JP2005181691A - 光学素子および該光学素子を用いるカラー表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 視野角補正および正面輝度の強調あるいは拡散度の強調を可能にして輝度および視野角の性能を向上させ、さらには色度の性能を向上させることを可能にする光学素子およびカラー表示装置を提供する。
【解決手段】 本発明の光学素子は、光を所定方向に角度補正するための膜状の光学素子であり、屈折率の差が少なくとも０．１となる２つの材料２０、２１から構成され、１つの材料２０が、隣接する他の材料２１との境界で全反射を伴う複数の導光路２２を構成しており、複数の導光路２２は、等間隔で配列しないように、あるいは各々が異なる断面積となるように形成されており、導光路２２の入射部の幅または径と光学素子１５の膜厚との比が、少なくとも１：１０であることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、所望の方向への角度補正を実現する光学素子および該光学素子を用いるカラー表示装置に関する。

カラー液晶表示装置は、数十万から数百万個の画素からなり、各画素が、赤色、緑色、青色の３原色（ＲＧＢ）のサブ画素から構成されている。カラー液晶表示装置は、サブ画素ごとにＲＧＢを表示するためにＲＧＢのカラーフィルタを用いるカラーフィルタ液晶表示装置と、カラーフィルタを用いないカラーフィルタレス液晶表示装置とに分けられる。ここで、カラーフィルタレス液晶表示装置の一例を、図１９に示す（特許文献１参照）。図１９に示す装置は、直線状または面状の光源１００と、光源１００から照射された光が入射される楔状導光板１０１と、楔状導光板１０１から斜め方向に、かつ略平行に出射された光を複数の波長領域の光に分離する波長分離手段１０２と、波長分離手段１０２により分離された光を集光する集光手段１０３と、サブ画素ごとに透過率の制御可能な液晶層１０４と、偏光フィルム１０５から構成されている。図１９に示す装置は、さらに、拡散板１０６と、反射シート１０７とを備えている。

直線状または面状の光源から照射された光は、楔状導光板１０１に入射し、光は、楔状導光板１０１の下面と上面で反射を繰り返しながら徐々に角度が急峻となる。上面において光の方向が臨界角を超えると、楔状導光板１０１の上面において光が出射される。臨界角を超えて初めて出射されることになるため、光は、略平行光となっている。光は、波長分離手段１０２においてＲＧＢの光に分離される。分離されたＲＧＢの光は、集光手段１０３に入射される。集光手段１０３は周期構造を成し、１周期分が１つの画素に対応している。この集光手段１０３に入射した光は、液晶層１０４の、赤色の光がサブ画素Ｒに、緑色の光がサブ画素Ｇに、青色の光がサブ画素Ｂにそれぞれ入射され、サブ画素ごとに光の透過または遮断が制御される。

図１９に示す装置の場合、ＲＧＢの３色の回折光が、緑色の光を中心に、青色の光と、赤色の光とがほぼ左右対称となる角度で出射される。また、液晶層１０４において１画素を構成するＲＧＢの３つのサブ画素の開口部に対応した周期の集光手段１０３により、それぞれの色に対応したサブ画素の開口部に入射角に応じた位置変換を伴って集光された状態で入射される。個々のサブ画素に対応した液晶層１０４を駆動して透過する光の強度を変調することで所望のカラー画像を表示することができる。液晶層１０４の表面には、波長に依存した回折角のために出射角度の異なる各波長の液晶層１０４の出射光に対し、視野角を広げるため、光拡散フィルムや透過型回折格子フィルムを用いて、光拡散補正および視野角補正を行うことができる。なお、カラーフィルタレス液晶プロジェクション装置も、白色光源からダイクロイックミラーや回折格子といった波長分離手段により分光され、集光手段により集光された状態で液晶層に入射されるため、各光は、上述した装置と同様に、ＲＧＢの各色の光の角度が異なる入射角条件を有している。

上述した従来の装置は、ＲＧＢの３サブ画素の開口部に対して入射するＲＧＢ成分の入射角が異なり、各サブ画素からの出射光の角度分布がＲＧＢにおいて互いに一致しておらず、したがって、観測する視点に依存して色バランスの変化を引き起こすといった問題があった。この結果、液晶プロジェクション装置では、混色を生じ、画像がぼやけ、色再現性や解像度の低下を生じるといった問題があった。このため、特に大画面のカラー画像表示装置を提供することが困難であった。

また、上述した光拡散フィルムは、光を散乱および拡散させ、均一な輝度を得ることを可能にするものの、波長に依存した液晶層出射角がこの光拡散フィルムを透過した後も光強度中心を保持したままの光が得られるのみである。したがって、色再現性に優れ、かつ色バランスの均一な視野角を広く確保することは困難であるといった問題があった。

高回折効率を得ることが容易な三角断面形状の透過型ブレーズ格子フィルムを視野角補正機能部材として用いることができるが、波長によって異なる回折効率を制御して、あらゆる波長の入射光強度を高精度に同等な視野角分布に補正するフィルム設計が困難であるといった問題があった。

なお、カラーフィルタレス直視型液晶表示装置に対し、この透過型回折格子フィルムを併用した場合の正面方向における色再現性は、ＮＴＳＣ（一般的に使われるテレビの映像信号方式）比において３８％であり、１３．３型カラーフィルタ付き直視型液晶表示装置の４２％より低くなっている。また、色度が均一と見なしてよい視野角の条件を、色度座標ｘ、ｙ共に（すなわち、色度図におけるｘ座標値、ｙ座標値いずれについても）、正面方向出射成分との誤差が０．０２以内に収まる範囲と定義した場合、この条件を満たす出射角範囲は、約−５°〜約７°までの狭い範囲となる。さらに、正面方向の輝度のピーク値は、回折格子フィルムを用いない場合の正面方向の輝度値が２１７ｃｄ／ｍ^２に対し、追加後の輝度値は８５ｃｄ／ｍ^２であり、４０％以下に減衰している。したがって、透過型ブレーズ格子フィルムは、輝度および色度において充分な視野角補正機能を果たしていないといった問題があった。

