JP3227802B2

JP3227802B2 - 液晶ディスプレイ用光学素子およびそれを用いた液晶ディスプレイ

Info

Publication number: JP3227802B2
Application number: JP18007592A
Authority: JP
Inventors: 基之鈴木
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1992-07-07
Filing date: 1992-07-07
Publication date: 2001-11-12
Anticipated expiration: 2016-11-12
Also published as: JPH0627454A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶ディスプレイに用
いられる光学素子およびそれを用いた液晶ディスプレイ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】直視型の液晶ディスプレイの視野角（後
述）を拡大するために、液晶ディスプレイとマイクロレ
ンズアレイなどの光学素子を組み合わせることが提案さ
れている。

【０００３】液晶ディスプレイの観察面側にレンズなど
の光線透過方向を制御する光学素子を組み合わせて視野
角を拡大する方法としては、平凹レンズ群を配する方法
（特開昭５３−２５３９９公報）、多面体レンズを配す
る方法（特開昭５６−６５１７５公報）、プリズム状突
起透明板を配する方法（特開昭６１−１４８４３０公
報）、液晶セルの表示単位にそれぞれレンズを設ける方
法（特開昭６２−５６９３０公報、特開平２−１０８０
９３公報）などがあり、さらにこれらに加え透過型ディ
スプレイの場合に背面光源の光線出射方向を制御する手
段を付加するもの（特開昭５８−１６９１３２公報、特
開昭６０−２０２４６４公報、特開昭６３−２５３３２
９公報）などがある。

【０００４】液晶ディスプレイにマイクロレンズアレイ
を組み合わせた際に、レンズ面に於ける直接反射によっ
て表示像が見えにくくなる欠点を解消する技術としては
該レンズ表面に反射防止多層膜などによる無反射コート
膜を設けることが提案されている（特開昭５６−６５１
７５公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】液晶ディスプレイは、
観察方向によって表示品位が変化するという欠点を持っ
ている。一般的には表示面の法線方向から観察した時に
最も良好な表示品位が得られるように設定されているの
で、表示面の法線方向と観察方向のなす角度が大きくな
るほど表示品位が低下し、ある角度を超えると観察者が
容認できる範囲を超えてしまうという欠点、すなわち良
好な表示品位の得られる視野角が小さい（以下、単に
「視野角が狭い」ということがある）という欠点を持っ
ている。

【０００６】視野角が狭いという欠点は、比較的単純な
構成で生産性に優れ大容量表示が可能という優れた特長
を持つためパーソナルワードプロセッサ、パーソナルコ
ンピュータなどに多用されるスーパーツイステッドネマ
チックモード、およびテレビ画像などのフルカラー画像
を表示するツイステッドネマチックモードにおいて特に
顕著で、ディスプレイ表示面の法線方向から２０度から
５０度（表示面に対して上下方向、左右方向などによっ
て異なる）の方向から観察した場合、表示内容が殆ど判
読できなくなることが多い。このため、事実上複数人で
観察することができず、液晶ディスプレイの応用展開の
妨げとなっている。

【０００７】この欠点を解消するために、液晶ディスプ
レイの観察面にマイクロレンズアレイ等の光学素子を設
けることが提案されているが、いずれも実用性に乏しく
視野角の問題を解消するに至っていない。

【０００８】この理由は、本発明者の検討によれば、従
来提案されてきた方法では液晶ディスプレイの表示品位
を著しく低下してしまうという欠点があったためであ
る。すなわち、従来提案されている方法のうち平凹レン
ズ群、多面体レンズ群、レンチキュラーレンズ、プリズ
ム板を配する方法では、液晶ディスプレイの視野角を拡
大する効果が小さいとともに、液晶ディスプレイの外部
から入射する光線を強く反射するので、通常の室内照明
などの外部からの入射光（以下、単に「外光」というこ
とがある）がある場合には画面全体が白っぽくなり、最
明色表示部分と最暗色表示部分のコントラスト比が低下
し表示が見にくくなるという欠点があったためである。
この欠点は、マイクロレンズアレイの視野角拡大効果が
大きいほど顕著となるという相関があり、液晶ディスプ
レイの視野角を拡大することをさらに困難なものにして
いた。

【０００９】またガラス平板などの内部に屈折率分布領
域を設けた、いわゆる平板マイクロレンズアレイでは、
レンズ効果が不充分なため、充分な視野角拡大効果を得
ることはできない。

【００１０】原理的には液晶ディスプレイの背面光源の
輝度を増大することによって、表示品位を低下させる外
光よりも圧倒的に強い光量を背面から照射することによ
って、外光の反射による悪影響を無視できるレベルにす
ることはできるが、この場合、背面光源の出力を大きな
ものにする必要があり、液晶ディスプレイの小型、軽
量、薄型、低消費電力という大きな特徴が失われるた
め、実用性がなくなる。

