面发射装置、液晶显示器和光学片组合的制作方法

专利名称：面发射装置、液晶显示器和光学片组合的制作方法
技术领域：
本发明涉及面发射装置、液晶显示器和光学片组合，它们都既具有光转 换功能又具有特定偏振分光功能。
背景技术：
与CRT (阴极射线管)相比具有较低功率消耗、还能在结构上制造得更 小更薄的液晶显示器(LCD)现在以多种尺寸被广泛使用在从例如手机、便 携游戏机、数码相机和PDA (个人数字助理)之类的小型装置到大型液晶电 视机的各种设备中。LCD分为透射型、反射型等等，特别地透射型LCD包括液晶显示面板、 置于该液晶显示面板光入射侧上的第一偏振器(偏振片)、置于该液晶显示 面板光出射侧上的第二偏振器(偏振片)、以及附加的作为光源的背光单元。 存在直接型背光单元和边缘型背光单元。边缘发光型背光单元由置于该液晶 显示面板背面上的导光板、置于该导光板一侧端部的光源、覆盖相对于该导 光板的光出射表面的表面的反射器板等等构造而成。作为用于这些类型背光单元的光源，发射白光的CCFL(冷阴极荧光灯) 至今已广泛使用。特别是近些年，使用LED (发光二极管)作为光源的背光 单元对于诸如手机的移动应用被认为是有潜力的。在用于移动应用的显示器中，需要在前方内具有适当照明水平，因此已 采用了将背光出射方向限制到前方的技术。例如，为了使背光出射方向对准 前方，众所周知地在背光单元和液晶显示面板之间设置所谓亮度增强膜或亮 度增强片的光学片(参见日本未审查专利申请公开(PCT申请的翻译件) No.2002-544565 (专利文献1 )和日本未审查专利申请公开No.2004-168869 (专利文献2))。亮度增强膜由在其一表面上具有以小间距周期排列的三角形棱镜的棱 镜片形成，并具有通过将背光装置的光引向前方来转换背光的光的功能。特 别地，公知的构造中，两个棱镜片彼此叠置，其棱镜延伸方向定向为彼此正交，且将反射偏振片置于棱镜片上，反射偏振片透射一个线偏振分量、并反 射另 一个线偏振分量(参见专利文献1 )。棱镜片 一般通过在透明基板的表面上层叠可由活性能量束固化的树脂 形成的可固化树脂片而形成(参见专利文献2)。近年来，在用于移动应用的显示器中，日益要求减小显示器整体厚度和 提高图像质量。但是，用于增强前方照度的反射偏振片是昂贵的，因此提升 了液晶显示器的制造成本。而且，反射偏振片的使用增大了层数量，因此阻 止了液晶显示器厚度的减小。并且，即使使用了反射偏振片，在第一偏振器 的吸收轴方向上一部分偏振分量被泄漏，由此功能并不总是满足要求。发明内容因此，需要提供能减少增强前方照明所需要的光学片的数量同时具有光 聚集功能和特定偏振分光功能的面发射装置、液晶显示器和光学片组合。根据本发明实施例，提供了一种面发射装置，其包括光发射器，具有从 光发射器出射的光沿着其被透射的透射轴的偏振器，和置于光发射器和偏振 器之间、由多个光学片构成的光学片组合。多个光学片中的每一个包括用于 使出射光从其上出射的出射面，在出射面上连续排列的空间结构，平行于空 间结构延伸方向并具有第 一折射率的第 一光轴，和平行于空间结构排列方向 并具有不同于第 一折射率的第二折射率的第二光轴。具有第 一和第二折射率 中较小一个的第一或第二光轴几乎平行于偏振器的透射轴延伸。根据本发明另一实施例，提供了一种液晶显示器，其包括液晶显示面板， 用于照射液晶显示面板的光发射器，置于液晶显示面板的光入射侧并具有从 光发射器出射的光沿着其被透射的透射轴的第一偏振器，置于液晶显示面板 的光出射侧的第二偏振器，和置于第一偏振器和光发射器之间、由多个光学 片构成的光学片组合。多个光学片中的每一个包括用于使出射光从其上出射 的出射面、在出射面上连续排列的空间结构、平行于空间结构延伸方向并具 有第 一折射率的第 一光轴、和平行于空间结构排列方向并具有不同于第 一折 射率的第二折射率的第二光轴。具有第 一和第二折射率中较小 一个的第 一或 第二光轴几乎平行于偏振器的透射轴延伸。根据本发明又一实施例，提供了 一种由多个光学片构成的光学片组合， 所述多个光学片中的每一个包括用于使光发射器的出射光从其上出射的出射面、在出射面上连续排列的空间结构、平行于空间结构延伸方向并具有第 一折射率的第 一光轴、和平行于空间结构排列方向并具有不同于第 一折射率 的第二折射率的第二光轴。具有第一和第二折射率中较小一个的第一或第二 光轴几乎平行于偏振器的透射轴延伸。根据本发明的实施例，光学片在空间结构的延伸方向上和正交于它的排 列方向上分别具有不同的折射率。对于该构造，相对于入射到光学片上的光， 光学片能在空间结构延伸方向上振荡的偏振分量和在空间结构排列方向上 振荡的偏振分量具有不同的透射特性。例如，通过使在空间结构延伸方向上 的折射率大于在空间结构排列方向上的折射率，入射到光学片上的光在空间 结构的排列方向上振荡的偏振分量的出射光的量可变得更大。这种偏振分量 之间透射特性的差异随着在空间结构延伸方向上和排列方向上的折射率之 间的差异增大而增大。因此，光学片不仅在空间结构内具有光分布控制功能，还具有特定偏振光轴在相同方向上定向，光分布控制功能和特定偏振分光功能可进一步增 强。