JP3713996B2 - 光拡散体とそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の入射角度に応じて拡散性が異なる（あるいは、光拡散にあたり光の入射角度に選択性を持つ）と共に、拡散光の出射角度にも選択性を持つような光拡散体と、それを適用して表示画像の視認性（明るさやコントラストなど）を向上したり、消費電力の軽減が実現される液晶表示装置に関する。
【０００２】
尚、本願においては、上記２種類（入射角度選択性と出射角度選択性）の角度選択性を含めて、以後の説明で「異方性」なる用語を用いると共に、同義語の「光拡散」と「光散乱」の用語を混在して用いる。
【０００３】
上記の液晶表示装置としては、バックライトやエッジライトなどの特殊光源を必要とせず、周辺光（日光や室内照明光など）からの反射光を表示光とするタイプの「反射型液晶表示装置」や、前記の特殊光源を擁するタイプの「透過型液晶表示装置」が含まれる。
【０００４】
【従来の技術】
液晶表示装置では、観察の際の視野角を確保する（すなわち、表示装置の前面には、明るく表示画像を見せる）ことや、表示画面の全面に渡って均一な明るさで表示画像を見えるようにする目的で、装置の前面に光散乱フィルムを配置することが行なわれている。
従来の光散乱フィルムとしては、表面をマット状に加工した樹脂フィルムや、内部に拡散性微粒子を分散した樹脂フィルムなどが用いられている。
【０００５】
従来のマット状に加工した樹脂フィルムや内部に拡散性微粒子を含有するフィルムの場合、入射光の入射角度に依存した散乱性の変化といった機能を持たせることは原理上困難であり、現実的にそのような機能は持ち合わせていない。
【０００６】
表面をマット状に加工した光散乱フィルムの場合、フィルム表面をサンドブラスター処理のように物理的に加工してマット面を形成したり、あるいは、酸性またはアルカリ性の溶液による溶解処理により化学的にマット面を形成する。
従って光の散乱性を制御することが難しく、また縦と横の散乱性を変えるといったことも出来ないため、光散乱に異方性を持たせることもできない。
【０００７】
内部に拡散性微粒子を分散した光散乱フィルムにおいても、散乱性を制御するために、拡散材の屈折率，大きさ，形状などを制御する試みも為されているが、技術的に難易度が高く、実用上、十分であるとは言えないのが現状である。
【０００８】
従って、上記の光散乱フィルムでは、光散乱の入射角度選択性がなく、光散乱の異方性も無いかもしくは少ないため、表示装置に使用した際に、不必要な散乱光が生じ、結果として表示の明るさやコントラストの低下或いは表示画像のぼけを招くという問題点がある。
【０００９】
一方、光散乱に異方性を持つ散乱板を用いた反射型液晶表示装置に係る提案として、特開平８−２０１８０２号公報が公知である。
上記公報に開示された散乱板は、後方散乱特性がほとんどなく前方散乱特性が強い散乱板であり、液晶表示装置への入射光あるいは液晶表示装置からの出射表示光のどちらか一方を選択的に散乱させる特性を有する。
【００１０】
上記公報では、散乱板の構成は具体的に説明されておらず、「透明微細粒子を透明な重合性高分子で固めたもの」とだけ記載されている。
このような散乱板では、上述した「内部に拡散性微粒子を分散した光散乱フィルム」と同様に、散乱特性に異方性（前方か後方か）を持たせられたとしても、縦と横の散乱特性までも制御するのは難しい。
【００１１】
また、散乱板としてホログラムを用いた透過型液晶表示装置に係る提案として、特開平９−１５２６０２号公報が公知である。
上記提案は、バックライトを有する液晶表示装置からの出射表示光を散乱させるものであり、散乱板としてホログラムを採用しているため、散乱特性に異方性を持たせることも容易であり、縦と横の散乱特性も制御することも容易ではあるが、必然的に分光（波長分散）を伴ってしまうため、観察する視点を移動するに応じて、表示光の色が変化して視覚されることになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、液晶表示装置に適用する場合、異方性（入射角度選択性，出射角度選択性）を制御することが容易であり、分光（波長分散）を伴わず、観察位置によって表示光の色が変化しない光拡散体とそれを用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１３】
