JP2006309002A - 液晶表示装置用バックライトに適用されるモアレのない光学フィルム - Google Patents

Abstract

【課題】出射光の方向を自在に制御できるとともに、モアレの低減することができる光学フィルムを提供すること。
【解決手段】本発明は、液晶表示装置用バックライトに適用され、光源からの光を液晶パネルに導く光学フィルム１０であって、透明基材１２の液晶パネル側の面１４上に複数のレンズ１６を非規則的なピッチＰで配置し、透明基材１２の光源側の面２２上に、透明基材１２を挟んで複数のレンズ１６の各レンズ頂点Ｔと対向する位置Ｇを外すように複数の光反射材２０を配置してなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば携帯端末、パソコン、テレビ、ビデオカメラ等のディスプレイとして用いられている液晶表示装置用バックライトユニットに適用される光学フィルムに関し、特に、モアレの影響を低減することができる光学フィルムに関する。

近年、液晶表示装置は、軽量かつ薄型であるという優れた特徴を有することから、例えば携帯端末、パソコン、テレビ、ビデオカメラ等のディスプレイとして幅広く適用されている。

この種の液晶表示装置において、液晶画面を照明するために用いられているバックライトユニットとしては、直下型のものとエッジライト型のものとがある。

直下型のバックライトユニットの中には、例えば図９（ａ）の正面図、及び図９（ｂ）の側断面図に示すように、２枚の拡散板２５，２６の背面に、例えば冷陰極管のような線状光源２３が配置されており、更にその後ろには反射板２７が配置されている。これによって、線状光源２３から出射された光を拡散板２５，２６によって拡散させることでバックライトユニット３０の出射面から均一に拡散光を出射させるようにしている。

上述したように、このようなバックライトユニット３０では、出射面から均一に拡散光を出射させるために、２枚の拡散板２５，２６が用いられている。１枚の拡散板のみでは、出射面から出射される拡散光を十分に均一にすることができず、液晶パネルからは明るさにムラのある画像が表示されてしまうからである。

したがって、１枚の拡散板しか用いていないとき、場合によっては、光源の形状のシルエットが液晶画面に映ってしまうこともありえる。例えば、光源として線状光源２３を用いている場合には、液晶画面上に、線状の明るい部分が見えてしまうこともありうる。しかしながら、このような明るさのムラをなくすために複数の拡散板を用いると、部材数が多くなり、構成が複雑になるのみならず、厚みも増してしまい、コスト削減及び小型化の阻害となる。

このため、図１０に示すように、１枚のみの拡散板２６を用いる一方、２枚目の拡散板の拡散作用を補償するために、２枚目の拡散板の代わりに拡散フィルム３２とプリズムシート３４とを用いた構成のバックライトユニット３６もある。

このような構成のバックライトユニット３６によれば、図９に示すバックライトユニット３０よりも、より小型化及び軽量化を図ることができるものの、拡散板２５の代わりに拡散フィルム３２とプリズムシート３４とを用いることになるので部材数がより増えてしまい、構成がより複雑化し、コストも増えてしまう。また、プリズムシート３４では、図１１に示すように、屈折作用Ｘによって、ランプハウス２１に収容され、図中に示す方向Ｆに沿って伸びている線状光源２３からの光Iが、最終的には、制御された角度φで出射されることによって、視聴者の視覚方向Ｓの光の強度を高めるように制御することができる。しかしながら、同時に反射／屈折作用Ｙによる光成分が、視聴者の視覚方向Ｓに進むことなく横方向に無駄に出射されてしまう。

したがって、プリズムシート３４から出射される光強度分布は、図１２に示すように、視聴者の視覚方向Ｓ、すなわち視覚方向Ｓに対する角度が０°における光強度が最も高められるものの、図中横軸に示す±９０°近辺の小さな光強度ピークとして示されるように、横方向から無駄に出射される光も増えてしまうという欠点がある。

このような欠点を克服するために、図１３に示すように、プリズムではなく単位レンズの反復的アレイ構造を有する光学フィルム３８を用いたバックライトユニット４０もある（特許文献１）。

この光学フィルム３８の透明基材３９の液晶パネル４２側の面には、光学フィルム３８内を進行した光を液晶パネル４２へ導くレンズ４４が設けられている。このレンズ４４は、図１４の斜視図に示すように、複数の単位レンズが反復的にアレイ構造をなしている。さらに、他方の面には、該レンズ４４の焦点面近傍に開口部４６をもつストライプ状のパターンからなる反射材４８が設けられている。

