JPH07230002A

JPH07230002A - 輝度向上透明シート

Info

Publication number: JPH07230002A
Application number: JP6020669A
Authority: JP
Inventors: Noriji Ooishi; 則司大石
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 1994-02-17
Filing date: 1994-02-17
Publication date: 1995-08-29
Anticipated expiration: 2015-11-06
Also published as: JP3106050B2

Abstract

(57)【要約】【構成】一方の面に、互いに母線が平行である二つの
凸の曲柱面が左右対称に結合した形状単位８が、母線と
垂直な方向に多数並んで形成された透明シート９であっ
て、各接面及び平面が180゜より小さい角度で交わる形状
をなしている。【効果】指向特性を改善し、その正面輝度改善効果を
損なうことなく広視野角の液晶パネルに使用可能な指向
性を有するバックライトを実現することを可能にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示装置などに使
われるバックライトユニットの正面輝度を、光学的な手
段によって向上させる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年カラー液晶表示装置を備えた携帯用
ノートパソコンや、カラー液晶パネルを使った携帯用液
晶ＴＶあるいはビデオ一体型液晶ＴＶなどのバッテリー
駆動を前提とした製品において、消費電力が大きい液晶
表示装置がバッテリー駆動時間を伸ばすための障害にな
っている。中でもこれに使われているバックライトの消
費電力の割合は大きく、これを低く抑えることがバッテ
リー駆動時間を伸ばし、上記商品の実用価値を高める上
で重要な目標とされている。

【０００３】この際、消費電力を抑えるためにバックラ
イトの輝度を低下させたのでは表示が見にくくなって好
ましくない。そこで輝度を犠牲にすることなく消費電力
を抑えるために、バックライトの光学的な効率を改善す
ることが望まれているが、これを実現する手段として、
図９のごとく片面にプリズム列２を形成したプリズムシ
ート１をバックライト３の発光面４の上におく方法が、
現在実用化されている。このプリズムシートによる正面
輝度の増加は次のようなメカニズムによって引き起こさ
れる。

【０００４】面光源からの光はプリズムシートでその一
部が屈折透過し、残りが反射して面光源に戻される。図
９の３のようなエッジライト式の面光源は一般的に正面
輝度が比較的低く、斜め方向から見た輝度が高い指向性
を持っているため、プリズムシート１による屈折で正面
輝度が増加するように指向特性が改善される。またプリ
ズムシート１からの反射光は面光源の発光面の拡散シー
ト４で拡散反射され、発光面の輝度を増加させるが、こ
れに伴って正面輝度も増加する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図８はこのようなプリ
ズムシートのプリズムの両斜面に垂直な断面を示したも
ので、入射した光線はその入射角によって、直接プリズ
ム斜面を透過する成分ａ（以後一次透過光と記す）、い
ったんプリズム斜面で反射した後もう一方の斜面で再び
反射して入射側に戻される成分ｂ（以後戻り光と記
す）、いったんプリズム斜面で反射した後もう一方の斜
面を透過して前に出る成分ｃ（以後二次透過光と記す）
におおよそ分けられる（プリズム頂角の選択によっては
さらに多重反射する成分も存在するが、その割合は通常
少ない）。このとき成分ａは正面すなわち観測する方向
に出る光を含む実際に利用される光線であり、また成分
ｂは面光源の発光面の拡散シートで拡散反射され、発光
面の輝度を増加させる有効な光線である。これに対して
成分ｃは液晶パネルの有効な視野角外の広角度に出る光
線であり、役に立たない成分である。

【０００６】この結果プリズムシートからの光はプリズ
ムの稜線に垂直な方向について、正面から±40゜前後の
視野角（頂角90゜〜100゜，屈折率1.5〜1.59程度の場合）
の幅に明るい光（一次透過光）を放ち、それ以上の視野
角になると輝度は急激に低下し、いったんほとんどゼロ
になってから更に大きな視野角で再び輝度が増加する
（二次透過光）。結果的に出射光線の角度範囲を絞って
明るさを増した形になっている。

