JP7340155B2 - 光学構造体及び光学構造体付き表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学構造体及び光学構造体を有する光学構造体付き表示装置に関する。

表示装置の一例として、液晶表示装置が、種々の分野で用いられている。液晶表示装置は、液晶表示パネルの各位置におけるバックライトからの光の透過量を制御することで、液晶表示パネルを透過した光によって、画像を表示することができる。

液晶表示パネルでは、通常、正面方向（法線方向）へ進む光の量や範囲の制御が重要視されており、正面方向における輝度、コントラスト比および色再現度を好適に確保するための工夫がなされている。その一方で、液晶表示パネルの正面方向に対して傾斜した方向へ進む光の制御は比較的煩雑であり、視野角を広く確保したり、視野角内の輝度、コントラスト比および色再現度のばらつきを十分に抑制したりするための工夫は困難である。このような問題に対し、例えば特許文献１には、光の屈折や回折の作用によって視野角を拡大するような、表示装置の表示面に対面して設けられる光学構造体が開示されている。このような光学構造体によれば、簡易的に視野角の拡大を図ることができる。

特許第６４４７６５４号

特許文献１に記載されているような従来の光学構造体は、低屈折率層と高屈折率層との間の界面の形状及び屈折率差などを調整することで、視野角の拡大を図っている。しかしながら、従来の光学構造体は低屈折率層及び高屈折率層の界面が１つしかないため、多くの場合には光に対して界面における屈折や回折の作用が１回しか生じない。１回のみの屈折や回折で視野角を十分に拡大することは困難である。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、視野角を十分に拡大することを目的とする。

本発明の光学構造体は、
第１部分と、前記第１部分に積層された第２部分と、前記第２部分の前記第１部分とは反対側に積層された第３部分と、を有する光学機能層を備え、
前記第１部分の屈折率は、前記第２部分の屈折率とは異なり、
前記第２部分の屈折率は、前記第３部分の屈折率とは異なり、
前記第１部分と前記第２部分との間の第１界面が、凹凸形状をなしており、
前記第２部分と前記第３部分との間の第２界面が、凹凸形状をなしている。

本発明の光学構造体において、前記第２部分の屈折率は、前記第１部分の屈折率及び前記第３部分の屈折率より小さくてもよい。

本発明の光学構造体において、前記第２部分の屈折率は、前記第１部分の屈折率及び前記第３部分の屈折率より大きくてもよい。

本発明の光学構造体において、前記第１界面の凹凸形状の凹凸のピッチは、前記第２界面の凹凸形状の凹凸のピッチより大きくてもよい。

本発明の光学構造体付き表示装置は、
表示面を有する表示装置と、
前記表示面に対面して配置された上述したいずれかの光学構造体と、を備え、
前記光学構造体は、前記光学機能層の前記第３部分が設けられた側が前記表示面に対面する側となる。

本発明によれば、視野角を十分に拡大することができる。

図１は、光学構造体付き表示装置の一実施の形態を説明するための図であって、光学構造体付き表示装置が有する表示装置の概略構成を示す断面図である。 図２は、図１の表示装置における面光源装置の作用を説明するための図である。 図３は、光学構造体付き表示装置が有する光学構造体の構成を示す斜視図である。 図４は、図３の光学構造体のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。 図５は、光学構造体に入射した表示装置からの画像光の作用を説明するための図である。 図６は、光学構造体の実施例及び比較例の視野角に対する規格化輝度の分布を表すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

なお、本明細書において、「シート」、「フィルム」、「板」、「層」等の用語は、呼称の違いのみに基づいて、互いから区別されるものではない。したがって、例えば、「シート」はフィルムや板や層とも呼ばれ得るような部材も含む概念である。

また、本明細書において、「シート面（板面、フィルム面）」とは、対象となるシート状の部材を全体的かつ大局的に見た場合において対象となるシート状部材の平面方向（面方向）と一致する面のことを指す。さらに、本明細書において、シート状の部材の法線方向とは、対象となるシート状の部材のシート面に対する法線方向のことを指す。

さらに、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件ならびにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

図１には、本発明による一実施の形態に係る光学構造体８０を備える光学構造体付き表示装置１が示されている。図１に示すように、光学構造体付き表示装置１は、表示面１１を有する表示装置１０と、表示装置１０の表示面１１に対面して配置された光学構造体８０と、を備えている。なお、図１は、光学構造体付き表示装置１の、表示面１１の法線方向を含む面における断面図である。

まず、表示装置１０について説明する。表示装置１０は、画像を表示する表示面１１を有している。本実施の形態に係る表示装置１０は、液晶表示装置である。図１に示すように、液晶表示装置である表示装置１０は、液晶表示パネル１５と、液晶表示パネル１５に対面して配置されて液晶表示パネル１５を面状に照らす面光源装置２０と、を備えている。液晶表示パネル１５の面光源装置２０に照らされる側とは反対側の面が、表示装置１０の表示面１１となっている。表示装置１０では、液晶表示パネル１５が面光源装置２０からの光の透過または遮断を、画素を形成する領域（サブピクセル）毎に制御するシャッターとして機能することができる。画素を形成する領域毎に液晶表示パネル１５が駆動することにより、表示面１１に画像を表示することができる。

