WO2008062681A1

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Publication number: WO2008062681A1
Application number: PCT/JP2007/071818
Authority: WO
Inventors: Hisashi Watanabe; Takashi Sato
Original assignee: Sharp Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2008-05-29
Also published as: CN101542365A; US20100085511A1; CN101542365B

Description

明細書

表示装置

技術分野

[0001] 本発明は表示装置に関し、特に、照明装置からの光を用いて表示を行う非発光型表示装置に関する。

背景技術

[0002] 非発光型表示装置には、液晶表示装置や、エレクト口クロミック表示装置や、電気泳動表示装置などがあり、中でも液晶表示装置は、例えばパーソナルコンピュータや携帯電話等に幅広く利用されている。

[0003] 液晶表示装置は、マトリクス状に規則的に配列された画素電極に駆動電圧をそれぞれ印加することによって、画素開口部の液晶層の光学特性を変化させて、画像や文字などを表示するように構成されている。液晶表示装置では、複数の画素を個別に制御するために、スイッチング素子として例えば薄膜トランジスタ (TFT : Thin Fil m Transistor)が画素毎に設けられている。また、スイッチング素子に、所定の信号を供給するための配線が設けられて!/、る。

[0004] 画素毎にトランジスタが設けられると、画素の面積が減少し、輝度が低下するという問題が生じる。さらに、スイッチング素子や配線は、その電気的性能や製造技術などの制約から、ある程度以下の大きさで形成することは困難である。例えばフォトリソグラフィ法におけるエッチング精度には 1 μ m〜； 10 m程度と限界がある。従って、液晶表示装置の高精細化、小型化に伴って、画素のピッチが小さくなるほど、開口率がさらに低下し、輝度が低下するという問題が顕著になる。

[0005] 輝度が低いという問題を解決するために、液晶表示装置と照明装置との間に集光素子を設け、照明装置からの光を画素に集光させる方法がある。

[0006] 例えば特許文献 1には、透過領域と反射領域とを備えた半透過型 (透過反射両用型)液晶表示装置に、マイクロレンズなどの集光素子を設けた液晶表示装置が開示されている。

[0007] 半透過型液晶表示装置は、近年、例えば携帯電話のように、明るい環境でも好適に使用可能な液晶表示装置として開発されたものである。半透過型液晶表示装置は、 1つの画素に、背面に設けた面状の照明装置（「バックライト」という。）からの光を用いて透過モードで表示を行う透過領域と、周囲光を用いて反射モード表示を行う反射領域とを有しており、使用環境に応じて、透過モードによる表示と反射モードによる表示との切り替え、または、両方の表示モードによる表示を行うことができる。

[0008] 半透過型液晶表示装置では、反射領域をある程度広く確保する必要があるため、画素に対する透過領域の面積比率が低下し、透過モードにおける輝度が低下するという問題がある。

[0009] そこで、特許文献 2では、バックライト側に配置された基板上に、開口部を有する反射板と、マイクロレンズなどの集光素子とを設けた半透過型液晶表示装置において、反射板とマイクロレンズとを、基板の同一面側で且つ液晶側に配置させることにより、マイクロレンズに入射したバックライトからの光を、反射板に設置された開口部に高効率で集光させる方法が開示されてレ、る。

[0010] また、特許文献 3には、マイクロレンズの底辺を円形もしくは六角形とし、マイクロレンズおよび画素の透過領域を千鳥格子状 (ジグザグ）に配列させるとともに、マイクロレンズと画素の透過領域とを 1： 1に対応させ、かつ、マイクロレンズの焦点が画素の透過領域の中心に位置するように配置させることにより、マイクロレンズによる集光効率 (照明装置から入射した光の利用効率)を高める方法が開示されている。

[0011] 集光素子を用いて光を効率的に集光するためには、照明装置から出射され集光素子に入射する光の平行度（「指向性」ともいう。）が高い方が好ましい。しかしながら、中小型の液晶表示装置、特にモパイル機器に搭載される液晶表示装置にお!/、ては、薄型軽量化を図るために、いわゆるエッジライト型のバックライトが用いられており、高い平行度の光を得ることは難しい。エッジライト型のバックライトは、導光板と、導光板の側面に光を出射する光源 (発光ダイオード (LED)や蛍光管等）とを備え、全反射を繰り返しながら導光板内を伝播する光の一部力表示パネル側に出射されるように構成されている。導光板内を伝播する光を表示パネル側に出射させるために、導光板に凹部または凸部が形成されてレ、る。導光板内を伝播する光が凹部または凸部に入射すると、凹部または凸部の斜面（導光板と外部との界面）によって反射され進行方向が変えられ、その光の一部は導光板の出射面（表示パネル側の主面）に対して臨界角よりも小さい角度で入射する結果、導光板外へ出射する。なお、導光板の背面から出射した光を導光板に再度入射させるために、導光板の背面に反射層が設けられることもある。

[0012] 特許文献 4や非特許文献 1には、指向性の高い光を出射することができるエッジライト方式のバックライトが記載されている。し力、しながら、これらの文献に記載されているエッジライト型のバックライトから出射される光の指向性は、それまでのものより高いものの、例えば投影型液晶表示装置で用いられて!/、る光源のような高!/、指向性 (例えば、半値幅が ± 2° )は得られない。また、ノックライトから出射される光の指向性が方位 (液晶パネル面内の方位）によって異なるという問題がある。例えば、非特許文献 1に記載されているバックライトでは、輝度の角度分布（極角）は、導光板の側面に配置された光源を中心とする円の半径方向である Y方向においてよりも、 Y方向に直交する X方向において小さい。例えば、 X方向における輝度の半値幅が約 ± 3°であるのに対し、 Y方向における輝度の半値幅は約土 15°である。

