JP3709009B2 - 直視型液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワードプロセッサ、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直視型液晶表示装置に関する。
【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い。しかし、ＣＲＴと比較した場合には、視野角によっては画像反転が起こるなどの欠点が指摘されている。そのため視野角をさらに広くするための技術開発が求められている。一方、カラー表示を行う場合には、バックライトなしではディスプレイとしての体をなさず、バックライトが直視型液晶表示装置において必須となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、広く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の意義は非常に大きいことになる。
【０００４】
広視野角化の技術として特開平７−１３４３０１号がある。これには、インプレーンスイッチングモードの液晶表示装置が開示されているが、製造工程が複雑になるという課題がある。また、開口率が低いので、消費電力が非常に大きくなる。また、国際公開ＷＯ９５／０１５８４記載の発明では輝度が低いのでそれを補うように光源のパワーを大きくする必要があり、その結果として液晶表示装置全体における消費電力が逆に大きくなってしまう。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、従来例の持つ課題を解決するべく、高性能の光束拡散手段を直視型液晶表示装置と組み合わせ、全体として画期的な総合特性を有する直視型液晶表示装置を得ようとする。
【０００６】
つまり、新規な光束拡大手段と、光源に含まれる偏光成分を有効に変換する偏光分離手段を用いた超薄型の高性能バックライトシステムとをさらに組み合わせて、広視野と高輝度の２つの特性が両立する新たな直視型液晶表示装置を提供しようとする。
【０００７】
本発明の基本的な概念は次のようなものである。すなわち、液晶表示装置のバックライトに高効率のシステムを採用し、光源の光を損失なく液晶表示素子などの画像表示素子に伝達せしめる。画像表示素子によって変調された画像光は出射後に、光束拡大手段に導かれて、人が見やすい視野角の範囲に拡大される。この際、光束拡大手段には画像光を前方に損失なく送出する光路を設け、かつ不要な光をカットするような光吸収体を配置することが好ましい。
【０００８】
すなわち、態様１は光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、バックライトに、導光板、反射手段、第１の光回折手段および第２の光回折手段が備えられ、バックライトの出射光量がピーク値を示す方位を中心とした場合に、出射光量の半値幅が±２０°以内となるような指向性がバックライトに備えられた直視型液晶表示装置を提供する。
【０００９】
また、態様２は光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、反射膜の間隙に光吸収体が配置され、バックライトに、導光板、反射手段、第１の光回折手段および第２の光回折手段が備えられた直視型液晶表示装置を提供する。
【００１０】
また、態様３は光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、光学アレイ体の支持体に光学アレイ体の周期的構造に対応して光吸収体が配置され、バックライトに、導光板、反射手段、第１の光回折手段および第２の光回折手段が備えられた直視型液晶表示装置を提供する。
また、態様４は光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、バックライトに、１／４波長の位相差板と、偏光分離手段とが備えられ、バックライトの出射光量がピーク値を示す方位を中心とした場合に、出射光量の半値幅が±２０°以内となるような指向性がバックライトに備えられた直視型液晶表示装置を提供する。
また、態様５は光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、反射膜の間隙に光吸収体が配置され、バックライトに、１／４波長の位相差板と、偏光分離手段とが備えられた直視型液晶表示装置を提供する。
また、態様６は光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、光学アレイ体の支持体に光学アレイ体の周期的構造に対応して光吸収体が配置され、バックライトに、１／４波長の位相差板と、偏光分離手段とが備えられた直視型液晶表示装置を提供する。
【００１４】
また、態様７は光学アレイ体が凸型マイクロレンズアレイ、凹型マイクロレンズアレイ、または多角台形アレイである態様１〜６のいずれかの直視型液晶表示装置を提供する。
【００１５】
また、態様８は光束拡大手段が凹型マイクロレンズアレイの場合であって、その両外面に基材が配置され、凹型マイクロレンズアレイの内面側の一部に反射膜が配置されてなる直視型液晶表示装置を提供する。
【００１６】
また、態様９は凹型マイクロレンズアレイの液晶セル側（アレイ脚部）に接した基材の液晶セル面に光吸収体が配置されてなる直視型液晶表示装置を提供する。以下に図を参照して説明を行う。
【発明の実施の形態】
【００１７】
