JP3621959B2 - 液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノートパソコン、携帯用液晶TV等に使用される液晶表示装置に関するものであり、さらに詳しくは、出射光線の分布角度が狭く、ピーク光の出射面の法線方向に出射する優れた指向性を有するバックライトを使用し、指向性に優れ、視野角が広く、コントラストが良好で、中間色の輝度反転のない液晶表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、カラー液晶表示装置は、携帯用ノートパソコンや、カラー液晶パネルを使った携帯用液晶TVあるいはビデオ一体型液晶TV等として種々の分野で広く使用されてきている。また、情報処理量の増大化、ニーズの多様化、マルチメディア対応等に伴って、液晶表示装置の大画面化、高精細化が盛んに進められている。
液晶表示装置は、基本的にバックライト部と液晶表示素子部とから構成されている。バックライト部としては、液晶表示素子の直下に光源を設けた直下方式や導光体の側面に光源を設けたエッジライト方式があり、液晶表示装置のコンパクト化からエッジライト方式が多用されてきている。このエッジライト方式は、板状の導光体の側面部に光源を配置して、導光体の表面全体を発光させる方式のバックライトである。
【0003】
液晶表示素子部としては、その駆動方式によって薄膜トランジスタ駆動のティン・フィルム・トランジスタ型(TFT)とスパー・ツイスティッド・ネマティック型(STN)に大別される。TFT型液晶表示素子は、薄膜トランジスタが形成され電気的なスイッチの役割をするTFT基板と、カラーフィルターが設けられ発色の役目をするカラーフィルター基板との間に、液晶が90゜捻られて封入された構造を有している。さらに、基板の前後には偏光板が載置されており、偏光板で偏光された光が液晶層に入射すると液晶分子に沿って90゜回転し、出射側の偏光板の軸が90゜回転されていることによって光が透過して出射してくるようになっている。一方、TFT基板のスイッチがオンになると液晶分子が立ち上がり、液晶層に入射した光は回転することができず、出射側の偏光板を透過することができなくなる。このように、TFT基板のスイッチの状態に対応した画像情報が表示されるようになっている。このようなTFT型液晶表示素子は、高速のスイッチングが可能であり、フルカラーに対応する中間調の色の表示に適しているとされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような液晶表示装置においては、見る角度によって画質が大きく変化し、例えば、画面を見る角度によって、コントラスト、明るさが変化したり、中間調の色の光度が反転して色調が変化したりして正常な画像が得られない等の問題を有している。これは、TFT型液晶表示素子においては、中間調の色の表示は液晶分子が完全に立ち上がらない状態にあり、液晶分子が傾いた方向で見た光は液晶分子中を垂直に近い角度で通過した光となり、光が回転する確率が高くなり偏光板を透過する光が多くなって白っぽい表示となるためである。また、液晶分子が傾いてない方向から見た場合には、液晶層を通過する光は液晶分子の影響が低くなり光が回転せずに暗い表示となるためである。このような問題は、液晶表示装置の画面サイズの大型化、用途の拡大による複数人での観察等の要求によって、より大きな問題となってきている。
【0005】
そこで、本発明は、プリズムシート等の部品を使用することなく、出射光線の分布角度が狭く、ピーク光(出射光線の光度分布において、最も光度の高い光線をいう。)