JP5463683B2 - マイクロレンズ構造を有するレンズシート - Google Patents

Description

本発明は、多数の光学構造を有した光学用成形品に関する。
例えば、マイクロレンズアレイやプリズムアレイ、レンチキュラーレンズ、光導波路、導光路などの光学作用を目的とした光学構造を有した光学シートであり、液晶表示装置（LCD）に用いる輝度向上シートなどに用いる光学部品に関する。

液晶表示装置では、画像表示に必要な光源（バックライト）を内蔵している。
光源で消費する電力が装置全体で消費する電力の相当部分を占めており、総電力の低減が強く要望される昨今においては、光源効率の向上が必須となっている。
光源効率の向上策として電力-発光変換効率を高めたり、周辺の明るさに応じて必要な分だけ発行するように調光する手段があるが、発した光線の利用効率を高める手法がある。

光線の利用効率を高める手段として、光源または導光板と液晶バネルとの間に、輝度向上フィルム（たとえばＢＥＦ、米国３Ｍ社の登録商標）を備えた光学フィルムが広く使用されている。

この輝度向上フィルムは、プリズムの反復的アレイ構造が１方向に配列しており、その配列方向において、入射光の方向転換及び再帰反射による光線のリサイクルが可能である。実際にはディスプレイの水平および垂直方向での表示光の輝度制御が必要なため、プリズム群の配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る事が多い。
このＢＥＦに代表される輝度向上フィルムにより、ディスプレイ設計者は、電力消費を低減しながら所望の正面輝度の達成が可能となった。
プリズム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ことは、多数の特許文献に開示されている（たとえば特許文献１乃至３参照）。

また、プリズムではなく単位レンズを反復的に配したアレイ構造（シリンドリカルレンズを配した場合、レンチキュラーレンズとなる）を有する光学フィルムが提案されている（たとえば特許文献４参照）。この光学フィルムの液晶パネル側の面は、光学フィルム内を進行した光を液晶パネル側へ導くように、複数の単位レンズが反復的に形成されたアレイ構造となっている。
この光学フィルムではレンズが形成された面の裏面側に、レンズの焦点面近傍が開口部としたストライプ状の反射層パターンが設けられている。

この光学フィルムを、液晶ディスプレイのバックライト・ユニットに組み込むと、反射層の開口部を通過した光のみがレンズに入射し、一定方向に集光された後に出射され液晶パネルに導かれる。

一方、開口部を通過せず、反射した光は、光源側に戻され、光源の背面に配置された反射板へ導かれる。そして、反射板によって反射された光線は、先程とは異なる位置にて光学フィルムに達する。光線が反射する際、拡散反射材（例えば白色板など）を用いることで光学フィルムの開口部からは確率的光線が入射するため、反射時の光量ロスを最小限に抑えつつ、光線を有効に利用する事が可能となる。

上記のような光学フィルムを用いたバックライト・ユニットでは、反射層開口部の間隔や表面側レンズとの相対位置を調節することによって、光の利用効率向上と、レンズから正面方向に出射される光の割合、即ち、正面輝度を高めるように制御することができる。
また、この様な複雑な多層構造を有するレンズシートとは別の、単純なシート構造のレンズシートとしてマイクロレンズシートも提案されている（たとえば特許文献５参照）。

ディスプレイの大型化に際しては、そのディスプレイ自体の大きさと、面積に比例した多くの光量が必要なため、直下型のバックライト・ユニットの採用が一般的だが、光利用効率を向上によりディスプレイの輝度を向上するこれらの輝度向上フィルムは、その原理上入射側に空気層が必要であり、別体化や空気層の設置が必要である。

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 特開２００６−３０１５８２号公報

輝度向上フィルムはセットで使用する拡散板との間に光線入射側に空気層が必要な為、拡散板など部材との一体化が困難であり、ディスプレイを構成する部品数やそのコストを減じることが難しい。
マイクロレンズ形状を持つレンズシートを用いることで部品数の削減を図る方式があり、その際には、生産性の側面からレンズ間が離間したマイクロレンズアレイ形状を製造するのが最も効率がよい。
しかしながら、この様に製造されるマイクロレンズ形状のレンズフィルムは、マイクロレンズ形状作成時に発生するマクロ的なムラが発生しやすく、外観上の問題として発現する為、製品としては望ましくなかった。
このムラは、主としてレンズ版の製造時、及び、レンズシートの成形加工時の厚みムラに起因している。
レンズ版製造時のムラについては、描画するパターン自身のバラツキや、エッチング処理時におけるエッチング液の流動性や局所的な濃度のムラにより発生するため、抜本的なプロセスの入れ替えが必要であり、望ましくない。

