JP2000314876A

JP2000314876A - 液晶表示素子および液晶表示装置

Info

Publication number: JP2000314876A
Application number: JP11122383A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Taniguchi; 斉谷口; Yasuo Hiyoshi; 康夫日良; Masayasu Eto; 正容江渡
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2000-11-14

Abstract

(57)【要約】【課題】光利用効率を向上させた液晶表示素子および
それを用いた液晶表示装置を提供すること。【解決手段】ＴＦＴ基板とともに液晶層を挾持し、光
源側に配置される基板を具備し、この基板の構造を、マ
イクロレンズのアレイを片面にそれぞれ形成した２枚の
マイクロレンズ基板を、マイクロレンズアレイの形成さ
れた面を内側にして一体化した、複合マイクロレンズア
レイ構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する利用分野】本発明は、液晶表示素子およ
びこれを用いた液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶表示装置はノート型パソコン
等に用いられる直視型だけではなく、液晶プロジェクタ
ー等の投影型表示装置としても需要が高まってきてい
る。これに伴い、輝度の向上や画素数の増加が必須とな
っている。ところが、液晶表示素子の画素数を増やす
と、特にＴＦＴ型の液晶表示素子の液晶の駆動電圧を与
えるＴＦＴやＴＦＴを駆動する配線等が相対的に増加
し、液晶表示素子の開口率が低下してしまうことにな
る。この開口率が低いほど、液晶表示素子を透過する光
が少なくなって画面が暗くなり、画像品位を低下させる
原因となる。

【０００３】このような画素数の増大による開口率の低
下を回避するために、図２の概念図に示すように、ＴＦ
Ｔ基板１の光源側に、マイクロレンズ２をアレイ状に形
成することが提案されている（特開平８−３２８００２
号公報、特開平９−１５９８０６号公報等）。このよう
に、個々の画素に対応して光源側にマイクロレンズ２を
設け、各マイクロレンズによって光を対応する画素の開
口部３に集光するようにすることにより、光利用効率を
高めることができる。

【０００４】しかしながら、マイクロレンズに入射する
光は、現状の光源技術では完全な平行光にするのは極め
て困難であり、入射光の入射角度範囲は、±８°程度の
広がりを持つ。このため、図３に示すように、マイクロ
レンズ２による集光スポット４の面積は、画素の開口部
３の面積よりかなり大きくなってしまい、完全に集光で
きた場合に比べて透過率が小さくなってしまう。

【０００５】この透過率を向上させる手法の１つとし
て、マイクロレンズの焦点距離を短くし、マイクロレン
ズと画素の開口部との距離を短くすることが考えられ
る。しかし、この方法は、液晶表示素子を通過した光の
平行度が低下することや、マイクロレンズの曲率半径が
小さくなりその製造が困難になる等の問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の液晶表示素子
は、画素の開口率が低く光利用効率が悪いため、液晶表
示装置の発熱等の問題から輝度向上が限界に来ている。
これを解決するには光利用効率を上げる必要があり、マ
イクロレンズアレイを１枚用いて光利用効率を上げる方
式が提案されているが、液晶表示素子に入射する入射光
が完全な平行光でないことから、光利用効率の向上は３
０％程度にとどまっている。

