JPH07294925A

JPH07294925A - 表示装置

Info

Publication number: JPH07294925A
Application number: JP7040993A
Authority: JP
Inventors: Masao Ozeki; 正雄尾関; Yoshinori Hirai; 良典平井; Yoshiharu Oi; 好晴大井
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1994-03-01
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 1995-11-10

Abstract

(57)【要約】【構成】ガラス基板４と電極５とが備えられた透過散乱
型表示素子１の背面に、プリズムアレイ２の鋸刃状の面
が透過散乱型表示素子１に相対するように配置され、プ
リズムアレイ２の背面に光吸収体３が配置されてなる表
示装置。【効果】黒表示をする場合には観察者に到達する光量を
極力抑制し、同時に、白表示をする場合には光の利用効
率を従来に比較して高く維持し、極めて高いコントラス
トと明るい表示を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、外部入力に応答してそ
の光散乱特性が変化する透過散乱型表示素子を用いた表
示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から光学特性を外部入力に応答させ
て変化させる表示素子としては、液晶表示素子が良く知
られている。特に実用化がめざましい液晶光学素子とし
ては、液晶表示セルの両側に一対の偏光膜を貼着したツ
イストネマチック（ＴＮ）型液晶光学素子があり、時
計、電卓、ワープロ、パソコン等種々の表示素子として
用いられている。

【０００３】しかし、ＴＮ型液晶光学素子は、偏光膜の
偏光分離能を上げてコントラスト比を高くしようとする
と、光の損失が大きくなり、表示が暗くなるという欠点
を有している。

【０００４】そこで、近年、透過散乱型の液晶光学素子
を表示に用いることが注目されている。透過散乱型の液
晶光学素子は、透過状態と散乱状態との間の切り替えを
外部の入力により制御するものであり、透過状態では、
入射光の向きを実質的に変えることなく透過させ、散乱
状態では、入射した光を散乱させる。この素子は、偏光
膜を用いる必要がないので光の損失が少なく、明るい表
示を得るのに適している。透過散乱型の液晶光学素子と
して、従来は、動的散乱型（ＤＳＭ）が主流であった
が、最近、液晶−固化物マトリクス複合体を用いたもの
が提案された。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】透過散乱型の液晶表示
素子を直視型で用いる場合は、透過散乱型表示素子の背
後に光吸収面を配置することが多い。こうすると、透過
状態では観察者は吸収面を直接見るので暗表示（黒）と
あり、散乱状態では光が散乱されるので明表示（白）と
なる。

【０００６】しかしこの場合の白表示は非常に暗い。こ
れは、一般に透過散乱型表示素子による散乱は光入射方
向の後方に散乱される量よりも前方に散乱される量の方
が多いことに起因する。前方散乱された光の多くは光吸
収面によって吸収されてしまい観察者側には返ってこな
い。したがって、白表示時に観察者の観察できる光の量
は少ない。

【０００７】このような問題点に対して、透過散乱型表
示素子から発生する前方散乱を再び透過散乱型表示素子
に戻して、あたかも後方散乱が増大したように見せる方
法がいくつか提案されている。

【０００８】例えば、特開昭50-81797号、米国特許第47
26662 号、特開平5-333330号、又は特開平4-165330号に
は、表面の一部を光吸収面としたプリズムを、透過散乱
型表示素子の背後に配置することが記載されている。

【０００９】図６は米国特許第4726662 号に記載された
ものに基づく概略断面図である。図で、Ａ面は非吸収面
であり、Ｂ面は吸収面である。観察者３３側から透過散
乱型表示素子３１を透過してきた光のうち、プリズムア
レイ３２のＢ面に向かう光はＢ面で吸収される。また、
プリズムアレイ３２のＡ面に向かう光のうち全反射条件
を満たすものは反射してＢ面で吸収される。それ以外の
光はＡ面を透過する。プリズムの背後に反射板や拡散板
を配置すれば、観察者は透過時には実質的に吸収面
（黒）を見ることになり、散乱時には吸収されなかった
散乱光（白）を見ることになる。

【００１０】しかし、これらの構成には種々の問題点が
ある。例えば、光吸収部分の面積を限定しているので、
黒表示時に、光吸収部分をはずれた光が観察者側に戻る
ことになる。したがって、黒表示時の暗度が低く、コン
トラスト比を高くできない。また、図６のＡ面を透過し
た光を再びＡ面に戻す効率が低いため、白表示時の光利
用効率が低く、明るい表示が得られない。さらに、プリ
ズムのＢ面を吸収面にする処理を精度良く大量に行わな
ければいけないので、生産性が悪い。

【００１１】また、特開昭62-121485 号には、光吸収部
分の面積を限定するとともに素子を透過した光を光吸収
部分に集める構造が開示されている。具体的には、１）
透過散乱型表示素子の背後にアレイ状の凹面円筒状ミラ
ーを配置し、凹面円筒状ミラーの焦点近傍に光吸収手段
を配置すること、及び、２）透過散乱型表示素子の背後
に円筒形のレンズと、その焦点近傍に光吸収手段とを配
置し、その背後に散乱体又は反射体を配置すること、の
２つの提案がある。

【００１２】しかし、これらの構造でも充分に光を利用
しているとはいえない。これらの構造では、液晶表示素
子をはさんで観察者の反対側に反射手段が配置され、反
射手段と液晶表示素子との間に光吸収手段が配置され
る。したがって、特定の視角方向以外の方向の光も一部
吸収されることになり、依然として光利用効率が充分で
ない。また、アレイ状凹面円筒状ミラーや円筒形のレン
ズを製作するには複雑な工程が必要となる点、光学配置
を厳密にする必要があるため生産性が悪くなる点、など
も問題である。

