JP5614128B2 - 光学シート、バックライトユニット及びディスプレイ装置 - Google Patents
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Description
このような液晶表示装置においては、液晶パネルの背面側(観察者側とは反対側)に光源を配置し、この光源からの光で液晶パネルを照明する方式、いわゆる、バックライト方式が採用されている。
また、導光板40の上面(光出射側)と、裏側偏光板8との間には、拡散フィルム44(拡散層)が設けられている。
しかしながら、図12中に示したディスプレイ装置1では、視野角の制御が、拡散フィルム44の拡散性のみに委ねられており、その制御が難しいため、ディスプレイの正面方向から見て、中心部が明るく、周辺部に行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ときの輝度の低下が大きく、光の利用効率の低下を招いていた。
これまでに、光源として最も使用されている冷陰極管は、線光源であり、これは、冷陰極管の配置されている方向に対して直交する方向にのみ、輝度の均一性が必要である。
拡散シートは、屈折率が異なる拡散剤を内部に添加させる内部拡散と、表面の凹凸による表面拡散のうち少なくとも一方の効果により、光を散乱させて、輝度の均一性を高めている。そのため、高い光拡散効果を有しており、光源の輝度の均一性や、導光板のドットパターンの視認性の低下に対して、非常に優れている。
また、レンズシートの場合、レンズ形状により光を集光拡散させて、輝度向上と輝度の均一性を高めている。
プリズムシートは、輝度の向上効果が非常に高いという利点があるが、一方で、輝度の均一性が低く、また、光拡散性が低いことから、導光板を使用するエッジライト方式では、ドットパターンの視認性が高く、特に、ディスプレイ装置において、画質性能の低下を招いてしまう。そのため、ドットパターンの視認性が低い、つまり、ドットパターンの隠蔽性効果が非常に低い光学シートが求められている。
特許文献2に提案されている方法では、効果が高いものの、生産するにあたり、部材数及び工程数が多く、コストダウンが求められるレンズシートでは、使用が難しい。
特許文献3に提案されている方法は、特許文献2に提案されている方法と比較して、部材数及び工程数が少なく、コストダウンが可能である。
そのため、現在では、輝度の均一性の機能は拡散シートにより確保し、高輝度化はレンズシートにより確保することで、輝度の均一性と高輝度化の二つの機能を確保している。
しかしながら、拡散シートやレンズシートの枚数を増やす方法は、現在の低コスト化や薄型化の要求とは相反する方法となる。
前記光入射面に、前記立体形状を形成するための凹凸形状が二方向に沿って形成されており、
前記光入射面と平行な第一方向に沿った当該光入射面の平均粗さをRa(x)、前記第一方向に沿った前記凹凸形状の平均間隔をSm(x)とし、前記光入射面と平行且つ前記第一方向と直交する第二方向に沿った光入射面の平均粗さをRa(y)、前記第二方向に沿った前記凹凸形状の平均間隔をSm(y)とした場合に、
30Ra(x)≧Ra(y)>2Ra(x)且つSm(y)≧0.5Sm(x)の関係が成立しており、
前記光出射面に、光学要素が形成され、
前記光学要素は、三角柱状のプリズム形状、四角錘プリズム形状、多角錘プリズム形状、または、半楕円状のシリンドリカルレンズを一次元方向または二次元方向に形成したものであることを特徴とするものである。
次に、本発明のうち、請求項3に記載した発明は、請求項1または請求項2に記載した発明であって、前記凹凸形状は、不規則な形状であることを特徴とするものである。
次に、本発明のうち、請求項4に記載した発明は、請求項1から請求項3のうちいずれか1項に記載した発明であって、前記凹凸形状の前記光入射面から突出した部分の先端が丸められていることを特徴とするものである。
次に、本発明のうち、請求項6に記載した発明は、請求項1から請求項5のうちいずれか1項に記載した発明であって、前記光学シートは、単一の材料により製造されていることを特徴とするものである。
次に、本発明のうち、請求項8に記載した発明は、請求項7に記載した発明であって、前記光源は、LED、冷陰極管、EL及び半導体レーザーのうち一つであることを特徴とするものである。
以下、本発明の第一実施形態(以下、「本実施形態」と記載する)について、図面を参照しつつ説明する。
