WO2019198463A1

WO2019198463A1 - 表示素子モジュール、表示装置、及びロボット

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Publication number: WO2019198463A1
Application number: PCT/JP2019/012063
Authority: WO
Inventors: 智彦大谷
Original assignee: 凸版印刷株式会社
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2019-10-17
Also published as: JP2019184787A

Abstract

表示素子モジュール（１１）は、画像を表示する表示素子（２０）と、球面及び平面を有するレンズ（２１）と、表示素子（２０）とレンズ（２１）の平面とを接着する透明な接着材（２２）とを含む。接着材（２２）は、レンズ（２１）の平面での全反射を抑制する。

Description

表示素子モジュール、表示装置、及びロボット

　本発明は、表示素子モジュール、表示装置、及びロボットに関する。

　人間と会話をする、遊ぶなどのコミュニケーションを取ることが可能なロボット（コミュニケーションロボット）が開発されている。また、コミュニケーションロボットとして、人型、又は動物型（犬型、猫型を含む）など様々な種類のロボットが開発されている。

　生物の目は、感情を表現するのに重要な役割を担っている。生物は、目の変化で喜怒哀楽等の豊かな感情を表現することが可能である。よって、ロボットの目にリアリティーを持たせることは、感情を表現するのに重要である。

日本国特開２００３－２０５４８９号公報

　本発明は、目としてのリアリティーがあり、かつ広視野角を有する表示素子モジュール、表示装置、及びロボットを提供する。

　本発明の一態様に係る表示素子モジュールは、画像を表示する表示素子と、球面及び平面を有するレンズと、前記表示素子と前記レンズの前記平面とを接着する透明な接着材とを具備する。前記接着材は、前記レンズの前記平面での全反射を抑制する。

　本発明の一態様に係る表示素子モジュールは、画像を表示する表示素子と、前記表示素子上に置かれ、球面と、前記表示素子と向き合う平面とを有するレンズとを具備する。前記レンズの高さは、前記球面を延長した球体の半径より小さい。

　本発明の一態様に係る表示装置は、上記態様のいずれかに係る表示素子モジュールと、前記表示素子を駆動する駆動回路とを具備する。

　本発明の一態様に係るロボットは、上記態様に係る前記表示装置を具備し、前記表示素子モジュールは、目を構成する。

　本発明によれば、目としてのリアリティーがあり、かつ広視野角を有する表示素子モジュール、表示装置、及びロボットを提供することができる。

第１実施形態に係る表示装置のブロック図。ロボットに搭載された表示装置の一例を説明する図。第１実施形態に係る表示素子モジュールの平面図及び断面図。図３に示した表示素子の断面図。第１実施形態に係る表示素子モジュールの表示動作を説明する断面図。第１実施形態に係る表示素子モジュールの表示動作を説明する断面図。比較例に係る表示素子モジュールの表示動作を説明する断面図。比較例に係る表示素子モジュールの表示動作を説明する断面図。第２実施形態に係る表示素子モジュールの平面図及び断面図。球面レンズの形状を説明する模式図。球面レンズの光路を説明する図。球面レンズの光路を説明する図。視角αとパラメータγとを変化させた場合における有効表示領域の割合を示す図。視角αとパラメータγとを変化させた場合における有効表示領域の割合を示すグラフ。パラメータγ＝０．５の場合の球面レンズの断面図。第３実施形態に係る表示素子モジュールの平面図及び断面図。第４実施形態に係る表示素子モジュールの平面図及び断面図。パラメータγ＝０．５の場合の平凹レンズの断面図。

　以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

　［１］　第１実施形態
　［１－１］　表示装置１０の構成
　本実施形態に係る表示装置１０は、人型、又は動物型（犬型、猫型を含む）など様々な種類のロボットに適用可能であり、また、表示装置１０は、ロボットの２つの目を構成する。本実施形態では、表示装置１０として、液晶表示装置を例に挙げて説明する。

　図１は、第１実施形態に係る表示装置１０のブロック図である。表示装置１０は、ロボットの２つの目に対応する表示素子モジュール１１－１、１１－２、２つの光源部（バックライト）１２－１、１２－２、２つの駆動回路１３－１、１３－２、電圧発生回路１４、制御回路１５、記憶部（記憶回路）１６、及び入力部（入力回路）１７を備える。

　表示素子モジュール１１－１、１１－２は、同じ構成を有する。本実施形態の説明では、表示素子モジュール１１－１、１１－２を特に区別する必要がない場合は、枝番号を省略して記載し、この枝番号なしの参照符号に関する説明は、表示素子モジュール１１－１、１１－２の各々に共通する。他の枝番号付きの参照符号についても同様に扱われる。

