JP5098413B2 - ディスプレイ用光学シート及びバックライト・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ものである。

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には、提供される情報を認識するのに必要な光源を内蔵したタイプのものが普及している。また、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プリズム７２が一方向に周期的に配列された光学フィルムである。この単位プリズム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、視聴者の視野方向と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）側である。
また、単位プリズム７２の反復的アレイ構造が一方向のみに並列される方式ものでは、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枚の光学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に代表される単位プリズム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。

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７４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、視聴者の視野方向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、視聴者の視野方向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、視聴者の視野方向Ｆ、すなわち視野方向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の横軸に示す±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において、破線で示す曲線ＢはＢＥＦを用いた光学シートによるバックライトの光路制御特性を示すグラフであり、また、実線で示す曲線ＡはＢＥＦと別タイプ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グラフである。この図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、この光強度分布中「垂直分布」で示される曲線は、単位プリズム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、単位プリズム７２の長手方向に相当する。
一方、バックライト・ユニットには、前記単位プリズム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る。しかし、この方式は、部材数が増加する問題がある。
従来、このような問題を解決するための手段として、前記単位プリズムではなく凸レンズ形状の単位レンズを二次元方向に一定のピッチで配列してなるアレイ構造の光学フィルムを用いたバックライト・ユニットが知られている（特許文献４参照）。

以下、単位レンズアレイ構造の光学フィルムからなるバックライト・ユニットを用いて光路制御する場合の従来の液晶表示装置について図４を参照して説明する。
図４に示す液晶表示装置１００は、表裏両面に偏光板４１をそれぞれ対向配置した液晶パネル４２と、この液晶パネル４２の光入射側に偏光板４１を介して臨むように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と、この光学シート３８の光入射側に拡散板２６を介して配置された直下型光源２３を含んで構成される。
光学シート３８は、透明な基材３９と、この基材３９の液晶パネル４２と対向する一方の面に二次元方向に一定のピッチで配列して形成された半球形状の単位レンズ４４とを備えている。また、基材３９の単位レンズ４４と反対の他方の面には、各単位レンズ４４の焦点面箇所に光透過用の開口部４６を有するストライブ状のパターンからなる光マスク４８が設けられている。
上記光マスク４８は反射材からなるものであり、この反射材は、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（単位レンズが半円柱状凸シリンドリカルレンズ群の場合、単位レンズそれぞれに１：１で対応して開口部を有するストライプ状となる。）で印刷により形成され、または転写により形成される。
また、直下型の光源２３は、陰極線管またはＬＥＤ等からなる複数のランプ２３ａと、これらランプ２３ａからの光及び他からの反射光を拡散板２６側へ反射させる反射板２７とを含んで構成されている。

このようなバックライト・ユニットを用いた液晶表示装置において、直下型の光源２３から拡散板２６を通して光マスク４８の開口部４６に入射される光は、基材３９を通して単位レンズ４４により所定の角度に集光され、液晶パネル４２に向けた出射される。
すなわち、拡散板２６から出射した光のうち、開口部４６を通過した光と一部光学マスクを透過した光が、単位レンズ４４に入射し、前記単位レンズ４４によって出射される光の方向が制御される。そして、偏光板４１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、光マスク４８により反射された光は、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、再び拡散板２６に入射し、この拡散板２６において再び拡散される。この拡散板２６から出射した拡散光の一部は開口部４６を通って単位レンズ４４に入射し、一部は光マスク４８によって反射される。以下、これらの動作を繰り返す。

このような光学シート３８を用いたバックライト・ユニット４０では、光学シート３８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、単位レンズ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可能になる。
特公平１−３７８０１号公報 特開平６−１０２５０６号公報 特表平１０−５０６５００号公報 特開２０００−２８４２６８号公報

前記光学シート３８では、開口部４６の大きさ及び位置を調節することにより液晶パネル４２の正面方向Ｓに出射される光の割合を制御できるものの、出射される光の視野角特性は単位レンズ４４の形状にて制御される。
例えば、出射される光の視野角特性が液晶パネル４２の正面方向に指向性が強い場合、観察範囲が制限され、かつ制限された観察範囲から外れた際に観察者には急激な輝度低下（カットオフ）が認識される。逆に出射される光の視野角特性に指向性がほとんどない場合、あらゆる方向から観察しても急激な輝度低下がなく表示品質の良い表示装置を提供できる。しかし、室内観察において十分な輝度を提供するためにはバックライト・ユニット４０の光量を増やさねばならない。

