JP2006119548A

JP2006119548A - 集光部材

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Publication number: JP2006119548A
Application number: JP2004310038A
Authority: JP
Inventors: Yuuki Kanehara; 勇貴金原; Hitoshi Oguri; 均小栗
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2004-10-25
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】所定の視野角における輝度を向上させると共に、該視野角を超えた領域における急激な輝度の低下を抑制し、光の利用効率を高めた集光部材を提供すること。
【解決手段】光透過性の支持体上１０に、光透過性のある微小な半球状の凸状部１１を規則的に配列した集光部材において、該凸状部が支持体となす接触角θが、１０°以上であることを特徴とする。好ましくは、該接触角θが７０°以上であることを特徴とする。また、光透過性の支持体上に、光透過性のある微小な半球状の凸状部を規則的に配列した集光部材において、該凸状部は、内部から外部に向かって屈折率が低くなるよう形成されていることを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、集光部材に関し、特に、光透過性の支持体上に、光透過性のある微小な半球状の凸状部を規則的に配列した集光部材に関する。

現在、液晶ディスプレイ等の液晶表示装置に使われるバックライトにおいて、図1に示すようにフィルム１の上面に複数の三角プリズムを配列させたものが存在する（特許文献１参照）。上記フィルムを利用した場合の輝度の角度分布曲線は、図４のようになり、フィルムを用いない場合の拡散光の輝度の角度分布曲線である図２と比較すると、拡散光が集光され、観察面（図１の符号２）に対し垂直方向（図４において０度）において輝度が上昇していることが確認できる。なお、図２の拡散光における最大輝度を１としたときの、プリズムフィルム透過後の最大輝度の割合（輝度上昇率）は約１．５５である。
特許第３０７４４８２号公報

しかしながら、上記構成において、観察面２に対し垂直方向には高輝度の状態であるが、視野角がある一定角度以上になると輝度が急激に落ち、液晶表示装置の視認性が急激に変化する。また、観察面に垂直な方向を０度とした場合、±５０度付近から副透過帯が発生し、この成分は液晶表示装置を観測する際には輝度上昇に貢献せず、バックライトの利用効率の低下の原因となっていた。さらに、プリズムの稜線方向（図４の実線グラフで示す垂直成分に相当する）とそれに垂直な方向（図４の点線グラフで示す水平成分に相当する）とでは、散乱光に対する光路特性が異なるため、輝度の角度分布が異なるという問題も発生しており、更なる特性の向上が求められている。なお、グラフを表示する図面においては、図４と比較することが可能なように、図４以外のグラフにおいても水平成分と垂直成分とを参考までに表示している。

このような副透過帯が発生する原因の一つには、パターン列（三角プリズム面）が平滑面であることが挙げられる。従来技術における光路を図３に示す。平面のパターンに対し、全反射角以内の光路では集光されて透過するが（図３の符号ａ，ａ’）、全反射角を越えた光路においては完全に反射されるため、一定以上の角度では輝度が急激に減少する（図３の符号ｂ，ｂ’，ｂ”）。また、全反射された光は観察面に対してほぼ平行な角度を持ち、この成分の一部が副透過帯として発生する（図３の符号ｃ，ｃ’）。このような、副透過帯は、例えば、視野角が±５０度付近における輝度の上昇となって現れる。
また、上記フィルムを作成するためには精度の良い金型を作成する必要があり、手間、コストがかかることも問題となっている。

他方、以下の特許文献２においては、透明基板の表面に多数の凸状部を形成したマイクロレンズアレーが記載されており、このマクロレンズアレーを、液晶パネル等のアレー状の多くの画素を持つ装置に、組合わせて用いることが開示されている。
特開平９−１２２５７３号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述した問題を解決し、所定の視野角における輝度を向上させると共に、該視野角を超えた領域における急激な輝度の低下を抑制し、光の利用効率を高めた集光部材を提供することである。

