JPH09288274A

JPH09288274A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH09288274A
Application number: JP8101608A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Korishima; 友紀郡島; Yoshiharu Oi; 好晴大井; Masao Ozeki; 正雄尾関; Yoshinori Hirai; 良典平井
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1996-04-23
Filing date: 1996-04-23
Publication date: 1997-11-04
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: JP3709009B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高輝度・高視野角の直視型液晶表示装置を得
る。【解決手段】基体部１Ｃ、反射膜１Ｒ、光吸収体１Ｘを
備えた光束拡大手段１、裏側偏光板２、液晶セル３、表
側偏光板４、第２の光回折手段５、平面状偏光分離手段
６、第１の光回折手段７、導光板８、１／４位相差板
９、反射手段１０を設けた直視型の液晶表示装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ワードプロセッ
サ、液晶テレビ、コンピュータ用液晶ディスプレイ等に
用いられる直視型の液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶表示素子、特にカラー表示素
子を用いた直視型液晶表示装置の技術進歩は目ざまし
い。しかし、ＣＲＴと比較した場合には、視野角によっ
ては画像反転が起こるなどの欠点が指摘されている。そ
のため視野角をさらに広くするための技術開発が求めら
れている。一方、カラー表示を行う場合には、バックラ
イトなしではディスプレイとしての態をなさず、バック
ライトが直視型液晶表示装置において必須となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、広く使用される
ようになってきたいわゆるノートパソコンは、携帯性が
重要であり、そのためバッテリー駆動が前提になってい
る。しかし、現状ではバッテリーを充電せずに駆動でき
る時間は、数時間であり、一日の作業を継続して行える
程度には至っていない。連続使用時間の延長は、その意
味で極めて重要である。特に、照明装置は電力消費量の
多いデバイスであり、照明装置の低消費電力化の意義は
非常に大きいことになる。

【０００４】広視野角化の技術として特開平７−１３４
３０１号がある。これには、インプレーンスイッチング
モードの液晶表示装置が開示されているが、製造工程が
複雑になるという課題がある。また、開口率が低いの
で、消費電力が非常に大きくなる。また、国際公開ＷＯ
９５／０１５８４記載の発明では輝度が低いのでそれを
補うように光源のパワーを大きくする必要があり、その
結果として液晶表示装置全体における消費電力が逆に大
きくなってしまう。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、従来例の
持つ課題を解決するべく、高性能の光束拡散手段を直視
型液晶表示装置と組み合わせ、全体として画期的な総合
特性を有する直視型の液晶表示装置を得ようとする。

【０００６】つまり、新規な光束拡大手段と、光源に含
まれる偏光成分を有効に変換する偏光分離器を用いた超
薄型の高性能バックライトシステムとをさらに組み合わ
せて、広視野と高輝度の２つの特性が両立する新たな直
視型の液晶表示装置を提供しようとする。

【０００７】本発明の基本的な概念は次のようなもので
ある。すなわち、液晶表示装置のバックライトに高効率
のシステムを採用し、光源の光を損失なく液晶表示素子
などの画像表示素子に伝達せしめる。画像表示素子によ
って変調された画像光は出射後に、光束拡大手段に導か
れて、人が見やすい視野角の範囲に拡大される。この
際、光束拡大手段には画像光を前方に損失なく送出する
光路を設け、かつ不要な光をカットするような光吸収体
を配置することが好ましい。

【０００８】すなわち、請求項１は光源を有するバック
ライト、裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、光束拡大
手段が備えられ、バックライトから出射された光は裏側
偏光板、液晶セル、表側偏光板、そして光束拡大手段を
通過する液晶表示装置において、光束拡大手段は面方向
に周期的構造を有する光学アレイ体であって、その周期
的構造の間隙に反射膜が設けられたことを特徴とする液
晶表示装置を提供する。

