(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光を制御する液晶表示素子と該液晶表示素子の背面に照明装置を配置した液晶表示装置において、
前記照明装置に反射手段を、前記液晶表示素子と前記照明装置間に光路変換手段と反射型偏光選択手段とを具備し、前記光路変換手段が一軸性屈折媒体で構成され、かつ前記反射型偏光選択手段の透過光と、前記反射型偏光選択手段からの反射光が前記反射手段により反射されて再び前記反射型偏光板に入射する反射光の偏光状態が略同一になるように、前記光路変換手段の光路変換軸と反射型偏光選択手段の偏光透過軸との成す角度が０〜３０度または６０〜９０度であることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
前記光路変換手段の背面に複屈折媒体を配置した請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項３】
前記光路変換手段の背面に複屈折媒体を配置し、該複屈折媒体の偏光軸を前記反射型偏光選択手段からの反射光の偏光方向と略４５度に配置した請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記光路変換手段の背面に配置した複屈折媒体が略１／４波長板として機能するものである請求項２または３に記載の液晶表示装置。
【請求項５】
前記光路変換手段の光路変換軸と反射型偏光選択手段の偏光透過軸の成す角度が略平行または直交である請求項１〜４のいずれかに記載の液晶表示装置。
【請求項６】
前記液晶表示素子が、一対の透明基板間に挟持された液晶層、前記透明基板上に形成された液晶配向制御用電極、前記透明基板の少なくとも表示面側透明基板上に偏光板を有し、該偏光板の偏光軸が前記反射型偏光選択手段の偏光透過軸と略平行または略直交するよう配置されている請求項１〜５のいずれかに記載の液晶表示装置。
【請求項７】
前記照明装置が板状の導光体と、その周辺に配置された光源を有し、前記光源から出射された光が前記導光体内を伝搬して導光体の光出射面から出射されるよう構成されており、前記導光体の裏面が微細な傾斜面を有する多数の凹、凸または段差で構成された反斜面を備え、該反斜面は少なくとも前記傾斜面が鏡面化されており、該導光体の裏面に直接または空気層を介して反射板が設けられている請求項１〜５のいずれかに記載の液晶表示装置。
【請求項８】
液晶表示装置からの白表示時の出射特性が、水平方向では正面輝度の１／２になる角度範囲である半値幅が６０度以下、垂直方向では４０度以下である請求項１〜５のいずれかに記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置の高輝度化に係り、特に偏光変換効率の高い液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶表示装置、特にカラー液晶表示装置の技術進歩は目覚ましく、ＣＲＴに劣らぬ表示品質のディスプレイが数多く見られるようになった。さらに、ノート型パーソナルコンピュータが普及し、照明装置としてバックライト無しでは、ディスプレイとしての態をなさず、従って、バックライトは直視型カラー液晶表示装置における必須デバイスである。
【０００３】
液晶表示装置は、大別してＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を用いたアクティブマトリクス駆動によるＴＮ（ツイストネマチック）液晶表示装置と、マルチプレックス駆動のＳＴＮ（スーパーツイステッドネマチック）液晶表示装置との２方式がある。いずれも液晶層をガラス基板で保持した素子の両側に偏光板を配置し、直線偏光の偏光状態を変調して表示を行うものである。
【０００４】
これらの液晶表示装置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、特にノート型パーソナルコンピュータでは要求輝度だけでなく薄型、軽量、低消費電力は至上命題である。さらには、デスクトップコンピュータやワークステーション等の表示装置としての大画面ディスプレイの期待は高く、低消費電力で高輝度の表示が要求されている。
【０００５】
そこで、明るさ向上を実現するために、コレステリック液晶を用いた偏光変換について特開平２−４５９０６号公報に開示されている。また、コレステリックフィルタを直視型バックライトに適用した構成が特開平７−３６０３２号公報に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、反射型偏光板として作用するコレステリック液晶を用いて、反射光を再利用することにより高輝度化を図るものである。また、ノート型パーソナルコンピュータ用の液晶ディスプレイには、低消費電力で正面輝度を向上させるために光路変換素子が適用されている。最も一般的に使用されている光路変換素子はＢＥＦ（３Ｍ社の商品名）が挙げられる。この光路変換素子は、照明装置に指向性を具備し、低消費電力で高輝度な表示を得るために適用されている。
