JP4889239B2 - バックライトユニットおよび液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は，液晶表示装置などに採用されるバックライトユニットに関する。

液晶表示装置は自発光型ではないため，基本的に背面側に面光源装置，いわゆるバックライトを使用している。面光源装置から発せられる光量は有限なので，液晶表示装置の画面輝度を向上させるために，光の利用効率向上が不可欠である。そのため，面光源装置と液晶パネル基板との間にさまざまな光学素子を介装して，輝度を向上させるなど光の利用効率の向上を図っている。

図１２には，従来の典型的な液晶表示装置１０が示されている。図示のように，液晶表示装置１０は，光源部２０と，液晶パネル部３０と，光源部２０と液晶パネル部３０との間に介装される光学素子部４０とから主に構成されている。光源部２０は，内面が反射層として構成された筐体２４と複数の冷陰極管などから成る棒状光源２２から構成されている。液晶パネル部３０は，液晶セル３２が，位相差板３４Ａ，３４Ｂに挟持され，さらにその外側が偏光板３６Ａと３６Ｂとにより挟持された構成を有している。光学素子部４０は，光源部２０側から液晶パネル部３０側に向けて順次，拡散板４２，拡散シート４４，プリズムシート４６，輝度上昇フィルム４８を配することにより構成されている。

ところで，液晶表示装置は，液晶表示素子を光のシャッター機能として利用することで画面表示を行うものであり，その機能を果たすために，偏光板３６を使用している。一般的な偏光板３６は，透過軸と直行方向の偏光吸収してしまうため，理論的に光の利用率が５０％を越えることはない。

この損失を防ぎ，輝度を上昇させるために，反射型偏光板などから成る輝度上昇フィルム４８を設けている。これは，透過軸と直行方向の偏光を反射して光源部２０側に戻して再度反射させ，光の利用効率を上げる効果のあるものである。半透過反射板の例としては，例えば，特開２００２−３０３７３１号公報を挙げることができる。

特開２００２−３０３７３１号公報

しかし，従来の偏光フィルムはいずれもある固有の波長光に対し，光の利用効率が最大になるように設計されている。ここで，人間の可視光波長域は，図４に示すように４００〜７００ｎｍであるが，従来の偏光フィルムではこの領域全域で十分な効果を得ることができないという問題があった。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，光利用効率が高い新規かつ改良されたバックライトユニットおよび液晶表示装置を提供することであり，特に人間の可視光波長域の全体にわたり光の利用効率を最大にすることができるような新規かつ改良されたバックライトユニットおよび液晶表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明によるバックライトユニットは，拡散部を経て面光源化された光源からの光を，いわゆるワイヤーグリッド状に配列された金属格子を含み，その上面に高透過性薄膜状のオーバーコートを施してなる構成の反射型偏光分離素子を介して出射させることを特徴としている。かかる構成によれば，金属格子を通過する光を金属格子の延伸方向に対して垂直な振動面を持つｓ偏光のみ透過させ，ｓ偏光を除く偏光成分は，金属格子の反射率に応じ，反射させることができる。

上記構成において，金属格子は，可視光波長領域λｖの下限値４００ｎｍ以下のワイヤー周期Ρで等間隔ピッチに配列される。特に人間の可視光波長域は，４００ｎｍ〜７００ｎｍなので，可視光波長領域λｖの下限値４００ｎｍ以下のワイヤー周期Ρで配列された金属格子を備えた反射型偏光分離素子を採用すれば，人間の可視光波長域の全体にわたり光の利用効率を最大にすることができる。

なお，上記効果を得るためには，ワイヤー周期Ρを人間の可視光波長域の上限値以下である７００ｎｍ以下と設定することができるが，特に人間の可視光波長域の下限値以下である４００ｎｍ以下とすることにより実効的な効果が期待できる。また，光の入射経路を考慮すれば，例えば３００ｎｍ以下，さらには２００ｎｍ以下に設定することが好ましい。さらには，本発明による効果を十分に発揮するためには，Ρ≪λｖとなるように設定することがさらに好ましく，例えばΡ＜λｖ／５の条件に設計することにより，９０％以上の偏光度が得られることが報告されている。