前記レンズ版は凹状のレンズ形状部と、それ以外の下地部分とから構成されている。レンズ版によるムラは、レンズ形状の成形時に生じる個々のレンズ形状の揺らぎにより生じており直接的には、下地部分の面積ムラに起因する事を見出した。
下地部分は平滑面であるので、そのムラは非常に視認しやすく、製品においてもムラが目立ってしまい望ましくない。
本発明ではムラの原因となっている、この下地部分に微細な形状を施すことで光線の拡散を起こし、ムラの低減を図った。

更に、下地部分に施す微細な形状として、ストライプ状の凸条形状はもちろんのこと、２方向以上のストライプ状の凸条を複数交差させて施すと更にムラ低減の効果を得られる事を見出した。

以上の手法により、平滑な下地部分を除去することで、ムラの低減が可能となる。
加えて、凸条のピッチ、形状を適宜調整する事により光学特性の調整も可能である。
具体的には凸条の断面形状として、頂角90°のプリズム形状とした場合、正面輝度の向上が可能である。
同様に凸条の断面形状を曲率をもつレンチキュラーレンズ形状とすれば広視野角化が可能である。

また凸条形状を２種類として、交差パターンとすることで、それぞれの方向への光線をコントロールする事が可能となる。
例えば頂角90°のプリズムを、ディスプレイの縦方向と横方向に沿った９０°で直交するストライプパターンとする事で、ディスプレイの上下左右方向の特性を変えたり、ディスプレイの対角方向にストライプパターンをそれぞれ配置することで斜め方法からの輝度分布の改善を行う事が出来る。

プリズムの頂角の調整により、ムラ低減の効果を得たままに、その光学特性の調整が可能である。例えばプリズムの頂角を広げれば（例えば１００°）プリズム起因のサイドローブを減らす事が出来るし、プリズム頂角を狭めれば（例えば８０°）より輝度を向上させる事が可能である。

また、凸条形状をレンチキュラーレンズとすることで、そのレンズ形状の調整により広視野角化が可能であり、観察方向の変化に伴う輝度変化を減じた、より自然な表示品位のディスプレイを得ることが出来る。

更に、水平方向の光拡散用にレンチキュラーレンズ、垂直方向の光拡散用にプリズムを組み合わせて使用する事により、水平方向に自然な広視野角が得られ、垂直方向には視野角が制限されるが正面方向に多く光線を集めることで、垂直方向への視点移動量が制限される大画面ディスプレイ向けの特性を簡単に得る事ができる。

互いに直交して配置されるプリズムのピッチを、互いに異なるピッチとする事により、上下左右方向の視野角配分と正面輝度の調整が可能であり、ディスプレイに求められる性能を容易に満たすことが可能となる。

レンズ形状部の直径および配置ピッチの調整により、下地部分の凸条形状とレンズ形状部の面積比率の調整が可能であり、これにより、配光特性の調整が可能である。

下地部分に設ける凸条形状パターンが交差する角度を９０°以外で適宜設定することで、特に画素構造を持ちつつも、放送規格と画面サイズで画素サイズが決定されてしまう液晶ＴＶ用途には、モアレ解消手段として有効である。

更には、凸条形状はレンズ成形時に樹脂の流路となる為、樹脂の温度や希釈度合いに応じた粘度に対して適宜調整する事により、成形性の向上を図ることが可能となる。
結果として、レンズ成形時に厳密な厚み管理が容易になり、ムラの低減につながる。

本発明による直交凸条形状を有する光学シートの説明図。 本発明による直交凸条形状を有する光学シートで片側の凸条のピッチを小さくした場合の説明図。 本発明による直交凸条形状を有する光学シートで、片側の凸条形状をレンチキュラーレンズとした場合の説明図。 本発明による直交凸条形状を有する光学シートで、回転して配置した場合の説明図。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。図１は本発明の光学シートの一例を示す説明図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢＢ断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣＣ断面図、（Ｄ）は（Ａ）のＤＤ断面図である。
図１において、透明基板の表面に凸形状レンズ１が離間して複数配置されている。本実施の形態においては、モアレなどを発生しにくくするために凸形状レンズ１を略デルタ位置に配置している。そして、凸形状レンズ１が形成されていない光学シート表面の全域に複数の凸条２を隙間無く施している。
この複数の凸条２は、図面縦方向と横方向に互いに交差して２方向に配列されている。
なお、レンズ１の高さは図１（Ｄ）に示すように、凸条２より高くてもよく、あるいは凸条２の高さと同一、あるいは、凸条２よりも低くてもよい。
このように透明基板の平滑な下地部分を除去することで、ムラの低減が可能となる。
また凸条形状を交差パターンとすることで、それぞれの方向への光線をコントロールする事が可能となる効果が得られる。