この反射材４８は、白色である二酸化チタン（ＴｉＯ_２）粉末を透明な接着剤等の溶液に混合した混合物を、所定のパターン、例えばドットパターンにて印刷形成したものである。

これによって、拡散フィルム３２から出射した光のうち、開口部４６を通過した光のみが、レンズ４４に入射し、レンズ４４によってある一定方向に集光された後に出射される。そして、偏光板４９に入射し、所定の偏光成分の光のみが液晶パネル４２に導かれる。

一方、開口部４６を通ることができなかった光は、反射材４８で反射され、拡散板２６側に戻され反射板２７へ導かれる。そして、反射板２７によって反射されることによって再び拡散板２６に入射し、拡散板２６において再び拡散された後に、いずれは入射角度が絞られた光となった後に開口部４６を通ってレンズ４４に入射し、レンズ４４によって、図１７に示すように、所定角度φ内に絞られて出射される。

このような光学フィルム３８を用いたバックライトユニット４０では、光学フィルム３８の開口部４６の大きさ及び位置を調節することによって、光の利用効率を高めながら、レンズ４４から正面方向Ｓに出射される光の割合を高めるように制御することができる。
特開２０００−２８４２６８号公報

上述したように、図１４にその斜視図の例を示すように、一方の面に規則的に配置された複数のレンズ４４を備え、他方の面には、図１５に示すように、レンズ４４に対応してストライプ状に配置された反射材４８を備えてなる光学フィルム３８は、光の利用効率を高めながら、出射光の方向を制御することができる。

しかしながら、図１６に示すように、光学フィルム３８に設けられたレンズ４４のピッチＰ_Ｓと、液晶パネル４２を構成している画素４３のピッチＰ_Ｌとの間の周期性によってモアレが発生する恐れもある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、液晶表示装置用バックライトに適用される光学フィルムにおいて、液晶パネルとの干渉によるモアレのピッチが非常に小さくなるように、あるいは該モアレのコントラストが低くなるような配置パターンでレンズを配置し、もって、出射光の方向を自在に制御できるとともに、モアレの影響を低減することができる光学フィルムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じる。

すなわち、請求項１の発明は、液晶表示装置用バックライトに適用され、光源からの光を液晶パネルに導く光学フィルムであって、透明基材の前記液晶パネル側の面上に複数のレンズを非規則的なピッチで配置し、前記透明基材の前記光源側の面上に、前記透明基材を挟んで前記複数のレンズの各レンズ頂点と対向する位置を外すように複数の光反射材を配置してなる光学フィルムである。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載の光学フィルムにおいて、前記各レンズはそれぞれ少なくともその一部が同一形状である。

請求項３の発明は、請求項１に記載の光学フィルムにおいて、前記各レンズの焦点はそれぞれ同一面上にある。

請求項４の発明は、請求項２に記載の光学フィルムにおいて、前記各レンズが配置されるピッチＰは、前記各ピッチＰのうちの最大値Ｐｍａｘ、及び前記各ピッチＰのうちの最小値Ｐｍｉｎを用いて、Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ＜（Ｐ／５）の関係を満足する。

更に、請求項５の発明は、請求項２乃至４のうち何れか１項に記載の光学フィルムにおいて、前記非規則的なピッチで配置された各レンズの隣接レンズとの間のピッチは、第一のピッチであるか、又は前記第一のピッチと異なる第二のピッチかの何れかである。

更にまた、請求項６の発明は、請求項２乃至５のうち何れか１項に記載の光学フィルムにおいて、前記液晶パネルと前記レンズとの干渉によるモアレが認識されないように前記レンズが非規則的なピッチで配置された領域を、前記液晶パネル側の面上に繰り返し配置することによって、前記複数のレンズを非規則的なピッチで配置する。

本発明によれば、液晶表示装置用バックライトに適用される光学フィルムにおいて、液晶パネルとの干渉によるモアレのピッチが非常に小さくなるように、あるいは該モアレのコントラストが低くなるような配置パターンでレンズを配置することができる。

以上により、出射光の方向を自在に制御できるとともに、モアレの影響を低減することができる光学フィルムを実現することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

