JP5319467B2 - カラーシフト低減光学フィルター及びこれを具備するディスプレイ装置 - Google Patents

カラーシフト低減光学フィルター及びこれを具備するディスプレイ装置 Download PDF

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Description

本発明は、カラーシフト低減光学フィルターに係り、より詳しくは、ディスプレイパネルの前方に配設され、視野角の増大に伴うカラーシフトを最小化することができるカラーシフト低減光学フィルター及びこれを具備するディスプレイ装置に関する。
情報化社会が進展するにつれ、映像ディスプレイ関連部品及び機器が顕著に進歩し且つ普及してきている。その中でも、画像を表示するディスプレイ装置は、テレビ用、パーソナルコンピューターのモニター用などとして顕著に普及してきており、大型化と薄型化が同時に進行している。
一般に、液晶表示装置(Liquid Crystal Display)は、液晶(Liquid Crystal)を利用して画像を表示するフラット表示装置の一つであって、他のディスプレイ装置に比べて薄くて軽量であり、低い駆動電圧及び低い消費電力を有するという長所がある。このため、産業全般にわたって広範に使用されている。
図1は、LCD100の基本構造と駆動原理を概念的に示した概念図である。
従来のVAモードLCDを例に挙げると、二つの偏光フィルム110、120は、その光軸が互いに垂直になるように付着されている。透明電極140がコーティングされた二つの透明基板130の間に複屈折特性を示す液晶分子150が挿入、配列される。駆動電源部180によって電場が印加されると、液晶分子が電場に対し垂直に動いて配列される。
バックライトユニットからの光は、第1の偏光フィルム120を通過してから線偏光になる。
図1の左側に示されたように、電源がオフ状態である場合、液晶は基板に対して垂直配向されている。このため、液晶は光の偏光状態に変化を与えることができない。これにより、線偏光された光は、その状態がそのまま保持され、第1の偏光フィルム120と光軸が垂直な第2の偏光フィルム110を通過することができなくなる。
一方、図1の右側に示されたように、電源がオン状態である場合、液晶は電場によって基板と平行な方向に沿って二つの直交偏光フィルム110、120の光軸の間に水平配向される。このため、第1の偏光フィルムを介して線偏光された光は液晶分子を通過しながら、第2の偏光フィルムに到逹する直前に偏光状態が90°回転された線偏光、円偏光または楕円偏光状態に変化して第2の偏光フィルムを通過するようになる。電場の強さを調節すれば、液晶の配列状態が垂直配向から徐々に水平方向に配向角度が変化し、出る光の強さを調節することができる。
図2は、視野角による液晶の配向状態と光透過度を示す概念図である。
画素220内に液晶分子が所定の方向に配列されている場合、視野角によって配列状態が異なって見えるようになる。
正面から右側方向210に見たとき、液晶分子の配列状態はほぼ水平配向212に見え、画面が相対的に明るく見えるようになる。画面の正面230から見たとき、液晶分子の配列状態232は画素220内の液晶分子の配列と等しく見える。正面から左側方向250に見たとき、液晶分子の配列状態は垂直配向252に見え、画面が相対的に暗く見えるようになる。
したがって、LCDでは、視野角の変化に伴って光の強さや色の変化が発生し、自発光ディスプレイに比べて視野角が大きく制限される。このため、視野角の改善のための多くの研究が進められてきた。
図3は、視野角による明暗比の変化及びカラーシフトを改善するための従来技術の一例を示す概念図である。
図3を参照すれば、画素を二つの部分画素、すなわち、第1の画素部320と第2の画素部340とに分割し、各画素部の液晶配列状態が互いに対称になるようにする。視聴者の視聴方向に応じて第1の画素部320での液晶の配列状態と第2の画素部340での液晶の配列状態が同時に見えるようになり、視聴者に見える光の強さは、それぞれの画素部の光の強さの和になる。
すなわち、正面から右側方向310に見たとき、第1の画素部320の液晶は水平配向312に見え、第2の画素部340の液晶は垂直配向314に見えるようになり、第1の画素部320によって画面が明るく見えるようになる。同様に、正面から左側方向350に見たとき、第1の画素部320の液晶は垂直配向352に見え、第2の画素部340の液晶は水平配向354に見えるようになり、第2の画素部340によって画面が明るく見えるようになる。正面330から見たときは、各画素部の配列状態と同一に見えるようになる。このため、視聴者が見るときの画面の明るさは、視野角の変化に伴って同一またはほぼ同一になり、画面に対する垂直方向を中心に対称になる。これにより、視野角の変化に伴う明暗比の変化及び色変化の度合いが改善できるようになる。
図4は、視野角による明暗比の変化及びカラーシフトを改善するための従来技術の他の事例を示す概念図である。
図4を参照すれば、複屈折特性を有しており、その特性がLCDパネルの画素440内の液晶分子と同一であり、液晶分子の配列状態と対称になる光学フィルム420がさらに備えられている。視聴者の視聴方向による画素440内の液晶の配列状態と光学フィルム420の複屈折特性により、視聴者に見える光の強さはそれぞれによる光の強さの和になる。
すなわち、正面から右側方向410に見たとき、画素440内の液晶は水平配向414に見え、光学フィルム420による仮想液晶は垂直配向412に見えるようになり、光の強さはそれぞれの和になる。同様に、正面から左側方向450に見たとき、画素440内の液晶は垂直配向454に見え、光学フィルム420による仮想液晶は水平配向452に見えるようになり、光の強さはそれぞれの和になる。正面か430から見たときは、画素440内の液晶分子の配列状態と光学フィルム420の複屈折された配列状態とがそれぞれ同一に見えるようになる(432、434)。
しかしながら、上記図3及び図4に示す技術によっても、依然として視野角によるカラーシフトは存在し、視野角の増大に伴って色変化が生じるという問題点を有する。
本発明の目的は、視野角の増大に伴う色変化を最小化することで、ディスプレイ装置の視野角を確保し、画質を改善することができる光学フィルターを提供することである。
