JPH09297295A

JPH09297295A - 光学素子を用いた液晶表示素子及び光源並びに投写型表示システム

Info

Publication number: JPH09297295A
Application number: JP8111749A
Authority: JP
Inventors: Ran Richiyaado; リチャード・ラン; Yasuharu Tanaka; 康晴田中; Masumi Okamoto; ますみ岡本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-05-02
Filing date: 1996-05-02
Publication date: 1997-11-18

Abstract

(57)【要約】【課題】視角特性の良い液晶表示素子を実現するにあ
る。【解決手段】液晶表示素子は、平板状の光学的に等
方性な透明媒質２中に透明で光学的に等方性かつ前記透
明媒質２と屈折率の異なる球１が平板状透明媒質２の主
面に対して概略平行に平面状に並べた層を有する光学素
子２４を有している。この光学素子２４は、液晶セルの
対向基板９と偏光板４の間に設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光線を拡散させる
光学素子を用いた液晶表示素子、及びその光学素子をス
クリーンに用いたリア・プロジェクタに関する。また、
その光学素子を拡散板に用いた拡散光源及びその拡散光
源を用いた液晶表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄型軽量、低消費電力という大き
な利点をもつ液晶表示素子は、日本語ワードプロセッサ
やデスクトップパーソナルコンピュータ等のパーソナル
ＯＡ機器の表示装置として積極的に用いられている。液
晶表示素子（以下、ＬＣＤと略称する。）のほとんど
は、ねじれネマティック液晶を用いており、表示方式と
しては、このなかでも旋光線モードと複屈折モードとの
２つの方式に大別できる。

【０００３】旋光線モードのＬＣＤには、例えば９０゜
ねじれた分子配列をもつツイステッドネマティック（Ｔ
Ｎ）形液晶（ＴＮ−ＬＣＤ）があり、原理的に白黒表示
で、高いコントラスト比と良好な階調表示性を示し、時
計や電卓、単純マトリクス駆動や、スイッチング素子を
各画素ごとに具備したアクティブマトリクス駆動で、ま
た、カラーフィルターと組み合わせたフルカラーの表示
の液晶テレビなど（ＴＦＴ−ＬＣＤやＭＩＭ−ＬＣＤ）
に応用されている。

【０００４】一方、複屈折モードの表示方式のＬＣＤの
代表例としては、一般に９０゜以上ねじれた分子配列を
もつスーパーツイストネマティック（ＳＴＮ；Ｓｕｐｅ
ｒＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）形液晶（ＳＴＮ−
ＬＣＤ）があり、これは急峻な電気光学特性を有するた
め、各画素ごとに薄膜トランジスタやダイオードなどの
スイッチング素子を配せずとも、構造が単純で製造コス
トが低廉な単純マトリクス型電極構造を用いて、時分割
駆動により容易に大容量（大画面）表示を実現すること
ができる。

【０００５】これらの液晶表示素子の画質上の重要な課
題として、視角特性の改善があり、様々な方法が提案さ
れている。代表的なＴＮ−ＬＣＤの視角改善方法として
は、画素容量分割法( 例えば、K. R. Sarma, et. al.,
SID′89 Digest, pp148-150(1989))、画素配向分割法(
例えば、K. H. Yang, Conf. Record of IDRC′91, pp.6
8-72)、補償板を用いる方法（例えば、久武他：電子情
報通信学会論文誌，C-ll, vol.J76-C-ll, No.5, pp322-
328 (1993)）などがある。また、ＴＮ以外の表示モード
を用いることも検討されており、ベンド配向の液晶セル
と２軸の光学補償板を組み合わせたＯＣＢモード（Opti
cally Compensated Birefringence mode, Y. Yamaguch
i, et.al., SID′93 Digest, pp277-280 (1993) 、或い
は、T. Miyashita, et al., Eurodisplay Digest, pp27
7-280 (1993)、或いは、C-L. Kuo,et al., SID′94 Dig
est, pp927-930 (1984) 、或いは、T. Miyashita, et a
l., SID′95 Digest, pp797-800 (1995) ）や、横電界
により液晶分子を駆動するＩＰＳ（In-Plane Switchin
g）モードなどが提案されている（R. Kiefer, et.al.,
Japan Display ′92 Digest, pp547-550 (1992) 或い
は、 M. Oh-e, et. al., Asia Display ′95 Digest, p
p577-580 (1995) など）。

【０００６】また、これらのＬＣＤの視角改善の方法と
は異なる考え方として、図２３に示すように透過型ＬＣ
Ｄのバックライトを平行光線とし、液晶セル３の表側に
拡散板５をスクリーンとして配置させる方法が提案され
ている（M. McFarland, et.al., Asia Display ′95 Di
gest, pp739-74 (1995)等）。即ち、図２３に示す透過
型ＬＣＤにおいては、平行光線バックライト７が光源６
Ａ、導光体６Ｂ及び平行化シート６Ｃ構成され、光源６
Ａから発せられた光線が導光体６Ｂによって平行化シー
ト６Ｂに導かれ、平行化シート６Ｂによって平行化され
て液晶セル３の入射側に配置された偏光板４に向けられ
ている。偏光板４を通過して偏光された光線は、液晶セ
ル３を通過して拡散板５に入射され、この拡散板５によ
って拡散され、液晶セル３の射出側に配置された偏光板
４を介してＬＣＤ外に照射される。このような構造にお
いては、光線が拡散板５によって拡散されることから光
線の照射方向が広がり、実質的に視野角が広げられるこ
ととなる。

