JPH05143004A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 入射光が散乱光であっても、該入射光を簡単
な構成で確実に画素電極上に有効に集光することができ
るマイクロレンズアレイを有する液晶表示装置を提供す
る。 【構成】 液晶表示装置において、マイクロレンズアレ
イを光源側の透明基板の液晶層側の面に形成し、該形成
したマイクロレンズアレイと画素電極との間の距離ｄ
と、マイクロレンズアレイのレンズ間ピッチｘとの比ｄ
／ｘを、５以下であるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低消費電力型の透過型
液晶ディスプレイを有する液晶表示装置に係り、特に、
入射光が散乱光であっても、該入射光を画素電極上に有
効に集光するのに好適な液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、携帯用パーソナルコンピュータ
ー、ワードプロセッサー、液晶テレビなどの低消費電力
型の透過型液晶ディスプレイを有する液晶表示装置にお
いては、図７に示すように光源光の集光用のマイクロレ
ンズを使用しないものと、図８に示すように光源側にマ
イクロレンズを使用するものとがある。図７，８は液晶
表示装置の断面の一部分を示す。

【０００３】図７において、１ａは光源側Ａの透明基
板、１ｂは透明基板１ａに相対配置されている表示画面
側Ｂの透明基板で、両透明基板は一対になっている。２
は相対する透明基板１ａ，１ｂ間に液晶を封入して形成
された液晶層、３ａは透明基板１Ａの液晶層２側の面上
にマトリックス状に多数配列形成された画素電極で、画
素電極３ａのうち特定の電極に電圧を印可する事により
該箇所の液晶の光透過率を変化させ、背後からの照明光
４、すなわちバックライトの透過光点集合により画像を
表示する。３ｂは共通電極、５は画素電極３ａと同一面
で、配線，素子等の光の透過しない画素電極３ａ以外の
部分、６は偏向板、７は配向膜である。照明光４が透明
基板１ａに入射されると、その入射光のうち、透明基板
１ａ上の画素電極３ａを通過した光のみが画像形成に寄
与し、画素電極３ａ以外の配線，素子等５の光の透過し
ない部分に照射された光は反射されて、画像形成に寄与
しないようになっている。

【０００４】上記図７に示す構成においては、入射光が
有効に利用されず、画面が暗くなるという問題があり、
この開口率が小さくなるという問題は、液晶表示装置の
カラー化、高精細化に伴い、配線，素子等５の光の透過
しない部分の面積比率が増大するため一層顕著に現れて
くる。この問題を解決するために、これまでは主として
照明光源の消費電力を大きくし、画面を明るくする方法
が採られてきたが、携帯用の小型電子機器等における表
示装置としては、消費電力を極力抑える必要があり、照
明光源の消費電力を増加させる事なくこの問題を解決す
る方法が要求され、図８に示すように、透明基板１ａの
光源側表面近傍にマイクロレンズアレイ８を形成し、入
射光を画素電極３ａ上に集光させて見かけ上の開口率を
向上させ、画面表示を明るくすることが提案されている
（例えば、特開昭６０ー１６５６２３，特開平２ー１８
１６，特開平２ー８９０２５，特開平２−２５１９０
２，特開平２−２５７１１９）。この場合のマイクロレ
ンズの形成方法は、一般のホトリソグラフィやリフトオ
フ、メタルマスク、イオン注入等の技術によって行われ
ている。なお、図８において、図７と同符号のものは同
じものを示す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、見かけ
上の開口率を向上させるために、マイクロレンズアレイ
８を透明基板１ａの光源側Ａに形成した場合、マイクロ
レンズアレイ８への入射光がすべて透明基板１ａに垂直
な光線の場合は、図９（ａ）に示すように、ほとんどす
べての入射光が対応する画素電極３ａ上に集光されるた
め、マイクロレンズアレイ８を用いない場合に比べて明
るい画面の液晶表示装置が得られる。しかしながら、実
際には透明基板１ａへの入射光は入射角が垂直な場合ば
かりではなく、斜めから入射する場合も多い。特に、画
面全体の明るさが均一になるように透明基板１ａと光源
間に図示しない反射板や散乱板を設けた場合には、透明
基板１ａに対する入射光はさまざまな方向からの散乱光
となる。従ってこの場合には、図９（ｂ）に示すよう
に、１つのマイクロレンズに対して１つの焦点が定まら
ないことから集光されないことになる。これは、マイク
ロレンズアレイ８を透明基板１ａの光源側Ａの表面近傍
に形成した場合には、透明基板１ａの厚み寸法５００〜
１０００μｍが各画素電極３ａ間のピッチ５０〜１００
μｍに比べて大きく、このため、マイクロレンズアレイ
８と画素電極３ａとの間の距離ｄと、マイクロレンズア
レイ８のレンズ間ピッチｘとの比ｄ／ｘが５を超える値
となり、散乱光からなる入射光を画素電極３ａ上に有効
に集光させることができないからである。このように、
焦点を結ぶべき画素電極３ａとマイクロレンズアレイ８
との距離ｄが、マイクロレンズ間ピッチｘに比べて大き
い場合には、各マイクロレンズと画素電極３ａが１対１
に対応せず、散乱光からなる入射光を画素電極３ａ上に
有効に集光させることができない問題点を有していた。

