JP2007086401A - 光学シート - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は上記の欠点を解消し、例えば、２０型を超える大型液晶表示装置においても、バックライトから出る光に適切な指向性を与え、その光を効率的に利用することから省エネルギーに寄与できる均一な光を得るための光学シートを提供するものである。
【解決手段】一方の面は凸型のマイクロレンズが複数配列された面であり、もう一方の面は平坦な面であり、前記平坦な面上に開口部を有する光散乱膜が形成されてなる画像表示装置用の光学シートであって、
特定マイクロレンズの配列ピッチであって、かつ、
特定マイクロレンズ配列ピッチであって、かつ、
特定光散乱膜の開口率において、マイクロレンズの後側焦点距離をマイクロレンズ配列ピッチで除した比が、
下記式１、式２に挟まれる領域にある光学シート。
（式１） Ｙ ＝ ３．３E^−３Ｘ＋ １．００
（式２） Ｙ ＝ １．０E^−４Ｘ²− ０．０１Ｘ ＋ １．３４
【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置に用いられる光学シート（光線指向性化シート）に関するものである。例えば、２０型を超える大型液晶表示装置に好適に用いることができる。

液晶表示装置に代表される画像表示装置は、液晶表示装置、ノートパソコン、携帯電話などの表示手段として、広く一般に使用されるようになった。そして、それぞれの用途に合わせるためにバックライトから出る光の光線指向性をコントロールする要求性能も多岐に亘ってきている。
また、世の中の動向として環境問題といった観点から考えると、省エネルギー法や京都議定書でも謳われているようにエネルギー使用の効率化と無駄の排除が強化されてきている。
液晶表示装置においては液晶そのものが発光しておらず、背後に光源となるバックライトからの光が必要である。そして、液晶表示装置全体の消費電力の大半は、バックライトの消費電力である。従って、バックライトからの光をいかに効率的に使うかが極めて重要である。

ところが、一般のバックライトは、光束出射面の輝度の均一性を確保するために、ランダムに光束を拡散する種々の拡散板を用いている。このため、この出射面から出射される光束は指向性がなく、広い範囲を照射するため、光の広がり角が不必要に広がってしまい、光エネルギーのロスも大きくなってしまう。
そこで、光の広がり角をコントロールする方法として、例えば不必要に広がる光を改善するルーバーシートが知られている。これは、光束の進行方向に沿ってのびる遮光層を多数並べたシートで、求める方向以外に進行する光束を遮光層によって吸収させて任意の指向性を持ったバックライトからの光を得ることができる。
また、別の方法には広がり角が２０度以下といった鋭い指向性を持ったバックライトからの光を得る方法として、光線指向性化シートおよびそれを用いた指向性バックライト（特許文献１）が提案されている。
特許文献１に開示されている方式は、一方の面が単位レンズで配列されたレンズ群で、もう一方の面が平坦であり、該平坦な面上に光線遮光層が形成されたシートであって、少なくとも前記光線遮光層のレンズ群側から入射する光線の焦点付近が開口しているとともに、該光線遮光層の線開口率が５０％以下であることを特徴とする光線指向性化シートである。
特開平１０−２４１４３４号公報

しかし、従来のいずれの方法においても光の広がり角を例えば２０型を超えるような大型液晶表示装置に適した角度にコントロールし、同時にエネルギーロスを省くことはできなかった。
ルーバーシートは、求める方向以外に進行する光束を遮光層によって吸収しているので、光のロスが大きく、省エネルギーには向かない、という欠点があった。

また、特許文献１の方式では、バックライトから出る光が鋭い指向性をもち、広がり角が２０度以下となるため、携帯電話や携帯情報端末のように正面から見ることのみを目的とした小型液晶表示装置には適しているが、斜めからも見るような２０型を超える大型液晶表示装置においては、正面での輝度は高くなるが斜め方向では輝度が著しく減少し、視認性が低下してしまう欠点があった。

本発明の目的は上記の欠点を解消し、例えば、２０型を超える大型液晶表示装置においても、バックライトから出る光に適切な指向性を与え、その光を効率的に利用することから省エネルギーに寄与できる均一な光を得るための光学シートを提供するものである。

本発明では、マイクロレンズと光散乱膜を用いることにより、カラー大型液晶表示装置においても良好な広がり角、輝度および光利用効率が得られる光学シートを提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、一方の面は凸型のマイクロレンズが複数配列された面であり、もう一方の面は平坦な面であり、前記平坦な面上に開口部を有する光散乱膜が形成されてなる画像表示装置用の光学シートであって、
マイクロレンズの配列ピッチが、１７５μm〜２２５μmであって、かつ、
マイクロレンズの前方側での集光位置（ただし、前方側での集光位置は、シート平坦面側から光を入れた時に集光する点である。）から、凸型のマイクロレンズ頂点までの距離が、マイクロレンズ配列ピッチの０．９０〜１．１０倍であって、かつ、
光散乱膜の開口率３５から６５％の範囲において、マイクロレンズの後側焦点距離をマイクロレンズ配列ピッチで除した比が、
下記式１、式２に挟まれる領域にある光学シートに関する。
（式１） Ｙ ＝ ３．３E^−３Ｘ＋ １．００
（式２） Ｙ ＝ １．０E^−４Ｘ²− ０．０１Ｘ ＋ １．３４
（ただし、Ｙは後側焦点距離をマイクロレンズ配列ピッチで割った比率を、Ｘは光散乱膜の開口率を意味する。）

