JPWO2013179679A1 - バックライト装置及びこれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

出射光の拡散度合いを制御可能なバックライト装置及び画像表示装置を提供する。本開示におけるバックライト装置は、光源と、光源からの光を均一に面発光させる導光板と、導光板の出射側に配置され、導光板からの光に指向性を付与する指向性制御フィルムと、指向性制御フィルムからの光をそのまま透過させる第１状態と、指向性制御フィルムからの光を拡散させる第２状態とを切り替え可能な液晶拡散素子とを備える。

Description

本開示は、液晶ディスプレイなどに用いられるバックライト装置及びこれを用いた画像表示装置に関する。

特許文献１は、導光板の２つの向かい合った入射端面に光源を配置し、導光板の入射端面と平行な方向へ伸びる三角形状プリズム列と、三角形状プリズム列と平行に伸びる円筒状レンズ列とを有するプリズムシートを導光板の出光面側に設け、プリズムシートの出射面側に透過型液晶パネルを配置した表示装置を開示する。

光源からの光は、左右の視差に対応する角度で透過型液晶パネルから出射されるように構成されている。同期駆動手段が光源に同期させて透過型液晶パネルに交互に表示することによって、高品位な立体視を可能としている。

国際公開第２００４／０２７４９２号

本開示は、出射光の拡散度合いを制御可能なバックライト装置及びこれを用いた画像表示装置を提供する。

本開示におけるバックライト装置は、光源と、光源からの光を均一に面発光させる導光板と、導光板の出射側に配置され、導光板からの光に指向性を付与する指向性制御フィルムと、指向性制御フィルムからの光をそのまま透過させる第１状態と、指向性制御フィルムからの光を拡散させる第２状態とを切り替え可能な液晶拡散素子とを備える。

また、本開示における画像表示装置は、画像表示パネルと、画像表示パネルの背面側に配置される、上記のバックライト装置とを備える。

本開示に係るバックライト装置及び画像表示装置は、出射光の拡散度合いを制御するのに有効である。

図１は、実施の形態１に係る画像表示装置の概略構成図である。 図２は、実施の形態１に係る画像表示装置の一部の分解斜視図である。 図３は、実施の形態１に係る拡散板の斜視図である。 図４は、実施の形態２に係る画像表示装置の概略構成図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

（実施の形態１）
以下、図１〜３を用いて、実施の形態１を説明する。

図１は、実施の形態に係る画像表示装置１０の概略断面図であり、図２は、図１に示す画像表示装置１０の一部の分解斜視図である。図３は、実施の形態に係る拡散板の斜視図である。尚、図１においては、図２に記載の電極４６、４７の記載が省略されている。

本実施の形態では、画像表示装置１０に対して３次元直交座標系を設定し、座標軸を用いて方向を特定する。図１〜３に示すように、Ｘ軸方向は、画像表示パネル６０の表示面に対してユーザが正対したときの左右方向（水平方向）と一致している。Ｙ軸方向は、画像表示パネル６０の表示面に対してユーザが正対したときの上下方向に一致している。Ｚ軸方向は、画像表示パネル６０の表示面に対して垂直な方向に一致している。ここで、「正対」とは、例えば表示面に「Ａ」という文字が表示されている場合において、ユーザがこの「Ａ」という文字を正しい方向から見るように、表示面の真正面に向かって位置していることを意味する。また、図１〜３は、画像表示装置１０の上側から見た図に相当する。したがって、図１及び図２の左側が、ユーザから見た表示画面の右側となる。

画像表示装置１０は、光源切替型のバックライト２０（バックライト装置の一例）と、２Ｄ画像及び３Ｄ画像が表示可能な画像表示パネル６０と、液晶拡散素子４０に印加する液晶駆動電圧を制御する制御部７０とから構成される。以下、各構成に対してそれぞれ詳細を述べる。

バックライト２０は、互いに対向する光源２１ａ及び２１ｂと、反射フィルム２２と、導光板２３と、光制御フィルム３０と、液晶拡散素子４０とで構成される。反射フィルム２２は導光板２３の下面（背面）側に設けられており、光制御フィルム３０は導光板２３の上面（前面）側に設けられている。

光源２１ａ及び２１ｂは、導光板２３の一対の側面のそれぞれに沿って配置されており、Ｘ軸方向において互いに対向している。光源２１ａは、導光板２３の左側面に配置されており、光源２１ｂは導光板２３の右側面に配置されている。光源２１ａ及び２１ｂは、それぞれＹ軸方向に配列された複数のＬＥＤ素子を有している。光源２１ａ及び２２ｂは、３Ｄ画像表示時には、画像表示パネル６０に表示される左眼用画像及び右眼用画像の切り替えに同期して、交互に点灯及び消灯を繰り返す。すなわち、画像表示パネル６０が右眼用画像を表示する場合は、光源２１ａが点灯して光源２１ｂが消灯し、画像表示パネル６０が左眼用画像を表示する場合は、光源２１ａが消灯して光源２１ｂが点灯する。２Ｄ画像表示時には、光源２１ａ点灯時、光源２２ａ点灯時双方で同じ画像が、画像表示パネル６０に表示される。

光源２１ａ及び２１ｂから出射された光は、導光板２３の上面と下面とで全反射を繰り返しながら導光板２３内に広がる。導光板２３内で全反射角度を超える角度を持った光が導光板２３の上面から出射される。導光板２３の下面は、図１に示すように、複数の傾斜面２４により構成されている。これらの傾斜面２４により、導光板２３内を伝搬する光は様々な方向に反射されるので、導光板２３から出射する光の強度が上面全体にわたって均一になる。

反射フィルム２２は、導光板２３の下面側に設けられている。導光板２３の下面に設けられた傾斜面２４の全反射角度を破った光は、反射フィルム２２により反射され、再び導光板２３内に入射し、最終的に上面から出射される。導光板２３から出射された光は、光制御フィルム３０に入射する。

