KR20000029362A - 조명 장치 및 이를 이용한 액정 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

조명 장치의 도광체의 입사부에 콜리메이트화 수단을 설치하여, 도광체에의 입사 효율이 높고 콜리메이트성이 높은 조명 장치를 얻게 된다. 그 조명 장치를 이용하여 고휘도의 액정 표시 장치를 얻을 수 있고, 또한 액정 표시 소자에 광을 확장하는 스크린을 배치하여 광시야각의 액정 표시 장치를 얻을 수 있다. 또, 형광체를 사용하여, 컬러 필터에 의한 흡수 손실을 배제하고, 광원광의 이용 효율을 높게 한 밝고 저소비 전력이면서, 색의 번짐이나 해상도 저하가 없는 고품위의 표시를 얻을 수 있는 액정 표시 장치를 얻는다. 도광체와, 적어도 도광체의 일변에 도광체에의 입사광의 평행도를 높이는 콜리메이트 수단과, 콜리메이트 수단에 근접 배치된, 주위에 반사판을 갖는 광원으로 이루어진 도광 수단을 복수개 배치하고, 도광체가 출사광을 띠 형상으로 출사시키는 요철면을 갖고, 도광체 상에 편광 변환기를 배치한다. 콜리메이트 수단의 광학축을 경사시켜 배치하고, 콜리메이트 수단이 상기 광원 및 도광체 측에서는 넓고 중앙부에서 좁다. 또한, 콜리메이트화 수단의 광원측이 확장되어 있는 측면이 광 반사판으로 덮여 있다. 조명 장치를 이용한 고휘도, 광시야각의 액정 표시 장치이다. 또, 편광 상태의 변화에 의해 표시를 행하는 액정 표시 소자와, 이를 배면으로부터 조명하는 발광 피크 파장이 380∼500㎚의 광을 출사하는 광원과, 상기 액정 표시 소자의 광 출사측에 이 액정 표시 소자의 각 화소에 대응하여 배치한, 상기 광원을 적색 또는 녹색으로 변환하는 일종 이상의 파장 변환용 형광체를 구비한 파장 변환부를 갖는 컬러 표시 장치이다.

Description

조명 장치 및 이를 이용한 액정 표시 장치{ILLUMINATING APPARATUS AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY USING THE SAME}
본 발명은 액정 텔레비젼, 컴퓨터용 액정 디스플레이 등에 이용되는, 광의 상태를 변조하여 화상 표시를 행하는 액정 표시 소자의 배면에 설치된 조명 장치, 특히 효율 좋게 콜리메이트성을 높인 조명 장치, 및 이를 이용한 액정 표시 장치에 관한 것이다.
근래에, 액정 표시 장치, 특히 컬러 액정 표시 장치의 기술 진보는, 놀랍게도 CRT에 모자라지 않는 표시 품질의 디스플레이를 다수 볼 수 있게 하였다. 또한, 노트퍼스널 컴퓨터가 보급되어, 조명 장치인 백라이트 등에서는 디스플레이로서의 형태를 이루지 않고, 백라이트는 직시형 컬러 액정 표시 장치에서의 필수 디바이스가 되었다.
컬러 액정 표시 장치는, 크게 TFT (박막 트랜지스터)를 이용한 액티브 매트릭스 구동에 의한 TN(트위스트 네마틱) 액정 표시 장치와 멀티플렉스 구동의 STN(수퍼 트위스트 네마틱) 액정 표시 장치의 2 방식으로 나눌 수 있다. 어느 것이나 액정층을 글래스 기판으로 유지한 소자의 양측에 편광판을 배치하고, 직선 편광의 편광 상태를 변조하여 표시를 행하는 것이다 최근에는, 콜레스테릭의 특성 반사를 이용한 표시 방식, 산란과 투과를 제어하는 방식, 흡수와 투과를 제어하는 방식 등 다양한 방식이 제안되고 있다. 이들 백라이트에 요구되는 휘도 레벨은 그 용도에 따라 다양하지만, 특히 컬러 노트 퍼스널 컴퓨터에서는 요구 휘도만이 아니라 박형, 경량, 저소비 전력이 지상 과제이다. 또한, 컴퓨터의 대화면 디스플레이로서의, 액정 표시 장치에 대한 기대가 높아져, 밝기 향상은 물론이고, 광(廣)시야각 표시를 가능하도록 출사 특성이 넓은 것이 요구되고 있다. 또한, 액정 TV로서는, 대화면, 광시야각, 고휘도화와 액정 디스플레이에 대한 기대가 높아지고 있다.
그리고, TFT를 이용하여 광시야각 액정을 실현하기 위해 MVA (멀티 도메인 수직 배향 네마틱 액정) 모드, IPS (횡전계) 모드 등 다양한 방식이 제안, 실현되고 있다. 그러나, MVA, IPS 모드는 종래의 TN, STN 모드와 비교하면 비산적으로 시야각이 확대됐지만, 시야각에 의존하는 색변화 콘트라스트비의 저하 등의 문제가 존재한다.
또, 시야각 의존성이 없는 광시야각 기술로서 콜리메이트 광원과 액정 표시 소자 상에 배치된 스크린에 의한 광시야각 기술이 PCT/US94/07369, PCT/9-500981호, PCT/9-505412호, PCT/8-511129호, PCT/9-507920호, PCT/10-500528호에 개시되어 있다. 또, 이들과는 다른 스크린 기술, 콜리메이트화 기술에 대해, 각각 USP2378252, PCT/US97/07374(특개평6-202107호, 특개평6-324217호)에 개시되어 있다.
또, 특개소60-50578호 공보에 기재된 형광 색채 표시 장치, 또는 특개평7-253576호 공보에 기재된 액정 표시 모듈에서는, 자외선 (또는 근자외선)을 발하는 광원을 구비하고, 자외선에 의해 적, 녹, 청으로 형광하는 형광체를 액정 표시 소자의 화면에 대응하여 배치하고, 액정 표시 소자를 광 셔터로서 사용하고, 자외선에 의한 형광체의 형광에 의해 컬러 표시를 행하는 컬러 표시 장치가 제안되고 있다. 또, 특개평9-80434호 공보에 기재된 컬러 표시 장치는, 청색의 유기 EL을 적용하고, 청색 광원에 의해 적, 녹으로 형광하는 형광체를 배치한 컬러 표시 장치가 제안되고 있다.
또, 상기 형광체를 사용한 표시 장치에서는, 액정 표시 소자는 간단히 자외선을 선택적으로 투과시키는 광 셔터로서 기능하고, 자외선이 통과한 화소에 배치한 형광체의 형광에 의해 표시가 행해진다. 형광색은 형광체의 특성에 의해 결정되고, 적, 녹, 청 각각 색이 선명한 색채 표시가 가능하기 때문에, 컬러 필터에 의한 광의 흡수가 없고, 밝은 컬러 표시를 실현한다고 할 수 있다. 게다가 형광체로부터의 형광의 공간 분포는 입사광의 방향에 의존하지 않고 동일하게 되기 때문에, 시야각 의존성이 없는 표시를 얻을 수 있다고 하는 것이다.
상기 콜리메이트화 기술은, 광의 이용 효율이 낮다는 과제가 있다. 또, 최근 이용되고 있는 반사형 편광판 (USP5486949, USP5122906, SID92 DigestP427, 특개평7-36032, SID95 Digest P735)를 적용한 편광 변환 기술에 의한 광이용 효율 향상에는 효율 향상의 비율이 적게 적용된다. 또, 광로 변환 소자로서 프리즘시트 (예를 들면 3M제의 BEF)를 적용하여 정면에의 배향성을 향상한 구성이 개시되고 있지만, 콜리메이트성이 낮다. 콜리메이트성이 낮기 때문에, 형광체나 스크린을 이용하여 광시야각 표시를 할 때, 글래스 기판의 두께 등으로 인해 불선명 화면이 화상되게 된다.
특히, 본 발명은 액정 디스플레이의 고휘도화, 및 광시야각화를 실현하기 위한, 고효율의 콜리메이트성이 높은 조명 장치 및 이를 이용한 액정 표시 장치에 관한 것이다. 광이용 효율이 높고, 콜리메이트성이 높은 조명 장치의 실현에 의해, 고휘도 액정 표시 장치, 광시야각 액정 표시 장치, 복수개의 액정 표시 장치를 병렬로 간격 없이 화상을 형성하는 멀티 액정 표시 장치의 실현을 도모하는 것이다.
여기에서, 본 발명의 목적은, 조명 장치의 도광체에의 입사부에 콜리메이트화 수단을 설치하여, 도광체에의 입사 효율이 높고 콜리메이트성이 높은 조명 장치를 얻고, 그 조명 장치를 이용하여 고휘도의 액정 표시 장치를 얻는 데에 있다. 또한, 액정 표시 소자에 광을 확장하는 스크린을 배치하여 광시야각의 액정 표시 장치를 얻는 데에 있다. 또한, 콜리메이트성이 높은 조명 장치를 갖는 액정 표시 장치를 복수개 배치하고, 표시면 측에 결상 수단, 확대 수단 및 스크린을 배치하여, 액정 표시 사이의 간격을 없게 한 대화면의 액정 표시 장치를 얻는 데에 있다. 또한, 형광체를 배치하여 광시야각이며, 고휘도인 액정 표시 장치를 얻는데에 있다.
광원으로서, 자외선 또는 근자외선을 이용하는 형광체를 배치한 액정 표시 장치에서는, 광원이 단결정이기 때문에 다양한 장점이 있다. 먼저, 콜레스테릭 액정층과 위상차판을 이용한 편광자는, 백색 광원을 이용한 컬러 액정 표시 장치에 적용하기 위해서, 가시 파장대역 전역에서 선택 반사가 일어난다. 또는 적어도 광원의 3원색에 대응하는 스펙트럼의 파장에서, 선택 반사가 일어나도록 할 필요가 있다.
그러나, 현실적으로는 콜레스테릭 액정 재료의 △n (복굴절 이방성)은 일반적으로 0.05∼0.30 정도이기 때문에, 일층의 콜레스테릭 액정층에서 백색 광원에 대응한 넓은 파장 대역에서 선택 반사를 얻을 수 없었다. 따라서, 백색 광원에 대응하는 데에는, 피치가 다른 콜레스테릭 액정층을 복수층 적층할 필요가 있지만, 콜레스테릭 액정층을 적층하면, 계면 증가에 의한 성능의 열화나, 비용이 높아진다는 문제가 생긴다.
또한, 상기 편광자에 이용될 수 있는 위상차판은 콜레스테릭 액정층을 투과한 원편광을 직선편광으로 변환하는 기능을 갖고, 백색 광원에 대응하기 위해서는, 가시파장 전역에서 1/4파장판으로서 기능할 필요가 있지만, 일반적으로 위상차판을 구성하는 재료의 굴절률의 파장 의존성(파장 분산)에 의해, 한 종류의 위상차판으로 가시파장의 전역에서 1/4파장판으로서 기능하는 위상차판을 구성하는 것은 곤란하다.
이 경우, 파장 분산이 다른 적어도 2종류의 위상차판을 그 광학축을 직교하도록 접합함으로써 넓은 파장역에서 1/4파장판으로서 기능하는 위상차판을 구성하는 것이 가능하지만, 이 경우는 위상차판의 적층에 의해 광입사각도에 의한 위상차의 변화가 커지는 등의 성능의 열화나, 비용의 상승이라고 하는 문제가 생긴다.
한편, 자외선을 발하는 광원을 구비하고, 액정 표시 소자를 광셔터로서 사용하고, 자외선에 의한 형광체의 형광에 의해 컬러 표시를 행하는 액정 표시 장치에서는, 자외선이 각종 투명 재료에서 흡수되기 쉽기 때문에, 기대하는 만큼 효율이 높고 밝은 컬러 표시 장치를 실현할 수 없었다. 따라서, 각종 투명 부재의 흡수를 고려하면, 광원 파장으로서는 380㎚이상이 바람직하다. 또한, 430㎚ 이상의 광원으로서, 3원색 중, 청색이 광원색으로 표시되는 것이 바람직하다.
특히, 조명 장치로서 에지 라이트형 백라이트 장치를 이용하는 경우, 광원 광을 액정 표시 소자 표시부에 도입한 도광체는, 일반적으로 아크릴 수지로 구성되어 있지만, 아크릴 수지는 자외선을 흡수하기 때문에 효율 좋게 자외선을 액정 표시 소자에 도입할 수 없다.
또한, 현재 일반적으로 사용되고 있는 편광판은 편광막의 보호층에 자외선 흡수제가 첨가되어 있기 때문에, 파장 380㎚ 이하의 자와선은 거의 흡수된다 (도 29 참조). 또한 도 30은 편광판을 제외한 액정 표시 소자의 투과 스펙트럼을 나타낸 것이지만, 도시한 대로 투명 전극, 배광막, 액정에서도 자외선을 대부분 흡수된다.
이와 같이, 액정 표시 장치의 각 부분서 자외선은 흡수되기 때문에, 고효율의 컬러 표시 장치를 실현하는 것은 곤란하다. 또한 액정이나 배광막 등은 재료에 따라서는 자외선에 의해 열화되어, 수명이 단축된다고 하는 문제도 생긴다.
또한 액정 표시 소자의 액정층과, 형광 발광부인 형광체가 글래스 기판 등으로 이격되어, 거리가 벌어져 있는 경우는 조명광(조사 자외선)의 지향성이 낮으면, 즉 평행성이 나쁘면, 액정 표시 소자가 본래 표시해야 할 화소와는 다른 화소에 대응하는 형광체에 조명광이 누설되어 형광하여, 색이 번지고 해상도가 저하한다고 하는 문제를 초래한다. 그러나, 상기 공지예에서는 조명광의 평행성의 구체적인 개선 방법에 대해서는 특히 언급되고 있지 않다.
본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 컬러 필터에 의한 광흡수, 또는 편광판에서의 광흡수를 억제하여, 광원광의 이용 효율을 높게 하여 밝고 저소비 전력이면서, 색의 번짐이나 해상도 저하가 없는 고품위의 표시를 얻을 수 있는 표시 장치를 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는, 이하의 수단을 이용한다.
광 이용 효율, 콜리메이트성이 높은 조명 장치를 실현하기 위해서, 본 발명의 수단은, 도광체와, 적어도 상기 도광체의 일변에 상기 도광체에의 입사광의 평행도를 높이는 콜리메이트 수단과, 상기 콜리메이트 수단에 근접 배치된, 주위에 반사판을 갖는 광원으로 이루어진 도광 수단을 복수개 배치한 것을 특징으로 하는 조명 장치이다. 바람직하게는, 상기 도광 수단의 상기 도광체의 출사면으로부터 균일하게 콜리메이트광을 출사시키기 위해서, 상기 도광체의 광출사면의 이면에 경사면을 갖는 요철면 또는 단차로 구성된 반사면을 구비하고, 상기 반사면은 적어도 경사부가 경면화되어, 상기 도광체의 이면에 직접 또는 공기층을 사이에 두고 반사판을 배치한다. 또는, 상기 도광체의 출사면에 경사홈을 갖는다. 또 바람직하게는, 광원으로부터의 무편광 또는 비편광을 편광으로 변환하여 균일하게 출사시키기 위해서, 상기 도광체가 출사광을 띠형상으로 출사시키는 요철면을 갖고, 상기 도광체 상에 편광 변환기를 배치한다.
