JPH08190090A - 液晶画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高画質、高輝度の光学像を観察できる液晶画
像表示装置を提供する。 【構成】 面光源部１と、液晶パネル２とを有して成る
液晶画像表示装置において、その液晶パネル２の前面
に、多数のレンズ素子４１が配列され、これらレンズ素
子４１間にブラックマスクすなわち可視光に対して遮光
効果を有するブラックマスク３が形成されたレンズアレ
イ４を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶パネルを有してな
る液晶画像表示装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】通常の液晶画像表示装置の基本的構成
は、図９にその概略構成を示すように、面光源部１と、
液晶パネル２とを有して成る。面光源部１は、例えば光
源ランプ１１と、この光源ランプ１１よりの光を液晶パ
ネル２の画像表示部の全域に渡って照射させるために光
源ランプ１１と液晶パネル２との間に配置された導光板
１２と、これよりの光を更に液晶パネル２の画像表示部
の全域に渡って一様に照射させるための例えば透明基板
の表面を粗研磨してなる光拡散板１３と、更にその前方
に配置された光拡散板１３によって発散された光を有効
に液晶パネル２に向かわしめるプリズムアレイ１４とを
有してなる。

【０００３】また、液晶パネル２はそれぞれ透明板例え
ば一般にはガラス板よりなる背面板２１と前面板２２と
が液密空間を保持して対向配置され、図示しないがその
対向面にはカラーフィルター，透明電極，駆動用の薄膜
トランジスタ等が配置され、その液密空間に封入された
液晶層２３が形成されてなる。

【０００４】また、この液晶パネル２を挟んでその背面
および前面に、互いに偏光軸を直交させて偏光板５１お
よび５２が配置される。

【０００５】このような構成による液晶画像表示装置、
例えばツイストネマチック液晶を用いた液晶パネルによ
る液晶画像表示装置は、光学的異方性を有する液晶配向
方向の変化を利用しているため、その表示画像のパネル
正面からの観察に比して、斜め方向からの観察は、輝
度，コントラスト，階調，色調等が著しく劣化し、画質
を低下させる要因となっている。この現象を、視野角が
狭いとか視野角依存性が大きいなどと称している。

【０００６】そして、一般にツイストネマチック液晶を
用いたパネルは、液晶の配向方向に依存して上下（垂
直）方向あるいは左右（水平）方向のいづれか一方向に
関して特に視野角が狭く階調反転すら生じる。図１０
は、その視野角特性、すなわち横軸に一方向の視野角を
とり、縦軸に各視野角における光の相対輝度を示したも
ので、各曲線７１〜７６は、液晶パネル２に対して正面
からみた視野角０度での最大輝度を１００として順次８
０，６０，４０，２０，０の階調特性が直線性を示す５
階調レベルの視野角特性を示す。これら曲線７１〜７６
より明らかなように、視野角０°でその階調に直線性が
得られるようにしても、つまり各曲線の間隔がほぼ一様
に保持するように選定しても、視野角が大になるにつれ
各曲線７１〜７６間の間隔の一様性がくずれて階調の直
線性の劣化、すなわち階調の忠実度が低下してくるのみ
ならず、各曲線の大小関係の反転、すなわち階調反転す
ら生じてくる。

【０００７】このような不都合を回避する方法として、
液晶パネルに照射するいわゆるバックライト光を平行光
とし、一方、液晶パネル前面に光拡散層ないしは光拡散
板、レンチキラーレンズ、レンズアレイ等を配置するこ
とによって液晶パネルから出射する光を拡散平均化する
方法が採られる。

【０００８】例えば特開平２−１１８５１８号公開公報
には、液晶表示セルとカラーフィルタとの間に細かい凹
凸を持ったフィルム、散乱微粒子を混入した透明体、微
小レンズアレイなどによる光拡散層を配置するか、カラ
ーフィルタ自体に光拡散機能を付与する構成が開示され
ている。また、特開平２−３０２７２５号公開公報に
は、液晶表示装置を観察する側の偏光板の外側に樹脂性
拡散板、エッチングガラス等の拡散板を配置する構成が
開示されている。更に特開平４−８１８１６号公開公報
には、液晶を封止した表示パネルの表示側透明基板に透
明薄膜を形成し、その表面に凹凸を形成して成る光拡散
層または光拡散面を設けた構成が開示されている。