本発明の他の目的は、視野角の増大に伴う、レッド(Red)系混色(Sony Red、Moderate Redなど)及びブルー(Blue)系混色(Sony Blue、Purple、Purplish Blueなど)などの全ての混色における色変化を最小化することができる光学フィルターを提供することである。
上記目的を達成するために、本発明は、ディスプレイ装置のディスプレイパネルの前方に具備される光学フィルターであって、層をなすバックグラウンド層と、上記バックグラウンド層に所定の厚さにて形成され、グリーン波長の光を吸収するグリーン波長吸収パターンと、を含むカラーシフト低減光学フィルターを提供する。
好ましくは、上記グリーン波長吸収パターンは、510〜560nmのグリーン波長の光を吸収するグリーン波長吸収物質を含む。
上記グリーン波長吸収パターンは、白色光吸収物質をさらに含むことができる。
好ましくは、グリーン補色波長の光を吸収するグリーン補色波長吸収部をさらに含むことができる。
好ましくは、上記グリーン補色波長吸収部は、440〜480nmのブルー波長の光を吸収するブルー波長吸収物質及び600〜650nmのレッド波長の光を吸収するレッド波長吸収物質の少なくとも一つを含む。
順次に積層される第1の厚膜層、第1の薄膜層、第2の厚膜層をさらに含むことができる。
上記構成によれば、本発明は、グリーン波長吸収パターンを設けて、視野角の増大に伴う色変化を最小化することで、ディスプレイ装置の視野角を確保し、画質を改善することができる光学フィルターを提供することができる。
また、本発明は、視野角の増大に伴う、レッド系混色(Sony Red、Moderate Redなど)及びブルー系混色(Sony Blue、Purple、Purplish Blueなど)の色変化も最小化することができ、全ての混色における色変化を最小化することができる。
また、グリーン波長吸収パターンを設けて、視野角の増大に伴う色変化を低減させ、また、グリーン補色波長吸収部を設けて、正面から出る光に対しては色変化が生じないようにすることでディスプレイ本来の画像色を保持させることができる。
LCDの基本構造と駆動原理を概念的に示した概念図である。 視野角による液晶の配向状態と光透過度を示す概念図である。 視野角による明暗比の変化及びカラーシフトを改善するための従来技術の一例を示す概念図である。 視野角による明暗比の変化及びカラーシフトを改善するための従来技術の他の事例を示す概念図である。 図3及び図4のカラーシフト低減技術を同時に適用した従来のLCDにあって、視野角の増大に伴う最大階調レベル(full gray scale level)の白色光発光スペクトラム変化を測定した結果を示すグラフである。 本出願人の先願を通じて提示されたカラーシフト低減光学フィルターを示す断面図である。 図6の光学フィルターのカラーシフト低減原理を説明するための図である。 図3及び図4のカラーシフト低減技術を同時に適用した従来のLCDにあって、視野角の増大に伴う低い階調レベルの白色光発光スペクトラム変化を測定した結果を示すグラフである。 従来のLCD装置における視野角θの変化による13種の混色の色変化Δu'v'(θ)を示したグラフである。 図6の光学フィルターを採用したLCD装置における視野角θの変化による13種の混色の色変化Δu'v'(θ)を示したグラフである。 本発明の第1の実施形態によるカラーシフト低減光学フィルターを概略的に示す斜視図である。 図11の光学フィルターが使用されたディスプレイ装置における視野角の変化による13種の混色の色変化を示したグラフである。 図11の光学フィルターが適用されたディスプレイ装置における視野角の増大に伴う高い階調レベルの正規化された白色光発光スペクトラム変化を測定した結果を示すグラフである。 グリーン波長吸収パターンを説明するための参照図である。 グリーン波長吸収パターンを説明するための参照図である。 バックグラウンド層にグリーン波長吸収パターンが形成された光学フィルターにおける、屈折率が色変化に及ぼす影響を示すグラフであって、バックグラウンド層とグリーン波長吸収パターンの屈折率が同じである場合における、視野角による色偏差を示すグラフである。 バックグラウンド層にグリーン波長吸収パターンが形成された光学フィルターにおける、屈折率が色変化に及ぼす影響を示すグラフであって、バックグラウンド層の屈折率がグリーン波長吸収パターンの屈折率よりも0.06程度大きい場合における、視野角による色偏差を示すグラフである。 本発明の第2の実施形態による光学フィルターが採用されたディスプレイ装置における視野角の変化による13種の混色の色変化を示したグラフである。 本発明の第3の実施形態による光学フィルターを概略的に示す図である。 グリーン波長吸収パターンのみを具備し、グリーン補色波長吸収部を具備していない光学フィルターを適用した場合における視野角の増大に伴う色座標の変化を示したグラフである。 グリーン波長吸収パターン及びグリーン補色波長吸収部の両方を具備した光学フィルターを適用した場合における視野角の増大に伴う色座標の変化を示したグラフである。 本発明の第4の実施形態による光学フィルターを概略的に示す斜視図である。 本発明の第6の実施形態による光学フィルターを概略的に示す断面図である。 図23の光学フィルターが使用されたディスプレイ装置における視野角の変化による13種の混色の色変化を示したグラフである。 本発明の第7の実施形態による光学フィルターを概略的に示す図である。
以下、添付図面を参照して本発明を詳しく説明する。
[比較実施形態]
図5は、図3及び図4のカラーシフト低減技術を同時に適用した従来のLCDにあって、視野角の増大に伴う最大階調レベルの白色光発光スペクトラム変化を測定した結果を示すグラフである。
図示したように、視野角の増大に伴い、スペクトラムの強さが次第に減少する。各波長領域ごとの減少度合いについて正確に調べてみるために、各スペクトラムの最大値で割って正規化させると、視野角の増大に伴い、他の波長領域では同一であるが、400ないし500nmの青色領域では正規化されたスペクトラムの強さが減少することが分かった。これは、他の波長領域に比べて400ないし500nmの青色領域の光が視野角の増大に伴い、スペクトラムの強さがより大きく減少することを示す。したがって、視野角の増大に伴い、白色状態が青色の補色である黄色を呈するようになり、このような色変化によって画質が落ちるようになる。