[0013] 本出願人は、特許文献 5に、非特許文献 1に記載されているような方位によって指向性の異なる光を出射するバックライトを用いた表示装置において、画素を通過する光量を増加させる（表示輝度を向上させる）ための構成を開示している。具体的には、表示媒体層よりも観察者側に収束点が形成されるように集光素子を配置することによって、表示媒体層のバックライト側の面（入射側の面）に収束点が形成されるよりも、透過光量を増大させることができることを開示して!/、る。

[0014] なお、参考のために、特許文献 4および 5、ならびに非特許文献 1の開示内容の全てを本明細書に援用する。

特許文献 1 :特開平 11一 109417号公報

特許文献 2 :特開 2002— 333619号公報

特許文献 3 :特開 2003— 255318号公報

特許文献 4：特許第 3151830号公報

特許文献 5：特開 2006— 126732号公報

非特許文献 1 :カランタルカリノレら、 IDW '02、第 509頁〜 512頁発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0015] しかしながら、本発明者の検討によると、非特許文献 1や特許文献 4に記載されているような高指向性のエッジライト型バックライトと集光素子とを用いた表示装置においては、輝度の面内分布が不均一になるという問題があることが分かった。従来から、エッジライト型バックライトから出射される輝度の面内分布を均一にするための構成が種々検討されており、もっぱら表示パネルの正面輝度の面内分布を均一にするために、表示パネル面内の位置に対応する照明装置の各位置におけるピーク輝度を一定にしていた力集光素子を備える表示装置においては、照明装置から出射される光を集光素子によって屈折し、画素の開口部に集光する原理上、表示パネルの輝度分布が照明装置の輝度分布と異なるために、このように調整された照明装置を用いても、集光素子を備える表示装置の輝度の面内分布は均一にならない。

[0016] 本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、高指向性のエッジライト型バックライトと集光素子とを備えた表示装置の輝度の面内分布を均一にすることにある。

課題を解決するための手段

[0017] 本発明の表示装置は、行列状に配列された複数の画素を備えた表示パネルと、前記表示パネルに背面から光を照射する照明装置であって、光源と前記光源からの光を受ける導光板とを備え、前面に光を出射する照明装置と、前記表示パネルと前記照明装置との間に配置された複数の集光素子とを備え、前記照明装置力出射され前記複数の集光素子に入射する光の指向性は、前記表示パネル面内の位置で異なり、前記照明装置から出射され前記複数の集光素子に入射する光の前記表示パネル面法線を基準とする極角が ± 15° の範囲内の光束を Φ とし、前記表示パネル面

15

の表示領域に対応する領域を 9等分し、 9つの領域のそれぞれの中心の光束 Φ の

15 内の最小値が最大値の 70%以上であることを特徴とする。

[0018] ある実施形態において、前記照明装置から出射され前記複数の集光素子に入射する光の指向性は、前記表示パネルの面内における方位に依存して異なる。

[0019] ある実施形態において、前記導光板は、その背面に前記光源を中心とする同心円状に配置された凹部 (線状の溝または離散的に設けられた窪み）または凸部 (線状の山または離散的に設けられた突起）を有し、前記照明装置から出射され前記複数の集光素子に入射する光の指向性は、前記光源を中心とする円の半径方向である Y 方向においてよりも、前記 Y方向に直交する X方向において小さい。

[0020] ある実施形態において、前記照明装置は前記導光板の前面に配置されたプリズムシートを更に有し、前記プリズムシートは前記光源を中心とする同心円状に配置された凹凸パターンを有する。

[0021] ある照明装置から出射され前記複数の集光素子に入射する光のピーク輝度を Lpとし、前記表示パネル面の表示領域に対応する領域を 9等分し、 9つの領域のそれぞれのピーク輝度の内の最小値が最大値の 70%未満である。

[0022] ある実施形態において、前記複数の集光素子は、前記表示パネルの前記複数の画素に対して、 1対 1対応で配置されている。

[0023] ある実施形態において、前記表示パネルは、第 1基板と、第 2基板と、第 1基板と第 2基板との間に設けられた液晶層とを有し、第 1基板は液晶層の照明装置側に配置されており、第 2基板は液晶層の観察者側に配置されており、前記複数の画素のそれぞれは、前記照明装置から入射する光を用いて透過モードで表示を行う透過領域と、観察者側から入射する光を用いて反射モードで表示を行う反射領域を有し、前記第 1基板は前記液晶層側に、前記透過領域を規定する透明電極領域と前記反射領域を規定する反射電極領域とを有し、前記複数の集光素子のそれぞれは、前記複数の画素のそれぞれの前記透過領域に対応して配置されている。

発明の効果

[0024] 本発明によると、高指向性のエッジライト型バックライトと集光素子とを備えた表示装置の輝度の分布を均一にすることができる。

図面の簡単な説明

[0025] [図 1]本発明による実施形態の半透過型液晶表示装置 100を模式的に示す斜視図である。

[図 2]高指向性のエッジライト型バックライトから出射された光がマイクロレンズを介して表示パネル 100aに入射する様子を模式的に示す図である。 [図 3]液晶表示装置 100におけるマイクロレンズ 54aおよび集光スポットの中心 41Cと、対応する透過領域 Trとの位置関係の一例を模式的に示す平面図である。

