JPH09179113A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】液晶表示装置に特有の課題であった視野角の問
題を、画質を維持しながら解決する。 【解決手段】複数の表示画素からなる表示単位を縦横に
配列して画像生成を行う液晶セルと、該液晶セルの観察
面に装着された透過拡散性に異方性を持つ光学シートを
有する透過型液晶表示装置であって、該表示単位におけ
る表示画素の配列方向と、光学シートの拡散主軸方向を
一致させたことを特徴とする液晶表示装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パーソナルコンピ
ュータ、ワードプロセッサ、テレビ受像機、各種情報表
示装置に用いられる液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置は、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、任意の表示単位に
電界印加あるいは通電して液晶の配向状態を変化させる
ことによって光線透過率や反射率を変化させる液晶光シ
ャッタの配列体を用いて表示された画像を観察するもの
であり、パソコン、ワープロ、テレビ受像機、携帯電子
機器、ゲーム機、車載用情報表示装置、各種情報表示装
置として広く使われている。

【０００３】液晶表示装置の表示様式として、約９０度
ねじられたネマチック液晶層に印加する電圧を制御し
て、液晶層の旋光性の変化と偏光素子を組み合わせて表
示を行うツイステッドネマチックモードが、その表示性
能の高さから広く用いられている。

【０００４】しかし、液晶表示装置には観察方向によっ
て表示品位が変化する視角依存性があり、特にツイステ
ッドネマチック液晶の場合、表示明暗が反転したり、色
調が変化するといった問題、すなわち視野角がせまいと
いう問題があった。

【０００５】この問題に対し、複数の液晶配向領域で１
画素を形成する配向分割法などの技術が提案されてい
る。

【０００６】また、偏向素子と液晶セルの間に複屈折異
方性をもつ光学補償素子を配することも提案されてい
る。

【０００７】また液晶セルの観察面に装着された微小単
位レンズを面状に配列したマイクロレンズアレイシート
とによって、視野角の広い液晶表示装置が得られること
が、特開平５−２４９４５３号公報等によって知られて
いる。

【０００８】さらにまたマイクロレンズアレイシートと
して、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物質層が２つの平行な平面に挟まれ、第１物質
層と第２物質層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微小単位レンズ
を面状に配列したものとし、かつ該マイクロレンズアレ
イシートの第２物質層側を液晶セルに向け、第１物質層
側を観察方向側に向けて装着することによって、画質の
劣化を抑えながら視野角が拡大された液晶表示装置が得
られることが特開平６−２７４５４号公報等によって知
られている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の方
法には次のような欠点があった。

【００１０】（１）光学補償素子を配する方法ではある
特定方向の視角依存性を低減できても全方向の視角依存
性を解消することはできなかった。

【００１１】（２）配向分割法によっても視角依存性低
減の効果は小さく、また液晶表示装置製造工程に対する
負担が大きく生産性にも問題があった。

【００１２】（３）マイクロレンズアレイシートなどの
光学素子アレイシートを用いる方法は視角依存性低減の
効果は大きいものの、表示画像が滲むなど、画質が劣化
する場合があった。

【００１３】よって、本発明は上記の欠点を解消し、画
質を維持しながら視角依存性が事実上解消された液晶表
示装置を提供するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するため以下の構成としたものである。

【００１５】複数の表示画素からなる表示単位を縦横に
配列して画像生成を行う液晶セルと、該液晶セルの観察
面に装着された透過拡散性に異方性を持つ光学シートを
有する透過型液晶表示装置であって、該表示単位におけ
る表示画素の配列方向と、光学シートの拡散主軸方向を
一致させたことを特徴とする液晶表示装置。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明において、「液晶表示装
置」と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、任意の表示単位に電界印加あるいは通電し
て液晶の配向状態を変化させることによって光線透過率
や反射率を変化させる液晶光シャッタの配列体を用いて
表示された画像を、実寸のまま直接観察する画像表示装
置をいう。

