JP2012242649A - 光学シート、バックライトユニットおよびディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配置数や光量が低減されたＬＥＤ光源においても、部分的に輝度の高い箇所や低い箇所が生じることのなく、画面全体の輝度分布を均一に制御することができる光学シートと、この光学シートを用いたバックライトユニット、及びディスプレイ装置を提供することを目的としている。
【解決手段】光を出射する面に、それぞれが独立して存在する略半球形状のレンズと、複数配列された連続する幾何学構造体を併せ持つ構造を有し、拡散性の高い略半球状レンズと集光性の高い幾何学構造体の比率を、シート面内において変化させることで、シート面内の輝度が制御可能となることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光路制御に用いられる光学シート、そして、この光学シートを備えたバックライトユニットおよびディスプレイ装置に関するものである。

液晶パネルを利用した液晶表示装置が、携帯電話や個人用携帯情報端末、パーソナルコンピュータ用ディスプレイ等の画像表示手段だけでなく、家電製品としてのテレビにも幅広く普及してきている。このような現状において、液晶表示装置は、これまでのＣＲＴ（カソード・レイ・チューブ）テレビでは困難であった大型画面対応の情報家電の画像表示装置としても一般家庭に広まってきている。さらには、液晶表示装置の利点をより活用させるために、大型化だけでなく、高輝度化、薄型・軽量化に対応した製品も非常に早いスピードで市場に供給されている。

このような液晶表示装置は装置内部に光源を内蔵していることが多く、画像を表示するために必要な明るさを確保するべく、液晶パネルの背面側に光源を含めたバックライトユニットを配置している。このバックライトユニットに採用されている光源手段として、大別して冷陰極管やライト・エミッティング・ダイオード（ＬＥＤ）に代表される光源を液晶表示装置の側面側に配置させ、光透過性に優れた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」（いわゆる、エッジライト方式）と、画像表示素子及び液晶表示装置の背面側に対向して冷陰極管やＬＥＤなどの複数の光源が配設され、両者の間に光散乱性の強い拡散板及び光学フィルムを配置して冷陰極管やＬＥＤなどの光源が直接視認されないような構成を備えた「直下型方式」との二つが採用されている。

近年の液晶表示装置においては、地球環境問題対策の一環である、消費エネルギーを低減させることを目的とする消費電力抑制が大きな課題となってきている。液晶表示装置の場合、光源となるバックライトの消費電力が最も大きく、このバックライトの消費電力を抑制する取組みが幅広い分野で行われてきている。この取組みの一つとして、光源である冷陰極管の本数を低減させて消費電力を低く抑える試みが行われており、その消費電力低減の効果は社会に広く認められつつある。しかしながら、冷陰極管の本数を減らすことは光源の明暗である輝度ムラ（ランプイメージ）を強めることになり、これまでの拡散板及び光学シートの組合せでは完全にランプイメージを消すことは困難となってきている。ランプイメージを消すために拡散板内部に拡散粒子を増やすと、拡散板の光線透過率を下げることになり、画像観察に必要な輝度を得ることが出来なくなる。この場合、光源である冷陰極管からの光を強くすることで必要とされる輝度は得られるが、光を強くすることは消費電力低減の効果が大幅に低下するといった問題が発生する。

また、消費電力が低いと言われているＬＥＤを光源とする場合においても、光源を液晶表示装置の背面側に配置する直下型方式や液晶表示装置の側面側に配置するエッジライト型方式の構成が採用されており、従来よりもコントラスト比を向上させた製品が市場に投入されつつある。しかし、まだＬＥＤ光源周囲の発熱や必要とされる輝度が得られていない等の課題が残されている。そのため、発熱を抑えて消費電力を下げるには、点光源であるＬＥＤの数を減らすことが要求されているが、上述したように必要な輝度が得られない、光源の明暗である輝度ムラ（ランプイメージ）が強くなる、ディスプレイ内部の温度環境による光学シートの変形に起因する明暗ムラ、等の課題を解決する必要がある。現状においては、これらの課題を解消する取組みとして、液晶表示装置に用いられている拡散板、導光板及び集光、拡散、偏光機能を有する光学シートのそれぞれの性能を向上させると共に、これらを複数組合せて使用することで、必要とされる輝度の確保や、ランプイメージや輝度ムラの低減が図られている。

上述した光学シートにおいては、従来、光源の光の利用効率を高める手法として、バックライトユニットからの拡散光を光学シートによって集光して正面輝度を向上させる方式がとられており、特に、米国３Ｍ社の登録商標である「ＢＥＦ」（Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ
Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｍ；輝度強調フィルム）が光学シートとして広く使用されている。ＢＥＦは、透明基材の上面に断面が三角形状の単位プリズムを一方向に一定のピッチで配列させたシートであり、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）に方向転換し、またはリサイクルすることにより、基材の平坦面から入射した光がプリズム面から射出する際、正面方向に光を集める効果をもち、正面方向の輝度を向上させることが可能になる。

液晶表示装置に用いられるＢＥＦ等の光学シートには、光の利用効率の向上による輝度向上だけでなく、光源のムラの除去、ディスプレイの視域の確保、ディスプレイの剛性の維持などの様々な機能が要求されている。この光学シートは、所望の光学特性を実現させるために、拡散板の光進行方向前方側（液晶パネル側）に複数積層されることが多い。しかしながら、ＢＥＦを光学シートとして用いる場合、ＢＥＦの垂直方向の光をプリズム平面部で屈折させて法線方向に出射させるため、水平方向の視野角に対し垂直方向の視野角が非常に狭くなる欠点があった。しかも、ＢＥＦはプリズム頂部が尖っているため、プリズムの頂部側に配置される光学シートや機能性を有するシート部材あるいは液晶パネルに接触する際に傷が発生しやすいという欠点を有していた。

