JPH0720466A - 照明装置および液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】偏光分離器を有するエッジライト型バックライ
トに、光均一化手段を設けて、利用効率が高く均一な光
の分布を有する液晶表示装置を得る。 【構成】照光面である透明なアクリル樹脂板導光体３の
一辺に蛍光ランプ１（冷陰極放電管）を密着させ、反射
体からなるランプカバー２を設けて導光体内に光を導入
して、エッジライト型バックライトとし、偏光分離器６
を組み合わせた。導光体３としては、０．５ｍｍピッチ
のプリズムアレイを出射面側に設けたアクリル樹脂製の
透光性導光板（ｎはおおよそ１. ５）を用いた。ここで
プリズムアレイのプリズムの分布密度は、光源から遠ざ
かるにしたがい小さくなるようにされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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、直線偏光入射
光の偏光状態を変調する液晶表示方式を用いた液晶表示
素子の背後に設ける平面状照明装置、およびそれを用い
た直視型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
子を用いた液晶表示装置の技術進歩は目ざましく、ＣＲ
Ｔに劣らぬ表示品位のディスプレイが数多く見られるよ
うになった。

【０００３】白黒表示においては、数年前まで平面照明
装置であるバックライトを用いない反射型液晶表示素子
が主流であったが、現在は白黒表示においてもほとんど
バックライトを用いる透過型液晶表示素子に置き換わっ
ている。また、ノートパソコンが普及段階に入り、バッ
クライト搭載型が市場を席巻するに至った。カラー表示
液晶ディスプレイでは、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、バックライトは直視型液晶表
示装置において必須デバイスとなっている。

【０００４】カラー液晶表示装置は、大別してＴＦＴを
用いたアクティブマトリクス駆動によるＴＮ液晶表示装
置とマルチプレックス駆動のＳＴＮ液晶表示装置との２
方式があり、いずれも液晶層をガラス基板で保持した素
子の光入射側および光出射側に偏光板が装着された構成
となっていて、直線偏光入射光の偏光状態を変調して液
晶表示方式を行うものである。

【０００５】しかし、液晶表示素子入射光の偏光方向は
不揃いでランダム偏光であるため、ＴＮ型およびＳＴＮ
型いずれの液晶素子の場合も表示素子の入射側に装着さ
れた偏光板により入射光のうち半分以上が吸収されてし
まい光利用効率が低く、結果的に暗い表示画面となって
しまった。あるいは、明るくするためには電力消費量が
増加してしまうといった問題があった。

【０００６】バックライトに要求される輝度レベルはそ
の用途によって様々であるが、特にカラーノートパソコ
ンでは要求輝度だけでなく薄型化・軽量化・省電力化
（バッテリー駆動が前提）は至上命題である。

【０００７】平面照明装置を作るには種々の方式がある
が、大別して２種に分類される。一般的に最も多い方式
は内部照光方式あるいは直下型といわれる方式で、光源
が照光面の内側にある方式である。一方、エッジライト
型は光源が照光面の外に配置され、照光面である透明な
アクリル樹脂板などからなる導光体の一辺もしくは二辺
に蛍光ランプ（多くは冷陰極放電管）等の例えば略線状
発光体を密着させ、反射体からなるランプカバーを設け
て導光体内に光を導入する方式である。カラーノートパ
ソコンでは特に薄型化・軽量化をが要求されるため、エ
ッジライト型バックライトが有効である。

【０００８】一方、透過型プロジェクターに液晶表示装
置をその光変調器として使う場合のように装置の奥行き
に対して許容度が大きい場合には、光源ランプの光利用
効率を向上するために、光源ランプと液晶表示装置と間
に無偏光光をお互いに直交する偏光光に分離する偏光分
離器を介在させ、一方の光は偏光分離器を直接出射さ
せ、他方の光は光源ランプに集束させて再び光源光とし
て、使用することが、提案されている（例えば特願平４
−１８４４２９号）。

【０００９】しかし、この方法を、直視型液晶表示装置
について単純に適用したのでは、直視型液晶表示装置の
持つ、薄型でコンパクトという特長を損なうことにな
り、好ましくない面がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】発明者らは、上記の欠
点を解決するために、偏光分離器として多層膜偏光板を
使用することを提案している（特願平４−２９８０２１
号など）。しかし、照明の均一性の点で充分とはいえな
い。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
解決すべくなされたものであり、光源と光源に近接配置
された面状導光体とからなる照明装置において、光源は
面状導光体の側部から光が入射されるように配置されて
いるとともに、面状導光体の光出射側に偏光分離器が配
置された照明装置において、照明装置は偏光分離器と面
状導光体との間に、出射される光の面内強度分布を均一
化する光均一化手段を備えることを特徴とする照明装置
を提供するものである。

