JP4470435B2 - 光拡散シートおよびプロジェクションスクリーン - Google Patents

Description

本発明は、光拡散シートおよびこの光拡散シートを用いたプロジェクションスクリーンに関する。

プロジェクション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スクリーン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。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、外光の散乱反射の少ない光拡散シート、およびこの光拡散シートを用いたプロジェクションスクリーンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、以下、本発明について説明する。

請求項１の発明は、
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光拡散シートにおいて、
前記単位レンズは、入射光の一部がその内面で全反射する全反射部を備えるとともに、所定の屈折率Ｎ１を有する材料にて高屈折率部が形成されており、
隣り合う前記単位レンズの間は、所定の屈折率Ｎ２を有する材料が充填された低屈折率部が形成されており、
さらに前記単位レンズはその断面形状が略台形であって、前記台形の下底を入光部、斜辺を前記全反射部、上底を出光部とし、前記全反射部をなす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
なる関係を有する光拡散シートであって、
前記隣接する単位レンズに挟まれた低屈折率部の断面形状が、略三角形であって入光部の先端が所定の曲率を持つ湾曲形状、もしくは略台形であって入光部の上底が下底に対して平行かまたは傾斜している形状を有することを特徴とする光拡散シートである。

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。）。

この請求項１記載の光拡散シートによれば、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。したがって輝度とコントラストが高い光拡散シートを得ることができる。本発明のスクリーンは主に単光源プロジェクタ用であり、フレネルレンズを使用することで本シートへの入射角度を略０°にすることが可能である。なお、斜辺への入射角は、一般には、０°±１０°の範囲にあることが知られている。

請求項２の発明は、
前記所定の屈折率Ｎ２を有する材料が充填された低屈折率部が着色されていることを特徴とする請求項１記載の光拡散シートである。

請求項３の発明は、
前記単位レンズは板状または膜状の透明基材上に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載された光拡散シートである。

請求項４の発明は、
前記隣り合う単位レンズの間は可視光を吸収する材料にて構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載された光拡散シートである。

請求項５の発明は、
前記可視光を吸収する材料のＯＤ値は、１０μｍ厚で１〜３であることを特徴とする請求項４に記載された光拡散シートである。ここに「ＯＤ値」とは、透過光学濃度のことをいう。

請求項６の発明は、
観察者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請求項１〜５のいずれか１項に記載された光拡散シートである。

請求項７の発明は、
前記拡散剤を混入したシートのさらに観察者側に反射防止層、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、タッチセンサ層のうち少なくとも一つが設けられていることを特徴とする請求項６に記載された光拡散シートである。

請求項８の発明は、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の光拡散シートの映像光源側にフレネルレンズが配置されたプロジェクションスクリーンである。

本発明により、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光拡散シートであって、単位レンズは入射光の一部がその内面で全反射する全反射部を備えるとともに所定の屈折率Ｎ１を有する材料にて形成されており、隣り合う前記単位レンズの間は所定の屈折率Ｎ２を有する材料が充填されており、さらに前記単位レンズはその断面形状が略台形であって台形の下底を入光部斜辺を全反射部上底を出光部とし、台形の上底の長さをＴ、高さをＨ、全反射部をなす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）
なる関係を有することを特徴とする光拡散シートによれば、出光面法線に平行な入射光を全反射部にて全反射し、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、レンズ内にて１０°の傾きをもち、シート内において一度全反射面にて反射された光は、再び他の全反射面に到達することなく出光面から出光される。したがって輝度とコントラストが高く、迷光の少ない光拡散シートを得ることができる。

また、単位レンズを板状または膜状の透明基材上に形成した場合には、ロール状の型を使用して、配列された単位レンズを連続的に生産することができる。

さらに隣り合う単位レンズの間は可視光を吸収する材料にて構成した場合には、迷光を吸収してコントラストの高い光拡散シートを実現することができる。

また、観察者側に拡散剤を混入したシートを張り合わせた場合には、観察者側の面を平面とすることができるので、表面への加工が容易になる。また、拡散剤の光学的作用により、出光側のゲインを均一にならすことができる。

以下に、本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態の光拡散シートＳの水平断面を示す図である。図１においては、図面右側に映像光源が配置され、図面の左側に観察者が位置している。この光拡散シートＳ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。さらに、隣接する単位レンズ２、２、の斜辺に挟まれた断面形状三角形の部分は、単位レンズ２の屈折率より低い屈折率を有する物質で埋められている。以後の説明においてはこの低屈折率物質で埋められている部分を「低屈折率部４」という。また必要に応じて単位レンズ２を「高屈折率部２」ということもある。

高屈折率部２の屈折率Ｎ１と、低屈折率部４の屈折率Ｎ２との比は、光拡散シートＳ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、低屈折率部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。

低屈折率部４は、カーボン等の顔料または所定の染料にて所定濃度に着色されている。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Ｓの単位レンズ２内に入光した光の光路について、図１を参照しつつ簡単に説明する。なお、図１において、光Ｌ１〜Ｌ４の光路は模式的に示されたものである。いま、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Ｓ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と低屈折率部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Ｌ４は、高屈折率部２と低屈折率部４との屈折率差によっても反射さ
れることなく低屈折率部４の内部に入光する。低屈折率部４は着色されているので、迷光は低屈折率部４にて吸収され、観察者側に至ることはない。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Ｓを得ることができる。