これらの欠点を補い、同等の光学特性や環境特性を維持しながら、使用する光学シートの枚数を減らす試みがなされている。例えば特許文献１には、プリズムレンズ内に拡散性微粒子を分散させることによりプリズムの集光機能に拡散機能を付与する手法が開示されている。また特許文献２では、マイクロレンズを基材上にランダムに配置することで、背面から入射した光をマイクロレンズで集光させて前方に出射させ、従来よりも少ない枚数の光学シートで同等の光学性能を達成する手段などが提案されている。

特許文献１に記載された光学シートは、集光機能に加えて拡散機能を有している反面、プリズム内に拡散性微粒子を分散させているため、正面に集めた光が拡散性微粒子によって再び拡散することになり、正面方向への光量が少なくなる。また、レンズの特定の角度における屈折や反射によるギラツキが視認されるという問題が残っている。さらには、プリズム先端が尖っているため、上部に配置される光学シートまたは機能性を有する光学部材の裏面、或いは液晶パネルとの接触による傷が発生し易く、接触や摩擦によって異物が発生するという問題も抱えている。特に積層されて用いられる光学シートまたは光を拡散、集光、偏光、変色等に代表される機能性を有する光学部材は、液晶表示装置に配置される際、その四辺を装置の枠に固定して用いられることもあるが、装置内部で完全に動くことなく固定されてはいない。そのため、液晶表示装置の搬送または移動時の振動により、他の光学シートまたは機能性を有する光学部材と接触し、擦れて傷が付くおそれがある。

一方、特許文献２に記載の光学シートは半球状のレンズを有することから、積層されて用いられる光学シートまたは機能性を有する光学部材と接触しても、丸みを帯びた構造上、接触による摩擦が生じても滑りがよいために傷が付き難い特徴を有している。しかしながら、隣接するマイクロレンズ間に隙間が生じることから、マイクロレンズ内を通ってマイクロレンズと空気層界面で屈折、散乱されて正面に集光される光と、隣接するマイクロレンズ間にできる隙間から屈折、散乱されずに出射される光とが発生し、これらの光の輝度差から輝点や輝線が視認されてしまうという問題を抱えている。

特開平１０−２４６８０５号公報 特開２００６−３０１５２８号公報

また、先に述べたように、光学シートには液晶表示装置の画面全体の輝度分布を均一にする機能も求められており、特にＬＥＤ光源を筐体の側面に配置させたエッジ型液晶表示装置においては、ＬＥＤ光源の配置数や配置箇所、あるいは側面側から入射されたＬＥＤ光源からの光を垂直に立ち上げる役割を担う透明なアクリル樹脂等から形成される導光板の特性によっては、画面全体の輝度分布を均一にすることが難しく、そのため拡散性を有する光学シートを始め、複数の光学シートを用いることで画面内の輝度分布を均一にさせることが成されている。しかしながら、このＬＥＤエッジ型液晶表示装置においては、消費電力の低減や製造コスト低減の一環として、ＬＥＤ光源の配置数低減や光量低減が求められており、このため部分的に輝度の高い箇所と低い箇所が生じ易くなる傾向にあり、画面全体の輝度分布を均一にすることがより難しくなってきている。

これらの課題を解決するために用いられている光学シートにおいても、拡散特性を用いて画面全体の輝度ムラを緩和させることは可能であっても、シート面内の特定の部位のみ輝度を高めることや、シート面内の輝度を制御することは非常に困難であり、これを可能にするためには、複雑な形状や難易度の高い加工工程を必要とするため、加工収率の低下やコストアップを引起こす可能性が高く、これまでの光学シートではシート面内における輝度制御には大きな問題を抱えているのが現状である。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、配置数や光量が低減されたＬＥＤ光源においても、部分的に輝度の高い箇所や低い箇所が生じることのなく、画面全体の輝度分布を均一に制御することができる光学シートと、この光学シートを用いたバックライトユニット、及びディスプレイ装置を提供することを目的としている。

本発明による光学シートは、光を出射する面に、それぞれが独立して存在する略半球形状のレンズと、複数配列された連続する幾何学構造体を併せ持つ構造を有し、拡散性の高い略半球状レンズと集光性の高い幾何学構造体の比率を、シート面内において変化させることで、シート面内の輝度が制御可能となることを特徴とする。すなわち、本発明によれば、シート面内で輝度を向上させたい部位に集光性の高い幾何学構造体の比率を上げ、輝度を抑えたい部位に拡散性の高い略半球形状レンズの比率を上げることで、シート面内の輝度制御が可能となる。

本発明の請求項１に係る発明は、基材の一方の面を光の出射面、他方の面を光の入射面とする光学シートであって、該出射面が、集光性を有する幾何学構造体と、拡散性を有する略半球形状レンズから構成され、該幾何学構造体に対する概略半球形状レンズの分布割合の違いにより、光の出射輝度を制御することを特徴とする光学シートである。

また、本発明の請求項２に係る発明は、前記略半球形状レンズの高さを、集光性の高い幾何学構造体よりも高くすることを特徴とする請求項１に記載の光学シートである。

また、本発明の請求項３に係る発明は、前記略半球形状レンズが、規則性のないランダムな配置からな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である。