また，別の構成によれば，金属格子を，４００ｎｍ以下の範囲内のワイヤー周期Ρでランダムピッチに配列することができる。かかる構成によれば，等間隔ピッチで配する場合に比較して，ある特定波長における偏光作用は劣るが，可視光波長域のさまざまな波長光に対して優れた偏光作用を示すことができる。

反射型偏光分離素子は，光透過性基材の上にワイヤー状の金属格子を蒸着等の方法により並列形成して成り，組立時には，金属格子形成面を光源側にして配される。このように，ワイヤー状の金属格子として反射率の高い好適な金属を利用し，ワイヤーに平行な振動面を持つ偏光（ρ偏光）を反射して光源に戻すことで，光源の再利用が可能であり，損失を抑えた分だけ輝度の向上が期待できる。

また，反射型偏光分離素子の出射面側に，二色性偏光素子を配することにより，望まない方向の偏光を吸収して遮断し，望まない方向の偏光が素子を透過し，液晶パネルに入射して迷光となりコントラストが低下するのを防止できる。

その際に，反射型偏光分離素子と二色性偏光素子とは平坦面同士を一体化させて構成することにより，両素子の界面における反射により生じる光量ロスを低減することができる。

また，反射型偏光分離素子の光源側または出射面側に，光源側からの入射光を表面正面側に集約する表面凹凸素子，例えば表面にプリズムが形成されたプリズムシートを配することにより，出射面方向の輝度を上昇させることができる。

表面凹凸素子を出射面側に配する場合には，反射型偏光分離素子と輝度向上素子とは平坦面同士を一体化させて構成することが可能であり，かかる構成により，両素子の界面における反射により生じる光量ロスを低減することができる。

さらに本発明の別の観点によれば，上記のように構成されたバックライトユニットを備えた液晶表示装置が提供される。

以上説明したように本発明によれば，人間の可視光波長域の全体にわたり光の利用効率を最大にすることができるバックライトユニット、さらにそれを備えた液晶表示装置が提供される。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

まず図1を参照しながら，本発明の第1の実施形態にかかる面光源装置（バックライトユニット）を採用した液晶表示装置１００の構成について説明する。図示のように，液晶表示装置１００は，光源部２００と，液晶パネル部３００と，光源部２００と液晶パネル部３００との間に介装される光学素子部４００（４００Ａ）とから主に構成されている。

光源部２００は，内面が反射層として構成された筐体２４０と複数の冷陰極管などから成る棒状光源２２０から構成されている。なお，本実施の形態においては，光源部２００として，棒状光源２２０を用いているが，本発明はかかる例に限定されない。この他にも，Ｒ−ＬＥＤ，Ｇ−ＬＥＤ，Ｂ−ＬＥＤをセットとして組み合わせて多数配列してなるＬＥＤ光源に適用することも可能である。さらに，これらの直下型の面光源に限定されず，エッジ部に配された光源を，導光板を利用して面光源として利用するエッジ型の面光源装置にも適用できる。なお，光源部２００に関する上記拡張構成は，本実施形態に限定されず，他の実施形態にも適用される。

液晶パネル部３００は，液晶セル３２０が，位相差板３４０Ａ，３４０Ｂにより挟持され，表示面側にさらに，偏光板３６０を設けた構成を採用している。なお，図１２に関連して説明した従来の液晶表示装置１０においては，位相差板３４Ａ，３４Ｂを偏光板３６Ａ，３６Ｂで挟持する構成を採用していたが，本実施の形態にかかる液晶表示装置１００によれば，後述するように二色偏光分離素子５６０が，光源側の偏光板３６Ｂとして機能するので，偏光板３６Ｂを省略することが可能である。しかし，必要に応じて，従来の液晶表示装置１０と同様に，液晶パネル部に偏光板をさらに介装する構成としても良い。

