JP2010145640A - レンズシートおよびディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】観察者側の輝度を向上し、上下左右視野が広く、輝度変化が滑らかなレンズシートを提供する。
【解決手段】透光性基材と、透光性基材の一方の面に設けられた、第１の方向に沿って延在すると共に互いに平行に配置された複数の単位レンズを含む第１レンズアレイと、第１レンズアレイの各々の単位レンズの頂部に設けられ第１レンズアレイの単位レンズが延在する第１の方向と交差する第２の方向に沿って延在すると共に互いに平行に配置された複数の単位レンズを含む第２レンズアレイと、透光性基材の他方の面に設けられた、第１レンズアレイの単位レンズが延在する第１の方向および第２レンズアレイの単位レンズが延在する第２の方向のいずれとも異なる第３の方向に沿って延在すると共に互いに平行に配置された複数の単位レンズを含む第３レンズアレイとを有するレンズシート。
【選択図】 図５

Description

本発明は、照明光路制御に用いられるレンズシート、およびそれを含むバックライト・ユニットを用いたディスプレイ装置に関する。

最近の大型液晶テレビにおいては、画像表示パネルの背面に、複数本の冷陰極管やＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を配置した直下型方式のバックライト・ユニットを設けた構造が採用されている。この場合、画像表示パネルと光源との間に光散乱性の強い拡散板を設け、光源としての冷陰極管やＬＥＤなどが視認されないようにしている。

拡散板は、光拡散効果により光を全方位に拡散するため、画像表示パネルを暗くする。また、拡散板は光散乱性を高めるとともに拡散板上に設けられる光学フィルムを支持するために通常１〜５ｍｍ程度の厚さを必要とし、拡散板で少なからず光吸収が起こるため、画像表示パネルを暗くする。

従来、直下型方式バックライトに使用される拡散板は、光源である冷陰極管から出射される光を拡散させて輝度ムラ（ランプイメージ）を低減させることを目的としている。したがって、通常、拡散板の上に観察者側方向の輝度を向上させるために、単一または複数の光学フィルムが配置される。

液晶表示画面の輝度を向上させる手段として、輝度向上フィルム（Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｍ：ＢＥＦ、米国３Ｍ社の登録商標）が広く使用されている。

図１４はＢＥＦの配置の一例を示す断面図であり、図１５はＢＥＦの斜視図である。図１４および図１５に示すように、ＢＥＦ１８５は、透明基材１８６上に断面三角形状の単位プリズム１８７を一方向に沿って周期的に配列した光学フィルムである。この単位プリズム１８７はそのサイズ（ピッチ）が光の波長に比較して大きく設定されている。

ＢＥＦ１８５は“軸外（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）”からの光を集光し、この光を視聴者に向けて“軸上（ｏｎ−ａｘｉｓ）”に方向転換（ｒｅｄｉｒｅｃｔ）または“リサイクル（ｒｅｃｙｃｌｅ）”することができる。すなわちＢＥＦ１８５は、ディスプレイの使用時（観察時）に、軸外輝度を低下させることによって軸上輝度を増大させることができる。ここで言う「軸上」とは、視聴者の視野方向Ｆ’に一致する方向であり、一般的にはディスプレイ画面に対する法線方向側である。

ＢＥＦ１８５に代表されるレンズシートを用いる際に、透明基材上に拡散フィラーを塗布し、拡散と集光の両方の機能を持つ拡散フィルム（以下、下拡散フィルムと呼ぶ）を拡散板とレンズシートとの間に配置することによって、拡散板から出射される拡散光を効率よく集光することができるとともに拡散板だけでは消しきれない光源の視認性を抑えることができる。

さらに、レンズシートと液晶パネルとの間に光拡散フィルムを配置した場合には、サイドローブを低減させることができるとともに、規則的に配列されたレンズと液晶画素との間に生じるモアレ干渉縞を防ぐことができる。

ＢＥＦの採用により、ディスプレイ設計者が電力消費を低減しながら所望の軸上輝度を達成することができるようになった。

ＢＥＦに代表される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旨が開示されている特許文献としては、特許文献１乃至３に例示されるように多数のものが知られている。

上記のようなＢＥＦを輝度制御部材として用いた光学シートでは、屈折作用によって、光源からの光が最終的には制御された角度でフィルムより出射されることによって、視聴者の視覚方向の光の強度を高めるように制御することができる。

しかし、ＢＥＦ１８５を用いた場合には、同時に反射／屈折作用による光成分が、視聴者の視覚方向Ｆ’に進むことなく横方向に無駄に出射されてしまう場合がある。

図１６の破線Ｂに示すように、ＢＥＦを用いた光学シートから出射される光強度分布は、観察者の視覚方向すなわち視覚方向Ｆ’に対する角度が０°（軸上方向にあたる）における光強度が最も高められるが、Ｆ’に対する角度が±９０°近辺に小さな光強度ピーク（サイドローブ）が発生し、横方向から無駄に出射される光も増えている。このような光強度ピークを有する輝度分布は望ましくない。図１６の実線Ａのように、±９０°近辺での光強度ピークのない滑らかな輝度分布の方が好ましい。

一方、軸上輝度のみが過度に向上すると、輝度分布の曲線のピーク幅が著しく狭くなって極端な輝度変化が起きる。滑らかなプロファイルを実現するには、プリズムシートの上に別の拡散フィルムを設置する必要があり、部材数の増加を伴うという問題がある。

また、このような液晶表示装置では、軽量、低消費電力、高輝度、薄型化であることが市場ニーズとして強く要請されている。それに伴い、液晶表示装置に搭載されるバックライト・ユニットも、軽量、低消費電力、高輝度であることが要求されている。

特に、近年、目覚しく発展しているカラー液晶表示装置においては、液晶パネルのパネル透過率がモノクロ対応の液晶パネルに比べ格段に低いため、バックライト・ユニットの輝度向上を図ることが、カラー液晶表示装置自体の低消費電力を得るために必須となっている。