なお、以下の各実施の形態の説明に用いる図中の符号は、図９乃至図１７と同一部分については同一符号を付して示すことにする。

一般にモアレは、図１（ａ）に示すように、二つの周期的パターンの干渉によって発生することが知られている。また、実際にモアレが発生しても、モアレのピッチが非常に小さかったり、モアレのコントラストが低ければ、視聴者はモアレを認識することができず、実質的にモアレの影響はないことも知られている。最も簡単な場合では、二つのパターン、すなわち第一のパターンと第二のパターンに対するモアレの計算は、以下に示す（１）式及び（２）式に従う。

ここで、Ｔ_１は第一のパターンのピッチ、Ｔ_２は第二のパターンのピッチ、αは第一及び第二のパターン間の角度、Ｔ_Ｍはモアレパターンのピッチ、φ_Ｍはモアレパターンの角度である。

図１（ａ）は、Ｔ_１：Ｔ_２＝１：１、α≠０の場合のときの典型的なモアレを示す。全ての可能性を説明するために、図１（ａ）に示すパターンのみならず、図１（ｂ）や図１（ｃ）に示すような他の条件についても計算されるべきである。図１（ｂ）は、Ｔ_１：Ｔ_２＝１：１、α＝０で、図１（ｃ）は、Ｔ_１：Ｔ_２＝３：２、α＝０でそれぞれ発生するモアレの例を示している。

上記（１）式及び（２）式は、図１４及び図１５に示すようなレンズ４４及びストライプ状に配置された反射材４８を備えた光学フィルム３８には完全には適用できないかもしれないが、第一近似として使用することは可能である。周波数分野における更なる分析を実行することも可能であるが、本明細書ではそこまでは含めない。

上述したように、配置パターンを工夫することによって、たとえモアレが発生していても、モアレパターンのピッチＴ_Ｍが非常に小さくなるように、あるいは該モアレのコントラストが低くなるような配置パターンを採用することによって、視聴者はモアレを認識できず、モアレの影響を実質的に無くすることができる。それでもやはり、画素４３のピッチＰ_Ｌに対し、レンズ４４についても特別なピッチＰ_Ｓが必要であることは言うまでもない。

一方、液晶表示装置には更なる高解像度が要求されている昨今の状況を考えると、画素４３のサイズもさらに小さくしなければならない傾向にある。したがって、モアレの発生を阻止するためには、レンズ４４のピッチＰ_Ｓも同様に小さくする必要がある。このことは、光学フィルム３８の性能に直接的に影響を与える。なぜなら、レンズ曲率、反射材４８の厚さ等のパラメータが、より製造困難な方向に向かうからである。

これを解消するために、我々は、以下のような光学フィルムを発明した。

（第１の実施の形態）
すなわち、本発明の第１の実施の形態に係る光学フィルムは、液晶表示装置用バックライトに適用され、光源からの光を液晶パネルに導くためのものである。この光学フィルム１０は、図２（ａ）にその側面図の一例を示すように、透明基材１２の液晶パネル側の面１４上に複数のレンズ１６を非規則的なピッチ（例えば、Ｐ_１≠Ｐ_２≠Ｐ_３≠Ｐ_４≠Ｐ_５≠Ｐ_６≠Ｐ_７≠Ｐ_８）で配置している。

これによって、レンズ１６と、液晶パネル４２の画像４３とは周期的な関係にはならなくなる。また、透明基材１２の光源側の面１８上に、透明基材１２を挟んで各レンズ１６の頂点Ｔと対向する位置Ｇを外すように複数の光反射材２０を配置してなる。

また、図２（ａ）に示すようなレンズ配置は、図２（ｂ）に示すように、全く同一形状のレンズ１６を、ピッチＰのみを変え、厚みＨが同じになるように配置することによって実現している。図２（ｂ）に示すように、各レンズ１６の外周を延長している点線ｄから、各レンズ１６は元々は全て同一形状であったことがわかる。このようにすることによって、各レンズ１６の焦点を、全て光源側の任意の同一平面上とすることができる。

これによって、光反射材２０が配置されていない部位である開口部２２から入射した光は、どのレンズ１６においても同様に集光された後に液晶パネル側に出射されるようにしている。

なお、同実施の形態に係る光学フィルム１０は、図２（ａ）の例に示すように、少なくともその一部が同一形状となる各レンズ１６の厚みＨを全て同じとするのに限定されるものではなく、図３の例に示すように、少なくともその一部が同一形状となる各レンズ１６の厚みを、必ずしも同じにしなくても良い。すなわち、図３において、Ｈ_１＝Ｈ_２＝Ｈ_３＝Ｈ_４＝Ｈ_５＝Ｈ_６＝Ｈ_７＝Ｈ_８は成立しなくて良い。

