JP5092488B2 - ディスプレイ用光学シート及びこれを用いたバックライト・ユニット並びに表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、主にフラットパネルディスプレイに代表される光学表示装置の照明光路制御に使用されるディスプレイ用光学シート及びこれを用いたバックライト・ユニット並びに表示装置に関する。

液晶表示装置（ＬＣＤ）に代表されるフラットパネルディスプレイは、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を増大させることができる。これは電池式装置には特に望ましいことである。

最近では、ノート型パーソナルコンピュータや携帯情報端末などに用いられる２０インチ以下の画面サイズの小型液晶表示装置には、低消費電力化が図れ、薄型化の容易なエッジライト方式の採用が主流となり、２０インチ以上の画面サイズの中型ないし大型液晶表示装置では直下型方式の採用が主流となっている。２０インチ以上の液晶表示装置に対しては、より薄型で、視野角依存性が低く、高輝度、かつ低消費電力であることが求められており、液晶表示装置に搭載されるバックライトもその実現に対処することが要求されている。

一方、複数本の冷陰極管を並列させた直下型方式バックライトでは、光源としての冷陰極管やＬＥＤ（Light Emitting Diode）などが、出射光を拡散させる拡散板を通して、その発光した光源の形状が直接視認できてしまうため、拡散板は非常に光散乱性の強い樹脂板が用いられている。この拡散板は、強い拡散性を持たせるために通常１mm〜３mm程度の厚さが必要であり、その厚さのために光吸収が少なからずあり、光源からの光量が減少し液晶画面表示が暗くなる問題がある。

米国３Ｍ社の登録商標である輝度強調フィルム（ＢＥＦ:Brightness Enhancement Film）が、上記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。
このＢＥＦは、図１に示すように、基材７０上に、断面三角形状の単位レンズ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。

ＢＥＦは、ディスプレイの使用時（観察時）に、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中に示す矢印Ｆの方向）である。
単位レンズ７２の反復的アレイ構造が一方向のみに並列される方式では、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うためには、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る必要がある。

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に代表される単位レンズ７２の反復的アレイ構造を有する輝度制御基材をディスプレイに採用した先行技術として、例えば特許文献１乃至３に開示した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を輝度制御基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及び図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°（軸上方向にあたる）における光強度が最も高められるものの、図３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。

図３に示すグラフは、光学シート１枚だけの場合の光強度分布であり、図中「垂直分布」で示される曲線は、単位レンズ７２の並列される方向に相当し、「水平分布」で示される曲線は、単位レンズ７２の長手方向に相当する。
一般には、前記単位レンズ７２の並列される方向が略直交するように、２枚の光学シートが併用される使用形態が普及している。
このような±９０°近辺に光強度ピークを有する輝度分布は望ましくはなく、±９０°近辺での光強度ピークのない滑らかな輝度分布の方が望ましい。
また、軸上輝度のみが過度に向上すると、グラフ中（特に、垂直分布の曲線で）の山の幅が著しく狭くなり、視域が極端に限定されるため、グラフ中の山の幅を適度に拡げるために、光学シートとは別基材の光拡散フィルムを新たに併用する必要があり、基材数の増加を伴っている。

ＢＥＦに代表される光学シートは、上記のように横方向への無駄な光の出射、そして基材数の増加を伴うため、光学的に、そして構成的に新たなる光学シートが求められる。
例えば、究極的にバックライトに使用される基材が１点となれば、複数枚の光学シートをそろえて組み込む必要がなくなり、バックライトのアセンブリにおいてオートメーション化が可能となる。

本発明は上記のような従来の問題を解決するためになされたもので、ＢＥＦに代表される輝度上昇フィルムと同等以上のゲインを持ち、かつ複数の光学基材を１点に集約可能なディスプレイ用光学シート及びこれを用いたバックライト・ユニット並びに表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、請求項１の発明は、ディスプレイ用バックライト・ユニットの照明光路制御に使用される光学シートであって、基材と、前記基材の一方の面に単位レンズを前記一方の面に沿い二次元方向に一定のピッチで配列形成してなるレンズシートを備え、前記単位レンズは、前記基材の一方の面に接合され前記ピッチに相当する幅もしくは該幅より小さい幅の底面と、前記底面と平行でかつ該底面の幅より小さい幅の頂面と、前記底面の幅方向の両端と該両端に対応する前記頂面の両端との間を接続する傾斜側面とを有し、前記レンズシートの前記基材と反対の面に、前記単位レンズの頂面にそれぞれ臨む光透過層と前記頂面を除く前記単位レンズの他の部分にそれぞれ臨む反射層が並列してなる光マスクが設けられ、前記傾斜側面の仮想延長面で形成される前記単位レンズの頂角θpは５[deg]＜θp＜４０[deg]の範囲に設定され、前記頂面の幅Ｄは前記単位レンズのピッチＰに対して０．２Ｐ＜Ｄ＜０．５Ｐの範囲に設定され、前記単位レンズの頂面は湾曲され、この湾曲頂面の曲率半径Ｒpは、前記単位レンズが配列されたピッチＰより大きい値Ｒp＞Ｐに設定されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の光学シートにおいて、前記レンズシートが同一の材料で一体成形されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１記載の光学シートにおいて、前記単位レンズは、截頭多角錐形状を呈することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至３に何れか１項記載の光学シートにおいて、前記単位レンズの傾斜側面の周囲に形成される空間は低屈折率材料により充填されていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４記載の光学シートにおいて、前記低屈折率材料は空気であることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項４記載の光学シートにおいて、前記低屈折率材は反射性微粒子を含有した低屈折率樹脂であることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１乃至６に何れか１項記載の光学シートにおいて、前記光マスクの前記単位レンズと反対の面に光拡散層が積層されていることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項１乃至７に何れか１項記載の光学シートにおいて、前記傾斜側面は湾曲されていることを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項１乃至８に何れか１項記載の光学シートにおいて、前記単位レンズの傾斜側面はそれぞれ２以上の異なる角度の微分傾斜面で形成されていることを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項１乃至９に何れか１項記載の光学シートにおいて、前記基材の前記単位レンズと反対の他方の面に前記基材の出射光を拡散する光学的拡散要素を含む光拡散層を積層したことを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項１０記載の光学シートにおいて、前記光拡散層は、透明樹脂中に透明粒子を分散して構成されていることを特徴とする。
請求項１２の発明は、請求項１０記載の光学シートにおいて、前記光拡散層は、プリズムシート、レンチキュラーシート、開口部と反射層を備えたレンチキュラーシート、マイクロレンズシート等の何れかで構成されていることを特徴とする。

