JPWO2008155878A1 - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

バックライト出射光の非対称性に起因して発生する表示の不具合を低減し、表示面鉛直方向を中心として対称性の高い輝度が得られる液晶表示装置を提供する。液晶パネルに向けて光を出射するバックライトと、液晶パネルとバックライトとの間に設けられたマイクロレンズアレイとを備えた液晶表示装置であり、バックライトは、マイクロレンズアレイに向けて、光の伝播方向の平均が液晶パネルの受光面に垂直な第１方向とは異なる第２方向である光を出射し、複数のマイクロレンズのそれぞれが、受光面に垂直な軸であってマイクロレンズの中心を通る軸に対して非対称の形状を有し、液晶パネルに向けて、光の伝播方向の平均が第２方向よりも第１方向に近い方向である光を出射する。

Description

本発明は、液晶表示装置に関するものであり、特に、マイクロレンズアレイを備えた液晶表示装置に関する。

近年、モニター、プロジェクタ、携帯情報端末、携帯電話などにおける表示装置として液晶表示装置が広く利用されている。液晶表示装置は、一般に、液晶パネルの透過率（又は反射率）を駆動信号によって変化させ、液晶パネルに照射される光源からの光の強度を変調して画像や文字を表示する。液晶表示装置には、液晶パネルに表示された画像などを直接観察する直視型表示装置や、液晶パネルに表示された画像を投影レンズによってスクリーン上に拡大投影する投影型表示装置（プロジェクタ）などがある。

液晶表示装置は、マトリクス状に規則的に配列された画素のそれぞれに画像信号に対応した駆動電圧を印加することによって、各画素における液晶層の光学特性を変化させ、その前後に配置された偏光素子（典型的には偏光板）により、液晶層の光学特性に合わせて、透過する光を調光することで、画像や文字などを表示する。この偏光板は、直視型液晶表示装置では、通常、液晶パネルの光入射側基板（背面基板）及び光出射側基板（前面基板または観察者側基板）のそれぞれに直接貼り合わされる。

各画素に独立した駆動電圧を印加する方式としては、単純マトリクス方式と、アクティブマトリクス方式とがある。このうち、アクティブマトリクス方式の液晶パネルには、スイッチング素子と画素電極に駆動電圧を供給するための配線とを設ける必要がある。スイッチング素子としては、ＭＩＭ（金属−絶縁体−金属）素子などの非線形２端子素子やＴＦＴ（薄膜トランジスタ）素子等の３端子素子が用いられている。

ところで、アクティブマトリクス方式の液晶表示装置では、液晶パネルに設けられたスイッチング素子（特にＴＦＴ）に強い光が入射すると、ＯＦＦ状態における素子抵抗が下がり、電圧印加時に画素容量に充電された電荷が放電され、所定の表示状態が得られないため、黒状態でも光が漏れてコントラスト比が低下するという問題がある。

そこで、アクティブマトリクス方式の液晶パネルでは、例えば、ＴＦＴ（特にチャネル領域）に光が入射するのを防止するために、ＴＦＴや画素電極が設けられたＴＦＴ基板や、ＴＦＴ基板に対して液晶層を介して対向する対向基板に、遮光層（ブラックマトリクス）が設けられる。

ここで、液晶表示装置が反射型液晶表示装置である場合には、反射電極を遮光層として用いれば、有効画素面積が低下することがない。しかしながら、透過光を利用して表示を行う液晶表示装置においては、光を透過しないＴＦＴ、ゲートバスラインおよびソースバスラインに加えて遮光層を設けることによって有効画素面積が低下し、表示領域の全面積に対する有効画素面積の比率、すなわち開口率が低下する。

液晶表示装置は軽量かつ薄型であり、消費電力が低いという特徴を有しているので、携帯電話や携帯情報端末等のモバイル機器の表示装置として広く用いられているが、表示情報量の増大、画質向上等の目的から、表示装置に対する高精細化の要望はますます強くなってきている。従来、例えば、２〜３インチクラスの液晶表示装置に対しては、２４０×３２０画素によるＱＶＧＡ表示が標準的であったが、近年は４８０×６４０画素によるＶＧＡ表示を行う装置も製造されている。

液晶パネルの高精細化、小型化が進むに連れて、上述した開口率の低下はより大きな問題となる。画素ピッチを小さくしようとしても、電気的性能や製造技術等の制約から、ＴＦＴやバスライン等をある程度のサイズより小さくすることができないからである。透過率の低下を補うためにはバックライトから供給される光の輝度を向上させることも考えられるが、これは消費電力の増大を招くため、特にモバイル機器にとって問題となる。

