JP2007304460A - 光学シート、バックライトユニット及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液晶パネルに対してその背面側から光を照射するバックライトユニットを備えた液晶表示装置において、光の利用効率を効果的に高めることを可能にする。
【解決手段】 光学シート３１は、複数の単位レンズが配列されて構成されるレンズ部１５が出射面内に設けられるととともに、単位レンズの焦点位置に対応した開口部を有する散乱反射層１６が設けられ、コントロールシート３０と、散乱反射層１６側に設けられた光源からの光を拡散する拡散シート１８と、コントロールシート３０のレンズ部１５側に設けられ、コントロールシート３０から出射された光のうち、片方の偏光のみを透過し、他方の偏光の光を反射する反射型偏光分離シート１３により構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの光を選択的に透過する光学シートに関し、さらに透過型液晶パネル等に対して背面から光を照射する光学シートを用いたバックライトユニット、及び液晶表示装置に関する。

近年、液晶パネルを使用した液晶表示装置が、主としてノート型パソコンやデスクトップ型パソコン用ディスプレイ、大型液晶テレビのような情報家電の画像表示手段、携帯電話や個人用情報端末（ＰＤＡ）の画像表示手段として利用されてきている。
このような液晶表示装置は、液晶の背面側に設置された光源から発せられた光を透過させて表示させるバックライト方式を採用している（例えば特許文献１参照）。

図４は従来の液晶表示装置の構成例を示す断面図である。
バックライトユニット３３は、液晶パネル１２の背面に光源ランプ２２を設置し、この光源の光を透過照射するタイプの直下型方式のものと、液晶パネル３２の側端部にランプを設置し、そこからの光を導光板内で多重反射させて液晶パネル３２の背面から間接的に光を照射する導光板ライトガイド式（エッジライト式）に分類される。
光源ランプ２２には、冷陰極管（CCFL）が一般的に用いられるが、それ以外にもRed(617nm)、Green(533nm)、Blue(451nm)のＬＥＤをその輝度と色のバランスを考慮した順にライン状に並べた3波長タイプのＬＥＤを用いても良い。

２０インチ以上の大型液晶表示装置に関しては、薄型、視野角依存性の低さ、高輝度、低消費電力であることが求められ、液晶表示装置に搭載されるバックライトもそれに対応したものが要求されている。

バックライトユニット３３の光源手段２３は、散乱反射層が内面に形成された筐体の内部に、略棒状をなす光源ランプ２２が複数配列されてなるものであり、複数の光源ランプ２２の出射側には、これらの光源ランプ２２を覆うように拡散板２１が設けられている。光源手段２３から入射した光は拡散板２１によって拡散された後、前記光学シート３１に入射する。

光学シート３１は、入射する光を拡散しムラをなくすための拡散シート１８と、入射する光の指向性を制御するコントロールシート３０と、前記光学シート３１から出射した光のうち一方の偏光方向のみを透過し、他方の偏光の光を反射する反射型偏光分離シート１３から構成される。

光学シート３１のうち、コントロールシート３０は、光源手段２３から発せられ拡散板２１によって拡散された光の指向性を液晶パネルの有効雄表示領域に方向付けるようにコントロールし、前記偏光分離シート１３によって液晶パネル３２で利用する偏光成分を持つ光のみを透過し、利用しない偏光の光は反射し再利用することによって、光の利用効率を高める働きをする。
特表平９−５０６９８５号公報

上述のように、図４に示す構成において、反射型偏光分離シート４２で反射した光は、プリズムシート４１を透過して光源手段４３まで戻り、この光源手段４３の散乱反射層で偏光方向が乱れるように散乱反射することにより、再利用される。
しかし、光源手段には、拡散板以外にもさまざまなフィルムが使用されており、これらを光が透過するときにロスが生じてしまう問題がある。したがって、これまでの液晶表示装置では、光の利用効率を高めるために上記のような光学シートを用いたにもかかわらず、十分に光の利用効率を高めることができなかった。