ここでは、凸条２の断面形状は頂角90°の逆Ｖ字状としている。このようなプリズム形状を施すことにより、正面輝度の向上が可能である。
図２は本発明の光学シートの他の例を示す説明図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢＢ断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣＣ断面図である。
図１においては、図面縦方向と横方向に配列した凸条２の高さと幅を表面全域にわたって、同一としたが、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、凸条２の高さ又は幅を、互いに異なるように施しても良い。凸条２の配列方向をディスプレイの上下又は左右方向に合わせた場合にディスプレイの上下左右方向の特性を変えることができる。
また、凸条形状のプリズムの頂角を調整することにより、ムラ低減の効果を得つつ、その光学特性の調整が可能である。例えばプリズムの頂角を広げれば（例えば１００°）プリズム起因のサイドローブを減らす事が出来るし、プリズム頂角を狭めれば（例えば８０°）より輝度を向上させる事が可能である。
このように、凸条２のピッチ、形状を適宜調整する事により光学特性の調整も可能となる。

他の凸条形状のパターンとして、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、凸条２の断面形状を半円もしくは半楕円形状とする構成としてもよい。
すなわち、曲率をもつレンチキュラーレンズ形状を一方向に施した構成である。
この構成の光学シートを用いることにより、ディスプレイの広視野角化が可能となり、観察方向の変化に伴う輝度変化を減じた、より自然な表示品位のディスプレイを得ることが出来る。

図３に示した、水平方向の光拡散用にレンチキュラーレンズ、垂直方向の光拡散用にプリズムを組み合わせによる構成の光学シートを用いると、水平方向に自然な広視野角が得られ、垂直方向には視野角が制限されるが正面方向に多く光線を集めることで、垂直方向への視点移動量が制限される大画面ディスプレイ向けの特性を簡単に得る事ができる。

また、レンズ形状部の直径および配置ピッチの調整により、下地部分の凸条形状とレンズ形状部の面積比率の調整が可能であり、これにより、配光特性の調整が可能である。

下地部分に設ける凸条形状パターンが交差する角度を９０°であるときは、凸条形状を、表示装置の上下方向又は左右方向に揃えて配置してもよいし、図４に示すように表示装置の上下方向に対し４５°回転して配置としてもよい。要求されるディスプレイの特性に応じて選択しうる。

また、下地部分に設ける凸条形状パターンが交差する角度を９０°以外で適宜設定することで、特に画素構造を持ちつつも、放送規格と画面サイズで画素サイズが決定されてしまう液晶ＴＶ用途には、モアレ解消手段として有効である。
たとえば、交差角度が58.8°として、液晶TVの対角線に沿って配置しても良い。

次に、本発明における光学部品の製造方法について説明する。
まず、本発明に係る光学部品を成形するための型を用意する。
型材としては円筒状の金型を用いれば連続シート状の成型が可能であり、平板状の金型とすればプレス法やインジェクション法などによる板やシートの形成が可能となる。
ロール型を採用した場合に連続的な生産が可能であり、パターンの継ぎ目がない型材とする事で、連続パターンのフィルムを得ることが出来るため、切り出しの寸法を調整するだけで多くの画面サイズへの対応が可能となるため生産性が良い。
また、平型とした場合には枚葉となるものの、板材への形状転写が容易であり、小ロット多品種への対応に向いている。
金型の下地素材は、耐久性やハンドリングを加味し、鉄やSUS、アルミなどを下地とし、形状を形成する表面層として銅や真鍮をメッキするのが一般的である。

型の表面層の素材は転写成型できれば特に限定されるものではないが、光学用途に用いる場合にはある程度の平滑性が必要なことから、銅や真鍮を用いるのが一般的である。
耐擦性を考慮し、形状を形成した銅や真鍮の表面にCrメッキやNiメッキを施しても良い。
耐エッチング層は型材の表面に一様に形成するが、コーティング技術を用いて一様な厚さで形成するのが望ましい。具体的にはスプレー方式や転写方式、ディップコートなどが費用対効果の面で採用しやすい。
耐エッチング層はエッチング液による腐食に強いのは当然として、照射するレーザーの波長において吸光する物質を含有している事が望ましい。
前記吸光材としては特にカーボンブラックが費用対効果に優れており、ほぼ全ての波長域での光線吸収を有するため扱いやすい。
エッチング液は金型の下地材との相性によって適宜選定される。
また銅材にエッチングを行う場合にはエッチング液に硫酸や塩酸などを添加することで、より良い平滑面を得る事が出来る。

前記にて得た金型を用いてフィルムやシート、あるいは板へ形状を転写する。
形状の転写方法にはUV樹脂成型法を用いると形状の転写性が良いため望ましい。具体的には、未硬化状態の樹脂を、型とフィルムなどの基材との間に充填した状態で、紫外線などの放射線を照射、樹脂を硬化させた後に型から剥離して形状転写を行えば良い。
もちろん、樹脂は紫外線など放射線で硬化しなければならないが、硬化後に透明とならなければならない。