また、本発明の請求項４に係る発明は、前記略半球形状レンズの底面における直径が、
４０μｍ〜１５０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学シートである。

また、本発明の請求項５に係る発明は、前記略半球形状レンズのアスペクト比（頂点部位高さ／底面直径）が、０．４〜０．６であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学シートである。アスペクト比が０．４以下の場合は、集光機能が大幅に低下することで輝度が低下しすぎるため、さらには、接触や擦れによる傷の発生を防ぐ効果が得られないために望ましくなく、アスペクト比が０．６以上の場合は、加工が困難になると同時に、高さ及び形状のバラツキが大きくなり、シート面内の輝度制御が困難になることに繋がるために好ましくない。

また、本発明の請求項６に係る発明は、前記光学シートの光の入射面が、略半球形状をランダムに形成してなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学シートである。

また、本発明の請求項７に係る発明は、前記光学シートの光の入射面に形成された略半球形状の平面での占める割合が、光の入射面全体に対する面積率として、１％〜１０％であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学シートである。

また、本発明の請求項８に係る発明は、前記光学シートの厚みが、０．５ｍｍ〜４ｍｍであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学シートである。

また、本発明の請求項９に係る発明は、請求項１〜９のいずれかに記載された前記光学シートを具備してなることを特徴とするバックライトユニットである。上記の光学シートまたは光学部材をバックライトユニットに備えることで、光源からの光を輝度、視野角、隠蔽性に優れた光に変換させ、画像表示素子に出射することが可能となる。

また、本発明の請求項１０に係る発明は、請求項９に記載のバックライトユニットを具備してなることを特徴とするディスプレイ装置である。上記の光学シートまたは光学部材を備えることで、光源のランプイメージや輝度ムラ、拡散板等の光学部材のムラやパターンを低減させ、画面全体の輝度を均一化させた画像を提供することが可能となる。

本発明による光学シートによれば、略半球形状のレンズと幾何学構造体の優れた光の集光・拡散特性を利用して、略半球形状のレンズと幾何学構造体のシート面内比率を変化させることで、光学シート面内の輝度制御、及びこの光学シートを用いたバックライトユニット、及びディスプレイ装置の面内輝度の制御も可能となる。また、シート面内の略半球形状のレンズ配置の規則性を無くすことで、他の光学シートや光学部材、または規則性を有する画像表示素子等の構造体との干渉によるモアレの発生を抑制することも出来る。さらには、この拡散性の高い略半球形状レンズの高さを、集光性の高い幾何学構造体よりも高くすることで、幾何学構造体を接触による摩擦傷から保護することにより、光学シート光出射面全体の耐摩擦傷性を向上させることが出来る。

本発明の実施形態による光学シートを含むディスプレイ装置の断面模式図である。 従来のＬＥＤを筐体の上下二辺に配置させたエッジ型液晶ディスプレイの導光板面上の明るさの差を示す観測者側から観た模式図である。 本発明の実施形態による光学シートを示す模式図である。 本発明の実施形態による光学シートの光の入射面及び出射面の平面図である。 本発明の光学シート光出射面に形成される幾何学構造体の断面図である。 本発明の光学シートを組込んだディスプレイの平面図である。

以下、本発明の実施形態の一例を図面に基づき詳細に説明する。なお、図１から図４は、各実施形態による光学シート、バックライトユニット、ディスプレイ装置の構成を示す要部断面図である。図１乃至図４は本発明の実施形態を示す図である。図１に示す本発明の実施形態によるディスプレイ装置１は、バックライトユニット２と画像表示素子３とで構成されている。このディスプレイ装置１はバックライトユニット２から出射した光Ｋによって画像表示素子３を透過することで画像表示素子３の画像を観察することができる。

本発明の実施形態であるバックライトユニット２は、光源６として複数のＬＥＤが筐体の端部２辺に配列された仕様である光源ユニット７が設けられている。ＬＥＤ光源６の間には、光源６からの光Ｈを観測者側Ｆに向ける機能を有する導光板８が設けられ、この導光板の観測者側Ｆとは反対面に印刷方法で形成された白インキのドットパターン９が設けられている。さらには、この白インキパターン面に光を反射させる反射シート５が設けられている。図１に示す例では、バックライトユニット２として、複数の光学シートが設けられているものとする。

導光板８の観察者側方向Ｆには本発明の実施形態である光学シート１０が配設され、その観察者側方向Ｆには機能性を有するシート１１が単一又は複数枚の構成で配置されて構成されている。ここで、機能性を有するシート部材１１とは、例えば集光、拡散、偏光、変色等に代表される機能を一つあるいは複数同時に有するシートであり、画像表示素子３へ入射する光の輝度分布や高輝度や偏光機能などの必要な特性を付与するための各種の集光、拡散、或いは偏光特性を備えた光学部材である。このシート部材１１の更に観察者側方向Ｆには、例えば液晶表示素子からなる画像表示素子３が配設されている。

このような構成を備えたディスプレイ装置１によれば、バックライトユニット２において、光源６から射出された光Ｈは、導光板８で光の向きを観察者側方向Ｆに変更され、光学シート１０で集光させられて輝度となり、その光の進行方向前方に配置された機能性を有するシート部材１１で入射光が拡散、集光、あるいは偏光、またカラーシフト等により必要とされる光に変換される。そして、機能性を有するシート部材１１を透過した光は、バックライトユニット２から射出される必要な機能に達した光Ｋとして、画像表示素子３に入射して観察画像の光が観察者側Ｆへと射出される。

