JP2014522996A - マイクロレンズアレイシート及びこれを含むバックライトユニット - Google Patents

Abstract

本発明は、２次元的に配列された多数の単位レンズを含むマイクロレンズアレイシートであって、上記単位レンズはレンズの中央の垂直断面が式１で表示されるコーニックレンズ形であるマイクロレンズアレイシート及びこれを含むバックライトユニットに関する。
【選択図】図３

Description

本発明は、バックライトユニットに用いられることができる光学シート及びこれを含むバックライトユニットに関し、より具体的には、従来と比べて光学性能が向上したマイクロレンズアレイシートの構造及び上記構造の光学フィルムを備えたバックライトユニットに関する。

通常、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ）は、印加電圧による液晶透過度の変化を用いて各種装置から発生する多様な電気的な情報を視覚情報に変えて伝達する電子素子である。

液晶表示装置は、小型化、軽量化、低電力消費化等の長所を有しているため、従来広く用いられていたＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）の短所を克服できる代替手段として注目を浴びてきており、現在では、ディスプレイ装置を必要とするほぼ全ての情報処理機器に装着されている。

上記液晶表示装置は、通常、特定の分子配列を有する液晶に電圧を印加して別の分子配列に変化させ、このような分子配列の変化によって発生する液晶の複屈折性、旋光性、２色性及び光散乱特性等の光学的性質の変化を視覚変化に変換するものであり、液晶による光の変調を用いたディスプレイ装置である。

自己発光源のない受光型素子である液晶表示装置は素子の画面全体を照明できる別途の光源装置を必要とし、このような液晶表示装置用の照明装置を、通常、バックライトユニット（Ｂａｃｋ Ｌｉｇｈｔ Ｕｎｉｔ）という。

通常、バックライトユニットは、発光ランプが配置される方式によってエッジ（Ｅｄｇｅ）方式と直下方式に区別される。エッジ方式は、発光ランプから発生した光を案内する導光板の側面に発光ランプが配置される方式であり、デスクトップパソコンやノートパソコン用モニターのように比較的小型の液晶表示装置に適用され、光の均一性が良く、耐久性に優れ、装置の薄型化に有利である。これに対し、直下方式は、２０インチ以上の中大型表示装置に用いられるために開発され、液晶パネルの下部に多数のランプ光源を配列させて液晶パネルの前面を直接照明する方式である。

バックライトユニット用発光ランプには従来から冷陰極蛍光ランプ（Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ、以下、「ＣＣＦＬ」という。）のような線状光源が多く用いられているが、近来では、ＣＣＦＬより色再現性に優れ、環境にやさしく、薄型化、低重量及び低電力の発光ダイオード（ＬＥＤ）に代替されている。

一方、従来のバックライトユニットには、光源から発生した光の拡散又は集光或いは輝度の向上又はランプムラの減少等の目的で、多数の光学フィルムが多様な組み合わせで一緒に用いられることができる。

近年、ＬＣＤ装置等の映像表示装置において、輝度と視野角は、非常に重要な特性であり、バックライトユニットを構成する光学シートの特性によって決まると知られている。最近では、半球形マイクロレンズアレイシートが広く用いられているが、この半球形マイクロレンズアレイシートには、輝度の上昇に限界があり、視野角特性を改善する場合は輝度が相対的に低くなるという問題がある。

現在、バックライトユニットの薄型化及び軽量化を技術的な目標とした研究・開発が進められており、特に、輝度及び視野角特性の光学性能が改善されたマイクロレンズアレイシート及びバックライトユニットが求められている。

本発明は、従来のマイクロレンズアレイシートの問題として指摘されてきた低輝度問題を解決するためのものであり、プリズムシートと同等の水準又はそれ以上の水準の輝度を具現し且つ視野角改善効果に優れたマイクロレンズアレイシート及びこれを含むバックライトユニットを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、２次元的に配列された多数の単位レンズを含むマイクロレンズアレイシートであって、上記単位レンズはレンズの中央の垂直断面が下記式１で表示されるコーニックレンズ形であるマイクロレンズアレイシートが提供される。

