JPH0769533B2

JPH0769533B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH0769533B2
Application number: JP63164484A
Authority: JP
Inventors: 文明船田; 浩浜田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1988-06-30
Filing date: 1988-06-30
Publication date: 1995-07-31
Anticipated expiration: 2010-07-31
Also published as: JPH0212224A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、表示明度を向上した液晶表示装置に関し、さ
らに詳細には、カメラのファインダ表示やテレビジョン
などの透過型表示に要求される、表示明度を向上した高
精細マトリックス型液晶表示装置に関するものである。

＜従来の技術＞従来から、液晶の電気光学効果を画像表示に利用した表
示装置として液晶表示パネルが開発されている。この液
晶表示パネルは、基本的には、ドット・マトリックス状
に配列された多数の画素により構成されており、この各
画素は一対の透明な基板のそれぞれ向かい合った面に設
けられた透明電極及び、これらの透明電極間に印加され
た電圧に応じて入射光を光学変調する液晶層とから成っ
ている。

液晶表示パネルの動作モードには、前記液晶層として封
入する液晶の種類あるいは電気光学的性質の差異に応じ
て、ツイステッドネマティック（以下、「TN」と略す）
モード、スーパーツイステッドマティック（以下、「ST
N」と略す）モード、ゲスト・ホスト（以下、「GH」と
略す）モード、ダイナミックスキャッタリング（以下、
「DSM」と略す）モード、相転移モードなどの多くのモ
ードが開発されている。それらの液晶層と透明電極とか
ら成る個々の表示画素を個別に制御する方式に関して
も、以下各方式についての説明が行われるように、
（１）単純マトリックス方式、（２）多重マトリックス
方式、（３）非線型二端子素子を付加した方式、（４）
スイットング三端子素子を付加した方式などがある。

しかし、上述のいずれの方式についても、表示の明度を
低下させる原因が存在する。理想的な表示状態として、
表示が行われるパネル全面積について明度が一様である
場合を想定して、表示領域の全面積Ｓに対する表示領域
の全面積Ｓと表示に寄与しない部分の面積Ｎとの差Ｓ−
Ｎ（以下、「全画素の有効面積Ｅ」という）の比を開口
率Ｐとして次式のように定義するならば、表示の開口率
Ｐの低下はほぼ表示明度の低下に等しいと考えることが
できる。

Ｐ＝E/S;E＝Ｓ−Ｎ …（１）Ｐ＝１−N/S …（２） P:開口率 E:全画素の有効面積 S:表示領域の全面積 N:表示に寄与しない部分の面積したがって、第１式を変形した第２式からも判るよう
に、表示領域の全面積Ｓに対する表示に寄与しない部分
の面積Ｎの比N/Sが増大すると開口率Ｐは低下、すなわ
ち、表示明度も低下することになる。

以下、画素を個別に制御する方式に従って、開口率Ｐが
どのような原因によって低下し、表示明度が低下するか
を説明する。

（１）単純マトリックス方式二枚の基板のそれぞれに帯状の平行電極群を列設し、そ
れらが基板間で直交するように基板を貼り合わせて液晶
を注入しパネルを構成する。一方の行電極（走査電極）
には順次、行選択信号が印加される。他方の列電極（信
号電極）には行選択信号と同期して画像信号が印加され
る。したがって、行電極と列電極の交差領域が画素とな
り、両電極に挟まれた液晶の両者の電位差に応答して、
画素毎に光学的変調を受けることとなる。

液晶は強誘電性のものを除いては、一般に実効値に応答
する特性を有し、急峻なしきい値特性をもたないことか
ら、各画素は電気的に独立していないためにクロストー
クが生じてしまう。したがって、クロストーク・マージ
ンに対するダイナミック・レンジの点から走査線数をあ
まり大きく設定することはできない。しかし、その範囲
内で画素ピッチを小さくして、微細なマトリックスを構
成した場合で、ショート防止のため非電極部の面積を多
く取った場合や、特に透明導電膜の代わりに金属配線に
よって走査電極を構成した場合にはその部分に表示のた
めの光源光が入射しても不活性もしくは不透明であるた
めに表示に寄与することはなく、これらによって前記開
口率の低下が生じる。

