JP4784094B2 - レンチキュラーレンズシート、面光源装置、透過型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置等の照明に用いられるレンチキュラーレンズシート、面光源装置、及び、それらを用いた透過型表示装置に関するものである。

透過型の液晶ディスプレイ（ＬＣＤパネル）等を背面から照明する面光源として各種方式の面光源装置が提案、実用化している。面光源装置には、主として、面光源でない光源を面光源に変換する方式によりエッジライト型と直下型とがある。
例えば、直下型では、背面より並列の冷陰極管（発光管）を用いて光を導入するようになっており、冷陰極管とＬＣＤパネル等の透過型表示部との距離を適度に空け、その間に拡散板を用い、それに、光を収束させるシートを複数組み合わせて使用していた。
このような従来の方式では、必要とする光学シートの枚数が多い割に収束特性が不十分であり、それを補うためにＬＣＤパネルを改良して、斜め方向からの入射光に対しても画質を落とさない構造としていた。

しかし、この方式では、光の利用効率が低下する上、ＬＣＤパネルの構成も複雑となり、コスト増の要因になるという問題があった。
特に、直下型では、冷陰極管に近接した部分であるか否か（冷陰極管に至近の位置であるか、並列に並んだ冷陰極管の間隙部分に至近の位置であるか）によって光強度（輝度）にムラが発生し易い。これを抑えるために冷陰極管とＬＤＣとの間隔を大きく取ってしまうとディスプレイの厚さが厚くなってしまうという問題があった。また、ムラを抑えるために拡散を強くしたり、透過量を制限したりすると、光の使用量が低減してしまうという問題があった。

例えば、特許文献１及び２に記載の面光源装置では、遮光部分（ライティングカーテン，遮光ドット層）を設けることで均一性を維持しているが、この手法では、上述のように光の使用量が減少してしまっていた。
また、両面にレンチキュラーレンズを設けたシートを使用する方式も例えば、特許文献３で報告されているが、これは、２方向の拡散制御を行うための構成で、光を収束する機能はない。従って、冷陰極管との位置関係によってＬＣＤの場所毎に光軸がばらつくことにより、画面を観察する位置によって明るさのムラが発生したりするという問題もあった。
特開平０５−１１９７０３号公報 特開平１１−２４２２１９号公報 特開平０６−３４７６１３号公報

本発明の課題は、画面を観察する位置によらずムラのない均一な照明を行うことができるレンチキュラーレンズシート、面光源装置、透過型表示装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、直下型の面光源装置に設けられ、入射面側に凸状に形成された入射側単位レンズ形状が多数配列された入射側レンズ部（１４ａ）と、出射面側に凸状に形成された出射側単位レンズ形状が多数配列された出射側レンズ部（１４ｂ）と、を備え、前記入射側単位レンズ形状と前記出射側単位レンズ形状とは、シート面に沿って一方向に並んでおり、その並ぶ方向が同一方向であり、前記入射側レンズ部による半値角は、５°以上２０°以下の範囲内であり、前記入射側単位レンズ形状が配列される入射側ピッチ（Ｐ１）と前記出射側単位レンズ形状が配列される出射側ピッチ（Ｐ２）とは、大きさが異なっており、前記入射側ピッチと前記出射側ピッチの内で大きい側のピッチは、小さい側のピッチの２．４倍以上であり、前記入射側レンズ部は、短軸がシート面に対して直交して連続する略楕円筒の一部である１種類の前記入射側単位レンズ形状が配列されており、前記入射側レンズ部による半値角は、５°以上２０°以下の範囲内であり、前記出射側レンズ部は、長軸がシート面に対して直交して連続する略楕円筒の一部である１種類の前記出射側単位レンズ形状、又は、複数種類の前記出射側単位レンズ形状の集合である単位レンズ集合が繰り返し配列されており、光源から出射した光を拡散して均一化するレンチキュラーレンズシート（１４）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載のレンチキュラーレンズシートにおいて、前記出射側レンズ部（１４ｂ）の前記１種類の出射側単位レンズ形状、又は、前記複数種類の出射側単位レンズの内で高さが最も高い単位レンズ形状の高さをＨ、幅をＷ、前記出射側レンズ部の屈折率をＮとしたときに、ａｒｃｓｉｎ（１／Ｎ）＜ａｒｃｔａｎ（１／（（２Ｈ／Ｗ）−０．１））を満足すること、を特徴とするレンチキュラーレンズシート（１４）である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のレンチキュラーレンズシートにおいて、前記入射側単位レンズ形状、及び／又は、前記出射側単位レンズ形状の間には、平坦形状、凹形状、微細凹凸形状のいずれかが形成されていること、を特徴とするレンチキュラーレンズシートである。
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレンチキュラーレンズシートにおいて、板厚が１ｍｍ以下であること、を特徴とするレンチキュラーレンズシート（１４）である。