【００１７】液晶光シャッタの構成としては、種々の方
式があるが、本発明の最も効果の大きいのはツイステッ
ドネマチックモードおよびスーパーツイステッドネマチ
ックモードである。

【００１８】さらに「液晶セル」とは該液晶光シャッタ
の配列体をいう。

【００１９】また、液晶セルの表示単位（一般に「表示
ドット」、または単に「ドット」と呼ばれることもあ
る）とは、該液晶表示装置に表示される表示内容の最小
単位であり、例えば多くのモノクローム表示の液晶表示
装置の場合は、１つの液晶光シャッタが表示単位に相当
し、また多くのカラー液晶表示装置の場合は、赤緑青等
の各原色を表示する複数の液晶光シャッタで構成される
単位が表示単位となる。またモノクローム表示の場合で
も２つ以上の液晶光シャッタで表示単位を構成すること
によって表示の濃淡を表現する場合もある。

【００２０】本発明の液晶表示装置に用いられる液晶セ
ルの表示単位は、複数の表示画素（一般に「画素」、あ
るいは「ピクセル」、または「サブピクセル」などとも
呼ばれる）で構成されているものである。

【００２１】ここで表示画素とは、表示単位を構成する
最小単位で、個々の液晶光シャッタに相当するものであ
る。

【００２２】このような表示画素の例としては、カラー
液晶表示装置において１表示単位を赤緑青の各原色を表
示する光シャッタで構成した場合の、それぞれの光シャ
ッタなどがある。

【００２３】本発明に於いて、表示単位における表示画
素の配列方向とは、液晶表示装置の表示面内の方向にお
いて、表示画素が最も密に配列されている方向をいう。
図２に表示画素の配列方向を説明する図を示す。図２に
示した例では、正方形の表示単位５０が３つの矩形の表
示画素５１、５２、５３で構成されており、紙面左右方
向５４に於いて最も密に表示画素が配列されているの
で、この方向が表示単位における表示画素の配列方向と
なる。

【００２４】本発明の液晶表示装置は、液晶セルの観察
面側に、以下に説明する光学シートを設けてなるもの
で、液晶セルの表示画素の配列方向と、該光学シートの
拡散主軸方向を一致させたものである。

【００２５】このような構成とすることによって、本発
明の目的である光学シートによる視野角拡大効果を画質
の劣化を招くことなく発揮させることができる。この理
由は定かではないが、光学シートの拡散効果によってい
くつかの表示画素が混合されて観察されるようになるた
め表示単位が複数の表示画素で構成されていることが目
立たなくなるためと考えられる。一方、表示画素の配列
方向ではない方向に拡散効果が大きい光学シートの場合
では、表示の精細度が低下したように見える現象の方が
強く感じられるようになるためと考えられる。

【００２６】なお、本発明に於いて「液晶セルの表示画
素の配列方向と、光学シートの拡散主軸方向を一致させ
る」とは、幾何学的に唯一無二の方向に一致させる必要
はなく、本発明の目的を達成する限りにおいて多少のず
れは許容され、具体的には両者のはさむ角度で示して１
０度以下であれば良い。

【００２７】本発明に於いて、用いられる光学シートは
透過拡散性に異方性を持つものである。ここで、「透過
拡散性に異方性を持つ」とは、該光学シートの表裏いず
れかの面に、該光学シート面の法線方向から入射する光
束が光学シートを透過するとき、該光学シートの面内方
向によって、その透過光束の拡散度が異なることをい
う。また光学シートの拡散主軸方向とは、光学シート面
内の方向の内、最も拡散度が大きくなる方向をいう。

