JP2005077546A - Optical element equipped with microlens array, liquid crystal display equipped with the optical element, and manufacturing method of the optical element - Google Patents
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Description
本発明は、2層構成のマイクロレンズアレイを具備した光学素子及びその製造方法、並びに液晶表示装置に関するものである。 The present invention relates to an optical element including a microlens array having a two-layer structure, a manufacturing method thereof, and a liquid crystal display device.
携帯電話や携帯ノートパソコン、TV、デジタルカメラ等液晶表示装置を搭載した製品は増加の一途を辿っている。このような製品においては、表示装置の視認性を大きく左右する、バックライトの指向性を高めること、即ち正面輝度を高めることが、消費電力を抑え、バッテリによる駆動時間を長くするために必要である。 The number of products equipped with liquid crystal display devices such as mobile phones, portable notebook computers, TVs, and digital cameras is increasing. In such products, it is necessary to increase the directivity of the backlight, that is, to increase the front luminance, which greatly affects the visibility of the display device, in order to reduce power consumption and extend the battery driving time. is there.
これを実現する手段として、図19に示したように、片面にプリズム列を形成したプリズムシート101を、導光体102の出射面側に載置したバックライトが提案されている。103は光源、104は拡散板、105は液晶パネルである。このプリズムシートによる正面輝度の増加のメカニズムは次のようなものである。
As means for realizing this, as shown in FIG. 19, a backlight is proposed in which a
バックライトでは、導光体102からの出射光は、プリズムシート101に入射し、入射光の一部がプリズムシート101で屈折透過し、残りが反射して導光体102に戻される。このようなエッジライト型では、一般的に正面輝度が比較的低く、斜め方向から見た輝度が高くなる指向特性を持っているため、プリズムシート101によって光線を屈折させることにより正面での輝度が増加するように指向特性を改善している。また、プリズムシート101からの反射光は、導光体の出射面上に載置された拡散板104で拡散反射され、出射面の輝度を増加させることができ、これに伴って正面輝度も増加する。
図20に、このようなプリズムシート101の断面106を示す。プリズムシート101に入射した光線は、その入射角によって、プリズム斜面を直接透過して出射する光線A、一方のプリズム斜面で一旦反射した後、他方のプリズム斜面で再び反射して入射側に戻る光線B、一方のプリズム斜面で一旦反射した後、他方のプリズム斜面を透過して出射する光線Cに分けられる。この場合、プリズム頂角の選択によっては、さらに多重反射する成分も存在するが、通常、その割合は少ないものである。このうち光線Aは、正面方向すなわち観察方向に出射するものであり実際に利用される光線である。また、光線Bは導光体102の出射面の拡散板104で拡散反射され、出射面の輝度を増加させる有効な光線である。これに対して、光線Cは液晶表示装置の有効な視野角外に広角度で出射する光線であり、正面輝度の増加には関与していない光線である。
FIG. 20 shows a
この結果、プリズムシート101から出射光は、正面から±40゜前後の視野角(頂角90゜〜100゜、屈折率1.5〜1.59程度の場合)の範囲に分布する。これ以上の視野角になると、輝度は急激に低下し、一旦ほとんどゼロになった後に、さらに大きな視野角で再び輝度が増加する。このため、結果的に出射光の出射範囲を絞って輝度を増加した形になっている。
As a result, the light emitted from the
しかしながら、上記の通り、視野角は±40°と大きく、正面輝度が十分上がらないばかりか、光線Cのような不要光も発生し、光量の損失となっていた。 However, as described above, the viewing angle is as large as ± 40 °, and not only the front luminance is sufficiently increased, but also unnecessary light such as the light ray C is generated, resulting in a loss of light amount.
本発明は上記問題点を解決するため、以下の様な構成とするものである。 In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration.
本発明の光学素子は、稠密に配置された第1のマイクロレンズアレイと第1のマイクロレンズアレイに対して所定位置に位置決めされた第2のマイクロレンズアレイを有し、第1マイクロレンズアレイに所定の角度で入射した光線が、第2マイクロレンズアレイを出射する際、前記入射角度より小さい角度で出射することを特徴としている。 The optical element of the present invention includes a first microlens array arranged densely and a second microlens array positioned at a predetermined position with respect to the first microlens array. When the light beam incident at a predetermined angle is emitted from the second microlens array, the light beam is emitted at an angle smaller than the incident angle.
また、第1のマイクロレンズアレイの焦点位置近傍に第2マイクロレンズアレイを配置したことを特徴としている。 Further, the second microlens array is arranged in the vicinity of the focal position of the first microlens array.
