JPH0743501A

JPH0743501A - マイクロレンズアレイシートおよびそれを用いた液晶ディスプレイ

Info

Publication number: JPH0743501A
Application number: JP5208638A
Authority: JP
Inventors: Motoyuki Suzuki; 基之鈴木; Kazuo Matsuura; 和夫松浦
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1993-07-29
Publication date: 1995-02-14

Abstract

(57)【要約】【構成】界面が凹凸面３をなす第１物質層１とそれよ
り屈折率の小さい第２物質層２が２つの平面４、５に挟
まれ、平面４の法線方向から入射し凹凸面３が平面４に
対する角度が最大になる点７を通過する光線９のうち、
第１物質層１から入射する光線９は光束の８０％以上が
第２物質層２へ透過し、第２物質層から入射する光線１
０は１０度以上屈折されて第１物質層１の平面４側から
出射されるような微小単位レンズ６を面状に配列したマ
イクロレンズアレイシート、および、これを第１物質層
１側を観察面側にして液晶セルの観察面側に設けた液晶
ディスプレイ。【効果】液晶ディスプレイの視野角が飛躍的に拡大さ
れ、複数人で観察する場合や観察角度が制限されている
場合などにおいても、全く不都合なく表示を観察するこ
とが出来るようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロレンズアレイ
シートおよびそれを用いた液晶ディスプレイに関する。

【０００２】

【従来の技術】凸レンズ、凹レンズなどの微小単位レン
ズを面状に配列したマイクロレンズアレイは、液晶ディ
スプレイ、光結合光学素子、画像入力装置などへの応用
が期待され、研究が進められている。

【０００３】マイクロレンズアレイは、大別して２種の
形態がある。１つは、微細加工技術によって面状基板上
などに制御された凹凸形状単位（微小単位レンズ）を配
列形成したものであり、もう１つは、平面状基板中の任
意の微小単位部分に屈折率の分布を持たせた、いわゆる
平板マイクロレンズアレイである。

【０００４】液晶ディスプレイは液晶分子の電気光学効
果、すなわち光学異方性（屈折率異方性）、配向性、流
動性および誘電異方性などを利用して、任意の表示単位
に電界印加あるいは通電して光線透過率や反射率を変化
させる光シャッタを配列した液晶セルを用いて表示を行
うものである。この液晶ディスプレイには、液晶セルに
表示された像を直接観察する直視型ディスプレイと、表
示像を正面あるいは背面からスクリーンに投影して観察
する投射型ディスプレイがある。

【０００５】直視型の液晶ディスプレイにおいては、観
察方向による表示品位の変化を小さくし、良好な表示品
位の得られる視野角を拡大するために、液晶ディスプレ
イとマイクロレンズアレイなどの光学素子を組み合わせ
ることが提案されている。

【０００６】液晶ディスプレイの観察面側にレンズなど
の光線透過方向を制御する光学素子を組み合わせて視野
角を拡大する方法としては、平凹レンズ群を配する方法
（特開昭５３−２５３９９号公報）、多面体レンズを配
する方法（特開昭５６−６５１７５号公報）、プリズム
状突起透明板を配する方法（特開昭６１−１４８４３０
号公報）、液晶セルの表示単位にそれぞれレンズを設け
る方法（特開昭６２−５６９３０号公報、特開平２−１
０８０９３号公報）などがあり、さらにこれらに加えて
透過型ディスプレイの場合に背面光源の光線出射方向を
制御する手段を付加するもの（特開昭５８−１６９１３
２号公報、特開昭６０−２０２４６４号公報、特開昭６
３−２５３３２９号公報）などがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】液晶ディスプレイは、
観察方向によって表示品位が変化するという欠点を持っ
ている。一般的には表示面の法線方向から観察した時に
最も良好な表示品位が得られるように設定されているの
で、表示面の法線方向と観察方向のなす角度が大きくな
るほど表示品位が低下し、ある角度を超えると観察者が
容認できる範囲を超えてしまうという欠点、すなわち良
好な表示品位の得られる視野角（以下、単に視野角とい
うことがある）が狭いという欠点を持っている。

【０００８】視野角が狭いという欠点は、比較的単純な
構成で生産性に優れ大容量表示が可能という優れた特長
を持つためパーソナルワードプロセッサ、パーソナルコ
ンピュータなどに多用されるスーパーツイステッドネマ
チックモードやテレビ受像機などに用いられる中間調表
示を行うツイステッドネマチックモードにおいて、特に
顕著で、ディスプレイ表示面の法線方向から１０度から
５０度（表示面に対して上下方向、左右方向などによっ
て異なる）の方向から観察した場合、表示内容が殆ど判
読できなくなることが多い。このため、事実上複数人で
観察することができず、液晶ディスプレイの応用展開の
妨げとなっている。

【０００９】この欠点を解消するために、液晶ディスプ
レイの観察面にマイクロレンズアレイ等の光学素子を設
けることが提案されているが、いずれも実用性に乏しく
視野角の問題を解消するに至っていない。

【００１０】この理由は、本発明者の検討によれば、従
来提案されてきた方法では、視野角を拡大する効果が小
さかったり、液晶ディスプレイの表示品位を著しく低下
させてしまうという欠点があったためである。

