JP6565458B2 - 光学シート、表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学シート、表示装置に関するものである。

従来、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）等の映像源を、光学系を介して観察者に観察させる頭部装着型の表示装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
このような頭部装着型の表示装置は、例えば、映像源に対向する位置に導光板を配置して、映像源で表示された映像光を、その導光板によって観察者の眼に対応する位置まで導光し、反射層を介して観察者側へ反射させている。また、このような表示装置は、表示される映像によって観察者の視界が遮られてしまうため、反射層にマジックミラーを用いる等して、映像と外界の光とを重ねて見せる、いわゆるシースルーにする場合がある。しかし、この場合、マジックミラーの透過率を向上させて反射率を低下させすぎると観察者側に届く映像が不鮮明になり、逆に反射率を向上させて透過率を低下させすぎると、外界の光（外界の像）が不鮮明になってしまう場合があった。

特表２０１１−５０９４１７号公報

本発明の課題は、観察者側に届く映像や、外界の光が不鮮明になってしまうのを抑制することができる光学シート、表示装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
第１の発明は、背面から外界の光を透過するとともに、映像光を反射して出光面から前記映像光及び前記外界の光を出光する光学シート（２０）であって、光透過性を有し、前記出光面に対して傾斜した第１傾斜面（３０ａ）を有した単位光学形状（３０）が複数配列された第１光学形状層（２２）と、光透過性を有し、前記第１光学形状層の前記単位光学形状側の面に積層される第２光学形状層（２３）とを備え、前記単位光学形状は、その配列方向に沿って前記第１傾斜面に対向する第２傾斜面（３０ｂ）を有し、前記第１傾斜面の少なくとも一部には、前記映像光の少なくとも一部を反射する反射層（２４）が設けられ、前記単位光学形状（３０）の配列方向において互いに隣り合う前記反射層間には、光を透過する光透過部（２５）と光を吸収する光吸収層とが設けられ、前記光吸収層は、前記第２傾斜面（３０ｂ）に形成されていること、を特徴とする光学シートである。
第２の発明は、第１の発明の光学シート（２０）において、前記反射層（２４）は、入射した光のうち一部を反射し、入射した光のうちその他を透過する透過型の反射層であること、を特徴とする光学シートである。
第３の発明は、第１の発明又は第２の発明の光学シート（２０）において、前記第１傾斜面（３０ａ）が前記出光面に平行な面となす角度をαとし、前記第２傾斜面（３０ｂ）が前記出光面に平行な面となす角度をβとするとき、角度α及び角度βは、５°≦α≦３５°、８０°≦β≦９０°を満たすこと、を特徴とする光学シートである。
第４の発明は、第１の発明から第３の発明までのいずれかの光学シート（２０）と、前記光学シートに映像光を出射する映像源（１１）と、を備える表示装置（１）である。

本発明によれば、観察者側に届く映像や、外界の光が不鮮明になってしまうのを抑制することができる。

実施形態の頭部装着型の表示装置を説明する図である。 実施形態の光学シートの詳細を説明する図である。 実施形態の光学シートの製造方法の一例を示す図である。 光学シートの別な形態の詳細を示す図である。

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張している。
本明細書中に記載する各部材の寸法等の数値及び材料名等は、実施形態としての一例であり、これに限定されるものではなく、適宜選択して使用してよい。
本明細書中において、形状や幾何学的条件を特定する用語、例えば、平行や直交等の用語については、厳密に意味するところに加え、同様の光学的機能を奏し、平行や直交と見なせる程度の誤差を有する状態も含むものとする。

（実施形態）
図１は、本実施形態の頭部装着型の表示装置１を説明する図である。図１は、表示装置１を鉛直方向上方から見た図である。
なお、図１を含め以下に示す図中及び以下の説明において、理解を容易にするために、観察者が頭部に表示装置１を装着した状態において、鉛直方向をＺ方向とし、水平方向をＸ方向及びＹ方向とする。また、この水平方向のうち、光学シートの厚み方向（正面方向）をＹ方向とし、それに直交する方向（光学シートの左右方向）をＸ方向とする。このＹ方向の−Ｙ側を観察者側（表面側）とし、＋Ｙ側を背面側とする。

