JP2008032967A - 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】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あたり、主として単位レンズ部での屈折機能により、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プリズムシートと同等な光学特性を実現することが可能な光学シートを提供する。
【解決手段】片面に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反レンズ部側の平坦面がバックライト光源側に面しており、前記平坦面から入射した光が前記レンズ部側から出射する方向，範囲，輝度分布の少なくとも何れかを制御するために用いられるディスプレイ用バックライト・ユニットにおける光学シートにおいて、前記単位レンズは、全体として半円柱状凸シリンドリカルレンズであり、その断面形状が、中心部と周辺部とで異なる２種類以上の曲率を有する構成とする。
【選択図】図１０

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。

液晶表示装置（ＬＣＤ）に代表されるディスプレイは、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。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。

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サイズ（ピッチ）である。
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としては、特許文献１乃至３に例示されるように多数のものが知られている。
特公平１−３７８０１号公報 特開平６−１０２５０６号公報 特表平１０−５０６５００号公報

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。

したがって、図１，２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３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°（軸上方向にあたる）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。
図３のグラフは、プリズムシート１枚だけの場合の光強度分布であり、図中「垂直分布」で示される曲線は、プリズム７２の並列される方向に相当し、「水平分布」で示される曲線は、プリズム７２の長手方向に相当する。
一般には、プリズム７２の並列される方向が略直交する様に、２枚のプリズムシートが併用される使用形態が普及している。
この様な光強度ピークを有する輝度分布は望ましくはなく、±９０°近辺での光強度ピークのない滑らかな輝度分布の方が望ましい。
また、軸上輝度のみが過度に向上すると、グラフ中（特に、垂直分布の曲線で）の山の幅が著しく狭くなり、視域が極端に限定されるため、グラフ中の山の幅を適度に拡げるために、プリズムシートとは別部材の光拡散フィルムを新たに併用する必要があり、部材数の増加を伴っている。

このような欠点を克服するために、図４に示すように、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光学フィルム３８を用いたバックライト・ユニット４０もある（特許文献４）。

この光学フィルム３８の透明基材３９の液晶パネル４２側の面には、光学フィルム３８内を進行した光を液晶パネル４２へ導くレンズ４４が設けられている。このレンズ４４は、図５の斜視図に示すように、複数の単位レンズが反復的にアレイ構造をなしている。
さらに、他方の面には、該レンズ４４の焦点面近傍に開口部４６をもつストライプ状のパターンからなる反射材４８が設けられている。

この反射材４８は、白色である二酸化チタン（ＴｉＯ_２）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（単位レンズが半円柱状凸シリンドリカルレンズ群の場合、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となる。）で印刷形成（あるいは、転写形成）したものである。

図６は、図４，５の光学シートをバックライト・ユニットに適用した場合のバックライトの光路制御特性を示す説明図である。
拡散フィルム３２から出射した光のうち、開口部４６を通過した光のみが、レンズ４４に入射し、レンズ４４によってある一定方向に集光された後に出射される。
そして、偏光板４９に入射し、所定の偏光成分の光のみが液晶パネル４２に導かれる。

一方、開口部４６を通ることができなかった光は、反射材４８で反射され、拡散板２６側に戻され反射板２７へ導かれる。そして、反射板２７によって反射されることによって再び拡散板２６に入射し、拡散板２６において再び拡散された後に、いずれは入射角度が絞られた光となった後に開口部４６を通ってレンズ４４に入射し、レンズ４４によって、図６に示すように、所定角度φ内に絞られて出射される。

このような光学フィルム３８を用いたバックライト・ユニット４０では、光学フィルム３８の開口部４６の大きさ及び位置を調節することによって、光の利用効率を高めながら、レンズ４４から正面方向Ｓに出射される光の割合を高めるように制御することができる。
特開２０００−２８４２６８号公報

携帯電話やモバイル端末の様な比較的小サイズの画面を有するディスプレイではなく、液晶ＴＶ，パソコン用モニターの様な大サイズの画面を有するディスプレイでは、画面内の輝度分布を一様とする上では、エッジライト〜導光板を用いたバックライト・ユニットよりも、光源が画面背後のランプハウスに収納された直下式バックライト・ユニットの採用が好ましい。

