JP5168813B2 - 光学シート、バックライト装置および液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば液晶表示装置用の機能性フィルムとして用いられる光透過性の光学シートと、これを備えたバックライト装置および液晶表示装置に関する。

液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）は、ブラウン管（ＣＲＴ：Cathode Ray Tube）と比較して低消費電力かつ小型化、薄型化が可能であり、現在では携帯電話、デジタルカメラ等の小型機器から、大型サイズの液晶テレビに至るまで、様々なサイズのものが幅広く使用されている。

液晶表示装置は、透過型、反射型等に分類され、特に透過型液晶表示装置は、液晶層を一対の透明基板で挟んだ液晶表示パネルと、照明光源としてのバックライトユニットとを備えている。バックライトユニットは、光源を液晶表示パネルの直下に配置する直下型のほか、エッジライト型がある。

一般に、液晶表示装置用のバックライトユニットにおいては、光源光の出射方向を正面方向に配向させて正面輝度を向上させるプリズムシートあるいはレンズシート等の集光性の光学シートあるいはフィルム（以下、特に断らない限り「シート」と総称する。）が用いられている（下記特許文献１参照）。

特表２００１−５２４２２５号公報

近年、液晶表示装置の分野においては、表示画像の画質の向上が進められている。液晶表示装置の高画質化を図るためには、輝度の向上が不可欠である。このため、プリズムシートに代表される集光性光学シートの輝度特性の更なる向上が求められている。

また、近年における液晶テレビの分野においては、画面サイズの大型化が進んでおり、これに伴ってプリズムシートに代表される集光性光学シートの大型化が求められている。しかしながら、一般的に使用されている光学シートの厚みでは、例えば５０インチ以上の大きさになると、必要な剛度あるいは剛性が得られず、撓みが発生し、適切に取り扱うことが困難になる。また、光学シートの剛度が低下すると、バックライト装置あるいは液晶表示装置の組立作業性が低下するとともに、バックライトの熱で撓み（うねり）が生じ易くなり、これが原因で集光特性が乱れて画質の劣化を招くおそれがある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、輝度特性の更なる向上を図ることができ、画面サイズの大型化にも対応することができる光学シート、バックライト装置および液晶表示装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明は、透光性の基材の一主面に凹凸部が多数連続して配列された集光性の光学シートであって、上記凹凸部の配列ピッチが１１０μｍ以上３３０μｍ以下であり、上記凹凸部の表面粗度（Ｒａ）が０．１μｍ以下であることを特徴とする。

本発明において、上記凹凸部は、断面三角形状のプリズム体や、双曲面、放物面または高次の非球面を有するシリンドリカルレンズ体で構成することができる。これらプリズム体あるいはレンズ体の配列ピッチ（以下「レンズピッチ」と総称する。）を１１０μｍ以上３３０μｍ以下の範囲で構成するとともに、凹凸部の表面粗度（Ｒａ：算術平均粗さ）を０．１μｍ以下とすることにより、高い輝度特性が得られるようになり、この光学シートを液晶表示装置あるいはバックライト装置に適用することで、高画質の表示画像を得ることができるようになる。

本発明者らの知見によれば、レンズピッチを大きくするほど輝度特性を向上させることができる。本発明に係る光学シートにおいて、レンズピッチが１１０μｍ未満では、当該光学シートを用いない場合に比べて輝度の上昇率が低く輝度特性が不十分である。一方、レンズピッチが一定以上大きくなると、輝度の上昇率は飽和するとともに、シートの剛度低下が顕在化する。具体的に、レンズピッチが３３０μｍを超えると、輝度の上昇率は大きく低下するとともに、シートの剛度不足により取り扱い性が悪化する。この傾向は、シートサイズが大きくなるほど顕著となる。

また、凹凸部の表面粗度は、出射光の配向特性に大きく影響し、表面粗度が大きくなるほど正面輝度が低下する。この傾向は、レンズ頂点が先鋭なものほど顕著となる。レンズ面の表面粗度（Ｒａ）を０．１μｍ以下、好ましくは、０．０５μｍ以下とすることで、正面輝度の低下を抑制することができる。

上記凹凸部を構成するレンズの形状は、上述のように、プリズム形状でもよいしシリンドリカルレンズ形状でもよい。特に、レンズ先端部（頂点）を所定の形状で構成することで、一定以上の正面輝度を維持しつつ視野角の改善を図ることができる。

即ち、レンズ先端部の弦幅をａ、レンズピッチをＬｐとしたとき、ａ／Ｌｐ≦０．１８の関係を満たすようにレンズを構成する。このように、レンズ先端部の弦幅をレンズピッチの１８％以下とすることで、一定以上の正面輝度を維持しつつ視野角の改善を図ることができる。

ここで「弦幅」とは、レンズがプリズム形状の場合は、プリズム斜面を構成する直線と先端部曲面を構成する曲線との交点をプリズム幅方向で結んだ直線の距離の大きさを意味し、特に、先端部曲面が球面の場合には、その曲率半径の２倍をいうものとする。また、レンズがシリンドリカルレンズ形状の場合は、その先端部の球面の曲率半径の２倍を意味するものとする。

あるいは、レンズ先端部の先端部曲面が球面で形成される場合、当該曲率半径をＲ、レンズの高さをＬｈとしたときに、Ｒ／Ｌｈ≦０．４０の関係を満たすようにレンズを構成する。このように、レンズ先端部の曲率半径をレンズの高さの４０％以下とすることで、一定以上の正面輝度を維持しつつ視野角の改善を図ることができる。

