(57)【要約】【課題】マイクロレンズアレイを有する光学素子において、直線透過光を抑制する。【解決手段】光学シート１は、光入射面１ａと、光出射面１ｂとを有する。光入射面１ａ及び光出射面１ｂのうちの少なくとも一方には、マイクロレンズアレイ１０が形成されている。マイクロレンズアレイ１０は、周期的且つマトリクス状に配置された複数のマイクロレンズ１１を有する。マイクロレンズ１１は、凸状または凹状に形成されている。光入射面１ａと光出射面１ｂとのうちのマイクロレンズアレイ１０が形成された方の面のマイクロレンズアレイ１０が形成されていない平面部１２は、中心線算術平均粗さＲａとして０．１μｍ以上、２μｍ以下で表される表面粗さを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射面と、光出射面とを有し、それぞれ凸状または凹状に形成された複数のマイクロレンズが周期的且つマトリクス状に配置されたマイクロレンズアレイが前記光入射面及び前記光出射面のうちの少なくとも一方に形成されており、
前記光入射面と前記光出射面とのうちの前記マイクロレンズアレイが形成された方の面の前記マイクロレンズアレイが形成されていない平面部は、中心線算術平均粗さＲａとして０．１μｍ以上、２μｍ以下で表される表面粗さを有する光学素子。
【請求項２】
前記複数のマイクロレンズは、三角形格子状に配列されている、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記複数のマイクロレンズは、正三角形格子状に配列されている、請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記各マイクロレンズの直径は、２μｍ以上、１００μｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記複数のマイクロレンズは、隣接するマイクロレンズの端部間の距離の最小値が１μｍ以上、１０μｍ以下となるように配置されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記各マイクロレンズは、凸状に形成されており、
前記マイクロレンズアレイは、前記光出射面に形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項７】
実質的にプラスチックからなり、平均厚みが２０μｍ以上、５００μｍ以下である請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶表示装置は、コンピュータ用ディスプレイやテレビジョン装置などに広く用いられている。
【０００３】
通常、液晶表示装置では、液晶表示セルの背面に光源デバイスが配置される。近年、液晶表示装置における表示画質の高精細化や液晶表示装置の消費電力低減が強く望まれるようになっており、それに伴い、光源デバイスにおいても、より高い発光効率が望まれている。
【０００４】
光源デバイスの発光効率を向上させる手段としては、従来、面状光源の光出射面側に、輝度を向上させるシートを設置する手段が知られている。ここで、輝度を向上させるシートとしては、例えば、マイクロビーズを含有する塗料が表面に塗布されたビーズコート光拡散シートや、横断面二等辺三角形状のプリズムが複数配列されたプリズムアレイシートなどが挙げられる。
【０００５】
しかしながら、ビーズコート光拡散シートは、小さな光線集束性能しか有さない。このため、たとえビーズコート光拡散シートを複数枚重ねて用いたとしても、十分な輝度向上効果を得ることは困難である。
【０００６】
また、プリズムアレイシートでは、光線を発しない方向が存在する。このため、液晶表示装置の視野角が制限されるという問題がある。
【０００７】
このような従来のシートの問題を解消しうる光学シートとして、例えば特許文献１，２には、所謂マイクロレンズアレイシートが開示されている。
【特許文献１】特開平７−３３３４０６号公報
【特許文献２】特開２００４−１４５３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光出射面にマイクロレンズアレイが形成されたマイクロレンズアレイシートでは、マイクロレンズアレイが形成されていない光出射面の部分は、通常、平面部となる。このため、マイクロレンズアレイシートの透過光には、マイクロレンズアレイを透過せず、ほぼ屈折されることなく平面部を透過した所謂直線透過光が含まれるという問題がある。
【０００９】
特に、特許文献２に記載のように、マイクロレンズがランダムに配置されている場合は、光出射面に対して平面部の占める割合が大きくなる。従って、特許文献２に記載のマイクロレンズアレイシートでは、上記直線透過光の問題がより顕著に現れる。
