JP4641457B2 - 光制御シート、及び、面光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置等の照明に用いられる光制御シート、及び、面光源装置に関するものである。

透過型の液晶ディスプレイ等を背面から照明する面光源として各種方式の面光源装置が提案され、実用化している。面光源装置には、主として、面光源でない光源を面光源に変換する方式によりエッジライト型と直下型とがある。
例えば、直下型では、背面より並列の冷陰極管を用いて光を導入するようになっており、冷陰極管とＬＣＤパネル等の透過型表示部との距離を適度に空け、その間に拡散板を用い、さらに、光を収束させるシートを複数組み合わせて使用していた。
しかし、このような従来の方式では、必要とする光学シートの枚数が多い割に収束特性が不十分であり、それを補う為にＬＣＤパネルを改良して、斜め方向からの入射光に対しても画質を落とさない構造としていた。

しかし、この方式では、光の利用効率が低下する上、ＬＣＤパネルの構成も複雑となり、コスト増の要因になるという問題があった。
特に、直下型では、冷陰極管に近接した部分であるか否か（冷陰極管に至近の位置であるか、並列に並んだ冷陰極管の間隙部分に至近の位置であるか）によって光強度（輝度）にムラが発生し易い。これを抑えるために冷陰極管とＬＣＤとの間隔を大きく取ってしまうとディスプレイの厚さが厚くなってしまうという問題があった。また、ムラを抑えるために拡散を強くしたり、透過量を制限したりすると、光の使用量が低減してしまうという問題があった。

例えば、特許文献１及び２に記載の面光源装置では、遮光部分（ライティングカーテン，遮光ドット層）を設けることで均一性を維持しているが、この手法では、上述のように光の使用量が減少してしまっていた。
また、両面にレンチキュラーレンズを設けたシートを使用する方式も、例えば、特許文献３で報告されているが、これは、２方向の拡散制御を行うための構成で、光を収束する機能はない。従って、冷陰極管との位置関係によってＬＣＤの場所毎に光軸がばらつくことにより、画面を観察する位置によって明るさのムラ（輝度ムラ）が発生したりするという問題もあった。

さらに、プリズムの斜面で全反射した後、反対面より出射して斜め方向へ向かう光が多くなり収束性が低下したり、斜め方向から観察したときにコントラストの低下を招いたりするという問題があった。
特開平０５−１１９７０３号公報 特開平１１−２４２２１９号公報 特開平０６−３４７６１３号公報