而且，通过在与偏振器透射轴相同的方向上设置每一个光学片中具有较 小折射率的光轴，通过偏振器的透射光量可提高，因此可改善前方照明。空间结构可由棱4竟或柱透4竟(lenticular lens)形成。通过形成例如棱4竟 之类的的光聚集结构的空间结构，可进行光分布控制以增强前方照明。优选地，光学片组合由沿空间结构延伸方向的折射率小于空间结构排列 方向上的折射率的第 一光学片和沿空间结构延伸方向的折射率大于空间结 构排列方向上的折射率的第二光学片形成。作为这种构造的结果，空间结构 的各自的延伸方向可变得彼此相交(正交)，而将第一和第二光学片各自的 光轴定向在相同方向上，因此能实现前方照明特别显著的增强。这样，偏振控制和光分布控制允许使用偏振器增强光发射器的前方照 明。对于偏振控制，在第一和第二光学片中优选在空间结构延伸方向和排列 方向上的折射率差异较大。对于光分布控制，优选空间结构延伸方向和排列 方向上的折射率中的较'J、一个的数值相当大；特别地，优选该较小的折射率 不小于1.50。而且，对于偏振控制功能和光分布控制功能两者，最优选的是 空间结构是横截面为具有90度垂直角的等腰三角形棱镜。根据本发明实施例的光学片可通过使形成于其表面上的、具有例如棱镜的空间结构的树脂片经受在空间结构延伸方向上的拉伸工序而制成。在空间 结构延伸方向上拉伸树脂片的原因是减少由于在拉伸之前和之后空间结构 内的任何几何改变(塌陷)而造成的光学特性波动。在这种情况中，第一光学片可由在延伸方向上折射率小的树脂材料(树 脂片)构成。而第二光学片可由在延伸方向上折射率大的树脂材料(树脂片) 构成。用于形成第一光学片的树脂片可包括曱基丙烯酸树脂、聚苯乙烯树脂、 苯乙烯-曱基丙烯酸酯共聚物或其混合物。用于形成第二光学片的树脂片可包括PET(聚对苯二曱酸乙二醇酯)、PEN(聚乙烯石脑油(Polyethylene Naphthalate))或其混合物、或PET-PEN共聚物。当面反射装置或液晶显示器根据本发明实施例通过在光发射器和偏振 器之间设置光学片组合来形成时，除了例如光聚集功能的光分布控制功能以 外，还获得了特定偏振分光功能，从而可去除至今使用的反射偏振片。结果 是，可减少增强前方照明所需要的光学片的数量，还可减小面发射装置或液 晶显示器厚度。如上所述，根据本发明的实施例，在空间结构延伸方向和排列方向上具 有折射率各向异性的多个光学片被组合，从而不仅可获得例如光聚集功能的光分布控制功能，而且获得特定偏振分光功能。结果是，即使不使用例如反 射偏振片的昂贵光学器件，也能提高液晶显示器的照明增强效果，还可减少 部件数量和制造成本。本发明的上述概括并不意图描述本发明的每个要阐明的实施例或每种 实现方式。下面的附图和详细描述将更详细地举例说明这些实施例。


图1是示出根据本发明第一实施例的液晶显示器的示意性构造的透视图；图2是用于阐明光透射穿过棱镜片的通路的图示，该棱镜片中在棱镜延 伸方向上的折射率大于在棱镜排列方向上的折射率；图3是用于阐明光透射穿过棱镜片的通路的图示，该棱镜片中在棱镜排 列方向上的折射率大于在棱镜延伸方向上的折射率；图4是示出根据本发明实施例的形成光学片组合的第一棱镜片的构造的 示意性透视图；图5是示出根据本发明实施例的形成光学片组合的第二棱镜片的构造的示意性透^L图；图6是用于阐明根据本发明第一实施例的光学片组合和第一偏振器之间 关系的透一见图；图7是用于阐明图6的第一偏振器和第二棱镜片之间关系的示意性侧视图；图8A和8B是用于阐明用于具有面内折射率各向异性的棱镜片的制造 方法的示意性图示；图9是根据本发明第二实施例的面发射装置主体部分的示意性侧视图； 图10是示出根据本发明第三实施例的面发射装置的示意性构造的透视图；图11是示出根据本发明实施例的面发射装置的示意性构造的透视图； 图12是示出根据用于评价本发明实施例的对比实施例的面发射装置的 示意性构造的透视图；图13是示出图12的面发射装置的照明角度分布的图示；图14是示出用于图11的面发射装置的模拟条件的图示；图15是示出对图11的面发射装置的模拟结果的图示；图16是示出根据另 一 实施例的面发射装置的示意性构造的透视图；图17是示出根据又一 实施例的面发射装置的示意性构造的透视图；图18是示出用于图16和17的面发射装置的模拟条件的图示；图19是示出对图16和17的面发射装置的模拟结果的图示。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的实施例。 [第一实施例]图1是示意性示出根据本发明第一实施例的具有光学片组合30的液晶 显示器21的构造的透视图。首先，将描述液晶显示器21的整体构造。本发明的实施例的液晶显示器21包括液晶显示面才反22、置于液晶显示 面板22光出射侧上的第二偏振器(偏振片)23B、和用于照明液晶显示面板 22的面发射装置33。面发射装置(背光单元)33包括光发射器24、散射片 28、才艮据本发明实施例的光学片组合30、和置于液晶显示面板22光入射侧9上的第一偏振器(偏振片)23A。液晶显示面板22具有其中液晶层夹在一对透明基板之间的结构。液晶 显示面板22的驱动模式不特别限定，而可包括VA (垂直取向)、IPS(面内 切换)、TN (扭曲向列)及其它模式。