JP2020003539A - 光学装置とその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画像の奥行きを変化させることができる光学装置を提供する。【解決手段】光学装置は、対向配置され、それぞれ半透過鏡状態を取り得る、第１の鏡部材ＭＤ１と第２の鏡部材ＭＤ２、及び第１、第２の鏡部材の間、又はどちらかの外側に配置され、様々な画像を形成、表示し得る画像表示部材ＩＤ、とを含む。【選択図】図１−１

Description

本発明は、光学装置とその駆動方法に関し、特に奥行きのある表示画像を形成することのできる光学装置とその駆動方法に関する。

文字、図形、映像等を表示する様々な表示装置が知られている。平面的な表示面を有するフラットパネルディスプレイである液晶表示（ＬＣＤ）は、広く用いられている。例えば、所定形状の複数のセグメント電極を選択的に表示するＬＣＤ、平面内に行列（ドットマトリクス）状に配置された多数の画素を備え、文字表示等を行えるＬＣＤ等、多くの機器がある。ＬＣＤは、電極を備えた対向基板間に液晶層を挟み、対向基板間の電極に印加する電圧を制御することにより、液晶分子を制御する。両側に偏光子を配置して液晶分子の配光を可視化して表示に用いる。

ＬＣＤは自己発光しない。外光を取込み、反射を制御することにより反射型ＬＣＤ表示デバイスを形成できる。光源としてバックライトを備えたＬＣＤ表示デバイスを形成すれば、外光が乏しい状況でも表示を行えるＬＣＤ表示デバイスを形成できる。

透明電極を有する透明基板を対向配置し、それらの間にＡｇを含む電解液を収容し、対向する電極間にｄｃ電圧を印加すると、負極上に反射鏡として機能し得るＡｇ膜が堆積する。Ａｇ膜厚が薄い時は、一部の光を反射し、残りの光は透過する部分鏡（ハーフミラー）となる。電圧を解除するとＡｇ膜は溶解する。このようにして、透明部材に必要に応じて所望反射率の鏡面を形成することができる。

液晶表示装置等の画像表示部材の前面に、偏光軸方向の変化を利用して光透過状態と外光を反射する鏡状態とを選択できる鏡機能部を配置した表示装置が知られている（例えば、特許文献１）。

図５Ａに示すように、画像を表示するための画像光を出射する画像表示部１０００と、画像表示部に重畳して、画像光を透過する画像透過状態と外光を反射する鏡状態とを切り替え可能な鏡機能部２０００とを設ける。鏡機能部２０００は、画像表示部１０００側から順に配置された、反射型偏光子３００と、透過偏光軸可変手段（ＴＮ（ツイステッドネマチック）型液晶素子）４００と、吸収型偏光子５００とを含む。

反射型偏光子３００は、予め定めた偏光軸の第１の偏光を透過し、第１の偏光と偏光軸が交差する第２の偏光を反射し、ＴＮ型液晶素子４００は、入射した第１の偏光を第２の偏光へ変化させて透過する状態と、入射した光の偏光軸を変化させないで透過する状態とを切り替え可能であり、吸収型偏光子５００は、第１の偏光および第２の偏光のうち一方を透過し、他方を吸収する。

画像表示部１０００は、第１の偏光を透過し、第２の偏光を吸収する偏光子２０８を備え、偏光子２０８を透過した第１の偏光を画像光として鏡機能部２０００に出射する。図中、上下方向矢印、および点を囲む円が偏光方向を示す。

ＴＮ型液晶素子４００は、電圧無印加時に液晶分子に９０度のツイストを与える。画像表示部１０００からの垂直方向の偏光の出射光３００１が偏光子３００を通過し、ＴＮ型液晶素子４００内で偏光軸を９０度変化させ、吸収型偏光子５００を透過して外部に出射する。外部から入射する光３００２は、吸収型偏光子５００で水平方向の偏光のみが透過し、ＴＮ型液晶セル４００で偏光軸方向が９０度変化され、反射型偏光子３００、偏光子２０８を通過する。

図５Ｂは、ＴＮ型液晶素子４００に電圧を印加し、液晶分子を立ち上がらせて、入射光の偏光軸を変化させずに、透過する状態を示す断面図である。画像表示部１０００からの出射光は、垂直方向偏光軸を変化させずにＴＮ型液晶素子４００を透過し、吸収型偏光子５００により遮蔽される。外部から吸収型偏光子５００に入射した光は、水平方向の偏光のみが出射し、そのままＴＮ型液晶素子４００を通過し、反射型偏光子３００で反射され、元来た道を戻り、吸収型偏光子５００から出射する。左側にいる観察者は,鏡像を観察することになる。即ち、装置全体が鏡として機能する。

反射型表示デバイスの上に自己発光デバイスを積層した構成（積層表示部構造）も提案されている（例えば、特許文献２）。腕時計の表示部などに用い、明るい状況では反射型表示デバイスを用い、暗い状況では自己発光デバイスを用いる。