【００１１】すなわち、単凹レンズを配する方法では、
該レンズ面に相当の曲率が必要であるので、レンズの厚
みも含めて考えるとディスプレイの厚みが相当厚くな
り、薄型という液晶ディスプレイの特徴が損なわれると
ともに、観察される表示が縮小されるので表示内容が判
別しにくくなるという欠点がある。

【００１２】また、従来提案されている平凹レンズ群、
多面体レンズ群、レンチキュラーレンズ、プリズム板を
配する方法のように、液晶ディスプレイの観察面にそれ
ぞれの光学素子の凹凸面が露出する方法では、視野角を
拡大する効果が小さいばかりでなく、液晶ディスプレイ
を正面（観察面の法線方向）から観察した時の表示コン
トラストが低下し、また観察方向によっては液晶ディス
プレイの外部から入射する光線を強く散乱反射するの
で、通常の室内照明などの外部からの入射光がある場合
には画面全体が白っぽくなり、最明色表示時と最暗色表
示時のコントラスト比が低下し表示が見にくくなるとい
う欠点がある。すなわち、液晶ディスプレイを正面から
観察した時の表示品位が低下するとともに、表示面の法
線方向と観察方向のなす角度が大きくなるほど表示品位
の低下が顕著になり、ある角度以上では殆ど表示内容が
判読できなくなるもので、結果的に当初の目的である視
野角を拡大することができていなかった。

【００１３】また、ガラス基板などの内部に屈折率分布
領域を設けた平板マイクロレンズアレイでは、上記の欠
点はほぼ解消されるが、十分な屈折率差をとることがで
きないので、視野角拡大効果が小さいという欠点があ
る。

【００１４】なお液晶ディスプレイの視野角が狭いとい
う欠点は、液晶ディスプレイの原理的な問題であるた
め、液晶セル内部の改良によって視野角を拡大すること
には限界があり充分な効果は得られていない。

【００１５】本発明の目的は、上記のような欠点を解消
し、外光がある通常の使用環境下においても充分な視野
角拡大効果が得られるマイクロレンズアレイシートを提
供すること、さらには、それを用いて視野角が広く複数
人での観察を可能にする液晶ディスプレイを提供するこ
とにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この目的に沿う本発明の
マイクロレンズアレイシートは、第１物質層と、該第１
物質層より小さい屈折率を持つ第２物質層との積層体か
らなり、第１物質層側の表面と第２物質層側の表面とが
互いに平行な平面を形成するとともに、第１物質層と第
２物質層との界面が凹凸面に形成され、該凹凸面の各凹
面および／または凸面がレンズとして機能する微小単位
レンズを構成し、該微小単位レンズが面状に配列された
マイクロレンズアレイシートであって、前記凹凸面に形
成された界面上におけるある点の接面と表面のなす２つ
の角度のうち広くない方の角度をθとし、該θが最大に
なる界面上の点を点Ａ、そのときのθをθｍａｘとする
とき、前記点Ａを通過する光線について、前記θｍａｘ
と各物質の屈折率から幾何光学的に求められる下記項目
について下記（１）、（２）を満足することを特徴とす
るものからなる。（１）第１物質層側の表面法線方向からマイクロレンズ
アレイシートに入射して点Ａに到達した光線が第２物質
層へ透過するときの透過率が８０％以上であること。（２）第２物質層側の表面法線方向からマイクロレンズ
アレイシートに入射して点Ａに到達した光線が第１物質
層を透過して第１物質層側の表面から大気中に出射する
ときの屈折角が、表面の法線方向に対する角度で示して
１０度以上であること。

【００１７】さらに本発明は、上記に記載のマイクロレ
ンズアレイシートの第１物質層側を観察面側にして、該
マイクロレンズアレイシートを液晶セルの観察面上に装
着したことを特徴とする液晶ディスプレイを提供する。

【００１８】従来のレンチキュラーレンズ、平板マイク
ロレンズアレイなどのマイクロレンズアレイシートは、
上述したように液晶ディスプレイの表面に装着して視野
角を拡大しようとしても、視野角拡大効果が小さかった
り、外光の反射によって画面全体が白っぽくなり、特に
斜め方向から観察すると殆ど表示内容が判読できなくな
ってしまう。

【００１９】本発明者は上記の欠点に鑑み検討を行った
結果、視野角を拡大するためには、観察面表面は平面と
し、内部で十分な屈折率差を持つ第１物質層と第２物質
層を積層して両物質層を２つの互いに平行な平面に挟み
込み、つまり互いに平行な第１物質層側表面と第２物質
層側表面で挟み込み、第１物質層と第２物質層との界面
を凹凸形状とすることによって微小単位レンズを作り、
該微小単位レンズを面状に配列することによって視野角
を拡大できることを見いだした。

【００２０】しかし、単にこのような形でマイクロレン
ズアレイシートを液晶セルに装着しただけでは、レンズ
面での反射によって外部からの入射光を散乱反射してし
まい、液晶ディスプレイとしたときに特に正面から観察
したときの表示コントラストが低下することがあるとい
う問題が新たに発生した。

