JP2006330032A - 光学シートとそれを用いたバックライト・ユニットおよびディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】バックライト・ユニットに適用した際に、所望の光学特性を奏するようにする上で、光源からの光が入射する箇所には、空気層などの低屈折率層を介在させて、導光板や光拡散層などの他の光学部材との接触を避け、前記箇所とその周囲には明確な段差（高低差）を設けた構成の輝度制御部材を提供する。
【解決手段】片面に、半円柱状凸シリンドリカルレンズからなる単位レンズが並列されてなるレンズ部を有するレンズシートの他面には、バックライト光源側に面して光反射性の高い表面を有しており、前記表面に入射した光をバックライト光源側に反射する光反射層を備え、前記光反射層は、前記レンズシートの単位レンズそれぞれに１：１で対応して開口部を有するストライプ状であると共に、前記レンズシートの反レンズ部側に、前記ストライプ状に対応した凸部に形成されてなる構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、主に液晶表示素子を用いたディスプレイ用バックライト・ユニットにおける照明光路制御に使用される光学シートの改良に関するものであり、前記シートを搭載したバックライト・ユニットおよびディスプレイに関する。

近年、液晶パネルを使用した液晶表示装置（ＬＣＤ）がＯＡ分野のノート型パーソナルコンピュータやパーソナルコンピュータ用ディスプレイ，情報端末機器等の画像表示手段，また大型画面テレビなどの情報家電の画像表示手段，さらには携帯電話や個人用携帯情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistance）の画像表示手段として様々な分野で利用されてきている。

液晶表示装置（ＬＣＤ）に代表されるディスプレイでは、提供される情報を認識するのに必要な光源を内蔵しているタイプの普及が著しい。
このような液晶表示装置は透過型であり、液晶パネルの背面側に光源を配設し、この光源からの光を面発光に変換して液晶パネルを照射する面光源装置、いわゆる、バックライトが採用されている。

バックライトの方式には、大別して冷陰極管（ＣＣＦＴ：Cold Cathode Fluorescent Tube）等の光源を光透過性に優れたアクリル樹脂等からなる平板状の導光板の側端部に沿って取付け、光源からの光を導光板内で多重反射させる導光板ライトガイド方式（エッジライト方式）と、導光板を用いず液晶パネルの背面に光源を配置した直下型方式とがある。

最近では、ノート型パーソナルコンピュータや携帯情報端末などに用いられる２０インチ以下の画面サイズの小型液晶表示装置には、低消費電力化が図れ、薄型化の容易な導光板ライトガイド方式の採用が主流となり、２０インチ以上の画面サイズの中〜大型液晶表示装置では直下型方式の採用が主流となっている。
ラップトップコンピュータのような電池式装置において、光源で消費する電力は、電池式装置全体で消費する電力の相当部分を占める。
従って、所定の輝度を提供するのに必要な総電力を低減することで電池寿命が増大する
が、これは電池式装置には特に望ましいことである。

２０インチ以上の液晶表示装置に対しては、より薄型で、視野角依存性が低く、高輝度、かつ低消費電力であることが求められており、液晶表示装置に搭載されるバックライトもその実現に対処することが要求されている。

従来の直下型方式バックライトの構成では、出射光が液晶表示装置の表示に使われないような方向（大体上下左右とも±６０°より深い角度）に光を拡散するため、光の利用効率が悪く、コントラストの低下が生じるとする問題などの課題を有している。