また、第1のマイクロレンズアレイの焦点距離と第2マイクロレンズアレイの焦点距離が互いに等しいことを特徴としている。 The focal length of the first microlens array and the focal length of the second microlens array are equal to each other.
また、第1のマイクロレンズアレイは平坦化され、入射面は、略平面となっていることを特徴としている。 Further, the first microlens array is flattened, and the incident surface is substantially flat.
また、第1のマイクロレンズアレイがプリズムアレイであっても良い。また、第1のマイクロレンズアレイが円筒レンズアレイであってもよい。 The first microlens array may be a prism array. The first microlens array may be a cylindrical lens array.
また、本発明の液晶表示装置は上記のいずれかの光学素子を具備することを特徴とする。 The liquid crystal display device of the present invention includes any one of the above optical elements.
本発明における光学素子の製造方法は、稠密に配置された第1のマイクロレンズアレイと第1のマイクロレンズアレイに対して所定位置に位置決めされた第2のマイクロレンズアレイを有する光学素子において、予め第1マイクロレンズアレイを形成する工程と、第2マイクロレンズアレイ形成領域の近傍に感光性樹脂材料を塗布する工程と、該第1のマイクロレンズアレイに略平行光を入射させ、該第1のマイクロレンズアレイにより集束された光を用いて、該感光性樹脂材料をパターニングする工程を含むことを特徴としている。 An optical element manufacturing method according to the present invention includes a first microlens array that is densely arranged and a second microlens array that is positioned at a predetermined position with respect to the first microlens array. A step of forming a first microlens array; a step of applying a photosensitive resin material in the vicinity of a second microlens array formation region; and entering substantially parallel light into the first microlens array, The method includes a step of patterning the photosensitive resin material using light focused by the microlens array.
また、上記光学素子の製造方法において、第1マイクロレンズアレイを形成する工程が、転写型を用いた成形であることを特徴としている。 In the method for manufacturing an optical element, the step of forming the first microlens array is molding using a transfer mold.
また、上記光学素子の製造方法において、第1のマイクロレンズアレイに略平行光を入射させ、該感光性樹脂材料をパターニングする工程において、第1マイクロレンズアレイに入射する略平行光の入射角度を変化させ、且つ、入射角度に対して平行光の強度を変化させながら、第2マイクロレンズアレイの形状を形成することを特徴としている。 In the method of manufacturing the optical element, in the step of causing the substantially parallel light to be incident on the first microlens array and patterning the photosensitive resin material, the incident angle of the substantially parallel light incident on the first microlens array is set. The shape of the second microlens array is formed while changing and changing the intensity of the parallel light with respect to the incident angle.
本発明による光学素子は、2層のマイクロレンズアレイの位置合わせが容易に、且つ、精度良く可能になり、また、不要光が少なく、指向性の良好な光束に変換可能であり、ひいては、液晶表示装置の画面輝度を向上させ、消費電力を低減できるという効果が得られる。 The optical element according to the present invention enables easy and accurate alignment of the two-layer microlens array, and can be converted into a light beam with less unnecessary light and good directivity. It is possible to improve the screen brightness of the display device and reduce power consumption.
以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
図1に本実施例による第1マイクロレンズアレイ及び第2マイクロレンズアレイを含む光学素子の構成図を示す。 FIG. 1 shows a configuration diagram of an optical element including a first microlens array and a second microlens array according to this embodiment.
