JPH1152375A - 反射型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 明るい環境下での画像品位を損なうことなく
暗い環境下での画像観察を可能にする照明構造を反射型
表示装置に付与するとともに、照明光の利用効率を改善
する。 【解決手段】 反射型表示装置はパネル０と偏光子４と
導光板２０と光源３０とからなる。パネル０は外光の入
射側に位置する透明な第１基板１、所定の間隙を介して
第１基板１に接合し反射側に位置する第２基板２、間隙
内に保持された電気光学物質及び各基板に形成され電気
光学物質に電圧を印加する電極を備えている。導光板２
０は第１基板１の外側で且つ偏光子４より上に配されて
いる。光源３０は導光板２０の端部に配され必要に応じ
て照明光を発生する。導光板２０は帯状に分割された平
面部及び各平面部の間に位置する帯状の段差部２１を有
している。光源３０から前方に向って導かれた照明光を
各段差部２１で反射して偏光子４側に入射する。偏光子
４はその透過軸が導光板２０に形成された帯状の段差部
２１と平行になる様に配されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自然光などの外光を
利用して表示を行なう反射型表示装置に関する。詳しく
は、外光が乏しい時に補助的に用いる反射型表示装置の
照明構造に関する。更に詳しくは、照明光の利用効率の
改善技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】表示装置には種々のモードがあり、現在
ツイスト配向されたネマティック液晶を用いたＴＮモー
ドが主流となっている。図８はＴＮモードの液晶表示装
置の動作原理を示す模式図である。左側が電圧無印加状
態を示し右側が電圧印加状態を示す。上側の偏光子１０
１の透過軸Ａと下側の偏光子１０２の透過軸Ｂは互いに
直交している。又、上側の配向層１０３の配向方向と下
側の配向層１０４の配向方向も互いに直交している。従
って、ネマティック液晶分子１０５は９０°ねじれたツ
イスト整列となる。電圧無印加状態では、上側の偏光子
１０１を通過した入射光の直線偏光成分が、ツイスト整
列された液晶分子１０５により９０°旋光され下側の偏
光子１０２を透過する。従って電圧無印加状態では白色
表示が得られる。一方、電圧を印加すると液晶分子１０
５は立ち上がり旋光能が失われる。従って、入射光の直
線偏光成分は下側の偏光子１０２により遮断され黒色表
示が得られる。この様な表示方式はノーマリホワイトモ
ードと呼ばれている。印加電圧のレベルを適宜選択する
ことにより、白色表示と黒色表示の間の中間調表示（灰
色表示）が得られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図８に示した表示装置
は透過型もしくは反射型として実際に用いられる。透過
型の場合、透明な一対の基板間にツイストネマティック
液晶を保持したパネルを作成し、その背面に照明用の光
源（バックライト）を配置する一方、パネルの正面から
画像を観察する。透過型の場合、バックライトは必須で
あり例えば冷陰極管などが用いられる。この為、ディス
プレイ全体として見た場合バックライトが大部分の電力
を消費する為、携帯用機器のディスプレイには不向きで
ある。これに対し反射型では、パネルの背面に反射板を
配置する一方、正面から自然光などの外光を入射しその
反射光を利用して同じく正面から画像を観察する。透過
型と異なり背面照明用の光源を利用しないので、反射型
は比較的低消費電力で済み、携帯用機器のディスプレイ
に向いている。しかしながら、反射型表示装置は夜間な
ど外光の乏しい環境下では画像を観察することができ
ず、解決すべき課題となっている。

