JPWO2018181966A1 - 光学シート、光制御部材、面光源装置、映像源ユニット、及び表示装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このように出光角度を制御する光学シートとして例えば特許文献1〜特許文献3が開示されている。
Pm=|(a・Pa・b・Po)/(a・Pa−b・Po)|
として、あるPa、Poに対する全てのa、bの組み合わせから得られるPmのうち最も大きなものをPmx(μm)としたとき、前記Pmxが10000(μm)以下であるように構成してもよい。
このような映像源ユニット10は、詳細な説明は省略するが、不図示の筐体に、該映像源ユニット10を作動させる電源、及び映像源ユニット10を制御する電子回路等、映像源ユニット10として動作するために必要とされる通常の機器とともに納められて表示装置とされている。本形態は映像源ユニットの一態様として液晶映像源ユニット、表示装置の一態様として液晶表示装置を説明する。以下映像源ユニット10について説明する。
面光源装置20は、液晶パネル15を挟んで観察者側とは反対側に配置され、液晶パネル15に対して面状の光を出射する照明装置である。図1〜図3よりわかるように、本形態の面光源装置20は、エッジライト型の面光源装置として構成され、導光板21、光源25、光拡散板26、プリズム層27、反射型偏光板28、光学シート30及び反射シート39を有している。
複数の裏面光学要素23の配列方向は導光方向であることが好ましい。すなわち、光源25から離隔する方向に配列され、光源25が配列される方向、又は1つの長い光源であれば該光源が延びる方向に平行に各裏面光学要素23の稜線が延びている。
なお、本形態では上記のように光源25は一方側の側面(端面)に配置される例を示したが、さらにこの側面(端面)とは反対側となる側面(端面)にも光源が配置される形態であってもよい。この場合には裏面光学要素の形状も当該光源の配置に適するように公知の例に倣って形成する。
光拡散板の具体的態様は、公知の光拡散板を用いることができ、例えば母材の中に光拡散剤を分散させた形態を挙げることができる。
光拡散板26は、本形態のようにプリズム層27の支持板として用いることもできる。また、導光板21の出光面が平滑の場合には、光拡散板26を導光板21に貼り合わせて一体としてもよい。
ただし、このようなプリズム層の単位プリズムの断面形状は、必要とする機能に応じて公知の形状(三角形、四角形、その他の多角形)を適用することができる。当該形状により上記のように集光することもできるし、逆に光をさらに拡散させることもできる。
また、単位プリズムが延びる方向及び配列される方向は上記形態に限定されることなく他の形態であってもよい。例えば単位プリズムが導光板の導光方向に延び、複数の単位プリズムが導光板の導光方向に対して直交する方向に配列される形態であってもよい。
基材層31をなす材料としては、種々の材料を使用することができる。ただし、表示装置に組み込まれる光学シート用の材料として広く使用され、優れた機械的特性、光学特性、安定性および加工性等を有するとともに安価に入手可能な材料を用いることができる。これには例えばポリエチレンテレフタレート樹脂(PET)、トリアセチルセルロース樹脂(TAC)、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等を挙げることができる。この中でも面光源装置20と下偏光板14との組み合わせを考慮して複屈折(リタデーション)の少ないTAC、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂を用いることが好ましい。さらには、車載用途などのように高い耐熱性が求められる用途では、ガラス転移点が高いポリカーボネート樹脂が望ましい。具体的にはポリカーボネート樹脂のガラス転移点は143℃であり、一般に105℃での耐久性が求められる車載用途に適している。
光透過部33は、基材層31の層面に沿って当該断面を維持して一方向(本形態では水平方向)に延びるとともに、この延びる方向とは異なる方向(本形態では鉛直方向)に間隔を有して複数配列される。そして、隣り合う光透過部33の間には、略台形断面を有する間隔(溝)が形成されている。従って、当該間隔(溝)は、光透過部33の上底側(導光板21側)に長い下底を有し、光透過部33の下底側(基材層31側)に短い上底を有する台形断面を有し、ここに後述する必要な材料が充填されることにより光吸収部34が形成される。
本形態では、複数の光透過部33がその下底側(基材層側31)でシート状の土台部32aにより連結されている。
屈折率Nrの値は特に限定されることはなく、当該全反射を適切に行えることを前提に1.47以上であることが好ましい。ただし、屈折率が高すぎる材料は割れやすい場合が多いので屈折率は1.61以下であることが好ましい。より好ましくは1.49以上1.56以下、さらに好ましくは1.49である。
θ11は、0°以上10°以下であることが好ましい。θ11が0°より大きいとは導光板21側(入光側)から液晶パネル15側(出光側、基材層31側)に向けて下がるように傾斜することを意味する。
θ12は、0°以上10°以下であることが好ましい。θ12が0°より大きいとは導光板21側(入光側)から液晶パネル15側(出光側、基材層31側)に向けて上がるように傾斜することを意味する。
本形態では出光側光制御層35は光学機能層32から出光した光に対して光の向きを制御して出射する。すなわち、本形態で出光側光制御層35は、光学機能層32で制御された光の向きをさらに制御して、出光される光が所望の出光角度となるようにする。
支持層35aは光学要素層35bの支持体として機能する透明なシート状の部材である。支持層35aは上記した基材層31や光透過部33と同様の材料により構成することができる。
単位光学要素35cは、光学機能層32で制御した光に対してさらに方向制御を行う。本形態では図1〜図3の姿勢で、視野角度を鉛直方向上方へ効率よくシフトさせるように制御する。図4、図5には単位光学要素35cの断面形状が表れている。
単位光学要素35cは、基材層31を挟んで光学機能層32側とは反対側に突出する三角形断面を有する三角柱状であり、当該断面を有してその稜線が光透過部33及び光吸収部34が延びる方向と同じ(バイアス角α2=0°)又は光学シートの正面視で角度を有して(バイアス角α2≠0°)延びる突条で構成されている。そして複数の単位光学要素35cが、当該延びる方向とは異なる方向に配列されている。