図６に示すように、表示アセンブリー１０１は、観察者の側に配置された少なくとも一部透光性の自己発光性の第１の表示デバイス１０２と、その下に配置された一部透光性の反射性の第２の表示デバイス１０６とを有する。自己発光性の第１の表示デバイス１０２は、少なくとも一部透光性のパッシブ状態と情報を表示する光を発するアクティブ状態との間でスイッチングすることができる。反射性の第２の表示デバイス１０６は、吸収性であるパッシブ状態と周囲光を反射することができるアクティブ状態との間でスイッチングすることができる。

例えば、自己発光性の第１の表示デバイス１０２は透光性有機発光ダイオード表示セル１２０（以下、ＴＯＬＥＤ表示セルと呼ぶ）で形成され、反射性の第２の表示デバイス１０６は、反射性のねじれネマチック（ＴＮ）型の液晶表示セル１６０で形成される。

ＴＯＬＥＤ表示セル１２０は、ガラス又はプラスチック材料で作られている透光性の基板１２１と、透光性の基板１２１と平行に、かつ間隔を置いて延在するカプセル化カバー１２２とを含む。透光性の基板１２１及びカプセル化カバー１２２は、封止枠１２３によって結合され、エレクトロルミネセンス層のスタック１２４を収納する。エレクトロルミネセンス層のスタック１２４の両側には、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等で作られた上側透明電極１２５、及びアルミニウムや金のような金属性材料又はＩＴＯやインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）のような金属酸化物などで作られる下側透明電極１２６が形成されている。

反射性のＴＮ液晶表示セル１６０は、観察者側に配置された表側基板１６１と、表側基板１６１と平行にかつ離れて延在する裏側基板１６２とを有する。表側基板１６１、裏側基板１６２は、封止枠１６３によって結合され、液晶を入れる密封空間１６４を画定する。表側基板１６１の下面に配置された透明電極１６５ａと裏側基板１６２の上面に配置された対向透明電極１６５ｂの間に適切な電圧をかけることによって、液晶分子の配向が変更される。電極１６５ａ、１６５ｂは、ＩＺＯやＩＴＯのような透光性の導電性材料で作られる。

液晶として、ねじれネマチック（ＴＮ）、超ねじれネマチック（ＳＴＮ）、垂直配列（ＶＡ）のいずれも用いることができる。

反射性液晶表示セル１６０の表側基板１６１の上側面には、吸収性の偏光子１３０が接着層１３２によって接合される。吸収性偏光子１３０は、例えば、ヨウ素又は染料タイプの偏光子で形成できる。反射性の吸収性偏光子１３４が、接着層１３６によって、反射性液晶表示セル１６０の裏側基板１６２の下面に接合される。
吸収性の反射性偏光子１３４は、反射軸と平行である偏光方向の光成分を反射し、反射される光成分の偏光方向と交差する偏光方向の光成分を吸収する。例えば、リフレクターの上に配置された吸収性偏光子又は吸収層の上に配置された反射性の透過性偏光子１３４によって吸収性の反射性偏光子１３４を形成できる。

合わせ鏡のように、第１と第２の鏡部材を対向配置し、両者の間に配置した光源を点灯すると、光源から発した光線は第１、第２の鏡部材の間で多重反射することにより、奥行きのある表示／照明を行うことができる（例えば特許文献３）。

図７Ａに示すように、円筒型支持材１０４を介して、半透過鏡である第１の鏡部材１０２’と全反射鏡である第２の鏡部材１０３とを平行に支持し、それらの間に複数の光源１０５を配置した光学部材１０１を形成する。光源１０５から発した光ビームは、第１、第２の鏡部材１０２’，１０３の間で多重反射することができる。観察者１０６’は、半透過鏡である第１の鏡部材１０２’側から光学部材１０１を観察すると、多重反射する各光ビームを観察できる。

図７Ｂは半透過鏡である第１の鏡部材１０２’の中央部から光学部材１０１を観察した時の光源像の見え方を示す平面図である。実際に光源が配置された位置から中央に向かって複数の光源像１０５ｇが観察される。最も外側の光源像は光源を発した後反射せずに半透過鏡である第１の鏡部材１０２’を透過した光ビームであり、光源そのものの像である。第１の反射部材と第２の反射部材による多重反射を経て出射する光ビームは、虚像である光源像を形成する。多重反射の回数に応じて、中央に向うに従って虚像である光源像までの距離が増大し、その径が小さくなっている。中央部には光源像が存在しない暗黒部が存在する。

図７Ｃは、観察者が第１の鏡部材の中央から外れた位置から光学部材１０１の第１の鏡部材１０２’を観察した時の平面図である。観察者の位置に対応して、光源像、暗黒部の位置が変化している。

少なくとも一方が半透過鏡である第１、第２の鏡部材を対向配置し、その間に光源を配置し、半透過鏡である鏡部材側から光源を観察すると、多重反射により奥行き方向に配列した複数の光源像を観察することができる。光源を着色光源とすれば、多重反射による複数の光源像も着色像となる。