表示装置１は、観察者が頭部に装着し、観察者の眼前に映像を表示する、いわゆるヘッドマウントディスプレイである。図１に示すように、本実施形態の頭部装着型の表示装置１は、不図示のメガネフレームの内側に、映像源１１と、投射光学系１２と、光学シート２０とを備えており、観察者がメガネフレームを頭部に装着することによって、映像源１１の映像を、光学シート２０で反射させて観察者に視認させることができる。具体的には、表示装置１は、映像源１１に表示された映像光を、投射光学系１２を介して光学シート２０へ入射し、光学シート２０内の反射層２４により観察者側に反射して、表示装置１を頭部に装着した観察者の眼Ｅ前に映像情報を表示する。
また、表示装置１は、外界から光の一部を、光学シート２０を透過させ観察者側に到達させて、映像と外界の光とを重ねて見せる、いわゆるシースルー機能を備えている。

映像源１１は、映像光を表示するマイクロディスプレイであり、例えば、透過型の液晶表示デバイスや、反射型の液晶表示デバイス、有機ＥＬ等を使用することができる。映像源１１は、例えば、対角が１インチ以下のマイクロディスプレイが使用される。本実施形態の映像源１１は、光学シート２０の観察者側（−Ｙ側）であって、光学シート２０の左側（−Ｘ側）の位置に配置されており、左斜め方向から光学シート２０の表面に向けて映像光を出射する。
投射光学系１２は、映像源１１から出射された映像光を平行光として投射する複数のレンズ群から構成される光学系であり、映像源１１の映像光の出光部近傍に配置されている。

次に、光学シート２０の層構成について説明する。
図２は、本実施形態の光学シート２０の詳細を説明する図であり、図１のａ部詳細を示す図である。
図２に示すように、光学シート２０は、観察者側（−Ｙ側）から順に、第２光学形状層２３、第１光学形状層２２、基材部２１が積層されている。
基材部２１は、光透過性を有し、光学シート２０の基礎となる平板状の部材であり、光学シート２０の最も観察者側から離れた位置に配置されている。基材部２１は、例えば、光透過性の高いアクリル樹脂、スチレン樹脂、アクリルスチレン樹脂、ポリカーボーネート樹脂、脂環式ポリオレフィン樹脂等から形成されている。この基材部２１の背面側（＋Ｙ側）の面は、外界の光が入射する面となる。

第１光学形状層２２は、基材部２１の観察者側（−Ｙ側）の面に設けられた層である。第１光学形状層２２は、光透過性の高いウレタンアクリレート樹脂、エポキシアクリレート樹脂等から形成されており、その屈折率は、上述の基材部２１と同等の屈折率である。第１光学形状層２２は、その観察者側（−Ｙ側）の面に、単位光学形状部３０が複数設けられている。
この単位光学形状部３０は、鉛直方向（Ｚ方向）に延在し、左右方向（Ｘ方向）に沿って複数配列されている。また、単位光学形状部３０は、観察者側（−Ｙ側）に凸になるようにして形成されている。具体的には、単位光学形状部３０は、光学シート２０の厚み方向（Ｙ方向）に平行であって単位光学形状部３０の配列方向（Ｘ方向）に平行な断面（ＸＹ面）における断面形状が略三角形状に形成されており、光学シート２０の出光面（表面）に対して傾斜した第１傾斜面３０ａと、第１傾斜面３０ａよりも＋Ｘ側に位置する第２傾斜面３０ｂとから構成されている。

第１傾斜面３０ａは、光学シート２０の表面（−Ｙ側の面）から入射した映像光が直接入射する面であり、その映像源１１から離れた側（＋Ｘ側）の端部が、映像源１１側（−Ｘ側）の端部よりも観察者（出光）側（−Ｙ側）に位置している。第１傾斜面３０ａの一部には、反射層２４が設けられている（詳細は後述する）。
第２傾斜面３０ｂは、光学シート２０の表面（−Ｙ側の面）から入射した映像光が直接入射しない面であり、その映像源１１から離れた側（＋Ｘ側）の端部が、映像源１１側（−Ｘ側）の端部よりも背面側（＋Ｙ側）に位置している。

