JP4423933B2 - 光学シートとそれを用いたバックライトユニットおよびディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、光源と組み合わせてディスプレイによる表示光の輝度および視角を制御する光学シートの改良に関する。

液晶表示装置に代表されるディスプレイは、提供される情報を認識するのに必要な光源を内蔵しているタイプの普及が著しい。ラップトップコンピュータのような電池式装置において、光源で消費する電力は、電池式装置全体で消費する電力の相当部分を占める。したがって、所定の輝度を提供するのに必要な総電力を低減することで電池寿命が増大するが、これは電池式装置には特に望ましいことである。

米国３Ｍ社の商標である輝度強調フィルム（BrightnessEnhancement Film：ＢＥＦ）が、この問題を解決するために使用され、広く普及している。

ＢＥＦは、プリズムの反復的アレイを含んだフィルムである。そのプリズムは光の波長に比較して大きい。ＢＥＦは、“軸外（off-axis）”からの光を集光し、この光を視聴者に向けて“軸上（on-axis）”に方向転換（redirect）または“リサイクル（recycle）”する。

ディスプレイの使用時（観察時）に、ＢＥＦは、軸外輝度を低下させることによって軸上輝度を増大させる。ここで言う「軸上」とは、視聴者の視覚方向に一致する方向であり、一般的にはディスプレイ画面に対する法線方向（正面）である。

プリズムの反復的アレイ構造が１方向のみの並列では、その並列方向での方向転換またはリサイクルのみが可能であり、水平および垂直方向での表示光の輝度制御を行なうために、プリズム群の並列方向が互いに略直交するように、２枚のシートを重ねて組み合わせて用いられる。

ＢＥＦの採用により、ディスプレイ設計者が電力消費を低減しながら所望の軸上輝度を達成するのに役立つ。

ＢＥＦに代表されるプリズムの反復的アレイ構造を有する輝度制御部材がディスプレイに採用する旨が開示される特許文献は多数あり、特許文献１〜３に例示される。

しかしながら、上記のような輝度制御部材を用いると、ディスプレイを軸外において目視する時に輝度が急激に低下する。軸外の視聴者に対するこの輝度の急激な低下は、観察可能な視野角を狭めることになり、いくつかの用途において好ましくないことが知られている。

また、ディスプレイによる表示画像とは異なる明暗パターンが生じやすいことや、液晶ディスプレイに適用する場合には、液晶パネルの画素配列との間でモアレが発生しない様に、画素の配列周期よりも格段に微細な周期のプリズム配列とする必要があり、製造技術に困難さを伴い、コスト上昇を招くことにもなる。

上記の明暗パターンが生じる原因として、輝度制御部材の下部に配置される導光板には、後述のように、印刷などによるドットパターンが形成されている場合もあり、ドット部（明）／非ドット部（暗）からなるパターンが隠蔽されづらいためであるとも考えられる。

さらには、単位プリズムの頂角が鋭利な形状であるため、前記部材の製造時，搬送時，ディスプレイの搬送時，使用時に機械的損傷を招きやすい。

図１に、プリズムの反復的アレイ構造を有する輝度制御部材の構成例を示す。前記部材10は、断面が三角形状の単位プリズム１が一方向に並列された周期構造を有している。

一方、プリズムではなく単位レンズの反復的アレイ構造を有する輝度制御部材を用いたバックライトユニットを備える透過型液晶表示装置についての提案もあり（例えば、特許文献４参照）、その一例に係る構成は図２に示される。

図２に示される表示装置は、液晶パネルと、この液晶パネルに背面側から光を照射する光源手段とを備え、この光源手段に、光源からの光を液晶パネルへと導くレンズ層が設けられ、該レンズ層焦点面近傍に開口をもつ遮光部を有することを特徴とする。

上部に偏光板１１，１３に挟まれた液晶パネル１２が設けられ、その下面側に、略長方形板状のＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等からなる導光板７９が配設されており、この導光板７９の下面に、導光板７９に導入された光を効率よく上記液晶パネル１２方向に均一となるように散乱して反射させるための散乱反射パターン部８２が印刷などによって設けられると共に、散乱反射パターン部８２下方に反射フィルム（反射層）７７が設けられている。

