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【発明の名称】 偏光バックライト及び表示装置
【発明者】 【氏名】藤田 利章

【氏名】五十嵐 毅

【氏名】吉川 博樹

【氏名】小泉 直久

【氏名】鈴木 仁
【要約】 【課題】近距離投写型の表示装置の高輝度化。

【解決手段】光源、導光体、反射型偏光板、及び該導光体表面にアレイ状に設置されたマイクロプリズムとで構成し、光源から導光体に入った光を、反射型偏光板で一方向の偏光光のみ出射面方向に通過させ、かつ反射型偏光板とマイクロプリズムとの接続部でのみ光を導光体から取り出し、マイクロプリズムの傾斜を持たせた側壁で、出射面垂直方向に近くなるよう角度を変えるよう反射させて出射する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】入射面及び出射面に偏光手段を持ち内部に偏光方向の回転手段を持つ透過型表示ユニットと、バックライトユニットと、必要によって追加される、該透過型表示ユニットに表示された画像を加工する光学系ユニットとで構成される表示装置において、光源、導光体、反射型偏光板、及び該導光体表面にアレイ状に設置されたマイクロプリズムとで構成され、光源から導光体に入った光を、反射型偏光板で一方向の偏光光のみ出射面方向に通過させ、かつ反射型偏光板とマイクロプリズムとの接続部でのみ光を導光体から取り出し、マイクロプリズムの傾斜を持たせた側壁で、出射面垂直方向に近くなるよう角度を変えるよう反射させて出射し、略平行光であり、かつ、該透過型表示ユニットの入射面を透過可能な偏光方向と同一方向の偏光光を出射することを特徴とするバックライトユニット、及び、該バックライトユニットを使用した表示装置。
【請求項２】入射面及び出射面に偏光手段を持ち内部に偏光方向の回転手段を持つ透過型表示ユニットと、バックライトユニットと、必要によって追加される、該透過型表示ユニットに表示された画像を加工する光学系ユニットとで構成される表示装置において、光源、導光体、反射型偏光板、該導光体表面にアレイ状に設置されたマイクロプリズム、及び該マイクロプリズムに対応させたマイクロレンズとで構成され、光源から導光体に入った光を、反射型偏光板で一方向の偏光光のみ出射面方向に通過させ、かつ反射型偏光板とマイクロプリズムとの接続部でのみ光を導光体から取り出し、マイクロプリズムの傾斜を持たせた側壁で、出射面垂直方向に近くなるよう角度を変えるよう反射させ、また、マイクロレンズでさらに出射面垂直方向に近くなるよう角度を変えて出射し、略平行光であり、かつ、該透過型表示ユニットの入射面を透過可能な偏光方向と同一方向の偏光光を出射することを特徴とするバックライトユニット、及び、該バックライトユニットを使用した表示装置。
【請求項３】反射型偏光板の位置を光源と導光体の間にして、出射光の偏光方向と合う偏光光のみを導光体に入れることを特徴とする請求項１記載及び請求項２記載のバックライトユニット、及び、該バックライトユニットを使用した表示装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、バックライトユニット、透過型表示ユニットを有する表示装置に係り、特に、高輝度、低消費電力を求められる表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電子化の進展により、ＯＡ用途やＣＡＤ用途、宣伝用途等で表示装置を使用する場合、用紙全体等、より多くの情報を表示出来るよう表示装置の大型化、また、見易いよう高輝度化、環境問題から低消費電力化が要求されている。
【０００３】大画面化する方法としては、例えば特開平５−１８８３４０号公報に示されるような投写方式がある。以下、この方式について、図２，図３を用いて説明する。図２は投写方式の装置を前面から見た図である。表示部５１が隙間無く並んでおり、その周りに筐体５２がある。図３はＡ−Ａ’断面でみたこの装置の構成図ある。バックライトユニット５３、透過型液晶パネル５４、結像手段５５、拡大手段５６、スクリーン５７より構成される。バックライトユニット５３からの光は透過型液晶パネル５４に照射され、透過型液晶パネル５４に表示されている画像が結像手段５５により、スクリーン５７に結像される。この時、拡大手段５６により画像を拡大してスクリーン５７に投写する。この例では、透過型液晶パネル５４を４枚使用しているが、この拡大処理により、並べられた４枚の透過型液晶パネル５４間にあった隙間をスクリーン５７上で無くし、連続した大画面を得ることが出来る。