【０００９】また、請求項２はバックライトの出射光量
がピーク値を示す方位を中心とした場合に、出射光量の
半値幅が±２０°以内となるような指向性がバックライ
トに備えられたことを特徴とする請求項１の液晶表示装
置を提供する。

【００１０】また請求項３は光学アレイ体が凸型マイク
ロレンズアレイ、凹型マイクロレンズアレイ、または多
角形台形アレイであることを特徴とする請求項１または
２の液晶表示装置を提供する。

【００１１】また、請求項４は反射膜の間隙に光吸収体
が配置されてなることを特徴とする請求項１、２または
３の液晶表示装置を提供する。

【００１２】また、請求項５は光学アレイ体の支持体に
光学アレイ体の周期的構造に対応して光吸収体が配置さ
れてなることを特徴とする請求項１、２または３の液晶
表示装置を提供する。

【００１３】また、請求項６はバックライトに、導光
板、反射手段、光回折手段１および光回折手段２が備え
られたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項の
液晶表示装置を提供する。

【００１４】また、請求項７はバックライトに、１／４
波長の位相差板と、偏光分離手段とが備えられたことを
特徴とする請求項１〜６のいずれか１項の液晶表示装置
を提供する。

【００１５】また、好ましい実施例においては、光束拡
大手段が凹型マイクロレンズアレイの場合であって、そ
の両外面に基材が配置され、凹型マイクロレンズアレイ
の内面側の一部に反射膜が配置されたものが好ましい。

【００１６】さらに、凹型マイクロレンズアレイの液晶
セル側（アレイ脚部）に接した基材の液晶セル面に光吸
収体が配置されたものが好ましい。以下に図を参照して
説明を行う。

【００１７】図１は本発明の液晶表示装置の模式的な側
面図である。前面に設けられた光束拡大手段１は液晶セ
ル３の外側の表側偏光板２を出射した光の視野角を拡大
するように機能する。高効率のバックライトから出射さ
れた光は液晶セル３で画像光となり、光束拡大手段１を
通過して広い視野角のもとで表示を見ることができる。
図１でバックライトには光源１１、導光板８、反射手段
１０、第１の光回折手段７、第２の光回折手段５が備え
られている。

【００１８】図２は図１のものに対し、バックライトに
１／４位相差板、平面状偏光分離手段６がさらに組み合
わされて構成されている。そして、より高効率のバック
ライト光が得られ、視認される画像の視野角および明る
さが向上する。

【００１９】図３を参照して説明する。これは光源１１
を液晶セル３の直下に配置した例である。この場合には
図５に示すような頂角がほぼ９０°のプリズムレンズア
レイ基材６Ｔ₀ 上に、偏光分離の機能を発する誘電体薄
膜が設けられた凹凸面付きの平面状偏光分離手段６を用
いている。

【００２０】次に光束拡大手段について説明する。図１
２は液晶表示素子の補助的な光学素子として従来から用
いられている凸状のマイクロレンズアレイを示す。その
外側に向かった凸曲面によるレンズ効果により光束を拡
大する機能を有する。その大きさは液晶セルの画素サイ
ズと同等ないし、小さいことが望ましい。また、個々の
マイクロレンズの間に光吸収性物質を配置することが知
られている。

【００２１】次に本発明における光束拡大手段について
説明する。図６はマイクロレンズとマイクロレンズの周
期的な構造の間隙の一部に反射膜が設けられた状態を模
式的に示す。反射膜はアルミニウムの蒸着や銀のメッキ
などで形成される。

【００２２】図７はマイクロレンズとマイクロレンズの
周期的な構造の間隙の一部に反射膜が設けられ、さらに
この反射膜の外側に黒色塗料１Ｘが配置されている状態
を模式的に示す。

【００２３】図８は多角形台形アレイ１Ｃからなる光学
アレイ体の周期的な構造の間隙の一部に反射膜が配置さ
れている例である。

【００２４】図９は多角形台形アレイ１Ｃからなる光学
アレイ体の周期的な構造の間隙の一部に反射膜が配置さ
れ、さらにこの反射膜の外側に黒色塗料１Ｘが配置され
ている例である。

