JP2011118118A

JP2011118118A - 光学シート

Info

Publication number: JP2011118118A
Application number: JP2009274683A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Fujiwara; 隆之藤原
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-06-16

Abstract

【課題】均一でムラ無く、視野角を変化させても急激に輝度の変化のない光学シートを提供すること。
【解決手段】光学シート１２は、基材である基部１４の射出面１４ａに光を集光もしくは拡散させる１種、或いは複数種類のレンズ要素が配列されている。レンズ要素は、拡散板７から射出される射出光を再配向して表示画面側に集光・拡散するための光学突起部として凸状で略半球状の構造体１５（単位構造体）を含んで構成されている。また、前記レンズ要素は、隣り合う略半球状の構造体１５の間隙に設けられたプリズムレンズ１６を含んで構成されている。そして、畝状構造の表面に、構造体１５と畝状構造とが交わる境界を起点として畝状構造の延在方向に延在する凹凸形状領域１８が設けられている。凹凸形状領域１８は、微細な複数の凸部と微細な複数の凹部とが組み合わさって構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学シートに関し、さらに具体的には、照明光路制御に用いられ、特に、フラットパネルディスプレイに代表される画像表示装置における照明光路制御に使用される集光拡散機能を有する光学シートに関するものである。

液晶表示装置に代表されるディスプレイ装置では、画像を表示するのに必要な明るさを得るために光源（バックライト）を内蔵するタイプの普及が著しい。また、この種のディスプレイ装置においては、光源で消費される電力が装置全体で消費する電力の相当部分を占めており、総電力の低減が強く要望される昨今においては、光源効率の向上が必須となっている。
光源効率の向上策としては、電力−発光変換効率を高めたり、周辺の明るさに応じて必要な分だけ発光するように調光する手法、または、発した光線の利用効率を高める手法がある。
光線の利用効率を高める手段としては、光源または導光板と液晶パネルとの間に、輝度向上フィルム（たとえばＢＥＦ、米国３Ｍ社の登録商標）を備えた光学シートが広く使用されている。

この輝度向上フィルムは、プリズムの反復的アレイ構造が１方向に配列してなるものであり、その配列方向において、入射光の方向転換及び再帰反射による光線のリサイクルが可能である。実際には、ディスプレイの水平および垂直方向での表示光の輝度制御が必要なため、プリズム群の配列方向が互いに交差するように、２枚の光学シートを重ねて組み合わせることが多い。
ＢＥＦに代表される輝度向上フィルムにより、ディスプレイ設計者は、電力消費を低減しながら所望の正面輝度の達成が可能となった。

ストライプ状プリズム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装置に採用することは、多数の特許文献に開示されている（たとえば特許文献１乃至３参照）。また、プリズムではなく単位レンズを反復的に配したアレイ構造（シリンドリカルレンズを配した場合、レンチキュラーレンズとなる）を有する光学フィルムが提案されている（例えば特許文献４参照）。この光学フィルムの液晶パネル側の面は、光学フィルム内を進行した光を液晶パネル側へ導くように、複数の単位レンズが反復的に形成されたアレイ構造となっている。この光学フィルムではレンズが形成された面の裏面側に、レンズの焦点面近傍が開口部としたストライプ状の反射層パターンが設けられている。
また、上述の光学フィルムを、液晶ディスプレイ装置のバックライトユニットに組み込むと、反射層の開口部を通過した光のみがレンズに入射し、一定方向に集光された後に出射され液晶パネルに導かれる。
一方、開口部を通過せず、反射した光は、光源側に戻され、光源の背面に配置された反射板へ導かれる。そして、反射板によって反射された光線は、先程とは異なる位置にて光学フィルムに達する。光線が反射する際、拡散反射材（例えば白色板など）を用いることで光学フィルムの開口部からは確率的光線が入射するため、反射時の光量ロスを最小限に抑えつつ、光線を有効に利用する事が可能となる。

