JP2009031466A - 光学シート及びディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】強度と光学特性の両方を満足する光学シート及びこれを用いて画質と耐久性の両方を満足するディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】光学シートは、光入射面１２０ａと光射出面１２０ｂを有する光透過性基材１２０と、光射出面１２０ｂに対して均一の間隔をおいて配置され、出射される光の方向を制御する光制御要素１７２と、光射出面１２０ｂと光制御要素１７２とを互いに切り離された箇所で接合する多数の固定要素１３０とを備え、多数の固定要素１３０による接合領域を除く光射出面１２０ｂと光制御要素１７２との間の相対向する空間領域の少なくとも一部に前記光制御要素の屈折率より低屈折率の光学要素である空気層１４０が介在され、多数の固定要素１３０光の接続効率を、空気層１４０への光の入射全光量に対して射出し伝達される光の全光量の比である光の接続効率以下にした。
【選択図】図４

Description

本発明は、光の輝度を制御する光学シート及びこれを用いたディスプレイ装置に関するものである。

従来、例えば液晶表示装置（ＬＣＤ）に代表されるディスプレイ装置は、画像信号に応じて各画素のＯＮ／ＯＦＦが制御される液晶表示素子の背面側に、バックライトユニットを配置し、このバックライトユニットからの光を表示光として利用している。
このような液晶ディスプレイ装置は、液晶表示素子の消費電力は小さいが、バックライトユニットでの消費電力が大きくなり、例えば、ラップトップコンピュータや携帯電話などの電池式装置に用いられる場合には、光源の光の利用効率を高めることで装置としての消費電力を低減することが求められている。

従来、光源の光の利用効率を高める手法として、バックライトユニットからの拡散光を集光する方式があり、これには、米国３Ｍ社の登録商標である輝度強調フィルム（ＢＥＦ:Brightness Enhancement Film）が光学シートとして広く使用されている。
このＢＥＦは、図１に示すように、光透過性の基材７０上に、断面三角形状のプリズム７２が一方向に一定のピッチで配列されたフィルムから構成される。このプリズム７２は光の波長に比較して大きいピッチである。このような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。これにより、基材1の平坦面から入射した光がプリズム面から射出する際、正面方向に光を集める効果をもち、正面方向のディスプレイの輝度を向上させることが可能になる。

しかしながら、ＢＥＦなどの光学シート１枚では、視野角が狭く、また光源の構造がムラとして観察されてしまうため、液晶ディスプレイ装置を構成する液晶表示素子とバックライトユニット（いずれも図示せず）との間に、図２に示すような材７０上に複数のレンズやプリズム７２を配列してなる光学シートが配置されている場合が多い。この図２に示す光学シートは、プリズム７２と基材７０とからなるＢＥＦと、拡散板２０を組み合わせることで所望の光学特性を実現している。

このような光学シートは、光の利用効率の向上だけでなく、光源のムラの除去、ディスプレイの視域の確保、ディスプレイの剛性の維持など様々な機能が要求されており、一般的には複数枚の光学シートを重ね合わせることによって構成されている。
しかしながら、光学シートの構成枚数が多いと、ディスプレイ装置の組立て時の作業が煩雑になり、また、光学シートの間に侵入したゴミの影響を受け、また小型化、薄型化の妨げになるなどの問題があった。これらのことから、それぞれの光学シートを一体化することで、少ない枚数の光学シートで、十分な機能を発揮させようという試みがなされている。
例えば、特許文献１では、粘着性微粒子を介して、光透過性基材（第１の透明樹脂部材）と、マイクロプリズムによる光制御要素（第２の透明樹脂シート部材）とを貼り合わせている。
特開平８−１８４７０４号公報

