(57)【要約】プリズムシート、該プリズムシートを使用したバックライト・ユニットおよび透過型液晶表示装置を提供する。本発明のプリズムシートは、所定の角度範囲の強度分布をもって入射される光線Ｌを反射させることにより光線の進行方向を変換するプリズムシート１０であって、シート基部１２から頂部１８ａにまで延び、かつ光線Ｌを全反射させるための反射面が、少なくとも曲率の小さな面と前記曲率の小さな面とは異なる面とを含む高次面１８から構成されている。また、本発明は、上述したプリズムシートを含んで構成されるバックライト・ユニットおよび透過型液晶表示装置を提供する。
2003040784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の角度範囲の強度分布をもって入射される光線を反射させることにより光線の進行方向を変換するプリズムシートであって、シート基部から頂部にまで延び、かつ前記光線を全反射させるための反射面が、少なくとも曲率の小さな面と前記曲率の小さな面とは異なる面とを含む高次面から構成された
プリズムシート。
【請求項２】
前記高次面は、複数の平面が連続して構成される
請求項１に記載のプリズムシート。
【請求項３】
前記高次面は、前記曲率の小さな面である少なくとも１つの平面と、該平面に連続する曲面とにより構成される
請求項１に記載のプリズムシート。
【請求項４】
前記プリズムシートには、複数の前記反射面が近接して形成されており、互いに隣接する前記反射面は、前記シート基部から隣接する反射面の頂部に延びた接続平面により接続される
請求項１〜３のいずれか１項に記載のプリズムシート。
【請求項５】
前記曲率の小さな面は、前記反射面の頂部から前記シート基部に向かう方向に沿った所定の位置まで延びる
請求項１〜４のいずれか１項に記載のプリズムシート。
【請求項６】
前記接続平面は、前記所定の角度範囲の強度分布をもって入射される光線を前記反射面へと透過させる
請求項１〜５のいずれか１項に記載のプリズムシート。
【請求項７】
前記プリズムシートは、透過率が９０％以上であり、かつ前記プリズムシートからの出射光の角度分布が半値全幅で１５°以下である
請求項１〜６のいずれか１項に記載のプリズムシート。
【請求項８】
液晶パネルを含んで構成される透過型液晶表示装置に使用され、
前記液晶パネルに照射される光線を与えるための光源と、
前記光線の進行方向を前記液晶パネルに向くように変化させるための導光板と、
前記導光板に隣接して配置されるプリズムシートとを含んで構成されるバックライト・ユニットであって、
前記プリズムシートは、所定の角度範囲の強度分布をもって前記導光板から入射される光線を全反射させるための反射面を含んで構成されており、前記反射面は、少なくとも曲率の小さな面と前記曲率の小さな面とは異なる面とを含む高次面から構成される
バックライト・ユニット。
【請求項９】
前記高次面は、複数の平面が連続して構成される
請求項８に記載のバックライト・ユニット。
【請求項１０】
前記高次面は、前記曲率の小さな面である少なくとも１つの平面と、該平面に連続する曲面とにより構成される
請求項８に記載のバックライト・ユニット。
【請求項１１】
前記プリズムシートには、複数の前記反射面が近接して形成されており、互いに隣接する前記反射面は、シート基部から隣接する反射面の頂部に延びた接続平面により接続される
請求項８〜１０のいずれか１項に記載のバックライト・ユニット。
【請求項１２】
前記曲率の小さな面は、前記反射面の頂部から前記シート基部に向かう方向に沿った所定の位置まで延びる
請求項８〜１１のいずれか１項に記載のバックライト・ユニット。
【請求項１３】
前記接続平面は、前記所定の角度範囲の強度分布をもって前記導光板から入射される光線を前記反射面へと透過させる
請求項８〜１２のいずれか１項に記載のバックライト・ユニット。
【請求項１４】
前記プリズムシートに構成された反射面の頂部は、前記導光板に隣接する
請求項８〜１３のいずれか１項に記載のバックライト・ユニット。
【請求項１５】
バックライト・ユニットと、液晶パネルとを含んで構成される透過型液晶表示装置であって、
前記バックライト・ユニットは、前記液晶パネルに照射される光線を与えるための光源と、
前記光線の進行方向を前記液晶パネルに向くように変化させるための導光板と、
前記導光板に隣接して配置されるプリズムシートとを含み、
前記プリズムシートは、所定の角度範囲の強度分布をもって前記導光板から入射される光線を全反射させるための反射面を含んで構成され、前記反射面は、少なくとも少なくとも曲率の小さな面と前記曲率の小さな面とは異なる面とを含む高次面から構成される
透過型液晶表示装置。
【請求項１６】
前記高次面は、複数の平面が連続して構成される
請求項１５に記載の透過型液晶表示装置。
【請求項１７】
前記高次面は、前記曲率の小さな面である少なくとも１つの平面と、該平面に連続する曲面とにより構成される
請求項１５に記載の透過型液晶表示装置。
【請求項１８】
前記プリズムシートには、複数の前記反射面が近接して形成されており、互いに隣接する前記反射面は、シート基部から隣接する反射面の頂部に延びた接続平面により接続される
請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の透過型液晶表示装置。
【請求項１９】
前記曲率の小さな面は、前記反射面の頂部からシート基部に向かう方向に沿った所定の位置まで延びる
請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の透過型液晶表示装置。
【請求項２０】
前記接続平面は、前記所定の角度範囲の強度分布をもって前記導光板から入射される光線を前記反射面へと透過させ、前記プリズムシートに構成された反射面の頂部は、前記導光板側に隣接する
請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の透過型液晶表示装置。
【請求項２１】
さらに前記バックライト・ユニットと前記液晶パネルとの間にレンズ要素が配置された
請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の透過型液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、プリズム構造を含むプリズムシートに関し、より詳細には、透過型液晶表示装置といった表示装置において、光線を選択的に反射させるためのプリズム構造を含むプリズムシート、該プリズムシートを含んで構成されるバックライト・ユニットおよび透過型液晶表示装置に関する。
液晶表示装置、特に透過型液晶表示装置は、携帯用ノート・パソコンやテレビなどに適用され、近年、ますます消費電力を抑え、バッテリ駆動時間を延ばすこと、軽量化、高コントラスト化、小型化を達成することが要望されている。上述した透過型液晶表示装置は、通常、小型蛍光管といった光源を使用したバックライト・ユニットにより背面から光線が照射され、薄膜トランジスタ・アレイといった駆動手段により駆動される液晶パネルの光透過性の変化に応じた種々の表示を行うことが可能とされている。この場合、特に消費電力を抑え、バッテリ駆動時間を延ばすために、小型蛍光管といった光源の消費電力を抑えるだけでは、表示部の輝度が低下してしまい、表示が暗くなるので見づらくなり、またコントラストも低下し、良好な表示特性を提供することが困難となる。
このため、消費電力を抑えつつも輝度が向上するようなバックライト・ユニットが要求されており、特に近年では液晶表示装置のバックライト・ユニットとしては指向出射性のあるタイプのものが多く用いられるようになってきている。この理由は、指向性のあるバックライトの方が従来の散乱式のものよりも、反射による損失が少なく、小型蛍光管からの光線を有効に利用することを可能として、良好な表示特性を付与しつつ消費電力を抑えることができるからである。