また、本発明は、光散乱膜の可視光反射率が、８５％以上であり、かつ、光散乱膜の膜厚が５〜２０μmである上記光学シートに関する。

また、本発明は、マイクロレンズの屈折率の範囲が、１．４５〜１．５５である上記光学シートに関する。

本発明により、これまで使用されている種々の面状バックライトの構造を変えることなく重ね合わせるだけで大型液晶表示装置に非常に適した広がり角、輝度、および光利用効率が得られる光学シートを提供できる。

本発明でいう光学シートとは、シートの片面から入射する様々な方向へ進む光線を含む光束が該シートを透過し、他方の面から出射するときに、広がり角および輝度を調整できるシートのことをいう。

本発明において広がり角とは、シートから出射される光束の指向性の尺度であり、ここでは最も高い輝度（最大輝度）が観察される方向を中心として、その最大輝度の１／２の輝度が観察される立体角のはさみ角を広がり角と定義する。

本発明が目的とする広がり角は、６０度から８０度以下の、２０型を越えるような大型液晶表示装置に適した指向性をもつものであり、本発明に相応しい正面輝度は、１０００ｃｄ／ｍ^２以上である。
本発明の目的とする光利用効率は、光学シートを乗せていないバックライトのみの状態において、バックライト光出射面の法線方向から立体角±６０度の全光量を積算した値を100％とし、それに対して光学シートを乗せた時の光量積算量比率が±３０度で１００％、±４０度で１１０％を超える特性をもつものである。

本発明の光学シートは、一方の面は凸型単位レンズが配列されたマイクロレンズ群が形成されており、他方の面は平坦面であり、該平坦面上に開口部を有する光散乱膜が形成されたシートである。また、マイクロレンズ群側から入射する光線の焦点付近に前記光散乱膜の開口部が存在するものである。

図１および図２は本発明の光学シートの断面を模式的に表したものであり、図１において、２はマイクロレンズ群であり、２bは光散乱膜、２aは開口部、３は単位レンズと空気との界面を示す。

以下、本発明を液晶表示装置用のバックライトにおける利用を例に説明する。
液晶表示装置用のバックライトには特に限定はなく、エッジ式と直下式のいずれでも良い。エッジ式バックライトは、基本的に表示面の側辺部に光源を線状に配置し、そこから照射される光を非常に透明性が高い導光板を用いて表示範囲全面に導き、更に該導光板の下面あるいは上面で光を散乱さることで表示面側に光線を出射させるものである。
直下式バックライトは、表示面の直下に光源を設置し、表示面側に拡散板を設置し光線を均一に出射させるものである。ここで用いられる光源には特に限定はなく、冷陰極管のような線状光源でも、ＬＥＤのような点光源でも、ＥＬのような面光源でも良く、更に必要に応じてこれらを複数個組み合わせた物であっても良い。

前述したバックライトはいずれの方式も、光線は表示面側からあらゆる方向に向かって出射する。そのため画面表示には利用できない方向にも光が出射する。
本発明の光学シートは、前記バックライトの光出射面にそのまま重ね合わせる、あるいは貼り付けるだけで、表示面へ出射する光線に対して２０型を越えるような大型液晶表示装置に適した広がり角を付与できるという大きな特長を持つ。