또한, 조명 장치의 두께를 얇게 하기 위해서, 상기 도광 수단의 출사면에 대해 상기 콜리메이트 수단의 광학축을 경사지게 배치한다. 여기에서, 콜리메이트 수단의 광학축은 콜리메이트 수단으로부터의 출사광 강도의 피크 방향으로 정의된다.
또, 광원으로부터의 출사광을 효율 좋게 콜리메이트 수단에 입사하기 위해서, 상기 광원이 원주상의 광원이고, 적어도 상기 광원의 장축 방향으로는 상기 콜리메이트 수단이 상기 광원 및 상기 도광체측에서는 넓고, 중앙부에서는 좁게 되어 있다. 또, 상기 광원이 LED 등과 같이 점상의 광원인 때는, 상기 광원을 상기 콜리메이트 수단 마다 배치하고, 상기 콜리메이트 수단을 광원측에서는 좁게, 상기 광원측에서는 넓게 한다. 또, 광원으로부터의 출사광을 효율 좋게 콜리메이트 수단에 입사하기 위해서, 상기 콜리메이트 수단의 상기 광원 측이 넓게 되어 있는 측면이 광반사판으로 덮여 있다.
또, 상기 콜리메이트 수단과 상기 도광체 사이에 편광 변환기를 배치하고, 광원으로부터의 무편광 또는 비편광을 편광으로 변환하여 광 이용효율을 향상한다.
또, 편광 상태, 산란/투과, 또는 흡수/투과를 제어하여 화상 표시를 행하는 액정 표시 소자와 상기 액정 표시 소자의 배면에 상기 조명 장치를 배치하여, 고 휘도의 액정 표시 장치를 실현할 수 있다. 또한, 액정 표시 소자의 표시면 측에 출사광을 확장하는 스크린을 배치하여, 고휘도, 광시야각의 액정 표시 장치를 실현할 수 있다. 여기에서, 액정 표시 소자로서 조명 장치로부터의 광출사각도 범위내의 입사각에서, 충분한 콘트라스트비가 얻어지는 표시 모드이면, 시야각에 의한 콘트라스트비 변화, 계조 반전, 색 변화가 없는 광시야각의 표시를 얻을 수 있다.
또한, 상기 콜리메이트성이 높은 조명 장치를 이용한 액정 표시 장치를 복수개 배치하고, 그 표시면 측에 마이크로 렌즈 어레이 등으로 형성된 결상 수단, 프레넬 렌즈로 형성된 확대 수단 및 바람직하게는 외광을 흡수하고, 출사광을 확장하는 작용을 갖는 비즈스크린 등의 스크린을 배치하여, 이음매 없는 광시야각의 대화면 액정 표시 장치를 실현할 수 있다. 예를 들면 비즈스크린은 USP2378252에 개시된 바와 같은 외광을 효율 좋게 흡수하고, 액정 표시 소자로부터의 출사광을 효율 좋게 투과하는 것이다.
또한, 투명 전극 형성면이 대향하여 일정한 간격을 두고 구성된 한 쌍의 투명 기판과, 이 투명 기판 사이에 끼워진 액정층과, 상기 한 쌍의 투명 기판의 투명 전극에 의해 형성되는 매트릭스상의 화소에 화상 신호에 대응한 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 갖는 액정 표시 소자와, 상기 액정 표시 소자의 배면으로부터 조명하는 광원 피크 파장이 380∼500㎚의 광을 출사하는 광원과, 상기 액정 표시 소자의 액정층의 광출사측에 액정 표시 소자의 각 화소에 대응하여 배치하고, 상기 광원광을 적색, 또는 녹색으로 변환하는 한종류 이상의 파장 변환용 형광체로 이루어진 파장 변환부를 갖는 액정 표시 장치에 있어서,
상기 액정 표시 소자는 적어도 그 광입사측에 편광판을 갖고, 액정층에 입사되는 광의 편광 상태를 이용하여 표시를 행하는 것으로, 상기 액정 표시 소자의 배면에 상기 조명 장치를 배치하여 컬러 필터에 의한 흡수 손실이 없는 액정 표시 장치를 실현할 수 있다.
또, 상기 광원의 발광 피크 파장이 430∼480㎚의 광을 걸고, 구성 부재인 글래스 기판, 편광판, 액정 등의 투명 부재의 투과율을 올릴 수 있으며, 또한 고휘도의 액정 표시 장치를 실현할 수 있다.
상기와 같이 구성한 본 발명의 컬러 표시 장치에서는, 광원으로부터 출사하며, 액정 표시 소자에서 변조되는 광은 대역이 좁은 단색 (청색) 광이다. 이 때문에 편광 분리 수단인 콜레스테릭 액정층, 또는 직선 편광 분리 소자의 편광 분리 성능이나, 편광 변환 수단인 위상차판의 기능은 백색광과 같이 대역이 넓은 광의 경우 보다 높아진다.
따라서, 비편광인 광원광은 종래 보다 효율 좋게 소망의 직선 편광, 즉 액정 표시 소자의 배면측에 배치한 편광판의 직선 편광 투과축과, 전기 벡터의 진동 방향이 일치한 직선 편광으로 변환된 후, 액정 표시 소자에 조사된다. 이 때문에 액정 표시 소자에 입사되는 광은 편광판에서 거의 흡수되지 않고 표시에 기여할 수 있기 때문에, 종래, 액정 표시 소자의 편광판에 흡수되어, 무효하게 되어 있던 광을 효율 좋게 이용할 수 있다.
또, 액정 표시 소자는, 단순히 광원광인 청색광을 선택적으로 투과시키는 광 셔터로서 기능하고, 녹색과 적색의 표시는 각각의 색을 표시하는 화소에 대응한 위치에 패터닝된 형광체의 형광에 의해 행해진다. 또, 청색의 표시는 청색을 표시하는 화소에 대응한 위치에 패터닝된 청색 컬러 필터의 투과광에 의해 표시되지만, 광원광은 원래 청색이기 때문에 청색 컬러 필터에서의 광의 손실은 거의 없다. 이 때문에, 종래의 컬러 액정 표시 장치와 같은 컬러 필터에 의한 광흡수가 없고, 광이용 효율이 높고 밝은 컬러 표시 장치를 실현할 수 있다.
또한 조명 장치로부터 출사되는 조명광은 도광체의 이면에 형성된 경사 반사면, 및 광로 변환 수단의 작용에 의해 전방위에 걸쳐 평행화되어 있기 때문에, 액정 표시 소자의 액정층과, 파장 변환부의 형광체가 글래스 기판으로 이격되어, 거리가 벌어져 있어도, 본래 표시해야 할 화소와는 다른 화소에 대응하는 형광체에의 조명광의 누설이 적어지고, 색의 번짐이나 해상도의 저하가 억제되어 고품위의 컬러 표시를 얻을 수 있다.
또, 형광 표시에 이용되는 여기광 (광원 광)은 가시광이고, 일반적으로 액정 표시 소자에 사용되는 각종 투명 재료에서 자외선과 같이 흡수되는 일이 없기 때문에 광원광을 효율 좋게 이용할 수 있으며, 또한 자외선에 의한 편광판, 액정 등의 열화 없이 긴수명의 형광 컬러 표시를 얻을 수 있다.
게다가, 본 발명의 컬러 표시 장치에서는, 파장 변환부의 청색 컬러 필터가 패터닝되어 있지 않는 부분, 즉 형광체가 패터닝되어 있는 부분에서, 또한 형광체보다 표면 (관찰자측의 면) 측의 위치에 상기 적색용 형광체 및 녹색용 형광체의 형광의 발광 스펙트럼은 투과하고, 그 이외의 광은 흡수되는 밴드패스 필터를 설치한다.
또, 파장 변환부의 배면 (액정 표시 소자측의 면)에 광원의 발광 스펙트럼은 투과하고, 그 이외의 가사광을 반사하는 반사층을 설치하여, 형광체에서 발생한 확산광이 액정 표시 소자에 되돌아가 광이 손실되게 하고, 미광이 되어 색의 번짐 등의 화질 열화를 유발하는 일이 없기 때문에, 밝고 표시 품질이 우수한 컬러 표시 장치를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 조명 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 조명 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 조명 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 조명 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 조명 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 조명 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 7은 본 발명의 액정 표시 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 8은 본 발명의 액정 표시 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 9는 본 발명의 액정 표시 장치에 적용되는 스크린의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 10는 본 발명의 액정 표시 장치에 적용되는 스크린의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 11은 본 발명의 액정 표시 장치에 적용되는 스크린의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 12는 본 발명의 액정 표시 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 13는 본 발명의 조명 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 14는 본 발명의 조명 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 15는 본 발명의 조명 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 16은 본 발명의 조명 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 17은 본 발명의 액정 표시 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 18은 본 발명의 액정 표시 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 19는 본 발명의 컬러 표시 장치의 일 실시예를 나타내는 일부 개략 단면도.
도 20은 본 발명에 관한 도광체의 일 예를 나타내는 일부 단면도.
도 21은 본 발명에 관한 도광체의 일 예를 나타내는 일부 단면도.
도 22는 본 발명에 관한 도광체의 일 예를 나타내는 일부 단면도.
도 23은 본 발명에 관한 콜레스테릭 액정층의 원편광의 투과 스펙트럼의 일 예를 나타내는 도면
도 24는 본 발명에 관한 마이크로프리즘 어레이의 개략 사시도.
도 25는 본 발명의 컬러 표시 장치의 구성의 일 예를 나타내는 모식 사시도.
도 26은 본 발명의 컬러 표시 장치의 동작의 설명을 위한 일부 개략 단면도.
도 27은 종래의 컬러 표시 장치의 액정 구동 전압과 투과율의 관계를 나타내는 도면.
도 28은 본 발명에 관한 액정 표시 소자의 액정 구동 전압과 투과율의 관계를 나타내는 도면.
도 29는 액정 표시 소자에 이용되는 편광판의 투과 스펙트럼의 일 예를 나타내는 도면.
도 30은 편광판을 제외한 액정 표시 소자의 투과 스펙트럼의 일 예를 나타내는 도면.
도 31은 본 발명의 컬러 표시 장치의 일 실시예를 나타내는 일부 개략 단면도.
도 32는 본 발명에 관한 조명 장치의 개략 사시도.
도 33은 본 발명에 관한 조명 장치의 동작을 설명하기 위한 일부 개략 단면도.
＜도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명＞
10 : 도광 수단
11 : 콜리메이트 수단(콜리메이터)
11AU, 11AD, 11BU, 11BD, 11CU, 11CD : 콜리메이터의 확장각
11WA, 11WB, 11WC : 콜리메이터의 폭
12, 41 : 반사판
20 : 도광체
30, 30A : 편광 변환기
31, 31A : 편광 분리기
32, 32A : 위상차판
40 : 광원
50 : 마이크로렌즈 어레이
51 : 프레넬 렌즈
60 : 액정 표시 소자
60A, 64B : 편광판
61A, 61B : 투명 기판
62 : 컬러 필터
63 : 액정
65 : 형광체
70 : 확산판,
80 : 스크린
80A : 비즈
80B : 흡수체
80C : 개구부
100 : 콜리메이트광
101 ∼ 103 : 콜리메이터로부터의 콜리메이트광
110, 111, 115A∼115D, 142 : 편광
110A : 콜리메이터의 광학축
110AA : 광학축의 경사
115 : 콜리메이터로부터의 출사광
121 : 조명 장치로부터의 출사광
121A, 122A : 스크린으로부터의 출사광
122 : 스크린에의 입사광
123 : 스크린에의 경사 입사광
123A : 흡수체에 의해 흡수된 광
124 : 외광
124A : 스크린에 의한 반사광
130 : 확대광
140 : 콜리메이트광
140A, 140C : 홈 경사각
140B : 반사면
141 : 출사광
2100 : 파장 변환부
2101R : 적색용 형광체
2102G : 녹색용 형광체
2103B : 청색 컬러 필터
2104 : 블랙 매트릭스
2106 : 반사층
2200 : 액정 표시 소자
2201, 2202 : 투명 글래스 기판
2203, 2205 : 투명 전극
2204, 2206 : 배향막
2207 : 액정층
2208, 2209 : 평광판
2210 : 시일제
2300 : 조명 장치
2301 : 형광 램프
2302 : 도광체
2303 : 램프 커버
2304 : 편광 유지 반사판
2401 : 마이크로프리즘 어레이
2500 : 조명 장치
2501 : 위상차판
2502 : 콜리메이트 렌즈
2503 : 편광 분리면
2504 : 편광 변환 소자(1/2파장판)
2505 : 반사면
2506 : 투광성 부재
2507 : 청색 LED
2510 : 편광 분리 프리즘 어레이
2601 : 콜레스테릭 액정층
2701 : 직선 편광 분리 소자
1500 : 광원
1501 : 경면 반사 미러
1502 : 콜레스테릭 액정층
1503 : 위상차판
본 발명의 실시예에 대해 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.
＜실시예 1＞
본 발명은 광이용 효율 및 콜리메이트성이 함께 높은 조명 장치로서, 도 1에서 나타낸 실시예로 대표된다. 본 실시예는 투명한 아크릴 수지로 이루어진 도광체(20)의 측면에 콜리메이트 수단으로서 콜리메이터(11)가 배치된 도광 수단(10)의 단부에, 광원(40)으로서 도광체(20)의 길이에 대응한 발광 길이를 갖는 냉음극 형광 램프와 이들을 커버하여 광을 콜리메이터(11)에 입사시키기 위한 반사판(41)을 배치하고, 도광체(20)의 출사측에는 편광 변환기(30)를 배치한다. 광원(40)으로서는, 관 직경이 2.2㎜이고, 길이가 약 292.5㎜ (도 1의 도면 앞쪽에서 안쪽의 방향)을 사용한다. 반사판(41)으로서는, 냉음극 형광 램프를 둘러싸도록 하는 원통형 또는 타원통형의 반사판(41)을, 도광체(20)로서는 굴절률 1.49에서 크기 292.5㎜×21.5㎜×12.4㎜ (광원(40)측, 반사측은 1.0㎜)을 사용한다. 도광체(20)의 이면은 콜리메이터(11)로부터의 출사광을 편광 변환기(30)의 피치에 맞추어 띠형상으로 출사시키기 위해 이면 형상을 형성하고, 반사면에는 반사판을 형성한다. 본 실시예에서는, 이 도광 수단(10)을 10개 배치하여 조명 장치로 한다. 도광 수단(11)의 수는 한정되는 것은 아니고, 조명 장치의 두께, 앰프의 수에 의해 임의로 변환시킬 수 있다.
