专利名称：透光膜、形成透光膜的方法和液晶显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括在一个表面上连续排列的三维结构的透光膜、形成该透光膜的方法和液晶显示器。
背景技术：
液晶显示器(LCD)消耗较少的电能，与阴极射线管(CRT)相比能够形成得既小又薄。最近，各种尺寸的液晶显示器投入使用，诸如包括移动电话、数字照相机和个人数字助理(PDA)的小型装置，和包括液晶电视的大型装置。
液晶显示器分成透射型和反射型。透射型液晶显示器包括用一对透明基板夹住液晶层形成的液晶显示面板、分别设置在液晶显示面板的光入射侧和光出射侧的第一偏振器和第二偏振器、和起到照明光源作用的背光单元。背光单元可以是光源直接设置在液晶显示面板下面的直接光型或使用导光板的边缘光型。
为了将来自光源的光的发射方向聚集到正面，已知的一种结构是将称为增亮膜的透光膜插入背光单元和液晶显示面板之间(例如，参见日本专利No.3158555)。增亮膜由棱镜片制成，其通过从背光单元向正面垂直发射光来聚集光，所述棱镜片具有以微小的间距周期排列在第一面上的三角形横截面的棱镜。
然而，由于对于现有的棱镜片，折射率是各向同性的，并且从棱镜片出射的光通常不偏振，所以大约一半从棱镜片出射的光被设置在液晶板光入射侧的第一偏振器吸收。因此，存在背光的照明光不能有效地被利用而亮度不能提高的问题。
通过在棱镜片和液晶显示面板之间插入透射第一线偏振分量而反射第二线偏振分量的反射偏振器，背光的光效率能增加并且亮度能够提高。
然而，使用这种反射偏振器，液晶显示装置的生产成本增加并且元件的数量增加。因此，要减小装置的尺寸和厚度变得困难。而且，既使使用偏振器，功能也并不完善，例如，沿第一偏振器的吸收轴方向的部分偏振分量泄漏。
考虑到上述问题作出本发明，本发明提供具有光聚集功能和预定偏振分光功能的透光膜、形成透光膜的方法和液晶显示装置。
发明内容
为了解决上述问题，根据本发明的透光膜包括连续设置在第一表面的三维结构，并且三维结构的延伸方向的折射率和三维结构的排列方向的折射率不同。
通过设定所述三维结构的延伸方向的折射率和沿与其垂直的排列方向的折射率的差，对于入射到透光膜的光，可以使沿三维结构延伸方向振荡的偏振分量和沿三维结构排列方向振荡的偏振分量具有不同的透射特性。偏振分量透射特性的差别随着三维结构的延伸方向和排列方向的折射率差的变大而变大。
三维结构的延伸方向不限于一个方向。三维结构的延伸方向可以不同于二维排列的多个延伸方向。而且，根据本发明的三维结构包括诸如棱镜或柱面透镜(lenticular lens)的结构。例如，棱镜形成为具有顶角为90°(度)的三角形横截面。
在上述结构中，例如，通过设定棱镜延伸方向的折射率大于棱镜排列方向的折射率，对于入射到透光膜上的光，沿棱镜延伸方向振荡的偏振分量的返回光量大于沿棱镜排列方向振荡的偏振分量的返回光量。
在所述三维结构的延伸方向和排列方向上具有折射各向异性的本发明的透光膜通过执行以下步骤形成形成在第一表面上具有三维结构的树脂膜的步骤；和沿三维结构延伸方向拉伸树脂膜，并使三维结构延伸方向的折射率和三维结构排列方向的折射率产生差异的步骤。
所述树脂膜的拉伸方向设定为三维结构的延伸方向，以减小由于拉伸前后棱镜形状变化造成的光学特性变化。当设定三维结构的延伸方向的折射率大于排列方向的折射率时，优选选择延伸方向具有大折射率的材料作为透光膜的构造材料。例如，沿拉伸方向具有大折射率的材料包括共聚物，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚奈二甲酸乙二醇酯(PEN，polyethylenenaphthalate)、PET-PEN混合物、或PET-PEN共聚物、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、和聚酰胺。
