JP4228564B2 - 異方性光散乱フィルムとそれを用いた表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
光の入射角度に応じて、光散乱特性（散乱度，範囲／方向など）が変化するような異方性（入射角度選択性，出射角度指向性）を有する光散乱フィルムと、それを用いて表示画像の視域を制御（拡大）した表示装置に関する。
前記表示装置として、ＥＬ，ＰＤＰなど自己発光型の画像表示パネルを内部に有する表示装置、あるいは液晶パネルを画像表示素子として、バックライトもしくはエッジライトなどの内蔵光源を備えるＬＣＤが挙げられる。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＣＤ（液晶表示装置）では、表示画像を観察する際の視野角を確保する目的で、３次元的な屈折率分布を持つ位相差補償フィルムや、上記した異方性を持つ光散乱フィルムを、表示装置における表示画面の観察者側に配置することが行なわれている。
【０００３】
しかしながら、前述の位相差補償フィルムでは、表示画面の垂線方向に対する全方位方向の位相差を補償することはできず、上下左右と斜めの全８方向のうち、７方向までの位相差を補償するに限られている。
【０００４】
このため、パーソナルコンピュータのモニター画面などに用いられている液晶表示装置では、下方向からの観察時に、表示画像の輝度の低下やソラリゼーション（白黒反転）が生じるという問題点がある。
【０００５】
また、異方性を持つ前述の光散乱フィルムでは、製造工程で定義される１方向からの入射光のみを散乱させることしかできない。
すなわち、例えば特開平３−５４５０３号公報に示される方法では、異方性を持たせるために、以下の製造工程を採用している。
【０００６】
光重合性組成物のフィルム及び該フィルムの表面に沿って配置された所定の光不透過性パターンを備えた光透過体からなるアセンブリーを準備する。
上記アセンブリーを、該フィルムの面方向に連続的に移動せしめつつ、
上記アセンブリーに対し、上記光透過体の存在する側から限定的角度で光を照射して該フィルムの光重合性組成物の少なくとも一部を重合せしめる。
ここで、上記の限定的角度で照射する光は上記アセンブリーの移動方向を横切る方向に長軸が位置するように配置された第１の線状光源から発せられるものである。
【０００７】
ここで言う光重合性組成物を重合する「限定的角度」が、光散乱の生じる入射角度選択性を決定する角度である。
１方向からのみならず多方向からの入射光を散乱させるためには、既存の光散乱フィルムを多数枚（全方向の場合は、８枚）重ね合わせるなどして用いることになる。
【０００８】
また、上記の位相差補償フィルム（７方向）と上記の光散乱フィルム（１方向）とを重ね合わせて、前者の入射角度選択可能な方向を補うことも考えられるが、
フィルム全体として、厚さ・部材数・コストの上昇を招き、内部での減衰による光線の透過率は低下させることになり、表示画像の視域を広げる課題以外の大きな問題となる。
【０００９】
このように、前述の光学フィルム（視野角制御フィルム）では、表示画像の全方向への視域拡大の上で十分な機能は発揮されていないのが現状である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、厚さ・部材数・コストの上昇を招くことなく、表示画面の垂線方向に対する全方位方向（８方向）からの入射光について光散乱を生じ、その光散乱特性（散乱度，範囲／方向など）も制御可能な光散乱フィルムとそれを搭載した表示装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の異方性光散乱フィルムは、
フィルムもしくはシート状の感光材料の内部で、屈折率の異なる部分が分散することにより屈折率の高低が分布しており、入射する光が、前記分布に応じて、光散乱の生じる入射角度やその光散乱の範囲／方向が規定される異方性光散乱フィルムにおいて、
異方性光散乱フィルムは、フィルム主面に対して、ほぼファイバー形状をなす屈折率の異なる部分が方向を揃えて延びるように分布した断面を有し、
前記方向に沿って、異方性光散乱フィルムの入射面から出射面に至る光路長と、屈折率の異なる部分の間の屈折率差との積が、概ね可視波長の整数倍に等しく設計されていることにより、