（２）多重マトリックス方式これは単純マトリックス方式の電極を変形することによ
って、走査電極の数を減らした分だけ信号電極の数を増
し、全画素数の減少を防いだものである。このような多
重マトリックス方式を用いると、各画素に加えられる電
圧のデューティ比（duty ratio）が大きくなるので、鮮
明な画像が得られやすくなる。その半面多重マトリック
ス方式では、電極の形状が複雑になり配線抵抗が高くな
り易い。そのため、透明導電膜だけでは配線抵抗が充分
低く抑えることができない場合には金属配線が併用され
る。電極の形状が複雑になると、画素電極周囲のブラン
クあるいはギャップといった間隙の割合で増加し、また
金属配線を併用することによって、表示面積のうちの表
示に寄与しない部分あるいは不透明部分の割合が増加
し、これによって開口率は低下する。

（３）非線形二端子素子を付加した方式これは画素間のクロストークを抑制するために各画素電
極と信号電極との間にバリスタ、MIM（Metal Insulator
Metal）、バックトゥバックダイオード（Backto Back
Diode）などの非線形素子を直列に挿入したものであ
る。非線形素子を付加することによってクロストークを
抑えることは可能であるが、非線形素子を付加する領域
を画素とは別に設けなければならないため、その分だけ
表示に用いることができる面積は減少し、これによって
開口率の低下が生じる。

（４）スイッチング三端子素子を付加した方式画素電極と信号電極と走査電極とにスイッチングトラン
ジスタを付加して、このスイッチングトランジスタを用
いて各画素を個別に駆動する方式がある。画素電極の選
択期間中に液晶に駆動電圧が印加されるとコンデンサと
しての液晶層と必要に応じて並設された蓄積コンデンサ
も同時に充電され、それが画素電極の非選択期間中には
液晶に印加される電圧を保持する。液晶自体も容量性の
負荷であり、その時定数が駆動の繰り返し周期に比べて
充分大きい場合には、蓄積コンデンサを省略することが
できる。スイッチングトランジスタとしては、ガラスや
石英基板上に形成した薄膜トランジスタ（Thin Film Tr
ansistor、以下、TFTと略記する）、またはシリコン・
ウエハ上に回路を形成したMOS（Metal Oxide Semicondu
ctor）型電界効果トランジスタ（MOS−FET）や、サファ
イヤ基板上にシリコン回路が形成されたSOS（silicon o
n Sapphire）素子などが用いられる。この方式は、クロ
ストークが少なく、他の走査電極を走査しているときで
も、ある画素の液晶に印加される電圧を他の画素の液晶
に印加される電圧から独立して保持することができるの
で画素密度を高めることができる。また、信号電圧の強
弱による中間調表示も容易である。しかし、前述の非線
形素子を付加した方式と同様に、画素とは別にスイッチ
ングトランジスタや蓄積コンデンサを付加する領域を設
けなければならないため、その分だけ表示に用いること
が可能な画素の有効面積が減少し開口率が低下する。

液晶表示パネルのうちでも特にカラー液晶表示パネルで
は、たとえば着色表示の色として加法三原色を設定すれ
ば、入射光のスペクトル中で三原色中の一色のスペクト
ル領域しか利用されず、残りの成分は着色手段によって
吸収される。さらに偏光板を使用する液晶動作モードの
場合には、利用できる光量はさらに半減するので、照明
手段を設けない反射型の表示方式などでは非常に暗い表
示となる。このため、照明手段として白熱電球、蛍光
灯、EL（エレクトロルミネッセンス）パネルなどの光源
を設けたり、周囲光を液晶表示パネルの背面に導くため
の手段が講じられる。しかし、液晶表示パネルの携帯用
機器への応用を図る場合には電源容量の制約が厳しいの
で、光源の発光効率の向上、およびその光源光をいかに
有効に液晶表示に利用できるかで液晶表示の明るさが決
ってくる。

以上のように、開口率を低下させた表示明度を低下させ
る原因としては、画素の制御方式（１）〜（４）に従っ
て述べた、（ａ）電極の金属配線（ｂ）付加された非線形素子またはスイッチング素子（ｃ）画素電極周囲の間隙（ｄ）表示の制御はされないが、表示のコントラストを
向上させるめのブラックマトリックス部分などがある。

液晶表示パネルをカメラのファインダ表示やテレビジョ
ンなどの透過型表示に用いる場合、表示パネル（又はラ
イトバルブパネル）面積が小さくかつ画素数が多い必要
がある。このような高精細度画像の再生を要する液晶表
示パネルでは、画素電極を構成する走査電極と信号電極
のピッチを小さくしなければならない。たとえば画素ピ
ッチが1mm当り５本（200μｍピッチ）の場合、開口率は
通常の設計でTFTを用いたパネルの場合約50％である
が、画素ピッチを小さくすると当然開口率はこれ以下に
低下する。例えば、90μｍピッチの場合には、現行ホト
リソグラフィルールでは開口率は10％程度となる。すな
わち液晶表示パネルの構成要素のすべてを相似的に縮小
できれば開口率は変化しないが、ホトリソグラフィに於
ける電極のエッチング精度や位置合せ精度には、１μｍ
〜10μｍ程度と限界があり、またバスラインの幅は電気
抵抗の点からバスライン用の金属配線の幅や付加素子の
大きさは或る程度以下には小さくできない。したがっ
て、プロジェクション表示のライトバルブ用や小型ファ
インダー用の用途で用いられる場合の様に、液晶パネル
の外形寸法を固定して画素ピッチを小さくしていくと開
口率が必然的に低下してしまう。

