JP4684859B2 - 光収束シート、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収束シート、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。
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収束シート、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、面光源装置に設けられ、光源から出射した光を収束させる光収束シートであって、出射側に凸状の単位レンズ（１４１）を多数並べて形成された出射側レンズ部と、高屈折率層（１４４）と、前記高屈折率層を形成する材料よりも屈折率の低い材料により前記単位レンズの表面凸形状に沿って形成された低屈折率層（１４２）と、を備え、前記単位レンズの並ぶ間隔であるレンズピッチをＰとすると、前記低屈折率層の厚さｔは、１／３×Ｐ≦ｔ≦２×Ｐを満足すること、を特徴とする光収束シート（１４）である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の光収束シートにおいて、前記低屈折率層（１４２）の屈折率は、前記高屈折率層（１４４）の屈折率の０．９５〜０．９９倍の範囲内であること、を特徴とする光収束シート（１４）である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の光収束シートにおいて、前記高屈折率層（１４４）よりも入射側に、前記低屈折率層と同一の材料により形成された入射側低屈折率層（１４３）を有すること、を特徴とする光収束シート（１４）である。
請求項４の発明は、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（１３）を並べた光源部（１２，１３）と、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光収束シート（１４）と、を備える面光源装置である。
請求項５の発明は、請求項４に記載の面光源装置において、前記光収束シート（１４）は、使用状態における前記透過型表示部の画面の上下方向の光を主に収束すること、を特徴とする面光源装置である。
請求項６の発明は、請求項５に記載の面光源装置において、前記光収束シート（１４）が光を主に収束する方向と直交する方向で光を主に収束する出射側に凸状の単位レンズを多数並べて形成された出射側レンズ部を備えた第２の光収束シート（１５）を有すること、を特徴とする面光源装置である。
請求項７の発明は、請求項６に記載の面光源装置において、前記光収束シート（１４）と前記第２の光収束シート（１５）の少なくとも一方には、前記出射側レンズ部に近い位置に光を散乱させる光散乱要素を含む低屈折率層を有すること、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）高屈折率層と、前記高屈折率層を形成する材料よりも屈折率の低い材料により単位レンズの表面凸形状に沿って形成された低屈折率層とを備えるので、シートの法線方向に近い出射角度方向へより多くの光を収束できる。

（２）単位レンズのレンズピッチをＰとすると、低屈折率層の厚さｔは、１／３×Ｐ≦ｔ≦２×Ｐを満足するので、適度な光収束効果を得ることができる。

（３）低屈折率層の屈折率は、高屈折率層の屈折率の０．９５〜０．９９倍の範囲内であるので、低屈折率層を設けたことによる光収束効果を得ることができ、また、プラスチック樹脂を用いて容易に製造できる。

（４）出射側レンズ部よりも入射側に、低屈折率層と同一の材料により形成された入射側低屈折率層を有するので、耐環境性を高くできる。

（５）光収束シートは、使用状態における透過型表示部の画面の上下方向の光を主に収束するので、垂直方向に広がる光を集めて正面輝度を高めることができる。なお、一般的な表示装置では、垂直視野角よりも水平視野角が広いことが望まれるので、そのような多くの表示装置に好適に用いることができる。

（６）光収束シートが光を主に収束する方向と直交する方向で光を主に収束する出射側に凸状の単位レンズを多数並べて形成された出射側レンズ部を備えた第２の光収束シートを有するので、垂直方向及び水平方向の両方向において光を独立して収束することができ、視野角を自由に設定することができる。

（７）光収束シートと第２の光収束シートの少なくとも一方には、出射側レンズ部に近い位置に光を散乱させる光散乱要素を含む低屈折率層を有するので、より多くの光を収束でき、ピーク輝度を高めることができる。

ムラのない均一な照明をするという目的を、出射側レンズ部を形成する材料よりも屈折率の低い材料により形成される低屈折率層を単位レンズの表面凸形状に沿って設けることにより、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。
本実施例における透過型表示装置１０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）パネル１１，反射板１２，発光管１３，光収束シート１４を備え、ＬＣＤパネル１１に形成される映像情報を背面から照明して表示する透過型液晶表示装置である。なお、ＬＣＤパネル１１を背面から照明する面光源装置としては、反射板１２，発光管１３，光収束シート１４が該当している。

ＬＣＤパネル１１は、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の光収束シート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収束シート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。

