KR19980080804A

KR19980080804A - 전방 조명 장치 및 이 장치를 구비한 반사형 액정 표시 장치

Info

Publication number: KR19980080804A
Application number: KR1019980010782A
Authority: KR
Inventors: 사와야마유따까
Original assignee: 쯔지하루오; 샤프가부시끼가이샤
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 1998-11-25
Also published as: KR100295079B1; CN1120995C; JPH10268307A; US6048071A; TW496991B; CN1195120A; JP3231655B2

Abstract

반사형 LCD 등의 액정 셀의 전방면에 배치하여 사용되는 프런트 라이트는, 도광체에서 광원으로부터의 빛이 입사하는 입사면이, 액정 셀에의 빛의 출사면이 되는 계면의 법선에 대해 경사지도록 배치되어 있다.

Description

전방 조명 장치 및 이 장치를 구비한 반사형 액정 표시 장치

본 발명은, 피조명물과 관찰자 사이에 배치되어 사용되고, 피조명물에 빛을 조사함과 동시에 피조명물로부터의 반사광을 관찰자가 인식할 수 있게 반사광을 투과시키도록 구성된 전방 조명 장치와, 상기 전방 조명 장치를 보조 광원으로서 구비한 반사형 액정 표시 장치에 관한 것이다.

액정 표시 장치는, CRT(Cathode Ray Tube), PDP(Plasma Display Panel), 혹은 EL(Electro Luminescence) 등의 다른 디스플레이와는 달리, 액정 그 자체는 발광하지 않고, 특정한 광원으로부터의 빛의 투과 광량을 조절함에 따라 문자나 화상을 표시한다.

종래의 액정 표시 장치(이하, LCD : Liquid Crystal Display라고 칭함)는, 투과형 LCD와, 반사형 LCD로 구별하는 것이 가능하다. 투과형 LCD는, 액정 셀의 배면에 광원(배면 광)으로서의, 형광관이나 EL등의 면 발광 광원이 배치된다.

한편, 반사형 LCD는 주위광을 이용하여 표시를 행하기 때문에, 백 라이트가 필요치 않으며, 소비 전력이 적다는 이점이 있다. 또한, 직사 일광이 닿는 매우 밝은 장소에서, 발광형 디스플레이나 투과형 LCD는 표시가 거의 보이지 않는데 반해 반사형 LCD에서는 보다 선명하게 보인다. 이 때문에, 반사형 LCD는 최근 점차 수요가 증가되는 휴대 정보 단말기나 모빌 컴퓨터에 적용되고 있다.

단, 반사형 LCD는 이하의 문제점이 있다. 즉, 반사형 LCD는 주위광을 이용하므로, 표시 휘도가 주변 환경에 의존하는 정도가 매우 높아 특히 야간시 등의 어둠에서는 표시를 전혀 인식할 수 없는 경우도 있다. 특히, 색채화를 위해 컬러 필터를 이용한 반사형 LCD나, 편광판을 이용한 반사형 LCD에서는상기 문제점은 중대하며, 충분한 주위광을 얻을 수 없는 경우에 대비하여 보조 조명이 필요해진다.

그러나, 반사형 LCD는 액정 셀의 배면에 반사판이 설치되어 있으며, 투과형 LCD와 같은 백 라이트를 이용할 수 없다. 반사판으로서 하프 미러를 이용한 반투과형 LCD라고 불리는 장치도 제안되고 있지만, 그 표시 특성은 투과형이라고도, 반사형이라고도 할 수 없는 어중간한 것이 되어 실용화는 어렵다고 생각되어진다.

그래서, 주위가 어두운 경우의 반사형 LCD의 보조 조명으로서, 액정 셀의 전방면에 배치하기 위한 프런트 라이트 시스템이, 종래부터 제안되고 있다. 상기 프런트 라이트 시스템은, 일반적으로 도광체와, 도광체의 측면에 배치된 광원을 구비한다. 도광체 측면으로부터 입사한 광원 빛은 도광체 내부를 통하여 진행하며, 도광체 표면에 만들어진 형상에 의해 반사되어 액정 셀로 출사한다. 출사한 빛은, 액정 셀을 투과하면서 표시 정보를 따라 조광하고, 액정 셀의 배면측에 배치된 반사판에서 반사됨에 따라 다시 도광체를 투과하여 관찰자측으로 출사된다. 이에 따라, 관찰자는 주위광량이 불충분할 때라도 표시의 인식이 가능해진다.

또, 이러한 프런트 라이트는 예를 들면 특개평5-158034호 공보, SID DIGEST P.375(1995)등에 개시되어 있다.

여기서, SID DIGEST P.375(1995)에 개시된 프런트 라이트 시스템의 동작 원리에 대해, 도 26을 참조하면서 간단히 설명한다. 상기 프런트 라이트 시스템에서 평탄부(101a) 및 경사부(10lb)로 형성되는 계면(101)을 갖는 도광체(104)의 한쪽 측면을, 광원(106)으로부터의 빛이 입사하는 입사면(105)으로 한다. 즉, 광원(106)은 도광체(104)의 입사면(105)에 대향하는 위치에 배치되어 있다.

광원(106)으로부터 입사면(105)을 통해 도광체(104)로 입사한 빛 중, 어떤 것은 직진하고, 어떤 것은 도광체(104)와 그 주변 매질과의 계면(101·108)으로 입사한다. 이 때, 도광체(104)의 주변 매질이 공기인 것으로하고, 도광체(104)의 굴절율이 1.5정도라고 하면, 스넬의 법칙(식 1)으로부터, 계면(101·108)에 대한 입사각이 약 41.8°이상의 빛은, 계면(101·108)에서 전반사하는 것을 알 수 있다.

n_1·Sinθ₁=n₂·Sinθ₂

θ_C=arcsin(n₂/n₁) ···(식1)

단, n₁은 제1 매질[여기서는 도광체(104)]의 굴절율,

n₂는 제2 매질(여기서는 공기)의 굴절율,

θ₁은 도광체(104)로부터 계면(101)에의 입사각,

θ₂는 계면(101)으로부터 제2 매질에의 출사각,

θ_C는 임계각 이다.

계면(101·108)에 입사한 빛 중에서 반사면인 경사부(101b)에서 전반사한 빛과, 계면(108)에서 전반사한 후, 계면(101)의 경사부(101b)에서 반사한 빛은, 액정 셀(110)로 입사한다. 액정 셀(110)에 입사한 빛은, 도시하지 않은 액정층에 의해 조광된 후, 액정 셀(110)의 배면에 설치된 반사판(111)에 의해 반사되고, 도광체(104)로 다시 입사하여 평탄부(101a)를 투과하고, 관찰자(109) 측으로 출사된다.

또한, 광원(106)으로부터 입사면(105)을 거쳐, 경사부(101b)가 아닌 평탄부(101a)로 입사한 빛은, 계면(101)과 계면(108) 사이에서 경사부(101b)에 이를 때까지 전반사를 반복하면서 전파한다. 또, 관찰자(109)측으로부터 본 경사부(101b)의 면적은, 평탄부(101a)의 면적에 비교해서 충분히 작게 형성되어 있다.

상기 종래의 프런트 라이트 시스템은, 이하의 문제를 갖는다.

(1) 도 27에 도시된 바와 같이, 전반사를 반복해도 경사부(101b)에 도달할 수 없는 빛이나, 입사면(105)에 대해 거의 수직으로 입사한 빛은, 입사면(105)에 대향하는 면(107)으로부터 도광체(104)의 밖으로 출사하는 빛(114)이 되어, 표시에 이용될 수 없다. 즉, 빛의 이용 효율이 나쁘다.

(2) 경사부(101b)와 평탄부(101a)로 구성되는 계면(101)의 형상은, 정확히 프리즘 시트(prism sheet)의 정점을 평평하게 한 형상과 유사하며, 도 27에 도시된 바와 같이 주위광(115)이 관찰자(109)를 향해 반사되기 용이하여 표시 품위의 저하로 이어진다.

이들 문제는, 종래의 프런트 라이트 시스템의 대부분에 공통적이므로, 광원 빛의 이용 효율을 향상시키는 것이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 광원과, 광원으로부터의 빛을 피조명물로 유도하는 도광체를 구비하고, 피조명물의 전방에 배치되어 사용되는 전방 조명 장치로서, 광원 빛을 유효하게 이용할 수 있는 전방 조명 장치를 제공하는 것과, 이러한 전방 조명 장치를 구비함에 따라 주위광이 충분하지 않은 경우에도 밝은 표시가 가능한 반사형 액정 표시 장치를 제공하는 것에 있다.

상기된 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른, 광원 및 도광체를 구비하고, 피조명물의 전방에 배치되어 사용되는 전방 조명 장치에 있어서, 상기 도광체는 광원으로부터 빛을 입사하는 입사면과, 피조명물을 향해 빛을 출사하는 제1 출사면과, 상기 제1 출사면에 대향하는 제2 출사면을 포함하는 다면체이고, 상기 제1 및 제2 출사면은 상호 대략 평행하게, 또는 입사면으로부터 멀어질수록 간격이 좁아지도록 배치되고, 상기 입사면이 제1 출사면의 법선에 대해 경사져 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기된 전방 조명 장치는, 입사면으로부터 받아들인 광원 빛을 제1 출사면으로부터 피조명물로 출사하고, 피조명물로부터의 반사광을 제1 출사면을 통해 제2 출사면으로부터 관찰자측으로 출사하도록 되어 있고, 피조명물 전방에 배치되어 사용되는 것이다.

상기된 구성에 따르면, 입사면을 제1 출사면의 법선에 대해 경사져 배치함과 동시에, 제1 및 제2 출사면을 상호 대략 평행하게, 또는 입사면으로부터 멀어질수록 간격이 좁아지도록 배치함에 따라, 제1 출사면에 대해 입사면이 수직으로 형성된 구성과 비교해서 제1 출사면으로부터의 도광체의 최대 높이를 증가시키지 않고, 입사면의 면적을 크게 취할 수 있다. 이에 따라, 보다 많은 광원 빛을 받아들일 수 있고, 광원 빛을 유효하게 이용한 밝은 전방 조명 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

특히, 제1 출사면에 대한 제2 출사면의 기울기각이 0°에 가까운 경우, 즉 제1 출사면과 제2 출사면이 평행에 가까운 경우에는, 상기 구성은 다음과 같은 이점도 갖는다. 즉, 상기 경우에는 제1 출사면에 대해 입사면이 수직으로 배치되어 있다고 하면, 상기 입사면에 수직 입사한 빛 중에는, 입사면에 대향하는 면으로부터 도광체 외부로 누출되는 것도 존재한다. 이러한 누설광이 존재하면, 광원 빛의 이용 효율이 저하해 버린다. 그러나, 본 발명의 전방 조명 장치에서는 입사면이 제1 출사면의 법선에 대해 경사져 배치됨에 따라, 입사면으로부터 수직 입사한 빛은, 제1 출사면 또는 제2 출사면 중 어느 하나에 입사하게 되므로, 입사면으로부터의 수직 입사광의 이용 효율을 향상시키는 것이 가능하다는 이점이 있다.

상기 전방 조명 장치는, 청구항 1에 기재된 구성에서 상기 입사면과 제1 출사면이 이루는 각이 둔각인 구성으로 해도 좋다.

입사면과 제1 출사면이 예각을 이루는 경우, 입사면으로부터 직접 제1 출사면으로 입사하는 성분이 존재한다. 상기 성분은, 제1 출사면에 대해 매우 큰 입사각으로 입사하고, 또 광원 빛의 확대도 고려하면, 제1 출사면에 90°에 가까운 입사각으로 입사하는 성분도 포함한다. 이들 성분은, 제1 출사면에서 반사하고, 미광이 되어 제2 출사면으로부터 관찰자측으로 출사하므로 피조명물 상의 표시 품위를 열화시킨다는 문제를 발생시킨다.