なお、各ピッチＰのとりうる範囲が大きくなると、レンズ１６の配置のアンバランスが視認できるようになることは容易に想像できよう。したがって、各ピッチＰのとりうる範囲に何らかの制約を設ける必要がある。そこで、各ピッチＰのとりうる範囲としては、各ピッチＰのうちの最大値Ｐｍａｘ、及び各ピッチＰのうちの最小値Ｐｍｉｎを用いて、
Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ＜（Ｐ／５）の関係を満足するようにする。実験結果より、上記関係を満足するのであれば、レンズ１６の配置のアンバランスが視認できなくなることが明らかとなった。

以上説明したように、本実施の形態に係る光学フィルム１０は、レンズ１６を非規則的に配置しているので、液晶パネル４２の画像４３と周期的な関係にはならなくなるので、光学フィルム１０の本来の特性である出射光の方向を自在に制御できるという機能を維持しつつ、モアレの発生を阻止することができる。また、各ピッチＰのとりうる範囲として、各ピッチＰのうちの最大値Ｐｍａｘ、及び各ピッチＰのうちの最小値Ｐｍｉｎを用いて、Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ＜（Ｐ／５）の関係を満たすようにすることによって、レンズ１６の配置のアンバランスも視認できないようにすることができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る光学フィルムは、第１の実施の形態に係る光学フィルムの変形例であるので、ここでは異なる構成について説明する。

本実施の形態に係る光学フィルムは、その一例を図４に示すように、第１の実施の形態とは異なり、各レンズ１６の厚みは一定であるとは限らず、各レンズ１６の曲率半径は、必ずしも同一では無い。つまり、少なくとも一部が同一形状となるとも限らない。そして、各レンズ１６の曲率半径を調整することによって、各レンズ１６の焦点が全て光源側の任意の同一平面上にあるようにしている。

これによって、異なる曲率半径のレンズ１６が使用された場合であっても、開口部２２から入射した光は、どのレンズ１６においても同様に集光された後に液晶パネル側に出射されるようにしている。

このように、異なる曲率半径のレンズを使用しても、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る光学フィルムは、第１及び第２の実施の形態に係る光学フィルムにおけるレンズの非規則的な配置方法に関する。したがって、ここでは、第１及び第２の実施の形態と異なる点について説明する。

すなわち、本実施の形態では、レンズ４４のピッチは、必ず第一のピッチＰ_Ａか、第一のピッチと異なる第二のピッチＰ_Ｂ（Ｐ_Ａ≠Ｐ_Ｂ）かの何れかであり、例えば、
Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂ・・・・・
のように、第一のピッチＰ_Ａと第二のピッチＰ_Ｂとをランダムに繰り返すように配置することによって、複数のレンズ１６を非規則的に配置する。

このような配置は、例えば図２乃至図３にその一例を示すような第１の実施の形態に係る光学フィルム、及び図４にその一例を示すような第２の実施の形態に係る光学フィルムの何れに対しても適用可能である。

図５乃至図６は、上述したような本実施の形態によるレンズ配置を図２乃至図３に示すような構成の光学フィルムにそれぞれ適用した例を示すものであり、図７は、上述したような本実施の形態によるレンズ配置を図４に示すような構成の光学フィルムにそれぞれ適用した例を示すものである。

もちろん、図５乃至図７に示すように、二つのピッチのパターン（Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂ）の組み合わせによって非規則的な配置を実現するのに限定される訳ではなく、三つ以上のピッチのパターンの組み合わせによって非規則的な配置を実現するようにしても良い。しかしながら、製造上の容易さから、二つのピッチのパターンの組み合わせによって非規則的な配置を実現するのが好適である。

このような構成とすることによっても、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る光学フィルムは、第３の実施の形態に係る光学フィルムにおけるレンズの非規則的な配置方法の応用例である。したがって、ここでは、第３の実施の形態と異なる点について説明する。

例えば、図８の例に示すように、Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂというピッチでレンズ１６が順に配置された光学フィルムにおける部分領域２４と、液晶パネルとの干渉によってはモアレが発生しない、あるいはモアレを認識できないものとする。

図８の例に示す本実施の形態に係る光学フィルムは、このような部分領域２４を、液晶パネル側の面１４上に繰り返し配置することによって、複数のレンズ１６を非規則的なピッチで配置する。