【００１３】また、明るい白表示を得るための方策とし
ては、観察者の反対側に配置した照明を併用する方法が
提案されている。

【００１４】観察者の反対側に配置した照明を併用する
場合は、コントラスト比を上げるため、黒表示時に観察
者側に達する光をいかに低減するかが重要な問題であ
る。このために、透過散乱型表示素子の背後にルーバー
を配置することが提案されている。

【００１５】ルーバーは、規定される方向にほぼ平行な
光以外の光を吸収するような特性を持っている。したが
って、光源と透過散乱型表示素子との間にルーバーを配
置すれば、特定方向にほぼ平行な照明光が得られる。

【００１６】このルーバーの性質を利用し、透過散乱型
光学素子を照明光が透過する方向を、観察者の視角外に
なるように配置することにより白黒表示が実現できる。
つまり、透過散乱型光学素子が透過状態のときは、観察
者にはほとんど光が到達しないので黒表示となる。一
方、透過散乱型光学素子が散乱状態のときは、散乱され
た照明光が観察者に到達するので白表示となる。

【００１７】しかし、この構造では光の利用効率を高く
できない。ルーバーを光が通る際にルーバーの側面で吸
収される光量が大きいこと、また観察者側から入射した
光の前方散乱光が充分に利用されていないこと、のため
である。さらに、ルーバーの構造上、薄型化が難しい問
題点もある。

【００１８】また、特開昭62-121485 号や特開昭50-817
97号においても、円筒形レンズやプリズムの背後に光源
を置くことを併せて提案しているが、これも視角方向の
光を吸収させる構造をとっているので、光利用効率が低
い。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、透過散乱型液
晶光学素子を用いた表示装置に関するものであり、黒表
示をする場合には観察者に到達する光量を極力抑制し、
同時に、白表示をする場合には光の利用効率を従来に比
較して高く維持することのできる構造を提案するもので
ある。

【００２０】本発明は、外部からの入力に応答してその
光散乱特性が変化する透過散乱型表示素子の背後に、透
過散乱型表示素子を透過した光のうち、所定の角度範囲
内に入射する光に対しては実質的に透過し、それ以外の
光に対しては実質的に反射する光学部材が配置され、さ
らに該光学部材の背後に光吸収体が配置されていること
を特徴とする表示装置を提供する。これを本願の第１の
発明と呼ぶ。

【００２１】本発明の表示装置の好ましい態様において
は、第２の界面は平坦状界面であり、第１の界面は第２
の界面に対する角度が周期的に変化する波状界面である
ことを特徴とする。特に、第１の界面は鋸刃状界面であ
り、第２の界面は平坦状界面であることを特徴とし、最
も好ましくは、その鋸刃状部が透過散乱型素子側に向く
ように配置されたプリズムアレイであることを特徴とす
る。

【００２２】第１の発明の一つの構成例においては、透
過散乱型表示素子の背後に、透過散乱型表示素子を透過
した光のうち、素子に対してある所定の角度範囲内に入
射する光に対しては実質的に透過し、それ以外の光に対
しては実質的に反射する光学部材が配置され、さらに該
光学部材の背後に光吸収体が配置されているので、白表
示時に特定の視角方向以外の方向を持つ光を反射して再
利用することが可能になり、光の利用効率を向上するこ
とができる。

【００２３】一方、第１の発明の一つの構成例において
は、光吸収手段は光学素子のほぼ全面に広がるように配
置されるため、黒表示時に光が観察者に到達することが
抑えられ、コントラスト比の高い表示装置が得られる。

【００２４】また、第１の発明の一つの構成例において
は、光学部材は、透過散乱型表示素子側から順に第１の
界面と第２の界面とを有し、第１の界面は、入射する光
のうち少なくとも一部の光の方向を透過散乱型表示素子
の表示面となす角が小さくなるように偏向するものであ
り、第２の界面は、透過散乱型表示素子の表示面となす
角が所定の角以上に小さい方向から入射する光を実質的
に反射し、それ以外の光を実質的に透過するものである
ことを特徴とする。これにより、光学部材に入射する光
の一部が第２の界面で全反射することが可能になる。ま
た、第１の界面形状を制御することにより、第２の界面
での光反射量を調整できるメリットもある。

【００２５】また、第１の発明の一つの構成例において
は、光学部材の側面に光源を配置しているので、白表示
時の明るさを一層高めることができる。一方、光学部材
を導光板として機能させることができるので、光源から
の光は光吸収材にはほとんど吸収されない。したがっ
て、白表示時には光の利用効率の高さを維持できるとと
もに、黒表示時には観察者の視野外に光を導くことによ
り黒表示の暗度が低くなることを防ぐことができる。

【００２６】さらに、第１の発明においては、外部から
の入力に応答してその光散乱特性が変化する透過散乱型
表示素子の背後に、透過散乱型表示素子を透過した光の
うち、所定の角度範囲内に入射する光に対しては実質的
に透過し、それ以外の光に対しては実質的に反射する光
学部材が配置され、さらに該光学部材の背後に光吸収体
が配置され、さらに、光学部材の側面に光源を配置し、
光源から出射した光の少なくとも一部は光学部材の側面
から光学部材の内部に入射せしめられ、光学部材に入射
された入射光のうちの少なくとも一部が光学部材の表面
から出射されることを特徴とする表示装置を提供する。
これを本願の第２の発明と呼ぶ。

【００２７】また、第２の発明の一つの構成例において
は、光学部材は、透過散乱型表示素子側から順に第１の
界面と第２の界面とを有し、第１の界面は、入射する光
のうち少なくとも一部の光の方向を透過散乱型表示素子
の表示面となす角が小さくなるように偏向するものであ
り、第２の界面は、透過散乱型表示素子の表示面となす
角が所定の角以上に小さい方向から入射する光を実質的
に反射し、それ以外の光を実質的に透過し、光学部材に
入射された入射光の少なくとも一部が第１の界面から出
射されることを特徴とする表示装置を提供する。

