JP5157234B2 - 光学シート、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装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学シート、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装置に関する。例えば、液晶表示素子への照明光路制御を行うのに好適な光学シート、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装置に関する。

従来、例えば液晶表示装置（ＬＣＤ）に代表されるディスプレイ装置は、画像信号に応じて各画素のＯＮ／ＯＦＦが制御される液晶表示素子の背面側に、バックライトユニットを配置し、このバックライトユニットからの光を表示光として利用している。このようなＬＣＤは、液晶表示素子の消費電力は小さいが、バックライトユニットでの消費電力が大きくなり、例えば、ラップトップコンピュータや携帯電話などの電池式装置に用いられる場合には、光源の光の利用効率を高めることで装置としての消費電力を低減することが求められている。
そのため、バックライトユニットからの拡散光をある程度集光するため、液晶表示素子とバックライトユニットとの間に、複数のレンズやプリズムなどを有する光学シートが配置されている場合が多い。
例えば、特許文献１には、液晶パネルと、この液晶パネルに背面側から光を照射する光源手段とを備え、この光源手段に、光源からの光を液晶パネルへと導くレンズ層が設けられ、該レンズ層焦点面近傍に開口をもつ遮光部または該レンズ層によって液晶層内部で結像する位置関係にあるレンズ層焦点面より外側に開口をもつ遮光部を有する液晶表示装置が記載されている。
特開２０００−２８４２６８号公報（図１−３）

しかしながら、上記の従来の光学シートには以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、光源手段の導光板に遮光部を対向させて積層しているが、遮光部の厚さが薄い場合には、遮光部が形成する開口におけるレンズ層が、導光板と容易に接触してしまう。この場合、レンズ層と導光板とは空気層に比べて互いの屈折率が近似しているため、空気層がある部分を透過する光に比べて屈折作用の影響が少なくなり、導光板から接触部を通して入射する光は略直進してしまう。このため、レンズ層側に進む光の出射角のバラツキが大きくなり、レンズ層の集光性能が劣化してしまうという問題がある。特に、導光板から大きな入射角で入射した光は、開口に対向するレンズ層に入射せず、周囲のレンズ層に入射して、減衰して光量損失となったり、透過しても輝度ムラを発生させたりする原因ともなるという問題がある。
また、光源として、上記のようなエッジライト式の面光源のような導光板を用いるものではなく、例えば直下型方式のバックライトユニットを用いる場合、光学シートと光源との間に光拡散板や光拡散フィルムを配置する構成が一般的である。この場合には、遮光部が光拡散板や光拡散シートに対して積層されるため、上記と同様の問題が発生する。
特に、光拡散板や光拡散シートを光学シートに対して、粘着剤や接着剤などからなる光透過性の接合層によって接合する場合には、接合層が開口側に押し付けられることで一層容易に空気層が失われてしまうものである。
このため、遮光部の厚さを増すことも考えられるが、従来のように遮光部を印刷や転写法で形成したのでは、十分な厚さを安定して形成することが難しいという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、光源から光を効率よく取り出すことができ、しかも輝度ムラを抑制することができる光学シート、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装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、液晶表示部と、該液晶表示部の背面側に配置される光源部との間に配置して用いられ、該光源部からの光を前記液晶表示部に向けて透過させるため、シート状の光透過部と、該光透過部の一方のシート面にアレイ状の光学素子が配列された光学素子部と、前記光透過部の他方のシート面に前記光学素子のそれぞれの対向位置に光学的開口を形成する遮光部とを有する光学シートであって、前記光透過部は、前記遮光部から前記光学素子部に向かうシート厚さ方向において、前記他方のシート面を除く位置に、媒質の屈折率が相対的な高屈折率から相対的な低屈折率に変化する境界面を備え、前記光学的開口のピッチは、前記液晶表示部の画素領域の一方の配列ピッチに一致され、前記光学的開口の幅の中心線が、他方の配列ピッチで整列する各画素領域の中心と一致可能に形成されており、前記遮光部は、二酸化チタン粒子を分散混合してなるインキを塗布形成、または転写形成し、反射率が８３％以上１００％以下とされ、前記境界面における臨界角は、前記光学的開口から前記光学素子部に向かう光のうち、前記光学的開口に対向する光学素子に隣接する他の光学素子に向かう光に対して、全反射が起こる角度とされた構成とする。
この発明によれば、光透過部が遮光部から光学素子部に向かうシート厚さ方向において、前記他方のシート面を除く位置に、媒質の屈折率が相対的な高屈折率から相対的な低屈折率に変化する境界面を有するので、光学的開口側から境界面に対して臨界角以上の角度で入射する光が光学的開口側に全反射される。
そのため、光学的開口から境界面に臨界角以上の角度で入射する光が、対向位置の光学素子と異なる光学素子に入射して、光学素子部側に透過する光を低減することができるとともに、光学的開口側への戻り光が増大させることができる。その結果、光学的開口での界面における屈折の出射角を増大させるために、入射側に空気層を形成したりすることなく、集光性を高めることができる。