【００２８】ここで、拡散度とは、光学シートの背面法
線方向から平行光を照射し、透過する光束の輝度を光学
シート面に対して種々の角度から測定したとき、測定さ
れる最大輝度の５０％以上の輝度を示す方向を、光学シ
ート面法線方向に対する傾斜角で示したものである。拡
散度の測定法法を図１０に示した。光学シートの拡散度
は、拡散主軸方向に於いて±３０度以上であることが好
ましい。一方、拡散主軸方向と直交する方向の拡散性は
±１０度以下であることが好ましい。

【００２９】この観点から、本発明に用いる光学シート
は、光学素子アレイシートであることが好ましい。

【００３０】ここで光学素子アレイシートとは、微小光
学素子単位を面状に配列したものであり、該微小光学素
子単位としては、レンズ、プリズム、反射鏡、導光体、
光学繊維、回折格子などが挙げられるが、少なくとも入
射する光線を制御された任意の方向へ屈折させるもので
ある。

【００３１】光学素子アレイシートを構成する微小光学
素子としては、異なる２つの物質の界面を光線が通過す
る際の屈折効果によって進行方向を制御するもの（以
下、簡単のため単に「レンズ」あるいは「マイクロレン
ズ」と言うことがある。）、または異なる２つの物質の
界面における反射効果によって進行方向を制御するもの
（以下、「反射鏡素子」と言うことがある。）であるこ
とが好ましい。さらに製造上の容易さの点からマイクロ
レンズであることが好ましい。

【００３２】マイクロレンズアレイシートとしては、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
するものが好ましい。

【００３３】本発明の液晶表示装置において、この場
合、マイクロレンズアレイシートの第２物質層側（屈折
率の低い物質層側）を液晶セルに向け、第１物質層側
（屈折率の高い物質層側）を観察方向側に向けて装着す
ることが好ましい。これによって大きな視野角拡大効果
が得られる。

【００３４】ここで、第１物質層を構成する第１物質と
第２物質層を構成する第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。

【００３５】また、マイクロレンズアレイシートを液晶
セルに装着しやすくするために、第２物質層もしくは、
第２物質層を貫通した第１物質層の凸部分頂部を粘着性
もしくは接着性を持つ物質で形成したり、第２物質の表
面もしくは第１物質層の凸部分頂部に粘着性もしくは接
着性を持つ物質層を追加することもできる。

【００３６】本発明に用いる光学シートの、液晶表示装
置に装着した際に観察面表面となる面には、必要に応じ
て、従来の液晶表示装置の観察面表面になされているよ
うな、帯電防止処理、表面硬度化処理（ハードコート）
や光学多層薄膜による反射防止（アンチリフレクショ
ン）処理、防眩（ノングレア）処理などを施すことがで
きる。

【００３７】光学素子アレイシートが透過拡散異方性を
持つためには、該光学素子アレイシートを構成する個々
の微小光学素子が透過拡散異方性を持つことが必要であ
る。このためには、個々の微小光学素子の底面形状が長
軸と短軸を持つように形成する方法が最も簡単である。
さらに、ストライプ状の微小光学素子とし、これを１方
向に配列した１次元光学素子アレイシートとすることも
好ましい。

【００３８】本発明に於ける光学素子アレイシートとし
て、最も好ましいものとして、カマボコ状の柱状レンズ
を１方向に配列した、いわゆるレンチキュラーレンズが
ある。ただし、この場合、個々の単位レンズに、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。

【００３９】図３ないし図４にレンチキュラーレンズの
一例を示す。単位レンズ２１が面状に配列されている。
このとき、単位レンズの配列方向は、図３の紙面左右方
向２２となる。このようなレンチキュラーレンズの場
合、拡散主軸方向は単位レンズ配列方向に一致する。

【００４０】さらにまた、光学シートの光線透過性に関
して、方向性を持つことが、液晶表示装置の効率と画質
の点から好ましい。ここで、「方向性を持つ」とは、光
学シートのある一方の面から光束を入射したときの全光
線透過率と、もう一方の面から光束を入射したときの全
光線透過率が異なることを言う。ここで全光線透過率が
大きくなる光線透過方向を順方向、他方を逆方向とする
とき、順方向の全光線透過率は７０％以上であること
が、液晶表示装置の効率の点から好ましく、逆方向の全
光線透過率は５０％以下であることが、画質劣化を抑え
られる点で好ましい。