【００２１】そこで更に詳細な検討を行った結果、微小
単位レンズの形状、構成を最適化にすることによって、
表示品位を殆ど低下させることなく液晶ディスプレイの
視野角を拡大できることを見いだし本発明を完成したも
のである。

【００２２】本発明に於いてマイクロレンズアレイシー
ト（以下、ＭＬＡと略称することがある）とは、微小単
位レンズすなわちレンズ機能を持つ微小な単位部分を面
状に配列したものである。これには、半円柱などの１側
面が平面の柱状立体を、該平面側面を配列面と一致させ
て一方向に配列した１次元ＭＬＡと、矩形、三角形、六
角形などの平面底面をもつ立体を縦横に配列した２次元
ＭＬＡがある。

【００２３】ここで「微小な」単位部分とは、単位部分
（単位レンズ）の大きさに対して配列体（ＭＬＡ）が充
分に大きいことをいい、ここでは配列体が１００以上の
単位部分からなる時に、単位部分が微小であるというも
のとする。さらにここで「レンズ機能を持つ」とは、通
常の単凸レンズ、単凹レンズなどのように、ある決まっ
た焦点を有する必要はなく、入射する光線を制御された
任意の方向へ屈折させる機能があれば良い。

【００２４】本発明の単位レンズは２つの平行な平面に
挟まれた第１物質層と、該第１物質層より小さい屈折率
を持つ第２物質層との界面が、凹面および／または凸面
形状をなすことによってレンズとして機能するものであ
る。

【００２５】ここで、第１物質と第２物質はそれぞれ実
質的に透明な物質である。第１物質としてはガラス材
料、透明プラスティック材料などが好ましく用いられ
る。また第２物質としては、第１物質より屈折率の小さ
いものであれば良くガラス材料、透明プラスティック材
料のほか、水などの液体や空気などの気体を用いること
ができる。

【００２６】このような第１物質および第２物質の層は
２つの平行な平面に挟まれる。また、その界面を凹面お
よび／または凸面とする。このような形にすることによ
って、液晶ディスプレイとしたときに視野角拡大効果を
得ることができる。

【００２７】図１ないし図１０に、本発明に係るＭＬＡ
の形状を、模式的に示す。図１および図２はカマボコ状
の柱状立体を一方向に配列した１次元ＭＬＡの例であ
る。また図３ないし図５は六角形の底面をもつドーム状
立体を縦横に配列した２次元ＭＬＡの例である。さら
に、図６および図７、図８ないし図１０は第１物質層と
第２物質層との界面を連続曲面とした、１次元および２
次元ＭＬＡの例である。このような連続曲面の界面の場
合には、その単位レンズの第１物質層と第２物質層との
界面は凹面と凸面を併せ持つものとなる。図１ないし図
１０において、第１物質層１および第２物質層２の、互
いの界面３とは異なる面４、５、つまり第１物質層１側
の表面４、第２物質層２側の表面５は、互いに平行な平
面である。

【００２８】ここで平面とは、レンズとして機能する面
となる凹凸面に比較して実質的に平面であることを言
い、ここでは凹凸面の高さに対して平均粗さＲａが５分
の１以下であるとき平面であるというものとする。また
平行であるとは、同様に凹凸の大きさに対して実質的に
平行であることを言う。

【００２９】本発明のＭＬＡを構成する微小単位レンズ
の特性は、凹凸面上のある点の接面と表面のなす角度の
うち（２つ形成される角度のうち）広くない方の角度を
θとし、θが最大になる界面上の点を点Ａ、またそのと
きのθをθｍａｘとするとき、点Ａを通過する光線につ
いて、θｍａｘと各物質の屈折率から幾何光学的に求め
られる下記項目について下記（１）、（２）を満足する
ものである。（１）第１物質層側の表面法線方向からマイクロレンズ
アレイシートに入射して点Ａに到達した光線が第２物質
層へ透過するときの透過率（以下、これをＴｅとする）
が８０％以上であること。（２）第２物質層側の表面法線方向からマイクロレンズ
アレイシートに入射して点Ａに到達した光線が第１物質
層を透過して第１物質層側の表面から大気中に出射する
ときの屈折角（以下、これをαとする）が、表面の法線
方向に対する角度で示して１０度以上であること。

【００３０】ここで、第１物質層の屈折率をｎ₁、第２
物質層の屈折率をｎ₂としたとき、透過率Ｔｅと屈折角
αを幾何光学的に求めるには、以下の数１で表わされる
（１）式、数２で表わされる（２）式を用いるものとす
る。

【００３１】

【数１】

【００３２】

【数２】

【００３３】上記の式から、このような特性を単位レン
ズに持たせるためには、第１物質層および第２物質層の
屈折率と、凹凸面となる第１物質層と第２物質層との界
面の形状の組合せを最適にすることで得られることがわ
かる。

【００３４】上記のＴｅの好ましい範囲としては８５％
以上であり、また上記のαの好ましい範囲としては１５
度以上、さらに好ましくは２０度以上である。このため
には、第１物質層の屈折率ｎ₁が１．５０以上であるこ
とが好ましく、また第２物質層の屈折率ｎ₂としては
１．３０以上であることが好ましい。