導光板７９には、側端部に沿って光源ランプ７６が取り付けられており、さらに、光源ランプ７６の光を効率よく導光板７９中に入射させるべく、光源ランプ７６の背面側を覆うようにして高反射率のランプリフレクタ８１が設けられている。

散乱反射パターン部８２は、白色である二酸化チタン（TiO2）粉末を透明な接着剤等の溶液に混合した混合物を、所定のパターン、例えばドットパターンにて印刷形成したものである。散乱パターン部８２などで散乱した光は、導光板７９の上面から出射する。この光の出射側に、複数のレンズからなるレンズ層１５を配置し、そのレンズ層１５を構成するレンズの焦点面近傍に、各レンズ毎に対応する開口をもつ遮光層１８を配置する。導光板７９から出射した光は、遮光層１８の開口部分のみを通過し、レンズ層１５に入射する。遮光層は焦点近傍に配置してあるため、遮光層１８の一点からでた光は、レンズによってある一定の方向の光としてレンズ層１５から出射する。そこで、この遮光層１８の開口の大きさによって、レンズ層から出射する光の方向を決定することが出来る。

特許文献４に係る提案では、単位レンズの焦点面近傍に、各レンズ毎に対応する開口をもつ遮光層を配置する際に、開口の大きさ，開口の位置を適宜に設定することによって、表示光の出射範囲（すなわち、視野角）が限定的に制御される。

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

本発明は、液晶パネルを背面側から照射するバックライトユニットを備える透過型液晶表示装置に代表されるディスプレイに適用される、表示映像光の光路を好適に制御可能な光学部材において、観察可能な視野角を適度に広げることが可能であり、製造技術の困難さやコスト上昇を招くことなく、明暗パターン・モアレ・機械的損傷の発生が低減される光学シートを提供することを目的とする。

本発明の光学シートは、透光性樹脂基材の片面に、球面または非球面形状の凸シリンドリカルレンズ群が並列されてなり、その略全面に入射する拡散光を、配光分布を変化させて出射するために用いられる光学シートであって、
各シリンドリカルレンズによる焦点位置が、光学シートの反レンズ群側の平坦面までに到らず、光学シート内部に位置することを特徴とする。

各シリンドリカルレンズは、隣接する単位レンズとの境界における側端面が、光学シートの主面に対する垂線と０〜４５°の角度をなすことが好ましい。

本発明の光学シートは、透光性樹脂基材シートの片面に、放射線硬化性樹脂の硬化物からなる凸シリンドリカルレンズ群が重合接着されてなる構成としても良い。
または、熱可塑性樹脂などの樹脂材料に、プレス成形（あるいは、押し出し成形）などにより、レンズ部を形成した一体構造であっても良い。

さらには、凸シリンドリカルレンズ群に替えて、球面または非球面形状の単位レンズが２次元的に配列された構成のレンズシートとしても良い。

本発明の光学シートを適用したバックライトユニットは、表示画像を規定する透過型ライトバルブを備えるパネルに対して、その背面から照明光を照射する面状光源と、前記パネルとの間に、光学シートの反レンズ群側の平坦面を面状光源側に向けて配置してなる構成であることを特徴とする。

凸シリンドリカルレンズ群の並列方向が互いに略直交するように、２枚の光学シートを重ねて組み合わせて用いることも、用途に応じて行なわれる。

また、本発明によるバックライトユニットでは、光学シートと面状光源の間に光拡散シートを配置することも行なわれる。

面状光源としては、大別して冷陰極管（ＣＣＦＴ）等の光源ランプを、光透過性に優れたアクリル樹脂等からなる平板状の導光板の側端部に沿って取付け、光源ランプからの光を導光板内で多重反射させる、導光板ライトガイド方式（所謂、エッジライト方式）と、導光板を用いない直下型方式とがあり、本発明はその双方に適用可能である。

ディスプレイの表示画面の正面方向のみに、過度に表示光を出射させることなく、正面方向を中心として、視野範囲を多少広げた状態で、表示映像光を視聴者に視覚させることが可能となる。

また、周期的な凹凸構造が三角形状の断面でなく、山部が曲面の凸シリンドリカルレンズであるため、機械的損傷の発生が低減されると共に、明暗パターンの発生も抑制される。

さらには、表示光の出射範囲（視野角）が、反レンズ部側の遮光パターンにより規定された開口部によってではなく、レンズ部の特性によって制御されるため、遮光パターンの形成は不要であり、観察可能な視野角を狭めることにならない。

