JP2005148440A - 照明光制御シートとそれを用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示装置を高所に設置する状態での使用にあたり、表示画面を下方の観察者に向けた状態で設置することなく、通常の設置状態でも、表示映像光が観察者の位置する下方に向かって出射するような指向性を持つことにより、観察者にとっては明るい表示映像が視覚され、内蔵光源（バックライトなど）が有効に利用される表示装置を提供する。
【解決手段】片面に単位レンズが配列されてなるレンズ部を有し、前記レンズ部による焦点距離近傍の反レンズ部側が平坦面であるレンズシートの前記平坦面に、レンズ部側からレンズシート主面に対して非垂直な角度で平行光を入射させた場合の、前記レンズ部による非集光部にあたる箇所に遮光パターンを形成した構成の照明光制御シートを採用する。
【選択図】図４

Description

本発明は、液晶パネルを背面側から照射するバックライトシステムを備える透過型液晶表示装置に代表されるような表示装置に適用される、表示映像光の光路を好適に制御可能な光学部材に関する。

近年、ＴＦＴやＳＴＮからなる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（パーソナルコンピュータ）を中心に商品化されつつある。

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

このようなバックライトシステムとしては、大別して冷陰極管（ＣＣＦＴ）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の側端部に沿って取付け、光源ランプからの光を導光板内で多重反射させる、導光板ライトガイド方式（所謂、エッジライト方式）と、導光板を用いない直下型方式とがある。

最近では、薄型化が容易なことから、導光体ライトガイド方式のバックライトシステムが主流となってきている。

導光板ライトガイド方式のバックライトシステムが搭載された液晶表示装置としては、例えば図１に示すような構成のもの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、略長方形板状のＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等からなる導光板７９が配設されており、該導光板の上面（光出射面）に拡散フィルム（拡散層）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せるための散乱反射パターン部８２が印刷などによって設けらると共に、散乱反射パターン部８２下方に反射フィルム（反射層）７７が設けられている。

また、上記導光板７９には、側端部に沿って光源ランプ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８１が設けられている。

上記散乱反射パターン部８２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、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、光出射面側へと光を導くようになっており、高輝度化を図るための一手段である。

さらに、光利用効率をアップして高輝度化を図るべく、図２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（プリズム層）７４および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４５の光出射面から出射され、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。

上記プリズムフィルムとして、米国３Ｍ社の商標である輝度強調フィルム（Brightness Enhancement Film：ＢＥＦ）が、広く普及している。

ＢＥＦは、プリズムの反復的アレイを含んだフィルムである。そのプリズムは光の波長に比較して大きい。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。

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（正面）である。

プリズム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。

しかしながら、これらの方法では視野範囲のコントロールは、拡散フィルム７８の拡散性のみに委ねられており、そのコントロールは難しく、拡散方向の中心部が明るく周辺部にい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時の輝度の低下が大きく、光の利用効率の低下の原因になっていた。

さらには、プリズムフィルムを用いる方法では、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く、また、光学部材数の増加に伴い、コストが上昇する原因にもなっていた。

ところで、このような液晶表示装置では、薄型で低消費電力、かつ、高輝度対応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システムも、薄型で低消費電力、かつ、高輝度であることが要求されている。

特に、最近、目覚ま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、バックライトシステム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の課題となっている。

しかしながら、上記したような従来の構成では、液晶表示装置のさらなる薄型化が図られる今日、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難く、ユーザからは、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システムの開発が待ち望まれていた。

そこで、本出願人は、上記課題に鑑みて、ユーザの要求に応え得る、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提供することを目的として、以下に示す構成の液晶表示装置について提案を行なっている。

液晶パネルと、この液晶パネルに背面側から光を照射する光源手段とを備え、この光源手段に、光源からの光を液晶パネルへと導くレンズ層が設けられ、該レンズ層焦点面近傍に開口をもつ遮光部を有することを特徴とする。（特許文献１）
特許文献１に係る液晶表示装置の構成例を図３に示す。

上部に偏光板１１，１３に挟まれた液晶パネル１２が設けられ、その下面側に、略長方形板状のＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等からなる導光板７９が配設されており、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１２方向に均一となるように散乱して反射させるための散乱反射パターン部８２が印刷などによって設けられると共に、散乱反射パターン部８２下方に反射フィルム（反射層）７７が設けられている。