如有必要，液晶显示面板22可具有 对液晶层等的双折射进行光学补偿的、适当设置的相位差膜等。第一偏振器23A具有透射轴a,从光发射器24出射的光沿该透射轴透 射。透射轴a设置于图1的Y轴方向上，而第二偏振器23B的透射轴b设 置于图1的X轴方向上。这里，X轴和Y轴是液晶显示面板22的显示面内 彼此正交的两个轴，而Z轴是正交于X轴和Y轴、且平行于液晶显示器21 的厚度方向的轴。尽管图中所示的光发射器24是边缘发光型背光单元，但是其也可以是 直接型背光单元。光发射器24包括由透射材料制成的导光板25、置于导光 板25 —侧端部的光源26、覆盖与导光板25的光出射面相对的面的反射板 27等。光源26由多个例如附图所示实施例中的LED的点光源构成。但是， 可替换地使用 一个或多个线光源，例如荧光管。而且，例如有机EL的面光 源还可用于光发射器24。散射片28、第一棱镜片29A和第二棱镜片29B以此顺序从导光板25侧 开始置于导光板25和第一偏振器23A之间。散射片28具有在预定角度范围 内散射从导光板25出射的光的功能，被提供用来使光发射器24的照度分布 均匀。第一棱镜片29A和第二棱镜片29B分别对应才艮据本发明实施例形成 光学片组合30的第一光学片和第二光学片，且作为向液晶显示面板22的前 方会聚从散射片28出射的光以增强前方照度的照度增强层而起作用。下面描述根据本发明实施例组成光学片组合30的第一和第二棱镜片 29A、 29B的细节。第一棱镜片29A和第二棱镜片29B通过在其光出射面上连续排列各自 具有一定空间结构的多个棱镜Pa、 Pb而形成，且分别安置使其棱镜形成面 面对液晶显示面板22。棱镜片29A、 29B彼此叠置，以使各个棱镜Pa、 Pb 的脊线方向(延伸方向)彼此正交。棱镜片29A、 29B可通过粘合层结合。 在这种情况中，粘合层可优选为具有比棱镜片29A、 29B小的折射率的透明 材料。各个棱镜Pa、 Pb由三角棱柱体形成，但不特别限定垂直角(verticalangle)、高度、排列间距等。各个棱镜Pa、 Pb可具有不同的垂直角、高度、 排列间距等。空间结构不限于上述棱柱体，而可由例如柱面透镜的柱透镜 (lenticular lens )体形成。第一和第二棱镜片29A、 2犯的每一个在平行于其棱镜Pa或Pb的延伸 方向(下文中还被称为"棱镜延伸方向")的光轴(第一光轴)上和在平行 于其排列方向(下文中还被称为"棱镜排列方向")的光轴(第二光轴)上镜片29A、 29B，能相应于偏振态改变在各个棱镜片29A、 29B上入射光的透射特性。这里将参考图2和3，利用其中棱镜延伸方向上的折射率(第一折射率) 大于棱镜排列方向上的折射率(第二折射率)的实施例，给出响应于偏振态 的入射光透射特性差异的描述。图2和3示意性地示出光透射穿过棱镜片的通路，每个棱镜片分别具有 大量在其表面上连续排列的棱镜P。作为棱镜片的上表面侧的棱镜形成表面 是光出射面，而作为其下表面的平坦表面是光入射面。轴a指示棱镜P的延 伸方向，轴b指示棱镜P的排列方向，轴c指示棱镜片19a、 19b的厚度方 向。参考标记La指示背光光线L在棱镜延伸方向上纟展荡的偏振分量，而Lb 指示背光光线在棱镜排列方向上振荡的偏振分量。这里，图2中示出的棱镜 片1%在棱镜延伸方向上的折射率(na)大于在棱镜排列方向上的折射率(nb) (na>nb)。而图3中示出的棱镜片19a在棱镜延伸方向上的折射率(na)小于在 棱镜排列方向上的折射率(nb) (na<nb)。参考图2，由于棱镜片19b在棱镜P的延伸方向和排列方向上分别具有 不同的折射率，所以以入射角6 1倾斜地入射在棱4t片19b的光入射面上的 背光装置的光的偏振分量La和Lb以不同折射角ra、 rb(ra々b)被折射，并且 折射分量分别以出射角cpa、 cpb从每个棱镜的倾斜表面出射。此时，偏振分 量Lb的出射角(pb小于偏振分量La的出射角cpa(cpaXpb)。在上述实施例中，偏振分量La、 Lb两者从光出射面(棱镜形成表面) 出射。但是，由于棱镜片19b在棱镜延伸方向和棱镜排列方向上分别具有不 同的折射率，所以在各自方向上振荡的偏振分量在例如棱镜片19b的光入射面和棱镜倾斜面的边界处以不同的反射率反射。也就是说，在该实施例中， 在棱镜延伸方向上振荡的偏振分量La比偏振分量Lb反射得更多。结果是，对于透过棱镜片19b的背光装置的光，偏振分量Lb就光量来说大于偏振分量La。而且，从棱镜倾斜面出射的偏振分量La、 Lb的出射角具有cpa〉cpb的关 系。这样，当进入棱镜片19b的背光装置的光的入射角满足一定条件时，可 获得完全的偏振分离状态，其中偏振分量La在棱镜倾斜面反复全反射以变 成返回光，而仅仅偏振分量Lb透过棱镜片19b。该实施例在入射角6 2的条 件下如何建立则如图2中所示。在na=1.9、 nb=1.6、棱镜P的垂直角为90 度的条件下，e 2的一个具体示例是大约11到25度。要注意的是如果背光装置的光相对于棱镜片19b的入射角太小，这是一 种相当于背光装置的光垂直进入棱^:片19b光入射面的情况的状态。在这种 情况下，如图2所示，不管是任何偏振态，背光装置的光L在每个棱镜P的 倾斜面反复全反射以变成向着背光单元返回的返回光。