JP2013164434A - 液晶表示装置 - Google Patents

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

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。

特許第３４８６５１６号公報

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。

本発明の第１実施形態に係る液晶表示装置について概略的に示す図である。 図１の液晶表示装置の構成を詳細に示すための断面図である。 ＬＥＤ光源、偏光変換素子、導光板及び出光領域の関係を示す図である。 導光板の入光面近傍を概略的に示す図である。 第１変形例の偏光変換素子を用いた場合の導光板の入光面近傍を概略的に示す図である。 第１変形例の偏光変換素子におけるＳ偏光とＰ偏光の分岐経路を示す図である。 ＬＥＤ発光面と第１変形例の偏光変換素子の設計パラメータを示す図である。 第１変形例の偏光変換素子を用いた場合の導光板内光度分布を示すグラフである。 第２変形例の偏光変換素子を用いた場合の導光板の入光面近傍を概略的に示す図である。 第２変形例の偏光変換素子を用いた場合の導光板内光度分布を示すグラフである。 第２変形例の薄形偏光変換素子の製造方法の一例を示す図である。 第２実施形態に係る液晶表示装置の構成を詳細に示すための断面図である。 従来のバックライトにおけるＬＥＤ光源と導光板の関係を示す模式図である。 レンチキュラーレンズアレイを備える導光板の入光部の正面図である。 レンチキュラーレンズアレイを備える導光板の入光部の上面図である。

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。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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