【００１２】本発明の偏光分離器は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薄膜構造体である。この場
合、光の干渉効果を利用することもしないことも可能で
ある。干渉効果を利用する場合は、単層薄膜を用いた場
合でもかなりの偏光分離機能を有するが、多層薄膜構造
とする方が偏光分離機能は高い。偏光分離器はその面に
対して、斜めから入射する光に対してｓ偏光とｐ偏光を
分離する機能を有する。本発明において偏光分離機能を
発現するように、偏光分離器は設計して使用される。こ
のような薄膜を有する偏光分離器は、薄く、照明装置の
軽量化の目的に沿ううえ、非光吸収型の特徴を持つた
め、光を効率的に利用できる。

【００１３】偏光分離器の第一の仕様は、光の干渉作用
の少ない充分な厚み（２μｍ以上）を持つ屈折率の異な
る層が複数層積層された積層体である。偏光分離器の第
二の仕様は、光の干渉作用を示すきわめて薄い厚み（少
なくとも１層が０．０５μｍ以上で０．４５μｍ以下程
度）を持つ層が少なくとも１層積層された積層体であ
る。

【００１４】エッジライト型バックライトの導光体から
は全反射条件を回避するように導光体表面の形状を選択
する。この全反射条件を回避する導光体表面の形状に関
して、導光体表面に白色の拡散材を形成する方法と導光
体表面にレンチキュラーあるいはプリズムのフレネル形
状を形成する方法が知られており、２０度から３５度の
方向に光を取り出す。しかしながら、この場合、取り出
される光量が光源からの距離が大きくなるほど、小さい
といった欠点があった。そこで、面状導光体からの光出
射効率が光源から遠ざかるほどよいように、換言すれば
面状導光体から出射される光の面内強度分布を均一化す
る手段を設ける。

【００１５】なお、光均一化手段は面状導光体の両表面
にあってもよく、片側のみにあってもよい。

【００１６】均一化するための光均一化手段の設計は面
状導光体の片側だけに光源を設置するか両側に設置する
かによって大幅に異なる。

【００１７】光均一化手段の１つとしては、光拡散板を
用いることができる。光源が面状導光体の片側にある場
合には光源側の拡散効果が小さく、光源から遠ざかるほ
ど効果が大きい方がよい。もっとも、光源とは相対する
導光体の側面には通常反射手段を設けるので、光源とは
相対する導光体の側面よりも、やや、光源側が拡散効果
が大きい方がよい。光源が面状導光体の両側にある場合
には、中央部の拡散効果が大きい方がよい。

【００１８】拡散効果の制御のためには白色インキを導
光体に網点印刷して網点のサイズや密度を制御するのが
簡単で、効果がある。拡散材の使用は光均一化手段を出
射した光の指向性を損なう可能性が大きく、偏光分離器
がｓ偏光とｐ偏光を分離するのに適したブリュースター
角入射光を減少させる欠点はある。そこで、光の均一化
が拡散板以外の手段で達成されるならば、より好まし
い。

【００１９】また、光均一化手段の１つとしてレンチキ
ュラー形状を面状導光体表面に形成することができる。
光源が面状導光体の片側だけに配置される場合には光源
側の光出射効率が低く、光源とは相対する導光体の側面
よりも、やや、光源側において光出射効率が大きい方が
よい。光源が面状導光体の両側にある場合には、中央部
の光出射効率が大きい方がよい。

【００２０】レンチキュラーレンズの光出射効率を制御
するためには図２に模式的に示すような手段がある。

【００２１】（ａ）は円弧の分布を変えた例を示してい
る。（ｂ）は円弧の高さｈを変えた例を示している。
（ｃ）は円弧の高さと幅を変えた例を示している。
（ｄ）は楕円孤アスペクト比を変えた例を示している。
もちろん、これらを併用してもよい。

【００２２】さらに、光均一化手段として、面状導光体
表面にプリズム形状を形成することができる。光源が面
状導光体の片側だけに配置される場合には、光源側の光
出射効率が低く、光源とは相対する導光体の側面より
も、やや、光源側において光出射効率が大きい方がよ
い。光源が面状導光体の両側にある場合には、中央部の
光出射効率が大きい方がよい。

