专利名称：背光单元及液晶显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及背光单元及液晶显示装置，特别涉及具备微透镜阵列基片和导光单元的背光单元以及具备该背光单元的液晶显示装置。
背景技术：
在液晶显示装置中，现已提出为了实现高亮度及高视场角化使用了微透镜阵列的技术方案。根据这种技术，通过在液晶显示面板的背面一侧配置微透镜阵列基片，能够使背光(back light)光会聚，以避开形成于液晶显示面板的透明基片上的TFT元件或黑色矩阵(black matrix)，从而可以提高光的利用率，实现高亮度化。
专利文献1(日本特开平8-166502号公报)公开了一种在玻璃基片上形成由玻璃构成的微透镜阵列的方法。专利文献1所记载的方法是通过在基片上形成由玻璃粉末和感光性树脂构成的感光性玻璃浆料的膜，然后进行曝光、显影及热处理，从而形成微透镜阵列。
专利文献2(日本特开平10-333144号公报)公开了一种在液晶显示面板和背光之间配置了微透镜阵列的技术。
专利文献3(日本特开2006-114239号公报)及专利文献4(日本特开2004-227956号公报)公开一种利用棱镜状的反射槽将从侧面一侧入射并传播的光反射到前面一侧，再通过多个透镜使其出射的导光件。然而，专利文件3和专利文件4所记载的透镜并不使背光会聚，以避开形成于液晶显示面板的透明基片上的TFT元件或黑色矩阵为了利用设于导光件上的微透镜提高液晶显示面板的亮度，必须对微透镜入射并会聚指向性高的光，以便能够高精度地避开TFT元件或黑色矩阵。可是，由于设于导光件的底面上的棱镜状的反射槽必须向遍及导光件前面的整个区域将来自侧面的入射光均匀地出射，因此入射光不是首先在反射了的反射槽上全部从导光件的前面出射，而必须在导光件的前面一侧界面与该反射槽之间重复多次反射后，再将入射光引导至与导光件的入射一侧的面相反一侧的侧面附近。因此，利用设于导光件的底面上的反射槽，不能使指向性高的光从导光件的前面出射而对微透镜入射，从而难以提高液晶显示面板的亮度。
发明内容
本发明就是为了解决以上的问题而提出的，其目的在于提供一种可以进一步提高液晶显示面板的亮度的背光单元以及使用了该背光单元的液晶显示装置。
本发明的背光单元，是具备设于液晶显示面板的背面一侧，使光在该液晶显示面板的各像素透射区域会聚的微透镜的背光单元，其具备光源；导光件，该导光件通过从端部入射来自上述光源的光，通过在设于一侧面上的第一棱镜部上反射，将平行光从与设有上述第一棱镜部的侧面相对的侧面出射；以及微透镜阵列基片，该微透镜阵列基片从侧面入射从上述导光件出射的平行光，利用设于底面上的第二棱镜部将其反射后，通过设于前面的上述微透镜将其向上述液晶显示面板出射；上述微透镜阵列基片具备由多个微透镜构成的微透镜阵列；形成有由在垂直于从上述侧面入射的平行光的传播方向的方向上延伸的反射槽构成的第二棱镜部的透明基片；以及形成于上述微透镜阵列和上述透明基片之间，折射率比该透明基片还低的低折射率层。采用这种结构，由于可以对微透镜入射指向性高的光，由于可以使背光高精度地通过液晶显示面板的像素的透射区域，因而能提高液晶显示面板的亮度。
在此，优选上述光源具有设于上述导光件的一端部上的第一光源和设于另一端部上的第二光源。这样，通过采用从导光件的两端入射光的结构，不必将来自光源的光导向相反一侧的端部附近，所以可容易地产生指向性高的光。
另外，优选在上述导光件上，设有上述第一棱镜部的侧面具有中央部突出的曲面结构。采用这种结构，可容易地产生指向性高的光。
本发明的另外一种背光单元，是具备设于液晶显示面板的背面一侧，使光在该液晶显示面板的各像素透射区域会聚的微透镜的背光单元，其具备出射平行光的导光件；以及微透镜阵列基片，该微透镜阵列基片从侧面入射从上述导光件出射的平行光，利用设于底面上的第二棱镜部将其反射后，通过设于前面的上述微透镜将其向上述液晶显示面板出射；上述微透镜阵列基片具备由多个微透镜构成的微透镜阵列；形成有由在垂直于从上述侧面入射的平行光的传播方向的方向上延伸的反射槽构成的第二棱镜部的透明基片；以及形成于上述微透镜阵列和上述透明基片之间，折射率比该透明基片还低的低折射率层。采用这种结构，由于可以对微透镜入射指向性高的光，由于可以使背光高精度地通过液晶显示面板的像素的透射区域，因而能提高液晶显示面板的亮度。
在此，优选上述微透镜是在垂直于上述第二棱镜部的反射槽的方向上延伸的柱面透镜。更优选具备设于上述低折射率层和上述微透镜阵列之间的偏光片或偏振层。
本发明的液晶显示装置，是具备在将液晶夹持在内表面上形成了电极的一对元件基片之间而成的液晶显示面板和设于上述液晶显示面板的背面一侧的背光单元的液晶显示装置，上述背光单元具备具备光源；导光件，该导光件通过从端部入射来自上述光源的光，通过在设于一侧面上的第一棱镜部上反射，将平行光从与设有上述第一棱镜部的侧面相对的侧面出射；以及微透镜阵列基片，该微透镜阵列基片从侧面入射从上述导光件出射的平行光，利用设于底面上的第二棱镜部将其反射后，通过设于前面的上述微透镜将其向上述液晶显示面板出射；上述微透镜阵列基片具备由多个微透镜构成的微透镜阵列；形成有由在垂直于从上述侧面入射的平行光的传播方向的方向上延伸的反射槽构成的第二棱镜部的透明基片；以及形成于上述微透镜阵列和上述透明基片之间，折射率比该透明基片还低的低折射率层。采用这种结构，由于可以对微透镜入射指向性高的光，由于可以使背光高精度地通过液晶显示面板的像素的透射区域，因而能提高液晶显示面板的亮度。