【０００７】ここで用いられるスクリーンとしては、液
晶分散高分子フィルムなど多重散乱による拡散板５、多
重反射を利用するミラーアレイ、レンチキュラーレンズ
アレイなどがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述の画素分割法、補
償板を用いる方法、或いは、ＯＣＢやＩＰＳ等の各方法
は、視野角を変化させた場合にいずれも表示の色味が変
化するという問題があるのに対して、この平行光線バッ
クライト７と拡散板５を用いる視角改善法は、液晶セル
３を通過する光線は液晶セル３に垂直な方向の光線のみ
であり、液晶セル３を通過した後に光線を拡散させるの
で、原理的に視角を変化させても表示の色味が変化しな
いという長所がある。

【０００９】一方、この平行光線バックライトと拡散板
によりＬＣＤの視角特性を改善する方法の問題点とし
て、以下のことがある。まず、表示のにじみ、ぼやけに
より、解像度が低下するという問題がある。これは実際
の平行光線バックライトの光線が完全に平行ではなく若
干の広がりを有しているため、ＬＣＤの各画素を通過し
た光線が周囲の画素を通過した光線と重なり合ってスク
リーンに入射、拡散されるためである。また、スクリー
ン自体の厚さが大きい場合、この表示のにじみは更にひ
どくなる。

【００１０】次に、配光線特性（拡散角度）の問題があ
る。すなわち表示画像を斜めから見ても良好な像が見え
るようにするためには、液晶セルを通過した光線を十分
に拡散させることがスクリーンに要求されるが、光線を
広い角度まで散乱させようとした場合、所望の拡散角度
に制御することが困難であり、またスクリーンでの光線
の損失が増えるという問題がある。また、スクリーンに
よる光線の拡散の程度を強くした場合、スクリーンで発
生する周囲光線の散乱も強くなるため画面が白っぽく見
え、表示画像の品位が著しくて以下するという問題点が
ある。この周囲光線の散乱を防ぐためには、表側の偏光
板をスクリーンの外側に置くことが有効であるが、従来
のスクリーンでは光線の偏光状態に著しく影響を与える
ため、偏光板はスクリーンと液晶セルの間に置かざるを
えなかった。

【００１１】本発明は、上述した事情に鑑みなされたも
のであって、これらの問題点を解決し、表示のにじみが
少なく、光線の損失が少なく、拡散角度を制御性良く広
く作ることができ、かつ光線の偏光状態に与える影響の
少ないスクリーンを用いて視角特性の良い液晶表示素子
を実現することを目的とする。

【００１２】

【問題を解決する手段】この発明によれば、一主面に電
極が形成された２枚の基板を前記主面が対向するように
配置され、その間に液晶組成物が挟持された液晶セルを
２枚の偏光板の間に配置され、裏側に平行光線のバック
ライトを有する液晶表示素子において、前記液晶セルと
表側の前記偏光板の間、又は、前記表側偏光板の外側ま
たは前記液晶セルを形成する２枚の基板のうちの表側の
基板とその基板の主面に形成された電極の間に、平板状
の光学的に等方性な透明媒質中に透明で光学的に等方性
かつ前記透明媒質と屈折率の異なる略球形状の屈折体を
前記平板状透明媒質の主面に対して概略平行に平面状に
並べた層を単層または複数層設けた光学素子を設けたこ
とを特徴とする液晶表示素子が提供される。

【００１３】また、前記球形状屈折体の直径が光線の波
長の２倍以上かつ１００μｍ以下であることを特徴とす
る光学素子が提供される。

【００１４】また、前記球形状屈折体を密に並べた層と
層の間隔が、光線の波長の２倍以上かつ５００μｍ以下
であることを特徴とする光学素子が提供される。

【００１５】また、前記球形状屈折体を密に並べた層の
数が２層から１０層であることを特徴とする光学素子が
提供される。

【００１６】また、前記透明な媒質の屈折率ｎ１と前記
球形状屈折体の屈折率ｎ２は、ｎ１／ｎ２≦０．９６または１．０４≦ｎ１／ｎ２の関係にあることを特徴とする光学素子が提供される。

【００１７】また、前記透明な媒質の厚さが３mm以下で
あることを特徴とする光学素子が提供される。

【００１８】また、前記透明な媒質中には、前記球形状
屈折体との界面以外に光学的な界面を持たないことを特
徴とする光学素子が提供される。

【００１９】また、前記光学素子が、液晶セルの表側基
板を兼ねていることを特徴とする液晶表示素子が提供さ
れる。

【００２０】また、前記光学素子がカラーフィルタを兼
ねていることを特徴とする液晶表示素子が提供される。

【００２１】また、前記球形状屈折体の直径が画素ピッ
チの１／４以下であることを特徴とする液晶表示素子が
提供される。

【００２２】更に、この発明によれば、光変調素子によ
って変調された光線、または発光線型電気光学素子から
の光線をスクリーンに投射し、スクリーンの反対側から
その投射像を観察するリア・プロジェクション方式の表
示システムにおいて、平板状の光学的に等方性な透明媒
質中に透明で光学的に等方性かつ前記透明媒質と屈折率
の異なる略球形状の屈折体を前記平板状透明媒質の主面
に対して概略平行に平面状に並べた層を単層または複数
層設けた光学素子をスクリーンに用いたことを特徴とす
るリア・プロジェクション方式の表示システムが提供さ
れる。