上記式１中、ｋはコーニック定数、ｒは上記単位レンズの頂点における曲率半径であり、ｋ≦−１である。

本発明の他の実施形態によれば、光源と、少なくとも１つ以上の上記マイクロレンズアレイシートと、を含むバックライトユニットが提供される。

既存の半球形マイクロレンズアレイシートの場合は、輝度の上昇に限界があるため、高輝度製品においてプリズムシートを代替するのが困難であるが、本発明のコーニックレンズからなるマイクロレンズアレイシートを用いる場合は、輝度と視野角特性を共に改善し、且つバックライトユニットの特定のシート構成から優れた光学特性のバックライトユニットを得ることができる。

マイクロレンズアレイシートを構成するレンズの形状を示した図であり、（ａ）は本発明のコーニックレンズ、（ｂ）は半球形レンズ、（ｃ）は円錐形レンズを示した図である。 （ａ）は本発明のマイクロレンズアレイシートの正面図であり、（ｂ）は本発明のマイクロレンズアレイシートの断面図である。 本発明のコーニックレンズ形マイクロレンズアレイシート４、４'を含むバックライトユニットを示した図である。 本発明のシートを１枚〜３枚配置した場合の輝度特性を示すグラフである。 本発明のシートを２枚配置した場合の輝度特性を、プリズムシート及び半球形マイクロレンズアレイシートを配置した場合の輝度特性と比較して示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

本発明は、光出射面にコーニック（ｃｏｎｉｃ）形の単位レンズ構造物をマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）で配列した光学シートに関する。より具体的には、本発明の光学フィルムは、２次元的に配列された多数の単位レンズを含むマイクロレンズアレイシートであり、上記単位レンズがコーニックレンズ形であることを特徴としている。

本発明において、「コーニックレンズ」は、レンズの中央の垂直断面が双曲線又は放物線のような対称型の曲線形のレンズを意味する。但し、中央の垂直断面が三角形の円錐形レンズ、その断面が半円形の半球形レンズ及びその断面が楕円形の楕円形レンズは除く。

より具体的には、本発明の単位レンズは、レンズの中央をシート面に垂直に切断した断面（以下、「垂直断面」という。）が下記式１で表示される曲線形を有するコーニックレンズ形であることが好ましい。

上記式１中、ｒは単位レンズの最頂点における曲率半径であり、ｋはコーニック（ｃｏｎｉｃ）定数である。

この際、上記コーニック定数（ｋ）は、レンズの形状を決めるものであり、ｋ＝０であれば円形レンズ、ｋ＝−１であれば放物線形レンズ、−１＜ｋ＜０であれば楕円形レンズ、ｋ＜−１であれば双曲線形レンズが示される。

上述したように、本発明では、単位レンズの垂直断面の形状が円形又は楕円形の場合を除くため、上記コーニック定数（ｋ）はｋ≦−１の範囲を有する。

本発明の単位レンズにおいて、上記コーニック定数（ｋ）は、−３〜−１程度であり、−２．７〜−１．７であることが好ましく、−２．６５〜−１．７５であることがより好ましい。コーニック定数（ｋ）が−３未満の場合は光学的輝度が低下し、−１を超える場合は光学的輝度が低下すると共に光学的隠蔽性が低下するという問題がある。

図１（ａ）は、本発明の単位レンズの一実施形態を示す図である。一方、図１（ｂ）は半球形レンズ、図１（ｃ）は円錐形レンズを示した図であって、本発明に属しない例示的な形態を示した図である。

上記本発明の単位レンズは、マイクロレンズアレイシートの一面に一定のピッチ（Ｐｉｔｃｈ、Ｐ）を有して配置されることができる。この際、上記ピッチは、隣り合う単位レンズの頂点間の距離を意味する。本発明において、単位レンズ間のピッチは、１０μｍ〜５００μｍ程度であることが好ましく、３０μｍ〜７０μｍ程度であることがより好ましい。上記単位レンズ間のピッチが１０μｍより小さい場合は、レンズが重なるため集光性能が低下し、シート製造用金型の製造時に難易度が高くなりスクラッチに脆弱になるという問題があり、上記単位レンズ間のピッチが５００μｍより大きい場合は、レンズの間に空隙が発生して輝度損失が発生する可能性があり、金型製作価格が増加するという問題がある。なお、上記ピッチの範囲は、製作過程上の困難又は製作後に発生する可能性があるモアレ等のようなその他外観上の品質の諸問題を考慮したものである。