在此，优选光源具有设于上述导光件的一端部上的第一光源和设于另一端部上的第二光源。这样，通过采用从导光件的两端入射光的结构，不必将来自光源的光导向相反一侧的端部附近，所以可容易地产生指向性高的光。
另外，优选在上述导光件上，设有上述第一棱镜部的侧面具有中央部突出的曲面结构。采用这种结构，可容易地产生指向性高的光。
本发明的另外一种液晶显示装置，是具备在将液晶夹持在内表面上形成了电极的一对元件基片之间而成的液晶显示面板和设于上述液晶显示面板的背面一侧的背光单元的液晶显示装置，其具备出射平行光的导光件；以及微透镜阵列基片，该微透镜阵列基片从侧面入射从上述导光件出射的平行光，利用设于底面上的第二棱镜部将其反射后，通过设于前面的上述微透镜将其向上述液晶显示面板出射；上述微透镜阵列基片具备由多个微透镜构成的微透镜阵列；形成有由在垂直于从上述侧面入射的平行光的传播方向的方向上延伸的反射槽构成的第二棱镜部的透明基片；以及形成于上述微透镜阵列和上述透明基片之间，折射率比该透明基片还低的低折射率层。采用这种结构，由于可以对微透镜入射指向性高的光，由于可以使背光高精度地通过液晶显示面板的像素的透射区域，因而能提高液晶显示面板的亮度。
在此，优选上述微透镜是在垂直于上述第二棱镜部的反射槽的方向上延伸的柱面透镜。更优选具备设于上述低折射率层和上述微透镜阵列之间的偏光片或偏振层。
进而，优选上述液晶显示面板具有各自为长方形的多个像素，并且具有将各个像素的长度方向朝向同一方向地邻接排列的像素结构；上述背光单元的微透镜的长度方向配置成与上述像素的宽度方向平行。采用这种结构，由于做成对开口率低的像素的长度方向使聚光度提高的结构，从而能够提高液晶显示面板的透射率，并能提高其亮度。
另外，上述液晶显示装置在是半透射型液晶显示装置时，若应用本发明则会更有效。
本发明的效果是，根据本发明，能够提供一种可进一步提高液晶显示面板的亮度的背光单元以及使用了该背光单元的液晶显示装置。
图1是示意地表示本发明的实施方式1的液晶显示装置的结构的剖视图。
图2是表示本发明的实施方式1的背光单元的结构的示意图，图2(a)是示意正视图，图2(b)是沿图2(a)的P-P剖切线的示意剖视图，图2(c)是沿图2(a)的Q-Q剖切线的示意剖视图。
图3是表示本发明的实施方式1的背光单元的结构的示意图，图3(a)是示意后视图，图3(b)是沿图3(a)的R-R剖切线的示意剖视图，图3(c)是沿图3(a)的S-S剖切线的示意剖视图。
图4是表示棱镜部及反射部的一个例子图。
图5是表示棱镜部及反射部的一个例子图。
图6是LED及导光件的放大示意图。
图7是微透镜阵列基片的光源一侧的放大示意图。
图8是表示低折射率层的材料和各种光学特性的关系图。
图9是背光单元的立体图。
图10是表示微透镜和像素的位置关系的说明图。
图11是表示本发明的实施方式1的微透镜阵列基片的制造方法的图。
图12是示意地表示本发明的实施方式2的液晶显示装置的结构的剖视图。
图13是表示本发明的实施方式2的背光单元的结构的示意图，图13(a)是示意正视图，图13(b)是沿图13(a)的T-T剖切线的示意剖视图，图13(c)是沿图13(a)的U-U剖切线的示意剖视图。
图14是表示本发明的实施方式2的背光单元的结构的示意图，图14(a)是示意后视图，图14(b)是沿图14(a)的V-V剖切线的示意剖视图，图14(c)是沿图14(a)的W-W剖切线的示意剖视图。
图15是表示使用了本发明的背光单元的液晶显示装置的亮度模拟的曲线图。
图中100、100a-液晶显示面板，101、102-透明基片，103-液晶层，104-滤色层，105-黑色矩阵，106-透明电极，107-取向膜，108-TFT元件，109a、109b-偏光片，110-隔离件，111-密封材料，112a、112b-λ/4片，200、200a-微透镜阵列基片，201-形成微透镜阵列用透明基片，202-微透镜阵列，202a-微透镜，203-凸边，204-低折射率层，205-棱镜部，205a-槽，206-反射部，300-光源，301a、301b-发光二极管(LED)，302-光导。
具体实施例方式
以下说明本发明的实施方式1。
基于
本发明的实施方式1的液晶显示装置。图1是示意地表示本发明的实施方式1的液晶显示装置的结构的剖视图。
如图1所示，液晶显示装置具备液晶显示面板100、微透镜阵列基片200和光源单元300。本发明的实施方式的液晶显示装置搭载在例如移动电话、移动终端、移动式游戏机、车载导航系统的显示器等上。本发明也可以用于半透射型、透射型液晶显示装置中的任何一种装置上。在半透射型液晶显示装置中本发明尤其有效。由于半透射型液晶显示装置在外部光线较强处反射并利用外部光线，所以具有反射外部光线的功能。因此，与透射型相比，背光的透射率降低了。本发明由于在透射区域能够用微透镜会聚背光，因此能够防止光利用率的下降。从而也可以扩大反射区域，还能够同时提高在室外利用外部光线时的可见性。