ここで、光源ユニット７における光源６は画像表示素子３へと光を供給するものであり、光源６としては、例えば複数のＬＥＤをディスプレイの端面に配置させたエッジ型、あるいは複数のＬＥＤをディスプレイ背面に配置させた直下型などを用いることができる。または、複数の線状光源または点光源を用いることもできる。複数の線状光源として、例えば複数の蛍光灯、冷陰極管（ＣＣＦＬ）またはＥＥＦＬを用いることができる。ランプハウスを形成する反射板５は、複数の光源６の観察者側Ｆとは反対側に配置され、導光板８から出射される光の観察者側Ｆと反対側の方向に出射された光を反射させて観察者側Ｆに出射させる役割を担っている。この結果、観察者側Ｆに出射された光Ｈは、光源６からほぼ全方向に出射された光となる。このように反射板５を用いることによって光の利用効率を高めることができる。反射板５としては、光を高効率で反射させる部材であればよく、たとえば一般的な反射シート、反射板などを使用することができる。

光源ユニット７の光出射側に配設された導光板８は、透明樹脂で形成されており、透明樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを用いることができ、特に光透過率の高いアクリル系樹脂が用いられている。また、光源としてＬＥＤをディスプレイ背面に配置
させた直下型のディスプレイ装置１においては、上記導光板８の代わりに光を拡散させる拡散板８Ａが設けられている。

次に画像表示素子３は、図１に示すように、１組の偏光板（偏光フィルム；偏光子）１４、１５と、その間に挟持された液晶パネル１６とで構成されている。液晶パネル１６は、例えば２枚のガラス基板の間に液晶層が充填されて構成されている。画像表示素子３は、画素単位で光を透過／遮光して画像を表示する素子であることが好ましい。画素単位で光を透過／遮光して画像を表示するものであれば、光学シート１０により観察者側Ｆへの輝度が向上され光強度の視角度依存性が低減される。画像表示素子３は液晶表示素子であることが好ましい。液晶表示素子は、画素単位で光を透過／遮光して画像を表示する代表的な素子であり、他の表示素子に比べて画像品位を高くすることができるとともに、製造コストを低減することができる。

ここで、ディスプレイ筐体の上下二辺に光源６であるＬＥＤが配置された、市販されているＬＥＤエッジ型液晶ディスプレイを解体して導光版８の観察者側方向Ｆの面内明るさを測定した結果を図２（ａ）に示す。図２（ａ）に示すように、導光板８の中央部位は明るく、光源６であるＬＥＤが配置されていない筐体側面側ほど暗くなる傾向があることが判明した。この輝度ムラは、ＬＥＤ数を低減させた仕様においては、より顕著になる可能性が高く、この輝度ムラを低減させる措置が必要となる。

図２（ｂ）は、本発明の光学シートにより、上記の輝度ムラを低減させた模式図である。本発明の前記光学シート１０は、導光板８からの光が入射する側の面を光入射面１０ａ、光が観察者側方向Ｆに出射する側の面を１０ｂとすると、光出射面１０ｂには、それぞれが独立して存在する略半球形状のマイクロレンズ３１と、複数配列された連続する幾何学構造体である断面三角形のプリズムレンズ１９が一方向に延在する。ここで、拡散性の高いマイクロレンズ３１の比率をシート面内において変化させることで、シート面内の輝度が制御可能となる。

すなわち、図２（ａ）に示したようなディスプレイ光源及び導光板８の仕様によって生じる暗い部位を補うために、導光板８の上に配置される光学シート１０において、この暗い部位におけるマイクロレンズ３１の比率を低下させ、反対に明るい部位におけるマイクロレンズ３１の比率を高くすることで、光学シート１０の光出射面１０ｂ上で明暗さの制御が可能となる。特に、光源６であるＬＥＤが配置されていない側の端部では、画面中央部位に比べて輝度が低下する傾向があるため、画面中央部よりも拡散性の高いマイクロレンズ３１の比率を低下させて輝度を向上させることで、中央部位との輝度差を緩和させることが可能となる。

さらに、図３（ａ）に示すように、拡散性の高い略半球形状のマイクロレンズ３１の高さＨ１を、複数配列された連続する集光性の高い幾何学構造体である断面三角形のプリズムレンズ１９の高さＨ２よりも高くすることにより、頂角が尖っているためにキズがつきやすいプリズムレンズ１９を、略半球形状に起因する滑りやすく、傷が付き難い特徴を有するマイクロレンズ３１が保護することが可能となる。マイクロレンズ３１の高さＨ１を、プリズムレンズ１９の高さＨ２よりも高くすることで、シート面内の輝度制御に加え、シート加工時やシート取扱い時、あるいは光を出射する面の上に配置される光学部材１１を重ねる際に生じる接触や擦れ等の摩擦傷から、傷が付き易いプリズムレンズ１９を保護することが可能になる。

また、図３（ａ）に示した略半球形状のマイクロレンズ３１の高さＨ１は、プリズムレンズ１９の高さＨ２の１．２倍から６倍の範囲内であることが望ましい。これは、１．２倍以下である場合は、プリズムレンズ１９の傷付防止効果が不十分であり、マイクロレン
ズ３１の高さＨ１が６倍以上となる場合、マイクロレンズ３１自体のサイズが大きくなり過ぎて、光出射面上で目視されることによる外観不良を引起こすことがあるためである。マイクロレンズ３１の高さＨ１を上述した範囲に設定することで、必要な耐擦傷性と良好な外観を得ることが可能となる。