の出射面の法線方向に出射する優れた指向性を有し、正面での光度を最も高くできる優れた指向性を有するバックライトを提供するとともに、視野角が広く、コントラストが良好で、中間色での輝度反転が少ない液晶表示装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、導光体として特定の構造を有するものを使用することによって、バックライトの出射光線の分布角度が狭く、ピーク光の出射面の法線方向に出射する優れた指向性を有し、正面での光度を最も高くできる優れた指向性を有することを見出すとともに、従来の液晶表示装置における見る方向による画面のコントラストや色調の変化が、バックライト部からの出射光の角度分布が広く、液晶表示素子に種々の方向から光が入射することによる液晶分子の傾き方向の影響に起因することに注目し、液晶表示素子に入射する光を角度分布の狭い疑似平行光とし、液晶表示素子を透過した後で光を拡散させることによって、見る角度によるコントラストや中間色での輝度反転による色調の変化が少なく、広視野角の液晶表示装置が得られることを見出し、本発明に至ったものである。
【0007】
すなわち、本発明の液晶表示装置は、光源と、該光源に対向する少なくとも一つの入射面および出射面を有し、前記出射面およびその裏面の少なくとも一方に入射面に対して45゜〜90゜の角度を有する平均傾斜角が30°以上の多数のレンズ列が平行に形成された導光体と、該導光体上にプリズム面が前記出射面側となるように配置されたプリズムシートとを有するバックライトと、該バックライト上に配置された液晶表示素子と、該液晶表示素子上に配置された少なくとも一方の面に多数のマイクロレンズが前記入射面と略平行に形成されたレンズシートを有することを特徴とするものである。
【0008】
本発明のバックライトは、図1に示したように、光源4、導光体2とプリズムシート5から構成されている。導光体2は、少なくとも一つの側面を入射面とし、これと略直交する一つの面を出射面4とし、出射面4あるいはこれと対向する裏面の少なくとも一方に、例えば図2に示したような断面形状を有する多数のレンズ列3が平行に形成されている。
導光体2に形成されるレンズ列3としては、その平均傾斜角が30゜以上であるような形状特性を有していることが必要であり、このような形状特性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、プリズム列、断面半円状あるいは半楕円状等のレンチキュラーレンズ列や波型レンズ列等のレンズ列を形成することができる。レンズ列3の平均傾斜角(θa)を30゜以上とすることによって、導光体2からの出射光の水平方向の分布を狭くすることができるものであり、好ましくは45゜以上である。
【0009】
本発明において、レンズ列3の形状特性の指標となる平均傾斜角(θa)は、ISO4287/1−1987で規定される平均傾斜角(θa)である。具体的には、ISO4287/1−1984に従って求めた。触針として010−2528(1μmR、55゜円錐、ダイヤモンド)を用いた触針式表面粗さ計(東京精器社製サーフコム570A)にて、粗面の表面粗さを駆動速度0.03mm/秒で測定した。この測定した平均線より、その平均線を差し引いて傾斜を補正し、下記(1)〜(2)式によって計算して求められる。
【0010】
【数1】
Δa=(1/L)∫0 Lf|(d/dx)f(x)|dx ・・・ (1)
【0011】
【数2】
θa=tan−1Δa ・・・ (2)
また、本発明においては、導光体2に形成されるレンズ列3は、導光体2の入射面に対して45゜〜90゜の角度を有して形成されることが必要である。これは、レンズ列の有する角度を45゜以上、すなわち45゜〜90゜とすることによって、導光体2からの出射光の水平方向の分布を狭くすることができるものであり、好ましくは60゜〜90゜の範囲である。
【0012】
形成されるレンズ列3のピッチは、加工可能な範囲で適宜選定することができるが、10〜500μmの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは30〜300μmの範囲である。導光体2の形状等によって光出射面での光度分布に斑が生じるような場合には、レンズ列3のピッチを部分的あるいは連続して変化させることによって、光出射面での光度分布の均一化を図ることができる。導光体2に形成されるレンズ列3は、導光体2の裏面を熱プレス法等によって加工して形成してもよいし、押出成形や射出成形等によって導光体2を製造する際に同時に加工して形成してもよい。また、熱あるいは光硬化性樹脂等を用いて一体に形成してもよい。熱あるいは光硬化性樹脂等を用いて導光体2の表面にレンズ列3を一体に形成する方法では、導光体2とレンズ列3の屈折率が異なるものを製造することもできる。さらに、ポリエステル系樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリメタクリルイミド系樹脂等からなる透明フィルムあるいはシート等の透明基材上に、活性エネルギー線硬化型樹脂によってレンズ列3を形成したレンズシートを、導光体2に接着、融着等の方法によって一体化させてもよい。
