JPH0749496A - 照明装置及び液晶表示装置 - Google Patents
照明装置及び液晶表示装置Info
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- JPH0749496A JPH0749496A JP5235670A JP23567093A JPH0749496A JP H0749496 A JPH0749496 A JP H0749496A JP 5235670 A JP5235670 A JP 5235670A JP 23567093 A JP23567093 A JP 23567093A JP H0749496 A JPH0749496 A JP H0749496A
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Abstract
入射されるように配置された光源1と、前記面状導光体
3の光出射面側に設けられて、所定の入射方向近傍の光
線についてp偏光成分を透過し、s偏光成分の少なくと
も1部を反射する偏光分離面8と、面状導光体の光出射
面と反対の側に前記光出射面と略平行に設けられた光反
射面4とからなる、ことを特徴とする。また、照明装置
を出射した光線の主偏光軸方向と液晶表示素子12にお
ける光入射側の偏光板9の偏光軸方向とが略一致するよ
うにして、照明装置を直視型液晶表示素子12の背面に
配置する。 【効果】広い配光分布を保ったままで特定方向に光強度
を大きくした、直視型液晶表示素子に適した照明装置が
得られる。
Description
ータ用液晶ディスプレイ等に用いられる、直視型液晶表
示装置に関するものである。
子を用いた直視型液晶表示装置の技術進歩は目ざまし
く、CRTに劣らぬ表示品位のディスプレイが数多く見
られるようになった。白黒表示においては、数年前まで
平面照明装置であるバックライトを用いない反射型液晶
表示素子が主流であった。しかし、現在は白黒表示にお
いてもほとんどバックライトを用いる透過型液晶表示素
子におきかわっている。カラー表示液晶ディスプレイで
は、バックライトなしではディスプレイとしての態をな
さず、バックライトは直視型液晶表示装置において必須
のデバイスとなっている。
るノートパソコンは、携帯性が重要であり、そのためバ
ッテリー駆動が前提になっている。しかし、現状ではバ
ッテリーを充電せずに駆動できる時間は、数時間であ
り、一日の作業を継続して行える程度には至っていな
い。連続使用時間の延長は、その意味で極めて重要であ
る。特に、照明装置は電力消費量の多いデバイスであ
り、照明装置の低消費電力化は非常に意義が大きい。
る液晶表示素子は、視野角に応じた特定のコントラスト
比分布を示している。スーパーツイステッドネマチック
素子の場合の代表的な例を図5に示す。図5は、表示画
面のコントラスト比中心を通る水平方向の線上でコント
ラスト比変化を示した図である。これから、液晶表示素
子の視野角は垂直方向から実質的に40°〜50°程度
広がっているとともに、中心付近には特にコントラスト
比が高い領域があることがわかる。
た画面のコントラスト比が最も高くなるように、角度調
整されて使用されることが多い。したがって、最大コン
トラスト比を生じる視方向(多くは垂直方向か、ややそ
こからずれた方向にある)に照明の最大輝度が来るよう
にすれば、照明効率を実質的に向上することになる。
晶表示素子の視野角は実質的に40°〜50°程度以上
に広がっており、さらに広視角化のための検討もなされ
ている。したがって、ある程度斜めからでも表示を見る
ことができるように、照明装置の配向分布を調整するこ
とも重要である。
ントラスト比分布に適合させることは実質的な輝度向上
の手段として意義が大きい。
てTFTを用いたアクティブマトリクス駆動によるTN
液晶表示装置とマルチプレックス駆動のSTN液晶表示
装置との2方式がある。いずれも液晶層をガラス基板で
保持した素子の光入射側および光出射側に偏光板が装着
された構成となっていて、直線偏光入射光の偏光状態を
変調して液晶表示方式を行うものである。
方向は、通常不揃いでランダム偏光であるため、表示素
子の入射側に装着された偏光板により入射光のうち半分
以上が吸収されてしまい、半分以上は、照明光として実
質的に寄与していない。
構造として、投射型液晶表示素子において、光源ランプ
と液晶表示装置との間に無偏光光をお互いに直交する偏
光光に分離する偏光分離器を介在させ、一方の光は偏光
分離器を直接出射させ、他方の光は光源ランプに集束さ
せて再び光源光として使用することが、提案されている
(特開平4−184429号)。
射型)を前提としたものであり、光源と偏光分離器との
間に十分距離があることが必要である。また、光がかな
り平行光化されている場合にのみ、有効に投射型液晶表
示素子用の照明として機能するものである。したがっ
て、薄型化が必須条件となっており、照明装置の輝度分
布を液晶表示のコントラスト比分布に適合させるべき直
視型表示素子用の照明として採用することは不適当であ
る。
段として、照明光源と表示素子との間に、プリズムアレ