なお、プリズムレンズ１９の高さＨ２は、１０〜１００μｍの範囲内であることが望ましい。これは、１０μｍ以下である場合は、光の回折効果により必要とされる輝度が得られなくなるからであり、１００μｍ以上ではプリズムレンズ１９自体が光出射面上で目視されることによる外観不良を引起こすことがあるためである。

また、略半球形状のマイクロレンズ３１の直径Ｌは、４０μｍ以上かつ１５０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。直径が１５０μｍ以上である場合は、マイクロレンズ３１自体が目視され易くなり、外観上光出射面のムラや粗さ、輝点等を際立てることに繋がるために好ましくない。また、マイクロレンズ３１の直径が４０μｍ以下の場合、マイクロレンズ３１を形成することが困難であると同時に、形状や直径、高さのバラつきが大きくなり、輝度の制御に支障を生じさせる可能性が高まることから好ましくない。マイクロレンズ３１の直径を上記の範囲内とすることで、安定した略半球形状である外観上に優れた輝度制御可能な光学シートを提供することが可能となる。

上述した光出射面側１０ｂとは反対の光入射面側１０ａには、略半球形状構造である突起部２０がランダムに配置されていることが望ましい。この突起部２０は、その略球面形状により、光の入射面１０ａ側に配置される導光板８または他の光学部材８Ａとの接触や擦れによる傷の発生を抑制する機能を発揮すると同時に、略半球状の構造によって隙間が生じることから、密着によって生じるニュートンリング等の干渉むらの発生を抑えることが可能となる。さらに、傷付防止効果を付与することで、光学シート１０を作製する際に必要とされる保護フィルムを省くことも可能となる。

さらには、光入射面側１０ａに微細な凹凸を付与することで光の拡散機能を高め、視野角の拡大及び光源側にある導光板のパターンを隠蔽する効果性を向上させることが可能となる。表面が微細な凹凸で粗面化された平面部２１は、光源６からの光Ｈを粗面化された平面部２１で拡散させて光学シート１０内部に取り込むことができる。そのため、光学シート１０は、光入射面１０ａで光源６のランプイメージや、導光板８に形成されたドットパターン９を観測者に対して隠蔽する働きと、光出射面１０ｂから観測者側Ｆに出射される光をプリズムレンズ１９で集光・拡散させて視野角を拡げる役割とを有している。

上述した光学シート１０の光入射面１０ａに占める突起部２０の面積率は、１％〜１０％の範囲内であることが望ましい。突起部２０の底面２０ａの面積率が上記範囲内であれば導光板８との接触によって擦れて傷を発生することを抑制して入射光の輝度低下を抑制できる。しかし、面積率が１％未満である場合には突起部２０の頂部２０ｂの拡散板８Ａとの接触や擦れによる傷の発生を防ぐ効果が望めず、１０％を超える場合には光源６からの光Ｈを光学シート２０内部に取り入れることの妨げとなり、光学シート１０の輝度低下を引起こすからである。

また、本実施形態による光学シート１０は、入射面１０ａに形成された微細な凹凸の粗さがＲｚ（十点平均粗さ）において０．５μｍ〜５．０μｍの範囲内であることが望ましい。光入射面１０ａの平面部２１の粗さＲｚが０．５μｍ〜５．０μｍの範囲内であれば透過光の必要な拡散性と観察画像に対する隠蔽性を発揮させ、凹凸形状に起因する輝度の低下を抑制できる。しかし、凹凸のＲｚ粗さが０．５μｍを下回る場合には拡散及び隠蔽効果は得難く、Ｒｚ粗さが５．０μｍを超える場合には光学シート１０の正面輝度を大幅に低下させる要因になる。なお、微細な凹凸の形成方法として、例えば光学シート１０を
作製する際に用いる金型面を、エッチングやサンドブラストなどによって粗らす方法や、金型に微細な凹凸を形成した後に略球面形状の突起部２０を形成する等の方法が代表例として挙げられる。

光学シート１０の光入射面１０ａに形成された突起部２０の外径（直径）は、３０μｍ〜１５０μｍの範囲が好ましい。そして、光学シート１０の突起部２０の高さの外径に対する比率が３％〜３０％の範囲内であることが望ましい。突起部２０の外径が１５０μｍを超える場合には突起部２０自体が観察者に目視され易くなり、これが外観上、光出射面１０ｂのムラや粗さ、輝点の原因となる。一方、突起部２０の外径が３０μｍ未満の場合では突起部２０による傷付防止効果が低下すると共に、金型の作製及び光学シート１０の製作が困難となるため好ましくない。なお、光学シート１０の突起部２０について、導光板８に接触する頂部２０ｂが滑らかで傷が付き難い略球面形状であれば、突起部２０の平面視形状が円形状でも略円形状でも良く、或いは楕円形状や頂部が曲面状に丸くなった三角錐形状や四角錐形状、あるいはその他の多角錐形状等であっても良い。光入射面１０ａの平面部２１ａに円滑な略球面形状の突起部２０が上述した条件の範囲内で形成されていることにより、必要とされる耐擦傷性を発揮すると同時に略球面形状に起因する輝度の低下を抑制することが可能となる。