　表示素子モジュール１１は、液晶表示素子を含む。表示素子モジュール１１は、画像を表示する。本実施形態では、表示素子モジュール１１は、複数種類の目の画像を表示可能である。表示素子モジュール１１の具体的な構成については後述する。

　バックライト１２は、例えば面形状を持つ光源（面光源）から構成され、表示素子モジュール１１に向けて照明光を出射する。

　駆動回路１３は、表示素子モジュール１１を駆動する。具体的には、駆動回路１３は、表示素子モジュール１１に含まれる複数の電極に電圧を印加することで、表示素子モジュール１１に含まれる液晶層の配向を制御する。

　電圧発生回路１４は、外部電源を用いて、表示装置１０の動作に必要な複数の電圧を発生する。電圧発生回路１４により発生された電圧は、表示装置１０内の各モジュール、特に駆動回路１３に供給される。

　入力部１７は、外部（ロボット用の主制御回路など）から制御信号、及びデータを受ける。入力部１７に入力された制御信号、及びデータは、制御回路１５に送られる。入力部１７に入力されるデータは、目の画像データを含む。

　記憶部１６は、不揮発性メモリから構成される。記憶部１６は、表示素子モジュール１１に表示させる複数の画像に対応するデータを格納する。記憶部１６に記憶されたデータは、書き換えが可能である。

　制御回路１５は、表示装置１０の動作を統括的に制御する。制御回路１５は、入力部１７から送られた制御信号に基づいて、駆動回路１３を制御することが可能である。また、制御回路１５は、記憶部１６に格納されたデータを用いて、表示素子モジュール１１に画像を表示させる。さらに、制御回路１５は、入力部１７に入力されたデータを、記憶部１６に格納する。なお、制御回路１５は、ロボット用の主制御回路と兼用でもよく、同様に、記憶部１６は、ロボットが備える記憶部と兼用でもよい。

　図２は、ロボット１に搭載された表示装置１０の一例を説明する図である。例えば、ロボット１は、犬型である。ロボット１の２つの目には、本実施形態に係る表示装置１０が搭載される。具体的には、表示素子モジュール１１－１、１１－２は、ロボット１の２つの目を構成する。なお、ロボット１は、人工知能（ＡＩ）を搭載した高性能なロボットであってもよいし、玩具としてのロボットであってもよい。

　［１－２］　表示素子モジュール１１の構成
　次に、表示素子モジュール１１の構成について説明する。図３（ａ）は、第１実施形態に係る表示素子モジュール１１の平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ－Ａ´線に沿った表示素子モジュール１１の断面図である。なお、図３の表示素子モジュール１１は、図１の表示素子モジュール１１－１、１１－２に共通である。

　表示素子モジュール１１は、表示素子２０、球面レンズ２１、及び接着材２２を備える。球面レンズ２１は、生物の目の表面と類似した形状を有し、ロボット１の目にリアリティーを出すために用いられる。

　表示素子２０は、液晶表示素子から構成される。表示素子２０の具体的な構成については後述する。

　表示素子２０の上方には、球面レンズ２１が設けられる。球面レンズ２１は、平凸レンズで構成される。すなわち、球面レンズ２１は、球面としての凸面と、凸面と反対側の平面とを有する。本実施形態に係る球面レンズは、球体の一部を平面で切断したような形状を有する。球面レンズ２１は、球体をその中心を通る平面で切断したうちの一方の半球を含む。また、球面レンズ２１は、球体をその中心を通らない平面で切断したうちの一方（体積が小さい方）の平凸レンズであってもよい。本実施形態では、半球の球面レンズ２１を例に挙げて説明する。球面レンズ２１の面積は、表示素子２０の表示領域の面積以下である。球面レンズ２１の面積は、球面レンズ２１の平面の面積に対応する。表示素子２０の表示領域とは、画像が表示される領域である。

　接着材２２は、表示素子２０と球面レンズ２１とを接着する。また、接着材２２は、表示素子２０と球面レンズ２１との間を封止し、かつ満たす。接着材２２は、球面レンズ２１の底面全体に設けられる。接着材２２は、球面レンズ２１と接触することで、接着材２２と球面レンズ２１との界面で光が反射するのを抑制する機能を有する。

