JPH043856B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜技術分野＞ 本発明は液晶表示装置に関し、特に開口率の低
いXYドツトマトリツクス型液晶表示装置の高品
位表示構造に関するものである。以下カラー液晶
テレビ表示装置を例として説明する。

＜発明の背景＞ 液晶の電気光学効果をテレビ画像表示に利用し
た表示装置としてカラー液晶表示パネルが開発さ
れている。このカラー液晶表示パネルは、ドツト
マトリツクス状に配列された多数の絵素電極と、
それに印加された電圧に応じて光を変調する液晶
層と、絵素に対応して配列された着色手段とから
なる。各絵素電極にそれと対応する色に応じた映
像信号を印加することにより、カラーCRT（ブラ
ウン管）と同じ原理により加色混合された中間色
を含む任意のドツトマトリツクス型映像を表示す
ることができる。

液晶表示パネルの動作モードには、周知の如く
ツイステツド・ネマテイツク（NT）モード、ゲ
スト・ホスト（GH）モード、ダイナミツク・ス
キヤツタリング・モード（DSM）、相転移モード
など多くのモードが有り、いずれにも本発明は適
用可能であるが、特にTNおよびGHが好ましい
結果を与える。GHでは黒色の色素を用い、いわ
ゆるブラツク・シヤツターとして動作させる。液
晶についての詳細は、佐々木編「液晶エレクトロ
ニクスの基礎と応用」オーム社（1979）などにて
説明されている。

個々の絵素を個別に制御する方式として、通常
次の三方式のいずれかが用いられる。

(1) 単純マトリツクス方式 二枚の基板のそれぞれにストライプ状の平行電
極群を列設し、それが基板間で直交するように基
板を貼り合わせて液晶を注入しパネルを構成す
る。一方の行電極には順次、行選択信号が印加さ
れる。他方の列電極には行選択信号と同期して画
像信号が印加される。従つて、行電極と列電極の
交点が絵素となり、両電極に挾まれた液晶が両者
の電位差に応答して絵素毎に光学的変調を受ける
こととなる。

液晶は実効値に応答する特性を有する為、クロ
ストーク、ダイナミツク・レンジの点から走査ラ
イン数をあまり大きく設定することはできない。
従つて、このような制限を克服する為に次の三つ
の方式が開発されている。

(2) 多重マトリツクス これは単純マトリツクスの電極を変形する事に
より、走査電極数を増さないで、走査方向の絵素
数を増す方法である。（前述書参照）多重マトリ
ツクスでは電極の形状が複雑になり、配線抵抗が
高くなり易い。透明導電膜だけでは配線抵抗が十
分低くできない場合には金属配線が併用される。
金属配線を用いると後述するように開口率が減少
する。

(3) 非線形素子の付加 各絵素にバリスター、MIM（Metal／
Insulator／Metal）、バツクトウバツクダイオー
ド（Back−to−Back Diode）などの非線形素
子を付加し、クロス・トークを抑制する方法であ
る。

(4) スイツチング素子の付加 各絵素にスイツチング・トランジスターを付加
し、個別に駆動する方式である。選択期間中に駆
動電圧が印加されて蓄積コンデンサーに充電さ
れ、それが非選択期間中にも保持される。尚、液
晶自体も容量性の負荷であり、その時定数が駆動
の繰り返し周期に比べて充分大きい場合には、蓄
積コンデンサーは省略することができる。スイツ
チング・トランジスタとしては薄膜トランジスタ
またはシリコン・ウエフア上に形成されたMOS
−FETなどが用いられる。

本発明は上記(1)〜(4)のいずれにも適用されるが
特に(1)に金属配線を用いた場合や(2)(3)に於いて効
果が顕著である。

通常、着色表示の色としては、加法三原色が選
定される。着色手段としては、干渉フイルター、
無機あるいは有機の染料あるいは顔料からなるフ
イルター等が用いられる。このようなフイルター
等は液晶パネルを構成する基板の外面に設けても
内面に設けても良い。また、後者の場合には、絵
素電極または共通電極の上に設けても下に設けて
も良い。

カラー液晶パネルでは、入射光のスペクトル中
で三原色中の一色のスペクトル領域しか利用され
ず残りの成分は着色手段によつて吸収される。さ
らに偏光板を使用する液晶動作モードの場合には
利用できる光量はさらに半減するので、照明手段
を設けない反射型モードでは非常に暗い表示にな
る。この為、照明手段として白熱電球、蛍光灯、
ELパネルなどの光源を設けたり、周囲光を液晶
パネルの背面に導く為の手段が講じられる。ポー
タブル機器への応用を図る場合には、電源容量の
制約が厳しいので光源の発光効率の向上が重要な
ポイントとなる。