또, 본 실시예에서 사용한 도광 수단(10)의 한 블럭을 도 2에서 나타낸다. 도 2에서 나타낸 바와 같이, 콜리메이터(11)의 광학축(110A)을 도광체(20)의 출사면에 대한 각도(110AA)를 30°로 한다. 각도(110AA)를 30°로 하여, 도광체(20)의 이면을 평평한 반사면으로 할 수 있다. 광학축(110A)이 30°로 한정되는 것은 아니고, 각도(110AA)가 변할 때에는, 이에 맞추어 도광체(20)의 이면 형상을 변하게 하는 것으로 대응할 수 있다. 그러나, 각도(110AA)가 90°에서는 조명 장치 전체의 두께가 얇아진다. 또, 각도(110AA)를 30° 보다 크게 , 또는 작게 하면 도광체(20)의 이면의 형상이 복잡하게 된다.
콜리메이터(11)를 출사면측에서 보면, 도 3과 같이 광원(40)측, 도광체(20)측을 넓인 구조로 한다. 본 실시예에서, 콜리메이터(11)는 도광체(20)와 동일한 투명 아크릴 수지로 이루어지고, 도광체(20)과 일체로 성형되지만, 별개로 성형하여 광학적으로 결합해도 좋다. 도 3에서 콜리메이터(11)의 도시는 4개만이지만, 실제로는 광원(40)의 길이에 대응하고 있고, 도 2의 축(14WA)를 7.4㎜로 하여 40개 정렬한다. 또, 도광체(20) 및 콜리메이터(11)는 각 면광학적으로 경면 처리를 실시하고 있다. 또, 콜리메이터(11)의 측면의 일부에는 반사판(12)이 배치되어 있다.
이 콜리메이터(11)를 상부에서 보면, 도 3에서 나타낸 바와 같이, 광원(40)에 대해 입사부(11WC)를 7.4㎜, 중앙부(11WB)를 2.8㎜, 출사부(11WA)를 7.4㎜로 한다. 또, 이 때, 입사측의 경사각(11BU, 11BD)를 약 21도, 출사측의 경사각(11AU, 11AD)를 5.1도로 한다. 바람직하게, 경사각(11BU, 11BD)는 45° 이하이면, 각각 동일할 필요는 없다. 또, 바람직하게, 11AU, 11AD는 15도 이하이면 각각 동일할 필요는 없다. 반대로, 11AU, 11AD를 변하게 함으로써 지향성의 방향을 변화시킬 수 있다. 단, 각각의 경사각은 중앙부가 좁은 구성이면 이에 한정되는 것은 아니다.
이 콜리메이터의 단면도는, 도 4에서 나타낸 바와 같이, 출사측의 경사각(11CU, 11CD)을 5.0도로 한다.
상기 구성으로 함으로써, 도 2에서 나타낸 바와 같이 광원(40)으로부터의 출사광은, 콜리메이터(11)의 측면에서 전반사되어 콜리메이트화된 광(100)이 되어 도광체(20)에 입사된다. 이에 의해 콜리메이트성을 높일 수 있다. 또, 콜리메이터(11)로부터의 출사광(101, 102, 103)은 광학축(110A)에 대해 약 ±8° 이내에서 콜리메이트화될 수 있다. 콜리메이트화된 광은 도광체(20)의 이면에 직교, 또는 출사면에서 전반사된 후, 도광체(20)의 이면에서 반사되어, 편광 변환기(30)에 입사된다. 편광 분리기(31)에 입사된 광은 P편광, S편광으로 분리되고, 위상차판(32)에서 각각 동일한 직선 편광(110, 111)으로 변환된다. 여기에서, 편광 분리기(31)로서, 3M제의 반사형 편광판인 DBEF를 45°의 면에 접합하여, P편광이 반사하고, S편광이 투과하도록 배치된다. 이번에 사용된 DBEF의 경사진 입사에 의해 색변화를 방지하기 위한 편광축을 규정했지만, 45 입사용으로 맞추는 것을 행하면, 이 편광축에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서는, 조명 장치로부터 편광을 출사시키기 위해, 도 1, 도 2에서 나타낸 바와 같이, 도광체(20) 상에 편광 변환기(30)를 배치한다. 여기에서, 편광 분리면으로서는 SID92 Digest p427이나 USP5486949, USP5122906에 기재된 유전체 다층막에 의한 반사 편광판, Asia Display 95 Digest p735에 기재된 콜레스테릭의 특성 반사를 이용한 반사 편광판을 사용할 수도 있다. 또, 프로젝터에 사용되는 증착막으로 형성된 편광 분리기를 사용할 수도 있다. 이 편광 변환기(30)를 이용함으로써 편광의 광 이용 효율을, 편광 변환기(30)를 이용하지 않을 때와 비교하여 1.7배 정도 향상할 수 있다.
또, 단면도는 도 3에서 나타낸 구성에서, 콜리메이터(11)의 입사측(11WC)과 출사측(11WA)이 동일하기 때문에, 램프로부터의 출사광의 콜리메이터(11)에 들어가지 않는 성분이 없기 때문에 (단, 램프에 돌아오는 성분은 존재함), 콜리메이터(11)에의 입사 효율을 향상시킬 수 있다. 콜리메이터(11)를 제외하고 반사판(41)과 광원(40)을 직접 도광체(20)에 배치한 경우, 광원(40)의 광속에 대해 도광체(20)에의 입사 효율은 약 80%였지만, 본 실시예에서는 도광체(20)에의 입사 효율은 약 60%를 얻을 수 있다. 본 실시예에서 콜리메이터(11)의 11WB로부터 광원(40)측을 배제하고 11WB의 극간에 반사판을 배치한 경우의 도광체에의 입사 효율은 약 40%이고, 램프 입사측을 확장하는 것으로 입사 효율을 비산적으로 향상시킬 수 있다. 콜리메이터(11)의 입사측 (11WB로부터 광원(40)측)이 없는 경우는, 콜리메이터(11)에 입사광은 모두 전반사하여 도광체(20) 내에 도입되지만, 본 실시예의 경우, 입사측을 확장하면 전반사하지 않는 입사각이 존재하기 때문에 반사판(12)을 배치한다.
또, 도 2에서 나타낸 바와 같이, 측면에서 본 콜리메이터(11)의 측면도를 다이 형상으로 했지만, 광원(4)의 직경이 콜리메이터(11) 입사부에 비해 클 때에는, 도 3에서 나타낸 상부도와 같이 측면도 입사측을 확장하여 입사 효율을 올릴 수 있다. 본 실시예에서 얻은 콜리메이트성은 출사광의 반값 폭 (피크 휘도에 비해 휘도가 1/2이 되는 각도 범위)에서 보면, 도 3의 도면 앞쪽에서 안쪽 방향, 도면 수평 방향은 각각 약 ±12.5°, 약 ±12.0°를 얻을 수 있다. 콜리메이트성이 높고, 광 이용 효율이 높은 조명 장치를 얻을 수 있다.
본 실시예에서는, 광원(40)을 10개 배치한 구성이지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 밝기, 소비 전력, 두께를 고려하여 설정할 수 있다. 또, 출사광의 콜리메이트성은 콜리메이터(11)의 경사각(11AU, 11AD, 11CU, 11CD) 및 폭(11WA, 11WB, 11WC)를 변화시켜 조정 가능하다.
＜실시예 2＞
본 실시예는 광원(40)으로서 원주상의 냉음극 형광 램프나 열음극 형광 램프의 대체로서, 도 5에서 나타낸 바와 같이 예를 들면 광원(40)으로서의 LED를 다수 배열하고, 각 LED 마다 콜리메이터(11)를 배치한다. 본 실시예와, 실시예 1의 차이점은 광원으로서 점상 광원인 LED의 사용과, 편광 변환기(30)를 콜리메이터(11)와 도광체(20) 사이에 배치한 점이다. 도 5는 도 3에 대응하는 도면으로서, 도광체의 출사면측에서 본 단면도이다. 이 구성에서는, LED 광원(40)이 콜리메이터(11)의 입사측 폭(11WB)에 비해 작기 때문에 도 3에서 나타낸 바와 같이 광원측을 확장할 필요가 없다. 여기에서, 콜리메이터(11)는 실시예 1과 동일하게, 11WB는 2.8㎜, 11WA는 7.4㎜, 11AU, 11AD를 5°로 한다. 이 때, LED 등은 점광원에 근접하기 때문에 콜리메이트성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 콜리메이터(11) 및 도광체에의 입사 효율을 비산적으로 향상시킬 수 있다.
또, 콜리메이터(11)의 출사측에 편광 변환기(30)로서 편광 분리면을 갖고, 무편광(115) 중 S편광(115A)를 그대로 투과하고, P편광(115B)를 반사하여, 편광 분리면에서 다시 반사(115C)되고, 출사측에서 1/2 파장판으로서 행동하는 위상차판 또는 시광자(32A)를 배치하여 S편광(115D)으로 하여, 모든 무편광을 효율 좋게 직선 편광으로 변환할 수 있다. 본 실시예에 적용한 편광 변환기는 실시예 1과 동일한 것을 사용한다.
콜리메이터(11)를 제외하고 반사판(41)과 광원(40)을 직접 도광체(20)에 배치한 경우, 대략 동등한 입사 효율은 약 80%을 얻을 수 있다.
본 실시예에서 얻은 콜리메이트성은 출사광의 반값 폭 (피크 휘도에 비해 휘도가 1/2이 되는 각도 범위)에서 보면, 도 1의 도면 앞쪽에서 안쪽 방향, 도면 수평 방향은, 각각 ±12.0°, 약 ±12.0°를 얻을 수 있다. 콜리메이트성이 높고, 광이용 효율이 높은 조명 장치를 얻을 수 있다.
＜실시예 3＞
본 실시예와, 실시예 1의 차이점은, 편광 변환기(30)를 콜리메이터(11)와 도광체(20)의 사이에 배치한 점이다. 도 6은 도 3, 도 5에 대응하는 도면이고, 도광체의 출사면 측에서 본 단면도이다. 이 콜리메이터(11)를 상부에서 보면, 도 6에서 나타낸 바와 같이, 광원(40)에 대해 입사부(11WC)를 7.4㎜, 중앙부(11WB)를 2.8㎜, 출사부(11WA)를 7.4㎜로 한다. 또, 이 때, 입사측의 경사각(11BU, 11BD)를 약 21도, 출사측의 경사각(11AU, 11AD)를 5.1도로 한다. 바람직하게, 경사각(11BU, 11BD)이 45°이하이면, 각각 동일할 필요는 없다. 또, 바람직하게, 11AU, 11AD가 15도 이하이면 각각 동일할 필요는 없다. 반대로, 11AU, 11AD를 변화시킴으로써 지향성의 방향을 변화시킬 수 있다. 단, 각각의 경사각은 중앙부가 좁은 구성이면 이에 한정되는 것은 아니다.
또, 단면도는 도 6에서 나타낸 구성으로, 콜리메이터(11)의 입사측(11WC)과 출사측(11WA)이 동일하기 때문에, 램프로부터의 출사광의 콜리메이터(11)에 들어가지 않는 성분이 없기 때문에 (단, 램프에 돌아오는 성분은 존재함), 콜리메이터(11)에의 입사 효율을 향상시킬 수 있다. 콜리메이터(11)를 제외하고 반사판(41)과 광원(40)을 직접 도광체(20)에 베치한 경우, 광원(40)의 광속에 비해 도광체(20)에의 입사 효율은 약 80%이지만, 본 실시예에서는, 도광체(20)에 입사 효율은 약 60%을 얻을 수 있다. 본 실시예에서, 콜리메이터(11)의 11WB로부터 광원(40)측을 배제하고 11WB의 극간에 반사판을 배치한 경우의 도광체에의 입사 효율은 약 40%이고, 램프 입사측을 확장하여 입사 효율을 비산적으로 향상시킬 수 있다. 콜리메이터(11)의 입사측 (11WB로부터 광원(40) 측)이 없는 경우는, 콜리메이터(11)에의 입사광은 모두 전반사하여 도광체(20) 내에 도입되지만, 본 실시예의 경우, 입사측을 확장하면 전반사되지 않는 입사각이 존재하기 때문에 반사판(12)을 배치한다.
또, 실시예 2와 동일하게, 콜리메이터(11)의 출사측에 편광 분리기(31A) 및 위상차판(32A)으로 이루어진 편광 변환기(30)를 배치하여, 모든 무편광을 효율 좋게 직선 편광으로 변환할 수 있다. 본 실시예에 적용한 편광 변환기는 실시예 1과 동일한 것을 사용한다.
본 실시예에서 얻은 콜리메이트성은 출사광의 반값 폭 (피크 휘도에 비해 휘도가 1/2에 이르는 각도 범위)에서 보면, 도 1의 도면 앞쪽에서 안쪽 방향, 도면 수평 방향은, 각각 약 ±12.5°, 약 ±12.0°을 얻을 수 있다. 콜리메이트성이 높고, 광 이용 효율이 높은 조명 장치를 얻을 수 있다.
＜실시예 4＞
본 실시예를 나타내는 단면도를 도 13, 도 14에서 나타낸다. 본 실시예와, 실시예 1의 차이점은 편광 변환기(30)를 삭제한 점과, 도광체(20)의 이면을 평평한 경면으로 하여, 출사면을 도 14에 나타낸 바와 같이 삼각홈 구조로 한 점이다. 도 13은 실시예 1과 동일하게 본 실시예의 도광 수단(10; 도 14)을 복수개 배치한 것이다. 본 실시예에서는, 실시예 1과 동일하게 콜리메이터(11)의 광학축(110A)이 이루는 각(110AA)를 30°로 한다. 이 때, 홈 경사각(140A)을 60°의 2등변 삼각형으로 하고, 피치를 100㎛로 하고, 도면 우측 경사부에 반사판(140B)을 형성한다. 여기에서, 도광 수단(10)으로부터의 출사광을 출사면에 대해 수직으로 출사시키기 위해서, 홈 경사각(140A)은 콜리메이터(11)의 광학축(110A)의 각도(110AA)와 90°의 합을 2로 나눈 값의 각도가 바람직하다.
이에 의해 콜리메이터(11)로부터의 콜리메이트광(140)은 삼각 홈을 투과하고, 반대측의 삼각 홈의 반사면(140B)에서 반사되어 출사광(141)이 된다.
본 실시예에서 얻은 콜리메이트성은 출사광의 반값 폭(피크 휘도에 비해 휘도가 1/2가 되는 각도 범위)에서 보면, 도 13의 도면 앞쪽에서 안쪽 방향, 도면 수평 방향은 각각 약 ±12.5°, 약 ±12.0°을 얻을 수 있다. 콜리메이트성이 높고, 광 이용 효율이 높은 조명 장치를 얻을 수 있다.
＜실시예 5＞
본 실시예를 나타내는 단면도를 도 13, 도 15에 나타낸다. 본 실시예와, 실시예 1의 차이점은 편광 변환기(30)를 삭제한 점과, 도광체(20)의 이면을 평평한 경면으로 하여, 출사면을 도 15에 나타낸 바와 같이 홈 구조로 한 점이다. 도 13은 실시예 1과 동일하게 본 실시예의 도광 수단(10) (도 15)을 복수개 배치한 것이다. 본 실시예에서는, 실시예 1과 동일하게 콜리메이터(11)의 광학축(110A)이 이루는 각(110AA)을 30°로 한다. 이 때, 홈 경사각(140C)를 60°, 피치를 200㎛로 한다. 여기에서, 홈 경사각(140C)은 콜리메이터(11)의 광학축(110A)의 각도(110AA)와 90°의 합을 2로 나눈 값의 각도가 바람직하다.
