JP2013164434A - 液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光源と導光板の出光領域との間を小さくすることができると共に、光源から出射される光をより効率的に利用することができる液晶表示装置を提供する。
【解決手段】液晶表示装置100は、光源120と、光源から出射された光を入射し、光を一の偏光成分に変換する偏光変換素子200と、偏光変換素子からの光を一の側面から入射し、側面に垂直な面である出光面から出光する導光板150と、出光面から出射された光を、出光面に垂直な光が主成分となるように光を反射させるプリズムシート107,108と、プリズムシートから出射された光を入射し、各画素において、内部の液晶の配向を制御することにより、光の透過率を制御する液晶パネル110と、を備える。
【選択図】図2
【解決手段】液晶表示装置100は、光源120と、光源から出射された光を入射し、光を一の偏光成分に変換する偏光変換素子200と、偏光変換素子からの光を一の側面から入射し、側面に垂直な面である出光面から出光する導光板150と、出光面から出射された光を、出光面に垂直な光が主成分となるように光を反射させるプリズムシート107,108と、プリズムシートから出射された光を入射し、各画素において、内部の液晶の配向を制御することにより、光の透過率を制御する液晶パネル110と、を備える。
【選択図】図2
Description
本発明は、液晶表示装置に関する。
コンピュータ等の情報通信端末やテレビ受像機の表示デバイスとして、液晶表示装置が広く用いられている。また、有機EL表示装置(OLED)、電界放出ディスプレイ装置(FED)なども、薄型の表示装置として知られている。液晶表示装置は、2つの基板の間に封じ込められた液晶組成物の配向を電界の変化により変え、2つの基板と液晶組成物を通過する光の透過度合いを制御することにより画像を表示させる装置である。
このような液晶表示装置において、液晶組成物は光の透過度合いのみを制御し、光源にはバックライトと呼ばれる照明装置を使用するのが一般的である。バックライトの照明の方式としては、主に、液晶表示面の裏側に光源を有する直下ライト式と、側方から照らした光を反射させて液晶表示面を照らすサイドライト式とが知られている。近年の携帯電話等の移動通信端末装置等に用いられる液晶表示装置では、小型化・省電力化が求められることから、サイドライト式に加えて、LED(発光ダイオード)を光源として用いるようになってきている。
図13は従来のバックライトにおけるLED光源120と導光板610の関係を示す模式図である。LED光源120のような点光源を用いた場合には、光は光源から離れるにつれて徐々に広がるため、図中の距離Lよりも光源に近い領域では、斜線の領域に示されるように、光源と光源の間に暗い部分が現れ、明るさが一様とならない。LED光源120間のピッチPは、LED光源120の幅Wよりも小さくできないので、導光板610の入光面から出光領域(表示装置の有効表示領域)までの距離Lを小さくするためには、導光板の入光部には特殊な加工を施す必要がある。多くの導光板ではLED出光部の前の導光板入光部にはレンチキュラーレンズアレイを配置している。
図14A及び14Bには、そのレンチキュラーレンズアレイを備える導光板620について示されている。図14Aは入光部の正面図であり、図14Bは入光部の上面図である。LED出光部の幅よりもレンチキュラーレンズアレイの存在する領域622の幅を大きく設定している。このレンチキュラーレンズアレイによって光は横方向に拡散され、これにより、導光板620の入光部近傍での導光板620を通過する光量分布を滑らかにできるので、入光面から有効表示領域までの距離Lに対するLEDピッチPの値L/Pを小さくすることができる。
特許文献1には、投射型表示装置に用いられる偏光変換素子が開示されている。
図14で示された方法は液晶表示装置に有効であるが、導光板620への入射光がレンチキュラーレンズにより横方向に拡散されるため、導光板620からの出射光も横方向に拡散されて、バックライトから液晶パネルに入射する光線の正面輝度が劣化し、液晶ディスプレイの正面輝度の劣化の原因ともなっている。
本発明は上述の事情を鑑みてされたものであり、光源と導光板の出光領域との間を小さくすることができると共に、光源から出射される光をより効率的に利用することができる液晶表示装置を提供することを目的とする。
