JP3966322B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、情報機器の端末としての直視型および投射型のディスプレイ、テレビ、プロジェクターまたは掲示板などに用いられる液晶表示装置の構造に関する。

近年、情報機器の小型軽量化が進行し、それに登載するディスプレイも省電力化が求められている。小表示容量機器にはＴＮ方式による液晶表示装置が、中表示容量機器にはＦＴＮ方式による液晶表示装置が、大容量表示容量機器にはアクティブ素子を用いたＴＮ方式による液晶表示装置が用いられている。特に最近ではバックライト付きのカラー大容量表示が求められるようになり、さらにタブレットなどの情報入力装置をこれらのディスプレイの上に重ねて用いる用途も拡大している。またこれらの情報機器は携帯性が求められることが多くなり、必然的にバッテリー駆動が前提となる。このためバックライト付き液晶表示装置としては明るさ、低消費電力が切望されている。

また低消費電力の観点から、通常はバックライトを用いずに反射型液晶表示装置として用い、暗い使用環境ではバックライトを用いるようにする工夫もなされている。

しかしながら、従来の偏光板を用いたＴＮ方式、ＦＴＮ方式による液晶表示装置においては、偏光板を用いるためバックライトの発する光の内半分しか利用することができず表示が暗くなっていた。またそのためバックライトの消費電力の半分は捨てられていたことになる。こうした状況を解決するために、特開平０５−１１９２９３号公報では、バックライトの光軸と液晶パネルの法線がブリュースター角近傍の角度をなす様に傾けて配置している。また特開平０６−０２７４２０号公報では液晶パネルの裏側に配置する偏光板の替わりに偏光ビームスプリッタを設けて光源の光を２つの偏光に分け、一方の偏光を液晶パネルに入射し、他方の偏光を１／２波長板で偏光方向を９０度捻って液晶パネルに入射している。いずれもこれらの工夫により光源の利用効率を１００％に近づけている。

しかし前者の方法では光源としてコリメータ光源を必要とし、しかもこの光源に対して液晶パネルを斜めに配置することはスペース的に不利である。後者においては光源部の大きさが極めて大きくなりやはりスペース的に現実的でない。さらに後者では、直視型液晶表示パネルに応用した場合、液晶パネルの表側から液晶パネルを見ると、偏光ビームスプリッタの鏡面が見えてしまい、視認性が低下する問題を有していた。

また、特開平６−１９０１２号公報に因れば、コレステリック液晶セルを偏光ビームスプリッタとして用いたプロジェクターを開示している。これによれば、前者のように装置の大型化を避けることができる。しかし、この原理をそのまま直視型液晶表示パネルに応用すると、やはり偏光ビームスプリッタの鏡面が見えてしまい、視認性が低下する問題を有していた。

また反射型とバックライトを併用する液晶表示装置においては、液晶パネルの裏側に配置する反射板が半透過型であるために反射率が低く、反射型として用いる場合には表示が暗くなり、バックライトを用いた場合も半透過反射板により幾分吸収反射されるために十分液晶パネルを照らすことができずに表示が暗くなる問題を有していた。

そこで本発明の液晶表示装置はこのような問題を解決するものであり、その目的とするところは、バックライトから発せられる光を１００％近く利用でき、しかもコントラスト、視認性の良好な液晶表示装置を提供するところにある。またバックライトから発せられる光を１００％近く利用でき、しかも明るいところでは反射型として用いることのできる液晶表示装置を提供するところにある。

上記課題を解決するために、本発明の液晶表示装置は、一対の基板間に液晶層を挟持した液晶パネルを有し、反射型及び透過型で用いる液晶表示装置であって、液晶表示装置の表側から、少なくとも上偏光板と、液晶パネルと、平面型偏光ビームスプリッタと、導光板と、１／４波長板と、反射層とがこの順番で設けられ、表側から入射する外光を主に利用する反射型として用いる場合と、導光板からの光を主に利用する透過型として用いる場合とにおいて、液晶層に印加する表示データを白黒反転させるための反転手段を備えることを特徴とする。