導光板７９には、側端部に沿って光源ランプ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８１が設けられている。

散乱反射パターン部８２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、例えばドットパターンにて印刷形成したものである。散乱パターン部８２などで散乱した光は、導光板７９の上面から出射する。この光の出射側に、複数のレンズからなるレンズ層１５を配置し、そのレンズ層１５を構成するレンズの焦点面近傍に、各レンズ毎に対応する開口をもつ遮光層１８を配置する。導光板７９から出射した光は、遮光層１８の開口部分のみを通過し、レンズ層１５に入射する。遮光層は焦点近傍に配置してあるため、遮光層１８の一点からでた光は、レンズによってある一定の方向の光としてレンズ層１５から出射する。そこで、この遮光層１８の開口の大きさによって、レンズ層から出射する光の方向を決定することが出来る。
特開２０００−２８４２６８号公報

表示装置の使用形態として、比較的大型（大画面）のＴＶやモニターなどを、大人数の観察者に対して表示映像を提供するために、装置を上方に設置し、観察者は下方から見上げる方式がある。（図９参照）
表示装置を上方に設置する上記方式では、広い範囲に渡る多数の観察者が、表示装置の画面を視覚することができるが、表示装置を単に上方の位置に設置しただけでは、画面が観察者に向かっていないため、表示映像光も観察者の位置する下方に向かって出射するような指向性を持っておらず、内蔵光源（バックライトなど）を備える液晶表示装置の場合は、内蔵光源からの投射光が有効に利用されていない。

表示装置の画面を下方の観察者に向けた状態で上方に設置するには、表示装置が落下することのない様、安定させて固定する必要がある。

本発明は、上記方式での表示装置の使用にあたり、表示装置の画面を下方の観察者に向けた状態で設置することなく、通常の設置状態でも、表示映像光が観察者の位置する下方に向かって出射するような指向性を持つことにより、観察者にとっては明るい表示映像が視覚され、表示装置の内蔵光源（バックライトなど）が有効に利用される構成の表示装置を提供することを目的とする。

本発明では、表示装置を通常の設置状態で使用した場合でも、表示映像光が、画面に対する垂線を中心とする方向（すなわち、水平方向を中心とする方向）に出射する構成ではなく、前記垂線よりも下方を中心に、表示映像光が出射する構成とすることにより、上記目的を実現する。

バックライトを備える液晶表示装置においては、液晶パネルに対する照明光が、下方を中心とする非垂直な角度での照射成分を多くなるように改良する必要がある。

請求項１の発明に係る本発明の照明光制御シートは、
片面に単位レンズが配列されてなるレンズ部を有し、前記レンズ部による焦点距離近傍の反レンズ部側が平坦面であるレンズシートの前記平坦面に、レンズ部側からレンズシート主面に対して非垂直な角度で平行光を入射させた場合の、前記レンズ部による非集光部にあたる箇所に遮光パターンを形成した構成であることを特徴とする。

前記遮光パターンは、レンズ部側，反レンズ部側の少なくとも何れかの表面が光反射性を有することが好ましい。

本発明では、遮光パターンの形成箇所は、以下の関係で規定されることが望ましい。
・レンズシートを構成する材料の屈折率：ｎ
・遮光パターンの開口部中心からの入射光が、対応する単位レンズ頂部から射出する際、レンズシート内部を伝播する角度：α
・上記の入射光が、単位レンズ頂部から射出する角度：β
・レンズシートの厚さ（単位レンズ頂部から、反レンズ部側の平坦面までの距離）：Ｔ
以上の条件で、単位レンズ頂部からレンズシートに対する垂線が反レンズ部側の平坦面と交差する点から、開口部中心までのシフト量をｓとした場合に、
ｓ＝Ｔtan（arcsin（sin（β）／ｎ））
本発明の照明光制御シートを適用してなる表示装置は、
画素単位での選択的な透過／非透過に応じて表示画像が規定される透過型画像表示素子と、前記表示素子に光を照射する光源手段とを備え、
本発明の照明光制御シートを、前記光源手段と前記表示素子との間に配置してなる構成である。