請求項５の発明は、透過型表示部（１１）を背面から照明する面光源装置であって、複数の光源を並べた光源部（１３）と、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のレンチキュラーレンズシート（１４）と、を備える面光源装置である。

請求項６の発明は、透過型表示部（１１）と、請求項５に記載の面光源装置（１２，１３，１４）と、を備える透過型表示装置である。
請求項７の発明は、請求項６に記載の透過型表示装置において、前記レンチキュラーレンズシート（１４）の出射側には、光拡散性を有する拡散シートを配置することなく前記透過型表示部（１１）が積層されていること、を特徴とする透過型表示装置である。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）直下型の面光源装置に設けられ、光源から出射した光を拡散して均一化するレンチキュラーレンズシートであるので、照明光を十分に拡散することができ、均一な照明をすることができる。

（２）入射側レンズ部による半値角は、５°以上２０°以下の範囲内であるので、ムラを消すために十分なレンズ効果を得ながらも、ピーク輝度の低下を最小限に抑えることができる。

（３）入射側ピッチと出射側ピッチの内で大きい側のピッチは、小さい側のピッチの２．４倍以上であるので、モアレの発生を防止することができる。

（４）出射側レンズ部は、長軸がシート面に対して直交して連続する略楕円筒の一部である１種類の単位レンズ形状、又は、複数種類の単位レンズ形状の集合である単位レンズ集合が繰り返し配列されているので、簡単な形状であって製造を容易に行うことができる。

（５）出射側レンズ部は、ａｒｃｓｉｎ（１／Ｎ）＜ａｒｃｔａｎ（１／（（２Ｈ／Ｗ）−０．１））を満足するので、照明光を小さな出射角度で出射することができ、斜めから観察したときに上述のムラが観察されないようにすることができるとともに、光の利用効率を高めることができる。

（６）入射側単位レンズ形状、及び／又は、出射側単位レンズ形状の間には、平坦形状、凹形状、微細凹凸形状のいずれかが形成されているので、法線方向に近い入射角度で入射する光の一部については、法線方向に近い出射角度で出射させることができ、光源に至近の位置における輝度の極端な低下を抑制することができ、均一性を高めることができる。また、これら、平坦形状、凹形状、微細凹凸形状から斜め方向に向かう光は、隣接する単位レンズに入射し、光の収束性を高めることができる。

（７）板厚が１ｍｍ以下であるので、押出し成型により両面を同時に成型することができる。

（８）レンチキュラーレンズシートの出射側には、光拡散性を有する拡散シートを配置することなく透過型表示部が積層されているので、薄型、かつ、安価な透過型表示装置とすることができる。

ムラのない均一な照明をするという目的を、光学シートの枚数を増加することなく、また、光学シートの枚数を減らしながら実現した。

図１は、本発明による透過型表示装置の実施例を示す図である。
なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
本実施例における透過型表示装置１０は、ＬＣＤパネル１１，反射板１２，発光管１３，レンチキュラーレンズシート１４，反射型偏光性シート１５等を備え、ＬＣＤパネル１１に形成される映像情報を反射板１２，発光管１３，レンチキュラーレンズシート１４，反射型偏光性シート１５を備える面光源装置により背面から照明する透過型の液晶表示装置である。

ＬＣＤパネル１１は、所謂透過型の液晶表示素子により形成されたライトバルブであって、３０インチサイズ、８００×６００ドットの表示を行うことができる。発光管１３の長手方向に沿った方向が、水平方向として使用され、発光管１３が並ぶ方向が、垂直方向として使用される。