より好ましいθ21は80°以上89°以下である。θ21をこの範囲とすることにより、ライズ面35eを小さく抑えることができ、ライズ面35eによる迷光の発生を少なくすることが可能である。
図5にθ22で表したライズ面35eの傾斜角度は、光学機能層32の層面に沿った方向に対して80°以上100°以下であることが好ましい。製造上の観点から80°以上90°以下がより好ましい。また、θ22が80°未満、及び100°より大きくなるとライズ面35eによる迷光が多くなる虞がある。
また光学機能層32の方が光学要素層35bより製造難易度が高いことから、光学機能層32の光透過部33のピッチPa(図4参照)より、単位光学要素35cのピッチPoの方が小さい方が望ましい。さらに望ましくは、PoはPaの1/2以下である。最も望ましくはPoを、Pa/2、Pa/3、Pa/4など、等倍ピッチにしたときには、光透過部33の端部と単位光学要素35cの端部とができるだけ一致しないことである。言い換えると、PoとPaとの最小公倍数は大きい方が望ましい。
一方、単位光学要素35cが小さくなると、精度が低下することからPoは10μm以上であることが好ましい。
PmxはPmに基づいて得ることができ、Pmは次式で表される。
Pm=|(a・Pa・b・Po)/(a・Pa−b・Po)|
そして、あるPa、Poの組み合わせに対してa、bを変更した全ての組み合わせのPm中で最大のPmがPmxである。
また、主屈折面35d及びライズ面35eを粗面としてもよい。これにより光を散乱してモアレの発生を抑制することができる。主屈折面35d及びライズ面35eを粗面とする方法は特に限定されることはないが、単位光学要素に対して直接ブラスト処理をしたり、単位光学要素を成形する型にブラスト処理をしたりすることが挙げられる。
そして、複数の単位光学要素35cが必ずしも全て同じ形状である必要はなく、適宜変更してもよい。
このとき、基材層31の面のうち光学要素層35bとの界面を形成する面を粗面とするとともに、基材層31の屈折率と光学要素層35bの屈折率を異なるものとすることができる。これによれば、粗面により光が散乱し、モアレの発生を抑制することが可能である。
はじめに基材層31の一方の面に光透過部33を形成する。これは、光透過部33の形状を転写できる形状を表面に有する金型ロールと、これに対向するように配置されたニップロールとの間に、基材層31となる基材シートを挿入する。このとき、金型ロールとニップロールとの間に間隔を設けることによりこれが土台部32aとなる。そして、基材シートと金型ロールとの間に光透過部を構成する組成物を供給しながら金型ロール及びニップロールを回転させる。これにより金型ロールの表面に形成された光透過部に対応する溝(光透過部形状を反転した形状)に光透過部を構成する組成物が充填され、該組成物が金型ロールの表面形状に沿ったものとなる。
光吸収粒子を用いる場合には、カーボンブラック等の光吸収性の着色粒子が好ましく用いられるが、これらに限定されるものではなく、映像光の特性に合わせて特定の波長を選択的に吸収する着色粒子を使用してもよい。具体的には、カーボンブラック、グラファイト、黒色酸化鉄等の金属塩、染料、顔料等で着色した有機微粒子や着色したガラスビーズ等を挙げることができる。特に、着色した有機微粒子が、コスト面、品質面、入手の容易さ等の観点から好ましく用いられる。着色粒子の平均粒子径は1.0μm以上20μm以下であることが好ましく、1.0μm以上10μm以下であることがより好ましく、1.0μm以上4.0μm以下であることがさらに好ましい。
ここで「平均粒子径」とは、光吸収粒子を100個電子顕微鏡で観察してその直径を計り、算術平均した直径を意味する。
一方、反射型偏光板28の反射軸に沿った偏光方向の光は図2に点線矢印で示したように反射して導光板21側に戻される。戻された光は、導光板21、裏面光学要素23、又は反射シート39で反射して再び反射型偏光板28の側に進行する。この反射の際に一部の光の偏光方向が変化しており、その一部は反射型偏光板28を透過する。他の光は再び導光板側に戻される。このように反射型偏光板28で反射した光も反射を繰り返すことで反射型偏光板28を透過できるようになる。これにより光源25からの光の利用率が高められる。
ここで、反射型偏光板28を出射した光は、その偏光方向が下偏光板14の透過軸に沿った方向になっており、下偏光板14を透過する偏光状態の光となっている。
このとき、光透過部33と光吸収部34との界面のうち光吸収部34の下側である界面34bが、観察者側に向かうにつれて斜め上方となるように傾斜していれば、光L21、光L22、光L71、光L72のような光の進行を光吸収部34が阻害し難くなり、より多くの光を所望の方向に導くことができる。
これにより、所望の角度以上の視野角で出射する光を効率よく吸収して遮断することができ、さらに光の進行方向制御を効率よく行うことができる。
また、このような光は液晶パネルに入射して、コントラスト低下や色の反転のような不具合や質の低下を生じる可能性が高いのでこのような光を吸収することができる。
そしてこのように光を制御するための光学要素層35bは上記のように簡易な構成であり、このような簡易な構成で効果を有するものとなる。
なお、本形態において光学機能層32の上記θ11、及びθ12(図5参照)をθ11<θ12とすることにより、より広い範囲で視野角の制御をすることができる。
そして主屈折面135dの傾斜角は、図9に示したように光学機能層32の出光面の法線方向に対してθ31の角度を有している。
より好ましいθ31は−89°以上−80°以下(傾斜角度の絶対値としては80°以上89°以下)である。θ31をこの範囲とすることによりライズ面135eが小さくなり、ライズ面135eによる迷光を減らすことができる。
そしてこのように光を制御するための光学要素層135bは上記のように簡易な構成であり、このような簡易な構成で効果を奏するものとなる。
このような映像源ユニット210も、詳細な説明は省略するが、不図示の筐体に、該映像源ユニット210を作動させる電源、及び映像源ユニット210を制御する電子回路等、映像源ユニット210として動作するために必要とされる通常の機器とともに納められて表示装置とされている。本形態は映像源ユニットの一態様として液晶映像源ユニット、表示装置の一態様として液晶表示装置を説明する。以下映像源ユニット210について説明する。