一般的な表示装置としては、
前記表示素子は、液晶パネルであり、
前記光源手段は、液晶パネルの全面に渡って、垂直でない角度での成分を多く光を照明するように機能し、
本発明の照明光制御シートに形成される遮光パターンは、上記の角度と対応付けられた角度で平行光を入射させた場合の非集光部にあたる箇所が遮光部となるように形成される。

表示装置の画面を下方の観察者に向けた状態で設置することなく、通常の設置状態でも、表示映像光が観察者の位置する下方に向かって出射するような指向性を持つことにより、観察者にとっては明るい表示映像が視覚され、表示装置の内蔵光源（バックライトなど）が有効に利用される構成の表示装置が提供される。

本発明による表示装置は、上方（高所）に設置して、多数の観察者に対して表示映像を提供する上で非常に好適である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図４は、本発明による表示装置の一例について、要部を概念的に示す説明図である。

画素単位で選択的に透過／非透過を制御することにより、表示画像を規定する画像表示素子である液晶パネル７の背面側（観察者と反対側。同図で左側）には、前記パネルに対して照明光を面状に照射するバックライトシステムと、前記システムの前面側（観察者側）には、本発明の照明光制御シート４が配置されてなる構成である。

図４に例示されるバックライトシステムは、冷陰極管（ＣＣＦＴ）等の光源ランプ１から入射する光が、導光板２内で全反射を繰り返しながら、同図の下方向に伝播する際に、随所で導光板２から光３が、同図の右方向に出射される。

光３の出射箇所や光量は、従来技術で述べたような散乱反射パターン部８２の形成箇所や面積で制御される。

同図では、光３の出射方向を右下がりの矢印にて表わしているが、エッジライト方式の導光板のみでは、散乱反射パターン部８２の形成手法によって、表示画面に対応する導光板の面内での光３の輝度分布を均一化することは可能であるが、出射方向の制御は困難であり、伝播方向に応じて、同図の場合は右下向きの光量が多くなる。

エッジライト方式では、導光板の設計により光３の出射角度に差異はあるが、同図の場合、主面に対する垂線を基準として時計回りに５０°〜８０°の範囲で出射する場合が多く、概ね７０°を中心とする。

導光板によって面内で輝度分布が均一化された光を、表示画面に対して略垂直に（同図では、水平に左から右へ）照明光を出射させるために、従来技術で述べたようなＢＥＦなどのプリズムフィルムが用いられているが、本発明では、表示装置を高所に設置して、下方の観察者に対して表示画像を視覚させる用途であるため、同図に示すような光３が好ましい。

次いで、光３は、照明光制御シート４に入射する。

本発明の照明光制御シート４は、
片面に単位レンズが配列されてなるレンズ部６を有し、前記レンズ部による焦点距離近傍の反レンズ部側が平坦面であるレンズシートの前記平坦面に、レンズ部側からレンズシート主面に対して非垂直な角度で平行光を入射させた場合の、前記レンズ部による非集光部にあたる箇所に遮光パターン５が形成されている。

ここで言う「レンズシート主面に対して非垂直な角度」が、上記の概ね７０°を中心とする光３の角度に相当することになる。

同図の場合、レンズシートの平坦面の非遮光部（開口部）から入射した光がレンズ作用を受けて、液晶パネル７に出射する。

当然、上記開口部は、レンズシートのレンズ部側からレンズシート主面に対して非垂直な角度（７０°を中心）で平行光を入射させた場合の、前記レンズ部による集光部にあたる箇所となる。

図５は、照明光制御シート４に入射する光３の挙動を拡大して示す説明図である。

導光板２から出射された光３は、７０°を中心として拡がりを持った角度で、レンズシートの平坦面の非遮光部（開口部）から入射する。

同図で、ある開口部の上端部からの入射光と下端部からの入射光は、レンズ作用によって、出射角度にθの差がある２本の平行光束として出射することになる。

光３には、レンズシートの開口部に至らない成分の光も当然存在するが、遮光パターン５の表面（同図では、反レンズ部側）が光反射性を有することにより、遮光パターン５に当たって反射された光は、導光板（光源）側へ戻り、各種の挙動（導光板の界面での反射，導光板内部への入射など）を繰り返して、レンズシートの開口部から入射する成分の光となるため、光源からの光が照明光として有効に利用される。

