(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する基板間に液晶が挟持され、表示面に対する法線方向が最適な視角となるように設定された半透過型の液晶表示素子と、
前記液晶表示素子を挟むように設けられた上偏光板および下偏光板と、
前記下偏光板の背後に設けられたバックライトと、
前記下偏光板と前記バックライトの間に設けられ、特定角度範囲で入射した光を散乱し、それ以外の角度で入射した光を透過する指向性拡散層と、
前記指向性拡散層と前記下偏光板の間に配置され、光を等方的に散乱透過させる無指向拡散層を備え、
前記指向性拡散層は、フィルム母材中に該母材とは屈折率の異なる筒形状が分布した構造であり、
前記指向性拡散層は、前記法線方向からの入射光と、前記法線方向に対して２０度〜９０度の入射光を透過し、前記法線方向に対して５度〜１５度の入射光を散乱するとともに１０度付近で透過率が最小であることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
前記指向性拡散層と前記無指向拡散層は積層された積層拡散層を形成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】
前記無指向拡散層が拡散粘着層であることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記バックライトは、光源からの光をその前面側に導く導光板と、前記導光板の背後側に設けられた反射層と、を含み、前記導光板から出射する光は前記法線方向に対して０度の成分が他の成分より多いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項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、時計、携帯電話、オーディオ、電子機器等に使用される液晶表示装置に関し、液晶表示装置の輝度を向上する構成に係るものである。詳しくは、使用環境の光である外光を利用する反射型表示と、バックライト等の照明光を利用する透過型表示との両方の表示が可能な液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置に用いられる液晶パネル（ＬＣＤ）は、一般に、ＴＮ（ツイステッドネマティック）型またはＳＴＮ（スーパーツイステッドネマティック）型の液晶が用いられ、液晶分子がツイスト配向した液晶層を挟んで互いに対向する２枚の基板を主要な構成としている。そして、液晶パネルの前面側と背面側にはそれぞれ偏光板が配置されている。このような構成の液晶表示装置は、電界や電流や温度上昇によって液晶分子の配列状態や相変化が起こり、液晶状態での光の干渉、散乱、回折、旋光、選択散乱、吸収などの光学的性質が変化することを表示の動作原理としているものである。そして、それぞれの基板に画素を形成するために設けられた電極間に電圧を印加して液晶層を制御することにより、表示を実現している。また、液晶パネルは非発光性のため、一般には反射板やバックライトが用いられている。
【０００３】
液晶表示装置には、明所でも暗所でも表示が観察できるように、自然光や室内光等の外光を利用する反射型表示と、バックライトからの照明光を利用する透過型表示との両方の表示モードを行うものがある。このような液晶表示装置の構成としては、液晶パネルの背後に半透過板とバックライトを備えた構成が一般的に知られており、半透過型の表示装置と称されている。
【０００４】
以下に、半透過型のＳＴＮ液晶表示装置の構造について、図９、１０を参照して説明する。図９は外光を利用して表示を観察する反射型表示の場合を示し、図１０はバックライトの照射光を利用して表示を観察する透過型表示の場合を示している。
【０００５】
図示するように、液晶パネル３は液晶層を挟んで対向する基板により構成されており、この液晶パネル３の上側に上偏光板１が、下側に下偏光板４がそれぞれ設けられている。上偏光板１と下偏光板４は、それぞれ特定方向の直線偏光のみを選択的に透過または吸収するものである。
【０００６】
ここで、液晶パネル３の光学的異方性を補償する補償板２が、上偏光板１と液晶パネル３の間に設けられている。この補償板２はＳＴＮ型液晶装置では一般的に使用されている。また、下偏光板４の背後には半透過板５が設けられ、さらにその半透過板５の背後にバックライト６が設けられている。
【０００７】
このような構成の液晶表示装置において、外光を利用して液晶パネル３を表示させる場合には、図９に示したように、上偏光板１に入射した入射光は、補償板２、液晶パネル３、下偏光板４を通過し、そのうちの一部の光は半透過板５で反射される。半透過板５で反射された光は、再度、下偏光板４、液晶パネル３、補償板２、上偏光板１を通って観察者に届く。これにより、液晶パネル３に表示された情報を見ることができる。
