CN101338875B - 光学合层结构,面发光装置和液晶装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学合层结构，设置在偏振器和面发光单元之间，包括：第一光学片，具有多个排列在透明基片上的由固化树脂形成的柱状立方结构，和接触透明基片表面的相邻立方结构之间的凹谷部分；以及第二光学片，设置得比第一光学片更靠近偏振器一侧，具有多个排列在一表面上的柱状立方结构，该立方结构沿其延伸方向的折射率与该立方结构沿其排列方向的折射率不同。

Description

光学合层结构,面发光装置和液晶装置

技术领域

本发明涉及利用两个光学片层改善亮度的光学合层(sheet combination)结构，配有该光学合层结构的面发光装置和液晶显示器。

背景技术

液晶显示器(LCD)可以实现比阴极射线管(CRT)更低的能耗，被制造得体积更小，厚度更薄。各种尺寸的液晶显示器现广泛应用于小型装置，如手机、便携式游戏机、数码照相机、个人数字助理(PDA)和大尺寸液晶电视机。

液晶显示器分为透射型、反射型等。液晶显示器，特别是透射型液晶显示器包括液晶显示面板，设置在液晶显示面板光入射侧上的第一偏振器(偏振板)和设置在液晶显示面板光出射侧上的第二偏振器(偏振板)，以及作为照明光源的背光单元。背光单元包括将光源直接设置在液晶显示面板下面的直下型，以及侧光型。侧光型的背光单元构成为，包括设置在液晶显示面板背面的光导板，设置在光导板一边的光源，覆盖与光导板光出射面相对的面的反射板等。

发射白光的冷阴极荧光灯(CCFL)已被广泛用作上述类型的背光单元的光源。特别是近年来，用发光二极管(LED)作为光源的背光单元为人所期望与移动用显示器使用，如手机等。热阴极荧光灯(HCFL)也可以用作光源。

前表面方向的亮度是移动用显示器所希冀的。因此采用方法限制背光装置朝向前表面方向的光出射方向。例如，现有的一种配置中，在背光单元和液晶显示面板之间设置称为亮度改善膜或片的光学片层，以让背光单元的光出射方向对准前表面方向(参见日本专利国家公布No.2002-544565，专利文件1，和日本专利申请公布No.2004-168869，专利文件2)。

亮度改善膜由具有在一个平面上以微小间距周期分布的三角形棱镜的棱镜片构成，并具有向前表面方向提高和汇聚背光的作用。尤其是，已知的配置有沿棱镜延伸方向相互垂直配置地叠置两个棱镜片，在棱镜片上设置反射偏振片，该反射偏振片透射部分线性偏振分量，反射其余线性偏振分量(参照专利文件1)。

图14是显示现有技术液晶显示器结构的示例的立体透视图。图14所示的液晶显示器1包括液晶显示面板2，分别设置在液晶显示面板2的光入射和出射面上的第一偏振器3A和第二偏振器3B，和表面光发射器4。第一和第二偏振器3A和3B以两者透射轴相互垂直的方式设置(交叉尼科尔)。尽管未显示，通常在液晶显示面板2上设置相位差膜以对液晶层的双折射等进行补偿。

表面光反射器4被构成为，包括由透明材料制成的光导板5，设置在光导板5一端的光源6，覆盖光导板5光出射面的相对平面的反射板7。虽然光源6显示为点光源，如LED，也可以使用荧光灯的线光源。

在光导板5和第一偏振器3A之间顺序设置扩散片8，第一棱镜片9A，第二棱镜片9B和反射偏振片10。第一和第二棱镜片9A和9B被制造为具有相同结构的棱镜片，以其棱镜形成表面面对液晶显示面板2的方式设置，并叠置以使棱镜的脊(延伸)方向相互垂直。

反射偏振片10具有以下功能，放大和透射棱镜片9B输出光的部分线性偏振分量，反射其余部分的线性偏振分量。透过反射偏振片10的偏振分量通过第一偏振器3A的透射轴输入液晶显示面板2。能够通过设置反射偏振膜10在每层增加前表面亮度，从而使放大方向的线性偏振分量平行于第一偏振器3A的透射轴方向。

棱镜片9A和9B通常通过在透明基片的表面上层压由活性能量束(activeenergyray)固化树脂制成的固化树脂层来形成(参见专利文献2)。图15是显示现有技术棱镜片9A和9B结构的示意图(下面统称为棱镜片9，除非这些片被分开描述)。棱镜片9具有固化树脂层12(curing resin layer)整体层压在透明基片11表面上的结构。固化树脂层12由活性能量束固化树脂形成，其在暴露于活性能量束时固化，如紫外线和电子束。

