JP4929307B2 - カラーフィルターの無い液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に係り、より詳細には、直下型ＬＣＤ ＴＶで、液晶パネル内のカラーフィルターが無くても、レンチキュラーレンズアレイを用いて光源から出る３色光を液晶パネルに順次に設けられている赤色、緑色、青色の液晶サブピクセルに直接入射することによって、カラーフィルター無しで高解像度のカラー映像を具現可能な、カラーフィルターの無い液晶表示装置に関する。

図１は、従来の直下型液晶ディスプレイ装置の断面図である。

従来のＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）は、図１に表すように、透光度を調節して、光の弁の役割をする液晶ピクセル２３を備える液晶パネル２０と、この液晶パネル２０に光を供給するバックライトユニット１０とで構成される。

前記バックライトユニット１０は、ＣＣＦＬ（Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｌａｍｐ）１１ａ、あるいはＥＥＦＬ（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｌａｍｐ）、あるいは白色光ＬＥＤ、あるいはＲ、Ｇ、Ｂの三色を発色するＲ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤなどを含む光源アセンブリー１１部分と、前記光源から出る光を、光源下に位置した反射体１１ｂから反射させるか、光学シートを通じて均一に混合して多数の液晶ピクセル２３に分散させる光学シートを備える。

ここで、Ｒ、Ｇ、Ｂは、それぞれＲｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅの略称であり、以下、特に表示が無い場合も、Ｒ、Ｇ、Ｂはそれぞれ、赤色、緑色、青色を意味すると理解されたい。

光学シートは、基本的に拡散板１２、拡散シート１３、集光学シート１４、反射型偏光シート１５、そして、保護フィルム１６などで構成されて、視野角と輝度とを適切に調整している。

液晶パネル２０は、背面ガラス基板２２、前面ガラス基板２５、背面ガラス基板２２と前面ガラス基板２５との間に設けた多数の液晶ピクセル２３、前面ガラス基板２５の内部に設けたＲ、Ｇ、Ｂカラーフィルター２４、背面ガラス基板２２に付着させた偏光シートＡ２１、前面ガラス基板２５に付着させた偏光シートＢ２６などが主な光学的役割を担う。それぞれの液晶ピクセル２３を、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の映像を具現するＲ、Ｇ、Ｂ液晶サブピクセルで構成し、それぞれのＲ、Ｇ、Ｂ液晶サブピクセルの前面部には、Ｒ、Ｇ、Ｂ光を透過させるカラーフィルター２４を設ける。

従来のＬＣＤでカラー映像を具現する方法は、画素の最小単位である一つの液晶ピクセル内にＲ、Ｇ、Ｂ三色の映像を具現するＲ、Ｇ、Ｂサブピクセルを設け、それぞれのサブピクセルの前面部にＲ、Ｇ、Ｂカラーフィルターを設けて、バックライトより入射する白色光のうちそれぞれのサブピクセル毎にＲ、Ｇ、Ｂの光だけを透過させることで可能になる。

従来のＬＣＤでは、バックライトユニット１０から発せられる白色光のパワーが液晶ピクセル２３の前後に設けられた偏光シート２１、２６、カラーフィルター２４、そして、液晶ピクセル２３の開口率によってほとんど消失し、約５％ないし１０％の光のみがＬＣＤ外に通過するため、ＬＣＤの光エネルギー効率が、他の平面ディスプレイ装置に比べてかなり低いという問題点があった。したがって、ＬＣＤの光エネルギー効率改善は、ＬＣＤの競争力強化および省エネルギー化のために重要な課題である。

図２は、図１の液晶パネルの前面ガラス基板の内部に設けられたカラーフィルターの構造を示す平面図である。

図１および図２に示したように、液晶パネル２０内には、多数の液晶ピクセル２３があってカラー映像を構成する最小単位の画素の役割を行い、一つの液晶ピクセル２３は、Ｒ、Ｇ、Ｂ三色の映像を具現する３個のＲ、Ｇ、Ｂ液晶サブピクセル（Ｓｕｂ ｐｉｘｅｌ）で構成されている。それぞれの液晶サブピクセルの前面部には、それぞれＲ、Ｇ、Ｂ光を通過させるカラーフィルター２４が前面ガラス基板２５に設けられ、総合的にカラー映像を具現する。

それぞれの液晶サブピクセルの前面に設けたＲ、Ｇ、Ｂカラーフィルター２４ａ、２４ｂ、２４ｃの間には、混色を防止するために、光を吸収するブラックマトリクス２４ｄを設ける。カラーフィルター２４は、カラー映像を具現するための核心素子であるが、カラーフィルター２４を通過する際に、白色光は約３０％が透過し、約７０％が吸収されて失われるため、ＬＣＤで発生する光エネルギーの損失のうち最も多い部分を占める。

ＬＣＤの光エネルギー損失は、偏光シート２１、２６で約５０％、液晶ピクセル２３の開口率により約３０％〜５０％、カラーフィルター２４で約７０％に達し、全体で９０％以上の光損失が発生してＬＣＤの電力消耗が高くなる。カラーフィルター２４は、カラー映像を具現する核心素子であるが、吸収によって多大な光損失を誘発するという問題点があった。

そのような問題点のために、ＬＣＤの光エネルギー効率を増大させるために開発されている技術の一つがＦＳＣ（Ｆｉｅｌｄ Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｃｏｌｏｒ）技術である。この技術は、光エネルギー損失の大部分を占めるカラーフィルターを無くすために考案されたものであり、Ｒ、Ｇ、Ｂ三色のＬＥＤをバックライトの光源として用い、画面映像信号をＲ、Ｇ、Ｂ三色の映像信号に分離した後、順次に、Ｒ−ＬＥＤを点灯している間にはＲ映像信号を、Ｇ−ＬＥＤを点灯している間にはＧ映像信号を、Ｂ−ＬＥＤを点灯している間にはＢ映像信号を、迅速に液晶パネルに送ることで、観察者にカラー映像を感得させる技術である。

前記ＦＳＣ ＬＣＤ技術は、相当な技術の進歩を果たしているが、既存の一般的なＬＣＤに比べて映像を調節する回路の速度が約６倍程度となる必要があり、点滅（ｆｌｉｃｋｅｒｉｎｇ）および動画の色割れ現象（ｃｏｌｏｒ ｂｒｅａｋ−ｕｐ）などの問題があり、実用化には依然として課題が残る。

また、平洋一は、側面発光型（Ｅｄｇｅ−ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）ＬＣＤでレンチキュラーレンズアレイ（Ｌｅｎｔｉｃｕｌａｒ ｌｅｎｓ ａｒｒａｙ）およびプリズムアレイ構造物を用いてＣＣＦＬやＲＧＢアレイが発する光を、直接ＲＧＢサブピクセル内に入射することによって、カラーフィルターのない側面発光型ＬＣＤを開発した。しかし、この技術は、導光板を必要とするために、導光板のない、大面積かつ高輝度の直下型ＬＣＤ ＴＶには適用が難しい。

本発明は、上記のＦＳＣ技術とは異なり、液晶駆動回路および映像処理装置に別途の高速駆動回路を設けずに、従来の液晶パネル構造および駆動回路をそのまま利用しながら、液晶パネルに設けられたカラーフィルターを除去することで、光エネルギーの損失を減らしてＬＣＤの電力消耗量を低減できる、カラーフィルターの無い液晶表示装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、導光板を必要とする側面発光型ＬＣＤに適用される、カラーフィルターを用いない技術とも異なり、区画化された光源アレイおよび区画化されたレンチキュラーレンズアレイを用いて、既存の液晶表示装置に必ず用いられてきたカラーフィルターを除去することで、光エネルギーの損失を低減してＬＣＤの電力消耗量を減らすことができる、カラーフィルターの無い液晶表示装置を提供することも目的とする。

本発明の実施形態に従う、カラーフィルターの無い液晶表示装置は、前面および背面ガラス基板と、前記前面および背面ガラス基板の間に介在し、赤色、緑色、青色の光にそれぞれ対応する多数の赤色、緑色、青色の液晶サブピクセルを備える液晶パネルと、前記液晶パネルの背面に位置する、前記赤色、緑色、青色の光をそれぞれ供給する複数の３色光供給部が互いに区画するように離隔して位置するバックライトユニットと、前記液晶パネルと前記バックライトユニットとの間に位置し、前記３色光供給部から照射された赤色、緑色、青色の光を前記液晶パネルに含まれる赤色、緑色、青色のサブピクセルにそれぞれ誘導する、多数のレンチキュラーレンズを含む多数のレンチキュラーレンズ群が前記各３色光供給部にそれぞれ対応して区画されるように離隔して配置された、レンチキュラーレンズアレイと、を含む。