ここで、液晶パネル15及び機能フィルム40は、上記第1の形態の映像源ユニット10と同様に考えることができるので、ここでは同じ符号を付して説明を省略する。
ここで光制御部材229以外は、上記第1の形態の映像源ユニット10に含まれる面光源装置20と同様に考えることができるので、ここでは同じ符号を付して説明を省略する。
ここで第一の光学シート30は、上記面光源装置20に含まれる光学シート30と同様に考えることができるのでここでは同じ符号を付して説明を省略する。
ここで基材層231は光学シート30の基材層31と同様に考えることができる。
光透過部233は、基材層231の層面に沿って当該断面を維持して一方向(本形態では鉛直方向)に延びるとともに、この延びる方向とは異なる方向(本形態では水平方向)に間隔を有して複数配列される。そして、隣り合う光透過部34の間には、略台形断面を有する間隔(溝)が形成されている。従って、当該間隔(溝)は、光透過部233の上底側(第一の光学シート30側)に長い下底を有し、光透過部233の下底側(基材層231側)に短い上底を有する台形断面を有し、ここに後述する必要な材料が充填されることにより光吸収部234が形成される。
本形態では、複数の光透過部233がその下底側(基材層231側)でシート状の土台部232aにより連結されている。
このような構成により第一の光学シート30の光透過部33が延びる方向と第二の光学シート230の光透過部233が延びる方向とは光学シートの正面視において交差するように配置されている。
本形態でθ41、θ42は、0°以上10°以下であることが好ましい。θ41、及びθ42の角度の大きさの関係は必要に応じて設定することができる。
支持層235aは光学要素層235bの支持体として機能する透明なシート状の部材であり、光学シート30の支持層35aと同様に考えることができる。
本形態では、光学要素層235bは支持層235aに配置されているが、これに限らず光学要素層235bが基材層231の面のうち光学機能層232が配置された側とは反対側の面に直接配置されてもよい。この場合には出光側光制御層は支持層を有することなく光学要素層235bのみから構成される。
単位光学要素235cは、図14〜図16に表れているように光学機能層232側とは反対側に突出する三角断面を有する三角柱状であり、当該断面を有してその稜線が光透過部233及び光吸収部234が延びる方向と同じ(バイアス角α4=0°)又は光学シートの正面視で角度(バイアス角α4≠0°)を有して延びる(本形態では鉛直方向に延びる)突条で構成されている。そして複数の単位光学要素235cが、当該延びる方向とは異なる方向(本形態では水平方向)に配列されている。
単位光学要素235cの稜線が光透過部233及び光吸収部234が延びる方向に対して光学シートの正面視で角度を有して延びるように構成されている場合(バイアス角α4≠0°)には、光制御部材229の正面視で、光学機能層232の光透過部233が延びる方向と、単位光学要素235cの稜線が延びる方向とは0°<α4≦45°で相対的に傾斜するように延びていることが好ましい。これにより光透過部233及び光吸収部234による配列構造と、単位光学要素235cの配列構造と、によりモアレが発生することを防止することができる。α4を45°より大きくすると、単位光学要素235cによる光の方向制御の効率が低下してしまう。より好ましい角度は1°≦α4≦10°である。
なお、このような単位光学要素を有しない部位は必ずしも設けられる必要はなく、対称となる単位光学要素235cがシート中央を挟んで隣り合うように構成されてもよい。ただし、このようにシート中央を挟んで隣り合う単位光学要素が対称に存在するとその境界部に線が現れ、これが視認されてしまう虞がある。従って、少なくともシート中央には単位光学要素が存在せず、平坦であることが好ましい。このようにシート中央において線が発生しないようにするために、例えば光学要素層235を形成するための金型を切削加工により作製する際に、このシート中央となるべき部分の金型表面は、この部分を切削工具が跨ぐように重ねて加工すればよい。
そしてこのθ51は、単位光学要素235cが配列される方向(本形態では水平方向)において、中央側の単位光学要素235cと外周側の単位光学要素235cとで異なることが好ましい。これによりさらに精度よく光の制御を行うことができる。より好ましくは、中央側の単位光学要素235cから外周側の単位光学要素235cにかけてθ51が小さくなるように構成されている。これにより、中央側への光の進行方向の制御を効率的に行うことができる。
図16にθ52で表したライズ面235eの傾斜角度は、光学機能層232の出光面に沿った方向に対して80°以上100°以下であることが好ましい。製造上の観点から80°以上90°以下がより好ましい。また、θ52が80°未満、及び100°より大きくなるとライズ面235eによる迷光が多くなる虞がある。
また光学機能層232の方が光学要素層235bより製造難易度が高いことから、光学機能層232の光透過部233のピッチPb(図15参照)より、単位光学要素235cのピッチPpの方が小さい方が望ましい。さらに望ましくは、PpはPbの1/2以下である。最も望ましくはPpを、Pb/2、Pb/3、Pb/4など、等倍ピッチにしたときには、光透過部233の端部と単位光学要素235cの端部とができるだけ一致しないことである。言い換えると、PpとPbとの最小公倍数は大きい方が望ましい。
一方、単位光学要素235cが小さくなると、精度が低下することからPpは10μm以上であることが好ましい。
また、主屈折面235d及びライズ面235eを粗面としてもよい。これにより光を散乱してモアレの発生を抑制することができる。主屈折面235d及びライズ面235eを粗面とする方法は特に限定されることはないが、単位光学要素に対して直接ブラスト処理をしたり、単位光学要素を成形する型にブラスト処理をしたりすることが挙げられる。
そして、複数の単位光学要素235cが必ずしも全て同じ形状である必要はなく、適宜変更してもよい。
また、出光側光制御層は、必ずしも基材層や光学機能層に一体である必要はなく、別体で設けられてもよい。従って出光側光制御層と、基材層又は光学機能層と、の間に空気層が形成されてもよいし、別の機能層が配置されてもよい。