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輝度上昇効果を持ち、かつ観察者に急激なる輝度低下を感じさせない指向性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・ユニット並びに該バックライト・ユニットを用いた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、光透過性の基材と、前記基材の一方の面に一定のピッチで配列された複数の単位レンズとからなるレンズシートを備え、前記単位レンズは、弧状表面を有する頂部と、前記頂部から前記基材の一方の面に至る傾斜側面を有し、前記傾斜側面は前記基材の一方の面から前記頂部に行くに従いそれら対向する傾斜側面間の距離が次第に減少する方向に変化する曲面に形成され、前記基材の他方の面に、前記単位レンズの頂部に対応して形成された光透過用の開口部を有する光マスクが設けられ、前記単位レンズのピッチをＰとし、前記基材の厚さをＴ_Ｂとし、前記頂部の弧状表面のフィッティング曲率半径をＲ_ｔとしたとき、前記頂部のフィッティング曲率半径Ｒ_ｔが数１の式１

で示す範囲に設定され、
前記単位レンズの形状が数２の式２

によって定義され、ここでｚは前記単位レンズの高さ方向の位置関数、rは前記単位レンズの幅方向位置変数であり、前記単位レンズのピッチを１と正規化したときに、前記式の各係数1／Ｒ，Ａ，Ｂ，Ｃが、−10＜1／Ｒ＜10，−5＜Ａ＜5，−10＜Ｂ＜10，−30＜Ｃ＜30の範囲内であり、
前記開口部は低屈折率材料により充填され、前記単位レンズのピッチをＰ、前記基材の厚さをＴ_Ｂ、前記単位レンズの高さをＴ_Ｌ、前記開口部の幅をＡ、前記開口部に充填する低屈折率材料と前記基材との屈折率差による臨界角をαとした時、Ｐ，Ｔ_Ｂ，Ａ／Ｐ，Ｔ_Ｂ／Ｐ，Ｔ_Ｌ／Ｐがそれぞれ、Ｐ≦Ａ＋2Ｔ_Btanα，0.3≦Ａ／Ｐ≦0.6，0.3≦Ｔ_Ｂ／Ｐ≦1.0，0.3≦Ｔ_Ｌ／Ｐ≦0.8の範囲に設定されていることを特徴とする。

請求項２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、光透過性の基材と、前記基材の一方の面に一定のピッチで配列された複数の単位レンズとからなるレンズシートを備え、前記単位レンズは、弧状表面を有する頂部と、前記頂部から前記基材の一方の面に至る傾斜側面を有し、前記傾斜側面は前記基材の一方の面から前記頂部に行くに従いそれら対向する傾斜側面間の距離が次第に減少する方向に変化する曲面に形成され、前記基材の他方の面に、前記単位レンズの頂部に対応して形成された光透過用の開口部を有する光マスクが設けられ、前記単位レンズのピッチをＰとし、前記基材の厚さをＴ _Ｂ とし、前記頂部の弧状表面のフィッティング曲率半径をＲ _ｔ としたとき、前記頂部のフィッティング曲率半径Ｒ _ｔ が数３の式１