イを介在させることも提案されている。しかし、これは
照明光を特定範囲に絞ることにより表示面に垂直な方向
の輝度を向上するものであるため、照明光の配光分布が
狭くなってしまう。また、これによっても、表示面に垂
直な方向の輝度は十分でない。したがって、直視型液晶
表示素子に適した照度分布は得られない。
向を持つ偏光光のみが直視型の液晶表示素子の照度向上
に寄与することに注目し、そのままでは、液晶表示素子
の照度向上に寄与しない偏光光のうち、特定の方向の光
を選択的に偏光変換する。こうして、照度向上に寄与し
得る偏光方向を持つ偏光光について、広い配光分布を保
ったままで特定方向に光強度を大きくすることができる
ようになり、照度分布は直視型液晶表示素子に適したも
のとなる。
導光体の側部から光が入射されるように配置された光源
と、前記面状導光体の光出射面側に設けられて、所定の
入射方向近傍の光線についてp偏光成分を透過し、s偏
光成分の少なくとも1部を反射する偏光分離面と、面状
導光体の光出射面と反対の側に前記光出射面と略平行に
設けられた光反射面とからなる、ことを特徴とする直視
型表示素子用照明装置を提供する。
な透光性媒質と相対的に屈折率の小さな透光性媒質とを
交互に積層してなる多層構造体からなることを特徴とす
る前記の直視型表示素子用照明装置を提供する。
光波長と同等以下の厚みを有する誘電体薄膜を少なくと
も一層以上設けたものからなることを特徴とする前記の
直視型表示素子用照明装置を提供する。
数種類の透明ポリマー層が積層されたものからなること
を特徴とする前記の直視型表示素子用照明装置を提供す
る。
方向と液晶表示素子における光入射側の偏光板の偏光軸
方向とが略一致するようにして、前記の照明装置を直視
型液晶表示素子の背面に配置したことを特徴とする液晶
表示装置を提供する。
に、配光方位のうち光強度が極大になる光線の方向を、
液晶表示素子の表示面に略垂直な方向に偏向させる光偏
向手段を有することを特徴とする前記の液晶表示装置を
提供する。
方向を有する第2の偏光成分とを含む拡散光を発生する
面状の光発生手段と、前記光発生手段から発生した光の
光路内に配置され、最大輝度となる配光方位近傍の光線
について選択的に、第1の偏光成分は光出射し、第2の
偏光成分の少なくとも1部を第1の偏光成分に偏光変換
して光出射する偏光変換手段と、を有する直視型表示素
子用照明装置を提供する。
が、大別して2種に分類される。一般的にもっとも多い
方式は内部照光方式あるいは直下型といわれる方式で、
光源が照光面の内側にある方式である。一方、エッジラ
イト型といわれる方式は光源が照光面の外に配置され、
照光面である透明なアクリル樹脂板などからなる導光体
の一辺もしくは二辺に蛍光ランプ(多くは冷陰極放電
管)等のたとえば略線状発光体を密着させ、反射体から
なるランプカバーを設けて導光体内に光を導入する方式
である。
と面状導光体の側部から光が入射されるように配置され
た光源とからなるエッジライト型とすることが好まし
い。エッジライト型の照明装置はコンパクトで、液晶表
示装置の携帯性を高める観点でもっとも望ましいからで
ある。
側に設けられて所定の入射方向近傍の光線についてp偏
光成分(第1の偏光成分)を透過し、s偏光成分(第2
の偏光成分)の少なくとも1部を反射する偏光分離面
と、面状導光体の光出射面と反対の側に前記光出射面と
略平行に設けられた光反射面とからなる偏光変換手段を
備えることが好ましい。このような構成で光反射面を用
いると、偏光分離された光が再利用できるだけでなく、
反射の際に偏光方向が変化するため、上記の偏光分離面
と協働して偏光変換手段として作用する。以下、偏光分
離面を備えた素子を、偏光分離器ということにする。た
だし、これは偏光分離器を面状導光体などとは別個の素
子として必要とする意味ではない。面状導光体に偏光分
離機能を併せ持たせてもよい。
角が特定角度近傍の光については、偏光分離器を透過し
たp偏光成分は偏光板を透過した後液晶表示素子へ入射
し、s偏光成分は面状導光体内へと反射される。この引
き戻されたs偏光成分は面状導光体の表面で反射る際、
位相変化が生じ、p偏光成分が生成され、前記偏光分離
器を透過しうるようになる。したがって、偏光分離器で
反射されたs偏光成分も面状導光体表面で反射すること
によってp偏光成分に変換される成分が生じ、液晶表示
素子へと透過する成分に寄与する。その結果、特定の視
方向について、照度の高い平面状の照明装置が得られ
る。
トとして用いるためには、液晶表示素子の光入射側に設
けられた偏光板は、偏光分離器から出射されたp偏光成
分に対して透過率最大となるように配置されることが好
ましい。すなわち平面状照明装置における面状導光体内
を出射した光線の平均的偏光軸方位と液晶表示素子にお
ける光入射側の偏光板の偏光軸が略一致するように配置
されることが好ましい。
折率の大きな透光性媒質と相対的に屈折率の小さな透光
性媒質とを交互に積層してなる多層構造体や、面状透光
性支持体の少なくとも片方の面に、好ましくは1000
nm以下の厚みを有する誘電体膜が少なくとも一層以上
成膜されているもの、もしくは屈折率の異なる複数種類
