JPH1048628A

JPH1048628A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH1048628A
Application number: JP8201725A
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: 1996-07-31
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 1998-02-20

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１Ｄ、空気Ｐ、光吸収体１Ｙを備え
た光学アレー体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、第１の光回折手段７、導
光板８、反射手段１０、光源１１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。

【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、液晶セルの全面に配置する光学ア
レー体と、超薄型の高性能バックライトとを組み合わせ
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。バックライトと
しては、光源に含まれる偏光成分を有効に変換する偏光
分離器を用いることが好ましい。

【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、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°以内となるバックライト、
裏側偏光板、液晶セル、表側偏光板、及び面方向に周期
的構造を有し、かつ光束拡大機能を有する光学アレイ体
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、そして光学アレイ体を通過
する液晶表示装置を提供する。

【０００９】請求項２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
形台形アレイのいずれかである請求項１の液晶表示装置
を提供する。

【００１０】請求項３は、周期的構造の間隙に光吸収体
が配置されてなる請求項１、２または３の液晶表示装置
を提供する。

【００１１】請求項４は、光学アレイ体の周期的構造に
対応して、光学アレイ体の支持体に光吸収体が配置され
てなる請求項１、２または３の液晶表示装置を提供す
る。上記の各発明の態様において、バックライトには、
導光板、反射手段、光回折手段１および光回折手段２が
備えられる。

【００１２】請求項５は、バックライトに光源から出射
された光の偏光分離機能が備えられてなる請求項１〜４
のいずれか１項の液晶表示装置を提供する。この発明の
好ましい態様においては、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る。

【００１３】また、別の好ましい態様では、光学アレー
体は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、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る。以下に図を参照して説明
を行う。

【００１４】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として機能
する光学アレー体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。

【００１５】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、光学アレー体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。

【００１６】図２は図１のものに対し、バックライトに
１／４位相差板９、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及び明る
さが向上する。

【００１７】次に光学アレー体について説明する。図５
は基板１Ｔ上に形成された凸状のマイクロレンズアレイ
１Ａ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、同図に示すように個々のマイクロレンズの間
に光吸収性物質（黒色塗料１Ｘ）を配置するとより高い
光学性能が得られる。

【００１８】図６は基板１Ｔ上に設けられた多角形台形
アレイ１Ｃからなる光学アレイ体の周期的な構造の間隙
の一部に黒色塗料１Ｘが配置されている例を示す。

【００１９】図３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Ｐで満たされていてレンズ効果を生む。さら
に、図４に示す構成例では黒色塗料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。

【００２０】図１に示すように第１の光回折手段７は光
源１１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
及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。

【００２１】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。

【００２２】次に、上記の偏光分離を利用したバックラ
イトのシステム構成（図２参照）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９０°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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。次に、本発明の実施例について
詳述する。

【００２８】（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１１を密着させ、反射手段
１０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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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７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（Ｄ
20）は約±１２°であった。一方、符号２２の比較例で
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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】表側偏光板２に接して光学アレー体１を設
けた。光学アレー体１は図３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。

【００３５】凹レンズ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。

【００３６】このようにして得られた基材上に形成され
た凹レンズアレイの頂の面（すなわち、基材とは反対の
面）に、片面に紫外線硬化型アクリルモノマーを塗布し
たポリエチレンテレフタレートのフィルムを塗布面が接
するように乗せ、外側から紫外光を照射して、アクリル
モノマーを重合させて、凹レンズアレイの頂とポリエチ
レンテレフタレートのフィルムの接する部分を接着させ
た。さらに、凹型のマイクロレンズアレイ１Ｄの脚部に
対向するように黒色塗料１Ｙが基材１Ｔの外面に設けら
れ、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。

【００３７】このようにして作成した光束拡大機能を持
つ光学アレー体１の凹レンズの直径は２００μｍであ
り、高さは２００μｍである。不要な光は黒色塗料１Ｙ
によって吸収除去される。

【００３８】このようにして作成した液晶表示装置は輝
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。

【００３９】（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の裏面及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。

【００４０】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。図面中の符号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。

【００４１】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７に（符号２
１）に示した。本例では出射光量の半値幅（Ｄ21）は約
±１５°であった。

【００４２】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

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】表側偏光板２に接して光束拡大機能を持つ
光学アレー体１を設けた。これは例１と同様の凹レンズ
アレイである。

【００４６】このようにして作成した液晶表示装置は輝
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。

【００４７】（例３）本発明の一例として、図５の光学
アレー体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。本例の液晶表示装置は輝度が高く、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４）本発明の一例として、図６の光学
アレー体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。本例の液晶表示装置は輝度が高く、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。

【００４９】

【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。

【００５０】また、請求項５の発明においては、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学アレー体の
作用と相まって広視野角化が実現できた。

【００５１】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型の液晶表示装置
を得ることができた。

【００５２】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。

【００５３】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】２枚の基材と凹型マイクロレンズアレイ体を用
いた光学アレー体の模式図。

【図４】２枚の基材と凹型マイクロレンズアレイ体と黒
色塗料を用いた光学アレー体の模式図。

【図５】凸型マイクロレンズアレイ体の間隙に黒色塗料
を配置した光学アレー体の模式図。

【図６】多角台形アレイ体の間隙に黒色塗料を配置した
光学アレー体の模式図。

【図７】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：光学アレー体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、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°以内となるバックライト、裏側偏光板、液晶セ
ル、表側偏光板、及び面方向に周期的構造を有し、かつ
光束拡大機能を有する光学アレイ体が備えられ、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、そして光学アレイ体を通過する液晶表示装置。
【請求項２】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
イのいずれかである請求項１の液晶表示装置。
【請求項３】周期的構造の間隙に光吸収体が配置されて
なる請求項１、２または３の液晶表示装置。
【請求項４】光学アレイ体の周期的構造に対応して、光
学アレイ体の支持体に光吸収体が配置されてなる請求項
１、２または３の液晶表示装置。
【請求項５】バックライトに光源から出射された光の偏
光分離機能が備えられてなる請求項１〜４のいずれか１
項の液晶表示装置。