【００２８】また、第２の発明の一つの構成例において
は、第２の界面に対する角度が周期的に変化する波状界
面を第１の界面として有するプリズムアレイを光学部材
として備えてなることを特徴とする表示装置を提供す
る。

【００２９】また、第２の発明の一つの構成例において
は、波状界面の周期的な変化のある方向と交わる側面に
光源を配置したことを特徴とする表示装置を提供する。

【００３０】また、第２の発明の一つの構成例において
は、光学部材は２枚重ねられ、いずれか一方又は両方の
光学部材の側面に光源が配置されてなることを特徴とす
る表示装置を提供する。

【００３１】また、第２の発明において、光学部材の側
面のうち、光源からの光が入射する側面以外のいずれか
に反射体を設けてなることを特徴とする表示装置を提供
する。

【００３２】また、上記のいずれの本発明の態様におい
て、透過散乱型表示素子が、透過散乱のオンオフ比の高
い液晶−固化物マトリクス複合体であるので、表示装置
のコントラスト比を高めることができる。

【００３３】以下、本発明の具体例について図面を参照
しながら説明する。図１は、本発明の構成の具体的な１
例を示す図である。透過散乱型表示素子１の背面に、プ
リズムアレイ２を配置する。プリズムアレイ２は鋸状の
面が透過散乱型表示素子１の方に向くように配置されて
いる。また、プリズムアレイ２の背面には光吸収体３が
配置されている。

【００３４】プリズムアレイ２は、本発明でいう、「所
定の角度範囲に入射する光に対しては実質的に透過し、
それ以外の光に対しては実質的に反射する光学部材」で
ある。ここで「所定の角度範囲」とはおおよそ観察者の
視角範囲として想定される範囲である。

【００３５】図５はプリズムアレイの鋸刃状界面２ａ側
から、垂直方向からθ傾いた入射光の透過特性を示した
図です。図５は、プリズムアレイ材料の屈折率ｎ＝１．
５９、プリズムの頂角は９０°で対称形の場合である。
プリズムアレイ２の鋸刃状界面２ａ側からプリズムアレ
イ２の平坦界面２ｂにほぼ垂直方向に光が入射した場
合、プリズムアレイ２は光をほぼ透過する。ところがプ
リズムアレイ２の鋸刃状界面２ａ側からプリズムアレイ
２の平坦界面２ｂに対して所定以上の角度で光が斜め入
射した場合、プリズムアレイ２の平坦界面２ｂは光をほ
ぼ全反射し、透過散乱型表示素子１に戻す。

【００３６】この光学部材と光吸収体３を組み合わせる
ことにより、特定範囲の方向から入射した光は吸収さ
れ、それ以外の範囲の方向から入射した光は反射される
ような特性を持つ部材が作られる。

【００３７】図１の構成では、観察者は透過散乱型表示
素子１が透過状態の時は光吸収体３を見て、散乱状態の
時は非常に明るい散乱光を見ることになる。

【００３８】まず、透過散乱型表示素子１が透過状態の
場合、観察者の視角がプリズムアレイ２を光が透過する
特定範囲の角度内にあれば、観察者から光はプリズムア
レイ２によって反射されることなく、光吸収体３に到達
することになるので、観察者は光吸収体３を観察するこ
とになる。例えば、光吸収体３が黒色ならば観察者は黒
を見る。

【００３９】一方、透過散乱型表示素子１が散乱状態の
時は、透過散乱型表示素子１の通常の散乱特性によれ
ば、観察者側から入射した光は若干が後方散乱され直接
観察者に到達するが、多くの光は前方散乱される。前方
散乱された光のうちプリズムアレイ２が反射するような
角度でプリズムアレイ１に入射するものは反射され、再
び透過散乱型表示素子１に戻される。透過散乱型表示素
子１に戻された光の多くは、再び前方に散乱させられ
る。こうして、観察者は、前方散乱した光のうちプリズ
ムアレイ２で反射して再度透過散乱型表示素子１で散乱
させられた光と直接の後方散乱光とを合わせて全体の散
乱光として感じることになる。したがって、透過散乱型
表示素子１が散乱状態の時に観察者が見る散乱光は非常
に明るい。

【００４０】本発明は従来に比べて光の利用効率が高
い。つまり、従来のように、光吸収体の外側に反射板等
を配置すると、所定の入射角を満たす光すべてが透過散
乱型光学表示素子に戻るわけではないので、光の利用効
率が落ちる。これに対して、今回の発明は光吸収手段の
前面の光学部材で反射作用がおきるので、所定の入射角
を満たす光のほぼすべてを特定角度で透過散乱型光学表
示素子に戻すことができるので、光の利用効率が高い。

【００４１】また、光吸収板３を図１のように透過散乱
型表示素子１のほぼ全面を覆うように配置すれば、透過
散乱型表示素子１が透過状態の時に、もれてくる光が非
常に少ないので、表示のコントラスト比を上げることが
できる。

【００４２】光吸収板３としては、表示仕様により、特
定波長を吸収するものであればよい。例えば、白黒表示
を可能にするためには、黒い紙、黒い布、黒いフィル
ム、等可視光を吸収するものであればよい。また吸収率
を上げるために吸収板の光入射側の表面に反射低減コー
トが施されていてもよい。

【００４３】特定範囲の角度の光に対しては実質的に透
過し、それ以外の範囲の角度の光に対しては実質的に略
反射する光学部材の例として、図１ではプリズムアレイ
２を挙げたが、これに限られるものではない。

【００４４】しかし、プリズムアレイを図１のように配
置すると、「透過散乱型表示素子側から順に第１の界面
と第２の界面とを有し、第１の界面は、入射する光のう
ち少なくとも一部の光の方向を透過散乱型表示素子の表
示面となす角が小さくなるように偏向するものであり、
第２の界面は、透過散乱型表示素子の表示面となす角が
所定の角以上に小さい角度から入射する光を実質的に反
射し、それ以外の光を実質的に透過する」ものとなる点
で、本発明の光学部材として非常に好ましい。こうする
と、第１の界面形状を制御することにより、第２の界面
での光反射量を調整できるからである。

