JP4956933B2 - 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、主に液晶表示素子を用いたディスプレイ用バックライト・ユニットにおける照明光路制御に使用される光学シートの改良に関するものであり、前記シートを搭載したバックライト・ユニットおよびディスプレイに関する。

液晶表示装置（ＬＣＤ）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。

従って、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社の登録商標である輝度強調フィルム（Brightness Enhancement Film：ＢＥ
Ｆ）が、この問題を解決する光学シートとして広く使用されている。

ＢＥＦは、図１に示すように、部材７０上に、断面三角形状の単位プリズム７２が一方
向に周期的に配列されたフィルムである。

このプリズム７２は光の波長に比較して大きいサイズ（ピッチ）である。

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（図１中に示す方向Ｆ）側である。

プリズム７２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
達成することができるようになった。

ＢＥＦに代表されるプリズム７２の反復的アレイ構造を有する輝度制御部材をディスプレイに採用する旨が開示されている特許文献としては、特許文献１乃至３に例示されるように多数のものが知られている。
特公平１−３７８０１号公報 特開平６−１０２５０６号公報 特表平１０−５０６５００号公報 上記のようなＢＥＦを輝度制御部材として用いた光学シートでは、図２に示すように、屈折作用ｘによって、光源２０からの光Ｐが、最終的には、制御された角度φで出射されることによって、視聴者の視覚方向Ｆの光の強度を高めるように制御することができる。しかしながら、同時に反射／屈折作用ｙによる光成分が、視聴者の視覚方向Ｆに進むことなく横方向に無駄に出射されてしまう。

したがって、図１，２に示すようなＢＥＦを用いた光学シートから出射される光強度分布は、図３に示すように、視聴者の視覚方向Ｆ、すなわち視覚方向Ｆに対する角度が０°における光強度が最も高められるものの、図中横軸に示す±９０°近辺の小さな光強度ピークとして示されるように、横方向から無駄に出射される光も増えてしまうという問題がある。
このような欠点を克服するために、図４に示すように、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光学フィルム３８を用いたバックライトユニット４０もある（特許文献４）。
この光学フィルム３８の透明基材３９の液晶パネル４２側の面には、光学フィルム３８
内を進行した光を液晶パネル４２へ導くレンズ４４が設けられている。

このレンズ４４は、図５の斜視図に示すように、複数の単位レンズが反復的にアレイ構造をなしている。
さらに、他方の面には、該レンズ４４の焦点面近傍に開口部４６をもつストライプ状のパターンからなる反射材４８が設けられている。
この反射材４８は、白色である二酸化チタン（ＴｉＯ_２）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。
これによって、拡散フィルム３２から出射した光のうち、開口部４６を通過した光のみ
が、レンズ４４に入射し、レンズ４４によってある一定方向に集光された後に出射される。
そして、偏光板４９に入射し、所定の偏光成分の光のみが液晶パネル４２に導かれる。
一方、開口部４６を通ることができなかった光は、反射材４８で反射され、拡散板２６
側に戻され反射板２７へ導かれる。そして、反射板２７によって反射されることによって
再び拡散板２６に入射し、拡散板２６において再び拡散された後に、いずれは入射角度が
絞られた光となった後に開口部４６を通ってレンズ４４に入射し、レンズ４４によって、
図６に示すように、所定角度φ内に絞られて出射される。
このような光学フィルム３８を用いたバックライトユニット４０では、光学フィルム３
８の開口部４６の大きさ及び位置を調節することによって、光の利用効率を高めながら、
レンズ４４から正面方向Ｓに出射される光の割合を高めるように制御することができる。
特開２０００−２８４２６８号公報

光学フィルム３８が、図４，５に示されるように、基材３９上にレンズ部４４を有する構成である場合、レンズ部４４は放射線硬化型樹脂（ＵＶ硬化型樹脂やＥＢ硬化型樹脂など）の硬化物により形成されることが多いが、レンズ部４４はレンズ機能を発揮する程度の凹凸が形成されれば十分であり、比較的高価な放射線硬化型樹脂の使用量を抑えるため、 極力薄く形成することが望ましい。

そのため、光学フィルム３８全体における体積比は、基材３９が大半の割合を占め、光学フィルム３８の熱膨張係数や吸水率などの物性は、基材３９の材料特性に依存する割合が高い。

