JP2006323337A - 反射板及び液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な反射・集光特性を有する反射板を提供し、液晶などを用いた表示装置の表示品質を向上させる。
【解決手段】略球面形状あるいは略回転放物面形状の反射面を持つマイクロレンズをランダムに多数配置したマイクロレンズアレイを用い、当該マイクロレンズの反射面最大角は23°より大きく45°以下とする。
【選択図】図１
【解決手段】略球面形状あるいは略回転放物面形状の反射面を持つマイクロレンズをランダムに多数配置したマイクロレンズアレイを用い、当該マイクロレンズの反射面最大角は23°より大きく45°以下とする。
【選択図】図１
Description
光を集光、拡散、反射、回折等で制御することが必要な分野、例えばディスプレイ、照明、医療、食料、光通信、コンピュータ等、マイクロレンズが必要な分野に関するが、特に反射型液晶表示装置や高効率を必要とされる太陽電池の拡散反射板の製造等に使用されるマイクロレンズアレイ、マイクロレンズアレイ用転写原型を用いた凹凸型、転写用積層体、拡散反射板及び液晶表示装置に関する。
回折格子フィルターや光通信光学部品、またカメラ部品の焦点版を形成することにマイクロレンズアレイが用いられる。マイクロレンズアレイは、直径10〜300μmほどの円形状で、深さが0.6〜60μmの寸法のマイクロレンズを板状の基材の主面に多数形成したものである。通常マイクロレンズの形状は中心を軸対称とした球面形状で設計される。また、このマイクロレンズを製造する手段としては、特許文献１及び２に見られるような圧痕方式や、特許文献３に見られるような露光によるエッチングを行うフォトリソグラフィ方式(以下、フォトリソ方式という)がある。また、ファナック技術資料には切削工具を回転させてレンズ面を回転切削するフライカット方式が記載されている。
従来の反射板に用いられていたマイクロレンズの形状は、成形の容易さから、凹凸の小さいものに限られていた。例えば略球面形状のレンズ形状の場合、球の半径に対するレンズの基準面からの深さは高々2〜3%にとどまっていた。図1にレンズ形状の略図を示す。これらのレンズ形状を有する反射板に、全方位より白色光を照射した場合の反射面鉛直方向(正面方向)への反射光強度を図2に示す。測定は、autronic-MELCHERS社製DMS-803に拡散半球を装着して行った。硫酸バリウム板を試料とした場合の正面反射光強度を100%として反射率を規格化している。なお、平面鏡を試料とした場合の正面反射光強度は0.04%であった。図2の横軸は、略球面形状の反射面の球面半径に対するレンズ深さの比である。図2より、球面の半径に対してレンズ深さが深いほど正面反射光強度が向上することがわかる。
周囲の光をより多く正面方向へ出射する反射板と、かかる反射板を用いて表示品質を向上させた液晶表示装置を提供する。
上記の課題を解決するため、第一の発明では略球面状の反射面を持つマイクロレンズを多数配置したマイクロレンズアレイからなり、当該マイクロレンズの深さの球面半径に対する比が8%以上である反射板を用いる。
球面のような回転対称性をもつマイクロレンズを構成要素とすることにより、等方的な反射・集光特性をもつマイクロレンズアレイ反射板が得られる。略球面状のマイクロレンズからなる反射板の場合、マイクロレンズの深さの球面半径に対する比を8%以上とすることにより、周囲の外光を効率よく集めて反射板正面方向へ出射することができる。
第２の発明では、略回転放物面状の反射面を持つマイクロレンズを多数配置したマイクロレンズアレイからなり、当該マイクロレンズの深さの放物面焦点距離に対する比が30%以上110%以下である反射板を用いる。
回転放物面のような回転対称性をもつマイクロレンズを構成要素とすることにより、等方的な反射・集光特性をもつマイクロレンズアレイ反射板が得られる。略回転放物面状のマイクロレンズからなる反射板の場合、当該マイクロレンズの深さの放物面焦点距離に対する比を30%以上110%以下とすることにより、周囲の外光を効率よく集めて反射板正面方向へ出射することができる。
第３の発明では、円錐状の反射面を含むマイクロレンズを多数配置したマイクロレンズアレイからなる反射板を用いる。
円錐のような回転対称性をもつマイクロレンズを構成要素とすることにより、等方的な反射・集光特性をもつマイクロレンズアレイ反射板が得られる。
第４の発明では、上記の円錐状反射面を含むマイクロレンズアレイにおいて、マイクロレンズが頂角の異なる円錐状の反射面を組み合わせて形成する。
略円錐状の反射面を含むマイクロレンズからなる反射板の場合、頂角の異なる円錐状の反射面を組み合わせることにより、周囲の外光を効率よく集めて反射板正面方向へ出射することができる。
第５の発明では、上記のいずれかのマイクロレンズアレイにおいて、マイクロレンズの反射面最大角を24°より大きく45°以下とする。
上記のマイクロレンズアレイを用いた反射板において、レンズ深さを大きくすることにより、特に反射板に対して平行に近い方向から入射する光を効率よく正面方向へ偏向・集光するとともに、反射板に対して鉛直に近い方向から入射する光の散乱を最小限に抑えることができる。これにより、液晶などを用いた表示装置の表示品質を向上させることができる。この場合、マイクロレンズの反射面最大角は45°以下であることが好ましく、反射面最大角が45°を超えると正面方向へ反射される光量が減少する。