本発明の液晶表示装置は、光源と、前記光源から出射された光を入射し、光を一の偏光成分に変換する偏光変換素子と、前記偏光変換素子からの光を一の側面から入射し、前記側面に垂直な面である出光面から出光する導光板と、前記出光面から出射された光を、前記出光面に垂直な光が主成分となるように光を反射させるプリズムシートと、前記プリズムシートから出射された光を入射し、各画素において、内部の液晶の配向を制御することにより、光の透過率を制御する液晶パネルと、を備え、前記偏光変換素子は、光を互いに直交する2つの偏光成分の第1成分光及び第2成分光に分離すると共に、前記第1成分光を透過し、前記第2成分光を反射する偏光分離素子と、前記偏光分離素子を透過した前記第1成分光を前記第2成分光に変換する位相差板と、前記偏光分離素子で反射された前記第2成分光を更に反射し、前記透過した前記第1成分光と同じ方向とする反射膜と、を有している、ことを特徴とする液晶表示装置である。
また、本発明の液晶表示装置において、前記偏光分離素子は、前記出光面に垂直な方向からの視野において、V字形状で前記光源に対して頂角が向くように延びていてもよい。
また、本発明の液晶表示装置において、前記導光板において、前記側面から入射された光を表示面と平行な出光面から出射されるために形成される溝の方向は、前記側面に平行な方向であり、前記プリズムシートにおいて、前記出光面に垂直な光が主成分となるように光を反射させるために形成される溝の方向は、前記側面に平行な方向である、こととしてもよい。
また、本発明の液晶表示装置において、前記光源は、前記側面に沿って離散的に配置される複数の光源であり、前記偏光変換素子は、前記複数の光源と前記側面の間に、前記複数の光源毎に分離して配置されていてもよい。
また、本発明の液晶表示装置において、前記偏光分離素子の前記出光面に平行な2つの面には、光が漏れないように反射面が形成されていてもよい。
また、本発明の液晶表示装置は、前記プリズムシートと前記液晶パネルとの間に配置され、前記液晶パネルの前記各画素に対して、前記各画素の色に対応する色が照射されるように、前記プリズムシートから出射された光を色毎に振り分ける色分解層、を更に備え、前記色分解層は、第1の色を反射し、他の色を透過する第1色反射層と、前記第1の色とは異なる第2の色を反射し、他の色を透過する第2色反射層と、を有することとしてもよい。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面において、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る液晶表示装置100について概略的に示す図である。この図に示されるように、液晶表示装置100は、液晶パネル110と、液晶パネル110を挟むように固定する上フレーム115及び下フレーム116と、により構成されている。
図1は、本発明の第1実施形態に係る液晶表示装置100について概略的に示す図である。この図に示されるように、液晶表示装置100は、液晶パネル110と、液晶パネル110を挟むように固定する上フレーム115及び下フレーム116と、により構成されている。
図2は、図1の液晶表示装置100の構成を詳細に示すための断面図である。この図に示されるように、液晶表示装置100は、LED光源120、偏光変換素子200、導光板150、反射シート111、光拡散シート109、下プリズムシート108、上プリズムシート107、上偏光板101、下偏光板105及び液晶パネル110を備えている。なお、液晶パネル110は、下基板104及び上基板102と、これらの基板間に封止された液晶組成物からなる液晶層103とを有している。LED光源120から出射された光は、偏光変換素子200によりS偏光に変換され、PC(ポリカーボネート)やPMMA(アクリル)で形成された導光板150に入射する。導光板150に入射した光は、導光板150の入光面に平行な方向である横方向に突出した横方向突出部を持つ反射面及び出光面の間で全反射を繰り返して、出光面に全反射しない入射角になったときに、全反射されずに出光面から光が放出される。この放出光は光拡散シート109で拡散される。この拡散によって導光板150の突出部のパターンでの輝度の変調の影響が軽減され、さらにこの光は下プリズムシート108と上プリズムシート107で光進行方向がより出光面に垂直方向に近づけられる。S偏光が多い光は下偏光板を透過してほぼ純粋のS偏光になり、液晶パネル110で偏光方向が画素ごとに変化させられ、上偏光板を通して画像を表示する。
なお、以上の説明では下偏光板の光透過軸を横方向としたが、透過軸を縦方向にする場合は、PCF(Polarization Conversion Film:偏光変換フィルム)を用いたり、偏光板を90°回転させてP波とS波の役割を変えれば同等な液晶表示装置を構成することができる。PCF及び偏光板の偏光方向をどうするかは適宜設定することができる。
図3には、LED光源120、偏光変換素子200、導光板150及び出光領域112の関係が示されている。LED光源120は間隔Pで偏光変換素子200の入光面に沿って並んでおり、入光面から有効表示領域までの距離がLである。導光板150の出光面側には断面が二等辺三角形の山状の突出部が横方向に平行に並び、反射面側にも突出部が横方向に平行に並んでいる。出光領域112の直上に液晶パネル110の画素が配置されている。