さらに表示を暗くする要因として開口率の問題
がある。開口率は次のように定義する。

開口率＝全絵素の有効面積／表示領域の面積 すなわち、表示に寄与しない部分が増えると開
口率は下がる。表示に寄与しない部分（不透明
部）としては、各電極の金属配線、付加された非
線型素子あるいはスイツチング素子、絵素電極の
周囲のギヤツプが挙げられる。

一方、精細度の高い画像を再生するには絵素ピ
ツチを小さくしなければならない。パネルの構成
要素のすべてを相似的に縮少できれば開口率は変
化しないが、エツチング精度、位置合せ精度の限
界があるので電極の金属配線の幅や付加素子の大
きさはある程度以下には小さくできない。従つて
絵素ピツチを小さくしていくと開口率も下がつて
しまう。

上記のように、開口率は液晶表示装置に入射し
た光の中で、制御可能な光の割合いであり、残り
の光は表示に寄与しない不透明部で遮断される。
従つて同じ照明条件で観察しても開口率の低い液
晶表示パネルは暗く見える。このように従来では
表示の明るさは開口率に依存しており、さらに絵
素と絵素の間の不透明部が黒い縁取りとなつて見
え画質が粗いものになつていた。

＜発明の目的＞ 本発明は、このような事情に鑑みてなされたも
のであり、開口率の影響を受けにくく明るく滑ら
から表示が得られる液晶表示装置を提供すること
を目的としている。

＜発明の構成＞ 上記目的を達成するため、本発明は次のように
構成している。液晶層に入射する光を各絵素と位
置的に対応した第１のレンテイキユラーレンズま
たは複眼レンズにより収束させる。その焦点ある
いは光源の像が絵素電極の中央部の近傍に来るよ
うに配置する。液晶層を通過した光は絵素電極に
印加された映像信号電圧に応じて変調される。焦
点を過ぎた光は拡がるが、第２のレンテイキユラ
ーレンズあるいは複眼レンズにより収束させ、明
視の距離（25cm）ないし無限遠に像を結ばせる。
このようにするには、両レンズの互いに向きあう
側の焦点（第１のレンズの後側焦点F₁′と第２の
レンズの前側焦点F₂）を一致させるか近接させ
て配置すればよい。第１ａ図、第１ｂ図に、後側
焦点F₁′と前側焦点F₂とが一致するように配置し
た場合に、光軸に平行な光線Ａが入射した場合と
斜めから平行光線Ｂが入射した場合を示す。第１
ａ図に示すように、光線Ａは第１のレンズ１によ
り焦点F₁′＝F₂に収束し、光源の像を結び第２の
レンズ２により平行光線A″となる。このように、
光線Ａは収束され、液晶表示装置が明るくみえ
る。両レンズ１，２間にある図示しない不透明部
を通らないので、光のロスがなく、また第１ｂ図
に示すように、光線Ｂは第１のレンズ１により焦
平面上で光軸から離れた点B′に収束し第２のレ
ンズ２により平行光線B″となり、入射方向と対
称な方向に出ていく。この場合よりも第１のレン
ズ１と第２のレンズ２との間隔を拡げると第１の
レンズ１の焦平面上に収束した光は第２のレンズ
２を通過した後その共役面上に収束し光源の像を
結ぶ。この位置から第２のレンズ２を見ると最も
明るく見える。従つて、液晶表示装置の応用分野
に応じて、液晶表示装置と利用者の目の間の距離
を想定しその距離に光源の像が結ばれるようにす
ると液晶表示装置が最も明るく見える事になる。

液晶表示装置は一般に視角依存性の大きい表示
素子であるが、本発明によれば第１ａ図、第１ｂ
図から分るように、液晶表示装置に入射する光は
円錐状になつており、それらが平均されたものが
利用者の目に達するので、視角依存性は緩和され
る。ツイステツド・マネテイツクモードの液晶表
示装置（TN−LCD）では特性の良い視角は表示
面に垂直な方向から傾いているので、前記入射光
の作る円錐の中心軸を傾けるには第２図に示すよ
うに、第１のレンズ１と第２のレンズ２の光軸を
平行移動すればよい。

＜発明の作用＞ このように本発明の構成によれば、入射光が有
効に絵素電極に導かれ、不透明部で遮断される事
によるロスはほとんどなく、開口率が小さくても
明るい画像が得られる。さらに本構成によれば絵
素が拡大されて見え、絵素と絵素の間の不透明部
が埋めつくされるので滑らかな画像が得られる。

