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JP2020118739A - 液晶表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】広視野角モードで十分な輝度を実現し、且つ、狭視野角モードでは主たる表示方向以外の輝度を十分抑える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100は、狭配光バックライト10と、その前方に配置された透明バックライト30と、横電界モードの透過型液晶パネル5とを備える。透明バックライト30は、狭配光バックライト10に対向配置された透明な導光板31と、その側面に配置された光源32を有するサイドライト型である。導光板31の狭配光バックライト10側の面には、縦方向に延びるプリズム状の凹凸が形成されている。透過型液晶パネル5の各画素には、横方向に延びる櫛歯電極52が配置されている。【選択図】図1

Description

本発明は液晶表示装置に関し、特に、車載用の液晶表示装置に関するものである。
近年、車載用表示装置の普及が進んでおり、映画などの視聴に対応できる大画面で高画質な車載用表示装置の需要がある。特に、助手席用の表示装置には、ドライバーディストラクション防止の観点から、通常は広い視野角特性を有するが、必要に応じて運転席からは表示画像が見えない横方向(左右方向)に狭い視野角特性に切り替えることが可能な表示装置が要求される。例えば下記の特許文献1〜3には、液晶表示装置の視野角の広さを切り替え可能にする技術が開示されている。
特許第3922735号公報 特許第4766542号公報 特許第4363225号公報
視野角特性を切り替え可能な表示装置においては、広い視野角の表示モード(以下「広視野角モード」という)では主たる表示方向だけでなく従なる表示方向にも十分な輝度を持つ輝度プロファイルを実現し、且つ、狭い視野角の表示モード(以下「狭視野角広視野角モード」という)では主たる表示方向以外の輝度が十分抑えられた輝度プロファイルを実現することが課題となる。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、広視野角モードで十分な輝度を実現し、且つ、狭視野角モードでは主たる表示方向以外の輝度を十分抑えることが可能な液晶表示装置を提供する。
本発明に係る液晶表示装置は、第1のバックライトと、前記第1のバックライトの前方に配置された透明な第2のバックライトと、前記第2のバックライトの前方に配置された横電界モードの透過型液晶パネルと、を備え、前記第2のバックライトは、前記第1のバックライトに対向配置された透明な導光板、および、前記導光板の側面に配置された光源を有するサイドライト型であり、前記導光板の第1のバックライト側の面には、縦方向に延びるプリズム状の凹凸が形成されており、前記透過型液晶パネルの各画素には、横方向に延びる櫛歯状の電極、あるいは、横方向に延びるスリットを有する電極が配置されている。
本発明に係る液晶表示装置によれば、広視野角モードでは、第1のバックライトおよび第2のバックライトの両方を点灯して、透過型液晶パネルに画像を表示することで、主たる表示方向だけでなく従なる表示方向にも十分な輝度を持つ輝度プロファイルを実現できる。また、狭視野角モードでは、第1のバックライトを点灯し、第2のバックライトを消灯して、透過型液晶パネルに画像を表示することで、主たる表示方向以外の輝度が十分抑えられた輝度プロファイルを実現することができる。
実施の形態1に係る液晶表示装置の構成を示す分解斜視図である。 実施の形態1に係る液晶表示装置の透明バックライトの構成を示す斜視図である。 透明バックライトが備える導光板の導光反射面および反射面の傾斜角度と導光板の裏面から入射した光の出射角度との関係を示す図である。 透明バックライトが備える導光板の反射面の傾斜角度と導光板の入射側面から入射した光の出射角度との関係を示す図である。 実施の形態1に係る液晶表示装置が設置された車内の模式図である。 狭配光バックライトおよび透明バックライトの配光特性を表すグラフである。 狭配光バックライトおよび透明バックライトの配光特性を表すグラフである。 実施の形態2に係る液晶表示装置の構成を示す分解斜視図である。 実施の形態2に係る液晶表示装置の透明バックライトの構成を示す斜視図である。 実施の形態2に係る液晶表示装置が設置された車内の模式図である。