【０００４】

【課題を解決する為の手段】上述した従来の技術の課題
を解決する為に以下の手段を講じた。即ち、本発明に係
る反射型表示装置は基本的な構成としてパネルと導光板
と光源とを備えている。パネルは、外光を直線偏光に変
換する偏光子、外光の入射側に位置する透明な第１基
板、所定の間隙を介して該第１基板に接合し反射側に位
置する第２基板、該間隙に保持された電気光学物質及び
該第１基板と第２基板の少くとも一方に形成され該電気
光学物質に電圧を印加する電極を備えている。導光板は
透明な材料からなり該第１基板の外側で且つ該偏光子よ
り上に配される。光源は該導光板の端部に配され、必要
に応じて照明光を発生する。特徴事項として、前記導光
板は、通常外光を透過して該第１基板に入射し且つ該第
２基板から反射した外光を出射する一方、必要に応じ照
明光を導光して該第１基板に入射し且つ該第２基板から
反射した照明光を出射する。前記導光板は帯状に分割さ
れた平面部及び各平面部の間に位置する帯状の段差部を
有している。該光源から前方に向って導かれた照明光を
各段差部で反射して第１基板に入射するとともに、第２
基板から反射した照明光を各平面部から出射する。前記
偏光子はその吸収軸が該導光板に形成された帯状の段差
部と直交する様に配されている。換言すると、前記偏光
子はその透過軸が該導光板に形成された帯状の段差部と
平行に配されている。

【０００５】好ましくは、前記導光板は該光源が位置す
る端部から前方に向って厚みが減少している。又好まし
くは、前記導光板の段差部は平面部に対して４０°ない
し５０°の範囲で傾斜している。又好ましくは、前記パ
ネルは、ツイスト配向した液晶層を電気光学物質として
用いる。この場合、第２基板側に位置し外光を散乱反射
する光反乱層と、液晶層と該光反射層の間に介在する偏
光層とが設けられている。

【０００６】本発明によれば、反射型のパネルの外面に
導光板を配置するとともに、その端部に光源を配置して
いる。暗い環境下では、光源を点灯し導光板を介して照
明光をパネル側に入射して画像を写し出す。明るい環境
下では光源を消灯し、透明な導光板を介して直接外光を
利用し画像を写し出す。導光板は基本的に透明であり、
明るい環境下でも画像を観察する際何ら障害とならな
い。この様に、本発明によれば、必要な時だけ光源を点
灯すればよく、ディスプレイ全体としての消費電力を大
幅に削減可能であり、携帯用機器のディスプレイに好適
である。特に、偏光子はその透過軸が導光板に形成され
た帯状の段差部と平行となる様に配されている。係る構
成により、段差部で反射しパネル内に入射する光が偏光
板の透過軸と平行な振動成分を含む直線偏光となり、効
率よく照明光をパネル内に導入することが可能になる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態を詳細に説明する。図１の（Ａ）は、本発明に係
る反射型表示装置の基本的な構成を示す模式的な斜視図
である。図示する様に、本反射型表示装置は基本的に、
パネル０と偏光子４と導光板２０と光源３０とで構成さ
れている。パネル０は外光の入射側に位置する透明な第
１基板１、所定の間隙を介して第１基板１に接合し反射
側に位置する第２基板２、該間隙内に保持された電気光
学物質及び第１基板１と第２基板２の夫々に形成され電
気光学物質に電圧を印加する電極を備えている。偏光子
４はパネル０に入射する外光をあらかじめ直線偏光に変
換する。導光板２０は第１基板１の外側で且つ偏光子４
より上に配されている。この導光板２０は基本的に透明
材料からなり、通常外光を透過して第１基板１に入射
し、且つ第２基板２から反射した外光を出射する一方、
必要に応じ照明光を導光して第１基板１に入射し且つ第
２基板２から反射した照明光を出射する。導光板２０は
帯状に分割された平面部２２及び各平面部２２の間に位
置する帯状の段差部２１を有している。本実施形態で
は、この帯状の段差部２１は溝に形成されたものであ
る。導光板２０は光源３０から前方に向って導かれた照
明光を各段差部２１で反射して第１基板１に入射すると
ともに、第２基板２から反射した照明光を各平面部２２
から出射する。偏光子４はその吸収軸が導光板２０に形
成された帯状の段差部２１と直交する様に配されてい
る。換言すると、偏光子４はその透過軸が導光板２０に
形成された帯状の段差部２１と平行となる様に配されて
いる。