【０００７】本発明はこのような現状を打開するために
なされたもので、従来の欠点を改善し、光利用効率を向
上させて、光源の輝度を上げることなく輝度の向上を図
ることのできる、液晶表示素子およ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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の液晶表示素子では、少なくともＴＦＴ基板
とともに液晶層を挾持し、光源側に配置される基板を具
備し、この基板として、液晶表示素子における個々の画
素に対応するマイクロレンズのアレイをそれぞれ片面に
形成されたマイクロレンズ基板２枚を、マイクロレンズ
の形成された面を内側にして重ね合せて一体化した構成
のものを用いる。さらに、光源側マイクロレンズ基板の
マイクロレンズ形成面から液晶層の光源側の面までの距
離を、光源側マイクロレンズ基板のマイクロレンズの焦
点距離の３０〜１２０％とし、反光源側マイクロレンズ
基板のマイクロレンズ形成面から光源側マイクロレンズ
基板のマイクロレンズ形成面までの距離を、光源側マイ
クロレンズ基板のマイクロレンズ形成面から液晶層の光
源側の面までの距離の５〜５０％とする。このとき、反
光源側マイクロレンズ基板のマイクロレンズ形状を、レ
ンズ中心部の曲率半径を小さくし、レンズ周辺部の曲率
半径を大きくするか、または、レンズ中心部を実質的に
平坦にし、それ以外のレンズ周辺部の曲率半径を光源側
マイクロレンズ基板のマイクロレンズの曲率半径の５０
〜２００％とする。さらに、光源側マイクロレンズ基板
のマイクロレンズの焦点距離を、液晶表示素子の画素ピ
ッチの２〜１０倍とする。さらに必要に応じて、マイク
ロレンズ基板における個々の画素に対応するマイクロレ
ンズの外側に、個々の画素に対応するマイクロレンズと
実質的に同一形状のダミーレンズを形成する。さらに必
要に応じて、マイクロレンズ基板の少なくとも一方にお
ける、他方のマイクロレンズ基板に対向する側の面に、
両基板の間隔を一定に保つためのスペーサ部を、マイク
ロレンズアレイの有効範囲外に形成する。さらに、マイ
クロレンズ基板のマイクロレンズを紫外線硬化樹脂によ
って形成するとともに、２枚のマイクロレンズ基板を、
マイクロレンズを構成する紫外線硬化樹脂の屈折率とは
異なる屈折率の紫外線硬化樹脂によって接合・一体化す
る。そして、液晶表示装置を構成する際には上記した構
成の液晶表示素子を用いる。なお、上記した焦点距離
は、空気中のものではなく、基板材料等の屈折率により
換算された光学距離で表わされたものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る
液晶表示素子の概略構成を示す図である。同図に示すよ
うに、本発明の液晶表示素子は、光源側マイクロレンズ
アレイ５と反光源側マイクロレンズアレイ６の２枚を一
体化してなる、複合マイクロレンズアレイ基板１６を含
んだ構成をとるものとなっている。

【００１０】図１において、１はＴＦＴ基板、５は光源
側マイクロレンズアレイ、６は反光源側マイクロレンズ
アレイ、７は光源側マイクロレンズ、８は反光源側マイ
クロレンズ、９は光源側マイクロレンズ基板、１０は反
光源側マイクロレンズ基板、１１は液晶層、１２はＴＦ
Ｔ、１３は透明電極、１４はブラックマトリックス、１
５は、光源側マイクロレンズ７と反光源側マイクロレン
ズ８との間（光源側マイクロレンズアレイ５と反光源側
マイクロレンズアレイ６との間）の媒質である。

【００１１】ここで、光源側マイクロレンズ７と光源側
マイクロレンズ基板９とからなる光源側マイクロレンズ
アレイ５は、図４の（Ａ）に示すように、同一の材料で
形成した境界無しの構成であっても、あるいは、図４の
（Ｂ）に示すように、同一の材料または異なる材料より
なるマイクロレンズとレンズ基板とを、一体化した構成
であってもよい。これは、反光源側マイクロレンズ８と
反光源側マイクロレンズ基板１０とからなる反光源側マ
イクロレンズアレイ６についても、同様である。

【００１２】また、図１に示した例では、光源側マイク
ロレンズ７と反光源側マイクロレンズ８は凸レンズ形状
としたが、両マイクロレンズ７、８との間の媒質１５の
屈折率によっては、図５に示す本発明の他の実施形態に
係る液晶表示素子のように、光源側マイクロレンズ７と
反光源側マイクロレンズ８を凹レンズ形状としてもよ
い。なお、図５において、両マイクロレンズ７、８以外
の構成は、図１と同様である。

【００１３】ＴＦＴ基板１の液晶層１１に接する側の面
には、各画素を駆動するためのＴＦＴ１２と信号線（図
示せず）と透明電極（図示せず）とが形成され、ＴＦＴ
および信号線（図示せず）の間が、透明電極（図示せ
ず）の開口部になっている。また、ＴＦＴ基板１と共に
液晶層１１を挾持する複合マイクロレンズアレイ基板１
６の液晶層に接する側の面には、遮光用のブラックマト
リックス１４と、透明電極１３とが形成されている。