図４に示されるように、液晶表示装置内のバックライト・ユニットは各要素の積層構成の形態であり、光学フィルム３８／拡散フィルム３２／拡散板２６が、光源２３の収納されたランプハウス２１上に配置される。

上述の様に、断面三角形状の単位プリズムが並列した構成の輝度強調フィルムに比較して、半円柱状凸シリンドリカルレンズが並列してなり各単位レンズに１：１で開口部が対応した反射性ストライプパターンを有する構成の光学シートは、バックライト光源の利用効率の点で優位であるが、レンズシートの作製に加えて反射性ストライプパターンの形成を要するため、プロセスや使用部材の増加を招き、製造コストも上昇する。
主として単位レンズ部での屈折機能により、ある程度の軸上輝度を増大させる効果を奏することが要求される場合、光学フィルム３８から反射性ストライプパターンを省略した構成としても良いが、単位レンズの断面形状が略円弧状の半円柱状シリンドリカルレンズでは、ＢＥＦなどのプリズムシートと同等な光学特性（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）を奏することは困難である。

本発明は、主として単位レンズ部での屈折機能により、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プリズムシートと同等な光学特性を実現することが可能な光学シートを提供し、バックライト光源の一層の有効利用を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による光学シートは、
片面に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反レンズ部側の平坦面がバックライト光源側に面しており、前記平坦面から入射した光が前記レンズ部側から出射する方向，範囲，輝度分布の少なくとも何れかを制御するために用いられるディスプレイ用バックライト・ユニットにおける光学シートにおいて、
前記単位レンズは、全体として半円柱状凸シリンドリカルレンズであり、その断面形状が、中心部と周辺部とで異なる２種類以上の曲率を有することを特徴とする。

単位レンズの形状を改良することにより、バックライト光の利用効率を一層向上することが出来、高輝度の表示光が視覚可能な表示装置が得られる。
また、後述する様に、表示光の正面輝度を維持しながら、左右（単位レンズの並列方向）についてはなだらかに輝度が変化する様な分布を持たせることが可能であり、光拡散シートに類似した光学機能をレンズシート自身が併せ持つことになり、光拡散シートの省略も可能となり、部材数の低下およびそれに応じたバックライト・ユニットの低コスト化すら実現される。
さらには、単位レンズの周期性と液晶パネルにおける画素配列の周期性との関係に起因するモアレの解消にあたって、一層有効である。

以下、本発明の実施形態を説明する。
中心部と周辺部とで異なる２種類以上の曲率を有する単位レンズの断面形状を設定するにあたって、まず、単位レンズの断面形状が１種類の曲率からなる場合について光学特性をシミュレーションした。
説明の便宜上、球面レンズ（断面形状の円弧が真円）の場合で説明する。
図７に示す様に、平坦面上（同図では、右側）に７種類の円弧による単位レンズの断面形状を想定する。
単位レンズのピッチ（同図で、上下の長さ）は１４０μｍであり、円弧は曲率が１４０μｍから７０μｍの範囲で段階的に８種類とした。

図８は、単位レンズ形状毎に正面輝度（図７で、左側から光線を入射した場合の右側の単位レンズ頂部から出射する光線について、垂直方向で計測される輝度）を示すグラフであり、横軸が単位レンズの曲率，縦軸が正面輝度である。
同図のグラフから、単位レンズの曲率が小さい（７０μｍ；最も右側の円弧）ほど正面輝度は上昇することが分かる。

図９は、曲率＝１４０μｍの単位レンズ（図９（ａ））と曲率＝７０μｍの単位レンズ（図９（ｂ））での光強度分布である。
図９からは、曲率が小さい場合、グラフ曲線の山の幅が狭く、高さが大きいことが確認され、正面輝度は上昇している。
本シミュレーションの場合、単位レンズのピッチは１４０μｍであるため、採用しうる最小の曲率半径は７０μｍである。