一方、上記本発明の単位レンズの形状は、下面の直径（Ｄ）によって特定されることができる。本発明において、上記単位レンズの下面の直径（Ｄ）は、上記単位レンズのピッチ（Ｐ）の９０〜１１６％であることが好ましく、９２〜１１６％であることがより好ましく、９８〜１１６％であることが最も好ましい。上記単位レンズの直径がピッチの９０％未満であるか又は１１６％を超える場合は、フィルム生産の際に作業難易度及び不良発生可能性が高くなり光学的輝度が低下する可能性があるのに対し、上記本発明の範囲内に属する場合は、好ましい集光効率が得られる。一方、本発明の単位レンズの高さ（Ｈ）は、上記式１及び単位レンズの下面の直径（Ｄ）によって決められる。

一方、本発明のマイクロレンズアレイシート上に形成される単位レンズはその形状及びサイズが同じでも異なっても良いが、工程容易性や出光分布等を考慮すると、同じ形状及びサイズを有する単位レンズを配置することが好ましい。

また、本発明のマイクロレンズアレイシート上に形成される単位レンズは、そのピッチ（Ｐ）が一定でも相違しても良いが、ピッチ（Ｐ）の長さが一定であることが好ましい。

一方、上記単位レンズの頂点における曲率半径（ｒ）は、特に限定されず、上記単位レンズのピッチの０．２〜２６％であることが好ましく、０．２％〜２４％であることがより好ましく、０．２％〜２２％であることが最も好ましい。曲率半径（ｒ）が上記単位レンズのピッチの０．２％未満の場合は、製品量産の際に頂点に不良が発生し、スクラッチに脆弱になり、気泡発生、生産時間遅延等の問題が発生する可能性があり、曲率半径（ｒ）が上記単位レンズのピッチの２６％を超える場合は、集光性能、光学的輝度及び光源隠蔽性能が制限されるという問題がある。

一方、本発明のマイクロレンズアレイシートにおいて、上記単位レンズは、規則的又は不規則的に配列されることができる。図２は、本発明のマイクロレンズアレイシートの正面図（ａ）及び断面図（ｂ）であり、単位レンズが規則的に配列された場合を示す。なお、図２は例示的なレンズの配置を示すためのものであり、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の単位レンズは、図示されてはいないが、ハニカム構造で配列されることができる。単位レンズがハニカム構造で配列される場合、単位レンズの間に平らな面（以下、「空隙」という。）が発生せず、レンズ密集度が高くなるため、集光効率が向上し、その結果、高輝度を具現することができる。

一方、本発明のマイクロレンズアレイシートは、当該技術分野によく知られた任意のマイクロレンズアレイシートの製造方法により製造され、例えば、単位レンズの形状が陰刻された金型に硬化性樹脂溶液を流し込んだ後にこれを硬化させる方法又は対称ビードを配列する方式、フォトリソグラフィーを用いたリフロー方式、レーザーを用いた直接加工方式、フォトリソグラフィーを用いた方式等により形成されることができる。

一方、本発明のマイクロレンズアレイシートの材質は、例えば、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、エステルアクリレート又はラジカル発生型モノマー等のような硬化型樹脂であり、これらをそれぞれ単独で又は混合して用いることができるが、これに制限されるものではない。

一方、金型を用いてマイクロレンズアレイシートを製造する場合、多様な形状が陰刻された金型を用いて多様な形状、高さ及びピッチを有するレンズを形成することができる。他にも、上述した製造方法以外の当該分野によく知られた多様なマイクロレンズアレイシートの製造方法を用いて本発明のマイクロレンズアレイシートを製造することができる。