当设定三维结构的排列方向的折射率大于延伸方向的折射率时，优选选择沿拉伸方向具有小折射率的材料作为透光膜的结构材料。沿拉伸方向具有小折射率的材料包括例如异丁烯酸树脂、聚苯乙烯基树脂、苯乙烯甲基异丁烯酸酯共聚物(styrene-methyl methacrylate co-polymer)、和它们的混合物。
当本发明的透光膜用作液晶显示装置的增亮膜时，采用以下两种结构的任意一种。作为第一结构，形成透光膜，使得三维结构的延伸方向的折射率大于排列方向的折射率，由三维结构的排列方向和该对偏振器中设置在液晶显示面板的光入射侧的一个偏振器的透光轴形成的角度设定为0°-45°。对于第二结构，形成透光膜，使得三维结构的排列方向折射率大于延伸方向的折射率，由三维结构的延伸方向和该对偏振器中设置在液晶显示面板的光入射侧的一个偏振器的透光轴形成的角度设定为0°-45°。
通过这种结构，透光膜的出射光可以在液晶显示面板上有效地出射。因此，背光光束可以有效地利用，液晶显示装置的亮度可以提高。
如上所述，根据本发明的透光膜，由于三维结构的延伸方向和排列方向在折射率方面具有各向异性，所以不仅能实现聚光作用，而且能实现预定偏振分光作用。因此，无需使用诸如反射偏振器之类的光学元件，就可以提高液晶显示装置的增亮效果，可以减少元件的数量和降低生产成本。
图1是图示根据本发明实施例的液晶显示装置的整体结构的分解透视图。
图2是示意性图示作为根据本发明的透光膜的棱镜片结构的整体透视图。
图3是图示根据本发明的棱镜片的作用的主要部件的横截面图。
图4是图示根据本发明的形成棱镜的方法的示意图，其中图4A图示拉伸方向，图4B图示在拉伸前后的棱镜形状变化。
图5图示当沿不同于图4的方向进行拉伸时、棱镜形状的变化。
图6是图示图1所示的液晶显示装置作用的主要部件的侧视图。
图7图示根据本发明的棱镜片面内(in-plane)折射率差值与亮度提高率之间的关系。
图8图示测量本发明第一示例中所述的各向异性棱镜片的横截面形状的结果。
图9图示各向异性棱镜片的双折射测量方法。
图10图示对于各向异性棱镜片垂直偏振光和水平偏振光的出射角的差异。
图11图示根据第一示例的各向异性棱镜片的透光特性。
图12图示根据第一示例的各向异性棱镜片的每个面内方向的折射率。
图13图示根据第一示例的各向异性棱镜片的亮度特性评价的测量条件。
图14图示根据第一示例的各向异性棱镜片的亮度特性评价的评价结果。
图15图示测量根据本发明的第二示例中所述的各向异性棱镜片的横截面形状的结果。
图16图示根据第二示例的各向异性棱镜片的透光特性。
图17图示根据第二示例的各向异性棱镜片的每个面内方向的折射率。
图18图示根据第二示例的各向异性棱镜片的亮度特性评价的评价结果。
图19图示亮度与本发明第三示例中所述的各向异性棱镜片的偏振器的角度相关特性。
具体实施例方式
下面参照附图描述本发明的实施例。
图1是包括根据本发明实施例的透光膜的液晶显示装置10的示意图。首先，简要描述液晶显示装置10的整体结构。
液晶显示装置10包括液晶显示面板11、夹住液晶显示面板11的第一偏振器12A和第二偏振器12B、棱镜片13、散射器14、和背光单元15。
液晶显示面板11具有液晶层插入一对透明基板的结构。根据这个实施例，采用具有良好视角性能的驱动模式诸如垂直取向(VA)和面内转换(IPS)的液晶材料。但是，也可能采用扭曲向列型液晶材料。
第一偏振器12A是设置在液晶显示面板11的光入射侧的偏振器，第二偏振器12B是设置在液晶显示面板11的光出射侧的偏振器。光透射轴的方向根据棱镜片13上的棱镜的排列方向(在下文中，这个方向称为“棱镜排列方向”)的折射率大小与棱镜的延伸方向(在下文中，这个方向称为“棱镜延伸方向“)的折射率大小之间的关系来确定。
例如，如果棱镜延伸方向的折射率大于棱镜排列方向的折射率，则当第一偏振器12A的光的透射轴a的方向设定为棱镜排列方向时，作用最大，如图1所示。但是，由于一些原因，例如为了获得合适的角度亮度分布或提高液晶显示面板11的对比率，透射轴a的方向和棱镜排列方向不匹配时，可能增加透射轴a与棱镜排列方向形成的角度。在这种情况下，为了提高正面亮度，角度必须在0°-45°之间，应该更优选在0°-20°之间。