で示す範囲に設定され、
前記単位レンズの形状が数４の式３

によって定義され、ここでｚは前記単位レンズの高さ方向の位置関数、rは前記単位レンズの幅方向位置変数であり、前記単位レンズのピッチを１と正規化した時に、前記式の各係数ｋ，（1／（2Ｒ）＋Ａ），Ｂ，Ｃが、ｋ＝−1，−5＜（1／（2Ｒ）＋Ａ）＜5，−10＜Ｂ＜10，−30＜Ｃ＜30の範囲内であり、
前記開口部は低屈折率材料により充填され、前記単位レンズのピッチをＰ、前記基材の厚さをＴ _Ｂ 、前記単位レンズの高さをＴ _Ｌ 、前記開口部の幅をＡ、前記開口部に充填する低屈折率材料と前記基材との屈折率差による臨界角をαとした時、Ｐ，Ｔ _Ｂ ，Ａ／Ｐ，Ｔ _Ｂ ／Ｐ，Ｔ _Ｌ ／Ｐがそれぞれ、Ｐ≦Ａ＋2Ｔ _B tanα，0.3≦Ａ／Ｐ≦0.6，0.3≦Ｔ _Ｂ ／Ｐ≦1.0，0.3≦Ｔ _Ｌ ／Ｐ≦0.8の範囲に設定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または２記載の光学シートにおいて、前記基材と単位レンズは同一の材料で一体に成形されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１または２記載の光学シートにおいて、前記一体成形された基材の他方の面に、前記光マスクが設けられる領域が凸で、前記開口部の領域が凹となる凹凸形状に成形されていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１または２記載の光学シートにおいて、前記開口部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６の発明は、請求項１または２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７の発明は、請求項１または２記載の光学シートにおいて、前記単位レンズはレンチキュラーレンズであることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項１または２記載の光学シートにおいて、前記光マスクが光拡散機能を有することを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項１または２記載の光学シートにおいて、前記光マスクが光反射層であることを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項１または２記載の光学シートにおいて、前記光マスクが遮光層であることを特徴とする。
請求項１１の発明は、請求項１または２記載の光学シートにおいて、前記光シートの入射面及び出射面の何れか一方の面もしくは両方の面に光拡散層を積層したことを特徴とする。
請求項１２の発明は、請求項１１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１３の発明は、請求項１１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、多角錐プリズムシート、円錐プリズムシート、マイクロレンズシート、レンチキュラーシート、レンチキュラーシートに１：１に対応する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１４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１３に何れか１項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１５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１４記載のディスプレイ用バックライト・ユニットを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ＢＥＦに代表される輝度上昇フィルムと同等以上の輝度上昇効果を持ち、かつ観察者に急激なる輝度低下を感じさせない指向性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・ユニット並びに該バックライト・ユニットを用いてなる表示装置を提供することができる。

（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いて詳細に説明する。
図５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５に示す液晶表示装置２００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５０を備える。
バックライト・ユニット５０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５２及び直下型光源２３を含んで構成される。

光学シート５２は、図５に示すように、光透過性の基材５４と、この基材５４の一方の面に一定のピッチで平行に配列された複数の単位レンズ５６とからなるレンズシート５８と、単位レンズ５６と反対の面である基材５４の他方の面に形成された光マスク６２とを備えている。
前記単位レンズ５６は、円弧状表面を有する頂部５６ａと、この頂部５６ａから基材５４の一方の面に至る傾斜側面５６ｂを有し、この傾斜側面５６ｂは、図６に示すように、基材５４の一方の面から頂部５６ａに行くに従いそれら対向する傾斜側面間の距離が次第に減少する方向に変化する曲面、すなわち微分傾斜が連続して変化する、外側へ凸の湾曲面に形成されている。
前記レンズシート５８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、単位レンズ５６と基材５４とを一体に成形しても良い。

上記のように、単位レンズ５６と基材５４とを一体に成形する場合、光マスク６２が設けられる領域が凸で、開口部６０の領域が凹となる凹凸形状に成形しても良い。
また、この凹凸形状は方形の場合もあり、三角その他多角形の場合もあり、湾曲している場合もある。すなわち、光マスク６２を形成する領域と、開口部６０の領域とが形状的に境界がはっきりしていることで、容易に光マスク６２を形成することが可能になる。

また、基材５４の単位レンズ５６と反対の他方の面には、単位レンズ５６の頂部５６ａに対応して形成された光透過用の開口部６０を有する光マスク６２が設けられている。この光マスク４８は反射材からなるものであり、この反射材は、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（単位レンズが半円柱状凸シリンドリカルレンズ群の場合、単位レンズそれぞれに１：１で対応して開口部を有するストライプ状となる。）で印刷により形成され、または転写により形成される。
基材５４を構成する透明材としてはガラス材料でもプラスティック材料でも良い。このプラスティック材料としては、一般的にＰＥＴが挙げられるが、他にＰＥ、ＰＰ、ＰＣなどのプラスティック材料でも良い。

上記光マスク６２は光反射層で構成される。この光反射層の形成に際しては、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５６のピッチが微細である場合には、単位レンズ５６それぞれに１：１で対応して、開口部６０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。
上記光反射層としては、例えば酸化チタン、硫酸バリウム、シリカ等を顔料とした白色反射材料や、金属薄膜などがある。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得るためには、光マスク６２が光反射層であることが最も望ましく、その反射率が８０％以上であることが最も望ましい。