図１は本発明の直視型液晶表示装置の模式的な側面図である。前面に設けられた光束拡大手段１は液晶セル３の外側の表側偏光板２を出射した光の視野角を拡大するように機能する。高効率のバックライトから出射された光は液晶セル３で画像光となり、光束拡大手段１を通過して広い視野角のもとで表示を見ることができる。図１でバックライトには光源１１、導光板８、反射手段１０、第１の光回折手段７、第２の光回折手段５が備えられている。
【００１８】
図２は図１のものに対し、バックライトに１／４位相差板、平面状偏光分離手段６がさらに組み合わされて構成されている。そして、より高効率のバックライト光が得られ、視認される画像の視野角および明るさが向上する。
【００１９】
図３を参照して説明する。これは光源１１を液晶セル３の直下に配置した例である。この場合には図５に示すような頂角がほぼ９０°のプリズムレンズアレイ基材６Ｔ0 上に、偏光分離の機能を発する誘電体薄膜が設けられた凹凸面付きの平面状偏光分離手段６を用いている。
【００２０】
次に光束拡大手段について説明する。図１２は液晶表示素子の補助的な光学素子として従来から用いられている凸状のマイクロレンズアレイを示す。その外側に向かった凸曲面によるレンズ効果により光束を拡大する機能を有する。その大きさは液晶セルの画素サイズと同等ないし、小さいことが望ましい。また、個々のマイクロレンズの間に光吸収性物質を配置することが知られている。
【００２１】
次に本発明における光束拡大手段について説明する。図６はマイクロレンズとマイクロレンズの周期的な構造の間隙の一部に反射膜が設けられた状態を模式的に示す。反射膜はアルミニウムの蒸着や銀のメッキなどで形成される。
【００２２】
図７はマイクロレンズとマイクロレンズの周期的な構造の間隙の一部に反射膜が設けられ、さらにこの反射膜の外側に黒色塗料１Ｘが配置されている状態を模式的に示す。
【００２３】
図８は多角台形アレイ１Ｃからなる光学アレイ体の周期的な構造の間隙の一部に反射膜が配置されている例である。
【００２４】
図９は多角台形アレイ１Ｃからなる光学アレイ体の周期的な構造の間隙の一部に反射膜が配置され、さらにこの反射膜の外側に黒色塗料１Ｘが配置されている例である。
【００２５】
図１０は凹型のマイクロレンズアレイ１Ｄの両面に基材１Ｔがそれぞれ配置されている。凹面側の空間は空気で満たされていてレンズ効果を生む、さらにその凹面の内側に反射膜が配置されている。
【００２６】
図１１は図１０の構成に対してさらに、黒色塗料１Ｙが基材１Ｔの外面に設けられ、凹型のマイクロレンズアレイ１Ｄの脚部に対向するように配置されている。この黒色塗料１Ｙは通常のパターン印刷で形成できる。次に本発明の全体的な構成と相互の関係を説明する。
【００２７】
図１に示すように第１の光回折手段７は光源から導光板８へ導かれた光をそのブリュースター角方向へ出射するために配置される。その具体的な構造としては、プリズムレンズアレイ、レンチキュラレンズおよび指向性散乱体などがある。これらの光回折手段の特性が均一な場合、光源の近くから多くの光が出射され、遠い場所からは少ない傾向があるので、光が均一に出射されるようにその構造に傾斜を持たせることが好ましい。
【００２８】
第２の光回折手段５は第１の光回折手段７から出射された光を通常は正面方向に回折する。通常、プリズムレンズアレイが用いられる。
【００２９】
また、バックライトのシステム構成について以下に説明する。その特有な偏光分離機能は、特定方向の偏光面を有する偏光が偏光分離手段から出射されて裏側偏光板に入射され、偏光分離手段から出射せずに戻った光は反射手段で反射され、１／４波長の位相差板を２回通過することによって偏光面を９０°回転せしめられて、偏光分離手段から出射され、裏側偏光板に入射されるように構成される。
【００３０】
また、光源が液晶セルに対して横側に配置されており、光源からの光を導光板と光回折手段をへて偏光分離手段に出射し、この偏光分離手段からの光を第２の回折手段によって液晶セル面に対してほぼ垂直に出射させるように構成される。
【００３１】
また、偏光分離手段が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ことが好ましい。さらに、多層構造体が透明支持体に可視光波長と同等以下の厚みを有する誘電体薄膜を少なくとも一層以上設けたものからなることが好ましい。
【００３２】
また、偏光分離手段を出射した光の主偏光軸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することが好ましい。また、液晶セルと偏光分離手段の間に偏光軸回転器を配置することが好ましい。
【００３３】
また、偏光軸回転器を約１／２波長の位相差板とし、この位相差板の進相軸または遅相軸が偏光分離手段から出射する光の主要な偏光軸方向に対してθ傾いて配置されている場合に、偏光分離手段側の偏光板の偏光軸が２θ傾いているように配置することが好ましい。
【００３４】
また、偏光分離手段は平面状フィルムを基材とし、可視光波長と同等以下の厚みを有する誘電体薄膜を少なくとも一層以上有する誘電多層薄膜が該基材上設けられることが好ましい。
【００３５】
また、偏光分離手段がほぼ４５°の頂角を有するプリスムレンズアレイを基材とし、可視光波長と同等以下の厚みを有する誘電体薄膜を少なくとも一層以上有する誘電多層薄膜が該基材上設けられることが好ましい。次に、本発明の実施例と比較例について詳述する。
【００３６】
（例１）
図１を参照して説明する。照光面である透明なアクリル樹脂板の導光板８の一辺に蛍光ランプ（冷陰極放電管）の光源１を密着させ、反射手段１０として機能するランプカバーを設けて導光板８内に光を導入するエッジライト型バックライトを構成した。