一方、レンズ形状を維持したままレンズピッチを大きくすると、レンズの高さが大きくなり、基材の厚さを一定とした場合、基材の厚さに対するレンズの高さの比率も増大する。この場合、レンズピッチが大きくなるに従って、シート全体の剛度、特にレンズ幅方向の剛度が低下して撓み易くなるため、取り扱い性が悪化する。そこで、シートの基材厚に対する凹凸部の高さ（レンズ高さ）の比の上限を設けることで、シートの撓みを抑制することができる。好適には、レンズの高さを基材厚の５０％以下とする。これにより、シートサイズの大型化にも対応することが可能となる。

また、レンズピッチの拡大に伴って当該レンズを支持する基材の厚さを単層で形成することが困難な場合は、基材を２層以上の透光性シートの積層体で構成するのが効果的である。例えば、レンズを支持する第１シート基材と、この第１シート基材に接着材料層を挟んで対向する第２シート基材とで構成する。この場合、第２シート基材の厚さでシート総厚の主要部を占めるように構成したり、第１，第２シート基材の厚さを適宜組み合わせることによって、必要とする剛度を兼ね備えた光学シートを容易に得ることができる。

これに対して、レンズピッチの拡大によるシートの剛度低下を回避する他の技術的手段として、レンズを支持する基材の少なくとも周縁部に、当該基材の平面度を維持するための補強部を設ける。この補強部は、光学シートの使用時において基材の上縁に対して取り付けられる補強具とすることができる。補強具は、基材の周縁全体を囲む枠状で構成することも可能であるが、基材の上縁側だけに取り付けられる構成とするのが好適である。この場合、バックライト装置あるいは液晶表示装置の中に当該光学シートを取り付けるに際して使用される、当該シート周縁の一部に形成される係止部を、上記補強具によって構成することで、バックライトの熱によるシートの撓みやうねり等の変形を有効に阻止することができる。

以上述べたように、本発明によれば、従来よりも輝度の向上を図ることができるとともに、画面サイズの拡大に伴うシートサイズの大型化にも対応することができる程度の剛度と輝度特性を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

図１は、本発明の一実施形態による液晶表示装置１０の構成例を概略的に示す断面図である。まず、液晶表示装置１０の構成を概略的に説明する。

図１に示すように、この液晶表示装置１０は、バックライトユニット１および液晶表示パネル２を備えている。この例では、バックライトユニット１が直下型である場合を説明するが、バックライトユニット１をエッジライト型で構成してもよい。

図１に示すように、バックライトユニット１は、液晶表示パネル２に対して調光した光を供給するためのものであり、液晶表示パネル２の背面直下に配置されている。液晶表示パネル２は、バックライトユニット１から供給された光を時間的空間的に変調して情報を表示する。この液晶表示パネル２の両面には、偏光板２ａ，２ｂが設けられている。偏光板２ａおよび偏光板２ｂは、入射する光のうち直交する偏光成分の一方のみを透過させ、他方を吸収により遮蔽する。偏光板２ａと偏光板２ｂとは、例えば、透過軸が互いに直交するように設けられている。

液晶表示パネル２は、パネル横方向および縦方向に画素が所定ピッチで複数配列されてなり、バックライトユニット１から照射される光の透過率を画素毎に制御することで、パネル正面に所定の画像を表示する。表示画像は、カラー画像とされるが、勿論これに限られない。

図１に示すように、バックライトユニット１は、例えば、反射板１１、光源１２、拡散板１３、集光シート１４、拡散シート１７および反射型偏光子１８を備える。なお、これら以外に他の光学素子を配置してもよい。また、拡散板１３、拡散シート１７、反射型偏光子１８は、必要に応じて配置を省略したり、配置を変更してもよい。

光源１２は、光を液晶表示パネル２に供給するためのものであり、図示の例では複数配置され、例えば、蛍光ランプ（ＦＬ）、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子、発光ダイオード（ＬＥＤ）等で構成される。

反射板１１は、光源１２の下方および側方を覆うように設けられ、光源１２から下方および側方などに出射された光を反射して、液晶表示パネル２の方向に向けるためのものである。

拡散板１３は、光源１２の上方に設けられ、光源１２からの出射光および反射板１１による反射光を拡散させて輝度を均一にするためのものである。本例における拡散板１３としては、例えば、透光性材料中に光拡散性の微粒子を分散させた比較的厚手のものが用いられている。

集光シート１４は、本発明に係る光学シートに対応するもので、拡散板１３の上方に配置されることで、照射光の指向性等を向上させる。なお、集光シート１４の構成の詳細については後述する。

拡散シート１７は、集光シート１４上に設けられ、集光シート１４により指向性を高められた光を一定角度範囲で拡散出射させるためのものである。本例における拡散シート１７としては、透光性のシート基材の光出射面側に光拡散性を有する凹凸構造等の拡散面を備えたものが用いられている。

反射型偏光子１８は、拡散シート１７の上に設けられ、拡散シート１７により拡散された光のうち、直交する偏光成分の一方のみを透過させ、他方を反射するものである。この反射型偏光子１８を透過する偏光成分の振動方向は、液晶表示パネル２の光入射面側に配置された偏光板２ａの透過軸と平行に設定されている。