光制御フィルム３０の下面には、三角形状の断面及びＹ軸方向に延びる稜線を有する複数のプリズム３１が、Ｘ軸方向に並列に配置されている。すなわち、光制御フィルム３０の下面には、三角形状の断面を有するプリズム３１が１次元アレイ配置されている。また、光制御フィルム３０の上面には、Ｙ軸方向に延びる複数のシリンドリカルレンズ３２がＸ軸方向に並列に配置されている。すなわち、光制御フィルム３０の上面には、レンチキュラーレンズが形成されている。

光制御フィルム３０の下面に入射した光は、プリズム３１によりＺ軸方向に立ち上げられ、上面のシリンドリカルレンズ３２により指向方向を制御される。ユーザが３Ｄ画像を視聴する時、光源２１ａからの光はユーザの右眼に、光源２１ｂからの光はユーザの左眼に集光される。この時、画像表示パネル６０は、光源２１ａ点灯時には右眼用画像を、光源２１ｂ点灯時には左眼用画像を表示するので、ユーザは３Ｄ画像を視聴することができる。

光制御フィルム３０を出射した光は、液晶拡散素子４０に入射する。

液晶拡散素子４０は、第１光学素子である拡散板４３と、第２光学素子である液晶層４４とを少なくとも備える。より詳細には、液晶拡散素子４０は、一対の対向基板４１及び４２と、対向基板４１及び４２の間に封入される拡散板４３及び液晶層４４と、対向基板４１の内面に設けられる電極４６と、対向基板４２の内面に設けられる電極４７と、拡散板４３の光出射面上に設けられる配向膜（図示せず）と、基板４２の光入射面側に設けられる配向膜（図示せず）とを備える。更に、対向基板４１及び４２の外面には、入射光及び出射光の偏向方向を揃えるための偏光子(図示せず)がそれぞれ設けられている。ここで、本実施の形態では偏光子の透過軸はＹ軸方向としている。つまり、Ｙ軸方向以外の偏光方向成分の光は吸収される。

図３に示すように、拡散板４３の表面には、Ｙ方向と平行に延びる複数の稜線５２を有する複数の突条が設けられている。したがって、拡散板４３と液晶層４４との境界面は、Ｘ−Ｚ断面上では粗面５１となっており、Ｙ―Ｚ断面上では直線状となっている。これにより、拡散板４３と液晶層４４の屈折率差がある場合、拡散板４３から液晶層４４へと進む光は拡散板４３と液晶層４４との界面でＸ軸方向に拡散される。この結果、拡散板４３と液晶層４４との屈折率差に応じて、液晶拡散素子４０を出射した光はＸ軸方向に拡散される。

制御部７０は、２Ｄ画像または３Ｄ画像の視聴に応じて液晶拡散素子４０に印加する電圧値を切り換える。３Ｄ画像視聴時には、制御部７０は拡散板４３と液晶層４４の屈折率が略等しくなるように液晶層４４へ印加する電圧の大きさを制御する。また、２Ｄ画像視聴時には、制御部７０は、拡散板４３と液晶層４４の屈折率差が大きくなるように液晶層に電圧を印加しない。このように印加電圧を制御することで、３Ｄ画像視聴時には、光制御フィルム３０を出射した光は、光の指向性を保ったまま、画像表示パネル６０に入射する。一方、２Ｄ画像視聴時には光制御フィルム３０を出射した光は、液晶拡散素子４０により拡散され、画像表示パネル６０に入射する。

拡散板４３の出射面及び基板４２の光入射面に設置される配向膜は、電極４６、電極４７に電圧が印加されていない状態で、液晶分子の長軸がＹ軸方向となるように液晶分子を配向させる。ただし、液晶分子の配向が均一に保てるのであれば、配向膜はなくても良い。

尚、対向基板４１及び４２、拡散板４３の形成材料としては、ガラスまたは樹脂を用いることができる。拡散４３の材料として樹脂を用いる場合、一例として、ガラス基板上にＵＶ硬化樹脂をインプリントすることによって、拡散板４３を形成することができる。液晶拡散素子４０は、電極４６を成膜した対向基板４１上に拡散板４３を形成し、電極４７を成膜した対向基板４２と貼り合わせ、対向基板４１及び４２の間に液晶を封入することによって作製できる。

上述したように、液晶拡散素子４０は、外部からの印加電圧を制御することで、透過する光の拡散度合いを制御できる素子である。その原理を簡単に述べる。通常、液晶分子は楕円体形状をしており、長手方向と短手方向とで誘電率が異なる。このため、液晶層４４は、入射光の偏光方向毎に屈折率が異なる複屈折の性質を有する。また、液晶分子の長軸配向（ダイレクタ）の向きが光の偏光方向に対して相対的に変化すれば、液晶層４４の屈折率も変化する。そのため、ある印加電圧を与えて発生させた電場により液晶の配向を変化させると、透過する光に対する屈折率が変わるため、光の拡散性が変化する。

本実施の形態では、液晶層４４を構成する材料としては１軸性のポジ型液晶を用いた場合を考える。そして、対向電極間に電圧が印加されていない場合には液晶分子長軸がＹ軸方向に配向しており、電圧が印加された場合は、液晶分子長軸がＺ軸方向に配向する場合を考える。

偏光子の透過軸がＹ軸方向であるため、電圧が印加されていない場合の液晶層４４の屈折率は異常光屈折率、電圧が印加された場合の液晶層４４の屈折率は常光屈折率となる。

液晶拡散素子４０等のアクティブ素子で光を拡散させる場合に、拡散角を大きくするためには、Δｎ（＝異常光に対する屈折率ｎｅ−常光に対する屈折率ｎｏ）が大きな液晶材料を用いることが望ましい。しかしながら、市販されている中でΔｎが大きな液晶材料は少なく、一般的に、Δｎは約０．２程度である。

本実施の形態では、拡散板４３の屈折率を１．５、液晶層４４の常光に対する屈折率を１．５、異常光に対する屈折率を１．７とした。そして３Ｄ画像視聴時には、制御部７０は電極に電圧を印加し、２Ｄ画像視聴時には、電極に電圧を印加しない制御を行う。このようにすることで３Ｄ画像視聴時には、液晶拡散素子４０を透過する光は拡散作用を受けずそのまま透過し、２Ｄ画像視聴時には、液晶拡散素子４０を透過する光は拡散される。

