WO2019017443A1

WO2019017443A1 - 画像表示装置

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Publication number: WO2019017443A1
Application number: PCT/JP2018/027150
Authority: WO
Inventors: 直良山田; 齊藤　之人; 佐藤　寛
Original assignee: 富士フイルム株式会社
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2019-01-24
Also published as: JP6820424B2; JPWO2019017443A1; US10901139B2; US20200150334A1

Abstract

画像表示装置を、複数の画素が配列されてなる表示領域（３２）と、表示領域（３２）の周囲に設けられた非表示領域（３３）とを備えた画像表示部（３０）と、画像表示部（３０）の視認側の表示領域（３２）の少なくとも縁部に対向して配置された一面と、一面に対向し、かつ、一面よりも非表示領域（３３）側にずれた位置に設けられた他面とを有する導光部（４０）と、画像表示部（３０）と導光部（４０）との間に配設され、かつ、表示領域（３２）からの光を、縁部に隣接する非表示領域（３３）側に回折させる回折素子（５０）とを備えた構成とする。

Description

画像表示装置

　本開示は、画像表示装置に関する。

　液晶表示装置および有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）表示装置等の画像表示装置は、テレビ、モニター、スマートフォン、ゲーム機あるいはデジタルサイネージ機器等、多くの電子機器に搭載されている。一般に、画像表示装置における画像表示部は、表示領域と、その周囲に設けられる非表示領域とを有している。非表示領域は、額縁、またはベゼルとも呼ばれ、バックライト部を格納したり、表示パネル、またはタッチパネルの周囲に配置される配線等を隠蔽したりするために設けられている。

　しかし、画像表示装置の非表示領域が大きいと、その分、画像表示部の面積が大きくなり、デザイン性を損なってしまうことがある。また、画像表示装置の大型化を招き、特にスマートフォン等の小型機器において問題になることがある。さらに、複数の画像表示装置を並列して配置し、ひとつの画像を表示させるデジタルサイネージ機器においては、非表示領域によって画像が分断されてしまうことが問題になる。
　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。

　たとえば、米国特許第８４８２６９１号明細書(以下において、特許文献１とする。)、特開２０１５－９９３７５号公報（以下において、特許文献２とする。）および国際公開第２０１０／１４０５３７号（以下において、特許文献３とする。）では、画像表示部の視認側にレンズを設置し、表示領域から出射される光線を屈折させることで、非表示領域を小さく見せたり、画像を拡大して見せたりする狭額縁化画像表示装置が提案されている。

　また、特開平６－８８９５９号公報（以下において、特許文献４とする。）には、液晶表示ユニットの視認側に、画像表示部の画素ごとの光を表面に導光する導光部を備えた導光板が配設され、この導光板の導光部が表面に向かって拡大された形状を有する液晶表示装置が提案されており、この構成により、狭額縁化を図っている。さらに、特開２０１３－４４８９９号公報（以下において、特許文献５とする。）には液晶パネルの視認側に、原画像を拡大して前面に表示画像を形成する平板状の光学素子であって、画素毎の単位平行光線をそれぞれ屈折により斜行させて平板面内での位置をずらし、表示画像を形成する画像表示領域にて当該画素に対応する画素射影区画から出射させる光学パネルを備えた液晶表示装置が提案されている。

　また、Ｓｅｊｉｎ　Ｌｅｅ，Ｊｅｏｎｇｍｉｎ　Ｍｏｏｎ，ＳｅｕｎｇＳｏｏ　Ｙａｎｇ，Ｊｕｓａｎｇ　Ｒｈｉｍ，Ｂｏｒａ　Ｋｉｍ，ＹｏｎｇＳｅｏｋ　Ｌｅｅ，ＳｅｕｎｇＪｕｎ　Ｈａｎ，ＳｏｏＹｏｕｎｇ　Ｙｏｏｎ，ａｎｄ　ＩｎＢｙｅｏｎｇ　Ｋａｎｇ，ＳＩＤ　２０１７　ＤＩＧＥＳＴ，６１２（２０１７）（以下において、非特許文献１とする。）では、画像表示部の視認側に、光ファイバーを多数束ねたファイバーオプティクス（ファイバープレートともいう）を設置し、表示領域から出射した光線を非表示領域まで導光させて、非表示領域が視認されないようにした狭額縁化画像表示装置が提案されている。