이에 의해, 콜리메이터(11)로부터의 콜리메이트광(140)은 홈의 경사각에서 전반사되어 출사광(141)이 된다. 따라서, 전반사를 사용하기 위해서 홈경사면에서의 반사율은 실시예 4 보다 높게 할 수 있다.
본 실시예에서 얻은 콜리메이트성은 출사광의 반값 폭(피크 휘도에 비해 휘도가 1/2이 되는 각도범위)에서 보면, 도 13의 도면 앞쪽에서 안쪽 방향, 도면 수평 방향은 각각 약 ±12.5°, 약 ±12.0°을 얻을 수 있다. 콜리메이트성이 높고, 광 이용 효율이 높은 조명 장치를 얻을 수 있다.
＜실시예 6＞
본 실시예를 나타내는 단면도를 도 1, 도 16에서 나타낸다. 본 실시예와, 실시예 1의 차이는 편광 변환기(30)의 분할수가 다른 점이다. 실시예 1에서는, 편광 분리기의 분할수가 8이지만, 본 실시예에서는 분할수를 4로 한다.
본 실시예에서 얻은 콜리메이트성은 출사광의 반값 폭 (피크 휘도에 비해 휘도가 1/2이 되는 각도 범위)에서 보면, 도 1의 도면 앞쪽에서 안쪽 방향, 도면 수평 방향은 각각 약 ±12.5°, 약 ±12.0°을 얻을 수 있다. 콜리메이트성이 높고, 광 이용 효율이 높은 조명 장치를 얻을 수 있다.
본 실시예의 광 이용 효율은 실시예 1과 비교하여, 편광 변환기(30)와의 합이 용이해진다는 점도 포함하여 5% 이상 향상된다. 본 실시예에서, 편광 변환기(30)의 분할수는 4이지만, 우수이면 제한적이지 않는다.
＜실시예 7＞
본 실시예를 나타내는 단면도를 도 1, 도 17에서 나타낸다. 본 실시예와, 실시예 1의 차이는 도광체(20)의 이면 형상에 의해 띠형상 광원을 출사시키거나, 도광체 출사면에 의해 띠형상 광원을 출사시키는 점이다.
본 실시예에서 얻은 콜리메이트성은 출사광의 반값 폭 (피크 휘도에 비해 휘도가 1/2이 되는 각도 범위)에서 보면, 도 1의 도면 앞쪽에서 안쪽 방향, 도면 수평 방향은 각각 약 ±12.5°, 약 ±12.0°을 얻을 수 있다. 콜리메이트성이 높고, 광 이용 효율이 높은 조명 장치를 얻을 수 있다.
본 실시예에서 도 15의 도광체(20)를 사용할 수도 있다. 또, 편광 변환기(30)의 분할수도 우수이면 제한적이지 않다.
＜실시예 8＞
본 실시예는 실시예 1 내지 실시예 7로 대표되는 조명 장치를 적용한 액정 표시 장치이다. 본 실시예에서는, 실시예 1을 적용한 것으로 설명했지만, 실시예 2 내지 7을 사용할 수도 있다. 도 7에서 나타낸 바와 같이, 액정 표시 소자(60)를 상기 실시예의 조명 장치 상에 배치한다. 액정 표시 소자(60)는 약측에 편광판(60A, 64B)을 배치한 투명 기판(61A, 61B) 사이에 액정(63)과 컬러 필터(62)를 배치한 구성이다. 도면에서는 TFT 등의 스위칭 소자, 배향막, 투명 전극은 생략하고 있다. 본 실시예에서, 액정(63)으로서 90° 트위스트 네마틱 액정을 이용하고, 편광판(60A, 64B)을 노멀리 화이트 (normally white) 표시가 되도록 각각의 편광축을 직교시켜 배치한다. 단, 액정 표시 모드는 한정되지 않는다.
또, 도광 수단(10)으로부터의 출사광(120)의 편광 방향과, 편광판(64B)의 편광 투과축을 일치시킨다. 또, 조명 장치로부터의 출사광(121)은 콜리메이트성이 높은 광이고, 정면 휘도가 높은 액정 표시 장치를 실현할 수 있다. 또, 콜리메이트화된 출사광을 확장하기 위해, 확산판(70)을 배치할 수도 있다. 이 때, 확산판(70)은 편광 변환기(30)로부터의 출사광의 편광을 높게 유지하기 위해서, 편광이 유지되는 것이 바람직하다.
＜실시예 9＞
본 실시예는, 실시예 1 내지 실시예 7로 대표되는 조명 장치를 적용한 액정 표시 장치이다. 본 실시예에서는, 실시예 1을 적용한 것으로 설명했지만, 실시예 2 내지 7을 사용할 수도 있다. 본 실시예에서는, 도 8에서 나타낸 바와 같이, 실시예 8의 액정 표시 소자(60) 상에 스크린(80)을 배치한다. 확산판(70)을 제외한 것, 스크린(80)을 배치한 것 이외의 구성은 실시예 8과 동일하다.
스크린(80)으로서 도 9 내지 도 11에서 나타낸 스크린을 사용한다. 스크린(80)은 구의 형상을 갖는 굴절률 1.7의 비즈(80A) 및 흑색 흡수체(80B)로 이루어진다. 배치는 도 11에서 나타낸 바와 같이 최밀 구조가 되도록 배치하고, 출사측으로부터 보면 80C에서 나타낸 작은 개구부를 갖고, 그 외의 영역은 80B의 흑색 흡수체로 이루어진다. 도 9에서 나타낸 바와 같이 이 스크린(80)에의 입사광(122)은 비즈(80A)에의 입사각 및 굴절률에 의해 개구부(80C)에 집광되고, 스크린(80)으로부터 확장되어 출사(122A)된다. 한편, 스크린(80)에의 경사진 입사광(123)은 흑색 흡수체(80B)에 의해 흡수(123A)되어 출사되지 않는다. 따라서, 화상의 해상도를 저하시키는 경사진 입사광을 흡수할 수 있다. 또, 디스플레이는 오피스 환경 등의 외광이 존재하는 환경에서 사용되지만, 본 스크린(80)은 도 10, 도 11에서 나타낸 바와 같이, 표시면 측에서 볼 때는 거의가 흡수체(80B)로 덮여 있기 때문에 외광(124)은 거의 흡수되어, 개구부(80C)의 스크린에 의한 방사광(124A)이 약간 반사되게 된다. 따라서, 외광이 존재하는 환경하에서도 표시의 흑휘도가 상승하고 콘트라스트비를 저하시키는 일이 없다.
본 실시예에서는, 구형상 비즈를 배열한 스크린을 사용했지만, 반구의 마이크로렌즈 어레이로서도 좋다. 또한, 예를 들어 일 방향으로만 출사 특성을 확대하고 싶을 때에는, 스트라이프상의 로드 렌즈 어레이를 배치해도 좋다. 바람직하게는, 본 실시예와 같이, 흠수체를 배치하여 불필요한 광을 흡수시키는 것이 바람직하다.
그 결과, 본 실시예의 표시 장치는 해상도도 높고, 시야각 성능이 전혀 계조간의 반전이 없어, 색변화, 콘트라스트비 변화의 시야각 의존성이 거의 없는 표시를 얻을 수 있다.
＜실시예 10＞
본 실시예는 실시예 1 내지 실시예 7의 조명 장치 및, 실시예 8 내지 실시예 9의 기술을 적용한 액정 표시 장치이다. 본 실시예는, 복수개의 액정 표시 소자(60)를 결상계인 마이크로렌즈 어레이(50), 확대계인 프레넬 렌즈(51)에 의해 스크린(80)에 확대 투사하여, 박형이면서 이음매가 없는 대화면 액정 표시 장치를 실현할 수 있다. 결상, 확대에 의해 극간 없이 화상을 합성하는 기술은 예를 들어, 특허공보2810572에 개시된 기술을 적용할 수 있다. 본 실시예에서는, 실시예 1 내지 실시예 9에서 상세하게 기술한 기술에 의해, 광이용 효율이 높고, 광시야각의 대화면 액정 표시 장치를 실현할 수 있다. 본 실시예의 표시 장치는 해상도도 높고, 시야각 성능이 전혀 계조간의 반전이 없이, 색변화, 콘트라스트비 변화의 사야각 의존성이 거의 없는 표시를 얻을 수 있다.
＜실시예 11＞
본 실시예는, 실시예 1 내지 실시예 7에서 대표되는 조명 장치를 적용한 액정 표시 장치이다. 본 실시예에서는, 실시예 1을 적용한 것으로 설명했지만, 실시예 2 내지 7을 사용할 수도 있다. 도 18에서 나타낸 바와 같이 액정 표시 소자(60)를 상기 실시예의 조명 장치 상에 배치한다. 액정 표시 소자(60)은 양측에 편광판(60A, 64B)을 배치한 투명 기판(61A, 61B) 사이에 액정(63)을 배치한 구성이다. 또한, 광원(40)으로서, 파장 390㎚의 냉음극 형광관을 사용한다. 화소 마다 형광체(65)을 편광판 상에 배치한다. 도면에서는 TFT 등의 스위칭 소자, 배향막, 투명 전극은 생략하고 있다. 본 실시예에서는, 액정(63)으로서 90° 트위스트 네마틱 액정을 이용하고, 편광판(60A, 64B)을 노멀리 화이트 표시가 되도록 각각의 편광축을 직교시켜 배치한다. 단, 액정 표시 모드는 제한적이지 않다.
또, 도광 수단(10)으로부터의 출사광(150)의 편광 방향과, 편광판(64B)의 편광 투과축을 일치시킨다. 또, 조명 장치로부터의 출사광(150)은 콜리메이트성이 높은 광으로, 정면 휘도가 높은 액정 표시 장치를 실현할 수 있다. 또, 콜리메이트화된 출사광은 액정 표시 소자에서 변조를 받아, 편광판(60A)의 상부의 형광체(65)에 입사된다. 형광체에 근자외선 또는 자외선이 입사됨으로써, 각각 RGB에 대응한 광이 발광하여, 광시야각의 표시를 얻을 수 있다. 또, 투명 기판(61A)의 두께 때문에, 해상도가 저하하기 때문에, 형광체(65) 사이에 BM을 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 형광체의 발광의 후방 발광분을 표시에 이용하기 위해서, 형광체(65)와 편광판(60A) 사이에 발원광(150) 중, 형광체(65)의 여기광을 투과하여, 발광(151)을 반사하는 반사판을 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 형광체(65)는 외광을 산란하기 때문에, 바람직하게는, 외광을 흡수하고, 발광을 투과하는 필터를 형광체(65) 상에 배치한다.
본 실시예에 사용되는 광원의 파장은, 한정되는 것은 아니지만, 형광체의 발광 효율, 각 부재 (투명 기판, 편광판, 도광체 등)의 투과율을 고려하면, 380㎚ 이상 500㎚ 이하가 바람직하다.
＜실시예 12＞
이하 본 발명의 실시예를 도면을 이용하여 설명한다. 도 19는 본 발명의 컬러 표시 장치의 일 예를 나타내는 모식 단면도이다.
액정 표시 소자(2200)는 액정층에 입사되는 광의 편광 상태를 변조하여 표시를 행하는 것을 사용한다. 액정 표시 소자는 대별하여 TFT 등의 스위칭 소자를 이용한 액티브 매트릭스 구동에 의한 것과, 멀티플렉스 구동에 의한 것의 2 방식이 있지만, 액정층에 입사되는 광의 편광 상태를 변조하여 표시를 행하는 것으로서는, TN 액정 표시 소자 등의 액티브 매트릭스 구동에 의한 것, 또는 STN 액정 표시 소자 등의 멀티플렉스 구동의 것을 이용할 수 있다. 여기에서는, TN 액정 표시 소자의 경우에 대해 설명한다.
액정 표시 소자(2200)는 투명 전극(2203) 및 배향막(2204)이 적층 형성된 제1 투명 글래스 기판(2201)과, 배향막(2206) 및 화소를 형성하는 투명 전극(2205), 및 이와 접속되는 도시되지 않은 배선이나, 박막 트랜지스터 등의 스위칭 소자를 갖는 제2 투명 글래스 기판(2202)과, 이들 2개의 투명 글래스 기판(2201, 2203) 사이에 도시하지 않은 스페이서에 의해 형성된 간격에, 시일제(2210)를 거쳐 봉입된 유전 이방성이 정의 네마틱 액정으로 이루어진 액정층(2207)을 갖는다.
액정층(2207)의 액정 분자 장축의 배향 방향은 2개의 투명 글래스(2201, 2202) 상에 형성된 배향막에 러빙 등의 배향 처리를 행하는 것으로 규정되고, 투명 글래스 기판 사이에서 연속적으로 90° 벗어난 상태로 되어 있다.
투명 글래스 기판(2202)의 배면(조명광 입사면)과, 투명 글래스 기판(2201)의 광출사면 (관찰자측의 면)에는, 각각 편광판(2209, 2208)이 서로 직교하는 직선 편광을 투과하도록 배치되고, 투명 글래스 기판(2201, 2202)에서의 액정 분자 장축의 배향 방향은 편광판(2208, 2209)의 직선 편광의 투과축에 대해 함께 평행, 또는 함께 직교하도록 구성된다.
편광판(2208, 2209)로서는, 연장된 폴리비닐 알콜에 요소를 흡수시켜 편광 기능을 부여한 막의 양면에, 트리아세틸셀룰로스의 보호층을 실시한 것을 이용할 수 있으며, 각각 투명 글래스 기판(2201, 2202)에 아크릴계의 접착제에 의해 광학적으로 결합되도록 장착된다.
상기 구성에 의해, 액정 표시 소자(2200)의 이면 (조명광 입사면)으로부터 입사된 광 중 편광판(2209)을 투과한 직선 편광은, 액정층(2207)을 거쳐 편광판(2208)에 입사되지만, 이 때, 액정층(2207)을 투과하는 광의 편광 상태는, 액정층(2207)에 인가되는 전계에 의해 변화될 수 있다. 이 때문에 화상 정보에 대응한 전압을 2개의 투명 글래스 기판 상의 투명 전극(2203, 2205)에 인가하고, 액정층(2207)에 전계를 인가하여, 액정층(2207)을 통과하는 광의 편광 상태를 변화시키는 것으로, 편광판(2208)을 투과하는 광량을 제어하여 광학 화상을 형성할 수 있다.
도 27은 종래의 마이크로컬러 필터를 이용한 컬러 TN 액정 표시 소자의 액정 구동 전압과 투과율의 관계를 나타낸 것이다. 도 27과 같이 종래의 컬러 액정 표시 소자에서는, 액정 구동 전압과 투과율의 관계가 각 색광에 따라 다르기 때문에, 통상, 비시감도가 높은 녹색광에서 최대의 효율이 얻어지록 액정 표시 소자의 △n·d가 설계된다. 여기에서 △n은 액정의 굴절률, d는 액정층의 두께이다. 이 경우, 녹색광에서 최대의 밝기를 얻을 수 있는 조건에서는, 청색광, 녹색광 모두 최대의 밝기를 얻을 수 없다.
