JP4742792B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光の入射角に応じて入射光の透過率を制御可能な光制御板および表示装置に関する。

液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）は、ブラウン管（ＣＲＴ：Cathode Ray Tube）と比較して低消費電力かつ小型化、薄型化が可能であり、現在では携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）等の小型機器から大型サイズの液晶テレビに至るまで幅広く使用されている。

液晶表示装置は透過型、反射型等に分類される。透過型液晶表示装置は、液晶層を一対の透明基板で挟んだ液晶セルと、この液晶セルの光入射側および光出射側にそれぞれ配置された偏光板のほか、照明光源としてバックライトユニットを備えている。なお、バックライトユニットは、光源を液晶セルの直下に配置する直下型のほか、導光板を用いたエッジライト型がある。

一方、反射型液晶表示装置は、光源に自然光を利用しており、バックライトを必要としないことから、透過型液晶表示装置に比べて薄型化でき、携帯性、低消費電力性に優れている。従来より、この反射型液晶表示装置は、液晶セルの背面側に、入射した外光を反射する反射板を備えている（例えば下記特許文献１参照）。

しかしながら、従来の反射型液晶表示装置においては、偏光板を液晶セルの正面側に設置する必要があるので、偏光板による光の吸収作用で光の利用効率が低くなる結果、十分な表示輝度およびコントラストが得られていないのが現状である。

これに対して近年、光の散乱を制御して明暗の表示を行う高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ：Polymer Dispersed Liquid Crystal）や高分子ネットワーク液晶（ＰＮＬＣ：Polymer Network Liquid Crystal）等の液晶層を用いた反射型液晶表示装置が提案されている（例えば下記特許文献２参照）。

ＰＤＬＣおよびＰＮＬＣはいずれも、図１９に模式的に示すように、内面に透明電極５ａ，５ｂを有する一対の透明基板６ａ，６ｂ間に、高分子フィルム７中の分散した空隙内に液晶の液滴８を充填させた材料層を挟み込んだセル構造を有している。液晶の液滴８のドメインは屈折率の異方性を有し、分子長軸方向に偏光した光に対してｎ_// 、長軸に垂直方向の偏光に偏光に対してｎ_⊥の屈折率を示す。この液晶を含む高分子フィルム７の屈折率ｎ_Fの値をｎ_F＝ｎ_⊥になるように選んでおく。

上下の基板６ａ，６ｂ間に電場を加えないときには、液晶の液滴８の配向は図１９Ａに示すようにランダムであり、図１９Ａ下方に示す液滴８の屈折率楕円体８Ｐは高分子フィルム７の屈折率楕円体７Ｐに対してさまざまな向きにその光学主軸を向けて傾いている。従って、高分子フィルム７と液晶の液滴８との屈折率は一致していないので、この複合媒質に正面の基板６ａ側から入射する外光は散乱され、観察者の目には白濁した表示状態として観察される。

一方、上下の基板６ａ，６ｂ間に電場を与えると、液晶の液滴８の配向は図１９Ｂに示すように電場方向に揃い、これに伴ってその屈折率楕円体８Ｐの主軸も基板６ａ，６ｂに垂直方向に揃う。このとき、正面の基板６ａ側から入射する外光は、液晶の屈折率としてｎ_⊥を感じる。先に述べたように、ｎ_F＝ｎ_⊥に設計されているので、この光に対して高分子フィルム７と液晶の液滴８の複合材料は均一な屈折率をもつ媒質であって、光が散乱されることはない。すなわち、この材料は透明な状態にある。従って、反射型液晶表示装置として用いる場合には、基板６ｂ側の裏面に黒色層９を設けることにより、黒色表示状態を実現できる。

ＰＤＬＣ等の透過（透明）および散乱（白濁）状態を可逆的にとり得る液晶層を用いた反射型液晶表示装置においては、偏光板を用いることなく、表示輝度の高い視認性に優れた反射型の表示装置を実現できるという利点がある。

なお、他の従来の反射型液晶表示装置としては、液晶セルの背面側に、入射光を異なる出射角で反射させる光学シートを設置した構成が提案されている（例えば下記特許文献３参照）。この光学シートは断面が不等辺三角形のプリズム構造面を有しており、入射光をプリズム内で反射させて入射方向と異なる方向へ出射させる機能を有している。

特開平１１−３０５２１９号公報 特開平１０−２８２４８６号公報 特開２０００−３９５０７号公報

近年、反射型液晶表示装置においては、画面輝度およびコントラストの向上が更に求められている。しかしながら、上記特許文献１，２に記載された反射型液晶表示装置においては、反射型表示として、反射率（白さ）とコントラスト（白／黒比）を同時に改善することが困難であるという問題がある。単純に裏面に反射板を配置することで白表示の明るさを向上させることはできるものの、黒表示も明るい方向に変化してコントラストの低下につながるからである。また、図１９を参照して説明した透過／散乱状態をとる液晶層を用いた反射型液晶液晶表示装置においては、反射板を配置すると黒表示ができなくなる。

また、上記特許文献３に記載の液晶表示装置においても同様に、光学シートの設置により光の反射効率が高められ白表示の明るさは向上するものの、黒表示の明るさも高まってしまいコントラストの向上が図れなくなる。なお、この特許文献３に記載の液晶表示装置は、外光の表面反射によるコントラストの低下を抑制するためのものであり、本発明とは本質的かつ機能的に異なるものである。