第２光学形状層２３は、単位光学形状部３０を覆うようにして、第１光学形状層２２の観察者側（−Ｙ側）の面に設けられた層であり、第１光学形状層２２の表面を平坦にするために設けられている。第２光学形状層２３は、光透過性の高いウレタンアクリレート樹脂、エポキシアクリレート樹脂等から形成されており、その屈折率は、上述の基材部２１や第１光学形状層２２と同等の屈折率である。
この第２光学形状層２３の観察者側（−Ｙ側）の面は、映像光が入射する面であるとともに、反射層２４を反射した映像光や、光学シート２０を透過する外界の光が出射する出光面となる。この第２光学形状層２３の観察者側の面は、光学シート２０の背面（基材部２１の背面）と平行であり、左右方向（Ｘ方向）に平行であって、厚み方向（Ｚ方向）に平行な面（ＸＺ面）に平行な面である。
なお、第１光学形状層２２の背面側に設けられる基材部２１を省略して、第１光学形状層２２の背面を光学シート２０の背面にしてもよい。

ここで、単位光学形状部３０の第１傾斜面３０ａが、光学シート２０の出光面（表面）に平行な面（ＸＺ平面）となす角度は、αである。また、第２傾斜面３０ｂが光学シート２０の出光面に平行な面となす角度は、β（β＞α）である。
また、単位光学形状部３０の配列ピッチは、Ｐであり、単位光学形状部３０の高さ（光学シートの厚み方向（Ｙ方向）における単位光学形状部３０の頂部ｔから各単位光学形状部３０間の谷底となる部位ｖまでの寸法）は、ｈである。なお、配列ピッチＰは、単位光学形状部３０の配列方向（Ｘ方向）における幅寸法と同等である。
本実施形態の単位光学形状部３０は、配列ピッチＰが一定であり、また、角度β＝９０°で一定であるが、角度αが映像光の進行する側（＋Ｘ側）へ向かうにつれて次第に大きくなり、また、それに伴い高さｈも大きくなっている例で説明するが、これに限定されるものでない。例えば、配列ピッチＰや角度α、角度β、高さｈが一定に形成されるようにしてもよい。

以上の構成により、光学シート２０を構成する各層は、いずれも光の屈折率が同等に形成されることとなる。ここで、屈折率が同等とは、各層の屈折率が完全に一致する場合だけでなく、各層間において屈折が生じない程度に屈折率が近似している場合も含むものをいう。これにより、本実施形態の光学シート２０は、この光学シート２０内の各層間において、映像光や、外界の光が屈折してしまうのを抑制することができる。

反射層２４は、単位光学形状部３０の第１傾斜面３０ａの面上に光反射性の高い金属、例えば、アルミニウムや、銀、ニッケル等により形成されている。本実施形態では反射層２４は、アルミニウムを蒸着することにより形成されている。また、これに限らず反射層２４は、光反射性の高い金属をスパッタリングしたり、金属箔を転写したり、金属薄膜を含有した塗料を塗布したりする等により形成されてもよい。
反射層２４は、光を反射するために十分な厚さであれば、その材料等に応じて厚さを自由に設定することができる。本実施形態の反射層２４は、入射した光のうち一部を反射し、入射した光のうちその他を透過させる透過型の反射層、いわゆるマジックミラー（ハーフミラー）状に形成されている。このように、反射層２４をマジックミラー状にすることによって、表示装置１は、映像光の一部を反射するとともに、光学シート２０の背面側（＋Ｙ側）から入射する外界の光の一部を透過して、より多くの外界の光を観察者側に届けることができる。
なお、この反射層２４の反射率と透過率との割合は、適宜設定することができる。本実施形態の反射層２４は、反射率及び透過率がともに５０％のハーフミラー状に形成されている。