【００２３】プリズムアレイの光出射効率を制御するた
めには図３に極めて模式的に示すような手段がある。

【００２４】（ａ）はプリズムの分布を変えた例を示し
ている。（ｂ）はプリズムの高さｈを変えた例を示して
いる。もちろん、これらを併用してもよい。さらに、プ
リズムとレンチキュラーレンズを併用してもよい。

【００２５】光均一化手段を出射した光は偏光分離器に
入射する。その入射角度は偏光分離器のｓ偏光とｐ偏光
を分離するのに適したブリュースター角の成分が多くな
るようにレンチキュラーレンズならばその円弧の形状を
プリズムならばその形状を選択する。

【００２６】プリズムやレンチキュラーレンズのピッチ
は大きければ、目だち易く、細かければ製造しにくいの
で、０．１〜１ｍｍの範囲から選択するのがよい。

【００２７】偏光分離器の光出射面側に、出射する光が
面状導光体に対してほぼ直角になるような光偏向手段を
設けて、表示器の観察者に対して表示器からほぼ真正面
に光が取り出されることが好ましい。光偏向手段は、面
状導光体内を出射する光線の平均的光軸を含む面での断
面が三角形状の柱状プリズムをアレイ状に配置した構造
のものが好ましい。光偏向手段の三角形状の柱状プリズ
ムの面状導光体に面する三角形の一角が５０度から７５
度である。

【００２８】こうした構成により、偏光分離器を透過し
たｐ偏光成分は偏光板を透過した後液晶表示素子へ入射
し、ｓ偏光成分は面状導光体内へと反射される。この引
き戻されたｓ偏光成分は面状導光体の表面で反射を繰り
返して導光される際、位相変化が生じ、ｐ偏光成分が生
成され、前記多層構造体を透過しうるようになる。

【００２９】したがって、偏光分離器で反射されたｓ偏
光成分も面状導光体表面で反射を繰り返すにことによっ
てｐ偏光成分に変換される成分が生じ、液晶表示素子へ
と透過する成分に寄与する。その結果、偏光分離器を用
い直線偏光光を取り出すことによる光量ロスはわずか
で、液晶表示素子への光利用効率の高い直線偏光平面光
源として機能する平面状の照明装置が得られる。

【００３０】本発明の液晶表示装置において、エッジラ
イト型平面照明装置に適用した場合について、その構成
図である図１を用いて以下に詳述する。

【００３１】照光面である透明なアクリル樹脂板導光体
３の一辺に導光体側面の長さに対応した発光長を有する
蛍光ランプ１（冷陰極放電管）を密着させ、反射体から
なるランプカバー２を設けてランプ出射光を導光体内に
導入する。このとき、導光体中を伝搬する光の指向性
（角度分布）は、蛍光ランプの配光特性・反射体の集光
特性・導光板の伝搬特性等によって決まる。特に、導光
体の伝搬特性は前述のように、導光体端部より入射した
光を前方に送る機能と、送られた光を所定の方向に出射
する機能を兼ね備えたものでなければならない。

【００３２】前者の機能は使用する材料および界面反射
特性に応じて決まり、導光体３の液晶表示素子１２側に
おいては導光体３の屈折率によって定まる全反射角θ_c
以上の入射角の光が全反射されて導光体３内を伝搬し、
全反射角θ_c 以下の入射角の光が導光体３の表面で屈折
し液晶表示素子１２側に出射される。例えば、空気（ｎ
＝１. ０）と透明樹脂、例えばアクリル、ポリカーボネ
ート、ポリウレタン、ポリスチレン等のようなプラスチ
ック（ｎはおおよそ１. ５）の界面における全反射角θ
_c は、

【００３３】

【数１】θ_c ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ）＝４１. ８゜

【００３４】であり、入射角が４１. ８゜以下の入射光
が導光体３の照光面より出射することができる。

【００３５】一方、導光体の液晶表示素子と反対の面に
おいては、アルミニウムや銀反射面等の反射面５を形成
しておけば反射光は正規反射光として導光体内を導光さ
れる。なお、反射面５は導光体３の液晶表示素子１２側
面での出射光を増大させるために拡散反射面としてもよ
い。