また、同じ液晶材料で用いて液晶拡散素子４０を構成しても配向方向の設計、電場のかけ方が液晶拡散素子４０の能力である拡散角や、電力や、スイッチングスピードなどといった素子性能を大きく左右する重要な項目である。

液晶拡散素子４０を透過した光は、画像表示パネル６０に入射する。画素表示パネル６０の一例として、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ方式のパネルが挙げられる。ただし、画像表示パネル６０として他の方式の画像表示パネルを採用することもできる。３Ｄ画像表示時には、画像表示パネル６０を透過した光は、液晶拡散素子４０により拡散されないので指向性を持ち、ユーザの眼の位置に集光される。この時、画像表示装置１０は、右眼用画像と左眼用画像の切り替えに同期させて、光源２１ａ及び２１ｂの切り替えを行っている。また、右眼用画像と左眼用画像との切り替えを１２０Ｈｚ以上の周波数で行うことで、ユーザは右眼用画像と左眼用画像とに基づいて違和感のない、立体画像を認識することができる。

また、２Ｄ画像視聴時には、液晶拡散素子４０により拡散された光が、画像表示パネル６０に入射する。したがって、画像表示パネル６０を透過した光は広い配光を持つため、ユーザは広い範囲で画像を視聴することができる。２Ｄ画像視聴時には、光源２１ａ、２１ｂのどちらを点灯しているときも画像表示パネルは視差のない同じ画像を表示させる。

以上説明したように本実施の形態において、３Ｄ画像視聴時には、指向性制御フィルム２０からの光はそのまま透過され、右眼用画像光は、ユーザの右眼に集光され、左眼用画像光は、ユーザの左眼に集光される。これにより、ユーザは高輝度な画像を見ることができる。また、２Ｄ画像視聴時には、指向性制御フィルム２０からの光は拡散されるため、画像表示パネル６０を透過した光は、広い角度で配光される。これにより、ユーザは広い視聴範囲で２Ｄ画像を見ることができる。また複数のユーザが同時に２Ｄ画像を見ることが可能となる。

尚、上記の実施の形態においては、拡散板４３の屈折率を１．５、電圧印加時の液晶層４４の屈折率を１．５、電圧が印加されない時の液晶層４４の屈折率を１．７とする例を説明した。この例では、電圧印加時には、拡散板４３と液晶層４４との屈折率差がほぼゼロとなって、液晶拡散素子４０は入射した光を透過させる（第１状態）。一方、電圧が印加されない時には、拡散板４３と液晶層４４との屈折率差が電圧印加時と比べて大きくなり、液晶拡散素子４０は入射した光を拡散させる（第２状態）。

この構成に代えて、拡散板４３の屈折率を例えば１．７、電圧印加時の液晶層４４の屈折率を１．５、電圧が印加されない時の液晶層４４の屈折率を１．７としても良い。この例では、電圧が印加されない時には、拡散板４３と液晶層４４との屈折率差がほぼゼロとなって、液晶拡散素子４０は入射した光を透過させる（第１状態）。一方、電圧印加時には、拡散板４３と液晶層４４との屈折率差が、電圧が印加されない時と比べて大きくなり、液晶拡散素子４０は入射した光を拡散させる（第２状態）。つまり、電圧が印加された状態と、電圧が印加されない状態のいずれか一方の状態で、拡散板４３と液晶層４４との屈折率差が略等しくなり、他方の状態で拡散板４３と液晶層４４との屈折率差が大きくなるように構成されていれば良い。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る画像表示装置の概略構成図である。

実施の形態２に係る液晶拡散素子７０は、一対の対向基板４１及び４２と、対向基板４１及び４２の間に封入される基材７１及び液晶カプセル７２と、対向基板４１の内面に設けられる電極（図示せず）と、対向基板４２の内面に設けられる電極（図示せず）とを備える。第１光学素子である基材７１は、ネットワーク構造を有するポリマーマトリックスであり、第２光学素子である液晶カプセル７２は、基材７１のネットワーク構造中に分散する複数の液晶滴である。基材７１及び液晶カプセル７２は、高分子分散型液晶素子を構成している。この高分子分散型液晶素子は、ポリマーと液晶とを共通の溶媒に溶解させ、溶解液を基板上にキャストする溶媒キャスト法、高分子多孔質膜の空孔中に液晶を含浸させる含浸法、高分子の水溶液中に液晶を乳化／分散させ、乳化／分散液をキャストする乳化法、液晶と重合性モノマーの均一溶液を予め作製し、この溶液を重合によって相分離させて、相分離構造を形成する重合法等により作製できる。

対向基板４１及び４２の内面に設けられた電極間に所定の電圧を印加すると、液晶カプセル７２中の液晶分子の配向が揃う。このため、電極間に電圧を印加した状態での液晶カプセル７２の屈折率は、電極間に電圧を印加しない状態での液晶カプセル７２の屈折率より小さくなる。したがって、液晶拡散素子７０に電圧を印加した状態での基材７１と液晶カプセル７２との屈折率差より、液晶拡散素子７０に電圧を印加しない状態での基材７１と液晶カプセル７２との屈折率差を大きくすることにより、液晶拡散素子７０による光の拡散度合いを大きくすることができる。

例えば、基材７１の屈折率を１．５、電圧を印加した状態での液晶カプセル７２の屈折率を１．５、電圧を印加しない状態での液晶カプセル７２の屈折率を１．６とする。そして３Ｄ画像視聴時には、制御部７０は電極に電圧を印加し、２Ｄ画像視聴時には、電極に電圧を印加しない制御を行う。このようにすることで３Ｄ画像視聴時には、液晶拡散素子４０を透過する光は拡散作用を受けずそのまま透過し、２Ｄ画像視聴時には、液晶拡散素子４０を透過する光は拡散される。この構成により、光制御フィルム３０による出射光の指向性を３Ｄ画像視聴に最適化しつつ、２Ｄ画像視聴時には、より広い範囲での視聴や複数人での視聴が可能となる。

（その他の実施の形態）
尚、上記の各実施の形態では、光源２１ａ及び２１ｂが共用されているが、光源２１ａ用の導光板と光源２１ｂ用の導光板とを設け、２枚の導光板を重ねて配置しても良い。

