JPH09113903A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 色分離による光のロスを減らして、明るく消
費電力の少ない液晶表示装置を得ることを目的とする。 【解決手段】 導光板端部におかれた光源１から発せら
れた光は、反射鏡２を介して導光板に入射し導光板３中
を進み回折格子４面で垂直方向へ反射され導光板３から
出射される。ここで、回折格子４面で光が反射される際
には、回折格子４の分散効果により赤・緑・青の各色が
それぞれ異なった方向に反射される。導光板３から取り
出された光は偏光板１１（ａ）によって偏光方向をそろ
えられ、画素上に配置されたレンズ５によって画素の開
口部に集光される。赤・緑・青の各色はそれぞれ異なっ
た方向へ進む光に分離されているので、赤・緑・青の各
色は異なったそれぞれの色の画素の上に集光される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、直視型の液晶表
示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は、例えば内田龍男編「次世代液晶
ディスプレイ」ｐ８２に示された従来の液晶表示装置を
示す構成図である。図において、１は光源であるラン
プ、３は導光板、１１（ａ），（ｂ）は偏光板、６は液
晶素子基板、７はカラーフィルタ、８はブラックマトリ
ックス、９は液晶、１０は対向基板、１７はＴＦＴ素子
である。

【０００３】次に動作について説明する。ランプ１から
発せられた光は導光板３に入射し導光板３を進むうち導
光板３の上面から出射される。導光板３から出射された
光は、偏光板１１（ａ）によって一定方向の偏光を持つ
光だけが選択され、液晶素子基板６を透過して液晶９中
に入射する。液晶９によって変調された光は、カラーフ
ィルタ７によってそれぞれ、赤、緑、青の各画素の色に
相当する周波数成分だけが切り出され、画素を分離する
ブラックマトリックス８の間を通り抜けて、偏光板１１
（ｂ）を通って出射される。

【０００４】また、図９は例えば日経エレクトロニクス
・日経マイクロデバイス編「フラットパネルディスプレ
イ１９９１」ｐ１９０に示されている従来の液晶表示装
置に用いられているバックライトの構成を示す図であ
る。図において、１は光源であるランプ、２は反射鏡、
３は導光板、１４は導光板から光を取り出すためのドッ
ト印刷、１５は反射板、１６は拡散板である。

【０００５】次に、動作を説明する。ランプ１から発せ
られた光は、反射鏡２によって、導光板３に入射する。
光が導光板３を進むうちにドット印刷１４に当たるとそ
れによって散乱され、導光板３の上面から光強度ムラを
防ぐための拡散板１６を介して出射され、液晶パネルに
入射する。

【０００６】図９のようなバックライトは、印刷ドット
による散乱によって導光板から光を取り出し、散乱板を
介して光が出射されるため、出射光は±３０°程度の広
い発散角を持ち、様々な色が完全に混ざりあった白色光
になっている。このような光が、図８のように液晶パネ
ルに入射すると、偏光をそろえる偏光板で１／２、色を
分離するカラーフィルタで２／３をロスすることにな
る。最もロスの大きいカラーフィルタは、赤、緑、青の
内１色の光だけを透過させ、他の色の光を吸収する素子
である。そのため、バックライトから出射される様々な
色が完全に混ざりあった白色光がこの素子に入射する
と、３色のうち２色分の２／３をロスすることになる。
このように、従来の液晶表示素子は色分離による光のロ
スが非常に大きくなっていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の直視型液晶表示
装置は以上のように構成されているので、白色光をそれ
ぞれ単一の色しか透過させないカラーフィルタによって
赤・青・緑の光に分解することになり、色分解による光
のロスが極めて大きく、明るい画面にならなかったり、
消費電力が大きくなるという問題点があった。

【０００８】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、液晶表示装置において色分離
による光のロスを低減することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に係る液晶表示
装置においては、導光板から光を取り出す際に反射型回
折格子を用いて、同時に色を分離し、レンズによって赤
・緑・青それぞれの画素上に集光するものである。

【００１０】また、導光板から光を取り出す際に反射型
回折格子を用いて、レンズによって赤・緑・青それぞれ
の画素上に集光し、カラーフィルタによって色の純度を
高めるものである。

【００１１】また、導光板から光を取り出す際に可視領
域全域にわたって光の波長λと回折格子のピッチｄの比
λ/ｄが0.8＜λ/ｄ＜1.7となるようなピッチの反射型回
折格子を用いて高い効率でバランスよく色を分離し、レ
ンズによって赤・緑・青それぞれの画素上に集光するも
のである。