【０００８】図１の（Ｂ）は、導光板２０の光学的な機
能を模式的に表わしている。図では空気の屈折率をｎ１
とし、導光板２０を構成する透明材料の屈折率をｎ２で
表わしている。当然、ｎ２はｎ１より大きい。光源３０
から発した照明光は導光板２０の段差部２１により全反
射され偏光子４を介してパネル０側に導かれる。段差部
２１の傾斜角は光源３０から発した照明光の内平行成分
が全反射してパネル０側に進む様に設定されている。即
ち、段差部２１の傾斜角はｎ１及びｎ２によって決まる
全反射角（臨界角）に基づいて設定されている。ただ
し、光源３０から発する照明光の内には平行光ばかりで
なく斜光も含まれている。斜光の場合には段差部２１に
対する入射角θに応じて一部分のみが反射してパネル０
側に進むとともに、残りの部分は透過してしまう。

【０００９】光が２物体の境界面で反射すると、その反
射光は一般に偏光を含んでいる。ガラスの様な透明体の
表面で反射する時の有り様を図１の（Ｃ）に示す。ま
ず、入射光Ｉの光ベクトルの振動を図の様に、入射面内
の振動（平行成分又はＰ成分）と、これに垂直な成分
（垂直成分又はＳ成分）とに分けてみる。Ｐ成分及びＳ
成分がどの様に反射するかは電磁波の理論により導かれ
る。（Ｃ）に示す様に、横軸に入射角θを取り縦軸に反
射率を取ると、Ｐ成分の反射率ｒｐ及びＳ成分の反射率
ｒｓはグラフの様に表わされる。ただし、このグラフに
示した値ｒｐ及びｒｓはガラスの屈折率を１．５とした
時の光の強さの反射率である。ｒｐには０になるところ
がある。これは即ち、θ＋φ＝π／２になる様な入射角
の場合で、φのことをブリュースター角と呼ぶ。導光板
２０の段差部２１に対する照明光の入射角θが全反射角
（臨界角）よりも小さい場合、ブリュースター角に近く
なる程その反射光はＰ成分が減少する。例えば、ｎ１＝
１．００でｎ２＝１．５０とした場合、ブリュースター
角φは約３３．７°となり、この角度で入射した照明光
に対する反射光はすべてＳ成分となる。この様に、ブリ
ュースター角付近で導光板２０に入射した光を効率よく
パネル０に導く為、導光板２０に形成された帯状の段差
部２１とほぼ平行な方向に偏光子４の透過軸を設定す
る。これにより、導光板２０の段差部２１で反射したＳ
成分はその振動方向が偏光子４の透過軸と平行となり、
何ら吸収されることなくパネル０側に進む。以上によ
り、光源３０から発した照明光の利用効率が改善でき
る。

【００１０】図２は、本発明に係る反射型表示装置の具
体的な実施例を示す模式的な部分断面図である。図示す
る様に、本反射型表示装置は、基本的な構成としてパネ
ル０と導光板２０と光源とを備えている。パネル０は外
光の入射側に位置する透明な第１基板１、所定の間隙を
介して第１基板１に接合し反射側に位置する第２基板
２、両基板１，２の間隙に保持されたツイストネマティ
ック液晶３及び第１基板１と第２基板２のそれぞれに形
成されツイストネマティック液晶３に電圧を印加する電
極６，１１を備えている。導光板２０は例えばアクリル
樹脂など透明材料の射出成型品からなり、第１基板１の
外側に配されている。なお、導光板２０と基板１との間
には偏光子４が介在している。光源（図示せず）は導光
板２０の端部に配され、必要に応じて照明光を発生す
る。この光源は例えば冷陰極管からなり、いわゆるエッ
ジライトと呼ばれる。係る構成において、導光板２０は
通常外光を透過して第１基板１に入射し且つ第２基板２
から反射した外光を出射する一方、必要に応じ照明光を
導光して第１基板１に入射し且つ第２基板２から反射し
た照明光を出射する。