尚、以上の説明ではカラーTV用液晶表示素子
を例にとつたが、本発明の適用は必ずしもカラー
TVに限定されるものではく、色ま三原色に限ら
ずモノクローム２色あるいは４色以上でもよく、
応用形態はグラフイツク表示、キヤラクター表示
等にも適用されるのは言うまでもない。また、多
数の液晶表示モジユールを並列配置し大画面の表
示を得る液晶表示装置にも適用可能である。

＜実施例＞ 第３図Ａ，Ｂ，Ｃは本発明の一実施例として薄
膜トランジスタ（TFT）をスイツチング素子に
用いた液晶表示パネルのセル基板の要部構成説明
図である。第３図ＡはTFTの一例を模式的に描
いた平面図であり、第３図Ｂはその断面図であ
る。また第３図Ｃは等価回路図である。TFTは
ガラスなどの透明な絶縁性基板１０の上にゲート
電極１１、ゲート絶縁膜１２、半導体膜１３、ソ
ース電極１４及びドレイン電極１５が順次パター
ン化され積層されて構成されている。ドレイン電
極１５には絵素電極１６及び必要に応じて設けら
れた蓄積コンデンサー１７が接続される。薄膜形
成法としては真空蒸着法、スパツタリング法、
CVD法、プラズマCVD法、減圧CVD法などが用
いられシヤドウマスクやフオトリソグラフイー法
の技術によつてパターン化される。このTFTが
形成された基板で液晶を封入するセルを構成する
とともに液晶を駆動する為に更に光シールド及び
配向膜を設ける。半導体膜１３としてｎ型半導体
を用いた場合、ゲート電極１１に正の電圧を印加
すると半導体膜１３のゲート絶縁膜１２側の界面
に電子の蓄積層が形成されソース電極１４とドレ
イン電極１５との間の抵抗が変調される。ゲート
電極１１にはゲート線GLを介して周期的に走査
パルスが印加され、TFTはON状態にされる。こ
れに同期してソース電極１４にはソース線SLを
介して画像信号が印加され、更にTFTを通じて
絵素電極１６及び必要に応じて設けられた蓄積コ
ンデンサー１７に印加され液晶を駆動する。絵素
ピツチが１mm当り数本の場合、開口率は通常の設
計で50〜80％であるが、絵素ピツチを小さくする
と開口率はこれ以下に下がる。蓄積コンデンサー
１７はTFTがOFF（オフ）状態の期間中も液晶に
印加すべき電圧を保持する為のものである。液晶
の時定数が走査周期に比べて充分大きければ蓄積
コンデンサー１７は特に設けなくても良い。次
に、ガラスなどの透明な基板上に逃明導電膜及び
カラーフイルターが設けられた対向電極側の基板
を作製する。カラーフイルターとしては、干渉フ
イルター、無機若しくは有機の染料あるいは顔料
が用いられる。カラーフイルターは、フオトリソ
グラフイー法あるいは印刷法により三原色がスト
ライプ状あるいはモザイク状に配列される。この
上に錫添加酸化インジウム（ITO）からなる透明
電極膜をイオンプレーテイングなどの方法により
設け、その上に液晶を配向させる為の配向層を積
層する。これら二枚の基板をスペーサーを介して
貼り合わせ、両基板の間隙に液晶を注入した後注
入口を封止することにより液晶表示パネルが作製
される。尚、液晶の動作モードがTNの場合には
液晶表示パネルの両面に偏光板を設ける。

次に本発明の特徴的な構成要素であるレンテイ
キユラーレンズまたは複眼レンズを液晶表示パネ
ルの両側に設ける。尚、偏光板との配列順序は逆
でも差し支えない。

まずレンテイキユラーレンズを用いる場合につ
いて説明する。

第４図において、１０，１０は対向する一対の
基板、１６は基板１０に設けた絵素電極、１８は
上記基板１０に設けた金属配線等の不透明部、２
０は基板１０と１０の間に設けた液晶、３０は各
基板１０，１０の外側に設けた偏光板、４０，４
０は偏光板３０，３０の外側に設けたレンテイキ
ユラーレンズ、Ｐはレンテイキユラーレンズ４０
のピツチである。

上記レンテイキユラーレンズ４０，４０は多数
のカマボコ状レンズを絵素ピツチと同じか２倍の
ピツチで並べたものであり、一方向についてのみ
収束作用を持つ。上記不透明部１８が一方向のス
トライプだけの場合（例えば、多重マトリツクス
に金属配線を施した場合あるいは非線型素子付加
型の場合）にはこのレンテイキユラーレンズ４
０，４０を用いるのが適当である。

