JP4103357B2 - 反射型液晶表示装置、およびこれを用いた情報機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置を用いた反射型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータ、テレビ受像機、ワードプロセッサ、ビデオカメラ等への液晶表示装置の応用が進展する一方で、このような機器に対しては小型化、低コスト化などの要望が高まっている。これらの要望を満たすべく、バックライトを用いずに外部から入射した周囲光を反射させて表示を行う、反射型液晶表示装置の開発が進んでいる。
【０００３】
しかし、反射型液晶表示装置は、周囲光を表示に利用するため、採光が十分でない環境や夜間などの暗闇では、鮮明に表示することができない。そこで、このような反射型液晶表示装置の欠点を改善するため、反射型液晶表示装置の前方全面に前方照明装置を配置した構成のものが提案されている。
【０００４】
図１に、そのような前方照明装置１を有する反射型液晶表示装置の原理を示す。この反射型液晶表示装置は、偏光板３、基板４、カラーフィルタ５、液晶層６、反射層７を有する反射型の液晶表示パネルに接着層２によって前方照明装置１を固定したものである。
【０００５】
太陽光などの外光が液晶表示パネルに入射すると、入射光は液晶表示パネルの各層を透過し、反射層７に反射されて、液晶表示パネルから前面に出射される。このときカラーフィルタ５の開口ごとに光を透過させたり、遮断したりするように液晶層６を制御することで画像が生成される。
【０００６】
一方、前方照明装置１は、光源と、光源から放射された光を導く断面がくさび型の導光部を有している。光源からの光は、導光部内で全反射を繰り返し、液晶表示パネル内に入射する。液晶表示パネルに入射した光は、反射層７で反射され、液晶層６、カラーフィルタ５、偏光板３、さらには、前方照明装置１の導光部を透過し、観察者の目に到達する。
【０００７】
ところで、反射層７には、以下の２種類の反射部が設けられている。第１の反射部Ｕ１は、液晶表示パネル表面の法線に対して斜め方向に入射する前方照明装置１からの入射光を液晶表示装置前面の観察者方向に反射する。
【０００８】
一方、第２の反射部Ｕ２は、液晶表示装置前面の観察者方向から入射する入射光を観察者方向に反射する。この第２の反射部Ｕ２は、液晶表示パネル表面の法線に対して斜め方向に入射する前方照明装置１からの入射光を観察者方向へ反射することができない。
【０００９】
図２に、前方照明装置１から入射する入射光に対する反射光の経路の例を示す。図２のように、このような入射光は、第２の反射部Ｕ２により、液晶表示パネルの法線に対して、再び斜め方向に反射される。その結果、上記反射光が偏光板３の界面で再び、反射層７の方向へ反射される。
【００１０】
ここで、前方照明装置１から入射され、反射層７へ初めて到達した入射光を、１次入射光、１次入射光の反射光を１次反射光、１次反射光が液晶表示装置内で反射し、２度目に反射層７へ入射した入射光を２次入射光、２次入射光の反射光を２次反射光、のように以下同様にｎ次入射、反射を定義する。
【００１１】
すなわち、図２に示すように、前方照明装置１からの１次入射光は、第１の反射部Ｕ１で反射せずに、第２の反射部Ｕ２で反射したとき、略垂直方向には反射せず、斜め方向に１次反射する。
【００１２】
この１次反射光は、この後、例えば、偏光板３の背面側の界面で全反射し、反射層７に２次入射する。２次入射光が、第１の反射部Ｕ１に入射すると、略垂直（観察者）方向へ２次反射し、視認される。ここで、偏光板３の背面側の界面とは、液晶表示装置前面の観察者から見た偏光板３の背面、すなわち、反射層７側の界面をいう。
【００１３】
ただし、上記２次反射光が、第２の反射部Ｕ２に入射すると、１次反射時と同様に斜め方向に反射し、偏光板３の背面側の界面での全反射を経て、３次入射する。よって、前方照明装置１からの入射光は、第１の反射部Ｕ１に入射するまで、反射層７〜偏光板３の界面の反射を繰り返す。
【００１４】
図２の例では、このとき、１次入射光とｎ次反射光およびｎ次入射光とは、カラーフィルタ５の層で異なった色材を通過する。このような場合、液晶表示パネルに「混色」が生じ、視認性が低下してしまう。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたものである。本発明の目的は、前方照明装置を有する反射型液晶表示装置において、混色を低減し、視認性を向上させることにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、液晶表示パネルと、該液晶表示パネルの前方に配置され該液晶表示パネルに光を出射する前方照明装置とを備え、上記前方照明装置と上記液晶表示パネルの間に接着層を備え、上記前方照明装置は、光源と、光源から発せられた光を光出射面に導き、上記光出射面から出射させる導光板を有し、上記液晶表示パネルは、偏光板と、液晶層と、反射層とを有し、上記反射層により反射された反射光を透過させて画像を生成する反射型液晶表示装置において、上記反射層は、複数の第１の反射部と複数の第２の反射部とが混在して配置された構成であり、前記第１の反射部は、前記光源からの第１の入射光を、前記導光板の光出射面に対して略垂直な方向に反射し、前記反射型液晶表示装置の外部へ出射させるものであり、前記第２の反射部は、前記光源からの第１の入射光を、その反射光が前記反射層より前記前方照明装置側にある層のいずれかの界面で反射するように、斜めに反射し、かつ、前記反射型液晶表示装置の外部から前記導光板の光出射面に対して垂直に入射する第２の入射光を、その反射光が前記導光板の光出射面の法線に対して２５°以内の角度をなして前記反射型液晶表示装置の外部へ出射するように、反射するものであり、前記第２の反射部により反射された前記第１の入射光の反射光が前記偏光板透過前に全反射しないように、上記偏光板と、上記偏光板から上記反射層までの間のすべての層の屈折率Ｎが以下の式を満たすことを特徴とする。
【数２】
ｎｂ：前方照明装置と液晶表示パネル間の接着層の屈折率
ｎＬＣ：液晶層の屈折率
γ：第２の反射部の最大傾斜角度
【００１７】
好ましくは、上記液晶表示パネルは、上記偏光板から上記反射層の間に、第１の接着層、位相差板層、第２の接着層、基板層の少なくとも一つをさらに有してもよい。
【００１９】
好ましくは、上記反射型液晶表示装置において、上記偏光板と、上記偏光板から上記反射層までの間のすべての層の屈折率をすべて１．４５以上にしてもよい。ここで、入射角度とは、入射光の液晶層界面の法線に対する角度をいう。
【００２０】
また、本発明は、上記反射型液晶表示装置を用いた情報機器であってもよい。
【００２１】
このように、液晶表示パネルの各層の材料の屈折率を選択することで、偏光板背面における全反射を低減することができる。その結果、液晶表示パネル内で２回以上の反射を繰り返す入射光は、最後の反射前に必ず、２回以上偏光板を透過する。その結果、最後に反射層から反射されて液晶表示パネルから出射する出射光において、最後の反射以外の液晶表示パネル内で反射した反射光あるいは、液晶表示パネルへ入射した入射光の透過率が低下して、これらの入射光または反射光による混色を低減することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態に係る液晶表示装置を説明する。
【００２３】
（原理的説明）
図３に、本実施の形態に係る液晶表示装置の原理を示す。この液晶表示装置の構成の構成要素は、図１に示したものと同様である。すなわち、この液晶表示装置は、前方照明装置１、接着層２、偏光板３、基板４、カラーフィルタ５、液晶層６および反射層７を有している。このうち、偏光板３、基板４、カラーフィルタ５、液晶層６および反射層７が液晶表示パネルの各層を構成する。
【００２４】
前方照明装置１は、光源を発した光をくさび形状の導光部から液晶表示パネルに照射する。また、接着層２は、前方照明装置１を液晶表示パネルに固定する。
【００２５】
偏光板３は、透過する光の偏光を所定方向の直線偏光に変える。また、この偏光板３は、他の層、例えば、基板４、カラーフィルタ５、あるいは、光透過時の液晶層６に比較して、透過率が低い。一般的には、偏光板３の透過率は、４０％〜５０％程度である。
【００２６】
基板４は、例えば、ガラスであり、光を透過するとともにカラーフィルタ５および液晶層６を保護する。
【００２７】
カラーフィルタ５は、不図示のＲＧＢ各色に対応する開口部とブラックマトリクス部とからなる。また、液晶層６は、不図示の液晶駆動素子により駆動され、上記カラーフィルタ５の各色の開口部に対する光の透過率を変更させ、ＲＧＢの組み合わせによる画像を生成する。
【００２８】
反射層７は、第１の反射部Ｕ１と、第２の反射部Ｕ２を有している。第１の反射部Ｕ１は、上記前方照明装置１からの斜めに入射する入射光を観察者の方向（液晶表示パネルに対して略法線方向）に反射する。
【００２９】
一方、第２の反射部Ｕ２は、液晶表示装置前方の観察者方向からの入射光（外光）を観察者の方向に反射する。また、この第２の反射部Ｕ２は、前方照明装置１から斜めに入射する入射光を斜め方向に反射する。
【００３０】
今、前方照明装置１からの１次入射光Ｒ０が反射層７において第２の反射部Ｕ２で反射され、さらに、偏光板３の界面で全反射され、再び反射層７に入射したとする。この入射光が第１の反射部Ｕ１で反射され、２次反射光Ｒ２Ａとなって観察者方向に出射する場合を考える。
【００３１】
この反射光Ｒ２Ａは、１次入射光Ｒ０として透過したカラーフィルタ５の領域と、２次反射光Ｒ２Ａとして通過したカラーフィルタ５の領域が異なるため、混色が生じている。
【００３２】
一方、図３において、１次反射光Ｒ１が偏光板３を通過し、偏光板３と接着層２の界面で反射され、再び反射層７に入射し、２次反射光Ｒ２Ｂとして出射される場合を想定する。
【００３３】
この場合、１次反射光Ｒ１は、１次反射時と２次入射時の２回、偏光板３を通過することになる。偏光板３の透過率が４０％〜５０％であることから、この場合の２次入射光の強度は、１６％〜２５％に低下する。この２次入射光が第１の反射部Ｕ１で反射され、２次反射光Ｒ２Ｂとなって観察者方向に反射する。
【００３４】