図6は、本出願人の先願を通じて提示されたカラーシフト低減光学フィルターを示す断面図である。
図6の光学フィルター740は、視野角の増大に伴う色変化を減少させることができるように、厚さが780nm以下で第1の屈折率を有する薄膜層742と、該薄膜層742の一面に形成され、該薄膜層742よりも大きな厚さを有し第2の屈折率を有する第1の厚膜層744と、上記薄膜層742の他面に形成され、上記薄膜層742よりも大きな厚さを有し第3屈折率を有する第2の厚膜層746を含む。
このような光学フィルターは、視野角の増大に伴い、液晶を通過しながら相対的に輝度の減少が大きい380nm〜500nm領域の相対的な輝度減少を補償することで、液晶ディスプレイパネルの視野角の増大に伴う最大階調レベルの白色光の色変化を減少させることができる。
図7は、図6の光学フィルターのカラーシフト低減原理を説明するための図である。
薄膜層742の厚さは、可視光線の波長領域よりも小さいか同じである。したがって、薄膜層742の厚さは780nm以下である。薄膜層742の厚さが780nmよりも大きいと、可視光領域において補強及び相殺干渉が生じないためである。
一方、第1の厚膜層744及び第2の厚膜層746は、上記薄膜層742よりも大きな厚さを有する。したがって、厚膜層744、746の厚さは、780nmよりも大きく、数mmに至ることもある。第1の厚膜層744と第2の厚膜層746の厚さは同じであってよく、異なってもよい。
上記薄膜層742は第1の屈折率、上記第1の厚膜層744は第2の屈折率、上記第2の厚膜層746は第3の屈折率を有する物質である。上記第1の屈折率は、上記第2の屈折率及び上記第3の屈折率よりも低くてよく、高くてもよい。
上記光学フィルターは、高屈折率の厚膜層の間に低屈折率の薄膜層を設けて製造することができる。例えば、第1の厚膜層744及び第2の厚膜層746の屈折率は2ないし4であり、薄膜層の屈折率は1ないし2であってよい。
これとは逆に、低屈折率の厚膜層の間に高屈折率の薄膜層を設けて製造することもできる。この場合、厚膜層の少なくとも一つとして、ガラスからなるものを使用することができる。強化ガラスはその屈折率が約1.5であるため、ベース基板として強化ガラスを使用する場合、ベース基板を低屈折厚膜層として使用することができる。ベース基板の他にも、粘着層または空気層を厚膜層として使用することもできる。また、反射防止フィルム、アンチグレア(Anti−Glare)フィルム、アンチフォグ(Anti−Fog)フィルムなどの機能性フィルムも厚膜層として使用することができるであろう。
このように、光の透過率及び反射率を調節するために、第1の厚膜層及び第2の厚膜層、そして薄膜層の屈折率を様々に変えることができる。
薄膜層742の屈折率をn、第1の厚膜層744及び第2の厚膜層746の屈折率をnとする。便宜上、第1の厚膜層744及び第2の厚膜層746の屈折率が同じであると仮定するが、これに限定されるものではない。好ましくは、第1の厚膜層の屈折率と第2の厚膜層の屈折率とは同じであるか、1以下の差を有してよい。
上記第1の厚膜層744はディスプレイパネル側に設けられ、上記第2の厚膜層746は視聴者側に設けられる。第1の厚膜層744に入射した光の入射角と屈折角は、スネルの法則によって次の条件を満足する。
[数1]
sinθ=nsinθ
ディスプレイパネルから薄膜層へ入射した光880は、第1の厚膜層744と薄膜層742との界面において、屈折率の差によって一部は屈折しながら透過し、一部は反射するようになる。上記界面に対する法線と上記光880とがなす角度をθとし、屈折され薄膜層の内部を透過する透過光881と上記法線とがなす角度をθとする。
上記透過光881は、さらに薄膜層742と第2の厚膜層746との界面において、一部は屈折しながら第2の厚膜層を透過する透過光882になり、一部は反射して反射光883になる。このとき、上記透過光882の、薄膜層742と第2の厚膜層746との界面に対する法線となす角度は、薄膜層742と第2の厚膜層746の屈折率の差によって決められる。第1の厚膜層744と第2の厚膜層746の屈折率が同じであると仮定すれば、薄膜層の透過光882の、薄膜層742と第2の厚膜層746との界面に対する法線となす角度はθである。上記角度θは、スネルの法則によって上記式1から、パネルからの光889が光学フィルターへ入射する角度θと厚膜層の屈折率n、空気の屈折率n(=1)を用いて表すことができる。
パネルからの光889が上記光学フィルターを透過して最終放出された光の透過角は、スネルの法則によって入射角θと同じであり、結局、角θが、視聴者が見る視野角に該当する。
各界面における反射率は、下記式2及び式3のとおりである。ここで、Rは、p偏光された光が反射した場合の反射率であり、Rは、s偏光された光が反射した場合の反射率である。
[数2]
=[(ncosθ−ncosθ)/(ncosθ+ncosθ)]
[数3]
=[(ncosθ−ncosθ)/(ncosθ+ncosθ)]
上記反射率RとRは、それぞれ薄膜層と厚膜層の屈折率n、n及び入射角θと屈折角θによって変わることが分かる。
下記式4における反射率Rは、上記式2のRと式3のRの平均である。
上記反射光883は、さらに界面において一部は屈折し(887)、一部は反射し(884)、このような過程が繰り返される。
下記式4における透過率Tは、透過光882による透過率Tと透過光885による透過率Tとの和になる。図7では、屈折光が二つだけ示されているが、界面における反射及び屈折は、繰り返し継続して生じ、このような屈折光による透過率の総和が全透過率Tである。
下記式4における、界面における反射率であるRも、光887による反射率Rと光888による反射率Rとの和になる。同様に、図7では、反射光が二つだけ示されているが、界面から反射されてくる全ての反射光による反射率の総和が全反射率Rである。
第1の厚膜層744、薄膜層742及び第2の厚膜層746による二つの界面により、光が多重反射する過程において干渉によって波長に応じた透過率に変化を与え得る。
高い階調レベルの白色光において、視野角の増大に伴う色偏差を低減させるためには、ブルー波長領域の光に対して下記式4による透過率Tの平均値が最大になるように、上記薄膜層の厚さl、上記薄膜層の屈折率n及び上記第1の厚膜層と上記薄膜層との界面における反射率Rを調節する。
[数4]
T=(1−R)/(1+R−2Rcosδ)