請求項１３の発明は、ディスプレイ用バックライト・ユニットの照明光路制御に使用される光学シートであって、基材と、前記基材の一方の面に複数の単位プリズムを一定のピッチで平行に配列してなるアレイ形状のプリズムシートを備え、前記単位プリズムは、前記基材の一方の面に接合され前記ピッチに相当する幅の底面と、前記底面と平行でかつ該底面の幅より小さい幅の頂面と、前記底面の幅方向の両端と該両端に対応する前記頂面の両端との間を接続する一対の傾斜側面とを有し、前記プリズムシートの前記基材と反対の面に、前記単位プリズムの頂面にそれぞれ臨む光透過層と前記単位プリズムの頂面を除く前記単位プリズムの他の部分にそれぞれ臨む反射層が並列してなる光マスクが設けられ、
前記一対の傾斜側面の各仮想延長面で形成される前記単位プリズムの頂角θpは５[deg]＜θp＜３０[deg]の範囲に設定され、前記単位プリズムの頂面の幅Ｄは、前記単位プリズムが配列されたピッチＰに対して０．２Ｐ＜Ｄ＜０．５Ｐの範囲に設定され、前記単位レンズの頂面は湾曲され、この湾曲頂面の曲率半径Ｒpは、前記単位レンズが配列されたピッチＰより大きい値Ｒp＞Ｐに設定されていることを特徴とする。

請求項１４の発明は、請求項１３記載の光学シートにおいて、前記プリズムシートが同一の材料で一体成形されていることを特徴とする。
請求項１５の発明は、請求項１３または１４記載の光学シートにおいて、互いに隣接する前記単位プリズムの傾斜側面との間に形成される空間は低屈折率材料により充填されていることを特徴とする。
請求項１６の発明は、請求項１５記載の光学シートにおいて、前記低屈折率材料は空気であることを特徴とする。
請求項１７の発明は、請求項１５記載の光学シートにおいて、前記低屈折率材は反射性微粒子を含有した低屈折率樹脂であることを特徴とする。

請求項１８の発明は、請求項１３乃至１７に何れか１項記載の光学シートにおいて、前記光マスクの前記単位プリズムと反対の面に光拡散層が積層されていることを特徴とする。
請求項１９の発明は、請求項１３乃至１８に何れか１項記載の光学シートにおいて、前記傾斜側面は湾曲されていることを特徴とする。
請求項２０の発明は、請求項１３乃至１８に何れか１項記載の光学シートにおいて、前記単位レンズの傾斜側面はそれぞれ２以上の異なる角度の微分傾斜面で形成されていることを特徴とする。
請求項２１の発明は、請求項１３乃至２０に何れか１項記載の光学シートにおいて、前記基材の前記単位プリズムと反対の他方の面に前記基材の出射光を拡散する光学的拡散要素を含む光拡散層を積層したことを特徴とする。

請求項２２の発明は、請求項２１記載の光学シートにおいて、前記光拡散層は、透明樹脂中に透明粒子を分散して構成されていることを特徴とする。
請求項２３の発明は、請求項２１記載の光学シートにおいて、前記光拡散層は、プリズムシート、レンチキュラーシート、開口部と反射層を備えたレンチキュラーシート、マイクロレンズシート等の何れかで構成されていることを特徴とする。

請求項２４の発明は、ディスプレイ用バックライト・ユニットであって、光源と、請求項１乃至２３の何れか１項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。

請求項２５の発明は、表示装置であって、画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する画像表示素子と、前記画像表示素子の背面に配置された、請求項２４記載のディスプレイ用バックライト・ユニットとを備えることを特徴とする。