【０００６】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、
入射光が散乱光であっても、該入射光を簡単な構成で確
実に画素電極上に有効に集光することができるマイクロ
レンズアレイを有する液晶表示装置を提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、光源と、該光源側と表示画面側との一対
の相対する透明基板と、該透明基板に前記光源の照射光
を集光して通過させるレンズ間ピッチ一定に形成された
マイクロレンズアレイと、前記透明基板間に、液晶層を
介挿するとともに前記マイクロレンズアレイを通過した
光を受光するようにマトリックス状に配列形成された画
素電極とを備え、前記画素電極に対する印加電圧を変化
させて前記液晶層を通過する光量を制御して画像表示を
行う液晶表示装置において、前記マイクロレンズアレイ
を前記光源側の透明基板の液晶層側の面に形成し、該形
成したマイクロレンズアレイと前記画素電極との間の距
離ｄと、前記マイクロレンズアレイのレンズ間ピッチｘ
との比ｄ／ｘを、５以下であるように構成したものであ
る。

【０００８】また、光源と、該光源側と表示画面側との
一対の相対する透明基板と、該透明基板に前記光源の照
射光を集光して通過させるレンズ間ピッチ一定に形成さ
れたマイクロレンズアレイと、前記透明基板間に、液晶
層を介挿するとともに前記マイクロレンズアレイを通過
した光を受光するようにマトリックス状に配列形成され
た画素電極とを備え、前記画素電極に対する印加電圧を
変化させて前記液晶層を通過する光量を制御して画像表
示を行う液晶表示装置において、前記マイクロレンズア
レイを前記光源側の透明基板の液晶層側の面に形成し、
該形成したマイクロレンズアレイと前記画素電極との両
者間に該両者間を任意の距離に設定可能な透明中間層を
形成し、該透明中間層の厚さを含む前記マイクロレンズ
アレイと画素電極との間の距離ｄと、前記マイクロレン
ズアレイのレンズ間ピッチｘとの比ｄ／ｘを、５以下で
あるように構成したものである。

【０００９】そして、前記マイクロレンズアレイと画素
電極との間の距離ｄと、前記マイクロレンズアレイのレ
ンズ間ピッチｘとの比ｄ／ｘを、１以上３以下に構成す
ることが好ましい。

【００１０】

【作用】上記構成としたことにより、入射光として透明
基板に対して垂直光が入射した場合はもちろんのこと、
さまざまな入射角を有する散乱光が入射した場合におい
ても、各マイクロレンズを通過した光の大部分は対応す
る画素電極上に有効に集光されることが後述する実験に
より確認され、前記従来技術のマイクロレンズアレイを
透明基板の光源側表面近傍に形成した場合に比べて、画
素電極上で少なくとも２倍以上の照度が得られることが
確認された。