発光管１３は、バックライトの光源部を形成する線光源の冷陰極管であり、本実施例では、略８０ｍｍ間隔で等間隔に６本が並列に並べられている。また、発光管１３と後述のレンチキュラーレンズシート１４との距離は、５０ｍｍとなっている。
発光管１３の背面には、反射板１２を設けており、その設計により画面各部位への入射光照度を均一に近づけるようにしている。
反射型偏光性シート１５は、ＬＣＤパネル１１とレンチキュラーレンズシート１４との間に配置され、視野角を狭めることなく輝度を上昇させるシートである。本実施例では、ＤＢＥＦ（住友スリーエム株式会社製）を使用している。
発光管１３と反射型偏光性シート１５との間には、レンチキュラーレンズシート１４が設けられている。

図２は、レンチキュラーレンズシート１４を示す斜視図である。
レンチキュラーレンズシート１４は、発光管１３から出射した光を拡散して均一化するシートであり、入射側には、入射側レンズ部１４ａが形成され、出射側には、出射側レンズ部１４ｂが形成されている。
図３は、図２中のＤＤ断面を拡大して示した図である。
入射側レンズ部１４ａは、短軸がレンチキュラーレンズシート１４のシート面に対して直交して連続する楕円筒の一部の形状からなる入射側単位レンズ形状が並べて形成されているレンチキュラーレンズ形状である。入射側レンズ部１４ａの入射側単位レンズ形状は、半径２０ミクロンの円筒面の一部形状である。したがって、本実施例では、図３に示した断面において、法線方向半径Ａ１＝シート面方向の半径Ｂ１であるが、法線方向半径Ａ１とシート面方向の半径Ｂ１とが異なる楕円筒の一部形状としてもよい。
入射側レンズ部１４ａは、上述の形状により、入射する光を拡散するが、その半値角は、約８°である。この入射側レンズ部による拡散半値角は、５°以上２０°以下の範囲内であることが望ましい。
なお、本発明中において、半値角とは、拡散半値角のことを指し、法線方向において測定した輝度を基準として、測定角度（出射角度と一致する方向の角度）を増やしながら輝度を測定し、輝度が法線方向輝度の１／２となる角度である。

ここで、入射側レンズ部の拡散半値角が異なるレンチキュラーレンズシートを用意して、入射側レンズ部の拡散半値角のピーク輝度とムラに与える影響を調べた結果を表１に示す。

表１から分かるように、入射側レンズ部の拡散半値角が５°以下であると、十分なレンズ効果を得ることができないことから、ムラを消すことができず、また、２０°以上となると、拡散が強すぎ、ピーク輝度の低下が激しくなってしまう。

出射側レンズ部１４ｂは、長軸がレンチキュラーレンズシート１４のシート面に対して直交して連続する楕円筒の一部の形状からなる出射側単位レンズ形状が並べて形成されているレンチキュラーレンズ形状である。出射側レンズ部１４ｂの出射側単位レンズ形状は、図３に示した断面において、長半径がＡ２＝４００μｍ、短半径がＢ２＝１２０μｍの楕円筒の一部となっており、出射側ピッチＰ２（＝Ｗ）＝１６０μｍで等間隔に並べられている。また、出射側レンズ部１４ｂの出射側単位レンズ形状は、突出している部分の高さＨ＝１００μｍ，幅Ｗ（＝Ｐ２）＝１６０μｍとなっている。
また、レンチキュラーレンズシート１４の板厚は、０．７ｍｍであり、屈折率Ｎ＝１．５５のＭＳ樹脂（アクリルスチレン共重合物）により形成されている。本実施例におけるレンチキュラーレンズシート１４は、上述のように板厚を１ｍｍ以下としたので、押出し成型により両面を同時に成型することができる。
なお、入射側単位レンズ形状及び出射側単位レンズ形状の並ぶ方向は、いずれも発光管１３の並ぶ方向と一致している（図１参照）。

図４は、レンチキュラーレンズシート１４に入射した光の典型的な軌跡を示した図である。
発光管１３の直上では、角度の同じ照明光が多くなるが、レンチキュラーレンズシート１４を配置することにより、その角度の同じ照明光が拡散される効果が非常に高くなり、レンチキュラーレンズシート１４から出射する照明光は、均一化される。よって、本実施例における透過型表示装置１０では、レンチキュラーレンズシート１４とＬＣＤパネル１１との間に所謂マットフィルム等の光拡散性を有する拡散シートを配置しなくとも、均一な照明を行うことができる。