向着背光单元返回的返回光的偏振光通过散射片28的散射作用和反射 板27的反射而去偏振，以非偏振态再次进入棱镜片19b。通过如此重复，即 使在最终阶段，偏振分量Lb就光量来说变得大于偏振分量La。相反地，如图3所示，当在棱镜延伸方向上的折射率小于在棱镜排列方 向上的折射率时，偏振分量Lb的出射角cpb小于偏振分量La的出射角 (pa((pa<cpb)。也就是说，在该实施例中，在棱镜排列方向上振荡的偏振分量 Lb比偏振分量La反射得更多，以使对于透过棱镜片19ba的背光装置的光， 偏振分量La就光量来说变得大于偏振分量Lb。向着背光单元返回的返回光的偏振光通过散射片28的散射作用和反射 板27的反射而去偏振，以非偏振态再次进入棱镜片19a。通过如此重复，即 使在最终阶段，偏振分量La就光量来说变得大于偏振分量Lb。在本发明的实施例中，如图4所示形成了第一棱镜片29A，以使棱镜Pa 在延伸方向(Y轴方向)内的折射率小于棱镜Pa (相当于图3中的棱镜片 19a)在排列方向(X轴方向)内的折射率。而且，如图5所示形成第二棱 镜片29B，以使棱镜Pb在延伸方向(X轴方向)内的折射率大于棱镜Pb (相 当于图2中的棱镜片19b)在排列方向(Y轴方向)内的折射率。在本发明实施例的光学片组合30中，第一和第二棱镜片29A、 29B如 此安置，以使其面内各向异性光轴中折射率较小的光轴(下文中被称为"低 折射率侧光轴")分别定向于相同方向上。利用这种构造，透过棱镜片29A、29B的背光装置的光的偏振分光特性被增强了 。图6是用于阐明光学片组合30和第 一偏振器23A之间关系的透视图， 图7是用于阐明第一偏振器23A和第二棱镜片29B之间关系的示意性侧视 图。如图6所示，第一棱镜片29A的低折射率侧光轴29Aa在棱镜Pa的延 伸方向上延伸，而第二棱镜片29B的低折射率侧光轴29Bb在棱镜Pb的排 列方向上延伸。图6示出了这样一个示例，其中低折射率侧光轴29Aa、 29Bb 定向于相同方向(图6中的Y轴方向)。在该情况中，棱镜延伸方向分别是 彼此相交(正交)的棱镜片29A、 29B的棱镜排列方向。利用这种构造，透 过棱镜片29A、 29B中每一个的背光装置的光被有效地向着前方会聚。而且，在本发明的实施例中，如图l和6所示，第一和第二棱镜片29A、 29B的低折射率侧光轴29Aa、 29Bb^f皮设置成几乎平行于置于液晶显示面板 22光入射侧上的第一偏振器23A的透射轴a。这里使用的术语"几乎平行，， 意指低折射率侧光轴29Aa、 29Bb平行于透射轴a的方向的情况以及包括稍 稍偏离平行状态的任何几乎平行的状态。利用这种构造，通过第一和第二棱 镜片29A、 29B被偏振分离的、进入液晶显示面板22的背光装置的光的光 量被提高，因此增强了前方照度。下面将描述用于制造这种第一和第二棱镜片29A、29B的方法的实施例。本发明实施例的第一和第二棱镜片29A、 29B中每一个通过以下步骤制 造模制在一个表面上形成有棱柱结构表面的树脂片的步骤，和在棱镜延伸 方向上拉伸树脂片以使树脂片在棱镜延伸方向和棱镜排列方向上分别具有 不同折射率的步骤。树脂片的模制方法不特别限定。例如热压法，熔化挤压法等是可以应用 的。而且，使用平坦树脂片作为基底，可在平坦树脂片上制造棱柱层。优选 通过辊压法来连续制造树脂片。通过在棱镜延伸方向上拉伸树脂片来赋予制造好的树脂片折射率各向 异性。对于树脂片的拉伸步骤示意性地示出在图8A和8B中。如图8A所示， 树脂片50在棱镜延伸方向上被拉伸。拉伸速率根据想要的棱柱形状、面内 折射率差异等来适当设定。拉伸方向沿着棱镜延伸方向设定的原因是抑制由于在拉伸之前和之后 棱柱形状波动而造成希望的光学特性发生变化。图8B示出了在拉伸之前和 之后棱柱结构表面的外部形状的变化，其中实线示出了拉伸前的状态，长短划线示出了拉伸后的状态。拉伸方向沿着棱镜延伸方向(a轴方向)设定，以使拉伸后的棱柱截面形状基本上变成拉伸前棱柱截面类似地减小了的形 状。这样，光学特性上的波动被抑制，因此使得高度精确地控制想要的棱柱 形状、高度、排列间距等成为可行。在该实施例中，第一棱镜片29A形成为使得在棱镜延伸方向上的折射率 小于在棱镜排列方向上的折射率。为此，作为用于形成第一棱镜片29A的树 脂片，使用了其折射率在拉伸方向上变小的树脂材料。其折射率在拉伸方向 上变小的树脂材料包括例如聚曱基丙烯酸酯、聚苯乙烯树脂、苯乙烯-丙烯 腈共聚物(AS树脂)、苯乙烯-曱基丙烯酸酯共聚物及其混合物等。同时，第二棱镜片29B形成为使得在棱镜延伸方向上的折射率大于在棱 镜排列方向上的折射率。为此，作为用于形成第二棱镜片29B的树脂片，使 用了其折射率在拉伸方向上变大的树脂材料。其折射率在拉伸方向上变大的 树脂材料包括PET(聚对苯二曱酸乙二醇酯)、PEN(聚乙烯石脑油 (Polyethylene Naphthalate ))或其混合物，或例如PET-PEN共聚物的共聚物、 聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、聚酰胺等。第一和第二棱镜片29A、 29B中每一个的双折射的幅度不特别地限定。 