(57)【要約】【課題】ＶＡ液晶テレビでの見る角度による、色や階調の変化を小さくして、どの方向から見ても自然な色と階調をもつ画像が得られるようにすると共に、正面コントラストの低下を抑制できるようにした光学素子及びこれを用いた液晶表示装置を提供する。【解決手段】液晶パネル１と、液晶パネル１の光入射側に対向して配置されたバックライト光源３と、液晶パネル１とバックライト光源３との間に配置された光学素子４とを備え、光学素子４は、光透過性の基材５ａと、基材５ａの一方の面に一定のピッチで配列された複数の凸状単位レンズ５ｂとからなるレンズシート５と、基材５ａの凸状単位レンズ５ｂと反対の面に形成された白色反射層６とを備え、白色反射層６は、複数の凸状単位レンズ５ｂが焦点を結ぶ白色反射層６の箇所毎に開口部７を有し、開口部７の平面形状は十字を呈している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレイ用バックライト・ユニットの照明光路制御に使用される光学素子であって、
光透過性の基材と、前記基材の一方の面に一定のピッチで配列された複数の凸状単位レンズとからなるレンズシートと、
前記基材の前記凸状単位レンズと反対の面に形成された白色反射層とを備え、
前記白色反射層は、前記複数の凸状単位レンズが焦点を結ぶ前記白色反射層の箇所毎に開口部を有し、
前記開口部の平面形状は十字もしくは星型を呈している、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
垂直配向型液晶を用いた液晶パネルと、
前記液晶パネルの光入射側に対向して配置されたバックライト光源と、
前記液晶パネルと前記バックライト光源との間に配置された光学素子とを備え、
前記光学素子は、
光透過性の基材と、前記基材の一方の面に一定のピッチで配列された複数の凸状単位レンズとからなるレンズシートと、
前記基材の前記凸状単位レンズと反対の面に形成された白色反射層とを備え、
前記白色反射層は、前記複数の凸状単位レンズが焦点を結ぶ前記白色反射層の箇所毎に開口部を有し、
前記開口部の平面形状は十字もしくは星型を呈している、
ことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項３】
前記液晶パネルの光入射側である前記光学素子との対向面と該液晶パネルの光出射側である観察者との対向面に偏光板がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項２記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記液晶パネルの光入射側である前記光学素子との対向面と該液晶パネルの光出射側である観察者との対向面に偏光板がそれぞれ設けられ、前記観察者側の偏光板の前記液晶パネルと反対の面に拡散層が設けられていることを特徴とする請求項２記載の液晶表示装置。
【請求項５】
前記拡散層は内面散乱を用いた拡散層であり、当該拡散層に対してその正面から平行光線を入射した時に、正面方向から３０度〜６０度の角度範囲に入射光のうちの８．５％以上の光が拡散される拡散特性を持つことを特徴とする請求項４記載の液晶表示装置。
【請求項６】
前記液晶パネルと前記光学素子との間に光拡散フィルムが設けられていることを特徴とする請求項２記載の液晶表示装置。
【請求項７】
前記液晶パネルと前記光学素子との間に反射型偏光子が設けられていることを特徴とする請求項２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、液晶テレビなど液晶を用いた動画表示装置に使用される光学素子及び液晶表示装置関し、特に垂直配向型液晶（ＶＡ液晶）を用いた表示装置で、正面コントラストの低下を抑えながら、観察方向の違いによる画像の色変化を抑制することができる光学素子及びこれを用いた液晶表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
透過型液晶表示装置は、フラットパネルディスプレイに代表される表示素子であり、軽く、薄く、低消費電力であることから液晶テレビ、カーナビゲーション、パソコン用モニター、ノートパソコン、ＦＡ（Factory Automation）等に幅広く使用されてきている。