次に、本発明に係る集光シート（光学シート）１４の構成の詳細について説明する。

図２Ａ，Ｂは、本発明の一実施形態による集光シート１４の形状例を模式的に示す斜視図である。集光シート１４は、略四角形状のシート状を有しており、透光性の基材１４Ｂの一方側の主面（光出射面）に集光機能をもつ凹凸部１４Ｃが一方向（図においてＸ方向）に多数連続して配列されたプリズムシートまたはレンズシートで構成されている。

集光シート１４は、注型、熱プレス、溶融押出成形等により、基材１４Ｂと凹凸部１４Ｃとが一体的に形成されるもののほか、凹凸部１４Ｃを紫外線硬化樹脂で構成し、基材１４Ｂ上で硬化接着させる転写法で形成されるものも含まれる。基材１４Ｂおよび凹凸部１４Ｃは、ポリカーボネートやポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、アクリル系樹脂等の透明樹脂で構成されている。
なお、凹凸部１４Ｃは、後述するように、プリズム体１４Ｐおよびシリンドリカルレンズ体１４Ｌの双方を含むものとする。

図２Ａに示す集光シート１４は、凹凸部１４Ｃとして、光出射側の面に、断面三角形状のプリズム体１４Ｐが多数配列されたプリズムシート１４を示している。また、図２Ｂに示す集光シート１４は、凹凸部１４Ｃとして、光出射側の面に、双曲面、放物面あるいは高次の非球面を有するシリンドリカルレンズ体１４Ｌが多数配列されたレンズシート１４を示している。

一方、シリンドリカルレンズ体１４Ｌは、集光シート１４の法線方向に平行にＺ軸、シリンドリカルレンズ体１４Ｌの列の方向にＸ軸、シリンドリカルレンズ体１４Ｌの母線方向にＹ軸をとったときに、以下の（１）式を満たすように、照射光の出射側に有限な焦点距離が存在し、かつ断面形状が左右対称な双曲面または放物面形状に形成されている。
Ｚ＝Ｘ²／（Ｒ＋√（Ｒ²−（１＋Ｋ）Ｘ²）） （１）
但し、Ｒは先端頂点の曲率半径［μｍ］であり、Ｋはコーニック定数である。なお、本明細書において「√」はそれ以降に続く数式で求められる値の平方根を意味する。

あるいは、シリンドリカルレンズ体１４Ｌは、同様にＺ軸、Ｘ軸およびＹ軸をとったときに、以下の（２）式を満たすように、照射光の出射側に有限な焦点距離が存在し、かつ断面形状が左右対称な非球面形状に形成されている。
Ｚ＝Ｘ²／（Ｒ＋√（Ｒ²−（１＋Ｋ）Ｘ²））＋ＡＸ⁴＋ＢＸ⁵＋ＣＸ⁶＋・・・ （２）
但し、Ｒは先端頂点の曲率半径［μｍ］、Ｋはコーニック定数、Ａ，Ｂ，Ｃ・・・は非球面係数である。

集光シート１４は、凹凸部１４Ｃの配列ピッチ（レンズピッチ）Ｌｐが、１１０μｍ以上３３０μｍ以下の範囲に設定されている。以下、図３を参照してレンズピッチＬｐの上限について説明する。

図３は、集光シート１４のレンズピッチと、得られる正面輝度との関係の一例を示している。横軸はレンズピッチ［μｍ］、縦軸は、頂角９０度のプリズムが５０μｍ間隔で配列されたプリズムシートの輝度に対する相対値［％］で表した正面輝度である。なお、横軸のレンズピッチは対数目盛である。

図３には、頂角９０度のプリズム体１４Ｐを有するプリズムシートと、上記（１）式で表される双曲面形状のシリンドリカルレンズ体１４Ｌを有するレンズシートのデータを示している。全体的に、レンズピッチが大きくなるに従って正面輝度が大きくなる傾向にあることがわかる。また、同一のレンズピッチにおいて、レンズシートの輝度がプリズムシートの輝度に比べて低いのは、プリズム体１４Ｐに比べてレンズ体１４Ｌの頂点が曲線状になっているためである。このレンズ頂点の鈍りは、レンズピッチが微細になるほど影響が大きく、輝度の低下を引き起こすが、レンズピッチの拡張によりレンズ頂点の鈍りによる影響が緩和される。

図３に示したように、レンズピッチを拡大することで輝度の向上が図れる。しかし、レンズピッチが大きくなるに従って、輝度の向上率が低下し３３０μｍ当たりで飽和する。すなわち、レンズピッチを３３０μｍ以上に拡大しても輝度の向上効果は小さくなる。従って、輝度向上率の観点から、レンズピッチの最大値は３３０μｍ程度とするのが好ましい。

次に、レンズピッチＬｐの下限について、図４を参照して説明する。
図４は、上記（１）式で表される双曲面形状のシリンドリカルレンズ体１４Ｌを有するレンズシートのレンズピッチと輝度上昇率との関係を示す一実験結果である。この実験では、図１を参照して、光源１２と液晶表示パネル２との間に拡散板１３のみを配置して得られた正面輝度に対して、光源１２と液晶表示パネル２との間に拡散板および集光シート（本例ではレンズシート）１４のみを配置したときに得られる正面輝度がどれだけ向上したかを測定した。図中横軸はレンズピッチ［μｍ］であり、縦軸は、レンズシートが無い場合を１としたときの輝度の上昇率を表している。

