CN100585270C - 背光单元和液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供背光单元和液晶显示装置。与导光体(9)的射出面(9a)相对而配置有带有透镜的棱镜片(光路变更部和聚光部)(10)，并且设置有以规定的倾斜角度相对于射出面(9a)倾斜的多个第二棱镜倾斜面(倾斜面)(10b)。另外，与第二棱镜倾斜面(10b)相应，设置有将来自该第二棱镜倾斜面(10b)的光会聚到射出面(9a)的法线方向上的透镜面(聚光面)(10d)，并且使导光体(9)的传播方向(P)上的透镜面(10d)的中心位置与对应的第二棱镜倾斜面(10b)的中心位置一致。

Description

背光单元和液晶显示装置
技术领域
本发明涉及背光单元和使用该背光单元的液晶显示装置。
背景技术
在液晶显示装置中，使液晶层的光学各向异性根据向该液晶层施加的电压而变化，由此，使光透过率变化，进行文字、图像等信息的显示。在这样的液晶显示装置中，根据用于显示的、向液晶层的入射光，主要分为透过型、反射型和半透过型3种类型。
即，在透过型液晶显示装置中，在设置有液晶层的液晶显示元件的背面(非显示面)侧配置有背光单元，来自该背光单元的光透过液晶显示元件，由此，用户可看到显示信息。另外，在反射型液晶显示装置中，来自前面的入射光由液晶显示元件反射，由此，用户可看到显示信息。
另外，半透过型液晶显示装置，根据它的使用环境，与透过型或反射型中的任一种液晶显示装置同样地起作用。具体地说，半透过型液晶显示装置，在从外部入射的光强的环境下，与反射型液晶显示装置同样，通过反射该外部光进行显示。另一方面，在从外部入射的光弱的环境下，点亮附设在液晶显示元件的背面侧的背光单元，与透过型液晶显示装置同样，使用来自该单元的光进行显示。进一步，在半透过型液晶显示装置中，也有与来自外部的入射光的强度无关，同时用透过型模式和反射型模式这2种模式进行显示的。
另外，在以往的液晶显示装置中，已提出了将具有形成为锯齿状的棱镜面的棱镜片设置在背光单元上的液晶显示装置(例如参照日本特开平11-224058号公报)。
在此，使用图11，对在上述日本特开平11-224058号公报中记载的第一以往例中设置的背光单元具体地进行说明。
如图11(a)所示，背光单元100包括发出平面状的光(以下，称为“面状光”)的面光源装置101、和相对于面光源装置101分别设置在图的上侧和下侧的棱镜片104和反射板105，通过棱镜片104使面状光入射到液晶显示元件(未图示)中。
在面光源装置101中设置有：射出光的光源102；以包围光源102的方式设置的反射部件102a；和导入从光源102射出的光、并且将该导入的光向规定的传播方向(在图11(a)中用箭头S1表示)引导的截面为楔形状的导光体103。反射部件102a通过将从光源102射出的光向导光体103反射，使来自光源102的光高效率地入射到导光体103中。
也参照图11(b)，导光体103具备：将面状光向棱镜片104侧射出的射出面103a；与反射板105相对配置、并且相对于射出面103a以规定的倾斜角K1倾斜的倾斜面103b；和导入来自光源102的光的导入面103c。在该导光体103中，从导入面103c导入到内部的光源102的光，在射出面103a与倾斜面103b或反射板105之间反复进行反射，一边被向上述传播方向S 1引导，并从射出面103a适当地向棱镜片104射出。
在棱镜片104中，设置有与导光体103的射出面103a相对配置、并且形成为锯齿状的棱镜面。该棱镜面包括交替地配置的第一和第二棱镜倾斜面104a、104b，在这些棱镜倾斜面104a、104b的边界上形成有棱线104c(也参照图11(c))。另外，在棱镜片104中，如图11(c)所示，第一和第二棱镜倾斜面104a、104b之间的顶角被设定为K2。
在如上述那样构成的背光单元100中，来自光源102的光在导光体103的内部沿传播方向S 1传播。具体地说，当导入到导光体103内部的来自光源102的光，以比规定的入射角(全反射角)小的入射角入射到射出面103a与空气的界面时，如在图11(a)中用实线和虚线的箭头表示的那样，光的一部分在上述界面折射并射出到棱镜片104侧，其余的光在该界面被反射到导光体103的内部侧。另外，以全反射角以上的入射角入射到上述界面的光，入射的全部光在该界面被反射到导光体103的内部侧。
另外，在上述界面射出到棱镜片104侧的光，入射到该棱镜片104的棱镜面上，如在图11(c)中用实线和虚线的箭头表示的那样，由第二棱镜倾斜面104b向上方侧反射，作为向上述液晶显示元件的入射光，从该棱镜片104射出。
另一方面，在射出面103a与空气的上述界面被反射到导光体103的内部侧的光，如在图11(a)中用虚线的箭头表示的那样，在导光体103内部向倾斜面103b行进。在倾斜面103b与空气的界面被折射的光，射出到导光体103的外部后，由反射板105反射到导光体103侧。进一步，该光经过倾斜面103b再次被入射到导光体103的内部后，从射出面103a射出到棱镜片104侧，如在图11(c)中用实线和虚线的箭头表示的那样，作为上述入射光从该棱镜片104射出。