【００２５】図１０は凹型のマイクロレンズアレイ１Ｄ
の両面に基材１Ｔがそれぞれ配置されている。凹面側の
空間は空気で満たされていてレンズ効果を生む、さらに
その凹面の内側に反射膜が配置されている。

【００２６】図１１は図１０の構成に対してさらに、黒
色塗料１Ｙが基材１Ｔの外面に設けられ、凹型のマイク
ロレンズアレイ１Ｄの脚部に対向するように配置されて
いる。この黒色塗料１Ｙは通常のパターン印刷で形成で
きる。次に本発明の全体的な構成と相互の関係を説明す
る。

【００２７】図１に示すように第１の光回折手段７は光
源から導光板８へ導かれた光をそのブリュースター角方
向へ出射するために配置される。その具体的な構造とし
ては、プリズムレンズアレイ、レンチキュラレンズおよ
び指向性散乱体などがある。これらの光回折手段の特性
が均一な場合、光源の近くから多くの光が出射され、遠
い場所からは少ない傾向があるので、光が均一に出射さ
れるようにその構造に傾斜を持たせることが好ましい。

【００２８】第２の光回折手段５は第１の光回折手段７
から出射された光を通常は正面方向に回折する。通常、
プリズムレンズアレイが用いられる。

【００２９】また、上記の請求項６のバックライトのシ
ステム構成について以下に説明する。その特有な偏光分
離機能は、特定方向の偏光面を有する偏光が偏光分離手
段から出射されて裏側偏光板に入射され、偏光分離手段
から出射せずに戻った光は反射手段で反射され、１／４
波長の位相差板を２回通過することによって偏光面を９
０°回転せしめられて、偏光分離手段から出射され、裏
側偏光板に入射されるように構成される。

【００３０】また、光源が液晶セルに対して横側に配置
されており、光源からの光を導光板と光回折手段をへて
偏光分離手段に出射し、この偏光分離手段からの光を第
２の回折手段によって液晶セル面に対してほぼ垂直に出
射させるように構成される。

【００３１】また、偏光分離手段が相対的に屈折率の大
きな透光性媒質と相対的に屈折率の小さな透光性媒質と
を交互に積層してなる多層構造体からなることが好まし
い。さらに、多層構造体が透明支持体に可視光波長と同
等以下の厚みを有する誘電体薄膜を少なくとも一層以上
設けたものからなることが好ましい。

【００３２】また、偏光分離手段を出射した光の主偏光
軸方向と液晶表示素子における光入射側の偏光板の偏光
軸方向とが略一致するようにすることが好ましい。ま
た、液晶セルと偏光分離手段の間に偏光軸回転器を配置
することが好ましい。

【００３３】また、偏光軸回転器を約１／２波長の位相
差板とし、この位相差板の進相軸または遅相軸が偏光分
離手段から出射する光の主要な偏光軸方向に対してθ傾
いて配置されている場合に、偏光分離手段側の偏光板の
偏光軸が２θ傾いているように配置することが好まし
い。

【００３４】また、偏光分離手段は平面状フィルムを基
材とし、可視光波長と同等以下の厚みを有する誘電体薄
膜を少なくとも一層以上の誘電多層薄膜が該基材上設け
られることが好ましい。

【００３５】また、偏光分離手段がほぼ４５°の頂角を
有するプリスムレンズアレイを基材とし、可視光波長と
同等以下の厚みを有する誘電体薄膜を少なくとも一層以
上の誘電多層薄膜が該基材上設けられることが好まし
い。次に、本発明の実施例と比較例について詳述する。

【００３６】（例１）図１を参照して説明する。照光面
である透明なアクリル樹脂板の導光板８の一辺に蛍光ラ
ンプ（冷陰極放電管）の光源１を密着させ、反射手段１
０として機能するランプカバーを設けて導光板８内に光
を導入するエッジライト型バックライトを構成した。