【0013】
活性エネルギー線硬化型樹脂を用いてレンズ列3を形成する場合には、所定のレンズパターンを形成した型に活性エネルギー線硬化型樹脂液を注入し、導光体2あるいは透明フィルムを重ね合わせる。次いで、導光体2を通して紫外線、電子線等の活性エネルギー線を照射し、活性エネルギー線硬化型樹脂液を重合硬化して、型から剥離することによって製造することができる。レンズ列3を構成する活性エネルギー線硬化型樹脂としては、多官能(メタ)アクリル化合物、ビニル化合物、(メタ)アクリル酸エステル類、アリル化合物、(メタ)アクリル酸の金属塩等を使用することができる。
【0014】
導光体2としては、板状、くさび状、船型状等の種々の形状のものが使用でき、光線透過率の高い合成樹脂から構成される。光源4から導光体2へ有効に光を導入するために、光源4および導光体2の光入射面を内側に反射剤を塗布したケースやフィルムで覆うように構成することが好ましい。導光体2の裏面には、反射面を構成するために金属蒸着等によって反射層8が形成されてもよい。導光体2を構成する合成樹脂としては、メタクリル樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂等の高透明性の種々の合成樹脂を使用して、押出成形、射出成形等の通常の成形方法で製造することができる。特に、メタクリル樹脂が、その光線透過率の高さ、耐熱性、力学的特性、成形加工性にも優れており、導光体用材料として最適である。このようなメタクリル樹脂とは、メタクリル酸メチルを主成分とする樹脂であり、メタクリル酸メチルが80重量%以上であることが好ましい。
【0015】
本発明のバックライトは、上記のような導光体2の出射面上にプリズムシート5を配置する。プリズムシート5は、透明基材の一方の面に多数のプリズム列が平行に形成されたレンズ面を有するものである。プリズムシート5のプリズム列のピッチは30μm〜0.5mm程度とすることが好ましく、そのプリズム頂角は導光体2からの出射光の出射角によって適宜選定されるが、50〜120゜の範囲とすることが好ましい。また、プリズムシート5の向きについても、導光体2からの出射光の出射角によって適宜選定され、プリズム面が導光体2の出射面側となるように載置してもよいし、逆向きに載置してもよい。
【0016】
このプリズムシート5は、導光体2の入射面に対してプリズム列が20゜以下の角度となるように配置され、導光体2からの出射光の垂直方向の分布を狭くするとともに、出射面にほぼ直角な方向に変角させるものである。導光体2から出射する光は、出射面に垂直な方向に対して70〜40゜程度傾いた指向性を持った光であり、これを出射面に対してほぼ直角な方向に変角して、液晶表示素子6に入射させる必要がある。この変角の度合いは、プリズムシート5のプリズム頂角と屈折率によってスネルの法則を用いて設計することができる。例えば、アクリル系樹脂で構成された屈折率1.49〜1.53程度のプリズムシート5をプリズム面が導光体の出射面側となるように配置した場合には、プリズム頂角を55゜〜65゜とし、プリズム面が導光体2の出射面側となるように載置することで、約60゜の傾きを持った光を出射面とほぼ垂直な方向に変角することができる。
【0017】