特に近年では、テレビ用の表示装置として広く用いられるようになっている。このようなテレビ用の表示装置は、様々な角度から、中間階調を多く有するような画像を観察するため、どの方向からみても、階調性が崩れず、色変化の少ない透過型液晶表示装置が求められている。
【０００３】
また、テレビ用として用いられる液晶表示装置の一つとして、垂直配向型の液晶を用いたＶＡ方式の液晶表示装置が知られている。このタイプの液晶は、パソコンモニターなどに用いられているＴＮ液晶表示装置などように液晶がパネル表面に水平に配向しているのに対し、液晶がパネル表面に垂直に配向している。
このようなＶＡ液晶表示装置は、コントラストが高く、ラビングが必要ないため大型のものを作成しやすく、かつ、ＴＮ液晶表示装置で生じるような上下方向からみたときの色の破綻が生じ無いといったような優れた特徴を持っている。
しかし、ＶＡ液晶表示装置は、見る角度によって画像のガンマが変化するという特性がある。このため、表示画面に対する観察者の見る方向によって画像の色や階調が変化してしまう。普通、表示画面を横方向から見たときに、画像が白っちゃけ、眠たい画像に見えてしまうという問題点があった。
【０００４】
このような問題点を解決するために従来においては、ＶＡ液晶表示パネルの観察者と対向する側に適切な拡散特性を持つ拡散層を設置する方法を提案している（例えば特許文献１参照）。この方法を用いると、正面方向に進む光の一部が斜め方向にまわり色が平均化されるため、見る方向による色変化が抑えられ、横方向から見ても良好な画像を得ることができる。
しかしながら、このようにすると液晶表示パネルを通って斜め方向に射出した光の一部は正面方向に進むことになり、正面方向に射出される光は、本来の正面方向へ射出される光と、これらの光とが合わさった光となる。
【０００５】
普通の液晶表示パネルでは黒画像を表示したときに、図６の破線に示すように、正面方向への光の抜けはほとんどないものの、正面から角度のついた方向では光もれが生じてしまう。特に、偏光板の偏光軸からずれた方向では光漏れが大きい。このため、この方法では、正面のコントラストが低下しやすいという問題点があった。
【特許文献１】特願２００６−２６２０１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、従来の垂直配向型液晶テレビ（ＶＡ液晶テレビ）では、見る角度によって、画像の色や階調が変化するので、全体に画像が白っぽくなったり、不自然な階調の画像になったりするという問題点があった。
また、これらの問題点を解決するために、液晶パネルの観察者側に拡散層を設けてやると、正面コントラストが低下しやすいという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記のような従来の問題を解決するためになされたものであり、ＶＡ液晶テレビでの見る角度による、色や階調の変化を小さくして、どの方向から見ても自然な色と階調をもつ画像が得られるようにすると共に、正面コントラストの低下を抑制できるようにした光学素子及びこれを用いた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】
【０００８】
上記目的を達成するために請求項1の発明は、ディスプレイ用バックライト・ユニットの照明光路制御に使用される光学素子であって、光透過性の基材と、前記基材の一方の面に一定のピッチで配列された複数の凸状単位レンズとからなるレンズシートと、前記基材の前記凸状単位レンズと反対の面に形成された白色反射層とを備え、前記白色反射層は、前記複数の凸状単位レンズが焦点を結ぶ前記白色反射層の箇所毎に開口部を有し、前記開口部の平面形状は十字もしくは星型を呈していることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、液晶表示装置であって、垂直配向型液晶を用いた液晶パネルと、前記液晶パネルの光入射側に対向して配置されたバックライト光源と、前記液晶パネルと前記バックライト光源との間に配置された光学素子とを備え、前記光学素子は、光透過性の基材と、前記基材の一方の面に一定のピッチで配列された複数の凸状単位レンズとからなるレンズシートと、前記基材の前記凸状単位レンズと反対の面に形