　本発明者らの検討によれば、特許文献１から３に記載の狭額縁化画像表示装置は、レンズによる屈折作用のために画像の一部が歪んで見える、あるいはレンズの厚みにより画像表示装置としての厚みが増加するという問題があった。

　また、同様に、特許文献４、５および非特許文献１に記載の画像表示装置は、光学パネルおよびファイバーオプティクスなどの導光部の厚みのために画像表示装置全体の厚みが増加する問題があった。

　導光部の厚みを低減すると、表示領域から出射して導光部に入射した光線の導光効率が低下し、画像表示の輝度が低下したり、隣接画素からの光線が混じってクロストークを生じたりするため、厚みを低減することができなかった。

　本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、狭額縁化に伴う厚みの増加を抑制しつつ、高解像度の画像を表示可能な、狭額縁化された画像表示装置を提供することである。

　すなわち、上記課題は以下に記す構成の本発明によって解決される。
＜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。

　本発明によれば、狭額縁化に伴う厚みの増加を抑制しつつ、高解像度の画像を表示可能な、狭額縁化された画像表示装置を提供することができる。

従来の狭額縁化画像表示装置の概略図である。従来の狭額縁化画像表示装置において、導光部の厚みを低減した場合の概略図である。従来の狭額縁化画像表示装置において、導光部の厚みを低減した場合の概略図である。本発明の画像表示装置の一例を示す概略図である。図４の画像表示装置の一部を拡大して示す概略図である。偏光回折格子の一例を模式的に示す平面図である。設計変更例１の画像表示装置の一部を拡大して示す模式的な断面図である。反射円偏光子を備えた場合の効果を説明するための図である。設計変更例２の画像表示装置の一部を拡大して示す模式的な断面図である。設計変更例３の画像表示装置の一部を拡大して示す模式的な断面図である。参考例１の画像表示装置の一部を拡大して示す模式的な断面図である。屈曲ライトガイドの一例を示す概略図である。一実施形態の画像表示装置を複数並べて構成された画像表示装置を模式的に示す平面図である。

　以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態および具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。

　はじめに、非特許文献１に記載されている、ファイバーオプティクスを用いた従来の狭額縁化された画像表示装置について、狭額縁化が実現される仕組みと、ファイバーオプティクスの厚みの低減が困難である理由を説明し、次に、本発明の一実施形態の画像表示装置の仕組みを説明することによって、両者の違いを明らかにする。

［従来の画像表示装置］
　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。

　画素３１から出射した光線の一部１００は、導光領域１４１に入射し、境界部１４２との界面で全反射を繰り返しながら、非表示領域３３へ向かう方向に導光され、導光部１４０の表面から出射される。このとき、導光領域１４１の出射側（すなわち、導光部１４０の視認側）の面積が入射側（すなわち、画像表示部３０と接する面の側）の面積よりも大きいことにより、画像は拡大される。
　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。

　一方、画像表示装置１１０の導光部１４０に代えて、厚みの薄い導光部４０を備えた画像表示装置１１１の模式図を図２および図３に示す。導光部の厚みを低減しつつ、光線１００を所定の位置まで導光させるためには、図２に示した模式図のように、導光部４０の導光領域４１の傾斜を大きくする必要がある。しかし、このとき、導光領域４１の入射面に対しほぼ垂直に入射した光線１００は、導光領域４１と境界部４２との界面に小さな入射角で入射することになり、全反射条件を満たさず、隣接する導光領域４１へ入射されてしまうことがあり得る。この場合、異なる画素からの光線が互いに混じり合ってクロストークを生じ、画像が適切に表示されなくなってしまう。

　一方、導光領域４１から境界部４２への入射角が小さい場合であっても、光線１００の一部は全反射されることがあり得る。また、境界部４２が金属等の反射性部材からなる場合は、光線１００の多くが反射される。しかし、図３に示すように、導光領域４１と境界部４２との界面への入射角が小さければ、反射角も小さくなり、光線１００は導光領域４１の入射面まで戻されてしまう可能性がある。この場合、光線１００は入射面から出射し、画像表示部３０に吸収されるなどして無駄になってしまい、結果として画像表示の輝度が低下する。

　以上、説明したように、従来の狭額縁化画像表示装置において、導光部の厚みを低減することは、光線の導光効率が著しく低下し、画像表示の輝度が低下したり、隣接画素からの光線が混じってクロストークを生じたりするため、好ましくない。

