JP4542320B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示パネルと、この液晶表示パネルを照明する照明装置を備えた液晶表示装置に関するものである。

例えば、携帯電話や携帯用ゲーム機などの電子機器に広く用いられている液晶表示装置として、夜間でも鮮明に液晶表示パネルを観察できるように、バックライトなどの照明装置を備えるとともに、電子機器の消費電力を抑えるために、外光を液晶表示パネルの照明光として用いた半透過反射型の液晶表示装置を採用したものが増えている。こうした液晶表示装置では、輝度ムラを無くすために光を均一に液晶表示パネルに入射させる導光板を備えた照明装置を採用したものが知られている（例えば、特許文献１）。
特開２０００−２９８２６７号公報

こうした液晶表示装置を構成する液晶表示パネルは、ブラックマトリクスと称される区画壁によって、各画素が区画されているが、照明装置からの光がこうしたブラックマトリクスに当たると、各画素の照明に寄与せずにロスとなってしまう。照明装置からの光を各画素の照明に最大限に効率良く利用して、更なる液晶表示装置の輝度のアップが望まれている。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、液晶表示パネルの各画素を効率よく照明して、高輝度な表示を行うことが可能な液晶表示装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、液晶層を挟む第１と第２の基板を有する液晶表示パネルと、この液晶表示パネルを裏面側から照明する照明装置とを備えた液晶表示装置であって、前記第１と第２の基板のうち前記照明装置寄りの基板の表面に、前記液晶表示パネルの画素に対応する集光レンズを形成してなり、前記集光レンズは、前記照明装置から照射された照明光の入射角度と、前記画素との位置に応じてその形成位置が規定されたレンチキュラーレンズであり、前記照明装置から液晶表示パネルの裏面側に照射される照明の入射光は液晶表示パネルの直角方向から傾斜されるとともに、前記レンチキュラーレンズは凸型の集光レンズを多数整列させたシート状であり、前記各集光レンズがその中心を液晶表示パネルのそれぞれの画素の中心に対して集光レンズに対する入射光の傾斜角度に相当する分の幅だけ集光レンズの幅方向にずれて前記液晶表示パネルの各画素に対応するように形成されてなることを特徴とする液晶表示装置が提供される。

こうした液晶表示装置によれば、液晶表示パネルを照らし出す照明光を集光レンズによって、それぞれの画素を区画する遮光壁の内側にを集めることができる。これにより、それぞれの画素を区画する遮光壁に当たってロスとなる照明光は大幅に減らされ、その結果、それぞれの画素から出射される光を増加させることができるようになる。よって、照明装置の光量を増加させてバッテリー消費を増やさなくても、液晶表示パネルの輝度を向上させ、視認性を大幅に高めることが可能になる。

前記集光レンズは、同一線上に並んだ複数の前記画素に対応する一連の突条形状の集光レンズであってもよい。また、前記集光レンズは、四角錐形に形成されていてもよい。

前記画素には、それぞれの画素の色を設定するカラーフィルタと、それぞれの画素の輝度を設定する開口が形成されていればよい。また、前記集光レンズは、前記照明装置から照射された照明光の入射角度と、前記画素との位置に応じてその形成位置が規定されればよい。
本発明において、前記集光レンズを設けた側の基板に半透過反射膜が設けられ、前記画素に、前記半透過反射膜に積層するように色の三原色に対応する３つのカラーフィルタと、これら３つのカラーフィルタに対しそれらの幅方向に隣接配置されて前記半透過反射膜に重なるように透光部が設けられ、前記３つのカラーフィルタの形成位置に対応する半透過反射膜に光透過用の開口が形成され、前記透光部の形成位置に対応する半透過反射膜に光透過用の開口が形成されてなることを特徴とすることもできる。

本発明の液晶表示装置によれば、液晶表示パネルを照らし出す照明光をレンチキュラーレンズの集光レンズによって、それぞれの画素を区画する遮光壁の内側に集めることができる。これにより、それぞれの画素を区画する遮光壁に当たってロスとなる照明光は大幅に減らされ、その結果、それぞれの画素から出射される光を増加させることができるようになる。よって、照明装置の光量を増加させてバッテリー消費を増やさなくても、液晶表示パネルの輝度を向上させ、視認性を大幅に高めることが可能になる。