　［１－３］　表示素子２０の構成
　次に、表示素子２０の構成について説明する。表示素子２０は、透過表示及び反射表示の両方が可能な半透過型液晶表示素子である。透過表示とは、バックライトからの照明光を利用した表示である。反射表示とは、外光を利用した表示（具体的には、外光を反射した反射光を利用した表示）である。外光とは、表示素子２０の表示面側から入射する光であり、太陽光や屋内照明などを含む。

　図４は、図３に示した表示素子２０の断面図である。

　表示素子２０は、ＴＦＴ及び画素電極等が形成されるＴＦＴ基板３０と、カラーフィルター及び共通電極等が形成されかつＴＦＴ基板３０に対向配置されるカラーフィルター基板（ＣＦ基板）３１とを備える。ＴＦＴ基板３０及びＣＦ基板３１の各々は、透明基板（例えば、ガラス基板、又はプラスチック基板）から構成される。ＴＦＴ基板３０は、バックライト１２側に配置され、バックライト１２からの照明光は、ＴＦＴ基板３０側から表示素子２０に入射する。表示素子２０の２つの主面のうちバックライト１２と反対側の主面が、表示素子２０の表示面である。

　液晶層３２は、ＴＦＴ基板３０及びＣＦ基板３１間に充填される。具体的には、液晶層３２は、ＴＦＴ基板３０及びＣＦ基板３１と、シール材（図示せず）とによって包囲された領域内に封入される。液晶層３２を構成する液晶材料は、ＴＦＴ基板３０及びＣＦ基板３１間に印加された電界に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。液晶モードとしては、ＶＡ（Vertical Alignment）モード、ＴＮ（Twisted Nematic）モード、及びホモジニアスモードなど種々の液晶モードを用いることができる。

　シール材は、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、又は紫外線・熱併用型硬化樹脂等からなり、製造プロセスにおいてＴＦＴ基板３０及びＣＦ基板３１に塗布された後、紫外線照射、又は加熱等により硬化させられる。シール材の中には、ＴＦＴ基板とＣＦ基板との間隔（ギャップ）を所定値とするためのグラスファイバ或いはガラスビーズ等のギャップ材が散布される。なお、シール材にギャップ材を混入させることに加えて若しくは代えて、画像表示領域の周辺に位置する周辺領域にギャップ材を配置するようにしてもよい。

　ＴＦＴ基板３０の液晶層３２側には、複数のスイッチング素子（アクティブ素子）３３が設けられる。スイッチング素子３３としては、例えばＴＦＴ（Thin Film Transistor）が用いられ、またｎチャネルＴＦＴが用いられる。ＴＦＴ３３は、走査線として機能するゲート電極と、ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられた半導体層（例えばアモルファスシリコン層）と、半導体層に部分的に接しかつ互いに離間して設けられたソース電極及びドレイン電極とを備える。ソース電極は、信号線（図示せず）に電気的に接続される。

　複数のＴＦＴ３３上には、絶縁層３４が設けられる。絶縁層３４上かつ複数のＴＦＴ３３の上方には、複数の画素に対応して設けられた複数の反射層３５が設けられる。反射層３５は、外光を反射する機能を有する。複数の反射層３５上には、絶縁層３６が設けられる。

　絶縁層３６上には、複数の画素に対応する複数の画素電極３７が設けられる。画素電極３７は、画素領域の概略全体に設けられ、また、反射層３５と部分的に重なっている。絶縁層３４、３６内かつＴＦＴ３３のドレイン電極上には、画素電極３７に電気的に接続されたコンタクトプラグ（コンタクトホール）３８が設けられる。コンタクトプラグ３８は、反射層３５に電気的に接続されないように、反射層３５に設けられた開口部を通るように配置される。画素ＰＸのうち、反射層３５が設けられた領域が反射領域ＲＡ、反射層３５が設けられていない領域が透過領域ＴＡである。

　絶縁層３６上かつ複数の画素電極３７上には、液晶層３２の初期配向を制御する配向膜（図示せず）が設けられる。

　ＣＦ基板３１の液晶層３２側には、カラーフィルター３９が設けられる。カラーフィルター３９は、複数の着色フィルター（着色部材）を備え、具体的には、複数の赤フィルター３９－Ｒ、複数の緑フィルター３９－Ｇ、及び複数の青フィルター３９－Ｂを備える。一般的なカラーフィルターは光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）で構成される。隣接したＲ、Ｇ、Ｂの三色のセットが表示の単位（画素）となっており、１つの画素中のＲ、Ｇ、Ｂのいずれか単色の部分はサブピクセル（サブ画素）と呼ばれる最小駆動単位である。ＴＦＴ３３及び画素電極３７は、サブピクセルごとに設けられる。本明細書では、画素とサブ画素との区別が特に必要な場合を除き、サブ画素を画素と呼ぶものとする。