また、近年、モバイル機器の表示装置として、暗い照明下ではバックライトによる光を利用して表示を行い、明るい照明下では液晶パネルの表示面に入射された光を反射することによって表示を行う、半透過型の液晶表示装置が普及している。半透過型液晶表示装置では、個々の画素に反射モードで表示する領域（反射領域）と透過モードで表示する領域（透過領域）とを有しているので、画素ピッチを小さくすることによって、表示領域全面積に対する透過領域面積の比率（透過領域の開口率）が著しく低下する。このため、半透過型液晶表示装置は、周囲の明るさに拘らず、コントラスト比の高い表示を実現できるという利点があるが、透過領域の開口率が小さくなると、輝度が低下するという問題があった。

このような透過領域を有する液晶表示装置の光利用効率を改善する方法として、液晶パネルに、個々の画素に光を集光するマイクロレンズを設け、液晶パネルの実効的な開口率を向上させる方法が特許文献１に開示されている。また、マイクロレンズによって入射光を集光すると共に、入射光を液晶のプレチルトの方位角に対応する方向に傾けて出射させる方法が特許文献２に記載されている。
特開平５−３３３３２８号公報 特開２００６−１８４６７３号公報

液晶表示装置用のバックライトには、表示パネルの真下に光源が配置される直下型のバックライトや、表示パネルの真下に設けた導光板の側面に光源を配置するエッジライト方式（導光板方式）のバックライトがある。エッジライト方式のバックライトは比較的薄型であるため、装置の小型化が要求される直視型の液晶表示装置、とりわけモバイル用、ノートパソコン用等の液晶表示装置に適している。

また、直視型の液晶表示装置にマイクロレンズアレイを適用する場合、使用するバックライトには、出来る限り平行光に近く且つ指向性の強い光、すなわち表示面鉛直方向に強い指向性を有する光を出射し得るものを用いることが望ましい。そのようなバックライトの一例として、逆プリズム（ＴＬ：Ｔｕｒｎｎｉｎｇ Ｌｅｎｓ又はＲＰ：Ｒｅｖｅｒｓｅｄ Ｐｒｉｓｍ）を利用したエッジライト方式のバックライトがある。

図６は、そのようなバックライトの一例を模式的に示した断面図である。図に示すように、このバックライト１０は、導光板１２と、導光板１２の１つの側面に配置された光源であるＬＥＤ１４と、導光板１２の下に配置された反射板１６と、導光板１２の上（液晶パネル側）に配置されたプリズムシート１８を備えている。

反射板１６に面する導光板１２の下部には鋸歯状に溝（間隙）２０が掘られており、その結果、導光板１２の底面２２には、傾斜角度θが異なる複数の傾斜面２４が形成されている。ここで複数の傾斜面２４は、ＬＥＤ１４から離れるに従って傾斜角度θが大きくなるように形成されている。プリズムシート１８は、下方向に尖った複数のプリズム部２６を有する。なお、光源にはＬＥＤ１４に代えて冷陰極管を用いても良く、ＬＥＤ１４を導光板１２の２つの側面に挟まれた角部に配置することも可能である。

ＬＥＤ１４から出射された光は、反射板１６あるいは導光板１２の傾斜面２４で反射された後、導光板１２の上面（出射面）２５を通過し、プリズムシート１８のプリズム部２６によって屈折され、出射面２８からその上部に配置された液晶パネルに向けて出射される。

導光板１２とプリズムシート１８との間の間隙、及び溝２０は空気で満たされている。ＬＥＤ１４から発せられた光のうち、導光板１２の底面２２及び上面２５に臨界角（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ａｎｇｌｅ）以上の角度で入射した光は、これらの面によって全反射される。一方、臨界角よりも小さい角度で入射した光は、その一部が反射され、残りは屈折して底面２２又は上面２５から出射される。底面２２から出射した光は、反射板１６で反射して再び導光板１２に入射し、上面２５から出射した光はプリズムシート１８へと向かう。

このような仕組みにより、導光板１２を伝播する光は反射及び屈折を繰り返しながら、徐々にプリズムシート１８に向けて出射されていくが、このとき、導光板１２から出射される光は、上面２５の面鉛直方向から傾いた方向の指向性を有している。この指向性の方向は、図に示すように、上面２５の面鉛直方向を視野角０°、上面２５に沿ってＬＥＤ１４から離れる方向（図の左から右に向かう方向）を視野角９０°とした場合、視野角４５°以上９０°未満の方向となる。