図示された液晶表示パネル１５は、出光側に配置された上偏光板１６と、入光側に配置された下偏光板１８と、上偏光板１６と下偏光板１８との間に配置された液晶層１７と、を有している。偏光板１６，１８は、入射した光を直交する二つの偏光成分（例えばＰ波およびＳ波）に分解し、一方の方向（透過軸と平行な方向）に振動する直線偏光成分（例えば、Ｐ波）を透過させ、前記一方の方向に直交する他方の方向（吸収軸と平行な方向）に振動する直線偏光成分（例えば、Ｓ波）を吸収する機能を有している。

液晶層１７では、一つの画素を形成する領域毎に、電圧が印加され得るようになっている。そして、電圧の印加の有無によって液晶層１７中の液晶分子の配向方向が変化するようになっている。一例として、入光側に配置された下偏光板１８を透過した特定方向の偏光成分は、電圧が印加されていない液晶層１７を通過する際にその偏光方向を９０°回転させ、その一方で、電圧が印加された液晶層１７を通過する際にその偏光方向を維持する。この場合、液晶層１７への電圧印加の有無によって、入光側に配置された下偏光板１８を透過した特定方向に振動する偏光成分が、出光側に配置された上偏光板１６をさらに透過するか、あるいは、上偏光板１６で吸収されて遮断されるか、を制御することができる。このようにして液晶表示パネル１５では、面光源装置２０からの光の透過または遮断を、画素を形成する領域毎に制御し得るようになっている。

本実施の形態においては、一例として、液晶表示パネル１５は、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式の液晶表示パネルとなっている。したがって、液晶表示パネル１５は、液晶層１７内の液晶分子に対して電圧が印加されていない又は印加されている電圧が最小値のときに、液晶分子が液晶表示パネル１５のシート面、すなわち表示面１１の法線方向に沿って配向して面光源装置２０からの光が遮断される状態となる。液晶分子に対して印加する電圧を徐々に増加させると、液晶分子が液晶表示パネル１５のシート面に沿う側に次第に傾斜するようになって、面光源装置２０からの光の透過率が徐々に増加する。このようにして液晶表示パネル１５では、面光源装置２０からの光の透過または遮断を画素毎に制御し得るようになっている。なお、液晶表示パネル１５は、このように駆動するＶＡ方式の液晶表示パネルに限られるものでなく、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）方式の液晶表示パネルであってもよいし、ＩＰＳ（Ｉｎ－Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）方式の液晶表示パネルであってもよい。液晶表示パネル１５の詳細については、種々の公知文献（例えば、「フラットパネルディスプレイ大辞典（内田龍男、内池平樹監修）」２００１年工業調査会発行）に記載されており、ここではこれ以上の詳細な説明を省略する。

次に、面光源装置２０について説明する。面光源装置２０は、面状に光を発光する発光面２１を有しており、本実施の形態では、液晶表示パネル１５を背面側（入光側）から照明する装置として用いられている。図１及び図２に示すように、面光源装置２０は、一例としてエッジライト型の面光源装置として構成され、導光板３０と、導光板３０の一方の側（図１及び図２に於いては左側）の側方に配置された光源２４と、導光板３０にそれぞれ対面するようにして配置された光学シート（プリズムシート）６０および反射シート２８と、を有している。図示された例では、光学シート６０が、液晶表示パネル１５に直面して配置されている。そして、光学シート６０の出光面６１によって、面光源装置２０の発光面２１が画成されている。なお、本実施の形態では、面光源装置２０がエッジライト型であるが、面光源装置２０は、直下型や裏面照射型などの他の形式であってもよい。

導光板３０の出光面３１が、表示装置１０の表示面１１および面光源装置２０の発光面２１と同様に、平面視形状（上方から見下ろして見た形状）が四角形形状に形成されている。この結果、導光板３０は、全体的に、一対の主面（出光面３１および裏面３２）を有する相対的に厚み方向の辺が他の辺よりも小さい直方体状の部材として構成されており、一対の主面間に画成される側面は四つの面を含んでいる。同様に、光学シート６０および反射シート２８は、全体的に、相対的に厚み方向の辺が他の辺よりも小さい直方体状の部材として構成されている。

導光板３０は、液晶表示パネル１５側の一方の主面によって構成された上述した出光面３１と、出光面３１に対向するもう一方の主面からなる裏面３２と、出光面３１および裏面３２の間を延びる側面と、を有している。側面のうちの第１方向ｄ１に対向する２つの面のうちの一方の側面が、入光面３３をなしている。図１及び図２に示すように、入光面３３に対面して光源２４が設けられている。入光面３３から導光板３０内に入射した光は、図２に示すように、第１方向（導光方向）ｄ１に沿って入光面３３に対向する反対面３４に向けて、概ね第１方向（導光方向）ｄ１に沿って導光板３０内を導光されるようになる。