単位レンズ５６のピッチをＰとし、基材５４の厚さをＴ_Ｂとし、頂部５６ａの円弧状表面のフィッティング曲率半径をＲ_ｔとしたとき、この頂部５６ａのフィッティング曲率半径Ｒ_ｔは数５の式１

で示す範囲に設定されている。
単位レンズ５６の微分傾斜とは、一般的に単位レンズ５６のピッチ方向の任意の点における単位レンズの傾斜である。また、微分傾斜が連続して変化しているということは、単位レンズ５６の傾斜側面５６ｂに直線部がないことを意味する。しかしながら、実際に作製される単位レンズ５６はマクロ的に見ればファセテッドである。
従って、図７に示すように、前記微分傾斜とは、単位レンズ５６をピッチ方向にｎ分割した際、各点における単位レンズ５６の傾斜と定義する。ここで、ｎは５〜１０の自然数とする。

前記頂部５６ａのフィッティング曲率半径Ｒ_ｔとは、図６に示すように、単位レンズ５６の凸頂点を中心に０．１Ｐの幅における単位レンズ５６の湾曲線の位置をそれぞれ６４ａ、６４ｂとしたとき、この湾曲線の位置６４ａ及び６４ｂから垂線を下ろすことで求まる曲率半径と定義される。ここで、実際の頂部５６ａは球面だけでなく、楕円面、双曲面、放物面、その他湾曲面であることを含む。

上記数５の式１はＲ_ｔの範囲を定義するものであり、基材５４の厚さを固定した場合、単位レンズ５６のピッチＰに比例する。Ｒ_ｔが式（１）による下限値より下回った場合、正面方向だけでなく±６０〜７０°方向に強いピークが現れる視野角特性となり、正面輝度が低下する。Ｒ_ｔが式（１）による上限値を超えた場合、正面を中心に±１０〜１５°の範囲に出射光が集中するため、その範囲外に視点を変えると急激な輝度低下が観察されるような視野角特性となる。しかしながらＲ_ｔの範囲は基材５４にも因り、基材５４の厚みＴ_Ｂと単位レンズ５６のピッチＰとの比の１／２乗に比例する。

また、本実施の形態における単位レンズ５６の形状は、数６の式２

によって定義される。ここで、ｚは単位レンズ５６の高さ方向の位置関数、rは単位レンズ５６の幅方向位置変数であり、単位レンズ５６のピッチＰを１と正規化した場合、（２）式の各係数1／Ｒ，Ａ，Ｂ，Ｃが、−10＜1／Ｒ＜10，−5＜Ａ＜5，−10＜Ｂ＜10，−30＜Ｃ＜30の範囲内である。

上記数６の式２について、図９を参照して説明する。
ｚは、単位レンズ５６の幅方向位置変数であるｒの関数であり、その値は単位レンズ５６の高さ方向を表す。（２）式は非球面レンズ形状の一般式であり、ｋ＝０で球面、−1＜ｋ＜０で楕円面、k＝−1で放物面、ｋ＜−1で双曲面となり、1／Ｒはｒにかかる係数であり、Ａ，Ｂ，Ｃは補正項係数である。
また、上記数２の式における各係数1／Ｒ，Ａ，Ｂ，Ｃが規定範囲（−10＜1／Ｒ＜10，−5＜Ａ＜5，−10＜Ｂ＜10，−30＜Ｃ＜30）から外れた場合、単位レンズ５６の形状は凹部凸部が存在する形状となる場合もあり、または単位レンズ５６の高さＴ_Ｌが高すぎる形状となる場合もあり、または上記（１）式で規定するＲ_ｔの範囲外の形状となる場合もある。特に係数1／Ｒ及びＡが規定範囲−10＜1／Ｒ＜10及び−5＜Ａ＜5によりＲ_ｔが決定される。このような場合、光の視野角特性は指向性が強すぎるために急激な輝度低下が観察される場合もあり、正面以外にピークが発生し正面輝度が低下する場合もあり、輝度上昇効果が得られない場合もある。
また、本実施の形態における単位レンズ５６の形状は、数７の式３