また、この発明によれば、境界面における臨界角は、光学的開口から光学素子部に向かう光のうち、この光学的開口に対向する光学素子に隣接する他の光学素子に向かう光に対して全反射が起こる角度とされるので、光学的開口の対向位置の光学素子に隣接する他の光学素子を透過する光が低減され、光軸に対する透過光の広がり角を抑制できる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の光学シートにおいて、前記光透過部は、屈折率が異なる複数の層を有する多層構造からなり、前記境界面は、前記光透過部の厚さ方向の中間部に形成された構成とする。
この発明によれば、光透過部を多層構造として、この光透過部の厚さ方向の中間部に境界面を形成するので、光学素子部の屈折率によらずに光透過部に境界面を設けることができる。このため、光学素子部の屈折率を高めて光学性能を向上することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の光学シートにおいて、前記光透過部は、前記一方のシート面側に、前記光学素子部と接合する該光学素子部より屈折率が低い低屈折率層と、該低屈折率と接合して前記境界面を構成する高屈折率層とを備える構成とする。
この発明によれば、光透過部の一方のシート面側に、他方のシート面側から高屈折率層、低屈折率層が順次設けられ、この低屈折率層と光学素子部とが接合されるので、境界面が、光学素子部の入射側の界面に対して低屈折率層を介して隣接する位置に形成される。
そのため、低屈折率層の厚さを適宜設定することで、光学素子部に対する境界面のシート厚さ方向の位置を正確に設定することができる。
なお、境界面を透過して低屈折率層から光学素子部に向かう透過光の集光効率を向上するためには、低屈折率層の層厚を光透過部の他の層に比べて薄くすることが好ましく、他の層のいずれよりも薄くすることがさらに好ましい。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の光学シートにおいて、前記光透過部の他方のシート面側に、前記光学素子部側に向かって前記光学的開口に入射する光を拡散させる光拡散層を積層一体化してなる構成とする。
この発明によれば、光拡散層を備えることで、光源のムラに起因する透過光の光量バラツキを低減するとともに、適宜の視野角を設定することができる。その際、光拡散層を光透過部に積層一体化するので、境界面を設ける代わりに光学的開口における光拡散層と光透過部との間につぶれやすい空気層を設ける場合とは異なり、光路上の屈折率の変化を安定させることができる。

請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の光学シートにおいて、前記光拡散層は、板状の光拡散部材が、接合層を介して前記光透過部に積層一体化されてなる構成とする。
この発明によれば、光拡散部材を、接合層を介して光透過部に積層一体化するので、光学的開口につぶれやすい空気層を設ける場合に比べて製造が容易となる。また、遮光部の高さを自由に設定することができるため遮光部を形成することが容易となる。

請求項６に記載の発明では、請求項１〜５のいずれかに記載の光学シートにおいて、前記光学素子部は、前記光学素子として、一方向に延在された凸シリンドリカルレンズが複数並列されてなり、前記遮光部は、前記凸シリンドリカルレンズに平行に延びるストライプ状に形成された構成とする。
この発明によれば、光学的開口を凸シリンドリカルレンズの焦点位置近傍に形成することで、光学的開口を透過した光を対向する凸シリンドリカルレンズによって効率的に集光することができる。

請求項７に記載の発明では、バックライトユニットにおいて、請求項１〜６のいずれかに記載の光学シートと、該光学シートの前記光学素子部が形成された一方のシート面と反対側に、光出射面を有する光源部とを備える構成とする。
この発明によれば、請求項１〜６のいずれかに記載の光学シートを用いるので、請求項１〜６のいずれかに記載の発明と同様の作用効果を備える。

請求項８に記載の発明では、ディスプレイ装置において、請求項７に記載のバックライトユニットと、該バックライトユニットからの光を表示光として画像表示を行う液晶表示部とからなる構成とする。
この発明によれば、請求項１〜６のいずれかに記載の光学シートを用いた請求項７のバックライトユニットを用いるので、請求項１〜６のいずれかに記載の発明と同様の作用効果を備える。

