JP5184240B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、携帯電話やモバイルコンピュータなどの携帯情報機器やデスクトップコンピュータや家庭用テレビなどの大型画像機器に用いられる表示装置に関する。

従来、携帯電話やモバイルコンピュータなどの携帯情報機器に用いられるカラー画像表示装置としては、小型薄型で低消費電力の液晶表示装置が多用されている。また、デスクトップコンピュータや家庭用テレビなどの大型画像機器においても、高精彩で低消費電力の液晶表示装置が急速に普及してきている。

一般に、液晶表示装置は光源としてバックライトを備えている。バックライトとして、光源からの光を導光体の側面から入射して、導光板の上面（以下、出射面と称す）から出射させる、エッジライト方式の照明装置が知られている。光源には冷陰極管等の線光源や発光ダイオード（ＬＥＤ）等の点光源を用い、導光板の出射面とは反対側の面（以下、対向面と称す）には、多数の溝部やドットパターンが形成されている。また、出射面には光を拡散させる効果をもつ拡散パターンが形成されていることが多い。導光体の入光面（すなわち、光源と対向して、光源の光が入光する面）にはプリズムが形成されており、点光源からの光を拡散して面光源化する機能を持つ。この導光板の材料として、空気よりも屈折率の高いポリカーボネート（ＰＣ）やアクリル（ＰＭＭＡ）などの透明樹脂が使用される。また、導光体の出射面側には拡散シートやプリズムシートが配置されるような構成が主流である。さらに、導光体の下部には反射シートが配置される。

また、点光源ではなく、冷陰極管等の線光源を用いたエッジライト方式の照明装置も知られている（例えば、特許文献１を参照）。また、カラーＴＦＴ液晶内部には、ブラックマトリックスやＴＦＴの配線等が存在する。そのため、開口率は１００％ということはありえず、６０〜７０％程度である。低温ポリシリコン液晶であれば開口率は高いが、それでも８０％程度である。
特開平９−２９２５３１号公報（図１、図２）

従来のバックライトの構成では、液晶パネルの開口部分にあたった光は出射することができるが、それ以外のＴＦＴの配線やブラックマトリックスに当たった光は吸収または散乱されてしまう。結果的に、バックライトからの光の利用効率の非常に低い液晶表示装置となってしまう。

上記課題を解決するため、本発明の表示装置は、光源と、光源からの光が入射する入射面と、照明光を出射する出射面と、出射面の反対側の対向面とを有する導光板を備える照明装置の出射面上に表示素子を備える表示装置であって、導光板の対向面に表示素子の開口部（照明光を通過させる部分）に対応させて出射領域を設けることにより、表示素子の開口部のみに照明光が照射される構造とした。

さらに、導光板の対向面に、複数のプリズムを表示素子の開口部と対向する領域内にのみ配置する構成とした。

ここで、プリズムの形状は４面以上の多面体もしくはドーム形状でよい。また、プリズムのサイズを、光源から離れるに従って大きくなるように配置した。あるいは、プリズムの数量が光源から離れるに従って減少するように配置した。

また、プリズムの反射面の角度を、光源からの光の進行方向と平行な面に対して４０°〜５０°とした。あるいは、プリズムの形状を凸形状とし、導光板の対向面の下部へ突起するように配置した。また、プリズムをプリズムの反射面が光源とプリズムパターンを結んだ直線に対して垂直に配置した。

さらに、表示素子の表示面上に拡散層を配置することとした。さらに、導光板と表示素子の間に、表示素子の開口部と対向する部分に透過領域が形成された反射層を設けることとした。

本発明によれば、導光体の出射面は全面が光るわけではなく、表示素子を重ねた際に、表示素子の開口部分と重なるエリアからのみ出射するため、無駄になる光を大幅に削減できた。本発明の構成により、光源の光利用効率の高い表示装置が実現できる。

本発明の表示装置は、バックライト上に表示素子が配置された表示装置であって、表示素子の開口部に合わせてバックライトに出射領域を設け、開口部のみが出射領域から出射した光によって照射される構成とした。バックライトは、光源からの光が入射する入射面と、照明光が出射する出射面と、出射面の反対側の対向面を有している。そして、出射面には、表示素子の開口部に対応した出射領域と、光を出射しない非出射領域が形成されている。すなわち、導光体の出射面は全面が光るわけではなく、出射面の出射領域からのみ照明光が出射される。表示素子の開口部がマトリックス状に配置されている場合には、この出射領域もマトリックス状に配置されている。そして、これらの出射領域の間は光を出射（通過）しない非出射領域となっている。