ここで、前記３色光供給部は、赤色、緑色、青色のＬＥＤであり得る。また、前記ＬＥＤは、側面放出型であり、入射された前記ＬＥＤの光を内部全反射によって垂直方向に誘導して線光源に変換させる光導波路を含みうる。そして、前記ＬＥＤは、前面に表面が円状である円状レンズまたは表面が楕円状である楕円レンズをさらに含みうる。さらに、前記バックライトユニットは、前記それぞれの３色光供給部を区画するように、前記３色光供給部の間に配置された多数の遮断壁をさらに含みうる。

さらに、相互に隣接する前記レンチキュラーレンズ群の間の隔離距離ｇは、下記の数式１で決定される。

ここで、Ｔ_１は前記背面ガラス基板の厚さを表わし、φ_ｎは前記レンチキュラーレンズに入射した後、前記レンチキュラーレンズで屈折した光が背面ガラス基板に垂直な方向に対して進行する角度を表わす。

また、前記前面ガラス基板と液晶サブピクセルとの間に介在して、入射された光を拡散させる、拡散層をさらに備えることができる。前記拡散層は、ビーズ（Ｂｅａｄ）または粒子が散布された透明な樹脂（Ｒｅｓｉｎ）で形成される。また、前記背面ガラス基板の背面から前記拡散層の内側に延びた多数の導光グリッドが規則的に配列された、前記拡散層で拡散された光の一部を内部全反射によって導光する導光グリッドアレイをさらに含みうる。さらに、前記導光グリッドの屈折率は、前記拡散層の屈折率よりさらに大きくなりうる。

また、前記３色光供給部は、赤色、緑色、青色のＣＣＦＬまたは赤色、緑色、青色のＥＥＦＬであり得る。ここで、前記ＣＣＦＬまたはＥＥＦＬの背面には、前記ＣＣＦＬまたはＥＥＦＬから放出された光が前面にのみ放出されるように反射層がコーティングされる。

また、前記３色光供給部は、複数の赤色光源、複数の緑色光源および複数の青色光源によって赤色、緑色、青色の光をそれぞれ供給する３色光源と、前記３色光源から照射された複数の赤色、緑色、青色の光をそれぞれ混合して、均一な赤色、緑色、青色の光を生成する少なくとも３個以上の光混合器と、前記光混合器から生成された赤色、緑色、青色の光を内部全反射によって垂直方向に誘導してそれぞれ線光源に変換する少なくとも３つ以上の光導波路と、前記光混合器から生成された赤色、緑色、青色の光を前記光導波路にそれぞれ伝達する複数の光繊維と、を含みうる。ここで、前記光導波路の背面には、前記光導波路の内部で全反射によって誘導される光が垂直方向に分岐するように、複数のプリズム光分岐構造をさらに備えることができる。さらに、前記光導波路の前面には、前記光導波路の内部で全反射によって誘導される光が垂直方向に分岐するように、複数の凹プリズム光分岐構造または逆プリズム光分岐構造をさらに備えることができる。

本発明によるカラーフィルターの無い液晶表示装置によれば、第一に、液晶パネルと光源背面板との間にレンチキュラーレンズアレイを設けて、既存の液晶ディスプレイ装置の液晶サブピクセルの前の前面ガラス基板に設けられたＲ、Ｇ、Ｂカラーフィルターを除去することができるので、光損失を減らして電力消費を低減しうる。

第二に、液晶サブピクセルと前面ガラス基板との界面に拡散層を設けて、十分な視野角とホワイトバランスを果たすことができる。

第三に、光の透過効率を従来のＬＣＤに比べて最小約１５０％〜最大約３００％まで向上させることができ、用いられるＬＥＤの数を大幅に抑えて製作コストを低減でき、電力消耗も最小約３０％〜最大約８０％まで低減しうる。

第四に、既存ＬＣＤのバックライトユニットに使われる拡散板、拡散シート、プリズムシート、反射型偏光シートなど各種の光学シートが除去されることができて、液晶表示装置の価格下落に寄与することができる。

第五に、ＬＥＤと光導波路とを使う場合には、線偏光された光をレンチキュラーレンズアレイおよび液晶パネルに供給することによって、偏光されていないＬＥＤ光を用いる時より追加的な光効率の改善効果がある。

第六に、既存の液晶表示装置で用いられる光源であるＲ、Ｇ、Ｂ三色のＣＣＦＬおよびＥＥＦＬの両方を利用できるという効果がある。

第七に、バックライトユニットが、光混合器、光導波路、光繊維を備える場合、光源間の特性の差と寿命変化による差とを平均化し、安定的で優れた画質を得る効果がある。

従来の直下型液晶ディスプレイ装置の断面図である。 図１の液晶パネルの前面ガラス基板の内部に設けられたカラーフィルターの構造を示す平面図である。 本発明の第１実施形態によるレンチキュラーレンズアレイを使って液晶表示装置の液晶パネルのカラーフィルターを除去する概念を示す断面図である。 図３の液晶パネルおよびレンチキュラーレンズアレイの部分拡大図である。 本発明の第２実施形態によるレンチキュラーレンズアレイを使って液晶表示装置の液晶パネルのカラーフィルターを除去する概念を示す断面図である。 図５の導光グリッドアレイの斜視図である。 図５の導光グリッドアレイの断面図である。 本発明の第２実施形態によるレンチキュラーレンズアレイを示す斜視図である。 本発明の第２実施形態によるＬＥＤ配置を示す平面図である。 図９のＬＥＤの使用概念を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態によるシミュレーション結果である。 本発明の第２実施形態によるＬＥＤ付着方法を示す断面図である。 本発明の第２実施形態のまた他の側面によるＬＥＤ配列方法を示す断面図および平面図である。 本発明の第２実施形態のまた他の側面によるＬＥＤ配列方法を示す平面図である。 本発明の第２実施形態によるＬＥＤパッケージ構造を示す横断面図および縦断面図である。 本発明の第２実施形態によるＬＥＤパッケージ構造を示す横断面図および縦断面図である。 本発明の第３実施形態による光導波路の構造を示す平面図である。 図１７の光導波路の構造を示す断面図である。 図１７の光導波路の使用概念を示す斜視図である。 図１７の光導波路のまた他の実施形態を示す平面図である。 本発明の第４実施形態によるバックライトユニットを示す平面図である。 図２１に示したＣＣＦＬおよびＥＥＦＬの横断面図および縦断面図である。 図２１のバックライトユニットの使用概念を示す断面図である。 本発明の第５実施形態による液晶表示装置を示す断面図である。 図２４のバックライトユニットの構造を上面と下面とを分離して示す平面図である。 図２４の液晶表示装置の光導波路にプリズム光分岐構造がさらに備えられたものを示す液晶表示装置の断面図である。 図２４の液晶表示装置の光導波路に逆プリズム光分岐構造がさらに備えられたものを示す液晶表示装置の断面図である。 図２７の逆プリズム光分岐構造を示す斜視図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明による望ましい実施形態を詳細に説明する。これに先立って、本明細書および特許請求の範囲に使われた用語や単語は、一般のまたは辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自身の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できる、という原則に基づいて、本発明の技術的思想に符合する意味および概念に解釈されたい。

したがって、本明細書に記載の実施形態および図面に示した構成は、本発明の最も望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想の全てを代弁するものではないので、本出願時点において、これらを代替しうる多様な均等物と変形例とがあり得るということを理解されたい。

以下、図３および図４を参照して、本発明の第１実施形態によるカラーフィルターの無い液晶表示装置を説明する。

図３は、本発明の第１実施形態によるレンチキュラーレンズアレイを用いて液晶表示装置の液晶パネルのカラーフィルターを除去する概念を示す断面図であり、図４は、図３の液晶パネルおよびレンチキュラーレンズアレイの部分拡大図である。

