(57)【要約】【課題】  前面板に蛍光体を用いた場合の前面板からの光取り出し率の向上を図り、外光によって発生する不要な反射を防止することのできる液晶表示装置を提供すること。【解決手段】  コリメート性の青色光源と光シャッタと前面板を積層して構成し、前記前面板には青色光源光を赤色に変換する赤色蛍光体層と、青色光源光を緑色に変換する緑色蛍光体層と、青色光源光を散乱する光散乱層を備え、前記光シャッタには独立制御される複数の画素を有し、前記前面板上に蛍光体層若しくは光散乱層を前記光シャッタの画素に一対一に対応して設け、光源光を前記光シャッタ上の画素を通じて蛍光体層又は光散乱層に集光させる表示素子において，前記前面板に前記蛍光体層および光散乱層で生じた散乱光を使用者側に向かわせるための光取り出し構造を設け、前記光取り出し構造を前記前面板の平面に対して傾斜した反射板によって構成する。【選択図】  図１
2010066437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コリメート性の青色光源と光シャッタと前面板を積層して構成し、
前記前面板には青色光源光を赤色に変換する赤色蛍光体層と、青色光源光を緑色に変換する緑色蛍光体層と、青色光源光を散乱する光散乱層を備え、
前記光シャッタには独立制御される複数の画素を有し、
前記前面板上に蛍光体層若しくは光散乱層を前記光シャッタの画素に一対一に対応して設け、
光源光を前記光シャッタ上の画素を通じて蛍光体層又は光散乱層に集光させる液晶表示装置において，
前記前面板に前記蛍光体層および光散乱層で生じた散乱光を使用者側に向かわせるための光取り出し構造を設け、
前記光取り出し構造を前記前面板の平面に対して傾斜した反射板によって構成することを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
前記光取り出し構造は，
錐状構造の頂点近傍を除いた斜面上に分布した反射体であり，
前記錐状構造は，
頂点を光源側に向けて配置され、
前記光散乱層若しくは蛍光層は，
反射体の内側に形成されてなり，
前記光源光を前記錐状構造の頂点近傍を通して前記光散乱層若しくは蛍光層に照射することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項３】
前記光取り出し構造は，
第一の反射体と第二の反射体からなり、第一の反射体は錐状構造の頂点近傍を除いた斜面上に分布しており，
前記錐状構造は，
頂点を光源側に向けて配置されており，
前記第二の反射体は，
前記錐状構造の底辺側に配置されており，
前記第二の反射体の光源に近接する側には，
前記光散乱層若しくは蛍光層が積層されており，
前記光源光を前記錐状構造の頂点近傍を通して前記光散乱層若しくは蛍光層に照射することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記錐状構造は，
円錐である請求項２又は３に記載の液晶表示装置。
【請求項５】
前記錐状構造は，
楕円錐である請求項２又は３に記載の液晶表示装置。
【請求項６】
前記錐状構造の傾斜角は，
前面板表面における全反射角よりも小さく形成したものである請求項２又は３に記載の液晶表示装置。
【請求項７】
前記光シャッタは，
液晶表示素子である請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項８】
前記液晶表示素子は，
第一の基板と、第二の基板と、第一の偏光板と、第二の偏光板と、前記第一の基板と第二の基板間に挟持された液晶層からなり、
前記第一の基板または前記第二の基板間の液晶層に近接する面上の表示部に一対の画素電極と共通電極を有し、
第一の偏光板と第二の偏光板は第一の基板と第二の基板の上下に積層したものである請求項７に記載の液晶表示装置。
【請求項９】
前記前面板に円偏光板を備え、該円偏光板は，
前記光取り出し構造よりも使用者に近接して配置されたものである請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項１０】
マイクロレンズアレイを用いて前記光源光を前記前面板上の蛍光体層または光散乱層に集光することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項１１】
マイクロレンズアレイを前記光シャッタと前記前面板の間に配置したものである請求項１０に記載の液晶表示装置。
【請求項１２】
前記マイクロレンズアレイを前記光シャッタと青色光源の間に配置したものである請求項１０に記載の液晶表示装置。
【請求項１３】
前記前面板上において前記光取り出し構造の存在しない部分に光吸収体層を配置したものである請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項１４】
青色カラーフィルタを前記光シャッタと前記前面板の間に配置したことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項１５】
前記光源光を通過し、かつ蛍光を使用者側に反射する干渉膜を前記光シャッタと前記前面板の間に配置したことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項１６】
前記蛍光体層は，
前記蛍光体層に入射する光源光量が最大となる時に前記光源光を完全に吸収するものである請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項１７】
前記楕円錐である錐状構造の長軸は，
長方形の表示面の長辺に平行である請求項５に記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯型情報機器の通信速度は、高速化が図られ、今後も高速化が進み、より大容量の画像情報やよりコマ数の多い動画が携帯型情報機器でも取り扱われることが予測されている。このため、インターフェイスである表示装置においても、今まで以上の高画質化と大画面化が要求される。
これらの携帯型情報機器に用いられる表示装置には、各種の液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス表示装置がある。特に後者においては、色再現範囲が広く、広視野角で高コントラスト比の表示が得られる。また、液晶表示装置においては、既存の製造設備を利用して、大量に、安定して供給することが可能である。
【０００３】
現在市販されている一般的な液晶表示装置においては、画面にカラー表示を行う際に、白色光源とカラーフィルタの組合せを用いて行っている。
このカラーフィルタは、白色光源の光を波長選択してその一部を吸収することにより色表示を行っているため、低透過率であり、光源光の利用効率が低くなっている。特に、液晶表示装置によって有機エレクトロルミネッセンス表示装置と同等の広い色再現範囲を得ようとすると、カラーフィルタは、より一層低透過率となり、光源光の利用効率も格段に低下する。
【０００４】
従来、液晶表示装置の前面に蛍光体と散乱体を配置し、偏光コリメート光源の青色光の一部を青表示に用い、かつその一部を蛍光体で赤と緑に色変換して表示を行う方法が開示されている（例えば、特許文献１、参照。）。
この特許文献１は、蛍光を直接利用するため、有機エレクトロルミネッセンス表示装置と同じ程度に色再現範囲が広いという特徴を有している。また、この特許文献１は、光吸収を利用しないため、現在市販されている一般的な液晶表示装置に比較して光源光の利用効率が高いという特徴を有している。
【特許文献１】特開２０００−１３１６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、蛍光は、発光域から等方的に広がる性質を有している。この蛍光を用いた液晶表示装置の場合、等方的に広がる光のうち前面板の前方に出射する光は、前面板表面における全反射角以下の出射角度成分だけである。
いま、蛍光が球面状に広がるものと仮定すると、前面板を含む面内で生じた蛍光は、前面板表面における全反射角の２倍を頂角とする円錐内の成分のみが前面板の前方に出射する。
【０００６】
円錐内の成分以外の残りの成分は、前面板の後方より出射するか、あるいはまた前面板の面内において多重反射を繰り返すことになる。そのため、光源光を、吸収されずに高い効率で蛍光に変換できたとしても、その高い効率で変換された蛍光の大部分は、前方に取り出して表示に利用することができない。
【０００７】
また、蛍光体を光シャッタの前面に置くと、外光が蛍光体に直接入射する。外光の波長域が蛍光の励起波長域を含めば、外光によって蛍光が発生する。蛍光の励起波長域にない外光成分も、蛍光体により散乱される。これらの光は、光シャッタによる画像信号を反映した制御を受けないため、不要反射となり画像を劣化させる。
具体的には、コントラスト比や色再現範囲を低下させる。携帯型情報機器は、屋内のみならず屋外で使用する場合もあるが、蛍光の励起波長域にある外光によって発生する蛍光およひ蛍光の励起波長域にない外光成分の散乱といった不要反射は、明るい環境でとりわけ多く発生するのため、屋外使用時において特に画像の劣化が生じる。
【０００８】