【０００９】また、例えば特開昭５８−１６９１３２号
公開公報には、液晶パネルの非行光照射装置とは反対側
に凹レンズによる光拡散素子を配置する構成が開示さ
れ、特開平３−２５３８１９号公開公報にも、液晶パネ
ル表面に光線を拡散するレンズ層を設けた構成が開示さ
れている。

【００１０】上述した各構成において、光拡散を行う場
合、光の拡散平均化を行うことによって視野角の改善を
行うことができるが、この場合は、この光の拡散に伴
い、正面輝度の低下、解像度の劣化、コントラストの低
下を招く。これは画質のよい正面方向への出射光とそれ
以外の方向への出射光を拡散重畳し平均化するという手
法の本質に起因している。

【００１１】また、レンズアレイによる場合は、上述し
た正面輝度の低下、解像度の劣化、コントラストの低下
とともに、レンズ面における外光反射の増加、レンズア
レイと液晶パネルの画像との間でモアレを発生し易いと
いう問題が生じる。

【００１２】また、上述した光拡散を行う場合、モアレ
の発生は生じないが、液晶パネルの特性に合わせて出射
光の拡散平均化を設計制御することが難しくなるという
問題がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、視野角の改
善をはかり、しかも正面輝度の低下、解像度の劣化、コ
ントラストの低下、モアレの発生を回避できるように
し、画質の低下の改善をはかることのできる液晶画像表
示装置を提供するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、図１に示すよ
うに、面光源部１と、液晶パネル２とを有して成る液晶
画像表示装置において、その液晶パネル２の前面に、ブ
ラックマスクすなわち可視光に対して遮光効果を有する
ブラックマスク３が形成されたレンズアレイ４を配置す
る。

【００１５】また、上述の構成において、図２に示すよ
うに、レンズアレイ４を、そのレンズの入射面の屈折力
をφ、レンズの開口径をａ、ブラックマスク３の開口径
をｂ、レンズの頂点とブラックマスク３間の距離をｄと
するとき、下記（数１）に選定した薄いレンズアレイ４
とする。尚、本明細書で開口径とは、後述する一次元レ
ンズである場合、またこれに伴ってブラックマスク３が
ストライプである場合は開口幅を指称する。

【００１６】

【数１】ｇ＞ｄ＞ｇ（１−ｂ／ａ） 但し、ｇ＝１／φ

【００１７】また、上述の構成において、そのレンズア
レイ４が、液晶パネル２の１画素長ｐ当たり１個または
複数個のレンズを有し、このレンズの焦点距離をｆ、レ
ンズの開口数をＮ．Ａ．（＝ａ／２ｆ）、レンズと液晶
層の間の光学長をＬ（＝ｑ／ｎ、ここにｑおよびｎは上
記液晶パネルの前面板の厚さおよび屈折率）とすると
き、下記（数２）の関係に選定する。

【００１８】

【数２】Ｎ．Ａ．＞（ｐ＋ａ）／２Ｌ

【００１９】

【作用】上述の本発明構成によれば、液晶パネルの前面
にレンズアレイを４を配置したことにより、液晶パネル
２からの光の正面にから観察される特性の良い光を拡散
させることにより、液晶パネルの透過率特性を平均化す
ることで視野角依存性の改善がはかられる。

【００２０】また、レンズアレイ４においてブラックマ
スク３を配置したことにより、その開口径ｂの選定によ
って液晶パネル２からの高出射角で透過してきた特に特
性の悪い光すなわち図１０で説明した階調度の忠実性が
低くなるとか、階調反転が生じる高出射角光を遮断する
ことができ、階調表示の忠実性すなわち直線性がはから
れる。