によって定義される。ここでｚは単位レンズ５６の高さ方向の位置関数、rは単位レンズ５６の幅方向位置変数であり、単位レンズ５６のピッチを１と正規化した場合、上記数３の式の各係数ｋ，（1／（2Ｒ）＋Ａ），Ｂ，Ｃは、ｋ＝−1，−5＜（1／（2Ｒ）＋Ａ）＜5，−10＜Ｂ＜10，−30＜Ｃ＜30の範囲内である。

このような数７の式３で定義される単位レンズ５６の形状は、ｋ＝−1出かることにより放物面となる。従って係数1／ＲとＡにより、Ｒ_ｔが決定される。上記数３の式における各係数（1／（2Ｒ）＋Ａ），Ｂ，Ｃの規定範囲−5＜（1／（2Ｒ）＋Ａ）＜5，−10＜Ｂ＜10，−30＜Ｃ＜30から外れた場合、単位レンズ５６形状は凹部凸部が存在する形状となる場合もあり、または単位レンズ５６の高さＴ_Ｌが高すぎる形状となる場合もあり、または上記数１の式で規定するＲ_ｔの範囲外の形状となる場合もある。このような場合、光の視野角特性は指向性が強すぎるために急激な輝度低下が観察される場合もあり、正面以外にピークが発生し正面輝度が低下する場合もあり、輝度上昇効果が得られない場合もある。

また、本実施の形態において、図８に示すように、単位レンズ５６の高さをＴ_Ｌ、開口部６０の幅をＡ、基材５４の厚みをＴ_Ｂ、開口部６０に充填する低屈折率材料と基材５４との屈折率差による臨界角をαとした時、これらＰ，Ｔ_Ｂ，Ａ／Ｐ，Ｔ_Ｂ／Ｐ，Ｔ_Ｌ／Ｐは、それぞれＰ≦Ａ＋2Ｔ_Btanα，0.3≦Ａ／Ｐ≦0.6，0.3≦Ｔ_Ｂ／Ｐ≦1.0，0.3≦Ｔ_Ｌ／Ｐ≦0.8の範囲に設定される。

前記光学シート５２は、単位レンズ５６のピッチＰが、Ｐ≦Ａ＋2Ｔ_Btanαを満たすことで、光学特性において、また生産性において効率の良い光学シートを提供できる。

ここで、図１３を用いて、上記単位レンズ５６のピッチＰについて説明する。
単位レンズ５６のレンズ端角度をθＬ、基材５４の厚みをＴ_Ｂ、単位レンズ５６のピッチをＰ、開口部６０に充填する低屈折率材料を空気（屈折率＝１）とし、基材５４の屈折率をｎ１、空気と基材５４との屈折率差による臨界角をαとし、Ｐ≦Ａ＋2Ｔ_Btanαと単位レンズのピッチＰを決定するとき、開口部６０の端からαの角度で入射した光は、単位レンズ５６の端に入射する。このとき、入射した光を正面方向に屈折させるのに必要なレンズ端角度θＬは、次の数８の式４より求まる。

上記数８の式４は分散プリズムの偏光角の公式より導き出しことができる。
上記数７の式４より、例えば基材５４の屈折率を一般的なガラス材料の値１．５を当てはめると、θＬ＝８３度となる。
単位レンズ５６のレンズ端角度θＬが大きすぎると、金型により成形する際、金型が磨耗し量産に向かないこと知られており、レンズ端角度θＬは７５度以下が望ましい。
また、臨界角で入射する光量は非常に微量であることも考慮すると、臨界角で入射する光まで単位レンズ５６でカバーすることは、生産性から照らし合わせて非効率である。したがって、単位レンズのピッチＰは、Ｐ≦Ａ＋2Ｔ_Btanαが望ましい。

前記光学シート５２の光学特性は、開口部６０の幅Ａ、基材５４の厚みＴ_Ｂ、単位レンズ５６の高さＴ_Ｌが、上記0.3≦Ａ／Ｐ≦0.6，0.3≦Ｔ_Ｂ／Ｐ≦1.0，0.3≦Ｔ_Ｌ／Ｐ≦0.8の範囲を満たすことで、ＢＥＦと同等以上の輝度上昇機能を持ち、かつ視野に対して急激な輝度低下が生じない光学特性を得ることができる。