【００１１】そして、同実験において、マイクロレンズ
アレイと画素電極との間の距離ｄと、マイクロレンズア
レイのレンズ間ピッチｘとの比ｄ／ｘ（以下、単にアス
ペクト比ｄ／ｘという）のより好ましい値は、光源光の
入射角度分布や使用するマイクロレンズの特性にもよる
が、１以上３以下が好ましく、一方、アスペクト比が５
を超えた場合には、斜めからの入射光が対応する画素電
極以外の部分に到達し、結果としてマイクロレンズアレ
イが有効に作用しないため好ましくないことも確認され
た。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図６を参
照して説明する。図１は本発明の第１の実施例の液晶表
示装置の断面の一部分を示す図、図２は図１の構成に対
応する実験用のマイクロレンズアレイ基板の断面図、図
３は前記図８の構成に対応する実験用のマイクロレンズ
アレイ基板の断面図、図４はアスペクト比ｄ／ｘと画素
電極における光の透過量との関係を示すグラフ、図５は
図１における入射光の光路の例を示す図、図６は本発明
の第２の実施例の液晶表示装置の断面の一部分を示す図
である。図中、図７ないし図９と同符号のものは同じも
のを示す。

【００１３】図１において、マイクロレンズアレイ８は
透明基板１ａの液晶層２側の面上に形成される。マイク
ロレンズの形成方法は前記従来の方法と同様である。９
はマイクロレンズアレイ８と画素電極３ａとの間を任意
の距離に設定可能にするとともに、画素電極３ａや駆動
回路のための配線等の形成表面を平滑にしてそれらが容
易に形成できるように、マイクロレンズアレイ８と画素
電極３ａとの間に設けられた透明中間層である。透明中
間層９は、本実施例においては光透過率の高い熱硬化性
の樹脂が使用され、この樹脂をマイクロレンズ８上に塗
布した後硬化させ、所望の厚さ（本実施例の場合、マイ
クロレンズアレイ８と画素電極３ａとの間の距離に同
じ）ｄを形成した。この厚さｄの確保のために、樹脂を
塗布した後硬化させる工程を複数回繰り返すようにして
も良い。所望の厚さｄと平滑な表面を有する透明中間層
９を形成した後、透明中間層９の液晶層２側の面に、画
素電極３ａや駆動回路のための配線等が形成される。本
実施例においては透明基板１ａの厚さは７００μｍ、透
明中間層９の厚さｄ＝１００μｍ、マイクロレンズアレ
イ８のレンズ間ピッチｘ＝は８０μｍであり、アスペク
ト比ｄ／ｘ＝１．２５に設定されている。

【００１４】上記図１に示す実施例は、以下図２，図３
を参照して説明する実験に基づいて設定されたものであ
る。実験はアスペクト比ｄ／ｘと画素電極３ａを透過す
る透過量との関係を得ることを目的としたもので、アス
ペクト比ｄ／ｘをいくつか変えたマイクロレンズアレイ
基板を試作した。図２に示すマイクロレンズアレイ基板
は、図１に示す液晶表示装置を簡略化したもので、画素
電極３ａおよび配線，素子等５の代わりに、レンズ間ピ
ッチｘと同一ピッチｙの光の透過する開口部３ａ´と透
過しない遮光部５´とを設け、透明基板１ｂ，液晶層
２，共通電極３ｂ，偏向板６，配向膜７は省いてある。
この様な構成において、透明基板１ａの厚さを７００μ
ｍ、透明中間層９の厚さｄを１００μｍとし、マイクロ
レンズ間ピッチｘを２０，５０，１００，２００μｍに
変えた４種類を試作した。

【００１５】一方、図３に示すマイクロレンズアレイ基
板は、前記従来技術の図８に示す液晶表示装置を簡略化
したもので、前記図２と同様に、画素電極３ａおよび配
線，素子等５の代わりに、光の透過する開口部３ａ´と
透過しない遮光部５´とを設け、透明基板１ｂ，液晶層
２，共通電極３ｂ，偏向板６，配向膜７を省いている。
そして、マイクロレンズアレイ８と画素電極３ａとの間
の距離ｄに相当する透明基板１ａの厚さを８００μｍと
し、その光源側Ａの表面にマイクロレンズ間ピッチｘ＝
８０μｍのマイクロレンズアレイ８を設けたもの１種類
を試作した。