なお、拡散板としては、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、スチレン樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂、アクリル−スチレン樹脂、シクロオレフィン系樹脂（商品名：ゼオノア樹脂、アートン樹脂など）などを材料として、これに表面散乱性の形状を付したものや、上記材料にアクリル粒子、スチレン粒子などの有機粒子、シリカ、アルミナ、酸化チタンなどの無機粒子を混合したものを使用することができ、いずれのものを使用しても同様な結果を得ることができる。

図４においては、レンズ先端部の曲率半径Ｒが１０μｍであるレンズシートと、レンズ先端部の曲率半径Ｒが１２μｍであるレンズシートのそれぞれの輝度上昇率を併せて示している。全体的に、レンズピッチが大きくなるに従って正面輝度が大きくなる傾向にあることがわかる。また、同一のレンズピッチにおいて、Ｒ＝１２μｍのレンズシートの輝度がＲ＝１０μｍのレンズシートの輝度に比べて低いのは、レンズ頂点の鈍りの程度が大きいからである。このレンズ頂点の鈍りは、レンズピッチが微細になるほど影響が大きく、輝度の低下を引き起こすが、レンズピッチの拡張によりレンズ頂点の鈍りによる影響が緩和される。

一般に集光シート１４は、正面輝度の向上を図るために拡散板１３の上に配置される。従って、集光シート１４を配置しても一定の輝度の向上効果が得られなければ、集光シート１４を配置する意義が薄らいでしまう。そこで本発明では、図４に示す輝度上昇率として約１．５倍以上の輝度向上効果を集光シート１４に要求し、これを満足するレンズピッチおよびレンズ形状で集光シート１４を構成するようにしている。この例では、先端曲率半径が１０μｍ以下の双曲面シリンドリカルレンズシートについて、レンズピッチの下限は１１０μｍとなる。
なお、この約１．５倍の輝度上昇率は、従来、図１を参照して説明した拡散シート１７に準ずるシートを複数枚用いて実現していたものであり、集光シート１４を用いることによってこれら複数枚の拡散シートの配置が不要となる。

集光シート１４の輝度特性は、レンズピッチＬｐだけでなく、凹凸部１４Ｃの表面（レンズ面）の表面粗度にも大きく影響される。図５は、凹凸部１４Ｃの表面粗度（Ｒａ）と相対輝度との関係を示すシミュレーション結果である。用いたサンプルは、頂角９０度のプリズム体をベースとし、その先端部の曲率半径Ｒが０，０．５，１．０の３種類とした。横軸は表面粗度（Ｒａ）［μｍ］であり、縦軸は、Ｒ＝０、Ｒａ＝０のサンプルの輝度値を１としたときの相対値を表している。

図５から明らかなように、各サンプルとも凹凸部の表面粗度（Ｒａ）が大きくなるに従って得られる輝度値が低下する傾向にある。そこで、表面粗度をＲａ≦０．１μｍ（１００ｎｍ）、好ましくはＲａ≦０．０５μｍ（５０ｎｍ）の範囲に規定する。これにより、輝度値の低下を抑制することができる。

以上のように、凹凸部１４Ｃの配列ピッチ（レンズピッチ）を１１０μｍ以上３３０μｍ以下とするとともに、凹凸部１４Ｃの表面粗度（Ｒａ）を０．１μｍ以下とすることにより、輝度特性の高い集光シート１４を得ることができる。
なお、レンズピッチは、単位長さ当たりの凹凸部の総数によっても表すことが可能であり、１１０μｍ以上３３０μｍ以下の範囲のレンズピッチにおいて、１ｍｍ当たりの凹凸部１４Ｃの稜線および谷部の総数は、６．０６〜１８．２［個／ｍｍ］の範囲となる。

続いて、凹凸部１４Ｃの詳細について説明する。

図６Ａは、プリズム体１４Ｐの断面形状を示している。プリズム体１４Ｐは、断面形状が二等辺三角形で、一対のプリズム斜面のなす角あるいは頂角θが、７０度以上１１０度以下、好ましくは８５度以上９５度以下、より好ましくは９０度で構成されている。

また、プリズム体１４Ｐは、図６Ｂに示す形状で構成することができる。図６Ｂに示すプリズム体１４Ｐは、先端部が曲面形状に形成されている。この場合、プリズム体１４Ｐのプリズム斜面を構成する一対の直線Ｐ１，Ｐ１と先端部曲面を構成する曲線Ｐ２との交点Ｒ１，Ｒ２をプリズム幅方向に結んだ直線の距離の大きさを弦幅ａ［μｍ］とし、レンズピッチをＬｐ［μｍ］としたときに、ａ／Ｌｐ≦０．１８の関係を満たすように構成される。即ち、弦幅ａの大きさがプリズム体１４Ｐの配列ピッチ（レンズピッチ）の１８％以下となるように構成する。また、曲線Ｐ２の属する曲面が球面である場合には、その曲率半径の２倍を上記弦幅ａとする。このように構成することで、図４に示したような輝度上昇率１．５倍以上の一定の正面輝度を維持しつつ視野角の改善を図ることができる。

一方、図７は、シリンドリカルレンズ体１４Ｌの断面形状の一例を示している。レンズ体１４Ｌは、先端部（レンズ頂点）に一定の曲率半径Ｒ［μｍ］で描かれた曲面部を備えている。この場合は、レンズ体１４Ｌの曲率半径の２倍（２Ｒ）がレンズ体１４Ｌの弦幅ａ［μｍ］に相当し、レンズピッチＬｐ［μｍ］との関係において、ａ／Ｌｐ≦０．１８を満たすように構成される。このように構成することで、図４に示したような輝度上昇率１．５倍以上の一定の正面輝度を維持しつつ視野角の改善を図ることができる。

