(57)【要約】【課題】液晶表示素子を用いたディスプレイ用バックライト・ユニットにおける照明光路制御に使用される光学シートの改良にあたり、バックライト光源の一層の有効利用を実現する。【解決手段】片面に、単位レンズが並列されてなるレンズ部を有するレンズシートの反レンズ部側の平坦面には、バックライト光源側に面して光反射性の高い表面を有しており、前記表面に入射した光をバックライト光源側に反射する光反射層を備えており、前記光反射層は、前記レンズシートの単位レンズそれぞれに１：１で対応して開口部を有するストライプ状である構成のディスプレイ用バックライト・ユニットにおける照明光路制御に使用される光学シートにおいて、  前記単位レンズは、全体として半円柱状凸シリンドリカルレンズであり、その断面形状が、中心部と周辺部とで異なる２種類以上の曲率を有する構成とする。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
片面に、単位レンズが並列されてなるレンズ部を有するレンズシートの反レンズ部側の平坦面には、バックライト光源側に面して光反射性の高い表面を有しており、前記表面に入射した光をバックライト光源側に反射する光反射層を備えており、
前記光反射層は、前記レンズシートの単位レンズそれぞれに１：１で対応して開口部を有するストライプ状である構成のディスプレイ用バックライト・ユニットにおける照明光路制御に使用される光学シートにおいて、
前記単位レンズは、全体として半円柱状凸シリンドリカルレンズであり、その断面形状が、中心部と周辺部とで異なる２種類以上の曲率を有することを特徴とする光学シート。
【請求項２】
前記単位レンズの配列ピッチが０．３ｍｍ以下であり、且つ前記単位レンズを構成する中心部の曲率が小さく、その両側（周辺部）の曲率が大きい形状であることを特徴とする請求項１記載の光学シート。
【請求項３】
前記単位レンズは、その断面形状が、曲率の大きい周辺部／曲率の小さい中心部／曲率の大きい周辺部の５部分で構成されており、各部の幅は同一で左右対称な形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学シート。
【請求項４】
前記単位レンズは、その断面形状が、周辺部２／周辺部１／中心部／周辺部１／周辺部２の５部分で構成されており、各部の幅は同一で左右対称な形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学シート。
【請求項５】
前記単位レンズを構成する周辺部と中心部の境界，あるいは周辺部２と周辺部１の境界では、曲率が連続的に滑らかに変化せず、境界線が明確であるであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光学シート。
【請求項６】
表示画像を規定する画像表示素子の背面に、
直下型光源と、請求項１〜５の何れかに記載の光学シートを少なくとも備えることを特徴とするディスプレイ用バックライト・ユニット。
【請求項７】
画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する液晶表示素子からなる画像表示素子と、
冷陰極線管あるいはＬＥＤによる光源と、
請求項６記載のバックライト・ユニットを備えることを特徴とするディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に液晶表示素子を用いたディスプレイ用バックライト・ユニットにおける照明光路制御に使用される光学シートの改良に関するものであり、前記シートを搭載したバックライト・ユニットおよびディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置（ＬＣＤ）に代表されるディスプレイは、提供される情報を認識するのに必要な光源を内蔵しているタイプの普及が著しい。ラップトップコンピュータのような電池式装置において、光源で消費する電力は、電池式装置全体で消費する電力の相当部分を占める。
従って、所定の輝度を提供するのに必要な総電力を低減することで電池寿命が増大するが、これは電池式装置には特に望ましいことである。
【０００３】
米国３Ｍ社の登録商標である輝度強調フィルム（Brightness Enhancement Film：ＢＥＦ）が、この問題を解決する光学シートとして広く使用されている。
【０００４】
ＢＥＦは、図１に示すように、部材７０上に、断面三角形状の単位プリズム７２が一方向に周期的に配列されたフィルムである。
このプリズム７２は光の波長に比較して大きいサイズ（ピッチ）である。