このように、出射領域のみから照明光を出射させるために、導光板の出射面とは反対側の対向面に、表示素子の開口部と対応するエリアのみに複数のプリズムを配置する構成とした。つまり、導光板の対向面上の、出射領域に対応する領域に複数のプリズムが形成されている。このとき、プリズムが形成される領域、出射面の出射領域、表示素子の開口部の大きさを同じとしても良いし、導光板の厚み、表示素子の厚み、配置関係、プリズムの個々の形状等のいろいろな要因を考慮して大きさを変えて最適化してもよい。

さらに、プリズムを、プリズムの反射面と導光板の対向面との交わる線が光源とプリズムパターンを結んだ直線に対して垂直になるように配列する構成とした。

また、導光板と表示素子の間に、表示素子の開口部に対応する部分に透過領域を持つ反射層を設けることとした。これにより、仮に開口部以外に届いた光が存在したとしても、その光はこの反射層によって導光板側に反射され、再度導光板に入射される。すなわち、開口部以外に照射される光が存在したとしても、この光は表示素子に吸収されることなく導光板に再入光するために、結果的に光の利用効率が向上することとなる。

以下に、本発明の表示装置について、表示素子として液晶パネルを用いた表示装置を例にして、図面を用いて具体的に説明する。

本実施例の表示装置を図１、図２、図７、図８を用いて説明する。図１は本実施例の表示装置の断面図である。図示するように、液晶パネル１３は、ガラス基板５ａと対向基板５ｂの間隙に液晶層８が封入された構成である。ガラス基板５ａ上には下ＩＴＯ７ａとＴＦＴエリア６が形成されており、その上に更に下配向膜９ａが形成されている。一方、対向する対向基板５ｂ上には赤色カラーフィルター１０Ｒと緑色カラーフィルター１０Ｇと青色カラーフィルター１０Ｂが形成されている。これらカラーフィルターの間にはブラックマトリックス１１が形成されている。赤色カラーフィルター１０Ｒと緑色カラーフィルター１０Ｇと青色カラーフィルター１０Ｂとブラックマトリックス１１の形成領域は、平坦化層１４よって平坦化されている。平坦化層１４の表面には、下ＩＴＯ７ａに対向して画素電極を形成する上ＩＴＯ７ｂが設けられている。そして、これらの上ＩＴＯ７ｂの上にも上配向膜９ｂが形成されている。このような表面構造のガラス基板５ａと対向基板５ｂは、成膜面が向き合うようにしてスペーサ１２を介して所定の間隙で接合されている。図示されていないが、この間隙を形成するために、スペーサの内部や、基板間に所定の粒径を持ったビーズを散布する場合が多い。そして、この基板間隙に液晶層８が封入されている。この液晶層８の液晶分子の初期配向は、上下配向膜９ａ、９ｂによって規制されている。ガラス基板５ａ上には下偏光板４ａ，対向基板５ｂ上には上偏光板４ｂが配置されている。液晶パネル１３の画素領域には、ブラックマトリックス１１とＴＦＴエリア６と重なる表示の無効な領域と、表示の有効な領域が設けられており、本実施例では、この表示の有効な領域を開口部とする。なお、この開口部は液晶パネル１３上の各ドットに対応している。

この液晶パネル１３を照明するために照明装置が設けられている。図１では照明装置としてバックライトが用いられている。本実施例ではバックライトの光源１として白色ＬＥＤパッケージを用いている。白色ＬＥＤパッケージは青色ＬＥＤに黄色の蛍光体をポッティングしたタイプである。光源１の前方に、光源１から出光した光を導光する導光板２が配置されている。本実施例では、光源１は点光源であり、サイドビュータイプの白色ＬＥＤを想定しているが、トップビューでも砲弾型でも白色以外の色であってもかまわない。導光板２はゼオノア、ＰＭＭＡ、ＰＣ等の透明樹脂の成形品である。光源１から出光した光は、透明な導光板２の内部を伝播して、導光板２の上表面である光出射面から液晶パネル１３側に照射される。さらに、導光板２の出射面と反対の対向面側に、光照射効率を向上させるための反射板３が設けられている。導光板２の対向面に形成されるプリズムの位置と形状によっては、反射板３を省略することもできる。また、光拡散シートを導光板２と液晶パネルの間に設けてもよい。光拡散シートは表面に微細な凹凸形状が形成されたり、ビーズが塗布されたりしており、これによって光を拡散する機能を備えている。