特開２００１−３１８３７４号公報 特開２０１６−０８１０５２号公報 実開昭５６−１３９１９１号公報

表示画像を形成可能な表示素子により画像を形成し、その画像を視野内で奥行き方向に多重化することができれば、観察者に与える印象を深めることが可能であろう。奥行き方向の深さを変化させることができれば、更に効果的であろう。

実施例による光学装置は、対向配置され、それぞれ半透過鏡状態を取り得る、第１の鏡部材と第２の鏡部材、第１、第２の鏡部材の間、又はどちらかの外側に配置され、画像を形成、表示し得る画像表示部材とを含む。

第１、第２の鏡部材を介して画像表示部材を観察する。第１、第２の鏡部材を透明状態にすると、画像表示部材がそのまま観察される。第１、第２の鏡部材を半透過鏡状態にすると、第１、第２の鏡部材間で多重反射が生じ、画像表示部材の画像が多重反射した画像が観察される。第１、第２の鏡部材の合成反射率を変化させると、多重反射の次数を変化させることができ、画像の奥行きを変化させることができる。

、及び 図１Ａは半透過鏡となり得る第１、第２のミラー素子を対向配置させ、一方の外側に液晶素子を含む画像表示部材を配置した第１実施例による光学装置を示す断面図、図１Ｂは第１、第２のミラー素子を構成する電気化学素子の構成を示す断面図、図１Ｃはミラー素子の駆動電圧波形の例を示すグラフ、図１Ｄは液晶素子がセグメント領域を有する例を示す平面図、図１Ｅは液晶素子がドットマトリクス領域を有する例を示す平面図、図１Ｆはドットマトリクス領域の構成を示す平面図、図１Ｇは単色領域の構成を示す回路図である。 、及び 図２Ａ１〜図２Ａ３は虚像が見えるメカニズムについて示した原理図である。図２Ｂ、図２Ｃは光軸方向の位置に対して、多重反射光の複数虚像の明るさを示したグラフである。 図３Ａは画像表示部材ＩＤが自己発光性部材で構成された第１実施例の変形例を示す断面図、図３Ｂは自己発光性部材である透明有機発光ダイオード（ＴＯＬＥＤ）乃至有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）の構成を示す断面図である。 図４は、第１、第２のミラー素子の中間領域に自己発光型の画像表示部材ＩＤを配置した第２の実施例による光学装置の構成を概略的に示す断面図である。 図５Ａ、５Ｂは従来技術の第１例による光学装置の２つの状態を示す概略断面図である。 図６は従来技術の第２例による光学装置の構成を示す概略断面図である。 図７Ａは従来技術の第３例による、対向基板間に光源を配置し、多重反射を利用する表示装置の構成を概略的に示す斜視図、図７Ｂ，７Ｃは表示装置の表示する光源像の例を示す平面図である。 図８Ａ，図８Ｂは、第１の実施例において第２の鏡部材を介して画像表示部材を見た時に観察される多重反射像を示す平面図である。 図９Ａ，９Ｂは、Ａｇ等のミラー層を堆積する電気化学素子に換え、鏡部材としてミラーＬＣＤを用いる例を示す断面図及びその特性例を示すグラフである。 図１０は第１の実施例における第１の鏡部材ＭＤ１をミラーＬＣＤに置き換えた変形例を示す概略断面図である。 図１１Ａ，１１Ｂは、図１０の変形例の電圧無印加状態と電圧印加状態の機能を示す概略断面図である。 図１２は第１の実施例における第１、第２の鏡部材ＭＤ１、ＭＤ２をミラーＬＣＤに置き換えた変形例を示す概略断面図である。

ＭＤ 鏡部材、 ＩＤ 画像表示部材、 ＬＣ 液晶層。

図１Ａは、第１の実施例による光学装置の構成を概略的に示す断面図である。第１の鏡部材ＭＤ１と第２の鏡部材ＭＤ２とが対向配置され、その右外側に画像表示部材ＩＤが配置されている。

画像表示部材ＩＤは、上流側からバックライトＢＬ，第１偏光子Ｐ１，液晶素子ＬＣＤ、第２偏光子Ｐ２が配置されている。一対の偏光子Ｐ１，Ｐ２は、クロスポーラライザ、又はパラレルポーラライザを構成し、液晶素子ＬＣＤとの組み合わせで画像を形成する。例えば、液晶素子ＬＣＤが垂直配向液晶素子であり、偏光子対Ｐ１，Ｐ２がクロスポーラライザであり、対向電極間に電圧を印加しないセルにおいてはバックライトからの光が遮光されて黒状態となり、対向電極間に電圧を印加して液晶分子を倒したセルにおいては透過光が生じて白状態に変化する。液晶素子がツイステッドネマチック（ＴＮ）液晶であり、偏光子対Ｐ１，Ｐ２がパラレルポーラライザである場合にも、電圧無印加セルが黒、電圧印加セルが白の表示を行える。セグメント電極を備えるセグメント表示部、ドットマトリクスを備えるドットマトリクス表示部を有する画像表示部材ＩＤの構成例については、後述する。