【０００７】
しかしながら、上記従来技術においては、これらの光路変換素子を適用し、正面輝度向上を図った時の偏光変換効率については何ら触れられていない。さらには、光路変換素子を用いた時の偏光変換効率向上ができる構成についても何ら触れられていない。
【０００８】
光路変換素子は、断面が三角形のストライプ状のフィルム（ＰＥＴ：ポリエチレンテレフタレート）が一般に使用されており、２軸の複屈折性を有する。従って、入射する直線偏光と、その光学軸とがずれると偏光状態が変化し、その結果、偏光変換効率の低下を招くことが分かった。この光路変換素子の光学軸を直交して２枚適用すると、偏光変換効率がさらに低下することが分かった。
【０００９】
本発明の目的は、低消費電力で正面輝度を向上させるために光路変換素子を適用した時の光路変換素子と偏光板との最適な軸配置を規定し、偏光変換効率の高い高輝度な液晶表示装置の提供にある。
【００１０】
さらに、本発明の他の目的は、反射型偏光板からの反射光の偏光を維持し、かつ、指向性を向上した導光体を用いて、光利用効率および正面輝度の向上を実現した液晶表示装置の提供にある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の要旨は次のとおりである。
【００１２】
〔１〕  偏光を制御する液晶表示素子と該液晶表示素子の背面に照明装置を配置した液晶表示装置において、前記照明装置に反射手段を、前記液晶表示素子と前記照明装置間に光路変換手段と反射型偏光選択手段とを具備し、前記反射型偏光選択手段の透過光と、前記反射型偏光選択手段からの反射光が前記反射手段により反射されて再び前記反射型偏光板に入射する反射光の偏光状態が略同一になるように、前記光路変換手段の光路変換軸と反射型偏光選択手段の偏光透過軸との成す角度が０〜３０度または６０〜９０度である液晶表示装置。
【００１３】
〔２〕  前記光路変換手段の背面に複屈折媒体を配置した前記の液晶表示装置。
【００１４】
〔３〕  前記光路変換手段の背面に複屈折媒体を配置し、該複屈折媒体の偏光軸を前記反射型偏光選択手段からの反射光の偏光方向と略４５度に配置した前記の液晶表示装置。
【００１５】
〔４〕  前記光路変換手段の背面に配置した複屈折媒体が略１／４波長板として機能するものである前記の液晶表示装置。
【００１６】
〔５〕  前記光路変換手段の光路変換軸と反射型偏光選択手段の偏光透過軸の成す角度が略平行または直交である前記の液晶表示装置。
【００１７】
〔６〕  前記液晶表示素子が、一対の透明基板間に挟持された液晶層、前記透明基板上に形成された液晶配向制御用電極、前記透明基板の少なくとも表示面側透明基板上に偏光板を有し、該偏光板の偏光軸が前記反射型偏光選択手段の偏光透過軸と略平行または略直交するよう配置されている前記の液晶表示装置。
【００１８】
〔７〕  前記照明装置が板状の導光体と、その周辺に配置された光源を有し、前記光源から出射された光が前記導光体内を伝搬して導光体の光出射面から出射されるよう構成されており、前記導光体の裏面が微細な傾斜面を有する多数の凹、凸または段差で構成された反斜面を備え、該反斜面は少なくとも前記傾斜面が鏡面化されており、該導光体の裏面に直接または空気層を介して反射板が設けられている前記の液晶表示装置。
【００１９】
〔８〕  前記光路変換手段が、等方性媒体または一軸性複屈折媒体で構成されている前記の液晶表示装置。
【００２０】
〔９〕  液晶表示装置からの白表示時の出射特性が、水平方向では正面輝度の１／２になる角度範囲である半値幅が６０度以下、垂直方向では４０度以下である前記の液晶表示装置。
【００２１】
つまり、反射型偏光板からの反射光が照明装置内で偏光が崩れないようにして偏光変換効率を高め、かつ、少なくとも一軸方向の指向性を高め、光路変換素子を併用することで全方位の指向性を高め、正面輝度向上の手段として、前記照明装置が板状の導光体と、その周辺に配置された光源から出射された光が前記導光体内を伝搬して導光体の光出射面から出射されるよう構成され、前記導光体の光出射面の裏面に微細な傾斜面を有する多数の凹，凸または段差で構成された反斜面を備え、該反斜面は少なくとも前記傾斜面部分が鏡面化されており、該導光体の裏面に直接もしくは空気層を介して反射板を設ける。
【００２２】
また、導光体上に配置される拡散板は、透過光の偏光状態を維持した散乱特性を有するもの、例えば、ホログラム拡散板で構成されている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
前記照明装置（バックライト）は大別して２種に分類され、直下型とエッジライト型がある。直下型は、光源が照光面の内側にある方式で、エッジライト型は、光源が照光面の外側に配置され、照光面である導光体が透明なアクリル樹脂等からなり、その１辺若しくは２辺に蛍光ランプ（冷陰極放電管または熱陰極放電管）等の円柱状発光体を配置し、その外側に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。
