JP2004102125A - 反射型液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源および導光板からなるフロントライトと反射型液晶表示素子とが導光板よりも低い屈折率の透明基板で貼り合わされている反射型液晶表示装置において、照明ムラを低減すること。
【解決手段】光源１および導光板３を有するフロントライトと、導光板３よりも屈折率の低い透明基板５を介して導光板３と貼り合わされた反射型液晶表示素子４とを備える反射型液晶表示装置において、導光板３の反射型液晶表示素子４側の面３ｂに複数の溝を形成する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型液晶表示装置に関し、より特定的には、パーソナルコンピュータなどのＯＡ機器、携帯情報端末、ポータブルビデオレコーダなどの画像表示装置や各種モニタに使用される反射型液晶表示装置の照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末、ポータブルビデオレコーダなどは小型化・ポータブル化が進んでおり、画像表示装置の消費電力低減が重要な課題となっている。そこで消費電力低減を実現するものとして、画像表示装置に反射型液晶表示素子を持つものが多数存在している。
【０００３】
反射型液晶表示装置では、太陽光や室内光などの外光を反射させることにより画面の明るさを得ている。しかし、外光の少ないところでは画面に十分な明るさが得られない。そこで、外光の多いときは外光による照明の障害とならず、また外光の少ないときには反射型液晶表示素子を照明しかつ表示画面の視認性を妨げないような照明装置を備えた反射型液晶表示装置が要望されており、そのような照明装置として導光板を用いたものがいくつか提案されている。
【０００４】
このような導光板を用いた従来の反射型液晶表示装置としては、例えば特開平２０００−２２１５０１号公報（特許文献１）に記載のものがある。図７にその断面を模式的に示す。図７において、２１は光源であり、２２はリフレクタであり、２３は導光板であり、２４は反射型液晶表示素子である。導光板２３の表面（表示画面を見る観察者側の面）には階段状の溝２５が形成されている。また導光板２３と反射型液晶表示素子２４とは、その間に透明基板２６として導光板２３よりも小さい屈折率の透明材料を充填することにより貼り合わされている。導光板２３よりも小さい屈折率の透明基板２６を用いるのは、導光板２３と透明基板２６の境界で伝搬光を全反射させるためである。
【０００５】
以上の構成において、光源２１から出射された光は、導光板２３の内部を伝搬し、導光板２３の表面に設けられた階段状の溝２５によって反射され、反射型液晶表示素子２４を照明する。観察者は、こうして照明された反射型液晶表示素子２４を導光板２３を透かして見ることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平２０００−２２１５０１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の反射型液晶表示装置では、導光板２３と反射型液晶表示素子２４との間に充填されている透明基板２６の屈折率（１．４９程度）が導光板２３の屈折率（１．５３程度）とほぼ同等であるため、導光板２３内部を伝搬する光の一部が、導光板２３の出射面（透明基板２６と接する面）で全反射することなく反射型液晶表示素子２４に直接到達して拡散してしまい、その結果照明ムラが生じ、均一な照明が得られないという問題がある。以下、この問題について具体的に説明する。
【０００８】
図８に、上記の反射型液晶表示装置の輝度分布をシミュレーションにより求めた結果の概略を示す。導光板２３に入射された光は、導光板２３の出射面（略平面形状）を水平面としたとき、図９（ａ）に示すように、±θｃ１の角度内での伝搬光となる。θｃ１は導光板２３と空気との全反射角度であり、導光板２３の屈折率を１．５３とすると約４１°である。
【０００９】
しかし、導光板２３の、反射型液晶表示素子２４と貼り合わされている部分では、角度の大きい伝搬光は透明基板２６および反射型液晶表示素子２４の表面に設けられた偏光板を透過してしまう。偏光板を透過した光の一部は反射型液晶表示素子２４に設けられた反射層に到達して散乱し、また他の一部は偏光板の下面で反射して再度導光板２３内部を伝搬する伝搬光となる。いずれの場合も、散乱もしくは偏光板による透過吸収によって光量が大幅に低減する。この結果、図９（ｂ）に示すように、導光板２３と透明基板２６間の全反射角度θｃ２の補角（＝θｃ２’）が伝搬光の角度分布となる。透明基板２６の屈折率を１．４９とするとθｃ２は約７７°なので、伝搬光の角度分布±θｃ２’は±１３°である。