成された白色反射層とを備え、前記白色反射層は、前記複数の凸状単位レンズが焦点を結ぶ前記白色反射層の箇所毎に開口部を有し、前記開口部の平面形状は十字もしくは星型を呈していることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項２記載の液晶表示装置において、前記液晶パネルの光入射側である前記光学素子との対向面及び該液晶パネルの光出射側である観察者との対向面に偏光板がそれぞれ設けられていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項２記載の液晶表示装置において、前記液晶パネルの光入射側である前記光学素子との対向面及び該液晶パネルの光出射側である観察者との対向面に偏光板がそれぞれ設けられ、前記観察者側の偏光板の前記液晶パネルと反対の面に拡散層が設けられていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４記載の液晶表示装置において、前記拡散層は内面散乱を用いた拡散層であり、当該拡散層に対してその正面から平行光線を入射した時に、正面方向から３０度〜６０度の角度範囲に入射光のうちの８．５％以上の光が拡散される拡散特性を持つことを特徴とする。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項２記載の液晶表示装置において、前記液晶パネルと前記光学素子との間に光拡散フィルムが設けられていることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項２記載の液晶表示装置において、前記液晶パネルと前記光学素子との間に反射型偏光子が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の光学素子及びこれを用いた液晶表示装置によれば、光学素子は、基材の一方の面に一定のピッチで配列された複数の凸状単位レンズとからなるレンズシートと、基材の凸状単位レンズと反対の面に形成し白色反射層とから構成され、そして、複数の凸状単位レンズが焦点を結ぶ白色反射層の箇所毎に、平面形状が十字もしくは星型を呈する開口部を有する構成にしたので、この光学素子によりバックライト光源からの光の方向を制御して、液晶パネルを通過する光の多くが、コントラストの高い角度で入射されるようになる。このため、拡散層による正面方向のコントラスト低下を比較的小さく抑えることができる。
また、液晶パネルの観察者側に設けられた拡散層により、液晶パネルを通って正面方向に射出される光の一部を拡散して斜め方向に射出させ、液晶パネルを通って斜め方向に射出される光と平均化させている。このことによって、色変化を抑制している。
これらのことにより、本発明の液晶表示装置では、ＶＡ液晶テレビでの見る角度による、色や階調の変化を小さくして、どの方向から見ても自然な色と階調をもつ画像が得られるようにすると共に、正面コントラストの低下をなるべく抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の実施の形態）
以下、本発明にかかる光学素子及びこれを用いた液晶表示装置の実施の形態について、図１〜図５を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明にかかる光学素子及びこれを用いた液晶表示装置の第１の実施の形態を示す概略図である。この図１において、液晶表示装置は、垂直配向型液晶（ＶＡ液晶）を用いた液晶パネル１と、この液晶パネル１の光入射側に対向して配置されたバックライト光源３と、液晶パネル１とバックライト光源３との間に配置された光学素子４とを備えている。
【００１４】
前記液晶パネル１の光入射側である光学素子４との対向面と、液晶パネル１の光出射側である観察者との対向面には、図１に示すように、偏光板８，９がそれぞれ設けられている。さらに、観察者側の偏光板９の液晶パネル１と反対の面には拡散層２が設けられている。この拡散層２は、液晶パネル１の観察者側に適切な拡散特性を有している。これにより、液晶表示装置では、正面方向に進む光の一部が斜め方向にまわり、色が平均化されるため、見る方向による色変化が抑えられる。
