JP4024769B2

JP4024769B2 - 液晶表示パネルおよび液晶表示装置

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Publication number: JP4024769B2
Application number: JP2004068805A
Authority: JP
Inventors: 知男高谷
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: US7583327B2; US20050200781A1; JP2005258016A

Description

本発明は、観察位置の異なる複数の観察者に対して異なる画像を表示する二重映像表示を可能とする液晶表示パネルおよび液晶表示装置に関するものである。

近年、液晶表示装置等の表示パネルに光の透過領域と遮断領域とがストライプ状に形成された視差バリアを組み合わせ、観察者側においてフィルタシステム等の視覚的補助具を使用しなくても３Ｄ画像が認識される（自動立体表示）ようにした表示装置がある。

通常の視界において、人間の２つの目は、空間的に離れて頭部に位置していることから、２つの異なる視点から見た像を知覚しており、人間の脳は、これらの２つの像の視差によって立体感を認識する。そして、この原理を利用し、観察者の左右それぞれの目に異なる視点から見た像を視認させることで視差を与え、３Ｄ（立体三次元）表示を行うことができる。

すなわち、視差バリアを用いた３Ｄ表示装置では、表示パネル１０１にて生成される右目用画像および左目用画像に対して、表示パネル１０１外に設けられる視差バリア１０２によって特定の視野角が与えられ（図７参照）、空間上の特定の観察領域からであれば、各々の目に対応する像のみが視認され、観察者において３Ｄ画像が認識される（図８参照）。

このように、視差バリアと表示パネルとを組み合わせた３Ｄ表示装置は、例えば特許文献１において開示されている。また、特許文献１の３Ｄ表示装置では、視差バリアをスイッチング液晶層にて備え、スイッチング液晶層のバリアパターンをＯＮ／ＯＦＦすること視差バリアの効果の有効／無効を切り替えることができ、これによって３Ｄ表示と２Ｄ表示とを切替可能となっている。

また、視差バリアと表示パネルとを組み合わせた表示装置は、上述のような３Ｄ表示（図９（ａ）参照）への利用に限定されるものではない。例えば、複数の観察者に対して異なる画像を表示するような表示（以下、二重映像表示と称する：図９（ｂ）参照）においても利用可能であると考えられる。
特許第２８５７４２９号公報（公開日平成３年５月２２日）

しかしながら、上記二重映像表示は、３Ｄ表示と原理的に同一の画像分離を用いているものの、二重映像表示を行う表示装置を実際に製造するにあたっては、３Ｄ表示装置では発生しなかった新たな問題が生じる。これを具体的に説明すると以下のとおりである。

図９（ａ），図９（ｂ）の比較から明らかなように、３Ｄ表示を行う場合と二重映像表示を行う場合とでは、視差バリアによって表示画像を分離する点は同じであるが、分離される各画像に対する両視点において、両視点間距離等の条件が大きく異なる。

すなわち、３Ｄ表示の場合には、両視点間距離は観察者の両目間距離となる。これに対し、二重映像表示の場合の両視点間距離は、複数の観察者が離れて位置することができるように３Ｄ表示の場合の両視点間距離よりも大きく取る必要がある。上記両視点間距離は、距離を調整することで任意の両視点間距離に設定できる。

ここで、両視点間距離をＥ（ｍｍ）、カラーフィルタのピクセルピッチをＰ（ｍｍ）、カラーフィルタと視差バリアとの距離をＳ（ｍｍ）、観察者と表示画面との距離をＤとし、さらに、カラーフィルタと視差バリアとの間の媒質における屈折率をｎとすると、以下の関係式（１）が成立する。

