JP2009300693A - 液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】開口部R2を各々が有する複数の画素と、液晶層35と、入射光を、対応する画素の開口部R2に集めて通すマイクロレンズ層50と、入射光側の第1偏光板41と、液晶層35の反マイクロレンズ側に配置され、第1偏光板41と透過軸が直交する第2偏光板42と、を有する。マイクロレンズ層50は、光の収束軸と非収束軸が互いに直交するシリンドリカルレンズ面50Aを持つ。また、シリンドリカルレンズ面50Aは、非収束軸が、第1および第2偏光板41,42の一方の透過軸と平行で、他方の透過軸と直交する向きに配置されている。
【選択図】図1
Description
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。
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。
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。
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、本発明では、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、本発明では「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、本発明では「収束軸」と定義する。
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(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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における画素の開孔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。
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。
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。
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。
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(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。
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。
一方、「レンズ(0°方向)」として、本発明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。
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。
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。
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。
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。
本発明は、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。本発明の適用によって、画素面積に対する有効開口部の面積小さくても、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、本発明は透過型液晶表示装置にも適用できる。
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。
Claims (5)
- 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ている
液晶表示装置。 - 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。 - 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
請求項1に記載の液晶表示装置。 - 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
請求項1に記載の液晶表示装置。 - 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ている
液晶表示装置。
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