異方性光散乱フィルム主面に対して、限定された範囲の角度での入射光についてのみ光散乱を生じずに透過し、それ以外の角度での入射光については光散乱を生じて出射するような入射角度選択性を持つことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の異方性光散乱フィルムは、
フィルム主面では、屈折率の異なる部分が、短軸および長軸を持つ偏平形状で、それぞれサイズは不規則に、短軸および長軸の方向をほぼ揃えて分布した構成であることを特徴とする請求項１記載の異方性光散乱フィルムである。
【００１３】
請求項３の異方性光散乱フィルムは、
ほぼファイバー形状をなす屈折率の異なる部分が方向を揃えて延びるように分布する角度が、フィルム主面に対してほぼ垂直であることを特徴とする請求項１または２に記載の異方性光散乱フィルムである。
【００１４】
上記の異方性光散乱フィルムを搭載した表示装置に係る請求項４は、
上記の何れかに記載の異方性光散乱フィルムを、自己発光型の画像表示パネルを内部に有する表示装置、あるいは液晶パネルを画像表示素子として、バックライトもしくはエッジライトなどの内蔵光源を備える表示装置における表示画面の観察者側に配置してなることを特徴とする。
【００１５】
異方性を持たない（等方性の）光散乱体として、すりガラスに代表されるような、光散乱微粒子を分散したり、表面に光散乱を生じせしめる微細な凹凸を形成してなる構成の光散乱シート（もしくは、フィルム）が公知であるが、本発明による異方性光散乱フィルムのように、方向毎に光散乱特性を制御したり、限定的角度での入射光については光散乱を生じずに（単なる透明フィルムとして）透過させるような機能は、等方性光散乱体には持ちえない。
【００１６】
本発明による異方性光散乱フィルムを搭載した表示装置は、請求項３の場合では、表示画面に対して垂直に出射する表示光は、単なる透明フィルムを通過するように作用するため、表示画像を正面から観察した際には、輝度およびコントラストが高く保たれて視覚される。正面以外のどの方向から観察した際にも、一定以上の輝度およびコントラストが保たれた状態で、表示画像を視覚可能であり、既存の視野角制御フィルムよりも良好に視域を広げることが可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の異方性光散乱フィルム１の一実施形態を示す説明図であり、図１（ａ）がフィルム主面を示す平面図であり、図１（ｂ）は平面図中に示したＡ−Ｂ間で切断した場合の断面図，図１（ｃ）は平面図中に示したＣ−Ｄ間で切断した場合の断面図である。
【００１８】
同図では、屈折率の高低部を模式的に黒／白で表現しているが、実際には透明である。
図１（ａ）に示されるように、フィルム主面に露出する屈折率の異なる部分は不規則な形状であるが、それらは短軸および長軸を持つ偏平形状で、それぞれサイズは不規則に、短軸および長軸の方向をほぼ揃えて（同図では、横長に）分布した構成である。
【００１９】
図１（ｂ）（ｃ）に示されるように、フィルム断面では、フィルム主面に対して、ほぼファイバー形状をなす屈折率の異なる部分が方向を揃えて延びるように（同図では、垂直に）分布している。
図１の場合には、屈折率の異なる部分が、フィルム主面に対して垂直に方向を揃えて延びるように分布しているため、フィルムのあらゆる断面で、屈折率の異なる部分が方向を揃えて延びていることが分かるが、垂直以外の場合には、屈折率の異なる部分が延びる特定方向に沿って切断した断面でのみ、屈折率の異なる部分が方向を揃えることが把握される。
【００２０】
図１において、白で示した部分は屈折率ｎ１であり、黒で示した部分は屈折率ｎ２であると、その屈折率差Δｎ＝｜ｎ１−ｎ２｜に応じた光路間の位相差に伴って回折現象が発生し、入射光が拡散して伝播することは公知である。
【００２１】
出射角度指向性である拡散する範囲は、図１（ａ）における白黒（屈折率の高低）パターンの細かさによって決まり、数学的には同図の２次元フーリエ変換によって決定される。パターンは細かいほど、広い範囲に拡散する。
【００２２】
拡散する度合い（ヘイズ）は、前記屈折率差Δｎとフィルム内を通過する近接する２光路の光路長Ｌとによって決まり、ΔｎとＬの積が、入射光の半波長の奇数倍となる場合に、屈折率ｎ１の部分を透過する光と屈折率ｎ２の部分を透過する光とが打ち消し合うように干渉し、最もヘイズが高くなる。
【００２３】