Ｄ＝ＥＳ／ｎＰ・・・（１）
３Ｄ表示の場合を想定して、Ｅ＝６２ｍｍ、Ｄ＝６００ｍｍ、Ｐ＝０．１ｍｍと仮定し、さらにカラーフィルタと視差バリアとの間の媒質をガラス基板としてガラスの屈折率ｎ＝１．５２を上記（１）式に代入して、カラーフィルタと視差バリアとの距離Ｓを求めると、Ｓ＝１．４７ｍｍとなる。この距離Ｓは、カラーフィルタと視差バリアとの間にガラス基板が存在していても十分に実現可能な数値であるため、３Ｄ表示装置では、表示パネルの外側に視差バリアを配置して構成することに何の問題もない。

一方、二重映像表示の場合を想定して、Ｅ＝９００ｍｍと仮定し、他の条件は全て３Ｄ表示と同じ条件を上記（１）式に代入してＳを求めると、Ｓ＝０．１ｍｍとなる。この距離Ｓは、カラーフィルタと視差バリアとの間にガラス基板が存在する場合、極めて実現困難な数値である。すなわち、二重映像表示装置では、３Ｄ表示装置に比べてカラーフィルタと視差バリアとを近接して（５０〜１００μｍ程度に）配置することが要求されるため、３Ｄ表示装置と同様に表示パネルの外側に視差バリアを配置して構成することは製造上極めて難しい。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、観察位置の異なる複数の観察者に対して異なる画像を表示する二重映像表示を可能とする液晶表示パネルおよび液晶表示装置を実現することにある。

本発明に係る液晶表示パネルは、上記課題を解決するために、２枚の透明基板内に、少なくとも液晶層を含む画像形成層と、上記画像形成層によって形成される表示画像を、それぞれ異なる特定の視野角を与えられる複数の画像に分離する視差バリア層と、上記画像形成層と上記視差バリア層との間の距離を調節するための透明層とが形成されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、表示画像を形成するための画像形成層と、上記画像形成層によって形成される表示画像を分離するための視差バリア層とが、共にセル内に形成され、上記画像形成層と上記視差バリア層との間の距離が上記透明層によって調節される。このため、視差バリアをセル外に配置する従来構成とは異なり、上記画像形成層と上記視差バリア層との間の距離を、二重映像表示に適した近接距離にすることができ、二重映像表示を可能とする液晶表示パネルを製造することができる。

ここで、上記画像形成層とは、入力される画像データに応じた表示画像を形成する手段であり、液晶表示パネルにおいては基本的には液晶層を指す。但し、カラーフィルタを備えた液晶表示パネルでは、液晶層にカラーフィルタを含めて画像形成層を指すものとする。

また、上記液晶表示パネルにおいては、上記透明層は、透明樹脂にて形成されていることが好ましい。

上記の構成によれば、上記視差バリア層における遮光層が形成されていない領域（すなわち透過領域）において、上記透明層は上記透明基板と接触するように形成される（間に空気層等が存在しない）。また、上記透明層は上記透明基板とほぼ等しい屈折率を有するため、上記透明層と上記透明基板との界面で不所望な光の屈折や反射が生じず、良好な表示が行える。

本発明に係る液晶表示装置は、上記課題を解決するために、上記液晶表示パネルを備えたことを特徴としている。これにより、二重映像表示を可能とする液晶表示装置を製造することができる。

また、上記液晶表示装置においては、上記液晶表示パネルにおける視差バリア層が、パターニングされた反射金属層にて形成されていると共に、上記液晶表示パネルの前面および背面のそれぞれに、フロントライトユニットおよびを備えた構成とすることができる。

上記の構成によれば、バックライトユニットを点灯させた場合には、バックライトユニットから出射されて視差バリア層を通過する透過光によって二重映像表示が可能となり、フロントライトユニットを点灯させた場合には、フロントライトユニットから出射されて反射金属層として設けられた視差バリア層表面で反射される反射光によって通常表示が可能となる。このため、液晶表示パネルと２つのライトユニットとの組み合わせにおいて、ライトユニットの点灯切替によって、二重映像表示と通常表示との表示切替が可能となる。