现有技术棱镜片9的固化树脂层12由以恒定间距设置的多个三角形棱镜12a和用于支持棱镜12a的边缘层(基层)12c构成。棱镜片9的总厚度(H)表示为透镜基片11的厚度(D2)与固化树脂层12的厚度(D3)的和。棱镜12a的高度表示为相邻棱镜12a的凹谷部分12b的长度(D1)。边缘层12c夹置在透明基片11的表面和棱镜12a之间，其厚度(ΔDy)对应固化树脂层12的厚度和棱镜12a的高度之间的差(D3-D1)。

发明内容

在移动用显示器中，需要对整个显示器减薄和实现高图像质量。在上述现有技术的液晶显示器中，为了改善液晶显示面板的前表面亮度，需要包括第一和第二棱镜片9A和9B和反射偏振片10的至少三个或更多光学片。由于在每个光学片的减薄和增厚中存在限制，难于将光学片总厚度减少很多(所述三片层结构的总厚度是250μm)。例如，图14所示的反射偏振片10尤其难以薄化，因为该片是层压型片。因此，由于增加了使用片层的数量，现有技术的液晶显示器1结构使得生产率低，制造成本高，薄化整个显示器难。

尤其在移动用液晶显示器中，为了最佳化显示特性，如当结合相位差膜时的对比度，背光侧上的第一偏振器3A的透射轴设置为相对第二偏振器3B从正交尼科尔(cross Nicol)状态最多旋转几十度。此时，第一偏振器3A的透射轴和从反射偏振片10出射的偏振分量之间的角偏移变大，从而引起前表面亮度明显下降的问题。图16显示了第一偏振器的透射轴关于第二偏振器的透射轴的旋转角度和前表面亮度之间的关系，在正交尼科尔状态的前表面亮度设为“1”。从图16中明显可见，亮度的下降速度与第一偏振器的透射轴的旋转角密切相关。在现有技术的液晶显示器中，由于对第一偏振器3A的透射轴进行了旋转调整，反射偏振片10的光学轴也需要调整，可能导致组装效率和生产率下降。

需要提供一种光学合层结构，面发光装置和液晶显示器，能够减少所用光学片层的数量和光学片层的总厚度以改善前表面亮度，并防止亮度因偏振器的旋转调整而降低。

为了解决该问题，本发明的实施方式提供了一种光学片层结构，设置在偏振器和面发光单元之间，包括具有设置在透明基片上的多个固化树脂柱状立方结构(cubic structure)和接触透明基片表面的相邻立方结构之间的凹谷部分的第一光学片，和设置在比第一光学片更靠近偏振器一侧上且具有在该表面上排列的多个柱状立方结构的第二光学片，立方结构的延伸方向的折射率不同于立方结构的排列方向的折射率。

更具体地说，第一和第二光学片的立方结构是具有预定顶角的三角形棱镜。即，第一和第二光学片构成第一和第二棱镜片。在下面的描述中，假设第一和第二光学片是棱镜片。立方结构不限于是棱镜，也可以是凸透镜(lenticular lens)。

在本发明的实施方式中，第一棱镜片的透明基片接触相邻棱镜的凹谷部。因此，不作为棱镜的边缘层不存在于透明基片和棱镜之间。“边缘层不存在于”试图表示字面上边缘层完全不存在和边缘层由于制造误差等而略微存在的含义(例如，0.28μm或更薄)。如果边缘层不存在透射率会增加更多，且可以改善亮度。

通过对应棱镜之间的凹谷部在透明基片的表面上形成凹陷和在凹陷之间的透明基片的表面上形成突起的弯曲面，能够在透明基片的表面上实现某种棱镜效果，并进一步改善前表面亮度。

第二棱镜片在棱镜延伸方向和垂直于棱镜延伸方向的排列方向之间具有折射率差。因此，关于入射到第二棱镜片上的光，沿棱镜延伸方向振动的偏振分量和沿棱镜排列方向振动的偏振分量可以具有不同透射特性。例如，如果棱镜延伸方向的折射率高于棱镜排列方向的折射率，能够增大棱镜排列方上振动的偏振分量的输出光量，输出光之外的光入射到第二棱镜片上。由于折射率差在棱镜延伸和排列方向之间变大，偏振分量的透射特性的差异会变大。因此第二棱镜片提供了除会聚光线功能之外的稳定偏振分离光线的功能。

具有折射率各向异性的第二棱镜片可以通过对其上形成有棱镜的树脂片在棱镜延伸方向上进行拉伸(drawing processing)来制造。将树脂片的拉伸方向设置成棱镜延伸方向的原因是减少了由拉伸前后棱镜形状的改变引起的光学特性变化。如果棱镜延伸方向的折射率设置得比棱镜排列方向的高，拉伸方向上具有较高折射率的材料被选择作为树脂片的结构材料。在拉伸方向上具有较高折射率的材料可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate，PET)，聚萘二甲酸乙二酯(polyethylene napthalate，PEN)，它们的混合物，如PET-PEN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。