また、上記0.3≦Ａ／Ｐ≦0.6において、開口部６０の幅Ａが下限値を下回った場合、正面方向に対する光の指向性が強くなり、視野に対して急激な輝度低下が生じる。
また、光マスク６２の領域が増えることで、光マスク６２の材料による光吸収が無視できなくなる。
また、開口部６０の幅Ａが上限値を超えた場合、開口部６０に対応する単位レンズ５６以外の単位レンズ５６に対し斜めに入射する光量が増え、結果として正面方向に集光する光が減少し、正面輝度が低下する。

また、上記0.3≦Ｔ_Ｂ／Ｐ≦1.0において、基材５４の厚さＴ_Ｂが規定範囲から外れた場合、単位レンズ５６との焦点位置がずれてしまい、光の視野角特性が劣化し、正面輝度も低下する。
また、上記1.0，0.3≦Ｔ_Ｌ／Ｐ≦0.8において、単位レンズ５６の高さＴ_Ｌが規定範囲から外れた場合、上記（１）式で規定するＲ_ｔの範囲から外れる場合もあり、または単位レンズ５６による光の視野角特性を制御する機能が劣化する場合もある。

（第２の実施の形態）
本発明にかかる液晶表示装置の第２の実施の形態について図１０を参照して説明する。
この図１０に示す液晶表示装置１００において、上記図５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５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、第１の実施の形態における図５に示される光学シート５２の入射側、すなわち光マスク６２側に光拡散層６６を一体的に積層したところにある。この光拡散層６６は、透明樹脂中に透明粒子を分散することで構成される。

上記光拡散層６６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、基材５４と光拡散層６６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。

また、本発明にかかる液晶表示装置は、上記第１及び第２の実施の形態に示すものに限定されない。
例えば、図１０に示した光拡散層６６を別構造の光拡散層、すなわち光学的屈折・反射を利用した拡散層にすることができる。この場合の光拡散層６６は、例えばプリズムシート、レンチキュラーシート、マイクロレンズシート等が挙げられる。
また、上記第１及び第２の実施の形態において、光学シート５２の出射面側、すなわち単位レンズ５６上に光拡散層を一体的に積層して設けることもできる。この場合の光拡散層としては、例えばプリズムシート、レンチキュラーシート、マイクロレンズシート、開口部と反射層を備えたレンチキュラーシート、ＤＢＥＦ、拡散シートなどが挙げられる。

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。

次に本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
単位レンズのピッチＰが０．１５ｍｍ、基材の厚さＴ_Ｂが０．１ｍｍなるレンズシートにおいて、（２）式より、ｋ＝−０．７とし、各係数を調整することで、Ｒ_ｔを０．０３ｍｍ、レンズ高さを０．０８ｍｍの単位レンチキュラーを作製し、光マスクとして主顔料が酸化チタンである白色反射層を形成し、その開口部の幅を０．０３ｍｍ，０．０４５ｍｍ，０．０６ｍｍ，０．０７５ｍｍ，０．０９ｍｍ，０．１０５ｍｍとしてなる光学シートを作製した。
（実施例２）
単位レンズのピッチＰが０．１５ｍｍ、基材の厚さＴ_Ｂが０．１ｍｍなるレンズシートにおいて、（２）式より、ｋ＝−２．５とし、各係数を調整することで、Ｒ_ｔを０．０３ｍｍ、レンズ高さを０．０８ｍｍの単位レンチキュラーを作製し、光マスクとして主顔料が酸化チタンである白色反射層を形成し、その開口部の幅を０．０３ｍｍ，０．０４５ｍｍ，０．０６ｍｍ，０．０７５ｍｍ，０．０９ｍｍ，０．１０５ｍｍとしてなる光学シートを作製した。
（実施例３）
単位レンズのピッチＰが０．１５ｍｍ、基材の厚さＴ_Ｂが０．１ｍｍなるレンズシートにおいて、（３）式より、ｋ＝−１．０とし、各係数を調整することで、Ｒ_ｔを０．０３ｍｍ、レンズ高さを０．０８ｍｍの単位レンチキュラーを作製し、光マスクとして主顔料が酸化チタンである白色反射層を形成し、その開口部の幅を０．０３ｍｍ，０．０４５ｍｍ，０．０６ｍｍ，０．０７５ｍｍ，０．０９ｍｍ，０．１０５ｍｍとしてなる光学シートを作製した。
（実施例４）
単位レンズのピッチＰが０．１５ｍｍ、基材の厚さＴ_Ｂが０．１ｍｍなるレンズシートにおいて、（３）式より、ｋ＝−１．０とし、各係数を調整することで、Ｒ_ｔを０．０３ｍｍ、レンズ高さを０．０８ｍｍの単位レンチキュラーを作製し、光マスクとして主顔料が酸化チタンである白色反射層を形成し、その開口部の幅を０．０７５ｍｍとし、反射層を介して厚さ２ｍｍの拡散板を貼り合せてなる光学シートを作製した。
（実施例５）
単位レンズのピッチＰが０．１ｍｍ、基材の厚さＴ_Ｂが０．８ｍｍなるレンズシートにおいて、（３）式より、ｋ＝−１．０とし、各係数を調整することで、Ｒ_ｔを０．０２５ｍｍ、レンズ高さを０．０７ｍｍの単位レンチキュラーを作製し、光マスクとして主顔料が酸化チタンである白色反射層を形成し、その開口部の幅を０．０５ｍｍとし、レンズ面に拡散フィルムを貼り合せてなる光学シートを作製した。
（実施例６）
単位レンズのピッチＰが０．１ｍｍ、基材の厚さＴ_Ｂが０．８ｍｍなるレンズシートにおいて、（３）式より、ｋ＝−１．０とし、各係数を調整することで、Ｒ_ｔを０．０２５ｍｍ、レンズ高さを０．０７ｍｍの単位レンチキュラーを作製し、光マスクとして主顔料が酸化チタンである白色反射層を形成し、その開口部の幅を０．０５ｍｍとし、レンズ面にＤＢＥＦを貼り合せ、前記反射層を介して厚さ２ｍｍの拡散板を貼り合わせてなる光学シートを作製した。

