JP2012155343A - 二次元視野角拡大部材および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】迷光により表面輝度が低下したりコントラストが低下することがなく、角度依存性が少なく、かつ外光の散乱反射の少ない二次元視野角拡大部材、およびこの二次元視野角拡大部材を用いた表示装置を提供する。
【解決手段】断面形状略台形の複数の単位レンズを一次元方向に形成した２枚の光拡散シートが単位レンズの前記一次元方向が略９０°ずらせて重ねられ、それぞれの前記光拡散シートにおいて、前記単位レンズは前記台形の下底を入光部、上底を出光部、斜辺を全反射部として形成され、それぞれの光拡散シートにおいて、単位レンズは高屈折率物質で形成され、隣接する単位レンズに挟まれた断面形状三角形の部分は高屈折率物質の屈折率より低い屈折率を有する低屈折率物質で形成されており、低屈折率物質には光吸収粒子が添加されているとともに、光吸収粒子の低屈折率物質中への添加量は、１０質量％〜６０質量％である。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次元視野角拡大部材、この二次元視野角拡大部材を用いた表示装置に関する。

液晶ディスプレイ装置等においては、観察者の視認性を高めるため液晶パネルの観察者側に光拡散シートを用いたものが知られている。この光拡散シートは、例えば、透光性フィルムの表面を凹凸処理したもの、樹脂フィルムの内部に光拡散性微粒子を含有させたもの、円柱状のレンズが一つの平面上に並列配置されたレンチキュラーレンズシート等がある。また、これらのシートを二、三枚組合わせて用いることも行なわれている。これらは、フィルム、大気、微粒子等の各屈折率の差を利用してこれらの境界において映像光を多方向に屈折させ、映像光を広範囲に拡散して観察者側に出射することで視認性の向上を図ろうとするものである。

しかし、光拡散性微粒子や凹凸が形成されたシート表面によって、映像光が乱反射して多くの迷光を生じさせることになり、ディスプレイの表面輝度、コントラストの低下等を招いていた。また、表面の凹凸処理により拡散性を有するものは、その拡散性および透明性に角度依存性があるため、ディスプレイを見る角度によって視認性が変化するという問題があった。一方、光拡散シートの光拡散性は、外光の散乱反射を増加させることにもつながり、コントラストが著しく低下して映像がボケやすいという問題点もあった。一枚の光拡散シート単独で使用した場合、水平または垂直いずれかの方向の視野角の拡大が不十分となるという問題もあった。

そこで本発明は、迷光により表面輝度が低下したりコントラストが低下することがなく、角度依存性が少なく、かつ外光の散乱反射の少ない二次元視野角拡大部材、およびこの二次元視野角拡大部材を用いた表示装置を提供することを目的とする。

以下、本発明について説明する。

請求項１の発明は、断面形状略台形の複数の単位レンズを一次元方向に形成した２枚の光拡散シートが単位レンズの前記一次元方向が略９０°ずらせて重ねられ、それぞれの前記光拡散シートにおいて、前記単位レンズは前記台形の下底を入光部、上底を出光部、斜辺を全反射部として形成され、それぞれの光拡散シートにおいて、単位レンズは高屈折率物質で形成され、隣接する単位レンズに挟まれた断面形状三角形の部分は高屈折率物質の屈折率より低い屈折率を有する低屈折率物質で形成されており、低屈折率物質には光吸収粒子が添加されているとともに、光吸収粒子の低屈折率物質中への添加量は、１０質量％〜６０質量％であることを特徴とする二次元視野角拡大部材により前記課題を解決する。

この二次元視野角拡大部材によれば、２枚の光拡散シートは単位レンズの一次元方向が略９０°ずらせて配置されているので水平方向と垂直方向の拡散を同時に実現することができる。

また、それぞれの光拡散シートにおいて、単位レンズ部と比較して断面形状三角形の部分は低屈折率なので、両者が接する断面形状台形の斜辺において単位レンズへの入射光を全反射することができる。

さらに、それぞれの光拡散シートにおいて、低屈折率物質は可視光を吸収するので内部の迷光を吸収してコントラストの高い二次元視野角拡大部材を得ることができる。また、上記二次元視野角拡大部材において、可視光を吸収する材料のＯＤ値は、１０μｍ厚で１以上であることとしてもよい。ここに「ＯＤ値」とは、透過光学濃度のことをいう。

ここで、それぞれの光拡散シートにおいて、断面形状三角形の部分全体を光吸収性の材料とはせず、材料中に光吸収粒子を分散させる構成をとったので、斜辺部での全反射が効率よく行われる。したがって輝度とコントラストが高い二次元視野角拡大部材を得ることができる。また光吸収する材料の着色濃度に影響されることなく斜辺部の全反射と、断面形状三角形部の光吸収とを高いレベルで両立させて実現することができる。

光吸収粒子の前記低屈折率物質中への添加量は、１０〜６０質量％であることを特徴とする。光吸収粒子の添加量はさらに好ましくは、３０〜５０％であることが望ましい。

これによれば、光吸収粒子の添加効果を最大とすることができる。これより添加量が少ないと断面形状三角形部への充填量が不足して、いわゆるブラックストライプの幅が狭くなり、コントラストの悪化を招くことがある。またこれ以上の添加を行うと出光面（台形の上底部）に着色粒子が残留してしまうことがあるからである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の二次元視野角拡大部材において、光吸収粒子の平均粒径は、前記断面形状台形の上底を形成する出光部の長さの１／３０〜２／３であることを特徴とする。この光吸収粒子の平均粒径は、さらに好ましくは、出光部の長さの１／１０〜１／３であることが望ましい。

