JP2000199804A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分な選択反射特性を得るようにする。 【解決手段】 透明基板１１の上面に集光レンズ１４が
配列されてなるレンズ部１２を設け、透明基板１１の下
面に各集光レンズ１４の各中央部分に対応する光吸収部
１５と各集光レンズ１４の各縁部分に対応する光反射部
１６とが配列されてなる反射吸収層１３を設け、レンズ
部１２に入射する光のうち、透明基板１１の法線に対し
て低角度範囲の入射光を各集光レンズ１４で光吸収部１
５に集光して吸収させ、これ以外の高角度範囲の入射光
を各集光レンズ１４で光反射部１６に集光して反射させ
ることにより、レンズ部１２から入射した光を選択的に
反射させることができ、また透明基板１１の屈折率、光
吸収部１５と光反射部１６の面積比、および集光レンズ
１４の曲率半径と透明基板の厚さの比を適宜設定するこ
とにより、選択反射特性をコントロールでき、これによ
り十分な選択反射特性を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、液晶表示装置に
用いられる光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶表示装置においては、液晶表
示素子の構造がＴＮ型液晶素子に比べて簡単で、製造上
のトラブルも少なく、しかも偏光板を用いずに光の利用
率を高めたものとして、一対の透明な電極基板間に高分
子分散液晶を封入した高分子分散型の液晶表示素子を用
いたものが知られている。この高分子分散型の液晶表示
素子は、一対の透明な電極基板間に電圧を印加しない電
界非印加時に液晶分子がランダムに配向して散乱状態を
呈し、電界印加時に液晶分子が電界方向に整列して透過
状態を呈する。

【０００３】この液晶表示素子で反射型の白黒表示を行
う場合には、液晶表示素子の裏面側に選択的反射板を配
置し、この選択的反射板の裏面全域に黒色の光吸収層を
配置している。この場合、選択的反射板は、透明基板の
表面に微細なプリズム状の突起を設けることにより、選
択的反射板の法線に対して小さい角度（低角度）で入射
する光を透過し、大きい角度（高角度）で入射する光を
反射するように構成されている。このような液晶表示素
子において、一対の透明な電極基板間に電圧が印加され
ない電界非印加時には、高分子分散液晶が散乱状態を呈
するので、その散乱光を観察することにより、白表示が
得られる。また、電極基板間に電圧を印加した電界印加
時には、電界が印加された箇所の高分子分散液晶が透過
状態を呈するので、液晶表示素子の裏面側に配置された
選択的反射板により、その法線に対して低角度の入射光
が透過して光吸収層で吸収され、高角度の入射光が反射
されるが、その光の強度が弱いので、電界が印加された
箇所が黒表示となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな選択的反射板では、その法線に対して高角度の入射
光を微細なプリズム状の突起の表面で反射する構成であ
るから、プリズム状の突起の表面の傾斜角度によって選
択反射特性がほぼ決定されてしまい、このためプリズム
状の突起の表面の傾斜角度を選択反射特性に応じて精度
良く製作する必要があるが、プリズム状の突起が微細で
あるため、その製造が難しく、十分な選択反射特性を得
ることが困難であるという問題があった。