本発明の課題は、画面を観察する位置によらずムラのない均一な照明を行うことができる光制御シート、及び、面光源装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、直下型の面光源装置に設けられ、光源（１３）から出射した光を均一化、及び／又は、収束させる光制御シートであって、出射側に突出して多数並べて配列した単位レンズ（１４１）を備え、前記単位レンズは、略球体形状及び／又は略回転楕円体形状の粒子を含み、前記単位レンズの表面となる表層部分に、所定の厚さで形成される粒子含有層を備え、前記粒子の屈折率は、前記単位レンズを形成する材料の屈折率の０．９５倍から１．０５倍であり、前記単位レンズの表面の少なくとも一部には、前記粒子含有層の少なくとも出射側表面付近に添加された前記粒子により形成された微細凸形状（１４１ｂ）が多数形成されていること、を特徴とする光制御シート（１４，１４−２）である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の光制御シートにおいて、前記微細凸形状（１４１ｂ）の曲率半径は、１μｍ以上であって、かつ、前記単位レンズ（１４１）の配列ピッチの１／２以下であること、を特徴とする光制御シート（１４，１４−２）である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の光制御シートにおいて、前記単位レンズ（１４１）は、同一断面形状が一方向に延在する形状であり、前記一方向に直交する方向に配列されていること、を特徴とする光制御シート（１４，１４−２）である。
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光制御シートにおいて、前記粒子含有層（１４１ａ）は、前記単位レンズ（１４１）の配列ピッチの０．２倍から１倍の範囲内の厚さで形成されていること、を特徴とする光制御シート（１４，１４−２）である。
請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の光制御シートにおいて、前記単位レンズ（１４１）は、熱可塑性樹脂により形成されていること、を特徴とする光制御シート（１４，１４−２）である。
請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の光制御シートにおいて、前記単位レンズ（１４１）は、その配列ピッチが８０μｍから２００μｍの範囲内であること、を特徴とする光制御シート（１４，１４−２）である。
請求項７の発明は、透過型表示部（１１）を背面から照明する面光源装置であって、複数の光源（１３）を並列に並べた光源部と、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の光制御シート（１４，１４−２）と、を備える面光源装置である。
請求項８の発明は、請求項７に記載の面光源装置において、前記光制御シート（１４）は、前記光源部に最も近い位置に設けられていること、を特徴とする面光源装置である。
請求項９の発明は、請求項７又は請求項８に記載の面光源装置において、前記光制御シート（１４）よりも観察側に前記光制御シートと同一又は異なる種類の光学シート（１４−２，１５）が少なくとも１枚さらに配置されていること、を特徴とする面光源装置である。
請求項１０の発明は、請求項９に記載の面光源装置において、前記光制御シート（１４）よりも観察側に設けられた前記光学シートの内の１枚は、偏光分離シート（１５）であること、を特徴とする面光源装置である。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）単位レンズの表面の少なくとも一部には、微細凸形状が多数形成されているので、水平垂直の両方向に対して光を制御することができる。また、輝度ムラの低減効果をさらに高めることができる。
（２）微細凸形状の曲率半径は、１μｍ以上であって、かつ、単位レンズの配列ピッチの１／２以下であるので、干渉による不要な色付きが発生することなく収束効果を得ることができる。また、単位レンズの形状を崩すことなく微細凸形状を形成できる。
（３）微細凸形状は、少なくとも出射側表面付近に添加された略球体形状及び／又は略回転楕円体形状の粒子により形成されているので、微細凸形状を容易に形成できる。
（４）粒子の屈折率は、単位レンズを形成する材料の屈折率の０．９５倍から１．０５倍であるので、内部拡散による拡散角が大きくならず、収束効果を損なわない。
（５）粒子を含み、単位レンズの配列ピッチの０．２倍から１倍の範囲内の厚さの粒子含有層が単位レンズの表面となる表層部分に形成されているので、少ない粒子量で効率的に凸形状を付与できる。
（６）単位レンズは、熱可塑性樹脂により形成されているので、押出し成型により生産性よく、低コストに量産できる。
（７）単位レンズは、その配列ピッチが８０μｍから２００μｍの範囲内であるので、画素とのモアレの発生が無く、押出し成型で設計形状を成型できる。

画面を観察する位置によらずムラのない均一な照明を行うという目的を、単位レンズ表面に微細凸形状を多数形成することにより、光学シートの枚数を増加することなく実現した。

図１は、本発明による透過型表示装置の実施例１を示す図である。
なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
実施例１における透過型表示装置１０は、ＬＣＤパネル１１，反射板１２，発光管１３，光制御シート１４，反射型偏光性シート１５等を備え、ＬＣＤパネル１１に形成される映像情報を反射板１２，発光管１３，光制御シート１４，反射型偏光性シート１５を備える面光源装置により背面から照明する透過型液晶表示装置である。

ＬＣＤパネル１１は、所謂透過型の液晶表示素子により形成されており、３０インチサイズ、８００×６００ドットの表示を行うことができる。発光管１３の長手方向に沿った方向が、水平方向として使用され、発光管１３が並ぶ方向が、垂直方向として使用される。
発光管１３は、バックライトの光源部を形成する線光源の冷陰極管であり、本実施例では、略７５ｍｍ間隔で等間隔に６本が並列に並べられている。発光管１３の背面には、反射板１２が設けられている。
反射板１２は、発光管１３の光制御シート１４とは反対側（背面側）の全面にわたって設けられており、背面側へ進む照明光を拡散反射して光制御シート１４方向（出射方向）へ向かわせ、入射光照度を均一に近付ける働きを持つ。
反射型偏光性シート１５は、ＬＣＤパネル１１と光制御シート１４との間に配置され、視野角を狭めることなく輝度を上昇させる偏光分離シートである。本実施例では、ＤＢＥＦ（住友スリーエム株式会社製）を使用している。