基材３９を構成する材料としては、アクリル樹脂，ポリカーボネート樹脂，スチレン樹脂，塩化ビニル樹脂，シクロオレフィン樹脂などが使用されている。

光学フィルム３８が、上記のように複層構成でなく、プレス成形や溶融押出し成形によるモノリシックな構成のレンズシートである場合もあるが、それらの成形法にて用いられる材料としても、アクリル樹脂，ポリカーボネート樹脂，スチレン樹脂，塩化ビニル樹脂，シクロオレフィン樹脂などが使用されるため、光学フィルム３８の熱膨張係数や吸水率などの物性は、前記樹脂材料の特性に一層依存することになる。

例示した上記の樹脂材料は、吸湿性を有している上に、シート状あるいはレンズシート状に成形加工する際に発生する応力や歪みが基材内部に残存しているために、熱や湿気が加えられた時、伸縮，反り，変形が生じやすい。

表示装置内に搭載した光学フィルム３８に熱や湿気が加わると、表示装置内で反り変形を生じる場合もあり、光源を含むランプハウスや液晶パネルなどの他部材との積層固定の状態が強固でないと、部分的に浮き上がって隙間を生じてしまう変形も起こり得る。

その場合、隙間に依存して、ボケ，解像度の低下，二重像，シェーディング現象などが発生し、視覚される映像画質の劣化につながるだけでなく、音声を伴う表示の場合、隙間の部分の振動により、予期しないノイズの発生を招くことも予想される。

表示装置内で光学フィルム３８を積層固定する状態が強固である場合でも、光学フィルム３８の上下に位置するランプハウスや液晶パネルなどは、ガラスや金属を用いた比較的剛性の十分な（変形の惧れが少ない）部材ではあるが、光学フィルム３８の変形に応じて、それらに影響（変形）を及ぼすことも予想される。

本発明は、光学フィルムが樹脂を主材料とすることに起因して、それを搭載した表示装置の使用環境の経時的変化に伴う熱膨張，吸湿による光学フィルムの変形に応じた影響を回避することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による光学シートは、
バックライト光源からの光を入射面から取り込み、拡散させることによって、この取り込んだ光を拡散光として非入射面である出射面から出射させる拡散シートと、
片面に、半円柱状凸シリンドリカルレンズからなる単位レンズが並列されてなるレンズ部を有しており、反レンズ部側の平坦面には、バックライト光源側に面して光反射性が高く、単位レンズそれぞれに１：１で対応した開口部を有するストライプ状の光反射層を有するレンズシート、
とが積層一体化してなる構成のディスプレイ用バックライト・ユニットにおける照明光路制御に使用される光学シートにおいて、
拡散シートとレンズシートは、熱膨張係数と吸水率の少なくとも一方が等しい材料からなることを特徴とする。

比較的薄く可撓性を有する（自立性の低い）レンズシートが、比較的剛性が高く可撓性の無い（自立性の高い）拡散シートと積層一体化された構造であり、前記レンズシートの物性（熱膨張係数や吸水率）を前記拡散シートに揃えているため、レンズシートが、表示装置の使用環境の経時的変化に伴う熱膨張，吸湿に応じて単独で変形することが解消され、表示装置内で安定して搭載される状態が維持される。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図６は、本発明の実施形態に係る光制御フィルムの一例を示す側面図である。

すなわち、同実施の形態に係る光制御フィルム１０は、光源２０からの光Ｐを、入射面１１から導き入れ、出射面１２側に散乱する拡散層１３を備えている。

拡散層１３としては、当該技術分野では良く知られているように、透光性樹脂中に屈折率の異なる樹脂ビーズや微粒子（フィラー）を含んだ構成のものや、何れか一方の表面をマット状に処理した構成のものが用いられる。

図４では、拡散要素として、拡散板２６，拡散フィルム３２の２種類が図示されていたが、拡散性の異なる複数種類の拡散要素を組み合わせて用いることも、拡散性の制御の上などで好適な場合が多いためであるが、図６の場合では１種類の拡散要素として、比較的厚く剛性の十分な拡散層１３を用いている。

