JP3820623B2 - 導光板および液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を導光し、表面から拡散する光拡散型の導光板および、その導光板をバックライトとして用いた液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
【0003】
従来から、光源と導光板とを用いた面状光源が直視型の液晶表示素子のバックライトとして用いられている。導光板は光の拡散体として用いられ、光源から出射した光は導光板に入射され、導光板の中を進みその表面から液晶表示素子側に向けて出射されるように構成される。また、位相差板や反射板、偏光分離面を備えた面状光源が知られている。
【0004】
もっとも簡素な構造を有する拡散型の導光板として、従来ガラスやプラスチックの表面に凹凸を設けたものや散乱体を印刷したものなどが知られている。
【0005】
しかし、光源からの光が導光板中で凹凸や散乱体により拡散されて、導光板の表面に出射されていた。この場合の光の偏光状態はランダムであり、偏光状態に偏りはほとんどなかった。このような光拡散型の導光板を用いた液晶表示素子のバックライトについて考察する。
【0006】
液晶表示素子の多くは、液晶層を挟むように2枚の偏光板が備えられ、表示に用いる光はどちらか一方の偏光方向の光のみを用いていた。そのため、光源から出射された光の少なくとも半分は無駄になっていた。このため、表示輝度を確保するために、出力の大きな光源を用いる必要があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来技術が有していた前述のような欠点を解決しようとするものであり、従来知られていなかった導光板および液晶表示装置を新規に提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、態様1は光源からの光を導光する基板が備えられ、前記基板の少なくとも1つの面から光が出射する導光板において、導光機能を有する層が2層以上備えられ、第1の層と第2の層との間に界面が設けられ、その界面に凹凸が備えられ、凹凸により導光機能を有する層の厚さに変化を持たせ、第1の層が複屈折性を示し、その2つの屈折率をn1、n2とし、第2の層は複屈折性を示さないか、または第1の層に比べて小さな複屈折性を示し、その屈折率をn3とすると、第2の層は複屈折性を示さないか、または第1の層に比べて小さな複屈折性を示し、その屈折率をn3とすると、屈折率差|n1−n3|が屈折率差|n2−n3|よりも大きいか、または屈折率差|n 1 −n 3 |が屈折率差|n 2 −n 3 |よりも小さく、屈折率差が大きい方における屈折率n 1 または屈折率n 2 に対応する第1の偏光方向の光を界面で散乱または屈折または回折させ、屈折率差が小さい方における屈折率n 2 または屈折率n 1 に対応する第2の偏光方向の光を導光板内で進行させて、その偏光の方向を、第1の偏光方向に変え、
光が導光板の表面で全反射し、かつ、導光板の裏面で全反射するか、もしくは、基板の裏面側に設けられた反射膜によって反射され、界面で光が散乱または屈折または回折し拡散した光が導光板の表面から出射することを特徴とする導光板を提供する。
【0010】
また、態様2は|n 1 −n 3 |と|n 2 −n 3 |のどちらか一方が0.05以内である態様1の導光板を提供する。
【0011】
また、態様3は第1の層の異方性屈折率Δnが0.1以上であり、n 1 とn 3 の差が0.045以下とされ、n 2 とn 3 の屈折率の差が0.055以上とされてなることを特徴とする態様1または2の導光板を提供する。
【0012】
また、態様4はn 3 <n1 <n2 、または、n1 <n2 <n3 の関係を満たすことを特徴とする態様1、2または3の導光板を提供する。この場合、n3 は実効的な屈折率を意味する。
【0013】
また、態様5は導光板の表面と裏面がともにほぼ平坦である態様1〜4のいずれかの導光板を提供する。
【0014】
また、態様6は態様1〜5のいずれかの導光板と液晶表示素子とが備えられ、導光板から選択的に出射される光の偏光方向と液晶表示素子の光源側の偏光板の光を通す偏光方向とが合わせられた液晶表示装置を提供する。
【0015】
また、態様7は複屈折性を示す層が液晶表示素子に対して反対側に備えられた態様6の液晶表示装置を提供する。以下に、図面を参照しつつ本発明を説明する。
【0016】
図1は、本発明の導光板を光源と組み合わせた場合のブロック図である。本発明の導光板20の一例として、透明で複屈折性を有する第1の物質からなる層の一面に凹凸加工を施した基板1を、接着材2で基板3に接着して形成できる。第1の物質の複屈折性は、基板面内に平行な偏光方向に対する屈折率をn1 、垂直な偏光方向に対する屈折率をn2 とする。