【００１４】複合マイクロレンズアレイ基板１６は、光
源側マイクロレンズアレイ５と反光源側マイクロレンズ
アレイ６とを、マイクロレンズの形成された面をそれぞ
れ内側にして重ね合わせて一体化することによって、形
成されている。このとき、２枚のマイクロレンズアレイ
５、６の対応する各マイクロレンズの光軸同士が、一致
するように両者５、６は一体化されている。

【００１５】なお、図１は、「マイクロレンズ材料の屈
折率＞マイクロレンズ間の媒質１５の屈折率」の場合の
構成であるが、「マイクロレンズ材料の屈折率＜マイク
ロレンズ間の媒質１５の屈折率」の場合には、図５に示
す構成とする。

【００１６】図６は、図１の光学系を説明するための図
である。図６において、図示せぬ光源からの照射光１７
は、光源側マイクロレンズ７に入射して光軸上に集光さ
れつつ画素の開口部３を通過する。このとき、すでに公
知であるマイクロレンズアレイ単枚構成の場合（光源側
マイクロレンズアレイ５だけの構成の場合）には、符号
１８の光線は、図６の符号１９に示すように、画素の非
開口部２０に遮られ液晶表示素子を通過できない。これ
に対して、反光源側マイクロレンズ８を追加すると、符
号１８の光線は、反光源側マイクロレンズ８により、符
号２１に示すように屈折されて、画素の開口部３に集光
できるため、液晶表示素子の透過率が向上する。

【００１７】ここで、反光源側マイクロレンズ８の形状
は、図６に示すように、レンズ中心部２２がほぼ平坦
で、レンズ周辺部２３が曲率をもつ形状とすることが、
より望ましい。これは、光源側マイクロレンズ７により
画素の開口部３に集光される光の進行方向を、変化させ
ないようにするためである。すなわち、中心部も曲率を
持っていると、符号２４のような光源側マイクロレンズ
７により画素の開口部に集光される光が、反光源側マイ
クロレンズ８により屈折して画素の非開口部２０に当た
る可能性があるためである。なお、反光源側マイクロレ
ンズ８は、レンズ中心部を上記したように実質的に平坦
にして、それ以外のレンズ周辺部の曲率半径を、光源側
マイクロレンズ７の曲率半径の５０〜２００％とするこ
とが、より望ましい。

【００１８】なおまた、光源側マイクロレンズ７の焦点
距離は、液晶表示素子の画素ピッチの２〜１０倍とする
ことが望ましい。

【００１９】図７の（Ａ）は、本発明の液晶表示素子の
集光特性の計算結果の１例を示し、図７の（Ｂ）は、光
源側マイクロレンズアレイ５のみをもつ液晶表示素子
（従来のマイクロレンズアレイ単枚構成の液晶表示素
子）の集光特性の計算結果の１例である。このように、
本発明の方が、ブラックマトリックス等により遮光され
る光が少なく、透過率が向上する。

【００２０】複合マイクロレンズアレイ基板１６におけ
るマイクロレンズ間の媒質１５は、光源側マイクロレン
ズ７および反光源側マイクロレンズ８とは異なる屈折率
を持つ媒質を用いる。上記マイクロレンズ間の媒質１５
の最大距離（厚み）Ｌ１（すなわち、光源側マイクロレ
ンズ基板９（光源側マイクロレンズアレイ５）のマイク
ロレンズ形成面２５から反光源マイクロレンズ基板１０
（反光源側マイクロレンズアレイ６）のマイクロレンズ
形成面２６までの距離Ｌ１）は、光源側マイクロレンズ
アレイ５のマイクロレンズ形成面２５から液晶層の光源
側の面２７までの距離Ｌ２の５〜５０％にする。これ
は、５０％以上とすると、反光源側マイクロレンズ８に
より開口部３に屈折する光と反光源側マイクロレンズ８
の光軸とのなす角が大きくなりすぎ、液晶表示素子から
出射する光の出射角が大きくなりすぎるためである。ま
た、５％以下とすると、光源側マイクロレンズ７と反光
源側マイクロレンズ８との間隔が小さくなりすぎ、製造
が著しく困難となるためである。

