JP5354964B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本技術は、画素ごとに有効開口部を有し、第１偏光板で偏光された光を有効開口部から液晶層に入射させ、そこで変調された光を、透過軸が第１偏光板と直交する第２偏光板を通して出力するタイプの液晶表示装置に関する。

近年、携帯電話、ＰＤＡ等の携帯情報端末が普及し、薄型で軽量であるという利点を有する液晶表示装置の需要が高まってきている。液晶表示装置として、明るい場所では反射型液晶表示装置と同様に外光を利用し、暗い場所では透過型表示装置と同様にバックライトにより表示を視認可能にした併用型（半透過型）液晶表示装置が提案されている。

ところで液晶の配向モードには、電圧を印加していない状態で液晶分子が基板面に略平行でねじれた配向をもつツイステッド・ネマティックモード（以下、ＴＮ(Twisted Nematic)モードと称する）と、液晶分子が垂直に配向した垂直配向モードとがある。
ＴＮモードの透過型または半透過型の液晶表示装置では、電圧を印加していない状態で、バックライトから液晶層に入力する光の偏光方向と、液晶層から出力される光の偏光方向とがなす角度が表示面から見た面内で９０度である。このため、液晶層に対し背面側と表示面側に、透過軸が異なる２枚の偏光板が配置される。以下、バックライト側の偏光板を「第１偏光板」、表示面側の偏光板を「第２偏光板」と呼ぶ。

一方、半透過型の液晶表示装置では、外光を反射するための反射電極が設けられた反射部と、バックライトからの光を表示面側に通すために、反射電極や他の遮光部が存在しない有効開口部とが、画素ごとに設けられる。したがって、バックライトからの光を有効利用するには、バックライト光を、有効開口部にサイズや位置に対応して集光させる必要がある。そのため、マイクロレンズを搭載して平行光でない、ある程度絞った光路の光を出射するバックライトが提案されている。

液晶ディスプレイ装置のパネルは、見る人へ出射される光の角度について、パネルを多少傾斜した場合でも違和感がないようにするための最適な角度範囲が存在する。光路をパネル内部で絞ると、表示面からの光はある程度発散した光となるため、そのときの光の発散角度は、上記最適な角度範囲に適合させる必要がある。
ここで、光路をパネル内部で絞る場合、光は画素の非開口部で遮蔽されることを考慮する必要がある。言い換えると、バックライト側で光路を絞るよりも、可能な限り画素の有効開口部の近くで光路を絞るほうが光の利用効率の点からは望ましい。
以上の理由から、バックライトに集光の機能を持たせることよりも、間に液晶層が形成される２枚の基板の一方（いわゆる駆動基板またはＴＦＴ基板と称される基板）と上記第１偏光板との間に、マイクロレンズのアレイを設けることが望ましい。

しかしながら、バックライトからの光は完全な平行光ではなく、また、光路途中の反射、屈折によって、マイクロレンズアレイに到達する光は、様々な入射角度を持っている。
ここで光の入射角度によって入射面が定義される。入射面とは、光が入射する物体の面の法線と、入射光の光軸とを含む面である。よって入射角度が異なれば入射面も異なる。

一方、偏光はＰ波（Ｐ偏光）とＳ波（Ｓ偏光）とに大別され、偏光板を通過後は、その一方の偏光しか存在しない。ある定義に従えば、例えば、Ｐ波は入射面に含まれる（または、入射面と平行な）偏光であり、Ｓ波は入射面と垂直な偏光とされる。
一般に、屈折率が異なる媒体の境界面（屈折面）でＳ波は反射しやすく、Ｐ波が透過しやすいとされる。

したがって、マイクロレンズを通ると、例えばＰ波しか存在しない光にＳ波が生じる。この現象も、一種の弱い偏光である。したがって、マイクロレンズを通った光が、液晶層により変調を受けたのち第２偏光板を通過する際に、第２偏光板の偏光方向（透過軸や吸収軸の向き）と適合しなくなる。そのため、白表示では第２偏光板を透過する光の量が低下し、黒表示では第２偏光板で漏れ光が発生する。よって、液晶表示装置のコントラストが低下する。

本技術は、光を有効利用して表示輝度を上げるためにマイクロレンズを配置しても、コントラストが低下しない構成の液晶表示装置を提供するためのものである。

本技術の第１観点に関わる液晶表示装置は、各々が有効開口部を有する複数の画素と、前記画素ごとに透過光を変調可能な液晶層と、前記液晶層の厚さ方向の一方側に配置され、前記液晶層と反対の側からの入射光を、対応する前記画素の前記有効開口部に集めて通すマイクロレンズと、前記マイクロレンズに対し、前記入射光が入射される側に配置される第１偏光板と、前記液晶層の反マイクロレンズ側に配置され、前記第１偏光板と透過軸が直交する第２偏光板と、を有する。前記マイクロレンズは、光の収束軸と非収束軸が互いに直交する屈折面を持つシリンドリカルレンズである。また、前記シリンドリカルレンズは、前記非収束軸が、前記第１および第２偏光板のうち、一方の偏光板の透過軸と平行で、他方の偏光板の透過軸と直交する向きに配置されている。