如以上所述，在第一以往例的背光单元100中，利用反射板105将从导光体103的倾斜面103b暂时射出到外部的光反射到导光体103侧，由此，能够将该射出到外部的光用于显示，提高了来自光源102的光的利用效率。另外，在背光单元100中，通过插入棱镜片104，能够对上述液晶显示元件射出指向性高的光。
另外，在另一个以往的背光单元中，已提出了在与设置在锯齿状的棱镜面上的多个棱镜的各个相对的位置，设置有将向液晶显示元件的射出光进行会聚的透镜的背光单元(例如参照日本特开平10-12024号公报)。
在此，参照图12，对在上述日本特开平10-12024号公报中记载的第二以往例的背光单元具体地进行说明。
在图12(a)中，在背光单元200中设置有发出面状光的面光源装置201、和形成有将来自面光源装置201的光会聚并射出到外部的透镜的棱镜片204，背光单元200通过棱镜片204使面状光入射到省略了图示的液晶显示元件上。
在面光源装置201中设置有：射出光的光源202；以包围光源202的方式设置的反射部件202a；和导入从光源202射出的光、并且将该导入的光向规定的传播方向(在图12(a)中用箭头S2表示)引导的截面为矩形状的导光体203。反射部件202a通过将从光源202射出的光向导光体203反射，使来自光源202的光高效率地入射到导光体203中。
也参照图12(b)，导光体203具备：将来自光源202的光向棱镜片204侧射出的射出面203a；与该射出面203a平行地形成的非射出面203b；和导入来自光源202的光的导入面203c。在射出面203a上形成有锯齿状的棱镜面。即，在射出面203a上设置有相对于该射出面203a以规定的倾斜角度K3形成的第一倾斜面203d、和与该倾斜面203d一起构成截面为等腰三角形状的棱镜的第二倾斜面203e，多个上述棱镜沿传播方向S2配设。在该导光体203中，从导入面203c导入到内部的光源202的光，一边在射出面203a与非射出面203b之间反复进行反射，一边被向上述传播方向S2引导，并从射出面203a适当地向棱镜片204射出。
棱镜片204包括：与导光体203的射出面203a相对配置、并且由多个棱镜形成为锯齿状的棱镜面；和在该棱镜面的与导光体203相反一侧形成的与上述液晶显示元件相对配置的多个透镜。也参照图12(c)，棱镜面的各棱镜包括交替地配置的第一和第二棱镜倾斜面204a、204b，在这些棱镜倾斜面204a、204b的边界上形成有棱线204c。另外，在棱镜片204中，如图12(c)所示，第一和第二棱镜倾斜面204a、204b之间的顶角被设定为K5。
另外，在棱镜片204中，在与由棱镜倾斜面204a、204b规定的截面为等腰三角形状的上述棱镜相对的位置，形成有向外部侧突出的截面为半圆状的透镜面204d。在各透镜面204d中，一端侧和另一端侧分别在棱镜倾斜面204a、204b的上端侧连续地形成，构成为各透镜面204d的在上述传播方向S2上的尺寸与棱镜的在该传播方向S2上的尺寸相同。即，在棱镜片204中，在沿传播方向S2排列的多个棱镜的每个上，设置有包含在上述各透镜中的透镜面204d，将由棱镜反射的光会聚，并将光射出到液晶显示元件侧。
在上述那样构成的背光单元200中，来自光源202的光在导光体203的内部沿传播方向S2传播。具体地说，当导入到导光体203内部的来自光源202的光，以在图12(b)中用K4表示的全反射角以上的入射角入射到射出面203a与空气的界面时，如在图12(b)中用实线的箭头表示的那样，该光被全反射到导光体203的内部侧，沿传播方向S2行进。
另一方面，如在图12(b)中用虚线的箭头表示的那样，当光入射到设置在射出面203a上的第二倾斜面203e上时，该光在该倾斜面203e折射并射出到导光体203的外部。此后，射出到该导光体203的外部的光，如在图12(a)中用实线的箭头表示的那样，入射到棱镜片204中，由它的第二棱镜倾斜面204b向上方侧反射后，由透镜面204d向大致垂直方向折射，入射到上述液晶显示元件中。
如以上所述，在第二以往例的背光单元200中，通过利用设置在棱镜片204上的多个透镜面204d的各个将光会聚，能够提高向液晶显示元件的射出光的指向性。
发明内容
但是，上述那样的以往的背光单元，不能够提高它的射出光的指向性，难以进行液晶显示装置的高亮度化。
具体地说，在上述第一以往例的背光单元100中，为了使从光源102入射到导光体103中的光沿射出面103a的法线方向上升并从该射出面103a高效率地射出，需要使在图11(b)中由K1表示的倾斜面103b的倾斜角度增大。这样，当使倾斜角度K1增大时，从射出面103a射出到外部的光的角度范围(图11(b)中的实线箭头与虚线箭头之间的角度差)也增大。即，从导光体103入射到棱镜片104的光的入射角的角度范围也增大，以相对于上述法线方向倾斜的角度从第二棱镜倾斜面104b射出到液晶显示元件侧的光量增加，来自棱镜片104(背光单元100)的射出光的指向性降低。结果，沿垂直方向入射液晶显示元件的光量减少，向该液晶显示元件的射出光的半值亮度角增大，液晶显示装置的(正面)亮度降低。
另一方面，在减小倾斜面103b的倾斜角度K1以提高棱镜片104中的指向性的情况下，从射出面103a射出的面状光的光量降低，即射出面103a中的光的面射出效率降低。结果，光源102的光利用效率降低，结果导致液晶显示装置的亮度降低。