【００１１】また本発明者の検討によれば、レンズ面に
無反射コート層を設ける方法によっても、この欠点は殆
ど解消されない。これは、無反射コート層は原理的にあ
る特定の一方向からの入射光に対してのみ有効に働くの
で、観察角度を変えると無反射化効果が減少あるいは消
滅するという特性を持っており、液晶ディスプレイなど
あらゆる角度から観察されるものに適用するのには無理
があるためである。

【００１２】反射防止コートと呼ばれているものの中に
は、表面にランダムな微細な凹凸を設けるいわゆるノン
グレア処理（マット処理）も含まれることがあるが、こ
の方法は鏡面反射を抑える効果しかないので、レンズ表
面に適用しても効果がないことは言うまでもない。

【００１３】なお液晶ディスプレイの視野角が狭いとい
う欠点は、液晶ディスプレイの原理的な問題であるた
め、液晶セル内部の改良によって視野角を拡大すること
は限界があり充分な効果は得られていない。

【００１４】本発明の目的は、上記の欠点を解消し、外
光がある通常の使用環境下においても充分な視野角拡大
効果のある液晶ディスプレイ用光学素子を提供すること
にある。さらに、本発明は該光学素子を用いた、広い視
野角を有する液晶ディスプレイを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の欠点を
解消するため、第１物質層と、第１物質層より屈折率の
小さい第２物質層との界面を凹凸形状とすることによっ
て単位レンズが配列面上に配列されたレンズアレイシー
トからなる光学素子であって、第１物質層側の単位レン
ズ配列面の法線方向から入射する光線のうち、第１物質
層と第２物質層の屈折率差に基づく全反射を２回以上繰
り返すことによって再度第１物質層側の単位レンズ配列
面から出射する光線を、該レンズ配列面の入射部分また
は出射部分の少なくとも一方に於いて遮断するように遮
光層が設けられていることを特徴とする液晶ディスプレ
イ用光学素子としたものである。

【００１６】本発明に於いて、液晶ディスプレイとは液
晶分子の電気光学効果、すなわち光学異方性（屈折率異
方性）、配向性、流動性および誘電異方性などを利用
し、任意の表示単位に電界印加あるいは通電して液晶の
配向状態を変化させることによって光線透過率や反射率
を変化させる光シャッタの配列体である液晶セルを用い
て表示を行うものをいう。さらにここでは、該液晶セル
に表示される表示像を直接観察する形式の、いわゆる直
視型液晶ディスプレイのことを言うものとする。

【００１７】本発明の光学素子は、第１物質層と、第１
物質層より屈折率の小さい第２物質層を有している。両
物質は実質的に無色透明であることが好ましいが、用途
や液晶ディスプレイの表示品位を向上させるために着色
せしめることもできる。第１物質としては、加工性や取
扱性などの点で透明プラスティック材料が好ましく用い
られるが、第２物質としては、このような透明プラステ
ィックの他に空気などの気体、水などの液体を用いるこ
ともできる。

【００１８】本発明の光学素子は、このような第１物質
層と第２物質層の界面を凹凸形状とし、個々の凹部分及
び／又は凸部分が単位レンズとして機能するものであ
る。このような凹凸形状は、第１又は第２物質層の片面
に形成し、その反対の面は、実質的に平面であることが
好ましく、さらに、凹凸形状の中心面とその反対面とは
平行であることが好ましい。また、レンズ機能を発現す
る凹凸面は、周期性を持つ凹凸であることが好ましい。

【００１９】凹凸面の形状としては、レンチキュラーレ
ンズのように円弧などの曲線を平行移動させた軌跡で示
される曲面を一方向に配列した１次元レンズアレイシー
トと、矩型、三角形、六角形などの低面をもつドーム状
の曲面を縦横に配列した２次元レンズアレイシートがあ
る。また、種々の角度を持つ平面が組み合わされた多面
体形状をしたものもある。

【００２０】本発明は、これらのいずれの形状も選択す
ることができるが、単位レンズの凹凸面形状は、高屈折
率物質である第１物質層側の単位レンズ配列面と凹凸面
上のある点での接面とのなす角度が大きくなるほど、凹
凸面は第１物質層側の単位レンズ配列面の近くに位置す
るようにすることが好ましい。

【００２１】ここで、単位レンズ配列面とは、第１物質
層と第２物質層の界面である凹凸面の基準となる面のこ
とをいい、幾何学的な定義としては、凹凸面と交わら
ず、かつ凹凸面に接する平面のうち本発明の光学素子が
装着される液晶セルの表面に平行な面のことをいうもの
とする。