園 4]液晶表示装置 100に好適に用いられる高指向性のエッジライト型のバックライト 40の構成を模式的に示す斜視図である。

園 5]液晶表示装置 100に好適に用いられる高指向性のエッジライト型のバックライト

40の図 4中の XI、 X2および X3の線に沿った模式的な断面図である。

園 6] (a)はバックライト 40から出射される光の輝度分布を模式的に示す図であり、 (b

)はバックライト 40から出射される光の角度分布を説明するための模式図であり、 (c) はバックライト 40から出射される光の輝度の面内分布を測定する点を示す模式図である。

園 7]実施例の液晶表示装置 100に用いたバックライト 40の輝度分布の測定結果を示す図である。

[図 8] (a)は本発明による実施形態の液晶表示装置に用いられるバックライトの輝度の面内分布を説明するための図であり、 (b)は従来のバックライトの輝度の面内分布を説明するための図である。

園 9] (a)〜（c)は、本発明による実施形態の液晶表示装置に用いられるバックライトの面内輝度分布を得るための方法を説明するための模式図である。

符号の説明

10 第 1基板 (TFT基板）

11 第 2基板（カラーフィルタ基板)

13 透明電極

15 反射電極

23 液晶層

33 透明電極領域

35 反射電極領域

41 光

50 照明装置 54a マイクロレンズ

100a 表示パネノレ

100 半透過型液晶表示装置

Tr 透過領域

Rf 反射領域

Px 画素

発明を実施するための最良の形態

[0027] 図面を参照しながら本発明による実施形態の表示装置を説明する。以下では、透過モードで表示を行う透過領域と反射モードで表示を行う反射領域とを備えた半透過型液晶表示装置を例に本発明による実施形態の液晶表示装置を説明するが、本発明はこれに限られず、少なくとも透過モードで表示を行うことができる表示装置に広く適用することができる。

[0028] [液晶表示装置]

図 1は、本実施形態の半透過型液晶表示装置 100を模式的に示す斜視図である。図 1に示すように、半透過型液晶表示装置 100は、照明装置（不図示）と、行列状に配列された複数の画素 Pxを備えた表示パネル 100aと、照明装置と表示パネル 100 aとの間に設けられた集光素子群 54とを有している。

[0029] 表示パネル 100aは、照明装置側に配置されるアクティブマトリクス基板などの第 1 基板 10と、観察者側に配置されるカラーフィルタ基板などの第 2基板 11と、第 1基板 10と第 2基板 11との間に設けられた液晶層 23とを有している。

[0030] 第 1基板 10は、照明装置から出射された光 41を透過する透明電極領域 33 (図 2参照）と、第 2基板 11から入射した光 (周囲光、不図示）を反射する反射電極領域 35 ( 図 2参照）とを有する。第 1基板 10は、液晶層 23側に設けられた透明電極 13と反射電極 15とを有しており（図 2参照）、反射電極領域 35は反射電極 15によって規定され、透明電極領域 33は、透明電極 13が形成された領域の内で反射電極 15の開口部に対応する領域として規定される。透明電極 13は透過電極領域にのみ設けてもよいが、例示するように、画素内のほぼ全面に設けることにより、後のプロセスを安定にできるという利点が得られる。 [0031] 表示パネル 100aは、図示しない、赤（R)カラーフィルタ、緑（G)カラーフィルタおよび青（B)カラーフィルタを含むカラーフィルタ層をさらに有し、上記 Gおよび Bカラ一フィルタは例えばストライプ状に配列されている。行方向に隣接する 3つの画素 Px は、上記カラーフィルタに対応して、それぞれ、 R、 G、および Bの色光を出射し、上記 3つの画素によって 1つのカラー表示画素が構成される。

[0032] 各画素 Ρχは、透過モード表示を行う透過領域 Trと、反射モード表示を行う反射領域 Rfとを有しており、透過モードおよび反射モードで表示を行うことができる。透過モードおよび反射モードの!/、ずれか一方のモードで表示を行うことも可能で、両方のモードで表示を行うこともできる。複数の画素 Pxは、行列状に配置されており、 R、 G、 B の色光をそれぞれ出射する画素を含んでいる。各画素 Pxは、行方向に延びる遮光層 BL1と、列方向に延びる遮光層 BL2とによって規定される。遮光層 BL1は例えば走査信号線によって構成され、遮光層 BL2は例えばデータ信号線によって構成され得る。

[0033] 本明細書では、透明電極領域 33および反射電極領域 35は、 TFT基板などのァクティブマトリクス基板の領域として定義され、画素 Px、透過領域 Trおよび反射領域 Rf は、半透過型液晶表示装置 100の領域として定義される。

[0034] 半透過型液晶表示装置 100が備える集光素子群 54は、複数の集光素子 54aで構成されており、集光素子 54aは、各画素 Pxの透過領域 Trに対して一対一で設けられている。本実施形態では、集光素子群 54として、複数のマイクロレンズ (集光素子） 5 4aを有するマイクロレンズアレイ 54を用いて!/、る。