ここで、薄膜層の透過光882、885の位相差δは、下記式5のように表される。
[数5]
δ=(2π/λ)2nlcosθ(0゜≦θ≦80゜)
δは、薄膜層742の屈折率nと厚さl、屈折角θ、波長λによって決められる。
位相差によって補強干渉が生じることもあり、相殺干渉が生じることもある。最大透過率は、それぞれの透過光882、885の間の光路長差(optical path length difference)が波長の整数倍であるときに到達する。
特定の波長範囲に対して薄膜層の屈折率n、厚さl及び屈折角θが決められると、位相差δが決められる。ここで、屈折角θは、薄膜層と厚膜層の屈折率n、nと視野角θが決められると自動的に決められる値である。
反射率は、上記式1ないし式3から薄膜層と厚膜層の屈折率n、nと視野角θによって変わるということが分かった。したがって、特定の視野角θに対して、薄膜層と厚膜層の屈折率n、nを調節すれば反射率を決めることができる。
上記式4から分かるように、透過率Tは、反射率Rと位相差δが決まれば決められるようになる。したがって、薄膜層と厚膜層の屈折率n、n及び薄膜層の厚さlを選択することで、特定視野角及び特定波長の光に対する透過率を調節することができるようになる。
例えば、薄膜層の厚さを780nm以下で選択し、薄膜層の屈折率を1ないし2、厚膜層の屈折率を2ないし4の範囲で決めて、大きな視野角の範囲で特定波長領域の光に対する透過率を増大させることができるようになる。または、これと逆に、薄膜層の屈折率が2ないし4、厚膜層の屈折率が1ないし2で、薄膜層の屈折率が厚膜層の屈折率よりも高い場合にも、同様な効果を奏し得るようになる。
上記厚膜層/薄膜層/厚膜層の光学フィルターは、380ないし780nmの全可視光線領域の波長範囲内における最大透過率に対する最小透過率の比が0.5ないし0.9である。
このように多重ビーム干渉を用いて、視野角の増大に伴いブルー波長領域において光の強さが相対的に大きく減少する特性を補償することができる。すなわち、視野角が約80程度と大きな範囲であるとき、青色波長領域において補強干渉が生じることで透過率が増大し、緑色及び赤色波長領域においては相殺干渉が生じることで透過率が減少することにより、視野角が大きい時にも全波長領域における光の強さの減少率を同一ないしほど同一にさせることで青色領域における不均衡を補償する。図6の厚膜層/薄膜層/厚膜層の光学フィルターは、高い階調レベルの白色光の視野角の増大に伴う色偏差を低減させるのに有効である。
しかし、図6の光学フィルターが視野角の変化によるすべての色の色変化を最小化させることができるものではない。
図8は、図3及び図4のカラーシフト低減技術を同時に適用した従来のLCDにあって、視野角の増大に伴う低い階調レベルの白色光発光スペクトラム変化を測定した結果を示すグラフである。
LCD装置において実際の画像や動画を実現するに際し、ホワイトの他、様々な色を実現するため、これに対する色変化の減少を満足させることが視野角の確保に重要な役割を果たす。
一般に、ディスプレイ業界では、評価基準として通常13種の混色(White、Red、Blue、Green、Skin、Sony Red、Sony Blue、Sony Green、Cyan、Purple、Yellow、Moderate Red、Purplish Blue)で評価し、図6の光学フィルターだけでは、全ての混色の色変化を最小化することができない。
その理由は、ディスプレイパネルから放出される光が高い階調を有するときは、視野角の増大に伴い、全ての波長領域において輝度が減少し、相対的にブルー波長領域が最も早く減少し、相対的にグリーン波長領域が最も遅く減少する。しかし、低い階調にて放出されるときは、視野角の増大に伴い、全ての波長領域において輝度が増加し、相対的にグリーン波長領域が最も早く増加する。
混色の場合は、下表1のように、様々な階調レベルのグリーン、レッド、ブルー領域の光の組み合わせにて実現されるため、様々な混色に対して視野角の増大に伴う色変化を減少させることができることが要求される。
図9は、従来のLCD装置における視野角θの変化による13種の混色の色変化Δu'v'(θ)を示したグラフであり、図10は、図6の光学フィルターを採用したLCD装置における視野角θの変化による13種の混色の色変化Δu'v'(θ)を示したグラフである。
Δu'v'(θ)は、正面からの色座標u、vと各視野角θでの色座標uθ、vθの距離の差であり、次のように表すことができる。
Δu'v'(θ)=[(u−uθ+(v−vθ1/2
上記グラフにおいて、横軸は水平角度、すなわち視野角を示す。
図9及び図10のグラフに示されたように、図6の光学フィルターを使用した場合、Blue系混色(Sony、Blue、Purple、Purplish Blueなど)の場合、左右の視野角60°で色変化(color shift、Δu'v')がH1、H2と減少するのに対し、Red系混色(Sony Red、Moderate Redなど)の場合、T1、T2とむしろ増大すると示され、このことから、13種の全ての混色に対して色変化の減少を成し遂げられないという問題点がある。
[本発明の第1の実施形態]
図11は、本発明の第1の実施形態によるカラーシフト低減光学フィルターを概略的に示す斜視図である。
本発明の光学フィルターは、ディスプレイ装置のディスプレイパネルの前方に具備される。本発明の光学フィルターが適用されるディスプレイ装置は、典型的にLCD装置であるが、本発明が必ずしもこれに限定されるものではない。
図示したように、図11の光学フィルターは、バックグラウンド層10とグリーン波長吸収パターン20とを含む。
図11において、グリーン波長吸収パターンは、ディスプレイパネルに対向するバックグラウンド層10の一面に一定の周期にて離間して平行に配列されている。なお、グリーン波長吸収パターンは、視聴者と向き合うバックグラウンド層の他面に形成することもでき、両面に形成することも排除しない。
グリーン波長吸収パターン20は、バックグラウンド層10に所定の厚さにて形成される。