第５図は、液晶表示パネルにおける１表示単位領域を示
す図であり、画素を制御するスイッチング素子としてTF
T（Thin Film Transistor）が用いられている。TFTはガ
ラスなどの透明な絶縁性基板の上にゲート電極51,ゲー
ト絶縁膜（図示せず）、半導体膜52、ソース電極53およ
びドレイン電極54が順次パターン化され、積層されて構
成されている。ドレイン電極54には画素電極55および必
要に応じて設けられる蓄積コンデンサ（図示せず）が接
続される。ゲート電極51にはゲート線GLを介して周期的
に走査パルスが印加され、TFTは導通（オン）状態にさ
れる。これに同期してソース電極53にはソース線SLを介
して画像信号が印加され、TFTを通じて画素電極55およ
び必要に応じて電気的に並列に設けられた蓄積コンデン
サに印加され液晶を駆動する。

第５図を参照して以下に、１表示単位領域および開口率
について説明する。１表示単位領域56は、表示に直接寄
与する領域57と、表示には直接寄与しない領域58とから
成る。領域57は画素電極および電圧の印加を受けた画素
電極によって配向に変化を受ける液晶層とから成り、入
射光は液晶層によって光学的に変調された後、透明な画
素電極55を通して表示される。表示に直接寄与しない領
域58は、画素電極55に電圧を選択的に印加するためのゲ
ート電極51、ソース電極53、TFT素子およびゲート線GL
やソース線SLなどの配線と画素電極周囲のブランク、ギ
ャップといった間隙59から成る。したがって、液晶表示
パネルの１表示単位領域に対する開口率は、１表示単位
領域56の全面積ｓと、面積ｓのうち表示には直接寄与し
ない走査電極GL、信号電極SL、TFT素子、およびそれら
の配置や画素電極周囲の間隙59などの面積ｎとの差ｓ−
ｎを、１表示単位領域56の全面積ｓで除すことによって
算定される。

＜発明が解決しようとする問題点＞上述のように、表示自体には寄与しない表示領域周囲の
間隙あるいは金属配線や付加素子などの不透明部分によ
って、入射光は表示のための液晶層による光学的変調が
行われずに、あるいは遮断されて開口率が低下する。し
たがって開口率とは液晶表示パネルに入射した光の中で
表示のために制御可能な光の割合であると言い換えるこ
とができる。同じ照射条件で観察しても開口率の高い液
晶表示パネルは相対的に明るく見え、開口率の低いパネ
ルは相対的に暗く見える。このように従来では、表示の
明るさは開口率に大きく存在しており、画素と画素との
間の不透明部分は黒い縁取りとなって見え画質は粗いも
のになっていた。

上記したような開口率が小さいことに起因する表示の
「暗さ」を解消する方法として、本出願人は先に、液晶
表示装置の表示面に複眼レンズあるいはレンティキュラ
ーレンズを用いた発明をなし特願昭59−118707「液晶表
示装置」として提案している。

本出願人が先に提案した液晶表示装置の特徴的要素であ
る複眼レンズあるいはレティキュラーレンズは、液晶パ
ネルを構成する透明基板をそのように成型して一体化し
ても良いし、また液晶パネルを構成する基板とは別に成
型したものを用いても良い。しかし、いずれの場合にも
金型による成型法では絵素の大きさを小さくし、高精細
化するには製作精度及び貼り合せ精度等で技術的な限界
があり、また金型の製作費も非常に高くつくため、不向
きである。

上記の問題点を解決するため、本出願人は先に透明電極
が形成されている透明基板の屈折率を各絵素の位置に対
応して部分的に異ならせるようにした液晶表示装置を昭
和63年６月11日付特許願として提案しているが、本発明
は更に改良を加えたものである。

即ち本発明は、高精細度の液晶表示装置において発生す
る開口率の低下による表示の「暗さ」、「粗さ」を更に
改善して、開口率の変化にあまり影響されない「明る
く」「滑らか」な表示が得られる液晶表示装置を提供す
ることを目的としている。