【０００８】
次に、バックライトの光を利用して液晶パネル３を表示させる場合を図１０に基づいて説明する。バックライト６が照射する照明光の一部は半透過板５を通過する。この通過した光はさらに下偏光板４を透過して液晶パネル３にその背面から入射され、表示パネルの前方に出射される。出射された光は、補償板２、上偏光板１を通過して観察者に届く。これにより、液晶パネル３に表示された情報を見ることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
外光とバックライト光の両方を利用できるように、反射と透過を行う半透過板を使用した液晶表示装置では、以下のような問題点があった。すなわち、半透過板の反射の割合を高めると透過の割合が低くなるため、外光を利用するときは明るくなるが、バックライトを使用するときは暗くなる。逆に、半透過板の透過の割合を高めると反射の割合が低くなるため、バックライトを利用するときは明るくなるが、外光を使用するときは暗くなる。このように、上述の構成の液晶表示装置では、外光とバックライトの双方に対して、共に明るくすることができないという問題点があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、互いに対向する基板間に液晶が挟持された液晶表示素子と、液晶表示素子の視覚側と背後にそれぞれ設けられた上偏光板および下偏光板と、下偏光板の背後に設けられたバックライトと、光を等方的に散乱透過させる無指向拡散層と、特定角度範囲で入射した光を散乱し、それ以外の角度で入射した光を透過する指向性拡散層を備えることとした。
【００１１】
このように、指向性拡散層と無指向拡散層とを用いることにより、液晶表示素子の正面方向からの入射光については効率良く正面に反射し、指向性拡散層の特定角度範囲内で入射した光は指向性拡散層と無指向拡散層で拡散され、そのため正面方向にも反射光成分を振り分けることができる。一方、指向性拡散層の特定角度範囲外の入射光では、指向性拡散層を透過するものの無指向拡散層で拡散するため、特定角度範囲外の入射光も正面方向にも反射光成分を振り分けることができる。従って、光源の位置がどこにあっても、反射光を効率良く液晶表示素子正面に集めることができた。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明による液晶表示装置は、互いに対向する基板間に液晶が挟持された液晶表示素子と、液晶表示素子の視覚側に設けられた上偏光板と、液晶表示素子の背後に設けられた下偏光板と、下偏光板の背後に設けられたバックライトと、特定角度範囲で入射した光を散乱し、それ以外の角度で入射した光を透過する指向性拡散層と、光を等方的に散乱透過させる無指向拡散層を備える構成とした。ここで、指向性拡散層と無指向性拡散層は近接して配置される。無指向性拡散層としては、等方散乱特性を有する拡散粘着層や拡散フィルムを用いることができる。
【００１３】
以下には、指向性拡散層と無指向性拡散層が積層して構成された積層拡散層を用いて説明するが、並んで配置されていれば良く、必ずしも接着させて積層する必要はない。
【００１４】
図１に、指向性拡散層と無指向性拡散層が積層して構成された積層拡散層を下偏光板とバックライトの間に設けた構成の液晶表示装置を示す。このような構成によれば、液晶表示素子の正面方向からの入射光については効率良く正面に反射し、指向性拡散層の特定角度範囲内で入射した光は指向性拡散層と無指向拡散層で拡散され、正面方向にも反射光成分を振り分けることができる。一方、指向性拡散層の特定角度範囲外の入射光では、指向性拡散層を透過するものの無指向拡散層で拡散するため、特定角度範囲外の入射光も正面方向にも反射光成分を振り分けることができる。従って、光源の位置がどこにあっても、反射光を効率良く液晶表示素子正面に観察することができた。
【００１５】
また、積層拡散層を上偏光板と液晶パネルの間に設ける構成にしても同様であり、光源の位置がどこにあっても、反射光を液晶表示素子の正面に観察することができる。
【００１６】
液晶にＳＴＮ液晶を用いた場合には、通常、補償板が用いられる。その場合には、補償板は、上偏光板と積層拡散層または液晶表示素子との間に、液晶表示素子３の光学異方性を補償する角度で配置させればよい。
【００１７】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明にかかる液晶表示装置の実施例を説明する。
【００１８】
（実施例１）