この構成によれば、少なくとも上偏光板と、液晶パネルと、平面型偏光ビームスプリッタと、導光板と、１／４波長板と、反射板とを有し、外光を利用する反射型として用いる場合と、導光板からの光を利用する透過型として用いる場合とにおいて、液晶層に印加する表示データを白黒反転させるための反転手段を備えることにより、バックライトからの光を効率良く活用するとともに、視認性の良好な液晶表示装置を提供することができる。

本発明に係る液晶表示装置によれば、反転手段は、反射型として用いる場合においては、ポジ表示となる表示データを液晶層に印加し、透過型として用いる場合においては、表示データを白黒反転して液晶層に印加することが好ましい。

本発明に係る液晶表示装置によれば、上偏光板の表側に、さらに光散乱板を備えることが好ましい。

本発明に係る液晶表示装置によれば、反転手段は、光センサを備え、光センサによる検出データの値に応じて、導光板からの光の出射と、表示データの白黒反転とを同期して行うことが好ましい。

また本発明は、２枚の透明電極付き基板の間隙に液晶層を挟持し、前記基板の背面にバックライトを配置した液晶表示装置において、表側から光散乱板、偏光板、液晶を挟持した２枚の基板、平面型偏光ビームスプリッタ、光源または導光層、１／４波長板、反射層を重ねた構成を有することが好ましい。この構成により、反射型で用いる場合、表から入射した光は光散乱板、偏光板を透過して液晶パネルで変調されて、偏光ビームスプリッタに届く。液晶パネルでの変調具合に応じて１偏光は反射され、他の１偏光は透過される。反射された偏光は再び液晶パネルで変調され、偏光板で検光されて光散乱板で散乱される。バックライトで表示する場合には、先に示した原理により、光源の光がほとんど同一方向に偏光されて液晶パネルに入射、変調されて偏光板と光散乱板を透過する。このように反射型とバックライト型のそれぞれの性能を損なうこと無く両者を兼ね備えた液晶表示装置を実現できるのである。またこの構成において表面に減反射処理を施すことにより視認性を向上できる。

また、本発明の上記２つめの液晶表示装置において、反射型として用いる場合とバックライトを用いる場合で液晶層に印加する表示データを白黒反転する手段を有することが好ましい。これにより、反射型で用いる場合と透過型（バックライト）で用いる場合におけるコントラストの反転を防ぐことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（実施例１）
本実施例では導光層に横から光を入射する薄型のバックライトを用いて、表側からノングレア板（１４）、偏光板（１）、液晶パネル（２）、偏光板（３）、光散乱板（４）、平面型偏光ビームスプリッタ（５）、光源（８）、または導光層（９）、１／４波長板（６）、反射板（７）を重ねた構成を有し、偏光板３と平面型偏光ビームスプリッタの各々の透過光に対する偏光軸を揃えて重ねて配置した例を示す。図１に本実施例の液晶表示装置の簡単な断面図を示す。図中の←→および○に点は偏光方向を示す。

図１を用いて原理を説明する。光源から発した光は導光層に入射し、導光層内の界面で反射を繰り返し、散乱ピット（１３）に到達する。すると散乱ピットでは導光層と散乱ピット界面の屈折率差が極めて小さいために光が散乱ピットに入り、光散乱が生じる。その光は主にパネル側に散乱され、導光層から外に出る。そして偏光ビームスプリッタで１つの偏光は透過して散乱層で散乱されて偏光板を透過して液晶パネルで変調される。

一方、偏光ビームスプリッタを透過しなかった偏光は偏光ビームスプリッタで反射されて導光層を透過して１／４波長板を透過して、反射板で反射され、再び１／４波長板、導光層を透過して偏光方向を９０度ひねられて今度は偏光ビームスプリッタを透過する。

従来のバックライトを用いた液晶表示装置では表示の明るさが２００ｃｄ／ｃｍ２であったが、同じ光源を用いた場合、本実施例の液晶表示装置では３５０ｃｄ／ｃｍ２を実現することができた。従来と同じ明るさにしたところ、消費電力は半分程度に低減できた。

ノングレア板については日東電工社製のものを用いたが、表面に減反射コートを施したものを用いると視認性が向上する。もちろん用いずとも良い。

偏光板は日東電工社製のものを用いたが、通常用いられている偏光板を用いることができる。偏光板の偏光方向については、用いる液晶パネルの構造と配置により最適化すれば良い。