【００１２】また、導光板から光を取り出す際に、全面
に格子を製作せず部分的に格子のない領域が存在する反
射型回折格子を用いて全面にわたって均一に色分離され
た光を取り出し、レンズによって赤・緑・青それぞれの
画素上に集光するものである。

【００１３】また、導光板から光を取り出す際に反射型
回折格子を用いて、同時に色を分離し、レンズによって
赤・緑・青それぞれ集光される過程で、透過型回折格子
を通過させることにより正確にそれぞれの画素上に集光
させるものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態である液晶
表示装置においては、反射型回折格子とレンズによって
液晶素子の画素上にロスなく色を分離して光を集光でき
るので、従来のカラーフィルターによる光のロスがなく
なり明るく消費電力の少ない液晶表示装置が実現でき
る。

【００１５】また、反射型回折格子とレンズによって液
晶素子の画素上に色を分離して光を集光してカラーフィ
ルタを通すので、従来のカラーフィルタによる光のロス
が少なくなり明るく消費電力の少ない液晶表示装置が実
現できる。

【００１６】また、可視領域全域にわたって光の波長λ
と回折格子のピッチｄの比λ／ｄが０．８＜λ／ｄ＜
１．７となるようなピッチの反射型回折格子とレンズに
よって液晶素子の画素上に色を分離して光を集光できる
ので、従来のカラーフィルタによる光のロスがなく、色
のバランスがよく明るく消費電力の少ない液晶表示装置
が実現できる。

【００１７】また、全面に格子を製作せず部分的に格子
のない領域が存在する反射型回折格子とレンズによって
液晶素子の画素上に色を分離して光を集光できるので、
従来のカラーフィルタによる光のロスがなく、全面にわ
たって均一で明るく消費電力の少ない液晶表示装置が実
現できる。

【００１８】また、反射型回折格子とレンズによって液
晶素子の画素上に色を分離し透過型回折格子によって正
確に画素上に光を集光できるので、従来のカラーフィル
タによる光のロスがなく、明るく消費電力の少ない液晶
表示装置が実現できる。

【００１９】以下、この発明を、その実施の形態を示す
図面に基づいて具体的に説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１である液
晶表示装置の構成を示す図である。図において、１は光
源であるランプ、２は反射鏡、３は導光板、４は反射型
回折格子、５はマイクロレンズアレイ、６は液晶素子基
板、８はブラックマトリックス、９は液晶、１０は対向
基板、１１（ａ），（ｂ）は偏光板である。

【００２０】導光板端部におかれた光源１から発せられ
た光は、反射鏡２を介して導光板に入射し導光板３中を
進み回折格子４面で垂直方向へ反射され導光板３から出
射される。ここで、回折格子４面で光が反射される際に
は、回折格子４の分散効果により赤・緑・青の各色がそ
れぞれ異なった方向に反射される。導光板３から取り出
された光は偏光板１１（ａ）によって偏光方向をそろえ
られ、画素上に配置されたレンズ５によって画素の開口
部に集光される。赤・緑・青の各色はそれぞれ異なった
方向へ進む光に分離されているので、赤・緑・青の各色
は異なったそれぞれの色の画素の上に集光される。その
後液晶９によって、偏光に変調を受け偏光板１１（ｂ）
を通って出射される。