【0017】
この基板1のn2 とほぼ同じ屈折率n3 (n1 ≠n3 )を有する接着層2を用いて他の基板3に積層することにより構成される。このような、光拡散型の導光板、光源および液晶表示素子を組み合わせた液晶表示装置の一例を図2に示す。また、導光板20中における光の光路図を図3、4に示す。
【0018】
光源から発せられたランダムな偏光状態の光が、導光板の中を進行していく。このとき、光の偏光方向が基板と平行な成分の光(図3)は、複屈折性の基板1とコーティング材4との界面の凹凸が、屈折率差(n1 −n3 )の凹凸として機能することとなって、光が界面で散乱・拡散し、導光板表面から出射することになる。この光の偏光方向は、図3の紙面に対し垂直方向になる。
【0019】
これに対して、導光板中の光の偏光方向が基板と垂直な成分の光(図4)は、前述の凹凸が、光学的には、屈折率差(n2 −n3 )が小さいためにほとんど散乱されずそのまま全反射を繰り返して導光板中を進む。しかし、光が導光板表面で全反射したり、複屈折性の基板1の中を進行することにより偏光方向が回転し、いずれ基板1の面に平行な偏光成分になる。この基板1に平行な偏光成分は前述のように凹凸が設けられた界面で散乱され、導光板の表面から出射することになる。
【0020】
以上のように光源からのランダムな偏光の光のほとんどは、基板表面から出射するときには、図3、4において紙面に垂直方向の成分に変換されて出射することになる。
【0021】
この導光板を液晶表示素子と組み合わせた例を図2に示す。液晶表示素子の光源側の偏光板7の光を通す偏光方向と、本発明の光拡散を利用する導光板20から出射される光の偏光方向とをほぼ合わせておくことにより、光源から出射された光に対し、偏光板7による損失がほとんどなくなる。このことにより、従来の光拡散型導光板をバックライトに用いた場合に比べて、表示に有効な偏光性分の光が格段に多くなり、非常に明るいバックライトを構成できる。
【0022】
本発明で用いられる複屈折性を有する第1の物質としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、アクリル等がある。また、層状に形成して用いる基板の厚みは数μmから数十μmのフィルムでもよいし、また、それ以上厚い板状の物体でもよい。
【0023】
その複屈折率としては、たとえば基板面内に平行な偏光方向に対する屈折率n1 と垂直な偏光方向に対する屈折率n2 との差を0.1以上とすることが好ましい。さらに0.15、0.2と大きくなる方が光の散乱効率が大きくなるので好ましい。
【0024】
また、接着層の屈折率n3 は、n1 あるいはn2 のいずれかと等しくても表面からの拡散出射光は、いずれかの偏光に偏る効果が生まれる。また、構成として図5のように複屈折性の基板に前述の屈折率条件を有する物質4をコーティングする事も可能である。また、本発明によれば、|n1 −n3 |と|n2 −n3 |の差の違いにより、いずれかの偏光に偏る性質を出現させている。よりその差を大きくするために、n3 <n1 <n2 、またはn1 <n2 <n3 と設定することは、|n1 −n3 |と|n2 −n3 |の差をn1 とn2 の差まで大きくすることができるため好ましい。
【0025】
また、複屈折性の基板の両面に凹凸を設け、両面の前述した接着層により、他の基板に挟み込むことも可能である。さらに、何層か積層することも可能である。また、図6のように、基板の一方の面に反射膜10を施すことも可能である。また、光の出射面に偏光板を積層することも可能である。
【0026】
さらに、導光板の最表面を平坦化することは、前述のように取り出したくない偏光方向の光を効率よく全反射することができるために好ましい。また、さらに効率よく全反射するために、反射率の偏光依存性の大きな光学膜を付加することが好ましい。
【0027】
また、複屈折性を示す層は、前述したように光の偏光を少し回転させる効果があるために、凹凸により選択的に拡散した光の偏光方向を回転させてしまう効果もある。それを防止するため、複屈折層を導光板の光の出射面と反対側、つまり、液晶表示素子と反対側に設けることは、さらに偏光選択性を向上させるので好ましい。
【0028】
また、光の出射強度が面内で均一になるように、凹凸の高さや密度を面内で分布をつけ調整することも可能である。以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【0029】
【実施例】
図1は、本発明の導光板と光源とを組み合わせた構成のブロック図である。図1において光拡散型の導光板20は50μmの厚みで片面に凹凸を施したPETのフィルムを複屈折性の基板1として用いた。このPETの屈折率は、面に垂直な偏光方向に対しての屈折率n2 は、約1.49であり、面に平行な2つの偏光方向の屈折率n1 は、それぞれ1.67、1.65であった。この基板1が複屈折性を示す第1の層である。