【０００４】ここで使用するバックライトユニットとしては、透過型液晶パネルに視覚特性があるため等で、略平行光を出射するものが必要であるが、特許第２７０６５７４号の技術を利用した略平行光を出射するバックライトユニットについて、図４，図５を用いて説明する。図４にバックライトユニットの斜視図を、図５に断面図を示す。光源６１、導光体６２、アレイ状に複数個配置されたマイクロプリズム６３、ベース６５、マイクロプリズム６３に対応して配置されたマイクロレンズ６４から構成され、導光体６２、マイクロプリズム６３、ベース６５、マイクロレンズ６４は光学的に密着している。また、導光体６２、マイクロプリズム６３、ベース６５、マイクロレンズ６４は同じ材料、もしくは、屈折率が同じか、近い材料で作成されている。マイクロプリズム６３は四角錐の頂点を平らにした形状であり、この平らにした部分が、導光体６２と密着している。
【０００５】光源６１から出た光の一部は、導光体６２に入る。導光体６２をアクリル（屈折率：１．４９）、外部を空気（屈折率：１）とすると、この入射した光が導光体６２と外部の境界に当たった場合の全反射の臨界角は４２．１５度となり、導光体６２の厚さを薄くすることにより、導光体６２と外部の境界に当たる光の大半が反射される。そのため、導光体６２に入射した光の大半は、反射、または直進により、入射面と反対の面に向かって導光体６２内を進む。
【０００６】導光体６２内を反射により進んでいた光のうち、マイクロプリズム６３が導光体６２と密着している部分に当たったものは、反射せずマイクロプリズム６３に入る。マイクロプリズム６３の側壁には角度がついており、バックライトユニット出射面垂直方向に対して角度の付いている光は、マイクロプリズム６３の側壁に当たった時に曲げられて反射され、出射面垂直方向に近い角度となる。マイクロプリズム６３に入った光は、さらにベース６５、マイクロレンズ６４を通過する。マイクロレンズ６４の出射面６６は、通過する光がさらに出射面垂直方向に近い角度となるよう、曲面となっている。
【０００７】マイクロプリズム６３、マイクロレンズ６４はバックライトユニット出射面６６にアレイ状に配置されており、バックライトユニットの出射面６６から略平行光が出射される。
【０００８】さて、透過型液晶パネルは入射面に偏光板を持ち、ランダムな偏光方向の光が混ざった光線（以降、一般光と記述する）を入射すると、該入射面の偏光板と合う偏光方向を持った光のみを通過させ、他の偏光方向を持った光は吸収してしまう。（以降、通過する偏光方向の光をＰ波、吸収される偏光方向の光をＳ波と記述することにする。）そのため、約半分の光が吸収され、むだとなってしまう。この光を有効利用する方法としては、例えば特開平８−１４６４１６号公報に示されるような偏光光を出射するバックライトが提案されている。このバックライトについて、一例を図６に示す。反射板７４、光源７１とリフレクタ７２をサイドに有する導光板７３、４００〜７００ｎｍの範囲で選択反射するコレステリック液晶層からなる円偏光板７７、１／４波長板７８、及び、拡散板７５で構成されている。光源７１から出た光は、導光板７３に入り、反射板７４に当ったものが、出射面方向に向かう。次にコレステリック液晶層と偏光方向が合わない光は反射されて導光板７３に戻り、合うものは円偏光板７７を通過し、円偏光となる。円偏光板７７を通過した光は、１／４波長板７８で直線偏光となる。最後に拡散板７５で視野角が広げられて偏光光が出射する。このコレステリック液晶層と１／４波長板を利用した、反射型偏光板は、Asia Display 95 Digest pp735に示されているが、SID92 Digest pp427に示されるプリズムアレイ上に屈折率の異なる誘電体膜を多層積層した反射型偏光板を利用する方法も考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術で記述した投写方式の装置のバックライトユニットでは、略平行光を出射しているが、一般光であるため透過型液晶パネルの入射面でＳ波が吸収されてしまい、高輝度化、低消費電力化という要求に対して課題となっている。
【００１０】また、従来の技術で記述した特開平８−１４６４１６号公報に示されるような偏光光を出射するバックライトでは、透過型液晶パネルの入射面でのむだは無くすことが出来るが、従来の技術で記述した投写方式の装置で利用するには、出射光線の略平行化が具体的に解決されていなかった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明では、入射面及び出射面に偏光手段を持ち内部に偏光方向の回転手段を持つ透過型表示ユニットと、バックライトユニットと、必要によって追加される、該透過型表示ユニットに表示された画像を加工する光学系ユニットとで構成される表示装置において、光源、導光体、反射型偏光板、及び該導光体表面にアレイ状に設置されたマイクロプズムとでバックライトユニットを構成し、光源から導光体に入った光を、反射型偏光板で一方向の偏光光のみ出射面方向に通過させ、かつ反射型偏光板とマイクロプリズムとの接続部でのみ光を導光体から取り出し、マイクロプリズムの傾斜を持たせた側壁で、出射面垂直方向に近くなるよう角度を変えるよう反射させて出射し、略平行光であり、かつ、該透過型表示ユニットの入射面を透過可能な偏光方向と同一方向の偏光光を出射する。