本発明の光学シートにおけるマイクロレンズ群の形成方法に制限はなく、例えば特開２００４−３１９１７１号公報に述べられているような以下の（ａ）から（ｇ）の方法など公知の方法を用い、基材層を作成した後にマイクロレンズアレイを別に付加形成する方法と、基材層とマイクロレンズアレイとを一体成形する方法のいずれの方法を採用しても良い。
（ａ）所望のマイクロレンズアレイ表面の反転形状を有する雌シート型に合成樹脂を積層し、そのシート型を剥がすことでマイクロレンズシートを形成する方法、
（ｂ）所望のマイクロレンズアレイ表面の反転形状を有する雌金型に溶融樹脂を注入する射出成型法、
（ｃ）シート化された樹脂を再加熱して前記と同様の雌金型と金属板との間にはさんでプレスして形状を転写する方法、
（ｄ）所望のマイクロレンズアレイの表面の反転形状を周面に有する雌ロール型と他のロールとのニップに溶融状態の樹脂を通し、上記形状を転写する押出しシート成形法、
（ｅ）基材層に紫外線硬化あるいは電子線硬化型樹脂などに代表される活性エネルギー線硬化型樹脂を塗布し、上記と同様の反転形状を有する雌シート型、雌金型又は雌ロール型に押さえ付けて未硬化の活性エネルギー線硬化型樹脂に形状を転写し、活性エネルギー線をあてて活性エネルギー線硬化型樹脂を硬化させる方法、
（ｆ）上記と同様の反転形状を有する雌金型又は雌ロール型に雌未硬化の活性エネルギー線硬化型樹脂を充填塗布し、基材層で押さえ付けて均し、活性エネルギー線を当てて活性エネルギー線硬化型樹脂を硬化させる方法、
（ｇ）未硬化（液状）の活性エネルギー線硬化型樹脂等を微細なノズルからシート基材上に射出又は吐出し、硬化させる方法、
などがある。

また図２のように、基材層にマイクロレンズ群を付加形成する場合、基材層とマイクロレンズ群の屈折率は同じであっても異なっていても良い。更に基材層が複数の層からなっていても、基材層の断面方向に屈折率の傾斜があっても良い。
また、本発明の光学シートにおけるマイクロレンズ群の形状は、凸型レンズであれば良く、レンチキュラーレンズのように円弧などの曲線を平行移動させた軌跡で示される曲面を一方向に配列した１次元レンズ群でも、矩型、三角形、六角形などの底面をもつドーム状の曲面を縦横に配列した２次元レンズ群でも良い。

本発明の光学シートを構成する材料としては、光散乱膜以外は可視光の波長領域において吸収や散乱などが可能な限り少ないものが好ましい。この条件を満たせば無機材料であっても有機材料或いはハイブリッドであっても良いが、加工性などの点からプラスチック材料が利用されることが多い。該プラスチック材料としては特に制限はなく、ＰＭＭＡに代表されるようなアクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、その他光学フィルムに使用される樹脂を単独または混合しても良い。また、マイクロレンズ群の形成方法によっては電子線硬化や紫外線硬化に代表される活性エネルギー線硬化型樹脂を用いても良い。また、屈折率を上げるため前述した樹脂に平均粒径が１００ナノメーター以下、好ましくは５０ナノメーター以下の高屈折無機材料を入れても良い。

また、本発明におけるマイクロレンズの前方側での集光位置とは、図３に示すように、マイクロレンズ平面側から光を入れた時に集光する点から凸マイクロレンズ頂点までの距離（図３のａ）のことで、マイクロレンズ配列ピッチの０．９０〜１．１０倍である。

また、本発明におけるマイクロレンズの後側焦点距離とマイクロレンズ配列ピッチの比（後側焦点距離をマイクロレンズ配列ピッチで割った値）は、光散乱膜の開口率３５から６５％において、下記の式１、式２に挟まれる領域にある。
（式１） Ｙ ＝ ３．３E^−３Ｘ＋ １．００
（式２） Ｙ ＝ １．０E^−４Ｘ²− ０．０１Ｘ ＋ １．３４
（ただし、Ｙは後側焦点距離をマイクロレンズ配列ピッチで割った比率を、Ｘは光散乱膜の開口率を意味する。）

本発明の光学シートにおける開口部を有する光散乱膜の材料及び形成方法に制限はなく、Ａｌ，Ａｇ，白色塗料などの高反射物質の薄膜を、エッチング加工、印刷法や転写法、インキジェットその他公知の方法で形成すればよい。

以下、この発明の実施例を説明するが、本発明はこれに限られたものではない。本発明の断面模式図を図１、図２に示す。図１はマイクロレンズと基材層を一体形成したタイプのものであり、図２は基材層にマイクロレンズを付加形成するタイプのものである。
光学シート１の片面には同一形状の単位マイクロレンズが繰り返し配列されてマイクロレンズ群を形成しており、光学シート１の他方の面には白色塗料等の高反射物質よりなる光散乱膜２ｂが形成されている。光散乱膜２ｂはマイクロレンズの焦点近傍に開口部２ａを有する。

実施例１（図２のタイプ）
マイクロレンズ レンズ配列ピッチ １７５μm 屈折率 レンズ １．４５ 基材層 １．６０
光散乱膜 膜厚 １８μm 反射率 ８８％ 開口率 ６２％
レンズ前方集光位置／レンズ配列ピッチ １．１０
レンズ後側焦点距離／レンズ配列ピッチ １．１８

実施例２（図２のタイプ）
マイクロレンズ レンズ配列ピッチ ２２５μm 屈折率 レンズ １．４９ 基材層 １．６０
光散乱膜 膜厚 ７μm 反射率 ８６％ 開口率 ３９％
レンズ前方集光位置／レンズ配列ピッチ １．００
レンズ後側焦点距離／レンズ配列ピッチ １．１３