ここで、光が「指向性を有する」とは、出射される光がある特定の方向に対して強い強度を有することを示しており、指向性の強さ、すなわち特定の方向に対してどの程度強い方向性を有するかは、後に図８を用いて説明するように、出射光の強度分布における半値幅角によって示される。また、ここで、半値幅角の中心値によって示される方向を「指向性の方向」と定義する。

次に、導光板１２の上面２５から出射した光に対するプリズムシート１８の作用を、図７を用いて説明する。

図７は、プリズムシート１８のプリズム部２６の表面３０によって反射あるいは屈折される光の挙動を表した図である。

図に示すように、プリズム部２６の表面３０に臨界角θＣ以上の角度θａで入射した光Ｌａは、表面３０で全反射され、その全ての光Ｌａ’が液晶パネルへと向かう。一方、臨界角θＣよりも入射角が小さい光Ｌｂは、表面３０によって反射光Ｌｂ’と屈折光Ｌｂ”とに分離される。

プリズムシート１８の表面３０によって、光がこのように反射及び屈折されること、並びに、プリズムシート１８に入射する光が上述したような方向の指向性を有することから、プリズムシート１８から液晶パネルへと向かう光の多くが、０°より大きい視野角方向に伝播することになる。言い換えれば、プリズムシート１８から液晶パネルに向かう光の伝播方向の平均は、０°よりも大きい視野角方向となり、その指向性の向きも０°より大きい視野角方向となる。

また、プリズム部３０が下向きに尖った形状を有するため、プリズムシート１８を通過した光には、表面３０の傾斜角度θｓよりも大きい方位角方向に向かう光はほとんど含まれない。従って、バックライト１０から出射される光の輝度は、θｓ〜９０°の視野角範囲及び−θｓ〜−９０°の視野角範囲において非常に低下する。

図８は、バックライト１０から液晶パネルに向かう出射光の輝度の視野角依存性を示す図である。図に示すように、輝度の半値角はθ１及び−θ２であるが、θ１はθ２よりも大きく、よって、半値角幅の中心θｍは０°よりも大きくなる。これは、出射光の輝度分布が、視野角０度を基準とした場合に非対称性を有することを示すと共に、出射光の指向性の方向が正の視野角側にあることを示しており、また、出射光の伝播方向の平均が視野角０°方向ではなく、それよりも大きな方向を向いていることを示している。

マイクロレンズを有する液晶表示装置によって高画質の表示を行うには、バックライトからマイクロレンズに入射する光が、できる限り表示面に垂直に入射する平行光であること、並びに輝度分布に偏りのない均一な光であることが要求される。しかし、バックライト１０の出射光が上述したような非対称性を有している場合、液晶表示装置による表示にも輝度の非対称性が現れ、視野角特性が不均一で輝度ムラの多い表示がなされることになる。

このような問題の考察並びに解決方法は、上記の特許文献には全く示唆されてはいなかった。特許文献２は、マイクロレンズによって光を傾けて出射させる方法を記載しているものの、ここでは、マイクロレンズに入射する光は全て表示面に垂直に入射するものとされており、上述した問題の提起ならびにその解決方法は全く示唆されていない。

本願の発明者は、バックライト１０を備えた液晶表示装置では、上述した輝度の非対称性の問題が発生することに気が付き、そのような液晶表示装置によって極めて質の高い表示を行うためには、この非対称性の問題を解決する必要があることに気が付いた。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、バックライト出射光の非対称性に起因して発生する表示の不具合を低減し、表示ムラの少ない高輝度の表示が可能な液晶表示装置を提供することにある。

本発明による液晶表示装置は、一対の基板と、前記一対の基板の間に配置された液晶層とを有する液晶パネルと、光源から出射された光を前記液晶パネルに向けて光を出射するバックライトと、前記液晶パネルと前記バックライトとの間に設けられた、複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、を備え、前記バックライトは、前記マイクロレンズアレイに向けて、光の伝播方向の平均が前記液晶パネルの受光面に垂直な第１方向とは異なる第２方向である光を出射し、前記複数のマイクロレンズのそれぞれが、前記受光面に垂直な軸であってマイクロレンズの中心を通る軸に対して非対称の形状を有し、前記液晶パネルに向けて、光の伝播方向の平均が前記第２方向よりも前記第１方向に近い方向である光を出射する。

ある実施形態において、前記バックライトは、前記光源から出射された光を導光する導光板と、反射板と、前記導光板と前記マイクロレンズアレイとの間に配置された複数のプリズムとを有し、前記光源から前記導光板に向かう光の伝播方向を第３方向とした場合、前記第２方向は前記第１方向から前記第３方向の側に傾いた方向である。