光学素子部４００Ａは，光源部２００から液晶パネル部３００に向けて順次，拡散板４１０，拡散シート４２０，表面凹凸素子５２０，反射型偏光分離素子５４０，二色性偏光分離素子５６０を配することにより構成されている。なお，本実施形態を含む本発明にかかるバックライトユニットは，光学素子部４００Ａを構成する素子のうち，表面凹凸素子５２０，反射型偏光分離素子５４０，二色性偏光分離素子５６０の全部または一部をさまざまに組み合わせたり，それらの配置順序を変えたりすることにより，さまざまな効果を得ることを特徴としている。そのため，以後，これらのセットを偏光部５００と称することにする。なお，以下の説明において，光学素子部４００および偏光部５００については，各実施形態に応じて，符号４００，５００にアルファベットを付して区別することにする。

再び，実施形態の説明に戻り，拡散板４１０と拡散シート４２０は，光源からの光を拡散させて面光源化する拡散部を構成する。拡散板４１０は，透明樹脂などの光透過材料中に拡散剤を分散させた光学素子で，光源の形状を隠蔽するとともに，光源側からの透過光を拡散させて面光源として表面側から出射させる。拡散シート４２０は，表面が粗面に形成されており，光源側からの透過光をさらに拡散させて出射させる。

次に，図５に示す偏光部５００Ａを構成する各素子について説明する。

表面凹凸素子５２０は，正面方向の輝度を向上させるために介装される光学素子であり，光源側から入射した光を表面正面側に案内するプリズムを多数表面側に配したプリズムシートなどを使用することができる。表面凹凸素子５２０は，例えば，ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ），ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ），ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ），環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ），ポリカーボネート（ＰＣ），環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ），ポリエチレン（ＰＥ），ポリプロピレン（ＰＰ），透明ポリスチレン（ＰＳ），メチルメタクリレート・スチレンモノマー共重合体（ＭＳ）などの光学用透明樹脂材料をシート状やプレート状など所定の形状に成型して構成される。また，上記透明樹脂材料中に光拡散剤を混入させても良い。

次に反射型偏光分離素子５４０について説明するが，反射型偏光分離素子５４０は，本発明のもっとも特徴的な光学素子である。

ここで，本発明おいて採用される反射型偏光分離素子５４０は，いわゆるワイヤーグリッド偏光子（ＷＧＰ：Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｌａｒｉｚｅｒ）の原理を採用したものである。ＷＧＰ方式は，図２に示すように，ワイヤー周期Ρが入射光Ｌｉの光線波長λと比較してλ≫Ρである場合，ＷＧＰを透過した光線Ｌｔは、ワイヤーの延伸方向に対して垂直な振動面を持つ偏光（ｓ偏光）のみになる方式として知られたものである。ＷＧＰ方式の基本原理については，Ｊ．Ｐ．Ａｕｔｏｎ“Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ ｂｙ Ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｙ”，Ａｐｐｌｉｅｄ．Ｏｐｔｉｃｓ．Ｖｏｌ．６．１０２３（１９６７）に開示されている。ＷＧＰ方式による反射型偏光分離素子５４０によれば，ｓ偏光成分は透過され，ｓ偏光を除く偏光成分は，ワイヤーの反射率に応じて，反射光Ｌｒとして反射され，あるいは吸収される。

