JPH05241140A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液晶表示装置の画面を明るくする。 【構成】 画素を形成する多数の開口Ａを有する液晶表
示素子２の光源４に対向する面に接してまたは離して，
各画素に対応するマイクロレンズ31を有するマイクロレ
ンズ・アレイ３が配置され，かつ光源４から各マイクロ
レンズ31に向う光軸が対応する開口を通るように各マイ
クロレンズ31の位置が定められている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】この発明は液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】液晶表示装置は，わずかな間
隙をあけて配置された２枚のガラス基板間に液晶が充填
されることにより構成されている。一方のガラス基板の
内面にはマトリクス状に多数の画素電極が設けられてい
る。他方のガラス基板の内面にはその全面に共通電極が
形成されているとともに，画素電極に対応する位置に多
数のフィルタ（たとえばカラーフィルタ）が設けられ，
カラーフィルタ相互間には遮光膜（ブラック・マトリク
ス）が形成されている。

【０００３】最近の高解像度化に伴い，画素数の多い液
晶表示装置が望まれている。各画素に画素電極が対応す
るので，画素数の増加させることは画素電極数を増加さ
せることに等しい。画素電極相互間には走査電極，信号
電極，三端子制御素子が設けられる。これらの画像表示
に直接関係しない電極，素子を覆い隠すために上述した
ように反対側のガラス基板に遮光膜が設けられる。画素
数を増大させるためにはこの遮光膜の幅をできるだけ狭
くする必要がある。そうすると，画素間でクロストーク
が生じ，表示画像に乱れが起きる。また，遮光膜の幅に
は限界があるから，画素数を増大させると遮光膜の占有
面積の全画面に対する割合が高くなり，画面が暗くなる
という問題がある。

【０００４】

【発明の開示】この遮光膜によって遮光される光を有効
に利用し，画面の明るい液晶表示装置を提供することを
目的とする。

【０００５】この発明による液晶表示装置は，画素を形
成する多数の開口を有する液晶表示素子の光源に対向す
る面に接してまたは離して，各画素に対応するマイクロ
レンズを有するマイクロレンズ・アレイが配置され，か
つ光源から各マイクロレンズに向う光軸が対応する開口
を通るように各マイクロレンズの位置が定められている
ものである。

【０００６】この発明によると，光源から出射しかつ液
晶表示素子に向う光は各マイクロレンズによって集光さ
れながら対応する開口を通って，液晶表示素子の前面か
ら出射する。光源から出射する光の多くが開口を通過し
て前面に出射するから，画面が明るくなる。

【０００７】

【実施例の説明】図１はこの発明による液晶表示装置を
用いた画像表示装置の構成例を示している。

【０００８】液晶表示装置１は液晶表示素子２とこれの
光源側に設けられた矩形マイクロレンズ・アレイ３とか
ら構成されている。光源としての白色燈４から発生した
光は直接に，または背面に配置された反射板５で反射し
て，ほぼ均一に矩形マイクロレンズ・アレイ３に投射さ
れ，液晶表示素子２から出射する。よく知られているよ
うに液晶表示素子２の個別電極への電圧印加を，表示す
べき画像を表わすデータによって制御することにより，
液晶表示素子２の画面に画像が表示される。

【０００９】図２および図３は液晶表示装置１の構成例
を示すものである。図２は矩形マイクロレンズ・アレイ
３が液晶表示素子２に一体的に形成された液晶表示装置
を示し，図３は矩形マイクロレンズ・アレイと液晶表示
素子２とが別体となっているものを示す。

【００１０】図２において，液晶表示素子２は，基本的
には，わずかの間隔（たとえば２μｍ程度）をあけて配
置された２枚のガラス基板21および22と，これらのガラ
ス基板21と22との間の空隙に充填された液晶20とから構
成されている。

【００１１】一方のガラス基板21の内面には，多数の画
素電極23が相互に絶縁された状態でマトリクス状に形成
されている。画素電極23相互間の間隙には，縦，横に配
置された走査電極，信号電極およびこれらの交点に位置
して三端子スイッチング素子（たとえばＦＥＴからなる
薄膜トランジスタ）（いずれも図示略）が設けられてい
る。これらの画素電極23，走査電極，信号電極および三
端子スイッチング素子を覆うように配向膜28がガラス基
板21の内面の前面に形成されている。