この発明によれば、それぞれの光拡散シートにおいて、光吸収効果を効率よいものとすることができる。また製造時に問題なく光吸収粒子を断面形状三角形部へと充填することができる。粒径を必要以上に大きくした場合、三角形部に粒子が埋まりきらずにはみだしてしまい、さらに隙間が発生しやすくなる傾向がある。逆に粒径が必要以上に小さすぎると、三角形部への充填は簡単になるが、製造時に着色粒子を出光面から掻き落とすことが困難となって、レンズ出光面に着色粒子が残留してしまう傾向が強くなるからである。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載された二次元視野角拡大部材において、２枚の光拡散シートのそれぞれに関して、前記高屈折率物質の屈折率をＮ１、前記低屈折率物質の屈折率をＮ２、前記台形の斜辺が前記出光部の法線となす角度をθとした場合、
ｓｉｎ（９０°−θ）＞Ｎ２／Ｎ１
かつ
Ｎ１＜１／ｓｉｎ２θ
なる関係が成立すること特徴とする。ここに単位レンズの断面形状は略台形なので、θは一定、すなわち斜辺は直線状であることを基本とするが、本発明は曲線状の斜辺や、浅い角度をなす複数の直線の組み合わせである場合をも含むものである。この場合にθは、変化するが、斜辺をなす各部分におけるθの９０％以上が上記関係を満たせば下記の効果を奏することができるので、本発明の技術的思想に包含されると解されるべきものである（θに関して以下同じ。）。

この発明によれば、それぞれの光拡散シートにおいて、出光面法線に平行な入射光は断面形状台形斜辺の表面にて全反射され、出光面においては反射を起こすことなく観察者側に出光される。したがって輝度とコントラストが高い二次元視野角拡大部材を得ることができる。

請求項４の発明は、請求項１又は２に記載された二次元視野角拡大部材において、２枚の光拡散シートのそれぞれに関して、台形の上底の長さをＴ、高さをＨ、台形斜辺が出光部の法線となす角度をθ、とした場合、
０＜Ｈ＜Ｔ／（ｔａｎ（２θ＋１０°）−ｔａｎθ）
なる関係を有することを特徴とする。

この発明によれば、それぞれの光拡散シートにおいて、出光面法線に対して最大１０°の傾きをもって入射し、単位レンズ断面が形成する台形斜辺の透明低屈折率層表面にて反射された光でも、隣接する単位レンズ断面が形成する台形斜辺の透明低屈折率層にいたることなくの出光面から観察者側に出光される。したがって輝度が高く迷光の少ない二次元視野角拡大部材を得ることができる。

請求項５の発明は、請求項１又は２に記載された二次元視野角拡大部材において、２枚の光拡散シートのそれぞれに関して、高屈折率物質の屈折率をＮ１、低屈折率物質の屈折率をＮ２、台形の上底の長さをＴ、高さをＨ、台形斜辺が出光部の法線となす角度をθとした場合、
ｓｉｎ（９０°−θ）＞Ｎ２／Ｎ１
Ｎ１＜１／ｓｉｎ２θ
かつ
０＜Ｈ＜Ｔ／（ｔａｎ（２θ＋１０°）−ｔａｎθ）
なる関係が成立すること特徴とする。

この請求項５の発明による二次元視野角拡大部材は、それぞれ請求項３および請求項４の発明にかかる二次元視野角拡大部材の長所を兼ね備えている。これらの二次元視野角拡大部材によれば、それぞれの光拡散シートにおいて、出光面法線に平行な入射光は、斜辺の透明低屈折率層表面にて全反射され、出光面においては反射を起こすことなく観察者側に出光される。また、出光面法線に対して最大１０°の傾きをもって入射し、単位レンズ断面が形成する台形斜辺の透明低屈折率層表面にて反射された光は、隣接する単位レンズ断面が形成する台形斜辺の透明低屈折率層にいたることなくの出光面から観察者側に出光される。したがって輝度とコントラストが高く、迷光の少ない二次元視野角拡大部材を得ることができる。

請求項６の発明は、請求項５に記載された二次元視野角拡大部材において、屈折率Ｎ１およびＮ２、並びに台形の上底の長さＴおよび高さＨが、
１＜Ｎ１＜５．７６
０．２３＜Ｎ２／Ｎ１＜０．９９６
かつ
Ｈ＜Ｔ／０．５７
なる関係を満たすことを特徴とする。

この発明によれば、請求項５の二次元視野角拡大部材において、θが５〜１５°の範囲において、出光面法線に平行な入射光を斜辺にて全反射し、出光面においては反射を起こすことなく観察者側に出光することができる。また、各光拡散シート内において一度斜辺にて反射された光は、再び他の斜辺に到達することなく出光面から出光される。ここにθの範囲を５〜１５°としたのは、このような単位レンズのテーパー角を５〜１５°とすることで、好適な視野角特性を得ることができるからである。

請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の二次元視野角拡大部材において、映像光源側には拡散剤を混入したシートが張り合わされていることを特徴とする。

この発明によれば、入光を均一にならすことができる。この拡散剤を混入したシートを張り合わせるための接着層、または粘着層の屈折率は単位レンズの屈折率と同程度でよい。光学的に大きな影響は出ないと考えられるからである。

請求項８の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の二次元視野角拡大部材において、映像光源側にはフレネルレンズが配置されていることを特徴とする。

この発明によれば、２枚の光拡散シート側に入射する光を平行なものとすることができる。

請求項９の発明は請求項８に記載の二次元視野角拡大部材において、フレネルレンズは光拡散作用を備えていることを特徴とする。

この発明によれば、２枚の光拡散シートに入射する光を均一なものとすることができる。

請求項１０の発明は、請求項１〜９のいずれかに記載の二次元視野角拡大部材において、観察者側に反射防止、ハードコート、偏光フィルター、帯電防止、防眩処理、防汚処理、タッチセンサのうち少なくとも一つの機能を備えたシートが配置されていることを特徴とする。本発明においてはこれらの機能のうち一つだけを持たせてもよく、また複数の機能を併せ持たせてもよい。