すなわち、特定範囲の角度での入射光のみを拡散透過させる異方性（入射角度選択性）を光拡散シートに持たせ、例えば、装置への光の入射時に光拡散が生じ、出射時には光拡散が生じないようにすることで、不要な光拡散を無くし、画素ずれによる２重像を防ぐようにすると共に、
光拡散の範囲（出射角度選択性）を、垂直方向（上下）と水平方向（左右）で別々に制御できる構成に分け、それらを組み合わせることにより、結果的に観察位置で明るく高コントラストで高精細な表示ができるような液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の液晶表示装置は、
印加電圧に応じて透過／非透過を変調することで表示パターンを決定する液晶パネルの前面側（観察者側）に、１方向（水平または垂直）にのみ拡散性を持ち、前記と直交する方向（垂直または水平）には拡散性を持たない異方性を持つ光拡散体を配置し、
前記液晶パネルの背面側（観察者と反対側）に、上記の光拡散体とは拡散性が直交して異方性の異なる光透過性の光拡散体、およびさらに背面側に光反射体を配置した構成である。
【００１５】
請求項２に記載の液晶表示装置は、
印加電圧に応じて透過／非透過を変調することで表示パターンを決定する液晶パネルの前面側（観察者側）に、１方向（水平または垂直）にのみ拡散性を持ち、前記と直交する方向（垂直または水平）には拡散性を持たない異方性を持つ光拡散体を配置し、
前記液晶パネルの背面側（観察者と反対側）に、上記の光拡散体とは拡散性が直交して異方性の異なる反射性の光拡散体を配置した構成である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を説明する。
図１は、本発明の請求項１に係る光拡散体の一形態を示す説明図である。
【００２１】
同図の左側から光が入射し、光拡散体を透過して右側に出射する。
光拡散体は、光拡散体２（特定範囲の角度で入射する光を垂直方向に拡散透過する）と光拡散体４（特定範囲の角度で入射する光を水平方向に拡散透過する）とが、相互に補足し合う拡散性を持つように組み合わせて構成される。
【００２２】
同図に示すように、光拡散体２は、特定範囲の角度Ａで入射する光１については垂直方向に拡散透過するが、それ以外の角度（例えば、角度Ｂ）で入射する光１’については拡散させずにそのまま透過することになる。
【００２３】
光拡散体２，４の入射角度選択性の一例を、図２のグラフに示す。
光の入射方向（平面）と光拡散体（平面）とがなす角度が、−６０°〜０°である場合には、光拡散体は入射光に対して「透明体」のように機能し、拡散機能は発揮しない。
上記角度が３０°〜６０°では、およそ９０％の高い拡散効率を奏する。
【００２４】
拡散効率や拡散角度は、光拡散体に要求される特性に応じて異なるように設定される。
【００２５】
図３は、垂直方向に光拡散を行なう光拡散体（以下、「垂直拡散体」と称することとする。水平についても同様である。）に対して、Ａ，Ｂ，Ｃの３方向から照明した際の光学機能を示す説明図である。
Ａ，Ｂ，Ｃの３方向は、水平方向ではそれぞれ入射方向は異なるが、光拡散体に対して垂直方向では同一平面に存在するため、何れの入射光に対しても、垂直方向での入射角度選択性の上では同一角度であり、同様に垂直方向に光拡散することになる。
【００２６】
図４は、印加電圧に応じて透過／非透過を変調することで表示パターンを決定する液晶パネル８の前後（前面側と背面側）に、垂直拡散体２と水平拡散体４を一体積層せずに別々に配置した液晶表示装置の構成（請求項４に対応）を概略的に示す説明図である。
【００２７】
同図では、説明の便宜上、構成要素をそれぞれ離間させて示しているが、実際には、それらは一体的に密着積層される。
同図は、液晶パネル８の前面側には垂直拡散体２が、背面側には水平拡散体４が配置される場合の説明図である。
【００２８】