【００３５】それぞれの単位レンズをこのような特性に
することによって、視野角拡大効果を十分に維持しなが
ら外光反射を抑制することができ、液晶デイィスプレイ
（ＬＣＤ）装着時に表示品位が低下する問題が解消され
る。第１物質層側から入射する光線の８０％以上が第２
物質層へ透過しなければ、外光の散乱反射が強くなるた
めＬＣＤ装着時の表示品位が低下し、また第２物質層側
から入射する光線が１０度以上屈折されなければ、十分
な視野角拡大効果が得られない。

【００３６】図７に示したＭＬＡの断面の一部を拡大し
た図１１によって、この単位レンズの構成、機能を説明
する。単位レンズ６は、２つの平行な平面４、５に挟ま
れた第１物質層１と、第２物質層２の界面３が、連続的
な凹凸曲面をなすことによって構成されている。この単
位レンズ６において、平面４および平面５と凹凸面３
（の接面）のなす角が最大になる凹凸面上の点は、点７
であるが、第１物質層側の平面４の法線方向から入射し
点７を通過する光線９は、点７で一部は反射されるもの
の光束の８０％以上は屈折して第２物質層へ透過する。
一方、第２物質層側の平面５の法線方向から入射し、点
７を通過する光線１０は、点７で屈折され、さらに平面
４上の点８でさらに屈折されて、大気中に出射される
が、このとき第２物質層に入射するときの方向と、出射
される方向のなす角度１１は１０度以上となっている。

【００３７】上記の条件を満足すれば、各単位レンズ部
分の形状、機能は、後述するように適用される液晶ディ
スプレイの特性、使用環境などにあわせて設計すること
ができる。

【００３８】ＭＬＡが形成される基材は、使用方法に応
じて選ぶことができる。最も汎用性が高いのは、ガラス
や透明プラスティックフィルム上に形成したＭＬＡシー
トを用いる方法である。この場合、取り扱いやすさやレ
ンズ面の形成が比較的容易であることから透明なプラス
ティックフィルムを基材とすることが好ましい。

【００３９】また、液晶ディスプレイに用いる場合は、
液晶ディスプレイ表面に直接形成することもできるし、
液晶ディスプレイに装着される偏光フィルムにＭＬＡを
作り込むこともできる。特に、偏光子に保護フィルムを
重ね合わせた構造の偏光フィルムの場合に、該保護フィ
ルムにあらかじめＭＬＡを形成したものを用いてＭＬＡ
付き偏光フィルムとして用いることは、従来の液晶ディ
スプレイの製造工程に全く手を加えることなく本発明の
ＭＬＡを装着した液晶ディスプレイを製造できる点で好
ましい。

【００４０】本発明のマイクロレンズアレイは、従来の
レンチキュラーレンズやフレネルレンズの製造方法を応
用することによって得ることができる。

【００４１】すなわち、第１物質層または第２物質層を
得るためには、あらかじめ求めるレンズ形状が刻印され
た雌金型を用意し、樹脂などを充填してシート表面上に
転写する方法、同様の金型を用意し樹脂を注入して基材
部分とレンズ群部分を同時に成形する方法、紫外線硬化
樹脂などの光硬化樹脂をプラスティックフィルムなどの
基材上に均一に塗布し求める部位のみに光線を照射して
硬化させた後、不要部分を除去する方法、プラスティッ
クまたはガラスなどの基材表面を機械的に切削してレン
ズ形状を作成する方法、およびこれらを組合せた方法な
どが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

【００４２】これらのうち、連続的な製造ができ生産性
が良く精密な加工ができる点で、金型に紫外線硬化樹脂
を充填しプラスティックフィルム基材上に転写しながら
紫外線を照射して硬化せしめる方法が好ましい。

【００４３】このようにして第１物質層あるいは第２物
質層を得た後、第２物質層として空気以外の物質を用い
るときは、その物質層となる材料を充填して本発明のマ
イクロレンズアレイシートを得ることができる。

【００４４】次に本発明の液晶ディスプレイについて述
べる。本発明の液晶ディスプレイは、上述したマイクロ
レンズアレイの第１物質層（高屈折率物質層）を観察面
側にして、液晶セルの観察面側に装着したことを特徴と
する液晶ディスプレイである。図１２に、その構成の一
例を説明する模式図を示す。図１２において、１２は上
記のＭＬＡであり、この場合、ＭＬＡは透明基材１、２
の界面（つまり第１物質層１と第２物質層２との界面）
に形成されてＭＬＡシートを形成している。このＭＬＡ
シートが高屈折率物質である第１物質層１を観察面側に
して、液晶セル１３の観察面表面に装着されている。

【００４５】液晶ディスプレイは、任意の形状の表示単
位を組み合わせた液晶セルによって任意の情報を表示す
るものであり、１つの絵文字等により１つの情報を表示
するものから、ドット状の表示単位を縦横に配列した液
晶セルによって大容量の情報を表示できるドットマトリ
クス方式のものまで多種の表示形式がある。本発明の液
晶ディスプレイはいずれの形式でも構わないが、視野角
を拡大することによる複数人での観察を可能にすること
によって得られる効果が大きいのは、情報容量の大きい
ドットマトリクス方式の液晶ディスプレイである。

