JP2007225741A - 光制御シート、面光源装置、透過型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画面を観察する位置によらずムラのない均一な照明を行うことができる光制御シート、面光源装置、透過型表示装置を提供する。
【解決手段】出射側に凸状に多数並べて単位レンズ１４１を形成する。この単位レンズ１４１の並ぶピッチをｐ、単位レンズ１４１の凸形状の頂点から谷底部までの高さをｈとしたときに、０．４ｐ≦ｈ≦０．６ｐの関係を満足するような寸法とする。これにより、均一でムラがなく、かつ、輝度の高い照明を行える。
【選択図】図３

Description

本発明は、液晶表示装置等の照明に用いられる光制御シート、面光源装置、及び、それらを用いた透過型表示装置に関するものである。

透過型の液晶ディスプレイ等を背面から照明する面光源として各種方式の面光源装置が提案、実用化されている。面光源装置には、主として、面光源でない光源を面光源に変換する方式によりエッジライト型と直下型とがある。
例えば、直下型では、背面より並列の発光管、又は、略点光源のＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いて光を導入するようになっており、発光管等とＬＣＤ（Liquid Crystal Display）パネル等との距離を適度に空け、その間に拡散板を用い、さらに、光を収束させるシートを複数組み合わせて使用していた。
しかし、このような従来の方式では、必要とする光学シートの枚数が多い割に収束特性が不十分であり、それを補う為にＬＣＤパネルを改良して、斜め方向からの入射光に対しても画質を落とさない構造としていた。

しかし、この方式では、光の利用効率が低下する上、ＬＣＤパネルの構成も複雑となり、コスト増の要因になるという問題があった。
特に、直下型では、発光管等に近接した部分であるか否か（発光管等に至近の位置であるか、並んだ発光管等の間隙部分に至近の位置であるか）によって光強度（輝度）にムラが発生し易い。これを抑えるために発光管等とＬＤＣとの間隔を大きく取ってしまうとディスプレイの厚さが厚くなってしまうという問題があった。また、ムラを抑えるために拡散を強くしたり、透過量を制限したりすると、光の使用量が低減してしまうという問題があった。

例えば、特許文献１及び２に記載の面光源装置では、遮光部分（ライティングカーテン，遮光ドット層）を設けることで均一性を維持しているが、この手法では、上述のように光の使用量が減少してしまっていた。
また、両面にレンチキュラーレンズを設けたシートを使用する方式も例えば、特許文献３で報告されているが、これは、２方向の拡散制御を行うための構成で、光を収束する機能はない。従って、発光管等との位置関係によってＬＣＤの場所毎に光軸がばらつくことにより、画面を観察する位置によって明るさのムラが発生したりするという問題もあった。
特開平０５−１１９７０３号公報 特開平１１−２４２２１９号公報 特開平０６−３４７６１３号公報

本発明の課題は、画面を観察する位置によらずムラのない均一な照明を行うことができる光制御シート、面光源装置、透過型表示装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、直下型の面光源装置に設けられ、光源（１３）から出射した光を制御する光制御シートであって、出射側に凸状に多数並べて形成された単位レンズ（１４１）を備え、前記単位レンズの並ぶピッチをｐ、前記単位レンズの凸形状の頂点から谷底部までの高さをｈとしたときに、０．４ｐ≦ｈ≦０．６ｐの関係を満足する光制御シート（１４）である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の光制御シートにおいて、前記単位レンズ（１４１）は、長軸がシート面に対して直交して連続する楕円筒の一部、又は、長軸がシート面に対して直交する回転楕円体の一部であって、前記単位レンズの表面凸形状を形成する楕円形状の長半径の長さは、短半径の長さの略２．５倍であること、を特徴とする光制御シート（１４）である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の光制御シートにおいて、前記単位レンズ（１４１）の表面凸形状に沿って形成され、光を散乱する散乱層（１４２）を備えること、を特徴とする光制御シート（１４）である。
請求項４の発明は、請求項３に記載の光制御シートにおいて、前記散乱層（１４２）の厚さをｔとすると、ｐ／１０≦ｔ≦ｐ／２の関係を満足すること、を特徴とする光制御シート（１４）である。
請求項５の発明は、請求項３又は請求項４に記載の光制御シートにおいて、前記散乱層（１４２）は、光拡散粒子が混合されることにより光を散乱すること、を特徴とする光制御シート（１４）である。
請求項６の発明は、透過型表示部を背面から照明する面光源装置であって、光源（１２，１３）と、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の光制御シート（１４）と、を備える面光源装置（１２，１３，１４，１５）である。
請求項７の発明は、請求項６に記載の面光源装置において、出射側に微細凹凸形状が形成された拡散シート（１５）が前記光制御シート（１４）よりも出射側に配置されていること、を特徴とする面光源装置（１２，１３，１４，１５）である。
請求項８の発明は、請求項６又は請求項７に記載の面光源装置において、前記光制御シート（１４）が光を主に制御する方向と直交する方向で光を主に制御する第２の光制御シートを有すること、を特徴とする面光源装置である。
請求項９の発明は、請求項６から請求項８までのいずれか１項に記載の面光源装置において、前記光制御シート（１４）は、使用状態における前記透過型表示部（１１）の画面の上下方向の光を主に制御すること、を特徴とする面光源装置（１２，１３，１４，１５）である。
請求項１０の発明は、透過型表示部（１１）と、請求項６から請求項９までのいずれか１項に記載の面光源装置（１２，１３，１４，１５）と、を備える透過型表示装置（１０）である。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）単位レンズの並ぶピッチをｐ、単位レンズの凸形状の頂点から谷底部までの高さをｈとしたときに、０．４ｐ≦ｈ≦０．６ｐの関係を満足するので、光の収束性を高めることができ、正面輝度を向上できる。

