晶表示装
   置。
9. 【請求項９】バッテリーによって動作し、液晶表示素子
   はマルチプレックス駆動またはアクティブマトリックス
   駆動によって駆動される請求項８に記載の直視型液晶表
   示装置。
10. 【請求項１０】ノーマリーホワイト表示で、ＴＶ表示が
    行われてなる請求項８または９に記載の直視型液晶表示
    装置。
11. 【請求項１１】ノートパソコンに用いられてなる請求項
    ８、９または１０に記載の直視型液晶表示装置。