本技術において、好ましくは、前記画素のサイズに対する前記有効開口部のサイズの比率により決まる開口率に関し、前記シリンドリカルレンズの前記非収束軸の方向における前記開口率が、前記収束軸の方向における前記開口率より大きくなるように、前記画素内の前記有効開口部のサイズと位置に応じた向きで前記シリンドリカルレンズが配置されている。

本技術において、好ましくは、前記シリンドリカルレンズは、光が入射する側に空気と接した前記屈折面を有する。あるいは、他に好ましくは、前記シリンドリカルレンズは、光が入射する側に前記屈折面を有し、当該屈折面に接して、屈折面にレンズの外から入射した光の反射を低減する膜がコーティングされ、あるいは、当該反射を低減する樹脂が前記第１偏光板との間に充填されている。

以上の構成によれば、第１偏光板の反液晶層側から入射した光が、第１偏光板で偏光する。偏光後の光は、マイクロレンズ（シリンドリカルレンズ）に入射し、シリンドリカルレンズを通ることにより有効開口部付近に集光されて液晶層に入り、第２偏光板を経て出力される。

シリンドリカルレンズは、光が入射する側に空気と接した屈折面を有するように構成してよい。シリンドリカルレンズであるから、当該屈折面は、光の収束軸と非収束軸が互いに直交する曲面である。このような屈折面を有するシリンドリカルレンズは、収束軸と平行な方向で光を収束し集光レンズとして機能するが、非収束軸と平行な方向では光を収束しないため集光レンズとして機能しない。
一方、シリンドリカルレンズに入射する光の偏光方向が、屈折面の収束軸と非収束軸の一方と平行で他方と直交する限り、レンズ透過によってＰ偏光からＳ偏光が生じるようなことがない。よって、本技術では、シリンドリカルレンズの非収束軸が、第１および第２偏光板のうち、一方の偏光板の透過軸と平行で、他方の偏光板の透過軸と直交するような向きで、シリンドリカルレンズが配置されている。

本技術およびその実施形態で、「非収束軸が、ある透過軸と平行である」とは、２つの軸がなす角度が０±５°の範囲内であることを意味する。また、「非収束軸が、ある透過軸と直交する」とは、２つの軸がなす角度が９０±５°の範囲内であることを意味する。

このシリンドリカルレンズの配置の向き（角度）が規定されている理由は、シリンドリカルレンズの屈折面に反射を低減する膜がコーティングされている場合、または、反射を低減する樹脂が充填されている場合でも同じである。これらの反射低減のための膜や樹脂は、多層膜による反射防止膜、あるいは、低屈折率の膜や樹脂としてよい。これにより界面での反射成分がゼロまたは著しく低減される。よって、シリンドリカルレンズの集光効率が上がり、また、レンズ透過によって、例えばＰ偏光からＳ偏光が生じ難くなる。

本技術の第２の観点に関わる液晶表示装置は、間に液晶を封入して液晶層が形成されている第１基板および第２基板と、前記第１基板の反液晶層側に配置される第１偏光板と、前記第１偏光板と透過軸が直交し、前記第２基板の反液晶層側に配置される第２偏光板と、前記第１偏光板の反液晶層側に配置されるバックライトと、を有する。前記第１基板および第２基板ならびに前記液晶層に、光を遮蔽する部分と光を通す有効開口部とを各々が有する複数の画素が形成されている。前記第１基板と前記第１偏光板との間に、前記バックライトからの光を、対応する前記画素の前記有効開口部に集めて通すマイクロレンズのアレイが配置されている。前記マイクロレンズは、光の収束軸と非収束軸が互いに直交する屈折面を持つシリンドリカルレンズである。また、前記シリンドリカルレンズは、前記非収束軸が、前記第１および第２偏光板のうち、一方の偏光板の透過軸と平行で、他方の偏光板の透過軸と直交する向きに配置されている。

この第２の観点では、液晶層を封入する２枚の基板、バックライトとの関係を規定する。つまり、第２の観点では、第１の観点と同様に機能するシリンドリカルレンズが、第１の基板と第１偏光板との間に配置されている。