［本発明の画像表示装置］
　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、複数の画素３１が配列されてなる表示領域３２と、表示領域３２の周囲に設けられた非表示領域３３とを備えている。

　導光部４０は、画像表示部３０の視認側の表示領域３２の少なくとも縁部３２ａに対向して配置された一面４０ａと、一面４０ａに対向し、かつ、一面４０ａよりも非表示領域３３の側にずれた位置に設けられた他面４０ｂとを有する。ここで、表示領域３２の縁部３２ａは、表示領域３２内の端の領域をいう。ここでは、図５に示すように、導光部４０は複数の導光領域４１と各導光領域４１を隔てる境界部４２を有するファイバーオプティクスである。

　導光部４０の一面４０ａは画像表示部３０側の面であり、他面４０ｂは視認側の面である。導光部４０は、少なくとも表示領域３２の縁部３２ａの一部およびその一部に隣接する非表示領域３３を覆うように設けられていればよいが、縁部３２ａおよび非表示領域３３全域を覆うように設けられていることが好ましく、さらには、表示領域３２および非表示領域３３を含む像表示部全体を覆うように配置されていることも好ましい。

　回折素子５０は、画像表示部３０と導光部４０との間に配設され、かつ、表示領域３２からの光を、縁部３２ａに隣接する非表示領域３３側に回折させる。

　本構成により、画像表示装置１１においては、画像表示部３０の表示領域３２の縁部３２ａから出射した光線の少なくとも一部が回折素子５０によって非表示領域３３側へ回折され、導光部４０の一面４０ａに入射し、導光部４０によって導光され、導光部４０の他面４０ｂから出射する。

　図５に示すように、バックライト部２０は、光源、光源からの光を導光する導光体２２、第１の拡散シート２４、プリズムシート２５および第２の拡散シート２６を備えている。
　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。

　図５に示すように、画素３１から出射した光線の一部１００は、回折素子５０に入射し、非表示領域３３へ向かう方向に回折された後、導光領域４１へと入射する。そのため、導光領域４１から境界部４２への入射角が大きくなり、全反射される率が高くなる。結果として、導光領域４１における導光効率が大幅に向上する。ここで、非表示領域３３へ向かう方向に回折されるとは、入射光の進行方向を非表示領域３３側に傾けることを意味する。

　以上より、画像表示装置１１においては、表示領域３２からの出射光の少なくとも一部１００が、導光部４０により非表示領域３３の方へと導光されるため、表示領域３２の画像を非表示領域３３まで拡大させて見せることが可能であり、この結果、画像表示装置の狭額縁化が実現する。また、回折素子５０により表示領域３２からの出射光を回折させて導光部４０に入射することができるので、導光部４０の厚みを小さくしても導光効率が低下せず、適切に画像が表示される。そのため、画像表示装置全体の厚みを低減することが可能である。

　以下、画像表示装置の各要素についてより詳細に説明すると共に、画像表示装置の設計変更例について説明する。

［画像表示部］
　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。

　画像表示部は、静止画や写真であってもよいし、画像表示装置であってもよい。上記実施形態において、画像表示部３０が液晶セルであり、画像表示部の視認側とは反対の側にバックライト部を備えた液晶表示装置を備えた場合について説明したが、画像表示装置としては、液晶表示装置の他、有機ＥＬ表示装置、ＬＥＤ表示装置、またはＭＥＭＳシャッター表示装置等を好適に用いることができる。

　画像表示部から出射される光は、様々な向きに出射されてもよいし、特定の向きに集光されて出射されてもよい。出射される光線が正面方向や、非表示領域へ向かう方向に集光されている場合は、導光部における導光効率を向上させることが容易になるため、好ましい。例えば、液晶表示装置において、バックライト部に集光機能を持たせることによって、画像表示部からの出射光を集光化することができる。

　また、回折素子５０として後述の偏光回折格子を用いる場合には、画像表示部は、偏光を出射するものであることが好ましい。中でも、円偏光を出射するものであることが特に好ましい。円偏光を出射する画像表示装置と偏光回折格子とを組み合わせた場合、特定の方向への回折効率を高め、画像の輝度を向上させたり、二重像やゴーストの発生を抑制したりすることができる。
　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］
　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]
　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。