【００１０】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、マイクロレンズアレイを有する光学素子において、直線透過光を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る光学素子は、光入射面と、光出射面とを有する。光入射面及び光出射面のうちの少なくとも一方には、マイクロレンズアレイが形成されている。マイクロレンズアレイは、周期的且つマトリクス状に配置された複数のマイクロレンズを有する。マイクロレンズは、凸状または凹状に形成されている。光入射面と光出射面とのうちのマイクロレンズアレイが形成された方の面のマイクロレンズアレイが形成されていない平面部は、中心線算術平均粗さＲａとして０．１μｍ以上、２μｍ以下で表される表面粗さを有する。
【００１２】
複数のマイクロレンズは、三角形格子状に配列されていることが好ましく、正三角形格子状に配列されていることがさらに好ましい。マイクロレンズを密に配列することができ、光学素子の光線集束性能を高くすることができるからである。しかし、本発明において、マイクロレンズの配列は三角形格子状に限定されない。例えば、複数のマイクロレンズはランダムに配列されていてもよい。
【００１３】
本発明のある特定の局面において、各マイクロレンズの直径は、２μｍ以上、１００μｍ以下である。
【００１４】
本発明の別の特定の局面において、複数のマイクロレンズは、隣接するマイクロレンズの端部間の距離の最小値が１μｍ以上、１０μｍ以下となるように配置されている。
【００１５】
本発明のまた別の特定の局面では、各マイクロレンズは、凸状に形成されており、マイクロレンズアレイは、光出射面に形成されている。
【００１６】
本発明の他の特定の局面では、光学素子は、実質的にプラスチックからなり、光学素子の平均厚みが２０μｍ以上、５００μｍ以下である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、マイクロレンズアレイを有する光学素子において、直線透過光を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について、図１に示す光学シート１を例に挙げて詳細に説明する。但し、図１に示す光学シート１は単なる例示である。本発明は、光学シート１に限定されない。
【００１９】
図１は光学シート１の平面図である。図２は、光学シート１の断面図である。
【００２０】
光学シート１は、光透過性を有する。言い換えれば、光学シート１は、光透過性の材料により形成されている。なお、光学シート１の透過波長領域は、特に限定されない。光学シート１の用途などに応じて適宜設定することができる。例えば、光学シート１が液晶表示装置に使用される場合は、光学シート１の透過波長領域は、一般的には、３８０ｎｍ〜７００ｎｍ程度の波長の可視光領域程度に設定される。
【００２１】
光学シート１の材質は、上記光透過性を確保できるものである限りにおいて特に限定されない。光学シート１の材質としては、例えば、ガラスやプラスチックなどが挙げられる。その中でも光学シート１の材質としてはプラスチックが好ましい。すなわち、光学シート１は、実質的にプラスチックからなるものであることが好ましい。プラスチックは、軽量性、柔軟性、加工容易性に優れているからである。
【００２２】
プラスチックの具体例としては、例えば、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート及びポリアクリロニトリルなどが挙げられる。また、光学シート１には、透光性を阻害しない範囲で耐候剤、加工助剤、増量剤、補強剤などを添加してもよい。
【００２３】
なお、光学シート１の厚みは、特に限定されない。光学シート１の厚みは、例えば、平均厚みで２０μｍ以上、５００μｍ以下程度に設定される。
【００２４】
図２に示すように、光学シート１は、光入射面１ａと、光出射面１ｂとを備えている。光入射面１ａと光出射面１ｂとのうちの少なくとも一方には、マイクロレンズアレイ１０が形成されている。具体的に、本実施形態では、光出射面１ｂにマイクロレンズアレイ１０が形成されている例について説明する。
【００２５】
高い光線集束性能を得る観点からは、光出射面１ｂに凸状の複数のマイクロレンズ１１を有するマイクロレンズアレイ１０を形成することが好ましいが、マイクロレンズアレイは、光入射面１ａに形成されていてもよい。また、光入射面１ａと光出射面１ｂとの両方にマイクロレンズアレイが形成されていてもよい。
【００２６】
図１に示すように、マイクロレンズアレイ１０は、複数のマイクロレンズ１１を備えている。マイクロレンズ１１は、凸状または凹状に形成されている。具体的に、本実施形態では、マイクロレンズ１１は凸状に形成されている。複数のマイクロレンズ１１は、周期的且つマトリクス状に形成されている。但し、マイクロレンズ１１は、例えば凹状に形成されていてもよい。
【００２７】