【００１６】上記試作した５種類のアスペクト比ｄ／ｘ
は、それぞれ５，２，１，０．５および１０に対応す
る。また、画素電極３ａに相当する開口部３ａ´の面積
は、マイクロレンズアレイ８の面積の１／５に一定と
し、さらに、マイクロレンズアレイ８の形状・屈折率等
の特性は、それぞれのマイクロレンズ間ピッチｘの値に
応じて光の透過率が最大になるように設定されている。

【００１７】図４は、上記５種類のマイクロレンズアレ
イ基板に、反射板、散乱板等により散乱された蛍光灯か
らの光を照射し、開口部３ａ´を透過した透過光線の強
度を測定し、アスペクト比ｄ／ｘ＝１０の場合の光強度
を１としてプロットしたグラフである。このグラフか
ら、アスペクト比ｄ／ｘが５以下の場合には、マイクロ
レンズアレイ８を透明基板１ａの光源側Ａの表面に形成
した前記従来技術の場合のおよそ２倍以上の透過量が得
られ、また、アスペクト比ｄ／ｘが１以上３以下の場合
には、従来に比べて５倍以上の透過量が得られる事がわ
かる。もっとも、図４に示すグラフは上述の光源を用い
た場合の一例であり、別の角度分布を有する散乱光光源
の場合には、当然に定量的に値の若干異なるグラフにな
ると思われるが、アスペクト比ｄ／ｘに対する透過量比
の変化は、どの角度分布の散乱光光源の場合でも定性的
には同様になることが容易に推定できる。この結果、ア
スペクト比ｄ／ｘを５以下にすることにより、入射光を
効率的に画素電極３ａに集光することができ、従来に比
べて少なくとも２倍以上の明るい画面の液晶表示装置を
得ることが可能になる。

【００１８】図５は、前記図１における入射光の光路の
例で、図５（ａ）は入射光が透明基板１ａに垂直な場合
を示す。このとき入射光はマイクロレンズアレイ８によ
って集光され、その大部分が画素電極３ａを通過する。
図５（ｂ）は入射光が散乱光の場合であるが、前述の如
くアスペクト比ｄ／ｘが１．２５に設定されているた
め、前記図４に示すように透過量比の値は大きく、大部
分の入射光はマイクロレンズアレイ８により画素電極３
ａ上に有効に集光され、配線、素子等５で反射されるこ
とが少ない。このように本実施例によれば、液晶画面の
明るさは、前記した簡単な構成にもかかわらず、マイク
ロレンズアレイ８を用いない場合に比べて大幅に向上
し、さらに、マイクロレンズアレイ８を透明基板１ａの
光源側Ａの表面に形成した場合に比べても少なくとも２
倍以上に向上させることが可能になった。

【００１９】図６に本発明の第２の実施例を示す。本実
施例は、画素電極３ａを表示画面側Ｂの透明基板１ｂの
液晶層２側の面に設け、該画素電極３ａと透明基板１ａ
の液晶層２側に設けたマイクロレンズアレイ８との距離
ｄを１００μｍに設定したものである。この距離ｄの確
保は、マイクロレンズアレイ８を形成している透明基板
１ａと液晶層２との間に、透明フィルムを介設して透明
中間層９を形成して行われている。そして、マイクロレ
ンズアレイ８のレンズ間ピッチｘ＝５０μｍ、アスペク
ト比ｄ／ｘ＝２に設定されている。本実施例によれば、
前記第１の実施例と同様に入射光が散乱光である場合で
も、アスペクト比ｄ／ｘが２に設定されているため、前
記図４に示すように透過量比の値は大きく、大部分の入
射光はマイクロレンズアレイ８により画素電極３ａ上に
有効に集光され、配線、素子等５で反射されることが格
段に少なくなる。従って、液晶画面の明るさを、上記し
た簡単な構成でバックライトの消費電力を増加させるこ
となく、少なくとも前記従来の５倍以上に向上させるこ
とが可能である。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、液晶表
示装置におけるマイクロレンズアレイを、光源側の透明
基板の液晶層側の面に形成し、アスペクト比ｄ／ｘの大
きさを５以下としたことにより、入射光が散乱光であっ
ても、該入射光を簡単な構成で確実に画素電極上に有効
に集光することができ、画素電極における光の透過量
を、マイクロレンズアレイを光源側の透明基板の光源側
表面に設けた従来の構成に比べて２倍以上向上させ、バ
ックライトの消費電力を増すことなく明るい画面を得る
ことができる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の液晶表示装置の断面の
一部分を示す図である。