しかし、上記従来の光学シートには以下のような問題がある。
すなわち、特許文献１に示す光学シートでは、微粒子の粘着材によって固定しているため、その固定力は弱く十分な強度を持ち得ない。これに対して微粒子の粘着材の量を増やし、接着面積の５％を超えると、輝度ムラなどが生じていた。
これは、低屈折率領域との界面によって多くの光が反射してしまうことに対して、固定要素の部分では光制御要素や光透過性基材との屈折率差が小さいため、固定要素の部分を介して入射してくる光の量が相対的に強くなってしまうことによる。
しかるに、光学シートは、光源からの熱などによる膨張や収縮の繰り返し、液晶ディスプレイ装置の薄型化による、反りや捻れなどの外部からの応力、紫外線などの固定力の劣化を促進する多くの要因やディスプレイ装置の組立て時に加わる様々な応力などがあり、光学シートには強い固定力が要求されている。
つまり、必要な光学特性を持たせるためには固定要素の部分の面積比を小さくしなければならなかったが、固定要素の部分の面積が小さいため、十分な接着強度が得られないという問題が存在していた。
さらに、固定要素部分の面積が大きい場合、その領域に偏りが生じるとムラとして認識されてしまい、また偏りをなくすために周期的に固定要素を配置するとモアレが生じるなどの問題が生じていた。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、強度と光学特性の両方を満足する光学シート及びこれを用いて画質と耐久性の両方を満足するディスプレイ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項1の発明は、光の輝度を制御する光学シートであって、厚さ方向の一方の面が光入射面とされ厚さ方向の他方の面が光射出面とされた光透過性基材と、前記光射出面に対して前記光透過性基材の厚さ方向に均一の間隔をおいて配置され出射される光の方向を制御する光制御要素と、前記光射出面と前記光制御要素とを互いに切り離された箇所で接合する多数の固定要素とを備え、前記多数の固定要素による接合領域を除く前記光射出面と前記光制御要素との間の相対向する空間領域の少なくとも一部に前記光制御要素の屈折率より低屈折率の光学要素が介在され、前記多数の固定要素への光の入射全光量に対して射出し伝達される光の全光量の比である光の接続効率は、前記光学要素への光の入射全光量に対して射出し伝達される光の全光量の比である光の接続効率以下であ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、前記光透過性基材をその厚さ方向から見た場合に、前記光射出面から前記光制御要素へ光を伝達する領域に対して、前記多数の固定要素が占める領域の割合である前記固定要素の面積率ｓが、０．１％＜ｓ＜０．６％の範囲であ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、前記光透過性基材をその厚さ方向から見た場合に、前記光射出面から前記光制御要素へ光を伝達する領域に対して、前記多数の固定要素が占める領域の割合である前記固定要素の面積率ｓが、０．２％＜ｓ＜０．５％の範囲であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１記載の光学シート前記固定要素の光の接続効率が０．３％以下であることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１記載の光学シートにおいて、前記光射出面から前記光制御要素へ光を伝達する領域に対して、前記多数の固定要素が占める領域の割合である前記固定要素の面積率をｓとし、前記固定要素の光の接続効率をｅとした時、前記面積率ｓと光の接続効率ｅとの積が、ｓ×ｅ＜０．２であり、かつ光学シート全体の正面方向での光利得が1以上であり、かつ正面から斜め１０度の方向での光利得が０．５以上であることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項1乃至５の何れか１項に記載の光学シートにおいて、前記固定要素が光反射性を有することを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項1乃至５の何れか１項に記載の光学シートにおいて、前記固定要素が光散乱性を有することを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項1乃至７の何れか１項に記載の光学シートにおいて、前記固定要素の光利得が０．１以下であることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項１記載の光学シートにおいて、前記光透過性基材が光拡散性を有することを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項1記載の光学シートにおいて、前記光制御要素が、プリズムレンズアレイもしくはマイクロレンズアレイもしくはシリンドリカルレンズアレイであることを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項１記載の光学シートにおいて、前記光制御要素は、その光射出側に一定のピッチＰcで配列された複数の単位レンズを含んで構成され、前記多数の固定要素は一定のピッチＰfで配列され、前記ピッチＰfと前記ピッチＰcとは、３×Ｐf＜２×Ｐcもしくは３×Ｐc＜２×Ｐfの関係にあることを特徴とする。
請求項１２の発明は、請求項１記載の光学シートにおいて、前記光透過性基材は一定のピッチＰtで平面状に配列された複数の光透過性単位要素を含んで構成され、前記光制御要素は一定のピッチＰcで配列された複数の単位レンズからなり、前記ピッチＰtと前記ピッチＰcとは、３×Ｐt＜２×Ｐcもしくは３×Ｐc＜２×Ｐtの関係にあることを特徴とする。
請求項１３の発明は、請求項１１記載の光学シートにおいて、前記固定要素のピッチＰfと前記単位レンズのピッチＰcが等しいことを特徴とする。

請求項１４の発明は、請求項１１記載の光学シートにおいて、前記単位レンズはプリズム状の単位レンズから構成され、前記多数の固定要素はストライプ状に構成され、前記プリズム状の単位レンズの延在方向と前記ストライプ状の固定要素の延在方向とは５度以上９０度以下の範囲で交差されるように配置されていることを特徴とする。

請求項１５の発明は、ディスプレイ装置であって、一定のピッチＰpで２次元に配列された画素を有し、該画素単位での透過／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配置された、請求項１乃至１４の何れか１項に記載の光学シートと、前記光学シートの背面に配置されたバックライトとを備えることを特徴とする。
請求項１６の発明は、請求項１５記載のディスプレイ装置において、前記画像表示素子は液晶セルであることを特徴とする。

請求項１７の発明は、請求項1５記載のディスプレイ装置において、前記光制御要素は、その光射出側に一定のピッチＰcで配列された複数の単位レンズを含んで構成され、
前記画素のピッチＰpと前記固定要素のピッチＰfと前記単位レンズのピッチＰcとは、３×Ｐt＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐpもしくは３×Ｐc＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐpもしくは３×Ｐt＜２×Ｐpかつ３×Ｐp＜２×Ｐcもしくは３×Ｐp＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐcもしくは３×Ｐp＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐtもしくは３×Ｐc＜２×Ｐpかつ３×Ｐp＜２×Ｐtの関係にあることを特徴とする。

請求項１８の発明は、請求項1５記載のディスプレイ装置において、前記光制御要素は、その光射出側に一定のピッチＰcで配列された複数の単位レンズを含んで構成され、
前記バックライトは一定のピッチＰlで平面状に配置した複数の光源を有し、前記光源のピッチＰlと前記固定要素のピッチＰfと前記単位レンズのピッチＰcとは、３×Ｐt＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐlもしくは３×Ｐc＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐlもしくは３×Ｐt＜２×Ｐlかつ３×Ｐl＜２×Ｐcもしくは３×Ｐl＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐcもしくは３×Ｐl＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐtもしくは３×Ｐc＜２×Ｐlかつ３×Ｐl＜２×Ｐtの関係にあることを特徴とする。

請求項１９の発明は、請求項1５記載のディスプレイ装置において、前記画像表示素子と前記光学シートとの間隔が１０ｍｍ以下であることを特徴とする。
請求項２０の発明は、請求項1５記載のディスプレイ装置において、前記バックライトと前記光学シートとの間隔が１０ｍｍ以下であることを特徴とする。