カラーフィルターの無い液晶表示装置は、図３に示したように、大きくバックライトユニット１００、液晶パネル２００およびレンチキュラーレンズアレイ３００を含む。

液晶パネル２００は、前面および背面ガラス基板２５０、２２０の間に介在し、赤色、緑色、青色の光にそれぞれ対応する多数の液晶サブピクセル２３０を備える。液晶パネル２００の背面に配置されるバックライトユニット１００には、赤色、緑色、青色の光をそれぞれ照射する多数の３色光供給部が、互いに区画されるように離隔して配置される。バックライトユニット１００の３色光供給部は、赤色、緑色、青色のＬＥＤ１１０である。

また、レンチキュラーレンズアレイ３００が、液晶パネル２００とバックライトユニット１００との間に位置し、３色光供給部から照射された赤色、緑色、青色の光を液晶パネル２００に含まれた赤色、緑色、青色の液晶サブピクセル２３０にそれぞれ誘導し、該レンチキュラーレンズアレイにおいて、多数のレンチキュラーレンズ３１０を含む多数のレンチキュラーレンズ群が、各３色光供給部にそれぞれ対応して区画されるように離隔して配置される。

液晶パネル２００は、背面ガラス基板２２０、前面ガラス基板２５０、背面ガラス基板２２０と前面ガラス基板２５０との間に設けられる多数の液晶サブピクセル２３０、背面ガラス基板２２０に付着する偏光シートＡ２１０、前面ガラス基板２５０に付着する偏光シートＢ２６０などからなり、従来技術のカラーフィルターが除去されたものである。参考までに、ブラックマットリックス（図示せず）は、液晶サブピクセル２３０の間の混色を除去してコントラストを高めるために存在し得る。

３色光供給部としてのＲＧＢ ＬＥＤ１１０群は、遮断壁４００によって多数の区画に区分され、相異なる区画に属する光が同一の液晶サブピクセル２３０で互いに混合せず、レンチキュラーレンズアレイ３００も区画別に配置される。一つの区画（例：区画Ａ）に含まれたＲＧＢ ＬＥＤ１１０群から発せられる光は、区画Ａの内部で多数のレンチキュラーレンズ３１０によって前記区画に属するそれぞれのＲＧＢサブピクセル２３０内に入射する。この際、液晶サブピクセル２３０は、レンチキュラーレンズ３１０によってＬＥＤ１１０の結像点に位置しているために、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の光は、それぞれ赤色、緑色、青色の映像を表示する多数の液晶サブピクセル２３０に分散されて結像する。レンチキュラーレンズアレイ３００を、偏光シートＡ２１０および背面ガラス基板２２０と一体となるように設ければ、ＬＥＤ１１０とレンチキュラーレンズアレイ３００との距離ａと、レンチキュラーレンズアレイ３００と液晶サブピクセル２３０との距離ｂと、レンチキュラーレンズ３１０の焦点距離ｆとの間には、レンズの結像公式である次の関係式が成り立つ。

ここで、ｎはレンチキュラーレンズ３１０、偏光シートＡ２１０、そして、背面ガラス基板２２０の平均屈折率を表わす。レンチキュラーレンズ３１０による倍率は、Ｍ´＝ｎ＊Ｍ＝ｎ＊ａ／ｂになる。

区画を用いてＬＥＤ１１０で多数のレンチキュラーレンズ３１０に光を照射すれば、光が進行する傾斜角度が問題になりうる。具体例として、区画Ａに属したＲＧＢ ＬＥＤ１１０のうち中心に位置したＧ光は、縁部のレンチキュラーレンズ３１０内に斜めにθ_ｎの角度で入射し、レンチキュラーレンズ３１０での屈折以後にφ_ｎの角度で斜めに下に進行して縁部のＧ液晶サブピクセルに入射する。また、区画Ａと隣接する区画ＢでもＲＧＢ ＬＥＤ１１０の中心に位置したＧ光源から出る光は、縁部に位置したレンチキュラーレンズ３１０内にθ_ｎの角度で斜めに入射して屈折されて斜めにφ_ｎの角度で上に進行して区画Ｂの縁部のＧ液晶サブピクセルに入射する。θ_ｎとφ_ｎとの関係は、スネルの屈折法則によって、
の関係が成り立ち、ここで、ｎはレンチキュラーレンズ３１０の屈折率である。液晶サブピクセル２３０の間隔が等間隔に配置されているために、隣接する区画の縁部で互いに近接しているレンチキュラーレンズ３１０は、
ほど互いに離れていなければならない。この離れた間隔に遮断壁４００が設けられることもある。ここで、Ｔ_１は前記背面ガラス基板２２０の厚さを表わし、φ_ｎは前記レンチキュラーレンズに入射された後、前記レンチキュラーレンズで屈折した光が背面ガラス基板に垂直な方向に対して進行する角度を表わす。

図３に示すように、一つの区画内に位置するＲＧＢ ＬＥＤ１１０から発せられる光が、多数のレンチキュラーレンズ３１０内に入射した後に当該ＲＧＢ液晶サブピクセル２３０に入射すれば、相異なる区画に属するそれぞれの液晶サブピクセル２３０に入射する光の進行方向が互いに異なり、視野角によって輝度と色度との差が発生する。また、隣接する区画（例；区画Ａと区画Ｂ）の近接する縁部領域で上下方向に斜めに進行する光は、それぞれの区画に属した液晶サブピクセル２３０を経て互いにずれた方向に進行して、映像の混色を起こして画質低下を起こす。

このような問題点を解決するために、図４に例示したように、前面ガラス基板２５０の内側に拡散層５００が設けられる。拡散層５００によってＲＧＢ液晶サブピクセル２３０を通過したＲＧＢ３色光が入射角に関係なく互いに平行に出射し、上下左右に拡散して視聴者に十分な視野角を付与し、また、視野角によって色度差や輝度変化が最小化される。このような目的のために、図４に例示したように、透明な樹脂内に樹脂とは屈折率が異なる透明なビーズや微細粒子５１０を多数散布した粒子分散拡散層５００を用いることができる。液晶サブピクセル２３０に接する粒子分散拡散層５００の表面には、透明なＩＴＯ電極を設けて液晶に映像電気信号を印加できるようにする。

以下、図５ないし図７を参照して、本発明の第２実施形態に従うカラーフィルターの無い液晶表示装置を説明する。

図５は、本発明の第２実施形態に従うレンチキュラーレンズアレイを用いて液晶表示装置の液晶パネルのカラーフィルターを除去する概念を示す断面図であり、図６は、図５の導光グリッドアレイの斜視図であり、図７は、図５の導光グリッドアレイの断面図である。

第１実施形態のように、単に、透明な樹脂内にビーズや微細粒子５１０を散布した前記粒子分散拡散層５００は、光の進行方向を互いに平行にしつつ、拡散する機能が十分ではないこともある。このような問題点を補完して光拡散機能を強化するために、図５に例示したように、粒子分散拡散層５００の内部に粒子分散拡散層を構成する樹脂より屈折率がさらに高い透明材質の導光グリッド５２０の構造を設けることができる。したがって、ビーズあるいは微細粒子５１０が分散された粒子分散拡散層５００内に導光グリッド５２０の構造が結合されて拡散導光グリッド６００になる。拡散導光グリッド６００の粒子分散拡散層５００に光が一旦入射すれば、まず粒子分散拡散層５００によって拡散された光が導光グリッド５２０によって導光されながら、拡散光が液晶表示装置の正面に向ける方向性が向上する。

さらに詳細に説明すると、粒子分散拡散層５００で拡散された光が、一旦導光グリッド５２０内に入れば、光の入射方向と関係なく内部全反射によって導光グリッド５２０に沿って進行し、拡散して出射されるので、光の入射角度に関係なくＲＧＢ３色の光が液晶表示装置の正面方向に互いに平行に進行しながら光を拡散させることができる。このような効果によって中心部に位置したレンチキュラーレンズ３１０および液晶サブピクセル２３０を通過する光や、区画の縁部に位置したレンチキュラーレンズ３１０および液晶サブピクセル２３０に斜めに進行する光が、いずれも拡散導光グリッド６００によって正面を中心に同一な拡散角度で拡散されて、視野角による色度の変化や輝度変化が最小化されて優れたカラー画質が達成される。

導光グリッド５２０の構造は、図６に例示されたように、遮断壁４００の方向と平行であり、液晶表示装置の垂直方向に幅５μｍ〜１００μｍ、高さ５μｍ〜３００μｍ、ピッチ６μｍ〜１５０μｍの範囲内で設けられることもでき、ピッチは幅の１．１倍〜３倍の間が適当である。導光グリッド５２０の幅と高さとの比率は、１：１から１：３０程度以内で設けられることもある。図６に示した導光グリッド５２０の構造の以外にも、四角柱状または円柱状の導光体を導光グリッド５２０の代わりに用いても類似した効果が得られる。