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。
＜光学シート＞
図３は、光学シートの一例を示す説明図である。

光学シート２０は、透光性樹脂基材の片面（同図の左側）に、凸シリンドリカルレンズが一方向（同図では、上下方向）に並列され、他面（同図の右側）は平坦な構成であり、各単位レンズによる焦点位置が、光学シートの反レンズ群側の平坦面までに到らず、光学シート内部に位置している。

図３の右側に、単位レンズを拡大して示す。

光学シート２０の一例として、厚さ３００μｍ，屈折率１．５の樹脂板に、真空熱プレスにより、ピッチ１７４μｍ，曲率半径：９０μｍの単位凸シリンドリカルレンズからなるレンチキュラーシートを作製した。

上記の作製例では、シート主面に対して略垂直に、シリンドリカルレンズ群側から平行光を入射した場合の焦点位置は、反レンズ部側の平坦面からシート内３０μｍに位置する。

本発明においては、各シリンドリカルレンズは、隣接する単位レンズとの境界における側端面が、光学シートの主面に対する垂線と０〜４５°の角度をなすことが好ましい。

同図の場合は、前記角度は１５°であり、単位レンズが切り立った形状であるが、後述するように、単位レンズが切り立った形状の場合は、レンズ内部を通過する光線がレンズ層と空気層との界面で全反射を生じやすい。

本発明では、透光性樹脂基材の片面にレンズ部を形成した一体構造に限らず、シート状の透光性樹脂基材の片面に、放射線硬化性樹脂の硬化物により、レンズ部を重合接着してなる構成（所謂、２Ｐ法による成形品）であっても、凸シリンドリカルレンズ群に替えて単位レンズが２次元的に略マトリクス配列された構成（以下、マイクロレンズと称する）であっても良く、用途に応じて各種の光学シートが作製される。

＜バックライトユニット＞
図３に示す光学シートを、単位レンズの並列方向が概ね９０°をなすように、上側シートの裏面（平坦面）と下側シートの前面（レンズ面）とが向き合うように、２枚組み合わせる。（図４参照）

上記構成とすることで、水平および垂直方向での表示光の輝度制御が可能となる。

光学シートは、２枚組み合わせることが必須ではなく、特定方向のみの輝度制御が必要であれば、１枚での使用形態もありうる。

マイクロレンズが形成された光学シートの場合は、水平／垂直方向に限らず、３６０°に渡る方向での輝度制御が可能であり、光学シートの使用は１枚で十分である。

図５に示すように、照明光を照射する面状光源３０と、表示画像を規定するパネル（図示せず。同図左側）との間に、光学シート２０を、反レンズ群側の平坦面を面状光源３０側に向けて配置してバックライトユニットを構成する。

図５に例示する面状光源３０は、冷陰極線管３１が、内壁が拡散反射面となっているケース３２内に配置されており、冷陰極線管３１と光学シート２０との間には、光拡散シート４０を配置してなる構成である。

光拡散シート４０は、透光樹脂製バインダー内に前記樹脂とは屈折率の異なるフィラーを分散混合してなるシートなどが用いられ、例えば、アクリル樹脂層の内部に微小なシリカ球を分散してなる構成である。

また、光拡散シートとしては、シート状の透光樹脂基材の表面に微小な凹凸を形成してなるタイプのものであっても良い。

面状光源３０は、図５に示す「直下型方式」に限らず、背景技術で説明した図２に係る構成の「エッジライト方式」であっても良い。

後者の場合、図２のレンズ層１５に替えて、光学シート２０を導光板７９の上面に配置する。

上記のバックライトユニットによる光学特性を、図６により説明する。

図６は、バックライトユニットから出射する光路を、特定の単位レンズについて拡大して示す説明図である。

光拡散シート４０を通過して光学シート２０内部に入射する冷陰極線管３１からの光線のうち、単位レンズの中心から光拡散シート４０の主面に入射する成分の光Ａ，単位レンズの端部から光拡散シート４０の主面に略垂直に入射する成分の光Ｂ，光拡散シート４０の主面に非垂直に入射する成分の光Ｃについて、以下に説明する。