請求項２１の発明は、請求項1５記載のディスプレイ装置において、前記光源がＬＥＤであることを特徴とする。
請求項２２の発明は、請求項１５記載のディスプレイ装置において、前記光源が半導体レーザーであることを特徴とする。
請求項２３の発明は、請求項１５記載のディスプレイ装置において、前記光源が冷陰極蛍光ランプであることを特徴とする。

本発明にかかる光学シート及びこれを用いたディスプレイ装置においては、光透過性基材と光制御要素が光学的に接続されており、また、前記光透過性基材と前記光制御要素が固定要素を介して接合されており、かつ、固定要素以外の部分が前記光制御要素の屈折率より低屈折率な領域で結合されており、前記固定要素を介する光の接続効率が、前記低屈折率の領域の光接続部分における光に接続効率以下であり、固定要素の部分の少なくとも一部が光反射作用を有しているので、固定要素の部分を介して入射する光の量が、低屈折領域を介して入射する光の量より減らすことが可能になり、また、反射した光が再利用されて低屈折領域を介して伝達することで、強度と光学特性の両方を満足する光学シートを実現することが可能になる。

なお、ここで、光の接続効率とは、界面での反射成分も含めた所定部分への光の入射全光量に対して、射出し伝達される光の全光量の比をさすものとする。例えば、光透過性基材側から光が入射し固定要素及び低屈折率領域を通過して光制御要素に入射するとした場合、その領域における光透過性基材の射出面に入射する全光量（光透過性基材の射出面での反射成分も含む）と、光制御要素に入射される光の全光量（光制御要素の入射面での反射成分は含まない）の比で表される。

また、本発明によれば、固定要素の面積率ｓを０．１＜ｓ＜０．６とすることで、安定した強度と光学特性の両方を満足する光学シートを実現することが可能になる。
また、本発明によれば、固定要素の面積率ｓを０．２＜ｓ＜０．５とすることで、より安定した強度と光学特性の両方を満足する光学シートを実現することが可能になる。

また、本発明によれば、固定要素での光の接続効率を０．３以下にすることで、より強力に固定要素部分を介して入射してくる光の影響を低減することが出来る。
また、本発明によれば、固定要素の面積率ｓと光の接続効率ｅとの積がｓ×ｅ＜０．２の関係にあり、そして、光学シート全体の正面方向での光学利得が1以上であり、かつ正面から１０度離れた位置での光学利得が０．５以上であることで、光学シートの強度と光学特性のバランスを取ることが可能になる。

また、本発明によれば、固定要素が光反射性を有することで、固定要素を透過しない光を再利用することが可能になり、光学シート全体の光の利用効率を向上させることができる。この場合、固定要素の反射率が６０％以上あれば、その効果は顕著になる。
また、本発明によれば、固定要素が光散乱性を有することで、固定要素を介して入射してくる光の影響を目立たなくすることが可能になる。
また、本発明によれば、固定要素の部分の光利得が０．１以下とすることで、固定要素の部分を透過した光が正面方向に強くピークをもつことを防止することが可能になる。
また、本発明によれば、光透過性基材が拡散性をもつことで、より固定要素部分の存在を目立たなくすることが可能になる。
また、本発明によれば、光制御要素がプリズムレンズアレイやマイクロレンズアレイもしくはシリンドリカルレンズアレイとすることで、光制御要素を比較的低コストで、容易に作成することが可能になる。

また、本発明によれば、光透過性基材を構成する光透過性単位要素のピッチＰtと、光制御要素を構成する単位レンズのピッチＰcとが３×Ｐt＜２×Ｐcもしくは３×Ｐc＜２×Ｐtの関係を満たすことで、モアレを防止することが可能になる。
また、本発明によれば、光制御要素の単位レンズのピッチＰcと、固定要素のピッチＰfとが、３×Ｐf＜２×Ｐcもしくは３×Ｐc＜２×Ｐfの関係を満たすことで、モアレを防止することが可能になる。
また、本発明によれば、固定要素のピッチＰfと光制御要素の単位レンズのピッチＰcとが等しいことで、光学シートのもつ周期成分を少なくすることが可能になり、ディスプレイ装置のもつ周期構造である画素や光源とのモアレに対する抑制処置を容易に行うことが可能になる。

また、本発明によれば、光制御要素の単位レンズはプリズム状の単位レンズから構成され、多数の固定要素はストライプ状に構成され、このプリズム状の単位レンズの延在方向と前記ストライプ状の固定要素の延在方向とは５度以上９０度以下の範囲で交差されるように配置したので、その製造が容易になるとともに、光制御要素と固定要素各々の構造物の周期構造から発生するモアレによる干渉パターンを減じることができ、しかも、プリズム状の単位レンズとストライプ状の固定要素とが直交して配置されることで、完全にモアレの発生を抑制することができる。

また、本発明にかかるディスプレイ装置によれば、画像表示素子の画素のピッチＰpと固定要素のピッチＰfと光制御要素を構成する単位レンズのピッチＰcとが、３×Ｐt＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐpもしくは３×Ｐc＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐpもしくは３×Ｐt＜２×Ｐpかつ３×Ｐp＜２×Ｐcもしくは３×Ｐp＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐcもしくは３×Ｐp＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐtもしくは３×Ｐc＜２×Ｐpかつ３×Ｐp＜２×Ｐtの関係を満たすことで、画素、固定要素、光制御要素の３つの周期的構造によるモアレを抑制したディスプレイ装置が実現できる。
また、本発明にかかるディスプレイ装置によれば、バックライトを構成する複数の光源のピッチＰlと固定要素のピッチＰfと光制御要素を構成する単位レンズのピッチＰcとが、３×Ｐt＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐlもしくは３×Ｐc＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐlもしくは３×Ｐt＜２×Ｐlかつ３×Ｐl＜２×Ｐcもしくは３×Ｐl＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐcもしくは３×Ｐl＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐtもしくは３×Ｐc＜２×Ｐlかつ３×Ｐl＜２×Ｐtの関係を満たすことで、光源と、固定要素と光制御要素の周期的構造によるモアレを抑制することができる。