【0030】
このPETフィルムからなる基板1の凹凸面をUV硬化型接着剤でガラス基板3に貼り付けた。このとき用いた接着剤の屈折率n3 は1.50であった。図1のように、この導光板20のエッジから光源5からの光または光源反射板6からの反射光を入射せしめ、導光板20の表面から出射する光の偏光方向による強度比を測定した。
【0031】
その結果図1の紙面に垂直な偏光方向の光強度は、図1の紙面に平行な偏光方向の光強度に比べ4倍も大きく、光源のランダムな偏光の光が、この導光板20の表面から出射するときには、特定の偏光方向に変換されていることがわかった。
【0032】
このように作製した、導光板20をバックライトとして用いて図2のように液晶表示装置を作製した。この液晶表示素子の、導光板側に設けられている偏光板7の偏光方向を、導光板20から出射される光強度の強い偏光方向にあわせた。この液晶表示装置30では、従来の導光板を用いた場合に比べ光強度は約50%増大した。
【0033】
【発明の効果】
態様1の発明においては、きわめて簡素な構造であっても、高効率のバックライトを構成できる導光板を得た。そして、小さい光源でも明るい液晶表示素子を形成できた。また、凹凸を設けることで、より光の利用効率が向上できた。また、導光板の構造強度が高まり平坦性も向上した。また、導光板から出射される光の面内むらが低減された。
【0035】
態様2の発明においては、導光板中における光損失が低減され、全体としての利用効率が向上できた。
【0036】
態様3の発明においては、偏光選択特性が向上し、出射光の輝度がより高くなった。また、本発明はその効果を損しない範囲で種々の用途に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の導光板と光源を組み合わせた一例のブロック図。
【図2】本発明の導光板と液晶表示素子を組み合わせた液晶表示装置の構成のブロック図。
【図3】導光板中の光の挙動を示すブロック図。
【図4】導光板中の光の挙動を示すブロック図。
【図5】本発明の導光板の構成概念図。
【図6】本発明の導光板の構成概念図。
【符号の説明】
1:基板
2:接着層
3:第2の基板
4:コーティング材
5:光源
6:光源反射板
7、9:偏光板
8:液晶表示素子
10:反射膜
Claims (7)
- 光源からの光を導光する基板が備えられ、前記基板の少なくとも1つの面から光が出射する導光板において、
導光機能を有する層が2層以上備えられ、
第1の層と第2の層との間に界面が設けられ、その界面に凹凸が備えられ、凹凸により導光機能を有する層の厚さに変化を持たせ、
第1の層が複屈折性を示し、その2つの屈折率をn1、n2とし、
第2の層は複屈折性を示さないか、または第1の層に比べて小さな複屈折性を示し、その屈折率をn3とすると、屈折率差|n1−n3|が屈折率差|n2−n3|よりも大きいか、または屈折率差|n 1 −n 3 |が屈折率差|n 2 −n 3 |よりも小さく、屈折率差が大きい方における屈折率n 1 または屈折率n 2 に対応する第1の偏光方向の光を界面で散乱または屈折または回折させ、屈折率差が小さい方における屈折率n 2 または屈折率n 1 に対応する第2の偏光方向の光を導光板内で進行させて、その偏光の方向を、第1の偏光方向に変え、
光が導光板の表面で全反射し、かつ、導光板の裏面で全反射するか、もしくは、基板の裏面側に設けられた反射膜によって反射され、界面で光が散乱または屈折または回折し拡散した光が導光板の表面から出射することを特徴とする導光板。 - |n 1 −n 3 |と|n 2 −n 3 |のどちらか一方が0.05以内である請求項1に記載の導光板。
- 第1の層の異方性屈折率Δnが0.1以上であり、n 1 とn 3 の差が0.045以下とされ、n 2 とn 3 の屈折率の差が0.055以上とされてなる請求項1または2に記載の導光板。
- n 3 <n1 <n2 、または、n1 <n2 <n3 の関係を満たす請求項1、2または3に記載の導光板。
- 導光板の表面と裏面がともにほぼ平坦である請求項1〜4のいずれか1項に記載の導光板。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の導光板と液晶表示素子とが備えられ、導光板から選択的に出射される光の偏光方向と液晶表示素子の光源側の偏光板の光を通す偏光方向とが合わせられた液晶表示装置。
- 複屈折性を示す層が液晶表示素子に対して反対側に備えられた請求項6に記載の液晶表示装置。
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