＜問題点を解決するための手段＞上記の目的を達成するため、本発明は基本的に相互に対
向する一対の透明基板を有し、表示画素を含む表示単位
領域が行列状に構成された液晶表示装置において、少な
くとも一方の透明基板にモノリシック状態で上記の表示
単位領域毎に形成される光学的レンズ手段を具備し、即
ち、少なくとも一方の透明基板は上記の各表示単位領域
の位置に対応して、入射光を表示画素内に集光するよう
に屈折率を部分的に異ならせた凸レンズ効果を具備する
領域を稠密配列した構成となすと共に、上記の表示単位
領域の中心がデルタ配列となる配列でもって構成するよ
うになしている。

＜作用＞本発明に従えば、相互に対向する一対の透明基板を有
し、規則的に配列された複数の表示単位領域で構成さ
れ、各表示単位領域中に表示に寄与しない領域を含む液
晶表示装置において、少なくとも光源光の入射側の透明
基板、さらには液晶によって光学的変調を受けた後出て
行く側の透明基板に、モノリシック状態で上記の表示単
位領域毎に屈折率を部分的に異ならせた凸レンズ効果を
有するレンズ領域が形成される。これによって入射光は
表示画素内の、表示に有効な領域に表示画素毎に集光さ
れる。また、入射光が変調後出て行く透明基板に各表示
単位領域の位置に対応して屈折率を部分的に異ならせた
領域を形成した場合には表示に有利な集光がなされ表示
が行われる。

上記の透明基板に形成した部分的に屈折率を異ならせた
領域によって入射光は、表示単位領域の表示に有効な領
域に表示画素毎に集光されるため従来のように表示自体
には直接寄与しない表示画素周囲の金属配線や付加素子
などの不透明部分に入射光が照射されることはなく、入
射光の損失は抑えられる。また、スイッチング素子など
に強照度の光が照射されることによる表示特性劣化も防
止される。これによって、従来開口率が小さいために入
射光が損失されて液晶表示が暗くなっていたようなこと
や、スイッチング素子のスイッチ特性の不良はなく、有
利に入射光は表示に利用され明るい画像が得られる。

さらに従来では、画素と画素との間には不透明部分があ
るために、表示状態においてそれが黒い縁取りとなり、
画質を粗くする原因となっていたが、液晶によって入射
光が変調された後出ていく透明基板に形成された部分的
に屈折率を異ならせた領域によって、黒い縁取りは取り
除かれ、もしくは非常に少領域となり、画像が滑らかな
ものとされる。

また、上記の表示単位領域の中心をデルタ配列となして
いるため、各表示単位領域の位置に対応して透明基板に
部分的に屈折率を異ならせて形成する領域の充填率を高
めることが出来、より「明るい」表示となる。

＜実施例＞以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本発明の液晶表示装置の一実施例の一部分の断
面図であり、第２図はさらにその１表示単位領域を取出
して見た断面図である。画素を制御する方式は単純マト
リックス方式である。

液晶表示パネル１は、一対の透明基板2a,2bのそれぞれ
の対向する一方の表面に帯状の透明電極3a,3bがパター
ン形成され、この透明電極3a,3bおよびその間隙の透明
基板2a,2bの表面にはさらに配向膜4a,4bが形成されてい
る。このように透明電極3a,3bおよび配向膜4a,4bが形成
された透明基板2a,2bは、帯状の透明電極3a,3bが相互に
透明基板2a,2b間で直交して対向するように、予め定め
られた距離だけ隔てて配設され、透明基板2a,2bを互い
に固定するためのシール材（第１図および第２図には示
さず）を用いて透明基板2a,2bの間隙に液晶５が封入さ
れて構成されている。液晶の動作モードがTNモードであ
る場合には、さらに透明基板2a,2bの液晶５が封入され
ている画とは反対の面に偏光板をそれぞれ設ける必要が
ある。本発明の液晶パネルの特徴的な構成要素であるマ
イクロレンズアレイは、透明基板2a,2bの封入された液
晶５に臨む面とは反対の面に表示画素の電極パターンに
対応する位置に予めレンズ形成層6a,6bとしてそれぞれ
形成される。このパターン形成は、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
よって行われる。

第２図では、レンズ形成層6a,6bのうちのそれぞれ１つ
のマイクロレンズアレイ7a,7bが透明基板2a,2bに、それ
ぞれ対向して形成されているのが示されている。透明基
板2a,2bの厚さd1,d2は、マイクロレンズアレイ7a,7bの
屈折率および液晶表示パネル１の表示の視覚依存性や用
途を考慮して相互に適宜決められる。透明電極3a,3bに
結線された操作ラインl8を介して、駆動回路９によって
透明電極3a,3b間に選択的に電圧が印加される。