(構成)
以下、本実施形態に係る光学シートについて、この光学シートを備えたバックライトユニット及びディスプレイ装置と共に説明する。
まず、図1を用いて、本実施形態のディスプレイ装置1の構成を説明する。
図1は、本実施形態におけるディスプレイ装置1の概略構成を示す図である。
本実施形態のディスプレイ装置1は、直下型のディスプレイ装置であり、図1中に示すように、画像表示素子2と、バックライトユニット4を備えている。なお、図1中において、ディスプレイ装置1、及びディスプレイ装置1が備える各部材の、互いの大きさの対比は、実際とは一致しない場合がある。
また、画像表示素子2は、表側偏光板6と、裏側偏光板8と、液晶素子10を備えており、表側偏光板6と裏側偏光板8との間に、液晶素子10が挟持されて構成されている。これにより、表側偏光板6及び裏側偏光板8と液晶素子10は、表側偏光板6、液晶素子10、裏側偏光板8の順番で積層している。
バックライトユニット4は、ランプハウス12と、拡散板14と、二枚の集光シート16と、光学シート18を備えている。
複数の光源20は、それぞれ、LEDから形成されており、光学シート18の厚さ方向と直交する方向へ、所定の間隔で配置されている。
ランプリフレクタ22は、光源20の背面に配置されており、光源20からの光を反射する。
二枚の集光シート16は、同一種類のシートで構成されており、拡散板14と画像表示素子2との間に配置されている。
また、本実施形態では、二枚の集光シート16を、同一種類のシートで構成したが、これに限定するものではなく、二枚の集光シート16を、異なる種類のシートで構成してもよい。
光学シート18は、拡散板14と集光シート16との間に配置されており、拡散板14を透過する光を集光及び拡散する。なお、光学シート18と集光シート16は、所望される輝度や視野角特性により、向きや種類を自由に組み合わせて使用される。
具体的には、透光性基材の表面側である、光学シート18の光出射面側には、所望の立体形状を形成するための光学要素24が、一次元方向に形成されている。なお、光学要素24の詳細な構成については、後述する。
以下、図1を参照しつつ、図2及び図3を用いて、光学シート18の詳細な構成を説明する。
図2は、光学シート18の俯瞰図である。
図2中に示すように、光学シート18は、基材部28と、光学要素24と、凹凸形状26を備えている。なお、光学シート18は、単層構造でも複層構造でもよく、また、透明層を含んでいてもよい。
光学要素24は、基材部28の表面側である光学シート18の光出射面側において、一次元方向からなるプリズム形状に形成されている。
また、凹凸形状26の、光学シート18の光入射面から突出した部分の先端は、丸められている。
光学シート18は、単一の材料により製造されている。
光学シート18の材料、すなわち、基材部28の材料として用いる樹脂材料は、光源20から出射される光の波長に対して光透過性を有する樹脂材料が使用される。このような樹脂材料としては、例えば、光学用部材に使用可能なプラスチック材料を用いる。
無機酸化物からなる透明粒子としては、例えば、シリカやアルミナ、酸化チタン等からなる粒子を用いることが可能である。
凹凸形状26は、光学シート18の光入射面において、不規則な形状に形成されている。すなわち、凹凸形状26を形成する多数の凹部は、光学シート18の光入射面において、不規則に配置されている。
凹凸形状26を形成する多数の凹部が、光学シート18の光入射面において、不規則に配置されて、凹凸形状26が不規則に形成されると、光入射面や光出射面側の光学要素24との、モアレが回避しやすくなるという利点がある。特に、光学シート18を、ディスプレイ装置1に他の光学シートである集光シート16と組み合わせて使用する場合、集光シート16のレンズのピッチや導光板のドットパターンのピッチ、また、液晶パネル等の画素ピッチ等と干渉して、モアレが発生する可能性が高くなる。
しかしながら、光学シート18を含め、液晶パネルの画素ピッチや向きは、ディスプレイ装置1の光学性能に大きく影響するため、自由に設定することが難しい。
また、凹凸形状26は、図3中に示すように、光入射面側に最も近い部分の、光学シート18の厚さ方向に沿った断面形状が、楕円形状となるように形成されている。なお、図3は、凹凸形状26の説明図である。また、図3中では、凹凸形状26のうち、光入射面側に最も近い部分の外周のみを、点線で示している。