如果棱镜排列方向的折射率大于棱镜延伸方向的折射率，则当第一偏振器12A的透射轴a的方向设定为棱镜延伸方向时，作用最大。但是，由于一些原因，例如为了获得合适的角度亮度分布或提高液晶显示面板11的对比率，透射轴a的方向和棱镜延伸方向不匹配时，可能增加透射轴a与棱镜延伸方向形成的角度。在这种情况下，为了提高正面亮度，角度必须在0°-45°之间，应该更优选在0°-20°之间。
棱镜片13对应于根据本发明的透光膜，其用作提高液晶显示装置10的正面亮度的增亮膜。棱镜片13设置在散射器14的光出射侧，如下所述，散射器14散射并出射来自背光单元15的照明光(在下文中，也称为“背光光束”)，并且具有聚集功能和预定偏振分光功能。
背光单元15构成为包括多个线光源16和反射器17的直接光型。但是，背光单元15不限于此，可以构成为使用光导板的侧边缘型。光源16是线光源，诸如冷阴极荧光灯(CCFL)。但是，作为替代，也可以使用点光源，诸如发光二极管(LED)。
下面，详细描述作为本发明的透光膜提供的棱镜片13。
图2是棱镜片13的整体结构的示意图。棱镜片13由透光树脂材料制成，在第一侧具有棱镜结构表面13a，其上具有三角形横截面的均匀柱形棱镜沿第一方向(Y方向)连续排列。棱镜结构表面13a中包括的棱镜对应于本发明的“三维结构”，并且每个形成为具有相同的顶角和间距。根据这个实施例，棱镜顶角是90°，排列间距例如是50μm。棱镜片13的第二侧是平坦表面13b。棱镜片13的棱镜结构表面13a面对光出射侧(液晶显示面板11一侧)设置。
棱镜片13沿棱镜延伸方向(x方向)和棱镜排列方向(Y方向)具有不同的折射率。这样，因为棱镜片13具有面内各向异性的折射率，所以入射到棱镜片13的光的透射性能可以根据偏振状态改变。图3图示入射到棱镜片13的光的光路，具体地说，图示出棱镜延伸方向的折射率nx大于棱镜排列方向的折射率(nx＞ny)的情况。这里，Lx表示背光光束L沿棱镜延伸方向(X方向)振荡的偏振分量，Ly表示背光光束L沿棱镜排列方向(Y方向)振荡的偏振分量。
如图3所示，对于从对角线方向、以入射角θ1入射到棱镜片13的平坦表面13b上的背光光束，因为棱镜片13的折射率沿棱镜延伸方向(X方向)和棱镜排列方向(Y方向)不同(nx＞ny)，背光光束的X方向偏振分量Lx和Y方向偏振分量Ly分别以不同折射角rx和ry(rx＜ry)折射，并且从棱镜的斜面、分别以不同出射角φx和φy出射。此时，偏振分量Ly的出射角φy小于偏振分量Lx的出射角φx(φx＞φy)。
在上述实施例中，偏振分量Lx和Ly两者都从棱镜片13的光出射面(棱镜结构表面13a)出射。然而，因为折射率沿棱镜延伸方向(X方向)和棱镜排列方向(Y方向)不同，所以沿这些方向的振荡偏振分量在诸如棱镜的平坦表面13b或斜面之类的界面处以不同反射角反射。根据这个实施例，因为沿棱镜延伸方向的折射率nx大于沿棱镜排列方向的折射率ny，沿棱镜延伸方向振荡的偏振分量Lx比Ly反射得更多。结果，对于透过棱镜片13的背光光束，Ly的光量大于Lx的光量。
因为从棱镜的斜面出射的偏振分量Lx和Ly的出射角存在φx＞φy的关系，所以当入射到棱镜片1 3的背光光束的入射角满足预定条件时，达到完全偏振分光状态，其中偏振分量Lx在棱镜的斜面反复全反射，只有偏振分量Ly透过棱镜片13。图3示出在入射角θ2的条件下达到这种状态的一个示例。作为一个示例，θ2大约等于11到25度，其中nx＝1.9，ny＝1.6，棱镜顶角等于90度。
当背光光束入射到棱镜片13的入射角太小时，达到与当背光光束垂直入射到棱镜片13的平坦表面时相同的状态。在这种情况下，如图3所示，无论背光光束L的偏振状态如何，背光光束L在棱镜的斜面反复全反射，并且变成返回到背光侧的返回光束。
如上所述，通过使棱镜片13面内各向异性，除了对背光光束的聚集作用之外，能够获得预定偏振分光作用。而且，根据上述示例在棱镜片13上反射的光会在背光单元15的散射器14和反射器17(图1)的表面上被反射，无偏振地再次入射到棱镜片13上。因此，光效率提高，所述光能够用于正面亮度的提高。