液晶パネルとしてはＴＦＴ素子を用いたカラー液晶パネルを用いたが、ＭＩＭ素子などを用いたアクティブ型液晶パネル、またはＳＴＮなどの液晶パネル、通常のＴＮ型液晶パネルなど、その表示原理において偏光を必要とするものであれば用いることができる。

光散乱板は光源の形を隠すために必要であるが、あまり散乱性が高いと偏光軸を乱すので選定には注意を有する。また、この光散乱板に屈折率異方性があるとやはり偏光度を落とすので、屈折率異方性ができるだけ無いものを用いることが望ましい。やむを得ず屈折率異方性があるものを用いる場合には異方性のある方向を偏光軸と一致または直交させるとよい。また光散乱方向を最適化するためにプリズムレンズアレイをこの場所に挿入しても良い。コントラストを増す方法として、図５に示したように、光散乱板を取り去り、この光散乱板をノングレア板（１４）の替わりに用いると、偏光光学系から散乱体を取り去ることができ、コントラストが向上した。またこの光散乱板の表面に減反射処理を施したところ、周囲の景色の写り込みが減少して、極めて視認性が向上した。

光散乱板は、散乱ピットの大きさ形と配置を最適化（例えば非常に細かくする）する事により散乱度を落としたものでも用いることができるようになる。極端な場合、取り除くことができる。

平面型偏光ビームスプリッタとしては、コレステリック液晶をガラスセルに封入したコレステリックセルを２枚の１／４波長板で挟んだ構造のものを用いた。この平面型偏光ビームスプリッタは、入射した光の１円偏光成分をコレステリック層で反射し、もう一つの円偏光成分を透過し、その透過した円偏光が１／４波長板により直線偏光に変換される構成となっている。反射したもう一つの円偏光は反射光側の１／４波長板で直線偏光に変換されて出射する。コレステリックセルは、液晶をセルに封入したものの他、高分子液晶などを用いたフィルム型のコレステリックフィルムなども用いることができる。

また、本発明で用いる平面型偏光ビームスプリッタは、平面型偏光ビームスプリッタとしての機能を有していれば良く、その構造としてはここに示したものに限らない。偏光ビームスプリッタの偏光方向と光源の配置の関係は、図１に示した配置が最も偏光分離性がよく、表示が最も明るくなるが、この配置に限らずとも従来よりは格段に明るい表示を得ることはできる。

１／４波長板は、その延伸方向を偏光ビームスプリッタの偏光方向に対しておよそ４５度の角度を成すように配置する。またその１／４波長板としては、その機能を有していれば良く、透明性が良好であればどんなものでも用いることができる。またその挿入位置は、偏光板２のすぐ下でも良い。

反射板としては、反射率の高い銀フィルム、銀蒸着板などがよいが、反射率が高ければ他のものでも用いることができる。

光源としては、理想的には偏光ビームスプリッタに光が垂直に近い入射角で入射することが望ましいので、平面型の光源がよい。ただし本実施例では冷陰極管を用いた。そのため偏光ビームスプリッタの偏光特性の入射角依存性を考慮して図１に示したような光源と偏光ビームスプリッタの配置となっている。

偏光板（１）と偏光板（３）の位置関係は、用いる液晶パネルのツイスト角、配置、電界印加時の表示（すなわちノーマリブラックかノーマリホワイトか）により変化するが、本実施例では液晶パネルを９０度ツイスト配向として、さらに偏光板１と２の偏光方向を揃えて配置してノーマリブラック表示とした。

（実施例２）
本実施例では導光層の中央から光を入射するバックライトを用いて、表側からノングレア板（１４）、偏光板（１）、液晶パネル（２）、偏光板（３）、光散乱板（４）、平面型偏光ビームスプリッタ（５）、光源（８）または導光層（９）、１／４波長板（６）、反射層（７）を重ねた構成を有し、偏光板（３）と平面型偏光ビームスプリッタの各々の透過光に対する偏光軸を揃えて重ねて配置した例を示す。図２に本実施例の液晶表示装置を示した。実施例１と比べて光源（８）の位置と導光層（９）の構造が異なっているが、基本的な偏光原理は同じである。