通过在面发光单元主体的一侧上设置第一棱镜和在偏振器侧设置第二棱镜片来形成面发光装置或液晶显示器。因此，除通过叠置两个棱镜片获得了亮度改善的效果外，第二棱镜片具有与现有技术反射偏振片类似的功能，从而不需要反射偏振片。因此可以减小改善前表面亮度需要设置的光学片的数量。使用的光学片数量可以减小，光学片总厚度可以减薄。因此，液晶显示器可以制造得充分薄。

第二棱镜片的偏振作用可通过其面内折射率差(双折射)来调节。因而能够最佳化考虑偏振器透射轴旋转调整量的偏振特性。能够防止由第一偏振器透射轴和第二棱镜片各向异性光轴之间的角偏移引起的前表面亮度下降。

附图说明

图1是显示根据本发明实施方式的液晶显示器的轮廓结构的整体透视图；

图2是显示根据本发明实施方式的液晶显示器的轮廓结构的横截面图；

图3是显示根据本发明实施方式的第一棱镜片的主结构示例的横截面图；

图4是显示根据本发明实施方式的第一棱镜片的主结构另一示例的横截面图；

图5是显示用于制造本发明实施方式的第一棱镜片的片制造装置的外形结构示意图；

图6是显示图3所示的棱镜片制造工艺的片制造装置的主要部分的截面图；

图7是显示图4所示的棱镜片制造工艺的片制造装置的主要部分的截面图；

图8是显示本发明实施方式的第二棱镜片整体结构示例的透视图；

图9是说明本发明实施方式的第二棱镜片的功能的侧视图；

图10A和10B是本发明实施方式的第二棱镜片的制造方法的示意图；

图11是显示本发明实施方式的第二棱镜片和第一偏振器之间关系的主要部分的透视图；

图12是显示本发明实施方式的第二棱镜片和第一偏振器之间关系的主要部分的侧视图；

图13是说明本发明实施方式的液晶显示器的一种操作的示意图；

图14是显示现有技术的液晶显示器整体轮廓结构的透视图；

图15是显示用于现有技术的液晶显示器的棱镜片的典型结构示例的示意图；以及

图16是说明现有技术的液晶显示器的操作示例的示意图。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的具体实施方式。

图1是显示液晶显示器21的轮廓结构的立体透视图，液晶显示器21配备有根据本发明实施方式的光学合层结构30。图2是显示液晶显示器21的轮廓结构的横截面图。首先，描述液晶显示器21的整体结构。

本实施方式的液晶显示器21包括液晶显示面板22，夹置液晶显示面板22的第一和第二偏振器23A和23B，和面发光装置33。面发光装置(背光装置)33构成为包括面发光单元24，扩散片28，本发明的光学合层结构30和第一偏振器23A。

如图2所示，液晶显示面板22具有叠层结构，其中液晶层35位于设置在面发光装置33侧的透明基板34A和设置在观看者侧的透明基板34B之间。尤其是，该叠层结构具有透明基板34A，透明像素电极37A，取向膜38A，液体层35，取向膜38B，透明电极37B，彩色滤色器36和透明基板34B，依此顺序形成在面发光装置33一侧。如果需要，用于光学补偿液晶层35双折射的相位差膜设置在液晶显示面板22的至少一个透明基片34A和34B上。

第一偏振器23A是设置在液晶显示面板22的光输入侧上的偏振板，第二偏振器23B是设置在液晶显示面板22的光输出侧上的偏振板。第一偏振器23A的透射轴A设置为图1所示的Y轴方向，第二偏振器23B的透射轴B设置为图1所示的X轴方向。X和Y轴在液晶显示面板22的显示屏幕上相互垂直，Z轴是平行于液晶显示器21的厚度方向，其垂直于X和Y轴。

所示的面发光单元24由侧光型背光单元构成，但也可由直下型背光单元构成。面发光单元24包括由透明材料制成的光导板25，设置在光导板25一端的光源26，覆盖光导板25发光平面的相对平面的反射板27等。虽然图中所示的光源26是点光源，如LED，也可以用单个线光源或多个线光源，如荧光灯(CCFL，HCFL)。

在光导板25和第一偏振器23A之间，扩散片28、第一棱镜片29A及第二棱镜片29B依此顺序设置。扩散片28具有以预定角度范围扩散并发射光导板25输出的光的作用，并用于使面发光单元24的亮度均匀分布。第一和第二棱镜片29A和29B构成本发明的光学合层结构30，用作亮度改善片，以通过将扩散片28输出的光汇聚到液晶显示面板22的前表面方向来改善前表面亮度。