図２は、光制御シート１４を示す斜視図である。
光制御シート１４は、発光管１３から出射した光の輝度ムラを低減させて均一化するレンチキュラーレンズシートであり、出射側に光を収束して出射する単位レンズ１４１が形成されている。単位レンズ１４１は、連続する楕円筒の一部の形状となっており、光制御シート１４の出射側表面は、この単位レンズ１４１が平行に多数並べて配置されてレンチキュラーレンズ面となっている。単位レンズ１４１の並ぶ方向は、発光管１３の並ぶ方向と一致している（図１参照）。
本実施例の光制御シート１４は、屈折率１．４９の透明なＰＭＭＡ（アクリル樹脂）により形成されている。なお、光制御シート１４は、ＰＭＭＡに限らず、光透過性の有る熱可塑性樹脂を用いることが、押出し成型により生産性よく、低コストに量産するために望ましい。これは、熱可塑性樹脂に架橋ビーズを添加して押出し成型すると、熱可塑性樹脂が収縮し、ビーズが隆起してマット形状を形成でき、また、押出し成型なので、生産性が良いからである。

図３は、光制御シート１４を図２中に矢印で示したＳ１−Ｓ２断面で切断した断面図である。
単位レンズ１４１は、図３に示した断面において、長半径が１４０μｍ、短半径が７０μｍの楕円となっており、その長軸が光制御シート１４のシート面に対して直交し、ピッチ１２０μｍとなるように配置され、高さが５５μｍとなっている。また、光制御シート１４の厚さは、０．７ｍｍである。
なお、本実施例において、単位レンズ１４１の楕円の長半径は、短半径の２倍となっているが、この値（長半径／短半径）は１．５倍〜３倍であることが発光管１３に近接した部分であるか否かにより生じる輝度ムラを防ぐ上で望ましい。
また、単位レンズは、その配列ピッチを８０μｍから２００μｍの範囲内とすることが、画素とのモアレの発生が無く、押出し成型で設計形状を成型するために望ましい。ピッチが８０μｍ以下であると、設計形状どおりに押出し成型する事が困難となり、２００μｍ以上ではモアレの発生が顕著になるからである。
単位レンズの配列ピッチの違いがモアレ及び収束性に与える影響を調べた結果を以下の表１に示す。

単位レンズの配列ピッチが１５０μｍでは、モアレが発生する場合があった。なお、単位レンズの配列ピッチが５０μｍでは単位レンズの形状が正確に成型できずに、光の収束性が殆どなく、８０μｍであっても収束性が不十分であった。

さらに、単位レンズ１４１の表面には、多数の微細凸部１４１ｂが突出するように形成されている。
この微細凸部１４１ｂは、φ１０μｍの球体形状をした屈折率屈折率１．４９のアクリル架橋ビーズを単位レンズ１４１と同じＰＭＭＡ中に２０重量部添加した樹脂を用いて２層押出し成型により形成した。
ここで、粒子含有層の層厚は、単位レンズの配列ピッチの０．２倍から１倍の範囲内の厚さであることが、少ない粒子量で効率的に凸形状を付与するために望ましい。

微細凸部１４１ｂの曲率半径は、１μｍ以上であって、かつ、単位レンズ１４１の配列ピッチの１／２以下とすることが望ましい。１μｍに満たない曲率半径では、レンズ効果を得ることができず、干渉による不要な色付きが発生するからであり、また、単位レンズの配列ピッチの１／２を超える曲率半径では、単位レンズの形状そのものか変わってしまうことになり、製造も困難となるからである。
微細凸部の曲率半径の違いにより輝度ムラ、及び、着色がどの様に現れるかを単位レンズピッチが１００μｍのレンチキュラーレンズシートを用いて調べた。その結果を以下の表２に示す。

曲率半径が０．５μｍでは、僅かに輝度ムラが発生しており、また、不要な着色が発生していた。曲率半径３〜１０μｍでは、輝度ムラ及び着色のいずれも発生せず、良好な結果が得られた。曲率半径８０μｍでは、着色はなかったものの、輝度ムラが発生しており、また、形状の形成が非常に困難であった。
また、微細凸部１４１ｂを形成するために用いる粒子（本実施例では、架橋ビーズ）の屈折率は、単位レンズ１４１を形成する材料の屈折率の０．９５倍から１．０５倍とすることが、内部拡散による拡散角が大きくならず、収束効果を損なわないために望ましい。

