JP2011169928A - 光学シート及びこれを備えたバックライトユニット並びにディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成要素の一体化及びランプイメージの均一化を容易に実現して光源ムラを低減するとともに、画面上にモアレなどを生じにくくし、あるいは、生じないようにする光学シート及びこれを備えたバックライトユニット並びにディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】入射した光が透過するとともに該光の光線方向を変換して出射させる光学シート１であって、透明材により形成された基材層による光学シート１の表面２ａによって、拡散材３の粒子や気泡にで構成された微細形状のレンズもしくはプリズムによる光拡散面を構成する。この光拡散面を構成する表面２ａが、屈折率の異なる凹部２ｂと凸部２ｃをストライプパターン状に繰り返し配置して構成されている。よって、表面２ａは、凹部２ｂと凸部２ｃの配置が繰り返される方向において、表面２ａに沿って光線の屈折率分布が変化するストライプパターン状の屈折率変化部を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばマイクロレンズアレイやプリズムアレイ、レンチキュラーレンズ、光導波路などの光学作用を目的とした光学構造を有する光学シート及びこれを備えたバックライトユニット並びにディスプレイ装置に関する。

液晶表示装置に代表されるディスプレイ装置は、画像表示に必要な明るさを得るために光源を内蔵するタイプが広く普及されている。例えばＴＦＴ型液晶パネルやＳＴＮ型液晶パネルを使用したカラーノートＰＣなどのディスプレイ装置では、液晶パネルの背面側（裏面側）に光源を配置し、この光源から出射した光を液晶パネルに入射させるバックライト方式が多用されている。

一方、この種のディスプレイ装置は、光源で消費される電力が装置全体で消費される電力の多くを占めるため、総電力の低減が強く要望される昨今においては、光源効率の向上が課題となっている。そして、従来、光源効率を向上させる対策として、発光ダイオード（ＬＥＤ）等を光源として用いて電力−発光変換効率を高めたり、いわゆるローカルディミング法を適用して、周辺の明るさに応じて必要な分だけ発光（調光）するようにしたり、発した光線の伝達利用効率を高めるなどの手法が用いられている。

また、光線の伝達利用効率を高める手段としては、ＢＥＦ（米国３Ｍ社の登録商標：Brightness Enhancement Film）などの輝度向上フィルムを備えた光学シートを光源または導光板と液晶パネルとの間に設けることが広く知られ、実際に使用されている。

この輝度向上フィルムは、断面三角形状のプリズムが一方向に周期的に配列された光学フィルム（すなわち、プリズムの反復的アレイ構造が一方向に配列してなるもの）であり、入射光の光線方向の変換（転換）及び再帰反射による光線のリサイクルを可能にする（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。このため、ＢＥＦに代表される輝度向上フィルムをディスプレイ装置に採用することにより、電力消費を低減しながら所望の正面輝度を得ることが可能になる。なお、実際には、ディスプレイ装置の水平及び垂直方向での表示光の輝度制御が必要になるため、プリズム群の配列方向が互いに交差するように、輝度向上フィルムを備えた２枚の光学シートを重ね、組み合わせで用いることが多い。

さらに、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を用いることも提案されている（例えば、特許文献４参照）。

また、大型のディスプレイ装置においても、従来の直下型ＣＣＦＬ（冷陰極管）バックライトユニットの他に、直下型ＬＥＤタイプのバックライトユニットや、導光板方式のバックライトユニットが実用化されつつある。

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２００６−３０１５８２号公報

ディスプレイ装置、特に大型のディスプレイ装置においては、光源のシルエット（ランプイメージ）が目立ちやすくなるため、拡散板のヘイズ（曇り度）を調整するなどしてその均一化（光源ムラをなくす）が行われているが、拡散板のヘイズなどの調整だけで均一化を図ることは、限界に近づきつつあり困難になってきている。

また、上記の輝度向上フィルムは、正面輝度の向上に寄与するもののランプイメージの低減にはそれほど大きな効果を発揮することがなく、拡散板あるいはフィルムの追加など、何らかの対応が別途必要になってしまう。

また、LED方式の光源ユニットでは、光源の形状が点状なため、イメージが顕在化しやすく、CCFL方式などと比べても、より一層の改善が必要である。
さらに、ディスプレイ全体の薄型化の為、光源をディスプレイ背後ではなく側面に配置して、導光板を用いてディスプレイに光線を導くサイドライト方式を最小した場合には、導光板に光取出しの為、ドット列やストライプなどの幾何学的に配置された微少な形状を導光板表面に設けるが、この微少形状の配置が液晶ディスプレイの画素や、輝度向上シートなどに刻まれたパターンとのモアレを生じるなどの問題を生じる。