すなわち本発明では、ＢＥＦに代表されるプリズムフィルムが、フィルム主面に非垂直に入射する光を、フィルム主面に略垂直に方向を揃えて出射するように機能するのに対して、照明光制御シートの主面に非垂直に入射する光は、それに応じた非垂直な方向に出射するように機能する。

上記の機能の相違は、プリズムフィルムへの入射光が、単位プリズムと出射側空気層との界面で全反射を生じるように設計されているのに対して、本発明の照明光制御シートでは、単位レンズと出射側空気層との界面では、原則的に全反射を生じないことによる。

本発明における主要な特徴は、照明光制御シートに形成される遮光パターンの形成箇所のシフト（変位）にある。

上記のように、遮光パターンの開口部は、レンズシートのレンズ部側からレンズシート主面に対して非垂直な角度（７０°を中心）で平行光を入射させた場合の、前記レンズ部による集光部にあたる箇所となる。

そのような遮光パターンを、レンズシートの反レンズ部側に正確に形成するにあたっては、レンズシートのレンズ部自身の集光特性を利用して、その集光部／非集光部に応じた開口部／遮光部を規定する、所謂セルフアライメント法が好ましく用いられる。

セルフアライメント法は、レンズシートの反レンズ部側の全面に、感光により何らかの変性を生じるフォトポリマ層を形成し、レンズ部側から７０°の角度で、フォトポリマ層に変性を及ぼす光線を照射することで、変性部／非変性部を規定することで行なわれる。

上記のような、表面反射性の高い遮光パターンの形成にあたっては、変性によって粘着性／非粘着性とされたフォトポリマ層の粘着性箇所に、Ａｌ箔を転写形成するなどの手法が採用される。

図６は、照明光制御シートの設計思想を示す説明図である。

遮光パターンの形成箇所は、以下の関係を満たすように規定されることになる。
・レンズシートを構成する材料の屈折率：ｎ
・遮光パターンの開口部中心からの入射光が、対応する単位レンズ頂部から射出する際、レンズシート内部を伝播する角度：α（図４，５の場合、７０°になる）
・上記の入射光が、単位レンズ頂部から射出する角度：β
・レンズシートの厚さ（単位レンズ頂部から、反レンズ部側の平坦面までの距離）：Ｔ
以上の条件で、単位レンズ頂部からレンズシートに対する垂線が反レンズ部側の平坦面と交差する点から、開口部中心までのシフト量をｓとした場合、
スネルの関係から、
n sin(α) = sin(β) （１）
tan（α）＝ｓ／Ｔ （２）
（１）（２）式より、
ｓ＝Ｔtan（arcsin（sin（β）／ｎ））
図７は、照明光制御シートを遮光パターン側から見た説明図であり、同図中に示す開口部中心のシフト量ｓで、遮光パターンの形成箇所が規定され、表示光の出射方向が制御されることになる。

さらに、開口部の幅によって、光学特性を制御することも可能である。

図８は、開口部の幅の大小に応じた輝度特性を示すグラフである。

開口部が狭い場合、開口部中心の前後（表示装置の使用形態の上では、「上下」）に狭い範囲で、非常に高い輝度を示す。

開口部が広い場合、開口部中心の前後に、上記の場合よりも広い範囲で、高い（上記の場合よりは低い）輝度を示す。

前者が、狭い範囲で高い輝度を示す理由として、図５で説明したように、遮光パターンに当たって反射した光が、再度、開口部に入射するような挙動を示す成分が多い（再利用される度合が高い）ためである。

開口部の幅を小さくするほど、バックライトの指向性は強くなり、逆に大きくすれば、指向性が低減し拡散度合いが強くなる。

照明光制御シート４を構成するレンズシートとして、凸シリンドリカルレンズ群が並列されてなるレンチキュラーシートであっても、単位レンズが２次元的に配列されてなるレンズシート（マイクロレンズ，フライアイレンズなどと称される）であっても良い。

前者の場合は、開口部が線状（単位レンズの並列方向である垂直方向に並列）であるが、後者の場合は、開口部はスポット状であり、開口部形状を変形させることにより、方向によって拡散性を変化させることも可能になる。