이에 대해, 상기된 바와 같이 입사면이 제1 출사면에 대해 둔각을 이루는 본 발명의 구성에 따르면, 입사면으로부터 직접 제1 출사면으로 입사하여 미광이 되는 성분을 감소시키는 것이 가능하다. 이 결과, 광원 빛의 이용 효율이 높고, 또한 선명한 피조명물의 상을 얻는 것이 가능한 전방 조명 장치를 제공할 수 있다.

상기 전방 조명 장치는, 도광체 입사면 및 제1 출사면에 수직인 평면에서의 단면 형상이 삼각형이 되는 구성으로 해도 좋다.

상기된 구성은, 도광체가 완전한 설형(wedge-shaped, 楔型)으로 형성되기 때문에, 광원으로부터 도광체로 입사한 빛 중 제1 출사면에 평행한 성분이 도광체의 밖으로 빠지는 일이 없다. 이에 따라, 광원 빛의 이용 효율이 더욱 향상된다는 이점이 있다.

상기 전방 조명 장치는, 제1 및 제2 출사면이 상호 대략 평행하게 배치되며 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 도광체에 입사한 후의 빛의 확대각을 ±γ, 제2 출사면의 경계각을 θ_c2로 하면, 아래의 부등식이 충족되도록 구성될 수 있다.

θ_c2≤ 90°-β-γ

상기 부등식을 만족하도록 β 및 γ의 값을 설정함으로써, 제2 출사면에 입사한 빛은 상기 제2 출사면에서 전반사하고, 관찰자측으로 누출되는 일은 없다. 이 결과, 광원 빛을 낭비없이 피조명물로 출사시키는 것이 가능해지고, 광원 빛의 이용 효율을 향상함과 동시에, 관찰자측으로 쓸데없는 빛이 새는 것이 방지되므로, 선명한 피조명물 상을 얻을 수 있다.

상기 전방 조명 장치는, 제1 및 제2 출사면이 입사면으로부터 멀어짐에 따라서, 간격이 좁아지도록 배치되며, 제1 출사면에 대한 제2 출사면의 기울기각을 α, 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 도광체에 입사한 후의 빛의 확대각을 ±γ, 제2 출사면의 경계각을 θ_c2로 하면, 하기의 부등식이 충족되도록 구성될 수 있다.

θ_CS≤ 90°-β-α-γ

상기된 부등식을 만족하도록 α, β, γ의 값을 설정함으로써, 제2 출사면에 입사한 빛은 상기 제2 출사면에서 전반사하고, 관찰자측으로 누출되지 않는다. 이 결과, 광원 빛을 낭비없이 피조명물로 출사시키는 것이 가능해지고, 광원 빛의 이용 효율을 향상함과 동시에, 관찰자측으로 쓸데 없는 빛이 새는 것이 방지되므로, 선명한 피조명물 상을 얻을 수 있다.

상기 전방 조명 장치는, 광원과 입사면 사이에 광원으로부터의 빛의 확대를 제한하는 빛 제어 수단을 더 구비하도록 구성될 수 있다.

광원으로부터의 빛의 대부분은 제2 출사면으로부터 반사하지만, 상기 제2 출사면으로부터 전반사되지 않고 도광체 외부로 새는 성분을 적게 하기 위해서는, 광원으로부터의 빛에 어느 정도의 지향성을 갖게 하여 제2 출사면으로 경계각보다도 작은 각도로 입사하는 성분을 적게 하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 상기된 구성은 광원으로부터의 빛의 확대를 제한하는 빛 제어 수단을 구비함으로써, 제2 출사면으로부터의 누설 광이 적어지고, 빛의 이용 효율이 더욱 향상되며, 피조명물 상이 번지거나 흐려지는 것이 방지된다. 이 결과, 밝고 선명한 피조명물 상을 구현하는 전방 조명 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

상기 빛 제어 수단을 구비한 구성에서, 또한 제1 및 제2 출사면이 상호 대략 평행하게 배치되며, 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 도광체의 굴절율을 n₁, 상기 빛 제어 수단에 의해 제한된 빛의 확대각을 ±δ로 하면, 하기의 부등식이 충족되는 구성으로 해도 좋다.

arcsin[(sinδ)/n₁]β

상기 부등식의 좌측변은, 빛 제어 수단에 의해 확대가 제한된 빛이 도광체로 입사한 후의 확대각 γ이다. 상기 부등식이 만족될 때, 입사면으로부터 입사한 모든 빛이, 일단 제2 출사면에서 반사되고, 일정한 입사각으로 제1 출사면에 입사한다. 이에 따라, 입사면으로부터 직접 제1 출사면으로 입사하여 미광이 되는 성분을 감소시키는 것이 가능하다. 이 결과, 광원 빛의 이용 효율이 높고, 또한 선명한 피조명물의 상을 실현하는 전방 조명 장치를 제공할 수 있다.

상기 빛 제어 수단을 구비한 구성에서, 또한 제1 및 제2 출사면이 입사면으로부터 멀어질수록 간격이 좁아지도록 배치되며, 제1 출사면에 대한 제2 출사면의 기울기각을 α, 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 도광체의 굴절율을 n₁, 상기 빛 제어 수단에 의해 제한된 빛의 확대각을 ±δ, 제2 출사면의 경계각을 θ_c2로 하면, 하기의 부등식이 충족되는 구성으로 해도 좋다.

arcsin[(sinδ)/n₁] β+2α

상기 부등식의 좌측변은, 빛 제어 수단에 의해 확대가 제한된 빛이 도광체로 입사한 후의 확대각 γ이다. 상기된 부등식이 만족됐을 때, 입사면으로부터 입사한 모든 빛이, 일단 제2 출사면에서 반사되고, 일정한 입사각으로 제1 출사면에 입사한다. 이에 따라, 입사면으로부터 직접 제1 출사면으로 입사하여 미광이 되는 성분을 감소시키는 것이 가능하다. 이 결과, 광원 빛의 이용 효율이 높고, 또한 선명한 피조명물의 상을 구현하는 전방 조명 장치를 제공할 수 있다.

상기 전방 조명 장치는, 광원으로부터의 빛을, 도광체의 입사면만으로 집광하는 집광 수단을 더 구비한 구성으로 해도 좋다.

상기된 구성에 따르면, 광원 빛의 손실을 더욱 적게 할 수 있으므로, 광원 빛의 이용 효율이 더욱 향상되고 보다 밝은 전방 조명 장치를 구현할 수 있다.

상기 전방 조명 장치는, 상기 도광체를 제1 도광체로 하면, 상기 제1 도광체의 제1 출사면의 외측에, 상기 제1 출사면으로부터의 출사광을 투과시키면서, 상기 제1 출사면으로부터의 출사광에 비해 제1 출사면의 법선 방향에 더 가까운 방향으로 빛을 출사하는 제2 도광체를 더 구비하도록 구성될 수 있다.

상기된 구성에 따르면, 제2 도광체를 구비함에 따라 전방 조명 장치로부터의 빛의 출사 방향을, 제1 출사면의 법선 방향으로 더 가까이 할 수 있다. 이에 따라, 피조명물에 조사한 빛의 반사광이 제1 출사면으로 되돌아가기 쉬우므로, 광원 빛을 낭비없이 조명으로 이용할 수 있고, 보다 밝은 피조명물 상을 구현하는 전방 조명 장치를 제공할 수 있다. 또한, 상기 제2 도광체가 전방 조명 장치로부터의 빛의 출사 방향을 제1 출사면의 법선 방향으로 가까이 함에 따라서, 반사 모드(전방 조명 장치를 사용하지 않은 경우)에서 관찰자가 표시 확인을 행하는 시각 범위와, 전방 조명 장치를 이용한 경우의 관찰자의 시각 범위가, 대체적으로 일치한다는 이점도 있다.

상기 제2 도광체를 구비한 구성에서, 제2 도광체가 빛을 산란시키는 광산란체인 구성으로 해도 좋다.

상기된 구성에 따르면, 전방 조명 장치로부터의 빛의 출사 방향을, 제1 출사면의 법선 방향에 가까이 할 수 있음과 동시에, 산란광에 의해 피조명물을 얼룩없이 조명할 수 있다. 이 결과, 광원 빛을 낭비없이 조명으로 이용할 수 있어, 보다 밝고 선명한 피조명물 상을 구현하는 전방 조명 장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 제2 도광체로서 광산란체를 구비한 구성으로서, 광산란체는 전방 산란체로 구성될 수 있다.

상기 구성에 따르면, 제2 도광체로서의 광산란체가, 제1 도광체로부터 입사된 빛을, 상기 빛의 진행 방향측으로만 산란시키는 전방 산란체인 것에 따라, 제1 도광체로부터 입사한 빛의 후방 산란이 없어진다. 이에 따라, 빛의 이용 효율이 더욱 향상되며, 후방 산란광에 의해 피조명물의 상이 열화하는 것이 방지된다. 이 결과, 밝고, 또한 피조명물의 선명한 상을 실현하는 전방 조명 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

혹은, 상기 제2 도광체로서 광산란체를 구비한 구성으로서, 광산란체가 소정의 각도 범위로부터 입사한 빛만을 산란시키는 이방성 산란체이고, 제1 도광체로부터의 출사광이 제2 도광체로 입사하는 각도 범위 중 적어도 일부가, 상기 소정의 각도 범위에 포함되는 구성으로 해도 좋다.

상기된 구성에 따르면, 제2 도광체로서의 광산란체가 산란되는 입사광의 각도 범위로 제1 도광체로부터의 출사광이 입사함에 따라서, 예를 들면 관찰자의 방향으로 출력하는 빛 등, 상기 소정의 각도 범위이외의 입사광에는 상기 이방성 산란체는 작용하지 않으므로, 불필요한 산란광에 의해 피조명물의 상이 열화하는 것이 방지된다. 또한, 제1 도광체로부터의 출사광을 효율적으로 산란시킬 수 있어, 빛의 이용 효율이 더욱 향상한다. 이 결과, 밝고 또한 피조명물의 선명한 상을 실현하는 전방 조명 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 제2 도광체를 구비한 구성에서, 제2 도광체가 빛을 회절시키는 회절 소자라도 좋다.

또한, 상기 회절 소자가 소정의 각도 범위내의 입사각을 갖는 빛만을 회절시키고, 도광체로부터 회절 소자 내로 출사광의 적어도 일부분이 상기 소정의 각도 범위에 포함되는 입사각을 갖는 구성이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 제2 도광체로서의 회절 소자가 회절하는 입사광의 각도 범위로 제1 도광체로부터의 출사광이 입사함에 따라서, 예를 들면 관찰자의 방향으로 출력하는 빛 등, 상기 소정의 각도 범위이외의 입사광에 대해서는, 상기 회절 소자는 작용하지 않으므로, 불필요한 회절광에 의해 피조명물의 상이 열화하는 것이 방지된다. 또한, 제1 도광체로부터의 출사광을 효율적으로 이용할 수 있어, 빛의 이용 효율이 더욱 향상한다. 이 결과, 밝고 또한 피조명물의 선명한 상을 실현하는 전방 조명 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

혹은, 제2 도광체가 회절 소자인 구성에서 ,상기 회절 소자가 홀로그램인 구성으로 해도 좋다.

홀로그램은, 이방성 산란판등과 비교하여 출력광을 특정한 각도 범위로 정밀도 좋게 제어하는 것이 용이하다. 이에 따라, 제2 도광체로서 홀로그램을 이용함에 따라서, 제1 도광체로부터의 빛의 출사 방향을 원하는 각도 범위로 정밀도 좋게 제어할 수 있고, 지향성이 우수한 전방 조명 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 제2 도광체를 구비한 구성에서 제1 도광체와 제2 도광체 사이에 이들 도광체 사이에 존재하는 광학적 계면에서의 굴절율차를 완화시키는 충전제가 채워지는 것이 바람직하다.