本技術によれば、光を有効利用して表示輝度を上げるためにマイクロレンズを配置しても、コントラストが低下しない構成の液晶表示装置を提供することができる。

以下、本技術の実施形態を、半透過型の液晶ディスプレイ装置を例として図面を参照して説明する。

《第１実施形態》
図１に、液晶ディスプレイ装置の断面構造図を示す。この断面構造は、半透過型か透過型かを問わず共通する。また、図１の断面図では、図を見やすくするため断面を表す斜線を一部、省略している。
図１に図解する液晶ディスプレイ装置１０は、不図示の表示面（図の最上層側の面）に対して、背面（図の最下層側の面）側にバックライト２０が配置されている。
液晶ディスプレイ装置１０は、２枚のガラス基板が張り合わされ、その間や外面側に種々の機能層を有して、バックライト２０と表示面との間に配置された表示部が配置されている。

バックライト２０は、導光板２１、ＬＥＤ等の光源２２、光源駆動部２３、反射シート２４、反射板２５、プリズムシート２６などを一体に組み立てた画像ディスプレイ専用の照明装置である。

表示部は、上記２枚のガラス基板として、バックライト２０側の駆動基板３０と、表示面側の対向基板３１とを有する。
駆動基板３０には、細かくなるため詳細には図示していないが、ＴＦＴトランジスタを含む画素内の回路素子や電極が形成され、また、画素のマトリクス駆動のための配線が形成されている。駆動基板３０は、スペーサ３２を介して内部空間を形成するように対向基板３１と張り合わされている。このとき、回路素子、電極および配線が形成された駆動基板３０の面側が、対向基板３１と対向している。

図１に示す液晶ディスプレイ装置１０は半透過型であるため、半透過型の特徴の一つは画素内で比較的大きな面積を占める反射電極３３が駆動基板３０に形成されている。また、対向基板３１には、カラーフィルタ層３４が、基板張り合わせの前に予め形成されている。
図１の断面構造では反射電極３３とカラーフィルタ層３４が示されている。反射電極３３とカラーフィルタ層３４は、駆動基板３０と、対向基板３１と、スペーサ３２により形成される内部空間に面するように、それぞれ、対向基板３１とスペーサ３２に予め形成されている。

スペーサ３２が形成されていない不図示の箇所から、２枚の基板間の内部空間に液晶が注入されている。その後、液晶の注入箇所が閉じられると、液晶が駆動基板３０、対向基板３１およびスペーサ３２内に封入され、これにより液晶層３５が形成されている。

図１では細かくなるため図示を省略しているが、このように形成された液晶層３５に対し、画素ごとの画素電極と、画素間で共通な共通電極（不図示）とが隣接配置される。この２種類の電極は、液晶層３５に電圧を印加するための電極である。液晶層３５を挟んで２つの電極が配置される場合（縦方向の駆動モード）と、駆動基板３０側に２つの電極が２層配置される場合（横方向の駆動モード）とがある。後者の２層配置の場合、両電極は絶縁分離されているが、下層側の共通電極は、上層側で液晶層３５に接する画素電極のパターンの間から液晶に電気的な作用を与える。このため、横方向の駆動モードでは電界の向きが横方向となる。これに対し、２つの電極が液晶層３５を、その厚さ方向から挟んで配置される場合は、電界の向きが縦方向（厚さ方向）となる。

いずれの駆動モード仕様で電極が配置されている場合でも、２つの電極によって液晶層３５に対し電圧をマトリクスに駆動可能である。このため、液晶層３５は、その透過を光学的に変調する機能層である。液晶層３５は、この印加電圧の大きさに応じて階調表示を行う。

他の光学機能層として、バックライト２０と駆動基板３０との間に第１偏光板４１が配置されている。また、対向基板３１と表示面との間に、第２偏光板４２が配置されている。
さらに、本実施形態では、第１偏光板４１と駆動基板３０との間に、マイクロレンズ層５０が配置されている。マイクロレンズ層５０および表示部内のカラーフィルタ層３４も光学機能層の一種である。

マイクロレンズ層５０は、そのレンズ面として機能する屈折面（曲面）が光源側になるように、非屈折面（平面）側を駆動基板３０の背面に接着している。屈折面は、より光を屈折させるために空気と接することが望ましい。よって、この構造をとる場合、第１偏光板４１を駆動基板３０に直接貼ることができない。駆動基板３０に支持される部分に第１偏光板４１を貼ってもよいが、ここではバックライト２０側に第１偏光板４１を配置している。バックライト２０と表示部は、不図示のフレーム枠に組み付けられるため、この組み立て後は、第１偏光板４１とマイクロレンズ層５０が一定の距離の空隙を挟んで対峙する。
なお、第２偏光板４２は、例えば対向基板３１の表面に接着層を介して貼り付けられる。