ＢＥＦ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。
【０００５】
ディスプレイの使用時（観察時）に、ＢＥＦは、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。ここで言う「軸上」とは、視聴者の視覚方向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（図１中に示す方向Ｆ）側である。
【０００６】
プリズム７２の反復的アレイ構造が１方向のみの並列では、その並列方向での方向転換またはリサイクルのみが可能であり、水平および垂直方向での表示光の輝度制御を行なうために、プリズム群の並列方向が互いに略直交するように、２枚のシートを重ねて組み合わせて用いられる。
【０００７】
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７２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。
【特許文献１】特公平１−３７８０１号公報
【特許文献２】特開平６−１０２５０６号公報
【特許文献３】特表平１０−５０６５００号公報
【０００８】
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、図２に示すように、屈折作用ｘによって、光源２０からの光Ｐが、最終的には、制御された角度φで出射されることによって、視聴者の視覚方向Ｆの光の強度を高めるように制御することができる。
しかしながら、同時に反射／屈折作用ｙ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。
【０００９】
したがって、図１，２に示すようなＢＥＦを用いた光学シートから出射される光強度分布は、図３に示すように、視聴者の視覚方向Ｆ、すなわち視覚方向Ｆに対する角度が０°における光強度が最も高められるものの、図中横軸に示す±９０°近辺の小さな光強度ピークとして示されるように、横方向から無駄に出射される光も増えてしまうという問題がある。
【００１０】
このような欠点を克服するために、図４に示すように、プリズムではなく単位レンズの反復的アレイ構造を有する光学フィルム３８を用いたバックライト・ユニット４０もある（特許文献４）。
【００１１】
この光学フィルム３８の透明基材３９の液晶パネル４２側の面には、光学フィルム３８内を進行した光を液晶パネル４２へ導くレンズ４４が設けられている。このレンズ４４は、図５の斜視図に示すように、複数の単位レンズが反復的にアレイ構造をなしている。
さらに、他方の面には、該レンズ４４の焦点面近傍に開口部４６をもつストライプ状のパターンからなる反射材４８が設けられている。
【００１２】
この反射材４８は、白色である二酸化チタン（ＴｉＯ２）粉末を透明な接着剤等の溶液に混合した混合物を、所定のパターン（単位レンズが半円柱状凸シリンドリカルレンズ群の場合、単位レンズそれぞれに１：１で対応して開口部を有するストライプ状となる。）で印刷形成（あるいは、転写形成）したものである。
【００１３】
図６は、図４，５の光学シートをバックライト・ユニットに適用した場合のバックライトの光路制御特性を示す説明図である。
拡散フィルム３２から出射した光のうち、開口部４６を通過した光のみが、レンズ４４に入射し、レンズ４４によってある一定方向に集光された後に出射される。
そして、偏光板４９に入射し、所定の偏光成分の光のみが液晶パネル４２に導かれる。
【００１４】
一方、開口部４６を通ることができなかった光は、反射材４８で反射され、拡散板２６側に戻され反射板２７へ導かれる。そして、反射板２７によって反射されることによって再び拡散板２６に入射し、拡散板２６において再び拡散された後に、いずれは入射角度が絞られた光となった後に開口部４６を通ってレンズ４４に入射し、レンズ４４によって、図６に示すように、所定角度φ内に絞られて出射される。
【００１５】
このような光学フィルム３８を用いたバックライト・ユニット４０では、光学フィルム３８の開口部４６の大きさ及び位置を調節することによって、光の利用効率を高めながら、レンズ４４から正面方向Ｓに出射される光の割合を高めるように制御することができる。
【特許文献４】特開２０００−２８４２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