【０００７】ここで問題になるのは、第一に40゜前後の
視野角以上において輝度が急激に低下する指向性であ
る。近年液晶パネルの指向性は改善が進み、指向性が狭
い方向においても40゜以上の視野角で十分実用的なコン
トラストを示すものが開発されている。このような液晶
パネルには視野角の増加に伴う輝度の低下が緩やかで、
ある程度広い指向性を示すことが望まれている。

【０００８】また第二の問題点は役に立たない二次透過
光の存在であり、この成分を減らすことができればより
一層の効率改善が期待できる。このためにはUSP2,474,3
17に指摘されているようにプリズムの頂角を

【０００９】

【数２】 180゜-4(90゜-θc)/ｍ，（ｍは３以上の整数）・・・(2)

【００１０】に選択することが考えられる。これによっ
て二次透過光はゼロになり、全体としての効率は改善さ
れるが依然として上記した第一の問題点は残る。

【００１１】本発明の目的は正面方向に最も高い輝度を
示し、所定の視野角を越えた方向には視野角の増加に伴
って緩やかに低下する輝度分布を持ち、且つ上記した二
次透過光の発生を抑えた高効率の輝度増加効果を持つ光
学シートを開発することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明請求項１の透明シ
ートは、一方の面に、互いに母線が平行である二つの凸
の曲柱面とそれぞれにつながる平面が左右対称に結合し
た形状単位が、該母線と垂直な方向に多数並んで形成さ
れた透明シートであって、該両曲柱面の結合部および左
右各曲柱面と各平面の結合部では、各接面および平面が
180゜より小さい角度で交わる形状をなしていることを特
徴とする透明シートである。

【００１３】また本発明請求項２の透明シートは、上記
透明シートの法線に平行にｚ軸をとり、凸の曲柱面の母
線に平行にｙ軸をとり、形成単位の列方向にｘ軸をとる
とき、該形成単位の形状が以下の式（１）を満たすよう
に形成されていることを特徴とする請求項１の透明シー
トである。

【００１４】

【数３】

【００１５】なおここでφ＝0.8θc〜1.2θc，θc＝sin
^-1(1/ｎ)，ｎは形成単位の屈折率を表す。またｐ＝0.8
Ｔ〜1.5Ｔ，Ｔは形成単位の幅を表す。

【００１６】さらに本発明請求項３は一方の面に、四つ
の平面が左右対称に結合した部分多角柱面が、該多角柱
面の母線と垂直な方向に多数並んで形成された透明シー
トであって、該多角柱面の隣合う面はそれぞれ180゜より
小さい角度で交わる形状をなしていることを特徴とする
透明シートである。

【００１７】

【作用】以下本発明の作用を図を使って説明する。図２
は本発明請求項２の透明シートのｘｚ断面図であり、
(1)式のφ＝θc，ｐ＝Ｔである最も特徴的でかつ本設計
の意図を説明するのに適した場合を表している。ここで
ＯＲ，ＰＳ間は平面であり、その機能は図８のプリズム
シートの斜面と同様である。式で表せば以下のようにな
る。

【００１８】

【数４】ｚ＝Ａｘ（0≦ｘ≦Ｂ：ＯＲ間）ｚ＝−Ａ（ｘ−Ｔ）（Ｔ−Ｂ≦ｘ≦Ｔ：ＰＳ間）

【００１９】一方ＲＱ，ＳＱ間は本発明によって導入さ
れた曲柱面である。図８の従来のプリズムシートにおい
て、二次透過光はそのほとんどがプリズムの頂角付近か
ら発しているから、これを発生させない為には頂角付近
の形状を変えて、対向する斜面で反射した光がすべてこ
の部分で全反射するようにすればよい。このために図２
の透明シートでは頂角付近のＲＱ，ＳＱ間を凸の曲柱面
とし、対向する斜面からこの部分に達する光が常に全反
射角θc＝sin^-1(1/ｎ)以上の入射角でこの部分に入射す
るようにしてある。ＲＱ間の各点から見たとき最も小さ
な入射角で入射する光線は点Ｐからの反射光であるか
ら、ＰからＲＱ間の各点を結んだ直線が同点における面
の法線となす角がθcと等しくなるように選べば、右斜
面の他の点からの反射光は全てＲＱ間で反射することに
なる。このとき点Ｏを原点にとると、点Ｐの座標は
（Ｔ，０）となり、曲柱面ＲＱの満たす条件は