【００２３】また、前記球形状屈折体の直径がスクリー
ン状に投射された画像の画素のピッチの１／４以下であ
ることを特徴とするリア・プロジェクション方式の表示
システムが提供される。

【００２４】また、面光源の表面に平板状の光学的に等
方性の透明な媒質中に透明で光学的に等方性かつ前記透
明媒質と屈折率の異なる略球形状の屈折体を前記平板状
透明媒質の主面に対して概略平行に平面状に並べた層を
単層または複数層設けた光学素子を配置したことを特徴
とする拡散光源が提供される。

【００２５】また、その拡散光源を背面光源に用いたこ
とを特徴とする透過型液晶表示素子が提供される。

【００２６】本発明の液晶表示素子及び光源並びに投写
型表示システムに組み込まれる液晶電気光学素子は、上
記目的を達成するものであり、以下その達成原理と手法
について図面を参照して説明する。

【００２７】図１及び図２は、本発明の液晶表示素子及
び光源並びに投写型表示システムに組み込まれる光学素
子の模式的な断面構造の例を示している。図１には、球
を密に並べた層の数が１層である構造例が示され、図２
には、球を密に並べた層の数が３層である構造例が示さ
れている。図３は、図１及び図２に示される光学素子を
形成する球の部分を拡大した図である。図３において符
号Ａであらわした球の上面の部分及び下面の部分は、屈
折体、即ち、凸レンズとして働く。従って、符号Ａの部
分に入射した光線は、拡がって符号Ａで示される射出側
から射出される。一方、図３の中の符号Ｂで示した球の
側面の部分に入射した光線は、屈折或いは、散乱して大
きく曲げられるが、その光線強度は小さく無視すること
ができる。

【００２８】すなわち、図１で示した本発明の液晶表示
素子等に組み込まれる光学素子は、マイクロ・レンズ・
アレイのシートとして作用し、入射してくる光線を少し
拡げて、即ち、僅かに発散して出射する機能を有する。
図２に示すようにこの光学素子を複数層が積層される構
造では、その層の数が多ければ多いい程、更に光線が拡
散、即ち、発散させられることとなる。また、一層当た
りの光線の拡散の程度は、球及び球の回りを包んでいる
透明媒質のそれぞれの屈折率の値によって変化する。ま
た、複数層全体での光線の拡散の程度は、各層の球の密
度を変えることによっても制御することができる。

【００２９】下記表１には、層の数によって光線の拡散
の様子がどのように変化するかを測定した実験結果の例
が示されている。発明者らの実験によれば、拡散板を用
いた液晶表示素子の視角改善に用いるには、層の数は３
から６層が最も好ましことが判明している。

【００３０】

【表１】

【００３１】以上が本発明の液晶表示素子等にに組み込
まれる光学素子が拡散板として作用する原理であるが、
次にこの光学素子が従来の拡散板に比べてどのように優
れているかを説明する。

【００３２】本発明の光学素子においては、詳細は後述
の実施例の項で述べるが、使用する球の直径は数μｍの
もので作ることが可能であり、この球の１つ１つがレン
ズとして作用する。従って、球の層の数を例えば、５層
で作ったとしても、拡散層全体の厚さを数十μｍ以下に
容易に作ることが出来、従来のレンズアレイによる拡散
板と比較して、厚みが非常に薄いので、表示画像のにじ
みに対して非常に有利となる。また、本発明の光学素子
を液晶表示素子と組み合わせた場合、球の直径は画素の
大きさに比べて十分小さいので、球の並びに多少の欠陥
があっても表示品位にほとんど影響しない。

【００３３】また、従来の多重散乱による拡散板やミラ
ー・アレイによる拡散板では、必要な拡散の程度を得よ
うとすると光路の界面の数が多くなり、光線の損失が大
きくなるのに対して、本発明の光学素子による拡散板
は、屈折効果を利用しており光路上の界面の数も少ない
ので光線の損失が少ない。

【００３４】更に本発明の光学素子は光線の偏光状態に
与える影響も少ないため、液晶表示素子と組み合わせる
場合、偏光板と液晶セルの間に配置することが出来る。
このことは、表示画像のにじみの問題に対してに効果が
あるだけでなく、周囲からの光線が拡散板に入射、或い
は、出射する際に偏光板を通過するため減衰するので、
周囲からの光線が拡散板によって散乱され表示画像の品
位を低下させる問題についても、著しい効果がある。

【００３５】また、本発明の光学素子は、光線の損失が
少なくかつ良好な光線の拡散性を示すので、リア・プロ
ジェクション方式のスクリーンや、拡散光源用の拡散板
にも適している。

【００３６】尚、本発明の光学素子において、回折現象
を避けるために、球の並びは多少ランダムな方が良く、
層と層の間の球の重なり具合もランダムな方がよい。ま
た、にじみの問題の観点からは層と層の間隔は狭い方が
よいが、図４或いは、図５に示すようにあまり近接させ
過ぎると多重散乱を起こすので注意が必要である。

【００３７】更に一つの層の中で球が重なり合わずに並
ぶためには、球の直径はほぼ均一であるのが望ましく、
球の直径の偏差は２０％以下であるのがよい。しかし、
球の直径は、全てが同一である必用はなく、同一層内、
或いは、層間で異なることを妨げるものではない。