この発明によれば、二次元視野角拡大部材に多様な機能を持たせることができる。

請求項１１の発明は、請求項１〜１０のいずれかに記載された二次元視野角拡大部材を液晶パネルの観察者側に配置した表示装置により前記課題を解決する。

この発明の表示装置によれば請求項１〜１０の発明の特徴を備えた二次元視野角拡大部材を表示装置に適用することができる。

請求項１２の発明は、請求項１１に記載の表示装置において、液晶パネルから出射される映像光は、半値角で略５°〜１５°であることを特徴とする。

この発明によれば、液晶パネルからの出射光に対して最適な二次元視野角拡大性能を得ることができる。

請求項１３の発明は、請求項１１または１２に記載の表示装置において、各光拡散シートの単位レンズの方向は、液晶パネルの画素の方向とは異なるように配置されていることを特徴とする。

この発明によれば、表示装置におけるモアレ模様の発生を回避することができる。

断面形状略台形の複数の単位レンズを一次元または二次元方向に形成した２枚の光拡散シートが略９０°位相をずらせて重ねられ、それぞれの光拡散シートにおいて単位レンズは台形の下底を入光部、上底を出光部、斜辺を全反射部として形成されていることを特徴とする二次元視野角拡大部材によれば、光拡散シートは略９０°位相をずらせて配置されているので水平方向と垂直方向の拡散を同時に実現することができる。

また、それぞれの光拡散シートに関して単位レンズは高屈折率物質で形成され、隣接する単位レンズに挟まれた断面形状三角形の部分は高屈折率物質の屈折率より低い屈折率を有する低屈折率物質で形成すれば、それぞれの光拡散シートにおいて、単位レンズ部と比較して断面形状三角形の部分は低屈折率なので、両者が接する断面形状台形の斜辺において単位レンズへの入射光を全反射することができる。

また、低屈折率物質には光吸収粒子が添加されていることとすれば、それぞれの光拡散シートにおいて、断面形状三角形の部分全体を光吸収性の材料とはせず、材料中に光吸収粒子を分散させる構成をとったので、斜辺部での全反射が効率よく行われる。したがって輝度とコントラストが高い二次元視野角拡大部材を得ることができる。また光吸収する材料の着色濃度に影響されることなく斜辺部の全反射と、断面形状三角形部の光吸収とを高いレベルで両立させて実現することができる。

また、光吸収粒子の前記低屈折率物質中への添加量は、１０〜６０質量％であることとすれば、光吸収粒子の添加効果を最大とすることができる。これより添加量が少ないと断面形状三角形部への充填量が不足して、いわゆるブラックストライプの幅が狭くなり、コントラストの悪化を招く。またこれ以上の添加を行うと媒体材料と十分に混合を行うことが困難になって、製造時に三角形底辺部分に光吸収粒子が残ってしまうこととなる。

また、光吸収粒子の平均粒径は、断面形状台形の上底を形成する出光部の長さの１／３０〜２／３であることとすれば、それぞれの光拡散シートにおいて、光吸収効果を効率よいものとすることができる。また製造時に問題なく断面形状三角形部へと充填することができる。

また、それぞれの光拡散シートに関して単位レンズは高屈折率物質で形成され、全反射部を構成する斜辺の部分には高屈折率物質の屈折率より低い屈折率を有する低屈折率物質により透明低屈折率層が形成されていることとすれば、それぞれの光拡散シートにおいて、単位レンズに入射した光を透明低屈折率層表面にて全反射することができる。

また、透明低屈折率層の層厚は、０．１μｍ以上であることとすれば、それぞれの光拡散シートにおいて、透明低屈折率層による全反射を確実なものとすることができる。

また、透明低屈折率層に挟まれた断面形状三角形の部分に高屈折率物質を充填した場合には、外光反射率の低減を図ることができる。

また、透明低屈折率層のさらに出光方向側には光吸収層が形成されていることとすれば、それぞれの光拡散シートにおいて、出光面法線に対して所定以上の傾きをもって入射した光の一部は透明低屈折率層表面にて全反射されず、透明低屈折率層内部に入射するが、光吸収層により吸収される。また観察者側から出光面以外の部分に入射された光も光吸収層により吸収される。したがって迷光や反射光の少ない、鮮明な画面が得られる二次元視野角拡大部材を提供することができる。

さらに、透明低屈折率層に挟まれた断面形状三角形の部分には、着色された物質が充填されていることとすれば、観察者側から断面形状三角形の部分に入射した光は着色された物質により吸収されるので観察者側への反射光を減らすことができる。また、大きな角度をもつ入射光が単位レンズ側から透明低屈折率層を透過してきた場合にも、この着色された物質により吸収され、観察者側に出光されることが防止される。したがって迷光や反射光の少ない、鮮明な画面が得られる二次元視野角拡大部材を提供することができる。

またさらに、透明低屈折率層に挟まれた断面形状三角形の部分には、透明低屈折率層を形成する物質の屈折率より高い屈折率を有する物質に光吸収粒子が添加されて充填されていることとすれば、それぞれの光拡散シートにおいて、観察者側から断面形状三角形の部分に入射した光は光吸収粒子により吸収される。また、大きな角度をもつ入射光が単位レンズ側から透明低屈折率層を透過してきた場合にも、この光吸収粒子により吸収される。したがって迷光や反射光の少ない、鮮明な画面が得られる二次元視野角拡大部材を提供することができる。