後述するように、拡散層１３の熱膨張係数（あるいは、吸水率）にレンズシート１７の熱膨張係数（あるいは、吸水率）を合せることになる。

また、拡散層１３の出射面１２には、反射層１４を接着層１８により固定している。

この反射層１４には、図７の平面図に示すように、複数の空気層（開口部と同義）１５を規則的に設けている。

更に、反射層１４の他面（図６中に示す反射層１４の上面）には、表面に複数のレンズ１６が配置されてなるレンズシート１７を接着層１８により固定している。

接着層１８は、紫外線硬化性樹脂（以後、ＵＶ硬化粘着剤とも称する）か、他の種類の粘着剤を使用し、拡散層の拡散性を向上させるために、拡散材を混入することもある。

光学シートの製造後にも残る粘着性を考慮した場合、経時的な耐性や光学特性の低下を招く可能性が低いため、紫外線硬化性樹脂の重合接着力を用いる方が好ましい。

また、紫外線硬化性樹脂による接着層１８をレンズシートの全面に渡って形成する場合、接着層１８が硬化していると、反射層１４に接触しない部分が空気層１５に入り込むことが回避されやすく、好適である。

複数の単位レンズ１６は、本実施形態ではシリンドリカル・レンズである。（凸レンズが２次元配列されたレンズシートや他のレンズシートの場合も、本発明の主旨を逸脱するものではない。）
このようなレンズシート１７は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネイト）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）等を用いて、当該技術分野では良く知られている押し出し成型法、射出成型法、あるいは熱プレス成型法によって形成する。

あるいは、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネイト）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＥ（ポリエチレン）等を基材として、その上に紫外線固化樹脂を配置する紫外線キュアリング成型法によって形成する。

本発明では、レンズシート１７の主材料として、拡散板１３を構成する主材料（拡散剤を分散混合するバインダー樹脂）と熱膨張係数，吸水率の少なくとも一方が等しい材料を選択して用いる。

空気層１５は、拡散層１３およびレンズシート１７よりも屈折率が低く、複数のレンズ１６の各々に対応する位置に形成される。

空気層１５の形成箇所としては、好ましくは、レンズシート１７における各レンズ１６の頂点と、各レンズ１６にそれぞれ対応する各空気層１５の、反射層１４の面（図６中に示す反射層１４の上面）を断面とした場合における各断面中心Ｇとをそれぞれ結んだ各線が、反射層１４の面（図６中に示す光反射層１４の上面）とそれぞれほぼ直交するようにしている。

言い換えると、各レンズ１６の頂点から、光学シート１０の厚み方向に沿って引いた直線上に各空気層１５の断面中心Ｇが存在するように、開口部を形成する。

空気層１５の大きさを大きくするほど、十分に絞りきられていない散乱光もレンズ１６に入射することになるので、前述したように、視聴者の視覚方向Ｆへと出射されない光の成分が増えてしまう。

一方、空気層１５の大きさを小さくするほど、より均一に絞られた散乱光のみがレンズ１６に入射することになり、場合によっては、レンズ１６から出射される出射光のムラが増えてしまう。

したがって、空気層１５の形状及び大きさは、光学シート１０に対して要求されるスペックに応じて決められる設計的事項である。

このような規則的に配置された複数の空気層１５によって部分的に貫通されてなる反射層１４は、当該技術分野では良く知られている印刷法、転写法、あるいはフォトリソグラフィー法を用いて形成する。

あるいは、フォトリソグラフィー法の一方式として、レンズ自身の集光特性を利用して反射層（開口部）の形成箇所を規定する、所謂「セルフアライメント手法」も採用される。

セルフアライメント手法により本願構成の開口部を規定するにあたっては、各単位レンズに対応する開口部が、単位レンズ頂部からレンズシート裏面に引いた垂線を含むようにするため、レンズシートにはレンズ部側から全面に平行光を照射することが要求される。

また、規定される開口部には、セルフアライメント手法の際に用いる感光性樹脂層が残る場合もあり得るが、光学シートの製造後の光学特性や耐性を考慮した場合、透明性が維持されるタイプの感光性樹脂の採用が好ましく、その屈折率はレンズシートよりも低い（空気層に近い）タイプが一層好ましい。

次に、以上のように構成した上記実施形態に係る光制御フィルムの作用について、図８を用いて説明する。

すなわち、同実施の形態に係る光制御フィルム１０では、光源２０からの光Ｐが、拡散層１３の入射面１１から入射する。

拡散層１３に入射した光Ｐは、ここでランダムに散乱される。

このように散乱された光のうち、空気層１５を通過した光αのみが、レンズシート１７へと導かれる。

各空気層１５は、レンズシート１７に設けられた各レンズ１６の頂点に対向するようにそれぞれ設けられているので、各レンズ１６には、対応する各空気層１５によって絞られた光のみが導かれる。

つまり、各空気層１５が、スリットのような働きをすることによって、散乱角度が絞られた光αのみが各レンズ１６に入射することになるので、レンズ１６に斜めから入射する光がなくなり、もって、視聴者の視覚方向Ｆに進むことなく横方向に無駄に出射されてしまう光をなくすことができる。