上記のような光学フィルムを用いたバックライトユニットでは、反射層開口部の間隔や表面側レンズとの相対位置を調節することによって、光の利用効率向上と、レンズから正面方向に出射される光の割合、即ち、正面輝度を高めるように制御することができる。
また、このような複雑な多層構造を有するレンズシートとは別の、単純なシート構造のレンズシートとしてマイクロレンズシートも提案されている（例えば特許文献５参照）。
ディスプレイの大型化に際しては、そのディスプレイ自体の大きさと、面積に比例した多くの光量が必要なため、直下型のバックライトユニットの採用が一般的だが、光利用効率を向上によりディスプレイの輝度を向上するこれらの輝度向上フィルムは、その原理上入射側に空気層が必要であり、別体化や空気層の設置が必要である。

特公平１−３７８０１号公報特開平６−１０２５０６号公報特表平１０−５０６５００号公報特開２０００−２８４２６８号公報特開２００６−３０１５８２号公報

近年、バックライトユニットに用いられる複数の光学シートの機能を、より少ない枚数の光学シートで実現しようとする試みがなされている。そのために、集光と拡散の機能をあわせ持った光学シートの開発が盛んに行われている。しかしながら、このような大面積の光学シートでは、均一でムラ無く、視野角を変化させても急激に輝度の変化がないようにすることは難しいという問題がある。

請求項１記載の発明は、光透過性シートの一方の面に、凸状で略半球状の単位構造体が２次元配列されており、隣り合う前記単位構造体の間隙を凸状で断面が三角形で延在する畝状構造が配されている光学シートにおいて、前記畝状構造の表面に、前記単位構造体と前記畝状構造とが交わる境界を起点として前記畝状構造の延在方向に延在する凹凸形状領域が設けられ、前記凹凸形状領域は、微細な複数の凸部と凹部とが組み合わさって構成されていることを特徴とする光学シートである。
また、請求項２記載の発明は、前記凹凸形状領域の延在方向に沿った長さＷaが、前記単位構造体の直径Wより小さいことを特徴とする請求項１に記載の光学シートである。
また、請求項３記載の発明は、前記凹凸形状領域の表面粗さＲｚは、０．０５μｍ以上０．３μｍ以下である請求項１または２記載の光学シートである。
また請求項4記載の発明は、前記単位構造体が、互いに等間隔をおいて規則的に、または、ランダムに配されていることを特徴とする請求項１乃至３に何れか１項記載の光学シートである。

本発明の光学シートは、大面積光学シートにおいてムラが目立ちにくく、単位構造体と畝状構造による光拡散効果と凹凸形状領域による光拡散効果の二つの光拡散効果により、広い範囲に光を拡散させることができ、視野角によって明るさの変化が少ない光学シートの作成ができる。

ディスプレイ装置１の説明図である。光学シート１２の説明図である。光学シート１２を製作するための金型形成ロールの斜視図である。光学シート１２を押出法により作製する説明図である。実施例の測定結果を示す図である。

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、本発明の第一実施形態による光学シートを含むディスプレイ装置について図１により説明する。
図１に示すディスプレイ装置１は、バックライトユニット２と画像表示素子としての液晶パネル（液晶表示素子）３とを備えている。
バックライトユニット２において、例えば所定間隔で配列された冷陰極管（ＣＣＦＬ）からなる複数の光源４と、光源４の背面に配設されていて背面側の出射光を反射させる反射板５とでランプハウス６を構成している。なお、光源４は冷陰極管に限定されることなく、ＥＬ、ＬＥＤ、半導体レーザー等を採用することができる。
更に、光源４の光照射方向前方側には光源４から進入する光を拡散する光拡散層としての拡散板７が配設されている。
液晶パネル３は偏光板８、９間に液晶素子１０が挟持されて構成されている。
拡散板７と液晶パネル３との間には、拡散板７を透過する光を集光及び拡散する光学シート１２が配設されている。
なお、本実施形態によるディスプレイ装置１は液晶表示装置を示すが、これに限らず、投射スクリーン装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置など、画像を光により表示する表示装置であればディスプレイ装置１の種類は問わない。