しかし、上述したように従来の装置では、高輝度、低消費電力の要請に充分に応えられているとは言いがたく、ユーザからは低価格、高輝度、高表示品位で、かつ低消費電力の液晶表示装置を実現できるバックライト・ユニットおよびディスプレイ装置の開発が待ち望まれている。

また、ＢＥＦの上に拡散フィルムを載せると、サイドローブが減って輝度分布が滑らかになるが、正面輝度のピークは下がる。このため、なるべく低ヘイズの拡散フィルムが望ましい。しかし、低ヘイズの拡散フィルムを用いると輝度分布の変化が激しくなり、正面から斜めに視線を変えたときに急に表示が暗くなるという望ましくない現象が見られる。

一方、正面輝度が高いという要望があるだけでなく、視野が広い、たとえば上下左右の半値角が４０度以上であることも望まれている。この要望を、ＢＥＦと強拡散フィルムの組み合わせで実現しようとすると、ピークがかなり下がり、フィルム構成も増えるので、コストも光学特性も不満足である。
特公平１−３７８０１号公報 特開平６−１０２５０６号公報 特表平１０−５０６５００号公報

本発明は、拡散板から出射される拡散光を効率的に集光することで、観察者側の輝度を向上し、上下左右視野が広く、輝度変化が滑らかなレンズシート、およびそれを含むバックライト・ユニットを用いたディスプレイ装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、透光性基材と、透光性基材の一方の面に設けられた、第１の方向に沿って延在すると共に互いに平行に配置された複数の単位レンズを含む第１レンズアレイと、第１レンズアレイの各々の単位レンズの頂部に設けられ前記第１レンズアレイの単位レンズが延在する第１の方向と交差する第２の方向に沿って延在すると共に互いに平行に配置された複数の単位レンズを含む第２レンズアレイと、前記透光性基材の他方の面に設けられた、前記第１レンズアレイの単位レンズが延在する第１の方向および前記第２レンズアレイの単位レンズが延在する第２の方向のいずれとも異なる第３の方向に沿って延在すると共に互いに平行に配置された複数の単位レンズを含む第３レンズアレイとを有することを特徴とするレンズシートである。

請求項２の発明は、前記第１レンズアレイの単位レンズが延在する第１の方向と前記第２レンズアレイの単位レンズが延在する第２の方向とのなす角度が略９０度であり、前記第３レンズアレイの単位レンズが延在する第３の方向と前記第１の方向または前記第２の方向とのなす角度が略４５度であることを特徴とする請求項１に記載のレンズシートである。

請求項３の発明は、前記第３レンズアレイの単位レンズは半円柱形状をなすことを特徴とする請求項１に記載のレンズシートである。

請求項４の発明は、前記第１レンズアレイの単位レンズは台形プリズム形状をなし、前記第２レンズアレイの単位レンズは頂角が７０度〜１１０度の範囲であるプリズム形状をなすことを特徴とする請求項３に記載のレンズシートである。

請求項５の発明は、前記第１レンズアレイの単位レンズは台形プリズムの側面を延長して形成される頂角が７０度〜１１０度の範囲であることを特徴とする請求項４に記載のレンズシートである。

請求項６の発明は、前記第３レンズアレイの単位レンズのアスペクト比が１％以上、２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のレンズシートである。

請求項７の発明は、前記第３レンズアレイの前記透光性基材に対する面積比が５０％以上、９０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のレンズシートである。

請求項８の発明は、表示画像を規定する画像表示パネルと、前記画像表示パネルの背面に設けられた光源と、前記光源から発せられた光を入射させて拡散させ拡散光を出射する拡散板と、請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレンズシートを含むバックライト・ユニットとを有することを特徴とするディスプレイ装置である。

本発明にレンズシートによれば、拡散板から出射される拡散光を光学フィルムの表面側に２方向のレンズにより集光することで観察者側の輝度を向上し、裏面側に斜め方向の微細曲面パターンを付けることにより表面からの上下左右出射分布を変化少なく滑らかにできる。また、レンズシートと拡散板とを一体化させる機能を得ることができ、部品点数の削減を達成し、同時に皺や撓みを防止できる。さらに、このレンズシートを含むバックライト・ユニットを有する高性能のディスプレイ装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明のレンズシートを含むバックライト・ユニットを有するディスプレイ装置の一例を示す断面図である。

本発明の実施形態に係るディスプレイ装置７０は、画像表示パネル３５とバックライト・ユニット５５とから構成されている。本発明の実施形態に係るバックライト・ユニット５５は、ランプハウス（反射板）４３内に複数の光源４１が配置され、その上（観察者側方向Ｆ）に、光源４１から入射する光を拡散して出射する拡散板２５、本発明の実施形態に係るレンズシート１が配置されて構成されている。

光源４１から出射された光Ｈは拡散板２５で拡散され、その上に配置されたレンズシート１で集光され、バックライト・ユニット５５から出射される光Ｋは画像表示パネル３５に入射し、観察者側Ｆへと出射される。

光源４１は、画像表示パネル３５へと光を供給するものである。光源４１としては、たとえば、複数の線状光源または点光源を用いることができる。複数の線状光源としては、たとえば、複数の蛍光灯、冷陰極管（ＣＣＦＬ）またはＥＥＦＬといったランプ光源、点光源としてはＬＥＤなどを用いることができる。

反射板４３は、観察者側Ｆから見て複数の光源４１の反対側に配置され、光源４１から全方向に出射された光のうち、観察者側Ｆと反対側の方向に出射された光を反射させて観察者側Ｆに出射させる。その結果、観察者側Ｆに出射された光Ｈは、ほぼ光源４１から全方向に出射された光となる。このように反射板４３を用いることによって、光の利用効率を高めることができる。反射板４３としては、光を高効率で反射させる部材であればよく、たとえば、一般的な反射フィルム、反射板などを使用することができる。

