JP2006337543A

JP2006337543A - 半透過型液晶表示装置

Info

Publication number: JP2006337543A
Application number: JP2005159779A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Umebayashi; 信弘梅林
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】
マイクロレンズアレイによる光学的効果を発揮させ、光の利用効率の向上を図った半透過型液晶表示装置及びその設計方法を提供すること
【解決手段】
本発明にかかる液晶表示装置は、一方の面に画素電極１０９１が形成された透明基板１０２と、透明基板１０２の他方の面に画素電極１０９１とアライメントされて形成されたマイクロレンズ２０２と、マイクロレンズ２０２と対向するように設けられたバックライトユニット３００とを有し、バックライト光の放射成分の光強度が垂直成分の光強度の一定の割合となる角度をバックライトユニットの放射角θと定義し、バックライトユニット側の透明基板の厚さをｔ（μｍ）とし、開口部の中心から当該開口部の外周までの平均の長さをφ／２とし、透明基板及び／又はマイクロレンズの屈折率をｎとしたとき、０．８５＜（φ・ｎ）／（θ・ｔ）となるものである。
【選択図】図７

Description

本発明は半透過型液晶表示装置及びその設計方法に関し、特にマイクロレンズアレイによる光学的効果を高めるための半透過型液晶表示装置の設計に関する。

液晶表示装置の課題として高輝度化及び高視野角化がある。この課題を解決するものとしてマイクロレンズアレイを用いた半透過型液晶表示装置の発明が提案されている。

図１５は、マイクロレンズアレイを用いた液晶表示装置の構成例を示す模式図である。液晶表示装置では２枚の透明基板２、１２の間に液晶層７が挟持されている。そして、透明基板２の前面側には偏光フィルム１が設けられている。透明基板２の背面側にはブラックマトリクス３、カラーフィルタ層４、透明電極５、配向膜６が形成されている。透明基板２と透明基板１２の間にはスペーサ８が設けられている。透明基板１２の前面側には、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）素子１１、透明電極１０、配向膜９が形成されている。また、透明電極１０上には偏光フィルム１側から入射する光を反射する反射膜が設けられる場合がある。

マイクロレンズアレイ１２０は透明基板１２の背面側に形成されている。マイクロレンズアレイ１２０は、リム１２１及びマイクロレンズ１２２を有する。偏光フィルム１３を通って入射してくる光源からの光を、マイクロレンズ１２２が集光しＴＦＴ素子１１やブラックマトリクス３及び透明電極１０上に形成された反射膜を避けて透明基板２へ照射することによって光の利用効率を高め高輝度化を図っている。

ここで紹介した例の他にもマイクロレンズアレイを透明基板２側（観察者側）に配置することによって高視野角化を図る技術もある。このような技術は例えば特許文献１に記載されている。
特開平８−１６６５０２号公報

図１５に例示した従来の液晶表示装置において、上記の効果を得るためにマイクロレンズ１２２の焦点、即ちクロスポイントは液晶表示装置の画素開口部、即ち図１５に示すところのＴＦＴ素子１１やブラックマトリクス３及び透明電極１０上に形成された反射膜を避けた部分に位置する。従って、図１６（ａ）に示されるように、透明基板１２に対して垂直に入射する光は略損失無く液晶表示装置のバックライト光として用いられる。

しかしながら、図１６（ｂ）に示されるように、偏光フィルム１３側から入射する光の透明基板１２に対する入射角が垂直ではない場合、マイクロレンズアレイ１２２によって集光される点が液晶表示装置の画素開口部から外れ、光の利用効率の低下につながる。

また、図１６（ｃ）に示されるように、光は通常、垂直成分だけでなく放射成分も有している。ある一定の放射角までは開口部から外れずに開口部を通過するが、放射角が大きすぎると開口部から外れてしまい、上記と同様に光の利用効率の低下につながる。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、マイクロレンズアレイによる光学的効果を発揮させ、光の利用効率の向上を図った半透過型液晶表示装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる半透過型液晶表示装置は、液晶層を狭持し、一方の面に反射部と開口部を有する画素電極が形成された透明基板と、前記透明基板の他方の面に前記開口部と１：１にアライメントされて形成されたマイクロレンズと、前記マイクロレンズが形成された面と発光面が対向するように設けられたバックライトユニットとを有する半透過型液晶表示装置であって、前記バックライト光の放射成分において垂直成分の光強度の２０％となる角度を前記バックライトユニットの放射角θと定義し、前記バックライトユニット側の透明基板の厚さをｔとし、前記開口部の中心から当該開口部の外周までの平均の長さをφ／２とし、前記透明基板及び／又は前記マイクロレンズの屈折率をｎとしたとき、０．８５≦（φ・ｎ）／（θ・ｔ）としたものである。これにより、マイクロレンズアレイによる光学的効果を発揮させ、光の利用効率の向上を図った半透過型液晶表示装置を提供することができる。

ここで、前記マイクロレンズの底面形状は、六角形又は四角形であることが望ましい。また、好適な実施の形態におけるマイクロレンズは前記透明基板上に直接形成されている。さらに、（φ・ｎ）／（θ・ｔ）≦１．７５であることが望ましい。これにより、マイクロレンズアレイによる光学的効果を発揮させながらも、不要な設計条件の限定を避けることができる。