【００１１】本実施形態では、この導光板２０は帯状に
分割された平面部２２及び各平面部２２の間に位置する
傾斜した段差部２１を有しており、光源が位置する端部
から前方に向って段階的に厚みが減少している。導光板
２０は前方に向って水平方向に導かれた照明光を各段差
部２１で全反射して第１基板１に入射するとともに、第
２基板２から反射した照明光を各平面部２２から出射す
る。導光板２０の段差部２１は、平面部２２に対して４
０°ないし５０°の範囲で傾斜している。図では、この
傾斜角をθで表わしている。図２は暗い環境下における
反射型表示装置の使用状態を表わしており、エッジライ
トを構成する光源は点灯されている。光源から発した照
明光は導光板２０を介してパネル０を照明する。即ち、
導光板２０の内部を水平方向に進行する照明光は傾斜し
ている段差部２１でほぼ全反射され、パネル０に入射す
る一方、第２基板２側から反射した照明光は導光板２０
の平面部２２から出射される。前述した様に、偏光子４
の透過軸は帯状の段差部２１と平行になる様に設定され
ている。この為、ブリュースター角近辺で反射した照明
光に含まれるＳ成分が偏光子４を通過することになり、
照明光の利用効率が改善される。

【００１２】パネル０はアクティブマトリクス型の構成
となっている。上側の基板１は偏光子４を介して導光板
２０に接して入射側に位置し、ガラスなどの透明基材か
らなる。一方、下側の基板２は反射側に位置し、必ずし
も透明材料を用いる必要はない。一対の基板１，２の間
隙にはツイストネマティック液晶３が保持されている。
このツイストネマティック液晶３は正の誘電異方性を有
するネマティック液晶分子３ａを主体とし、９０°ねじ
れた配向状態となっている。上側の基板１の内表面には
対向電極６と配向層７が形成されている。更に、カラー
フィルタ５０も形成されている。配向層７は例えばポリ
イミドフィルムからなり、ツイストネマティック液晶３
を水平配向している。下側の基板２には少なくとも、薄
膜トランジスタ１３からなるスイッチング素子と光反射
層８と偏光層９と画素電極１１とが形成されている。偏
光層９は薄膜トランジスタ１３や光反射層８の上方に成
膜されており、且つ薄膜トランジスタ１３に連通するコ
ンタクトホール２３が設けられている。画素電極１１は
この偏光層９の上にパタニングされている。従って、画
素電極１１と対向電極６との間でツイストネマティック
液晶３に充分な電界を印加することが可能である。この
画素電極１１は偏光層９に開口したコンタクトホール２
３を介して薄膜トランジスタ１３に電気接続している。

【００１３】以下、個々の要素について具体的な説明を
加える。本実施例では、偏光層９は一軸配向した高分子
液晶に黒色の二色性色素を分散したものである。高分子
液晶を一軸配向する為下地配向層２２が用いられてい
る。薄膜トランジスタ１３及び光反射層８の凹凸を埋め
る為平坦化層２１が介在しており、上述した下地配向層
２２はこの平坦化層２１の表面に成膜されている。この
場合、画素電極１１は偏光層９及び平坦化層２１を貫通
して設けたコンタクトホール２３を介して薄膜トランジ
スタ１３に接続することになる。光反射層８は個々の画
素電極１１に対応して細分化されている。個々に細分化
された部分は対応する画素電極１１と同電位に接続され
ている。係る構成により、光反射層８と画素電極１１と
の間に介在する偏光層９や平坦化層２１に不要な電界が
加わることがない。光反射層８は図示する様に散乱性の
反射面を備えており、入射光の鏡面反射を防止して画質
の改善を図っている。画素電極１１の表面を被覆する様
に配向層１２が形成されており、ツイストネマティック
液晶３に接してその配向を制御している。本実施例で
は、この配向層１２は対向する配向層７と一緒になっ
て、ネマティック液晶３をツイスト配向している。最後
に、薄膜トランジスタ１３はボトムゲート構造を有して
おり、下から順にゲート電極１４、ゲート絶縁膜１５、
半導体薄膜１６を重ねた積層構造を有している。半導体
薄膜１６は例えば多結晶シリコンからなり、ゲート電極
１４と整合するチャネル領域は上側からストッパ１７に
より保護されている。係る構成を有するボトムゲート型
の薄膜トランジスタ１３は層間絶縁膜１８により被覆さ
れている。層間絶縁膜１８には一対のコンタクトホール
が開口しており、これらを介してソース電極１９及びド
レイン電極２０が薄膜トランジスタ１３に電気接続して
いる。これらの電極１９及び２０は例えばアルミニウム
をパタニングしたものである。ドレイン電極２０は光反
射層８と同電位になっている。又、画素電極１１は前述
したコンタクトホール２３を介してこのドレイン電極２
０と電気接続している。一方、ソース電極１９には信号
電圧が供給される。