【００２１】光源側マイクロレンズアレイ５のマイクロ
レンズ形成面２５から液晶層の光源側の面２７までの距
離Ｌ２は、光源側マイクロレンズ７の焦点距離の３０〜
１２０％にする。これは、光源側マイクロレンズアレイ
５に入射する光の入射角のばらつきが±８°程度あるた
め、マイクロレンズによる集光スポットが光源側マイク
ロレンズ７の焦点距離の５０〜８０％程度（入射角のば
らつきにより異なる）にできるためである。すなわち、
３０％以下とすると、集光する前にブラックマトリック
ス１４に当たり効率が低下し、１２０％以上とすると、
集光スポットから遠くなり効率が低下してしまうためで
ある。なお、最適値は光学設計で理論的に決まる。

【００２２】反光源側マイクロレンズ８のレンズ中心部
２２とレンズ周辺部２３との境界は、図８に示すよう
に、画素の開口部３の縁と光源側マイクロレンズの縁２
８との概略中心２９に持ってくるのが望ましい。

【００２３】光源側マイクロレンズ７、反光源側マイク
ロレンズ８の材質には、各種ガラス、紫外線硬化樹脂、
熱硬化樹脂等が使用できるが、特に制限はない。同様
に、マイクロレンズ間の媒質１５の材質には、各種ガラ
ス、紫外線硬化樹脂、空気、真空等が使用できるが、特
に制限はない。ただし、光源側マイクロレンズ７とマイ
クロレンズ間の媒質１５、反光源側マイクロレンズ８と
マイクロレンズ間の媒質１５には、所定の焦点距離を得
られるだけの屈折率の差が必要である。光源側マイクロ
レンズ７と反光源側マイクロレンズ８の径や形状、レン
ズ面形状、材質等は、光の利用効率が上昇するように決
定される。また、光源側マイクロレンズ７、反光源側マ
イクロレンズ８、液晶開口部３は、実質的に同一光軸上
に配置するのが望ましい。

【００２４】さらに必要に応じて、レンズ間隔を均一に
制御するため、光源側マイクロレンズ基板９と反光源側
マイクロレンズ基板１０の少なくとも一方における、他
方のマイクロレンズ基板に対向する側の面に、両基板
９、１０の間隔を適切な値に維持するためのスペーサ部
を、マイクロレンズアレイの有効範囲外に形成するのが
望ましい。

【００２５】さらにまた、マイクロレンズ基板におけ
る、液晶表示素子における個々の画素に対応するマイク
ロレンズの外側に、同一形状のダミーレンズを形成する
のが望ましい。これは、製造する時、ダミーレンズが存
在しないと、レンズアレイの縁に位置するレンズの形状
が露光条件等で異なってしまい、レンズアレイ中心付近
に位置するレンズとレンズ形状が異なってしまうためで
ある。

【００２６】次に、本発明の液晶表示素子のマイクロレ
ンズアレイ製造方法を説明する。本発明の液晶表示素子
におけるマイクロレンズアレイの製造方法には、各種方
法が適用できるが、ここでは、図９のプロセス図を用い
てその製造方法の代表的な１例を説明する。

【００２７】本製造方法においては、まず、図９の
（Ａ）に示すように、基板３０にホトレジスト３１を形
成した後、図９の（Ｂ）に示すように、マイクロレンズ
のパターンを有したホトマスク３２を上記基板３０上に
配置し、マスク上方から紫外線３３を照射することによ
ってホトレジスト３１を露光する。次に、図９の（Ｃ）
に示すように、ホトレジスト３１を現像して、基板３０
上にレンズのパターン３４を形成する。

【００２８】続いて、図の９（Ｄ）に示すように、上記
ホトレジスト３１を熱変形して、その表面を凸曲面化し
て所望レンズ形状のパターン３５を形成する。次に、図
９の（Ｅ）に示すように、上記パターン上（もしくは上
記パターンおよび基板上）に導電膜３６を形成した後、
図９の（Ｆ）に示すように、導電膜３６上に金属メッキ
を施して、メッキ層３７からなるスタンパを形成する。
然る後、図９の（Ｇ）に示すように、上記スタンパ３８
を剥離して、これによって、マイクロレンズアレイを作
製するためのスタンパ３８を得る。

【００２９】次に、図９の（Ｈ）に示すように、上記ス
タンパ３８上に紫外線硬化樹脂３９を塗布して、スタン
パ３８とマイクロレンズ基板４０とを平行に保ちつつ押
圧した状態で、マイクロレンズ基板側から紫外線３３を
照射して、紫外線硬化樹脂３９を硬化させる。最後に、
図９の（Ｉ）に示すように、スタンパ３８を剥離するこ
とによって、マイクロレンズ基板上に紫外線硬化樹脂か
らなるマイクロレンズが形成されたマイクロレンズアレ
イが得られることになる。

