JP4882342B2 - 光制御シート、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制御シート、面光源装置に関するものである。

このような光制御シートとしては、直角プリズムを複数並べたシートが知られている。
しかし、直角プリズムを並べたシートでは、不必要に大きな出射角度方向に出射してしまう光が多いという問題があった。
なお、以下の説明において、入射角度、出射角度とは、シート面（光制御シート全体としてみたときのシート面）に対する角度であって、シート面における法線と光の進む方向とが成す角度を示すものとする。
この不必要に大きな出射角度方向に出射してしまう光を防止するために、出射側にレンズを設け、入射側には、出射側のレンズに対応した遮光部を配置した例が、特許文献１〜３に記載されている。

しかし、出射側がレンズの凹凸形状であり、入射側が平面であると、平坦な面を持つ他の光学シート等と重ね合わせた場合に、ニュートンリングが発生してしまうという問題があった。
また、入射側と出射側とで表面積が異なるため、吸水性や熱伝達性が異なり、入射面側と出射面側とで環境変化に伴う寸法変形量が異なる等、耐環境性が悪いといった問題があった。
さらに、入射側に設けられる遮光部は、出射側のレンズ位置に対応して正確に位置合わせする必要があり、その形成が困難であるという問題があった。
特開平８−９５０３８号公報 特開平１０−２４１４３４号公報 特開２０００−２８４２６８号公報

本発明の課題は、ニュートンリングが発生することなく照明光を必要な範囲内に効率よく集光でき、耐環境性に優れ、かつ、生産性のよい光制御シート、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、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された少なくとも１種類の単位レンズ（１４１）と、入射側に突出した凸部（１４２）と前記凸部に挟まれた領域であって前記凸部よりも高さの低い凹部（１４３）とが多数順番に並べられた凹凸形状と、を備え、前記単位レンズは、長軸が該光制御シート全体としてみたときのシートの平面方向となるシート面に直交する楕円筒の一部形状であり、前記単位レンズの頂点と前記凹部の中央とは、前記シート面に対する法線方向から見たときに重なる位置に配置されており、前記凸部には、反射層（１４４）が形成され、前記凹部は、入射側に凸の曲面形状であり、長軸が前記シート面に平行な楕円筒の一部形状であって、前記凹部の接線が前記シート面となす角度が前記凹部の前記凸部側から中央に向かうにつれて小さくなること、を特徴とする光制御シート（１４）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、前記反射層（１４４）は、光を拡散反射すること、を特徴とする光制御シート（１４）である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の光制御シートにおいて、前記凸部（１４２）の前記凹部（１４３）の頂点からの突出量は、５μｍ以上６０μｍ以下であること、を特徴とする光制御シート（１４）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、前記単位レンズと前記凸部（１４２）及び前記凹部（１４３）は、一体で成型されていること、を特徴とする光制御シート（１４）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、入射側の表面積をＳｉ、出射側の表面積をＳｏとしたときに、０．８＜Ｓｉ／Ｓｏ＜１．２の関係を満足すること、を特徴とする光制御シート（１４）である。
請求項６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）を並べた光源部（１２，１３）と、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（１４）と、を備え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）単位レンズの頂点と凹部の中央とは、シート面に対する法線方向から見たときに重なる位置に配置されており、凸部には、反射層が形成され、凹部は、入射側に凸の曲面を含む形状となっているので、ニュートンリングが発生することなく照明光を必要な範囲内に効率よく集光でき、かつ、生産性をよくできる。また、不要な方向へ出射する光を抑制し、必要な方向へより多くの光を集光できる。

（２）凹部の曲面形状は、その中央付近の接線がシート面となす角度が小さく、凸部に近い位置の接線がシート面となす角度が大きいので、凹部の中央付近に入射する光に影響を与えることなく、不要な方向へ出射する光を抑制し、必要な方向へより多くの光を集光できる。

（３）凹部の曲面形状は、楕円筒の一部形状であるので、凹部の中央付近に入射する光に影響を与えることなく、不要な方向へ出射する光を抑制し、必要な方向へより多くの光を集光できる。

（４）反射層は、光を拡散反射するので、光の利用効率が高く、また、オーバーコート等が必要なく、生産性を高めることができる。

（５）凸部の凹部の頂点からの突出量は、５μｍ以上６０μｍ以下であるので、不要な方向へ出射する光を少なくしながら、印刷による反射層の形成を容易にできる。

（６）単位レンズと凸部及び凹部は、一体で成型されているので、生産性がよく、また、耐環境性を高くできる。

（７）入射側の表面積をＳｉ、出射側の表面積をＳｏとしたときに、０．８＜Ｓｉ／Ｓｏ＜１．２の関係を満足するので、耐環境性を高くできる。

照明光を必要な範囲内に効率よく集光し、耐環境性を高め、かつ、生産性をよくするという目的を、入射側の形状を凹凸形状とし、凹部を曲面とすることにより実現した。

図１は、本発明による面光源装置を含む透過型表示装置の実施例を示す図である。
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，光制御シート１４，乳白板１６等を備え、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，光制御シート１４，乳白板１６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。ＬＣＤパネル１１は、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。
乳白板１６は、無指向性の光拡散特性を有した拡散板であり、光制御シート１４の光源側に配置されている。