　偏光回折格子は、用いる液晶分子の種類や、液晶層の厚みによって、特定の波長領域の光線の回折効率を高めることができる。また、液晶分子の光学軸の向きが回転する周期を調整することによって、光線の回折方向を変化させることができる。よって、画像表示部から出射した光線が効率よく導光層へ入射されるように、場所に応じて、液晶分子の光学軸の向きが回転する周期を面内で連続的に変化させてもよい。
　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。

　画像表示装置には、回折素子５０に加えて、光路変換部の一部として機能する反射偏光子を備えることが好ましい。図７は、設計変更例１の画像表示装置１２の一部を拡大して示す模式的な断面図である。なお、以下において、先に説明した構成要素と同一の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。画像表示装置１２は、上述の画像表示装置１１において、画像表示部３０と回折素子５０との間に反射偏光子６０を備えている。なお、反射偏光子６０は、回折素子５０と導光部４０との間に配置されていてもよい。

［反射偏光子］
　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。

　反射円偏光子６０Ａは、例えば、反射直線偏光子６２と、１／４波長位相差板６１とを積層することによって作製される。このとき、反射直線偏光子６２の透過軸の方向と、１／４波長位相差板６１の遅相軸の方向が約４５°をなすように積層される。また、１／４波長位相差板６１は、少なくとも反射直線偏光子６２よりも視認側に設置されるが、画像表示部が円偏光を出射する場合は、反射直線偏光子６２よりも画像表示部側に、さらに１／４波長位相差板６１を積層することが好ましい。反射偏光子としては、特開２０１１－０５３７０５号公報に記載されているような、２種のポリマーを含む層を延伸したフィルム、および、ワイヤグリッド偏光子等を用いることができる。市販品としては、３Ｍ社製の反射偏光子（商品名ＡＰＦ）および、旭化成株式会社製のワイヤグリッド偏光子（商品名ＷＧＦ）等を好適に用いることができる。また、１／４波長位相差板は、可視域の波長のいずれかにおいて、およそ１／４波長となる位相差を有していればよい。例えば、波長５５０ｎｍにおいて、およそ１３８ｎｍの位相差を有する位相差板を好適に用いることができる。市販品としては、帝人株式会社製のピュアエースＷＲ　Ｗ－１４２等が挙げられる。また、反射円偏光子６０Ａとしては、棒状の液晶分子を螺旋状に配向させたコレステリック液晶層を使用することもできる。この場合、液晶分子の螺旋軸を反射円偏光子６０Ａの面に対し垂直方向から傾いた方向にすることで、光線が反射される方向を制御することもできる。

［導光部］
　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。

　複数の導光領域４１を隔てる境界部４２は、低屈折率層、空気層、反射層、または誘電体多層膜等を含んで構成されることが好ましい。導光部４０がこのような構造であると、導光領域４１と境界部４２との界面における全反射の効率を高めることができるため、好ましい。

　また、複数の導光領域４１を隔てる境界部４２は、光吸収層を含んでいてもよい。境界部４２が光吸収層を含んでいると、導光領域４１から境界部４２へと入射した光線を吸収することができ、光線が隣接する導光領域４１へと入射することを抑制できるため、好ましい。

　導光領域４１の入射面４１ａの面積は、画像表示部３０の画素３１の面積以下であることが好ましい。導光領域４１の面積が画素３１の面積以下であると、異なる画素３１から出射した光線が互いに混じらず、クロストークおよびボケを抑制し、高解像度の画像を表示することができるため、好ましい。

　導光領域４１の出射面４１ｂの面積は、入射面４１ａの面積以上であることが好ましい。また、導光領域４１の出射面４１ｂは、入射面４１ａに対し、非表示領域３３の方へと平行移動した位置にあることが好ましい。導光領域４１がこのような形状であると、画像が拡大され、画像表示部３０の非表示領域３３の一部、または全部を覆うことが可能になるため、好ましい。

　導光領域の入射面側に回折素子が作り込まれていてもよい。

　導光部４０の出射側の表面に、屈折素子、または光散乱部を備えていることも好ましい。導光部の出射面側に屈折素子または光散乱部が設置されていると、光線を様々な向きに出射することが可能になり、画像が適切に視認される視野角範囲を拡大できるため、好ましい。屈折素子としては、前述の回折素子と同様の素子を用いることができる。図９は、設計変更例２の画像表示装置１３の一部を拡大して示す模式的な断面図である。図９に示すように、導光部４０の出射面側に、画像表示部３０と導光部４０との間に設けられた回折素子５０と同様の回折素子５０Ａを備えていてもよい。また、この回折素子５０Ａに代えて、光散乱部を備えてもよい。また、光散乱部としては、一般的な光散乱フィルムまたは拡散フィルムを貼合するか、表面に微細な凹凸を付与することによって形成することが可能である。