また、上記液晶表示装置においては、上記液晶表示パネルにおいて、上記画像形成層と上記視差バリア層との間に、半透過反射層が形成されていると共に、上記液晶表示パネルの前面および背面のそれぞれに、フロントライトユニットおよびバックライトユニットを備えた
上記の構成によれば、バックライトユニットを点灯させた場合には、バックライトユニットから出射されて視差バリア層および半透過反射層を通過する透過光によって二重映像表示が可能となり、フロントライトユニットを点灯させた場合には、フロントライトユニットから出射されて半透過反射層で反射される反射光によって通常表示が可能となる。このため、液晶表示パネルと２つのライトユニットとの組み合わせにおいて、ライトユニットの点灯切替によって、二重映像表示と通常表示との表示切替が可能となる。

また、上記液晶表示装置においては、上記液晶表示パネルにおいて、上記液晶層に接して形成される画素電極において透過領域と反射領域とが形成されていると共に、上記液晶表示パネルの前面および背面のそれぞれに、フロントライトユニットおよびバックライトユニットを備えた構成とすることができる。

上記の構成によれば、バックライトユニットを点灯させた場合には、バックライトユニットから出射されて視差バリア層および画素電極の透過領域を通過する透過光によって二重映像表示が可能となり、フロントライトユニットを点灯させた場合には、フロントライトユニットから出射されて画素電極の反射領域で反射される反射光によって通常表示が可能となる。このため、液晶表示パネルと２つのライトユニットとの組み合わせにおいて、ライトユニットの点灯切替によって、二重映像表示と通常表示との表示切替が可能となる。

本発明に係る液晶表示パネルおよび液晶表示装置は、画像形成層と視差バリア層との間の距離を、二重映像表示に適した近接距離にすることができ、二重映像表示を可能とする液晶表示パネルおよび液晶表示装置を製造することができる。

〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１に基づいて説明すると以下の通りである。先ず、本実施の形態に係る液晶表示パネルの概略構成を図１を参照して以下に説明する。

液晶表示パネル１は、図１に示すように、透明電極層（図示せず）および配向膜（図示せず）が形成された２枚の透明基板１１間に、液晶層１２、カラーフィルタ１３、厚膜樹脂層１４、視差バリア層１５を形成してなる構成である。また、２枚の透明基板１１のそれぞれの外側には偏光板１６が配置されている。

すなわち、液晶表示パネル１は、従来のようにパネル外側に視差バリアを配設するのではなく、２枚の透明基板１１間、すなわちセル内において視差バリア層１５を形成している。また、視差バリア層１５をカラーフィルタ１３と接触させて形成すると視差バリアの機能をなさないため、視差バリア層１５とカラーフィルタ１３との間には厚膜樹脂層１４を形成し、該厚膜樹脂層１４の層厚にて視差バリア層１５とカラーフィルタ１３との間を適切な距離に調節するようになっている。

これにより、上記構成では、カラーフィルタ１３と視差バリア層１５と間の距離を、二重映像表示に適して近接した距離（５０〜１００μｍ程度）に設定して、液晶表示パネル１を製造することが可能となる。

尚、液晶表示パネル１では、厚膜樹脂層１４は、カラーフィルタ１３と視差バリア層１５との間の距離を調節しているが、これはカラーフィルタ１３が所定の画素ピッチを有する部材であり、かつ視差バリア層１５に対して最も近くに配置されているためである。但し、上記液晶表示パネルにおいて、カラーフィルタ１３がない場合、あるいは、カラーフィルタ１３よりも液晶層１２の方が視差バリア層１５の近くに配置されている場合には、厚膜樹脂層１４によって液晶層１２と視差バリア層１５との距離が調整される。これについては、後述する実施の形態２および３においても同様である。

また、液晶表示パネル１において、視差バリア層１５は、間に厚膜樹脂層１４を介して、液晶層１２およびカラーフィルタ１３より背面側に配置されている。

液晶表示パネル１において、液晶層１２を挟む２枚の基板のうち、厚膜樹脂層１４および視差バリア層１５を含む基板は以下の手順にて作成される。

先ず、ガラス基板等の透明基板１１の一方の面に視差バリア層１５を作成する。視差バリア層１５は、透明基板１１の面上に遮光性材料（樹脂や金属等）を所定厚さに成膜し、これをパターニングすることで形成される。