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とともに必要な出射角度範囲内に出射光を集光する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（Polymethyl Methacrylate：アクリル樹脂）を用いた押し出し成型により一体成型されている。

光制御シート１４の成型に押し出し法を用いて両面の賦型を同時に行うことにより、生産性をよくできる。また、光制御シート１４の入射側と出射側とが同じ材料により形成されているので、吸水率や線膨張係数が等しくなる。よって、温度及び湿度の変化があったとしても、入射側と出射側が略同様な挙動をして、片面のみに大きな変形や反り等が発生することがなく、耐環境性を高めることができる。
なお、光制御シート１４は、ＰＭＭＡ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。また、光制御シート１４は、紫外線硬化樹脂を用いた紫外線成型と呼ばれる方法により作製してもよい。

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。なお、図３は、図中の上方が出射側となっている。
単位レンズ１４１は、図３に示した断面において、長半径が４００μｍ、短半径が２００μｍの楕円筒の一部形状がピッチ３００μｍで並べられており、その長軸が光制御シート１４のシート面に対して直交している。
光制御シート１４の入射側には、凸部１４２，凹部１４３，反射層１４４が設けられている。
凹部１４３は、その中心がシート面に対する法線方向から見たときに単位レンズ１４１の頂点と重なる位置に幅１５０μｍで配置されており、その形状は、入射側に凸の曲面形状となっている。本実施例の凹部１４３の曲面形状は、長半径が１００μｍ、短半径が５０μｍの楕円筒の一部形状となっており、その長軸が光制御シート１４のシート面に対して平行な方向となっている。
凸部１４２は、凹部１４３に挟まれた部分に凹部１４３の頂点からの突出量が５０μｍとなるように設けられており、その幅は、１５０μｍである。
また、光制御シート１４の厚さは、３５０μｍである。

ここで、凸部１４２の凹部１４３の頂点からの突出量をＴとすると、５μｍ≦Ｔ≦６０μｍの範囲であることが望ましい。突出量Ｔの下限値は、後述の反射層１４４を印刷により形成することを前提とした場合、特別なマスキングなどをすることなく印刷できる限界値から決められた値である。また、突出量Ｔの上限値は、凸部１４２の側面１４２ａから照明光が入射すると、そのまま大きな出射角度で出射してしまうので、そのような光の量が許容できる範囲として決められた値である。

反射層１４４は、凸部１４２の入射側表面に形成されており、照明光を拡散反射する拡散反射面となっている。本実施例の反射層１４４は、顔料として酸化チタンを使用した白色インキを凸部１４２の入射側表面に印刷することにより形成されている。上記白インキを使用すると、反射しない光は、拡散透過するので光の利用効率を高くできる。この反射層１４４を白色インキ等の拡散反射面とせずに、アルミニウムや銀等を用いた反射面としてしまうと、幾分かの光は吸収してしまい、光の利用効率がよくない。また、これらの金属を使用すると、酸化によって黒化や反射率低下の現象が起こることがあり、これを防ぐためオーバーコート層等を設ける必要があり、コストアップに繋がってしまう。よって、この反射層１４４は、白色インキ等の拡散反射面とすることが望ましい。

ここで、凹部１４３を入射側に凸の曲面形状とした理由について説明するために、凹部を曲面形状とせずに、シート面に平行な平面とした比較例を挙げる。
図４は、比較例の光制御シート５１４に入射する光の進み方を説明する図である。
図４に示す比較例は、凹部が平面となっている他は、本実施例の光制御シート１４と同一のものである。
凹部が平面となっている場合、光線Ａのように大きな入射角度で凹部の両端付近（凸部に近い位置）に入射する光は、入射した凹部からシート面の法線方向に進んだ位置にある単位レンズに到達せずに、その隣の単位レンズに到達してしまい、本来予定していた方向よりも大きな出射角度で出射してしまう。この光線Ａのように隣の単位レンズから出射してしまう光を少なくするためには、シートの厚さを薄くすると効果的である。しかし、シートの厚さを薄くしてしまうと、製造が困難になってしまい、また、耐環境性も悪化する。そこで、シートの厚さを薄くしなくとも、この光線Ａのように進む光を無くすために、本実施例の光制御シート１４では、凹部１４３を入射側に凸の曲面形状としている。

図５は、本実施例の光制御シート１４に入射する光の進み方を説明する図である。
光線Ｂは、図４に示した光線Ａと同一角度で入射する光であるが、凹部１４３が入射側に凸の曲面形状となっていることから、光制御シート１４内における光線の進む方向が変わり、入射した凹部からシート面の法線方向に進んだ位置にある単位レンズから出射している。そして、この光線の出射角度は、小さくなっており、光をより有効に集光している。
なお、本実施例の光制御シート１４の凹部１４３の曲面形状は、楕円筒の一部形状であってその長軸が光制御シート１４のシート面に対して平行な方向となるようにしている。この理由は、凹部１４３の中央付近の形状は、シート面に対して平行に近い方が凹部の中央付近に入射する光に影響を与えなくするために望ましく、凸部１４２に近い位置ほど曲率が大きくなることが不要な方向へ出射する光を抑制し、必要な方向へより多くの光を集光するために望ましいからである。言い換えると、凹部の曲面形状は、その中央付近の接線がシート面となす角度が小さく、凸部に近い位置の接線がシート面となす角度が大きいことが望ましい。したがって、凹部１４３の曲面形状は、楕円筒に限らず、例えば、中央付近がシート面に平行な平面であり、その両端付近が入射側に凸の曲面となっていてもよい。