また、光学シート１０の突起部２０の外径に対する高さの比率が３％〜３０％の範囲内であれば、突起部２０の頂部が導光板８との接触や擦れによって傷が発生するのを防ぐと共に光の入射を妨げて輝度が低下することを抑制できる。一方、突起部２０の比率が３％未満であると接触や擦れによる傷の発生を防ぐ効果が得られず、３０％を超えると突起部２０自体が光Ｈの入射を妨げる要因となり、結果的に光学シート１０の輝度を大幅に低下させる要因となるために好ましくない。

なお、光学シート１０の幾何学構造体としては、図１から図４に示すように、光出射面１０ｂにプリズムレンズ１９が一方向に複数配列されてなる構成を採用することが好ましい。或いは、第二実施形態として図５に示すような断面形状を有する幾何学構造体を単独あるいは複数組合せて形成しても良い。上記したプリズムレンズ１９においては、光を集光させて正面輝度を向上させるために、その頂角を９０°にすることが最も望ましい。また、輝度と視野角の最適化を図る場合、その頂角は８０°から１００°の範囲内であることが好ましい。これは、組合せて用いる光学シート１１や光学部材８との性能や特性に対して最適な構造を取るために特に望ましい範囲となる。

これまでに述べてきた光学シート１０は、そのレンズ仕様を導光板に応用することが可能である。マイクロレンズ３１及びプリズムレンズ１９のレンズ仕様を最適化させることで、導光板の光立上げ効果の制御が可能となり、導光板の光出射面における輝度の明暗差を解消することが出来る。

また、上記光学シート１０は、液晶表示装置等のディスプレイ装置１のみならず、背面投射型スクリーン、太陽電池、有機又は無機ＥＬを備えた照明装置など、光路制御を行うものであれば何れのものにも使用することも出来る。

次に光学シート１０の作製工程について説明する。
光学シート１０は、透明性の高いシート状の基材上にＵＶ硬化樹脂に代表される電子線硬化樹脂を用いて成形することができる。一例として、予めエッチング工法及び切削加工を用いて金型表面にマイクロレンズ３１及びプリズムレンズ１９を形成し、この金型版を用いて透明性の高いシート状の基材上にＵＶ樹脂製の上にマイクロレンズ３１及びプリズムレンズ１９を成形することができる。ここで、透明性の高いシート状の基材１８の材質としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＭＭ
Ａ（ポリメチルメタクリレート）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）、アクリルニトリルスチレン共重合体、アクリロニトリルポリスチレン共重合体などを挙げることができる。

さらに、本実施形態による光学シート１０を構成する材料として熱可塑性樹脂からなる透明樹脂が好ましく、例えばポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系アクリル樹脂、シリコーン系アクリル樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィンポリマー、メチルスチレン樹脂、フルオレン樹脂、ＰＥＴ、ポリプロピレン、アクリルニトリルスチレン共重合体、アクリロニトリルポリスチレン共重合体などを挙げることができる。これらの材料を用い、先に示した金型版を用いた押出し成形加工法により作製することが出来る。また、射出成型法、熱プレス成型法によって入射面１０ａを有する光学シート１０を製作することも可能である。

本実施形態による光学シート１０は、光入射面１０ａと光出射面１０ｂを表裏同時に両面加工して形成することが出来る。或いは、表裏面である光入射面１０ａと光出射面１０ｂとを別々に加工して得られた各半分の厚みの片面シート同士を貼り合せることで光学シート１０を得ることが出来る。

本実施形態による光学シート１０には、拡散性を向上させる目的として無機微粒子または有機微粒子を添加させて用いることが出来る。一例としては、アクリル系粒子、スチレン粒子、スチレンアクリル粒子およびその架橋体、メラミン―ホルマリン縮合物の粒子、ポリウレタン系粒子、ポリエステル系粒子、シリコーン系粒子、フッ素系粒子、これらの共重合体、スメクタイト、カオリナイト、タルクなどの粘土化合物粒子、シリカ、酸化チタン、アルミナ、シリカアルミナ、ジルコニア、酸化亜鉛、酸化バリウム、酸化ストロンチウムなどの無機酸化物粒子、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、塩化バリウム、硫酸バリウム、硝酸バリウム、水酸化バリウム、水酸化アルミニウム、炭酸ストロンチウム、塩化ストロンチウム、硫酸ストロンチウム、硝酸ストロンチウム、水酸化ストロンチウム、ガラス粒子などの無機微粒子等を挙げることができる。

また、本実施形態による光学シート１０は紫外線吸収剤が添加されたものが好ましい。紫外線吸収剤を添加することにより、光源６から照射される紫外線を含む光によって光出射面１０ｂに形成したプリズムレンズ１９群の劣化を抑制することができて、光学シート１０の長寿命化を図ることができる。この紫外線吸収剤としては、例えば、２−（２´- ヒドロキシ−５´−メチルフェニル）ベンゾトリアゾールなどのベンゾトリアゾール系化合物、２−ヒドロキシ−４−メトキシベンゾフェノンなどのベンゾフェノン系化合物、４−ｔ−ブチルフェニルサリシレートなどのサリチル酸エステル系化合物、２−エトキシ−２´−エチルオキザリックアシッドビスアニリドなどのオキザリックアシッドアニリド系化合物、エチル−２− シアノ−３，３−ジフェニルアクリレートなどのシアノアクリレート系等を用いることができる。