【００１０】
導光板２３の表面に設けられた階段状の溝２５の光源２１に面している側の斜面における伝搬光の角度分布が大きいほど、その斜面における反射光量が高くなり、反射型液晶表示素子２４は明るく照明される。したがって、導光板２３の厚さをｄとしたとき、透明基板２６の光源２１側端部からｄ／ｔａｎ（θｃ１）だけ離れた場所を点Ｑ１とすると、導光板２３の光源２１側端部から点Ｑ１までの範囲は輝度が高くなる。また、透明基板２６の光源２１側端部からｄ／ｔａｎ（θｃ２’）だけ離れた場所を点Ｑ２とすると、点Ｑ２以降の範囲では前述したように伝搬光の角度分布は±１３°となるため輝度が低くなる。
【００１１】
すなわち、図８におけるエリアＡの内部では伝搬光の角度分布は±θｃ１であり、エリアＣの内部では伝搬光の角度分布は±θｃ２’であり、エリアＢの内部では伝搬光の角度分布がなだらかに減少していく。この結果、図８に示すような点Ｑ１から点Ｑ２までの範囲における輝度変化が観察者によって視認され、ムラとなって見えてしまう。
【００１２】
それゆえに本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、照明ムラを低減した反射型液晶表示装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の構成を採用した。
本発明の反射型液晶表示装置は、光源および導光板を有するフロントライトと、導光板よりも屈折率の低い透明基板を介して導光板と貼り合わされた反射型液晶表示素子とを備え、導光板の反射型液晶表示素子側の面に複数の溝が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
溝の形状の例としては、光源に対して近い側の斜面である第１斜面と光源に対して遠い側の斜面である第２斜面とからなる断面くさび状のものが挙げられる。
【００１５】
また、反射型液晶表示素子の導光板側の面に対する第２斜面の傾き角度はほぼ２°以上となるのが好ましく、それに加えてほぼ１０°以下となるのがさらに好ましい。
【００１６】
また、反射型液晶表示素子の導光板側の面に対する第１斜面の傾き角度は、導光板と透明基板との境界における全反射角度の補角にほぼ等しくなるのが好ましい。
【００１７】
また、反射型液晶表示素子の走査線方向に対する各溝の長手方向の傾き角度は０°もしくはほぼ２７°〜３２°の範囲となるのが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に、本発明の反射型液晶表示装置の断面を模式的に示す。図１において、１は光源であり、平板状の導光板３の側面に配置される。光源１としては、例えば熱陰極管・冷陰極管などの蛍光灯、あるいは発光ダイオードを複数配列したもの、あるいは白熱灯、あるいは有機発光材料を線状に形成したものなどが適用できる。
【００１９】
２はリフレクタであり、光源１を覆うように配置される。リフレクタ２の内面は反射率が高く、拡散性が小さくなるように構成される。例えば、樹脂のシートに銀・アルミなどの反射率の高い材料を蒸着し、このシートを薄い金属板あるいは樹脂のシートに接着して構成される。
【００２０】
３は導光板であり、ガラスや透明樹脂（例えばアクリル系樹脂やポリカーボネート）などを材料とする透明板にて構成される。本実施形態では、一例として、成形性・透明性・耐熱耐湿性を勘案して日本ゼオン（株）製のポリオレフィン系樹脂のゼオノア（Ｒ）を使用するものとする。
【００２１】
導光板３の大きさは、反射型液晶表示素子４の画面の大きさとほぼ同等である。導光板３の入射端面３ｃ（光源１からの光が入射される端面）と出射面３ｂ（反射型液晶表示素子４に向けて光が出射される面）とはほぼ９０°の角度をなす。導光板表面３ａ（出射面３ｂと対向する面）の全体としての形状は、設計によって平面が適している場合と曲面が適している場合がある。一般的に曲面形状の方が成形性が悪いが、輝度を均一にするためには設計裕度が高まるので良い。導光板出射面３ｂは全体として平面である。導光板３の表面３ａおよび出射面３ｂには溝が複数個形成されており、導光板３内部を伝搬する光がそのまま、または導光板出射面３ｂで全反射後、導光板表面３ａで全反射して導光板出射面３ｂから出射されるようになっている。
【００２２】