一方、本発明によれば、上記マイクロレンズアレイシートを少なくとも１つ以上含むバックライトユニットが提供される。より具体的には、上記光源の上部に配置される上記少なくとも１つの本発明のマイクロレンズアレイシートを含むバックライトユニットが提供され、この際、上記光源の上部には本発明によるマイクロレンズアレイシートが２枚以上配置されることが好ましい。本発明によるマイクロレンズアレイシートが２枚配置される場合、プリズムシートと同等の水準の優れた輝度を具現し且つ視野角を画期的に改善することができる（図４参照）。

一方、上記バックライトユニットには、直下型バックライトユニット及びエッジ型（Ｅｄｇｅ）バックライトユニットが含まれる。

図３は、本発明によるバックライトユニットを示した図であり、直下型バックライトユニットが示されている。本発明によるバックライトユニットは、図３に示されたように、後面に反射された光を出光面に反射させるための反射板１と、一定の間隔で配列された多数の線光源２と、線光源から放出された光を面光源に変換させて光学フィルムの支持台の役割をする拡散板又は拡散シート３と、を含み、その上面に、上述した本発明のマイクロレンズアレイシート４、４'が１枚以上配置されることができる。

一方、本発明のバックライトユニットは、上述した本発明のマイクロレンズアレイシート以外に、更なる光学フィルム、例えば、拡散フィルム、プリズムフィルム、レンチキュラーレンズフィルム及び反射型偏光フィルムからなる群から選択された１種以上の光学フィルムをさらに含むことができる。

例えば、本発明のバックライトユニットは、本発明によるマイクロレンズアレイシートと共にプリズムシートをさらに含み、これに加えて、拡散シート、反射型偏光フィルム及びレンチキュラーシートからなる群から選択された少なくとも１つをさらに含むことができる。

また、本発明のバックライトユニットは、本発明によるマイクロレンズアレイシートと共に拡散シートをさらに含み、これに加えて、レンチキュラーシート、プリズムシート及び本発明のマイクロレンズアレイシートからなる群から選択された少なくとも１つをさらに含むことができる。

一方、本発明のバックライトユニットは、上記のような光学フィルムを多様な順及び組み合わせで含み、例えば、光源から液晶パネルの方向に拡散シート及び本発明のマイクロレンズアレイシートが順次積層された構成、プリズムシート及び本発明のマイクロレンズアレイシートが順次積層された構成、本発明のマイクロレンズアレイシート及びプリズムシートが順次積層された構成、本発明のマイクロレンズアレイシート、プリズムシート及び反射型偏光フィルムが順次積層された構成、拡散シート及び本発明のマイクロレンズアレイシート２枚が順次積層された構成、拡散シート、プリズムシート及び本発明のマイクロレンズアレイシートが順次積層された構成、レンチキュラーシート、プリズムシート及び本発明のマイクロレンズアレイシートが順次積層された構成、拡散シート、レンチキュラーシート及び本発明のマイクロレンズアレイシートが順次積層された構成等を有することができる。

特に、上記に例示されたような光学フィルムの組み合わせを有する本発明のバックライトユニットは、プリズムシートと同等の水準の輝度を具現し且つ優れた視野角を有する。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、これは例示にすぎず、本発明はこれに制限されるものではない。

１．マイクロレンズアレイシートの製造
実施例１：コーニックレンズを備えたマイクロレンズアレイシート
レーザーマスク加工方式を用いて本発明によるマイクロレンズアレイシートを製造した。この際、レンズの直径（Ｄ）は５５μｍ、コーニックレンズの頂点における曲率半径（ｒ）は５．５μｍ、コーニック定数（ｋ）は−２．１５、ピッチ（Ｐ）は５０μｍであった。

比較例１：円錐形レンズを備えたマイクロレンズアレイシート
レンズのピッチが５０μｍ、直径が５０μｍ、頂角が９０度の円錐形レンズを配置した以外は、実施例１と同じ工程によりマイクロレンズアレイシートを製造した。