図4は、導光板150の入光面近傍を概略的に示す図である。この図に示されるように、LED光源120から出射した光は、偏光変換素子200に入光し、偏光変換素子200の偏光ビームスプリッタ202によりS偏光の成分が反射され、P偏光の成分が透過される。反射したS偏光の光は、ESR(Enhanced Specular Reflector:高反射フィルム)である鏡面204で反射された後、導光板150へ入射する。また、透過したP偏光の光は、位相差板206によりS偏光に変換された後、導光板150に入射する。したがって、導光板150に入射する光はS偏光(光の振動方向が導光板の入光面に平行)に富んだ光になる。また、導光板150から見ると、LED光源120があたかも倍増したように見えるため、導光板150の入光部に強い光拡散作用を設ける必要がなく、横方向に光が広がらないため正面輝度が高くなる。なお、偏光変換素子200における、導光板150の出光面に平行な2つの面には、入射された光が漏れないように銀鏡メッキ等の加工による反射膜を形成することができる。
ここで、導光板150は、横方向に延びる横溝のみで構成されており、縦溝をなくしているため、S偏光の光は溝での反射によってもS偏光が保存されることとなる。また、下プリズムシート108と上プリズムシート107も横方向のプリズムを用いているため、S偏光は保存される。つまり、導光板150に入射させる光の振動方向を入光面に平行とし、導光板150の溝やプリズムシート107及び108の方向を入光面に平行とし、光拡散シートを除いた場合にはこの光の振動方向はS偏光で保存されている。なお、光拡散シート109の省略は、偏光変換素子によってLEDからの光が稠密に並ぶことから可能となっており、部品点数の削減に寄与できる。さらに、S偏光が保持されることから、この場合には、偏光をリサイクルするためのPCFは不要となり、従来必要であった部品点数を減らすことができる。あるいは、光の稠密性が向上することから、プリズムシート107及び108の方向を入光面に平行とした一枚のシートに集約することも可能である。この場合でも光の振動方向はS偏光で保存されるので、プリズムシート1枚と光拡散シートの計2枚のシートの削減に加えて、PCFの削減も可能となる。
図5は、上述の偏光変換素子200の第1変形例である偏光変換素子210を用いた場合の導光板150の入光面近傍を概略的に示す図である。偏光変換素子210は、偏光変換素子200と較べて、奥行きの長さが約半分となっている。
図6には、偏光変換素子200との違いが分かるようにS偏光とP偏光の分岐経路が示されている。偏光変換素子210では、偏光ビームスプリッタ212は、LED光源120から出射された光が当たるように、LED光源120の発光部分に向って頂角が90度のV字型に形成され、そこに当たった光のS偏光成分は反射により左右に分岐し、分岐した光束はESRまたは銀またはアルミ薄膜からなる鏡面214で反射されて縦方向(導光板150に入射する方向)に進路を変える。一方、偏光ビームスプリッタ212を透過したP偏光の光は、これを位相差板216でS偏光に変換する。従って、図5の偏光変換素子210においても、偏光変換素子200と同様の作用及び効果が得られ、しかも、偏光変換素子210の奥行きが約半分になるという利点がある。大型のLCDへの適用についてはこの奥行きの低減の重要度は高くはないが、中小型のLCDへの適用に関しては、より大きさを小さくして構成することができることになる。
図7には、LED発光面と偏光変換素子210の設計のパラメータが示されている。aはLED発光面の幅、tは高さ、bはLED前面の45°に傾斜した頂角90°のV字型の偏光ビームスプリッタの幅、d=b/2は偏光変換素子210の奥行きであり、cは偏光ビームスプリッタ212と斜め鏡面214との距離を表す。
図8は、図7に示された各パラメータを、a=2.0mm、t=0.4mm、b=2.4mm、c=0.1mm、d=b/2=1.2mm、P=2・(b+c)=5.0mmと設定したときの、導光板150の入光面から3mm離れた場所での導光板内光度分布を示すグラフである。ここで、導光板150での入光面でのレンチキュラーレンズアレイの加工は施されておらず、偏光変換素子210のある場合には、偏光変換素子210のない場合と比較して振幅が小さくなっており、偏光変換素子210により光束が平滑化されていることが確認できる。
図9は、上述の偏光変換素子200の第2変形例である偏光変換素子220を用いた場合の導光板150の入光面近傍を概略的に示す図である。偏光変換素子220は、偏光変換素子210と比較して、偏光ビームスプリッタ222、鏡面224及び位相差板226の配置において同じであるが、各LED光源120毎に分割されている点で異なっている。したがって、各偏光変換素子220がLED光源120と結合されることにより、薄形偏光変換素子付LED光源230として機能する。