【０００５】この発明の課題は、十分な選択反射特性が
得られるようにすることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、透明基板
と、この透明基板の一面に設けられ、複数の集光レンズ
が配列されたレンズ部と、前記透明基板の他面に設けら
れ、前記複数の集光レンズの各中央部分にそれぞれ対応
する光吸収部と前記複数の集光レンズの各縁部分にそれ
ぞれ対応する光反射部とが配列された反射吸収層とを備
え、前記レンズ部から入射する光のうち、前記透明基板
の法線に対して低角度範囲の入射光を前記複数の集光レ
ンズによりその各中央部分に対応する前記反射吸収層の
前記光吸収部にそれぞれ集光して吸収させ、これ以外の
高角度範囲の入射光を前記複数の集光レンズによりその
各縁部分に対応する前記反射吸収層の前記光反射部にそ
れぞれ集光して反射させることを特徴とする。この発明
によれば、透明基板のレンズ部から入射する光のうち、
透明基板の法線に対して低角度範囲の入射光を各集光レ
ンズによりその各中央部分に対応する反射吸収層の光吸
収部にそれぞれ集光して吸収させ、これ以外の高角度範
囲の入射光を各集光レンズによりその各縁部分に対応す
る反射吸収層の光反射部にそれぞれ集光して反射させる
ので、レンズ部から入射する光を選択的に反射させるこ
とができるとともに、透明基板の屈折率、光吸収部と光
反射部の面積比、および集光レンズの曲率半径と透明基
板の厚さの比を適宜設定することにより、選択反射特性
をコントロールすることができ、これにより十分な選択
反射特性を得ることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】［第１実施形態］以下、図１〜図
５を参照して、この発明の光学素子を液晶表示装置に適
用した第１実施形態について説明する。図１は液晶表示
装置の断面図、図２（ａ）および図２（ｂ）はその液晶
表示素子の動作原理を説明するための要部の拡大断面図
である。この液晶表示装置は、図１に示すように、高分
子分散型の液晶表示素子１と、この液晶表示素子１の光
出射側に配置された選択反射機能を有する光学素子２と
を備えている。液晶表示素子１は、上下一対の透明なガ
ラス基板３、４間に高分子分散液晶５をシール材６で封
止した構成になっている。この場合、上下一対のガラス
基板３、４の対向面のうち、上側のガラス基板３の対向
面（図１では下面）には、ＩＴＯなどの透明電極７が配
列形成されており、下側のガラス基板４の対向面（同図
では上面）には、ＩＴＯなどの透明電極８が上側の透明
電極７と直交して配列形成されている。

【０００８】この液晶表示素子１では、一対のガラス基
板３、４の透明電極７、８間に電圧を印加しない電界非
印加時に、図２（ａ）に示すように、高分子分散液晶５
の高分子９により液晶分子１０がランダムに配向して散
乱状態を呈し、一対のガラス基板３、４の透明電極７、
８間に電圧を印加した電界印加時に、図２（ｂ）に示す
ように、液晶分子１０が電界方向に整列して透過状態を
呈する。なお、この液晶表示素子１では、上側のガラス
基板３の透明電極７と下側のガラス基板４の透明電極８
とが高分子分散液晶５を挾んで交差する対向領域が１画
素に相当し、この画素が行および列方向に配列されてい
る。

【０００９】一方、光学素子２は、図１に示すように、
液晶表示素子１の光出射側（同図では下側）に配置され
た透明基板１１を備えている。この透明基板１１は、ア
クリル系樹脂などのプラスチックやガラスなどの透明な
材料からなり、液晶表示素子１に対向する上面にはレン
ズ部１２が形成され、透明基板１１の下面には反射吸収
層１３が形成されている。レンズ部１２は、透明基板１
１の上面に複数の集光レンズ１４を形成した構造であ
り、各集光レンズ１４は、図３および図４に示すよう
に、それぞれほぼ半円柱状に形成され、行方向（図３で
は前後方向）に平行に配列されている。この場合、各集
光レンズ１４のピッチは、液晶表示素子１の画素ピッチ
よりも小さい間隔で形成されている。また、反射吸収層
１３は、各集光レンズ１４の各中央部分にそれぞれ対応
する複数の帯状の光吸収部１５と、各集光レンズ１４の
各縁部分にそれぞれ対応する複数の帯状の光反射部１６
とからなり、各光吸収部１５と各光反射部１６が互い違
いに平行に配列されている。この場合、各光反射部１６
は互いに隣接する集光レンズ１４の各縁部分に跨って対
応するように形成されている。また、各光吸収部１５の
ピッチと各光反射部１６のピッチとは、それぞれ集光レ
ンズ１２と同じピッチで形成されている。なお、各光吸
収部１５と光反射部１６とは、それぞれ印刷や蒸着など
の方法により透明基板１１の下面に形成されている。