上記光拡散シートＳとして、隣接する単位レンズに挟まれた低屈折率部の断面形状が、台形形状の場合を例示して説明したが、隣接する単位レンズに挟まれた低屈折率部の断面形状が、台形に限定されず、図２に示すように、略台形であって入光部の上底が下底に対して傾斜している形状や、また図３に示すように、略三角形であって入光部の先端が所定の曲率を持つ湾曲形状などでの光拡散シートの構成によっても本発明による効果を得ることができる。、
次に、図４および図５を用いて光拡散シートＳの単位レンズ部２に入射した光拡散シートＳ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Ｓ内において、光拡散シートＳ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するものとする。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Ｓの斜辺に１０°の傾きを持った光拡散シートＳ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Ｓ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を用いて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、光拡散シートの構成の一例を示す図である。図７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とその単位レンズに挟まれた低屈折部４を備えている。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７に示されている光拡散シートの構成によっても本発明による効果を得ることができる。

次に、図８を参照しつつ本実施形態の光拡散シートの製造方法について説明する。この製造方法に使用される製造装置は、型ロール１０と、ミラーロール２０と、ベースフィルム供給ロール１６と、補助ロール群１９、２２、２４と、電離放射線硬化型樹脂を供給するフィーダー１２、１５、２１と、電離放射線照射機１４、１８、２３とを備えている。所定の速度で回転する型ロール１０の表面には低屈折率部４を構成する断面形状三角形の
部分に対応する雌型が彫られている。所定温度に加温された低屈折率樹脂を樹脂フィーダー１２から型ロール１０上に供給し、三角形の凹部に埋め込む。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、低屈折率樹脂を硬化させる。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層を、供給ロール１６からベースフィルム１７を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により折り返してミラーロール２０へと供給する。この折り返しの工程により、型ロール１０の表面凹部に形成されていた断面形状三角形の低屈折率部は、ロール表面から剥離される。この時点では、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低屈折率樹脂が断面三角形に形成されている。

ミラーロール２０側では、あらかじめロール表面に高屈折率樹脂がフィーダー２１から供給されて、硬化前のやわらかい状態で高屈折率樹脂層が形成されている。この高屈折率樹脂層と型ロール１０から供給されてきた中間製品とがミラーロール２０と補助ロール２２とにより圧着される。柔らかな高屈折率樹脂は圧着されることにより低屈折率樹脂が形成する断面形状三角形の谷間に隙間なく入り込む。さらにミラーロール２０の表面に電離放射線照射機２３にて電離放射線を照射して、高屈折率樹脂を硬化させる。そして補助ロール２４により反対方向に折り返して、硬化した高屈折率樹脂をミラーロール２０から剥離する。この時点では、Ｆ点拡大図に示されるように、断面形状三角形の低屈折率樹脂の上面に断面形状が台形の高屈折率樹脂層が形成されている。その後このシートは巻き取り機へと送られロール状に巻き取られる。

なお、上記工程は、型ロール１０にて断面形状三角形の低屈折率部４を形成するものであるが、型ロール１０により断面形状台形の高屈折率部２を先に形成して、ミラーロール２０側のフィーダー２１から低屈折率樹脂を供給するように構成してもよい。

本発明の光拡散シートの一例を示す断面図である。 本発明の光拡散シートの他の例を示す断面図である。 本発明の光拡散シートのさらに別の例を示す断面図である。 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。 本発明の光拡散シートの構成の一例を示す図である。 本発明における光拡散シートの製造方法の一例を示す図である。

符号の説明

Ｓ 光拡散シート
１ 拡散剤入りシート
２ 単位レンズの高屈折率部
３ ベースシート（透明基材）
４ 単位レンズに挟まれた低屈折率部

Claims (8)

1. 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光拡散シートにおいて、
   前記単位レンズは、入射光の一部がその内面で全反射する全反射部を備えるとともに、所定の屈折率Ｎ１を有する材料にて高屈折率部が形成されており、
   隣り合う前記単位レンズの間は、所定の屈折率Ｎ２を有する材料が充填された低屈折率部が形成されており、
   さらに前記単位レンズはその断面形状が略台形であって、前記台形の下底を入光部、斜辺を前記全反射部、上底を出光部とし、前記全反射部をなす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
   なる関係を有する光拡散シートであって、
   前記隣接する単位レンズに挟まれた低屈折率部の断面形状が、略台形であって入光部の上底が下底に対して傾斜している形状を有することを特徴とする光拡散シート。
2. 前記所定の屈折率Ｎ２を有する材料が充填された低屈折率部が着色されていることを特徴とする請求項１記載の光拡散シート。
3. 前記単位レンズは板状または膜状の透明基材上に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載された光拡散シート。
4. 前記隣り合う単位レンズの間は可視光を吸収する材料にて構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載された光拡散シート。
5. 前記可視光を吸収する材料のＯＤ値は、１０μｍ厚で１〜３であることを特徴とする請求項４に記載された光拡散シート。
6. 観察者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請求項１〜５のいずれか１項に記載された光拡散シート。
7. 前記拡散剤を混入したシートのさらに観察者側に反射防止層、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、タッチセンサ層のうち少なくとも一つが設けられていることを特徴とする請求項６に記載された光拡散シート。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の光拡散シートの映像光源側にフレネルレンズが配置されたプロジェクションスクリーン。