另外，由微透镜阵列基片200及光源单元300构成背光单元。液晶显示面板100的结构为将在内表面上形成有透明电极106等的两张透明基片101、102的内表面相互相对地配置，将液晶层103夹在这两张透明基片101、102之间。
首先，基于附图详细说明液晶显示面板100的结构。如图1所示，在透明基片101、102之间分散布置有用于控制液晶层103的高度(单元间隙-cellgap)的隔离件(spacer)100。利用沿透明基片101、102的外周边缘涂敷的密封材料111来粘贴该透明基片101、102。在透明基片101、102的外表面上分别安装有偏光片109a、109b。
透明基片101由矩形薄板形成。透明基片101的材料使用玻璃、聚碳酸酯或丙烯酸酯类树脂(acrylate resin)等。在透明基片的101的内表面上依次层叠形成有滤色层(color filter)104、透明电极106及取向膜107。另外，在滤色层104的各像素之间形成有作为遮光膜的黑色矩阵105。各像素在除去黑色矩阵105、TFT元件及各种配线等的非透射区域的区域上，具有透过背光光线的透射区域。还有，在透明基片101上形成这些滤色层104、透明电板106及取向膜107等而构成元件基片。
透明基片102由矩形状的薄板形成。透明基片102的材料使用玻璃、聚碳酸酯或丙烯酸酯类树脂等。在透明基片102的内表面上依次层叠形成有TFT元件108、透明电极106及取向膜107。还有，在透明基片102上形成这些TFT元件108、透明电板106及取向膜107等而构成元件基片。透明电极106的材料使用例如氧化铟锡(ITO-Indium Tin Oxide)。取向膜107的材料使用例如聚酰亚胺。
其次，基于附图详细说明微透镜阵列基片200及光源300的结构。如图1所示，微透镜阵列基片200设置在液晶显示面板100的背面一侧。另外，在微透镜阵列基片200的一侧面上设置有光源单元300。
图2是表示本发明的实施方式1的背光单元的结构的示意图，图2(a)是示意正视图，图2(b)是沿图2(a)的P-P剖切线的示意剖视图，图2(c)是沿图2(a)的Q-Q剖切线的示意剖视图。
图3是表示本发明的实施方式1的背光单元的结构的示意图，图3(a)是示意后视图，图3(b)是沿图3(a)的R-R剖切线的示意剖视图，图3(c)是沿图3(a)的S-S剖切线的示意剖视图。为了方便起见，在图2(a)及图3(a)上将微透镜阵列形成用透明基片201的各顶点设为A～D。
还有，如图2及图3所示，微透镜阵列202的微透镜202a的延伸方向(长度方向)及棱镜部205的槽205a的延伸方向(长度方向)存在相互大致正交的关系。
如图1、图2及图3所示，微透镜阵列基片200具备微透镜阵列形成用透明基片201、由多个微透镜202a构成的微透镜阵列202、凸边(rim)203、低折射率层204、具有多个槽205a的棱镜部205和反射部206。
微透镜阵列形成用透明基片201由矩形状的薄板形成。另外，微透镜阵列形成用透明基片201的材料使用玻璃。
为了防止由周围使用环境温度所引起的液晶像素和微透镜阵列的偏差，微透镜阵列形成用透明基片201最好是热膨胀系数与液晶显示面板所用的玻璃基片的膨胀系数相近的基片，且最好是热膨胀系数为10×10-7(/℃)以上100×10-7(/℃)以下的玻璃基片。
如图1、图2及图3所示，在微透镜阵列形成用透明基片201的前面形成有微透镜阵列202和凸边203。还有，如图1所示，微透镜阵列基片200通过凸边203安装在液晶显示面板100的背面。如后文所述，通过将感光性树脂(抗蚀剂-resist)在微透镜阵列形成用透明基片201上成膜，然后进行曝光、显影，从而形成微透镜阵列202和凸边203。
微透镜阵列202具有多个圆筒状的微透镜202a。微透镜202a是柱面透镜，具有圆筒状的透镜形状，主要只在一个方向上具有曲率。但是，在本发明中所述的柱面透镜意味着向一个方向的曲率是主要的，并不意味着完全没有向其他方向的曲率。如图2及图3所示，在微透镜阵列形成用透明基片201之内，沿与配置有光源单元300一侧的边BC大致垂直的方向上，相互平行地连续并列设置而形成多个长条形状的微透镜202a。这里，微透镜202a的宽度与液晶显示面板100的像素相对应，设定为数mm以下。
如图2及图3所示，作为外框部的凸边203沿微透镜阵列202的外周边缘做成突出的框状。如图1、图2及图3所示，与微透镜阵列202的凸部顶点一致或比其还高地形成凸边203。为了在液晶显示面板100的背面安装微透镜阵列基片200而设置该凸边203。
具有多个槽205a的棱镜部205设置在微透镜阵列形成用透明基片201的背面上。在微透镜阵列形成用透明基片201之内，沿与配置有光源单元300的边BC大致平行的方向，相互平行地连续并列设置而形成多个槽205a。即，多个槽205a的延伸方向(长度方向)与多个微透镜202a的延伸方向(长度方向)大致正交。
