JP3699145B2

JP3699145B2 - レンズシートおよびバックライト

Info

Publication number: JP3699145B2
Application number: JP01572995A
Authority: JP
Inventors: 則司大石
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 1994-02-03
Filing date: 1995-02-02
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: JPH08190806A

Description

【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レンズシートおよびバックライトに関するものであり、さらに詳しくは、バックライトの正面輝度を光学的な手段によって向上させることができるレンズシート、および、このようなレンズシートを用いたバックライトに関するものである。
【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製品において、液晶表示装置の消費電力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、液晶表示装置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、この消費電力をできる限り低く抑えることがバッテリー駆動時間を伸ばし、上記製品の実用価値を高める上で重要な課題とされている。
【０００３】
しかし、バックライトの消費電力を抑えことによって、バックライトの輝度を低下させたのでは液晶表示が見にくくなり好ましくない。そこで、バックライトの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。これを実現する手段として、図８に示したように、片面にプリズム列２を形成したプリズムシート１を、導光体７の出射面側に載置したバックライト３が提案されている。このプリズムシート１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】
このようなバックライト３では、導光体７からの出射光は、プリズムシート１に入射し、入射光の一部がプリズムシート１で屈折透過し、残りが反射して導光体７に戻される。例えば、図８に示したようなエッジライト式バックライト３では、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くなる指向特性を持っているため、プリズムシート１によって光線を屈折させることにより正面での輝度が増加するように指向特性を改善している。また、プリズムシート１からの反射光は、導光体７の出射面上に載置された拡散シート４で拡散反射され、出射面の輝度を増加させることができ、これに伴って正面輝度も増加される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図９は、このようなプリズムシート１のプリズム列２の断面を示したもので、プリズムシート１に入射した光線は、その入射角によって、プリズム斜面を直接透過して出射する成分ａ、一方のプリズム斜面で一旦反射した後、他方のプリズム斜面で再び反射して入射側に戻る成分ｂ、一方のプリズム斜面で一旦反射した後、他方のプリズム斜面を透過して出射する成分ｃに分けられる。この場合、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、通常、その割合は少ないものである。このうち成分ａは、正面方向すなわち観察方向に出射するものであり実際に利用される光線である。また、成分ｂは導光体７の出射面の拡散シート４で拡散反射され、出射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は液晶表示装置の有効な視野角外に広角度で出射する光線であり、正面輝度の増加には関与していない光線である。
【０００６】
この結果、プリズムシート１から出射光は、プリズム列２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）の範囲に分布する。これ以上の視野角になると、輝度は急激に低下し、一旦ほとんどゼロになった後に、さらに大きな視野角で再び輝度が増加する。このため、結果的に出射光の出射範囲を絞って輝度を増加した形になっている。
【０００７】
しかしながら、近年、液晶パネルの指向特性の改善が進み、指向特性が狭い方向においても±４０゜以上の視野角でも十分実用的なコントラストを示すものが開発されきており、±４０゜前後の視野角以上の範囲において輝度が急激に低下するような指向特性を有するバックライト３は好ましくなく、視野角の増加に伴う輝度の低下が緩やかで、ある程度広い指向特性を示すバックライトが望まれている。