제1 도광체와 제2 도광체사이에 공기층이 존재하는 경우와 비교하면, 상기 구성은 제1 도광체와 제2 도광체사이에 존재하는 광학적 계면에서의 굴절에 의한 빛의 감쇠가 억제된다. 이 결과, 광원 빛의 이용 효율이 더욱 향상되어, 보다 밝은 면광원으로서의 전방 조명 장치를 실현할 수 있다. 또, 제1 도광체 및 제2 도광체 중 적어도 한쪽 굴절율과, 충전제의 굴절율을 동일하게 하면, 제1 도광체와 제2 도광체 사이의 광학적 계면의 수를 감소시킬 수 있으므로, 상기 구성은 더 효과적이다.

또한, 상기 충전제를 갖는 구성에서 제1 도광체에서의 제1 및 제2 출사면이 상호 대략 평행하게 배치되며, 제1 도광체에서 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 제1 도광체에 입사한 후의 빛의 확대각을 ±γ, 제1 도광체에서의 제1 출사면의 경계각을 θ_c1로 하면, 하기 부등식이 충족되는 구성으로 해도 좋다.

θ_c190°-β+γ

상기된 부등식이 만족됐을 때, 제1 출사면으로 유도되는 빛은 상기 제1 출사면에서 반사되지 않고 출력된다. 이에 따라, 제2 출사면 방향, 즉 관찰자 방향으로 생기는 미광을 감소시킬 수 있다. 이 결과, 피조명물의 선명한 상을 실현하는 전방 조명 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

혹은, 상기 충전제를 갖는 구성에서, 제1 도광체에서의 제1 및 제2 출사면이 입사면으로부터 멀어질수록 간격이 좁아지도록 배치되며, 제1 도광체에서 제1 출사면에 대한 제2 출사면의 기울기각을 α, 제1 도광체에서 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 제1 도광체에 입사한 후의 빛의 확대각을 ±γ, 제1 도광체에서의 제1 출사면의 경계각을 θ_c1로 하면, 하기 부등식이 충족되는 구성으로 해도 좋다.

θ_c190°-β-2α+γ

상기 부등식이 만족됐을 때, 제1 출사면으로 유도되는 빛이, 상기 제1 출사면에서 반사되지 않고 출력된다. 이에 따라, 제2 출사면 방향 즉 관찰자 방향으로 생기는 미광을 감소시킬 수 있다. 이 결과, 피조명물의 선명한 상을 실현하는 전방 조명 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 반사형 액정 표시 장치는 반사판을 갖는 반사형 액정 소자를 구비함과 동시에, 상기 반사형 액정 소자의 전방면에 본 발명에 따른 상기 전방 조명 장치가 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 구성은, 예를 들면 한낮의 옥외등과 같이 충분한 주위광량이 있는 경우에는, 전방 조명 장치를 소등한 상태에서 사용하는 한편, 충분한 주위광량을 얻을 수 없을 때에는, 전방 조명 장치를 점등하여 사용할 수 있다. 이 결과, 주위 환경에 상관없이, 항상 밝은 고품위의 표시를 실현할 수 있는 반사형 액정 표시 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

이 때, 반사형 액정 소자와 전방 조명 장치 사이에 상기 반사형 액정 소자와 전방 조명 장치사이에 존재하는 광학적 계면에서의 굴절율차를 완화시키는 충전제가 채워지는 것이 바람직하다.

반사형 액정 소자와 전방 조명 장치사이에 공기층이 존재하는 경우와 비교하면, 상기 구성은 반사형 액정 소자와 전방 조명 장치 사이에 존재하는 광학적 계면에서의 굴절에 의한 빛의 감쇠가 억제된다. 이 결과, 광원 빛의 이용 효율이 더욱 향상되고, 보다 밝은 표시가 가능한 반사형 액정 표시 장치를 실현할 수 있다.

또한, 전방 조명 장치의 도광체에서의 제1 및 제2 출사면이 상호 대략 평행하게 배치되며, 전방 조명 장치의 도광체에서의 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 상기 도광체로 입사한 후의 빛의 확대각을 ±γ, 제1 출사면의 경계각을 θ_c1로 하면, 하기의 부등식이 충족되는 것이 바람직하다.

θ_c190°-β+γ

상기 부등식이 만족됐을 때, 제1 출사면으로 유도되는 빛이, 상기 제1 출사면에서 반사되지 않고, 액정 소자로 출력된다. 이에 따라, 광원 빛의 이용 효율을 향상시킴과 동시에, 제2 출사면 방향 즉 관찰자 방향으로 생기는 미광을 감소시킬 수 있다. 이 결과, 밝고 또한 표시 품위가 우수한 반사형 액정 표시 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

혹은, 전방 조명 장치의 도광체에서의 제1 및 제2 출사면이, 입사면으로부터 멀어질수록 간격이 좁아지도록 배치되며, 전방 조명 장치의 도광체에서의 제1 출사면에 대한 제2 출사면의 기울기각을 α, 상기 도광체의 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 상기 도광체에 입사한 후의 빛의 확대각을 ±γ, 제1 출사면의 경계각을 θ_c1로 하면, 하기의 부등식이 충족되는 구성으로 해도 좋다.

θ_c190°-β-2α+γ

상기 반사형 액정 표시 장치는 광원으로부터의 빛을, 도광체의 입사면으로만 집광하는 집광 수단을 더 구비하도록 구성할 수 있다.

상기 구성에 따르면, 광원 빛의 손실을 더욱 적게 할 수 있으므로, 광원 빛의 이용 효율을 더욱 향상시키며, 보다 밝은 표시가 가능한 반사형 액정 표시 장치를 제공하는 것이 가능해진다. 또한, 광원 빛이 액정 소자의 전극 기판등의 다른 굴절율체로 직접 입사하는 것을 방지할 수 있으므로, 미광이나 관찰자 방향으로 산란하는 성분등을 감소시킬 수 있다. 이 결과, 선명한 화상의 표시가 가능한 반사형 액정 표시 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적, 특징, 및 우수한 점은 아래에 기재된 것으로 충분히 알 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 이익은, 첨부 도면을 참조한, 다음 설명으로 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 반사형 LCD의 구성을 나타낸 단면도.

도 2a는 상기 반사형 LCD의 프런트 라이트가 구비된 도광체에서의 빛의 거동을 나타낸 설명도이고 도 2b는 도광체와의 비교예로서 제1 출사면에 수직인 입사면을 갖는 구성에서의 빛의 거동을 나타낸 설명도.

도 3은 상기 반사형 LCD의 프런트 라이트가 구비되는 프리즘 시트의 집광 특성을 나타낸 그래프.

도 4는 상기 프리즘 시트에 의해 집광된 빛이 도광체에 입사한 후의 거동을 나타낸 설명도.

도 5는 상기 프런트 라이트의 조명광 강도를 측정하기 위해 이용한 측정계를 나타낸 설명도.

도 6은 도 5에 도시된 측정계에 의해 측정된 조명광 강도를 나타낸 그래프.

도 7a는 발광형 디스플레이로부터의 출사광과 주위광과의 관계를 나타낸 모식도이고, 도 7b는 상기 반사형 LCD로부터의 출사광과 주위광과의 관계를 나타낸 모식도.

도 8a 및 도 8b는 입사광의 확대를 제한하기 위해, 확산판 및 프리즘 시트를 대신하여 적용할 수 있는 다른 구성예를 나타낸 설명도.

도 9는 본 발명에 따른 다른 실시 형태로서의 반사형 LCD의 구성을 나타낸 단면도.

도 10a는 도 9에 도시된 반사형 LCD가 구비한 도광체에서의 빛의 거동을 나타낸 설명도이고, 도 10b는 비교예로서의 도광체에서의 빛의 거동을 나타낸 설명도.

도 11a는 도 9에 도시된 반사형 LCD가 구비된 도광체에서의 빛의 거동을 나타낸 설명도이고, 도 11b는 비교예로서의 도광체에서의 빛의 거동을 나타낸 설명도.

도 12는 프리즘 시트에 의해 집광된 빛이, 도광체에 입사한 후의 거동을 나타낸 설명도.

도 13은 도 9에 도시된 반사형 LCD가 구비된 프런트 라이트의 조명광 강도를 나타낸 그래프.

도 14는 도 9에 도시된 반사형 LCD의 변형예의 구성을 나타낸 단면도.

도 15는 본 발명에 대한 또 다른 실시 형태로서의 반사형 LCD의 구성을 나타낸 단면도.

도 16은 도 15에 도시된 반사형 LCD에서의 빛의 거동을 나타낸 설명도.

도 17은 도 15에 도시된 반사형 LCD가 구비된 프런트 라이트 시스템으로서, 제2 도광체로서 이방성 산란판을 이용한 프런트 라이트 시스템의 조명광 강도를 나타낸 그래프.

도 18은 도 15에 도시된 반사형 LCD에서 제1 도광체로부터 제2 도광체에의 빛의 입사 범위를 나타낸 설명도.

도 19는 일반적인 홀로그램의 작성 방법을 나타낸 설명도.

도 20a 내지 도 20d는 도 9에 도시된 반사형 LCD의 제2 도광체로서 이용되는 홀로그램의 제조 공정의 주요부를 나타낸 설명도.

도 21은 도 15에 도시된 반사형 LCD가 구비된 프런트 라이트 시스템으로서, 제2 도광체로서 홀로그램을 이용한 프런트 라이트 시스템의 조명광 강도를 나타낸 그래프.

도 22는 본 발명에 따른 또 다른 실시 형태로서의 반사형 LCD에 적용되는 프리즘 시트의 집광 특성을 나타낸 그래프.

도 23은 상기 반사형 LCD가 구비된 프런트 라이트 시스템의 조명광 강도를 나타낸 그래프.

도 24는 상기 반사형 LCD에 설치된 반사경에 의해 도광체의 입사면에만 집광된 빛의 거동을 나타낸 설명도.

도 25는 도 24와의 비교를 위해, 도광체의 입사면 및 액정 셀 측면의 양방에 입사한 빛의 거동을 나타낸 설명도.

도 26은 종래의 보조 조명 부착 반사형 LCD의 개략 구성과 함께, 상기 반사형 LCD에서의 빛의 거동을 나타낸 설명도.

도 27은 상기 종래의 반사형 LCD 에서의 빛의 거동을 나타낸 설명도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 액정 셀

11a, 11b : 전극 기판

12 : 액정층

14a, 14b : 유리 기판

15a, 15b : 투명 전극

16a, 16b : 액정 배향막

17 : 반사판

18 : 편광판

19 : 충전제

20 : 프런트 라이트

24 : 도광체

26 : 광원

27 : 반사경

81 : 프리즘 시트

82 : 확산판

〔제1 실시 형태〕

본 발명의 제1 실시 형태에 대해 도 1 내지 도 8에 기초하여 설명하면, 아래와 같다.

본 실시 형태에 따른 반사형 LCD는, 도 1에 도시된 바와 같이 반사형 액정 셀(10)(반사형 액정 소자)의 전방면에 프런트 라이트(20)(전방 조명 장치)를 구비한 구성이다.

프런트 라이트(20)는, 주로 광원(26) 및 도광체(24)에 의해 구성되어 있다. 광원(26)은, 예를 들면 형광관등의 선형 광원이고, 도광체(24)의 측면(입사면(25))을 따라 배치된다. 도광체(24)는 액정 셀(10)측의 계면(28)(제1 출사면)과, 상기 계면(28)에 대향하는 계면(23)(제2 출사면)이, 모두 평탄하게 형성되어 있다. 또한, 계면(23)과 계면(28)은, 상호 평행하게 배치되어 있다.

광원(26)으로부터의 빛이 입사하는 입사면(25)은, 계면(28)에 대해 둔각을 이루도록 경사져 설치된다. 광원(26)과 도광체(24)의 입사면(25) 사이에는, 광원(26)으로부터 입사면(25)으로 입사하는 빛의 확대각을 제한하기 위한 빛 제어 수단으로서, 프리즘 시트(81) 및 확산판(82)이 설치되어 있다.