[0035] マイクロレンズアレイ 54が有する複数のマイクロレンズ 54aは、各透過領域 Trに対して一対一で設けられており、マイクロレンズ 54aを通過した光 41の、複数の画素の液晶層によって規定される面（以下、「画素面」ということがある。画素面は、基板面に平行である。）における集光スポットの中心は、それぞれ対応する透過領域 Trの液晶層内に形成される。

[0036] 本明細書において、光ビームの断面積が最小となる点、すなわち収束点（例えばマイク口レンズの焦点に対応）と区別して、「集光スポット」という用語を用いる。「集光スポット」は、画素面における光の断面プロファイルに対応し、収束点と一致することを要しない。また、「集光スポットの中心」は、画素面における光の輝度分布を考慮した中心であり、集光スポットの断面プロファイルに対応する外形を有し、且つ、光の輝度分布に対応する密度分布を有する紙の重心に対応する。光の輝度分布が集光スポットの断面プロファイルの幾何学的な重心に対して対称な場合には、「集光スポットの中心」は幾何学的な重心と一致するが、マイクロレンズの収差などの影響によって非対称な輝度分布を有する場合には、幾何学的な重心からずれることがある。

[0037] 図 3は、液晶表示装置 100におけるマイクロレンズ 54aおよび集光スポットの中心 4 1 Cと、対応する透過領域 Trとの位置関係の一例を模式的に示す平面図である。複数の画素は、ストライプ状に配列されており、行方向のピッチは P l、列方向のピッチは P2である。行方向に隣接する 3つの画素 Pxはそれぞれ、 R、 G、および Bの色光を出射し、上記 3つの画素によって 1画素が構成される。複数のマイクロレンズ 54aは、それぞれの集光スポットの中心 41 Cが透過領域 Tr内に形成され、かつ、透過領域 T rの中心と集光スポット 41 Cの中心とが略一致するように配置されている。図 3は、ストライプ状配列の画素に対して、マイクロレンズを最密充填配列した例を示して!/、る。

[0038] 集光スポットの中心 41 Cは各画素 Pxに 1つずつ形成されているため、集光スポットの中心 41 Cは集光スポットの重心と一致する。集光スポットの中心 41 Cは、画素行においてジグザグ状に配置されている。行方向に隣接する任意の 2つの画素 Pxにそれぞれ形成される集光スポットの中心 41 Cは、列方向の位置が互いに異なっており、列方向の位置が一致する場所に、集光スポットの中心 41 Cは存在しない。このように、画素行内において互いに隣接する画素に対応するマイクロレンズの中心（集光スポットの中心）を列方向において異ならせることによって、ストライプ配列の画素に対してもマイクロレンズを最密充填で配列することが可能となる。

[0039] 図 3に示すように、それぞれの集光スポットの中心 41 Cは、 1つの画素行に、列方向の位置が異なる 2つの行を形成するように、ジグザグに配列されている。集光スポットの中心 41 Cが形成する各行における集光スポットの中心 41 Cの行方向のピッチ Mx は 2P 1であり、同じ画素行内の集光スポットの中心 41 Cが形成する 2つの行は、（1 / 2) Μχ ( = Ρ 1 )だけピッチがずれている。また、ここでは、画素の列方向のピッチ P2と集光スポットの中心 41 Cの列方向のピッチ My力 P2 = 2Myの関係を満足するように配置されているので、表示面に平行な面における断面が円形のマイクロレンズ 54a は理想的な最密充填配列となっている。図 3に示すマイクロレンズ 54aは、 Mxと My との比が、 Mx: My= 2 : ^3の関係を満足し、マイクロレンズアレイ平面（表示面に平行な面）におけるマイクロレンズ 54aの充填率は π ^3/6 = 0. 906となり、最大である。従って、照明装置 50から表示パネル 100aに入射した光量の 90. 6%を集光して、対応する透過領域に導き、表示に利用することが可能となる。従って、例えば、液晶パネルの高精細化に伴って透過領域の面積が小さくなつても、明るい透過モード表示を実現できる。あるいは、反射モードの輝度を向上するために画素 Pxに占める透過領域の面積比率を小さくした場合でも、明るい透過モード表示が可能となる。また、レンズの設計により、反射電極と透過電極とを形成する面積比率を変更することなぐ反射モードの表示輝度と透過モードの表示輝度との比を変更できる。

[0040] また、液晶表示装置 100において照明装置からの光の利用効率を高めるためには、特許文献 5に記載されているように、第 1基板 10の透明電極領域 33を通過した光の収束点が、液晶層 23よりも観察者側に形成されるように構成することが好ましい。

[0041] [エッジライト型バックライト]

しかしながら、本発明者が検討した結果、特許文献 5に記載の構成を採用すると、輝度は向上するものの、輝度の表示面内の分布が十分に均一にならないという問題があることがわかった。次に、従来の高指向性のエッジライト型バックライトと対比しながら、本発明の液晶表示装置 100に好適に用いられる高指向性のエッジライト型バックライトの特徴を説明する。

[0042] 図 4および図 5は、液晶表示装置 100に好適に用いられる高指向性のエッジライト型のバックライト 40の構成を模式的に示す図であり、図 4はバックライト 40の斜視図であり、図 5は図 4中の XI、 X2および X3の線に沿った模式的な断面図である。なお、従来の高指向性のエッジライト型のバックライトとバックライト 40との基本的な構造は同じであるので、従来のバックライトの説明のためにも図 4および図 5を参照する。

