JP4566226B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、透過型或いは半透過型の液晶層を用いた液晶表示装置に関する。

特許文献１には、正面輝度を低下させることなく視野角を拡大するために、レンズの頂部に平坦部を備えた複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイを液晶表示パネルのバックライト側に配置した表示パネルが開示されている。

特許文献２には、照明装置からの光の利用効率を向上させ、輝度を高めるために、照明装置と、複数の絵素を備えた表示パネルと、照明装置と表示パネルとの間に集光素子が設けられ、集光素子は絵素の透過領域に対応して配置されており、且つ、照明装置から出射された光の収束点を表示パネルの表示媒体層よりも観察者側に形成するように配置されている表示装置が開示されている。

これら従来技術に示されているように、マイクロレンズを表示装置に適用する場合、視野角，正面輝度，光利用効率について考慮する必要がある。

特許文献１の液晶表示装置は、視野角と正面輝度について向上を試みたものであるが、液晶表示パネルを透過した光は、平坦部を透過した光とマイクロレンズの曲面部を透過した光が重畳されるため、正面から見る角度を変えると一旦輝度が急激に変化し、その後変化が緩やかとなる出射分布が示されており、見る角度を変えたときに輝度変化が大きいという問題点がある。また、頂部を平坦化したマイクロレンズを形成することが難しいという問題が考えられる。

特開２００５−２７５１４２号公報 特許３９３１９８９号公報

本発明の目的は、集光素子に光を入射した場合、特に集光素子に対して斜め方向に光が入射した場合に、簡単な構成で正面輝度を高くし、かつ視野角を拡大した液晶表示装置を提供することである。

本発明は、上記目的を達成するために、一対の基板を挟持する一対の偏光板と、一対の基板で挟持された液晶層と、画素内に形成され、液晶層を透過する光量を制限する透過開口部と、一方基板に対して液晶層が配置された側と反対側に形成され、透過開口部に光を集光する集光素子と、集光素子に照射する光を発する面発光素子と、を有し、面発光素子から出射される光が面発光素子の垂線に対して角度を持って出射され、面発光素子の光出射方向に対応して、透過開口部を透過する光量を増加するように集光素子に対して透過開口部の相対位置をずらした構成とする。

また、一対の基板を挟持する一対の偏光板と、一対の基板で挟持された液晶層と、画素内に形成され、液晶層を透過する光量を制限する透過開口部と、一方基板に対して液晶層が配置された側と反対側に形成され、透過開口部に光を集光する集光素子と、集光素子に照射する光を発する面発光素子と、を有し、面発光素子は、プリズムの底角が異なる複数のプリズムシートであって、透過開口部を透過する光量を増加するように集光素子に対して透過開口部の相対位置をずらした構成とする。

また、一対の基板を挟持する一対の偏光板と、一対の基板で挟持された液晶層と、画素内に形成され、液晶層を透過する光量を制限する透過開口部と、一方基板に対して液晶層が配置された側と反対側に形成され、透過開口部に光を集光する集光素子とを有する液晶表示素子と、集光素子に照射する光を発する面発光素子と、を有し、面発光素子から出射される光が面発光素子の垂線に対して角度を持って出射され、面発光素子から出射される光出射角度に比べて、液晶表示素子から出射される光出射角度が小さい構成とする。

また、一対の基板を挟持する一対の偏光板と、一対の基板で挟持された液晶層と、画素内に形成され、液晶層を透過する光量を制限する透過開口部と、一対の基板の一方基板に対して液晶層が配置された側と反対側に形成され、透過開口部に光を集光する集光素子と、集光素子に照射する光を発する面発光素子と、を有し、一対の基板のうち面発光素子側に配置された一方の基板の厚さをＴ、集光素子に垂直に平行光を入射した場合に集光スポット径が最小となる最良集光位置から集光素子まで距離をｆ′としたときに、Ｔ／ｆ′が０.５５以上０.８以下であり、Ｔ／ｆ′が１の場合に比べて視野角が広い構成とする。

また、一対の基板を挟持する一対の偏光板と、一対の基板で挟持された液晶層と、画素内に形成され、液晶層を透過する光量を制限する透過開口部と、一対の基板の一方基板に対して液晶層が配置された側と反対側に形成され、透過開口部に光を集光する集光素子と、集光素子に照射する光を発する面発光素子と、透過開口部と集光素子の間に配置された光拡散層と、を有する構成とする。

集光素子に光を入射した場合、特に集光素子に対して斜め方向に光が入射した場合に、簡単な構成で正面輝度を高くし、かつ視野角を拡大した液晶表示装置を提供することができる。