通过例如在聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate(以下，称为PET))等的透明基片上，辊压复制已预先将多个槽205a做成棱镜状的透明的光固化性树脂并将其固化后，粘贴在透明基片201上，或者通过在将光反应树脂直接涂敷在透明基片201上后，利用使用了灰色掩膜的光刻法等形成多个槽205a，从而制成棱镜部205。这样，能够简单地制作棱镜部205。
还有，也可以例如在聚碳酸酯等的透明基体材料上，使用压印模(stamper)通过毫微压印(nanoimprinting)形成棱镜部205。另外，也可以在微透镜阵列用透明基片201的背面上利用直接2P法形成棱镜部205。还有，将棱镜部205的折射率设定成与微透镜阵列形成用基片201的折射率相等或比其大。
如图1、图2及图3所示，反射部206沿棱镜部205的表面上的多个槽205a形成。反射部206利用金、银、铝或铝合金等材料通过蒸镀等形成。还有，也可以利用金、银、铝或铝合金等形成片状，与形成有棱镜部205的槽205a的面相对地配置该片状的反射部206。即，也可以做成在反射部206上不形成反射膜，而设置与微透镜阵列基片200分开的反射板。
这里，列举棱镜部205及反射部206的具体例子。图4及图5是表示棱镜部及反射部的一个例子图。如图4及图5所示，棱镜部205包括PET片2051、在该PET片2051上涂敷的光固化树脂2052、在该光固化树脂2052上形成的多个槽205a。PET片2051及光固化树脂2052使用了折射率约为1.6的材料。
在图4中，多个槽205a做成锐角状。在图5中，多个槽205a形成在圆筒状的凸部之间。另外，如图4及图5所示，反射部206沿棱镜部205的表面上的槽205a形成。还有，反射部206的材料使用金、银、铝或铝合金等的薄膜。这时，如图4及图5所示，由于反射部206沿棱镜部205的表面上的多个槽205a形成，所以光在各槽205a的边缘部反射和散射，来自棱镜部205的出射光为大致均匀。结果，能够得到均匀性高、视场角大的出射光。还有，在反射部206上形成有硬膜层(未图示)。硬膜(hard coating)层的材料使用光固化性树脂等。为了保护反射部206和防止其氧化，设置该硬膜层。另外，棱镜部205与边BC平行但不必连续，也可以间断地形成。
如图2及图3所示，光源单元300包括例如作为光源的发光二极管(以下，称为LED))301a、301b及导光件302。在微透镜阵列形成用基片201的边BC的侧面一侧设有光源单元300。光源单元300和微透镜阵列基片200仅离开一定距离配置。在它们之间既可以是空气，也可以用比微透镜阵列基片200的折射率还低的低折射率层充填。LED301a、301b是配置在导光件302的两端部(短边一侧的端部侧面)的点光源。
导光件302由例如聚碳酸酯、聚烯烃或丙烯酸酯类树脂等透明树脂构成。在导光件302上，在与微透镜阵列基片200一侧的侧面3021相反一侧的侧面3022上形成有棱镜状的反射槽。进而，还可以在侧面3022上形成反射膜。在侧面301上形成的反射槽基本上做成，将LED301a、301b的光或从LED301a、301b出射并在侧面3021反射的光朝向微透镜形成用基片201一侧照射。即，该反射槽通过使反射在侧面3021和侧面3022之间反复进行多次而没有将光从入射一侧引导到里面的作用。因此，在该导光件302的侧面3022上形成的棱镜状的反射槽与形成于微透镜基片200的底面上且使光向前面一侧反射的棱镜状的反射槽不同，易于提高所反射的光的指向性。
进而，导光件302的侧面3022做成在长度方向(微透镜阵列形成用基片201的边BC的方向)上具有曲率的曲面。更具体地，导光件302的侧面3022具有中央部向与导光件302的出射方向相反一侧呈凸状突出的曲面形状。由于具有这种曲面形状，可进一步提高指向性，而将从两端部入射的光入射到侧面3021一侧的微透镜阵列基片端面上。
这里，在导光件302的曲面中，中央部的曲率比两端部的曲率小。这样一来，能够将来自导光件302的中央部的出射光的指向性做得比来自两端部的出射光的指向性高。在本例中，如图6所示，来自中央部的出射光具有半宽度角度为±2度左右的指向性，来自两端部附近的出射光具有半宽度角度为±8度左右的指向性。
这样构成的导光件302能以显著提高的指向性将从两端部入射的光从作为出射面的侧面3021出射。即，从导光件302的侧面3021出射的光是从该侧面3021与导光件302的长度方向垂直地出射的成分较大的平行光。从优选实施方式中的导光件302出射的光的半宽度角度为±15度以下，更优选的是±10度以下。在本说明书中，所谓“平行光”是指，将具有相对于从导光件端面3021出射的光的峰值强度减半的出射强度的角度定义为半宽度角度，将具有该半宽度角度为±15度以下的指向性的光称为“平行光”。
如图1、图2及图3所示，作为中间层的低折射率层204是在微透镜阵列形成用透明基片201的前面上，形成于微透镜阵列202及微透镜阵列形成用透明基片201之间。在此，微透镜阵列形成用透明基片201的折射率设定为比低折射率层204的折射率大。低折射率层204通过例如，将含氟树脂材料及使空心纳米二氧化硅(nanosilica)珠分散于丙烯酸酯等的透明树脂中的材料等涂敷在微透镜阵列形成用透明基片201的前面上来形成。这里，空心纳米二氧化硅珠是指40nm左右的二氧化硅球且内部为空心的。通过将这种空心纳米二氧化硅珠分散在透明树脂中，能够有效地降低透明树脂的折射率。