도광체(24)는, 예를 들면 PMMA(polymethylmetacrylate) 등을 이용하여 사출성형에 의해 형성할 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 실시 형태에 따른 도광체(24)는, 두께 5㎜, 길이 40㎜, 폭 40㎜로 형성되어 있다. 입사면(25)이, 계면(28)의 법선에 대해 이루는 각β는 22°이다. 즉, 입사면(25)과 계면(28)이 이루는 각은, 112°이다. 또, 입사면(25) 및 계면(23)에 광학 연마를 하는 것이 바람직하다.

다음에, 액정 셀(10)의 구성 및 그 제조 방법에 대해 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 액정 셀(10)은 기본적으로 한쌍의 전극 기판(11a·11b)이 액정층(12)을 협지한 구성이다. 전극 기판(11a)은, 광 투과성을 갖는 유리 기판(14a) 상에 투명 전극(15a)이 설치되고, 상기 투명 전극(15a)을 덮도록 액정 배향막(16a)이 형성되어 이루어진다.

상기 유리 기판(14a)은, 예를 들면 코닝사 제조의 유리 기판(상품명:7059)으로 실현할 수 있다. 투명 전극(15a)은, 예를 들면 ITO (Indium Tin 0xide)를 재료로 한다. 액정 배향막(16a)은, 예를 들면 일본 합성 고무사 제조의 배향막 재료(상품명:AL-4552)를, 투명 전극(15a)이 형성된 유리 기판(14a) 위에 스핀코팅으로 도포하고, 배향 처리로서 러빙 처리를 함으로써 작성된다.

전극 기판(11b)도, 상기 전극 기판(11a)과 마찬가지로 유리 기판(14b), 투명 전극(15b), 및 액정 배향막(16b)을 순차적으로 적층함으로써 작성된다. 또, 전극 기판(11a·11b)에 대해, 필요에 따라 절연막등을 형성해도 좋다.

전극 기판(11a·11b)은 액정 배향막(16a·16b)이 대향하도록, 또한 러빙 처리의 방향이 평행하고 또한 역방향(소위 반평행)이 되도록 배치되고, 접착제를 이용하여 접합한다. 이 때, 전극 기판(11a·11b) 사이에는 입자 지름 4.5㎛의 유리 비드 스페이서(glass bead spacers, 도시하지 않음)가 미리 살포됨에 따라 균일한 간격으로 공극이 형성되어 있다.

상기 공극에, 진공 탈기(vacuum dearation)에 의해 액정을 도입함으로써, 액정층(12)이 형성된다. 또, 액정층(12)의 재료로는 예를 들면 멜크사 제조의 액정 재료(상품명 : ZLI-3926)를 이용할 수 있다. 또, 상기 액정 재료의 △n은 0.2030이다. 단, 액정 재료는 이에 한정되는 것이 아니고, 여러가지 액정을 이용할 수 있다.

또한, 유리 기판(14b)의 외면에 반사판(17)으로서 헤어라인 가공을 실시한 알루미늄판을, 예를 들면 에폭시계(epoxy-based) 접착제에 의해 접착함과 동시에, 유리 기판(14a)의 외면에, 액정층(12)의 액정의 배향 방향과 45°를 이루도록 편광축이 설정된 편광판(18)을 설치한다. 또, 유리 기판(14a)과 편광판(18) 사이에는 굴절율을 매칭시키는 충전제(도시하지 않음)가 채워지고 있다.

이상의 공정에 의해, 반사형의 액정 셀(10)이 제조된다. 상기 액정 셀(10)에, 아래와 같이 프런트 라이트(20)를 조합함에 따라 전방 조명 장치 부착의 반사형 LCD가 제조된다. 우선, 액정 셀(10)의 편광판(18) 상에 도광체(24)를 적층시킨다. 이 때, 액정 셀(10)의 편광판(18)과 도광체(24) 사이에는 이들의 굴절율을 매칭시키는 충전제(19)가 채워진다.

충전제(19)는, 편광판(18)과 도광체(24) 사이에 존재하는 광학적 계면에서의 굴절율차를 완화시키고, 빛의 간섭이나 상기 광학적 계면에서의 반사에 의한 표시 품위의 열화등의 문제를 해결한다. 또한, 충전제(19)로서 도광체(24)와 동일한 굴절율을 갖는 것을 이용하면, 액정 셀(10)과 도광체(24) 사이의 광학적 계면의 수를 감소시킬 수 있으므로 보다 바람직하다. 또, 충전제(19)로는 예를 들면 UV 경화성 수지나, 살리실산 메틸등을 이용할 수 있다.

다음에, 도광체(24)의 입사면(25)에 대향하도록 프리즘 시트(81)와 확산판(82)을 순차적으로 배치하고, 또한 광원(26)으로서 예를 들면 형광관을 설치하고, 이들을 반사경(27)으로 둘러싼다. 반사경(27)은, 광원(26)으로부터의 빛을 입사면(25)으로만 집광시키는 집광 수단으로서 기능한다. 또, 반사경(27)으로는 예를 들면 알루미늄 테이프등을 이용할 수 있다.

이상의 공정에 의해, 보조 조명으로서의 프런트 라이트(20)를 구비한 반사형 LCD가 완성된다. 상기 반사형 LCD는 주위광이 불충분할 때는, 프런트 라이트(20)를 점등한 조명 모드로 사용하고, 충분한 주위광을 얻을 수 있을 때에는 프런트 라이트(20)를 소등한 반사 모드로 사용할 수 있다.

상기 반사형 LCD로, 도광체(24)는 유리 기판(14a)과 거의 동일한 굴절율을 갖음과 동시에 도광체(24)와 유리 기판(14a) 사이에 공극부(공기층)가 존재하지 않는다. 이에 따라, 상기 반사형 LCD는 프런트 라이트(20)를 소등한 반사 모드로 사용되는 경우라도, 도광체(24)가 표시에 악영향을 끼치는 일은 없다.

여기서, 프런트 라이트(20)에서 입사면(25)이 계면(28)의 법선에 대해 기울어 형성된 것에 의한 효과에 대해, 도 2a 및 도 2b를 참조하면서 설명한다. 도 2a는 입사면(25) 및 계면(28)에 수직인 단면에서의 도광체(24)의 구성을 나타낸 단면도이다. 도 2b는, 상기 도광체(24)와의 비교예로서의 도광체(184)의 구성을 동일하게 도시한 단면도이다. 상기 도광체(184)는, 도광체(24)와 동일한 두께를 갖고, 상호 평행한 계면(183) 및 계면(188)과, 이들의 계면에 수직인 입사면(185)을 갖는다.

우선, 도 2a 및 도 2b를 비교하는 것으로부터 분명히 알 수 있듯이 본 실시 형태의 도광체(24)는, 입사면(25)이 계면(28)의 법선에 대해 경사져 있는 것에 의해, 동일한 두께를 갖는 도광체(184)의 입사면(185)과 비교하여 입사면(25)의 면적을 크게 취할 수 있다. 즉, 본 실시 형태의 도광체(24)는 최대 두께를 증가시키지 않고, 입사면(25)의 면적을 크게 취할 수 있으므로, 보다 많은 광원 빛을 받아들일 수 있다. 이에 따라, 광원 빛의 이용 효율이 향상된다.

또한, 도 2b에 도시된 구성의 경우, 입사면(185)으로부터 입사한 광원 빛 중, 입사면(185)에 수직인 성분은 도 2b에 도시된 바와 같이 입사면(185)에 대향하는 면(186)으로부터 빠져 버린다. 즉, 도 2b에 도시된 구성으로는 광원 빛의 손실이 매우 크다. 이에 대해, 도광체(24)는 도 2a에 도시된 바와 같이 입사면(25)이 계면(28)에 대해 둔각을 이룸에 따라, 입사면(25)에 대해 수직으로 입사하는 성분은 계면(23)에 대해 입사각 θ₂로 입사하는 빛이 된다. 따라서, 도광체(24)는 입사면(25)으로부터 수직 입사하는 성분의 손실이 적으므로, 광원 빛의 이용 효율이 향상된다.

다음에, 빛 제어 수단으로서의 확산판(82) 및 프리즘 시트(81)의 작용에 대해 설명한다. 광원(26)으로부터의 출력광은, 확산판(82)에서 일단 확산되어 프리즘 시트(81)로 입사한다. 프리즘 시트(81)는, 확산판(82)으로부터의 확산광의 확대를, 소정의 각도 범위로 제한하는 기능을 갖는다. 본 실시 형태에서는, 프리즘 시트(81)는, 프리즘의 꼭지각(apex angle)이 100°로 형성되어 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 약±40°의 각도 범위 내로 확산광의 확대가 제한된다. 약 ±40°의 각도 범위로 집광된 빛은, 도광체(24)로 입사할 때에, 입사면(25)에서의 굴절에 의해 더 집광됨에 따라 약±25.4° 범위의 확대광이 된다.

이 결과, 도 4에 도시된 바와 같이 입사면(25)이 계면(23)의 법선에 대해 이루는 각을 β, 프리즘 시트(81)로부터 입사면(25)으로 입사한 후의 빛의 확대각의 범위를 ±γ로 하면, 도광체(24)의 계면(23)에의 입사각 θ₂의 취득 범위는,

90°-β-γ≤θ₂≤ 90°-β+γ

로 나타낸다. 또, 확산판(82) 및 프리즘 시트(81)에 의해 제한된 광원 빛의 확대 범위를 ±δ, 도광체(24)의 굴절율을 n₁로 하면,

γ = arcsin[(sinδ)/n₁]

이다.

여기서, 도광체(24)를 구성하는 PMMA의 굴절율이 약 1.5인 것을 고려하면, 계면(23)의 임계각 θ_c2는 약 42°이다. 즉, 입사각 θ₂가 42°이하의 빛은, 계면(23)으로부터의 누설광이 된다. 그러나, 상술된 바와 같이 상기 실시 형태에서는 β=22°, γ=±25.4°이므로, 계면(23)에의 입사각 θ₂는 입사광이 전반사하는 범위로 집광된다. 즉, 본 실시 형태의 도광체(24)에서는 계면(23)으로부터의 누설광은 발생하지 않는다.

또한, 도광체(24)에서 계면(28)에의 입사각 θ₁의 취득 범위는,

90°-β-γ≤θ₁≤ 90°-β+γ

로 나타낸다.

프런트 라이트(20)가 전방 조명 장치로서 양호하게 기능하기 위해서는, 도광체(24)에서 계면(28)의 임계각을 θ_c1, 계면(23)의 임계각을 θ_c2로 하면,

(가) 계면(23)에의 입사광이 전반사하는 것, 즉 θ₂≥θ_c2

(나) 계면(28)에의 입사광이 반사하지 않는 것, 즉 θ₁θ_c1

의 두개의 조건이 충족되는 것이 바람직하다.

이에 따라,

θ_c2≤ 90°-β-γ

θ_c1〉90°-β+γ

가 충족되는 것이 바람직한 것이 유도된다.

또한,

γ = arcsin[(sinδ)/n₁] β

가 만족됐을 때, 입사면(25)으로부터 입사한 모든 빛이, 일단 계면(23)에 의해 반사되고, 일정한 입사각으로 계면(28)에 입사한다. 이에 따라, 광원 빛이 입사면(25)으로부터 액정 셀(10)로 직접 입사하는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 프런트 라이트(20)의 조명광 강도의 측정 결과에 대해 설명한다. 프런트 라이트(20)의 조명광 강도를 측정하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같은 측정계를 이용하였다. 즉, 프런트 라이트(20)의 계면(28)의 법선 방향을 0°로 하고, 0°로부터 ±90°의 범위에서의 빛 강도를, 검출기(34)로써 측정하였다. 또, 상기 측정은 도광체(24)와 동일한 굴절율을 갖는 매칭제(matching agent)로 채워진 용기(예를 들면 오일배스 등) 안에서 행해졌다.

측정 결과를 도 6에 도시한다. 도 6으로부터 분명히 알 수 있듯이, 프런트 라이트(20)에서 광원(26)으로부터 도광체(24)로 입사한 빛은, 도광체(24)의 작용에 의해 대략 40°내지 90°의 방향으로 출사되어 있고, 반사형 액정 셀(10)의 보조 광원으로서 사용할 수 있는 것을 알 수 있다.