液晶表示装置の前面側から入射する周辺光１が、垂直拡散体２の入射角度選択性と合致すると、入射光は、垂直方向に扇状に拡がるように拡散透過する。
【００２９】
垂直方向に扇状に拡がった拡散透過光が液晶パネル８を通過した後、水平拡散体４に達し、水平拡散体４に対して水平方向では同一平面に存在する前記透過光が、水平拡散体４の入射角度選択性と合致すると、入射光（扇状の拡散透過光）は、さらに水平方向にも拡がって拡散透過することになり、同図に示すように、１本の光線として入射した光は、垂直・水平の双方に扇状に拡がった表示光６となる。
【００３０】
同図で、水平拡散体４の背面側に配置されているのは反射体９であり、装置に入射する周辺光を観察者側に表示光６として反射させるための部材である。
表示光を得る際、バックライトやエッジライトなどの特殊光源を用いず、周辺光の反射光を利用する反射型液晶表示装置（請求項５に対応）では、反射体９が必須となる。
【００３１】
水平拡散体４での拡散透過は、反射体９に至る以前であっても、反射体５から反射した後でも、また、その双方であっても構わない。
すなわち、液晶パネル８で規定された表示画像が観察者に至る直前に表示光６が拡散されると、表示画像がぼけて視覚されることになり、液晶パネル８で規定される画像が高精細なパターンである場合、弊害が大きい。
【００３２】
そのため、液晶パネル８の前面では、周辺光の入射時のみに拡散される必要があり、表示光の出射時には拡散されてはならないが、表示装置の厚さ（垂直拡散体２〜反射体５までの距離）が小さい場合には、上記弊害は解消される。
液晶パネル８の背面では、拡散時点が反射体９の前後の何れであっても、液晶パネル８に反射光が達する前のことであり、表示画像のぼけについては、一切の問題とならない。
【００３３】
図４は、液晶パネルの前面側に垂直拡散体・背面側に水平拡散体が配置される構成についての説明であったが、前面側に水平拡散体・背面側に垂直拡散体が配置される構成であっても良い。
【００３４】
図５は、液晶表示装置の他の実施形態（請求項５に対応）を示す説明図である。
図５では、液晶パネルの前面側に垂直拡散体を配置するが、液晶パネルの背面側には入射角度選択性および異方性を有する「透過性の光拡散体」は配置せず、異方性を有する「反射性の光拡散体４’」を配置する。
【００３５】
上記の「光反射性シート」は、反射方向を制御するため、反射面にエンボス加工による凹凸を形成するなどして得られる。
反射方向の異方性は、前面側の垂直拡散体に直交するものである。
【００３６】
また、図示はしないが、垂直拡散体と水平拡散体を一体積層した光拡散体を、液晶パネルの前面側に配置する構成の液晶表示装置（請求項３に対応）とすることも可能である。
【００３７】
この場合、上述したように、液晶パネル８の前面で表示光の出射時に拡散が行なわれると、表示画像がぼけて視覚されるため、２つの光拡散体（垂直・水平）は、周辺光の入射時にのみ拡散が行なわれる様に設定されるが、上記と同様に、表示装置の厚さ（光拡散体〜反射体までの距離）が小さい場合には、ぼけの弊害は解消される。
【００３８】
尚、上述した光拡散体として、ホログラムで必然的に付随する分光による着色を回避すると共に、所定の異方性・入射角度選択性を奏するものとして、スペックルを記録した光拡散体（請求項２に対応）が好適である。
【００３９】
スペックルパターンは、コヒーレント性の良い光が粗面で散乱反射または透過した時に生ずる明暗の斑点模様であり、粗面の微小な凹凸で散乱した光が不規則な位相関係で干渉するために生ずるものである。
【００４０】
図６は、屈折率の異なる部分が不規則な形状・厚さで分布して、屈折率の高低（同図では、黒と白で表現する）からなる濃淡模様が形成された光拡散体（光散乱フィルム）１１を示す説明図であり、左が平面図，右が断面図である。
【００４１】
平面図から分かるように、屈折率の異なる部分の形状は横長である。
また、断面図から分かるように、屈折率の異なる部分は、フィルムの厚さ方向に対して傾斜して層状に分布した構造である。
図６では、屈折率の異なる部分が、層状に傾斜している方向については、屈折率の分布は一様（傾斜方向では、色が変化していない）である。