本発明の光学シート、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装置によれば、光透過部に、光学的開口から光学素子部側に向かって、媒質の屈折率が高屈折率から低屈折率に変化する境界面を備えるので、光源から光を効率よく取り出すことができ、しかも輝度ムラを抑制することができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
本発明の実施形態に係る光学シートについて、それを用いたバックライトユニット、ディスプレイ装置とともに説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るディスプレイ装置の概略構成を示す模式的な断面図である。図２は、図１のＡ視の部分平面図である。図３は、本発明の実施形態に係る光学シートの概略構成を示す模式的な断面図である。なお、各図は模式図のため寸法比は誇張され、一部の部材個数は過少に描かれている（以下も同じ）。

本実施形態のディスプレイ装置１００は、図１に示すように、光源部２０、光学シート２１、および液晶表示部２２がこの順に積層され、液晶表示部２２から、図示上側に向けて、画像信号によって表示制御された表示光を出射することで、平面視矩形状の画像を表示するものである。
光源部２０と光学シート２１とは、バックライトユニット２３を構成している。
以下では、このような配置に基づいて、図１の上方向を単に表示画面側、下方向を単に背面側と称する場合がある。すなわち、図１の矢印Ａは、光学シート２１の厚さ方向の中間部を背面側から表示画面側に向かって見る方向を示す。

光源部２０は、本実施形態では、図１に示すように、紙面奥行き方向に延びるライン状の発光部が図示左右方向に離間して配置された複数の光源２０ａと、これら光源２０ａを背面側から覆って表示画面側が開口された反射板２０ｂとで構成される直下型方式を採用している。
光源２０ａとしては、例えば、冷陰極管などを用いることができるが、複数のＬＥＤ素子を紙面奥行き方向に沿うライン上に配列したＬＥＤ光源などを採用してもよい。
ただし、光源部２０は、光学シート２１の背面側に白色光を出射できればこのような構成には限定されず、周知のいかなる構成の光源部を採用してもよい。例えば、導光板の側面にライン状光源を配置したエッジライト式の面光源などを採用してもよい。

光学シート２１は、光源部２０から表示画面側に出射される光の一部を集光して、表示画面側に透過させ、他の光を光源部２０側に反射して光源部２０に再入射させるものであり、図１に示すように、背面側から表示画面側に向けて、拡散板７（光拡散部材）、接合層６、遮光部５、光透過部４、およびレンズ部１（光学素子部）が、略この順に積層されてなる。すなわち、後述するように、遮光部５で形成される光学的開口５ａの領域では、接合層６、光透過部４がこの順に積層されている。

拡散板７は、光源部２０から表示画面側に出射される光を拡散させるように、光源部２０の表示画面側を覆う位置に設けられた板状部材である。これにより、複数の光源２０ａによる図示水平方向の照度ムラを抑制するとともに、表示光に適宜の視野角を付与することができるようになっている。
この拡散板７は、透明樹脂とこの透明樹脂の中に分散された透明粒子とを具備して構成されており、これら透明樹脂の屈折率と透明粒子の屈折率が異なるものとされる。透明樹脂の屈折率と透明粒子の屈折率の差は、０．０２以上であることが望ましい。屈折率の差がこれより小さいと十分な光散乱性能が得られない。また、屈折率差は、０．５以下であることが好ましい。
なお、拡散板７は、拡散板７に入射した光を散乱させつつ、表示画面側に透過させる必要がある。このため、拡散板７に含まれる透明粒子の平均粒径は、０．５μｍ〜１０．０μｍであることが望ましく、より好ましくは１．０μｍ〜５．０μｍである。

拡散板７の透明樹脂としては、例えば、ＰＣ（ボリカーボネート）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等を使用することができる。
また、拡散板７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。
そして、これら透明樹脂中に透明粒子を分散して、押し出し成形することにより、板状の拡散板７を製造することができる。拡散板７の厚さは、１ｍｍ〜５ｍｍであることが望ましい。１ｍｍ未満の場合、拡散板７は薄くこしがないのでたわみやすくなってしまう。一方、５ｍｍを越えると、光源部２０からの光の透過率が悪くなってしまう。
本実施形態では、一例として、透明樹脂として、屈折率１．５７のＭＳ（メチルメタクリレート−スチレン共重合）樹脂、透明粒子として、屈折率１．５０のＭＳ樹脂フィラーを採用し、厚さは３．０ｍｍとしている。