【００２４】
薄型が要求される液晶ディスプレイには、エッジライト型バックライトが有効であり、また、軽量で額縁の小さいことが要求される液晶ディスプレイには、直下型バックライトが有効である。
【００２５】
従来の液晶表示装置ではエッジライト型バックライトが主流で、面内の均一性を得るために、導光体裏面には白色インクを形成している。また、光利用効率を向上させるために反射型偏光板を適用している。
【００２６】
反射型偏光板としては、ＵＳＰ５,４８６,９４９やＳＩＤ９２ダイジェストｐｐ４２７に開示された誘電体多層膜による偏光分離器と、特開平７−３６０３２号公報や、アジアディスプレイ９５ダイジェストｐｐ７３５に開示されたコレステリックフィルム＋１／４波長板がある。ここで、前者を反射型偏光板タイプ１、後者を反射型偏光板タイプ２と呼ぶことにする。
【００２７】
ここで、偏光状態を示すＳ偏光は入射面（入射面とは、入射光線と境界面にたてた入射法線が成す平面）に垂直な偏光であり、Ｐ偏光は入射面に平行な偏光である。
【００２８】
一般に、屈折率Ｎ0の透明媒体と屈折率Ｎ1の透明媒体の界面において、Ｎ0媒体からＮ1媒体へ光が入射するとき、入射する光の入射角をθとすると、入射角θの正接がＮ1／Ｎ0に等しい（ｔａｎθ＝Ｎ1／Ｎ0）とき、Ｐ偏光の反射成分はなく、全て反射光はＳ偏光となり、透過光は残りのＳ偏光とＰ偏光であることが知られている。
【００２９】
このときの入射角θをブリュースタ角と云う。このブリュースタ角を利用して、屈折率の異なる媒体を積層し、その積層膜厚を波長オーダで制御することで各偏光の位相を制御し、Ｐ偏光のみを透過し、Ｓ偏光を反射する反射偏光板を作製できる。
【００３０】
反射型偏光板タイプ１の一例を図５に示す。プリスム状の形状に屈折率の異なる２種の透明媒体を交互に積層した構造である。反射型偏光板タイプ１の作用は、無偏光１４０の内、Ｐ偏光１４１のみを透過し、それに直交するＳ偏光１４２を反射する。
【００３１】
この反射されたＳ偏光１４２は、散乱反射や、偏光解消子として位相差板を使用すると、その位相差板により楕円偏光（直線偏光、円偏光を含む）になり、再び反射偏光板に入射しＰ偏光成分のみが透過し、Ｓ偏光成分は反射され導光体へ戻る。これを繰り返すことにより、殆ど全ての光がＰ偏光１４１に変換され出射される。従って、好ましくは、反射されたＳ偏光１４２が、全てＰ偏光１４１に変換されるよう、往復透過後１／２波長になるように１／４波長板として作用する位相差板を設定することが好ましい。
【００３２】
一方、反射型偏光板タイプ２の一例を図６に示す。Ａsia  Ｄisplay  ９５  Ｄigest  ｐ７３５に記載されるコレステリック液晶高分子を、可視波長域で特性反射を示すようピッチの異なるコレステリック液晶高分子（２２）を積層し、無偏光１４３の内のある回り（右回りまたは左回り）の円偏光を透過、逆回り（左回りまたは右回り）の円偏光１４５を反射させ、その上に１／４波長板２３を積層し、ある一方向の直性偏光１４４を透過するものである。
【００３３】
反射型偏光板タイプ２の作用は、右回り（または左回り）の円偏光のみを透過し、左回り（または右回り）の円偏光を反射し、透過した円偏光は、１／４波長板で一方向の直線偏光となる。
【００３４】
一方、反射された左回り（または右回り）円偏光は、鏡面反射板で反射されて右回り（または左回り）の円偏光となり反射偏光板タイプ２を透過し、１／４波長板で一方向の直線偏光となり全ての光が直線偏光に変換される。反射板が鏡面反射板でない場合でも、反射光は楕円偏光（直線偏光、円偏光を含む）になり、再び反射偏光板に入射し右回り（または左回り）の円偏光のみが透過し、左回り（または右回り）の円偏光は反射され導光体へ戻る。
【００３５】
これを繰り返すことにより、殆ど全ての光が右回り（または左回り）の円偏光のみに変換され、その後１／４波長板で一方向の直線偏光となり出射される。
【００３６】
従って、反射板には少なからず光の吸収が存在するため、反射された左回り（または右回り）の円偏光が、全て右回り（または左回り）の円偏光に変換されるように、完全鏡面反射板であることが好ましい。
【００３７】
本発明の液晶表示装置の構成および効果と、従来のそれとの相違を明確にするために、まず、従来の液晶表示装置について、図１１、１３、１５、１６を用いて説明する。
【００３８】
図１５に示すように、従来のエッジライト型バックライトは、１枚の透明なアクリル樹脂からなり、裏面に白色インクを有する導光体６５の裏面に反射板６４を、導光体６５側面の少なくとも一方に光源６２を配置し、さらに導光体６５の出射面に拡散板６６が配置されている。さらに、正面輝度を上げるために、光路変換素子３０が光源６２の長辺と平行もしくは直交するように配置されている。
【００３９】
また、光路変換素子３０は、図に示すような三角断面を有するストライプ形状のものである。
