JPWO2019017443A1 - 画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
Description
これらの理由から、非表示領域の面積を小さくした、狭額縁化画像表示装置が要求されている。
<1>
複数の画素が配列されてなる表示領域と、上記表示領域の周囲に設けられた非表示領域とを備えた画像表示部と、
上記画像表示部の視認側の上記表示領域の少なくとも縁部に対向して配置された一面と、その一面に対向し、かつ、その一面よりも上記非表示領域側にずれた位置に設けられた他面とを有する導光部と、
上記画像表示部と上記導光部との間に配設され、かつ、上記表示領域からの光を、上記縁部に隣接する上記非表示領域側に回折させる回折素子とを備えた画像表示装置。
<2>
上記回折素子が、配向した液晶分子を含む液晶層を備えた偏光回折格子である<1>に記載の画像表示装置。
<3>
上記画像表示部が、円偏光を出射する<1>または<2>に記載の画像表示装置。
<4>
上記画像表示部と、上記回折素子との間に、上記画像表示部から出射された光を円偏光に変換する位相差板を備えた<1>から<3>のいずれかに記載の画像表示装置。
<5>
上記画像表示部と上記導光部との間に、反射偏光子を備えた<1>から<4>のいずれかに記載の画像表示装置。
<6>
上記導光部が複数の導光領域と、各導光領域を隔てる境界部とを備えた<1>から<5>のいずれかに記載の画像表示装置。
<7>
上記境界部が、低屈折率層、空気層、反射層、または誘電体多層膜を含み、上記導光領域に入射した光線の少なくとも一部が、その境界部との界面で全反射を繰り返しながら導光される<6>に記載の画像表示装置。
<8>
上記境界部が、光吸収層を含み、上記導光領域から上記境界部に入射した光線の少なくとも一部が、上記光吸収層によって吸収される<6>または<7>に記載の画像表示装置。
<9>
上記導光領域の上記他面側の面積が上記一面側の面積以上である<6>から<8>のいずれか1項に記載の画像表示装置。
<10>
上記導光領域の上記一面側の面積が上記画素の面積以下である<6>から<9>のいずれかに記載の画像表示装置。
<11>
上記導光部の上記他面に屈折素子を備えた<1>から<10>のいずれかに記載の画像表示装置。
<12>
上記導光部の上記他面に光散乱部を備えた<1>から<11>のいずれかに記載の画像表示装置。
<13>
上記導光部の上記他面に円偏光子を備えた<1>から<12>のいずれかに記載の画像表示装置。
<14>
上記画像表示部が、液晶表示装置、有機エレクトロルミネッセンス(EL)表示装置、発光ダイオード(LED)表示装置、または微小電気機械システム(MEMS)シャッター表示装置である<1>から<13>のいずれかに記載の画像表示装置。
図1は、従来の狭額縁化された画像表示装置110の額縁領域および画像表示領域の縁部の一部を示す模式的な断面図である。画像表示装置110は、バックライト部20と、画像表示部30とを備える液晶表示装置70、およびファイバーオプティクスからなる導光部140とをこの順に備える。画像表示部30は、複数の画素31が配置されてなる表示領域32と、この表示領域32の周囲に配置される非表示領域33とを備える。導光部140は複数の導光領域141に分割され、隣接する導光領域141の間は境界部142によって隔てられている。
以上のようにして、表示領域32の画像はわずかに拡大され、非表示領域33の一部または全体を覆うようになり、結果として、非表示領域33は正面からは狭く視認される、または、全く視認されなくなる。こうして狭額縁化が達成される。
以下、本発明の一実施形態の画像表示装置について説明する。図4は、一実施形態の画像表示装置11の概略構成を示す図であり、画像表示装置11の側面Aおよび平面Bを示す。図5は、画像表示装置11の一部を拡大して示す模式的な断面図である。
図4に示すように、画像表示装置11は、バックライト部20と、画像表示部30と、導光部40と、光路変換の機能を奏する回折素子50とを備えている。ここで、画像表示部30はバックライト部20と共に液晶表示装置70を構成する。
画像表示部30は、バックライト側偏光子34、第1の基材35、図示しない電極層に挟持された液晶層36、カラーフィルタ37、第2の基材38および視認側偏光子39を備えた液晶セルである。