バックライトには駆動電源Ｄ１が接続され、液晶素子ＬＣＤには駆動電源Ｄ２が接続され、第１の鏡部材ＭＤ１には第３の駆動電源Ｄ３が接続され、第２の鏡部材ＭＤ２には第４の駆動電源Ｄ４が接続されている。コントローラＣＴＲはこれらの電源Ｄ１〜Ｄ４を制御する。

図１Ｂは、鏡部材ＭＤ１（ＭＤ２）の構成例を示す断面図である。ＩＴＯ，ＩＺＯ等で透明電極１１を形成したガラス基板１と、同様の透明電極１２を形成したガラス基板２とをシール３を介して貼り合せたセル１５に電解液８を注入して電気化学ミラー素子を形成している。電解液８は、溶媒としてガンマブチルラクトン（ＧＢＬ）を用い，Ａｇ塩としてＡｇＢｒ、支持塩(supporting salt)としてＬｉＢｒを用いる。また、ＣｕＣｌ_２、ＧｅＣｌ_４、ＴａＣｌ_５等をメディエータとして含む。

なお、溶媒はＧＢＬに限らない。溶媒は、ＥＤ材料等を安定的に保持することができればよく、例えば、水等の極性溶媒、極性のない有機溶媒、イオン性液体、イオン導電性高分子、高分子電解質等を用いることができる。Ａｇ塩はＡｇＢｒに限らない。ＡｇＢｒの他、ＡｇＮＯ_３，ＡｇＣｌＯ_４等を用いてもよい。支持塩はＬｉＢｒに限らない。ＬｉＢｒの他、ＬｉＣｌ，ＬｉＩ，ＬｉＢＦ_４，ＬｉＣｌＯ_４等のＬｉ塩、ＫＣｌ、ＫＢｒ、ＫＩ等のＫ塩、ＮａＣｌ，ＮａＢｒ，ＮａＩ等のＮａ塩を用いてもよい。

図１Ｃは、電気化学ミラー素子の駆動電圧波形の例を示すグラフである。電気化学ミラー素子内にＡｇ膜を堆積させ、鏡面を形成する駆動電圧をＯＮとし、逆極性電圧を印加してＡｇ膜を溶解させる駆動電圧をＯＦＦとする。電気化学ミラー素子は一定周期で駆動される。１周期内にＡｇ膜を堆積するＯＮ期間とＡＧ膜を溶解するＯＦＦ期間が設けられている。複数周期に亘って、膜厚を一定に保ち、反射率を一定状態に維持する駆動電圧波形である。即ち、１周期内で堆積するＡｇ膜厚と溶解して減少するＡｇ膜厚とは等しく設定されている。また、印加電圧値を調整し、Ａｇの析出量を増減させることでＡｇ析出面における反射率を変更することもできる。つまり、透明状態、半透過鏡状態、鏡状態等を実現することができる。以下、画像表示部材の構成例についてさらに説明する。

図１Ｄは、セグメント表示部１０を有するパッシブ駆動液晶表示素子ＬＣＤ１を示す平面図である。有効表示領域内のセグメント表示部１０内に、固定形状のセグメント電極が配置されている。セグメント電極は滑らかに連続した境界を有する。対向電極はセグメント電極を内包する面積を有し、セグメント電極と協力して、セグメント電極に対応した表示をおこなう。例として、エアコン用表示が示され、中央部にエアコンの作動状態、左右両側に運転席領域、助手席領域の温度が示されている。

図１Ｅは、ドットマトリクス表示部２０を有するアクティブ駆動液晶表示素子ＬＣＤ２を示す平面図である。有効表示部全体にドットマトリクス表示部２０が形成されている。

図１Ｆは、ドットマトリクス表示部２０内の、上下左右方向に規則的に配列された多数の画素ＰＸの例を示す。矩形状の画素ＰＸが垂直方向、水平方向に配列されている。各画素はカラーフィルタを備えた複数の単色領域を含む。各画素ＰＸ内に、赤色フィルタ領域、緑色フィルタ領域、青色フィルタ領域を含む単色領域が配列されている。各単色領域に対応して赤色領域電極、緑色領域電極、青色領域電極を含む単色領域電極が配置される。

図１Ｇに示すように、各単色領域の単色領域電極ＰＥは、蓄積容量Ｃを備え、画像信号をスイッチングする薄膜トランジスタＴＦＴに接続されている。薄膜トランジスタＴＦＴのゲート電極にスイッチング信号が供給され、オンの期間に画像信号を蓄積容量Ｃに蓄積し、オフの期間蓄積された画像信号を維持する。尚、単色領域電極ＰＥはカラーフィルタＣＦで覆われる。

図１Ａに戻って、画像表示部材ＩＤから発光画像が、鏡部材対ＭＤ１，ＭＤ２方向に出射する。画像信号は、半透過性である第１の鏡部材ＭＤ１を透過した後、第２の鏡部材ＭＤ２に到達する。第２の鏡部材ＭＤ２は半透過鏡であれば、一部の光は反射され、第１の鏡部材ＭＤ１に戻る。第１の鏡部材ＭＤ１が半透過鏡であれば、一部の光は反射され、第２の鏡部材ＭＤ２に戻る。このようにして多重反射が生じる。