さらに、このようなバックライトユニットでは、光源手段２３からの光を拡散するための拡散板が一枚では十分な拡散効果が得られず、複数枚の拡散板、あるいは拡散フィルムを用いることがある。この場合、厚みが増してしまうのみならず構造も煩雑となり、小型化への対応に対する阻害要因となってしまう。

そこで本発明は、液晶パネルに対してその背面側から光を照射するバックライトユニットを備えた液晶表示装置において、光の利用効率を効果的に高めることを可能にする光学シートと、この光学シートを備えたバックライトユニットと、このバックライトユニットを備えた液晶表示装置を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するため、本発明の光学シートは、複数の単位レンズが配列されてなるレンズ部が出射面側に設けられると共に、前記単位レンズの焦点位置に対応した開口部を有する散乱反射層が入射面側に設けられ、入射する光のうち前記開口部を通過した光の指向性を前記レンズ部によってコントロールするコントロールシートと、前記コントロールシートの散乱反射層側に設けられ、前記光源から入射する光を拡散透過する光拡散層と、前記コントロールシートのレンズ部側に設けられ、前記レンズ部を透過する光のうち一方の偏光方向の光のみを透過し、他方の偏光方向の光は反射する反射型偏光分離シートとを備えていることを特徴とする。

また本発明バックライトユニットは、の光学シートと光源とを備え、前記光学シートは、複数の単位レンズが配列されてなるレンズ部が出射面側に設けられると共に、前記単位レンズの焦点位置に対応した開口部を有する散乱反射層が入射面側に設けられ、入射する光のうち前記開口部を通過した光の指向性を前記レンズ部によってコントロールするコントロールシートと、前記コントロールシートの散乱反射層側に設けられ、前記光源から入射する光を拡散透過する光拡散層と、前記コントロールシートのレンズ部側に設けられ、前記レンズ部を透過する光のうち一方の偏光方向の光のみを透過し、他方の偏光方向の光は反射する反射型偏光分離シートとを備えていることを特徴とする。

また本発明の液晶表示装置は、光学シートと光源とを備えたバックライトユニットと、前記バックライトユニットによって照射される液晶パネルとを備え、前記光学シートは、複数の単位レンズが配列されてなるレンズ部が出射面側に設けられると共に、前記単位レンズの焦点位置に対応した開口部を有する散乱反射層が入射面側に設けられ、入射する光のうち前記開口部を通過した光の指向性を前記レンズ部によってコントロールするコントロールシートと、前記コントロールシートの散乱反射層側に設けられ、前記光源から入射する光を拡散透過する光拡散層と、前記コントロールシートのレンズ部側に設けられ、前記レンズ部を透過する光のうち一方の偏光方向の光のみを透過し、他方の偏光方向の光は反射する反射型偏光分離シートとを備えていることを特徴とする。

本発明の光学シートによれば、光源からの入射光にコントロールシートで指向性を付与し、レンズ部を透過する光のうち一方の偏光光を反射型偏光分離シートで透過し、他方の偏光光を反射型偏光分離シートで反射することにより、この反射光を再度コントロールシートに送って再利用する構成により、単一の光学シートによって光源光の利用効率を向上することが可能となる。
したがって、このような光学シートを用いたバックライトユニット、および液晶表示装置では、単一の光学シートによって光源光の利用効率を向上することができ、輝度の向上、光源の小型、低廉化、消費電力の節約、光学系の簡素化、装置の小型化等を図ることが可能となる。

図１は本発明の実施の形態による液晶表示装置の構成例を示す概略断面図であり、図２は本発明の実施の形態による光学シートの構成例を示す概略断面図である。
また、図３は本実施の形態で用いる溶融押し出し法による光学シート製造方法の一例を示す概略説明図である。

