JP2008210560A - ディスプレイ用光学シート及びこれを用いたバックライト・ユニット並びに表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶ディスプレイのバックライト・ユニット部材として、高い正面輝度及び急激な輝度低下のない自然な見え方をする光学シート及び表示装置を提供する。
【解決手段】液晶ディスプレイのバックライト・ユニット２２において、レンズシート４Ａのレンズ部５と反対の他方の面に並列して設けられた空気に代表される低屈折率層８及び光反射性及び光透過性を併有する高屈折率層７のうち、低屈折率層８を単位レンズ４ａの中心部分に臨ませ、高屈折率層７を単位レンズ４ａの中心部分を除く単位レンズ４ａの他の部分に臨むように配置した。
【選択図】図３

Description

本発明は、主に液晶表示素子を用いたディスプレイ用直下型バックライト・ユニットの照明光路制御に使用される光学シート及びこれを用いたバックライト・ユニット並びに表示装置に関する。

近年、液晶パネルを使用した液晶表示装置（ＬＣＤ）がＯＡ分野のノート型パーソナルコンピュータやパーソナルコンピュータ用ディスプレイ，情報端末機器等の画像表示手段，また大型画面テレビなどの情報家電の画像表示手段，さらには携帯電話や個人用携帯情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistance）の画像表示手段として様々な分野で利用されてきている。

液晶表示装置に代表されるディスプレイでは、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。このような液晶表示装置は透過型であり、液晶パネルの背面側に光源を配設し、この光源からの光を面発光に変換して液晶パネルを照射する面光源装置、いわゆる、バックライトが採用されている。

バックライトの方式には、大別して冷陰極管（ＣＣＦＴ：Cold Cathode Fluorescent Tube）等の光源を光透過性に優れたアクリル樹脂等からなる平板状の導光板の側端部に沿って取付け、光源からの光を導光板内で多重反射させる導光板ライトガイド方式（エッジライト方式）と、導光板を用いず液晶パネルの背面に光源を配置した直下型方式とがある。

最近では、ノート型パーソナルコンピュータや携帯情報端末などに用いられる２０インチ以下の画面サイズの小型液晶表示装置には、低消費電力化が図れ、薄型化の容易なエッジライト方式の採用が主流となり、２０インチ以上の画面サイズの中型ないし大型液晶表示装置では直下型方式の採用が主流となっている。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。

２０インチ以上の液晶表示装置に対しては、より薄型で、視野角依存性が低く、高輝度、かつ低消費電力であることが求められており、液晶表示装置に搭載されるバックライトもその実現に対処することが要求されている。

複数本の冷陰極管を並列させた直下型方式バックライトでは、光源としての冷陰極管やＬＥＤ（Light Emitting Diode）などが、出射光を拡散させる拡散板を通して、その発光した光源の形状が直接視認できてしまうため、拡散板は非常に光散乱性の強い樹脂板が用いられている。この拡散板は、強い拡散性を持たせるために通常１mm〜３mm程度の厚さが必要であり、その厚さのために光吸収が少なからずあり、光源からの光量が減少し液晶画面表示が暗くなる問題がある。

米国３Ｍ社の登録商標である輝度強調フィルム（ＢＥＦ:Brightness Enhancement Film）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1上に、断面三角形状の単位プリズム２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２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２の反復的アレイ構造が一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２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。

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３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い、水平方向に角度をつけると急激な輝度の低下が生じる。

この問題を解決する手段として、光源からの光を均一化し、かつ拡散範囲を制御して出射させることが可能であるように、入射面側からの入射光を、非入射面である出射面側に散乱する光拡散層と、光散乱層の出射面に一方の面が固定され、光散乱層によって散乱された光を光拡散層側に反射する光反射層と、光反射層の他方の面に裏面が固定され、表面に複数のレンズが配置されてなるレンズシートが発明された。前記光反射層の一部は光拡散層及びレンズシートよりも屈折率が低く、複数のレンズの各々に対応して設けられた複数の低屈折率領域で貫通させている。

このような光学シートを用いることで、水平方向に広い角度で緩やかな輝度分布変化を維持することが可能であり、より自然な見え方のディスプレイの提供に寄与する。
また、前記光学シートを用いることで、前記光反射層と光源である冷陰極管が設置されているランプハウス内面の反射面で光の反復反射が生じ、出射光が増幅されるという利点もある。
特公平１−３７８０１号公報 特開平６−１０２５０６号公報 特表平１０−５０６５００号公報