図８Ａ，図８Ｂは、第１の実施例における第１、第２の鏡部材を介して画像表示部材を観察したときの画像の一例である。図８Ａに示すように、第１、第２の鏡部材ＭＤ１，ＭＤ２を透明状態にし、第２の鏡部材ＭＤ２側から観察すると、画像表示部材の実像５０がそのまま観察される。

図８Ｂに示すように、第１、第２の鏡部材ＭＤ１，ＭＤ２を半透過鏡状態にすると、第１、第２の鏡部材ＭＤ１，ＭＤ２間で多重反射が生じ、実像５０と重なるように、画像表示部材が多重反射した画像５１，５２，５３等が観察される。第１、第２の鏡部材ＭＤ１，ＭＤ２の反射率を変化させると、多重反射の次数を変化させることができ、画像の奥行きを変化させることができる。

図２Ａ１〜図２Ａ３は虚像が見えるメカニズムを示した概略図である。図２Ａ１に示すように、第１の鏡部材ＭＤ１と第２の鏡部材ＭＤ２が対向し、第１の鏡部材ＭＤ１の内側表面上に光源ＬＳが配置される場合、光源ＬＳから発した光が第２の鏡部材ＭＤ２で一部反射され、その反射光がさらに第１の鏡部材ＭＤ１で反射される様子を示している。さらに第２の鏡部材、第１の鏡部材で反射され、多重反射を構成し得る。

対向鏡部材間を１往復する毎に多重反射の次数が１増加する。第１の鏡部材と第２の鏡部材との間の距離をｄとすれば、多重反射の次数が１増加する毎に、像空間の奥行きが２ｄ増加する。１次の多重反射を生じさせると、像空間の奥行きＤａは２ｄとなる。ｎ次までの多重反射を生じさせると、像空間の奥行きは２ｎｄとなり、実際の鏡部材間隔ｄの２ｎ倍となる。

図２Ａ２に示すように、第１の鏡部材と第２の鏡部材の外側に画像表示部材ＩＤが配置される場合も同様な考え方ができ、第１の鏡部材と第２の鏡部材との間の距離をｄ’とすれば、多重反射の次数が１増加する毎に、像空間の奥行きが２ｄ’増加する。１次の多重反射を生じさせると、像空間の奥行きＤｂは２ｄ’となる。また、ｎ次までの多重反射を生じさせると、像空間の奥行きは２ｎｄ’となり、実際の鏡部材間隔ｄ’の２ｎ倍となる。図２Ａ２に示すように、対向する鏡部材対の外側、より具体的に第１の鏡部材ＭＤ１の外側表面上に画像表示部材ＩＤが配置されると、画像表示部材ＩＤを発した光が、第１の鏡部材ＭＤ１を透過し、第２の鏡部材ＭＤ２で一部反射され、反射光が第１の鏡部材ＭＤ１で一部反射され、図２Ａ１の場合と同様に反射が続き、多重反射が構成され得る。

図２Ａ３に示すように、第１の鏡部材ＭＤ１と画像表示部材ＩＤの間に隙間がある場合も同様な考え方ができる。第１の鏡部材ＭＤ１と第２の鏡部材ＭＤ２との間の距離をｄ’、第１の鏡部材ＭＤ１と画像表示部材ＩＤとの間の距離をｄ“とすれば、多重反射の次数が１増加する毎に、像空間の奥行きが２ｄ’増加する。１次の多重反射を生じさせると、像空間の奥行きＤｃ１は２ｄ’＋ｄ”となる。ｎ次までの多重反射を生じさせると、像空間の奥行きは２ｎｄ’＋ｄ“となる。隣接する虚像間の距離Ｄｃ２は、２ｄ‘となる。

車両用テールランプの場合、対向する鏡部材間の距離は１ｃｍ〜５０ｃｍとすることが好ましいであろう。他の要件なども考慮すると、対向する鏡部材間の距離は２ｃｍ〜３０ｃｍとすることがより好ましいであろう。第１の鏡部材と第２の鏡部材とを対向させ、第２の鏡部材側から観察する場合、合成反射率を増加すると視認される多重反射の次数は増大し、合成反射率を低減すると視認される多重反射の次数は低下する。

図２Ｂは、横軸を光軸上の位置とし、縦軸を多重反射光の各次数光の明るさとしたグラフである。第１、第２の鏡部材のＡｇ膜厚を複数段階で増加すると、合成反射率が複数段階に増加する。光軸上の位置を深くするに従い明るさが減少する。

図２Ｃは、同一内容を縦軸の目盛をログスケールとしてあらわしたグラフである。各次数の光の変化がより明瞭に観察される。例えば、５の位置から８の位置に移動すると２つの高次反射光は観察されなくなる。

反射膜の反射率を変化させることを考える。反射率を高くすると観察される多重反射光の次数が増加し、深い位置まで観察できる。反射率を増減すると観察される画像の深さが増減する。この場合、画像の深さが変化する新規な動画像が得られる。