図３及び図４は、本実施例における液晶表示装置の断面構造を示す模式図である。本実施例では、積層拡散層を下偏光板とバックライトの間に設けた構成の一例であり、特定角度範囲で入射した光を散乱し、それ以外の角度で入射した光を透過する層である指向性拡散層がバックライト側に、光を等方的に散乱透過させる層である無指向拡散層が液晶表示素子側に設けられている。特に、図３は外光を利用した状態を示し、また、図４はバックライトによる照明光を利用した状態を示す。
【００１９】
図示するように、液晶が封入された液晶パネルの上側に上偏光板が、下側に下偏光板がそれぞれ設けられている。ここで、液晶パネルは液晶を透明基板に挟持させた構造で液晶分子をツイストさせたツイストネマティック型の液晶表示素子である。また、ＳＴＮ型の液晶層を液晶パネルに用いた場合には、液晶パネルの光学的異方性を補償する補償板が上偏光板と液晶パネルの間に設けられる。下偏光板の背後に指向性拡散層と無指向拡散層を積層した積層拡散層が配置される。さらに、積層拡散層の背後にバックライトを配置する。ＴＮ型の液晶表示素子を用いた場合でも補償板の作用を除いて基本的に同一である。
【００２０】
本実施例では、下偏光板側に無指向性拡散層が、バックライト側に指向性拡散層が設けられた構成である。
【００２１】
液晶表示素子は、ほぼ正面が最適な視角となるように設定され、最適視角の前後１５度くらいの視角範囲で観察できるように設計されている。そのため、指向性拡散層には、厚み方向（法線方向）からの入射光に対してはほぼ透過し、入射角５〜１５度の光に対しては効率よく厚み方向すなわち指向性拡散層の正面に拡散光を集め、臨界角度である約２０度以上の入射光に対してはほぼ透過する特性を持つものを利用する。指向性拡散層はフィルム母材中に母材とは異なる屈折率の部位を設けた構成であり、例えば、フォトポリマーにマスクを用いて部分的に感光させることによって作製される。このような構成のポリマーフィルムは、感光部と非感光部で屈折率が異なるため指向性拡散層としての機能を備えるようになる。
【００２２】
一方、本実施例では、この指向性拡散層とともに設けられる無指向性拡散層として、拡散粘着層を用いている。拡散粘着層は、粘着剤の中に粘着材とは異なる屈折率のフィラーを分散させた構成で、図１２に示すような透過特性を持っている。拡散粘着層は、入射光の光路が大きいほど、フィラーによって方向を変えられる成分が多くなる。光路の長さは拡散粘着層の厚みに対して余弦の逆数で増加する。すなわち最も光路が短くなる厚み方向（法線方向）からの入射光が最も拡散が小さいため、そのまま出射される成分が大きくなる。入射角が大きくなればなるほど光路が長くなるため、無指向拡散層内の拡散が大きくなり、入射角の延長方向への透過率が小さくなり、反対に入射角の延長方向以外の光成分が多くなるという特性をもっている。従って法線の延長方向からも出射される。
【００２３】
指向性拡散層と無指向拡散層とを積層した積層拡散層の透過特性を図１２に示す。積層拡散層の法線方向（厚み方向）の入射角においては、指向性拡散層、無指向拡散層とも拡散が小さく透過率が高いため、積層拡散層としての透過率も高くなる。また入射角度を大きくしていくと、法線方向からの角度が5度付近までは透過率は減少するが、更に入射角度を大きくしてもほぼ透過率大きくは変化しなかった。従って、入射角度にかかわらず、法線の延長方向からも出射される光成分がある。
【００２４】
ここで、液晶パネルの背後に設けられたバックライトには白色光を発光するＬＥＤを光源とするバックライトを使用した。一般に、バックライトは図８に示すように、光源１１からの照射光をその前面に導く導光板１２と、導光板の背後に設けられた反射層１３と、導光板から出る光を拡散して輝度ムラを抑えるために設けられた拡散板１４を備えている。導光板にはその上側あるいは反射層側に光を均一に照射するための処理を施しても良い。バックライトには液晶表示素子の照明機能だけでなく、反射板の機能も持たせている。
【００２５】
このような構成の液晶表示装置を、液晶表示装置のほぼ正面から（すなわち、法線方向から）外光を利用した反射モード表示で観察する場合について図３を用いて説明する。外部から入射した光は上偏光板１によって偏光分離、楕円偏光変換が行われ、液晶表示素子３によって直線偏光に戻され、入射した角度をほぼ維持しつつ下偏光板４から出射される。出射された光は積層拡散層に入射され、この入射光は積層拡散層を通過し、バックライト6の表面または反射層で反射され、入射と同様の経路をとおり液晶表示装置から出射される。
【００２６】