このとき、光透過部33と光吸収部34との界面のうち光吸収部34の下側である界面34bが、観察者側へ斜め上方に向かうように傾斜していれば、光L171、光L172のような光の進行を光吸収部34が阻害し難くなり、より多くの光を所望の方向に導くことができる。
これにより、所望の角度以上の出光角で出射する光を効率よく吸収して遮断することができ、さらに光の進行方向制御を効率よく行うことができる。
また、このような光は液晶パネルに入射して、コントラスト低下や色の反転のような不具合や映像の質の低下を生じる可能性が高いのでこのような光を吸収することができる。
そしてこのように光を制御するための光学要素層35bは上記のように簡易な構成であり、このような簡易な構成で効果を奏するものとなる。
これにより、所望の角度以上で出射する光を効率よく吸収して遮断することができ、さらに光の進行方向制御を効率よく行うことができる。
また、このような光は液晶パネルに入射して、コントラスト低下や色の反転のような不具合を生じる可能性が高いのでこのような光を吸収することができる。
なお光L155、L156、L157は単位光学要素235cを備えていない部分を透過するので、水平方向において正面に近い光が出射されそのまま正面の観察者へと光が提供される。
図18(a)は出光側光制御層235が設けられていない一つの例を表す。この場合には、光学機能層で出光角度が規制された状態のまま出光されるため、シート面法線に対して小さい傾斜を有する方向にしか(図18(a)の例では概ね−30°以上+30°以下の範囲の方向にしか)出光されない。従って、画面が広い場合や画面を少し斜めから見た場合に、特に画面の外周端部等に暗くなる部位が生じることがあった。
これに対して図18(b)は本形態のように出光側光制御層235を具備した例である。出光側光制御層235のシート外周端部に配置された単位光学要素235cにより図18(b)にC1、C2で示したように、シート外周端部の一方側の単位光学要素235c(C1)及び他方側の単位光学要素235c(C2)のそれぞれから出射された光の出射方向のピークをシート面法線方向(0°方向)にシフトするように制御することができる。また、両外周端部の単位光学要素235cの間に形成された、単位光学要素235cが配置されていないシート中央部分ではDで示したように、そのまま光がシート面法線方向に近い方向で出光される。これにより、画面端部から出射された光も、観察者が見ている方向に向かうように傾斜しているため、画面が広い場合や画面を少し斜めから見た場合にも、画面の外周端部等に暗くなる部位が生じることを防止できる。
このような出光方向角度の調整は光学機能層232のみで行うことは難しく、又は行ったとしても輝度の低下や構造の複雑化を要する等の不具合が伴うことが多い。これに対して第二の光学シート230のように、光学要素層235bを備えることで効率よく出光角度の制御を行うことが可能となる。
そしてこのように光を制御するための光学要素層235bは上記のように簡易な構成であり、このような簡易な構成で効果を奏するものとなる。
このような映像源ユニット310も、詳細な説明は省略するが、不図示の筐体に、該映像源ユニット310を作動させる電源、及び映像源ユニット310を制御する電子回路等、映像源ユニット310として動作するために必要とされる通常の機器とともに納められて表示装置とされている。本形態は映像源ユニットの一態様として液晶映像源ユニット、表示装置の一態様として液晶表示装置を説明する。
ここで液晶パネル15、及び機能フィルム40については映像源ユニット10と同じであるため同じ符号を付して説明を省略する。
ここで、光学シート330以外については、上記した映像源ユニット10の面光源装置20と同じであるため、光学シート330以外の構成については面光源装置30と同じ符号を付して説明を省略する。ただし、本形態ではプリズム層27の単位プリズム27aが導光板の導光方向に延び、複数の単位プリズム27aが導光板の導光方向に対して直交する方向に配列される形態である。
ここで基材層31は上記した映像源ユニット10の光学シート30に具備された基材層31と同じであるため同じ符号を付して説明を省略する。
θ61は、光透過部333と光吸収部334との界面のうち、光学シート330が図19のような姿勢とされた際に光吸収部334の上側となる界面334aと、光学機能層332の層面の法線と、のなす角である。θ62は、同姿勢で光透過部333及び光吸収部334の界面のうち光吸収部334の下側となる界面334bと、光学機能層332の層面の法線と、のなす角である。
θ61を0°より小さくすると製造が困難となる。θ61を10°より大きくすると入光側光制御層335との組み合わせで、光学機能層332による光の向きの制御の効果が小さくなる。また、θ61を10°よりも大きくすると、光吸収部334の配列方向の大きさ(光吸収部の幅、図23の紙面上下方向大きさ)が大きくなり、光の透過率が低下する不具合が生じる傾向にある。
本形態で入光側光制御層335は、光学シート330の法線方向に進行する光を所望の方向に向かうように光の向きを変えるように構成されている。より具体的に本形態では図19〜図22の姿勢で、光学シート330の法線方向観察者側に進行する光に対して観察者側斜め下方に向かうように光の向きを変えるように機能する。これにより後述するように光透過部333と光吸収部334との上側界面334aで反射させ、斜め上方に向かう光にすることができる。
支持層335aは光学要素層335bの支持体として機能する透明なシート状の部材である。支持層335aは基材層31や光透過部333と同様の材料により構成することができる。
単位光学要素335cは、光学機能層332を挟んで基材層31側とは反対側に突出する三角形断面を有する三角柱状であり、当該断面を有してその稜線が光透過部333及び光吸収部334が延びる方向と同じ(バイアス角α5=0°)又は光学シートの正面視で角度を有して(バイアス角α5≠0°)延びる突条で構成されている。そして複数の単位光学要素335cが、当該延びる方向とは異なる方向に配列されている。
θ72で表したライズ面335eの傾斜は、光学機能層332の入光面332bに沿った方向に対して90°以下であることが好ましい。この角度が90°以上となると製造が難しくなる。一方、θ72は73°以上であることが好ましい。これにより、主屈折面335dとライズ面335eとの成す角を90°又はこれに近い角度とすることができ、主屈折面335dの法線方向から主屈折面335dに入射した光が、ライズ面335eに対して平行に近い方向で進むことができるため、ライズ面335eで反射して迷光となることを抑制することができる。
