JP2007071916A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光拡散素子による表示のぼやけが低減され、高品位の表示を行うことが可能な液晶表示装置を提供する。
【解決手段】液晶表示装置は、光源１と、光源１から出射した光を変調する液晶表示パネル２０と、液晶表示パネル２０よりも観察者側に配置された光拡散素子３０とを備える。光拡散素子３０は、特定の角度範囲内の角度で入射する光を他の角度で入射する光よりも強く拡散し、この特定の角度範囲（高拡散角度範囲）は、表示面法線方向に平行な第１の面内と表示面法線方向に平行で前記第１の面に交差する第２の面内とで異なっている。高拡散角度範囲を第１の面内ではＡ、第２の面内ではＢとし、液晶表示パネル２０のコントラスト比が１以上である視角範囲を第１の面内ではＣ、第２の面内ではＤとしたとき、Ａ／ＢをＣ／Ｄに略等しくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、液晶表示パネルから出射した光を拡散するための光拡散素子を備えた液晶表示装置に関する。

近年、携帯型電話機やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）に代表される携帯型電子機器が広く利用されている。携帯型電子機器の表示部には、薄型、軽量、低消費電力といった利点を有する液晶表示装置が用いられている。

液晶表示装置は、ＣＲＴやＰＤＰ（プラズマディスプレイパネル）などの自発光型の表示装置とは異なり、表示素子自体は発光しない。そのため、透過型の液晶表示装置では、液晶表示素子の背面側にバックライトと呼ばれる照明素子が設けられており、このバックライトからの照明光の透過光量を液晶表示素子が画素ごとに制御することによって画像の表示が行われる。

液晶表示装置としては、種々の方式のものが知られている。しかしながら、一部の方式（例えば、ＴＮ型やＳＴＮ型の液晶表示素子を用いる方式）は、視野角が狭いという欠点を有しており、それを解決するために様々な技術開発が行なわれている。

液晶表示装置の視野角特性を改善するための代表的な技術として、光学補償板を付加する方式がある。また、特許文献１、２および３に開示されているように、バックライトから出射された光をその指向性（平行度）を高めた上で液晶表示素子に入射させ、液晶表示素子を通過した光を液晶表示素子の前面に配置された光拡散素子によって拡散させる方式も知られている。

図１９に、特許文献１に開示されている液晶表示装置５００を示す。液晶表示装置５００は、液晶表示パネル５２０と、液晶表示パネル５２０の背面側に配置されたバックライト５１０と、液晶表示パネル５２０の観察者側に配置されたレンチキュラレンズシート５３０とを備えている。

バックライト５１０は、光源５０１と、光源５０１から出射した光を液晶表示パネル５２０に導く導光板５０２と、導光板５０２から漏れた光を導光板５０２側に反射する反射層５０４とを有している。導光板５０２は、液晶表示パネル５２０に向けて光を出射する出射面と、出射面に対向する裏面とを有し、裏面に複数のプリズム５０２ａが形成されている。

光源５０１から出射した光は、導光板５０２内を伝搬する途中で、裏面のプリズム５０２ａによって液晶表示パネル５２０側に反射され、出射面から出射する。裏面のプリズム５０２ａは、出射面に対して互いに異なる所定の角度で傾斜した２つの傾斜面を有しており、そのことによって、バックライト５１０から出射する光は、表示面法線方向（正面方向）における強度が著しく強くなっている。つまり、バックライト５１０から出射する光は、高い指向性を付与されている。

液晶表示パネル５２０は、表示面法線方向に平行に入射する光について最もコントラスト比が高くなるような設計がなされているので、上述したような指向性の高い光を液晶表示パネル５２０に入射させることによって、コントラスト比を向上することができる。また、液晶表示パネル５２０を通過した光は、レンチキュラレンズシート５３０によって拡散されるので、それによって視野角が広がる。このようにして、液晶表示装置５００では、高コントラスト比と広視野角特性の両方を実現している。

特許文献２および３に開示されている液晶表示装置についても、特許文献１に開示されている液晶表示装置と同様に、指向性の高い光を液晶層に入射させ、液晶層で変調された光を光拡散素子によって拡散することにより、表示品位を向上させている。特許文献２には、光拡散素子としてウェーブレンズフィルムが開示されており、特許文献３には、球状の微細粒子を含む光拡散素子が開示されている。
特開平９−２２０１１号公報 特許第２８０９０８９号公報 特許第３５１７９７５号公報

しかしながら、上記特許文献１、２および３に開示されている液晶表示装置では、表示がぼやけるという問題が発生してしまう。以下、表示がぼやける原因を説明する。

既に述べたように、コントラスト比を高くするためには、できるだけ指向性の高い光を液晶層に入射させることが好ましい。つまり、液晶層に対して垂直に入射する光をできるだけ多くし、液晶層に対して斜めに入射する光をできるだけ少なくすることが好ましい。ところが、当然ながら、実際には、液晶層に対して斜めに入射する光も少なからず存在し、液晶層への入射角が大きな光も存在する。液晶層への入射角が大きな光は、液晶層や位相差板によって十分に変調されない光である。そのため、このような光が光拡散素子によって正面方向に拡散されてしまうと、表示がぼやけてしまう。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光拡散素子による表示のぼやけが低減され、高品位の表示を行うことが可能な液晶表示装置を提供することにある。