また、図７において、レンズ体１４Ｌは、先端部の曲率半径をＲ［μｍ］、レンズ高さ（凹凸部１４Ｃの高さ）をＬｈとしたときに、Ｒ／Ｌｈ≦０．４０の関係を満たすようにレンズを構成する。このように、レンズ先端部の曲率半径をレンズの高さの４０％以下とすることで、図４に示したような輝度上昇率１．５倍以上の一定以上の正面輝度を維持しつつ視野角の改善を図ることができる。

なお、図６Ｂに示したような先端部が曲面形状のプリズム体１４Ｐにおいて、当該曲面形状が球面形状である場合についても同様に、当該球面の半径をＲとしたとき、レンズ高さＬｈとの関係において、Ｒ／Ｌｈ≦０．４０を満たすように当該プリズム体１４Ｐを構成する。

続いて、ａ／Ｌｐ≦０．１８、および、Ｒ／Ｌｈ≦０．４０の各関係式について説明する。図８は、ポリカーボネート製の形状の異なる複数の双曲面シリンドリカルレンズシートを作製し、それぞれについての正面輝度特性を表した一実験結果である。図８において横軸は、レンズ体の先端部の曲率半径Ｒとレンズ高さＬｈとの比（Ｒ／Ｌｈ）を示し、縦軸は、図４の縦軸に相当する、拡散板のみの輝度値に対する輝度上昇率を示している。各プロット点に基づいて近似式を演算した結果、横軸をｘ、縦軸をｙとしたときに、関数ｙ＝−０．３１９３ｘ＋１．６３０８が得られた。

上記双曲面シリンドリカルレンズシートにおいて、弦幅ａは曲率半径Ｒの約２倍、レンズ高さＬｈはレンズピッチＬｐの約０．４５倍である。そこで、図４を参照して説明したように、１．５倍程度の輝度上昇率が得られる双曲面シリンドリカルレンズシートは、レンズピッチＬｐが１１０μｍの先端曲率半径Ｒが１０μｍのレンズ体であり、このときのａ／Ｌｐ（≒２Ｒ／Ｌｐ）の値は約０．１８となる。一方、２Ｒ／Ｌｈの値は約０．４０となる。

以上のように、ａ／Ｌｐ≦０．１８、および、Ｒ／Ｌｈ≦０．４０の各関係を満たすレンズ体で構成されたレンズシートは、輝度上昇率１．５倍以上の正面輝度を得ることができることになる。また、レンズ先端部が曲面形状で形成されることから、視野角特性の改善を図ることができることになる。
なお、視野角改善効果を実効あらしめるために、弦幅ａはレンズピッチＬｐの３％以上であることが好ましい。すなわち、０．０３≦（ａ／Ｌｐ）≦０．１８とするのが好ましい。

次に、レンズピッチとシートの剛度あるいは剛性について説明する。

レンズ形状を維持したままレンズピッチを大きくすると、レンズの高さが大きくなり、基材の厚さを一定とした場合、レンズピッチの拡大に伴って、基材の厚さに対するレンズの高さの比率も増大する。この場合、レンズピッチが大きくなるに従って、シート全体の剛度、特にレンズ幅方向の剛度が低下して撓み（うねり）が生じ易くなるため、取り扱い性が悪化する。また、シートの剛度が不足すると、使用時のバックライトの熱でうねりが生じ、集光特性が乱れて画質の劣化を招くおそれがある。

そこで、本実施形態では、シートの基材厚に対するレンズ高さの比の上限を設けることで、シートの撓みを抑制するようにしている。好適には、レンズの高さを基材厚の５０％以下とする。これにより、シートサイズの大型化にも対応することが可能となる。

図９は、レンズピッチおよび基材厚の異なる双曲面シリンドリカルレンズシートのサンプルを作製し、うねりの発生の有無を調べた結果を示す。レンズシートのレンズピッチＬｐは１００μｍ、１１０μｍ、１６０μｍ、２００μｍ、２５０μｍ、３００μｍ、３３０μｍ、３５０μｍ、４００μｍ、４５０μｍとし、レンズ高さＬｈはレンズピッチＬｐの約０．４５倍であり、基材厚Ｌｔは２００μｍ、３００μｍ、４００μｍとした。うねりの評価は、うねり無しを「○」、パネル越しにうねりの発生が認められたもの（集光特性が乱れて画質が劣化しているもの）を「×」、画質の劣化には至らないがうねりの発生が認められたものを「△」とした。

基材厚に対するレンズ高さの比（Ｌｈ／Ｌｔ）を算出し、うねりの発生の有無について着目すると、Ｌｈ／Ｌｔ≦０．５、すなわち、レンズ高さを基材厚の５０％以下とすることで、画質の劣化を伴ううねりの発生を防止することができることがわかる。従って、レンズ高さが基材厚の５０％以下、好ましくは４０％以下とすることで、うねりを原因とする画質の劣化を阻止できるのに十分な剛度を確保することが可能となる。