本発明により、マイクロレンズアレイによる光学的効果を発揮させ、光の利用効率の向上を図った半透過型液晶表示装置及びその製造方法を提供することができる。

以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。本発明において発明者は、半透過型液晶表示装置に含まれる液晶パネルのバックライト側の透明基板の厚さと、バックライトから液晶パネルへ入射するバックライト光の放射成分が当該液晶表示装置の表示輝度に大きく影響することを見出した。更に、外光下での反射輝度を十分に得るための開口径との関係を明らかにした。本発明はそれらを規定することにより半透過型液晶表示装置の表示輝度の向上を図るものである。

実施の形態１．
図１は本実施形態にかかる液晶表示装置の断面図を示す図である。本実施形態に係る液晶表示装置は複数の画素により画面表示を実現する液晶パネル１００を有する。この液晶パネル１００は、２枚の透明基板１０１、１０２で液晶層１０３を挟持して構成される。画素とは、液晶表示パネル画面全体を格子状に細分化して、色／明るさの情報を蓄える微小単位をいい、画素ごとに蓄えられる情報量（Ｂｉｔ：ビット）で明暗を含む色彩の表現能力が決められる。

透明基板１０１、１０２は例えばガラス、ポリカーボネイト、アクリル樹脂等により形成される。透明基板１０２は透明基板１０１と共に液晶層１０３を挟持する以外に、後述するマイクロレンズ２０２の焦点距離を規定する役割も果たす。透明基板１０１の厚さは１００μｍ以上１ｍｍ以下の範囲で適宜選択され、本実施形態においては３００μｍである。透明基板１０２の厚さもまた、１００μｍ以上１ｍｍ以下の範囲で適宜選択されるが、後述するマイクロレンズ２０２の焦点距離を規定する目的において、更に好適には１００μｍ以上６００μｍ以下であることが好ましく、本実施形態においては透明基板１０１と同様に３００μｍである。生産性向上のため、透明基板１０１と透明基板１０２とは同種の部材であることが好ましい。

液晶表示装置の表示面側に配置されている透明基板１０１の液晶層１０３と接する面には、カラーフィルタ層１０４が形成される。カラーフィルタ層１０４は、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色表示を行なう３領域により構成される。ブラックマトリクス１０５はカラーフィルタ層１０４の各画素間に配置される遮光膜であり、画素間の光漏れを防止する。

カラーフィルタ層１０４の裏側には、電極１０６、配向膜１０７が順次積層形成されている。電極１０６は、例えばフォトリソグラフィ法によりＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）の透明導電性薄膜から形成される。配向膜１０７は例えば高分子材料であるポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）薄膜等の有機薄膜で形成され、液晶層１０３の液晶分子を所定の方向に揃える役割を果たす。液晶表示装置の背面側に配置されている透明基板１０２上にはＴＦＴ素子１０８が形成され、更に画素電極１０９１、配線１０９２、配向膜１０７が積層形成される。ＴＦＴ素子１０８は液晶駆動用のスイッチング素子である。

図２に１画素に対応する画素電極１０９１、配線１０９２及びＴＦＴ素子１０８の構成を示す。図２に示されるように、画素電極１０９１は開口部１０９１ａ及び反射部１０９１ｂを有している。又、本実施形態における画素単位は図２に示されるストライプ形状である。配線１０９２は走査配線と信号配線が直交する構成を有している。配線１０９２のピッチは画素のピッチに合わせられているので、配線１０９２が配置されるのは画素と画素の間である。本実施形態における配線１０９２の縦のピッチは１５０μｍ、横のピッチは５０μｍであり、配線１０９２の幅は２６μｍである。１つの画素に１つのＴＦＴ素子１０８が配置され、走査配線、信号配線及びＴＦＴ素子１０８の働きで開口部１０９１ａ及び反射部１０９１ｂへの電力供給を変化させる。

開口部１０９１ａは液晶パネル１００に対して透明基板１０２側から入射する光の通り道となる。即ち、開口部１０９１ａを設けることによりバックライト光を液晶層に入射させることができるようになる。反射部１０９１ｂは透明基板１０１側から入射する光を反射する反射板の役割を果たす。即ち、透明電極の一部に反射部１０９１ｂを形成することにより、残りの部分が開口部１０９１ａとなる。

従って、開口部１０９１ａの部分については観察者側から入射する光、即ち外光を反射させることができないため、開口部１０９１ａが大きくなればなるほど、バックライト光の利用効率が向上する半面、反射光の利用効率が低減する。即ち、バックライト光の利用効率と反射光の利用効率とは同時に高効率化することが難しい。反射光の利用効率を確保するためには、液晶パネル１００の表示部全体の面積に対する開口部１０９１ａの面積の割合（以下、開口率とする）は５０％以下であることが好ましく、より好適には３０％以下である。また、バックライト光の利用のためには開口率が０％となってはならない。本実施形態においては開口部１０９１ａは縦が６２μｍ、横が３０μｍであり、開口率は約２５％である。

透明基板１０２の裏面側にはマイクロレンズアレイ２００が形成されている。マイクロレンズアレイ２００はリム２０１及びマイクロレンズ２０２を直接透明基板１０２上に形成することにより設けられている。このように透明基板１０２上に直接マイクロレンズ２０２及びリム２０１を形成することにより、マイクロレンズアレイ２００による液晶表示装置全体の厚さの増大を最小限に抑えることができる。ここで、マイクロレンズアレイ２００は透明基板１０２とは別の基板上に形成し、マイクロレンズ２０２と液晶パネル１００の画素とをアライメントして接着しても良い。図３はマイクロレンズアレイ２００に含まれるリム２０１及びマイクロレンズ２０２の配置関係を示す平面図であり、マイクロレンズアレイ２００の一角部付近を示す。後述するように、本実施形態においてマイクロレンズ２０２は長方形であるため、平面図である図３においてはマイクロレンズ２０２は長方形で表されるが、背面側に突出した凸レンズ形状を有する。