また、本発明にかかるディスプレイ装置によれば、画像表示素子と光学シートとの間隔が１０ｍｍ以下とすることで、ディスプレイ装置の薄型化、小型化が実現可能になる。
また、本発明にかかるディスプレイ装置によれば、バックライトと光学シートとの間隔が１０ｍｍ以下とすることで、ディスプレイ装置の薄型化、小型化が実現可能になる。

また、本発明にかかるディスプレイ装置によれば、光源にＬＥＤを用いることで、小型で長寿命なディスプレイ装置が実現できる。
また、本発明にかかるディスプレイ装置によれば、光源に半導体レーザーを用いることで、小型かつ長寿命で色再現性の良いディスプレイ装置が実現できる。
また、本発明にかかるディスプレイ装置によれば、光源に冷陰極蛍光ランプを用いることで、低消費電力で長寿命のディスプレイ装置が実現できる。
したがって、本発明によれば、十分な強度をもったまま、所望の輝度や配光範囲、均一性などを達成する光学シートを提供することができるとともに、優れた耐久性を有する薄型のディスプレイ装置を提供することができる。

（実施の形態１）
図３は、本発明にかかる光学シートを用いた液晶ディスプレイ装置の実施の形態を示す概略断面図であり、各部位の縮尺は実際とは一致しない。
図３に示す液晶ディスプレイ装置１００は、液晶パネル（特許請求の範囲に記載した画像表示素子（液晶セル）に相当する）１１０と、この液晶パネル１１０の光入射側に対向して平行に配置されたバックライト１１２と、液晶パネル１１０とバックライト１１２との間に配置された光学シート１１４と、光制御要素１７２の光出射側に対向して配置された輝度向上フィルム（ＰＣＦ）１１６を含んで構成される。

前記液晶パネル１１０の光入射側である光学シート１１４との対向面と、液晶パネル１１０の光出射側である観察者との対向面には、図３に示すように、偏光板１１０ａ，１１０ｂがそれぞれ設けられている。
前記バックライト１１２は、図３に示すように、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反射板１１２ａと、この反射板１１２ａ内に光学シート１１４の光入射面に対して一定のピッチで平行に配列された複数の陰極線管等からなるランプ１１２ｂとを含んで構成されている。

前記光学シート１１４は、図３及び図４に示すように、厚さ方向の一方の面が光入射面１２０ａとされ、かつ厚さ方向の他方の面が光射出面１２０ｂとされた光透過性基材１２０と、光射出面１２０ｂに対して光透過性基材１２０の厚さ方向に均一の間隔（空気層１４０であり、特許請求の範囲に記載した光学要素に相当する）をおいて配置され、液晶パネル１１０に向け出射される光の方向を制御する光制御要素１７２と、光射出面１２０ｂと光制御要素１７２とを互いに切り離された箇所で接合する多数の固定要素１３０とを含んで構成される。
また、光制御要素１７２は、図４及び図５に示すように、その光射出側に一定のピッチＰcで配列された複数のプリズム状の単位レンズ１７２ａを含んで構成される。さらに、多数の固定要素１３０はストライプ状に構成され、これらストライプ状の固定要素１３０は、図５に示すように、一定のピッチＰfで配列されている。そして、プリズム状の単位レンズ１７２ａの延在方向とストライプ状の固定要素１３０の延在方向とは５度以上９０度以下の範囲で交差されるように配置されている。

上記のように構成された液晶ディスプレイ装置１００において、図４の光線１５０に示されるように、光透過性基材１２０と光制御要素１７２の間に空気層１４０に代表される低屈折領域を介して光が伝達されるとき、光透過性基材１２０に拡散板を用いた場合、この光透過性基材１２０に入射した光は光透過性基材１２０の内部で拡散しながら、光透過性基材１２０より射出する。光透過性基材１２０から光が射出する際、空気層１４０と光透過性基材１２０や光制御要素１７２を構成する高屈折領域と空気層界面では、図４の矢印１５０ａに示すように、屈折率差による影響で光の反射が生じる。この光の反射は、前記界面への光の入射角が大きくなるほど強くなり、結果として空気層１４０を介して伝達する光の成分が入射角の小さなものを選択する効果を有する。特に、前記界面に散乱した光が入射した場合、様々な方向成分をもつ散乱光１５０ｂを正面方向に強める集光効果が生じる（角度φ２の範囲に集光される）。

しかしながら、光透過性基材１２０と光制御要素１７２とを固定要素１３０を介して接合した場合、図４の光線１５５に示すように、光透過性基材１２０から固定要素１３０の部分を通って光制御要素１７２へ伝達する光１５５ａは、固定要素１３０と光透過性基材１２０及び光制御要素１７２との屈折率差が小さいため集光効果をほとんど有しない。そのため、固定要素１３０を介して入射した光は、光透過性基材１２０と光制御要素１７２を別体で用いる場合と大きく異なった光学特性を示してしまう。
そこで、光透過性基材１２０と光制御要素１７２を固定し一体化して使用する場合、固定要素１３０を介して入射する光の影響を極力小さくするため、光透過性基材１２０から光制御要素１７２へ光を伝達する領域に対して固定要素１３０による固定領域の面積を極力小さくする必要があった。例えば、特許文献１では、その固定する面積は大きくとも５％以下にする必要があり、小さい場合は０．０５％にもなる。