の透明ポリマー層が積層されたものを用いることができ
る。相対的に屈折率の大きな透光性媒質と相対的に屈折
率の小さな透光性媒質とを交互に積層してなる多層構造
体からなる偏光分離器について、以下に説明する。
透過率および反射率が斜入射光の偏光に依存する性質を
有する。これにより、非光吸収型の偏光素子として用い
ることができる。一般に、屈折率n0 の光学材料と屈折
率n1 の光学材料との界面において、n0 からn1 へと
入射する光の入射角θ01が tanθ01=n1 /n0 のとき、反射光にp偏光成分はなく、s偏光光となり、
透過光は残りのs偏光成分とp偏光成分からなることが
知られている。このとき、入射角θ01をブリュースター
角θB という。ゆえに、屈折率n0 ,n1 の光学材料層
を交互に積層した場合、ブリュースター角近傍の入射角
光に対してp偏光成分は透過するがs偏光成分は複数の
界面で反射されて透過光成分はほとんどなくなってしま
う。したがって、上記の多層構造体からの出射光は偏光
性を有することになる。
率の異なる透光性材料からなるものであれば何でもよい
が、界面における反射率の偏光依存性は一般に屈折率差
が大きいほど強く発現するため、屈折率差の大きな組み
合わせが好ましい。たとえば、空気(n≒1. 0)と透
明樹脂、たとえばアクリル、ポリカーボネート、ポリウ
レタン、ポリスチレン等のようなプラスチック(n≒
1. 5)との組み合わせがある。上記の組み合わせは、
安価に大面積の多層構造体が得やすいといった点でも好
ましい。
ない。また、場所によって不均質な構成でもよく、均質
なプラスチック中に偏平な気泡層が層状に分散されたよ
うな構成でもかまわない。多層構成体中の各層が略平行
に配置されればよい。
ともできる。誘電体多層膜を多層構造体として用いる場
合は、多層構造体の各層界面反射光が互いに干渉し合わ
ないような、光波長オーダに比べ10倍程度以上の層の
厚さとして、白色光源に対して波長依存性のすくない偏
光特性を得るようにすることができる。一方、各層の厚
さが厚すぎると多層構造体全体の厚さが厚くなり軽量・
薄形に適合しなくなる。したがって、本目的には3μm
から100μm程度の層厚が適切である。また、膜厚を
不規則にすれば、光干渉に起因した色付きを軽減するこ
とができる。したがって、各層の厚さを不揃にすること
が好ましい場合もある。
状にに分散されたような構成の場合では、偏平な気泡層
の厚さが3μmから100μm程度であればよい。他の
構成として、厚さが3μmから100μm程度の透明な
薄板を、直径が数十μm程度のビーズやグラスファイバ
ー等のギャップ制御材を散布した上に積層した多層構造
体もある。この場合、均質なプラスチック中に偏平な気
泡層が層状に分散されたような構成に比べて、屈折率の
異なる界面における入射角が偏平な気泡層のように場所
によって異なるといったことがないため、消光比の高い
偏光作用が得やすい。
の光学材料と屈折率n1 の光学材料との界面のs偏光光
の反射率Rs は、数1のようになる。
い。したがって、層間の多重反射を考慮しない近似(本
件の場合充分当てはまる近似)において、多層構造体へ
の入射光の内p偏光成分が100%透過されかつs偏光
成分がx%透過されるために必要な層数Nは、数2で求
められる。
(1−Rs )
スチック(n0 ≒1. 5)との組み合わせで多層構造体
が構成されている場合、ブリュースター角θB =56.
3°、Rs =14. 8%となり、s偏光成分透過率が2
%以下となるために必要な層数は12層であることがわ
かる。
気泡層が層状に分散されたような構成の場合は、偏平な
気泡層が深さ方向に6個以上形成されていれば、ブリュ
ースター角近傍の入射光に対して、s偏光成分透過率は
2%以下となり、他の98%以上の光は反射される。一
方、p偏光成分は光量ロスなく100%に近い透過率が
得られる。
に、入射角がブリュースター角のとき、最も有効に作用
する。したがって、光源と面状導光体とからなる平面照
明装置において多層構造体を配置する場合、光源と面状
導光体および光反射手段などのさらに付加された光学素
子によって、多層構造体への入射光の入射角がブリュー
スター角近傍の成分が多くなるような構成とすることが
実質的な輝度向上のためには好ましい。
偏光分離器が偏光分離機能を発現する理由は以下のよう
に考えられる。この偏光分離器も、斜入射光に対してそ
の透過率および反射率が斜入射光の偏光に依存する性質
を有し、非光吸収型の偏光素子として用いることができ
る。
材料の間に、屈折率n1 の可視光オーダの膜厚の光学材
料があるとき、光は干渉する。n0 からn1 へと入射す
る光の入射角をθ0 、出射角をθ1 とする。n1 からn
2 へと入射する入射角をθ1、出射角をθ2 とする。光
学材料n1 、膜厚d1 での干渉の効果を考慮した反射複
素振幅は、数3のようになる。
ρb exp(2iδ)) δ=2πn1 d1 cosθ1 /λ
1 、n1 とn2 の界面で生じるフレネル反射の振幅反射
率を示す。
数4のようになる。
δ)/ (1+ 2ρa ρb cos2δ+(ρa・ρb)2)
cosθ0+n1/cosθ1) ρb =(n1/cosθ1-n2/cosθ2)/(n1/cosθ