またこれまで液晶表示装置に使用される上述したバックライト・ユニットには、種々の方式を採用するものが提案されており、これまで提案された方式としては、例えば直下方式、サイドライト方式などを挙げることができる。特に近年では、透過型液晶表示装置の薄型化、軽量化にともない、サイドライト方式が主流になっている。
図２６には、従来のサイドライト方式のバックライト・ユニットを示す。従来のバックライト・ユニットは、図２６に示すように、小型蛍光管などの光源６０と、リフレクタを備えるランプホルダからなる光源部６２と、光源６０からの光線を面内に導く導光板６４と、その下部に設けられる反射板６６とを含んで構成されている。また、図２６に示されるように、導光板６４の上側には、集光目的のプリズムシート６８と、輝度むらを解消するための拡散板７０などの光学部材が配置されて構成されている。
光源６０から照射される光線は、光源部６２で集光された後、導光板６４に入射される。導光板６４は、透明なアクリル樹脂などで形成されており、入射した光線を反射させながら導光板６４の内部に沿って導き、導光板全面にわたって概ね均一な輝度を与える平面光源を構成している。この際、光線を導光板から出す方式としては、大別して２つあり、取り出す方法によって出射分布も異なることになる。
導光板６４から光を取り出すための方式の１つは、液晶テレビやモニタなどに多用される方式であり、光線Ｌを、導光板の底面に印刷されたドット・パターンによって散乱させることで導光板６４の法線方向正面に取り出す方式である。この方式によって導光板６４から取り出された光線Ｌは、比較的等方的に広がった分布を有している。
また、導光板６４から光を取り出す別の方式としては、携帯用ノートブック・パーソナル・コンピュータ、テレビ、セルラ電話などに多用される方式であり、導光板６４を楔型に構成し、光線の全反射条件を破ることによって導光板の外に取り出す方法である。この場合にも偏向あるいは輝度むらを解消するため、導光板の底にはドット・パターンが印刷または加工されている。上述した方式により光線を取り出す場合には、出射光は、導光板６４の法線方向より光の進行方向側に大きく傾いた斜め方向に強度ピークを持った、指向性のある分布を有することになる。上述したいずれの取り出し方法でも、導光板６４の底面からもれ出た光線は、導光板の裏面に配置された反射板６２によって法線方向へ偏向されることになる。
また、光源の輝度むらを低減するために、図２６に示されるように導光板６４の上には１枚または２枚の拡散板が設置される場合が多い。また導光板６４、拡散板７０からの光線を偏向・集光することによって正面輝度を向上させるため、拡散板の他に必要に応じた枚数のプリズムシートが適宜配置されることになる。
これまで、透過型液晶表示装置の種々の特性を改良するために、上述したプリズムシートについても検討が加えられてきている。例えば、指向出射性のあるサイドライト式バックライト・ユニットの導光板面から出射される光線は、上述したように通常、法線方向から光源の入射方向と反対側斜め方向に強度ピークがある射出光分布を示す。通常では、プリズムシートやレンズシートなどの光学シートは、この導光板からの光を偏向するために使用される。この際のプリズムの形状またはレンズ構造についても、これまで種々の検討が行われてきており、例えば、プリズムシートにはプリズム部がシート上面にある図２６に示すような上向き型と、プリズム部が下面に設けられた特開２０００−８９００９号公報に開示されているような、下向き型のプリズムシートが提案されている。
以下、本発明においては、プリズム部が上側、すなわち液晶パネル側を向いたものを上向きプリズムシート、プリズム部が下側、すなわち導光板側を向いたものを下向きプリズムシートとして参照する。上向きプリズムシートと下向きプリズムシートとは、それぞれ光の偏向の原理および構成が異なったものとなっている。
上向きプリズムシートで最も一般的な形状は、プリズム断面が直角二等辺三角形のものである。このプリズムシートは、通常２枚組み合わせて導光板の上に配置されていて、一枚がプリズム三角柱が光源に平行になるように設置され（光を蛍光管に平行方向に射出される光線の集光）、もう一枚は、三角柱が小型蛍光管に垂直に置かれる（光の進行方向の集光）。その間または下側には、通常、輝度むらをなくすための拡散板が配置される。
しかしながら、上向きプリズムシートは、液晶パネルやテレビの指向性の低い光線を偏向するには適しているものの、楔形導光板を使用する指向性の高いバックライト・ユニットからの光線の法線方向への偏向には最適なものとはいえない。またこれまで、特開平７−２３０００２号公報、特開平８−２５４６０６号公報には、上向きプリズムシートとしてプリズム断面の形状が五角形のものが開示され、特開平７−２９４７０９号公報、特開２０００−３４７０１１号公報には、プリズム側面が曲面とされた上向きプリズムシートが開示されている。上述したプリズムシートは、どちらも屈折の原理を使って光線を偏向することで法線方向の輝度を向上することを目的とするものである。
一方で、特開平１１−８４１１１号公報、特開２０００−８９００９号公報では、指向出射性のあるバックライト・ユニットの輝度向上のために構成された下向きプリズムシートが開示されている。
特開平１１−８４１１１号公報、特開２０００−８９００９号公報において開示されるような下向きプリズムシートは、従来では、導光板の上にプリズム部の頂部が隣接する配置として使用される。また、プリズムシートと導光板の間には、拡散板が配置される場合もある。下向きプリズムシートにも様々な形状のものが提案されているものの、プリズム断面が二等辺三角形のものが最も一般的である。また、特に下向きプリズムシートの中でも輝度向上に有効であるとされる構造は、プリズム構造を左右非対称に構成する非対称プリズムシートである。しかしながら、これらの従来知られている下向きプリズムシートについても、種々の問題点が指摘されていた。
図２７には、下向きプリズムシートのなかでも最も一般的な、プリズム断面が二等辺三角形の構造を有するプリズム構造の概略図である。図２７に示したプリズムシートは、導光板から入射した光線をプリズム上面に偏向させて正面輝度の向上を目的としている。図２７に示す下向きプリズムシートにおいては、光線は、プリズムの第１側面ｆから導光板あるいは拡散板からの光線Ｌが入射され、第２側面ｓで光線Ｌが反射されて法線方向へ偏向される。このとき通常では、所定の角度分布を持って入射する入射光線の強度ピークでの入射角度の光線につき、法線方向の輝度が最も高くなるように、プリズムの頂角が設計されている。しかしながら、第２側面ｓが平面であるため、強度ピークにおける角度以外の光線は、法線方向へ効率的に偏向されないので、集光による輝度向上は充分なものではない。
また、図２８には、輝度向上を目的として提案された特開平１０−２５４３７１号公報に開示の非対称プリズムシートを示す。図２８に示した非対称プリズムシートのプリズム部の断面は、シート面の法線方向からの角度が第１側面ｆと第２側面ｓとで異なる不等辺三角形とされている。プリズムの各側面ｆ、ｓは、導光板から出射される所定の角度の光線が、プリズムの第２側面ｓでの反射によりほぼ法線方向へ偏向されるように傾斜されている。加えて、第２側面ｓと第１側面ｆとにおいて２回の内部反射が可能とされていて、副次的な光線が正面に偏向されるように設計されている。このため、特開平１０−２５４３７１号公報に開示された下向きプリズムシートは、法線方向へ主光線のみならず副光線を生成し、生成された幅光線からの反射への寄与も含まれるため輝度向上の効果がある。
しかしながら特開平１−２５４３７１号公報に開示された非対称プリズムシートは、（１）側面の断面形状は単なる直線であるので法線方向へ偏向される光は特定の二つの角度をもった光線に限られていて、この角度以外の方向へ出る光線は法線方向へ偏向されないこと、（２）指向出射性のあるバックライトの導光板からの光線のピーク角度は、一般的に６０°から８０°の間であるが、そのような分布をもった光線を法線方向に偏向するように下向き非対称にプリズムを設計すると、プリズム頂角の角度が５０°以下となってしまい、頂点が鋭いため製造性に劣り、このため歩留まりが低く量産には不向きである、という不都合を有していた。
