JP2006195024A - 光学構造体及びそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の輝度を落とすことなく、光の制御を行うことができる新規な光学構造体を提供すること。
【解決手段】光学構造体１は、互いに間隔をおいて並設された複数の整列体１１と、この整列体１１を支持する支持部材１２とから構成されている。すなわち、光学構造体１は、互いに間隔をおいて並設された整列体１１の間に樹脂材料が充填されて構成されている。光学構造体１の整列体１１は、平板形状を有しており、その主面には連続した複数の二面鏡１１ａが形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学構造体及びそれを用いた液晶表示装置に関する。

従来から、光を特定の方向に向ける、すなわち光を制御する部材が開発されている。例えば、携帯電話の液晶表示装置においては、他人に表示を見せないようにするために、液晶表示パネル上に光制御フィルムを貼着し、視野角を狭く制御する場合がある。この光制御フィルムは、液晶表示パネルから発する光のうち、見られたくない方向（液晶表示パネルの法線方向に対して比較的大きな角度を有する方向）の光の成分を吸収する機能を発揮する（特許文献１〜５）。

特開昭６１−２２７０２９号公報 特開平８−２２４８１１号公報 特開２００３−１３１２０２号公報 特開２００３−２７９９５１号公報 特開２００４−２０７２５号公報

しかしながら、このような光学フィルムは、見られたくない、望まない方向の光の成分を吸収して視野角を制御しているので、必然的に光量が少なくなり、表示が暗くなってしまう。一方、このような光制御フィルムの要求は年々高まってきており、表示が暗くなることなしに光の制御を行うことができる新規な光制御部材が望まれている。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、光の輝度を落とすことなく、光の制御を行うことができる新規な光学構造体を提供することを目的とする。

本発明の光学構造体は、連続した二面鏡で構成され、互いに間隔をおいて並設された複数の整列体と、前記整列体を支持する支持部材と、を具備することを特徴とする。

この構成によれば、所定の角度範囲内において、入射光をその入射方向と同じ方向に反射させる機能を発揮する。したがって、このように光路の予測ができるので、この原理を利用することにより光の制御を行うことが可能になる。しかも従来の光制御材料と異なり光の吸収は起こらないので輝度の低下を防止することができる。

本発明の光学構造体においては、前記支持部材は、前記整列体を埋設して固定する樹脂支持部材であることが好ましい。また、本発明の光学構造体においては、前記支持部材は、前記整列体を並設状態で支持する複数の溝を有する保持部材であることが好ましい。

本発明の光学構造体においては、前記二面鏡の頂角は、略９０°であることが好ましい。また、本発明の光学構造体においては、前記整列体は、表面に反射金属層を有することが好ましい。

本発明の液晶表示装置は、反射部材を有する導光板と、前記導光板の近傍に配置され、前記導光板に光を入射する光源と、前記導光板における前記反射部材と反対側に配置された上記光学構造体と、前記光学構造体と対向するように配置された液晶表示パネルと、を具備することを特徴とする。

この構成によれば、上記光学構造体を備えているので、±tan^-1ｐ／ｔ（ｐは光学構造体の整列体のピッチであり、ｔは光学構造体の厚さである）の範囲に視野角を制限した液晶表示装置を実現することができる。この液晶表示装置を携帯電話に用いることにより、プライベート性を確保することができる。また、この構成によれば、従来の光吸収型の光制御フィルムと異なり、光反射型の光制御部材であるので、輝度が低下することがなく、表示が暗くなることがない。

本発明の液晶表示装置においては、前記整列体の二面鏡における前記光源に相対的に遠い側の底角が前記光源から離れるにつれて小さくなるように設定されていることが好ましい。

この構成によれば、光源から相対的に遠い側の底角θ₁を光源から離れるにつれて小さくしているので、光学構造体の厚さ方向に対して比較的小さい角度（浅い角度）を有する光を二面鏡の面で反射させることができ、これにより厚さ方向に対して比較的小さい角度（浅い角度）を有する光も有効に活用することができ、輝度を落とすことなく光の制御を行うことができる。

本発明の液晶表示装置においては、前記導光板と前記光学構造体との間に光拡散部材が介在されていることが好ましい。また、本発明の液晶表示装置においては、前記導光板内に光拡散材料が分散されていることが好ましい。また、本発明の液晶表示装置においては、前記液晶表示パネルが透過型液晶表示パネルであることが好ましい。