光学部材の表面に形成される形状は、金型の形状を転写することで得られるので、この金型に形状を与えればよい。
金型には凹部形状が設けられており、この凹部を略デルタ配置とすることで、モアレなどが発生しにくく、また発生したとしても軽微となるため、使用に当たっての制約が最小限ですむ。
一方で厚みムラを低減するため、厳密な厚み管理によるＵＶ硬化処理が必要であり、金型―ニップロール間の密着度を、圧力や弾性材料を用いて向上させる事が可能である。

断面形状の調整はエッチング工程時の腐食速度のコントロールにより行う。
通常のエッチングでは連続的に腐食されるため、その断面形状も連続的に変化するが、スプレーでエッチング液を噴霧するなどしてエッチング液の流れをコントロールすることで直線部を有する断面形状を得られる。
加えて、一度エッチングを途中で停止した後に再度耐エッチング膜を形成、先にエッチングした凹部の一部だけにレーザーによりパターンを形成後、2度目のエッチングを施すことで、凸部の傾斜部分に変極点を有し、頂部に突起部を形成できる。
この形状調整は光学部材の用途に応じて任意に調整する事が可能であり、幅広く製品に対応する事が可能である。

まず、レンズ部の直径を１００μmとして、６０μmの間隔で略デルタ配置として、成形用の円筒型（シリンダーの周長６００ｍｍ、有効面長１１００ｍｍ）を製作した。
上記円筒型はグラビア印刷用の製版プロセスを使用し、銅メッキ上にパターンを製作した。

次に、光学金型製作用の旋盤を用いて上記円筒型に対して切削加工を行う。
この際に、切削の深さを精密に調整してレンズ部との高さ合せを行う。
この切削加工の際に使用するバイトの断面形状をV形状やレンズ形状など適宜選定することで、所望の凸条断面形状を得ることができる。
円筒型の円周方向に切削を行った後に、円筒型の長手方向への切削を行ない、下地部分の完全な除去を実施する。

レンズシートに成形は、ＰＥＴフィルム（厚さ188μm）に硬化後に透明なＵＶ硬化性樹脂を塗布し、前記金型に圧着しながらＵＶ光を照射することで樹脂の硬化を行う。
ＵＶ光は１．５ＫＷの高圧水銀灯を使用し、成型速度は２．０ｍ／分にて行った。
ロール成型法となるため連続成型が可能であり、その場合フィルム上の光学部材を得る事ができる。
然る後にフィルムを必要な大きさ、形状に切り出して光学部品として完成する。

円筒型に旋盤などで凸条加工を施す際の凸条形状は目的により適宜決定すればよい。
以下にその例と結果を示す。
尚、組み合わせについてこの例に限らず、目的に応じて適宜組み合わせて使用する事が可能である。
以下、それぞれの構成について評価結果を表に示す。

本発明は液晶表示デバイス全般に用いる事が可能であり、そのレンズシートは光線射出角度を調整した面発光光源の輝度向上や配光分布の調整に使用する事が可能であり、例えば電飾看板や標識類のバックライトに用いる事が可能である。

１…マイクロレンズ
２…凸条

Claims (8)

1. 透明基板の表面に凸形状レンズが離間して複数配置され、かつ、前記凸形状レンズが形成されていない前記表面の全域に複数の凸条が隙間無く施されたレンズシートであって、
   前記複数の凸条のうち、一部の凸条は第１の方向に沿って施され、
   前記複数の凸条のうち、残りの凸条は前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って施され、
   前記複数の凸条の断面形状は逆Ｖ字状である、
   ことを特徴とする光学シート。
2. 前記第１の方向に施された凸条の高さ又は幅と、前記第２の方向に施された凸条の高さ又は幅は、互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の光学シート。
3. 前記第１の方向に施された凸条の逆Ｖ形状の頂角と、前記第２の方向に施された凸条の逆Ｖ形状の頂角の角度は、互いに異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学シート。
4. 前記第１の方向と前記第２の方向の交差角度が９０°であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の光学シート。
5. 前記第１の方向と前記第２の方向の交差角度が58.8°であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の光学シート。
6. 前記請求項４に記載の光学シートを、前記第１の方向を表示装置の上下方向又は左右方向に揃えて配置した事を特徴とするディスプレイ。
7. 前記請求項４に記載の光学シートを、前記第１の方向を表示装置の上下方向に対し４５°回転して配置した事を特徴とするディスプレイ。
8. 前記請求項５に記載の光学シートを、前記第１の方向及び前記第２の方向を表示装置の対角線に沿って配置した事を特徴とするディスプレイ。

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