グリーン波長吸収パターンは、所定の厚さを有し、所定の視野角に放射される光のグリーン波長領域を吸収できる形状であれば、その形状に特に制限はない。例えば、グリーン波長吸収パターンは、くさび状断面−ストライプパターン、くさび状断面−波パターン、くさび状断面−マトリックスパターン、くさび状断面−ハニカムパターン、四角形断面−ストライプパターン、四角形断面−波パターン、四角形断面−マトリックスパターン、または四角形断面−ハニカムパターンであればよい。図11では、くさび状断面−ストライプパターンのグリーン波長吸収パターンを示している。ここで、くさび状断面は、三角形断面及び台形断面を含む。
グリーン波長吸収パターン20は、視聴者に対して横方向、縦方向などの様々な方向に形成することができる。横方向に形成する場合は、上下の視野角補償に有効であり、縦方向に形成する場合は、左右の視野角補償に有効である。なお、グリーン波長吸収パターン20は、モアレ現象の防止のために、バックグラウンド層の長辺に対して所定のバイアス角度を有して形成してもよい。
グリーン波長吸収パターンはグリーン波長の光を吸収する。グリーン波長吸収パターンは、バックグラウンド層10の一面に形成され、視野角の増大に伴い、ディスプレイパネルから放出される光の全体波長領域における吸収が次第に増加するようにし、特に、相対的に510nm〜560nmのグリーン波長領域の光の吸収が大きく増加するようにして、視野角の増大に伴う混色の色変化を最小化する。
ディスプレイパネルから放出される光が低い階調を有するときは、視野角の増大に伴い、全体波長領域における輝度が増加し、相対的にグリーン領域が最も早く増加する。混色の場合は、様々な階調のグリーン、レッド、ブルー領域の光の組み合わせにて実現されるため、前述した図6の色補償フィルムだけで全ての混色に対して色変化を減少させることには限界がある。このため、視野角の増大に伴い、ディスプレイパネルから放出される光の全体波長領域における吸収が次第に増加するようにし、特に、510nm〜560nmのグリーン波長領域の光の吸収が相対的に大きく増加するようにすることで、視野角の増大に伴う混色の色変化を最小化することができる。
グリーン波長を吸収するために、グリーン波長吸収パターン20には、510nm〜560nmのグリーン波長の光を吸収できるグリーン波長吸収物質を含むことができる。ここで、グリーン波長吸収物質としては、510nm〜560nmのグリーン波長の光を吸収できる無機物、有機物などを使用すればよく、ピンク(Pink)色素を使用することが好ましい。グリーン波長吸収物質としては、ピンク色素の他、グリーン波長の光を吸収できるものであれば、特に制限はない。
グリーン波長吸収パターン20は、例えば、バックグラウンド層の一面に形成された凹溝にグリーン波長吸収物質が含有された紫外線硬化樹脂を充填した後、紫外線を照射して硬化させてなる。
バックグラウンド層10は層をなす。バックグラウンド層は、典型的に透明高分子樹脂からなる。バックグラウンド層10は、紫外線硬化性樹脂を用いたロール・ツー・ロール(Roll to Roll)法、熱可塑性樹脂を用いた熱プレス法や、熱可塑性または熱硬化性樹脂を充填して成形する射出成形法などによってプレートタイプで形成することができる。
バックグラウンド層10は、50umないし1mmの範囲内の厚さTで形成することが好ましい。バックグラウンド層10の厚さTが50um以上になるようにし、バックグラウンド層の機械的物性及び耐熱性を確保できる限度内で柔軟性及び薄型化を最大限に達成できるようにする。また、バックグラウンド層10の厚さTが1mm以下になるようにし、バックグラウンド層の柔軟性、薄型化及び光透過率を確保する限度内でバックグラウンド層の機械的物性を最大限に確保できるようにする。
バックグラウンド層10は、基本的に光が透過可能な高い透明性を有しており、グリーン波長吸収パターン20を形成できる材質であれば、特に材質に制限はないが、軽量且つ低廉で取扱い性に優れたポリエステル系、アクリル系、セルロース系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリカーボネート系、フェノール系、ウレタン系からなる群より選ばれた1種以上を使用すればよい。
光学フィルターは、バックグラウンド層10の一面に形成され、バックグラウンド層を支持するための裏打ち層(backing layer)(図示せず)を有することができる。
ここで、裏打ち層は、製造工程におけるバックグラウンド層10の形成の際に支持体の役割を果たすものであって、紫外線透過性を有する透明な樹脂フィルムから構成されることが好ましい。裏打ち層の材質としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(Poly Ethylene Terephthalate;PET)、ポリカーボネート(Poly Carbonate;PC)、ポリ塩化ビニル(PVC)などを使用すればよい。
図12は、図11の光学フィルターが使用されたディスプレイ装置の視野角の変化による13種の混色の色変化を示したグラフである。
図示されたように、本発明の一実施形態による光学フィルターが使用されたディスプレイ装置における視野角の変化による13種の混色の色変化を測定してみたところ、図9及び図10に示されたグラフに比べ、13種の混色の色変化が全体として均一に低くなったことが分かる。
すなわち、本発明の一実施形態によるディスプレイ用フィルターは、視野角の増大に伴い、相対的にグリーン波長の光をより多く吸収できるようにすることでRed系混色(Sony Red、Moderate Redなど)とBlue系混色(Sony Blue、Purple、Purplish Blueなど)の色変化を最小化し、最終的に全ての混色における色変化が最小化できるようにする。
特に、図10において色偏差Δu'v'が0.085までの値を示したことを勘案すると、図11の光学フィルターを使用して、13種の混色の色偏差Δu'v'を0.06以下までに下げられることが分かる。色偏差Δu'v'の値が0.085であれば目視にて色偏差を感じることができ、視野角の増大に伴う画質の劣化が分かるのに対し、色偏差Δu'v'の値が0.06以下であれば目視にて色偏差を殆ど感じられないレベルであるため、視野角の増大に伴う画質を改善することができるようになる。
図13は、図11の光学フィルターが適用されたディスプレイ装置における視野角の増大に伴う高い階調レベルの正規化された白色光発光スペクトラム変化を測定した結果を示すグラフである。
図示されたように、全体波長領域における視野角の増大に伴うスペクトラムの減少率がほぼ同一であることが分かる。このことから、視野角の増大に伴う色偏差が殆ど無くなったことが分かる。