本発明の光学構造体によれば、連続した二面鏡で構成され、互いに並設された複数の整列体により構成するので、輝度を落とすことなく光を制御する反射型の光学構造体を提供することができる。

本発明者らは、二面鏡が入射光をその入射方向と略同じ方向に反射させる性質があることに着目し、この性質を利用することにより輝度を落とさずに光を制御できることを見出し本発明をするに至った。

すなわち、本発明の骨子は、連続した二面鏡で構成され、互いに並設された複数の整列体により、輝度を落とすことなく光を制御する反射型の光学構造体を提供することである。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る光学構造体を示す斜視図である。図１に示す光学構造体１は、互いに間隔をおいて並設された複数の整列体１１と、この整列体１１を支持する支持部材１２とから構成されている。本実施の形態においては、支持部材１２が複数の整列体１１を埋設して固定する樹脂支持部材である。したがって、本実施の形態の光学構造体１は、互いに間隔をおいて並設された整列体１１の間に樹脂材料が充填されて構成されている。樹脂材料としては、メタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、スチレン系樹脂、環状オレフィン系樹脂、非晶性ポリエステルなどの透明樹脂などを用いることができる。

図２は、図１に示す光学構造体１のＡ部分についての拡大図である。光学構造体１の整列体１１は、平板形状を有しており、その主面には連続した複数の二面鏡１１ａが形成されている。したがって、光学構造体１の厚さ方向（Ｚ方向）に複数の二面鏡１１ａが連続している。そして、この二面鏡１１ａの頂部１１ｂの稜線１１ｃが光学構造体１の奥行き方向（Ｘ方向）に延在している。このような整列体１１が所定の間隔をおいて光学構造体１の幅方向（Ｙ方向）に複数並設されている。このため、整列体１１は、それぞれの整列体１１の二面鏡１１ａがその頂部１１ｂの稜線１１ｃ略平行になるように互いに対向して並設される。

整列体１１の表面（主面）には、反射金属層が形成されている。反射金属層を構成する金属としては、アルミニウム、銀などを用いることができる。光のホワイトバランスを重視する場合にはアルミニウムを用い、明るさを重視する場合には銀を用いることが好ましい。このような反射金属層を有する整列体１１は、例えばＢＥＦ（Brightness Enhancement Film）のような表面にプリズムを有するフィルム上に反射金属を蒸着又はスパッタリングすることにより製造することができる。また、整列体１１は、一枚の金属薄板を連続する二面鏡１１ａに加工して構成しても良い。この場合、例えば、二面鏡１１ａのパターンを有する金型に感光性樹脂を塗布し、紫外線などの光を照射して硬化させ、この硬化した樹脂をマスター型にして金属薄膜に二面鏡１１ａを転写することにより加工することができる。このように整列体１１の表面が反射機能を有することにより、整列体１１は反射隔壁として機能する。

整列体１１の各二面鏡１１ａの頂角は略９０°であることが好ましい。また、図３に示すように、整列体１１の二面鏡１１ａが連なる方向（Ｚ方向）に対して直交し、頂部１１ｂを通る線（Ｙ方向）と、二面鏡１１ａを構成する面１１ｄとのなす角θがそれぞれ４５°であることが好ましい。このように設定することにより、効率良く光の制御を行うことが可能となる。

ここで、二面鏡の原理について説明する。図４に示すような頂角が９０°である二面鏡２は、所定の角度範囲Ｂ内において、入射光ａ，ｂをその入射方向と同じ方向に反射させる機能を発揮する。すなわち、入射光ａ，ｂが二面鏡２により入射方向と略同じ方向に向く反射光ａ’,ｂ’となる。したがって、このように光路の予測ができるので、この原理を利用することにより光の制御を行うことが可能になる。しかも従来の光制御材料と異なり光の吸収は起こらないので輝度の低下を防止することができる。なお、この原理は、図４における紙面投影成分について当てはまる。

この光学構造体１は、例えば、複数の整列体１１を囲う大きさの枠内に、連続した二面鏡１１ａを有する複数の整列体１１を並設した状態で配置し、この枠内に透明樹脂を流し込んで硬化させて透明樹脂内に整列体１１を埋設し、その後所望の大きさに切断することにより作製することができる。