【００３８】球を包んでいる透明媒質と球の屈折率ｎ１
とｎ２は、どちらが大きくても良いが、両者の比が１か
らはずれるほど一層当たりの拡散の程度が高くなる。光
学素子が液晶セルや偏光板に貼り付けて用いられる場
合、透明媒質の屈折率がそれと接する液晶セルの基板や
偏光板の材質の屈折率に近い方がその界面での光線の損
失が少なくなる。例えば、光学素子がプロジェクタのス
クリーンに用いられる場合、透明媒質は、空気と接する
ことになるので、この場合はｎ２よりもｎ１を小さくす
る構成の方が有利である。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下本発明の液晶表示素子及び光
源並びに投写型表示システムに組み込まれる光学素子の
実施例をより詳細に図面を参照して説明する。

【００４０】（実施例１）まず、図６（ａ）に示すガラ
ス基板の上に図６（ｂ）に示すようにＵＶ硬化型の透明
なシリコーン樹脂であるＴＦＣ７７００（東芝シリコー
ン製、屈折率＝１．４）を、０．１mmの厚さに塗布し、
シリコーン樹脂の表面が粘着性を示す程度に固化する量
の紫外線を照射する。次に、図６（ｃ）に示すように、
このシリコーン膜の表面に、粒径５μｍのプラスチック
球（商品名ミクロパール、積水ファインケミカル製、屈
折率＝１．５７）を擦り込むように塗布する。続いて、
図６（ｄ）に示すように、このプラスチック球を塗布し
た面を水洗いした後、乾燥する。このような塗布及び洗
浄工程を採用すると、シリコーン樹脂の表面に接してい
るプラスチック球のみがシリコーン樹脂の粘着性によっ
て残り、過剰な球は、洗い落とされるので、シリコーン
樹脂の表面に一層だけプラスチック球が密に並んだ層が
形成される。図６（ｅ）に示すように、この上に再び前
述のシリコーン樹脂を塗布し、図６（ｆ）から（ｋ）に
示すように、同様の塗布及び洗浄工程を必要回数繰り返
すことによって、球が平面状に密に並んだ層を重ねてゆ
くことができる。本実施例では、図６（ｋ）に示すよう
に、層の数は３層とし、層と層の間隔はおおよそ１０μ
ｍとした。最後に最表面の球の層の上に再びシリコーン
樹脂を塗布し、紫外線を充分な量照射してシリコーン樹
脂を固め、光学素子の一例を得ることができた。ガラス
基板を除いた光学素子全体の厚さは０．３mmとした。

【００４１】このようにして形成した光学素子２４が図
９に示すような構造を有する液晶表示素子に組み込まれ
て下記のようなことが確認された。ここで、図９に示す
液晶表示素子では、平行光線バックライトからの平行光
線が偏光板４を介してＴＦＴ１３及び画素電極が形成さ
れているＴＦＴアレイ基板１４に入射されてこのＴＦＴ
アレイ基板１４と対向基板９との間に充填されている液
晶１２に導かれている。

【００４２】ＴＦＴアレイ基板１４の画素電極１８上に
は、配向膜１７が形成され、対向基板９の液晶側の基板
面上には、カラーフイルタ１０が形成され、このカラー
フイルタ１０上に対向電極としてのＩＴＯ電極１１が形
成されている。

【００４３】また、このＩＴＯ電極１１上には、同様に
配向膜１７が形成されている。このような構造では、選
択的にＴＦＴ１３を動作させることによって画素電極及
び対向電極としてのＩＴＯ膜１１間に選択的に電界が印
加され、液晶１２の配向性が変化されて光線が選択的に
液晶１２中を通過することとなる。液晶中を通過した光
線は、対向基板９を通過して光学素子２４中に入射さ
れ、この光学素子２４中で発散されて支持基板８中に導
かれる。支持基板８中を通過した光線は、射出側の偏光
板４を介して液晶表示素子外に照射される。

【００４４】ここで、液晶表示素子として、画素数が縦
４８０、横６４０×３、画素ピッチ縦０．３３mm、横
０．１１mmのＴＦＴ駆動カラー液晶モジュール（ＬＴＭ
１０Ｃ０２５、東芝製）が採用され、その表面に光学素
子がそのシリコーンの面を内側にして図９に示すように
貼り付けられ、同モジュールのバックライトは、そのコ
リメーション角が７°である平行光線バックライトに変
更された。

【００４５】この液晶表示素子の表示画像を目視観察し
たところ、どの方位角から見ても法線に対して６０°以
上の範囲まで表示画像の変化がほとんど見られず、極め
て良好な視角特性が得られた。発明者らが測定したとこ
ろ、平行光線バックライトの正面輝度が15000Cd/m2のと
きの表示画像の正面輝度は７０Cd/m²であり、法線に対
して６０°の角度から観察したときのコントラスト比
は、５０以上、輝度は正面から見たときの２５% であっ
た。また、正面コントラスト比は１５０：１以上が得ら
れた。この表示特性は、実験に用いたＬＴＭ１０Ｃ０２
５の特性と同等以上であり、全体として表示品位が著し
く向上した。また、拡散層である本発明の光学素子の厚
さが薄いので、表示のにじみも少なかった。