本実施の形態による光学シート３１は、複数の単位レンズが配列されて構成されるレンズ部１５が出射面内に設けられるととともに、単位レンズの焦点位置に対応した開口部を有する散乱反射層１６が設けられ、コントロールシート３０と、散乱反射層１６側に設けられた光源からの光を拡散する拡散シート１８と、コントロールシート３０のレンズ部１５側に設けられ、コントロールシート３０から出射された光のうち、片方の偏光のみを透過し、他方の偏光の光を反射する反射型偏光分離シート１３により構成される。
また、本実施の形態によるバックライトユニット３３は、本発明の光学シート３１と、前記光学シートに光を照射する光源手段２３を備えている。
さらに、本実施の形態による液晶表示装置は、本実施の形態によるバックライトユニット３３と、このバックライトユニットによって背面側から光が照射される液晶パネル１２を備えている。

このように、光学シート３１を備えたバックライトユニット３３によって構成した液晶表示装置では、まず、光源手段２３から照射された光が拡散シート１８によって光の指向性が拡散され、前記拡散シート１８により拡散された光が光指向性コントロールシート３０に入射すると、この入射した光のうち散乱反射層１６の開口部を通過した光はレンズ部１５によって指向性をコントロールされ、前記コントロールシート３０を出射した光は反射型偏光分離シート１３に入射する。反射型偏光分離シート１３に入射した光のうち、液晶パネルで用いられる一方の偏光をもつ光のみが透過し、他方の偏光の光は反射され、光指向性コントロールシート３０を再度通過する。

なお、光指向性コントロールシート３０の入射面側には散乱反射層１６が設けられ、反射型偏光分離シート１３で反射された光は散乱反射層１６で散乱反射され、再度偏光分離シート１３に入射することになる。
また、光指向性コントロールシート３０と偏光分離シート１３との間には、両者よりも低い屈折率を示す低屈折率材料からなる低屈折率材料層１４を備えている。
本光学シート３１と光拡散シート１８との間には粘着層あるいは接着層１７を介して積層一体型を構成する。この場合、開口部と光拡散層の間を粘着層、或いは接着層が埋める形となる場合、予期せぬ入射光の混入を引き起こす恐れがあり、設計通りの光学特性を発揮することが難しくなる。
従って、所望の光学特性を得るためには、開口部と光拡散層の間を空気層のような低屈折率層を介在させることが望ましく、そのために開口部とその周囲には明確な段差を設ける必要がある。

以下、本実施の形態について個々の構成および動作を順次詳細に説明する。
まず、液晶表示装置は、図１に示すように、略長方形平板状をなすパネル本体１２がその両面側を偏光板１１で挟まれることによって構成された液晶パネル３２と、この液晶パネル３２の背面側に配置され、液晶パネル３２に対してその背面側から光を照射するバックライトユニット３３とを備えている。

また、バックライトユニット３３は、後述する光学シート３１と、この光学シート３１に光を照射する光源手段２３とを備えている。つまり、液晶パネル３２の背面側には、光学シート３１（後述する反射型偏光分離シート１３、低屈折材料層１４、光指向性コントロールシート３０、粘着層１７、光拡散シート１８）、光源手段２３が順次配置されているのである。
バックライトユニット３３の光源手段２３は、例えば空気の超微粒子が分散混入された白色のＰＥＴフィルムなどからなる散乱反射層が内面に形成された筐体の内部に、例えば冷陰極管（ＣＣＦＬ）などの略棒状をなす光源ランプ２２が複数配列されることによって構成されている。

また、光源手段２３において、複数の光源ランプ２２の出射側には、これら光源ランプ２２を覆うようにして、例えばフィラーが分散混入されたＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）などからなる例えば厚み２ｍｍ程度の拡散板２１が設けられている。そのため、光源手段２３が光学シートに照射する光は、光源ランプ２２の光が拡散板２１によって拡散させられた光となる。

バックライトユニット３３の光学シート３１は、図１及び図２に示すように、光源手段２３から照射された光が入射する光拡散シート１８と、光の指向性を制御する光指向性コントロールシート３０と、この光指向性コントロールシート３０から出射された光が入射する反射型偏光分離シート１３と、これら光指向性コントロールシート３０及び反射型偏光分離シート１３を有効に機能させるために光指向性コントロールシート３０と反射型偏光分離シート１３との間に充填された低屈折材料層１４とを備えている。