第２図を参照して、液晶パネル１とは別に設けられた照
明装置からの光源光、あるいは液晶表示装置周囲から導
入された光が矢符Ｐで示されるように下部透明基板2aに
入射する。透明基板2aに形成された第１のレンズアレイ
7aによって入射光は集光され、予め配置された表示画素
のほぼ中央（すなわち透明電極3a,3b間に封入されてい
る液晶５の中央近傍）で焦点を結ぶ。焦点を通過した光
は、発散しながら透明基板2bを通過するが、透明基板2b
に形成された第２のレンズアレイ7bによって再び集光さ
れ、ほぼ平行な光線となり矢符Ｒで示されるように出て
いき、液晶表示パネル１の表示が行われる。液晶パネル
１は駆動回路９によってその透明電極3a,3bに選択的に
電圧が印加される。これによって液晶表示パネル１に入
射する光は表示内容に対応して前記液晶表示パネル１を
選択的に通過することになる。すなわち、たとえば透明
電極3a,3bの組合せによって規定される複数の表示画素
のうち電圧が印加された表示画素は透光性となり、電圧
が印加されない画素が遮光性となることによって、液晶
表示パネル１がライトバルブとしての役割を果たすこと
ができる。そのようにして、レンズアレイ7aを介した光
源光は集光され、表示画素のうちでも電極3a,3bの配置
の間隙などの表示に寄与しない液晶部分や金属配線を通
過せず、表示にあずかる表示画素のみを介して光学的変
調を受ける。これによって液晶表示パネル１への入射光
は有効に表示に用いられる。

液晶表示パネル１において、液晶材料としては表示方式
に応じて、ネマティック液晶、コレステリック液晶、ス
メクタィック液晶およびそれらの混合液晶が用いられ
る。透明基板2a,2bとしてはガラスやSiO₂（石英）など
の材料が用いられる。透明電極3a,3bとしては、酸化イ
ンジウム、酸化錫から成る錫添加酸化インジウム（Indi
um Tin Oxide、以下、ITOと略記する）膜やネサ膜など
の透明導電性膜が用いられ、透明基板2a,2bに吹き付
け、蒸着あるいはスパッタリングなどの方法で形成され
る。配向膜4a,4bとしてはSiO₂,SiOなどの無機質膜、ま
たはポリイミド、ポリビニルアルコール、尿素樹脂膜、
ナイロン、アクリルなどの有機質膜が用いられ、透明電
極3a,3b上に形成された後、ラビング処理、斜方スパッ
タ処理等が行われる。また、マイクロレンズアレイ7a,7
bは、ガラスやSiO₂（石英）などの透明基板2a,2bの表面
からTl（タリウム）等の重元素を熱拡散や電界印加拡散
などの方法によって拡散させたり、またイオン交換法に
より透明基板2a,2bの屈折率とは異なる屈折率分布を透
明基板2a,2b中に直接形成させて用いられる。尚、マイ
クロレンズの作成法はこの方法に限られるものではな
く、感光性ガラス法やプラズマCVD法等の分布屈折率レ
ンズやマイクロフレネルレンズ（図示せず）でもよい。

第３図は、本発明の液晶表示装置に用いられるレンズア
レイの基本原理を示した図である。第３図（１）および
第３図（２）は一対の凸レンズ30a,30bに対して、平行
な光線Ａが垂直に入射する場合と、平行な光線Ｂが斜め
に入射する場合とをそれぞれ示している。第３図（１）
において、第１レンズ30aおよび第２レンズ30bは共に凸
レンズであり、各一対の焦点F₁,F′₁とF₂,F′₂のうち第
１レンズ30aと第２レンズ30bの向き合う側の焦点
Ｆ′₁，F₂が同一点となるようにレンズ30a,30bの焦点距
離L1,L2の合計距離L1＋L2だけ間隔をおいて配置されて
いる。ここで、焦点距離L1,L2は、第２図で示される第
１レンズアレイ7aと液晶５の中央との距離L1および液晶
５の中央と第２レンズアレイ7bとの距離L2にそれぞれ対
応する。これによって左手から第１レンズ30aに垂直に
入射した平行光線Ａは集光され点Ｆ′₁＝F₂で焦点を結
ぶ。焦点を通過した後発散した光は第２レンズ30bに入
射する。予め焦点F₂が焦点Ｆ′₁に一致して配置されて
いるので、第２レンズ30bに入射した光は第２レンズに
よって平行光線Ａ′となる。