上記課題に対する対策の１つとして、米国３Ｍ社の登録商標である輝度強調フィルム（Brightness Enhancement Film：ＢＥＦ）が、この問題を解決する光学シートとして広く使用されている。
ＢＥＦは、プリズムの反復的アレイを含んだフィルムである。そのプリズムは光の波長に比較して大きい。ＢＥＦは、“軸外（off-axis）”からの光を集光し、この光を視聴者に向けて“軸上（on-axis）”に方向転換（redirect）または“リサイクル（recycle）”する。ディスプレイの使用時（観察時）に、ＢＥＦは、軸外輝度を低下させることによって軸上輝度を増大させる。
ここで言う「軸上」とは、視聴者の視覚方向に一致する方向であり、一般的にはディスプレイ画面に対する法線方向（正面）である。プリズムの反復的アレイ構造が１方向のみの並列では、その並列方向での方向転換またはリサイクルのみが可能であり、水平および垂直方向での表示光の輝度制御を行なうために、プリズム群の並列方向が互いに略直交するように、２枚のシートを重ねて組み合わせて用いられる。

ＢＥＦの採用により、ディスプレイ設計者が電力消費を低減しながら所望の軸上輝度を達成するのに役立っている。ＢＥＦに代表されるプリズムの反復的アレイ構造を有する輝度制御部材がディスプレイに採用する旨が開示される特許文献は多数あり、特許文献１〜３に例示される。
しかしながら、上記のような輝度制御部材を用いると、ディスプレイを軸外において目視する時に輝度が急激に低下する。軸外の視聴者に対するこの輝度の急激な低下は、観察可能な視野角を狭めることになり、いくつかの用途において好ましくないことが知られている。

また、ディスプレイによる表示画像とは異なる明暗パターンが生じやすいことや、液晶ディスプレイに適用する場合には、液晶パネルの画素配列との間でモアレが発生しない様に、画素の配列周期よりも格段に微細な周期のプリズム配列とする必要があり、製造技術に困難さを伴い、コスト上昇を招くことにもなる。

一方、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輝度制御部材を用いたバックライトユニットを備える透過型液晶表示装置についての提案もあり（特許文献４参照）、その一例に係る構成は図１に示される。
図１に示される表示装置は、液晶パネルと、この液晶パネルに背面側から光を照射する光源手段とを備え、この光源手段に、光源からの光を液晶パネルへと導くレンズ層が設けられ、該レンズ層焦点面近傍に開口をもつ遮光部を有することを特徴とする。

上部に偏光板１１，１３に挟まれた液晶パネル１２が設けられ、その下面側に、略長方形板状のＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等からなる導光板７９が配設されており、この導光板７９の下面に、導光板７９に導入された光を効率よく上記液晶パネル１２方向に均一となるように散乱して反射させるための散乱反射パターン部８２が印刷などによって設けられると共に、散乱反射パターン部８２下方に反射フィルム（反射層）７７が設けられている。
導光板７９には、側端部に沿って光源ランプ７６が取り付けられており、さらに、光源ランプ７６の光を効率よく導光板７９中に入射させるべく、光源ランプ７６の背面側を覆うようにして高反射率のランプリフレクタ８１が設けられている。

散乱反射パターン部８２は、白色である二酸化チタン（TiO2）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。散乱パターン部８２などで散乱した光は、導光板７９の上面から出射する。この光の出射側に、複数のレンズからなるレンズ層１５を配置し、そのレンズ層１５を構成するレンズの焦点面近傍に、各レンズ毎に対応する開口をもつ遮光層１８を配置する。導光板７９から出射した光は、遮光層１８の開口部分のみを通過し、レンズ層１５に入射する。遮光層は焦点近傍に配置してあるため、遮光層１８の一点からでた光は、レンズによってある一定の方向の光としてレンズ層１５から出射する。そこで、この遮光層１８の開口の大きさによって、レンズ層から出射する光の方向を決定することが出来る。

特開平２−１１８８５１８号公報 特開平８−１３６９２３号公報 特開平１０−１０４６２２号公報 特開２０００−２８４２６８号公報

特許文献４の請求項３に係る輝度制御部材の場合、レンズ層１５の反レンズ部側の平坦面に遮光層（＝光反射層）１８が形成される。
特許文献４には、光反射層１８を形成する手法については記載が見られないが、一般に、印刷（コーティング），転写，フォトリソなどの各種手法が、適宜に選定される。
しかし、平坦面へのパターン形成につき、上記各種手法による光反射層１８の厚さには限度（せいぜい数十μｍ程度）があり、ストライプ状の光反射層１８の表面とその間のレンズ層１５の開口部とは、明確な段差（高低差）を設けることが難しい。