본 컬러 표시 장치에서는, 액정 표시 소자(2200)에서 변조되는 광이 청색광만으로, 액정 표시 소자(2200)의 조건을 청색광에 비해 최대의 밝기가 얻어지도록 하는 것이 필요하다.
구체적으로는 도 27에서 예시한 종래의 컬러 액정 표시 소자에서는, △n·d=0.4452 (파장 633㎚)이지만, △n·d의 값을 종래 보다 작게 하고, 예를 들면 △n·d=0.3528 (파장 633㎚)로 변경하여 도 28에서 나타낸 바와 같이, 액정 표시 소자의 액정 구동 전압과 투과율의 관계를 청색광으로 최적화한다.
파장 변환부(2100)는 단파장의 가시광(청색광)을 흡수하여, 장파장의 가시광(녹색광, 적색광)을 방출하는 형광색소나, 형광 안료 또는 형광 염료를 포함하는 형광체막을 글래스판이나 수지판 등의 투명 기판에 도포하고, 액정 표시 소자(2200)의 화소에 대응하여 패터닝한 것을 이용한다.
액정 표시 소자(2200)의 적색 표시 화소에 대응하는 부분에는, 청색광을 흡수하여 적색의 형광을 발하는 적색용 형광체(2101R)을 패터닝하고, 녹색 표시 화소에 대응하는 부분에는 청색광을 흡수하여 녹색의 형광을 발하는 녹색용 형광체(2102G)를 패터닝하고, 청색 표시 화소에 대응하는 부분에는 청색 이외의 파장광을 커트하는 청색 컬러 필터를 패터닝한다. 이 때, 형광 색소의 형광은 확산광이 되기 때문에, 다른 화소에 대응한 부분에 광이 누설되는 일이 없도록, 다른 화소에 대응한 형광체나 컬러 필터인 경우, 가시광을 흡수하는 블랙 매트릭스(2104)를 형성해도 좋다.
가시광과 같은 저 에너지선에 대해 형광을 발하는 것으로서는, 레이저 색소와 같은 유기계의 형광 색소, 또는 형광 안료를 이용할 수 있다.
또, 각 형광의 색순도를 높이기 위해서, 적색용 형광체(2101R)에는 적색 색소, 녹색 형광체(2102G)에는 녹색 색소를 혼입하거나, 적색용 형광체(2101R)의 표면 (관찰자측 면)에 적색 이외의 파장광을 흡수하는 적색 컬러 필터를 형성하고, 녹색용 형광체(2101G)의 표면 (관찰자측 면)에 녹색 이외의 파장광을 흡수하는 녹색 컬러 필터를 형성하도록 해도 좋다.
투명 기재의 재료로서는, 가시광에 대해 투명한 글래스판이나 수지판, 또는 수지 필름을 이용할 수 있고, 투명 수지로서는 예를 들면 폴리카보네이트, 폴리설폰, 폴리비닐 알코올, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 등의 투명 고분자 수지를 이용할 수 있다.
형광 색소를 포함하는 형광체막의 도포, 패터닝은, 주지 기술을 이용한다. 예를 들면, 형광 재료를 잉크 기재에 뿌려진 잉크를 사용하는 인쇄법이나, 형광 색소를 액상의 레지스트 내에 분산시키고, 이를 스핀 코트법 등에 의해 성막한 후 포토리소그래피법으로 패터닝하는 등의 방법을 이용할 수 있다.
또, 이와 같은 파장 변환부로서는 특개평 9-245511호 공보에 기재된 형광 변환 필터를 이용할 수 있다.
도 19에서의 조명 장치(2300)는 도광체(2302)와, 도광체(2302)의 일 측면에 배치되고, 그 측면 길이에 대응한 발광 길이를 갖는 광원(2301)과, 광원(2301)의 일부를 덮도록 배치한 램프 커버(2303)와, 도광체(2302)의 이면측 (액정 표시 장치(2200)측의 면)에, 공기를 거쳐 적층 배치한 편광 분리 수단으로서의 콜레스테릭 액정층(2601), 편광 변환 수단으로서의 위상차판(2501), 및 광로 변환 수단으로서 마이크로프리즘 어레이(2401)과, 도광체(2302)의 이면 (액정 표시 소자(2200)과 반대측 면)에, 공기를 거쳐 배치한 편광 유지 반사판(2304)로 구성된다.
본 컬러 표시 장치는, 파장 변화부(2100)에 패터닝된 형광체의 형광에 의해 컬러 표시를 행하는 것으로, 광원광 (여기광)으로서 자외선 또는 근자외선이 아니라 가시광인 청색광을 이용하는 것을 특징으로 한다.
이것은 자외선이 광원광을 액정 표시 소자에 도입하는 도광체, 또는 액정 표시 소자에서 흡수되기 때문에 광원광을 효율 좋게 이용할 수 없게 되고, 액정이나 배향막 등이 재료에 따라서는 자외선에 의해 열화되어 수명이 단축되는 문제를 생기게 하기 때문이다.
도 29는 액정 표시 소자에 이용되고 있는 편광판의 투과 스펙트럼의 일 예를 나타내는 도면이다.
일반적으로, 액정 표시 소자에 사용되는 편광판은, 편광막의 보호층에 자외선 흡수제가 첨가되어 있고, 이에 의해 편광막을 자외선으로부터 보호하고 있다. 이 때문에 파장 380㎚ 이하의 광 (자외선)은 거의 흡수되어 투과되지 않는다 (도 29 참조).
도 30은 편광판을 제외한 액정 표시 소자의 투과 스펙트럼을 도시한 도면이다. 도시한 데로 투명 전극, 배향막, 액정에서도 자외선은 대부분이 흡수되고, 파장 400㎚ 이하가 되면 투과율은 급격히 감소하고 있다.
따라서, 광원의 발광 피크 파장은 400㎚ 이상, 또 광원광을 그대로 청색 표시로 이용하기 때문에 500㎚ 이하인 것이, 광 이용 효율을 높이는 데에 바람직하다. 즉, 광원(2301)은 발광 피크 파장 400∼500㎚의 청색광을 발광하고, 소형, 발광광 효율, 저발열이라고 하는 조건을 만족하는 광원을 이용하면 된다. 또한 편광판의 투과율이 파장 430㎚를 하외하면 급격하게 저감하고 (도 29 참조), 광원광의 청색의 색순도를 고려하면 광원의 발광 피크 파장은 430∼480㎚인 것이 보다 바람직하다.
이와 같은 광원으로서는, 냉음극관이나 열음극관 등의 형광 램프 또는 LED (발광 다이오드) 등을 사용할 수 있다. 여기에서는, 먼저 원주상의 형광 램프를 사용하는 경우를 설명한다.
형광 램프에 사용되는 형광체로서는, 예를 들면 Sr10(PO4)6Cl: Eu2+, (Sr, Ca)10(PO4)6Cl: Eu2+, (Sr,Ca)10(PO4)6Cl·nB2O3: Eu2+ 등의 할로 인산염 형광체, Sr2P2O7:Eu2+ 등의 인산염 형광체, (Sr,Ba)Al2Si2O8: Eu2+, Ba2MgSi2O8: Eu2+등의 사이클리케이트염 형광체, CaWo4등의 텅스텐염 형광체, BaMa2Al16O27: Eu2+, SrMa2Al10O17:Eu2+등의 알루미나염 형광체 등을 들 수 있다.
이들 형광체는 단독으로, 또는 발광 효율을 높이기 위해 필요에 따라 혼합하여 사용하면 된다. 이들의 형광체를 이용한 형광 램프에서는, 램프 발광 효율이 수십 1m/W로 높아, 발광 파장 대역이 반값 폭 50㎚ 이하로 협대역인 청색광을 얻는 것이 가능하다.
램프 커버(2303)는 광원(2301)을 커버하고, 광원으로부터의 출사광을 도광체(2302) 측에 반사하는 것으로, 광원(2301)을 포함하도록 하는 원통형 또는 타원통형 등의 형상을 한 반사판 또는 반사 필름을 사용한다.
도광체(2302)는 투명한 아크릴 수지로 구성되고, 단면으로부터 입사한 광을 전반사에 의해 내부에 밀폐하는 구성과, 내부를 운반하는 광의 반사 각도를 변하게 하여, 적어도 한 방향이 대략 평행화된 광을 액정 표시 소자(2200)측으로 방사하는 미세한 경사면을 갖는 다수의 요철면 또는 단차로 구성된 경사 반사면을 이면 (액정 표시 소자와 반대측의 면)에 구비한다.
도 20은 도광체(2302)의 일 예를 나타내는 모식 단면도이다. 도 20에 예시된 도광체(2302)는, 그 표면 (액정 표시 소자측의 면; 2302C)이 평탄한 면으로 구성되고, 그 이면이 대략 평탄한 주면(2302B) 및 도면중 지면 수직 방향으로 연장되는 복수의 삼각 홈의 일 변에 형성된 경사 반사면(2302A)으로 구성된다.
도광체(2302)의 이면의 주면(2302B)은 광원(2301)으로부터 출사되고, 도광체에 입사된 광을 도광체의 이면(2302C) 사이에서 전반사에 의해 운반하고, 내부에 밀폐하도록 구성된다. 또, 도광체(2302)의 이면의 경사 반사면(2302A)은 도광체(2302) 내를 운반하는 광의 일부를, 그 반사 각도를 변하게 하여 도광체(2302)의 이면(2302C)으로부터 출사시키는 기능을 갖는다. 이 때문에 경사 반사면(2302A)은 Al, Ag 등의 금속 박막, 또는 유전체 다층막에 의해 경면 반사면으로 하는 것이 바람직하다.
여기에서는, 대각 치수 13.3인치의 액정 표시 소자(2200)에 대응하기 때문에, 광원(2301)으로서 직경 2.5㎜×길이 290㎜의 원통형의 형광 램프를 사용하고, 또, 도광체(2302)는 굴절률 1.49의 아크릴 수지제로 최대 두께를 4㎜, 길이 290㎜×224㎜로 한다. 또, 도광체 이면의 경사 반사면(2302A)은 그 장축 방향을 광원(2301)의 장축 방향과 평행하도록 형성하고, 경사 반사면(2302A)의 평균 피치 P=200㎛, 평균 높이 h=10㎛, 평균 경사각도 =40°로 한다.
또, 경사 반사면(2302A)의 높이 h를 광원(2301)에 가까운 곳은 낮고, 광원(2301)에서 먼 장소에서는 높도록 연속적으로 변화시키든지, 또는 경사 반사면(2302A)의 피치 P, 또는 경사각도 θ를 광원(2301)로부터의 거리에 따라 연속적으로 변화시키든지, 또는 도광체(2302)의 두께, 즉 도광체의 표면(2302C)과 이면의 주면(2302B)의 두께를 광원으로부터 멀어짐에 따라 얇아지도록 구성하는 등으로, 도광체(2302)로부터 출사되는 광의 균일성을 높이도록 해도 좋다.
본 구성에 의하면, 도광체(2302)에 입사된 광원(2301)로부터의 출사광(1101)은, 도광체(2302)의 이면(2302C) 및 도광체 이면의 주면(2302B)과의 사이에서 전반사를 반복하면서 운반되지만, 도광체 내를 운반하는 광 중에서 경사 반사면(2302A)에 이르는 광은 반사각도가 변하여 도광체 표면(2302C)에서 전반사 조건에서 벗어나 출사된다.
도광체(2302)로부터 출사된 광은 경사 반사면(2302A)을 구성하는 삼각 홈의 길이 방향 (모서리선)에 평행한 방향으로는 확장을 갖는 광이 되지만, 경사 반사면(2302A)의 길이 방향과 수직인 방향으로는 반값 각이 ±10° 이하로 대략 평행화된 광이 얻어진다.
또, 도광체(2302)의 형상은 상기 기능을 만족시키면 본 형상에 한정되는 것은 아니고, 도 21 또는 도 22에서 예시된 대로, 그 이면이 연속적인 파형 또는 계단상으로 되어 있어도 좋다.
콜레스테릭 액정층(2601)은 광원(2301)으로부터 출사되고, 도광체(2302)를 거쳐 액정 표시 소자(2200)로 향하는 광을 다른 2 종류의 편광으로 분리하는 편광 분리 수단으로서 기능하는 것으로, 배향 처리된 2개의 글래스 기판 사이에 저분자 콜레스테릭 액정을 받아들인 액정 셀이나, 고분자 콜레스테릭 액정층을 글래스 또는 투명성 수지 등의 광학적으로 등방이며 투명한 기판 상에 형성한 것을 사용할 수 있다.
콜레스테릭 액정층(2601)은 헬리컬인 분자 배열에 기초한 특이한 광학 특성을 나타낸 것으로, 헬리컬축에 평행하게 입사된 광이, 콜레스테릭 나선의 회전 방향에 따라 한쪽의 회전 방향의 원편광은 반사되고, 다른 쪽은 투과한다고 하는 선택 반사를 나타낸 것이다. 이를 위해 콜레스테릭 액정층(2601)에 입사되는 주광속이 헬리컬축과 평행하게 되도록, 콜레스텍릭 액정층(2601)의 헬리컬축은 액정 표시 소자(2200)의 표시면에 대해서 거의 수직이 되도록 구성하는 것이 바람직하다.
또, 콜레스테릭 액정층에 의한 선택 반사의 중심 파장 λ0은 λ0=nm·p, 그 파장 대역 △λ은 △λ=△n·p로 나타낸다.
여기에서, p는 콜레스테릭 액정층의 나선 피치, nm은 액정의 평균 굴절률, △n은 액정의 굴절률이고, 액정 분자의 장축에 평행 및 수직인 방향의 굴절률을 각각 ne, n0으로 하면, nm=√[(ne 2+n0 2)/2], △n=ne-n0로 표시된다.
광원의 발광 피크 파장과 선택 반사의 중심 파장 λ0은 일치시키는 것이 바람직하고, nm은 일반적으로 1.5∼1.7, △n은 0.10∼0.26 정도의 값을 갖는 것이고, 나선 피치 p는 광원의 발광 피크 파장과 액정 재료의 물성치로부터 저절로 결정된다. 예를 들면, 광원인 형광 램프의 주된 형광체로서 BaMg2Al16O27:Eu2+를 사용한 형광 램프에서는, 그 발광 스펙트럼의 반값 폭이 약 50㎚, 발광 피크 파장이 약 450㎚이기 때문에, nm=1.5, △n=0.26의 액정을 이용한 경우, 나선 피치 P는 약 300㎚로 하면 된다. 이 경우의 선택 반사의 대역은 76㎚ 정도가 되고, 광원광의 발광 스펙트럼을 거의 커버할 수 있으며 광원광의 편광 분리를 효율 좋게 행할 수 있다.
도 23은 콜레스테릭 액정층(2601)의 특정 원편광에 대한 투과율의 파장 의존성의 일예를 나타낸 것이다.