次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るレンズシート１をより詳細に説明する。
図２は本発明の実施形態に係るレンズシート１を斜め上方から見た斜視図である。図３（ａ）は第１レンズアレイ３の断面が見えるようにレンズシート１を第１の方向に直交する方向（第２の方向）に沿って切断した断面図、図３（ｂ）は第２レンズアレイ５の断面が見えるようにレンズシート１を第２の方向に直交する方向（第１の方向）に沿って切断した断面図である。図４（ａ）は第１レンズアレイ３および第２レンズアレイ５の平面図、図４（ｂ）は第３レンズアレイ７の平面図である。図５はレンズシート１を斜め下方から見た斜視図である。

これらの図に示される本発明の実施形態に係るレンズシート１では、第１レンズアレイ３が台形プリズム形状、第２レンズアレイ５が三角プリズム形状、第３レンズアレイ７が半円柱形状をなしている。

透光性基材１７の観察者側Ｆの面１７ｂに、第１の方向に沿って延在すると共に互いに平行に配置された複数の単位レンズを含む第１レンズアレイ３が形成されている。第１レンズアレイ３の各々の単位レンズの頂部３ａには、第１レンズアレイ３と交差する第２の方向に沿って互いに平行に配置された複数の単位レンズを含む第２レンズアレイ５が形成されている。透光性基材１７の観察者側Ｆの面１７ｂと反対側の面１７ａには、第１レンズアレイ３の単位レンズが延在する第１の方向および第２レンズアレイ５の単位レンズが延在する第２の方向のいずれとも異なる第３の方向に沿って延在すると共に互いに平行に配置された複数の単位レンズを含む第３レンズアレイ７が形成されている。

第２レンズアレイ５の頂部５ａは第１レンズアレイ３である台形プリズムの頂部３ａと一致する。各々のレンズアレイでは、単位レンズの配列方向において集光効果が得られる。

図４（ａ）に示すように、表面側の第１レンズアレイ３の単位レンズ（台形プリズム）が延在する第１の方向と第２レンズアレイ５の単位レンズ（三角プリズム）が延在する第２の方向とのなす角度は略９０度、たとえば９０度±１５度であることが好ましい。この角度を略９０度とすることにより、観察者側Ｆからディスプレイ装置を観察したとき、水平方向Ｈｏおよび垂直方向Ｖｅにおいて集光効果が得られる。

図４（ａ）、（ｂ）および図５に示すように、裏面側の第３レンズアレイ７の単位レンズ（半円柱状レンズ）が延在する第３の方向と、表面側の第１レンズアレイ３の台形プリズムが延在する第１の方向または第２レンズアレイ５の三角プリズムが延在する第２の方向とのなす角度は略４５度、たとえば４５度±１５度であることが好ましい。第３レンズアレイ７は、第１レンズアレイ３による集光方向および第２レンズアレイ５による集光方向のいずれにおいても輝度分布へ影響する。上記の角度を略４５度とすることにより、観察者側Ｆからディスプレイ装置を観察したとき、水平方向Ｈｏおよび垂直方向Ｖｅにおいて広視野角の効果が得られる。

第２レンズアレイ５の単位レンズは、三角プリズムであることが望ましい。三角プリズムは観察者側Ｆへの集光効果が高いため、高輝度なディスプレイ装置７０を得るのに有利である。高輝度なディスプレイ装置７０を得るために、三角プリズムの頂角θ２が７０度〜１１０度、更には８０度〜１００度の範囲であることが望ましい。

第１レンズアレイ３の単位レンズは、台形プリズムであることが望ましい。台形プリズムの頂部３ａに第２レンズアレイ５が形成される。台形プリズムは、三角プリズムと同様の傾斜面３ｂを有し、三角プリズムと同等の効果を与える。台形プリズムも観察者側Ｆへの集光効果が高いため、高輝度なディスプレイ装置７０を得るのに有利である。高輝度なディスプレイ装置７０を得るために、台形プリズムの側面を延長して形成される頂角θ１が７０度〜１１０度、更には８０度〜１００度の範囲であることが望ましい。

第３レンズアレイ７の単位レンズは、半円柱状レンズであることが望ましい。第１レンズアレイ３と第２レンズアレイ５の集光効果に対する影響を少なくするため、図３（ａ）に示す、半円柱状レンズのアスペクト比（［レンズ高さＳ］／［レンズピッチＲ］）は１％〜２０％、更には５％〜１５％の範囲であることが望ましい。

本発明のレンズシート１は二方向に集光機能をもつため、集光効果が高まる。ここで、二方向以上に集光機能をもつ従来の光学フィルムとして、四角錘に代表される多角錘レンズが知られている。多角錘レンズで二方向の集光割合を調節するには多角錘の頂角を変える必要がある。四角錘を例に挙げると、最も輝度が高くなる構成は頂角が９０度の四角錘であるが、どちらか一方向の視野範囲を拡げるかまたは狭める場合、頂角を大きくするかまたは小さくする必要がある。しかし、頂角を変えると輝度が低下するという問題が生じる。

これに対して、本発明のレンズシート１は、第１レンズアレイ３の単位レンズが台形プリズム、第２レンズアレイ５の単位レンズが三角プリズムであり、かつ第１レンズアレイ３を構成する台形プリズムの頂部３ａと第２レンズアレイ５を構成する三角プリズムの頂部５ａとが一致している。このため、第１レンズアレイ３の頂部３ａの幅を調整することで、輝度を大きく変えずに、二方向の集光割合を調節することができる。つまり、Ｈｏ方向の視野を広く設定するか、またはＨｏ方向およびＶｅ方向の二方向の視野を同程度に設定するなど、本発明のレンズシート１の適用条件によって視野の範囲を任意に設定することができる。

ただし、本発明のレンズシート１において、第１レンズアレイ３および第２レンズアレイ５による二方向の集光割合によって視野を調節できる範囲は狭く、輝度の変化度合、即ち輝度の傾斜は略同じである。そこで、裏面に斜め方向に延在する半円柱状レンズからなる第３レンズアレイ７を設けることによって、正面への影響が少ないうえに、視野が広がり、輝度の傾斜を和らげることができる。