上述したように、近年、指向性の高いバックライト・ユニットが使用され始めている傾向がある中で、これまで最も一般的に使われてきた上向きプリズムシートは、指向性のある光の偏向、集光には、反射などによる損失も大きく、最適ではないという不都合があった。
また、下向きプリズムシートについてみても、さらに反射・集光効率が高く、製造が容易で、さらに光線の指向性を高めることが期待されていた。
加えて、小型蛍光管の消費電力を低く抑え、小型・軽量化された条件下で高輝度で、高コントラストな表示を提供することを可能とする、バックライト・ユニットが必要とされていた。
さらに、小型、・軽量で、かつバッテリ駆動時間を向上させることが可能な透過型液晶表示装置が必要とされていた。
本発明は、上述した従来の不都合に鑑みてなされたものであり、本発明は、反射効率が高く、製造が容易で、さらに光線の指向性を高める機能を有するプリズムシートを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、高輝度、高コントラスト、低消費電力、バッテリ駆動時間の長時間化、小型化を可能とするバックライト・ユニットおよび透過型液晶表示装置を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明は、プリズム構造として下向きの構造を採用し、同時に高次面からの全反射を用いるプリズムシートを採用することにより、プリズムシートに対して高い反射・偏向効率を与え、かつプリズムシートの製造も容易で低コストに製造することが可能であることを見出すことにより、なされたものである。
すなわち、本発明によれば、所定の角度範囲の強度分布をもって入射される光線を反射させることにより光線の進行方向を変換するプリズムシートであって、シート基部から頂部にまで延び、かつ前記光線を全反射させるための反射面が、少なくとも曲率の小さな面と前記曲率の小さな面とは異なる面とを含む高次面から構成されたプリズムシートが提供される。
本発明のプリズムシートにおいては、前記高次面は、複数の平面が連続して構成される。また、本発明のプリズムシートは、前記高次面は、前記曲率の小さな面である少なくとも１つの平面と、該平面に連続する曲面とにより構成される。本発明の前記プリズムシートには、複数の前記反射面が近接して形成されており、互いに隣接する前記反射面は、前記シート基部から隣接する反射面の頂部に延びた接続平面により接続される。本発明のプリズムシートは、前記曲率の小さな面は、前記反射面の頂部から前記シート基部に向かう方向に沿った所定の位置まで延びている。本発明における前記接続平面は、前記所定の角度範囲の強度分布をもって入射される光線を前記反射面へと透過させる。本発明の前記プリズムシートは、透過率が９０％以上であり、かつ前記プリズムシートからの出射光の角度分布が半値全幅で１５°以下であることが好ましい。
また、本発明においては、液晶パネルを含んで構成される透過型液晶表示装置に使用され、
前記液晶パネルに照射される光線を与えるための光源と、
前記光線の進行方向を前記液晶パネルに向くように変化させるための導光板と、
前記導光板に隣接して配置されるプリズムシートとを含んで構成されるバックライト・ユニットであって、
前記プリズムシートは、所定の角度範囲の強度分布をもって前記導光板から入射される光線を全反射させるための反射面を含んで構成されており、前記反射面は、少なくとも少なくとも曲率の小さな面と前記曲率の小さな面とは異なる面とむ高次面から構成される
バックライト・ユニットが提供される。
本発明のバックライト・ユニットにおける前記高次面は、複数の平面が連続して構成される。本発明のバックライト・ユニットにおいては、前記高次面は、前記曲率の小さな面である少なくとも１つの平面と、該平面に連続する曲面とにより構成される。本発明において使用する前記プリズムシートには、複数の前記反射面が近接して形成されており、互いに隣接する前記反射面は、シート基部から隣接する反射面の頂部に延びた接続平面により接続される。前記曲率の小さな面は、前記反射面の頂部から前記シート基部に向かう方向に沿った所定の位置まで延びることが好ましい。本発明における前記接続平面は、前記所定の角度範囲の強度分布をもって前記導光板から入射される光線を前記反射面へと透過させる。本発明における前記プリズムシートに構成された反射面の頂部は、前記導光板に隣接する配置とされる。
さらに、本発明によれば、バックライト・ユニットと、液晶パネルとを含んで構成される透過型液晶表示装置であって、
前記バックライト・ユニットは、前記液晶パネルに照射される光線を与えるための光源と、
前記光線の進行方向を前記液晶パネルに向くように変化させるための導光板と、
前記導光板に隣接して配置されるプリズムシートとを含み、
前記プリズムシートは、所定の角度範囲の強度分布をもって前記導光板から入射される光線を全反射させるための反射面を含んで構成され、前記反射面は、少なくとも少なくとも曲率の小さな面と前記曲率の小さな面とは異なる面とを含む高次面から構成される
透過型液晶表示装置が提供される。
本発明の透過型液晶表示装置における前記高次面は、複数の平面が連続して構成される。本発明における前記高次面は、前記曲率の小さな面である少なくとも１つの平面と、該平面に連続する曲面とにより構成される。本発明における前記プリズムシートには、複数の前記反射面が近接して形成されており、互いに隣接する前記反射面は、シート基部から隣接する反射面の頂部に延びた接続平面により接続される。本発明における前記曲率の小さな面は、前記反射面の頂部からシート基部に向かう方向に沿った所定の位置まで延びる。本発明においては、前記接続平面は、前記所定の角度範囲の強度分布をもって前記導光板から入射される光線を前記反射面へと透過させ、前記プリズムシートに構成された反射面の頂部は、前記導光板側に隣接する。さらに本発明においては、前記バックライト・ユニットと前記液晶パネルとの間にレンズ要素を配置することもできる。
発明を実施するための最良の態様
以下、本発明を図面に示した特定の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。
セクション１：プリズムシートの構成
図１は、本発明のプリズムシート１０の一部を示した斜視図である。本発明のプリズムシート１０は、シート基部１２と、シート基部１２と一体として形成されたプリズム構造１４とを含んで構成されている。プリズム構造１４は、プリズムシート１０の全面にわたって延びているとともに、所定のピッチｐで連続して配置されている。
液晶表示装置用のプリズム構造のピッチｐ（すなわち、各プリズムの大きさ）は、画面を目視したとき目立たたなくすると共に、画素のような規則性を持った繰り返しパターンとの干渉を防ぐために、画素とまったく同じ大きさにし、画素と位置を揃えて配置するか、あるいは画素と比較して充分細かいピッチでプリズムを作成することが望ましい。実際上は、画素とプリズムとの位置を精密に揃えて配置することは技術的な困難を伴うので、プリズム構造を、画素よりも細かいピッチｐで作成する場合が多い。
しかしながら、近年液晶表示装置の高精細化が進んだため、あまり細かくすると光源の可干渉性（コヒーレント長）によっては干渉色が生ずる場合ある。一般的には数１０μｍ程度、具体的には３０μｍ〜０．５ｍｍの範囲で設定されることが多く、本発明における特定の実施の形態においては、プリズム構造のピッチｐを、５０μｍ〜６０μｍ程度とすることができる。また、本発明においてはプリズム構造のピッチｐに対して干渉をさけるために揺らぎを与えることもできる。