次に、断面形状が、中心部と周辺部とで異なる２種類の曲率を有する本願発明のレンズ形状（ダブル・レンズと称することとする）の場合について光学特性をシミュレーションした。
曲率半径の大きい部分（曲率；Ｒ）を単位レンズ同士の境界にあたる周辺部に配置し、曲率半径の小さい部分（曲率；ｒ）を単位レンズの頂部に配置する。
図１０（ａ）は、単位レンズのピッチ（同図で、上下の長さ）は１４０μｍで一定とし、曲率Ｒ＝１４０μｍと７２μｍの２種類の周辺部を有し、曲率ｒ＝４２μｍの頂部を有する２種類の単位レンズ断面形状を示す説明図である。
図１０（ｂ）は、単位レンズのピッチ（同図で、上下の長さ）は１４０μｍで一定とし、曲率Ｒ＝１４０μｍと７２μｍの２種類の周辺部を有し、曲率ｒ＝３６μｍの頂部を有する２種類の単位レンズ断面形状を示す説明図である。
それぞれ、曲率ｒの頂部のレンズ幅は、単位レンズ全体のピッチ（１４０μｍ）内における比は一定に設定されている。
本シミュレーションでは、曲率ｒ部分の前記比は５０％である。

図１１は、「Ｒ＝１４０，ｒ＝４２」のダブル・レンズについての光強度分布を示すグラフ（図１１（ａ））と、「Ｒ＝７０，ｒ＝４２」のダブル・レンズについての光強度分布を示すグラフ（図１１（ｂ））である。
ｒの小さい図１１（ｂ）でのグラフ曲線の方が、山の幅が狭く高さが大きいことが確認され、正面輝度は上昇していることになるが、±９０°近辺の小さな光強度ピークが顕著である。

図１０に示されるダブル・レンズ形状を採用した場合、頂部のレンズ曲率ｒを各種変更して単位レンズ形状を設計変更した際の正面輝度を、２種類の曲率を有さないレンズ形状（シングル・レンズと称する）と対比してグラフ化した。（図１２参照）
ｒなし（Ｒのみ）のシングル・レンズ７種類による正面輝度をプロットしたグラフに比較して、それぞれのシングル・レンズの頂部に各種ｒの部分を複合したダブル・レンズ形状についてシミュレーションした場合、ｒ＝４２μｍ，３８μｍ，３６μｍとｒが小さくなるにつれて、正面輝度は上昇する傾向にあることが、図１１から理解される。
ｒが小さくなるにつれて正面輝度が上昇する理由としては、図９（Ｒの比較）で確認された様に、曲率が小さい方がグラフ曲線の山の幅が狭く高さが大きいことと同様である。

また、図１２のグラフからは、Ｒが大きい（約１００〜１４０μｍ）では、ｒが小さくなるほど正面輝度の上昇は顕著だが、Ｒが小さい（７０〜８０μｍ付近）では、ｒをいくら小さくしても正面輝度の上昇には限度があることが確認される。

次に、曲率ｒの頂部のレンズ幅について、単位レンズ全体のピッチ（１４０μｍ）内における比を変更してシミュレーションを行なった。
ピッチ比の変更は、換言すると頂部のレンズ高さ（図１３におけるＨ）の変更でもある。
図１３（ａ）は、単位レンズのピッチは１４０μｍで一定であり、曲率Ｒ＝８０μｍの周辺部と曲率ｒ＝５０μｍの頂部からなるダブル・レンズ形状について、単位レンズ部全体の高さを５０μｍ（同図左側のプロファイル）と７０μｍ（同図右側のプロファイル）とした場合の２種類の単位レンズ断面形状を示す説明図である。
図１３（ｂ）は、単位レンズのピッチは１４０μｍで一定であり、曲率Ｒ＝８０μｍの周辺部と曲率ｒ＝３０μｍの頂部からなるダブル・レンズ形状について、単位レンズ部全体の高さを４５μｍ（同図左側のプロファイル）と６５μｍ（同図右側のプロファイル）とした場合の２種類の単位レンズ断面形状を示す説明図である。
図１３（ａ）（ｂ）何れの場合も、単位レンズ部全体の高さを上げた右側のプロファイルの方が、単位レンズ部における曲率ｒの頂部形状が占めるウェイトが大きくなる。