第３図（２）における第１および第２レンズ30a,30bの
配置は、第３図（１）と同様である。第３図（２）にお
いて、平行光線Ｂは光路に矢符が付されているように、
左手から第１レンズ30aに傾斜して入射する点が上述の
第３図（１）の場合とは異なる。第１レンズおよび第２
レンズを通過した光は再び平光線Ｂ′とされ、入射方向
と対称な方向に出て行く。第３図（１）の場合とは異な
って、入射平行光が第１レンズ30aに斜めに入射するた
め、第１レンズ30aによって集光された光は焦平面上で
光軸Ｈから離れた点Ｇに焦点を結ぶ。

点Ｇが表示画素内に入っていれば、駆動信号に応じて入
射光の強度が有効に変調される。従って第２図に示した
ように、液晶パネルの両方の基板の屈折率を部分的に異
ならせてレンズ作用を持たせた場合には、液晶パネルに
対してある程度斜めに入射した光も有効に変調される。

液晶パネルを斜めから見たときの「明るさ」の角度依存
性は光源から液晶パネルに入射する光の角度分布を反映
する。

第２レンズ30bの機能は、第１レンズ30aにより収束され
た光を再び平行光に戻すことであり、その結果、各画素
の中央付近に縮少投影されていた光源の実像を拡大して
見ることになり、画素と画素の間に存在する「表示に直
接寄与しない領域」が隠されるので、表示が「滑らか」
になるという効果が得られる。

このように凸レンズは入射する光を絞って集束させる効
果があるので、第３図に示した一対の凸レンズ30aと30b
の間の焦点Ｆ′₁＝F₂近傍に液晶表示パネルを挿入し、
表示単位領域のうちの表示画素の表示に寄与する部分に
第１レンズ30aによって集束させた入射光が照射するよ
うにする。これによって表示画素のうちでも表示にあず
からない部分や金属配線などの不透明部分に入射光が照
射されることはないので光の損失はなく、入射光は有効
に表示に利用される。

また、第３図（１）および第３図（２）の場合よりも第
１レンズ30aと第２レンズ30bとの間隔を拡げた配置と
し、第１レンズ30aの焦点Ｆ′₁近傍に液晶パネルを配置
する。第１レンズ30aの焦平面上に集束した光は液晶を
照射，透過し、第２レンズ30bを通過した後その共役面
上に収束して光源の像を結ぶ。よって、その位置から第
２レンズ30bを明視した状態で液晶パネルを駆動すると
液晶パネルが最も明るく表示される。ゆえに予め本発明
の液晶表示装置の応用される分野に応じて、液晶表示装
置と利用者の目の間の距離を想定し、その距離に光源の
像が結ばれるようにすると液晶表示パネルが最も明るく
見えることになる。

さらに、第３図（１）および第３図（２）では第１レン
ズ30aに入射光が垂直に入射するか斜めに入射するかに
よって、第１レンズ30aによって集光される焦点の位置
が点Ｆ′₁＝F₂から点Ｇへとわずかであるが、焦平面上
で光軸Ｈに対して垂直な方向に変動する。したがって、
液晶表示パネルの用途に応じて、液晶表示の視角依存性
や上記の焦点の変動範囲が表示画素内に収まるようにレ
ンズアレイの焦点距離L1,L2および透明基板の厚みを算
定し、本発明の液晶表示パネルを作製する。