【００２２】さらに、第１物質層側の単位レンズ配列面
とは、凹凸面の両側にある２つの単位レンズ配列面のう
ち、第１物質層側にある単位レンズ配列面のことをい
う。

【００２３】従来のレンチキュラーレンズ、マイクロレ
ンズアレイだけでは、上述したように液晶ディスプレイ
の表面に装着して視野角を拡大しようとしても、視野角
を拡大する効果が小さかったり、外光の反射によって画
面全体が白っぽくなってしまうなどの欠点があった。本
発明者は、レンズアレイシートの構成と液晶ディスプレ
イの視野角拡大効果、表示品位の関係を詳細に検討した
結果、観察面平面に対して大きな角度を持つ部分を含む
凹凸面を有するレンズアレイシートの、高屈折率物質層
側を観察面側にして液晶セルの観察面側に装着すると大
きな視野角拡大効果が得られることを発見した。しか
し、この場合は同時に外光の反射が強くなり表示品位
（コントラスト）が低下するという問題を有していた。
すなわち、凹凸面形状の制御だけでは視野角拡大効果と
外光反射の強さはトレードオフの関係にあるため、充分
な視野角拡大効果を得ようとすると、ある程度の表示品
位の低下は免れなかった。

【００２４】この欠点に鑑み検討を重ねた結果、反射す
る外光の大部分が、高屈折率物質層側からレンズアレイ
シートに入射した外光が、凹凸面をなしている低屈折率
物質層との界面のうち両物質の屈折率差に基づく臨界反
射角以上の角度がある部分に於いて全反射し、さらに反
射した光線が同様の原理で反射を繰り返すことによっ
て、再度入射した面から出射されたものであることを究
明した。しかし一方で、最初の全反射を起こすような観
察面に対して大きな角度を持つ部分が、液晶ディスプレ
イに装着した時に大きな視野角拡大効果を発揮する部分
であるため、上記の欠点が発生しているものであること
が判明した。

【００２５】そこで、液晶ディスプレイの視野角拡大効
果を維持しながら、外光の反射を大きく低減させる方法
を検討し、最適の部位に遮光層を設けることによって、
この問題を解決できることを見いだし本発明を完成し
た。すなわち、高屈折率物質である第１物質層側の単位
レンズ配列面の法線方向から入射する光線のうち、第１
物質層と低屈折率物質である第２物質層の屈折率差に基
づく全反射を２回以上繰り返すことによって再度第１物
質層側のレンズ配列面から出射する光線を、該レンズ配
列面の入射部分または出射部分の少なくとも一方に於い
て遮断するように遮光層を設けるものである。

【００２６】ここで遮光層が設けられる第１物質層側の
単位レンズ配列面とは、ここでは実際に製造できる条件
とその効果を考慮して、先に説明した幾何学上の第１物
質層側の単位レンズ配列面と第１物質層の第２物質層と
接していない面とを含む両面間に挟まれる任意の面とす
る。

【００２７】以下、本発明の光学素子を図に従って説明
する。

【００２８】図１は、本発明の光学素子の構造の一例を
説明する図であり、透明プラスティック基板１の上に、
ストライプ状の遮光層２が設けられ、さらにその上に透
明プラスティックによって断面が半円のカマボコ状の単
位レンズ３を配列したものである。この場合は、単位レ
ンズ配列面は遮光層２が形成されるプラスティック基板
１の表面４であり、凹凸面は、カマボコ状レンズ群の表
面５であり、また第１物質層はカマボコ状レンズを形成
するプラスティック層６であり、第２物質層はカマボコ
状レンズの上の空気層（ここでは、図示せず）となる。
また、プラスティック基板１の表面４と、その反対の面
８は平行である。

【００２９】図２は、図１に示した光学素子の表面４に
垂直、かつ単位レンズ配列方向に平行な面の断面図を示
したものであり、主に遮光層２の位置とカマボコ状の単
位レンズ３が形成する凹凸面形状５の関係を説明するも
のである。図３は、従来の光学素子の一例として、図１
に示したものと同様の形状を持つが遮光層の形成されて
いない、いわゆる通常のレンチキュラーレンズの断面図
を示したものである。

【００３０】以下、図２と図３を対比して、遮光層の機
能を説明する。

【００３１】図３に於いて、外光となる第１物質層側か
らの入射光、すなわち基板側からの入射光のうち、例え
ば基板面の法線方向から入射する光線１０１は、凹凸面
５に於いて、２回全反射し、再度基板面から出射され
る。また別の光線１０２は、凹凸面５に於いて、３回全
反射して、基板面から出射される。このように、全反射
を繰り返すことによって入射した面と同じ面から出射さ
れる光線が、従来の光学素子を用いたときの外光反射の
主たる原因となっていた。

【００３２】全反射の起こる条件は、よく知られている
ように、光線が高屈折率物質から低屈折率物質との界面
に達したとき、光線の進行方向と界面の法線のなす角度
θが下記（１）式で示される臨界反射角θｃ以上である
時に起こる。