本実施の形態にかかる反射型偏光分離素子５４０は，図２に示すように，光透過性基材５４２上にワイヤー状の金属格子５４４を蒸着等の方法により並列形成し，さらにその上面に高透過性薄膜状のオーバーコート５４６を施すことにより構成される。光透過性基材５４２の材料としては，例えば，ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ），ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ），ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ），環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ），ポリカーボネート（ＰＣ），環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ），ポリエチレン（ＰＥ），ポリプロピレン（ＰＰ），透明ポリスチレン（ＰＳ），メチルメタクリレート・スチレンモノマー共重合体（ＭＳ）などの光学用透明樹脂材料をフィルム状あるいはプレート状など所定の形状に成型して構成される。金属格子５４４を構成する金属としては，アルミニウム（Ａｌ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），プラチナ（Ｐｔ）などの反射率の高い金属を選択することができる。ワイヤー状の金属格子として反射率の高い好適な金属を利用し，ワイヤーに平行な振動面を持つ偏光（ρ偏光）を反射して光源に戻すことで，光源の再利用が可能であり，損失を抑えた分だけ輝度の向上が期待できる。オーバーコート５４６は，アクリル系をはじめ、様々な高透明樹脂をコーティング，または高透明樹脂フィルムを貼合することにより構成される。

なお，図示の例では，金属格子は，断面が矩形のワイヤーとして構成されているが，断面形状については，上記例に限定されず，さまざまな形状のものを採用することができる。また金属格子の高さ（Ｈ）や幅（Ｗ）については，要求される光学特性や寸法に応じてさまざまな寸法のものを採用することができる。

金属格子は，図２に示すように，隣接する金属格子間のワイヤー周期Ρが波長λｖ７００ｎｍ以下となるように，規則正しく等間隔ピッチにワイヤーグリッドを構成するように配列される。かかる構成によれば，金属格子を通過する光を金属格子の延伸方向に対して垂直な振動面を持つｓ偏光のみを透過させ，ｓ偏光を除く偏光成分は，金属格子の反射率に応じ，反射させることができる。

なお，上記効果を得るためには，ワイヤー周期Ρを人間の可視光波長域の上限値以下である７００ｎｍ以下と設定することができるが，特に人間の可視光波長域の下限値以下である４００ｎｍ以下，例えば３００ｎｍ以下，さらには２００ｎｍ以下に設定することが好ましい。さらには，本発明による効果を十分に発揮するためには，Ρ≪λｖとなるように設定することがさらに好ましく，例えばΡ＜λｖ／５の条件に設計することにより，９０％以上の偏光度を得ることができることが報告されている。

図１０には，波長５４５ｎｍの光が，反射型偏光分離素子５４０に垂直に入射した場合の偏光度とピッチの関係（Ａ）と，吸収率（吸収損失）とピッチの関係（Ｂ）が示されている。図示のように，金属格子に垂直に入光した場合には，格子厚みにも依存するが，格子周期Ρ＞３００ｎｍであれば偏光度（格子を抜けた光がｓ偏光またはρ偏光のいずれかになっている度合い）が低下し，格子による吸収損失が増加する。したがって，ワイヤー周期Ρは，３００ｎｍ以下に設定することが好ましい。

さらに，図１１には，波長５４５ｎｍの光が，反射型偏光分離素子５４０に４５度で斜入射した場合の偏光度とピッチの関係（Ａ）と，吸収率（吸収損失）とピッチの関係（Ｂ）が示されている。図示のように，金属格子に斜めに入光した場合には，格子厚みにも依存するが，格子周期Ρ＞２００ｎｍであれば偏光度が低下し，格子による吸収損失が増加する。したがって，斜入射を考慮した場合には，ワイヤー周期Ρは，２００ｎｍ以下に設定することが好ましい。

図２に示す例では，金属格子は，等間隔ピッチのワイヤー周期で配列されているが，図３に示すように，金属格子５４４Ａ，５４４Ｂをランダムに配列してもよい。金属格子をランダムに配列した構成では，等間隔ピッチで配する場合に比較して，ある特定波長における偏光作用は劣るが，可視光波長域のさまざまな波長光に対して優れた偏光作用を示すことができる。設定可能なワイヤー周期Ρの範囲は等間隔ピッチの場合と同じく、人間の可視光波長域の上限値以下である７００ｎｍ以下だが，やはり等間隔ピッチの場合と同様に人間の可視光波長域の下限値以下である４００ｎｍ以下，例えば３００ｎｍ以下，さらには２００ｎｍ以下の範囲に設定することが好ましい。