接合層６は、拡散板７を、遮光部５が設けられた光透過部４に対して積層一体化するためのもので、光透過性の粘着剤あるいは接着剤からなる。本実施形態では、一例として、屈折率ｎ_１＝１．５４のアクリル系の感圧粘着剤を採用し、拡散板７と光透過部４との間の層厚Ｔは、２０μｍとしている。

遮光部５は、光透過部４の背面側の入射側界面４ａにおいて、図２に示すように、平面視では、ピッチＰ、幅（Ｐ−Ｗ）、厚さｔのストライプ状に形成されている。各遮光部５の間には、幅Ｗの光学的開口５ａが形成され、拡散板７から接合層６を介して入射する散乱光の光透過部４に対する入射範囲を位置規制する遮光パターンを構成している。
遮光部５は、本実施形態では、一例として、Ｐ＝１４０μｍ、Ｐ−Ｗ＝９８μｍ、ｔ＝１０μｍのストライプ状としている。このため、光学的開口５ａの幅Ｗは４２μｍ、光学的開口５ａと遮光部５との幅の比率は、Ｗ：（Ｐ−Ｗ）＝３：７とされている。
ピッチＰは、本実施形態では、液晶表示部２２の画素領域２２ａ（図２参照）の一方の配列ピッチに一致され、光学的開口５ａの幅の中心線３２が、他方の配列ピッチで整列する各画素領域２２ａの中心と一致されている。

なお、遮光部５の断面形状は、図２に示すような矩形断面には限定されない。例えば、背面側に縮幅する台形断面や、これら矩形断面、台形断面の背面側の角部を丸めた断面形状などを採用することができる。

遮光部５の材質は、少なくとも遮光性が得られれば、適宜の材質を採用することができるが、光源部２０からの光を背面側に光を反射して照明光として再利用することができるように、光反射性材料を採用し光反射層を形成することが好ましい。このような光反射層として形成される遮光部５は、例えば、金属粒子、または、例えば二酸化チタンなどの高屈折率透明粒子を分散混合してなるインキを塗布形成、または転写形成したもの、金属箔をラミネート形成したもの、金属材料を蒸着したものなどを採用することができる。
遮光部５の反射率としては、高反射率であることが好ましく、例えば、８３％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。
本実施形態では、遮光部５の一例として、白インキ箔を転写形成することにより、反射率を８６％とした構成を採用している。

しかし、遮光部５の形成方法は上記方法には限定されない。例えば、押し出し成形などによって、高屈折率層３の背面側の面を遮光部５の断面形状に対応した凹凸形状に形成し、その背面側の凸部に、金属粒子または高屈折率透明粒子を分散混合してなるインキを塗布することで、遮光部５を凸部状の反射膜として形成することもできる。この場合、インキを凸部のみに塗布することで、押し出し成形で形成された凹部に光学的開口５ａが形成されるので製造が容易となる。
また、この場合においても、凸形状は、図１の遮光部５のように、矩形断面を有する凸形状には限定されない。例えば、背面側に縮幅する台形断面や、これら矩形断面、台形断面の背面側の角部を丸めた断面形状を採用することができる。特に、角部を丸めた断面形状によれば、反射膜を塗布すると反射膜が凸形状の側面にも形成されるため、凸形状の側面に入射する光を反射することができ、反射膜を薄膜で形成しても、実質的に遮光部５と同様、凸形状の高さ方向に厚みを有する光反射層を形成することができる。

光透過部４は、光透過性を有するシート状部材であり、背面側から表示画面側に向かって、屈折率ｎ_２を有する厚さｔ_Ｈの高屈折率層３と、屈折率ｎ_３（ただし、ｎ_３＜ｎ_２）を有する厚さｔ_Ｌの低屈折率層２とが積層されてなる。
低屈折率層２への光線入射位置と、低屈折率層２を経た後のレンズ部１への光線入射位置との、光軸に直交する方向の位置ずれを小さくするためには、低屈折率層２の層厚ｔ_Ｌは、できるだけ薄くすることが好ましい。少なくともｔ_Ｈより小さくすることが好ましく、光透過部４に高屈折率層３以外の層が設けられている場合には、最薄層に形成することが好ましい。

本実施形態では、一例として、高屈折率層３が、ｎ_２＝１．５７、厚さｔ_Ｈ＝７５μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム、低屈折率層２がｎ_３＝１．３６、ｔ_Ｌ＝１．５μｍのフッ素系ポリマーからなる構成を採用している。
このため、光透過部４は、光学的開口５ａには、接合層６と高屈折率層３との界面で入射側界面４ａが形成され、光透過部４の厚さ方向の中間部には、高屈折率層３と低屈折率層２とで境界面４ｂが形成され、低屈折率層２の表示画面側の表面には、レンズ部１と接合された出射側界面４ｃが形成された多層構造を有している。