1+n2/cosθ2)
cosθ0+n1・cosθ1) ρb =(n1・cosθ1-n2・cosθ2)/(n1・cosθ
1+n2・cosθ2)
1 がある条件を満たすと、ある入射角度θ0 のとき、p
偏光成分の透過光強度とs偏光成分の透過光強度の比
は、干渉がない場合と比べて大きくなることが知られ
る。上述の計算式は、干渉膜が一層のときのものである
が、干渉膜が多層のときでも同様に考えればよい。
とも片方の面に、1000nm以下の厚みを有する誘電
体膜が少なくとも一層以上成膜されている偏光分離器か
らの出射光は、高い偏光性を持つ光を出射することにな
る。ここで1000nm以下とは、主に可視光波長オー
ダ以下ということであり、好ましくは800nm以下程
度である。
する誘電体膜は光干渉を利用するために、一般に層数が
増加すると特定の波長の偏光度を向上させることができ
る反面、波長依存性が大きくなる。用いるバックライト
光源のスペクトルが狭帯波長光の場合は、光のバックラ
イト波長域に対して偏光度が高くなる多層膜構成とする
ことができる。しかし、あまり多層の膜とすると生産性
に難が生じるおそれがあるため、好ましくは、5〜15
層程度である。一方カラー表示用に白色のバックライト
を用いる場合は、偏光度の波長依存性を低く抑えるた
め、5層以下、特に単層の干渉膜を用いることが好まし
い。高い偏光度は得られないが、可視域全域でフラット
な偏光度を得るとともに、膜厚制御の容易さからTiO
2 またはZrO2 の単層膜を形成することが好ましい。
の材質は、ガラスやアクリル、ポリカーボネート、ポリ
ウレタン、ポリスチレン等のプラスチックがある。軽い
材質であること、表面が滑らかであることが望ましい。
O2 、ZnS、Y2 O3 、SiO2、MgF2 、Na3
AlF6 、Ta2 O5 などが考えられる。これらの誘電
対膜の屈折率は、通常1.4〜2.5程度であり、適当
な屈折率を持つ誘電体を選んで、成膜すればよい。ま
た、成膜は蒸着、スパッタなど通常用いられる方法でな
されればよい。
折率の異なる複数種類の透明ポリマー層が積層されたも
のからなるようにすることができる。この場合も、前述
の多層構造体もしくは誘電体薄膜の場合と同じように、
非光吸収性の偏光分離器として作用する。
対して偏光度が高くなる多層膜構成とすることができ
る。あまり多層の膜とすると生産性に難が生じるおそれ
があるため、好ましくは30層以上、さらに好ましくは
100〜400層程度とする。屈折率の異なる透明性ポ
リマーの材質はいわゆる多層ラミネート成型に適したも
のが好ましい。また、その屈折率の差は大きいほど好ま
しい。
ネート、ポリウレタン、ポリスチレン、トリアセチルセ
ルロース、ポリメチルペンテン、ポリエーテルスルホン
等のプラスチックから最低2種以上が選択されることが
好ましい。また、効率をよくするためにはその屈折率の
差は0.03以上であることが好ましい。
を考慮しなければならない。多層ラミネート品の製造法
としてはキャスト法、多層押し出し法などがあるが、3
0層以上の多層膜が経済的に成形できる多層押し出し法
を採用することが好ましい。
882号、米国特許明細書第3883606号に述べら
れている。光の干渉作用の少ない十分な厚みの偏光分離
器は、その全体の厚みが大きくなる。したがって、光の
干渉性を利用するため、屈折率の異なるポリマーの少な
くともその一方の光学的厚みが0.05μm以上0.4
5μm以下であることが好ましい。また、その厚みは、
両方のポリマーに対してほぼ等しいよりも大きく異なっ
ていたほうが各層の厚み変動によるいわゆる真珠光沢色
が発現しにくいので好ましい。また、表面にシリコーン
などのハードコート層を設けてもよい。
断面図を図4に示す。第1のポリマー層21と第2のポ
リマー層22とが交互に積層されており、このうち少な
くとも第2のポリマー層22は光の干渉を起こす程度に
薄い。
しい組み合せの例はアクリルとポリカーボネート、アク
リルとポリスチレン、ポリメチルペンテンとポリカーボ
ネートなどが挙げられる。
図である図1を用いて以下に詳述する。
脂板)の一辺に導光体側面の長さに対応した長さを有す
る蛍光ランプ1(冷陰極放電管)を密着させ、内面に反
射体を設けたランプカバー2を設けてランプ出射光を導
光体3内に導入する。
素子に用いる場合、照明光の配光特性が極めて重要であ
る。導光体3中を伝搬する光の指向性(角度分布)は、
蛍光ランプの配光特性、反射体の集光特性、導光板の伝
搬特性等によって決まる。そして、導光体の伝搬特性に
おいては、前述のように、導光体端部より入射した光を
導光体内部に送る機能と、送られた光を所定の方向に出
射する機能が重要である。
送る機能は導光体に使用する材料およびその界面反射特
性に応じて決まる。つまり、導光体3の液晶表示素子1
2側においては導光体3の屈折率によって定まる全反射
角θc 以上の入射角の光が全反射されて導光体3内を伝
搬し、全反射角θc 以下の入射角の光が導光体3の表面
で屈折し液晶表示素子12側に出射される。たとえば、
空気(n≒1. 0)と透明樹脂(たとえば、n≒1.