図２は照明装置の模式図である。導光板２には液晶パネル１３の開口部と対応するエリアにのみ複数のプリズムが配置されている。つまり液晶パネル１３のドットの背部にのみプリズムが配置された構成となっている。液晶パネル１３のブラックマトリックス１１とＴＦＴエリア６に対応するように、導光板２の出射面には非出射領域が形成されている。本実施例では、プリズムは、ピラミッド形状になっている。プリズムの形状は、ピラミッドに限らずドーム状や４面以上の多面体であってもよい。導光板２は液晶パネル１３と両面テープを介して貼りあわされている。液晶パネル１３の開口部間のピッチは、４０〜３００μｍ程度である。また、各プリズムの幅と高さは２〜１０μｍ程度である。従って、ひとつの開口部と対向するエリアには、数１０〜数１０００個のプリズムが配置されている。本実施例では、光源１に近いエリアのプリズムは小さく、離れるに従って大きくなるように構成した。このような構成により、導光板２から出射する光を制御し均一にすることができる。

液晶パネル１３と導光板２は、それぞれアライメントマークが設けられている。カメラ等でアライメントマークを認識し、位置あわせをした後、リムシートと呼ばれる両面テープを介して固定する。両面テープは、導光板２側は白く、液晶パネル１３側は黒いものを使用することが一般的であるが、光源の目玉等の不具合対策のため両面とも黒いものを使用することもある。

図７は本実施例の導光板２の断面を示している。図７を用いてプリズムの作用を説明する。光源１に対向するプリズムの反射面は光源１からの光の進行方向と平行な導光板２の対向面に対して、４０〜５０°の角度を有している。導光体２は透明樹脂であるため一般的に空気よりも高い屈折率を有している。そのため、プリズムに当たった光は全反射し、出射面から垂直に出射する。

また、図８を用いて凸形状のプリズムを用いた場合を説明する。図示するように、図７と異なり、プリズムが凸形状をしており、導光板２の対向面から下方へ突起して形成されている。図７ではプリズムが凹形状をしているため、光源１からの光のうち斜め方向の光は導光板の対向面に当たった後、プリズムにぶつかって出光することとなり、光の利用効率が落ちる。また、射出成形により凹形状のプリズムを作製する場合には、金型を凸形状にする必要があり、作製しづらい。図８で示した凸形状のプリズムのほうが、作製が容易である。

本発明に適用できる照明装置を図３に模式的に示す。実施例１と本実施例ではプリズムが液晶パネル１３の各ドットに対応して配置される点で同じであるが、配置されるプリズムのサイズと数量が異なる。すなわち、実施例１では、液晶パネル１３の各ドットに対応したエリアに配置されるプリズムの数量は同じであるが、光源１からの距離に応じてプリズムのサイズを変化させている。一方、本実施例では、液晶パネル１３の各ドットに対応した各エリアのプリズムのサイズは同じであるが、光源１からの距離に応じて各ドットに配置されるプリズムの数量を変化させている。このような構成により、出射面からの光を均一に制御している。いずれも基本的な考え方は同様であり、光源１に近いエリアに形成されるプリズムの総面積を減らす構成となっている。そのため、本実施例では光源１に近いエリアではプリズムの数が少なく、離れるにしたがって多くなるように構成されている。本発明のような微細パターンを作成する場合、パターンサイズをエリア毎に変更することが困難な場合があり、そのような場合には本実施例のような構成の照明装置が好ましい。

本発明に適用できる照明装置を図４に模式的に示す。本実施例では、光源から照射された光を反射するプリズムの反射面を光の輝線と垂直とした。つまり光源に対向する反射面は光源１とプリズムを結んだ直線に対して垂直である。プリズムの形状がドーナツを個辺にカットしたような略扇形であると、より効率よく光を出光面に導くことができる。