【００４６】ここで液晶セルとは、液晶分子の電気光学
効果、すなわち屈折率および誘電率異方性を持つ液晶分
子に電界印加あるいは通電することによって液晶分子の
配向状態を変化させることによって電圧印加部分と非印
加部分に生じる光学的性質の差を利用して光線透過率を
制御する光シャッタ機構を表示単位として配列したもの
を言う。

【００４７】光シャッタ機構の様式を例示するなら、ダ
イナミックスキャッタリングモード（ＤＳ）、ゲストホ
ストモード（ＧＨ）、相転移モード、ツイステッドネマ
チックモード（ＴＮ）、強誘電性モード、スーパーツイ
ステッドネマチックモード（ＳＴＮ）、ポリマー分散モ
ード、ホメオトロピックモードなどがある。

【００４８】また、液晶セルの各表示単位を駆動する方
式として、各液晶セルを独立して駆動するセグメント駆
動、各表示単位を時分割駆動する単純マトリックス駆
動、各表示単位にトランジスタ、ダイオードなどの能動
素子を配したアクティブマトリックス駆動などがある。

【００４９】ＬＣＤを観察する方式として、ＬＣＤの背
面に光反射能を有する反射層を設け、ＬＣＤ前面から入
射した光を反射させて観察する反射型と、ＬＣＤ背面に
光源を設けて光源から出射された光をＬＣＤを透過させ
て観察する透過型ＬＣＤがある。また、両者を兼用する
ものもある。

【００５０】本発明の液晶ディスプレイは、上記のよう
ないくつかの表示様式、駆動方式、観察方式を求める特
性にあわせて適宜組み合わせて構成することができる
が、これらのうち、透過型単純マトリックス駆動スーパ
ーツイステッドネマチックモード、透過型アクティブマ
トリックス駆動ツイステッドネマチックモード、反射型
単純マトリックス駆動スーパーツイステッドネマチック
モードの液晶ディスプレイのとき本発明の効果が大き
い。

【００５１】液晶セルの観察面側に先に述べたＭＬＡを
設けることによって、従来の液晶ディスプレイの表示品
位を殆ど低下させることなく、視野角が狭いという欠点
を解消することができる。

【００５２】一般に、液晶セルの観察方向による表示品
位の変化は、観察方向とセル観察面の法線方向がなす角
度が一定であっても、観察方向が該法線を軸として回転
することによっても発生する。すなわち、セルの正面か
ら観察方向を移動する方向によって（表示面に対した時
の左方向、右方向、上方向、下方向など）、視野角は異
なるのが一般的である。あるいは、液晶ディスプレイの
使用目的によっては左右方向の視野角を拡大したいなど
優先的に一方向の視野角を拡大すべき場合もある。この
ような場合、液晶セルの各方向の視野角特性、あるいは
求める視野角拡大方向について、レンズの機能を各方向
によって異なる散乱角度を持つように設計することによ
って、さらに高い表示品位を持つ液晶ディスプレイとす
ることができる。

【００５３】すなわち、図３ないし図５および図８ない
し図１０に示したような２次元ＭＬＡでは、液晶ディス
プレイに装着した時、上下左右各方向について視野角が
拡大されるが、図１、図２および図６、図７に示したよ
うな１次元ＭＬＡによれば、配列方向（図１、図６では
紙面左右方向）にのみ視野角を拡大することができる。

【００５４】また、１次元ＭＬＡの場合、その微小単位
レンズ配列方向を直交させるなどしてＭＬＡを２枚以上
積層してもよく、その場合、上下左右各方向について視
野角が拡大される。

【００５５】本発明に用いられるＭＬＡの単位レンズの
大きさと位置は、液晶セルの表示単位の大きさによって
選ぶことができる。液晶ディスプレイがドットマトリク
ス方式である場合、１つの表示単位と単位レンズの対応
関係には２つの好ましい態様がある。ひとつは、液晶セ
ルの１表示単位にそれぞれ１つの単位レンズが正確に対
応しているもので、もうひとつは１表示単位に対して、
２つ以上のレンズが対応しているものである。これによ
って、ＭＬＡのレンズ配列ピッチとセルの表示単位ピッ
チの干渉によるモアレ縞の発生を抑えることができる。
これらのうち後者の態様が、精密な位置合わせが不要で
あり、かつ何種類かのドットサイズを持つセルに対して
同一のＭＬＡが使えるようになることから生産性が向上
する点で好ましい。さらに好ましくは１ドットに対して
４つ以上の単位レンズが対応していることが好ましく、
さらには１表示単位に対して８つ以上の単位レンズが対
応していることが好ましい。ここで、１表示単位に対す
る単位レンズの個数ｎの定義は１次元ＭＬＡの場合は下
記（３）式で、２次元ＭＬＡの場合は下記（４）式で定
義される。ｎ＝Ｎ／（Ｌ／ｌ）・・・・・・（３）ｎ＝Ｎ／（Ａ／ａ）・・・・・・（４）