ある実施形態では、前記バックライトから出射される光の指向性の向きが、前記第１方向よりも前記第３方向に偏っており、前記マイクロレンズアレイから出射される光の指向性の向きが、前記バックライトから出射される光の指向性の向きよりも前記第１方向に近い。

ある実施形態では、前記複数のマイクロレンズのそれぞれの受光面が、第１の曲率を有する第１曲面と、前記第１曲面よりも前記光源から遠い側に形成され、前記第１の曲率とは異なる第２の曲率を有する第２曲面とを有する。

ある実施形態では、前記一対の基板の面に垂直な方向から見た場合、前記第２曲面の面積が前記第１曲面の面積よりも広い。

ある実施形態では、前記複数のマイクロレンズのそれぞれの受光面が、前記第１曲面と前記第２曲面との間に平坦面を有する。

ある実施形態では、前記一対の基板の面に垂直な方向から見た場合、前記平坦面に対する前記第１曲面の面積比が０．２以上０．６以下であり、前記平坦面に対する前記第２曲面の面積比が０．３以上０．８以下である。

ある実施形態では、前記第１曲面の曲率半径が３０μｍ以上４０μｍ以下であり、前記第２曲面の曲率半径が５０μｍ以上６０μｍ以下である。

本発明によれば、非対称の形状を有するマイクロレンズによって、バックライト出射光を画素に向けて集光させると同時に、バックライトから供給される光が有する指向性の方向の偏り（受光面鉛直方向からのずれ）、あるいは出射光が有する視野角に関する非対称性（又は平均伝播方向の偏り）を補正することができる。したがって、バックライト出射光を補正するための特別な部材を用いることなく、表示面全体に渡って表示ムラが少なく、輝度の高い、高品質の表示を提供することが可能となる。

実施形態の液晶表示装置の構成を模式的に示した断面図である。 実施形態のマイクロレンズの断面形状を表した図である。 実施形態のバックライト出射光の輝度の視野角依存性を示す図である。 参考例のマイクロレンズを通過する光の経路を説明するための図であり、（ａ）はマイクロレンズの断面形状とそこを通過する光の経路を、（ｂ）〜（ｄ）はマイクロレンズを通過した後の光の視野角特性を表している。 実施形態のマイクロレンズを通過する光の経路を説明するための図であり、（ａ）はマイクロレンズの断面形状とそこを通過する光の経路を、（ｂ）〜（ｄ）はマイクロレンズを通過した後の光の視野角特性を、（ｅ）はマイクロレンズを通過した全ての光の視野角特性を表している。 バックライトの一例を模式的に示した断面図である。 バックライトのプリズムシートのプリズム部２６によって反射あるいは屈折される光の挙動を表した図である。 バックライトから液晶パネルに向かう出射光の輝度の視野角依存性を示す図である。

符号の説明

１０ バックライト
１２ 導光板
１４ ＬＥＤ
１６ 反射板
１８ プリズムシート
２０ 溝（間隙）
２２ 底面
２４ 傾斜面
２５ 上面（出射面）
２６ プリズム部
２８ 出射面
５０ 液晶表示パネル
５１ 液晶パネル
５２ マイクロレンズアレイ
５２ａ マイクロレンズ
５３ 支持体
５４ 前面側光学フィルム
５５ 背面側光学フィルム
５６ 保護層
５７、５８ 接着層
６０ 電気素子基板
６２ 対向基板
６４ 液晶層
６６ シール材
７０ 受光面（底面）
７１ 軸
７５、７５’、７６、７６’ 曲面
７７、７７’ 平坦面
１００ 液晶表示装置

以下、図面を参照しながら、本発明による液晶表示装置の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の液晶表示装置１００の構成を模式的に示した断面図である。図に示すように、液晶表示装置１００は、液晶表示パネル（マイクロレンズ付き液晶パネル）５０と、液晶表示パネル５０の下（表示面と反対側の面側）に配置されたバックライト１０とを備えている。バックライト１０は、図６を用いて説明したものと同じものであるため、ここではその構造の説明を省略する。バックライト１０は、先に図８を用いて説明したように、その出射光の指向性の方向が正の視野角側に傾いている。

液晶表示パネル５０は、マトリクス状に配置された複数の画素を有する液晶パネル（貼り合せ基板）５１と、液晶パネル５１の受光面（紙面に垂直に延びる液晶パネル５１の底面）に設けられた複数のマイクロレンズ５２ａを含むマイクロレンズアレイ５２と、マイクロレンズアレイ５２の周辺領域に設けられた支持体５３と、液晶パネル５１の観察者側（図の上側）に設けられた前面側光学フィルム５４と、マイクロレンズアレイ５２の光入射側に設けられた背面側光学フィルム５５と、背面側光学フィルム５５とマイクロレンズアレイ５２との間に配置された保護層５６とを備えている。