本発明のディスプレイ用光学シート及びこれを用いたバックライト・ユニット並びに表示装置によれば、レンズシートの単位レンズは、単位レンズのピッチに相当する幅の底面と、この底面の幅より小さい幅の頂面と、底面と頂面との間を接続する傾斜側面とを有する截頭多角錐形状を呈し、レンズシートの基材と反対の面に、単位レンズの頂面にそれぞれ臨む光透過層と単位レンズの頂面を除く単位レンズの他の部分にそれぞれ臨む反射層が並列してなる光マスクを設け、さらに単位レンズの頂角θpを５[deg]＜θp＜４０[deg]の範囲に設定し、頂面の幅Ｄを単位レンズのピッチＰに対して０．２Ｐ＜Ｄ＜０．５Ｐの範囲に設定する構成にしたので、中心輝度、及び周辺輝度の値を制御し、ＢＥＦに代表される輝度上昇フィルムと同等以上のゲインを持ち、且つ複数の光学基材を１点に集約可能になる。さらに、単位レンズの湾曲頂面の曲率半径Ｒpを単位レンズの配列ピッチＰより大きい値Ｒp＞Ｐに設定することにより、単位レンズのレンズ効果によりセルフアライメントによる反射層の転写時において、その露光境界線を単位レンズの頂面側にシフトさせ、隣接する単位レンズの間を反射層で確実に覆うことができる。

本発明のディスプレイ用光学シート及びこれを用いたバックライト・ユニット並びに表示装置によれば、プリズムシートの単位プリズムは、単位プリズムのピッチに相当する幅の底面と、この底面の幅より小さい幅の頂面と、底面と頂面との間を接続する一対の傾斜側面とを有する截頭三角形を呈し、プリズムシートの基材と反対の面に、単位プリズムの頂面にそれぞれ臨む光透過層と単位プリズムの頂面を除く単位プリズムの他の部分にそれぞれ臨む反射層が並列してなる光マスクを設け、さらに単位プリズムの頂角θpを５[deg]＜θp＜３０[deg]の範囲に設定し、頂面の幅Ｄを単位プリズムのピッチＰに対して０．２Ｐ＜Ｄ＜０．５Ｐの範囲に設定し、さらに、する構成にしたので、中心輝度、及び周辺輝度の値を制御し、ＢＥＦに代表される輝度上昇フィルムと同等以上のゲインを持ち、且つ複数の光学基材を１点に集約可能になる。さらに、単位レンズの湾曲頂面の曲率半径Ｒpを単位レンズの配列ピッチＰより大きい値Ｒp＞Ｐに設定することにより、単位レンズのレンズ効果によりセルフアライメントによる反射層の転写時において、その露光境界線を単位レンズの頂面側にシフトさせ、隣接する単位レンズの間を反射層で確実に覆うことができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図４は、本発明の第１の実施の形態における光学シートをディスプレイ用バックライト・ユニットの照明光路制御に用いたバックライト・ユニットを具備する液晶表示装置の概略断面図であり、各部位の縮尺は実際とは一致しない。
図４に示す液晶表示装置１００は、液晶パネル４２（特許請求の範囲に記載した画像表示素子に相当する）と、この液晶パネル４２の光入射側に臨ませて配置されたバックライト・ユニット４０を備える。
バックライト・ユニット４０は、液晶パネル４２の光入射側に臨ませて配置された、照明光路制御用の光学シート３８及び直下型光源２３を含んで構成される。

光学シート３８は、図４に示すように、透明樹脂からなる基材３２と、この基材３２の液晶パネル４２と対向する一方の面に複数の単位レンズ３４を二次元方向に一定のピッチで配列形成してなるレンズシート３６を備えている。
透明樹脂としては、例えば、ポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系アクリル樹脂、シリコーン系アクリル樹脂、エポキシアクリレート樹脂、メチルスチレン樹脂及びフルオレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等を使用することができる。

単位ンズ３４は、熱可塑性若しくはＵＶ硬化性樹脂から成形されるもので、図４に示すように、基材３２の一方の面に接合され、ピッチＰに相当する幅もしくは該幅より小さい幅を有する底面３４ａと、この底面３４ａの幅Ｐより小さい幅Ｄを有する頂面３４ｂと、底面３４ａの周縁と該周縁に対応する頂面３４ｂの周縁との間を接続する傾斜側面３４ｃとを有する。これにより、単位レンズ３４は、截頭多角錐形状を呈するように構成されている。
また、レンズレシート３６の基材３２と反対の面には、単位レンズ３４の頂面３４ｂにそれぞれ臨む光透過層４６と、単位レンズ３４の頂面３４ｂを除く単位レンズ３４間の谷部分にそれぞれ臨む反射層４８が並列してなる光マスク４４が設けられている。この光マスク４４は感光性接着層５０を介してレンズシート３６に一体に接着されている。
前記レンズシート３６は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーカーボネート）、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出成形法、射出成形法、あるいは熱プレス成形法等により、前記単位レンズ３４と前記基材３２からなる前記レンズシート３６を一体成形しても良い。

また、レンズシート３６において、傾斜側面３４ｃ，３４ｃの仮想延長面で形成される単位レンズ３４の頂角θpは５[deg]＜θp＜４０[deg]の範囲に設定されている。さらに、単位レンズの頂面３４ｂの幅Ｄは、単位レンズ３４のピッチＰに対して０．２Ｐ＜Ｄ＜０．５Ｐの範囲に設定されている。

また、光学シート３８において、各単位レンズ３４の傾斜側面３４ｃの周囲に形成される空間４２内には低屈折率材料、例えば空気または反射性微粒子を含有した低屈折率樹脂などが充填されている。
また、直下型光源２３と対向する光マスク４４の面（単位レンズ３４と反対の面）には光拡散板２６（特許請求の範囲に記載した光拡散層に相当）が設けられている。