なお、本明細書において「マトリクス状」とは、第１の方向と、第１の方向とは角度をなす第２の方向との両方において周期的に配列されている様をいう。ここで、第１の方向と第２の方向とは相互に垂直でなくてもよく、斜めであってもよい。
【００２８】
また、マイクロレンズアレイ１０は、複数種類のマイクロレンズ１１を有していてもよい。例えば、マイクロレンズアレイ１０は、大きさの異なる複数種類のマイクロレンズ１１を有していてもよい。より具体的には、図７に示すように、マイクロレンズアレイ１０は、径の異なる複数種類のマイクロレンズ１１ａ、１１ｂが交互に周期的且つマトリクス状に配置されたものであってもよい。さらには、図８に示すように、マイクロレンズアレイ１０は、周期的且つマトリクス状に配置された第１のマイクロレンズ１１ｃと、隣接する第１のマイクロレンズ１１ｃの間に周期的または非周期的に配置され、第１のマイクロレンズ１１ｃとは径の異なる１または複数の第２のマイクロレンズ１１ｄとを有するものであってもよい。
【００２９】
本実施形態では、複数のマイクロレンズ１１は、具体的には、三角形格子状に配列されている。すなわち、図１に示すように、複数のマイクロレンズ１１は、隣接するマイクロレンズ１１の中心Ｃ１〜Ｃ３を結ぶことで形成される図形Ｔ１が三角形状となるように配列されている。より具体的には、複数のマイクロレンズ１１は、正三角形格子状に配列されている。すなわち、図１に示すように、複数のマイクロレンズ１１は、隣接するマイクロレンズ１１の中心Ｃ１〜Ｃ３を結ぶことで形成される図形Ｔ１が正三角形状となるように配列されている。
【００３０】
なお、本発明において、複数のマイクロレンズ１１の配列は、上記三角形格子配列に限定されない。複数のマイクロレンズ１１は、例えば、正方形格子状に配列されていてもよい。言い換えれば、複数のマイクロレンズ１１は、第１の方向と、第１の方向とに対して垂直な第２の方向との両方において規則的に配列されていてもよい。
【００３１】
本実施形態では、マイクロレンズ１１は、略半球状に形成されている。但し、本発明において、マイクロレンズの形状は、略半球状に限定されない。マイクロレンズは、例えば、一部が切断された楕円球状、放物線回転体状、円錐状、角錐状、円錐台状、角錐台状などに形成されていてもよい。但し、マイクロレンズの形状は、真半球状であることが好ましい。光線集束性能をより高くすることができるからである。
【００３２】
マイクロレンズ１１の直径Ｄは、特に限定されないが、例えば、２μｍ以上、１００μｍ以下程度に設定することができる。マイクロレンズ１１の好ましい直径Ｄは、５μｍ以上、７５μｍ以下である。マイクロレンズ１１の直径Ｄが２μｍを下回ると、マイクロレンズアレイ１０において生じる回折光の光量が増大する傾向にある。マイクロレンズ１１の直径Ｄが１００μｍを上回ると、マイクロレンズ１１の視認されやすくなる傾向にある。このため、例えば、直径Ｄが１００μｍを上回るマイクロレンズを有する光学シートを表示装置に用いた場合、輝度ムラが視認されやすくなる傾向にある。
【００３３】
なお、本明細書において、マイクロレンズの直径とは、詳細にはマイクロレンズを平面視した際の直径をいう。また、マイクロレンズが、一部が切欠かれた楕円球状である場合、マイクロレンズの直径とは、長径と短径との平均値をいう。さらに、マイクロレンズが、平面視正多角形状である場合、平面視においてマイクロレンズの内接円の直径をいう。
【００３４】
隣接するマイクロレンズ１１の端部間の距離の最小値Ｐは、特に限定されないが、例えば、１μｍ以上、１０μｍ以下程度に設定することができる。複数のマイクロレンズ１１の距離最小値Ｐは、２μｍ以上、５μｍ以下であることが好ましい。複数のマイクロレンズ１１の距離最小値Ｐが１μｍを下回ると、隣接するマイクロレンズ１１相互間の領域が空気層として機能しづらくなる。このため、マイクロレンズ１１のレンズ機能が低下する傾向にある。一方、複数のマイクロレンズ１１の距離最小値Ｐが１０μｍを上回ると、マイクロレンズ１１の光出射面１ｂに対する占有率が低下するため、直線透過光の抑制が困難となる傾向にある。
【００３５】
図１及び図２に示すように、光出射面１ｂは、マイクロレンズアレイ１０が形成されていない平面部１２を有する。平面部１２は、光入射面１ａと略並行である。
【００３６】
本実施形態において、平面部１２は、中心線算術平均粗さＲａとして０．１μｍ以上、２μｍ以下で表される表面粗さを有する。平面部１２の表面粗さが、中心線算術平均粗さＲａとして０．１μｍ未満である場合は、直線透過光の低減が困難となる。一方、平面部１２の表面粗さが、中心線算術平均粗さＲａとして２μｍを超える場合は、平面部１２における透過率が低下する。このため、例えば、平面部１２の表面粗さが、中心線算術平均粗さＲａとして２μｍを超える光学シート１を液晶表示装置に使用した場合は、マイクロレンズ１１の形状寸法にもよるが、平面部１２が暗部として視認される場合がある。
【００３７】
平面部１２の表面粗さは、中心線算術平均粗さＲａで０．２μｍ以上、０．５μｍ以下の範囲であることが好ましい。