画像表示部30は、既述の通り、複数の画素が配列されてなる表示領域と、この表示領域の周囲に設けられた非表示領域とを備える。画像表示部はその画像表示面が平面であってもよく、曲面であってもよい。
市販の液晶画像表示装置や有機EL表示装置の中には、円偏光を出射するものがあり、好適に用いることができる。また、直線偏光を出射する画像表示装置を画像表示部として用いる場合は、画像表示装置の表面に1/4波長位相差板等の位相変換層を積層することによって、円偏光に変換することができる。
回折素子50は、面内に可視光の波長程度の微細な周期構造を有し、入射した光線を複数の方向に分離したり、入射方向とは異なる方向へ屈折させたりすることができる光学素子である。ここでは、画像表示部と導光部との間に配置され、画像表示部の表示領域の縁部の画素から出射される光線を、縁部に隣接する非表示領域側に傾ける方向に回折して光路を変換する光路変換部である。回折素子の回折効率は高い方が好ましく、理想的には1である。回折素子としては、一般的な回折格子や、ホログラフィック回折格子、表面レリーフ回折格子、ブレーズド回折格子、および偏光回折格子等を用いることができる。中でも、ブレーズド回折格子および偏光回折格子は、特定の回折次数の回折効率を最大化できるため、好ましい。
偏光回折格子は、液晶分子を、光学軸の向きが面内で可視光の波長程度の周期で回転するように配向させた回折格子である。図6に偏光回折格子52を模式的に示す。光学軸53が面内の一方向に、図6においては紙面左右方向に、周期Λで180°回転するように液晶分子が配向されている。偏光回折格子の原理、機能および作製方法は、たとえば、Jihwan Kim,Yanming Li,Matthew N. Miskiewicz,Chulwoo Oh,Michael W. Kudenov, and Michael J. Escuti、Optica vol.2、 11、 958(2015)あるいは特許第5276847号公報を参照することができる。
さらに、偏光回折格子は、入射光を異なる2つの偏光状態に分離したり、入射光の偏光状態によって、異なる方向に回折させたりすることができる。たとえば、入射光が円偏光であった場合、円偏光の回転方向に応じて異なる方向に回折させることができる。そのため、画像表示部から出射する光が円偏光であった場合、光線が非表示領域の方向へ高効率で回折されるように、偏光回折格子を用いることができる。これにより、導光領域における導光効率を高め、画像の輝度を向上させたり、二重像およびゴーストの発生を抑制したりすることができる。
反射偏光子60は、入射光のうち一方の偏光を反射し、もう一方の偏光を透過する光学部材である。中でも、反射円偏光子が好ましい。反射偏光子60が反射円偏光子60Aである場合、反射円偏光子60Aは導光部40に入射する光線が円偏光となるように設置される。これにより、図8に示すように、反射円偏光子60Aを透過して導光領域41に入射する光線100は円偏光となり、導光領域41と境界部42との界面で反射されるとき、円偏光の回転方向が逆方向となって反射される。従って、光線100が導光領域41の入射面41aまで戻ったとき、光線100は反射円偏光子60Aで反射されて、再び導光領域41へと入射し、導光される。なお、図8においては、簡単のため回折素子50を省略しており、回折素子50を備えた場合と光線の光路が異なるが、反射円偏光子60Aによる効果は回折素子50を備えた場合も同様である。
導光部40は、入射面である一面40aに入射した光線の一部または全部を、出射面である他面40bの方へと導光する光学部材である。光ファイバーを多数束ねたファイバーオプティクス、あるいはアルミニウム板を陽極酸化させたポーラスアルミナ等を導光部40として用いることができる。また、導光部40は、既述の通り、複数の導光領域41に分割されていることが好ましい。導光部40が複数の導光領域41に分割されていると、入射した光線を所定の位置まで導光させることが容易になるため、好ましい。各導光領域41内において、入射した光の少なくとも一部は導光領域41と導光領域41間を隔てる境界部42との界面で全反射を繰り返して導光される。
導光部40の表面に円偏光子73が設置されていると、視認側から入射した光線が導光部の表面および/または導光部40の内部で反射されて生じる反射光を抑制でき、画像の視認性を向上させることができるため、好ましい。