本発明は、前面板に蛍光体を用いた場合の前面板からの光取り出し率の向上を図り、外光によって発生する不要な反射を防止することのできる液晶表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、
コリメート性の青色光源と光シャッタと前面板を積層して構成し、
前記前面板には青色光源光を赤色に変換する赤色蛍光体層と、青色光源光を緑色に変換する緑色蛍光体層と、青色光源光を散乱する光散乱層を備え、
前記光シャッタには独立制御される複数の画素を有し、
前記前面板上に蛍光体層若しくは光散乱層を前記光シャッタの画素に一対一に対応して設け、
光源光を前記光シャッタ上の画素を通じて蛍光体層又は光散乱層に集光させる表示素子において，
前記前面板に前記蛍光体層および光散乱層で生じた散乱光を使用者側に向かわせるための光取り出し構造を設け、
前記光取り出し構造を前記前面板の平面に対して傾斜した反射板によって構成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光源光の利用効率の高い蛍光体を前面板に配置した表示素子における蛍光の光取り出し効率を向上することができ、高効率の表示素子を得ることができる。
また、本発明によれば、蛍光体による不要な反射を低減することができ、良好な屋外視認性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
《第１の実施形態》
以下、本発明を実施するための第１の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【００１２】
図１は、表示装置の画素を３つ含む断面図、図２は、図１から光散乱体と画素電極とマイクロレンズアレイを抜き出し、それぞれの平面分布と３者の相互関係を示す図である。
【００１３】
図１には、本発明に係る表示装置の画素を３つ含む断面が模式的に示されている。
図１において、表示装置は、主に前面板と光シャッタとコリメート光源と集光手段によって構成されている。この表示装置においては、前面板と光シャッタとコリメート光源と集光手段が、前面板、光シャッタ、コリメート光源の順番で積層されている。
【００１４】
図２は、図１における光散乱体と画素電極とマイクロレンズアレイＭＬＡを抜き出し、それぞれの平面分布と３者の相互関係を示している。
図２に示すように、前面板は、拡散光を発生する複数の光散乱体をマトリクス状に有している。そして、この光散乱体は、青色の光を赤色に変換する赤色蛍光体ＲＦ、青色の光を緑色に変換する緑色蛍光体ＧＦ、青色のコリメート光を散乱する青色光散乱体ＢＤから構成されている。
【００１５】
まず、はじめに、本発明に係る表示装置の動作原理の概略を説明する。
図２に示すように、光シャッタは、画像信号に応じて独立に制御可能な複数の画素をマトリクス状に備えている。
コリメート光源ＢＬＳは、青色の発光ダイオードを単数または複数有し、発光ダイオードの光を面状のコリメート光に変換するための導光体を有している。
図１中の矢印は、コリメート光源を出射した後の光路を示すが、コリメート光源の発した青色光は、集光手段によって前面板上の光散乱体に集光され、この過程で光シャッタを通過して画像信号に対応した強度変調を受ける。
図２の透視図に示したように、個々の画素と光散乱体は一対一に対応し、一つの画素を通過した光源光はこれに対応する光散乱体にのみ入射するので、光散乱体で生じる散乱光も画像信号に対応した強度変調を受ける。
【００１６】
コリメート光源ＢＬＳの発した青色光は専ら法線方向、若しくはこれに近い一定の方向で光シャッタを通過する。したがって、光シャッタは、広い視角特性を必要とせず、青色光が通過する方向でのみ高いコントラスト比と階調表示特性を示すことが要求される。また、光シャッタは可視波長領域の全域ではなく、青色光の波長域でのみ高いコントラスト比と階調表示特性を満足すればよい。
【００１７】
次に、本発明を構成する各要素の詳細について説明する。
本実施例では光シャッタに液晶表示素子を用いている。この液晶表示素子は、主に第一の基板ＳＵ１と第二の基板ＳＵ２と液晶層ＬＣからなり、第一の基板ＳＵ１と第二の基板ＳＵ２は、液晶層ＬＣを狭持する。第一の基板ＳＵ１は、厚さ約０．４ｍｍのホウケイサンガラス製であり、液晶層ＬＣに近接する側より第一の配向膜ＡＬ１と共通電極を順次積層されている。第一の配向膜ＡＬ１はポリイミド系の有機高分子膜であり、近接する液晶層ＬＣに約３度のプレチルト角を付与する水平配向膜である。
共通電極は、透明性と導電性に優れたＩＴＯ（Indium Tin Oxide）であり、層厚は、８０ｎｍである。この共通電極は、光シャッタ内の全画素に及ぶように分布する。
【００１８】
第二の基板ＳＵ２は、第一の基板ＳＵ１と同様にホウケイサンガラス製であり、液晶層ＬＣに近接する側より順に、第二の配向膜ＡＬ２、画素電極、第一の絶縁膜、薄膜トランジスタ、信号配線ＳＬ、第二の絶縁膜、走査配線ＧＬ、共通配線を備える。
第二の配向膜ＡＬ２は、第一の配向膜ＡＬ１と同様の水平配向膜である。画素電極は、共通電極と同様に層厚が８０ｎｍのＩＴＯである。第一の絶縁膜は、画素電極と信号配線ＳＬを絶縁しており、第二の絶縁膜は、信号配線ＳＬと走査配線ＧＬ、共通配線を絶縁しており、いずれも厚さ５００ｎｍの窒化珪素（ＳｉＮ）製である。
共通配線は、走査配線ＧＬと平行に走り、かつ走査配線ＧＬと同層である。共通配線は、法線方向から観察して画素電極と重畳する部分を有し、保持容量を形成する。
【００１９】
信号配線ＳＬと走査配線ＧＬは互いに交差しており、交差部の近傍には薄膜トランジスタを有し、画素電極と一対一に対応している。画素電極には、薄膜トランジスタとコンタクトホールを介して信号配線ＳＬより画像信号に対応した電位が付与され、薄膜トランジスタ動作は、走査配線ＧＬの走査信号により制御される。
薄膜トランジスタのチャネル部は、アモルファスシリコン層から成り、これ以外にもより移動度の高いポリシリコン層でチャネル部を形成しても良い。
図２に示すように、各画素の平面形状は、概略正方形状であり、画素配列は、近接する画素列が半画素ずつシフトして配列した千鳥配列としてある。
【００２０】
液晶層ＬＣは液晶材料とカイラル材の混合物であり、液晶材料は、誘電率異方性が正で室温を含む広い温度範囲でネマチック相を示す。また、カイラル材は、不斉中心を有する旋光性物質であり、液晶層ＬＣの捩れ配向を安定化させる。
液晶材料の示す高抵抗と保持容量の機能により、薄膜トランジスタがオフとなる保持期間中における液晶層ＬＣの電圧低下を防いでいる。第一の配向膜ＡＬ１と第二の配向膜ＡＬ２にラビング法で配向処理を施した後に、第一の基板ＳＵ１と第二の基板ＳＵ２を組み立て、両者の間隙は、第一の基板ＳＵ１側に配置した概略円柱状のポストスペーサで均一に維持する。前記間隙に液晶材料とカイラル材の混合物を真空封入して、捩れ角が９０度の捩れ配向の液晶層ＬＣとする。
【００２１】
第一の基板ＳＵ１と第二の基板ＳＵ２の外側には、第一の偏光板ＰＬ１と第二の偏光板ＰＬ２を配置し、第一の偏光板ＰＬ１と第二の偏光板ＰＬ２はヨウ素系色素を含み、その２色性により自然光を高偏光度の直線偏光に変換する。第一の偏光板ＰＬ１と第二の偏光板ＰＬ２はその吸収軸が平面法線方向から観察して互いに直交するように配置し、かつ第一の偏光板ＰＬ１の吸収軸は近接する第一の配向膜ＡＬ１にける液晶配向方向に平行にする。
以上によって、ツイステッドネマチック型の液晶表示素子とした。ツイステッドネマチック型の液晶表示素子は、電圧無印加時に透過率が最大になり、印加電圧増大と共に透過率の減少するノーマリオープン型の透過率−電圧特性を示す。
【００２２】
コリメート光源ＢＬＳは、主に発光ダイオードＬＳと導光板ＬＧとプリズムシートＰＳから構成される。発光ダイオードＬＳは、窒化ガリウム系の青色発光ダイオードＢＬＳであり、波長４６０ｎｍを中心とした半値幅約３０〜４０ｎｍの輝線状の発光スペクトルを示すものである。
導光板ＬＧは、透明性と耐候性の高いポリカーボネート系有機高分子からなり、導光板ＬＧの側面の一箇所に発光ダイオードＬＳを備えている。発光ダイオードＬＳの位置を側面の一箇所に限定したことにより、発光ダイオードＬＳを点光源とみなせば導光板ＬＧの底部の任意の点に到達する発光ダイオードＬＳ光の方位と角度は一義的に定まる。
【００２３】
これより、導光板ＬＧと空気の界面が全反射条件を満足するように各点における導光板ＬＧ底部の角度を決定すれば、導光板ＬＧの内部を伝播する発光ダイオードＬＳ光を高効率で導光板ＬＧの外側に取り出すことが出来る。その結果として、導光板ＬＧ底部の構造は、発光ダイオードを中心とした同心円状の溝構造になる。
この時、導光板ＬＧの面外に出た光の進行方向は導光板ＬＧの法線方向に対して平行ではなく、かつその方位は、発光ダイオードＬＳを中心として放射状に分布する。その方向を法線方向に向けるため、導光体の上部に傾斜面を導光体側に向けてプリズムシートＰＳを配置する。
【００２４】
プリズムシートＰＳの溝もまた、発光ダイオードを中心とした同心円状になる。導光体をその発光面の法線方向から観察すると概略長方形であるが、導光板ＬＧ側面における発光ダイオードＬＳの位置は長方形の一辺の中心であってもよく、頂点の一つであっても良い。