[0043] ノックライト 40は、光源（例えば LED) 30と、光源 30からの光を受ける導光板 31と、導光板 31の背面側に配置された反射板 33と、導光板 31の前面側に配置されたプリズムシート 34とを備えている。導光板 31は、光出射面（前面） 31aと、光出射面 31a に対向する背面 3 lbと、これらの間に位置する少なくとも 4つの側面とを有している。側面の 1つ（光入射面 31c)の幅方向の中央に光源 30が配置される。導光板 31の背面 31bには、光源を中心とする同心円状に配置された凹部 (溝または窪み） 32が形成されている。ここでは凹部 32が形成されている例を示す力凹部に限られず凸部を形成してもよい。また、個々の凹部 32は線状の溝であってもよいし、離散的に設けられた窪みであってもよい。同様に、凸部の場合、線状の山または離散的に設けられた突起であってよい。導光板 31内を伝播する光が凹部 32に入射すると、凹部 32の斜面（導光板 31と外部との界面）によって反射され進行方向が変えられ、その光の一部は導光板 31の光出射面 31aに対して臨界角よりも小さい角度で入射する結果、導光板 31外へ出射する。プリズムシート 34は、導光板 31の光出射面 31a側の面に光源を中心とする同心円状に配置された凹凸パターン (プリズム） 35を有し、導光板 31 の光出射面 31aから出射された光の角度分布を修正する。例えば、正面輝度が高くなるように、出射光の角度分布を修正する。導光板 31の背面側に設けられた反射板 33は、導光板 31の背面 31bから出射した光を再度導光板 31内に入射させ、利用効率の向上に寄与する。導光板 31は、アクリル等の透明材料で形成されている。なお、凹部 32や凹凸パターン 35が「同心円状に配置される」とは、個々の凹部 32や凹凸パターン 35が円を形成する必要は必ずしも無ぐ個々の凹部 32や凹凸パターン 35 は円の一部であってよい（例えば特許文献 4の図 9、図 26参照）。

[0044] 上述の様な構成を有するバックライト 40においては、光源 30から出射され導光板 3 1に入射し、導光板 31中を放射状に伝播する光の殆どは、光源 30を中心に同心円状に配置された凹部 32およびプリズムシート 34の凹凸パターン 35に垂直に入射するために、効率的に光出射面 31aの法線方向に出射されやすぐ完全な平行光ではないものの、平行光に近い指向性 (狭い輝度分布）を有している。バックライト 40から出射される光の輝度分布を模式的に図 6 (a)に示す。図 6 (b)はバックライト 40から出射される光の角度分布を説明するための模式図である。

[0045] 図 6 (a)に示すように、バックライト 40から出射される光の輝度分布（角度分布）は、光源 30の位置を中心とする同心円の半径方向（Y方向とする。）には広ぐそれに直交する方向（X方向とする。）では狭い。すなわち、表示パネル面内の方位が Y方向においては平行度が低ぐ X方向においては平行度が高ぐ出射光の指向性は、表示パネルの面内における方位に依存して異なっている。

[0046] 図 6 (b)に示すように、バックライト 40の表示パネル面内のある点から出射される光の角度分布は、極角が小さ!/、（ α )方位および極角が大き!/、（ /3 )方位をそれぞれ短軸および長軸とする楕円によって特徴付けることができる。図 6 (a)にはこの楕円をバックライト 40の光出射面 31a上の位置に対応付けて示している。楕円の長軸は光源 3 0を中心とする同心円の半径方向に平行 (Y方向）であり、短軸はそれに直交する方向に平行 (X方向）である。なお、ここでは、図 6 (b)に示すように、導光板 31の光入射面 31cに平行な方向（図中の下向き）の方位角を 0° とし、反時計回りを正とする。従つて、光源 30から光入射面 31cに向けて引いた垂線によって決まる方位の方位角は 90° である。

[0047] 図 6 (a)に示すように、出射光の指向性は表示パネル面内における方位に依存して異なっているだけでなぐ表示パネル面内の位置によっても異なっている（面内分布がある）。すなわち、図 6 (a)においては、光源 30からの距離が長くなるにつれて、楕円の短軸の長さが短くなつている、言い代えると X方向における指向性が高くなつていることが分かる。この出射光の指向性の位置依存性（光源からの距離依存性）は、以下の原因による。

[0048] 光源 30からの距離が長くなるにつれて、導光板 31の凹部 32やプリズムシート 34の凹凸パターン 35に入射する光は、その入射角が 90° に近いものが増加するために、その分だけ X方向における指向性が高くなる（半値幅が狭くなる）のである。

[0049] ノ^クライトから出射される光の指向性が異なると、たとえピーク輝度（最高輝度）が同じであっても、集光素子による集光効率に差がでる。指向性（平行度）が高い光は効率よく集光されるのに対し、指向性（平行度）が低い光の集光効率は低い。従って、集光素子に入射する光の指向性の違いによって、集光素子を通過した光の輝度分布（例えばピーク輝度）が異なることになる。

[0050] 特許文献 5に記載の技術によると、指向性が方位によって異なる光（例えば X方向の半値幅が ± 5° 超、 Y方向の半値幅が 5° 以上）を利用する場合に、光の収束点を液晶層よりも観察者側に配置することによって、画素を通過する光量を増加させる（表示輝度を向上させる）ことができる。特許文献 5に記載の技術を用いると、指向性が方位によって異なる光の利用効率を高めることは出来る力光の指向性が位置によつて異なることに起因する輝度の面内分布の不均一性を解消することはできない。

