JP2007057871A - 光学シートおよびディスプレイ用バックライト・ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】バックライト光源の有効利用，出射面から出射される拡散光の均一化による輝度ムラの低減，光源の形状のシルエットが視覚されてしまう，などの問題を、固有な光学特性を奏する光拡散要素のみを用いることで解消する。
【解決手段】照明光路制御に使用される光学シートを構成する光拡散シートとして、全体として集光作用を伴う光拡散機能を奏するものであり、直下型バックライト光源からの光を、０°（拡散シート主面に垂直な方向）には、輝度が８．５％以上上昇するように透過拡散すると共に、０°（拡散シート主面に垂直な方向）と６０°（拡散シート主面に垂直な方向から６０°の方向）での輝度の差が、前者が後者よりも３５％以上高いものを採用する。
【選択図】図７

Description

本発明は、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関し、特に直下型液晶ディスプレイ用バックライト・ユニットの照明光路制御に使用されるのに適した光学シートと拡散シートの組み合わせに関する。

液晶表示装置のように、自発光しない表示装置には照明装置が必要になる。また、表示装置には年々高輝度化、薄型化が求められてきている。そこで、このような自発光しないディスプレイのバックライト・ユニットには照明装置からの光を制御し、正面に光を集めるような光学シートが使われている。現在はこの照明光路制御に使用される光学シートとして、プリズムシートが主に使用されている。

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、図１に示すように、部材７０上に、断面三角形状の単位プリズム７２が一方向に周期的に配列されたフィルムである。このプリズム７２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（図１中に示す方向Ｆ）側である。

プリズム７２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ことができるようになった。ＢＥＦに代表されるプリズム７２の反復的アレイ構造を有する輝度制御部材をディスプレイに採用する旨が開示されている特許文献は、例えば特許文献１乃至３のように多数ある。
特公平１-３７８０１号公報 特開平６-１０２５０６号公報 特表平１０-５０６５００号公報 特開２０００−２８４２６８号公報

上記のようなＢＥＦを輝度制御部材として用いた光学シートでは、図２に示すように、屈折作用Ｘによって、光源２０からの光Ｐ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Ｆ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Ｆに進むことなく横方向に無駄に出射されてしまう。
従って、図３に示すようなＢＥＦを用いた光学シートから出射される光強度分布は、図２に示すように、視聴者の視覚方向Ｆ、すなわち視覚方向Ｆ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問題がある。

以上の事情に鑑み、本出願人は、ＢＥＦに代表されるプリズムシートの代替製品として、特許文献４に例示される光学シートを提案している。
上記公報による光学シートは、
照明光源からの光の入射面側が略平坦であり、非入射面側である出射面側に形成された単位レンズ群からなるレンズ部を有するレンズシート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のための光学シートにおいて、
前記レンズシートは、出射面側のレンズ部に対応した開口部を有する光反射層を備えている構成である。（図４参照）

図４では、レンズシート１５の入射面側に形成された開口部を通ることができなかった光は、光反射層１８で反射され、導光板７９側に戻される。そして、導光板との界面あるいは導光板内での反射を繰り返した後、いずれは開口部を通ってレンズシート１５に再度入射し、出射角度を所定角度内に制御された後に出射される。

図４は、レンズシート１５を、導光板７９を有するエッジライト式のバックライトユニットに対して光路制御部材として使用するタイプを説明する図面であるが、バックライトユニットには、別タイプとして、照明光源が画像表示素子である液晶パネル１２に直接面して照明する、所謂「直下型バックライト」もある。（図５参照）

直下型の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、液晶画面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。

従って、１枚の拡散板しか用いていない時は、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という問題がある。

このため、図６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も考えられている。

図６に示す光拡散要素の構成（拡散板２６と拡散フィルム３２の組合わせ）は、光路制御部材が上述のＢＥＦに代表されるプリズムシート（内部での全反射作用を用いる）の場合に有効であり、製品への採用例も多く見られている。
上記の光拡散要素の構成は、普及が著しいＢＥＦに代表されるプリズムシートとの併用を前提として、それに好適となる様に光学設計を合わせた仕様のものが多い。

本発明では、光路制御部材として、ＢＥＦに代表されるプリズムシートとは異なる構成（および、原理）を利用している特許文献４に例示される光学シートを用いた場合の直下型のバックライトユニットにおいて、バックライト光源の有効利用，出射面から出射される拡散光の均一化による輝度ムラの低減，光源の形状のシルエットが視覚されてしまう，などの問題を、固有な光学特性を奏する光拡散要素のみを用いることで解消することを主目的とする。