樹脂シート1上に予め第1マイクロレンズアレイ2が形成してあり、第2マイクロレンズアレイ3がその反対側に形成されている。
A
第1マイクロレンズアレイ2及び第2マイクロレンズアレイ3は、紫外線硬化樹脂から形成されており、樹脂シート1は、PET(ポリエチレンテレフタレート)或いは、PC(ポリカーボネート)からなり、厚さは100μmである。第1マイクロレンズアレイ2の平面配置は、図2に示すように、正方稠密配置で、第2マイクロレンズアレイ3も同様の配置である。第1マイクロレンズアレイ2と第2マイクロレンズアレイ3は、レンズ中心が互いに一致するように配置されている。
The
第1マイクロレンズアレイ2の焦点距離は、樹脂シート1の厚さに等しく、樹脂シート中で100μm、第2マイクロレンズアレイ3の焦点距離も同様、100μmである。従って、第1マイクロレンズアレイ2は、平行光束が入射した際に、第2マイクロレンズアレイ3の近傍に焦点を結ぶ。
The focal length of the
ここで、第1マイクロレンズアレイのピッチは、液晶表示装置のパネルの画素間隔に依存している。液晶パネルの画素間隔は、15インチから19インチ程度のXGA或いはSXGAクラスで、100から300μm程度、携帯機器用の高精細タイプで、50から200μm程度であるので、少なくとも、画素一つに対して、マイクロレンズが一つ対応することが必要である。従って、第1マイクロレンズアレイのピッチは、少なくとも300μm以下、望ましくは、100μm以下の必要がある。第1マイクロレンズアレイのピッチが前記300μmの時、製造上の理由から、焦点距離は300μm以上となり、樹脂シートの屈折率を、1.5とすると、樹脂シート厚さは、200μm程度となる。また、第1マイクロレンズアレイのピッチが前記100μmの時は、同様に、焦点距離は100μm以上、樹脂シート厚さは、67μm程度となる。また、樹脂シートの屈折率を、1.59とすると、樹脂シート厚さは、189μm程度となる。また、第1マイクロレンズアレイのピッチが前記100μmの時は、同様に、焦点距離は100μm以上、樹脂シート厚さは、63μm程度となる。以上のことから、マイクロレンズアレイピッチは50から300μm程度が好ましく、レンズ樹脂シートの厚さは、レンズアレイピッチの0.6〜0.7倍程度が好ましい。 Here, the pitch of the first microlens array depends on the pixel interval of the panel of the liquid crystal display device. The pixel interval of the liquid crystal panel is about 100 to 300 μm in the XGA or SXGA class of about 15 inches to 19 inches, and about 50 to 200 μm in the high-definition type for portable devices, so at least for one pixel. It is necessary for one microlens to correspond. Therefore, the pitch of the first microlens array needs to be at least 300 μm or less, preferably 100 μm or less. When the pitch of the first microlens array is 300 μm, for manufacturing reasons, the focal length is 300 μm or more, and when the refractive index of the resin sheet is 1.5, the resin sheet thickness is about 200 μm. Similarly, when the pitch of the first microlens array is 100 μm, the focal length is 100 μm or more and the resin sheet thickness is about 67 μm. If the refractive index of the resin sheet is 1.59, the resin sheet thickness is about 189 μm. Similarly, when the pitch of the first microlens array is 100 μm, the focal length is 100 μm or more and the resin sheet thickness is about 63 μm. From the above, the microlens array pitch is preferably about 50 to 300 μm, and the thickness of the lens resin sheet is preferably about 0.6 to 0.7 times the lens array pitch.
図3(a)は第1マイクロレンズアレイ2に0度で入射する光束を示している。第1マイクロレンズアレイ2により、第2マイクロレンズアレイ3の各レンズの光軸近傍に焦点を結んだ光束は、第2マイクロレンズアレイ3をそのまま透過していく。一方、図3(b)に示すように、一定の入射角で入射する光束は、第2マイクロレンズアレイ3の光軸から離れた位置に焦点を結び、第2マイクロレンズアレイ3の焦点位置が第1マイクロレンズアレイ2にあるため、その主光線は、第2マイクロレンズアレイ3により、樹脂シート1に直角な方向に出射される。即ち、第1マイクロレンズアレイ2に入射する方向がばらついている場合であっても、本実施例の光学素子を透過することで、主光線が樹脂シート基板に対してほぼ直角の出射光束を得ることが可能である。比較例として、マイクロレンズアレイが基板の一方の面に形成されている場合は、主光線が樹脂シート基板に対して直角にはならず、ある角度傾いている。したがって広がり角も大きくなるため、出射光束の指向性を向上させることができない。
FIG. 3A shows a light beam incident on the
この時、この光学素子を透過した光束の配光分布は、第1マイクロレンズアレイのNAで決まり、光束の広がり角を2δとすると、NA=Sinδの関係がある。従って、指向性を上げたければ、2δを小さくすれば良く、即ち、NAを小さくすれば良い。 At this time, the light distribution of the light beam transmitted through the optical element is determined by the NA of the first microlens array. If the spread angle of the light beam is 2δ, there is a relationship of NA = Sinδ. Therefore, in order to increase the directivity, 2δ may be reduced, that is, the NA may be reduced.