本実施形態の反射層２４は、第１傾斜面３０ａの全面ではなく、第１傾斜面３０ａ上の映像源１１側とは反対側（＋Ｘ側）の領域にのみ設けられている。具体的には、反射層２４は、第１傾斜面３０ａの頂部ｔから底部ｖ側に向かって所定の幅（ｗ１）で形成されており、第１傾斜面３０ａの底部ｖ近傍には形成さていない。すなわち、反射層２４は、第１傾斜面３０ａのうち光学シート２０に入射した映像光の反射の寄与する部分にのみ形成されているが、隣接する単位光学形状部３０の影となり映像光の反射に寄与しない部分には形成されていない。
そのため、本実施形態の光学シート２０は、単位光学形状部３０の配列方向において反射層２４と、第１傾斜面３０ａの反射層が形成されていない部分（以下、光透過部２５という）とが交互に配列された形態、すなわち隣り合う反射層２４間に光透過部２５が設けられる形態となる。

これにより、光学シート２０は、入射した映像光を、第１傾斜面３０ａの反射層２４により反射させて光学シート２０から出光させるだけでなく、光学シート２０の背面側から入射する外界の光の一部を、光透過部２５から観察者側に透過させることができ、より鮮明な外光の光を観察者に視認させることができる。
なお、反射層２４は、第１傾斜面３０ａの映像光の反射に寄与する部分にのみ設けられているので、第１傾斜面３０ａの全面に反射層を形成した場合に比して、反射層によって反射される光量が低減してしまうことはない。

ここで、効率よく映像光を反射して光学シート２０から出光させる観点から、第１傾斜面３０ａの角度αは５°≦α≦３５°の範囲内に、第２傾斜面３０ｂの角度βは８０°≦β≦９０°の範囲内に、単位光学形状部３０の高さｈは５μｍ≦ｈ≦７００μｍの範囲内に、単位光学形状部３０の配列ピッチＰは５０μｍ≦Ｐ≦１０００μｍの範囲内に形成されるのが望ましい。また、第１傾斜面３０ａの傾斜方向における反射層２４の幅をｗ１としたときに、反射層２４は、ｗ１＝Ｐ×ｓｉｎ（９０°―２×α）／ｓｉｎ（９０°＋α）を満たすようにして形成されるのが望ましい。

次に、光学シート２０の別な形態について説明する。
図４は、光学シートの別な形態の詳細を示す図である。図４の各図は、それぞれ図２に対応する断面の拡大図である。
上述の説明において、光学シート２０の第１光学形状層２２は、複数の単位光学形状部３０が連続して配列し、また、単位光学形状部３０のＸＹ断面における断面形状が略三角形状に形成される例を示したが、これに限定されるものでない。

例えば、図４（ａ）に示すように、第１光学形状層２２は、互いに隣り合う単位光学形状部３０間に平坦面３１が設けられる形態としてもよい。この場合、第１傾斜面３０ａの全面に反射層２４を形成することができ、平坦面３１を光透過部２５とすることができる。
また、図４（ｂ）に示すように、第１光学形状層２２は、単位光学形状部３０の上記断面形状が第１傾斜面３０ａ、第２傾斜面３０ｂ、平坦面３０ｃから構成される台形形状に形成される形態としてもよい。この場合、第１傾斜面３０ａの全面に反射層２４を形成することができ、平坦面３０ｃを光透過部２５とすることができる。

更に、図４（ｃ）に示すように、第１光学形状層２２は、単位光学形状部３０の断面形状が略三角形状に形成され、第２傾斜面３０ｂと出光面に平行な面とがなす角度（β）が、９０度未満に形成される形態にしてもよい。この場合、第１傾斜面３０ａの全面に反射層２４を形成することができ、第２傾斜面３０ｂを光透過部２５とすることができる。
上述の各形態としても、光学シート２０は、図２に示す光学シート２０と同様に、単位光学形状部３０の配列方向（Ｘ方向）において反射層２４と光透過部２５とが交互に配列される形態にすることができ、反射層２４により映像光を反射させるとともに、光透過部２５により外界の光を観察者側に透過させることができる。