[0051] 本発明による実施形態の液晶表示装置 100が備えるバックライト 40は、集光素子（マイクロレンズ)を通過した後の輝度の面内分布が均一になるように、バックライト 40 力も出射される光の輝度分布が調整されている。具体的には、バックライト 40の出射面内において、出射光の平行度が低い領域 (光源 30に近い領域)では輝度を低くし、平行度が高レ、領域 (光源 30から遠!/、領域)では輝度を高くするように調整されて!/、る。図 2を参照して以下に具体的に説明する。

[0052] 図 2において、第 1基板 10の厚さを d、マイクロレンズ 54aの基板法線方向から見たときの半径を p、透過電極領域 33を半径が rの円形とする。マイクロレンズ 54aは、基板法線方向から入射する平行光を透過領域 33の中心に収束させるように形成されている。もちろん、光の利用効率を高めるために特許文献 5に記載されている技術を採用することが好ましいが、ここでは説明の簡単のために、上記のように設定する。

[0053] 上述の高指向性のエッジライト型バックライト 40から出射された光は、基板法線方向から若干の広がり（極角で表される）をもってマイクロレンズ 54aに入射するために、マイクロレンズ 54aに入射した光は透過領域 33の中央を中心として、ある広がりをもつて集光される。

[0054] 図 2において、光線 41aは、マイクロレンズ 54aの縁 Oを通過し、透過領域 33の縁 F へ向かって進行する光である。光線 41bは、マイクロレンズ 54aの縁 Oを通過し、透過領域 33の中心 Eへ向かって進行する光である。光線 41cは、マイクロレンズ 54aの縁 Oを通過し、透過領域 33の縁 Dへ向かって進行する光である。

[0055] 幾何光学によると、図 2より、マイクロレンズ 54aを用いた液晶表示装置 100において、マイクロレンズ 54aを通過した後に透過領域 33を透過し表示に用いられる光は、ノックライト 40から出射された光のうち、 ZAOC内の角度で出射された光であることがわかる。従って、集光素子を用いた表示装置において、輝度の面内分布を均一にするためには、基板法線方向を中心として ZAOC内に出射される光の輝度の面内分布を均一にすればよいことがわかる。従来は、もっぱら表示パネルの正面輝度を均一にするために、表示パネル面内の位置に対応する照明装置の各位置におけるピーク輝度を均一にしていたため、集光素子を備える表示装置の輝度の面内分布は均一にならない。

[0056] なお、 ZAOCは、第 1基板の屈折率を nとすると、幾何光学に基づいて、以下の式

(1)より近似的に計算することができる。

ZAOC = n X sin^_1 ( ZDOF) (1)

[0057] また、バックライトから出射され集光素子に入射する光の広がりの程度は、表示パネル面法線を基準とする極角で表すことにする。 ZAOCを 2 ωほたは土 ω )と表すこともある。ここでは ωの単位は「° (度）」とする。

[0058] 特定の極角の範囲内の光の強さは、光束（luminous flux) Φで表す。具体的には、輝度計（ELDIM社 EZContrast)で輝度（luminance)の角度分布を測定し、得られた輝度データを光束データに変換 (輝度/ cos θ X立体角 Ω、 Θ：極角）し、特定の極角の範囲内の光束 Φを求めた。なお、立体角 Ωは極角 Θと、

(1— cos S )の関係にある。

[0059] 上述の構成を有する液晶表示装置 100を試作し、輝度の表示パネル面内分布を評価した結果を以下に説明する。試作した液晶表示装置の基本構成を以下に示す

〇

'照明装置： 1つの LEDを用いた高指向性のエッジライト型バックライト（図 4) 'マイクロレンズ：屈折率 1. 5、曲率半径 60 111、基板法線方向から見たときの半径 ρ5ΐ μ m

•第 1基板：屈折率 1. 5 (ガラス）、厚さ 0. 12mm

•第 2基板：屈折率 1. 5 (ガラス）、厚さ 0. 7mm

'画素：行方向のピッチ 51 m、列方向のピッチ 153

•透過電極領域： 2r = 42 mの円形（透過電極領域の開口率：約 18 % )

[0060] 上記の基本構成を有する液晶表示装置においては、幾何光学的計算により ZDO Fは 17。と算出でき、式（1)により ZAOC = n X sin— ^ ZDOF) : ;! . 5 X sin^_1 (17° ) = 26°が得られる。

[0061] 実施例の液晶表示装置 100には、高指向性の照明装置の光輝度分布を、表示面法線を中心とする極角が ± 13° (トータル 26° )の範囲に出射される光の光束 Φ

13 、表示面内で均一になるように調整したバックライト 40を用いた。また、比較例の液晶表示装置には、ピーク輝度が表示面内で均一になるように調整された従来のバックライトを用いた。

[0062] 表示面内の均一性は、表示領域に対応する領域を 9等分し、 9つの領域のそれぞれの中心の光束 Φ およびピーク輝度を測定し、それぞれの最小値が最大値の 70