また、レンズピッチの拡大に伴って当該レンズを支持する基材の厚さを単層で形成することが困難な場合は、基材を２層以上の積層体で構成するのが効果的である。図１０は、その一構成例を模式的に示す集光シート１４の側面図である。図１０に示す集光シート１４は、レンズ（凹凸部）１４Ｃを支持する第１シート基材２１と、この第１シート基材２１に接着材料層２０を挟んで対向する第２シート基材２２とで構成されている。集光シート１４の基材１４Ｂを第１，第２シート基材２１，２２の積層体で構成することにより、基材１４Ｂの剛度を確保でき、集光シート１４のうねりを防いで取り扱い性の向上と、画質劣化の防止を図ることができる。

第１，第２シート基材２１，２２の構成材料は、透光性であれば特に制限されず、例えば、ポリカーボネートやＰＥＴ、アクリル系樹脂等の樹脂シートのほか、プラスチック板やガラス板などが適用可能である。接着材料層２０としては、紫外線硬化型接着剤、感圧型接着剤、ホットメルト系接着剤などを用いることができる。接着材料層２０の屈折率は、第１，第２シート基材２１，２２の屈折率と同等またはそれ以下が好ましい。

また、一般に、樹脂材料は、過度に紫外線の照射作用を受けると黄色に着色する傾向にある。この場合、シートの透過光は、当該シートの着色による影響を受けて所期の光透過特性を維持できなくなる。具体的には、青色透過波長が減少する。そこで、第１，第２シート基材２１，２２の少なくとも一方に紫外線吸収剤を添加することで、紫外線の照射によるシート基材の黄色化を抑制することができる。

なお、紫外線吸収剤に代えて又は紫外線吸収剤とともに、接着材料層に青色系色素を添加してもよい。これにより、第１シート基材２１の着色を補正できるようになり、これによりシートの透過光の変調を防止することができる。

また、積層後のシートの反りを抑えるために、第１，第２シート基材の分子配向を考慮することが好ましい。具体的には、各シート基材の分子配向のなす角を２０度以下とする。また、各シート基材の厚みを同等にしたり、一方のシート基材がシート全体の主要な層厚を占めるように構成することも、シートの反り抑制に有効である。

第１，第２シート基材２１，２２の厚さは特に制限されず、積層時に目的のシート厚が得られるように各々のシート厚を適宜選定することができ、例えば、５０μｍ以上５００μｍ以下とされる。また、積層後の基材１４Ｂの反り防止を図る観点から、第１，第２シート基材２１，２２の厚さを互いに同等としたり、一方のシート基材がシート総厚の主要部を占めるように構成することが好ましい。

例えば、第１，第２シート基材２１，２２がともに同一の材料で構成される場合は、これらのシート厚を同等とすることで反りの発生は抑えられる。一方、第１，第２シート基材２１，２２が互いに異種の材料で構成される場合は、厚さを同等としても反りが発生する場合がある。この場合、材料の組合せによって厚さのバランスをとることが好ましい。例えば、第１シート基材２１がポリカーボネート、第２シート基材２２がポリエチレンテレフタレートの場合、第１シート基材２１と第２シート基材２２とのシート厚比を６：４程度とする。

また、レンズピッチの大きさによって第１シート基材２１の剛度が変化する。即ち、シート厚一定の場合、レンズピッチが大きくなるほど凹凸部１４Ｃの配列方向の剛度が低下しやすい。従って、第１シート基材２１および第２シート基材２２のシート厚をレンズピッチによって最適化することで、集光シート１４の適度な剛度を確保することができる。

更に、樹脂の種類によっても得られる剛度が異なる。図１１は、レンズ曲げ方向における基材厚と曲げ剛性との関係を示している。ポリカーボネート（ＰＣ）よりもＰＥＴの方が曲げ剛性が高いことがわかる。従って、第１，第２シート基材２１，２２の材料選択にこれらの材料固有の曲げ剛性を考慮に入れることで、集光シート１４の剛度の最適化を図れるようになる。

一方、レンズピッチの拡大によるシートの剛度低下を回避する他の技術的手段として、例えば図１２Ａ，Ｂに示す構成がある。図示の例では、集光シート１４の使用時において基材１４Ｂの上縁部となる領域に、基材１４Ｂの平面度を維持するのに十分な強度および耐熱性を備えた金属等からなる補強具２５が設けられている。補強具２５は、基材１４の上縁を挟むようにして取り付けられることで、基材１４の平面度を維持する本発明の「補強部」を構成する。なお、補強具２５を取り付ける構成に代えて、基材１４の上縁部を部分的に厚く形成することで、上記補強部を構成するようにしてもよい。

また、通常、集光シート等の光学シートは、バックライトユニットあるいは液晶表示装置の内部において、フレーム部に吊り下げられた状態で組み込まれている。しかし、レンズピッチの拡大によりシートの剛度が低下すると、シートが撓みやすくなって組み付け作業性が大幅に低下する。また、組付後、使用時において、シートの上縁に形成された上記フレーム部に対する係止部が、バックライトの熱により変形してシートの平面度が損なわれるおそれがある。この場合、集光面の平坦度が維持できなくなるので、レンズの集光特性が面内でばらつき、表示画像の画質劣化を引き起こす。

これに対して、図１２に示した構成例においては、基材１４Ｂの上縁を支持する補強具２５の一部に、上記フレーム部に係止される係止孔２６を備えた係止片２７を一体的に設けることで、バックライトあるいは液晶表示装置の組立作業性の改善を図ることができるとともに、バックライトの熱による係止部の熱変形を防止し、集光シート１４の平面度低下による画質の劣化を回避することが可能となる。