ここで、積層拡散層に入射される光（入射光）の入射角度が０度付近の場合には、入射光は無指向拡散層にも垂直に近く入るため無指向拡散層内を通過する距離が短く、そのため、多少の拡散はあるものの、透過成分は多い。この透過成分が指向性拡散層をそのまま通過して、バックライト側に出射され、バックライト6の表面または反射層で反射されて、再度積層拡散層に入射する。積層拡散層に再度入射された光は、指向性拡散層により液晶表示装置正面に散乱しつつ集光され、無指向拡散層でさらに拡散があるが、０度成分が多い。したがって、観察される表示は明るく、視野角も確保できた。
【００２７】
また、積層拡散層に入射される光（入射光）の入射角が５〜１５度付近の場合には、入射光は無指向拡散層で拡散するものの入射角度が浅いため為散乱は大きくない。その後、指向性拡散層で更に散乱しつつ集光され、積層拡散層からバックライト側に出射する。出射された光は、バックライト6の表面または反射層で反射されて、再度積層拡散層に入射する。この再入射光は液晶パネル正面側に散乱しつつ集光され、無指向拡散層でさらに拡散され、液晶パネルを通過して観察者に観測される。そこで観察される表示は明るく、そこそこに視野角がある。
【００２８】
また、積層拡散層に入射される光（入射光）の入射角度が２０度以上の場合には、入射角度があるので、入射光は無指向拡散層で大きく拡散し、指向性拡散層に入射する。無指向拡散層で等方的に拡散されているため、この拡散光にはいろいろな入射角で指向性拡散層に入射される光が存在することになる。従って、前述のように、無指向拡散層で拡散された光が０〜１５度付近の場合には指向性拡散層によって液晶パネル正面側に散乱しつつ集光されて出射する。それ以外の角度の散乱光は、指向性拡散層をそのまま通過する。指向性拡散層を通った光はバックライト6の表面または反射層で反射されて、再度積層拡散層に入射する。
この再入射光は、指向性拡散層で集光液晶パネル正面側に散乱しつつ集光され、無指向拡散層でさらに拡散され、液晶パネルを通過して観察者に観測される。
【００２９】
すなわち、指向性拡散層を通過してしまう入射角度の大きい光でも、無指向性拡散層で等方に拡散されて、一部は入射角の小さな散乱光になるので、この光が表示素子の正面側に集光されることとなる。そのため、表示パネル正面側に従来より多くの光を集光することができる。従って、観察者は、明るく、適切な視野角がある表示を観察できる。
【００３０】
このように、どのような角度からの入射光も、効率良く液晶表示装置の法線方向に集められるので、外光を利用した反射モードで明るい表示が実現でき、良好な表示特性を得ることができる。
【００３１】
また、本実施例のように、無指向性拡散層を表示パネル側に設ける構成は、特に、無指向性拡散層として拡散粘着層を用いる場合に好適である。なぜなら、拡散粘着層を表示パネル（下偏光板）と指向性拡散層を接着させる接着剤として用いることができるので、表示パネルに積層拡散層（指向性拡散層に拡散粘着層が設けられた構成の積層拡散層）を貼り付けるだけで本実施例の構成が容易に実現できる。
【００３２】
次に、本発明の構成の液晶表示装置において、バックライトの照射光を使用した透過モードの表示の場合を図４に基づき説明する。
【００３３】
バックライト６からの照明光のうち、法線方向に出射された成分はほぼそのまま指向性拡散層を通過する。法線方向以外の成分のうち０度〜２０度で入射した照明光は、指向性拡散層によって拡散光に変換されると共に、法線方向に集められる。バックライトからの光は基本的に０度成分が多いので、殆どの光が指向性拡散層により法線方向に集められて無指向性拡散層に入射される。無指向拡散層で若干の散乱があるが、前述の通り無指向性拡散層に入射する光はほぼ法線方向に集められているので、無指向拡散層で大きく散乱することなく通過して表示パネルに届く。
【００３４】
すなわち、バックライトを使用する場合には、積層拡散層の透過率は大なのでバックライトからの照明光は明るいまま、観測者に届く。
【００３５】
このように、本願発明の構成、すなわち、液晶表示素子の背後に設けられた下偏光板とバックライトとの間に、光を等方に拡散する無指向性拡散層と、特定角度範囲で入射した光を散乱し、それ以外の角度で入射された光を透過する指向性拡散層を設ける構成によれば、反射表示でも透過表示でもともに明るい表示が可能になる。
【００３６】
以下に、本実施例に用いた指向性拡散層を簡単に説明する。図５は、本発明に係る積層拡散層の構造を示すものである。図６は積層拡散層に入射した光の光路を模式的に表している。積層拡散層７は、フォトポリマーの材質を元に、感光されていない非感光部６０と感光により生じた感光部５０とが隣接するように構成される。感光部５０は、厚み方向に筒上に延びた形状である。感光部５０と非感光部６０とは互いに屈折率が異なっている。そのため、図６に示すように、感光部５０に臨界角以内から入射した光８０は非感光部６０との界面で反射を繰り返して、光８０は法線方向に寄せ集められた散乱光となる。また、厚み方向に対して垂直に入射した光７０は、感光部５０で屈折されることなく感光部５０を透過する。一方、臨界角度を越えて入射された光９０は、その入射された角度のまま感光部５０と非感光部６０を透過する。このように、図５及び図６の構成の積層拡散層によれば、臨界角以内の入射光を効率よく法線方向に集められる。