【００３８】
なお、中心線算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１−２００１に規定の方法で測定することができる。
【００３９】
本実施形態では、光入射面１ａは、光学的鏡面に形成されている。このため、光学シート１の高い光集束機能が実現されている。但し、光入射面１ａは、光学的鏡面に形成されていなくてもよい。光入射面１ａは、他の部材との密着性を低下させるために粗面に形成してもよく、また光入射面１ａに１または複数の突起を形成してもよい。光入射面１ａに、つや消し加工、エンボス加工、印刷加工等を施してもよい。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態では、平面部１２の表面粗さが、中心線算術平均粗さＲａとして０．１μｍ以上と、比較的大きくされている。このため、平面部１２に入射した光は散乱される。従って所謂直線透過光を抑制することができる。
【００４１】
例えば、平面部の粗さが中心線算術平均粗さＲａとして０．１μｍ未満の場合は、平面部における光の散乱がそれほど発生しない。従って、例えば、光学シートの光入射面側に光散乱ドットなどが配置されている場合は、図３に示すように、平面部１１２の透過光によって、光散乱ドットなどの実像１３と、マイクロレンズアレイ１１０によって形成された光散乱ドットなどの虚像１４との両方が観察されることとなる。
【００４２】
それに対して、本実施形態の光学シート１の光入射面１ａ側に光散乱ドットなどが配置されている場合は、図４に示すように、平面部１２に入射した光は散乱されるため、マイクロレンズアレイ１０によって形成された虚像と、平面部１２における散乱孔によって形成された虚像とが合成された虚像１５のみが視認され、図３に示す光散乱ドットなどの実像１３は視認されない。従って、本実施形態に係る光学シート１を用いることで、光散乱ドットなどが視認されることを抑制することができる。
【００４３】
また、本実施形態の光学シート１を直下型のバックライトに対して用いた場合は、直線透過光が抑制されているため、所謂ランプイメージが視認されにくくすることができる。
【００４４】
本実施形態では、複数のマイクロレンズ１１は、三角形格子状に配置されている。このため、マイクロレンズアレイ１０の光出射面１ｂに占める割合が大きくされている。言い換えれば、平面部１２の光出射面１ｂに占める割合が小さくされている。従って、直線透過光がより効果的に抑制されている。それと共に、高い光線集束性能が実現されている。
【００４５】
本実施形態では、詳細には、複数のマイクロレンズ１１は、正三角形格子状に配置されている。よって、平面部１２の光出射面１ｂに占める割合がさらに小さくされている。従って、直線透過光がより効果的に抑制されている。それと共に、高い光線集束性能が実現されている。
【００４６】
なお、光学シート１の製造方法は特に限定されず、光学シート１の製造には、従来一般に使用されている光学素子の製造方法が適用される。光学シート１の製造方法としては、例えば、成形型を用いたプレス成形、ＵＶ重合成形法、インクジェット法などを用いた印刷成形法などが挙げられる。
【００４７】
また、透光性シートに、マイクロレンズアレイ１０が形成された別の透光性シートを貼り合わせることによって光学シート１を作製してもよい。
【００４８】
図５は、本実施形態の光学シート１を用いた液晶表示装置２の模式的側面図である。図５に示すように、液晶表示装置２は、光学デバイス３０と、光学シート１と、液晶表示セル２０とを備えている。光学デバイス３０と、光学シート１とは、光源ユニット３５を構成している。
【００４９】
光学デバイス３０は、光源３１と、導光板３３と、反射板３２とを備えている。導光板３３は、光源３１から離れるに従って幅狭となる断面略台形状に形成されている。導光板３３の側方には、光源３１が配置されている。導光板３３の背面側には、反射板３２が配置されている。このため、光源３１からの光は、側面から導光板３３内に入射する。導光板３３に入射した光は、光出射面３３ｂから出射する。
【００５０】
図６に示すように、導光板３３の背面３３ａには、複数の光散乱ドット３４が形成されている。
【００５１】
光出射面３３ｂの上方には、光学シート１が配置されている。光学シート１の上方には、液晶表示セル２０が配置されている。光学シート１は、光入射面１ａが光学デバイス３０側を向くように配置されている。
【００５２】
上述のように、本実施形態に係る光学シート１によれば、直線透過光を抑制しつつ、高い光集束能を実現することができる。従って、高輝度であり、輝度ムラが少なく、かつ、光散乱ドット３４の視認が抑制された液晶表示装置２を実現することができる。
【００５３】
（変形例）
上記実施形態では、マイクロレンズアレイ１０が光学シート１の表面に形成されている例について説明した。但し、本発明において、マイクロレンズアレイ１０が形成される光学素子は、これに限定されない。マイクロレンズアレイ１０が形成される光学素子は、光入射面と光出射面とを有するものである限り、特に限定されない。