5)の界面における全反射角θc は、数7のようにな
り、入射角が42.2°以下の入射光が導光体3の照光
面より出射することができる。
は、たとえばアクリル、ポリカーボネート、ポリウレタ
ン、ポリスチレン、シリコーン等がある。
は、アルミニウム反射面等の反射面5を形成しておけば
反射光は導光体内を導光される。なお、反射面5は導光
体3の液晶表示素子12側面での出射光を増大させるた
めに拡散反射面としてもよい。
θc 以上の場合が大半であると導光体から出射される光
がわずかとなってしまうため、全反射条件を回避し導光
板3の液晶表示素子12側に出射させる機能が必要とな
る。その手段として、導光体3の表面に白色の光拡散材
を形成する方法や導光体表面にレンチキュラーあるいは
プリズムのフレネル形状(マイクロレンズアレイ、プリ
ズムアレイ等)を形成する方法などがある。
表示素子12側の面に形成されていても、反対側に形成
されていてもよい。またフレネル形状をしたフイルム状
の板を導光体の面に載せてもよい。載せるときは、フイ
ルムと導光体の間に空気層が存在しないようにすること
が必要である。このために、貼りあわせた後に脱気した
り、屈折率がフイルムと同等の接着剤を用いて貼り付け
ることが好ましい。またフイルムの屈折率は導光体とほ
ぼ同じであることが望ましい。
の入射角(ブリュースター角)の光に対して、強い偏光
分離機能を発現する。したがって、照度向上のために
は、偏光分離器へ入射する光の角度が、偏光分離器のブ
リュースター角で極大を持ち、かつほぼその角度に光量
が集中していることが望ましい。よって導光体から出射
する光の角度を制御することが重要となる。
の光拡散材の分布、導光体表面形成されたレンチキュラ
ーあるいはプリズムのフレネル形状(マイクロレンズア
レイ、プリズムアレイ等)の調節、等が行える。たとえ
ば導光体と同じ成分で作られたプリズムアレイ13のフ
イルムを導光体の表面に載せることにより導光体から出
た光の強度最大はほぼ+40°〜+80°と−40°〜
−80°のかたよった範囲に集中する。
ように偏平な気泡層が層状に分散されたような多層構造
体を形成した場合、数1からアクリル樹脂と気泡層との
界面でのブリュースター角θB は33. 7°となる。し
たがって、アクリル樹脂側からの多層構造体への入射光
が33. 7°近傍になるように蛍光ランプの配光特性・
反射体の集光特性・導光板の伝搬特性等を最適化するこ
とにより、p偏光成分のみが液晶表示素子12側に出射
される。一方、s偏光成分は全反射されたのと同様に導
光体3中を伝搬することになる。なお、この偏光分離器
6による偏光特性は入射光がブリュースター角条件から
少々ずれても充分発現する効果であり、この場合入射角
20°から全反射角近傍である入射角40°の光線に対
しても、s,p偏光成分の消光比が若干劣化するが、偏
光分離作用は顕著である。
表示素子の観測者の視野角すなわち液晶表示素子面の垂
直方向に分布しているとは限らない。むしろ、図1のよ
うな構成で、偏光分離器にブリュースター角近傍の入射
角で入射した光の出射方向は、かたよった視野角域の範
囲に集中することが普通である。たとえば、導光体中を
伝搬する光の光軸を含む面内で、液晶表示素子面の垂直
方向に対して−40゜〜−70°および40°〜70°
の範囲に集中し、観測者の視野角域に到達する光はわず
かとなる。したがって、これでは、明るい表示とはいえ
なくなる。
からの多層構造体への入射光が33. 7°の場合、多層
構造体出射角はsin-1((sin33. 7°)/n)
=56. 3°となる。このように、片寄った視野角域
(±40°〜±70°)に配光分布を有する平面照明装
置の配光分布を照光面の垂直方向に変換するために、偏
光分離器の光出射側に、さらに光偏向器を設けることが
有効である。光偏向器としては、表面にレンチキュラー
形状あるいはフレネル形状を有するマイクロレンズアレ
イやプリズムアレイ等を用いることができる。
3と液晶表示素子12の光入射側の偏光板9との間にフ
レネル形状を表面に有するプリズムアレイ7を導光体3
中を伝搬する光の進行方向にプリズム面を並列に配置し
た場合が示されている。すなわち、プリズムアレイ7は
柱状プリズムであり、面状導光体3内を出射する光線の
平均的光軸を含む面での断面は三角形状となる。プリズ
ムアレイ7はその形状および配置(プリズム頂角を光入
射側にするか光出射側にするか)に応じて、プリズムの
入射面と出射面で屈折が生じるのみの場合と全反射が起
こる場合とがあり、出射光の配向分布方位を制御でき
る。最終的に必要とする配光分布方位と偏光分離器出射