つぎに、以上のような構造を有する液晶ディスプレイ装置１０のバックライト光の経路を説明する。

画像表示時に、バックライト２０内で光源２２が点灯する。すると、光源２２からの光（ＬＥＤ光等）が、導光板２１の一方端部から導光板２１内に入射される。
導光板２１は、透明材料からなる反射拡散板の一種であり、ＬＥＤといった点光源からの光が導光板２１内で反射を繰り返す間に、次第に拡散されて面状の光に変換される。

より詳細には、導光板２１の上面側（表示面側）の表面では、一部の光が反射されて導光板２１の内側に戻され、他の光が導光板２１の外部に出てゆく。しかし、導光板２１から出た光のうち、特定の角度でプリズムシート２６に入射する以外の光は、プリズムシート２６で反射され、導光板２１に再び入射される。また、特定の角度の光はプリズムシート２６で、ほぼ平行な光となって表示部側に照射される。
これに対し、導光板２１の背面側の表面では光が漏れないように全反射させる必要がある。背面側に何も設けない場合、一部の光が導光板２１から出力しようとする。この出力しようとする光を導光板２１に戻すために、背面側に反射シート２４が貼られている。また、光源２２の周囲にも反射板２５が設けられている。
バックライト２０は、反射シート２４と反射板２５によって、光源２２からの光が照明光として効率よく前面側に出射されるようになっている。

バックライト２０からの光は、第１偏光板４１に入射され直線偏向に変換されて、第１偏光板４１から空気を通ってマイクロレンズ層５０の屈折面に入射される。

マイクロレンズ層５０の屈折面は、半円筒の表面に近い曲面形状を有する。ここで「半円筒の表面に近い」とは、半円筒の断面が半円に限らず、半楕円であってもよいことを意味する。マイクロレンズ層５０は、このような半円筒の表面に近い屈折面を有するシリンドリカルレンズ面の集合である。本実施形態においてマイクロレンズ層５０は、シリンドリカルレンズのアレイから形成されている。
シリンドリカルレンズは、円筒の中心軸と平行な方向では屈折面が直線を描くため、レンズとして機能しない。このようにレンズとして機能しない方向の軸を、本技術では「非収束軸」と定義する。また、非収束軸と直交する軸、即ち、円筒の断面と平行な軸の方向では屈折面が、円または楕円の軌跡を描くため集光レンズとして機能する。このように集光レンズとして機能する方向の軸を、本技術では「収束軸」と定義する。

第１偏光板４１の透過軸が、マイクロレンズ層５０における各シリンドリカルレンズの屈折面に対して、その収束軸または非収束軸と平行となっている。言い換えると、この軸の平行条件が満たされるように、第１偏光板４１に対してマイクロレンズ層５０の配置方向が決められている。
マイクロレンズ層５０からの光は表示部内で集光される。

図２（Ａ）に、マイクロレンズ層５０による集光の様子を、表示部の一部を拡大した断面図により示す。この断面図も、図１と同様に、断面を表す斜線を省略している。図２（Ｂ）は、光の透過と反射という観点で見た１画素の平面図である。
図２（Ｂ）に示すように、１つの画素領域は、反射部Ｒ１、（有効）開口部Ｒ２、および、画素の短辺と長辺に沿う配線Ｗ１,Ｗ２に区分される。

反射部Ｒ１は、主に、図１に示す反射電極３３によって表示面側（バックライト２０と反対側）からの外光を反射する画素領域である。
開口部Ｒ２は、反射部Ｒ１や反射しやすい配線材料からなる配線Ｗ１,Ｗ２以外の部分で、比較的光をよく通す画素領域である。なお、開口部Ｒ２には、画素電極や回路素子（ＴＦＴ等）も一部に形成されている。このうち画素電極は光を比較的よく通す材料から形成されていることもあり、また、回路素子は面積的に小さいため、開口部Ｒ２に含ませてもよい。これらの面積や透光性によっては、反射部Ｒ１に含む定義でもよい。
いずれにしても、光を反射するか透過するかの観点から、１つ画素は、図２（Ｂ）のように反射部Ｒ１、開口部Ｒ２および配線Ｗ１,Ｗ２から形成されていると定義できる。

マイクロレンズ層５０は、図２（Ｂ）に示す開口部Ｒ２に光を集光して通す役目がある。マイクロレンズ層５０は、開口部Ｒ２に最大限の光を通すように、レンズの形状、配置位置等が決められている。