この原理および構造により、従来のバックライト付き液晶表示装置よりも１．５倍の明るさを実現できた。

光散乱板（４）は光源の形を隠すために必要であるが、あまり散乱性が高いと偏光軸を乱すので選定には注意を有する。またこの光散乱板に屈折率異方性があるとやはり偏光度を落とすので、屈折率異方性ができるだけ無いものを用いることが望ましい。やむを得ず屈折率異方性があるものを用いる場合には異方性のある方向を偏光軸と一致または直交させるとよい。また光散乱方向を最適化するためにプリズムレンズアレイをこの場所に挿入しても良い。

コントラストを増す方法として、図５に示したように、光散乱板を取り去り、この光散乱板をノングレア板の替わりに用いると、偏光光学系から散乱体を取り去ることができ、コントラストが向上した。またこの光散乱板の表面に減反射処理を施したところ、周囲の景色の写り込みが減少して、極めて視認性が向上した。

１／４波長板の位置は導光層（９）と偏光ビームスプリッタ（５）の間でも良い。また、この１／４波長板を取り除いても従来に比べれば明るい表示を行うことができる。なぜなら、１３．散乱ピットなど光散乱する部分があるため、この部分で偏光ビームスプリッタからの反射光の偏光性が変化するためである。

その他、各部材に要求される特性は実施例１と同様である。

（実施例３）
本実施例では平面型光源を用いて、実施例１と同様の構成とした例を示す。図３に本実施例の液晶表示装置の簡単な断面図を示す。図３に沿ってその構成を説明する。ノングレア板（１４）、偏光板（１）、液晶パネル（２）、偏光板（３）、平面型偏光ビームスプリッタ（５）、１／４波長板（６）については実施例１で示したものを用いることができる。平面型光源（１０）としては、ＥＬ素子を用いた。また裏側の反射層（７）は平面型光源の反射性電極と兼ねることもできる。

本実施例では、平面型光源として有機ＥＬ素子を用いた。平面型光源を用いると、実施例１や実施例２で光源の形を隠すために必要であった光散乱板を必要としないため、偏光効率が高くなる。

ここで用いた有機ＥＬは、発光層にアルミニウムキノリニウム錯体を用いたものであるが、図３に示した構造上、バックライトの効率を上げるためには、有機ＥＬ層の透明性が重要となる。そのため透明性の高い発光層を有するＥＬ素子が最も適している。このような構成であると、平面型光源で発した光は、直接または反射電極で反射されて１／４波長板を透過して偏光ビームスプリッタに入射して一偏光は透過し、これに直交する偏光は反射される。反射された偏光は１／４波長板、平面型光源を透過して反射板で反射され、再び平面型光源、１／４波長板を透過して偏光方向を９０度捻られて偏光ビームスプリッタに入射して見事透過するのである。

１／４波長板を取り除いても従来に比べれば明るい表示を行うことができる。なぜなら、平面型光源など光散乱する部分があるため、この部分で偏光ビームスプリッタからの反射光の偏光性が変化するためである。

本実施例では有機ＥＬを用いたが、無機のＥＬでも透明性の高いものなら用いることができる。また他の発光光源、例えばＶＦＤ、マイクロ真空素子、プラズマ光源などを用いることができる。

（実施例４）
本実施例では、表側から光散乱板（４）、偏光板（１）、液晶パネル（２）、平面型偏光ビームスプリッタ（５）、光源（８）または導光層（９）、１／４波長板（６）、反射層（７）を重ねた構成の液晶表示装置の例を示す。図４に本実施例の液晶表示装置の簡単な断面図を示す。この構成により、反射型で用いる場合、表から入射した光は光散乱板、偏光板を透過して液晶パネルで変調されて、偏光ビームスプリッタに届く。液晶パネルでの変調具合に応じて１偏光は反射され、他の１偏光は透過される。透過された光は１／４波長板及び反射板で９０度偏光方向を捻られて再び偏光ビームスプリッタに入射しようとするが偏光方向が直交しているので透過できない。一方表側から入射した光で偏光ビームスプリッタで反射された偏光は再び液晶パネルで変調され、偏光板で検光されて光散乱板で散乱され、見やすい表示となる。バックライトで表示する場合には、先に示した原理により、光源の光がほとんど同一方向に偏光されて液晶パネルに入射、変調されて偏光板と光散乱板を透過する。このようにして作製した液晶表示装置は、反射型として用いた場合の明るさは、従来の反射型液晶表示装置に比べて５０％明るく、またバックライト型として用いた場合には、やはり５０％明るいことがわかった。