実施例３（図１のタイプ）
マイクロレンズ レンズ配列ピッチ ２００μm 屈折率 １．５０
光散乱膜 膜厚 １１μm 反射率 ８８％ 開口率 ５０％
レンズ前方集光位置／レンズ配列ピッチ ０．９９
レンズ後側焦点距離／レンズ配列ピッチ １．１１

実施例４（図２のタイプ）
マイクロレンズ レンズ配列ピッチ ２１２μm 屈折率 １．５２ 基材層 １．６０
光散乱膜 膜厚 ９μm 反射率 ８７％ 開口率 ５５％
レンズ前方集光位置／レンズ配列ピッチ ０．９５
レンズ後側焦点距離／レンズ配列ピッチ １．１３

比較例１（図１のタイプ）
マイクロレンズ レンズ配列ピッチ １７５μm 屈折率 １．５０
光散乱膜 膜厚 １３μm 反射率 ８７％ 開口率 ３８％
レンズ前方集光位置／レンズ配列ピッチ ０．９９
レンズ後側焦点距離／レンズ配列ピッチ １．０８

比較例２（図２のタイプ）
マイクロレンズ レンズ配列ピッチ ２２５μm 屈折率 １．４９ 基材層 １．６０
光散乱膜 膜厚 １１μm 反射率 ８９％ 開口率 ６１％
レンズ前方集光位置／レンズ配列ピッチ １．０１
レンズ後側焦点距離／レンズ配列ピッチ １．２４

比較例３は光学シートを何も乗せていないバックライトのみ。

特性評価
前記のごとく得られた光学シートの光散乱膜が形成された面側を、バックライトに重ね合わせ、光学シートから出射する光線の出射度合いを、光学シート表示面側の法線方向を０度とし、マイクロレンズの配列方向へ１度刻みで±６０度（合計１２０度）までの出射面の輝度を測定した。評価結果を表１に示す。
なお、表中では以下の条件を満たす物を○とした。
広がり角 ： ６０度から８０度以下
正面輝度 ： １０００ｃｄ／ｍ^２以上
±３０度光利用効率 ： １００％以上
±４０度光利用効率 ： １１０％以上

総合評価は、全４項目を満たすものを○とし、それ以外は×とする。

表１より、本発明の実施例の光学シートを設けたバックライトは、２０型を越えるような大型液晶表示装置に好適な広がり角を有し、輝度が高く、光利用効率も良いことがわかる。

図４に実施例１から４および比較例１、２をプロットした。実施例１から４は式１と式２の範囲内であるが、比較例１と２は範囲外となる。

図１は、この発明の実施例を示す断面図である。 図２は、この発明の実施例を示す断面図である。 図３は、本発明で言う、集光位置の定義を図示したものを示す。 図４は、実施例１〜４，および比較例１，２を開口率と、後側焦点距離／マイクロレンズ配列ピッチとを軸としてプロットしたときのグラフを示す。

符号の説明

１・・・・・光学シート
２・・・・・マイクロレンズ群
２a・・・・開口部
２ｂ・・・・光散乱膜
３・・・・・単位レンズと空気の界面
４・・・・・基材層
ａ・・・・・マイクロレンズの前方側での集光位置から、凸型のマイクロレンズ頂点までの距離

Claims (3)

1. 一方の面は凸型のマイクロレンズが複数配列された面であり、もう一方の面は平坦な面であり、前記平坦な面上に開口部を有する光散乱膜が形成されてなる画像表示装置用の光学シートであって、
   マイクロレンズの配列ピッチが、１７５μm〜２２５μmであって、かつ、
   マイクロレンズの前方側での集光位置（ただし、前方側での集光位置は、シート平坦面側から光を入れた時に集光する点である。）から、凸型のマイクロレンズ頂点までの距離が、マイクロレンズ配列ピッチの０．９０〜１．１０倍であって、かつ、
   光散乱膜の開口率３５から６５％の範囲において、マイクロレンズの後側焦点距離をマイクロレンズ配列ピッチで除した比が、
   下記式１、式２に挟まれる領域にある光学シート。
   （式１） Ｙ ＝ ３．３E^−３Ｘ＋ １．００
   （式２） Ｙ ＝ １．０E^−４Ｘ²− ０．０１Ｘ ＋ １．３４
   （ただし、Ｙは後側焦点距離をマイクロレンズ配列ピッチで割った比率を、Ｘは光散乱膜の開口率を意味する。）
2. 光散乱膜の可視光反射率が、８５％以上であり、かつ、光散乱膜の膜厚が５〜２０μmである請求項1記載の光学シート。
3. マイクロレンズの屈折率の範囲が、１．４５〜１．５５である請求項１または２記載の光学シート。