本発明による液晶表示装置は、光源と、前記光源から出射した光を変調する液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルよりも観察者側に配置された光拡散素子とを備えた液晶表示装置であって、前記光拡散素子は、特定の角度範囲内の角度で入射する光を他の角度で入射する光よりも強く拡散し、前記特定の角度範囲は、表示面法線方向に平行な第１の面内と表示面法線方向に平行で前記第１の面に交差する第２の面内とで異なっており、前記第１の面内における前記特定の角度範囲をＡ、前記第２の面内における前記特定の角度範囲をＢ、前記第１の面内において前記液晶表示パネルのコントラスト比が１以上である視角範囲をＣ、前記第２の面内において前記液晶表示パネルのコントラスト比が１以上である視角範囲をＤとしたとき、前記第１の面内における前記特定の角度範囲Ａと前記第２の面内における前記特定の角度範囲Ｂとの比Ａ／Ｂが、前記第１の面内における前記視角範囲Ｃと前記第２の面内における前記視角範囲Ｄとの比Ｃ／Ｄに略等しく、そのことによって上記目的が達成される。

ある好適な実施形態において、前記第１の面と前記第２の面とは略直交する。

ある好適な実施形態において、前記液晶表示パネルのコントラスト比が１以上である視角範囲は、前記第１の面内において最も広く、且つ、前記第２の面内において最も狭く、前記光拡散素子が光を強く拡散する前記特定の角度範囲は、前記第１の面内において最も広く、且つ、前記第２の面内において最も狭い。

ある好適な実施形態において、前記第１の面内における前記特定の角度範囲Ａは、前記第１の面内における前記視角範囲Ｃと略等しいかまたはそれよりも狭く、前記第２の面内における前記特定の角度範囲Ｂは、前記第２の面内における前記視角範囲Ｄと略等しいかまたはそれよりも狭い。

ある好適な実施形態において、前記特定の角度範囲内の角度で入射する光に対する前記光拡散素子のヘイズ値が５以上である。

ある好適な実施形態において、前記光拡散素子は、複数のプリズムを含み、前記複数のプリズムのそれぞれの前記第１の面に平行な断面と前記第２の面に平行な断面とが互いに異なる形状を有している。

ある好適な実施形態において、前記光拡散素子は、それぞれが異方的に光を拡散し、且つ、相互に異なる光拡散特性を有する複数の異方拡散層を含む。

ある好適な実施形態において、前記液晶表示パネルは、一対の基板と、前記一対の基板間に設けられた液晶層とを有する。

ある好適な実施形態において、前記液晶表示パネルは、少なくとも１つの位相差補償素子をさらに有する。

ある好適な実施形態において、本発明による液晶表示装置は、前記光拡散素子よりも観察者側に配置された第１の偏光素子を備える。

ある好適な実施形態において、本発明による液晶表示装置は、前記液晶層と前記光拡散素子との間に配置された第２の偏光素子を備え、前記第１の偏光素子の透過軸と、前記第２の偏光素子の透過軸とは略平行である。

ある好適な実施形態において、本発明による液晶表示装置は、前記液晶層に対して観察者側とは反対側に設けられた第３の偏光素子を備える。

ある好適な実施形態において、本発明による液晶表示装置は、前記光源を含む照明素子を備える。

ある好適な実施形態において、前記照明素子は、表示面法線方向に対して３０°以上の角をなす方向における輝度が、表示面法線方向における輝度の１３％以下となるような配光分布を有する。

ある好適な実施形態において、前記照明素子は、表示面法線方向に対して３０°以上の角をなす方向における輝度が、表示面法線方向における輝度の３％以下となるような配光分布を有する。

ある好適な実施形態において、前記照明素子は、前記光源から出射した光の指向性を制御する指向性制御素子を有している。

本発明による液晶表示装置が備える光拡散素子は、特定の角度範囲内の角度で入射する光を他の角度で入射する光よりも強く拡散する。つまり、光拡散素子は、光拡散特性に入射角依存性を有している。また、光拡散素子が光を強く拡散する上記特定の角度範囲（高拡散角度範囲）は、表示面法線方向に平行な第１の面内と表示面法線方向に平行で第１の面に交差する第２の面内とで異なっている。つまり、高拡散角度範囲は、方位角依存性を有している。

さらに、高拡散角度範囲の方位角依存性は、光変調部のコントラスト特性に応じて設定されている。具体的には、第１の面内における高拡散角度範囲をＡ、第２の面内における高拡散角度範囲をＢ、第１の面内において液晶表示パネルのコントラスト比が１以上である視角範囲をＣ、第２の面内において液晶表示パネルのコントラスト比が１以上である視角範囲をＤとしたとき、高拡散角度範囲Ａと高拡散角度範囲Ｂとの比Ａ／Ｂが、視角範囲Ｃと視角範囲Ｄとの比Ｃ／Ｄに略等しい。

上述したように、本実施形態における光拡散素子は、光拡散特性に三次元的な異方性を有しており、さらに、この三次元的な異方性は、光変調部で変調された光の特性に応じて設定されている。そのため、本発明による液晶表示装置では、表示のぼやけが効果的に防止され、高品位の表示を容易に実現することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１に、本実施形態における液晶表示装置１００を示す。液晶表示装置１００は、図１に示すように、照明素子（バックライト）１０と、照明素子１０から出射した光を変調する液晶表示パネル２０と、液晶表示パネル２０よりも観察者側に配置された光拡散素子３０とを備えている。