図１に示されるように、プリズム構造１４は、シート基部１２と、接続平面１６と、高次面１８とが略三角柱の形状を構成することにより形成されている。接続平面１６は、シート基部１２と高次面１８の頂部１８ａとを接続しており、高次面１８は、頂部１８ａから隣接する接続平面１６ｂの終端位置２０までシート基部１２へと向かって延ばされている。接続平面１６には、所定の角度範囲の強度分布の光線Ｌが入射され、入射された光線Ｌは、高次面１８まで進行した後、高次面１８によりシート基部１２側へと反射される。
図２は、本発明のプリズムシート１０に形成されるプリズム構造をより詳細に示すため、連続するプリズム構造のうちの１つだけを示した図である。図２に示されるように、本発明のプリズムシート１０は、光透過性の材料から形成されており、入射される光線Ｌを、プリズム構造の高次面１８の内側面で反射させる構成とされている。高次面１８は、頂部１８ａから所定の長さだけ延びる、本発明において曲率の小さな面として機能する平面２２と、この平面２２の終端部２２ａに連続し、終端部２２ａから開始する曲面２４とから構成されている。入射した光線Ｌは、平面２２または曲面２４により、シート基部１２に向かって反射され、シート基部１２を通過して、図示しない拡散シートおよび液晶パネルへと照射される。上述した本発明において用いることができる曲率の小さな面としては、特定の実施の形態においては平面２２を挙げることができるものの、本発明においては平面２２に限定されるものではなく、平面２２に連続する曲面２４よりも曲率が小さく、かつ所定の強度ピークを持って入射角度幅が１５°以下程度の小さな入射角で入射される光線を効率的に反射させることができる程度の曲率を有する面であれば、いかなる幾何学的面、非球面、複合面とされていても良い。本発明においては、上述した曲率の小さな面としては、製造上、設計上の観点から平面を好適な実施の形態として使用することができるので、以下、本発明においては説明の便宜上曲率の小さな面として、平面２２を用いるものとして説明する。
図３は、図１および図２に示したプリズム構造のピッチ方向に沿った断面図である。図３（ａ）が、本発明において使用するプリズム構造に含まれる高次面１８の第１の実施の形態を示し、図３（ｂ）は、プリズム構造に含まれる高次面１８の第２の実施の形態を示した図であり、図３（ｃ）は、プリズム構造に含まれる高次面１８の第３の実施の形態を示した図である。図３（ａ）の実施の形態が本発明において最も好ましい、平面２２と平面２２に接続する曲面２４とにより高次面が形成されるものであり、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、製造上の観点などから近似的に微小平面で高次面を形成したものである。
図３（ａ）に示されるように、本発明において使用されるプリズム構造に含まれる高次面１８は、頂部１８ａから所定の長さだけ延びた平面２２とこの平面２２に連続する曲面２４とから形成されている。頂部１８ａから平面２２の終端部２２ａまでのピッチ方向に沿った位置は、入射する光線の角度分布における強度ピークの光線が、その直前のプリズム構造により阻止されて達しない臨界的な位置まで延ばされている。また、平面２２は、入射する光線の角度分布における強度ピークの光線を、最も効率的に法線方向へと反射させる角度として形成されている。図３（ａ）に示されるように、強度ピークの光線よりも入射角度が大きな光線Ｌ１は、終端部２２ａよりもシート基部１２側へと入射され、曲面２４において反射されることになる。図３（ａ）において示されるｄは、プリズム構造の頂部のｘ座標から終端部２２ａのｘ座標の差である。
この際、平面２２をシート基部１２側まで延長した場合について考えると、平面２２は、強度ピークの角度で入射される光線をシート基部１２側へと垂直に反射させるように最適化されているため、平面２２をシート基部１２までそのまま延長した平面では、終端部２２ａよりもシート基部１２側に入射する光線を効率的にシート基部１２側へと垂直に反射させることはできないことになる。このため、本発明の最も好適な実施の態様においては、終端部２２ａよりもシート基部１２側において入射光線に対する反射角度を連続的に大きくなるように変化させた曲面２４として、終端部２２ａよりも上側の部分を構成するものである。
また、本発明の別の実施の形態においては、図３（ａ）に示すように曲面２４を連続的に曲率が変化する曲面として構成することも可能であるが、製造性、コストといった点から、曲面２４に近似した円弧、または複数の平面から構成することもできる。図３（ｂ）は、高次面１８を、複数の平面から構成した第２の実施の形態を示した図である。図３（ｂ）に示した実施の形態においても、平面２２は、図３（ａ）で説明したと同様にして構成されている。また、図３（ｂ）に示した実施の形態においては、平面２２に連続する曲面２４は、複数のより長さの短い微小平面２４ａで置き換えられており、入射する光線Ｌ１の角度に応じて、β＞γとなるような角度として構成されている。
本発明において、微小平面で曲面２４を近似する場合には、曲面２４を近似する微小平面の数は、必要に応じていくつでも用いることができる。しかしながら、微小平面の数は、できるだけ多い方が曲面２４を良好に近似することができるので好ましい。図３（ｃ）は、上述した曲面２４を、２つの微小平面２４ａ、２４ｂで近似した実施の形態について示した図である。この場合にも、入射光線Ｌ１の角度が大きくなることに対応して、それぞれβ＞γ１＞γ２の角度が得られるように微小平面が構成されている。本発明においては、さらに一般的にｍ個の微小平面で曲面２４を近似する場合には、それぞれの角度は、β＞γ１＞γ２＞・・・γｍ−１＞γｍの関係を満足するように決定することができる。
また、図３に示されるプリズム構造においては、αは、０〜５０°とすることができ、より好ましくはαは、２５〜４０°とすることができ、プリズムの頂角δは、３９〜９０°、好ましくは５０〜８０°、さらに好ましくは６２〜７７°とすることができる。
セクション２：本発明のバックライト・ユニットおよび透過型液晶表示装置
図４は、図１〜図３で説明したプリズムシート１０を用いた本発明のバックライト・ユニット２６の斜視図である。図４に示されたバックライト・ユニット２６は、光源２８からの光線を、図示しない液晶パネルへと照射するために導くための導光板３０と、光線を高効率で液晶パネルへと反射させるための反射シート３２と、導光板３０に隣接して設置される本発明のプリズムシート１０と、このプリズムシート１０に隣接して液晶パネル側に設置された拡散板３４とを含んで構成されている。
拡散板３４は、図４に示した位置に配置されることは必ずしも必要ではなく、光学的特性を考慮して、適宜別の構成で用いることができる。また、図４に示したバックライト・ユニット２６の光源２８は、小型蛍光管といった蛍光管から構成されていて、効率よく導光板３０へと光線を導入することができるように、リフレクタを構成する収容部３６に収容されて一体となったバックライト・ユニット２６を構成している。なお本発明においては、小型蛍光管の他にも適切なスペクトル特性を与えることができる小型光源であればいかなるものでも用いることができる。光源からの光線は、導光板３０から射出された後、図４の矢線Ａで示された方向へと、導光板３０の法線方向へと偏向されて、液晶パネルへと照射されることになる。
図５は、図４に示した本発明のバックライト・ユニット２６の概略的な断面を示した図である。図５に示した断面図においては、特にプリズムシート１０と、導光板３０から照射される光線との関係が示されている。図５に示されるように、導光板３０に導入された光線は、導光板３０の内部を反射しながら、角度指向性を与えられつつ、プリズムシート１０へと照射される。本願のバックライト・ユニット２６においては、プリズムシート１０は、入射した光線の指向性をより高め、導光板３０の法線方向への高輝度化を達成している。