本発明において、プリズムシート5としては、可視光透過率が高く、屈折率の比較的高い材料を用いて製造することが好ましく、例えば、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂、活性エネルギー線硬化型樹脂等が挙げられる。中でも、レンズシートの耐擦傷性、取扱い性、生産性等の観点から活性エネルギー線硬化型樹脂が好ましい。また、プリズムシート5には、必要に応じて、酸化防止剤、紫外線吸収剤、黄変防止剤、ブルーイング剤、顔料、拡散剤等の添加剤を添加することもできる。プリズムシート5を製造する方法としては、押出成形、射出成形等の通常の成形方法が使用できる。活性エネルギー線硬化型樹脂を用いてプリズムシート5を製造する場合には、ポリエステル系樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリメタクリルイミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂等の透明樹脂からなる透明フィルムあるいはシート等の透明基材上に、活性エネルギー線硬化型樹脂によってプリズム部を形成する。まず、所定のプリズムパターンを形成したレンズ型に活性エネルギー線硬化型樹脂液を注入し、透明基材を重ね合わせる。次いで、透明基材を通して紫外線、電子線等の活性エネルギー線を照射し、活性エネルギー線硬化型樹脂液を重合硬化して、レンズ型から剥離してプリズムシート5を得る。
【0018】
本発明の液晶表示装置1は、図1に示したように、光源4と上記のような構成からなる導光体2から構成されるバックライト部と液晶表示素子6からなる。上記のような特定の出射面から構成される導光体2を用いることによって、導光体2からの出射光線は液晶表示素子6を通過する際には角度分布の小さい疑似平行光となり、液晶分子の傾き方向の影響を最小限とできるため、見る角度によるコントランスや中間色の輝度反転による色調の変化が少ない液晶表示装置1を得ることができる。液晶表示素子6としては、特に限定されるものではなく、アクティブマトリックス駆動のTFT型液晶表示素子、単純マトリックス駆動のSTN型液晶表示素子のいずれでも使用することができる。また、TFT型液晶表示素子では、その素子そしてポリシリコン、アモルファスシリコン、メタル・インシュレータ・メタル等の種々のアクティブ素子を用いることができる。
【0019】
また、図1に示したように、液晶表示素子6の上に少なくとも一方の面に多数の細かいレンチキュラーレンズ等が平行に形成されたマイクロレンズシートや拡散シート7を載置してもよい。このようにマイクロレンズシート7や拡散シートを液晶表示素子6上に載置することによって、液晶表示素子6を透過した疑似平行光がマイクロレンズシートや拡散シート7に入射し、入射光は拡散出射されるため、液晶表示装置1の視野角を広くことができる。すなわち、特定の出射面から構成される導光体2によって、液晶表示素子6を通過する際には角度分布の小さい疑似平行光で液晶分子の傾き方向の影響を最小限とでき、液晶表示素子6を透過した後にマイクロレンズシートや拡散シート7によって光の拡散を行うため、見る角度によるコントランスや中間色の輝度反転による色調の変化が少なく、かつ広い視野角の液晶表示装置1を提供できる。
【0020】
液晶表示素子6の上に載置されるマイクロレンズシートや拡散シート7は、液晶表示素子6を透過した光を拡散させることによって視野角を広げる機能を有する部材である。マイクロレンズシート7としては、少なくとも一方の面に、半円柱状、半楕円柱状あるいはこれらと類似の形状を有するレンチキュラーレンズ等のレンズを平行に多数形成してなるものであり、厚さ0.1〜10mm程度、レンズピッチが10〜800μm程度であることが好ましい。また、マイクロレンズシートや拡散シート7は、可視光透過率が高い材料を用いて製造することが好ましく、例えば、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂、活性エネルギー線硬化型樹脂等が挙げられ、押し出し成形、射出成形、活性エンルギー線硬化型樹脂を使用する方法等の通常の成形方法が使用できる。本発明においては、マイクロレンズシートや拡散シート7に、必要に応じて、酸化防止剤、紫外線吸収剤、黄変防止剤、ブルーイング剤、顔料、拡散剤等の添加剤を添加することもできる。