図７は、拡散導光グリッド６００の光学的原理を例示している。理解を容易にするために一部を拡大した。斜めに入射する入射光は、まずビーズまたは微細粒子５１０が分散した拡散層５００によって拡散し、該拡散した光の一部は、導光グリッド５２０内に入って内部全反射によって導光されて、液晶表示装置の正面に向けて上下対称に拡散して出射する。この際、導光グリッド５２０の屈折率ｎ_２は、拡散層５００を構成する樹脂の屈折率ｎ_１より大きくなければならない。

液晶表示装置は、偏光変換を用いて映像を具現する装置であるために、拡散層５００の材質、ビーズ５１０の材質、および導光グリッド５２０の材質が光学的に非等方性を有さない材質を用いて拡散層５００による偏光変化が誘発されてはならない。さらに具体的には、拡散層５００の構成成分に該当する樹脂、樹脂内に散布されるビーズ５１０、導光グリッド５２０は、光学的に等方性を有する材質を用いる必要がある。

図８は、本発明の第２実施形態によるレンチキュラーレンズアレイを示す斜視図であり、図９は、本発明の第２実施形態によるＬＥＤ配置を示す平面図であり、図１０は、図９のＬＥＤの使用概念を示す斜視図であり、図１１は、本発明の第２実施形態によるシミュレーション結果であり、図１２は、本発明の第２実施形態によるＬＥＤ付着方法を示す断面図であり、図１３および図１４は、本発明の第２実施形態の更に他の態様によるＬＥＤ配列方法を示す断面図および平面図であり、図１５および図１６は、本発明の第２実施形態によるＬＥＤパッケージ構造を示す横断面図および縦断面図である。

レンチキュラーレンズアレイを設置する方法は、レンチキュラーレンズアレイを液晶パネル２００の背面ガラス基板２２０に設けられた偏光シートＡ２１０に付着して一体型にできる。これにより、レンチキュラーレンズアレイ３００と液晶サブピクセル２３０の整列の課題を解決でき、システムが簡単かつ堅固になる長所がある。

図８に示すように、レンチキュラーレンズアレイ３００は、透明な光学材質の基板３３０上に形成される。基板３３０は、透明なプラスチック系列のシートあるいは透明なガラスあるいはプラスチックパネルで製作できる。レンチキュラーレンズアレイ３００と透明な基板３３０は、一体型のレンチキュラーレンズアレイシート３５０になり、これは、偏光シートＡ２１０に付着して、液晶パネルの背面ガラス基板に付着して一体となる。

レンチキュラーレンズ３１０は、水平方向には、凸レンズの形状を有しており、垂直方向には、直線形態を帯びていて、点光源を垂直方向、すなわち、直線形態の像に変換することができる。レンチキュラーレンズ３１０を多数平行に配列してレンチキュラーレンズアレイ３００に作れば、一つの点光源で多数の直線形態の像に結ぶことができる。

レンチキュラーレンズ３１０の形状は、基本的に半球形のシリンダー（ｃｙｌｉｎｄｅｒ）形態であり、レンズの収差を改善して性能を向上させるために、円状の代りに非球面形状を用いることもできる。

ここで、レンチキュラーレンズとレンチキュラーレンズとの間の空間領域には、レンチキュラーレンズの開口幅を調節して収差を減らして、混色を低減する機能を有する黒色の遮光帯３２０を設けることが可能である。遮光帯３２０は、レンチキュラーレンズアレイシート３５０の平面領域と、レンチキュラーレンズ３１０とレンチキュラーレンズ３１０との中間領域に設けられて隣接する液晶サブピクセルの間の混色を除去すると同時にレンチキュラーレンズ３１０が光線を受け入れることができる有効開口幅を調節する機能を有する。

また、水平方向のレンチキュラーレンズ３１０の幅は、液晶サブピクセル２３０の幅とほぼ同じであるが、実際製作されるレンチキュラーレンズ３１０の幅は、液晶サブピクセル２３０の幅より若干小さいかまたは若干大きくなりうる。中心部付近に位置したレンチキュラーレンズ３１０の場合、幅が液晶サブピクセル２３０の幅より若干小さくすることで、強光量を減衰でき、縁部近所に位置したレンチキュラーレンズ３１０の場合、その幅を若干大きくすることで、ＬＥＤ１１０から出る弱光量をさらに多く受けるようにできる。このようにすることによって、レンチキュラーレンズアレイシート３５０の中心領域に位置したレンチキュラーレンズ３１０と、縁部領域に位置したレンチキュラーレンズ３１０とが受け入れる光量が同様となるように作成できる。

ともに、レンチキュラーレンズ３１０の間に位置した前記遮光帯３２０の黒色領域の幅を調節して、レンチキュラーレンズ３１０の開口幅を加減でき、これを利用してすべてのレンチキュラーレンズ３１０に同一な光量が入射するようにも作成できる。すなわち、レンチキュラーレンズアレイシート３５０の中心部に位置したレンチキュラーレンズ３１０に入射する光量を減少させるために、中心部に位置したレンチキュラーレンズ３１０の開口幅を縁部に位置したレンチキュラーレンズの開口幅より相対的に多少小さくすることによって、すべてのレンチキュラーレンズに同一な光量が入射するように調節できる。

図９は、本発明の第２実施形態によるＬＥＤ配置を示す平面図である。平行に隣接する３個のＲ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤ１１１、１１２、１１３が一組になり、このＲＧＢ ＬＥＤ１１０組は、左右上下規則的に光源背面板１２０上に配置される。この際、左右には、遮断壁４００が設けられてＬＥＤを区画に区分し、隣接する区画に属したＬＥＤから出た光の同一なレンチキュラーレンズ３１０への入射を不可能にし、上下には遮断壁がない。

この際、上下方向へのＬＥＤ間の距離ｈは、使われるＬＥＤチップの光度によって変わり、数ｍｍから数十ｃｍまでの範囲内で可能である。同一区画内で上下方向に隣接するＲ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤチップから出た光が、レンチキュラーレンズ３１０と液晶サブピクセル２３０とで多少重なるようにすることで光の均一度を向上させうる。遮断壁４００は、ＲＧＢ ＬＥＤ１１０が付着される光源背面板１２０に設けられるか、レンチキュラーレンズアレイシート３５０に設けられることもある。

図９に表れたとおりに、Ｒ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤ１１１、１１２、１１３チップの間の水平距離Ｓは、レンチキュラーレンズ３１０の倍率によって決定される。レンチキュラーレンズ３１０の倍率をＭ´とし、液晶サブピクセル２３１、２３２、２３３の間の距離をｇ´とする時、Ｓ＝Ｍ´＊ｇ´の関係を満足する。具体例として、Ｍ´＝１０、ｇ´＝０．１５ｍｍと仮定すれば、Ｓ＝１．５ｍｍになる。実際の製作においては、液晶表示装置の大きさとバックライトユニット１００の大きさとによって具体的値が決定され、約０．５ｍｍから５ｍｍの間になる。

図１０は、図３の断面図を立体的に表わしている。Ｒ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤ１１０が水平方向および垂直方向に、光源背面板１２０の前面に規則的に配置されている。光源背面板１２０には、ＬＥＤ１１０に電流を印加する電子素子および回路を設けると同時に、ＬＥＤで発生する熱を放出する機能を含むか、あるいは、熱を放出する装置を備えうる。光源背面板１２０とレンチキュラーレンズアレイシート３５０とが付着された液晶パネル２００の間には、遮断壁４００が設けられていて相異なる区画のＬＥＤ１１０から出る光間の干渉を遮断する。レンチキュラーレンズアレイシート３５０は、偏光シートＡ２１０が付着された液晶パネル２００に付着されて一体型に製作されることが望ましい。

このように、図１０に例示されたＲＧＢ ＬＥＤ１１０を光源とし、レンチキュラーレンズアレイ３００を用いてカラーフィルターを除去した液晶パネルおよびバックライトユニットの構造に対して“Ｌｉｇｈｔ Ｔｏｏｌｓ（登録商標）”光学シミュレーションプログラムを用いてシミュレーションした結果、すなわち、液晶サブピクセル２３０が位置する地点における光分布を図１１に示す。赤色光、緑色光、青色光が、液晶サブピクセル２３０のＲ、Ｇ、Ｂカラーフィルターと同一な間隔で離間して上下方向に線形イメージを形成していることを明確に示す。