【００１２】また、本発明では、入射面及び出射面に偏光手段を持ち内部に偏光方向の回転手段を持つ透過型表示ユニットと、バックライトユニットと、必要によって追加される、該透過型表示ユニットに表示された画像を加工する光学系ユニットとで構成される表示装置において、光源、導光体、反射型偏光板、該導光体表面にアレイ状に設置されたマイクロプズム、及び該マイクロプリズムに対応させたマイクロレンズとでバックライトユニットを構成し、光源から導光体に入った光を、反射型偏光板で一方向の偏光光のみ出射面方向に通過させ、かつ反射型偏光板とマイクロプリズムとの接続部でのみ光を導光体から取り出し、マイクロプリズムの傾斜を持たせた側壁で、出射面垂直方向に近くなるよう角度を変えるよう反射させ、また、マイクロレンズでさらに出射面垂直方向に近くなるよう角度を変えて出射し、略平行光であり、かつ、該透過型表示ユニットの入射面を透過可能な偏光方向と同一方向の偏光光を出射する。
【００１３】また、反射型偏光板の位置を光源と導光体の間にして、出射光の偏光方向と合う偏光光のみを導光体に入れて、光を有効利用することも出来る。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について実施例を用い、図を参照して説明する。図７は、本発明のバックライトユニットを適用した投写型表示装置の構成図である。この図は、画像の表示面の横から見た断面図である。この装置は、従来の技術で述べた投写方式の表示装置の一形態であり、前面は、図２と同じである。後側から、バックライトユニット１、透過型液晶パネル９、２枚１組のマイクロレンズアレイ５、フレネル凹レンズ６、フレネル凸レンズ７、レンチキュラーシート８から構成されている。
【００１５】マイクロレンズアレイ５は、微細な両面凸レンズをアレイ状に並べたもので、２枚のマイクロレンズアレイでは１個１個のレンズを対応させ、光軸を合わせてある。これにより、２枚のマイクロレンズアレイは、透過型液晶パネル９に表示された画像の正立等倍の実像をレンチキュラーシート８に作る機能を持つ。また、微細なレンズにより結像するため、ワーキングディスタンスを短くすることが出来、短い投写距離で結像が可能である。
【００１６】入射面フレネル凹レンズ６は、透過型液晶パネル９の画像表示部の中心に光軸を合わせており、中心から円周状外周に向かって除々に外側に光線を曲げるようになっており、透過型液晶パネル９に表示された画像をレンチキュラーシート８に投写する際に拡大する機能を持つ。拡大率は、レンチキュラーシート８上に画像が投写された時、隣の画像との隙間が無くなるような画像の大きさとなるよう設定する。一般に透過型液晶パネル９の無表示部は、画像表示部に対して少ない面積であるため、１．０３倍〜１．３倍の拡大率となる。
【００１７】フレネル凸レンズ７は、拡大のために曲げられた光線を元の平行に戻す機能を持つ。
【００１８】レンチキュラーシート８は、ここに結像された画像を拡散し、装置の視野角を広げるスクリーンの機能を持つ。
【００１９】バックライトユニット１は透過型液晶パネル９に光を照射するものである。透過型液晶パネル９には視覚特性があり、所定以上に斜めに通過する光線に対しコントラストが反転するといった課題がある。また、マイクロレンズには、取込み角があり、その角度を超える光については、所望の位置に結像せず、コントラストを落とす原因となる。これらのため、コントラストを上げるためには、透過型液晶パネル９から出る光は所定の角度を越えるものを少なくする必要があり、バックライトユニット１は、所定角度内の光線が角度分布の大半となっている略平行光を出射するものを用いる。所定角は、透過型液晶パネル９の視覚特性、マイクロレンズアレイ５の製造技術からくる取込み角の制限、バックライトユニット１の実現性等を懸案して、±１０°〜±２０°が妥当であると考える。また、光を有効利用するため、透過型液晶パネル９の入射面に偏光方向が合った光を出射するものとなっている。
