(57)【要約】      （修正有）【課題】はるかに明るく低消費電力で、高解像度の液晶表示体を提供する。【解決手段】光源光が赤のＬＥＤ３３，緑のＬＥＤ３２、青のＬＥＤ３１、がそれぞれＬＣＤパネルの赤用描画、緑用描画、青用描画とそれぞれの色の画像を描画する速度と同期させながら、赤、緑、青と点滅を高速で繰り返しながら導光板へ偏光光を送り込んでいく。５ｍｓｅｃ以上の高速でＬＣＤパネルがＲ，Ｇ，Ｂの３原色用の画像を切り替え、そのタイミングに合わせてＲ，Ｇ，Ｂの３原色をＬＣＤパネルに供給すれば、スムーズなフルカラー画像を表現できる。【選択図】図４
2005215667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶表示装置において液晶パネルと、該液晶パネルに光を照射する導光板とそれに接する光源ユニットで構成される光源手段とを備え、該光源手段から液晶パネルに単一の偏光光を照射する事を特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
該液晶パネルと導光板との間にＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層を設置し、液晶パネルが透過する単一の偏頗面の偏光光のみを出射する事を特徴とした液晶表示装置。
【請求項３】
請求項２で規定されたＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層の対面に位置し導光板を挟むようにプリズム層の反対側に、該プリズムの層の配列とは異なった角度に配置した頂角９０度のプリズム層からなる全反射ミラーを装置し、Ｐ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層から反射して戻ってきた光の偏頗面を９０度ねじり反射させることを特徴とした液晶表示装置。
【請求項４】
請求項１の導光板を挟むように該プリズム層の反対側にλ／４位相差板フィルムとその外側に反射ミラーを装置し、該Ｐ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層から反射してきた光の偏頗面を９０度ねじり反射させ再びＰ／Ｓコンバーターへ出射させることを特徴とした液晶表示装置。
【請求項５】
上記請求項１に規定する液晶表示装置において、例えば光源をＬＥＤランプとした光源手段の場合、ＬＥＤから発光された光が導光板へ入射される前にライトガイドパイプ内で輝度を均一化するが、導光板とＬＥＤを搭載したライトガイドパイプとの間にＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層が設けられ、導光板に単一の偏頗面のみの光を出射する事を特徴としたライトガイドパイプを備えた液晶表示装置
【請求項６】
上記請求項４のプリズム層の反対側に、該プリズムの層とは異なった角度のプリズム層からなる反射ミラーを装置し、Ｐ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層から反射してきた光の偏頗面を９０度ねじり反射させることを特徴とした液晶表示装置
【請求項７】
上記請求項４のプリズム層の反対側に、λ／４位相差板フィルムとその外側に反射ミラーを装置し、該Ｐ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層から反射してきた光の偏頗面を９０度ねじり反射させ再びＰ／Ｓコンバーターへ出射させることを特徴としたライトガイドパイプを備えた液晶表示装置。
【請求項８】
上記請求項１〜７を特徴とした液晶表示装置において、ＬＣＤパネルへ供給する光源手段をレーザー光源或いはＬＥＤ光源とし、時系列的に赤、緑、青色の光源を順次高速で点滅を繰り返しＬＣＤパネルの赤、緑、青色用の画像の描画サイクルとタイミングを同期させる事によって直視者の持つ残像効果によってフルカラー表示させることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項９】
請求項８において、光源手段を構成するライトガイドパイプに赤発光ＬＥＤ，緑発光ＬＥＤ，青発光ＬＥＤを搭載したダイクロイックミラーアレイを搭載することを特徴とする液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】本発明は直視型液晶表示装置のバックライト偏光変換整合システムと時系列描画法によるフルカラー表現システムに関するものである。