第１の実施例においては、第１、第２の鏡部材ＭＤ１，ＭＤ２を対向配置し、その外側（ＭＤ１の外側）に光源ＢＬと液晶素子ＬＣＤを含む画像表示部材ＩＤを配置した。画像表示部材として他の構成を採用することもできる。

図３Ａは、自己発光性の画像表示部材ＩＤを用い、光源を省略した第２の実施例による構成を示す。自己発光性の画像表示部材ＩＤとして、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）や透明有機発光ダイオード（ＴＯＬＥＤ）を用いることができる。第１の実施例における光源ＢＬ，偏光子対Ｐ１，Ｐ２，液晶素子ＬＣＤを含む画像表示部材ＩＤに換えて、透明有機発光ダイオード（ＴＯＬＥＤ）のみにより画像表示部材ＩＤが形成されている。

ＴＯＬＥＤ表示セルは、主に、対向配置される一対の電極ＴＥ１Ｏ，ＴＥ２Ｏと、一対の電極ＴＥ１Ｏ，ＴＥ２Ｏの間に設けられるエレクトロルミネセンス層（電子輸送層ＥＬ１,発光層ＥＬ２,正孔輸送層ＥＬ３）と、を含む。具体的には、一対の電極ＴＥ１Ｏ，ＴＥ２Ｏは、たとえばインジウム錫酸化物などの、透光性導電部材により構成され、それぞれ透明なガラス基板ＴＳ１Ｏ，ＴＳ２Ｏ表面に設けられる。この封止材ＳＥＡＬは、エレクトロルミネセンス層を有するように、遮蔽する。ＯＬＥＤ表示セルの場合、片側の電極ＴＥ２Ｏは金属性材料により構成され、もう片側の電極ＴＥ１Ｏにインジウム錫酸化物などの、透光性導電部材により構成される。

図３Ｂは透明有機発光ダイオードの構成例を示す。発光層ＥＬ１の一方の面上に電子輸送層ＥＬ２，他方の面上に正孔輸送層ＥＬ３が配置された積層構造が、透明電極１６を備えた第１の透明基板６、透明電極１７を備えた第２の透明基板７の間に配置され、両透明電極１６，１７はスイッチＳＷを介して、直流電源ＤＣに接続されている。積層構造を囲んでシール９が配置されている。発光層ＥＬ１に電流が供給されると発光が生じ、両側の透明基板６，７から出射する。

図４は、第１、第２の鏡部材ＭＤ１，ＭＤ２間に画像表示部材ＩＤを配置した第３の実施例による構成を示す。画像表示部材ＩＤが自己発光性であり、透光性であれば、鏡部材対ＭＤ１，ＭＤ２間に画像表示部材ＩＤを配置しても多重反射を生じさせることが可能である。

なお、画像表示部材ＩＤが対向する鏡部材ＭＤ１，ＭＤ２の外側に配置された、図３Ａに示す第２の実施例においては、鏡部材ＭＤ１と対向しない基板を、例えばシリコン基板等の非透光性材料で形成して、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）としてもよい。この場合、半導体集積回路を組み込むことも可能となる。

上記説明においては、鏡部材ＭＤ１（ＭＤ２）に電気化学ミラー素子を用いた場合を説明した。反射率を制御できる光学素子は電気化学ミラー素子に限らない。また、少なくとも一方に反射率を制御できる光学素子を用いればよい。たとえば、一方に一部の光を反射し、一部の光を透過する半透過鏡（ハーフミラー）を用いて、もう一方に電気化学ミラー素子を用いる組み合わせでもよい。

図９Ａ，９Ｂは、液晶を用い、反射率を制御できるミラー液晶素子３０の構造例を示す断面図及びその特性例を示すグラフである。ミラー液晶素子は、主に、対向配置される一対の電極ＴＥ１Ｌ，ＴＥ２Ｌと、一対の電極ＴＥ１Ｌ，ＴＥ２Ｌの間に設けられる液晶層ＬＣと、を含む。具体的には、一対の電極ＴＥ１Ｌ，ＴＥ２Ｌは、たとえばインジウム錫酸化物などの、透光性導電部材により構成され、それぞれ透明なガラス基板ＴＳ１Ｌ，ＴＳ２Ｌ表面に設けられる。なお、一対の電極ＴＥ１Ｌ，ＴＥ２Ｌを覆うように、配向膜ＯＦ１，ＯＦ２を設けてもよい。配向膜ＯＦ１，ＯＦ２には、ラビング処理などの一軸配向処理が施される。

一対の電極ＴＥ１Ｌ，ＴＥ２Ｌ（ないし基板ＴＳ１Ｌ，ＴＳ２Ｌ）の間であって、その周縁には、シール部材９が設けられている。電極ＴＥ１Ｌ，ＴＥ２Ｌおよびシール部材９により囲まれた空間に、たとえばツイストネマチック型の液晶材料が封入され、液晶層ＬＣを構成している。両透明基板ＴＳ１Ｌ，ＴＳ２Ｌの外側に偏光子対ＰＯＬ１，ＰＯＬ２が配置されている。両偏光子の透過軸は同じＺ軸方向を向いて、パラレルニコルを構成している。