保護層５６は、光硬化性樹脂によって形成され、マイクロレンズアレイ５２と支持体５３に接して設けられている。保護層５６とマイクロレンズアレイ５２は、保護層５６が各マイクロレンズ５２ａの頂点付近にのみ接するように貼り合わせられており、マイクロレンズアレイ５２と保護層５６との間には、空気を含む間隙が形成されている。

前面側光学フィルム５４は接着層５７を介して液晶パネル５１に貼り付けられており、背面側光学フィルム５５は接着層５８を介して保護層５６に貼り付けられている。なお、前面側光学フィルム５４及び背面側光学フィルム５５は、それぞれ、直線偏光を透過する偏光フィルムを備えている。

保護層５６は、可視光の透過率が高いアクリル系あるいはエポキシ系のＵＶ硬化樹脂で形成されているが、熱硬化性樹脂によって形成することも可能である。保護層５６及び支持体５３は、マイクロレンズ５２ａと同じ材料、あるいはマイクロレンズ５２ａを構成する材料の屈折率とほぼ同じ屈折率を有する材料によって形成することが好ましい。

液晶パネル５１は、画素毎にスイッチング素子（例えばＴＦＴ、ＭＩＭ素子など）が形成された電気素子基板６０と、例えばカラーフィルタ基板（ＣＦ基板）である対向基板６２と、液晶層６４とを含んでいる。液晶層６４は、電気素子基板６０と対向基板６２との間に封入された液晶材料を含み、外周部に設けられたシール材６６によって密閉されている。

マイクロレンズアレイ５２のマイクロレンズ５２ａは、液晶パネル５１にマトリックス上に配置された画素の列（図の紙面垂直方向）に対応して延びるレンチキュラーレンズである。画素ピッチ（１つの画素の幅）は、約１７０μｍであり、マイクロレンズ５２ａの幅も画素ピッチに対応している。

図１には、マイクロレンズ５２ａの、それが延びる方向に垂直な面における断面形状が示されているが、その断面形状の詳細は図２を用いて説明する。なお、マイクロレンズ５２ａを、それぞれが１つの画素に対応するマイクロレンズとすることもできる。

図２は、マイクロレンズ５２ａの断面形状を表した図である。図に示すように、マイクロレンズ５２ａは、液晶パネル５１の受光面（底面）７０に垂直な軸であってマイクロレンズの中心を通る軸７１に対して非対称の形状を有している。また、マイクロレンズ５２ａは、液晶パネル５１の受光面に垂直な面であってマイクロレンズの中心を通る面に対しても非対称の形状を有している。

マイクロレンズ５２ａの受光面（下側の面）は、曲率半径Ｒ（ａ）の曲面（第１曲面）７５と、Ｒ（ａ）とは異なる曲率半径Ｒ（ｂ）の曲面（第２曲面）７６と、曲面７５と曲面７６との間の平坦面７７を有する。曲面７５は、曲面７６よりもバックライト１０の光源１４に近い側の側面である。

曲面７６は曲面７５よりも大きな曲率半径（小さな曲率）を有しており、画素ピッチが１７０μｍである場合、曲面７５の曲率半径Ｒ（ａ）は例えば３５μｍ、曲面７６の曲率半径Ｒ（ｂ）は例えば５５μｍ、マイクロレンズ５２ａの高さは例えば２５．０μｍである。なお、曲面７５の曲率半径Ｒ（ａ）は３０μｍ以上４０μｍ以下、曲面７６の曲率半径Ｒ（ｂ）は５０μｍ以上６０μｍ以下、マイクロレンズ５２ａの高さは１０μｍ以上３５μｍ以下であることが好ましい。ただし、マイクロレンズ５２ａの最適な形状はこれに限られることはなく、マイクロレンズ５２ａは、画素ピッチ、画素の開口形状、要求される特性等に応じて他の形状にも形成され得る。

マイクロレンズ５２ａは、液晶パネル５１の受光面７０に垂直な方向又は電気素子基板６０あるいは対向基板６２の面に垂直な方向（以下、基板面に垂直な方向と呼ぶ）から見た場合、曲面７６の面積が曲面７５の面積よりも広くなるように形成されている。