【００３０】かような製造方法をとることによって、本
発明の液晶表示素子に用いるマイクロレンズアレイを、
容易にかつ効率良く製造できる。

【００３１】なお、光源側マイクロレンズアレイ５を製
造するときは、前記図９の（Ａ）の工程において、レジ
スト厚さをレンズ高さの７５％程度として、露光現像条
件と熱処理の条件を適正化し、また、反光源側マイクロ
レンズアレイ６を製造するときは、レジスト厚さをレン
ズ高さとほぼ同じとし、露光現像条件、現像条件と熱処
理の条件を適正化することによって、それぞれ所望の形
状のレンズを製造できる。

【００３２】なお、図５に示した構成のマイクロレンズ
アレイを製造する場合には、図９の（Ｇ）の工程の後、
得られたスタンパ上に再度導電膜を形成した後、導電膜
上に金属メッキを施してメッキ層からなるスタンパを形
成する。このスタンパを用いることにより、図５に示し
たマイクロレンズアレイを、同様に製造することができ
る。

【００３３】前記スタンパを作製するための基板３０と
しては、鏡面研磨したガラス板等が用いられる。ホトレ
ジスト３１を形成する前に、シラン系の接着性向上剤を
あらかじめ塗布しておくことができる。ホトレジスト材
料としては、液状あるいはフィルム状のポジ型、ネガ型
材料が使用可能である。その形成方法としては、スピン
コーティング法、ロールコーティング法等がある。ホト
マスク３２は、クロムマスク、フィルムマスク、エマル
ジョンマスクなど各種マスクが使用可能であり、あらか
じめ設計したレンズの大きさ、数、配置等のデータを作
成しておき、電子ビーム、レーザビーム等により描画す
ることにより作成できる。導電層、メッキ層の材料とし
ては種々の金属が使用できるが、均一性、機械的性能の
点でＮｉが最適な材料である。得られたメッキ層は、基
板から物理的に容易に剥離することが可能であり、必要
に応じて、研磨仕上げしてスタンパとして使用する。

【００３４】なお、紫外線硬化樹脂とスタンパとマイク
ロレンズ基板とによりマクロレンズアレイを製造する方
法を示したが、これ以外の方法として、射出成形、押し
出し成形、圧縮成形、真空成形、ドライエッチング等
で、マイクロレンズとマイクロレンズ基板とを一体化し
たものを、製作することも可能である。また、レンズ基
板やレンズの材質等も、ガラスや紫外線硬化樹脂以外に
も、エポキシ樹脂等の各種材料が使用できる。

【００３５】次に、上述した製造方法などで製作したマ
イクロレンズアレイ（光源側マイクロレンズアレイ５お
よび反光源側マイクロレンズアレイ６）を用いて、本発
明の液晶表示素子を製作する製造方法の１例を、図１０
のプロセス図を用いて説明する。

【００３６】本製造方法においては、まず、図１０の
（Ａ）に示すように、反光源側マイクロレンズアレイ６
上に紫外線硬化樹脂３９を塗布し、然る後、反光源側マ
イクロレンズアレイ６と光源側マイクロレンズアレイ５
の対応する各マイクロレンズの光軸を正確に位置合わせ
した状態で、光源側マイクロレンズアレイ５を所定の押
圧力で反光源側マイクロレンズアレイ６側に押し付ける
（なお、光源側マイクロレンズアレイと反光源側マイク
ロレンズアレイの位置関係は逆であっても良い。ただ
し、各マイクロレンズアレイはこの工程における加圧に
耐えられる厚さとする）。次に、図１０の（Ｂ）に示す
ように、光源側マイクロレンズアレイ５側から紫外線３
３を照射し、紫外線硬化樹脂３９を硬化させる（紫外線
３３は反光源マイクロレンズアレイ６側から照射しても
良い）。

【００３７】次に、図１０の（Ｃ）に示すように、反光
源側マイクロレンズアレイ６を所定の厚さに研磨した
後、図１０の（Ｄ）に示すように、反光源側マイクロレ
ンズアレイ６の研磨面に、ブラックマトリックス１４や
透明電極１３等を形成する。