光拡散板２６は、透明樹脂中に透明粒子を分散することで構成される。
透明粒子としては、無機酸化物からなる透明粒子又は樹脂からなる透明粒子が使用できる。例えば、無機酸化物からなる透明粒子としてはシリカやアルミナ等からなる粒子を挙げることができる。また、樹脂からなる透明粒子としては、アクリル粒子、スチレン粒子、スチレンアクリル粒子及びその架橋体；メラミン−ホルマリン縮合物の粒子；ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシ樹脂）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリフルオロビニリデン）、及びＥＴＦＥ（エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体）等の含フッ素ポリマー粒子；シリコーン樹脂粒子等を挙げることができる。これら透明粒子は、２種類以上を混合して使用してもよい。

光マスク４４を構成する光透過層４６及び反射層４８の形成に際しては、一般に、印刷（コーティング），転写，フォトリソグラフィーなどの各種手法が適宜に選定される。特に単位レンズ３４のピッチが微細である場合には、単位レンズ３４それぞれに１：１で対応して、光透過層４６を空気で構成するための開口部を形成するためのアライメント精度が要求される。このため、フォトリソグラフィー法の一方式として、セルフアライメント手法を採用することが有効である。
直下型光源２３は、陰極線管またはＬＥＤ等からなるランプ２３ａと、ランプ２３ａの光を光学シート３８へ反射する光反射板２３ｂを含んで構成されている。

このような液晶表示装置１００においては、図４に示されるように、光透過層４６である開口部（空気層）と反射層４８を有する光マスク４４と単位レンズ３４を並列してなるレンズシート３６とを組み合わせて拡散・集光・屈折・反射等の光学機能を発揮させる光学シート３８を用いることで、直下型光源２３から光拡散板２６を通して光マスク４４の開口部に入射する光は、単位レンズ３４のプリズム材料屈折率と光透過層４６との屈折率差により集光され、単位レンズ３４内に入射する。例えば、一般的ガラス材料の屈折率を１．５として考え、上記空間４２の低屈折率材が空気とした場合、±９０度方向に拡散された光は、図６に示すように±４２度程度に集光される。これにより、単位レンズ３４内を進行する光Ａ１は基材３２を透過して液晶パネル４２に向け出射される。また、単位レンズ３４に入射した光のうち、傾斜側面３４ｃの界面で全反射される光Ａ２も基材３２を透過して液晶パネル４２に向け出射される。また、単位レンズ側面とプリズム間に充填される低屈折率材料との屈折率差による全反射角を超えて入射した一部の光Ａ３は、単位レンズ側面で全反射されず低屈折率層へ入射し、更に単位レンズに入射し進行して、斜め方向へと出射される。このような一部の光Ａ３はディスプレイにおいて、広い視野範囲（コントラスト）を得るために有用な光となる。

ここで、単位レンズの頂角θpが４０[deg]以上であると、この光学シートは拡散フィルムと同等程度のゲインしか得られない。また、単位レンズ３４の頂角θpが５[deg]以下では特性は得られるものの、その成形上、レンズ作用が高くなり過ぎること、成形金型が磨耗しやすいことなどが挙げられる。

光マスク４４を構成する開口部の幅がピッチＰに対して２０％以下では指向性が強すぎる光学シートとなってしまい、且つ反射層の吸収により全体の光量が減ってしまう。また５０％以上であると、輝度上昇フィルムとしてのゲインが得られない。

（第２の実施の形態）
本発明かかる液晶表示装置の第２の実施の形態について図６を参照して説明する。
この図６に示す液晶表示装置１００において、上記図４に示す第１の実施の形態と同様な構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、図４と異なる部分を重点に述べる。
上記第１の実施の形態と異なる点は、基材３２の単位レンズ３４と反対の面に、基材３２を透過した光を拡散して液晶パネル４２に向け出射する光拡散層５２を積層したところにある。この光拡散層５２は、透明樹脂５２ａ中に透明粒子５２ｂを分散することで構成される。
このような光拡散層５２は、指向性の強い集光特性を拡散させる機能を持ち、また光学シート全体での輝度ムラを低減させ、且つ単位レンズピッチと画素ピッチとにより生じるモアレ縞を消す効果もある。

上記光拡散層５２の透明粒子としては、無機酸化物からなる透明粒子又は樹脂からなる透明粒子が使用できる。例えば、無機酸化物からなる透明粒子としてはシリカやアルミナ等からなる粒子を挙げることができる。また、樹脂からなる透明粒子としては、アクリル粒子、スチレン粒子、スチレンアクリル粒子及びその架橋体；メラミン−ホルマリン縮合物の粒子；ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシ樹脂）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリフルオロビニリデン）、及びＥＴＦＥ（エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体）等の含フッ素ポリマー粒子；シリコーン樹脂粒子等を挙げることができる。これら透明粒子は、２種類以上を混合して使用してもよい。
また、光拡散層５２は、これら透明樹脂中に透明粒子を分散して、押出し成型することにより、基材３２と一体に製造することができる。また、基材３２と光拡散層５２を貼り合わせた場合、そりの影響を考慮すると、基材３２の膨張係数、すなわち常温での線膨張係数は、４．０×１０^−５ｃｍ／ｃｍ／℃から１．０×１０^−４ｃｍ／ｃｍ／℃であることが望ましい。