携帯電話やモバイル端末の様な比較的小サイズの画面を有するディスプレイではなく、液晶ＴＶ，パソコン用モニターの様な大サイズの画面を有するディスプレイでは、画面内の輝度分布を一様とする上では、エッジライト〜導光板を用いたバックライト・ユニットよりも、光源が画面背後のランプハウスに収納された直下式バックライト・ユニットの採用が好ましい。
【００１７】
図４に示されるように、液晶表示装置内のバックライト・ユニットは各要素の積層構成の形態であり、光学フィルム３８／拡散フィルム３２／拡散板２６が、光源２３の収納されたランプハウス２１上に配置される。
【００１８】
上述の様に、断面三角形状の単位プリズムが並列した構成の輝度強調フィルムに比較して、半円柱状凸シリンドリカルレンズが並列してなり各単位レンズに１：１で開口部が対応した反射性ストライプパターンを有する構成の光学シートは、バックライト光源の利用効率の点で優位であるが、設計によっては、以下に説明する現象に応じた光量損失を招く場合がある。
【００１９】
図７は、光学シートの単位レンズ１つにおける光線追跡（シミュレーション）の一例を示す説明図である。
同図では、左側のバックライト・ユニット（光源）から、４０％の開口率である反射層内の開口部を通って入射した光が、レンズ部による屈折（あるいは、反射）を受けて右側の液晶パネル側（および観察者側）に出射する挙動を示している。
【００２０】
図７（ａ）に示す様に、開口部を通ってレンズシート内に入射した光が、単位レンズの中心部（頂部）でなく、測部（隣接する単位レンズとの境界近傍）に当たる場合（レンズシート入射面に対する垂線である図面水平方向を０°とし、レンズシートに対する入射角度が大きい場合）には、レンズ測部での内面反射を生じる成分が多く、同図中、上下方向に向かった後、光源側に戻る成分の光もあり、直接、右側の液晶パネル側に出射されない光が多い。
【００２１】
対して、図７（ｂ）に示す様に、開口部を通ってレンズシート内に入射した光が、単位レンズの中心部（頂部）近傍に当たる場合は、直接、レンズ部による屈折を受けて光路を制御された（図面水平方向に略平行光として）後、右側の液晶パネル側に出射される光が多い。
【００２２】
本発明は、図７（ａ）に示される現象に伴って生じる光量損失を解消し、光学シートによるバックライト光源の一層の有効利用を実現することが可能な構成を図ることを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するために、本発明による光学シートは、
片面に、単位レンズが並列されてなるレンズ部を有するレンズシートの反レンズ部側の平坦面には、バックライト光源側に面して光反射性の高い表面を有しており、前記表面に入射した光をバックライト光源側に反射する光反射層を備えており、
前記光反射層は、前記レンズシートの単位レンズそれぞれに１：１で対応して開口部を有するストライプ状である構成のディスプレイ用バックライト・ユニットにおける照明光路制御に使用される光学シートにおいて、
前記単位レンズは、全体として半円柱状凸シリンドリカルレンズであり、その断面形状が、中心部と周辺部とで異なる２種類以上の曲率を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
単位レンズの形状を改良することにより、バックライト光の利用効率を一層向上することが出来、高輝度の表示光が視覚可能な表示装置が得られる。
また、後述する様に、表示光の正面輝度を維持しながら、左右（単位レンズの並列方向）についてはなだらかに輝度が変化する様な分布を持たせることが可能であり、光拡散シートに類似した光学機能をレンズシート自身が併せ持つことになり、光拡散シートの省略も可能となり、部材数の低下およびそれに応じたバックライト・ユニットの低コスト化すら実現される。
さらには、単位レンズの周期性と液晶パネルにおける画素配列の周期性との関係に起因するモアレの解消にあたって、一層有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を説明する。
図８は、本発明による光学シートの単位レンズ１つにおける光線追跡（シミュレーション）の一例を示す説明図である。
同図では、左側のバックライト・ユニット（光源）から、４０％の開口率である反射層内の開口部を通って入射した光が、レンズ部による屈折（あるいは、反射）を受けて右側の液晶パネル側（および観察者側）に出射する挙動を示している。
【００２６】
同図に示す様に、前記単位レンズは、全体として半円柱状凸シリンドリカルレンズであり、その断面形状が、中心部と周辺部とで異なる２種類以上の曲率を有している。
すなわち、前記単位レンズを構成する中心部の曲率が小さく、同図右側に突出しており、その両側（同図で上下）の曲率が大きくなだらかであり、曲率の大きい周辺部／曲率の小さい中心部／曲率の大きい周辺部からなり、同図で上下対称な形状である。