このような構成のコリメート光源ＢＬＳは、コリメート性が極めて高く、その光の角度分布を評価すると、方位によっては半値幅が５度以下になる。これを法線方向から直接観察すると左右の眼で観察される輝度が著しく異なり、斜め方向から直接観察すると発光面の輝度の均一性が著しく低下するため実用的でないが、本実施例のように光散乱体と併用するとこれらの欠点が解消されて実用可能になる。
【００２５】
前面板は、第三の基板ＳＵ３とその面上に備えた光取り出し構造と光散乱体から主に構成される。
光取り出し構造は、高反射率のアルミ膜であり、第三の基板ＳＵ３の平面に対して傾いた反射面を有する。立体的に見ると光取り出し構造の反射面は、円錐の一部をなし、円錐の頂点近傍を除いた斜面上に分布している。
円錐の頂点近傍は、光取り出し構造が分布しないため透明であり、すなわち、コリメートバックライト光が光取り出し構造の内側に入るための光入射部である。光取り出し構造が作る円錐の頂点は光シャッタ側を向いている。
【００２６】
光取り出し構造の内側、すなわち、円錐状構造の内部には光散乱体を備える。光散乱体は、赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦと青色光散乱体ＢＤから構成されている。この光散乱体の平面分布は、光シャッタの画素と同様に千鳥配置である。
赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦは、青色発光ダイオードＢＬＳの発光波長域に吸収を示し各色の蛍光を発する蛍光材料を分散した透明樹脂であり、青色光散乱体ＢＤはチタン酸バリウムなどの高屈折率粒体を分散した透明樹脂である。
【００２７】
集光手段は、マイクロレンズアレイＭＬＡであり、光シャッタの第二の偏光板ＰＬ２上に形成する。このマイクロレンズアレイＭＬＡは、光重合性の低分子溶液を印刷法で第二の偏光板ＰＬ２上に塗布する。
塗布開始時には、マイクロレンズＭＬと画素の位置を合わせ、マイクロレンズＭＬを通過した光が対応する画素を通過するようにする。塗布時に光重合性の低分子溶液は、メニスカスを形成するが、その形状は、前記溶液の表面張力と粘性、さらには、第二の偏光板ＰＬ２の表面張力で決定される。これらの要因を最適化して、光源のコリメート光を入射部に集光するのに好適なメニスカス形状とする。
【００２８】
これに紫外線を照射して光重合性低分子を重合させ、溶液を除いて固体化する。個々のマイクロレンズＭＬは、平面形状が円状で、断面形状は凸状であり、マイクロレンズアレイＭＬＡの平面分布は千鳥配置である。
すなわちマイクロレンズアレイＭＬＡと光シャッタの画素と前面板の光散乱体の３者はいずれも千鳥配置であり、図２にその内の一組を破線で結んで示したように互いに一対一に対応している。任意のマイクロレンズを通過したコリメート光源ＢＬＳ光は、光束の断面積を狭めながらこれと対を成す画素を通過して、さらには、これと対を成す光散乱体の光入射部に集光する。
【００２９】
図３には、蛍光体の内部で発生した蛍光の光路が示されている。
蛍光体は、空気中に浮いて存在しているわけではなく、表示装置に用いる際には空気層よりも大きい屈折率を示す何らかの層内に埋め込まれている。
赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦは、青色発光ダイオードＢＬＳの光を吸収し、赤色と緑色の蛍光を発光するが、その際に蛍光は全ての方向に均一に発光する。いま、各蛍光体の屈折率を１．５とすると、空気界面での全反射角ＴＲＡはおよそ４２度になる。
極角が全反射角ＴＲＡ以下の成分は、図３（ａ）に示すように、前方出射成分ＦＬ若しくは後方出射成分ＲＬになり、前面板の外側に向かうものの、これ以外の成分は層内伝播成分ＴＬになり層内を多重反射することになる。
【００３０】
図３（ａ）に示した断面図を立体的に示したのが、図３（ｂ）であある。この図３（ｂ）では、蛍光の光路を示す矢印は省略してある。図３（ｂ）から、前方出射成分ＦＬと後方出射成分ＲＬは、頂角が８４度の円錐内に分布し、これ以外の層内伝播成分ＴＬが大多数を占めることがわかる。
本実施例においては、各蛍光体の周囲に光取り出し構造を配置したことにより、その傾いた反射面で層内伝播成分ＴＬを反射して前面板の外側に向かわせることができ、光利用効率を大幅に向上できる。また、青色光拡散体ＢＤは、コリメート性の高い光源光を等方的に散乱し、光取り出し構造でこれを反射して前面板の外側に向かわせる。散乱特性を最適化することにより、赤色蛍光体ＲＦ、緑色蛍光体ＧＦと同様の視角特性にすることができる。
【００３１】
赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦは、励起光である青色光を蛍光に変換するものである。しかし、もし青色光のうちの一部が吸収されずにこれらを通過することになると、表示色が青味がかり、色再現範囲が縮小することになる。
赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦ内部に分散されている蛍光体濃度が十分に小さい場合には、励起光である青色光の吸収率はLambert−Beerの法則で表され、青色光の強度には依存しない。実際の蛍光体濃度は高く、Lambert−Beerの法則が適用される範囲を超えている。
この場合に青色光は、蛍光体による再吸収と励起分子間の励起移動を受け、透過成分も蛍光体粒子と樹脂界面による散乱を受ける。そのため、吸収率は何らかの逐次解析法で求めることになり、解析的には求められない。青色光が蛍光体内に浸透する深さは浸透長と呼ばれている。青色光の輝度が増大するほど浸透長が増大するので、青色光が最大輝度の時に蛍光体の層厚が浸透長よりも厚ければよい。
少なくとも、青色光が最大輝度の場合にこれを完全に吸収する量の蛍光体粒子を充填してあれば、青色光がこれ以下の強度の場合にも完全に吸収できるので、十分な蛍光体の量は実験的に求めることができる。
なお、青色光散乱体と赤色蛍光体、緑色蛍光体は発光ダイオードから離れて存在するため、その発熱に影響されて吸収率が低下することはない。
【００３２】
青色光の輝度が増大するほど浸透長が増大するので、青色光の到達範囲内に存在する蛍光体の総量も増大する。そのため、蛍光強度は青色光輝度に比例せず、蛍光強度の増大につれてより急速に増大する非線形効果が得られる。
この非線形効果により、蛍光の示すコントラスト比は光シャッタのコントラスト比よりも大きくなる。これを利用すれば、光シャッタである液晶表示素子を上回る高コントラスト比の表示が可能になる。
あるいはまた、より低コントラスト比の光シャッタを利用して充分なコントラスト比の表示が可能になる。例えば、より偏光度の低い偏光板が利用可能になる。前述のヨウ素系色素を含む偏光板では、偏光度を向上するほど透過率が減少する傾向にあり、偏光度と透過率はトレードオフの関係にある。
蛍光発光の非線形性を利用すればより偏光度の低い偏光板でも充分なコントラスト比が得られ、この時液晶表示素子における透過率が向上することから、より高輝度の表示が得られる。
【００３３】
光取り出し構造と光散乱体は、第三の基板ＳＵ３の光シャッタに近接する面上に形成しても良く、第三の基板ＳＵ３の光シャッタから離れた面上に形成しても良い。また、光シャッタに対して反対側となる第三の基板の面上に形成しても良い。
それぞれの場合について、光取り出し構造と蛍光体と光散乱体の形成方法を以下に説明する。
図２０は第三の基板の光シャッタに近接する面上に光取り出し構造と蛍光体と光散乱体を形成する手順を示す図である。
まずはじめに、各蛍光体と散乱体を分散したレジストを順次成膜して、フォトリソグラフにより平面形状が円となるようにパターンニングする。図２０（ａ）はこの内赤色の蛍光体層のみを形成した段階を示している。
フォトリソグラフ工程の現像時において端部形状が斜面となるように加工すると、各蛍光体と散乱体は、断面が台形の回転体構造になり、これを平面分布が千鳥配置になるように配列する。
【００３４】
図２０（ｂ）は赤色の蛍光体層、緑色の蛍光体層、光散乱層を形成した段階を示している。
この上にアルミ膜を成膜し、これをフォトリソグラフにより前記の回転体構造の上端からアルミ膜を除去する。これにより円錐の頂点近傍を除いた斜面上に分布する反射膜を形成し、図２０（ｃ）に示すように、各蛍光体と散乱体を内部に有する光取り出し構造およびその光入射部とする。この場合に光取り出し構造と光散乱体が光シャッタとの近接面に位置するので、光シャッタとの密着性を向上するためアルミ膜上に透明な平坦化膜ＯＣを塗布して、図２０（ｄ）に示すように光取り出し構造による凹凸を平坦化する。
【００３５】
光シャッタの各画素がおよそ正方形で、光取り出し構造の平面構造が円で、集光手段であるマイクロレンズＭＬの平面形状が円である場合、これらを千鳥配置状に配列することにより最も密に配列できる。コリメート光源ＢＬＳの強度分布が面内で均一であると仮定すると、マイクロレンズＭＬで集光できるコリメート光源ＢＬＳ光の割合も増大できる。このため、コリメート光源ＢＬＳをより有効利用できるという利点がある。
また、マイクロレンズＭＬに入射しないコリメート光源ＢＬＳ光は、光シャッタにおいて入射する画素を特定できないため不要光になる可能性がある。マイクロレンズＭＬと同層でかつマイクロレンズＭＬの存在しない部分にブラックマトリクスを配置することにより、マイクロレンズＭＬに入射しないコリメート光源ＢＬＳ光を除去することができる。