図１１は、本発明の単位レンズを備えた光学シートと従来の単位レンズを備えた光学シート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１２は、開口率２０％、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。 従来におけ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。 本発明にかか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一例を示す概略断面図。 本発明の実施の形態における光学シートの単位レンズ及び光マスク部分の説明図。 本発明の実施の形態における光学シートの単位レンズ及び光マスク部分の説明図。 本発明の実施の形態における光学シートの単位レンズ及び光マスク部分の説明図。 本発明の実施の形態における光学シートの単位レンズ部分の説明図。 本発明にかか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他の例を示す概略断面図。 本発明と従来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１〜３における正面輝度と半値角の特性を表した図。 本発明の実施の形態における光学シートの単位レンズ及び光マスク部分の説明図。

２３……光源、２６……拡散板、２７……反射板、４１……偏向板、４２……液晶パネル、５０……バックライト・ユニット、５２……光学シート、５４……基材、５６……単位レンズ、５６ａ……頂部、５６ｂ……傾斜側面、５８……レンズシート、６０……開口部、６２……光マスク、６６……光拡散層。

Claims (15)

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、
   光透過性の基材と、前記基材の一方の面に一定のピッチで配列された複数の単位レンズとからなるレンズシートを備え、
   前記単位レンズは、弧状表面を有する頂部と、前記頂部から前記基材の一方の面に至る傾斜側面を有し、前記傾斜側面は前記基材の一方の面から前記頂部に行くに従いそれら対向する傾斜側面間の距離が次第に減少する方向に変化する微分傾斜の曲面に形成され、
   前記基材の他方の面に、前記単位レンズの頂部に対応して形成された光透過用の開口部を有する光マスクが設けられ、
   前記単位レンズのピッチをＰとし、前記基材の厚さをＴ_Ｂとし、前記頂部の弧状表面のフィッティング曲率半径をＲ_ｔとしたとき、前記頂部のフィッティング曲率半径Ｒ_ｔが数１の式１
   

   

   
   で示す範囲に設定され、
   前記単位レンズの形状が数２の式２
   

   