【背景技術】直視型液晶描画装置とはカラーフィルターと画素スイッチング素子としてＴＦＴを用いたアクティブマトリクス型の液晶パネル（以下ＬＣＤパネルと呼ぶ）と光源であるバックライトによって構成されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】これらの従来の液晶表示装置は光源の自然光がＬＣＤパネルを通過して直視者に届くのは１ピクセルあたり、光源の光量の約１０％にも満たないのである。
その多きな原因は２つあって、ひとつは光源光である自然光白色光のうちＬＣＤパネルを透過できる光は単一の偏頗面だけである事である。そのため１／２の光量がＬＣＤに反射して戻されてしまう。
もうひとつの原因はカラーフィルターを介して画像を見ているからである。カラーフィルターとはクロムを蒸着してマトリックスの縁とし、赤、緑、青の光３原色の染料を印刷したもので、ここでＬＣＤを透過してきた光は一定の色（波長帯幅約５０ｎｍ）のみが透過し、他の色（波長帯幅２５０ｎｍ）は反射されるか熱に変化してしまう。
可視光の波長帯域は４００ｎｍから７００ｎｍであるため、人間が色合いとして見る事が出来る波長帯域幅は３００ｎｍである。
このカラーフィルターを取り除くことによって直視者には従来カラーフィルターで消耗していた輝度（２５０ｎｍ／３００ｎｍ×１００＝８３％）がすべて復活するのである。
またさらに、１ドットの白色表現の為にＬＣＤのマトリクスの窓をＲ，Ｇ，Ｂ用に３ピクセルを使用せざるを得なかったが、このカラーフィルターをはずすことによって、１ピクセルから時系列的に赤、緑、青の光が透過してくるのであるから、結果として解像度を３倍に引き上げる事が出来るのである。
以上の障害を取り除くことによって、通常の消光比は別にして、１０倍ほどの光量が直視者にまで届くのである。
このことは、光源の為に消費している電力を今の１／１０に減らす事が出来るということであり、また一方ではモバイルや携帯電話のような太陽光の下で直視できるようにするためにも、このような高輝度の液晶表示装置が有効であると考える。
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明ではまず下記のようなＬＣＤへ出射する光源手段の構成を、液晶表示装置において液晶パネルとその背後から液晶に光を照射する光源手段とをそなえ、この液晶パネルと光源手段との間にＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層が設けられ、液晶パネルに単一の偏頗面のみの光を透過するように装置して、光源手段を挟むようにプリズム層の反対側に、該プリズムの層とは異なった角度のプリズム層からなる全反射ミラーを装置する。そしてＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層から反射してきた光の偏頗面を９０度ねじり再び反射させてＰ／Ｓコンバーターの役割をするプリズム層を透過させＬＣＤパネルに至らしめることを特徴としている。
或いは光源手段を挟むようにプリズム層の反対側にλ／４位相差板フィルムとその外側に全反射ミラーを装置し、該Ｐ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層から反射してきた光の偏頗面を９０度ねじり反射させ再びＰ／Ｓコンバーターへ出射させることを特徴とする機能面を装置することも出来る。
しかしこれだけでは導光板の中を乱反射する光のためＰ／Ｓコンバーターの働きをするプリズム層へ入射する入射角度にばらつきが発生し、位相変換効率は十分ではない。そのため本発明では、さらに光源にさかのぼって、発光源である、例えばＬＥＤの発光光を均一化させるための装置で導光板へＬＥＤの光を投入する前段の装置であるライトガイドパイプの構造を考案する。
例えば光源手段をＬＥＤとした場合ＬＥＤから発光された光が導光板へ入射される前にライトガイドパイプ内で輝度を均一化するが、導光板とＬＥＤ光源との間にＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層を設け、導光板に単一の偏頗面のみの光を透過する機能持たせる。そのＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層の反対側に、平行に向かい合う、該プリズム層とは異なった角度のプリズム層からなる全反射ミラーを装置し、Ｐ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層から反射してきた光の偏頗面を９０度ねじり再び反射させ導光板へ送り込むことを特徴としたプリズム層を装置する。或いはＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層の反対側に、平行に向かい合うλ／４位相差板フィルムとその外側に反射ミラーを装置し、Ｐ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層から反射してきた光の偏頗面を９０度ねじり反射させ再びＰ／Ｓコンバータープリズム層へ出射させることを特徴とした装置を設けることによって２重に単一の偏頗面を持つ偏光光を作り出す事が出来る。（参考文献特願２００３−３６２５６７）