【００２１】また、このブラックマスク３の配置によっ
て、各レンズ４１内で数回の全反射で戻ってくる外光の
遮断の効果も生じることから、明るい場所での観察にお
いても外光によるコントラストの低下を改善できる。

【００２２】このように、レンズアレイ４にブラックマ
スク３を配置し、その開口径の選定により上述の特性の
悪い高出射角光の遮断を行うことができて画質にすぐれ
た液晶パネルによる光学像を観察できるが、この場合液
晶パネル２の高出射角光に関する輝度の低下が著しくな
る。すなわち、図４に示すように、液晶パネルから出射
され、レンズアレイ４の１つのレンズ素子４１に関する
光路図をみて明らかなように、いま、ブラックマスク３
の配置位置が距離ｇより大なる実線図示の位置にある場
合をみると、この場合は距離ｇより小なる破線図示の位
置にある場合に比し、その光路図を実線で示した液晶パ
ネル２からの高出射角光Ｌｓに関する遮蔽効果が極めて
大きくなることから、この高出射角光Ｌｓに関する輝度
が低くなる。これに対し、上述した（数１）の関係に、
すなわちブラックマスク３の配置位置を、レンズの距離
ｇより小に選定する本発明構成によるときは、上述した
高出射角光に関する輝度の低下を回避できることにな
る。

【００２３】しかしながら、この場合、図４に破線で示
すレンズ素子４１の光軸に平行ないしはほぼ平行な正面
に向かう低出射角光（以下正面光という）Ｌｃに関して
もこれを遮光することになって、正面光の輝度の低下も
来すおそれが生じてくる。ところが、この正面光に関し
て上記（数１）の関係、すなわちｄ＞ｇ（１−ｂ／ａ）
とすることによって輝度の低下も回避できる。次に、こ
れについて図５を参照して説明する。図５は、レンズ素
子４１の全開口に渡る最大径（最大幅）の正面光Ｌｓに
関し、ブラックマスク３によって遮光されずに前方に向
かうことができるブラックマスク３のレンズ素子４１に
最も近い位置での光路図を示したもので、この場合、レ
ンズ素子４１の焦点Ｆを頂点とするブラックマスク３の
開口（開口径ｂ）を底面とする三角形と、レンズ素子４
１の開口（開口径ａ）を底面とする三角形とが相似形で
あり、また実際にはレンズ素子４１の曲率半径は大き
く、その頂部の突出量は充分小さいことから、ブラック
マスク３の配置面とレンズの開口面までの距離は、実質
的にブラックマスク３の配置面とレンズの頂部までの距
離ｄとすることができる。したがって、この状態では下
記（数３）の関係となる。

【００２４】

【数３】（ｂ／２）／（ｇ−ｄ）＝（ａ／２）／ｇ

【００２５】この（数３）から（数４）が求められる。

【００２６】

【数４】ｄ＝ｇ（１−ｂ／ａ）

【００２７】したがって、これを上限とする上記（数
１）の関係のｄを選定することのよって正面光の輝度低
下も回避できることになる。

【００２８】また、本発明構成においては、レンズアレ
イ４が用いられることによって、液晶パネルとこのレン
ズアレイ４とによってモアレが発生するおそれが生じて
くる。このようなモアレが生じにくくするには液晶パネ
ルによる１画素当たりのレンズ素子４１の数を多くすれ
ばよいことになるが、この場合このレンズ素子の数すな
わちレンズ素子のピッチに応じてブラックマスク３の開
口ピッチを小さくする必要が生じ、その形成が困難とな
るという問題が生じる。そこで、モアレを抑制するため
には、レンズ素子に入射する光量が観察者の見る角度が
わずかに変化した場合にも一定になるようにする必要が
ある。そのために、図６に示すように、液晶層２３で得
られる画素の幅をｐとするとき、レンズアレイ４のレン
ズ素子４１から、その焦点Ｆ’を見込んだ画素の形成面
での幅Ｗが、Ｗ＞ｐであることが要求される。すなわ
ち、このとき焦点Ｆ’を頂点としそれぞれ開口径ａを底
辺とする三角形と幅Ｗを底辺とする三角形が相似である
ことから次の（数５）が成り立つ。