또, 본 실시 형태에 따른 반사형 LCD는 투과형 LCD나 CRT, PDP 등의 자발광형의 디스플레이와 비교해서 보다 밝은 표시가 가능하다는 이점이 있다.

즉, 도 7a에 도시된 바와 같이 자발광형(self-illuminating)의 디스플레이(35)로부터의 빛(36a)은 주위광(37)에 대해 진행 방향이 역방향이 된다. 이 때문에, 빛(36a)으로부터 주위광(37)을 뺀 성분(36b)이 관찰자에게 인식된다.

이에 대해, 본 실시 형태의 반사형 LCD에서는 조명 모드에 사용되는 경우, 도 7b에 도시된 바와 같이 프런트 라이트(20)로부터의 보조광(39a)과, 주위광(37)이, 액정 셀(10)의 반사판(도시하지 않음)에 의해 반사되고, 보조광(39a)과 주위광(37)과의 합에 상당하는 성분(39b)이 관찰자에게 인식된다. 이에 따라, 어두운 장소뿐만 아니라 예를 들면 한낮의 옥외와 같은 밝은 장소에서도 보다 밝은 표시를 실현할 수 있다.

또, 본 실시 형태에서는 광원 빛의 확대를 제한하는 빛 제어 수단으로서 확산판(82) 및 프리즘 시트(81)를 이용하였지만, 동일한 효과를 얻을 수 있는 것이면 이것에 한정받지 않고, 예를 들면 콜리메이터(collimator) 등을 이용해도 좋다. 또한, 도 8a에 도시된 바와 같이 광원(26)의 주위를 타원체 미러(98)로 덮고, 상기 타원체 미러(98)의 촛점에 광원(26)을 설치한 구성에 의해서도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, SlD DIGEST P.375(1995)에 기재되어 있듯이, 도 8b에 도시된 바와 같은 라이트 파이프(99)를 이용하여 광원(26)으로부터의 조사광의 확대를 제어해도 좋다.

〔제2 실시 형태〕

본 발명의 실시에 따른 다른 형태에 대해 도 9 내지 도 14를 기초하여 설명하면 아래와 같다. 또, 상기된 제1 실시 형태에서 설명한 구성과 동일한 기능을 갖는 구성에는 동일한 부호를 부기하여 그 설명을 생략한다.

본 실시 형태에 따른 반사형 LCD는, 도 9에 도시된 바와 같이 액정 셀(10)의 전방면에, 상기된 제1 실시 형태에서 설명한 균일한 두께의 도광체(24)를 포함하는 프런트 라이트(20)를 대신해서 광원(26)으로부터 멀어질수록 두께가 작아지도록 형성된 도광체(44)를 포함하는 프런트 라이트(40)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

도광체(44)는, 액정 셀(10)측의 계면(48)과, 상기 계면(48)에 대향하는 계면(43)과, 계면(48)과 둔각을 이루고 광원(26)으로부터의 빛을 입사하는 입사면(45)을 갖는다. 계면(43)과 계면(48)은, 입사면(45)으로부터 멀어질수록 간격이 좁아지도록 배치되어 있다.

상기 도광체(44)는, 예를 들면 PMMA(polymethylmetacrylate) 등을 이용하여 사출 성형에 의해 형성할 수 있다. 보다 구체적으로는, 도광체(44)는 가장 두꺼운 부분의 두께(계면(43)의 광원(26) 측의 단부로부터 계면(48)을 포함하는 평면에의 수선의 길이)가 6㎜, 가장 얇은 부분의 두께 1㎜, 길이 40㎜, 폭 40㎜로 형성되어 있다. 입사면(45)이, 계면(48)의 법선에 대해 이루는 각 β는 14°이다. 또한, 계면(43)의 계면(48)에 대한 기울기각(계면(43)과 계면(48)에 평행한 면이 이루는 각) α는, 7. 13°로 한다. 또, 입사면(45) 및 계면(43)에는 광학 연마를 실시하는 것이 바람직하다.

상기된 도광체(44)는, 액정 셀(10)의 전방면에 적층된다. 또, 상기된 제1 실시 형태와 마찬가지로 액정 셀(10)에서 전극 기판(11a)의 유리 기판(14a)과 편광판(18) 사이에는 도시하지 않은 충전제가 채워져 있다. 또한, 편광판(18)과 도광체(44) 사이에는 편광판(18)과 도광체(44)와의 굴절율을 매칭시키는 충전제(19)가 채워져 있다.

충전제(19)는, 편광판(18)과 도광체(44) 사이에 존재하는 광학적 계면에서의 굴절율차를 완화시켜, 빛의 간섭이나 상기 광학적 계면에서의 반사에 의한 표시 품위의 열화등의 문제를 해결한다. 또한, 충전제(19)로 도광체(44)와 동일한 굴절율을 갖는 것을 이용하면, 액정 셀(10)과 도광체(44) 사이의 광학적 계면의 수를 감소시킬 수 있으므로 보다 바람직하다.

본 실시 형태의 반사형 LCD도, 주위광이 불충분할 때에는 프런트 라이트(40)를 점등한 조명 모드로 사용하고, 충분한 주위광을 얻을 수 있을 때에는 프론트 라이트(40)를 소등한 반사 모드로 사용할 수 있다.

상기 반사형 LCD에서 도광체(44)는 유리 기판(14a)과 거의 동일한 굴절율을 갖음과 동시에 도광체(44)와 상기 유리 기판(14a) 사이에 공극부(공기층)가 존재하지 않는다. 이에 따라, 프런트 라이트(40)를 소등한 반사 모드로 사용되는 경우라도, 도광체(44)가 표시에 악영향을 끼치는 일은 없다.

여기서, 프런트 라이트(40)에서 입사면(45)이 계면(48)의 법선에 대해 기울어 형성됨에 따른 효과에 대해 도 10a 및 도 10b를 참조하면서 설명한다.

도 10b에 도시된 바와 같이, 계면(198)에 수직인 입사면(195)을 갖는 도광체(194)를 상정하면, 이 경우 입사면(195)에 수직으로 입사한 빛의, 계면(193)에의 입사각 θ₂는,

θ₂= 90°-α

가 된다. 그리고, 상기된 빛이 계면(193)에서 반사된 경우의 계면(198)에의 입사각 θ₁은,

θ₁= θ₂-α= 90°-2α

가 된다. 즉, 액정 셀(10)에의 입사각 θ₁을 작게 하면(수직 입사에 가깝게), 도 10b에서 이점 쇄선으로 도시한 바와 같이 도광체(194)에서의 계면(198)에 대한 계면(193)의 경사각 α의 값을 크게 할 필요가 생긴다. 그러나, α의 값을 크게 하는 것은, 즉 도광체의 두께가 늘어나므로 바람직하지 못하다.

이에 대해, 본 실시 형태의 도광체(44)는 도 10a에 도시된 바와 같이 입사면(45)이 계면(48)의 법선에 대해 β만큼 기울어 형성됨에 따라, 입사면(45)에 수직으로 입사한 빛의, 계면(43)에의 입사각 θ₂는,

θ₂= 90°-α-β

가 되고, 상기된 빛이 계면(43)에서 반사된 경우의 계면(48)에의 입사각 θ₁은,

θ₁= 90°-2α-β

가 된다. 따라서, α의 값을 크게 하지 않고, 액정 셀(10)에의 입사각 θ₁을 작게 하고, 액정 셀(10)에의 조사 빛을 수직 입사에 가깝게 할 수 있다.

또한, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로 도광체(44)는 입사면(45)이 계면(48)의 법선에 대해 경사져 있는 것에 의해, 입사면(45)의 면적을 크게 취할 수 있다. 즉, 도광체(44)에서는 최대 두께를 증가시키지 않고, 입사면(45)의 면적을 크게 취할 수 있으므로, 보다 많은 광원 빛을 받아들일 수 있다. 이에 따라, 광원 빛의 이용 효율이 향상된다.

다음에, 본 실시 형태의 도광체(44)에서 입사면(45)과 계면(48)이 둔각을 이루는 것에 의한 작용에 대해 설명한다.

우선, 비교를 위해 도 11b에 기초하여 계면(208)과 예각을 이루는 입사면(205)을 갖는 도광체(204)에서의 빛의 거동을 설명한다. 이 경우, 도 11b에 도시된 바와 같이 입사면(205)으로부터 계면(208)으로 직접 입사하는 성분(201a)이 존재한다. 상기 성분(201a)은, 계면(208)에 매우 큰 입사각으로 입사하고, 광원 빛의 확대도 고려하면, 계면(208)에 90°에 가까운 입사각으로 입사하는 성분도 포함한다. 계면(208)에 반사한 성분(201b)은, 미광이 되어 계면(203)으로부터 관찰자측으로 출사하므로 표시 품위의 저하를 초래한다.

이에 대해, 본 실시 형태의 도광체(44)에서는 도 11a에 도시된 바와 같이 광원 빛의 대부분의 성분이 입사면(45)으로부터 우선 계면(43)으로 입사하므로, 계면(48)에 직접 입사하여 미광이 되는 성분을 감소시키는 것이 가능하다.

본 실시 형태에서도, 광원(26)과 입사면(45) 사이에는 확산판(82) 및 꼭지각 100°의 프리즘 시트(81)가 설치되어 있다. 광원(26)으로부터의 출력광은, 확산판(82)에서 일단 확산되어 프리즘 시트(81)로 입사한다. 프리즘 시트(81)는, 확산판(82)으로부터의 확산광의 확대를, 소정의 각도 범위로 제한하는 기능을 갖는다. 본 실시 형태에서는 프리즘 시트(81)는 프리즘의 꼭지각이 100°로 형성되어 있고, 약 ±40°의 각도 범위내로 확산광의 확대가 제한된다. 약 ±40°의 각도 범위로 집광된 빛은, 도광체(44)로 입사할 때에 입사면(45)에서의 굴절에 의해 더욱 집광됨에 따라, 약 ±25.4° 범위의 확대광이 된다.

이 결과, 도 12에 도시된 바와 같이 입사면(45)이 계면(48)의 법선에 대해 이루는 각을 β, 프리즘 시트(81)로부터 입사면(45)으로 입사한 후의 빛의 확대각의 범위를 ±γ, 계면(48)에 대한 계면(43)의 경사각을 α로 하면, 계면(43)에의 입사각 θ₂의 취득 범위는,

90°-α-β-γ≤θ₂≤ 90°-α-β+γ

로 나타낸다. 또, 확산판(82) 및 프리즘 시트(81)에 의해 제한된 광원 빛의 확대 범위를 ±δ, 도광체(44)의 굴절율을 n₁로 하면,

γ = arcsin[(sinδ)/n₁]

이다.

여기서, 도광체(44)를 구성하는 PMMA의 굴절율이 약 1.5인 것을 고려하면 계면(43)의 경계각 θ_c2는 약 42°이다. 즉, 입사각 θ₂가 42°이하의 빛은, 계면(43)으로부터의 누설광이 된다. 그러나, 상술된 바와 같이 상기 실시 형태에서는 α=7.13°, β=14°, γ=25.4°이므로, 계면(23)에의 입사각 θ₂는, 입사광이 전반사하는 범위로 집광된다. 즉, 본 실시 형태의 도광체(44)에서는 계면(43)으로부터의 누설광은 발생하지 않는다.

또한, 도광체(44)에서 계면(48)에의 입사각 θ₁의 취득 범위는,

90°-β-2α-γ≤θ₁≤ 90°-β-2α+γ

로 나타낸다.

프런트 라이트(40)가 전방 조명 장치로서 양호하게 기능하기 위해서는, 도광체(44)에서 계면(48)의 임계각을 θ_c1, 계면(43)의 임계각을 θ_c2로 하면,

(가) 계면(43)에의 입사광이 전반사하는 것, 즉 θ₂≥θ_c2

(나) 계면(48)에의 입사광이 반사하지 않은 것, 즉 θ₁θ_c1

의 두개의 조건이 충족되는 것이 바람직하다.