図２は、光収束シート１４を示す斜視図である。
光収束シート１４は、発光管１３から出射した光を収束するとともに、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ズシートであり、出射側に凸形状となっている単位レンズ１４１が多数並べられて出射側レンズ部が形成されている。また、出射側レンズ部の観察側の表面形状の内側部分には、単位レンズ１４１の表面形状に沿って低屈折率層１４２が形成されている。
本実施例における光収束シート１４に形成された出射側レンズ部は、連続する楕円筒の一部を平行に多数並べて配置したレンチキュラーレンズである。出射側レンズ部の並ぶ方向は、発光管１３の並ぶ方向と一致している（図１参照）。

図３は、光収束シート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。
出射側レンズ部の単位レンズ１４１は、図３に示した断面において、長半径Ａ＝０．６ｍｍ、短半径Ｂ＝０．１ｍｍの楕円となっており、その長軸が光収束シート１４のシート面に対して直交し、ピッチＰ＝０．１ｍｍとなるように配置されている。なお、シート面とは、光収束シート１４をシート全体としてみたときに定義される面であり、本実施例の光収束シート１４では、入射面が平面であるので、この入射面と平行な面となる。
光収束シート１４は、その大部分を形成する高屈折率層１４４を有し、高屈折率層１４４よりも出射側には、単位レンズ１４１の表面凹凸形状に沿って低屈折率層１４２が形成されている。この低屈折率層１４２は、高屈折率層１４４を形成する材料よりも屈折率の低い材料により形成されている。また、低屈折率層１４２は、単位レンズ１４１の表面凹凸形状（レンズ形状）の内側（入射側）に形成されており、単位レンズ１４１の表面凹凸形状は、この低屈折率層１４２により形成されている。本実施例の高屈折率層１４４は、屈折率１．５６のＭＳ（メタクリルスチレン：アクリル樹脂とスチレン樹脂との共重合体）樹脂により形成されており、低屈折率層１４２は、屈折率１．４９のＰＭＭＡ（アクリル）樹脂により形成されている。
また、本実施例の低屈折率層１４２の層厚は、その位置により変化しており、その変化は、０．０３３ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲内となっている。上述のように、低屈折率層１４２の層厚は、位置により変化しているが、低屈折率層１４２と高屈折率層１４４との界面１４５は、単位レンズ１４１のレンズ形状を反映して波打つように形成されている。
光収束シート１４の入射側には、低屈折率層１４２と同一の材料により形成された入射側低屈折率層１４３が厚さ０．１ｍｍで形成されている。
なお、光収束シート１４の全体の厚さは、１ｍｍである。

本実施例の光収束シート１４は、上述した屈折率１．４９の透明なＰＭＭＡ樹脂と屈折率１．５６のＭＳ樹脂を用いた３層（３色）押し出し成型により形成されている。なお、光収束シート１４は、上述した材料に限らず、光透過性の有る他の熱可塑性樹脂を適宜選択して使用してもよいし、紫外線硬化樹脂や電離放射線硬化樹脂等の光硬化樹脂を用いて作製してもよい。

図４は、光収束シート１４に入射する光の進み方を説明する図である。
図４中に実線で示した光線は、本実施例の光収束シート１４内を進む光を示し、破線で示した光線は、低屈折率層１４２を設けていない場合に進む光を示している。なお、本実施例の光収束シート１４には、入射側低屈折率層１４３が形成されているが、図４に示す光線では、この部分における屈折の影響は小さいので、簡単のため省略している。
低屈折率層１４２を設けていない場合には、大きな出射角度（シート面の法線となす角度で定義される出射角度、以下同様）で出射してしまう光線Ａ，Ｂ，Ｃのような光線が、低屈折率層１４２を設けたことにより、出射角度が小さくなったり、光源側へ戻されて再利用されたりしている。また、光線Ｄ，Ｅのように低屈折率層１４２を設けていなくても出射角度の小さな光線については、低屈折率層１４２を設けても殆んど影響を与えることなく小さな出射角度で出射している。

先に説明したように、本実施例では、高屈折率層１４４の屈折率は、１．５６であり、低屈折率層１４２の屈折率は、１．４９であるとしたが、低屈折率層の屈折率は、高屈折率層の屈折率の０．９５〜０．９９倍の範囲内であることが望ましい。この理由は、低屈折率層の屈折率が、高屈折率層の屈折率の０．９９倍よりも大きく（１に近く）なると、界面での屈折や反射の効果が殆ど期待できなくなってしまうからである。また、０．９５倍よりも小さくなると、プラスチックを材料として選択できなくなり、製造が困難となってしまう。ただし、製造上の問題が無ければ、光学的には、０．９５倍よりも屈折率の小さな低屈折率層としてもよい。