本発明においては、プリズムシート１０への入射角度とは、導光板３０の上側面３０ａから反時計回りに計った角度をいうものとする。図５に示されるように、導光板３０からプリズムシート１０へと入射した光線は、プリズムシート１０に形成されたプリズム構造の高次面１８により反射されて、拡散板３４を通過して図示しない液晶パネルへと向けられることになる。図５においては、導光板３０からプリズムシート１０へと入射する光線は、導光板３０から射出される光線のうち、強度ピークに対応する角度のものを例示的に図示しており、図３において説明した高次面１８の終端部２２ａにおいて光線Ｌが反射されて、液晶パネルへと方向が変化されているのが示されている。
また、高次面１８のシート基部１２側は、図１〜３において説明したように、本発明の好ましい実施の形態においては、曲面から構成されている。このように本発明において高次面１８を採用することで、図５に示した光線よりも大きな入射角度で入射した光線が終端部２２ａを超えてシート基部１２側に入射して反射された場合でも、液晶パネルに対して効率的に導光板３０の法線方向へと向かわせるように、導光板３０からの光線を反射させることを可能としている。
図６は、図４および図５に示したバックライト・ユニット２６を使用して構成された透過型液晶表示装置３８の概略を示した断面図である。本発明の透過型液晶表示装置３８は、バックライト・ユニット２６と、バックライト・ユニット２６に隣接して配置された液晶パネル４０と、液晶パネル４０に照射される光線を集光または拡大するためのレンズ要素４０ａと、液晶パネル４０に隣接して液晶パネル４０を挟んで配置された対となった偏光板４２ａ、４２ｂと、液晶パネル４０を通過してきた光線を拡散させるための拡散板４４とを含んで構成されている。図４に示したレンズ要素４０ａは、本発明においてはレンズシートなどに形成された凸レンズまたはレンティキュラー・レンズとして構成することもできる。なお、図６に示した実施の形態においては、図５に示した実施の形態とは、拡散板の構成を変えた実施の形態で示している。
図６に示された本発明の透過型液晶表示装置３８に利用されるレンズ要素４０ａは、液晶パネル４０と、バックライト・ユニット２６との間に画素毎に形成された凸レンズとして構成されているのが示されている。また、本発明においては、対応する位置に、レンティキュラー・レンズを配置することもできる。本発明の図６に示した透過型液晶表示装置３８において上述したレンズ要素４０ａを併用することで、透過型液晶表示装置３８の有効開口率を高めることができる。また、本発明においては、上述したレンズ要素４０ａを使用することが必ずしも必要とされるわけではなく、従来のようにレンズ要素４０ａを使用しない透過型液晶表示装置についても同様な輝度向上、バッテリ駆動長時間化、高コントラスト化といった効果を得ることが可能である。
図６に示された本発明の透過型液晶表示装置３８は、本発明のプリズムシート１０を含むバックライト・ユニット２６を使用して構成されているので、光源２８から与えられる光線が高い効率で、かつ高い指向性をもって液晶パネル４０へと照射される。このため本発明の透過型液晶表示装置３８は、低消費電力の光源を使用した場合でも高輝度であり、高いコントラストをもつ液晶表示を行うことが可能とされている。
図７は、本発明の透過型液晶表示装置３８の詳細な構成を示した分解斜視図である。図７に示す本発明の実施の形態の透過型液晶表示装置３８は、透過型液晶表示装置３８の有効画面を画成するための表示用ウインドウ４６を画成する上部フレーム４８と、本発明のバックライト・ユニット２６と、上部フレーム４８とバックライト・ユニット２６との間に配置された液晶パネル４０などの要素を含んで構成されている。
図７に示されるように、バックライト・ユニット２６は、下側ケース５０上に載置されていて、上部フレーム４８と一体として保持されることで、本発明の透過型液晶表示装置３８を構成している。上述したバックライト・ユニット２６は、本発明のプリズムシート１０を使用しているので、光源２８からの光線が効率よく液晶パネル４０へと照射され、高輝度、かつ高コントラストな液晶表示を与えることを可能としている。また、本発明のプリズムシート１０を使用することにより、従来と同程度の液晶表示を得るため光源に加えられる電力を低くすること、または消費電力の小さな光源を使用することができ、省エネルギー、かつコンパクト設計を可能とする透過型液晶表示装置が提供されることになる。
以下、本発明のプリズムシート１０における高次面１８の設計について、詳細に説明する。
セクション３：本発明のプリズムシートに採用される高次面の設計
図８には、典型的な透過型液晶表示装置において使用されている指向性を持った導光板からの出射光分布の特性を示す。本発明において使用される導光板の出射光特性は、原則的にはいかなるものでも用いることができるが、特に図８に示した高い指向性の導光板に対して効果的に適用することができる。また、出射光特性にピーク角度は、７７°に限定されるものではなく、いかなるピーク角度であっても、製造性などを考慮して対応することができる限り、いかなるピーク角度の導光板でも用いることができる。
図８に示されるように、本発明の特定の実施の形態において用いられる導光板から射出される出射光は、７７°に強度ピークを有し、出射光の半値幅は約２０°程度となっている。なお、図８以下で説明する導光板の出射光の角度は、導光板の法線方向を０°とし、光源側に向く方向を−９０°として、時計回りに計るものとして定義する。
図８に示されるように導光板からの出射光は、所定の角度範囲をもって射出され、出射光の強度ピークは、導光板の法線方向、すなわち液晶パネルに向かう方向に対して非常に大きく傾いて射出されるのが特徴である。また図８に示されるように、出射光は、その角度半値幅も狭く、指向性が高いことが示されている。上述した導光板からの光を効率よく液晶パネルに向けて偏向させ、液晶パネルの輝度に寄与させるためには、以下に説明するようにプリズムシートのプリズム構造を導光板側に向けることが好ましい。
すなわち、一般にプリズムを作製するのに用いる樹脂は、アクリル系の透明樹脂で、その屈折率は、１．４９〜１．５６程度の範囲である。図９は、指向性の高い導光板において、プリズム構造の方向による光線の偏向を示した図である。本発明においては、導光板からの出射角をθ、プリズムからの出射角をφと定義する。これらの角度の定義に対応させたプリズム構造の配置を図９に示す。図９では、図９（ａ）がプリズム構造を上向きとした場合、図９（ｂ）がプリズム構造を下向きとした場合の光線の挙動を示している。
図９（ａ）に示されるように、プリズム構造が上向きの場合に、プリズム構造を、プリズムの頂角をδとした二等辺三角形とし、二等辺三角形の頂点が上を向く配置とすると、底角は（π−δ）／２となる。この場合の各角度の関係は、下記式
2003040784.tif 000003
で与えられる（上式中、それぞれのパラメータは、図９（ａ）に示された角度である。）。図１０には、上記式を用いた場合に７７°の光を正面に向けるために必要な屈折率と頂角の関係を示したグラフを示す。図１０に示されるように、上述したアクリル系樹脂の屈折率の範囲では、上向きのプリズム構造の頂角δは、約２０°〜３０°の範囲に制限されてしまうことになり、頂部の角度が非常に角度が急峻となってしまうことが示される。
図９（ａ）の配置を採用するプリズムシートは、金型の作成が非常に困難であると同時に、フォトポリマー法、いわゆる２Ｐ法や、インジェクションモールド法、またはコンプレッションモールド法を使用して成形した後、金型から剥離する際に、頂部の剥離不良が生じるなど作製が非常に困難であること、製造歩留まりが低いことなどの不都合が生じることになる。このことは、プリズム構造の頂部を上向きとして良好な製造性を有するプリズム構造を与えた場合には、指向性のある光線を液晶パネルに向かう方向である紙面上側の方向へと効率よく向けることは、現実問題上、できないことを意味する。上述した状況は、図９（ａ）に示した対称な三角形ではなく非対称な場合でも同様である。
一方、プリズム構造を下向きとした頂角がδの二等辺三角形の場合について、同様の考察を行うと、図９（ｂ）に示された各角度の関係は、下記式