図14及び図15は、グリーン波長吸収パターン20を説明するための参照図である。
グリーン波長吸収パターン20にグリーン波長吸収物質などが充填された光学フィルターをLCD TVに付着し、フルホワイト画面において正面と視野角60°での色座標を比較した。
くさび状断面グリーン波長吸収パターンにグリーン波長吸収物質を充填した場合、視野角の増大に伴い、グリーン波長領域吸収物質の色相が強く現われ、CIE 1976 UCS色座標計u'v'においてピンク領域の方に色座標が移動する。また、グリーン波長領域吸収物質と共に、後述するカーボンブラックまたはシアン波長領域吸収物質及びオレンジ波長領域吸収物質を充填した場合、色座標計u'v'においてパープリッシュピンク(Purplish Pink)領域の方に色座標が移動する。
色座標計u'v'においてΔv'/Δu'、すなわち(v'60−v')/(u'60−u')の値がtan−15゜〜tan45゜であることが好ましい。(ここで、u'、v'は、正面から測定した色座標値であり、u'60、v'60は、60°側面から測定した色座標値を示す)
具体的には、グリーン波長領域吸収物質のみを光吸収パターン20に充填した場合には、色座標計u'v'において視野角60°である時の色座標の変化の勾配が15〜45°であり、グリーン波長領域吸収物質とカーボンブラックを一緒に充填した場合には、視野角60°である時の色座標の変化の勾配が−15〜15°であり、グリーン波長領域吸収物質とシアン波長領域吸収物質及びオレンジ波長領域吸収物質を一緒に充填した場合には、視野角60°である時の色座標の変化の勾配が−15〜15°であることが好ましい。
図16及び図17は、バックグラウンド層にグリーン波長吸収パターンが形成された光学フィルターにおける、屈折率が色変化に及ぼす影響を示すグラフであって、図16は、バックグラウンド層とグリーン波長吸収パターンの屈折率が同じである場合、図17は、バックグラウンド層の屈折率がグリーン波長吸収パターンの屈折率よりも0.06程度大きい場合における、視野角による色偏差を示すグラフである。
グリーン波長吸収物質を含むグリーン波長吸収パターンがバックグラウンド層に形成されたフィルムにおいて、屈折率を除く他の条件は全て一致させ、屈折率の色変化に及ぼす影響を測定した。
図16及び図17に示したように、バックグラウンド層とグリーン波長吸収パターン間で屈折率差がない場合のカラーシフトはΔu'v'=0.042程度であり、屈折率差を0.06とした場合のカラーシフトはΔu'v'=0.045程度であって、その差が殆どない。
一方、正面透過率は次の表2に表したように、屈折率差のある場合が屈折率差のない場合よりも大きい。
ここで、透過率差4%は、ディスプレイ装置から放出される光の明るさがどの程度かによってその意味が変わる。例えば、LCDから放出される光の明るさが50nit(携帯電話レベル)であれば、その差が2nit程度と目視では区別しにくいが、500nit以上(LCD TV)であれば、その差が20nitと区別可能である。LCD TVの明るさがさらに増大する傾向にあることを勘案すると、透過率4%の増加は、それ自体として重要な技術的意味を持つ。
図16と図17、及び表2は、バックグラウンド層の屈折率をグリーン波長吸収パターンの屈折率よりも大きくした場合の試験結果を示しているが、これとは逆に、グリーン波長吸収パターンの屈折率をバックグラウンド層の屈折率よりも大きくしてよい。
グリーン波長吸収パターンとバックグラウンド層は、0.001〜0.1の屈折率差を有することが好ましい。
[本発明の第2の実施形態]
図18は、本発明の第2の実施形態による光学フィルターが採用されたディスプレイ装置における視野角の変化による13種の混色の色変化を示したグラフである。
上記第2の実施形態の光学フィルターは、グリーン波長吸収パターンを具備し、グリーン波長吸収パターンは、グリーン波長吸収物質と共に可視光線の全波長領域を吸収することのできる白色光吸収物質を含む。
白色光吸収物質は、ブラック色相を有する無機物、有機物及び/または金属であればよい。より好ましくは、白色光吸収物質はカーボンブラックであればよい。
グリーン波長吸収パターン20は、紫外線硬化樹脂にグリーン波長領域吸収物質と白色光吸収物質を含んでなってよい。
一例として、グリーン波長吸収パターン20は、紫外線硬化樹脂にグリーン波長吸収物質を約1wt%含んでなってよく、白色光吸収物質は約0.5wt%含んでなってよい。
グリーン波長吸収パターン20のピッチ、グリーン波長吸収パターンの厚さ、グリーン波長吸収パターンの広幅、狭幅及び斜辺の勾配によって透過率や視野角が左右される。
視野角による色変化の改善効果を高めるために、グリーン波長吸収パターン20の厚さ、幅、光吸収率を増大し且つピッチを減らすと、視野角による色変化の改善効果は大きくなるものの、ディスプレイパネルから出る光も吸収されてしまい、視野角による放出輝度が急減するようになる。
また、グリーン波長吸収パターン20の厚さが厚くなると、バックグラウンド層10が厚肉化して曲げにくくなり、また、ある程度曲げると割れてしまうことで成形ロール工程による製作に限界があり、製作後、ロール形態での保管が難しいため保管上の不都合もある。
そして、グリーン波長吸収パターン20を広幅にすると、ディスプレイパネルから出る光が通過する開口率が小さくなるため光透過率が減る。また、白色光遮断効果を高めるために、白色光吸収物質の含量を増やすと、粘度が高くなって白色光吸収物質を充填しにくくなる。このため、グリーン波長吸収パターン20の厚さ、幅、光吸収率は、最適化した値を保持することが好ましい。
グリーン波長吸収パターンの幅は1〜50umであることが好ましい。
グリーン波長吸収パターンは、くさび状断面の底辺の幅、すなわち広幅がピッチの40%以下であり、斜辺の勾配が10°であればよい。
[本発明の第3の実施形態]
図19は、本発明の第3の実施形態による光学フィルターを概略的に示す図である。
ディスプレイ正面から出る光が上記光学フィルターを透過するときに、グリーン波長吸収パターンのグリーン波長領域吸収物質によってディスプレイの画像色が変化することがある。このため、グリーン補色波長吸収部を設けて、色補正色素としてレッド波長領域吸収物質とブルー波長領域吸収物質を適切に含ませ、正面において元の色に近くまで色補正することができる。