従って、上記プリズムシート等の光制御板を用いて反射型液晶表示装置の画面輝度とコントラストの向上を図るためには、つねに光を反射させるだけでなく、一定の場合（黒表示を得たい場合）に光を透過する性質をもつ光制御板を用いることが必要である。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、入射光の反射効率を高めながら、一定の場合に光を透過する機能を備えた光制御板を提供することを課題とする。

また、本発明は、画面輝度およびコントラストの向上を同時に実現することができる表示装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明の光制御板は、透光性の基材表面に凹凸部が形成され、この凹凸部は、基材表面の法線方向からの入射光に対しては主として透過特性を示し、上記法線方向から一定の角度以上離れた斜め方向からの入射光に対しては反射特性を示す。

この構成により、光制御板に入射する光の入射角に依存した光の透過特性あるいは反射特性を制御することが可能となり、例えば反射型液晶表示装置に組み込んで使用した場合に、液晶セルが白濁状態（白表示）のときの反射率を高められるとともに、液晶セルが透明状態のときの適切な黒表示を実現できコントラストの向上を図ることができる。

光制御機能を果たす凹凸部は、基材表面の法線方向に対して所定角度傾斜する少なくとも一対の傾斜面と、凹凸部の頂部または底部に位置し基材表面と概ね平行な平坦面とを有し、平坦面は、傾斜面において全反射された入射光の当該平坦面に対する入射角に応じて、当該入射光を透過させ又は全反射させるように構成される。

具体的に、基材表面の法線方向に対する傾斜面の傾斜角度をα、平坦面における全反射臨界角をθｃ、基材表面に対する入射角をδとしたときに、入射角δが、δ＞θｃ−２αの場合に前記平坦面において前記入射光を全反射させる。

平坦面の形成幅（一対の傾斜面によって挟まれる平坦面の幅寸法）の大きさは、斜めに入射する光について当該平坦面で全反射される光と全反射されない光との割合を定める上で重要な設計要素となる。このため、平坦面の形成幅Ｗは、基材表面の法線方向に対する傾斜面の傾斜角度をα、平坦面における全反射臨界角をθｃ、凹凸部の深さをｄとしたときに、０．３×ｄ（ｔａｎθｃ−ｔａｎα）≦Ｗ≦３×ｄ（ｔａｎ３α−ｔａｎα）の関係を満足させるのが好ましい。

一方、光制御機能を果たす凹凸部の他の構成として、基材の一方の面にレンズ形状に形成された集光部からなり、基材の他方の面には、集光部の焦点位置が開口された反射膜が設けられている。また、この場合、基材の他方の面に、上記反射膜の開口部を焦点位置とする他のレンズ形状の集光部が設けられていてもよい。

以上述べたように、本発明の光制御板によれば、光の入射角に依存した光の透過特性あるいは反射特性を制御することが可能となる。また、本発明の光制御板を例えば反射型液晶表示装置に組み込んで使用した場合に、液晶セルが白濁状態（白表示）のときの反射率を高められるとともに、液晶セルが透明状態のときの適切な黒表示を実現できコントラストの向上を図ることができる。

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態による光制御板１０の概略構成を示す斜視図である。本実施の形態の光制御板１０は、透光性の基材１１と、基材１１の表面（図１では下面）に形成された凹凸部１２とを備えている。

基材１１は、プラスチックやガラス等の透明な材料で構成され、特に本実施の形態では基材１１は屈折率約１．５のＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）フィルムで構成されている。図１の例では、凹凸部１２は基材１１の下面に形成されており、光は基材１１の上面側から下面側に向かって（＋Ｚ方向から−Ｚ方向に向かって）入射する。基材１１の下面は、基材１１よりも屈折率の低い空気層（屈折率１）に接している。凹凸部１２は、基材１１の下面全域に形成されている。

凹凸部１２は、Ｙ方向に延在する断面逆台形状の凸部１３がＸ方向に複数配列されてなる。隣接する凸部１３の間は、Ｖ字溝状の凹部１４となっている。各々の凸部１３は互いに同様な形状を有しており、基材表面（例えば上面）と概ね平行な平坦面１３ａと、基材表面の法線方向に対して所定角度α（以下ではたとえば、α＝１８°であるとして説明する）だけ傾斜する一対の傾斜面１３ｂ，１３ｃとを有している。平坦面１３ａは凸部１３の頂部を形成し、傾斜面１３ｂ，１３ｃは凸部１３の両側面を形成している。なお、図示の例では凹凸部１２の大きさをやや誇張して示しているが、実際は図示の例よりも微細に形成されている。

凹凸部１２は、基材１１の上面側から入射し基材１１を透過してきた光を、その入射方向に応じて基板１１の下面側に透過させ又は上面側に反射させる機能を有している。以下、図２を参照して、凹凸部１２の詳細構成と光学的作用について説明する。

図２Ａ〜Ｄは、ひとつの凸部１３の断面を示しており、凸部１３へ入射する光の入射角δと、斜面ＡＢ（傾斜面１３ｂに相当）及び斜面ＣＤ（傾斜面１３ｃに相当）の傾斜角αと、底面ＢＣ（平坦面１３ａに相当）への入射角θｉとの関係を示している。図において界面ＡＢＣＤの上方が高屈折率媒質（基材層）、下方が低屈折率媒質（空気層）である。ここでは、高屈折率媒質の屈折率をｎＨ（＝１．５）、低屈折率媒質の屈折率をｎＬ（＝１）として説明する。