上記問題に鑑み、屈折率の異なる２種類の紫外線硬化性ポリマーからなる膜状体に線状の紫外線光源を照射し、相分離を伴う光重合硬化時に異方性を示すことを利用して形成された、２種類のポリマー層の交互繰り返しによる多層構造を有する光学フィルタを、カラーフィルタレス液晶表示装置に流用することで、視野角補正機能を付与することも考えられる（特許文献２参照）。

しかしながら、この光学フィルタは、２種類のポリマー層の交互繰り返し多層構造が、光重合硬化プロセスにより形成されるため、個々のポリマー層の断面形状、ポリマー層間の間隔、ポリマー層の傾斜角度を任意に制御して形成することができず、上述した視野角制御に必要とされる充分な精度の構造を形成することができないといった問題があった。また、２種類のポリマー間の屈折率の差が小さく、０．０２程度（最大でも０．０４程度）であるため、高屈折率ポリマー層を導光路とする場合の全反射条件での視野角補正限界は、空気中で−１５°〜１５°の範囲であり、最大でも−２０°〜２０°の範囲であり、補正角度が狭く、補正効果が充分ではないといった問題があった。なお、この光学フィルタでは、２種類のポリマー層を形成する周期間隔をほぼ揃え、周期間隔を約２μｍといった短い周期間隔にすることで回折効果を利用して拡散能力を向上させることを意図しているが、上述したように、充分な構造制御を行うことができないため、実際には回折効果がほとんど得られず、拡散能力は、ポリマー間の屈折率の差により概ね決定されている。

その他、光透過性を有する柱部材と、光拡散性を有する柱部材とを備える、１次元または２次元周期構造の素子が提案されている（特許文献３参照）。この素子は、等間隔に配列される各柱部材の配列周期が５０μｍ〜１５０μｍで、各柱部材の幅と素子の厚さとの比であるアスペクト比が１：１であり、拡散光から透過光と拡散光との混合出射光に変換し、外光反射によるコントラスト低下や拡散に伴う表示画像がぼやけることを軽減することができる。しかしながら、この素子は、一般の拡散機能しかもたないため、非拡散透過光の出射角度周辺に拡散光が加わるのみで、視野角補正は実現することができず、波長により異なる出射角度分布の波長依存性を改善することができないといった問題があった。

また、その他の素子として、透明フィルム内部に、低透過率または屈折率の異なる樹脂の柱部材を周期的、すなわち等間隔に形成し、さらに拡散層を付加した構造が提案されている（特許文献４参照）。この素子は、周期が約３００μｍであり、柱部材の高さが１ｍｍ〜１．５ｍｍとされている。この素子は、一定角度範囲内の光のみを選択出射させ、画像表示装置と素子との間に生じるモアレ縞を、拡散層により排除できることを特徴としている。しかしながら、この素子は、柱部材の傾斜角に応じた一定角度範囲内の入射成分のみを角度変換することなく選択透過させるものであり、角度補正機能を有するものではなかった。したがって、カラーフィルタレス液晶表示装置において、視野角補正の要求に対し、最適な視野角補正および拡散機能を有する光学フィルタが望まれている。

特開２０００−２４１８１２号公報 特開平９−１２７３３１号公報 特開２０００−５６１０５号公報 特開２０００−８４９９５号公報

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、視野角補正および正面輝度の強調を可能にして輝度および視野角の性能を向上させ、さらには色度の性能を向上させることを可能にする光学素子およびカラー表示装置を提供することを目的とする。

上記課題は、本発明の光学素子およびカラー表示装置を提供することにより達成することができる。

すなわち、本発明によれば、光を所定方向に角度補正するための膜状の光学素子であって、
前記光学素子は、屈折率の差が少なくとも０．１となる２つの材料から構成され、１つの材料が、隣接する他の材料との境界で全反射を伴う複数の導光路を構成しており、
前記複数の導光路は、等間隔で配列しないように、あるいは各々が異なる幅または径となるように形成されており、前記導光路の入射部の前記幅または径と前記光学素子の膜厚との比が、少なくとも１：１０であることを特徴とする光学素子が提供される。

本発明によれば、前記境界が、前記所定方向に対して傾斜していることが好ましい。

本発明によれば、前記複数の導光路により形成される複数の境界が、入射光の入射角範囲に対応して、前記所定方向に対して複数の傾斜角で傾斜していることが好ましい。

本発明によれば、前記入射角範囲が、前記所定方向に対して空気中で−３０°〜３０°の範囲であり、前記複数の傾斜角が、前記所定方向に対して−１０°〜１０°の範囲とされる。

本発明によれば、前記複数の導光路の幅あるいは径が、１μｍ〜２０μｍの範囲で等間隔に配列しないように形成される。

本発明によれば、前記導光路に隣接する前記他の材料に入射する光を遮断または反射または吸収するために、前記他の材料の入射部にマスクを設けることができる。

本発明によれば、前記導光路は、層状または柱状に形成される。

本発明によれば、前記導光路は、入射部の面積が出射部の面積に比較して大きく、または小さくなるように形成されていてもよい。

本発明によれば、光源と、前記光源から照射された光が入射される楔状導光板と、前記楔状導光板から出射された光を複数の波長領域の光に分離する波長分離手段と、前記波長分離手段により分離された光を受光し、所定のサブ画素に所定の波長領域の光を集光する集光手段と、サブ画素ごとに光の透過または遮断の制御を可能とする液晶層と、前記液晶層から出射された光を所定方向に角度補正するための膜状の光学素子とを含み、
前記光学素子は、屈折率の差が少なくとも０．１となる２つの材料から構成され、１つの材料が、隣接する他の材料との境界で全反射を伴う複数の導光路を構成しており、
前記複数の導光路は、等間隔で配列しないように、あるいは各々が異なる幅または径となるように形成されており、前記導光路の入射部の前記幅または径と前記光学素子の膜厚との比が、少なくとも１：１０であることを特徴とするカラー表示装置が提供される。