第一和第二棱镜片29A和29B分别对应本发明的第一和第二光学片。第一和第二棱镜片29A和29B具有在其表面上排列的多个棱镜Pa和Pb，并设置成棱镜形成的表面面对液晶显示面板22一侧。第二棱镜片29B设置得比第一棱镜片29A更靠近液晶显示面板22一侧。棱镜片29A和29B被叠置以使棱镜Pa和Pb的脊(延伸)方向相互垂直。第一和第二棱镜片29A和29B的总厚度设置为100μm或更薄。

更具体地说，在本实施方式中，第一和第二棱镜片29A和29B的每个的片厚度为40μm，总厚度可以设置成80μm。第一和第二棱镜片29A和29B可以构成具有20μm的厚度，此时总厚度为40μm。

棱镜片29A和29B可以用粘合剂层整合。此时，粘合剂层优选由具有低于棱镜片29A和29B的折射率的透明材料制成。不具体限定棱镜Pa和Pb的顶角、形状等。在本实施方式中，棱镜为具有90度顶角的直角三角形。除了棱镜，也可以使用如凸透镜(lenticular lens)的立方结构。

下面将描述光学合层结构30的细节。

首先将描述第一棱镜片29A的细节。

图3是第一棱镜片29A主要部分的放大横截面图。第一棱镜片29A具有固化树脂层32被整体层压在透明基片31的表面上的结构。透明基片31由柔性材料制成的透明树脂片形成。固化树脂层32由活性能量束固化树脂形成，其在暴露于活性能量束时固化，如紫外线和电子束。

固化树脂层32由以恒定间距设置的多个三角形棱镜32a(对应上述的Pa)构成。凹谷部分32b设置在相邻的棱镜32a之间。棱镜32a的斜面(棱镜面)延伸到透明基片31的表面，从而凹谷部分32b接触透明基片31的表面。即，用于支持形棱镜32a的边缘层(图15所示的边缘层12c)不存在于透明基片31和形棱镜32a之间。因此与存在边缘层的情况相比，能够提高光学透射率和改善亮度。

“边缘层不存在于”用来表示字面上边缘层完全不存在和边缘层由于制造误差等而略微存在的含义(例如，0.28μm或更薄)。即，优选边缘层的厚度(ΔDy)为零，或很薄。第一棱镜片29A的总厚度(H)表达为透明基片31的厚度(D2)与固化树脂层32的厚度的和。固化树脂层32的厚度精确或近似等于每个形棱镜32a的底面与其顶角之间的距离D3(即形棱镜32a的高度)，或凹谷部32b的深度。

图4是第一棱镜片29A另一示例结构的主要部分的放大截面图。图4所示的第一棱镜片29A具有固化树脂层32整体层压在透明基片31表面上的叠层结构。透明基片31由柔性材料制成的透明树脂片形成。固化树脂层32由活性能量束固化树脂形成，其在暴露于活性能量束时固化，如紫外线和电子束。

如图4所示，固化树脂层32由以恒定间距设置的多个三角形棱镜32a(对应上述的Pa)构成。凹谷部32b设置在相邻形棱镜32a之间。透明基片31的表面具有对应形棱镜32a间凹谷部32b的凹陷31a。棱镜32a的斜面(棱镜面)延伸到透明基片31表面上的凹陷31a的内壁(底部)，从而凹谷部分32b接触透明基片31的表面。即，用于支持棱镜32a的边缘层不存在于透明基片31和形棱镜32a之间。因此与存在边缘层的情况相比，能够提高光学透射率和改善亮度。高度为ΔDx的凸曲表面31b(convex curved surface)形成在透明基片31的相邻凹陷31a之间。因此，在透明基片31的表面上表现特定的棱镜效应，可进一步改善前表面亮度。

在如图4所示的第一棱镜片29A中，棱镜32a的斜面向下延伸到透明基片31的凹陷31a的底部，边缘层完全不存在于透明基片31和棱镜32a之间。因此棱镜32a的高度低于凹谷部32b的深度D1。

用作透明基片31的柔性材料是相对于制造过程中模压形棱镜32a时使用的能量具有耐受性或渗透性的材料。更具体地，当通过活性能量束模压形棱镜32a时，如紫外线和电子束，材料能够渗透活性能量束，优选如聚酯基树脂，丙烯酸基树脂，聚碳酸酯基树脂，氯乙烯基树脂和聚甲基丙稀酰亚胺基树脂。