高屈折率媒質側から低屈折率媒質に入射する光に対する全反射臨界角θｃの大きさは、ｓｉｎθｃ＝ｎＬ／ｎＨで与えられる。ここでの各々の屈折率の組合せに対しては、θｃ＝４１．８°であり、これより大きな入射角では全反射が生じる。

底面ＢＣに垂直に入射する光に対して、パワー反射率Ｒは、
Ｒ＝｛（ｎＨ−ｎＬ）／（ｎＨ＋ｎＬ）｝²
＝｛（１．５−１）／（１．５＋１）｝²
＝１／２５
であり、透過率Ｔは、
Ｔ＝１−Ｒ＝２４／２５
である。従って、光のパワーは高い割合で底面ＢＣを透過する。

同じく底面ＢＣに垂直方向の光線が斜面ＡＢに入射した場合、その入射角は９０°−α＝７２°であり、全反射臨界角よりはるかに大きく、反射した光線は底面ＢＣに向かう。この反射光の底面ＢＣに対する入射角θｉ（図２Ａ）は、θｉ＝２α＝３６°であり、全反射臨界角θｃよりも小さいので、光のパワーのかなりの部分は底面ＢＣを透過する。斜面ＣＤに入射する光線についても同様である。

従って、上方から界面ＡＢＣＤの内部に向かって底面ＢＣに垂直方向に入射する光束のパワーの大半は、底面ＢＣを通って界面の下方を透過する。すなわち、この界面構造は、垂直入射光に対して高い透過率をもっている。

次に図２Ｂに示すように、光が底面ＢＣへの垂直入射より斜面ＡＢ側に数度傾いた角度δ（＞０）の方向から入射した場合を考える。底面ＢＣに直接入射した光パワーの大半は透過する。また、斜面ＡＢに入射した光は全反射された後に底面ＢＣに入射するが、このときの入射角は、θｉ＝２α−δで、全反射臨界角θｃより小さいから、やはりかなりの割合でパワーが透過する。

一方、図２Ｃに示すように、斜面ＣＤに入射した光は、これも全反射されて底面ＢＣに向かう。斜面ＣＤで反射した光の底面ＢＣへの入射角は、θｉ＝２α＋δであり、全反射臨界角θｃを超える可能性がある。θｉ＝２α＋δ＞θｃ＝４１．８°となるのは、δ＞４１．８°−３６°＝５．８°の場合で、垂直入射から５．８°以上傾いた光は底面ＢＣでも全反射される。底面ＢＣで全反射された光は、さらに斜面ＡＢで全反射されて、界面ＡＢＣＤの上方に戻される。従って、垂直入射から５．８°以上傾いて斜面ＣＤに入射した光は、界面ＡＢＣＤを透過することはない。

垂直入射からδ＞５．８°だけ傾いて界面ＡＢＣＤ内部に向けて入射する幅広い平行光束を考えると、図２Ｄに示すように、線分ＡＰを横切る光束のパワーは大半透過するが、線分ＰＤ部分を横切る光束のパワーはすべて全反射で戻されることになる。すなわち、入射角の傾きδが臨界的な大きさδｃ＝θｃ−２αを超えたとたんに、およそ３分の１ほどものパワーが反射されるようになる。

以上説明したように、凸部１３を構成する界面構造ＡＢＣＤは、垂直入射光に対しては高い透過率をもつが、ある閾値角度δｃを超えて傾いた斜め入射光に対しては明瞭な反射率をもつ光制御機能を示すことになる。

次に、凸部１３を構成する界面構造ＡＢＣＤの各面の詳細について説明する。

界面の両側の媒質の屈折率ｎＨとｎＬによって、全反射臨界角θｃ＝ｓｉｎ^-1（ｎＬ／ｎＨ）が決まる。そして、全反射臨界角θｃと、透過率を高く保ちたい入射角の臨界的な傾き角δｃとによって、斜面ＡＢおよび斜面ＣＤの傾斜角αが、α＝（θｃ−δｃ）／２によって定められる。

また、界面の凹角構造ＡＢＣＤの深さをｄとするとき、斜面ＡＢおよび斜面ＣＤの長さＬは、Ｌ＝ｄ／ｃｏｓαである。

一方、底面ＢＣの長さＷは、図３Ａに示すように、
Ｗ≧ｄ｛ｔａｎ（２α＋δｃ）−ｔａｎα｝＝ｄ（ｔａｎθｃ−ｔａｎα）
ならば、傾きδ≦δｃで界面ＡＢＣＤに入射する光束のすべてが底面ＢＣを透過する。
また、傾きδがδｃより大きく、かつ斜面ＡＢと平行になるまでのδｃ＜δ＜αの傾きで入射する光束のすべてが底面ＢＣで全反射を受けるためには、図３Ｂに示すように、
Ｗ≧ｄ（ｔａｎ３α−ｔａｎα）
である必要がある。

以上のように、底面ＢＣの長さが大きいほど、傾いた入射光を全反射する作用は完全に達成されるものの、その反面、図２Ｄに示した「全反射を受ける光束ＰＤ／全反射を受けない光束ＡＰ」の比が小さくなってしまう。従って、底面ＢＣの長さＷは、
ｄ（ｔａｎθｃ−ｔａｎα）≦Ｗ≦ｄ（ｔａｎ３α−ｔａｎα）
の範囲に選ぶことが望ましい。