円偏光子73としては、例えば、直線偏光子と1/4波長位相差板とを積層したものを用いることができる。このとき、直線偏光子は1/4波長位相差板よりも視認側に設置される。
画素31から出射した光線の一部100は、反射偏光子60を透過した後、導光領域41へと入射する。導光領域41から境界部42への入射角が小さいため、光線100の一部は境界部42との界面で反射され、画素31の方向へと戻されるが、反射偏光子60によって反射される。そのため、光線100は再び導光領域41へ入射し、導光される。結果として、導光領域41における導光効率が向上する。
屈曲したライトガイドとは、入射面から入射した光線の一部または全部を、屈曲させながら導光する光学部材である。ライトガイドとしては、屈曲した光ファイバーを多数束ねた素子あるいは、図12に示すような屈曲した導光層64を多数積層した素子65等を用いることができる。異なる画素から出射した光線が互いに混じらないようにする観点からは、光ファイバーを多数束ねた素子が好ましい。また、ライトガイド層の厚みが十分に小さく、光線の拡がりが抑制される場合には、ライトガイドは導光層であっても良い。
[液晶表示装置の準備]
Apple社製タブレット端末iPad mini(登録商標)を準備し、液晶表示装置70とした。Apple社製タブレット端末iPad mini(登録商標)は、円偏光を出射する液晶画像表示装置であった。また、Apple社製タブレット端末iPad
mini(登録商標)のバックライト部と液晶パネルとの間にルーバーフィルム(株式会社アスデック製RP−IPN11)を組み込んで、集光化された液晶表示装置71とした。液晶表示装置70および集光化された液晶表示装置71は、表示領域とその周囲に非表示領域とを備え、短辺方向における非表示領域の幅は、左右それぞれ約11mmであった。また、集光化された液晶表示装置71は、バックライト部にルーバーフィルムを組み込んだため集光化されており、正面方向から角度30°、すなわち極角30°における観察では画像がほとんど視認されなかった。
液晶表示装置70および集光化された液晶表示装置71のいずれかを、本発明の実施例および比較例の画像表示部として使用した。
[ブレーズド回折格子の準備]
エドモンド・オプティクス・ジャパン株式会社より購入した透過型ブレーズド回折格子(型番:#49−586)を、ブレーズド回折格子51として使用した。ブレーズド回折格子51は、厚みが約3mm、ブレーズ角が約37°であった。
エドモンド・オプティクス・ジャパン株式会社より購入した偏光ディレクトフラットレンズ(型番:#34−463)のレンズ部の一部を切り出し、ジオメトリックフェーズ回折格子52として使用した。ジオメトリックフェーズ回折格子52の屈折特性には偏光依存性があり、たとえば右円偏光を垂直に入射した場合、垂直方向からの角度約6°の方向に屈折された。
[反射円偏光子の準備]
ワイヤグリッド偏光フィルム(商品名WGF、旭化成株式会社製)の両面に、ポリカーボネート1/4波長位相差フィルム(商品面ピュアエースWR W−142、帝人株式会社製)を、それぞれ遅相軸の方向がワイヤグリッド偏光フィルムの透過軸方向と45°をなすように貼合した。こうして、ビームスプリッターとして使用可能な反射円偏光子63を得た。
厚み0.5mmの薄板ガラスのひとつの側面を、曲率半径が0.6mmの曲面になるように研磨した。さらに、対向する側面を、同じく曲率半径が0.6mmの曲面になるように研磨し、底部の厚みが0.1mmである、屈曲した導光層64を得た。屈曲した導光層64の曲面に粒径10μmのギャップ制御用粒子(積水化学工業株式会社製ミクロパールSP)を散布し、これを多数積層して、隙間が空気層である図12に示すような屈曲ライトガイド65を得た。
[ファイバーオプティクスの準備]
浜松ホトニクス株式会社製ファイバオプティクプレート(型番:J5734のカスタマイズ品、厚み10mm)の入射面および出射面を、元の面と平行でない平面となるように研磨し、厚み3mmのファイバーオプティクス43を得た。ファイバーオプティクス43は光ファイバーが入射面に対し約20°をなし、かつ入射面と出射面が平行になるように作製された。また、ファイバーオプティクス43は多数の導光領域を有し、導光領域を隔てる境界部は光吸収層を有していた。