図１から図１３を用いて、本発明の第１の実施形態を説明する。

図１は、液晶表示装置を構成する面発光素子及び液晶表示素子の断面図を示している。ここでは、液晶表示素子として同じ画素内に反射部と透過部とを有する半透過型の液晶表示素子５７、面発光素子として光源からの光を液晶表示素子５７に照射するバックライト５９を示している。

光源（図の左側に配置、図示せず）より入射した光線は、導光体である導光板３１内で反射を繰り返し伝達する。導光板３１の下方、つまり液晶表示素子５７とは反対側（光取り出し側とは反対側）に反射溝３３を設け、さらにその反射溝３３に対して光取り出し側とは反対側（下方）に反射シート３５を設けた。反射溝３３で反射した光線は、導光板３１内での伝播角度が大きくなり、その結果導光板３１の界面への入射角度は小さくなる。導光板３１界面での臨界角よりも小さな入射角度で入射した光線は、液晶表示素子５７側、あるいは反射シート３５側にその一部が導光板３１から出射する。反射シート３５側に透過した光線は、導光板３１を透過して反射シート３５で反射して液晶表示素子５７側に取り出される。導光板３１から出射される光の出射角度分布は、反射溝３３の形状によって制御することができ、本実施形態においては、出射角度分布を小さくすることが望ましい。

導光板３１の液晶表示素子５７側に、導光板３１側から、第１プリズムシート３９，第２プリズムシート４１の順に積層配置している。これらプリズムシートによりバックライト５９からの出射光を正面に向けるとともに、指向性を向上（光線の拡がり角度を低減）した。主に第１プリズムシート３９により指向性が向上し、第１プリズムシート３９と第２プリズムシート４１で出射光を正面に向ける。

本実施例での液晶表示素子は、一対の基板（上基板９，下基板１７）と、その一対の基板を挟持する一対の偏光板（偏光板７ａ，７ｂ）と、その一対の基板間に配置された液晶層１３及び透過開口部１５と、下基板１７とバックライト５９間に配置され、そのバックライト５９から出射された光を透過開口部１５に集光する集光素子であるレンチキュラレンズ１とを備える。レンチキュラレンズ１で透過開口部１５に集光することで、透過開口部１５を透過する光量を向上した。透過開口部１５を透過した光線は、液晶層１３，カラーフィルタ１１，上基板９，偏光板７ａを透過し、透過率がスイッチングされて画像が表示される。

マイクロレンズを用いて集光する場合、下基板１７の基板厚を薄くすると透過開口部１５を透過する光量を大きくすることができ、視野角を広くすることができる。一方、下基板１７の基板が厚くすると、正面輝度が高くなるので、必要とする表示装置の特性に合わせて、下基板１７の厚さを定めることが望ましい。

透過開口部１５に加えて反射表示部１６を設けることで、半透過の液晶表示装置とすることができる。この液晶表示素子５７の構成は、通常用いられている半透過型液晶表示素子と同じくすればよく、アクティブマトリックス駆動の場合は、反射表示部１６に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を設けて液晶層のスイッチングを行えばよい。

本実施形態においては、レンチキュラレンズ１を印刷により偏光板７ｂ上に形成した。偏光板７ｂ上に透過開口部１５と位置合わせして紫外線硬化樹脂を印刷によりパターニングした後、紫外線を照射して硬化し、レンズとした。偏光板７ｂを下基板１７に貼り付け、その上にレンズを形成したため、空気と接する界面の数が減り、表面反射を少なくすることができるため、透過率を大きくすることができる。また、レンズを通った光線が次に偏光板７ｂを通るために、液晶表示素子５７のコントラストを高くすることができる。ただし、偏光板７ｂは、液晶層１３とバックライト５９の間に設ければよく、例えばバックライト５９とレンチキュラレンズ１の間に設けてもよい。この場合、偏光板７ｂはレンチキュラレンズ１との間にゴミ等が入り込まないように固定することが望ましい。また、レンズの形成方法は特に限定するものではなく、２Ｐ（Photo Polymer）法，フォトリソグラフィ，インクジェットを用いた印刷、等を用いて形成すればよい。

図２に画素部とレンチキュラレンズ１の配置図を示す。画素５５は行列状に周期的に配置し、各画素５５はさらにＲＧＢの三色のサブ画素５３に分割している。サブ画素５３は水平方向（行方向、図においてはｘ軸方向）、画面を見る場合の左右方向に並んでいる。そのため、レンチキュラレンズ１は、ｙ軸方向に曲率を持ち、ｘ軸方向に長く並べた。このレンチキュラレンズ１を用いて、バックライト５９からのｙ軸方向に指向性の強い出射光を集光した。