図１及び図３において、マイクロレンズアレイ２００にはマイクロレンズ２０２が外周縁に設けられたリム２０１に周囲を囲まれるように設けられている。透明基板１０２上に、画素と同様のピッチでマイクロレンズ２０２が多数配置されている。即ち本実施形態に係るマイクロレンズ２０２は縦１５０μｍ、横５０μｍの長方形である。マイクロレンズ２０２の形状は本実施形態においては長方形であるが、円形、楕円形や三角形及び六角形等の他の多角形でも良い。ここでいう多角形とは、各頂点が完全な角であるもの以外に各頂点がアールを有するものを含む。動画対応セルの場合は、ＲＧＢ各色に対応するために縦横比３：１の長方形の画素が配列されることとなるため、本実施形態のようなレンズが望ましい。

マイクロレンズを透明基板１０２上に隙間なく配置し、バックライト光の利用効率を更に高める目的では、マイクロレンズの形状は多角形、即ち中心から外周への距離が一定ではない形状であることが好ましい。マイクロレンズ２０２の当該液晶表示装置の表示面積に対する充填率は８０％以上が好ましく、本実施形態においては９５％の充填率を有する。マイクロレンズ２０２及びリム２０１は光学レンズとして用いられるため光分解性を示す材料は適さず、また、熱可塑性を示す材料も適さない。更には、製造時に周辺の部材へ影響する可能性を考えると熱硬化性の材料も好ましくない。従って、マイクロレンズ２０２及びリム２０１は光硬化性を示す材料で製造されることが好ましい。本実施形態においては、マイクロレンズ２０２及びリム２０１はネガ型レジストで形成される。ここでいうネガ型レジストとは例えば紫外線硬化型フォトレジストであり、感光性ゾルゲル樹脂等の少なくとも透明であって紫外線硬化性を有するものであればよい。また、感光性ゾルゲル樹脂には、さらにフッ素、金属微粒子、錯体などが含有されていてもよい。

また、マイクロレンズ２０２の平面形状は図３に示すように長方形であるため、マイクロレンズ２０２の形成においてはリフローを用いることは好ましくない。リフローを用いる場合、長方形の最外周から中心に向かってレンズの曲面が形成されるため、マイクロレンズ２０２の横方向の曲面の曲率と縦方向の曲面の曲率とが異なってしまう。マイクロレンズ２０２の縦方向と横方向で曲率が異なる場合、夫々の方向での集光点が異なり、レンズとしての集光効果が低減してしまう。

従って本実施形態に係るマイクロレンズ２０２は２Ｐ（Ｐｈｏｔｏ−Ｐｏｌｙｍｅｒ）法や、グレイスケールマスクを用いた露光による形成方法で形成することが好ましい。２Ｐ法の場合は、所望の曲面形状を転写可能な型が形成されたスタンパに光硬化性樹脂を充填し、透明基板１０２に対して当該スタンパを押圧し、スタンパに形成された型内の光硬化性樹脂を露光し硬化させることによってマイクロレンズ２０２の形状を形成する。グレイスケールマスクを用いた露光方法では、透明基板１０２上に形成されたネガ型レジストを、所望のマスクパターンが形成されたグレイスケールマスクを通して露光することによりネガ型レジストを所望形状に硬化させる。

このようにして形成されたマイクロレンズ２０２の最大の曲率半径と最小の曲率半径との比は、０．８２以上であることが好ましい。

リム２０１はマイクロレンズ２０２の頂点と同一またはそれよりも高い高さで透明基板１０２の外周縁に沿って途切れることなく形成されている。リム２０１は後述の偏光板１１０を平坦性を維持して保持する目的で設けられる。リム２０１は好ましくはマイクロレンズ２０２と同一材料で構成されるが、必須の構成ではない。

図１に示される偏光板１１０は、入射光に対して特定の偏光成分のみを透過させる、又は入射光を特定の偏光成分に偏光する機能を有する光学部材であって、２枚の透明基板１０１、１０２の両側表面に貼り付けられる。スペーサ１１１は、透明基板１０１、１０２間の液晶層１０３の高さ（セルギャップ）を制御する樹脂粒子で、透明基板１０１、１０２間の全範囲に亘り、複数個散在される。

透明基板１０１、１０２は大型のマザー基板により多数個取りされる。図４は液晶パネル１００のマザー基板の平面図である。マザー基板１０００には液晶パネル１００が一定の間隔をもって配列されている。液晶パネル１００は上記のように各部材が透明基板１０１及び透明基板１０２によって挟持される形で形成されており、複数の透明基板１０１のそれぞれの領域内には、裏面側にカラーフィルタ層１０４、電極１０６および配向膜１０７が積層形成される。複数の透明基板１０２のそれぞれの領域内には、表面側にＴＦＴ素子１０８、電極１０６、および配向膜１０７が積層形成される。そして各透明基板１０１または１０２はマザー基板１０００から分離切断可能に形成される。

すなわち本実施形態における液晶表示装置は液晶層１０３、カラーフィルタ層１０４、ブラックマトリクス１０５、電極１０６、配向膜１０７、ＴＦＴ素子１０８及びスペーサ１１１を透明基板１０１と透明基板１０２とで挟持する形で形成される液晶パネル１００と、マイクロレンズアレイ２００と、両面に設けられる偏光板１１０とを有する。