以下、光学シート18の光入射面の詳細な構成について説明する。
光入射面では、以下の関係式(1)及び関係式(2)が成立している。
30Ra(x)≧Ra(y)>2Ra(x) … (1)
Sm(y)≧0.5Sm(x) … (2)
ここで、上記の関係式(1)では、
Ra(x):光入射面と平行な第一方向に沿った光入射面の平均粗さ
Ra(y):光入射面と平行且つ第一方向と直交する第二方向に沿った光入射面の平均粗さである。
Sm(x):第一方向に沿った凹凸形状26の平均間隔
Sm(y):第二方向に沿った凹凸形状26の平均間隔
である。
また、上記のRa(x)、Ra(y)、Sm(x)及びSm(y)の単位は、全て、[μm]である。
上記の関係式(1)及び関係式(2)は、光入射面においては、第一方向と第二方向で異なる表面粗さを有しており、第一方向と第二方向での、光の散乱効果及び拡散効果が異なっていることを示している。
具体的には、凹凸形状26のサイズが大きいと、平均間隔Sm(x)及びSm(y)の値が大きくなり易く、また、凹凸形状26のサイズが小さく且つ存在する凹凸形状26の割合が高くなると、平均間隔Sm(x)及びSm(y)の値は小さくなる。
したがって、平均粗さRa(x)及びRa(y)と、平均間隔Sm(x)及びSm(y)を光入射面の面内方向で制御することにより、高輝度且つ高拡散性を有する光学シート18を得ることが可能となる。
しかしながら、凹凸形状26の大きさと割合を変化させると、平均粗さRa(x)及びRa(y)と平均間隔Sm(x)及びSm(y)の、両方の数値が変化するため、平均粗さRa(x)及びRa(y)と平均間隔Sm(x)及びSm(y)を、それぞれ、単独で制御することは困難である。
また、平均粗さRa(x)及びRa(y)の値が大きいと、輝度の均一性は確保できるものの、輝度の低下が非常に大きくなってしまう。また、凹凸形状26を不規則に配置する場合、30Ra(x)≧Ra(y)を達成するためには、第一方向の平均粗さRa(x)が、非常に小さい必要がある。
本実施形態では、第二方向に沿った凹凸形状26の平均間隔Sm(y)を、500[μm]以下に設定している。
本実施形態の光学シート18は、主に、点光源の輝度の均一性と、導光板のドットパターンの隠蔽性低下を目的として用いる。
従来の導光板のドットパターンは、スクリーン印刷等により、白色インキを、円形形状で六方最密充填に配置しているのが一般的である。また、そのドット径は、最小で0.5[mm]程度から、最大で2[mm]程度である。
以下、図1から図3を参照して、本実施形態における光学シート18の製造方法を説明する。
光学シート18は、押出法、キャスト法、または、インジェクション法で製造することが可能である。
このとき、光学シート18の厚さは、12[μm]以上1[mm]以下とする。これは、光学シート18の厚みが12[μm]未満である場合は、上述した製造方法による加工に耐えうる剛性が無く、また、光学シート18の厚みが1[mm]を越える場合、加工に耐えうる柔軟性がないためである。
光学要素24を形成するための金型には、光学要素24の形状(プリズム形状)と逆の形状に形成された立体部分が形成されており、凹凸形状26を形成するための金型には、凹凸形状26の形状(凹部)と逆の形状に形成された立体部分が形成されている。
光学要素24を形成するための金型を形成する方法としては、例えば、切削方式が挙げられる。切削方式により、光学要素24を形成するための金型を形成する場合、光学要素24と同じ形状を有するダイヤモンドバイトを用いて、光学要素24を形成するための金型を構成する光学要素側金型ロールを切削し、光学要素24のプリズム形状と逆の形状の立体部分を、光学要素側金型ロールのうち、光学要素24に対応する部分に形成する。
なお、ブラストを凹凸形状側金型ロール自体に打ちつける方法と、化学腐食による方法のどちらにおいても、凹凸形状26を形成するための金型を形成する場合、凹凸形状26の凹部と逆の形状の立体部分を、凹凸形状側金型ロールのうち、凹凸形状26に対応する部分に形成する。
図1から図3を参照しつつ、図4を用いて、上述した第一実施形態において説明した光学シート18を製造し、その物性の評価を行った結果について説明する。
まず、実験1について説明する。
光学シート18の光入射面に形成した凹凸形状26の表面粗さを検討するために、光入射面における凹凸形状26の性状が異なる複数種類(比較例及び実施例)の光学シート18を作成し、それぞれの光学シート18に対して、輝度と隠蔽性を評価した。