光指向性コントロールシート３０は、シート本体における出射面側に、複数の単位レンズが配列されてなるレンズ部１５が設けられるとともに、シート本体における入射面側に、単位レンズの焦点位置に対応した開口部を有する散乱反射層１６が設けられることによって構成されている。

レンズ部１５の一例としては、例えば、略半円柱状をなす複数のシリンドリカルレンズ（単位レンズ）が略平行に配列されてなるレンチキュラーレンズ部や、略半球状をなす複数のマイクロレンズ（単位レンズ）がマトリックス状に配列されてなるマイクロレンズ部や、複数のシリンドリカルレンズ（単位レンズ）が略平行に配列された第１のレンズアレイと複数のシリンドリカルレンズ（単位レンズ）が略平行に配列された第２のレンズアレイとがそれらのシリンドリカルレンズの長さ方向を互いに交差させるように同一平面上に配置されてなるクロスレンチレンズ部などが挙げられる。レンズを構成する樹脂としては、熱可塑性樹脂であるＣＯＰやＰＭＭＡ、ＰＣなどを用いる。

散乱反射層１６は、例えば白色のTiO2微粒子が分散混入された透明樹脂などからなる。反射層を構成する顔料としては、TiO2の他にSiO2やＢａＳＯ４、Ａｌ２Ｏ３などを用いることもある。上記のような各種のレンズ部１５に応じて、その単位レンズの焦点位置に対応した開口部を有している。例えば、レンズ部１５が上記レンチキュラーレンズ部とされている場合には、散乱反射層１６に形成される開口部がストライプ状となり、レンズ部１５が上記マイクロレンズ部やクロスレンチレンズ部とされている場合には、散乱反射層１６に形成される開口部がマトリックス状となる。なお、開口部の詳細な形状は、液晶表示装置としての液晶パネルに求められる視野角等に応じて適宜決定される。

図２に示すように、光源手段２３から照射された光が光指向性コントロールシート３０に入射すると、この入射する光のうち散乱反射層１６に形成された開口部を通過した光ＬＡが、その指向性を液晶パネルの有効表示領域に向けて方向付けられるようにコントロールされてから、反射型偏光分離シート１３に向けて出射される。
これに対して、入射する光のうち散乱反射層１６に形成された開口部を通過しない光ＬＢは、散乱反射層１６で反射されて光源手段２３まで戻り、この光源手段２３の散乱反射層１６で偏光方向が乱れるように散乱反射されることにより、再利用される。

反射型偏光分離シート１３は、光指向性コントロールシート３０から出射された光のうち一方の偏光方向の直線偏光を透過するとともに他方の偏光方向の直線偏光を反射するように構成されている。なお、本実施形態では、反射型偏光分離シート１３が、他方の偏光方向の直線偏光を散乱反射するものとなっている。
この反射型偏光分離シート１３の一例としては、例えば、複屈折性多層膜からなるものや、コレステリック液晶層及び位相差板からなるものなどが挙げられる。

図２に示すように、光指向性コントロールシート３０から出射された光が反射型偏光分離シート１３に入射すると、この入射する光のうち液晶パネルで使用される一方の偏光方向の光Ｌ１（例えばｐ偏光の光）が、反射型偏光分離シート１３を透過して液晶パネルに向けて出射される。
これに対して、入射する光のうち液晶パネルで使用されない他方の偏光方向の光Ｌ２は、反射型偏光分離シート１３で反射されて光指向性コントロールシート３０を再度透過することになる。

ここで、光指向性コントロールシート３０の入射面側には散乱反射層１６が設けられていることから、反射型偏光分離シート１３で反射されて光指向性コントロールシート３０を再度透過する光のうち、散乱反射層１６に形成された開口部を通過しない光ＬＸは、散乱反射層１６で偏光方向が乱れるように散乱反射されて、反射型偏光分離シート１３に向けて再度出射されることにより、再利用される。

