(57)【要約】【課題】  液晶表示装置において、従来のプリズムシートでは、不要光による光量損失が大きく、正面輝度も十分ではなかった。【解決手段】  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２層構成のマイクロレンズ素子を用いることで光の利用効率が向上し、正面輝度が向上した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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する光学素子。
【請求項２】
請求項１記載の光学素子であって、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する光学素子。
【請求項３】
請求項１乃至２記載の光学素子であって、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する光学素子。
【請求項４】
請求項１乃至３記載の光学素子であって、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する光学素子。
【請求項５】
請求項１乃至４記載の光学素子であって、第１のマイクロレンズアレイがプリズムアレイであることを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項１乃至５記載の光学素子であって、第１のマイクロレンズアレイが円筒レンズアレイであることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
請求項１乃至６記載の光学素子を具備することを特徴とする液晶表示装置。
【請求項８】
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する光学素子の製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の光学素子の製造方法であって、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する光学素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項８乃至９記載の光学素子の製造方法であって、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する光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【特許文献１】特開平８−１９０８０６号公報（公開日１９９６．７．２３）
【特許文献２】特開平８−１６６５８２号公報（公開日１９９６．６．２５）
【特許文献３】特開平１０−１６１０９６号公報（公開日１９９８．６．１９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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）。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例を示す光学素子の断面図である。
【図２】本発明の実施例を示す光学素子の平面図である。
【図３】本発明の実施例を示す光学素子の説明図である。
【図４】本発明の実施例を示す光学素子の平面図である。
【図５】本発明の実施例を示す光学素子の製造フロー図である。
【図６】本発明の実施例を示す光学素子の製造フロー図である。
【図７】本発明の実施例を示す光学素子の製造フロー図である。
【図８】本発明の実施例を示す光学素子の製造フロー図である。
【図９】本発明の実施例を示す光学素子の製造フロー図である。
【図１０】本発明の実施例を示す光学素子の製造フロー図である。
【図１１】本発明の実施例を示す光学素子の製造フロー図である。
【図１２】本発明の実施例を示す光学素子の説明図である。
【図１３】本発明の実施例を示す光学素子の説明図である。
【図１４】本発明の別の実施例を示す光学素子の断面図である。
【図１５】本発明の別の実施例を示す光学素子の斜視図である。
【図１６】本発明の別の実施例を示す光学素子の斜視図である。
【図１７】本発明の別の実施例を示す光学素子の斜視図である。
【図１８】本発明の実施例を示す液晶表示装置の断面図である。
【図１９】従来例を示す液晶表示装置の断面図である。
【図２０】従来例を示すプリズムシートの断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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