　さらに、図１０は、設計変更例３の画像表示装置１４の一部を拡大して示す模式的な断面図である。図１０に示すように、導光部４０の出射面側に円偏光子７３を備えていることも好ましい。図１０においては、導光部４０の表面に回折素子５０Ａと、円偏光子７３を備えているが、円偏光子７３のみを備えてもよい。円偏光子７３は、視認側から入射した光線が、円偏光となって導光部４０に入射するように設置される。また、導光部４０と画像表示部３０との間に備えた反射偏光子６０が反射円偏光子６０Ａである場合には、反射円偏光子６０Ａを透過し、導光領域を導光した光線が、より多く出射するように、円偏光子の偏光方向を選択することが好ましい。
　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。

　導光部は、画像表示部の全部を覆うように設置されてもよいし、一部のみを覆うように設置されてもよいが、画像表示部における表示領域の少なくとも一部、および非表示領域の少なくとも一部を覆うように設置されることが好ましい。これにより、表示領域の画素から出射した光の一部を、非表示領域まで導光し、非表示領域の一部が視認されないようにすることができる。

　導光部は、導光領域における導光効率を大きく損なわない範囲において、薄型化されていることが好ましい。導光部の厚みに制限はないが、５ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以下であることがより好ましく、１ｍｍ以下であることが最も好ましい。

　なお、画像表示部３０と、導光部４０との間に回折素子５０を備えていない場合であっても、画像表示部３０と導光部４０との間に反射偏光子６０を備えることで輝度向上の効果を得ることができる。

　図１１は、後述の参考例１の画像表示装置の概略構成を示す模式的な断面図である。画像表示装置３０１は、バックライト部２０と、画像表示部３０と、反射偏光子６０と、導光部４０とをこの順で備える。導光部４０は複数の導光領域４１および境界部４２を有するファイバーオプティクスである。
　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。

　なお、画像表示装置と導光部との間に配置される光路変換部として機能する素子としては、回折素子の他にも、プリズム素子、または屈曲したライトガイドなども挙げられる。

［屈曲したライトガイド］
　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。

　図１３に、一実施形態の画像表示装置１１を複数並べて形成された大画面の画像表示装置１６を模式的に示す平面図を示す。図１３に示すように、複数の画像表示装置１１を並列して、１つの大画面の画像表示装置１６を構成することができる。各画像表示装置１１の各画像表示部は表示領域３２と非表示領域３３とを有するが、既述の通り、各画像表示装置１１は導光部４０および回折素子５０を備え（図４および図５参照。）、額縁領域が狭小化されている。そのため、画像表示装置１６においては、各画像表示装置１１の境界での画像の分断による違和感が低減された画像を表示することができる。

　以下に実施例を挙げて、本発明の特徴をさらに具体的に説明する。なお、以下に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。また、本発明の趣旨を逸脱しない限り、以下に示す構成以外の構成とすることもできる。

＜画像表示部の準備＞
［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。

＜回折素子の準備＞
［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。

［偏光回折格子の準備］
　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。

＜反射偏光子の準備＞
［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。

＜屈曲ライトガイドの準備＞
　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。

＜導光部の準備＞
［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。

　また、浜松ホトニクス株式会社製テーパーファイバオプティクス（型番：Ｊ５７４３）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のテーパー付ファイバーオプティクス４４を得た。テーパー付ファイバーオプティクス４４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、テーパー付ファイバーオプティクス４４は多数の導光領域を有し、導光領域の出射面の面積は入射面の面積よりも大きかった。さらに、導光領域を隔てる境界部は光吸収層を有していた。

　また、東レ株式会社製プラスチック光ファイバー素線（型番：ＰＧＳ－ＦＢ２５０）の表面を、ＩｎｋＴｅｃ社製錯体銀ミラーコーティングインク（型番：ＴＥＣ－ＣＯ－０２１）を用いてコーティングし、８０℃で２０分乾燥させて、銀ミラーコーティングが施された光ファイバーを作製した。次に、この光ファイバーを多数束ね、ヘンケルジャパン株式会社製熱硬化型接着剤（型番：Ｅ－３０ＣＬ）を用いて接着し、８０℃で２０分加熱して硬化させた。このようにして、導光領域の境界部に反射性部材を含むファイバーオプティクスを作製した。このファイバーオプティクスの入射面および出射面を研磨して、厚み３ｍｍの反射性ファイバーオプティクス４５を得た。