接下来，将描述形成如上所述结构的棱镜片13的方法示例。
根据本实施例的棱镜片13通过以下步骤形成制作在第一侧上具有棱镜结构表面13a的树脂膜的步骤，和沿棱镜延伸方向拉伸树脂膜并使折射率在棱镜延伸方向和棱镜排列方向具有差异的步骤。
制作树脂膜的方法没有限制，例如，可以采用热压法或熔体挤压工艺。而且，棱镜层可以形成在平树脂片的基底上。优选，树脂膜可以利用辊子连续生产。
通过沿棱镜延伸方向拉伸树脂膜增加所制作的树脂膜的折射各向异性。根据本实施例的棱镜片13，棱镜延伸方向的折射率nx大于棱镜排列方向的折射率ny。因此，如图4A所示，利用沿拉伸方向具有大折射率的树脂材料形成树脂膜，然后，沿棱镜延伸方向(X方向)拉伸树脂膜23，获得目标棱镜片13。根据所需要的面内折射率差和树脂膜材料的类型可以适当地设定拉伸率。
沿拉伸方向具有大折射率的树脂材料包括共聚物，例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚奈二甲酸乙二醇酯(PEN)、它们的混合物，或PET-PEN共聚物、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、和聚酰胺。
拉伸方向被设定为棱镜延伸方向，从而抑制拉伸前后由棱镜形状造成的目标光学特性的变化。图4B图示拉伸前后棱镜结构表面的外形变化，其中实线表示拉伸前，单点划线表示拉伸之后。由于将拉伸方向设定为棱镜延伸方向(X方向)，拉伸后棱镜的横截面形状与拉伸前棱镜的横截面形状基本上成比例关系。因此，能够抑制光学特性的变化，能够高精度地控制的棱镜形状。
与此相反，如图5A和5B所示，通过沿棱镜排列方向(Y方向)拉伸来增加树脂膜23的折射各向异性，棱镜的外部形状变化很大，特别是，棱镜顶角和棱镜排列间距增加，难以以高精度的方式控制想要的光学特性。在图5B中，双点划线表示拉伸之前，实线表示拉伸之后。
为了将棱镜排列方向的折射率设定为大于棱镜延伸方向的折射率，可以使用沿拉伸方向具有小折射率的树脂材料，然后，沿棱镜延伸方向拉伸。沿拉伸方向具有小折射率的树脂材料包括甲基丙烯酸树脂，例如，异丁烯酸酯、聚苯乙烯树脂、苯乙烯丙烯晴共聚物(AS树脂)、苯乙烯异丁烯酸酯共聚物、和它们的混合物。
接下来，参照图6描述根据本实施例的液晶显示装置10的操作。图6是液晶显示装置10的整体侧视图，图示透过棱镜片13、第一偏振器12A、液晶显示面板11、和第二偏振器12B的光的偏振状态。
如上所述，第一偏振器12A的透射轴根据棱镜排列方向的折射率大小和棱镜延伸方向的拉伸方向的折射率大小之间关系来确定。图6图示棱镜延伸方向的折射率大于棱镜排列方向的折射率的情况，其中优选沿棱镜排列方向(Y方向)设置第一偏振器12A的透射轴a。在图6中，Lx表示背光光束L沿棱镜延伸方向(X方向)振荡的偏振分量，Ly表示背光光束L沿棱镜排列方向(Y方向)振荡的偏振分量。
图中未示出的从背光单元15发射并且透过散射器14的非偏振光(背光光束L)入射到棱镜片13的平坦表面13b上。背光光束L朝棱镜片13的前方聚集，从棱镜结构表面13a出射，然后，入射到第一偏振器12A上。第一偏振器12A吸收入射背光光束L的Lx并透射Ly。透过第一偏振器12A的Ly被液晶显示面板11的每个像素单元偏振并入射到第二偏振器12B上。只有第二偏振器12B的透射轴的偏振光透过，从而在面板的前表面形成图像。
入射到棱镜片13的背光光束L的入射角θ不是恒定的，其具有预定的角度分布。形成根据本实施例的棱镜片13，使得沿棱镜延伸方向的折射率nx大于沿棱镜排列方向的折射率ny。因此，如图3所示，对于透过棱镜片13的背光光束L，Lx的量大于Ly的量。量的比例取决于棱镜片13的棱镜排列方向的折射率与棱镜延伸方向的折射率之间的差、和背光光束L入射到棱镜片13的入射角θ的分布。
在棱镜片13上反射的部分背光光束L在在背光单元15的反射器17或散射器14的表面上反射，并且再次入射到棱镜片13上。这种循环作用重复，以有效地使用背光光束L。