（２）単位レンズの表面凸形状を形成する楕円形状の長半径の長さは、短半径の長さの略２．５倍であるので、輝度ムラを低減できる。

（３）単位レンズの表面凸形状に沿って形成され、光を散乱する散乱層を備えるので、大きな出射角度で出射する光を散乱させることができ、画面を観察する位置によらずムラのない均一な照明を行うことができる。

（４）散乱層の厚さをｔとすると、ｐ／１０≦ｔ≦ｐ／２の関係を満足するので、単位レンズ１４１の斜面で全反射する光を効率的に拡散及び散乱させ、減衰できる。

（５）散乱層は、光拡散粒子が混合されることにより光を散乱するので、散乱度合を簡単かつ自由に調整することができ、単位レンズの形状に合った最適な散乱層を容易に形成することができる。

（６）出射側に微細凹凸形状が形成された拡散シートが光制御シートよりも出射側に配置されているので、輝度ムラの低減効果をより高めることができる。

（７）光制御シートが光を主に制御する方向と直交する方向で光を主に制御する第２の光制御シートを有するので、垂直方向及び水平方向の両方向において光を独立して収束することができ、視野角を自由に設定することができる。

（８）光制御シートは、使用状態における透過型表示部の画面の上下方向の光を主に制御するので、垂直方向に広がる光を集めて正面輝度を高めることができる。なお、一般的な表示装置では、垂直視野角よりも水平視野角が広いことが望まれるので、そのような多くの表示装置に好適に用いることができる。

ムラのない均一な照明をするという目的を、光学シートの枚数を増加することなく実現した。

図１は、本発明による透過型表示装置の実施例を示す図である。
なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
本実施例における透過型表示装置１０は、ＬＣＤパネル１１，反射板１２，発光管１３，光制御シート１４，拡散シート１５等を備え、ＬＣＤパネル１１に形成される映像情報を背面から照明して表示する装置である。なお、ＬＣＤパネル１１を背面から照明する面光源装置としては、反射板１２，発光管１３，光制御シート１４，拡散シート１５が該当している。

ＬＣＤパネル１１は、透過型の液晶表示素子により形成された透過型表示部であって、３０インチサイズ、８００×６００ドットの表示を行うことができる。ＬＣＤパネル１１は、発光管１３の長手方向に沿った方向が、水平方向として使用され、発光管１３が並ぶ方向が、垂直方向として使用される。
発光管１３は、バックライトの光源部を形成する冷陰極管の線光源であり、本実施例では、略２０ｍｍ間隔で等間隔に１８本が並列に並べられている。
発光管１３の背面には、反射板１２を設けており、その設計により画面各部位への入射光照度を均一に近づけるようにしている。
また、発光管１３とＬＣＤパネル１１との間には、光制御シート１４が設けられており、光制御シート１４とＬＣＤパネル１１との間には、拡散シート１５が設けられている。
拡散シート１５は、出射側に微細な凹凸が形成され、出射側の表面形状がいわゆるマット面となっていることにより、光を拡散出射するシートである。本実施例の拡散シート１５のヘイズ値は、９０である。