また、プリズムとレンチキュラーレンズとが一体になった光制御フィルム３０に代えて、プリズムシート及びレンチキュラーレンズシートを別個に設けても良い。

更に、バックライト２０は、図１、２及び４に記載された構成に限定されず、左右の画像信号の切り替えと同期して、右眼用の光と左眼用の光とを時分割で交互に出射できるものであれば、他の構成を採用しても良い。

更に、上記の各実施の形態では、２Ｄ画像視聴時に光源２１ａ、光源２１ｂの点灯時にあわせて２次元画像を表示したが、光源２１ａ、光源２１ｂを常時点灯させても良い。この場合光源の点灯のタイミングと画像の周波数を同期させる必要がなく、されに明るい画像が得られる。

更に、上記の各実施の形態では、第１及び第２の光源ユニットとして、光源２１ａ及び２１ｂを用いているが、２Ｄ画像専用の画像表示装置に本開示を適用する場合は、単一の光源を用いても良い。

更に、上記の各実施の形態では、２Ｄ画像視聴時に液晶拡散素子に電圧は印加しない構成にしたが、３Ｄ画像視聴時に印加する電圧より小さな電圧を加えることで、光の拡散度合いを小さくできる。この場合、光の配光分布は小さくなり、ユーザが見る範囲は狭くなるが高い輝度が得られ明るい画像を視聴できる。従って、好みに応じた配光で視聴することが可能になる。

更に、上記の実施の形態１では、電圧を印加した状態での拡散板４３の屈折率と液晶層４４の屈折率とが等しくなるように構成されている。液晶拡散素子４０に入射した光をそのまま透過させるためには、拡散板４３と液晶層４４との屈折率差がゼロであることが理想的である。しかしながら、光制御フィルム３０の指向性を大きく崩さない限り、拡散板４３の屈折率と液晶層４４との屈折率に多少の差があっても、３Ｄ画像視聴への影響は限定的である。したがって、少なくとも、光透過状態での拡散板４３と液晶層４４との屈折率差より、光拡散状態での拡散板４３と液晶層４４との屈折率差が大きければ良く、更に、光拡散状態での拡散板４３の屈折率と液晶層４４との屈折率とが略等しいことが好ましい。

上記の実施の形態２でも同じ理由により、光制御フィルム３０の指向性を大きく崩さない限り、基材７１の屈折率と液晶カプセル７２との屈折率に多少の差があっても良い。したがって、少なくとも、光透過状態での基材７１と液晶カプセル４２との屈折率差より、光拡散状態での基材７１と液晶カプセル７２との屈折率差が大きければ良く、更に、光拡散状態での基材７１の屈折率と液晶カプセル７２との屈折率とが略等しいことが好ましい。

更に、上記の各実施の形態では、拡散板４３、液晶層４４、基材７１及び液晶カプセル７２の屈折率の値を具体的に特定したが、これらの各部の屈折率の値は、バックライト２０及び画像表示装置１０の用途に応じて適宜変更可能である。

更に、上記の各実施の形態では、電圧を印加した状態で入射光を透過し、電圧を印加しない状態で入射光を拡散する構成を説明したが、電圧を印加した状態で入射光を拡散し、電圧を印加しない状態で入射光を透過するように、拡散板４３、液晶層４４、基材７１及び液晶カプセル７２の屈折率を選定しても良い。

更に、上記の各実施の形態に係るバックライト２０は、２Ｄ画像／３Ｄ画像を表示可能な画像表示装置のみならず、２Ｄ画像のみを表示可能な画像表示装置に適用しても良い。この場合、視聴人数に応じて光の拡散度合いを変更可能となるので、視聴人数が少ない場合の消費電力を低減することができる。

更に、上記の液晶拡散素子４０及び７０は、出射光の指向性を有する導光板と組み合わせてバックライトを構成しても良いし、乱反射により指向性のない光を出射する導光板及びプリズムシートと組み合わせてバックライトを構成しても良い。

更に、上記の各実施の形態では、液晶拡散素子４０及び７０中に存在する液晶の形態を特定したが、本開示はこれらに限定されない。対向する一対の電極間に、液晶分子が液晶分子が存在する部分よりなる第１光学素子と、他の媒質が存在する部分よりなる第２光学素子とが境界面を介して区画されており、第１光学素子と第２光学素子との境界面が、少なくとも同一平面を構成せず、電圧の印加により、第１光学素子及び第２光学素子の屈折率差が変化すれば良い。

更に、上記の実施の形態２では、断面が円形状の液晶カプセル７２を示したが（図４）、液晶カプセル７２は、断面が楕円等の他の形状の液晶滴であっても良い。

本開示は、２Ｄ画像／３Ｄ画像を表示可能な画像表示装置や、２Ｄ画像を表示可能な画像装置、プライバシーディスプレイ等に適用することが可能である。

１０ 画像表示装置
２０ バックライト
２１ａ 光源
２１ｂ 光源
２２ 反射フィルム
２３ 導光板
２４ 傾斜面
３０ 光制御フィルム
３１ プリズム
３２ シリンドリカルレンズ
４０ 液晶拡散素子
４１ 対向基板
４２ 対向基板
４３ 拡散板
４４ 液晶層
４６ 電極
４７ 電極
５１ 粗面
５２ 稜線
６０ 画像表示パネル
７０ 液晶拡散素子
７１ 基材
７２ 液晶カプセル

本開示は、液晶ディスプレイなどに用いられるバックライト装置及びこれ
を用いた画像表示装置に関する。

特許文献１は、導光板の２つの向かい合った入射端面に光源を配置し、導光板の入射端面と平行な方向へ伸びる三角形状プリズム列と、三角形状プリズム列と平行に伸びる円筒状レンズ列とを有するプリズムシートを導光板の出光面側に設け、プリズムシートの出射面側に透過型液晶パネルを配置した表示装置を開示する。

光源からの光は、左右の視差に対応する角度で透過型液晶パネルから出射されるように構成されている。同期駆動手段が光源に同期させて透過型液晶パネルに交互に表示することによって、高品位な立体視を可能としている。