　赤フィルター３９－Ｒ、緑フィルター３９－Ｇ、及び青フィルター３９－Ｂの境界部分、及び画素（サブピクセル）の境界部分には、遮光用のブラックマトリクス（遮光層）４０が設けられる。すなわち、ブラックマトリクス４０は、網目状に形成される。ブラックマトリクス４０は、例えば、着色部材間の不要な光を遮蔽し、コントラストを向上させる機能を有する。

　カラーフィルター３９及びブラックマトリクス４０上には、共通電極４１が設けられる。共通電極４１は、表示素子２０の表示領域全体に平面状に形成される。共通電極４１上には、液晶層３２の初期配向を制御する配向膜（図示せず）が設けられる。

　ＴＦＴ基板３０の液晶層３２と反対側には、位相差板４２、及び偏光板４４が設けられる。ＣＦ基板３１の液晶層３２と反対側には、位相差板４３、及び偏光板４５が設けられる。位相差板４２及び偏光板４４は、円偏光板を構成し、位相差板４３及び偏光板４５は、円偏光板を構成する。

　偏光板（直線偏光子）４４、４５の各々は、光の進行方向に直交する平面内において、互いに直交する透過軸及び吸収軸を有する。偏光板４４、４５の各々は、ランダムな方向の振動面を有する光のうち、透過軸に平行な振動面を有する直線偏光（直線偏光した光成分）を透過し、吸収軸に平行な振動面を有する直線偏光（直線偏光した光成分）を吸収する。偏光板４４、４５は、互いの透過軸が直交するように、すなわち直交ニコル状態で配置される。

　位相差板４２、４３の各々は、屈折率異方性を有しており、光の進行方向に直交する平面内において、互いに直交する遅相軸及び進相軸を有する。位相差板４２、４３の各々は、遅相軸と進相軸とをそれぞれ透過する所定波長の光の間に所定のリタデーション（λを透過する光の波長としたとき、λ／４の位相差）を与える機能を有する。すなわち、位相差板４２、４３は、１／４波長板（λ／４板）から構成される。位相差板４２の遅相軸は、偏光板４４の透過軸に対して概略４５度の角度をなすように設定される。位相差板４３の遅相軸は、偏光板４５の透過軸に対して概略４５度の角度をなすように設定される。

　なお、前述した偏光板及び位相差板を規定する角度は、所望の動作を実現可能な誤差、及び製造工程に起因する誤差を含むものとする。例えば、前述した概略４５度は、４５°±５°の範囲を含むものとする。例えば、前述した直交は、９０°±５°の範囲を含むものとする。

　画素電極３７、コンタクトプラグ３８、及び共通電極４１は、透明電極から構成され、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。反射層３５としては、例えばアルミニウムが用いられる。絶縁層３４、３６としては、透明な絶縁材料が用いられ、例えば、シリコン窒化物（ＳｉＮ）が用いられる。

　［１－４］　表示動作
　次に、表示素子モジュール１１の表示動作について説明する。図５及び図６は、表示素子モジュール１１の表示動作を説明する断面図である。図５は、観察者５０が表示素子モジュール１１を正面から見た様子を示している。図６は、観察者５０が表示素子モジュール１１を斜めから見た様子を示している。図５及び図６の矢印は、観察者５０が表示素子モジュール１１を見る方向を表している。すなわち、観察者５０に届く光は、図５及び図６の矢印を逆方向に辿るようにして、図５及び図６の矢印の線と同じ光路を進む。

　球面レンズ２１の屈折率をｎとする。接着材２２の屈折率は、空気の屈折率より大きく、かつ“ｎ＋０．２”以下に設定される。空気の屈折率は、概略１である。接着材２２の屈折率は、球面レンズ２１の屈折率に対して“±０．２”の範囲内に設定することが望ましい。“±０．２”の範囲は、“＋０．２”及び“－０．２”を含む。

　球面レンズ２１としては、例えば、ガラス、アクリル樹脂、又はポリカーボネートが用いられる。ガラスの屈折率は、概略１．５である。アクリル樹脂の屈折率は、概略１．５である。ポリカーボネートの屈折率は、概略１．５９である。