図１４は、単位レンズの周辺部の曲率Ｒ＝８０μｍに単位レンズの頂部の曲率ｒ＝５０μｍを組み合わせてなるダブル・レンズと、単位レンズの周辺部の曲率Ｒ＝８０μｍに単位レンズの頂部の曲率ｒ＝３０μｍを組み合わせてなるダブル・レンズについて、単位レンズの頂部の高さＨを変えて、正面輝度の変化をプロットして示すグラフである。
図１４からは、高さＨを大きくするにつれて、正面輝度が上昇するが、Ｈがある位置から更に上がると正面輝度が下がり始めることが確認される。
従って、正面輝度の向上の上では、Ｒとｒに応じた最適な高さＨがあることが伺える。

以上のシミュレーションから、正面輝度を向上させるための単位レンズ設計にあたって、以下の様に考えられる。
単位レンズピッチの約１／２の曲率半径を持つレンズをベースにして、周辺部の曲率を設定する。

単位レンズピッチの１／２丁度の曲率半径の真円を、周辺部の曲率のベースとした場合、隣接するレンズ単位の境界においてレンズ単位どうしがなす角度（図１５に示すレンズ端部の角度）が０°になり、境界部は垂直に切り立った形状となるため、レンズ部をエンボス（プレス）成形する際、成形後の離型性が低下したり、あるいは、図１６に示す様に、成形を繰り返すうちに金型先端が曲がってしまい成形品離型ができなくなったり、金型取扱時に金型先端を損傷したりして、金型寿命が短くなりがちである。
従って、周辺部の曲率を真円として考慮する場合は、単位レンズピッチの１／２よりも大きめ（１４０μｍピッチの場合、７０＋αの曲率半径とする）に設定したり、周辺部は真円でなく、楕円や放物線の一部からなる非球面形状として、レンズ端部の角度を大きくすることが、成形上の理由だけでなく、レンズ光学特性の向上（球面収差の排除）の上で好ましい。
成形上の理由からは、レンズ端部の角度は１５°以上（隣り合う単位レンズ同士の境界でなす角度は、３０°以上）が好適である。

ダブル・レンズ形状を有するレンズシートの製造にあたって、目的とする形状の逆形状のスタンパを用いて、熱可塑性樹脂シートへのエンボス（プレス）成形，溶融押出し成形によるシート成形の際のエンボス（ニップ）成形，放射線硬化性樹脂を用いた２Ｐ法による成形など、周知の各種手法が採用しうる。
スタンパは、金属シリンダの切削にあたって、曲率Ｒの先端形状を持つ切削バイトによる溝を形成した後、曲率ｒの先端形状を持つ切削バイトにより、先の溝の最深部を中心として重ね彫りすることで作製される。

図１７は、本実施形態に係るダブル・レンズ形状の単位レンズ部を有する光学シートをレンズ部側から見た平面図（写真）である。
図１７（本実施形態形状）では、単位レンズを構成する周辺部（大きい曲率）と中心部（小さい曲率）の境界では、曲率が連続的に滑らかに変化しておらず、境界線によるストライプも観察され、ストライプのピッチが微細化（シングル・レンズ形状の約１／３）している。

液晶パネル（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）では、高解像度の画像表示を実現するため、画素ピッチの微細化が顕著であり、現行で約５００μｍピッチの配列も一層微細化の方向にある。
従って、光路制御素子としてのレンズシート（あるいは、従来技術に係るプリズムシート）でも、液晶画素ピッチとの周期性との関係に起因するモアレを回避するため、単位レンズ（単位プリズム）の並列ピッチも微細化する必要があるが、本実施形態では、単位レンズのピッチは一定のまま、ストライプのピッチは１／３にすることが可能であるため、モアレの解消には有効である。

光学シートの単位レンズの配列ピッチは、液晶画素と単位レンズの間での周期性の重なり合いに起因するモアレを考慮して、１：１あるいは１：１．５を外した範囲で選択する必要があり、熱可塑性樹脂を用いたプレス，押出し成形での成形性から０．３ｍｍ（３００μｍ）前後で設計される場合が多いが、２Ｐ法を採用するなどレンズシートの材料（構成）によっては、０．１ｍｍ前後の微細化も可能である。

＜他の実施形態＞
図１８は、本発明の他実施形態を示す概略図であり、単位レンズは、その断面形状が、周辺部２／周辺部１／中心部／周辺部１／周辺部２からなり、３種類の曲率を有するレンズは、周辺部２，周辺部１，中心部の順に段階的に曲率が小さくなり、全体として左右対称な形状となっている。
同図の場合、単位レンズを構成する周辺部と中心部の境界，あるいは周辺部２と周辺部１の境界では、曲率が連続的に滑らかに変化せず、境界線が明確であるであることにより、ストライプ・パターンのピッチは１／５となる。