また、本実施例の低屈折率層１４２の層厚は、その位置により変化しており、その変化は、０．０３３ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲内となっているとしたが、単位レンズのレンズピッチをＰとすると、低屈折率層の厚さ（シートに対する法線方向の厚さ）ｔは、１／３×Ｐ≦ｔ≦２×Ｐの範囲内にあることが適度に収束効果を向上させるために望ましい。低屈折率層の厚さが上記範囲よりも薄くなると、殆ど形状による効果が期待できなくなり、上記範囲よりも厚くなると、界面１４５の形状がフラットに近くなってしまい、この界面１４５における屈折効果を得られなくなってしまうからである。
なお、低屈折率層にある程度の厚みがあれば、界面の形状はレンズ形状と同じであっても光を収束する効果はある。
さらに、本実施例の光収束シート１４の入射側には、低屈折率層１４２と同一の材料により形成された入射側低屈折率層１４３を設けたが、これにより、表裏対称な材料構成となり、環境変化による反りを抑えることができる。また、光学的にも入光側での反射率が低く抑えられるので、収束性を向上できる。

（比較評価）
本実施例の透過型表示装置１０からＬＣＤパネル１１を除いた面光源装置を、比較例と比較した。
図５は、光収束シート１４を比較例と比較して示した照明光の輝度分布を示す図である。
比較例１としては、光収束シート１４の代わりに無指向性の乳白板とマットフィルムを用いたものを用意した。
比較例２としては、光収束シート１４の代わりに出射側の頂角９０°の輝度向上フィルムＢＥＦ（住友スリーエム株式会社製）を用いたものを用意した。
比較例３としては、光収束シート１４の代わりに、光収束シート１４と同一形状であって、低屈折率層１４２を備えていないシートを用いたものを用意した。
図５において、曲線Ｌ１は、比較例１の分布を示し、曲線Ｌ２は、比較例２の分布を示し、曲線Ｌ３は、比較例３の分布を示し、曲線Ｌ４は、本実施例の分布を示している。
比較例１では、全方向に一様に光を強く拡散しているので、輝度ムラは殆んど無いものの、不必要に大きな出射角度で出射する光が多く、必要な範囲の輝度が低くなっている。
比較例２では、半値角は約４０°であり、必要な範囲の輝度も比較例１よりも高くなっているが、出射角度６０°以上の部分で不自然な輝度の上昇があった。
比較例３では、半値角は約４５°であり、比較例２よりもピーク輝度が１０％程度低くなっている。
これらに対して、本実施例の場合には、大きな出射角度で出射してしまう光もなく半値角３０°に光を収束させることができると共に、発光管１３による輝度ムラも殆んど確認されなかった。
このように実施例１によれば、低屈折率層１４２を設けたので、必要な範囲のみに光を収束させることができ、輝度が高く、かつ輝度ムラのない照明光とすることができる。

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、光収束シート１４と発光管１３との間に、第２の光収束シート１５を設けた点のみが、実施例１の透過型表示装置１０と異なっている。したがって、上述した実施例１と同様な部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
第２の光収束シート１５は、光収束シート１４が光を主に収束する垂直方向と直交する方向（水平方向）で光を主に収束する出射側に凸状の単位レンズ１５１を多数並べて形成された出射側レンズ部を備えている。よって、第２の光収束シート１５の出射側レンズ部の並ぶ方向は、発光管１３の並ぶ方向と直交している。

図７は、第２の光収束シート１５の断面図である。
第２の光収束シート１５の出射側レンズ部の単位レンズ１５１は、図７に示した断面において、長半径Ａ２＝０．６ｍｍ、短半径Ｂ２＝０．１ｍｍの楕円となっており、その長軸が第２の光収束シート１５のシート面に対して直交し、ピッチＰ＝０．１ｍｍとなるように配置されている。また、第２の光収束シート１５の厚さは、２ｍｍである。
第２の光収束シート１５の出射側には、光収束シート１４と同様に、単位レンズ１５１の表面凹凸形状に沿って低屈折率層１５２が形成されている。低屈折率層１５２は、単位レンズ１５１の頂部付近の層厚ｔ＝０．０３ｍｍとなっており、屈折率１．４９のＰＭＭＡにより形成されている。また、高屈折率層１５４は、屈折率１．５６のＭＳ樹脂により形成されている。
本実施例の低屈折率層１５２の内部には、平均粒径φ＝１００ｎｍ（０．１μｍ）の酸化チタン１５２ａが光拡散粒子（光散乱要素）として混合されており、その混合割合を示す体積比率ｄ＝０．１％となっている。また、高屈折率層１５４には、屈折率１．５３、粒径１２μｍの架橋ビーズ１５４ａが拡散材として含まれている。
なお、低屈折率層１５２の層厚ｔは、単位レンズ１５１の並ぶピッチＰ（本実施例ではＰ＝０．１ｍｍ）の１／１０以上あることが望ましい。