　球面レンズ２１としてガラスを用いた場合、接着材２２の屈折率は、“１．５±０．２”の範囲内に設定される。接着材２２は、無色透明な材料で構成される。接着材２２としては、例えば、アクリル系粘着剤が用いられる。アクリル系粘着剤の屈折率は、ガラス、又はアクリル樹脂の屈折率と概略同じである。接着材２２としてアクリル系粘着剤を用い、球面レンズ２１としてガラス、又はアクリル樹脂を用いた場合、接着材２２と球面レンズ２１との屈折率の差は、ほぼゼロになる。

　さらに、接着材２２の屈折率は、接着材２２と接触する表示素子２０の部材（本実施形態では、偏光板４５）の屈折率に対して“±０．２”の範囲内に設定することが望ましい。偏光板は、例えば、偏光子と、偏光子の両側に貼り付けられた２枚の保護フィルムとを含む積層膜で構成される。偏光子としては、例えば、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）フィルムが用いられる。保護フィルムとしては、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムが用いられる。接着材２２と接触する透明フィルムがＰＥＴフィルムである場合、接着材２２の屈折率は、ＰＥＴフィルムの屈折率に対して“±０．２”の範囲内に設定することが望ましい。

　図５に示すように、観察者５０が表示素子モジュール１１を正面から見た場合、球面レンズ２１の中心を通る垂線上の光路では、空気と球面レンズ２１との界面で光は屈折せず、球面レンズ２１と接着材２２との界面でも光は屈折しない。球面レンズ２１の中心を通る垂線から４５度傾いた線と球面とが交差する位置における光路では、空気と球面レンズ２１との界面で光は屈折し、球面レンズ２１と接着材２２との界面では光は屈折しない。いずれの場合も、観察者５０は、表示素子２０の画像を視認できる。

　図６に示すように、観察者５０が表示素子モジュール１１を斜めから見た場合、球面レンズ２１の中心を通る垂線と球面とが交差する位置における光路では、空気と球面レンズ２１との界面で光は屈折し、球面レンズ２１と接着材２２との界面では光は屈折しない。球面レンズ２１の中心を通る垂線から４５度傾いた線と球面とが交差する位置における光路では、空気と球面レンズ２１との界面で光は屈折せず、球面レンズ２１と接着材２２との界面でも光は屈折しない。いずれの場合も、観察者５０は、表示素子２０の画像を視認できる。

　なお、ロボットの目に所望の色を付けたい場合、接着材２２の色を適宜設定してもよい。

　［１－５］　比較例
　次に、比較例について説明する。図７及び図８は、比較例に係る表示素子モジュールの表示動作を説明する断面図である。図７は、観察者５０が表示素子モジュールを正面から見た様子を示している。図８は、観察者５０が表示素子モジュールを斜めから見た様子を示している。

　比較例では、球面レンズ２１は、接着材を用いずに、表示素子２０上に載置される。このため、表示素子２０と球面レンズ２１との間には、空気が存在する。

　図７に示すように、観察者５０が表示素子モジュールを正面から見た場合、球面レンズ２１の中心を通る垂線上の光路では、空気と球面レンズ２１との界面で光は屈折せず、球面レンズ２１と空気との界面でも光は屈折しない。球面レンズ２１の中心を通る垂線から４５度傾いた線と球面とが交差する位置における光路では、空気と球面レンズ２１との界面で光は屈折し、球面レンズ２１と空気との界面で再度、光は屈折する。図７の比較例では、図５の実施例と比べて、観察者５０が表示素子２０を視認できる領域が狭くなってしまう。

　図８に示すように、観察者５０が表示素子モジュールを斜めから見た場合、球面レンズ２１の中心を通る垂線と球面とが交差する位置における光路では、空気と球面レンズ２１との界面で光は屈折し、球面レンズ２１と接着材２２との界面でも光は屈折する。球面レンズ２１の中心を通る垂線から４５度傾いた線と球面とが交差する位置における光路では、空気と球面レンズ２１との界面で光は屈折せず、球面レンズ２１と空気との界面では、光は全反射する。この光路では、観察者５０は、表示素子２０の画像を視認できない。

　球面レンズの屈折率をｎ、光路と垂線との成す角度をθとすると、全反射する条件は、以下の式（１）で表される。　
　θ＞ｓｉｎ^－１（１/ｎ）　　　・・・（１）
　ｎ＝１．５の場合、θ＞４２°となる。また、“θ_ｃ＝ｓｉｎ^－１（１/ｎ）”を臨界角という。すなわち、比較例では、観察者５０が４２度より大きい角度で表示素子モジュールを見た場合、全反射が生じてしまう。