先に述べたように、出射側レンズ部１４ｂの出射側単位レンズ形状は、突出している部分の高さＨ＝１００μｍ，幅Ｗ＝１６０μｍとなっており、屈折率Ｎ＝１．５５であるから、これらの値は、以下の式（１）を満足している。
ａｒｃｓｉｎ（１／Ｎ）＜ａｒｃｔａｎ（１／（（２Ｈ／Ｗ）−０．１）） ・・・式（１）
この式（１）は、レンズ谷の端から高さの１０％の位置で全反射した光がレンズ頂部で全反射するか否かを判断する式である。

図５は、本実施例におけるレンチキュラーレンズシート１４における光の進み方を比較例と比べて示した図である。図５（ａ）は、本実施例の場合を示し、図５（ｂ）は、比較例として、上記式（１）を満たさない形状を出射側に有するレンチキュラーレンズシートの場合を示している。
レンズ頂部には、色々な方向から光が到達するが、単位レンズ間の谷部において、ある一定方向から来た光が全反射し頂部から出射すると、斜め方向へ進んでしまう（図５（ｂ）中の光線Ｌ２参照）ので、斜めから観察したときにムラに見えてしまう。式（１）を満足することにより、図５（ａ）中の光線Ｌ１のように、小さな出射角度で出射することができ、斜めから観察したときに上述のムラが観察されないようにすることができるとともに、光の利用効率を高めることができる。

本実施例において、入射側単位レンズ形状が配列される入射側ピッチＰ１＝１０μｍであり、出射側単位レンズ形状が配列される出射側ピッチＰ２＝１６０μｍであるから、Ｐ２／Ｐ１＝１６となっている。ここで、入射側ピッチと出射側ピッチの内で大きい側のピッチは、小さい側のピッチの２．４倍以上であることが望ましい。
ここで、入射側ピッチと出射側ピッチの内で大きい側のピッチを小さい側のピッチにより割ったレンズピッチ比を変えたレンチキュラーレンズシートを用意し、モアレの有無を調べた結果を表２に示す。

表２から、ピッチの差が少ないと、モアレが発生してしまうことが分かる。よって、レンズピッチ比は、２．４以上とすることが望ましいのである。
本実施例では、この条件である２．４倍以上を満足している。
なお、このレンズピッチ比が２．４倍未満であったとしても、１．５倍付近であれば、モアレが少ないことが実験により分かっているので、レンズピッチ比は、１．５倍付近としてもよい。

本実施例によれば、レンチキュラーレンズシート１４を直下型の面光源装置に用いているので、十分な拡散効果を得ることができ、輝度ムラを解消することができる。また、レンチキュラーレンズシート１４のみによって、十分な拡散効果を得ることができるので、従来必要であった所謂マットフィルム等の光拡散性を有する拡散シートを追加的に使用する必要がなく、薄型、かつ、安価にすることができる。

（変形例）
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
（１）本実施例において、均一化シート１４は、入射側レンズ部１４ａの入射側ピッチが小さく、出射側レンズ部１４ｂの出射側ピッチが大きい例を示したが、これに限らず、この逆、すなわち、入射側レンズ部の入射側ピッチが大きく、出射側レンズ部の出射側ピッチが小さくてもよい。

（２）本実施例において、均一化シート１４、反射型偏光性シート１５を組み合わせて面光源装置、及び、透過型表示装置とした例を示したが、これに限らず、例えば、より強い拡散性を必要な場合には、拡散シートを追加してもよいし、これら以外の各種光学シートと均一化シート１４とを組み合わせて面光源装置、及び、透過型表示装置を形成してもよい。

（３）本実施例において、出射側レンズ部１４ｂは、１種類の出射側単位レンズ形状を並べて配置した例を示したが、これに限らず、例えば、複数種類の出射側単位レンズ形状を並べて配置してもよい。
図６は、複数種類の出射側単位レンズ形状を並べて配置した均一化シートを示す図である。
均一化シート２０は、出射側に出射側単位レンズ形状２１，２２，２３の３種類の出射側単位レンズ形状を１つの集合として、この集合が並べて形成されている。このような場合には、上記式（１）における高さＨには、最も高さの高い出射側単位レンズ形状の高さを代入して、式（１）を満たすようにすればよい。