図１２は、本発明の第２実施形態によって、Ｒ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤを光源背面板に付着する方法を示す。ＲＢＧ ＬＥＤ１１０を光源背面板１２０に付着する時、一般的な方法としては、前面発光型（Ｔｏｐ−ｅｍｉｓｓｉｏｎ）方式のパッケージＬＥＤを光源背面板に部着する方法と、ＲＧＢ ＬＥＤ１１０チップを直接光源背面板にＣＯＢ（Ｃｈｉｐ−Ｏｎ−Ｂｏａｒｄ）方式で付着する方法とがある。両方法とも光源背面板１２０にＬＥＤ１１０から出る多量の熱を効果的に拡散させ、冷却する機能を含むＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）またはＭＣＰＣＢ（Ｍｅｔａｌ Ｃｏｒｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）を使う。

図１２の（ａ）に示すように、独立したそれぞれのＲ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤ１１１、１１２、１１３を、ＰＣＢまたはＭＣＰＣＢで製作した、放熱機能を含む小さな基板１３１のそれぞれに付着して、一般的なＲ、Ｇ、ＢのパッケージＬＥＤ１１０を光源背面板１２０に貼付する方法は、入手の容易な商品化されたパッケージＬＥＤを使うことができるという長所がある。しかし、ＲＧＢ ＬＥＤ１１０チップの間の間隔を正確に調整する必要がある。

また、図１２の（ｂ）に示すように、ＰＣＢまたはＭＣＰＣＢで製作した、放熱機能を含む一つのＬＥＤ基板１３２に、Ｒ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤ１１１、１１２、１１３チップをともに付着したマルチチップＬＥＤパッケージを左右上下の規則的配列構造で光源背面板１２０に付着する方法もある。

図１２の（ａ）および（ｂ）に提示した方法を適用する場合、ＬＥＤ基板１３１、１３２は、放熱機能に優れたＰＣＢまたはＭＣＰＣＢで製作する必要があり、光源背面板１２０は、放熱機能が相対的に弱いプラスチックなどの材料を用いて廉価に製作できる。

そして、図１２の（ｃ）に示すように、ＬＥＤ基板のない、ＣＯＢ方式でＬＥＤ１１０チップを直接光源背面板１２０に付着することもできる。この場合、ＲＧＢ ＬＥＤ１１０チップと光源背面板１２０との間の熱的抵抗が減り、ＬＥＤ冷却が効率的になる利点がある。ＬＥＤ冷却が良好であれば、ＬＥＤチップの温度が下がり、寿命が延びて安定性が優れるという長所がある。しかし、この場合、光源背面板１２０を放熱機能に優れた高価なＰＣＢまたはＭＣＰＣＢで製作する必要があり、費用的負担が発生しうる。

図１３には、Ｒ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤの光度の均衡を合わせて白色光を得る方法を示す。図１３の（ａ）には断面図を、図１３の（ｂ）、（ｃ）には平面図をそれぞれ示す。白色光を作成する際には、緑色光は、赤色および青色に比べてさらに多い光量が必要なため、Ｇ−ＬＥＤ１１２チップの大きさをさらに大きくするか、数をふやすという方法が主に用いられる。

言い換えれば、図１３の（ｂ）に示すように、放熱機能を含むＰＣＢまたはＭＣＰＣＢのような材質で作られたＬＥＤ基板１３２上にＧ−ＬＥＤ１１２ａチップの大きさを大きくするか、または、図１３の（ｃ）に示すように、Ｇ−ＬＥＤ１１２ｂチップを二つ使って必要な光量を提供することができる。

図１４は、図１３を応用して一区画内に設けられる多数のＲ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤを、垂直方向に等間隔Ｗ３で一つの長いＬＥＤ基板１３３上に配置したものを表わしている。図１４の（ａ）は、図１３の（ｂ）に示すように、Ｒ−ＬＥＤ１１１およびＢ−ＬＥＤ１１３に比べてＧ−ＬＥＤ１１２ａの大きさを大きくしたものであり、図１４の（ｂ）は、図１３の（ｃ）に示すように、Ｒ−ＬＥＤ１１１およびＢ−ＬＥＤ１１３に比べてＧ−ＬＥＤ１１２ｂを２つに増やしたものである。

このように、一つの長いＬＥＤ基板１３３上に多数のＲ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤを設けることによって、ＬＥＤの位置をさらに正確に配置できるという利点がある。また、光源背面板の全体をＰＣＢまたはＭＣＰＣＢで製作する代りに、長いＬＥＤ基板１３３のみをＰＣＢまたはＭＣＰＣＢで製作して、プラスチックやＰＣＢなどに製作される光源背面板１２０上に設けることによって、製作コスト節減と高い放熱効率とを同時に果たすことができる。

前記長いＬＥＤ基板１３３の大きさは、水平方向Ｗ１に５ｍｍから１００ｍｍの間で決定でき、垂直方向Ｗ２は、液晶パネルの垂直方向の大きさ程度に定められうる。垂直方向にＲＧＢ ＬＥＤ１１０の間の間隔Ｗ３は、図３の間隔ｈと同一であり、ＬＥＤの光度によって定められ、約５ｍｍから１００ｍｍの間になりうる。

以下、図１５および図１６を参照して、図１２および図１３で説明したＬＥＤから出る発散角を調節して光効率を改善する方法について説明する。図１５および図１６は、本発明の第２実施形態によるＬＥＤパッケージ構造を示す横断面図および縦断面図である。

図１５は、図１１に示したＲＧＢ ＬＥＤ１１０の前面に、表面が楕円状である楕円レンズ１４０を備えることによって、ＬＥＤ１１０から出る光の発散角を調節して、可能な限り多くの光エネルギーをレンチキュラーレンズアレイ３００とカラーフィルターの無い液晶パネル２００中に入れて、光エネルギー効率を増大させるためのＬＥＤパッケージ構造の例を示す。

ＬＥＤ１１０から出た光が、図１５の（ａ）に示したように、水平方向には、左右に位置した遮断壁４００の範囲内で狭い発散角を有して発散されるので、ＲＧＢ ＬＥＤ１１０チップの前面に位置する楕円レンズ１４０の曲率半径を小さくし、垂直方向には、図１５の（ｂ）に示したように、広い発散角を有するために、曲率半径を大きくする必要がある。

このように、水平方向と垂直方向とが相異なる曲率半径を有すれば、表面が楕円状レンズになる。ＲＧＢ ＬＥＤ１１０チップは、横幅ｐと縦幅ｑとが相異なる透明な樹脂１３３内に深さｚほどに成形され、樹脂１３３の表面は、横、縦曲率半径が相異なる楕円で処理することで、水平発散角と垂直発散角に差を生じさせうる。ＲＧＢ ＬＥＤ１１０チップは、ＬＥＤチップマウント１３４上に装着され、ＬＥＤ基板１３２上に設けられるか、あるいは表面実装方式（Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔｉｎｇ）でＬＥＤチップマウント１３４なしで直接ＬＥＤ基板１３２上に装着されることもある。如何なる方式でも、ＬＥＤは前面に楕円レンズ１４０が付着された樹脂１３３内にモールディングされる。

この際、液晶表示装置の大きさによってモールディング用樹脂１３３の水平方向幅ｐは、０．５〜５ｍｍの間で定められることができ、モールディング用樹脂１３３の垂直方向幅ｑは、２〜２０ｍｍの間で定められることが望ましい。

図１５の（ｃ）は、光学シミュレーションプログラムで楕円レンズ１４０によるＬＥＤ１１０光の発散程度をシミュレーションした結果を示しており、水平方向および垂直方向に沿って角度別輝度分布の発散度が互いに差があることを確認することができる。水平方向および垂直方向にＲＧＢ ＬＥＤ１１０光の発散度の差は、楕円レンズ１４０の水平方向の曲率半径Ｒ_Ｈと垂直方向の曲率半径Ｒ_Ｖ、そして、ＲＧＢ ＬＥＤ１１０チップの埋没深さｚの比率によって決定される。