さらに、バックライトユニットは、サイズ別、品種別に専用設計されることが少なく、均質で大きなサイズの元板あるいはフィルムを所望のサイズに切り出してＬＣＤなどに搭載される。このように、任意に切り出しても使用可能な汎用の光学シートあるいはフィルムを使用するため、シートを全面均一な構造とし、かつ、光源（ランプ）の位置や形状が異なるあらゆるケースに対応させなければならない。そして、全面均一な構造の従来の光学シートを用いた場合において、ランプイメージを低減させるためには拡散度を高くすることなどが必要になり、結果として、光利用効率を犠牲にせざるを得なくなってしまう。このため、このような構成を有するバックライトユニットで十分な明るさを得るためには、個々の光源の出力を上げるか、光源の数を増やすなど、総出力を上げなければならない。

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、その目的は、構成要素の一体化及びランプイメージの均一化を容易に実現して光源ムラを低減するとともに、画面上にモアレなどを生じにくくし、あるいは、生じないようにする光学シート及びこれを備えたバックライトユニット並びにディスプレイ装置を提供することにある。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の光学シートは、入射した光が透過するとともに該光の光線方向を変換して出射させる光学シートであって、透明材により形成された基材層の少なくとも一つの面に、微細形状のレンズもしくはプリズムによる光拡散面を有しており、前記光拡散面が、該光拡散面に沿って光線の屈折率分布が変化するストライプパターン状の屈折率変化部を有していることを特徴とする。

この発明においては、ストライプパターン状の屈折率変化部を基材層の光拡散面が有することで、レンズシートあるいはプリズムシートと呼ばれる光学シートにおける、特に斜め方向での光学特性、主に輝度の変化に伴う特性を変化させる。

本発明の光学シートは、ストライプパターン状の屈折率変化部を、光拡散面に形成したうねり形状により構成してもよい。

この光拡散面に形成したうねり形状の高さ差は数ミクロンオーダーの微小なものであるが、屈折率変化部におけるストライプパターンの周期は数ミリ〜数センチ程度に任意に設定し、また、複数の周期を有しても良い。
このストライプパターンの周期に対するうねり形状の高さは非常に小さいため、光学シートを正面方向から見た場合は、うねり形状の有無の判別が困難なほど薄いものとなるが、光学シートを斜め方向から見た場合には、透過する光線の屈折角に大きな差が生じるためにストライプパターンをはっきり認識することが出来る。

本発明の光学シートにおいては、ストライプパターン状の屈折率変化部を、光拡散面に沿った基材層の素材の密度差により構成してもよい。光拡散面に沿って基材層の素材に密度差が存在すると、屈折率変化部の屈折率に、光拡散面に沿った差が生じる。

これは、光学シートを斜めから透過する光線の屈折度合いの違いを、前述の表面形状のうねりではなく、光学シート材料の屈折率差により生じさせることでも同等の効果が得られることを意味している。
また、これら両者を組み合わせて使用することも可能である。

本発明では、これまでに述べた光学シートの基材層内部の全体にシリカビーズや気泡などで構成される拡散剤を分散させたことを特徴とし、もしくは、光学シートを多層構成としたうえで、透明材の層上に前記拡散剤を含んだ拡散層を積層して、光拡散面を構成するを特徴とする。

これは、拡散剤を光学シート中に含有させることにより生じる光拡散効果で、光学シートの配光特性を調節ことすることにより、光学シート中の光拡散コントロールが可能になり、光利用効率の向上を図ることが可能になることを意味している。

本発明では前記の光学シートと、この光学シートに光を入射させる複数の光源とを備えることを特徴としたバックライトユニットを構成する。
これにより、光学特性をマッチングさせつつ、ランプイメージの発生を低減した構成のバックライトユニットを提供できる。

本発明のディスプレイ装置は、上記のバックライトユニットを備えていることを特徴とする。

この発明においては、上記の光学シート及びバックライトユニットの作用効果を得ることが可能になる。
以上に説明したように、本発明の光学シートや、本発明のバックライトユニットおよびディスプレイ装置に用いる光学シートは、正面視時にはほとんど観察出来ず、斜視時に観察可能なストライプパターン状の屈折率変化部を有している。
本光学シートの近傍には、導光板や他の光学シートが設置される。これらの導光板や他の光学シートの表面構造が、特に斜めに観察した場合にモアレなどで顕在化するため、液晶パネルなど格子構造を有するパネルと組み合わせた場合に、コントラストの高いはっきりとしたモアレ縞を生じてしまう。
このモアレ縞のコントラストと同期するような周期のストライプパターンを生じさせることで、そのコントラストを低減することが可能である。