【００４６】（実施例２）表面に粘着材のついた偏光板
４であるＧ１２２０ＤＵＮ（日東電工製）の糊面に、実
施例の１と同様に直径１０μｍのプラスチック球（商品
名ミクロパール、積水ファインケミカル製、屈折率＝
１．５７）を塗布、洗浄、シリコーン樹脂（ＴＦＣ７７
７０）の塗布を繰り返して、プラスチック球の層を３層
形成し、最後に表面にシリコーン樹脂を塗布し紫外線を
塗布して固めた。層と層の間隔は１５μｍとした。この
ようにして作製した本発明の一例である光学素子を、実
施例１と同様に、カラー液晶モジュールのＬＴＭ１０Ｃ
０２５の表側の偏光板を剥がしたものに、偏光板４が外
側になるようにして貼り付けた。この時、本発明の光学
素子２４を形成した偏光板４の偏光軸の方向は、液晶モ
ジュールから剥がした偏光板の偏光軸と同一となるよう
配置した。また、液晶モジュールのバックライトは実施
例１と同様の平行光線バックライトに取り替えた。この
ようにして得られた図１０に示す液晶モジュールの表示
を目視観察したときの視角特性は実施例１と同じ様に極
めて良好であった。正面でのコントラスト比を測定した
ところ、約１００：１で、実施例１に比べて低下してい
た。これは偏光板４とセルの間に本発明の光学素子であ
る拡散層を配置したためである。しかし、この偏光板を
外側に配置した構成により周囲光線の拡散反射が減少し
たので、通常の周囲光線（数百lux ）のある環境下で表
示を観察したときの見た目のコントラスト比は、実施例
１の時よりも改善され、より良い表示画像が観察され
た。また、実施例１よりも表示のにじみが更に改善され
た。尚、図１０に示す液晶モジュールの構造は、図９に
示すモジュールの構造と略同様であるのでその説明は省
略する。

【００４７】（比較例）従来の拡散板の１例として、米
国Physical Optics Corporation 製のホログラフィック
拡散板のＬＳＤ６０ＰＣ３０−８（概略仕様は、拡散角
度：６０°、基板材質：ポリカーボネート、厚み：３０
mil ）を前述と同じ液晶モジュール；ＬＴＭ１０Ｃ０２
５（東芝製）のバックライトを実施例１と同じ平行光バ
ックライトに変更したものの表面に配置してみたとこ
ろ、表示画像のにじみが著しく実用に耐えなかった。ま
た、斜めから見たときの輝度の低下が大きく、光の拡散
性能も不十分であった。

【００４８】次に、この拡散板をこの液晶モジュールの
偏光板と液晶セルの間に配置してみたところ、コントラ
スト比が２０：１以下に低下するとともに、拡散板の材
料であるポリカーボネートの複屈折による色づきが発生
し、画質が著しく劣化した。（実施例３）本発明の一実施例として、実施例１及び２
と同様に、図１１に示すように偏光板４；Ｇ１２２０Ｄ
ＵＮの粘着面の上に、直径５μｍの実施例１と同じプラ
スチック球の層を、同じく実施例１と同じシリコーン樹
脂を用いて１０μｍ間隔で５層形成したものを、液晶モ
ジュール（ＬＴＭ１０Ｃ０２５、東芝製）に偏光板４が
外側になるように貼り付けた液晶表示素子を作製した。
この場合も、液晶モジュールのバックライトは、実施例
１で用いたものと同じ平行光線バックライトに取り替え
てある。このようにして作製した液晶表示素子は、正面
の輝度は実施例の２よりも低下するが、その分斜めから
見たときの輝度は向上し、法線から６０°の角度で観察
したときの輝度は、正面から観察したときの輝度の４０
％であった。結果として実施例１或いは、２よりも表示
画像の視角依存は少なくなった。（実施例４）実施例３と同様に本発明の光学素子を球の
層の数を４層で偏光板上に作製した。但し、ここでは、
球の材質はシリカを用いており、その屈折率は１．４、
直径は４μｍである。また、球を包む透明媒質にはＵＶ
硬化型のエポキシ樹脂（屈折率＝１．６５）を用いた。
また、実施例１或いは、２或いは、３で使用した液晶モ
ジュールに使用されているのと同じＴＦＴアレイ及びカ
ラーフィルタを用いて、図１２に示すようなOCB モード
の液晶セル３を作製した。セルギャップは６μｍ、使用
した液晶材料の屈折率異方性が０．１６である。このセ
ル３の裏面には、セル３の正面の光学特性を補償する補
償板１６と偏光板４を貼り、表側には上記光学素子を偏
光板４が外側になるようにして貼り付け、実施例３と同
様のモジュールに組み立てた。このようにして作製した
液晶表示素子は、応答速度５msの高速応答かつ前記の実
施例と同様の広視角特性が得られ、非常に良好な画質が
得られた。

【００４９】（実施例５）実施例４と同様のＴＦＴアレ
イとカラーフィルタを用いて、図１３に示すような１８
０°ツイスト配向した液晶セル３を作製した。セルギャ
ップは１０μｍ、使用した液晶材料の屈折率異方性が
０．１４である。このセル３の裏面にセル３の正面の光
学特性を補償する補償板４と偏光板１６を貼り、表側に
は実施例４に示した本発明の光学素子の一例と同じもの
を偏光板４を外にして貼り付け、実施例４と同様に液晶
モジュールに組み立てて、特願平７−２５３３０２に提
案されている表示モードで動作させた。このようにして
作製した液晶表示素子は、応答速度画１０ms以下と高速
であり、かつ本発明の効果により視角特性が非常に良好
であった。

【００５０】（実施例６）実施例４と同様のＴＦＴアレ
イとカラーフィルタを用いて、図１４に示すようなハイ
ブリッド配向の液晶セル３を作製した。セルギャップは
５μｍ、使用した液晶材料の屈折率異方性が０．１０で
ある。このセル３の裏面にセル３の正面の光学特性を補
償する補償板１６と偏光板４を貼り、表側には実施例４
に示した本発明の光学素子の一例と同じものを偏光板４
を外にして貼り付け、実施例４と同様に液晶モジュール
に組み立てて動作させた。このようにして作製した液晶
表示素子は、応答速度画１０ms以下と高速であり、かつ
本発明の効果により視角特性が非常に良好であった。