【００４５】本発明の光学部材として具体的には、第２
の界面は平坦状界面であり、第１の界面は第２の界面に
対する角度が周期的に変化する波状界面であることを特
徴とするものが特に好ましい。このようなものを図８に
例示した。図８の（ａ）はいわゆるプリズムアレイであ
り、第１の界面は三角波状である。図８の（ｂ）は、シ
リンドリカルレンズ状のものであり、第１の界面は円弧
を周期的に繰り返したものになっている。また、図８の
（ｃ）の第１の界面は正弦波状になっている。

【００４６】これらのうちでも、プリズムアレイは第１
の界面形状を制御することが容易なため特に好ましい。
以下に、プリズムアレイの機能について説明する。プリ
ズムアレイの鋸状界面が第１の界面として機能し、平坦
状界面が第２の界面として機能する。

【００４７】本発明においては、波状界面の部分の厚み
はおよそ２０〜３００μｍである。また光源併用型のプ
リズムアレイにあっては、全体の厚みはおよそ３２００
〜３３００μｍとなる。このうち、およそ３０００μｍ
は光源から出射された光の導光体として機能する。

【００４８】図３にプリズムアレイの断面を示し光線の
軌跡を示している。屈折率ｎのプリズムアレイ２に入射
角度がθ₁ で入射するときプリズムアレイ２内の出射角
度をθ₂ とすると、空気の屈折率をｎ₀ として、ｎ₀ ・ｓｉｎθ₁ ＝ｎ・ｓｉｎθ₂ という屈折の法則が成り立つ。つまりθ₁ の角度で入射
した光がθ₂ の角度に曲げられる。

【００４９】プリズムアレイ２の鋸状界面側から入射し
た光は鋸状界面２ａにおいて屈折しプリズムアレイの平
坦界面２ｂに到達する。ここで平坦界面２ｂに入射する
角度が大きいと光は透過せずに反射のみ起こる。この時
の条件が全反射条件であり、プリズムアレイ２内の光が
平坦界面２ｂに入射する角度をθ₃ とすると次の式とな
る。ｎ₀ ＝ｎ・ｓｉｎθ₃ このθ₃ より大きな入射角度で平坦界面２ｂに入射する
と全反射が起こる。

【００５０】次に、プリズムアレイに入射する光が入射
角によってどのように偏向させられるかを具体的に見
る。図３で、光線ａ〜ｅがそれぞれプリズムアレイ２の
鋸状界面２ａの面Ａに入射するとする。

【００５１】光線ａ〜ｃは、透過散乱型表示素子の透過
状態時にほぼ垂直方向からのψ₁ の範囲の視角を持ち、
プリズムアレイ２を最終的にほぼ透過する。光線ａ、ｂ
はプリズムアレイ２の平坦界面２ｂに、より大きな入射
角で入射するように偏向されるが、全反射角で入射する
には至らない。光線ｃはプリズムアレイ２の平坦界面２
ｂに、より小さな入射角で入射するように偏向されるの
で、全反射されない。

【００５２】ｄ，ｅの光は、透過散乱型表示素子の透過
状態時にほぼ垂直方向からのψ₂ 又はψ₃ の視角を持
ち、プリズムアレイ２で最終的に反射される。光線ｄ、
ｅはプリズムアレイ２の平坦界面２ｂに、より大きな入
射角で入射するように偏向され、全反射角を超えるから
である。

【００５３】プリズムアレイ２の頂角によっては、光線
ｂ及びｃは同じ視角ψ₁ を持つにもかかわらず、一方が
反射され、一方が透過する場合がある。光線ｂはプリズ
ムアレイ２の平坦界面２ｂに、より大きな入射角で入射
するように偏向されるが、光線ｃはプリズムアレイ２の
平坦界面２ｂに、より小さな入射角で入射するように偏
向されるからである。

【００５４】しかし、光線ｃは視角ψ₁ を満たす光の透
過反射特性に与える影響は少ない。光線ｃは鋸状界面２
ａ面の面Ａを見込む角が小さいためである。なお、光線
ｃが面Ｂに入射する場合は、面Ｂを見込む角は大きい
が、光線ｃの面Ｂに入射する場合は光線ｂが面Ａに入射
する場合とほぼ対称の軌跡をとることは自明である。し
たがって、両者は同様の透過反射特性を持つことにな
る。

【００５５】一般に、第１の界面（鋸状界面２ａ）は、
ある任意の角で入射する光のうち少なくとも一部の光の
方向を第２の界面で反射が起こりやすい方向に偏向する
ものであればよい。上の例では、面Ａに入射する光線
ａ，ｂ，ｄ，ｅが、第２の界面で反射が起こりやすい方
向に偏向される。こうして、第２の界面における反射の
の角度範囲を実質的に大きくすることができる。図５に
示したような、プリズムアレイの透過反射特性はこうし
て得られるものである。ここでは、３０°を若干超える
視角で急激に透過反射特性が変化している。

【００５６】第２の界面で反射が起こりやすい方向に偏
向される光はある任意の入射角の光のうちの１部でもよ
い。少なくとも、第２の界面での反射成分が増えればよ
いからである。もちろん本例のように、第１の界面は鋸
刃状であり、第２の界面は平坦状であるようにすれば、
第２の界面で反射が起こりにくい方向に偏向される光
（例えば、図３の光線ｃ）は実質的に極めて少ないの
で、光効率の観点でより好ましい。

【００５７】第１の界面の存在により、光学部材に入射
する光の一部が第２の界面で全反射することが可能にな
る。また、第１の界面の形状を変えることにより、第２
の界面で反射する光の量を制御できることになる。