第４図は、本発明の他の実施例としてａ−Siまたはポリ
Siを半導体として用いたTFT素子をスイッチング素子と
して用いた液晶表示パネルのセル基板の要部構成説明の
ための断面図である。TFTはガラスなどの透明な絶縁性
基板41上にゲート電極42、ゲート絶縁膜43、半導体膜4
4、ソース電極45およびドレイン電極46が順次パターン
化され積層されて構成される。ドレイン電極46には、画
素電極47および必要に応じて設けられる蓄積コンデンサ
（図示せず）が接続される。透明基板41のTFT素子およ
び画素電極47が設けられる面とは反対の面の基板41内に
は、前記表示画素電極47のパターンに対応した位置に、
透明基板41の他の部分とは屈折率が異なる領域を有する
マイクロレンズアレイ又はマイクロフレネルレンズアレ
イ48が、第１図および第２図に関して説明した方法によ
って形成される。薄膜形成法としては真空蒸着法，スパ
ッタリング法,CVD法，プラズマCVD法，減圧CVD法などが
用いられ、シャドウマスクやフォトリソグラフィ法の技
術によってパターン化される。このTFTが形成された基
板で液晶を封入するセルを構成するとともに、液晶を駆
動するために、さらに必要に応じて表示画素電極47の周
辺部を遮光してTFT素子の表示特性劣化を防止する遮光
膜および液晶分子の軸の配向を整える配向膜が設けられ
る。次に、ガラスなどの透明基板に対向電極としてとし
てITOから成る透明導電膜を真空蒸着法，イオンプレー
ティングやスパッタリングなどの方法によって設け、そ
の上に液晶を配向させるための配向膜を積層する。透明
基板の透明導電膜、配向膜が設けられる面とは反対の面
の基板内には、透明基板の他の部分とは屈折率の異なる
領域を有するマイクロレンズアレイやマイクロフレネル
レンズアレイが形成される。なお、このレンズアレイは
液晶表示パネルの用途によっては設けなくてもよい。こ
れら２枚の基板をスペーサを介して貼り合わせ、両基板
の間隙に液晶を注入した後注入口を封止することによっ
て液晶表示パネルが作製される。なお、液晶の動作モー
ドがTNモードの場合には液晶表示パネルの両面にさらに
偏光板を設ける。

半導体膜44としてn^-型半導体を用いた場合、ゲート電極
42に正の電圧を印加すると半導体膜44のゲート絶縁膜43
側の界面に電子の蓄積層が形成され、ソース電極45とド
レイン電極46との間の抵抗が変調される。ゲート電極42
にはゲート線（図示せず）を介して周期的に走査パレス
が印加されTFTは導通（オン）状態にされる。さらにこ
れに同期してソース電極45にはソース線SL（図示せず）
を介して画像信号が印加されTFTを通じて画素電極47お
よび必要に応じて画素電極47とは電気的に並列に設けら
れる蓄積コンデンサに印加され液晶を駆動する。蓄積コ
ンデンサは、TFTが遮断（オフ）状態の、画素電極47が
選択されない非選択期間中にも液晶に印加すべき電圧を
保持するためのものである。液晶の時定数が走査周期に
比べて充分大きければ蓄積コンデンサは特に設けなくて
もよい。

ここで、本発明を適用した場合に特に効果が顕著となる
画素配列について説明する。

カラー液晶表示装置では、各画素毎に赤，緑，青の三原
色のいずれか一色を対応させ、各色を規則的に配列する
ことによって、フルカラー表示を実現している。各色の
配列の方法としては種々提案されているが、代表的なも
のは、縦ストライプ配列，横ストライプ配列，斜めスト
ライプ配列及びデルタ配列等である。この内、ダルタ配
列は同じ画面サイズに同じ画素数を配列するという条件
で、他の配列と比較すると最も画質が良く、本件に関し
て本出願人は特願昭59−75301（特開昭60−218626号）
「カラー液晶表示装置」として提案している。

このデルタ配列は本発明を適用する対象としてもふさわ
しく、その効果は顕著である。その理由は次の通りであ
る。

すなわち、上記したデルタ配列では第６図（１）に示す
ように各画素が一行毎に1.5ピッチ（R,G,B夫々に対応す
る画素については1.5ピッチのずれであるが、R,G,Bを特
定しなければ画素自体のずれは0.5即ち半ピッチ）横に
ずらされて配置されている。ここで、本発明にしたがっ
て各画素に対応して基本41に形成されるマイクロレンズ
の形状が円形であるとし、その中心と各画素の中心とを
一致させて配列すると、第６図（２）のようになり、平
面に円を敷きつめる場合の六方最密充填に近いことがわ
かる。特に横方向の画素ピッチｘと行間隔ｙがの関係を満す時、充填率が最高のとなる。従って、液晶パネルに入射した光量の90.6％を
有効に集光して画素に導き、表示に利用できることにな
る。

これに対して、上記した他の配列では各画素は第７図
（１）のように桝目状に配列されているので、それに対
応して形成されるマイクロレンズの配置は、第７図
（２）のようになり、充填率は最高でπ/4＝0.785であ
る。

このようにデルタ配列の方が液晶パネルに入射した光を
より有効に利用できることになる。

なお、上記したデルタ型配列と桝目型配列の比較はモノ
クロ表示の場合においても同様である。

また、第６図（１）に示した例では画素形状が長方形の
場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではな
く、例えば第８図に示すように各画素をほぼ正六角形と
し、全体として峰の巣状に配列しても良い。なお、第８
図において第５図と同一部分は同一符号で示している。