【００３７】蛍光ランプとしては、１０インチ液晶表示
面の側面長（１５２ｍｍ）に対応した長さを有し管径の
細い３Ｗとの冷陰極放電管を使用した。また、ランプカ
バーとしては、冷陰極放電管を包み込むような円筒形あ
るいは楕円筒形の反射鏡を、導光板としては、アクリル
樹脂製の透光性導光板（ｎ＝１. ４９）で大きさは１６
０ｍｍ×２２０ｍｍ×３ｍｍのものを用いた。

【００３８】さらに、導光板８の裏面側にＡｌ金属反射
膜からなる反射手段１０を形成した。第１の光回折手段
７として、プリズムレンズアレイを導光板８の光出射面
側に装着した。

【００３９】また、第２の光回折手段５として、２等辺
三角形形状のプリズムアレイを用い、頂角が導光板８側
に面するように配置した。この第２の光回折手段５を出
射した光の輝度の相対的角度分析を図１３に示した。比
較のために導光板に光散乱体を印刷し、その上にプリズ
ムアレイを設けた通常のバックライトの比較例を合わせ
て示した。符号２０に示す本例では出射光量の半値幅
（Ｄ₂₀）は約±１２°であった。一方、比較例ではその
半値幅は約±５０°であった。なお、視野角θは液晶表
示装置の表示面の法線方向からの傾きの角度を意味す
る。

【００４０】液晶セル３としては、６４０×４８０マト
リックス対応の画素数を有するＲＧＢカラーＴＦＴ駆動
−ＴＮ液晶表示セルを用いた。裏側偏光板４としては、
通常の光吸収型有機偏光板を用いた。

【００４１】表側偏光板２も同様に光吸収型有機偏光板
を用いた。その偏光軸の向きは表示モード（ノーマリホ
ワイト、もしくはノーマリブラック）によって適宜選ば
れるが、本例では、ノーマリホワイト表示とし、裏側偏
光板４の偏光軸に対して９０゜偏光軸が回転した方向に
表側偏光板２の偏光軸を配置した。

【００４２】表側偏光板２に接して光束拡大手段１を設
けた。光束拡大手段１は図９に示した構造のものを用い
た。その製造法の一例を以下に示す。

【００４３】四角台形アレイを形成するための平面金型
に可視光硬化性のアクリルモノマーを流延し、その上に
ポリエチレンテレフタレートのフィルム乗せ、ポリエチ
レンテレフタレートのフィルムの上から可視光線を照射
して可視光硬化性のアクリルモノマーを重合させた。

【００４４】このようにして得られた基材上に形成され
た四角台形アレイの頂の面に水溶性ポリマーをマスクと
して塗布したのち、アルミニウムを蒸着し、さらに、黒
色塗料を塗布した後、温水に浸積して水溶性ポリマーと
ともにその上の、アルミニウムと黒色塗料を除去した。

【００４５】このようにして作成した光束拡大手段の四
角形台形の寸法は底面が２００μｍ角であり、頂の面が
１００μｍ角であり、高さは２００μｍである。出射面
が広い方が明るくなるが側面の反射面で反射された光は
バックライト側に一部戻り再利用される。

【００４６】光束拡大手段の底面側の角度はおよそ４５
〜７０°が好ましい。構造体として形成しやすいだけで
なく、光の有効利用率が高いからである。

【００４７】このようにして作成した液晶表示素子は輝
度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０
以上のコントラストを示した。

【００４８】（例２）図２を参照しながら本例について
説明する。基本的な構成は例１と同様であるがバックラ
イトに平面状偏光分離手段６を組み合わせて配置した。
さらに、導光板８の裏面および蛍光ランプ設置面に対向
する導光板８の側面に１／４位相差板９を設け、その反
対面に反射手段１０を形成した。