したがって、２次反射光Ｒ２Ｂにおける混色は、上記２次反射光Ｒ２Ａに対して、１６％〜２５％に低下する。これは、１次反射光Ｒ１が前方照明装置１のくさび形の導光部界面で反射した場合の２次反射光Ｒ２Ｃについても同様である。すなわち、本液晶表示装置では、混色の原因となるｎ次反射光（特に１次反射光）を偏光板３より背面側の界面で全反射させなければよい。
【００３５】
このような偏光板３の背面側界面で反射せず、偏光板３を透過した光を偏光板透過光という。一方、偏光板３の背面側界面で反射した光を偏光板界面全反射光という。
【００３６】
つまり、１次反射光が偏光板３を透過すれば、偏光板３と接着層２との界面、あるいは前方照明装置１の導光部界面で全反射して、２次入射が生じる。この光の２次反射光が観察者側に出射しても、１次反射、２次入射時に偏光板３を２回透過しているので、混色光の明るさが減り、視認性の低下が小さくなる。
【００３７】
偏光板３より背面側の界面での全反射の抑制方法としては、偏光板３および偏光板３の背面側の各層、すなわち、基板４、液晶層６等の屈折率を大きくすればよい。
【００３８】
（実施例）
図４〜図６を参照して、本発明の一実施例に係る液晶表示装置について説明する。図４は、本実施例に係る液晶表示装置の構成図であり、図５は、この液晶表示装置の視野角と、反射層７における第２の反射部Ｕ２の最大傾斜角との関係を示す図であり、図６は液晶層６へ入射した入射光の入射角と、その入射光が反射層７で反射するときの反射角との関係を示す図である。
【００３９】
図４に本実施例に係る液晶表示装置の構成図を示す。この液晶表示装置は、観察者側から、前方照明装置１、接着層２Ａ、偏光板３、接着層２Ｂ、位相差板８、接着層２Ｃ、ガラス基板４Ａ、カラーフィルタ５、液晶層６、および反射層７を有している。
【００４０】
このうち、位相差板８および接着層２Ｃ以外の構成は、図３の場合と同様である。図４の液晶表示装置は、色補償のため、偏光板３とガラス基板４Ａとの間に、位相差層８および接着層２Ｃを設けている。
【００４１】
これらの各層のうち、カラーフィルタ５および反射層７以外の層（この層が導光部から数えてｉ番目の層である場合に、これを層ｉと呼ぶことにする）では、隣接する層ｉ＋１のと界面で、その界面に入射する入射光と、界面から出射する屈折光とがスネルの法則
Ni・sinθi = Ni+1・sinθi+1
(ここで、Ni、θiは、第ｉ層における屈折率および入射角、 Ni+1、θi+1は、第ｉ＋１層における屈折率および屈折角)
により拘束される。ただし、入射角および屈折角はいずれも、界面の法線に対する角度である。また、屈折角を出射角ともいう。
【００４２】
例えば、前方照明装置１のくさび型の導光部として、屈折率ｎ１が1.53の材料、一例としてアクリル系樹脂を用いる。また、接着層２Ａとして、屈折率ｎ２が1.4の材料、一例として、アクリル系あるいはエポキシ系樹脂を用いる場合を考える。
【００４３】
また、ガラス基板４Ａの屈折率ｎ７は、約1.52である。また、液晶層６の屈折率ｎ８は、典型的には約1.5である。
【００４４】
このような構成の液晶表示装置について、本実施例では、偏光板３の屈折率ｎ３、接着層２Ｂの屈折率ｎ４、位相差板８の屈折率ｎ５、および接着層２Ｃの屈折率ｎ６等を決定し、反射光が偏光板３と接着層２Ｂとの界面で全反射しない材料を選択する。
【００４５】
まず、前方照明装置１からの入射光の入射角θ1の最大値は全反射臨界角を取る。全反射臨界角とは、その角度以上の入射角においては、屈折角が９０度となり、入射光が全反射する限界の入射角をいう（特願２０００−４０２９４２参照）。
【００４６】
また、反射層７への１次入射角θ8（液晶層６への入射角）の最大値は、θ1が最大値を取るときに生じるので、スネルの法則より
【００４７】
【数３】
ｎ1・sin θ1＝ｎ2＝ｎ8・sin θ8
⇔θ8 ＝68.96゜
次に、表示装置の視野角を基に第２の反射部Ｕ２の反射面傾斜角γを定める。表示装置の視野角は一般的に±２５°程度が求められている。
【００４８】
図５に、視野角と反射面傾斜角γとの関係を示す。ここでは、垂直方向からの平行光入射を考え、この入射光に対して視野角が±２５°となるように反射面傾斜角γを決定する。
【００４９】
スネルの法則から、液晶層６内での反射光角度θは、
1.5・sin θ＝１・sin25゜
⇔θ＝16.36゜
一方、図５に示した入射光Ｒ０、反射光Ｒ１と、反射面傾斜角γとの幾何学的関係から、
【００５０】
【数４】
γ ＝ θ／２
である。
【００５１】
つまり、反射面の最大傾斜角度は、γ＝１６．３６／２＝８．１８°となる。
【００５２】
次に、数３の入射角で入射した入射光が第２の反射部Ｕ２で反射するときの１次反射光の反射角度を求める。図６に、入射角θ8で液晶層６に入射した入射光と、反射層７の傾斜角γの関係を示す。入射光Ｒ０と１次反射光Ｒ１の幾何学的関係から、１次反射光Ｒ１の反射角度は、θ8＋２γまたはθ8−２γとなる。
【００５３】
したがって、数３のθ8の値を用いて、第２の反射部Ｕ２で反射した１次反射光の角度は、以下の範囲を取る。
【００５４】
Ｍax：θ8＋２γ＝８５．３２°
Ｍin：θ8−２γ＝５２．６°
よって、上記角度範囲の光が、偏光板３の背面側で全反射しないように、ｎ3〜ｎ6の屈折率を定めればよい。