光の配光分布方位とから最適な形状、配置が決定されれ
ばよい。
の2等辺三角形のプリズムアレイ7を用い、頂角が偏光
分離器面に面するように配置する。こうすると、偏光分
離器から60°近傍の出射角で透過してきた光はプリズ
ム側面から入射し他の側面で全反射した後、プリズム底
面から液晶表示素子側に垂直入射方向に対応して出射さ
れる。したがって、偏光分離器から60°近傍の出射角
で放出される光の配光方位を液晶表示素子面に垂直方向
の配光方位に変換することができる。
方位で照光する直線偏光平面照明装置が得られる。導光
体中を伝搬する光の指向性が高いと、結果的に平面照明
装置から出射される光の配光方位分布が垂直方向に集中
し、明るい表示に対応した視野角の範囲が狭くなりすぎ
る場合がある。このようなときには、液晶表示素子と上
述のプリズムアレイ等の偏向手段との間に、指向性を劣
化させる拡散板8等の光学素子を配置することができ
る。
化させるために、導光体の液晶表示素子と反対側面に形
成された反射面5を拡散面としてもよい。また、偏光分
離器自体をその構造体界面で光散乱も生じるように微細
な凹凸構造を有するものとしてもよい。前述のように均
質なプラスチック中に偏平な気泡層が層状に分散された
ような構成の偏光分離器の場合では、気泡層の界面形状
はランダムであり微細な凹凸構造が生じやすいため、光
拡散効果も同時に発現しやすい。
した場合について示したが、必ずしも導光体表面に形成
する必要はなく、導光体の内部に位置してもよい。
照明装置から得るためには、多層構造体において反射さ
れ導光体内に引き戻されたs偏光光を、導光体内を伝搬
中に効率よくp偏光成分を含む光に変換し再利用するこ
とが重要である。s偏光光をp偏光成分を含む光に変換
する方法は種々存在するが、以下に代表例を記す。
射された場合、直線偏光光は金属の光学物性定数(屈折
率n、吸収係数k)に応じて楕円偏光光となることが知
られている。すなわち、s偏光光が入射しても反射光に
はp偏光成分が生成される。したがって、本発明におい
て導光体3の液晶表示素子12と反対側の面に形成され
た反射面5がアルミニウム等の金属である場合、この反
射面で反射されるたびにs偏光光の一部がp偏光光に変
換される。
る位相差板を用いる方法がある。たとえば、適当な膜厚
を有するこの位相差板4を導光体3の反射面5と偏光分
離器6との間に配置することにより、偏光分離器により
反射されたs偏光光は楕円偏光になりその一部をp偏光
光に変換することができる。図1は、この位相差板4を
導光体3に設けた反射面5上に密着させて効率よく偏光
変換を行う構成例を示す。また、位相差板4は偏光分離
器6と導光板3との間に配置されていてもよい。
支持体の片方の面に誘電体膜を一層成膜した偏光分離器
を用い、導光体の全反射条件を回避して液晶表示素子側
に光を出射させるためのプリズムアレイ13を用いた例
である。6aは面状透光性支持体、6bは誘電体膜であ
る。他の構成はほぼ図1と同じであるので、図2には図
1と同じ部品には同じ番号を付して、説明を省略する。
は別の構成としてもよいが、一つの構成としてもよい。
たとえば導光体の表面に誘電体干渉膜等の偏光分離層を
形成する。導光体と導光体の外部と誘電体干渉膜のそれ
ぞれの界面が偏光分離器と同様な効果を示す。導光体を
出射する光の出射光量を多くしたり均一化するために、
導光体の構造をプリズムアレイ状等にした場合は、プリ
ズムアレイ形状の表面に誘電体干渉膜を形成すればよ
い。
光体3の表面にプリズムアレイ形状を形成し、さらに誘
電体膜6cを形成している。導光体と、誘電体膜との界
面で偏光分離機能が発現する。他の構成はほぼ図1と同
じであるので、図3には図1と同じ部品には同じ番号を
付して、説明を省略する。
について説明する。照光面である透明なアクリル樹脂板
導光体3の一辺に蛍光ランプ1(冷陰極放電管)を密着
させ、反射体からなるランプカバー2を設けて導光体内
に光を導入しするエッジライト型バックライトにおいて
多層構造体からなる偏光分離器6を組み合わせた。
示面の側面長(152mm)に対応した長さを有し管径
の細い10Wと16Wの冷陰極放電管を使用した。ま
た、ランプカバー2としては、冷陰極放電管をを包み込
むような円筒形あるいは楕円筒形の反射鏡を、導光体3
としては、アクリル樹脂製の透光性導光板(n=1. 4
9)で大きさは160mm×220mm×5mmのもの
を用いた。
設置面に対向する導光体側面に位相差板4を設け、その
上にAl金属反射膜からなる反射面を形成した。偏光分
離器6の多層構造体としては、均質な透明プラスチック
板(n≒1. 5)中に、その厚さ方向の高さが10μm