あるいはまた、ブラックマトリクスを光シャッタの画素近傍の層に配置することにより、不要光を除去できる。具体的には、第一の基板ＳＵ１と共通電極の間にブラックマトリクスを配置すればよい。この場合、第一の基板ＳＵ１と第二の基板ＳＵ２を組合わせる際に両者の位置合わせが必要になる。
【００３６】
光取り出し構造と光散乱体を光シャッタに対して反対側となる第三の基板ＳＵ３の面上に形成する場合には、まず、はじめに、透明な透明膜を形成し、図２１（ａ）に示すように、これをパターンニングして平面形状が円形の穴を千鳥配置で配列するように形成する。フォトリソグラフ工程の現像時に端部形状が斜面となるように加工すると、円形の穴は、台形の回転体構造を倒立した凹構造になる。この上にアルミ膜を成膜し、これをパターンニングして凹構造の底部からアルミ膜を除去する。
これにより円錐の頂点近傍を除いた斜面上に分布する反射膜を形成し、図２１（ｂ）に示すように、光取り出し構造および光入射部とする。
次に、各蛍光体と散乱体を分散したレジストを順次成膜して、図２１（ｃ）に示すようにフォトリソグラフにより各凹構造の内部に残し、凹構造の内側を埋める様に形成する。この場合に光取り出し構造と光散乱体が最上面に位置するので、使用者が本発明の表示装置を保持した際に直接光取り出し構造と光散乱体に触れる可能性がある。
そのため、図２１（ｄ）に示すように、光取り出し構造と光散乱体をハードコート層で被覆して表面の硬度を確保し、機械的な摩擦等の負荷を受けても表示面が傷つかないようにする。
【００３７】
図２０および図２１においては、各層のパターンニングに、全てフォトリソグラフを用いており、蛍光体層と光散乱層の側面への斜面形成もフォトリソグラフの現像条件を最適化して実現している。
この他にも、エンボス加工を用いても各層の側面に斜面を形成可能である。
エンボス加工では押し型を別途用意しなければならないが、加工条件によらず斜面角度の再現性が比較的良好であるという特長を有する。例えば、図２１（ａ）において透明膜にエンボス加工を施しても、台形の回転体構造を倒立した凹構造が得られる。
【００３８】
以上の前面板と光シャッタとコリメート光源ＢＬＳを積層して本発明の表示装置とする。特に前面板と光シャッタは位置合わせをした上て固定する。位置合わせには、前面板と光シャッタの周辺部に合わせマークを印刷しておき、法線方向から観察して両者の合わせマークが合致するように組合わせる。
両者を固定するためには、前面板若しくは光シャッタの少なくとも一方に熱重合性若しくは光重合性の樹脂を塗布しておき、両者を重ね合わせた後に加熱若しくは光照射して密着する。
【００３９】
前面板の合わせマークは、例えば配線と同層で形成しても良い。光シャッタの合わせマークは、例えば反射層ＲＥと同層で形成しても良い。これ以外にも、不透明で微細加工が可能な層であれば合わせマークに活用できる。光シャッタの第一の偏光板ＰＬ１と第二の偏光板ＰＬ２は互いの吸収軸が直交するように配置されており、法線方向では、光をほぼ完全に吸収するが、合わせマーク上に少なくとも一方が分布しなければ位置合わせの障害にならない。
【００４０】
以上のようにして作成した表示装置の表示状態を観察したところ、色再現範囲が広く視角特性に優れた表示を確認できた。
以上により、蛍光体による光変換を利用した高効率の表示装置が得られた。
【００４１】
《第２の実施形態》
以下、本発明を実施するための第２の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【００４２】
実施例１では前面板上に蛍光体層、光散乱層、光取出し構造等を形成したが、本実施例においては、前面板を用いずに、光シャッタ上にこれらを直接形成した。
図２２には、本発明に係る表示装置の画素を３つ含む断面が模式的に示されている。
【００４３】
図２１では光シャッタに対して反対側となる第三の基板の面上に、蛍光体層、光散乱層、光取出し構造等を形成した。本実施例では、光シャッタである液晶表示素子を組み立てた後、その第一の偏光板上に蛍光体層、光散乱層、光取出し構造等を図２１に示したのと同様の方法で形成した。
この構成においても蛍光の光取り出し効率が向上し、高効率の表示素子が得られる。これに加えて、本実施例では前面板を用ずに光シャッタ上に蛍光体層、光散乱層、光取出し構造等を形成したことにより、実施例１に比較して薄型軽量化することができた。
【００４４】
《第３の実施形態》
以下、本発明を実施するための第３の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【００４５】
実施例１および２では、第一の偏光板ＰＬ１にヨウ素系色素を含む偏光板を用い、これを第一の基板ＳＵ１の外側に積層した。
ヨウ素系色素は、ポリビニルアルコール系高分子中に分散されており、耐候性を確保するため上下にトリアセチルセルロース膜を有する。このような積層構造を有することから、ヨウ素系色素を含む偏光板は比較的膜厚が厚いという特徴を有する。
【００４６】
本実施例では、第一の偏光板ＰＬ１を第一の基板ＳＵ１の内側に形成した。
実施例１および２では、光シャッタである液晶パネルが完成した後に第一の偏光板ＰＬ１を貼り付けるため、第一の偏光板ＰＬ１は、液晶パネル形成時の熱履歴を受けない。
本実施例のように第一の偏光板ＰＬ１を第一の基板ＳＵ１の内側に形成する場合に、第一の偏光板ＰＬ１は熱履歴を受けるので、第一の偏光板ＰＬ１には、耐熱性が要求される。
そのため、本実施例では実施例１および２とは異なる素材を第一の偏光板ＰＬ１に用いている。
【００４７】
クロモニック液晶は、水溶液状態で液晶となるリオトロピック液晶の一種であり、色素として用いられていることからも明らかなように光吸収性を示す。分子形状は板状若しくは円盤状であり、これらが積み上がった柱状構造を形成する。この柱状構造によりクロモニック液晶の光吸収は異方性を示し、柱状構造の垂直方向に吸収軸を有する。
クロモニック液晶にせん断応力を加えながら塗布すれば柱状構造を保ったまま成膜化が可能であり、せん断応力に平行でかつ膜平面に平行な柱状構造が形成される。
【００４８】
本実施例では、クロモニック液晶を第一の偏光板に用いた。
実施例１および２の第一の偏光板ＰＬ１の吸収軸方向に対してせん断応力が垂直方向になるようにして形成することにより、実施例１および２の第一の偏光板ＰＬ１と同じ方向に吸収軸を向けることができる。
具体的には、印刷機のノズルを通して押し出しながら膜状に塗布することにより、せん断応力を加えると同時に成膜化できる。
クロモニック液晶を用いた偏光板の二色比は配向プロセスに依存し、ヨウ素系色素を含む偏光板に比較して二色比が低下する場合がある。そのような場合でも、蛍光の示す非線形性によりコントラスト比の低下を補うことが可能である。
【００４９】
図２３には、本発明に係る表示装置の画素を３つ含む断面が模式的に示されている。
図２３は、実施例２と同様に前面板を用いておらず、光シャッタ上に蛍光体層、光散乱層、光取出し構造等を形成している。
前面板を除いた他に、第一の偏光板をより膜厚の薄いクロモニック液晶としたことから、実施例２よりも更に薄型軽量化することができた。
【００５０】
《第４の実施形態》
以下、本発明を実施するための第４の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【００５１】
本実施例においては、出射光の極角分布の制御を試みている。
図４には、本発明に係る表示装置の画素を３つ含む断面が模式的に示されている。
本実施例においては、青色光散乱体ＢＤと赤色蛍光体ＲＦ、緑色蛍光体ＧＦが光取り出し構造の内側において光入射部のごく近傍にのみ分布させてある。
【００５２】
このときの光取り出し構造の内部における光路が図５に示されている。
図５においては、３種類ある光散乱体を代表して緑色蛍光体ＧＦが示されている。
散乱光は、光入射部のごく近傍でのみ発するので、散乱光は、光取り出し構造のつくる円錐の頂角以下の極角範囲に分布する。すなわち、円錐の頂角以下で蛍光体を出射した成分は、反射層ＲＥに入射せずに前方に向かう。
また、円錐の頂角以上で蛍光体を出射した成分は、反射層ＲＥに入射して反射された結果、その進路の極角は円錐の頂角以下になる。そのため、光取り出し構造の反射板傾斜角を空気界面での全反射角ＴＲＡ以下にし、さらには、光入射部を通じて光シャッタ側に向かう成分を後述する干渉フィルタで反射して取り出すことにより、光取り出し構造の内部で発生する散乱光の全てを前面板の外側に向かわせることができる。
【００５３】
この他にも、本実施例の表示装置は蛍光による散乱光を利用しているため、視角方向において階調反転が生じることもなく全階調で広い視角特性が得られる。青色光散乱体ＢＤと赤色蛍光体ＲＦ、緑色蛍光体ＧＦの視角特性を同一に揃えれば、視角方向でも法線方向と同一の色調が得られる。
【００５４】
光取り出し構造の反射板傾斜角を空気界面での全反射角ＴＲＡにすると、散乱光は、前面板の外側において全立体角に分布する。
法線方向を０度として極角を定義すると、極角９０度では表示素子を真横から観察することになるので、表示面自体を観察できなくなるが、表示面を観察できる全角度範囲において階調反転や色相変化のない良好な表示が得られる。