液晶表示パネル２０は、一対の基板２１および２２と、これらの間に設けられた液晶層２３とを有する。以下では、液晶層２３に対して照明素子１０側に配置された基板２１を「背面基板」と呼び、液晶層２３に対して照明素子１０とは反対側（つまり観察者側）に配置された基板２２を「前面基板」と呼ぶ。

背面基板２１および前面基板２２の液晶層２３側の表面には、液晶層２３に電圧を印加するための電極や、液晶層２３に含まれる液晶分子の配向方向を規定するための配向膜（いずれも不図示）が形成されている。また、本実施形態では、前面基板２２の液晶層２３側にカラーフィルタ２４が設けられている。

背面基板２１の照明素子１０側には、位相差補償素子２５および偏光板２６がこの順に設けられており、前面基板２２の観察者側にも、位相差補償素子２７および偏光板２８がこの順に設けられている。位相差補償素子２５および２７としては、公知の種々の位相差板が用いられる。なお、位相差補償素子の個数や配置はここで例示したものに限定されない。

光拡散素子３０は、前面基板２２の観察者側に設けられた偏光板２８上に配置されている。この光拡散素子３０は、液晶表示パネル２０から出射した光を拡散する。本実施形態では、光拡散素子３０よりも観察者側にさらに偏光板４１が設けられている。

以下では、表記の簡単さのために、光拡散素子３０よりも観察者側に配置された偏光板４１を「第１の偏光板」と称し、光拡散素子３０と液晶層２３との間に配置された偏光板２８を「第２の偏光板」と称し、液晶層２３と照明素子１０との間（液晶層２３に対して観察者側とは反対側）に配置された偏光板２６を「第３の偏光板」と称する。

第１の偏光板４１および第２の偏光板２８は、それぞれの透過軸が互いに略平行となるように配置されている。また、第３の偏光板２６は、液晶表示パネル２０の表示モードに応じ、その透過軸が第１の偏光板４１および第２の偏光板２８の透過軸と所定の角度をなすように配置されている。

照明素子１０から出射した光を液晶表示パネル２０で変調することによって、第１の偏光板４１および第２の偏光板２８を通過して観察者側に出射する光の量が画素ごとに制御され、そのことによって画像の表示が行われる。本願明細書では、液晶表示パネル２０の構成要素のうち光に位相差を与えて光を変調するもの、すなわち液晶層２３、位相差補償素子２５および２７を総称して「光変調部」と呼ぶ。

図２に、照明素子１０の具体的な構成の一例を示す。図２に示す照明素子１０は、光源１と、光源１から出射した光を液晶表示パネル２０に導く導光板２とを有している。光源１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）や冷陰極管である。導光板２には、光源１から出射して導光板２内部に入射した光を液晶表示パネル２０側に出射させるための構造が形成されている。例えば、導光板２の２つの主面のうちの少なくとも一方に、プリズムやシボが形成されている。

照明素子１０は、さらに、導光板２から出射した光の指向性を制御するプリズムシート３を有している。指向性制御素子として機能するこのプリズムシート３は、導光板２と液晶表示パネル２０との間に設けられている。

プリズムシート３は、導光板２側の主面上に形成された複数のプリズム３ａを有しており、図３に示すように、導光板２から出射した光を全反射現象を利用して表示面法線方向に向ける。このように、導光板２から出射した光は、プリズムシート３によって高い指向性を付与される。なお、ここで例示したプリズムシート３は、「全反射型プリズムシート」とも呼ばれる。また、導光板２として、主面に法線ベクトル理論に基づいてマイクロレンズアレイが形成された導光板を用いると、マイクロレンズでの全反射により導光板内を伝搬する光を効率よく全反射型プリズムシート（指向性制御素子）３に出射することができるので好ましい。

照明素子１０から出射する光が高い指向性を有していると、液晶層２３を通過する光を一様に変調することができる（つまり液晶層２３を通過する光に一様なリタデーションを与えることができる）ので、液晶分子の屈折率異方性に起因した表示品位の視角依存性を低減することができる。液晶層２３を通過した光は、そのままでは指向性が高く、輝度に大きな偏りを有している（表示面法線方向の輝度が著しく高く、斜め方向の輝度が低い）が、光変調部よりも観察者側に配置された光拡散素子３０によって拡散されることにより、輝度の偏りを低減され、そのことによって視野角が広がる。

本実施形態における光拡散素子３０の機能を図４、図５（ａ）および（ｂ）を参照しながら説明する。図４は、光拡散素子３０を模式的に示す斜視図である。図４中には、表示面に平行で互いに直交する２つの方向ＸおよびＹと、表示面に垂直な方向（表示面法線方向）Ｚとを示している。また、図５（ａ）は、図４中の方向ＸおよびＺに平行な断面を示す図であり、図５（ｂ）は、図４中の方向ＹおよびＺに平行な断面を示す図である。

光拡散素子３０は、図４に示すように、光変調部で変調された光を拡散させる。このとき、光拡散素子３０は、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、特定の角度範囲で入射する光を他の角度で入射する光よりも強く拡散する。具体的には、光拡散素子３０は、比較的小さな入射角（入射光が表示面法線方向となす角）で入射する光を強く拡散し、比較的大きな入射角で入射する光を弱く拡散する。