固化树脂构成的棱镜32a可以时聚酯基树脂，环氧基树脂，和(间位)丙烯酸酯基树脂((meta)acrylate based resin)，如聚酯(间位)丙烯酸酯，环氧(间位)丙烯酸酯和聚氨酯(间位)丙烯酸酯。由于其良好的光学特性，优选使用(间位)丙烯酸酯树脂。优选固化树脂的主要成分包含聚合引发剂，如由活性能量束激励的多原子的丙烯酸酯。

下面，参照图5到图7描述上述第一棱镜片29A制造方法的示例。图5是显示用于制造第一棱镜片29A的片层制造装置40的轮廓结构的示意图，图6是显示说明模压具有图3所示结构的棱镜32a的过程的主要部分的截面图，图7是显示说明模压具有图4所示结构的棱镜32a的过程的主要部分的截面图。

片层制造装置40构成为，包括用于支持透明基片S的退卷装置41，透明基片S具有以预定宽度切割的较长长度(对应透明基片31)，用于调节退卷装置41供应透明基片S的供料速度的调节装置42，用于将固化树脂P以未固化态滴流(图5和6)到透明基片S上的树脂供应装置43，用于调节滴流到透明基片S上的固化树脂P的厚度的层厚度调节装置44，用于将棱镜图案转印给固化树脂P以形成棱镜片29A的转印装置45，用于使棱镜片29A脱离转印装置45的脱离装置46，和用于卷绕棱镜片29A的卷绕装置47。

转印装置45具有压力辊45A和45B，模制辊45C和设置在压力辊45A和45B之间的光源45D。多个用于将棱镜形状转印到固化树脂P上的凸起45CP形成在模制辊45C的圆周表面上，沿模制辊45C的旋转方向并列设置。在本实施方式中，紫外线固化树脂用作固化树脂P，光源45D由发射紫外线的UV光源构成。

退卷装置41提供的透明基片S由速度调节装置42调节为具有预定速度，树脂供应装置43将固化树脂P滴流到透明基片S上。滴流的固化树脂P由膜厚度调节装置44调节为具有预定厚度，调节过厚度的固化树脂P以固化树脂的表面朝向模制辊45C一侧被输入转印装置45。由压力辊45A和45B从透明基片S侧抵住模制辊45C推压固化树脂P，从而转印棱镜32a的图案。

当形成具有图3所示结构的棱镜32a时，如图6所示，压力辊45A和45B推压模制辊45C，直到凸起45CP的顶点CP1接触透明基片S。以此方式，柱状固化树脂P的相邻区域相互接触的区域几乎消失。另一方面，当要形成具有如图4所示结构的棱镜32a时，如图7所示，压力辊45A和45B推压模制辊45C，直到凸起45CP的顶点CPI几乎进入透明基片S。以此方式，不仅柱状固化树脂P的相邻区域相互接触的区域几乎消失，而且在顶点几乎进入透明基片S的区域内形成凹陷31a。因而在相邻凹陷31a之间形成凸曲表面31b。

接着，在模制辊45C的凸起45CP被模压的状态中，光源45D发出的紫外(UV)线经透明基片S辐照到固化树脂P上。因此，转印到固化树脂P的形状被固定，从而在透明基片S上形成棱镜32a。之后，透明基片S与棱镜32a一起由脱离装置46从转印装置45上脱离，被卷绕装置47卷起。这样形成的棱镜片被切割成预定尺寸的片以得到本实施方式的棱镜片29A。

由于图4所示的第一棱镜片29A的凹陷31a的深度ΔDx制得比较深，弯曲形状31b的曲率半径可以制得比较小。但是，如果为了使凹陷31a更深，而将压力辊45A和45B的压力设置得过高，透明基片S(31)的凹陷31a可能会变得稍白，光学透射率会变低。为避免这种情况，优选凹陷31a的深度ΔDx设置为透明基片S(31)不会变白的程度(约为透明基片S(31)的厚度D2的10％或更小)。

下面，描述第二棱镜片29B的细节。

图8是示意性显示第二棱镜片29B的整体结构的透视图。第二棱镜片29B由透明树脂材料形成，并在其一个表面上具有棱镜结构面，该棱镜结构面具有多个沿一方向(Y轴方向)连续排列的三角形棱镜Pb。与棱镜结构面相对的面(光输入平面)是平面。

光输入面不限于光滑的平面，而可以是有预定粗糙度的不均匀结构(uneven texture)。通过使用不均匀光输入面，能够防止斜着观看液晶显示器时亮度突然减小。

第二棱镜片29B在棱镜延伸方向(X轴方向)和棱镜排列方向(Y轴方向)具有不同的折射率(diffractive indices)。通过使第二棱镜片29B的折射率具有面内各向异性，入射到第二棱镜片29B上的光的透射特性可以响应偏振态而被改变。图9显示入射到第二棱镜片29B上的光通路，尤其显示了棱镜延伸方向的折射率nx大于棱镜排列方向的折射率ny的情况(nx＞ny)。Lx表示背光L沿棱镜延伸方向振动的偏振分量，Ly表示背光L沿棱镜排列方向振动的偏振分量。