상기한 대로, 광원(2301)으로부터 출사되는 광은 단색 (청색) 광이고, 형광 램프이면 발광 파장 대역은 반값 폭에서 50㎚이하로 좁게 할 수 있기 때문에, 광원으로부터 출사되는 비편광을, 일층의 콜레스테릭 액정층에 따라 다른 원편광으로 효율 좋게 분리할 수 있다. 즉, 피치가 다른 복수의 콜레스테릭 액정층을 적층하고, Asia Display 95 Digest p735에 기재되어 있는 바와 같은 피치를 연속적으로 변화시킨 콜레스테릭 액정층을 이용할 필요가 없기 때문에, 보다 저렴한 비용으로 성능이 높은 편광 분리 수단을 실현할 수 있다.
위상차판(2501)은 콜레스텍릭 액정층(2601)을 투과한 원편광을, 액정 표시 소자(2200)의 이면측 (조명광 입사면)의 편광판(2209)을 투과하는 직선 편광, 즉 편광판(2209)의 투과축과, 전기 벡터의 진동 방향이 일치한 직선 편광으로 변환하는 편광 변환 수단으로서 기능하는 것으로, 광원광의 발광 파장 대역에서 1/4 파장판으로서 기능하는 것을 이용한다.
위상차판(2501)으로서는, 광원 광에 대해 높은 투과율을 갖는 일축 연장된 고분자 필름, 예를 들면 폴리비닐 알콜, 폴리 카보네이트, 폴리설폰, 폴리스틸렌 등을 이용할 수 있다. 이 외에도 운모나 수정, 또는 분자축을 일 방향으로 하여 배향된 액정층 등을 이용할 수 있다.
또, 일반적으로 위상차판을 구성하는 투명체로는, 굴절률의 파장 의존성 (파장 분리)이 있기 때문에, 백색광과 같이 파장 대역이 넓은 광에 비해서, 일종 일층의 위상차판에서는 충분한 성능이 얻어지지 않는다. 이 때문에 파장 분산이 다른 2종의 위상차판을, 그 광학축을 벗어나 접합된 것으로 행해지지만, 이 경우는, 광 입사 각도에 의한 위상차의 변화가 커지는 등의 성능의 열화나, 비용의 상승이라고 하는 문제가 생긴다.
그러나, 본 컬러 표시 장치에서는, 광원(2301)으로부터의 출사광의 파장 대역은 반값 폭으로 50㎚ 이하로 좁아지기 때문에, 일종 일층의 위상차판에서 그 기능을 충분히 만족할 수 있기 때문에, 고성능인 편광 변환 수단을 용이하게 실현할 수 있다.
마이크로프리즘 어레이(2401)는 도광체(2302)로부터 출사하여 액정 표시 소자(2200)로 향하는 조명광의 평행도를 높이는 광로 변환 수단으로서의 기능을 갖는 것으로, 특공평1-37801호 공보 (발명의 명칭; 조명 패널)에 기재된, 그 양면이 평활면과 파형면으로 구성되는 투명 시트를 이용할 수 있다.
도 24에 예시된 대로 마이크로프리즘 어레이(2401)는 그 양면이 각각 정각(頂角) α의 3각주 형상의 프리즘으로 이루어진 파형면(2401B)과, 평활면(2401C)로 구성되는 투명 시트이고, 프리즘의 길이 방향 (모서리선; 2401A)과 직교하는 방향으로의 확장을 갖는 광속을 평활면(2401C)의 수선(垂線) 방향으로 평행화되는 광로 변환 수단으로서 기능하는 것이다.
프리즘의 피치는 수십 ㎛, 프리즘의 정각 α는 80∼100° 정도에 있으면 그 기능을 만족할 수 있지만, 프리즘의 피치가 액정 표시 소자의 화소 피치와 동일한 정도이면 모어레가 눈에 띄기 때문에, 프리즘의 피치는 화소 피치 보다 작아지든지 커지게 되어, 모어레가 눈에 보이지 않도록 하는 것이 바람직하다. 또, 프리즘의 정각 α도, 도광체(2302)로부터 출사되는 광의 출사각도 분포에 대응하여 최적화하면 된다.
본 실시예에서는 도광체(2302)로부터 출사되는 광은, 도광체 이면의 경사 반사면(2302A)의 길이 방향 (모서리선)과 직교하는 방향으로는 거의 평행화된 광이 되지만, 경사 반사면(2302A)의 길이 방향 (로우선)과 평행한 방향으로는 확장을 갖는 광이 되기 때문에, 마이크로프리즘 어레이(2401)는 그 프리즘의 길이 방향(2401A)을 도광체(2302)의 경사 반사면(2302A)의 길이 방향 (로우선)과 직교하도록 배치하여, 액정 표시 소자(2200)에 소자되는 조명광의 평행성을 전방위에 걸쳐 높이도록 구성된다.
또, 도광체(2302)로부터 출사되고, 폴레스테릭 액정층(2601) 및 위상차판(2501)을 통과한 조명광은, 액정 표시 소자(2200)의 편광판(2209)의 투과축과, 전기 벡터의 진동 방향이 일치한 직교 편광이 되어 있고, 이대로 액정 표시 소자(2200)에 조사되면 편광판(2209)에서의 광 손실은 거의 없다.
따라서, 조명광을 효율 좋게 이용하는 데에는, 마이크로프리즘 어레이(2401)는 이를 통과하는 조명광의 편광 상태를, 가능한 한 유지할 필요가 있다. 이를 위해, 마이크로프리즘 어레이(2401)를 구성하는 투명체는 복굴절성이 없는 재료, 또는 마이크로프리즘의 길이 방향(2401A) 또는 이와 직교하는 방향으로 광학축을 갖는 일축 광학 이방성의 투명체를 이용하고, 또한 마이크로프리즘의 길이 방향(2401A)을 마이크로프리즘 어레이를 통과하는 직선 편광의 전기 벡터의 진동 방향과 평행 또는 직교하도록 배치하면 된다.
마이크로프리즘 어레이(2401)를 구성하는 투명체로서는, 캐스팅법 (용액 유연법)에 의해 성막한 폴리카보네이트 프리즘이나, 트리아세틸셀룰로스 프리즘 등의 폴리마필름, 또는 사출 성막에 의해 형성된 지환식(脂環式) 아크릴 수지 (상품명 오프트렉시; 히다찌 화성 공업 제품) 등의 광학적으로 등방인 투명체, 또는 일축 연장된 폴리카보네이트 필름, 폴리비닐알코올, 폴리설폰이라고 하는 폴리 필름을 이용할 수 있다.
편광 유지 반사판(2304)은 글래스판이나 수지판, 수지 필름 등의 기재 상에 편광 상태를 유지하는 반사면을 형성하는 것이고, 편광 분리 수단인 콜레스테릭 액정층(2601)에서 반사하여 도광체(2302)로 되돌아 온 광을, 다시 그 편광 상태를 유지한 채 액정 표시 소자(2200)측으로 반사하는 기능을 갖는다.
여기에서 기술한 편광 상태를 유지하는 반사면이라고 하는 것은, 적어도 수직 입사광에 비해 원평광은 그 회전 방향이 반대의 원편광으로서 반사하는 반사면인 것이다. 구체적으로는 반사면으로서 기재에 Al, Ag 등의 금속 박막을 피착한 것, 또는 광원 광의 파장 대역에 비해 높은 반사율을 얻을 수 있도록 구성한 유전체 다층막에 의한 경면 반사면을 사용한다.
도 25는 본 발명의 컬러 표시 장치를 구성하는 각 부재의 기재의 일 예를 나타낸 모식 사시도이다.
상기한 대로, 마이크로프리즘 어레이(2401)는 그 프리즘의 길이 방향(2401A)을 도광체(2302) 이면의 경사 반사면(2302)의 길이 방향 (모서리선; 2302AA)에 대해 직교하도록 배치된다. 또한, 액정 표시 소자의 이면 (조명광 입사면)에 배치된 편광판(2209)의 투과축(2209A)을 마이크로프리즘 어레이(2401)의 프리즘 길이 방향 (로우선; 2401A)에 대해 수직 (또는 평행)이 되도록 배치하고, 액정 표시 소자의 표면 (관찰자측 면)에 배치한 편광판(2208)의 투과축(2208A)은 편광판(2209)의 투과축(2209A)과 직교하도록 배치된다.
또, 위상차판(2501)의 광학축(2501A)은 콜레스테릭 액정층(2601)을 투과한 원편광을, 편광판(2209)의 투과축(2209A)과 평행한 편광축을 갖는 직선 편광으로 변환하기 때문에, 편광판(2209)의 투과축(2209A)에 비해 45° (또는 135°)의 각도를 이루도록 배치한다.
다음에, 본 컬러 표시 장치의 동작을 도 19 및 도 26를 참조하면서 설명한다. 도 26은 본 컬러 표시 장치의 동작을 설명하기 위한 일부 대략 단면도이다.
도 19의 광원(2301)로부터 출사한 광은 직접 또는 램프 커버(2303)에서 반사한 후, 도광체(2302)에 입사된다. 도광체(2302)에 입사한 광(1101)은 도광체(2302)의 표면(2302C)와 이면의 주면(2302B)의 사이에서 전반사를 반복하면서 도광체(2302) 내를 운반하지만, 도광체 내를 운반하는 광(1101)중 경사 반사면(2302A)에 도달한 광은 반사 각도가 변하고, 도광체 표면(2302C)에서 전바사 조건에서 벗어나, 액정 표시 소자(2200)를 향하여 출사된다.
도 26의 도광체(2302)로부터 출사된 광(1102)는 콜레스테릭 액정층(2601)에 도달한다. 여기에서는 이하, 콜레스테릭 액정층(2601)이 좌측을 향한 원편광 (이하 좌원편광)은 투과되고, 우측을 향한 원편광 (이하, 우원편광)은 반사하는 경우를 설명한다.
도 26에 도시한 대로, 도광체(2302)를 출사한 광은 비편광이지만, 이 출사광 중 좌원편광 성분은 콜레스테릭 액정층(2601)을 투과하고, 우원편광 성분은 반사한다. 콜레스테릭 액정층(2601)을 투과한 광(1103)은 위상차 판(2501)의 작용에 의해, 편광판(2209)의 직선 편광 투과축과, 전기 벡터의 진동 방향이 일치한 직선 편광으로 변환된 후, 마이크로프리즘 어레이(2401)를 거쳐 액정 표시 소자(2200)로 향한다.
한편, 콜레스테릭 액정층(2601)에서 반사된 광(1104)는 도광체(2302)을 투과하여 편광 유지 반사판(2304)에서 반사되고, 다시 도광체(2302)를 투과하여 콜레스테릭 액정층(2601)으로 행한다. 이 때, 편광 유지 반사판(2304)에서 반사된 광은 원편광의 회전 방향이 반대의 원편광이 되기 때문에, 먼저 콜레스테릭 액정층(2601)에서 반사한 우원편광(1104)은 편광 유지 반사판(2304)에서의 반사 때, 좌원편광이 되고, 이번에는 콜렉스테릭 액정층(2601)을 투과하여, 위상차판(2501)의 작용에 의해 편광판(2209)의 직선 편광 투과축과 전기 벡터의 진동 방향이 일치한 직선 편광으로 변환된 후, 액정 표시 소자(2200)에 입사된다.
즉, 비편광인 광원(2301)으로부터의 출사광은, 효율 좋게 소망의 직선편광으로 변환된 후, 액정 표시 소자(2200)에 조사된다. 이 때문에 액정 표시 소자(2200)에 입사된 광은 편광판(2209)에서 거의 흡수되지 않고 표시에 기여하기 때문에, 종래 액정 표시 소자의 편광판에서 흡수되어 무효가 되어 있던 광을 유효하게 이용할 수 있다.
액정 표시 소자(1200)에 입사된 광은 화상 정보에 따른 변조를 받은 후, 파장 변환부(1100)에 입사된다.
파장 변환부(2100)는 광원광인 청색광을 흡수하여 녹색의 형광을 발하는 녹색용 형광체(2102G), 청색광을 흡수하여 적색의 형광을 발하는 형광체(2101R), 및 청색 이외의 파장광을 커트하는 청색 컬러 필터(2103B)가 액정 표시 소자(2200)의 각 색광의 화소에 대응하여 패터닝되어 있고, 액정 표시 소자(2200)는 단순히 청색광을 선택적으로 투과시키는 광 셔터로서 기능하고, 청색광이 통과한 화소에 배치한 형광체의 형광 또는 컬러 필터의 투과광에 의해 컬러 표시가 행해진다.
형광색은 형광체의 특성에 따라 결정되는 적, 녹이 함께 색이 선명한 색채 표시가 가능하게 된다. 또, 청색 컬러 필터부는 광원광이 원래 청색이므로 광의 손실이 거의 없는 상태에서 색이 선명한 청색광을 얻을 수 있다.
상기한 대로, 본 컬러 표시 장치에 의하면, 광원으로부터의 출사광은 대역이 좁은 단색 (청색)광이기 때문에 백색광과 같이 대역이 넓은 광에 비해 효율 좋게 소망의 직선 편광, 즉 액정 표시 소자의 배면측에 배치한 편광판의 직선 편광 투과축과, 전기 벡터의 진동 방향이 일치한 직선 편광으로 변환된 후, 액정 표시 소자에 조사된다. 이 때문에 액정 표시 소자에 입사한 광은 편광판에서 거의 흡수되지 않고 표시에 기여할 수 있기 때문에, 종래 액정 표시 소자의 편광판에서 흡수되어 무효가 되어 있던 광을 유효하게 이용할 수 있다.
액정 표시 소자는, 단순히 광원광인 청색광을 선택적으로 통과시키는 광 셔터로서 기능하고, 녹색 및 적색의 표시는 각각의 색을 표시하는 화소에 대응한 위치에 패터닝된 형광체의 형광에 의해, 밝고 색이 선명한 표시가 된다. 또한 청색의 표시는 청색을 표시하는 화소에 대응한 위치에 패터닝된 청색 컬러 필터의 투과광에 의해 행해지지만, 광원 광이 원래 청색이므로, 광의 손실이 거의 없는 상태에서 색이 선명한 표시를 얻을 수 있다. 이 때문에, 종래의 컬러 액정 표시 장치와 같은 컬러 필터에 의한 광의 흡수가 없고, 광 이용 효율이 높고 밟은 컬러 표시 장치를 실현할 수 있다.
또한, 본 컬러 표시 장치에서는 조명 장치로부터 출사되는 조명광이, 도광체의 이면에 형성된 경사 반사면 및 마이크로프리즘 어레이의 작용에 의해, 전방위에 걸쳐 평행성이 높은 광이 되어 있다. 이 때문에, 액정 표시 소자의 액정층과, 파장 변화부의 형광체가 글래스 기판으로 이격되어, 거리가 벌어져 있어도 본래 표시해야 하는 화소와는 다른 화소에 대응한 형광체에의 조명광의 누설이 작기 때문에, 색의 번짐이나 해상도의 저하가 억제되어 고품위의 컬러 표시가 얻어진다고 하는 효과가 있다.
