JP4742792B2 - 表示装置 - Google Patents

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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nFの値をnF=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、nF=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。
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