二次元視野角拡大部材の構成の一例を示す図である。 第一実施形態の光拡散シートの断面を示す図である。 第二実施形態の光拡散シートの断面を示す図である。 光拡散シートに垂直光が入射した場合の光路を示す図である。 光拡散性シートに１０°の傾きを持った光が入射した場合の光路を示す図である。 光拡散性シートに１０°の傾きを持った光が低屈折率部がなす三角形の頂点付近に入射した場合の光路を示す図である。 低屈折率部の形状の諸態様を示す図である。 光拡散シートの構成の一例を示す図である。 光拡散シートの構成の他の一例を示す図である。 第二実施形態の光拡散シートの一変形例の断面を示す図である。 第一実施形態の光拡散シートの製造方法の一例を示す図である。 第一型ロールおよび第二型ロールを示す図である。 図１１のＥ点、Ｆ点、Ｇ点におけるシートの断面を示す図である。

本発明の上記した作用及び利得は、次に説明する実施の形態から明らかにされる。

以下本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。図１は本発明の表示装置の構成を示している。図１において、紙面手前左下方向が観察者側であり、紙面奥側右上方向を映像光源側とする。本発明の表示装置は、観察者側から順に、反射防止、ハードコート、偏光フィルター、帯電防止、防眩処理、防汚処理、タッチセンサのうち少なくとも一つの機能を備えた機能性シート１０１と、単位レンズが垂直方向に配列された光拡散シート１０２と、単位レンズが水平方向に配列された光拡散シート１０３と、フレネルレンズ１０４と、液晶ディスプレー（以下において「ＬＣＤ」という。）パネル１０５とを備えている。なお、光拡散シート１０２と、光拡散シート１０３の配置を入れ替えてもよい。図１においてはこれらが互いに離れて表されているが、これは図面の理解のためであり、実際にはこれらは互いに接するか、または接着されている。

また本発明において、「二次元視野角拡大部材」とは、２枚の光拡散シート１０２、１０３の組み合わせを構成の中核とするが、図１にあるように、これらの出光側に機能性シート１０１や、入光側にフレネルレンズ１０４などが配置されている場合には、これら機能性シート１０１やフレネルレンズ１０４をも含む概念である。

図２および図３には、本発明の二次元視野角拡大部材を構成する第一および第二実施形態の光拡散シートＳ１およびＳ２の水平断面が示されている。これらの図においては、図面右側に映像光源、例えばＬＣＤパネルが配置され、図面の左側に観察者が位置している。本発明の二次元視野角拡大部材は、第一実施形態の光拡散シートＳ１、または第二実施形態の光拡散シートＳ２それぞれ２枚を位相を略９０°ずらせて組み合わせて構成してもよいし、第一実施形態の光拡散シートＳ１と第二実施形態の光拡散シートＳ２とを位相を略９０°ずらせて組み合わせて構成することもできる。

図２は、第一実施形態の光拡散シートＳ１を示している。この光拡散シートＳ１は、、観察者側から映像光源方向に順に、拡散剤入りシート１、単位レンズ２、ベースシート３が張り合わされて配置されている。単位レンズ２は高屈折率Ｎ１を有する物質により形成されている。さらに、隣接する単位レンズ２、２にはさまれた断面形状三角形の部分（以下において「レンズ間部分７」という。）には、Ｎ１より小さな屈折率Ｎ２を備えた透明な物質（以下において「透明低屈折率物質６」という。）中に光吸収粒子５が添加された材料で埋められている。

本実施形態においては、高屈折率部２の屈折率Ｎ１と、透明低屈折率物質６の屈折率Ｎ２との比は、光拡散シートＳ１の光学特性を得るために所定の範囲に設定されている。また、レンズ間部分７と高屈折率部２とが接する斜辺が、出光面の法線（当該光拡散シートＳ１に対する垂直入射光に平行である。）となす角度は所定の角度θに形成されている。

高屈折率部２は通常、電離放射線硬化性を有するエポキシアクリレートなどの材料にて構成されている。また、透明低屈折率物質６として通常、電離放射線硬化性を有するウレタンアクリレートなどの材料が使用されている。光吸収粒子５は市販の着色樹脂微粒子が使用可能である。また、拡散剤入りシート１、およびベースシート３は、高屈折率部２と略同一の屈折率を有する材料にて構成されている。拡散剤入りシート１の観察者側には、反射防止層、ハードコート層、偏光フィルター層、帯電防止層、防眩処理層、防汚処理層、タッチセンサ層などの機能層が適宜設けられている。

次に光拡散シートＳ１の単位レンズ２内に入光した光の光路について、図２を参照しつつ説明する。なお、図２において、光Ｌ１〜Ｌ４の光路は模式的に示されたものである。図２において、映像光源側から単位レンズ２の中央部付近に入射した垂直光Ｌ１は、そのまま光拡散シートＳ１の内部を直進して通過し、観察者に至る。映像光源側から単位レンズ２の端部付近に入射した垂直光Ｌ２は、高屈折率部２と透明低屈折率物質６との屈折率差により斜辺にて全反射され、所定の角度をもって観察者側に出光される。映像光源側から単位レンズ２の端部付近に角度をもって入射した光Ｌ３は、斜辺にて全反射され、入射時とは反対方向にさらに大きな角度をもって観察者側に出光される。斜辺に所定以上の大きな角度をもって入射する迷光Ｌ４ａは、高屈折率部２と低屈折率物質６との屈折率差によっても反射されることなくレンズ間部分７の内部に入光して、光吸収粒子５に吸収され、観察者側に至ることはない。また、観察者側からレンズ間部分７に入光した迷光Ｌ４ｂは、光吸収粒子に吸収されるので、観察者側に反射光となって、出光されることがない。このようにして水平方向に広い視野角をもち、コントラスト、輝度の高い光拡散シートＳ１を得ることができる。