しかるに、光学シート１１４は光を入射及び射出する関係から、一般に強固に固定することはできず、光学シート１１４の周辺を固定することが多く、さらに、その使用環境から、熱・光・応力など様々なエネルギーにさらされる場合が多い。さらに、複数部材を貼り合わせて利用する場合、その膨張率の違いなどにより、反り・ねじれ・剥がれなどの力が光学シートに強く作用する。そのため、光透過性基材と光制御要素は強固に接合する必要がある。２枚のシート状の基材を接合する場合、その接合力は、その接合面積に比例して強くなる。逆に言えば、その接合する面積が小さくなると急激に接合力が減少し、光学シートの耐環境能力が急激に低下することになる。
本発明の実施の形態では、これらの課題を克服し比較的広い面積で接合しても、固定要素を介して伝達される光の影響を極力小さくし、光学特性と耐環境性能を両立するために次のような構成を有する。以下、図６を参照して説明する。

本実施の形態では、図６に示すように、上記図４に示す場合と同様に構成された固定要素２３０の少なくとも一部分に反射作用をもたせ、この固定要素２３０は入射した光の大部分を反射するような構造を有している。そのため、図６の光線２５５に示すように、光透過性基材１２０から固定要素２３０を介して伝達する光の成分２５５ａは少なくなり、固定要素２３０の面積を広くしても、光学特性の劣化の影響を小さくすることが可能になる。
そこで、光学シート１１４全体の光の利用効率を低下させないためには、固定要素２３０の部分での光の吸収は極力小さく、５％以下にすることが望ましい。固定要素２３０の部分で反射した光は再利用され、再度、空気層２４０など低屈折領域を介して光制御要素へ伝達することにより、効率よく光を制御することが可能になる。

空気層２４０など低屈折率領域との界面での光の反射を考慮すると、固定要素２３０の部分での光の接続効率は、低屈折率領域を介して伝達する光の接続効率より小さくなることが望ましい。言い換えれば、光透過性基材２２０と光制御要素２７２の固定要素２３０と接している部分が、光の入射及び射出として作用しないことが望ましい。
したがって、本実施の形態では、固定要素２３０の部分の接続効率が３０％以下であればその効果は得られ、１５％以下であればその効果は大となる。
また、固定要素２３０は、反射作用と接着もしくは粘着作用とを一体に有するものであってもよく、反射要素と接着もしくは粘着要素を有する複数の部材の組み合わせによって構成されてもよい。また、低屈折領域の空間をより確実に確保するために、剛性のある部材との組み合わせでもよい。さらに、低屈折領域での光の反射は、界面の屈折率差による反射が主になることが望ましい。

固定要素２３０での光反射作用は、散乱性光反射作用であると、光散乱効果を併せ持つことになり、バックライト１１２を構成する光源など光量ムラを解消する効果を持たせることが可能になる。さらに、固定要素２３０を介して伝達してしまった光の成分も固定要素２３０内で散乱することで、その影響を目立たなくすることが可能になる。
固定要素での光反射作用が、金属などによる鏡面的な反射である場合、固定要素での反射での偏光成分の崩れが小さく、液晶などでの光の利用効率を向上させることができる。
なお、図６に示す光線２５０は、図４に示す光線１５０と同一のものである。

また、固定要素の部分の光接続効率が小さいほど、固定要素の面積を大きくしても、光固定要素を介して伝達する光の影響は小さくなる。例えば、シリカやアルミナなどの無機粒子や、アクリル、スチレン、フッ素ポリマー、シリコーンなどの屈折率差をとり得る微粒子を含有する透明樹脂などによる反射部分を固定要素に設ければよい。シリカを含有した透明アクリル樹脂の場合、その厚みを１０ミクロン以上とすることで、光の接続効率を３０％以下としながら、光の吸収を１０％以下とすることができた。また、前記固定要素を用いた実験では、固定要素部分の面積比率を２０％とした場合でも、透明体で構成した固定要素の面積比が５％のものと同等の効果が得られた。また、面積比が５０％であっても、光制御機能効果をえることが確認された。
シリカを含有したアクリル樹脂の場合、その厚みが３ミクロン程度と薄くなると、光反射作用は有するものの、大部分の光は固定要素を介して散乱透過してしまう。そのため、微粒子による反射体を用いる場合、光伝達効率が高くならないように、拡散部分の厚みを調整する必要がある。

反射体として金属を用いた場合、その金属層の厚みが薄い場合、光の吸収が大きくなり光の利用効率が低下してしまう。例えばアルミニウムによる反射層を用いる場合、その膜厚が５０ｎｍ以下となると、光の吸収率が１０％以上と急激に上昇することが確認された。さらに、光の吸収率が３０％を超えると、光にロスが大きくなり光学シート全体の光の利用効率が８０％以下と低下することが確認された。
これらの結果をもとに、様々な固定要素パラメータを用いて、実験を行った結果を表にしたものを図７に示す。この結果から、固定要素の部分の面積率ｓが０．１＜ｓ＜０．６の範囲内であることが望ましく、０．２＜ｓ＜０．５であればより高い光制御効果を示すことがわかる。また、固定要素部分の光接続効率が０．３以下であれば、固定要素の面積比率を上げることが可能であり、耐環境性能を向上させることが可能になる。
なお、図７において、固定要素の各構成パラメータに対する耐環境性の良否判定及び輝度向上効果の良否判定を丸印（良）、三角印（可）、バツ印（不良）で表すと、図６に示すようになる。