【００４９】平面状偏光分離手段６としては、均質なガ
ラス基板（ｎ＝１. ５２）の表面に、酸化チタニウム
（ＴｉＯ₂ ：ｎ＝２．３５）膜を一層成膜し、導光板８
の光出射面側に装着した。この偏光分離器の分離角は７
２°となった。図１中の符号７の第１の光回折手段とし
て、レンチキュラーレンズを導光板８の光出射面側に装
着した。

【００５０】また、第２の光回折手段５として、２等辺
三角形形状のプリズムアレイを用い、頂角が偏光状分離
手段６に面するように配置した。この第２の光回折手段
を出射した光の輝度の相対的角度分析を図１３に（符号
２１）に示した。本例では出射光量の半値幅（Ｄ₂₁）は
約±１５°であった。

【００５１】液晶セル３としては、例１と同様に６４０
×４８０マトリックス対応の画素数を有するＲＧＢカラ
ーＴＦＴ駆動−ＴＮ液晶表示セルを用いた。裏側偏光板
４としては、通常の光吸収型有機偏光板を用いた

【００５２】このとき、光吸収型有機偏光板の偏光軸は
偏光分離器として機能する多層構造体から出射するｐ偏
光に対して最大透過率となるよう、偏光分離器の出射光
の偏光方向と裏側偏光板４の偏光軸とをほぼ一致させ
た。

【００５３】表側偏光板２も同様に光吸収型有機偏光板
を用いた。その偏光軸の向きは表示モード（ノーマリホ
ワイト、もしくはノーマリブラック）によって適宜選ば
れるが、本例では、ノーマリホワイト表示とし、裏側偏
光板４の偏光軸に対して９０°偏光軸が回転した方向に
表側偏光板２の偏光軸をとった。

【００５４】表側偏光板２に接して光束拡大手段１を設
けた。光束拡大手段１は例１と同様にした四角台形アレ
イのものである。

【００５５】このようにして作成した液晶表示素子は輝
度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０
以上のコントラストを示した。しかも、明るさが４３％
向上した。

【００５６】（例３）図３を参照しながら説明する。液
晶セル３の背後に光源１１を配置した。平面状偏光分離
手段６は図５に示すように、ほぼ９０°の頂角を有する
プリズムレンズアレイ体６Ｔ_O に酸化チタンと２酸化シ
リコンの薄膜が交互に各２０層積層されてなる誘電体薄
膜６ＤＭが備えられている。本例では第１の光回折手段
と第２の光回折手段が設けられていない。また、偏光分
離器の一例を図４に示す。基材６Ｔの表面と裏面にそれ
ぞれ誘電体薄膜６ＤＭを設けている。

【００５７】このようにして作成した液晶表示素子は輝
度が高く、しかも、１００°の広視野角にわたって１０
以上のコントラストを示した。

【００５８】（例６）本発明の一例として、図６の光束
拡大手段を使用した以外は例１と同様に液晶表示装置を
形成した。本例の液晶表示素子は輝度が高く、しかも、
１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラスト
を示した。

【００５９】（例７）本発明の一例として、図７の光束
拡大手段を使用した以外は例１と同様に液晶表示装置を
形成した。本例の液晶表示素子は輝度が高く、しかも、
１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラスト
を示した。

【００６０】（例１０）本発明の一例として、図８の光
束拡大手段を使用した以外は例１と同様に液晶表示装置
を形成した。本例の液晶表示素子は輝度が高く、しか
も、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラ
ストを示した。

【００６１】（例１１）本発明の一例として、図９の光
束拡大手段を使用した以外は例１と同様に液晶表示装置
を形成した。本例の液晶表示素子は輝度が高く、しか
も、１００°の広視野角にわたって１０以上のコントラ
ストを示した。