また、本発明のレンズシート１は、第１レンズアレイ３の台形プリズムと第２レンズアレイ５の三角プリズムとの複合形状になっているため、三角プリズムで発生するサイドローブがほとんど生じない。加えて、裏面の第３レンズアレイ７のアスペクト比が小さいため、サイドローブ発生への影響がほとんどない。

図６に９０度三角プリズムの輝度分布を示す。三角プリズムは正面方向に集光するため、０度に最大ピークを持つ。しかし、サイドローブが生じ、４５度付近に谷間Ｖａが生じる。サイドローブはディスプレイ装置７０として不要な方向への出射光であるが、サイドローブ自体がディスプレイ装置７０を観察する上で問題となるのではなく、０度のメインピークとサイドローブとの谷間Ｖａの輝度が低いことが問題となる。谷間Ｖａの角度からディスプレイ装置７０を観察すると、画面が暗くなってしまうためである。従って、サイドローブを低減させてもこの谷間Ｖａの輝度が低すぎる場合、ディスプレイ装置７０として望ましくない。

図７に本発明のレンズシートの一例（Ａ）の輝度分布を示す。図７のレンズシート１は、第１レンズアレイ３が台形プリズム、第２レンズアレイ５が三角プリズムという複合形状であるため、図７に示すように、図６の谷間Ｖａに相当する角度で光を出射することが可能である。これは、図６に示す９０度三角プリズムのＶｅ方向輝度分布とＨｏ方向輝度分布とが合成された輝度分布特性が得られるからである。また、第１レンズアレイ３の頂部３の幅を調節することで、Ｖｅ方向の視野を拡げるか、逆にＨｏ方向の視野を広げるように調節することが可能である。図７では、Ｖｅ方向の視野とＨｏ方向の視野が同じになるように、第１レンズアレイ３の頂部３ｂの幅を調節している。

図８に本発明のレンズシートの他の例（Ｂ）の輝度分布を示す。図８のレンズシートでは、表面の第１レンズアレイ３と第２レンズアレイ５は図７と同じであるが、第３レンズアレイ７のアスペクト比を図７と比べると少し大きくしている。図８に示すように、正面方向に輝度のピークを持ち、Ｖｅ方向の視野とＨｏ方向の視野は同じになり、輝度分布は理想的に滑らかになっているため、広視野角でありながら、正面方向で高輝度が得られている。

図９に本発明のレンズシートのさらに他の例（Ｃ）の輝度分布を示す。図９のレンズシートでは、表面の第１レンズアレイ３の頂部３ａの幅を調節して、Ｖｅ方向の視野がＨｏ方向の視野より広くなるようにし、裏面の第３レンズアレイ７のアスペクト比を図８と同じにしている。図９は、正面方向に輝度のピークを持ち、Ｖｅ方向の視野とＨｏ方向の視野が異なるが、両方の輝度分布形状が理想的滑らかになっているため、広視野角でありながら、正面方向に高輝度が得られている。

第１レンズアレイ３の頂部３の幅を調節してＶｅ方向の視野とＨｏ方向の視野が同じになるようにし、第３レンズアレイ７のアスペクト比を変化させた種々のレンズシートを作製した。この測定においては、第１レンズアレイ３の配列方向がＶｅ方向、第２レンズアレイ５の配列方向がＨｏ方向、第３レンズアレイ７の配列方向が斜め方向（第１レンズアレイ３と第３レンズアレイ５との角度は略４５度）となるようにディスプレイ装置７０に配置した。図１０（ａ）にＶｅ方向およびＨｏ方向の半値角とアスペクト比との関係を示す。図１０（ｂ）にＶｅ方向およびＨｏ方向の輝度変化量とアスペクト比との関係を示す。図１０（ａ）および（ｂ）の横軸は第３レンズアレイ７のアスペクト比であり、第３レンズアレイ７を構成する単位レンズの高さＳとピッチＲとの比である。半値角とは、０度方向（観察者側Ｆ）の輝度を１００％としたとき、その輝度が５０％となる視野角を表す。輝度変化量とは、３０度、４５度の輝度の差と０度の輝度との比である。

また、第１レンズアレイ３の頂部３の幅を調節してＶｅ方向の視野とＨｏ方向の視野が異なるようにし、第３レンズアレイ７のアスペクト比を変化させた種々のレンズシートを作製した。図１１（ａ）にＶｅ方向およびＨｏ方向の半値角とアスペクト比との関係を示す。図１１（ｂ）にＶｅ方向およびＨｏ方向の輝度変化量とアスペクト比との関係を示す。

第３レンズアレイ７のアスペクト比が大きくなると、第１レンズアレイ３の集光効果および第２レンズアレイ５の集光効果の両方が弱まり、Ｖｅ方向とＨｏ方向の半値角が広くなる。逆に、第３レンズアレイ７のアスペクト比が小さくなると、第１レンズアレイ３の集光効果および第２レンズアレイ５の集光効果の両方が強まるため、Ｖｅ方向およびＨｏ方向の半値角が狭くなる。

第３レンズアレイ７のアスペクト比が大きくなると、第１レンズアレイ３の集光効果および第２レンズアレイ５の集光効果の両方が弱まり、Ｖｅ方向とＨｏ方向の輝度変化量が下がる。アスペクト比が１５％以上になると輝度変化量が少なくなるが、２０％以上になっても輝度変化量は変わらない。逆に、第３レンズアレイ７のアスペクト比が小さくなると、第１レンズアレイ３の集光効果および第２レンズアレイ５の集光効果が強まるため、Ｖｅ方向とＨｏ方向の輝度変化量が上がる。アスペクト比が５％未満になると輝度変化量が変わりやすいため、アスペクト比は５％以上が効果的である。

本発明のディスプレイ装置７０をテレビ用途として使用する場合、Ｈｏ方向の半値角が広いことが望ましい。これは、観察者がＨｏ方向の様々な位置からテレビを観察するためである。