本発明の光学素子を提供することにより、広範な色再現性、広視野角、明瞭な表示画像を実現することが可能となる。また、本発明の光学素子を用いるカラー表示装置を提供することにより、正面方向における色再現性の向上が可能となり、正面方向を中心として対称かつ広範な視野角が可能となり、高輝度かつ一様な色度の出射光分布を得ることができる。

以下、本発明を図面に示した具体的な実施の形態に沿って説明するが、本発明は、後述する実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明のカラー表示装置を例示した断面図である。図１に示すカラー表示装置は、図１９に示す従来の装置に本発明の光学素子が設けられたものである。図１に示す装置は、直線状または面状の光源１０と、光源１０から照射された光が入射される楔状導光板１１と、楔状導光板１１から斜め方向に、かつ略平行に出射された光を複数の波長領域の光に分離する波長分離手段１２と、波長分離手段１２により分離された光を集光する集光手段１３と、サブ画素ごとに光の透過または遮断の制御を可能とする液晶層１４と、液晶層１４から出射された光を所定方向に角度補正するための膜状の光学素子１５とから構成されている。また、図１に示す装置は、偏光フィルム１６と、反射シート１７とを備えている。

図１に示す光源１０としては、蛍光灯を用いることができ、集光手段１３としては、マイクロレンズアレイ、例えば、シリンドリカルレンズアレイを用いることができる。また、楔状導光板１１としては、出射面の反対面において光が正反射するものとすることができる。さらに、波長分離手段１２としては、回折格子を用いることができる。

上述したように、直線状または面状の光源１０から照射された光は、楔状導光板１１に入射し、光は、楔状導光板１１の下面と上面で反射を繰り返しながら徐々に角度が急峻になる。上面において光の方向が臨界角を超えると、楔状導光板１１の上面において光が出射される。臨界角を超えて初めて出射されることになるため、光は、略平行光となっている。光は、波長分離手段１２においてＲＧＢの光に分離される。分離されたＲＧＢの光は、集光手段１３に入射される。集光手段１３は周期構造を成し、１周期分が１つの画素に対応している。この集光手段１３に入射した光は、液晶層１４の、赤色の光がサブ画素Ｒに、緑色の光がサブ画素Ｇに、青色の光がサブ画素Ｂにそれぞれ入射され、サブ画素ごとに光の透過または遮断が制御される。

図１に示す装置の場合、ＲＧＢの３色の回折光が、緑色の光を中心に、青色の光と、赤色の光とがほぼ左右対称となる角度で出射される。また、液晶層１４において１画素を構成するＲＧＢの３つのサブ画素の開口部に対応した周期の集光手段１３により、それぞれの色に対応したサブ画素の開口部に入射角に応じた位置変換を伴って集光された状態で入射される。また、液晶層１４を透過した光は、入射角を保持したままで光学素子１５に入射される。光学素子１５では、入射光の角度補正を行い、矢線Ａに示す正面方向を中心とした角度範囲に揃える。これにより、図１に示すように、矢線Ａに示す正面方向を中心にＲＧＢの各色の光を互いに揃えて出射することができる。図２を参照して本発明の光学素子を説明する。

図２〜図１２は、本発明の光学素子を例示した断面図である。本発明の光学素子１５は、膜状であり、屈折率の差が少なくとも０．１となる２つの材料２０、２１から構成され、１つの材料２０が、隣接する他の材料２１との境界で全反射を伴う複数の導光路２２を構成している。この１つの材料２０は、屈折率の高い材料であり、以下、高屈折率材料として説明する。また、他の材料２１は、屈折率の低い材料であり、以下、低屈折率材料として説明する。複数の導光路２２は、等間隔で配列しないように、あるいは各々が異なる幅または径となるように形成されている。また、本発明では、導光路２２の入射部の幅または径と、光学素子１５の膜厚との比（以下、アスペクト比とする。）が、少なくとも１：１０である。ここでいう幅または径とは、光が入射する入射側または光が出射する出射側から見た導光路２２の断面の幅または径である。例えば、層であれば、その層の厚さであり、矩形であれば、長辺の長さであり、円形であれば、その径である。

本発明の光学素子１５は、高屈折率材料２０と低屈折率材料２１とが互いに隣接する境界において、高屈折率材料２０により構成される導光路２２の内部全反射が１回または数回生じ、その全反射を経て出射されることになり、これにより、上述した正面方向へと角度補正が行われる。正面方向に対する角度が大きい光を全反射させるためには、高屈折率材料２０と低屈折率材料２１との屈折率の差が大きくなければならず、また、少なくとも１回全反射させるためには、アスペクト比を大きくしなければならない。本発明の光学素子は、以下に説明するように、所定範囲の光を、所定方向である正面方向に角度補正して出射させるため、少なくとも０．１の屈折率の差とし、かつアスペクト比を１：１０以上とされる。また、本発明の光学素子は、高屈折率材料２０と低屈折率材料２１とが周期的な交互繰り返し構造、すなわち、導光路２２が等間隔で配列し、かつ導光路２２の各々が同じ幅または径となるように形成される構造ではないため、液晶層１４の液晶セルとこの光学素子１５との間で生じうるモアレ現象を防止することができる。なお、モアレ現象は、同期的な画像成分同士の干渉によって発生する同期的パターンである。また、本発明の光学素子１５は、周期的な繰り返し構造ではないため、各導光路２２から出射される光同士の相互干渉により複数の離散的な角度を有する回折光群が出射されることをなくすことができる。本発明の光学素子１５は、上述したように、周期的な繰り返し構造ではない、非周期的な構造であるため、連続的な出射光分布を形成することが容易に可能となり、また、色分離現象も防止することができる。