以上のように液晶表示パネルを構成することによって、
第４図の透明基板41の画素電極47とは反対の面に入射し
た光（矢符Ｑで示す）はマイクロレンズアレイ48によっ
て画素電極47（より正確には画素電極47と対向する対向
電極に挟まれた液晶層）の中心近傍に焦点を結ぶ。これ
によって、入射光は透明基板41に形成された画素にのみ
照射が行われて、液晶表示に寄与しないTFT素子や配
線、あるいはそれらの間隙などに入射することはない。
とくにTFT素子などに強照度の光が長時間照射されるこ
とによるスイッチ特性劣化なども防止する光シールドを
併設しても表示に影響はない。これによって、入射光は
有効に表示画素を照射して、従来よりも明るい液晶表示
が可能となる。また、透明基板41に対向して設けられる
透明基板の液晶に臨む面とは反対の面にもレンズアレイ
を設けることによって、レンズアレイ48によって集光さ
れ焦点を結んだ後拡散しようとする入射光を再び集光す
ることができ、本発明の液晶表示装置の応用される分野
に適した表示を行うことができる。

本発明は、液晶の電気光学的性質や表示電極の動作方式
を変更したものではなく、液晶を封止する透明基板に光
学手段として表示画素毎に対応して屈折率を異ならせた
領域を形成することによって、表示画素の中でも表示を
制御できる部分を中心に入射光が入射するようにして、
入射光の損失を少なくして表示明度を向上させたもので
ある。したがって本発明は、TNモード,STNモード,GHモ
ード,DSM,相移転モードなどいずれの動作モードに対し
ても適用可能であるが、特にTNモード,STNモードおよび
GHモードが好ましい結果を与える。

また本発明は、モノクローム２色をはじめカラー表示可
能な３色、４色以上の多色液晶表示にも適用でき、応用
形態はグラフィック表示やキャラクタ表示等にも適用可
能である。さらに、多数の液晶表示モジュールを並列配
置し、大画面の表示を得る液晶表示装置にも適用可能で
ある。

＜発明の効果＞本発明によれば、カメラのファインダ表示やテレビジョ
ンなどの透過型表示に用いられる高精細度な液晶表示に
おいて、開口率が小さくともその影響を殆ど受けない明
るい表示が得られる。また従来表示画素間に存在してい
た黒い縁取りは表示されず滑らかな画像が得られる。さ
らに、レンズアレイなどの手段を液晶表示装置とは別途
独立して外部に配設する必要がなく、マイクロレンズア
レイのパターン形成をホトリソグラフィ等の液晶表示パ
ネルの電極等のパターニング技術を用いて稠密配列され
た状態に作ることが出来るため、レンズアレイと表示電
極との位置合せを精度良く行なうことが出来、しかも表
示装置の外部に投射光を集光させるレンズアレイ機構を
介設する場合に比較して全体の構成要素が減少し、省ス
ペース，低コストで開口率が高く、明るくコントラスト
の良い液晶表示装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の液晶表示装置の一実施例の一部分の断
面図、第２図は第１図の液晶表示パネル１の１表示単位
領域を取出して見た断面図、第３図（１）及び（２）は
それぞれ本発明の液晶表示装置に用いられるレンズアレ
イの基本原理を示した図、第４図は本発明の液晶表示装
置の他の実施例の一部分の断面図、第５図は液晶表示パ
ネルの１表示単位領域を示す図、第６図（１）は本発明
の適用される液晶表示装置の色配列の例を示す図、第６
図（２）は第６図（１）に対応するマイクロレンズアレ
イの配列を示す図、第７図（１）は液晶表示装置の色配
列の他の例を示す図、第７図（２）は第７図（１）に対
応するマイクロレンズアレイの配列を示す図、第８図は
デルタ状に配列した表示単位領域の構成例を示す平面図
である。１……液晶表示パネル、2a,2b,41……透明基板、3a,3b,
47,55……透明電極および画素電極、6a,6b,7a,7b,48…
…レンズ形成層およびマイクロレンズアレイ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向する一対の基板間に液晶層が封入さ
れ、マトリクス状の表示画素を形成する電極が前記基板
内面に配列されてなる液晶表示装置において、前記表示
画素は一方向の配列ピッチが隣接する相互間で半ピッチ
ずれたデルタ配列構造に設定され、前記表示画素それぞ
れの配置位置に対応する前記基板の少なくとも一方には
屈折率が周囲と異なるレンズ領域が稠密配置され、該レ
ンズ領域は入射光を対応する前記表示画素内それぞれ集
光する凸レンズ効果を具備することを特徴とする液晶表
示装置。