【００２１】図２はこの発明の実施の形態１に用いられ
る反射型回折格子の特性を示す図である。ここでは、ピ
ッチ０．５μｍの回折格子を用いた場合を示す。図２は
回析格子の傾斜角が０°の場合である。通常導光板の厚
みはランプの直径によって決まり４ｍｍ程度である。そ
のため、１０インチ程度の直視型液晶表示装置の場合で
は、図１のようなくさび型導光板を用い回折格子を傾斜
させて配置した場合でも、傾斜角は１〜２°程度であ
り、回折格子の入出角特性は傾斜角０°の場合とほとん
ど変わらない。光源であるランプから発せられる光は空
気中では±４５°程度の広い発散角を持っている。屈折
率１．５程度の材料で作られた導光板中でも±３０°程
度の発散角になる。図３のように、導光板中に入射し±
３０°の発散角で進む光のうち、直接導光板背面方向に
向かう光は、そのまま入射角９０〜６０°で回折格子に
入射する。それにたいして、導光板表面へ向かう光は、
一度導光板表面で全反射され、やはり入射角９０〜６０
°で回折格子に入射する。導光板に入射した光は、すべ
て入射角９０〜６０°で回折格子に入射することにな
る。図２から入射角９０〜６０°で回折格子に入射した
白色光は、赤が−２〜８°、緑が８〜１９°、青が１９
〜３１°程度の角度で出射されることがわかる。導光板
中で±３０°の発散角を持っていた光は出射角によって
赤、緑、青に分離され、それぞれ±５°程度の発散角を
持つ光として導光板から取り出される。導光板から取り
出された光は、次にレンズアレイに入射し液晶素子のブ
ラックマトリックス上に集光される。レンズにより集光
される際、レンズにたいして入射角θで入射した光は、
レンズの焦点距離をｆとすると、光軸上からｆ・Ｔａｎ
θだけ離れた位置に集光される。そのため、赤、緑、青
の光はブラックマトリックス上でほぼ等間隔でそれぞれ
分離されたまま集光されることになる。回折格子のピッ
チやレンズアレイの焦点距離を調整することにより、こ
の各色の分離間隔を各色の画素の間隔と一致させておけ
ば、カラーフィルタを用いることなく、各色を表示でき
る。カラーフィルタを用いた方法では、例えば緑の画素
にたいしても白色光を入射し、赤と青の光はロスとなっ
ていたためカラーフィルタの透過率は最大でも33％とな
っていたのにたいし、この発明による方法では、回折格
子による分散によって色を分離しているため、色分離に
よるロスがほとんどなくなる。

【００２２】実施の形態２．図４はこの発明の実施の形
態２である液晶表示装置の構成を示す図である。基本的
な構成は、実施の形態１と同様で、光源であるランプ
１、反射鏡２、導光板３、反射型回折格子４、マイクロ
レンズアレイ５、液晶素子基板６、ブラックマトリック
ス８、液晶９、対向基板１０、偏光板１１(a)(b)からな
っているが、これに加えて従来用いられているカラーフ
ィルタ７も併用している。

【００２３】反射型回折格子４によって、光が導光板３
から分散によって色分離されて取り出され、レンズ５に
よって画素上に集光される効果ははじめの実施例と同様
である。

【００２４】用いるランプの直径や、導光板の厚みによ
っては、導光板中を進む光の発散角が大きくなって、反
射型回折格子の分散だけでは十分に色を分離できなくな
ることが有り得る。例えば、導光板中の光の発散角が±
４０°になると、図２から赤が−１０〜８°、緑が０〜
１９°、青が１０〜３１°程度の角度で出射されること
になり、それぞれ重なりあった領域ができるため、これ
だけでは各色を完全に分離できない。ここで、従来用い
られてきたカラーフィルタを用いて色を分離する。従来
の液晶表示装置では、カラーフィルタにたいしては、
赤、緑、青のどの色の透過部分にたいしても完全な白色
光が入射していた。そのため、例えば緑の透過部分で
は、それぞれ１／３ずつ混ざっている赤、緑、青の光の
うち緑の光しか透過せず、透過率は１／３以下となって
いた。それに対してここでは、部分的に重なりあって完
全に分離できていないとはいえ、回折格子の分散とレン
ズによる集光の効果によって、各色がほぼ分離されてい
るので、例えば緑の透過部分では、他の色の光に比べて
緑の光の成分が大きな光が入射する。カラーフィルタに
よってロスとなる他の色の光が少ないため、カラーフィ
ルタの透過率は白色光が入射する場合よりも高くなり、
色分離によるロスが少なくなる。

【００２５】実施の形態３．図５はこの発明の実施の形
態３である液晶表示装置の構成を示す図である。基本的
な構成は、実施の形態１と同様で、光源であるランプ
１、反射鏡２、導光板３、反射型回折格子４、マイクロ
レンズアレイ５、液晶素子基板６、ブラックマトリック
ス８、液晶９、対向基板１０、偏光板１１（ａ），
（ｂ）からなっているが、反射型回折格子４は、可視領
域全域にわたって光の波長λと回折格子のピッチｄの比
λ／ｄが０．８＜λ／ｄ＜１．７となるようなピッチの
ものを用いている。

【００２６】反射型回折格子４によって、光が導光板３
から分散によって色分離されて取り出され、レンズ５に
よって画素上に集光される効果は実施の形態１と同様で
ある。