【００５４】
（実施例）
ポリエチレンテレフタレートフィルムを、熱プレス成形法を用いて図１及び図２に示す光学シート１を作製した。なお、熱プレス成形法には、対をなす第１の成形型と第２の成形型とを用いた。第１の成形型は、予め中心線算術平均粗さＲａが０．５μｍに研削加工された母材に対して、直径Ｄが７０μｍの半休形状の凹部を距離最小値Ｐが１０μｍとなるように正三角形格子状に切削加工することによって作製した。第２の成形型の成形面は、実質的に鏡面とした。
【００５５】
得られた光学シート１の平面部１２の表面粗さは、中心線算術平均粗さＲａで０．４５μｍであった。
【００５６】
得られた光学シート１を図５に示す１７インチの液晶表示装置に搭載し、光散乱ドット３４の視認性評価、光線集束性能評価を行った。具体的に、光散乱ドット３４の視認性の評価は、液晶表示装置に白画面を表示させた状態で、目視することで、光散乱ドット３４が視認されるか否かを評価した。
【００５７】
光線集束性能の評価は、液晶表示装置に白画面を表示させ、画面の法線方向において画面中央の輝度を測定することにより行った。また、光学シート１を搭載しないときの非搭載時輝度を測定し、光学シート１を搭載したときの搭載時輝度を非搭載時輝度で除算することによって光線集束性能の相対値を算出した。
【００５８】
評価結果を下記表１に示す。
【００５９】
（比較例１）
第１の成形型の母材として、表面が実質的に鏡面である母材を用いた以外は上記実施例と同様にして液晶表示装置を作製し、上記実施例と同様の各種評価を行った。なお、得られた光学シートの平面部の表面粗さは、中心線算術平均粗さＲａで０．０３μｍであった。
【００６０】
結果を下記表１に示す。
【００６１】
（比較例２）
比較例１の液晶表示装置において、光学シートと液晶表示セルとの間に市販の光拡散フィルムを追加し、上記実施例と同様の各種評価を行った。
【００６２】
結果を下記表１に示す。
【００６３】
【表１】
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【００６４】
表１に示すように、平面部の表面粗さが中心線算術平均粗さＲａで０．０３μｍである比較例１では、光散乱ドット３４が視認されたのに対して、平面部の表面粗さが中心線算術平均粗さＲａで０．４５μｍである実施例では、光散乱ドット３４が視認されなかった。この結果から、平面部の表面粗さを比較的粗くすることで、光散乱ドット３４の視認性が低下することがわかる。
【００６５】
また、実施例では、比較例１よりも高い光線集束性能が測定された。この結果から、平面部の表面粗さを比較的粗くすることで、光線集束性能を高くすると共に、光散乱ドットの視認性を効果的に低下させることができることがわかる。
【００６６】
なお、比較例２の結果からわかるように、光拡散フィルムを併用することで、平面部の表面粗さが比較的小さい光学シートを用いる場合にも光散乱ドットの視認性を低下させることができる。しかしながら、比較例２では、光線収束能が絶対値で３８２ＣＤ／ｍ２、相対値で１．２２と実施例の光線集束性能よりも低い値となった。この結果より、平面部の表面粗さが比較的小さい光学シートに光拡散フィルムを併用した場合には、十分な光線集束性能が得難くなることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】実施形態に係る光学シートの一部分を表す平面図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視図である。
【図３】平面部の粗さが中心線算術平均粗さＲａとして０．１μｍ未満の場合に、背面に光散乱ドットが配置された光学シートの一部分を表す平面図である。
【図４】平面部の粗さが中心線算術平均粗さＲａとして０．１μｍ以上の場合に、背面に光散乱ドットが配置された光学シートの一部分を表す平面図である。
【図５】実施形態に係る液晶表示装置の模式的側面図である。
【図６】導光板の背面図である。
【図７】第１の変形例に係る光学シートの一部分を表す平面図である。
【図８】第２の変形例に係る光学シートの一部分を表す平面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１…光学シート
１ａ…光入射面
１ｂ…光出射面
２…液晶表示装置
１０…マイクロレンズアレイ
１１…マイクロレンズ
１２…平面部
２０…液晶表示セル
３０…光源ユニット
３１…光源
３２…反射板
３３…導光板
３３ｂ…光出射面
３４…光散乱ドット
３５…光源ユニット
【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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