【００３７】
蛍光ランプとしては、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３Ｗの冷陰極放電管を使用した。また、ランプカバーとしては、冷陰極放電管を包み込むような円筒形あるいは楕円筒形の反射鏡を、導光板としては、アクリル樹脂製の透光性導光板（ｎ＝１. ４９）で大きさは１６０ｍｍ×２２０ｍｍ×３ｍｍのものを用いた。
【００３８】
さらに、導光板８の裏面側にＡｌ金属反射膜からなる反射手段１０を形成した。第１の光回折手段７として、プリズムレンズアレイを導光板８の光出射面側に装着した。
【００３９】
また、第２の光回折手段５として、二等辺三角形形状のプリズムアレイを用い、頂角が導光板８側に面するように配置した。この第２の光回折手段５を出射した光の輝度の相対的角度分析を図１３に示した。比較のために導光板に光散乱体を印刷し、その上にプリズムアレイを設けた通常のバックライトの比較例を合わせて示した。符号２０に示す本例では出射光量の半値幅（Ｄ20）は約±１２°であった。一方、比較例ではその半値幅は約±５０°であった。なお、視野角θは液晶表示装置の表示面の法線方向からの傾きの角度を意味する。
【００４０】
液晶セル３としては、６４０×４８０マトリックス対応の画素数を有するＲＧＢカラーＴＦＴ駆動−ＴＮ液晶表示セルを用いた。裏側偏光板４としては、通常の光吸収型有機偏光板を用いた。
【００４１】
表側偏光板２も同様に光吸収型有機偏光板を用いた。その偏光軸の向きは表示モード（ノーマリホワイト、もしくはノーマリブラック）によって適宜選ばれるが、本例では、ノーマリホワイト表示とし、裏側偏光板４の偏光軸に対して９０゜偏光軸が回転した方向に表側偏光板２の偏光軸を配置した。
【００４２】
表側偏光板２に接して光束拡大手段１を設けた。光束拡大手段１は図９に示した構造のものを用いた。その製造法の一例を以下に示す。
【００４３】
本例では多角台形アレイの一例として四角台形アレイを用いた。四角台形アレイを形成するための平面金型に可視光硬化性のアクリルモノマーを流延し、その上にポリエチレンテレフタレートのフィルムを乗せ、ポリエチレンテレフタレートのフィルムの上から可視光線を照射して可視光硬化性のアクリルモノマーを重合させた。
【００４４】
このようにして得られた基材上に形成された四角台形アレイの頂の面に水溶性ポリマーをマスクとして塗布したのち、アルミニウムを蒸着し、さらに、黒色塗料を塗布した後、温水に浸積して水溶性ポリマーとともにその上の、アルミニウムと黒色塗料を除去した。
【００４５】
このようにして作成した光束拡大手段の四角台形の寸法は底面が２００μｍ角であり、頂の面が１００μｍ角であり、高さは２００μｍである。出射面が広い方が明るくなるが側面の反射面で反射された光はバックライト側に一部戻り再利用される。
【００４６】
光束拡大手段の底面側の角度はおよそ４５〜７０°が好ましい。構造体として形成しやすいだけでなく、光の有効利用率が高いからである。
【００４７】
このようにして作成した液晶表示素子は輝度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラストを示した。
【００４８】
（例２）
図２を参照しながら本例について説明する。基本的な構成は例１と同様であるがバックライトに平面状偏光分離手段６を組み合わせて配置した。さらに、導光板８の裏面および蛍光ランプ設置面に対向する導光板８の側面に１／４位相差板９を設け、その反対面に反射手段１０を形成した。
【００４９】
平面状偏光分離手段６としては、均質なガラス基板（ｎ＝１. ５２）の表面に、酸化チタニウム（ＴｉＯ2 ：ｎ＝２．３５）膜を一層成膜し、導光板８の光出射面側に装着した。この偏光分離手段の分離角は７２°となった。図１中の符号７の第１の光回折手段として、レンチキュラーレンズを導光板８の光出射面側に装着した。
【００５０】
また、第２の光回折手段５として、二等辺三角形形状のプリズムアレイを用い、頂角が平面状偏光分離手段６に面するように配置した。この第２の光回折手段を出射した光の輝度の相対的角度分析を図１３に（符号２１）に示した。本例では出射光量の半値幅（Ｄ21）は約±１５°であった。
【００５１】
液晶セル３としては、例１と同様に６４０×４８０マトリックス対応の画素数を有するＲＧＢカラーＴＦＴ駆動−ＴＮ液晶表示セルを用いた。裏側偏光板４としては、通常の光吸収型有機偏光板を用いた
【００５２】
このとき、光吸収型有機偏光板の偏光軸は偏光分離手段として機能する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、偏光分離手段の出射光の偏光方向と裏側偏光板４の偏光軸とをほぼ一致させた。
【００５３】
表側偏光板２も同様に光吸収型有機偏光板を用いた。その偏光軸の向きは表示モード（ノーマリホワイト、もしくはノーマリブラック）によって適宜選ばれるが、本例では、ノーマリホワイト表示とし、裏側偏光板４の偏光軸に対して９０°偏光軸が回転した方向に表側偏光板２の偏光軸をとった。
【００５４】
表側偏光板２に接して光束拡大手段１を設けた。光束拡大手段１は例１と同様にした四角台形アレイのものである。
【００５５】
このようにして作成した液晶表示素子は輝度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラストを示した。しかも、明るさが４３％向上した。
【００５６】
（例３）