この光学構造体１の厚さｔは特に制限はないが、用途に応じて適宜決定するのが好ましい。例えば、後述するように液晶表示装置などのデバイスに用いる場合には、約１０μｍ〜約５００μｍであることが好ましい。また、光学構造体１の整列体１１間のピッチｐも特に制限はないが、用途に応じて適宜決定するのが好ましい。例えば、後述するように液晶表示装置などのデバイスに用いる場合には、約１０μｍ〜約３００μｍであることが好ましい。また、光学構造体１の寸法も特に制限はないが、用途に応じて適宜決定するのが好ましい。なお、光学構造体１の形態は、フィルム状、シート状などの用途に応じて種々の形態を採り得る。

次に、上述した光学構造体１を液晶表示装置に装着した場合について説明する。この液晶表示装置としては、透過型液晶表示装置を用いる。図５は、本発明の一実施の形態に係る液晶表示装置の概略構成を示す図である。また、図６は、図５の液晶表示装置の光学構造体を含む部分を示す拡大図である。

図５に示す液晶表示装置は、光を発光するバックライトのような面発光装置３〜５と、この面発光装置３〜５に対向するように配置された液晶表示パネル６と、面発光装置３〜５と液晶表示パネル６との間に介在させた光学構造体１とから主に構成される。面発光装置は、光を案内して液晶表示パネル６側に供給する導光板３と、導光板３に光を供給する光源４と、導光板３から出射した光を反射させて液晶表示パネル６に向ける反射板５とから構成されている。

導光板３は、互いに対向する一対の主面３２，３３と、光源４から光を入射する端面３４とを有する。反射板５は、導光板３の一方の主面３２側に配置されており、光源４は、導光板３の端面３４の近傍に配置されている。また、本発明に係る光学構造体１は、導光板３の他方の主面３３側に配置されている。導光板３の形状は、光源４から端面３５に向って厚さが薄くなるようになっている。このように導光板３を先細り形状にすることにより、光源４からの光を導光板３の先端側（光源４と反対側の端面３５側）まで光を導くためであり、これにより液晶表示パネル６全体に光を供給することができる。なお、光源４としては、ランプやＬＥＤなどを用いることができる。

導光板３内には、光拡散材料３１が分散されている。光拡散材料３１を導光板３内に分散することにより、光源４からの光が光拡散材料に当たり、反射板５側や液晶表示パネル６側をはじめ広い角度範囲に光を拡散させることが可能となる。このため、この導光板３は、導光板と拡散板を兼ねた構造になっている。光拡散材料３１としては、金属微粒子；炭酸カルシウム、硫酸バリウム、アルミナ、二酸化チタン又は二酸化珪素の粉末、及びガラスビーズなどの無機微粒子；スチレン系樹脂ビーズ、ＭＳ（メタクリル酸エステルとスチレンとの共重合体）樹脂ビーズ、シロキサン系樹脂ビーズなどの有機微粒子；メタクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ＭＳ樹脂、環状オレフィン樹脂などの透明性の高い樹脂、及びガラスなどの中空微粒子などを挙げることができる。このような導光板３は、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂などの透明樹脂材料に光拡散材料を混合し、この混合材料を用いて射出成形などを行うことにより作製することができる。なお、光拡散材料３１の混合量については、用途や光制御の態様に応じて適宜決定することができる。本実施の形態においては、導光板３内に光拡散材料３１を分散させた場合について説明しているが、本発明においては、面発光装置３〜５（導光板３）と光学構造体１との間に光拡散部材が介在されていても良い。

光学構造体１は、連続する二面鏡を有する整列体１１が導光板３から液晶表示パネル６に向って延在するように配置される。整列体１１の表面には、金属薄膜が設けられており、これにより二面鏡１１ａを実現している。光学構造体１の整列体１１は、図５におけるＺ方向に沿って並設される。したがって、整列体１１の二面鏡１１ａは、図６に示すように、光学構造体１の厚さ方向に沿って複数連続している。このように、光学構造体１は、その厚さ方向（Ｚ方向）に複数の二面鏡１１ａが連続している整列体１１が所定の間隔をおいて幅方向（Ｙ方向）に複数並設して構成されている。また、この整列体１１は、図５及び図６の紙面に垂直な方向に延在している。

光学構造体１は、例えば接着剤などの接着手段を介して導光板３又は液晶表示パネル６に貼着することにより配置することができる。

液晶表示パネル６は、透過型液晶表示パネルであり、ガラス基板間に液晶材料を挟持してなる液晶セル６２と、液晶セル６２の光学構造体１と反対側に配置されたカラーフィルタ６３と、液晶セル６２及びカラーフィルタ６３の両側に配置された一対の偏光板６１，６４とから主に構成されている。なお、液晶表示装置において通常使用されている光学素子については説明を省略する。