【図２】図１の構成に対応する実験用のマイクロレンズ
アレイ基板の断面図である。

【図３】図８の構成に対応する実験用のマイクロレンズ
アレイ基板の断面図である。

【図４】アスペクト比ｄ／ｘと画素電極における光の透
過量との関係を示すグラフである。

【図５】図１における入射光の光路の例を示す図であ
る。

【図６】本発明の第２の実施例の液晶表示装置の断面の
一部分を示す図である。

【図７】従来のマイクロレンズを使用しない液晶表示装
置の断面図である。

【図８】従来のマイクロレンズを使用した液晶表示装置
の断面図である。

【図９】従来の液晶表示装置における入射光の光路の例
を示す図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ…透明基板、２…液晶層、３ａ…画素電極、
３ｂ…共通電極、４…照明光、５…配線，素子等、６…
偏向板、７…配向膜、８…マイクロレンズアレイ、９…
透明中間層、Ａ…光源側、Ｂ…表示画面側。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、該光源側と表示画面側との一対
   の相対する透明基板と、該透明基板に前記光源の照射光
   を集光して通過させるレンズ間ピッチ一定に形成された
   マイクロレンズアレイと、前記透明基板間に、液晶層を
   介挿するとともに前記マイクロレンズアレイを通過した
   光を受光するようにマトリックス状に配列形成された画
   素電極とを備え、前記画素電極に対する印加電圧を変化
   させて前記液晶層を通過する光量を制御して画像表示を
   行う液晶表示装置において、前記マイクロレンズアレイ
   を前記光源側の透明基板の液晶層側の面に形成し、該形
   成したマイクロレンズアレイと前記画素電極との間の距
   離ｄと、前記マイクロレンズアレイのレンズ間ピッチｘ
   との比ｄ／ｘが、５以下であることを特徴とする液晶表
   示装置。
2. 【請求項２】 光源と、該光源側と表示画面側との一対
   の相対する透明基板と、該透明基板に前記光源の照射光
   を集光して通過させるレンズ間ピッチ一定に形成された
   マイクロレンズアレイと、前記透明基板間に、液晶層を
   介挿するとともに前記マイクロレンズアレイを通過した
   光を受光するようにマトリックス状に配列形成された画
   素電極とを備え、前記画素電極に対する印加電圧を変化
   させて前記液晶層を通過する光量を制御して画像表示を
   行う液晶表示装置において、前記マイクロレンズアレイ
   を前記光源側の透明基板の液晶層側の面に形成し、該形
   成したマイクロレンズアレイと前記画素電極との両者間
   に該両者間を任意の距離に設定可能な透明中間層を形成
   し、該透明中間層の厚さを含む前記マイクロレンズアレ
   イと画素電極との間の距離ｄと、前記マイクロレンズア
   レイのレンズ間ピッチｘとの比ｄ／ｘが、５以下である
   ことを特徴とする液晶表示装置。
3. 【請求項３】前記マイクロレンズアレイと画素電極との
   間の距離ｄと、前記マイクロレンズアレイのレンズ間ピ
   ッチｘとの比ｄ／ｘが、１以上３以下である請求項１ま
   たは２記載の液晶表示装置。