光拡散素子３０は、光拡散特性に上述したような入射角依存性を有しているので、液晶層２３に大きな入射角で入射した光をほとんど拡散することなく、液晶層２３に垂直に入射した光や小さな入射角で入射した光を拡散することができる。そのため、液晶層２３に大きな入射角で入射した光が正面方向に拡散されることによる表示のぼやけが防止される。

さらに、図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較すればわかるように、光拡散素子３０が光を強く拡散する角度範囲（「高拡散角度範囲」と呼ぶ。）は、方向ＸおよびＺに平行な面内と方向ＹおよびＺに平行な面内とで異なっている。つまり、光拡散素子３０の高拡散角度範囲は、表示面内における方位に応じて異なっている。言い換えると、光拡散素子３０の高拡散角度範囲は、方位角依存性を有している。本実施形態では、方向ＸおよびＺに平行な面内における高拡散角度範囲が最も広く、方向ＹおよびＺに平行な面内における高拡散角度範囲が最も狭い場合を例示している。

上述したように、本実施形態における光拡散素子３０は、その光拡散特性に入射角依存性を有しているとともに、その高拡散角度範囲が方位角依存性を有している。つまり、光拡散素子３０は、光拡散特性に三次元的な異方性を有している。さらに、この三次元的な異方性は、後述するように、光変調部で変調された光の特性に応じて設定されている。そのため、本実施形態における液晶表示装置１００では、表示のぼやけが効果的に防止され、高品位の表示を容易に実現することができる。以下、光変調部で変調された光の特性と、光拡散特性の三次元的な異方性との関係を詳しく説明する。

本願発明者は、光変調部で変調された光の特性を評価するパラメータとして、白表示状態の輝度と黒表示状態の輝度との比すなわちコントラスト比に着目し、光変調部のコントラスト特性に応じて光拡散素子３０の高拡散角度範囲を設定することにより、表示品位を大きく向上できることを見出した。

図６に、光変調部のコントラスト特性の一例を示す。図６は、表示面内における方位とコントラスト比との関係を示す図であり、図６においてハッチングが付されている部分は、コントラスト比が１以上である視角範囲を示している。この部分を、以下ではコントラストコーンと呼ぶ。

図６からもわかるように、コントラストコーンは、表示面内における方位によってその幅が異なっている。図６に示す例では、コントラストコーンは、方向Ｘに沿った幅が最も広く、方向Ｙに沿った幅が最も狭い。このように、光変調部のコントラスト特性は方位角依存性を有している。

コントラスト比が１未満であるということは、黒表示状態の輝度が白表示状態の輝度よりも高いということであり、光が光変調部で好適に変調されないことを表している。これに対し、コントラスト比が１以上であるということは、光が光変調部で好適に変調されることを表している。そのため、コントラストコーンの方位角依存性に応じて、光拡散素子３０の高拡散角度範囲の方位角依存性を設定することによって、表示のぼやけを効果的に改善することができる。

光拡散素子３０の光拡散特性は、具体的には、表示面法線方向に平行なある面（「第１の面」と称する。）内における高拡散角度範囲をＡ（図５（ａ）参照）、表示面法線方向に平行で第１の面に交差する面（「第２の面」と称する。）内における高拡散角度範囲をＢ（図５（ｂ）参照）、第１の面および第２の面内におけるコントラスト比が１以上である視角範囲をそれぞれＣおよびＤ（図６参照）としたとき、ＡとＢとの比Ａ／ＢがＣとＤとの比Ｃ／Ｄに略等しくなるように設定されている。つまり、コントラストコーンの幅が相対的に狭い方向においては、光拡散素子３０の高拡散角度範囲も相対的に狭く、コントラストコーンの幅が相対的に広い方向においては、光拡散素子３０の高拡散角度範囲も相対的に広い。そのため、光拡散素子３０は、光変調部で好適に変調されなかった光をあまり拡散せずに、光変調部で好適に変調された光を拡散することができ、表示のぼやけを効果的に改善することができる。なお、本実施形態では、第１の面と第２の面とが略直交する場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。

表示のぼやけを改善する効果を高くするためには、第１の面内における高拡散角度範囲Ａは、第１の面内におけるコントラスト比が１以上の視角範囲Ｃと略等しいかそれよりも狭いことが好ましく、第２の面内における高拡散角度範囲Ｂは、第２の面内におけるコントラスト比が１以上の視角範囲Ｄと略等しいかそれよりも狭いことが好ましい。このような構成とすることによって、実質的にコントラストコーン内の光（コントラスト比が１以上の視角範囲の光）のみを強く拡散することができ、表示のぼやけをいっそう効果的に改善することができる。

続いて、光変調部のコントラスト特性と光拡散素子３０の光拡散特性との好ましい関係をより具体的に説明する。図７、図８および図９に、光変調部のコントラストコーンと光拡散素子３０の光拡散特性との好ましい組み合わせの例を示す。図７（ａ）、図８（ａ）および図９（ａ）が光変調部のコントラストコーンを示しているのに対し、図７（ｂ）、図８（ｂ）および図９（ｂ）は、光拡散素子３０の光拡散特性を示している。図７（ｂ）、図８（ｂ）および図９（ｂ）には、第１の面（方向ＸおよびＺに平行な平面）内におけるヘイズ値の入射角依存性が曲線Ｌ₁で示されており、第２の面（方向ＹおよびＺに平行な平面）内におけるヘイズ値の入射角依存性が曲線Ｌ₂で示されている。