請求項１に係る発明では、光透過性の支持体上に、光透過性のある微小な半球状の凸状部を規則的に配列した集光部材において、該凸状部が支持体となす接触角θが、１０°以上であることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載の集光部材において、該接触角θが７０°以上であることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明では、光透過性の支持体上に、光透過性のある微小な半球状の凸状部を規則的に配列した集光部材において、該凸状部は、内部から外部に向かって屈折率が低くなるよう形成されていることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明では、光透過性の支持体上に、光透過性のある微小な半球状の凸状部を規則的に配列した集光部材において、該凸状部が、屈折率の異なる２種以上の凸状部から構成されていることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明では、請求項３又は４に記載の集光部材において、該凸状部が支持体となす接触角θが、１０°以上であることを特徴とする。

また、請求項６に係る発明では、請求項５に記載の集光部材において、該接触角θが７０°以上であることを特徴とする。

また、請求項７に係る発明では、請求項１乃至６のいずれかに記載の集光部材において、該凸状部は、六方最密充填状又は格子状に配置されていることを特徴とする。

また、請求項８に係る発明では、請求項７に記載の集光部材において、該凸状部は、互いの凸状部間の距離ｄと凸状部の半径ｒとの比ｄ／ｒが２以下であることを特徴とする。

また、請求項９に係る発明では、請求項１乃至８のいずれかに記載の集光部材において、該支持体は、フィルムであることを特徴とする。

また、請求項１０に係る発明では、請求項１乃至８のいずれかに記載の集光部材において、該支持体は、液晶表示装置の液晶を保持する基板又はバックライトの出射窓を形成する透明板であることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、光透過性の支持体上に凸状部を配置するため、三角プリズムのような副透過帯が発生せず、しかも、配列された凸状部の支持体となす接触角θが１０°以上であるため、観察面における輝度の上昇を実現することが可能となる。特に、請求項２に示すように、接触角θが７０°以上の場合には、従来の三角プリズムを配列させた場合と同程度の１．５倍近い輝度の上昇を実現することができる。

請求項３に係る発明により、光透過性の支持体上に配列した凸状部が、内部から外部に向かって屈折率が低くなるよう形成されているため、凸状部によるレンズ効果を高め、一様な屈折率を有する凸状部と比較し、高輝度の視野角を同程度以上に保持しながら、視野角の中央付近の輝度もより向上させることが可能となる。

請求項４に係る発明により、光透過性の支持体上に配列した凸状部が、屈折率の異なる２種以上の凸状部から構成されているため、各凸状部により拡散・集束される光の角度が異なり、集光部材全体として、高輝度の視野角を拡大することが可能となる。

請求項５に係る発明により、光透過性の支持体上に配列された凸状部の支持体となす接触角θが１０°以上であるため、請求項１と同様に、観察面における輝度の上昇を実現することが可能となる。また、請求項６に示すように、接触角θが７０°以上の場合には、従来の三角プリズムを配列させた場合と同程度の１．５倍近い輝度の上昇を実現することができる。

請求項７に係る発明により、光透過性の支持体上に配列された凸状部が六方最密充填状又は格子状に配置されているため、凸状部の配列密度を高くし、観察面においても均一な光を照射することが可能となる。特に、六方最密充填状の場合には、凸状部の配列密度をより高くでき、輝度の向上だけでなく、観察面側に配置される液晶の画素密度が高くなる場合にも、より均一なバックライトの照射を可能とする。

請求項８に係る発明により、凸状部は、互いの凸状部間の距離ｄと凸状部の半径ｒとの比ｄ／ｒが２以下であるため、観察面における輝度を上昇させることが可能となる。

請求項９に係る発明により、支持体がフィルムであるため、フィルム自体を単独で光路上に配置し、必要に応じて該フィルムを液晶基板やバックライトの出射窓などに貼り付けることにより、容易に観察面における視野角や輝度を改善できる。

請求項１０に係る発明により、支持体が液晶表示装置の液晶を保持する基板又はバックライトの出射窓を形成する透明板であるため、該基板や透明板に凸状部を直接形成することにより、部品点数を増加させること無く、容易に観察面における視野角や輝度を改善できる。

本発明に係る集光部材について、以下に詳細に説明する。
本発明の集光部材は、光透過性の支持体上に、光透過性のある微小な半球状の凸状部を規則的に配列した集光部材において、該凸状部が支持体となす接触角θが、１０°以上、好ましくは、７０°以上であることを特徴とする。
また、光透過性の支持体上に配列される凸状部は、内部から外部に向かって屈折率が低くなるよう形成されていることを主たる特徴とするものである。