【００２７】
図７（ａ）の従来技術と比較しての相違は、同図（ａ）に示す様に、開口部を通ってレンズシート内に入射した光が、単位レンズの測部（隣接する単位レンズとの境界近傍）に当たる場合、単位レンズの測部の曲率変化に応じて、垂直方向を中心として入射する成分が多いため、全反射（レンズ測部での内面反射）を生じる成分がなく、レンズ部による屈折を受けて、右側の液晶パネル側に出射される光が多いことである。
従って、同図中、上下方向に向かった後、光源側に戻る成分の光もなく、直接、右側の液晶パネル側に出射されない光は減少する。
【００２８】
図８（ｂ）では、開口部を通ってレンズシート内に入射した光が、単位レンズの中心部（頂部）近傍に当たるため、図７（ｂ）の場合と同様、直接、レンズ部による屈折を受けて光路を制御された（図面水平方向に略平行光として）後、右側の液晶パネル側に出射される光が多い。
図８（ｂ）の場合、図７（ｂ）に比較して、単位レンズの中心部の曲率が小さくカーブが急であるため、「中心部内での端部」では入射光が全反射を生じる可能性が高くなるが、開口部を通ってレンズシート内に入射した光の入射角度の範囲内では、前記可能性は考慮の必要がない前提で、レンズシートの厚さ，開口幅，中心部の曲率などが設計されている。
【００２９】
図９は、本実施形態の光学シートによる表示光の配光特性（実線）と図７に示す従来技術による光学シートによる表示光の配光特性（点線）を比較して示すグラフである。
図７と図８では、単位レンズの配列ピッチ，レンズ高さ，開口率などは同条件であり、単位レンズの断面形状のみが相違する。
【００３０】
同グラフから明らかな様に、図７（従来形状の点線）では、画面の正面方向（０°）を中心に、高輝度な範囲は広い（約±２０°）が、その範囲外では輝度の低下が顕著であり、結果的に視域が正面方向を中心に限定されることになる。
対して、図８（本実施形態の実線）では、画面の正面方向（０°）を中心に、高輝度な範囲は相対的に狭くなるが、正面方向から外れた角度から観察しても、輝度の低下はなだらかになり、結果的に視域が正面方向に限定され過ぎることにならない。
図８による輝度分布は、光拡散剤（フィラー）を分散混合してなる光拡散シートを採用して、画面内の輝度分布を均一化したり、視域を広げる作用と同等であり、本実施形態に係る光学シートでは、レンズ設計に基づく光拡散機能をも奏すると言える。
【００３１】
図１０，図１１は、図７，図８に係る光学シートをレンズ部側から見た平面図（写真）である。
図１０（図７の従来形状）では、単位レンズ（半円柱状シリンドリカルレンズ）の並列ピッチに応じた単位レンズの境界線によるストライプ・パターンが観察される。
図１１（図８の本実施形態形状）では、単位レンズを構成する周辺部（大きい曲率）と中心部（小さい曲率）の境界では、曲率が連続的に滑らかに変化しておらず、境界線によるストライプも観察され、ストライプ・パターンのピッチが微細化（図１０の約１／３）している。
【００３２】
液晶パネル（画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する液晶表示素子からなる画像表示素子）では、高解像度の画像表示を実現するため、画素ピッチの微細化が顕著であり、現行で約５００μｍピッチの配列も一層微細化の方向にある。
従って、光路制御素子としてのレンズシート（あるいは、従来技術に係るプリズムシート）でも、液晶画素ピッチとの周期性との関係に起因するモアレを回避するため、単位レンズ（単位プリズム）の並列ピッチも微細化する必要があるが、本実施形態では、単位レンズのピッチは一定のまま、ストライプのピッチはおよそ１／３にすることが可能であるため、モアレの解消には有効である。
単位レンズが曲率の異なる複数の部分（３部分，５部分）で構成される場合、各部分の幅を一定とすると、ピッチが正確に１／３（１／５）となり、単位レンズピッチが強く現れないため、モアレコントラストを更に低減する上で有効である。
【００３３】
光学シートの単位レンズの配列ピッチは、液晶画素と単位レンズの間での周期性の重なり合いに起因するモアレを考慮して、１：１あるいは１：１．５を外した範囲で選択する必要があり、熱可塑性樹脂を用いたプレス，押出し成形での成形性から０．３ｍｍ（３００μｍ）前後で設計される場合が多いが、２Ｐ法を採用するなどレンズシートの材料（構成）によっては、０．１ｍｍ前後の微細化も可能である。
【００３４】
＜他の実施形態＞