更に、液晶表示装置としての使用時には、図１に示した透明基板１０２側に、バックライトユニットが装着される。図５は図１で示した液晶表示装置にバックライトユニット３００を組み合わせた状態を示す模式断面図である。図５に示されるように本実施形態に係るバックライトユニット３００はバックライト光源３０１、導光板３０２及びプリズムシート３０３を有する。従来のバックライトユニットにおいては、更に拡散シートを有することが多かったが、本実施形態においてはマイクロレンズアレイ２００によって開口部１０９１ａに集光された光が、１０９１ａ通過後は発散するため拡散シートと同様の効果を得ることができる。従って拡散シートが不要となる分、バックライトユニット３００の小型化及びコストの低減を図ることが可能となる。

バックライト光源３０１はバックライトユニット３００の発光部であり、その発光体には白色ＬＥＤが４灯若しくは２灯用いられることが多い。バックライトユニット３００はエッジライト型のバックライトユニットであり、バックライト光源３０１はバックライトユニット３００の側面に配置される。ここで、バックライト光源３０１に用いる発光体は白色ＬＥＤに限定されず、例えば赤、青、緑それぞれの光を発光するＬＥＤの光を混合して白色光を作り出しても良い。また、冷陰極管を用いても良い。バックライト光源３０１にＬＥＤを用いることにより、色再現性を向上することができる。

導光板３０２は側面に配置されたバックライト光源３０１の光をプリズムシート３０３側に導く。本実施形態に係る導光板３０２は三角溝の形成されたローレット導光板である。導光板３０２は主にアクリル系樹脂で形成される。

プリズムシート３０３は導光板３０２によって液晶パネル１００側に導かれた光を更に液晶パネル１００に対して略垂直な光に偏向する。図６はプリズムシート３０３による垂直偏向の態様を示す模式図である。本実施形態に係るプリズムシート３０３は図６（ａ）に示すように扇形、即ち凸曲面を有するプリズムが配列された集光型プリズムシートである。通常の三角形のプリズムとは異なり、弧面で偏光することによってより高精度に垂直偏向し、バックライト光の光強度分布をより垂直成分の強い分布とすることが可能である。プリズムシート３０３には、例えば三菱レイヨン株式会社製の輝度向上用プリズムシート、ダイヤアート（登録商標）が用いられる。当該プリズムシート３０３を用いて垂直偏向を行なった場合も光は多少の放射成分を有するが、導光板３０２の三角溝と当該プリズムシート３０３のプリズム頂角を調整することによって、光が有する放射成分の放射角を制御することが可能である。

図６（ａ）に示した方式以外にも図６（ｂ）に示されるように、三角形のプリズムをその頂点が導光板と対向するように配置し、以って垂直に偏向しても良い。この場合も、導光板の三角溝とプリズムシート３０３に含まれる当該プリズムの三角形の頂角を調整することによって、垂直偏向の放射角を制御することができる。更に、図６（ｃ）に示されるように２枚のプリズムが互いに９０°の角度で交差するように配置されていてもよい。

図１及び図５に示したような構成の液晶表示装置においては、透明基板１０２の厚さ及びバックライトユニット３００から液晶パネル１００へ入射する光の放射成分が、当該液晶表示装置の表示輝度に大きな影響を及ぼす。図７に透明基板１０２の厚さとマイクロレンズ２０２へ入射するバックライト光の入射角との関係を示す。ここで、放射角θはそのままマイクロレンズ２０２へのバックライト光の入射角θと定義できる。図７（ａ）は透明基板１０２の厚さがｔ_１の場合に、マイクロレンズ２０２に角度θだけ傾いて入射した光が反射部１０９１ｂに遮られる場合を示している。この場合の、マイクロレンズ２０２による集光点の光軸からのずれ量をｓ_１とすると、ｓ_１はｔ_１・θ／ｎとなる。従って、ｔ_１の値が小さいほど、ｓ_１も小さい値となる。

透明基板１０２の厚さを薄くした場合の態様を図７（ｂ）に示す。図７（ｂ）は透明基板１０２の厚さがｔ_２の場合に、マイクロレンズ２０２に角度θだけ傾いて入射した光が開口部１０９１ａを通過する場合を示している。但し、ｔ_２はｔ_１よりも小さい値とする。上記のようにマイクロレンズ２０２の集光点のずれ量ｓ_２はｔ_２・θ／ｎとなる。ｔ_２はｔ_１よりも小さい値であるため、図７（ｂ）に示すようにｓ_２はｓ_１よりも小さい値となる。このように、透明基板１０２を薄くすることによって入射光が開口部１０９１ａを通過する割合を向上させることができる。

また、マイクロレンズ２０２への入射前の角度θは、バックライトユニット３００から液晶パネル１００へ入射するバックライト光の放射成分の角度に相当する。従ってバックライト光の放射成分の角度はマイクロレンズ２０２への入射角度θとして光軸からのずれ量に影響を及ぼし、当該θが小さいほど光軸からのずれ量が小さくなる。

図８は、図５に示した本実施形態に係るバックライトユニットについて、プリズムシート３０３から照射される光の放射角θと輝度比の関係を示すグラフである。図８において、実線と破線は放射角θの方向が直交している。実線はバックライト光源３０１や導光板３０２の長手方向の放射角を示し、破線は短手方向の放射角を示す。図８に示すようにバックライト光源３０１の光強度はガウス分布を有する。この例において用いたプリズムシート３０３は、図６（ｂ）に示した構成を有する。