【００５５】
今、部材の屈折率をＮとして全反射が生じないＮを求める。θ8が上記最大値を取るときに全反射が生じない条件を求めればよいので、スネルの法則より、以下の式を満たせばよい。
【００５６】
【数５】
ｎ8・sin85.32゜≦Ｎ・sin90°＝Ｎ
⇔Ｎ≧1.494999…
つまり、１次反射光が偏光板３に入射する前に全反射しないようにするには、ｎ3〜ｎ6がすべて１．４９５以上であればよい。
【００５７】
そこで、屈折率が１．４９５以上の位相差板８、偏光板３を製作するには、例えば、これらの材料フィルムとしてＰＣ（ポリカーボネート）、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）、ポリジエチレングリコールビスアリルカーボネード、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＡＳ（アクリロニトリル−スチレン共重合体）、ＰＣＨＭＡ（ポリメタクリル酸シクロヘキシル）、ＭＳ（スチレン−メタクリル酸メチル共重合体）等を用いればよい。また、接着層２Ｂおよび２Ｃとして、アクリル系接着剤、あるいは、エポキシ系剤の中から屈折率１．４９５以上のものを選択すればよい。
【００５８】
なお、液晶層７への入射光の入射角θ8が、例えば、６５°〜７０°の範囲に含まれると仮定した場合は以下のようになる。
【００５９】
まず、入射角θ8が６５°の場合、以下の数６のようになる。
【００６０】
【数６】
ｎ8・sin81.36゜≦Ｎ
⇔Ｎ≧1.48297…
また、入射角θ8が７０°の場合、以下の数７のようになる。
【００６１】
【数７】
ｎ8・sin86.36゜≦Ｎ
⇔Ｎ≧1.4969…
以上の数６および数７では、前方照明装置１の導光部の屈折率ｎ１＝１．５３、接着層２Ａの屈折率ｎ２＝１．４、液晶６の屈折率ｎ８＝１．５を仮定したが、本発明は、これらの屈折率に限定されるものではない。したがって、これら以外の屈折率、例えば、液晶層６の屈折率が１．５未満までを考慮すると、概略Ｎ≧1.45とすればよい。
【００６２】
以上述べたように、本実施例の液晶表示装置は、偏光板３より背面側の界面において、反射層７で反射された反射光の全反射を防止する。その結果、１次入射光に対する１次反射光がさらに反射される場合、必ず偏光板３を２度通過することになる。したがって、液晶表示装置の前方照明装置１と反射層７との間で複数回の反射を繰り返した後、第ｎ次反射光として、液晶表示装置から出射される場合に、第ｎ次入射および第ｎ−１次反射以前の光による混色を低減することができる。
（屈折率の一般化）
次に、前方照明装置１と液晶表示パネル（偏光板３）の間の接着層２Ａの屈折率ｎ2、および液晶層６の屈折率ｎ8により、上記屈折率Ｎの一般式を求める。
今、これらの屈折率を次のように置く。
【００６３】
ｎ2＝ｎb
ｎ8＝ｎLC
この関係式より、数３を解くと、
【００６４】
【数８】
さらに、各層の部材の屈折率を一般的にＮとして全反射が生じないＮを求める。
【００６５】
θ8が上記最大値を取るときに全反射が生じない条件を求めればよいので、スネルの法則より、以下の数９を満たせばよい。
【００６６】
【数９】
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、前方照明装置を有する反射型液晶表示装置において、混色を低減し、視認性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 反射型液晶表示装置の原理
【図２】 前方照明装置１から入射する入射光に対する反射光の経路の例
【図３】 一実施の形態に係る液晶表示装置の原理図
【図４】 一実施の形態に係る液晶表示装置の構成図
【図５】 視野角と、反射層７の最大傾斜角との関係を示す図
【図６】 液晶層６へ入射した入射光の入射角と、その入射光が反射層７で反射するときの反射角との関係を示す図
【符号の説明】
１ 前方照明装置
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 接着層
３ 偏光板
４ 基板
５ カラーフィルタ
６ 液晶層
７ 反射層
８ 位相差板
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置を用いた反射型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータ、テレビ受像機、ワードプロセッサ、ビデオカメラ等への液晶表示装置の応用が進展する一方で、このような機器に対しては小型化、低コスト化などの要望が高まっている。これらの要望を満たすべく、バックライトを用いずに外部から入射した周囲光を反射させて表示を行う、反射型液晶表示装置の開発が進んでいる。
【０００３】
しかし、反射型液晶表示装置は、周囲光を表示に利用するため、採光が十分でない環境や夜間などの暗闇では、鮮明に表示することができない。そこで、このような反射型液晶表示装置の欠点を改善するため、反射型液晶表示装置の前方全面に前方照明装置を配置した構成のものが提案されている。
【０００４】