図３を参照しながら説明する。液晶セル３の背後に光源１１を配置した。平面状偏光分離手段６は図５に示すように、ほぼ９０°の頂角を有するプリズムレンズアレイ体６ＴO に酸化チタンと２酸化シリコンの薄膜が交互に各２０層積層されてなる誘電体薄膜６ＤＭが備えられている。本例では第１の光回折手段と第２の光回折手段が設けられていない。また、偏光分離手段の一例を図４に示す。基材６Ｔの表面と裏面にそれぞれ誘電体薄膜６ＤＭを設けている。
【００５７】
このようにして作成した液晶表示素子は輝度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラストを示した。
【００５８】
（例６）
本発明の一例として、図６の光束拡大手段を使用した以外は例１と同様に液晶表示装置を形成した。本例の液晶表示素子は輝度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラストを示した。
【００５９】
（例７）
本発明の一例として、図７の光束拡大手段を使用した以外は例１と同様に液晶表示装置を形成した。本例の液晶表示素子は輝度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラストを示した。
【００６０】
（例１０）
本発明の一例として、図８の光束拡大手段を使用した以外は例１と同様に液晶表示装置を形成した。本例の液晶表示素子は輝度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラストを示した。
【００６１】
（例１１）
本発明の一例として、図９の光束拡大手段を使用した以外は例１と同様に液晶表示装置を形成した。本例の液晶表示素子は輝度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラストを示した。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によって、広視野角と高輝度の二つの特性が両立する新たな広視野角・高輝度透過型の液晶表示装置を実現できた。
【００６３】
すなわち、従来液晶セルの入射側の偏光板によって吸収されて無駄になっていた偏光を有用な偏光に変換して利用できるため、液晶表示装置の輝度が高い。さらに、液晶セルに入射する光は正面方向に集光されているため、液晶セルの外側の偏光板のさらに外側に配置された光束拡散手段の作用と相まって広視野角化が実現できた。
【００６４】
さらに、光回折手段を出射した光線の偏光軸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配置した場合には、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た。
【００６５】
また、本発明はその構造を安価に製造することが可能であって、高い歩留を維持しつつ高性能の液晶表示装置を得ることができる。また、コントラスト比も１０以上得ることができる。
【００６６】
また、本発明はその効果を損しない範囲で種々の応用に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１例の側面図。
【図２】本発明の第２例の側面図。
【図３】本発明の第３例の側面図。
【図４】平面状偏光分離手段の模式図。
【図５】凹凸面を備えた平面状偏光分離手段の模式図。
【図６】凸型マイクロレンズアレイ体の間隙に反射膜を配置した光束拡大手段の模式図。
【図７】凸型マイクロレンズアレイ体の間隙に黒色塗料と反射膜を配置した光束拡大手段の模式図。
【図８】反射膜と多角台形アレイ体を用いた光束拡大手段の模式図。
【図９】反射膜と黒色塗料と多角台形アレイ体を用いた光束拡大手段の模式図。
【図１０】２枚の基材と反射膜を有する凹型マイクロレンズアレイ体を用いた光束拡大手段の模式図。
【図１１】２枚の基材と反射膜を有する凹型マイクロレンズアレイと黒色塗料を用いた光束拡大手段の模式図。
【図１２】凸型マイクロレンズアレイ体の従来例を示す模式図。
【図１３】本発明と比較例におけるバックライトの特性図。
【符号の説明】
１：光束拡大手段
２：裏側偏光板
３：液晶セル
４：表側偏光板
５：第２の光回折手段
６：平面状偏光分離手段
７：第１の光回折手段
８：導光板
９：１／４位相差板
１０：反射手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワードプロセッサ、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直視型液晶表示装置に関する。
【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い。しかし、ＣＲＴと比較した場合には、視野角によっては画像反転が起こるなどの欠点が指摘されている。そのため視野角をさらに広くするための技術開発が求められている。一方、カラー表示を行う場合には、バックライトなしではディスプレイとしての体をなさず、バックライトが直視型液晶表示装置において必須となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、広く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の意義は非常に大きいことになる。
【０００４】