另外，在第二以往例的背光单元200中，构成为透镜面204d与由第一和第二棱镜倾斜面204a、204b规定的棱镜在上述传播方向S2上的尺寸相同。因此，主要使光从棱镜侧向透镜面204d行进的上述第二棱镜倾斜面204b比透镜面204d小，难以使该透镜面204d的聚光效果提高。因此，也难以使来自棱镜片204(背光单元200)的射出光的指向性提高，不容易实现液晶显示装置的高亮度化。尤其，在棱镜片204的接近光源202的部分，与上述第一以往例的背光单元100同样，容易使光以大的角度范围入射到第二棱镜倾斜面204b上，透镜面204d无法将光会聚到射出面203a的法线方向上，来自背光单元200的射出光的指向性显著降低。
特别地，当将上述那样的以往的背光单元应用于半透过型液晶显示装置时，进行该液晶显示装置的高亮度化是极其困难的。详细地说，在半透过型液晶显示装置中，通常，在液晶显示元件的入射面侧，在导光体中的光的传播方向上，隔开规定间隔设置有多个反射电极。在半透过型液晶显示装置中，与透过型液晶显示装置同样，当利用来自背光单元的射出光时，需要使该射出光透过在上述传播方向上邻接的反射电极之间形成的透过开口部。因此，在半透过型液晶显示装置中，要求使指向性高的射出光从背光单元入射到液晶显示元件中。可是，在上述那样的以往的背光单元中，因为射出光的指向性低，所以无法增加透过上述透过开口部的光量，要提高半透过型液晶显示装置的亮度是非常困难的。
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种能够提高射出光的指向性，从而能够容易地实现高亮度化的背光单元和使用该背光单元的液晶显示装置。
为了达到上述目的，本发明的背光单元的特征在于，包括：光源；具有导入上述光源的光的导入面和将从上述导入面导入的光射出的射出面，将从上述导入面导入的光向规定的传播方向引导，并将光从上述射出面射出的导光体；具有相对于上述射出面以规定的倾斜角度倾斜的多个倾斜面，并且以从上述射出面射出的光沿上述射出面的大致法线方向行进的方式，通过上述多个倾斜面的各个对上述光的光路进行变更的光路变更部；和设置有多个聚光面的聚光部，该聚光面逐个设置在上述多个倾斜面、并且将来自对应的上述倾斜面的光会聚到上述射出面的法线方向，上述多个聚光面的在上述传播方向上的各中心位置被设定成相对于与对应的上述倾斜面的在上述传播方向上的中心位置在传播方向上为-6.5μm～+2.5μm的范围内的值。
在上述那样构成的背光单元中，设置在光路变更部中的多个倾斜面的各个，对从导光体的射出面射出的来自光源的光的光路进行变更，使得该光沿射出面的大致法线方向行进。另外，在聚光部中，与上述多个倾斜面相应而分别设置有多个聚光面，各聚光面将来自对应的倾斜面的光会聚到上述法线方向。另外，各聚光面的在导光体的传播方向上的中心位置与对应的倾斜面的在该传播方向上的中心位置大致一致，因此，与上述第二以往例不同，各聚光面能够可靠地将光会聚到上述法线方向并射出。结果，能够提高射出光的指向性，从而能够容易地实现高亮度化。
另外，在上述背光单元中，上述光源可以使用点状光源构成，并且，上述光路变更部中包含的多个倾斜面和上述聚光部中包含的多个聚光面可以被设置成以上述点状光源为中心的圆弧状。
在该情况下，上述多个倾斜面和多个聚光面分别被设置成以点状光源作为中心的圆弧状，因此，能够实现背光单元的紧凑化，同时提高光源的光利用效率。
另外，在上述背光单元中，优选：上述光路变更部由配设有多个棱镜的棱镜片构成，上述棱镜的一面用于上述倾斜面。
在该情况下，能够容易地得到一体地设置有多个倾斜面的光路变更部，并且能够使向背光单元内的装入作业简化。
另外，在上述背光单元中，上述多个聚光面的各个可以由向外部侧突出的截面为半圆状的透镜面构成。
在该情况下，与使用聚光棱镜的棱镜面等构成聚光面的情况相比，能够使聚光部的结构简化。另外，因为使用截面为半圆状的透镜面，所以能够防止来自光源的光的利用效率降低，同时容易地提高射出光的指向性。
另外，在上述背光单元中，优选上述光路变更部与上述聚光部被形成为一体。
在该情况下，能够将光路变更部和聚光部同时装入到背光单元内，能够容易地实现该背光单元的组装作业的简化。另外，因为光路变更部与聚光部被形成为一体，所以能够省略使上述倾斜面和聚光面的各中心位置相互一致的作业，能够容易地将一体化的光路变更部和聚光部安装在背光单元内，而不需进行这些倾斜面和聚光面的位置调整。
另外，本发明的液晶显示装置是包括液晶显示元件的液晶显示装置，其特征在于，使来自上述任一个背光单元的光向上述液晶显示元件入射。
在上述那样构成的液晶显示装置中，使指向性提高的来自背光单元的光入射到液晶显示元件中，因此，能够容易地实现该液晶显示装置的高亮度化。
另外，在上述液晶显示装置中，优选：在上述导光体与上述液晶显示元件之间，以透过轴与上述导光体的传播方向大致一致的方式设置有偏光板。
在该情况下，能够极力防止偏光板中的光吸收(损失)的发生，从而能够更容易地构成高亮度的液晶显示装置。
发明效果
根据本发明，可以提供能够提高射出光的指向性、从而能够容易地实现高亮度化的背光单元和使用该背光单元的液晶显示装置。
附图说明
图1是对本发明的第一实施方式的背光单元和液晶显示装置的主要部分结构进行说明的图。
图2是对图1所示的导光体的射出面上的光的反射和折射进行说明的图。