（第３の実施の形態）
本発明かかる液晶表示装置の第３の実施の形態について図７を参照して説明する。
この図７に示す液晶表示装置１００において、上記図４に示す第１の実施の形態と同様な構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、図４と異なる部分を重点に述べる。
第１の実施の形態と異なる点は、基材３２の単位レンズ３４と反対の面に、基材３２を透過した光を拡散して液晶パネル４２に向け出射する光拡散層５３を、接着剤５４に貼り合わせたところにある。
この光拡散層５３は、光学的拡散材を含むレンチキュラーシート層５３ａと、このレンチキュラー基材層５３ａの光出射側に形成された半円柱状のシリンドリカルレンズを多数配列してなるレンチキュラーレンズ層５３ｂとから構成されている。
また、光拡散層５３は、通常のプリズムシート、レンチキュラーシート、開口部と反射層を備えたレンチキュラーシート、マイクロレンズシート、または上記光学シート３８と同様な光学シート、ＤＢＥＦ、拡散フィルム等から構成されるものであってもよい。

また、上記実施の形態の変形例である本発明の他の実施の形態としては、単位レンズ３４の傾斜側面３４ｃを湾曲形状に加工することにより、隣接する単位レンズ３４の傾斜側面３４ｃ間に形成される空間４２内に充填された低屈折率材料と単位レンズとの屈折率差により生じる全反射角度を調整することができる。
また、本発明のさらに他の実施の形態としては、単位レンズ３４の傾斜側面３４ｃの微分傾斜角度を２つ以上の面で構成することにより、隣接する単位レンズ３４の傾斜側面３４ｃ間に形成される空間４２内に充填された低屈折率材料と単位レンズとの屈折率差により生じる全反射角度を調整することができる。
また、本発明の別の実施の形態としては、単位レンズ３４の頂面３４ｂを光マスク４４側へ突出する湾曲面とし、その曲率半径Ｒpを、Ｒp＞Ｐに設定する。この頂面３４ｂの曲率半径Ｒpは、図５に示すように、頂面３４ｂの半幅をａ、頂面３４ｂの頂点の高さをｂとしたとき、以下の式で求められる。

頂面３４ｂの実際の形状は球面だけでなく、放物線や双曲線、楕円、その他湾曲面であり得る。このようにして求められた曲率半径Ｒpが単位レンズのピッチＰよりも大きい曲率半径であるとき、そのレンズ効果によりセルフアライメントによる反射層４８の転写時において、その露光境界線を前記頂面側にシフトさせ、隣接する単位レンズの間を反射層４８で確実に覆うことができる。しかるに、曲率半径Ｒpが小さいと、転写時に圧力がかかってしまい、転写性が劣化する。
上述のような実施の形態によれば、中心輝度及び周辺輝度の値を制御し、ＢＥＦに代表される輝度上昇フィルムと同等以上のゲインを持ち、且つ複数の光学基材を１点に集約可能なディスプレイ用光学シート及びこれを用いたバックライト・ユニット並びに液晶表示装置を提供できる。

なお、本発明における光学シートは、基材３２の一方の面に第１レンズシート３６を設けたものに限らず、基材３２の第１レンズシート３６と反対の他方の面に、レンズシート３６と同様に構成された別のレンズシートを設けてなる光学シートであってもよい。
また、本発明における単位レンズの配列構造は、上記第１〜第３の実施の形態に示すように、截頭多角錐形状を呈する単位レンズの底面の周辺が互いに接する配列構造のものに限らず、単位レンズの底面の周辺が、その頂面側のように互いに一定の間隔離れた配列構造にしてもよい。

（第４の実施の形態）
以下、本発明の第４の実施の形態について図８及び図９に基づいて詳細に説明する。
図８は本発明の第４の実施の形態における液晶表示装置の概略断面図、図９は第４の実施の形態におけるプリズムシートの要部の斜視図であり、各部位の縮尺は実際とは一致しない。
図８に示す液晶表示装置２００は、液晶パネル２０１（特許請求の範囲に記載した画像表示素子に相当する）と、この液晶パネル２０１の光入射側に臨ませて配置されたバックライト・ユニット２０２を備える。
バックライト・ユニット２０２は、液晶パネル２０１の光入射側に臨ませて配置された、照明光路制御用の光学シート２０３及び直下型光源２０４を含んで構成される。

光学シート２０３は、図８及び図９に示すように、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等からなる透明な基材２０５と、この基材２０５の液晶パネル２０１と対向する一方の面に複数の直線状の単位プリズム２０６を一定のピッチＰで平行に配列してなるアレイ形状のプリズムシート２０７を備えている。
単位プリズム２０６は、熱可塑性若しくはＵＶ硬化性樹脂から成形されるもので、図３に示すように、基材２０５の一方の面に接合され、ピッチＰに相当する幅を有する底面２０６ａと、この底面２０６ａの幅Ｐより小さい幅Ｄを有する頂面２０６ｂと、底面２０６ａと頂面２０６ｂとの間を接続する一対の傾斜側面２０６ｃ，２０６ｃとを有する截頭三角形状を呈している。
プリズムシート２０７の基材２０５と反対の面には、単位プリズム２０６の頂面２０６ｂにそれぞれ臨むストライブ状の光透過層２０８と、単位プリズム２０６の頂面２０６ｂを除く単位プリズム２０６間の谷部分にそれぞれ臨むストライブ状の反射層２０９が並列してなる光マスク２１０が設けられている。この光マスク２１０は感光性接着層２１１を介してプリズムシート２０７に接着されている。
前記プリズムシート２０７は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーカーボネート）、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出成形法、射出成形法、あるいは熱プレス成形法等により、前記単位プリズム２０６と前記基材２０５からなる前記レンズシート２０７を一体成形しても良い。