例如其不小于0.05，优选不小于O.l，或更优选地，不小于0.2。当双折射更 大时，偏振选择性提高了，因此前方照度的提高率也可提高。而且，与其折射率在拉伸方向上较大的树脂材料相比，其折射率在拉伸方向上较小的树脂材料一般显示出较小的双折射。也就是说，在相同拉伸速 率下从其折射率很大的树脂材料获得了较大的双折射。因此，在本发明的实 施例中，从第二棱镜片29B获得大双折射比第一棱镜片29A更容易。这样，在本发明实施例中，第二棱镜片29B置于第一棱镜片29A和第 一偏振器23A之间。通过以该方式将具有更高偏振选择性的棱镜片29B设 置在第一偏振器23A的光入射侧上，平行于第一偏振器23A透射轴的偏振 分量的出射光量可提高(图7)。下面参考图1，将描述根据本发明实施例的如上所述构造的液晶显示器 21的基本操作。来自光源26的出射光进入导光板25,然后从导光板25的 上表面(光出射面)出射。从导光板25出射的光进入散射片28以均匀地散 射，然后通过光学片组合30 (第一棱镜片29A和第二棱镜片29B)被朝向 前方，并且通过第一偏振器23A进入液晶显示面板22。入射在液晶显示面板22上的光具有各像素可控的透射量，然后通过滤色器(未示出)和第二偏振器23B向着观察者出射。结果是，图像显示在液晶显示面板22的前表面上。将在下面描述光学片组合30的功能。如图6所示，第一棱镜片29A和第二棱镜片29B设置成使得棱柱结构 表面面对第一偏振器23A。第一棱镜片29A的棱镜Pa的延伸方向(Y轴方 向)和第二棱镜片29B的棱镜Pb的延伸方向(X轴方向)彼此正交。第一 棱镜片29A的低折射率侧光轴29Aa定向于棱镜Pa的延伸方向(Y轴方向) 内，而第二棱镜片29B的低折射率侧光轴29Bb定向于棱镜Pb的排列方向(Y轴方向)内。这些低折射率侧光轴29Aa、 29Bb的设置方向与第一偏振 器23A的透射轴a重合。要注意的是参考标记"b，，指示第二偏振器23B的 透射轴方向，其正交于第一偏振23A的透射轴a。参考标记"b"还相当于 第一偏振器23A的吸收轴。在上述构造中，在入射到光学片组合30上的光中，通过X-Z平面传播 的光分量在通过折射透过第一棱镜片29A的棱镜Pa时，其被偏振朝向前方(Z轴方向)。同时，当通过Y-Z平面传播的光分量在通过折射透过第二棱 镜片29B的每个棱镜Pb时，其被偏振朝向前方。通过以这种方式正交设置 两个棱镜片，背光装置的光被有效地向着前方取向。利用这种构造，液晶显 示面板21的前方照度被增强到适于作为液晶显示器使用，特别是用于移动 应用。而且，由于该第一棱镜片29A的面内各向异性(nx〉ny),入射到第一棱 镜片29A上的光在X轴方向上振荡的偏振分量比在Y轴方向上振荡的偏振 分量的出射量更大。同时，由于该第二棱镜片29B的面内各向异性(nx〉ny), 入射到第二棱镜片29B上的光在X轴方向上振荡的偏振分量比在Y轴方向 上振荡的偏振分量的出射量更大。因此，对于透过光学片组合30的背光装置的光(L)，在Y轴方向上振 荡的偏振分量(Ly)的出射光量大于在X轴方向上振荡的偏振分量(Lx) 的出射光量。偏振分量Ly与偏振分量Lx的光量比例取决于棱镜片29A、29B 中每一个的面内折射率各向异性(双折射)幅度、棱镜片29A、 29B的空间 结构形状、进入棱镜片29A、 29B的光发射器的光的入射角的分布等。根据本发明实施例的光学片组合30，不仅可获得光聚集效果，还获得了特定偏振分光效果。结果是，如图7所示，使得从第二棱镜片29B出射的背 光光线中，在棱镜Pb延伸方向(X轴方向)上的偏振分量Lx的出射光量小 于在棱镜Pb排列方向(Y轴方向)上的偏振分量Ly的出射光量，因此减少 了第一偏振器23A吸收背光光线的量，从而实现对背光装置的光的有效利 用。也就是说，提高背光光线的出光效率并因此增强了前方照度。如上所述，根据本发明实施例的液晶显示器21，通过将光学片组合30 置于导光板25和第一偏振器23A之间，光学片组合30除了具有通过设置两 个棱镜片而获得的照度增强效果以外，还具有与目前制造的反射偏振片相似 的功能，因此可去除反射偏振片。结果是，可减少增强前方照度所需的光学 片的数量，因此减小光学片总厚度，从而有效地减小了液晶显示器的厚度。而且，根据本发明实施例，光学片组合30通过在第一棱镜片29A的光 出射侧设置具有大于第一棱镜片29A的双折射的第二棱镜片29B而形成， 因此可以在第一偏振器23A以下紧邻的位置有效地获取想要的偏振分量。结 果是，相对于第一偏振器23A的偏振分量的透射光量提高了，从而可以更进 一步地提高前方照度。同时，即使出于照度增强以外的目的，例如为了提高液晶显示面板对比 度，使第一偏振器23A的透射轴相对于棱镜片29A、 29B的低折射率轴稍稍 倾斜，本发明的有利效果也不会失去。但是，由于照度随着棱镜片29A、 29B 的低折射率轴和第一偏振器23A的透射轴之间角度的减小而提高，希望的是 将所述角度设定在O到45度，优选0到20度，或更优选O度，也就是说， 更优选棱镜片29A、 29B的低折射率轴置于几乎平行于第一偏振器23A的透 射轴。[第二实施例]在上述第一实施例中，使用出射非偏振背光光线的光发射器24作为面 发射装置33。