【００４１】このような光学シートとするためには、微
小光学素子アレイシートの少なくとも１つの面を平面と
し、該平面内の領域のうち、もう一方の面の法線方向か
ら入射する光束が通過しない、あるいは通過する強度の
小さい領域に遮光層を設ける方法がある。図５および図
６に、このような光学シートの断面形状例を示す。図５
は、図３に示したものと同様のレンチキュラーレンズ
で、順方向に透過する光線８は遮光しないように遮光層
７が設けられている。また図６は微小光学素子として反
射鏡素子を用いた場合の例である。

【００４２】次に、液晶セルと光学シートの関係につい
て説明する。

【００４３】本発明の液晶表示装置は、複数の表示画素
からなる表示単位を縦横に配列してなる液晶セルを持つ
が、表示画素の配列方向は画面上下方向または画面左右
方向、特に画面左右方向として用いることが好ましい。

【００４４】さらに、液晶セルの表示様式がツイステッ
ドネマチックモードであるとき、該液晶セルの液晶配向
方向は、表示画素の配列方向と一致していることが、液
晶表示装置の視野角特性の点から好ましい。

【００４５】ここで、液晶配向方向とは、電圧を印加し
ていない液晶セルを観察面法線方向から観察したとき
の、各液晶分子の長軸配向方向を平均した方向であり、
言い換えれば、液晶層を一つの複屈折体と見なしたとき
の屈折率楕円の長軸方向である。この方向は、ツイステ
ッドネマチックの場合、２つの基板に挟まれた液晶層
の、両基板から等距離にある液晶分子の平均配向方向と
一致する。

【００４６】本発明の液晶表示装置は、表示画素の配列
方向と光学シートの拡散主軸方向を一致させることによ
って、光学シートによる視野角拡大効果を維持しなが
ら、表示画質の向上を目的とするものであるが、表示画
質は、液晶層と光学シートの距離によっても変化するこ
とがあり、この場合には、液晶層と、光学シートの拡散
性を発揮する部位の最も近接した距離で示して１．５ｍ
ｍ以下、さらに好ましくは１．０ｍｍ以下とすることが
好ましい。

【００４７】本発明の光学シートとして光学素子アレイ
を用いる場合、該光学シートの拡散主軸方向に於ける微
小光学素子配列ピッチは、液晶セルの表示画素配列ピッ
チに対して２分の１以下であることが好ましく、さらに
は４分の１以下であることが好ましい。

【００４８】本発明の液晶表示装置は、背面光源をもつ
ものであることが好ましい。

【００４９】このとき、該背面光源の特性としては背面
光源の発光指向性と、液晶セルの表示画素の配列方向の
ピッチの関係が、下記（１）式を満足するものであるこ
とが好ましい。

【００５０】ｐ ≧ ｄtan χ ・・・（１） ここで、ｐ（ｍｍ）は、表示画素の配列ピッチを表す。
またｄ（ｍｍ）は、液晶層と、光学シートが拡散性を発
揮する部位の最も近接した距離であり、χは背面光源
の、最大輝度を示す方向から表示画素配列方向に傾けて
いったときに、輝度が最大輝度の半分になるまでの角度
（以後、この角度を「背面光源の指向角」ということが
ある。）を表す。

【００５１】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、マイクロレンズアレイなど
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
段などがあり、またこれらに限られない。