導光板３０についてさらに詳述すると、本実施の形態では、導光板３０の裏面３２が凹凸面として形成されている。具体的な構成として、図２によく示されているように、裏面３２が、傾斜面３７と、導光板３０の法線方向に延びる段差面３８と、導光板３０の板面方向に延びる接続面３９と、を有している。導光板３０内での導光は、導光板３０の一対の主面３１，３２での全反射作用によってなされる。その一方で、傾斜面３７は、入光面３３側から反対面３４側へ向かうにつれて出光面３１に接近するよう、導光板３０の板面に対して傾斜している。したがって、傾斜面３７で反射した光については、一対の主面３１，３２に入射する際の入射角度は小さくなる。すなわち、傾斜面３７で反射することで、光は一対の主面３１，３２への入射角度が全反射臨界角度未満になりやすくなる。そして、傾斜面３７で反射することにより、一対の主面３１，３２への入射角度が全反射臨界角度未満になると、図２の光Ｌ２１、Ｌ２２に示すように、光は、導光板３０から出射するようになる。このように、傾斜面３７は、導光板３０から光を取り出すための要素として機能する。なお、導光板３０は、本実施の形態における態様に限られるものではなく、例えばドットパターン方式等の他の態様であってもよい。

光源２４は、例えば、線状の冷陰極管等の蛍光灯や、点状のＬＥＤ（発光ダイオード）や白熱電球等の種々の態様で構成され得る。本実施の形態において、光源２４は、入光面３３の長手方向（図２に於いては、紙面に直交する方向、即ち、紙面の表裏方向）に沿って、並べて配置された多数の点状発光体２５、具体的には、多数のＬＥＤによって、構成されている。

反射シート２８は、導光板３０の裏面３２に対面するようにして配置される部材であって、導光板３０の裏面３２から漏れ出した光を反射して、再び導光板３０内に入射させるための部材である。反射シート２８は、白色の散乱反射シート、金属等の高い反射率を有する材料からなるシート、高い反射率を有する材料からなる薄膜（例えば金属薄膜や誘電体多層膜）を表面層として含んだシート等から、構成され得る。反射シート２８での反射は、正反射（鏡面反射）でもよく、拡散反射でもよい。反射シート２８での反射が拡散反射の場合には、当該拡散反射は、等方性拡散反射であってもよいし、異方性拡散反射であってもよい。

光学シート６０は、透過光の進行方向を変化させる機能を有した部材である。光学シート６０は、導光板３０の出光面３１に対面するようにして配置されている。図２に示すように、本例に係る光学シート６０は、板状に形成された本体部６５と、本体部６５の入光側面６７上に形成された複数の単位プリズム（単位形状要素、単位光学要素、単位レンズ）７０と、を有している。本体部６５は、一対の平行な主面を有する平板状の部材として構成されている。図示された例においては、単位プリズム７０が本体部６５の入光側面６７上に第１方向ｄ１に配列されており、各単位プリズム７０は柱状に形成されている。また、各単位プリズム７０は、その配列方向である第１方向ｄ１と交差する方向に延びている。なお、本実施の形態では、１つの光学シート６０が導光板３０に対面して設けられているが、導光板３０に対面して、複数の光学シートが設けられもよい。この場合、各光学シートのプリズムが延びる方向は、互いに異なっていてもよい。

以上のような面光源装置２０は、光学シート６０を有することにより、導光板３０からの光を所望の進行方向や偏光状態に変換して液晶表示パネル１５に入射させるようになっている。そして、液晶表示パネル１５に入射した光は、上述したように、電圧の印加に応じて液晶層１７において透過または遮断を画素の形成領域毎に制御され、これにより、表示装置１０の表示面１１に像が表示されることになる。

次に、図３及び図４を参照しながら、光学構造体８０について説明する。図３は、光学構造体８０を概略的に示す斜視図であり、図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った光学構造体８０の断面図である。光学構造体８０は、表示装置１０の表示面１１に対面して配置されており、表示面１１から出射した画像を形成する画像光に光学的な作用を及ぼす。光学構造体８０は、図示しない接合層によって表示装置１０と接合されている。図３に示すように、光学構造体８０は、平面視形状が四角形形状に形成され、全体として厚み方向の辺が他の辺よりも小さい直方体状に形成されている。図１に示された例において、光学構造体８０は、表示装置１０の表示面１１と略平行となっている。

図３及び図４に示された例では、光学構造体８０は、基材８１と、基材８１の一方の側に設けられた光学機能層９０と、光学機能層９０の基材８１が設けられた側とは反対側に設けられた第２基材８２と、基材８１の光学機能層９０が設けられた側とは反対側に設けられた表面材層８３と、を有している。すなわち、表示装置１０の表示面１１に近い側から、第２基材８２、光学機能層９０、基材８１、表面材層８３の順に積層されている。光学構造体８０の光学機能層９０が設けられた側が、表示装置１０の表示面１１に対面する側となっている。したがって、光学構造体８０の表面材層８３が、光学構造体付き表示装置１の表面をなしている。