逆に、Δｎ×Ｌが、入射光の波長の整数倍（半波長の偶数倍）となる場合に、屈折率ｎ１の部分を透過する光と屈折率ｎ２の部分を透過する光とが強め合うように干渉し、最もヘイズが低くなり、入射光は拡散することなく透過する。
【００２４】
本発明による異方性光散乱フィルムでは、図１（ａ）における白黒パターンの細かさに関しては、適用する応用分野・機器に応じて任意に変更可能とし、一方で、前記Δｎ×Ｌを、可視光波長の整数倍の範囲とする。前記Δｎ×Ｌの実用的な範囲は、等倍の４００ｎｍから６００ｎｍである。
【００２５】
図１の場合、フィルム主面に垂直に（フィルム法線に沿って）入射する光に対するΔｎ×Ｌの値を、可視光波長の等倍とすることで、上記の説明のように、ヘイズを最も低くして、透明フィルムとして機能するものとしている。
【００２６】
垂直方向から一定の範囲を外して入射する光（例えば、フィルムに斜めに入射する光）は、フィルム中を通過する際の光路長が長くなるため、自ずとΔｎ×Ｌの値が大きくなり、上記「可視光波長の等倍」の値からは外れ、ヘイズが上がるため、入射光が散乱する度合いが強くなる。
また、垂直方向から一定の範囲を外して入射する光のうちの近接する２光路は、それぞれ一定の屈折率の媒体内のみを通過するわけではなく、フィルム内で種々の屈折率の部分を、微視的な反射，屈折を受けながら通過するため、透明フィルム中の通過とは異なる結果（何らかの散乱が生じる）となる。
散乱が生じる度合いは、フィルム内で屈折率の異なる部分の、周囲との屈折率差や、そのサイズや形状にも影響される。
【００２７】
このように、図１の場合、フィルム主面に垂直に入射する光（矢印２の光）に対しては、単なる透明フィルムとして機能し、入射光は散乱されずに出射する。
一方、フィルムに斜めに入射する光（矢印３の光）に対しては、光散乱が生じ、入射光を所望の範囲に広げて出射することになる。
【００２８】
図２は、本発明による異方性光散乱フィルムを液晶表示装置に適用した場合について、要部を概念的に示す説明図である。
液晶パネル４と、その背面（非観察者側）に配置されたバックライト光源５と、液晶パネル４の前面（観察者側）に配置された異方性光散乱フィルム１とで構成されている。
同図では、説明の便宜上、異方性光散乱フィルム１，液晶パネル４，バックライト光源５をそれぞれ離間させて図示しているが、実際には積層される。
また同図では、必要最小限な構成要件のみを図示しているが、偏光板や位相差板，その他の光学フィルムも採用される場合もあるが、ここでは説明を省略する。
【００２９】
液晶パネル４は、印加電圧に応じて入射光を変調し、白／黒（透過／非透過）の切り替え表示を行なう一般的なタイプが用いられるが、それに限られるものではない。
また、カラー表示のため、カラーフィルターが用いられる場合も多いが、ここでは説明を省略する。
【００３０】
同図に示すように、バックライト光源５から液晶パネル４をほぼ垂直に通過してきた表示光は、異方性光散乱フィルム１で光散乱を生じることなく、そのまま透過するため、表示装置の正面から観察した際に、異方性光散乱フィルム１が無い場合と同等の明るさ・コントラストで画像を視覚することができる。
【００３１】
一方、バックライト光源５から液晶パネル４を斜めに通過してきた表示光（一例を矢印７で示す）は、異方性光散乱フィルム１で光散乱を生じるため、矢印７の入射角度よりも広い方向に渡る範囲に表示光を出射させることができ、視野角が広がることになる。
【００３２】
以下、本発明の異方性光散乱フィルムの作製方法について説明する。
上記した既存の異方性光散乱フィルムと同様に、本発明でも光学的な露光手段により異方性光散乱フィルムが作製できる。
【００３３】
図３は、図１に示す構造の異方性光散乱フィルム１を、マスクパターンの露光記録により作製するための光学系の一例を示す説明図である。
ＵＶ光源８からの紫外光（平行光）９により、マスク10を通して、マスクと密着配置された感光材料13を照射することにより、異方性光散乱フィルムが得られる。
【００３４】
マスク10の一例としては、ガラス基板11上の金属クロム層12に、異方性光散乱フィルム１の主面に露出する屈折率の異なる部分の配列パターン（短軸および長軸を持つ偏平形状で、それぞれサイズは不規則に、短軸および長軸の方向をほぼ揃えて分布したパターン）に対応した開口パターンが形成される。
開口パターンは、計算機での乱数計算から作製した白黒パターンデータを、フォトリソグラフィ手法により、金属クロム層12にエッチング加工するなどして得られる。
【００３５】