　これに対し、本実施形態では、表示素子２０と球面レンズ２１との間は、前述した条件を満たす接着材２２で満たされる。このため、球面レンズ２１と接着材２２との界面では、光はほとんど屈折しない。よって、全反射の発生を抑制できる。

　［１－６］　第１実施形態の効果
　以上詳述したように第１実施形態では、表示装置１０は、ロボット１に搭載される。表示装置１０が備える２個の表示素子モジュール１１－１、１１－２は、ロボット１の２つの目を構成する。各表示素子モジュール１１は、画像を表示する表示素子２０と、球面及び平面を有する球面レンズ（平凸レンズ）２１と、表示素子２０と球面レンズ２１の平面とを接着する透明な接着材２２とを備える。そして、接着材２２は、球面レンズ２１の平面での全反射を抑制する。

　従って第１実施形態によれば、観察者５０がロボット１の目を斜めから見た場合でも、全反射を抑制することができる。これにより、観察者５０がロボット１の目を斜めから見た場合でも、目の画像を高いリアリティーで表示させることができる。この結果、広い視野角を有するロボット１の目を実現することができる。

　また、表示素子２０は、光を透過する透過領域と、外光を反射する反射する反射領域とを備えた半透過型の表示素子である。これにより、ロボットを屋内及び屋外で使用した場合でも、ロボットの目を明るく表示することができる。また、外光を表示に利用できるため、表示装置１０の消費電力を低減できる。

　また、球面（凸面）を有するレンズ２１を用いている。よって、生物（特に動物）の目の構造と同様な表示素子モジュールを実現できる。これにより、よりリアリティーの高い目を構成することができる。

　［２］　第２実施形態
　第２実施形態は、表示素子２０と球面レンズ２１とを接着材で接着することなく、広い視野角を実現するための表示素子モジュール１１の構成例である。

　［２－１］　表示素子モジュール１１の構成
　図９（ａ）は、第２実施形態に係る表示素子モジュール１１の平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ－Ａ´線に沿った表示素子モジュール１１の断面図である。

　表示素子モジュール１１は、表示素子２０、球面レンズ２１、及び固定部材２３－１～２３－４を備える。球面レンズ２１は、表示素子２０上に置かれる。すなわち、表示素子２０と球面レンズ２１との間には、第１実施形態で示した接着材２２が設けられていない。

　表示素子２０上に球面レンズ２１を置くだけでは、表示素子２０と球面レンズ２１との間には、僅かな空気が存在する。図９には、この僅かな空気（空気層）を誇張して示している。空気層の厚さは、例えば、１０μｍである。

　固定部材２３－１～２３－４は、表示素子２０に固定される。固定部材２３－１～２３－４は、球面レンズ２１に接し、球面レンズ２１が横方向にずれるのを防止する機能を有する。なお、固定部材の形状は適宜設計可能であり、例えば、球面レンズ２１周囲全部を囲む環状の１つの部材であってもよい。

　［２－２］　球面レンズ２１の具体的な構成
　次に、球面レンズ２１の具体的な構成について説明する。図１０は、球面レンズ２１の形状を説明する模式図である。図１０のｘ軸は、球面レンズ２１の底面に沿った軸であり、図１０のｙ軸は、球面レンズ２１の底面の中心を通る垂線に沿った軸である。

　球面レンズ２１は、完全は半球より体積が小さい。このような形状を球冠とも呼ぶ。換言すると、球面レンズ２１の球面を含む球体を想定した場合に、球体の半径より球面レンズ２１の高さが短い。球面レンズ２１の高さとは、球面レンズ２１の底面の中心を通る垂線上の高さである。

　観察者５０が球面レンズ２１を斜めから見た場合に、その光路がｘ軸と交わる座標は、（ｘ_ｉ，０）と表される。観察者５０が球面レンズ２１を見る位置における視角をαとする。説明の便宜上、球面レンズ２１のｘ軸上の幅を“２”（ｘ座標が“－１”から“１”まで）に規格化する。

　図１１は、第１例に係る球面レンズ２１の光路を説明する図である。図１１の破線で示した半球は、球面レンズ２１の球面を含む半球（すなわち、球面レンズ２１の球面の曲率と同じ半球）である。