また、図１２に示すように、基材１４Ｂの下縁にウェイトバー２８を取り付け、集光シート１４の吊下げ時において自重によるシートの平面性を確保するようにしてもよい。この構成は、集光シート１４の基材１４Ｂの厚さが薄すぎてシート自体の自重による平面度の確保が困難な場合に特に有効である。

次に、本実施形態の集光シート１４においては、その光入射面となる裏面、すなわち、基材１４Ｂの凹凸部１４Ｃが形成される一主面とは反対側の他主面に、当該他主面を粗面化する微細な凸部がさらに設けられている。

上記凸部の高さは特に限定されないが、平均中心面（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）から０．２０μｍ以上とすることが好ましい。また、平均中心面から０．２０μｍ以上の高さを有する凸部の密度は、７０個／ｍｍ^２以上４００個／ｍｍ^２以下の範囲とすることが好ましい。凸部の密度を７０個／ｍｍ^２以上にすることにより、集光シート１４の裏面側に配置された拡散板１３の平面部分との干渉による外観にじみを改善できる。また、凸部の密度を４００個／ｍｍ^２以下にすることにより、集光シート１４の裏面側に凸部を設けることによる液晶表示装置の輝度低下を抑制することができる。

平均中心面から０．２０μｍの高さを有する凸部の平均間隔は特に限定されないが、例えば、５０μｍ以上１２０μｍ以下の範囲とすることが好ましい。凸部の平均間隔を５０μｍ以上とすることにより、集光シート１４の裏面側に凸部を設けることによる液晶表示装置の輝度の低下を抑制することができる。また、凸部の平均間隔を１２０μｍ以下とすることにより、集光シート１４の裏面との接触によって拡散板１３の表面に傷が発生することを防止でき、且つ、拡散板１３の平面部分との干渉による外観にじみを改善することができる。

また、集光シート１４の裏面（光入射面）に設けられた凸部は、凹凸部１４Ｃを形成しない状態において、集光シートの曇り度（ヘイズ）が２０％以下となるように設けられていることが好ましい。また、この凸部が設けられた集光シート１４の裏面の平均傾斜勾配は、０．２５ｒａｄ以下とするのが好ましい。

図１３は、曇り度（ヘイズ）の異なる複数の集光シートを準備し、その輝度特性、うねり又は貼り付き、振動テストによるシート裏面側の傷つきの有無についてそれぞれ評価した結果を示す。曇り度が２０％を超えるサンプルでは輝度の低下が認められたが、曇り度２０％以下のサンプルでは輝度の低下は認められなかった。また、シート裏面に上記凸部を形成することで他部材への貼り付きやこれによるうねりの発生、更には振動によるシート裏面の傷つきが抑えられることがわかる。なお、曇り度が２％以下の場合にはシート裏面の傷つき防止効果が低下することも確認された。

本発明の実施形態による液晶表示装置の概略構成を示す概略断面図である。 本発明の実施形態による光学シートとしての集光シートの構成例を示す斜視図であり、Ａは集光層としてプリズム構造の凹凸部を有する形態を示し、Ｂは集光層としてシリンドリカルレンズ構造の凹凸部を有する形態を示している。 集光シートのレンズピッチの正面輝度との関係の一例を示す図である。 集光シートのレンズピッチと正面輝度との関係を示す一実験結果である。 凹凸部の表面粗度と正面輝度との関係を示すシミュレーション結果である。 凹凸部を構成するプリズム体の概略側面図である。 凹凸部を構成するレンズ体の概略側面図である。 レンズ体のレンズ高さに対する先端部の曲率半径の比と正面輝度との関係を示す一実験結果である。 集光シートの基材厚に対するレンズ高さの比とうねりの発生の有無との関係を示す一実験結果である。 集光シートの他の構成例を示す概略側面図である。 集光シートの基材厚みとレンズ体の曲げ剛性との関係を示す一実験結果である。 集光シートの補強構造の一例を示す図であり、Ａは正面図、ＢはＡの［Ｂ］−［Ｂ］線方向断面図である。 集光シートの裏面に微細な凸部を形成することによって得られる当該シートのヘイズ値と輝度の低下の有無、うねり、振動テストによる傷つきの有無との関係を示す一実験結果である。

符号の説明

１…バックライトユニット、２…液晶表示パネル、２ａ，２ｂ…偏光板、１０…液晶表示装置、１１…反射板、１２…光源、１３…拡散板、１４…集光シート、１４Ｂ…基材、１４Ｃ…凹凸部、１４Ｐ…プリズム体、１４Ｌ…レンズ体、１７…拡散シート、１８…反射型偏光分離素子、２０…接着材料層、２１…第１シート基材、２２…第２シート基材、２５…補強具、２８…ウェイトバー、ａ…弦幅、Ｌｈ…レンズ高さ、Ｌｔ…基材厚、Ｌｐ…レンズピッチ、Ｒ…レンズ体先端部の曲率半径

Claims (13)