国際公開第２００４／０２７４９２号

本開示は、出射光の拡散度合いを制御可能なバックライト装置及びこれを用いた画像表示装置を提供する。

本開示におけるバックライト装置は、光源と、光源からの光を面発光させる導光板と、導光板の出射側に配置され、導光板からの光に指向性を付与する指向性制御フィルムと、指向性制御フィルムからの光をそのまま透過させる第１状態と、指向性制御フィルムからの光を拡散させる第２状態とを切り替え可能な液晶拡散素子とを備える。

また、本開示における画像表示装置は、画像表示パネルと、画像表示パネルの背面側に配置される、上記のバックライト装置とを備える。

本開示に係るバックライト装置及び画像表示装置は、出射光の拡散度合いを制御するのに有効である。

実施の形態１に係る画像表示装置の概略構成図 実施の形態１に係る画像表示装置の一部の分解斜視図 実施の形態１に係る拡散板の斜視図 実施の形態２に係る画像表示装置の概略構成図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

（実施の形態１）
以下、図１〜３を用いて、実施の形態１を説明する。

図１は、実施の形態に係る画像表示装置１０の概略断面図であり、図２は、図１に示す画像表示装置１０の一部の分解斜視図である。図３は、実施の形態に係る拡散板の斜視図である。尚、図１においては、図２に記載の電極４６、４７の記載が省略されている。

本実施の形態では、画像表示装置１０に対して３次元直交座標系を設定し、座標軸を用いて方向を特定する。図１〜３に示すように、Ｘ軸方向は、画像表示パネル６０の表示面に対してユーザが正対したときの左右方向（水平方向）と一致している。Ｙ軸方向は、画像表示パネル６０の表示面に対してユーザが正対したときの上下方向に一致している。Ｚ軸方向は、画像表示パネル６０の表示面に対して垂直な方向に一致している。ここで、「正対」とは、例えば表示面に「Ａ」という文字が表示されている場合において、ユーザがこの「Ａ」という文字を正しい方向から見るように、表示面の真正面に向かって位置していることを意味する。また、図１〜３は、画像表示装置１０の上側から見た図に相当する。したがって、図１及び図２の左側が、ユーザから見た表示画面の右側となる。

画像表示装置１０は、光源切替型のバックライト２０（バックライト装置の一例）と、２Ｄ画像及び３Ｄ画像が表示可能な画像表示パネル６０と、液晶拡散素子４０に印加する液晶駆動電圧を制御する制御部７０とから構成される。以下、各構成に対してそれぞれ詳細を述べる。

バックライト２０は、互いに対向する光源２１ａ及び２１ｂと、反射フィルム２２と、導光板２３と、光制御フィルム３０と、液晶拡散素子４０とで構成される。反射フィルム２２は導光板２３の下面（背面）側に設けられており、光制御フィルム３０は導光板２３の上面（前面）側に設けられている。

光源２１ａ及び２１ｂは、導光板２３の一対の側面のそれぞれに沿って配置されており、Ｘ軸方向において互いに対向している。光源２１ａは、導光板２３の左側面に配置されており、光源２１ｂは導光板２３の右側面に配置されている。光源２１ａ及び２１ｂは、それぞれＹ軸方向に配列された複数のＬＥＤ素子を有している。光源２１ａ及び２２ｂは、３Ｄ画像表示時には、画像表示パネル６０に表示される左眼用画像及び右眼用画像の切り替えに同期して、交互に点灯及び消灯を繰り返す。すなわち、画像表示パネル６０が右眼用画像を表示する場合は、光源２１ａが点灯して光源２１ｂが消灯し、画像表示パネル６０が左眼用画像を表示する場合は、光源２１ａが消灯して光源２１ｂが点灯する。２Ｄ画像表示時には、光源２１ａ点灯時、光源２２ａ点灯時双方で同じ画像が、画像表示パネル６０に表示される。

光源２１ａ及び２１ｂから出射された光は、導光板２３の上面と下面とで全反射を繰り返しながら導光板２３内に広がる。導光板２３内で全反射角度を超える角度を持った光が導光板２３の上面から出射される。導光板２３の下面は、図１に示すように、複数の傾斜面２４により構成されている。これらの傾斜面２４により、導光板２３内を伝搬する光は様々な方向に反射されるので、導光板２３から出射する光の強度が上面全体にわたって均一になる。

反射フィルム２２は、導光板２３の下面側に設けられている。導光板２３の下面に設けられた傾斜面２４の全反射角度を破った光は、反射フィルム２２により反射され、再び導光板２３内に入射し、最終的に上面から出射される。導光板２３から出射された光は、光制御フィルム３０に入射する。

光制御フィルム３０の下面には、三角形状の断面及びＹ軸方向に延びる稜線を有する複数のプリズム３１が、Ｘ軸方向に並列に配置されている。すなわち、光制御フィルム３０の下面には、三角形状の断面を有するプリズム３１が１次元アレイ配置されている。また、光制御フィルム３０の上面には、Ｙ軸方向に延びる複数のシリンドリカルレンズ３２がＸ軸方向に並列に配置されている。すなわち、光制御フィルム３０の上面には、レンチキュラーレンズが形成されている。

光制御フィルム３０の下面に入射した光は、プリズム３１によりＺ軸方向に立ち上げられ、上面のシリンドリカルレンズ３２により指向方向を制御される。ユーザが３Ｄ画像を視聴する時、光源２１ａからの光はユーザの右眼に、光源２１ｂからの光はユーザの左眼に集光される。この時、画像表示パネル６０は、光源２１ａ点灯時には右眼用画像を、光源２１ｂ点灯時には左眼用画像を表示するので、ユーザは３Ｄ画像を視聴することができる。