また第５図に示すように、非線型素子１９，１
９，１９，…を付加する型の場合、データ電極１
４，１４，…と絵素電極１６，１６，…を２列を
１組として左右対称に配置することによりレンテ
イキユラーレンズ４０，４０のピツチを絵素のピ
ツチの２倍とする事ができる。レンテイキユラー
レンズ４０のピツチが大きい事は加工技術の点で
有利である。尚、この場合照明光の平行度が高い
と２つの絵素電極１６，１６の間隙にシヤープな
像を結び絵素電極１６を通らなくなるので焦点距
離を変え、絵素電極１６および液晶層２０の前ま
たは後に像を結ばせればよい。

次に複眼レンズを用いる場合を第６，７図に基
いて説明する。

複眼レンズ５０，５０は多数のレンズを絵素配
列と整合するように２次元配列したものである。
不透明部１８がXYマトリツクス状になつている
場合（例えばTET付加型）には複眼レンズ５０
を用いるのが適当である。行電極、列電極と絵素
電極１６の配列を工夫する事により、複眼レンズ
５０の行方向および／または列方向のピツチを絵
素電極１６のそれの２倍とする事ができる。第７
図は行方向、列方向ともに複眼レンズ５０のピツ
チＰを絵素ピツチの２倍にした場合の例である。
ピツチが大きいと加工技術の点で有利である。

なお、第６，７図において、第４，５図と同一
構成部は同一符号を付して説明を省略する。

照明光の平行度が高い場合には焦点の位置を絵
素電極１６および液晶層２０の前または後にずら
せればよいのは前と同様である。

第４図では平行光線の光路を示したが、照明光
が拡散光であつても、レンテイキユラーレンズ４
０あるいは複眼レンズ５０はある程度光を収束さ
せ絵素電極１６に入射する光量を増加させるの
で、これを用いない場合よりも明るい表示を得る
事ができる。

以上の例で示したレンズは片側が平面で他方の
面は円筒面または球面であり、それらの平面の側
を液晶側に向けたが、必ずしもこの向きに限定さ
れるものではない。また、１組のレンズの焦点距
離は等しくなくてもよい。これらのレンズはアク
リル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリスチレン
樹脂等の透明な樹脂あるいはガラスを射出成型ま
たはプレス成型する事によつて得る事ができる。
また、液晶セルを構成する基板自体を成型してレ
ンズ効果を持たす事もできる。

＜発明の効果＞ 以上の説明で明らかなように、本発明によれ
ば、開口率が小さくても、その影響をほとんど受
けない明るくて滑らかな表示が得られその効果は
大である。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図、第１ｂ図、第２図は本発明の基本原
理図、第３図Ａ、第３図Ｂ、第３図Ｃは本発明の
１実施例としてTFTを用いた液晶表示パネルの
セル基板の要部構成説明図、第４図はレンテイキ
ユラーレンズを用いた場合の実施例の斜視図、第
５図は上記実施例に用いられる非線型素子付加型
液晶表示基板の説明図、第６図は複眼レンズを用
いた場合の本発明の実施例の斜視図、第７図は上
記実施例に用いられるTFT基板の説明図である。 １０……基板、１４……データ電極、１６……
絵素電極、１８……不透明部、１９……非線型素
子、２０……液晶、３０……偏光板、４０……レ
ンテイキユラーレンズ、５０……複眼レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 周期的に配列された絵素を有する透過型の液
   晶表示装置において、 液晶層の両側に絵素の配列と位置的に対応関係
   にある１組のレンテイキユラーレンズまたは複眼
   レンズを備え、これら１組のレンズの液晶側の焦
   点がほぼ一致するように構成されていることを特
   徴とする液晶表示装置。 ２ 上記特許請求の範囲第１項に記載の液晶表示
   装置において、上記レンテイキユラーレンズのピ
   ツチが絵素の行ピツチまたは列ピツチと等しいこ
   とを特徴とする液晶表示装置。 ３ 上記特許請求の範囲第１項に記載の液晶表示
   装置において、上記レンテイキユラーレンズのピ
   ツチが絵素の行ピツチまたは列ピツチの２倍であ
   ることを特徴とする液晶表示装置。 ４ 上記特許請求の範囲第１項に記載の液晶表示
   装置において、上記複眼レンズのピツチが行方向
   列方行ともに絵素ピツチと等しいことを特徴とす
   る液晶表示装置。 ５ 上記特許請求の範囲第１項に記載の液晶表示
   装置において、上記複眼レンズの行方向および／
   または列方行のピツチがそれぞれの対応する方向
   の絵素ピツチの２倍であることを特徴とする液晶
   表示装置。