本発明による光学シートの製造にあたっては、単位レンズ形状を構成するために用いられるスタンパ（成形型）の形状を変更する以外は、先行技術と同様に行なわれる。

従来技術に係る光学シートである「ＢＥＦ」を示す説明図。 ＢＥＦによるバックライトの光路制御特性を示す説明図。 ＢＥＦによるバックライトの光路制御特性を示すグラフ。 ＢＥＦとは別タイプの従来技術に係る光学シートを示す説明図。 図４の光学シートを示す斜視図。 図４の光学シートによるバックライトの光路制御特性を示す説明図。 単位レンズの断面形状の設計にあたり、各種曲率の円弧による単位レンズの断面形状を想定した概念を示す説明図。 単位レンズ形状毎に正面輝度（図７で、左側から光線を入射した場合の右側の単位レンズ頂部から出射する光線について、垂直方向で計測される輝度）を示すグラフ。 曲率＝１４０μｍの単位レンズ（ａ）と曲率＝７０μｍの単位レンズ（ｂ）での光強度分布を示すグラフ。 本願実施形態のレンズ形状（ダブル・レンズ）の場合について、光学特性をシミュレーションしたサンプルを示す説明図。 「Ｒ＝１４０，ｒ＝４２」のダブル・レンズについての光強度分布を示すグラフ（図１１（ａ））と、「Ｒ＝７０，ｒ＝４２」のダブル・レンズについての光強度分布を示すグラフ（図１１（ｂ））。 図１０に示されるダブル・レンズ形状で、頂部のレンズ曲率ｒを各種変更して単位レンズ形状を設計変更した際の正面輝度を、２種類の曲率を有さないレンズ形状（シングル・レンズ）と対比して示すグラフ。 本願発明のレンズ形状について、光学特性をシミュレーションした別サンプルを示す説明図。 「Ｒ＝８０，ｒ＝５０」のダブル・レンズと、「Ｒ＝８０，ｒ＝３０」のダブル・レンズについて、単位レンズの頂部の高さＨを変えて、正面輝度の変化をプロットし 単位レンズ端部の角度を示す説明図。 光学シート製造用金型を示す説明図。 本願実施形態に係るダブル・レンズ形状の単位レンズ部を有する光学シートをレンズ部側から見た平面図（写真）。 本発明の他実施形態を示す概略図。

符号の説明

２３ 光源
２６ 拡散板
２７ 反射板
３８ 光学シート
４０ バックライトユニット
４２ 液晶パネル
４４ レンズ部
４６ 開口部
４８ ストライプ状のパターンからなる反射材
７０ 部材
７２ 単位プリズム

Claims (7)

1. 片面に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反レンズ部側の平坦面がバックライト光源側に面しており、前記平坦面から入射した光が前記レンズ部側から出射する方向，範囲，輝度分布の少なくとも何れかを制御するために用いられるディスプレイ用バックライト・ユニットにおける光学シートにおいて、
   前記単位レンズは、全体として半円柱状凸シリンドリカルレンズであり、その断面形状が、中心部と周辺部とで異なる２種類以上の曲率を有することを特徴とする光学シート。
2. 前記単位レンズの配列ピッチが０．３ｍｍ以下であり、且つ前記単位レンズを構成する中心部の曲率が小さく、その両側（周辺部）の曲率が大きい形状であることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
3. 前記単位レンズは、その断面形状が、曲率の大きい周辺部／曲率の小さい中心部／曲率の大きい周辺部からなり、左右対称な形状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. 前記単位レンズは、その断面形状が、周辺部２／周辺部１／中心部／周辺部１／周辺部２からなり、周辺部２，周辺部１，中心部の順に段階的に曲率が小さくなり、全体として左右対称な形状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. 前記単位レンズを構成する周辺部と中心部の境界，あるいは周辺部２と周辺部１の境界では、曲率が連続的に滑らかに変化せず、境界線が明確であるであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光学シート。
6. 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１〜５の何れかに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。
7. 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６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。