図６は、本実施例の光制御シート１４と比較例の光制御シート５１４の垂直方向における輝度分布を示す図である。なお、図６に示した輝度は、比較例の光制御シート５１４の出射角度０度位置の輝度を基準値として、この基準値に対する比率（相対輝度）で示している。
比較例の光制御シート５１４では、出射角度±５０度付近に不要な輝度ピークが存在しているのに対して、本実施例の光制御シート１４では、これが解消している。また、この不要な方向（大きな出射角度となる方向）に出射していた光が、より小さな出射角度となる方向へ集まることから、出射角度０度付近の輝度も上昇している。

本実施例によれば、出射側に単位レンズ１４１を配置し、入射側に拡散反射を行う反射層１４４を設けたので、乳白板１６と重ね合わせてもニュートンリングが発生することなく照明光を必要な範囲内に効率よく集光できる。
また、光制御シート１４を同一の材料により一体成型し、かつ、入射側と出射側の表面積を略等しくしたので、高い耐環境性を実現した。さらに、光制御シート１４を押し出し成型により一体成型し、かつ、凸部１４２に反射層１４４を印刷により形成したので、生産性をよくできる。
さらにまた、凹部１４３の形状を入射側に凸の曲面を含む形状としたので、大きな出射角度方向に出射して生じる不自然な輝度ピークを抑制し、必要な範囲へ出射する光を増加させることができる。

（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）本実施例において、線光源を並列に並べた面光源装置を例に挙げて説明したが、これに限らず、例えば、点光源を用いる面光源装置であってもよい。

（２）本実施例において、光制御シートは、１種類の単位レンズが出射側に並べられている例を示したが、これに限らず、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。

（３）本実施例において、光制御シートを上下方向で光の制御を行うことができるように１枚配置した例を示したが、これに限らず、例えば、上下方向で光の制御を行う光制御シートと同様な光制御シートを左右方向の制御を行うことができるようにもう１枚さらに配置してもよい。

（４）本実施例において、吸水性や熱伝達性の影響を受けて光制御シートの変形が問題となる場合には、入射側の表面積をＳｉ、出射側の表面積をＳｏとしたときに、０．８＜Ｓｉ／Ｓｏ＜１．２の関係を満足するようにしてもよい。上記式を満足するということは、吸水性や熱伝達性の影響を受ける入射側の表面積と出射側の表面積が、ほぼ等しいということである。よって、温度及び湿度の変化があったとしても、入射側と出射側が略同様な影響を受けることとなり、片面のみに大きな変形や反り等が発生することがなく、耐環境性を高めることができる。なお、表面積の評価は、例えば、図３に示したような断面形状に表れた形状から評価するとよい。

本発明による面光源装置を含む透過型表示装置の実施例を示す図である。 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。 比較例の光制御シート５１４に入射する光の進み方を説明する図である。 本実施例の光制御シート１４に入射する光の進み方を説明する図である。 本実施例の光制御シート１４と比較例の光制御シート５１４の垂直方向における輝度分布を示す図である。

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
１４２ 凸部
１４２ａ 側面
１４３ 凹部
１４４ 反射層
１６ 乳白板

Claims (6)

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された少なくとも１種類の単位レンズと、
   入射側に突出した凸部と前記凸部に挟まれた領域であって前記凸部よりも高さの低い凹部とが多数順番に並べられた凹凸形状と、
   を備え、
   前記単位レンズは、長軸が該光制御シート全体としてみたときのシートの平面方向となるシート面に直交する楕円筒の一部形状であり、
   前記単位レンズの頂点と前記凹部の中央とは、前記シート面に対する法線方向から見たときに重なる位置に配置されており、
   前記凸部には、反射層が形成され、
   前記凹部は、入射側に凸の曲面形状であり、長軸が前記シート面に平行な楕円筒の一部形状であって、前記凹部の接線が前記シート面となす角度が前記凹部の前記凸部側から中央に向かうにつれて小さくなること、
   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、
   前記反射層は、光を拡散反射すること、
   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、
   前記凸部の前記凹部の頂点からの突出量は、５μｍ以上６０μｍ以下であること、
   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、
   前記単位レンズと前記凸部及び前記凹部は、一体で成型されていること、
   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、
   入射側の表面積をＳｉ、出射側の表面積をＳｏとしたときに、
   ０．８＜Ｓｉ／Ｓｏ＜１．２
   の関係を満足すること、
   を特徴とする光制御シート。
6. 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５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。

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