JP5625261B2 - 輝度向上用光学シート - Google Patents

Description

本発明は、主に液晶表示素子である透過型の液晶表示パネルを裏面より照明するためのバックライト照明光路の制御に使用する光学シート、及びその光学シートを搭載したディスプレイ用バックライト・ユニット及び画像表示ディスプレイに関する。

近年、ＴＦＴ型液晶パネルやＳＴＮ型液晶パネルを使用した液晶表示装置は、主としてＯＡ分野のカラーノートＰＣを中心に商品化されている。

このような液晶表示装置においては、液晶パネルの背面側に光源を配置し、この光源からの光で液晶パネルを照明する方式、いわゆるバックライト方式が採用されている。

この種のバックライト方式に採用されているバックライト・ユニットとしては大別して２通りの方式がある。よくエッジライト様式と呼ばれる、冷陰極管等の光源ランプを光透過性に優れたアクリル樹脂等からなる平板状の導光板内で多重反射させる「導光板ライトガイド方式」と、導光板を用いない「直下型方式」とがある。

導光板ライトガイド方式のバックライト・ユニットが搭載された液晶表示装置としては、例えば、図９に示すものが一般に知られている。

これは、上部に偏光板７１，７３に挟まれた液晶パネル７２が設けられ、その下面側に、略長方形板状のポリメチルメタクリレートやアクリル等の透明な基材からなる導光板７９が設置されており、該導光板の光射出側に拡散フィルム７８が設けられている。

さらに、この導光板７９の下面に、導光板７９に導入された光を効率よく上記液晶パネル７２方向に均一となるように散乱して反射されるための散乱反射パターン部が印刷などによって設けられる（図示せず）と共に、散乱反射パターン部下方に反射フィルム７７が設けられている。

また、上記導光板７９には、側端部に光源ランプ７６が取り付けられており、さらに、光源ランプ７６の光を効率よく導光板７９中に入射させるべく、光源ランプ７６の背面側を覆うようにして高反射率のランプリフレクター８１が設けられている。上記散乱反射パターン部は、白色である二酸化チタン粉末を透明な接着剤等の溶液に混合した混合物を、所定パターン、例えばドットパターンにて印刷し乾燥、形成したものであり、導光板７９内に入射した光に指向性を付与し、光射出面側へと導くようになっており、高輝度化を図るための工夫である。

さらに、最近では、光利用効率をアップして高輝度化を図るべく、図１０に示すように、拡散フィルム７８と液晶パネル７２との間に、光集光機能を備えたプリズムフィルム７４，７５を設けることが提案されている。このプリズムフィルム７４，７５は導光板７９の光射出面から射出され、拡散フィルム７８で拡散された光を、高効率で液晶パネル７２の有効表示エリアに集光させるものである。

しかしながら、図９に例示した装置では、視野角の制御は、拡散フィルム７８の拡散性のみに委ねられており、その制御は難しく、ディスプレイの正面方向の中心部は明るく、周辺部に行くほど暗くなる特性は避けられない。そのため、液晶画面を横から見たときの輝度の低下が大きく、光の利用効率の低下を招いていた。
さらに、図１０に例示したプリズムフィルムを用いる装置では、プリズムフィルムの枚数が２枚必要であるため、フィルムの吸収による光量の低下が大きいだけでなく、部材数の増加によりコストが上昇する原因にもなっていた。

一方、直下型方式は、導光板の利用が困難な大型の液晶ＴＶなどの表示装置が用いられている。

直下型方式の液晶表示装置としては、図１１に例示する装置が一般的に知られている。これにおいては、上部に偏光板７１、７３に挟まれた液晶パネル７２が設けられ、その下面側に、蛍光管等からなる光源５１から射出され、拡散フィルム８２のような光学シートで拡散された光を、高効率で液晶パネル７２の有効表示エリアに集光させるものである。光源５１からの光を効率よく照明光として利用するために、光源５１の背面には、リフレター５２が配置されている。

しかしながら、図１１に例示する装置でも、視野角の制御は、拡散フィルム８２の拡散性のみに委ねられており、その制御は難しく、ディスプレイの正面方向の中心部は明るく、周辺部に行くほど暗くなる特性は避けられない。そのため、液晶画面を横から見たときの輝度の低下が大きく、光の利用効率の低下を招いていた。さらに、プリズムフィルムを用いるものでは、プリズムフィルムの枚数が２枚必要であるため、フィルムの吸収による光量の低下が大きいだけでなく、部材数の増加によりコストが上昇する原因にもなっていた。