図２は、本発明の光学素子の第１の実施の形態を示した断面図である。図２に示す光学素子１５は、高屈折率材料２０と低屈折率材料２１とが層状とされ、図２に示す光学素子１５の断面において、交互に繰り返された構造とされている。また、２つの材料層が隣接する境界の各々が、光学素子１５の表面の法線方向に対し、平行とされている。さらに、高屈折率材料２０の層および低屈折率材料２１の層の厚さあるいは間隔が、各々異なるように形成されている。これにより、図２に示す断面図において、各層の交互繰り返し構造の周期がランダムとなり、光学素子１５を通して出射される出射光が周期的パターンを形成するモアレ現象を発生することを防止することができる。なお、光は、矢線Ｂに示す方向から入射され、各層を通り、矢線Ｃに示す方向に出射される。したがって、各層は、導光路を構成している。また、高屈折率材料２０により形成される導光路では、隣接する低屈折率材料２１との境界で全反射を伴い、角度補正が行われる。なお、図２に示す実施の形態では、導光路２２において全反射しているところが示されている。また、全反射されない角度で入射される光は、図２に示すように、高屈折率材料２０および低屈折率材料２１を通してそのままの角度で出射される。

また、本発明においては、上述したように、入射光が入射する高屈折率材料２０の入射部の幅または径Ｗと、光学素子１５の膜厚Ｌとの比であるアスペクト比が少なくとも１：１０以上とされる。これは、カラー表示装置において、光学素子１５媒質内に入射するＲＧＢの各光が法線方向に対し、赤色光および青色光のピーク成分が約６°（空気中で約９°）および約−６°（空気中で約−９°）の傾きをもっており、これらの光を少なくとも１回全反射させるために、上記アスペクト比が必要とされる。また、このアスペクト比は、以下に説明する境界の傾斜を適切に設定した場合にも適用される比である。入射部の幅または径Ｗが、１０μｍであれば、膜厚Ｌは、１００μｍ以上となる。なお、入射角度が小さい場合、例えば、３°であれば、少なくとも１回全反射させるために、アスペクト比を大きくすることができる。なお、複数の導光路２２が、互いに異なる幅または径となる設計を適用する場合には、アスペクト比は、最も大きい幅または径の導光路２２の入射部の幅または径Ｗを使用して決定される。

本発明において使用することができる材料としては、ポリカーボネート樹脂、プロピレン樹脂、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）樹脂、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、フェノキシ樹脂、ポリスチレン樹脂、ＭＳ（メタクリルスチレン）樹脂、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレートなどのポリエステル樹脂、ポリメタクリレートなどのアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアミド、ポリメチルペンテン、アリル樹脂、シリコンエラストマ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ、ＴｉＯ_２、Ｔｉ_３Ｏ_５、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２などを挙げることができる。本発明では、これらの材料に限られるものではなく、透明材料であればいかなる材料でも用いることができる。

具体的に屈折率を例示すると、光感光性エポキシ樹脂が１．６７であり、シリコンエラストマが１．４２であり、Ｔａ_２Ｏ_５が２．１であり、ＴｉＯが２．３〜２．５５であり、ＴｉＯ_２が２．３〜２．５５であり、ＨｆＯ_２が１．９５であり、ＭｇＦ_２が１．３８〜１．４であり、ＳｉＯ_２が１．４５であり、メタクリル樹脂（ＰＭＭＡ）が１．４９であり、ポリカーボネートが１．５８〜１．５９であり、ポリスチレンが１．５９〜１．６０であり、アクリル樹脂が１．４８〜１．５０であり、ＭＳ樹脂が１．５６〜１．５８であり、ポリ塩化ビニルが１．５２〜１．５５であり、ポリ塩化ビニリデンが１．６３である。本発明では、屈折率の差が０．１以上となる組み合わせで使用することができる。例えば、高屈折率材料２０として、屈折率１．６７の光感光性エポキシ樹脂を用い、低屈折率材料２１として、屈折率１．４２のシリコンエラストマを用いることができる。上述したように、屈折率の差が０．１以上となるのであれば、いかなる組み合わせであっても良く、また、上記以外の材料を組み合わせて使用することもできる。なお、本発明では、ポリマーに上記ＴｉＯ_２やＺｒＯ_２といった高い屈折率を有する材料を添加して高屈折率材料２０を作製して用いることもできる。

図３は、本発明の光学素子１５の第２の実施の形態を示した断面図である。図３に示す実施の形態では、高屈折率材料２０と低屈折率材料２１とが交互に繰り返された層として形成されており、２つの層により形成される境界が法線方向に対し、任意の傾斜が設けられた構造とされている。境界は、互いに平行とされており、図２と同様、上記モアレ現象を防止するため、各層の厚さあるいは間隔がランダムとされている。この実施形態においては、各境界において任意の角度に揃えてつけられた傾斜角度を中心として対称な出射分布へ角度補正を行うことができる。また、上述したように、高屈折率材料２０に入射された入射光が、高屈折率材料２０と低屈折率材料２１との境界で全反射するよう、少なくとも１：１０以上となる適切なアスペクト比とすることができる。