通过做成这种结构，如使用图7的后文所述，能够减小微透镜阵列形成用基片201和抵折射率层204之间的界面的全反射的临界角θmax，从而对微透镜202a的入射角较大的光被低折射率层204反射，能够抑制对微透镜202a的入射角较大的光透过微透镜阵列形成用基片201和低折射率层204之间的界面。其结果，能够使配置于微透镜阵列基片200的侧面一侧的光源单元300的光高效地导入该微透镜阵列基片200内，并向前面一侧高效地出射。结果，能够提高液晶显示面板100的像素内的亮度，并能增大视场角。
假设在不形成低折射率层204时，由于在微透镜阵列基片200的出射面上，形成有具有柱面透镜形状的微透镜202a，因此从导光件302出射的出射光由微型202a的透镜向各个方向反射，指向性下降。与此相反，在本发明的实施方式中，入射的平行光在平坦的低折射率层204上被全反射并被导向整个区域，所以能以维持平行光状态传播，能够抑制指向性的下降。这时，在传播过程中，入射光由在微透镜阵列基片200的底面上设置的棱镜状的反射槽反射，但由于该反射槽在与入射光的传播方向垂直的方向上延伸，因此不会因反射而扰乱平行光的状态。
这里，具体地试算出微透镜阵列形成用透明基片201和低折射率层204之间的界面的全反射的临界角θmax。图7是微透镜阵列基片的光源一侧的放大模式图。θ表示光源单元300的光向低折射层204入射时的入射角，φ表示光源单元300的光从空气层向微透镜阵列形成用基片201入射时的折射角。另外，图7中所示的带箭头的线JK及带箭头的线KL表示光源单元300的光在微透镜阵列形成用透明基片201和低折射率层204之间的界面上全反射时的光程。
图8是表示低折射率层的材料与各种光学特性的关系图。如图7所示，低折射率204的材料选定了含氟透明树脂、含空心纳米二氧化硅珠的透明树脂及二氧化硅三种。若根据斯内尔定律分析全反射条件，则低折射率层204的折射率越小，微透镜阵列形成用透明基片和低折射率层之间的界面处的全反射临界角θmax就越小。
如图8所示可知，在选定了折射率最小的含氟透明树脂时，全反射的临界角θmax能够减小至约63.5°。这时，光源单元300的光从空气层向微透镜阵列形成用基片201入射时的折射角φ约为26.5°。还有，在根据斯内尔定律分析全反射条件时，微透镜阵列形成用透明基片201的折射率为1.52。
这里，折射角φ越大，对微透镜202a的入射角较大的光在低折射率层204上越有效地反射，从而能够有效地抑制对微透镜202a的入射角较大的光保持原样地透过微透镜阵列形成用基片201和低折射率层204之间的界面。结果，能够有效地减小实际上入射到微透镜202a的光的入射角，并能够将配置于微透镜阵列基片200的侧面一侧的光源单元300的光有效地向该微透镜阵列基片200的前面一侧出射。
如上所示，能够得到在微透镜阵列基片200上附加了作为背光的导光板的功能的液晶显示装置。另外，能够去掉现有的液晶显示装置所使用的导光板和多个光学片，从而能够使背光单元薄型化，并能够使液晶显示装置整体的厚度变薄。另外，通过去掉导光板和多个光学片，能够降低零部件成本及制造成本。
例如，在目前含有偏光片的液晶显示面板的厚度为0.6mm，微透镜阵列基片的厚度约为0.3mm，导光板的厚度约为0.4mm，多个光学片的厚度的合计约为0.25mm时，现有的液晶显示装置整体的厚度约为1.55mm。与此相应，在本发明的实施方式1的液晶显示装置中，含有偏光片的液晶显示面板的厚度为0.6mm，微透镜阵列基片的厚度约为0.4mm时，液晶显示装置整体的厚度约为1.0mm。这样，通过本发明能够将液晶显示装置整体的厚度减薄约0.55mm。
另外，近年来，伴随着液晶显示面板的薄型化，液晶显示面板的刚性下降，液晶显示面板变得容易损坏。如上述实施方式那样，通过将微透镜阵列基片200配置在液晶显示面板100的背面一侧，能够提高液晶显示装置整体的刚性。另外，由于通过凸边203将微透镜阵列基片200粘贴在液晶显示面板100的背面，因此能够进一步提高液晶显示装置整体的刚性。
图9是本发明的实施方式1的背光单元的立体图。参照该图，说明从LED301a出射的光直到从微透镜阵列基片200的出射面出射的举动。
首先，从LED301a出射的光从导光件302的端部入射。在导光件302上，入射光直接或在侧面3021反射后，在具有棱镜状的反射槽的侧面3022上反射，再从微透镜阵列基片200一侧的侧面3021出射。该出射光对于与作为出射面的侧面3021的长度方向垂直的方向，是指向性较高的平行光。
从微透镜阵列基片200的侧面入射的平行光，在低折射率层204和棱镜部205之间反射后入射到微透镜202a上，或者在刚入射之后，在棱镜部205上反射后马上入射到微透镜202a上。这时，因为棱镜部205的反射槽在与平行光的传播方向垂直的方向上延伸，所以即使平行光在该反射槽上反射，也不会扰乱平行光的状态，可维持较高的指向性。另外，由于低折射率层204也具有平坦的界面，所以即使在此反射，仍不会扰乱平行光的状态，可维持较高的指向性。