【００３７】
ここで、感光部と非感光部の屈折率の差を変えることにより、臨界角を変えることができる。また、感光部５０の分布密度、レイアウト、あるいは、径や長さ等の寸法を調整することで、散乱度や指向方向を任意に設定することが可能である。
【００３８】
次に、指向性拡散層の光学的特性について説明する。図７は、光の入射角度に対するフィルムの透過性を表しており、光の入射角度を横軸、透過率を縦軸としている。ここで、積層拡散層７に対して垂直に入射する光を入射角度の０度の光とする。また、０度からある方向をプラス、反対の方向をマイナスとする。図示するように、積層拡散層は入射角ゼロ度の光に対して高い透過率を示し、入射角が大きくなるにしたがって透過率が低下し、散乱性が大きくなる。そして、入射角度が１０度付近で透過率は最小になり、散乱性が最大となる。さらに入射角度が大きくなると、徐々に透過率は上昇し、入射角度が２０度を超えると透過率は急激に上昇し、それに連れて散乱性が失われていく。この角度が臨界角度である。したがって、臨界角度の２０度から９０度の入射角度で積層拡散層に入射した光は、殆ど散乱されずに透過する。マイナス側もプラス側と対称的な特性を示す。
【００３９】
すなわち、本実施例で用いた指向性拡散層は、入射角０度近傍から入射する光に対してはほぼ透過し、入射角５〜１５度の光に対しては効率よく散乱・集光し、臨界角度である約２０度以上の入射光に対してはほぼ透過する特性を持っている。このように、透過率が低く散乱性が高い入射角範囲が液晶表示素子の視角範囲に合うように指向性拡散層を設定する。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による液晶表示装置によれば、液晶表示素子の正面方向からの入射光については効率良く正面に反射し、指向性拡散層の特定角度範囲内で入射した光は指向性拡散層と無指向拡散層で拡散され、正面方向にも反射光成分を振り分けることができる。一方、指向性拡散層の特定角度範囲外の入射光では、指向性拡散層を透過するものの無指向拡散層で拡散するため、特定角度範囲外の入射光も正面方向にも反射光成分を振り分けることができる。従って、光源の位置がどこにあっても、反射光を効率良く液晶表示素子正面に集めることができた。また、バックライトを用いた透過表示においても、バックライトからの光には０度成分が多いので明るいまま表示が観察できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る液晶表示装置の断面構成を模式的に示す図である。特に、外光を利用した反射表示の場合の光路を模式的に表す図である。
【図２】本発明の第１実施例に係る液晶表示装置の断面構成を模式的に示す図である。特に、バックライトを利用した透過表示の場合の光路を模式的に表す図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る液晶表示装置の断面構成を模式的に示す図である。特に、外光を利用した反射表示の場合の光路を模式的に表す図である。
【図４】本発明の第２実施例に係る液晶表示装置の断面構成を模式的に示す図である。特に、バックライトを利用した透過表示の場合の光路を模式的に表す図である。
【図５】積層拡散層の構造を模式的に示した図である。
【図６】積層拡散層の作用を模式的に示した図である。
【図７】積層拡散層の可視角度と透過率の関係を示した図である。
【図８】バックライトの断面構成を模式的に表す図である。
【図９】従来の液晶表示装置の構成を示す模式的断面図である。外光を利用したときの状態を模式的に示した図である。
【図１０】従来の液晶表示装置の構成を示す模式的断面図である。特に、バックライトを利用したときの模式的に示した図である。
【図１１】無指向拡散層を模式的に示した図である。
【図１２】透過率特性を示した図である。
【符号の説明】
１  上偏光板
２  補償板
３  液晶パネル
４  下偏光板
５  半透過反射板
６  バックライト
７  積層拡散層
８  反射偏光子
１０  液晶表示装置からの出射光
５０  感光層
６０  非感光層
【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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