上記光学シートにおいて、光源側の面に光反射層を備えていることが高い輝度の提供に一役買っているが、光反射層が完全な遮光性を有し、光が出射面に貫通する範囲が前記低屈折率領域に限定される構成を採ると、正面輝度向上の点において例えばＢＥＦに代表される既存のプリズムシートの性能に及ばないという問題がある。
また、光反射層が完全な遮光性を有すると、ある角度以上の視野角で急激な輝度低下が生じ、ディスプレイとして不自然な見え方になるという問題もある。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、請求項１の発明は、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光学シートにおいて、一方の面に複数の単位レンズを並列されてなるレンズ部を有するレンズシートを備え、前記レンズシートの前記レンズ部と反対の面に、前記各単位レンズの中心部分にそれぞれ臨む低屈折率層と前記中心部分を除く前記各単位レンズの他の部分にそれぞれ臨む高屈折率層が並列して設けられ、前記高屈折率層は光反射性と光透過性とを有することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の光学シートにおいて、前記レンズ部は凸シリンドリカルレンズ群または半球状凸レンズ群から構成されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１記載の光学シートにおいて、前記低屈折率層は空気であることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１記載の光学シートにおいて、前記高屈折率層は可視光線に関して７０％以上の反射率を有することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１または４記載の光学シートにおいて、前記高屈折率層は可視光線に関して５乃至３０％の範囲の透過率を有することを特徴とする。

請求項６の発明は、ディスプレイ用バックライト・ユニットであって、表示画像を規定する画像表示素子と、前記画像表示素子の背面に、直下型光源と、請求項１乃至５の何れか１項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。
請求項７の発明は、請求項６記載のディスプレイ用バックライト・ユニットにおいて、前記直下型光源と前記光学シートの間に光拡散板が設けられていることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項６記載のディスプレイ用バックライト・ユニットにおいて、前記画像表示素子は液晶表記素子であることを特徴とする。

請求項９の発明は、表示装置であって、画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する画像表示素子と、前記画像表示素子の背面に、直下型光源と、請求項６乃至８の何れか１項に記載のディスプレイ用バックライト・ユニットを備えることを特徴とする。

本発明のディスプレイ用光学シート及びこれを用いたバックライト・ユニット並びに表示装置においては、レンズシートのレンズ部と反対の他方の面に並列して設けられた空気に代表される低屈折率層及び光反射性及び光透過性を併有する高屈折率層のうち、低屈折率層を単位レンズの中心部分に臨ませ、高屈折率層を単位レンズの中心部分を除く単位レンズの他の部分に臨むようにしたので、高屈折率層を貫通した光も正面輝度に関与し、レンズシートに入射した光がレンズ部側から射出する方向、範囲、輝度分布の少なくとも何れかを制御することが可能になり、これにより、光出射面から射出される光量が増加し、既存のプリズムシートと同等の正面輝度を実現できる。
更に、本発明によれば、水平方向に広い角度で緩やかな輝度分布変化を維持することが可能となり、急激な輝度低下によるディスプレイとしての不自然な見え方を回避することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図３は、本発明にかかる光学シートを直下型バックライト・ユニットの照明光路制御に用いたバックライト・ユニットを具備する液晶表示装置の概略断面図であり、各部位の縮尺は実際とは一致しない。
図３に示す液晶表示装置２０は、液晶パネル（特許請求の範囲に記載した画像表示素子に相当する）２１と、この液晶パネル２１の光入射側に臨ませて配置されたバックライト・ユニット２２を備える。

バックライト・ユニット２２は、液晶パネル２１の光入射側に臨ませて配置された、照明光路制御用の光学シート９及び直下型光源２３を含んで構成される。
光学シート９は、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等からなる透明な基材５と、この基材５の液晶パネル２１と対向する一方の面に形成されたレンズ部４を有するレンズシート４Ａを備えている。また、レンズ部４は、熱可塑性若しくはＵＶ硬化性樹脂からなる複数の半円柱状の単位レンズ（シリンドリカルレンズ）４ａを基材５の一方の面に沿い並列して配置することにより構成される。なお、単位レンズ４ａは半円柱状のものに限定されず、半球状の凸レンズから構成されるものであってもよい。