【００５５】
図５には、本実施例における拡散光の極角分布の制御例が示されている。
図５（ａ）は、光取り出し構造の反射板傾斜角を空気界面での全反射角ＴＲＡに設定した例であり、前面板を出射する光は極角にして±９０度の範囲内に分布する。
また、図５（ｂ）に示すように、光取り出し構造の反射板傾斜角を空気界面での全反射角ＴＲＡよりも小さくすると、散乱光は前面板の外側において法線方向を中心としたより狭い立体角内に分布する。
【００５６】
前述のように、極角９０度とその近傍では表示面自体を観察し難いので実用的ではない。また、個人使用に限定されるような用途では広い視角範囲が不要であり、これらの用途では、光取り出し構造の反射板傾斜角を低減して、単位立体角あたりの光量を増大すれば、より明るい表示を得ることができる。具体的には、各蛍光体と散乱体を分散したレジストをフォトリソグラフによりパターンニングするが、フォトリソグラフ工程の現像時における現像液の濃度を変えてエッチング速度を調節することにより端部形状の斜面角度を変更する。
【００５７】
《第５の実施形態》
以下、本発明を実施するための第５の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【００５８】
実施例１においては、マイクロレンズＭＬを第二の偏光板ＰＬ２上に形成したが、第二の偏光板ＰＬ２は、熱膨張率が大きいため、大きな温度変化を受けると第二の偏光板ＰＬ２は膨張、収縮した後に元の大きさに戻る。このときに第二の偏光板ＰＬ２が完全にもとの形状に戻らないと、マイクロレンズＭＬと対を成す画素との位置が互いにずれる場合がある。
【００５９】
本実施例においては、実施例１とは異なる位置にマイクロレンズＭＬを形成してある。
図６に示すように、マイクロレンズＭＬは、第二の基板ＳＵ２上に形成しても良い。ホウケイサンガラス製の第二の基板ＳＵ２は熱膨張率が低いので、上記のような熱履歴による位置ずれは生じない。
この場合、第二の偏光板ＰＬ２は、マイクロレンズＭＬの凸部頂点に接するように貼り付けてもよく、あるいはまた図６に示すようにコリメート光源ＢＬＳのプリズムシートＰＳに貼り付けても良い。
以上のようにして、加熱冷却等の温度変動があっても表示特性が変化しない表示装置が得られる。
【００６０】
これ以外にも、マイクロレンズＭＬは、図７に示すように第一の偏光板ＰＬ１上に形成してもよい。
光源光が完全なコリメート光ではなく角度分布を有する場合、マイクロレンズＭＬと光散乱体の位置を近づけるほど、光源光を光入射部により集光することが可能になる。現に、実際に得られるコリメート光源ＢＬＳは、完全なコリメート光源ＢＬＳではなく、何らかの角度依存性を有することが多い。
図７に示す構成では、マイクロレンズと光散乱体の位置がより近接するので、コリメート光源ＢＬＳのコリメート性が多少低い場合でもコリメート光源ＢＬＳ光を光入射部に集光することができる。この場合、光シャッタと前面板は完全に密着せずに、図７に示すようにマイクロレンズＭＬの凸部頂点でのみ接するように固定する。あるいはまた、別途金型を用意して両者を固定しても良い。
【００６１】
さらには、図８に示したようにマイクロレンズを第一の基板ＳＵ１上に形成すれば、前述と同様にして熱履歴による位置ずれが生じない。
この場合、第一の偏光板ＰＬ１はマイクロレンズＭＬの凸部頂点に接するように貼り付けてもよい。
【００６２】
図９に示すように、マイクロレンズＭＬは、前面板の光シャッタに近接する面上に形成してもよい。マイクロレンズＭＬと光散乱体の位置が、さらに近接するので、コリメート光源ＢＬＳ光を光入射部に集光することが容易になる。
この場合、光シャッタと前面板は完全に密着せずに、図９に示すようにマイクロレンズＭＬの凸部頂点でのみ接するように固定する。
あるいはまた、別途金枠を用意して両者を固定しても良い。
【００６３】
《第６の実施形態》
以下、本発明を実施するための第６の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【００６４】
本実施例に係る表示装置において発生する可能性のある不要光が、図１０に分類して示されている。
このうち図１０（ａ）は、コリメート光源ＢＬＳの光が原因となって生じる不要光を分類した図である。
本実施例では、このうち第三の不要光成分ＵＬ３に着目した。光散乱体で発生した散乱光は等方的に広がるため、その一部が光シャッタ側に向かう可能性がある。これが光シャッタのいずれかの層で反射されて別の光散乱層に再入射し、前面板の前方に出射すれば第三の不要光成分ＵＬ３となり表示画質が低下する可能性がある。
【００６５】
図１１には、本実施例の表示装置の３画素を含む断面図が示されている。
図１１においては、第三の不要光成分ＵＬ３を低減するため、実施例１の表示装置に前面板の光散乱層と光シャッタの画素の間に青色カラーフィルタＢＬを配置した。青色カラーフィルタＢＬはコリメート光源ＢＬＳ光を通過させるものの、赤色蛍光体と緑色蛍光体の蛍光は吸収する。そのため、少なくとも赤色蛍光体と緑色蛍光体の蛍光による画質低下を防止できる。
【００６６】
これ以外にも、前面板の光散乱層と光シャッタの画素の間に干渉フィルタを配置してもよい。干渉フィルタは、屈折率の異なる少なくとも２種類の薄膜の積層体であり、特定の波長域の光を反射する性質を示す。また、干渉フィルタは、無機材料を真空蒸着して作成しても良いが、より簡便には有機高分子膜を塗布して作成できる。
コリメート光源ＢＬＳの青色光は、通過し、赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦの蛍光を反射するように反射体の波長域を設定すれば、青色カラーフィルタＢＬを配置した場合と同様に赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦの蛍光による画質低下を防止できる。
また、干渉フィルタを光取り出し構造に近接して配置すれば、光シャッタ側に向かう蛍光成分を出射側に反射し、これを表示に活用することができる。光シャッタ側に向かう蛍光成分は光取り出し構造によって前面板前方に向かわせる成分に比較して少ないものの、これを表示に活用することにより光利用効率が更に向上することができる。
【００６７】
《第７の実施形態》
以下、本発明を実施するための第７の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【００６８】
図１０（ｂ）には、外部からの入射光によって生じる可能性のある不要光を分類して示してある。すなわち、図１０（ｂ）の不要光は、暗室や屋内のような比較的暗い環境では発生しないが、屋外のような明るい環境下で発生する可能性のある不要光である。
本実施例においては、このうちの第五の不要光成分ＵＬ５に着目して本発明の表示素子の屋外視認性の向上を試みている。
【００６９】
本実施例の表示素子において、赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦの励起光に用いた青色発光ダイオードＢＬＳと同じ波長域の光が外部よりこれらに入射すると、赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦがこれを吸収して蛍光を発光する可能性がある。このような蛍光は、画像信号で制御されていないため第五の不要光となり、使用者に観察されれば表示のコントラスト比低下、色純度低下などが生じるので、屋外視認性低下の一因になっている。
【００７０】
図１２には、本実施例の表示装置の３画素を含む断面図が示されている。
図１２においては、実施例１の表示装置において、赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦの前面に黄色カラーフィルタＹＥを配置した。
黄色カラーフィルタＹＥは青色の光を吸収し、赤と緑の光は通過する。赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦに青色光が外部から入射するのを抑制し、かつ外部に向かう赤色と緑色の蛍光は高い透過率で通過させる。これにより、赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦが外光励起で蛍光を発しなくなり、屋外視認性が向上する。
【００７１】
《第８の実施形態》
以下、本発明を実施するための第８の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【００７２】
本実施例においては、第六の不要光成分ＵＬ６に着目して、引き続き本実施例の表示素子の屋外視認性の向上を試みた。すなわち、実施例１では外部から入射した光が反射層ＲＥに到達して、反射層ＲＥで反射される可能性がある。これが使用者に観察されれば表示のコントラスト比低下や色純度低下などが生じるので、屋外視認性低下の一因になっている。
【００７３】
図１３には、本実施例の表示装置の３画素を含む断面図が示されている。
図１３においては、第六の不要光成分ＵＬ６を低減するため、実施例１の表示装置に前面板の最表面に円偏光板を配置した。