４は反射型液晶表示素子であり、パーソナルコンピュータなどのＯＡ機器、携帯情報端末、ポータブルビデオレコーダなどの画像表示装置、各種モニタなどに使用される。反射型液晶表示素子４は、二つの基板によって液晶層を挟持し、その表面に偏光板を配置して構成される。
【００２３】
５は透明基板であり、導光板３と反射型液晶表示素子４の間に気泡やゴミなどの異物の混入がないように透明材料を充填して形成されたものである。この透明基板５には導光板３よりも低屈折率の材料を用い、例えば紫外光硬化型樹脂や可視光硬化型樹脂などの接着剤、またＰＥＴなどの透明な基材に粘着材を塗布してあるような粘着テープなどが適用できる。なお紫外光は反射型液晶表示素子や反射型液晶表示素子の表面に用いられている偏光板を劣化させるので、可視光硬化型樹脂を用いる方が望ましい。本実施形態では透明基板５の材料としてアクリル系の可視光硬化型樹脂を使用する。この場合、屈折率は１．４９であり導光板３の材料であるゼオノア（Ｒ）の屈折率１．５３よりも小さく、吸収波長ピークは約４００ｎｍであるため紫外光による反射型液晶表示素子４の劣化は少ない。
【００２４】
次に、導光板３の表面３ａの溝断面形状の例を図２を参照して説明する。導光板３の表面溝は、図２（ａ）に示すように、第１斜面３ａ１（光源１方向に面する斜面）と第２斜面３ａ２とによって形成されている。略平面形状の出射面３ｂを水平面としたとき、表面溝の第１斜面３ａ１の角度θａ１は、３５°〜５０°の範囲に設定される。また同様に、表面溝の第２斜面３ａ２の角度θａ２は、０°〜１０°の範囲に設定される。θａ１は、伝搬光が全反射によって偏向される主方向を決定する。反射型液晶表示素子４の反射特性によって最大輝度が得られるθａ１は変化する。また溝の間隔を一定とした場合にはθａ２によって溝の深さを決定することができる。照明すべき反射型液晶表示素子４が大きいほど溝の深さを全体的に小さくすることで、反射型液晶表示素子４が大きい場合にも反射型液晶表示素子４をより均一に照明することができる。また、光源１から遠くなるほどθａ２を大きくして溝の深さを大きくすることにより、輝度をより均一にすることができる。
【００２５】
また、図２（ａ）に示した形状の変形例として、図２（ｂ）および図２（ｃ）にしめすように、斜面間に平坦面を形成したものがある。図２（ｂ）においては各溝の間に平坦面３ａ３が形成されており、図２（ｃ）においては各溝の底部に平坦面３ａ３が形成されている。このような構成であれば、平坦部３ａ３の長さを変化させることでθａ２を変化させることなしに光源１から遠くなるほど溝深さを大きくすることができ、輝度を均一にすることができる。特に図２（ｃ）のような形状では、導光板３を成型するための金型を製造する際に平坦部をあえて研削によって形成する必要が無く、金型の加工が容易となるため好適である。
【００２６】
また、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、導光板３の出射面３ｂからの間隔が徐々に変化するように導光板３の表面３ａを傾けるようにしても溝深さを変化させることができる。この場合、導光板３の表面３ａは全体として曲面形状になる。
【００２７】
次に、図４を参照して導光板３の出射面３ｂの溝断面形状について説明する。出射面３ｂの溝は、図４に示すように第１斜面３ｂ１と第２斜面３ｂ２によって形成されている。略平面形状の出射面３ｂを水平面としたとき、第１斜面３ｂ１の角度θｂ１は、２°〜１０°の範囲に設定され、第２斜面３ｂ２の角度θｂ２は、１３°に設定されている。
【００２８】
図５（ａ）に導光板３の斜視図を、図５（ｂ）にその平面図を示す。
本実施形態では導光板３の厚さｄは１．５ｍｍであり、図５（ｂ）に示すように、導光板３の表面３ａには表面溝が、光源の長手方向に対して表面３ａ内で角度θａ３だけ傾けて形成されており、導光板３の出射面３ｂには出射面溝が、光源の長手方向に対して出射面３ｂ内で角度θｂ３だけ傾けて形成されている。
【００２９】
表面溝の方向と光源１の長手方向（言い換えると反射型液晶表示素子４の走査線方向）とのなす角度θａ３は、反射型液晶表示素子４の画素と表面溝との位置関係に基づくモアレが発生しないように設定されなければならない。本実施形態の例では反射型液晶表示素子４の画素ピッチは０．２ｍｍ、表面溝のピッチは０．１６ｍｍであり、このときθａ３を２７°〜３２°の範囲に設定すればモアレが小さいことが種々の検討により明らかになった。ただしθａ３が大きいと光源１からの光が表面溝の第１斜面３ａ１で反射する効率が悪くなるので、θａ３は２７°とするのが好ましい。なお、θａ３＝０°とした場合、表示画面を見る方向が固定されているのであればモアレが観察されないようにすることが可能であるが、表示画面を見る方向が変化するとそれに応じて反射型液晶表示素子４の画素と表面溝との位置関係が変化するため、見る方向の変化に応じて動くようなモアレ（以下、“視差によるモアレ”と称す）が観察されてしまい、画質が著しく低下してしまう。したがってこれを避けるためθａ３≠０°とする。