例えば、画素ピッチを１７０μｍ、曲面７５の曲率半径Ｒ（ａ）を３０μｍ、曲面７６の曲率半径Ｒ（ｂ）を５０μｍ、マイクロレンズ５２ａの高さ（厚さ）を２０μｍとした場合、基板面に垂直な方向から見たときの平坦面７７に対する曲面７５及び曲面７６の面積比は、それぞれ０．２８及び０．３９である（曲面７５：平坦面７７：曲面７６＝０．２８：１．０：０．３９）。また、画素ピッチを１７０μｍ、曲面７５の曲率半径Ｒ（ａ）を４０μｍ、曲面７６の曲率半径Ｒ（ｂ）を６０μｍ、マイクロレンズ５２ａの高さ（厚さ）を３０μｍとした場合、基板面に垂直な方向から見たときの平坦面７７に対する曲面７５及び曲面７６の面積比は、それぞれ０．４９及び０．６６である（曲面７５：平坦面７７：曲面７６＝０．４９：１．０：０．６６）。

マイクロレンズ５２ａ表面の面積比は上述のものに限られることはなく、マイクロレンズ５２ａの形状、画素ピッチ、要求される特性等に応じて他の面積比も採用可能であるが、本願発明者の検討によれば、平坦面７７に対する曲面７５及び曲面７６の面積比を、それぞれ０．２以上０．６以下及び０．３以上０．８以下（曲面７５：平坦面７７：曲面７６＝０．２〜０．６：１．０：０．３〜０．８、且つ、曲面７５の面積＜曲面７６の面積）とすることにより、バックライト光の補正効果を得られることがわかった。また、平坦面７７に対する曲面７５及び曲面７６の面積比を、それぞれ０．２８以上０．４９以下及び０．３９以上０．６６以下（曲面７５：平坦面７７：曲面７６＝０．２８〜０．４９：１．０：０．３９〜０．６６、且つ、曲面７５の面積＜曲面７６の面積）とすれば、より優れた補正効果が得られることがわかった。

なお、平坦面７７は必ずしも液晶パネル５１の受光面７０に平行に形成されなくてもよく、視野角の非対称性を改善する効果を得るために、平坦面７７の左端部（曲面７５に続く端部）を右端部よりも高く（受光面７０により遠くなるように）形成することもあり得る。

曲面７５及び曲面７６は、どちらも必ずしも単一の曲率を有している必要はなく、それぞれが複数の曲率を有する複数の曲面を含んでいてもよい。その場合、曲面７５の曲率半径Ｒ（ａ）が３５μｍであるとは、曲面７５に含まれる複数の曲面の曲率半径の平均が３５μｍであることを意味し、同様に、曲面７６の曲率半径Ｒ（ｂ）が５５μｍであるとは、曲面７６に含まれる複数の曲面の曲率半径の平均が５５μｍであることを意味する。

また、マイクロレンズ５２ａの受光面は、必ずしも曲面７５、曲面７６、及び平坦面７７のみで占められている必要はなく、曲面７５又は曲面７６と平坦面７７との間、あるいは、曲面７５又は曲面７６と受光面端部との間に他の曲面を含んでいてもよい。また、平坦面７７を含まないマイクロレンズも本願発明によるマイクロレンズ５２ａに含まれ得る。

次に、本実施形態のバックライト１０から供給される光の指向性について説明する。

図３は、バックライト１０の出射光の輝度の視野角依存性を示す図である。この出射光は、先に図８を用いて説明したように、指向性の方向が正の視野角側に傾いている。本実施形態では、輝度の半値角は１７°及び−１０°であり、半値角幅の中心は３．５°である。

これは、出射光の伝播方向の平均が、正の視野角方向を向いていることを示している。つまり、バックライト１０は、マイクロレンズアレイ５２に向けて、光の伝播方向の平均が液晶パネルの受光面７０に垂直な方向（第１方向）よりも正の視野角方向に傾いた光（第１方向とは異なる第２方向を向いた光）を出射していることになる。言い換えれば、バックライト１０の出射光の平均的伝播方向は、受光面７０の面鉛直方向（第１方向）ではなく、それよりも視野角９０°の方向（光源１４を出射して導光板１２へと向かう光の伝播方向：第３方向）に傾いた方向である。

次に、マイクロレンズ５２ａを通過する光の経路について説明する。

図４は、参考例のマイクロレンズ５２ａ’を通過する光の経路を説明するための図であり、（ａ）はマイクロレンズ５２ａ’の断面形状とそこを通過する光の経路を、（ｂ）〜（ｄ）はマイクロレンズ５２ａ’を通過した後の光の視野角特性を表している。