　観察者５０が球面レンズ２１を見る点を“Ａ”としたとき、点“Ａ”を垂直線から右に角度αだけ傾けて見た時の光路が球面レンズ２１の底面とが交わる点を“Ｂ”とする。角度αを視角と定義する。また、光路の点“Ａ”における空気中から球面レンズ２１への入射角がθ_０、球面レンズ２１内での屈折角がθ_１である。点“Ａ”と半球の中心とを結ぶ線の仰角がβである。点“Ａ”と点“Ｂ”とを結ぶ線の仰角は“β＋θ_１”である。図１１は、条件“（α＋β）＞π／２”、すなわち、仰角βの直線より左側（正面側）で観察者５０が球面レンズ２１を見た例である。

　球面レンズ２１の高さｈ１、球体の半径（又は半球の半径）ｒ、半径ｒと高さｈ１との差に対応する高さｈ２（＝ｒ－ｈ１）とする。球体の半径ｒに対する高さｈ１の比をパラメータγ（＝ｈ１／ｒ）と定義する。パラメータγは、“０＜γ＜１”である。

　高さｈ１、ｈ２はそれぞれ、以下の式（２）、（３）で表される。　
　ｈ１＝γ／√（２γ－γ^２）　　　・・・（２）
　ｈ２＝（１－γ）／√（２γ－γ^２）　　　・・・（３）
　点“Ａ”の座標、及び点“Ｂ”の座標はそれぞれ、以下の式（４）、（５）で表される。

　角度θ_０、及び角度θ_１はそれぞれ、以下の式（６）、（７）で表される。

　θ_０＝π／２－（α＋β）　　　・・・（６）
　θ_１＝ｓｉｎ^－１｛（１／ｎ）ｓｉｎθ_０｝　　　・・・（７）
ｎは、球面レンズ２１の屈折率である。

　図１２は、第２例に係る球面レンズ２１の光路を説明する図である。図１２は、条件“（α＋β）＜π／２”、すなわち、仰角βの直線より右側（より斜め側）で観察者５０が球面レンズ２１を見た例である。

　点“Ａ”の座標、及び点“Ｂ”の座標はそれぞれ、以下の式（８）、（９）で表される。

　角度θ_０、及び角度θ_１はそれぞれ、以下の式（１０）、（１１）で表される。

　θ_０＝（α＋β）－π／２　　　・・・（１０）
　θ_１＝ｓｉｎ^－１｛（１／ｎ）ｓｉｎθ_０｝　　　・・・（１１）
　以下、パラメータγを、球面レンズ２１の底面（表示素子２０と重なる領域）のうちｘ軸の正の部分の領域Ｃで評価するのもとする。領域Ｃのうち全反射が起こらない領域を有効表示領域と定義する。領域Ｃに対する有効表示領域の割合を単に、“有効表示領域の割合”と呼ぶ。図１３は、視角αとパラメータγとを変化させた場合における有効表示領域の割合を示す図である。図１４は、視角αとパラメータγとを変化させた場合における有効表示領域の割合を示すグラフである。

　観察者５０が表示素子モジュール１１を斜めから見た場合でも、観察者５０が目の画像を視認できるためには、視角αが３０度以上、かつ有効表示領域の割合が８０％以上であることが望ましい。この条件を満たすパラメータγは、“０＜γ≦０．６”に設定される。

　上記条件を満たすパラメータγを有する球面レンズ２１を構成することで、接着材を用いずに、全反射を抑制できる。これにより、広い視野角を実現できる。

　図１５は、パラメータγ＝０．５の場合の球面レンズ２１の断面図である。図１５には、視角αが０度、３０度、４５度の場合の光路を示している。図１５の例では、広い視野角を実現できる。

　［２－３］　第２実施形態の効果
　以上詳述したように第２実施形態では、画像を表示する表示素子２０と、表示素子２０上に置かれ、球面及び平面を有する球面レンズ（平凸レンズ）２１とを備える。そして、球面レンズ２１の高さは、球面を延長した球体の半径より小さく設定される。

　従って第２実施形態によれば、表示素子２０と球面レンズ２１とを接着する接着材を用いずに、球面レンズ２１と空気層との界面での全反射を抑制することができる。これにより、第１実施形態と同じ効果を得ることができる。

　［３］　第３実施形態
　第３実施形態は、平凹レンズを用いて、表示素子モジュール１１を構成した実施例である。

　図１６（ａ）は、第３実施形態に係る表示素子モジュール１１の平面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ－Ａ´線に沿った表示素子モジュール１１の断面図である。なお、図１６の表示素子モジュール１１は、図１の表示素子モジュール１１－１、１１－２に共通である。