光制御フィルム３０を出射した光は、液晶拡散素子４０に入射する。

液晶拡散素子４０は、第１光学素子である拡散板４３と、第２光学素子である液晶層４４とを少なくとも備える。より詳細には、液晶拡散素子４０は、一対の対向基板４１及び４２と、対向基板４１及び４２の間に封入される拡散板４３及び液晶層４４と、対向基板４１の内面に設けられる電極４６と、対向基板４２の内面に設けられる電極４７と、拡散板４３の光出射面上に設けられる配向膜（図示せず）と、基板４２の光入射面側に設けられる配向膜（図示せず）とを備える。更に、対向基板４１及び４２の外面には、入射光及び出射光の偏向方向を揃えるための偏光子(図示せず)がそれぞれ設けられている。ここで、本実施の形態では偏光子の透過軸はＹ軸方向としている。つまり、Ｙ軸方向以外の偏光方向成分の光は吸収される。

図３に示すように、拡散板４３の表面には、Ｙ方向と平行に延びる複数の稜線５２を有する複数の突条が設けられている。したがって、拡散板４３と液晶層４４との境界面は、Ｘ−Ｚ断面上では粗面５１となっており、Ｙ―Ｚ断面上では直線状となっている。これにより、拡散板４３と液晶層４４の屈折率差がある場合、拡散板４３から液晶層４４へと進む光は拡散板４３と液晶層４４との界面でＸ軸方向に拡散される。この結果、拡散板４３と液晶層４４との屈折率差に応じて、液晶拡散素子４０を出射した光はＸ軸方向に拡散される。

制御部７０は、２Ｄ画像または３Ｄ画像の視聴に応じて液晶拡散素子４０に印加する電圧値を切り換える。３Ｄ画像視聴時には、制御部７０は拡散板４３と液晶層４４の屈折率が略等しくなるように液晶層４４へ印加する電圧の大きさを制御する。また、２Ｄ画像視聴時には、制御部７０は、拡散板４３と液晶層４４の屈折率差が大きくなるように液晶層に電圧を印加しない。このように印加電圧を制御することで、３Ｄ画像視聴時には、光制御フィルム３０を出射した光は、光の指向性を保ったまま、画像表示パネル６０に入射する。一方、２Ｄ画像視聴時には光制御フィルム３０を出射した光は、液晶拡散素子４０により拡散され、画像表示パネル６０に入射する。

拡散板４３の出射面及び基板４２の光入射面に設置される配向膜は、電極４６、電極４７に電圧が印加されていない状態で、液晶分子の長軸がＹ軸方向となるように液晶分子を配向させる。ただし、液晶分子の配向が均一に保てるのであれば、配向膜はなくても良い。

尚、対向基板４１及び４２、拡散板４３の形成材料としては、ガラスまたは樹脂を用いることができる。拡散４３の材料として樹脂を用いる場合、一例として、ガラス基板上にＵＶ硬化樹脂をインプリントすることによって、拡散板４３を形成することができる。液晶拡散素子４０は、電極４６を成膜した対向基板４１上に拡散板４３を形成し、電極４７を成膜した対向基板４２と貼り合わせ、対向基板４１及び４２の間に液晶を封入することによって作製できる。

上述したように、液晶拡散素子４０は、外部からの印加電圧を制御することで、透過する光の拡散度合いを制御できる素子である。その原理を簡単に述べる。通常、液晶分子は楕円体形状をしており、長手方向と短手方向とで誘電率が異なる。このため、液晶層４４は、入射光の偏光方向毎に屈折率が異なる複屈折の性質を有する。また、液晶分子の長軸配向（ダイレクタ）の向きが光の偏光方向に対して相対的に変化すれば、液晶層４４の屈折率も変化する。そのため、ある印加電圧を与えて発生させた電場により液晶の配向を変化させると、透過する光に対する屈折率が変わるため、光の拡散性が変化する。

本実施の形態では、液晶層４４を構成する材料としては１軸性のポジ型液晶を用いた場合を考える。そして、対向電極間に電圧が印加されていない場合には液晶分子長軸がＹ軸方向に配向しており、電圧が印加された場合は、液晶分子長軸がＺ軸方向に配向する場合を考える。

偏光子の透過軸がＹ軸方向であるため、電圧が印加されていない場合の液晶層４４の屈折率は異常光屈折率、電圧が印加された場合の液晶層４４の屈折率は常光屈折率となる。

液晶拡散素子４０等のアクティブ素子で光を拡散させる場合に、拡散角を大きくするためには、Δｎ（＝異常光に対する屈折率ｎｅ−常光に対する屈折率ｎｏ）が大きな液晶材料を用いることが望ましい。しかしながら、市販されている中でΔｎが大きな液晶材料は少なく、一般的に、Δｎは約０．２程度である。

本実施の形態では、拡散板４３の屈折率を１．５、液晶層４４の常光に対する屈折率を１．５、異常光に対する屈折率を１．７とした。そして３Ｄ画像視聴時には、制御部７０は電極に電圧を印加し、２Ｄ画像視聴時には、電極に電圧を印加しない制御を行う。このようにすることで３Ｄ画像視聴時には、液晶拡散素子４０を透過する光は拡散作用を受けずそのまま透過し、２Ｄ画像視聴時には、液晶拡散素子４０を透過する光は拡散される。

また、同じ液晶材料で用いて液晶拡散素子４０を構成しても配向方向の設計、電場のかけ方が液晶拡散素子４０の能力である拡散角や、電力や、スイッチングスピードなどといった素子性能を大きく左右する重要な項目である。

液晶拡散素子４０を透過した光は、画像表示パネル６０に入射する。画素表示パネル６０の一例として、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ方式のパネルが挙げられる。ただし、画像表示パネル６０として他の方式の画像表示パネルを採用することもできる。３Ｄ画像表示時には、画像表示パネル６０を透過した光は、液晶拡散素子４０により拡散されないので指向性を持ち、ユーザの眼の位置に集光される。この時、画像表示装置１０は、右眼用画像と左眼用画像の切り替えに同期させて、光源２１ａ及び２１ｂの切り替えを行っている。また、右眼用画像と左眼用画像との切り替えを１２０Ｈｚ以上の周波数で行うことで、ユーザは右眼用画像と左眼用画像とに基づいて違和感のない、立体画像を認識することができる。