図４は、本発明の光学素子１５の第３の実施の形態を示した断面図である。図４に示す実施の形態では、高屈折率材料２０の層と低屈折率材料２１の層との境界が、法線方向に対し、正の任意の角度と負の任意の角度とが交互に配列した構造とされている。高屈折率材料２０の層のみに着目すると、楔状、すなわちＶ字状となっている。また、図２および図３と同様に、モアレ現象を防止するため、各層の厚さあるいは間隔がランダムとされている。さらに、高屈折率材料２０の層上部、すなわち出射光側では、高屈折率材料２０の層が互いに隣接しており、低屈折率材料２１の層にいったん入射した光も最終的に高屈折率材料２０から角度補正された光として出射されるようにされている。この構造により、光学素子１５に入射した光を法線方向に角度補正し、正面輝度を向上させて出射させることが可能となる。傾斜は、例えば、法線方向に対して入射光が光学素子１５媒質内で６°および−６°の角度を有する場合、３°および−３°とすることができる。これにより、カラー表示装置でピーク成分が６°の角度で入射する赤色光を法線方向に出射するとともに、ピーク成分が−６°の角度で入射する青色光も法線方向に出射することができる。この場合も同様に、入射光を、高屈折率材料２０と低屈折率材料２１との境界で全反射させるため、少なくとも１：１０以上となる適切なアスペクト比とすることができる。

図５は、本発明の光学素子１５の第４の実施の形態を示した断面図である。図５に示す実施の形態では、高屈折率材料２０の層と低屈折率材料２１の層との境界が、法線方向に対し、平行および任意の角度で交互に繰り返された構造とされている。また、図４と同様に、高屈折率材料２０の層上部で、高屈折率材料２０の層が互いに隣接した構造となっている。図５に示す実施の形態では、境界が正の任意の角度とされており、カラー表示装置では、正の角度を伴って入射される赤色光を法線方向に向けて出射することができる。一方、負の角度を伴って入射される青色光に対しては、図５を左右反転させた構造にすることで、同様に法線方向への角度補正が可能となる。図５に示す構造では、図４に示す構造に比較し、各光が入射する法線方向への角度補正について有効な導光路入射面積が大きいため、高屈折率材料２０の層に入射する入射光の割合を高めることができる。すなわち、低屈折率材料２１の層に入射された光の大部分が法線方向への角度補正に寄与せず拡散出射することの影響を、低屈折率材料２１の層の、入射光が入射する入射部を小さくすることにより減少させることができる。この場合も同様に、入射光が境界で全反射するよう、少なくとも１：１０以上となる適切なアスペクト比とすることができる。なお、図４および図５に示す構造を採用することで、角度補正のみならず、法線方向、すなわち正面方向の輝度を高めることができる。

図６は、本発明の光学素子１５の第５の実施の形態を示した断面図である。図６に示す実施の形態では、図４に示す構造の上下を反対にした構造とされている。この構造では、入射光を高屈折率材料２０にすべて受け入れ、境界で全反射させることが可能である。この場合、法線方向に対する入射光の角度と、法線方向に対する境界の角度とが常に正負反対となるため、より多くの全反射を伴い、出射されることとなる。これにより、角度補正効果と同時に、出射光の拡散効果を高めることが可能となり、広範な視野角にわたり均一な画像を得ることが可能となる。

図７は、本発明の光学素子１５の第６の実施の形態を示した断面図である。図７に示す実施の形態では、図５に示す構造の上下を反対にした構造とされている。これも図６と同様に、入射光を高屈折率材料２０にすべて受け入れ、境界で全反射させることが可能である。また、この場合、図６の場合に比較して、傾斜角の施された境界が高屈折率材料２０の片側のみに存在するため、図６に示す実施の形態の場合ほど多重反射することなく、角度補正されて出射される。図６および図７に示す構造を採用することで、角度補正と同時に、上述した出射光の拡散による拡散効果を高めることができる。

図８は、本発明の光学素子の第７の実施の形態を示した断面図である。図８に示す実施の形態は、図４と同様の構造とされ、さらに、低屈折率材料２１の層の入射光側の入射部のそれぞれに反射材２３が設けられている。これにより、低屈折率材料２１の層に入射しようとする光が、この反射材２３によって反射され、高屈折率材料２０の層に入射される光のみが、角度補正されて出射される。なお、本発明においては、反射材のほか、遮光材や光吸収材を用いることもできる。光吸収材、遮光材、反射材としては、光吸収、遮光、反射できる材料であればいかなる材料であってもよく、例えば、カーボンブラックを含むポリマー材料、アルミニウムなどの非透明金属材料を挙げることができる。

図９は、本発明の光学素子の第８の実施の形態を示した断面図である。図９に示す光学素子１５は、図５に示す実施の形態と同様の構造とされていて、カラー表示装置において、青色光に対する境界の傾斜を、赤色光の向きとは正負反対の傾斜とし、さらに、法線方向に対する入射光の角度が赤色光および青色光よりも小さい緑色光に対し、法線方向に出射させるべく境界の傾斜を小さくした構造とされている。図９には、各色の光が入射される光学素子１５の領域が示されている。なお、カラー表示装置において、液晶セルを通して光学素子１５媒質内に入射される入射光のピーク成分は、赤色光が法線方向に対し、約６°（空気中では、約９°）であり、緑色光が法線方向に対し、約１．４°（空気中では、約２°）であり、青色光が法線方向に対し、約−６°（空気中では、約−９°）である。したがって、各光に対応する境界の傾斜は、赤色光、緑色光、青色光に対してそれぞれ、約３°、約０．７°、約−３°とされる。この場合、アスペクト比は、赤色光および青色光に対しては１：１０以上であれば、ピーク成分が少なくとも１回は全反射して角度補正される。緑色光に対しては、所望の方向である法線方向に対する角度のずれが小さいため、入射光すべてを角度補正する必要はないものの、少なくとも１回全反射させるためには、アスペクト比を１：４１以上にする必要がある。

図１０は、本発明の光学素子の第９の実施の形態を示した断面図である。図１０に示す光学素子１５は、図４に示す実施の形態と同様の構造とされていて、カラー表示装置において、緑色光にも対応させるべく、境界に所定の傾斜が設けられている。この傾斜の法線方向に対する傾斜角は、上述した約０．７°と同じである。このようにすることで、いずれの色の光に対しても角度補正し、所望の方向である法線方向に適切に出射させることが可能となる。したがって、他方向への拡散光を減少させ、より輝度を高めることができる。