また、固定要素の光接続効率と、その面積比の関係をみると、ｓ×ｅ＜０．２の関係を満たし、かつ光学シート全体の正面方向での光学利得が1以上であり、かつ正面から１０度離れた位置での光学利得が０．５以上を満たせば、固定要素を介して入射する光の影響を抑え、望ましい輝度向上効果が得られることがわかる。
ここで、光学利得とは、光学的な拡散部材の拡散性を示す指標の一つであり、完全拡散する拡散体の輝度を１として、その光の輝度との比で表される。測定する拡散部材の拡散性が方向によって偏っている場合、方向ごとの光学利得を出すことで、その拡散部材の拡散特性を示すことが出来る。また、完全拡散とは、吸収が０で、かつ、どの方向にも一定の強度をもつとする理想的な拡散体のことを示す。つまり、光学利得が１以上であるということは、その測定する方向に光を集める効果を持つことを示し、その値が大きいほど集光効果が強いことを示す。

また、代表的な固定要素の種類の違いによる、光学シートの輝度特性を図８に示す。この図８において、破線で示す曲線８１は固定要素がないときの輝度特性であり、実線で示す曲線８２は光の接続効率９５％、面積比５％のときの輝度特性であり、二点鎖線で示す曲線８３は光の接続効率２５％、面積比２０％のときの輝度特性であり、一点鎖線で示す曲線８４は光の接続効率７０％、面積比２０％のときの輝度特性である。この図８から明らかなように、本発明の方式を用いれば、固定要素の面積を増やしても、明らかな輝度向上効果が生じることがわかる。

なお、本実施の形態では、光制御要素として、断面が三角形状となるプリズムアレイの例を示したが、本発明はこれに限らず、ピラミッド状のマイクロプリズム、円弧状のシリンドリカルレンズアレイ、半球状のレンズを並べたマイクロレンズアレイなど、またはこれら複数のレンズを組み合わせたものでもよいでもよい。
また、光透過性基材としては拡散性をもつものが挙げられるが、これに限らず、透明樹脂もしくは透明樹脂とこの透明樹脂の中に分散された透明粒子とを具備して構成されている。
上記透明樹脂としては、例えば、ポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系アクリル樹脂、シリコーン系アクリル樹脂、エポキシアクリレート樹脂、メチルスチレン樹脂及びフルオレン樹脂等を使用することができる。

透明粒子を用いる場合、透明樹脂の屈折率と透明粒子の屈折率の差は０．０２以上であることが望ましい。屈折率の差がこれより小さいと十分な光散乱性能が得られにくい。また、その屈折率差は０．５以下が望ましい。
光透過性基材は、この光透過性基材に入射した光を散乱させながら透過させる必要がある。このため、光透過性基材に含まれる前記透明粒子の平均粒径は０．５〜１０．０μｍであることが望ましい。好ましくは１．０〜５．０μｍである。
また、透明粒子としては、無機酸化物からなる透明粒子又は樹脂からなる透明粒子が使用できる。例えば、無機酸化物からなる透明粒子としてはシリカやアルミナ等からなる粒子を挙げることができる。また、樹脂からなる透明粒子としては、アクリル粒子、スチレン粒子、スチレンアクリル粒子及びその架橋体；メラミン−ホルマリン縮合物の粒子；ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシ樹脂）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリフルオロビニリデン）、及びＥＴＦＥ（エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体）等の含フッ素ポリマー粒子；シリコーン樹脂粒子等を挙げることができる。これら透明粒子は、２種類以上を混合して使用してもよい。
そして、これら透明樹脂中に透明粒子を分散して、押出し成型することにより、板状の光透過性基材１３を製造することができる。その厚みは、５ｍｍ以下であることが望ましい。５ｍｍを越えると、光源２１からの光の透過率が悪くなるという欠点がある。
また、透明樹脂中に透明粒子を分散した層をフィルム基材の片面、もしくは両面に塗布することで製造することができる。
また、前述のような透明樹脂の延伸フィルムに、空気を含んだボイド構造をもたせることで同等の機能を有する光透過性基材を得ることもできる。

なお、ここでは様々な拡散性をもつ光透過性基材を挙げたが、これに限定されるものではなく、光のエネルギーを伝達して光制御要素に伝えるものであればよい。
上記接着層は、ウレタン系、アクリル系の樹脂等を用いて作成する。１液型で押圧して接着するもの、熱や光で硬化させるものを用いることができ、２液もしくは複数の液を混合して硬化させるものを用いることができる。接着面へは直接塗布してもよく、あらかじめドライフィルムとして準備したものを貼り合わせてもよい。
また、光学シートの用途として、バックライトの輝度向上フィルムの例を挙げたが、ＬＣＤ、ＥＬやＰＤＰなどディスプレイの視野角コントロールフィルムや、コントラスト向上フィルム、太陽電池用の光制御フィルム、投射スクリーンなどに用いてもよい。
また、光透過性基材と光制御要素の環境的な挙動が同一であれば、反り、剥がれなどの問題が生じにくい。このためには、光透過性基材と光制御要素の熱膨張率が近い（例えば1.0×10^-5・k^-1以下の差）ことがのぞましい。10^-5・k^-1さらに、吸水率が近い（例えば２３℃水２４Ｈｒで１％以下の差）と高湿度化における挙動も安定するためさらに優れた適性をもつ。もっとも優れた形態として、光透過性基材と光制御要素の支配的な素材が、同一素材であることが挙げられる。