【００１４】図３は、図２に示した導光板２０の光学的
な機能を模式的に表わした説明図である。図示する様
に、導光板２０の端部から水平方向に沿って導入された
照明光は段差部２１によりほぼ直角に全反射され、偏光
子４を介してパネル０側に導かれる。段差部２１の傾斜
角θを適切な値に設定することで、光漏れをほとんど起
こすことなく照明光の大部分をパネル０側に導くことが
可能である。この傾斜角θは導光板２０を構成する透明
材料の屈折率に依存しており、一般に４０°ないし５０
°の範囲で設定される。

【００１５】図４は、図２に示した導光板２０の具体的
な構成を示しており、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面
図、（Ｃ）は拡大断面図である。シート状の導光板２０
はその下面部２８を介して偏光子４に接着される。この
際、接着用の樹脂が導光板２０の端部２５、上面部２
６、側面部２７に付着すると、その光学的な機能が損な
われる。そこで、紫外線硬化型の樹脂を用いて導光板２
０と偏光子４を接着する際、あらかじめ導光板２０の端
部２５、上面部２６、側面部２７をテープなどで被覆し
保護しておくことが好ましい。紫外線を照射して導光板
２０と偏光子４を互いに接着した後、テープを剥離する
ことにより接着用の樹脂の不要な付着を防ぐことができ
る。接着後、導光板２０とパネル０は偏光子４を介して
互いに一体化される。

【００１６】図５は、本発明に係る反射型表示装置の全
体構成を示す模式的な斜視図である。パネル０の上に導
光板２０が載置されている。導光板２０の端部２５に接
してカバー３０ａが取り付けられている。このカバー３
０ａの内部には蛍光管などの光源とコリメータレンズが
収納されている。図６に示す様にコリメータレンズ６０
は長手形状を有している。即ち、円柱をその端面と垂直
方向に切断した形状を有している。蛍光管はコリメータ
レンズの曲面側と対面して平行に設置される。コリメー
タレンズ６０は平面側で導光板２０の端面２５に接す
る。