【００５６】ここで、ＮはＬＣＤ表示面上にある単位レ
ンズの総数、Ｌは液晶セルの１次元ＭＬＡ単位レンズ配
列方向の長さ、ｌは液晶セルの１表示単位のうち表示に
寄与する部分のレンズ配列方向の長さ、ＡはＬＣＤ表示
面の面積、ａは液晶セルの１表示単位のうち表示に寄与
する部分の面積である。これらの式は、ＬＣＤ表示面の
配線スペースなどの表示には直接寄与しない部分を除い
た表示単位部分に対応しているレンズの、平均の個数を
示すものである。

【００５７】本発明においてＭＬＡは、解像度やコント
ラストなどの表示品位の低下がない点で、液晶セルにで
きるだけ接近させて装着することが好ましい。具体的に
いうと、セル表面とＭＬＡの最も接近した点に於ける距
離で示して、１．０mm以下が好ましく、より好ましくは
０．５mm以下、さらに好ましくは０．１mm以下である。

【００５８】本発明のＬＣＤは、背面光源を有する透過
型ＬＣＤである時、該背面光源は、組み合わされる液晶
セルの有効視角範囲に、光束の８０％以上が出射される
ものであることが好ましい。

【００５９】ここで液晶セルの有効視野角範囲とは、液
晶セルを観察した時に良好な表示品位が得られる視野角
範囲のことを言い、ここでは最良の表示品位が得られる
観察方向での最大のコントラスト比に対して、１／５の
コントラスト比が得られる観察方向の範囲とする。

【００６０】このような指向性を持つ背面光源とするこ
とによって得られる効果は二つあり、一つは蛍光管など
の光源体から出射される光束が有効に利用できる点であ
る。すなわち本発明の液晶ディスプレイは、レンズアレ
イシートの個々の単位レンズによって、液晶セルの表示
品位の悪い方向に透過してきた光束を屈折させて観察に
影響がでないようにすると同時に、良好な表示を示す方
向に透過してきた光束を、種々の方向から観察できるよ
うにしているので、従来より一般的に用いられている指
向性のない背面光源では表示面の法線方向に対し大きな
角度で出射された光束は利用していない。そこで、背面
光源からの出射光束に指向性をもたせることによって、
光源から出射される光束を有効に利用できることにな
る。

【００６１】さらに、もう一つの効果は表示画像のにじ
みを防止することができる点である。本発明の液晶ディ
スプレイは観察面にレンズアレイシートを装着してお
り、それはできるだけ液晶セルに近接させて設けられる
ことが好ましいものであるが、液晶セルの液晶層の表示
単位とレンズアレイシートの凹凸面の間には一般に液晶
を封入するための基板や偏光素子の厚みに相当する距離
があるため、充分に近接させることができないことが多
い。このため、液晶セルの１つの表示単位を透過した光
束は、該表示単位部分に相当する単位レンズ部分だけで
なく、やや離れた位置にある単位レンズにも達し、単位
レンズの効果で液晶セルの１つの表示単位の輪郭が、ぼ
やけながら大きくなったように観察されるため表示画像
がにじんだように観察される。

【００６２】これに対し、指向性を持った背面光源を用
いると、液晶層の表示単位部分とレンズアレイシートの
凹凸面の間に多少距離があっても、該表示単位部分を透
過した光束には指向性があるので、主に相当する単位レ
ンズ部分だけにしか到達しないので、上記のように表示
画像がにじむことがない。ただし、液晶ディスプレイの
用途によっては、ある程度表示画像をにじませた方が好
ましいこともあり、この場合は背面光源の指向性をコン
トロールすることで対応が可能である。

【００６３】このような指向性を持つ背面光源とするた
めには、蛍光管などの光源から出射された光束をフレネ
ルレンズ、フレネルプリズムなどの手段を用いる方法
や、反射鏡として微小反射面を組み合わせたマルチリフ
レクタを用いる手段、光ファイバーシートやルーバーな
どによって不要な光束を吸収する手段などがある。これ
らに限られないが、これらの内、蛍光管などの光源の出
射光を有効に利用する点と薄型化、軽量化がしやすい点
で微小レンズや微小プリズムをシート状に配列したフレ
ネルシートを、背面光源の液晶セルに近接する発光面に
設ける方法が好ましい。

【００６４】ＭＬＡを液晶セルに装着する方法は、先に
述べたようにＭＬＡを透明プラスティックフィルム上に
設けたＭＬＡシートを別に用意して装着する方法、液晶
ディスプレイ上に直接ＭＬＡを形成する方法、ＭＬＡ付
き偏光フィルムを用いる方法などがある。

【００６５】ＭＬＡシートを用いる場合は、該ＭＬＡを
液晶セルにできるだけ接近させるためにＭＬＡ形成面を
液晶セル側にして設けることが好ましい。これによって
視野角を拡大する効果が大きいものとすることができ
る。さらに、ＭＬＡ形成面の反対面が観察面になるの
で、観察面上には、従来の液晶ディスプレイ表面に形成
されていたようなノングレア処理等を施すこともでき
る。