露光条件として、図３の場合は、紫外光（平行光）９とマスク10（および感光材料13）が垂直に配置されているため、開口パターンの露光記録は、感光材料13の厚さ方向と平行（主面とは垂直）になされることになる。
【００３６】
ここで使用される感光材料13は、紫外光での露光記録後、露光部と非露光部の重合度合いの相違に基づく屈折率差の形態で、異方性光散乱フィルム１を構成できる材料であり、記録しようとする濃淡模様（屈折率の異なる部分の配列）よりも高い解像力を持ち、厚さ方向にも記録が可能な必要がある。
【００３７】
このような感光材料13として、体積型ホログラム用感光材料が利用可能であり、アグファ社製ホログラム用銀塩感光材料８Ｅ５６乾板，デュポン社製ホログラム用感光材料ＨＲＦフィルムあるいは重クロム酸ゼラチン，ポラロイド社製ホログラム用感光材料ＤＭＰ−１２８記録材料などが使用可能である。
【００３８】
選択する感光材料の特性（厚さ，重合度合いの相違に基づく屈折率差など）を考慮した上で、上記したような異方性を実現するための条件（Δｎ×Ｌ）を満足するように、露光条件（照射強度，照射時間など）を適切に設定する必要がある。
【００３９】
以上の説明は、あくまで本発明の一形態であり、作製方法は他の手法によっても実現可能である。
また、作製される異方性光散乱フィルムについても、主旨を逸脱しない限りにおいては、本発明に包含される。
【００４０】
【発明の効果】
厚さ・部材数・コストの上昇を招くことなく、表示画面の垂線方向に対する全方位方向（８方向）からの入射光について光散乱を生じ、その光散乱特性（散乱度，範囲／方向など）も制御可能な光散乱フィルムが提供され、表示装置に適用した場合に、視野角制御の上で優位性を持つ。
【００４１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の異方性光散乱フィルム１の一実施形態を示す説明図であり、図１（ａ）がフィルム主面を示す平面図，図１（ｂ）は平面図中に示したＡ−Ｂ間で切断した場合の断面図，図１（ｃ）は平面図中に示したＣ−Ｄ間で切断した場合の断面図。
【図２】本発明による異方性光散乱フィルムを液晶表示装置に適用した場合について、要部を概念的に示す説明図。
【図３】図１に示す構造の異方性光散乱フィルム１を、マスクパターンの露光記録により作製するための光学系の一例を示す説明図。
【符号の説明】
１…異方性光散乱フィルム
２，３…入射光
４…液晶パネル
５…バックライト光源

Claims (4)

1. フィルムもしくはシート状の感光材料の内部で、屈折率の異なる部分が分散することにより屈折率の高低が分布しており、入射する光が、前記分布に応じて、光散乱の生じる入射角度やその光散乱の範囲／方向が規定される異方性光散乱フィルムにおいて、
   異方性光散乱フィルムは、フィルム主面に対して、ほぼファイバー形状をなす屈折率の異なる部分が方向を揃えて延びるように分布した断面を有し、
   前記方向に沿って、異方性光散乱フィルムの入射面から出射面に至る光路長と、屈折率の異なる部分の間の屈折率差との積が、概ね可視波長（４００ｎｍ〜６００ｎｍ）の整数倍に等しく設計されていることにより、
   異方性光散乱フィルム主面に対して、垂直方向での入射光についてのみ光散乱を生じずに透過し、前記異方性光散乱フィルム主面に対する全方位方向（８方向）での入射光については光散乱を生じて出射するような入射角度選択性を持つことを特徴とする異方性光散乱フィルム。
2. フィルム主面では、屈折率の異なる部分が、短軸および長軸を持つ偏平形状で、それぞれサイズは不規則に、短軸および長軸の方向をほぼ揃えて分布した構成であることを特徴とする請求項１記載の異方性光散乱フィルム。
3. ほぼファイバー形状をなす屈折率の異なる部分が方向を揃えて延びるように分布する角度が、フィルム主面に対してほぼ垂直であることを特徴とする請求項１または２に記載の異方性光散乱フィルム。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の異方性光散乱フィルムを、自己発光型の画像表示パネルを内部に有する表示装置、あるいは液晶パネルを画像表示素子として、バックライトもしくはエッジライトなどの内蔵光源を備える表示装置における表示画面の観察者側に配置してなることを特徴とする表示装置。

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