图3是上述导光体的部分放大图。
图4是对图1所示的背光单元的主要部分结构进行说明的图，(a)是平面图，(b)是(a)的IVb-IVb线截面图，(c)是(b)的IVc-IVc线截面图。
图5是图1所示的棱镜片的部分放大图。
图6是对图1所示的微透镜阵列的配置进行说明的图。
图7是对比较品的结构进行说明的图。
图8是表示比较试验的结果例的图。
图9是表示比较试验的另一个结果例的图。
图10(a)是对本发明的第二实施方式的背光单元和液晶显示装置的主要部分结构进行说明的图，(b)是(a)所示的背光单元的平面图。
图11是对第一以往例的背光单元进行说明的图，(a)是侧面图，(b)是它的导光体的部分放大图，(c)是它的棱镜片的部分放大图。
图12是对第二以往例的背光单元进行说明的图，(a)是侧面图，(b)是它的导光体的部分放大图，(c)是它的棱镜片的部分放大图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的背光单元和液晶显示装置的优选实施方式进行说明。此外，在以下的说明中，以将本发明应用于半透过型液晶显示装置的情况为例进行说明。
[第一实施方式]
图1是对本发明的第一实施方式的背光单元和液晶显示装置的主要部分结构进行说明的图。在图中，本实施方式的液晶显示装置1包括本发明的背光单元2、一对偏光板3、4、微透镜阵列5、和液晶显示元件(液晶面板)6，构成为来自背光单元2的射出光作为照明光入射到液晶显示元件6中。一个偏光板3配置在背光单元2与在背光单元2的上方、液晶显示元件6的下侧设置的微透镜阵列5之间。另外，另一个偏光板4设置在液晶显示元件6的上侧(显示面侧)。
背光单元2包括发出平面状的光(以下，称为“面状光”)的面光源装置7、和相对于面光源装置7分别设置在图的上侧和下侧的带有透镜的棱镜片10和反射板11，通过棱镜片10和偏光板3使面状光入射到液晶显示元件6中。另外，偏光板3以它的(偏光)透过轴与后述的传播方向P一致的方式设置，能够更容易地使液晶显示元件6的显示面高亮度化(详细情况将在后面叙述)。
面光源装置7中设置有：发光并射出光的光源8；以包围光源8的方式设置的反射部件8a；和导入从光源8射出的光、并且将该导入的光向规定的传播方向(在图1中用箭头P表示的图的左右方向)引导的导光体9。光源8使用例如在与图1的纸面垂直的方向上配置的冷阴极管，由线状光源构成。反射部件8a通过将从光源8射出的光向导光体9反射，使来自光源8的光高效率地入射到导光体9中。
导光体9具备：将面状光向棱镜片10侧射出的平行的射出面9a；与反射板11相对配置、并且形成有多个相对于射出面9a倾斜的倾斜部的倾斜面9b；和与光源8相对配置、导入来自光源8的光的导入面9c。在射出面9a中，当从导入面9c导入的光源8的光，以在图2中用R表示的规定的全反射角以上的入射角入射到该射出面9a与空气的界面上时，如在图2中用实线箭头示的那样，该光被全反射到导光体9的内部侧，沿传播方向P行进。另一方面，当如在图2中用虚线箭头表示的那样，光以小于上述全反射角R的入射角入射到上述界面上时，该光的一部分被反射到导光体9的内部侧，其余的光从射出面9a射出到外部。
在倾斜面9b上，如图3所示，在传播方向P上配设有多个相对于射出面9a的倾斜角度被设定为α的上述倾斜部。该倾斜角度α被设定大于0°小于90°的值。具体地说，为了使面状光从导光体9的射出面9a的射出效率提高，倾斜面9b的倾斜角度α选定为例如12°的值。另外，通过这样使倾斜角度α为12°，在图3中用α′表示的从射出面9a射出的射出光角具有12°左右的范围。在该导光体9中，从导入面9c导入到内部的光源8的光一边在射出面9a与倾斜面9b或反射板11之间反复进行反射一边被向上述传播方向P引导，并从射出面9a适当地向棱镜片10射出。
带有透镜的棱镜片10一体地形成有光路变更部和聚光部，该光路变更部对从射出面9a射出的光源8的光的光路进行变更，使得该光沿射出面9a的大致法线方向行进，该聚光部将光路由该光路变更部变更后的光源8的光会聚到上述法线方向。
具体地说，也参照图4，棱镜片10包括：与导光体9的射出面9a相对配置、并且由多个(例如，9个)棱镜形成为锯齿状的作为上述光路变更部的棱镜面；和在该棱镜面的与导光体9相反一侧形成的、与液晶显示元件6相对配置的作为上述聚光部的多个(例如，8个)透镜。棱镜面的各棱镜形成为例如截面为等腰三角形状，具备交替地配置的第一和第二棱镜倾斜面10a、10b。
另外，在棱镜片10中，第一和第二棱镜倾斜面10a、10b之间的顶角被设定为θ(例如，62°)(也参照图5)。另外，在棱镜片10中，在第一和第二棱镜倾斜面10a、10b中，第二棱镜倾斜面10b构成在上述光路变更部中形成的多个各倾斜面，如在后面将详细叙述的那样，通过对光源8的光进行反射，实质上变更其光路。另外，该第二棱镜倾斜面10b相对于导光体9的射出面9a的倾斜角度被设定为例如59°(＝(180°-62°)/2)，该棱镜倾斜面10b被构成为作为有助于上述光的光路变更的倾斜面适当地并且充分地起作用。
另外，在棱镜片10中，在第一和第二棱镜倾斜面10a、10b的边界上形成有棱线10c。该棱线10c，如在图4(a)中用虚线表示的那样，构成为与上述传播方向P交叉、优选正交，邻接的2条棱线10c的间隔尺寸(即，上述棱镜的间距尺寸)被设定为例如30μm。