【００３０】
また、出射面溝の方向と光源１の長手方向とのなす角度θｂ３は、反射型液晶表示素子４の画素と出射面溝との位置関係に基づくモアレが発生しないように設定されなければならない。本実施形態の例では反射型液晶表示素子４の画素ピッチは０．２ｍｍ、出射面溝ピッチは０．１６ｍｍであり、角度θｂ３を表面溝と同様に２７°〜３２°の範囲に設定すればモアレは問題にならない。なお、θｂ３は、表面溝と平行な方向（つまり＋２７°〜＋３２°）であっても良いし、表面溝と交差する方向（つまり−２７°〜−３２°）であっても良い。出射面溝は接着剤（透明基板５）で充填されているので溝のコントラストが非常に小さく、表面溝との位置関係に基づくモアレの発生を気にする必要はない。なお、出射面溝と反射型液晶表示素子４の画素との距離が近いため前述した“視差によるモアレ”は発生しにくい。よってθｂ３は０°であっても構わない。ただしこの場合には、導光板３と反射型液晶表示素子４との位置関係によってはモアレが観察されてしまうため、モアレが観察されないような位置関係となるように導光板３と反射型液晶表示素子４とを精度良く貼り合わせる必要がある。
【００３１】
導光板３は、反射型液晶表示素子４の表面に設けらた偏光板上に低屈折材料（透明基板５）で貼り合わせられる。導光板３の光源１側の端部は、リフレクタ２とのカップリングのため、偏光板より２ｍｍ程度突き出しておく必要がある。
【００３２】
次に図６を参照して、以上のように構成された反射型液晶表示装置において、導光板３内部を光がどのように伝搬するかを説明する。
角度−αの伝搬光が図４に示す導光板出射面３ｂの斜面３ｂ１で反射すると、その伝搬光の角度は＋α＋２×θｂ１となる。このため、伝搬光の角度分布が増加し、輝度が上がる。この結果、従来の装置で観察される点Ｑ１から点Ｑ２におけるムラ（図６の破線）が、図６の実線のように緩和されることがシミュレーションにより確認された。
【００３３】
ただしθｂ１が大きいと、図９（ｂ）に示したθｃ２’に近い伝搬角度で伝搬する光が、出射面溝の斜面３ｂ１をより多く透過してしまうので、結果として画面全体の輝度が低下することになる。またθｂ１が大きすぎるのは加工性の面からもモアレの面からも好ましくない。種々の検討の結果、本実施形態の例においてはθｂ１が２°〜１０°の範囲が好ましいことが分かった。一般的に、ムラの見えやすさは導光板３と透明基板５の屈折率・透過率、導光板３の厚さ、反射型液晶表示素子４の反射率など、種々の要因によって変化するので、それらに応じてθｂ１の値を適切に変えるのが良い。ムラが少ない場合にはθｂ１は小さくても良いが、ムラが目立つ場合にはθｂ１を大きくし、同時に導光板３の表面溝を再設計して輝度分布を均一化する必要がある。この設計はコンピュータによる光線追跡計算でシミュレーションすることが可能である。本実施形態の例ではθｂ１を５°とするのが好ましく、導光板３の表面３ａについては最適化設計を実施するのが良い。
【００３４】
一方θｂ２については、大きくなると出射面溝の深さが深くなり、貼り合わせるときに気泡が混入しやすくなるので、できるだけ小さい方が望ましい。しかしながら逆に小さすぎると伝搬光が出射面溝の第２斜面３ｂ２に到達してこの斜面で反射してしまい、伝搬光の角度分布が低減してしまう。これにより前述した出射面溝の第１斜面３ｂ１による効果が相殺されてしまう。したがってθｂ２は図９（ｂ）に示した伝搬角度θｃ２’（つまり導光板３と透明基板５間の全反射角度）と同等であるのが好ましく、本実施形態の例ではθｂ２は伝搬角度θｃ２’と同等の１３°とするのが好ましい。
【００３５】
なお、本実施形態では導光板表面に表面溝を設けるとしたが、本発明はこれに限らず、導光板表面および表面溝の形状は導光板出射面から光が出射されるのであればどのようなものでも適用可能である。ただし出射効率の点では本実施形態で用いたようなプリズム形状の反射構造が好ましい。
【００３６】