図３は画像表示素子の正面図を示す。図に点線で示した楕円は、バックライト５９からの指向性の様子を概念的に示したもので、レンチキュラレンズ１で集光するｙ軸方向は指向性が高く、ｘ軸方向は視野角が広い。画像表示装置としては、この視野角が広いｘ軸方向を左右方向とし、指向性の高いｙ軸方向を上下方向とすることが望ましい。そのため、このｘ軸方向に並んだサブ画素の透過開口部１５に合わせてレンチキュラレンズ１を用いて集光した。レンチキュラレンズで集光されないｙ方向については、所望の視野角が得られるようにバックライト５９からの出射光の拡がり角度を調整することが望ましい。

このように、集光素子としてレンチキュラレンズ１を用いて集光する場合には、直交座標系において、一つの座標軸方向の指向性が高く指向性の方向がそろっており、垂直なもう一軸方向については出射角度分布が広いことが望ましい。

レンズは一般的には球面（レンチキュラレンズの場合には断面が円弧状）であるが、透過開口部１５に効率良く光を集光するためには、レンチキュラレンズ１は非球面レンズとしてもよい。特に、下基板１７が薄くレンチキュラレンズ１の曲率半径が小さくなる場合には、非球面レンズを用いることが有効である。

透過開口部１５を透過する光量を増加するように集光素子であるレンチキュラレンズ１が機能するためには、バックライト５９から出射光の拡がり角度が小さいことが必要であり、少なくとも、角度±７°以下、望ましくは、±５°以下が必要である。本実施形態においては、プリズムシートを用いて一軸方向の指向性を向上した。

図４を用いて、第１プリズムシート３９による指向性向上効果について説明する。プリズムシートの屈折率をｎ₂、入射側の媒体の屈折率をｎ₁、出射側をｎ₃とし、ｚ軸方向に対する光入射角度をθ₁、出射角度をθ₃とし、導光体からの光が入射するプリズム斜面の角度（プリズムの底角）をεとすると、スネルの法則により

の関係がある。プリズムの斜面に対して主要な光線がほぼ垂直に出射するようにプリズムの斜面の角度をεを定める（θ₃≒ε）と、拡がり角度Δθ₁を持つ光線が入射した場合、Δθ₁が小さい場合には、出射角度の拡がり角度Δθ₃は、

となる。例えば、屈折率ｎ₁，ｎ₃の媒体を空気とすると、Δθ₃＜Δθ₁となり、第１プリズムシート３９に指向性を向上する効果があることが分かる。θ₁が大きいほどこの効果は大きく、またｎ₂が大きいほど大きい。

但し、θ₁またはｎ₂が大きくなると、プリズムシートに入射する場合の反射が大きくなり、プリズムシートを透過する光量が減少する。これら指向性の向上の反射による透過光量の減少とを勘案して入射角度及び屈折率を定めることが望ましい。プリズムの角度εは、（１）（２）式において、光強度の一番強い光線の方向がθ₃≒０となるように定めることが望ましい。第１プリズムシート３９のもう一方の斜面は、輝度の高い方向の光線を遮らないようにするために、第１プリズムシート３９の頂角の角度は９０°に近い値とすることが望ましい。そのため、第１プリズムシート３９上のプリズムは２つの底角の角度が異なる非対称な形状となることを特徴とする。

このように、出射光の指向性を良くするために、第１プリズムシート３９から出射される光線は、バックライト５９出射面の垂線方向に対して斜め出射されることになる。そこで、第２プリズムシート４１を用いて、正面方向に向くようにした。但し、第２プリズムシート４１で完全に正面方向に輝度ピークが来るようにするよりも正面から光線進行方向に少し傾いて輝度ピークが来るようにしたほうが、指向性を強く、ピークの輝度を大きくなった。図５に本実施例に用いたバックライト５９のｙ方向の出射角度分布を示すが、本実施例においては、バックライト５９からＬＥＤから光進行方向（ｙ方向）に約５°輝度ピークが傾いて光出射するようにした。このように斜めに入射する光線に対しても透過光量，正面輝度，視野角を考慮して、レンズの仕様，配置等を考える必要がある。

まず、透過開口部１５を透過する光量とレンズの仕様の関係について示す。なお以下では、レンチキュラレンズ１と透過開口部１５との間を下基板１７で代表させて説明するが、本実施形態にように間に偏光板７ｂが入る場合には、下基板１７の厚さＴを

と読み換えれば同様に成り立つものである。なお、Ｔ_pは偏光板の厚さ、ｎ_pは偏光板の屈折率を示す。

透過開口部１５を透過する光量は、レンズで集光した集光スポット径が最小となる最良集光位置が透過開口部１５に来るようにすると最大となる。スポット径が最小となる最良スポット位置は、光線追跡等のシミュレーションを用いることで決定することができるが、本実施形態では平行光に近く指向性の強い光をレンズに照射しているため、球面レンズを用いる場合には解析的に求めることができる。本実施形態に用いた平凸の球面レンズ（レンズ屈折率ｎ₁，曲率半径Ｒ）の空気中での近軸焦点距離は、