但是，光发射器24可由用于发射偏离线偏振态的光的光发射 器替代。例如，在"《应用光学》2004年8月20日第43巻第24页(APPLIED OPTICS, Vol. 43， No. 24, 20 August 2004 )，，中公开了 一种通过在导光板光出里使用的"面发射装置"指代发射具有其在最大方向上的强度大于垂直于最 大方向的方向上强度的偏振态的光的光发射器。通过利用该原理而同时形成 如图9中所示的光发射器，在第一偏振器23A的透射轴(第一和第二棱镜片29A、 29B的低折射率侧光轴的方向)方向上振荡的偏振分量可优先被出射， 因此进一步提高了光利用效率以增强前方照度。为了实现适于期望用途的前 方照度和亮度的视角相关性，根据具体情况，可能仅仅一个棱镜片即已足够。 图9示出了具有偏振选择性的光发射器的示意性构造。面发射装置具有 如下构造其中具有分散排列的微棱镜36a的结构层36置于导光板35光出 射面上，并且结构层36表面被双折射层37覆盖。每个微棱镜36a的倾斜表 面设置为合适的角度(布儒斯特角)，以使在X轴方向上振荡的偏振分量Lx 被透射，在Y轴方向上振荡的偏振分量Ly被反射。因此，通过将该面发射 装置形成为使得偏振分量Ly的振荡方向与第一偏振器23A的透射轴方向重 合，可产生就光量而言包含更多偏振分量Ly的背光光线。此外，直接发射偏振光的光发射器可用作光发射器24。例如，日本未审 查专利申请公开No.2006-228861公开了 一种通过在有机EL器件内将分子取 向来发射偏振光的光发射器。而且，"《应用物理通信》2005年第87巻 (Applied Physics Letters, Vol.87, 243503/2005 )" 4艮道了一种通过将聚药 (polyfluorene)分子取向来发射偏振光的有机EL器件。在任何情况下，通 过使第一和第二棱镜片29A、 29B的低折射率侧光轴与该偏振光的偏振方向 对准，并且进一步使偏振器的透射轴与之对准，光利用效率可进一步提高以 增强前方照度。为了实现适于期望用途的前方照度和亮度的视角相关性，根 据具体情况，可能仅仅一个棱镜片即已足够。 [第三实施例]以下将继续参考图10，描述本发明的第三实施例。图10是示意性示出 根据本发明第三实施例的面发射装置38构造的透视图。对应第一实施例那 些元件的元件被分配相同的参考标记，并将省略详细描述。本发明实施例的面发射装置38包括光发射器44、散射板32、散射片28、 光学片组合31和置于液晶显示面板(未示出)光入射侧上的第 一偏振器23A。光发射器44构造为直接型背光单元，该单元包括多个线光源46和反射 板47,所述线光源为荧光管(CCFL)。与第一实施例相似，光学片组合31 由第一棱镜片29A和第二棱镜片29B組成。在本发明实施例中，第一棱镜片29A置于第二棱镜片29B和偏振器23A 之间，如图4所示。第一棱镜片29A形成为使得其在棱镜延伸方向上的折射 率小于其在棱镜排列方向上的折射率。而且，第二棱镜片29B形成为使得其17在棱镜延伸方向上的折射率大于其在棱镜排列方向上的折射率。第一和第二棱镜片29A和29B形成为使得面内各向异性光轴中折射率较小的光轴(低 折射率侧光轴)定向于几乎平行于偏振器23A的偏振轴a。在本实施例的面发射装置38中，第一棱镜片29A在棱镜延伸方向上的 折射率(ny)小于在棱镜排列方向上的折射率(nx)，棱镜延伸方向几乎平 行于第一偏振器23A的透射轴a。在本实施例中，第一光学片29A形成为使 得nz〉ny，其中nz表示平行于第一棱镜片29A厚度方向的光轴(第三光轴) 方向上的折射率(第三折射率)。同样，在本实施例中，可获得与如上所述第一实施例中相似的有利效果。 特别在与例如nz^ny的情况相比时，#4居本实施例，第一棱镜片29A在其厚 度方向上具有大于棱镜延伸方向上折射率(ny)的折射率(nz)，所以可以 提高前方照度和出光效率。nz大于ny可能就足够了， nz可设置为基本上等 于例如在棱镜排列方向上的折射率(nz=nx )。示例[示例1]形成用于图11中所示面发射装置100的模拟模型。形成光学片组合41 的两个棱镜片40A、 40B中每一个在三个轴向上的折射率设置为如图14所 示。计算出各个样品的从第一偏振器23A出射的光的前方照度和出光效率。图11中，对应图10中那些元件的元件以相同的参考标记指示。在以下 描述中，置于偏振器23A—侧的棱镜片40A被称为"第一棱镜片"，置于散 射片28—侧的棱镜片40B被称为"第二棱镜片"。各个第一和第二棱镜片40A、 40B由的棱镜形成，所述棱镜中形成在光 出射面上的空间结构具有三角形横截面。棱镜片40A、 40B设置成使得棱镜 延伸方向彼此垂直。第一棱镜片40A的棱镜排列方向几乎平行于偏振器23A 的透射轴a。直接型背光单元用作光发射器44，而散射片28、散射板32和 发射板47是常规液晶电视机中通常所采用的。另外，偏振器23A具有能100% 透射透射轴(a)上的偏振光且100。/。吸收吸收轴(b)上的偏振光的理想特性。图12是用作评价基准的面发射装置101的模拟模型。面发射装置101 对应如下结构其中在图11所示的面发射装置100中没有提供光学片組合 41。