また、制御の対象とする入射光の角度分布と期待する制御の効果如何によってはこの範囲を広げ、
０．３×ｄ（ｔａｎθｃ−ｔａｎα）≦Ｗ≦３×ｄ（ｔａｎ３α−ｔａｎα）
の範囲で用いることも可能である。

続いて、凸部１３を構成する界面構造ＡＢＣＤの大きさについて説明する。

光制御板１０による光制御作用は、光線の鏡面反射に基づいているので、回折が大きな寄与を持たないような寸法領域を利用するのが望ましい。可視光に対する利用では、凸部１３の深さｄは５μｍ以上が適当である。

また、この光制御板１０が均一光沢面として視認されるためには、凸部１３の大きさ（ＡＤの長さ）は小さいことが望ましい。用途にもよるが、観察者から見込むＡＤ長の視角は１分以下が望ましく、２０秒以下が更に望ましい。また、マトリクス型の表示パネルに組み合わせて用いる場合には、ＡＤの長さ寸法は画素サイズよりも小さくすることが望ましい。

以上のような構成の凹凸部１２を有する本実施の形態の光制御板１０においては、基材表面の法線方向からの入射光（垂直入射光）に対しては主として透過特性を示し、上記法線方向から一定の角度（δｃ＝θｃ−２α）以上離れた斜め方向からの入射光に対しては、透過特性だけでなく反射特性も得ることができる。これにより、光制御板１０に入射する光の入射角に依存した光の透過特性あるいは反射特性を制御することが可能となる。

なお、加工上の便宜（例えば金型からの離型性）などのために、ひとつの凸部１３と隣接する他の凸部１３との間に、Ｖ字溝形状の凹部１４に代えて、図４に示すような間隔Ｓ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）を形成する平坦な底部１５ａを有する凹部１５を形成してもよい。凹部１５の底部１５ａへの入射光は制御作用を受けないので、光制御板全体の作用を大きく損なわないためには、例えば、Ｓ＜ｄ／２程度の大きさに抑えることが望ましい。

また、均一な周期構造は、特定方向への光の回折や、付近に位置する別の周期構造（例えば表示パネルのマトリクス配線等）との間でモアレを生じさせる。これを防ぐために、図４に示したように、凸部１３の平坦面１３ａの形成幅をＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４と変えたり、凹部１５の底部１５ａの形成幅をＳ１，Ｓ２，Ｓ３と変える等して、凸部１３の周期性を崩すことが望ましい。

具体的には、隣接する凸部１３の中心間の距離を凸部１３の周期λとし、光制御板上のすべての凸部１３に関するλの頻度分布図において、最大ピークの半値全幅内に含まれる標本点が全体の９０％以下、更に好ましくは７０％以下であることが望ましい。

以上のように構成される本実施の形態の光制御板１０は、一種類の材料だけを用いて作製でき、熱可塑性樹脂の溶融成形やプレス成形、射出成形のほか、紫外線硬化型樹脂等の光硬化性樹脂によって製造できる点で生産性が高い。また、可撓性基板やプラスチックフィルム上への形成にも適している。

さらに、ロール方式により長尺の光制御板を連続的に製造することも可能である。この場合、図５に示すように、基材１１の上面であって、凹凸部１２の凹部１４と対向する部位にＹ方向に延在する切欠き１６を形成することで、成形したシート状の光制御板の可撓性を高めて巻き取り作業性を向上させることができる。切欠き１６は図示する四角形状に限らず、円形等であってもよい。

また、図５に示す構成の光制御板１０は、ロール成形の際にシートを挟圧する一対のロールのうち、一方のロールの周面には凹凸部１２の転写形状を形成し、他方のロールの周面には切欠き１６の転写形状を形成することで、容易に作製することができる。

（第２の実施の形態）
図６は本発明の第２の実施の形態による光制御板２０の概略構成を示す斜視図である。本実施の形態の光制御板２０は、透光性の基材２１と、基材２１の表面（図６では上面）に形成された凹凸部２２とを備えている。

基材２１は、上述の第１の実施の形態における基材１１と同様に、プラスチックやガラス等の透明な材料で構成され、特に本実施の形態では基材２１は屈折率約１．５のＰＭＭＡフィルムで構成されている。図６の例では、凹凸部２２は基材２１の上面に形成されており、光は基材２１の上面側から下面側に向かって（＋Ｚ方向から−Ｚ方向に向かって）入射する。基材２１の上面は、基材２１よりも屈折率の高い例えば液晶層（例えば屈折率１．７）に接している。凹凸部２２は、基材２１の上面全域に形成されている。

凹凸部２２は、Ｙ方向に延在する断面逆台形状の凹部２３がＸ方向に複数配列されてなる。隣接する凹部２３の間は、断面三角形状の凸部２４となっている。各々の凹部２３は互いに同様な形状を有しており、基材表面（例えば下面）と概ね平行な平坦面２３ａと、基材表面の法線方向に対して所定角度傾斜する一対の傾斜面２３ｂ，２３ｃとを有している。平坦面２３ａは凹部２３の底部を形成し、傾斜面２３ｂ，２３ｃは凹部２３の両側面を形成している。なお、図示の例では凹凸部２２の大きさをやや誇張して示しているが、実際は図示の例よりも微細に形成されている。