例えば、赤色光および青色光であれば、強度ピーク成分のみならず、図１の集光手段１３の効果により光学素子１５に入射する各光の角度成分全体の範囲はそれぞれ、空気中で約−５°〜２５°の範囲、空気中で約−２５°〜５°の範囲に拡がっており、また、緑色光は、空気中で約−１５°〜１５°の範囲に拡がっている。上述したように、図９の右から順に、赤色光、緑色光、青色光に対し、３°、０．７°、−３°の傾斜角度一定とし、この赤色光および青色光を基に設計した場合、図５の形態を応用した図９に示す実施の形態の構造では、出射光分布が法線方向を強度中心として−１°〜１°の狭い範囲に収めるため、１：４３以上のアスペクト比が必要であり、図４の形態を応用した図１０に示す実施の形態の構造では、１：２３以上のアスペクト比が必要である。緑色光を基に設計した場合には、図５の形態を応用した図９に示す実施の形態の構造では、上記狭い範囲に収めるため、１：１１８以上のアスペクト比が必要であり、図４の形態を応用した図１０に示す実施の形態の構造では、１：６２以上のアスペクト比が必要である。

図１１および図１２は、本発明の光学素子の第１０および第１１の実施の形態を示した断面図である。図１１および図１２に示す実施の形態では、図９および図１０に示す実施の形態で各色の光が入射する高屈折率材料２０と低屈折率材料２１との境界の傾斜角が各色の光に対して各々一定値であったものを、位置によって変え、より適切に角度補正し、輝度を高めることができる構造とされている。図１１では、中心から離れるにつれて、法線方向に対する境界の傾斜が大きくされた構造となっている。なお、図１１に示す実施の形態は、図９に示す実施の形態を改良したものである。また、図１２も同様に、中心から離れるにつれて、法線方向に対する境界の傾斜が大きくされた構造となっている。図１２に示す実施の形態は、図１０に示す実施の形態を改良したものである。

図１１および図１２に示す実施の形態の構造は、図１の光源１０が含む赤、緑、青の各色光の波長スペクトル分布をも考慮して成された構造であり、図９および図１０よりも、さらに高い精度で角度補正および正面輝度強調を実現できる改良構造である。法線方向に対して約３°〜約９°の範囲（空気中では、約４．５°〜約１３．５°の範囲）の赤色光に対する境界の傾斜の角度を、約１．５°〜約４．５°の範囲に分布させ、青色光に対する境界の傾斜の角度を、同様に、約−１．５°〜約−４．５°の範囲に、法線方向に対して約−３°〜約３°の範囲の緑色光に対する境界の傾斜の角度を、約−１．５°〜約１．５°の範囲に分布させている。なお、これらの角度は、図１の波長分離手段１２から、集光手段１３および液晶セルを通して光学素子１５に入射される光のうち法線方向に入射される波長成分を中心に、波長すなわち分離角度の違いに応じて、左右に広がるあらゆる波長成分を適切に法線方向に角度補正するため、その中心から遠ざかるにつれて境界の傾斜の角度が大きくなっている。この場合、赤色光および青色光の強度ピーク成分を正面方向に角度補正するためには、１：２０以上のアスペクト比でよく、また、強度ピーク成分のみならず、図１の集光手段１３の効果により光学素子１５に入射する各色光の出射光分布全体を、法線方向を強度中心として−１°〜１°の狭い範囲に収めるためには、図１１に示す実施の形態の構造では、１：５０以上のアスペクト比、図１２に示す実施の形態の構造でも、１：２８以上のアスペクト比があれば充分となる。本発明では、例えば、入射角範囲が法線方向に対して空気中で−３０°〜３０°（光学素子１５媒質内で−２０°〜２０°）の範囲の光に対して、法線方向に対する境界の傾斜角を−１０°〜１０°の範囲で分布させることにより、左右に広がるあらゆる波長成分を適切に法線方向に角度補正することができる。

図１３は、本発明の光学素子の平面図である。この平面図は、図２〜図１２に示す断面図の入射光側または出射光側から見た図である。図１３（ａ）に示す光学素子１５は、高屈折率材料２０と低屈折率材料２１とが交互に積層した積層構造とされている。また、上述したモアレ現象を防止するため、各層の厚さあるいは間隔が異なるように形成されている。図１３（ｂ）に示す光学素子１５は、複数の直方体からなる高屈折率材料２０が等間隔に配列しないよう、ランダムに形成され、その周りを低屈折率材料２１で満たされた構造とされている。高屈折率材料２０が等間隔でないか、あるいは高屈折率材料２０により形成される導光路の断面積がそれぞれ異なっているため、周期的なパターンは形成されず、モアレ現象を防止することができる。図１３（ｃ）に示す光学素子１５は、断面が円形または楕円形の柱からなる複数の高屈折率材料２０が等間隔に配列しないよう、ランダムに形成され、その周りを低屈折率材料２１で満たされた構造とされている。このように、非周期的な配列構造とすることで、モアレ現象を防止することができる。本発明において高屈折率材料２０間の間隔あるいは高屈折率材料２０の幅もしくは径は、カラー表示装置の場合、直接視認できない程度であればいかなる値であってもよいが、１μｍ〜２０μｍの範囲とすることができる。なお、本発明の光学素子１５は、上述したように、非周期的になるよう、ランダムに形成されなければならないため、高屈折率材料２０は、１μｍ〜２０μｍの範囲で、等間隔に配列しないように形成される。