基材５のレンズ部４と反対の面には、各単位レンズ４ａの中心部分にそれぞれ臨ませた低屈折率層８と、単位レンズ４ａの中心部分を除く各単位レンズ４ａの他の部分にそれぞれ臨ませた高屈折率層７が感材６を介して並列して設けられている。また、低屈折率層８の幅が一定となるように高屈折率層７とストライプが形成され、これにより、輝度分布の左右バランスが最も良好となる。

高屈折率層７には、その可視光の反射率が７０％以上である素材を用いることが望ましい。また、同時に高屈折率層７の可視光の透過率が５乃至３０％であることを充たす素材を用いることが望ましい。
低屈折率層８は空気からなることで、最も効率的に正面輝度を向上させることが可能になる。

高屈折率層７及び低屈折率層８の形成に際しては、一般に、印刷（コーティング），転写，フォトリソグラフィーなどの各種手法が適宜に選定される。特にレンズシート４Ａの単位レンズ４ａの並列ピッチが微細である場合には、単位レンズ４ａそれぞれに１：１で対応して、低屈折率層８を空気で構成するための開口部を有するストライプ状とするためのアライメント精度が要求される。このため、フォトリソグラフィー法の一方式として、レンズ自身の集光特性を利用して低屈折率層８（開口部）の形成箇所を規定する、所謂「セルフアライメント手法」を採用することが有効である。
セルフアライメント手法の一例として、レンズシート４Ａの反レンズ部側である基材５の他方の面に、感光によって粘着性が消失する特性を持つ感材６（フォトポリマ層）を全面に形成しておき、レンズ部４側からの露光により、各単位レンズ４ａの集光作用に応じて規定された集光部（フォトポリマの粘着性が消失する部分）／非集光部（フォトポリマの粘着性が残る部分）のうち、非集光部に相当する箇所にのみ高屈折率層７を転写形成する手法が有効である。

直下型光源２３は、内壁にアルミ等の鏡面形成用金属を蒸着するなどにより形成された光反射面１３を有するランプハウス１２と、このランプハウス１２内に配設された複数の陰極線管またはＬＥＤ等からなるランプ１１とを含んで構成されている。また、光学シート９と正対するランプハウス１２の光出射部側には、ランプ１１からの光を光学シート９へ拡散して供給する光拡散板１０が配設されている。

本実施に形態における光学シート９は、レンズシート４Ａのレンズ部５と反対の他方の面に並列して設けられた空気に代表される低屈折率層８及び光反射性及び光透過性を併有する高屈折率層７のうち、低屈折率層８を単位レンズ４ａの中心部分に臨ませ、高屈折率層７を単位レンズ４ａの中心部分を除く単位レンズ４ａの他の部分に臨むように配置したので、高屈折率層７またはランプハウス１２の光反射面１３において反復反射された後に低屈折率層８を貫通して射出される光、ランプ１１から放出され直接低屈折率層８を貫通して射出される光、及び低屈折率層８を貫通せず高屈折率層を透過して射出される光によって高い正面輝度を維持する。

図３において、光１４乃至１７は正面輝度向上に寄与する光である。このうち、光１４は光学シート９の高屈折率層７で反射される光であり、光１５はランプハウスの光反射面１３で反射される光であり、光１６は光学シート９の高屈折率層７を透過する光であり、光１７は光学シートの低屈折率層８を貫通する光である。

本発明の効果を発揮させるために、バックライト・ユニットを図４の（１）〜（４）に示すように構成し、その輝度分布変化を測定した。この図４に示す光拡散シートは、ＢＥＦ等の従来の輝度向上シートを用いる際に併用される一般に広く用いられている下光拡散シートである。また、図４に示すレンズシートは、全て転写により高屈折率層Ａもしくは高屈折率層Ｂと空気（低屈折率層）とからなるストライプが形成され、図３に示すレンズシート９と同様の構造を有している。
高屈折率層Ａ，Ｂには、その光透過性の影響を確認するため、図５に示すように、反射率が同程度のものを用いた。
図５は高屈折率層ＡおよびＢの波長に対する反射率の測定結果を示す特性図である。また、図６は高屈折率層ＡおよびＢの波長に対する透過率の測定結果を示す特性図である。