이에 따라,

θ_c2≤ 90°-β-α-γ

θ_c190°-β-2α+γ

가 충족되는 것이 바람직한 것이 유도된다.

또한,

γ = arcsin[(sinδ)/n₁] β+2α

가 만족됐을 때, 입사면(45)으로부터 입사한 모든 빛이, 일단 계면(43)에 의해 반사되고, 일정한 입사각으로 계면(48)으로 입사한다. 이에 따라, 광원 빛이 입사면(45)으로부터 액정 셀(10)로 직접 입사하는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 프런트 라이트(40)의 계면(48)으로부터의 조명광 강도를 측정한 결과에 대해 설명한다. 또, 측정에는 제1 실시 형태에서 사용한 것과 동일한 측정계를 이용하였다. 측정의 결과를 도 13에 도시한다. 도 13과, 상기 제1 실시 형태에서 도시한 도 6을 비교한 것으로부터 분명히 알 수 있듯이, 본 실시 형태의 프런트 라이트(40)는 제1 실시 형태의 프런트 라이트(20)와 비교하여 30°내지 75°의 범위의 빛 강도가 향상하고 있고, 보다 수직 입사에 가까운 빛을 액정 셀(10)로 조사하는 것이 가능한 것을 알 수 있다.

또, 상기에서는 도광체(44)는 완전한 설형(楔型)이 아니라, 광원(26)의 길이 방향으로 수직인 단면에서의 형상이 사변형인 구성을 예로 들어 설명하였다. 그러나, 도광체(44)를 대신해서 도 14에 도시된 바와 같이 완전한 설형의 도광체(54)를 구비한 구성으로 해도 좋다. 또, 여기서 말하는 「완전한 설형」이란, 입사면(55) 및 계면(58)의 양방에 수직인 단면에서의 형상이 삼각형인 것을 가리킨다. 완전한 설형의 도광체(54)에서는 광원(26)으로부터의 빛 중, 계면(58)에 평행한 성분이 도광체(54) 밖으로 빠지는 일이 없으므로, 광원 빛의 이용 효율이 더욱 향상한다는 이점이 있다.

〔제3 실시 형태〕

본 발명의 실시에 따른 다른 형태에 대해, 도 15 내지 도 18에 기초하여 설명하면 아래와 같다. 또, 상술된 각 실시 형태에서 설명한 구성과 동일한 기능을 갖는 구성에는 동일한 부호를 부기하여 그 설명을 생략한다.

본 실시 형태에 따른 반사형 LCD는, 도 15에 도시된 바와 같이 완전한 설형, 즉 광원(26)의 길이 방향에 수직인 단면에서의 형상이 삼각형을 이루는 도광체(54)(제1 도광체)와, 액정 셀(10) 사이에 액정 셀(10)로 수직으로 입사하는 성분을 증가시키기 위해 도광체(54)로부터의 빛을 산란시키는 제2 도광체(51)를 구비한 것을 특징으로 한다. 즉, 본 실시 형태에 따른 반사형 LCD는 광원(26), 반사경(27), 확산판(82), 프리즘 시트(81), 도광체(54), 및 제2 도광체(51)로 이루어지는 프런트 라이트 시스템(50)을, 액정 셀(10)의 전방면에 구비한 구성이다.

제2 도광체(51)는, 도광체(54)로부터의 입사광을 도 16에 도시된 바와 같이 그 진행 방향측으로만 산란시키는 기능을 갖는 전방 산란판임과 동시에 도 18에 도시된 바와 같은 소정의 각도 범위(-5°내지 -60°)로부터 입사한 빛만을 산란시키고, 상기 각도 범위 이외로부터의 입사광을 완전히 투과하는 성질을 갖는 이방성 산란판이기도 하다. 이러한 조건을 만족시키는 재료로서 예를 들면 스미또모 화학 주식회사 제조의 시각 제어판(상품명:르미스티) 등이, 시판품으로서 입수 가능하다.

제2 도광체(51)가 전방 산란판으로 되어 있기 때문에, 액정 셀(10)로써 조광되기 이전에 후방 산란하는 성분, 즉 관찰자 방향으로 산란하는 성분을 없앨 수 있어, 표시 품위의 향상을 꾀할 수 있다. 또, 도 16에서는 제2 도광체(51)와 충전제(19)와의 계면으로부터 산란광이 출사하는 모양을 모식적으로 나타냈지만, 실제로는 제2 도광체(51)가 도광체(54)로부터의 출사광을 투과시키면서 산란시킨다.

도광체(54)로부터 제2 도광체(51)에의 출사광이, 제2 도광체(51)로 입사하는 각도 범위 중 적어도 일부는, 제2 도광체(51)가 빛을 산란시키는 범위로 포함된다. 이에 따라, 제2 도광체(51)는 제1 도광체로서의 도광체(54)로부터 유도되는 빛만을 산란시키고, 그 이외의 빛에 대해서는 아무런 작용을 미치게 하지 않고 투과시킨다. 이에 따라, 반사 모드로 사용했을 때의 주위광이나 액정 셀(10)로부터의 반사광은, 제2 도광체(51)를 그대로 투과하므로, 제2 도광체(51)가 반사 모드에서의 표시 품위에 악영향을 미치게 하는 문제점이 없다.

또, 상기된 제1 실시 형태와 같이 액정 셀(10)에서 전극 기판(11a)의 유리 기판(14a)과 편광판(18) 사이에는 도시하지 않은 충전제가 채워져 있다. 또한, 편광판(18)과 제2 도광체(51) 사이에는 편광판(18)과 제2 도광체(51)와의 굴절율을 매칭시키는 충전제(19)가 채워져 있다. 또한, 제1 도광체로서의 도광체(54)와 제2 도광체(51) 사이에도 도시하지 않은 충전제가 채워져 있다.

이들의 충전제는, 도광체(54)와 유리 기판(14a) 사이에 존재하는 광학적 계면에서의 굴절율차를 완화시키고, 빛의 간섭이나 상기 광학적 계면에서의 반사에 의한 표시 품위의 열화등의 문제를 해결한다. 또한, 충전제로서 도광체(54) 및 유리 기판(14a)과 동일한 굴절율을 갖는 것을 이용하면, 광학적 계면의 수를 감소시킬 수 있으므로 보다 바람직하다.

본 실시 형태에서도, 광원(26)과 입사면(55) 사이에는 확산판(82) 및 꼭지각100°의 프리즘 시트(81)가 설치되어 있다. 광원(26)으로부터의 출력광은, 확산판(82)으로 일단 확산되어 프리즘 시트(81)로 입사한다. 프리즘 시트(81)는, 확산판(82)으로부터의 확산광의 확대를, 소정의 각도 범위로 제한하는 기능을 갖는다. 본실시 형태에서는, 프리즘 시트(81)는 프리즘의 꼭지각이 100°로 형성되어 있고, 약 ±40°의 각도 범위 내에 확산광의 확대가 제한된다. 약 ±40°의 각도 범위로 집광된 빛은, 도광체(54)로 입사할 때에 입사면(55)에서의 굴절에 의해 더욱 집광됨에 따라 약 ±25.4° 범위의 확대광이 된다.

도광체(54)에서, 계면(53)에 의해 유도되는 빛의, 계면(58)에 대한 입사각 θ₁은 계면(58)에 대한 계면(53)의 경사각을 α, 프리즘 시트(81)로부터 입사면(55)으로 입사한 후의 빛의 확대각의 범위를 ±γ로 하면,

90°-2α-β-γθ₁90°-2α-β+γ

로 나타낸다. 여기서, α=7.13°, β=14°, γ=25.4°이기 때문에, 상기된 입사각 θ₁의 대부분이 제2 도광체(51)가 빛을 산란시키는 각도 범위에 포함되어 있는 것을 알 수 있다.

여기서, 제2 도광체(51)의 저면(액정 셀(10)측의 면)으로부터의 조명광 강도의 측정 결과에 대해 설명한다. 또, 측정에는 제1 실시 형태에서 사용한 것과 동일한 측정계를 이용하였다. 측정의 결과를 도 17에 도시한다. 도 17과, 제1 실시 형태에서 도시한 도 6 및 제2 실시 형태에서 나타낸 도 13을 각각 비교한 것으로부터 분명히 알 수 있듯이 본 실시 형태의 프런트 라이트 시스템(50)은, 제2 도광체(51)를 구비함에 따라 제1 도광체로서의 도광체(54)로부터의 출사광을, 보다 수직 입사에 가까운 빛으로서 액정 셀(10)로 조사하는 것이 가능하다.

또한, 본 실시 형태의 반사형 LCD는 도 18에 도시된 바와 같이 제2 도광체(51)의 산란 각도 범위인 -5°내지 -60°의 방향으로부터 관찰되는 일은 거의 없다. 따라서, 통상적으로 사용하는 범위에서는 제2 도광체(51)에 의한 빛의 산란이, 액정 셀(10)의 표시에 영향을 미치게 하는 일은 없다.

또, 상기에서는 완전한 설형의 도광체(54)를 이용하였지만, 이것에 한하지 않고, 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태에서 각각 설명한 도광체(24) 또는 도광체(44)를, 도광체(54)를 대신해서 이용하는 것도 가능하다.

〔제4 실시 형태〕

본 발명의 실시에 따른 다른 형태에 관해, 도 19 내지 도 21에 기초하여 설명하면 아래와 같다. 또, 상술된 각 실시 형태에서 설명한 구성과 동일한 기능을 갖는 구성에는 동일한 부호를 부기하여 그 설명을 생략한다.

본 실시 형태에 따른 반사형 LCD는, 상기된 제3 실시 형태에서 설명한 반사형 LCD 에서의 제2 도광체(51)로서, 도광체(54)로부터의 빛을 산란시키는 이방성 산란판을 대신하여, 도광체(54)로부터의 빛을 회절시키는 홀로그램을 이용한 것을 특징으로 한다.

홀로그램은, 빛 회절의 원리에 기초하여 빛의 반사·굴절을 조작하는 효과를 갖는 데다가, 하나의 홀로그램에 복수 종류의 광학 특성을 갖게 하는 것이 가능하다. 우선, 일반적인 홀로그램의 작성 방법에 대해 도 19를 참조하면서 간단히 설명한다.

도 19에 도시된 바와 같이, 기체의 표면에 도포한 감광성 폴리머(124) 상에 광원(127)으로부터 빛을 조사한다. 광원(127)으로부터의 조사광(127a)은, 빔 분할기(123)로 2개의 빛(127c·127d)으로 분광된다. 빛(127c)은 물체(128)에 의해 산란되고, 물체광(126)으로서 감광성 폴리머(124)로 입사한다. 빛(127d)은, 미러(129)로 반사되고, 참조광(125)으로서 소정의 각도로 감광성 폴리머(124)로 입사된다. 참조광(125)과 물체광(126)과의 간섭에 의해, 감광성 폴리머(124)에 굴절율이 높은 층과 굴절율이 낮은 층이, 서브미크론 정도에서 형성되어 홀로그램이 된다. 이와 같이, 기록이 끝난 홀로그램에, 참조광(125)이 입사된 방향으로부터 빛을 입사하면, 물체광(126)으로서 기록한 상이 재구축된다.

광원(127)으로는 코히어런트 광을 발생하는 것으로써, 예를 들면 레이저를 이용한다. 광원(127)으로부터의 빛의 파장이나 강도등의 여러가지 조건을 조정함에 따라, 상기 물체광(126)이 희망하는 출력광의 방향 및 확대각을 실현하도록 홀로그램을 작성할 수 있다.

이하, 도 20a 내지 도 20d를 참조하면서, 본 실시 형태에서 제2 도광체(51)로서 홀로그램을 구비한 프런트 라이트 시스템(50)을 작성하는 방법에 대해 설명한다.