13

%以上であれば均一であるとした。 70%という評価基準は主観評価によって問題が無いと判断されるレベルであり、これまでの市販品で実績のあるレベルである。

[0063] 図 7に、実施例の液晶表示装置 100に用いたバックライト 40の輝度分布を、輝度計

(ELDIM社 EZContrast)を用いて測定した結果を示す。測定点 al〜a3、 bl〜b3 、および cl〜c3は、図 6 (c)に模式的に示したように、バックライト 40の出射面の表示領域に対応する領域を 9等分し、 9つの領域のそれぞれの中心である。輝度分布を示す各図において、半径方向は極角 Θであり、円周方向は方位角を示している。方位角 0° の方向は、図 6 (a)に示したように、導光板 31の光入射面 31cに平行な方向である。図 7から明らかなように、各点における輝度の角度分布は、上述したように方位角依存性を有するとともに、位置依存性を有している。例えば、導光板 31の中央部の測定点 a2、 b2および c2の輝度の X方向における角度分布を見ると、光源 30からの距離が最も長い a2における輝度分布が最も狭ぐ光源 30からの距離が最も短い c2における輝度分布が最も広ぐこれらの 2点の中間の b2における輝度分布は中間の広がりを有してレ、る。比較例のバックライトにつ!/、ても輝度分布を同様に測定した。これらの結果をまとめて表 1に示す。また、表 1には、それぞれのバックライトを用いて作製した液晶表示装置 (レンズ付パネル透過後）のピーク輝度（正面輝度）および全光束を合わせて示している。

[0064] [表 1] 正面輝度が均一なバックライ卜 1 5 °以内の光束量が均一なバックライ卜

Bしレンス'付 Λ'ネル透過後 Βしレンス'付 Λ°ネル透過後測定箇所

15°以内動

ピ-ク輝度全光束 15°

匕 ' -ク輝度全光束匕 ° -ク輝度全光束 -ク輝度全光束光束光束

a 1 4861 228 86 281 315 5413 233 1 10 1 15 1 18 a 2 421 1 206 84 264 297 6106 2 8 1 13 124 120 a 3 4749 242 87 281 326 5297 235 109 1 18 1 18 b 1 4268 212 108 328 360 4754 268 147 1 9 150 b 2 3了 31 186 100 317 327 3667 21 1 120 120 121 b 3 4466 225 1 15 370 375 4310 255 37 1 7 147 c 1 3604 232 122 394 414 3297 250 130 133 142 c 2 4025 318 86 641 705 2935 250 140 126 141 c 3 3727 255 136 430 465 3252 261 134 146 145 平均 4182 234 1 14 367 398 4337 242 127 131 134 分布 74% 58% 45% 41 % 42% 48% 79% 74% 11% 79%

[0065] なお、表 1中の「分布」は、それぞれの最大値に対する最小値の百分率を示してい [0066] また、光束については、極角が ± 15° の光束 Φ とともに全光束を示している。ここ

15

では、光束 Φ を示したが、極角が ± 13° の光束 Φ の分布も 70%以上であり、レン

15 13

ズ付パネル透過後のピーク輝度および全光束のいずれも 70%以上であった。出射される光の光束を一定にする極角 ω = Z AOC/2は、表示パネルの開口部（透過領域）の大きさおよび形状と第 1基板の厚さから式（1)により適宜求められる。したがつて、表示パネルの仕様によって出射光の極角土 ωの光束 Φ ωが均一となるようなノックライトを作製すればよい。ただし、種々の高指向性のエッジライト型バックライトの輝度分布を検討した結果、 ω = 15° である光束 Φ の分布が 70%以上あれば、

15

レンズ付パネル透過後のピーク輝度および全光束のいずれも 70%以上を得られることが分かったために、式（1)に厳密に従うバックライトを用意しなくとも、単に光束 Φ

15 の分布が 70%以上あるバックライトを適用することによって、比較的均一な輝度の表示が可能な液晶表示装置を得ることができる。これは特にバックライトの開発コストを下げることができる点で有利である。

[0067] まず、表 1中の比較例に注目する。従来の高指向性のエッジライト型バックライトは、ピーク輝度の面内分布を均一にするように調整された結果、ピーク輝度の面内分布は 74%であり、十分な均一性を有している。しかしながら、レンズ付パネル透過後のピーク輝度の分布は 41 %、全光束は 42%と低い値しか得られておらず、表示輝度の面内分布の不均一性として観察者に認識される。この従来の高指向性のエッジライト型バックライトの Φ の分布は 45%と非常に低い値であり、この不均一性がレンズ

15

を透過した後の輝度の不均一性の原因となっている。

[0068] これに対し、表 1中の実施例を見ると、エッジライト型バックライトの Φ の面内分布

15

は 74%と高ぐその結果、レンズ付パネル透過後のピーク輝度の分布は 77%、全光束は 79%と非常に高い値が得られていることが分かる。このように、エッジライト型バックライトの Φ の面内分布を 70%以上とすることによって、レンズ付パネル透過後の

15

ピーク輝度の分布および全光束を 70%以上にすることができる。このように調整されたエッジライト型バックライトのピーク輝度の面内分布は 48%であり、非常に小さな値となっている。