図２（Ａ）の断面図には、マイクロレンズ層５０により集光される光の経路を模式的に示す。
図１に示すプリズムシート２６は光をほぼ平行にして出すと説明した。しかし、マイクロレンズ層５０に入る光は、その前に、第１偏光板４１によって光が偏光を受けている。また、第１偏光板４１からの偏光は、画素が非常に小さいためマクロ的に見ると様々な角度の成分を持って、全体として平行な光としてマイクロレンズ層５０に入射される。

図２（Ａ）に、平行光成分Ｌｐのほかに、マイクロレンズ層５０の１つのシリンドリカルレンズ面５０Ａに対して、外側から内向きに入射する光成分Ｌ１、ならびに、内側から外向きに入射する光成分Ｌ２を示している。
理想的には、１つのシリンドリカルレンズ面５０Ａで集光した光は、開口部Ｒ２の中心軸上で焦点が結ばれる。また、どのような光成分であっても反射部Ｒ１によって反射されないように、シリンドリカルレンズ面５０Ａの収束軸方向のレンズ形状と、マイクロレンズ層５０の画素に対する位置関係が決められている。
なお、この図２（Ａ）の光路は理想的な場合を示す。この理想的な光路とならず、一部の光が反射部Ｒ１や配線Ｗ１,Ｗ２で反射されることを排除する意味で、図２（Ａ）を示していない。図２（Ａ）はマイクロレンズ層５０の機能説明のための最適な作用を示すに過ぎない。

このようにして開口部Ｒ２を効率よく通過した光は、すぐ隣の液晶層３５を通り、カラーフィルタ層３４で波長選択される。波長選択された光は対向基板３１から第２偏光板４２に入射される。
第２偏光板４２は、その吸収軸が、第１偏光板４１と直交するように配置されている。よって、第２偏光板４２の吸収軸も、シリンドリカルレンズ面５０Ａ、即ち屈折面の収束軸、非収束軸の一方と平行であるという点で第１偏光板４１と同じとなる。ただし、第１偏光板４１の吸収軸が、例えば屈折面の収束軸に平行な場合、第２偏光板４２の吸収軸は、当該収束軸に対して直交する。逆に、第１偏光板４１の吸収軸が、例えば屈折面の収束軸に直交する場合、第２偏光板４２の吸収軸は、当該収束軸と平行である。

第２偏光板４２に入射した光は、直線偏光されて外部に出射される。
この光は画素ごとに液晶層３５で変調されるため、画像表示光として表示面側から鑑賞者に視認される。

以上のように、マイクロレンズ層５０を設けることにより、本来なら反射部Ｒ１の反射電極３３等で反射されて、熱に変わるような光まで、画像表示に寄与させることができる。したがって、同じ明るさとする場合はバックライト２０の照度を下げて低消費電力とすることができる。また、より画面が明るい液晶ディスプレイを実現できる。

図３に、本実施形態で、画素の反射部Ｒ１と開口部Ｒ２の配置パターンと、シリンドリカルレンズ面５０Ａの配置の向きとの、より望ましい関係を示す。
シリンドリカルレンズ面５０Ａは、非収束軸方向Ｄ２における画素の開口率が、収束軸方向Ｄ１における画素の開口率より大きくなるようにシリンドリカルレンズ（即ち、図１および図２（Ａ）に示すマイクロレンズ層５０）を配置する。ここで、「ある方向の画素の開口率」とは、本例では反射部Ｒ１および配線Ｗ１,Ｗ２と、開口部Ｒ２との当該方向に沿ったサイズの比率をいう。つまり、反射部Ｒ１と開口部Ｒ２が隣接する方向（収束軸方向Ｄ１）では開口部Ｒ２の閉める割合（開口率）が小さいためレンズにより集光する。これに対し、隣り合う画素の開口部Ｒ２同士が配線Ｗ２を挟んで近い方向（非収束軸方向Ｄ２）では開口率が大きいため、この方向でレンズにより集光する必要性に乏しい。

なお、反射部Ｒ１と開口部Ｒ２の画素内配置によっては、開口率が収束軸方向Ｄ１と非収束軸方向Ｄ２で同等の場合もあり、そのような場合は、開口率とシリンドリカルレンズの配置の向きに制限はない。ただし、いずれの場合でも、収束軸方向Ｄ１と非収束軸方向Ｄ２が、第１偏光板４１と第２偏光板４２の一方の吸収軸と直交または平行である必要がある。以下、この要件を「軸方向条件」という。

つぎに、この軸方向条件が満たされない場合の弊害について、図４〜図６を用いて説明する。
図４に示すように、第１偏光板４１を通ってシリンドリカルレンズ面５０Ａに対し入射する光は、図２（Ａ）に示すと同様、様々な角度の成分を含む。