【００４０】
液晶表示素子１０は、最も一般的なモードとして９０度捩じれを有するＴＮモードが適用され、この時の下側偏光板の偏光透過軸１１と上側偏光板の偏光透過軸１２とが、直交するように配置されたいわゆるノーマリーホワイトモードである。従って、反射型偏光板２０の偏光透過軸２１は、下側偏光板の偏光透過軸１１と平行に配置される。つまり、光路変換素子３０のストライプ方向３１（以下このストライプ方向３１、つまり、光路が変換されない一定の方向を光路変換素子の光路変換軸と呼ぶ）は、反射型偏光板２０の偏光透過軸２１と４５度で交差する。
【００４１】
反射型偏光板２０として反射型偏光板タイプ１を適用した場合、上記構成では、図１３に示すように、無偏光である導光体からの出射光１２０は、一方の直線偏光透過光１２１が透過し、他方の直交する直線偏光は反射型偏光板２０で反射され反射光１２２となる。
【００４２】
一般に、光路変換素子３０の複屈折性の光軸が光路変換軸３１の方向にあることが判明した。この時、直線偏光である反射光１２２は、その偏光軸方向が光路変換素子３０と角度４５度を成すために、光路変換素子３０の複屈折性により、偏光が維持できず直線偏光が楕円偏光になる。また、導光体６５裏面の白色インクおよび拡散板６６の光拡散により無偏光になり、反射板６４で反射され無偏光１２３になる。従って、反射型偏光板２０の偏光透過軸に平行な成分のみ透過し、透過光１２１と同一偏光である直線偏光透過光１２１Ａとなる。該透過光１２１Ａの直線偏光と直交する反射された直線偏光の反射光１２２Ａは、反射無偏光１２３と同様な過程を経て無偏光１２３Ａとなる。そして、直線偏光透過光１２１、１２１Ａと同一偏光である直線偏光透過光１２１Ｂとなる。
【００４３】
さらに、反射光１２２Ｂは、反射光１２２，１２２Ａと同様の過程を経て無偏光１２３Ｂとなる。以上の過程を繰り返すことで、原理的には全ての光が同一の直線偏光に変換されて、出射されることになる。
【００４４】
ところが、実際に液晶表示装置からの出射光の効率を測定すると、反射型偏光板２０の有無で、高々３０％程度光束量が増加するのみであった。理想的には、無偏光が全て一方向の直線偏光に変換されて光利用効率が１００％になる訳である。
【００４５】
この効率低下の直接要因は、反射板６４、導光体６５、白色インクおよび拡散板６６等の吸収、さらには、反射型偏光板２０の不完全性による不要偏光の透過である。つまり、各部材における光吸収は１回の透過反射では僅かではあるが、従来の構成では、１回の反射で効率良く偏光変換ができないために多数回の反射・透過で偏光変換を行われ、その結果、吸収が増大する。
【００４６】
上記の根本原因は、図１５における光路変換素子３０の光路変換軸３１と反射型偏光板２０の偏光透過軸２１が４５度で交差しているために、その複屈折性により直線偏光が楕円偏光に変換されることによる。これにより、１回の反射で効率良く偏光変換されずに、多数回の反射により偏光変換されるために各部材の光吸収の影響を大きく受けて偏光変換効率が低下するのである。
【００４７】
また、反射型偏光板２２として反射型偏光板タイプ２を適用した場合、上記構成では図１１に示すように、無偏光である導光体からの出射光１３０は、一方の円偏光が透過し位相差板２３で直線偏光１３１となり透過する。また、他方の円偏光である反射光１３２は反射型偏光板２２で反射される。
【００４８】
この時、円偏光である反射光１３２は、光路変換素子３０の複屈折性により、偏光が維持されず楕円偏光になる。また、導光体６５裏面の白色インクおよび拡散板６６の光拡散により無偏光になり、反射板６４で反射され無偏光１３３になる。従って、反射型偏光板２２により一方の円偏光は透過し、位相差板２３で直線偏光１３１と同一の直線偏光１３１Ａとなり、他方の逆回り円偏光である反射光１３２Ａは反射され、反射光１３２と同様の過程を経て無偏光１３３Ａとなる。同様にして、直線偏光１３１Ｂ、反射光１３２Ｂ、無偏光１３３Ｂとなる。
【００４９】
従って、原理的には、全ての光が同一の直線偏光に変換されることになるが、反射型偏光板タイプ１を用いた場合と同様に、光利用効率向上は高々３０％程度向上するのみである。この要因は、反射型偏光板タイプ１の時と同様に多数回の反射による光吸収損失であるが、この反射型偏光板タイプ２の場合は円偏光が反射されるために、光路変換素子３０を複屈折性のない等方性媒体を用いるか、光路変換素子３０へ反射光が入射する前に光路変換軸３１と直交もしくは平行になるように位相差板を配置することが好ましい。
【００５０】
従来から正面輝度をさらに向上させるために、図１６に示すように光路変換素子３０、３２のそれぞれの光路変換軸３１，３３を直交するよう配置させる構成が適用されている。これにより、１枚では一軸方向（水平または直交方向）に指向性を持たせていたものを、略全方位に指向性を持たせて正面輝度を上げることができる。
【００５１】