ここで液晶表示装置の視野角は、光が入射する第1マイクロレンズのNAによって決まる。携帯電話やPDA等の携帯機器用の高精細タイプでの視野角は±15〜25度が好ましい。従って、光が入射する第1マイクロレンズのNAとしては0.25〜0.42に作成することが好ましい。 Here, the viewing angle of the liquid crystal display device is determined by the NA of the first microlens through which light enters. The viewing angle in a high-definition type for mobile devices such as mobile phones and PDAs is preferably ± 15 to 25 degrees. Therefore, it is preferable that the NA of the first microlens to which light enters is made to be 0.25 to 0.42.
また、第2マイクロレンズアレイ3の平面配置4は、図4に示すような、長方形を稠密に配置したものでも良く、入射光束について、縦方向と横方向の配光分布が異なる場合でも、前記長方形とすることで、出射光束の指向性を向上させることが可能である。
Further, the
次に、光学素子の作製方法について説明する。図5乃至図11は光学素子の作製方法のフロー図である。
樹脂シート1上に紫外線硬化樹脂5を塗布し、スタンパ6を押し当てた後、紫外線7を照射し、紫外線硬化樹脂8を硬化させる(図5)。スタンパ6を離型すると第1マイクロレンズアレイ2が形成できる(図6)。第1マイクロレンズアレイ2の形成面と反対面に、紫外線硬化樹脂8を塗布し(図7)、第1マイクロレンズアレイ2側から、紫外線露光光9を略平行光束として入射させ、第1マイクロレンズアレイ2の集光点で紫外線硬化樹脂8を硬化させ、硬化部A10を形成する(図8)。また、紫外線露光光11を傾け、斜め入射させ、硬化部B12を形成する(図9)。このようにして、露光光を傾けることにより、第2マイクロレンズアレイ3の形状を作製する(図10)。その後、未硬化部の紫外線硬化樹脂13を洗浄等で取り除き、第2マイクロレンズアレイ3を形成する(図11)。
Next, a method for manufacturing an optical element will be described. 5 to 11 are flowcharts of a method for manufacturing an optical element.
After the ultraviolet
第2マイクロレンズアレイ3は、第1マイクロレンズアレイ2の集光点を基準に形成されるため、位置合わせの必要がなく、容易に、かつ非常に精度よく配置される。
The
別の構成として、図12に示すように、第1マイクロレンズアレイ14が平坦層15により平坦化されていても良い。この時、平坦層15の屈折率は第1マイクロレンズアレイ14の屈折率より小さいことが必要である。これにより、他部材と重ねて配置される場合でも、レンズ形状が破壊されることなく、又、光線16が平坦層15で一旦屈折されるため、より大きい入射角度の光線に対しても、指向性向上が可能となる。
As another configuration, the
更に、図13に示す様に、第2マイクロレンズアレイが、マイクロプリズム17であっても良い。これにより、+θの入射角の光線は全て斜面A18に入り、−θの入射角の光線は全て斜面B19に入るため、全反射が生じ難く、従って、従来例図20の光線Cのような不要光がでることがない。
Furthermore, as shown in FIG. 13, the second microlens array may be a
また、第2マイクロレンズアレイ20の形状は、図14に示すような形状であっても良い。これにより正面輝度を更に向上させることが可能となる。また、図11、図13、図14には2次元形状を示したが、例えば、図15、図16に示すようなアナモルフィックな形状であっても良いし、図17に示すピラミッド型の形状であっても良い。
Further, the shape of the
図18に本発明の光学素子を具備した液晶表示装置21を示す。光源22、導光板23、光学素子24、液晶パネル25からなる。導光板を出た光線は、導光板の出射角度に対して、一定の光強度を持つが、比較的正面輝度は低い状態であるが、光学素子24により正面輝度を向上させ、指向性を高めることが可能となる。導光板23と液晶パネル25の間には、必要に応じて拡散板等の各種光学シートを付加しても良い。
FIG. 18 shows a liquid
1 樹脂シート
2 第1マイクロレンズアレイ
3 第2マイクロレンズアレイ
4 第2マイクロレンズアレイの平面配置
5 紫外線硬化樹脂
6 スタンパ
7 紫外線
8 紫外線硬化樹脂
9 紫外線露光光
10 硬化部A
11 紫外線露光光
12 硬化部B
13 未硬化部の紫外線硬化樹脂
14 第1マイクロレンズアレイ
15 平坦層
16 光線
17 マイクロプリズム
18 斜面A
19 斜面B
20 第2マイクロレンズアレイ
21 液晶表示装置
22 光源
23 導光板
24 光学素子
25 液晶パネル
DESCRIPTION OF
11
13 UV-cured resin in
19 Slope B
20
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2003
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