図１に、そのような前方照明装置１を有する反射型液晶表示装置の原理を示す。この反射型液晶表示装置は、偏光板３、基板４、カラーフィルタ５、液晶層６、反射層７を有する反射型の液晶表示パネルに接着層２によって前方照明装置１を固定したものである。
【０００５】
太陽光などの外光が液晶表示パネルに入射すると、入射光は液晶表示パネルの各層を透過し、反射層７に反射されて、液晶表示パネルから前面に出射される。このときカラーフィルタ５の開口ごとに光を透過させたり、遮断したりするように液晶層６を制御することで画像が生成される。
【０００６】
一方、前方照明装置１は、光源と、光源から放射された光を導く断面がくさび型の導光部を有している。光源からの光は、導光部内で全反射を繰り返し、液晶表示パネル内に入射する。液晶表示パネルに入射した光は、反射層７で反射され、液晶層６、カラーフィルタ５、偏光板３、さらには、前方照明装置１の導光部を透過し、観察者の目に到達する。
【０００７】
ところで、反射層７には、以下の２種類の反射部が設けられている。第１の反射部Ｕ１は、液晶表示パネル表面の法線に対して斜め方向に入射する前方照明装置１からの入射光を液晶表示装置前面の観察者方向に反射する。
【０００８】
一方、第２の反射部Ｕ２は、液晶表示装置前面の観察者方向から入射する入射光を観察者方向に反射する。この第２の反射部Ｕ２は、液晶表示パネル表面の法線に対して斜め方向に入射する前方照明装置１からの入射光を観察者方向へ反射することができない。
【０００９】
図２に、前方照明装置１から入射する入射光に対する反射光の経路の例を示す。図２のように、このような入射光は、第２の反射部Ｕ２により、液晶表示パネルの法線に対して、再び斜め方向に反射される。その結果、上記反射光が偏光板３の界面で再び、反射層７の方向へ反射される。
【００１０】
ここで、前方照明装置１から入射され、反射層７へ初めて到達した入射光を、１次入射光、１次入射光の反射光を１次反射光、１次反射光が液晶表示装置内で反射し、２度目に反射層７へ入射した入射光を２次入射光、２次入射光の反射光を２次反射光、のように以下同様にｎ次入射、反射を定義する。
【００１１】
すなわち、図２に示すように、前方照明装置１からの１次入射光は、第１の反射部Ｕ１で反射せずに、第２の反射部Ｕ２で反射したとき、略垂直方向には反射せず、斜め方向に１次反射する。
【００１２】
この１次反射光は、この後、例えば、偏光板３の背面側の界面で全反射し、反射層７に２次入射する。２次入射光が、第１の反射部Ｕ１に入射すると、略垂直（観察者）方向へ２次反射し、視認される。ここで、偏光板３の背面側の界面とは、液晶表示装置前面の観察者から見た偏光板３の背面、すなわち、反射層７側の界面をいう。
【００１３】
ただし、上記２次反射光が、第２の反射部Ｕ２に入射すると、１次反射時と同様に斜め方向に反射し、偏光板３の背面側の界面での全反射を経て、３次入射する。よって、前方照明装置１からの入射光は、第１の反射部Ｕ１に入射するまで、反射層７〜偏光板３の界面の反射を繰り返す。
【００１４】
図２の例では、このとき、１次入射光とｎ次反射光およびｎ次入射光とは、カラーフィルタ５の層で異なった色材を通過する。このような場合、液晶表示パネルに「混色」が生じ、視認性が低下してしまう。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたものである。本発明の目的は、前方照明装置を有する反射型液晶表示装置において、混色を低減し、視認性を向上させることにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、液晶表示パネルと、該液晶表示パネルの前方に配置され該液晶表示パネルに光を出射する前方照明装置とを備え、上記前方照明装置と上記液晶表示パネルの間に接着層を備え、上記前方照明装置は、光源と、光源から発せられた光を光出射面に導き、上記光出射面から出射させる導光板を有し、上記液晶表示パネルは、偏光板と、液晶層と、反射層とを有し、上記反射層により反射された反射光を透過させて画像を生成する反射型液晶表示装置において、上記反射層は、複数の第１の反射部と複数の第２の反射部とが混在して配置された構成であり、前記第１の反射部は、前記光源からの第１の入射光を、前記導光板の光出射面に対して略垂直な方向に反射し、前記反射型液晶表示装置の外部へ出射させるものであり、前記第２の反射部は、前記光源からの第１の入射光を、その反射光が前記反射層より前記前方照明装置側にある層のいずれかの界面で反射するように、斜めに反射し、かつ、前記反射型液晶表示装置の外部から前記導光板の光出射面に対して垂直に入射する第２の入射光を、その反射光が前記導光板の光出射面の法線に対して２５°以内の角度をなして前記反射型液晶表示装置の外部へ出射するように、反射するものであり、前記第２の反射部により反射された前記第１の入射光の反射光が前記偏光板透過前に全反射しないように、上記偏光板と、上記偏光板から上記反射層までの間のすべての層の屈折率Ｎが以下の式を満たすことを特徴とする。
【数２】
ｎＬＣ：液晶層の屈折率
γ：第２の反射部の最大傾斜角度
【００１７】
好ましくは、上記液晶表示パネルは、上記偏光板から上記反射層の間に、第１の接着層、位相差板層、第２の接着層、基板層の少なくとも一つをさらに有してもよい。