図３は、第二実施形態の光拡散シートＳ２を示している。この光拡散シートＳ２も、観察者側から映像光源方向に順に、拡散剤入りシート１、単位レンズ２、ベースシート３が張り合わされて配置されている。単位レンズ２は高屈折率Ｎ１を有する物質により形成されている。さらに、隣接する単位レンズ２、２、の斜辺には、Ｎ１より小さな屈折率Ｎ２を備え透明な物質により形成された層４（以下「透明低屈折率層４」という。）が形成されている。また隣接する単位レンズ２の間に挟まれた断面形状三角形の部分は、Ｎ２より高い屈折率を有する物質８中に光吸収粒子５が添加された材料で埋められている。以後の説明においてはこの断面形状三角形の部分を「レンズ間部分９」という。

高屈折率部２の屈折率Ｎ１と、透明低屈折率層４の屈折率Ｎ２との比は、光拡散シートＳ２の光学特性を得るために所定の範囲に設定されている。また、透明低屈折率層４と高屈折率部２とが接する斜辺が、出光面の法線（当該光拡散シートＳ２に対する垂直入射光に平行である。）となす角度は所定の角度θに形成されている。これらについては後に詳述する。

高屈折率部２は通常、電離放射線硬化性を有するエポキシアクリレートなどの材料にて構成されている。また、透明低屈折率層４は、シリカ等透明樹脂の屈折率より低い屈折率を有する材料にて形成されている。光吸収粒子５は市販の着色樹脂微粒子が使用可能である。また、拡散剤入りシート１、およびベースシート３は、高屈折率部２と略同一の屈折率を有する材料にて構成されている。拡散剤入りシート１の観察者側には、反射防止層、ハードコート層、偏光フィルター層、帯電防止層、防眩処理層、防汚処理層、タッチセンサ層などの機能層が適宜設けられている。

次に光拡散シートＳ２の単位レンズ２内に入光した光の光路について、図３を参照しつつ説明する。なお、図３において、光Ｌ１〜Ｌ４の光路は模式的に示されたものである。図３において、映像光源側から単位レンズ２の中央部付近に入射した垂直光Ｌ１は、そのまま光拡散シートＳ２の内部を直進して通過し、観察者に至る。

映像光源側から単位レンズ２の端部付近に入射した垂直光Ｌ２は、高屈折率部２と透明低屈折率層４との屈折率差により斜辺にて全反射され、所定の角度をもって観察者側に出光される。映像光源側から単位レンズ２の端部付近に角度をもって入射した光Ｌ３は、斜辺にて全反射され、入射時とは反対方向にさらに大きな角度をもって観察者側に出光される。斜辺に所定以上の大きな角度をもって入射する迷光Ｌ４ａは、高屈折率部２と透明低屈折率層４との屈折率差によっても反射されることなく透明低屈折率層４の内部に入光する。迷光Ｌ４ａはレンズ間部分９の光吸収粒子５に吸収され、観察者側に至ることはない。また、観察者側からレンズ間部分９に入光した迷光Ｌ４ｂも、光吸収粒子５に吸収され、観察者側に反射光となって、出光されることがない。このようにして水平方向に広い視野角をもち、コントラスト、輝度の高い光拡散シートＳ２を得ることができる。

次に、図４および図５を参照しつつ、それぞれの光拡散シートの単位レンズ部に入射した光拡散シート内の光が斜辺にて全反射され、かつ出光面においては、全反射されずに観察者側に透過する条件について説明する。

図４は、光拡散シート内において第二実施形態の光拡散シートＳ２の斜辺に垂直光Ｌ５が入射した場合の光路を示す図である。図４においては映像光源は図面上方に、観察者は図面下方に位置しているものとする。また拡散剤入りシート１、およびベースシート３は説明の簡略化のため省略している（以下図５および６において同じ。）。

図４において、斜辺に入射した垂直光Ｌ５が、斜辺のＡ点において全反射され始める条件（臨界条件）は、スネルの法則により、
ｓｉｎ（９０°−θ）＝Ｎ２／Ｎ１
であるから、垂直光Ｌ５が常に全反射されるためには、
（式１） ｓｉｎ（９０°−θ）＞Ｎ２／Ｎ１
なる条件を満たす必要がある。

また、斜辺のＡ点にて反射された光Ｌ５が、出光面のＢ点において全反射され始める条件（臨界条件）は、大気の屈折率を１とした場合、スネルの法則により、
ｓｉｎ２θ＝１／Ｎ１
であるから、光Ｌ５がＢ点から観察者側に確実に出光されるためには、
（式２） ｓｉｎ２θ＜１／Ｎ１
なる条件を満たす必要がある。

なお参考のために図５を参照しつつ、光拡散シートＳ２の斜辺に１０°の傾きを持った光拡散シート内の光Ｌ６が入射した場合の光路について以下に簡単に説明する。

図５において、光拡散シート内で、斜辺に入射した１０°の傾きを持つ光Ｌ６が、斜辺のＡ点において全反射され始める条件（臨界条件）は、スネルの法則により、
ｓｉｎ（８０°−θ）＝Ｎ２／Ｎ１
であるから、１０°の傾きを持った光Ｌ６が常に全反射されるためには、
（式３） ｓｉｎ（８０°−θ）＞Ｎ２／Ｎ１
なる条件を満たす必要がある。