広視野角化の技術として特開平７−１３４３０１号がある。これには、インプレーンスイッチングモードの液晶表示装置が開示されているが、製造工程が複雑になるという課題がある。また、開口率が低いので、消費電力が非常に大きくなる。また、国際公開ＷＯ９５／０１５８４記載の発明では輝度が低いのでそれを補うように光源のパワーを大きくする必要があり、その結果として液晶表示装置全体における消費電力が逆に大きくなってしまう。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、従来例の持つ課題を解決するべく、高性能の光束拡散手段を直視型液晶表示装置と組み合わせ、全体として画期的な総合特性を有する直視型液晶表示装置を得ようとする。
【０００６】
つまり、新規な光束拡大手段と、光源に含まれる偏光成分を有効に変換する偏光分離手段を用いた超薄型の高性能バックライトシステムとをさらに組み合わせて、広視野と高輝度の２つの特性が両立する新たな直視型液晶表示装置を提供しようとする。
【０００７】
本発明の基本的な概念は次のようなものである。すなわち、液晶表示装置のバックライトに高効率のシステムを採用し、光源の光を損失なく液晶表示素子などの画像表示素子に伝達せしめる。画像表示素子によって変調された画像光は出射後に、光束拡大手段に導かれて、人が見やすい視野角の範囲に拡大される。この際、光束拡大手段には画像光を前方に損失なく送出する光路を設け、かつ不要な光をカットするような光吸収体を配置することが好ましい。
【０００８】
すなわち、態様１は光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、バックライトに、導光板、反射手段、第１の光回折手段および第２の光回折手段が備えられ、バックライトの出射光量がピーク値を示す方位を中心とした場合に、出射光量の半値幅が±２０°以内となるような指向性がバックライトに備えられた直視型液晶表示装置を提供する。
【０００９】
また、態様２は光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、反射膜の間隙に光吸収体が配置され、バックライトに、導光板、反射手段、第１の光回折手段および第２の光回折手段が備えられた直視型液晶表示装置を提供する。
【００１０】
また、態様３は光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、光学アレイ体の支持体に光学アレイ体の周期的構造に対応して光吸収体が配置され、バックライトに、導光板、反射手段、第１の光回折手段および第２の光回折手段が備えられた直視型液晶表示装置を提供する。
また、態様４は光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、バックライトに、１／４波長の位相差板と、偏光分離手段とが備えられ、バックライトの出射光量がピーク値を示す方位を中心とした場合に、出射光量の半値幅が±２０°以内となるような指向性がバックライトに備えられた直視型液晶表示装置を提供する。
また、態様５は光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、反射膜の間隙に光吸収体が配置され、バックライトに、１／４波長の位相差板と、偏光分離手段とが備えられた直視型液晶表示装置を提供する。
また、態様６は光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、光学アレイ体の支持体に光学アレイ体の周期的構造に対応して光吸収体が配置され、バックライトに、１／４波長の位相差板と、偏光分離手段とが備えられた直視型液晶表示装置を提供する。
【００１４】
また、態様７は光学アレイ体が凸型マイクロレンズアレイ、凹型マイクロレンズアレイ、または多角台形アレイである態様１〜６のいずれかの直視型液晶表示装置を提供する。
【００１５】
また、態様８は光束拡大手段が凹型マイクロレンズアレイの場合であって、その両外面に基材が配置され、凹型マイクロレンズアレイの内面側の一部に反射膜が配置されてなる直視型液晶表示装置を提供する。
【００１６】
また、態様９は凹型マイクロレンズアレイの液晶セル側（アレイ脚部）に接した基材の液晶セル面に光吸収体が配置されてなる直視型液晶表示装置を提供する。以下に図を参照して説明を行う。
【発明の実施の形態】
【００１７】
図１は本発明の直視型液晶表示装置の模式的な側面図である。前面に設けられた光束拡大手段１は液晶セル３の外側の表側偏光板２を出射した光の視野角を拡大するように機能する。高効率のバックライトから出射された光は液晶セル３で画像光となり、光束拡大手段１を通過して広い視野角のもとで表示を見ることができる。図１でバックライトには光源１１、導光板８、反射手段１０、第１の光回折手段７、第２の光回折手段５が備えられている。
【００１８】
図２は図１のものに対し、バックライトに１／４位相差板、平面状偏光分離手段６がさらに組み合わされて構成されている。そして、より高効率のバックライト光が得られ、視認される画像の視野角および明るさが向上する。
【００１９】
図３を参照して説明する。これは光源１１を液晶セル３の直下に配置した例である。この場合には図５に示すような頂角がほぼ９０°のプリズムレンズアレイ基材６Ｔ0 上に、偏光分離の機能を発する誘電体薄膜が設けられた凹凸面付きの平面状偏光分離手段６を用いている。
【００２０】
次に光束拡大手段について説明する。図１２は液晶表示素子の補助的な光学素子として従来から用いられている凸状のマイクロレンズアレイを示す。その外側に向かった凸曲面によるレンズ効果により光束を拡大する機能を有する。その大きさは液晶セルの画素サイズと同等ないし、小さいことが望ましい。また、個々のマイクロレンズの間に光吸収性物質を配置することが知られている。
【００２１】