前記集光レンズは、同一線上に並んだ複数の前記画素のそれぞれに対して集光する一連の集光レンズであればよい。また、前記画素には、それぞれの画素の色を設定するカラーフィルタと、それぞれの画素の輝度を設定する開口が形成されていればよい。

以下、本発明の実施の形態として、半透過反射型の液晶表示装置を例示して、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の液晶表示装置の概略を示す拡大断面図である。液晶表示装置１は、液晶層３０を挟持して対向する透明なガラスなどからなる第１の基板１０と、第２の基板２０とをこれら２枚の基板１０、２０の周縁部に環状に設けられたシール材４０で接着一体化した液晶表示パネル９と、照明装置であるバックライト５とから構成されている。

第１の基板１０の液晶層３０側には順に、反射膜１２に凹部（ディンプル）３１を形成するための有機膜１１と、液晶表示装置１に入射した光を反射させ、またバックライト５からの光を透過させる半透過反射膜１２と、カラー表示を行うためのカラーフィルタ１３と、有機膜１１と半透過反射膜１２を被覆して保護するとともに有機膜１１やカラーフィルタ１３による凹凸を平坦化するためのオーバーコート膜１４と、液晶層３０を駆動するための電極層１５と、液晶層３０を構成する液晶分子の配向を制御するための配向膜１６とが積層形成されている。また、第２の基板２０の液晶層３０側には順に、電極層２５、オーバーコート膜２４、配向膜２６が積層形成されている。

カラーフィルタ１３は、例えば光の三原色であるＲ，Ｇ，Ｂの３色が繰り返しパターンで形成されればよい。そして、各カラーフィルタ１３の間には、隣接するカラーフィルタ１３との間で光の混色を防ぐために、一般にブラックマトリクスと称される遮光壁３５が形成されている。

第１の基板１０の液晶層３０側と反対側（第１の基板１０の外面側）の表面には、後ほど詳述するレンチキュラーレンズ４５が一体に形成されている。こうしたレンチキュラーレンズ４５の下部には偏光板１８が設けられている。一方、第２の基板２０の液晶層３０側と反対側（第２の基板２０の外面側）には、位相差板２７と、偏光板２８がこの順で積層されている。また、第１の基板１０の偏光板１８の外側には、液晶表示装置１において透過表示を行うための照明装置としてのバックライト５が配設されている。

有機膜１１は、その上に形成されている半透過反射膜１２に凹部３１を与えて反射光を効率よく散乱させるために設けられているものである。このように半透過反射膜１２に凹部３１を形成することにより、液晶表示装置１に入射する外光を効率よく反射することができるため、外光反射による照明時における明るい表示を実現することができる。

半透過反射膜１２は、例えば、アルミニウムなど高反射率の金属薄膜などで形成されている。半透過反射膜１２には、液晶表示パネル９の各画素に対応して開口３２が形成されている。こうした開口３２は、バックライト（照明装置）５から照射された光が金属薄膜などで形成された半透過反射膜１２を透過できるようにするためのものである。

以上のような構成により、液晶表示装置１は、例えば日中の屋外などでは、 外光Ｎが液晶表示パネル９に入射すると、金属薄膜などで形成された半透過反射膜１２の開口３２以外の反射領域で反射され、液晶表示パネル９を明るく照らし出す。一方、夜間や暗い室内など外光が不足している環境下では、バックライト５を点灯させると、バックライト５から照射された照明光Ｂが半透過反射膜１２の開口３２を透過して液晶表示パネル９を明るく照らし出す。このように、液晶表示装置１は、光源として外光およびバックライト５のいずれを用いても、半透過反射膜１２の作用によって液晶表示パネル９を高輝度で明るく照らし出すことができる。

図２は有機膜１１と、その上に形成された半透過反射膜１２を含む部分を示す斜視図である。この図に示すように、有機膜１１の表面には、その内面が球面の一部をなす多数の凹部１１ａが左右に重なり合うようにして連続して形成されており、その面上に半透過反射膜１２が積層されている。こうした有機膜１１の表面に形成された凹部１１ａによって、半透過反射膜１２に凹部３１が形成される。また、半透過反射膜１２の一部には矩形の開口３２が形成されている。こうした開口３２は、例えば、エッチングによって形成されればよい。