基材８１及び第２基材８２は、光学機能層９０を適切に支持する支持基材である。より詳しくは、基材８１は、光学機能層９０の後述する第１部分９１を支持し、第２基材８２は、光学機能層９０の後述する第３部分９３を支持する。基材８１及び第２基材８２は、透明であり、例えば、トリアセチルセルロース、ポリエチレンテレフタレート、ポリオリフィン、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリアミド、ガラス等からなる。基材８１及び第２基材８２は、透明性や、光学機能層９０の適切な支持性等を考慮すると、２０μｍ以上８０μｍ以下の厚みを有していることが好ましい。なお、基材８１及び第２基材８２は、光学構造体８０の製造過程にて除去される等して、省略されていてもよい。あるいは、基材８１は、後述する光学機能層９０の第１部分９１と同じ材料から形成されており、第１部分９１と一体的に形成されていてもよい。同様に、第２基材８２は、後述する光学機能層９０の第３部分９３と同じ材料から形成されており、第３部分９３と一体的に形成されていてもよい。

なお、「透明」とは、当該基材を介して当該基材の一方の側から他方の側を透視し得る程度の透明性を有していることを意味しており、例えば、３０％以上、より好ましくは７０％以上の可視光透過率を有していることを意味する。可視光透過率は、分光光度計（（株）島津製作所製「ＵＶ－３１００ＰＣ」、ＪＩＳ Ｋ ０１１５準拠品）を用いて測定波長３８０ｎｍ～７８０ｎｍの範囲内で測定したときの、各波長における透過率の平均値として特定される。

表面材層８３は、光学構造体付き表示装置１の表面をなしており、特定の機能を発揮する機能層として形成されている。表面材層８３が発揮する機能として、例えば反射防止機能がある。反射防止機能を有する表面材層８３によれば、外部からの光の表面反射によって光学構造体付き表示装置１に表示される画像の視認性が損なわれることを抑制することができる。ただし、表面材層８３は、反射防止機能に限らず、ハードコート機能や防汚機能、帯電防止機能等を有していてもよい。なお、表面材層８３は、省略されていてもよい。

光学機能層９０は、第１部分９１と、第１部分９１に積層された第２部分９２と、第２部分９２の第１部分９１とは反対側に積層された第３部分９３と、を有している。第１部分９１は、第１方向ｄ１に配列されており、且つ第１方向ｄ１と交差する第２方向ｄ２に延びている部分を含んでいる。図示された例では、第１方向ｄ１と第２方向ｄ２とは、互いに直交している。第３部分９３は、第１方向ｄ１に配列されており、且つ第２方向ｄ２に延びている部分を含んでいる。第２部分９２は、第２方向ｄ２に延びて、第１部分９１と第１方向ｄ１に沿って交互に配置されている部分、及び、第２方向ｄ２に延びて、第３部分９３と第１方向ｄ１に沿って交互に配置されている部分を含んでいる。

第１部分９１は、光学構造体８０において基材８１の側となっており、第３部分９３は、光学構造体８０において表示装置１０の表示面１１に対面する側となっている。第２部分９２は、第１部分９１と第３部分９３との間に位置している。第１部分９１の屈折率と第２部分９２の屈折率とは、互いに異なっており、第２部分９２の屈折率と第３部分９３の屈折率とは、互いに異なっている。したがって、第１部分９１と第２部分９２との間の第１界面９５及び第２部分９２と第３部分９３との間の第２界面９７は、光学的な界面となる。また、第１界面９５及び第２界面９７は、凹凸形状をなしている。したがって、第１界面９５及び第２界面９７は、レンズとして機能する。第１界面９５は、表示面１１と平行な平坦面９５ａと、表示面１１に非平行な斜面９５ｂと、を含んでいる。凹凸形状である第１界面９５及び第２界面９７における光学的な作用により、光学構造体８０は、光学構造体付き表示装置１の正面方向（法線方向）に対して第１方向ｄ１に傾斜した方向に画像光を出射させやすくすることができる。

図４に示すように、第１部分９１の断面形状は、基材８１の側が長い底、基材８１に対向する側が短い底となっている略台形形状である。すなわち、第１部分９１の断面形状は、基材８１に近づくにつれて第１方向ｄ１に沿った幅が大きくなっている。ここで、「基材８１に近づくにつれて第１方向ｄ１に沿った幅が大きくなっている」とは、基材８１との距離に応じて第１方向ｄ１に沿った幅が連続的に変化し続けることだけでなく、基材８１に近づくにつれて第１方向ｄ１に沿った幅が小さくなる部分を含まないことも意味しており、したがって、基材８１との距離に応じて第１方向ｄ１に沿った幅が段階的に変化することも含んでいる。ただし、第１部分９１の断面形状は、基材８１との距離に応じて連続的に変化し続けることが好ましい。