另外，在棱镜片10中，在与上述棱镜面相对的液晶显示元件6侧的表面上，与第二棱镜倾斜面10b相应而形成有向外部侧突出的截面为半圆状的透镜面10d。即，棱镜片10的整体形状由透明的合成树脂(例如丙烯酸树脂、聚碳酸酯树脂、环氧树脂等)一体成形，具有截面为矩形状的基部10e。另外，在棱镜片10中，在基部10e的下方侧设置有由第一和第二棱镜倾斜面10a、10b规定的截面为等腰三角形状的上述棱镜。另一方面，在基部10e的上方侧，以与棱镜的棱线10c的排列间距相同的间距(例如，30μm)设置有作为上述聚光部中包含的聚光面的透镜面10d。
另外，在棱镜片10中，如图5所示，设置成各透镜面10d的在上述传播方向P上的中心位置C2与对应的第二棱镜倾斜面10b的在传播方向P上的中心位置C1一致。即，在棱镜片10中，使透镜面10d与第二棱镜倾斜面10b的各中心位置C2、C1在导光体9的法线方向上相互一致，在棱镜片10中，透镜面10d的聚光效果提高。由此，在棱镜片10中，如在图5中用实线箭头和虚线箭头表示的那样，各透镜面10d能够将由对应的第二棱镜倾斜面10b反射后的光可靠地会聚成与上述法线方向平行的平行光，并通过偏光板3向液晶显示元件6侧射出。另外，偏光板3以其透过轴与导光体9的传播方向P一致的方式设置，因此，来自棱镜片10的上述平行光，几乎不被偏光板3吸收，被射出到液晶显示元件6侧。由此，能够极力防止偏光板3中的光吸收(损失)的发生，从而能够更容易地实现液晶显示元件6的显示面的高亮度化。
此外，在上述说明中，说明了在棱镜片10中，如图1所示，棱镜的设置数比透镜的设置数多1个的情况，但是也可以将图1中的右端的棱镜的设置省略。即，这是因为：由该右端的棱镜的第二棱镜倾斜面10b反射到液晶显示元件6侧的光，不入射到液晶显示元件6的有效显示区域中，对该液晶显示元件6的显示没有贡献。
另外，各透镜面10d的曲率半径被设定为例如25μm，基部10e的厚度尺寸f被设定为例如30μm。另外，该基部10e的厚度尺寸f，根据导光体9的倾斜面9b的倾斜角度α、上述棱镜的顶角θ(第二棱镜倾斜面10b相对于射出面9a的倾斜角度)、和透镜面10d的曲率半径等，在例如20～40μm左右的范围内适当选定。另外，通过设置具有这样的范围内的厚度尺寸f的基部10e，透镜面10d能够容易地使由第二棱镜倾斜面10b反射到各个角度的光成为上述平行光并射出。
回到图1，在反射板11上，在与导光体9的倾斜面9b相对的表面侧，设置有由电介质或金属构成的反射膜，将从倾斜面9b射出到导光体9外侧的光反射到导光体9侧。由此，能够使暂时射出到导光体9外部的光再次入射到导光体9的内部，从而能够提高光源8的光利用效率。
液晶显示元件6包括有源矩阵基板12、与该有源矩阵基板12相对配置的相对基板13、和设置在该有源矩阵基板12与相对基板13之间的液晶层14。该液晶层14中包含有具有例如正的介电常数各向异性的液晶分子，液晶层14被密封在有源矩阵基板12与相对基板13之间。
另外，液晶显示元件6的画面尺寸例如为对角2.4英寸(长：49.0mm，宽：36.7mm)，作为液晶显示元件6的最小显示单位的像素(R，G，B)例如以水平像素数240×垂直像素数320排列成条纹状排列。另外，上述像素的间距例如在垂直方向为0.153mm、在水平方向为0.051mm，液晶显示元件6构成为能够以像素单位驱动液晶层14。
有源矩阵基板12包括：例如由玻璃材料构成的透明基板12a；在透明基板12a的液晶层14侧的表面上隔开规定间隔配设的多个反射电极12b(在图1中用斜线部表示)；和在透明基板12a的液晶层14侧设置的透明电极12c。另外，在有源矩阵基板12中，在未设置反射电极12b的部分、即邻接的2个反射电极12b之间形成有透过开口部12d。
为了使上述液晶分子的取向状态变化而供给电压的驱动电路(未图示)与透明电极12c连接，该驱动电路驱动透明电极12c，由此控制液晶分子的取向，从而控制透过液晶层14的光的强度。
另外，在有源矩阵基板12上，呈矩阵状设置有省略了图示的多个薄膜晶体管，各薄膜晶体管控制反射电极12b和透明电极12c的电荷。另外，在透明基板12a的背光单元2侧的表面上，一体地设置有微透镜阵列5。
微透镜阵列5包括例如曲率80μm的多个球面透镜，通过在透明基板12a上涂敷例如折射率1.51的透明的丙烯酸类或环氧类树脂并进行图案化，形成球面透镜。具体地说，在微透镜阵列5中，如图6所示的例子那样，球面透镜配置成大致三角形排列。另外，这些球面透镜与有源矩阵基板12的透过开口部12d相应地设置。具体地说，由反射电极12b和透明电极12c规定的透过开口部12d的形状，构成为例如直径0.042mm的圆形状，透过开口部12d与微透镜阵列5的球面透镜以它们的中心位置相互一致的方式设置。
另外，在微透镜阵列5中，在图6中用P1表示的在与导光体9中的上述传播方向P平行的方向上的球面透镜的间距，被设定为例如76.5μm。另外，在图6中用P2表示的在与传播方向P正交的方向上的球面透镜的间距，被设定为例如51μm。
另外，在微透镜阵列5中，调整有源矩阵基板12的厚度和球面透镜的突出高度，使得从透过开口部12d(透明基板12a的液晶层14侧的表面)到球面透镜的顶点的距离成为规定尺寸(例如，220μm)。