前記バックライト光源３は、図１に示すように、内壁にアルミ等の鏡面形成用金属を蒸着するなどにより形成された反射板１１と、この反射板１１内に配列された複数の陰極線管またはＬＥＤ等からなるランプ３１とを含んで構成されている。
【００１５】
前記光学素子４は、図１及び図２に示すように、光透過性の基材５ａと、この基材５ａ一方の面に一定のピッチで配列された複数の凸状単位レンズ（例えばハエの目レンズ状）５ｂとからなるレンズシート５と、基材５ａの凸状単位レンズ５ｂと反対の面に形成された白色反射層５とを備える。
前記白色反射層６には、図２及び図３に示すように、複数の凸状単位レンズ５ｂが焦点を結ぶ白色反射層６の箇所毎に開口部７を有し、この開口部７の平面形状は十字（もしくは星型）を呈している。この開口部７の十字状に伸びる方向は、図３に示すように、液晶パネル１の表裏面に設置されている偏光板８，９の軸方向と同じになるようにしている。
【００１６】
このような光学素子４において、白色反射層６側から拡散光が入射されると、開口部７が長く伸びている方向については、開口部７を通った光は図４に示すようにレンズシート５の凸状単位レンズ５ａを通って拡がる光として射出される。
一方、開口部７が短い方向（斜め方向）については、開口部７を通った光は図５に示すように、正面方向近くに平行に近い光として射出される。また、白色反射層６に入った光は反射され、バックライト光源３のランプ１２の後方に設置された反射板１１でさらに反射される。そして、反射層６と反射板１１で何度か反射を繰り返した後に開口部７を通過して光学素子４内に入射される。
このため、バックライト光源３から発した光は、光学素子４を通った後、複数の凸状単位レンズ５ａから、液晶パネル１の両偏光板の軸方向に沿って十字状に拡がっていく光として射出されることになる。
【００１７】
ところで、液晶パネル１では、一般に、黒表示の際に入射する光の方向によって光漏れの大きさが異なり、例えば、偏光板の偏光軸に沿った方向の黒輝度に関しては、図６の実線で示すように、光漏れが少ないが、それから逸れた斜め４５度方向については、図６の破線で示すように、光漏れが大きくなることが知られている。
上述したように、光学素子４を設置すると、バックライト光源３からの光は偏光板の軸に沿って十字状に拡がる光となるため、液晶パネル１を通過する光は光漏れの少ない方向のみとなり、光漏れの大きい斜め方向には、ほとんど光がいかない。
【００１８】
液晶パネル１を通過した光は、拡散層２に入射するので、正面以外の方向の光の一部が正面方向に回ることになるが、黒表示で光漏れが大きい方向には、ほとんど光がいっていないので、正面方向に回ってくる漏れ光の量は小さくなる。このため、正面方向のコントラスト低下は小さく抑えられる。
液晶表示装置の画面輝度について見ると、液晶パネル１を通過するとき、光は開口部７の十字形状で斜め方向にはほとんどいかないので、このままの光が射出したのであれば、かなり不自然な画面輝度の変化が生じる。しかし、拡散層２があるため、液晶パネル１を通過した後に正面や偏光板８，９の軸方向の光の一部が斜め方向にも回されるので、拡散層２を出た後の光については、輝度変化は滑らかになり、若干斜め方向が暗い程度で自然な輝度の変化になる。
このため、この液晶表示装置では、ＶＡ液晶の見る角度による、色や階調の変化を小さくして、どの方向から見ても自然な色と階調をもつ画像が得られるようにすると共に、正面コントラストの低下を抑えることができる。
【００１９】
ところで、上下方向や左右方向で、ある程度の範囲は明るい画像が見られるように、光学素子４から発した十字状の光は適当な角度広がっているほうが良い。液晶テレビなどは横方向については±４５°程度、上下方向については±３０°程度の角度から観察されるので、十字状の光も、半値で、それぞれ±４５°以上、±３０°以上くらいに拡げたほうが良い。また、斜め方向については、黒の漏れ光の影響が少ないように、±２５°以下程度にしておいたほうが良い。
【００２０】
一方、拡散層２については単に光を拡散すれば良いわけではなく適切な拡散特性を持つ必要がある。本発明者らが以前に提案した特願２００６−２６２０１２に詳述しているように、色変化に影響するのは正面から平行光を入射したときに４５°近辺に拡散される光の強度である。効果的に色変化を抑えるためには、正面から平行光線を入射したときに、正面方向から、３０度〜６０度の角度範囲に入射した光のうちの、８．５％以上の光が拡散されるような拡散層２を用いるのが良い。