また本発明では、高速描画可能な液晶パネルが開発されるに至って、時系列的に赤用、緑用、青色用の画像描画を高速で繰り返しても、直視者にスムーズな画像の動きを表現できるようになってきたため、ＬＣＤパネルへ供給する光源をレーザー光源或いはＬＥＤ光源とし、時系列的に赤、緑、青色の光源を順次高速で点滅を繰り返しＬＣＤパネルの赤、緑、青色画像の描画サイクルとそのタイミングを同期させる事によって直視者の持つ残像効果によってフルカラー表示させることを特徴とする液晶表示装置を採用する事が出来る。
この赤、緑、青色の発色発光を例えばＬＥＤによるものとした場合、それぞれのＬＥＤをライトガイドパイプの両端に搭載する事が出来る。
またダイクロイックミラーアレイ（図４の５０）をライトガイドパイプに直接搭載し赤、緑、青色のＬＥＤから順次高速点滅を繰り返し、導光板を経てＬＣＤパネルへと供給する事が出来る。
このように構成した表示装置の最大の特徴は、カラーフィルターを介さないでカラー画像を表示することである。従って、カラーフィルターに起因する光の利用効率の低下がない。また、本例の表示装置では、赤のＬＥＤ、緑のＬＥＤ、青のＬＥＤから出射される３原色の光源を導光板に入射する前ライトガイドパイプであらかじめ偏光光に変換して、さらに導光板の中でも偏光変換整合をさせて、光源の照度をそのまま維持してＬＣＤパネルに有効な光を出射できる。それ故、現行の約３倍の輝度を得ることができるので、モニターの消費電力の削減に寄与するか、あるいはモバイルコンピュータや携帯電話機のように、屋外で画像を見る必要がある場合でも、利用者は明瞭な画像を見ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】〔実施の形態１〕
図１は、本発明の実施の形態に係わる導光板を挟んだＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層と該プリズム層の反対側に配置した全反射コートを施されたプリズム層の配置図である。図２−（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係わる液晶表示板の概略図である。図−３は図−２（Ａ），（Ｂ）のライトガイドパイプの部分の拡大図でＬＥＤの光源から導光板へ至る過程での偏光変換の様子を描いた図である。
図１において、本発明の形態は光源手段としてＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層が設けられ、液晶パネルに単一の偏頗面のみの光を出射するように装置する。導光板を挟むようにして該プリズム層の反対側に、該プリズムの層とは異なった角度に配列した頂角９０度のプリズム層からなる全反射ミラーを装置する。そしてＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層から反射してきた光の偏頗面を９０度ねじり再び反射させてＰ／Ｓコンバーターの役割をするプリズム層へ出射させＬＣＤパネルに至らしめることを特徴としている。
たとえば導光板に入射してきた自然光（Ｐ波、Ｓ波混合）は導光板の中の光反射用ドット５、に反射してＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層へ向かう。Ｐ波６、はそのまま該プリズム層を透過してその先にある偏光板に挟まれたＬＣＤパネル１１、へ向かう。図２−（Ａ）
Ｓ波７、は該プリズムを反射して再び導光板に戻って来る。このとき入射角度は垂直に近いため、導光板を透過して反対側に該プリズムの層とは異なった角度に配列した頂角９０度のプリズム層からなる全反射ミラーに到達する。
例えば、この全反射ミラーが該プリズム層の配列に対して４５度の角度にねじれた方向に配列していた場合、戻ってきた光７、は最初の反射面８、によって４５度ねじれ次の反射面９、によってさらに４５度ねじれる。つごう９０度ねじれた状態の光１０、となって導光板へ出射される。そのまま直進して該プリズムの界面をＰ波として透過していく。