[実施例１]
　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２]
　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３]
　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４]
　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５]
　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６]
　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７]
　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８]
　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。

[比較例１]
　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。

[比較例２]
　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。

[比較例３]
　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。

[参考例１]
　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。

[参考例２]
　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。

＜画像表示装置の評価＞
[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。

[正面における輝度の評価方法]
　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。

[極角４５°における輝度の評価方法]
　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。

[画像のボケの評価方法]
　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。

　実施例の画像表示装置はいずれも、光路変換部として回折格子を備えたことにより、導光部における導光効率が向上し、導光部の厚みが薄いにも関わらず視認される額縁の幅を４ｍｍまで狭くすることができ、かつ、比較例１に比較して高い正面輝度が得られた。
　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。

　実施例２の画像表示装置１０２は、テーパー付ファイバーオプティクスの導光領域の出射面側の面積が、入射面側の面積よりも大きいことにより、画像が拡大され、画像が途切れたり歪んだりすることなく、非表示領域まで導光されていた。

　実施例３の画像表示装置１０３は、光路変換部として偏光回折格子を使用したことにより、導光部における導光効率が向上し、実施例１および２に比較して正面および極角４５°における輝度が向上した。

　実施例４の画像表示装置１０４は、光路変換部として屈折素子と反射偏光子を組み合わせて使用したことにより、導光部における導光効率がさらに向上し、実施例１～３に比較して正面および極角４５°における輝度が向上した。

　実施例５の画像表示装置１０５は、最表面に屈折素子を設けたことにより、導光部を導光した光線が表面で屈折されて斜め方向にも配光され、実施例４に比較して極角４５°における輝度が向上した。

　実施例６の画像表示装置１０６は、最表面に光散乱フィルムを設けたことにより、導光部を導光した光線が表面で散乱されて斜め方向にも配光され、実施例４に比較して極角４５°における輝度が向上した。ただし、光散乱フィルムによる散乱のため、わずかに画像のボケが見られた。

　実施例７の画像表示装置１０７は、最表面に円偏光子を設けたことにより、視認側から入射した光線の反射が抑制され、非常に良好な視認性を有していた。

　実施例８の画像表示装置１０８は、液晶表示装置のバックライトが集光化されたことにより、導光部における導光効率がさらに向上し、正面および極角４５°における輝度が向上した。画像表示装置１０８においては吸収型のルーバーフィルムを用いてバックライトを集光化したが、光を吸収しない手法によって集光化すれば、さらに輝度を向上させることができると考えられる。

　比較例１の画像表示装置２０１は、光路変換部を設置しなかったことにより、導光部における導光効率が低く、正面および極角４５°における輝度が低かった。

　比較例２の画像表示装置２０２は、ファイバーオプティクスの光ファイバーの入射面とのなす角を大きくしたことによって、導光効率が改善したが、狭額縁化するためにファイバーオプティクスの厚みを厚くする必要があった。

　比較例３の画像表示装置２０３は、比較例２の画像表示装置２０２のファイバーオプティクスの厚みを半分にしたものを用いている。これにより、表示領域の光が導光される範囲が限定され、非表示領域の多くを覆うことができず、十分に狭額縁化されていない。
　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。

　参考例１の画像表示装置３０１は、ビームスプリッターおよび反射性ファイバーオプティクスを用いたことにより、導光部における導光効率が向上し、実施例１に比較して正面および極角４５°における輝度が向上した。

　本開示の技術によれば、狭額縁化に伴う厚みの増加、画像の歪み、色の分離、および隣接画素間のクロストークを抑制し、高解像度の画像を表示可能な、狭額縁化された画像表示装置を提供することができる。画像表示装置としては、液晶表示装置以外に、有機ＥＬ表示装置、ＬＥＤ表示装置、ＭＥＭＳシャッター表示装置、またはその他の画像表示装置を用いてもよい。本発明の一実施形態の画像表示装置は、テレビ、モニター、デジタルサイネージ、スマートフォン、カーナビゲーションシステム、デジタルカメラ、電子ゲーム機を含む全ての画像表示装置に好適に使用でき、本発明の産業上の利用可能性は高い。

Claims

　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。