凹凸形状26は、サンドブラストにより、不規則なマット形状を光入射面の全面に形成した。このとき、光出射面に形成した光学要素24は、高さ50[μm]、ピッチ100[μm]の、頂角90°の三角形柱状プリズムレンズ形状とした。
(実験1:光学シート18の製造方法)
凹凸形状26を形成するための金型は、金型ロールにブラストを吹き付け、凹凸形状26に対応する所望の立体形状を形成して作製した。このとき、表面粗さが光入射面に対して異方性を有する構成とするために、一方向にノズルを動かし、ブラスト加工を実施した。
また、光学シート18自体は、図4中に示す押出機を用いた押出法により作製した。なお、図4は、一般的な押し出し成形に用いる押出機の概略構成を示す図である。
ダイ32は、熱可塑性ポリカーボネート樹脂を溶融させた溶融樹脂を、第一ロール34と第二ロール36との間に形成された隙間に吐出する。
第一ロール34は、凹凸形状26を形成するための金型を形成する金型ロールであり、第二ロール36は、光学要素24を形成するための金型を形成する金型ロールである。
また、押出した光学シート18の光入射面の表面粗さは、ミツトヨ社製の小型表面粗さ測定機サーフテストSJ−201を使用して測定した。
上述した方法により得た、比較例及び実施例の光学シート18に関して、輝度の評価を実施した。
そして、液晶テレビの正面から輝度を測定し、測定した輝度が、比較例に対し0.8以上であれば合格(○)とし、0.8未満であれば不合格(×)とした。
さらに、上述した方法により得た、比較例及び実施例の光学シート18に関して、輝度の均一性の評価を実施した。
また、導光板は、液晶テレビに搭載されていたものをそのまま使用し、その導光板の上に、本発明の光学シート18、住友3M社製のプリズムシートBEFIII、住友3M社
製の再帰反射シートDBEFを順に設置した。
輝度ムラ測定機による評価は、測定された数値が目標構成よりも輝度ムラが小さければ合格(○)とした。ここで、目標構成は、導光板から順に、MNTech社製のマイクロレンズシートPTR873H、住友3M社製のプリズムシートBEFIII、住友3M
社製の再帰反射シートDBEFから成っている。
(実験2:微小な凹凸形状26の表面粗さの検討)
光学シート18の光入射面に形成した凹凸形状26の表面粗さを検討するために、光入射面における凹凸形状26の性状が異なる複数種類(比較例及び実施例)の光学シート18を作成し、それぞれに対して、輝度と隠蔽性を評価した。
凹凸形状26を形成する際には、レーザー照射により、材料となるフィルムに半球形状の凹部を不規則に作製した後、このフィルムを一方向に延伸して、光入射面側に最も近い部分の、光学シート18の厚さ方向に沿った断面形状が、楕円形状となる凹部を有するフィルムを得た(図3参照)。
実験2で用いる光学シート18の製造方法は、上述した実験1で用いた光学シート18の製造方法と同様であるため、その説明を省略する。
また、光学シート18の光入射面の表面粗さは、上述した実験1と同様、ミツトヨ社製の小型表面粗さ測定機サーフテストSJ−201を使用して測定した。
上述した方法により得た、比較例及び実施例の光学シート18に関して、輝度の評価を実施した。
輝度の評価を実施する際には、LEDエッジライト方式の液晶テレビに、比較例及び実施例の光学シート18を搭載し、トプコン社製の分光放射計SR−3Aを用いて、輝度の測定を行った。なお、液晶テレビは、ソニー社製の40インチ液晶テレビを使用した。
このとき、液晶テレビに搭載されていた導光板をそのまま使用し、その上に、本発明の光学シート18、住友3M社製のプリズムシート、住友3M社製の再帰反射シートDBEF、を順に設置している。
さらに、上述した方法により得た、比較例及び実施例の光学シート18に関して、輝度の均一性の評価を実施した。
また、導光板は、液晶テレビに搭載されていたものをそのまま使用し、その導光板の上に、本発明の光学シート18、住友3M社製のプリズムシートBEFIII、住友3M社
製の再帰反射シートDBEFを順に設置した。
そして、輝度ムラ測定機としてサイバネット社製のProMetricを用い、液晶テレビの正面から輝度ムラを測定して、面内での輝度ムラを数値化した。
社製の再帰反射シートDBEFから成っている。