比較例２：半球形レンズを備えたマイクロレンズアレイシート
レンズのピッチが５０μｍ、直径が５０μｍ、レンズの頂点における曲率半径（ｒ）が２５μｍ、コーニック定数が０の半球形レンズを配置した以外は、実施例１と同じ工程によりマイクロレンズアレイシートを製造した。

実施例２〜９及び比較例３
下記表１に示されているようにレンズのピッチ、直径、レンズの頂点における曲率半径（ｒ）、コーニック定数（ｋ）を多様に設定して、上記実施例１と同じ工程によりマイクロレンズアレイシートを製造した。

２．レンズの形状による輝度特性の比較
上記実施例１〜９及び比較例１〜３によって製造されたマイクロレンズアレイシートを２枚用いて光学シミュレーション検証を行い、入力値のＢＬＵを２２インチとしてＬＥＤ光源のエッジ（Ｅｄｇｅ）方式で光源を測定して適用し、同じ形状のシート２枚の上部にレシーバー（ｒｅｃｅｉｖｅｒ）を設定して光度に対する視野角のデータを比較し、その結果を表１に示した。

下記表１には、その結果として、実施例１の輝度値を１００％に設定したときの輝度値を％比で相対的に示した。

表１から、本発明の実施例によるマイクロレンズアレイシートは、半球形及び円錐形レンズを用いた比較例１及び２のマイクロレンズアレイシートに比べて輝度特性に優れることが分かる。

また、本発明の実施例によるマイクロレンズアレイシートは、楕円形レンズ（ｋ＝０．９）を用いた比較例３のマイクロレンズアレイシートに比べて輝度特性に顕著に優れることが分かる。

３．本発明のシートの配置による輝度特性の比較
実験例１
本発明のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）シートの配置による輝度特性を比較するために、上記実施例１によって製造されたシートを２枚配置した場合（配置例１）の輝度特性をそれぞれ１枚及び３枚配置した場合と比較して測定し、その測定結果を図４に示した。図４から、本発明のシートを２枚配置した場合は１枚又は３枚配置した場合に比べて輝度が顕著に向上することが分かる。

一方、上記輝度特性の比較においては、エッジ方式の２２インチのバックライトユニット（ＢＬＵ）を用い、ＴＯＰＣＯＮ社のｂｍ‐７を測定器とし、垂直方向の中央１Ｐ輝度値（ｎｉｔ）を基準に各シートの組み合わせを測定した後、データを比較した。

実験例２
上記実施例１によって製造されたシートを２枚配置した場合の輝度特性を、比較例２によって製造されたシートを２枚配置した場合と、プリズムシートを１枚配置した場合と比較して測定し、その測定結果を図５に示した。図５から、本発明のシートを２枚配置した場合はプリズムシートや半球形マイクロレンズアレイシートを２枚積層した構造の場合に比べて優れた輝度特性を示すと共に優れた視野角特性を維持することが分かる。

一方、上記輝度特性の比較においては、エッジ方式の２２インチのバックライトユニット（ＢＬＵ）を用い、ＴＯＰＣＯＮ社のｂｍ‐７を測定器とし、垂直方向の中央１Ｐ輝度値（ｎｉｔ）を基準に各シートの組み合わせを測定した後、データを比較した。

実験例３
本発明のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）シートを含むバックライトユニットの光学シートの配置による輝度特性を比較するために、光学シートを下記表２及び３のように配置したバックライトユニットの輝度特性を比較し、その結果値を表２及び３に示した。この際、本発明のマイクロレンズアレイシートとしては、実施例１で製造されたものを用いた。

輝度特性の比較においては、エッジ方式の２２インチのバックライトユニット（ＢＬＵ）を用い、ＴＯＰＣＯＮ社のｂｍ‐７を測定器とし、垂直方向の中央１Ｐ輝度値（ｎｉｔ）を基準に各シートの組み合わせを測定した後、データを比較した。

下記表２及び３の結果値は、比較例２のマイクロレンズアレイシートを同じ配置とした場合の相対的な輝度の向上値を％で示したものである。

ＭＬＡ：実施例１で製造された本発明のマイクロレンズアレイシート
ＤＳ：拡散シート
Ｐｒｉｓｍ：プリズムシート
ＲＰ：反射型偏光フィルム
Ｌｅｎｔｉ：レンチキュラーシート