【００５８】これを決めるのは、プリズムアレイ２の頂
角の大きさや、プリズムアレイ屈折率である。これらの
条件を最適化することにより、所望の角度範囲において
反射と透過を制御することが可能となる。その観点で
は、プリズムアレイの頂角は６０°〜１７０°であるこ
とが好ましい。

【００５９】プリズムアレイのプリズムは面に対して非
対称でもよい。つまり図４のように、プリズムアレイ２
の面に垂直方向に対して頂角α、βを変えてもよい。頂
角α、βを制御することにより透過の視角方向を所望の
角度に変更することが可能となる。

【００６０】さらに、光源からの光に起因するプリズム
アレイの面全体での明るさの均一性をできるだけ得るた
めに、波状界面の周期性を調整することが挙げられる。
つまり、プリズムアレイの側面近傍に設けられた光源か
ら遠い位置での波状界面のピッチを短くするか、又は頂
角を大きくすることによって、光源から離れた部分での
出射光を強めることができる。

【００６１】さらに、光源及び光反射体の設けられた近
傍においては、逆に波状界面のピッチを長くするか頂角
を小さくすることが好ましい。光吸収体は仮想的に二次
的な光源として振る舞う。そして、光吸収体及び光源の
ごく近傍では光の出射量が多くなるので、これをやや抑
制するように設け表面全体としての均一化を図る。

【００６２】またプリズムアレイ表面は無反射コーテイ
ングが施されていてもよい。例えば、少なくとも一層以
上の可視光波長オーダー厚みの誘電体膜をプリズム表面
に設ける。こうして、上記条件の透過をより多くするこ
とが可能となる。

【００６３】また、光の再利用促進のため、プリズムア
レイ２を同心円状アレイとすることができる。本発明で
は、プリズムアレイのアレイ長手方向に垂直な方向に、
ある入射角以上の光を散乱のために再利用するので、プ
リズムアレイを同心円状アレイとすれば、すべての方向
について、ある入射角以上の光を散乱のために再利用可
能になるからである。

【００６４】この様子を、図７（ａ）に示す。図７
（ａ）は表示装置４０を表示上面から見たものであり、
４２はプリズムアレイの頂角部分を示す。また、図７
（ｂ）のＸ−Ｙ方向が、プリズムアレイのアレイ長手方
向に垂直な方向になる。

【００６５】さらに同様に、光の再利用促進のため、プ
リズムアレイを２枚重ねて使用し、プリズムアレイのア
レイ長手方向を互いに略直交させることもできる。

【００６６】プリズムアレイをピラミッド状に形成して
も、頂角が同じであるならば１次元方向のプリズムアレ
イと選択偏向効果は同等である。なぜならば、第１の界
面で光が偏向される量は全体として差がない。

【００６７】これに対して、プリズムアレイを２層にす
るといずれかのプリズムアレイで偏向されるようにな
り、ある一定面積の領域に入射される光のうちのほとん
どの角度成分の光を有効利用できるようになる。

【００６８】本発明では、プリズムアレイ２のアレイ長
手方向に垂直な方向の視野角が制限される。その部分の
光を再利用するために、透過散乱型表示素子が透過状態
にある場合でも、その部分の光は反射され、光吸収板に
到達しにくいからである。

【００６９】そこで、本発明では、上下左右の視野角を
広げるため、アレイ長手方向が表示面に斜めにわたるよ
うにプリズムアレイを配置してもよい。すなわち、図７
（ｂ）のＰ−Ｑ方向にプリズムアレイの長手方向がくる
ようにする。

【００７０】本発明の好ましい態様では、光学部材の側
面に光源を配置する。透過散乱型表示素子が散乱状態に
ある場合の散乱光の量を増やしてより明るい表示を得る
ためである。

【００７１】図２はその様子を示した断面図である。透
過散乱型表示素子１１の背面に、プリズムアレイ１２を
配置する。プリズムアレイ１２は鋸状の面が透過散乱型
表示素子１１の方に向くように配置されている。また、
プリズムアレイ１２の背面には光吸収体１３が配置され
ている。図１と異なる点は、プリズムアレイ１２の側面
に光源１４を配置している点、及び、プリズムアレイ１
２の光源と反対側に反射体１６が設けられている点であ
る。なお、光源１４からの照明光が効率よくプリズムア
レイ１２に導入されるように、光源１４の背面には反射
体１５が配置される。

【００７２】この場合、プリズムアレイ２は、光源１４
からの照明光の導光体としても機能する。光源１４から
の照明光のうち、プリズムアレイ１２の平坦界面におい
て全反射条件を満たす光は、平坦状界面において反射
し、鋸状界面から出射する。一方、プリズムアレイ１２
の平坦界面において全反射条件を満たさない光は、平坦
状界面においてプリズムアレイを出射し、光吸収体１３
に吸収され、ほとんど透過散乱型表示素子１１側には出
射しない。

【００７３】つまり、この構造の顕著な特長は、実質的
に透過時の視野角内に入る光はほとんど増えない点にあ
る。透過散乱型表示素子が透過状態にある場合に、観察
者の視野内に到達する光が少ないので、表示のコントラ
スト比をほとんど落とすことがない。

【００７４】光源としては、通常の冷陰極管等を用いる
ことができる。また、反射体としては、反射率の高いア
ルミニウム膜、銀膜などを用いることができる。

【００７５】本発明では、透過散乱型の表示素子を直視
型の表示装置として用いるが、透過散乱型の表示素子
は、それだけでは、白黒表示を行うことができない。こ
の点、従来から使用されている透過／吸収型液晶素子で
ある、ＴＮ型やＳＴＮ型とは大きく異なる。すなわち、
これらの従来型素子は特別な光学部品がなくとも、白黒
表示が可能であるのに対し、透過散乱型の表示素子は、
特別な光学部品を併用して初めて白黒表示が可能にな
る。