図４は、光制御シート１４に入射する光の進み方を説明する図である。
光制御シート１４の発光管１３に近い位置に入射する光の多くは、光制御シート１４に小さい入射角度で入射する（例えば、図４中の光線Ａ）。一方、光制御シート１４の発光管１３から遠い位置（発光管１３の間隙部分に近い位置）に入射する光の多くは、光制御シート１４に大きな入射角度で入射する（例えば、図４中の光線Ｂ）。したがって、光線Ａのように光制御シート１４に小さい入射角度で入射する光がそのまま出射することを抑制し、その一方で、光線Ｂのように光制御シート１４に大きな入射角度で入射する光の光軸を補正して入射角度よりも小さな出射角度で出射させることができれば、発光管１３に近接した部分であるか否かによる輝度ムラを防ぐことができる。

図４に示した単位レンズ１４１の延在する方向に直交する断面（垂直方向）においては、微細凸部１４１ｂを設けることにより、光線Ａのように光制御シート１４に小さい入射角度α１で入射する光については、単位レンズの界面で全反射した後、微細凸部１４１ｂにより再度全反射して発光管１３側へ戻して再利用する。
また、光線Ｂのように光制御シート１４に大きな入射角度β１で入射する光については、単位レンズ１４１から出射するときに光軸が補正されて、入射角度β１よりも小さな出射角度β２で出射する。
さらに、単位レンズ１４１の出射表面付近に拡散要素が形成されているので、大きな出射角度で出射する光を選択的に拡散するという作用があり、収束効果が向上する。

図５は、実施例１の微細凸部１４１ｂの作用を説明する図である。図５（ａ）は、単位レンズ１４１の１つを取り出して拡大した斜視図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）中に矢印で示したＳ３−Ｓ４断面で切断した断面図である。
微細凸部１４１ｂの形状は、球面の一部であるから、単位レンズ１４１の延在する方向に平行な断面（水平方向）も含む全方向について光を収束する効果を有している。したがって、より正面輝度を高めることができる。
なお、本実施例では、光制御シート１４をその微細凸部１４１ｂも含めて押出し成型により形成したので、単位レンズ１４１の頂部付近の微細凸部１４１ｂの凸量の方が、その周りの斜面部付近の微細凸部１４１ｂの凸量よりも大きくなっている。これにより、斜面部に形成された微細凸部１４１ｂにより予定外の方向へ進んでしまう光を少なくし、光の収束性をより高めることができる。

（比較評価）
本実施例の透過型表示装置１０から反射型偏光性シート１５（ＤＢＥＦ）、ＬＣＤパネル１１を除いた面光源装置（実施例１の面光源装置）を、従来の面光源装置、及び、比較例と比較した。
実施例１の面光源装置では、無指向性の乳白板とマットフィルム、輝度向上フィルムＢＥＦ（住友スリーエム株式会社製）を用いた従来の面光源装置に対して同程度の輝度向上が可能となり、輝度ムラも回避でき、シート枚数の削減が可能となった。
これに対して、光制御シート１４の代わりに出光側の頂角９０°の輝度向上フィルムＢＥＦ（住友スリーエム株式会社製）を用いた比較例では、半値角は約４０°で出射角度６０°以上の部分で不自然な輝度の上昇があった。

このように、本実施例では、照明光の均一化と光利用効率の向上及び正面輝度の向上を図っており、低コストで高効率な光制御シートとなる。

図６は、本発明による透過型表示装置の実施例２を示す図である。
実施例２の透過型表示装置２０は、実施例１における透過型表示装置１０に光制御シート１４−２を追加した形態である。したがって、光制御シート１４−２についてのみ説明を行うものとし、前述した実施例１と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
光制御シート１４−２は、光制御シート１４と同一形状のシートであり、光制御シート１４の単位レンズ１４１の並ぶ方向に対して光制御シート１４−２の並ぶ方向が直交するように配置されているシートである。光制御シート１４−２を光制御シート１４に対して直交して配置することにより、光の収束方向を直交する２方向にできるとともに、輝度ムラの低減効果をより高めている。なお、本実施例では、光制御シート１４−２として光制御シート１４と同一形状のシートを配置したが、これに限らず、全く異なるシートを配置してもよい。