なお、第１部分９１の断面形状は、台形形状の脚の部分が直線でなく、曲線であってもよい。すなわち、第１部分９１の側面は、曲面であってもよい。第１部分９１の断面形状が変化することで、第１部分９１と第２部分９２との間の光学的な第１界面９５の斜面９５ｂの形状が変化し、第１界面９５の形状において所望の光学特性を発揮するようにできる。

第１部分９１は、透明である。このような第１部分９１は、例えば基材８１上にウレタンアクリレート等の紫外線硬化樹脂を配置し、紫外線を照射して樹脂を硬化させることで形成することができる。

図３及び図４に示すように、第２部分９２は、隣り合う第１部分９１の第１方向ｄ１に延びる部分の間、及び隣り合う第３部分９３の第１方向ｄ１に延びる部分の間を満たすように設けられている。言い換えると、第１部分９１と第３部分９３との間の隙間を埋めるように設けられている。第２部分９２は、例えば第１部分９１と第３部分９３とを接合する接合層である。また、第２部分９２は、透明である。このような第２部分９２は、例えばアクリル系紫外線硬化型樹脂から形成することができる。

図４に示すように、第３部分９３の断面形状は、第２部分９２に近づくにつれて第１方向ｄ１に沿った幅が小さくなっている。図示された例では、第３部分９３の断面形状は、半楕円形状である。ここで、「第２部分９２に近づくにつれて第１方向ｄ１に沿った幅が小さくなっている」とは、第２部分９２との距離に応じて第１方向ｄ１に沿った幅が連続的に変化し続けることだけでなく、第２部分９２に近づくにつれて第１方向ｄ１に沿った幅が大きくなる部分を含まないことも意味しており、したがって、第２部分９２との距離に応じて第１方向ｄ１に沿った幅が段階的に変化することも含んでいる。ただし、第３部分９３の断面形状は、第２部分９２との距離に応じて連続的に変化し続けることが好ましい。

なお、第３部分９３の断面形状は、図示されているような曲線だけでなく、直線の部分を含んでいてもよい。第３部分９３の断面形状によって、第２部分９２と第３部分９３との間の光学的な第２界面９７の形状が変化し、第２界面９７の形状において所望の光学特性を発揮するようにできる。

第３部分９３は、透明である。このような第３部分９３は、例えば第２基材８２上にウレタンアクリレート等の紫外線硬化樹脂を配置し、紫外線を照射して樹脂を硬化させることで形成することができる。

本実施の形態において、第２部分９２の屈折率は、第１部分９１の屈折率及び第３部分９３の屈折率より小さくなっている。このため、第１部分９１の屈折率と第２部分９２の屈折率との差及び第２部分９２の屈折率と第３部分９３の屈折率との差を大きくすることができる。屈折率差が大きくなると、界面における光学的な作用が発揮されやすくなる。具体的には、第１部分９１の屈折率と第２部分９２の屈折率との差及び第２部分９２の屈折率と第３部分９３の屈折率との差は、０．０５以上０．２５以下であることが好ましい。また、本実施の形態において、第１部分９１の屈折率は、例えば１．６以上であり、第２部分９２の屈折率は、例えば１．４９以下であり、第３部分９３の屈折率は、例えば１．６以上である。界面における屈折率の比較は、例えば当該界面に入射する光の屈折方向や全反射条件によって、確認することができる。なお、屈折率の具体的な値は、アッベ屈折率計（株式会社アタゴ社製のＲＸ－７０００α）で測定する。

また、第１界面９５の凹凸形状の凹凸のピッチは、表示装置１０の画素のピッチより小さくなっている。とりわけ、第１界面９５の凹凸形状の凹凸のピッチに対する表示装置１０の画素のピッチの比は、１／５以下であることが好ましく、１／１０以下であることがより好ましい。さらに、第１界面９５の凹凸形状の凹凸のピッチは、第２界面９７の凹凸形状の凹凸のピッチより大きい。具体的には、第１界面９５の凹凸形状の凹凸のピッチは、第２界面９７の凹凸形状の凹凸のピッチの３倍以上であることが好ましい。具体的な第１界面９５の凹凸形状の凹凸のピッチは、例えば３５μｍ以下である。また、具体的な第２界面９７の凹凸形状の凹凸のピッチは、例えば１２μｍ以下である。

次に、光学構造体８０及び光学構造体８０を有する光学構造体付き表示装置１の作用について説明する。

本実施の形態の表示装置１０において画像を表示する場合、まず、光源２４から光が照射される。これにより、入光面３３から導光板３０内に入射した光が、図２に示すように、第１方向ｄ１に沿って入光面３３に対向する反対面３４に向けて、概ね第１方向ｄ１に沿って、導光板３０の主面３１，３２で全反射を繰り返しながら、導光板３０内を導光される。導光板３０内を導光されている光は、主面３１への入射角度が全反射臨界角度未満になると、図２のＬ２１、Ｌ２２に示すように、導光板３０から出射する。導光板３０から出射された光は、光学シート６０を通過する際に単位プリズム７０によって、所望の進行方向や偏光状態に変換されて液晶表示パネル１５に入射する。次いで、液晶表示パネル１５に入射した光は、電圧印加に応じて液晶層１７において透過または遮断を画素の形成領域毎に制御される。このようにして、表示装置１０の表示面１１から画像光が出射する。