凹部３１は、例えば深さを０．１μｍ〜３μｍの範囲でランダムに形成し、隣接する凹部３１のピッチを５μｍ〜５０μｍの範囲でランダムに配置し、凹部３１内面の傾斜角を−３０度〜＋３０度の範囲に設定することが望ましい。特に、凹部３１の内面の傾斜角分布を−３０度〜＋３０度の範囲に設定する点、および隣接する凹部３１のピッチを平面全方向に対してランダムに配置する点が特に重要である。なぜならば、仮に隣接する凹部３１のピッチに規則性があると、光の干渉色が出て反射光が色付いてしまうという不具合があるからである。

また、凹部３１の内面の傾斜角分布が−３０度〜３０度の範囲を超えると、反射光の拡散角が広がりすぎて反射強度が低下し、明るい表示が得られない（反射光の拡散角が空気中で３６度以上になり、液晶表示装置内部の反射強度ピークが低下し、全反射ロスが大きくなるからである。）からである。さらに、凹部３１の深さが３μｍを超えると、後工程で凹部３１を平坦化する場合に凸部の頂上が平坦化膜（オーバーコート膜１４）で埋めきれず、所望の平坦性が得られなくなり、表示ムラの原因となる。

隣接する凹部３１のピッチが５μｍ未満の場合、有機膜１１を形成するために用いる転写型の製作上の制約があり、加工時間が極めて長くなる、所望の反射特性が得られるだけの形状が形成できない、干渉光が発生する等の問題が生じる。また、実用上、前記転写型の製作に使用しうる３０μｍ〜１００μｍ径のダイヤモンド圧子を用いる場合、隣接する凹部３１のピッチを５μｍ〜５０μｍとすることが望ましい。

このような構成によって、半透過反射膜１２はバックライト５からの照明光Ｂを開口３２で透過させるとともに、凹部３１が多数形成された反射領域３３で外光Ｎを効率よく反射させることができる。

図３（ａ）は、液晶表示パネルの各画素の様子を拡大して上面から見た拡大平面図であり、図３（ｂ）はこの図３（ａ）に対応する側面断面図である。鎖線で示す液晶表示パネル９のそれぞれの画素３６は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各カラーフィルタ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂと、透光部４６と、これらを区画する遮光壁（ブラックマトリクス）３５とから構成されている。

各画素に輝度を与えこれを設定する開口である透光部４６は、バックライト５からの光や半透過反射膜１２で反射された外光などの白色光をそのまま液晶表示パネル９に向けて透過させるものであり、この透光部４６と、Ｒ，Ｇ，Ｂの各カラーフィルタ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂによって各色の多階調表現を行い、フルカラー表示を実現する。

これら各カラーフィルタ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂと透光部４６の下層に形成される半透過反射膜１２には、各カラーフィルタ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂと透光部４６に対応する位置に、バックライト５からの光を透過させる矩形の開口３２がそれぞれ形成されている。

第１の基板１０の下層面（バックライト５側）には、レンチキュラーレンズ４５が一体に形成されている。図４は、第１の基板１０を下面側から見たときの外観斜視図である。第１の基板１０の下面に一体に形成されたレンチキュラーレンズ４５は、一方向に延びる断面略半円形の集光レンズ４５ａ（シリンドリカルレンズ）を多数整列させたシート状のレンズである。それぞれの集光レンズ４５ａはバックライト５側（図３参照）に向かって膨らんでおり、バックライト５側から入射した光をそれぞれの集光レンズ４５ａの中心に向けて収束させる。

レンチキュラーレンズ４５を構成する個々の集光レンズ４５ａは、液晶表示パネル９の一線上に並んだ一列分の画素３６Ｕに対応するように形成されている。これにより、個々の集光レンズ４５ａに入射した光は、それぞれの画素３６に向けて光を収束させる。

次に、このような集光レンズ４５ａ（レンチキュラーレンズ４５）の作用を説明する。図５に示すように、バックライト５の凹凸面５ａで反射された光は、バックライト５の上面から出射する。そして、バックライト５の光（照明光）はレンチキュラーレンズ４５を構成する個々の集光レンズ４５ａに入射する。

集光レンズ４５ａに入射する光は、凹凸面５ａの傾斜によって鉛直方向から傾いている。このため、このまま入射させるとそれぞれの画素３６の最適位置に光を集光することができずにロスになってしまう。しかし、それぞれの集光レンズ４５ａの中心Ｓ１は、それぞれの画素３６の中心Ｓ２に対して、集光レンズ４５ａに入射する光の傾斜角度に相当する分の幅Ｍだけズレて形成されているため（図３参照）、集光レンズ４５ａの集光作用によってそれぞれの画素３６を区画する遮光壁３５の内側に照明光Ｇを集めることができる。