本発明は、正面方向での輝度が最も高くなるような指向特性を有し、所定の視野角以上においても角度の増加に伴って緩やかに低下する輝度分布を有するとともに、前述したような正面輝度の増加に関与していない成分ｃの発生を抑え、高効率の輝度増加効果を有するレンズシートおよびバックライトを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、このような状況に鑑み、レンズシートのレンズ形状について鋭意検討した結果、本発明に到達したものである。
すなわち、本発明のレンズシートは、少なくとも一方の面に、互いに母線が平行である二つの凸状曲柱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、該結合部における二つの凸状曲柱面の双方の接面が１８０゜より小さい角度で交わってなることを特徴とするものである。また、本発明のバックライトは、導光体の出射面側に、拡散反射機能を有する拡散層を介して、互いに母線が平行である二つの凸状曲柱面が左右対称に結合した形状単位が、少なくとも一方の面に該母線と垂直な方向に多数並んで形成され、該結合部における二つの凸状曲柱面の双方の接面が１８０゜より小さい角度で交わってなるレンズシートを載置したことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明のレンズシートは、図３に示したように、互いに母線が平行である二つの凸状曲柱面１０、１０’が左右対称に結合した形状のレンズ単位が、母線と垂直な方向に多数並んで形成されているもので、二つの凸状曲柱面１０、１０’の結合部１１における夫々の凸状曲柱面に対する接面が１８０゜より小さい角度で交わるように結合した形状を有するものである。このような形状のレンズ単位を有すレンズシート９では、レンズシート９に入射した光線のうち、一方の凸状曲柱面１０で反射された光線は、その多くが他方の凸状曲柱面１０’で全反射され入射面側に戻り、一方の斜面で反射した後に他方の斜面から広角度に出射する正面輝度の増加に関与しない光線を低減することができる。
【００１０】
また、本発明のレンズシート９においては、レンズ単位を構成する二つの凸状曲柱面１０、１０’の形状を、レンズシート９に入射した光線のうち一方の凸状曲柱面１０で反射した光線が、他方の凸状曲柱面１０’で入射方向に全反射するような形状とすることにより、直接透過光する光線と反射して戻る光線のみが存在し、一方の斜面で反射した後に他方の斜面から広角度に出射する光線が存在しないため好ましい。なお、他方の凸状曲柱面１０’で全反射して入射面側に戻った光線は、導光体の出射面に設けられた拡散面で拡散反射され、出射面の輝度を増加させる有効な光線となる。
さらに、本発明においては、レンズシート９の斜面形状を曲面状とすることにより、従来のプリズムシートのように特定の視野角以上となると急激に輝度が低下するようなことがなく、典型的な例では、その輝度は３０゜〜３５゜から徐々に低下し、７０゜〜８０゜でゼロになるようななだらかな低下を示すことになる。
【００１１】
次に、本発明の好ましい実施態様について、図１〜図４に基づいて具体的に説明する。図３は、本発明の好ましい態様におけるレンズシート９のｘｚ断面図であり、（１）〜（３）式のφ＝θc、ｐ＝Ｔである最も特徴的な場合の光路追跡を表したものである。前述したような正面輝度の増加に関与しない広角度に出射する光線を発生させないためには、一方の凸状曲柱面１０で反射した光線がもう一方の凸状曲柱面１０’に達する際に、常に全反射角以上の入射角で凸状曲柱面１０’に入射するようにすればよい。すなわち、レンズ部の屈折率をｎとした時、一方の凸状曲柱面１０で反射した光線を、θｃ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ）で表される全反射角θｃ以上の角度で凸状曲柱面１０’入射させれば、Ｂ〜Ｄで示した光線のように凸状曲柱面１０’で全反射して入射面側に戻ることになる。
【００１２】
図３の右斜面の凸状曲柱面１０の各点から見たとき、最も小さな入射角で左斜面の凸状曲柱面１０’に入射する光線はＰ点からの反射光であるから、Ｐ点から凸状曲柱面１０’の各点を結んだ直線と凸状曲柱面１０’の各点における接面の法線となす角が全反射角θｃと等しくなるように選べば、凸状曲柱面１０の他の点からの反射光は全て凸状曲柱面１０’で全反射することになる。すなわち、凸状曲柱面１０’の谷に当たるＯ点を原点（０，０）にとると、Ｐ点の座標は（Ｔ，０）となり、凸状曲柱面１０’は、ｘ＝０のときに次の式（４）の条件を満足し、０＜ｘ＜Ｔ／２のときに次の式（５）の条件を満足すれば、凸状曲柱面１０からの反射光は全て凸状曲柱面１０’で全反射することになる。
【００１３】
【数４】
z=0 (x=0) ・・・（４）
【００１４】
【数５】
dz/dx={ztanθc+(x-T)}/{(x-T)tanθc-z} (0＜x＜T/2) ・・・（５）
また、右斜面の凸状曲柱面１０についても同様に、ｘ＝Ｔのときに次の式（６）の条件を満足し、Ｔ／２＜ｘ＜Ｔのときに次の式（７）を満足すれば、凸状曲柱面１０’からの反射光は全て凸状曲柱面１０で全反射することになる。
【００１５】
【数６】
z=0 (x=T) ・・・（６）
【００１６】
【数７】
-dz/dx={ztanθc-x}/{-xtanθc-z} (T/2＜x＜T) ・・・（７）