図１４〜図１７は、カラーフィルタレス表示装置に、本発明の光学素子を適用しない場合および適用した場合の出射光成分を示した図である。図１４には、本発明の光学素子を用いない場合の出射光分布を、図１５〜図１７には、本発明の光学素子を用い、視野角補正を行った場合の出射光分布を示している。なお、本発明の光学素子として、順に、図２、図４、図６に示す実施の形態の構造を採用し、赤色光、緑色光、青色光についての分布を示している。縦軸は、透過度を示し、横軸は法線方向を０°とした場合の角度を示す。高屈折率材料の屈折率を１．５５とし、低屈折率材料の屈折率を１．４１とし、アスペクト比を１：１２とした光学素子を用いている。また、丸で示される４３６ｎｍの波長は、青色光を示し、三角で示される５４５ｎｍの波長は、緑色光を示し、×で示される６１２ｎｍの波長は、赤色光を示す。なお、図１６および図１７については、境界の傾斜の角度が、法線方向に対して−３°および３°の一定値としている。

図１４に示す光学素子を用いない場合、各色の光は、互いに異なった角度分布を有している。すなわち、赤色光では、約１０°の角度にピークがあり、緑色光では、約２°の角度にピークがあり、青色光では、約−１０°の角度にピークがある。しかしながら、図１５〜図１７に示す本発明の光学素子を用いた場合、いずれの色も約０°の角度を中心とした対称な分布に補正されて互いに重なっている。なお、図１６、図１７とも、境界の傾斜角度を法線方向に対して−３°および３°の一定値としたため、出射光分布に不連続性が存在するものの、所望の正面輝度強調、あるいは拡散度強調効果が正面方向への角度補正を伴って各々実現されていることが、各図において確認できる。

また、輝度を確認してみると、図１４に示す光学素子を用いない場合の輝度が、２０６ｃｄ／ｍ^２であるのに対し、図１５に示す本発明の光学素子を適用した場合の輝度が、１９０ｃｄ／ｍ^２であり、本発明の光学素子を適用した場合においては、視野角補正後も約９０％の輝度を確保できることを見出すことができた。なお、従来の上述した透過型回折格子フィルムを採用した場合、採用する前の輝度が２１７ｃｄ／ｍ^２であったものが、採用後８５ｃｄ／ｍ^２であることから、本発明の光学素子は、充分な輝度を確保することができる。さらに、図１６においては、図１４に比して２０％以上の輝度向上が確認できる。また、色再現性については、図１５〜図１７に示す実施の形態の光学素子では、ＮＴＳＣ比で約４５％〜約６０％であり、１３．３型カラーフィルタ付直視型液晶表示装置の４２％を超えている。また、色度の均一な視野角の範囲は、図１５および図１６で、約−１５°〜約１５°の範囲であり、図１７においては、約−２０°〜約２０°の範囲に広げることができる。本発明では、さらに、拡散フィルムを併用したり、拡散材料を混入したりして、拡散度を向上させることができる。

本発明の光学素子は、上述したように、高屈折率材料層と低屈折率材料層とが非周期的に繰り返され、かつその境界において全反射し、角度補正されるように適切なアスペクト比とされているため、法線方向である正面方向を中心とした出射分布への視野角補正効果が得られ、またこれと共に正面方向輝度を高めることや、あるいは拡散度を高めることができる。したがって、本発明の光学素子をカラーフィルタレス表示装置に適用することで、液晶セルを透過する光線を、正面方向を中心として揃えることができ、これにより、明瞭な表示画像を広範な色再現範囲において得ることができる。

本発明の光学素子は、例えば、カラーフィルタレス液晶プロジェクション装置の液晶セルに形成し、正面方向を中心として、所望の狭い角度範囲に揃った出射光分布を得、輝度、色度、視野角の性能を向上させることができる。また、懐中電灯のような略前方を照射する光源に適用し、光源の総光量を損なうことなく、広範囲照明光源として、または、正面遠方に狭窄化した高輝度スポット照明光源として、出射光分布を所望の分布に変換することができる。

ここで、本発明の光学素子の製造方法について説明する。図１８は、本発明の光学素子の製造プロセスを示した図である。図１８は、パイプコア材料である高屈折率材料と、パイプコア材料を包囲するパイプクラッド材料である低屈折率材料とを用いて製造するプロセスを示す。まず、ステップ１８００で、製造を開始する。このステップでは、製造に必要な材料を準備するステップを含む。次に、ステップ１８１０として、パイプコア材料を所望の膜厚にスピンコートする。この膜厚は、アスペクト比から、適切な厚さが決定される。例えば、アスペクト比が１：１０であり、パイプコア材料の層厚さが１０μｍであれば、１００μｍとされる。なお、このパイプコア材料は、平坦で、適切な基材を用い、その基材上にスピンコートすることができる。所望の厚さに塗布することができるのであれば、スピンコートに限らず、いかなる方法でも用いることができる。

ステップ１８２０で、パイプコア材料を加熱処理し、硬化させる。ステップ１８３０で、所望のパターンが設けられたマスクを用いてパイプコア材料を紫外線に露光する。ステップ１８４０で、加熱処理し、露光された所望の構造が形成される。ステップ１８５０で、現像処理を行い、所望の構造以外のパイプコア材料を溶解除去する。これにより、所望の形状のパイプコア材料からなる導光路が形成される。なお、本発明では、非周期的繰り返し構造となるよう、それぞれが入射部の幅または径が異なるマスクを使用することができる。これにより、異なる幅、すなわち厚さの層、等間隔に配列しない互いに異なる幅の角柱、異なる径の円柱または底面および上面が楕円形の柱を形成することができる。ステップ１８６０で、現像液を洗浄するリンス処理を行い、ステップ１８７０で、クラッド材料を、現像処理で除去された部分に注入する。注入した後、表面を平坦化する。ステップ１８８０で、室温でクラッドを硬化させる。次に、ステップ１８９０で、加熱処理し、クラッドを完全に硬化させる。これは、急激な構造破壊を回避するため、まず、自然硬化し、その後、加熱硬化される。加熱硬化後、ステップ１９００で、光学素子の製造が終了される。