또, 형광 표시에 이용되는 여기광 (광원광)이 가시광이기 때문에, 일반적으로 액정 표시 소자에 사용되는 각종 투명 재료에서 자외선과 같이 흡수되는 것이 없기 때문에 광원광을 효율 좋게 이용할 수 있고, 또한 자외선에 의한 편광판, 액정 등의 열화가 없고, 긴 수명의 형광 컬러 표시를 얻을 수 있는 효과도 있다.
또, 청색 컬러 필터의 관찰자 측에서, 전방 산란이 큰 확산층을 부가하면, 입사광의 방향에 의존하지 않고 동일한 공간 분포의 청색광을 얻고, 적색광 및 녹색광은 형광체의 형광의 공간 분포가 원래 입사광의 분포에 의존하지 않고 동일하기 때문에, 시야각 의존성이 없는 표시를 얻을 수 있다고 하는 효과도 있다.
또, 광원의 발광 스펙트럼이 색 순도가 높은 청색광이면, 파장 변환부의 청색 컬러 필터는 반드시 필요하지 않으므로, 이를 생략해도 된다. 또, 본 실시예의 조명 장치로서 실시예 1 내지 7을 적용할 수 있다.
＜실시예 13＞
다음에 본 발명에 관한 다른 컬러 표시 장치의 실시예를 도면을 이용해 설명한다. 도 31은 본 발명의 컬러 표시 장치를 나타내는 일부 개략 단면도이다.
본 실시예는 도 19, 도 21, 또는 도 22를 이용하여 설명한 실시예 12에서, 조명 장치를 변형한 것이고, 상기 실시예와 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙히고, 동일한 부분에 대해서는 상세한 설명은 생략하다.
본 실시예의 조명 장치(2500)는 복수의 정렬 배치된 청색 LED(2507)와, 청색 LED(2507)로부터의 출사광을 평행하화하는 콜리메이터 렌즈(2502)와, 청색 LED(2507)로부터 출사된 광을 반사와 투과에 의해 전기 벡터의 진동 방향이 직교하는 2종의 직선 편광으로 분리하는 복수의 편광 분리면(2503)과, 편광 분리면(2503)에서 반사한 직선 편광을 편광 분리면(2503)을 투과한 광과 동일한 방향으로 반사하는 복수의 반사면(2505)과, 편광 분리면(2503) 및 반사면(2505)을 투광성 부재(2506)를 거쳐 교대로 복수 배열한 구성의 편광 분리 프리즘 어레이(2510)와, 편광 분리면(2503)에서 분리한 2종의 직선 편광 중, 적어도 한 쪽의 편광 상태를 변화시켜, 편광 분리 프리즘 어레이(2510)로부터 출사하는 광을 액정 표시 소자(2200)의 배면에 배치된 편광판(2209)의 직선 편광 투과축과, 전기 벡터의 진동 방향이 일치한 직선 편광으로 변환하는 기능을 갖는 편광 변환 소자(2504)로 구성된다.
청색 LED(2507)는 발광 피크 파장 400∼500㎚의 청색광을 발하는 것을 이용할 수 있지만, 편광판의 투과 스펙트럼 (도 29 참조) 및 광원광의 청색의 색 순도를 고려하면, 발광 피크 파장이 430∼480㎚의 청색 LED를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
콜리메이터 렌즈(2502)는 청색 LED(2507)로부터 출사된 확산광을 평행화하는 기능을 갖는 것으로, 복수의 청색 LED(2507)에 1대 1로 대응하여 배치된다. 또, 시판되는 투명 렌즈를 구비한 LED 렌즈 내에는 지향성이 강한, 즉 평행성이 높은 출사광이 얻어지는 것이 있으므로, 이것을 청색 LED(2507)와 콜리메이터 렌즈(2502)를 일체화한 것으로 사용해도 좋다.
구체적으로는 품명 NSPB300A, NSPB500A (일아(日亞) 화학 공업 제품)을 이용할 수 있고, 이 경우, 발광 피크 파장이 약 470㎚, 발광 스펙트럼의 반값 폭이 30㎚, 반값 각이 ±7.5°로 평행성이 높은 출사광이 얻어진다. 또, 품명 E1L51-3B (풍전(豊田) 합성 제품)을 이용하면 발광 피크 파장이 약 470㎚, 발광 스펙트럼의 반값 폭이 약 35㎚, 반값 각이 약 ±7.5°로 평행성이 높은 출사광이 얻어진다.
편광 분리 프리즘 어레이(2510)는 청색 LED(2507)로부터 출사된 광을, 반사와 투과에 의해 전기 벡터의 진동 방향이 서로 직교하는 2종의 직선 편광으로 분리하는 편광 분리면(2503)과, 편광 분리면(2503)에서 반사한 광을 편광 분리면(2503)을 투과한 광의 방향과 동일한 방향으로 반사하는 반사면(2505)을, 단면 형상이 평행 사변형의 기둥형상인 투광성 부재(2506)를 거쳐 교대로 복수 배열한 것이다.
투광성 부재(2506)는 광원의 발광 스펙트럼에 비해 투명하고 복굴절성이 없는 재료, 예를 들면 BK-7 등의 소재로 구성된다. 투광성 부재(2506)는 그 단면 형상이 내각 45°의 평행 사변형인 기둥 형상의 투명체이다. 이를 순차 접합하는 것으로 판상의 외관을 형성하는 것이다. 투광성 부재(2506)의 접합 계면에는 편광 분리면(2503) 및 반사면(2505)이 교대로 형성된다.
편광 분리면(2503)은 유전체 다층막에 의해 구성된다. 여기에서 일반적으로 편광 분리면은 편광 분리해야 할 광의 파장 대역이 좁으면, 그 만큼 유전체막의 층수를 감해도 그 기능은 만족되기 때문에 보다 저렴하게 된다. 또, 편광 분리해야 할 광의 파장 대역이 좁으면, 그 만큼 편광 분리 능력의 광의 입사 각도 의존성을 작게 하는 등의 성능 향상도 용이하게 된다. 따라서, 본 발명의 컬러 표시 장치에서는, 광원으로부터의 출사광이 단색 (청색)광이고, 그 발광 스펙트럼의 반값 폭은 30∼35㎚로 좁기 때문에, 백색 광원에 대응한 편광 분리면에 비해 저렴하고 성능이 높은 편광 분리 수단을 용이하게 구성할 수 있다.
반사면(2504)은, 편광 분리면(2503)에서 반사한 광을 반사하는 것으로, 편광 분리면(2503)과 동일한 유전체 다층막 또는 Al, Ag 등의 금속 박막에 의해 실현할 수 있다.
편광 변환 소자(2504)는 편광 분리 프리즘 어레이(2510)의 편광 분리면(2503)에서 분리된 2종의 직선 편광 중, 적어도 한 쪽의 편광 상태를 변화시켜 편광 분리 프리즘 어레이(2510)로부터 출사되는 광을, 액정 표시 소자(2200)의 배면에 배치된 편광판(2209)의 직선 편광 투과축과, 전기 벡터의 진동 방향이 일치하는 직선 편광이 되는 기능을 갖는다.
여기에서는 편광 변환 소자(2504)를 편광 분리 프리즘 어레이(2510)의 광 출사면의 일부에 선택적으로 배치된 광원의 발광 스펙트럼에 대해, 1/2 파장판으로서 기능하는 위상차판에 의해 실현된다.
또, 일반적으로 위상차판을 구성하는 투명체에는, 굴절률의 파장 의존성 (파장 분산)이 있고, 백색광과 같이 파장 대역이 넓은 광에 대해서는 일종 일층의 위상차판에서는 충분한 성능이 얻어지지 않는다. 여기에서 2종류의 파장 분산이 다른 위상차판을 그 광학축을 벗어나 접합시킨다고 하는 것이 행해지지만, 이 경우는 광입사각도에 의한 위상차의 변화가 커지게 되는 등의 성능의 열화나, 비용의 상승이라고 하는 문제가 생긴다.
그러나, 본 컬러 표시 장치에서는, 광원인 청색 LED(2507)의 발광 파장 대역은 반값 폭이 30∼35㎚ 정도로 좁기 때문에 일종 일층의 위상차판에서 그 기능을 충분히 만족할 수 있으며, 고성능인 편광 변환 수단을 용이하게 실현할 수 있다.
1/2파장 위상차팡은 편광 분리 프리즘(2501)의 광 출사면 중 편광 분리면(2503)을 투과한 광이 통과하는 부분, 또는 편광 분리면(2503)에서 반사하고, 또한 반사면(2505)에서 반사한 광이 통과하는 부분중 어느 하나가 배치되면 된다.
여기에서는 이하 편광 분리 프리즘 어레이(2501)의 광 출사면 중, 편광 분리면(2503)을 투과한 광이 통과하는 부분에, 편광 변환 소자(1/2 파장판; 2504)를 배치하는 경우에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
도 32, 33은 각각 본 실시예의 조명 장치의 개략 사시도 및 그 동작을 설명하기 위한 일부 모식도이다.
청색 LED(2507) 및 콜리메이트 렌즈(2502)는 편광 분리 프리즘 어레이(2510)를 구성하는 복수의 편광성 부재(2506)의 광 입사면(2506B)의 중심 위치, 즉 투광성 부재(2506)의 접합 계면 중앙부의 바로 아래에 대응하는 위치에 배치된다.
이 때, 투광성 부재(2506)의 길이 방향에 대해서는, 복수개의 청색 LED(2507) 및 콜리메이트 렌즈(2502)를 연속적으로 선 형상으로 배치하지만, 이것과 직교하는 방향에서는 투광성 부재(2506) 한쪽 만큼의 간격을 두면서 배치한다. 또, 투광성 부재(2506)의 접합 계면에는, 편광 분리면(2503) 및 반사면(2505)를 교대로 형성하지만, 청색 LED(2507) 및 콜리메이트 렌즈(2502)의 바로 윗 부분에 대응하는 계면에는 편광 분리면(2503)이 위치하도록 구성한다.
게다가 편광 분리 프리즘 어레이(2510)의 광 출사면 중, 편광 분리면(2503)을 투과한 광이 통과하는 부분, 즉 청색 LED(2507) 및 콜리메이트 렌즈(2502)의 바로 위 부분에 대응하는 투광성 부재(2506)의 광 출사면(2506)에 편광 변환 소자 (1/2파장 위상차판; 2504)를 배치한다.
본 구성에 의하면, 청색 LED(2507)로부터 출사된 광(1201)은 콜레메이트 렌즈(2502)의 작용에 의해 평행화된 후, 편광 분리 프리즘 어레이(2510)에 입사된다. 편광 프리즘 어레이(2510)에 입사된 광은 편광 분리면(2503)에서, 전기 벡터의 진동 방향이 직교하는 다른 2종의 직선 편광으로, 각각 반사광과 투과광으로서 분리된다.
편광 분리면(2503)을 투과한 광(1202)는 편광 변환 소자(1/2파장판; 2504)의 작용을 받아, 전기 벡터의 진동 방향이 90° 회전한 직선편광, 즉 편광 분리면(2503)에서 반사한 광(1203)과 동일하나 직선편광이 된다. 또, 편광 분리면(2503)에서 반사한 광(1203)은 또한 반사면(2505)에서 반사하여, 편광 분리면(2501)을 투과한 광(1202)과 동일한 방향으로 출사된다. 즉, 본 조명 장치에서는, 광원인 청색 LED(2507)로부터 출사한 비편광을 다른 2개의 직선 편광으로 분리한 후, 특정의 직선 편광이 된 면 형상의 조명광으로서 액정 표시 장치(2200)에 조사할 수 있다.
여기에서, 본 컬러 액정 표시 장치에서는, 액정 표시 소자(2200)의 배면 측 편광판(2209)의 직선 편광의 투과축을, 조명 장치(2500)로부터 출사되는 직선 편광의 전기 벡터의 진동 방향과 일치하도록 구성된다.
이렇게 하면 비편광인 광원(2501)으로부터의 출사광은, 효율 좋게 소망의 직선 편광 (편광판(2209)의 직선 편광 투과축과 전기 벡터의 진동 방향이 일치한 직선 편광)으로 변환된 후, 액정 표시 소자(2200)에 조사되기 때문에, 편광판(2209)에서 거의 흡수되지 않고 표시에 기여할 수 있다. 따라서, 종래 액정 표시 소자의 편광판에서 흡수되어, 무효가 되어 있던 광을 유효하게 이용할 수 있다.
액정 표시 소자(2200)에 입사된 광은 화상 정보에 따른 변조를 받은 후, 파장 변환부(2100)에 입사된다.
파장 변환부(2100)는 청색광을 흡수하여 녹색의 형광을 녹색용 형광체(2102G), 적색의 형광을 발하는 적색용 형광체(2101R) 및 청색 이외의 파장광을 커트하는 청색 컬러 필터(2103B)가 액정 표시 소자(2200)의 각 색광의 화소에 대응하여 패터닝되는 것으로, 액정 표시 소자(2200)는 단순히 청색광을 선택적으로 투과시키는 광 셔터로서 기능하여, 청색광이 통과한 화소에 배치한 형광체의 형광, 또는 청색 컬러 필터의 투과광에 의해 컬러 표시가 행해진다.
본 실시예에서도, 실시예 12와 동일하게, 종래 액정 표시 소자의 편광판 또는 컬러 필터에서 흡수되어 무효하게 되어 있던 광을 유효하게 이용할 수 있기 때문에, 광 이용 효율이 높고 밝은 표시 장치를 실현할 수 있다.
또한, 형광 표시에 이용되는 여기광 (광원광)은 가시광이므로, 자외선에 의한 편광판, 액정 등의 열화가 없고, 긴 수명의 형광 컬러 표시를 얻을 수 있는 등, 상기 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 본 컬러 표시 장치에서는 조명 장치로부터 출사되는 조명광은, 미소 광원인 청색 LED로부터의 출사광을, 콜리메이트 렌즈에 의해 평행화한 평행성이 높은 조명광이다. 이 때문에, 액정 표시 소자의 액정층과, 파장 변환부의 형광체가 글래스 기판으로 이격되어, 거리가 벌어져 있어도 본래 표시해야 할 화소와는 다른 화소에 대응한 형광체에의 조명광의 누설이 적기 때문에, 색의 번짐이나 해상도의 저하를 억제한다고 하는 효과가 있다.
본 발명은 조명 장치의 도광체에의 입사부에 콜리메이트화 수단을 설치하여, 이것을 경사지게 하여, 박형이며 광이용 효율, 콜리메이트성이 높은 조명 장치를 얻을 수 있다. 또, 이 조명 장치를 이용하여 고휘도인 액정 표시 장치를 얻을 수 있다. 또, 액정 표시 소자 상에 광을 확장하는 스크린을 배치하여 광시야각인 액정 표시 장치를 얻을 수 있다. 또, 단파장의 광원을 사용하여, 액정 표시 소자 상에 형광체를 배치하여, 그 형광체를 발광시킴으로써, 고휘도, 광시야각의 표시를 행할 수 있다.