2003040784.tif 000004
で与えられる。
図１１には、図９（ｂ）で示された下向きのプリズム構造における屈折率と頂角との関係を示したグラフを示す。図１１のグラフに示されるように、プリズム構造を下向きとし、プリズムの側面ｒで反射させて偏向させる場合には、プリズム構造の頂角δを、約６０°〜約７０°と大きくすることが可能となる。このため、指向性の高い出射光を与える導光板を使用する場合には、プリズム構造を、下向きとして構成すると共に、プリズム側面ｒで反射させることが有効であることが示される。
さらに、図９を参照して透過率について考察してみても、プリズム構造を上向きとする場合は、２回の屈折を必要とし、全体としての透過率は、界面における透過率の積で決定される。また、プリズム構造が下向きの場合は、上向きの場合と同様に屈折する界面が２つあり、これに反射する面が１つ加えられるのが図９（ｂ）により示される。本発明においては、図９（ｂ）に示される反射面ｒが、入射する光線を全反射するようにプリズム構造の角度を設定することにより、反射率は１００％とすることができ、反射が加えられることによる効率低下を防止することが可能となる。
ここで、代表的なアクリル樹脂の屈折率、１．５２１を使用して下向きプリズムシートの透過率を見積もった結果を、図１３、図１４に示す。図１３は、空気中から媒質中へ進行する場合であり、図１４は、媒質中から空気中へ進行する場合である。媒質中から空気中に出る場合は、
2003040784.tif 000005
で決まる角度（臨界角）より大きい場合、全反射となり、反射率１００％となることが知られている。屈折率を１．５２１とした場合には、上記式で与えられる臨界角は４１°である。プリズム構造体を下向きとして構成する場合には、プリズム面での反射は、常にこの全反射条件を満たすように構成することができ、特にアクリル樹脂を使用する場合には、大きな不都合を生じさせることがない。
以下、プリズム構造の形状について検討する。プリズム構造の形状については、従来では、一般に断面が三角形のプリズム構造が採用される。この場合、三角形の形状は様々であり、上述したように二等辺三角形のものから非対称三角形のものも提案されている。上述したように、これまでプリズム断面が多角形状、あるいは側面が曲線で構成されているプリズムシートを下向きで使用する例をあげているものもあるが、いずれも全反射させる構成を採用し得るものではなく、ピークが斜め方向（６０°から８０°）の入射光を、導光板の法線方向、すなわち紙面上側へと偏向することはできないものである。
本発明者らは、一方の面が直線で構成され、これと対となってプリズム構造を形成する面を、直線と曲線とを組み合わせた高次面として、全反射を使用することにより、指向性を持つ導光板といった光源からの光を効率よく正面へと偏向させることができることを見出し、本発明に至ったものである。以下、本発明の原理につき、プリズム構造における幾何光学的な考察を行いつつ、より詳細に本発明のプリズムシートにつき説明する。
導光板からの光線を効率的に液晶パネル側へと導光板の法線方向へと偏向させるため、三角形や多角形のプリズムの場合、導光板からの出射光線のピーク角度に合わせて斜面の角度が決定される。図１５は、プリズム構造を、三角形から構成した場合について、光線の挙動を示した図である。導光板から射出される出射光のピーク角度の光線Ｌは、第１の面ｆで屈折しつつプリズムに入射し、第２面ｓで全反射して法線方向へと偏向される。プリズム構造は、同じ形状のものがピッチｐで平行に並んでいるので、強度ピークにおける角度の光線Ｌは、第２面ｓの有効エリアｅａにのみ反射されて正面へ偏向される。このため、ピーク角度より小さい出射角度の光線、すなわちプリズム構造に対して大きな入射角度で入射する光線は、図１５の有効エリアｅａよりも上部において反射されることになる。
有効エリアｅａの紙面上側の終端は、図３において説明した終端部２２ａを構成する。以下、この終端部２２ａを、本セクションにおいては、接続点Ｂｃとして定義する。本発明において曲率の小さな面として平面２２以外を採用する場合には、接続点Ｂｃは、所定の角度分布で入射する光線の強度ピークにおける光線Ｌが、高次面１８により反射される位置として定義することができる。また、実用的な観点からは、接続点Ｂｃは、入射光線の角度分布における強度ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  ａｔ  Ｈａｌｆ  Ｍａｘｉｍｕｍ）の範囲の光線が高次面１８により反射される範囲において接続点Ｂｃ付近の高次面１８上の点として適宜選択することもできる。以下、本発明においては、接続点Ｂｃのｘ座標をＢｃｘ、ｙ座標をＢｃｙとして参照するものとする。接続点Ｂｃから図１５の紙面上側の部分に当たる矢線Ｌ１で示された光線は、第２面ｓがピーク角度に対して最適化されているため、本発明を適用しない場合には、図１５の矢線Ｂで示されるように、法線方向からずれた方向へ出射されてしまうことになる。この状況は、単にプリズム構造として多角形を採用しても同様であり、反射面を単純な直線だけで構成したプリズム構造では、充分な効率を提供することができないといえる。
また、第２面ｓ全体を曲線で構成することも考えられるものの、導光板の出射光のピーク角度のすべてを法線方向へと向けることができず、却って全体としての反射効率が低下してしまうことになる。図８に示した指向性の高い光源からの光線を有効に法線方向に偏向させるため、本発明においては、高次面を、直線と曲線とで構成することが、もっとも光源からの光線を有効利用できることが見いだされた。すなわち、光源からのピーク角度の光線Ｌは、有効エリアｅａにのみ当たるため、そこではピーク角度に最適化した角度の直線で構成し、接続点Ｂｃよりも紙面上側の部分では、図１５の破線で示された曲面で示されるように、正面へ向けるために面の角度を動的に変えることが好ましいことが見出された。
接続点Ｂｃよりも図１５の紙面上側の部分において、最も輝度が高くなるべき出射光の角度は、ピーク角度よりも少しだけ小さい角度であり、出射光の強度は、図８に示したようにピーク角度から離れるにつれて滑らかに減少するので、接続点Ｂｃから上側の部分は、原理的には連続的に角度が変化していく曲線として構成することが好ましい。しかしながら、本発明においては上述した図３で示したように、効率を向上させることができる範囲内で、複数の平面、円弧などにより曲線を近似することが可能である。なお、曲線を円弧にて近似する具体的な実施の形態についてはより詳細に後述する。
以下に本発明において採用する高次面を含むプリズム構造の設計について詳細に説明する。高次面を含むプリズム構造の設計に使用するパラメータは、導光板からの光のピーク角度（θｐｅａｋ）、プリズムの屈折率（ｎ）、プリズムの頂角である。プリズムの頂角は、法線に対して光の入射側の斜面（第１側面ｆ）の角度をα、反対側（直線と曲線で構成された面側、第２側面ｓ）の斜面の角度をβとして定義する。図１６および下記表に本発明において使用するパラメータをまとめて示す。
図１６に示されるように、点Ａは、入射光が第１側面ｆを通過する点であり、点Ｂは、第１側面ｆを通過した光線が、第２側面ｓにおいて反射される点である。また、平面部と曲線部との接続点は、Ｂｃとして図１６に示されている。
図１６に示すように、本発明のプリズムシートの設計においてはプリズムの頂角の角度をαとβに分けて定義している。通常では、所定のαに対してβは、下記の関係から一意的に定めることができる。
点Ａの座標：
2003040784.tif 000006
上記連立方程式を解くことで、点Ａの位置座標は、下記式
2003040784.tif 000007
として決定される。
点Ｂｃの座標：
点Ａにおいて屈折した光は媒質中を進み、その角度は、Ｓｎｅｌｌの法則より、下記式
2003040784.tif 000008