凹部２３平坦面２３ａおよび一対の傾斜面２３ｂ，２３ｃは、図２を参照して説明した上述の第１の実施の形態における凸部１３の平坦面１３ａおよび一対の傾斜面１３ｂ，１３ｃと同様な光学的機能が得られるように構成されており、ここでは重複した詳細説明は省略する。なお、図２に示した界面ＡＢＣＤにおいて、斜面ＡＢは傾斜面２３ｂに相当し、底面ＢＣは平坦面２３ａに相当する。そして、斜面ＣＤは傾斜面２３ｃに相当する。界面ＡＢＣＤの上方は高屈折率媒質（液晶層）であり、下方側は低屈折率媒質（基材層）である。

本実施の形態においても、上述の第１の実施の形態と同様に、基材表面に対して垂直方向に入射する光に対しては高い透過率特性を示し、ある閾値角度を超えて傾いた斜め入射光に対しては明瞭な反射率特性を示す光制御機能を得ることができる。

上述したように、光制御板に接触する相手側媒質の屈折率の大きさを基準として凹凸部の構成を変更するのみで、同様な光学的作用効果を得ることができる。すなわち、光制御板（基材）の構成材料および基材表面に接する媒質のうち、屈折率が低い側に凸なる形状の界面構造ＡＢＣＤ（図２参照）を設けることで、本発明の目的とする光制御が可能となる。

（第３の実施の形態）
図７〜図１０は本発明の第３の実施の形態による光制御板の構成を示している。

上述の第１，第２の実施の形態では、光制御板の凹凸部１２，２２をそれぞれ一次元的に構成した例を説明したが、本実施の形態では、これらの凹凸部を透光性の基材表面（上面または下面）に二次元的に配列することで、ＸＺ面内の入射光だけでなく、ＹＺ面内の入射光に対しても光制御作用をもたせることが可能となる。この二次元配列構造をもつ凹凸部の幾つかの構成例を以下説明する。

図７に示した構成の光制御板３０は、平坦面３３ａとこれを挟む一対の傾斜面３３ｂ，３３ｃとを有する構造部３３をひとつの構成単位とし、この構造部３３を基材３１の表面にＸ，Ｙ方向に二次元的に配列することで、本発明に係る光制御機能をもつ凹凸部３２を構成している。この凹凸部３２は、各々の構造部３３を基材表面に隙間無く敷き詰められているとともに、平坦面３３ａの長手方向がＸ方向に延在する構造部３３Ａと、平坦面３３ａの長手方向がＹ方向に延在する構造部３３Ｂとが、それぞれ周期的あるいはランダムに配列された構成を有している。

構造部３３は、第１実施形態のように基材表面に凸状に形成された凸部で構成されてもよいし、第２実施形態のように基材表面に凹状に形成された凹部で構成されてもよい。凸部とするか凹部とするかは、上述したように、基材の屈折率と凹凸部３２が接する媒質の屈折率との大小関係によって定めることができる。

図８Ａに示した構成の光制御板４０Ａは、平坦面４３ａとその周囲を囲む４つの傾斜面４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅとを有する凸状または凹状の構造部４３をひとつの構成単位とし、この構造部４３を基材４１の表面に二次元的に敷き詰めて配列することで、本発明に係る光制御機能をもつ凹凸部４２を構成している。

図８Ｂに示した構成の光制御板４０Ｂは、各々の構造部４３の間には適度な隙間が形成され、構造部４３の個々の大きさも不定で、さらに基材表面の法線方向のまわりに回転させた構成単位を含ませることで、基材４１の表面の各領域ごとに光制御方向にランダム性をもたせるようにしたものである。

図９に示した構成の光制御板５０は、基材５１の表面に四角錐形状の複数の構造部５４を等間隔にグリッド状に配置させ、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ隣接する構造部５４の間に、平坦面５３ａおよび一対の傾斜面５３ｂ，５３ｃからなる光制御機能を備えた凸部（又は凹部）５３を二次元的に配列することで、本発明に係る凹凸部５２を形成した例を示している。四角錐形状の構造部５４は、凹凸部５２に接する媒質の屈折率の大きさに応じて、基材５１の表面に凸状あるいは凹状に形成される。

そして、図１０に示した光制御板６０は、基材６１の表面に大きさの異なる２つの四角錐形状の構造部５５，５６を等間隔にグリッド状に配置させ、一方の構造部５５の四隅に他方の構造部５６が位置するように、本発明に係る凹凸部６２を構成した例を示している。この構成により、２種類の構造部５５，５６の間に挟まれた平坦面６３ａと、これを挟む構造部５５の傾斜面６３ｂ，６３ｃとからなる光制御機能を備えた凸部（又は凹部）６３が二次元的に配列される。平坦面６３ａは長方形状を有し、その長手方向が行単位および列単位でＸ方向およびＹ方向に交互に配向されることで、ＸＺ面内およびＹＺ面内の入射光に対して一定の光制御機能をもたせることが可能となる。

（第４の実施の形態）
板状構造体に対する光の入射方向によって反射率や透過率を制御する光制御板は、レンズとその焦点面上の反射率（または透過率）分布によっても実現することができる。例えば図１１に示した構成の光制御板７０は、表面に凹凸部としてレンズ配列７２をもつ透明な基材７１の裏面焦点面上に、穴（開口部）７３ａの開いた反射膜７３が形成されている。