また、斜辺のＡ点にて反射された光Ｌ６が、出光面のＢ点において全反射され始める条件（臨界条件）は、大気の屈折率を１とした場合、スネルの法則により、
ｓｉｎ（２θ＋１０°）＝１／Ｎ１
であるから、光Ｌ６がＢ点から観察者側に確実に出光されるためには、
ｓｉｎ（２θ＋１０°）＜１／Ｎ１
すなわち
（式４） Ｎ１＜１／ｓｉｎ（２θ＋１０°）
なる条件を満たす必要がある。

次に、図６を参照しつつ光拡散シートＳ２の斜辺にて反射された光が、隣接する斜辺に到達しない条件について説明する。この条件を見出すためには、出光面法線に対して最も大きな角度（現実的には１０°）を持つ入射光Ｌ７が、低屈折率部４がなす三角形の頂点付近の斜辺上の点Ｃにて全反射された場合に、その反射光が隣接する斜辺に到達しないように、三角形の高さＨと単位レンズの上底の長さＴとの関係を定めればよい。

図６において、三角形の底辺の長さを２Ｓとすれば、
ｔａｎθ＝Ｓ／Ｈ
ｔａｎ（２θ+１０°）＝（Ｓ＋Ｔ）／Ｈ
したがって、
Ｈ＝Ｔ／（ｔａｎ（２θ+１０°）−ｔａｎθ）
Ｈが上記値より小であれば、反射光が隣接する斜辺に到達しない。したがってその条件は、
（式５） Ｈ＜Ｔ／（ｔａｎ（２θ+１０°）−ｔａｎθ）
で表される。

次にθが５°〜１５°であるとして、その範囲においてさらに具体的にＮ１とＮ２の値を考察する。５°＜θ＜１５°の範囲においては、
ｓｉｎ（９０°−θ）＜０．９９６
であり、式１により、Ｎ２／Ｎ１の値はこれより小さいから
（式６） Ｎ２／Ｎ１＜０．９９６
一方、５°＜θ＜１５°の範囲では、
１／ｓｉｎ２θ＜５．７６
であるから、式２より、
（式７） Ｎ１＜５．７６
さらに、入手しうる現実の材料を考慮した場合、Ｎ２の最小値は１．３０なので、
Ｎ２／Ｎ１＞１．３０／５．７６＝０．２３
したがって上式と式６から
（式８） ０．２３＜Ｎ２／Ｎ１＜０．９９６
上記式７および式８が５°＜θ＜１５°の範囲での、Ｎ１およびＮ２の値がとりうる条件である。

また、式５においては、θ＝１５°の時にＨに対する条件が決定され、
Ｈ＜Ｔ／０．５７
となる。

図７は、本発明の二次元視野角拡大部材を構成する各光拡散シートのレンズ間部分７または９の形状の諸態様を示す図である。このレンズ間部分７または９は、隣接する二つの単位レンズ２、２の斜辺により形成される略三角形の形状を基礎としている。図７（ａ）は、斜辺が直線にて形成されている場合を表している。この場合には、斜辺と出光面法線とがなす角度θ１は斜辺上のどの点においても一定である。図７（ｂ）は、斜辺が滑らかな曲線で形成されている場合を表している。また図７（ｃ）は、斜辺が２本の直線にて構成されている場合を示している。これらの場合、斜辺と出光面法線とがなす角度θ２、またはθ３若しくはθ４は、斜辺上の位置により異なる。本発明において図７（ｂ）や図７（ｃ）の場合のように斜辺と出光面法線のなす角度が一定でないときは、斜辺の長さの９０％以上において、以上に説明してきた式１〜８の各条件を満たせば本発明の効果を得ることができる。

図８および図９は、第二実施形態の光拡散シートＳ２の構成の一例を示す図である。図８に示される光拡散シートは水平断面形状が垂直方向に一定な単位レンズ２を備えている。隣接する単位レンズ２、２の間には、透明低屈折率層４を介して、レンズ間部分９に光吸収粒子５が添加された樹脂材料８が充填されている。出光面側には拡散剤入りシート１が、入光面側にはベースシート３が配置されている。図面では理解のためにこれら三者が離れて表されているが、実際にはこれらは貼り合わされている。

一方、図９に示されている光拡散シートにおいては、半載円錐状の単位レンズが垂直平面上に二次元状に配列されている。各単位レンズの半載円錐の頂部平面は同一面上に形成されており、この平面に拡散剤入りシート１が貼り合わされている。隣接する単位レンズ２、２との間の空隙は透明低屈折率層４を介してレンズ間部分９に光吸収粒子５が添加された樹脂材料８が充填されている。図８および図９のいずれに示されている光拡散シートの構成によっても本発明の二次元視野角拡大部材による効果を得ることができる。

図１０は、第二実施形態の光拡散シートＳ２において、単位レンズ２の出光面（断面形状台形の上底に相当する部分）が観者側に凸に形成されている例を示す図である。このような構成をとることにより製造工程において、先に単位レンズ２の部分を形成して、その後レンズ間部分９に光吸収粒子５を添加した材料８を充填する工程をとる場合、充填後にブレードにて出光面に残った光吸収粒子５を完全に取り去ることができる。

次に図１１〜１３を参照しつつ本実施形態の二次元視野角拡大部材の製造方法について説明する。図１１は第一実施形態の光拡散シートＳ１を２枚組み合わせた二次元視野角拡大部材の製造方法を示すものである。

この製造方法に使用される製造装置は、第一型ロール１０と、第二型ロール２１と、第一ミラーロール２９と、第二ミラーロール３０と、ベースフィルム供給ロール１６と、補助ロール群１９、２０、２７、２８、３４、３７と、電離放射線硬化型樹脂を供給するフィーダー１２、１５、２５、３１、３２と、電離放射線照射機１４、１８、２４、２６、３５、３６と、ドクターブレード１３、２３、３３とを備えている。