で与えられ、点Ｂにおいて、高次面により反射した光は、導光板の法線方向に向くので、下記式
2003040784.tif 000009
の条件が満たされねばならず、上記式でβが、αによって一意的に定められる。なお、図１７には、上述した点Ａ、点Ｂおよび各角度の関係を示す。
点Ｂｃは、θｐｅａｋに対応して決定される点Ｂに相当するものであって、その座標は、以下の連立方程式、
2003040784.tif 000010
の解として得られ、下記式
2003040784.tif 000011
により与えられる。
以下にθｐｅａｋにおける、αとβとの関係を、より詳細に説明する。
図１８には、算出されたＢｃｘとαとの関係を示し、図１９には、算出されたＢｃｙとαとの関係を示す。接続点Ｂｃの座標は、上述した関係から定められ、接続点Ｂｃから開始する曲面または曲線は、以下のようにして定めることができる。すなわち、導光板からの出射光は、座標軸の原点であるプリズムの頂点を通り、光線の出射角度がθｐｅａｋから図８に示されるように減少していくにつれて、βを変化させるようにして決定することができる。つまり、θ（出射角度）に対するβの関係を知ることが重要となる。これはαによって決まるので、αが本発明において使用する高次面の形状を支配する主要なパラメータであることが分かる。
図２０には、αが１７°である場合のθ−βの関係をシミュレートした結果を示す。図２０に示されるように、出射角度θが大きくなるにつれ、βを大きくして行くことが必要となることがわかる。このため、本発明の理想的な実施の形態においては、曲線２４の部分は、光源の出射光特性に応じて、曲率が次第に大きくなるような曲線として定義することができる。
本発明における具体的な曲線部分の設計は、図２１を参照して、次のようなステップを採用することにより達成することができる。まず、点Ｂｃを点Ｂ０とし、順次、Ｂ１、Ｂ２、…とする。
（１）αを決定する。
（２）αに対する点Ｂｃ（＝Ｂ０）の座標を決定する。頂点から点Ｂｃまでは直線となる。
（３）θ−β関係式を求める。
（４）刻み幅をΔθとし、θ−Δθの時のφ２を求め、点Ａを通ってφ２−αの傾きを持つ直線と、点Ｂ０を通って、傾きπ／（２−β）の直線との交点を、次の点Ｂ１とする。
（５）以後、あらためて点Ｂ１を基準に点Ｂ２を同様にして求め、この操作を繰り返す。
本発明においてさらに一般的には、βのθｐｅａｋに対する関係式においてθｐｅａｋをθに置き換えることにより、連続的にγを決定して行くことで理想的な曲面を得ればよい。すなわち、本発明における理想的な曲面は、γを下記式を満たすようにして順次決定して行くことにより得られる。
2003040784.tif 000012
本発明においては、上述した手順を必要なだけ繰り返すことで曲線部分を設計することができる。しかしながら、本発明においては、上述の曲線に最も近い円弧、直線で理想的な曲線を近似することもできる。以下、上述した曲線を円弧で近似する場合につき具体的に説明する。この場合、点Ｂ０で直線部分と滑らかに接続する必要があるため、以下のようなパラメータで円弧での近似を行う。
曲率中心（ｃ１、ｃ２）、曲率半径Ｒの円弧を使用する場合、
2003040784.tif 000013
の関係を満たすので、独立のパラメータはＲだけで、下記式
2003040784.tif 000014
で表される円弧の式で近似を行うことができる。本発明者らは、鋭意検討を加えた結果、円弧で曲線部分を近似しても、理想的な曲線で構成した高次面と実用上まったく遜色ない効率が得られることを見出した。
図２２には、頂角が５５°のプリズム構造の場合について、図８で示される出射光特性を有する光源に対する曲線部分につき、理想曲線と円弧近似に基づく近似曲線との残差を示す。図２２に示されるように、円弧をもって近似した場合でもほとんど両曲線には残差がなく、良好な近似を行うことができることが示される。また、本発明においては、ある程度効率は低下するものの、図３（ｂ）、図３（ｃ）で示すように複数の微小平面で理想曲線を近似することも可能である。
セクション４：本発明のプリズムシートの反射特性のシミュレーション検討
上述のようにして得られた本発明において使用するプリズム構造の形状を用いて、３次元の光線追跡シミュレーションを行った。
プリズムシートを実際に液晶表示装置に配置する場合、不要なモアレなどを消すために、その上側の所定の位置に拡散板を設置するのが一般的な構成とされている。このため、シミュレーションにおいては、拡散板を実測値に基づき、Ｇａｕｓｓ散乱で光線を散乱するものとして拡散特性を近似したものをモデルとして配置させてシミュレーションを行った。
光源は、図８に示される出射光特性を有し、底面から実測値を反映した分布とで、光線が下側に向かって放出されるものとした。プリズム構造の部分は、上述した方法により、光源の特性を反映させて設計した値をそのまま使用した。さらに、本発明のプリズムシートを挟んで光源と対向する側に拡散板を配置する構成としてシミュレーションを行った。上述した構成で、本発明のプリズムシートのプリズム構造の頂角を変化させた場合の、視野角±１°および±２°の透過光の強度をシミュレーションした。また、比較のため、特開平１１−８４１１１号公報などに開示された下向き非対称プリズムについてもシミュレーションを行った。それらの結果を図２３に示す。
図２３は、横軸をプリズム構造の頂角とし、縦軸を各視野角での光強度（Ｗ）としてその透過光強度をシミュレーションした図である。通常、透過型液晶表示装置においては、正面輝度は、視野角１°〜２°で測定されることが多い。直線で示されているのは従来のプリズムの一例として採用した下向き非対称プリズムの結果であり、曲線で示した結果が本発明のプリズムシートを使用した場合の結果である。
図２３に示されるように、図８の出射分布を持つ導光板の場合、プリズム構造のピッチを５０μｍとする場合、約６８°程度の頂角において最も正面輝度が高くなることが示されており、充分な製造性を与えることができることがわかる。また、図２３に示されるように、本発明のプリズムシートを採用した場合には、特に透過型液晶表示装置において重要な視野角範囲において、従来のプリズムシートに比較して、約１．２〜１．５倍、所定の視野角における輝度を向上させることが可能であることが示される。
さらに、図２３で示された条件下で出射分布を比較した結果を図２４に示す。図２４に示されるように、本発明のプリズムシートを使用した場合の強度分布は、半値幅では従来の下向き非対称プリズムの場合で約２５°、本発明によるプリズム構造の場合で約１２°となることが示されており、本発明によれば、出射光線の角度分布の半値幅が略半分となることが示される。特に本発明においては、プリズムシートの透過率が９０％以上において、出射光線の角度分布の半値全幅が１５°以下となることが、良好な輝度特性を付与することができるので好ましい。また、図２４に示されるように、本発明を適用することにより、同時に所望する視野角におけるピーク強度が向上しているのが示されており、本発明によれば集光が効率よく行われ、かつ正面輝度を効率的に向上させることができることが示されている。
以下、本発明により提供される表示特性について、本発明の図６に示した透過型表示装置３８の実施の形態について検討を加える。図６に示した透過型液晶表示装置３８では、レンズ要素４０ａが使用されており、図６に示したレンズ要素４０ａを使用した場合、像の大きさ（ｌ）は、およそｌ＝ｄ×２ｓｉｎ（θ／２）となる。ここでｄは液晶パネルのガラス基板の厚み、θは、液晶パネルに入射する光の広がり角の半値幅である。ここで、ｄ＝０．７ｍｍ、θ＝１２°とすると、ｌ≒１５０μｍとなる。