レンズ部１は、光学的開口５ａ、光透過部４を通って出射側界面４ｃから表示画面側に透過する拡散光を集光するため、複数の光学素子、例えば、レンズ１Ｄ、１Ｂ、１Ａ、１Ｃ、１Ｅなどを、それぞれ異なる光学的開口５ａに対向させてピッチＰでアレイ状に配列したものである。
レンズ部１は、本実施形態では、表示画面側に凸に形成されたレンズ面１ａが図１の紙面奥行き方向に延ばされ、焦点位置が対向する光学的開口５ａの中心線３２（図２参照）上で、入射側界面４ａの近傍となるように配置された凸シリンドリカルレンズを単位レンズとする凸シリンドリカルレンズアレイからなる。すなわち、レンチキュラーレンズとして構成されている。
レンズ面１ａの形状は、本実施形態では、一例として、曲率半径７０μｍ、開口角８６°の円断面のシリンドリカルレンズとしている。ただし、必要な集光性能に応じて、周知の適宜のレンズ面形状、例えば、球面、楕円面などを採用してもよい。また、集光効率を向上するために、楕円面を基準面とし高次項により補正を加えた非球面形状としてもよい。

レンズ部１は、例えば、ＰＥＴ樹脂、ＰＣ樹脂、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形法、射出成形法、あるいは熱プレス成形法によって形成することができる。もしくは紫外線（ＵＶ）硬化性樹脂を用いて成形することができる。
本実施形態では、紫外線キュアリング成形法によって、屈折率ｎ_４＝１．６０のアクリル系紫外線硬化樹脂を低屈折率層２上に形成している。

本実施形態の光学シート２１は、以下のようにして製造することができる。
まず高屈折率層３の一方の面に、低屈折率層２を薄く塗布し、その上に、紫外線キュアリング成形法によって、レンズ部１を形成する。
次に、遮光部５を転写法によって形成する。すなわち、反レンズ部側に感光性樹脂を塗布した後、ＵＶをレンズ側から照射し、露光、未露光部分を形成させる。露光部分はタック性が失われ、未露光部分はタック性が残る。この部分に白インキ箔をラミネートし、剥離することによって、遮光パターンを形成する。
次に、遮光部５、および光学的開口５ａに露出する入射側界面４ａ上に、接合層６を塗布し、接合層６に別途製造した拡散板７を貼り合わせる。
このようにして、光学シート２１が製造される。

液晶表示部２２は、例えば、配向膜、透明電極が形成された２枚の封止基板の間に液晶を封入するなどして構成され、さらに上下を偏光板で挟むことにより、矩形格子状に形成された複数の画素領域２２ａごとに、画像信号に応じて光の透過状態を制御する液晶シャッタを構成するものである。
本実施形態では、図２に示すように、各画素領域２２ａは、一方向にはピッチＰで配列され、この一方向に直交する方向に整列した画素領域２２ａの中心軸３２が、光学的開口５ａの幅方向の中心軸に整列するように対向して配置されている。

次に、ディスプレイ装置１００の作用について、光学シート２１の作用を中心に説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る光学シートの作用を説明する模式的な断面図である。図４は、比較例に係る光学シートの模式的な断面図である。図５は、本発明の実施形態の一実施例および比較例に係る光学シートの透過光の光強度分布を示すグラフである。横軸は光軸を０°とした放射角度を示す。縦軸は光強度を示す。

光源２０ａから出射された光は、図１に示すように、一部が、光源２０ａから直接拡散板７に向けて出射され、他の光は、反射板２０ｂによって反射された後、拡散板７に向けて出射される。これにより、光学シート２１の背面側が全面的に照明される。
このとき、光源２０ａの配置ピッチに対応する照度ムラは、反射板２０ｂの作用によって緩和されるものの、ある程度残存している。
拡散板７を進む光は、拡散板７の透明樹脂内を透明粒子によって散乱されて、拡散光として進み、光源部２０の照度ムラが解消されるともに適宜の角度範囲に広がり角を有する光として、接合層６に入射する。
接合層６を進む光は、光学的開口５ａを通って入射側界面４ａに到達した光が、光透過部４に入射する。その他の遮光部５に到達する光は、一部が吸収または透過する以外は、遮光部５の反射率に応じて背面側に反射され、光源部２０に戻って再利用される。