視差バリア層１５が形成されると、さらにその上に、アクリル樹脂等の透明樹脂により厚膜樹脂層１４が形成される。厚膜樹脂層１４は、視差バリア層１５とカラーフィルタ１３との間の距離が適切となるように、所定の厚さに成膜される。厚膜樹脂層１４の上には、カラーフィルタ１３が形成され、さらにその上に透明電極層および配向膜が形成される。

尚、上記図１の構成では、視差バリア層１５とカラーフィルタ１３との間に厚膜樹脂層１４を形成しているが、厚膜樹脂層１４に代えて、例えば、所定の厚さにエッチングされたガラス板等を視差バリア層１５とカラーフィルタ１３との間に配置してもよい。このようなガラス板によっても視差バリア層１５とカラーフィルタ１３との間の距離を適切に調整することは可能である。

但し、厚膜樹脂層１４の代わりに、所定の厚さにエッチングされたガラス板を用いた場合、視差バリア層１５の透過領域において、該ガラス板と透明基板１１との間に空気層が存在し、この空気層によって不所望な反射や屈折が生じるため、この空気層を屈折率の等しい樹脂で充填する必要があり生産性を著しく低下させる恐れがある。これに対し、厚膜樹脂層１４を用いた構成では、視差バリア層１５の透過領域において遮光層の間の部分にも厚膜樹脂層１４材料が入り込むため、上述した空気層が存在しない。したがって、厚膜樹脂層１４を、透明基板１１とほぼ同じ屈折率を有する材料にて形成することが好ましい（例えば、透明基板１１をガラス基板とし、厚膜樹脂層１４をアクリル樹脂とする）。

〔実施の形態２〕
本発明の他の実施形態について図２〜図４に基づいて説明すると以下の通りである。

上記実施の形態１に係る液晶表示パネル１では、視差バリア層１５がセル内に形成されているため、従来技術で挙げた特許文献１の構成とは異なり、バリア効果の有効／無効を電気的に切り替える構成とはできない。つまり、液晶表示パネル１では、特許文献１において２Ｄ／３Ｄ表示を切り替えるのと同様の手法でもって、パネルのみの構成で二重映像表示と通常表示とを切り替えることはできない。しかしながら、二重映像表示を可能な液晶表示装置においても、二重映像表示と通常表示との切替を可能とすることへの要望は大きいと考えられる。

本実施の形態２では、上記実施の形態１に係る液晶表示パネルを用いながら、二重映像表示と通常表示との切替を可能とする液晶表示装置の構成について説明する。

本実施の形態２に係る液晶表示装置の構成を図２に示す。上記液晶表示装置は、図２に示すように、実施の形態１にて説明した液晶表示パネル１に対し、その前面側（観察者側）にフロントライトユニット２１を、背面側にバックライトユニット２２を配置した構成となっている。フロントライトユニット２１およびバックライトユニット２２は、光源と導光板とによって形成される周知のライトユニットである。

また、本実施の形態２に係る液晶表示装置では、液晶表示パネル１において、視差バリア層１５が反射金属層として形成される。また、二重映像表示と通常表示との切替を考慮する場合、液晶表示パネル１において、視差バリア層１５は、間に厚膜樹脂層１４を介して、液晶層１２およびカラーフィルタ１３より背面側に配置される必要がある。

上記液晶表示装置における二重映像表示および通常表示の切替原理を図３および図４を参照して説明すると以下の通りである。

図３は、二重映像表示時の表示状態を示す。二重映像表示時には、バックライトユニット２２のみを点灯させ、フロントライトユニット２１を消灯させる。この場合の表示は、バックライトユニット２２から出射される透過光のみによって行われるが、上記透過光は、視差バリア層１５を通過することで、図３に示すＡ画像およびＢ画像のそれぞれに所定の視野角が与えられることとなり、二重映像表示が可能となる。