本発明者らによる検討の結果、光拡散層には、特定範囲内に集光作用を伴いながら同時に拡散作用を奏する特性が、上記課題を解決する上で有効であることが、実験的に確認された。
すなわち、光拡散層を透過した光は、全体として凸レンズを通過した光のように、特定の焦点に集光する成分を中心として拡散するように機能することが好ましい。
ＬＣＤの表示光路を制御する本発明の用途では、表示画面の正面方向（すなわち、液晶パネルや光拡散層の主面に垂直な正面方向）に前記焦点が存在することが好適であることが確認された。
当然、バックライト光源からの光量は有限であるため、正面方向の輝度が高いと、それ以外の周辺方向での輝度は低下することになるが、汎用的なＬＣＤの使用形態（観察状態）での視覚特性の評価を優先した場合、トレードオフの関係にある「正面輝度／周辺輝度」のバランスを決定する上では、後者をある程度犠牲にしても、上記課題の解決にあたっては支障が少ないとの結果が得られている。

本発明による光学シートは、
直下型バックライト光源からの光を入射面から取り込み、拡散させることによって、この取り込んだ光を拡散光として非入射面である出射面から出射させる拡散シートと、
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ており、反レンズ部側の平坦面には、バックライト光源側に面して光反射性が高く、単位レンズそれぞれに１：１で対応した開口部を有するストライプ状の光反射層を有するレンズシート、
とが積層してなる構成の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、
前記拡散シートは、全体として集光作用を伴う光拡散機能を奏するものであり、
直下型バックライト光源からの光を、０°（拡散シート主面に垂直な方向）には、輝度が８．５％以上上昇するように透過拡散すると共に、
０°（拡散シート主面に垂直な方向）と６０°（拡散シート主面に垂直な方向から６０°の方向）での輝度の差が、前者が後者よりも３５％以上高いものであることを特徴とする。

直下型バックライト・ユニットを備える液晶表示装置（ＬＣＤ）に代表されるディスプレイとしては、表示画面の正面方向に高い輝度での表示光を、バックライト光源の有効利用，出射面から出射される拡散光の均一化による輝度ムラの低減，光源の形状のシルエットが視覚されてしまう，などの問題が解消して出射することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図７は、本実施形態に係る光学シートの要部を示す断面図である。

同図では、レンズシート５と拡散シート５２は離間して図示されているが、両者を組み合わせてなる光学シートの形態では、両者は積層され接触している。
使用形態によっては、単に密着するだけでなく、粘着剤や接着剤を介して積層一体化される場合もあり、何れの場合も本実施形態を逸脱しない範囲内の改良である。
本実施形態に係るレンズシート５は、基材シート２上の照明光の入射側（同図で下側）に光反射層３，他面の出射側（同図で上側）にレンズ部１を配置してなる構成である。
基材シート２の素材としては、当該技術分野で良く知られているＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート），アクリルシート等が用いられる。

レンズ部１を構成する素材としては、当該技術分野で良く知られているアクリル樹脂などが用いられる。

光反射層３を構成する素材としては、白色顔料，金属蒸着層を用い、高反射率で光吸収の少ないものを選択することが好ましい。
白色顔料としては、当該技術分野で良く知られている二酸化チタン，硫酸バリウム，酸化マグネシウム、金属蒸着層としては銀などが用いられる。

光反射層３の形成方法の一例として、ＵＶ（紫外線）硬化型粘着材を使用した転写法を採用しても良い。
上記方法は、予め、レンズ部と反対側の基材シート２表面にＵＶ硬化型粘着材層を形成しておき、レンズ部側からＵＶを照射し、レンズ部の集光機能に応じてＵＶが当たった部分の前記粘着材層が変性（硬化して粘着性が消失）し、平坦面上で粘着性を有する部分と粘着性の無い部分とが領域分けされることを利用して、粘着性を有する部分（すなわち、レンズ部による非集光部分）に、光反射層を選択的に転写形成する手法である。
上記方法を含めて、レンズシートの集光機能を利用して、反レンズ部側に選択的に開口部／非開口部を形成する手法は、「セルフアライメント法」として周知である。
セルフアライメント法の採用により、容易に単位レンズと光反射層を１：１に対応させて配置することができる。
また、その実施に用いる材料としては、上記に限らず、ＵＶ硬化型粘着材に代えて湿式現像処理を要する感光材料を用いたり、転写に代えて光反射性インキを塗布形成するなど、多様な変更が可能である。

また、光反射層３の保護のため、ＰＥＴやＰＣ（ポリカーボネート）やアクリル樹脂、またはこれらの樹脂に拡散剤を添加したシートなどを光反射層の照明側に貼合した構成も、本発明の光学シートを構成するレンズシートの主旨を逸脱しない範囲に属する細部の改良にあたるものとする。

一方、光拡散シート５２としては、当該技術分野で良く知られているＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）やＰＣ(ポリカーボネート)基材に、当該技術分野で良く知られている光拡散機能を持つ粒子を分散混合してなるインキを塗布形成したり、または、基材中に前記粒子を練り込んだものが用いられる。
本発明では、光拡散シート１２に要求される特性として、０°（拡散シート主面に垂直な方向）には、輝度が８．５％以上上昇するように透過拡散すると共に、０°（拡散シート主面に垂直な方向）と６０°（拡散シート主面に垂直な方向から６０°の方向）での輝度の差では、前者が後者よりも３５％以上高くなる特性が必須である。