[0069] 図 8 (a)および (b)を参照して、実施例と比較例のバックライトの輝度の面内分布の違いを概念的に説明する。

[0070] 図 8 (a)に模式的に示すように、実施例の液晶表示装置に用いられるバックライトは

、極角が ± 13° (トータル 26° )以内の光束 Φ を表示領域内で一定になるように調

13

整されている。従って、ピーク輝度についてみると、光源に近い領域（図 6 (c)中の cl 〜c3)では小さぐ光源から遠い領域（図 6 (c)中の al〜a3)では大きくなつている。一方、図 8 (b)に模式的に示すように、比較例の液晶表示装置に用いられる従来のノックライトは、ピーク輝度を一定にしている。すなわち、本発明による実施形態の液晶表示装置に用いられるバックライトは、従来の技術常識に反して、ピーク輝度を積極的に異ならせ、光源からの距離が長くなるにつれてピーク輝度を増大させることによってはじめて得られるものである。

[0071] 次に、図 9 (a)〜（c)を参照して、表 1や図 8に示した輝度の面内分布を実現するための方法を説明する。なお、本発明による実施形態の液晶表示装置に用いられる高指向性のエッジライト型バックライトは、輝度の面内分布に特徴があり、輝度の面内分布を調整する個々の方法として公知の方法を用いることができるので、簡単に説明す

[0072] 図 9 (a)に示すように、光源 30からの距離が長くなるにつれて、導光板 31の背面に形成された凹部 32のパターンの密度を、従来よりも急に増大させる。すなわち、光源 30からの距離が長くなるにつれて、単位長さあたりに含まれる凹部 32の本数が増大する程度を従来よりも大きくする。

[0073] 図 9 (b)に示すように、光源 30からの距離が長くなるにつれて、導光板 31の背面に形成された凹部 32のパターンを大きくする。

[0074] 図 9 (c)に示すように、光源 30からの距離が長くなるにつれて、導光板 31の背面に形成された凹部 32の光源 30側の傾斜面（反射面として作用する）の傾斜角を大きくする。

[0075] もちろん、図 9 (a)〜（c)に示した方法を任意に組み合わせることも出来るし、さらに、導光板 31の厚さを光源 30からの距離が長くなるにつれて薄くしてもよい。

産業上の利用可能性

[0076] 本発明は、例えば半透過型液晶表示装置などの中小型の液晶表示装置に好適に用いられる。

Claims

請求の範囲

[1] 行列状に配列された複数の画素を備えた表示パネルと、

前記表示パネルに背面から光を照射する照明装置であって、光源と前記光源からの光を受ける導光板とを備え、前面に光を出射する照明装置と、

前記表示パネルと前記照明装置との間に配置された複数の集光素子とを備え、

前記照明装置から出射され前記複数の集光素子に入射する光の指向性は、前記表示パネル面内の位置で異なり、

前記照明装置から出射され前記複数の集光素子に入射する光の内で、前記複数の集光素子を通過した後に前記表示パネルを透過して表示に用いられる光の、幾何光学に基づいて求められる前記表示パネル面法線を基準とする極角の範囲が土 ω 以下であり、極角が土 ωの範囲内の光束を Φ ωとするとき、

前記表示パネル面の表示領域に対応する領域を 9等分し、 9つの領域のそれぞれの中心の光束 Φ ωの内の最小値が最大値の 70%以上である、表示装置。

[2] 行列状に配列された複数の画素を備えた表示パネルと、

前記照明装置から出射され前記複数の集光素子に入射する光の前記表示パネル面法線を基準とする極角が ± 15° の範囲内の光束を Φ とし、前記表示パネル面の

15

表示領域に対応する領域を 9等分し、 9つの領域のそれぞれの中心の光束 Φ の内

15 の最小値が最大値の 70%以上である、表示装置。

[3] 前記照明装置から出射され前記複数の集光素子に入射する光の指向性は、前記表示パネルの面内における方位に依存して異なる、請求項 1または 2に記載の表示装置。

[4] 前記導光板は、その背面に前記光源を中心とする同心円状に配置された凹部または凸部を有し、

前記照明装置から出射され前記複数の集光素子に入射する光の指向性は、前記光源を中心とする円の半径方向である Y方向においてよりも、前記 Y方向に直交する

X方向にお!/、て小さ!/、、請求項 3に記載の表示装置。

[5] 前記照明装置は、前記導光板の前面に配置されたプリズムシートを更に有し、前記プリズムシートは前記光源を中心とする同心円状に配置された凹凸パターンを有する、請求項 4に記載の表示装置。

[6] 前記照明装置から出射され前記複数の集光素子に入射する光のピーク輝度を Lp とし、前記表示パネル面の表示領域に対応する領域を 9等分し、 9つの領域のそれぞれのピーク輝度の内の最小値が最大値の 70%未満である、請求項 1から 5のいずれかに記載の表示装置。

[7] 前記複数の集光素子は、前記表示パネルの前記複数の画素に対して、 1対 1対応で配置されて!/、る、請求項 1から 6の!/、ずれかに記載の表示装置。

[8] 前記表示パネルは、第 1基板と、第 2基板と、第 1基板と第 2基板との間に設けられた液晶層とを有し、第 1基板は液晶層の照明装置側に配置されており、第 2基板は液晶層の観察者側に配置されており、

前記複数の画素のそれぞれは、前記照明装置から入射する光を用いて透過モードで表示を行う透過領域と、観察者側から入射する光を用いて反射モードで表示を行う反射領域を有し、前記第 1基板は前記液晶層側に、前記透過領域を規定する透明電極領域と前記反射領域を規定する反射電極領域とを有し、

前記複数の集光素子のそれぞれは、前記複数の画素のそれぞれの前記透過領域に対応して配置されている、請求項 1から 7のいずれかに記載の表示装置。