パラレルニコルと組み合わせた時、基本的には、電圧無印加状態で黒表示、電圧印加状態で透光表示にできる。なお、下側の偏光子ＰＯＬ２の偏光板の吸収軸は、画像表示部材ＩＤの出射側偏光子Ｐ２の吸収軸と同一方向であることが好ましい。また、ＰＯＬ２の偏光板の吸収軸に対応して、ツイスト角、偏光軸に設定することが望ましい。

定常時（電圧無印加時）、上側の電極ＴＥ１Ｌに近接する液晶分子は、たとえばＺ軸に沿って配列している。下側の電極ＴＥ２Ｌに近接する液晶分子は、たとえばＹ軸に沿って配列している。電極ＴＥ１Ｌから電極ＴＥ２Ｌに向かって、液晶分子は、９０°捻じれるように配列している。液晶層ＬＣは、定常状態（電圧無印加状態）では、入射した直線偏光を、その偏光軸を変化させて透過する。電極ＴＥ１Ｌ，ＴＥ２Ｌを介して液晶層ＬＣに電圧を印加した状態（電圧印加状態）では、入射した直線偏光を、その偏光軸を変化させないで透過する。

電極ＴＥ１Ｌ，ＴＥ２Ｌを介して、液晶層ＬＣに電圧が印加された電圧印加状態では、ＹＺ平面にほぼ平行に配列していた液晶分子が、Ｘ軸に沿うように配列する（電極ＴＥ１Ｌ，ＴＥ２Ｌに対して直交するように、立ち上がる）。

図９Ｂは、ミラー液晶素子３０の特性を示すグラフである。横軸が駆動電圧を示し、縦軸が反射率を示す。図９Ａの上側から入射光が入るとする。液晶層ＬＣの上側に配置された吸収型直線偏光板ＰＯＬ１を通って、Ｚ軸に平行な偏光が液晶層ＬＣに入射する。電圧無印加状態では、液晶層ＬＣ内で偏光方向が９０°捻じれる。下側の反射型直線偏光板ＰＯＬ２はパラレルニコルなので、９０°捻じれた偏光を透過せず、反射する。図９Ｂに示されるように、駆動電圧が低い領域では反射率が高い値を示す。駆動電圧がある程度高くなると液晶分子が立ち上がり、入射光がパラレルニコルの偏光子対を透過するようになる。透過光の増加と共に反射率が減少する。図９Ｂの駆動電圧が高い領域で反射率が一定の低い値を示すのは、反射光がなくなった状態を示す。反射率の高い領域から反射率の低い領域に移動する中間領域では、駆動電圧の増加と共に反射率が徐々に減少する領域が存在する。

即ち、図９Ａに示すミラー液晶素子３０は、図１Ｂに示したＡｇ膜等を堆積する電気化学ミラー素子と同様の機能を果たせることが判る。なお、液晶層とパラレルニコルの偏光子対を組み合わせた場合を説明したが、液晶層とクロスニコルの偏光子対を組み合わせることもできる。この場合は、電圧無印加状態で透光性、電圧印加状態で反射性の特性となる。図１Ａに示した第１の実施例の鏡部材をミラー液晶素子に置換した変形例を説明する。

図１０は、第１の実施例の変形例であり、第１の鏡部材ＭＤ１がミラー液晶素子３０で構成されている。反射型直線偏光子ＰＯＬ２の透過軸は画像表示部材ＩＤの出力側の偏光子Ｐ２の透過軸と揃えて、画像光を取込めるようにする。

図１１Ａ，１１Ｂは、電圧無印加状態と電圧印加状態のミラー液晶素子３０の機能を示す概略断面図である。図１１Ａは電圧無印加状態を示す。液晶層ＬＣに電圧を印加しない状態では、液晶層に入射した偏光が９０度捩じられ反射型偏光子ＰＯＬ２の透過軸と直交し（反射軸と平行になり）、反射型偏光子ＰＯＬ２で反射される。ミラー液晶素子３０の反射率は高い状態である。画像表示部材側から入射する光はミラー液晶素子３０の反射型偏光子ＰＯＬ２を透過し、液晶層ＬＣで偏光軸が９０度捩じられ、吸収型偏光子ＰＯＬ１で阻止される。

図１１Ｂは電圧印加状態を示す。液晶層に印加する電圧を高い値にすると、液晶分子が基板垂直方向に立ち上がり、ミラー液晶素子３０の反射率は低い状態になり、多重反射は抑制される。電圧印加状態では液晶層ＬＣの液晶分子が立ち上がり、入射偏光の偏光軸を捩じる機能は減少する。パラレルニコルを構成する偏光子対ＰＯＬ１，ＰＯＬ２を透過して両方向の入射光が透過する。