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1に係る液晶表示装置100の構成を示す分解斜視図である。図1のように、液晶表示装置100は、第1のバックライトである狭配光バックライト10と、狭配光バックライト10の前方に配置された透明な第2のバックライトである透明バックライト30と、透明バックライト30の前方に配置された光学装置4と、光学装置4の前方に配置された透過型液晶パネル5とを備えている。
狭配光バックライト10は、面状の光源であるバックライト11と、その前面に設けられた視野角制限フィルム12とから構成されている。視野角制限フィルム12は、狭配光バックライト10が発した光に対し、液晶表示装置100の横方向(左右方向)の配光を制限するように機能する。より詳細には、視野角制限フィルム12は、液晶表示装置100の縦方向(上下方向)に延伸する遮光壁を内部に備えており、バックライト11から左右斜め方向へ放射される光を遮断することによって、横方向に狭い配光分布を実現する。視野角制限フィルム12としては、例えば3M社製のLCF(Light Control Film)(「LCF」は登録商標)、DNP社製のLAF(Louver Array Film)などを用いることができる。
透明バックライト30は、狭配光バックライト10に対向配置された透明な導光板31と、導光板31の側面31dに対向配置された光源32とを有するサイドライト型である。図2に示すように、透明バックライト30の導光板31の前面31a(透過型液晶パネル5側の)は平坦であるが、その裏面(狭配光バックライト10側の面)には、縦方向に延びるプリズム状の凹凸が形成されている。プリズム状の凹凸は、透過型液晶パネル5の表示面に対する傾斜角度が小さい(透過型液晶パネル5に対して平行に近い)面31bと、傾斜角度が大きい面31cとが交互に配置された構造を有している。傾斜角度が大きい面31cは、導光板31の内側で光源32に面するように傾斜しており、傾斜角度が小さい面31bはその逆方向に傾斜している。本実施の形態では、プリズム状の凹凸の高さは均一であるため、導光板31の裏面は横方向にほぼ平坦である。
以下、透明バックライト30の前面31aを「出射面」と称し、透明バックライト30の裏面の傾斜角度が小さい面31bを「導光反射面」、傾斜角度が大きい面31cを「反射面」と称し、光源32が配置された側面31dを「入射側面」と称する。また、導光反射面31bおよび反射面31cの傾斜角度に関し、導光板31の内側で光源32に面するように傾いた傾斜角度を正(+)、その逆方向に傾いた傾斜角度を負(−)と定義する。さらに、出射面31aから出射する光の進行方向(出射方向)に関し、出射面31aの正面方向を0°、光源32側へ傾いた方向を正(+)、その逆方向に傾いた方向を負(−)と定義する。
図3に、導光板31の導光反射面31bおよび反射面31cの傾斜角度と、導光板31の裏面から入射した光の出射面31aからの出射角度との関係を示す。本実施の形態では、狭配光バックライト10が発した光の進行方向の横方向の変化を10°以内(±5°以内)に抑えるため、導光反射面31bの傾斜角度(図2のθ)を−10°以上、+10°以下に設定する。一方、反射面31cの傾斜角度(図2のθ)は、+25°以上、+55°以下とする。
図4に、導光板31の反射面31cの傾斜角度と入射側面31dから入射した光の出射面31aからの出射角度との関係を示す。図2を参照し、光源32から導光板31の入射側面31dに入射した光Aは、導光反射面31bで反射されながら導光板31内を伝搬拡散し、反射面31cで反射されて出射面31aから斜め方向へと放射される。導光板31の屈折率が1.5程度であれば、図4に示すように、反射面31cの傾斜角度を+25°〜+45°の範囲にすれば、出射面31aから放射される光の出射角度を−74°〜0°の方向に調整できる。ただし、反射面31cの傾斜角度が過度に大きくなると、反射面31cを突き抜ける光の割合が増加するため、反射面31cの傾斜角度は+25°〜+40°の範囲が好適である。
