JP2011070024A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロレンズアレイを有する光学素子において、モアレ現象を抑制でき、高い輝度を得ることができる光学素子を提供する。
【解決手段】光学素子１は、光入射面１ａと、光出射面１ｂとを有する。光学素子１は、光入射面１ａ及び光出射面１ｂのうちの少なくとも一方に設けられている凸状又は凹状の複数のマイクロレンズ２を備える。複数のマイクロレンズ２は、異なる直径Ｄ１〜Ｄ３を有する第１〜第３のマイクロレンズ３〜５を有する。複数のマイクロレンズ２の充填率は９０％以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置の輝度を高める用途に好適に用いられる光学素子に関する。

従来、液晶表示装置は、コンピュータ用ディスプレイ又はテレビジョン装置などに広く用いられている。

通常、液晶表示装置では、液晶表示セルの背面に光源デバイスが配置される。近年、液晶表示装置では、表示画質の高精細化及び消費電力の低減が強く望まれている。これに伴って、光源デバイスにおいても、より高い発光効率が望まれている。

光源デバイスの発光効率を高める手段として、従来、光源の光出射面側に、輝度を向上させるシートを設置する手段が知られている。輝度を向上させるシートとしては、例えば、マイクロビーズを含有する塗料が表面に塗布されたビーズコート光拡散シート、並びに横断面二等辺三角形状のプリズムが複数配列されたプリズムアレイシートなどが挙げられる。

しかしながら、ビーズコート光拡散シートは、小さな光線集束性能しか有さない。このため、たとえビーズコート光拡散シートを複数枚重ねて用いたとしても、十分な輝度向上効果を得ることは困難である。

また、プリズムアレイシートでは、光線を発しない方向が存在する。このため、液晶表示装置の視野角が制限されるという問題がある。

このような従来のシートの問題を解消しうる光学シートとして、例えば下記の特許文献１〜３には、マイクロレンズアレイシートが開示されている。

特許第４３１６２８０号公報 特開第４３１６２８１号公報 特許第４３１７３７８号公報

光出射面にマイクロレンズアレイが設けられたマイクロレンズアレイシートでは、マイクロレンズアレイが設けられていない光出射面の部分は、通常、平面部である。このため、マイクロレンズアレイシートの透過光には、マイクロレンズアレイを透過せず、ほぼ屈折されることなく平面部を透過した直線透過光が多く含まれるという問題がある。従って、従来のマイクロレンズアレイシートを用いても、輝度が充分に高くならないことがある。さらに、従来のマイクロレンズアレイシートでは、モアレ現象を充分に抑制できないことがある。

本発明の目的は、マイクロレンズアレイを有する光学素子であって、モアレ現象を抑制でき、かつ高い輝度を得ることができる光学素子を提供することである。

本発明の限定的な目的は、ぎらつき感を抑制できる光学素子を提供することである。

本発明の広い局面によれば、光入射面と、光出射面とを有する光学素子であって、上記光入射面及び上記光出射面のうちの少なくとも一方に設けられている凸状又は凹状の複数のマイクロレンズを備え、上記複数のマイクロレンズが、異なる直径を有する第１〜第３のマイクロレンズを有し、上記複数のマイクロレンズの充填率が９０％以上である、光学素子が提供される。

上記複数のマイクロレンズの充填率は９６％以下であることが好ましい。この場合には、光学素子のぎらつき感を抑制できる。

上記第１のマイクロレンズの直径は上記第２のマイクロレンズの直径よりも大きく、上記第２のマイクロレンズの直径は上記第３のマイクロレンズの直径よりも大きく、上記複数のマイクロレンズの全個数１００％中、上記第１のマイクロレンズの個数が７±２％、上記第２のマイクロレンズの個数が１６±２％、上記第３のマイクロレンズの個数が７７±２％であることが好ましい。この場合には、上記複数のマイクロレンズの充填率を９０％以上にすることが容易であり、従ってモアレ現象を抑制でき、かつ高い輝度を有する光学素子を得ることができる。

上記第１のマイクロレンズの直径が６０±０．５μｍ、上記第２のマイクロレンズの直径が５８±０．５μｍ、上記第３のマイクロレンズの直径が３８±０．５μｍであることが好ましい。この場合には、上記複数のマイクロレンズの充填率を９０％以上にすることが容易であり、従ってモアレ現象を抑制でき、かつ高い輝度を有する光学素子を得ることができる。