図１５の（ａ）の透明なモールディング用樹脂１３３の大きさｐ、ｑによって樹脂１３３上に設けられる楕円レンズ１４０の長軸および短軸の大きさが同様に決定される。曲率半径は、発散角によって決定されるが、水平方向の曲率半径は、狭い発散角を与える必要があるので、ＲＧＢ ＬＥＤ１１０チップの埋没深さ対曲率半径（ｚ／Ｒ_Ｈ）の比＝１〜３程度の範囲で決定される。例えば、ｐ＝２ｍｍ、Ｒ_Ｈ＝１ｍｍであれば、ｚ＝１〜３ｍｍの範囲で決定される。

垂直方向の曲率半径Ｒ_Ｖは、広い発散角を与える必要があるので、ｚ／Ｒ_Ｖ＝０．１〜１程度の範囲で許容される。例えば、ｑ＝６ｍｍ、Ｒ_Ｖ＝３ｍｍ、ｚ＝２ｍｍであれば、ｚ／Ｒ_Ｖ＝０．６７になる。

図１６には、図１５の実施形態であるＬＥＤ１１０チップが透明樹脂内にモールディングされたパッケージを改良したものを示す。すなわち、ＬＥＤ１１０を中空のコップ形態のＬＥＤチップマウント１３４内に配置するか、ＬＥＤチップマウント１３４内を透明な樹脂１３５で満たしてＬＥＤチップマウント内部の壁面を反射処理し、ＬＥＤチップマウント１３４上に楕円レンズ１４０を設けて、ＬＥＤ１１０から出た光がＬＥＤチップマウント１３４の内部壁面で反射するか、楕円レンズ１４０を通じて水平および垂直方向に相異なる発散角を有して発散できるようにした。このようにすることによって、ＬＥＤ全体を透明な樹脂内にモールディングした場合に発生することができる樹脂１３３の側面に出る光損失を最小化しながら、同時に水平および垂直方向の光の発散角を調節することができる。

以下、図１７ないし図２０を参照して、本発明の第３実施形態によるカラーフィルターの無い液晶表示装置を説明する。図１７は、本発明の第３実施形態による光導波路の構造を示す平面図であり、図１８は、図１７の光導波路の構造を示す断面図であり、図１９は、図１７の光導波路の使用概念を示す斜視図であり、図２０は、図１７の光導波路の更に他の実施形態を示す平面図である。

本発明の第３実施形態によるカラーフィルターの無い液晶表示装置は、ＬＥＤ１１０が側面放出型であり、ＬＥＤ１１０の光を光源背面板１２０上に設けられた直線の光導波路（Ｌｉｇｈｔ ｇｕｉｄｅ）１５０内に入射させ、線光源に変換させるものである。

図９および図１０で説明したように、点光源の性質を有しているＬＥＤ１１０をそのまま使えば、ＬＥＤ１１０から正面方向への光が非常に強く、左右方向と上下方向とに発散するほど光が弱くなり、均一性に欠く。このような問題を解決するために、図１７に示すように、光源背面板１２０にＬＥＤ１１０および光導波路１５０を設けて均一性を向上できる。

すなわち、図１７は、Ｒ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤ１１１、１１２、１１３およびＲ、Ｇ、Ｂ光導波路１５１、１５２、１５３を用いて点光源を３つの平行なＲ、Ｇ、Ｂ線光源に変換するための構造を示す。側面放出型のＲ−ＬＥＤ１１１から出た光は、一区画内で上下方向に直線に設けられたＲ光導波路１５１内に入って内部全反射によってＲ光導波路１５１に沿って進行する。同様に、側面放出型のＧ−ＬＥＤ１１２とＢ−ＬＥＤ１１３とから出た光は、それぞれＧ光導波路１５２とＢ光導波路１５３とに沿って進行する。

Ｒ、Ｇ、Ｂ光導波路１５１、１５２、１５３の間の間隔は、ＬＥＤ１１０を使用する時と同様にＳ＝Ｍ´＊ｇ´である。ここで、Ｍ´はレンチキュラーレンズの倍率、ｇ´は液晶サブピクセルの間の距離である。

光導波路１５０の幅ｗは、レンチキュラーレンズアレイによって結像されて液晶サブピクセルの幅ｅと適合するように大きさが定められる。レンチキュラーレンズが、光導波路１５０の幅を倍率Ｍ´倍ほど縮小するので、ｗ＝Ｍ´＊ｅの関係が成り立つ。実際には、隣接するサブピクセルの間の混色（ｃｏｌｏｒ ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）を低減するために、ｗはＭ´＊ｅより若干小さいことが好ましい。

それぞれＲ、Ｇ、Ｂ光導波路１５１、１５２、１５３の内部で全反射によって進行する光がレンチキュラーレンズ方向に９０°屈折して外に出るようにするために、光導波路１５０の表面には光分岐構造が設けられる。光導波路の内部を内部全反射によって進行する光を垂直方向に分岐する光分岐構造としては、図１８の光導波路の上面に多数設けられる凹プリズム１５５、後述する図２６の光導波路の下面に多数設けられるプリズム９１０、または、図２７に例示した光導波路の上面に多数設けられる逆プリズム９２０などがいずれも可能であり、ここでは、図１８の凹プリズム１５５を例として説明する。

図１８には、ＬＥＤ１１０から出た光が、光源背面板１２０上に設けられた光導波路１５０に沿って全反射によって進行し、凹プリズム１５５の形態の光分岐構造によって垂直方向に分岐して出ていく過程が表れている。光導波路１５０の表面に凹プリズム１５５形態の溝を形成すれば、光導波路に沿って進行する光のうち一部凹プリズム１５５に入射する光は、凹プリズムの斜面で反射して垂直方向に折れてレンチキュラーレンズアレイ方向に進行する。

この際、凹プリズムの表面での反射率が偏光によって変わるので、反射されてレンチキュラーレンズ方向に向かう光は線偏光になる。光導波路１５０の屈折率を１．５と仮定して計算する時、凹プリズムの斜面１５５で反射して垂直に上がって来る光で互いに垂直なｓ偏光とｐ偏光との比率が約１１倍となり、線偏光性を帯びる。

線偏光した光は、液晶パネル２００の背面ガラス基板２２０に付着した偏光シートＡ２１０での吸収率が低くなるので、光効率の追加的な上昇に寄与する。光導波路１５０の表面に設けられ、光を垂直に分岐する凹プリズムの大きさは、ＬＥＤ１１０に近いほど小くなり、遠くなるほど大きくなるようにすることで、すべてのプリズムで垂直に分岐されて出る光度を均一にできる。または、同一大の多数の凹プリズム１５５の離隔ｄが、光導波路内で光が進行する方向に沿って次第に狭くなるようにすることで、垂直方向に均一な光を分岐することも可能である。

凹プリズムの間の離隔ｄは、レンチキュラーレンズアレイと液晶ピクセルで上下方向に光の均一度を保証することができる距離である必要がある。実際に約１ｍｍから５０ｍｍの離隔が許容されることができ、隣接する凹プリズム１５５の間の離隔は、光の進行方向に沿って可変的に設けられることもある。

図１８に説明された凹プリズム形態の光分岐構造の以外にも、光導波路１５０内を進行する光を外に分岐する構造としては、バイナリー回折格子（Ｂｉｎａｒｙ ｇｒａｔｉｎｇ）、正弦波回折格子（Ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｇｒａｔｉｎｇ）、マイクロレンズアレイ（Ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ）、レンチキュラーレンズアレイ（Ｌｅｎｔｉｃｕｌａｒ ｌｅｎｓ ａｒｒａｙ）、光結晶（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）、多重プリズム（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｐｒｉｓｍ）などが可能である。

図１９には、図１８の光導波路構造を用いてＲ、Ｇ、Ｂ線光源を作ってカラーフィルターの無い液晶表示装置に適用した例を示す。光源背面板１２０には、遮断壁４００によって垂直方向に区画が定められ、それぞれの区画内には、上下方向にＲ、Ｇ、Ｂ光導波路１５０が設けられる。Ｒ、Ｇ、Ｂ光導波路１５０の上端部の終端あるいは下端部の終端に側面発光Ｒ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤ１１０が設けられて、それぞれＲ、Ｇ、Ｂ光導波路１５０内に光を供給する。全反射によって光導波路１５０に沿って進行する光は、図１８に示したように、光分岐構造によって９０°方向が折れてレンチキュラーレンズアレイ３００の方向に進行する。