図４（ａ）に示すように、マイクロレンズ５２ａ’は本実施形態のマイクロレンズ５２ａとは異なり、液晶パネル５１の受光面（底面）７０に垂直な軸であってマイクロレンズの中心を通る軸に対して対称の形状を有している。マイクロレンズ５２ａ’の受光面は、互いに同じ曲率半径を有する曲面７５’と曲面７６’、及び曲面７５’と曲面７６’との間に配置された平坦面７７’からなる。曲面７５’及び曲面７６’の曲率半径は、どちらも４０〜５０μｍの範囲内にある。平坦面７７’は液晶パネル５１の受光面７０に平行な面である。基板面に垂直な方向から見た場合、曲面７５’の面積と曲面７６’の面積は等しい。

マイクロレンズ５２ａ’の曲面７５’に入射した光Ｌｌ’は、レンズによって屈折されて右よりの方向（視野角が正の方向）に進み、曲面７６’に入射した光Ｌｒ’は、レンズにより屈折されて左よりの方向（視野角が負の方向）に進む。平坦面７７’に入射した光Ｌｍ’は、レンズによって屈折されることなく直進する。なお、図には各光の経路を一本の矢印で表しているが、実際にはこれらの光は広がって伝播し、レンズを通過した後も広がって伝播する。

図４（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ、マイクロレンズ５２ａ’を通過した後の光Ｌｌ’、Ｌｍ’、及びＬｒ’の輝度の視野角特性を表している。図中、マイクロレンズ５２ａ’を通過した後の光Ｌｌ’、Ｌｍ’、及びＬｒ’の視野角半値幅の中心を、それぞれθｌ’、θｍ’及び−θｒ’で表している。

マイクロレンズ５２ａ’によって、光Ｌｌ’の指向性の方向は正の視野角側（図の右側）に傾き、光Ｌｒ’の指向性の方向は負の視野角側（図の左側）に傾く。光Ｌｍ’の指向性の方向は変わらず、レンズ通過前の指向性とほぼ同じ指向性を有する。しかし、バックライト１０からの光が既に正の視野角側に強い指向性を有しているため、各光の視野角半値幅の中心θｌ’、θｍ’及び−θｒ’は、θｌ’＞０、θｍ’＞０、−θｒ’＜０、θｌ’＞θｒ’となる。

これは、光Ｌｌ’及びＬｍ’が正の視野角方向に強い指向性を有し、光Ｌｒ’が負の視野角方向に強い指向性を有していること、及び、光Ｌｌ’の正の方向への指向性のほうがＬｒ’の負の方向への指向性よりも強いことを表している。したがって、マイクロレンズ５２ａ’を通過した全ての光（Ｌｌ’、Ｌｍ’、及びＬｒ’の合成光）は、依然として正の視野角方向の指向性を有していることになる。

このように通過光に依然として残る指向性の偏りを取り除くために、本実施形態のマイクロレンズ５２ａは図２を用いて説明した形状を有する。

図５は、本実施形態のマイクロレンズ５２ａを通過する光の経路を説明するための図であり、（ａ）はマイクロレンズ５２ａの断面形状とそこを通過する光の経路を、（ｂ）〜（ｄ）はマイクロレンズ５２ａを通過した後の光の視野角特性を、（ｅ）はマイクロレンズ５２ａを通過した全ての光の視野角特性を表している。

図５（ａ）に示すように、マイクロレンズ５２ａの曲面７５に入射した光Ｌｌは、レンズによって屈折されて右よりの方向（視野角が正の方向）に進み、曲面７６に入射した光Ｌｒは、レンズにより屈折されて左よりの方向（視野角が負の方向）に進む。平坦面７７に入射した光Ｌｍは、レンズによって屈折されることなく直進する。マイクロレンズ５２ａを通過した後の光Ｌｌ、Ｌｍ、及びＬｒの視野角半値幅の中心は、図５（ｂ）〜（ｄ）に示すように、それぞれθｌ、θｍ及び−θｒであり、θｌ＞０、θｍ＞０、−θｒ＜０の関係が成り立つ。

曲面７５の曲率半径が曲面７６の曲率半径よりも小さいことから、曲面７５を透過した光Ｌｌは曲面７６を透過した光Ｌｒよりも大きい角度で屈折する。よって、θｌ＞θｒの関係が成り立つ。しかし、このような曲率を有することにより、上述したように曲面７６の面積が曲面７５の面積よりも広くなるため、光Ｌｒの量は光Ｌｌの量よりも多くなる。したがって、マイクロレンズ５２ａを透過する光全体の指向性の方向は、入射光全体に比べて負の側に移動する。また、図４（ｂ）〜（ｄ）に示した参考例の視野角特性と比較した場合、曲面７５の面積が曲面７５’のそれよりも小さく、曲面７６の面積が曲面７６’それよりも大きいため、マイクロレンズ５２ａを透過する光全体の指向性の方向は、参考例に比べて負の側に移動する。