【００２９】

【数５】（ａ／２）／ｆ＝（Ｗ／２）／（Ｌ−ｆ）

【００３０】したがって、この（数５）から、下記（数
６）が導かれる。

【００３１】

【数６】 Ｗ＝｛（Ｌ−ｆ）／ｆ｝・ａ ＝｛（ａ／ｆ）Ｌ｝−ａ

【００３２】一方、Ｎ．Ａ．＝ａ／２ｆであるので、
（数６）から、 Ｗ＝２Ｎ．Ａ．・Ｌ−ａ

【００３３】そして、上述したようにＷ＞ｐであること
から、（数７）が得られる

【００３４】

【数７】２Ｎ．Ａ．・Ｌ−ａ＞ｐ

【００３５】（数７）から前記（数２）となる。すなわ
ち前記（数２）の関係に選定することによりレンズアレ
イ４を液晶パネル２の前面に配置することによるモアレ
の発生を効果的に抑制することができる。

【００３６】

【実施例】本発明による液晶画像表示装置の一実施例を
図１を参照して説明する。本発明においては、面光源部
１と、液晶パネル２とを有して成る液晶画像表示装置で
あり、その面光源部１は、例えば光源ランプ１１と、こ
の光源ランプ１１と液晶パネル２との間に順次配置され
た、光源ランプ１１から光を液晶パネル２の画像表示部
の全域に渡って照射させるように導光する導光板１２
と、これよりの光を更に液晶パネル２の画像表示部の全
域に渡って一様に照射させるための例えば透明基板の表
面を粗研磨してなる光拡散板１３と、更にその前方に配
置された光拡散板１３によって発散された光を有効に液
晶パネル２に向かわしめるプリズムアレイ１４とを有し
てなる。

【００３７】また、液晶パネル２はそれぞれ透明板例え
ばガラス板よりなる背面板２１と前面板２２とが液密空
間を保持して対向配置され、その対向面には図示しない
が、通常のように例えばカラーフィルタ、液晶層に対す
る電圧印加を行う透明電極、駆動用の薄膜トランジスタ
等が配置され、液密空間に封入された液晶層２３が形成
されてなる。

【００３８】また、この液晶パネル２を挟んでその背面
および前面に、例えば互いに偏光軸を直交させて偏光板
５１および５２を配置する。

【００３９】また，その液晶パネル２の前面に、ブラッ
クマスクすなわち可視光に対して遮光効果を有するマス
ク３が形成されたレンズアレイ４を配置する。このレン
ズアレイ４は、液晶パネル２の各画素に対応して１個も
しくは２個以上の複数個の凸レンズよりなるマイクロレ
ンズの配列によって構成することもできるし、例えば共
通の垂直線上もしくは水平線上に配列された画素に関し
て共通に１次元レンズいわゆるシリンドリカル凸レンズ
が平行配列された構成とすることができる。このレンズ
アレイ４は、透明のガラス基板，樹脂基板等よりなる透
明レンズアレイ基板４１の、少なくとも液晶パネル２と
対向する側すなわち背面側に凸面が形成された凸レンズ
構成とする。

【００４０】そして，このレンズアレイ４の透明レンズ
アレイ基板４１の液晶パネル２と対向する側とは反対側
の面すなわち前面の、各レンズ素子４１間にブラックマ
スク３を配置形成する。例えばレンズ素子４１が、マイ
クロレンズ構成とされる場合は、図３にその一例の正面
図を示すように、各マイクロレンズを囲んでブラックマ
スク３を配置形成し、レンズアレイ４が１次元レンズで
ある場合は、この１次元レンズ方向のストライプ状ブラ
ックマスク３を、各レンズ素子間に対向して配置形成す
る。このブラックマスク３は、透明レンズアレイ基板４
１の前面に、黒色塗料ないしはインク等を印刷すること
によって形成することができる。