次に本発明における光束拡大手段について説明する。図６はマイクロレンズとマイクロレンズの周期的な構造の間隙の一部に反射膜が設けられた状態を模式的に示す。反射膜はアルミニウムの蒸着や銀のメッキなどで形成される。
【００２２】
図７はマイクロレンズとマイクロレンズの周期的な構造の間隙の一部に反射膜が設けられ、さらにこの反射膜の外側に黒色塗料１Ｘが配置されている状態を模式的に示す。
【００２３】
図８は多角台形アレイ１Ｃからなる光学アレイ体の周期的な構造の間隙の一部に反射膜が配置されている例である。
【００２４】
図９は多角台形アレイ１Ｃからなる光学アレイ体の周期的な構造の間隙の一部に反射膜が配置され、さらにこの反射膜の外側に黒色塗料１Ｘが配置されている例である。
【００２５】
図１０は凹型のマイクロレンズアレイ１Ｄの両面に基材１Ｔがそれぞれ配置されている。凹面側の空間は空気で満たされていてレンズ効果を生む、さらにその凹面の内側に反射膜が配置されている。
【００２６】
図１１は図１０の構成に対してさらに、黒色塗料１Ｙが基材１Ｔの外面に設けられ、凹型のマイクロレンズアレイ１Ｄの脚部に対向するように配置されている。この黒色塗料１Ｙは通常のパターン印刷で形成できる。次に本発明の全体的な構成と相互の関係を説明する。
【００２７】
図１に示すように第１の光回折手段７は光源から導光板８へ導かれた光をそのブリュースター角方向へ出射するために配置される。その具体的な構造としては、プリズムレンズアレイ、レンチキュラレンズおよび指向性散乱体などがある。これらの光回折手段の特性が均一な場合、光源の近くから多くの光が出射され、遠い場所からは少ない傾向があるので、光が均一に出射されるようにその構造に傾斜を持たせることが好ましい。
【００２８】
第２の光回折手段５は第１の光回折手段７から出射された光を通常は正面方向に回折する。通常、プリズムレンズアレイが用いられる。
【００２９】
また、バックライトのシステム構成について以下に説明する。その特有な偏光分離機能は、特定方向の偏光面を有する偏光が偏光分離手段から出射されて裏側偏光板に入射され、偏光分離手段から出射せずに戻った光は反射手段で反射され、１／４波長の位相差板を２回通過することによって偏光面を９０°回転せしめられて、偏光分離手段から出射され、裏側偏光板に入射されるように構成される。
【００３０】
また、光源が液晶セルに対して横側に配置されており、光源からの光を導光板と光回折手段をへて偏光分離手段に出射し、この偏光分離手段からの光を第２の回折手段によって液晶セル面に対してほぼ垂直に出射させるように構成される。
【００３１】
また、偏光分離手段が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ことが好ましい。さらに、多層構造体が透明支持体に可視光波長と同等以下の厚みを有する誘電体薄膜を少なくとも一層以上設けたものからなることが好ましい。
【００３２】
また、偏光分離手段を出射した光の主偏光軸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することが好ましい。また、液晶セルと偏光分離手段の間に偏光軸回転器を配置することが好ましい。
【００３３】
また、偏光軸回転器を約１／２波長の位相差板とし、この位相差板の進相軸または遅相軸が偏光分離手段から出射する光の主要な偏光軸方向に対してθ傾いて配置されている場合に、偏光分離手段側の偏光板の偏光軸が２θ傾いているように配置することが好ましい。
【００３４】
また、偏光分離手段は平面状フィルムを基材とし、可視光波長と同等以下の厚みを有する誘電体薄膜を少なくとも一層以上有する誘電多層薄膜が該基材上設けられることが好ましい。
【００３５】
また、偏光分離手段がほぼ４５°の頂角を有するプリスムレンズアレイを基材とし、可視光波長と同等以下の厚みを有する誘電体薄膜を少なくとも一層以上有する誘電多層薄膜が該基材上設けられることが好ましい。次に、本発明の実施例と比較例について詳述する。
【００３６】
（例１）
図１を参照して説明する。照光面である透明なアクリル樹脂板の導光板８の一辺に蛍光ランプ（冷陰極放電管）の光源１を密着させ、反射手段１０として機能するランプカバーを設けて導光板８内に光を導入するエッジライト型バックライトを構成した。
【００３７】
蛍光ランプとしては、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３Ｗの冷陰極放電管を使用した。また、ランプカバーとしては、冷陰極放電管を包み込むような円筒形あるいは楕円筒形の反射鏡を、導光板としては、アクリル樹脂製の透光性導光板（ｎ＝１. ４９）で大きさは１６０ｍｍ×２２０ｍｍ×３ｍｍのものを用いた。
【００３８】
さらに、導光板８の裏面側にＡｌ金属反射膜からなる反射手段１０を形成した。第１の光回折手段７として、プリズムレンズアレイを導光板８の光出射面側に装着した。
【００３９】
また、第２の光回折手段５として、二等辺三角形形状のプリズムアレイを用い、頂角が導光板８側に面するように配置した。この第２の光回折手段５を出射した光の輝度の相対的角度分析を図１３に示した。比較のために導光板に光散乱体を印刷し、その上にプリズムアレイを設けた通常のバックライトの比較例を合わせて示した。符号２０に示す本例では出射光量の半値幅（Ｄ20）は約±１２°であった。一方、比較例ではその半値幅は約±５０°であった。なお、視野角θは液晶表示装置の表示面の法線方向からの傾きの角度を意味する。
【００４０】
液晶セル３としては、６４０×４８０マトリックス対応の画素数を有するＲＧＢカラーＴＦＴ駆動−ＴＮ液晶表示セルを用いた。裏側偏光板４としては、通常の光吸収型有機偏光板を用いた。
【００４１】