【００３３】ｓｉｎ（θｃ）＝ｎ２／ｎ１・・・・・・（１）ここでｎ２は低屈折率物質の屈折率、ｎ１は高屈折率物
質の屈折率を示す。

【００３４】図２および図３に於いて、高屈折率物質で
あるレンズ材質層６の屈折率を１．５とし、低屈折率物
質層である空気層の屈折率を１．０とすると、臨界反射
角θｃは約４１．８度となり、これ以上の角度をもって
凹凸面５に達した光線はすべて反射する。

【００３５】外光には単位レンズ配列面に対して法線方
向からの入射だけでなく、様々な角度で入射するものが
あるが、本発明者は、上記の条件を満たして全反射を繰
り返し、入射した面から再度出射される光線群が、すべ
て単位レンズ配列面４のある一定の領域を通過するもの
であることを見いだした。その領域とは、第１物質層側
の単位レンズ配列面の法線方向から入射する光線のう
ち、第１物質層と第２物質層の屈折率差に基づく全反射
を２回以上繰り返すことによって再度第１物質層側のレ
ンズ配列面から出射する光線が単位レンズ配列面を通過
する領域として表され、この場合、単位レンズの断面で
ある半円２０１に於いて、単位レンズ配列面４に一致す
る半円の弦２０２のうち円弧の中心２０３から両側の、
半円の半径ｒの２／３以上離れた部分２０４および２０
５のいずれかである。すなわち、全反射を繰り返すこと
によって入射した面から再度出射される光線はすべて、
レンズ配列面上の部分２０４あるいは２０５から入射
し、部分２０４から入射した光線は部分２０５から出射
し、部分２０５から入射した光線は部分２０４から出射
するのである。なお、単位レンズ配列面４、半円の弦２
０２、およびその部分２０４、２０５は本来一致するも
のであるが、図２および図３に於いては、説明のため分
離して示した。

【００３６】そこで、本発明の光学素子は、図２に示す
ように、図３の部分２０４あるいは部分２０５に相当す
る部分に効率よく遮光層２を設けたものである。

【００３７】この遮光層は、図３の部分２０４、部分２
０５の両方に設けることもできるが、いずれか片方であ
る方が効率の点で好ましい。

【００３８】この遮光層２の、特筆すべきことは、外光
の反射を極めて効率よく遮光するだけでなく、液晶ディ
スプレイ側となる空気層側から入射し観察面側となる単
位レンズ配列面４の法線方向付近に透過する光線は殆ど
遮光しないことにある。すなわち、従来の光学素子に於
いても本発明で遮光層を設けた部分を通過する光線は殆
どなかったのである。このため、液晶ディスプレイに装
着した時、ディスプレイ正面付近（観察面の法線方向付
近）から観察する場合には、遮光層を設けたことによる
ディスプレイの輝度の低下などの弊害が殆どない。

【００３９】さらにもう一つの特長は、この遮光層は、
空気層側から入射し単位レンズ配列面の法線方向から大
きな角度を持つ方向へ出射する光線の一部を遮光する
が、遮光層はレンズ配列面に形成された面形状をしてい
るので、出射方向と該法線方向のなす角度が大きくなれ
ばなるほど目立たなくなる点にある。すなわち、これは
液晶ディスプレイに装着して観察する時、観察方向が正
面からずれればずれるほど相対的に遮光層が細く、ある
いは小さくなるので弊害が極めて少ないということにな
る。また、液晶ディスプレイとして使用される時の環境
や背面光源の特性などから多少の外光の反射が許される
時は、遮光層は図２に示したものより小さいものである
ことも有り得る。

【００４０】図１および図２に、単位レンズを１方向に
配列した１次元レンズアレイシートにおいて、最も効率
よく遮光層を設けた例を示したが、単位レンズを縦横に
配列した２次元レンズアレイシートの場合でも同様の考
え方で遮光層を設けることができる。図４ないし図６
に、矩形低面を持つドーム状の単位レンズ１１を配列し
た２次元レンズアレイシート１２に遮光層１３を設けた
本発明の光学素子の一例の、単位レンズ配列面の法線方
向から見たときのレンズ位置と遮光層位置の関係を示し
た。

【００４１】なお、図１ないし図６では、透明プラスチ
ック基板１の上にレンズアレイを形成した場合の例を示
したが、本発明の光学素子において、透明プラスチック
基板１は必須ではない。

【００４２】本発明の光学素子の、液晶ディスプレイに
装着した際に観察面表面となる面、例えば図１に示した
構成の場合の透明プラスティック基板１の、遮光層が設
けられた面４の反対の面８には、必要に応じて、従来の
液晶ディスプレイの観察面表面になされているような、
表面硬度化処理や反射防止処理、防眩（ノングレア）処
理などを施すことができる。