このように固定要素の部分の光の接続効率を最適化することで、固定要素の領域の面積を増やしても、輝度向上効果を得られるようになった。しかしながら、固定要素の部分の面積が多くなると固定要素部分の面積の不均一さによるムラが生じる場合がある。
固定要素部分の不均一さを減少させるためには、十分に細かなピッチで固定要素を配置することが望ましい。しかしながら、一般的にディスプレイは一定ピッチで二次元に配列された画素構造をもつものが多く、さらに光制御要素も一定のピッチで配列された周期的な構造をもつ場合がある。そのため、それぞれの周期構造同士のモアレ、３つ以上の周期構造で発生する２次モアレなど高次のモアレが生じ見た目を悪いという問題が生じる。

高次モアレの発生を低減する第一の方策は、一定ピッチＰｃで配列された光制御要素のプリズム状単位レンズの延在方向と、一定ピッチＰｆで配列されたストライブ状固定要素の延在方向とは５度以上に交差させることでお互いの周期の干渉を防ぐことができる。その際、ディスプレイの画素のピッチＰｐが水平方向と垂直方向で略等しい場合、光制御要素のピッチＰｃと、固定要素のピッチＰｆを直交させた上で略一致させ、モアレの発生しにくい周期とすることで容易にモアレの発生を低減することができる。
２次モアレなど高次のモアレを低減するためには、各々の光制御要素のピッチＰｃと、固定要素のピッチＰｆとが３×Ｐf＜２×Ｐcもしくは３×Ｐc＜２×Ｐfの関係、すなわち３／２以上異なることが望ましいことが実験によって求められた。そのため、各光制御要素のピッチＰｃと、固定要素のピッチＰｆを３／２以上離すことで、高次のモアレを低減することが可能になる。
ここでは、周期的な構造として、ディスプレイの画素、光制御要素、固定要素を挙げたが、それに限ったものではなく、光透過性基材や光源などに周期的構造をもつものであれば、それぞれの周期的構造に対して各々のピッチＰｐ、Ｐf、Ｐc、Ｐtが３／２以上の離れることが望ましい。
なお、光透過性基材は、図示しないが、上述した光制御要素や固定要素の場合と同様な方式で、一定のピッチＰtで平面状に配列された複数の光透過性単位要素を含んで構成される。

特に近年、ディスプレイ用の光源として、ＬＥＤやレーザーなど点光源が注目を浴びているが、単体での光量不足を補う上でアレイ状、マトリクス状に一定のピッチで配置される例が多い。このような場合、光制御要素や固定要素や光透過性基材の各ピッチＰc、Ｐf、Ｐtと、光源のピッチＰｌが３／２以上離れていることが望ましいと言える。これらのピッチの関係は、それぞれの構造のピッチの大小は関係なく、その差の比が保たれていればよく、光源のピッチが光制御要素のピッチより大きくてもよいし、逆に光源のピッチが光制御要素のピッチより小さくてもよい。

例えば、光透過性基材のピッチＰtと単位レンズのピッチＰcとが３×Ｐt＜２×Ｐcもしくは３×Ｐc＜２×Ｐtの関係を満たすようにし、また、画素のピッチＰpと固定要素のピッチＰfと単位レンズのピッチＰcとが３×Ｐt＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐpもしくは３×Ｐc＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐpもしくは３×Ｐt＜２×Ｐpかつ３×Ｐp＜２×Ｐcもしくは３×Ｐp＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐcもしくは３×Ｐp＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐtもしくは３×Ｐc＜２×Ｐpかつ３×Ｐp＜２×Ｐtの関係を満たすようにし、また、光源のピッチＰlと固定要素のピッチＰfと単位レンズのピッチＰcとが３×Ｐt＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐlもしくは３×Ｐc＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐlもしくは３×Ｐt＜２×Ｐlかつ３×Ｐl＜２×Ｐcもしくは３×Ｐl＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐcもしくは３×Ｐl＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐtもしくは３×Ｐc＜２×Ｐlかつ３×Ｐl＜２×Ｐtの関係を満たすようにする。
特に点光源間の間隔が２０ｍｍ以下の場合、光源の周期構造の影響を受けやすく本発明の効果を顕著に示すことができる。しかしながら、これらの関係は光源と光制御要素のみにいえることではなく、他の周期的な構造にも当てはめることができる。

従来におけるＢＥＦの構成例を示す概略図である。 従来におけるＢＥＦの光学作用を説明するための説明図である。 本発明にかかる光学シートを用いた液晶ディスプレイ装置の実施の形態１を示す概略図である。 本発明にかかる光学シートの一実施例を示す説明用の概略図である。 本発明にかかる光学シートの光制御要素と固定要素の配列関係を示す説明用平面図である。 本発明にかかる光学シートの他の実施例を示す説明用の概略図である。 本発明にかかる固定要素パラメータを用いて実験を行った結果を表にして示した図である。 本発明にかかる光学シートの輝度分布特性を示す図である。

符号の説明

１００……液晶ディスプレイ装置、１１０……液晶パネル、１１２……バックライト、１１２ａ……反射板、１１２ｂ……ランプ、１１４……光学シート、１１６……輝度向上フィルム、１２０，２２０……光透過性基材、１３０，２３０……固定要素、１７２，２７２……光制御要素、１７２ａ……単位レンズ。

Claims (23)