と表されるが、球面レンズの場合、図６に示したように集光スポット径が最小となる最良像点位置は、レンズの球面収差によって近軸焦点からレンズ側にずれる。レンズに平行光が入射した場合に下基板１７中に結ぶ最良像点距離ｆ′は、

と表される。ｎ₂は下基板１７の屈折率、Ｄはレンズ直径（レンチキュラレンズの場合はレンズ幅）を示す。

そのため、下基板１７の基板厚が定まっている場合、透過開口部１５にレンズの最良像点位置が来るように、つまり、基板厚Ｔに合わせてｆ′＝Ｔとなるように、レンズの曲率半径Ｒ及びレンズ幅Ｄを定めることで透過光量を最大にすることができる。非球面レンズの場合には、通常焦点位置に最良像点位置が来るようにするため、その場合には、基板厚Ｔに合わせてｆ＝Ｔ／ｎ₂となるように平凸レンズの場合（５）式を用いてレンズの曲率半径を定めれば、開口部を透過する光量を最大にすることができる。ここでは、バックライト５９から斜めに光が出射されていることを考慮していないが、極端に斜め入射とならなければ特に変更することなく上記の議論が成り立つ。

ところで、上記のようにレンズの仕様を透過光量最大となる条件とすると、光線が開口部で遮られるようになる角度で輝度が急激に変化することが生じた。そこで、レンズ形状（曲率半径，レンズ幅）を固定し、（５）式で求まる最良像点位置よりも基板を薄くしたところ、透過開口部１５付近の集光スポットがぼけるため、正面輝度をほぼ変えずに輝度変化を滑らかにし、視野角を拡大できることが分かった。そこで、下基板１７の基板厚を調整することで輝度視野角分布の調整を行った。この視野角に関しては後で示す。

バックライト５９から斜めに光が出射されていることに対しては、バックライト５９からの出射光の傾き方向（ｙ方向）に合わせて透過開口部１５とレンチキュラレンズ１とのｙ方向の位置をずらすことで、透過開口部１５を透過する光量，輝度を向上した。レンズ位置をずらす場合、実用的には開口部を透過した光のピーク輝度を最大とする場合と正面輝度が最大となるようにする場合の二通りが考えられる。それぞれのレンズ位置のずらし量について次に示す。

ピーク輝度を最大とする場合、図７に示したように、バックライト５９の輝度最大となる角度θでレンズ中心に入射した光線が透過開口部１５の中心を通るようにすることが望ましいと考えられる。つまり、角度θの光線のみを考慮して幾何学的に考えると、レンズと開口部の中心のずらし量δは、

と考えられる。なお、Ｔは基板の厚さ、ｎ₂は基板の屈折率を示す。このずらし量について詳細に検討した結果、バックライトからの出射光が完全に平行でなく拡がり角を持つ場合には、（７）式で求まる値よりも小さなずらし量δでピーク輝度が最大となることを見出した。ずらし量δと基板厚さＴ、ピークの出射角度θの関係を

と表して比例係数Ｃを求め、その結果を図８に示した。図８より比例係数Ｃは１以下であり、出射角度θが大きくなるにしたがって小さくすることが望ましいことが示される。出射角度θが小さい場合には、開口部とレンズとをずらす必要性は少なく、また出射角度θが大きくなると開口部とレンズとをずらして配置してもレンズを用いる効果が小さくなるため、出射角度θは１°以上１０°以下、望ましくは２°以上あるいは８°以下とすることによってレンズの効果を充分に得ることができる。そのため、比例係数Ｃは０.９以下０.４以上、望ましくは０.５以上とすればよい。あるいは、比例係数Ｃは出射角度θの関数として、

として良く表すことができるため、（９）式により出射角度θに応じて比例係数Ｃを求め、（８）式を用いてよりずらし量δを定めてもよい。

次に、正面輝度を最大とする条件について示す。図９に示したように角度θでレンズの焦点を通った光線がレンズに入射する位置と透過開口部１５の中心とを合わせて配置することが望ましい。この場合のレンチキュラレンズ１と透過開口部１５の中心のずらし量δは、

と表される。なお、ｆはレンズの焦点距離を示し、平凸レンズの場合は（５）式を用いて求めることができる。

ここでも出射角度に拡がりを持つバックライトを用いた場合について詳細に検討した結果、ピーク輝度を最大とする場合と同様に（１０）式で求まる値よりも小さなずらし量δとした場合に正面輝度が最大となることを見出した。図１０にｆtanθと正面輝度が最大とずらし量δとの関係を示した。ここでも、ずらし量δとｆtanθの関係を