加えて、複数の周期のストライプパターンを同一のシート中に設けることで、複雑雑多なモアレ縞やそれらに起因する映像以外の模様を低減することが可能である。
特に導光板を用いた場合には、その導光板の表面の構造が、斜めに観察した場合に顕著に観察出来るためより低減効果が顕著である。
本発明の光学シートのストライプパターン状の屈折率変化部は、正面からはほとんど観察出来ないため、ディスプレイの光学特性には影響を与えない。

さらに、本発明の光学シートは、例えば押出し成形法を用いて製造することができ、押出し機の引き取り部分の挟圧条件や吐出条件を変更するのみで特別なユニットを要することなく製造できる。
これは、バンク成型時に半溶融状態の樹脂の脈動を硬化時に利用して、圧力を一定に保てば脈動に応じてその厚さを微妙に変動させることが出来、あるいは、膜厚を一定に保てばフィルム中の樹脂密度を微妙に変動させることが出来、結果として屈折率の変動としてフィルムにストライプパターン状の屈折率変化部を記録することが可能である。
このため、設備上安価な構成で、主光拡散層の表面を波状に形成した光学シートを製造（実現）することが可能である。

本発明によれば、構成要素の一体化及びランプイメージの均一化を容易に実現して光源ムラを低減するとともに、画面上にモアレなどを生じにくくし、あるいは、生じないようにすることができる。

本発明の一実施形態に係る光学シートを液晶パネルのバックライトユニットとして用いたディスプレイ装置を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光学シートを製造する方法を示す図である。

以下、図１から図２を参照し、本発明の一実施形態に係る光学シート及びこれを備えたバックライトユニット並びにディスプレイ装置について説明する。

本実施形態の光学シート１は、図１に示すように、液晶パネル１１のバックライトユニット１２の一部として用いるものである。図１の符号１０は、液晶パネル１１とバックライトユニット１２とを有するディスプレイ装置を示す。光学シート１には、冷陰極管などの光源１４からの、一部リフレクタ１５によって反射された光が、導光板１３によって導かれて入射される。この光学シート１は、透明材に拡散材３を均一に分散させた材料を用いて形成された基材層を有しており、光学シート１（基材層）の表面２ａに、微細形状のレンズもしくはプリズムによる光拡散面が形成されている。

ここで、前記透明材としては、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、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィンポリマー、メチルスチレン樹脂、フルオレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ピリプロピレンなど、熱可塑性樹脂からなる透明樹脂を用いることが好ましい。

また、拡散材３としては、例えば無機酸化物または樹脂からなる透明粒子（フィラー）を用いることが好ましい。無機酸化物からなる透明粒子としては、例えばシリカ、アルミナなどが挙げられる。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）等のフッ素ポリマー粒子；シリコーン樹脂粒子などが挙げられる。また、拡散材３として、気泡などを用いてもよい。

さらに、本実施形態の光学シート１において、表面２ａが周期的な波状を呈する曲面状且つ凹凸状に形成されている。すなわち、その表面２ａが一方向に延びる凹部２ｂと凸部２ｃを備え、これら凹部２ｂと凸部２ｃがそれぞれ所定の曲率を持った曲面状に形成されて周期的な波状を呈するように形成されている。また、凹部２ｂと凸部２ｃは例えば２０〜３０ｍｍ程度のピッチ、厚さ方向の高低差は１０ミクロン程度で形成されている。
したがって、本実施形態の光学シート１の表面２ａが、拡散材３の粒子や気泡にで構成されたレンズもしくはプリズムによる光拡散面を構成していることになる。そして、光拡散面である表面２ａが、屈折率の異なる凹部２ｂと凸部２ｃをストライプパターン状に繰り返し配置して構成されていることになる。よって、表面２ａは、凹部２ｂと凸部２ｃの配置が繰り返される方向において、表面２ａに沿って光線の屈折率分布が変化するストライプパターン状の屈折率変化部を有していることになる。