1. 光の輝度を制御する光学シートであって、
   厚さ方向の一方の面が光入射面とされ厚さ方向の他方の面が光射出面とされた光透過性基材と、
   前記光射出面に対して前記光透過性基材の厚さ方向に均一の間隔をおいて配置され出射される光の方向を制御する光制御要素と、
   前記光射出面と前記光制御要素とを互いに切り離された箇所で接合する多数の固定要素とを備え、
   前記多数の固定要素による接合領域を除く前記光射出面と前記光制御要素との間の相対向する空間領域の少なくとも一部に前記光制御要素の屈折率より低屈折率の光学要素が介在され、
   前記多数の固定要素への光の入射全光量に対して射出し伝達される光の全光量の比である光の接続効率は、前記光学要素への光の入射全光量に対して射出し伝達される光の全光量の比である光の接続効率以下である、
   ことを特徴とする光学シート。
2. 前記光透過性基材をその厚さ方向から見た場合に、前記光射出面から前記光制御要素へ光を伝達する領域に対して、前記多数の固定要素が占める領域の割合である前記固定要素の面積率ｓが、０．１％＜ｓ＜０．６％の範囲であることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
3. 前記光透過性基材をその厚さ方向から見た場合に、前記光射出面から前記光制御要素へ光を伝達する領域に対して、前記多数の固定要素が占める領域の割合である前記固定要素の面積率ｓが、０．２％＜ｓ＜０．５％の範囲であることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
4. 前記固定要素の光の接続効率が０．３％以下であることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
5. 前記光射出面から前記光制御要素へ光を伝達する領域に対して、前記多数の固定要素が占める領域の割合である前記固定要素の面積率をｓとし、前記固定要素の光の接続効率をｅとした時、前記面積率ｓと光の接続効率ｅとの積が、ｓ×ｅ＜０．２であり、かつ光学シート全体の正面方向での光利得が1以上であり、かつ正面から斜め１０度の方向での光利得が０．５以上であることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
6. 前記固定要素が光反射性を有することを特徴とする請求項1乃至５の何れか１項に記載の光学シート。
7. 前記固定要素が光散乱性を有することを特徴とする請求項1乃至５の何れか１項に記載の光学シート。
8. 前記固定要素の光利得が０．１以下であることを特徴とする請求項1乃至７の何れか１項に記載の光学シート。
9. 前記光透過性基材が光拡散性を有することを特徴とする請求項１記載の光学シート。
10. 前記光制御要素が、プリズムレンズアレイもしくはマイクロレンズアレイもしくはシリンドリカルレンズアレイであることを特徴とする請求項1記載の光学シート。
11. 前記光制御要素は、その光射出側に一定のピッチＰcで配列された複数の単位レンズを含んで構成され、前記多数の固定要素は一定のピッチＰfで配列され、前記ピッチＰfと前記ピッチＰcとは、３×Ｐf＜２×Ｐcもしくは３×Ｐc＜２×Ｐfの関係にあることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
12. 前記光透過性基材は一定のピッチＰtで平面状に配列された複数の光透過性単位要素を含んで構成され、前記光制御要素は一定のピッチＰcで配列された複数の単位レンズからなり、前記ピッチＰtと前記ピッチＰcとは、３×Ｐt＜２×Ｐcもしくは３×Ｐc＜２×Ｐtの関係にあることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
13. 前記固定要素のピッチＰfと前記単位レンズのピッチＰcが等しいことを特徴とする請求項１１記載の光学シート。
14. 前記単位レンズはプリズム状の単位レンズから構成され、前記多数の固定要素はストライプ状に構成され、前記プリズム状の単位レンズの延在方向と前記ストライプ状の固定要素の延在方向とは５度以上９０度以下の範囲で交差されるように配置されていることを特徴とする請求項１１記載の光学シート。
15. 一定のピッチＰpで２次元に配列された画素を有し、該画素単位での透過／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側に配置された、請求項１乃至１４の何れか１項に記載の光学シートと、
    前記光学シートの背面側に配置されたバックライトとを備える、
    ことを特徴とするディスプレイ装置。
16. 前記画像表示素子は液晶セルであることを特徴とする請求項１５記載のディスプレイ装置。
17. 前記光制御要素は、その光射出側に一定のピッチＰcで配列された複数の単位レンズを含んで構成され、
    前記画素のピッチＰpと前記固定要素のピッチＰfと前記単位レンズのピッチＰcとは、３×Ｐt＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐpもしくは３×Ｐc＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐpもしくは３×Ｐt＜２×Ｐpかつ３×Ｐp＜２×Ｐcもしくは３×Ｐp＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐcもしくは３×Ｐp＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐtもしくは３×Ｐc＜２×Ｐpかつ３×Ｐp＜２×Ｐtの関係にあることを特徴とする請求項1５記載のディスプレイ装置。
18. 前記光制御要素は、その光射出側に一定のピッチＰcで配列された複数の単位レンズを含んで構成され、
    前記バックライトは一定のピッチＰlで平面状に配置した複数の光源を有し、前記光源のピッチＰlと前記固定要素のピッチＰfと前記単位レンズのピッチＰcとは、３×Ｐt＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐlもしくは３×Ｐc＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐlもしくは３×Ｐt＜２×Ｐlかつ３×Ｐl＜２×Ｐcもしくは３×Ｐl＜２×Ｐtかつ３×Ｐt＜２×Ｐcもしくは３×Ｐl＜２×Ｐcかつ３×Ｐc＜２×Ｐtもしくは３×Ｐc＜２×Ｐlかつ３×Ｐl＜２×Ｐtの関係にあることを特徴とする請求項1５記載のディスプレイ装置。
19. 前記画像表示素子と前記光学シートとの間隔が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項1５記載のディスプレイ装置。
20. 前記バックライトと前記光学シートとの間隔が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項1５記載のディスプレイ装置。
21. 前記光源がＬＥＤであることを特徴とする請求項1５記載のディスプレイ装置。
22. 前記光源が半導体レーザーであることを特徴とする請求項１５記載のディスプレイ装置。
23. 前記光源が冷陰極蛍光ランプであることを特徴とする請求項１５記載のディスプレイ装置。

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