図１１の二次元視野角拡大部材の製造装置において、所定の速度で回転する第一型ロール１０の表面には単位レンズ２を構成する断面形状台形の部分に対応する雌型がロールの長さ方向に彫られている。図１２（ａ）に第一型ロール１０のロール表面部の垂直方向断面形状を示す。

所定温度に加温された高屈折率樹脂が樹脂フィーダー１２から第一型ロール１０上に供給され、台形の凹部に充填される。余剰の樹脂をドクターブレード１３にて掻き落とした後、電離放射線照射機１４にて電離放射線をロール表面に照射して、高屈折率樹脂を硬化させ、単位レンズを形成する。次いでフィーダー１５から透明樹脂をロール幅のほぼ全長にわたって供給し第一型ロール１０の表面に透明樹脂層を形成する。さらにその上面にベースフィルム１７を供給ロール１６から巻き出して形成したのち、再び電離放射線照射機１８にて電離放射線を照射して、透明樹脂を硬化させる。そして補助ロール１９により折り返して、さらに補助ロール２０から第二型ロール２１へと供給する。

この補助ロール１９での折り返しの工程により、第一型ロール１０の表面凹部に形成されていた断面形状台形の単位レンズは、ロール表面から剥離される。この時点では、図１３（ａ）のＥ点拡大図で示されるように、ベースフィルム上に透明樹脂層が形成され、さらに透明樹脂層の上面には、断面形状台形の単位レンズが高屈折率樹脂により形成されている。

第二型ロール２１のロール外周面には、レンズ間部分７を構成する断面形状三角形の部分に対応する雌型がロールの周方向に彫られている。図１２（ｂ）に第二型ロール２１のロール表面部の水平方向断面形状を示す。

再び図１１において、所定温度に加温され黒色粒子が混入された低屈折率樹脂が樹脂フィーダー２２から第二型ロール２１上に供給され、ロール表面の断面形状三角形の凹部に充填される。余剰の樹脂をドクターブレード２３にて掻き落とした後、電離放射線照射機２４にて電離放射線をロール表面に照射して、黒色粒子混入低屈折率樹脂を硬化させる。次いでフィーダー２５から透明樹脂をロール幅のほぼ全長にわたって供給し第二型ロール２１の表面に透明樹脂層を形成する。

透明樹脂層はロールの回転に送れらて、補助ロール２０から送られてきた中間製品の下面側に圧着される。そして再び電離放射線照射機２６にて電離放射線を照射して、透明樹脂を硬化させる。さらにシートは補助ロール２７にて折り返されて補助ロール２８からミラーロール２９、３０側へと送られる。この補助ロール２７での折り返しの工程により、第二型ロール２１の表面凹部に形成されていた断面形状三角形の黒色粒子混入低屈折率樹脂は、ロール表面から剥離される。この時点においては図１３（ｂ）のＦ点拡大図に示されるように、Ｅ点における中間製品の下面に透明樹脂層が形成され、さらにその下側には黒色粒子混入低屈折率樹脂が断面形状三角形に形成されている。

二つのミラーロール２９、３０は、わずかな所定の隙間をなすように配置されており、第一ミラーロール２９は反時計回りに、第二ミラーロール３０は時計回りに所定の同一速度で回転駆動されている。

第一ミラーロール２９においては、あらかじめロール表面に黒色粒子混入低屈折率樹脂が、フィーダー３１から供給されて、ロールの回転により、硬化前のやわらかい状態でミラーロール２９の表面に層をなしている。この層をなす黒色粒子混入低屈折率樹脂は、図１３（ｂ）に表されたＦ点拡大図の最上面にある単位レンズを構成する高屈折率樹脂の間の、断面形状三角形の谷間の部分に充填されるべきものである。

一方第二ミラーロール３０においては、あらかじめロール表面に高屈折率樹脂が、フィーダー３２から供給されて、ロールの回転により、硬化前のやわらかい状態でミラーロール３０の表面に層をなしている。この層をなす高屈折率樹脂は、図１３（ｂ）に表されたＦ点拡大図の最下面にある断面形状三角形の黒色粒子混入低屈折率樹脂の間の、断面形状台形の谷間の部分に充填されるべきものである。

これらの層が、補助ロール２８より送られてきた中間製品シートの両面に、両ミラーロール２９、３０に挟まれるようにして圧着される。第一ミラーロール２９上の柔らかな黒色粒子混入低屈折率樹脂は、圧着されることにより、高屈折率樹脂で形成された断面形状台形の単位レンズの間の断面形状三角形の谷間に隙間なく入り込む。また、第二ミラーロール３０上の柔らかな高屈折率樹脂は、圧着されることにより、黒色粒子混入低屈折率樹脂で形成された断面形状三角形の谷間の台形の部分に隙間なく入り込む。さらに図面左側の単位レンズ間に充填された黒色粒子混入低屈折率樹脂は、レンズ出光面となるべき部分からはみ出した余剰分がドクターブレード３３により掻き取られる。

さらに補助ロール３７に至るまでの間にシートの両面側から電離放射線照射機３５、３６にて電離放射線を照射して、シート両側面部の黒色粒子混入低屈折率樹脂および、高屈折率樹脂を硬化させる。そしてシートは補助ロール３７を通過して巻き取り機３８に巻き取られる。この時点では、図１３（ｃ）のＧ点拡大図に示されるように、ベースフィルムの上下両面に単位レンズが直交するように二枚の光拡散シートが形成されている。

なお、上記工程は、第一型ロール１０にて断面形状台形の単位レンズ２を形成するものであるが、第一型ロール１０により断面形状三角形のレンズ間部分７を形成して、第二型ロール２１にて単位レンズを形成するように構成してもよい。