程度で半径数mm程度の偏平な気泡層が約5層位層状に
分散された構成を採用して、導光体3の光出射面側に装
着した。
が頂角58゜の2等辺三角形のプリズムアレイを用い、
頂角が偏光分離器6に面するように配置した。プリズム
アレイ板の厚さは2mmでプリズムアレイのピッチは約
1mmとした。さらに、プリズムアレイ7の光出射面側
には、拡散板8を、視野角を広げるために用いた。
液晶であって、VGA対応画素数を有するRGBカラー
TFT駆動TN液晶表示セルを用いた。
有機偏光板を用いた。10:1程度の要求コントラスト
比であれば、上記偏光板を用いず、上記多層構造体のみ
でよい場合もある。しかし、この場合は偏光の消光比が
低い(10:1程度、たとえば、光吸収型有機偏光板で
あれば1000:1程度になる)ため、100:1以上
のコントラスト比が要求されるTFT駆動液晶TVでは
入射側偏光板が必要になる。このとき、光吸収型有機偏
光板の偏光軸は多層構造体から出射するp偏光光に対し
て最大透過率となるよう、偏光分離器6の出射光の偏光
軸と偏光板9の偏光軸とを一致させた。
光板を用いた。偏光軸の向きは表示モード(ノーマリホ
ワイト、ノーマリブラック)によって適宜選ばれるが、
本実施例では、ノーマリホワイト表示とし、入射側面の
偏光板9の偏光軸に対して90゜偏光軸が回転した方向
に出射側面の偏光板10の偏光軸をとった。
プ消費電力と垂直方向視野の明るさを調整して実施例1
〜3を行った。これと従来例の比較を表1に示す。
倍に向上したばかりでなく、視野角範囲もせばまってい
ない。実施例2では明るさ、視野角とも従来例とほぼ同
じにしているが、ランプ消費電力が2/3に低減し、バ
ッテリー駆動時間が延長した。実施例3ではランプの消
費電力と、垂直方向明るさを従来例と同じにしたが、視
野角が広がった。
トラスト比曲線に応じたさまざまな配光分布を得ること
ができる。特に、垂直方向視野の明るさを選択的に明る
くすることが可能になっている。
発明の別の実施例について説明する。照光面である透明
なアクリル樹脂板導光体3の一辺に蛍光ランプ1(冷陰
極放電管)を密着させ、反射体からなるランプカバー2
を設けて導光体内に光を導入するエッジライト型バック
ライトを用いた。
コンの側面長(120mm)に対応した長さを有し管径
(3mm)の2Wと4Wの冷陰極放電管を使用した。ま
た、ランプカバー2としては、冷陰極放電管を包み込む
ような円筒形あるいは楕円筒形の反射鏡を、導光体3と
しては、アクリル樹脂製の透光性導光板(n=1. 4
9)で大きさは128mm×225mm×2.8mmの
ものを用いた。
設置面に対向する導光体側面に位相差板4を設け、その
上にアルミニウム金属反射膜からなる反射面を形成し
た。位相差板は1/4波長板とした。
160°の2等辺三角形のプリズムアレイを用い、頂角
が偏光分離器6に面するように配置した。プリズムアレ
イ板の厚さは2mmでプリズムアレイのピッチは約1m
mとした。プリズムアレイ13と導光体3は同じ材質の
アクリル樹脂を用いた。またプリズムアレイ13と導光
体3の間には屈折率がアクリル樹脂と同じ1.49の光
学接着剤を用いた。
(n=1. 52)6bの表面に、酸化チタニア(TiO
2 :n=2.35)膜6aを一層成膜し、導光体3の光
出射面側に装着した。この偏光分離器の分離角は72°
となった。
頂角60°の2等辺三角形のプリズムアレイを用い、頂
角が偏光分離器6に面するように配置した。プリズムア
レイ板の厚さは2mmでプリズムアレイのピッチは約1
mmとした。さらに、プリズムアレイ7の光出射面側に
は、拡散板8を、視野角を広げるために用いた。
ルムが積層されたモノクロ表示のSTN液晶表示セルを
用いた。ツイスト角は240°である。
有機偏光板を用いた。このとき、光吸収型有機偏光板の
偏光軸は偏光分離器から出射するp偏光光に対して最大
透過率となるよう、偏光分離器6の出射光の偏光軸と偏
光板9の偏光軸とを一致させた。
光板を用いた。偏光軸の向きは適宜選ばれるが、本実施
例では、入射偏光板9の偏光軸に対して85°偏光軸が
回転した方向に出射側面の偏光板10の偏光軸をとっ
た。
プ消費電力と垂直方向視野の明るさを調整して実施例4
〜6を行った。これと偏光分離器のない従来例との比較
を表2に示す。
倍に向上したばかりでなく、視野角範囲はせばまってい
ない。実施例5では明るさ、視野角とも従来例とほぼ同
じにしたが、ランプ消費電力が2/3に低減し、バッテ
リー駆動時間が延長した。実施例6ではランプの消費電
力と、垂直方向明るさを従来例と同じにしたが、視野角
が広がっている。
子のコントラスト比曲線に応じたさまざまな配光分布を