参照图9，在以入射角θ1斜射到平坦的第二棱镜片29B光输入面的背光中，由于第二棱镜片29B沿棱镜Pb延伸和排列方向折射率不同，背光的偏振分量Lx和偏振分量Ly以不同折射角rx和ry折射(rx＜ry)，并以不同的输出角φx和φy从棱镜斜面输出(φx＞φy)。

在上述示例中，偏振分量Lx和Ly从第二棱镜片29B的光输出面(棱镜结构面)输出。但是，由于棱镜延伸和排列方向具有不同的折射率，沿不同方向振动的偏振分量在包括棱镜片29B的光输入面和棱镜斜面的界面以不同反射率反射。因此，由于棱镜延伸方向的折射率nx设置得高于棱镜排列方向的折射率ny，沿棱镜延伸方向振动的偏振分量Lx的反射量大于偏振分量Ly的。因而在透射过第二棱镜片29B的背光中，偏振分量Ly具有大于偏振分量Lx的光量。

由于从棱镜斜面输出的偏振分量Lx和Ly的光输出角具有φx＞φy的关系，如果入射到棱镜片29B上的背光的入射角满足特定条件，可以实现理想的偏振分离状态，其中偏振分量Lx在棱镜斜面多次全反射并变成返回光，且仅有偏振分量Ly透射棱镜片29B。如图9所示的入射角θ2的理想偏振分离状态的示例。在nx＝1.9，ny＝1.6和棱镜Pb的顶角为90度的条件下，θ2的具体示例为约11度到25度。

另一方面，如果背光相对第二棱镜片29B的入射角变得太小，该状态会与背光以直角进入棱镜片29B光输入面的状态相同。此时，如图9所示，无论偏振态如何，背光L在棱镜Pb重复全反射，并变成返回背光侧的返回光。

如上所述，通过使第二棱镜片29B具有面内折射率各向异性(双折射)，除背光汇聚功能外还能获得稳定的偏振分离功能。而且，在上述每个示例中，棱镜片29B反射的光在第一棱镜片29A、扩散片28和光导板25的表面反射而变成非偏振光，并再次入射到第二棱镜片29B上。因而能够增加光使用效率和改善前表面亮度。

第二棱镜片29B双折射的大小为0.05或更大，优选0.2或更大，更优选0.25或更大。双折射越大，越能改善偏振选择性，越增大前表面亮度的改善度。

下面，描述上述构成的第二棱镜片29B的制造方法的示例。

本实施方式的第二棱镜片29B通过以下工艺来制造，模压树脂片的工艺，其中树脂片具有在一个表面上形成的棱镜结构面，和沿棱镜延伸方向拉伸树脂片的工艺，以使树脂片沿棱镜延伸和排列方向具有不同的折射率。

上述树脂片模压方法不是具体限定。例如，也可以使用热压方法，熔体挤出处理方法等。通过使用平坦的树脂片作为基片，可以在平坦树脂片上形成棱镜层。优选使用能够以辊方式连续形成树脂片的工艺。

形成的树脂片沿棱镜延伸方向拉伸以提供折射率各向异性。本实施方式的第二棱镜片29B以这种方式构造，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10A所示，理想棱镜片29B可以通过以下方式获得，用沿拉伸方向具有较高折射率的树脂材料形成树脂片50，然后沿棱镜延伸方向(X轴方向)拉伸树脂片50。可以适当根据需要的面内折射率差、树脂片50的材料种类等设定拉伸速率。

在拉伸方向上具有较高折射率的材料可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚萘二甲酸乙二酯(PEN)，其混合物，如PET-PEN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。

拉伸方向设定为棱镜延伸方向的原因是防止目标光学特性因拉伸前后棱镜形状的改变而改变。图10B显示了棱镜结构面拉伸前后的外部形状改变。实线表示拉伸前的形状，虚线表示拉伸后的形状。通过将拉伸方向设定为棱镜延伸方向(X轴方向)，拉伸后的棱镜横截面形状变得与拉伸钱棱镜横截面形状大致类似。因而能够抑止光学特性的改变和以高精度控制所需棱镜的形状。

如果以沿棱镜排列方向的折射率高于棱镜延伸方向的折射率构造，拉伸方向上具有较低折射率的树脂材料可以用于沿棱镜延伸方向拉伸树脂。拉伸方向上具有较低折射率的树脂材料可以是丙烯酸甲酯树脂，如聚甲基丙烯酸甲酯树脂，聚苯乙烯树脂，苯乙烯-丙烯腈共聚物(AS树脂)，苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物，其混合物等。