ここで光の入射角度によって入射面Ｐが定義される。ある定義に従えば、入射面Ｐとは、水平面（ここでは表パネル面、例えば第１偏光板４１や第２偏光板４２と平行な面）に垂直で、レンズ中心に向かう入射光を含む面である。よって入射角度が異なれば入射面も異なる。

一方、偏光はＰ波（Ｐ偏光）とＳ波（Ｓ偏光）とに大別され、理想的には、第１偏光板４１を通過後は、その一方の偏光しか存在しない。但し、実際には他方の偏光も含む場合が多い。
ある定義に従えば、例えば、Ｐ波は入射面に含まれる（または、入射面と平行な）偏光であり、Ｓ波は入射面と垂直な偏光とされる。

一般に、屈折率が異なる媒体の境界面（屈折面）でＰ波は反射しやすく、Ｓ波が透過しやすいとされる。このことを具体的なデータで示すと、図５のように、入射角が２０度程度から大きくなると、Ｐ波の反射率がＳ波の反射率より非常に大きくなる。
したがって、シリンドリカルレンズ面５０Ａに入射する光と、シリンドリカルレンズ面５０Ａからレンズ内に透過する光ではＰ波とＳ波の比率が変化する。
この偏光成分比の変化に起因して、液晶ディスプレイ装置のコントラストが低下する。

図６（Ｂ１）〜図６（Ｂ５）は、マイクロレンズ（シリンドリカルレンズに限らない）が第１偏光板４１と液晶層３５との間に存在する場合の光を成分表示で模式的に示す図である。これに対し、図６（Ａ１）〜図６（Ａ５）はマイクロレンズがない場合を示す。図６（Ａ１）と図６（Ｂ１）といった横並びの図は対応する。ただし、マイクロレンズがない部分の図（図６（Ａ２）と図６（Ａ３））は存在しない。
黒表示を行う場合、この図からレンズによりＰ波とＳ波の成分比が変化し、第２偏光板４２に入射する光の偏光が、想定する偏光と異なるため、僅かであるが漏れ光が発生する。漏れ光は少しであってもコントラストは大幅に低下する。

図７に、軸方向条件を変化させる３つの擬似パネル構成をつくり、それぞれでコントラストを測定した実験の試料と結果を示す。
図７（Ａ）に示す表の左欄に、３つの擬似パネル構成の内容を記載している。また、図７（Ｂ１）と図７（Ｂ２）に、擬似パネル構成の側面から見た配置図を示す。
図７（Ａ）で「ガラス」と表記している構成は、図７（Ｂ１）に示すように、１枚のガラス板Ｇの両側に第１偏光板４１と第２偏光板４２を配置したものである。また、図７（Ａ）で「レンズ（０°方向）」「レンズ（４５°方向）」と表記している構成は図７（Ｂ２）のように、第１偏光板４１とガラス板Ｇとの間に、シリンドリカルレンズ面５０Ａを有するマイクロレンズ層５０を配置したものである。

ここで「０°方向」は、図７（Ｃ１）に示すように、シリンドリカルレンズの非収束軸（長軸）が配置基準を示す向きと平行な場合を示す。この０°方向の配置は、本実施形態の軸方向条件を満足する。
一方、「０°方向」は、図７（Ｃ１）に示す「回転方向」の矢印の向きにマイクロレンズ層５０を回転させて配置した場合である。この場合、シリンドリカルレンズ面５０Ａの非収束軸が、第１偏光板４１や第２偏光板４２の透過軸と平行または直交する向きとならないため、上記軸方向条件は満足しない。

コントラストは、液晶駆動の代わりに、例えば第１偏光板４１を９０度回転する前後での光量測定で調べた。図７（Ｃ１）に矢印により示す透過軸が第１偏光板４１と第２偏光板４２で同じ向きであるため、このときは白表示時に該当する。これに対し、図７（Ｃ２）では、透過軸が直交するように第２偏光板４２を９０度回転させている。このときは黒表示時に該当する。

レンズを挿入しない場合のコントラストが２００００：１となるため、これが第１偏光板４１と第２偏光板４２の実力を反映した究極のコントラストを示す。これに対し、「レンズ（４５°方向）」と、本技術で要求される軸方向条件に適合していない場合は、コントラストが１６５：１まで低下する。
一方、「レンズ（０°方向）」として、本技術で要求される軸方向条件を満たすマイクロレンズ層５０の配置にすると、コントラストは８５００：１にまで大幅に向上する。このコントラストは究極のコントラストには届かないが、マイクロレンズ層５０を挿入すること自体で光が乱されることを考慮しても十分に高いコントラストである。これにより、マイクロレンズ挿入による図６に示す漏れ光は十分に抑圧されていることを裏付ける結果が得られた。