以上、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、レンズシート９の指向特性を変化させることが可能である。例えば、φ＞θｃあるいはｐ＜Ｔの場合には、レンズ単位の斜面の傾斜は一様に緩くなり、有効な視野角をより広くすることができ、特に広い視野角を必要とする場合に有効となる。この場合、広角度で出射する光線は生じないが、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の場合と比較して低下する傾向にある。正面輝度の増加率が低くなりすぎると、レンズシート９を使用する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程度までとすることが好ましい。
【００１７】
一方、φ＜θｃあるいはｐ＞Ｔの場合には、視野角は狭まくなるが、正面輝度の増加率をより高めることがき、視野角を幾分犠牲にしても高い正面輝度を必要とする場合に有効となる。この場合、広角度で出射する光線を若干生じることになる。しかしながら、φの減少あるいはｐの増加が僅かであれば、実際上は広角度で出射する光線はほとんど発生せず特に問題となならない。すなわち、図４には、ｐがＴより僅かに大きい場合の光路追跡を示しているが、一方の凸状曲柱面１０で反射した後に、他方の凸状曲柱面１０’から広角度に出射する光線Ｃは、隣のレンズ単位に到達して再びレンズシート９に戻ってくるため、結果として広角度で出射する光線は殆ど発生しないこととなる。さらにｐを大きくすれば、実質的に広角度に出射する光線が発生してくるが、その割合が僅かであれば実用上は大きな問題にはならない。φについても同様であり、広角度に出射する光線の割合が僅かとなる程度までφを小さくしても、実用上は大きな問題にはならない。しかし、ｐをあまり大きくしたり、φを小さくし過ぎたりすると、広角度で出射する光線の割合が増加して、正面輝度の低下を招くため好ましくない。このため、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。
【００１８】
従って、本発明のレンズシート９において、レンズ単位を構成する凸上曲柱面の形状は、ｘ＝０あるいはｘ＝Ｔのときに次の式（１）の条件を満足し、０＜ｘ＜Ｔ／２のときに次の式（２）の条件を満足し、Ｔ／２＜ｘ＜Ｔのときに次の式（３）の条件を満足するような形状とすることが好ましい。この場合、φは０．８θｃ〜１．２θｃの範囲、ｐは０．８Ｔ〜１．５Ｔの範囲とする。
【００１９】
【数８】
z=0 (x=0,x=T) ・・・（１）
【００２０】
【数９】
dz/dx={ztanφ+(x-p)}/{(x-p)tanφ-z} (0＜x＜T/2) ・・・（２）
【００２１】
【数１０】
-dz/dx={ztanφ+(T-x-p)}/{(T-x-p)tanφ-z} (T/2＜x＜0) ・・・（３）
本発明のレンズシート９は、図１に示すように、上記のような形状のレンズ単位８を、少なくとも一方の面に平行に多数本並べて形成したものである。通常、レンズシート９の厚さは０．１ｍｍ〜３ｍｍ程度、レンズ単位８のピッチＴは３０μｍ〜０．５ｍｍ程度とすることが好ましい。
このようなレンズシート９は、図８に示したプリズムシート１に換えて、導光体７の出射面側に載置して本発明のバックライト３を構成する。また、図２に示したように、本発明のレンズシート９をそのレンズ単位８を直交させて複数枚積層して使用することによって、バックライト３の正面輝度の増加効果をより向上させることができる。
【００２２】
本発明のバックライトにおいては、導光体の出射面を拡散面とするか、出射面上に拡散シートを載置して、その上にレンズシートを載置して使用する。これは、レンズシートの入射面側に拡散反射機能を有する拡散面を設けることによって、レンズシートのレンズ単位を構成する一方の凸上曲柱面で反射された後に他方の凸状曲柱面で全反射して入射面側に戻った光線が、拡散面あるいは拡散シートで拡散反射され、再びレンズシートに入射し出射面の輝度を増加させる有効な光線となるためである。また、導光体の出射面と反対側の面には、通常、反射シート等によって反射層が形成されており、このような反射層によって、レンズシートのレンズ単位を構成する一方の凸上曲柱面で反射された後に他方の凸状曲柱面で全反射して入射面側に戻った光線のうち、拡散面あるいは拡散シートを透過して導光体に入射した光線が、反射層で射され再びレンズシートに入射し出射面の輝度を増加させる有効な光線となる。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００２４】
実施例１
屈折率１．５９のポリカーボネート、屈折率１．４９のポリメチルメタクリレートからなる場合の夫々のレンズシートについて、式（４）〜（６）に基づいて、φ＝θｃ、ｐ＝Ｔのときのレンズ単位の形状を求め、その断面形状を図５に夫々実線と点線で示した。この断面形状に基づいて、レンズ単位のピッチＴを５０μｍとして、同図の断面形状と相似形のレンズパターンを形成した金型を製作した。この金型を使用して、厚さ０．５ｍｍのポリカーボネート板（屈折率＝１．５９）に、熱プレスによってレンズパターンを転写してレンズシートを得た。次いで、エッジライト式導光体の出射面に拡散シートを載置したたうえに、得られたレンズシートを載置してバックライトを構成した。このバックライトについて、輝度の角度分布を測定し、その結果を図６に実線で示した。このときの正面輝度の増加率は１．４倍であった。なお、図６に点線で示した輝度の角度分布は、レンズシートを使用しないバックライトについて測定したものである。