图12所示模拟模型中的照度角度分布如图13所示。在照度角度分布中， 图12中的X轴方向和Y轴方向分别示为水平方向(水平)和垂直方向(垂直)。此时光的出光效率是50%。这里使用的"出光效率"表示从面发射装 置出射的光量相对于由光源辐射的光量的比率，其中后者光量设为100%。对棱镜片40A、 40B的面内折射率(nx，ny)设置如图14所示的典型的 4例(例1-4 )。例1对应(nxl=nyl, nx2=ny2 )的情况，其中两个棱镜片40A、 40B中每一个就折射率而言是各向同性的。例2和3对应如下情况各自的 两个棱镜片40A、 40B具有折射率各向异性，仅一个棱镜片中的折射率较小 的方向几乎平行于偏振器23A的透射轴延伸。例4是如下情况相应的两个 棱镜片40A、 40B具有折射率各向异性，各自的折射率较小的方向几乎平行 于偏振器23A的透射轴延伸。对于例1-4，将利用面反射装置101获得的前方照度作为基准，测量面 发射装置100中的前方照度提高度和出光效率。结果在图15中示出。要注 意的是对于例1-4的模拟条件与用于面发射装置101的相同。从图15中所示的结果，可以发现在两个棱镜片40A、 40B的面内光 学各向异性中折射率较小的方向与偏振器透射轴对准的例4表现出最高的前 方照度提高率和出光效率。与此同时，例2和3表现出甚至比使用两个各向 同性棱镜片的例1更差的结果。上述结果中很明显的是，肯定了组成光学片组合41的两个棱镜片40A、 40B的面内光学各向异性中折射率较小的方向设置为几乎平行于偏振器23A 的透射轴。[示例2]对于偏振器23A的透射轴a与第一棱镜片40A的棱镜延伸方向之间的 关系和两个棱镜片40A、 40B的厚度方向上的折射率的影响进行模拟。对于偏振器23A的透射轴a与第一棱镜片40A的棱镜延伸方向之间的 关系，考虑两个典型例子，即如图16中的面发射装置100A中那样垂直的例 子和如图17中的面发射装置100B中那样平行的例子。而且，为了考虑两个 棱镜片40A、 40B的厚度方向上的折射率nz的影响，对图18中所示的例子 (Sl到S5， Pl到P5)进行了^t拟。以利用图12中示出作为对比示例的面 发射装置101获得的前方照度作为基准，对面发射装置IOOA、 100B的前方 照度提高率和出光效率进行了测量。结果如图19中所示。要注意的是用于 例Sl到S5、 Pl到P5的模拟条件与那些用于面发射装置101的相同。例Sl和Pl对应情况(nxl=nyl， nx2=ny2 ),其中各自的两个棱镜片40A、40B就折射率而言是各向同性的，而其他例子都对应其中两个棱镜片40A、 40B具有满足nx>ny条件的光轴各向异性的情况。特别地，在例S2、 S3、 P2和P3中第一棱镜片40A满足nx>nz的关系，而在例S4、 S5、 P4和P5 中其满足nx-nz的关系。与此同时，在例S2、 S4、 P2和P4中第二棱镜片 40B满足nx>nz的关系，而在例S3、 S5、 P3和P5中其满足nx二nz的关系。 从情况S2到S5的对比中可以发现，在其中偏振器23A的透射轴a与第 一棱镜片40A的棱镜延伸方向垂直的情况(图16)下，与棱镜片40A、 40B 厚度方向上的折射率nzl和nz2的相关程度是很小的，因此有效地增强了前 方照度。而且，从情况P2和P4之间以及P3和P5之间的对比中可以发现，如果 偏振器23A的透射轴a与第一棱镜片40A的棱镜延伸方向平行，则与第一 棱镜片40A厚度方向上的折射率nzl的相关程度是很大的，这样当nzl很大 时，可增强前方照度。与此同时，从例P2和P3之间以及P4和P5之间的对 比中可以发下，与第二棱镜片40B厚度方向上的折射率nz2的相关程度不是 很大，但是当该数值较小时，可增强前方照度。从上述结果可以肯定，如果偏振器23A的透射轴a与第一棱镜片40A 的棱镜延伸方向平行，则提高第一棱镜片40A厚度方向上的折射率nzl是更 好的，同时肯定了第二棱镜片40B厚度方向上的折射率nz2可以较小或较大。尽管前面已经描述了本发明实施例，但是本发明不限于这些实施例，而例如，在第一实施例中，在形成光学片组合30时使用了两个各向异性 的棱镜片。但是，通过增加层的数量，可进一步增强背光光线的偏振分光特性。而且，在第一实施例的面发射装置33中，光发射器24由边缘发光型背 光单元构成。但是，该光发射器24可用例如第二实施例中描述的直接型背 光单元替代。相似地，在第二实施例的面发射装置38中，光发射器44由直 接型背光单元构成。但是，该光发射器44可用例如第一实施例中描述的边 缘发光型背光单元替代。此外，在上述实施例中，使用拉伸使第一和第二棱镜片39A、 39B中具 有折射率各向异性效果。但是，也可采用其它实施例，其中例如通过将具有 折射率各向异性的液晶材料取向，或通过使用具有折射率各向异性的晶体材料来形成棱镜片或棱镜(空间结构)，而使各个棱镜片表现出棱镜延伸方向 和棱镜排列方向之间的折射率各向异性。本领域的技术人员应该理解，根据设计需要和其它因素，在所附权利要 求或其替代物的范围内可进行各种修改、组合、子组合和替换。本申请要求2007年3月15日提交到日本专利局的日本专利申请 No.2007-66524和2008年1月23日提交到日本专利局的日本专利申请 No.2008-12543的优先权权利，其整个公开内容在这里引入作为参考。