なお、８５００：１といった非常に高いコントラストは、液晶層や他の機能層、ＴＦＴや電極や配線など光を乱す様々な部材が配置される実際の表示パネルで得ることはできない。実際の表示パネルでは、軸方向条件が適合している場合に得られるコントラストは、「レンズ（４５°方向）」のコントラストの２倍より少し大きな程度である。

《第２実施形態》
第２実施形態に関わる液晶ディスプレイ装置の概略的な断面構造図を、図８（Ｂ３）に示す。ここで図８（Ｂ２）には、第１実施形態の図１と同様な断面構造を、比較のために示す。また、図８（Ｂ１）はマイクロレンズ層５０がない場合を示す。
図８（Ｂ３）に示す液晶ディスプレイ装置が、図８（Ｂ２）等に示す第１実施形態と異なる点は、マイクロレンズ層５０のシリンドリカルレンズ面５０Ａ（屈折面）にレンズ表面の反射を抑制するために、レンズ表面に接する樹脂を、空気と接する場合よりも反射を低減する樹脂としたことである。この樹脂は、反射防止膜や低屈折率の膜をレンズ面に張り合わせる、あるいは、樹脂を空間に流し込むといった方法で形成できる。ここで低屈折率の膜とは、レンズを形成している物質（例えば樹脂）より低い屈折率を有する膜である。

なお、図８（Ｂ３）には、膜状の樹脂５１がマイクロレンズ層５０のレンズ面に形成されている。樹脂５１で空間を埋める場合、第１偏光板４１が強度的に弱い膜であるため、図８（Ｂ３）は、樹脂５１と第１偏光板４１との間に空気の層が存在する。
しかしながら、マイクロレンズ層５０のレンズ面に樹脂５１を形成して、その表面を平坦化した後に、平坦化面に第１偏光板４１を形成する製造方法が採用できる場合、この空気の層は形成されない。
以上のようにマイクロレンズ層５０に樹脂５１が接するようにすると、コントラストや輝度の向上が期待できる。

実際に、図８にはコントラストと輝度の測定結果を示す。なお、この測定では、液晶を駆動させると、それだけでコントラストや輝度の低下の要因となる。このため、電圧を印加しないときに白を表示するノーマリーホワイトモードの液晶層を用いて、図７の場合と同様に、第２偏光板４２の向きを９０度変えたサンプルを試作して、そのコントラストと輝度を測定した。なお、図７の場合とバックライト条件は同じとした。
その結果、レンズなしの場合に、光の利用効率が悪く輝度が１００(nit)と低いが、マイクロレンズ層５０を挿入すると輝度が３割以上向上した。また、マイクロレンズ層５０を入れるとコントラストは低下するが、低屈折率樹脂の樹脂５１をシリンドリカルレンズ面５０Ａに膜状に形成すると、コントラストが大きく回復した。また、輝度も若干向上した。

以上の第１および第２実施形態によれば、屈折面をシリンドリカルレンズ面５０Ａとしたマイクロレンズ層５０を、第１偏光板４１と液晶層３５との間に配置し、これにより大幅に輝度が向上した。これは、バックライト２０からの光の利用効率が向上したためである。
また、このマイクロレンズ層５０を配置する際に、シリンドリカルレンズ面５０Ａの非収束軸を、第１偏光板４１と第２偏光板４２の一方の透過軸と平行または直交する向きに、マイクロレンズ層５０を配置した（軸方向条件）。これにより、この軸方向条件を満たさないために生じるＰ波とＳ波の比率がマイクロレンズ層５０の挿入によって変化することに起因したコントラストの低下を未然に防止する。
以上より、液晶ディスプレイ装置において、集光のためにシリンドリカルレンズを採用し、望ましくは上記軸方向条件を満たす配置とすることで、コントラストを極力低下させないで光の利用効率を高めて輝度を大幅に向上させることが可能となった。

＜変形例１＞
本技術は、反射電極の画素に示す面積が大きく、その分、有効開口部の面積が小さい半透過型液晶表示装置に好適である。本技術の適用によって、画素面積に対する有効開口部の面積が小さくても、コントラストの低下を防止しながら輝度を上げることができるためである。
ただし、画素内には、反射電極を有しなくても、配線やＴＦＴ部など光を遮る部分が多少なりとも存在する。よって、配線やＴＦＴ部などがない部分を「有効開口部」とみなすと、本技術は透過型液晶表示装置にも適用できる。