表側偏光板２も同様に光吸収型有機偏光板を用いた。その偏光軸の向きは表示モード（ノーマリホワイト、もしくはノーマリブラック）によって適宜選ばれるが、本例では、ノーマリホワイト表示とし、裏側偏光板４の偏光軸に対して９０゜偏光軸が回転した方向に表側偏光板２の偏光軸を配置した。
【００４２】
表側偏光板２に接して光束拡大手段１を設けた。光束拡大手段１は図９に示した構造のものを用いた。その製造法の一例を以下に示す。
【００４３】
本例では多角台形アレイの一例として四角台形アレイを用いた。四角台形アレイを形成するための平面金型に可視光硬化性のアクリルモノマーを流延し、その上にポリエチレンテレフタレートのフィルムを乗せ、ポリエチレンテレフタレートのフィルムの上から可視光線を照射して可視光硬化性のアクリルモノマーを重合させた。
【００４４】
このようにして得られた基材上に形成された四角台形アレイの頂の面に水溶性ポリマーをマスクとして塗布したのち、アルミニウムを蒸着し、さらに、黒色塗料を塗布した後、温水に浸積して水溶性ポリマーとともにその上の、アルミニウムと黒色塗料を除去した。
【００４５】
このようにして作成した光束拡大手段の四角台形の寸法は底面が２００μｍ角であり、頂の面が１００μｍ角であり、高さは２００μｍである。出射面が広い方が明るくなるが側面の反射面で反射された光はバックライト側に一部戻り再利用される。
【００４６】
光束拡大手段の底面側の角度はおよそ４５〜７０°が好ましい。構造体として形成しやすいだけでなく、光の有効利用率が高いからである。
【００４７】
このようにして作成した液晶表示素子は輝度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラストを示した。
【００４８】
（例２）
図２を参照しながら本例について説明する。基本的な構成は例１と同様であるがバックライトに平面状偏光分離手段６を組み合わせて配置した。さらに、導光板８の裏面および蛍光ランプ設置面に対向する導光板８の側面に１／４位相差板９を設け、その反対面に反射手段１０を形成した。
【００４９】
平面状偏光分離手段６としては、均質なガラス基板（ｎ＝１. ５２）の表面に、酸化チタニウム（ＴｉＯ2 ：ｎ＝２．３５）膜を一層成膜し、導光板８の光出射面側に装着した。この偏光分離手段の分離角は７２°となった。図１中の符号７の第１の光回折手段として、レンチキュラーレンズを導光板８の光出射面側に装着した。
【００５０】
また、第２の光回折手段５として、二等辺三角形形状のプリズムアレイを用い、頂角が平面状偏光分離手段６に面するように配置した。この第２の光回折手段を出射した光の輝度の相対的角度分析を図１３に（符号２１）に示した。本例では出射光量の半値幅（Ｄ21）は約±１５°であった。
【００５１】
液晶セル３としては、例１と同様に６４０×４８０マトリックス対応の画素数を有するＲＧＢカラーＴＦＴ駆動−ＴＮ液晶表示セルを用いた。裏側偏光板４としては、通常の光吸収型有機偏光板を用いた
【００５２】
このとき、光吸収型有機偏光板の偏光軸は偏光分離手段として機能する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、偏光分離手段の出射光の偏光方向と裏側偏光板４の偏光軸とをほぼ一致させた。
【００５３】
表側偏光板２も同様に光吸収型有機偏光板を用いた。その偏光軸の向きは表示モード（ノーマリホワイト、もしくはノーマリブラック）によって適宜選ばれるが、本例では、ノーマリホワイト表示とし、裏側偏光板４の偏光軸に対して９０°偏光軸が回転した方向に表側偏光板２の偏光軸をとった。
【００５４】
表側偏光板２に接して光束拡大手段１を設けた。光束拡大手段１は例１と同様にした四角台形アレイのものである。
【００５５】
このようにして作成した液晶表示素子は輝度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラストを示した。しかも、明るさが４３％向上した。
【００５６】
（例３）
図３を参照しながら説明する。液晶セル３の背後に光源１１を配置した。平面状偏光分離手段６は図５に示すように、ほぼ９０°の頂角を有するプリズムレンズアレイ体６ＴO に酸化チタンと２酸化シリコンの薄膜が交互に各２０層積層されてなる誘電体薄膜６ＤＭが備えられている。本例では第１の光回折手段と第２の光回折手段が設けられていない。また、偏光分離手段の一例を図４に示す。基材６Ｔの表面と裏面にそれぞれ誘電体薄膜６ＤＭを設けている。
【００５７】
このようにして作成した液晶表示素子は輝度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラストを示した。
【００５８】
（例６）
本発明の一例として、図６の光束拡大手段を使用した以外は例１と同様に液晶表示装置を形成した。本例の液晶表示素子は輝度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラストを示した。
【００５９】
（例７）
本発明の一例として、図７の光束拡大手段を使用した以外は例１と同様に液晶表示装置を形成した。本例の液晶表示素子は輝度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラストを示した。
【００６０】
（例１０）
本発明の一例として、図８の光束拡大手段を使用した以外は例１と同様に液晶表示装置を形成した。本例の液晶表示素子は輝度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラストを示した。
【００６１】