もちろん、このような部分領域２４は、二つのピッチのパターン（Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂ）の組み合わせによって実現されるのに限定される訳ではなく、三つ以上のピッチのパターンの組み合わせや、ランダムなピッチによって非規則的な配置を実現するようにしても良い。

このような構成とすることによっても、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

以上説明したように、本発明の各実施の形態に係る光学フィルムによれば、光学フィルムの本来の特性である出射光の方向を自在に制御できるという機能を維持しつつ、モアレの発生を阻止することが可能となる。

また、この光学フィルムは、様々な解像度を持つ液晶パネルに対して汎用的に適用することができることから、液晶パネルの仕様毎に特別の光学フィルムを製造する必要がなくなり、コストを低減することができる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

一般的なモアレ発生のメカニズムを説明するための図。 第１の実施の形態に係る光学フィルムの構成例を示す側面図。 第１の実施の形態に係る光学フィルムの別の構成例を示す側面図。 第２の実施の形態に係る光学フィルムの構成例を示す側面図。 第３の実施の形態に係る光学フィルムの構成例を示す側面図（図２に対応）。 第３の実施の形態に係る光学フィルムの構成例を示す側面図（図３に対応）。 第３の実施の形態に係る光学フィルムの構成例を示す側面図（図４に対応）。 第４の実施の形態に係る光学フィルムの構成例を示す側面図。 従来技術によるバックライトユニットの構成例を示す正面図及び側断面図（拡散板を２枚用いた場合）。 従来技術によるバックライトユニットの構成例を示す正面図及び側断面図（拡散板１枚とプリズムシートとを用いた場合）。 プリズムシートを用いたバックライトユニットにおける光学作用を説明するための図。 プリズムシートを用いたバックライトユニットから出射される光強度の分布図。 単位レンズの反復的アレイ構造を有する光学フィルムを用いたバックライトユニットの構成例を示す模式図。 単位レンズの反復的アレイ構造を有する光学フィルムの一例を示す斜視図。 単位レンズの反復的アレイ構造を有する光学フィルムに配置された反射材の配置パターン例を示す模式図。 単位レンズの反復的アレイ構造を有する光学フィルムと液晶パネルとのモアレの発生を説明するための図。 単位レンズの反復的アレイ構造を有する光学フィルムにおける光学作用を説明するための図。

符号の説明

１０…光学フィルム、１２…透明基材、１４…面、１６…レンズ、１８…面、２０…光反射材、２１…ランプハウス、２２…開口部、２３…光源、２４…部分領域、２５…拡散板、２６…拡散板、２７…反射板、３０…バックライトユニット、３２…拡散フィルム、３４…プリズムシート、３６…バックライトユニット、３８…光学フィルム、３９…透明基材、４０…バックライトユニット、４２…液晶パネル、４３…画素、４４…レンズ、４６…開口部、４８…反射材、４９…偏光板

Claims (6)

1. 液晶表示装置用バックライトに適用され、光源からの光を液晶パネルに導く光学フィルムであって、
   透明基材の前記液晶パネル側の面上に複数のレンズを非規則的なピッチで配置し、前記透明基材の前記光源側の面上に、前記透明基材を挟んで前記複数のレンズの各レンズ頂点と対向する位置を外すように複数の光反射材を配置してなる光学フィルム。
2. 請求項１に記載の光学フィルムにおいて、
   前記各レンズはそれぞれ少なくともその一部が同一形状である光学フィルム。
3. 請求項１に記載の光学フィルムにおいて、
   前記各レンズの焦点はそれぞれ同一面上にある光学フィルム。
4. 請求項２に記載の光学フィルムにおいて、
   前記各レンズが配置されるピッチＰは、前記各ピッチＰのうちの最大値Ｐｍａｘ、及び前記各ピッチＰのうちの最小値Ｐｍｉｎを用いて、Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ＜（Ｐ／５）の関係を満足する光学フィルム。
5. 請求項２乃至４のうち何れか１項に記載の光学フィルムにおいて、
   前記非規則的なピッチで配置された各レンズの隣接レンズとの間のピッチは、第一のピッチであるか、又は前記第一のピッチと異なる第二のピッチかの何れかである光学フィルム。
6. 請求項２乃至５のうち何れか１項に記載の光学フィルムにおいて、
   前記液晶パネルと前記レンズとの干渉によるモアレが認識されないように前記レンズが非規則的なピッチで配置された領域を、前記液晶パネル側の面上に繰り返し配置することによって、前記複数のレンズを非規則的なピッチで配置するようにした光学フィルム。

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