また、図22にDqで示した単位光学要素335cの支持層335aからの突出高さは、1μm以上15μm以下であることが好ましい。これより小さくなると、加工精度が悪化する不具合があり、これより大きいと、光吸収部334と単位光学要素335cとでモアレが生じやすくなる。
また、複数の単位光学要素335cが必ずしも同じ形状である必要はなく、適宜変更してもよい。
一方、反射型偏光板28の反射軸に沿った偏光方向の光は図20に点線矢印で示したように反射して導光板21側に戻される。戻された光は、導光板21、裏面光学要素23、又は反射シート39で反射して再び反射型偏光板28の側に進行する。この反射の際に一部の光の偏光方向が変化しており、その一部は反射型偏光板28を透過する。他の光は再び導光板側に戻される。このように反射型偏光板28で反射した光も反射を繰り返すことで反射型偏光板28を透過できるようになる。これにより光源25からの光の利用率が高められる。
ここで、反射型偏光板28を出射した光は、その偏光方向が下偏光板14の透過軸に沿った方向になっており、下偏光板14を透過する偏光状態の光となっている。
図20に示した光L201、光L202、及び図24に示した光L241、光L242は、単位光学要素335cの主屈折面335dに入射し、当該主屈折面335dへの入射角度に応じて屈折、又は屈折することなく主屈折面335dを透過する(主屈折面335dの傾斜面に直交する方向から入射した光は屈折することなく主屈折面335dを透過する(光L242)。)。これにより多くの光が観察者側斜め下方に向いた光となり、これが光透過部333と光吸収部334との界面のうち、光吸収部334の上側となる界面334aに向かう。そして当該界面334aで全反射して、観察者側斜め上方の光となり、所望の方向への光の制御がなされる。特に界面334aの傾斜角θ61(図23参照)が0°であればより上方へ光を向かわせることができる。一方、θ61を調整することにより上方でありつつも所望の範囲に光を向かわせることも可能である。
このとき、光透過部333と光吸収部334との界面のうち光吸収部334の下側である界面334bが、観察者側斜め上方に向かうように傾斜していれば、光L201、光L202、光L241、光L242のような光の進行を光吸収部334が阻害し難くなり、より多くの光を所望の方向に導くことができる。
これにより、所望の角度以上の視野角で出射する光を効率よく吸収して遮断することができ、さらに光の進行方向制御を効率よく行うことができる。
また、このような光は液晶パネルに入射して、コントラスト低下や色の反転のような不具合を生じる可能性が高いのでこのような光を吸収することができる。
従って、本形態の光学シートを液晶表示装置に用いることにより、従来の光学シートを使用した場合に比べ、容易に光を制御して、ドライバー視点での視認性を向上させることができる。
図25からわかるように、鉛直方向の視野角を見た場合に、図25にDで示した位置からわかるように相対輝度のピークが+20°(鉛直方向上方20°)近傍となっている。すなわち、正面(0°)とは異なる観察者の視点となる方向に輝度ピークがあるように光が制御されている。さらに図25にEで示した位置からわかるように、+50°(鉛直方向上方50°)近傍にて急激に相対輝度が低下している。すなわち、自動車におけるフロントガラスへの映り込みの原因となるような大きく上方に進行する光をより確実に遮断することができる。
実施例Aでは、映像源ユニット10の例に倣って、光学シートの出光方向制御の観点で試験を行った。
<試験例A1>
試験例A1では、出光側光制御層35を備える映像源ユニット10の例に倣って図5に表したθ21を変更した光学シートを作製した。θ21以外の光学シートの具体的な形状は次のとおりである。
・材料:ポリカーボネート樹脂
・厚さ:130μm
・光透過部、及び光吸収部のピッチ(図4のPa):39μm
・光吸収部上底幅(図4のWa):4μm
・光吸収部下底幅(図4のWb):10μm
・光吸収部上側傾斜角(図5のθ11):3°
・光吸収部下側傾斜角(図5のθ12):0°
・光吸収部の厚さ(図4のDa):102μm
・光学機能層の厚さ:127μm
・土台部の厚さ:25μm
・光透過部の材料及び屈折率:屈折率1.56の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂
・光吸収部の材料及び屈折率:屈折率1.49の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂にカーボンブラックを含有した平均粒子径4μmのアクリルビーズを20質量%分散
・光透過部及び光吸収部が液晶層の画素配列方向に対する傾斜角(バイアス角α1):5°
・ライズ面の角度(図5のθ22):90°
・単位光学要素のピッチ(図4のPo):18μm
・単位光学要素の材料:屈折率1.50の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂
・上記バイアス角α1に対する傾斜角(バイアス角α2):3°
ここで、バイアス角α2は、光学シートの正面視でバイアス角α1と同じ方向に回転するような角度である(以下の例も同様である。)。従って本例では単位光学要素が延びる方向が液晶層の画素配列方向に対する傾斜角はα1+α2=8°となる。
・主屈折面の角度(図5のθ21):85°(試験例A1−1)、80°(試験例A1−2)、70°(試験例A1−3)、60°(試験例A1−4)
試験例A2では、図9に示した出光側光制御層135を備える映像源ユニットの例に倣ってθ31を変更した光学シートを作製した。出光側光制御層135以外の構成は試験例A1と同じである。またライズ面の角度も90°で一定とした。そして、主屈折面の角度(図9のθ31)は、85°(試験例A2−1)、80°(試験例A2−2)、70°(試験例A2−3)、60°(試験例A2−4)である。
試験例A3では、試験例A2−2の光学シートに対して、ライズ面の角度(図5のθ22に相当)を80°(試験例A3−1)、及び100°(試験例A3−2)とした。それ以外は試験例A2−2と同じである。
試験例A4は、試験例A1の光学シートから出光側光制御層を除外した構成の光学シートである。他の部位は試験例A1の光学シートと同じとした。