【００６２】

【発明の効果】本発明によって、広視野角と高輝度の２
つの特性が両立する新たな広視野角・高輝度透過型の液
晶表示装置を実現できた。

【００６３】すなわち、従来液晶セルの入射側の偏光板
によって吸収されて無駄になっていた偏光を有用な偏光
に変換するして利用できるため、液晶表示装置の輝度が
高い。さらに、液晶セルに入射する光は正面方向に集光
されているため、液晶セルの外側の偏光板のさらに外側
に配置された光束拡散手段の作用と相まって広視野角化
が実現できた。

【００６４】さらに、光回折手段を出射した光線の偏光
軸方向と液晶表示素子の光入射側の偏光軸方向とを略一
致させるように配置した場合には、実用的な視野角で照
度が高く、かつ消費電力の小さい直視液晶表示装置を得
ることができた。

【００６５】また、本発明はその構造を安価に製造する
ことが可能であって、高い歩留を維持しつつ高性能の液
晶表示装置を得ることができる。また、コントラスト比
も１０以上得ることができる。

【００６６】また、本発明はその効果を損しない範囲で
種々の応用に供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１例の側面図。

【図２】本発明の第２例の側面図。

【図３】本発明の第３例の側面図。

【図４】平面状偏光分離器の模式図。

【図５】凹凸面を備えた平面状偏光分離器の模式図。

【図６】凸型マイクロレンズアレイ体の間隙に反射膜を
配置した光束拡大手段の模式図。

【図７】凸型マイクロレンズアレイ体の間隙に黒色塗料
と反射膜を配置した光束拡大手段の模式図。

【図８】反射膜と多角台形アレイ体を用いた光束拡大手
段の模式図。

【図９】反射膜と黒色塗料と多角台形アレイ体を用いた
光束拡大手段の模式図。

【図１０】２枚の基材と反射膜を有する凹型マイクロレ
ンズアレイ体を用いた光束拡大手段の模式図。

【図１１】２枚の基材と反射膜を有する凹型マイクロレ
ンズアレイと黒色塗料を用いた光束拡大手段の模式図。

【図１２】凸型マイクロレンズアレイ体の従来例を示す
模式図。

【図１３】本発明と比較例におけるバックライトの特性
図。

【符号の説明】

１：光束拡大手段２：裏側偏光板３：液晶セル４：表側偏光板５：第２の光回折手段６：平面状偏光分離手段７：第１の光回折手段８：導光板９：１／４位相差板１０：反射手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平井良典神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地旭硝子株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源を有するバックライト、裏側偏光板、
液晶セル、表側偏光板、光束拡大手段が備えられ、バッ
クライトから出射された光は裏側偏光板、液晶セル、表
側偏光板、そして光束拡大手段を通過する液晶表示装置
において、光束拡大手段は面方向に周期的構造を有する
光学アレイ体であって、その周期的構造の間隙に反射膜
が設けられたことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】バックライトの出射光量がピーク値を示す
方位を中心とした場合に、出射光量の半値幅が±２０°
以内となるような指向性がバックライトに備えられたこ
とを特徴とする請求項１の液晶表示装置。
【請求項３】光学アレイ体が凸型マイクロレンズアレ
イ、凹型マイクロレンズアレイ、または多角形台形アレ
イであることを特徴とする請求項１または２の液晶表示
装置。
【請求項４】反射膜の間隙に光吸収体が配置されてなる
ことを特徴とする請求項１、２または３の液晶表示装
置。
【請求項５】光学アレイ体の支持体に光学アレイ体の周
期的構造に対応して光吸収体が配置されてなることを特
徴とする請求項１、２または３の液晶表示装置。
【請求項６】バックライトに、導光板、反射手段、光回
折手段１および光回折手段２が備えられたことを特徴と
する請求項１〜５のいずれか１項の液晶表示装置。
【請求項７】バックライトに、１／４波長の位相差板
と、偏光分離手段とが備えられたことを特徴とする請求
項１〜６のいずれか１項の液晶表示装置。