【００４３】次に、本発明の液晶ディスプレイについて
説明する。

【００４４】本発明の液晶ディスプレイ（以下、ＬＣＤ
と言うことがある）は、上述した本発明の光学素子を用
いた視野角が拡大された液晶ディスプレイである。すな
わち、液晶分子の電気光学効果によって光学特性を変化
させる光シャッターを配列した液晶セルによって任意の
画像を表示する液晶ディスプレイであって、該液晶ディ
スプレイは液晶セルより観察面側に、上述した本発明の
液晶ディスプレイ用光学素子の第１物質層側を観察面側
に、第２物質層側を液晶セル側になるようにして設けら
れていることを特徴とする液晶ディスプレイとしたもの
である。

【００４５】ここで液晶セルとは、液晶分子の電気光学
効果、すなわち屈折率および誘電率異方性を持つ液晶分
子に電界印加あるいは通電することによって液晶分子の
配向状態を変化させることによって電圧印加部分と非印
加部分に生じる光学的性質の差を利用して光線透過率を
制御する光シャッタ機構を配列したものを言う。

【００４６】光シャッタ機構の様式を例示するなら、ダ
イナミックスキャッタリングモード（ＤＳ）、ゲストホ
ストモード（ＧＨ）、相転移モード、ツイステッドネマ
チックモード（ＴＮ）、強誘電性モード、スーパーツイ
ステッドネマチックモード（ＳＴＮ）、ポリマー分散モ
ード、ホメオトロピックモードなどがある。

【００４７】また、液晶セルの各表示単位を駆動する方
式として、各表示単位を独立して駆動するセグメント駆
動、各表示単位を時分割駆動する単純マトリックス駆
動、各表示単位にトランジスタ、ダイオードなどの能動
素子を配したアクティブマトリックス駆動などがある。

【００４８】ＬＣＤを観察する方式として、ＬＣＤの背
面に光反射能を有する反射層を設け、ＬＣＤ前面から入
射した光を反射させて観察する反射型と、ＬＣＤ背面に
光源を設けて光源から出射された光をＬＣＤを透過させ
て観察する透過型ＬＣＤがある。また、両者を兼用する
ものもある。

【００４９】本発明の液晶ディスプレイは、上記のよう
ないくつかの表示様式、駆動方式、観察方式を求める特
性にあわせて適宜組み合わせて構成することができる
が、これらのうち特に、透過型単純マトリックス駆動ス
ーパーツイステッドネマチックモード、透過型アクティ
ブマトリックス駆動ツイステッドネマチックモード、反
射型単純マトリックス駆動スーパーツイステッドネマチ
ックモードの液晶ディスプレイとき本発明の効果が大き
く、さらに透過型単純マトリックス駆動スーパーツイス
テッドネマチックモードの液晶セルのとき効果が大き
い。

【００５０】液晶セルの観察面側に先に述べた本発明の
光学素子を設けることによって、従来の液晶ディスプレ
イの表示品位を殆ど低下させることなく、視野角が狭い
という欠点を解消することができる。

【００５１】一般に液晶セルの視野角特性、すなわち観
察方向による表示品位の変化は、観察方向とセル観察面
の法線方向がなす角度が一定であっても、観察方向が該
法線を軸として回転することによっても発生する。すな
わち、セルの正面から観察方向を移動する方向によって
（表示面に対した時の左方向、右方向、上方向、下方向
など）、視野角は異なるのが一般的である。あるいは、
液晶ディスプレイの使用目的によっては左右方向の視野
角を拡大したいなど優先的に一方向の視野角を拡大すべ
き場合もある。このような場合、光学素子のレンズの機
能を、液晶セルの各方向の視野角特性、あるいは求める
視野角拡大方向について、各方向によって異なる特性を
持たせることによって、さらに高い表示品位を持つ液晶
ディスプレイとすることができる。

【００５２】すなわち、上下方向あるいは左右方向など
一方向だけの視野角特性を拡大したい場合は、１次元レ
ンズアレイシートを用い、単位レンズの配列方向を視野
角を拡大したい方向に一致させて装着することによって
達成できる。また、２方向の視野角特性を拡大したい時
は、２枚の１次元レンズアレイシートの単位レンズ配列
方向に角度を持たせて重ね合わせる方法、２次元レンズ
アレイシートを用いる方法などがあるが、それぞれの方
向の視野角を拡大したい程度にあわせてレンズ形状を制
御して設計することができる。