と表すと、比例係数Ｃは１以下の値をとる。

図１０において、比例係数ＣはＣ＜０.７５であり、出射角度θが大きくなるにしたがって０.７５よりも小さな値を取っている。このように、比例係数Ｃは０.７５以下とすることで正面輝度最大となすることができるが、ＭＬＡの効果が得られる出射角度を考慮すると比例係数Ｃは０.５以上１以下、特に０.６以上０.８以下の範囲で正面輝度を高くする効果があるものであり、この範囲となるようにずらし量δを定めることが望ましい。あるいは、比例係数Ｃは出射角度θの関数として、

として良く表すことができることから、（１２）により求めた比例係数Ｃを用いて（１１）式によりずらし量δを定めてもよい。

図１１に、所定の基板厚に合わせて透過光量最大となるレンズの形状（曲率半径，径）とした場合と、レンズ形状をこの条件に固定して基板厚を薄くした場合の視野角分布を示した。ここでは、正面輝度が最大となるように透過開口部１５とレンチキュラレンズ１との位置をずらしている。

この場合、所定の基板厚において透過光量最大となる条件とすると、正面付近では角度を変えても輝度がほとんど変化しないが、見る角度を正面から振っていくと輝度が急激に変化している。このような視野角分布においては、周囲の人が表示装置の画面を見にくくなるためのぞき見防止の効果が大きい。

一方、同じレンズ形状（曲率半径，レンズ幅）で基板を薄くした場合（Ｔ＜ｆ′）には、正面輝度はほとんど変わらず、輝度変化が滑らかとなり、また視野角も拡大した。そのため、透過光量最大の場合に比べて表示装置を見る角度が広くできる効果がある。このように、下基板１７の基板厚を調整することで輝度視野角分布の調整を行うことができる。

図５と図１１とを比較することで、バックライト５９から斜め方向に出射していることに対して透過開口部１５とレンチキュラレンズ１の相対位置をずらすことで、透過開口部を通って液晶表示素子がから出射される光の出射角度（ピーク角度）は、バックライト５９から出射される光の出射角度（ピーク角度）に比べて小さくすることができる。特に、基板を薄くした（Ｔ＜ｆ′）の場合に明確に液晶表示素子から出射される光の出射角度（ピーク角度）を小さくすることができる。

図１２にレンズ形状を一定として、基板厚を変えた場合の視野角，正面輝度の変化を示した。視野角は、輝度がピーク輝度の１／２となる１／２視野角と１／５となる１／５視野角について示した。１／２視野角は一般的に用いられている視野角（単に視野角と記した場合は１／２視野角を示すこととする）であり、１／５視野角は画面がほどほど明るく、画像を見ることのできる大まかな範囲として示した。基板厚Ｔは（６）式で表されるｆ′で規格化した。そのため、このレンズを用いた場合には、Ｔ／ｆ′＝１となる基板厚さにおける透過光量は最大となる。また、透過開口部１５とレンチキュラレンズ１との位置は正面輝度が最大となるように調整した。

図１２において、Ｔ／ｆ′が０.６以上では基板を薄くしても正面輝度はほぼ一定であり、０.６よりも基板を薄くすると正面輝度が減少してくることが分かる。また、１／２視野角，１／５視野角ともに、基板を薄くしていくと広くなる。１／２視野角については、Ｔ／ｆ′が０.７よりも小さくなると減少する。

さらに、Ｔ／ｆ′が０.５５よりも小さくなるとＴ／ｆ′＝１の場合よりも１／２視野角が小さくなり、望ましい。したがって、Ｔ／ｆ′は、０.５５以上１以下とすると、Ｔ／ｆ′＝１の場合よりも１／２視野角が広く望ましい。

また、Ｔ／ｆ′を０.６以上１以下とすれば、正面輝度はＴ／ｆ′＝１と同じで、かつ視野角を広くできさらに望ましい。また、Ｔ／ｆ′＝０.７で１／２視野角が最大となることから、概ねＴ／ｆ′を０.６以上０.８以下とすること、正面輝度はＴ／ｆ′＝１と同じで、１／２視野角を広くすることができる。

このように、レンズ形状を固定して下基板１７を薄くすると、透過開口部１５を透過する光量はその薄くした基板厚における最大透過光量よりも小さくなる。一方、その薄くした基板厚に合わせて最大透過光量が得られるようにレンズの曲率半径を小さくした場合に比べて正面輝度を大きくすることができる。