在上述构造的本实施方式的液晶显示器21中，从光源26发射的光入射到光导板25上，然后从光导板25的上表面(光输出面)输出。从光导板25输出的光入射到扩散片28上以均匀散射，然后由光学合层结构(第一棱镜片29A和第二棱镜片29B)导向前表面方向，经第一偏振起23A入射到液晶显示面板22。入射到液晶显示面板22的光根据夹置在每个像素两侧的透明像素电极37A和对向透明电极37B所施加的电压大小而透射，再由彩色滤色器36色分离，然后经第二偏振器输出到观看者一侧。以此方式，在液晶显示面板22的前表面上显示彩色图像。

下面描述光学合层结构30的操作。

图11是显示光学合层结构30和第一偏振器23A之间的相对位置关系的透视图。图12是说明第二棱镜片29B和第一偏振器23A之间的相对位置关系的主要部分的侧视图。

第一和第二棱镜片29A和29B以每个棱镜结构面指向第一偏振器23A侧的方式设置。第一棱镜片29A的棱镜Pa的延伸方向(Y轴方向)垂直于第二棱镜片29B的棱镜Pb的延伸方向(X轴方向)。由于第二棱镜片29B以这种方式构造，沿棱镜Pb延伸方向(X轴方向)的折射率高于棱镜Pb排列方向(Y轴方向)的折射率，较低折射率方向的棱镜Pb的排列方向被设置为与第一偏振器23A透射轴“a”方向对准。“b”表示第二偏振器23B的透射轴方向，该方向垂直于第一偏振器23A的透射轴“a”。“b”也对应第一偏振器23A的吸收轴。

以此配置，入射到光学合层结构30的光中，沿XZ面传播的光在第一棱镜片29A的棱镜Pa中折射和透射，以向前表面方向(Z轴方向)偏转。沿YZ面传播的光在第二棱镜片29B的棱镜Pb中折射和透射，以向前表面方向偏转。通过设置相互垂直的两个棱镜片，背光被有效地导向前表面方向。因而能够改善液晶显示器21的前表面亮度，适合用于液晶显示器的移动使用。

在第一棱镜片29A中，如图3和4所示，透明基片31接触相邻棱镜32a(Pa)之间凹谷部分32b，从而不用作棱镜的边缘层不存在于透明基片31和棱镜32a之间。光学透射率增加得比边缘层存在时高，从而改善亮度。

特别当如图4所示在对应凹谷部分32b的透明基片31表面上形成凹陷31a和在凹陷31a之间的透明基片表面上形成凸曲表面31b时，在透明基片31的表面上表现特定棱镜效果，从而进一步改善前表面亮度。

第二棱镜片29B将从前级第一棱镜片29A输出的光向前表面方向汇聚，并向第一偏振器23A输出光。此时，因为第二棱镜片29B这样形成，棱镜Pb延伸方向的折射率(nx)大于棱镜Pb排列方向的折射率(ny)，透射过棱镜片29B的背光的偏振分量Ly的数量大于偏振分量Lx的，如参照图9所述。偏振分量Ly与偏振分量Lx之间的数量比取决于棱镜片29B的棱镜排列方向的折射率与棱镜延伸方向的折射率的差和入射到棱镜片29B上的背光的角度分布。

因此，本实施方式的第二棱镜片29B不仅具有光汇聚功能，还具有稳定的偏振分离功能。如图12所示，因而从第二棱镜片29B输出的背光中，可以使棱镜Pb延伸方向的偏振分量Lx的光量比棱镜Pb排列方向的偏振分量Ly的光量小。因此能够通过减少第一偏振器23A中的背光吸收量来有效使用背光。即，通过提高背光的提取效率来改善前表面亮度。

如上所述，根据本实施方式的液晶显示器21，除了通过叠置两个棱镜片获得改善亮度的效果外，第二棱镜片29B还具有类似于现有技术的反射偏振片的功能，从而能够不需要反射偏振片。因而可以减少改善前表面亮度需要设定的光学层的数量。可以减薄光学片的总厚度和将液晶显示器制造得充分薄。

尤其在移动用液晶显示器中，背光侧上的第一偏振器的透射轴通常通过相对第二偏振片从正交尼科尔状态最大旋转几十度来设置，以便最佳化显示特性，如当结合相位差膜时的对比度。因此在现有技术的液晶显示器中，第一偏振器的透射轴和从反射偏振片输出的偏振分量之间的角偏移变大，导致前表面亮度明显下降的问题。