また、狭配光バックライト10から導光板31の導光反射面31bに入射した光Bは、進行方向がほぼ変化せずに(進行方向の変化は±5°以内)、出射面31aから出射される。なお、狭配光バックライト10から反射面31cに入射した光(不図示)の進行方向は、+25°程度変化するため、その向きに注意が必要である。
図1に戻り、光学装置4は、透明バックライト30と透過型液晶パネル5との間に配置され、光線散乱状態と光透過状態とを電気的に切り替えることが可能である。光学装置4としては、例えば、透明電極(透明導電膜)付きの2枚の透明プラスチックシートを、透明電極を内側にして対向配置し、その間にPDLC(高分子分散型液晶)を挟持させた積層構造の調光フィルムを用いることができる。透明電極で挟持された液晶層に電圧を印加して液晶配向を変えることにより、調光フィルムの光散乱特性(光線散乱状態または光透過状態)を電気的に変化させることができる。より具体的には、例えば、日本板硝子ウムプロダクツ株式会社製のウムフィルム(スタンダードタイプ/高遮蔽タイプ)などを用いることができる(「ウムフィルム(UMU FILM)」は登録商標)。また、透明電極付きの透明プラスチックシートの代わりに透明電極付きの透明基板を用いてもよく、透明基板としては、例えば、ガラス基板、透光性のプラスチック基板などを用いることができる。
透過型液晶パネル5は、横電界モードの液晶パネルである。横電界モードの液晶パネルとしては、FFS(Fringe Field Switching)モードあるいはIPS(In-Plane Switching)モード(「IPS」は登録商標)のどちらを用いることもできる。透過型液晶パネル5のカラー画素は、R(赤)、G(緑)、B(青)の3つの画素(以下「サブ画素」という)から構成される。
図1に拡大して示すように、サブ画素の開口51は、縦方向に延びる縦辺51aの長さが、横方向に延びる横辺51bの長さよりも短い、略長方形である。また、サブ画素の開口51内には、IPSモードの場合には櫛歯状、FFSモードの場合にはスリットを有する形状の電極52が配置される。本実施の形態では、櫛歯状の電極52の延伸方向、あるいは、電極52のスリットの延伸方向が、横方向に設定されている。
このように、透過型液晶パネル5がIPSモードの場合とFFSモードの場合とで電極52の形状は異なるが、以下では説明の簡単のため、電極52を「櫛歯電極52」と称し、櫛歯状の電極52の延伸方向、あるいは、電極52が有するスリットの延伸方向を、「櫛歯電極52の延伸方向」ということとする。
次に、液晶表示装置100の動作について説明する。ここでは、図5に示すように、液晶表示装置100が、自動車内の助手席の正面に設置される助手席用の表示装置である場合を例に挙げる。液晶表示装置100から見て、助手席はほぼ正面方向に位置し、運転席は左斜め方向(−40°程度の方向)に位置する。この場合、液晶表示装置100は、透明バックライト30の光源32が、導光板31の運転席から遠い側になるように構成される。
まず、助手席方向(正面方向)のみに表示を行う狭視野角モードでの液晶表示装置100の動作を説明する。狭視野角モードの場合、液晶表示装置100は、狭配光バックライト10を点灯し、透明バックライト30を消灯し、光学装置4を光透過状態にした状態で、透過型液晶パネル5に画像を表示する。
狭配光バックライト10のバックライト11が発した光は、視野角制限フィルム12によって横方向に狭い配光特性(40°方向の輝度は正面輝度の1/10以下)の光になり、透明バックライト30の導光板31を通過する。このとき、導光板31の導光反射面31bは傾斜角度が小さく、出射面31aは横方向にほぼ平坦であるため、透明バックライト30を通過した光の配光特性が、狭配光バックライト10の光の配光特性から横方向に±5°以上に広がることはない。なお、狭配光バックライト10から導光板31の反射面31cに入射した光は、運転席とは逆方向に曲がるため、運転席から見た輝度を増加させることはない。
また、光学装置4が光透過状態であるため、透明バックライト30を通過した光は、その配光特性が光学装置4によって横方向に広げられることなく、透過型液晶パネル5に入射する。
透過型液晶パネル5を光が通過する際には、画素配列に起因する回折散乱が生じる。この回折は、サブ画素の開口51の形状の影響を受けるが、横電界モードの透過型液晶パネル5では櫛歯電極52の形状の影響も受ける。具体的には、サブ画素の開口51内において、櫛歯電極52の延伸方向に沿って白表示時の透過率分布が形成されるため、櫛歯電極52の延伸方向と直交する方向に強い回折が生じる。