また光源５１間の間隔が広すぎると、画面上に輝度ムラが生じやすく、光源５１の数を減らせず、消費電力の増加及びコストの増加を招く原因となっていた。

ところで、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おり、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、最近、目覚しい発展をみ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く、そのため、バックライト・ユニットの輝度向上を図ることが、装置自体の低消費電力を得るために必須となっている。

しかしながら、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、ユーザーからは、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・ユニットの開発が待ち望まれている。

特開２００７−２５６５７５号公報 特願２００８−１２５６７０号公報 特表２００８−５１５０２６号公報

近年、バックライト・ユニットに用いられる複数の光学シートの機能を、より少ない枚数の光学シートで実現しようとする試みがなされている。その為、集光と拡散の機能をあわせ持った光学シートの開発が盛んになされている。しかし、そのような機能を備えた光学シートの多くは表面に精密精緻な微細構造を有しており、また、重ねて配置されることから、振動や衝撃によって引き起こされる摩擦に起因する光学シート表面の傷（以後、これを磨耗痕と表記する）が生じやすく、それに伴って表示品位が低下してしまうという問題がある。
そのような磨耗痕の発生を防ぐためには、表面に耐擦傷性の高い材料をコーティングする手法などを用いることも可能だが、コーティング層による光のロスやコストアップ、反りの問題等が発生してしまう為、完全な解決策には至っていない。

本発明の目的は、光学シート表面にコーティングを施すことなく、耐擦傷性を向上させる上で有利な輝度向上用光学シートを提供することにある。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、 透光性の基材の片面に、一方向に延在する微細な多数の第一凸レンズが平行に配列されて成る第一レンズアレイを備え、前記各第一凸レンズの頂部上に、前記第一凸レンズの延在方向に交差する方向に延在する微細な多数の第二凸レンズが平行に配列されて成る第二レンズアレイが形成されてなる光学シートであって、前記第一レンズアレイの各第一凸レンズが台形プリズム形状であり、前記各第二凸レンズの延在方向に垂直な前記第二凸レンズのレンズ断面が、上底の両端に位置する角部が丸みを帯びた略台形状であり、前記各第二凸レンズの延在方向に垂直なレンズ断面における各第二凸レンズのレンズ表面上の二本の接線と前記基材とが成す鋭角をそれぞれθ１及びθ２とし、前記θ１及びθ２が４０°となるレンズ表面部の箇所をそれぞれＡ及びＢとしたとき、前記Ａ及びＢを含んでレンズ先端側の部位全域をレンズ頭頂部と呼び、前記Ａ及びＢを結ぶ直線距離をレンズ頭頂部の幅と呼ぶこととすると、前記レンズ頭頂部の幅の長さが、前記レンズ断面におけるレンズ両端部を結ぶ直線距離の５％以上で、且つ３０％以下であることを特徴とする光学シートである。
ただし、前記θ_１及び前記θ_２が４０°となるレンズ表面部が複数存在する場合には、それらのうち最もレンズ頂点部に近い位置をＡ及びＢとする。
また、第二凸レンズの延在方向に垂直なレンズ断面における各第二凸レンズの形状例を図１に示す。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光学シートにおいて、前記基材の他方の面が、略平坦部と、前記平坦部から突出する多数の突起部とで構成されることを特徴とする光学シートである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光学シートを搭載したディスプレイ用バックライト・ユニット及び画像表示ディスプレイである。

光学シートは、レンズ先端部が摩擦によって削れる、若しくは潰れることによって表面に傷が生じる。そこで本発明では、レンズ先端に一定以上の略平坦部を持たせることで傷の発生を防止し、磨耗痕による表示品位の低下を抑制している。

本発明の実施形態である光学シートの断面形状例による説明図である。 (a)、(b)は本発明の実施形態である光学シートの形状例を示す断面図である。 (a)、(b)は本発明の実施形態である光学シートの形状例を示す断面図である。 (a)、(b)、(c)は本発明の実施形態である光学シートの形状例を示す断面図である。 (a)、(b)、(c)は本発明の実施形態である光学シートの形状例を示す断面図である。 (a)、(b)、(c)は本発明の実施形態である光学シートの形状例を示す断面図である。 (a)本発明の実施形態である光学シートの形状例を示す斜視図である。(b)本発明の実施形態である光学シートの形状例を示す断面図である。 本発明の実施形態である光学シートの型の説明図である。 従来技術による液晶表示装置の構成例を示す説明図である。 従来技術による液晶表示装置の構成例を示す説明図である。 従来技術による液晶表示装置の構成例を示す説明図である。 本発明の光学シートを使用したバックライト構成例の断面を示す説明図である。