【００２７】回折格子では、例えば小瀬輝次ほか編「光
工学ハンドブック」ｐ５３３〜５３４に示されているよ
うに、０．８＜λ／ｄ＜１．７の領域ではＳ偏光成分
（偏光方向は回析格子の溝に直交する成分をＳ、溝に平
行な成分をＰとする。この定義は、Ｓ成分、Ｐ成分に対
する一般的な光学の定義と逆になるが、回析格子につい
てはしばしばこの定義が使われている。）の光にたいし
て安定した高い回折効率が得られる。回折効率が波長に
よって大きく変化すると、各色の強度比がくずれて色の
バランスが悪くなったり、導光板からの光の取り出し効
率が低下するなどの問題が生じることが考えられるが、
０．８＜λ／ｄ＜１．７の領域では、安定した回折効率
が得られるためこのような問題を防ぐことができる。こ
の領域では、Ｐ偏光の光にたいしては非常に低い回折効
率しか得られないが、液晶表示装置の場合には、導光板
出射後偏光板によって偏光を選択するので、Ｓ・Ｐ両方
の偏光の光について高い回折効率を持つ必要はない。

【００２８】また、この０．８＜λ／ｄ＜１．７の領域
では、回折格子の偏光選択効果によってＳ偏光しか回折
されず、導光板からＳ偏光の光だけが取り出される。こ
の効果を利用して、液晶表示装置の偏光板１１のうち、
入射側の偏光板１１ａを取り去った構成とすることも可
能である。この場合偏光板での光吸収によるロスがなく
なり、光の利用効率が更に向上する。

【００２９】実施の形態４．図６はこの発明の実施の形
態４である液晶表示装置の構成を示す図である。基本的
な構成は、実施の形態１と同様で、光源であるランプ
１、反射鏡２、導光板３、反射型回折格子４、マイクロ
レンズアレイ５、液晶素子基板６、ブラックマトリック
ス８、液晶９、対向基板１０、偏光板１１（ａ），
（ｂ）からなっているが、反射型回折格子４は、図に示
すように全面に格子を製作せず部分的に格子のない領域
が存在するものとしている。

【００３０】反射型回折格子４によって、光が導光板３
から分散によって色分離されて取り出され、レンズ５に
よって画素上に集光される効果は実施の形態１と同様で
ある。

【００３１】液晶表示素子では、表示面全面にわたって
なるべく均一な明るさで表示されることが望ましい。し
かし、光源は一方の端部にのみおかれ、光は片側からし
か導光板に入射しないため、全面に均一な回折格子を製
作し、空間的に均一な回折率を得る構成にすると、光源
に近い一方の端部分は明るく、反対側は暗いといった不
均一が生じることが考えられる。そこで、光源の近くで
は、格子を製作しない領域を多くし、光源から離れるに
つれて格子を製作しない領域を減らす。格子を製作して
いない部分に入射した光は、回折せずそのまま反射され
るので、格子を製作していない部分の比率を変えること
によって、回折率を空間的にコントロールすることがで
きる。これによって、光の回折率を空間的にコントロー
ルして、全面にわたって均一な強度で導光板から光を取
り出し、表示の明るさを均一にすることができる。

【００３２】実施の形態５ 図７はこの発明の実施の形態５である液晶表示装置の構
成を示す図である。基本的な構成は、はじめの実施例と
同様で、光源であるランプ１、反射鏡２、導光板３、反
射型回折格子４、マイクロレンズアレイ５、液晶素子基
板６、ブラックマトリックス８、液晶９、対向基板１
０、偏光板１１（ａ），（ｂ）からなっているが、マイ
クロレンズアレイ５とブラックマトリックス８の間に透
過型回折格子１２を挿入している。

【００３３】反射型回折格子４によって、光が導光板３
から分散によって色分離されて取り出され、レンズ５に
よって集光される効果は実施の形態１と同様であるが、
ここでは光はレンズ通過後再び、透過型回折格子１２に
よって角度を変えられて、ブラックマトリックスの画素
上に導かれる。

【００３４】赤、緑、青の各光を正確にそれぞれの画素
上に集光させるためには、反射型回折格子のピッチとレ
ンズの焦点距離（液晶基板の厚み）を調整しなければな
らない。しかし、反射型回折格子のピッチを変えると、
導光板から取り出される光の出射角が変化する。導光板
からの光の出射角は垂直に近いほうが望ましいので、反
射型回折格子のピッチを自由に選ぶことはできない。ま
た、レンズの焦点距離も、液晶基板の厚みが規格化され
ていて自由に選びにくいことや、短焦点のレンズは製作
が難しいことなどから、自由に選ぶことはできない。そ
のため、場合によっては、赤、緑、青の各光をそれぞれ
の画素上に正確な位置で集光することができなくなるこ
とが考えられる。ここでは、レンズ通過後に配した透過
型回折格子によって再び光の向きを変え、正確に各色の
光が画素上の正しい位置に集光されるようにしている。
これにより、基板の厚みや、画素の構成などに係わら
ず、画素上の正しい位置に各色を集光することができ
る。