図19は、グリーン補色波長吸収部がグリーン補色波長吸収層40である実施形態を示す。
グリーン補色波長吸収層40は、バックグラウンド層10の一側に層をなして積層される。グリーン補色波長吸収層は、グリーン補色波長の光を吸収するグリーン補色波長吸収物質を含む。グリーン補色波長吸収物質は、グリーン波長領域を透過させつつ600〜650nmのレッド波長領域を吸収するレッド波長吸収物質、及び/またはグリーン波長領域を透過させつつ440〜480nmのブルー波長領域を吸収するブルー波長吸収物質(例えば、Yellow色素)であればよい。
グリーン補色波長吸収層は、フィルム形態であってもよく、粘着剤層であってもよい。また、フィルム形態の場合においても、図19に示したように別体のフィルムであってよく、バックグラウンド層がグリーン補色波長吸収層であってよい。また、別体のフィルムの場合においても、グリーン補色波長の吸収のみのための専用フィルムであってもよく、また他の機能を有する機能性フィルムであってもよい。例えば、後述するような第1の厚膜層、薄膜層及び第2の厚膜層の少なくとも一つにグリーン補色波長吸収物質を含ませてグリーン補色波長吸収層として使用することができる。
図19では、グリーン補色波長吸収層がバックグラウンド層10と接して形成された実施形態を示しているが、バックグラウンド層とグリーン補色波長吸収層との間に別の層が介在され得る。
これは、別体のフィルムにて具備されず粘着剤またはバックグラウンド層に色補正用色素を追加してグリーン補色波長吸収層を形成する場合、フィルターの構造を単純化することができ、且つ製造工程を短縮することができるようになる。
図20は、グリーン波長吸収パターンのみを具備し、グリーン補色波長吸収部を具備していない光学フィルターを適用した場合における視野角の増大に伴う色座標の変化を示したグラフであり、図21は、グリーン波長吸収パターン及びグリーン補色波長吸収部の両方を具備した光学フィルターを適用した場合における視野角の増大に伴う色座標の変化を示したグラフである。
図示したように、図21の場合、混色の色変化をさらに低下できることが分かる。
次の表3は、ディスプレイから放出される白色光に対し、視野角0°である正面からの色座標を測定した結果を表す。
表3から分かるように、グリーン波長吸収パターンのみを具備した場合には、白色光が元の無彩色を呈することなく色相を呈するのに対し、グリーン補色波長吸収部を設けて色を補償することにより、視聴者に対して白色光が元の色である無彩色に見えるようになる。
[本発明の第4の実施形態]
図22は、本発明の第4の実施形態による光学フィルターを概略的に示す斜視図である。
図示したように、グリーン補色波長吸収部は、グリーン波長吸収パターン20の一側に形成されたグリーン補色波長吸収パッチ(patch)41であればよい。図22では、グリーン波長吸収パターンの裏面、すなわち、くさび状断面の底面に形成される実施形態を示している。
図22のグリーン波長吸収パターンとグリーン補色波長吸収パッチは、ドクター工程により形成することができる。例えば、グリーン波長吸収パターンを形成した後、グリーン補色波長吸収物質が含有された紫外線硬化樹脂をドクターリングにより凹溝内のグリーン波長吸収パターンの底面上に充填した後、紫外線硬化させてグリーン補色波長吸収パッチ41を形成することができる。
本実施形態の光学フィルターは、前述した第3の 実施形態の光学フィルターに比べて光透過率が優れているという利点を有する。
[本発明の第5の実施形態]
グリーン波長吸収パターンは、視野角によるカラーシフトに悪影響を及ぼすオレンジ及びシアン波長の光を吸収する物質をさらに含むことができる。また、オレンジ波長吸収物質及び/またはシアン波長吸収物質は、別体の樹脂フィルムに含まれるか、粘着剤層に含まれるか、或いは上記バックグラウンド層に含まれてよい。
[本発明の第6の実施形態]
図23は、本発明の第6の実施形態による光学フィルターを概略的に示す断面図である。
図23の光学フィルターは、順次に積層される第1の厚膜層12、第1の薄膜層14及び第2の厚膜層16を含む。実施形態によっては、第1の厚膜層、第1の薄膜層及び第2の厚膜層に続いて順次に積層される第2の薄膜層及び第3の厚膜層をさらに含むことができる。
厚膜層の少なくとも一つは、バックグラウンド層、カラーシフト低減光学フィルターを支持するベース基板、ディスプレイパネルの前面基板、反射防止フィルム、偏光フィルム、位相差フィルム、拡散フィルム、粘着剤層、または空気層であればよい。
図24は、図23の光学フィルターが使用されたディスプレイ装置における視野角の変化による13種の混色の色変化を示したグラフである。
ガラスベース基板に210nmの厚さを有するNb薄膜を形成し、バックグラウンド層の凹溝にグリーン波長吸収物質(Pink色素)1wt%を添加してグリーン波長吸収パターンを形成して得たフィルムを、PSAを利用してNb薄膜上に付着して光学フィルターを完成した。このとき、ガラスベース基板は厚膜に該当し、Nbは高屈折率薄膜に該当し、粘着剤層(PSA layer)は厚膜に該当する。
左右の視野角の増大に伴うカラーシフトΔu'v'を測定した結果、図24に示されたように、図9及び図10に示されたグラフに比べ、13種の混色が全体として均一に低くなっていることが分かる。
[本発明の第7の実施形態]
図25は、本発明の第7の実施形態による光学フィルターを概略的に示す図である。
図示したように、バックグラウンド層にグリーン波長吸収パターンが形成されたフィルムを厚膜層として使用し得ることを示している。
本発明の光学フィルターは、前述したように、カラーシフト低減専用の光学フィルターとして提供することもでき、これらの光学フィルターと他の機能性光学フィルター(例えば、アンチフォグフィルム、反射防止フィルム、アンチグレアフィルム、ベース基板など)が積層されてなる、複合機能を持つ複合光学フィルターとしても提供することができる。
また、本発明の光学フィルターは、ディスプレイパネルと離間して配置してもよく、粘着剤を介してディスプレイパネルに粘着して配置することもできる。
以上、本発明の好適な実施形態を参照して説明したが、当該技術分野における熟練した当業者または当該技術分野における通常の知識を有する者ならば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び技術範囲から逸脱することなく本発明を種々に修正及び変更させることができるであろう。