【００４２】
図７は、別の実施形態に係る光拡散体（光散乱フィルム）１１を示す説明図であり、左が平面図，右が断面図である。
図７では、屈折率の異なる部分の形状は縦長であり、また、屈折率の異なる部分が、層状に傾斜している方向については、屈折率の分布は不規則（傾斜方向でも、色が変化している）である。
【００４３】
図６・図７の光拡散体の光学特性について、まず、断面図で考える。
屈折率の異なる部分が層状に分布した上記傾斜方向に沿った角度（フィルムの垂線から角度θをなす、図の矢印１２の方向）で入射する光に対しては、光散乱が生じることになる。
【００４４】
上記傾斜方向とは垂直な角度（図の矢印１３の方向）で入射する光に対しては、単なる透明フィルムとして機能し、入射光は散乱されずに出射する。
【００４５】
次に、平面図で考えると、
屈折率の異なる部分の形状が縦長（あるいは、横長）であると、その部分に入射する光が散乱出射する場合には、それぞれの部分からの出射光の光散乱特性が、横長（あるいは、縦長）となるような異方性を持つ。
図６では形状が横長であるから出射光は縦長に散乱し、図７では形状が縦長であるから出射光は横長に散乱することになる。
【００４６】
【発明の効果】
液晶表示装置（特に、反射型液晶表示装置）に適用する場合、異方性（入射角度選択性，出射角度選択性）を制御することが容易であり、分光（波長分散）を伴わず、観察位置によって表示光の色が変化しない光拡散体とそれを用いた液晶表示装置が提供される。
【００４７】
すなわち、特定範囲の角度での入射光のみを拡散透過させる異方性（入射角度選択性）を光拡散シートに持たせ、例えば、装置への光の入射時に光拡散が生じ、出射時には光拡散が生じないようにすることで、不要な光拡散を無くし、画素ずれによる２重像を防ぐようにすると共に、
光拡散の範囲（出射角度選択性）を、垂直方向（上下）と水平方向（左右）で別々に制御できる構成に分け、それらを組み合わせることにより、結果的に観察位置で明るく高コントラストで高精細な表示ができるような液晶表示装置が実現される。
【００４８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光拡散体の一形態を示す説明図。
【図２】本発明の光拡散体の入射角度選択性の一例を示すグラフ。
【図３】垂直方向に光拡散を行なう光拡散体に対して、Ａ，Ｂ，Ｃの３方向から照明した際の光学機能を示す説明図。
【図４】液晶パネルの前後（前面側と背面側）に、垂直拡散体と水平拡散体とを一体積層せずに別々に配置した液晶表示装置の構成を概略的に示す説明図。
【図５】液晶表示装置の他の実施形態を概略的に示す説明図。
【図６】屈折率の異なる部分が不規則な形状・厚さで分布して、屈折率の高低からなる濃淡模様が形成された光拡散体を示す説明図。
【図７】別の実施形態に係る光拡散体を示す説明図。
【符号の説明】
１，１’…入射光
２，４…光拡散体（透過性）
４’…光拡散体（反射性）
６…表示光
１１…スペックルを記録した光拡散体
１２，１３…入射光

Claims (2)

1. 印加電圧に応じて透過／非透過を変調することで表示パターンを決定する液晶パネルの前面側（観察者側）に、１方向（水平または垂直）にのみ拡散性を持ち、前記と直交する方向（垂直または水平）には拡散性を持たない異方性を持つ光拡散体を配置し、
   前記液晶パネルの背面側（観察者と反対側）に、上記の光拡散体とは拡散性が直交して異方性の異なる光透過性の光拡散体、およびさらに背面側に光反射体を配置した構成である液晶表示装置。
2. 印加電圧に応じて透過／非透過を変調することで表示パターンを決定する液晶パネルの前面側（観察者側）に、１方向（水平または垂直）にのみ拡散性を持ち、前記と直交する方向（垂直または水平）には拡散性を持たない異方性を持つ光拡散体を配置し、
   前記液晶パネルの背面側（観察者と反対側）に、上記の光拡散体とは拡散性が直交して異方性の異なる反射性の光拡散体を配置した構成である液晶表示装置。

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