また、プリズムシート２０７において、一対の傾斜側面２０６ｃと２０６ｃが形成する単位プリズム２０７の頂角θpは５[deg]＜θp＜４０[deg]の範囲に設定されている。さらに、単位プリズムの頂面２０６ｂの幅Ｄは、単位プリズム２０６のピッチＰに対して０．２Ｐ＜Ｄ＜０．５Ｐの範囲に設定されている。

また、光学シート２０３において、互いに隣接する単位プリズム２０６の傾斜側面２０６ｃと２０６ｃとの間に形成される空間２１２内には低屈折率材料、例えば空気または反射性微粒子を含有した低屈折率樹脂などが充填されている。
また、直下型光源２０４と対向する光マスク２１０の面（単位プリズム２０６と反対の面）には接着層２１４を介して光拡散板２１３が一体に貼り合わされている。

光マスク２１０を構成する光透過層２０８及び反射層２０９の形成に際しては、一般に、印刷（コーティング）、転写、フォトリソグラフィーなどの各種手法が適宜に選定される。特に単位プリズム２０６のピッチが微細である場合には、単位プリズム２０６それぞれに１：１で対応して、光透過層２０８を空気で構成するための開口部を有するストライプ状とするためのアライメント精度が要求される。このため、フォトリソグラフィー法の一方式として、セルフアライメント手法を採用することが有効である。
直下型光源２０４は、陰極線管またはＬＥＤ等からなるランプ２０４ａと、ランプ２０４ａの光を光学シート２０３へ反射する光反射板２０４ｂを含んで構成されている。

このような液晶表示装置２００においては、図８に示されるように、光透過層２０８である開口部（空気層）と反射層２０９を有する光マスク２１０と単位プリズム２０６を並列してなるプリズムシート２０７とを組み合わせて拡散・集光・屈折・反射等の光学機能を発揮させる光学シート２０３を用いることで、直下型光源２０４から光拡散板２１３を通して光マスク２１０の開口部に入射する光は、単位プリズム２０６のプリズム材料屈折率と光透過層２０８との屈折率差により集光され、単位プリズム２０６内に入射する。単位プリズム２０６に入射された光Ａ１は単位プリズム２０６内を進行し基材２０５を透過して液晶パネル２０１に向け出射される。また、単位プリズム２０６に入射した光のうち、傾斜側面２０６ｃの界面で全反射される光Ａ２も基材２０５を透過して液晶パネル２０１に向け出射される。また、単位プリズム２０６の傾斜側面と単位プリズム間に充填される低屈折率材料との屈折率差による全反射角を超えて入射した一部の光Ａ３は、単位プリズムの傾斜側面で全反射されず低屈折率層へ入射し、更に単位プリズムに入射し進行して、斜め方向へと出射される。

ここで、単位プリズムの頂角θpが４０[deg]以上であると、この光学シートは拡散フィルムと同等程度のゲインしか得られない。また、単位プリズム２０６の頂角θpが５[deg]以下では特性は得られるものの、その成形上、プリズム作用が高くなり過ぎること、成形金型が磨耗しやすいことなどが挙げられる。

光マスク２１０を構成する開口部の幅がピッチＰに対して２０％以下では指向性が強すぎる光学シートとなってしまい、且つ反射層の吸収により全体の光量が減ってしまう。また５０％以上であると、輝度上昇フィルムとしてのゲインが得られない。

本発明は上記図８に示す構造の液晶表示装置に限らず、例えば、基材２０５の単位プリズム２０６と反対の面に、上記図６に示すような構造の光拡散層５２または上記図７に示すような構造の光拡散層５３を設けることができる。これらの拡散層は、指向性の強い集光特性を拡散させる機能を持ち、また光学シート全体での輝度ムラを低減させ、且つ単位プリズムピッチと画素ピッチとにより生じるモアレ縞を消す効果もある。

また、本発明においては、単位プリズム２０６の傾斜側面２０６ｃを湾曲形状に加工することにより、隣接する単位プリズム２０６の傾斜側面２０６ｃ間に形成される空間２１２内に充填された低屈折率材料と単位プリズムとの屈折率差により生じる全反射角度を調整することができる。
さらに、本発明においては、単位プリズム２０６の傾斜側面２０６ｃの微分傾斜角度を２つ以上の面で構成することにより、隣接する単位プリズム２０６の傾斜側面２０６ｃ間に形成される空間２１２内に充填された低屈折率材料と単位プリズムとの屈折率差により生じる全反射角度を調整することができる。

また、この第４の実施の形態においては、上記図５に示す場合と同様に単位プリズム２０６の頂面２０６ｂを光マスク２１０側へ突出する湾曲面とし、その曲率半径Ｒpを、Ｒp＞Ｐに設定し、そして、頂面２０６ｂの曲率半径Ｒpも上記図５で説明した場合の式と同様に設定されている。
さらに、頂面２０６ｂの実際の形状は球面でなく、放物線や双曲線、楕円、その他湾曲面であり得る。このようにして求められた曲率半径Ｒpが単位プリズムのピッチＰよりも大きい曲率半径であるとき、そのレンズ効果によりセルフアライメントによる反射層４８の転写時において、その露光境界線を前記頂面側にシフトさせ、隣接する単位プリズムの間を反射層４８で確実に覆うことができる。しかるに、曲率半径Ｒpが小さいと、転写時に圧力がかかってしまい、転写性が劣化する。