【００１７】図７は導光板２０の光学的な機能説明図で
ある。図示する様に、導光板２０はコリメータレンズ６
０と接する側が大きな厚みを有し、前方に向って厚みが
減少しており、いわゆる楔型となっている。導光板２０
の傾斜した上面には微細な溝がストライプ状に形成され
ており、段差部２１を構成する。光源３０から発散した
照明光はコリメータレンズ６０で平行化された後、各段
差部２１で全反射され、パネル（図示せず）に効率的に
入射される。パネルから反射した光は主として平面部２
２を介して観察者側に出射する。段差部２１の傾斜角は
４２°に設定されている。導光板２０がガラスからなる
場合その屈折率は１．５である。平行化された照明光は
段差部２１でほぼ全反射し、パネル内に進入する。導光
板２０とパネルの界面に空気が介在している場合、パネ
ルに対する照明光の入射角は４．５°になる。あるい
は、導光板２０を屈折率１．４の透明樹脂材料で形成し
た場合、全反射角は４５°になる。これに合わせて段差
部２１の傾斜角を４５°に設定すれば、コリメータレン
ズ６０で平行化された照明光は段差部２１でほぼ全反射
された後、パネルにほぼ垂直に入射する。係る構成を有
する導光板は例えばスタンパを用いて樹脂材料で加工す
れば、安価に製造可能である。又、パネル側の画素配列
ピッチに応じて段差部２１の配列ピッチを設計すれば、
両者の間に生じるモアレを最小化することができる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
反射型のパネルの上に導光板を配し、且つ導光板の端部
に補助照明用の光源を配している。導光板は通常外光を
透過してパネルに入射し且つパネルから反射した外光を
出射する一方、必要に応じ照明光を導光してパネルに入
射し且つパネルから反射した照明光を出射する。暗い環
境下では光源を点灯することにより、反射型のパネルで
あっても画像が観察できる様にしている。一方、外光が
豊富な明るい環境下では光源を消灯して電力の節約を図
っている。又、本発明によれば、導光板は帯状に分割さ
れた平面部及び各平面部の間に位置する帯状の段差部を
有しており、光源から前方に向って導かれた照明光を各
段差部で反射して偏光子を介しパネル側に入射する。こ
の際、偏光子はその透過軸が導光板に形成された帯状の
段差部と平行となる様に配されている。これにより、偏
光子で吸収される照明光量が減少し、パネルをより明る
く照明光することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る反射型表示装置の基本的な構成を
示す模式図である。

【図２】本発明に係る反射型表示装置の実施例を示す部
分断面図である。

【図３】図２に示した実施例に組み込まれる導光板の光
学的な機能を示す説明図である。

【図４】図２に示した反射型表示装置に組み込まれる導
光板を示す模式的な平面図、断面図及び部分拡大図であ
る。

【図５】本発明に係る反射型表示装置の全体構成を示す
斜視図である。

【図６】図５に示した表示装置に組み込まれる光源に用
いるコリメータレンズを示す斜視図である。

【図７】図５に示した反射型表示装置に組み込まれる導
光板を示す模式的な断面図である。

【図８】従来の表示装置の一例を示す模式図である。

【符号の説明】

０・・・パネル、１・・・基板、２・・・基板、４・・
・偏光子、２０・・・導光板、２１・・・段差部、２２
・・・平面部、３０・・・光源

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外光を直線偏光に変換する偏光子、外光
   の入射側に位置する透明な第１基板、所定の間隙を介し
   て該第１基板に接合し反射側に位置する第２基板、該間
   隙内に保持された電気光学物質及び該第１基板と第２基
   板の少くとも一方に形成され該電気光学物質に電圧を印
   加する電極を備えたパネルと、 該第１基板の外側で且つ該偏光子より上に配された透明
   な導光板と、 該導光板の端部に配され必要に応じて照明光を発生する
   光源とを有する反射型表示装置であって、 前記導光板は、通常外光を透過して該第１基板に入射し
   且つ該第２基板から反射した外光を出射する一方、必要
   に応じ照明光を導光して該第１基板に入射し且つ該第２
   基板から反射した照明光を出射するものであり、 前記導光板は帯状に分割された平面部及び各平面部の間
   に位置する帯状の段差部を有しており、該光源から前方
   に向って導かれた照明光を各段差部で反射して第１基板
   に入射するとともに、第２基板から反射した照明光を各
   平面部から出射し、 前記偏光子はその吸収軸が該導光板に形成された帯状の
   段差部と直交する様に配されていることを特徴とする反
   射型表示装置。
2. 【請求項２】 前記導光板は該光源が位置する端部から
   前方に向って厚みが減少していることを特徴とする請求
   項１記載の反射型表示装置。
3. 【請求項３】 前記導光板の段差部は、平面部に対して
   ４０°ないし５０°の範囲で傾斜していることを特徴と
   する請求項１記載の反射型表示装置。
4. 【請求項４】 前記パネルは、ツイスト配向した液晶層
   を電気光学物質として用いるとともに、第２基板側に位
   置し外光を散乱反射する光反射層と、該液晶層と該光反
   射層の間に介在する偏光層とを有することを特徴とする
   請求項１記載の反射型表示装置。