図４は、通常表示時の表示状態を示す。通常表示時にはフロントライトユニット２１を点灯させる。この場合の表示は、フロントライトユニット２１から出射され、反射金属層として設けられた視差バリア層１５表面での反射光によって行われる。上記反射光は視差バリア層１５を通過するものではないので、視差バリアによる光路の分離作用は発生せず、通常表示が可能となる。

尚、通常表示において、バックライトユニット２２は特に点灯させなくても良いが、フロントライトユニット２１とバックライトユニット２２との両方を点灯させれば、フロントライトユニット２１による表示光（図４中、実線にて記載）にバックライトユニット２２による表示光（図４中、破線にて記載）が加わり、より明るい画像表示が行える。

〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施形態について図５，図６に基づいて説明すると以下の通りである。

本実施の形態３に係る液晶表示装置の構成を図５に示す。上記液晶表示装置は、図５に示すように、液晶表示パネル３に対し、その前面側（観察者側）にフロントライトユニット２１を、背面側にバックライトユニット２２を配置した構成となっている。フロントライトユニット２１およびバックライトユニット２２は、光源と導光板とによって形成される周知のライトユニットである。

液晶表示パネル３は、上記実施の形態１にて説明した液晶表示パネル１と類似した構成であるため、液晶表示パネル１と同一の構成および作用を有する部材については、同一の部材番号を付し、詳細な説明を省略する。

液晶表示パネル３において液晶表示パネル１と異なる箇所は、カラーフィルタ１３と視差バリア層１５との間に半透過反射板３１が設けられる点にある。図５の構成では、半透過反射板３１は、カラーフィルタ１３と厚膜樹脂層１４との間に配置されているが、厚膜樹脂層１４と視差バリア層１５との間に配置されていてもよい。半透過反射板３１は、スルーホールを有するタイプでもよく、あるいはハーフミラータイプであってもよい。

半透過反射板３１を設けることにより、視差バリア層１５は、実施の形態２のように反射金属層として設けられる必要はなく、樹脂層にて形成されていてもよい。つまり、本実施の形態３に係る液晶表示パネル３では、視差バリア層１５の材質は限定されない。また、厚膜樹脂層１４は、半透過反射板３１の厚さを考慮して、カラーフィルタ１３と視差バリア層１５との間の距離を調整する。

図５は、二重映像表示時の表示状態を示している。二重映像表示時には、バックライトユニット２２のみを点灯させ、フロントライトユニット２１を消灯させる。この場合の表示は、バックライトユニット２２から出射される透過光のみによって行われるが、上記透過光は、視差バリア層１５を通過することで、図５に示すＡ画像およびＢ画像のそれぞれに所定の視野角が与えられることとなり、二重映像表示が可能となる。また、この場合、半透過反射板３１を透過する光が、表示光として利用されることとなる。

図６は、通常表示時の表示状態を示す。通常表示時にはフロントライトユニット２１を点灯させる。この場合の表示は、フロントライトユニット２１から出射され、半透過反射板３１によって反射される反射光によって行われる。上記反射光は視差バリア層１５を通過するものではないので、視差バリアによる光路の分離作用は発生せず、通常表示が可能となる。

尚、通常表示におけるバックライトユニット２２の点灯は、実施の形態２と同様に必ずしも必要ではないが、バックライトユニット２２をも点灯させることで、より明るい画像表示が行える。

また、液晶表示パネル３において視差バリア層１５の材質は特に限定されるものではないが、実施の形態２と同様に視差バリア層１５を反射金属層にて形成すれば、通常表示時において半透過反射板３１を透過した光をも表示光として利用でき、より明るい画像表示が行える。