表示装置１０の表示面１１から出射した画像光は、光学構造体８０の光学機能層９０に入射する。光学機能層９０に入射した画像光は、図５に示すように、まず、第３部分９３を進み、次に、第３部分９３と第２部分９２との第２界面９７に入射する。第２界面９７に入射した画像光のうち、入射位置の法線方向と同一の方向に進む画像光Ｌ５１は、第２界面９７において屈折することなく第２界面９７を通過する。一方、第２界面９７に入射した画像光のうち、入射位置の法線方向と異なる方向に進む画像光であって、正面方向に進む画像光Ｌ５２，Ｌ５３、並びに、正面方向に対して傾斜した方向に進む画像光Ｌ５４，Ｌ５５は、第２部分９２と第３部分９３との屈折率差により、正面方向に対する傾斜角度を大きくするように屈折する。第２界面９７を通過した画像光Ｌ５２～Ｌ５５は、第２部分９２を透過し、第２部分９２と第１部分９１との間の第１界面９５に入射する。

第１部分９１と第２部分９２との第１界面９５の平坦面９５ａに、平坦面９５ａの法線方向と同一の方向に入射した画像光Ｌ５１は、第１界面９５で屈折することなく、第１界面９５を通過して、光学機能層９０から出射する。一方、第１部分９１と第２部分９２との第１界面９５の斜面９５ｂに入射した画像光Ｌ５２～Ｌ５５は、第１部分９１と第２部分９２との屈折率差により、正面方向に対する傾斜角度をさらに大きくするように屈折する。その後、一部の画像光Ｌ５２，Ｌ５４は、光学機能層９０から出射し、他の一部の画像光Ｌ５３，Ｌ５５は、さらに第１部分９１と第２部分９２との第１界面９５で屈折した後、光学機能層９０から出射する。これらの画像光Ｌ５２～Ｌ５５は、光学機能層９０を透過する際における第２部分９２と第３部分９３との第２界面９７での屈折及び第１部分９１と第２部分９２との第１界面９５での屈折により、正面方向に対してより大きく傾斜した方向に進むようになる。

なお、第１界面９５及び第２界面９７において画像光が受ける光学的な作用は、上述した屈折作用だけでなく、第１界面９５の凹凸形状及び第２界面９７の凹凸形状による回折作用も含む。すなわち、光学機能層９０に入射した画像光は、第１界面９５の凹凸形状及び第２界面９７の凹凸形状によって回折されて、正面方向に対してより大きく傾斜した方向に進むようになる。

ところで、上述したように、特許文献１に示すような光学構造体では、低屈折率層と高屈折率層との光学的な界面が１つしかない。このため、光学構造体を通過する画像光は、界面における光学的な作用を１回しか受けない。すなわち、画像光は、１回しか屈折及び回折されない。１回のみの屈折及び回折では、画像光を大きな視野角まで広げることにはなりにくい。言い換えると、視野角を十分に拡大できないことがある。

一方、本実施の形態では、上述したように、表示面１１から出射した画像光は、第１部分９１と第２部分９２との第１界面９５及び第２部分９２と第３部分９３との第２界面９７を通過するため、２つの光学的な界面９５，９７を通過することになる。すなわち、第２部分９２と第３部分９３との第２界面９７での屈折及び回折及び第１部分９１と第２部分９２との間の第１界面９５での屈折及び回折により、光学機能層９０を画像光が透過する際、図５に示すように、画像光の進行方向が正面方向に対してなす角度が大きくなる傾向を生じさせる。このように、画像光は、界面における光学的な作用、すなわち界面における屈折及び回折を２回受けることになる。２回の屈折及び回折の両方によって、画像光は、正面方向に対する傾斜角度が大きくなる。したがって、正面方向から第１方向ｄ１に傾斜した方向に、画像光が出射しやすくなる。このため、第１方向ｄ１に傾斜した方向からでも、画像光を明瞭に観察することが可能となる。すなわち、光学構造体付き表示装置１からの画像の視野角を広げることができる。このように、画像光を正面方向に対する傾斜角度が大きくなるように２回屈折及び回折させることで、１回の屈折及び回折より画像光を大きな視野角まで広げることができる。