【００３５】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に示すような効果を奏する。

【００３６】反射型回折格子とレンズによって液晶素子
の画素上にロスなく色を分離して光を集光できるので、
従来のカラーフィルターによる光のロスがなくなり明る
く消費電力の少ない液晶表示装置が実現できる。

【００３７】また、反射型回折格子とレンズによって液
晶素子の画素上に色を分離して光を集光してカラーフィ
ルタを通すので、従来のカラーフィルタによる光のロス
が少なくなり明るく消費電力の少ない液晶表示装置が実
現できる。

【００３８】また、可視領域全域にわたって光の波長λ
と回折格子のピッチｄの比λ／ｄが０．８＜λ／ｄ＜
１．７となるようなピッチの反射型回折格子とレンズに
よって液晶素子の画素上に色を分離して光を集光できる
ので、従来のカラーフィルタによる光のロスがなく、色
のバランスがよく明るく消費電力の少ない液晶表示装置
が実現できる。

【００３９】また、全面に格子を製作せず部分的に格子
のない領域が存在する反射型回折格子とレンズによって
液晶素子の画素上に色を分離して光を集光できるので、
従来のカラーフィルタによる光のロスがなく、全面にわ
たって均一で明るく消費電力の少ない液晶表示装置が実
現できる。

【００４０】また、反射型回折格子とレンズによって液
晶素子の画素上に色を分離し透過型回折格子によって正
確に画素上に光を集光できるので、従来のカラーフィル
タによる光のロスがなく、明るく消費電力の少ない液晶
表示装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１である液晶表示装置
の構成を示す図である。

【図２】 この発明の実施の形態１に用いられる反射型
回折格子の特性を示す図である。

【図３】 この発明の実施の形態１を説明するための、
反射型回折格子に光が入射する経路を示す図である。

【図４】 この発明の実施の形態２である液晶表示装置
の構成を示す図である。

【図５】 この発明の実施の形態３である液晶表示装置
の構成を示す図である。

【図６】 この発明の実施の形態４である液晶表示装置
の構成を示す図である。

【図７】 この発明の実施の形態５である液晶表示装置
の構成を示す図である。

【図８】 従来の液晶表示装置を示す構成図である。

【図９】 従来の液晶表示装置に用いられているバック
ライトの構成を示す図である。

【符号の説明】

１ ランプ、２ 反射鏡、３ 導光板、４ 反射型回折
格子、５ レンズアレイ、６ 液晶素子基板、７ カラ
ーフィルタ、８ ブラックマトリックス、９液晶、１０
対向基板、１１ 偏光板、１２ 透過型回折格子、１
３ 補助基板、１４ 印刷ドット、１５ 反射板、１６
拡散板、１７ ＴＦＴ素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 正明 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 民田 太一郎 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 山本 達也 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 端部に配した光源から、導光板を介して
   液晶素子を背面から照らす直視型液晶表示装置におい
   て、導光板背面に反射回折格子を有し、かつ、導光板と
   液晶素子の間にレンズ列を有することを特徴とする液晶
   表示装置。
2. 【請求項２】 端部に配した光源から、導光板を介して
   液晶素子を背面から照らす直視型液晶表示装置におい
   て、導光板背面に反射回折格子を有し、かつ、導光板と
   液晶素子の間にレンズ列を有しさらに特定の色だけを透
   過させるカラーフィルタを有することを特徴とした液晶
   表示装置。
3. 【請求項３】 前記反射型回折格子は可視領域全域にわ
   たって光の波長λと回折格子のピッチｄの比λ／ｄが
   ０．８＜λ／ｄ＜１．７となるようなピッチのものであ
   ることを特徴とした請求項１又は請求項２記載の液晶表
   示装置。
4. 【請求項４】 前記反射型回折格子は全面に格子を製作
   せず部分的に格子のない領域が存在するものであること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記
   載の液晶表示装置。
5. 【請求項５】 上記レンズ列と液晶素子の間に、透過型
   回折格子を有することを特徴とする請求項１乃至請求項
   ４のいずれか１項に記載の液晶表示装置。