また、本実施の形態に係る液晶表示装置の変形例としては、半透過反射板３１を設ける代わりに、液晶層１２に接して形成される画素電極において透過領域と反射領域とを設けた構成としても良い。この構成では、フロントライトユニット２１の点灯時に、画素電極の反射領域によって反射される反射光によって通常表示を行うことができる。但し、この構成において、カラーフィルタ１３を備える場合には、該カラーフィルタ１３は液晶層１２の前面側に配置される必要がある。

本発明の実施形態を示すものであり、実施の形態１に係る液晶表示パネルの要部構成を示す断面図である。実施の形態２に係る液晶表示装置の要部構成を示す断面図である。実施の形態２に係る液晶表示装置の、二重映像表示時の状態を示す断面図である。実施の形態２に係る液晶表示装置の、通常表示時の状態を示す断面図である。実施の形態３に係る液晶表示装置の、二重映像表示時の状態を示す断面図である。実施の形態３に係る液晶表示装置の、通常表示時の状態を示す断面図である。３Ｄ表示原理を示すものであり、視野バリアによる視野角の付与効果を示す図である。３Ｄ表示画面の観察領域を示す図である。図９（ａ）は、３Ｄ表示を行う場合の表示画面と観察者との関係を示す図であり、図９（ｂ）は、二重映像表示を行う場合の表示画面と観察者との関係を示す図である。

符号の説明

１，３液晶表示パネル
１１透明基板
１２液晶層（画像形成層）
１３カラーフィルタ（画像形成層）
１４厚膜樹脂層（透明層）
１５視差バリア層
２１フロントライトユニット
２２バックライトユニット
３１半透過反射板（半透過反射層）

Claims

２枚の透明基板間に、
少なくとも液晶層を含む画像形成層と、
上記画像形成層によって形成される表示画像を、それぞれ異なる特定の視野角を与えられる複数の画像に分離する視差バリア層と、
上記画像形成層と上記視差バリア層との間の距離を調節するための透明樹脂層とが形成されていることを特徴とする液晶表示パネル。
上記透明樹脂層は、上記透明基板とほぼ等しい屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示パネル。
上記透明樹脂層により、上記視差バリア層と上記画像形成層との間の距離が５０〜１００μｍに設定されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示パネル。
上記視差バリア層は、遮光性部材をパターニングして形成されたものであり、
上記透明樹脂層は、上記視差バリア層における上記遮光性部材の間に入り込むように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示パネル。
上記請求項１から４の何れか一項に記載の液晶表示パネルを備えたことを特徴とする液晶表示装置。
上記液晶表示パネルにおける視差バリア層が、パターニングされた反射金属層にて形成されていると共に、
上記液晶表示パネルの前面および背面のそれぞれに、フロントライトユニットおよびバックライトユニットを備えたことを特徴とする請求項５に記載の液晶表示装置。
上記液晶表示パネルにおいて、上記画像形成層と上記視差バリア層との間に、半透過反射層が形成されていると共に、
上記液晶表示パネルの前面および背面のそれぞれに、フロントライトユニットおよびバックライトユニットを備えたことを特徴とする請求項５に記載の液晶表示装置。
上記液晶表示パネルにおいて、上記液晶層に接して形成される画素電極において透過領域と反射領域とが形成されていると共に、
上記液晶表示パネルの前面および背面のそれぞれに、フロントライトユニットおよびバックライトユニットを備えたことを特徴とする請求項５に記載の液晶表示装置。
液晶表示パネルの製造方法であって、
上記液晶表示パネルは、
２枚の透明基板間に、少なくとも液晶層およびカラーフィルタを含む画像形成層と、上記画像形成層によって形成される表示画像を、それぞれ異なる特定の視野角を与えられる複数の画像に分離する視差バリア層と、上記画像形成層と上記視差バリア層との間の距離を調節するための透明樹脂層とが形成されている構成であり、
上記透明基板の一方に視差バリア層を形成した後に、該視差バリア層上に上記透明樹脂層を形成し、該透明樹脂層上に上記カラーフィルタを形成することを特徴とする液晶表示パネルの製造方法。