入射側界面４ａに到達した光は、接合層６と高屈折率層３との屈折率に応じて、スネルの法則にしたがって屈折作用を受け、高屈折率層３内を出射角θの方向に進行し、境界面４ｂで、高屈折率層３と低屈折率層２との屈折率の違いに応じて屈折され、レンズ部１側に進む。
ここで、高屈折率層３、低屈折率層２の屈折率ｎ_２、ｎ_３は、ｎ_２＞ｎ_３の関係にあるので、入射側界面４ａでの出射角θが、例えば、図３の光線Ｌ_３の場合のように、境界面４ｂの臨界角φより大きい場合、境界面４ｂで光線Ｌ_４として、全反射される。なお、臨界角φは、次式で表される。
φ＝ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_３） ・・・（１）

また、レンズ部１の各単位レンズの焦点位置は、光学的開口５ａの中心軸上の、入射側界面４ａ近傍に設定されているため、例えば、レンズ１Ａに対向する光学的開口５ａから、光軸上を進む光線Ｌ_１や、レンズ１Ａの開口角の範囲で斜めに進む光線Ｌ_２は、レンズ１Ａ内を進み、レンズ面１ａの屈折作用によって集光されて、ある程度の視野角を備えた光として表示画面側に出射される。
そして、入射側界面４ａからの出射角θが、臨界角φよりも小さく、かつ対向位置のレンズの開口角の範囲に入らない大きさである場合、高屈折率層３から低屈折率層２へ透過し、レンズ１Ａ以外のレンズ、例えば、レンズ１Ａに隣接するレンズ１Ｂ、１Ｃに入射する。

本実施形態では、式（１）より、φ＝ｓｉｎ^−１（１．３７／１．５７）＝６０．８°であり、レンズ１Ａの開口角は８６°であるので、入射側界面４ａの通過位置にもよるが、出射角θが、４３°以上、６０．８°以下の範囲では、対向位置のレンズ１Ａに隣接するレンズ１Ｂ、１Ｃに入射する。
ここで、低屈折率層２の層厚が厚いと、境界面４ｂの屈折作用により、出射側界面４ｃの入射位置が大きくずれて、さらに外側のレンズ１Ｄ、１Ｅに入射する可能性もあるが、本実施形態では、低屈折率層２の厚さｔ_Ｌは、高屈折率層３の厚さｔ_Ｈに比べて十分薄いため、略直進した位置で出射側界面４ｃに入射する。
したがって、本実施形態は、境界面の臨界角が、光学的開口から光学素子部に向かう光のうち、少なくとも光学的開口に対向する光学素子に隣接する他の光学素子に向かう光に対して全反射が起こる角度とされた場合の例になっている。

また、臨界角φを、４３°以上、７０．３°以下の範囲に設定することで、光学的開口５ａからの入射光が、レンズ１Ａ、およびレンズ１Ａに隣接するレンズ１Ｂ、１Ｃのみに入射し、それらの外側のレンズ１Ｄ、１Ｅに入射しないようにすることができる。
ここで、この上限値７０．３°は、単位レンズの配列ピッチＰと高屈折率層３の層厚ｔ_Ｈとの間の幾何学的な関係により、次式のΨから算出した値である。
Ψ＝ｔａｎ^−１｛（３／２）・Ｐ／ｔ_Ｈ｝ ・・・（２）
また、高屈折率層３、低屈折率層２の屈折率を変えて、臨界角φを４３°未満とすれば、光学的開口５ａからの入射光が、レンズ１Ａに隣接するレンズ１Ｂ、１Ｃに、略入射しない設定とすることができる。

光学的開口５ａから対向位置以外の単位レンズに入射した光は、それぞれ入射した単位レンズのレンズ面１ａの屈折作用により表示画面側に向けて斜め方向に出射される。
そして、光学シート２１から出射された光は、液晶表示部２２に入射し、画像信号に基づいて不図示の駆動部で制御された各画素領域２２ａの偏光状態に応じて、所定の画素領域２２ａからの光が表示光として透過され、視野角を有する画像が表示される。
このとき、光学的開口５ａから対向位置の画素領域２２ａ以外に入射する光が多くなると、対向位置の画素領域２２ａを透過する光の輝度が低下し、その周囲の画素領域２２ａにおける輝度ムラの原因となる。また、これらの光は、出射角が大きくなるので、放射輝度分布がいびつになり、画質の低下を招く原因ともなる。
したがって、光学的開口５ａから、対向位置の単位レンズ以外の単位レンズに入射する光は、少ないことが好ましく、少なくとも、対向位置の単位レンズに隣接する単位レンズまでの範囲とすることが好ましい。