【００１９】
好ましくは、上記反射型液晶表示装置において、上記偏光板と、上記偏光板から上記反射層までの間のすべての層の屈折率をすべて１．４５以上にしてもよい。ここで、入射角度とは、入射光の液晶層界面の法線に対する角度をいう。
【００２０】
また、本発明は、上記反射型液晶表示装置を用いた情報機器であってもよい。
【００２１】
このように、液晶表示パネルの各層の材料の屈折率を選択することで、偏光板背面における全反射を低減することができる。その結果、液晶表示パネル内で２回以上の反射を繰り返す入射光は、最後の反射前に必ず、２回以上偏光板を透過する。その結果、最後に反射層から反射されて液晶表示パネルから出射する出射光において、最後の反射以外の液晶表示パネル内で反射した反射光あるいは、液晶表示パネルへ入射した入射光の透過率が低下して、これらの入射光または反射光による混色を低減することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態に係る液晶表示装置を説明する。
【００２３】
（原理的説明）
図３に、本実施の形態に係る液晶表示装置の原理を示す。この液晶表示装置の構成の構成要素は、図１に示したものと同様である。すなわち、この液晶表示装置は、前方照明装置１、接着層２、偏光板３、基板４、カラーフィルタ５、液晶層６および反射層７を有している。このうち、偏光板３、基板４、カラーフィルタ５、液晶層６および反射層７が液晶表示パネルの各層を構成する。
【００２４】
前方照明装置１は、光源を発した光をくさび形状の導光部から液晶表示パネルに照射する。また、接着層２は、前方照明装置１を液晶表示パネルに固定する。
【００２５】
偏光板３は、透過する光の偏光を所定方向の直線偏光に変える。また、この偏光板３は、他の層、例えば、基板４、カラーフィルタ５、あるいは、光透過時の液晶層６に比較して、透過率が低い。一般的には、偏光板３の透過率は、４０％〜５０％程度である。
【００２６】
基板４は、例えば、ガラスであり、光を透過するとともにカラーフィルタ５および液晶層６を保護する。
【００２７】
カラーフィルタ５は、不図示のＲＧＢ各色に対応する開口部とブラックマトリクス部とからなる。また、液晶層６は、不図示の液晶駆動素子により駆動され、上記カラーフィルタ５の各色の開口部に対する光の透過率を変更させ、ＲＧＢの組み合わせによる画像を生成する。
【００２８】
反射層７は、第１の反射部Ｕ１と、第２の反射部Ｕ２を有している。第１の反射部Ｕ１は、上記前方照明装置１からの斜めに入射する入射光を観察者の方向（液晶表示パネルに対して略法線方向）に反射する。
【００２９】
一方、第２の反射部Ｕ２は、液晶表示装置前方の観察者方向からの入射光（外光）を観察者の方向に反射する。また、この第２の反射部Ｕ２は、前方照明装置１から斜めに入射する入射光を斜め方向に反射する。
【００３０】
今、前方照明装置１からの１次入射光Ｒ０が反射層７において第２の反射部Ｕ２で反射され、さらに、偏光板３の界面で全反射され、再び反射層７に入射したとする。この入射光が第１の反射部Ｕ１で反射され、２次反射光Ｒ２Ａとなって観察者方向に出射する場合を考える。
【００３１】
この反射光Ｒ２Ａは、１次入射光Ｒ０として透過したカラーフィルタ５の領域と、２次反射光Ｒ２Ａとして通過したカラーフィルタ５の領域が異なるため、混色が生じている。
【００３２】
一方、図３において、１次反射光Ｒ１が偏光板３を通過し、偏光板３と接着層２の界面で反射され、再び反射層７に入射し、２次反射光Ｒ２Ｂとして出射される場合を想定する。
【００３３】
この場合、１次反射光Ｒ１は、１次反射時と２次入射時の２回、偏光板３を通過することになる。偏光板３の透過率が４０％〜５０％であることから、この場合の２次入射光の強度は、１６％〜２５％に低下する。この２次入射光が第１の反射部Ｕ１で反射され、２次反射光Ｒ２Ｂとなって観察者方向に反射する。
【００３４】
したがって、２次反射光Ｒ２Ｂにおける混色は、上記２次反射光Ｒ２Ａに対して、１６％〜２５％に低下する。これは、１次反射光Ｒ１が前方照明装置１のくさび形の導光部界面で反射した場合の２次反射光Ｒ２Ｃについても同様である。すなわち、本液晶表示装置では、混色の原因となるｎ次反射光（特に１次反射光）を偏光板３より背面側の界面で全反射させなければよい。
【００３５】
このような偏光板３の背面側界面で反射せず、偏光板３を透過した光を偏光板透過光という。一方、偏光板３の背面側界面で反射した光を偏光板界面全反射光という。
【００３６】
つまり、１次反射光が偏光板３を透過すれば、偏光板３と接着層２との界面、あるいは前方照明装置１の導光部界面で全反射して、２次入射が生じる。この光の２次反射光が観察者側に出射しても、１次反射、２次入射時に偏光板３を２回透過しているので、混色光の明るさが減り、視認性の低下が小さくなる。
【００３７】
偏光板３より背面側の界面での全反射の抑制方法としては、偏光板３および偏光板３の背面側の各層、すなわち、基板４、液晶層６等の屈折率を大きくすればよい。
【００３８】
（実施例）