本実施例によれば、光制御シート１４と光制御シート１４−２とを直交させて配置したので、水平方向及び垂直方向ともに光を制御することができ、輝度ムラを抑える効果をさらに高め、かつ、正面輝度を高めることができる。

（変形例）
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
（１）各実施例において、光制御シート１４は、同一断面形状が一方向に延在する単位レンズ形状を多数並べたレンチキュラーレンズシートである例を示したが、これに限らず、例えば、単位レンズ形状を２次元方向に配列したレンズアレイ（いわゆる蝿の目レンズ）シートであってもよい。

（２）各実施例において、微細凸部２４１ｃは、球体形状をしたアクリル架橋ビーズを用いて形成した例を示したが、これに限らず、例えば、回転楕円体形状であってもよいし、材質も適宜変更してもよい。

（３）各実施例において、光制御シート１４は、１種類の単位レンズ１４１が出射側に並べられている例を示したが、これに限らず、例えば、複数種類の単位レンズを組み合わせて出射側に配置してもよい。
また、微細凸部１４１ｂを形成するために用いる粒子についても、寸法、形状、材質等が異なる複数種類を混在させてもよい。

本発明による透過型表示装置の実施例１を示す図である。 光制御シート１４を示す斜視図である。 光制御シート１４を図２中に矢印で示したＳ１−Ｓ２断面で切断した断面図である。 光制御シート１４に入射する光の進み方を説明する図である。 実施例１の微細凸部１４１ｂの作用を説明する図である。 本発明による透過型表示装置の実施例２を示す図である。

符号の説明

１０ 透過型表示装置
１１ ＬＣＤパネル
１２ 反射板
１３ 発光管
１４ 光制御シート
１４１ 単位レンズ
１４１ａ 粒子含有層
１４１ｂ 微細凸部
１４−２ 光制御シート
１５ 反射型偏光性シート

Claims (10)

1. 直下型の面光源装置に設けられ、光源から出射した光を均一化、及び／又は、収束させる光制御シートであって、
   出射側に突出して多数並べて配列した単位レンズを備え、
   前記単位レンズは、略球体形状及び／又は略回転楕円体形状の粒子を含み、前記単位レンズの表面となる表層部分に、所定の厚さで形成される粒子含有層を備え、
   前記粒子の屈折率は、前記単位レンズを形成する材料の屈折率の０．９５倍から１．０５倍であり、
   前記単位レンズの表面の少なくとも一部には、前記粒子含有層の少なくとも出射側表面付近に添加された前記粒子により形成された微細凸形状が多数形成されていること、
   を特徴とする光制御シート。
2. 請求項１に記載の光制御シートにおいて、
   前記微細凸形状の曲率半径は、１μｍ以上であって、かつ、前記単位レンズの配列ピッチの１／２以下であること、
   を特徴とする光制御シート。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光制御シートにおいて、
   前記単位レンズは、同一断面形状が一方向に延在する形状であり、前記一方向に直交する方向に配列されていること、
   を特徴とする光制御シート。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光制御シートにおいて、
   前記粒子含有層は、前記単位レンズの配列ピッチの０．２倍から１倍の範囲内の厚さで形成されていること、
   を特徴とする光制御シート。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の光制御シートにおいて、
   前記単位レンズは、熱可塑性樹脂により形成されていること、
   を特徴とする光制御シート。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の光制御シートにおいて、
   前記単位レンズは、その配列ピッチが８０μｍから２００μｍの範囲内であること、
   を特徴とする光制御シート。
7. 透過型表示部を背面から照明する面光源装置であって、
   複数の光源を並列に並べた光源部と、
   請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の光制御シートと、
   を備える面光源装置。
8. 請求項７に記載の面光源装置において、
   前記光制御シートは、前記光源部に最も近い位置に設けられていること、
   を特徴とする面光源装置。
9. 請求項７又は請求項８に記載の面光源装置において、
   前記光制御シートよりも観察側に前記光制御シートと同一又は異なる種類の光学シートが少なくとも１枚さらに配置されていること、
   を特徴とする面光源装置。
10. 請求項９に記載の面光源装置において、
    前記光制御シートよりも観察側に設けられた前記光学シートの内の１枚は、偏光分離シートであること、
    を特徴とする面光源装置。

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