上記各光学シートをモデル化し、シミュレーションで出光角度と各出光角度における輝度の関係を得た。シミュレーションソフトとして、Light Tools(Synopsys社)を用いた。光源の特性を図26に示した。図26の横軸は鉛直方向における視野角度(正が上方、負が下方)、縦軸には視野角度が0°のときの輝度を100%として相対輝度を表した。
図27には試験例A1、図28に試験例A2、図29に試験例A3の結果を示した。図27〜図29では試験例A4のグラフをA4で表した。
そして図27では試験例A1−1をA1−1、試験例A1−2をA1−2、試験例A1−3をA1−3、試験例A1−4をA1−4で表した。
同様に図28では試験例A2−1をA2−1、試験例A2−2をA2−2、試験例A2−3をA2−3、試験例A2−4をA2−4で表した。
そして図29では試験例A3−1をA3−1、試験例A3−2をA3−2と表記した。また図29には合わせてA2−2も表示してある。
各グラフは、横軸に鉛直方向における視野角度を表し、正が上方、負が下方である。また縦軸には図26に示した光源特性を100%としたときの相対輝度を表した。
試験例Bでは、映像源ユニット210の例に倣って、光学シートの出光方向制御の観点で試験した。
試験例B1では、光制御部材229の例に倣って光制御部材を作製した。具体的な態様は次の通りである。
(基材層)
・材料:ポリカーボネート樹脂
・厚さ:130μm
・光透過部、及び光吸収部のピッチ(図4のPa):47μm
・光吸収部上底幅(図4のWa):3μm
・光吸収部下底幅(図4のWb):22μm
・光吸収部上側傾斜角(図5のθ11):4.5°
・光吸収部下側傾斜角(図5のθ12):4.5°
・光吸収部の厚さ(図4のDa):120μm
・光学機能層の厚さ:145μm
・土台部の厚さ:25μm
・光透過部の材料及び屈折率:屈折率1.56の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂
・光吸収部の材料及び屈折率:屈折率1.49の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂にカーボンブラックを含有した平均粒子径4μmのアクリルビーズを20質量%分散
・主屈折面の傾斜角度(図5のθ21):70°
・ライズ面の傾斜角度(図5のθ22):90°
・支持層の厚さ:25μm
・単位光学要素のピッチ(図4のPo):26μm
・単位光学要素の材料:屈折率1.50の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂
・光透過部が延びる方向に対する単位光学要素が延びる方向のバイアス角α3:5°
(基材層)
・材料:ポリカーボネート樹脂
・厚さ:130μm
・光透過部、及び光吸収部のピッチ(図15のPb):47μm
・光吸収部上底幅(図15のWc):3μm
・光吸収部下底幅(図15のWd):22μm
・光吸収部一方側傾斜角(図16のθ41):4.5°
・光吸収部他方側傾斜角(図16のθ42):4.5°
・光吸収部の厚さ(図15のDb):120μm
・光学機能層の厚さ:145μm
・土台部の厚さ:25μm
・光透過部の材料及び屈折率:屈折率1.56の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂
・光吸収部の材料及び屈折率:屈折率1.49の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂にカーボンブラックを含有した平均粒子径4μmのアクリルビーズを20質量%分散
・単位光学要素が配置されない部位:単位光学要素の配列方向において中央を挟んで対称に5.0mm(図14、図15のW3、左右に2.5mmずつ。)
・主屈折面の傾斜角度(図16のθ51):シート中央側において90°(実質上単位光学要素がない部位)からシート最端部において68°となるように、連続的に変化(第二の光学シートのうち単位光学要素が配列される方向の大きさ(図15のW4)は300mm)
・ライズ面の傾斜角度(図16のθ52):90°
・支持層の厚さ:25μm
・単位光学要素のピッチ(図15のPp):26μm
・単位光学要素の材料:屈折率1.50の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂
・光透過部が延びる方向に対する単位光学要素が延びる方向のバイアス角α4:5°
以上の第一の光学シートを光透過部が延びる方向を水平方向となるように配置し、第一の光学シートより出光側となるように重ねて第二の光学シートを配置して光制御部材とした。このとき、第二の光学シートの光透過部の延びる方向が鉛直方向となるようにした(図12参照)。
試験例B2では、上記試験例B1にかかる光制御部材に対して第一の光学シートの出光側光制御層及び第二の光学シートの出光側光制御層を除外した光制御部材を用いた。
試験例Bの光制御部材をモデル化し、シミュレーションで鉛直方向及び水平方向における各出光角度と輝度との関係を得た。
シミュレーションソフトとして、Light Tools(Synopsys社)を用いた。光源の特性を図30に示した。図30の横軸は鉛直方向及び水平方向における出光角度、縦軸には出光角度が0°のときの輝度を100%とした相対輝度を表した。
図31は試験例B1の光制御部材における評価結果を表した。図31(a)の横軸は鉛直方向における出光角度、縦軸には図30の100%に対する相対輝度を表している。図31(b)の横軸は水平方向における出光角度、縦軸には図30の100%に対する相対輝度を表している。
図32は試験例B2の光制御部材における評価結果を表した。図32(a)の横軸は鉛直方向における出光角度、縦軸には図30の100%に対する相対輝度を表している。図32(b)の横軸は水平方向における出光角度、縦軸には図30の100%に対する相対輝度を表している。
また、図31(b)と図32(b)との対比からわかるように、第二の光学シートのような光学要素層を設けることで、図18(b)により説明した通りに水平方向において光の出光角を制御することができた。
試験例Cでは、映像源ユニット10、映像源ユニット210の例に倣って、出光方向制御に加えて、粗面によってモアレ発生を防止する観点で試験した。
<試験例C1>
試験例C1では、出光側光制御層35を備える映像源ユニット10の例に倣って図5に表したθ21、及び屈折面及びライズ面の面粗度を変更した光学シートを作製した。他の部位における具体的な形態は次のとおりである。