図４〜図６を参照して、本発明の一実施例に係る液晶表示装置について説明する。図４は、本実施例に係る液晶表示装置の構成図であり、図５は、この液晶表示装置の視野角と、反射層７における第２の反射部Ｕ２の最大傾斜角との関係を示す図であり、図６は液晶層６へ入射した入射光の入射角と、その入射光が反射層７で反射するときの反射角との関係を示す図である。
【００３９】
図４に本実施例に係る液晶表示装置の構成図を示す。この液晶表示装置は、観察者側から、前方照明装置１、接着層２Ａ、偏光板３、接着層２Ｂ、位相差板８、接着層２Ｃ、ガラス基板４Ａ、カラーフィルタ５、液晶層６、および反射層７を有している。
【００４０】
このうち、位相差板８および接着層２Ｃ以外の構成は、図３の場合と同様である。図４の液晶表示装置は、色補償のため、偏光板３とガラス基板４Ａとの間に、位相差層８および接着層２Ｃを設けている。
【００４１】
これらの各層のうち、カラーフィルタ５および反射層７以外の層（この層が導光部から数えてｉ番目の層である場合に、これを層ｉと呼ぶことにする）では、隣接する層ｉ＋１のと界面で、その界面に入射する入射光と、界面から出射する屈折光とがスネルの法則
Ni・sinθi = Ni+1・sinθi+1
(ここで、Ni、θiは、第ｉ層における屈折率および入射角、 Ni+1、θi+1は、第ｉ＋１層における屈折率および屈折角)
により拘束される。ただし、入射角および屈折角はいずれも、界面の法線に対する角度である。また、屈折角を出射角ともいう。
【００４２】
例えば、前方照明装置１のくさび型の導光部として、屈折率ｎ１が1.53の材料、一例としてアクリル系樹脂を用いる。また、接着層２Ａとして、屈折率ｎ２が1.4の材料、一例として、アクリル系あるいはエポキシ系樹脂を用いる場合を考える。
【００４３】
また、ガラス基板４Ａの屈折率ｎ７は、約1.52である。また、液晶層６の屈折率ｎ８は、典型的には約1.5である。
【００４４】
このような構成の液晶表示装置について、本実施例では、偏光板３の屈折率ｎ３、接着層２Ｂの屈折率ｎ４、位相差板８の屈折率ｎ５、および接着層２Ｃの屈折率ｎ６等を決定し、反射光が偏光板３と接着層２Ｂとの界面で全反射しない材料を選択する。
【００４５】
まず、前方照明装置１からの入射光の入射角θ1の最大値は全反射臨界角を取る。全反射臨界角とは、その角度以上の入射角においては、屈折角が９０度となり、入射光が全反射する限界の入射角をいう（特願２０００−４０２９４２参照）。
【００４６】
また、反射層７への１次入射角θ8（液晶層６への入射角）の最大値は、θ1が最大値を取るときに生じるので、スネルの法則より
【００４７】
【数３】
ｎ1・sin θ1＝ｎ2＝ｎ8・sin θ8
⇔θ8 ＝68.96゜
次に、表示装置の視野角を基に第２の反射部Ｕ２の反射面傾斜角γを定める。表示装置の視野角は一般的に±２５°程度が求められている。
【００４８】
図５に、視野角と反射面傾斜角γとの関係を示す。ここでは、垂直方向からの平行光入射を考え、この入射光に対して視野角が±２５°となるように反射面傾斜角γを決定する。
【００４９】
スネルの法則から、液晶層６内での反射光角度θは、
1.5・sin θ＝１・sin25゜
⇔θ＝16.36゜
一方、図５に示した入射光Ｒ０、反射光Ｒ１と、反射面傾斜角γとの幾何学的関係から、
【００５０】
【数４】
γ ＝ θ／２
である。
【００５１】
つまり、反射面の最大傾斜角度は、γ＝１６．３６／２＝８．１８°となる。
【００５２】
次に、数３の入射角で入射した入射光が第２の反射部Ｕ２で反射するときの１次反射光の反射角度を求める。図６に、入射角θ8で液晶層６に入射した入射光と、反射層７の傾斜角γの関係を示す。入射光Ｒ０と１次反射光Ｒ１の幾何学的関係から、１次反射光Ｒ１の反射角度は、θ8＋２γまたはθ8−２γとなる。
【００５３】
したがって、数３のθ8の値を用いて、第２の反射部Ｕ２で反射した１次反射光の角度は、以下の範囲を取る。
【００５４】
Ｍax：θ8＋２γ＝８５．３２°
Ｍin：θ8−２γ＝５２．６°
よって、上記角度範囲の光が、偏光板３の背面側で全反射しないように、ｎ3〜ｎ6の屈折率を定めればよい。
【００５５】
今、部材の屈折率をＮとして全反射が生じないＮを求める。θ8が上記最大値を取るときに全反射が生じない条件を求めればよいので、スネルの法則より、以下の式を満たせばよい。
【００５６】
【数５】
ｎ8・sin85.32゜≦Ｎ・sin90°＝Ｎ
⇔Ｎ≧1.494999…
つまり、１次反射光が偏光板３に入射する前に全反射しないようにするには、ｎ3〜ｎ6がすべて１．４９５以上であればよい。
【００５７】
そこで、屈折率が１．４９５以上の位相差板８、偏光板３を製作するには、例えば、これらの材料フィルムとしてＰＣ（ポリカーボネート）、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）、ポリジエチレングリコールビスアリルカーボネード、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＡＳ（アクリロニトリル−スチレン共重合体）、ＰＣＨＭＡ（ポリメタクリル酸シクロヘキシル）、ＭＳ（スチレン−メタクリル酸メチル共重合体）等を用いればよい。また、接着層２Ｂおよび２Ｃとして、アクリル系接着剤、あるいは、エポキシ系剤の中から屈折率１．４９５以上のものを選択すればよい。