従来のエッジライト型バックライトは、１枚の透明なアクリル樹脂からなり、裏面に白色インクを有する導光体６５の裏面に反射板６４を、導光体６５の側面の少なくとも一方に光源６２を配置し、さらに導光体６５の出射面に拡散板６６が配置されている。
【００５２】
さらに、光源６２の長辺と平行もしくは直交して配置されている。液晶表示素子１０は、最も一般的なモードとして９０度捩じれを有するＴＮモードが適用されている。この時、下側偏光板の偏光透過軸１１と上側偏光板の偏光透過軸１２が、直交するように配置されたいわゆるノーマリーホワイトモードである。従って、反射型偏光板２０の偏光透過軸２１は下側偏光板の偏光透過軸１１と平行に配置される。つまり、光路変換素子３０，３２のストライプ方向、即ち、光路変換軸３１，３３は、反射型偏光板２０の偏光透過軸２１と平行または直交する。
【００５３】
この構成においても、図１５と同様に反射型偏光板の適用により光利用効率が僅かに３０％程度向上したのみであった。この構成において、反射型偏光板２０として、反射型偏光板タイプ２を用いた時には、光路変換素子３０の直前に位相差板を配置して直線偏光にする必要があるが、反射型偏光板タイプ１を使用しても高々３０％程度の光利用効率の向上であった。
【００５４】
その原因として、光路変換素子３０、３２は２軸異方性媒体であり、その光学軸の射影成分が、入射する直線偏光と平行もしくは直交にあっても偏光状態の変化を招くためである。その偏光状態の変化の作用が１枚の時には小さいが、２枚となることで増強されたためである。この増強される原因は、光路変換素子３０の頂角を９０度とした時、垂直に入射した光は全反射され出射されないために、２枚使用することで多重反射を繰り返し、偏光状態の変化を大きく受けて効率が低下する。
【００５５】
上述のように光利用効率向上および正面輝度向上のために反射型偏光板および光路変換素子を用いた場合、多数回の反射により光利用効率が向上できないことが分かった。そこで、本発明の１回の反射で効率良く反射光を再利用する原理について図１２、１４を用いて説明する。
【００５６】
まず、反射型偏光板２０として反射型偏光板タイプ１を適用した時の作用を図１４に示す。導光体からの出射光である無偏光１２０の内一方の直線偏光１２１が透過し、透過光１２１と直交する他方の直線偏光１２２は、反射型偏光板２０で反射され、１／４波長板として作用する複屈折媒体４０により円偏光１２４に変換される。また、円偏光１２４は、反射板６１で鏡面反射され１２４とは逆回りの円偏光１２５となる。円偏光１２５は、複屈折媒体４０で透過光１２１と同一の直線偏光１２６となり、反射型偏光板２０を透過し透過光１２１Ｃとなる。この過程により一回の反射で全ての光が同一の直線偏光に変換され効率のより偏光変換が達成できる。
【００５７】
また、反射型偏光板２２として反射型偏光板タイプ２を適用した時の作用を図１２に示す。導光体から無偏光である出射光１３０の内、一方の円偏光が透過し、１／４波長板として作用する複屈折媒体４０により、直線偏光１３１となる。一方、反射された他方の円偏光１３２は、反射板６１により鏡面反射され円偏光１３２と逆回りの円偏光１３６となる。円偏光１３２は、反射型偏光板２２を透過し、複屈折媒体２３により１３１と同一の直線偏光１３１Ｃとなり出射される。
【００５８】
この過程により一回の反射で全ての光が同一の直線偏光に変換され効率のより偏光変換が達成できる。このタイプ２の反射型偏光板を用いる時には、光路変換素子に入射する前に直線偏光の変換するか、光路変換素子を少なくても１軸異方性さらには等方性媒体を適用することが好ましい。光路変換素子として一軸異方性媒体を使用する場合は、直線偏光が透過後円偏光になるように１／４波長板として働くようにすることが好ましい。
【００５９】
上記のように、１回の反射で効率良く偏光変換を行うためには、光路変換素子の配置を複屈折性の影響を受けないような配置にする必要がある。また、導光体、拡散板等も偏光を維持するようにすることが効率向上には最適である。つまり、反射型偏光板を使用する時には拡散板の偏光維持性能が重要になり、特に偏光が崩れない拡散板としてホログラム拡散板を用いることが好ましい。例えば、ＳＩＤ９３ダイジェストｐｐ２９のホログラム拡散板やＳＰＩＥｖｏｌ１５３６（１９９１）ｐｐ１３８のライトコントロールフィルムを使用できる。また、全方位で指向性を高め、正面輝度向上を図る場合、従来、光路変換素子３０を２枚用いていたが、２枚使用すると多重反射で効率が低下することがわかった。そこで、光路変換軸方向は導光体で指向性を高めることが有効である。
【００６０】
導光体の一例を図７、８に示す。反射型偏光板からの反射光の偏光を維持したまま再び液晶表示素子側に反射させるために、図７において導光体６０裏面に微細な鏡面反射の傾斜面６０Ａとフラットな鏡面部６０Ｂとを設け、導光体の裏面に鏡面反射板６１を設ける。このとき、傾斜面はフラット部に比べて面積比率を小さくする。また、傾斜面は導光体から光を出射させるための面で、鏡面反射面で、フラット部は、導光体内を全反射して伝搬させるためのものである。傾斜面およびフラット面を金属反射面にしてもよいが、導光体内を伝搬す時の反射回数は多数になるために、反射率の最も高い全反射を利用することが好ましい。また、図８に示すように傾斜部６０Ｃと若干傾斜したフラット部６０Ｄを設けることもできる。この構成により、反射型偏光板から反射された光の殆どは導光体裏面のフラット部を透過し、裏面に配置された反射板で偏光状態を略維持したまま再び導光体から出射れる。これにより、液晶表示素子の入射側偏光板による吸収が殆どなく効率良く光を利用でき明るさ向上を図ることができる。