【００５１】尚、図１２、図１３及び図１４において、
符号１７で示される矢印は、基板１５に対するラビング
方向を示している。

【００５２】（実施例７）実施例２に示した本子発明の
光学素子を、ＳＴＮ−ＬＣＤモジュールである（ＴＬＸ
−８１２３Ｓ−Ｃ３Ｘ、東芝製、画素数；縦４８０、横
６４０×３、画素ピッチ縦０．３３mm、横０．１１mm）
の表側の偏光板と貼り替え、バックライトを実施例１と
同様の平行光線バックライトに取り替えて動作させたと
ころ、極めて良好な視角特性が得られた。

【００５３】（実施例８）実施例４で用いたカラーフィ
ルタ基板１８の表面に形成されている着色層の上に、実
施例４で示したシリカ球とＵＶ硬化エポキシ樹脂を用い
て、実施例１と同様に３層の球の層からなる本発明の光
学素子２４を形成した。その表面にスパッタ法によりＩ
ＴＯによる透明電極１０を１００nmの厚さで形成し、こ
れを対向基板として実施例４と同じＴＦＴアレイ基板と
を組み合わせてＴＮモードのセルを作製した。この時の
セルギャップと使用した液晶材料は、液晶モジュール；
ＬＴＭ１０Ｃ０２５と同じとした。この液晶セルを、図
１５に示すように平行光線バックライトを用いたモジュ
ールに組み立てて動作させたところ、表示のにじみが無
く、視角特性が極めて良好な液晶表示素子が得られた。

【００５４】（実施例９）本発明の光学素子による、実
施例８と同様の拡散層を着色層の上に形成したカラーフ
ィルタ基板を用いて、実施例８と同様に実施例４に示し
たＯＣＢモードの液晶セルを作製し、液晶モジュールに
して動作させたところ、実施例４と同様に高速かつ広視
角の特性が得られ、更に表示のにじみが全く見られず良
好であった。

【００５５】（実施例１０）本発明の光学素子による、
実施例８と同様の拡散層を着色層の上に形成したカラー
フィルタ基板を用いて、実施例８と同様に実施例５に示
した表示モードの液晶セルを作製し、液晶モジュールに
して動作させたところ、実施例５と同様に高速かつ広視
角の特性が得られ、更に表示のにじみが全く見られず良
好であった。（実施例１１）本発明の光学素子による、実施例８と同
様の拡散層を着色層の上に形成したカラーフィルタ基板
を用いて、実施例８と同様に実施例６に示したハイブリ
ッド配向の表示モードの液晶セルを作製し、液晶モジュ
ールにして動作させたところ、実施例６と同様に高速か
つ広視角の特性が得られ、更に表示のにじみが全く見ら
れず良好であった。

【００５６】（実施例１２）ＳＴＮ−ＬＣＤモジュー
ル；ＴＬＸ−８１２３Ｓ−Ｃ３Ｘに用いられているカラ
ーフィルタ基板の着色層の上に、実施例８と同様の拡散
層を形成し、その表面にＩＴＯ膜を形成、パターンニン
グした基板を用いてＴＬＸ−８１２３Ｓ−Ｃ３Ｘと同じ
セル条件でＳＴＮ−ＬＣＤを作製し、実施例７と同様の
平行光線バックライトを用いてモジュールに組み立て
た。得られた液晶表示素子は、実施例７と同様に視角特
性が良好で、かつ表示のにじみが全く見られず良好であ
った。

【００５７】（実施例１３）実施例１或いは、実施例８
で作製したものと同様に本発明の光学素子２４を表面に
形成したガラス基板９の表面にスパッタ法によりＩＴＯ
膜１１を１００nmの厚さで形成し、この基板を対向基板
とし、実施例８で用いたものと同じＴＦＴアレイ１４の
各画素上にカラーフィルタ１０を形成したものをＴＦＴ
アレイ基板として実施例８と同様に液晶セルを作製し
た。これを図１６に示すように平行光線バックライトを
用いたモジュールに組み立てて点灯したところ、表示の
にじみが無く、視角特性が極めて良好な液晶表示素子が
得られた。図１６において、符号１９は、ＩＴＯ膜１１
上に形成された配向膜を示している。

【００５８】（実施例１４）実施例１或いは、実施例８
と同様の本発明の光学素子を、光学素子２４を形成する
のに用いたＵＶ硬化樹脂に顔料を分散して赤または緑ま
たは青の色を付け、パターンニングすることにより、本
発明の光学素子２４がカラーフィルタ付き基板の着色層
を兼ねる基板１５を作製し、光学素子２４の表面にＩＴ
Ｏ膜１１を形成した。このカラーフィルタ基板１５とＴ
ＦＴアレイ基板１４を用いて実施例８と同様に、図１７
に示すように液晶表示素子を作製した。この液晶表示素
子は、実施例８と同様に表示画像のにじみが無く視角特
性の極めて良好な表示特性を示した。