図１１に示したように、レンズ配列７２はその光軸を基材７１の法線Ｎ−Ｎ方向（Ｚ方向）にもち、レンズの光軸に相当する位置では裏面の反射膜７３が除かれている場合を考える。この場合、基材７１より低い屈折率をもつ媒質（例えば空気）内を上方から基材法線Ｎ−Ｎに沿って入射する光Ｌ１は、レンズ配列７２の光軸上に集光されるため反射膜７３の穴７３ａを通り、光Ｌ１のパワーは高い割合で基材７１の裏面側へ透過する。一方、基材７１の法線Ｎ−Ｎから一定角度以上の角度θ傾いて入射する光Ｌ２は、反射膜７３の穴７３ａからずれた場所に集光されるので、基材７１を透過することなく上方（表面側）に反射される。

以上のように、本実施の形態によっても上述の第１の実施の形態と同様に、基材７１の表面の法線方向からの入射光（垂直入射光）に対しては主として透過特性を示し、上記法線方向から一定の角度以上離れた斜め方向からの入射光に対しては反射特性を示す光制御機能を得ることができる。これにより、光制御板７０に入射する光の入射角に依存した光の透過特性あるいは反射特性を制御することが可能となる。

なお、図１１に示した例とは逆に、基材７１の裏面の反射膜７３をレンズ配列７２の光軸上に配置し、光軸から離れたところに穴７３ａを形成するようにすれば、垂直入射光は反射し、斜め入射光は透過する光制御板を構成することが可能となる。

レンズ配列７２は、レンチキュラーレンズで構成することができる。個々のレンズの配列形態は一次元方向に限らず、二次元方向でもよい。レンズ配列７２をシリンドリカルレンズで構成すればＸ方向への一次元配列となり、フライアイレンズで構成すればＸ，Ｙ方向への二次元配列となる。反射膜７３は、例えば銀等の金属反射膜で構成することができるが、勿論これに限られない。

一方、図１２に示す光制御板８０は、基材８１より屈折率の高い媒質（例えば液晶層）がレンズ配列８２に接する場合の構成例を示している。この場合、レンズ配列８２の凹凸構造が、図１１に示した光制御板７０の凸型のレンズ配列７２とは形状的に逆の凹型となっている。この構成により、レンズ配列８２の上方から基材法線Ｎ−Ｎに沿って入射する光Ｌ１は、レンズ配列８２の光軸上に集光されるため反射膜８３の穴８３ａを通り、光Ｌ１のパワーは高い割合で基材８１の裏面側へ透過する。一方、基材８１の法線Ｎ−Ｎから一定角度以上の角度θ傾いて入射する光Ｌ２は、反射膜８３の穴８３ａからずれた場所に集光されるので、基材８１を透過することなく上方（表面側）に反射される。

図１１および図１２に示した本実施の形態の光制御板７０，８０は、基材７１，８１の表裏両面の構造の組み合わせによって光制御作用を発現するものである。この構成の他の特徴として、製造上で表裏の構造の位置合わせを達成しやすいという利点を有している。図１３Ａに示すように、基材７１の裏面に塗布した感光性レジスト７４に、基材７１の表面側のレンズ配列７２の集光作用による光強度分布を利用して、図１３Ｂに示すように反射膜７３の穴７３ａを自動的かつ整合的に形成することができる。

なお、この例ではリフトオフ法によって反射膜７３をパターニングする例について説明したが、これ以外にも、例えば感光性粘着シートを用い、露光領域と非露光領域の粘着性の有無を利用して反射膜を選択的に貼り付ける方法も適用可能である。また、図１２に示した光制御板８０もまた上述と同様な方法で反射膜８０の穴８０ａを自己整合的に形成することができる。

更に、本実施の形態の光制御板は、図１４に示すように構成することも可能である。図１４に示す光制御板９０は、表面に凸型のレンズ配列９２Ａが形成された基材９１Ａと、表面に凸型のレンズ配列９２Ｂが形成された基材９１Ｂとを互いに裏面どうし反射膜９３を挟んで一体化した構成を有している。上面側および下面側のレンズ配列９２Ａ，９２Ｂは互いに光軸が一致するように整列されており、レンズ配列９２Ａ，９２Ｂの各々の共通する焦点位置には穴（開口部）９３ａが形成されている。

以上のような構成の光制御板９０は、基材法線方向からの入射光（垂直入射光）に対しては主として透過特性を示し、上記法線方向から一定の角度以上離れた斜め方向からの入射光に対しては反射特性を示す光制御機能が得られる。これにより、光制御板９０に入射する光の入射角に依存した光の透過特性あるいは反射特性を制御することが可能となる。また、光制御板９０を透過する光を平行化できるので、透過光に方向制御性をもたせることが可能となる。

（第５の実施の形態）
上述の第１〜第４の実施の形態において説明した光制御板は、表示装置用の光学シートとして用いることができる。以下、本発明に係る光制御板の表示装置への幾つかの適用例を図１５〜図１８を参照して説明する。

図１５に示す表示装置１００は、液晶層１０１を一対の透明電極層１０２Ａ，１０２Ｂおよび透明基板１０３Ａ，１０３Ｂで挟み込んだ液晶セル１０４と、この液晶セル１０４の背面側に黒色層１０５を設置したＰＤＬＣまたはＰＮＬＣタイプの反射型液晶表示装置（図１９参照）において、液晶セル１０４と黒色層１０５との間に、第１の実施の形態で説明した構成の光制御板１０が設置されている。液晶層１０１は、透明電極１０２Ａ，１０２Ｂ間における電圧の印加時および無印加時に光透過性状態（黒表示）および光散乱性状態すなわち白濁状態（白表示）を発現する。