図７（ａ）に示すコントラストコーンは、方向Ｘに沿った幅が相対的に広く、方向Ｙに沿った幅が相対的に狭い。このことと対応するように、図７（ｂ）に示すように、第１の面内におけるヘイズ値の入射角依存性を表す曲線Ｌ₁は、第２の面内におけるヘイズ値の入射角依存性を表す曲線Ｌ₂よりもブロードな形状を有している。つまり、図７（ａ）に示しているように、第１の面内におけるコントラスト比が１以上の視角範囲Ｃは、第２の面内におけるコントラスト比が１以上の視角範囲Ｄよりも広く、また、図７（ｂ）に示しているように、第１の面内における高拡散角度範囲Ａは、第２の面内における高拡散角度範囲Ｂよりも広い。なお、図７（ｂ）では、ヘイズ値が５以上の角度範囲を高拡散角度範囲として示している。

また、図７（ａ）および（ｂ）を互いに比較すればわかるように、第１の面内における高拡散角度範囲Ａは、同じ面内におけるコントラスト比が１以上の視角範囲Ｃよりも小さい。また、第２の面内における高拡散角度範囲Ｂは、同じ面内におけるコントラスト比が１以上の視角範囲Ｄよりも小さい。

このように、光拡散素子３０のヘイズ値の入射角依存性をコントラストコーンの形状に応じて設定することにより、表示のぼやけを抑制して表示品位を大幅に向上することができる。

図８（ａ）および（ｂ）に示す組み合わせや図９（ａ）および（ｂ）に示す組み合わせについても、それぞれコントラストコーンの形状に応じて光拡散素子３０のヘイズ値が適切に設定されているので、同様の効果が得られる。

続いて、三次元的な異方性を有する光拡散素子３０の具体例を説明する。

図１０に、図７（ｂ）に示した光拡散特性を有する光拡散素子３０の一例を示す。図１０に示す光拡散素子３０は、マトリクス状に配列された複数のプリズム３１を含むプリズムアレイシートである。複数のプリズム３１を覆うように平坦化層３２が形成されている。プリズム３１と平坦化層３２とは、互いに屈折率が異なるように形成されている。各プリズム３１は、図１０に示すように切頭四角錐状（四角錐台状）である。

プリズム３１の方向ＸおよびＺに平行な断面を図１１（ａ）に示し、プリズム３１の方向ＹおよびＺに平行な断面を図１１（ｂ）に示す。図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、プリズム３１は、頂面３１ａおよび底面３１ｂと、傾斜側面３１ｃ、３１ｄ、３１ｅおよび３１ｆとを有している。本実施形態では、図１１（ａ）に示されている傾斜側面３１ｃおよび３１ｄは、いずれも底面３１ｂに対し３５°の角度で傾斜している。これに対し、図１１（ｂ）に示されている傾斜側面３１ｅは、底面３１ｂに対し７０°の角度で傾斜し、また、同図中に示されている傾斜側面３１ｆは、底面３１ｂに対し４５°の角度で傾斜している。

光拡散素子３０に入射した光は、傾斜側面３１ｃ、３１ｄ、３１ｅおよび３１ｆと平坦化層３２との界面で屈折し、それによって拡散される。屈折角と入射角とは相関関係を有しているので、このようなプリズム３１での屈折を利用した光拡散素子３０は、光拡散特性に入射角依存性を有する。また、プリズム３１の第１の面に平行な断面と第２の面に平行な断面とは互いに異なる形状を有しているので、第１の面内と第２の面内とでは高拡散角度範囲が異なる。つまり、光拡散素子３０はその高拡散角度範囲に方位角依存性を有している。

図１０に示した光拡散素子３０は、例えば以下のようにして作製することができる。まず、紫外線硬化型樹脂を用いてフォトリソグラフィプロセスにより、所定の形状のプリズム３１を形成する。次に、プリズム３１を覆うように熱硬化性樹脂をスピンコート法や第コート法などで塗布した後に熱硬化させることによって平坦化層３２を形成する。例えば紫外線硬化型樹脂として屈折率が１．５０程度のものを用い、熱硬化型樹脂として屈折率が１．３０程度のものを用いると、屈折率差が約０．２となる。この場合、傾斜側面３１ｃ、３１ｄ、３１ｅおよび３１ｆに入射した正面方向（表示面法線方向）の光は、図１１（ａ）および（ｂ）に例示しているように、それぞれ表示面法線方向から１５°、１５°、３５°、２５°傾斜した方向に屈折する。

図１２に、光拡散素子３０の他の例を示す。図１２に示す光拡散素子３０は、等方的に光を拡散する等方拡散層３３を平坦化層３２上にさらに有している点において、図１０に示した光拡散素子３０と異なっている。図１０に示す光拡散素子３０の光拡散度は、プリズム３１および平坦化層３２の材料の屈折率と、傾斜側面３１ｃ、３１ｄ、３１ｅおよび３１ｆの傾斜角とに依存する。そのため、図１０に示す光拡散素子３０では、用いる材料によっては、十分に視野角を広げることが難しいこともある。図１２に示すように、等方拡散層３３をさらに設けることによって、プリズム３１と平坦化層３２との界面で拡散された光をさらに拡散し、視野角をさらに広げることが可能になる。