根据上述本实施例，因为棱镜片13不仅具有光聚集作用，而且具有预定偏振分光作用，所以背光光束L沿棱镜延伸方向的偏振分量Lx的出射光量比沿棱镜排列方向的偏振分量Ly的出射光量减小得多。因此，在第一偏振器12A上吸收的背光光束L的量能够减少，以有效地使用背光光束L。这样，背光光束L的提取效率增加，提高正面亮度。
而且，由于不需要昂贵的光学元件，如反射偏振器，所以可以通过减少元件数量，进一步减小液晶显示装置的厚度，并且能够降低生产成本。
棱镜片13的背光光束L的偏振分光作用随着棱镜延伸方向的折射率nx和棱镜排列方向的折射率ny之间的差增大而增大。图7图示棱镜排列方向的折射率ny大于棱镜延伸方向的折射率nx的情况，并且示出在nx＝1.60和ny＝nx+Δn时的亮度提高率的模拟结果。这示出了在以双折射Δn设定为零的情况下的亮度提高为基准的情况下的亮度提高结果。这里，棱镜顶角是90°。
从图7可以明显看出，Δn越大，亮度提高率越大。因为nx决定角度亮度分布，所以可以通过产品设计合适地设定该值。与此相反，ny比nx越大越好，这样，能够增加亮度提高率。
前面已经描述本发明的实施例。然而，本发明不限于此，在本发明的范围内，可以采用各种变型。
例如，在上述实施例中，棱镜片13的面内折射率设定为nx＞ny。然而，作为代替，其可以设定为nx＜ny。在这种情况下，当它沿棱镜延伸方向拉伸时，可以使用沿拉伸方向具有小折射率的树脂材料。同样，在这种情况下，优选棱镜排列方向是垂直于第一偏振器透射轴的方向。
而且，在上述实施例中，使用一个棱镜片13。然而，可以使用两个重叠的棱镜片13。在这种情况下，优选叠置棱镜片，使得棱镜延伸方向相互垂直，一个棱镜片沿棱镜延伸方向的折射率大，而另一棱镜片沿棱镜排列方向的折射率大。作为替代，在上面的棱镜片可以是具有折射率差的棱镜片，在下面的棱镜片可以是标准的各向同性的棱镜片(例如，由3M公司制造的BEF(商标))。
此外，根据上述实施例，采用拉伸来产生棱镜片13的折射各向异性。然而，这并没有被限制，例如，可以通过排列折射率各向异性的液晶材料或者通过用具有折射各向异性的液晶材料形成棱镜片，在棱镜延伸方向和棱镜排列方向上产生折射各向异性。
下面将描述本发明的示例。然而，本发明不限于此。在下面描述的示例中，在有些情况下，根据本发明具有折射各向异性的棱镜片称为“各向异性棱镜片”。
(第一示例)[形成棱镜片]作为用于热压以将棱镜形状转印给树脂膜的原始金属模压板，使用具有以以下方式雕刻的表面的板，所述方式使得横截面包括顶角为90°的直角等边三角形，它们彼此相邻且平行地规则并连续排列，使得突起部分和相邻突起部分之间的距离、凹进部分和相邻凹进部分之间的距离都是50μm。树脂膜是热塑性树脂，使用200μm厚不定形PEN(A-PEN)片(由MitsubishiChemical公司制造的NovaClear(商标)SG007，Tg大约70℃)。这种树脂膜在100℃用100kgf/cm2(9.8Mpa)的压力热压10分钟，在热压以后立即加冰水，以获得透明各向同性棱镜片。
所获得的各向同性片切割成8cm长(沿棱镜延伸方向)和5cm宽的矩形。然后，用手动拉伸机固定纵向两个边缘处的三角形横截面(棱镜横截面)，通过以1cm/sec的拉伸速度进行单轴拉伸，使得样品的中心在55℃的温水中拉长3.5倍，从而获得各向异性棱镜片。
所获得的各向异性棱镜片和未拉伸的各向同性棱镜片的三角形横截面用表面粗糙度计(由Kosaka Laboratory有限公司制造的Surfcoder ET4001A)来测量。结果，两个片都包括与原始板相同的具有45度底角的直角等边三角形。而且，拉伸前的样品棱镜大约是50μm间距，其与原始板相同，而拉伸后的棱镜样品大约是30μm间距。
图8图示拉伸后的棱镜片的横截面图。在图中，点划线表示样品拉伸前的横截面形状，实线表示样品拉伸后的横截面形状。应该注意，棱镜的形状在拉伸前和拉伸后是相似的。