単位レンズを構成する高屈折率部２（台形部分）の材料としてエポキシアクリレート、レンズ間部分７の透明低屈折率樹脂としてウレタンアクリレート、光吸収粒子として、大日精化（株）製「ラブコロール」（登録商標）を使用した。

「ラブコロール」の平均粒径は８μｍで、添加量を５０質量％とした。

高屈折率部２の屈折率は１．５７、レンズ間部分７の屈折率は１．４５であった。このように構成した光拡散シートをレンズ形成方向が直交するように配置して、ＬＣＤパネルとの間にフレネルレンズシートを、観察者側には拡散板を配置した。拡散板は、アクリル製三層構造で、中間層に拡散剤を混入したものを使用した。高屈折率部のレンズピッチは５０μｍとした。また、単位レンズ２の台形部分の上底長さと、低屈折率部の三角形底辺の長さを等しくなるようにし、いわゆるブラックストライプ率が５０％となるようにした。さらに頂角θを１０°に設定した。

このように構成した二次元視野角拡大部材は、透過率が８０％、反射率が５％、ゲインが２であった。また、垂直視野角(半値角：ある方向から観視したときの輝度が正面から観視したときの半分になる角度)、および水平視野角(半値角)はそれぞれ２５゜であった。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う二次元視野角拡大部材および表示装置もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

Ｓ１ 光拡散シート
Ｓ２ 光拡散シート
１ 拡散剤入りシート
３ ベースシート(透明基材)
４ 透明低屈折率層
５ 光吸収粒子
６ 低屈折率樹脂
７ レンズ間部分
８ 高屈折率樹脂
９ レンズ間部分

Claims (13)

1. 断面形状略台形の複数の単位レンズを一次元方向に形成した２枚の光拡散シートが前記単位レンズの前記一次元方向が略９０°ずらせて重ねられ、
   それぞれの前記光拡散シートにおいて、前記単位レンズは前記台形の下底を入光部、上底を出光部、斜辺を全反射部として形成され、
   前記それぞれの光拡散シートにおいて、前記単位レンズは高屈折率物質で形成され、隣接する前記単位レンズに挟まれた断面形状三角形の部分は前記高屈折率物質の屈折率より低い屈折率を有する低屈折率物質で形成されており、
   前記低屈折率物質には光吸収粒子が添加されているとともに、前記光吸収粒子の前記低屈折率物質中への添加量は、１０質量％〜６０質量％であることを特徴とする二次元視野角拡大部材。
2. 前記光吸収粒子の平均粒径は、前記断面形状台形の上底を形成する前記単位レンズ出光部の長さの１／３０〜２／３であることを特徴とする請求項１に記載の二次元視野角拡大部材。
3. 前記２枚の光拡散シートのそれぞれにおいて、前記高屈折率物質の屈折率をＮ１、前記低屈折率物質の屈折率をＮ２、前記台形の斜辺が前記出光部の法線となす角度をθとした場合、
   ｓｉｎ（９０°−θ）＞Ｎ２／Ｎ１
   かつ
   Ｎ１＜１／ｓｉｎ２θ
   なる関係が成立すること特徴とする請求項１又は２に記載された二次元視野角拡大部材。
4. 前記２枚の光拡散シートのそれぞれにおいて、前記台形の上底の長さをＴ、高さをＨ、前記台形斜辺が前記出光部の法線となす角度をθ、とした場合、
   ０＜Ｈ＜Ｔ／（ｔａｎ（２θ＋１０°）−ｔａｎθ）
   なる関係を有することを特徴とする請求項１又は２に記載された二次元視野角拡大部材。
5. 前記２枚の光拡散シートのそれぞれにおいて、前記高屈折率物質の屈折率をＮ１、前記低屈折率物質の屈折率をＮ２、前記台形の上底の長さをＴ、高さをＨ、前記台形斜辺が前記出光部の法線となす角度をθ、とした場合、
   ｓｉｎ（９０°−θ）＞Ｎ２／Ｎ１
   Ｎ１＜１／ｓｉｎ２θ
   かつ
   ０＜Ｈ＜Ｔ／（ｔａｎ（２θ＋１０°）−ｔａｎθ）
   なる関係が成立すること特徴とする請求項１又は２に記載された二次元視野角拡大部材。
6. 前記屈折率Ｎ１およびＮ２、並びに台形の上底の長さＴおよび高さＨが、
   １＜Ｎ１＜５．７６
   ０．２３＜Ｎ２／Ｎ１＜０．９９６
   かつ
   Ｈ＜Ｔ／０．５７
   なる関係を満たすことを特徴とする請求項５に記載された二次元視野角拡大部材。
7. 映像光源側には拡散剤を混入したシートが貼り合わされていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の二次元視野角拡大部材。
8. 映像光源側にはフレネルレンズが配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の二次元視野角拡大部材。
9. 前記フレネルレンズは光拡散作用を備えていることを特徴とする請求項８に記載の二次元視野角拡大部材。
10. 観察者側に反射防止、ハードコート、偏光フィルター、帯電防止、防眩処理、防汚処理、タッチセンサのうち少なくとも一つの機能を備えたシートが配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の二次元視野角拡大部材。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載された二次元視野角拡大部材を液晶パネルの観察者側に配置した表示装置。
12. 前記液晶パネルから出射される映像光は、半値角で略５°〜１５°であることを特徴とする請求項１１に記載の表示装置。
13. 前記各光拡散シートの単位レンズの方向は、前記液晶パネルの画素の方向とは異なるように配置されていることを特徴とする請求項１１または１２に記載の表示装置。

Images