【００２０】

【数５】

【００２１】となる。実際には平面部ＯＲと点Ｒで一致
する境界条件のもとにこの式を数値積分してＲＱの形が
決定される。ＳＱ間についても同様であり、ｘ＝Ｔ/2を
中心に左右対称の形状になる。このようにして一つの形
状単位ＯＲＱＳＰの全体は(1)式で表されることにな
る。

【００２２】このように図２の断面形状の透明シートで
は、ほとんどの光がＡのような一次透過光になるかＢ，
Ｃのように戻り光になり、特に曲柱面ＲＱＳからは二次
透過光が出ることはない。斜面ＯＲ及びＰＳからは若干
の二次透過光が出るが、(1)式のＢを適当に選べばほと
んどの二次透過光は隣の形状単位にぶつかって吸収さ
れ、その一部が戻り光に加わる。結果として図８のｃの
ような広角度に出る光はほとんどなくなることになる。

【００２３】本透明シートの形状単位の平面部ＯＲ，Ｐ
Ｓの機能は従来のプリズムシートの斜面と同等であるた
め、ここからの一次透過光は従来のプリズムシートと同
等な指向性を示すが、曲柱面ＲＱＳの傾斜は平面部より
緩く且つ曲面であることにより、この部分からの一次透
過光は平面部ＯＲ，ＰＳのそれより広く且つ輝度が徐々
に角度変化する指向性を持っている。この結果本透明シ
ートは従来のプリズムシートの視野角を越えても急激に
輝度が低下するようなことがなく、輝度−角度曲線に肩
を作りつつ徐々にゼロに近づく指向性を示すことにな
る。

【００２４】以上は(1)式のφ＝θc，ｐ＝Ｔの場合につ
いて説明したが、φ，ｐの値を調節することによって得
られる特性を若干変化させることが可能である。例えば
φ＞θcあるいはｐ＜Ｔとすれば形成単位の曲柱面ＲＱ
Ｓの傾斜は一様に緩くなり、より視野角が広げられる。
従って特に広い視野角を必要とする場合に有効である。
この場合にも二次透過光は生じないが、視野角を広げた
ことによって正面輝度の増加率はφ＝θc，ｐ＝Ｔの場
合に比べて低下する。正面輝度の増加率があまり低くな
ると透明シートのメリットが薄くなるためφは大きくて
も1.2θc程度まで、ｐは小さくとも0.8Ｔ程度までとす
るのが好ましい。

【００２５】一方、φ＜θcあるいはｐ＞Ｔとすれば視
野角は狭まり、正面輝度の増加率をより高めることが期
待できる。この場合には二次透過光を生じることになる
が、φの減少あるいはｐの増加が僅かであれば大きな問
題にならない。しかしながらｐをあまり大きく取った
り、φを小さくし過ぎたりすると二次透過光が増加して
正面輝度の低下を招くため好ましくない。φは小さくと
も0.8θc程度まで、ｐは大きくとも1.5Ｔ程度までとす
るのが好ましい。

【００２６】上記した透明シートにおいて(1)式のＡす
なわち平面部分ＯＲ，ＰＳの傾斜は輝度が最も高い視野
角範囲を決定するもので、この視野角をωとおくとωは
以下の式で表される。

【００２７】

【数６】ω＝γ＋sin^-1（ｎsin^-1（θc−γ））但し
γ＝tan^-1Ａ

【００２８】屈折率1.59（ポリカーボネート），1.49
（ポリメチルメタクリレート）の場合のγとωの関係を
図４に示した。γを小さくすればωは大きくなり視野角
は広くなるがあまり小さくすると輝度の改善効果が薄れ
て好ましくない。またあまり視野角を狭くすることは実
用上好ましくなく、結果としてγは35゜〜55゜の範囲で選
択することが好ましく、特に40゜〜50゜の間が最も実用的
である。なお上述したように本発明の透明シートはωを
越えた角度において輝度は低下するものの、曲柱面部Ｒ
ＱＳからの一次透過光によって低下の度合いは緩やかで
あり、実用的な視野角はω以上に広がっている。