特許文献４の図１では、輝度制御部材の光反射層１８側と導光板７９側とを対向させて積層しているが、明確な段差のない平坦面同士が接触することにより、導光板７９とレンズ層１５との境界が明確にならず、両者の屈折率が近い材質である場合には、開口部からの入射光が意図する角度でレンズ層１５に入射せず、レンズ層１５による設計通りの光学特性を奏することが難しくなる。

また、上記のようにエッジライト式の面光源を構成する導光板を採用しない直下型方式のバックライト・ユニットに上記輝度制御部材を採用する場合には、光源と輝度制御部材との間に光拡散層（光拡散板単独，あるいは光拡散フィルムの併用）を介在させた構成が一般的であるが、輝度制御部材と光拡散層との間でも上記と同様の問題を招くことになる。
特に、輝度制御部材と光拡散層とを粘着層あるいは接着層を介して積層一体化する構成を採用する場合には、開口部と光拡散層との間を粘着層あるいは接着層が埋める形となり、予期せぬ入射光成分の発生（あるいは、光拡散層による機能の低下）を招きやすくなり、設計通りの光学特性を奏することが一層難しくなる。

従って、特許文献４に記載されるような輝度制御部材では、バックライト・ユニットに適用した際に、所望の光学特性を奏するようにする上では、開口部と接触する光源側には、空気層などの低屈折率層を介在させることが望ましく、導光板や光拡散層などの他の光学部材との接触を避けるために、開口部とその周囲には明確な段差（高低差）を設けることが望まれる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、請求項１に係る発明は、
ディスプレイ用バックライト・ユニットにおける照明光路制御に使用される光学シートにおいて、
片面に、半円柱状凸シリンドリカルレンズからなる単位レンズが並列されてなるレンズ部を有するレンズシートの他面には、バックライト光源側に面して光反射性の高い表面を有しており、前記表面に入射した光をバックライト光源側に反射する光反射層を備え、
前記光反射層は、前記レンズシートの単位レンズそれぞれに１：１で対応して開口部を有するストライプ状であると共に、前記レンズシートの反レンズ部側に、前記ストライプ状に対応した凸部に形成されてなる構成であることを特徴とする。

片面に、半円柱状凸シリンドリカルレンズからなる単位レンズが並列されてなるレンズ部を有し、反レンズ部側の他面には、前記ストライプ状に対応した凸部を有する構成のレンズシートは、熱可塑性樹脂のプレス成形あるいは溶融押出し成形によるモノリシックな成形体である（請求項２）ことが、明確な段差（高低差）を規定する凸部の形成や、製造コスト低下の上で好ましい。

本発明による光学シートでは、
光反射層は、前記レンズシートの単位レンズそれぞれに１：１で対応して開口部を有するストライプ状であると共に、前記レンズシートの反レンズ部側に、前記ストライプ状に対応した凸部に形成されてなる構成であるため、
前記開口部は、その周囲との明確な段差（高低差）が確保され、導光板や光拡散層などの他の光学部材との接触が確実に回避され、前記開口部には空気層が接触するため、設計通りの光学特性（視域制御）を奏するバックライト・ユニットの実現が容易となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
図２は、本実施形態による光学シートの構成を示す断面図である。

本実施形態に係る光学シートは、
片面に、半円柱状凸シリンドリカルレンズからなる単位レンズが並列されてなるレンズ部２を有するレンズシートの他面には、同図下側にあたるバックライト光源（図示せず）側に面して光反射性の高い表面を有しており、前記表面に入射した光をバックライト光源側に反射する光反射層１を備えている。
前記光反射層１は、前記レンズシートの単位レンズそれぞれに１：１で対応して開口部を有するストライプ状であると共に、前記レンズシートの反レンズ部側に、前記ストライプ状に対応した凸部に形成されてなる構成である。