図10は、図9に示された各パラメータを、a=2.0mm、t=0.4mm、b=2.0mm、c=0.0mm、d=b/2=1.0mm、P=2・(b+c)=5.0mmと設定したときの、導光板150の入光面から3mm離れた場所での導光板内光度分布を示すグラフである。ここで、導光板150での入光面でのレンチキュラーレンズアレイの加工は施されておらず、偏光変換素子220のある場合には、偏光変換素子220のない場合と比較して振幅が小さくなっており、偏光変換素子210により光束が平滑化されていることが確認できる。
図11は、本発明に係る薄形偏光変換素子220の製造方法の一例を示す図である。この図に示されるように、まず、ステップS1において、3枚の透明樹脂板311、313及び315の間に光を反射する層314(例えばESR層、またはアルミ薄膜層)と光をS偏光とP偏光に分離する層312(例えば、偏光ビームスプリッタ層、またはワイヤグリッドポーラライザ層)を接着樹脂を介して挟み込む。次に、ステップS2において、真空ポンプで気泡を抜いて、大気圧に戻して接着樹脂を硬化させる。ステップS3において、サンドイッチにされた基板を斜め45°に細かな平行四辺形柱に切断して、切断面を研磨して、光学的に平面化する。ステップS4において、切断された平行四辺形の柱の不要部分を切削して、直方体の柱に加工する。ステップS5において、直方体の柱を二つ対向させて接着し、中央部の側面に位相差板316を接着する。ステップS6において、接着された棒を横方向にスライスする。最後に、ステップS7において、スライスされたものを研磨して偏光変換素子220として完成させる。
以上説明したように、本実施形態によれば、偏光変換素子を使用することにより、光源と出光領域との間を小さくすることができるため、額縁領域を狭めることができると共に、光源から出射される光を有効に利用することができる。また、導光板及びプリズムシートを一方向の溝のみで形成しているため、偏光変換素子で統一された偏光方向が保存され、偏光変換フィルム等を配置しない構成とすることができるため、表示面全体に配置されるフィルタをより少なくし、部品点数を減らすことができる。
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態について説明する。本発明の第2実施形態に係る液晶表示装置400は、色分解層であるダイクロイックミラーアレイ420と光を短冊状に分解する導光板に向かったプリズムアレイ431(図12参照)とを、液晶パネル110と導光板150の間に備えている点、及びプリズムシート106,107、光拡散シート108が省略されている点で第1実施形態の液晶表示装置100と異なり、その他の点では同様であるため、重複する説明を省略する。
本発明の第2実施形態について説明する。本発明の第2実施形態に係る液晶表示装置400は、色分解層であるダイクロイックミラーアレイ420と光を短冊状に分解する導光板に向かったプリズムアレイ431(図12参照)とを、液晶パネル110と導光板150の間に備えている点、及びプリズムシート106,107、光拡散シート108が省略されている点で第1実施形態の液晶表示装置100と異なり、その他の点では同様であるため、重複する説明を省略する。
図12は、第2実施形態に係る液晶表示装置400の構成を詳細に示すための断面図である。図12の矢印に示されるように、第1実施形態の液晶表示装置100と同様の経路を経て、導光板150から斜めに空気層432に射出した光は、プリズムの第一の面434から導光板に向かったプリズムアレイ431に入射し、プリズムの第2の面435で全反射して2層のダイクロイックミラーからなるダイクロイックミラーアレイ420にほぼ垂直に入射する。白色光Wは、赤光反射ダイクロイックミラー423によって、赤光(R)は反射されて90°向きを変え、緑光(G)と青光(B)は赤光反射ダイクロイックミラー423を直進透過する。反射した赤光(R)は隣接する赤光反射ダイクロイックミラー423によって再度反射される。直進透化した緑光(G)と青光(B)のうち、青光(B)は青光反射ダイクロイックミラー421によって反射されて90°向きを変えて、再度隣接する青光反射ダイクロイックミラー421で反射されて液晶パネル110の青色に対応する画素に入射する。また、直進透化した緑光(G)と青光(B)のうち、緑光(G)は青光反射ダイクロイックミラー421を透過して液晶パネル110の緑色に対応する画素に入射する。さらに2回反射された赤光(R)は青光反射ダイクロイックミラー421を透過して液晶パネル110の赤色に対応する画素に入射する。それぞれの色の画素に入射した光は、液晶層103において、階調値に対応する偏光方向に変化させられ、表示面から出射される。