【００７６】したがって、透過散乱透過型の素子におい
ては、直視型より投射型で用いたほうが、装置構成上簡
単になる。レンズや絞りなど投射光学系を併用できるの
で、光学系の性能と表示素子の性能の複合効果により高
いコントラストなどの望ましい表示特性が得られるから
である。このため、透過散乱型表示素子の代表である液
晶固化物複合体の投射光学系への最適化は比較的進んで
いる。

【００７７】逆に、透過散乱型の素子によって直視型の
表示装置を得ようとする場合は、装置をどのように構成
するかが問題になる。装置をコンパクトにするために
は、投射型で用いるような光学部品を用いることができ
ない、という制約があるからである。したがって、直視
型表示装置においては、透過散乱型表示素子の電気光学
特性そのものが表示特性として反映されやすい。一方、
直視型についての透過散乱型光学素子の最適化は投射型
に比べてあまり進んでいない。

【００７８】本発明は、シンプルでかつ直視型の素子と
して適した構成を提案するもので、従来の液晶表示素子
のいずれよりも明るい表示を達成できる。

【００７９】本発明の透過散乱型表示素子は、透過散乱
光学材料層により人為的に透過、散乱を制御できるもの
であれば使用できる。なかでも、液晶を使用するものが
低消費電力で信頼性が高いため好ましい。特に、一対の
電極付きの基板間に液晶が固化物マトリクス中に分散保
持された液晶固化物複合体層を挟持し、電圧の印加によ
り散乱状態と透過状態とを制御しうるものが最適であ
る。

【００８０】この液晶固化物複合体層を挟持した透過散
乱型表示素子の液晶固化物複合体層としては、液晶が固
化物マトリクス中に分散保持されているものであれば使
用できる。具体的には、液晶が独立した液泡を形成して
マイクロカプセル状に封じ込められていてもよいし、そ
れらの液泡が連通していてもよいし、細かな孔の多数開
いた固化物マトリクスの孔の部分に液晶が充填されてい
るものでもよい。

【００８１】このような液晶固化物複合体層を一対の電
極付きの基板間に挟持し、その電極間に電圧を印加する
と、その電圧の印加状態により、その液晶の屈折率が変
化し、固化物マトリクスの屈折率と液晶の屈折率との関
係が変化し、両者の屈折率が一致した時には透過状態
（入射光がそのまま直進する）となり、屈折率が異なっ
た時には散乱状態（入射光がそのまま直進せずに散乱す
る）となる。

【００８２】具体的には、電圧を印加している状態で、
固化物マトリクスを構成するところの硬化された固化物
の屈折率が、液晶の常光屈折率（ｎ₀ ）と一致するよう
にされる。

【００８３】これにより、得られた固化物の屈折率と液
晶物質の屈折率とが一致した時に光が透過し、一致しな
い時に光が散乱（白濁）することになる。この素子の散
乱性は、従来のＤＳＭ（動的散乱モード）の透過散乱型
表示素子の場合よりも高いので、透過散乱のオンオフ比
が高く取れる。

【００８４】この液晶固化物複合体層は、通常、液晶と
固化物マトリクスの原料との混合物を準備し、電極基板
上に流延供給して硬化させるか、通常の液晶セルのよう
に一対の電極付きの基板の周辺をシール材でシールし、
注入口から混合物を注入して硬化させて、液晶が固化物
マトリクス中に分散保持されるようにされればよい。

【００８５】この固化物マトリクスとしては、樹脂マト
リクス、セラミックスマトリクス等があるが、製造上容
易であり、屈折率の調整も容易であるので、樹脂マトリ
クスの使用が好ましい。

【００８６】なかでも、樹脂マトリクスの原料として、
密閉系で硬化可能な光硬化性化合物又は熱硬化性化合物
を用い、これを液晶に溶解した溶液を用いて、光硬化又
は熱硬化することにより、生産性が改良される。前述の
流延供給法及び注入法の両方の製造方法が適用可能であ
る。特に、光硬化性化合物を用い、光硬化する製造方法
が好ましい。

【００８７】この素子に、この硬化工程の際に特定の部
分のみに充分に高い電圧を印加した状態で硬化させる、
又は液晶の相転移点以上に加熱した状態で硬化させるこ
とにより、その部分を常に光透過状態とすることもでき
る。また、中間程度の電圧を印加して硬化させる、又
は、充分に高い電圧を印加した状態で半硬化させ、その
後電圧を印加せずに硬化を完了させることにより、任意
の中間調（散乱時の散乱度が任意の散乱度）の表示も得
ることができる。これにより、部分的に枠、文字等の固
定表示を行ったり、写真像の表示を行ったりすることが
できる。

【００８８】この固化物マトリクスの屈折率と、使用す
る液晶の常光屈折率（ｎ₀ ）とを一致させた透過散乱型
液晶表示素子を用い、それらを完全に一致させることが
好ましいものであるが、透過状態に悪影響を与えない程
度に、ほぼ一致するようにしておけば使用可能である。
これは、液晶により樹脂マトリクスが膨潤して、樹脂マ
トリクス自体が本来持っていた屈折率よりも液晶の屈折
率に近づくため、この程度の差であっても、光はほぼ透
過するようになるためである。

【００８９】この散乱型表示素子を表示に用いるために
は、所望のパターンで電極をパターニングすれば良い
が、各画素に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の能動素子
を配置してドットの集合により種々の表示を表示するよ
うにしてもよい。能動素子を用いた場合、高密度の表示
が可能となる。また、時分割駆動も可能であるが、一般
に高いデューティ比での駆動は困難である。これは、従
来から用いられているスーパツイステッドネマチック素
子の場合は、偏光板などを用いて電圧透過率特性の急峻
な閾値特性を得ることができるのに対し、透過散乱型表
示素子の場合、液晶の配向状態に基づく屈折率の変化そ
のものによって散乱状態と透過状態とが規定されるた
め、電圧透過率特性の急峻な閾値特性を得ることが難し
いからである。