このとき、上述した平均間隔Sm(x)が十分に大きく、特に、上述した平均粗さRa(x)と平均粗さRa(y)との関係と、上述した平均間隔Sm(x)と平均間隔Sm(y)との関係が、30Ra(x)≧Ra(y)>2Ra(x)且つSm(y)≧0.5Sm(x)の関係で成立するときに、表2中に示すように、大きな輝度の低下を招くことなく、輝度の均一性が向上することを確認できた。
以下、第一実施形態の応用例を列挙する。
(1)第一実施形態では、ディスプレイ装置1を、直下型のディスプレイ装置としたが、これに限定するものではなく、図5中に示すように、ディスプレイ装置1を、エッジライト型のディスプレイ装置としてもよい。なお、図5は、第一実施形態の変形例におけるディスプレイ装置1の概略構成を示す図である。
また、光学シート18の光出射面には、異なる形状を有する、二種類以上の光学要素24が形成されていてもよい。
ここで、凹凸形状26の形状は、これらの形状に限られることはない。また、凹凸形状26の密度や配置方法は、特に限定するものではなく、あくまで、第一方向と第二方向の、表面粗さの関係が成立していればよい。
なお、凹凸形状26の存在する割合が光入射面に対して少ない場合、凹凸形状26が凸部で形成されていると、耐擦傷性の向上等、異なる効果を得ることが可能である。
(5)第一実施形態では、光学シート18を、溶融させた樹脂材料を金型に流し込み、板状または帯状に凝固させることで製造したが、光学シート18の製造方法は、これに限定するものではなく、例えば、光学シート18を、UV硬化法で製造してもよい。
2 画像表示素子
4 バックライトユニット
6 表側偏光板
8 裏側偏光板
10 液晶素子
12 ランプハウス
14 拡散板
16 集光シート
18 光学シート
20 光源
22 ランプリフレクタ
24 光学要素
26 凹凸形状
28 基材部
30 押出機
32 ダイ
34 第一ロール
36 第二ロール
38 第三ロール
40 導光板
42 反射ドット
44 拡散フィルム
46 反射フィルム
46 プリズムフィルム
Claims (9)
- 透光性基材の光出射面及び光入射面に立体形状が形成された光学シートであって、
前記光入射面に、前記立体形状を形成するための凹凸形状が二方向に沿って形成されており、
前記光入射面と平行な第一方向に沿った当該光入射面の平均粗さをRa(x)、前記第一方向に沿った前記凹凸形状の平均間隔をSm(x)とし、前記光入射面と平行且つ前記第一方向と直交する第二方向に沿った光入射面の平均粗さをRa(y)、前記第二方向に沿った前記凹凸形状の平均間隔をSm(y)とした場合に、
30Ra(x)≧Ra(y)>2Ra(x)且つSm(y)≧0.5Sm(x)の関係が成立しており、
前記光出射面に、光学要素が形成され、
前記光学要素は、三角柱状のプリズム形状、四角錘プリズム形状、多角錘プリズム形状、または、半楕円状のシリンドリカルレンズを一次元方向または二次元方向に形成したものであることを特徴とする光学シート。 - 前記凹凸形状は、一つの平坦面と、当該平坦面上に形成された複数の凹部と、から形成されていることを特徴とする請求項1に記載した光学シート。
- 前記凹凸形状は、不規則な形状であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載した光学シート。
- 前記凹凸形状の前記光入射面から突出した部分の先端が丸められていることを特徴とする請求項1から請求項3のうちいずれか1項に記載した光学シート。
- 前記第二方向に沿った前記凹凸形状の平均間隔は、500μm以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のうちいずれか1項に記載した光学シート。
- 前記光学シートは、単一の材料により製造されていることを特徴とする請求項1から請求項5のうちいずれか1項に記載した光学シート。
- 請求項1から請求項6のうちいずれか1項に記載した光学シートと、当該光学シートの前記光入射面側に配置された光源と、を備えたことを特徴とするバックライトユニット。
- 前記光源は、LED、冷陰極管、EL及び半導体レーザーのうち一つであることを特徴とする請求項7に記載したバックライトユニット。
- 請求項7または請求項8に記載したバックライトユニットと、当該バックライトユニットの前記光出射面側に配置されて、前記バックライトユニットからの光を表示光として画像表示を行う画像表示素子と、を備えることを特徴とするディスプレイ装置。
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