【００５２】

【実施例】以下、本発明を実施例に従って説明するが、
これに限られるものではない。

【００５３】（１）液晶セル 対角２４ｃｍのノーマリホワイト表示ＴＦＴ駆動ツイス
テッドネマチック液晶パネルを用意した。表示単位数は
縦４８０×横６４０であり、表示単位の大きさは３００
μｍ×３００μｍとした。１つの表示単位は、赤、緑、
青の各原色を表示する３つの表示画素によって構成さ
れ、表示画素配列は図２に示した表示画素配列（１つの
表示画素の大きさ縦３００μｍ、横１００μｍ）となっ
ている。すなわち、表示画素の配列方向は画面横方向と
なっている。

【００５４】また、このパネルは液晶配向方向が画面左
右方向となるよう、画面右下４５度方向から、画面右上
４５度方向へ反時計回りに９０度ツイストさせている。

【００５５】図７に、この液晶セルの各要素の光軸方向
を示す。

【００５６】（２）光学シート 図５に示した断面構造を持つ遮光層付きのマイクロレン
チキュラーレンズシートを用意した。このときレンズの
配列ピッチは３０μｍとした。

【００５７】この光学シートの拡散主軸方向は、単位レ
ンズの配列方向であり、この方向での図８に示すように
拡散度は４５度であった。一方、これに直交する方向の
拡散度は、図９に示すように５度であった。

【００５８】また順方向の全光線透過率は８５％、逆方
向の全光線透過率は４５％であった。

【００５９】（３）液晶表示装置 上記（１）の液晶セル観察面に、上記（２）の光学シー
トを装着した。このとき、光学シートのレンズ形成面を
液晶セル側、反対面を観察面側にした。本発明の液晶表
示装置の構成を図１に示す。

【００６０】背面光源は、いわゆるエッジライト式バッ
クライトを用いたが、背面光源と、液晶セルの間に画面
左右方向の指向性を得るため１次元の反射鏡素子アレイ
シート（以下、「集光シート」という）を挿入したもの
も容易した。

【００６１】集光シートを挿入しない場合、画面左右方
向での背面光源の指向角は４５度、画面上下方向の指向
角は４０度であったが、該シートを挿入すると画面左右
方向での背面光源の指向角を１０度、画面上下方向の指
向角は４０度となった。

【００６２】ここで用いた反射鏡素子アレイシートの断
面図を図１１に示す。なお、反射鏡素子の配列ピッチは
５０μｍである。

【００６３】光学シートの拡散主軸方向を種々変更し、
それぞれ集光シートを用いた場合と用いない場合につい
て、正面から観察したときの画質および視野角特性の評
価を行い、結果を表１に示した。

【００６４】画質については、光学シート、集光シート
ともに用いない場合の液晶表示装置、すなわち従来より
用いられている液晶表示装置の正面（画面法線方向）か
ら観察したときの画質を基準に、官能評価を行った。

【００６５】視野角については、液晶表示装置に白（最
明色）を表示させたときの輝度Ｌｍａｘを液晶表示装置
に黒（最暗色）を表示させたときの輝度Ｌｍｉｎで除し
た値であるコントラスト比を測定した。

【００６６】結果は傾斜角βを固定し、方位角αを変化
させて法線方向を軸に一周して測定したときの最低のコ
ントラスト比で示す。この値が大きいほど視野角が広
い。

【００６７】結果を表１に併せて示す。

【００６８】なお、測定方向を示す方位角α、傾斜角β
（度）は液晶表示装置観察面に対する角度であり、その
定義を図１２に示した。

【００６９】

【表１】 表１から、画素配列方向と光学シートの拡散主軸方向を
一致させることによって本発明の液晶表示装置は画質が
改善されることがわかる。また同時に視野角が非常に広
い液晶表示装置となっていることがわかる。特に、集光
シートを用いた場合、従来の液晶表示装置よりも画質の
優れた液晶表示装置とすることができる。