　表示素子モジュール１１は、表示素子２０、平凹レンズ２１、及び接着材２２を備える。

　平凹レンズ２１は、球面としての凹面と、凹面の反対側の平面とを有する。平凹レンズ２１の凹面は、半球形状を有する。平凹レンズ２１は、接着材２２によって、表示素子２０に接着される。その他の構成は、第１実施形態と同じである。

　第３実施形態によれば、第１実施形態と同じ効果を得ることができる。また、平凹レンズ２１は、第１実施形態で示した凸面レンズと比べて、表示素子２０の広い表示領域を利用できる。

　［４］　第４実施形態
　第４実施形態は、表示素子２０と平凹レンズ２１とを接着材で接着することなく、広い視野角を実現するための表示素子モジュール１１の構成例である。

　図１７（ａ）は、第４実施形態に係る表示素子モジュール１１の平面図、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＡ－Ａ´線に沿った表示素子モジュール１１の断面図である。

　表示素子モジュール１１は、表示素子２０、平凹レンズ２１、及び固定部材２３－１～２３－４を備える。平凹レンズ２１は、表示素子２０上に置かれる。すなわち、表示素子２０と球面レンズ２１との間には、第３実施形態で示した接着材２２が設けられていない。

　平凹レンズ２１における凹面の条件は、第３実施形態のパラメータγと同じである。

　図１８は、パラメータγ＝０．５の場合の平凹レンズ２１の断面図である。図１８には、視角αが０度、３０度、４５度の場合の光路を示している。図１８の例では、広い視野角を実現できる。

　第４実施形態によれば、第２実施形態と同じ効果を得ることができる。また、平凹レンズ２１は、図１５の球面レンズ（凸面レンズ）と比べて、表示素子２０の広い表示領域を利用できる。

　なお、上記各実施形態で示した表示素子モジュール１１（表示素子モジュール１１－１、１１－２の各々）は、上記例示した以外の種類の表示素子で構成してもよい。表示素子モジュール１１は、透過型又は反射型の液晶表示素子を用いることも可能である。また、表示素子モジュール１１として、有機ＥＬ（electroluminescence）表示素子、その他の自発光型表示素子を用いることも可能である。表示素子モジュール１１として自発光型表示素子を用いた場合、バックライトは省略される。また、表示素子モジュール１１として、電気泳動ディスプレイ（ＥＰＤ：electrophoretic display）を用いることも可能である。

　なお、本明細書において、「平行」とは、完全に平行であることが好ましいが、必ずしも厳密に平行である必要はなく、本発明の効果に鑑みて実質的に平行と同視できるものを含み、また、製造プロセス上発生しうる誤差を含んでいても良い。また、「垂直」とは、必ずしも厳密に垂直である必要はなく、本発明の効果に鑑みて実質的に垂直と同視できるものを含み、また、製造プロセス上発生しうる誤差を含んでいても良い。

　また、本明細書において、板やフィルムは、その部材を例示した表現であり、その構成に限定されるものではない。例えば、位相差板は、板状の部材に限定されるものではなく、明細書で記載した機能を有するフィルムやその他の部材であっても良い。偏光板は、板状の部材に限定されるものではなく、明細書で記載した機能を有するフィルムやその他の部材であっても良い。

　本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

Claims

　画像を表示する表示素子と、
　球面及び平面を有するレンズと、
　前記表示素子と前記レンズの前記平面とを接着する透明な接着材と
　を具備し、
　前記接着材は、前記レンズの前記平面での全反射を抑制する
　表示素子モジュール。
　前記接着材の屈折率は、前記レンズの屈折率の±０．２の範囲内に設定される
　請求項１に記載の表示素子モジュール。
　画像を表示する表示素子と、
　前記表示素子上に置かれ、球面と、前記表示素子と向き合う平面とを有するレンズと
　を具備し、
　前記レンズの高さは、前記球面を延長した球体の半径より小さい
　表示素子モジュール。
　前記レンズの前記球面は、凸面である
　請求項１又は２に記載の表示素子モジュール。
　前記レンズの前記球面は、凹面である
　請求項１又は２に記載の表示素子モジュール。
　前記表示素子は、光を透過する透過領域と、外光を反射する反射領域とを有する
　請求項１又は２に記載の表示素子モジュール。
　前記表示素子は、液晶層を有する
　請求項１又は２に記載の表示素子モジュール。
　前記請求項１又は２に記載の表示素子モジュールと、
　前記表示素子を駆動する駆動回路と
　を具備する表示装置。
　前記請求項８に記載の前記表示装置を具備し、
　前記表示素子モジュールは、目を構成する
　ロボット。