   
   によって定義され、ここでｚは前記単位レンズの高さ方向の位置関数、rは前記単位レンズの幅方向位置変数であり、前記単位レンズのピッチを１と正規化したときに、前記式の各係数1／Ｒ，Ａ，Ｂ，Ｃが、−10＜1／Ｒ＜10，−5＜Ａ＜5，−10＜Ｂ＜10，−30＜Ｃ＜30の範囲内であり、
   前記開口部は低屈折率材料により充填され、前記単位レンズのピッチをＰ、前記基材の厚さをＴ _Ｂ 、前記単位レンズの高さをＴ _Ｌ 、前記開口部の幅をＡ、前記開口部に充填する低屈折率材料と前記基材との屈折率差による臨界角をαとした時、Ｐ，Ｔ _Ｂ ，Ａ／Ｐ，Ｔ _Ｂ ／Ｐ，Ｔ _Ｌ ／Ｐがそれぞれ、Ｐ≦Ａ＋2Ｔ _B tanα，0.3≦Ａ／Ｐ≦0.6，0.3≦Ｔ _Ｂ ／Ｐ≦1.0，0.3≦Ｔ _Ｌ ／Ｐ≦0.8の範囲に設定されている、
   ことを特徴とする光学シート。
2. 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、
   光透過性の基材と、前記基材の一方の面に一定のピッチで配列された複数の単位レンズとからなるレンズシートを備え、
   前記単位レンズは、弧状表面を有する頂部と、前記頂部から前記基材の一方の面に至る傾斜側面を有し、前記傾斜側面は前記基材の一方の面から前記頂部に行くに従いそれら対向する傾斜側面間の距離が次第に減少する方向に変化する微分傾斜の曲面に形成され、
   前記基材の他方の面に、前記単位レンズの頂部に対応して形成された光透過用の開口部を有する光マスクが設けられ、
   前記単位レンズのピッチをＰとし、前記基材の厚さをＴ _Ｂ とし、前記頂部の弧状表面のフィッティング曲率半径をＲ _ｔ としたとき、前記頂部のフィッティング曲率半径Ｒ _ｔ が数３の式１
   

   

   
   で示す範囲に設定され、
   前記単位レンズの形状が数４の式３
   

   

   
   によって定義され、ここでｚは前記単位レンズの高さ方向の位置関数、rは前記単位レンズの幅方向位置変数であり、前記単位レンズのピッチを１と正規化した時に、前記式の各係数ｋ，（1／（2Ｒ）＋Ａ），Ｂ，Ｃが、ｋ＝−1，−5＜（1／（2Ｒ）＋Ａ）＜5，−10＜Ｂ＜10，−30＜Ｃ＜30の範囲内であり、
   前記開口部は低屈折率材料により充填され、前記単位レンズのピッチをＰ、前記基材の厚さをＴ _Ｂ 、前記単位レンズの高さをＴ _Ｌ 、前記開口部の幅をＡ、前記開口部に充填する低屈折率材料と前記基材との屈折率差による臨界角をαとした時、Ｐ，Ｔ _Ｂ ，Ａ／Ｐ，Ｔ _Ｂ ／Ｐ，Ｔ _Ｌ ／Ｐがそれぞれ、Ｐ≦Ａ＋2Ｔ _B tanα，0.3≦Ａ／Ｐ≦0.6，0.3≦Ｔ _Ｂ ／Ｐ≦1.0，0.3≦Ｔ _Ｌ ／Ｐ≦0.8の範囲に設定されている、
   ことを特徴とする光学シート。
3. 前記基材と単位レンズは同一の材料で一体に成形されていることを特徴とする請求項１または２記載の光学シート。
4. 前記一体成形された基材の他方の面に、前記光マスクが設けられる領域が凸で、前記開口部の領域が凹となる凹凸形状に成形されていることを特徴とする請求項１または２記載の光学シート。
5. 前記開口部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または２記載の光学シート。
6. 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１または２記載の光学シート。
7. 前記単位レンズはレンチキュラーレンズであることを特徴とする請求項１または２記載の光学シート。
8. 前記光マスクが光拡散機能を有することを特徴とする請求項１または２記載の光学シート。
9. 前記光マスクが光反射層であることを特徴とする請求項１または２記載の光学シート。
10. 前記光マスクが遮光層であることを特徴とする請求項１または２記載の光学シート。
11. 前記光シートの入射面及び出射面の何れか一方の面もしくは両方の面に光拡散層を積層したことを特徴とする請求項１または２記載の光学シート。
12. 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１１記載の光学シート。
13. 前記光拡散層は、プリズムシート、多角錐プリズムシート、円錐プリズムシート、マイクロレンズシート、レンチキュラーシート、レンチキュラーシートに１：１に対応する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１１記載の光学シート。
14. 光源と、請求項１乃至１３に何れか１項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。
15. 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１４記載のディスプレイ用バックライト・ユニットを備える、
    ことを特徴とする表示装置。

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