図２は、光制御シート１４を示す斜視図である。
光制御シート１４は、発光管１３から出射した光を収束しながら適度に拡散して出射するシートであり、出射側に凸形状となっている単位レンズ１４１が多数並べられている。また、単位レンズ１４１の表面凸形状に沿った特定の範囲には、光を散乱させる作用を有した散乱層１４２が形成されている。なお、光制御シート１４の入射側の面は、平面となっている。
本実施例における光制御シート１４に形成された単位レンズ１４１は、連続する楕円筒の一部の形状となっており、この単位レンズ１４１が平行に多数並べて配置されることにより、レンチキュラーレンズを形成している。単位レンズ１４１の並ぶ方向は、発光管１３の並ぶ方向と一致している（図１参照）。したがって、光制御シート１４が光を制御する主な方向は、使用状態において、垂直方向となっている。
また、光制御シート１４は、発光管１３から２０ｍｍの間隔を空けて配置されている。

図３は、光制御シート１４を図２中に矢印で示したＳ１−Ｓ２断面で切断した断面図である。
本実施例の単位レンズ１４１は、図３に示した断面において、長半径Ａ＝０．２５ｍｍ、短半径Ｂ＝０．１ｍｍの楕円となっており、その長軸が光制御シート１４のシート面に対して直交し、ピッチｐ＝０．１４ｍｍとなるように配置されている。また、光制御シート１４の厚さＴ＝０．５ｍｍであり、単位レンズ１４１の頂部から単位レンズ１４１の谷底部分までの高さｈ＝０．０７ｍｍとなっている。
なお、シート面とは、光制御シート全体として見たときにおけるシートの平面方向として定義される面を指すものとし、特許請求の範囲、及び、明細書中において、入射角度、出射角度とは、シート面に対する角度であって、シート面における法線と光の進む方向とが成す角度を示すものとする。

ここで、単位レンズ１４１の表面凸形状を形成する楕円形状の長半径の長さは、短半径の長さの略２．５倍であることが、輝度ムラを低減するため望ましい。長半径の長さを短半径の長さの略２．５倍とすることにより、光制御シート１４に異なる入射角度かつ同じ光強度で入射する入射光が入射した場合であっても、それぞれの入射光が正面方向（出射角度０度方向）へ出射する成分を略同量とでき、正面への出射強度が略均一になる。なお、長半径の長さを短半径の長さの２．５倍よりも小さくすると、発光管の真上が明るくなり、２．５倍よりも大きくすると発光管の真上が暗くなる。
本実施例の単位レンズ１４１は、長半径Ａ＝０．２５ｍｍ、短半径Ｂ＝０．１ｍｍの楕円となっており、この条件を満たしている。

また、単位レンズ１４１の並ぶピッチｐと単位レンズの凸形状の頂点から谷底部分までの高さｈとの間の関係は、以下の式（１）を満たすことが望ましい。
０．４ｐ≦ｈ≦０．６ｐ・・・式（１）
この式（１）を満足することにより、光の収束性を高めることができ、正面輝度を向上できる。なお、ｈが０．４よりも小さくなると収束性が不十分となり、正面輝度の向上ができない。また、ｈが０．６よりも大きくなると単位レンズの斜面（谷底に近い位置）で全反射する成分が大きくなることから、収束性が不十分となり、正面輝度の向上ができない。
本実施例の光制御シート１４は、ｐ＝０．１４ｍｍ，ｈ＝０．０７ｍｍであるから、式（１）にこれらを代入して、
（０．４×０．１４＝０．０５６）≦０．０７≦（０．６×０．１４＝０．０８４）
となり、式（１）を満足している。

図４は、単位レンズ１４１の長半径の長さ及び凸形状の頂点から谷底部分までの高さｈを共に変化させた場合の照明光の輝度分布を示す図である。
曲線Ｌ０は、長半径の長さ及び高さｈが上述した条件を満たしている場合の輝度分布を示す図である。曲線Ｌ１は、長半径の長さが長く、また、高さｈが高い場合の輝度分布を示す図である。曲線Ｌ２は、長半径の長さが短く、また、高さｈが低い場合の輝度分布を示す図である。
曲線Ｌ１では、正面輝度の低下が見られると共に、大きな角度部分において、不要な輝度の上昇が生じている。また、曲線Ｌ２では、正面輝度が大きく低下してしまっている。
これらに対して、曲線Ｌ０では、正面輝度が高く、また、輝度の変化も緩やかであり、不自然な輝度の上昇部分もない。