低屈折材料層１４は、光指向性コントロールシート３０のレンズ部１５及び反射型偏光分離シート１３よりも低い屈折率を示す低屈折材料からなるものである。
この低屈折材料としては、例えば、もともと低い屈折率を示すアクリル系の樹脂や、空気あるいはシリカの超微粒子（大きさ１０ｎｍ〜１００ｎｍ）が分散混入された透明樹脂や、空気などが挙げられる。

以上説明したような本実施の形態では、光源手段２３からの光が光指向性コントロールシート３０によって指向性をコントロールされてから反射型偏光分離シート１３によって分離されてなる一方の偏光方向の光Ｌ１（液晶パネルで使用される例えばｐ偏光の光）を、バックライト３３によって液晶パネルの背面に照射するようになっている。

そして、反射型偏光分離シート１３によって分離された他方の偏光方向の光Ｌ２（液晶パネルで使用されない例えばｓ偏光の光）のうち、光指向性コントロールシート３０の散乱反射層１６に形成された開口部を通過しない光を、ロスが大きく生じてしまう光源手段２３にまで到達させることなく、この光指向性コントロールシート３０の散乱反射層１６で偏光方向が乱れるように散乱反射させて、反射型偏光分離シート１３に向けて再度出射することにより、その再利用を図ることができる。

したがって、液晶表示装置のバックライトユニット３３に上述したような光学シート３１を設けたことによって得られる効果を存分に発揮することができ、光源手段２３における光源ランプ２２の光の利用効率を効果的に高めることができる。
つまり、従来と比較して、同じ電力を光源ランプ２２に供給するのであれば、液晶パネルの明るさを増大させることができ、同じ液晶パネルの明るさを維持するのであれば、光源ランプ２２に供給する電力を小さくすることができるのである。

以下、光学シート３１の具体的な例について説明する。
まず、レンズシート２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。

最後に本実施の形態による光学シートを作成できる溶融押出し成形法による製造方法の例について説明する。
図３はこの溶融押出し成形法の概要を示している。図示のように、押し出し機５から送り出されたフィルム４は、成形ローラ６によって転写箔３と一体化される。
なお、押し出し機５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。

本発明の実施の形態による液晶表示装置の構成例を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態による光学シートの構成例を示す概略断面図である。 溶融押し出し法による光学シート製造方法の例を示す概略説明図である。 従来の液晶表示装置の構成例を示す概略断面図である。

符号の説明

１……散乱反射層、２……光指向性コントロールシート、３……転写箔、４……フィルム、５……押し出し機、１１……偏光板、１２……液晶、１３……偏光分離シート、１４……低屈折率物質層、１５……光指向性コントロールシート、１６……散乱反射層、１７……粘着層、１８……拡散シート、２１……拡散板、２２……冷陰極管、２３……光源手段、３０……光指向性コントロールシート、３１……光学シート、３２……液晶パネル、３３……バックライトユニット、４１……プリズムシート、４２……偏光分離シート、４３……光源手段。

Claims (21)