本発明のディスプレイ装置７０を広告看板用途等として使用する場合、Ｖｅ方向の半値角が広い、またはＶｅ方向とＨｏ方向の半値角が広いことが望ましいことがある。

本発明のレンズシート１では第１レンズアレイ３をＶｅ方向に配列してもよいし、Ｈｏ方向に配列してもよい。上述した通り、第１レンズアレイ３の頂部３ａの幅Ｌを変化させることで、Ｖｅ方向、Ｈｏ方向、または両方の半値角を制御できる。従って、第１レンズアレイ３の頂部３ａの幅Ｌと、第１レンズアレイ３を構成する単位レンズのピッチＰとの比は任意に選ぶことができる。

本発明のレンズシート１では、第３レンズアレイ７の方向は第１レンズアレイ３の方向または第２レンズアレイ５の方向に対して斜め方向であるが、第１レンズアレイ３または第２レンズアレイ５とのなす角度を４５度±１５度の範囲で変化させてもよい。上述した通り、第３レンズアレイ７の方向を変化させることでＶｅ方向、Ｈｏ方向、アスペクト比により輝度変化量を制御できる。従って、第３レンズアレイ７の高さＳと、第３レンズアレイ７を構成する単位レンズのピッチＲとの比を任意に選ぶことができる。

また、本発明のレンズシート１において、第３レンズアレイ７と第１レンズアレイ３および第２レンズアレイ５との関係は必要ではなく、第３レンズアレイ７のパラメーターであるピッチ、位置合わせ、方向を任意に選ぶことができる。

第３レンズアレイ７の単位レンズは第１レンズアレイ３の台形プリズムの方向に対して斜め方向に向いており、第３レンズアレイ７を構成する単位レンズのピッチＲと、第１レンズアレイ３を構成する単位レンズのピッチＰとの関係は０．０５≦Ｒ／Ｐ≦０．５であることが望ましい。ＲがＰと同じまたはＰより大きい場合、第１レンズアレイ３の各単位レンズに入射する光の方向または入射個所が隣同士であまりにも異なるので、結果的に第１レンズアレイ３が観察側Ｆ方向に輝度ムラを生じさせ、望ましくない表示をもたらす。逆に、ＲがＰより小さい場合、第１レンズアレイ３の各単位レンズにほぼ同じ光が入射され、均一な表示が得られる。なお、ＲがＰより非常に小さい場合、例えば、Ｒ／Ｐ＜０．０５の場合、第３レンズアレイ７の形成が難しくなるうえに、回折が現れるおそれがあり、第３レンズアレイ７の効果が少なくなるので望ましくない。

図１０（ａ）、（ｂ）および図１１（ａ）、（ｂ）に示したように、第３レンズアレイ７のアスペクト比により半値角と輝度変化量が影響を受ける。高い正面輝度、広い視野角、低い輝度変化量が望ましいが、全てを満足することは難しい。液晶テレビの場合、重要なのは広い視野角と低い輝度変化量である。正面輝度が高くても、視野が狭い、または見る角度によって輝度が急激に変化する場合には、望ましいディスプレイとはいえない。一方、正面輝度が少し低くても、視野が広く、輝度が見る角度によって滑らかに変化する場合には、望ましいディスプレイといえる。

第３レンズアレイ７のアスペクト比は２％以上、２０％以下が望ましく、更には５％以上、１５％以下が望ましい。アスペクト比が２０％以上になると正面輝度が低下し続けるが輝度変化量の変化が鈍くなって、効果がだんだん薄くなるので望ましくない。逆に、アスペクト比が２％未満の場合、形状をつけるが難しくなって、効果が薄いのでメリットが少ない。

また、第１レンズアレイ３５を構成する単位レンズのピッチＰと、第２レンズアレイ５を構成する単位レンズのピッチＱとの関係は、０．０５≦Ｑ／Ｐ≦２．０であることが望ましい。本発明のレンズシート１の第２レンズアレイ５は第１レンズアレイ３の頂部３ａに形成される。第１レンズアレイ３の単位レンズは台形プリズムであり、第２レンズアレイ５の単位レンズは三角プリズムである。その頂角の最適範囲は７０度〜１１０度である。第１レンズアレイ３を頂角が７０度の台形プリズムとし、第２レンズアレイ５を頂角が１１０度の三角プリズムとしたとき、第２レンズアレイ５を構成する単位レンズのピッチＱが第１レンズアレイ３を構成する単位レンズのピッチＰの２倍を超えると（Ｑ／Ｐ＞２．０）、第１レンズアレイ３を構成する単位レンズの高さより、第２レンズアレイ５を構成する単位レンズの高さの方が高くなり、第１レンズアレイ３の効果は消滅する。従って、Ｑ／Ｐは２以下であることが望ましい。第２レンズアレイ５を構成する単位レンズのピッチＱが、第１レンズアレイ３を構成する単位レンズのピッチＰより小さい場合は、光学特性上問題ないが、例えば第２レンズアレイ５を構成する単位レンズのピッチＱを２０μｍとしたとき、Ｑ／Ｐが０．０５であると、第１レンズアレイ３を構成する単位レンズのピッチＰは４００μｍとなる。第１レンズアレイ３を構成する単位レンズのピッチＰが大きくなりすぎると、画像表示パネル３５の周期構造と第１レンズアレイ３の周期構造との間でモアレ干渉縞が生じやすくなるため望ましくない。一方、第１レンズアレイ３を構成する単位レンズのピッチＰを小さくすると、第２レンズアレイ５を構成する単位レンズのピッチＲが小さくなり過ぎるため望ましくない。従って、Ｑ／Ｐは０．０５以上であることが望ましい。

本発明のレンズシート１は、図１２（ａ）および（ｂ）に示す型を用いて製造する。レンズシート１の表面形状は図１２（ａ）に示すような型２を用いて形成する。レンズシート１の裏面形状は図１２（ｂ）に示すような型２ａを用いて形成する。図１２（ａ）中の第１レンズアレイ型４により第１レンズアレイ３が形成され、第２レンズアレイ型６により第２レンズアレイ５が形成される。あるいは、透光性基材１７上に第１レンズアレイ３を形成した後、第２レンズアレイ５を形成することもできる。