図２０は、図１９のＲ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤ１１０とＲ、Ｇ、Ｂ光導波路１５０とが設けられた区画１６０が光源背面板１２０上に左右上下に多数配列された構造を示す。それぞれのＬＥＤ１１０とＬＥＤ１１０とから光が入射して垂直に均一に分岐する光導波路１５０は、液晶パネルが必要とする総光量を供給することができない場合には、図２０に示したように、多様な区画１６０に分けることで液晶パネルに必要な光量を供給することができる。区画１６０の数は、用いられるＬＥＤ１１０の輝度によって変わり、横方向には１個から５０個、縦方向には１個から３０個程度が望ましい。

以下、図２１ないし図２３を参照して、本発明の第４実施形態によるカラーフィルターの無い液晶表示装置を説明する。

図２１は、本発明の第４実施形態によるバックライトユニットを示す平面図であり、図２２は、図２１に示したＣＣＦＬおよびＥＥＦＬの横断面図および縦断面図であり、図２３は、図２１のバックライトユニットの使用概念を示す断面図である。

本発明の第４実施形態によるカラーフィルターの無い液晶表示装置は、３色光供給部が赤色、緑色、青色のＣＣＦＬおよび赤色、緑色、青色のＥＥＦＬのうち選択された何れか一つである。

図２１には、光源として第２実施形態のＬＥＤおよび第３実施形態の光導波路の代りにＲ、Ｇ、Ｂ三色のＣＣＦＬ１７０またはＥＥＦＬ１８０を光源として置き換えるバックライトユニットの例を示す。ＣＣＦＬ１７０またはＥＥＦＬ１８０を光源として使用する場合、光導波路が必要なく、直線型光源が簡単に形成できるという利点がある。

Ｒ−ＣＣＦＬ１７１は、赤色を出す蛍光体が内部に塗布されており、Ｇ−ＣＣＦＬ１７２は、緑色を出す蛍光体が内部に塗布されており、Ｂ−ＣＣＦＬ１７３は、青色を出す蛍光体が内部に塗布されている。Ｒ、Ｇ、Ｂ ＣＣＦＬ１７１、１７２、１７３の３個が一組になって遮断壁４００で分離される一つの区画内に配置され、光源背面板１２０は遮断壁４００によって多数の区画で構成され、区画の数は液晶表示装置の大きさによって２個〜５０個まで可能である。

ＣＣＦＬ１７０またはＥＥＦＬ１８０を光源として使う場合、光源背面板１２０は、電子回路を入れることができるＰＣＢ、ＭＣＰＣＢの以外にプラスチックなどの非伝導性の材質も使われる。光源背面板１２０は、ＣＣＦＬ１７０またはＥＥＦＬ１８０から出た光が、光源背面板１２０の表面で反射してレンチキュラーレンズアレイに入射することで発生する映像の質低下を防止するために、表面が黒色に処理される。

また、図２２に示したように、光源として用いられるＣＣＦＬ１７０は、ガラス管１７０ｂの両端部に電極１７０ａが露出され、ガラス管の内部には、円筒状の蛍光体１７０ｄが位置し、蛍光体１７０ｄの内部には、放電ガス１７０ｃが注入されている。

同様に、光源として用いられるＥＥＦＬ１８０は、ガラス管１８０ｂの内部に円筒状の蛍光体１８０ｄが位置し、蛍光体１８０ｄの内部には、放電ガス１８０ｃが注入されているが、電極１８０ａがガラス管１８０ｂの内部に入らず、ガラス管の両端の外部に蒸着されている点が異なる。

この際、光源背面板１２０の方向には、光が不要であるために、すべての光が直接レンチキュラーレンズアレイを通過して液晶パネルに入射できるようにＣＣＦＬ１７０またはＥＥＦＬ１８０の裏面に金属コーティングや散乱体が入っている反射膜などで反射層１７０ｅ、１８０ｅの処理がなされていることが望ましい。

図２３には、Ｒ、Ｇ、Ｂ三色の直線型ＣＣＦＬ１７０またはＥＥＦＬ１８０を光源として用い、レンチキュラーレンズアレイ３００を用いて、偏光シート２１０、２６０を前後に付着させた液晶パネル２００のＲ、Ｇ、Ｂサブピクセル２３１、２３２、２３３内に前記光源からの光を入射させた、カラーフィルターの無い液晶表示装置を示す。バックライトユニットは、遮断壁４００によって多数の区画に分けられ、光源であるＣＣＦＬ１７０またはＥＥＦＬ１８０の長手方向とレンチキュラーレンズアレイ３００の長手方向とは平行であり、前記光源は、レンチキュラーレンズ３１０によって液晶パネル２００内のＲ、Ｇ、Ｂサブピクセル２３１、２３２、２３３と一対多対応して結像する。

図２４は、本発明の第５実施形態による液晶表示装置を示す断面図である。図９では、Ｒ、Ｇ、Ｂ光源を多数のＲ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤ１１０を規則的なアレイで配列し、図１７では、Ｒ、Ｇ、Ｂ ＬＥＤ１１０から水平に出るＲ、Ｇ、Ｂ光が直接互いに平行に配置されたＲＧＢ光導波路１５０内に入射するようにした。このように、それぞれのＬＥＤ１１０から出る光を直接利用する場合、それぞれのＬＥＤ１１０の明るさの差や、寿命変化効果によって生じる明るさと波長などに光学的性能の変化により、画面に染みが発生するか、輝度が低下するなどの液晶表示装置の画質低下が発生することがある。

このような問題点を解決するために、第５実施形態では、３色光供給部として光混合器７００と光繊維８００とを使って均一に混合された光をＲ、Ｇ、Ｂ光導波路１５０に供給することで、さらに均一で安定的なＲ、Ｇ、Ｂ光を供給する。Ｒ光源一つを持って具体的に説明をすれば、多数のＲ−ＬＥＤ１１１から出る光をＲ−光混合器７１０内に入射して十分に混合した後に多数のＲ−光繊維８１０を通じて多数のＲ−光導波路１５１内に赤色光を供給する。このようにすることによって、Ｒ−ＬＥＤ１１１のそれぞれの特性差と寿命変化による差とを平均化し、さらに安定的で優れた画質を果たせる。多数のＧ−ＬＥＤ１１２とＢ−ＬＥＤ１１３も同一の過程によって多数のＧ−光導波路１５２とＢ−光導波路１５３とに光を供給する。光混合器７００は、内部全反射によって光を誘導しながら混合する原理を使い、その形態は、直方体、円筒形、または半円筒形などになり得る。光混合器７００の入射面の前に位置した多数のＬＥＤ１１０から出た光は、光混合器７００の内部で内部全反射によって進行しながら互いに均一に混合され、出射面近くに設けられた多数の光繊維８００に伝達される。

図２５は、図２４のバックライトユニットの構造を上面と下面とを分離して示す平面図である。図２５は、図２４で光源背面板１２０の下面に設けられる多数のＲＧＢ光繊維８００から光源背面板１２０の上面に設けられる多数のＲＧＢ光導波路１５０に光を配分することを示す。光源背面板１２０の上面には、多数の区画が設けられ、それぞれの区画内には、ＲＧＢ光導波路１５０が一組ずつ配置されている。光源背面板１２０の下面には、多数のＲＧＢ ＬＥＤ１１０と少なくとも３個以上の光混合器７００とが設けられ、前記下面に設けられた光混合器７００から出る光は、多数の光繊維８００によって光源背面板１２０の前面に設けられたＲＧＢ光導波路１５０内に伝達される。赤色光一つを持ってさらに詳細に説明すれば、多数のＲ ＬＥＤ１１１から出る光は、Ｒ光混合器７１０内に入射して均一に混合され、Ｒ光混合器７１０の出射面に配置されている多数のＲ光繊維８１０ 内に入って誘導される。Ｒ光繊維８１０は、区画別に一つずつ配置されているＲ光導波路１５１内に赤色光を伝達する。Ｇ ＬＥＤ１１２、Ｇ光混合器７２０、Ｇ光繊維８２０、Ｇ光導波路１５２の作用原理とＢ ＬＥＤ１１３、Ｂ光混合器７３０、Ｂ光繊維８３０、Ｂ光導波路１５３の作用原理もＲ ＬＥＤ１１１、Ｒ光混合器７１０、Ｒ光繊維８１０、Ｇ 光導波路１５１の作用原理と同一である。