上述のような第２の実施の形態によれば、中心輝度及び周辺輝度の値を制御し、ＢＥＦに代表される輝度上昇フィルムと同等以上のゲインを持ち、且つ複数の光学基材を１点に集約可能なディスプレイ用光学シート及びこれを用いたバックライト・ユニット並びに液晶表示装置を提供できる。
なお、本発明における単位プリズムの配列構造は、上記第４の実施の形態に示すように、截頭三角形状を呈する単位プリズムの底面の縁が互いに接する配列構造のものに限らず、単位プリズムの底面の縁が、その頂面側のように互いに一定の間隔離れた配列構造にしてもよい。

次の、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
単位レンズピッチＰを０．１ｍｍ、単位レンズの頂角を１０度、単位レンズ頂面幅を０．０３ｍｍ，０．０４ｍｍ，０．０５ｍｍ，０．０６ｍｍ，０．０７ｍｍとした光学シートを作製した。
（実施例２）
単位レンズピッチＰを０．１ｍｍ、単位レンズの頂角を１５度、単位レンズ頂面幅を０．０３ｍｍ，０．０４ｍｍ，０．０５ｍｍ，０．０６ｍｍ，０．０７ｍｍとした光学シートを作製した。
（実施例３）
単位レンズピッチＰを０．１ｍｍ、単位レンズの頂角を３０度、単位レンズ頂面幅を０．０３ｍｍ，０．０４ｍｍ，０．０５ｍｍ，０．０６ｍｍ，０．０７ｍｍとした光学シートを作製した。
（実施例４）
単位レンズピッチＰを０．１ｍｍ、単位レンズの頂角を４０度、単位レンズ頂面幅を０．０４ｍｍとした、光学シートを作製した。
（実施例５）
単位レンズピッチＰを０．１ｍｍ、単位レンズの頂角を１０度、単位レンズ頂面幅を０．０３ｍｍ、基材７０の単位レンズ３４と反対の面に光拡散層７４を設けてなる光学シートを作製した。
（実施例６）
単位レンズピッチＰを０．１ｍｍ、単位レンズの頂角を１５度、単位レンズ頂面幅を０．０４ｍｍ、基材３２の第１レンズシート３６と反対の面に単位レンズ３４の配列方向と９０度の角度をずらした、図示省略のレンチキュラーシート（特許請求の範囲に記載した第２レンズシートに相当する）を貼り合せてなる光学シートを作製した。

図１０は、上記実施例１〜４の単位レンズ頂面幅、すなわち開口幅が０．０４ｍｍにおける視野角度と光強度との関係を示す特性図である。
図１１は、開講率３０％、４０％、５０％、６０％、７０％に対応する上記実施例１〜３の正面輝度、半値角の特性を表している。

以上、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明の変形及び修正、他のフラットパネルディスプレイへの適用、照明利用等行うことが可能であり、実施例の厳密な詳細に限定されるものではない。

従来におけるＢＥＦの構成例を示す概略図。 従来におけるＢＥＦの光学作用を説明するための図。 従来におけるＢＥＦ（Ｂ）と、これとは別タイプの従来係る光学シート（Ａ）によるバックライトの光路制御特性を示すグラフ。 本発明に係る光学シートを直下型バックライト・ユニットの照明光路制御に用いたバックライト・ユニットを具備する液晶表示装置の概略断面図。 本発明におけるプリズム頂面の曲率半径を求めるための説明図。 本発明の第２の実施の形態における液晶表示装置の概略断面図。 本発明の第３の実施の形態における液晶表示装置の概略断面図。 本発明の第４の実施の形態における液晶表示装置の概略断面図。 本発明の第４の実施の形態におけるプリズムシートの要部の斜視図。 本発明の実施例１〜４における視野角度と光強度との関係を示す特性図。 本発明の実施例１〜４における正面輝度と半値角の特性を表した図。

符号の説明

２３……光源、２６……拡散板、２７……反射板、３２……基材、３４……単位レンズ、３４ａ……底面、３４ｂ……頂面、３４ｃ……傾斜側面、３６……レンズシート、３８……光学シート、４０……バックライト・ユニット、４２……液晶パネル、４４……光マスク、４６……光透過層（開口部）、４８……反射層、５０……感光性接着層、５１……接着層、５２，５３……光拡散層、１００……液晶表示装置、２００……液晶表示装置、２０１……液晶パネル、２０２……バックライト・ユニット、２０３……光学シート、２０４……直下型光源、２０５…基材、２０６……単位プリズム、２０６ａ……底面、２０６ｂ……頂面、２０６ｃ……傾斜側面、２０７……プリズムシート、２０８……光透過層、２０９……反射層、２１０……光マスク、２１１……感光性接着層、２１２……空間、２１３……光拡散板。

Claims (25)