1. 複数の単位レンズが配列されてなるレンズ部が出射面側に設けられると共に、前記単位レンズの焦点位置に対応した開口部を有する散乱反射層が入射面側に設けられ、入射する光のうち前記開口部を通過した光の指向性を前記レンズ部によってコントロールするコントロールシートと、
   前記コントロールシートの散乱反射層側に設けられ、前記光源から入射する光を拡散透過する光拡散層と、
   前記コントロールシートのレンズ部側に設けられ、前記レンズ部を透過する光のうち一方の偏光方向の光のみを透過し、他方の偏光方向の光は反射する反射型偏光分離シートと、
   を備えていることを特徴とする光学シート。
2. 前記レンズ部は出射面に半円柱状の凸シリンドリカルレンズからなる単位レンズが並列に配置されたものであることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
3. 前記反射型偏光分離シートは、レンズ部に対応した凸部を有するものであることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
4. 前記反射型偏光分離シートが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３記載の光学シート。
5. 前記反射型偏光分離シートの光反射層は高反射性材料を転写層とする転写箔を前記凸部表面に転写形成してなることを特徴とする請求項４記載の光学シート。
6. 前記反射型偏光分離シートの光反射層は光拡散性シートに積層一体化されてなることを特徴とする請求項５記載の光学シート。
7. 前記反射型偏光分離シートとコントロールシートのレンズ面とを低屈折率材料を介して積層一体化させてなることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
8. 光学シートと光源とを備え、前記光学シートは、
   複数の単位レンズが配列されてなるレンズ部が出射面側に設けられると共に、前記単位レンズの焦点位置に対応した開口部を有する散乱反射層が入射面側に設けられ、入射する光のうち前記開口部を通過した光の指向性を前記レンズ部によってコントロールするコントロールシートと、
   前記コントロールシートの散乱反射層側に設けられ、前記光源から入射する光を拡散透過する光拡散層と、
   前記コントロールシートのレンズ部側に設けられ、前記レンズ部を透過する光のうち一方の偏光方向の光のみを透過し、他方の偏光方向の光は反射する反射型偏光分離シートと、
   を備えていることを特徴とするバックライトユニット。
9. 前記レンズ部は出射面に半円柱状の凸シリンドリカルレンズからなる単位レンズが並列に配置されたものであることを特徴とする請求項８記載のバックライトユニット。
10. 前記反射型偏光分離シートは、レンズ部に対応した凸部を有するものであることを特徴とする請求項８記載のバックライトユニット。
11. 前記反射型偏光分離シートが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１０記載のバックライトユニット。
12. 前記反射型偏光分離シートの光反射層は高反射性材料を転写層とする転写箔を前記凸部表面に転写形成してなることを特徴とする請求項１１記載のバックライトユニット。
13. 前記反射型偏光分離シートの光反射層は光拡散性シートに積層一体化されてなることを特徴とする請求項１２記載のバックライトユニット。
14. 前記反射型偏光分離シートとコントロールシートのレンズ面とを低屈折率材料を介して積層一体化させてなることを特徴とする請求項８記載のバックライトユニット。
15. 光学シートと光源とを備えたバックライトユニットと、前記バックライトユニットによって照射される液晶パネルとを備え、前記光学シートは、
    複数の単位レンズが配列されてなるレンズ部が出射面側に設けられると共に、前記単位レンズの焦点位置に対応した開口部を有する散乱反射層が入射面側に設けられ、入射する光のうち前記開口部を通過した光の指向性を前記レンズ部によってコントロールするコントロールシートと、
    前記コントロールシートの散乱反射層側に設けられ、前記光源から入射する光を拡散透過する光拡散層と、
    前記コントロールシートのレンズ部側に設けられ、前記レンズ部を透過する光のうち一方の偏光方向の光のみを透過し、他方の偏光方向の光は反射する反射型偏光分離シートと、
    を備えていることを特徴とする液晶表示装置。
16. 前記レンズ部は出射面に半円柱状の凸シリンドリカルレンズからなる単位レンズが並列に配置されたものであることを特徴とする請求項１５記載の液晶表示装置。
17. 前記反射型偏光分離シートは、レンズ部に対応した凸部を有するものであることを特徴とする請求項１５記載の液晶表示装置。
18. 前記反射型偏光分離シートが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１７記載の液晶表示装置。
19. 前記反射型偏光分離シートの光反射層は高反射性材料を転写層とする転写箔を前記凸部表面に転写形成してなることを特徴とする請求項１８記載の液晶表示装置。
20. 前記反射型偏光分離シートの光反射層は光拡散性シートに積層一体化されてなることを特徴とする請求項１９記載の液晶表示装置。
21. 前記反射型偏光分離シートとコントロールシートのレンズ面とを低屈折率材料を介して積層一体化させてなることを特徴とする請求項１５記載の液晶表示装置。
    

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