【００３８】次に、図１０の（Ｅ）に示すように、上記
した図１０の（Ｄ）までの工程によって得られた基板
と、ＴＦＴ基板１（ＴＦＴ等を形成済みのもの）とで、
液晶層１１を挾持して、液晶表示素子を作製する。

【００３９】かような製造方法をとることによって、本
発明の液晶表示素子を、容易にかつ効率良く製造でき
る。

【００４０】ここで、２枚のマイクロレンズアレイの接
着に用いる上記した紫外線硬化樹脂３９（前記媒質１５
を構成するもの）は、マイクロレンズの材質の屈折率と
は異なるものとし、図１の構成の場合には、レンズアレ
イの屈折率より小さくし、図５の構成の場合には、レン
ズアレイの屈折率より大とする。

【００４１】なお、紫外線硬化樹脂により２枚のマクロ
レンズアレイを接着する方法を示したが、これ以外の方
法として、マイクロレンズアレイの有効範囲外で２枚の
マイクロレンズアレイを固定し、マイクロレンズアレイ
間の前記媒質１５を空気、真空等とすることも可能であ
る。

【００４２】次に、本発明の液晶表示素子に用いる複合
マイクロレンズアレイ基板の具体例について説明する。
ここでの複合マイクロレンズアレイ基板１６（光源側マ
イクロレンズアレイ５および反光源側マイクロレンズア
レイ６を一体化した構成体）は、前記した図９の製造方
法で作製されたものである。

【００４３】本例では、光源側マイクロレンズ基板９
を、板厚１．１ｍｍのガラス基板（屈折率：１．５４）
とし、その片面に集光用の光源側マイクロレンズ７を紫
外線硬化樹脂（屈折率：１．５８）によって形成して、
光源側マイクロレンズアレイ５とした。また、反光源側
マイクロレンズ基板１０は、板厚５０μｍのガラス基板
（屈折率：１．５４）とし、その片面に集光用の反光源
側マイクロレンズ８を紫外線硬化樹脂（屈折率：１．５
８）によって形成して、反光源側マイクロレンズアレイ
６とし、この反光源側マイクロレンズアレイ６における
レンズ形成面と反対側の面には、ブラックマトリックス
１４および透明電極１３を形成した。２枚のマイクロレ
ンズアレイ５、６におけるレンズ形成面２５、２６間の
間隔（すなわち、前記した距離Ｌ１）は、１０μｍであ
り、２枚のマイクロレンズアレイ５、６は、前記媒質１
５となる低屈折率紫外線硬化樹脂層（屈折率：１．３
８）によって接着した。

【００４４】マイクロレンズアレイは、横方向（長手方
向）が２５ｍｍ、縦方向が２１ｍｍの長方形形状であ
り、「横方向：２３．６６６４ｍｍ、縦方向：１３．４
００２ｍｍ」の範囲内には、横８６０個×縦６６０個の
マイクロレンズを形成して、有効画素（８００×６０
０）の各外側（四側辺の外側）には、それぞれ３０個列
のダミーレンズを形成した。

【００４５】マイクロレンズの大きさは、２３μｍ角の
正方形レンズであり、光源側マイクロレンズ７のレンズ
高さは５μｍ、反光源側マイクロレンズ８のレンズ高さ
は２．５μｍであり、反光源側マイクロレンズ８の中心
部には、平坦部を形成した。

【００４６】図１１は、本例で製作した光源側マイクロ
レンズアレイの平面形状および立体形状を説明するため
の図である。

【００４７】光源側マイクロレンズ７の焦点距離は、マ
イクロレンズ材料とマイクロレンズ間の低屈折率紫外線
硬化樹脂層の材質とレンズ形状とから、１００μｍとな
る。なお、反光源側マイクロレンズ８は、レンズ中心部
が平坦になっているため、焦点距離には大きな影響を与
えない。光源側マイクロレンズ基板９からブラックマト
リックス１４までの距離は、６０μｍであり、レンズ形
状から最適化されている。