したがって、本発明のプリズムシート１０を、図６に示した本発明の特定の実施の形態の透過型液晶表示装置３８にて起用すれば、本発明のプリズムシート１０を使用して輝度特性が向上され（出射光の角度分布特性：半値幅約１２°）、厚さ０．７ｍｍのガラス基板に形成された液晶パネル４０が使用されているものとした場合、画素の大きさがおよそ１５０μｍより大きな液晶パネルの光透過率を改善することができることが示される。また、同様の考察から近年多く使用されるようになってきた０．５ｍｍ、またはさらに薄いガラス基板の場合については、さらに高精細な画素が形成された液晶パネルに対しても効果を得ることができる。また、本発明によれば、液晶を通過する光の広がり角度範囲が狭いために、ＴＮ液晶などで表示素子を斜めに通過する光で問題となるコントラスト反転などの従来の透過型液晶表示装置において指摘されていた不都合を改善することが可能となる。
図２５には、本発明の特定の実施の形態としてピッチを５０μｍとして形成されたプリズム構造を示す。本発明のプリズムシートの製造に際し、数１０μｍの大きさのプリズムを効率よく作成する方法としては、樹脂成型法、例えばインジェクションモールド法、コンプレッションモールド法、またはフォトポリマー法（以下２Ｐ法とする）などが経済的に最も有効な成形方法ということができる。いずれの方法も、銅、ニッケル等の金属、あるいはエポキシ樹脂やアクリル樹脂などのプラスチックを母型とし、その表面形状を樹脂に転写することにより、プリズム母型のレプリカを形成する。このため、所望のプリズム形状に対して、ネガ形状の型が使用される。
上述したネガ型の作成方法としては金属性の金型の場合には、直接切削加工、あるいは樹脂または金属をポジ形状に切削加工した後、ニッケルなどを電鋳することによって作成する方法を挙げることができる。また、金属あるいは樹脂でポジ形状を作成し、後にこれを樹脂に転写してネガの樹脂型を作成することもできる。すなわち本発明にかかる形状のネガあるいはポジいずれかの形状を切削加工することができれば、プリズムシートの製造が可能となる。
より詳細に本発明のプリズムシートの製造について説明すると、本発明のプリズム構造の断面形状と同じ形状のダイヤモンド・バイトを作成し、金型用ステンレス素材の上に厚さ３００μｍの銅メッキを施した素材を切削加工してネガ型を作成する。本発明により与えられる曲線は、円弧で近似良好に近似することができる。また、上述したようにダイヤモンド・バイトを作成するのではなく、剣バイトを用いてプリズム構造の曲面部分を多数の微細平面の集まりとして切削してポジ型を作成することもできる。この場合、電鋳法などによってプラスチックの成型に使用するネガ型を作成することもできる。
また、フォトポリマー法を使用する場合には、アクリル系２Ｐ樹脂（たとえば株式会社スリーボンド、３０Ｙ２６６）を使用し、紫外線ランプを使用して約１Ｊ／ｃｍ２の露光を行って、２Ｐ樹脂を硬化し、金型の形状を樹脂に転写して基材上にプリズムを作成することができる。また、上述した以外にも、射出成型や圧縮成型法を適宜使用することができる。また、ロール状の金型素材を旋盤加工によって切削してネガ型を作成し、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などをロール状とし、このロール状のシート基材上に２Ｐ樹脂を連続塗布、および成形する方法も可能である。また、本発明においては、平板状のポジ型から電鋳法で作成したネガ型をロール状に曲げ同様に連続成形に供することもできる。
以上をまとめると、次のような効果が本発明で得られることが示される。
すなわち、表２にまとめられているように、本発明によれば、強度ピークが６０°〜８０°にあり、半値全幅が２０°以内の指向出射性バックライトからの光を正面へ効率よく偏向させ、かつ従来に比べて半値全幅で約半分に集光し、正面輝度を従来比１．２から１．５倍に向上させることを可能とするプリズム構造を提供することが可能となる。
また、本発明によれば、光の利用効率が高く、製造が容易で、さらに光線の指向性を高める機能を有するプリズムシートを提供することができる。
さらに、本発明によれば、高輝度、高コントラスト、低消費電力、バッテリーの長寿命化、小型化を可能とするバックライト・ユニットおよび透過型液晶表示装置を提供することができる。
さらに、本発明によれば、大幅なコストアップを伴わず、充分に量産可能なプリズムシートを製作することができる。
これまで本発明を特定の実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は、上述した特定の実施の形態に限定されるものではない。また、本発明について、透過型液晶表示装置に使用するプリズムシートを具体的な実施の形態として説明してきたが、本発明は、透過型液晶表示装置に適用されるプリズムシートばかりではなく、斜入射光線を効率的に法線方向に偏向するために使用される光学部材についても適用することができることはいうまでもないことである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のプリズムシートの一部を示した斜視図である。
図２は、本発明のプリズムシートに形成されるプリズム構造をより詳細に示した図である。
図３は、図１および図２に示したプリズム構造のピッチ方向に沿った断面図である。
図４は、図１〜図３で説明したプリズムシートを用いた本発明のバックライト・ユニットの斜視図である。
図５は、図４に示した本発明のバックライト・ユニットの概略的な断面図である。
図６は、図４および図５に示したバックライト・ユニットを使用して構成された透過型液晶表示装置の断面図である。
図７は、本発明の透過型液晶表示装置の詳細な分解斜視図である。
図８は、導光板からの典型的な出射光分布の特性を示した図である。
図９は、指向性の高い導光板において、プリズム構造の方向による光線の偏向を示した図である。
図１０は、７７°の光を正面に向けるために必要な屈折率と頂角の関係を示したグラフである。
図１１は、図９（ｂ）で示された下向きのプリズム構造における屈折率と頂角との関係を示したグラフである。
図１２は、本発明において使用する各パラメータの関係を示した図である。
図１３は、代表的なアクリル樹脂の屈折率、１．５２１を使用して下向きプリズムシートの透過率を見積もった結果を示した図である。
図１４は、代表的なアクリル樹脂の屈折率、１．５２１を使用して下向きプリズムシートの透過率を見積もった結果を示した図である。
図１５は、プリズム構造を、三角形から構成した場合について、光線の挙動を示した図である。
図１６は、本発明において使用するパラメータを示した図である。
図１７は、プリズム構造の各側面ｆ、ｓ上の点Ａ、点Ｂおよび各角度の関係を示した図である。
図１８は、本発明により算出されたＢｃｘとαとの関係を示した図である。
図１９は、本発明により算出されたＢｃｙとαとの関係を示した図である。
図２０は、本発明により、αが１７°である場合のθ−βの関係をシミュレートした結果を示した図である。
図２１は、本発明における具体的な曲線部分の設計のステップを示した図である。
図２２は、頂角が５５°プリズム構造の場合について、図８で示される出射光特性を有する光源に対する曲線部分につき、理想曲線と円弧近似に基づく近似曲線との残差を示した図である。
図２３は、横軸をプリズム構造の頂角とし、縦軸を各視野角での光強度（Ｗ）としてその透過光強度をシミュレーションした図である。
図２４は、図２３で示された条件下で出射分布を従来のプリズムシートと比較した結果を示した図である。
図２５は、本発明により、ピッチを５０μｍとして形成されたプリズム構造を示した図である。
図２６は、従来のサイドライト方式のバックライト・ユニットを示した図である。
図２７は、従来の下向きプリズムシートのなかでも最も一般的な、プリズム断面が二等辺三角形の構造を示した図である。
図２８は、輝度向上を目的とした従来の非対称プリズムシートを示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２８】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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