上記で用いられた拡散シートは（ＣＨ２８２、ＳＫＣ）であり、プリズムシートは（ＢＥＦ２、３Ｍ）であり、反射型偏光フィルムは（ＤＢＥＦ、３Ｍ）であり、レンチキュラーシートは（ＬＳＦ４６５、ＬＧＣ）であり、Ｌｅｎｔｉ９０は垂直方向にレンチキュラーが配列されていることを意味する。

Ｐ コーニックレンズ間のピッチ
１ 反射板
Ｄ コーニックレンズの下面の直径
２ 光源
Ｈ コーニックレンズの高さ
３ 拡散板
４、４' 本発明のマイクロレンズアレイシート

Claims (19)

1. ２次元的に配列された多数の単位レンズを含むマイクロレンズアレイシートであって、前記単位レンズはレンズの中央の垂直断面が下記式１で表示されるコーニックレンズ形である、マイクロレンズアレイシート。
   

   

   前記式１中、ｋはコーニック定数、ｒは前記単位レンズの頂点における曲率半径であり、ｋ≦−１である。
2. 前記コーニック定数（ｋ）は−３〜−１である、請求項１に記載のマイクロレンズアレイシート。
3. 前記単位レンズはレンズの中央の垂直断面が双曲線又は放物線形である、請求項１または２に記載のマイクロレンズアレイシート。
4. 前記単位レンズのピッチ（ｐｉｔｃｈ）が１０〜５００μｍである、請求項１から３の何れか１項に記載のマイクロレンズアレイシート。
5. 前記単位レンズの下面の直径は前記単位レンズのピッチの９０〜１１６％である、請求項１から４の何れか１項に記載のマイクロレンズアレイシート。
6. 前記単位レンズの頂点における曲率半径（ｒ）は前記単位レンズのピッチの０．２〜２６％である、請求項１から５の何れか１項に記載のマイクロレンズアレイシート。
7. 前記多数の単位レンズがハニカム構造で配列される、請求項１から６の何れか１項に記載のマイクロレンズアレイシート。
8. 光源と、
   少なくとも１つの請求項１から７のいずれか一項に記載のマイクロレンズアレイシートと、
   を含む、バックライトユニット。
9. 前記バックライトユニットは前記マイクロレンズアレイシート２枚を含む、請求項８に記載のバックライトユニット。
10. 前記バックライトユニットはプリズムシート、レンチキュラーレンズシート、拡散シート及び反射型偏光フィルムからなる群から選択された１種以上をさらに含む、請求項８に記載のバックライトユニット。
11. 前記光源の上部に拡散シート及び前記マイクロレンズアレイシートが順次積層される、請求項８に記載のバックライトユニット。
12. 前記光源の上部に拡散シート及び前記マイクロレンズアレイシート２枚が順次積層される、請求項８に記載のバックライトユニット。
13. 前記光源の上部に拡散シート、プリズムシート及び前記マイクロレンズアレイシートが順次積層される、請求項８に記載のバックライトユニット。
14. 前記光源の上部に拡散シート、レンチキュラーシート及び前記マイクロレンズアレイシートが順次積層される、請求項８に記載のバックライトユニット。
15. 前記光源の上部にレンチキュラーシート、プリズムシート及び前記マイクロレンズアレイシートが順次積層される、請求項８に記載のバックライトユニット。
16. 前記光源の上部に前記マイクロレンズアレイシート及びプリズムシートが順次積層される、請求項８に記載のバックライトユニット。
17. 前記光源の上部にプリズムシート及び前記マイクロレンズアレイシートが順次積層される、請求項８に記載のバックライトユニット。
18. 前記光源の上部に前記マイクロレンズアレイシート、プリズムシート及び反射型偏光フィルムが順次積層される、請求項８に記載のバックライトユニット。
19. 前記光源の上部にプリズムシート、前記マイクロレンズアレイシート及び反射型偏光フィルムが順次積層される、請求項８に記載のバックライトユニット。

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