＜変形例２＞
本実施形態では、マイクロレンズ層５０を構成する各シリンドリカルレンズが、バックライト側に突出する凸レンズ面（屈折面）を有する。しかし、このような屈折面と同じ集光作用は、液晶層側に設けられたシリンドリカル形状の凹レンズ面でも達成できる。このように、シリンドリカルレンズの屈折面は凸レンズ面、凹レンズ面のどちらでもよい。
なお、凹レンズ面を有する場合に、この面を空気と接するようにするためには、このような凹レンズ面を有するマイクロレンズ層５０をバックライト２０側の第１偏光板４１に貼る必要がある。

第１実施形態に関わる液晶ディスプレイ装置の断面構造図である。 図１の液晶ディスプレイ装置の細部を用いて、集光の様子を示す拡大された断面図と、光の反射と透過の観点から見た画素の平面図である。 本実施形態で、画素の反射部と開口部の配置パターンと、シリンドリカルレンズ面の配置の向きとの、より望ましい関係を示す図である。 レンズ入射時のＰ波とＳ波の説明図である。 Ｐ波とＳ波のレンズ表面での反射率の入射角度依存性を示すグラフである。 漏れ光の発生を説明するための図である。 第１実施形態に関わり、軸方向条件を満たすことによりコントラストが向上することを確かめるための実験の試料と結果を示す図および図表である。 第２実施形態に関わり、樹脂の有無によるコントラストと輝度の向上を確かめる実験の試料と結果を示す図および図表である。

符号の説明

１０…液晶ディスプレイ装置、２０…バックライト、３０…駆動基板、３１…対向基板、３５…液晶層、４１…第１偏光板、４２…第２偏光板、５０…マイクロレンズ層、５０Ａ…シリンドリカルレンズ面、５１…樹脂、Ｒ１…反射部、Ｒ２…（有効）開口部、Ｄ１…収束軸方向、Ｄ２…非収束軸方向

Claims (3)

1. 各々が有効開口部を有する複数の画素と、
   前記画素ごとに透過光を変調可能な液晶層と、
   前記液晶層の厚さ方向の一方側に配置され、前記液晶層と反対の側からの入射光を、対応する前記画素の前記有効開口部に集めて通すマイクロレンズと、
   前記マイクロレンズに対し、前記入射光が入射される側に配置される第１偏光板と、
   前記液晶層の反マイクロレンズ側に配置され、前記第１偏光板と透過軸が直交する第２偏光板と、を有し、
   前記マイクロレンズは、光の収束軸と非収束軸が互いに直交する屈折面を持つシリンドリカルレンズであり、
   前記シリンドリカルレンズは、
   前記非収束軸が、前記第１および第２偏光板のうち、一方の偏光板の透過軸と平行で、他方の偏光板の透過軸と直交する向きに配置され、
   光が入射する側に前記屈折面を有し、当該屈折面に接して、屈折面にレンズの外から入射した光の反射を低減し、前記レンズの外から入射する光と前記レンズを透過する光における、前記非収束軸と平行な第１偏光と、前記非収束軸と直交する第２偏光との比率の変化を抑制する膜がコーティングされている、
   液晶表示装置。
2. 前記画素のサイズに対する前記有効開口部のサイズの比率により決まる開口率に関し、前記シリンドリカルレンズの前記非収束軸の方向における前記開口率が、前記収束軸の方向における前記開口率より大きくなるように、前記画素内の前記有効開口部のサイズと位置に応じた向きで前記シリンドリカルレンズが配置されている、
   請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 間に液晶を封入して液晶層が形成されている第１基板および第２基板と、
   前記第１基板の反液晶層側に配置される第１偏光板と、
   前記第１偏光板と透過軸が直交し、前記第２基板の反液晶層側に配置される第２偏光板と、
   前記第１偏光板の反液晶層側に配置されるバックライトと、を有し、
   前記第１基板および第２基板ならびに前記液晶層に、光を遮蔽する部分と光を通す有効開口部とを各々が有する複数の画素が形成され、
   前記第１基板と前記第１偏光板との間に、前記バックライトからの光を、対応する前記画素の前記有効開口部に集めて通すマイクロレンズのアレイが配置され、前記マイクロレンズは、光の収束軸と非収束軸が互いに直交する屈折面を持つシリンドリカルレンズであり、
   前記シリンドリカルレンズは、
   前記非収束軸が、前記第１および第２偏光板のうち、一方の偏光板の透過軸と平行で、他方の偏光板の透過軸と直交する向きに配置され、
   光が入射する側に前記屈折面を有し、当該屈折面に接して、屈折面にレンズの外から入射した光の反射を低減し、前記レンズの外から入射する光と前記レンズを透過する光における、前記非収束軸と平行な第１偏光と、前記非収束軸と直交する第２偏光との比率の変化を抑制する膜がコーティングされている、
   液晶表示装置。
   

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