【００３６】一方、導光体３への光の入射角が全反射角
θ_c 以上の場合が大半であると導光体から出射される光
がわずかとなってしまうため、全反射条件を回避し導光
板３の液晶表示素子１２側に出射させる機能が必要とな
る。その手段として、導光体３の表面に白色の光拡散材
を形成する方法や導光体表面にレンチキュラーあるいは
プリズムのフレネル形状（マイクロレンズアレイ、プリ
ズムアレイ等）を形成する方法がある。本発明では前述
のようなフレネル形状、レンチキュラー形状を調整する
ことにより光均一化する。

【００３７】このような光均一化手段１１を導光体とは
別に設置してもよいが、一般には導光体と一体化してい
ることが、部品点数を少なくする観点から好ましい。こ
こでは図３（ａ）に模式的に示すようなほぼプリズムア
レイの光出射効率を制御するためプリズムの分布を変え
ている。

【００３８】光均一化手段１１を出射した光は偏光分離
器６に対してほぼブリュースタ角で入射する。

【００３９】偏光分離器６は光の干渉効果を利用したま
たは利用しない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
る多層薄膜構造体である。多層薄膜構造体はその面に対
して、斜めから入射する光に対して偏光分離する機能を
有する。本発明の例では偏光分離器は１ｍｍ厚みのガラ
スの両面に１/ ４波長のＴｉＯ₂ をスパッタリングで付
着して製造した。

【００４０】エッジライト型バックライトにおいて、上
述のように導光体を伝搬し出射した光の指向性は、液晶
表示素子の観測者の視野角すなわち液晶表示素子面の垂
直方向にはない。偏光分離器の多層膜構造体に対して、
２０から３５度の角度で入射する。このように、片寄っ
た配光分布を有する平面照明装置の配光分布を照光面の
垂直方向に変換する場合、レンチキュラーあるいはプリ
ズムのフレネル形状（マイクロレンズアレイ、プリズム
アレイ等）を形成することが有効である。

【００４１】図１では、断面形状が頂角６５゜の２等辺
三角形のプリズムアレイを用い、頂角が偏光分離器６に
面するように配置している。このようなプリズムアレイ
７を用いることにより、プリズム底面から液晶表示素子
側に垂直入射方向に対応して出射される。したがって、
このようなプリズムアレイ７を用いることにより、光の
配光方位を液晶表示素子面に垂直方向の配光方位に変換
することができる。

【００４２】このようにして、液晶表示素子を垂直配光
方位で照光する直線偏光平面照明装置が得られる。導光
体中を伝搬する光の指向性が高く、結果的に平面照明装
置から出射される光の配光方位分布が垂直方向に集中
し、明るい表示に対応した視野角の範囲が狭くなる場合
がある。このようなときには、液晶表示素子と上述のプ
リズムアレイ７等の偏向手段との間に、指向性を劣化さ
せる拡散板８等の光学素子を配置することができる。

【００４３】また、導光体内を伝搬する光の指向性を劣
化させるために、導光体の液晶表示素子と反対側面に形
成された反射面５を拡散面としてもよい。また、多層構
造体自体をその構造体界面で光散乱も生じるように微細
な凹凸構造を有するものとしてもよい。

【００４４】本発明において直線偏光光を効率よく平面
平面照明装置から得るためには、多層構造体において反
射され導光体内に引き戻されたｓ偏光成分を、導光体内
を伝搬中に効率良くｐ偏光光に変換し再利用することが
重要である。このｓ偏光光をｐ偏光光に変換する方法は
種々存在するが、以下に代表例を記す。

【００４５】一般に、金属面に直線偏光光が斜入射し反
射された場合、直線偏光光は金属の光学物性定数（屈折
率ｎ、吸収係数ｋ）に応じて楕円偏光光となることが知
られている。すなわち、ｓ偏光光が入射しても反射光に
はｐ偏光成分が生成される。したがって、本発明におい
て導光体３の液晶表示素子１２と反対側の面に形成され
た反射面５がアルミニウム等の金属である場合、この反
射面で反射されるたびにｓ偏光光の一部がｐ偏光光に変
換される。

【００４６】別な方法として、偏光軸方向を回転させる
素子として透光性高分子材料からなる位相差板が知られ
ている。適当な膜厚を有するこの位相差板４を導光体３
の反射面５との間に配置することにより、偏光分離器に
より反射されたｓ偏光光は楕円偏光になりその一部をｐ
偏光光に変換することができる。図１は、この１／４波
長位相差板４を導光体３に設けた反射面５上に密着させ
て効率よく偏光変換を行う構成例を示す。

【００４７】また、以上の説明では導光体に使用する透
明樹脂としてアクリルを用いた場合を記したが、ポリカ
ーボネート、ポリウレタン、ポリスチレン、シリコーン
等でもかまわない。