・材料:ポリカーボネート樹脂
・厚さ:130μm
・光透過部、及び光吸収部のピッチ(図4のPa):39μm
・光吸収部上底幅(図4のWa):4μm
・光吸収部下底幅(図4のWb):10μm
・光吸収部上側傾斜角(図5のθ11):3°
・光吸収部下側傾斜角(図5のθ12):0°
・光吸収部の厚さ(図4のDa):102μm
・光学機能層の厚さ:127μm
・土台部の厚さ:25μm
・光透過部の材料及び屈折率:屈折率1.56の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂
・光吸収部の材料及び屈折率:屈折率1.49の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂にカーボンブラックを含有した平均粒子径4μmのアクリルビーズを20質量%分散
・光透過部及び光吸収部が液晶層の画素配列方向に対する傾斜角(バイアス角α1):0°
・ライズ面の角度(図5のθ22):90°
・単位光学要素のピッチ(図4のPo):18μm
・単位光学要素の材料:屈折率1.50の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂
・上記バイアス角α1に対する傾斜角(バイアス角α2):4°
・主屈折面の角度(図5のθ21、4種類):85°、80°、70°、60°
・主屈折面及びライズ面の粗面の形成(2種類):平均粒子径10μmのガラスによりブラストした成形金型で成形、平均粒子径2μmのアルミナによりブラストした成形金型で成形(図33参照)
試験例C2では、試験例C1の光学シートに代えて、上記第二の光学シート230の例に倣った光学シートを備える映像源ユニットを作製した。具体的な形態は次の通りである。
(基材層)
・材料:ポリカーボネート樹脂
・厚さ:130μm
・光透過部、及び光吸収部のピッチ(図15のPb):47μm
・光吸収部上底幅(図15のWc):3μm
・光吸収部下底幅(図15のWd):22μm
・光吸収部一方側傾斜角(図16のθ41):4.5°
・光吸収部他方側傾斜角(図16のθ42):4.5°
・光吸収部の厚さ(図15のDb):120μm
・光学機能層の厚さ:145μm
・土台部の厚さ:25μm
・光透過部の材料及び屈折率:屈折率1.56の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂
・光吸収部の材料及び屈折率:屈折率1.49の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂にカーボンブラックを含有した平均粒子径4μmのアクリルビーズを20質量%分散
・光透過部及び光吸収部が液晶層の画素配列方向に対する傾斜角(バイアス角α1):0°
・単位光学要素が配置されない部位:単位光学要素の配列方向において中央を挟んで対称に5.0mm(図14、図15のW3、左右に2.5mmずつ。)
・主屈折面の傾斜角度(図16のθ51):シート中央側において90°(実質上単位光学要素がない部位)からシート最端部において68°となるように、連続的に変化(第二の光学シートのうち単位光学要素が配列される方向の大きさ(図15のW4)は300mm)
・ライズ面の傾斜角度(図16のθ52):90°
・支持層の厚さ:25μm
・単位光学要素のピッチ(図15のPp):18μm
・単位光学要素の材料:屈折率1.50の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂
・光透過部が延びる方向に対する単位光学要素が延びる方向のバイアス角α4:4°
・屈折面及びライズ面の粗面の形成(2種類):平均粒子径10μmのガラスによりブラストした成形金型で成形、平均粒子径2μmのアルミナによりブラストした成形金型で成形(図33参照)
試験例C3では、試験例C1の光学シートの形態に対して、主屈折面及びライズ面に粗面を形成しない光学シートとした。
試験例C4では、試験例C2の光学シートの形態に対して、主屈折面及びライズ面に粗面を形成しない光学シートとした。
試験例Cにかかる映像源ユニットに対して目視によりモアレ観察を行った。その結果、粗面を形成しなかった試験例C3、及び試験例C4で軽微なモアレが観察された。一方、粗面を形成した試験例C1及び試験例C2にはモアレは観察されなかった。
なお、出光方向の制御についてはいずれについても適切におこなうことができた。
試験例Dでは、映像源ユニット10の例に倣って、出光方向制御に加えて、光透過部(光吸収部)の配列ピッチと、単位光学要素の配列ピッチとの関係を変えてモアレ発生の観点で試験した。
Pmは次のように求められる。
Pm=|(a・Pa・b・Po)/(a・Pa−b・Po)|
そして、あるPa、Poの組み合わせに対してa、bを変更した全ての組み合わせのPmの中で最大のPmをPmxとした。本例ではPaを39μmとし、Poを変更した例を表す。
このPmxに対して、結果としてモアレが観察された場合を「有り」、モアレが観察されなかった場合を「なし」と表記した。
試験例Eでは、図19〜図23に示した光学シート330に倣った光学シート及びこれに対比する光学シートを作製して試験を行った。
<試験例E1>
(基材層)
・材料:ポリカーボネート樹脂
・厚さ:130μm
・ピッチ(図22のPc):39μm
・光吸収部上底幅(図22のWa):4μm
・光吸収部下底幅(図22のWb):10μm
・光吸収部上側傾斜角(図23のθ61):0°
・光吸収部下側傾斜角(図23のθ62):3°
・光吸収部の厚さ(図22のDc):102μm
・光学機能層の厚さ:127μm
・光透過部の材料及び屈折率:屈折率1.56の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂
・光吸収部の材料及び屈折率:屈折率1.49の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂にカーボンブラックを含有した平均粒子径4μmのアクリルビーズを20質量%分散
・支持層の厚さ(図23の支持層335aの厚さ):130μm
・単位光学要素のピッチ(図22のPq):30μm
・単位光学要素の主屈折面の傾斜角(図23のθ71):5°
・ライズ面の傾斜角(図23のθ72):90°