【００５８】
なお、液晶層７への入射光の入射角θ8が、例えば、６５°〜７０°の範囲に含まれると仮定した場合は以下のようになる。
【００５９】
まず、入射角θ8が６５°の場合、以下の数６のようになる。
【００６０】
【数６】
ｎ8・sin81.36゜≦Ｎ
⇔Ｎ≧1.48297…
また、入射角θ8が７０°の場合、以下の数７のようになる。
【００６１】
【数７】
ｎ8・sin86.36゜≦Ｎ
⇔Ｎ≧1.4969…
以上の数６および数７では、前方照明装置１の導光部の屈折率ｎ１＝１．５３、接着層２Ａの屈折率ｎ２＝１．４、液晶６の屈折率ｎ８＝１．５を仮定したが、本発明は、これらの屈折率に限定されるものではない。したがって、これら以外の屈折率、例えば、液晶層６の屈折率が１．５未満までを考慮すると、概略Ｎ≧1.45とすればよい。
【００６２】
以上述べたように、本実施例の液晶表示装置は、偏光板３より背面側の界面において、反射層７で反射された反射光の全反射を防止する。その結果、１次入射光に対する１次反射光がさらに反射される場合、必ず偏光板３を２度通過することになる。したがって、液晶表示装置の前方照明装置１と反射層７との間で複数回の反射を繰り返した後、第ｎ次反射光として、液晶表示装置から出射される場合に、第ｎ次入射および第ｎ−１次反射以前の光による混色を低減することができる。
（屈折率の一般化）
次に、前方照明装置１と液晶表示パネル（偏光板３）の間の接着層２Ａの屈折率ｎ2、および液晶層６の屈折率ｎ8により、上記屈折率Ｎの一般式を求める。
今、これらの屈折率を次のように置く。
【００６３】
ｎ2＝ｎb
ｎ8＝ｎLC
この関係式より、数３を解くと、
【００６４】
【数８】
【００６５】
θ8が上記最大値を取るときに全反射が生じない条件を求めればよいので、スネルの法則より、以下の数９を満たせばよい。
【００６６】
【数９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、前方照明装置を有する反射型液晶表示装置において、混色を低減し、視認性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 反射型液晶表示装置の原理
【図２】 前方照明装置１から入射する入射光に対する反射光の経路の例
【図３】 一実施の形態に係る液晶表示装置の原理図
【図４】 一実施の形態に係る液晶表示装置の構成図
【図５】 視野角と、反射層７の最大傾斜角との関係を示す図
【図６】 液晶層６へ入射した入射光の入射角と、その入射光が反射層７で反射するときの反射角との関係を示す図
【符号の説明】
１ 前方照明装置
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 接着層
３ 偏光板
４ 基板
５ カラーフィルタ
６ 液晶層
７ 反射層
８ 位相差板
Claims (4)
- 液晶表示パネルと、
該液晶表示パネルの前方に配置され該液晶表示パネルに光を出射する前方照明装置とを備え、
前記前方照明装置と前記液晶表示パネルの間に接着層を備え、
前記前方照明装置は、光源と、光源から発せられた光を光出射面に導き、前記光出射面から出射させる導光板を有し、
前記液晶表示パネルは、偏光板と、液晶層と、反射層とを有し、
前記反射層により反射された反射光を透過させて画像を生成する反射型液晶表示装置において、
前記反射層は、複数の第１の反射部と複数の第２の反射部とが混在して配置された構成であり、
前記第１の反射部は、
前記光源からの第１の入射光を、前記導光板の光出射面に対して略垂直な方向に反射し、前記反射型液晶表示装置の外部へ出射させるものであり、
前記第２の反射部は、
前記光源からの第１の入射光を、その反射光が前記反射層より前記前方照明装置側にある層のいずれかの界面で反射するように、斜めに反射し、かつ、
前記反射型液晶表示装置の外部から前記導光板の光出射面に対して垂直に入射する第２の入射光を、その反射光が前記導光板の光出射面の法線に対して２５°以内の角度をなして前記反射型液晶表示装置の外部へ出射するように、反射するものであり、
前記第２の反射部により反射された前記第１の入射光の反射光が前記偏光板透過前に全反射しないように、前記偏光板と、前記偏光板から前記反射層までの間のすべての層の屈折率Ｎが以下の式を満たすことを特徴とする反射型液晶表示装置。
ｎＬＣ：液晶層の屈折率
γ：第２の反射部の最大傾斜角度 - 前記液晶表示パネルは、前記偏光板から前記反射層までの間に、第１の接着層、位相差板層、第２の接着層、基板層の少なくとも一つをさらに有する請求項１記載の反射型液晶表示装置。
- 前記偏光板と、前記偏光板から前記反射層までの間のすべての層の屈折率をすべて１．４５以上にしたことを特徴とする請求項１または２記載の反射型液晶表示装置。
- 請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の反射型液晶表示装置を用いた情報機器。
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