【００１０】この光学素子２では、透明基板１１の上面
のレンズ部１２から光が入射する際、透明基板１１の法
線に対して一定の入射角よりも小さい入射角度の範囲
（低角度範囲）でレンズ部１２に入射する光を、レンズ
部１２の各集光レンズ１４によりその各中央部分に対応
する透明基板１１の下面の反射吸収層１３の各光吸収部
１５にそれぞれ集光して吸収させ、それよりも大きい入
射角度の範囲（高角度範囲）でレンズ部１２に入射する
光を各集光レンズ１４によりその各縁部分に対応する反
射吸収層１３の各光反射部１６にそれぞれ集光して反射
させる。すなわち、この光学素子２では、透明基板１１
の法線に対して一定の入射角よりも小さい低角度範囲の
入射光を各集光レンズ１４で各光吸収部１５にそれぞれ
集光させ、それよりも大きい高角度範囲の入射光を各集
光レンズ１４で各光反射部１６にそれぞれ集光させるた
めに、透明基板１１の屈折率、光吸収部１５と光反射部
１６の面積比、および集光レンズ１４の曲率半径ｒと透
明基板１１の厚さｄとの比が選択反射特性に応じて設定
されている。この場合、透明基板１１の屈折率、光吸収
部１５と光反射部１６の面積比、および集光レンズ１４
の曲率半径ｒと透明基板１１の厚さｄとの比を予め所定
の選択反射特性が得られるように設定しても、例えば、
光吸収部１５と光反射部１６の面積比を変えると、これ
に伴って選択反射特性も変化するので、光吸収部１５と
光反射部１６の面積比を調整することにより、所望の選
択反射特性が得られる。

【００１１】このような光学素子２を用いた液晶表示装
置では、液晶表示素子１の上下一対のガラス基板３、４
の透明電極７、８間に電圧を印加しない電界非印加時に
は、図２（ａ）に示すように、液晶表示素子１の高分子
分散液晶５の液晶分子１０がランダムに配向されて散乱
状態を呈する。このときには、液晶表示素子１に入射し
た光が高分子分散液晶５中で散乱され、液晶表示素子１
に入射した光の進行方向に対して反対側に向かう後方散
乱光が観察者側に出射される。また、液晶表示素子１に
入射した光の進行方向側に向かう前方散乱光のうち、光
学素子２の透明基板１１の法線に対して一定の入射角よ
りも小さい低角度範囲でレンズ部１２に入射する散乱光
はレンズ部１２の各集光レンズ１４によりその各中央部
分に対応する反射吸収層１３の各光吸収部１５にそれぞ
れ集光されて吸収されるが、これ以外の高角度範囲で入
射する散乱光は各集光レンズ１４によりその各縁部分に
対応する反射吸収層１３の各光反射部１６にそれぞれ集
光されて反射され、この反射光がレンズ部１２の入射時
と異なる集光レンズ１４から観察者側に向けて出射され
る。このため、前方散乱光のうち、低角度範囲でレンズ
部１２に入射して各集光レンズ１４により各光吸収部１
５に集光されて吸収される散乱光を除き、これ以外の高
角度範囲でレンズ部１２に入射して各集光レンズ１４に
より各光反射部１６に集光されて反射される散乱光が観
察者側に向けて出射されるので、白紙のように白い所謂
ペーパーホワイトの明かる白表示が得られる。

【００１２】また、液晶表示素子１の上下一対のガラス
基板３、４の透明電極７、８間に電圧を印加した電界印
加時には、図２（ｂ）に示すように、液晶表示素子１の
高分子分散液晶５中の液晶分子１０が電界方向に整列さ
れて透過状態を呈する。このときには、液晶表示素子１
に入射した光が液晶表示素子１を透過して光学素子２に
向けて出射される。この出射光のうち、透明基板１１の
法線に対して小さい低角度範囲でレンズ部１２に入射す
る光は、図５の左側に示すように、レンズ部１２の各集
光レンズ１４によりその各中央部分に対応する反射吸収
層１３の各光吸収部１５にそれぞれ集光されて吸収され
る。これ以外の高角度範囲でレンズ部１２に入射する光
は、同図の右側に示すように、レンズ部１２の各集光レ
ンズ１４によりその各縁部分に対応する反射吸収層１３
の各光反射部１６にそれぞれ集光されて反射され、この
反射光がレンズ部１２の入射時と異なる集光レンズ１４
から観察者側に向けて出射されるが、そのほとんどの出
射光は観察者の視野外の方向に出射され、観察者の方向
に出射される光の強度は弱いので、暗い黒表示を得るこ
とができる。