【００５３】本発明のＬＣＤに用いられる、レンズアレ
イシートの単位レンズの大きさと位置は、液晶セルの表
示単位の大きさによって選ぶことができる。液晶ディス
プレイがドットマトリクス方式である場合、１つの表示
単位と単位レンズの対応関係には２つの好ましい態様が
ある。ひとつは、液晶セルの１表示単位にそれぞれ１つ
の単位レンズが正確に対応しているもので、もうひとつ
は１表示単位に対して、平均して２つ以上のレンズが対
応しているものである。これによって、レンズアレイシ
ートの単位レンズ配列ピッチとセルの表示単位ピッチの
干渉によるモアレの発生を抑えることができる。これら
のうち後者の態様が、精密な位置合わせが不要であり、
かつ何種類かのドットサイズを持つセルに対して同一の
光学素子が使えるようになることから生産性が向上する
点で好ましい。さらに好ましくは１ドットに対して４つ
以上の単位レンズが対応しているこのが好ましく、さら
には１表示単位に対して８つ以上の単位レンズが対応し
ていることが好ましい。ここで、１表示単位に対する単
位レンズの個数ｎの定義は１次元レンズアレイシートの
場合は下記（２）式で、２次元レンズアレイシートの場
合は下記（３）式で定義される。

【００５４】ｎ＝Ｎ／（Ｌ／ｌ）・・・・・・（２）ｎ＝Ｎ／（Ａ／ａ）・・・・・・（３）ここで、ＮはＬＣＤ表示面上にある単位レンズの総数、
Ｌは液晶セルの１次元ＭＬＡ単位レンズ配列方向の長
さ、ｌは液晶セルの１表示単位のうち表示に寄与する部
分のレンズ配列方向の長さ、ＡはＬＣＤ表示面の面積、
ａは液晶セルの１表示単位のうち表示に寄与する部分の
面積である。これらの式は、ＬＣＤ表示面の配線スペー
スなどの表示には直接寄与しない部分を除いた表示単位
部分に対応しているレンズの、平均の個数を示すもので
ある。

【００５５】本発明のＬＣＤに於いて、光学素子は解像
度やコントラストなどの表示品位の低下がない点で、液
晶セルにできるだけ接近させて装着することが好まし
い。具体的にいうと、セル表面とレンズアレイシートの
凹凸面の最も接近した点に於ける距離で示して、１．０
mm以下が好ましく、より好ましくは０．５mm以下、さら
に好ましくは０．１mm以下である。

【００５６】本発明のＬＣＤは、背面光源を有する透過
型ＬＣＤとするときには、該背面光源として、液晶セル
の有効視野角範囲に該背面光源から出射される全光束の
８０％以上を出射する背面光源を用いることが好まし
い。

【００５７】ここで液晶セルの有効視野角範囲とは、液
晶セルを観察した時に良好な表示品位が得られる視野角
範囲のことを言い、ここでは最良の表示品位が得られる
観察方向での最大のコントラスト比に対して、１／５の
コントラスト比が得られる観察方向の範囲とする。

【００５８】このような指向性を持つ背面光源とするこ
とによって得られる効果は二つあり、一つは蛍光管など
の光源体から出射される光束が有効に利用できる点であ
る。すなわち本発明の液晶ディスプレイは、レンズアレ
イシートの個々の単位レンズによって、液晶セルの表示
品位の悪い方向に透過してきた光束を屈折させて観察に
影響がでないようにすると同時に、良好な表示を示す方
向に透過してきた光束を、種々の方向から観察できるよ
うにしているので、従来より一般的に用いられている指
向性のない背面光源では表示面の法線方向に対し大きな
角度で出射された光束は利用していない。そこで、背面
光源からの出射光束に指向性をもたせることによって、
光源から出射される光束を有効に利用できることにな
る。

【００５９】さらに、もう一つの効果は表示画像のにじ
みを防止することができる点である。本発明の液晶ディ
スプレイは観察面にレンズアレイシートを装着してお
り、それはできるだけ液晶セルに近接させて設けられる
ことが好ましいものであるが、液晶セルの液晶層の表示
単位とレンズアレイシートの凹凸面の間には一般に液晶
を封入するための基板や偏光素子の厚みに相当する距離
があるため、充分に近接させることができないことが多
い。このため、液晶セルの１つの表示単位を透過した光
束は、該表示単位部分に相当する単位レンズ部分だけで
なく、やや離れた位置にある単位レンズにも達し、単位
レンズの効果で液晶セルの１つの表示単位の輪郭が、ぼ
やけながら大きくなったように観察されるため表示画像
がにじんだように観察される。これに対し、指向性を持
った背面光源を用いると、液晶層の表示単位部分とレン
ズアレイシートの凹凸面の間に多少距離があっても、該
表示単位部分を透過した光束には指向性があるので、主
に相当する単位レンズ部分だけにしか到達しないので、
上記のように表示画像がにじむことがない。ただし、液
晶ディスプレイの用途によっては、ある程度表示画像を
にじませた方が好ましいこともあり、この場合は背面光
源の指向性をコントロールすることで対応が可能であ
る。