以上のように、バックライト５９からの光出射方向に合わせて透過開口部１５とレンチキュラレンズ１との相対位置をずらすとともに、液晶表示素子の基板を薄くすることで透過開口部１５を透過する光の出射角度分布を滑らかに変化する分布とし、正面付近の輝度を高くすることができる。これまではレンズ形状を固定し、基板厚を変えてレンズと透過開口部との距離を変えた場合について示したが、図１３には基板厚を固定し、レンズの曲率半径を変えた場合の特性（透過光量，正面輝度，１／２視野角）を示した。曲率半径は、Ｔ＝ｆ′となる場合の曲率半径で規格化しており、規格化曲率半径１のときに透過光量が最大となる。規格化曲率半径を１よりも大きくすると、透過光量，視野角は低下するが、正面輝度は向上する。

したがって、正面輝度を重視する場合には、曲率半径を大きくすることが望ましい。一方、規格化曲率半径を１よりも小さくすると、
透過光量と正面輝度は低下するが、視野角は一旦大きくなり、その後低下している。このように、正面輝度を広くする場合には、曲率半径を小さくすることが望ましい。

規格化曲率半径０.９付近で視野角が最大となり、０.７５以上で規格化曲率半径１の場合よりも視野角が広くなっている。したがって、視野角を広くするためには、規格化曲率半径を０.７５以上１以下とすることが望ましい。

本実施形態では、レンチキュラレンズ１を下基板１７上に形成したが、レンチキュラレンズ１の向きを上下反転して別の透明基板上に形成してもよく、その場合は、別の透明基板上に偏光板７ｂを貼り付けることもできる。また、レンチキュラレンズ１を屈折率の異なる材料で被覆して埋め込み、レンチキュラレンズ１の表面が平面となるようにしてもよい。このようにレンチキュラレンズ１を埋め込み型のレンズとする場合には平らな表面に偏光板７ｂを貼り付けると、レンチキュラレンズ１及び偏光板７ｂ表面での反射を抑えることでき、望ましい。また、偏光板７ｂは、下基板１７とレンチキュラレンズ１の間に設けてもよい。

レンチキュラレンズ１の幅，高さ，曲率をランダムに変調すると光拡散機能を持たせることができる。曲率を保ったままレンチキュラレンズ１の幅と高さを変調すると、焦点距離は変わらず、レンチキュラレンズ１の集光方向とは垂直方向について光拡散性を付与でき、特に望ましい。

本実施形態の面発光素子は、一軸方向に指向性の高い光線を得ることが出来るためレンチキュラレンズ１を適用したが、バックライトの全方位でコリメート性が良い場合にもレンチキュラレンズ１を適用して集光することができる。この場合には、液晶表示素子５７の出射側にホログラムシートやレンチキュラレンズシート，プリズムシート，レンズアレイシートを設けることで視野角を広くすることができる。あるいは、バックライト５９と液晶表示素子５７の間に、ホログラムシートやレンチキュラレンズシート，プリズムシートを設けて、一軸方向の拡がり角を広くしてもよい。また、全方位でコリメート性が良い場合には、レンチキュラレンズ１に変えてサブ画素に対応させたマイクロレンズアレイを用いることができる。この場合には、マイクロレンズを稠密に配置できるように、透過開口部１５は千鳥配置のいわゆるデルタ配置とすることが望ましい。

本実施形態の面発光素子では指向性の高い方向を揃えることができ、直交座標系において少なくとも一軸方向について指向性を高くすることができる。そのため、集光素子、特にレンチキュラレンズ１を用いた場合に集光機能を十分に活用することができる。

本実施形態では、透過開口部１５としてほぼ長方形の開口形状としたが、透過開口部が長方形でなく、透過開口部の中心が明確でない場合には、下基板１７に対して垂直に光を入射したときに、開口部から出射される光の輝度分布が正面方向にピークを持つ場合に、透過開口部とレンズの中心とが一致していると見なすことができる。このときの位置関係からのずれを開口部とレンズのずれ量とすればよい。

また、視野角分布の変化を緩やかにするという観点では、透過開口部は長方形以外としてもよく、ひし形や台形，円形等の形状としてもよい。

また、本実施形態では偏光板７を用いたが、円偏光板を必要とする表示モードを用いる場合には偏光板７に換えて円偏光板を用いれば良い。また、偏光板７ｂのバックライト５９側に反射型偏光板を設け、偏光板７ｂで吸収される方向の偏光を反射型偏光板で反射してバックライト５９側に戻して再利用することで、光利用効率を向上してもよい。

第２プリズムシート４１の入射面に対して光線が角度を持って入射するため、第２プリズムシート４１の入射面での反射率が、Ｐ偏向とＳ偏向で異なり、第２プリズムシート４１から出射される光線は、Ｐ偏光成分を多く含むように偏光している。そのため、この偏光方向に合わせて、偏光板７ｂの方向を定めることが望ましい。また、偏光板７ｂの方向を合わせることが出来ない場合は、第２プリズムシート４１に複屈折率性を持たせて偏光を解消してもよい。