（４）本実施例において、入射側単位レンズ形状及び出射側単位レンズ形状は、いずれも連続して並べられている例を挙げて説明したが、これに限らず、例えば、入射側単位レンズ形状の間、出射側単位レンズ形状の間の少なくとも一方に、平坦部や、凹形状、又は、微細凹凸形状を形成し、光の均一性と収束性を向上させてもよい。

本発明による透過型表示装置の実施例を示す図である。 レンチキュラーレンズシート１４を示す斜視図である。 図２中のＤＤ断面を拡大して示した図である。 レンチキュラーレンズシート１４に入射した光の典型的な軌跡を示した図である。 本実施例におけるレンチキュラーレンズシート１４における光の進み方を比較例と比べて示した図である。 複数種類の出射側単位レンズ形状を並べて配置した均一化シートを示す図である。

符号の説明

１０ 透過型表示装置
１１ ＬＣＤパネル
１２ 反射板
１３ 発光管
１４ レンチキュラーレンズシート
１４ａ 入射側レンズ部
１４ｂ 出射側レンズ部
１５ 反射型偏光性シート

Claims (7)

1. 直下型の面光源装置に設けられ、
   入射面側に凸状に形成された入射側単位レンズ形状が多数配列された入射側レンズ部と、
   出射面側に凸状に形成された出射側単位レンズ形状が多数配列された出射側レンズ部と、
   を備え、
   前記入射側単位レンズ形状と前記出射側単位レンズ形状とは、シート面に沿って一方向に並んでおり、その並ぶ方向が同一方向であり、
   前記入射側単位レンズ形状が配列される入射側ピッチと前記出射側単位レンズ形状が配列される出射側ピッチとは、大きさが異なっており、前記入射側ピッチと前記出射側ピッチの内で大きい側のピッチは、小さい側のピッチの２．４倍以上であり、
   前記入射側レンズ部は、短軸がシート面に対して直交して連続する略楕円筒の一部である１種類の前記入射側単位レンズ形状が配列されており、
   前記入射側レンズ部による半値角は、５°以上２０°以下の範囲内であり、
   前記出射側レンズ部は、長軸がシート面に対して直交して連続する略楕円筒の一部である１種類の前記出射側単位レンズ形状、又は、複数種類の前記出射側単位レンズ形状の集合である単位レンズ集合が繰り返し配列されており、
   光源から出射した光を拡散して均一化するレンチキュラーレンズシート。
2. 請求項１に記載のレンチキュラーレンズシートにおいて、
   前記出射側レンズ部の前記１種類の出射側単位レンズ形状、又は、前記複数種類の出射側単位レンズの内で高さが最も高い単位レンズ形状の高さをＨ、幅をＷ、前記出射側レンズ部の屈折率をＮとしたときに、
   ａｒｃｓｉｎ（１／Ｎ）＜ａｒｃｔａｎ（１／（（２Ｈ／Ｗ）−０．１））
   を満足すること、
   を特徴とするレンチキュラーレンズシート。
3. 請求項１又は請求項２に記載のレンチキュラーレンズシートにおいて、
   前記入射側単位レンズ形状、及び／又は、前記出射側単位レンズ形状の間には、平坦形状、凹形状、微細凹凸形状のいずれかが形成されていること、
   を特徴とするレンチキュラーレンズシート。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレンチキュラーレンズシートにおいて、
   板厚が１ｍｍ以下であること、
   を特徴とするレンチキュラーレンズシート。
5. 透過型表示部を背面から照明する面光源装置であって、
   複数の光源を並べた光源部と、
   請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のレンチキュラーレンズシートと、
   を備える面光源装置。
6. 透過型表示部と、
   請求項５に記載の面光源装置と、
   を備える透過型表示装置。
7. 請求項６に記載の透過型表示装置において、
   前記レンチキュラーレンズシートの出射側には、光拡散性を有する拡散シートを配置することなく前記透過型表示部が積層されていること、
   を特徴とする透過型表示装置。

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