【００９０】駆動のための電極は両方の基板とも通常透
明電極とするが、その一部に低抵抗のリード等の目的で
金属などの不透明電極を併設してもよい。また、透過散
乱型表示素子の前面側又は背面側にガラス板、プラスチ
ック板等の保護板を積層してもよい。さらに、カラーフ
ィルターを積層して色調整してもよいし、カラーフィル
ターやカラー照明を用いて個々の表示パターンを多色化
してもよい。

【００９１】前述の液晶固化物複合体層を構成する固化
物マトリクス、特に樹脂マトリクスの原料としては、各
種樹脂のモノマー、オリゴマー、溶媒により溶解される
ポリマー等があり、液晶と混合して混合物とされて用い
られる。この場合、固化物マトリクスの原料が液晶に溶
解して、均質溶液となっているものを使用することが好
ましいが、ラテックス状になっているもの等も使用でき
る。

【００９２】基板上に混合物を流延供給する場合には、
溶媒を留去したり、固化物にガスなどの副生物を発生さ
せるものも使用できるが、セル中に液晶を注入して後硬
化させる場合には、密閉系内で溶媒の留去が不要で硬化
時にガス等の副生物を発生せずに硬化可能な混合物を使
用する。

【００９３】このため、前述のごとく光硬化性化合物を
用いることが生産性上好ましく、特に、光硬化性ビニル
系化合物の使用が好ましい。具体的には、光硬化性アク
リル系樹脂が例示され、特に、光照射によって重合硬化
するアクリルオリゴマーを含有するものが好ましい。

【００９４】これらの場合用いられる液晶は、ネマチッ
ク液晶、スメクチック液晶などがあり、単独で用いても
組成物を用いてもよいが、動作温度範囲、動作電圧など
種々の要求性能を満たすには組成物を用いた方が有利と
いえる。特に、ネマチック液晶の使用が好ましい。

【００９５】また、液晶固化物複合体層に使用される液
晶は、光硬化性化合物を用いた場合には、光硬化性化合
物を均一に溶解することが好ましく、光露光後の固化物
は溶解しないか、もしくは溶解困難なものとされ、組成
物を用いる場合は、個々の液晶の溶解度ができるだけ近
いものが望ましい。

【００９６】本発明で用いる液晶の屈折率は、散乱状態
と透過状態の制御において重要なパラメーターである。
特に、液晶の屈折率異方性Δｎは、オフ時の散乱性を決
定する主たる要因である。Δｎはこのため、０．２以
上、特には０．２２以上、とされることが好ましい。ま
た、液晶−固化物マトリクス複合体の厚さ（電極間間
隙：セルギャップ）ｄがある程度以上大きいと、微小領
域で生じた散乱を多重散乱（光路中で何度も散乱を受け
る）により光を前方広角側、又は後方に拡散させる効果
があるので、ｄは直視型の表示特性（特に散乱時の白の
明るさ：反射率）を規定する重要な要因である。

【００９７】多重散乱を有効に活用するには、（１）液
晶の充填率が高いこと、（２）セルギャップが、分散さ
れた液晶の各部分の散乱断面積よりも充分に大きいこ
と、が要請される。

【００９８】（１）の条件からは、液晶の充填率とし
て、液晶固化物複合体全体に対し、５０重量％以上の液
晶を含むこと望ましい。液晶の充填率が高くなりすぎる
と分散される液晶が全体につながった状態となるため、
散乱性が低下してしまう。このため、その充填率は８０
重量％以下とされるのがよい。このことは、最密充填に
近い状態が望ましいことを意味している。

【００９９】（２）の要件からは、セルギャップｄが以
下のように決められることが望ましい。つまり、上記の
Δｎの液晶に対し、液晶のサイズ（粒子状の場合はその
直径、連通した構造の場合、液晶のダイレクターの相関
長：一般にいうドメインサイズ）Ｒは、０．５〜４μｍ
の場合が、光の散乱性という観点から適している。その
Ｒに対し決まる断面積に対し散乱断面積は約２〜４倍に
なる。したがって、この散乱断面積に対し、複数回の散
乱（多重散乱）が生じるようにするために、おおよそｄ
＞３Ｒ（μｍ）とすることが好ましい。さらに、ｄと用
いる液晶のΔｎとの関係においては、ｄ＞２／Δｎ（μ
ｍ）とすることが望ましい。ｄが小さいと、素子内の光
に位相差が生じにくいため、光の位相差に基づく散乱が
少なくなる傾向がある。なお、これらの数式は、可視光
領域の光に対するものである。

【０１００】

【実施例】

［実施例１］図１を参照にしながら、本発明の実施例を
説明する。透過散乱型表示素子としては、液晶−固化物
マトリクス複合体がガラス基板４上に設けられた透明電
極（ＩＴＯ）間に挟持された素子を作製した。透明な電
極５は、７セグメントにパターニングされ、これらの電
極をスタティック駆動した。なお、駆動条件は、６０Ｈ
ｚ、矩形波であった。

【０１０１】液晶固化物複合体は、マトリクス材料とし
てアクリル系の樹脂を用いた液晶高分子複合体である。
具体的には、ネマチック液晶（フッ素系液晶ベース、Δ
ｎ＝０．２２、Δε＝１０．５、Ｔ_c ＝８０℃、粘性η
＝２２ｃＳｔ：すべて２５℃での値）と２官能のウレタ
ンアクリレートオリゴマー（分子量＝約３０００）、ア
クリレートモノマー、光重合開始剤を、６５：１７：１
８：１の重量比で溶解させ、セルギャップが１３μｍの
セルに注入し、紫外線露光を行い、液晶高分子複合体
（リキッドクリスタルポリマーコンポジット：Ｌ
ＣＰＣ）とした。