本発明に係る光学素子では、複数のマイクロレンズが、異なる直径を有する第１〜第３のマイクロレンズを有し、複数のマイクロレンズの充填率が９０％以上であるので、モアレ現象を抑制でき、かつ高い輝度を得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る光学素子を模式的に示す部分切欠平面図である。 図２は、図１中のＩ−Ｉ線に沿う部分切欠正面断面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る光学素子を用いた液晶表示装置の一例を示す概略断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態及び実施例を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子としての光学シートを示す部分切欠平面図である。図２は、図１中のＩ−Ｉ線に沿う部分切欠正面断面図である。なお、図１，２では、図示の便宜上、マイクロレンズの大きさは、実際の大きさから適宜変更している。

光学シート１は、光が入射される光入射面１ａと、光が出射される光出射面１ｂとを有する。光学シート１は、光出射面１ｂに設けられている凸状の複数のマイクロレンズ２を備える。光学シート１では、光出射面１ｂに、複数のマイクロレンズによりマイクロレンズアレイが構成されている。光学シート１は、マイクロレンズアレイシートである。

ただし、複数のマイクロレンズは、光入射面１ａに設けられていてもよい。複数のマイクロレンズは、光入射面１ａと光出射面１ｂとの両方に設けられていてもよい。光線集束性能をより一層高める観点からは、凸状の複数のマイクロレンズ２が光出射面１ｂに設けられていることが好ましい。また、複数のマイクロレンズは、凹状であってもよい。

光学シート１は、光透過性を有する。光学シート１は、光透過性の材料により形成されている。光学シート１の光が透過する光の波長領域は特に限定されない。波長領域は、用途に応じて適宜選択できる。例えば、光学シート１が液晶表示装置の導光板として用いられる場合、一般には、３８０ｎｍ〜７００ｎｍ程度の可視光領域が透過光の波長領域として設定される。

光学シート１では、複数のマイクロレンズ２が、光出射面１ｂの平坦な基準面１ｃから突出した凸状の形状を有する。なお、基準面１ｃは、光出射面１ｂにおいて、マイクロレンズ２が設けられている部分以外の領域、言い換えればマイクロレンズ２が設けられていない領域に位置している平面部分である。

凸状の複数のマイクロレンズ２の形状は、特に限定されない。光線集束性能をより一層高くする観点からは、マイクロレンズ２の形状は、球体の一部又は回転楕円体の一部であることが好ましい。言い換えれば、マイクロレンズ２の形状は、一部が切断された球体又は一部が切断された回転楕円体であることが好ましい。

本実施形態では、複数のマイクロレンズ２の形状は球体の一部であり、複数のマイクロレンズ２は略半球状である。

複数のマイクロレンズ２は、異なる直径を有する第１〜第３のマイクロレンズ３〜５を有する。光学シート１の複数のマイクロレンズ２の充填率は９０％以上である。

本願発明者は、異なる直径を有する第１〜第３のマイクロレンズの直径もしくは個数、又は直径及び個数の両方を制御することにより、複数のマイクロレンズ２の充填率を９０％以上にすることができることを見出した。さらに、本願発明者は、複数のマイクロレンズ２の充填率を９０％以上にすれば、輝度を顕著に高めることができ、プリズムシートと同等以上の輝度が得られることも見出した。

従来の光学シートでは、複数のマイクロレンズの充填率は高くても７５％程度であった。言い換えれば、従来、複数のマイクロレンズの充填率が８０％を超える光学シートは知られていなかった。複数のマイクロレンズ２の充填率が９０％以上である光学シート１は、本願発明者によって初めて見出されたものである。

マイクロレンズの充填率は、詳細には、光学シートを平面視した際に、全面積１００％中のマイクロレンズが設けられている領域の面積の割合を示す。

第１のマイクロレンズ３の直径Ｄ１は、第２のマイクロレンズ４の直径Ｄ２よりも大きい。第２のマイクロレンズ４の直径Ｄ２は、第３のマイクロレンズ５の直径Ｄ３よりも大きい。従って、第１〜第３のマイクロレンズ３〜５の直径は、下記式（１）の関係を満たす。

（第１のマイクロレンズ３の直径Ｄ１）＞（第２のマイクロレンズ４の直径Ｄ２）＞（第３のマイクロレンズ５の直径Ｄ３） ・・・式（１）

マイクロレンズの直径は、詳細には、マイクロレンズを平面視した際の直径である。また、マイクロレンズの形状が、回転楕円体の一部である場合には、マイクロレンズの直径は、長径と短径との平均値である。