【００６１】
光源からの入射光１５３（１６３）が導光体６０裏面のフラット部６０Ｂ（６０Ｄ）に入射した場合は全反射光１５４（１６４）は、導光体６０中を伝搬し、微細な鏡面部６０Ａ（６０Ｃ）へ入射したときのみ導光体より出射光１５６（１６６）として出射されるか、または、導光体中を伝搬し伝搬光１５１（１６１、１６２）となる。また、導光体上面でも全反射光１５２，１５５（１６４）となる。
【００６２】
導光体６０の表面において、導光体の屈折率によって定まる全反射角θｃ以上の入射角の光が全反射し、導光体内を伝搬する。全反射角θｃ未満の入射角の光が導光体の上面で屈折し出射される。例えば、空気（屈折率ｎ＝１）とアクリル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリスチレン等の透明樹脂（屈折率ｎ＝１．５程度）の界面における全反射角θｃは、θｃ＝ｓｉｎ~1(１／ｎ)＝４２°で与えられる。導光体へ入射した光θは、−(９０°−θｃ)≦θ≦＋(９０°−θｃ)内の光となるために、導光体の上面または下面のフラット部では全反射する。
【００６３】
さらに、本発明の重要な構成は、一軸方向は導光体で、それに直交する方向は、光路変換素子で正面輝度を向上させる点にある。図９に光路変換素子の光路変換軸３１と、反射型偏光板の偏光透過軸３１Ａおよびその成す角３１Ｂを示す。
【００６４】
光路変換素子３０が一軸の複屈折媒体で、垂直入射において略１／４波長板として作用する時、この成す角度による偏光変換効率２００の変化およびその変化率２０１の一例を図１０に示す。
【００６５】
図１０より、その成す角度が４５度において偏光変換効率が最も低く、かつ、その変化が急峻であることが分る。従って、成す角度が４５度の時には、偏光板の配置角度のずれや液晶ラビング角度のずれにより大きく効率が変化することになる。製造マージンを考慮すると上記の成す角４５度は最悪の条件である。光路変換素子は複屈折性を有し、その光学軸が光路変換軸方向に存在する。従って、この光路変換素子の複屈折性による偏光状態の変化を少なくするために、光路変換軸方向と反射偏光板からの反射光偏光方向の成す角度を４５度にならないように配置する。
【００６６】
光路変換軸方向と反射型偏光板からの反射光偏光方向との成す角度が０度〜３０度もしくは６０度〜９０度とするのが望ましく、さらに、好ましくは光路変換軸方向と反射型偏光板からの偏光方向が直交もしくは平行に配置することである。
【００６７】
図１２，１４で説明したように、光路変換素子３０が複屈折性を有しない場合は、効率よく変換が実現できる。しかし、光路変換素子３０は一般的に複屈折媒体である。
【００６８】
そこで、光路変換素子３０を、一軸の複屈折媒体で略１／４波長板として作用し、光路変換素子３０の光路変換軸３１と反射型偏光板の偏光透過軸３１Ａとの成す角度３１Ｂを４５度にした時、反射型偏光板で反射された偏光は、裏面の反射板で反射され２回光路変換素子を透過する。これにより位相変化を受けて所望の直線偏光から９０度ずれ、一回の反射では全く再利用できないことになる。従って、図１０に示すように光利用効率が低下する。
【００６９】
しかしながら、上記の光路変換軸３１と反射型偏光板の偏光透過軸３１Ａとの成す角度３１Ｂを、０度または９０度とした時、反射型偏光板からの反射光が一回の反射で効率良く再利用できる。
【００７０】
また、効率の変化率を０.５以下にすれば、光路変換素子３０の複屈折性の面内ばらつきに対して視認できない程度であることが分かった。この効率の変化率を０.５以下にするためには、上記の成す角度３１Ｂを０〜３０度、または、６０〜９０度にする必要がある。
【００７１】
以上により、偏光変換効率が高く、正面輝度向上を実現した光利用効率の高い液晶表示装置を得ることができる。
【００７２】
【実施例】
以下、本発明の液晶表示装置について詳細に説明する。
【００７３】
本発明の液晶表示装置の一実施例を表す模式斜視図を図１に示す。本実施例は、エッジライト型照明装置を用いて、透明なアクリル樹脂からなる導光体６０を用いて、一方の側面に長さに対応した発光長を有する冷陰極蛍光ランプ６２と、それをカバーし光を導光体側に反射するランプカバー（図示省略）とを端面に設けた。導光体６０の裏面には、反射板６１を配置した。
【００７４】
光源６２としては、管径が２.６ｍｍで、長さが約２９０ｍｍ（紙面の奥行き方向）を使用した。ランプカバーとしては、冷陰極蛍光ランプを包み込むような円筒形あるいは楕円筒形の反射板を、また、導光体６０としては、屈折率１.４９で大きさ２９０ｍｍ×２２５ｍｍ×３.５ｍｍのものを使用した。