【００４８】勿論、上記の形状や寸法は、液晶表示素子
における画素の寸法、ピッチ、入射角の広がり、レンズ
材質等が変化すれば、それに応じて異なった寸法とな
る。

【００４９】この本例による上記した複合マイクロレン
ズアレイ基板を用いた液晶表示素子に、入射角：０±８
゜の範囲で光束を照射したところ、７５．８％の光利用
効率を実現できた。比較対象として、上記本例の液晶表
示素子の構成からマイクロレンズアレイを外した場合の
光利用効率と、上記本例の液晶表示素子の構成から反光
源側マイクロレンズアレイを外し光源側マイクロレンズ
アレイのみとした場合の光利用効率とを測定したとこ
ろ、マイクロレンズアレイを用いない場合の光利用効率
は４５．２％、光源側マイクロレンズアレイのみとした
場合の光利用効率は５７．８％であった。このように、
本例においては、マイクロレンズアレイを用いない場合
の光利用効率対し、約１．６８倍に光利用効率が向上
し、また、マイクロレンズアレイ１枚の構成と比較して
も、１．３１倍に光利用効率が向上した。

【００５０】次に、上述してきた本発明の液晶表示素子
を用いた、本発明による液晶表示装置の構成の１例を、
図１２によって説明する。

【００５１】図１２に示した本例の液晶表示装置は、メ
タルハライドランプ等の白色光源４１、フィルター４
２、光源４１からの光を三原色それぞれに分解するため
のダイクロイックミラー４３、反射鏡４４、本発明によ
る液晶表示素子４５、液晶表示素子からの出射光を投影
レンズへ集光するためのフィールドレンズ４６、各液晶
表示素子を透過した原色光を合成するためのダイクロイ
ックミラー４７、および投影レンズ４８を具備した、い
わゆる三板式の投影型（投写型）液晶表示装置となって
おり、図示されていないスクリーン上にカラー映像を拡
大投影する。

【００５２】なお、図１２の構成は液晶表示装置の１例
を示したものであり、表示装置の用途によっては、種々
の構成が考えられる。また、本発明による液晶表示装置
においては、本発明の液晶表示素子に用いる前記した複
合マイクロレンズアレイ基板以外の部分については、特
に限定はなく、公知の光学素子、液晶等が適宜に使用で
きる。

【００５３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、液
晶素子の各画素開口部に入射する光束を効率よく集光で
き、液晶表示素子の光利用効率を大幅に向上できる。そ
して、これにより、明るく、明るさムラのない液晶表示
装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る液晶表示素子の概略
構成を示す説明図である。