さらに，本実施の形態にかかる偏光部５００Ａは，反射型偏光分離素子５４０の表面側に二色性偏光分離素子５６０を配している。二色偏光分離素子５６０は，一方向の偏光を透過し，それと直交する方向の偏光を吸収する機能を有する。ここで，金属格子からなる反射型偏光分離素子５４０による偏光分離が不十分な場合には，望まない方向の偏光が素子を透過し，液晶パネルに入射して迷光となるためコントラストが低下する。上記のように，二色性偏光分離素子５６０を，反射型偏光分離素子５４０の表面側に配することにより，迷光をカットして，コントラストの向上を図ることができる。

以上説明したように，図１に示す実施形態にかかる液晶表示装置１００Ａおいては，偏光部５００を，図５に示すように，光源側から表面側に向かって順次，表面凹凸素子５２０，反射型偏光分離素子５４０，二色性偏光分離素子５６０を配する構成を採用したが本発明はかかる例に限定されない。本発明によれば，用途に応じて。上記光学素子をさまざまに組み合わせて，また異なる順序で配列して，好適なバックライトユニットを実現することができる。以下，いくつかの実施形態について説明する。

図６には，偏光部５００Ｂを備えた光学素子部４００Ｂを採用した液晶表示装置１１０の構成が示されている。なお，図１に関連して説明した液晶表示装置１００と同様の機能構成を有する部材については，同一の符号を付して重複説明を省略している。図６に示す，偏光部５００Ｂでは，図１に示す偏光部５００Ａから表面凹凸素子５２０を省略した構成が採用されている。光源側から液晶パネル側に向かい，反射型偏光分離素子５４０と二色性偏光分離素子５６０が順次配列されている。本実施の形態にかかるバックライトユニットは，偏光部５００Ｂに至るまでに，十分な輝度を有する面光源が形成され，表面凹凸素子５２０によるさらなる輝度上昇が不要な用途に適用することができる。

図７には，偏光部５００Ｃを備えた光学素子部４００Ｃを採用した液晶表示装置１２０の構成が示されている。同様に，図１に関連して説明した液晶表示装置１００と同様の機能構成を有する部材については，同一の符号を付して重複説明を省略している。図７に示す，偏光部５００Ｃでは，図６に示す偏光部５００Ｂにおける反射型偏光分離素子５４０と二色性偏光分離素子５６０の平坦面同士を密着させ一体化した素子が採用されている。かかる構成によれば，図６に示す偏光部５００Ｂの効果に加え，両素子の界面における反射により生じる光量ロスを低減することができる。

図８には，偏光部５００Ｄを備えた光学素子部４００Ｄを採用した液晶表示装置１３０の構成が示されている。同様に，図１に関連して説明した液晶表示装置１００と同様の機能構成を有する部材については，同一の符号を付して重複説明を省略している。図８に示す，偏光部５００Ｄでは，図１に示す偏光部５００Ｃと比較して，表面凹凸素子５２０を，反射型偏光分離素子５４０と二色性偏光分離素子５６０の間に介装する構成を採用している。さらに，反射型偏光分離素子５４０と表面凹凸素子５２０の平坦面同士を密着させ一体化して，両素子の界面における反射により生じる光量ロスを低減している。

かかる構成によれば，拡散板４１０および拡散シート４２０により面光源化された光は，まず，反射型偏光分離素子５４０によりｓ偏光された光のみが透過された後，表面凹凸素子５２０により正面方向に光束が整えられた後，さらに二色性偏光分離素子５６０により輝度向上が図られる。なお，図示の例では，反射型偏光分離素子５４０と表面凹凸素子５２０とを一体化した構成を示したが，分離した構成を採用しても構わない。