なお、光学シート１０の光入射面１０ａ側の微細凹凸を形成する方法としては、マット加工やエンボス加工等が挙げられる。また、光入射面１０ａおける微細凹凸に関し、マット加工による作製に代えて不連続の微小突起を設ける加工を施してもよい。これらの工法によれば、加熱されることにより柔らかくなった状態の透明樹脂を微細な凹凸を形成した転写部材に押し付けて当該転写部材の形状を転写し、その後に透明樹脂を硬化させて微細な凹凸形状を得ることができる。また、その他の方法として、粒径３０〜１００μｍ程の透明粒子を溶融状態の透明樹脂に配合し、これら透明粒子を最外層側に押し出すことで微細な凹凸を形成させるようにしてもよい。この加工方法を用いる場合には、透明樹脂と透明粒子との屈折率が等しくされていることが好ましい。

本実施形態によるディスプレイ装置１は、上述の構成を備えていることから、光源ユニット７の光源６から出射する光Ｈは導光板８によって光の向きを変更させて光学シート１０の光入射面１０ａに入射される。そして、光学シート１０の入射面１０ａから光が入射する際、光入射面１０ａに設けた突起部２０は面内の面積率を規定しているため、光の入射を妨げることが少なくなっている。さらに、平面部２１の微細な凹凸を透過する光は、拡散性と隠蔽性を付与して光源６のランプイメージや輝度ムラ、光学部材８のムラやパターンを低減させる。そして、光学シート１０を透過して光出射面１０ｂから出射する際、マイクロレンズ３１群とプリズムレンズ１９群の比率を変化させて面内の輝度を制御することにより、画像表示素子３を透過して画面全体の輝度を均一化させた画像を観察者側Ｆに映すことができる。ここで、画像表示素子３は液晶表示素子であり、バックライトユニット２により集光・拡散特性を向上させた光Ｋを利用する構成であることから、観察者側Ｆの輝度を向上させ、光強度の視角方向の分布を滑らかにするとともに、光源のランプイメージや輝度ムラ、拡散板または導光板のムラやパターンを低減させて、画面全体の輝度を均一化させた画像を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について実施例１に基づいて詳細に説明する。尚、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。以下、実施例において、本実施形態による光学シート１０及びこれを用いたディスプレイ装置１の光学特性について説明する。

（実施例１）
実施例１による光学シート１０として、光学シート１０の光出射面１０ｂとして、互いに分離して設けた直径９６μｍ、レンズ高さ４８μｍとなる形状のマイクロレンズ３１と、底面の幅が５０μｍ、レンズ高さが２５μｍとなる頂角９０°の断面三角形を有する線状構造の複数のプリズムレンズ１９を併せ持つ第一金型版をエッチング工法と切削工法を利用して加工作製した。なお、作製する光学シート１０の光出射面１０ｂにおけるマイクロレンズ３１の面積率は、中央部で１２％、短辺端部では２％となるように配置設計を行ない、金型加工を実施した。次に、ＵＶ成形機を用いて、厚み１８８μｍのＰＥＴ基材（東洋紡績製品）上にＵＶ硬化性樹脂（屈折率＝１．５１）による略半球形状のマイクロレンズ３１とプリズムレンズ１９を形成して、４０ｉｎｃｈサイズの光学シート１０を作製した。なお、線状構造のプリズムレンズ１９は、観測者側から観て水平方向に線状配置された構成とした。このようにして得られた光学シート１０を実施例１とする。

（比較例１）
比較例１として、光学シート１０の光出射面１０ｂとして、互いに分離して設けた直径９６μｍ、レンズ高さ４８μｍとなる形状のマイクロレンズ３１と、底面の幅が５０μｍ、レンズ高さが２５μｍとなる頂角９０°の断面三角形を有する線状構造の複数のプリズムレンズ１９を併せ持つ第二金型版を先の実施例１と同様の工法で加工作製した。なお、作製する光学シート１０の光出射面１０ｂにおけるマイクロレンズ３１の面積率は、２％で統一させた配置設計を行ない、金型加工を実施した。次に、ＵＶ成形機を用いて、厚み１８８μｍのＰＥＴ基材（東洋紡績製品）上にＵＶ硬化性樹脂（屈折率＝１．５１）による略半球形状のマイクロレンズ３１とプリズムレンズ１９を形成して、４０ｉｎｃｈサイズの光学シート１０を作製した。なお、線状構造のプリズムレンズ１９は、観測者側から観て水平方向に線状配置された構成とした。このようにして得られた光学シート１０を比較例１とする。

（比較例２）
比較例２として、底面の幅が５０μｍ、プリズム高さが２５μｍとなる頂角９０°の断面三角形を有する線状構造の複数のプリズムレンズ１９のみの第三金型版を切削工法により加工作製し、実施例１と同様に、ＵＶ成形機を用いて、厚み１８８μｍのＰＥＴ基材（
東洋紡績製品）上にＵＶ硬化性樹脂（屈折率＝１．５１）によるプリズムレンズ１９を形成して、４０ｉｎｃｈサイズの光学シート１０を作製した。なお、線状構造のプリズムレンズ１９は、観測者側から観て水平方向に線状配置された構成とした。このようにして得られた光学シートを比較例２とする。

（光学評価）
実施例１及び比較例１〜２による光学シート１０を、上述した図１に示した実施形態である光源６としてディスプレイ筐体の上下にＬＥＤを配置させた４０ｉｎｃｈサイズのＬＥＤエッジ型のディスプレイ装置１を用いて、その光学的評価を以下に示す測定方法により評価した。なお、正面輝度及び輝度ムラを評価するために、光学シート１１として恵和（株）の製品である光拡散シートを用いた。