液晶表示装置70の視認側表面に、ブレーズド回折格子51を、入射面が表示領域の一部を覆い、かつ、正面からの観察において出射面が非表示領域の一部を覆うように設置した。さらに、その上にファイバーオプティクス43を設置した。ブレーズド回折格子51およびファイバーオプティクス43は、いずれも光線を非表示領域の方へ導くように設置された。
このようにして、実施例1の画像表示装置101を作製した。
実施例1の画像表示装置101において、ファイバーオプティクス43をテーパー付ファイバーオプティクス44に換えた以外は実施例1と同様にして、実施例2の画像表示装置102を作製した。
実施例1の画像表示装置101において、ブレーズド回折格子51に換えて偏光回折格子52を設置し、実施例3の画像表示装置103を作製した。
実施例3の画像表示装置103において、ファイバーオプティクス43に換えて反射性ファイバーオプティクス45を設置し、かつ、偏光回折格子52と反射性ファイバーオプティクス45との間に反射円偏光子63を設置し、実施例4の画像表示装置104を作製した。なお、反射円偏光子63は、液晶表示装置70から出射する円偏光を透過するように設置された。
実施例4の画像表示装置104において、反射性ファイバーオプティクス45の出射側の表面に、さらに偏光回折格子52を設置し、実施例5の画像表示装置105を作製した。
実施例4の画像表示装置104において、反射性ファイバーオプティクス45の出射側の表面に、光散乱フィルム72として株式会社きもと製拡散フィルム(型番:100SXE)を貼合した。
このようにして、実施例6の画像表示装置106を作製した。
実施例5の画像表示装置105において、出射側の表面に設置された偏光回折格子52のさらに出射側の表面に、吸収型直線偏光子と1/4波長位相差フィルム(商品面ピュアエースWR W−142、帝人株式会社製)を貼り合わせて作製した円偏光子73を貼合した。円偏光子73は、吸収型直線偏光子が出射面側になるように設置された。
このようにして、実施例7の画像表示装置107を作製した。
実施例7の画像表示装置107において、液晶表示装置70を集光化された液晶表示装置71に換えた以外は実施例7と同様にして、実施例8の画像表示装置108を作製した。
実施例1の画像表示装置101において、ブレーズド回折格子51を設置しなかった以外は実施例1と同様にして、比較例1の画像表示装置201を作製した。
ファイバーオプティクス43の作製において、入射面および出射面を研磨する角度を変更し、厚み6mmのファイバーオプティクス46を得た。ファイバーオプティクス46は光ファイバーが入射面に対し約40°をなし、かつ入射面と出射面が平行になるように作製された。
比較例1の画像表示装置201において、ファイバーオプティクス43をファイバーオプティクス46に換えた以外は比較例1と同様にして、比較例2の画像表示装置202を作製した。
ファイバーオプティクス46の入射面をさらに研磨し、厚みを3mmのファイバーオプティクス47とした。ファイバーオプティクス47は光ファイバーが入射面に対し約40°をなし、かつ入射面と出射面が平行になるように作製された。
比較例1の画像表示装置201において、ファイバーオプティクス43をファイバーオプティクス47に換えた以外は比較例1と同様にして、比較例3の画像表示装置203を作製した。
実施例1の画像表示装置101において、ブレーズド回折格子51に換えて反射円偏光子63を設置した。なお、反射円偏光子63は、液晶表示装置70から出射する円偏光を透過するように設置された。次に、ファイバーオプティクス43に換えて反射性ファイバーオプティクス45を設置した。
このようにして、参考例1の画像表示装置301を作製した。
実施例1の画像表示装置101において、ブレーズド回折格子51を屈曲ライトガイド65に換えた以外は実施例1と同様にして、参考例2の画像表示装置302を作製した。
[視認される額縁の幅の評価方法]
作製した実施例および比較例の画像表示装置はいずれも、導光部によって表示領域から出射した光が非表示領域側の一部まで導光されていた。導光部に覆われていない非表示領域の範囲を額縁と見なし、正面からの観察において視認される額縁の幅を測定した。結果を表1および表2に示す。