複数のマイクロレンズ２の全個数１００％中、第１のマイクロレンズ３の個数は７±２％、第２のマイクロレンズ４の個数は１６±２％、かつ第３のマイクロレンズ５の個数は７７±２％であることが好ましい。この場合には、複数のマイクロレンズ２の充填率を９０％以上にすることが容易であり、従ってモアレ現象を抑制でき、かつ高い輝度を得ることができる（第１の個数の組合せ）。また、複数のマイクロレンズ２の全個数１００％中、第１のマイクロレンズ３の個数は１１±２％、第２のマイクロレンズ４の個数は１８±２％、かつ第３のマイクロレンズ５の個数は７１±２％であることも好ましい（第２の個数の組合せ）。この場合には、複数のマイクロレンズ２の充填率を９０％以上にすることが容易であり、従ってモアレ現象を抑制でき、かつ高い輝度を得ることができる。さらに、複数のマイクロレンズ２の全個数１００％中、第１のマイクロレンズ３の個数は４±２％、第２のマイクロレンズ４の個数は１±０．５％、かつ第３のマイクロレンズ５の個数は９５±２％であることも好ましい（第３の個数の組合せ）。この場合には、複数のマイクロレンズ２の充填率を９０％以上にすることが容易であり、従ってモアレ現象を抑制でき、かつ高い輝度を得ることができる。光学シート１のぎらつき感を抑制する観点からは、上記第１〜第３の個数の組合せの内、第１，第２の個数の組合せが好ましい。

第１のマイクロレンズ３の直径は６０±０．５μｍ、第２のマイクロレンズ４の直径は５８±０．５μｍ、かつ第３のマイクロレンズ５の直径は３８±０．５μｍであることが好ましい。この場合には、複数のマイクロレンズ２の充填率を９０％以上にすることが容易であり、従って直線透過光を抑制でき、高い輝度を得ることができる。

光学シート１では、複数のマイクロレンズ２の全個数１００％中、第１のマイクロレンズ３の個数は７±２％、第２のマイクロレンズ３の個数は１６±２％、第３のマイクロレンズ４の個数は７７±２％であり、かつ第１のマイクロレンズ３の直径は６０±０．５μｍ、第２のマイクロレンズ４の直径は５８±０．５μｍ、第３のマイクロレンズ５の直径は３８±０．５μｍであることがより好ましい。この場合には、複数のマイクロレンズ２の充填率をより一層高くすることができる。従って、より一層高い輝度を得ることができる。光学シート１では、複数のマイクロレンズ２の全個数１００％中、第１のマイクロレンズ３の個数は１１±２％、第２のマイクロレンズ４の個数は１８±２％、かつ第３のマイクロレンズ５の個数は７１±２％であり、かつ第１のマイクロレンズ３の直径は６０±０．５μｍ、第２のマイクロレンズ４の直径は５８±０．５μｍ、第３のマイクロレンズ５の直径は３８±０．５μｍであることがより好ましい。この場合には、複数のマイクロレンズ２の充填率をより一層高くすることができる。従って、より一層高い輝度を得ることができる。さらに、光学シート１では、複数のマイクロレンズ２の全個数１００％中、第１のマイクロレンズ３の個数は４±２％、第２のマイクロレンズ４の個数は１±０．５％、かつ第３のマイクロレンズ５の個数は９５±２％であり、かつ第１のマイクロレンズ３の直径は６０±０．５μｍ、第２のマイクロレンズ４の直径は５８±０．５μｍ、第３のマイクロレンズ５の直径は３８±０．５μｍであることがより好ましい。この場合には、複数のマイクロレンズ２の充填率をより一層高くすることができる。従って、より一層高い輝度を得ることができる。

異なる直径を有する第１〜第３のマイクロレンズ３〜５の個数もしくは直径、又は個数及び直径の両方を上記の範囲内に制御すれば、複数のマイクロレンズ２の充填率を９０％以上にできることは、本願発明者により初めて見出されたものである。

光学シート１の複数のマイクロレンズ２の充填率は９６％以下であることが好ましい。
この場合には、高い輝度を得ることができるだけでなく、ぎらつき感を抑制することもできる。従って、輝度の向上とぎらつき感の抑制とを両立させる観点からは、光学シート１の複数のマイクロレンズ２の充填率は９０％〜９６％の範囲内であることが好ましい。

本願発明者は、光学シート１の複数のマイクロレンズ２の充填率が９６％を超えると、ぎらつき感が発生し、充填率が９６％以下であればぎらつき感を抑制できることを見出した。

光学シート１の材料は、光透過性を有する限り特に限定されない。光学シート１は、例えば、樹脂又はガラス等の材料により形成される。上記樹脂としては、硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂が挙げられる。光学シート１を押出法により得ることができるため、光学シート１の材料は、熱可塑性樹脂であることが好ましい。光学シート１は、熱可塑性樹脂組成物により形成されていることが好ましい。光学シート１の材料は、１種のみが用いられてもよく、２種以上が併用されてもよい。