【００４８】

【実施例】図１を参照しながら、本発明の実施例につい
て説明する。照光面である透明なアクリル樹脂板導光体
３の一辺に蛍光ランプ１（冷陰極放電管）を密着させ、
反射体からなるランプカバー２を設けて導光体内に光を
導入し、エッジライト型バックライトとして、偏光分離
器６を組み合わせた。

【００４９】蛍光ランプ１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１０Ｗとの冷陰極放電管を使用した。また、ラン
プカバー２としては、冷陰極放電管をを包み込むような
円筒形あるいは楕円筒形の反射鏡を用いた。導光体３と
しては、図３（ａ）に模式的に示すように、０．５ｍｍ
ピッチのプリズムアレイを出射面側に設けたものとし
た。導光体３としては、アクリル樹脂製の透光性導光板
（ｎはおおよそ１. ５）を用い、大きさは１６０ｍｍ×
２２０ｍｍ×５ｍｍとした。また、出射光量を均一化す
るために、図３（ａ）に模式的に示すように、プリズム
アレイのプリズムの分布密度を光源から遠ざかるにした
がい小さくなるようにした。偏光分離器は６は１ｍｍ厚
みのガラスの両面に１/ ４波長のＴｉＯ₂ をスパッタリ
ングで付着して製造した。

【００５０】また、導光体３の裏面および蛍光ランプ設
置面に対向する導光体側面に１／４波長位相差板４を設
け、その上にＡｌ金属反射膜からなる反射面を形成し
た。

【００５１】また、プリズムアレイ７として、断面形状
が頂角６５゜の２等辺三角形のプリズムアレイを用い、
頂角が偏光分離器６に面するように配置した。プリズム
アレイ板の厚さは２ｍｍでプリズムアレイのピッチは約
０．５ｍｍとした。

【００５２】さらに、拡散板８を、視野角を広げるため
に用いた。

【００５３】液晶表示素子１２としては、ＴＦＴ駆動の
ＴＮ液晶であって、ＶＧＡ対応画素数を有するＲＧＢカ
ラーＴＦＴ駆動ＴＮ液晶表示セルを用いた。

【００５４】偏光分離器６の出射光の偏光軸と液晶表示
素子１２の偏光板９の偏光軸とを一致させた。

【００５５】出射側偏光板１０も同様に光吸収型有機偏
光板を用いた。偏光軸の向きは表示モード（ノーマリホ
ワイト、ノーマリブラック）によって適宜選ばれるが、
本実施例では、ノーマリホワイト表示とし、入射側面の
偏光板９の偏光軸に対して９０゜偏光軸が回転した方向
に出射側面の偏光板１０の偏光軸をとった。

【００５６】比較例として、位相差板４と偏光分離器６
を使用しない場合を行った結果、実施例の方が比較例よ
りも明るさが１．５倍大きかった。また別の比較例とし
てプリズムアレイに分布を設けない導光板を用いたが、
全体としての明るさは変わらないものの光源に近い部分
はより明るく、離れるにしたがって暗かった。

【００５７】

【発明の効果】本発明により、光の利用効率の高く均一
な光の分布を有する液晶表示装置と、それに適した照明
装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示した断面図

【図２】本発明の実施態様の１例を示した断面図

【図３】本発明の実施態様の他の例を示した断面図

【符号の説明】

１：蛍光ランプ ２：ランプカバー ３：導光体 ４：位相差板 ５：反射面 ６：偏光分離器 ７：プリズムアレイ ８：拡散板 ９：偏光板 １０：偏光板 １１：光均一化手段 １２：液晶表示素子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と光源に近接配置された面状導光体と
   からなる照明装置において、光源は面状導光体の側部か
   ら光が入射されるように配置されているとともに、面状
   導光体の光出射側に偏光分離器が配置された照明装置に
   おいて、照明装置は偏光分離器と面状導光体との間に、
   出射される光の面内強度分布を均一化する光均一化手段
   を備えることを特徴とする照明装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の照明装置において、光均一
   化手段は、白色の拡散材、レンチキュラーあるいはプリ
   ズムのアレイから選択されることを特徴とする照明装
   置。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２記載の照明装置
   を、照明装置を出射した光線の平均的な偏光軸と液晶表
   示素子における光入射側の偏光板の偏光軸とが略一致す
   るようにして、液晶表示素子の背面に配置したことを特
   徴とする液晶表示装置。