【図２】従来のマイクロレンズアレイ付きの液晶表示素
子の概略構成を示す説明図である。

【図３】従来のマイクロレンズアレイ付きの液晶表示素
子における、レンズによる集光の様子を示した説明図で
ある。

【図４】本発明の一実施形態に係る液晶表示素子におい
て用いる、光源側マイクロレンズと光源側マイクロレン
ズ基板を示した説明図である。

【図５】本発明の他の実施形態に係る液晶表示素子の概
略構成を示す説明図である。

【図６】本発明の一実施形態に係る液晶表示素子におけ
る、光学系の作用を示す説明図である。

【図７】本発明の液晶表示素子の光学系による集光特性
と、従来方式の液晶表示素子の光学系による集光特性と
を対比して示す説明図である。

【図８】本発明の一実施形態に係る液晶表示素子におけ
る、光源側マイクロレンズのレンズ中心部とレンズ周辺
部の境界を示す説明図である。

【図９】本発明の一実施形態に係る液晶表示素子におい
て用いる、マイクロレンズアレイの製造プロセスの１例
を示す説明図である。

【図１０】本発明の一実施形態に係る液晶表示素子の製
造プロセスの１例を示す説明図である。

【図１１】本発明の液晶表示素子に用いる複合マイクロ
レンズアレイ基板の具体例における、光源側マイクロレ
ンズアレイの平面形状並びに立体形状を示す説明図であ
る。

【図１２】本発明による液晶表示装置の構成の１例を示
す説明図である。

【符号の説明】

１ＴＦＴ基板２マイクロレンズ３画素の開口部４マイクロレンズによる集光スポット５光源側マイクロレンズアレイ６反光源側マイクロレンズアレイ７光源側マイクロレンズ８反光源側マイクロレンズ９光源側マイクロレンズ基板１０反光源側マイクロレンズ基板１１液晶層１２ＴＦＴ１３透明電極１４ブラックマトリックス１５マイクロレンズ間の媒質１６複合マイクロレンズアレイ基板１７照射光１８光線１９光線２０画素の非開口部２１光線２２レンズ中心部２３レンズ周辺部２４光線２５光源側マイクロレンズアレイのマイクロレンズ形
成面２６反光源側マイクロレンズアレイのマイクロレンズ
形成面２７液晶層の光源側の面２８光源側マイクロレンズの縁２９画素の開口部の縁と光源側マイクロレンズの縁の
概略中心３０基板３１ホトレジスト３２マイクロレンズのパターンを有したホトマスク３３紫外線３４レンズのパターン３５所望レンズ形状のパターン３６導電膜３７メッキ層３８スタンパ３９紫外線硬化樹脂４０マイクロレンズ基板４１白色光源４２フィルター４３ダイクロイックミラー４４反射鏡４５液晶表示素子４６フィールドレンズ４７ダイクロイックミラー４８投射レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者江渡正容千葉県茂原市早野3300番地株式会社日立製作所ディスプレイグループ内Ｆターム(参考） 2H091 FA29Z FB04 FD04 FD05 GA01 LA17 5C094 AA10 BA03 BA43 CA19 DA12 EA04 ED20 HA08 HA10 JA01 5G435 AA03 BB12 CC09 DD13 GG02 LL08 LL15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともＴＦＴ基板とともに液晶層を
挾持し、光源側に配置される基板を具備し、該基板が、
液晶表示素子における個々の画素に対応するマイクロレ
ンズのアレイを片面にそれぞれ形成してなるマイクロレ
ンズ基板２枚を、マイクロレンズの形成された面を内側
にして重ね合せて一体化して構成されていることを特徴
とする液晶表示素子。
【請求項２】請求項１記載において、光源側マイクロレンズ基板のマイクロレンズ形成面から
液晶層の光源側の面までの距離を、光源側マイクロレン
ズ基板のマイクロレンズの焦点距離の３０〜１２０％と
し、反光源マイクロレンズ基板のマイクロレンズ形成面
から光源側マイクロレンズ基板のマイクロレンズ形成面
までの距離を、光源側マイクロレンズ基板のマイクロレ
ンズ形成面から液晶層の光源側の面までの距離の５〜５
０％としたことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項３】請求項１または２記載において、反光源側マイクロレンズ基板のマイクロレンズ形状を、
レンズ中心部の曲率半径を小さくし、レンズ周辺部の曲
率半径を大きくしたことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項４】請求項１または２記載において、反光源側マイクロレンズ基板のマイクロレンズ形状を、
レンズ中心部を実質的に平坦にし、それ以外のレンズ周
辺部の曲率半径を光源側マイクロレンズ基板のマイクロ
レンズの曲率半径の５０〜２００％としたことを特徴と
する液晶表示素子。
【請求項５】請求項１乃至４の何れか１つに記載にお
いて、光源側マイクロレンズ基板のマイクロレンズの焦点距離
を、液晶表示素子の画素ピッチの２〜１０倍としたこと
を特徴とする液晶表示素子。
【請求項６】請求項１乃至５の何れか１つに記載にお
いて、マイクロレンズ基板における個々の画素に対応するマイ
クロレンズの外側に、個々の画素に対応するマイクロレ
ンズと実質的に同一形状のダミーレンズが形成されてい
ることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項７】請求項１乃至６の何れか１つに記載にお
いて、マイクロレンズ基板の少なくとも一方における、他方の
マイクロレンズ基板に対向する側の面に、両基板の間隔
を一定に保つためのスペーサ部が、マイクロレンズアレ
イの有効範囲外に形成されていることを特徴とする液晶
表示素子。
【請求項８】請求項１乃至７の何れか１つに記載にお
いて、光源側マイクロレンズ基板と反光源側マイクロレンズ基
板とは、マイクロレンズの屈折率と異なる屈折率の紫外
線硬化樹脂によって、接合されて一体化されていること
を特徴とする液晶表示素子。
【請求項９】請求項８記載において、マイクロレンズ基板のマイクロレンズは紫外線硬化樹脂
によって形成され、２枚のマイクロレンズ基板を接合・
一体化する紫外線硬化樹脂の屈折率は、マイクロレンズ
を構成する紫外線硬化樹脂の屈折率と異なるものとされ
ていることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項１０】請求項１乃至９の何れか１つに記載の
前記液晶表示素子を用いたことを特徴とする液晶表示装
置。