一方、空気層１５を通ることができなかった光βは、反射層１４で反射され、拡散層１３側に戻される。

そして、拡散層１３において同様に散乱された後に、いずれは散乱角度が絞られた光αとなった後に空気層１５を通ってレンズ１６に入射し、レンズ１６によって所定角度φ内に拡散された後に出射される。

このように、光源２０からの光Ｐを散乱させ、散乱角度が絞られた光αのみをレンズ１６に入射させることができるとともに、レンズ１６に入射させることができなかった光については、無駄に出射させることなく再利用することができるので、光源２０からの光の利用効率を高めつつ、拡散範囲を制御して出射させるようにすることが可能となる。

これにより、図９に示すように、同実施の形態に係る光制御フィルムから出射される光強度分布Ａは、図１に示すようなＢＥＦを用いた光学シートから出射される光強度分布Ｂにあるような図中横軸における±９０°近辺の小さな光強度ピークを消滅させると共に、図中横軸に示す０°を中心とする視聴者の視覚方向Ｆの光強度をより高めることができるような分布となる。

従来技術に係る光学シートである「ＢＥＦ」を示す説明図。 ＢＥＦによるバックライトの光路制御特性を示す説明図。 ＢＥＦによるバックライトの光路制御特性を示すグラフ。 ＢＥＦとは別タイプの従来技術に係る光学シートを示す説明図。 図４の光学シートを示す斜視図。 本発明の実施形態に係る光学シートの一例を示す側面図。 光反射層と空気層のストライプ状配置を示す平面図。 同実施形態に係る光学シートの光学作用の説明図。 本発明の光学シートによるバックライトの光路制御特性を示す説明図。

符号の説明

１０ 光制御フィルム
１１ 入射面
１２ 出射面
１３ 拡散層
１４ 反射層
１５ 空気層
１６ レンズ
２０ 光源
３８ 光学フィルム
３９ 透明基材
４０ バックライトユニット
４２ 液晶パネル
４４ レンズ
４６ 開口部
４８ ストライプ状のパターンからなる反射材
７０ 部材
７２ 単位プリズム

Claims (6)

1. バックライト光源からの光を入射面から取り込み、拡散させることによって、この取り込んだ光を拡散光として非入射面である出射面から出射させる拡散シートと、
   片面に、半円柱状凸シリンドリカルレンズからなる単位レンズが並列されてなるレンズ部を有しており、反レンズ部側の平坦面には、バックライト光源側に面して光反射性が高く、単位レンズそれぞれに１：１で対応した開口部を有するストライプ状の光反射層を有するレンズシート、とが積層一体化してなる構成のディスプレイ用バックライト・ユニットにおける照明光路制御に使用される光学シートにおいて、
   拡散シートとレンズシートは、熱膨張係数と吸水率の少なくとも一方が等しい材料からなり、かつ前記開口部及び前記ストライプ状の光反射層を形成する感光性樹脂層は、透明性が維持されるタイプの感光性樹脂であり、その屈折率は前記レンズシートよりも低く、かつ、拡散材が混入されてなることを特徴とする光学シート。
2. 前記レンズシートは、熱可塑性樹脂のプレス成形あるいは溶融押出し成形によるモノリシックな成形体であり、
   前記拡散シートは、前記熱可塑性樹脂と、熱膨張係数と吸水率の少なくとも一方が等しい材料中に光拡散剤が分散混合してなることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
3. 前記レンズシートは、透明基材の一方の面上に放射線硬化型樹脂の硬化物からなるレンズ部が形成されてなる積層体であり、
   前記拡散シートは、前記透明基材と、熱膨張係数と吸水率の少なくとも一方が等しい材料中に光拡散剤が分散混合してなることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
4. 表示画像を規定する画像表示素子の背面に、
   直下型光源と、請求項１〜３の何れかに記載の光学シートを少なくとも備えることを特徴とするディスプレイ用バックライト・ユニット。
5. 表示画像を規定する画像表示素子の背面に、
   エッジライト式光源と導光板からなる面光源と、請求項１〜３の何れかに記載の光学シートを少なくとも備えることを特徴とするディスプレイ用バックライト・ユニット。
6. 画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する液晶表示素子からなる画像表示素子と、
   冷陰極線管あるいはＬＥＤによる光源と、
   請求項４または５記載のバックライト・ユニットを備えることを特徴とするディスプレイ。

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