【００２５】
比較例１
頂角９０゜のプリズムを５０μｍピッチで並べたレンズパターンを形成した金型を製作した。この金型を使用して、厚さ０．５ｍｍのポリカーボネート板（屈折率１．５９）に、熱プレスによってレンズパターンを転写してプリズムシートを得た。得られたプリズムシートを、エッジライト式導光体の出射面に拡散シートを載置したたうえに、得られたレンズシートを載置してバックライトを構成した。このバックライトについて、輝度の角度分布を測定し、その結果を図７に実線で示した。このときの正面輝度の増加率は１．５５倍であった。なお、図７に点線で示した輝度の角度分布は、レンズシートを使用しないバックライトについて測定したものである。
【００２６】
図６と図７との比較から明らかなように、本発明のレンズシートは従来のプリズムシートと比較して、その正面輝度は若干低下するものの、従来のプリズムシートのように視野角の増加に伴って急激な輝度の低下をまねくことなく、視野角の増加に伴って徐々に輝度が低下するという指向特性を示している。その結果、半値幅が約２０゜程度広がり、広視野角の液晶パネルの性能を損なうことのない指向特性を有しているものである。また、図７に示した従来のプリズムシートのように、５０゜以上の広角度領域での輝度の増加もなく、正面輝度の増加に関与しない広角度で出射する光線の発生が抑止されているものである。
【００２７】
実施例２
図２に示したように、実施例１で得られたポリカーボネート製レンズシート二枚を使用して、そのレンズ単位を直交させて重ね合わせ、実施例１と同様にしてバックライトを構成した。このバックライトについて、正面輝度および輝度の角度分布を測定したところ、正面輝度の増加率は１．７倍であり、輝度の半値幅（視野角）は±３５゜であった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のレンズシートは、各レンズ単位の形状を、互いに母線が平行である二つの凸状曲柱面が左右対称に結合し、結合部における二つの凸状曲柱面の双方の接面が１８０゜より小さい角度で交わってなるような形状とすることによって、レンズシートの指向特性を改善し、その正面輝度の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提供することを可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレンズシートの一実施例の斜視図である。
【図２】本発明のレンズシートを使用したバックライトの一実施例の斜視図である。
【図３】本発明のレンズシートの作用を説明する断面図である。
【図４】本発明のレンズシートの作用を説明する断面図である。
【図５】本発明のレンズシートの片面に形成されるレンズ単位の設計例である。
【図６】実施例のレンズシートを使ったバックライトの輝度の角度変化を示す線図である。
【図７】比較例の従来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線図である。
【図８】従来のプリズムシートあるいは本発明のレンズシートの使用される形態を示す斜視図である。
【図９】従来のプリズムシートの作用を説明する断面図である。
【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・・・レンズシート表面の形成単位
９・・・本発明による一実施例のレンズシート
１０，１０’ ・・・の凸状曲柱面
１１・・・結合部

Claims

少なくとも一方の面に、互いに母線が平行である二つの凸状曲柱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、該結合部における二つの凸状曲柱面の双方の接面が１８０゜より小さい角度で交わってなることを特徴とするレンズシート。
凸状曲柱面が、レンズシートに入射した光線のうち一方の凸状曲柱面で反射した光線が、他方の凸状曲柱面で入射方向に全反射するような形状であることを特徴とする請求項１記載のレンズシート。
レンズシートの法線に平行にｚ軸を、凸の曲柱面の母線に平行にｙ軸を、形状単位の列方向にｘ軸をとるとき、形状単位が以下の式（１）〜（３）を満足するような形状を有することを特徴とする請求項１記載のレンズシート。

式（１）〜（３）において、φ＝0.8θc〜1.2θc（但し、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。
導光体の出射面側に、拡散反射機能を有する拡散層を介して、互いに母線が平行である二つの凸状曲柱面が左右対称に結合した形状単位が、少なくとも一方の面に該母線と垂直な方向に多数並んで形成され、該結合部における二つの凸状曲柱面の双方の接面が１８０゜より小さい角度で交わってなるレンズシートを載置したことを特徴とするバックライト。