円偏光板は、第三の偏光板ＰＬ３と四分の一波長板ＱＷを積層した構成で、四分の一波長板ＱＷの遅相軸は、偏光板の吸収軸に対して４５度をなす。
このとき偏光板を通過した光は、四分の一波長板ＱＷを通過し、反射層ＲＥで反射されて再び四分の一波長板ＱＷを通過する過程において振動方向が９０度回転した直線偏光になり、再び偏光板に入射すると偏光板において吸収される。これにより第六の不要光成分ＵＬ６が減少し、屋外視認性が向上する。
【００７４】
四分の一波長板ＱＷは、ポリカーボネートやシクロオレフィン系有機高分子を延伸して作成したフィルムでもよく、あるいはまた、光重合性の低分子液晶を配向膜上に塗布して配向させ、これを光重合して形成してもよい。後者は、製造工程数が多いものの、前者に比較して厚さを低減できるという利点がある。
【００７５】
実際の使用条件では、前面板の法線方向に対して斜めに入射した光が第六の不要光成分ＵＬ６となることがある。
このような第六の不要光成分ＵＬ６についても、四分の一波長板ＱＷの視角特性を最適化して、四分の一波長板ＱＷに近い機能を示す視角範囲を拡大することにより、偏光板でより多く吸収することができる。
四分の一波長板ＱＷの法線方向でのΔndを四分の一波長に保ち、なおかつ四分の一波長板ＱＷに近い機能を示す視角範囲を拡大するには、厚さ方向の屈折率ｎｚを最適化する。
面内の遅相軸方向の屈折率をｎｘ、進相軸方向の屈折率をｎｙとすると、厚さ方向の屈折率を増大してｎｚ≒ｎｘとすることにより、全視角方向からの入射光を比較的良好に吸収することができる。
【００７６】
あるいはまた、四分の一波長板ＱＷを広帯域四分の一波長板ＱＷとすれば、可視波長域のより広い波長範囲で前述のような偏光状態の変換を実現できる。具体的には、広帯域四分の一波長板ＱＷは、二分の一波長板と四分の一波長板ＱＷを積層して構成し、四分の一波長板ＱＷの方を反射層ＲＥにより近接するように配置する。また、第三の偏光板ＰＬ３の透過軸を０度として反時計回りに方位角を定義すると、二分の一波長板と四分の一波長板ＱＷの遅相軸方位角θh、θｑは次式に従って設定する。
【００７７】
２θｑ＝±４５°＋θh                                       （１）
【００７８】
本実施例では、前面板の最表面に円偏光板を配置したが、円偏光板は、光取り出し構造よりも使用者側に配置されていれば反射防止の機能を果たす。そのため、例えば光取り出し構造を前面板の光シャッタに近接する面上に形成した構造では、偏光板を前面板の光シャッタから離れた面上に貼り付け、四分の一波長板ＱＷは光取り出し構造と前面板の間に形成してもよい。
【００７９】
《第９の実施形態》
以下、本発明を実施するための第９の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【００８０】
本実施例においては、第四の不要光成分ＵＬ４に着目して、引き続き本発明の表示素子の屋外視認性の向上を試みた。
実施例１では、外部から入射した光が光散乱層に入射すると、光散乱層により散乱される可能性がある。青色光拡散体ＢＤはもちろんのこと、赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦも樹脂中に蛍光体粒子を分散した構造にし、蛍光体粒子が外部からの入射光の波長よりも十分に大きければ、樹脂と蛍光体粒子界面の屈折率差により光散乱を示す。第四の不要光成分ＵＬ４が前面板の前方に出射して使用者に観察されると、屋外視認性低下の一因になる。
【００８１】
図１４には、本実施例の表示装置の３画素を含む断面図が示されている。
図１４に図示の実施例においては、光取り出し構造の内部に含まれる蛍光体や光散乱体の量、もしくは蛍光体や光散乱体を含む層の厚さを一定に保ちながら、光取り出し構造のサイズを実施例１よりも縮小して、光取り出し構造が前面板上に占める面積比を低減した。
この場合には、表示光量を一定に保ちながら、かつ外光が光散乱層に入射する割合も前記の面積比に従って減少できるため、屋外視認性を向上することができる。
【００８２】
集光手段の特性がきわめて良好で、コリメート光源ＢＬＳ光を光入射部の一点に集光できているような理想的な場合には、以上の施策のみで屋外視認性の効果が得られて、かつ、何の副作用も生じない。
しかし、実際には、コリメート光源ＢＬＳ光や集光手段の特性が原理上想定される理想特性よりも劣ることが考えられるので、光入射部を外れてその周辺にもコリメート光源ＢＬＳ光が入射する場合も起こりうる。その場合には以下に述べるような副作用が生じる。
【００８３】
光取り出し構造を縮小すればその光入射部も縮小するので、光入射部に集光できるコリメート光源ＢＬＳ光の割合も減少する。
これに伴いコリメート光が光取り出し構造の反射部の外側に入射する割合が増え、さらには、光取り出し構造を外れて前面板から直接出射する場合も生じる。
前者の場合、光取り出し構造の反射部の外側で反射されれば再び光シャッタの方向に向かうことになる。
これが光シャッタの内部で反射して他の光取り出し構造の入射部を通過すれば、図１０（ａ）における第一の不要光成分ＵＬ１となり、コントラスト比低下などの表示特性低下の原因になる。
後者の場合にも、本来赤色や緑色に変換されるべき光が青色のまま表示装置から出射するため図１０（ａ）における第二の不要光成分ＵＬ２となり、表示色の青色化などの画質劣化の原因になる。
光取り出し構造のサイズ縮小に加えて、これらの課題に対する対策も同時に行わなければならない。
【００８４】
前面板上の光取り出し構造が存在しない部分を全て光吸収体で覆えば、前述の光取り出し構造の外側で反射して生じる迷光成分や、前面板を直接出射する青色光成分をほぼ完全に吸収できるので、画質劣化を防ぐことができる。
しかし、コリメート光源ＢＬＳの青色光を表示に用いずに吸収する割合が増えるので、光利用効率が低下することになる。
【００８５】
仮に理想的なマイクロレンズＭＬを作成してもコリメート光源ＢＬＳの光を光入射部に完全に集光できない場合があり、その原因は、実施例２において述べたようにコリメート光源ＢＬＳのコリメート性が完全でないことによる。
実施例２においては、第一の偏光板ＰＬ１若しくは第一の基板ＳＵ１上にマイクロレンズＭＬを形成したが、光入射部とマイクロレンズＭＬの距離がより近接するので、この方がより微小な光入射部に対して不完全なコリメート光をより良好に集光することができる。
【００８６】
以上のような施策を組合せることにより、光利用効率を保ちながら屋外視認性を向上することができる。
なお、赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦ中の蛍光体分布をより均一化して、蛍光体の分布を外部からの入射光の波長よりも十分に小さくすれば、少なくとも赤色蛍光体ＲＦと緑色蛍光体ＧＦにおいて第四の不要光成分ＵＬ４の発生を防ぐことができる。
具体的には、樹脂中に有機蛍光体を分散し、樹脂を構成する有機高分子と有機蛍光体分子を分子レベルで均一に混合すればよい。
【００８７】
《第１０の実施形態》
以下、本発明を実施するための第１０の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【００８８】
図１０（ｂ）に示した第四の不要光成分ＵＬ４、第五の不要光成分ＵＬ５、第六の不要光成分ＵＬ６の発生を低減するため、本実施例においては、光取り出し構造の構造自体を変えることにより対策を施した。
図１５には、本実施例の表示装置の３画素を含む断面図が示されている。
光取り出し構造を第一の反射層ＲＥと第二の反射層ＲＥで構成し、第二の反射層ＲＥは実施例１の反射層ＲＥと同様に円錐構造の頂点近傍以外の斜面に分布するものとした。第一の反射板は、反射面が前面板の基板平面に平行であり、第二の反射層ＲＥが作る円錐構造の底辺の中心近傍に分布する。また、光拡散体は第一の反射板の光シャッタに近接する面上に分布する。
【００８９】
本実施例の光取り出し構造は、以下の方法により作成した。
第三の基板ＳＵ３の光シャッタに近接する面上にアルミ膜を形成し、これを平面形状が円になるようにパターンニングして第一の反射層ＲＥとする。
次に、第一の反射層ＲＥの上に各光散乱層を、すなわち赤色蛍光体ＲＦ、緑色蛍光体ＧＦ、青色光散乱体を順次形成する。このとき、各光散乱層は極力第一の反射層ＲＥからはみ出て分布しないようにする。また、各光散乱層の端部形状については、特に傾斜を付与しなくても良い。
この上に透明樹脂層を形成し、各光散乱層を中心にして平面形状が円になるようにパターンニングする。加工時に端部形状に傾斜を付与し、各光散乱層上に断面が台形の回転体構造を形成する。
【００９０】
この上にアルミ膜を形成し、これをパターンニングして前記回転体構造の上部からアルミ膜を除き、第二の反射層ＲＥと光入射部を形成する。
最後に第二の反射層ＲＥと光入射部の全体を覆うように透明樹脂を塗布して、光取り出し構造による凹凸を平坦化する。
【００９１】
コリメート光源ＢＬＳの青色光は、光入射部を通過して光拡散体に入射するが、このときに光拡散体が発する散乱光は、第二の反射体側に向かう。これが第二の反射体で再び反射されて外側に向かう。外部からの入射光は、直接光散乱体に入射できないため、光散乱体によって生じる散乱性分が減少する。
【００９２】
《第１１の実施形態》