（例１１）
本発明の一例として、図９の光束拡大手段を使用した以外は例１と同様に液晶表示装置を形成した。本例の液晶表示素子は輝度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラストを示した。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によって、広視野角と高輝度の二つの特性が両立する新たな広視野角・高輝度透過型の液晶表示装置を実現できた。
【００６３】
すなわち、従来液晶セルの入射側の偏光板によって吸収されて無駄になっていた偏光を有用な偏光に変換して利用できるため、液晶表示装置の輝度が高い。さらに、液晶セルに入射する光は正面方向に集光されているため、液晶セルの外側の偏光板のさらに外側に配置された光束拡散手段の作用と相まって広視野角化が実現できた。
【００６４】
さらに、光回折手段を出射した光線の偏光軸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配置した場合には、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た。
【００６５】
また、本発明はその構造を安価に製造することが可能であって、高い歩留を維持しつつ高性能の液晶表示装置を得ることができる。また、コントラスト比も１０以上得ることができる。
【００６６】
また、本発明はその効果を損しない範囲で種々の応用に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１例の側面図。
【図２】本発明の第２例の側面図。
【図３】本発明の第３例の側面図。
【図４】平面状偏光分離手段の模式図。
【図５】凹凸面を備えた平面状偏光分離手段の模式図。
【図６】凸型マイクロレンズアレイ体の間隙に反射膜を配置した光束拡大手段の模式図。
【図７】凸型マイクロレンズアレイ体の間隙に黒色塗料と反射膜を配置した光束拡大手段の模式図。
【図８】反射膜と多角台形アレイ体を用いた光束拡大手段の模式図。
【図９】反射膜と黒色塗料と多角台形アレイ体を用いた光束拡大手段の模式図。
【図１０】２枚の基材と反射膜を有する凹型マイクロレンズアレイ体を用いた光束拡大手段の模式図。
【図１１】２枚の基材と反射膜を有する凹型マイクロレンズアレイと黒色塗料を用いた光束拡大手段の模式図。
【図１２】凸型マイクロレンズアレイ体の従来例を示す模式図。
【図１３】本発明と比較例におけるバックライトの特性図。
【符号の説明】
１：光束拡大手段
２：裏側偏光板
３：液晶セル
４：表側偏光板
５：第２の光回折手段
６：平面状偏光分離手段
７：第１の光回折手段
８：導光板
９：１／４位相差板
１０：反射手段
Claims (9)
- 光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、バックライトに、導光板、反射手段、第１の光回折手段および第２の光回折手段が備えられ、バックライトの出射光量がピーク値を示す方位を中心とした場合に、出射光量の半値幅が±２０°以内となるような指向性がバックライトに備えられた直視型液晶表示装置。
- 光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、反射膜の間隙に光吸収体が配置され、バックライトに、導光板、反射手段、第１の光回折手段および第２の光回折手段が備えられた直視型液晶表示装置。
- 光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、光学アレイ体の支持体に光学アレイ体の周期的構造に対応して光吸収体が配置され、バックライトに、導光板、反射手段、第１の光回折手段および第２の光回折手段が備えられた直視型液晶表示装置。
- 光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、バックライトに、１／４波長の位相差板と、偏光分離手段とが備えられ、バックライトの出射光量がピーク値を示す方位を中心とした場合に、出射光量の半値幅が±２０°以内となるような指向性がバックライトに備えられた直視型液晶表示装置。
- 光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、反射膜の間隙に光吸収体が配置され、バックライトに、１／４波長の位相差板と、偏光分離手段とが備えられた直視型液晶表示装置。
- 光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、光学アレイ体の支持体に光学アレイ体の周期的構造に対応して光吸収体が配置され、バックライトに、１／４波長の位相差板と、偏光分離手段とが備えられた直視型液晶表示装置。
- 光学アレイ体が凸型マイクロレンズアレイ、凹型マイクロレンズアレイ、または多角台形アレイである請求項１〜６のいずれか１項に記載の直視型液晶表示装置。
- 光源を有するバックライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する凹型マイクロレンズアレイであって、その周期的構造の間隙に反射膜が設けられ、凹型マイクロレンズアレイの両外面に基材が配置され、凹型マイクロレンズアレイの内面側の一部に反射膜が配置されてなる直視型液晶表示装置。
- 凹型マイクロレンズアレイの液晶セル側に接した基材の液晶セル面に光吸収体が配置されてなる請求項８記載の直視型液晶表示装置。
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