以平行光的状态入射到微透镜202a上的光，由于在与作为柱面透镜的微透镜202a的长度方向垂直的方向上沿该平行光的平行面会聚，因此能够按照微透镜202a的透镜面形状高精度地会聚到与微透镜202a的长度方向垂直的方向上。
图15表示使用了本发明的背光单元的液晶显示装置的亮度模拟(simulation)的曲线图。由此可知，光源出射角越小(几乎为平行光)，亮度越高。
这里，如图10所示，液晶显示面板上的像素为长方形，通常的配置为长方形的长边彼此相接。例如，QVGA的像素的长边为150μm，短边为50μm，还有，VGA中的像素的长边为75μm，短边为25μm。并且，就这些像素上的开口部而言，由于长边方向的开口率比短边方向低，所以相比在短边方向上高精度地会聚，在长边方向上高精度地会聚会使入射光更有效地透过开口部，从而提高亮度。因此，如图10所示，做成将像素的长边方向配置在可高精度地会聚的、与微透镜202a的长度方向垂直的方向上。还有，由于入射光在像素的透射区域会聚后扩散，所以在像素长边方向的视场角较大。
另一方面，对于微透镜202a的长度方向，指向性虽然不高，但由于该方向与开口率高的短边方向一致，所以对亮度下降影响较少。本例中，通过降低指向性，以确保对于短边方向的视场角。
这样，从LED301a入射的光通过微透镜202a出射而入射到各像素上，因此能够高精度地避开设置于液晶显示面板上的TFT元件或黑色矩阵，从而能够提高液晶显示面板的亮度。
下面，对本发明的实施方式1的微透镜阵列基片的制造方法进行说明。图11是表示本发明的实施方式1的微透镜阵列基片的制造方法的图。
首先，如图11(a)所示，准备玻璃制的微透镜阵列形成用透明基片201，通过在微透镜阵列形成用透明基片201的前面上涂敷例如含氟透明树脂，从而形成了低折射率层204。这里，微透镜阵列用透明基片201使用例如400μm厚的玻璃基片。
接着，如图11(b)所示，在该微透镜阵列形成用透明基片201中，对形成有低折射率层204的面的整个区域，涂敷感光性树脂(阴型透明抗蚀剂)，使用灰度掩膜(gray scale mask)，形成了透镜形成层20。关于涂敷方法有旋涂法(spin coat)或槽涂法。
感光性树脂优选紫外线固化树脂。作为感光性树脂，优选能用有机溶剂、碱溶液、水中的任意一种显影的树脂。作为紫外线固化树脂，优选含有至少在侧链上具有羧基和乙烯性不饱和基的丙烯系共聚物和光反应性化合物的树脂。在侧链上具有羧基和乙烯性不饱和基的丙烯系共聚物是聚合粘结剂成分，可以通过在使不饱和羧酸和乙烯性不饱和化合物共聚而形成的丙烯系共聚物中，在侧链上添加乙烯性不饱和基来进行制备。
不饱和羧酸是例如丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、丁烯酸及他们的酸酐等。乙烯性不饱和化合物是例如丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯等。作为侧链的乙烯性不饱和基有乙烯基、烯丙基、丙烯基这类物质。
作为具有缩水甘油(glycidyl)基的乙烯性不饱和化合物，可列举丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、烯丙基缩水甘油醚等。对于感光性树脂，作为聚合粘结剂成分能够并用上述丙烯共聚物以外的感光性聚合物或非感光性聚合物。
作为感光性聚合物有光不溶性聚合物和光可溶性聚合物；作为光不溶性聚合物，可列举将在一个分子中具有一个以上的不饱和基等的官能度单体或低聚物与适当的聚合物粘结剂混合的物质，将芳香族重氮化合物、芳香族叠氮化合物、有机卤化物等感光性化合物与适当的聚合物粘结剂混合的物质、通过将感光性基附加在已有的高分子中作为侧基而得到的感光性高分子或将其改性的物质，重氮系胺和甲醛缩合物等所谓的重氮树脂等。另外，作为光可溶性聚合物，可列举将重氮化合物的无机盐或与有机酸的络合物(complex)，醌二叠氮(quino-di-azide)类等与适当的聚合物粘结剂混合的物质，将醌重氮类与适当的聚合物粘结剂结合的例如苯酚、酚醛清漆树脂的萘醌-1，2-二叠氮-5-磺酸酯等。
作为非感光性聚合物，可列举聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、甲基丙烯酸酯聚合物、丙烯酸酯聚合物、丙烯酸酯-甲基丙烯酸酯共聚物、α-甲基苯乙烯聚合物等。
作为光反应性化合物，能够使用含有公知的具有光反应性的碳-碳不饱和键的单体、低聚物。例如光反应性化合物有丙烯酸烯丙酯、丙烯酸苄酯、丙烯酸丁氧基乙酯、丁氧基三甘醇丙烯酸酯等。另外，作为低聚物的代表例，可列举聚酯丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯等。
紫外线固化树脂所使用的光聚合引发剂有例如苯酮、o-苯甲酰苯甲酸甲基酯、4，4双(二甲胺)苯酮、4，4双(二乙胺基)苯酮、4，4二氯苯酮等还原剂的组合等。
接着，如图11(c)所示，在与形成了透镜形成层20的面相反一侧，配置灰度掩膜30，再对透镜形成层20进行曝光。这里，灰度掩膜30对应于图2及图3所示的微透镜阵列202及凸边203的形状而形成。在微透镜阵列202的形成区域内，可利用灰度掩膜30对从灰度掩膜30一侧照射的曝光用光施加强度调制。