図１２は、第１の実施例の鏡部材ＭＤ１，ＭＤ２を共にミラー液晶素子に置き換えた変形例を示す。第２の鏡部材ＭＤ２のミラー液晶素子３０‘は、第１の鏡部材ＭＤ１のミラー液晶素子３０と対称的な構成とし、外側に反射型偏光子ＰＯＬ２を配置して、内側に吸収型直線偏光板ＰＯＬ１を配置することが望ましい。一対の反射型偏光子間で多重反射が生じ、同様の機能を果たす。合成反射率を変化させたときの多重反射の次数を変化が大きいため、この配置の組み合わせが、最も好ましい。

または、第２の鏡部材ＭＤ２のミラー液晶素子３０‘は、第１の鏡部材ＭＤ１のミラー液晶素子３０と同一方向の構成とし、外側にミラー液晶素子３０の反射型偏光子ＰＯＬ２、ミラー液晶素子３０‘の吸収型偏光子ＰＯＬ１を配置して、内側にミラー液晶素子３０の吸収型偏光子ＰＯＬ１、ミラー液晶素子３０‘の反射型偏光子ＰＯＬ２を配置してもよい。この場合においても合成反射率を変化させたときの多重反射の次数を変化させることができる。さらには、これらを逆方向に配置しても同様な効果が得られる。

ツイストネマチック型液晶素子について、９０°ツイストの場合を例として説明したが、ツイスト角も９０°のみに限定されるものではない。より具体的には、ツイスト角として、６０°から１２０°の範囲のツイストネマチック型液晶素子にも適用できる。

液晶分子のツイスト角を９０°から変更した場合、反射型の偏光板ＰＯＬ２の偏光軸と吸収型の偏光板ＰＯＬ１の偏光軸の間の角度も適切な角度に設定することが好ましい。このようなツイスト角、偏光軸に設定することで、良好な表示特性が広い視角範囲にわたって得られる。

なお、液晶材料で形成される液晶層ＬＣの屈折率差（複屈折）Δｎは約０．１である。液晶層ＬＣの厚み（セル厚）ｄは６．０μｍ程度である。ミラー液晶素子３０のリタデーションΔｎｄは、０．６μｍ程度である。

このようなミラー液晶素子を鏡部材とした時も、合成反射率と多重反射の次数との間には同様の関係が観察される。

以上実施例に沿って説明したが、これらの記載は制限的なものではない。例えば記載した材料、数値などは、あくまで例示であって種々変更可能である。その他種々の置換、変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

車両用着色ランプ等、表示／照明に適した光学装置。

Claims (12)

1. 対向配置され、それぞれ半透過鏡状態を取り得る、第１の鏡部材と第２の鏡部材、及び
   第１、第２の鏡部材の間、又はどちらかの外側に配置され、画像を形成、表示し得る画像表示部材、
   とを含む光学装置。
2. 前記第１の鏡部材と前記第２の鏡部材は、それぞれ半透過鏡状態を取り得る、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記画像表示部材が、バックライトと液晶表示素子とを含む、請求項２に記載の光学装置。
4. 前記画像表示部材が、前記第１の鏡部材と前記第２の鏡部材との中間に配置され、自己発光する透光性発光ダイオードを含む、請求項２に記載の光学装置。
5. 前記第１、第２の鏡部材の少なくとも一方が、Ａｇ膜を堆積、溶解することのできるセルを含む、請求項２〜４のいずれか１項に記載の光学装置。
6. 前記第１、第２の鏡部材の少なくとも一方が、液晶層と、前記液晶層を挟む偏光子の対であって、少なくとも一方が反射型偏光子である偏光子対とを含み、ミラー液晶素子を構成する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の光学装置。
7. 対向配置され、それぞれ半透過鏡状態を取り得る、第１の鏡部材と第２の鏡部材、及び第１、第２の鏡部材の間、又はどちらかの外側に配置され、画像を形成、表示し得る画像表示部材、とを含む光学装置を用い、
   前記第１、第２の鏡部材を半透過鏡状態にする工程を含む光学装置の駆動方法。
8. 前記第１の鏡部材と前記第２の鏡部材は、それぞれ半透過鏡状態を取り得る、請求項７に記載の光学装置の駆動方法。
9. 前記第１、第２の鏡部材を半透過鏡状態にする工程は、前記第１、第２の鏡部材の少なくとも一方の反射率を変化させる工程を含む請求項８に記載の光学装置の駆動方法。
10. 前記第１、第２の鏡部材を半透過鏡状態にする工程は、前記第１、第２の鏡部材の少なくとも一方を液晶層と偏光子対とを用いて形成し、透過する偏光の偏光軸を変化させる工程を含む請求項８に記載の光学装置の駆動方法。
11. 前記第１、第２の鏡部材を半透過鏡状態にする工程は、前記第１、第２の鏡部材の合成反射率を変化させて多重反射を制御する工程を含む請求項８〜１０のいずれか１項に記載の光学装置の駆動方法。
12. さらに、前記第１、第２の鏡部材を透明状態にする工程を含む請求項８〜１１のいずれか１項に記載の光学装置の駆動方法。

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