第１プリズムシート３９及び第２プリズムシート４１のプリズムと液晶表示素子の画素との間でモアレが生じないようにするためには、液晶表示素子の画素内に複数のプリズムが入る程度にプリズムのピッチを小さくすることが望ましい。特に第２プリズムシート４１については、レンズあたりプリズム３個以上となるプリズムのピッチとすることが望ましい。

図１４から図１６を用いて、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態は、光拡散層６１を設けたこと以外は第１の実施形態と同じであるので、主に異なるところについて説明する。

図１４は、液晶表示装置を構成する面発光素子及び液晶表示素子の断面図を示している。本実施形態では下基板１７に偏光板７ｂを貼り、その上に光拡散層６１を設けた。光拡散層６１には、透過開口部１５に対応させて光拡散性のない光拡散層開口部６３を設けた。この光拡散層６１の上にレンチキュラレンズ１を形成した。ここでは、光拡散層６１とレンチキュラレンズ１を印刷によりパターニングして形成した。まず、光拡散層開口部６３が透過開口部１５と位置が合うように光拡散層６１を印刷し、硬化させた。光拡散層６１には、ＴｉＯ₂等の無機微粒子やポリマー微粒子等母材と屈折率の異なる微細構造を分散させることで、光拡散性を付与している。光拡散層６１とレンチキュラレンズ１の屈折率が異なる場合には、光拡散層６１の表面に凹凸を設けて光拡散性を付与してもよい。続いて、光拡散層６１上にレンチキュラレンズ１を印刷し、硬化させることでレンズとした。光拡散層６１とレンズ材料との濡れ性を制御することで、レンチキュラレンズ１の形状を安定して形成することができる。

光拡散層開口部６３は透過開口部１５に相対し、透過開口部１５よりも大きくした。つまり、図１５に示したように、透過開口部の幅をｈ、光拡散層開口部６３の幅をｓとしたときに、
ｈ＜ｓ
となるようにした。

このようにすることで、レンチキュラレンズ１で集光され、透過開口部１５から正面方向に透過する光は、光拡散層６１の影響を受けずに液晶表示素子５７を透過する。そのため、光拡散層６１を設けない場合とほぼ同じとなる。一方、光拡散層６１を透過する光は、光拡散層６１で散乱されるため、透過開口部１５を透過する光の分布を変化させて、角度の大きな成分が増加する。

その結果、図１６に視野角分布を示すように、光拡散層６１を設けた場合、正面輝度は変えずに、視野角分布を滑らかとし、またすそ付近が広がるため広い角度範囲で表示を見ることができる。このように、光拡散層６１がない場合に比べて視野角、特に１／５視野角が拡がる場合に光拡散層６１が光拡散性を有するとみなすことができる。

光拡散層６１の位置は、本実施例に限るものではなく、レンチキュラレンズ１と透過開口部１５の間に設ければよいものであり、下基板１７のバックライト５９側下基板１７と接して形成してもよく、下基板１７の液晶層１３側に形成してもよい。このように、レンチキュラレンズ１と光拡散層６１とを必ずしも接するように形成する必要はないが、レンチキュラレンズ１と光拡散層６１とを接するように形成すると、光拡散層６１とレンズ材料との濡れ性を制御することができ、レンチキュラレンズ１の形状を安定して形成することができるため望ましい。

また、レンチキュラレンズ１と偏光板７ｂの間に設けることによって、液晶表示装置のコントラストを高く保つことができる。

これまで半透過型の液晶表示素子を用いて説明したが、半透過型に限定するものではなく、全透過型の液晶表示素子にも同様に適用できるものである。

またこれまで、光源としてＬＥＤを用いた実施形態について説明したが、光源には冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）等の線状光源を用いることもできる。また、ＬＥＤを用いる場合も、ＬＥＤの個数を制限するものではない。

また、本実施形態では、液晶表示素子５７の表示モードも限定するものではなく、ＩＰＳ（In Plane Switch）モード，ＶＡ（Vertical Alignment）モード，ＴＮ（Twist Nematic）モードなどを適宜用いればよい。

本発明の液晶表示装置の第１の実施形態の断面図。 本発明の第１の実施形態の画素部とレンチキュラレンズとの配置図。 本発明の第１の実施形態の正面図。 本発明の第１の実施形態のプリズムシートの断面図。 本発明の第１の実施形態のバックライト出射光の視野角分布を示す図。 本発明の第１の実施形態の透過開口部位置を説明する図。 本発明の第１の実施形態のピーク輝度最大とする透過開口部のずらし量を説明する図。 本発明の第１の実施形態のバックライト出射光ピーク角度とずらし量の関係を示す図。 本発明の第１の実施形態の正面輝度最大とする透過開口部のずらし量を説明する図。 本発明の第１の実施形態のバックライト出射光ピーク角度とずらし量の関係を示す図。 本発明の第１の実施形態の視野角分布を示す図。 本発明の第１の実施形態の基板厚と視野角・正面輝度の関係を示す図。 本発明の第１の実施形態の曲率半径と視野角・正面輝度・透過光量の関係を示す図。 本発明の画像表示装置の第２の実施形態の断面図。 本発明の第２の実施形態の光拡散層の機能を説明する図。 本発明の第２の実施形態の視野角分布を示す図。