得ることができる。特に、垂直方向視野の明るさを選択
的に明るくすることが可能になっている。
る。導光体3の表面形状をプリズムアレイ状にした。そ
の表面にZrO2 とSiO2 の薄膜を交互に3層均一に
形成した。具体的には導光体の上にZrO2 、SiO
2 、ZrO2 の順で形成し、分離角における偏光度が5
30nm付近で最大となるようにした。導光体と誘電体
干渉膜は一体構成とした。導光体3のプリズムアレイの
頂角は160°とした。このとき誘電体干渉膜から出て
くる光の方向は、導光体の面に垂直方向に対して広がり
を持っているので、さらに導光体と反対の方向に頂角が
導光体に向いたプリズムアレイを設置した。以上述べた
以外の構成は実施例4と同じとした。このとき実施例1
と比べると若干輝度が上昇した。これは、実施例7は界
面が少なくなったために、界面反射が少なくなったため
と考えられる。また一体成形により実施例4に比べて厚
みを薄くすることが可能となった。また大量生産におい
てコストが安くなるメリットもある。
離器として、アクリルとポリカーボネートの400層の
積層品を用いた。偏光分離器を使用しない場合に比べ
て、垂直方向の輝度が約1.5倍に向上した。
の高い領域に対して特に実質的照度の高い直視型表示素
子用の照明装置が得られる。特に、本発明では、プリズ
ムアレイ等を単独で用いた場合とは異なり、所望の視方
向の光のうち、そのままでは実質的に表示装置の照明光
として寄与しない光を偏光変換することにより、その所
望の視方向についての照度を向上する。したがって、広
い照度分布を維持したまま、特定方向には照度の高い照
明装置が得られる。これは、視野角の広い直視型の表示
素子用の照明装置として最適なものである。
ジライト型の光源を用いることにより、直視型表示素子
用の照明光として適した拡散光を、容易に得ることがで
きる。また、特に偏光変換手段を、エッジライトの導光
体の光出射面側に設けられた偏光分離面と、面状導光体
の光出射面と反対の側に設けられた光反射面を協働させ
て構成するならば、エッジライト用の導光体を偏光分離
のための空間としても用いることとなる。したがって、
非常にコンパクトな構成とすることができてさらに望ま
しい。
方向と液晶表示素子の光入射側の偏光軸方向とを略一致
させるように、液晶表示素子の背面に本発明の照明装置
を配置すれば、実用的な視野角で照度が高く、かつ消費
電力の小さい直視液晶表示装置を得ることができる。
すグラフ
Claims (7)
- 【請求項1】面状導光体と、 面状導光体の側部から光が入射されるように配置された
光源と、 前記面状導光体の光出射面側に設けられて、所定の入射
方向近傍の光線についてp偏光成分を透過し、s偏光成
分の少なくとも1部を反射する偏光分離面と、 面状導光体の光出射面と反対の側に前記光出射面と略平
行に設けられた光反射面とからなる、 ことを特徴とする直視型表示素子用照明装置。 - 【請求項2】請求項1の照明装置において、偏光分離面
が相対的に屈折率の大きな透光性媒質と相対的に屈折率
の小さな透光性媒質とを交互に積層してなる多層構造体
からなることを特徴とする直視型表示素子用照明装置。 - 【請求項3】請求項1の照明装置において、偏光分離面
が透明支持体に可視光波長と同等以下の厚みを有する誘
電体薄膜を少なくとも一層以上設けたものからなること
を特徴とする直視型表示素子用照明装置。 - 【請求項4】請求項1の照明装置において、偏光分離面
が屈折率の異なる複数種類の透明ポリマー層が積層され
たものからなることを特徴とする直視型表示素子用照明
装置。 - 【請求項5】照明装置を出射した光線の主偏光軸方向と
液晶表示素子における光入射側の偏光板の偏光軸方向と
が略一致するようにして、請求項1〜4いずれか1項の
照明装置を直視型液晶表示素子の背面に配置したことを
特徴とする液晶表示装置。 - 【請求項6】偏光分離面と液晶表示素子との間に、配光
方位のうち光強度が極大になる光線の方向を、液晶表示
素子の表示面に略垂直な方向に偏向させる光偏向手段を
有することを特徴とする請求項5の液晶表示装置。 - 【請求項7】第1の偏光成分とそれと垂直な偏光方向を
有する第2の偏光成分とを含む拡散光を発生する面状の
光発生手段と、 前記光発生手段から発生した光の光路内に配置され、最
大輝度となる配光方位近傍の光線について選択的に、第
1の偏光成分は光出射し、第2の偏光成分の少なくとも
1部を第1の偏光成分に偏光変換して光出射する偏光変
換手段と、 を有する直視型表示素子用照明装置。
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