【００２９】また(1)式のＢは、形成単位における平面
部分と曲柱面部分の比率を決定している。Ｂはあまり大
きくすると従来のプリズムシートに近くなり、本発明の
効果が薄れて好ましくなく、また小さくすれば視野角は
改善されるが、あまり小さくすると輝度の改善効果が低
下して好ましくない。Ｂは0.2Ｔ〜0.35Ｔの範囲で選択
するのが実用的に好ましい。

【００３０】以上のように(1)式で示される断面形状の
形成単位の列を片面に持つ透明シートは、なだらかな輝
度変化を示す指向特性と、二次透過光を抑えることによ
る効率向上を同時に実現できることがわかる。しかしな
がらこの効果は曲柱面ＲＱ，ＳＱの断面形状が(1)式で
表される場合に必ずしも限るものではなく。効果の大き
さに違いはあるものの、その形状が凸の曲柱面であって
傾斜の絶対値が平面部ＯＲ，ＰＳより小さいものであれ
ば他の関数形（円柱面、二次の曲柱面など）でも、図２
のごとき作用や輝度の角度変化を緩める作用をもってい
る（請求項１）。

【００３１】さらにＲＱ，ＳＱは請求項３のように平面
であっても、その傾斜の絶対値がＯＲ，ＰＳより小さけ
れば同様の作用を持つ。図３は図２のＲＱ，ＳＱ間を平
面に置き換えたものであるが、図中に点線で示した従来
のプリズム形状ではＢ’のように二次透過光となる一部
の光が平面ＲＱで反射して戻り光Ｂとなり、同様に従来
のプリズム形状でＣ’のように広角度に向かう二次透過
光の一部がＣのように平面ＲＱでより大きく曲げられて
隣の形成単位に入り、この一部が戻り光となる。ＲＱ，
ＳＱ間の傾斜を更に小さくすれば二次透過光をゼロにす
ることも可能である。但しこれらの場合の輝度角度分布
は請求項１，請求項２の透明シート程緩やかなものでは
なく、平面部ＯＲ，ＰＳからの一次透過光が作る比較的
狭い角度分布とＲＱ，ＳＱ間の一次透過光が作る比較的
広い角度分布の重ね合わせによって段階的に変化する特
徴的なものとなる。

【００３２】本発明請求項１および請求項２の透明シー
トの斜視図を図１に示した。実際のシートの厚さは0.1m
m〜3mm程度、形成単位のピッチＴは30μｍ〜0.5mm程度
である。本透明シートは図９のプリズムシート１に置き
換えて使われる。また本発明の透明シートをその形成単
位直交させて二枚重ねて使えばさらに正面輝度は改善さ
れる。

【００３３】

【実施例】屈折率1.59（ポリカーボネート）について、
φ＝θc，ｐ＝Ｔ，Ａ＝１（傾斜45゜），Ｂ＝Ｔ/4のとき
の請求項２の形成単位の形状を求めたものを図５に実線
で示した。これは(1)式から数値積分によって容易に計
算できる。これをもとにＴ＝50μｍとして同図と相似形
の断面形状の溝を並べた金型を製作し、厚さ２mmのポリ
カーボネート透明板に熱プレスして請求項２の透明シー
トを製作した。さらにこの透明シートをエッジライト式
面光源の発光面に重ね、輝度の角度分布を測定し、この
結果を図８に実線で示した。このときの正面輝度増加率
は1.55倍であった。

【００３４】また図５の点線のごとく各頂点を直線で結
んだ断面形状で、同様にＴ＝50μｍとして同図と相似形
の断面形状の溝を並べた金型を製作し、厚さ２mmのポリ
カーボネート透明板に熱プレスして請求項３の透明シー
トを製作した。この透明シートについて先と同様に輝度
の角度分布を測定した結果を図８に点線で示した。この
ときの正面輝度増加率は1.54倍であった。