우선, 도 20a에 도시된 바와 같이 기체로서의 폴리에스테르막(69)의 표면에, 감광성 폴리머(64)를 도포한다. 또, 상기 감광성 폴리머(64)로서는, 예를 들면 폴라로이드사 제조의 포토폴리머(상품명: DMP-128)를 이용할 수 있다.

다음에, 폴리에스테르막(69)에서 감광성 폴리머(64)를 도포한 면과 반대측 면에 상기 제3 실시 형태에서 설명한 도광체(54)를, 도 20b에 도시한 바와 같이 설치한다. 그리고, 도 20c에 도시된 바와 같이 도광체(54)의 입사면(55)에 대향하도록 광원(65)을 배치하고, 입사면(55)에 대해 참조광(65a)을 조사한다. 이와 동시에, 도광체(54)의 계면(58)의 법선 방향으로부터 10°기운 방향으로 광원(66)을 배치하고, 감광성 폴리머(64)에 대해 물체광(66a)을 조사한다. 상기 실시 형태에서는, 물체광(66a)을 감광성 폴리머(64)의 법선 방향으로부터 10°기운 각도로부터 입사하고, 참조광(65a)을 도광체(54)에 의해 유도되는 빛과 동일한 입사각으로, 제2 도광체(51)로서의 감광성 폴리머(64)로 입사시킨다.

이러한 참조광(65a) 및 물체광(66a)의 조사를, R·G·B의 성분마다 행함에 따라 도 20d에 도시된 바와 같이 R·G·B의 성분에 각각 대응하여, 적색용 홀로그램(64R), 녹색용 홀로그램(64G), 및 청색용 홀로그램(64B)이 층형으로 형성된다. 이들의 홀로그램(64R·64G·64B)이 제2 도광체(51)로 된다.

다음에, 도광체(54)의 입사면(55)에 대향하도록 프리즘 시트(81), 확산판(82), 및 광원(26)으로서의 형광관(3파장관)을 순차적으로 배치하고, 이들을 반사경(27)으로 덮는다.

본 실시 형태에서도, 광원(26)과 입사면(55) 사이에는 확산판(82) 및 꼭지각100°의 프리즘 시트(81)가 설치되어 있다. 광원(26)으로부터의 출력광은, 확산판(82)에서 일단 확산되어 프리즘 시트(81)로 입사한다. 프리즘 시트(81)는, 확산판(82)으로부터의 확산광의 확대를, 소정의 각도 범위로 제한하는 기능을 갖는다. 본실시 형태에서는, 프리즘 시트(81)는 프리즘의 꼭지각이 100°로 형성되어 있고, 약±40°의 각도 범위 내로 확산광의 확대가 제한 받는다. 약 ±40°의 각도 범위로 집광된 빛은, 도광체(54)로 입사할 때에 입사면(55)에서의 굴절에 의해 더 집광됨에 따라 약±25.4° 범위의 확대광이 된다.

이상의 공정에 의해 작성된 프런트 라이트(50)를, 액정 셀(10) 상에 설치함으로써 주위광에 상관없이 안정된 표시가 가능한 반사형 LCD를 실현할 수 있다.

여기서, 본 실시 형태의 프런트 라이트 시스템(50)에서의 제2 도광체(51)(홀로그램)의 저면으로부터의 조명광 강도의 측정 결과에 대해 설명한다. 또, 측정에는 제1 실시 형태에서 사용한 것과 동일한 측정계를 이용하였다. 측정의 결과를 도 21에 도시한다. 도 21과, 제1 실시 형태에서 나타낸 도 6 및 제2 실시 형태에서 나타낸 도 13을 각각 비교한 것으로부터 분명히 알 수 있듯이 본 실시 형태의 프런트 라이트 시스템(50)은, 제2 도광체(51)를 구비함에 따라 제1 도광체로서의 도광체(54)로부터의 출사광(제2 도광체(51)에의 입사각이 약70°)을 보다 수직 입사에 가까운 빛으로서 액정 셀(10)로 조사하는 것이 가능하다.

이상과 같이, 본 실시 형태의 반사형 LCD는, 제2 도광체(51)로서 상기된 제3 실시 형태에서 설명한 이방성 산란판을 대신해서 홀로그램을 구비한 구성이다. 홀로그램은 이방성 산란판보다도, 출력광을 특정한 출력 범위로 정밀도 좋게 제어할 수 있다는 이점이 있다.

또, 상기에서는 감광성 폴리머를 이용하여 홀로그램을 작성했지만, 동일한 효과를 얻을 수 있는 것이면, 이것에 한정받지 않는다. 또한, 기록시의 물체광의 입사 방향도, 상술된 방향으로 한정되는 것이 아니다. 또한, 상기에서는 참조광(65a)의 입사 방향을, 도광체(54)에 의해 광원 빛이 제2 도광체(51)로 유도되는 방향과 일치시키기 위해, 참조광(65a)이 도광체(54)의 입사면(55)으로부터 입사되었지만 이밖에 동등한 효과를 얻을 수 있는 것이면, 예를 들면 사전에 상의 기록이 종료한 홀로그램판을 도광체(54)에 접착하는 방법등을 채용해도 좋다.

또한, 상기에서는 완전한 설형의 도광체(54)를 사용하였지만, 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태에서 각각 설명한 도광체(24) 또는 도광체(44)를 이용하는 것도 가능하다.

〔제5 실시 형태〕

본 발명의 실시에 따른 다른 형태에 대해, 도 15, 도 22 내지 도 25에 기초하여 설명하면 아래와 같다. 또, 상술된 각 실시 형태에서 설명한 구성과 동일한 기능을 갖는 구성에는 동일한 부호를 부기하여 그 설명을 생략한다.

본 실시 형태에 따른 반사형 LCD는, 도 15에 도시된 바와 같이 제1 도광체로서의 완전한 설형의 도광체(54)와 제2 도광체(51)를 포함하는 프런트 라이트 시스템(50)이, 충전제(19)를 통해 액정 셀(10)의 전방면에 적층된 구성이다. 즉, 본 실시 형태의 반사형 LCD의 기본적인 구성은 상기 제4 실시 형태의 반사형 LCD와 동일하다.

단, 본 실시 형태에 따른 반사형 LCD의 도광체(54)는 가장 두꺼운 부분의 두께(계면(53)의 광원(26)측의 단부로부터 계면(58)을 포함하는 평면에의 수선의 길이)가 3㎜, 길이 90㎜, 폭 110㎜로 형성되어 있다. 또한, 계면(53)의 계면(58)에 대한 경사각 α는 1.91°이다. 또한, 입사면(55)의 계면(58)의 법선에 대한 경사각 β는 26.6°이다. 계면(53) 및 입사면(55)에는, 광학 연마를 실시하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에서도, 광원(26)과 입사면(55) 사이에는 확산판(82) 및 프리즘 시트(81)가 설치되어 있다. 단, 본 실시 형태의 프리즘 시트(81)의 꼭지각은 70°이다. 광원(26)으로부터의 출력광은, 확산판(82)에서 일단 확산되어 프리즘 시트(81)로 입사한다. 프리즘 시트(81)는, 확산판(82)으로부터의 확산광의 확대를, 소정의 각도범위로 제한하는 기능을 갖는다.

본 실시 형태에서는, 프리즘 시트(81)는 프리즘의 꼭지각이 70°로 형성되므로, 도 22에 도시된 바와 같이 약± 30°의 각도 범위 내로 확산광의 확대를 제한한다. 약 ±30°의 각도 범위에 집광된 빛은, 도광체(54)로 입사할 때에, 입사면(55)에서의 굴절에 의해 더욱 집광됨에 따라, 약±19.5° 범위의 확대광이 된다.

이 결과, 입사면(55)이 계면(58)의 법선에 대해 이루는 각을 β, 프리즘 시트(81)로부터 입사면(55)으로 입사한 후의 빛의 확대각의 범위를 ±γ, 계면(58)에 대한 계면(53)의 경사각을 α로 하면, 계면(53)에의 빛의 입사각 θ₂의 취득 범위는,

90°-α-β-γ≤θ₂≤ 90°-α-β+γ

로 나타낸다. 또, 확산판(82) 및 프리즘 시트(81)에 의해 제한된 광원 빛의 확대 범위를 ±δ, 도광체(54)의 굴절율을 n₁로 하면,

γ = arcsin[(sinδ)/n₁]

이다.

여기서, 도광체(54)를 구성하는 PMMA의 굴절율이 약 1.5인 것을 고려하면, 계면(53)의 경계각 θ_c2는 약 42°이다. 즉, 입사각 θ₂가 42°이하의 빛은, 계면(53)으로부터의 누설광이 된다. 그러나, 상술된 바와 같이 상기 실시 형태에서는 α=1.91°, β=26.6°, γ=19.5°이므로, 계면(53)에의 입사각 θ₂는, 입사광이 전반사하는 범위로 집광된다. 즉, 본 실시 형태의 도광체(54)에서는 계면(53)으로부터의 누설광은 발생하지 않는다.

또한, 제2 도광체(51)에서는 제4 실시 형태에서 설명한 것과 동일한 공정에 의해 작성된 홀로그램을 사용한다. 단, 제1 도광체로서의 도광체(54)의 설계 조건을 고려하여, 40°내지 80°의 범위에서 입사하는 빛을 확산하도록 상기 홀로그램을 설계한다. 상기 홀로그램은, 굴절율 1.51과 굴절율 1.54의 적층 구조로 이루어지고, 제1 도광체로서의 도광체(54)와 제2 도광체(51) 사이의 계면이 되는 계면(58)의 경계각 θ_c1은 80°정도이다.

프런트 라이트 시스템(50)이 전방 조명 장치로서 양호하게 기능하기 위해서는 도광체(54)에서 계면(58)의 임계각을 θ_c1, 계면(53)의 임계각을 θ_c2로 하면,

(가) 계면(53)에의 입사광이 전반사하는 것, 즉 θ₂≥θ_c2

(나) 계면(58)에의 입사광이 반사하지 않은 것, 즉 θ₁θ_c1

의 두개의 조건이 충족되는 것이 바람직하다.

즉,

θ_c2≤ 90°-β-α-γ

θ_c190°-β-2α+γ

가 충족되는 것이 바람직하다.

상기 실시 형태에서는, 상술된 바와 같이 계면(53)의 임계각 θ_c2는 약 42°, 계면(58)의 임계각 θ_c1은 약 80°, α=1.91°, β=26.6°, γ=19.5°이기 때문에, 상기 조건이 어느것이나 만족하는 것을 알 수 있다.

이상의 조건으로 작성된 프런트 라이트 시스템(50)을 액정 셀(10)의 전방면에 배치하면, 주위광에 상관없이 항상 밝은 표시가 가능한 반사형 LCD가 실현된다.

여기서, 본 실시 형태의 프런트 라이트 시스템(50)에서의 제2 도광체(51)(홀로그램)의 저면으로부터의 조명광 강도의 측정 결과에 대해 설명한다. 또, 측정에는 제1 실시 형태에서 사용한 것과 동일한 측정계를 이용하였다. 측정의 결과를 도 23에 도시한다. 도 23과, 제1 실시 형태에서 도시한 도 6, 제2 실시 형태에서 도시한 도 13, 및 제3 실시 형태에서 도시한 도 17을 각각 비교한 것으로부터 분명히 알 수 있듯이 본 실시 형태의 프런트 라이트 시스템(50)에 따르면, 출력광을 발생시키지 않도록 설계한 각도 범위(-90°∼ 0°)에서의 누설광을 거의 완전하게 없앨 수 있다. 이에 따라, 표시 품위의 향상과, 프런트 라이트 시스템(50)의 보조 광원으로서의 특성의 향상을 꾀할 수 있다.

또, 본 실시 형태의 프런트 라이트 시스템(50)은, 상기된 각 실시 형태와 마찬가지로 도 24에 도시된 바와 같이 광원(26)으로부터의 빛을 입사면(55)으로만 집광하는 집광 수단으로서의 반사경(27)을 구비하고 있다. 상기 반사경(27)은, 광원(26)으로부터의 빛을 낭비없이 입사면(55)으로 집광함에 따라 광원 빛의 이용 효율을 향상시키는 효과를 발휘함과 동시에 하기의 점에서도 효과를 발휘한다.