ここで、光学シート２１の性能を評価するため、比較例として、図４に示す光学シート２１０を作成した。
光学シート２１０の構成は、図４に示すように、光学シート２１において、光透過部４の低屈折率層２を削除し、光学的開口５ａの範囲に、遮光部５と同じ高さｔを有する空気層５０を形成したものである。このため、光学シート２１０では、接合層６は、一定厚さ（Ｔ−ｔ）に設けられ、拡散板７と遮光部５とを接合している。
本比較例は、境界面４ｂを有さず、空気層５０を有する点で、従来技術と同様の技術により形成されたものである。

光学シート２１０の構成では、光透過部３の中間部には、背面側からの光を全反射する境界面は存在しないので、光学的開口５ａにおいて、入射側界面３ａから入射する拡散光の広がり角に応じて、空気層５０から高屈折率層３に比較的大きな出射角で進む光線Ｌ_５、Ｌ_６などが存在する場合、それぞれ、レンズ１Ｂ、１Ｄなど、対向するレンズ１Ａ以外の単位レンズに入射する光が発生する。そのため、正面輝度が低下し、輝度ムラの原因ともなる。

光学シート２１、２１０に、共通の光源部２０を取り付け、１つの単位レンズから出射される光強度分布を測定した結果を、図５に示した。
光学シート２１を用いた測定では、曲線２００に示すように、光軸に対する放射角度０°でピーク強度Ｐ_１を有し、約−８０°から＋８０°の間に分布する釣り鐘型の光強度分布が測定された。
一方、比較例の光学シート２１０では、曲線２０１に示すように、放射角度０°でピーク強度Ｐ_２を有し、−９０°から＋９０°の間に分布する釣り鐘型の光強度分布が測定された。
比較例に対する実施例の正面輝度の比は、Ｐ_１／Ｐ_２＝１．０４であった。
したがって、本実施例では、比較例に比べて、正面輝度は大きく、輝度分布はより狭い角度範囲に分布する、といういずれも優れた結果が得られた。

以上に説明したように、光学シート２１によれば、光透過部４に、光学的開口５ａから光学素子部側に向かう光が、媒質の屈折率が高屈折率から低屈折率に変化する境界面４ｂを備え、臨界角φよりも大きな光を光学的開口５ａ側に反射し、光学的開口５ａを透過した光を、光源部２０で再利用することができる。その結果、光源部２０から光を効率よく取り出すことができ、しかも輝度ムラを抑制することができる。

なお、上記の説明では、境界面が、光透過部４の中間部に形成された場合の例で説明したが、光学素子部の単位レンズの屈折率を光透過部より小さくできる場合には、光透過部と光学素子部との間に相対的な高屈折率から相対的な低屈折率に変化する境界面を設けてもよい。
この場合、光透過部は、単層構造とすることができる。

また、上記の説明では、拡散板７が接合層６を介して拡散板７に積層一体化された場合の例で説明したが、遮光部５の厚さを十分確保することができ、安定した空気層を形成することができる場合には、光学的開口５ａに空気層を設けて一体化した構成としてもよい。

また、上記の説明では、高屈折率層３として、厚さ一定のシート状部材を用いた場合の例で説明したが、例えば、他方の面を凹凸形状とし、凹部に遮光部５を設け、高屈折率層３の凸部と遮光部５の背面側の面とを同一平面に整列させ、この平面に対して、接合層６を介して拡散板７を積層一体化してもよい。この場合、高屈折率層３は、押し出し成形などによって形成することができる。

また、上記の説明では、光拡散層を板状の拡散板７として構成し、接合層６で接合した場合の例で説明したが、例えば、構成上、特にこしなどが求められない場合には、可撓性を有するシート状部材としてもよい。
また、光拡散層の形成方法は、別部材を接合する方法に限定されない。例えば、熱溶融成形、押し出し成形などによって、遮光部５が形成された光透過部４の背面側の面上に光拡散層をキュアリングすることで積層一体化する構成としてもよい。すなわち、接合層を有しない構成としてもよい。