光学シート１２は、図２に示すように、基材である基部１４の射出面１４ａに光を集光もしくは拡散させる１種、或いは複数種類のレンズ要素が配列されている。これらレンズ要素は、拡散板７から射出される射出光を再配向して表示画面側に集光・拡散するための光学突起部として凸状で略半球状の構造体１５（単位構造体）を含んで構成されている。
また、前記レンズ要素は、隣り合う略半球状の構造体１５の間隙に設けられたプリズムレンズ１６を含んで構成されていてもよく、プリズムレンズ１６は凸状の略三角形柱状で一次元方向に延びて形成され、同一方向に複数列配設されて構成されているが、二次元方向に複数列配列されて構成されていてもよい。
略半球状の構造体１５は、図２に示す光学シート１２では、幅方向及びこれに直交する方向に略等間隔をあけて規則的に配列されている。
或いは、略半球状の構造体１５は、幅方向及びこれに直交する方向に不等間隔を空けて不規則的に配列してもよい。

そして、畝状構造の表面に、構造体１５と畝状構造とが交わる境界を起点として畝状構造の延在方向に延在する凹凸形状領域１８が設けられている。
凹凸形状領域１８は、微細な複数の凸部と微細な複数の凹部とが組み合わさって構成されている。
凹凸形状領域１８は、図２に示すように、１つの構造体１５に対して複数設けられていてもよく、あるいは、１つの構造体１５に対して１つ設けられていてもよい。
また、凹凸形状領域１８は、全ての構造体１５にそれぞれ設けてもよく、あるいは、複数の構造体１５毎にそのうちの１つの構造体１５に設けてもよく、少なくとも射出面１４ａにおいてその全域に散らばって配置されていればよい。

この場合、略半球状の構造体１５の直径Wは略同一である。
また、略半球状の構造体１５の幅（直径）Ｗは、例えば、４０μｍ〜２５０μｍであり、高さＨは、１５μｍ〜１５０μｍである。
また、プリズムレンズ１６の幅（ピッチ）Ｐは、例えば、２０μｍ〜１００μｍであり、高さｈは、５μｍ〜６０μｍである。
また、基部１４の厚さＤは、例えば、１００μｍ〜５００μｍである。
また、凹凸形状領域１８の表面粗さＲｚは、０．０５μｍ〜０．３μｍである。
凹凸形状領域１８の表面粗さＲｚが０．０５μｍ未満であると、光の拡散が小さく、視野角効果が得られず、０．３μｍを超えると点状のムラの不具合がある。
また、畝状構造の延在方向に沿った凹凸形状領域１８の長さＷａは、１０μｍ〜１００μｍである。

以下、本発明について実施例を挙げてさらに具体的に説明する。
（１）光学シートの作製
先ず、図３に示すように、光学シート１２を製作するための実施例１〜３に対応する金型形成ロール２０をそれぞれ製作した。実施例１〜３に対応する各金型形成ロール２０はレーザー方式により金型シリンダー２０ａ全体に光学シート１２の表１に示す各略半球状単位構造体１５に対応する凹部２１をランダムに形成した。その後、実施例１〜３に相当する各金型形成ロール２０を精密切削機にセットし、プリズムレンズ１６に相当する形状を先端に有するダイヤモンドバイトで切り込むことにより、下地表面に実施例１〜３におけるプリズムレンズ１６に対応する凹部２２を切削形成した。
このようにして、実施例１〜３に対応する光学シート１２を作製するための各金型形成ロール２０を作製した。
次に、図４に示す押し出し機２５に各金型形成ロール２０と金型押圧ロール２４を装着して光学シート１２を押出法により作製した。
ダイ２６で帝人化成（株）製の熱可塑性ポリカーボネート樹脂を配合して溶融し、押し出しによってシート状に成形すると共に、熱可塑性ポリカーボネート樹脂のシート１２ａが冷却されて硬化する前に金型形成ロール２０と金型押圧ロール２４によって拡散性を有する光学シート１２を成形した。
但し、シートの作製には押出し法に限ったものでは無く、金型形成ロール２０と透光性基材の隙間に紫外線硬化型樹脂を充填、押圧し、且つ紫外線を基材側より照射し、剥離することで光学シート１２を得ても良い。

