JPH07294709A - 輝度向上透明シート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 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
の結合部では両接面が180゜より小さい角度で交わり、各
曲面と各平面の結合部では、各接面が各平面と一致する
（傾斜が連続的につながる）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６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
６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５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広角度側に出る二次透
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USP2,47
4,317に指摘されているようにプリズムの頂角を

【０００９】

【数２】 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。

【００１０】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
次透過光を広角度方向に逃がすこと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。

【００１１】

【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では両接
面が180゜より小さい角度で交わり、各曲面と各平面の結
合部では、各接面が各平面と一致する（傾斜が連続的に
つながる）形状をなしていることを特徴とする透明シー
トである。

【００１２】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。

【００１３】

【数３】

【００１４】

【作用】以下本発明の作用を図を使って説明する。図１
は本発明請求項２の透明シートのｘｚ断面図である。こ
こでＯＲ，ＰＳ間は平面であり、その機能は図５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。

【００１５】

【数４】

【００１６】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５の従来のプリズムシートにおい
て、二次透過光の一部は隣のプリズムに入射し、再びシ
ート内部に入って一部が戻り光に加わり再利用され、他
も様々な光路を取った末一部は一次透過光に加わって有
効に使われるため、必ずしも無駄になっているわけでは
ない。一方プリズムの頂角付近から発した二次透過光の
多くは隣のプリズムに遮られることなく広角度に出てお
り、損失光となっている。これを発生させない為に頂角
付近の形状を変えて出射角を変え、この部分から外に出
る二次透過光が全て隣のプリズムに吸収されるようにし
たのが本発明の透明シートである。このために図１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し、出射する光が常
に隣の形成単位の斜面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、図１の点線のようにＰ
からＲＱ間の各点を通って外に出た光線が隣の形成単位
の頂点Ｑ’の位置に集束するように各点での傾斜を選べ
ば、右斜面の他の点からの反射光は全て同図Ｃ，Ｄのよ
うに隣の形成単位の斜面に入射するか、或いはＢのごと
く全反射して戻り光になる。すなわちＲＱは点Ｐの像を
Ｑ’の位置に結ぶレンズ形状をなしていれば良いことに
なる。ここで点Ｏを原点にとり点Ｐの座標を（Ｔ，０）
として、曲柱面ＲＱの満たすべき具体的な条件は

【００１７】

【数５】 となる。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。

【００１８】更に本発明では曲柱面ＲＱは平面部ＯＲと
傾斜が不連続にならないように点Ｒでつながっているた
めＯＲで屈折した二次透過光はＲＱで屈折した二次透過
光より更に内側（シート側）に曲げられることになり、
結果として斜面ＯＲＱから出射する全ての二次透過光が
隣の形成単位に取り込まれることになる。すなわち曲柱
面ＲＱと平面部ＯＲとは点Ｒで座標と傾斜が一致する条
件が(1)式に加えて必要である。

【００１９】このように図１の断面形状の透明シートで
は、全ての光がＡのような一次透過光、或いはＢのよう
に戻り光、ないしはＣ，Ｄのように隣の形成単位に吸収
される二次透過光になり、広角度側に二次透過光が出る
ことはない。

【００２０】(1)式を使って請求項２の形成単位の形状
を求める方法を具体的に説明する。形成単位の形状は点
Ｑを境に左右対称であるから左半分のＱＲＯの形状を求
めることとする。(1)式の解は形成単位の高さｈと屈折
率ｎによって決定されるが使用する材料を特定すればｎ
は決まる。従って残るパラメーターはｈのみである。ま
ずｈの値を適当に選び、点Ｑ(0.5Ｔ，ｈ)を始点にして
ｘの負の方向に(1)式に従う数値計算（数値積分）を行
って曲線ＱＲを決めてゆき、順次得られてゆく座標
(ｘ，ｚ)とｄｚ／ｄｘを基に

【００２１】

【数６】 となる点を求めればこの点がＲとなる。あとはＲと原点
Ｏを直線で結べばＱＲＯの形状が決まる。(3)式の値は
(1)式のＡに等しく、ｈを変えることによって調整する
ことができる。Ａの好ましい値は以下のように決定され
る。

【００２２】形状単位の平面部ＯＲ，ＰＳの機能は従来
のプリズムシートの斜面と同等であり、この傾斜が最も
高い輝度を示す視野角の範囲を決定している。この視野
角をωとおくとωは以下の式で表される。

【００２３】

【数７】 例えば、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３に
示した。ここでωはバックライトの要求性能から指定さ
れると考えればよいが、仮にω＝35゜とすればポリカー
ボネートでγ＝45゜、ポリメチルメタクリレートではγ
＝58゜程になる。

【００２４】すなわち要求される視野角の仕様から角度
γ(傾斜Ａ)の値を決め、Ａが必要な値になるようにｈを
調節して全体の形状が決定すればよい。上記のω＝35゜
とした場合の設計例を図４に示した。実線がポリカーボ
ネート、点線がポリメチルメタクリレートである。

【００２５】本発明の透明シートの形成単位の平面部か
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。

【００２６】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、役に立たない広角度に発する
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，Ｓ
Ｑ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
状が平面部から滑らかにつながる凸の曲柱面であれば他
の関数形（円柱面、二次の曲柱面など）でも、図１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）。

【００２７】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２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６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。

【００２８】

【実施例】図４の実線をもとに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７に示した。このときの正面輝度増加
率は1.54倍であった。

【００２９】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８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。

【００３０】図７と図８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。

【００３１】

【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平面とこれに滑らかにつながる
曲柱面に分割す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作用を説明する断面図で
ある。

【図２】本発明の透明シートの斜視図である。

【図３】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４】本発明の透明シートの片面に形成される形成単
位の設計例である。

【図５】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６】従来のプリズムシートあるいは本発明の透明シ
ートの使用される形態を示す斜視図である。

【図７】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８】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。

【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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【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では
   両接面が180゜より小さい角度で交わり、各曲面と各平面
   の結合部では、各接面が各平面と一致する形状をなして
   いることを特徴とする透明シート。
2. 【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】