光制御板１０は、液晶層１０１の白濁状態において、液晶セル１０４から光制御板１０へ種々の入射角で入射する散乱光のうち、シート法線方向（垂直入射方向）から一定の角度以上離れた斜め入射光に対しては凹凸部１２で液晶セル１０４側へ反射させる。この光制御板１０により、黒色層１０５による散乱光の吸収が抑えられるので、白表示時の反射率が高まり輝度の向上を図ることができる。

また、光制御板１０は、液晶層１０１の光透過状態において、液晶セル１０４から光制御板１０へほぼ垂直方向から入射する光を透過させて、適切な黒表示を実現することができる。これにより、反射型表示の明るさを改善しつつコントラストの向上を図ることが可能となる。

次に、図１６Ａ，Ｂに示す表示装置１１０は、図１５に示した表示装置の液晶層１０１に代えて、無電場状態で光散乱性状態と光透過性状態とを選択的にとり得る双安定性の液晶材料を含む液晶層１１１を用いた例を示している。この液晶層１１１は、透光性の支持体１１２の面内に複数形成された孔の中に双安定性の液晶材料１１３が充填された構造を有している。

液晶材料１１３の光散乱性状態（白濁状態）と光透過性状態（透明状態）は、液晶材料中の液晶分子の配向分布で発現し、状態間の切替えは、一対の透明電極１０２Ａ，１０２Ｂ間に印加されるパルス電圧で行われ、切替後は無電場状態で安定に保持される。なお、上述した構成の液晶層１１１の構成および作用の詳細は、本出願人が先に提案した出願明細書に開示されている（特願２００５−２３３３８３）。

上記構成の液晶層１１１を含む反射型液晶表示装置１１０に本発明に係る光制御板１０を組み込んだ本構成例においても、白濁状態における白表示時の反射率の向上が図られるとともに、透明状態における適切な黒表示を確保してコントラストの向上を図ることができる。

本発明者らが行った実験では、この双安定性の液晶材料で液晶セルを構成した表示装置において、本発明に係る光制御板１０を組み込まない比較例の場合、液晶セルが白濁状態にあるときの反射率は３０％、液晶セルが透明状態にあるときには黒色層１０５が見えるので反射率は５％であった。これに対して、光制御板１０を組み込んだ本実施形態の場合では、白濁状態での反射率は４５％にまで向上し、透明状態での反射率は５．５％であった。

上述の比較例に対して本実施形態でも透明状態での反射率が小さいのは、透明状態でほぼ正面の設計臨界角δｃ（図３Ａ）以内の方向から見る場合には、光制御板１０は障害にならず黒色層１０５が見通せることを反映している。一方、液晶セルが白濁状態にある場合には、比較例では観察者側から液晶セルに入射し前方散乱を受けながらも黒色層１０５に吸収されていた光パワーのうち約１／３が、本実施形態では光制御板１０によって観察者側へ戻され、比較的高い効率で前方散乱されて観察者に届いたために、顕著な反射率増加として認められたと考えられる。

続いて、図１７に示した表示装置１２０は、液晶層１２１を一対の透明電極１２２Ａ，１２２Ｂ、透明基板１２３Ａ，１２３Ｂおよび偏光板１２４Ａ，１２４Ｂで挟み込んだ液晶セル１２６と、バックライトユニット１２７と、反射板１２８とを備えた透過型液晶表示装置１２０において、液晶セル１２６とバックライトユニット１２７との間に、図１４に示した構成の光制御板９０を設置した構成例を示している。

光制御板９０は、液晶セル１２６とバックライトユニット１２７との間に設置されることで、バックライトユニット１２７から液晶セル１２６へ入射する光の発散角を正面方向へ限定する。また、バックライトユニット１２７から液晶セル１２６へ所定角度以上の斜め方向に入射する光は、光制御板９０の反射膜９３によって反射される。

これにより、バックライトユニット１２７から液晶セル１２６へ斜め方向へ入射する光を制限して光の利用効率を高め、正面輝度の向上を図ることができる。また、液晶セル１２６への光の入射角を一定にできるので、消光比を高めてコントラストの向上を図ることができる。

上述した透過型液晶表示装置において、光制御板９０を設ける位置は図１７に示した構成例に限らず、例えば図１８に示したように、液晶セル１２６の正面側に光制御板９０を設置してもよい。この場合、液晶セル１２６から観察者側へ出射される光の発散角を正面方向に限定することができる。発散角を限定すると、液晶セル１２６を一定の入射角で通り抜けた光だけを用いることになり、視角に依存する消光比の変化やそれに起因する色ずれを回避することができる。また、特に携帯用のディスプレイ用途では、傍らから表示を覗き込まれることを防ぐにも役立つことになる。