【００７５】
導光体６０の裏面に微細な溝を形成し、その溝のピッチを変えることで均一性を保持した。また、導光体６０の出射側に偏光を崩さないホログラムで作製した拡散板６３を配置した。また、ポリカーボネートで作製されたリタデーションが１３０ｎｍの位相差板４１をその延伸軸４１Ａが光路変換素子３０の光路変換軸３１と４５度を成すように配置した。
【００７６】
また、反射型偏光板２０としては、反射型偏光板タイプ２を使用し、その偏光透過軸２１を光路変換軸３１と直交させて配置した。
【００７７】
また、液晶表示素子１０は、９０度ツイストのＴＮ液晶を使用し、その偏光板の透過軸をそれぞれ裏面１１、表面１２が直交するように配置した。光路変換素子３０として２軸の複屈折性を有し、その光学軸の射影成分が光路変換軸３１と平行であった。
【００７８】
液晶表示素子１０は、図２の模式断面図に示す構成のものを用いた。内側に透明電極１３Ａ，１３Ｂを、それ上にラビング処理を施した配向膜１４Ａ，１４Ｂとを形成した上下基板１２Ａ，１２Ｂ間に液晶層１５を挟持し、その両側に偏光透過軸が直交するように配置したノーマリーホワイトモードの液晶表示素子である。ここで、液晶表示モードは、偏光を変調する表示モードであれば限定されない。
【００７９】
上記構成とすることで、図３に示すように導光体６０への入射光１００は、導光体裏面の微細構造に入射すると、その傾斜角で出射され出射光１０１となり略法線方向から出射される。無偏光である出射光１０１は、反射型偏光板２０により一方の直線偏光透過光１０２のみ透過し、直線偏光透過光１０２に直交する直線偏光は反射されて、反射光１０４となる。
【００８０】
該反射光１０４は、光路変換素子３０により偏光状態の変化を受けずに、複屈折媒体４０により円偏光１０３に変換され、導光体６０の裏面に配置された反射板６１で反射される。反射された反射光１０５は、円偏光１０３とは逆回りの円偏光になり再び複屈折媒体４０に入射する。１／４波長板として作用する複屈折媒体４０を透過した光１０６は、透過光１０２と同一直線偏光になり反射型偏光板２０を透過し、出射光１０７となる。このように、１回の反射で効率良く偏光変換が行われので光利用効率を大幅に向上できる。
【００８１】
次に、見方を変えて、図３を光路変換素子３０の光路変換軸３１に直交する方向から見た場合の模式断面図を図４に示す。
【００８２】
導光体６０からの入射光１１１は、光路変換素子３０により垂直方向に指向されて透過光１１２となる。無偏光である透過光１１２は、反射型偏光板２０で一方の直線偏光のみ透過し、直線偏光透過光１１３となる。
【００８３】
反射光１１４は、上記透過光１１３と直交する直線偏光となり、再び光路変換素子３０へ入射する。その結果、透過光１１５は、複屈折媒体４０を斜めに透過することになるが、複屈折媒体４０がこの光路において１／４波長板として作用する。
【００８４】
透過光１１５は円偏光になり、反射板６１で反射され透過光１１５とは逆回りの円偏光１１６になり、再び、複屈折媒体４０を透過して、上記透過光１１３と同一の直線偏光１１７になる。その結果、反射型偏光板２０を透過し、直線偏光透過光１１３と同一の直線偏光透過光１１８になる。
【００８５】
以上のように、１回の反射で効率良く偏光変換が行われ、指向性による正面輝度の向上と、光利用効率の向上が実現できる。その結果、従来の光利用効率向上が反射型偏光板を用いることにより約３０％向上にしたのに対し、本実施例では約６０％向上した。さらに、光路変換素子を一軸異方性媒体であるポリカーボネートを適用したところ、さらに光利用効率が向上した。
【００８６】
次に、反射型偏光板２０として、コレステリックフィルムと１／４波長板からなる反射型偏光板タイプ２を適用した場合、上記と同一の効果を得るために、ココレステリックフィルムの下部にも１／４波長板を配置した。それ以外は上記と同様の構成である。その結果、従来の光利用効率の向上が反射型偏光板を用いることにより約３０％の向上に対して、本実施例では約５０％向上した。
【００８７】
また、上記構成で面内均一性９０％（最大輝度に対する最小輝度比）を達成した。さらにまた、出射光の広がりは、正面輝度に対して明るさが１／２になる明るさの角度範囲を測定した結果、光源６２の長軸に平行な方向では約±３０度、光源６３に直交する方向では約±２０度であった。従って、一枚の光路変換素子で全方位で指向性を強めることができ、正面輝度が飛躍的に向上した。
【００８８】
本発明に使用したコレステリックフィルムは、コレステリック液晶高分子を用いた特性反射を利用したもので、コレステリック液晶高分子は、特性反射が可視領域で発現されるように、ピッチの異なる層を積層したものが好ましい。
【００８９】
実験的には、少なくとも２層以上が必要なことが確認できた。１層でもコレステリック液晶高分子のピッチが層内で変化するものであったり、Δｎ（屈折率異方性）が十分大きければ問題はない。