例えば、水平方向に大きく垂直方向に小さな開口を用いれば、垂直方向に対して水平方向には広い観察領域を取ることが出来る。

一般に、液晶特性として上下方向の視域は小さいため、予めバックライトの特性を垂直方向に狭い視域とすることにより、より光の利用効率を高めることが出来る。

導光板ライトガイド方式のバックライトシステムが搭載された液晶表示装置の構成例を示す説明図。 プリズムフィルムを採用したバックライトシステムが搭載された液晶表示装置の構成例を示す説明図。 遮光部を有するレンズ層を採用したバックライトシステムが搭載された液晶表示装置の構成例を示す説明図。 本発明による表示装置の一例について、要部を概念的に示す説明図。 照明光制御シートに入射する光の挙動を拡大して示す説明図。 照明光制御シートの設計思想を示す説明図。 照明光制御シートを遮光パターン側から見た説明図。 開口部の幅の大小に応じた輝度特性を示すグラフ。 表示装置を高所に設置して視覚する使用形態を示す説明図。

符号の説明

１，７６・・・光源ランプ
２，７９・・・導光板
３・・・光
４・・・照明光制御シート
５・・・遮光パターン
７，７２・・・液晶パネル
１５・・・レンズ層
１８・・・遮光層
７１，７３・・・偏光板
７２・・・液晶パネル
７４，７５・・・プリズムフィルム（プリズム層）
７７・・・反射フィルム（反射層）
７８・・・拡散フィルム
８１・・・ランプリフレクタ
８２・・・散乱反射パターン

Claims (7)

1. 片面に単位レンズが配列されてなるレンズ部を有し、前記レンズ部による焦点距離近傍の反レンズ部側が平坦面であるレンズシートの前記平坦面に、レンズ部側からレンズシート主面に対して非垂直な角度で平行光を入射させた場合の、前記レンズ部による非集光部にあたる箇所に遮光パターンを形成した構成であることを特徴とする照明光制御シート。
2. 前記遮光パターンは、レンズ部側，反レンズ部側の少なくとも何れかの表面が光反射性を有することを特徴とする請求項１記載の照明光制御シート。
3. 前記レンズ部は、凸シリンドリカルレンズ群が並列されてなる構成であり、
   前記遮光パターンは、凸シリンドリカルレンズ群によるストライプ状の集光箇所を開口部とする以外の表面が光反射性を有するストライプ状のパターンであることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光制御シート。
4. 前記レンズ部は、単位凸レンズ群が２次元的に配列されてなる構成であり、
   前記遮光パターンは、単位凸レンズ群によるスポット状の集光箇所を開口部とする以外の表面が光反射性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の照明光制御シート。
5. 遮光パターンの形成箇所は、以下の関係で規定されることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の照明光制御シート。
   ・レンズシートを構成する材料の屈折率：ｎ
   ・遮光パターンの開口部中心からの入射光が、対応する単位レンズ頂部から射出する際、レンズシート内部を伝播する角度：α
   ・上記の入射光が、単位レンズ頂部から射出する角度：β
   ・レンズシートの厚さ（単位レンズ頂部から、反レンズ部側の平坦面までの距離）：Ｔ
   以上の条件で、単位レンズ頂部からレンズシートに対する垂線が反レンズ部側の平坦面と交差する点から、開口部中心までのシフト量をｓとした場合に、
   ｓ＝Ｔtan（arcsin（sin（β）／ｎ））
6. 画素単位での選択的な透過／非透過に応じて表示画像が規定される透過型画像表示素子と、前記表示素子に光を照射する光源手段とを備え、
   請求項１〜５の何れかに記載の照明光制御シートを、前記光源手段と前記表示素子との間に配置してなる構成の表示装置。
7. 前記表示素子は、液晶パネルであり、
   前記光源手段は、液晶パネルの全面に渡って、垂直でない角度での成分を多く光を照明するように機能し、
   請求項１〜５の何れかに記載の照明光制御シートに形成される遮光パターンは、上記の角度と対応付けられた角度で平行光を入射させた場合の非集光部にあたる箇所に形成したことを特徴とする請求項６記載の表示装置。

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