このように、マイクロレンズ５２ａを透過する全光に対する曲面７６を通る光Ｌｒの量が増加すること、並びに、光Ｌｒの視野角半値幅の中心がより負の方向に移動することにより、透過光全体を考えた場合、参考例よりも本実施形態のマイクロレンズのほうが、光の指向性の方向をより負の方向へ傾けることができることになる。また、曲面７５及び曲面７６に上述のような曲率を持たせることにより、透過光の波形を適切に微調整することが可能となる。

図５（ｅ）は、透過光全体の輝度の視野角特性を表した図である。図に示すように、透過光全体の視野角半値幅は概ね−１２°〜１２°の幅となり、その中心値はほぼ０°となる。これは、透過光が、指向性の偏りがほとんどない、指向性の十分強い光であることを示している。

図３に示したバックライト１０の出射光の輝度特性と、図５（ｅ）に示したマイクロレンズ５２ａの透過光の輝度特性とを比較すると、バックライト１０から出射された、伝播方向の平均が正の視野角側に傾いた（第２方向に傾いた）光が、非対称形状を有するマイクロレンズ５２ａによって、その平均がより受光面７０の面鉛直方向（第１の方向）に近づいた光、あるいはその平均が面鉛直方向の光となったことが分かる。言い換えれば、マイクロレンズ５２ａを透過することによって、正の視野角側に傾いた方向の指向性を有する光が、より面鉛直方向に近い方向の指向性を有する光となったことが分かる。

本発明によれば、マイクロレンズによって、バックライト出射光を画素に向けて集光させると同時に、出射光が有する視野角に関する非対称性あるいは平均伝播方向の偏りを是正することができる。したがって、表示面全体に渡って表示ムラが少なく、輝度の高い、高品質の液晶表示装置が提供される。

本発明は、液晶表示装置の表示品質を向上させ、特に半透過型液晶表示パネルなど開口率の比較的小さな液晶表示パネル及び液晶表示装置の品質を向上させる。

Claims (8)

1. 一対の基板と、前記一対の基板の間に配置された液晶層とを有する液晶パネルと、
   光源から出射された光を前記液晶パネルに向けて光を出射するバックライトと、
   前記液晶パネルと前記バックライトとの間に設けられた、複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、を備え、
   前記バックライトは、前記マイクロレンズアレイに向けて、光の伝播方向の平均が前記液晶パネルの受光面に垂直な第１方向とは異なる第２方向である光を出射し、
   前記複数のマイクロレンズのそれぞれが、前記受光面に垂直な軸であってマイクロレンズの中心を通る軸に対して非対称の形状を有し、前記液晶パネルに向けて、光の伝播方向の平均が前記第２方向よりも前記第１方向に近い方向である光を出射する、液晶表示装置。
2. 前記バックライトは、前記光源から出射された光を導光する導光板と、反射板と、前記導光板と前記マイクロレンズアレイとの間に配置された複数のプリズムとを有し、
   前記光源から前記導光板に向かう光の伝播方向を第３方向とした場合、前記第２方向は前記第１方向から前記第３方向の側に傾いた方向である、請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記バックライトから出射される光の指向性の向きが、前記第１方向よりも前記第３方向に偏っており、前記マイクロレンズアレイから出射される光の指向性の向きが、前記バックライトから出射される光の指向性の向きよりも前記第１方向に近い、請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 前記複数のマイクロレンズのそれぞれの受光面が、第１の曲率を有する第１曲面と、前記第１曲面よりも前記光源から遠い側に形成され、前記第１の曲率とは異なる第２の曲率を有する第２曲面とを有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
5. 前記一対の基板の面に垂直な方向から見た場合、前記第２曲面の面積が前記第１曲面の面積よりも広い、請求項４に記載の液晶表示装置。
6. 前記複数のマイクロレンズのそれぞれの受光面が、前記第１曲面と前記第２曲面との間に平坦面を有する、請求項５に記載の液晶表示装置。
7. 前記一対の基板の面に垂直な方向から見た場合、前記平坦面に対する前記第１曲面の面積比が０．２以上０．６以下であり、前記平坦面に対する前記第２曲面の面積比が０．３以上０．８以下である、請求項６に記載の液晶表示装置。
8. 前記第１曲面の曲率半径が３０μｍ以上４０μｍ以下であり、前記第２曲面の曲率半径が５０μｍ以上６０μｍ以下である、請求項４から７のいずれか１項に記載の液晶表示装置。

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