【００２０】これらを用い、また、１つの画像を液晶パネル毎に分割して表示することにより、レンチキュラーシート８上に大画面の画像を得ることが出来る。ここで、図２の例では、２×２の４枚の透過型液晶パネル９を平面状に並べているが、これは、ｍ×ｎの任意の枚数の透過型液晶パネル９を平面状に並べて実現することも出来る。
【００２１】図１は本発明の一実施例であるバックライトユニットの断面図である。導光体３のサイドに光源２があり、光源からの光等を反射して導光体３に入れるためのリフレクタ１６が光源を囲んでいる。導光体３には、反射型偏光板４、マイクロプリズム１０、ベース１１、マイクロレンズアレイ１２が、出射面方向にこの順で、光学的に密着させて配置されている。導光体３、反射型偏光板４、マイクロプリズム１０、ベース１１、マイクロレンズ１２は同じ材料、もしくは、屈折率が同じか、近い材料で作成されている。外部は空気であり、また、マイクロプリズム１０の間も空気である。図１０は、１対のマイクロプリズム１０とマイクロレンズ１２について拡大した三面図である。
【００２２】光源２からの光は導光体３に入る。導光体３に入った光のうち、導光体３と空気の境界に当たった光は反射される。導光体３の厚さを薄くすることにより、導光体３と空気の境界に当たる光の大半が全反射となる。導光体３から、反射型偏光板４に当たった光のうち、Ｓ波１４は反射され、導光体３に戻る。導光体３から、反射型偏光板４に当たった光のうち、Ｐ波は、反射型偏光板４を透過するが、その内、マイクロプリズム１０が密着している部分に当たった光１３はマイクロプリズム１０に入るが、マイクロプリズム１０が密着している部分に当たら無かった光は反射され、導光体３に戻る。マイクロプリズム１０に入った光１３は、マイクロプリズム１０の傾斜が付けられた側壁に当たり、反射して出射面垂直方向に近くなるよう角度を変えられる。さらに、この光１３は、ベース１１、マイクロレンズアレイ１２を通過して出射面から出射されるが、マイクロレンズアレイ１２の曲面により、さらに、出射面垂直方向に近くなるよう角度を変えられる。このようにして、略平行光のＰ波が得られる。この光１３が透過型液晶パネル９に照射される。
【００２３】ここで、導光体３内を反射しながら、または直進で進み、マイクロプリズム１０に入らなかった光は、入射したのと反対側のサイドから出るが、リフレクタ１６により反射され、導光体３に戻され、再利用される。ここで、反対側のサイドから出る光は、Ｓ波が多く含まれるが、リフレクタ１６を白色体で作成することにより反射時にランダムな偏光面が混ざった一般光１５にすることが出来る。
【００２４】図８は本発明の別の一実施例であるバックライトユニットの断面図である。図１の実施例に比べマイクロレンズ１２を無くしてある。この場合、出射光の拡散角度分布が広がることが考えられるが、マイクロレンズ１２の形成が不要なため、製造が容易となる。
【００２５】図９は本発明の別の一実施例であるバックライトユニットの断面図である。図１の実施例に比べ、反射型偏光板４の位置が、光源２と導光体３の間になっている。導光板３に入射する段階でＳ波１４を反射してしまい、Ｐ波のみを導光体３へ入れるようにする。これにより、バックライトユニットから出射する光をＰ波のみとする。また、反射型偏光板４で反射されたＳ波１４は、白色体で出来たリフレクタ１６で反射される時、一般光１５となり、再び反射型偏光板４に向かう。
【００２６】本発明の別の実施例では、図１での反射型偏光板の位置と、図９での反射型偏光板の位置との両方の位置に反射型偏光板を設置することも出来る。
【００２７】さらに本発明の別の実施例では、図１、図８、または、図９の形態で、反射型偏光板４の偏光方向を透過型液晶パネル９の入射面の偏光方向に合わせるのではなく、マイクロプリズム１０の側壁で良く反射する方向に合わせる。そして、出射してくる偏光光に、透過型液晶パネル９の入射面の偏光方向を合わせる。
【００２８】
【発明の効果】本発明では、バックライトユニットから、略平行光であり、かつ、透過型表示ユニットの入射面を透過可能な偏光方向と同一方向の偏光光を出射することにより、透過型表示ユニットの入射面での光の吸収が少なくなり、従来吸収されていた光を再利用することにより、高輝度化が実現出来る。また、高輝度化に伴い、光源の電力を低くすることにより、低消費電力化が実現出来る。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】 平成１１年８月２５日（１９９９．８．２５）
【代理人】 【識別番号】１０００７５０９６
【弁理士】
【氏名又は名称】作田 康夫
【公開番号】 特開２００１−６７９２０（Ｐ２００１−６７９２０Ａ）
【公開日】 平成１３年３月１６日（２００１．３．１６）
【出願番号】 特願平１１−２３７８５０