また、２Ｄ画像視聴時には、液晶拡散素子４０により拡散された光が、画像表示パネル６０に入射する。したがって、画像表示パネル６０を透過した光は広い配光を持つため、ユーザは広い範囲で画像を視聴することができる。２Ｄ画像視聴時には、光源２１ａ、２１ｂのどちらを点灯しているときも画像表示パネルは視差のない同じ画像を表示させる。

以上説明したように本実施の形態において、３Ｄ画像視聴時には、指向性制御フィルム２０からの光はそのまま透過され、右眼用画像光は、ユーザの右眼に集光され、左眼用画像光は、ユーザの左眼に集光される。これにより、ユーザは高輝度な画像を見ることができる。また、２Ｄ画像視聴時には、指向性制御フィルム２０からの光は拡散されるため、画像表示パネル６０を透過した光は、広い角度で配光される。これにより、ユーザは広い視聴範囲で２Ｄ画像を見ることができる。また複数のユーザが同時に２Ｄ画像を見ることが可能となる。

尚、上記の実施の形態においては、拡散板４３の屈折率を１．５、電圧印加時の液晶層４４の屈折率を１．５、電圧が印加されない時の液晶層４４の屈折率を１．７とする例を説明した。この例では、電圧印加時には、拡散板４３と液晶層４４との屈折率差がほぼゼロとなって、液晶拡散素子４０は入射した光を透過させる（第１状態）。一方、電圧が印加されない時には、拡散板４３と液晶層４４との屈折率差が電圧印加時と比べて大きくなり、液晶拡散素子４０は入射した光を拡散させる（第２状態）。

この構成に代えて、拡散板４３の屈折率を例えば１．７、電圧印加時の液晶層４４の屈折率を１．５、電圧が印加されない時の液晶層４４の屈折率を１．７としても良い。この例では、電圧が印加されない時には、拡散板４３と液晶層４４との屈折率差がほぼゼロとなって、液晶拡散素子４０は入射した光を透過させる（第１状態）。一方、電圧印加時には、拡散板４３と液晶層４４との屈折率差が、電圧が印加されない時と比べて大きくなり、液晶拡散素子４０は入射した光を拡散させる（第２状態）。つまり、電圧が印加された状態と、電圧が印加されない状態のいずれか一方の状態で、拡散板４３と液晶層４４との屈折率差が略等しくなり、他方の状態で拡散板４３と液晶層４４との屈折率差が大きくなるように構成されていれば良い。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る画像表示装置の概略構成図である。

実施の形態２に係る液晶拡散素子４０は、一対の対向基板４１及び４２と、対向基板４１及び４２の間に封入される基材７１及び液晶カプセル７２と、対向基板４１の内面に設けられる電極（図示せず）と、対向基板４２の内面に設けられる電極（図示せず）とを備える。第１光学素子である基材７１は、ネットワーク構造を有するポリマーマトリックスであり、第２光学素子である液晶カプセル７２は、基材７１のネットワーク構造中に分散する複数の液晶滴である。基材７１及び液晶カプセル７２は、高分子分散型液晶素子を構成している。この高分子分散型液晶素子は、ポリマーと液晶とを共通の溶媒に溶解させ、溶解液を基板上にキャストする溶媒キャスト法、高分子多孔質膜の空孔中に液晶を含浸させる含浸法、高分子の水溶液中に液晶を乳化／分散させ、乳化／分散液をキャストする乳化法、液晶と重合性モノマーの均一溶液を予め作製し、この溶液を重合によって相分離させて、相分離構造を形成する重合法等により作製できる。

対向基板４１及び４２の内面に設けられた電極間に所定の電圧を印加すると、液晶カプセル７２中の液晶分子の配向が揃う。このため、電極間に電圧を印加した状態での液晶カプセル７２の屈折率は、電極間に電圧を印加しない状態での液晶カプセル７２の屈折率より小さくなる。したがって、液晶拡散素子４０に電圧を印加した状態での基材７１と液晶カプセル７２との屈折率差より、液晶拡散素子４０に電圧を印加しない状態での基材７１と液晶カプセル７２との屈折率差を大きくすることにより、液晶拡散素子４０による光の拡散度合いを大きくすることができる。

例えば、基材７１の屈折率を１．５、電圧を印加した状態での液晶カプセル７２の屈折率を１．５、電圧を印加しない状態での液晶カプセル７２の屈折率を１．６とする。そして３Ｄ画像視聴時には、制御部７０は電極に電圧を印加し、２Ｄ画像視聴時には、電極に電圧を印加しない制御を行う。このようにすることで３Ｄ画像視聴時には、液晶拡散素子４０を透過する光は拡散作用を受けずそのまま透過し、２Ｄ画像視聴時には、液晶拡散素子４０を透過する光は拡散される。この構成により、光制御フィルム３０による出射光の指向性を３Ｄ画像視聴に最適化しつつ、２Ｄ画像視聴時には、より広い範囲での視聴や複数人での視聴が可能となる。

（その他の実施の形態）
尚、上記の各実施の形態では、光源２１ａ及び２１ｂが共用されているが、光源２１ａ用の導光板と光源２１ｂ用の導光板とを設け、２枚の導光板を重ねて配置しても良い。

また、プリズムとレンチキュラーレンズとが一体になった光制御フィルム３０に代えて、プリズムシート及びレンチキュラーレンズシートを別個に設けても良い。

更に、バックライト２０は、図１、２及び４に記載された構成に限定されず、左右の画像信号の切り替えと同期して、右眼用の光と左眼用の光とを時分割で交互に出射できるものであれば、他の構成を採用しても良い。

更に、上記の各実施の形態では、２Ｄ画像視聴時に光源２１ａ、光源２１ｂの点灯時にあわせて２次元画像を表示したが、光源２１ａ、光源２１ｂを常時点灯させても良い。この場合光源の点灯のタイミングと画像の周波数を同期させる必要がなく、されに明るい画像が得られる。

更に、上記の各実施の形態では、第１及び第２の光源ユニットとして、光源２１ａ及び２１ｂを用いているが、２Ｄ画像専用の画像表示装置に本開示を適用する場合は、単一の光源を用いても良い。