具体的には、図５に示すように、本発明の集光部材は、光透過性のある支持体１０上に、光透過性のある微小な半球状の凸状部１１を形成したものである。そして、このような凸状部１１は、図６に示すように、支持体１０上に所定の配列パターンで配置され、観察面２に対し、視野角に対する所定の輝度分布を有する光を照射することが可能となる。支持体１０の下側から観察面２側に透過する光の方向・強度は、支持体１０の裏面側に入射する光の位置と角度とによって決まり、特に、凸状部１１が半球状であるため、同じ角度で入射した光でも、その位置によって出射する角度が異なるため、輝度の急激な変化が抑えられ、しかも、光路は透過光と凸状部の表面での全反射光の２種類のみとなるため、従来の三角プリズムのように副透過帯が発生することを抑制することが可能となる。

凸状部１１の配列については、二次元的に規則正しく配列することにより、散乱光に対する光路特性を、観察面におけるどの方向に対しても一様とすることができる。特に、凸状部１１の効果を最大限に高めるためには、可能な限り、支持体１０上における凸状部１１の配置密度を高く設定することが好ましく、例えば、図７のような六方最密充填状態又は、図８のような格子状に配列する。図７では、特定の凸状部１１に着目すると、隣り合う凸状部に直線を引いた時、該直線２０における全ての直線の長さは同じであり、かつ直線同士のなす角が６０度である。このような配列にすることにより、パターンの密集度を最も高くすることができる。また、図８のような格子状の配列では、特定の凸状部１１に着目すると、隣り合う凸状部に直線を引いた時、該直線２１における全ての直線の長さは同じで、かつ直線同士のなす角が９０度となる。このような配列でも、六方最密充填状態程ではないが、ある程度のパターンの密集度を高くすることができる。

本発明の集光部材の観察面における視野角に対する輝度分布は、上述した配列パターン以外にも、図５に示すように、凸状部１１（接触部における凸状部の表面に沿った接線１２）が支持体１０となす接触角θにも大きく依存する。
図１２〜１５は、ポリメチルメタクリレート（以下、ＰＭＭＡという）のフィルム上に、屈折率１．６、直径５０μｍの凸状部を六方最密充填状（凸状部の中心間距離を５０μｍ）で配列させた場合であり、接触角θが、１０°，５０°，７０°，９０°における視野角に対する輝度分布を示す。
図１２を見ると、接触角θ＝１０°の場合において、視野角が±５０°付近の高視野角においても、滑らかに輝度分布が変化し、急激な輝度変化が抑制されていることが理解される。θ＝５０°になると、中央付近（視野角０°付近）の輝度の上昇が見られると共に、視野角±３０°程度の範囲で、一様な輝度分布を実現すること可能となっている。θ＝７０°以上になると、視野角±３０°程度の範囲での輝度低下を抑制しながら、中央付近の輝度の上昇が実現でき、しかも、高視野角において滑らかな輝度変化を実現することが可能となっている。

図２０に、接触角θの変化に対する、中央部（視野角０°）における輝度の変化を、本発明の集光部材を利用しない場合を１として、輝度上昇率を示す。凸状部の屈折率が一様な場合には、θが上昇するに従い、中央輝度も上昇し、７０°以上においては、従来の三角プリズムを用いた場合と同程度以上の輝度を実現することが可能となる。
また、凸状部を格子状（図８参照）に配列した場合には、図２１に示すように、中央部付近（視野角±２０°の範囲）において、極めてフラットな輝度分布を実現することが可能となる。なお、図２１では、凸状部は、屈折率１．６、直径５０μｍであり、格子状の格子間距離（凸状部の中心間距離を５０μｍ）で設定している。

次に、本発明の集光部材に関し、他の特徴について説明する。
図９に示すように、凸状部の内部に、屈折率分布を持たせることにより、該屈折率分布の変化によるレンズ効果と、形状自体におけるレンズ効果の相乗作用で、集光特性の更なる改善を実現することが可能である。
具体的には、図９のように、屈折率の異なる複数の層３０〜３２で、凸状部を形成する。屈折率変化は、凸状部の中心から外側に向かうに従い、屈折率を低下させている。屈折率は連続的に変化させることも可能であるが、図９のように複数の層で構成し、各層毎に屈折率を異なるよう設定することも可能であり、製造性の観点からは後者の方が簡便である。