上記熱硬化性樹脂としては、（メタ）アクリル樹脂、エポキシ樹脂及びウレタン樹脂等が挙げられる。

上記熱可塑性樹脂としては、熱可塑性飽和ノルボルネン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリ（メタ）アクリル酸メチル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、セルロース樹脂、アクリロニトリル樹脂、ポリオレフィン樹脂及びオレフィン−マレイミド共重合体等が挙げられる。

光学シート１の材料として、透光性を阻害しない範囲で、耐候剤、架橋助剤又は補強剤等を適宜用いてもよい。

光学シート１の厚み、すなわち光入射面１ａと光出射面１ｂとを結ぶ方向の光学シート１の厚みは特に限定されない。光学シート１の厚みは、例えば平均厚みで２０μｍ以上、５００μｍ以下程度である。

本実施形態では、光入射面１ａ側の光学シート１の表面は、平坦面である。光学シート１の高い光線収束機能を実現する観点からは、光入射面１ａ側の光学シート１の表面は、鏡面であることが好ましい。光入射面１ａ側の光学シート１の表面に複数の突起を形成したり、艶消し加工、エンボス加工又は印刷加工などを施したりして、表面を粗面にしてもよい。

光学シート１の製造方法は特に限定されない。光学シート１の製造には、従来一般に使用されている光学素子の製造方法を適用できる。光学シート１の製造方法としては、例えば、成形型を用いたプレス成形、ＵＶ重合成形法、並びにインクジェット法などを用いた印刷成形法等が挙げられる。さらに、透光性シートに、マイクロレンズ２が設けられた別の透光性シートを貼り合わせて、光学シート１を作製してもよい。

図３は、本実施形態の光学シート１を用いた液晶表示装置１１の一例を示す概略断面図である。

図３に示すように、液晶表示装置１１は、光源デバイス１３と、光学シート１と、液晶表示セル１７とを備える。光源デバイス１３と、光学シート１とは、光源ユニット１２を構成している。

なお、ここでは、直下方式のバックライトを備えた液晶表示装置を例に挙げて説明する。但し、液晶表示装置は、例えば、エッジライト方式のバックライトを備えていてもよい。また、液晶表示装置は、バックライトを備えていない反射型の液晶表示装置であってもよい。

光源デバイス１３は、ケーシング１４と、複数の線状の光源１５と、光拡散板１６とを備える。光源１５は、ケーシング１４内に収納されている。光源１５は、冷陰極線管により構成されている。光源１５の種類は、特に限定されない。線状の光源１５にかえて、複数の点状の光源をマトリクス状に配置してもよい。なお、点状の光源は、例えば、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）などによって構成できる。

光学シート１は、光源デバイス１３の光出射面の上方に配置されている。光学シート１の光出射面１ｂ側には、液晶表示セル１７が配置されている。液晶表示セル１７は、光出射面１ｂの上方に配置されている。但し、液晶表示セル１７は、光出射面１ｂの上に配置されていてもよい。

上述のように、光学シート１によれば、モアレ現象の発生を抑制しつつ、高い光線集束性能を実現できる。従って、光学シート１の使用により高輝度かつ高い表示品位を有する液晶表示装置１１を提供できる。

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明する。本発明はこれら実施例のみに限定されない。

（実施例１）
熱プレス成形法を用いてポリエチレンテレフタレートフイルムを成形し、図１に示す光学シートを作製した。光学シートの光出射面に凸状かつ半球状（球体の一部の形状）の第１〜第３のマイクロレンズを下記のように形成した。複数のマイクロレンズの全個数１００％中の第１〜第３のマイクロレンズの個数と、第１〜第３のマイクロレンズの直径と、第１〜第３のマイクロレンズの充填率（複数のマイクロレンズの充填率）とを下記のように設定した。

第１のマイクロレンズ：個数＝ ７％、直径Ｄ１＝６０μｍ
第２のマイクロレンズ：個数＝１６％、直径Ｄ２＝５８μｍ
第３のマイクロレンズ：個数＝７７％、直径Ｄ３＝３８μｍ
充填率：９２．８％

得られた光学シート１を用いて、図３に示す２０インチサイズの液晶表示装置１１を作製した。得られた液晶表示装置１１について、輝度（光線集束性能）と、モアレ現象の発生状況とを測定した。