权利要求
1.一种面发射装置，其包括光发射器；偏振器，具有透射轴，从所述光发射器出射的光沿该透射轴被透射；和光学片组合，置于所述光发射器和偏振器之间，并由多个光学片构成，其中，所述多个光学片中的每一个包括(a)出射面，用于使出射光从其出射，(b)空间结构，在所述出射面上连续排列，(c)第一光轴，平行于所述空间结构的延伸方向，且具有第一折射率，和(d)第二光轴，平行于所述空间结构的排列方向，且具有不同于第一折射率的第二折射率，其中，具有所述第一和第二折射率中较小一个的第一或第二光轴几乎平行于所述偏振器的透射轴延伸。
2. 如权利要求1所述的面发射装置，其中，所述光学片组合包括 第一光学片，其中第一折射率小于第二折射率；和 第二光学片，其中第一折射率大于第二折射率。
3. 如权利要求2所述的面发射装置，其中，所述各第一和第二光学片 由在所述空间结构的延伸方向上拉伸的树脂片构成。
4. 如权利要求3所述的面发射装置，其中所述第一光学片由其中在拉伸方向上折射率较小的树脂片构成；并且 所述第二光学片由其中在拉伸方向上折射率较大的树脂片构成。
5. 如权利要求4所述的面发射装置，其中，所述第一光学片由选自包 括曱基丙烯酸树脂、聚苯乙烯树脂、苯乙烯-曱基丙烯酸酯共聚物、以及它 们的混合物的组的树脂材料形成。
6. 如权利要求4所述的面发射装置，其中，所述第二光学片由选自包 括聚对苯二曱酸乙二醇酯，即PET;聚乙烯石脑油，即PEN; PET和PEN 混合物；以及它们的共聚物的组的树脂材料形成。
7. 如权利要求2所述的面发射装置，其中，所述第二光学片置于所述 所述第 一光学片和偏振器之间。
8. 如权利要求2所述的面发射装置，其中，所述第一光学片置于所述 第二光学片和偏振器之间，并具有沿平行于厚度方向的光轴的第三折射率， 该第三折射率大于所述第一光学片的第一折射率。
9. 如权利要求8所述的面发射装置，其中，所述第三折射率基本上等于所述第一光学片的第二折射率。
10. 如权利要求9所述的面发射装置，其中，所述第一光学片的第一光 轴几乎平行于所述偏振器的偏振轴。
11. 如权利要求1所述的面发射装置，其中，所述空间结构是棱镜或柱透镜。
12. 如权利要求11所述的面发射装置，其中，所述空间结构由双折射 液晶材^l"形成。
13. —种液晶显示器，其包括 液晶显示面氺反；光发射器，用于照射所述液晶显示面板；第一偏振器，置于所述液晶显示面板的光入射侧并具有透射轴，从所述 光发射器出射的光沿着所述透射轴被透射；第二偏振器，置于所述液晶显示面板的光出射侧；和光学片组合，置于所述第一偏振器和光发射器之间，由多个光学片构成，其中，所述多个光学片中的每一个包括(a) 出射面，用于使出射光出射，(b) 空间结构，在所述出射面上连续排列，(c) 第一光轴，平行于所述空间结构的延伸方向，且具有第一折射率，和(d) 第二光轴，平行于所述空间结构的排列方向，且具有不同于第一 折射率的第二折射率，其中具有所述第一和第二折射率中较小一个的第一或第二光轴几乎平 行于所述偏振器的透射轴延伸。
14. 一种面发射装置，其包括光发射器，用于发射具有其在最大方向上的强度大于垂直于该最大方向 的方向上强度的偏振态的光；偏振器，具有透射轴，从所述光发射器出射的光沿该透射轴被透射；和光学片组合，置于所述偏振器和所述光发射器之间，由多个光学片构成， 其中，所述多个光学片中的每一个包括(a) 出射面，用于输出发射的光，(b) 在所述出射面上连续排列的空间结构，(c) 一第一光轴平行于所述空间结构的延伸方向并具有第一折射率，和(d) —第二光轴平行于所述空间结构的排列方向，并具有不同于所述 第一折射率的第二折射率，其中，具有所述第一和第二折射率中较小一个的第一或第二光轴几乎平 行于所述偏振器的透射轴延伸。
15. —种光学片组合，其包括多个光学片，每一个光学片包括 出射面，用于使来自光发射器的出射光出射； 空间结构，在所述出射面上连续排列；第一光轴，平行于所述空间结构的延伸方向，且具有第一折射率；和 第二光轴，平行于所述空间结构的排列方向，且具有不同于第一折射率 的第二折射率，其中，具有所述第一和第二折射率中较小一个的第一或第二光轴几乎平 行于一透射轴延伸，从所述光发射器出射的光沿着所述透射轴被透射。
全文摘要
本发明涉及一种面发射装置、液晶显示器和光学片组合，该面发射装置包括光发射器；具有从光发射器出射的光沿着其被透射的透射轴的偏振器；和置于光发射器和偏振器之间、由多个光学片构成的光学片组合。多个光学片中的每一个包括用于使出射光出射的出射面、在出射面上连续排列的空间结构、平行于空间结构延伸方向并具有第一折射率的第一光轴、和平行于空间结构排列方向并具有不同于第一折射率的第二折射率的第二光轴，其中具有第一和第二折射率中较小一个的第一或第二光轴几乎平行于偏振器的透射轴延伸。
文档编号F21V9/00GK101329037SQ20081014281
公开日2008年12月24日 申请日期2008年3月17日 优先权日2007年3月15日
发明者星光成 申请人:索尼株式会社