次に、本実施形態の光学シート２０に入射する映像光Ｌ及び外界の光Ｇの動作について説明する。
図１に示すように、映像源１１から出射した映像光Ｌは、投射光学系１２を介して光学シート２０へと入射する。光学シート２０内に入光した映像光Ｌは、第１光学形状層２２に設けられた単位光学形状部３０へ入射する。
単位光学形状部３０に入射した映像光のうち、一部の映像光Ｌ１は、図２に示すように、第１傾斜面３０ａの反射層２４に入射して、光学シート２０の表面（出光面）に対してほぼ垂直な方向（−Ｙ方向）に反射して、光学シート２０の表面から観察者の眼Ｅに向けて出光する。また、他の映像光Ｌ２は、ハーフミラー状に形成される反射層２４を透過することとなるが、光学シート２０の背面から出光してしまうため、観察者に観察されることはない。

外界の光Ｇは、図１に示すように、光学シート２０の背面側（＋Ｙ側）の面から光学シート２０内に入光する。この光学シート２０内に入光した外界の光Ｇのうち一部の光Ｇ１は、図２に示すように、第１傾斜面３０ａのうち反射層２４が形成されていない部分、すなわち光透過部２５を透過して、光学シート２０の表面から観察者の眼Ｅに向けて出光することとなる。
また、他の外界の光は、第１傾斜面３０ａの反射層２４に入射し、その一部Ｇ２はハーフミラー状に形成される反射層２４を透過して、光学シート２０の表面から観察者の眼Ｅに向けて出光することとなる。他の一部は、反射層２４によって光学シート２０の背面側へ反射してしまう。

次に、本実施形態の光学シート２０の製造方法について説明する。
図３は、本実施形態の光学シート２０の製造方法を説明する図である。図３の各図は、光学シート２０が製造されるまでの過程を示す図である。
まず、図３（ａ）に示すように、ウェブ状の基材部２１の観察者側の面に、第１光学形状層２２を構成する樹脂を充填し、単位光学形状部３０に対応する凹凸形状が設けられた金型によって押圧し、硬化させた後に離型する等により、基材部２１上に第１光学形状層２２が形成される。

次に、図３（ｂ）に示すように、単位光学形状部３０の第１傾斜面３０ａ上の一部に、真空蒸着法によりアルミニウムを蒸着して反射層２４を形成する。なお、反射層２４は、光反射材料が含有された塗料を塗布することによって形成されるようにしてもよい。
続いて、図３（ｃ）に示すように、第１光学形状層２２の単位光学形状部３０が形成された側の面に、第２光学形状層２３を構成する樹脂を充填し、平坦面が形成された金型によって押圧し、硬化させた後に離型する等により、第２光学形状層２３が形成される。最後に、ウェブ状の基材部２１上に、第１光学形状層２２、第２光学形状層２３がそれぞれ積層された積層体を所定の寸法に裁断して、光学シート２０が完成する。

以上より、本実施形態の光学シート２０は、第１傾斜面３０ａの一部に、映像光を反射する反射層２４が設けられ、単位光学形状部３０の配列方向において互いに隣り合う反射層２４間に、光を透過する光透過部２５が設けられている。これにより、光学シート２０は、反射層２４により映像光を反射するとともに、光透過部２５から外界の光を観察者側に透過させることができ、映像光の鮮明さを低下させることなく、外界の光をより鮮明に観察することができる。
本実施形態の光学シート２０は、反射層２４が、入射した映像光の一部を反射し、その他を透過する透過型の反射層であるので、反射層２４においても外界の光を観察者側に透過させることができ、より鮮明な外界の光を観察者側に表示することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、後述する変形形態のように種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。また、実施形態に記載した効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、実施形態に記載したものに限定されない。なお、前述した実施形態及び後述する変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。