図８は、本実施形態に係る光学シートを、直下型光源と組み合わせ、液晶表示素子からなる画像表示素子の照明用バックライト・ユニットに適用したディスプレイの要部を概略的に示す断面図である。

光拡散シート５２の光源側からの光というのは、他の光拡散シート５３（厚さ数ｍｍの板が用いられることが多い）を透過した光を指し、光拡散シート５２の光源側からの光を視野角０°の輝度での上昇率が８．５％以上というのは、光源２０から出て光反射シート５４で反射され、光拡散シート５３，５２を抜けた光と、光源２０から出て光反射シート５４で反射され、光拡散シート５３を抜けた光とを比較した場合、前者の光の方が後者よりも視野角０°における輝度が８．５％高いということを指す。

また、視野角０°の輝度と視野角６０°の輝度の差が３５％以上ということは、光源２０から出て光反射シート５４で反射され、光拡散シート５３，５２を抜けた光の視野角０°の輝度と視野角６０°の輝度の差が３５％以上ということを指す。

レンズシート５を、図８に示すようにバックライト・ユニットに組み込み、光拡散シート５２の光学性能を様々に変えて、光源２０から出て光反射シート５４で反射され、光拡散シート５３，５２およびレンズシート５，偏光分離シート１０を抜けた光の視野角０°における輝度を比較した結果を、図９の表に示す。

本発明の実施形態に相当する、光拡散シート５２の光学性能がＡ，Ｂ，Ｃの場合には、レンズシート５と組み合わせた光学シートをバックライト・ユニットに搭載することにより、光拡散シート５２がない場合に比べて、０°（正面）における輝度上昇が確認され、ディスプレイを正面（表示画面に垂直な方向）から視覚する際の表示が明るくなる。

一方、本発明の実施形態に相当しない、光拡散シート５２の光学性能がＤ，Ｅの場合には、光拡散シート５２がない場合に比べて、０°（正面）における輝度低下が確認され、ディスプレイを正面（表示画面に垂直な方向）から視覚する際の表示が暗くなる。

以上、本発明の実施形態について、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るものではない。
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。

ＢＥＦ（従来技術）の斜視図。 ＢＥＦの出射光の制御された角度φの説明図。 ＢＥＦの出射光の光強度分布の説明図。 ＢＥＦに代表されるプリズムシートの代替製品として提案されている従来技術に係る光学シートの一例を示す説明図。 直下型バックライトを示す説明図。 プリズムシートを用いた直下型バックライトユニットの一例（従来技術）を示す説明図。 本発明の実施形態に係る光学シートの要部を示す断面図。 図１の光学シートを、直下型光源と組み合わせ、液晶表示素子からなる画像表示素子の照明用バックライト・ユニットに適用したディスプレイの要部を概略的に示す断面図光学シートの作用を示す側面図。 各種サンプルの光拡散シートを用いた光反射シートについて、光学特性を比較して示す表。

符号の説明

１ レンズ部
２ 基材シート
３ 光反射層
４ 開口部
５ レンズシート
６ 照明装置からの入射光で、光学シートの開口部を通過した光
７ 照明装置からの入射光で、光学シートの光反射層で反射した光
８ ＵＶ硬化型粘着材
９ 保護層
１０ 偏光分離シート
１２ 液晶パネル
１５ レンズシート
１８ 光反射層
２０ 光源
２５，２６ 拡散板
３０ 直下型バックライトユニット
３２ 光拡散フィルム
３４ プリズムシート
５２，５３ 光拡散シート
５４ 光反射シート
７０ 部材
７２ プリズム
７９ 導光板

Claims (4)

1. 直下型バックライト光源からの光を入射面から取り込み、拡散させることによって、この取り込んだ光を拡散光として非入射面である出射面から出射させる拡散シートと、
   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ており、反レンズ部側の平坦面には、バックライト光源側に面して光反射性が高く、単位レンズそれぞれに１：１で対応した開口部を有するストライプ状の光反射層を有するレンズシート、
   とが積層してなる構成の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、
   前記拡散シートは、全体として集光作用を伴う光拡散機能を奏するものであり、
   直下型バックライト光源からの光を、０°（拡散シート主面に垂直な方向）には、輝度が８．５％以上上昇するように透過拡散すると共に、
   ０°（拡散シート主面に垂直な方向）と６０°（拡散シート主面に垂直な方向から６０°の方向）での輝度の差が、前者が後者よりも３５％以上高いものであることを特徴とする光学シート。
2. 前記拡散シートは、透光性基材フィルムもしくはシートの表面に、拡散剤を分散混合してなる透光性樹脂からなるインキを塗布してなることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
3. 表示画像を規定する画像表示素子の背面に、
   直下型光源と、請求項１記載の光学シートを少なくとも備え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。
4. 画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する液晶表示素子からなる画像表示素子と、
   冷陰極線管あるいはＬＥＤによる光源と、
   請求項３記載のバックライト・ユニットを備えることを特徴とするディスプレイ。