図８に示すように、本実施の形態において用いたバックライトユニットは、垂直成分を中心に左右に光強度が漸次減少していく光を出射する。このバックライト光の強度分布は大まかにはガウス分布とみなすことができる。この光強度分布において、最大強度すなわち垂直成分の強度に対して、２０％の強度を示す角度までを考慮すれば、バックライト光の全エネルギーの９０％以上を利用しているとみなすことができる。すなわち、レンズによる集光特性は該２０％の光強度を有する放射角の範囲を想定すれば、十分にその効果を規定することができる。なお、バックライトユニットの構成によっては、垂直成分に対して左右非対称になる場合もあるが、例えば＋５°、−３０°などのように極端に非対称である場合を除き、左右の２０％の光強度を有する放射角の平均値を、放射角として定義しても差し支えない。

図８に示すように、本実施形態で使用するプリズムシート３０３を用いた場合に、より光強度が中心に集まっている。従って、より放射成分が少なく光の利用効率の向上を図ることができる。更に、このような光の強度分布を考えれば、光の放射成分全てを集光する必要はなく、垂直成分から一定の角度範囲の放射成分を集光することが出来れば、十分な光の利用効率の向上を図ることができる。本実施形態においては中心輝度の２０％の輝度になる角度を光の放射角と定義づける。

ここで、図８に示すグラフはプリズムシート３０３及び導光板３０２の一態様による測定結果であり、上述したようにプリズムシート３０３のプリズムの頂角及び導光板３０２の三角溝を調整することによって、放射角を調整することが可能である。

バックライト光の放射角θと、透明基板１０２の厚さとが決まれば、図７で説明した計算方法を用いてマイクロレンズ２０２によって集光された光が画素電極１０９１に到達した際の光のスポット径が求まる。図９は透明基板１０２の厚さが３００μｍの場合における、放射角θごとのスポット径を円で示した図である。円Ｑは放射角θが８°の場合であり、円Ｒは放射角θが１５°の場合である。ここで、マイクロレンズ２０２と開口部１０９１ａとの中心は一致しているものとする。

図９においては、画素電極１０９１の寸法は横が５０μｍであり、縦が１５０μｍである。また、開口部１０９１ａは横が３０μｍであり、縦が６２μｍである。従って、画素開口率は２５％程度である。図に示すようにバックライト光の放射成分によって、開口部１０９１ａに対しスポット径がはみだしている。但し、この場合において光強度が円Ｑ又は円Ｒに一様に分布しているわけではなく、前述した通り中心部分に光強度のピークを持つ。その分布をガウス分布と仮定した。

光の放射成分の分布は図８に示したようにガウス分布となる。従って、図７に示した放射角θと透明基板１０２の厚さをパラメータとし、横軸をスポット径とし、中心部の光強度を１に規格化してｙ＝ｅｘｐ（Ａ×ｘ^２）の式でガウス近似を行なうと、図１０に示したようなグラフを描くことができる。ここで、Ａは中心輝度を１に規格化する規格化定数である。図１０に示したグラフは、一つのマイクロレンズ２０２によって集光される光が画素電極１０９１に到達した時の、レンズ光軸からの距離に対する光強度分布を表す。上述したように、光の放射成分のうち中心輝度の２０％に達する角度を放射角と定義した。即ち、マイクロレンズ２０２にて集光される前の光束の最外部の輝度が中心輝度の２０％である。マイクロレンズ２０２による集光後は図１０に示されるように、マイクロレンズ２０２の集光効果により、集光前の光束の最外部に該当する部位の光強度は限りなく０に近づき、又は０になる。

図１０のパラメータが示す通り、透明基板１０２の厚さが厚いほど、又、バックライト光の放射角θが小さいほど、より光強度が中心に集まり、光束の広がり（スポット径）の小さいシャープな分布となる。図１０に示した夫々のグラフを、スポット半径＝０μｍを軸として一周分積分すると、一つのマイクロレンズ２０２によって集光される光の強度（以後、Ｉ_１とする）が求まるが、図１０のグラフは中心光強度１として規格化されているため、一周積分によって求められた値Ｉ_１は夫々のパラメータ毎の光強度分布を示すのみであり、パラメータの異なるグラフを比べることはできない。

他方、１つのマイクロレンズ２０２に入射する光の強度は、単位面積当りのバックライト光強度をＩ_０とすると、１５０×５０×Ｉ_０と表すことが出来る。ここで、計算の簡易化の為にＩ_０＝１とする。Ｉ_１に対して、中心強度１としての規格化を解除し、上記のＩ_０に対応させるための係数をｋとすると、ｋ×Ｉ_１＝１５０×５０×Ｉ_０とすることができる。

このような計算で夫々のパラメータについて係数ｋを求め、図１０のグラフに示す夫々のパラメータに該当する係数ｋを乗算することにより、レンズ光軸からの距離に対する光強度分布を表す図１１のグラフを描くことができる。図１１は、１つのマイクロレンズ２０２によって集光される光が画素電極１０９１に到達した時の光強度分布を示しており、図７に示す放射角θ及び透明基板１０２の厚さｔがパラメータとなっている。また、係数ｋによって規格化は解除されているので、夫々のパラメータ毎の相対的な光強度を表してもいる。但し、光強度はバックライト光の単位面積当りの光強度Ｉ_０＝１が前提となっているため、無次元である。図に示される通り、放射角が小さいほど、又、透明基板１０２の厚さが薄いほど、レンズ光軸付近に光強度が集中していることがわかる。