또, 광원광을 청색으로 하여, 광원으로부터 출사하고 액정 표시 소자에서 변조되는 광이, 대역이 좁은 단색 (청색)광이기 때문에, 편광 분리 수단 및 편광 변환 수단에서의 성능이 백색광과 같이 대역이 넓은 광의 경우보다 커진다. 따라서, 비편광인 광원광은 종래보다 효율 좋게 소망의 직선 편광, 즉 액정 표시 소자의 배면측에 배치한 편광판의 직선 편광 투과축과, 전기 벡터의 진동 방향이 일치한 직선 편광으로 변환된 후, 액정 표시 소자에 조사된다. 이 때문에, 액정 표시 소자에 입사되는 광은, 편광판에서 거의 흡수되지 않고 표시에 기여할 수 있기 때문에, 종래 액정 표시 소자의 편광판에서 흡수되어 무효가 되어 있던 광을, 효율 좋게 이용할 수 있게 된다.
또, 액정 표시 소자는 단순히 광원광인 청색광을 선택적으로 통과시키는 광 셔터로서 기능하고, 녹색 및 적색의 표시는, 각각의 색을 표시하는 화소에 대응한 위치에 패터닝된 형광체의 형광에 의해 행해진다. 게다가, 청색의 표시는 청색을 표시하는 화소에 대응한 위치에 패터닝된 청색 컬러 필터의 투과광에 의해 표시되지만, 광원광은 원래 청색이므로 청색 컬러 필터에서는 광의 손실이 거의 없다. 이 때문에, 종래의 컬러 액정 표시 장치와 같은 컬러 필터에 의한 광흡수가 없고, 광 이용 효율이 높고 밝은 컬러 표시 장치를 실현할 수 있다.
또한, 조명 장치로부터 출사되는 조명광은 광원이 형광 램프인 경우는 도광체의 이면에 형성된 경사 반사면 및 마이크로프리즘 어레이의 작용에 의해 전방위에 걸쳐 평행화되어 있고, 또 광원이 LED인 경우도 콜리메이트 렌즈에 의해 평행화되어 있다. 이 때문에, 어느 경우나 액정 표시 소자의 액정층과, 파장 변환부의 형광체가 글래스 기판으로 이격되고, 거리가 이격되어 있어도 본래 표시해야 할 화소와는 다른 화소에 대응한 형광체에, 조명광의 누설광이 입사하는 일이 적기 때문에, 색의 번짐이나 해상도의 저하가 억제되어, 고품위의 컬러 표시를 얻을 수 있다고 하는 효과가 있다.
또, 형광 표시에 이용되는 여기광 (광원 광)은 가시광이므로, 일반적으로 액정 표시 소자에 사용되는 각종 투명 재료에서 자외선과 같이 흡수되는 일이 없으므로 광원 광이 효율 좋게 이용될 수 있으며, 또한 자외선에 의한 편광판, 액정 등의 열화 없이, 긴 수명의 형광 컬러 표시를 얻을 수 있다고 하는 효과가 있다.
또, 청색 컬러 필터의 관찰자 측에, 전방 산란이 큰 확산층을 부가하면 입사광의 방향에 의존하지 않고, 동일한 공간 분포의 청색광이 얻어지며, 적색광 및 녹색광은 형광체의 형광의 공간 분포가 원래 입사광의 방향에 의존하지 않고 동일하기 때문에, 시야각 의존성이 없는 표시를 얻을 수 있다고 하는 효과가 있다.
또, 파장 변환부의 표면 (관찰자측 면)의 청색 컬러 필터를 제외한 부분, 즉 형광체가 패터닝되어 있는 부분에, 적색용 형광체 및 녹색용 형광체의 형광체의 발광 스펙트럼은 투과되고, 그 이외의 광은 흡수되는 밴드패스 필터를 배치하여, 밝은 환경 하에서도 외광에 포함되는 여기광은 밴드패스 필터에서 흡수되기 때문에, 외광에 의해 형광체가 형광하여 흑표시의 휘도를 높게 하여 버리는 일이 없다. 또, 형광체의 형광에 의한 적색광이나 녹색광은 밴드패스 필터에서 흡수되는 일 없이 투과하여, 청색광도 청색 컬러 필터부에는 밴드패스 필터가 없기 때문에, 흡수되는 일 없이 표시에 기여하므로, 밝은 환경하에서도 콘트라스트비가 높고 밝은 표시를 얻을 수 있다.
또한, 파장 변환부의 배면측 (액정 표시 소자 측)에 광원의 발광 스펙트럼 (청색광)은 투과하고, 그 이외의 가시광을 반사하는 반사층을 설치하여, 형광체에서 형광한 확산광이 액정 표시 소자에 되돌아와 광의 손실이 되고, 미광이 되어 색의 번짐 등의 화질 열화를 일으키는 것을 방지할 수 있기 때문에, 밝게 표시 품질이 높은 컬러 표시 장치를 실현할 수 있다.

Claims (20)

  1. 광출사면의 이면에 경사면을 갖는 요철면 또는 단차로 구성되는 반사면을 구비하고, 상기 반사면은 적어도 경사부가 경면화되어 도광체의 이면에 직접 또는 공기층을 거쳐 반사판을 배치한 상기 도광체와,
    적어도 상기 도광체의 일변에 제공되어 상기 도광체에 입사되는 입사광의 평행도를 높이는 콜리메이트 수단과,
    상기 콜리메이트 수단에 근접 배치되며 주위에 반사판을 갖는 광원
    으로 구성되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  2. 광출사면의 이면에 경사면을 갖는 요철면 또는 단차로 구성되는 반사면을 구비하고, 상기 반사면은 적어도 경사부가 경면화되어 도광체의 이면에 직접 또는 공기층을 거쳐 반사판을 배치한 상기 도광체와,
    적어도 상기 도광체의 일변에 제공되어 상기 도광체에 입사되는 입사광의 평행도를 높이는 콜리메이트 수단과,
    상기 콜리메이트 수단에 근접 배치되며 주위에 반사판을 갖는 광원
    을 구비한 도광 수단을 복수개 배치한 조명 장치.
  3. 도광체의 광출사면에 경사면을 갖는 홈을 형성하고, 경사부가 경면화되어 있고, 광출사면의 이면에 경사면을 갖는 요철면 또는 단차로 구성된 반사면을 구비하고, 상기 반사면은 적어도 경사부가 경면화되어 상기 도광체의 이면에 직접 또는 공기층을 사이에 두고 반사판을 배치한 상기 도광체와,
    적어도 상기 도광체의 일변에 제공되어 상기 도광체에 입사되는 입사광의 평행도를 높이는 콜리메이트 수단과,
    상기 콜리메이트 수단에 근접 배치되며 주위에 반사판을 갖는 광원
    을 갖는 도광 수단을 복수개 배치한 조명 장치.
  4. 도광체가 출사광을 띠 형상으로 출사시키는 기능을 갖고, 상기 도광체 상에 편광 변환기를 배치하고, 광출사면의 이면에 경사면을 갖는 요철면 또는 단차로 구성된 반사면을 구비하고, 상기 반사면은 적어도 경사부가 경면화되어 상기 도광체의 이면에 직접 또는 공기층을 거쳐 반사판을 배치한 상기 도광체와,
    적어도 상기 도광체의 일변에 제공되어 상기 도광체에 입사되는 입사광의 평행도를 높이는 콜리메이트 수단과,
    상기 콜리메이트 수단에 근접 배치되며 주위에 반사판을 갖는 광원
    을 갖는 도광 수단을 복수개 배치한 조명 장치.
  5. 도광체의 광출사면에 경사면을 갖는 홈을 형성하고, 경사부가 경면화되고, 상기 경사면이 출사광을 띠 형상으로 출사시키는 반사면에서, 상기 도광체상에 편광 변환기를 배치하고, 광출사면의 이면에 경사면을 갖는 요철면 또는 단차로 구성된 반사면을 구비하고, 상기 반사면은 적어도 경사부가 경면화되어 상기 도광체의 이면에 직접 또는 공기층을 사이에 두고 반사판을 배치한 상기 도광체와,
    적어도 상기 도광체의 일변에 제공되어 상기 도광체에 입사되는 입사광의 평행도를 높이는 콜리메이트 수단과,
    상기 콜리메이트 수단에 근접 배치되며, 주위에 반사판을 갖는 광원
    을 갖는 도광 수단을 복수 배치한 조명 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도광 수단의 출사면에 대해 콜리메이트 수단의 광학축이 경사져 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원이 원주상(cylindrical)의 광원이고, 적어도 상기 광원의 장축 방향으로는 상기 콜리메이트 수단이 상기 광원 및 상기 도광체 측에서는 넓고 중앙부에서 좁게 되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원이 원주상의 광원이고, 적어도 상기 광원의 장축 방향으로는 상기 콜리메이트 수단이 상기 광원 및 상기 도광체 측에서는 넓고 중앙부에서 좁게 되어 있어, 상기 콜리메이트 수단의 상기 광원측이 확장되어 있는 측면이 광반사판으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원이 점상(spot)의 광원이고, 적어도 상기 광원은 상기 콜리메이트 수단 마다 배치되고, 상기 콜리메이트 수단이 적어도 상기 도광체측에서는 넓게 되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 콜리메이트 수단과 상기 도광체 사이에 편광 변환기를 배치하고, 상기 광원이 원주상의 광원이고, 적어도 상기 광원의 장축 방향으로는 상기 콜리메이트 수단이 상기 광원 및 상기 도광체 측에서는 넓고 중앙부에서 좁게 되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 콜리메이트 수단과 상기 도광체 사이에 편광 변환기를 배치하고, 상기 광원이 점상의 광원이고, 적어도 상기 광원은 상기 콜리메이트 수단 마다 배치되고, 상기 콜리메이트 수단이 적어도 상기 도광체측에서는 넓게 되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  12. 편광 상태, 산란/투과, 또는 흡수/투과를 제어하여 화상 표시를 행하는 액정 표시 소자와,
    상기 액정 표시 소자의 배면에 제1항 내지 제11항에 따른 조명 장치
    를 구비한 액정 표시 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 액정 표시 장치의 표시면 측에 출사광을 확장시키는 스크린을 배치한 액정 표시 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 액정 표시 소자의 표시면 측에 출사광을 확장시키고, 외광 및 경사 입사광을 흡수하는 기능을 갖는 스크린을 배치한 액정 표시 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 액정 표시 장치의 표시면 측에 결상 수단, 확대 수단 및 스크린을 배치한 액정 표시 장치.
  16. 제12항에 있어서, 상기 광원이 적어도 파장이 500㎚ 이하의 광원이고, 상기 액정 표시 소자의 표시면 측에 상기 광원에 의해 형광하는 형광체를 배치한 액정 표시 장치.
  17. 투명 전극 형성면이 대향하며 일정한 간격을 갖고 구성된 한 쌍의 투명 기판과, 상기 투명 기판 사이에 끼워진 액정층과, 상기 한 쌍의 투명 기판의 투명 전극에 의해 형성된 매트릭스 형상의 화소에 화상 신호에 대응한 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 갖는 액정 표시 소자와, 상기 액정 표시 소자의 배면으로부터 조명되는 발광 피크 파장이 380∼500㎚인 광을 출사하는 광원과, 상기 액정 표시 소자의 액정층의 광출사측에 액정 표시 소자의 각 화소에 대응하여 배치되며, 상기 광원광을 적색 또는 녹색으로 변환시키는 일종 이상의 파장 변환용 형광체로 이루어진 파장 변환부를 갖는 액정 표시 장치에 있어서,
    상기 액정 표시 소자는 적어도 그 광 입사측에 편광판을 갖고 액정층에 입사하는 광의 편광 상태를 이용하여 표시를 행하는 것으로, 상기 액정 표시 소자의 배면에 제1항 내지 제11항에 따른 조명 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  18. 투명 전극 형성면이 대향하며 일정한 간격을 갖고 구성된 한 쌍의 투명 기판과, 상기 투명 기판 사이에 끼워진 액정층과, 상기 한 쌍의 투명 기판의 투명 전극에 의해 형성된 매트릭스 형상의 화소에 화상 신호에 대응한 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 갖는 액정 표시 소자와, 상기 액정 표시 소자의 배면으로부터 조명되는 발광 피크 파장이 430∼480㎚인 광을 출사하는 광원과, 상기 액정 표시 소자의 액정층의 광출사측에 액정 표시 소자의 각 화소에 대응하여 배치되며, 상기 광원광을 적색 또는 녹색으로 변환시키는 일종 이상의 파장 변환용 형광체로 이루어진 파장 변환부를 갖는 액정 표시 장치에 있어서,
    상기 액정 표시 소자는 적어도 그 광 입사측에 편광판을 갖고 액정층에 입사하는 광의 편광 상태를 이용하여 표시를 행하는 것으로, 상기 액정 표시 소자의 배면에 제1항 내지 제11항에 따른 조명 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  19. 투명 전극 형성면이 대향하며 일정한 간격을 갖고 구성된 한 쌍의 투명 기판과, 상기 투명 기판 사이에 끼워진 액정층과, 상기 한 쌍의 투명 기판의 투명 전극에 의해 형성된 매트릭스 형상의 화소에 화상 신호에 대응한 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 갖는 액정 표시 소자와, 상기 액정 표시 소자의 배면으로부터 조명되는 발광 피크 파장이 380∼500㎚인 광을 출사하는 광원과, 상기 액정 표시 소자의 액정층의 광출사측에 액정 표시 소자의 각 화소에 대응하여 배치되며, 상기 광원광을 적색 또는 녹색으로 변환시키는 일종 이상의 파장 변환용 형광체로 이루어진 파장 변환부를 갖는 액정 표시 장치에 있어서,
    상기 광원이 판상의 도광체의 주변 모서리에 근접 배치된 형광 램프이고, 상기 도광체가 단면으로부터 입사된 광을 전반사에 의해 내부에 밀폐하도록 구성되며, 내부를 전파하는 광의 반사 각도를 변화시켜, 적어도 한 방향이 대략 평행화된 광을 외부에 방사하는 미세한 경사면을 갖는 다수의 요면, 철면 또는 단차로 구성되는 경사 반사면을 이면 (액정 표시 소자와 반대측 면)에 구비하고,
    상기 도광체와 상기 액정 표시 소자 사이에 상기 편광 분리 수단으로서 콜레스테릭 액정층을 배치하고, 상기 콜레스테릭(cholesteric) 액정층과 상기 액정 표시 소자 사이에 상기 제1 편광 변환 수단으로서 위상차판을 배치하고, 상기 도광체의 이면에 상기 제2 편광 변환 수단으로서 상기 콜레스테릭 액정층에서 반사한 광원광을 다시 상기 콜레스테릭 액정층에 반사하는 적어도 수직 입사한 원편광을 회전 방향이 반대인 원편광으로서 반사하는 반사면을 구비한 액정 표시 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 도광체와 상기 액정 표시 소자 사이에 적어도 한 방향에 관해서는 무지향성인 광을 거의 평행광으로 변환시키는 광로 변환 수단을 배치하고, 상기 광로 변환 수단의 광로 변환 방향을 상기 도광체로부터 출사하는 광의 거의 평행화된 방향과 직교시킨 액정 표시 장치.
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