以下、本発明を実施するための第１１の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【００９３】
図１６には、光取り出し構造内部での光路が示されている。
図１６においては、３種類ある光散乱体を代表して緑色蛍光体ＧＦを示している。
図１６（ａ）は、光取り出し構造の形状を回転体とし、すなわちその平面形状を円形とした場合である。
光散乱体の発する散乱光の大部分は、反射層ＲＥで反射されるが、光取り出し構造の平面形状が円形であれば、反射時に光路の方位角が変化しない。光散乱体の発する散乱光は、もともと等方的な方位角分布を有するので、散乱光を全方位角方向に対して等しい強度で出射することができる。
【００９４】
本実施例においては、光取り出し構造の形状を回転体とは異なる構造とし、拡散光強度に方位角分布を付与した。
本実施例の光取り出し構造の平面形状が図１６（ｂ）に示されている。
本実施例においては、光取り出し構造を作成する際のフォトリソグラフ工程のマスクパターンを変更し、加工時の平面形状を円から楕円に変更した。
図１６（ｂ）に示すように、光散乱体の発する散乱光が反射層ＲＥで反射される際に、その光路の方位角が楕円の長軸方向に近づくように変化する。これによって、楕円の長軸方向の散乱光成分を増大させ、短軸方向の散乱光成分を減少させることができる。
発光強度の方位角依存性は、光取り出し構造の楕円率で制御できる。すなわち、楕円率を１に近づければ発光強度の方位角分布はより等方的になり、楕円率を増大すれば異方性が増大する。
【００９５】
例えば、携帯電話用の表示素子では、人ごみの中で使用する際に左右方向からの覗き見防止が求められ、覗き見防止のフィルターを表示面上に重ね張りする使用者も見られる。
このような覗き見防止のフィルターは、斜め方向の透過率を著しく減少する効果の他に、法線方向における透過率も減少するため好ましくない。あるいはまた、ワンセグ放送などを表示してこれを多人数で観察する場合には、左右方向のより広い角度範囲から良好な表示が得られることが要求される。
【００９６】
拡散光強度に方位角分布を付与することにより、少なくともこれらの要求に対して個々に応じることが可能になる。あるいはまた、携帯電話の表示部に回転機構を導入して前述の方位角分布と組合わせれば、両方の要求を同時に満足することが可能である。
すなわち、表示素子の長辺方向への光量をより増大し、短辺方向への光量をより減少する。回転機構による携帯電話の形状変化の一例と、表示装置の配置及び光取り出し構造の配置が図１７に示されている。人ごみの中では、図１７（ａ）に示すように表示素子を回転して光取り出し構造の長軸を縦方向にむけて光量の少ない方位を左右方向に向ける。多人数で観察する場合には、図１７（ｂ）に示すように光取り出し構造の長軸を横方向として、光量の多い方位を左右方向に向けることが考えられる。
【００９７】
多くの場合に表示装置の表示面は長方形であるが、楕円の長軸が表示面の長辺方向を向くように配置すれば、前述のように携帯電話の表示部に回転機構を導入して、発光強度の方位角分布と組合わせて覗き見防止と多人数使用時の視認性を向上することができる。
【００９８】
《第１２の実施形態》
以下、本発明を実施するための第１２の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【００９９】
本実施例においては、本発明の表示装置を大画面化した。これまでの実施例では、導光板の端部に青色発光ダイオードＢＬＳを備えた構成のコリメート光源を用いた。
この場合、端部に配列する青色発光ダイオードＢＬＳの数を増やすことにより、より大画面にしながら一定の輝度を保つことができる。
この他にも、青色発光ダイオードＢＬＳを導光板の直下に配置することにより、大画面化が可能である。複数の発光ダイオードＢＬＳを一定の距離をおきながら導光板の直下に配置することにより、より大面積のコリメート光源を作成した例について以下に述べる。
【０１００】
図１８（ａ）は大面積のコリメート光源ＢＬＳの構成の一例を示す断面図であり、導光板ＬＧの背後に発光ダイオードを配置して、導光板ＬＧの法線方向に向けて発光させる。
個々の発光ダイオードは、点光源と見なすことができるので、発光ダイオードを中心として導光体上にマイクロレンズＭＬを形成すれば、発光ダイオードの発する光を平行光に変換でき、コリメート光源ＢＬＳが得られる。
この場合、より均一な発光強度を得るためには、マイクロレンズＭＬと発光ダイオードとの距離をマイクロレンズＭＬの直径と同程度にする必要があり、表示素子全体の厚さと重さが増大する。
なお、導光板ＬＧ上のマイクロレンズＭＬは発光ダイオードの発する光を平行光に変換する目的に用いるので、集光手段のマイクロレンズＭＬとは異なり光シャッタの画素と一対一には対応しておらず、複数の画素が分布する広い領域に光源光を照射する。
【０１０１】
マイクロレンズＭＬを用いる以外にも、反射体を用いて発光ダイオードの発する光を平行光に変換しても良い。
図１９（ａ）は反射体を用いて大面積のコリメート光源ＢＬＳの構成の一例を示す断面図である。
個々の発光ダイオードは点光源と見なすことができるので、２次曲面の反射層ＲＥの中心に発光ダイオードを配置すれば平行光に変換できる。一般に楕円の２つの焦点の一方に点光源を置けば他方の焦点に集光されるが、２次曲面は楕円面の特殊な場合であり一方の焦点を無限大の距離に置いた場合の相当するので、点光源を平行光に変換することができる。２次曲面状の反射面は、樹脂板を押し型加工して２次曲面状の凹構造を作成し、この上にアルミ膜を蒸着して作成する。樹脂板の大半は中空となるので重さを軽減できる。
さらには、図１９（ｂ）に示すように、反射面をフレネルレンズ状にすれば、樹脂板は表面に微小な溝構造を有する平板状になるので、更なる軽量化と薄型化が可能になる。このときの溝構造は、発光ダイオードを中心とした同心円状の分布になる。
【０１０２】
但し、下フレーム１０３ｃに影響を及ぼす程度は、下フレーム１０３ｃと前記トランスＴＲＡＮＳ（コイルＩＮＶｃ）との距離に依存する。
【０１０３】
以上は金属反射を利用したコリメート光源ＢＬＳであるが、樹脂−空気界面の全反射を利用しても可能である。このような大面積のコリメート光源ＢＬＳの構成の一例を図１８（ｂ）に示す。
樹脂板上に発光ダイオードを中心とした同心円状の溝構造を形成するが、溝の傾斜角は樹脂−空気界面の全反射を満足する角度とする。図１８（ｂ）は樹脂の屈折率が十分に高く、発光ダイオードの光を高効率で法線方向に向けることができる場合を示している。
樹脂の屈折率が小さい場合には、図１８（ｃ）に示したように、導光板ＬＧの溝構造で全反射した時点で光の進行方向は導光板ＬＧの法線方向に対して傾いており、かつ進行方向の法線方向は発光ダイオードを中心にして放射状に分布している。
これを法線方向に向けるため、導光板ＬＧと光シャッタの間にプリズムシートＰＳを配置する。プリズムシートＰＳの溝構造は、プリズムシートＰＳの導光板ＬＧに近接する面上に形成し、かつその分布は発光ダイオードを中心とした同心円状とする。プリズムシートＰＳの傾斜面での屈折を利用して導光板ＬＧを発した光の進行方向を法線方向に向ける。
【０１０４】
以上のような発光ダイオードを複数配置した大面積のコリメート光源ＢＬＳを用いることにより、本発明の表示装置は携帯電話やデジタルカメラのモニターのみならず、パーソナルコンピュータのモニターやテレビにも応用可能になる。
【０１０５】
《第１３の実施形態》
以下、本発明を実施するための第１１の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【０１０６】
これまでの実施例では光シャッタにツイステッドネマチック型液晶表示素子を用いていたが、光シャッタはこれに限定されず、他の方式の液晶表示素子も適用可能である。
【０１０７】
例えば、電界制御複屈折型液晶表示素子が適用可能である。
電界制御複屈折型液晶表示素子は、ツイステッドネマチック型液晶表示素子に対して概略以下のような変更を加えることにより実現可能である。
第一の配向膜ＡＬ１と第二の配向膜ＡＬ２の配向方向を反平行とし、液晶層ＬＣの配向状態を電圧無印加時において水平配向にする。第一の基板ＳＵ１と第一の偏光板ＰＬ１の間、若しくは第二の基板ＳＵ２と第二の偏光板ＰＬ２の間に位相差板を配置し、その遅相軸方向を液晶層ＬＣの配向方向に対して垂直方向にする。
【０１０８】
第一の偏光板ＰＬ１と第二の偏光板ＰＬ２の吸収軸方位は互いに直交するように設定し、かつ液晶配向方向と４５度を成すようにする。電圧印加に伴い液晶層ＬＣの配向状態が変化してΔndが減少するが、液晶層ＬＣのΔndと位相差板のΔndが一致する電圧において透過率が極小になり暗表示が得られる。これと明表示を与える印加電圧との間で液晶層ＬＣのΔndが二分の一波長変化するように液晶層ＬＣのΔndと位相差板のΔnd、さらには印加電圧値を設定すれば、明表示透過率を増大できる。
なお、本発明ではコリメート光源ＢＬＳに青色発光ダイオードＢＬＳを用いており液晶表示素子内を通過する光の波長は４６０ｎｍ近傍に限定されているため、この波長において液晶層ＬＣのΔnd変化が二分の一波長になるようにすればよい。このように、電界制御複屈折型液晶表示素子では液晶層ＬＣのΔndと位相差板のΔndにより暗表示と明表示の印加電圧を任意に設定可能である。