【００６０】このような指向性を持つ背面光源とするた
めには、蛍光管などの光源から出射された光束をフレネ
ルレンズ、フレネルプリズムなどの手段を用いる方法
や、反射鏡として微小反射面を組み合わせたマルチリフ
レクタを用いる手段、光ファイバーシートやルーバーな
どによって不要な光束を吸収する手段などがあり、また
これらに限られないが、これらの内、蛍光管などの光源
の出射光を有効に利用する点と薄型化、軽量化がしやす
い点で微小レンズや微小プリズムをシート状に配列した
フレネルシートを、背面光源の液晶セルに近接する発光
面に設ける方法が好ましい。

【００６１】図７に、本発明の液晶ディスプレイの構成
の一例を説明する液晶ディスプレイの断面模式図を示し
た。偏光素子６１、ガラス基板６２、液晶層６３、透明
電極６４などからなる液晶セル５１の観察面側に、光学
素子の基板１と、その上に遮光層２、および高屈折率物
質層６、低屈折率物質層である空気層７からなる光学素
子５２が設けられ、また液晶セルの背面には、蛍光管６
５、導光板６６、反射板６７、および出射光に指向性を
持たせるためのプリズムフレネルシート６８などからな
る背面光源５３が設けられている。本発明の液晶ディス
プレイが背面光源を用いないものである場合は、背面光
源５３のかわりに反射板（図示せず）が設けられる。ま
た、指向性のない背面光源を用いる時は、プリズムフレ
ネルシート６８のかわりに拡散板（図示せず）などを用
いることがある。

【００６２】

【実施例】以下、本発明を実施例を挙げて具体的に説明
する。

【００６３】実施例（１）光学素子の作成ストライプ状のパターンが作られたフォトマスクを用意
し、ポリエチレンテレフタレートフィルムを基板とした
写真フィルムにパターンを露光し、現像、定着した。写
真フィルムに得られたパターンは、透光部の幅８０μ
ｍ、遮光部の幅２０μｍと、ほぼフォトマスクのパター
ンのネガ画像を再現していた。

【００６４】次に、カマボコ状の溝が切られた金型を用
意し、この金型に紫外線硬化樹脂（硬化後の屈折率１．
５）を充填し、さらにこの上に上記のストライプパター
ンを形成した写真フィルムを重ねて、高圧水銀灯によっ
て紫外線を照射して樹脂を仮硬化せしめたのち金型より
とりはずし、再度、レンズ形成面より紫外線を照射して
本硬化させて、図２に示した形状の本発明の光学素子を
作成した。

【００６５】これとは別に比較対象として、写真フィル
ムの代わりに透明なポリエチレンテレフタレートフィル
ムを用いたこと以外は、同様の方法によって図３に示し
た形状の従来の光学素子（レンチキュラーレンズ）を作
成した。

【００６６】（２）液晶ディスプレイの作成および評価市販のパーソナルコンピュータに搭載されたスーパーツ
イステッド液晶モノクロディスプレイ（表示色ブルーモ
ード、画面サイズ対角約１０インチ、画素数縦４００×
横６４０、ドットピッチ２９０μｍ、バックライト付
き）の観察面側に（１）で作成した本発明の光学素子の
レンズ形成面を内側（液晶セル側）にして取り付け、本
発明の液晶ディスプレイを作成した。

【００６７】これと同様にして、（１）で用意したレン
チキュラーレンズを取り付けた液晶ディスプレイ、およ
び何も取り付けない状態の液晶ディスプレイを比較対象
として用意した。

【００６８】なお、ここで本発明の光学素子およびレン
チキュラーレンズの単位レンズの配列方向は画面左右方
向と一致させた。

【００６９】このようにして得たディスプレイを、ディ
スプレイ表示面の法線方向（正面）および左６０度から
観察し表示品位を評価した。評価は、通常の使用環境で
ある室内照明下で行った。

【００７０】本発明の光学素子を用いた液晶ディスプレ
イは、いずれの方向から観察した場合にも良好な表示品
位が得られた。

【００７１】一方、従来の光学素子であるレンチキュラ
ーレンズを用いたものは、画面全体が白くなり、特に正
面から観察したときのコントラストが低かった。

【００７２】また、これらの光学素子を取り付けない従
来の液晶ディスプレイは、正面から観察したときの表示
品位は良好であるが、左６０度から観察した時は表示色
が反転し、殆ど表示内容が判読できなかった。

【００７３】

【発明の効果】本発明の液晶ディスプレイ用光学素子に
よって液晶ディスプレイが本来持っている良好な表示品
位を低下させることなく、良好な表示が観察される角
度、すなわち視野角が飛躍的に拡大される。

【００７４】すなわち、液晶セルの観察面側に、光学素
子を設けるだけの極めて単純な構成で、液晶ディスプレ
イの視野角が狭いという欠点が解消されることによっ
て、広い範囲の観察方向に於いて良好な表示品位が得ら
れるようになり、表示を複数人で観察する場合や観察角
度が制限されている場合などに於いても、全く不都合な
く表示を観察することが出来るようになり、ＣＲＴ方式
などの他の表示方式に対しても全く遜色ない表示品位が
得られるようになる。