図５に本実施例の表示装置の断面図を示す。前述の実施例と異なる点は、液晶パネル１３の上方に上拡散層１５を配置した点である。液晶パネル１３上に上拡散層１５を設けることにより、出射面からの光を拡散させることとなり、実施例１の構成に比べて、観測者は斜めからみても画像を視認しやすい。上拡散層１５の最も簡単な構成としては、上偏光板４ｂをＡＧ処理したものがある。ただし、拡散の効果が低く、更に外光で反射して白っぽくなってしまう。そこで、拡散ビーズを使用した拡散フィルムやレンズシートのようなフィルムを配置することも考えられる。もしくは、上偏光板４ｂと対向基板５ｂを固定する粘着剤として光拡散性の高い拡散糊を用いることも考えられる。

図６に本実施例の表示装置の断面図を示す。前述の実施例と異なる点は、液晶パネル１３と導光板２の間に穴あき反射シート１６を配置した点である。前述の実施例では、液晶パネル１３の開口部にのみ出光するように導光板２のプリズムの配置や角度やサイズを調整するのであるが、１００％すべての光を任意の方向にそろえることは極めて困難である。一部の光は開口部以外のエリアに向かって出光し、無駄な光となってしまう。そこで、本実施例では、穴あき反射シート１６の穴を液晶パネル１３の開口部に位置あわせして配置することにより、開口部以外に出光した光が導光板内部に戻るようにした。

穴あき反射シート１６は、例えばＰＥＴフィルム等の透明フィルムに銀やアルミニウム等の反射率の高い金属薄膜や誘電鄭多層膜等の反射膜を部分的に蒸着したものである。金属等の完全鏡面である必要はなく、例えば白色インクのような拡散反射体であってもかまわない。穴あき反射シート１６には液晶パネル１３の開口部に対応した透過領域が設けられており、この透過領域には反射膜が蒸着されていない。本実施例ではこの透過領域を穴と表記する。以上のような構成のフィルムを作成するためには、マスキング蒸着やスクリーン印刷やインクジェット印刷、もしくは一度全面に蒸着したのちフォトリソ工程にて反射層をエッチングする手法が考えられる。

また、穴あき反射シート１６は独立部材である必要はなく、穴あき反射層を導光板２の出光面に形成しても同様の効果が得られる。以上のような構成により、更に光利用効率の高い表示装置の提供が可能となる。

本発明による表示装置の断面図である。 本発明に用いる照明装置の模式図である。 本発明に用いる照明装置の模式図である。 本発明に用いる照明装置の模式図である。 本発明による表示装置の断面図である。 本発明による表示装置の断面図である。 本発明に用いる照明装置の断面図である。 本発明に用いる照明装置の断面図である。

符号の説明

１ 光源
２ 導光板
３ 反射板
４ａ 下偏光板
４ｂ 上偏光板
５ａ ガラス基板
５ｂ 対向基板
６ ＴＦＴエリア
７ａ 下ＩＴＯ
７ｂ 上ＩＴＯ
８ 液晶層
９ａ 下配光膜
９ｂ 上配光膜
１０Ｒ 赤色カラーフィルター
１０Ｇ 緑色カラーフィルター
１０Ｂ 青色カラーフィルター
１１ ブラックマトリックス
１２ スペーサ
１３ 液晶パネル
１４ 平坦化層
１５ 上拡散層
１６ 穴あき反射シート

Claims (5)

1. 表示画面に開口領域と遮光領域を有する表示素子と、
   光源と、
   前記光源の発光が入射する入射面と、前記発光を導光して前記表示画面に照明光として出光する出射面と、前記出射面と対向する対向面を有する導光板と、を備える表示装置において、
   前記出射面が、前記開口領域に対応するとともに前記照明光を出射する出射領域と、前記遮光領域に対応するとともに前記照明光が出射されない非出射領域を有し、
   前記対向面には、前記出射領域に対向するエリアのみに複数のプリズムが配置され、
   前記複数のプリズムは、前記出射領域に対向するエリア毎に配置され、
   前記開口領域が前記出射領域から出た光のみによって照明されることを特徴とする表示装置。
2. 前記プリズムは、前記発光を反射する反射面を有し、
   前記反射面は、前記対向面と交差する交線が前記光源と前記プリズムを結んだ直線に対して垂直であり、略扇形状であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記プリズムは、前記発光を反射する反射面を有し、
   前記反射面は、前記対向面に対する傾斜角度が前記光源からの光の進行方向に対して４０〜５０°であることを特徴とする請求項１または２に記載の表示装置。
4. 前記表示素子の表示画面上に拡散層が配置されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の表示装置。
5. 前記導光板と前記表示素子の間に、前記開口領域に対応する開口部を持つ反射層が設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の表示装置。

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