図９には，偏光部５００Ｅを備えた光学素子部４００Ｅを採用した液晶表示装置１４０の構成が示されている。同様に，図１に関連して説明した液晶表示装置１００と同様の機能構成を有する部材については，同一の符号を付して重複説明を省略している。図９に示す，偏光部５００Ｅでは，図１に示す偏光部５００Ｃと比較して，二色性偏光分離素子５６０と反射型偏光分離素子５４０の平坦面同士を密着させ一体化している。かかる構成により，図１に示す偏光部５００Ａの構成に加えて，両素子の界面における反射により生じる光量ロスを低減している。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は，バックライトユニットおよびバックライトユニットを採用する液晶表示装置に適用可能である。

本発明の第１の実施形態にかかるバックライトユニットを採用した液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。 同実施形態における等間隔ピッチ配列されたＷＧＰの原理を示す説明図である。 同実施形態におけるランダムピッチ配列されたＷＧＰの原理を示す説明図である。 人間の可視光域を示すグラフである。 同実施形態における偏光部５００の構成を示す説明図である。 本発明の他の実施形態にかかるバックライトユニットを採用した液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の他の実施形態にかかるバックライトユニットを採用した液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の他の実施形態にかかるバックライトユニットを採用した液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の他の実施形態にかかるバックライトユニットを採用した液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。 波長５４５ｎｍの光が，反射型偏光分離素子５４０に垂直に入射した場合の偏光度とピッチの関係（Ａ）と，吸収率（吸収損失）とピッチの関係（Ｂ）を示す説明図である。 波長５４５ｎｍの光が，反射型偏光分離素子５４０に４５度で斜入射した場合の偏光度とピッチの関係（Ａ）と，吸収率（吸収損失）とピッチの関係（Ｂ）を示す説明図である。 従来のバックライトユニットを採用した液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１００，１１０，１２０，１３０，１４０ 液晶表示装置
２００ 光源部
２２０ 棒状光源
２４０ 筐体
３００ 液晶パネル部
３２０ 液晶セル
３４０Ａ，３４０Ｂ 位相差板
３６０ 偏光板
４００（４００Ａ〜４００Ｅ） 光学素子部
４１０ 拡散板
４２０ 拡散シート
５００（５００Ａ〜５００Ｅ） 偏光部
５２０ 表面凹凸部
５４０ 反射型偏光分離素子
５４２ 透明基板
５４４ 金属格子
５６０ 二色性偏光分離素子

Claims (4)

1. 拡散部を経て面光源化された光源からの光を，可視光波長領域λｖの下限値４００ｎｍ以下となる周期Ρで等間隔ピッチに配列された金属格子を含み、
   その上面に高透過性薄膜状のオーバーコートを施してなる構成の反射型偏光分離素子を介して出射させ、
   前記反射型偏光分離素子の出射面側には、表面凹凸素子が配され、
   前記反射型偏光分離素子の平坦面と前記表面凹凸素子の平坦面とを直接密着させ一体化され、
   前記反射型偏光分離素子は、光透過性基材の上にワイヤー状の金属を格子状に配列形成して成り、金属格子形成面を光源側にして配されることを特徴とするＬＣＤパネル用バックライトユニット。
2. 前記表面凹凸素子の出射面側には，二色性偏光素子が配されることを特徴とする，請求項１に記載のバックライトユニット。
3. 拡散部を経て面光源化された光源からの光を，可視光波長領域λｖの下限値４００ｎｍ以下となる周期Ρでランダムなピッチに配列された金属格子を含み、
   その上面に高透過性薄膜状のオーバーコートを施してなる構成の反射型偏光分離素子を介して出射させ、
   前記反射型偏光分離素子の出射面側には、表面凹凸素子が配され、
   前記反射型偏光分離素子の平坦面と前記表面凹凸素子の平坦面とを直接密着させ一体化され、
   前記反射型偏光分離素子は、光透過性基材の上にワイヤー状の金属を格子状に配列形成して成り、金属格子形成面を光源側にして配されることを特徴とするＬＣＤパネル用バックライトユニット。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のバックライトユニットを備えたことを特徴とする，液晶表示装置。
   

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