以上説明したように、本実施形態においても、偏光変換素子を使用することにより、光源と出光領域との間を小さくすることができるため、額縁領域を狭めることができると共に、光源から出射される光を有効に利用することができる。また、導光板及びプリズムシートを一方向の溝のみで形成しているため、偏光変換素子で統一された偏光方向が保存され、偏光変換フィルム等を配置しない構成とすることができるため、表示面全体に配置されるフィルタをより少なくし、部品点数を減らすことができる。
また、本実施形態のように、偏光変換素子に加えて、更にダイクロイックミラーアレイを用いた場合には、ダイクロイックミラーアレイの横方向のコリメト性が高いため、より効率的に光を利用することができる。
100 液晶表示装置、101 上偏光板、102 上基板、103 液晶層、104 下基板、105 下偏光板、107 上プリズムシート、108 下プリズムシート、109 光拡散シート、110 液晶パネル、111 反射シート、112 出光領域、115 上フレーム、116 下フレーム、120 光源、150 導光板、200 偏光変換素子、202 偏光ビームスプリッタ、204 鏡面、206 位相差板、210 偏光変換素子、212 偏光ビームスプリッタ、214 鏡面、216 位相差板、220 偏光変換素子、222 偏光ビームスプリッタ、224 鏡面、226 位相差板、230 光源、311 透明樹脂板、312 偏光分離層、313 透明樹脂板、314 反射層、315 透明樹脂板、316 位相差板、400 液晶表示装置、420 ダイクロイックミラーアレイ、421 青光反射ダイクロイックミラー、423 赤光反射ダイクロイックミラー、431 導光板に向かったプリズムアレイ、432 空気層、434 プリズムの第一の面、435 プリズムの第二の面、610 導光板、620 導光板、622 レンチキュラーレンズアレイ領域。
Claims (6)
- 光源と、
前記光源から出射された光を入射し、光を一の偏光成分に変換する偏光変換素子と、
前記偏光変換素子からの光を一の側面から入射し、前記側面に垂直な面である出光面から出光する導光板と、
前記出光面から出射された光を、前記出光面に垂直な光が主成分となるように光を反射させるプリズムシートと、
前記プリズムシートから出射された光を入射し、各画素において、内部の液晶の配向を制御することにより、光の透過率を制御する液晶パネルと、を備え、
前記偏光変換素子は、
光を互いに直交する2つの偏光成分の第1成分光及び第2成分光に分離すると共に、前記第1成分光を透過し、前記第2成分光を反射する偏光分離素子と、
前記偏光分離素子を透過した前記第1成分光を前記第2成分光に変換する位相差板と、
前記偏光分離素子で反射された前記第2成分光を更に反射し、前記透過した前記第1成分光と同じ方向とする反射膜と、を有している、ことを特徴とする液晶表示装置。 - 前記偏光分離素子は、前記出光面に垂直な方向からの視野において、V字形状で前記光源に対して頂角が向くように延びている、ことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
- 前記導光板において、前記側面から入射された光を表示面と平行な出光面から出射されるために形成される溝の伸びる方向は、前記側面が伸びる方向に平行な方向であり、
前記プリズムシートにおいて、前記出光面に垂直な光が主成分となるように光を反射させるために形成される溝の方向は、前記側面に平行な方向である、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の液晶表示装置。 - 前記光源は、前記側面に沿って離散的に配置される複数の光源であり、
前記偏光変換素子は、前記複数の光源と前記側面の間に、前記複数の光源毎に分離して配置されている、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の液晶表示装置。 - 前記偏光分離素子の前記出光面に平行な2つの面には、光が漏れないように反射面が形成されている、ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
- 前記プリズムシートと前記液晶パネルとの間に配置され、前記液晶パネルの前記各画素に対して、前記各画素の色に対応する色が照射されるように、前記プリズムシートから出射された光を色毎に振り分ける色分解層、を更に備え、
前記色分解層は、
第1の色を反射し、他の色を透過する第1色反射層と、
前記第1の色とは異なる第2の色を反射し、他の色を透過する第2色反射層と、
を有する、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
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