详细地讲，强度调制如下进行在各微透镜202a的形成区域中，曝光强度以各微透镜202a的中央部分为最大，而在两端部减小。根据灰度掩膜30的透镜形成区域的不同，利用施加了强度调制的曝光用光，可将透镜形成层20固化成圆筒状的透镜形状。
另外，通过使用该灰度掩膜30，在凸边203的形成区域内也进行曝光，从而固化成凸边形状。这样，通过使用同一灰度掩膜30同时形成多个微透镜202a及凸边203，能够在微透镜阵列形成用透明基片201上有效地形成微透镜阵列202及凸边203。
接下来，如图11(d)所示，在透镜形成层20的曝光结束后，通过对透镜形成层20进行显影而去除未固化部分。这时，在微透镜阵列202及凸边203的形成区域以外的区域，由于没有进行曝光及显影处理，因此在该区域可完全去除透镜形成层20。这样一来，就在微透镜阵列形成用透明基片201上形成了微透镜阵列202及凸边203。这时，形成例如圆筒状的微透镜阵列202的高度约为15μm，凸边203的高度约为20μm。
接着，如图11(e)所示，在微透镜形成用基片201中，在与形成有微透镜阵列202的面相反一侧的面上，形成棱镜部205及反射部206。具体地，准备在表面形成了反射部206的棱镜部205，将其粘贴在微透镜阵列形成用基片201中、与形成有微透镜阵列202的面相反一侧的面上。进而，在反射部206上形成硬膜层(未图示)。硬膜层的材料使用光固化树脂等。该硬膜层为保护反射部206和防止其氧化而设置。
还有，棱镜部205如下形成例如在PET等透明基体材料上，辊压复制已预先将多个槽205a做成棱镜状的透明的光固化树脂并使其固化后，再粘贴在透明基片201上。另外，反射部206通过在棱镜部205的表面上蒸镀金、银、铝、铝合金等而形成。
如上那样，做成微透镜阵列基片200。
下面，说明本发明的实施方式2。
基于附图，说明本发明的实施方式2的液晶显示装置。图12是示意地表示本发明的实施方式2的液晶显示装置的结构的剖视图。图13是表示本发明的实施方式2的背光单元的结构的示意图，图13(a)是示意正视图，图13(b)是沿图13(a)的T-T剖切线的示意剖视图，图13(c)是沿图13(a)的U-U剖切线的示意剖视图。
图14是表示本发明的实施方式2的背光单元的结构的示意图，图14(a)是示意后视图，图14(b)是沿图14(a)的V-V剖切线的示意剖视图，图14(c)是沿图14(a)的W-W剖切线的示意剖视图。
在本发明的实施方式1的液晶显示装置中，如图1、图2及图3所示，偏光片109a、109b分别安装在液晶显示面板100的透明基片101、102的外表面上，与此相应，如图12、图13及图14所示，本发明的实施方式2的液晶显示装置的不同点在于偏光片109b设置于微透镜阵列基片200a的低折射率层204与微透镜阵列202之间。这时，λ/4片112b设置在微透镜阵列202和偏光片109b之间。另外，λ/4片112a也设置在液晶显示面板100a的偏光片109a和透明基片101之间。
这样一来，能够缩短微透镜阵列202和液晶显示面板100a的透明基片102的内表面的距离，并能够缩短微透镜202a的焦距。结果，能够进一步增大液晶显示面板100a的视场角。例如，当透明基片102的片厚为0.2mm时，能够将视场角增大到约±40°左右。
现在说明本发明的实施方式2的微透镜阵列基片200a的制造方法。首先，在微透镜阵列形成用基片201上，依次层叠形成低折射率层204、偏光片109b及λ/4片112b后，在λ/4片上形成透镜层20。之后，按照图8所示的制造方法，形成微透镜阵列202及凸边203等。
以上的说明是对本发明的实施方式的说明，但本发明并不限定于以上的实施方式。另外，只要是本领域技术人员，可以在本发明的范围内很容易地变更、追加、变换以上实施方式中的各要素。
在上述实施方式中，虽然对在微透镜阵列形成用透明基片201及微透镜阵列202之间形成低折射率层204进行了说明，但是只要能够使微透镜阵列形成用透明基片201本身的折射率比微透镜阵列202还大，则不必设置低折射率层204。
还有，在上述实施方式中，虽然使用了阴型光致抗蚀剂，但也可以使用分解感光部分、对于溶剂的溶解性好的阳型光致抗蚀剂。
另外，在上述实施方式中，虽然对使用相同的材料形成微透镜阵列及凸边进行了说明，但是也可以使用不同的材料形成微透镜阵列及凸边。
在上述实施方式中，虽然对使用相同的灰度掩膜形成微透镜阵列及凸边进行了说明，但也可以使用不同的灰度掩膜。还有，在上述实施方式中，虽然对在微透镜阵列形成用透明基片上形成凸边进行了说明，但也可以单独制作凸边。在上述实施方式中，虽然对将微透镜阵列基片200用于液晶显示面板进行了说明，但并不限于此，也可以将微透镜阵列基片用于其它用途。
在上述实施方式中，虽然将LED301配置在导光件的两端部，但也可以将其配置在任意一方的端部。
权利要求