反射層１としては、白インキや金属膜などを用いる。
反射層１は、例えば白色の酸化チタン微粒子が分散混入された透明樹脂などからなり、レンズ部の頂点と開口部（凸部に挟まれた凹部）の両端を結ぶ線が二等辺三角形となっており、凸部に反射層が形成される。
凸部の形状（幅，高さ）は、搭載される表示装置に求められる視野角などに応じて適宜決定される。

レンズシートは、はPET（ポリエチレンテレフタレート），PC（ポリカーボネイト），PP（ポリプロピレン），COP（シクロオレフィンポリマー）などの樹脂を用いて、溶融押出し成形法により作製する。

反射層１は、押出し時の基材の熱を用いて熱転写するのが望ましいが、特にこれに限定するものではなく、適用可能である。

図３は、溶融押出し成形法による光学シートの製造方法の一例について、要部の概略を示す説明図である。
押出機としては、図示しない樹脂投入口となるホッパー，溶融混練しつつ押出すスクリュー，シート状に押出すためのＴ−ダイとからなるものが好適に用いられるが、特にこれに限定するものではなく、適用可能である。

従来技術に係る輝度制御部材を用いたバックライトユニットを備える透過型液晶表示装置の構成例を示す説明図。 本発明による光学シートの構成を示す断面図。 溶融押出し成形法による光学シートの製造方法の一例について、要部の概略を示す説明図。

符号の説明

1…レンズ層
2…光反射層
3…転写箔
4…フィルム
5…押出し機
11，13…偏光板
12…液晶パネル
15…レンズ層
18…遮光層
76…光源ランプ
77…反射フィルム（反射層）
79…導光板
81…ランプリフレクタ
82…散乱反射パターン

Claims (8)

1. ディスプレイ用バックライト・ユニットにおける照明光路制御に使用される光学シートにおいて、
   片面に、半円柱状凸シリンドリカルレンズからなる単位レンズが並列されてなるレンズ部を有するレンズシートの他面には、バックライト光源側に面して光反射性の高い表面を有しており、前記表面に入射した光をバックライト光源側に反射する光反射層を備え、
   前記光反射層は、前記レンズシートの単位レンズそれぞれに１：１で対応して開口部を有するストライプ状であると共に、前記レンズシートの反レンズ部側に、前記ストライプ状に対応した凸部に形成されてなる構成であることを特徴とする光学シート。
2. 片面に、半円柱状凸シリンドリカルレンズからなる単位レンズが並列されてなるレンズ部を有し、反レンズ部側の他面には、前記ストライプ状に対応した凸部を有する構成のレンズシートは、熱可塑性樹脂のプレス成形あるいは溶融押出し成形によるモノリシックな成形体であることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
3. 前記光反射層は、高反射性インキを前記凸部表面に塗布形成してなるであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学シート。
4. 前記光反射層は、高反射性材料を転写層とする転写箔を用いて、前記転写層を前記凸部表面に転写形成してなるであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学シート。
5. 反レンズ部側の他面に、光拡散性シートを積層一体化してなる構成の請求項１〜４の何れかに記載の光学シート。
6. 光源と、
   前記光源から照射される光を受けて拡散透過する光拡散層と、
   請求項１〜５の何れかに記載の光学シートからなり、
   前記光学シートの光反射層側を、前記光拡散層側に対向させて配置してなり、
   前記光学シートを構成するレンズシートの単位レンズそれぞれに１：１で対応した前記開口部は、空気層のみを介して前記光拡散層側に対向していることを特徴とするディスプレイ用バックライト・ユニット。
7. 画素単位で透過／非透過を切り替えることにより、表示画像を規定する画像表示素子を、
   請求項６に記載のバックライト・ユニットを構成するレンズシートのレンズ部側に配置してなる構成のディスプレイ。
8. 前記画像表示素子は液晶パネルである請求項７記載のディスプレイ。

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