【００１３】このように、この光学素子２によれば、透
明基板１１の上面のレンズ部１２から入射する光のう
ち、透明基板１１の法線に対して低角度範囲で入射する
光を各集光レンズ１４によりその各中央部分に対応する
反射吸収層１３の各光吸収部１５にそれぞれ集光して吸
収させ、それ以外の高角度範囲で入射する光を各集光レ
ンズ１４によりその各縁部分に対応する反射吸収層１３
の各光反射部１６にそれぞれ集光して反射させることに
より、レンズ部１２から入射する光を選択的に反射させ
ることができるとともに、透明基板１１の屈折率、光吸
収部１５と光反射部１６の面積比、および集光レンズ１
４の曲率半径ｒと透明基板の厚さｄの比を適宜設定する
ことにより、選択反射特性をコントロールすることがで
き、これにより十分な選択反射特性を得ることができ
る。また、この光学素子２を用いた液晶表示装置では、
液晶表示素子１が散乱状態を呈するときに、光学素子２
により明るい白表示を得ることができ、液晶表示素子１
が透過状態を呈するときに、光学素子２により暗い黒表
示を得ることができ、これによりコントラストの高い反
射型の白黒表示を得ることができる。

【００１４】［第２実施形態］次に、図６〜図８を参照
して、この発明の光学素子を液晶表示装置に適用した第
２実施形態について説明する。なお、図１〜図５に示さ
れた第１実施形態と同一部分には同一符号を付し、その
説明は省略する。この液晶表示装置は、光学素子２０が
第１実施形態と異なる以外は第１実施形態と同じ構成に
なっている。この光学素子２０は、第１実施形態と同
様、液晶表示素子１の光出射側に配置された透明基板１
１を備えている。この透明基板１１の液晶表示素子１に
対向する上面にはレンズ部２１が形成され、透明基板１
１の下面には反射吸収層２２が形成されている。

【００１５】レンズ部２１は、図６および図８（ａ）に
示すように、透明基板１１の上面にほぼ円形状の集光レ
ンズ２３を行および列方向に配列した構成になってい
る。この場合、各集光レンズ２３のピッチは、液晶表示
素子１の画素ピッチよりも小さい間隔で形成されてい
る。また、反射吸収層２２は、各集光レンズ２３の各中
央部分にそれぞれ対応する複数の光吸収部２４と、各集
光レンズ２３の各縁部分にそれぞれ対応する光反射部２
５とからなっている。各光吸収部２４は、図８（ｂ）に
示すように、そのピッチが集光レンズ２３と同じピッチ
で行および列方向に配列されている。また、光反射部２
５は、互いに隣接する集光レンズ２３の各縁部分に跨っ
て対応した状態で各光吸収部２４間にこれらを囲んで形
成されている。なお、各光吸収部２４と光反射部２５と
は、第１実施形態と同様、それぞれ印刷や蒸着などの方
法により透明基板１１の下面に形成されている。

【００１６】この光学素子２０では、透明基板１１の上
面のレンズ部２１から光が入射する際、透明基板１１の
法線に対して一定の入射角よりも小さい入射角度の範囲
（低角度範囲）でレンズ部２１に入射する光を、レンズ
部２１の各集光レンズ２３によりその各中央部分に対応
する透明基板１１の下面の反射吸収層２２の各光吸収部
２４にそれぞれ集光して吸収させ、それよりも大きい入
射角度の範囲（高角度範囲）でレンズ部２１に入射する
光を各集光レンズ２３によりその各縁部分に対応する反
射吸収層２２の光反射部２５にそれぞれ集光して反射さ
せる。すなわち、この光学素子２では、透明基板１１の
法線に対して一定の入射角よりも小さい低角度範囲の入
射光を各集光レンズ２３で光吸収部２４にそれぞれ集光
させ、それよりも大きい高角度範囲の入射光を各集光レ
ンズ２３で光反射部２５にそれぞれ集光させるために、
第１実施形態と同様、透明基板１１の屈折率、光吸収部
２４と光反射部２５の面積比、および集光レンズ２３の
曲率半径ｒと透明基板１１の厚さｄとの比が選択反射特
性に応じて設定されている。

【００１７】この光学素子２０によれば、透明基板１１
の上面のレンズ部２１から入射する光のうち、透明基板
１１の法線に対して低角度範囲で入射する光を各集光レ
ンズ２３によりその各中央部分に対応する反射吸収層２
２の各光吸収部２４にそれぞれ集光して吸収させ、それ
以外の高角度範囲で入射する光を各集光レンズ２３によ
りその各縁部分に対応する反射吸収層２２の光反射部２
５にそれぞれ集光して反射させることにより、レンズ部
２１から入射する光を選択的に反射させることができる
とともに、透明基板１１の屈折率、光吸収部２４と光反
射部２５の面積比、および集光レンズ２３の曲率半径ｒ
と透明基板１１の厚さｄの比を適宜設定することによ
り、選択反射特性をコントロールすることができ、これ
により十分な選択反射特性を得ることができる。また、
この光学素子２０を用いた液晶表示装置では、第１実施
形態と同様、液晶表示素子１が散乱状態を呈するとき
に、光学素子２０により明るい白表示を得ることがで
き、液晶表示素子１が透過状態を呈するときに、光学素
子２０により暗い黒表示を得ることができ、これにより
コントラストの高い反射型の白黒表示を得ることができ
る。