符号の説明

１ レンチキュラレンズ
３ 光線
７ 偏光板
９ 上基板
１１ カラーフィルタ
１３ 液晶層
１５ 透過開口部
１６ 反射表示部
１７ 下基板
３１ 導光板
３３ 反射溝
３５ 反射シート
３７ ＬＥＤ
３９ 第１プリズムシート
４１ 第２プリズムシート
５３ サブ画素
５５ 画素
５７ 液晶表示素子
５９ バックライト
６１ 光拡散層
６３ 光拡散層開口部

Claims (12)

1. 一対の基板と、
   前記一対の基板を挟持する一対の偏光板と、
   前記一対の基板で挟持された液晶層と、
   画素内に形成され、前記液晶層を透過する光量を制限する透過開口部と、
   前記一対の基板の一方基板に対して前記液晶層が配置された側と反対側に形成され、前記透過開口部に光を集光する集光素子と、
   前記集光素子に照射する光を発する面発光素子と、を有し、
   前記面発光素子から出射される光が前記面発光素子の垂線に対して角度を持って出射され、
   前記面発光素子から出射される光が拡がり角を持ち、
   前記面発光素子の垂線に対する光出射角度が１°以上１０°以下であり、
   前記面発光素子の光出射方向に対応して、前記透過開口部を透過する光量を増加するように前記集光素子に対して前記透過開口部の相対位置をずらし、
   前記面発光素子の垂線に対する光出射角度をθ、前記一対の基板のうち前記面発光素子側に配置された一方の基板の厚さをＴ、前記一方の基板の屈折率をｎ₂とし、前記透過開口部の中心と前記集光素子の中心のずれ量をδとして
   

   

   と表したときに、係数Ｃ _１ が０.４以上１以下であることを特徴とする液晶表示素子。
2. 請求項１記載の液晶表示装置において、
   前記面発光素子の垂線に対する光出射角度をθ、前記集光素子の焦点距離をｆとし、前記透過開口部の中心と前記集光素子の中心のずれ量をδとして
   

   

   と表したときに、係数Ｃ _２ が０.５以上０.８以下であることを特徴とする液晶表示素子。
3. 請求項１記載の液晶表示装置において、
   前記集光素子に垂直に平行光を入射した場合に集光スポット径が最小となる最良集光位置よりも前記集光素子側に前記透過開口部を設けたことを特徴とする液晶表示素子。
4. 請求項１から３記載の液晶表示装置において、
   前記面発光素子の垂線に対する光出射角度が２°以上８°以下であることを特徴する液晶表示素子。
5. 請求項１から４記載の液晶表示装置において、
   前記面発光素子は、プリズムの底角が異なる複数のプリズムシートであることを特徴とする液晶表示素子。
6. 請求項１から５記載の液晶表示装置において、
   前記面発光素子から出射される光出射角度に比べて、前記液晶表示素子から出射される光出射角度が小さいことを特徴とする液晶表示素子。
7. 請求項１から６記載の液晶表示装置において、
   前記集光素子に垂直に平行光を入射した場合に集光スポット径が最小となる最良集光位置から集光素子まで距離をｆ′としたときに、
   Ｔ／ｆ′が０.７５以上０.８以下であり、
   Ｔ／ｆ′が１の場合に比べて視野角が広いことを特徴とする液晶表示素子。
8. 請求項１から７記載の液晶表示装置において、
   前記集光素子がレンチキュラレンズであることを特徴とする液晶表示素子。
9. 請求項１から７記載の液晶表示装置において、
   前記集光素子が前記一対の偏光板の一方の偏光板上に形成されていることを特徴とする液晶表示素子。
10. 請求項１から９記載の液晶表示装置において、
    前記透過開口部と前記集光素子との間に配置された光拡散層を有することを特徴とする液晶表示素子。
11. 請求項１０記載の液晶表示装置において、
    前記光拡散層に前記透過開口部に対応して光拡散性のない光拡散層開口部を有し、
    前記透過開口部よりも前記光拡散層開口部が大きいことを特徴とする液晶表示素子。
12. 請求項１１記載の液晶表示装置において、
    前記集光素子が、前記光拡散層と接して形成されていることを特徴とする液晶表示素子。

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