【００５９】（実施例１５）実施例２に記載の偏光板４
付きの本発明の光学素子２４の表面に、引き続いてカラ
ーフィルタ１０とＩＴＯ電極膜１１を形成したものを対
向基板として、ＴＦＴアレイ基板１４と組み合わせて実
施例８と同様に図１８に示すような液晶表示素子を作製
した。この液晶表示素子は表示画像のにじみが無く、視
角特性が極めて良好で、かつ実施例８の液晶表示素子よ
りも液晶セルの重量を軽くすることができた。

【００６０】（実施例１６）液晶モジュールのバックラ
イトに用いられている光源としての蛍光ランプ２０から
の光線を導く導光線体６の表面に、実施例８と同じ部材
を用いて実施例１と同様に本発明の光学素子２４を形成
した。この導光線体６を用いて図１９に示すような液晶
モジュール用の拡散バックライトを作製した。本実施例
のバックライトは、従来の散乱を利用した拡散板を配置
した場合に比べて、輝度が２０％し、輝度の視角特性も
改善した。

【００６１】（実施例１７）実施例１６に示す拡散バッ
クライトをＴＮモードのＴＦＴ−ＬＣＤと組み合わせ
た、図２０に示すような液晶表示素子を作製した。この
液晶表示素子は、バックライトが明るく輝度の視角特性
が良好であるため、見やすい液晶表示素子が得られた。

【００６２】（実施例１８）実施例１６に示す拡散バッ
クライトをＩＰＳモードのＴＦＴ−ＬＣＤと組み合わせ
た、図２１に示すような液晶表示素子を作製した。この
液晶表示素子は、バックライトが明るく輝度の視角特性
が良好であり、かつ液晶セル自体の視角特性も良いた
め、非常に見やすい液晶表示素子が得られた。

【００６３】（実施例１９）アクリル樹脂基板上に、実
施例１と同様にして本発明の光学素子２４を形成し、図
２２に示すようにリア・プロジェクタ方式の表示システ
ムのスクリーン２１として用いたところ、明るく解像度
の高い画像が得られた。

【００６４】（実施例２０）ＴＮモードの液晶パネルを
ライトバルブに用いたリア・プロジェクタ方式の表示シ
ステムのスクリーンに実施例１９と同様の本発明の光学
素子を用い、液晶セルの出射光線側の偏光板を除去して
変わりにスクリーンの表側に偏光板を貼ったところ、ス
クリーンでの周囲光線の散乱が押さえられて良好な画像
が観察された。

【００６５】（実施例２１）実施例１或いは、実施例８
で作製したものと同様に本発明の光学素子２４を表面に
形成したガラス基板９の表面にスパッタ法によりＩＴＯ
膜１１を１００nmの厚さで形成し、この基板を対向基板
とし、実施例８で用いたものと同じＴＦＴアレイ１４の
各画素上にカラーフィルタ１０を形成したものをＴＦＴ
アレイ基板として実施例８と同様に液晶セルを作製し
た。この実施例２１は、カラーフイルタ１０と画素電極
２３の位置関係が異なる点が実施例１３と異なってい
る。これを図２４に示すように平行光線バックライトを
用いたモジュールに組み立てて点灯したところ、表示の
にじみが無く、視角特性が極めて良好な液晶表示素子が
得られた。図２４において、符号１９は、ＩＴＯ膜１１
上に形成された配向膜を示している。

【００６６】

【本発明の効果】本発明によれば、薄く、光線の損失が
少なく、拡散の程度を制御でき、通過する光線の偏光状
態に与える影響の少ない光学素子を得ることができる。
従って、この光学素子を、平行光線バックライトを用い
た液晶表示素子と組み合わせることで、液晶表示素子の
視角特性を大幅に改善出来ると共に、従来この視角改善
手法で問題となった表示画像のにじみを軽減させること
ができる。更に、本発明の光学素子を拡散光源の拡散板
として用いることで、輝度を向上させ或いは、配光線特
性を制御することができる。

【００６７】更に、この光学素子をリアプロジェクタの
スクリーンに用いることで、プロジェクション表示シス
テムの画質を改善することができる。

【００６８】本発明の効果は本発明の実施例で述べた材
料、条件に限定されるものではなく、他の材料、他の条
件においても同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学素子の１例であり、球の層が単層
の場合を示す模式的断面図。

【図２】本発明の光学素子の一例であり、球の層が３層
の場合を示す模式的断面図。

【図３】本発明の光学素子における球のレンズ作用を説
明する図である。

【図４】本発明の光学素子の１例製造方法を簡単に示し
た図である。

【図５】本発明の光学素子の一例であり、球の層が３層
の場合を示す模式的断面図。

【図６】本発明の光学素子の別の一例であり、球の層が
３層の場合を示す模式的断面図。

【図７】本発明の光学素子の別の一例であり、球の層が
３層の場合を示す模式的断面図。

【図８】本発明の光学素子の別の一例であり、球の層が
３層の場合を示す模式的断面図。

【図９】本発明の一実施例で、本発明の光学素子を用い
た液晶表示素子の模式的な断面図である。

【図１０】本発明の他の一実施例で、本発明の光学素子
を用いた液晶表示素子の模式的な断面図である。

【図１１】本発明の光学素子の他の一例であり、球の層
が５層の場合を示す模式的断面図。

【図１２】ＯＣＢモードの液晶セルの構成を示す図であ
る。

【図１３】１８０度ツイストの高速応答液晶表示モード
の液晶セルの構成を説明する図である。

【図１４】ハイブリッド配向の液晶セルの構成を説明す
る図である。

【図１５】本発明の別の一実施例で、本発明の光学素子
を液晶セルの内面に配置した液晶表示素子の模式的な断
面図である。

【図１６】本発明の別の一実施例で、本発明の光学素子
用いた液晶表示素子の模式的な断面図である。

【図１７】本発明の別の一実施例で、本発明の光学素子
を液晶セルの内面に配置し、かつその光学素子がカラー
フィルタを兼ねている液晶表示素子の模式的な断面図で
ある。