相反地，在本实施方式的液晶显示器21中，第二棱镜片29B的偏振功能可以通过其面内折射率差(双折射)来调节。因而就第一偏振器23A的透射轴的旋转调节量而言，能够最佳化偏振特性。图13显示当正交尼科尔态的前表面亮度设为“1”时，第二偏振器的透射轴和第一偏振器的透射轴的旋转角之间的关系的示例。在图13中，实线表示配有本实施方式的光学合层结构30的液晶显示器，虚线表示配有现有技术的反射偏振片的液晶显示器，表示与图16所示相同的数据。

如图13所示，根据该实施方式，通过结合本发明的两个棱镜片，每个的亮度改善率加在一起，从而实现前表面亮度与三个常规反射偏振片结合的相等。

而且，相对第一偏振器的透射轴的旋转角，亮度的下降率小。当旋转角为20度时亮度下降率为3％或更小，当旋转角为45度时亮度下降率为15％或更小。用于本实施方式的液晶显示器的第二棱镜片29B的双折射为0.26。相对偏振器旋转角的亮度下降率可以通过第二棱镜片29B的双折射调节。

因此根据本实施方式，能够最小化因第一偏振器的透射轴和第二棱镜片29B的各向异性光轴之间的角偏移引起的前表面亮度下降。因此能够简单地根据亮度特性、显示特性等的需要实现最适宜的片，以通过使用同种片提供不同类型的液晶显示器。

本发明的实施方式如上所述。显然，本发明不限于该实施方式，而能够在本发明的技术构思基础上进行各种修改。

例如，虽然在本实施方式中，第二棱镜片29B的面内折射率差被设置为nx＞ny，该差也可以设置为nx＜ny。此时，可以采用当在棱镜延伸方向拉伸时，具有较低的拉伸方向折射率的树脂材料。同样此时，优选棱镜排列方向设置为与第一偏振器23A的透射轴垂直的方向。

而且，虽然采用拉伸来提供本实施方式中带有折射率各向异性的第二棱镜片29B，本发明也不限于此。例如，采用具有折射率各向异性的液晶材料直接形成或使用具有折射率各向异性的晶体材料以形成棱镜片，从而实现棱镜延伸和排列方向之间的折射率各向异性。

如上所述，根据本发明的实施方式，可以减薄改善前表面亮度所需的光学片的总厚度。同样，可以抑止由偏振器旋转调节引起的亮度下降。

所属领域技术人员应该了解到，可以根据设计需要和其他因素进行各种修改、结合、再结合(sub-combination)和改变，只要他们在后附权利要求或其等价物的范围内。

本文件包含关于2007年3月19日向日本专利局提交的日本专利申请No.2007-070547的主题，其全部内容在此结合作为参考。

Claims (3)

1.一种液晶显示器，包括：

液晶显示面板；

第一偏振器，设置在液晶显示面板的光输入侧；

第二偏振器，设置在液晶显示面板的光输出侧；

面发光单元，用于照明所述液晶显示面板；以及

光学合层结构，设置在第一偏振器和面发光单元之间，用作改善前表面亮度的亮度改善片，其中：

该光学合层结构包括：

第一光学片，具有排列在透明基片上、由固化树脂形成的多个柱状立方结构，以及在接触透明基片表面的相邻立方结构之间的凹谷部分；以及

第二光学片，设置得比第一光学片更靠近第一偏振器一侧，具有排列在一表面上的多个柱状立方结构，所述立方结构沿其延伸方向的折射率与该立方结构沿其排列方向的折射率不同，

其中所述第一光学片和第二光学片设置成棱镜形成的表面面对偏振器一侧，所述第一和第二光学片结合成使得第一和第二光学片的立方结构的延伸方向以直角相交，

其中，用作所述第一光学片的透明基片的柔性材料是相对制造过程中模压固化树脂形成的柱状立方结构时使用的能量具有耐受性或渗透性的材料，其中：

如果当第一偏振器的透射轴以直角与第二偏振器的透射轴相交，第二光学片的具有较低面内折射率的方向与第一偏振器的透射轴平行时，液晶显示器面板的前表面亮度设定为100％，

当第一偏振器的透射轴相对于第二偏振器的透射轴旋转20度时，前表面亮度的下降率是3％或更小。

2.根据权利要求1所述的液晶显示器，其中：

所述第二光学片在其立方结构延伸方向上的折射率比在其立方结构排列方向上的折射率大；

所述立方结构的排列方向和第一偏振片的透射轴方向之间的角度设置成在从0度到45度的范围内。

3.根据权利要求1所述的液晶显示器，其中：

如果当第一偏振器的透射轴以直角与第二偏振器的透射轴相交，第二光学片的具有较低面内折射率的方向与第一偏振器的透射轴平行时，液晶显示器面板的前表面亮度设定为100％，

当第一偏振器的透射轴相对于第二偏振器的透射轴旋转45度时，前表面亮度的下降率是15％或更小。

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