図１６〜１９は、図１２〜１５と同様に、ＰＭＭＡフィルム上に、屈折率１．６、直径５０μｍ、屈折率１．５、直径７５μｍ、屈折率１．４、直径１００μｍの凸状部を六方最密充填状（凸状部の中心間距離を１００μｍ）で配列させた場合であり、接触角θが、１０°，５０°，７０°，９０°における視野角に対する輝度分布を示す。
屈折率分布を変化させる場合は、一様な屈折率を有する場合と比較し、均一な輝度を発揮する視野角が広くなる傾向にあり、接触角θ＝５０°の場合を比較すると、プラス・マイナス方向に各１０°程度広がっている。また、θ＝７０°以上においては、一様な屈折率分布と同様な輝度を有する視野角を確保しながら、中央部の輝度がより上昇する傾向を示す。図２０には、屈折率分布が変化する場合も同様に記載されており、θ＝９０°付近では、集光部材が無い状態と比較し、１．７倍に近い輝度の上昇を得ることが可能となる。

また、本発明の集光部材の他の応用例としては、図１０のように、異なる屈折率を有する凸状部４０，４１を、配置することも可能である。各凸状部により拡散・集束される光の角度や輝度分布が異なり、集光部材全体として、最適な視野角に対する輝度分布を調整することが可能となる。また、全ての凸状部を同じ屈折率に保持し、あるいは各凸状部毎に異なる屈折率を付与した状態で、凸状部の接触角を図１０の凸状部４０，４１で変化させることにより、図１２〜１５に示す各接触角θに対する輝度分布を互いに選択的に合成した輝度分布を得ることも可能となる。

さらに、図１１に示すように、異なる大きさの凸状部５０，５１を利用して、集光部材を構成することも可能である。凸状部の直径に対する輝度変化は、本発明の集光部材を利用する液晶表示装置の画素密度にも関係するが、通常、０．０４〜０．１ｍｍの範囲で設定することが好ましい。
また、図２２に示すように、凸状部の直径ｒに対する凸状部間の間隔（距離）ｄとの関係により、輝度分布が変化する。図２３には、比ｄ／ｒに対する中央部（視野角０°）における輝度変化の様子を示している。本発明の集光部材を用いない場合と比較し、ｄ／ｒは２以下の状態において、１．１倍以上の輝度上昇が観察され、一般的に、ｄ／ｒが小さい程、輝度の上昇が高くなる。図２３では、凸状部は、屈折率１．６、直径５０μｍであり、六方最密充填状態（凸状部の中心間距離は５０〜１００μｍ）で設定している。

本発明の集光部材の製造方法について説明する。
凸状部は、撥水処理を施したＰＭＭＡフィルムやガラス基板などの透光性支持体上に、凸状部を構成する液滴材料を落とすことにより、液滴の表面張力を利用して製造することが可能である。液滴材料を支持体上に付与するには、スクリーン印刷やインクジェット印刷、塗布法などを利用して作成することができる。
また、より正確な位置に凸状部を形成するには、凸状部を形成する部分に予め親水性の膜を形成し、あるいは凸状部を除く部分に予め撥水性の膜を形成し、次に、スクリーン印刷または一様な塗布により、選択的に液滴による凸状部を形成することも可能である。これらの液滴は、乾燥または紫外線照射などにより硬化され、安定した凸状部となる。

さらに、隣り合う凸状部が互いに接触するパターンを形成するには、例えば、図２４に示すように、凸状部の形成を複数回に分けて行うことも可能である。最初に図２４（ａ）のように、隣り合わない凸状部のパターン群を上記方法を適宜利用して形成し、形成した凸状部が硬化した後、同様の方法で、（ｂ）のように他の隣り合わない凸状部のパターン群を形成する。（ｂ）で形成した凸状部が硬化した後、（ｃ）のように同様の工程を行う。なお、凸状部の材質が親水性を有する場合には、硬化した凸状部にも撥水処理を行い、次ぎの凸状部を形成することが好ましい。