740 光学フィルター
742 薄膜層
744 第1の厚膜層
746 第2の厚膜層

Claims (19)

  1. ディスプレイ装置のディスプレイパネルの前方に具備される光学フィルターであって、
    層をなすバックグラウンド層と、
    前記バックグラウンド層に所定の厚さにて形成され、グリーン波長の光を吸収するグリーン波長吸収パターンと、を含み、
    前記グリーン波長吸収パターンは、くさび状断面−ストライプパターン、くさび状断面−波パターン、くさび状断面−マトリックスパターン、くさび状断面−ハニカムパターン、四角形断面−ストライプパターン、四角形断面−波パターン、四角形断面−マトリックスパターン、または四角形断面−ハニカムパターンであり、
    前記グリーン波長吸収パターンは、グリーン波長吸収物質を含み、
    前記グリーン波長吸収物質は、510〜560nmのグリーン波長の光を吸収するピンク色素であるカラーシフト低減光学フィルター。
  2. 視野角が60°であるときの色座標変化Δv'/Δu'の値が、tan(−15゜)〜tan(45゜)であることを特徴とする請求項1に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  3. 前記グリーン波長吸収パターンは、白色光吸収物質をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  4. 前記白色光吸収物質は、ブラック色相を有する物質であることを特徴とする請求項3に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  5. 前記白色光吸収物質は、カーボンブラックであることを特徴とする請求項4に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  6. 前記グリーン波長吸収パターンと前記バックグラウンド層は、0.001〜0.1の屈折率差を有することを特徴とする請求項1に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  7. グリーン補色波長の光を吸収するグリーン補色波長吸収部をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  8. 前記グリーン補色波長吸収部は、グリーン補色波長吸収物質が混合された樹脂が層をなしてなるグリーン補色波長吸収層であることを特徴とする請求項7に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  9. 前記グリーン補色波長吸収層は、グリーン補色波長吸収物質が混合された粘着剤が層をなしてなる粘着剤層であることを特徴とする請求項8に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  10. 前記バックグラウンド層は、グリーン補色波長の光を吸収するグリーン補色波長吸収物質をさらに含み、前記バックグラウンド層がグリーン補色波長吸収層であることを特徴とする請求項に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  11. 前記グリーン補色波長吸収部は、前記グリーン波長吸収パターンの一側に形成されるグリーン補色波長吸収パッチ(patch)であることを特徴とする請求項7に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  12. 前記グリーン波長吸収パターンは、くさび状断面を有し、前記グリーン補色波長吸収パッチは、前記くさび状断面のグリーン波長吸収パターンの底面に形成されることを特徴とする請求項11に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  13. 前記グリーン補色波長吸収部は、440〜480nmのブルー波長の光を吸収するブルー波長吸収物質及び600〜650nmのレッド波長の光を吸収するレッド波長吸収物質の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項7に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  14. 順次に積層される第1の厚膜層、第1の薄膜層、第2の厚膜層をさらに含み、
    前記第1の薄膜層は780nm以下の厚さを有し、前記第1の厚膜層及び前記第2の厚膜層は前記第1の薄膜層よりも大きな厚さを有し、
    前記グリーン補色波長吸収部は、前記第1の厚膜層、第1の薄膜層及び第2の厚膜層の少なくとも一つであることを特徴とする請求項7に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  15. 順次に積層される第1の厚膜層、第1の薄膜層、第2の厚膜層をさらに含み、
    前記薄膜層は780nm以下の厚さを有し、前記第1の厚膜層及び前記第2の厚膜層は前記薄膜層よりも大きな厚さを有することを特徴とする請求項1に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  16. 前記第1の厚膜層及び前記第2の厚膜層の少なくとも一つは、カラーシフト低減光学フィルターを支持するベース基板、ディスプレイパネルの前面基板、反射防止フィルム、偏光フィルム、位相差フィルム、拡散フィルム、粘着剤層、または空気層であることを特徴とする請求項15に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  17. 請求項1に記載のカラーシフト低減光学フィルターを具備することを特徴とするディスプレイ装置。
  18. 前記バックグラウンド層の一面に形成され、前記バックグラウンド層を支持する裏打ち層をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
  19. 前記ディスプレイ装置は、液晶ディスプレイ装置であることを特徴とする請求項1に記載のカラーシフト低減光学フィルター。
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