実施の形態1の液晶表示装置100では、サブ画素の開口51は、縦辺51aが横辺51bよりも短い略長方形であり、櫛歯電極52の延伸方向が横方向である。櫛歯電極52の延伸方向を横方向にすることにより、横方向の回折を抑制することができる。
図6は、狭配光バックライト10および透明バックライト30の配光特性を表すグラフであり、透過型液晶パネル5の画面の全体に白画像を表示したときの相対輝度分布を示している。狭配光バックライト10のみを点灯した場合、図6の細い実線のグラフのように、−40°方向の輝度は十分に抑えられる。したがって、液晶表示装置100が狭視野角モードで動作するとき、運転席からは画像を視認することができない。すなわち、狭視野角モードでは、主たる表示方向である助手席方向(0°方向)以外の輝度が十分抑えられた輝度プロファイルを実現することができる。
次に、助手席方向(正面方向)および運転席方向(−40°方向)の両方に表示を行う広視野角モードでの液晶表示装置100の動作を説明する。広視野角モードの場合、液晶表示装置100は、狭配光バックライト10および透明バックライト30の両方を点灯し、光学装置4を光線散乱状態にした状態で、透過型液晶パネル5に画像を表示する。
図6の太い破線のグラフは、狭配光バックライト10および透明バックライト30の両方を点灯し、光学装置4を光透過状態にした状態で、透過型液晶パネル5に全体に白画像を表示した場合の相対輝度分布である。正面方向にピークを持つ狭配光バックライト10からの光(細い実線のグラフ)と、−40°方向にピークを持つ透明バックライト30からの光(細い破線のグラフ)とが重なり、広い配光分布が形成されることが分かる。
ただし、光学装置4が光透過状態であると、−20°の方向に輝度の谷が発生する。これは、先に述べたように、透過型液晶パネル5の横方向の回折散乱が少ないためである。このように輝度分布に凹凸(ムラ)がある場合、観察者が頭を左右に動かすと画面の輝度のチラツキを感じてしまう。
この問題の発生を防止するために、本実施の形態では、広視野角モードでは光学装置4を散乱状態にする。狭配光バックライト10および透明バックライト30の両方を点灯し、光学装置4を光線散乱状態にすると、図7の太い実線のグラフのように、輝度分布のムラがなくなり、滑らかな輝度プロファイルが実現される。すなわち、主たる表示方向である助手席方向(0°方向)と従なる表示方向である運転席方向(−40°方向)の両方で、十分な輝度を持つ滑らかな輝度プロファイルを実現することができる。これにより、観察者が頭を左右に動かしても画面の輝度のチラツキを感じることがなくなる。
<実施の形態2>
図8は、実施の形態2に係る液晶表示装置200の構成を示す分解斜視図である。実施の形態2の液晶表示装置200は、実施の形態1(図1)の液晶表示装置100に対し、透明バックライト30を透明バックライト70に変更したものである。それ以外の構成要素は、実施の形態1と同様であるため、それらの詳細な説明は省略する。
透明バックライト70は、狭配光バックライト10に対向配置された透明な導光板71と、導光板71の側面71dに対向配置された光源72とを有するサイドライト型である。図9に示すように、透明バックライト70の導光板71の前面71a(透過型液晶パネル5側の)は平坦であるが、その裏面(狭配光バックライト10側の面)には、縦方向に延びるプリズム状の凹凸が形成されている。プリズム状の凹凸は、透過型液晶パネル5の表示面に対する傾斜角度が小さい(透過型液晶パネル5に対して平行に近い)面71b1〜71b4と、傾斜角度が大きい面71c1〜71c4とが交互に配置された構造を有している。
以下、透明バックライト70の前面71aを「出射面」と称し、透明バックライト70の裏面の傾斜角度が小さい面71b1〜71b4を「導光反射面」、傾斜角度が大きい面71c1〜71c4を「反射面」と称し、光源72が配置された側面71dを「入射側面」と称する。また、導光反射面71b1〜71b4および反射面71c1〜71c4の傾斜角度に関し、導光板71の内側で光源72に面するように傾いた傾斜角度を正(+)、その逆方向に傾いた傾斜角度を負(−)と定義する。さらに、出射面71aから出射する光の進行方向(出射方向)に関し、出射面71aの正面方向を0°、光源72側へ傾いた方向を正(+)、その逆方向に傾いた方向を負(−)と定義する。