【００１２】他方のガラス基板22の内面には各画素電極
23に対向する位置にＲ，ＧおよびＢのカラー・フィルタ
25が形成されているとともに，走査電極および信号電極
に対応する位置に遮光膜（ブラック・マトリクス）26が
形成されている。カラー・フィルタ25の配列にはトライ
アングル配列，モザイク配列，ストライプ配列等がある
のはよく知られている。

【００１３】ガラス基板22の内面には，カラー・フィル
タ31を覆うように，透明樹脂層29を介して，その全面に
共通電極24が形成され，さらにその上に配向膜27が形成
されている。

【００１４】画素電極23および共通電極24は透明導電体
膜（たとえばＩＴＯ膜）により形成されている。これに
対して，走査電極，信号電極および遮光膜26は金属等の
不透明膜である。したがって，各画素において入射光が
透過できるのは画素電極23のある領域（これは遮光膜26
によって覆われていない領域と一致する）だけである。
この光の透過が可能な領域を開口Ａと呼ぶことにする。

【００１５】図２に示す液晶表示装置１においては，液
晶表示素子２のガラス基板22は矩形マイクロレンズ・ア
レイ３の基板と兼用されている。矩形マイクロレンズ・
アレイ３はガラス基板22上に形成された多数の矩形マイ
クロレンズ31を含む。これらの矩形マイクロレンズ31
は，後述するところから分るように，液晶表示素子２に
おける画素の開口Ａに対応して配置されている。

【００１６】図３に示す液晶表示装置１においては，矩
形マイクロレンズ・アレイ３は液晶表示素子２とは別体
に構成されている。矩形マイクロレンズ・アレイ３は，
ガラス基板32と，このガラス基板32上に形成された矩形
マイクロレンズ31とから構成されている。液晶表示素子
２の構成は図２に示すものと同じである。

【００１７】図４は矩形マイクロレンズ・アレイ３のマ
イクロレンズ31と液晶表示素子２における開口Ａとの対
応関係を模式的に示すものである。

【００１８】光源４から出射し，マイクロレンズ31の中
心と開口Ａの中心とを通る光線を仮定する。

【００１９】光源４からマイクロレンズ・アレイ３まで
の距離をＬ，マイクロレンズ・アレイ３から遮光膜26ま
での距離をｔ，マイクロレンズ31のピッチをａ，遮光膜
26の幅をｄｓ，開口Ａの幅（画素電極23の幅）をｄｇと
すると，ピッチａは次式で表わされる。

【００２０】 ａ＝（ｄｇ＋ｄｓ）×［Ｌ／（Ｌ＋ｔ）］ ‥式１

【００２１】（ｄｇ＋ｄｓ）は１画素の幅（または間
隔）に等しい。したがって，マイクロレンズ・アレイ３
におけるマイクロレンズ31のピッチａは，画素の幅のＬ
／（Ｌ＋ｔ）倍とすればよいことが分る。

【００２２】図５および図６は液晶表示装置の画面の明
るさについてマイクロレンズ・アレイ３を設けた場合と
設けない場合とで比較するための模式図である。

【００２３】液晶表示装置の画面の明るさは光源４が液
晶表示装置の画素を見込む角度に依存し，この見込み角
が大きいほど画面は明るくなる。

【００２４】図５においては，マイクロレンズ31を透過
する光がすべて対応する開口Ａを通過するものとする
と，光源４から液晶表示装置１に向う光の殆どすべてが
その画面から放射される。光源４が画素を見込む角度α
は光源４がマイクロレンズ31を見込む角度に等しい。

【００２５】図６においては光源４の出射光の一部は遮
光膜26によって遮光され，画面からは放射されない。光
源４が画素を見込む角度βは光源４が開口Ａを見込む角
度である。

【００２６】明らかにα＞βであるから，マイクロレン
ズ・アレイ３を設けた方が各画素に入射する光量が増大
する。マイクロレンズ・アレイ３を装荷することによ
り，光源の出射光の利用効率が向上し，その結果，液晶
表示装置１の画面が明るくなる。