また、第２部分９２の屈折率は、第１部分９１の屈折率及び第３部分９３の屈折率より小さくなっている。このため、第１部分９１の屈折率と第２部分９２の屈折率との差及び第２部分９２の屈折率と第３部分９３の屈折率との差を大きくすることができる。屈折率差が大きくなると、界面における光学的な作用が発揮されやすくなる。すなわち、第１界面９５及び第２界面９７において、大きな屈折角で光が屈折及び回折しやすくなる。このような第１界面９５及び第２界面９７を画像光が通過することで、画像光を大きな視野角まで広げることができる。

さらに、第１界面９５の凹凸形状の凹凸のピッチは、第２界面９７の凹凸形状の凹凸のピッチより大きくなっている。すなわち、第１界面９５の凹凸形状の凹凸のピッチと第２界面９７の凹凸形状の凹凸のピッチとは、異なっている。このため、第１界面９５の凹凸形状と第２界面９７の凹凸形状との干渉による干渉縞が生じにくくなっている。とりわけ、第１界面９５の凹凸形状の凹凸のピッチは、第２界面９７の凹凸形状の凹凸のピッチの３倍以上であると、干渉縞はほとんど視認されなくなる。干渉縞の発生が抑制されることで、干渉縞が視認されることによる光学構造体付き表示装置１に表示される画像の視認性の悪化を抑制することができる。

以上のように、本実施の形態の光学構造体８０は、第１部分９１と、第１部分９１に積層された第２部分９２と、第２部分９２の第１部分９１とは反対側に積層された第３部分９３と、を有する光学機能層９０を備え、第１部分９１の屈折率は、第２部分９２の屈折率とは異なり、第２部分９２の屈折率は、第３部分９３の屈折率とは異なり、第１部分９１と第２部分９２との間の第１界面９５が、凹凸形状をなしており、第２部分９２と第３部分９３との間の第２界面９７が、凹凸形状をなしている。このような光学構造体８０によれば、第１界面９５及び第２界面９７のそれぞれで画像光を正面方向に対する傾斜角度が大きくなるように屈折及び回折させることで、１回の屈折及び回折より画像光を正面方向に対する傾斜角度が大きくなるように屈折させることができる。すなわち、視野角を十分に拡大することができる。

なお、上述した実施の形態に対して様々な変更を加えることが可能である。

例えば、上述した実施の形態では、第１部分９１の屈折率と第２部分９２の屈折率との差及び第２部分９２の屈折率と第３部分９３の屈折率との差を大きくするためには、第２部分９２の屈折率が第１部分９１の屈折率及び第３部分９３の屈折率より小さくなっている。しかしながら、第２部分９２の屈折率が、第１部分９１の屈折率及び第３部分９３の屈折率より大きくなっていてもよい。この場合、第１部分９１の屈折率は、例えば１．４９以下であり、第２部分９２の屈折率は、例えば１．６以上であり、第３部分９３の屈折率は、例えば１．４９以下である。

この変形例においても、第２部分９２と第３部分９３との第２界面９７での屈折及び第１部分９１と第２部分９２との第１界面９５での屈折により、正面方向に対してより大きく傾斜した方向に進むようになる。すなわち、画像光を大きな視野角まで広げることができる。

また、光学構造体８０の第２基材８２は、偏光板であってもよい。この場合、表示装置１０の液晶表示パネル１５における上偏光板１６を省略することができる。すなわち、第２基材８２が、液晶表示パネル１５の上偏光板１６として機能する。したがって、偏光板である第２基材８２は、下偏光板１８が吸収する直線偏光成分とは異なる方向に振動する直線偏光成分を吸収する。このような構成によれば、光学構造体８０と表示装置１０とを接合する接合層を省略することができる。このため、光学構造体８０を有する光学構造体付き表示装置１を容易に製造することができる。

なお、本発明の光学構造体８０は、液晶表示装置に限らず、種々の表示装置１０の表示面１１に対面して設けられてもよい。種々の表示装置１０に対面して設けられた本発明の光学構造体８０によれば、表示装置１０に表示される画像の視野角を十分に拡大することができる。

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

以下の実施例１，２及び比較例１，２について、表示装置の表示面に白色の画像を表示した状態で、表示装置の正面方向に対して傾斜した各角度で輝度を測定した。各角度における輝度を、角度０°における輝度、すなわち正面方向における輝度で除算して、規格化した規格化輝度の角度分布を算出した。