作製した画像表示装置の導光部が設置されている範囲を全面白表示とし、その範囲における正面方向からの輝度を、株式会社トプコンテクノハウス社製分光放射計「SR−3」を用いて測定した。結果を表1および表2に示す。
作製した画像表示装置の導光部が設置されている範囲を全面白表示とし、その範囲における、正面方向に対し非表示領域とは反対の側に極角45°となる方向からの輝度を、株式会社トプコンテクノハウス社製分光放射計「SR−3」を用いて測定した。結果を表1および表2に示す。
作製した画像表示装置の導光部が設置されている範囲において、1画素おきに黒と白の直線を表示し、導光部を通った後の画像のボケを、正面からの目視にて評価した。結果を表1および表2に示す。なお、評価基準は以下の通りである。
<評価基準>
A:白線がはっきりと視認される。
B:白線が滲んで視認される。
C:黒線と白線が見分けられない。
さらに、実施例の画像表示装置はいずれも、導光部における導光領域の入射面側の面積が画素の面積よりも小さいことにより、高解像度の画像が得られ、画像のボケおよび色の分離がほとんど見られなかった。
また、比較例2、3の画像表示装置の正面輝度は、実施例の画像表示装置と比較すると小さく、正面輝度が不十分であった。
Claims (14)
- 複数の画素が配列されてなる表示領域と、前記表示領域の周囲に設けられた非表示領域とを備えた画像表示部と、
前記画像表示部の視認側の前記表示領域の少なくとも縁部に対向して配置された一面と、該一面に対向し、かつ、該一面よりも前記非表示領域側にずれた位置に設けられた他面とを有する導光部と、
前記画像表示部と前記導光部との間に配設され、かつ、前記表示領域からの光を、前記縁部に隣接する前記非表示領域側に回折させる回折素子とを備えた画像表示装置。 - 前記回折素子が、配向した液晶分子を含む液晶層を備えた偏光回折格子である請求項1に記載の画像表示装置。
- 前記画像表示部が、円偏光を出射する請求項1または2に記載の画像表示装置。
- 前記画像表示部と、前記回折素子との間に、前記画像表示部から出射された光を円偏光に変換する位相差板を備えた請求項1から3のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記画像表示部と前記導光部との間に、反射偏光子を備えた請求項1から4のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記導光部が複数の導光領域と、各導光領域を隔てる境界部とを備えた請求項1から5のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記境界部が、低屈折率層、空気層、反射層、または誘電体多層膜を含み、前記導光領域に入射した光線の少なくとも一部が、該境界部との界面で全反射を繰り返しながら導光される請求項6に記載の画像表示装置。
- 前記境界部が、光吸収層を含み、前記導光領域から前記境界部に入射した光線の少なくとも一部が、前記光吸収層によって吸収される請求項6または7に記載の画像表示装置。
- 前記導光領域の前記他面側の面積が前記一面側の面積以上である請求項6から8のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記導光領域の前記一面側の面積が前記画素の面積以下である請求項6から9のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記導光部の前記他面に屈折素子を備えた請求項1から10のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記導光部の前記他面に光散乱部を備えた請求項1から11のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記導光部の前記他面に円偏光子を備えた請求項1から12のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記画像表示部が、液晶表示装置、有機エレクトロルミネッセンス表示装置、発光ダイオード表示装置、または微小電気機械システムシャッター表示装置である請求項1から13のいずれか1項に記載の画像表示装置。
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