【００７５】これにより、液晶ディスプレイの本来持っ
ている薄型、軽量、低消費電力などの優れた利点を更に
活かすことができるようになり、従来より問題であった
表示品位に対する不満、不都合を解消するとともに、従
来不可能であった新しい用途にも展開することが可能と
なる。

【００７６】

【作用】液晶ディスプレイの液晶セルは観察方向によっ
て光線透過率や表示色が変化し、表示面の法線方向から
ある角度（セルの臨界視野角）を超えると観察者が容認
できる範囲を超えてしまう。

【００７７】従来のマイクロレンズアレイを用いて液晶
ディスプレイの視野角を拡大する方法では、レンズ機能
をもつ凹凸面で強く外光を反射し、さらに最も観察する
頻度が高いと思われる正面への反射が特に強いので、表
示画像のコントラスト比が大きく低下し実用性に乏しか
った。

【００７８】一方、本発明の光学素子を用いた液晶ディ
スプレイは外光が入射し、再び出射される反射光の光路
中に効率よく遮光層が設けられているので、凹凸面に於
ける外光の反射殆ど抑制しながら、一方で液晶セル側か
ら入射し観察面側に透過する表示画像を殆ど遮光するこ
とないので、外光の反射によるコントラスト比の低下は
最小限に抑えられるものと考えられる。

【００７９】この結果、表示セルの臨界視野角を超える
角度から液晶表示素子を観察した場合でも、そのとき観
察される光線はレンズアレイシートの各単位レンズに於
ける屈折によって、表示セル部分ではセルの臨界視野角
を超えない範囲の角で透過した光線が観察されるように
なるため、良好な表示品位が得られ液晶表示素子の視野
角が拡大されることになるものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学素子の構造の一例を示した一部断
面外観概略図である。

【図２】本発明の光学素子の一例の断面図である。

【図３】従来の光学素子の一例の断面図である。

【図４】本発明の光学素子の別の一例であって、遮光層
と単位レンズの位置関係を示した説明図である。

【図５】図４に示した光学素子のＶ方向矢視図である。

【図６】図４に示した光学素子のVI方向矢視図である。

【図７】本発明の液晶ディスプレイの構成の一例を示し
た概略断面図である。

【符号の説明】

１・・・・・・透明プラスティック基板２・・・・・・遮光層３・・・・・・単位レンズ４・・・・・・単位レンズ配列面５・・・・・・凹凸面６・・・・・・第１物質層７・・・・・・第２物質層（空気層）８・・・・・・基板１の表面１１・・・・・・単位レンズ１２・・・・・・レンズアレイシート１３・・・・・・遮光層５１・・・・・・液晶セル５２・・・・・・光学素子５３・・・・・・背面光源６１・・・・・・偏光素子６２・・・・・・ガラス基板６３・・・・・・液晶層６４・・・・・・透明電極６５・・・・・・蛍光管６６・・・・・・導光板６７・・・・・・反射板６８・・・・・・プリズムフレネルシート１０１・・・・・・基板面の法線方向から入射する光線１０２・・・・・・基板面の法線方向から入射する別の
光線２０１・・・・・・単位レンズ断面を示す半円２０２・・・・・・半円２０１の弦２０３・・・・・・半円２０１の中心２０４・・・・・・弦２０２の一部分２０５・・・・・・弦２０２の他の一部分

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１物質層と、第１物質層より屈折率の
小さい第２物質層との界面を凹凸形状とすることによっ
て単位レンズが配列面上に配列されたレンズアレイシー
トからなる光学素子であって、第１物質層側の単位レン
ズ配列面の法線方向から入射する光線のうち、第１物質
層と第２物質層の屈折率差に基づく全反射を２回以上繰
り返すことによって再度第１物質層側の単位レンズ配列
面から出射する光線を、該レンズ配列面の入射部分また
は出射部分の少なくとも一方に於いて遮断するように遮
光層が設けられていることを特徴とする液晶ディスプレ
イ用光学素子。
【請求項２】液晶分子の電気光学効果によって光学特
性を変化させる表示単位が配列された液晶セルによって
任意の画像を表示する液晶ディスプレイであって、該液
晶ディスプレイは液晶セルより観察面側に、請求項１に
記載の液晶ディスプレイ用光学素子の第１物質層側を観
察面側に、第２物質層側を液晶セル側になるようにして
設けられていることを特徴とする液晶ディスプレイ。
【請求項３】背面光源を有する透過型液晶ディスプレ
イであって、該背面光源は、液晶セルの有効視野角範囲
に該背面光源から出射される全光束の８０％以上を出射
するものであることを特徴とする請求項２に記載の液晶
ディスプレイ。