1. ディスプレイ用バックライト・ユニットの照明光路制御に使用される光学シートであって、
   基材と、前記基材の一方の面に単位レンズを前記一方の面に沿い二次元方向に一定のピッチで配列形成してなるレンズシートを備え、
   前記単位レンズは、前記基材の一方の面に接合され前記ピッチに相当する幅もしくは該幅より小さい幅の底面と、前記底面と平行でかつ該底面の幅より小さい幅の頂面と、前記底面の幅方向の両端と該両端に対応する前記頂面の両端との間を接続する傾斜側面とを有し、
   前記レンズシートの前記基材と反対の面に、前記単位レンズの頂面にそれぞれ臨む光透過層と前記頂面を除く前記単位レンズの他の部分にそれぞれ臨む反射層が並列してなる光マスクが設けられ、
   前記傾斜側面の仮想延長面で形成される前記単位レンズの頂角θpは５[deg]＜θp＜４０[deg]の範囲に設定され、
   前記頂面の幅Ｄは前記単位レンズのピッチＰに対して０．２Ｐ＜Ｄ＜０．５Ｐの範囲に設定され、
   前記単位レンズの頂面は湾曲され、この湾曲頂面の曲率半径Ｒpは、前記単位レンズが配列されたピッチＰより大きい値Ｒp＞Ｐに設定されている、
   ことを特徴とする光学シート。
2. 前記レンズシートが同一の材料で一体成形されていることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
3. 前記単位レンズは、截頭多角錐形状を呈することを特徴とする請求項１記載の光学シート。
4. 前記単位レンズの傾斜側面の周囲に形成される空間は低屈折率材料により充填されていることを特徴とする請求項１乃至３に何れか１項記載の光学シート。
5. 前記低屈折率材料は空気であることを特徴とする請求項４記載の光学シート。
6. 前記低屈折率材は反射性微粒子を含有した低屈折率樹脂であることを特徴とする請求項４記載の光学シート。
7. 前記光マスクの前記単位レンズと反対の面に光拡散層が積層されていることを特徴とする請求項１乃至６に何れか１項記載の光学シート。
8. 前記傾斜側面は湾曲されていることを特徴とする請求項１乃至７に何れか１項記載の光学シート。
9. 前記単位レンズの傾斜側面はそれぞれ２以上の異なる角度の微分傾斜面で形成されていることを特徴とする請求項１乃至８に何れか１項記載の光学シート。
10. 前記基材の前記単位レンズと反対の他方の面に前記基材の出射光を拡散する光学的拡散要素を含む光拡散層を積層したことを特徴とする請求項１乃至９に何れか１項記載の光学シート。
11. 前記光拡散層は、透明樹脂中に透明粒子を分散して構成されていることを特徴とする請求項１０記載の光学シート。
12. 前記光拡散層は、プリズムシート、レンチキュラーシート、開口部と反射層を備えたレンチキュラーシート、マイクロレンズシート等の何れかで構成されていることを特徴とする請求項１０記載の光学シート。
13. ディスプレイ用バックライト・ユニットの照明光路制御に使用される光学シートであって、
    基材と、前記基材の一方の面に複数の単位プリズムを一定のピッチで平行に配列してなるアレイ形状のプリズムシートを備え、
    前記単位プリズムは、前記基材の一方の面に接合され前記ピッチに相当する幅の底面と、前記底面と平行でかつ該底面の幅より小さい幅の頂面と、前記底面の幅方向の両端と該両端に対応する前記頂面の両端との間を接続する一対の傾斜側面とを有し、
    前記プリズムシートの前記基材と反対の面に、前記単位プリズムの頂面にそれぞれ臨む光透過層と前記単位プリズムの頂面を除く前記単位プリズムの他の部分にそれぞれ臨む反射層が並列してなる光マスクが設けられ、
    前記一対の傾斜側面の各仮想延長面で形成される前記単位プリズムの頂角θpは５[deg]＜θp＜３０[deg]の範囲に設定され、
    前記単位プリズムの頂面の幅Ｄは、前記単位プリズムが配列されたピッチＰに対して０．２Ｐ＜Ｄ＜０．５Ｐの範囲に設定され、
    前記単位レンズの頂面は湾曲され、この湾曲頂面の曲率半径Ｒpは、前記単位レンズが配列されたピッチＰより大きい値Ｒp＞Ｐに設定されている、
    ことを特徴とする光学シート。
14. 前記プリズムシートが同一の材料で一体成形されていることを特徴とする請求項１３記載の光学シート。
15. 互いに隣接する前記単位プリズムの傾斜側面との間に形成される空間は低屈折率材料により充填されていることを特徴とする請求項１３または１４記載の光学シート。
16. 前記低屈折率材料は空気であることを特徴とする請求項１５記載の光学シート。
17. 前記低屈折率材は反射性微粒子を含有した低屈折率樹脂であることを特徴とする請求項１５記載の光学シート。
18. 前記光マスクの前記単位プリズムと反対の面に光拡散層が積層されていることを特徴とする請求項１３乃至１７に何れか１項記載の光学シート。
19. 前記傾斜側面は湾曲されていることを特徴とする請求項１３乃至１８に何れか１項記載の光学シート。
20. 前記単位レンズの傾斜側面はそれぞれ２以上の異なる角度の微分傾斜面で形成されていることを特徴とする請求項１３乃至１８に何れか１項記載の光学シート。
21. 前記基材の前記単位プリズムと反対の他方の面に前記基材の出射光を拡散する光学的拡散要素を含む光拡散層を積層したことを特徴とする請求項１３乃至２０に何れか１項記載の光学シート。
22. 前記光拡散層は、透明樹脂中に透明粒子を分散して構成されていることを特徴とする請求項２１記載の光学シート。
23. 前記光拡散層は、プリズムシート、レンチキュラーシート、開口部と反射層を備えたレンチキュラーシート、マイクロレンズシート等の何れかで構成されていることを特徴とする請求項２１記載の光学シート。
24. 光源と、請求項１乃至２３の何れか１項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。
25. 画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する画像表示素子と、
    前記画像表示素子の背面に配置された、請求項２４記載のディスプレイ用バックライト・ユニットとを備える、
    ことを特徴とする表示装置。

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