光Ａ
光Ａは、単位レンズ内を通過して、レンズ面（曲面）で屈折されて出射する。

この際、単位レンズの焦点位置は光学シート２０内部にあり、光拡散シート４０は単位レンズの焦点位置より外に位置し、レンズ機能により、光拡散シート４０の拡大した実像が遠方（同図の左側）に結像される。

光拡散シート４０の位置は、焦点距離の２倍以内の距離にある場合、拡大結像される。焦点距離の２倍を超える位置の場合は、縮小結像される。対して、光拡散シート４０が前記焦点位置に一致する場合は、実像は結像されない。

光Ｂ
光Ｂは、単位レンズ内を通過して、レンズ面（曲面）に当たる際、屈折されて出射せず、全反射する。（同図で、垂直下方に）

本発明では、レンズ面（曲面）のなす角度が、単位レンズ同士の境界における側端面が、光学シートの主面に対する垂線と０〜４５°であり、急峻に切り立った形状であるため、光Ｂは臨界角を超えた角度でレンズ面（曲面）に当たることになり、全反射する。

全反射した光Ｂは、再度、レンズ面（同図の下側）に当たる際にも、全反射（同図で、右側に）して、光拡散シート４０に戻る。

光拡散シート４０に戻った光Ｂは、成分を変えて光学シート２０内部に再入射するなど、種々の挙動を繰り返すことになる。

光Ｃ
光Ｃは、単位レンズの側壁で全反射した後、レンズ面（曲面）で屈折されて出射する。

また、図示のような角度よりも、光学シート２０の平坦面に平行に近い角度で入射する光Ｃは、平坦面で全反射され、光拡散シート４０に戻り、成分を変えて光学シート２０内部に再入射するなど、種々の挙動を繰り返すことになる。

プリズム構造を有する輝度制御部材では、上記の光Ａ，Ｂの挙動が大部分であり、殆どが光Ａのように、正面方向に出射するが、本発明のように拡大結像するものではないと共に、光Ｃで説明した出射光の成分は少ないため、視野角の拡大機能は持たない。

図７は、上記バックライトユニットによる表示光の輝度分布を示すグラフである。

バックライトユニットを構成する光学シートを除いた場合と比較して、「光学シートからの光」／「拡散板からの光」として表わすが、正面方向で幅を持って、高い輝度を示しており、周辺に行くに従って輝度が低下している。

プリズム構造を有する輝度制御部材を用いた場合の輝度分布（図示せず）は、正面方向で幅を持たずに極めて高い輝度を示すことになる。

プリズムの反復的アレイ構造を有する輝度制御部材の構成例を示す説明図。 単位レンズの反復的アレイ構造を有する輝度制御部材を用いたバックライトユニットを備える透過型液晶表示装置の構成例を示す説明図。 本発明の光学シートの一例を示す説明図。 光学シートを２枚組み合わせて用いる形態を示す説明図。 本発明のバックライトユニットの一例を示す説明図。 バックライトユニットから出射する光路を、特定の単位レンズについて拡大して示す説明図。 本発明の一形態に係るバックライトユニットによる表示光の輝度分布を示すグラフ。

符号の説明

１…単位プリズム
10…輝度制御部材
11，13…偏光板
12…液晶パネル
15…レンズ層
18…遮光層
20…光学シート
30…面状光源
31…冷陰極線管
32…ケース
40…光拡散シート
76…光源ランプ
77…反射フィルム（反射層）
79…導光板
81…ランプリフレクタ
82…散乱反射パターン

Claims (2)

1. 面状光源と、
   前記面状光源の上に光拡散シートと、
   前記光拡散シートの上に光学シートとを具備するバックライトユニットであって、
   前記光学シートは、透光性樹脂基材の片面に、球面または非球面形状の凸シリンドリカルレンズ群が並列されてなり、各シリンドリカルレンズによる焦点位置が、前記光学シートの反レンズ群側の平坦面までに到らず、光学シート内部に位置し、かつ前記反レンズ群側の平坦面は、入射する拡散光の入射面であり、
   前記光拡散シートは、前記光学シートの焦点距離の２倍以内の距離に設置されてなることを特徴とする液晶表示装置用バックライトユニット。
2. 前記光学シートは、球面または非球面形状の単位レンズ群が２次元的に並列されてなる構成の請求項１に記載の液晶表示装置用バックライトユニット。

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