【００１８】なお、上述した第１、第２実施形態では、
液晶表示装置に用いられる液晶表示素子として、単純マ
トリックスがたの高分子分散液晶表示素子を用いた例を
示したが、これに限られることなく、ＴＦＴなどのアク
ティブマトリックス型の高分子分散液晶表示素子を用い
ることもできる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、透明基板の一面に複数の集光レンズが配列されてな
るレンズ部を設け、透明基板の他面に各集光レンズの各
中央部分にそれぞれ対応する光吸収部と各集光レンズの
各縁部分にそれぞれ対応する光反射部とが配列されてな
る反射吸収層を設け、透明基板のレンズ部から入射する
光のうち、透明基板の法線に対して低角度範囲で入射す
る光を各集光レンズによりその各中央部分に対応する反
射吸収層の光吸収部にそれぞれ集光して吸収させ、これ
以外の高角度範囲で入射する光を各集光レンズによりそ
の各縁部分に対応する反射吸収層の光反射部にそれぞれ
集光して反射させることにより、レンズ部に入射する光
を選択的に反射させることができるとともに、透明基板
の屈折率、光吸収部と光反射部の面積比、および集光レ
ンズの曲率半径と透明基板の厚さの比を適宜設定するこ
とにより、選択反射特性をコントロールすることがで
き、これにより十分な選択反射特性を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の光学素子を適用した液晶表示装置の
第１実施形態を示した断面図。

【図２】図１の液晶表示素子の動作状態を示し、（ａ）
は電界非印加時に液晶表示素子が散乱状態を呈した拡大
断面図、（ｂ）は電界印加時に液晶表示素子が透過状態
を呈した拡大断面図。

【図３】図１の光学素子の要部を拡大した斜視図。

【図４】図３の断面図。

【図５】図３の光学素子における光路状態を示した図。

【図６】この発明の光学素子の第２実施形態の要部を示
した拡大斜視図。

【図７】図６の断面図。

【図８】図６の光学素子を示し、（ａ）はそのレンズ部
の平面図、（ｂ）はその反射吸収層の平面図。

【符号の説明】

２、２０ 光学素子 １１ 透明基板 １２、２１ レンズ部 １３、２２ 反射吸収層 １４、２３ 集光レンズ １５、２４ 光吸収部 １６、２５ 光反射部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明基板と、 この透明基板の一面に設けられ、複数の集光レンズが配
   列されたレンズ部と、 前記透明基板の他面に設けられ、前記複数の集光レンズ
   の各中央部分にそれぞれ対応する光吸収部と前記複数の
   集光レンズの各縁部分にそれぞれ対応する光反射部とが
   配列された反射吸収層とを備え、 前記レンズ部から入射する光のうち、前記透明基板の法
   線に対して低角度範囲の入射光を前記複数の集光レンズ
   によりその各中央部分に対応する前記反射吸収層の前記
   光吸収部にそれぞれ集光して吸収させ、これ以外の高角
   度範囲の入射光を前記複数の集光レンズによりその各縁
   部分に対応する前記反射吸収層の前記光反射部にそれぞ
   れ集光して反射させることを特徴とする光学素子。
2. 【請求項２】前記複数の集光レンズは、それぞれほぼ半
   円柱状に形成され、行または列のいずれかの方向に所定
   ピッチで平行に配列され、 前記光吸収部と前記光反射部とは、それぞれ帯状に形成
   され、前記集光レンズと同じピッチで互い違いに平行に
   配列されていることを特徴とする請求項１記載の光学素
   子。
3. 【請求項３】前記複数の集光レンズは、それぞれほぼ円
   形状に形成され、行および列方向に所定ピッチで配列さ
   れ、 前記光吸収部は前記集光レンズと同じピッチで配列さ
   れ、前記光反射部は前記光吸収部の間に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の光学素子。