【００２７】次に，マイクロレンズ・アレイ３を構成す
る個々のマイクロレンズ31の焦点距離の設定について説
明する。

【００２８】図７は液晶表示素子の前面にマイクロレン
ズ・アレイ３を配置した場合，図８はマイクロレンズ・
アレイを配置しない場合をそれぞれ示している。図７に
おいて，液晶表示素子の開口Ａから出射する光ビームの
広がり角α_n が，図８に示す液晶表示素子の対応する開
口Ａから出射する光ビームの広がり角β_n に等しくなる
ように，マイクロレンズ31の焦点距離ｆ_n を定めるもの
とする。ここでｎは開口Ａの番号で，光源から垂直に光
が入射する中央のものをｎ＝１，それから外方にいくに
したがってｎを順次１ずつ増大していくように割当てら
れている。

【００２９】図８において，ｎ番目の開口を通った光ビ
ームの広がり角β_n （rad.）は次式で与えられる。

【００３０】 β_n ＝２・ tan^-1（ｄ_n ／ｒ_n ） ‥式２ ここで ｄ_n ＝ｄｇ・ cosθ_n ‥式３ θ_n ＝ tan^-1｛［ｎ（ｄｇ＋ｄｓ）］／（Ｌ＋ｔ）｝ ‥式４ ｒ_n ＝［（Ｌ＋ｔ）² ＋ｎ² （ｄｇ＋ｄｓ）² ］^1/2 ‥式５

【００３１】図７において，マイクロレンズ31の径ａは
光源４からマイクロレンズ・アレイ３までの距離Ｌに比
べて充分小さいので，マイクロレンズ31に入射する光を
平行光と仮定する。

【００３２】ｎ番目の開口Ａを通って出射する光の広が
り角α_n （rad.）は次式で与えられる。

【００３３】 α_n ＝２・ tan^-1（ａ_n ／２ｆ_n ） ‥式６ ａ_n ＝ａ・ cosθ_n ‥式７

【００３４】α_n ＝β_n とするためには，マイクロレン
ズ31の焦点距離ｆ_n を ｆ_n ＝（１／２）（ａ／ｄｇ）ｒ_n ‥式８ とすればよい。

【００３５】図９は矩形マイクロレンズ・アレイが液晶
表示素子に一体的に形成された図２に示す液晶表示装置
の製造工程を示している。

【００３６】マイクロレンズ・アレイの原盤を電子線描
画法などで作成し，電鋳法によりマイクロレンズ・アレ
イのスタンパ９を作成する（図９(A) ）。

【００３７】次に，ＵＶ（紫外線）硬化樹脂８を適量ス
タンパ９上に滴下する（図９(B) ）。

【００３８】さらにその上から液晶表示素子２を押しつ
けた後，ＵＶ光を照射し，ＵＶ硬化樹脂を硬化させる
（図９(C) ）。

【００３９】最後にスタンパ９を離せば，マイクロレン
ズ・アレイ一体集積型液晶表示装置４が完成する（図９
(D) ）。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による液晶表示装置を用いた画像表示
装置を示す斜視図である。

【図２】この発明による液晶表示装置の実施例を示す断
面図である。

【図３】液晶表示装置の他の実施例を示す断面図であ
る。

【図４】液晶表示素子の開口とマイクロレンズ・アレイ
のマイクロレンズとの関係を示す模式図である。

【図５】マイクロレンズ・アレイを有する液晶表示装置
の画面が明るくなる様子を示す。

【図６】マイクロレンズ・アレイを持たない液晶表示装
置の画面が相対的に暗くなる様子を示す。

【図７】マイクロレンズ・アレイを有する液晶表示装置
における光ビームの広がり角を示す。

【図８】マイクロレンズ・アレイを持たない液晶表示装
置における光ビームの広がり角を示す。

【図９】(A) から(D) は液晶表示装置の製造工程を示
す。

【符号の説明】

１ 液晶表示装置 ２ 液晶表示素子 ３ マイクロレンズ・アレイ ４ 光源 31 マイクロレンズ Ａ 開口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画素を形成する多数の開口を有する液晶
   表示素子の光源に対向する面に接してまたは離して，各
   画素に対応するマイクロレンズを有するマイクロレンズ
   ・アレイが配置され，かつ光源から各マイクロレンズに
   向う光軸が対応する開口を通るように各マイクロレンズ
   の位置が定められている，液晶表示装置。