回到图1，相对基板13包括透明基板13a、和在透明基板13a的液晶层14侧的表面上形成的透明电极13b。透明基板13a例如由与上述透明基板12a相同的玻璃材料构成，在与液晶层14相反一侧的表面上设置有上述偏光板4。
以下，参照图1至图5，对上述那样构成的液晶显示装置1的动作具体地进行说明。此外，在以下的说明中，主要说明液晶显示装置1与透过型液晶显示装置同样地进行动作的情况。
首先，在背光单元2中，当来自光源8的光通过导光体9的导入面9c入射到内部时，该入射的光在向着与导光面9c平行地形成的端面的传播方向P上行进。如图2所示，当在导光体9内部行进的光以比规定的全反射角R小的入射角入射到射出面9a与空气的界面上时，光的一部分在上述界面上折射并射出到导光体9的外侧，光的一部分在上述界面上被反射到导光体9的内部侧。另一方面，当光以全反射角R以上的入射角入射到上述界面上时，该光被全反射到导光体9的内部侧。
另外，从射出面9a射出到外侧的光L1，如图1所示，具有传播方向P的成分和从导光体9向棱镜片10的方向的成分，向图1的右斜上方行进。然后，该光L1入射到棱镜片10内，由第二棱镜倾斜面10b反射到射出面9a的大致法线方向。此后，光L1在透镜面10d被折射，由此，向法线方向会聚，从棱镜片10相对于液晶显示元件6垂直地射出。
另一方面，在射出面9a与空气的界面被反射的光，向倾斜面9b行进，并到达该倾斜面9b与空气的界面。然后，在该界面被折射的光从倾斜面9b射出到导光体9的外侧。从该倾斜面9b射出到外侧的光L2具有传播方向P的成分和从导光体9向反射板11的方向的成分，向图1的右斜下方行进。此后，当光L2在反射板11上被正反射时，再次入射到导光体9的内部，从射出面9a射出到棱镜片10。然后，光L2与光L1同样，在第二棱镜倾斜面10b被反射，在透镜面10d被折射，由此向法线方向会聚，从棱镜片10相对于液晶显示元件6垂直地射出。
另外，即使在射出面9a与空气的界面，入射角比全反射角R大，该光被全反射，当在全反射后由倾斜角度为α的倾斜面9b反射到导光体9的内部侧时，再次入射到该界面的光的入射角比全反射角R小。因此，该光的一部分从射出面9a射出到液晶显示元件6侧，其余的光被反射到倾斜面9b侧，在导光体9的内部被向传播方向P引导。由此，导光体9能够高效地利用光源8的光，并使来自射出面9b的面状光为均匀的亮度。
此外，在液晶显示装置1与反射型液晶显示装置同样地进行动作的情况下，从偏光板4的上方侧入射的外部的光，通过由反射电极12b反射而被用于液晶显示元件6的显示，能够不使背光单元2点亮动作而进行文字、图像等信息的显示动作。
在以上那样构成的本实施方式中，在棱镜片(光路变更部和聚光部)10上，设置有多个第二棱镜倾斜面(倾斜面)10b，并且与第二棱镜倾斜面10b相应地设置有多个透镜面(聚光面)10d。另外，使各透镜面10d的在导光体9的传播方向P上的中心位置C2与对应的第二棱镜倾斜面10b的在传播方向P上的中心位置C1一致。由此，在背光单元2中，与上述第二以往例不同，即使在光以大的角度范围入射到第二棱镜倾斜面10b上时，各棱镜面10d也能够可靠地将光会聚到射出面9a的法线方向，使其成为平行光，并向液晶显示元件6侧射出。结果，能够提高从背光单元2射出的射出光的指向性。
另外，如上所述，本实施方式的背光单元2能够向液晶显示元件6射出高指向性的射出光，因此，能够容易地实现半透过型的液晶显示装置1的高亮度化。从而，能够容易地构成光源8的光利用效率优异、并且能够抑制消耗电力的半透过型的液晶显示装置1。另外，因为使用指向性优异的背光单元2，所以能够将反射电极12b增大，在使液晶显示装置1与反射型的液晶显示装置同样地进行动作的情况下，能够提高外部光的利用效率，从而实现高亮度化。
在此，对本申请发明的发明人等实施的验证试验具体地进行说明。
在该验证试验中，准备图1所示的本实施方式的液晶显示装置和图7所示的包括以往的背光单元52的液晶显示装置51(以下，称为比较品)，进行下述的比较试验，由此验证出，在本实施方式的液晶显示装置中，射出光的指向性和亮度提高。此外，在比较品中，使用与图10所示的棱镜片104同等的棱镜片53，代替本实施方式的带有透镜的棱镜片10。即，作为棱镜片53，使用仅在导光体9的与射出面9a相对的表面侧上形成有具有第一和第二棱镜倾斜面53a、53b以及棱线53c的棱镜的棱镜片。在本实施方式的液晶显示装置和比较品中，求出使同一光源8点亮时的光学特性和亮度特性。
即，在本实施方式的液晶显示装置中，从背光单元2射出的射出光的亮度/a.u.，如在图8中用实线60表示的那样，与在同图中用虚线61表示的比较品相比，视角0°及其附近的透过光束大致为2倍以上，证实了指向性提高。
另外，可确认：在本实施方式的液晶显示装置中，液晶显示装置1的显示面上的亮度/nt，如在图9中用实线70表示的那样，与在同图中用虚线71表示的比较品相比，视角0°及其附近的透过光束大致为1.5倍以上，实现了高亮度化。
另外，如以下的表1所示，可确认：本实施方式的液晶显示装置与以往的液晶显示装置相比，视角0°±5°的范围内的亮度的最小值和透过光束的变动值分别提高到1.5倍和1.3倍。
[表1]
  亮度(nt)   透过光束(a.u.)