本実施の形態では、狭配光バックライト10が発した光の進行方向の横方向の変化を10°以内(±5°以内)に抑えるため、導光反射面71b1〜71b4の傾斜角度を−10°以上、+10°以下に設定する。一方、反射面71c1〜71c4の傾斜角度は、+25°以上、+55°以下とする。
ただし、本実施の形態では、導光反射面71b1〜71b4の傾斜角度、および、反射面71c1〜71c4の傾斜角度は均一ではない。具体的には、導光反射面71b1〜71b4の傾斜角度は、光源72に近い位置のもので負の値、光源72から遠い位置のもので正の値となるように、光源72から遠ざかるにつれて増加している。また、反射面71c1〜71c4の傾斜角度は、正の値の範囲で、光源72から遠ざかるにつれて徐々に増加している。
例えば図9では、光源72に近い方から順に、導光反射面71b4の傾斜角度は−10°、導光反射面71b3の傾斜角度は−5°導光反射面71b2の傾斜角度は0°、導光反射面71b1の傾斜角度は5°と、光源72から遠ざかるにつれて増加している。また、反射面71c1〜71c4の傾斜角度も同様に、光源72から遠ざかるにつれて増加している(反射面71c1〜71c4の傾斜角度は正の値である)。
このような構成の導光板71では、狭配光バックライト10から導光反射面71b1〜71b4に入射した光Dは、光源72から近い導光反射面71b4では光源72から遠ざかる方向に曲がり、光源72から遠い導光反射面71b1では光源72に近づく方向に曲がるため、出射面71aから出射する光Dは集光される。
また、光源72から導光板71の入射側面71dに入射した光Cは、反射面71c1〜71c4で反射されて出射面71aから斜め方向に放射される。このとき、光源72から近い反射面71c4で反射された光Cよりも、光源72から遠い反射面71c1で反射された光Cの方が大きく曲がるため、出射面71aから出射する光Cも集光される。
次に、液晶表示装置200の動作について説明する。ここでは、図10に示すように、液晶表示装置200が、自動車内の助手席の正面に設置される助手席用の表示装置である場合を例に挙げる。液晶表示装置200から見て、助手席はほぼ正面方向に位置し、運転席は左斜め方向(−40°程度の方向)に位置する。この場合、液晶表示装置200は、透明バックライト70の光源72が、導光板71の運転席から遠い側になるように構成される。
まず、助手席方向(正面方向)のみに表示を行う狭視野角モードでの液晶表示装置200の動作を説明する。狭視野角モードの場合、液晶表示装置200は、狭配光バックライト10を点灯し、透明バックライト70を消灯し、光学装置4を光透過状態にした状態で、透過型液晶パネル5に画像を表示する。
狭配光バックライト10のバックライト11が発した光は、視野角制限フィルム12によって横方向に狭い配光特性(40°方向の輝度は正面輝度の1/10以下)の光になり、透明バックライト70の導光板71を通過する。このとき、導光板71の導光反射面71b1〜71b4は傾斜角度が小さく、出射面71aは横方向にほぼ平坦であるため、透明バックライト70を通過した光の配光特性が、狭配光バックライト10の光の配光特性から横方向に±5°以上に広がることはない。また、導光反射面71b1〜71b4の傾斜角度は光源72から遠ざかるにつれて増加しているため、透明バックライト70を通過した光は、正面方向に集光される。このため、助手席の観察者は液晶表示装置200の画面の全体で明るい画像を観察することができる。なお、狭配光バックライト10から導光板71の反射面71c1〜71c4に入射した光は、運転席とは逆方向に曲がるため、運転席から見た輝度を増加させることはない。
また、実施の形態1と同様に、透過型液晶パネル5のサブ画素の開口51において、櫛歯電極52の延伸方向が横方向であるため、透過型液晶パネル5における光の横方向の回折は抑制されている。従って、狭視野角モードでは、主たる表示方向である助手席方向(0°方向)以外の輝度が十分抑えられた輝度プロファイルを実現することができる。
次に、助手席方向(正面方向)および運転席方向(−40°方向)の両方に表示を行う広視野角モードでの液晶表示装置200の動作を説明する。広視野角モードの場合、液晶表示装置200は、狭配光バックライト10および透明バックライト70の両方を点灯し、光学装置4を光線散乱状態にした状態で、透過型液晶パネル5に画像を表示する。