以上においては、本発明のレンズシート１の第３レンズアレイ７の単位レンズが１方向に延長した半円柱状レンズである場合について説明してきたが、これに限らず、第３レンズアレイ７として単位レンズが２次元配列したマイクロレンズを使用することもできる。

図１３は、第１レンズアレイ３の単位レンズが台形プリズム、第２レンズアレイ５の単位レンズが三角プリズム、第３レンズアレイ７の単位レンズが２次元配列した球面レンズであるレンズシートを斜め下方からみた斜視図である。

図１３の第３レンズアレイ７は２次元に配列しているため、図５に示している構成と同じように、Ｖｅ方向の視野とＨｏ方向の視野に光学的な影響が得られる。ただし、２次元配列されたマイクロレンズに隙間があるため、平面部分が占める面積率により効果が異なる。同じ効果を得るためには、平面部分の面積率が小さいと低アスペクト比で十分であるが、逆に平面部分の面積率が大きいと高アスペクト比が必要となる。アスペクト比を２０％にした場合、平面部分の面積率を５０％〜９０％にすることが望ましい。

図１に示すように、本発明のレンズシート１は、光源４１から拡散板２５および間隙（空気層）１００を伝達してきた光を入射面から入射させ、その光を入射面の反対面から光学利得が１以上の光Ｋとして出射する。

光学利得とは光学的な拡散部材の拡散性を示す指標の一つであり、完全拡散する拡散体の輝度を１として、その光の輝度との比で表される。測定する拡散部材の拡散性が方向によって偏っている場合、方向ごとの光学利得を出すことで、その拡散部材の拡散特性を示すことができる。

また、完全拡散とは、吸収が０で、どの方向にも一定の強度をもつとする理想的な拡散体のことを示す。つまり、光学利得が１以上であるということは、その測定する方向に光を集める効果を持つことを示し、その値が大きいほど集光効果が強いことを示す。

拡散板２５は、透明樹脂に光拡散領域が分散されて形成されている。透明樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを用いることができ、例えば、ポ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、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィンポリマー、メチルスチレン樹脂、フルオレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン、アクリルニトリルスチレン共重合体、アクリロニトリルポリスチレン共重合体などを用いることができる。

光拡散領域は、光拡散粒子からなることが好ましい。好適な拡散性能を容易に得ることができるためである。

光拡散粒子としては、無機酸化物または樹脂からなる透明粒子を用いることができる。無機酸化物からなる透明粒子としては、例えば、シリカ、アルミナなどを用いることができる。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およびその架橋体、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）、およびＥＴＦＥ（エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体）等のフッ素ポリマー粒子、シリコーン樹脂粒子などを用いることができる。

上述した透明粒子から２種類以上の透明粒子を組み合わせて使用してもよい。透明粒子の大きさ、形状は、特に規定されない。

拡散板２５に凹凸形状をつけるには、共押出形成法、射出成形法で拡散板２５を形成中に、凹凸形状を賦型するための金型に圧力をかけて密着させ、凹凸形状を転写する方法を用いることができる。

拡散板２５の入射面または出射面に、ＵＶ硬化樹脂のような放射線硬化樹脂を用いて成形することもできる。たとえば、共押出法により拡散板２５を板状部材として成形した後に、拡散板２５の入射面または出射面に凹凸形状をＵＶ成形して形成することができる。

凹凸形状を形成したフィルムを別体として形成して、接着材または粘着材からなる接合層を介して、凹凸形状を形成したフィルムと拡散板２５を張り合わせて形成してもよい。

光拡散領域として光拡散粒子を用いた場合には、拡散板２５の厚さが０．１〜５ｍｍであることが好ましい。

拡散板２５の厚みが０．１〜５ｍｍである場合には、最適な拡散性能と輝度を得ることができる。逆に、０．１ｍｍ未満の場合には拡散性能が足りず、５ｍｍを超える場合には樹脂量が多いため吸収による輝度低下が生じる。

透明樹脂として熱可塑性樹脂を用いた場合には、光拡散領域として気泡を用いてもよい。

熱可塑性樹脂の内部に形成された気泡の内部表面が光の乱反射を生じさせ、光拡散粒子を分散させた場合と同等以上の光拡散機能を発現させることができる。そのため、拡散板２５の膜厚をより薄くすることが可能となる。

このような拡散板２５として、白色ＰＥＴや白色ＰＰなどを挙げることができる。白色ＰＥＴは、ＰＥＴと相溶性のない樹脂や酸化チタン（ＴｉＯ₂）、硫酸化バリウム（ＢａＳＯ₄）、炭酸カルシウムのようなフィラーをＰＥＴに分散させた後、ＰＥＴを２軸延伸法で延伸することにより、フィラーの周りに気泡を発生させて形成する。

熱可塑性樹脂からなる拡散板２５は、少なくとも１軸延伸されていればよい。少なくとも１軸延伸させれば、フィラーの周りに気泡を発生させることができる。

熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン−２、６−ナフタレート、ポリプロピレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、シクロヘキサンジメタノール共重合ポリエステル樹脂、イソフタル酸共重合ポリエステル樹脂、スピログリコール共重合ポリエステル樹脂、フルオレン共重合ポリエステル樹脂等のポリエステル系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、脂環式オレフィン共重合樹脂等のポリオレフィン系樹脂、ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエーテル、ポリエステルアミド、ポリエーテルエステル、ポリ塩化ビニル、シクロオレフィンポリマー、およびこれらを成分とする共重合体、またこれら樹脂の混合物などを用いることができ、特に制限されない。