【０１０９】
この他にも、液晶表示素子には垂直配向型液晶表示素子も適用可能である。
垂直配向型液晶表示素子は、ツイステッドネマチック型液晶表示素子に対して概略以下のような変更を加えることにより実現可能である。
まず、第一の配向膜ＡＬ１と第二の配向膜ＡＬ２に、近接する液晶層ＬＣの配向方向を膜面に対して垂直方向にする垂直配向膜を用いる。
また、液晶層ＬＣにカイラル材を添加せず、液晶材料には誘電率異方性が負の液晶材料を用いる。電圧印加時に液晶層ＬＣは垂直配向から水平配向に近づくように配向変化するが、この時の水平配向の方位を決定するための配向制御手段を追加する。
【０１１０】
配向制御手段には、画素電極内に形成する電極スリットや、共通電極上、若しくは画素電極上に配置する突起構造がある。直視型の垂直配向型液晶表示素子では視角特性を向上するため一画素内において水平配向の方位が２方向以上になるように配向制御手段配置しなければならない。
これに対して、本実施例の場合には液晶表示素子を光シャッタとして利用しており、光源光は、主に法線方向を通過するため、一画素内における水平配向の方位は一方向に定めればよい。
法線方向における透過率−電圧特性は水平配向の方位に依存しないため、水平配向の方位は、画素ごとに異なっていても良い。
【０１１１】
垂直配向型液晶表示素子では、第一の偏光板ＰＬ１と第二の偏光板ＰＬ２の吸収軸方位が互いに直交する様に配置することにより、電圧印加と共に透過率が増大するノーマリクローズ型の透過率−電圧特性が得られる。
また、電圧印加時に生じる水平配向の方位に対して第一の偏光板ＰＬ１と第二の偏光板ＰＬ２の吸収軸方位が４５度をなすように配置すればより高透過率が得られる。
また、垂直配向型液晶表示素子では電圧無印加時における液晶層ＬＣのΔndが法線方向において０ｎｍなので、第一の偏光板ＰＬ１と第二の偏光板ＰＬ２の吸収軸方位が互いに直交する様に配置することにより電圧無印加時の透過率を極めて低い値にでき、高コントラスト比の表示が比較的容易に得られる。
【０１１２】
あるいはまた、ＯＣＢ（Optically Controlled Birefringence）型液晶表示素子も適用可能である。ＯＣＢ型液晶表示素子は、ツイステッドネマチック型液晶表示素子に対して概略以下のような変更を加えることにより実現可能である。
第一の配向膜ＡＬ１と第二の配向膜ＡＬ２の配向処理方向は互いに平行方向とし、これにより電圧無印加時の液晶配向をスプレー配向とする。これに高電圧を印加することによりベンド変形に転移させ、表示状態とする。
ベンド変形を保ったままそのチルト角分布を変えて液晶層ＬＣのΔndを変化させ、これと位相差板を組合わせることにより電界制御複屈折型液晶表示素子と同様にして暗表示と明表示の印加電圧を任意に設定可能である。
ＯＣＢ型液晶表示素子は、電界制御複屈折型液晶表示素子やツイステッドネマチック型液晶表示素子に比較して応答時間が短く、特に低温などの厳しい条件下でもより良好な動画表示が可能なことが特徴である。
【０１１３】
以上のように、本発明では液晶表示素子を光シャッタとして利用し、液晶表示素子自体の視角特性は必要ないことから用途に応じて最適な液晶表示素子を選択可能であり、垂直配向型液晶表示素子を用いればコントラスト比を向上可能であり、ＯＣＢ型液晶表示素子を用いれば応答特性を向上可能である。
【０１１４】
さらには、本発明の光シャッタは液晶表示素子に限定されず、光透過率を変調する非発光型の表示素子であれば他の方式の表示素子も適用可能である。例えば、金属箔片を電界で移動して光透過状態と非透過状態を切り替える表示素子であっても良い。
このような表示素子は、Society for Information Display  2007 Digestの1278頁から1281頁に渡って、Nesbitt Hagood, Roger Batron, Tim Brosnihan, John Fijol, Jignesh Gandhi, Mark Halfman, Richard Payne, J.Lodewyk Steynによって紹介されている。液晶表示素子を上回る高速応答と高透過率が特徴である。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明によれば、色再現範囲が広く視角特性に優れた高コントラスト比かつ低消費電力の表示素子が得られ、携帯電話やデジタルカメラのモニターに用いればその電池駆動時間を向上しながら高画質の表示が得られ、テレビやパーソナルコンピュータのモニタに用いれば消費電力を低減しながら高画質の表示が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図２】マイクロレンズＭＬアレイＭＬＡ、画素、光取り出し構造の相対配置を示す透視図である。
【図３】発光後の光路による蛍光の分類を示す模式図である。
【図４】実施例４の表示装置の構成を示す断面図である。
【図５】光取り出し構造の反射面の角度による拡散光の極角分布制御を示す模式図である。
【図６】実施例５の表示装置の構成の一例を示す断面図である。
【図７】実施例５の表示装置の構成の一例を示す断面図である。
【図８】実施例５の表示装置の構成の一例を示す断面図である。
【図９】実施例５の表示装置の構成の一例を示す断面図である。
【図１０】本発明において生じる可能性のある不要光の分類を示す模式図である。
【図１１】実施例６の表示装置の構成を示す断面図である。
【図１２】実施例７の表示装置の構成を示す断面図である。
【図１３】実施例８の表示装置の構成を示す断面図である。
【図１４】実施例９の表示装置の構成を示す断面図である。
【図１５】実施例１０の表示装置の構成を示す断面図である。
【図１６】光取り出し構造の反射面の平面形状による拡散光の方位角分布制御を示す模式図である。
【図１７】実施例１１の表示装置を回転機構の付いた携帯電話に適用した際の図である。
【図１８】実施例１２の表示装置に用いる光源の構成の例を示す断面図である。
【図１９】実施例１３の表示装置に用いる光源の構成の例を示す断面図である。
【図２０】蛍光体層、光散乱層、光取り出し構造等の作成方法を示す図である。
【図２１】蛍光体層、光散乱層、光取り出し構造等の作成方法を示す図である。
【図２２】実施例２の表示装置の構成を示す断面図である。
【図２３】実施例３の表示装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１７】
ＳＵ３…………第三の基板
ＢＤ……………青色光拡散体
ＧＦ……………緑色蛍光体
ＲＦ……………赤色蛍光体
ＲＥ……………反射層
ＯＣ……………平坦化膜
ＡＤＨ…………接着層
ＰＬ１…………第一の偏光板
ＳＵ１…………第一の基板
ＡＬ１…………第一の配向膜
ＬＣ……………液晶層
ＡＬ２…………第二の配向膜
ＳＵ２…………第二の基板
ＰＬ２…………第二の偏光板
ＭＬＡ…………マイクロレンズ
ＰＳ……………プリズムシート
ＬＧ……………導光板
ＢＬＳ…………青色発光ダイオード
ＧＬ……………走査配線
ＳＬ……………信号配線
ＦＬ……………前方出射成分
ＴＬ……………層内伝播成分
ＲＬ……………後方出射成分
ＴＲＡ…………全反射角
ＵＬ１…………第一の不要光成分
ＵＬ２…………第二の不要光成分
ＵＬ３…………第三の不要光成分
ＵＬ４…………第四の不要光成分
ＵＬ５…………第五の不要光成分
ＵＬ６…………第六の不要光成分
ＢＬ……………青色カラーフィルタ
ＹＥ……………黄色カラーフィルタ
ＰＬ３…………第三の偏光板
ＱＷ……………四分の一波長板
ＡＢ……………吸収層
ＲＥ１…………第一の反射層
ＲＥ２…………第２の反射層
ＦＬ……………フレネルレンズ
ＨＣ……………ハードコート層
【図１】
2010066437.tif 000003
【図２】
2010066437.tif 000004
【図３】
2010066437.tif 000005
【図４】
2010066437.tif 000006
【図５】
2010066437.tif 000007
【図６】
2010066437.tif 000008
【図７】
2010066437.tif 000009
【図８】
2010066437.tif 000010
【図９】
2010066437.tif 000011
【図１０】
2010066437.tif 000012
【図１１】
2010066437.tif 000013
【図１２】
2010066437.tif 000014
【図１３】
2010066437.tif 000015
【図１４】
2010066437.tif 000016
【図１５】
2010066437.tif 000017
【図１６】
2010066437.tif 000018
【図１７】
2010066437.tif 000019
【図１８】
2010066437.tif 000020
【図１９】
2010066437.tif 000021
【図２０】
2010066437.tif 000022
【図２１】
2010066437.tif 000023
【図２２】
2010066437.tif 000024
【図２３】
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