【００７０】なお表１で、視野角特性は液晶配向方向と
拡散主軸方向の関係が重要であるため、比較例１および
２について、視野角の評価はしていない。

【００７１】

【発明の効果】液晶表示装置に特有の課題であった視野
角の問題を、画質を維持しながら解決できる。また、こ
のとき、液晶セルを製造する工程に全く負担をかけない
ので、極めて生産性も高い。さらに、効率の良い集光シ
ートを用いれば、背面光源を用いた場合、光束の利用効
率として、従来の液晶表示装置と遜色ないものとするこ
とができ、薄型、軽量、低消費電力という液晶表示装置
のもつ特長を損なうことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示装置の構成例を示す。

【図２】表示単位と表示画素の関係を説明する例であ
る。

【図３】本発明に用いられる光学シートの一例である。

【図４】図３に示した光学シートのVII 矢視図である。

【図５】本発明に用いられる光学シートの他の一例であ
る。

【図６】本発明に用いられる光学シートの他の一例であ
る。

【図７】実施例に用いた液晶セルの、各光軸方向を示
す。

【図８】実施例に用いた光学シートの、拡散主軸方向の
拡散特性を示す。

【図９】実施例に用いた光学シートの、拡散主軸方向と
直交する方向の拡散特性を示す。

【図１０】光学シートの拡散度の測定方法を説明する図
である。

【図１１】背面光源の指向性を得るために実施例で用い
た反射鏡素子アレイシートの断面図である。

【図１２】評価における角度の定義を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１・・・・・・高屈折率物質層 ２・・・・・・低屈折率物質層 ３・・・・・・界面（凹凸面） ４・・・・・・基材 ５・・・・・・光学シートの表面 ６・・・・・・光学シートの他の表面 ７・・・・・・遮光層 ８・・・・・・法線方向（順方向）から入射する光線 １０・・・・・・光学シート（レンチキュラーレンズ） １１・・・・・・偏光板 １２・・・・・・ガラス基板 １３・・・・・・液晶層 １４・・・・・・ガラス基板 １５・・・・・・偏光板 １６・・・・・・集光シート １７・・・・・・導光板 １８・・・・・・蛍光管 ２１・・・・・・単位レンズ ２２・・・・・・単位レンズ配列方向 ２３・・・・・・単位光学素子（反射鏡素子） ３０・・・・・・画面法線方向（紙面に垂直） ３１・・・・・・画面左右方向 ３２・・・・・・画面上下方向 ３３・・・・・・下側（背面光源側）偏光板の透過軸 ３４・・・・・・下基板側液晶配向方向 ３５・・・・・・液晶配向方向（中央） ３６・・・・・・上基板側液晶配向方向 ３７・・・・・・上側（観察面側）偏光板の透過軸 ４０・・・・・・被測定物（光学シート） ４１・・・・・・平行光光源 ４２・・・・・・輝度計 ４３・・・・・・入射光（平行光） ４４・・・・・・出射光（拡散光） ４５・・・・・・輝度計の走査方向 ４６・・・・・・観察角 ５０・・・・・・表示単位 ５１・・・・・・赤色を表示する表示画素 ５２・・・・・・緑色を表示する表示画素 ５３・・・・・・青色を表示する表示画素 ５４・・・・・・表示画素の配列方向 ６０・・・・・・透明樹脂層 ６１・・・・・・空気層 ６２・・・・・・反射面 ６３・・・・・・出射面 ６４・・・・・・反射鏡素子に光束を導入する部分 ６５・・・・・・反射鏡素子単位 ６６・・・・・・基材 ６７・・・・・・導光板に密着させる面 ７０・・・方位角α ７１・・・傾斜角β ７２・・・液晶表示装置の観察面 ７３・・・観察方向（輝度測定方向）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の表示画素からなる表示単位を縦横
   に配列して画像生成を行う液晶セルと、該液晶セルの観
   察面に装着された透過拡散性に異方性を持つ光学シート
   を有する透過型液晶表示装置であって、該表示単位にお
   ける表示画素の配列方向と、光学シートの拡散主軸方向
   を一致させたことを特徴とする液晶表示装置。