また、本発明の集光部材に用いる透光性の支持体は、上述のようなＰＭＭＡフィルムやガラス基板などを利用するものに限らず、液晶表示装置の液晶を保持する基板又はバックライトの出射窓を形成する透明板を利用することも可能である。このような場合には、該基板や透明板に凸状部を直接形成することができ、集光部材に係る部品点数を増加させること無く、容易に観察面における視野角や輝度の改善ができる。

さらに、集光部材を用いない状態では、通常、観察面の周辺部は、中心部と比較し輝度が低下する傾向にあることから、例えば、輝度が低下する領域では、接触角θを７０°以上とし、輝度の高い中央付近では接触角θをより低くするよう調整することで、観察面全体に渡り、一様な輝度を実現することも可能となる。

以上のように、本発明によれば、所定の視野角における輝度を向上させると共に、該視野角を超えた領域における急激な輝度の低下を抑制し、光の利用効率を高めた集光部材を提供することが可能となる。

従来の三角プリズムを用いた集光部材の概略図である。集光部材を用いない場合の視野角に対する輝度分布を示す。三角プリズム内の光路の様子を示す図である。三角プリズムを用いた集光部材による輝度分布を示す。本発明の集光部材の凸状部の様子を示す。本発明の集光部材の概略図である。本発明の集光部材で六方最密充填状に凸状部を配置する例を示す。本発明の集光部材で格子状に凸状部を配置する例を示す。本発明の集光部材で凸状部が屈折率変化を有する例を示す。本発明の集光部材で、異なる屈折率（又は形状）を有する凸状部を配置する例を示す。本発明の集光部材で、異なる大きさの凸状部を配置する例を示す。屈折率が一様な凸状部で接触角θ＝１０°の場合の輝度分布を示す。屈折率が一様な凸状部で接触角θ＝５０°の場合の輝度分布を示す。屈折率が一様な凸状部で接触角θ＝７０°の場合の輝度分布を示す。屈折率が一様な凸状部で接触角θ＝９０°の場合の輝度分布を示す。屈折率分布が変化する凸状部で接触角θ＝１０°の場合の輝度分布を示す。屈折率分布が変化する凸状部で接触角θ＝５０°の場合の輝度分布を示す。屈折率分布が変化する凸状部で接触角θ＝７０°の場合の輝度分布を示す。屈折率分布が変化する凸状部で接触角θ＝９０°の場合の輝度分布を示す。接触角θに対する輝度の変化を示す。格子状に凸状部を配置した場合の輝度分布を示す。凸状部の半径ｒと凸状部間の間隔（距離）ｄとを説明する図である。比ｄ／ｒに対する輝度の変化を示す。接触する凸状部を形成する方法を説明する図である。

符号の説明

１三角プリズム
２観察面
１０光透過性支持体
１１凸状部

Claims

光透過性の支持体上に、光透過性のある微小な半球状の凸状部を規則的に配列した集光部材において、該凸状部が支持体となす接触角θが、１０°以上であることを特徴とする集光部材。
請求項１に記載の集光部材において、該接触角θが７０°以上であることを特徴とする集光部材。
光透過性の支持体上に、光透過性のある微小な半球状の凸状部を規則的に配列した集光部材において、該凸状部は、内部から外部に向かって屈折率が低くなるよう形成されていることを特徴とする集光部材。
光透過性の支持体上に、光透過性のある微小な半球状の凸状部を規則的に配列した集光部材において、該凸状部が、屈折率の異なる２種以上の凸状部から構成されていることを特徴とする集光部材。
請求項３又は４に記載の集光部材において、該凸状部が支持体となす接触角θが、１０°以上であることを特徴とする集光部材。
請求項５に記載の集光部材において、該接触角θが７０°以上であることを特徴とする集光部材。
請求項１乃至６のいずれかに記載の集光部材において、該凸状部は、六方最密充填状又は格子状に配置されていることを特徴とする集光部材。
請求項７に記載の集光部材において、該凸状部は、互いの凸状部間の距離ｄと凸状部の半径ｒとの比ｄ／ｒが２以下であることを特徴とする集光部材。
請求項１乃至８のいずれかに記載の集光部材において、該支持体は、フィルムであることを特徴とする集光部材。
請求項１乃至８のいずれかに記載の集光部材において、該支持体は、液晶表示装置の液晶を保持する基板又はバックライトの出射窓を形成する透明板であることを特徴とする集光部材。