ここで、このような光学シート１は、例えば押出し成形法により製造することができる。図２は、押出し成形法によって本実施形態の光学シート１を製造する方法を例示したものである。この光学シート１の製造方法では、予め均一な厚さでシート状に形成されてロールに巻き回された基材シート５（基材層；装填は任意）を、引取機の一対の冷却ロール６などのロールに巻き掛けるようにして一定速度で繰り出す。また、押出し機（不図示）にて樹脂ペレットを溶融させるとともに拡散材３を分散させた材料を加圧してＴダイ４に供給し、このＴダイ４から一対の冷却ロール６の間（基材シートの表面２ａ）に所定量の溶融樹脂材を供給する。このように供給した溶融樹脂材は、一対の冷却ロール６に挟み込まれて基材シートの表面２ａに膜状に積層成形され、冷却・硬化する。これにより、基材層の表面２ａの全体に主光拡散層を積層形成したシートが形成される。

そして、このとき、冷却ロール６上に形成される溶融した樹脂たまりを半固形状の状態に保つ事で、樹脂の供給による樹脂量の増加と、シートとして引き取られて樹脂量が減る事とのバランスにより脈動が生じる。この脈動に対して一対の冷却ロールの挟む力を一定に保つ事で、脈動が樹脂の硬化度合い即ち粘度の変化として現れるので、冷却ロールの間隔が変化することにより、シート厚みの変動として発現する。
冷却ロールの間隔を一定に保つように圧力を変動させることで、硬化度合いに応じて圧力を掛けることになり、脈動に応じた樹脂密度の分布を作ることが出来る。密度が上がれば屈折率が上がり、密度が下がれば屈折率も下がるので、結果として脈動に応じた屈折率分布を作ることが出来る。

この樹脂たまりの脈動は主に樹脂温度と冷却ロールの引き取り速度、樹脂の吐出量、シート厚みなどで決定されるが、樹脂の粘断性特性によっても大きく左右される。
一例としてポリカーボネイト樹脂を成形した場合には、樹脂温度300℃、吐出量７０Kg/hで５ｍ/分の速度で引き取った場合、樹脂厚さ0.3mm〜0.8mmの間で樹脂バンクのコントロールを行ったところ、約８mm〜２６ｍｍのストライプ構造を得る事が出来た。
この場合は圧力を一定として行ったが、間隔を一定に保った場合にも同様のストライプ構造を得る事が出来た。

なお、押出し機にて樹脂ペレットの溶融と加圧を行う際に、温度と圧力が樹脂の種類によって異なるため、押出し機内で樹脂の撹拌吐出を担うスクリューも樹脂の種類に適した形状にすることが好ましい。

さらに、本実施形態のように、光学シート１は、押出し成形法を用いて製造することができ、押出し機の引き取り部分の挟圧条件を変更するのみで特別なユニットを要することなく製造できる。このため、設備上安価な構成で、光学シート１を製造（実現）することが可能である。

本発明は、液晶表示デバイス全般に用いることが可能であり、そのレンズシートは光線射出角度を調整した面発光光源の輝度向上や光源のランプイメージ低減に使用することが可能であり、例えば電飾看板や標識類のバックライトにも用いることが可能である。

１ 光学シート
２ａ 表面
２ｂ 凹部
２ｃ 凸部
３ 拡散材
４ Tダイ
５ 基材シート
６ 冷却ロール
７ 冷却ロール
１０ ディスプレイ装置
１１ 液晶パネル
１２ バックライトユニット
１３ 導光板
１４ 光源
１５ リフレクタ

Claims (6)

1. 入射した光が透過するとともに該光の光線方向を変換して出射させる光学シートであって、
   透明材により形成された基材層の少なくとも一つの面に、微細形状のレンズもしくはプリズムによる光拡散面を有しており、
   前記光拡散面が、該光拡散面に沿って光線の屈折率分布が変化するストライプパターン状の屈折率変化部を有している、
   ことを特徴とする光学シート。
2. 請求項１記載の光学シートにおいて、
   前記屈折率変化部を、前記光拡散面に形成したうねり形状により構成した、
   ことを特徴とする光学シート。
3. 請求項１記載の光学シートにおいて、
   前記屈折率変化部を、前記光拡散面に沿った前記基材層の素材の密度差により構成した、
   ことを特徴とする光学シート。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学シートにおいて、前記基材層の全体に拡散剤を分散させ、もしくは、前記透明材の層上に拡散剤を含む層を積層して、前記光拡散面を構成した、
   ことを特徴とする光学シート。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学シートと、該光学シートに光を入射させる複数の光源とを備えることを特徴としたバックライトユニット。
6. 請求項５記載のバックライトユニットを備えていることを特徴とするディスプレイ装置。

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