  本实施方式的液晶显示装置   200   2.2
  比较品   130   1.7
如以上所述，验证了：在本实施方式的液晶显示装置中，即使当光源8的光以在图3中用α′表示的角度范围从射出面9a入射到第二棱镜倾斜面10b上、并且指向性低的反射光被反射到透镜面10d侧时，透镜面10d也能够将上述指向性低的反射光会聚到射出面9a的法线方向上，从而提高背光单元2的射出光的指向性。另外，也验证了：伴随着该背光单元2的射出光的指向性的提高，能够实现液晶显示装置1的高亮度化。
[第二实施方式]
图10(a)是对本发明的第二实施方式的背光单元和液晶显示装置的主要部分结构进行说明的图，图10(b)是图10(a)所示的背光单元的平面图。在图中，本实施方式与上述第一实施方式的主要不同点在于：使用发光二极管代替冷阴极管作为光源，并且将多个第二棱镜倾斜面和多个透镜面设置成以该发光二极管为中心的圆弧状。此外，对于与上述第一实施方式共同的要素，标注相同的标号，并省略其重复说明。
即，如图10(a)和(b)所示，在本实施方式中，与导光体9相对配置有使用点状光源、例如发光二极管的光源18，来自该光源18的光通过以包围该光源18的方式设置的反射部件18a高效地入射到导光体9的导光面9c并呈放射状进行传播。
另外，如图10(b)所示，光源18与导光体9的导光面9c的中央部相对配置。另外，在棱镜片10中，如在图10(b)中用虚线表示的那样，多条棱线10c设置成以光源18为中心的圆弧状(同心圆状)，各棱线10c构成为与传播方向P、P′交叉、优选正交。即，在棱镜片10中，多个第一和第二棱镜倾斜面10a、10b也分别设置成以光源18为中心的圆弧状。另外，在棱镜片10的偏光板3侧，与多个第一和第二棱镜倾斜面10a、10b同样，多个透镜面10d设置成以光源18为中心的圆弧状。在连结多个棱镜面10d的各顶点部的、例如上述传播方向P或P′上，如图5所示，在图5的上下方向上对应的第二棱镜倾斜面10b的中心位置C1与透镜面10d的中心位置C2在导光体9的法线方向上相互一致。由此，在棱镜片10中，与第一实施方式同样，透镜面10d的聚光效果提高。
另外，在本实施方式中，导光体9的多个倾斜面9b，与棱镜片10的形状相应，与该棱镜片10同样，设置成以光源18为中心的圆弧状。由此，导光体9构成为能够使在其内部呈放射状传播的来自光源18的光更适当地向棱镜片10侧射出。
另外，在本实施方式中，来自棱镜片10的射出光(面状光)，通过以透过轴与传播方向P、P′大致一致的方式设置的偏光板3，入射到液晶显示元件6，与第一实施方式同样，能够极力防止偏光板3中的光吸收(损失)的发生，从而能够更容易地进行液晶显示元件6的显示面的高亮度化。
根据以上的结构，本实施方式能够获得与第一实施方式同样的作用·效果。另外，在本实施方式中，多个第二棱镜倾斜面(倾斜面)10b和多个透镜面(聚光面)10d分别设置成以(点状)光源18为中心的圆弧状。由此，在本实施方式中，与使用冷阴极管等线状光源的情况相比，能够容易地进行背光单元2的紧凑化。另外，与在两端部形成有电极部等非发光区域的上述冷阴极管不同，能够容易地将光源18的有效发光区域与导光体9相对配置，而不用使导光体9的尺寸不必要地增大，因此，与使用线状光源的情况相比，能够容易地提高光源的光利用效率。
此外，在上述说明中，对将本发明的背光单元应用于半透过型液晶显示装置的情况进行了说明，但是本发明的背光单元并不限定于此，也能够应用于在液晶显示元件中不设置反射电极的透过型液晶显示装置和微透镜阵列的设置被省略的半透过型液晶显示装置。
另外，在上述说明中，说明了例如在图5中用C1和C2所示的那样，在导光体的光的传播方向上，使倾斜面与聚光面的中心位置相互一致的情况，但是本发明并不限定于此，只要多个聚光面的在上述传播方向上的各中心位置与对应的倾斜面的在传播方向上的中心位置大致一致即可。
具体地说，在由本申请的发明人进行的验证试验中，例如将上述倾斜角度α和顶角θ分别设定为59°和62°，对在视角0°±5°的范围内的透过光束进行了测定。在使中心位置C1与中心位置C2在传播方向上逐渐偏离时，当上述范围内的透过光束的测定结果与图7所示的比较品相比，为1.2倍以上时，判断为射出光的指向性提高。结果，确定了：能够提高指向性的中心位置C1与中心位置C2的偏离量，在传播方向上为-6.5μm～+2.5μm。
但是，如上所述使倾斜面与聚光面的中心位置相互一致的情况，能够更可靠地将光向导光体射出面的法线方向会聚并射出，能够容易地提高射出光的指向性，能够更容易地实现高亮度化，因此优选。