次に、上記構成を有する液晶表示装置における光の制御について説明する。
面発光装置３〜５の光源４から出射された光は、導光板３の端面３４から導光板３内に入射して導光板３内を伝搬する（光ａ）。このとき、導光板３内を伝搬する光は、導光板３内に分散されている光拡散材料３１で拡散（乱反射）される（光ｂ）。光拡散材料３１で拡散された光のうち、反射板５方向に向けられた光（光ｃ）は、反射板５で反射されて、整列体１１間を通過した光が液晶表示パネル６に向けられる（光ｄ）。この光ｄは、液晶表示に用いられる。

光拡散材料３１で拡散された光のうち、整列体１１に向けられた光（光ｅ）は、整列体１１の二面鏡１１ａで反射されて略同じ方向に戻る（光ｆ）。この戻された光ｆは、再び導光板３内の光拡散材料３１で拡散される。そして、光拡散材料３１で拡散された光のうち整列体１１間を通過した光が液晶表示パネル６に向けられ（光ｇ）、液晶表示に用いられる。また、光拡散材料３１で拡散された光のうち、整列体１１間を直接通過した光が液晶表示パネル６に向けられ（光ｈ）、液晶表示に用いられる。

すなわち、光源４から出射された光が導光板３内の光拡散材料３１で拡散し、図６における紙面投影成分がＺ方向（光学構造体１の厚さ方向）に対して±tan^-1ｐ／ｔ（ｐは整列体１１のピッチであり、ｔは光学構造体１の厚さである）の範囲に入ると、光学構造体１の整列体１１間を通過する。一方、整列体１１で反射した光の一部は略同じ方向に戻され、光拡散材料３１及び／又は反射板５で拡散され、反射されて±tan^-1ｐ／ｔの範囲に入る光になる。この光は光学構造体１の整列体１１間を通過する。この繰り返しにより、光源４からの光を効率良く±tan^-1ｐ／ｔの範囲に入る光にすることができ、光路を制御することができる。また、本方式では、±tan^-1ｐ／ｔの範囲外の光を二面鏡の原理を用いて、±tan^-1ｐ／ｔの範囲の光にして光を有効活用しているので、輝度を落とすことなく光の制御を行うことができる。その結果、面発光装置を効率良く使用できるので、消費電力を低減させることが可能となる。

このように、本実施の形態に係る液晶表示装置は、本発明の光学構造体１を備えているので、±tan^-1ｐ／ｔの範囲に視野角を制限した液晶表示装置を構成する。このため、本液晶表示装置を携帯電話に用いることにより、プライベート性を確保することができる。また、本発明の光学構造体１は、従来の光吸収型の光制御フィルムと異なり、光反射型の光制御部材であるので、輝度が低下することがなく、表示が暗くなることがない。なお、ピッチｐや厚さｔについては、設定する視野角に応じて適宜決定する。

上記構成の液晶表示装置においては、光学構造体１における整列体１１の二面鏡１１ａが、図３に示すように、厚さ方向（Ｚ方向）にわたって同様に配置されている。このような二面鏡１１ａの配置は、図７（ｂ）に示すように、導光板３の光拡散材料３１により向けられた光のうち、厚さ方向（Ｚ方向）に対して比較的大きな角度（深い角度）を有する光ｉに対しては有効に±tan^-1ｐ／ｔの範囲の光にすることができるが、厚さ方向（Ｚ方向）に対して比較的小さい角度（浅い角度）を有する光ｊに対しては有効に±tan^-1ｐ／ｔの範囲の光にすることが難しい。したがって、このような光ｊを有効に±tan^-1ｐ／ｔの範囲の光にするためには、図７（ａ）に示すような二面鏡配列にすることが望ましい。

図７（ａ）に示す整列体１３は、連続した複数の二面鏡を有する２つの整列板１３ａと、この整列板を連接する板１３ｂとから構成されている。一つの整列体１３において一対の整列板１３ａはその二面鏡の位置が対象になるように配列される。整列板１３ａ及び板１３ｂの外表面には、反射金属層が形成されている。この整列板１３ａの二面鏡においては、光源（バックライト）に相対的に遠い側の底角θ₁が光源から離れるにつれて小さくなるように設定されている。すなわち二面鏡を構成する面１３ｄと、光学構造体１の厚さ方向（Ｚ方向）に対して直交する仮想面１３ｅとの間の角度が光源から離れるにつれて小さくなるように設定されている。図７（ａ）においては、二面鏡を構成する面１３ｄと仮想面１３ｅとの間の角度αが光源から離れるにつれて小さくなるように設定されている。より詳細には、二面鏡を構成する面１３ｄと仮想面１３ｅとの間の角度αは、４５°以下であり、光源から離れるにつれて小さくなるように設定されており、二面鏡を構成する面１３ｃと仮想面１３ｅとの間の角度９０−αは、４５°以上であり、光源から離れるにつれて大きくなるように設定されている。