1. 透光性の基材の一主面上に、凹凸部が多数連続して配列された集光性の光学シートであって、
   前記凹凸部は、
   曲率半径が前記凹凸部の高さの４０％以下であり弦幅が前記曲率半径の２倍となる球面で形成された先端部を有し、１１０μｍ以上３３０μｍ以下の配列ピッチで前記基材の厚さの５０％以下の高さに形成され、かつ、０．１μｍ以下の表面粗度（Ｒａ）であり、
   前記基材は、
   接着材料層を介して貼り合わされた透光性シートの積層体からなり、
   前記積層体は、
   前記凹凸部を支持し、ポリカーボネートからなる第１シート基材と、
   前記第１シート基材に前記接着材料層を挟んで対向し、ポリエチレンテレフタレートからなる第２シート基材とからなり、
   前記第１シート基材と第２シート基材とのシート厚比を６：４とする
   光学シート。
2. 請求項１に記載の光学シートであって、
   前記凹凸部は、断面三角形状のプリズムである光学シート。
3. 請求項１に記載の光学シートであって、
   前記凹凸部は、双曲面または放物面を有するシリンドリカルレンズ体であり、
   前記光学シートの法線方向に平行にＺ軸をとり、前記シリンドリカルレンズ体の列の方向にＸ軸をとったときに、前記シリンドリカルレンズ体の断面形状が、以下の式を満たす光学シート。
   Ｚ＝Ｘ^２／（Ｒ＋√（Ｒ^２−（１＋Ｋ）Ｘ^２））
   （但し、Ｒは先端頂点の曲率半径［μｍ］、Ｋはコーニック定数である。）
4. 請求項１に記載の光学シートであって、
   前記凹凸部は、高次の非球面を有するシリンドリカルレンズ体であり、
   前記光学シートの法線方向に平行にＺ軸をとり、前記シリンドリカルレンズ体の列の方向にＸ軸をとったときに、前記シリンドリカルレンズ体の断面形状が、以下の式を満たす光学シート。
   Ｚ＝Ｘ^２／（Ｒ＋√（Ｒ^２−（１＋Ｋ）Ｘ^２））＋ＡＸ^４＋ＢＸ^５＋ＣＸ^６＋・・・
   （但し、Ｒは先端頂点の曲率半径［μｍ］、Ｋはコーニック定数、Ａ，Ｂ，Ｃ・・・は非球面係数である。）
5. 請求項１に記載の光学シートであって、
   前記先端部の弦幅は、前記凹凸部の配列ピッチの１８％以下である光学シート。
6. 請求項１に記載の光学シートであって、
   前記基材の前記凹凸部が設けられた一主面とは反対側の他主面には凸部がさらに設けられており、
   前記凸部は、前記凹凸部を形成しない状態において前記光学シートの曇り度が２０％以下となるように設けられている光学シート。
7. 請求項１に記載の光学シートであって、
   前記第１シート基材および前記第２シート基材のうち少なくとも一方には、紫外線吸収剤が添加されている光学シート。
8. 請求項１に記載の光学シートであって、
   前記基材の周縁の少なくとも一部に、当該基材の平面度を維持するための補強部が設けられている光学シート。
9. 請求項１に記載の光学シートであって、
   前記補強部は、当該光学シートの使用時において前記基材の上縁に対して取り付けられる補強具である光学シート。
10. 請求項９に記載の光学シートであって、
    前記光学シートの使用時において前記基材の上縁を支持する前記補強具は、その一部に係止孔を備えた係止片が一体的に設けられている光学シート。
11. 請求項１０に記載の光学シートであって、
    前記基材は、当該基材の下縁にウェイトバーが取り付けられた光学シート。
12. 光源と、この光源からの出射光を調光する光学シートとを備えたバックライト装置において、
    前記光学シートは、透光性の基材の一主面上に集光性の凹凸部が多数連続して配列されてなり、
    前記凹凸部は、
    曲率半径が前記凹凸部の高さの４０％以下であり弦幅が前記曲率半径の２倍となる球面で形成された先端部を有し、１１０μｍ以上３３０μｍ以下の配列ピッチで前記基材の厚さの５０％以下の高さに形成され、かつ、０．１μｍ以下の表面粗度（Ｒａ）であり、
    前記基材は、
    接着材料層を介して貼り合わされた透光性シートの積層体からなり、
    前記積層体は、
    前記凹凸部を支持し、ポリカーボネートからなる第１シート基材と、
    前記第１シート基材に前記接着材料層を挟んで対向し、ポリエチレンテレフタレートからなる第２シート基材とからなり、
    前記第１シート基材と第２シート基材とのシート厚比を６：４とする
    バックライト装置。
13. 液晶表示パネルと、この液晶表示パネルの背面側に配置された光源と、前記液晶表示パネルと前記光源との間に配置された光学シートとを備えた液晶表示装置において、
    前記光学シートは、透光性の基材の一主面上に集光性の凹凸部が多数連続して配列されてなり、
    前記凹凸部は、
    曲率半径が前記凹凸部の高さの４０％以下であり弦幅が前記曲率半径の２倍となる球面で形成された先端部を有し、１１０μｍ以上３３０μｍ以下の配列ピッチで前記基材の厚さの５０％以下の高さに形成され、かつ、０．１μｍ以下の表面粗度（Ｒａ）であり、
    前記基材は、
    接着材料層を介して貼り合わされた透光性シートの積層体からなり、
    前記積層体は、
    前記凹凸部を支持し、ポリカーボネートからなる第１シート基材と、
    前記第１シート基材に前記接着材料層を挟んで対向し、ポリエチレンテレフタレートからなる第２シート基材とからなり、
    前記第１シート基材と第２シート基材とのシート厚比を６：４とする
    液晶表示装置。

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