等方拡散層３３は、例えば、図１３に示すような、内部散乱を利用した拡散フィルムである。図１３に示す拡散フィルム３３（「ディフューザ」と呼ばれることもある）は、図１３中に一部を拡大して示すように、樹脂材料から形成されたマトリクス３３ａと、マトリクス３３ａ中に分散された粒子３３ｂとを有する。マトリクス３３ａの屈折率と粒子３３ｂの屈折率とは互いに異なっており、そのことによって、光が等方的に拡散される。

図１４に、光拡散素子３０のさらに他の例を示す。図１４に示す光拡散素子３０は、異方的に光を拡散する４つの異方拡散層３５ａ、３５ｂ、３５ｃおよび３５ｄが積層された積層構造を有している。これらの異方拡散層３５ａ、３５ｂ、３５ｃおよび３５ｄは、互いに異なる光拡散特性を有している。

図１５に、異方拡散層３５ａ、３５ｂ、３５ｃおよび３５ｄの高拡散角度範囲を模式的に示している。図１５に示すように、異方拡散層３５ａ、３５ｂ、３５ｃおよび３５ｄは、それぞれ特定の方位についてのみ光を拡散する。具体的には、表示面を時計の文字盤に見立てたとき、異方性拡散層３５ａの高拡散角度範囲は、表示面法線方向から３時方向にθ₁であり、異方性拡散層３５ｂの高拡散角度範囲は、表示面法線方向から９時方向にθ₂である。また、異方性拡散層３５ｃの高拡散角度範囲は、表示面法線方向から１２時方向にθ₃であり、異方性拡散層３５ｄの高拡散角度範囲は、表示面法線方向から６時方向にθ₄である。θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄は、光変調部のコントラストコーンに応じて適宜設定される。このように、特定の方位についてのみ光を拡散する異方性拡散層３５ａ、３５ｂ、３５ｃおよび３５ｄを組み合わせることによっても、３次元的な異方性を有する光拡散素子３０が得られる。異方性拡散層３５ａ、３５ｂ、３５ｃおよび３５ｄとしては、例えば、住友化学社製ルミスティーを用いることができる。

また、本実施形態における液晶表示装置１００では、図１に示したように、光拡散素子３０よりも観察者側に第１の偏光板４１が配置されているので、観察者側から光拡散素子３０に入射する外光（周囲光）が第１の偏光板４１によって吸収され、その量が低減される。従って、光拡散素子３０の表面での外光の反射や、光拡散素子３０に入射した外光の、光拡散素子３０と他の層との界面での全反射が低減される。そのため、表示面のぎらつきが抑制され、高品位の表示が実現される。

また、液晶表示パネルの観察者側に光拡散素子が設けられている場合、液晶表示パネルを通過した光が光拡散素子に入射した際、後方散乱によって液晶表示パネル側に向かう光が存在する。この光は、迷光と呼ばれ、表示品位を低下させる原因となる。

液晶表示装置１００では、液晶層２３と光拡散素子３０との間に第２の偏光板２８が配置されているので、このような迷光がこの第２の偏光板２８に吸収されることによって低減される。そのため、迷光に起因した表示品位の低下が抑制される。さらに、本実施形態のように、前面基板２２上にカラーフィルタ２４が設けられていると、迷光の一部をカラーフィルタ２４でも吸収することができるので、表示品位の低下を抑制する効果が高い。

上述したように、外光の反射による表示品位の低下を抑制するための第１の偏光板４１に加え、迷光による表示品位の低下を抑制するための第２の偏光板２８を設ける場合には、液晶層２３を通過した光を効率よく利用するためには、第１の偏光板４１の透過軸と第２の偏光板２８の透過軸とは略平行であることが好ましい。

なお、第１の偏光板４１と第２の偏光板２８の一方を省略してもよい。例えば、図１６に示す液晶表示装置２００のように、第１の偏光板４１が省略されていてもよいし、図１７に示す液晶表示装置３００のように、第２の偏光板２８が省略されていてもよい。

図１６に示した液晶表示装置２００では、光拡散素子３０と液晶層２３との間に設けられた偏光板２８によって、迷光に起因した表示品位の低下が抑制される。一方、図１７に示した液晶表示装置３００では、光拡散素子３０よりも観察者側に配置された偏光板４１によって、表示面のぎらつきが抑制される。

また、図１に示した液晶表示装置１００において、第２の偏光板２８に代えて、液晶層２３と光拡散素子３０との間に反射防止膜を配置してもよい。反射防止膜を液晶層２３と光拡散素子３０との間に設けることによって、迷光の反射を抑制することができ、迷光による表示品位の低下を抑制することができる。反射防止膜としては、いわゆるＡＲ膜として公知の種々の膜を用いることができ、例えば、互いに屈折率の異なる複数の層を含む多層干渉膜を用いることができる。

照明素子１０としては、種々のバックライトを用いることができるが、より高いコントラスト比を得るためには、より指向性の高い光を出射し得るものを用いることが好ましい。具体的には、照明素子１０が、表示面法線方向に対して３０°以上の角をなす方向における輝度が表示面法線方向における輝度の３％以下となるような配光分布を有すると、十分に高いコントラスト比を容易に実現することができる。