また、本実施形態では導光板３と反射型液晶表示素子４の間に透明基板５として透明材料を充填するとしたが、一般にゼオノア（Ｒ）などのポリオレフィン系樹脂は接着力が弱いので、透明基板５の材料としてポリオレフィン系樹脂を用いるときには導光板出射面３ｂにＳｉＯ２などの光学材料を前もって蒸着しておくと接着強度が増すので好ましい。
【００３７】
また、出射面溝の形状や深さや間隔については導光板３全体にわたって一律であっても構わないし、その位置に応じて（例えば光源１からの距離に応じて）適宜変化させても構わない。
【００３８】
また、本実施形態では反射型液晶表示装置について説明したが、これに限らず、例えば光源１および導光板３を備えたフロントライトによって写真立てを正面から照明するような場合にも本発明を適用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の反射型液晶表示装置によれば、導光板の反射型液晶表示素子側の面に複数の溝を形成することにより、照明ムラを低減することができる。
【００４０】
特に、導光板の出射面に設けられた溝を構成する２斜面のうち、光源に対して遠い側の斜面である第２斜面の傾き角度をほぼ２°以上とすることで、照明ムラを効果的に低減することができる。また、それに加えて第２斜面の傾き角度をほぼ１０°以下とすることで、第２の斜面の傾きが大きすぎることに起因する輝度の低下を抑えることができる。
【００４１】
また特に、導光板の出射面に設けられた溝を構成する２斜面のうち、光源に対して近い側の斜面である第２斜面の傾き角度を、導光板と透明基板との境界における全反射角度の補角にほぼ等しくすることで、第２斜面の傾き角度が大きすぎることに起因する加工性の低下を防止することができるとともに、第２斜面の傾き角度が小さすぎることに起因する照明ムラ低減効果の低下を防止することができる。
【００４２】
また特に、反射型液晶表示素子の走査線方向に対する、導光板の出射面に設けられた各溝の長手方向の傾き角度（θｂ３）を０°もしくはほぼ２７°〜３２°の範囲とすることで、モアレの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る反射型液晶表示装置の断面を示す模式図である。
【図２】同実施形態における導光板表面の断面形状の例を示す図である。
【図３】同実施形態における導光体表面の断面形状の他の例を示す図である。
【図４】同実施形態における導光板出射面の断面形状を示す図である。
【図５】同実施形態における導光板の形状を示す図である。
【図６】同実施形態における輝度分布の概略を示す図である。
【図７】従来の反射型液晶表示装置の断面を示す模式図である。
【図８】従来の反射型液晶表示装置における輝度分布の概略を示す図である。
【図９】従来の反射型液晶表示装置における導光板中の伝搬光の角度分布を示す図である。
【符号の説明】
１　光源
２　リフレクタ
３　導光板
３ａ　導光板表面
３ａ１　表面第１斜面
３ａ２　表面第２斜面
３ａ３　表面平坦部
３ｂ　導光板出射面
３ｂ１　出射面第１斜面
３ｂ２　出射面第２斜面
３ｃ　導光板入射端面
４　反射型液晶表示素子
５　透明基板

Claims (6)

1. 光源および導光板を有するフロントライトと、前記導光板よりも屈折率の低い透明基板を介して前記導光板と貼り合わされた反射型液晶表示素子とを備え、前記導光板の前記反射型液晶表示素子側の面に複数の溝が形成されていることを特徴とする反射型液晶表示装置。
2. 前記複数の溝の形状が、前記光源に対して近い側の斜面である第１斜面と前記光源に対して遠い側の斜面である第２斜面とからなる断面くさび状であることを特徴とする、請求項１記載の反射型液晶表示装置。
3. 前記反射型液晶表示素子の前記導光板側の面に対する前記第２斜面の傾き角度がほぼ２°以上であることを特徴とする、請求項２記載の反射型液晶表示装置。
4. 前記反射型液晶表示素子の前記導光板側の面に対する前記第２斜面の傾き角度がほぼ２°〜１０°の範囲であることを特徴とする、請求項２記載の反射型液晶表示装置。
5. 前記反射型液晶表示素子の前記導光板側の面に対する前記第１斜面の傾き角度が、前記導光板と前記透明基板との境界における全反射角度の補角にほぼ等しいことを特徴とする、請求項２記載の反射型液晶表示装置。
6. 前記反射型液晶表示素子の走査線方向に対する各前記溝の長手方向の傾き角度が０°もしくはほぼ２７°〜３２°の範囲であることを特徴とする、請求項１記載の反射型液晶表示装置。

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