1.一种背光单元，具备设于液晶显示面板的背面一侧，使光在该液晶显示面板的各像素透射区域会聚的微透镜，其特征在于，具备光源；导光件，该导光件通过从端部入射来自上述光源的光，通过在设于一侧面上的第一棱镜部上反射，将平行光从与设有上述第一棱镜部的侧面相对的侧面出射；以及微透镜阵列基片，该微透镜阵列基片从侧面入射从上述导光件出射的平行光，利用设于底面上的第二棱镜部将其反射后，通过设于前面的上述微透镜将其向上述液晶显示面板出射，上述微透镜阵列基片具备由多个微透镜构成的微透镜阵列；形成有由在垂直于从上述侧面入射的平行光的传播方向的方向上延伸的反射槽构成的第二棱镜部的透明基片；以及形成于上述微透镜阵列和上述透明基片之间，折射率比该透明基片还低的低折射率层。
2.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，上述光源具有设于上述导光件的一端部上的第一光源和设于另一端部上的第二光源。
3.如权利要求1或2所述的背光单元，其特征在于，在上述导光件上，设有上述第一棱镜部的侧面具有中央部突出的曲面结构。
4.一种背光单元，具备设于液晶显示面板的背面一侧，使光在该液晶显示面板的各像素透射区域会聚的微透镜，其特征在于，具备出射平行光的导光件；以及微透镜阵列基片，该微透镜阵列基片从侧面入射从上述导光件出射的平行光，利用设于底面上的第二棱镜部将其反射后，通过设于前面的上述微透镜将其向上述液晶显示面板出射，上述微透镜阵列基片具备由多个微透镜构成的微透镜阵列；形成有由在垂直于从上述侧面入射的平行光的传播方向的方向上延伸的反射槽构成的第二棱镜部的透明基片；以及形成于上述微透镜阵列和上述透明基片之间，折射率比该透明基片还低的低折射率层。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的背光单元，其特征在于，上述微透镜是在垂直于上述第二棱镜部的反射槽的方向上延伸的柱面透镜。
6.如权利要求1～5中任意一项所述的背光单元，其特征在于，具备设于上述低折射率层和上述微透镜阵列之间的偏光片或偏振层。
7.一种液晶显示装置，具备在将液晶夹持在内表面上形成了电极的一对元件基片之间而成的液晶显示面板和设于上述液晶显示面板的背面一侧的背光单元，其特征在于，上述背光单元具备具备光源；导光件，该导光件通过从端部入射来自上述光源的光，通过在设于一侧面上的第一棱镜部上反射，将平行光从与设有上述第一棱镜部的侧面相对的侧面出射；以及微透镜阵列基片，该微透镜阵列基片从侧面入射从上述导光件出射的平行光，利用设于底面上的第二棱镜部将其反射后，通过设于前面的上述微透镜将其向上述液晶显示面板出射，上述微透镜阵列基片具备由多个微透镜构成的微透镜阵列；形成有由在垂直于从上述侧面入射的平行光的传播方向的方向上延伸的反射槽构成的第二棱镜部的透明基片；以及形成于上述微透镜阵列和上述透明基片之间，折射率比该透明基片还低的低折射率层。
8.如权利要求7所述的液晶显示装置，其特征在于，上述光源具有设于上述导光件的一端部上的第一光源和设于另一端部上的第二光源。
9.如权利要求7或8所述的背光单元，其特征在于，在上述导光件上，设有上述第一棱镜部的侧面具有中央部突出的曲面结构。
10.一种液晶显示装置，具备在将液晶夹持在内表面上形成了电极的一对元件基片之间而成的液晶显示面板和设于上述液晶显示面板的背面一侧的背光单元，其特征在于，具备出射平行光的导光件；以及微透镜阵列基片，该微透镜阵列基片从侧面入射从上述导光件出射的平行光，利用设于底面上的第二棱镜部将其反射后，通过设于前面的上述微透镜将其向上述液晶显示面板出射，上述微透镜阵列基片具备由多个微透镜构成的微透镜阵列；形成有由在垂直于从上述侧面入射的平行光的传播方向的方向上延伸的反射槽构成的第二棱镜部的透明基片；以及形成于上述微透镜阵列和上述透明基片之间，折射率比该透明基片还低的低折射率层。
11.如权利要求7～10中任意一项所述的液晶显示装置，其特征在于，上述微透镜是在垂直于上述第二棱镜部的反射槽的方向上延伸的柱面透镜。
12.如权利要求7～11中任意一项所述的液晶显示装置，其特征在于，具备设于上述低折射率层和上述微透镜阵列之间的偏光片或偏振层。
13.如权利要求7～12中任意一项所述的液晶显示装置，其特征在于，上述液晶显示面板具有各自为长方形的多个像素，并且具有将各个像素的长度方向朝向同一方向地邻接排列的像素结构，上述背光单元的微透镜的长度方向配置成与上述像素的宽度方向平行。
14.如权利要求7～13中任意一项所述的液晶显示装置，其特征在于，上述液晶显示装置是半透射型液晶显示装置。
全文摘要
本发明提供一种可提高液晶显示面板的亮度的背光单元及液晶显示装置。本发明的背光单元使用通过从端部入射来自LED(301)的光，并在棱镜状的反射槽上反射，从而将平行光从出射面出射的导光件(302)。还具备从侧面入射从导光件(302)出射的平行光，利用棱镜部(205)将其反射后，通过微透镜阵列(202)将其向液晶显示面板(100)出射的微透镜阵列基片。棱镜部(205)具有在垂直于从侧面入射的平行光的传播方向的方向上延伸的反射槽(205a)。微透镜(202a)在与反射槽(205a)垂直的方向上延伸。在微透镜阵列(202)一侧设有低折射率层(204)。
文档编号G02B3/00GK101082735SQ20071008837
公开日2007年12月5日 申请日期2007年3月16日 优先权日2006年5月30日
发明者梅林信弘 申请人:日立麦克赛尔株式会社