実施例１，２及び比較例２では、表示装置の表示面に対面して光学構造体が設けられている。実施例１及び実施例２では、光学構造体は、第１部分と、第１部分に積層された第２部分と、第２部分の第１部分とは反対側に積層された第３部分と、を有している。第１部分と第２部分との間の第１界面は、凹凸形状をなしており、第２部分と第３部分との間の第２界面も、凹凸形状をなしている。第１部分の延びる方向に直交する断面において、第１界面の凹凸形状のピッチは、３５μｍであり、第１界面の表示装置に近い側の平坦面の長さは、１０．２μｍであり、第１界面の表示装置から遠い側の平坦面の長さは、１７．６μｍである。第１界面の斜面の長さは、１６．８μｍであり、第１界面の斜面は、曲率半径が６１μｍの曲面となっている。また、第３部分の延びる方向に直交する断面において、第２界面は、半楕円形状となっており、第２界面の凹凸形状のピッチは、８．７５μｍである。第２界面の半楕円形状の短径は、８．７５μｍであり、長径は１７．５μｍである。実施例１では、第２部分の屈折率は、第１部分の屈折率及び第３部分の屈折率より小さくなっている。具体的には、第１部分の屈折率は１．６５、第２部分の屈折率は１．４８、第３部分の屈折率は１．６５となっている。実施例２では、第２部分の屈折率は、第１部分の屈折率及び第３部分の屈折率より大きくなっている。具体的には、第１部分の屈折率は１．４８、第２部分の屈折率は１．６５、第３部分の屈折率は１．４８となっている。比較例２では、光学構造体は、第１部分と、第１部分に積層された第２部分と、を有している。第１部分と第２部分との間の第１界面は、凹凸形状をなしている。第１界面の凹凸形状のピッチは、３５μｍであり、第１界面の表示装置に近い側の平坦面の長さは、１０．２μｍであり、第１界面の表示装置から遠い側の平坦面の長さは、１７．６μｍである。第１部分の屈折率は、第２部分の屈折率より大きくなっている。具体的には、第１部分の屈折率は１．６５、第２部分の屈折率は１．４８となっている。比較例１では、表示装置に対面した光学構造体が設けられていない。

各実施例及び比較例における、正面方向に対する各角度（視野角）における規格化輝度の角度分布のグラフが、図６に示されている。図６から理解されるように、比較例１及び比較例２に比べて、実施例１及び実施例２では、大きな視野角において規格化輝度が高くなっている。これは、第２部分と第３部分との第２界面での屈折や回折及び第１部分と第２部分との間の第１界面での屈折や回折により、光の進行方向が正面方向に対してなす角度が大きくなったため、大きな視野角に画像光が出射しやすくなったと考えられる。

１ 光学構造体付き表示装置
１０ 表示装置
１１ 表示面
１５ 液晶表示パネル
１６ 上偏光板
１７ 液晶層
１８ 下偏光板
２０ 面光源装置
２４ 光源
２８ 反射シート
３０ 導光板
６０ 光学シート
７０ 単位プリズム
８０ 光学構造体
８１ 基材
９０ 光学機能層
９１ 第１部分
９２ 第２部分
９３ 第３部分
９５ 第１界面
９７ 第２界面

Claims (9)

1. 第１部分と、前記第１部分に積層された第２部分と、前記第２部分の前記第１部分とは反対側に積層された第３部分と、を有する光学機能層を備え、
   前記第１部分の屈折率は、前記第２部分の屈折率とは異なり、
   前記第２部分の屈折率は、前記第３部分の屈折率とは異なり、
   前記第１部分と前記第２部分との間の第１界面が、凹凸形状をなしており、
   前記第２部分と前記第３部分との間の第２界面が、凹凸形状をなしており、
   前記第１界面は、前記光学機能層の前記第１部分によって形成される表面と平行な平坦面と、前記光学機能層の前記第１部分によって形成される表面に非平行な斜面と、を含み、
   前記第１部分の断面形状は、前記光学機能層の前記第１部分によって形成される表面に近づくにつれて第１方向に沿った幅が大きくなっており、
   前記第２界面は、曲面を含み、
   前記第３部分の断面形状は、前記第２部分に近づくにつれて前記第１方向に沿った幅が小さくなっている、光学構造体。
2. 前記第２部分の屈折率は、前記第１部分の屈折率及び前記第３部分の屈折率より小さい、請求項１に記載の光学構造体。
3. 前記第１部分の屈折率は、１．６以上であり、
   前記第３部分の屈折率は、１．６以上である、請求項２に記載の光学構造体。
4. 前記第２部分の屈折率は、前記第１部分の屈折率及び前記第３部分の屈折率より大きい、請求項１に記載の光学構造体。
5. 前記第１部分の屈折率と前記第２部分の屈折率との差は、０．０５以上０．２５以下であり、
   前記第２部分の屈折率と前記第３部分の屈折率との差は、０．０５以上０．２５以下である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学構造体。
6. 前記第１界面の凹凸形状の凹凸のピッチは、前記第２界面の凹凸形状の凹凸のピッチより大きい、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学構造体。
7. 前記第１界面の凹凸形状の凹凸のピッチは、前記第２界面の凹凸形状の凹凸のピッチの３倍以上である、請求項６に記載の光学構造体。
8. 前記第１界面の凹凸形状の凹凸のピッチは、３５μｍ以下であり、
   前記第２界面の凹凸形状の凹凸のピッチは、１２μｍ以下である、請求項６または７に記載の光学構造体。
9. 表示面を有する表示装置と、
   前記表示面に対面して配置された請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学構造体と、を備え、
   前記光学構造体は、前記光学機能層の前記第３部分が設けられた側が前記表示面に対面する側となる、光学構造体付き表示装置。

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