更に、上記の各実施の形態では、２Ｄ画像視聴時に液晶拡散素子に電圧は印加しない構成にしたが、３Ｄ画像視聴時に印加する電圧より小さな電圧を加えることで、光の拡散度合いを小さくできる。この場合、光の配光分布は小さくなり、ユーザが見る範囲は狭くなるが高い輝度が得られ明るい画像を視聴できる。従って、好みに応じた配光で視聴することが可能になる。

更に、上記の実施の形態１では、電圧を印加した状態での拡散板４３の屈折率と液晶層４４の屈折率とが等しくなるように構成されている。液晶拡散素子４０に入射した光をそのまま透過させるためには、拡散板４３と液晶層４４との屈折率差がゼロであることが理想的である。しかしながら、光制御フィルム３０の指向性を大きく崩さない限り、拡散板４３の屈折率と液晶層４４との屈折率に多少の差があっても、３Ｄ画像視聴への影響は限定的である。したがって、少なくとも、光透過状態での拡散板４３と液晶層４４との屈折率差より、光拡散状態での拡散板４３と液晶層４４との屈折率差が大きければ良く、更に、光拡散状態での拡散板４３の屈折率と液晶層４４との屈折率とが略等しいことが好ましい。

上記の実施の形態２でも同じ理由により、光制御フィルム３０の指向性を大きく崩さない限り、基材７１の屈折率と液晶カプセル７２との屈折率に多少の差があっても良い。したがって、少なくとも、光透過状態での基材７１と液晶カプセル４２との屈折率差より、光拡散状態での基材７１と液晶カプセル７２との屈折率差が大きければ良く、更に、光拡散状態での基材７１の屈折率と液晶カプセル７２との屈折率とが略等しいことが好ましい。

更に、上記の各実施の形態では、拡散板４３、液晶層４４、基材７１及び液晶カプセル７２の屈折率の値を具体的に特定したが、これらの各部の屈折率の値は、バックライト２０及び画像表示装置１０の用途に応じて適宜変更可能である。

更に、上記の各実施の形態では、電圧を印加した状態で入射光を透過し、電圧を印加しない状態で入射光を拡散する構成を説明したが、電圧を印加した状態で入射光を拡散し、電圧を印加しない状態で入射光を透過するように、拡散板４３、液晶層４４、基材７１及び液晶カプセル７２の屈折率を選定しても良い。

更に、上記の各実施の形態に係るバックライト２０は、２Ｄ画像／３Ｄ画像を表示可能な画像表示装置のみならず、２Ｄ画像のみを表示可能な画像表示装置に適用しても良い。この場合、視聴人数に応じて光の拡散度合いを変更可能となるので、視聴人数が少ない場合の消費電力を低減することができる。

更に、上記の液晶拡散素子４０は、出射光の指向性を有する導光板と組み合わせてバックライトを構成しても良いし、乱反射により指向性のない光を出射する導光板及びプリズムシートと組み合わせてバックライトを構成しても良い。

更に、上記の各実施の形態では、液晶拡散素子４０中に存在する液晶の形態を特定したが、本開示はこれらに限定されない。対向する一対の電極間に、液晶分子が存在する部分よりなる第１光学素子と、他の媒質が存在する部分よりなる第２光学素子とが境界面を介して区画されており、第１光学素子と第２光学素子との境界面が、少なくとも同一平面を構成せず、電圧の印加により、第１光学素子及び第２光学素子の屈折率差が変化すれば良い。

更に、上記の実施の形態２では、断面が円形状の液晶カプセル７２を示したが（図４）、液晶カプセル７２は、断面が楕円等の他の形状の液晶滴であっても良い。

本開示は、２Ｄ画像／３Ｄ画像を表示可能な画像表示装置や、２Ｄ画像を表示可能な画像装置、プライバシーディスプレイ等に適用することが可能である。

１０ 画像表示装置
２０ バックライト
２１ａ 光源
２１ｂ 光源
２２ 反射フィルム
２３ 導光板
２４ 傾斜面
３０ 光制御フィルム
３１ プリズム
３２ シリンドリカルレンズ
４０ 液晶拡散素子
４１ 対向基板
４２ 対向基板
４３ 拡散板
４４ 液晶層
４６ 電極
４７ 電極
５１ 粗面
５２ 稜線
６０ 画像表示パネル
７１ 基材
７２ 液晶カプセル

Claims (8)

1. バックライト装置であって、
   光源と、
   前記光源からの光を均一に面発光させる導光板と、
   前記導光板の出射側に配置され、前記導光板からの光に指向性を付与する指向性制御フィルムと、
   前記指向性制御フィルムからの光をそのまま透過させる第１状態と、前記指向性制御フィルムからの光を拡散させる第２状態とを切り替え可能な液晶拡散素子とを備える、バックライト装置。
2. 前記液晶拡散素子は、拡散板と前記拡散板上に設けられた液晶層とで構成され、
   前記第１状態での前記拡散板と前記液晶との屈折率差より、前記第２状態での前記拡散板と前記液晶との屈折率差が大きい、請求項１に記載のバックライト装置。
3. 前記第１状態では、前記拡散板と前記液晶の屈折率が略等しい、請求項２に記載のバックライト装置。
4. 前記拡散板は、前記液晶層との境界面に、前記一対の光源が対向する方向と直交する方向に延びる複数の稜線を有する、請求項１に記載のバックライト装置。
5. 前記液晶拡散素子は、シート状の基材と、前記基材中に分散する複数の液晶カプセルとから構成される高分子分散型液晶素子であり、
   前記第１状態での前記基材と前記液晶カプセルとの屈折率差より、前記第２状態での前記基材と前記液晶カプセルとの屈折率差が大きい、請求項１に記載のバックライト装置。
6. 前記第１状態では、前記基材と前記液晶カプセルとの屈折率が略等しい、請求項５に記載のバックライト装置。
7. 前記光源は、前記導光板の対向する一対の側面のそれぞれに対向するように、交互に点灯及び消灯が可能な第１の光源ユニット及び第２の光源ユニットを含む、請求項１に記載のバックライト装置。
8. 画像表示装置であって、
   画像表示パネルと、
   前記画像表示パネルの背面側に配置される、請求項１に記載のバックライト装置とを備える、画像表示装置。

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