【００３５】比較例として頂角90゜および112゜のプリズ
ムを50μｍピッチで並べた形の金型を製作し、厚さ２mm
のポリカーボネート透明板に熱プレスして従来のプリズ
ムシートを製作した。ここで頂角112゜は(2)式において
ｍ＝３とおいたものである。この透明シートを先ほどと
同じ面光源の発光面に重ね、輝度の角度分布を測定し
た。この結果を図７にそれぞれ実線と点線で示した。こ
のときの正面輝度増加率は頂角90゜の場合で1.52倍、頂
角112゜の場合で1.46倍であった。

【００３６】図６と図７を比較すれば明らかなように、
本発明の透明シートは従来のプリズムシートに遜色ない
正面輝度増加率を持ちながら、視野角の増加に伴って徐
々に輝度が低下するという従来のプリズムシートにない
特徴を持ち、広視野角の液晶パネルの性能を生かす指向
性を実現していることが分かる。また図６の実線と点線
の比較から分かるように、より滑らかな輝度分布を実現
するためには曲柱面を導入した請求項２の透明シートの
ほうがより好ましいが、金型製作の簡便さは請求項３の
方が勝っており、性能とコストのいずれをより重視する
かによってどちらかを選択すれば良い。

【００３７】

【発明の効果】本発明の透明シートは従来のプリズムシ
ートの両斜面をそれぞれ二分割し、このうち頂角をなす
面を傾斜の緩い凸の曲柱面（請求項１、請求項２）或い
は平面（請求項３）に変えることによって指向特性を改
善し、その正面輝度改善効果を損なうことなく広視野角
の液晶パネルに使用可能な指向性を有するバックライト
を実現することを可能にした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の透明シートの斜視図である。

【図２】本発明の透明シートの作用を説明する断面図で
ある。

【図３】本発明の透明シートの作用を説明する断面図で
ある。

【図４】プリズムシートの斜面の傾斜と視野角の関係を
表すグラフである。

【図５】本発明の透明シートの片面に形成される形成単
位の設計例の断面図である。

【図６】実施例の透明シートを使ったバックライトの輝
度の角度変化を示すグラフである。

【図７】比較例のプリズムシートを使ったバックライト
の輝度の角度変化を示すグラフである。

【図８】従来のプリズムシートの作用を説明する断面図
である。

【図９】従来のプリズムシートの使用される形態を示す
斜視図である。

【符号の説明】

１・・・プリズムシート２・・・プリズム列３・・・バックライト４・・・拡散フィルム５・・・冷陰極管６・・・反射フィルム７・・・導光体８・・・透明シート表面の形成単位９・・・本発明の透明シート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の面に、互いに母線が平行である二つ
の凸の曲柱面とそれぞれにつながる平面が左右対称に結
合した形状単位が、該母線と垂直な方向に多数並んで形
成された透明シートであって、該両曲柱面の結合部およ
び各曲面と各平面の結合部では、各接面および平面が18
0゜より小さい角度で交わる形状をなしていることを特徴
とする透明シート。
【請求項２】上記透明シートの法線に平行にｚ軸をと
り、凸の曲柱面の母線に平行にｙ軸をとり、形成単位の
列方向にｘ軸をとるとき、該形成単位の形状が以下の式
（１）を満たすように形成されていることを特徴とする
請求項１の透明シート。【数１】（式中、φ＝0.8θc〜1.2θc，θc＝sin^-1(1/ｎ)，ｎは
形成単位の屈折率を表す。ｐ＝0.8Ｔ〜1.5Ｔ，Ｔは形成
単位の幅を表す。）
【請求項３】一方の面に、四つの平面が左右対称に結合
した部分多角柱面が、該多角柱面の母線と垂直な方向に
多数並んで形成された透明シートであって、該多角柱面
の隣合う面はそれぞれ180゜より小さい角度で交わる形状
をなしていることを特徴とする透明シート。