【００９０】
また、コレステリック液晶高分子上に１／４波長板として作用する位相差板を配置した。これにより、無偏光の入射光は、コレステリック液晶高分子と同じ回りの円偏光成分は反射され、逆回りの円偏光成分は透過し、位相差板で直線偏光となり出射される。従って、光吸収損失の無い偏光板が作製でき、反射された円偏光は、例えば金属反射で逆回りの円偏光として再利用し、光利用効率を向上できる。
【００９１】
上記実施例では、導光体の側面に光源ランプを配置した構成である。また、導光体裏面の微細構造は、ピッチ、角度、高さは一定としたが、光源ランプからの距離に応じて変化させることも可能である。
【００９２】
上記について検討した結果、ピッチは５００μｍ以下、角度は３０〜５０度、高さは５０μｍ以下が好ましい。また、微細構造は凹凸いずれでも可能で、さらには、微細構造が曲面であってもよい。
【００９３】
上記実施例では、ＴＮ液晶層の縦電界を印加する表示モードを例に説明したが、偏光を制御する表示モードであれば、横電界印加のＴＮ液晶、ＳＴＮ液晶、ＭＶＡ方式等表示モードには特定されない。
【００９４】
【発明の効果】
偏光を制御する液晶表示素子と該素子の背面に照明装置を備えた液晶表示装置の前記照明装置に反射手段を、前記液晶表示素子と照明装置との間に光路変換手段と反射型偏光選択手段とを配し、前記反射型偏光選択手段の透過光とそれからの反射光とが再び前記反射型偏光板に入射する時に、略同一の偏光状態になるように、前記光路変換手段の光路変換軸の方向と反射型偏光選択手段の偏光透過軸とを規定することで、低消費電力で正面輝度の高い液晶表示装置を実現することができる。
【００９５】
特に、光路変換手段の光路変換軸方向と反射型偏光選択手段からの反射光偏光方向との成す角度が０度〜３０度もしくは６０度〜９０度とするのが望ましく、好ましくは光路変換軸方向と反射光偏光方向が直交または平行になるよう配置したことで、低消費電力で正面輝度の高い液晶表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶表示装置の一実施例を示す模式斜視図である。
【図２】本発明に適用する液晶表示素子の一実施例を示す模式断面図である。
【図３】本発明の液晶表装置の一実施例を示す模式断面図である。
【図４】本発明の液晶表装置の一実施例を示す模式断面図である。
【図５】本発明に適用する反射型偏光板の一実施例を示す模式断面図である。
【図６】本発明に適用する反射型偏光板の一実施例を示す模式断面図である。
【図７】本発明に適用する照明装置の一実施例を示す模式断面図である。
【図８】本発明に適用する照明装置の一実施例を示す模式断面図である。
【図９】本発明の構成の一部を説明する図である。
【図１０】本発明の偏光方向と航路変換素子の成す角度に対する光効率との関係を示すグラフである。
【図１１】従来の液晶表示装置の光の偏光状態を示す模式図である。
【図１２】本発明の液晶表示装置の光の偏光状態を示す模式図である。
【図１３】従来の液晶表示装置の光の偏光状態を示す模式図である。
【図１４】本発明の液晶表示装置の光の偏光状態を示す模式図である。
【図１５】従来の液晶表装置の一例を示す模式断面図である。
【図１６】従来の液晶表装置の一例を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１０…液晶表示素子、１１…下側偏光板の偏光透過軸、１２…上側偏光板の偏光透過軸、１１Ａ，１１Ｂ…偏光板、１２Ａ，１２Ｂ…基板、１３Ａ，１３Ｂ…透明電極、１４Ａ，１４Ｂ…配向膜、１５…液晶層、２０，２２…反射型偏光板、２１…偏光透過軸、２３…位相差板、２４…誘電体多層膜、２５…反射型偏光板（タイプ１）、２６…反射型偏光板（タイプ２）、３０，３２…光路変換素子、３１，３３…光路変換素子の光路変換軸、３１Ａ…反射型偏光板の偏光透過軸、４０…複屈折媒体、４１…位相差板、４１Ａ…延伸軸、６０，６５…導光体、６０Ａ，６０Ｃ…鏡面部、６０Ｂ，６０Ｄ…フラット部、６１，６４…反射板、６２…光源、６３，６６…拡散板、１００，１１１，１２０，１３０，１５０，１５３，１６０，１６３…入射光、１０３，１１６，１２４，１２５，１３６，１４５…円偏光、１０１，１０７，１５６，１６６…出射光、１０２，１１３，１１８，１２１，１２１Ａ，１２１Ｂ，１４４…直線偏光透過光、１０４，１０５，１１４，１２２，１２２Ａ，１２２Ｂ…反射光、１１２，１１５…透過光、１２３，１２３Ａ，１２３Ｂ１４０，１４３…無偏光、１１７，１２６…直線偏光、１３１，１３１Ａ，１３１Ｂ，１３１Ｃ，１０６…直線偏光、１３２，１３２Ａ，１３２Ｂ…反射光、１３３，１３３Ａ，１３３Ｂ…無偏光、１５１，１６１，１６２…伝搬光、１５２，１５４，１５５，１６４，１６５…全反射光。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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