光拡散領域として気泡を用いた場合には、拡散板２５の厚さが２５〜５００μｍであることが好ましい。

拡散板２５の厚さが２５μｍ未満の場合には、シートのこしが不足し、製造工程やディスプレイ内でしわを発生しやすくなるので好ましくない。また、拡散板２５の厚さが５００μｍを超える場合には、光学性能については特に問題ないが、剛性が増すためロール状に加工しにくい、スリットが容易にできないなど、従来の拡散板と比較して得られる薄さの利点が少なくなるので好ましくない。

レンズシート１の厚みに関しては光学特性への影響よりはむしろ製造プロセスまたは要求されるレンズシート１の物理特性等により決められる。

例えば、ＵＶ成形により第１レンズアレイ３、第２レンズアレイ５を形成した場合、その支持基材フィルムの基材厚さＴは、５０μｍ以下だとシワが出るので、５０μｍ＜Ｔである必要がある。

さらに使用するバックライト・ユニットやディスプレイ装置のサイズによりその基材厚みは変化する。例えば、対角３７インチサイズ以上のディスプレイ装置では基材厚さＴは０．０５ｍｍから３ｍｍが望ましい。

一般にディスプレイも周期的な画素構造をもつものが多く、そのため、それぞれの周期構造同士のモアレ、３つ以上の周期構造で発生する２次モアレなどの高次のモアレが生じ見た目を損なう欠点が生じる。そこで、レンズシート１のレンズ方向が、画像表示パネル３５の周期構造の方向から３０度以下の範囲でずれていてもよい。これにより、画像表示パネル３５の周期的な画素構造の横或は縦の構造との間で生じるモアレを防止することができる。

モアレを防ぐ方法として、第１レンズアレイ３、第２レンズアレイ５および第３レンズアレイ７を蛇行させてもよい。

モアレを防ぐ別の方法として、第１レンズアレイ３、第２レンズアレイ５および第３レンズアレイ７のレンズピッチをランダムにしてもよい。この場合、レンズの高さとピッチを変えてランダムにする方法、レンズの高さを変えずにピッチのみをランダムにする方法、およびプリズムレンズのシフト量Δをランダムにする方法がある。ただし、外観上におけるムラの観点からレンズの高さを変えずにランダムにする方法が望ましい。その場合のランダム率（標準ピッチに対するピッチの増減率）は２０％以下が望ましく、１０％以下がより望ましい。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るディスプレイ装置７０は、画像表示パネル３５とバックライト・ユニット５５とから構成されている。

画像表示パネル３５は、２枚の偏光板（偏光フィルム）３１、３３と、その間に狭持された液晶パネル３２とからなる。液晶パネル３２は、たとえば、２枚のガラス基板の間に液晶層が充填されて構成されている。

バックライト・ユニット５５から出射された光Ｋは、偏光フィルター３３を介して液晶部３２に入射され、偏光フィルター３１を介して観察者側Ｆに出射される。

画像表示パネル３５は、画素単位で光を透過／遮光して画像を表示する素子であることが好ましい。画素単位で光を透過／遮光して画像を表示するものであれば、光学シート５２により、観察者側Ｆへの輝度が向上され、光強度の視角度依存性が低減され、さらにランプイメージが低減された光を有効に利用して、画像品位の高い画像を表示させることができる。

画像表示パネル３５は、液晶表示素子であることが好ましい。液晶表示素子は、画素単位で光を透過／遮光して画像を表示する代表的な素子であり、他の表示素子に比べて、画像品位を高くすることができるとともに、製造コストを低減することができる。

本発明の実施形態に係るディスプレイ装置７０に、拡散フィルム、プリズムシート、偏光分離反射シートなどを配置してもよい。そうすることにより、画像品位をより向上させることができる。

本発明の実施形態に係るディスプレイ装置７０は、光学シート５２により集光・拡散特性を向上させた光Ｋを利用する構成なので、観察者側Ｆの輝度を向上させ、光強度の視角方向の分布を滑らかにするとともに、ランプイメージを低減した画像を画像表示パネル３５に表示することができる。

本発明の実施形態に係るディスプレイ装置７０は、画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する画像表示パネル３５で、バックライト・ユニット５５により集光・拡散特性を向上させた光Ｋを利用する構成なので、観察者側Ｆの輝度を向上させ、光強度の視角方向の分布を滑らかにするとともに、ランプイメージを低減した画像を得ることができる。

本発明の実施形態に係るディスプレイ装置７０は、画像表示パネル３５が液晶表示素子であり、バックライト・ユニット５５により集光・拡散特性を向上させた光Ｋを利用する構成なので、観察者側Ｆの輝度を向上させ、光強度の視角方向の分布を滑らかにするとともに、ランプイメージを低減した画像を得ることができる。

ここまで、本発明のレンズシート１、それを用いた光学シート５２を液晶表示装置に用いた場合について説明してきたが、これに限らず背面投射型スクリーン、太陽電池、有機または無機ＥＬ、照明装置など、光路制御を行うものであれば、いずれのものにも使用することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

［実施例１］
ポリカーボネートを用いて基材１７の厚みを２５０μｍとしてレンズシート１を押出成形法により作製した。第１レンズアレイ３を、頂角が９０度、レンズピッチが１００μｍ、頂部３ａの幅Ｌが１４μｍの台形プリズムとした。第２レンズアレイ５を、頂角が９０度、レンズピッチが３３μｍの三角プリズムとした。第１レンズアレイ３と第２レンズアレイ５とのなす角度は９０度とした。第３レンズアレイ７を、レンズ半径が４３０μｍ、レンズピッチが４０μｍの半円柱状レンズとした。第３レンズアレイ７と、第１レンズアレイ３または第２レンズアレイ５とのなす角度を４５度に配列した。

［比較例１］
ポリカーボネートを用いて基材１７の厚みを２５０μｍとしてレンズシート１を押出成形法により作製した。第１レンズアレイ３を、頂角が９０度、レンズピッチが１００μｍ、頂部３ａの幅Ｌが１４μｍの台形プリズムとした。第２レンズアレイ５を、頂角が９０度、レンズピッチが３３μｍの三角プリズムとした。第１レンズアレイ３と第２レンズアレイ５とのなす角度は９０度とした。基材１７の裏面は平面にした。