【図１８】本発明の別の一実施例で、本発明の光学素子
が、液晶セルの対向基板を兼ねている液晶表示素子の模
式的な断面図である。

【図１９】本発明の別の一実施例で、本発明の光学素子
を拡散板としてバックライトの導光線板の上に配置した
場合の模式的な断面図である。

【図２０】本発明の別の一実施例で、図２０に示すバッ
クライトを用いた液晶表示素子の模式的な断面図であ
る。

【図２１】本発明の別の一実施例で、図２０に示すバッ
クライトを用いた液晶表示素子の模式的な断面図の別の
例である。

【図２２】本発明の別の一実施例で、本発明の光学素子
をスクリーンとして用いたリア・プロジェクションシス
テムの一例を示す図である。模式的な断面図の別の例で
ある。

【図２３】平行光線バックライトと拡散板を液晶セルと
組み合わせた液晶表示素子の視角特性改善方法の構成を
説明する図である。

【図２４】本発明の別の一実施例で、本発明の光学素子
用いた液晶表示素子の模式的な断面図である。

【符号の説明】

１…透明な球２…球を包む透明媒質３…液晶セル４…偏光板５…拡散板６…導光線体７…平行光線バックライト８…支持基板９…対向基板１０…カラーフィルタ１１…ＩＴＯ電極１２…液晶１３…ＴＦＴ１４…ＴＦＴアレイ基板１５…基板１６…補償板１７…ラビング方向１８…保護膜１９…配向膜２０…蛍光線ランプ２１…スクリーン２２…ライトバルブ２３…画素電極

【手続補正書】

【提出日】平成８年６月２６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３７】更に１つの層の中で球が重なり合わない部
分が大半を占めれば本発明の効果がある。換言すれば、
一つの層の中で球がほんの一部重なるものでも本発明の
効果がある。しかし、球の直径は、全てが同一である必
要はなく、同一層内、或いは、層間で異なることを妨げ
るものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一主面に電極が形成された２枚の基板を前
記主面が対向するように配置され、その間に液晶組成物
が挟持された液晶セルが２枚の偏光板の間に配置され、
裏側に平行光線のバックライトを有する液晶表示素子に
おいて、前記液晶セルと表側の前記偏光板の間、又は、前記表側
偏光板の外側または前記液晶セルを形成する２枚の基板
のうちの表側の基板とその基板の主面に形成された電極
の間に、平板状の光学的に等方性な透明媒質中に透明で
光学的に等方性かつ前記透明媒質と屈折率の異なる略球
形状の屈折体を前記平板状透明媒質の主面に対して概略
平行に平面状に並べた層を単層または複数層設けた光学
素子を設けたことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】前記球形状屈折体の直径が光線の波長の２
倍以上かつ１００μｍ以下であることを特徴とする請求
項１に記載の光学素子。
【請求項３】前記球形状屈折体を密に並べた層と層の間
隔が、光線の波長の２倍以上かつ５００μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】前記球形状屈折体を密に並べた層の数が２
層から１０層であることを特徴とする請求項１に記載の
光学素子。
【請求項５】前記透明な媒質の屈折率ｎ１と前記球形状
屈折体の屈折率ｎ２は、ｎ１／ｎ２≦０．９６または１．０４≦ｎ１／ｎ２の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の光学素
子。
【請求項６】前記透明な媒質の厚さが３mm以下であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項７】前記透明な媒質中には、前記球形状屈折体
との界面以外に光学的な界面を持たないことを特徴とす
る請求項１に記載の光学素子。
【請求項８】前記光学素子が、液晶セルの表側基板を兼
ねていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素
子。
【請求項９】前記光学素子がカラーフィルタを兼ねてい
ることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項１０】前記球形状屈折体の直径が画素ピッチの
１／４以下であることを特徴とする請求項１から請求項
９に記載の液晶表示素子。
【請求項１１】光変調素子によって変調された光線、ま
たは発光線型電気光学素子からの光線をスクリーンに投
射し、スクリーンの反対側からその投射像を観察するリ
ア・プロジェクション方式の表示システムにおいて、平
板状の光学的に等方性な透明媒質中に透明で光学的に等
方性かつ前記透明媒質と屈折率の異なる略球形状の屈折
体を前記平板状透明媒質の主面に対して概略平行に平面
状に並べた層を単層または複数層設けた光学素子をスク
リーンに用いたことを特徴とするリア・プロジェクショ
ン方式の表示システム。
【請求項１２】前記球形状屈折体の直径がスクリーン状
に投射された画像の画素のピッチの１／４以下であるこ
とを特徴とする請求項１１に記載のリア・プロジェクシ
ョン方式の表示システム。
【請求項１３】面光源の表面に平板状の光学的に等方性
の透明な媒質中に透明で光学的に等方性かつ前記透明媒
質と屈折率の異なる略球形状の屈折体を前記平板状透明
媒質の主面に対して概略平行に平面状に並べた層を単層
または複数層設けた光学素子を配置したことを特徴とす
る拡散光源。
【請求項１４】拡散光源を背面光源に用いたことを特徴
とする請求項１３に記載の透過型液晶表示素子。