図１８（ａ）および（ｂ）に、照明素子１０の好ましい配光分布の例を示す。図１８（ａ）に示す配光分布では、表示面法線方向における輝度がもっとも高く、角度が大きくなるにつれて急に輝度が低くなる。これに対し、図１８（ｂ）に示す配光分布では、表示面法線方向から３０°付近まで比較的高い輝度が保たれている。図１８（ａ）および（ｂ）に示す配光分布のいずれにおいても、表示面法線方向に対して３０°以上の角をなす方向における輝度が表示面法線方向（０°）における輝度の３％以下である。そのため、これらのような配光分布を有する照明素子１０を用いることによって、優れた表示品位が得られる。

配光分布の他の例を図１８（ｃ）に示す。図１８（ｃ）に示す配光分布では、表示面法線方向に対して３０°以上の角をなす方向における輝度は、表示面法線方向（０°）における輝度の８％〜１３％以下である。このような配光分布の照明素子１０を用いる場合であっても、光変調部（液晶層２３および位相差補償素子２５および２７による光学変調のパターン（すなわちコントラストコーンの形状）を適宜選択することによって、十分に優れた表示品位を得ることができる。

図１８（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示した配光分布（それぞれ配光分布Ａ、ＢおよびＣと称する。）と、図７（ａ）、図８（ａ）および図９（ａ）に示したコントラストコーン（それぞれコントラストコーンＡ、ＢおよびＣと称する。）との組み合わせの適否を表１に示す。表１中、「○」は「△」よりも良好に組み合わされることを示し、「◎」はさらに良好に組み合わせられることを示している。

表１からわかるように、図１８（ａ）に示した配光分布Ａおよび図１８（ｂ）に示した配光分布Ｂは、コントラストコーンＡ、ＢおよびＣのいずれとも非常に良好に組み合わせられる。また、表１から、図１８（ｃ）に示した配光分布Ｃについては、コントラストコーンＡよりもコントラストコーンＢと組み合わせることが好ましく、コントラストコーンＣと組み合わせることがさらに好ましいことがわかる。

これらのことからもわかるように、光学変調を好適に行うためには、照明素子１０の配光分布の山の部分（高輝度の部分）が、コントラストコーン（コントラストコーンで示される角度範囲）に略一致するか、コントラストコーン内に位置することが好ましい。配光分布の山の部分がコントラストコーンの外にはみだすと、光学変調が好適に行えないことがある。

図１８（ｃ）に示した程度の指向性は、例えば、図３に示した全反射型プリズムシート３を備えた照明素子１０を用いることによって容易に実現することができる。また、図１８（ａ）および（ｂ）に示した程度の指向性は、米国特許第５９４９９３３号明細書や米国特許第５５９８２８１号明細書に開示されているバックライトを用いることによって実現できる。上記米国特許第５９４９９３３号明細書には、導光板の主面上にレンチキュラマイクロプリズムが設けられたエッジライト型のバックライトが開示されている。また、上記米国特許第５５９８２８１号明細書には、光源から出射した光を開口部を介してマイクロコリメータおよびマイクロレンズに入射させる直下型のバックライトが開示されている。

図７（ａ）に示したコントラストコーンは、例えば、ＳＴＮモードの液晶層と、日東電工社製の位相差板ＮＲＦ（Ｎｚ係数が１．０）とを組み合わせることによって実現できる。また、図７（ｂ）に示したコントラストコーンは、例えば、ＳＴＮモードの液晶層と、日東電工社製の位相差板ＮＲＺ（Ｎｚ係数が０．５〜０．８）とを組み合わせることによって実現できる。また、図７（ｃ）に示したコントラストコーンは、例えば、ＳＴＮモードの液晶層と、日東電工社製の位相差板ＮＲＺ（Ｎｚ係数が０〜０．４）とを組み合わせることによって実現できる。なお、Ｎｚ係数は、位相差板の屈折率成分ｎ_x、ｎ_y、ｎ_zの大小関係を表す指標の１つである。

本発明によると、光拡散素子による表示のぼやけを低減し、高品位の表示を行うことができる。本発明は、透過型の液晶表示装置全般に好適に用いられ、特に、視野角特性の低い表示モード（例えば、ＳＴＮモードやＴＮモード、ＥＣＢモード）の液晶表示装置に好適に用いられる。

ＳＴＮモードのような複屈折性を利用する表示モードでは、液晶層に斜めに入射する光による表示への悪影響が大きいので、指向性の高い光を液晶層に入射させ、液晶層で変調された光を光拡散素子によって拡散させる視野角拡大技術を用いることが好ましく、本発明を用いる意義が大きい。