実施例１で作製したレンズシート１と、比較例１で作製したレンズシートとをバックライト５５に配置し、その配光分布を測定した。バックライト５５の構成は、反射板４３の観察者側ＦにＣＣＦＬ４１を配置し、その上（観察者側Ｆ）に拡散板２５、レンズシート１という順番で配置した。

実施例１のレンズシートは、第１レンズアレイ３の配列方向をＶｅ方向として配置した。その結果、比較例のレンズシートでは、正面輝度が高いが、正面から視野を変えると上下方向（Ｖｅ方向）３０度近辺の輝度が急激に下がる。実施例１のレンズシートでは、正面から視野を変えると、輝度変化がゆるやかで、違和感を生じないことを確認した。また、正面から横方向（Ｈｏ方向）へ視野を変えて半値角を比較すると、実地例１の半値角が若干広いことを確認した。

図９に示すように、実施例１のレンズシート１は半値角が広く、輝度変化量が小さいことを確認した。

本発明の実施形態に係るディスプレイ装置の断面図。 本発明の実施形態に係るレンズシートを斜め上方から見た斜視図。 本発明の実施形態に係るレンズシートの断面図。 本発明の実施形態に係るレンズシートの平面図。 本発明の実施形態に係るレンズシートを斜め下方から見た斜視図。 ９０度三角プリズムの輝度分布を示す図。 本発明の実施形態に係るレンズシートの輝度分布を示す図。 本発明の実施形態に係るレンズシートの輝度分布を示す図。 本発明の実施形態に係るレンズシートの輝度分布を示す図。 本発明の実施形態に係るレンズシートの半値角とアスペクト比との関係を示す図、および輝度変化量とアスペクト比との関係を示す図。 本発明の実施形態に係るレンズシートの半値角とアスペクト比との関係を示す図、および輝度変化量とアスペクト比との関係を示す図。 本発明の実施形態に係るレンズシートを作製するための型を斜め下方から見た斜視図。 本発明の他の実施形態に係るレンズシートを斜め下方から見た斜視図。 ＢＥＦの配置の一例を示す断面図。 ＢＥＦの斜視図。 光強度と視野方向に対する角度との関係を示す図。

符号の説明

Ａ…ＢＥＦの光強度分布、Ｂ…光学フィルムの光強度分布、Ｈ、Ｋ…光、Ｌ…第１レンズアレイの頂部の幅、Ｐ…第１レンズアレイのピッチ、Ｑ…第２レンズアレイのピッチ、Ｒ…第３レンズアレイのピッチ、Ｓ…第３レンズアレイの高さ、Ｆ、Ｆ’…観察者側、Ｘ…観察方向、Ｖａ…輝度分布の谷間、Ｖｅ…画像表示装置垂直方向、Ｈｏ…画像表示装置水平方向、１…レンズシート、２…型、２ａ…型、３…第１レンズアレイ、３ａ…第１レンズアレイの頂部、３ｂ…第１レンズアレイの傾斜面、４…第１レンズアレイ型、５…第２レンズアレイ、５ａ…第２レンズアレイの頂部、６…第２レンズアレイ型、７…第３レンズアレイ、８…第３レンズアレイ型、１７…透光性基材、１７ａ…観察者と反対側の面、１７ｂ…観察者側の面、２５…拡散板、３１、３３…偏光板、３２…液晶パネル、３５…画像表示パネル、４１…光源、４３…反射板（反射フィルム）、５２…光学シート、５５…バックライト・ユニット、７０…ディスプレイ装置、１８２…拡散フィルム、１８４…光拡散フィルム、１８５…ＢＥＦ、１８６…透明基材、１８７…単位プリズム。

Claims (8)

1. 透光性基材と、
   透光性基材の一方の面に設けられた、第１の方向に沿って延在すると共に互いに平行に配置された複数の単位レンズを含む第１レンズアレイと、第１レンズアレイの各々の単位レンズの頂部に設けられ前記第１レンズアレイの単位レンズが延在する第１の方向と交差する第２の方向に沿って延在すると共に互いに平行に配置された複数の単位レンズを含む第２レンズアレイと、
   前記透光性基材の他方の面に設けられた、前記第１レンズアレイの単位レンズが延在する第１の方向および前記第２レンズアレイの単位レンズが延在する第２の方向のいずれとも異なる第３の方向に沿って延在すると共に互いに平行に配置された複数の単位レンズを含む第３レンズアレイと
   を有することを特徴とするレンズシート。
2. 前記第１レンズアレイの単位レンズが延在する第１の方向と前記第２レンズアレイの単位レンズが延在する第２の方向とのなす角度が略９０度であり、前記第３レンズアレイの単位レンズが延在する第３の方向と前記第１の方向または前記第２の方向とのなす角度が略４５度であることを特徴とする請求項１に記載のレンズシート。
3. 前記第３レンズアレイの単位レンズは半円柱形状をなすことを特徴とする請求項１に記載のレンズシート。
4. 前記第１レンズアレイの単位レンズは台形プリズム形状をなし、前記第２レンズアレイの単位レンズは頂角が７０度〜１１０度の範囲であるプリズム形状をなすことを特徴とする請求項３に記載のレンズシート。
5. 前記第１レンズアレイの単位レンズは台形プリズムの側面を延長して形成される頂角が７０度〜１１０度の範囲であることを特徴とする請求項４に記載のレンズシート。
6. 前記第３レンズアレイの単位レンズのアスペクト比が１％以上、２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のレンズシート。
7. 前記第３レンズアレイの前記透光性基材に対する面積比が５０％以上、９０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のレンズシート。
8. 表示画像を規定する画像表示パネルと、
   前記画像表示パネルの背面に設けられた光源と、
   前記光源から発せられた光を入射させて拡散させ拡散光を出射する拡散板と、
   請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレンズシートを含むバックライト・ユニットと
   を有することを特徴とするディスプレイ装置。

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