【００４１】この構成において、そのレンズの入射面の
屈折力をφとし、図２に示すように、レンズの開口径を
ａ、ブラックマスク３の開口径をｂ、レンズの頂点とブ
ラックマスク３間の距離をｄとするとき、レンズアレイ
４を、前記（数１）の ｇ＞ｄ＞ｇ（１−ｂ／ａ） （但しｇ＝１／φ）に選定した薄いレンズアレイ４とす
る。

【００４２】また、上述の構成において、そのレンズア
レイ４が、液晶パネル２の１画素長ｐ当たり１個または
複数個のレンズを有し、そのレンズの焦点距離をｆ、こ
のレンズの開口数をＮ．Ａ．（＝ａ／２ｆ）、レンズと
液晶層の間の光学長をＬ（＝ｑ／ｎ、ここにｑおよびｎ
は上記液晶パネルの前面板の厚さおよび屈折率）とする
とき、前記（数２）の関係 Ｎ．Ａ．＞（ｐ＋ａ）
／２Ｌに選定する。

【００４３】上述の液晶画像表示装置によれば、面光源
部１からのバックライト、すなわち光源ランプ１１から
の光を、導光板１２、光拡散板１３、プリズムアレイ１
４を通じて面光源として偏光板５１に入射させ、これに
よって所定方向に偏光軸を有する偏光を液晶パネル２に
照射する。そして、液晶パネル２によってその照射光を
所定のパターンに透過させ、更にその前方の偏光板５２
に通過させ光学像を得る。そして、この光学像をブラッ
クマスク３が形成されたレンズアレイ４を通じてその前
方から観察する。

【００４４】この場合、上述の（数１）の構成とするこ
とにより、前述したように輝度低下を効果的に回避して
して画質にすぐれた光学像を観察することができる。

【００４５】図７は、上述の（数１）に選定した本発明
による液晶画像表示装置の視野角特性を示すもので、横
軸が視野角、縦軸が輝度を示す。この場合レンズアレイ
４としては液晶パネル２の１画素に対してレンズ素子４
１を２個形成した場合で、ｇ＝０．２８ｍｍ，ａ＝０．
２５ｍｍ，ｄ＝０．２５ｍｍ，ｂ＝０．１２５ｍｍ，マ
スク幅を０．０８ｍｍとした場合である。曲線８１〜８
６は、視野角０での、最大輝度を１００として、８０，
６０，４０，２０，０の５階調レベルでの特性を示すも
のでこれら特性曲線と、図１０の特性曲線を比較するこ
とによって明らかなように、本発明のそれは従来に比
し、広い視野角で直線性に優れた階調特性を示し、更に
階調反転が生じない範囲が広がることがわかる。

【００４６】そして、（数２）の構成とすることによ
り、前述したように、液晶パネル２とレンズアレイ４と
によるモアレの発生を効果的に回避できる。

【００４７】尚、レンズアレイ４のレンズ素子４１は、
上述した例におけるように、液晶パネル２と対向する側
に形成された片面レンズとすることもできるが、図８に
一部の断面図を示すように、液晶パネルと対向する側と
は反対側の背面にも凸面が形成された両面レンズとする
こともできる。この場合には、ブラックマスク３の形成
は、予めレンズアレイ４を形成する透明板、例えばガラ
スもしくは透明樹脂基板の背面のブラックマスク３の形
成部にレンズ素子４１の頂部より更に高く突起４３を形
成して置き、この高さの差によって突起４３上にのみ選
択的に黒色塗料ないしはインク等をローラ印刷すること
によって形成することができる。