本実施例においては、導光層の構造は、実施例１に示したものを用いると、光散乱板と相まって光源の形が見えにくくなるので好都合である。

光散乱板は、他の実施例の光散乱板と役割が異なり、偏光ビームスプリッタで反射された光を散乱して白い表示にする役割をする。また偏光光学系の外にあるため、散乱度を視認性の観点だけから最適化できる。またこの光散乱板の表面に減反射処理を施したところ、周囲の景色の写り込みが減少して、極めて視認性が向上した。

（実施例５）
本実施例では実施例４において、反射型として用いる場合とバックライトを用いる場合で液晶層に印加する表示データを白黒反転する手段を設けた例を示す。具体的には、手動または周囲の明るさに応じて明るければバックライトを消して反射型で表示を行う。自動で反射型とバックライト型を切り換える場合の装置の概念図を図６に示した。周囲が暗くなれば、バックライトを点灯してしかも液晶パネルのデータドライバーに入力するデータ信号を白黒反転する様にする。これにはバックライト制御信号でデータドライバーへのデータ信号線の間にインバータを入れるか入れないかを選択できるようにするのである。

なぜこのような反転回路が必要かと言うと、実施例４で示した液晶表示装置は、反射型で用いる場合と透過型（バックライト）で用いる場合で、液晶パネルの裏側にある偏光板の偏光方向が９０度変わるためである。すなわちノーマリブラックとノーマリホワイトモードが入れ替わるのである。そこで本実施例で示した構成により反射型で用いる場合と透過型で用いる場合におけるコントラストの反転を防ぐことができる。

（発明の効果）
以上本発明に因れば、平面型偏光ビームスプリッタと偏光板を組み合わせることにより、バックライトから発せられる光を１００％近く利用でき、かつ明るい場所で見た場合のコントラストを飛躍的に向上することができるようになった。また反射型としてもバックライト型としても用いることができる従来に比べて格段に明るい液晶表示装置を実現できた。更に、低消費電力化を容易に行えることができるため、小型情報機器に登載することができる。

実施例１における液晶表示装置の簡単な断面図である。 実施例２における液晶表示装置の簡単な断面図である。 実施例３における液晶表示装置の簡単な断面図である。 実施例４における液晶表示装置の簡単な断面図である。 実施例１における液晶表示装置の簡単な断面図である。 実施例５における液晶表示装置の回路を示す簡単なブロック図である。

符号の説明

１ 偏光板１
２ 液晶パネル
３ 偏光板２
４ 光散乱板
５ 偏光ビームスプリッタ
６ １／４波長板
７ 反射板
８ 光源
９ 導光層
１０ 平面型光源
１３ 散乱ピット
１４ Ｘドライバー
１５ センサー回路
１６ 光センサー
１７ バックライト回路
１８ ドライバ回路

Claims (4)

1. 一対の基板間に液晶層を挟持した液晶パネルを有する半透過反射型の液晶表示装置であって、
   前記液晶表示装置の表側から、少なくとも上偏光板と、前記液晶パネルと、平面型偏光ビームスプリッタと、導光板と、１／４波長板と、反射板とがこの順番で設けられ、
   外光を利用する反射型として用いる場合と、前記導光板からの光を利用する透過型として用いる場合とにおいて、
   前記液晶層に印加する表示データを白黒反転させるための反転手段を備えることを特徴とする液晶表示装置。
   
2. 前記反転手段は、前記反射型として用いる場合においては、ポジ表示となる前記表示データを前記液晶層に印加し、
   前記透過型として用いる場合においては、前記表示データを白黒反転して前記液晶層に印加することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
   
3. 前記上偏光板の前記表側に、さらに光散乱板を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示装置。
   
4. 前記反転手段は、光センサを備え、
   前記光センサによる検出データの値に応じて、前記導光板からの光の出射と、前記表示データの白黒反転とを同期して行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液晶表示装置。

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