また図２−（Ｂ）の場合は全反射プリズムシート４、の代わりにλ／４位相差板２７、によってＰ／Ｓコンバーターの役割をするプリズム層３、から反射して戻ってきたＳ波を円偏光に変換し全反射ミラー２８、で反射し、再びλ／４位相差板２７、で円偏光してＰ波に変換される。そして導光板２、を透過してＰ／Ｓコンバーターの役割をするプリズム層３、を透過してＬＣＤパネル２０、へと出射されていくのである。
図３−（Ａ）はライトガイドパイプと呼ばれ、光源光を均一にして導光板へと導くためのライトガイドであるが、図１に示した基本構造を装置することによって導光板へより密度の高い単一な偏頗面を持つ光を投入する事が出来る。
導光板２、に接する面にＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層２６、を設け、導光板に単一の偏頗面のみの光を透過する装置とする。ライトガイドパイプ２４、の両端面に光源ＬＥＤ３０、を搭載し、Ｐ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層２６、の背面に光反射用ドット５、を配した界面４１、を介して、該プリズム層２６、と異なる角度に配列したプリズムによる全反射ミラー２４、を装置する。
ＬＥＤ３０、から出射した自然光（Ｐ波、Ｓ波混合）は光反射用ドット５、に反射してＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層２６へ向かう。Ｐ波のみ透過して導光板２、へ入射し、Ｓ波は反射して背面へ戻ってくる。例えば背面に装置した全反射プリズムミラー２５、をＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層２６、の配列方向に対して４５度ねじった方向へ配列して設置したとすると、Ｓ波はミラーの壁面に２回反射してＰ波に変換されて再びＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層２６へと向かう。そして導光板へと入射していくのである。
また図３−（Ｂ）は導光板２、に接する面にＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層２６、を設け、導光板に単一の偏頗面のみの光を透過する装置とする。ライトガイドパイプ２４、の両端面に光源ＬＥＤ３０、を搭載し、Ｐ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層２６、の背面に光反射用ドット５、を配した界面４１、を介して、λ／４位相差板４２、とその背面に全反射ミラー４３、を装置する。
ＬＥＤ３０、から出射した自然光（Ｐ波、Ｓ波混合）は光反射用ドット５、に反射してＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層２６へ向かう。Ｐ波のみ透過して導光板２、へ入射し、Ｓ波は反射して背面へ戻ってくる。そしてλ／４位相差板４２、によって円偏光され、全反射ミラーに反射して再びλ／４位相差板４２、で回転しＰ波に変換されて再びＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層２６へと向かう。そして導光板へと入射していくのである。
以上のように白色光源光をＰ波、Ｓ波の自然光を変換、および整合させることによって効率よくＬＣＤパネルが必要とする偏頗面の偏光光を本発明の光源手段は供給する事が出来る。
〔実施形態２−１〕
実施形態１で述べてきた構成の装置は白色自然光を主に述べてきたが、図４に示した構造は、光源光が赤のＬＥＤ３３，緑のＬＥＤ３２、青のＬＥＤ３１、がそれぞれＬＣＤパネルの赤用描画、緑用描画、青用描画とそれぞれの色の画像を描画する速度と同期させながら、赤、緑、青と点滅を高速で繰り返しながら導光板へ偏光光を送り込んでいく構造である。
ダイクロイックミラーアレイ５０、の構成されたダイクロミラー５１、によって赤色ＬＥＤ３３、から出た自然光（Ｐ波、Ｓ波混合）は光反射用ドット５、に反射してＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層２６へ向かう。Ｐ波のみ透過して導光板２、へ入射し、Ｓ波は反射して背面へ戻ってくる。例えば背面に装置した全反射プリズムミラー２５、をＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層２６、の配列方向に対して４５度ねじった方向へ配列して設置したとすると、Ｓ波はミラーの壁面に２回反射してＰ波に変換されて再びＰ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層２６、へと向かう赤色偏光光３６、となる。そして導光板へと入射していくのである。