単位レンズ１４１の観察側の表層内側部分には、散乱層１４２が単位レンズ１４１の凸形状に沿って形成されている。本実施例の散乱層１４２は、単位レンズ１４１の頂部付近の厚さｔ＝０．０３ｍｍとなるように形成されている。また、散乱層１４２は、散乱層１４２のベースとなるアクリル樹脂（屈折率１．４９）１００重量部に対して平均粒径φ＝０．０１ｍｍの白色ビーズが光拡散粒子として１０重量部添加されている。
散乱層１４２の厚さｔは、単位レンズ１４１の並ぶピッチｐとの関係で、以下の式（２）を満たしていることが、単位レンズ１４１の斜面で全反射する光を効率的に拡散及び散乱させるために望ましい。
ｐ／１０≦ｔ≦ｐ／２・・・式（２）
ｔの範囲を規定する理由は、ｔが薄すぎる（ｔがｐ／１０よりも薄い）と、単位レンズ１４１の斜面で全反射する光が散乱層１４２から外れた位置を通過してしまい、ｔが厚すぎる（ｔがｐ／２よりも厚い）と単位レンズ１４１の斜面で全反射する光以外の光を多く散乱してしまい、正面輝度が低下してしまうからである。上記式（２）を満たすことにより、単位レンズ１４１の斜面で全反射する光が選択的に散乱層１４２を通過するようになり、この光を拡散及び散乱させて減衰できる。
本実施例の光制御シート１４は、ｐ＝０．１４ｍｍ，ｔ＝０．０３ｍｍであるから、式（２）にこれらを代入して、
（０．１４／１０＝０．０１４）≦０．０３≦（０．１４／２＝０．０７）
となり、式（２）を満たしている。

本実施例の光制御シート１４は、屈折率１．４９の透明なアクリル樹脂を用いた押し出し成型により一体成型されている。具体的には、散乱層１４２以外の部分を形成するアクリル樹脂と、また、散乱層１４２となる部分を形成する樹脂として、散乱層１４２以外の部分を形成する樹脂と同じアクリル樹脂に白色ビーズを上述した割合で添加した樹脂とを用いて２層押し出し成型により光制御シート１４を形成した。
なお、光制御シート１４を形成する材料は、アクリル樹脂に限らず、光透過性の有る他の熱可塑性樹脂を適宜選択して使用してもよい。また、光制御シート１４は、紫外線硬化樹脂や電離放射線硬化樹脂等の光硬化樹脂を用いて作製してもよい。

図５は、光制御シート１４に対して発光管側から入射する光の進み方を示す図である。
なお、図５には、散乱層１４２の散乱作用については、反映させていない。
図５に示したように、大きな出射角度で出射する光の多くは、単位レンズ１４１の表面形状に沿って進んでいる。一方、小さな出射角度で出射する光については、単位レンズ１４１の表面形状に沿って進んでいる光は少ない。そこで、散乱層１４２を単位レンズ１４１の表面形状に沿って設けることにより、大きな出射角度で出射する光については、散乱層１４２を通過する距離が長くなり、多く散乱させられる。したがって、散乱層１４２がない場合に大きな出射角度で出射していた光の一部は、小さな出射角度に修正されて出射し、また他の光の一部は、光源側に戻されて再利用され、大きな出射角度で出射してしまう光は、ごくわずかとすることができる。
一方、散乱層１４２がない場合に小さな出射角度で出射する光については、散乱層１４２を通過する距離が短いので、散乱させられる割合が少なく、その大部分が小さい出射角度で出射する。

本実施例の面光源装置の照明光の出射状態を調べると、水平方向の半値角が４５度、垂直方向の半値角が３５度であった。また、輝度ムラを確認できないほど均一な照明となり、また、大きな出射角度（６０度以上）方向へ出射してしまう光も殆んど確認できなかった。

ここで、本実施例の面光源装置の効果を確認するために、比較例を２つ用意し、本実施例と比較した。
比較例１として、出射側に頂角９０度のプリズム形状を多数配置した光収束効果を有する光学シートであるＢＥＦ（住友スリーエム株式会社製）を用意した。
光制御シート１４の代わりに、比較例１のシートを使用した面光源装置では、垂直方向の半値角が３５°であり、６０°以上の出射角度で出射する無駄な光が確認された。