【００６６】ＭＬＡシートを液晶セルに固定する方法
は、該ＭＬＡシートを液晶セルに重ね合わせ、縁端部分
の数点で固定する方法でもよいし、接着剤をディスプレ
イあるいはＭＬＡシート全面に塗布して接着する方法で
もよい。また、あらかじめＭＬＡシートの第２物質層を
粘着性または硬化性をもつ材料で構成しておき、液晶セ
ルに装着することもできる。

【００６７】本発明の液晶ディスプレイは、液晶セルと
ＭＬＡを必須の要件とするものであって、製造方法は、
特に問われるものではない。すなわち、液晶セルは従来
の液晶ディスプレイと同様、液晶分子の電気光学効果を
利用したものであるので、従来の液晶ディスプレイの製
造方法がすべてそのまま利用することができる。

【００６８】図１２に、本発明の液晶ディスプレイの構
成の一例を示す。第１物質層１と、第１物質層よりも小
さな屈折率をもつ第２物質層２からなる本発明のマイク
ロレンズアレイシート１２が、第１物質層側を観察面側
にして液晶セル１３の観察面に装着されている。

【００６９】

【作用】以上詳述した本発明のマイクロレンズアレイシ
ートにおいては、第１物質層と、該第１物質層より小さ
い屈折率を持つ第２物質層との界面を凹凸面に形成する
に際し、第１物質層の表面法線方向から入射し点Ａを通
過する光線の８０％以上が第２物質層へ透過されるよ
う、凹凸面を最適形状範囲に特定したので、表面側から
の光はこの凹凸面で全反射が効果的に抑えられ、外光の
散乱が抑制される。

【００７０】また、第２の物質層の表面の法線方向から
入射する光線が第１物質層の表面（観察面）から大気中
に出射されたとき、表面の法線方向に対する角度で１０
°以上屈折されるので、液晶ディスプレイに装着され場
合には、セルの臨界視野角を超える角度から液晶表示素
子を観察しても、観察される光は、実際には表示セルの
臨界視野角を超えない範囲の角度で透過した光線になる
ので、結果的に視野角が拡大されると考えられる。

【００７１】液晶ディスプレイの液晶セルは観察方向に
よって光線透過率や表示色が変化し、表示面の法線方向
からある角度（セルの臨界視野角）を超えると観察者が
容認できる範囲を超えてしまう。従来のマイクロレンズ
アレイを用いて液晶ディスプレイの視野角を拡大する方
法では、レンズの凹凸面が露出していたりレンズの屈折
効果が小さいため視野角拡大効果が小さかったり外部か
らの入射光の拡散反射による表示品位の低下が大きいな
どの欠点があったが、本発明のマイクロレンズアレイ
は、観察面表面にはレンズの凹凸がないとともにレンズ
面での反射も小さく、さらにレンズの屈折効果が大きい
ので、液晶ディスプレイとしたときのコントラスト比の
低下は最小限に抑えられ、セルの臨界視野角を超える角
度から液晶表示素子を観察した場合でも、そのとき観察
される光線は、微小レンズアレイの各単位レンズに於け
る屈折によって、表示セル部分ではセルの臨界視野角を
超えない範囲の角で透過した光線が観察されるようにな
るため、良好な表示品位が得られ液晶表示素子の視野角
が拡大されることになるものと考えられる。

【００７２】

【実施例】以下、本発明を実施例を挙げて具体的に説明
する。実施例、比較例（１）マイクロレンズアレイシート（ＭＬＡ）の作成いくつかの波板状表面に刻印された金型を用意し、これ
らの金型に紫外線硬化樹脂（硬化後の屈折率１．４６）
を充填し、さらにこの上に透明なポリエステルフイルム
（東レ（株）製、厚さ１８８μｍ）を重ね合わせて、高
圧水銀灯によって紫外線を照射して樹脂を仮硬化せしめ
たのち金型よりとりはずし、再度、レンズ形成面より紫
外線を照射して本硬化させる方法で、表１に示したよう
な、いくつかの１次元ＭＬＡ（ＭＬＡ１ないし４）を作
成した。これらの、ＭＬＡの凹凸面形状は、図１、図２
に示したような円柱側面の一部分を一方向に配列した１
次元ＭＬＡであり、配列ピッチはいずれも５０μｍであ
るが、その凹凸の山の高さがそれぞれ異なるものであ
る。

【００７３】この場合は、紫外線硬化樹脂層が高屈折率
物質である第１物質層であり、第１物質層周辺の空気が
低屈折率物質である第２物質層である。また、基材とな
っているポリエステルフィルムと紫外線硬化樹脂層の界
面である平面と、ＭＬＡが装着される液晶セル表面の平
面（液晶セルに装着される前の状態では空気中の架空の
平面である）が、第１および第２物質層を挟み込む２つ
の平行な平面である。これらのＭＬＡを構成する微小単
位レンズの特性として、最小外光透過率と最大屈折角を
表１に併せて示した。