上記加熱温度および時間、現像処理、リンス処理は、使用する材料に応じて適宜設定することができ、また、従来知られたいかなる方法および液を使用することができる。

本発明の光学素子は、元の光源の総光量を損なうことなく、広範囲照明光源として、または、正面遠方に狭窄化した高輝度スポット照明光源として、元の光源の出射分布を所望する分布に即時変換できるため、ヘッドライトなどの各種ライトに適用することが可能である。また、正面方向に所望の狭い角度範囲に揃った出射光分布を得ることができるため、特に、大型のカラーフィルタレス液晶プロジェクション装置に有用である。

本発明の光学素子を適用するカラーフィルタレス表示装置の概略図。 本発明の光学素子の第１の実施の形態を示した断面図。 本発明の光学素子の第２の実施の形態を示した断面図。 本発明の光学素子の第３の実施の形態を示した断面図。 本発明の光学素子の第４の実施の形態を示した断面図。 本発明の光学素子の第５の実施の形態を示した断面図。 本発明の光学素子の第６の実施の形態を示した断面図。 本発明の光学素子の第７の実施の形態を示した断面図。 本発明の光学素子の第８の実施の形態を示した断面図。 本発明の光学素子の第９の実施の形態を示した断面図。 本発明の光学素子の第１０の実施の形態を示した断面図。 本発明の光学素子の第１１の実施の形態を示した断面図。 本発明の光学素子の平面図。 本発明の光学素子を適用しない場合の出射光分布を示した図。 本発明の光学素子を適用した場合の出射光分布を示した図。 本発明の光学素子を適用した場合の出射光分布を示した図。 本発明の光学素子を適用した場合の出射光分布を示した図。 本発明の光学素子の製造プロセスを示したフローチャート。 カラーフィルタレス表示装置の概略図。

符号の説明

１０…光源
１１…楔状導光板
１２…波長分離手段
１３…集光手段
１４…液晶層
１５…光学素子
１６…偏光フィルム
１７…反射シート
２０…１つの材料、高屈折率材料
２１…他の材料、低屈折率材料
２２…導光路
２３…反射材
１００…光源
１０１…楔状導光板
１０２…波長分離手段
１０３…集光手段
１０４…液晶層
１０５…偏光フィルム
１０６…拡散板
１０７…反射シート

Claims (16)

1. 光を所定方向に角度補正するための膜状の光学素子であって、
   前記光学素子は、屈折率の差が少なくとも０．１となる２つの材料から構成され、１つの材料が、隣接する他の材料との境界で全反射を伴う複数の導光路を構成しており、
   前記複数の導光路は、等間隔で配列しないように、あるいは各々が異なる幅または径となるように形成されており、前記導光路の入射部の前記幅または径と前記光学素子の膜厚との比が、少なくとも１：１０であることを特徴とする、光学素子。
2. 前記境界が、前記所定方向に対して傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
3. 前記複数の導光路により形成される複数の境界が、入射光の入射角範囲に対応して、前記所定方向に対して複数の傾斜角で傾斜していることを特徴とする、請求項１または２に記載の光学素子。
4. 前記入射角範囲が、前記所定方向に対して空気中で−３０°〜３０°の範囲であり、前記複数の傾斜角が、前記所定方向に対して−１０°〜１０°の範囲とされる、請求項３に記載の光学素子。
5. 前記複数の導光路の幅あるいは径が、１μｍ〜２０μｍの範囲で等間隔に配列しないように形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学素子。
6. 前記導光路に隣接する前記他の材料に入射する光を遮断または反射または吸収するために、前記他の材料の入射部にマスクが設けられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子。
7. 前記導光路は、層状または柱状に形成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学素子。
8. 前記導光路は、入射部の面積が出射部の面積に比較して大きく、または、小さくなるように形成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学素子。
9. 光源と、前記光源から照射された光が入射される楔状導光板と、前記楔状導光板から出射された光を複数の波長領域の光に分離する波長分離手段と、前記波長分離手段により分離された光を受光し、所定のサブ画素に所定の波長領域の光を集光する集光手段と、サブ画素ごとに光の透過または遮断の制御を可能とする液晶層と、前記液晶層から出射された光を所定方向に角度補正するための膜状の光学素子とを含み、
   前記光学素子は、屈折率の差が少なくとも０．１となる２つの材料から構成され、１つの材料が、隣接する他の材料との境界で全反射を伴う複数の導光路を構成しており、
   前記複数の導光路は、等間隔で配列しないように、あるいは各々が異なる幅または径となるように形成されており、前記導光路の入射部の前記幅または径と前記光学素子の膜厚との比が、少なくとも１：１０であることを特徴とする、カラー表示装置。
10. 前記境界が、前記所定方向に対して傾斜していることを特徴とする、請求項９に記載のカラー表示装置。
11. 前記複数の導光路により形成される複数の境界が、入射光の入射角範囲に対応して、前記所定方向に対して複数の傾斜角で傾斜していることを特徴とする、請求項９または１０に記載のカラー表示装置。
12. 前記入射角範囲が、前記所定方向に対して空気中で−３０°〜３０°の範囲であり、前記複数の傾斜角が、前記所定方向に対して−１０°〜１０°の範囲とされる、請求項１１に記載のカラー表示装置。
13. 前記複数の導光路の幅あるいは径が、１μｍ〜２０μｍの範囲で等間隔に配列しないように形成される、請求項９〜１２のいずれか１項に記載のカラー表示装置。
14. 前記導光路に隣接する前記他の材料に入射する光を遮断または反射または吸収するために、前記他の材料の入射部にマスクが設けられる、請求項９〜１３のいずれか１項に記載のカラー表示装置。
15. 前記導光路は、層状または柱状に形成されることを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか１項に記載のカラー表示装置。
16. 前記導光路は、入射部の面積が出射部の面積に比較して大きく、または、小さくなるように形成される、請求項９〜１５のいずれか１項に記載のカラー表示装置。
    

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