バックライト・ユニットを図４の（１）、（２）に示す構成にした場合の水平角度に対する輝度分布は図７に示すようになる。この図７から明らかなように、高屈折率層の光透過性が輝度向上に寄与していることが示された。
また、バックライト・ユニットを図４の（３）、（４）に示す構成にした場合の水平角度に対する輝度分布は図８に示すようになる。この図８から明らかなように、輝度向上シート使用の際に一般に用いられる光拡散シートを最外面に設けると、高屈折率層の光透過性が輝度向上に対してより顕著に効果があることが示された。
また、バックライト・ユニットを図４の（３）、（４）に示す構成にした場合において、両者の最大輝度を揃えた場合、バックライト・ユニットの水平角度に対する輝度分布は図９に示すようになる。この図９から明らかなように、高屈折率層が光透過性を有する場合の方が緩やかな輝度分布変化を示し、ディスプレイとしてより自然な見え方をしていることが示された。

従来におけるＢＥＦの構成例を示す概略図。 従来におけるＢＥＦの光学作用を説明するための図。 本発明に係る光学シートを直下型バックライト・ユニットの照明光路制御に用いたバックライト・ユニットを具備する液晶表示装置の概略断面図。 本発明の効果を発揮するための実施例の構成を示す図。 本構成例における高屈折率層ＡおよびＢの波長に対する反射率の測定結果を示す特性図。 本構成例における高屈折率層ＡおよびＢの波長に対する透過率の測定結果を示す特性図。 本構成例におけるバックライト・ユニットが構成（１）及び（２）を採る場合の水平角度に対する輝度分布の測定結果を示す特性図。 本構成例におけるバックライト・ユニットが構成（３）及び（４）を採る場合の水平角度に対する輝度分布の測定結果を示す特性図。 本構成例におけるバックライト・ユニットが構成（３）及び（４）を採る場合において、最大輝度を揃えた場合、バックライト・ユニットの水平角度に対する輝度分布の測定結果を示す特性図。

符号の説明

Ｆ……視覚方向、１……部材、２……プリズム、３……光源、４……レンズ部、４ａ……単位レンズ、４Ａ……レンズシート、５……基材、６……感材、７……高屈折率層、８……低屈折率層、９……光学シート、１０……拡散板、１１……ランプ、１２……ランプハウス、１３……光反射面、１４……本発明に係る光学シートの光反射層で反射する光、１５……ランプハウス内壁で反射する光、１６……光学シートの光反射層を透過する光、１７……光学シートの低屈折率領域を貫通する光、２０……液晶表示装置、２１……液晶パネル、２２……バックライト・ユニット、２３……直下型光源。

Claims (9)

1. 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光学シートにおいて、
   一方の面に複数の単位レンズを並列されてなるレンズ部を有するレンズシートを備え、
   前記レンズシートの前記レンズ部と反対の面に、前記各単位レンズの中心部分にそれぞれ臨む低屈折率層と前記中心部分を除く前記各単位レンズの他の部分にそれぞれ臨む高屈折率層が並列して設けられ、
   前記高屈折率層は光反射性と光透過性とを有する、
   ことを特徴とする光学シート。
2. 前記レンズ部は凸シリンドリカルレンズ群または半球状凸レンズ群から構成されていることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
3. 前記低屈折率層は空気であることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
4. 前記高屈折率層は可視光線に関して７０％以上の反射率を有することを特徴とする請求項１記載の光学シート。
5. 前記高屈折率層は可視光線に関して５乃至３０％の範囲の透過率を有することを特徴とする請求項１または４記載の光学シート。
6. 表示画像を規定する画像表示素子と、
   前記画像表示素子の背面に、直下型光源と、請求項１乃至５の何れか１項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. 前記直下型光源と前記光学シートの間に光拡散板が設けられていることを特徴とする請求項６記載のディスプレイ用バックライト・ユニット。
8. 前記画像表示素子は液晶表記素子であることを特徴とする請求項７記載のディスプレイ用バックライト・ユニット。
9. 画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する画像表示素子と、
   前記画像表示素子の背面に、直下型光源と、請求項６乃至８の何れか1項に記載のディスプレイ用バックライト・ユニットを備えることを特徴とする表示装置。

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