（２）光学シートの評価
バックライトユニット２の構成において、光学シート１２に実施例１〜３に相当する光学シートをそれぞれ置き換え、シート中央の輝度を輝度計を用いて測定した。シート面の法線方向を正面とし、法線方向から角度を変え、０°から＋６０°まで測定し、輝度分布とした。
また、光源を点灯していない状態の蛍光灯照明下において、目視によりシート表面のムラの様子を観察した。

実施例１
上記（１）の方法により光学シート１２を作製した。略半球状の構造体１５の直径Wを１００μｍ、高さHを５０μｍ、断面が三角形となる畝状構造の単位レンズ１６のピッチは３０μｍ、頂角を９０度とし、凹凸形状領域１８は略半球状の構造体１５を起点として直線状に延在させて作製し、表面粗さＲｚは０．１μｍ、長さＷａを３０μｍとした。単位レンズ１６の配列は、ハニカム配列とした。ここで凹凸形状領域１８の形は直線状に延在するものに限った物でなくても構わない。
実施例２
凹凸形状領域１８が無いこと以外は、実施例１と同様に実施した。
実施例３
凹凸形状領域１８の長さＷａが１５０μｍである以外は、実施例１と同様に実施した。
実施例４
凹凸形状領域１８の位置を略半球状構造体１５と接していない箇所に設けた。前述以外は、実施例１と同様に実施した。

上述した実施例を（２）の方法により評価した結果を図５に示す。実施例２に比べて実施例１は、観察角度よる輝度の差が少なく、光学シートとして用いた場合、より安定した輝度分布を持つことが分かった。
また、目視での外観評価では、実施例１においては凹凸形状領域１８が略半球状構造体１５と接しているため、略半球状構造体１５と同位置で分布するためムラが認識できなかったが、実施例３のものは、凹凸形状領域１８の長さＷａが略半球状構造体１５のより長さＷより大きいので、点状のムラが僅かに確認された。
実施例４のものは、実施例１と近似した輝度分布を示したが、点状のムラがはっきりと確認された。

上記の通り、凹凸形状領域１８を略半球状構造体１５に接することによって、大面積光学シートにおいてムラが目立ちにくくなり、且つ略半球状の構造体１５と畝状構造による光拡散効果と凹凸形状領域１８による光拡散効果の二つの光拡散効果により、広い範囲に光を拡散させることができ、視野角によって明るさの変化が少ない光学シートを作成ができることが分かった。

１ディスプレイ装置
２バックライトユニット
３液晶パネル
４光源
５反射板
６ランプハウス
７拡散板
12 光学シート
14 基材
15 略半球状構造体
16 プリズムレンズ
20金型形成ロール
21 略半球状単位構造体15に対応する凹部
22 プリズムレンズ16に対応する凹部
25 押し出し機
26 ダイ

Claims

光透過性シートの一方の面に、凸状で略半球状の単位構造体が２次元配列されており、
隣り合う前記単位構造体の間隙を凸状で断面が三角形で延在する畝状構造が配されている光学シートにおいて、
前記畝状構造の表面に、前記単位構造体と前記畝状構造とが交わる境界を起点として前記畝状構造の延在方向に延在する凹凸形状領域が設けられ、
前記凹凸形状領域は、微細な複数の凸部と凹部とが組み合わさって構成されている、
ことを特徴とする光学シート。
前記凹凸形状領域の延在方向に沿った長さＷaが、前記単位構造体の直径Wより小さいことを特徴とする請求項１に記載の光学シート。
前記凹凸形状領域の表面粗さＲｚは、０．０５μｍ以上０．３μｍ以下である請求項１または２記載の光学シート。
前記単位構造体が、互いに等間隔をおいて規則的に、または、ランダムに配されていることを特徴とする請求項１乃至３に何れか１項記載の光学シート。