즉, 비교를 위해 도 25에 도시된 바와 같이 광원(26)의 주위를 입사면(55)뿐만 아니라 액정 셀(10)의 측면에도 빛을 입사시키는 반사경(217)에 의해 둘러싼 구성을 상정한다. 상기 구성에서는, 도 25에 도시된 바와 같이 액정 셀(10)의 측면으로부터 입사한 빛은, 액정 셀(10)의 유리 기판(14a) 등의 굴절율체에 의해 형성되는 광학적 계면에서 불필요한 굴절이나 산란을 생기게 한다. 이 결과, 미광(220)이 되어 관찰자측으로 출사하는 빛이 발생한다.

이에 대해, 본 실시 형태의 프런트 라이트 시스템(50)은, 반사경(27)이 광원(26)으로부터의 빛을 입사면(55)으로만 집광함에 따라, 상기된 바와 같은 미광을 감소시킬 수 있다. 이 결과, 광원 빛의 이용 효율이 향상되며, 표시 품위가 우수한 반사형 LCD를 실현할 수 있다.

또, 도 24 및 도 25에서는 상기된 확산판(82) 및 프리즘 시트(81)의 도시를 생략했지만, 확산판(82) 및 프리즘 시트(81)를 구비한 구성에서도, 반사경(27)은 상기 와 동일한 효과를 발휘한다. 또한, 반사경(27)은 상기된 제1 실시 형태의 프런트 라이트(20)나, 제2 실시 형태의 프런트 라이트(40)에서도, 상기된 바와 동일한 효과를 발휘한다.

상기된 각 실시 형태는 본 발명을 한정할 만한 것이 아니고, 발명의 범위에서 여러가지 변경이 가능하다. 예를 들면, 프런트 라이트의 도광체의 재료로서, 구체적으로 PMMA를 예시하였지만, 균일하게 감쇠없이 도광할 수 있고, 굴절율이 적당한 값이면, 예를 들면 유리, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐, 또는 폴리에스테르등의 재료를 이용해도 상관없다.

또한, 액정 셀로는 단순 매트릭스형 LCD, 액티브 매트릭스형 LCD 등의 여러가지 LCD를 이용할 수 있다. 또한, 상기에서는 편광자와 검광자를 겸한 편광판을 한 장 사용한 ECB 모드(단편 광판 모드)의 액정 셀을 사용했지만, 그 외 편광판을 사용하지 않은 PDLC나 PC-GH 등을 적용해도 좋다.

이상의 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전방 조명 장치는 도광체가 광원으로부터 빛을 입사하는 입사면, 피조명물을 향해 빛을 출사하는 제1 출사면 및 상기 제1 출사면에 대향하는 제2 출사면을 포함하는 다면체이고, 제1·제2 출사면은 상호 대략 평행하게 또는 입사면으로부터 멀어질수록 간격이 좁아지도록 배치되고, 입사면이 제1 출사면의 법선에 대해 경사져 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 제1 출사면에 대해 입사면이 수직으로 형성된 구성과 비교하여, 도광체에서의 제1 출사면으로부터의 최대 높이를 증가시키지 않고, 입사면의 면적을 크게 취할 수 있다. 또한, 입사면으로부터 수직 입사한 성분이 제1 출사면 또는 제2 출사면에 입사하므로, 광원 빛이 조명에 기여하지 않고 도광체의 외부로 새는 것을 억제할 수 있다. 이 결과, 광원 빛을 유효하게 이용한 밝은 전방 조명 장치를 제공할 수 있는 효과를 발휘한다.

또한, 상기 전방 조명 장치는 입사면과 제1 출사면이 이루는 각이 둔각으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이에 따라, 제1 출사면에 대해 매우 큰 입사각으로 입사하여 제1 출사면에서 반사하고, 미광이 되어 제2 출사면으로부터 관찰자측으로 출사하는 성분을 감소시키는 것이 가능하다. 이 결과, 광원 빛의 이용 효율이 높고, 또한 선명한 피조명물의 상을 얻는 것이 가능한 전방 조명 장치를 제공할 수 있는 효과를 발휘한다.

또한, 상기 전방 조명 장치는 광원과 입사면 사이에 광원으로부터의 빛의 확대를 제한하는 빛 제어 수단을 더욱 구비한 구성으로 해도 좋다.

이에 따라, 광원으로부터의 빛에 어느 정도의 지향성을 갖게 할 수 있으므로, 제2 출사면으로부터의 누설광이 적어지고, 빛의 이용 효율이 더욱 향상함과 동시에 피조명물의 상이 번지거나 흐려짐이 방지된다. 이 결과, 밝고 또한 선명한 피조명물상을 실현하는 전방 조명 장치를 제공할 수 있는 효과를 발휘한다.

발명의 상세한 설명의 항에서 이루어진 구체적인 실시 형태 또는 실시예는, 어디까지나 본 발명의 기술 내용을 밝히는 것으로, 그와 같은 구체예에만 한정하여 협의로 해석되는 것이 아니라, 본 발명의 정신과 다음에 기재된 특허 청구 사항의 범위 내에서 여러가지로 변경하여 실시할 수 있다.

Claims

광원 및 제1 도광체를 구비하며 피조명물의 전방에 배치되어 사용되는 전방 조명 장치에 있어서;

상기 제1 도광체가 광원으로부터 빛을 입사하는 입사면과, 피조명물을 향해 빛을 출사하는 제1 출사면과, 상기 제1 출사면에 대향하는 제2 출사면을 포함하는 다면체이고;

상기 제1 및 제2 출사면이 상호 대략 평행하게, 또는 입사면으로부터 멀어질수록 간격이 좁아지도록 배치되고; 그리고

상기 입사면이 제1 출사면의 법선에 대해 경사져 배치되는

것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제1항에 있어서, 상기 입사면과 제1 출사면이 이루는 각이 둔각인 것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 도광체의 입사면 및 제1 출사면에 수직인 평면에 있어서의 단면 형상이 삼각형인 것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 출사면이 상호 대략 평행하게 배치되며,

입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 제1 도광체에 입사한 후의 빛의 확대각을 ±γ, 제2 출사면의 경계각을 θ_c2로 하면, 부등식 θ_c2≤90°-β-γ 가 충족되는

것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 출사면이 입사면으로부터 멀어질수록 간격이 좁아지도록 배치되며,

제1 출사면에 대한 제2 출사면의 기울기각을 α, 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 제1 도광체에 입사한 후의 빛의 확대각을 ±γ, 제2 출사면의 경계각을 θ_c2로 하면, 부등식 θ_c2≤ 90°-β-α-γ 가 충족되는

것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제1항에 있어서, 광원과 입사면 사이에 광원으로부터의 빛의 확대를 제한하는 빛 제어 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제6항에 있어서,

상기 제1 및 제2 출사면이 상호 대략 평행하게 배치되며,

입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 제1 도광체의 굴절율을 n₁, 상기 빛 제어 수단에 의해 제한된 빛의 확대각을 ±δ로 하면, 부등식 arcsin[(sinδ)/n₁] β 가 충족되는

것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제6항에 있어서,

상기 제1 및 제2 출사면이 입사면으로부터 멀어질수록 간격이 좁아지도록 배치되며,

제1 출사면에 대한 제2 출사면의 기울기각을 α, 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 제1 도광체의 굴절율을 n₁, 상기 빛 제어 수단에 의해 제한된 빛의 확대각을 ±δ, 제2 출사면의 경계각을 θ_c2로 하면, 부등식 arcsin[(sinδ)/n₁] β+2α 가 충족되는

것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제1항에 있어서, 광원으로부터의 빛을 제1 도광체의 입사면으로만 집광하는 집광 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 도광체의 제1 출사면의 외측에 상기 제1 출사면으로부터의 출사광을 투과시키면서,

상기 제1 출사면으로부터의 출사광에 비해, 제1 출사면의 법선 방향에 가까운 방향으로 빛을 출사하는 제2 도광체를

더 구비하는 것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제10항에 있어서, 상기 제2 도광체가 빛을 산란시키는 광산란체인 것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제11항에 있어서, 상기 광산란체가 전방 산란체인 것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제11항에 있어서,

상기 광산란체가 소정의 각도 범위로부터 입사한 빛만을 산란하는 이방성 산란체이고,

제1 도광체로부터의 출사광이 제2 도광체로 입사하는 각도 범위 중 적어도 일부가 상기 소정의 각도 범위에 포함되는

것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제10항에 있어서, 상기 제2 도광체가 빛을 회절시키는 회절 소자인 것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제14항에 있어서,

상기 회절 소자가 소정의 각도 범위로부터 입사한 빛만을 회절시키고,

도광체로부터의 출사광이 회절 소자로 입사하는 각도 범위 중 적어도 일부가 상기 소정의 각도 범위에 포함되는

것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제14항에 있어서, 상기 회절 소자가 홀로그램인 것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제10에 있어서,

제1 도광체와 제2 도광체 사이에, 이들 도광체 사이에 존재하는 광학적 계면에서의 굴절율차를 완화시키는 충전제가 채워지는 것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제17항에 있어서,

제1 도광체에 있어서의 제1 및 제2 출사면이 상호 대략 평행하게 배치되며,

제1 도광체에 있어서 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 제1 도광체에 입사한 후의 빛의 확대각을 ±γ, 제1 도광체에 있어서의 제1 출사면의 경계각을 θ_c1로 하면, 부등식 θ_c190°-β+γ 가 충족되는

것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
제17항에 있어서,

제1 도광체에 있어서의 제1 및 제2 출사면이, 입사면으로부터 멀어질수록 간격이 좁아지도록 배치되며,

제1 도광체에 있어서 제1 출사면에 대한 제2 출사면의 기울기각을 α, 제1 도광체에 있어서 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 제1 도광체로 입사한 후의 빛의 확대각을 ±γ, 제1 도광체에 있어서의 제1 출사면의 경계각을 θ_c1로 하면, 부등식 θ_c190°-β-2α+γ 가 충족되는

것을 특징으로 하는 전방 조명 장치.
반사판을 갖는 반사형 액정 소자를 구비하는 반사형 액정 표시 장치에 있어서,

상기 반사형 액정 소자의 전방면에 제1항에 기재된 전방 조명 장치가 배치되는 것을 특징으로 하는 반사형 액정 표시 장치.
제20항에 있어서, 반사형 액정 소자와 전방 조명 장치 사이에, 상기 반사형 액정 소자와 전방 조명 장치 사이에 존재하는 광학적 계면에서의 굴절율차를 완화시키는 충전제가 채워지는 것을 특징으로 하는 반사형 액정 표시 장치.
제21항에 있어서,

전방 조명 장치의 제1 도광체에 있어서의 제1 및 제2 출사면이 상호 대략 평행하게 배치되며,

전방 조명 장치의 제1 도광체에 있어서의 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 상기 제1 도광체로 입사한 후의 빛의 확대각을 ±γ, 제1 출사면의 경계각을 θ_c1로 하면, 부등식 θ_c190°-β+γ 가 충족되는

것을 특징으로 하는 반사형 액정 표시 장치.
제21항에 있어서,

전방 조명 장치의 제1 도광체에 있어서의 제1 및 제2 출사면이 입사면으로부터 멀어질수록 간격이 좁아지도록 배치되며,

전방 조명 장치의 제1 도광체에 있어서의 제1 출사면에 대한 제2 출사면의 기울기각을 α, 상기 제1 도광체의 입사면과 제1 출사면의 법선이 이루는 각을 β, 상기 제1 도광체로 입사한 후의 빛의 확대각을 ±γ, 제1 출사면의 경계각을 θ_c1로 하면, 부등식 θ_c190°-β-2α+γ 가 충족되는

것을 특징으로 하는 반사형 액정 표시 장치.
제20항에 있어서, 광원으로부터의 빛을 제1 도광체의 입사면으로만 집광하는 집광 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반사형 액정 표시 장치.