このような整列体１３を有する光学構造体においては、光源から相対的に遠い側の底角θ₁を光源から離れるにつれて小さくしているので、厚さ方向（Ｚ方向）に対して比較的小さい角度（浅い角度）を有する光を二面鏡の面１３ｄで反射させることができ、これにより厚さ方向（Ｚ方向）に対して比較的小さい角度（浅い角度）を有する光に対しても有効に±tan^-1ｐ／ｔの範囲の光にすることが可能となる。その結果、より効率的に光を有効活用することができ、輝度を落とすことなく光の制御を行うことができる。

本実施の形態においては、支持部材１２として、複数の整列体１１を埋設して固定する樹脂支持部材を用いた場合について説明しているが、支持部材として、図８に示すように、整列体１１を並設状態で支持する複数の溝１４ａを有する保持部材１４を用いても良い。この場合、整列体１１を確実に保持するために、保持部材１４に形成する溝１４ａの内壁面を二面鏡を構成する面に沿うように形成することが望ましい。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態における寸法、材質などは例示的なものであり、適宜変更して実施することが可能である。また、上記実施の形態における導光板、反射板、偏光板については、板状の部材である必要はなく、必要に応じてシート状、フィルム状であっても良い。上記実施の形態においては、光学構造体を液晶表示装置に適用した場合について説明しているが、本発明は光制御が必要とされる液晶表示装置以外のデバイスなどに同様に適用することができる。その他、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

本発明の一実施の形態に係る光学構造体を示す斜視図である。 図１に示す光学構造体のＡ部分についての拡大図である。 図１に示す光学構造体の整列体を説明するための図である。 二面鏡の原理を説明するための図である。 本発明の一実施の形態に係る液晶表示装置の概略構成を示す図である。 図５の液晶表示装置の光学構造体を含む部分を示す拡大図である。 本発明に係る液晶表示装置の光学構造体の他の例を示す図である。 本発明に係る液晶表示装置の光学構造体の他の例を示す図である。

符号の説明

１ 光学構造体
２，１１ａ 二面鏡
３ 導光板
４ 光源
５ 反射板
６ 液晶表示パネル
１１，１３ 整列体
１１ｂ 頂部
１１ｃ 稜線
１２ 支持部材
１３ａ 整列板
１３ｂ 板
１３ｃ，１３ｄ 面
１３ｅ 仮想面
１４ 保持部材
１４ａ 溝
３１ 光拡散材料
３２，３３ 主面
３４，３５ 端面
６１，６４ 偏光板
６２ 液晶セル
６３ カラーフィルタ

Claims (10)

1. 連続した二面鏡で構成され、互いに間隔をおいて並設された複数の整列体と、前記整列体を支持する支持部材と、を具備することを特徴とする光学構造体。
2. 前記支持部材は、前記整列体を埋設して固定する樹脂支持部材であることを特徴とする請求項１記載の光学構造体。
3. 前記支持部材は、前記整列体を並設状態で支持する複数の溝を有する保持部材であることを特徴とする請求項１記載の光学構造体。
4. 前記二面鏡の頂角は、略９０°であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学構造体。
5. 前記整列体は、表面に反射金属層を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学構造体。
6. 反射部材を有する導光板と、前記導光板の近傍に配置され、前記導光板に光を入射する光源と、前記導光板における前記反射部材の反対側に配置された請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学構造体と、前記光学構造体と対向するように配置された液晶表示パネルと、を具備することを特徴とする液晶表示装置。
7. 前記整列体の二面鏡における前記光源に相対的に遠い側の底角が前記光源から離れるにつれて小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項６記載の液晶表示装置。
8. 前記導光板と前記光学構造体との間に光拡散部材が介在されていることを特徴とする請求項６又は請求項７記載の液晶表示装置。
9. 前記導光板内に光拡散材料が分散されていることを特徴とする請求項６又は請求項７記載の液晶表示装置。
10. 前記液晶表示パネルが透過型液晶表示パネルであることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれかに記載の液晶表示装置。

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