また、比較例２として、長半径＝短半径＝０．０９ｍｍ、すなわち円筒面の一部からなる単位レンズが出射側に多数並べて配置され、入射側は平面のレンズシートを用意した。この比較例２の単位レンズの並ぶピッチは０．１４ｍｍであり、屈折率１．４９のアクリル樹脂により形成されている。また、本実施例の散乱層１４２に相当する層は、設けていない。
光制御シート１４の代わりに、比較例２のシートを使用した面光源装置では、水平方向の半値角が５０度、垂直方向の半値角が４０°であり、本実施例の光制御シート１４と比較して収束性が劣っていた。また、発光管１３の真上で輝度が高くなっており、輝度ムラがはっきりと確認できた。

（変形例）
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
（１）本実施例において、光制御シートを単独で使用する例を示したが、これに限らず、例えば、光制御シートが光を制御する主な方向と直交する方向において光を制御する第２の光制御シートを追加してもよい。これにより、垂直、水平の両方向において光を制御できるので、光をより有効に利用でき、輝度の高い照明光を得ることができる。

（２）本実施例において、散乱層は、単位レンズの観察側の表層内側部分に形成されている例を示したが、これに限らず、単位レンズの観察側の表層外側部分に追加的に形成するようにしてもよい。

（３）本実施例において、単位レンズの形状は、長軸がシート面に対して直交して連続する楕円筒の一部である例を示したが、これに限らず、例えば、長軸がシート面に対して直交する回転楕円体の一部としてもよい。

（４）本実施例において、光源は、発光管１３を並列に並べた形態である例を示して説明したが、これに限らず、例えば、ＬＥＤ等の点光源を多数並べて配置してもよい。

本発明による透過型表示装置の実施例を示す図である。 光制御シート１４を示す斜視図である。 光制御シート１４を図２中に矢印で示したＳ１−Ｓ２断面で切断した断面図である。 単位レンズ１４１の長半径の長さ及び凸形状の頂点から谷底部分までの高さｈを共に変化させた場合の輝度分布を示す図である。 光制御シート１４に対して発光管側から入射する光の進み方を示す図である。

符号の説明

１０ 透過型表示装置
１１ ＬＣＤパネル
１２ 反射板
１３ 発光管
１４ 光制御シート
１４１ 単位レンズ
１４２ 散乱層
１５ 拡散シート

Claims (10)

1. 直下型の面光源装置に設けられ、光源から出射した光を制御する光制御シートであって、
   出射側に凸状に多数並べて形成された単位レンズを備え、
   前記単位レンズの並ぶピッチをｐ、前記単位レンズの凸形状の頂点から谷底部までの高さをｈとしたときに、
   ０．４ｐ≦ｈ≦０．６ｐ
   の関係を満足する光制御シート。
2. 請求項１に記載の光制御シートにおいて、
   前記単位レンズは、長軸がシート面に対して直交して連続する楕円筒の一部、又は、長軸がシート面に対して直交する回転楕円体の一部であって、
   前記単位レンズの表面凸形状を形成する楕円形状の長半径の長さは、短半径の長さの略２．５倍であること、
   を特徴とする光制御シート。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光制御シートにおいて、
   前記単位レンズの表面凸形状に沿って形成され、光を散乱する散乱層を備えること、
   を特徴とする光制御シート。
4. 請求項３に記載の光制御シートにおいて、
   前記散乱層の厚さをｔとすると、
   ｐ／１０≦ｔ≦ｐ／２
   の関係を満足すること、
   を特徴とする光制御シート。
5. 請求項３又は請求項４に記載の光制御シートにおいて、
   前記散乱層は、光拡散粒子が混合されることにより光を散乱すること、
   を特徴とする光制御シート。
6. 透過型表示部を背面から照明する面光源装置であって、
   光源と、
   請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の光制御シートと、
   を備える面光源装置。
7. 請求項６に記載の面光源装置において、
   出射側に微細凹凸形状が形成された拡散シートが前記光制御シートよりも出射側に配置されていること、
   を特徴とする面光源装置。
8. 請求項６又は請求項７に記載の面光源装置において、
   前記光制御シートが光を主に制御する方向と直交する方向で光を主に制御する第２の光制御シートを有すること、
   を特徴とする面光源装置。
9. 請求項６から請求項８までのいずれか１項に記載の面光源装置において、
   前記光制御シートは、使用状態における前記透過型表示部の画面の上下方向の光を主に制御すること、
   を特徴とする面光源装置。
10. 透過型表示部と、
    請求項６から請求項９までのいずれか１項に記載の面光源装置と、
    を備える透過型表示装置。
    

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