また、光制御板９０の各レンズ部をカラーフィルター１２５のＲＧＢの各色（赤、緑、青）の着色層の形成幅に合わせて整合配置させることで、液晶セル１２６から透過する各色の画像光を効率よく外部へ出射させることができるようになる。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の第１の実施の形態では、光制御板１０の凹凸部１２を構成する凸部１３の形状を平坦面１３ａとこれを挟む一対の傾斜面１３ｂ，１３ｃとで構成し、一対の傾斜面１３ｂ，１３ｃを同一の傾斜角で形成したが、仕様等に応じてこれら一対の傾斜面を互いに異なる傾斜角で形成してもよい。この場合、凸部１３に斜め方向から入射する光のうち一方の傾斜面に入射する光と他方の傾斜面に入射する光とで異なる反射特性を有する光制御板を構成することができる。

また、以上の第５の実施の形態において説明した表示装置の構成において、光制御板は単独の部品として組み込まれる場合に限らず、他の部品（例えば液晶セルの背面側透明基板等）に一体的に形成されていてもよい。

さらに、図１７および図１８に示した表示装置において適用される光制御板９０は、上面側および下面側にレンズ配列が形成された構成のものに限らず、図１１に示したような一方側の面にのみレンズ配列が形成された構成のものを適用してもよい。

本発明の第１の実施の形態による光制御板１０の概略構成を示す斜視図である。 光制御板１０の凹凸部１２を構成する凸部１３の構成の詳細および光学的作用を説明する図である。 凸部１３の平坦面の形成幅Ｗを設計方法を説明する図である。 凹凸部１２の構成の変形例を説明する断面図である。 光制御板１０の構成の変形例を説明する斜視図である。 本発明の第２の実施の形態による光制御板２０の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態において説明する光制御板３０の概略構成を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態において説明する光制御板４０Ａ，４０Ｂの概略構成を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態において説明する光制御板５０の概略構成を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態において説明する光制御板６０の概略構成を示す平面図である。 本発明の第４の実施の形態において説明する光制御板７０の概略構成図である。 本発明の第４の実施の形態において説明する光制御板８０の概略構成図である。 光制御板７０の製造方法の一例を説明する図である。 本発明の第４の実施の形態において説明する光制御板９０の概略構成図である。 本発明の第５の実施の形態において説明する表示装置１００の概略構成図である。 本発明の第５の実施の形態において説明する表示装置１１０の概略構成図である。 本発明の第５の実施の形態において説明する表示装置１２０の概略構成図である。 図１７に示した表示装置の構成の変形例を示す図である。 ＰＤＬＣ（またはＰＮＬＣ）タイプの液晶セルを備えた従来の反射型液晶表示装置の構成および作用を説明する図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０…光制御板、１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１Ａ，９１Ｂ…基材、２２，３２，４２，５２，６２…凹凸部、１３，２３…凸部、１３ａ…平坦面、１３ｂ，１３ｃ…傾斜面、２３…凹部、２３ａ…平坦面、２３ｂ，２３ｃ…傾斜面、７２，８２，９２Ａ，９２Ｂ…レンズ配列、７３，８３，９３…反射膜、１００，１１０，１２０…表示装置、１０１，１１１，１２１…液晶層、１０２Ａ，１０２Ｂ，１２２Ａ，１２２Ｂ…透明電極、１０３Ａ，１０３Ｂ，１２３Ａ，１２３Ｂ…透明基板、１０５…黒色層、１１３…双安定性液晶材料、１２７…バックライトユニット、１２８…反射板

Claims (5)

1. 液晶層を一対の透明基板で挟み込んだ液晶セルと、
   この液晶セルの背面側に設置された黒色層と、
   前記液晶セルと黒色層との間に配置され、前記液晶セルの正面方向からの入射光に対しては主として透過特性を示し、前記正面方向から一定の角度以上離れた斜め方向からの入射光に対しては反射特性を示す凹凸形状の光制御層とを備え、
   前記光制御層は、前記液晶セルに対向する第１の表面と前記黒色層に対向する第２の表面とを有する透光性の基材と、前記第２の表面に形成された凹凸部とを有し、
   前記凹凸部は、前記第１の表面の法線方向に対して所定角度傾斜する少なくとも一対の傾斜面と、前記凹凸部の頂部または底部に位置し前記第１の表面と概ね平行な平坦面とを有し、前記平坦面は、前記傾斜面において全反射された入射光の当該平坦面に対する入射角に応じて、当該入射光を透過させ又は全反射させる
   表示装置。
2. 請求項１に記載の表示装置であって、
   前記凹凸部は、前記第１の表面の法線方向に対する前記傾斜面の傾斜角度をα、前記平坦面における全反射臨界角をθｃ、前記基材表面に対する入射角をδとしたときに、入射角δが、δ＞θｃ−２αの場合に前記平坦面において前記入射光を全反射させる
   表示装置。
3. 請求項２に記載の表示装置であって、
   前記凹凸部は、前記第１の表面の法線方向に対する前記傾斜面の傾斜角度をα、前記平坦面における全反射臨界角をθｃ、前記凹凸部の深さをｄ、前記平坦面の形成幅をＷとしたときに、０．３×ｄ（ｔａｎθｃ−ｔａｎα）≦Ｗ≦３×ｄ（ｔａｎ３α−ｔａｎα）の関係を満足する
   表示装置。
4. 請求項１に記載の表示装置であって、
   前記液晶層は、透過および散乱状態を可逆的にとり得る液晶材料である
   表示装置。
5. 請求項１に記載の表示装置であって、
   前記液晶層は、無電場状態で光散乱性状態と光透過性状態とを選択的にとり得る双安定性の液晶材料を含む
   表示装置。

Images