また、上記の説明では、光学素子部として、複数の凸シリンドリカルレンズが一方向に延ばされたレンチキュラーレンズの構成の例で説明したが、アレイ状の光学素子としては、凸シリンドリカルレンズやレンズ素子には限定されず、屈折作用により光の進行方向を規制できる光学素子であれば、例えば複数のプリズムがアレイ状に配列された構成を採用してもよい。
また、光学素子としては、一方向に延ばされたストライプ状の光学素子に限定されるものではなく、マイクロレンズが２次元的に配列されたマイクロレンズアレイや、互いに直交する方向に延びるレンチキュラーレンズを積層したクロスレンチレンズを採用してもよい。これらの場合、光学的開口は、これらの光学素子の配列に応じてマトリックス状に形成する。この場合の、光学的開口の詳細な形状、大きさは、配列が２次元となる点が異なるのみで、上記と略同様にして、所望の視野角等の条件に応じて適宜決定される。

また、上記の説明では、ディスプレイ装置として、特にカラー表示の構成について説明しなかったが、例えば、液晶表示部２２と光学シート２１との間などにカラーフィルタを設けるといった周知の構成を付加すれば、カラー表示を行うディスプレイ装置にも適用できることは言うまでもない。

本発明の実施形態に係るディスプレイ装置の概略構成を示す模式的な断面図である。 図１のＡ視の部分平面図である。 本発明の実施形態に係る光学シートの概略構成を示す模式的な断面図である。 比較例に係る光学シートの模式的な断面図である。 本発明の実施形態の一実施例および比較例に係る光学シートの透過光の光強度分布を示すグラフである。

符号の説明

１ レンズ部（光学素子部）
１ａ レンズ面
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ レンズ（光学素子）
２ 低屈折率層
３ 高屈折率層
４ 光透過部
４ａ 入射側界面
４ｂ 境界面
４ｃ 出射側界面
５ａ 光学的開口
５ 遮光部
６ 接合層
７ 拡散板（光拡散部材）
２０ 光源部
２０ａ 光源
２０ｂ 反射板
２１ 光学シート
２２ 液晶表示部
２２ａ 画素領域
２３ バックライトユニット
１００ ディスプレイ装置

Claims (8)

1. 液晶表示部と、該液晶表示部の背面側に配置される光源部との間に配置して用いられ、該光源部からの光を前記液晶表示部に向けて透過させるため、シート状の光透過部と、該光透過部の一方のシート面にアレイ状の光学素子が配列された光学素子部と、前記光透過部の他方のシート面に前記光学素子のそれぞれの対向位置に光学的開口を形成する遮光部とを有する光学シートであって、
   前記光透過部は、前記遮光部から前記光学素子部に向かうシート厚さ方向において、前記他方のシート面を除く位置に、媒質の屈折率が相対的な高屈折率から相対的な低屈折率に変化する境界面を備え、
   前記光学的開口のピッチは、前記液晶表示部の画素領域の一方の配列ピッチに一致され、前記光学的開口の幅の中心線が、他方の配列ピッチで整列する各画素領域の中心と一致可能に形成されており、
   前記遮光部は、二酸化チタン粒子を分散混合してなるインキを塗布形成、または転写形成し、反射率が８３％以上１００％以下とされ、
   前記境界面における臨界角は、前記光学的開口から前記光学素子部に向かう光のうち、前記光学的開口に対向する光学素子に隣接する他の光学素子に向かう光に対して、全反射が起こる角度とされたことを特徴とする光学シート。
2. 前記光透過部は、屈折率が異なる複数の層を有する多層構造からなり、
   前記境界面は、前記光透過部の厚さ方向の中間部に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光学シート。
3. 前記光透過部は、前記一方のシート面側に、前記光学素子部と接合する該光学素子部より屈折率が低い低屈折率層と、該低屈折率と接合して前記境界面を構成する高屈折率層とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光学シート。
4. 前記光透過部の他方のシート面側に、前記光学素子部側に向かって前記光学的開口に入射する光を拡散させる光拡散層を積層一体化してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学シート。
5. 前記光拡散層は、シート状の光拡散部材が、接合層を介して前記光透過部に積層一体化されてなることを特徴とする請求項４に記載の光学シート。
6. 前記光学素子部は、前記光学素子として、一方向に延在された凸シリンドリカルレンズが複数並列されてなり、
   前記遮光部は、前記凸シリンドリカルレンズに平行に延びるストライプ状に形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学シート。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の光学シートと、
   該光学シートのうち、前記光学素子部が形成されたのと反対側に光を照射する光源部とを備えるバックライトユニット。
8. 請求項７に記載のバックライトユニットと、
   該バックライトユニットからの光を表示光として画像表示を行う液晶表示部とからなるディスプレイ装置。

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