これにより、集光レンズ４５ａに入射する光が鉛直方向から傾いて入射しても、それぞれの画素３６を区画する遮光壁３５の領域Ｂに当たってロスとなる照明光は大幅に減らされ、その結果、それぞれの画素３６から出射される光を増加させることができるようになる。よって、バックライト５の光量を増加させてバッテリー消費を増やさなくても、液晶表示パネル９の輝度を向上させ、視認性を大幅に高めることが可能になる。

画素を区画する遮光壁よりも内側に照明光を収束させる集光レンズは、例えば、四角錐などのプリズム形状であってもよい。図６は、本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態では、それぞれの集光レンズ６１は四角錐形状に形成され、１つの集光レンズ６１が１つの画素６２に１対１で対応するように配置されている。

このような集光レンズ６１も、それぞれの画素６２の遮光壁６３よりも内側に照明光を収束させることができるので、それぞれの画素６２を区画する遮光壁６３に照明光が当たってロスになることを防止して、それぞれの画素６２から出射される光を増加させることができるようになる。

なお、上述した実施形態では、半透過反射型の液晶表示装置を取り上げたが、もちろんこれに限定されるものではなく、照明装置による照明光だけで液晶表示パネルを照らし出す透過型の液晶表示装置であってもよい。また、集光レンズは、上述した断面略半円形のカマボコ型や四角錐型以外にも、略半球形の凸レンズや台形のプリズムなど、集光作用のある形状であるならばどのようなものであってもよい。

図１は、本発明の液晶表示装置を示す断面図である。 図２は、図１に示す半透過反射膜の拡大斜視図である。 図３は、各画素と集光レンズとの関係を示す説明図である。 図４は、集光レンズが形成された第１の基板の様子を示す外観斜視図である。 図５は、本発明の液晶表示装置の作用を説明する説明図である。 図６は、本発明の他の実施形態を示す外観斜視図である。

符号の説明

１ 液晶表示装置
５ バックライト（照明装置）
９ 液晶表示パネル
１０ 基板（第１の基板）
１２ 半透過反射膜
１３ カラーフィルタ
２０ 基板（第２の基板）
３１ 凹部（ディンプル）
３２ 開口
３６ 画素
４５ａ 集光レンズ

Claims (4)

1. 液晶層を挟む第１と第２の基板を有する液晶表示パネルと、この液晶表示パネルを裏面側から照明する照明装置とを備えた液晶表示装置であって、前記第１と第２の基板のうち前記照明装置寄りの基板の表面に、前記液晶表示パネルの画素に対応する集光レンズを形成してなり、前記集光レンズは、前記照明装置から照射された照明光の入射角度と、前記画素との位置に応じてその形成位置が規定されたレンチキュラーレンズであり、
   前記照明装置から液晶表示パネルの裏面側に照射される照明の入射光は液晶表示パネルの直角方向から傾斜されるとともに、
   前記レンチキュラーレンズは凸型の集光レンズを多数整列させたシート状であり、前記各集光レンズがその中心を液晶表示パネルのそれぞれの画素の中心に対して集光レンズに対する入射光の傾斜角度に相当する分の幅だけ集光レンズの幅方向にずれて前記液晶表示パネルの各画素に対応するように形成されてなることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記集光レンズは、同一線上に並んだ複数の前記画素に対応する一連の突条形状で、前記同一線に平行な一方向に延びる断面略半円形状の集光レンズであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記画素には、それぞれの画素の色を設定するカラーフィルタと、それぞれの画素の輝度を設定する開口が形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示装置。
4. 前記集光レンズを設けた側の基板に半透過反射膜が設けられ、前記画素に、前記半透過反射膜に積層するように色の三原色に対応する３つのカラーフィルタと、これら３つのカラーフィルタに対しそれらの幅方向に隣接配置されて前記半透過反射膜に重なるように透光部が設けられ、前記３つのカラーフィルタの形成位置に対応する半透過反射膜に光透過用の開口が形成され、前記透光部の形成位置に対応する半透過反射膜に光透過用の開口が形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液晶表示装置。

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