・材料:屈折率1.50の紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂
単位光学要素の主屈折面の傾斜角(図23のθ71)を10°として他の構成は試験例E1に同じとした。
単位光学要素の主屈折面の傾斜角(図23のθ71)を20°として他の構成は試験例E1に同じとした。
図34に表したように単位光学要素の主屈折面の傾斜が、下から上に向けて光源側に傾くように構成し、図34にθ81に表す主屈折面の角度を5°とした。これを単位光学要素の主屈折面の傾斜角が「−5°」であるとする。これ以外は試験例E1と同じである。
単位光学要素の主屈折面の傾斜角(図23のθ71)を0°、すなわち光学要素層を形成しない構成として、他は試験例E1と同じとした。
上記試験例Eにかかる光学シートを用い、図19に示した例に倣って他の構成部材を配置して面光源装置とした。
<測定位置>
各試験例に対して次の3種類の視野角における輝度を測定し、図19に示した例の面光源装置から光学シートを除外して光源を点灯した場合における各種類の輝度を100%としたときに対する輝度比で表した。
(1)画面中央から画面法線方向における輝度(正面輝度)による輝度比。
(2)画面中央から水平方向40°、及び鉛直方向上20°の視野角(いわゆるドライバー視点)における輝度による輝度比。ドライバー視点は、カーナビゲーション等の表示装置が自動車の運転席と助手席との中間部に配置された場合において、運転席から表示装置を見た場合における視点の位置を意味する。
(3)画面中央から水平方向に0°、及び鉛直方向上に40°〜80°(5°刻み)の視野角における合計輝度による輝度比(映り込みの原因となる光)。
輝度は自動変角輝度計(GP−500 村上色彩研究所)を用いて上記(1)〜(3)の各視野角における透過光の輝度を測定した。
上記各視野角における輝度比を表2に表した。また、この結果に基づいて図35にグラフを表した。図35(a)が(1)の結果、図35(b)が(2)の結果、図35(c)が(3)の結果である。各図には主屈折面傾斜角(図23のθ71)が0°の輝度比の水準を点線で表した。
(2)の視野角では、図35(b)に直線矢印で示したように、主屈折面傾斜角が0°のときよりも高い輝度比であることが好ましい。高いことによりドライバー視点による輝度が高いことを意味する。
(3)の視野角では、図35(c)に直線矢印で示したように、主屈折面傾斜角が0°のときよりも低い輝度比であることが好ましい。低いことによりカーナビゲーション等の表示装置が自動車の運転席と助手席との中間部に配置された場合において、フロントガラスへの映り込みを抑制することができることを意味する。
15 液晶パネル
20、220、320 面光源装置
21 導光板
25 光源
26 光拡散板
27 プリズム層
28 反射型偏光板
30、230、330 光学シート
31、231 基材層
32、232、332 光学機能層
33、233、333 光透過部
34、234、334 光吸収部
35、135、235 出光側光制御層(光制御層)
35b、135b、235b、335b 光学要素層
35c、135c、235c、335c 単位光学要素
35d、135d、235d、335d 主屈折面
35e、135e、235e、335e ライズ面
335 入光側光制御層(光制御層)
Claims (15)
- 複数の層が積層されてなる光学シートであって、
前記複数の層の1つである光学機能層と、前記複数の層の他の1つである光学要素層と、を備え、
前記光学機能層は、
一方向に延び、当該一方向とは異なる方向に間隔を有して複数配列される光透過部と、隣り合う前記光透過部の間に配置される光吸収部と、を有し、
前記光学要素層は、
前記一方向に対して前記光学シートの正面視で0°以上45°以下の角度を有するように延び、当該延びる方向とは異なる方向に複数配列される突条である単位光学要素を具備する、光学シート。 - 前記光透過部は台形断面を有し、長い下底が前記単位光学要素側に向いている請求項1に記載の光学シート。
- 前記単位光学要素は、主屈折面及びライズ面を有する三角形断面を有し、
前記主屈折面は前記光学機能層の出光面の法線方向に対して45°より大きく89°以下で傾斜する面である、請求項1又は2に記載の光学シート。 - 前記主屈折面と前記光学機能層の出光面の法線との成す角が、シート中央側の前記単位光学要素とシート外周側の前記単位光学要素とで異なる、請求項3に記載の光学シート。
- 前記光学要素層がリニアフレネルレンズからなる請求項4に記載の光学シート。
- 前記単位光学要素は、主屈折面及びライズ面を有する三角形断面を有し、
前記主屈折面は、前記光学機能層の層面に対して0°より大きく17°より小さい角度で傾斜する、請求項1に記載の光学シート。 - 前記光透過部は台形断面を有し、短い上底が前記単位光学要素側に向いている請求項6に記載の光学シート。
- 前記単位光学要素の表面には粗面が形成されている請求項1乃至7のいずれかに記載の光学シート。
- 前記光透過部の配列ピッチをPa(μm)、前記単位光学要素の配列ピッチをPo(μm)、a、bを1以上10以下の整数とし、
Pm=|(a・Pa・b・Po)/(a・Pa−b・Po)|
として、ある前記Pa、前記Poに対する全てのa、bの組み合わせから得られる前記Pmのうち最も大きなものをPmx(μm)としたとき、前記Pmxが10000(μm)以下である、請求項1乃至8のいずれかに記載の光学シート。 - 請求項1乃至9のいずれかに記載の光学シートが2枚以上配置され、
一方の前記光学シートの前記光透過部が延びる方向と、他方の前記光学シートの前記光透過部が延びる方向と、が前記光学シートの正面視で交差するように配置される、光制御部材。 - 光源と、該光源よりも観察者側に配置される請求項1乃至9のいずれかに記載の光学シートと、を備える面光源装置。
- 光源と、該光源よりも観察者側に配置される請求項10に記載の光制御部材と、を備える面光源装置。
- 請求項11又は12に記載の面光源装置と、該面光源装置の出光側に配置された液晶パネルと、を備える映像源ユニット。
- 前記光透過部、前記光吸収部、及び前記単位光学要素は、延びる方向が水平方向であり、配列される方向が鉛直方向である、請求項13に記載の映像源ユニット。
- 請求項13又は14に記載の映像源ユニットが筐体に収められた表示装置。
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