（変形形態）
（１）上述の実施形態において、光学シート２０は、映像源から出射した映像光を直接観察者側に反射させる例で説明したが、これに限定されるものでない。例えば、光学シートは、表示装置１の映像源１１からの映像光を、シート内で導光させた上で、反射層２４により観察者側に反射させる導光板に適用することもできる。
また、光学シートは、自動車等のフロントウィンドウに搭載されるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）や、背景等の外界の光を透過するスクリーン等に適用することも可能である。更に、光学シートをコンバイナー等の大型の虚像投影に適用することも可能であり、その場合、単位光学形状部は、フレネルレンズ形状に形成されるようにしてもよい。

（２）実施形態において、光学シート２０の反射層２４は、ハーフミラー状である例を示したが、これに限定されるものでない。例えば、反射層２４は、ハーフミラー状よりも光の透過率を低く、反射率を高くするようにしてもよい。この場合、外界の光は、反射層２４を透過する量が減少してしまうが、第１傾斜面３０ａの反射層２４が形成されていない部位（光透過部２５）からも観察者側へと透過するので、光学シートは、表示装置１を頭部に装着する観察者に対して、十分に外界の光を視認させるとともに、映像光をより鮮明に観察者側に反射させることができる。
また、反射層２４は、入射した光のほぼ全てを反射する完全反射のミラーにしてもよい。この場合、外界の光は、反射層２４を透過することができないが、光透過部２５から観察者側に透過することができるので、光学シートは、シースルー性を維持するとともに、映像光を更に鮮明に観察者側に反射することができる。

（３）上述の実施形態において、光学シート２０の第２傾斜面３０ｂに、光を吸収する光吸収層が形成されるようにしてもよい。これにより、反射層２４を透過した映像光が、隣接する反射層２４へ入射し、反射してしまい、光学シート２０から出光する映像にゴーストが生じてしまうのを抑制することができる。この光吸収層は、例えば、ウレタン系樹脂やエポキシ系樹脂、これらの混合となる樹脂を母材とし、光吸収材である黒色等の暗色系の塗料等や、黒色等の暗色系の顔料や染料等を含有するビーズ等が添加された材料により形成することができる。

１ 表示装置
１１ 映像源
１２ 投射光学系
２０ 光学シート
２１ 基材部
２２ 第１光学形状層
２３ 第２光学形状層
２４ 反射層
２５ 光透過層
３０ 単位光学形状部
３０ａ 第１傾斜面
３０ｂ 第２傾斜面
Ｅ 観察者の眼

Claims (4)

1. 背面から外界の光を透過するとともに、映像光を反射して出光面から前記映像光及び前記外界の光を出光する光学シートであって、
   光透過性を有し、前記出光面に対して傾斜した第１傾斜面を有した単位光学形状が複数配列された第１光学形状層と、
   光透過性を有し、前記第１光学形状層の前記単位光学形状側の面に積層される第２光学形状層とを備え、
   前記単位光学形状は、その配列方向に沿って前記第１傾斜面に対向する第２傾斜面を有し、
   前記第１傾斜面の少なくとも一部には、前記映像光の少なくとも一部を反射する反射層が設けられ、
   前記単位光学形状の配列方向において互いに隣り合う前記反射層間には、光を透過する光透過部と光を吸収する光吸収層とが設けられ、
   前記光吸収層は、前記第２傾斜面に形成されていること、
   を特徴とする光学シート。
2. 請求項１に記載の光学シートにおいて、
   前記反射層は、入射した光のうち一部を反射し、入射した光のうちその他を透過する透過型の反射層であること、
   を特徴とする光学シート。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光学シートにおいて、
   前記第１傾斜面が前記出光面に平行な面となす角度をαとし、前記第２傾斜面が前記出光面に平行な面となす角度をβとするとき、角度α及び角度βは、
   ５°≦α≦３５°、８０°≦β≦９０°
   を満たすこと、
   を特徴とする光学シート。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光学シートと、
   前記光学シートに映像光を出射する映像源と、
   を備える表示装置。

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