図７(a)は、第一レンズアレイ２が台形プリズム形状、第二レンズアレイ３が三角プリズム形状である場合の、本発明の形状例を示している。
光学シートは、透光性の基材４と、第一レンズアレイ２と、第二レンズアレイ３とを備える。
第一レンズアレイ２は、透光性の基材４の片面に、一方向に延在する微細な多数の第一凸レンズ２Ａが平行に配列されて構成されている。
第二レンズアレイ３は、各第一凸レンズ２Ａの頂部に、第一凸レンズ２Ａの延在方向に交差する方向（本実施の形態では直交する方向）に延在する微細な多数の第二凸レンズ３Ａが平行に配列されて構成されている。
第一凸レンズ２Ａは台形プリズムであり、第二凸レンズ３Ａは三角プリズムであり、したがって、台形プリズムの頂部に、三角プリズムが形成されて成る。光学シートに形成されるレンズが一方向の場合、レンズ配列方向側にのみ集光効果が得られる。従って、視野が狭い方向と広い方向とが存在する。
図７(b)は、図７(a)に示した光学シートの、平面Ｐにおける断面形状の平面視を表した図である。すなわち、図７(b)は、第二凸レンズ３Ａの延在方向に垂直なレンズ断面における第二凸レンズ３Ａの形状を示す。

例として、第二レンズアレイ３を構成する第一凸レンズ２Ａが半楕円プリズム形状であるときを考えると、前記平面Ｐにおける断面形状の平面視を表した図は図１のようになる。図１において、前記レンズ頭頂部の幅の長さをｗ_１で、前記レンズ両端部を結ぶ直線距離（第二凸レンズ３Ａの幅）をｗ_２で記している。
即ち、請求項１に記載の発明は、ｗ_１がｗ_２の３％以上であり、且つ３０％以下であることを特徴とする光学シートであると言い換えることができる。

前記ｗ_１が前記ｗ_２の３０％である光学シートは、前記ｗ_１が前記ｗ_２の３％である光学シートと比較して、５％以上の輝度の低下が認められる。その為、本発明の光学シートは基本的に前記ｗ_１の値が大きいほど耐擦傷性については有利であるが、輝度の観点から前記ｗ_１が前記ｗ_２の３０％を超えないことが好ましい。

本発明の光学シートは、前記第二レンズアレイを構成する第二凸レンズ３Ａが他の様々な形状の場合においても同様の効果が得られる。
それら第二凸レンズ３Ａの前記平面Ｐにおける断面形状の平面視を表した図を、図２〜図６に示す。

第一凸レンズ２Ａが延在する方向と、第二凸レンズ３Ａが延在する方向は、略９０°であることが好ましい。

光学シートは表面に微細な凹凸を具備し、この表面の微細な凹凸で光の拡散性を有していても良い。ここで、微細な凹凸の種類としては、凸状シリンドリカル形状のもの、レンズ形状のもの、三角プリズム形状が挙げられるが、これらに限らず、光拡散機能が微細の凹凸が付与される前に比較して向上する凹凸形状のものであれば上記の形状に限らない。
また、微細な凹凸は光学密着、ムラ、ニュートンリングなどの外観特性を向上することもできる。

光学シートは複層構造でも良く、透明層を含んでいても良い。

本発明の光学シートは表面形状に依存するものであり、光学シートの厚みについては特に制限は無い。

本発明の光学シートは、ポリカーボネート樹脂やポリスチレン樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系アクリル樹脂、エポキシアクリレート樹脂、メチルスチレン樹脂、フルオレン樹脂、シクロオレフィンポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、アクリル−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエン−アクリロニトリル共重合体など、一般によく用いられている様々な材料において有効である。
また、主となる材質の中に分散された透明粒子を具備することも可能である。

本発明の光学シートの製法例として、図８に示されるような光学シート６を作製する金型を用意し、該金型の逆版を起こして型とすることで、本発明の光学シート１（図７に示した形状）を作製する手法が挙げられる。図８中の第一レンズアレイ型部７により第一レンズアレイ２が形成され、第二レンズアレイ型部８により第二レンズアレイ３が形成される。
なお、最終的に同一の表面形状を有する光学シートを作製できるならば、その作製手段については特に制限は無い。

図１２は本発明の光学シートを使用したバックライト構成例の断面を示している。
光源１５からの光Ｋは、直接、或いは反射板１７で反射した後に拡散板５に入射する。その後、拡散板５の出射面から光学シート１の入射面に到達する。最終的に光は光学シート１の出射面からＬとして出射される。Ｌは偏光板２１に挟まれた液晶層１９に到達する。ここを透過した光はＳへと出射し、観察者に視認される。なお、使用する光学シートの枚数は、適宜増やしても良い。
なお、図面では構成を分かり易くするため便宜上、拡散板５と、光学シート１と、偏光板２１とを離して描いているが、実際には、拡散板５と、光学シート１と、偏光板２１とは重ねて配置される。