【００４８】また、図示しないが、例えば図１の構成に
おいて、例えばその面光源部１のプリズムアレイ１４と
偏光板５１との間に、あるいは液晶パネル２の液晶層２
３の背面に液晶パネルと直交する方向に平行に多数の平
行板が所定の間隔を保持して配列されてなるいわゆるル
ーバーを配置して液晶層２３への入射光をより平行光と
する構成とすることもできるなど、上述した例に限られ
ず、種々の変形変更を行うことができる。

【００４９】

【発明の効果】上述の本発明構成によれば、液晶パネル
の前面にレンズアレイを４を配置したことにより、液晶
パネル２からの光の正面にから観察される特性の良い光
を拡散させることにより、液晶パネルの透過率特性を平
均化することで視野角依存性の改善がはかられ、この光
拡散をレンズアレイによったことによってコントラスト
の低下を回避できる。

【００５０】また、レンズアレイ４において各レンズ素
子４１間にブラックマスク３を配置したことにより、液
晶パネル２からの高出射角で透過してきた特性の悪い光
すなわち図１０で説明した階調度の忠実性が低くなると
か、階調反転が生じる光を遮断することができ、階調表
示の忠実性すなわち直線性がはかられる。また、このブ
ラックマスク３は各レンズ４１内で数回の全反射で戻っ
てくる外光の遮断の効果も生じることから明るい場所で
の観察においても、外光によるコントラストの低下を改
善できる。

【００５１】そして、このブラックマスク３が形成され
たレンズアレイ４を上記（数１）に選定することによ
り、このブラックマスク３が形成されたレンズアレイ４
を配置したことによる特に高視野角における輝度の低下
の改善をはかることができる。

【００５２】また、（数２）の設定によって、モアレの
発生を効果的に抑制できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による液晶画像表示装置の例の一概略構
成図である。

【図２】本発明による液晶画像表示装置の一例の要部の
概略断面図である。

【図３】本発明による液晶画像表示装置のレンズアレイ
の一例の正面図である。

【図４】本発明の説明に供する光路図である。

【図５】本発明の説明に供する光路図である。

【図６】本発明の説明に供する光路図である。

【図７】本発明による液晶画像表示装置の液晶パネルの
視野角特性図である。

【図８】本発明による液晶画像表示装置のレンズアレイ
の一例の要部の断面図である。

【図９】従来の液晶画像表示装置の概略構成図である。

【図１０】従来の液晶画像表示装置の液晶パネルの視野
角特性図である。

【符号の説明】

１ 面光源部 ２ 液晶パネル ３ ブラックマスク ４ レンズアレイ １１ 光源ランプ １２ 導光板 １３ 光拡散板 １４ プリズムアレイ ２１ 背面板 ２２ 前面板 ２３ 液晶層 ４１ レンズ素子 ４３ 突起 ５１，５２ 偏光板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 潤一 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 面光源部と、液晶パネルとを有して成る
   液晶画像表示装置において、 上記液晶パネルの前面にブラックマスクが形成されたレ
   ンズアレイが配置されて成ることを特徴とする液晶画像
   表示装置。
2. 【請求項２】 上記レンズアレイが、そのレンズの入射
   面の屈折力をφ、該レンズの開口径をａ、ブラックマス
   クの開口径をｂ、上記レンズの頂点と上記ブラックマス
   ク間の距離をｄとし、ｇ＝１／φとするとき、 ｇ＞ｄ＞ｇ（１−ｂ／ａ） となる薄いレンズアレイとされたことを特徴とする請求
   項１に記載の液晶画像表示装置。
3. 【請求項３】 上記レンズアレイが、上記液晶パネルの
   １画素長ｐ当たり１個または複数個のレンズを有し、 このレンズの焦点距離をｆ、このレンズの開口数をＮ．
   Ａ．（＝ａ／２ｆ）、レンズと液晶層の間の光学長をＬ
   （＝ｑ／ｎ、ここにｑおよびｎは上記液晶パネルの前面
   板の厚さおよび屈折率）とするとき、 Ｎ．Ａ．＞（ｐ＋ａ）／２Ｌ とすることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶
   画像表示装置。