この場合、助手席方向にピークを持つ狭配光バックライト10からの光と、運転席方向にピークを持つ透明バックライト70からの光とが重なり、広い配光分布が形成される。また、導光反射面71b1〜71b4の傾斜角度は光源72から遠ざかるにつれて増加しているため、狭配光バックライト10から出射されて透明バックライト70を通過した光は、助手席方向に集光される。さらに、反射面71c1〜71c4の傾斜角度も、光源72から遠ざかるにつれて増加しているため、光源72から出射されて反射面71c1〜71c4で反射された光は、運転席方向に集光される。このため、助手席の観察者および運転席の観察者は、液晶表示装置200の画面の全体で明るい画像を観察することができる。
実施の形態2の液晶表示装置200では、光学装置4が無くても、運転席ならびに助手席の観察者は、液晶表示装置200の画面の全体で明るい画像を観察することができる。そのため、光学装置4は省略されてもよい。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
100,200 液晶表示装置、10 狭配光バックライト、11 バックライト、12 視野角制限フィルム、30,70 透明バックライト、31,71 導光板、32,72 光源、31a,71a 出射面、31b,71b1〜71b4 導光反射面、31c,71c1〜71c4 反射面、31d,71d 入射側面、4 光学装置、5 透過型液晶パネル、51 サブ画素の開口、51a サブ画素の開口の縦辺、51b サブ画素の開口の横辺、52 櫛歯電極、A〜D 光。

Claims (6)

  1. 第1のバックライトと、
    前記第1のバックライトの前方に配置された透明な第2のバックライトと、
    前記第2のバックライトの前方に配置された横電界モードの透過型液晶パネルと、
    を備え、
    前記第2のバックライトは、前記第1のバックライトに対向配置された透明な導光板、および、前記導光板の側面に配置された光源を有するサイドライト型であり、
    前記導光板の第1のバックライト側の面には、縦方向に延びるプリズム状の凹凸が形成されており、
    前記透過型液晶パネルの各画素には、横方向に延びる櫛歯状の電極、あるいは、横方向に延びるスリットを有する電極が配置されている、
    液晶表示装置。
  2. 前記プリズム状の凹凸は、前記導光板の内側で前記光源に面するように傾斜した反射面と、前記反射面よりも傾斜角度が小さい導光反射面とが交互に配置されて成る、
    請求項1に記載の液晶表示装置。
  3. 前記反射面および前記導光反射面の傾斜角度に関し、前記導光板の内側で前記光源に面するように傾いた傾斜角度を正、その逆方向に傾いた傾斜角度を負と定義すると、
    前記導光反射面の傾斜角度は、前記光源に近い位置の前記導光反射面で負、前記光源から遠い位置の前記導光反射面で正となるように、前記光源から遠ざかるにつれて増加し、
    前記反射面の傾斜角度は、正の値の範囲で、前記光源から遠ざかるにつれて徐々に増加する、
    請求項2に記載の液晶表示装置。
  4. 前記反射面および前記導光反射面の傾斜角度に関し、前記導光板の内側で前記光源に面するように傾いた傾斜角度を正、その逆方向に傾いた傾斜角度を負と定義すると、
    前記反射面の傾斜角度は、+25°以上、+55°以下であり、
    前記導光反射面の傾斜角度は、−10°以上、+10°以下である、
    請求項2または請求項3に記載の液晶表示装置。
  5. 前記第2のバックライトと前記透過型液晶パネルとの間に配置され、光線散乱状態と光透過状態とを切り替え可能な光学装置をさらに備える、
    請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
  6. 前記第1のバックライトは、前面に視野角制限フィルムを備えた狭配光バックライトである、
    請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
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