【0021】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
光度分布の測定
導光体の冷陰極管にインバーター(TDK社製CXA−M10L)を介して直流電源に接続し、DC12Vを印加して点灯させた。液晶表示装置を測定台に載置し、その中央で冷陰極管軸と平行な回転軸で回転するように調節した。次いで、3mmφのピンホールを有する黒色の紙を、ピンホールが導光体の中央に位置するように導光体上に固定し、輝度計(ミノルタ社製nt−1゜)を用いて測定円が8〜9mmとなるように距離を調整した。冷陰極管のエイジング時間が30分以上経過後に、回転軸を80゜〜−80゜まで5゜間隔で回転させながら、出射光の光度の角度分布を測定した。
【0022】
平均傾斜角(θa)
触針として010−2528(1μmR、55゜円錐、ダイヤモンド)を用いた触針式表面粗さ計(東京精器社製サーフコム570A)にて、粗面の表面粗さを駆動速度0.03mm/秒で測定した。この測定した平均線より、その平均線を差し引いて傾斜を補正し、前記(1)〜(2)式によって計算して求めた。
【0023】
実施例1
アクリル系樹脂の射出成形によって、一方の表面に平均傾斜角(θa)が60゜の傾斜面を有するピッチ100μmのレンチキュラーレンズが、長辺に対して90゜の方向に形成された大きさ100mm×90mm、厚さ4mmの導光体を作製した。得られた導光体の90mmの二つの端面に銀蒸着したPETフィルムを粘着加工して貼り付け、レンチキュラーレンズを形成した面の反対側の表面に銀蒸着したPETフィルムをテープ止めして反射面を形成した。アクリル板の100mmの二つの端面に、銀蒸着したPETフィルムで冷陰極管(松下電器社製KC130T4E72、4mmφ×130mm)を巻き付けて、光源ランプとして設置した。
一方、プリズム頂角63゜、ピッチ50μmのプリズムパターンを形成した金型に、アクリル系紫外線硬化型樹脂液を注入し、厚さ150μmのポリエチレンテレフタレートフィルムをロールを用いて重ね合わせ、次いで、ポリエチレンテレフタレートフィルムを通して570mJの紫外線を照射して、アクリル系紫外線硬化型樹脂液を重合硬化させた後、金型から剥離して屈折率1.59、頂角63゜のプリズムシートを得た。
【0024】
得られた導光体の出射面(レンチキュラーレンズを形成した面)上に、上記プリズムシートをプリズム面が導光体の出射面側に位置するように載置して、バックライトを構成した。得られたバックライトを用いて出射光の光度の角度分布を測定し、その結果から光源に対して水平方向の半値幅と垂直方向の半値幅を求め表1に示した。さらに、プリズムシート上にTFT型液晶表示素子を載置して、その上に厚さ5mmのアクリル系樹脂板にピッチ0.22mmのレンチキュラーレンズを形成したマイクロレンズシートを載置し、液晶表示装置を組み立てた。得られた液晶表示装置を用いて出射光の光度の角度分布を測定し、その結果から光源に対して水平方向の半値幅と垂直方向の半値幅を求め表1に示した。また、液晶表示装置を法線方向に対して30゜の角度から観察(光源に対して水平方向と垂直方向の2方向から)し、その画像の状態(コントラスト、色調、明るさ)を目視にて評価し、その結果を表1に示した。
【0025】
実施例2
導光体の表面に平均傾斜角(θa)が60゜の傾斜面を有するピッチ100μmのレンチキュラーレンズが、長辺に対して85゜の方向に形成した以外は、実施例1と同様にしてバックライトおよび液晶表示装置を組み立てた。得られたバックライトを用いて出射光の光度の角度分布を測定し、その結果から光源に対して水平方向の半値幅と垂直方向の半値幅を求め表1に示した。また、液晶表示装置を法線方向に対して30゜の角度から観察(光源に対して水平方向と垂直方向の2方向から)し、その画像の状態(コントラスト、色調、明るさ)を目視にて評価し、その結果を表1に示した。
【0026】
実施例3