【００７４】（２）液晶ディスプレイの作成および評価市販のパーソナルコンピュータに搭載されたスーパーツ
イステッド液晶モノクロディスプレイ（表示色ブルーモ
ード、画面サイズ対角約１０インチ、画素数縦４００×
横６４０、ドットピッチ２９０μｍ、バックライト付
き）の観察面側に（１）で作成した種々のマイクロレン
ズアレイシートをレンズ形成面を内側（液晶セル側）に
して取り付け、ＭＬＡが液晶セルの観察面側に装着され
た液晶ディスプレイを作成した。また、何も取り付けな
い状態の、従来の液晶ディスプレイを比較対象として用
意した。なお、ここでマイクロレンズアレイシートの単
位レンズの配列方向は画面左右方向と一致させた。

【００７５】このようにして得たディスプレイを、ディ
スプレイ表示面の法線方向（正面）および左６０度から
観察し表示品位を評価した。評価は、通常の使用環境で
ある室内照明下で行った。結果を表１にまとめて示し
た。

【００７６】

【表１】

【００７７】以上のように、本発明のマイクロレンズア
レイシートは、液晶ディスプレイの表示品位を低下させ
ることなく視野角を拡大することができ、本発明の液晶
ディスプレイは、従来にない広い視野角をもった液晶デ
ィスプレイとなっていることがわかる。

【００７８】

【発明の効果】本発明のマイクロレンズアレイによって
液晶ディスプレイの良好な表示が観察される角度、すな
わち視野角が、飛躍的に拡大される。すなわち、液晶セ
ルの観察面側に、マイクロレンズアレイを設けるだけの
極めて単純な構成で、液晶ディスプレイの視野角が狭い
という欠点が解消されることによって、広い範囲の観察
方向に於いて良好な表示品位が得られるようになり、表
示を複数人で観察する場合や観察角度が制限されている
場合などに於いても、全く不都合なく表示を観察するこ
とが出来るようになり、ＣＲＴ方式などの他の表示方式
に対しても全く遜色ない表示品位が得られるようにな
る。

【００７９】これにより、液晶ディスプレイの本来持っ
ている薄型、軽量、低消費電力などの優れた利点を更に
活かすことができるようになり、従来より問題であった
表示品位に対する不満、不都合を解消するとともに、従
来不可能であった新しい用途にも展開することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る１次元ＭＬＡの一部分
を拡大した模式的平面図である。

【図２】図１に示したＭＬＡのＩＩ矢視図である。

【図３】本発明の一実施例に係る２次元ＭＬＡの一部分
を拡大した模式的平面図である。

【図４】図３に示したＭＬＡのＩＶ矢視図である。

【図５】図３に示したＭＬＡのＶ矢視図である。

【図６】本発明の一実施例に係る界面を連続曲面とした
１次元ＭＬＡの一部分を拡大した模式的平面図である。

【図７】図６に示したＭＬＡのＶＩＩ矢視図である。

【図８】本発明の一実施例に係る界面を連続曲面とした
２次元ＭＬＡの一部分を拡大した模式的平面図である。

【図９】図８に示したＭＬＡのＩＸ矢視図である。

【図１０】図８に示したＭＬＡのＸ矢視図である。

【図１１】本発明のＭＬＡの機能を説明する説明図であ
る。

【図１２】本発明の液晶ディスプレイの構成の一例を説
明する模式的斜視図である。

【符号の説明】

１第１物質層２第２物質層３凹凸面４第１物質層の表面５第２物質層の表面６単位レンズ７平面４および平面５と凹凸面３のなす角が最大にな
る点８平面４上の点９平面４の法線方向から入射する光線１０平面５の法線方向から入射する光線１１屈折角α １２マイクロレンズアレイシート１３液晶セル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１物質層と、該第１物質層より小さい
屈折率を持つ第２物質層との積層体からなり、第１物質
層側の表面と第２物質層側の表面とが互いに平行な平面
を形成するとともに、第１物質層と第２物質層との界面
が凹凸面に形成され、該凹凸面の各凹面および／または
凸面がレンズとして機能する微小単位レンズを構成し、
該微小単位レンズが面状に配列されたマイクロレンズア
レイシートであって、前記凹凸面に形成された界面上に
おけるある点の接面と表面のなす２つの角度のうち広く
ない方の角度をθとし、該θが最大になる界面上の点を
点Ａ、そのときのθをθｍａｘとするとき、前記点Ａを
通過する光線について、前記θｍａｘと各物質の屈折率
から幾何光学的に求められる下記項目について下記
（１）、（２）を満足することを特徴とするマイクロレ
ンズアレイシート。（１）第１物質層側の表面法線方向からマイクロレンズ
アレイシートに入射して点Ａに到達した光線が第２物質
層へ透過するときの透過率が８０％以上であること。（２）第２物質層側の表面法線方向からマイクロレンズ
アレイシートに入射して点Ａに到達した光線が第１物質
層を透過して第１物質層側の表面から大気中に出射する
ときの屈折角が、表面の法線方向に対する角度で示して
１０度以上であること。
【請求項２】請求項１に記載のマイクロレンズアレイ
シートの第１物質層側を観察面側にして、該マイクロレ
ンズアレイシートを液晶セルの観察面上に装着したこと
を特徴とする液晶ディスプレイ。