また、光学素子４で光の方向がある程度絞られるので、必ずしも必要なわけではないが、正面輝度の低下をなるべく抑えるために、正面から平行光線を入射したときに、正面方向から、６０度〜９０度の角度範囲に入射した光のうちの、６．５％以下の光しか拡散されないような拡散層のほうが望ましい。
【００２１】
（第２の実施の形態）
図７は、本発明にかかる液晶表示装置の第２の実施の形態を示す概略図である。
この図７において、上記図１に示す液晶表示装置と同一の構成要素には同一符号を付してその構成説明を省略し、図１と異なる部分を重点に説明する。この第２の実施の形態において第１の実施の形態と異なる点は、図７から明らかなように、液晶パネル１と光学素子４との間に拡散板（拡散フィルム）１２を設置したところにある。この拡散板１２の拡散性があまり大きくなく、液晶パネル１に入射する光が、偏光軸方向に広く、斜め方向に狭い、十字に近い形状で拡がっていれば、このような構成にしても同様な効果を得ることができる。
また、拡散板１２を設置した場合には、光学素子４の凸状単位レンズの境界が見えにくくなり、また液晶パネル１のセル構造との間のモアレが生じにくくなるため、単位レンズ配列の粗い構造のレンズシートを用いることができるという利点がある。
【００２２】
（第３の実施の形態）
図７は、本発明にかかる液晶表示装置の第２の実施の形態を示す概略図である。
この図８において、上記図１に示す液晶表示装置と同一の構成要素には同一符号を付してその構成説明を省略し、図１と異なる部分を重点に説明する。この第３の実施の形態において第１の実施の形態と異なる点は、図８から明らかなように、液晶パネル１と光学素４との間に、ＤＢＥＦ（Dual Brightness Enhancement Film：３Ｍ社の商品名）で知られる偏光分離反射シート（特許請求の範囲に記載した反射型偏光子に相当する）１３を設置したところにある。この場合も、上記第２の実施の形態と同様に、液晶パネル１に入射する光が、偏光軸方向に広く、斜め方向に狭い、十字に近い形状で拡がっていれば、このような構成にしても同様な効果を得ることができる。
偏光分離反射シート１３を設置した場合には、光の利用効率を高めることができるという利点を持つ。また、単なる偏光分離反射シートではなく、拡散性のある偏光分離反射シートを用いた場合には、拡散板を入れた場合の利点も同時に得ることができる。
【産業上の利用の可能性】
【００２３】
垂直配向型の液晶パネルを用いた本発明のような液晶表示装置は、どこからみてもきれいな映像が楽しめ、設置場所をとらない薄型テレビをとして利用が可能であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明にかかる光学素子及びこれを用いた液晶表示装置の第１の実施の形態を示す概略図である。
【図２】本発明にかかる光学素子の一実施例を示す概略図である。
【図３】本発明の液晶表示装置で用いられる光学素子での開口部の形状を示す概略図である。
【図４】本実施の形態における光学素子での液晶パネルの偏光板の軸方向に対する光の拡がりを説明するための説明図である。
【図５】本実施の形態における光学素子での液晶パネルの偏光板軸の斜め方向に対する光の拡がりを説明するための説明図である。
【図６】液晶パネルに黒画像を表示したときの光漏れの輝度を示すグラフである。
【図７】本発明にかかる液晶表示装置の第２の実施の形態を示す概略図である。
【図８】本発明にかかる液晶表示装置の第３の実施の形態を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２５】
１……液晶パネル、２……拡散板、３……バックライト光源、４……光学素子、５……レンズシート、５ａ……基材、５ｂ……凸状単位レンズ、６……白色反射層、７……開口部、８，９……偏光板、１１……反射板、３１……ランプ、１２……拡散板、１３……偏光分離反射シート。
【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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