上記のマイクロレンズアレイを用いた反射板を液晶ディスプレイ用として用いる場合、反射面最大角を24°以上にすると、標準反射板であるBaSO4を上回る正面反射率が得られる。反射面最大角を24°以上にしても正面反射率はほとんど向上しないが、24°より小さくなると正面反射率は急速に減少する。また、反射面最大角が24°以上であれば、加工誤差によりマイクロレンズ間に平坦部が生じた場合でも正面反射率の低下は小さい。
第６の発明では、上記のマイクロレンズアレイにおいて、マイクロレンズの直径を20μm以下とする。
直径が20μmを超えるマイクロレンズを液晶ディスプレイ等の画素で構成される表示装置に用いた場合、画素との干渉による明暗（モアレ）が観測されやすくなるため、マイクロレンズの直径は20μmとした方が好ましい。
第７の発明では、上記のマイクロレンズアレイにおいて、マイクロレンズの直径を10μm以上とする。
直径が10μm未満のマイクロレンズを用いた場合、光の回折による散乱効果が顕著になるため、反射板の集光性能が損なわれ正面反射率が低下する。従って、マイクロレンズの直径は10μm以上であることが好ましい。
第８の発明では、上記のマイクロレンズアレイにおいて、マイクロレンズの配置をランダムとする。
マイクロレンズの配置が規則的であると、光の干渉効果が顕著に現れて反射光が虹状に分光するため、マイクロレンズの配置はランダムであることが好ましい。また、マイクロレンズの配置をランダムにすることにより、例えば液晶ディスプレイのような画素を有する表示装置に用いた場合のモアレを抑制することができる。
第９の発明では、上記のマイクロレンズアレイにおいて、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズの平均深さに対して、当該マイクロレンズの深さを50%以上150%以下で分布させる。
マイクロレンズの深さの分布が大きいと、輝点や暗点などの表示異常が観測されやすくなるため、いずれも平均値の50%以上150%以下の範囲で分布している事がこのましい。
第１０の発明では、上記のマイクロレンズアレイにおいて、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズ間の隣接距離を、平均隣接距離の50%以上150%以下で分布させる。
マイクロレンズの隣接距離の分布が大きいと、輝点や暗点などの表示異常が観測されやすくなるため、いずれも平均値の50%以上150%以下の範囲で分布している事がこのましい。
第１１の発明では、上記のマイクロレンズアレイを30μm以下の範囲で観察した場合にマイクロレンズの配置が非周期的になるようにマイクロレンズを配置する。
第１２の発明では、上記のマイクロレンズアレイにおいて、マイクロレンズ間に平坦部を設けないようにレンズを配置する。
第１３の発明では、上記の高輝度・高均斉度マイクロレンズアレイ反射板を用いて表示装置の表示品質を向上させる。
マイクロレンズ間に平坦部を設けないことにより、反射板に対して斜め方向から入射する光を効率よく正面方向へ偏向・集光することができる。また、平坦部が生じると、正反射成分に起因する輝線などの表示異常があらわれる点からも、マイクロレンズ間には平坦部がないことが好ましい。
周囲の光をより多く正面方向へ出射することで、液晶などを用いた表示装置の表示品質を向上させることができる。
以下に、添付図面を参照しながら本発明に係る反射板及びそれを用いた表示装置の実施の形態について説明する。なお、本発明の形態はこれに制限されない。
図2より、レンズ深さが深いほど正面反射光強度が向上すると予想されたため、Optical Research Associate社製光学シミュレータLightTools version 5.1.0を用いて、種々のマイクロレンズ形状の特性を光線追跡シミュレーションにより調べた。追跡に用いる光線数は500万本とし、前記のDMS-803の形状を再現してシミュレートした。シミュレーションから得られた正面反射光強度と、DMS-803で実測された値は、図3に示すように良好な相関が得られた。図中の実線は最小二乗法から得られた回帰直線である(R=0.9995)。
凹球面状のレンズアレイを用い、レンズ深さを変化させた場合のシミュレーション結果を図4に示す。レンズ深さが大きくなるほど正面反射率は向上し、レンズ深さが球面半径の30%の場合に最大値97%をとる。さらにレンズ深さが大きくなると、正面反射率は急速に減少する。従って、正面反射率を最大にするためには球面レンズの深さが球面半径の30%であることが最も好ましい。
上記レンズアレイにおいて、各レンズ間に平坦部を設けた場合の結果を白丸で図4に併記した。平坦部を設けた場合、レンズの深さにかかわらず正面反射率は低下している。従って、レンズ間には平坦部がない方が好ましく、レンズ境界部の形状が変形していないことが好ましい。