即ち、図９に示されるような、マイクロレンズ２０２によって集光された光が画素電極１０９１に到達した際の光のスポット径全てが開口部１０９１ａに含まれる必要はなく、スポットとして示される円の半径の半分程度が開口部１０９１ａに含まれれば、光の利用効率の向上を見込むことができる。

この様に、バックライト光はマイクロレンズ２０２によって集光されても尚、光の放射成分によって図１１に示されるような強度分布を有する。図１１に示されるグラフを縦軸を軸として一周積分することにより、１つのマイクロレンズ２０２によって集光されるバックライト光の光強度を求めることができる。ここで、図９に示されるように、画素電極１０９１の開口部１０９１ａは横が３０μｍであり、縦が６２μｍである。従って、横方向には３０μｍまで、縦方向には６２μｍまでの、放射成分が開口部１０９１ａを通過し、最終的にバックライト光として利用されることとなる。

最終的に開口部１０９１ａを通過し、バックライト光として利用される光の強度（以後、Ｉ_２とする）を求めるためには、図１１の横軸を開口部１０９１ａの開口径（以下、φとする）の半分の値、即ち開口半径φ／２で区切り、当該区切られた範囲までを上記のように一周積分することによって求めることができる。

ここで、開口部１０９１ａは長方形であり、中心からの距離が一定ではないため、図１１の横軸の積分範囲が一定に定まらない。従って、開口部１０９１ａを通過し、バックライト光として利用される光強度を求めるためには、例えば開口部１０９１ａの辺の短辺方向の長さを用いることができる。また、開口部１０９１ａの短辺方向と長辺方向との中間の値を用いることもできる。更には、開口部１０９１ａの中心部から開口部１０９１ａの外周までの平均の長さを求め、それをφ／２とすることも出来る。具体的には、長方形であれば（長辺＋短辺）／２で求まり、正五角形以上の正多角形又は楕円であれば（短軸＋長軸）／２で求めることができる。本実施形態においては、開口部１０９１ａに入る最大円の半径をφ／２とする。

本実施形態においては、図１１の横軸を区切る範囲は開口部１０９１ａの横の長さ３０μｍと縦の長さ６２μｍの中間点とする。即ち、横の長さ３０μｍと縦の長さ６２μｍの平均は４６μｍなので、その半分の２３μｍまでの範囲についてスポット径＝０μｍを軸として一周積分する。

ここで、バックライト光はマイクロレンズ２０２及び透明基板１０２に入射した際に、入射前と入射後との屈折率の違いにより入射角θに影響を受ける。バックライト光がマイクロレンズ２０２及び／又は透明基板１０２に入射する前の領域の屈折率を１、入射後の屈折率をｎ、即ち入射前と入射後との屈折率の比をｎとする。本実施形態においてはマイクロレンズ２０２及び透明基板１０２への入射前は大気中であり、入射後の屈折率を１．５２とする。

上記のようにして求めたＩ_２をＩ_１で割ることによって光の利用効率Ｅを求めることができる。上記の各要素、入射角θ、透明基板１０２の厚さｔ、開口部１０９１ａの開口径φ、マイクロレンズ２０２及び透明基板１０２の屈折率ｎを用い、マイクロレンズ２０２によって集光された光のスポット半径と開口部１０９１ａの開口径φとの比を表すパラメータを定数Ｐとすると、Ｐ＝（φ・ｎ）／（θ・ｔ）で表すことができる。

図１２に、パラメータＰが依存する各数値によるパラメータＰ（下段）及びそれに対応する光の利用効率Ｅの値（上段）を示す。また、パラメータＰを横軸に、光の利用効率Ｅを縦軸にとったプロットを図１３に示す。ここで、光の利用効率Ｅは、バックライト光の光強度に対する開口部１０９１ａを通過したバックライト光の光強度の割合である。従って、最高値は１であり、これはバックライト光が遮光部１０９２ｂにまったく遮られず、マイクロレンズ２０２によって集光されて開口部１０９１ａを通過する場合を示す。また、マイクロレンズ２０２を用いない場合は、画素電極１０９１の開口率がそのまま光の利用効率Ｅとなる。

図１２から、放射角θ、透明基板１０２の厚さｔの値が夫々小さい程、また、開口径φの値が大きい程、即ちパラメータＰの値が大きいほど光の利用効率Ｅが高いことがわかる。マイクロレンズ２０２の効果を好適に発揮させるためには、光の利用効率Ｅを規定すれば良い。現状の半透過型液晶表示装置の開口率は２５％程度であるから、マイクロレンズ２０２を用いない場合は光の利用効率Ｅは０．２５程度である。従って、本実施形態においてはそれ以上の光の利用効率を規定すれば従来の半透過型液晶表示装置よりも高い輝度を得ることができる。Ｅが０．５以上あれば、現状の装置の略倍以上の明るさを有する非常に高性能の装置を得ることができる。ここで、図１２においては、光の利用効率Ｅが０．５以上のセルに網掛けを付している。

具体的に、光の利用効率Ｅを０．５程度に規定して説明する。図１２において、光の利用効率が０．５程度である値が太枠で囲われている。それらの値に対応するパラメータＰの中で最も低い値は透明基板の厚さｔが３００μｍ、入射角θが１５°、開口率が２０％における０．８５２であり、Ｅは０．５３である。従って、光の利用効率Ｅが０．５以上であることを規定するためには、パラメータＰの値は０．８以上であることが好ましく、より好適には０．８５以上に規定すればよい。