双点划线表示样品沿纵向(棱镜延伸方向)切割成1.5cm长和5cm宽形状后的棱镜形状。如示例所示，当纵向/水平比小于1的样品沿纵向拉伸时，棱镜片的横截面形状变形，不能获得与原始形状相似的棱镜形状。因此，优选切割出样品，使得纵向/水平比大于或等于1。
接下来，测量所获得的各向异性棱镜片的双折射。为了测量双折射，如图9所示，偏振光垂直入射到片45的棱镜表面上；用测量单元46检测透射光；基于透射光的出射角φ的差计算棱镜延伸方向的折射率nx与棱镜排列方向的折射率ny的差Δn(＝nx-ny)。换言之，透射光的出射角φ根据入射偏振方向的不同而不同，如图10所示，沿棱镜延伸方向以平行方式振荡的偏振分量(在下文中，该偏振分量称为“垂直偏振光Lx”)的出射角φx大于沿棱镜排列方向以平行方式振荡的偏振分量(在下文中，该偏振分量称为“水平偏振光Ly”)的出射角φy。采用这种方法，能够计算Δn。
图11图示表示透过片45的垂直偏振光Lx和水平偏振光Ly的光量与出射角之间的关系的测量结果。垂直轴的单位(a.u.)代表“任意单位”，其为相对值。作为测量结果，如图12所示，所获得的各向异性棱镜片45的棱镜延伸方向的折射率nx是1.62，而棱镜排列方向的折射率ny是1.55，和Δn是0.07。
根据这个结果，在棱镜的形状被热压成A-PEN片之后，通过单轴拉伸，获得沿棱镜延伸方向和排列方向具有折射率差的各向异性棱镜片。而且，如图11所示，可以确定水平偏振光Ly的透射率大于垂直偏振光Lx的透射率。这是因为，棱镜延伸方向的折射率nx大于棱镜排列方向的折射率ny，棱镜斜面对平行于棱镜延伸方向的偏振分量Lx的全反射作用增加，与Ly相比，透射光量减少。
接下来，测量本示例的各向异性棱镜片45的亮度校准。如图13所示，背光单元是边缘型背光单元，其包括光源50、反射器51、和导光板52。散射器53、增亮膜54、各向异性棱镜片45、偏振器55按照相应的顺序层叠在导光板52上。利用亮度色度计(由ELDIM制造的EZ-contrastXL88)测量正面亮度和照度。
各向同性棱镜片(例如，由3M公司制造的BEF(商标))用作增亮膜54，棱镜延伸方向沿图的左右方向(水平方向)设置。各向异性棱镜片45沿图的上下方向(垂直方向)设置棱镜延伸方向，该棱镜延伸方向垂直于增亮膜54设置。设有两个偏振器55一个具有沿垂直方向的光透射轴A；另一个具有沿水平方向的透射轴B。两个偏振器55用于测量垂直偏振光和水平偏振光的亮度校准。
(第一对比例)用与第一示例相同的方法测量正面亮度和照度，不同的是使用未拉伸各向异性棱镜片(90度棱镜顶角和50μm间距)代替各向异性棱镜片45。
测量结果如表1和图14所示。
第一示例
根据表1和图14所示的结果，与第一对比例的各向异性棱镜片相比，本示例的各向异性棱镜片垂直偏振光的正面亮度和照度降低。然而，与第一对比例的各向异性棱镜片相比，水平偏振光的亮度和照度都提高。
根据上述结果，对于各向异性棱镜片，因为在棱镜表面反射更大量的垂直偏振光，所以该垂直偏振光通过散射器和反射器被循环为各个方向的光，用于增加水平偏振光的亮度和照度。因此，通过将偏振器55的透射轴设定在水平偏振光的方向，即，各向异性棱镜片45的棱镜校准方向，能够有效使用光，并且能够增加正面亮度和照度(光提取效率)。
(第二示例)[形成棱镜片]作为用于热压以将棱镜形状转印给树脂膜的原始金属模压板，使用具有以以下方式雕刻的表面的板，所述方式使得横截面包括顶角为90°的直角等边三角形，它们彼此相邻和平行地规则并连续排列，使得突起部分和相邻突起部分之间的距离、凹进部分和相邻凹进部分之间的距离都是50μm。树脂膜是热塑性树脂，使用200μm厚不定形PEN(A-PEN)片(Tg大约120℃)。这种树脂膜在150℃用100kgf/cm2(9.8Mpa)的压力热压10分钟，在热压以后立即加冰水，以获得透明各向同性棱镜片。
所获得的各向同性片切割成8cm长(沿棱镜延伸方向)和5cm宽的矩形。然后，用手动拉伸机固定纵向两个边缘处的三角形横截面(棱镜横截面)，通过以1cm/sec的拉伸速度进行单轴拉伸，使得样品的中心在140℃的环境中拉长3.5倍，从而获得各向异性棱镜片。