得られた液晶表示装置１１の全画面において白色表示をさせた状態で、画面の法線方向における画面中央の輝度を測定することにより、輝度を評価した。

また、光学シートを配置しなかったこと以外は同様にして、液晶表示装置（ＳＴＤ）を得た。液晶表示装置（ＳＴＤ）の輝度を１００％としたときの液晶表示装置１１の輝度を算出し、結果を下記に示した。

モアレ現象の発生状況は、液晶表示装置１１に放射状テストチャート（日本画像学会スクリーンゲージ）を表示させ、モアレ現象の有無を目視によって観察した。

さらに、光学シートのぎらつき感の有無を目視によって観察した。

結果を下記に示す。

輝度：１４４％
モアレ現象：なし
ぎらつき感：なし

（実施例２）
複数のマイクロレンズの全個数１００％中の第１〜第３のマイクロレンズの個数と、第１〜第３のマイクロレンズの直径と、第１〜第３のマイクロレンズの充填率とを下記のように設定したこと以外は実施例１と同様にして、光学シートを得た。

第１のマイクロレンズ：個数＝１１％、直径Ｄ１＝６０μｍ
第２のマイクロレンズ：個数＝１８％、直径Ｄ２＝５８μｍ
第３のマイクロレンズ：個数＝７１％、直径Ｄ３＝３６μｍ
充填率：９５．８％

また、得られた光学シートを用いて、実施例１と同様の評価を実施した。結果を下記に示す。

輝度：１４５％
モアレ現象：なし
ぎらつき感：なし

（実施例３）
複数のマイクロレンズの全個数１００％中の第１〜第３のマイクロレンズの個数と、第１〜第３のマイクロレンズの直径と、第１〜第３のマイクロレンズの充填率とを下記のように設定したこと以外は実施例１と同様にして、光学シートを得た。

第１のマイクロレンズ：個数＝ ４％、直径Ｄ１＝６０μｍ
第２のマイクロレンズ：個数＝ １％、直径Ｄ２＝５８μｍ
第３のマイクロレンズ：個数＝９５％、直径Ｄ３＝３６μｍ
充填率：９９．２％

また、得られた光学シートを用いて、実施例１と同様の評価を実施した。結果を下記に示す。

輝度：１４８％
モアレ現象：なし
ぎらつき感：あり

（比較例１）
複数のマイクロレンズの全個数１００％中の第１〜第３のマイクロレンズの個数と、第１〜第３のマイクロレンズの直径と、第１〜第３のマイクロレンズの充填率とを下記のように設定したこと以外は実施例１と同様にして、光学シートを得た。

第１のマイクロレンズ：個数＝３０％、直径Ｄ１＝７０μｍ
第２のマイクロレンズ：個数＝３０％、直径Ｄ２＝５０μｍ
第３のマイクロレンズ：個数＝４０％、直径Ｄ３＝２０μｍ
充填率：７６．８％

また、得られた光学シートを用いて実施例１と同様の評価を実施した。結果を下記に示す。

輝度：１３３％
モアレ現象：なし
ぎらつき感：なし

１…光学シート
１ａ…光入射面
１ｂ…光出射面
１ｃ…基準面
２…マイクロレンズ
３…第１のマイクロレンズ
４…第２のマイクロレンズ
５…第３のマイクロレンズ
Ｄ１…第１のマイクロレンズの直径
Ｄ２…第２のマイクロレンズの直径
Ｄ３…第３のマイクロレンズの直径
１１…液晶表示装置
１２…光源ユニット
１３…光源デバイス
１４…ケーシング
１５…光源
１６…光拡散板
１７…液晶表示セル

Claims (4)

1. 光入射面と、光出射面とを有する光学素子であって、
   前記光入射面及び前記光出射面のうちの少なくとも一方に設けられている凸状又は凹状の複数のマイクロレンズを備え、
   前記複数のマイクロレンズが、異なる直径を有する第１〜第３のマイクロレンズを有し、
   前記複数のマイクロレンズの充填率が９０％以上である、光学素子。
2. 前記複数のマイクロレンズの充填率が９６％以下である、請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第１のマイクロレンズの直径は前記第２のマイクロレンズの直径よりも大きく、前記第２のマイクロレンズの直径は前記第３のマイクロレンズの直径よりも大きく、
   前記複数のマイクロレンズの全個数１００％中、前記第１のマイクロレンズの個数が７±２％、前記第２のマイクロレンズの個数が１６±２％、前記第３のマイクロレンズの個数が７７±２％である、請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記第１のマイクロレンズの直径が６０±０．５μｍ、前記第２のマイクロレンズの直径が５８±０．５μｍ、前記第３のマイクロレンズの直径が３８±０．５μｍである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。

Images