本発明の好適な実施形態における液晶表示装置１００を模式的に示す断面図である。 液晶表示装置１００が備える照明素子（バックライト）の一例を示す側面図である。 図２に示す照明素子が備える全反射型プリズムシートの機能を説明するための図である。 液晶表示装置１００が備える光拡散素子の機能を説明するための図である。 （ａ）および（ｂ）は、光拡散素子の機能を説明するための図である。 光変調部のコントラスト特性の一例を示す図であり、表示面内における方位とコントラスト比との関係を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、光変調部のコントラストコーンと光拡散素子の光拡散特性との好ましい組み合わせを示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、光変調部のコントラストコーンと光拡散素子の光拡散特性との好ましい組み合わせを示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、光変調部のコントラストコーンと光拡散素子の光拡散特性との好ましい組み合わせを示す図である。 光拡散素子の例を示す斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、図１０に示す光拡散素子が備えるプリズムを模式的に示す断面図である。 光拡散素子の他の例を示す断面図である。 図１２に示す光拡散素子が備える等方拡散層の例を示す図である。 光拡散素子のさらに他の例を示す断面図である。 図１４に示す光拡散素子に含まれる異方拡散層の機能を説明するための図である。 本発明の好適な実施形態における他の液晶表示装置２００を模式的に示す断面図である。 本発明の好適な実施形態における他の液晶表示装置３００を模式的に示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、照明素子１０から出射する光の配光分布の例を示すグラフである。 従来の液晶表示装置５００を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１ 光源
２ 導光板
３ プリズムシート
３ａ プリズム
１０ 照明素子（バックライト）
２０ 液晶表示パネル
２１ 背面基板
２２ 前面基板
２３ 液晶層
２４ カラーフィルタ
２５、２７ 位相差補償素子
２６ 偏光板（第３の偏光板）
２８ 偏光板（第２の偏光板）
３０ 光拡散素子
３１ プリズム
３１ａ プリズムの頂面
３１ｂ プリズムの底面
３１ｃ、３１ｄ、３１ｅおよび３１ｆ プリズムの傾斜側面
３２ 平坦化層
３３ 等方拡散層
３３ａ マトリクス
３３ｂ 粒子
３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ 異方拡散層
４１ 偏光板（第１の偏光板）
１００、２００、３００ 液晶表示装置

Claims (16)

1. 光源と、
   前記光源から出射した光を変調する液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルよりも観察者側に配置された光拡散素子と、
   を備えた液晶表示装置であって、
   前記光拡散素子は、特定の角度範囲内の角度で入射する光を他の角度で入射する光よりも強く拡散し、
   前記特定の角度範囲は、表示面法線方向に平行な第１の面内と表示面法線方向に平行で前記第１の面に交差する第２の面内とで異なっており、
   前記第１の面内における前記特定の角度範囲をＡ、前記第２の面内における前記特定の角度範囲をＢ、前記第１の面内において前記液晶表示パネルのコントラスト比が１以上である視角範囲をＣ、前記第２の面内において前記液晶表示パネルのコントラスト比が１以上である視角範囲をＤとしたとき、
   前記第１の面内における前記特定の角度範囲Ａと前記第２の面内における前記特定の角度範囲Ｂとの比Ａ／Ｂが、前記第１の面内における前記視角範囲Ｃと前記第２の面内における前記視角範囲Ｄとの比Ｃ／Ｄに略等しい液晶表示装置。
2. 前記第１の面と前記第２の面とは略直交する請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記液晶表示パネルのコントラスト比が１以上である視角範囲は、前記第１の面内において最も広く、且つ、前記第２の面内において最も狭く、
   前記光拡散素子が光を強く拡散する前記特定の角度範囲は、前記第１の面内において最も広く、且つ、前記第２の面内において最も狭い請求項１または２に記載の液晶表示装置。
4. 前記第１の面内における前記特定の角度範囲Ａは、前記第１の面内における前記視角範囲Ｃと略等しいかまたはそれよりも狭く、前記第２の面内における前記特定の角度範囲Ｂは、前記第２の面内における前記視角範囲Ｄと略等しいかまたはそれよりも狭い請求項１から３のいずれかに記載の液晶表示装置。
5. 前記特定の角度範囲内の角度で入射する光に対する前記光拡散素子のヘイズ値が５以上である請求項１から４のいずれかに記載の液晶表示装置。
6. 前記光拡散素子は、複数のプリズムを含み、前記複数のプリズムのそれぞれの前記第１の面に平行な断面と前記第２の面に平行な断面とが互いに異なる形状を有している請求項１から５のいずれかに記載の液晶表示装置。
7. 前記光拡散素子は、それぞれが異方的に光を拡散し、且つ、相互に異なる光拡散特性を有する複数の異方拡散層を含む請求項１から５のいずれかに記載の液晶表示装置。
8. 前記液晶表示パネルは、一対の基板と、前記一対の基板間に設けられた液晶層とを有する請求項１から７のいずれかに記載の液晶表示装置。
9. 前記液晶表示パネルは、少なくとも１つの位相差補償素子をさらに有する請求項８に記載の液晶表示装置。
10. 前記光拡散素子よりも観察者側に配置された第１の偏光素子を備える請求項８または９に記載の液晶表示装置。
11. 前記液晶層と前記光拡散素子との間に配置された第２の偏光素子を備え、
    前記第１の偏光素子の透過軸と、前記第２の偏光素子の透過軸とは略平行である請求項１０に記載の液晶表示装置。
12. 前記液晶層に対して観察者側とは反対側に設けられた第３の偏光素子を備える請求項９または１１に記載の液晶表示装置。
13. 前記光源を含む照明素子を備える請求項１から１２のいずれかに記載の液晶表示装置。
14. 前記照明素子は、表示面法線方向に対して３０°以上の角をなす方向における輝度が、表示面法線方向における輝度の１３％以下となるような配光分布を有する請求項１３に記載の液晶表示装置。
15. 前記照明素子は、表示面法線方向に対して３０°以上の角をなす方向における輝度が、表示面法線方向における輝度の３％以下となるような配光分布を有する請求項１３に記載の液晶表示装置。
16. 前記照明素子は、前記光源から出射した光の指向性を制御する指向性制御素子を有している請求項１３から１５のいずれかに記載の液晶表示装置。

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