所获得的各向异性棱镜片和未拉伸的各向同性棱镜片的三角形横截面用表面粗糙度计(由Kosaka Laboratory有限公司制造的Surfcoder ET4001A)来测量。结果，两个片都包括与原始板相同的具有45度底角的直角等边三角形。而且，拉伸前的样品棱镜大约是50μm间距，其与原始板相同，而拉伸后的棱镜样品大约是30μm间距。
图15图示拉伸后的棱镜片的示意性横截面图。在图中，点划线表示样品拉伸前的横截面形状，实线表示样品拉伸后的横截面形状。应该注意，棱镜的形状在拉伸前和拉伸后是相似的。
接下来，测量所获得的各向异性棱镜片的双折射。用与第一示例相同的方法测量双折射。
图16图示表示透过各向异性棱镜片的垂直偏振光Lx和水平偏振光Ly的光量与出射角之间的关系的测量结果。垂直轴的单位(a.u.)代表“任意单位”，其为相对值。作为测量结果，如图17所示，所获得的各向异性棱镜片的棱镜延伸方向的折射率nx是1.79，而棱镜排列方向的折射率ny是1.56，和Δn是0.23。
根据这个结果，在棱镜的形状被热压成A-PEN片以后，通过单轴拉伸，获得沿棱镜延伸方向和排列方向具有不同折射率的各向异性棱镜片。而且，如图16所示，可以确定水平偏振光Ly的透射率大于垂直偏振光Lx的透射率。这是因为，棱镜延伸方向的折射率nx大于棱镜排列方向的折射率ny，棱镜斜面对平行于棱镜延伸方向的偏振分量Lx的全反射作用增加，与Ly相比，透射光量减少。
接下来，测量本示例的各向异性棱镜片的亮度校准。如图13所示，背光单元是边缘型背光单元，其包括光源50、反射器51、和导光板52。散射器53、增亮膜54、各向异性棱镜片45、和偏振器55按照相应的顺序层叠在导光板52上。利用亮度色度计(由ELDIM制造的EZ-contrastXL88)测量正面亮度和照度。
各向同性棱镜片(例如，由3M公司制造的BEF(商标))用作增亮膜54，棱镜延伸方向沿图的左右方向(水平方向)设置。各向异性棱镜片45沿图的上下方向(垂直方向)设置棱镜延伸方向，该棱镜延伸方向垂直于增亮膜54设置。设有两个偏振器55一个具有沿垂直方向的光透射轴A；另一个具有沿水平方向的透射轴B。两个偏振器55用于测量垂直偏振光和水平偏振光的亮度校准。
(第二对比例)用与第二示例相同的方法测量正面亮度和照度，不同的是使用未拉伸各向异性棱镜片(90度棱镜顶角和50μm间距)代替各向异性棱镜片45。
测量结果如表2和图18所示。
第二示例
根据表2和图18所示的结果，与第二对比例的各向异性棱镜片相比，本示例的各向异性棱镜片的垂直偏振光的正面亮度和照度降低。然而，与第二对比例的各向异性棱镜片相比，水平偏振光的亮度和照度都提高。
根据上述结果，对于各向异性棱镜片，由于在棱镜表面反射更大量的垂直偏振光，所以该垂直偏振光通过散射器和反射器被循环为各个方向的光，用于增加水平偏振光的亮度和照度。因此，通过将偏振器55的透射轴设定在水平偏振光的方向，即，各向异性棱镜片45的棱镜排列方向，能够有效使用光，并且能够增加正面亮度和照度(光提取效率)。
(第三示例)当本发明的棱镜片用于液晶显示装置时，由棱镜片与偏振器(设置在液晶显示面板的光入射侧的偏振器。在下文中，这是相同的)的透射轴形成的角度变得很重要。如第一和第二示例所示，从棱镜片出射的光的偏振被偏置，优选偏振器的透射轴与对应于偏置的方向匹配。然而，即使由于例如提高液晶显示装置的对比度或抑制波纹的原因，偏振器的透射轴不匹配时，也能够采用本发明。
根据本示例，当沿棱镜延伸方向的折射率大于沿棱镜排列方向的折射率的棱镜片，例如第二示例的棱镜片，用于液晶装置时，以棱镜排列方向与偏振器的透光轴方向形成的角度测量液晶显示装置的正面亮度。
(第三对比例)用与第三示例相同的方法测量正面亮度和照度，不同的是使用未拉伸的各向异性棱镜片(90度棱镜顶角和50μm间距)代替所述各向异性棱镜片。
图19示出测量结果。根据图19的测量结果，当棱镜片的棱镜排列方向与偏振器的透光轴方向形成的角度为0°-45°时，与各向异性棱镜片相比，正面亮度增加，优选该角度为0°-20°。