図１２は、本発明の他実施形態を示す概略図であり、単位レンズは、その断面形状が、周辺部２／周辺部１／中心部／周辺部１／周辺部２からなり、３種類の曲率を有するレンズは、周辺部２，周辺部１，中心部の順に段階的に曲率が小さくなり、全体として左右対称な形状となっている。
同図の場合、単位レンズを構成する周辺部と中心部の境界，あるいは周辺部２と周辺部１の境界では、曲率が連続的に滑らかに変化せず、境界線が明確であるであることにより、ストライプ・パターンのピッチは１／５となる。
【００３５】
＜他の実施形態２＞
図８および図１２は、曲率の異なる単位レンズ要素を順に積み上げた形状の場合であるが、図１３に示す様に、曲率の異なる単位レンズ要素を非連続的に平面上に配列し、結果として全体が１つの凸レンズを構成する様にする改良も、本発明の要旨を逸脱するものではない。
図１３の場合、所謂、リニア・フレネルレンズの様に、各単位レンズ要素が周辺部から中心部に向かうに従って、フレネル面にあたる傾斜が段階的に急になる。
本実施形態の場合、光学シートの薄型化が可能となる。
【００３６】
本発明による光学シートの製造にあたっては、単位レンズ形状を構成するために用いられるスタンパ（成形型）の形状を変更する以外は、先行技術と同様に行なわれる。
レンズシートの反レンズ部側表面への光反射層の形成にあたっては、一般に、印刷（コーティング），転写，フォトリソなどの各種手法が、適宜に選定されるが、レンズシートの単位レンズの並列ピッチが微細である場合には、単位レンズそれぞれに１：１で対応して開口部を有するストライプ状とするためのアライメント精度が要求されるため、フォトリソグラフィー法の一方式として、レンズ自身の集光特性を利用して反射層（開口部）の形成箇所を規定する、所謂「セルフアライメント手法」の採用が有効である。
【００３７】
セルフアライメント手法の一例として、反レンズ部側平坦面に、感光によって粘着性が消失する特性を持つフォトポリマ層を全面に形成しておき、レンズ部側からの露光により、各単位レンズの集光作用に応じて規定された集光部（フォトポリマの粘着性が消失する部分）／非集光部（フォトポリマの粘着性が残る部分）のうち、非集光部に相当する箇所にのみ白色転写層を転写形成する（あるいは、粉末状の光反射性材料を付着させる）手法が有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来技術に係る光学シートである「ＢＥＦ」を示す説明図。
【図２】ＢＥＦによるバックライトの光路制御特性を示す説明図。
【図３】ＢＥＦによるバックライトの光路制御特性を示すグラフ。
【図４】ＢＥＦとは別タイプの従来技術に係る光学シートを示す説明図。
【図５】図４の光学シートを示す斜視図。
【図６】図４の光学シートによるバックライトの光路制御特性を示す説明図。
【図７】従来技術に係る光学シートの単位レンズ１つにおける光線追跡（シミュレーション）の一例を示す説明図。
【図８】本発明による光学シートの単位レンズ１つにおける光線追跡（シミュレーション）の一例を示す説明図。
【図９】本実施形態の光学シートによる表示光の配光特性（実線）と図７に示す従来技術による光学シートによる表示光の配光特性（点線）を比較して示すグラフ。
【図１０】図７の光学シートをレンズ部側から見た平面図（写真）。
【図１１】図８の光学シートをレンズ部側から見た平面図（写真）。
【図１２】本発明の他実施形態を示す概略図。
【図１３】本発明の他実施形態を示す概略図。
【符号の説明】
【００３９】
２３  光源
２６  拡散板
２７  反射板
３８  光学シート
４０  バックライトユニット
４２  液晶パネル
４４  レンズ部
４６  開口部
４８  ストライプ状のパターンからなる反射材
７０  部材
７２  単位プリズム
【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９】
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【図１２】
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【図１３】
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【図７】
2007225853.tif 000012
【図８】
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【図１０】
2007225853.tif 000014
【図１１】
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