導光体のレンチキュラーレンズを形成した面の反対側の表面に平均傾斜角(θa)5゜の粗面を形成した以外は、実施例1と同様にしてバックライトおよび液晶表示装置を組み立てた。得られたバックライトを用いて出射光の光度の角度分布を測定し、その結果から光源に対して水平方向の半値幅と垂直方向の半値幅を求め表1に示した。また、液晶表示装置を法線方向に対して30゜の角度から観察(光源に対して水平方向と垂直方向の2方向から)し、その画像の状態(コントラスト、色調、明るさ)を目視にて評価し、その結果を表1に示した。
【0027】
比較例1
導光体の表面にレンチキュラーレンズに変えて平均傾斜角(θa)が15゜のマット面を形成した以外は、実施例1と同様にしてバックライト、液晶表示装置を組み立てた。得られたバックライトを用いて出射光の光度の角度分布を測定し、その結果から光源に対して水平方向の半値幅と垂直方向の半値幅を求め表1に示した。また、液晶表示装置を法線方向に対して30゜の角度から観察(光源に対して水平方向と垂直方向の2方向から)し、その画像の状態(コントラスト、色調、明るさ)を目視にて評価し、その結果を表1に示した。
【0028】
比較例2
導光体の表面に平均傾斜角(θa)が15゜の傾斜面を有するピッチ100μmのレンチキュラーレンズが、長辺に対して90゜の方向に形成した以外は、実施例1と同様にしてバックライトおよび液晶表示装置を組み立てた。得られたバックライトを用いて出射光の光度の角度分布を測定し、その結果から光源に対して水平方向の半値幅と垂直方向の半値幅を求め表1に示した。また、液晶表示装置を法線方向に対して30゜の角度から観察(光源に対して水平方向と垂直方向の2方向から)し、その画像の状態(コントラスト、色調、明るさ)を目視にて評価し、その結果を表1に示した。
【0029】
比較例3
導光体の表面に平均傾斜角(θa)が60゜の傾斜面を有するピッチ100μmのレンチキュラーレンズが、長辺に対して5゜の方向に形成した以外は、実施例1と同様にしてバックライトおよび液晶表示装置を組み立てた。得られたバックライトを用いて出射光の光度の角度分布を測定し、その結果から光源に対して水平方向の半値幅と垂直方向の半値幅を求め表1に示した。また、液晶表示装置を法線方向に対して30゜の角度から観察(光源に対して水平方向と垂直方向の2方向から)し、その画像の状態(コントラスト、色調、明るさ)を目視にて評価し、その結果を表1に示した。
【0030】
【表1】
【0031】
【発明の効果】
本発明は、導光体の出射面に特定形状のレンチキュラーレンズを一定方向に平行に多数形成することにより、出射光線の角度分布が狭く、ピーク光が出射面の法線方向に出射する優れた指向性を有するバックライトを提供することができる。また、正面での輝度が高く、視野角が広く、見る角度によるコントラストの変化や中間色での輝度反転による色調変化のない液晶表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液晶表示装置の構成例を示すの斜視図である。
【図2】本発明の導光体に形成されたレンチキュラーレンズを示すの部分断面図である。
【符号の説明】
1 ・・・ 液晶表示装置
2 ・・・ 導光体
3 ・・・ レンズ列
4 ・・・ 光源
5 ・・・ プリズムシート
6 ・・・ 液晶表示素子
7 ・・・ マイクロレンズシート、拡散シート
Claims (2)
- 光源と、該光源に対向する少なくとも一つの入射面および出射面を有し、前記出射面およびその裏面の少なくとも一方に入射面に対して45゜〜90゜の角度を有する平均傾斜角が30°以上の多数のレンズ列が平行に形成された導光体と、該導光体上にプリズム面が前記出射面側となるように配置されたプリズムシートとを有するバックライトと、該バックライト上に配置された液晶表示素子と、該液晶表示素子上に配置された少なくとも一方の面に多数のマイクロレンズが前記入射面と略平行に形成されたレンズシートを有することを特徴とする液晶表示装置。
- 前記導光体の出射面およびその裏面の少なくとも一方に形成されたレンズ列が、プリズム列、レンチキュラーレンズ列、波型レンズ列のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載された液晶表示装置。
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