本発明の光学シートを使用したバックライト・ユニットは、直下型方式でも良く、また導光板ライトガイド方式でも良い。

バックライト・ユニットの光源としては、ＣＣＦＬ、ＬＥＤ、有機又は無機ＥＬなど、様々な光源を使用できる。

以上のように作製した光学シートは、従来の光学シートと比較して耐擦傷性が高く、パネル側最表面に用いても磨耗痕の発生を抑制することができる。バックライト・ユニットに使用する際は、市販の拡散板など様々な光学部材と共に本発明の光学シートを組み合わせて使用することで、所望の表示性能を持つディスプレイを提供することができる。

[実施例１]
（磨耗痕の評価方法）
１０４５ｍｍ×５９６ｍｍのサイズに断裁した拡散板及び光学シートを筐体内に設置した４６インチの薄型液晶テレビを梱包箱に収納し、前記テレビが直立するように梱包箱を立てた状態で、室温にて上下、左右、前後の三方向に各６０分ずつ振動させた。その際の振動条件として、振動数は５〜５０Ｈｚ、振幅は０．２〜１９．８ｍｍとしている。
振動終了後すぐに前記テレビ筐体から光学シートを取り出し、目視及びレーザー顕微鏡にて偏光板２１との摩擦による光学シート１のレンズ表面の磨耗痕の有無を確認した。

[実施例２]
（レンズ頭頂部の長さの検証）
前記レンズ頭頂部の幅の長さｗ_１が異なるいくつかの光学シートを用いて、ｗ_１の違いによるレンズ表面の耐擦傷性の差異を調べた。
上記の評価方法を用いて磨耗痕の調査をすると、前記レンズ断面におけるレンズ両端部を結ぶ直線距離ｗ_２に対し、前記ｗ_１が２％以下のとき激しい磨耗痕が確認され、３％以上のときには磨耗痕の発生が抑制され、また５％以上のときには磨耗痕が全く発生しなかった。
これにより、ｗ_１が少なくともｗ_２の３％以上であるときには耐擦傷性が向上するということを判じられ、またｗ_１が少なくともｗ_２の５％以上であるときには耐擦傷性が更に著しく向上するということが判った。

１・・・本発明の光学シート
２・・・第一レンズアレイ
３・・・第二レンズアレイ
４・・・基材
５・・・拡散板
６・・・光学シート
７・・・第一レンズアレイ型部
８・・・第二レンズアレイ型部
１５・・・光源
１７・・・反射板
１９・・・液晶層
２１・・・偏光板
５１・・・光源
５２・・・反射板
７１・・・偏光板
７２・・・液晶パネル
７３・・・偏光板
７４・・・プリズム
７５・・・プリズム
７６・・・光源
７７・・・反射フィルム
７８・・・拡散フィルム
７９・・・導光板
８１・・・反射板
Ｋ・・・光源からの光
Ｌ・・・光学部材からの出射光
Ｓ・・・ディスプレイの視認方向

Claims (3)

1. 透光性の基材の片面に、一方向に延在する微細な多数の第一凸レンズが平行に配列されて成る第一レンズアレイを備え、前記各第一凸レンズの頂部上に、前記第一凸レンズの延在方向に交差する方向に延在する微細な多数の第二凸レンズが平行に配列されて成る第二レンズアレイが形成されてなる光学シートであって、
   前記第一レンズアレイの各第一凸レンズが台形プリズム形状であり、
   前記各第二凸レンズの延在方向に垂直な前記第二凸レンズのレンズ断面が、上底の両端に位置する角部が丸みを帯びた略台形状であり、
   前記各第二凸レンズの延在方向に垂直なレンズ断面における各第二凸レンズのレンズ表面上の二本の接線と前記基材とが成す鋭角をそれぞれθ１及びθ２とし、前記θ１及びθ２が４０°となるレンズ表面部の箇所をそれぞれＡ及びＢとしたとき、前記Ａ及びＢを含んでレンズ先端側の部位全域をレンズ頭頂部と呼び、前記Ａ及びＢを結ぶ直線距離をレンズ頭頂部の幅と呼ぶこととすると、
   前記レンズ頭頂部の幅の長さが、前記レンズ断面におけるレンズ両端部を結ぶ直線距離の５％以上で、且つ３０％以下であることを特徴とする光学シート。
2. 請求項１に記載の光学シートにおいて、前記基材の他方の面が、略平坦部と、前記平坦部から突出する多数の突起部とで構成されることを特徴とする光学シート。
3. 請求項１または２に記載の光学シートを搭載したディスプレイ用バックライト・ユニット及び画像表示ディスプレイ。

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