本実施例の面光源装置では、実施例１の面光源装置と比べて、出射角度０度付近のピーク輝度を１．３倍にできた。また、発光管１３による輝度ムラは、全く確認できなかった。
本実施例によれば、第２の光収束シート１５を設けたので、垂直、水平の両方向において光を収束でき、より光を有効に利用することができる。また、輝度の高い照明光を得ることができる。

（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、低屈折率層１４２は、出射側レンズ部の観察側の表面形状の内側部分に形成されている例を示したが、これに限らず、出射側レンズ部の観察側の表面形状の外側部分に追加的に形成するようにしてもよい。

（２）各実施例において、単位レンズ１４１の形状は、長軸がシート面に対して直交して連続する楕円筒の一部である例を示したが、これに限らず、例えば、長軸がシート面に対して直交する回転楕円体の一部を単位レンズとして、これを２次元方向に多数並べてレンズアレイ（ハエの目レンズ）を形成していてもよい。

（３）実施例１において、光収束シート１４を含む面光源装置には、光を散乱させる要素を設けていない例を示したが、これに限らず、例えば、光収束シートの低屈折率層内に光散乱要素を含めてもよい。

（４）実施例２において、第２の光収束シート１５は、光散乱層を有している例を示したが、これに限らず、例えば、光散乱層を有していない単なるレンチキュラーレンズシートであってもよい。

（５）実施例１において、光収束シート１４は、入射側に入射側低屈折率層１４３が設けられている例を示したが、入射側低屈折率層を省略してもよい。

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。 光収束シート１４を示す斜視図である。 光収束シート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。 光収束シート１４に入射する光の進み方を説明する図である。 光収束シート１４を比較例と比較して示した照明光の輝度分布を示す図である。 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。 第２の光収束シート１５の断面図である。

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 光収束シート
１４１ 単位レンズ
１４２ 低屈折率層
１４３ 入射側低屈折率層
１４４ 高屈折率層
１４５ 界面
１５ 第２の光収束シート
１５１ 単位レンズ
１５２ 低屈折率層
１５４ 高屈折率層

Claims (7)

1. 面光源装置に設けられ、光源から出射した光を収束させる光収束シートであって、
   出射側に凸状の単位レンズを多数並べて形成された出射側レンズ部と、
   高屈折率層と、
   前記高屈折率層を形成する材料よりも屈折率の低い材料により前記単位レンズの表面凸形状に沿って形成された低屈折率層と、
   を備え、
   前記単位レンズの並ぶ間隔であるレンズピッチをＰとすると、前記低屈折率層の厚さｔは、
   １／３×Ｐ≦ｔ≦２×Ｐ
   を満足すること、
   を特徴とする光収束シート。
2. 請求項１に記載の光収束シートにおいて、
   前記低屈折率層の屈折率は、前記高屈折率層の屈折率の０．９５〜０．９９倍の範囲内であること、
   を特徴とする光収束シート。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光収束シートにおいて、
   前記高屈折率層よりも入射側に、前記低屈折率層と同一の材料により形成された入射側低屈折率層を有すること、
   を特徴とする光収束シート。
4. 透過型表示部を背面から照明する面光源装置であって、
   複数の光源を並べた光源部と、
   請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光収束シートと、
   を備える面光源装置。
5. 請求項４に記載の面光源装置において、
   前記光収束シートは、使用状態における前記透過型表示部の画面の上下方向の光を主に収束すること、
   を特徴とする面光源装置。
6. 請求項５に記載の面光源装置において、
   前記光収束シートが光を主に収束する方向と直交する方向で光を主に収束する出射側に凸状の単位レンズを多数並べて形成された出射側レンズ部を備えた第２の光収束シートを有すること、
   を特徴とする面光源装置。
7. 請求項６に記載の面光源装置において、
   前記光収束シートと前記第２の光収束シートの少なくとも一方には、前記出射側レンズ部に近い位置に光を散乱させる光散乱要素を含む低屈折率層を有すること、
   を特徴とする面光源装置。

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