光の利用効率Ｅの最大値は１、即ちバックライト光を損失なく利用した状態である。図１３に示されるように、パラメータＰの値が１．７程度で光の利用効率Ｅは１に達する。即ち、パラメータＰの値がそれ以上高くなるように各部材を設計しても、光学的効果は向上しない。しかしながら、パラメータＰの値を向上するためには、透明基板１０２の厚さｔを薄くし、放射角θを狭くし、又は開口径φを広くする必要がある。

本実施形態においては、透明基板１０２の厚さｔを１００μｍから６００μｍの範囲で計算している。透明基板１０２の厚みが１００μｍ未満である場合は、液晶パネル１００の強度を確保することが難しく、歩留まりの劣化や、液晶表示装置の強度の低下を招く。また、透明基板１０２の厚みが６００μｍ以上の場合は液晶表示装置の小型化の要求に反する。より好適には、透明基板１０２の厚さｔは２００μｍ以上４００μｍ以下である。これにより、半透過型液晶表示装置の薄型化と透明基板強度確保の双方を実現することができる。

入射角θを小さくするためには、より高いコリメート性能が必要となり、技術面で難しい。放射角θは好ましくは５°以下であるが、５°以上１０°以下の範囲であれば容易に実現可能である。また、開口径φを広くすると反射光の利用効率が下がり、半透過型液晶表示装置としての性能が低下してしまう。これらのことより、パラメータＰの値の上限を規定することにより、マイクロレンズ２０２による光学的効果を発揮させると同時に、半透過型液晶表示装置を設計する上で、不要な設計条件の限定を避け、より好適な設計条件を導き出すことができる。

具体的に、光の利用効率Ｅを１以下に規定して説明する。図１２において、光の利用効率が１程度である中で比較的パラメータＰの値が低いものが二重枠で囲われている。それらの値に対応するパラメータＰの中で最も低い値は透明基板の厚さｔが３００μｍ、入射角θが８°、開口率が２４％における１．７４１８である。従って、光の利用効率Ｅが１以下であることを規定するためには、パラメータＰの値は２以下であることが好ましく、より好適には１．７５以下に規定すればよい。

図１３のグラフが示す通り、パラメータＰの値に対する光の利用効率Ｅの値はパラメータＰの値が１．２程度までは大きく変化し、それ以降、変化が緩やかになりながら１に達する。従って、パラメータＰの値が１．２程度になるまでは、透明基板１０２の厚さｔを薄くし、放射角θを狭くすることは、大きな光学的効果の向上を生むが、パラメータＰの値が１．２以上になると、ｔ及びθの値の変化に対する光学的効果の向上が小さくなることがわかる。上記の通り、透明基板１０２の厚さｔを薄くすることは、液晶表示装置の強度低下につながり、放射角θをより狭くすることは技術的に難しいため、図１２、及び図１３から大きな光学的効果を得られる範囲を導き出すことによって、より効率的な液晶表示装置の設計及び製造を行うことができる。

以上のことから、パラメータＰの値に対して最適な各数値の値を導き出すと、例えば、透明基板１０２の厚さｔが３００μｍであって入射角θが８°であれば、開口径φが３０μｍ、即ち開口率が９％であっても、０．８以上の光の利用効率Ｅを得ることができる。従来技術における半透過型液晶表示装置においては、開口率が９％であれば光の利用効率Ｅは０．０９となり、バックライト光の利用効率が大きく低下してしまうため、このような低い開口率は現実的ではなかった。しかしながら、本実施形態による半透過型液晶表示装置においては開口率が９％であっても、０．８の光の利用効率Ｅを実現することができる。

このように、透明基板１０２の厚さｔ、入射角θ、屈折率ｎ、開口径φを要素とするパラメータＰを定義することによって、最適な半透過型液晶表示装置の設計条件を容易に導き出すことができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態１に係る液晶表示装置では、マイクロレンズアレイによる光学的効果を発揮させ、光の利用効率の向上を図った液晶表示装置及びその製造方法を提供することができ、少なくとも５０％以上の光の利用効率を得ることができる。

尚、本実施の形態においては説明したパラメータＰを用いて、半透過型液晶表示装置における最適な寸法を導き出すシステムを構築することができる。このようなシステムは、少なくとも条件入力部、計算部、結果表示部及び制御部を有する。条件入力部において、放射角θ、屈折率ｎ、開口径φ及び透明基板の厚みｔを入力すれば、計算部がパラメータＰを用いてバックライト光の利用効率Ｅを計算し、結果表示部が利用効率Ｅの計算結果を表示する。これらの処理を制御部が制御する。

また、所望のバックライト光の利用効率Ｅを入力し、上記のパラメータＰを決定する数値のうち判明している数値を入力することによって、判明していない数値の最適な値を計算することも可能である。

実施の形態２．
本実施の形態においては実施の形態１において説明したバックライトユニットの他の態様を説明する。本実施形態に係るバックライトユニットは面状光源を有する直下型バックライトユニットである。尚、実施の形態１と同様の符号を付す構成については実施の形態１と同一又は相当部を示し、説明を省略する。

図１４は本実施形態にかかるバックライトユニット４００を示す模式断面図である。本実施形態にかかるバックライトユニット４００は透明基板４０１、隔壁４０２、金属電極４０３、有機ＥＬ材料４０４、透明電極４０５、透明基板４０６及びマイクロレンズ４０７を有する。透明基板４０１、４０６は例えばガラス、ポリカーボネイト、アクリル樹脂等により形成される。透明基板４０１上には隔壁４０２が形成され、当該隔壁４０２に沿って金属電極４０３が形成される。更に金属電極４０３の上から隔壁４０２で仕切られた内部に有機ＥＬ材料４０４が注入される。