同様にして緑のＬＥＤ３２、から出射した光はダイクロイックミラーアレイ５０、の機能膜５２、に反射して、さらに機能膜５１に反射してライトガイドパイプに導かれ、赤色ＬＥＤ３３、の光路と同様にして緑色偏光光３５、となる。同様に青色ＬＥＤ３１、から発光した光はダイクロイックミラーアレイ５０、の機能膜５２、を透過してさらに機能膜５１、を反射してライトガイドパイプ２４、に入り、赤色ＬＥＤの光路と同様の経過を経て導光板へ向かう青色偏光光３４、となる。
図５はそのときのダイクロイックミラーアレイに搭載されている機能膜の光学的特性をグラフにしたもので、機能膜５１、は青、緑の波長帯の光を反射し、赤の波長帯のみを透過する機能を持った多層膜である。また機能膜５２は青の波長帯の光を透過し、緑の波長帯の光を反射する膜である。
〔実施形態２−２〕
また図６はＬＣＯＳパネルを使用した場合である。例えばライトガイドパイプ２４、から出射した光をＰ波だとすると、ライトガイドパイプ２４、と導光板２との間に偏光板６１、を置く事が出来る。これによってＳ波ノイズを完全に除去して導光板２、にＰ波のみを入射させる。Ｐ波は光反射用ドット５、に当たり、ＬＣＯＳ６０、で偏光変換され反射した光は導光板２、を透過してＳ波のみを通す偏光板を経て拡散板６２、に至る。
〔その他の実施形態〕
実施形態２については今後ＬＥＤの輝度上昇に伴い、小面積に集中させて搭載可能になってくるため、あえて、ダイクロイックミラーアレイの機能膜を介さなくても直接図３−（Ａ）、図３−（Ｂ）のＬＥＤ３０、の場所にＲ，Ｇ，Ｂの３色のＬＥＤを搭載することも可能である。
またＬＥＤのチップの中に偏光変換する機能を持たせる事が可能になれば、あえてライトガイドパイプを介さなくても直接導光板にＲ，Ｇ，ＢのＬＥＤを搭載することも可能になってくる。
【産業上の利用の可能性】
本発明によれば液晶表示体は長い間、液晶の動作の緩慢さのゆえに、高速描画の機能をもったＴＩのデジタルミラーデバイスなどのように単板でＲ，Ｇ，Ｂの色を描画し画像をフルカラー表現するという事が出来なかったが、ここへきて液晶がにわかに高速描画が可能になってきた。この事を受けて、カラーフィルターを介さないでフルカラーの直視型液晶表示体が出来た。このことによってはるかに明るく低消費電力で、高解像度の液晶表示体を提供する事が出来る。
【図面の簡単な説明】図１  自然光がＰ波を透過、Ｓ波を反射、偏光変換そして出射していく過程を拡大表示した図である。
図２  （Ａ）、（Ｂ）はカラーフィルターを使わない形での液晶表示体の全体外略図である。
図３  （Ａ），（Ｂ）はＬＥＤ光源の場合のライトガイドパイプの構造拡大図である。
図４  ダイクロイックミラーに搭載されたＬＥＤとライトガイドパイプ内のＲ，Ｇ，Ｂの光路拡大図である。
図５  ダイクロイックミラーアレイに搭載されている機能膜の光学的特性グラフである。
図６  ＬＣＯＳ反射型液晶パネルの場合の本発明実施例。
〔符号の説明〕
１    自然光
２    導光板
３，２６    Ｐ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層
４    全反射膜をつけたプリズムミラー
５    光反射用ドット
６    Ｐ波
７    Ｐ／Ｓコンバーターの役割を果たすプリズム層から反射して戻る光、Ｓ波。
８、９  全反射ミラーに反射するＳ波
１０  位相が反転してＰ波となった光。
２０  液晶パネル（ＬＣＤ）
２１  液晶素子
２２，６１  偏光板
２３，６２  拡散板
２４  ライトガイドパイプ
２５  背面全反射プリズムミラー
２７，４２  λ／４位相差板
２８，４３    全反射ミラー
３０  ＬＥＤランプ、ＬＥＤランプ搭載部位
３１  青色ＬＥＤ
３２  緑色ＬＥＤ
３３  赤色ＬＥＤ
３４  青色偏光光
３５  緑色偏光光
３６  赤色偏光光
４１  光反射用ドットを搭載した面
５０  ダイクロイックミラーアレイ
５１，５２  ダイクロイックミラー（機能膜）
６０、ＬＣＯＳパネル
【図１】
2005215667.tif 000003
【図２−（Ａ）】
2005215667.tif 000004
【図２−（Ｂ）】
2005215667.tif 000005
【図３−（Ａ）】
2005215667.tif 000006
【図３−（Ｂ）】
2005215667.tif 000007
【図４】
2005215667.tif 000008
【図５】
2005215667.tif 000009
【図６】
2005215667.tif 000010