与棱镜延伸方向的折射率大于棱镜排列方向折射率的情况相反，根据本示例，当形成棱镜片使得棱镜排列方向的折射率大于棱镜延伸方向的折射率时，如果棱镜延伸方向与偏振器的透光轴方向形成的角度为0°-45°，则与各向异性棱镜片相比，能够增加正面亮度，优选该角度为0°-20°。
权利要求
1.一种透光膜，包括连续设置在第一表面上的三维结构，其中，所述三维结构的延伸方向的折射率和所述三维结构的排列方向的折射率不同。
2.如权利要求1所述的透光膜，其中，所述三维结构的延伸方向的折射率大于所述三维结构的排列方向的折射率。
3.如权利要求1所述的透光膜，其中，所述三维结构的排列方向的折射率大于所述三维结构的延伸方向的折射率。
4.如权利要求1所述的透光膜，其中，所述透光膜由沿所述三维结构的延伸方向拉伸的树脂膜构成。
5.如权利要求4所述的透光膜，其中，所述透光膜由沿所述延伸方向具有大折射率的材料构成。
6.如权利要求4所述的透光膜，其中，所述透光膜由沿所述延伸方向具有小折射率的材料构成。
7.如权利要求4所述的透光膜，其中，所述透光膜由例如聚对苯二甲酸乙二醇酯，即PET；聚奈二甲酸乙二醇酯，即PEN；PET-PEN混合物；或PET-PEN共聚物的共聚物构成。
8.如权利要求1所述的透光膜，其中，所述三维结构是棱镜或柱面透镜。
9.一种形成透光膜的方法，该透光膜具有连续设置在第一表面上的三维结构，该方法包括形成在所述第一表面上具有所述三维结构的树脂膜的步骤；和沿所述三维结构的延伸方向拉伸所述树脂膜，并且使所述三维结构的延伸方向的折射率和所述三维结构的排列方向的折射率产生差异的步骤。
10.如权利要求9所述的形成透光膜的方法，其中，所述树脂膜由沿延伸方向具有大折射率的材料构成。
11.如权利要求9所述的形成透光膜的方法，其中，所述树脂膜由沿延伸方向具有小折射率的材料构成。
12.一种液晶显示装置，包括液晶显示面板；一对夹住所述液晶显示面板的偏振器；照明液晶显示面板的光源；和透光膜，其插入所述液晶显示面板和光源之间，所述透光膜在光出射侧的表面上具有连续设置的三维结构，其中，所述透光膜在所述三维结构的延伸方向和所述三维结构的排列方向上具有折射率差。
13.如权利要求12所述的液晶显示装置，其中，所述透光膜形成为使得所述三维结构的延伸方向的折射率大于所述三维结构的排列方向的折射率，并且其中，由所述三维结构的排列方向与所述一对偏振器中设置在所述液晶显示面板的光入射侧的一个偏振器的透光轴方向形成的角度为0°-45°。
14.如权利要求12所述的液晶显示装置，其中，所述透光膜形成为使得所述三维结构的排列方向的折射率大于所述三维结构的延伸方向的折射率，并且其中，由所述三维结构的延伸方向与所述一对偏振器中设置在所述液晶显示面板的光入射侧的一个偏振器的透光轴方向形成的角度为0°-45°。
15.如权利要求12所述的液晶显示装置，其中，所述透光膜由例如聚对苯二甲酸乙二醇酯，即PET；聚奈二甲酸乙二醇酯，即PEN；PET-PEN混合物；或PET-PEN共聚物的共聚物构成。
全文摘要
一种透光膜不仅具有光聚集功能，还具有预定偏振/分光功能。在该透光膜(棱镜片13)中，棱镜延伸方向的折射率nx与棱镜排列方向的折射率ny不同。由于在棱镜延伸方向和沿与其垂直的棱镜排列方向之间设置了折射率差，所以对于入射到透光膜的光，可以在沿棱镜延伸方向振荡的偏振分量Lx和沿棱镜排列方向振荡的偏振分量Ly之间实现不同的透射特性。当棱镜延伸方向的折射率大于棱镜排列方向的折射率nx＞ny时，在入射到透光膜的光中，沿棱镜延伸方向振荡的偏振分量Lx的返回光量大于沿棱镜排列方向振荡的偏振分量Ly的返回光量。这样，不仅可以实现光聚集功能，而且实现预定偏振分光功能。
文档编号F21V5/02GK101091129SQ20068000155
公开日2007年12月19日 申请日期2006年9月14日 优先权日2005年9月15日
发明者星光成, 小幡庆, 堀井明宏, 水野裕 申请人:索尼株式会社