集光性を有する代表的な反射面形状の１つに回転放物面がある。回転放物面は中心線上に焦点を有し、焦点を通った光を中心線に平行な方向へ偏向する性質がある。これに鑑みて、回転放物面を並べたレンズアレイについてシミュレーションにより調べた。放物面の形状は焦点距離により規定されるが、レンズ深さと焦点距離の比に対して正面反射率をプロットしたものが図5である。レンズ深さが焦点距離の30%以上100%以下の範囲にある時に高い正面出射光強度が得られる。正面出射光強度が最も大きくなるのはレンズ深さが焦点距離の約90%にある時である。
上記の球面及び回転放物面についてのシミュレーション結果を反射面最大角に対してそれぞれプロットしたものが図6、7である。レンズ深さの増加に対応して反射面最大角も増大するが、特に反射面最大角が24°以上の時に正面反射率は大きな値を示す。いずれの場合も、反射面最大角が23°より大きく45°以下の範囲にある時に高い正面反射率が得られ、この角度範囲における正面反射率の変化は小さい。正面反射率が最大となるのは反射面最大角が約43°の場合である。なお、従来の略球面状マイクロレンズアレイの場合の反射面最大角は10°から15°程度である。反射面最大角が従来の値の範囲にある場合、加工上のエラーなどでレンズ間に平坦部が生じると、図6に示すように正面反射率は大きく低下する。本発明で規定する角度範囲(図6では約24°)に反射面最大角がある場合、正面反射率の低下は小さい。すなわち、本発明に規定するレンズ形状を用いれば、加工上の裕度が大きくなるという利点がある。
以上のように、正面へ集光して光を出射する反射板を作製するに際しては、反射面最大角が23°より大きく45°以下の範囲にある形状のレンズを多数又は複数ランダムに配置したマイクロレンズアレイが好ましく、球面レンズの場合は反射面最大角が45°、回転放物面レンズの場合は反射面最大角が43°の場合に最も高い正面反射率が得られる。ただし、反射面最大角が小さくレンズ深さが小さい方が加工が容易であるため、この観点からは反射面最大角が24°の形状が好ましい。
本発明の反射板の用途の１つとして、反透過型あるいは反射型液晶表示装置用の反射板が考えられる。以上の結果は反射板を空気中において測定したものであるが、上記用途においては反射板は液晶中に設置されるため、異なる光学特性を示す。図8に示したように、反射面最大角が45°より小さい場合の正面反射率は、空気中ではほぼ一定の割合で変化し、反射面最大角はこの範囲で大きいほど好ましい。一方、液晶中では反射面最大角が24°より小さくなると正面反射率は急速に減少するが、24°以上ではほぼ一定値である。また、液晶中では反射面最大角が24°以上42°以下の場合のみ、正面反射率が標準試料(BaSO4)を超える。従って、液晶表示装置用に限ると、反射面最大角は24°以上42°以下であることが好ましい。
本発明を実施するに当たって、特開2003-121612に記載の金型加工法および転写法、反射層形成法を参考にした。図9は得られた反射板の写真である。
Claims (13)
- 略球面状の反射面を持つマイクロレンズを多数配置したマイクロレンズアレイからなる反射板であって、当該マイクロレンズの深さの球面半径に対する比が8%以上である反射板。
- 略回転放物面状の反射面を持つマイクロレンズを多数配置したマイクロレンズアレイからなる反射板であって、当該マイクロレンズの深さの放物面焦点距離に対する比が30%以上110%以下である反射板。
- 円錐状の反射面を含むマイクロレンズを多数配置したマイクロレンズアレイからなる反射板。
- 頂角の異なる円錐状の反射面を組み合わせたマイクロレンズアレイからなる、請求項３に記載の反射板。
- マイクロレンズの反射面最大角が24°より大きく45°以下である、請求項1から４のいずれかに記載の反射板。
- マイクロレンズの直径が20μm以下である、請求項１から５のいずれかに記載の反射板。
- マイクロレンズの直径が10μm以上である、請求項１から６のいずれかに記載の反射板。
- マイクロレンズの配置がランダムである、請求項1から７のいずれかに記載の反射板。
- マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズの平均深さに対して、当該マイクロレンズの深さが50%以上150%以下で分布している、請求項１から８のいずれかに記載の反射板。
- マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズ間の隣接距離が、平均隣接距離の50%以上150%以下で分布している、請求項1から９のいずれかに記載の反射板。
- 30μm以下の範囲において、マイクロレンズの配置が非周期的である請求項１から１０のいずれかに記載の反射板。
- マイクロレンズ間に平坦部を設けない、請求項１から１１のいずれかに記載の反射板。
- 請求項1から１２のいずれかに記載の反射板を用いた液晶表示装置。
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|---|---|---|---|
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Cited By (2)
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