図２６は、図２４の液晶表示装置の光導波路にプリズム光分岐構造９１０を更に備える液晶表示装置の断面図であり、図２７は、図２４の液晶表示装置の光導波路に逆プリズム光分岐構造９２０を更に備える液晶表示装置の断面図であり、図２８は、図２７の逆プリズム光分岐構造９２０を示す斜視図である。

ＲＧＢ光導波路１５０内に内部全反射を通じて誘導されるＲＧＢ光は、図１８に示した多数の凹プリズム１５５を用いて分岐されるか、図２６および図２７に示したように、ＲＧＢ光導波路１５０の下面に設けられたプリズム光分岐構造９１０または光導波路１５０の上面に設けられた逆プリズム光分岐構造９２０によってレンチキュラーレンズアレイ３００と液晶パネル２００とがある上方向に分岐された後、レンチキュラーレンズアレイ３００によってＲＧＢ液晶サブピクセル２３０内に入射する。光源背面板１２０の下面には、ＲＧＢ ＬＥＤ１１０とＲＧＢ光混合器７００とが設けられる。ＲＧＢ光混合器７００から出るＲＧＢ光は、ＲＧＢ光繊維８００を通じて誘導されて光源背面板１２０の上面に位置したＲＧＢ光導波路１５０内に伝達される。図２６に示したように、ＲＧＢ光繊維８００は柔軟な材質であるので、固定台８５０によって光導波路１５０と連結されるが、光源背面板１２０の背面に位置することができる。

図２６の光導波路１５０の下面には、プリズム光分岐構造９１０が設けられていて内部全反射によって光導波路１５０内に誘導される光の一部をレンチキュラーレンズアレイ３００が付着された液晶パネル２００側に分岐する。このように、バックライトユニットが、光混合器７００、光導波路１５０、光繊維８００を備える場合、光源間の特性の違いおよび寿命変化による差を平均化し、安定的で優れた画質が得られる効果がある。一方、図２７に示したように、光導波路１５０の上面に設けられた多数の逆プリズム形態の逆プリズム光分岐構造９２０によって液晶パネル２００の方向に分岐することもできる。図２６と図２７とに示したプリズム光分岐構造９１０と逆プリズム光分岐構造９２０は、光が入射する側で遠くなるほどその密度が次第に高くなって全体的に垂直上方に分岐する光度が均一になるように配置される。図２８に示したように、光導波路１５０の内部で誘導される光が逆プリズム光分岐構造９２０によって分岐される場合、側角の大きさによってその方向が変わるために、前記側角は、約４５°〜７０°の間で与えられる。光導波路１５０の端面である凹プリズム１５５は、反射処理して余分の光を光導波路１５０内に戻して光効率をさらに改善することができる。

以上、本発明が、限定された実施形態と図面とによって説明されたが、本発明は、これに限定されず、当業者によって、本発明の技術思想と下記に記載の特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正および変形が可能なことは言うまでもない。

本発明は、カラーフィルターの無い液晶表示装置関連の技術分野に適用可能である。

１００：バックライトユニット
１１０：ＬＥＤ
１２０：光源背面板
１４０：楕円レンズ
１５０：光導波路
１７０：ＣＣＦＬ
１８０：ＥＥＦＬ
２００：液晶パネル
２１０：偏光シートＡ
２２０：背面ガラス基板
２３０：液晶サブピクセル
２５０：前面ガラス基板
２６０：偏光シートＢ
３００：レンチキュラーレンズアレイ
３１０：レンチキュラーレンズ
３２０：遮光帯
４００：遮断壁
５００：拡散層
６００：拡散導光グリッド
７００：光混合器
８００：光繊維
９１０：プリズム光分岐構造
９２０：逆プリズム光分岐構造

Claims (15)

1. 前面および背面ガラス基板と、前記前面および背面ガラス基板の間に介在し、赤色、緑色、青色の光にそれぞれ対応する多数の赤色、緑色、青色の液晶サブピクセルを備える液晶パネルと、
   前記液晶パネルの背面に配置され、前記赤色、緑色、青色の光をそれぞれ供給する３色光供給部の複数を互いに区画するように離隔配置されたバックライトユニットと、
   前記液晶パネルと前記バックライトユニットとの間に配置され、前記３色光供給部から照射された赤色、緑色、青色の光を前記液晶パネルに含まれた赤色、緑色、青色のサブピクセルにそれぞれ誘導するものであって、多数のレンチキュラーレンズを含む多数のレンチキュラーレンズ群が、前記各３色光供給部にそれぞれ対応して区画されるように離隔配置されたレンチキュラーレンズアレイと、を含むことを特徴とするカラーフィルターの無い液晶表示装置。
2. 前記３色光供給部は、
   赤色、緑色、青色のＬＥＤであることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルターの無い液晶表示装置。
3. 前記ＬＥＤは、
   側面放出型であり、入射した前記ＬＥＤの光を内部全反射によって垂直方向に誘導して線光源に変換する光導波路を含むことを特徴とする請求項２に記載のカラーフィルターの無い液晶表示装置。
4. 前記ＬＥＤは、
   前面に表面が円状である円状レンズまたは表面が楕円状である楕円レンズをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のカラーフィルターの無い液晶表示装置。
5. 前記バックライトユニットは、
   前記それぞれの３色光供給部を区画するように、前記３色光供給部の間に配置された多数の遮断壁をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルターの無い液晶表示装置。
6. 互いに隣接する前記レンチキュラーレンズ群の間の隔離距離ｇは、下記の数式１で決定されることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルターの無い液晶表示装置。
   （ここで、Ｔ_１は前記背面ガラス基板の厚さを表わし、φ_ｎは前記レンチキュラーレンズに入射された後、前記レンチキュラーレンズから屈折された光が前記背面ガラス基板に垂直な方向に対して進行する角度を表わす。）
7. 前記前面ガラス基板と液晶サブピクセルとの間に介在されて、入射された光を拡散させる拡散層をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のうち何れか一項に記載のカラーフィルターの無い液晶表示装置。
8. 前記拡散層は、
   ビーズまたは粒子が散布された透明な樹脂で形成されることを特徴とする請求項７に記載のカラーフィルターの無い液晶表示装置。
9. 前記背面ガラス基板の背面から前記拡散層の内側に延びた多数の導光グリッドが規則的に配列されたものであって、前記拡散層で拡散された光の一部を内部全反射によって導光する導光グリッドアレイをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のカラーフィルターの無い液晶表示装置。
10. 前記導光グリッドの屈折率は、
    前記拡散層の屈折率よりさらに大きいことを特徴とする請求項９に記載のカラーフィルターの無い液晶表示装置。
11. 前記３色光供給部は、
    赤色、緑色、青色のＣＣＦＬまたは赤色、緑色、青色のＥＥＦＬであることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルターの無い液晶表示装置。
12. 前記ＣＣＦＬまたはＥＥＦＬの背面には、
    前記ＣＣＦＬまたはＥＥＦＬから放出された光を前面にのみ放出されるように、反射層がコーティングされたことを特徴とする請求項１１に記載のカラーフィルターの無い液晶表示装置。
13. 前記３色光供給部は、
    複数の赤色光源、複数の緑色光源および複数の青色光源によって赤色、緑色、青色の光をそれぞれ供給する３色光源と、
    前記３色光源から照射された複数の赤色、緑色、青色の光をそれぞれ混合して、均一な赤色、緑色、青色の光を生成させる少なくとも３個以上の光混合器と、
    前記光混合器から生成された赤色、緑色、青色の光を内部全反射によって垂直方向に誘導して、それぞれ線光源に変換させる少なくとも３個以上の光導波路と、
    前記光混合器から生成された赤色、緑色、青色の光を前記光導波路にそれぞれ伝達する複数の光繊維と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルターの無い液晶表示装置。
14. 前記光導波路の背面には、
    前記光導波路の内部で全反射によって誘導される光を垂直方向に分岐されるように、複数のプリズム光分岐構造をさらに備えることを特徴とする請求項３または１３に記載のカラーフィルターの無い液晶表示装置。
15. 前記光導波路の前面には、
    前記光導波路の内部で全反射によって誘導される光を垂直方向に分岐されるように、複数の凹プリズム光分岐構造または逆プリズム光分岐構造をさらに備えることを特徴とする請求項３または１３に記載のカラーフィルターの無い液晶表示装置。