透明基板４０６上には透明電極４０５が形成され、当該透明電極４０５と有機ＥＬ材料４０４とが接触するように透明基板４０６を隔壁４０２に対して配置し、有機ＥＬ材料４０４を封止する。更に、個々の隔壁４０２のピッチに合わせ、透明基板４０６の外側にマイクロレンズ４０７を形成する。マイクロレンズ４０７の焦点は透明基板４０６の厚さと略等しく形成される。マイクロレンズ４０７は透明基板４０６とは別の透明基板に２Ｐ法で形成し、隔壁４０２のピッチとアライメントして接着しても良い。この場合、マイクロレンズ４０７の焦点は当該マイクロレンズ４０７が形成された基板の厚さと透明基板４０６の厚さとの和となる。

次にバックライトユニット４００の動作を説明する。金属電極４０３と透明電極４０５との間に電圧をかけると有機ＥＬ材料４０４が発光する。個々の隔壁４０２内部で発光した光は透明電極４０５及び透明基板４０６を通過してマイクロレンズ４０７に入射する。マイクロレンズ４０７の焦点は透明基板４０６の厚さに略等しいので、マイクロレンズ４０７を通過することによって隔壁４０２内部で発光した光は平行光になる。マイクロレンズ４０７側に液晶パネル１００を組み合わせることによって、液晶パネル１００にバックライト光として平行光を照射することができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態３に係る液晶表示装置では、好適に垂直偏光されたバックライト光を発光するバックライトユニットを有する液晶表示装置を提供することができる。

尚、図１４においては、発光素子として有機ＥＬ材料が用いられているが、これに限定されるものではない。例えばカーボンナノチューブを用いてフィールドエミッション型の発光パネルとしても本実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。

本発明の実施の形態に係る液晶表示装置の模式断面図である。本発明の実施の形態に係る画素電極の平面図である。本発明の実施の形態に係るマイクロレンズアレイの平面図である。本発明の実施の形態に係る液晶パネルのマザー基板である。本発明の実施の形態に係る液晶パネル及びバックライトユニットを表す模式断面図である。本発明の実施の形態に係るプリズムシートを表す模式断面図である。本発明の実施の形態に係るマイクロレンズの集光効果について、透明基板の厚さによる集光点の違いを表す模式図である。本発明の実施の形態に係るプリズムシートによる垂直偏光後の光の強度分布を表すグラフである。本発明の実施の形態１に係る画素電極と、マイクロレンズによって集光された光が当該画素電極に到達した時の光束のスポット径を現す平面図である。本発明の実施の形態に係るマイクロレンズによって集光された光が画素電極に到達した時の光の強度分布を、垂直成分を１として規格化して示すグラフである。本発明の実施の形態１に係るマイクロレンズによって集光された光が画素電極に到達した時の、光の強度分布を示すグラフである。本発明の実施の形態１に係る光の利用効率とパラメータとの対応を示す数値である。本発明の実施の形態１に係る光の利用効率とパラメータとの関係を示すグラフである。本発明の実施の形態３に係るバックライトユニットを示す模式断面図である。従来技術に係る液晶表示装置の模式断面図である。従来技術にかかるマイクロレンズへの入射光のずれによる集光点のずれを示す模式図である。

符号の説明

１偏光フィルム、２透明基板、３ブラックマトリクス、
４カラーフィルタ層、５透明電極、６配向膜、７液晶層、８スペーサ、
９配向膜、１０透明電極、１１素子、１２透明基板、
１３偏光フィルム、１００液晶パネル、１０１、１０２透明基板、
１０３液晶層、１０４カラーフィルタ層、１０５ブラックマトリクス、
１０６電極、１０７配向膜、１０８ＴＦＴ素子、１１０偏光板、
１１１スペーサ、１２１リム、１２２マイクロレンズアレイ、
２００マイクロレンズアレイ、２０１リム、２０２マイクロレンズ、
３００バックライトユニット、３０１バックライト光源、３０２導光板、
３０３プリズムシート、４００バックライトユニット、４０１透明基板、
４０２隔壁、４０３金属電極、４０４有機ＥＬ材料、４０５透明電極、
４０６透明基板、４０７マイクロレンズ、１０００マザー基板、
１０９１画素電極、１０９１ａ開口部、１０９１ｂ反射部、
１０９２配線、Ｅ光の利用効率、Ｐパラメータ、θ 入射角、
φ 開口径、ｔ透明基板の厚さ

Claims

液晶層を狭持し、一方の面に反射部と開口部を有する画素電極が形成された透明基板と、
前記透明基板の他方の面に前記開口部と１：１にアライメントされて形成されたマイクロレンズと、
前記マイクロレンズが形成された面と発光面が対向するように設けられたバックライトユニットとを有する半透過型液晶表示装置であって、
前記バックライト光の放射成分において垂直成分の光強度の２０％となる角度を前記バックライトユニットの放射角θと定義し、前記バックライトユニット側の透明基板の厚さをｔとし、前記開口部の中心から当該開口部の外周までの平均の長さをφ／２とし、前記透明基板及び／又は前記マイクロレンズの屈折率をｎとしたとき、０．８５≦（φ・ｎ）／（θ・ｔ）である半透過型液晶表示装置。
前記マイクロレンズの底面形状が六角形又は四角形であることを特徴とする請求項１に記載の半透過型液晶表示装置。
前記マイクロレンズは前記透明基板上に直接形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半透過型液晶表示装置。
（φ・ｎ）／（θ・ｔ）≦１．７５であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の半透過型液晶表示装置。