另外，在上述说明中，对使用将光路变更部和聚光部形成为一体的带有透镜的棱镜片的情况进行了说明，但是也能够使用分开地构成的光路变更部和聚光部。但是，如上述带有透镜的棱镜片那样，使用将光路变更部和聚光部一体化的棱镜片的情况，能够容易地使向背光单元内的装入作业和该背光单元的组装作业简化，因此优选。另外，能够容易地进行向背光单元内的安装作业，而不需要实施使光路变更部的倾斜面与聚光部的对应的聚光面的各中心位置相互一致的位置调整作业，在该点上也优选。
另外，除了上述的说明以外，也能够代替棱镜片，例如使用折射率相互不同的2个光学部件的接合面作为上述光路变更部的倾斜面。但是，如上所述使用将多个棱镜的各一个面用于上述倾斜面的棱镜片的情况，能够容易地制造操作性优异的光路变更部，能够使向背光单元内的装入作业简化，因此优选。另外，对使用截面为等腰三角形状的棱镜的情况进行了说明，但是棱镜的形状完全不限定于此，例如也能够使用截面为直角三角形状的棱镜。
另外，在上述说明中，对利用截面为半圆状的透镜面构成聚光部的各聚光面的情况进行了说明，但是本发明的聚光部只要在上述光路变更部的每个倾斜面上设置有聚光面、并且一对的倾斜面和聚光面的在导光体内的上述传播方向上的中心位置大致相互一致即可。例如也能够使用凸状的聚光面和聚光棱镜的棱镜面等其它形状、结构。但是，将截面为半圆状的透镜面用于聚光面的情况，能够使聚光部的结构简化，因此优选。另外，向外部的光的射出部分构成为截面为圆弧状，因此，容易使来自上述倾斜面的光沿导光体射出面的法线方向行进，能够防止来自光源的光的利用效率降低，同时容易地提高射出光的指向性，因此优选。
另外，在上述说明中，对使用在导光体的与射出面相对的表面上设置有多个倾斜角度为α的倾斜部的倾斜面的情况进行了说明，但是本发明的导光体并不限定于此，也能够使用具有以一定的倾斜角度α倾斜的倾斜面的截面为楔状的导光体和具有与射出面平行的平行面的截面为矩形状的导光体。但是，使用设置有多个倾斜角度为α的倾斜部的倾斜面的情况，能够提高在射出面上的光的射出效率、并且容易得到均匀的面状光，因此优选。
另外，在上述第一和第二实施方式的说明中，分别说明了将冷阴极管和LED(发光二极管)用于光源的情况，但是本发明的光源并不限定于此，也能够使用热阴极管、荧光管等其它的线状光源、或EL(电致发光)元件等点状光源。
另外，在上述说明中，说明了使用设置在导光体下方的反射板的情况，但是本发明的反射板并不限定于此，例如也能够在收纳液晶显示元件的液晶显示装置的箱体的内面上设置的反射面或上述箱体的内面上涂敷光反射率高的涂料，由此将该内面用作反射板。
另外，除了上述的说明以外，例如也能够在液晶显示元件的上方(显示面侧)适当叠层用于调整该液晶显示元件的视角的扩散片等光学部件。
本发明的背光单元和使用该背光单元的液晶显示装置，能够可靠地将光会聚到导光体的射出面的法线方向并射出，因此，能够提供能够使射出光的指向性提高、能够容易地实现高亮度化的背光单元和使用该背光单元的液晶显示装置。

Claims (7)

1.一种背光单元，其特征在于，包括：
光源；
具有导入所述光源的光的导入面和将从所述导入面导入的光射出的射出面，将从所述导入面导入的光向规定的传播方向引导，并将光从所述射出面射出的导光体；
具有相对于所述射出面以规定的倾斜角度倾斜的多个倾斜面，并且以从所述射出面射出的光沿所述射出面的大致法线方向行进的方式，通过所述多个倾斜面的各个对所述光的光路进行变更的光路变更部；和
设置有多个聚光面的聚光部，该聚光面逐个设置在所述多个倾斜面、并且将来自对应的所述倾斜面的光会聚到所述射出面的法线方向，
所述多个聚光面的在所述传播方向上的各中心位置被设定成相对于对应的所述倾斜面的在所述传播方向上的中心位置在传播方向上为-6.5μm～+2.5μm的范围内的值。
2.根据权利要求1所述的背光单元，其特征在于：
所述光源使用点状光源构成，并且，
所述光路变更部中包含的多个倾斜面和所述聚光部中包含的多个聚光面被设置成以所述点状光源为中心的圆弧状。
3.根据权利要求1所述的背光单元，其特征在于：
所述光路变更部由配设有多个棱镜的棱镜片构成，所述棱镜的一面用于所述倾斜面。
4.根据权利要求1所述的背光单元，其特征在于：
所述多个聚光面的各个由向外部侧突出的截面为半圆状的透镜面构成。
5.根据权利要求1所述的背光单元，其特征在于：
所述光路变更部与所述聚光部被形成为一体。
6.一种液晶显示装置，包括液晶显示元件，其特征在于：
使来自权利要求1所述的背光单元的光向所述液晶显示元件入射。
7.根据权利要求6所述的液晶显示装置，其特征在于：
在所述导光体与所述液晶显示元件之间，以透过轴与所述导光体的传播方向大致一致的方式设置有偏光板。
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