（正面輝度評価）
実施例１及び比較例１〜２として作製した３種類の光学シート１０を、白インキのドットパターン９が形成されたアクリル樹脂製の導光板８上にそれぞれ配置し、画像表紙素子３としての液晶表示素子を外した形態のディスプレイ装置１を組み立てた。各実施例１及び比較例１〜２による光学シート１０それぞれの上に光学シート１１である光拡散シートを重ねて装着したディスプレイ装置１を用い、その観察画面を全白表示として、分光放射輝度計（ＳＲ−３Ａ：トプコンテクノハウス社製）を用いて同一条件下で光学シート１１の観察画面中心部の輝度を測定した。測定した結果を表１に示す。

（輝度差評価）
実施例１及び比較例１〜２として作製した３種類の光学シート１０を、白インキのドットパターン９が形成されたアクリル樹脂製の導光板８上にそれぞれ配置し、画像表紙素子３としての液晶表示素子を外した形態のディスプレイ装置１を組み立てた。各実施例１及び比較例１〜２による光学シート１０それぞれの上に光学シート１１である光拡散シートを重ねて装着したディスプレイ装置１を用い、その観察画面を全白表示として、分光放射輝度計（ＳＲ−３Ａ：トプコンテクノハウス社製）を用いて同一条件下において、光学シート１１上のディスプレイ端部から中央部までの輝度を測定した。測定した箇所は、長辺の中央部位、端部から５ｃｍ、１０ｃｍ、１５ｃｍ、２０ｃｍの中央部位の輝度を計測して比較評価を行った。測定箇所を図６に、測定した結果を表１に示す。

表１に示す結果から次のことがいえる。
実施例１による光学シート１０を用いた場合、正面輝度は筐体端部から５ｃｍの中央部位で４２６ｃｄ／ｍ２、１０ｃｍの中央部位で４３５ｃｄ／ｍ２、１５ｃｍの中央部位で４４２ｃｄ／ｍ２、２０ｃｍの中央部位で４４８ｃｄ／ｍ２、中心部位で４５７ｃｄ／ｍ２であり、最も輝度の高い中央部位と最も輝度の低い筐体から５ｃｍの輝度比は７％であった（○）。

比較例１による光学シート１０を用いた場合、正面輝度は筐体端部から５ｃｍの中央部位で４０９ｃｄ／ｍ２、１０ｃｍの中央部位で４２４ｃｄ／ｍ２、１５ｃｍの中央部位で４３９ｃｄ／ｍ２、２０ｃｍの中央部位で４５３ｃｄ／ｍ２、中心部位で４７５ｃｄ／ｍ２であり、最も輝度の高い中央部位と最も輝度の低い筐体から５ｃｍの輝度比は１４％であった（×）。

比較例２による光学シート１０を用いた場合、正面輝度は筐体端部から５ｃｍの中央部位で４０５ｃｄ／ｍ２、１０ｃｍの中央部位で４１９ｃｄ／ｍ２、１５ｃｍの中央部位で４３３ｃｄ／ｍ２、２０ｃｍの中央部位で４５５ｃｄ／ｍ２、中心部位で４７９ｃｄ／ｍ
２であり、最も輝度の高い中央部位と最も輝度の低い筐体から５ｃｍの輝度比は１５％であった（×）。

以上に示した実施例１及び比較例１から２の評価結果から、本発明による光学シートには、略半球形状のマイクロレンズと幾何学構造体であるプリズムレンズの比率を変化させることで、光学シートの光出射面における輝度を制御することが可能となり、ディスプレイにおける画面内の輝度を抑制することが出来ることが分かった。

１ ディスプレイ装置
２ バックライトユニット
３ 画像表示素子
６ 光源
７ 光源ユニット
８ 導光板
８Ａ 拡散板
９ 白インキのドットパターン
１０ 光学シート
１０ａ 光入射面
１０ｂ 光出射面
２０ 突起部
２１ 平面部
１９ プリズムレンズ（幾何学構造体）
３１ マイクロレンズ（略半球形状レンズ）
Ｈ１ マイクロレンズ高さ
Ｈ２ プリズムレンズ高さ
Ｆ 観察者側

Claims (10)

1. 基材の一方の面を光の出射面、他方の面を光の入射面とする光学シートであって、該出射面が、集光性を有する幾何学構造体と、拡散性を有する略半球形状レンズから構成され、該幾何学構造体の平面占有面積に対する概略半球形状レンズの平面占有面積の割合により、光の出射輝度を制御することを特徴とする光学シート。
2. 前記略半球形状レンズの高さを、集光性の高い幾何学構造体よりも高くすることを特徴とする請求項１に記載の光学シート。
3. 前記略半球形状レンズが、規則性のないランダムな配置からな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。
4. 前記略半球形状レンズの底面における直径が、４０μｍ〜１５０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学シート。
5. 前記略半球形状レンズのアスペクト比（頂点部位高さ／底面直径）が、０．４〜０．６であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学シート。
6. 前記光学シートの光の入射面が、略半球形状をランダムに形成してなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学シート。
7. 前記光学シートの光の入射面に形成された略半球形状の平面での占める割合が、光の入射面全体に対する面積率として、１％〜１０％であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学シート。
8. 前記光学シートの厚みが、０．５ｍｍ〜４ｍｍであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学シート。
9. 請求項１〜８の何れかに記載された前記光学シートを具備してなることを特徴とするバックライトユニット。
10. 請求項９に記載のバックライトユニットを具備してなることを特徴とするディスプレイ装置。