【０１０２】プリズムアレイとしては頂角が１００°
で、アレイピッチが３１μｍ、材質がポリカーボネイト
であるものを用いた。吸収板としては市販の黒い紙を用
いた。液晶樹脂複合体が散乱の場合、プリズムアレイが
無い場合反射率が約２０％であったものが、プリズムア
レイを配置することにより反射率が約３４％と大幅に反
射率が増大した。プリズムアレイを用い、６Ｖの駆動電
圧で駆動したところ、コントラスト比は約１２：１とな
り、非常に明るい表示装置を実現できた。

【０１０３】［実施例２］プリズムアレイの両面にＳｉ
Ｏ₂ からなる無反射コートを施して実施例１と同様の構
成とした。この時プリズムアレイの表面による反射が減
少し、液晶高分子複合体が透過の時、黒の輝度が非常に
小さくなった。散乱時での反射率はほとんど変化してい
ないので、コントラスト比が大きくなり１８：１となっ
た。

【０１０４】［実施例３］実施例１と同様の液晶高分子
複合体を用い、図２に示すように短辺の形状が平板状に
なっているプリズムアレイを用いる。プリズムは頂角が
１２０°で左右対称で、ピッチが３１μｍ、材質がポリ
カーボネイトを用いた。プリズムアレイの短辺の平板状
の側面に線状冷陰極管を配置した。冷陰極管は銀反射板
でプリズムアレイの側面の反対側が覆われ、プリズムア
レイの側面に光が入射するようにした。プリズムアレイ
の光源の配置されていない側面の３面は全て銀反射板を
配置した。プリズムアレイの背後には吸収板を配置し
た。吸収板は黒い吸収剤を含むプラスチック板を用い、
プリズムアレイ側の面は反射防止処理を行ったものを用
いた。

【０１０５】冷陰極管を点灯しないときは、プリズムア
レイが無い場合に比べて反射率が１０％上昇した。冷陰
極管を点灯したとき、光はプリズムアレイの面の垂直方
向から７０°の角度で出射した。液晶高分子複合体が透
過の場合、光は液晶高分子複合体をそのまま透過し、観
察者は液晶高分子複合体の層に対して垂直方向にいるの
で、液晶高分子複合体からの光をほとんど観察しない。
液晶高分子複合体が散乱の場合、プリズムアレイから出
射する光は散乱されるので、観察者は散乱光を観察する
ことが可能となる。その結果外光が少ない暗い環境でも
表示を認識することが可能となった。このときのコント
ラスト比は、１６：１であった。

【０１０６】［実施例４〜１１］さらに、上述した各構
成要素を組み合わせて実験を行った結果を表１に示す。
また、本発明において、反射率の測定は測定角が０°で
あるＪＩＳＺ８７２２Ｄ−０に準拠した測定法に
よった。測定誤差はおよそ±１０％である。

【０１０７】なお、ＪＩＳＺ８７２２Ｄ−０は測
定角が８°であるＩＳＯ７７２４／１又はＤＩＮ５０３
３／ＴＥＩＬ７に実質的にほぼ等しいものである。輝度
は反射率の測定値をもとに相対的に演算を行った。これ
らの実施例において、光源からの光の寄与はおよそ６０
ｃｄ／ｍ² である。

【０１０８】

【表１】

【０１０９】

【発明の効果】本発明によれば、透過散乱型表示素子を
用いた直視型表示装置において、白表示時に特定の視角
方向以外の方向を持つ光を反射して再利用することが可
能になり、光の利用効率を向上することができる。

【０１１０】また、光吸収手段を光学素子のほぼ全面に
広がるように配置すれば、黒表示時に光が観察者に到達
することが抑えられ、コントラスト比の高い表示装置が
得られる。

【０１１１】また、光学部材を、透過散乱型表示素子側
から順に第１の界面と第２の界面とを有し、第１の界面
は、入射する光のうち少なくとも一部の光の方向を透過
散乱型表示素子の表示面となす角が小さくなるように偏
向するものであり、第２の界面は、透過散乱型表示素子
の表示面となす角が所定の角以上に小さい角度から入射
する光を実質的に反射し、それ以外の光を実質的に透過
するものとすれば、第１の界面形状を制御することによ
り、第２の界面での光反射量を調整できるメリットがあ
る。

【０１１２】また、光学部材の側面に光源を配置すれ
ば、白表示時の明るさを一層高めるとともに、同時にコ
ントラスト比の低下を抑えられる。

【０１１３】また、透過散乱型表示素子を、透過散乱の
オンオフ比の高い液晶−固化物マトリクス複合体にすれ
ば、表示装置のコントラスト比を高めることができる。

【０１１４】また、光学部材と吸収体を分離すれば、光
学部材に吸収面を施す必要が無いので、コストが安く量
産することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表示装置の１例を示す断面図。

【図２】本発明の表示装置の他の例を示す断面図。

【図３】本発明に用いるプリズムアレイに対する光の軌
跡を示す断面図。

【図４】本発明に用いるプリズムアレイの他の例の断面
図。

【図５】本発明に用いるプリズムアレイの入射角度に対
する光透過率を示すグラフ。

【図６】従来の例を説明する概念図。

【図７】本発明に用いるプリズムアレイの配置を示す概
念図。

【図８】本発明に用いる光学部材の好ましい態様を示す
断面図。

【符号の説明】

１、１１：透過散乱型表示素子２、１２：プリズムアレイ３、１３：光吸収体１４：光源１５：反射体１６：反射体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部からの入力に応答してその光散乱特性
が変化する透過散乱型表示素子の背後に、透過散乱型表
示素子を透過した光のうち、所定の角度範囲内に入射す
る光に対しては実質的に透過し、それ以外の光に対して
は実質的に反射する光学部材が配置され、さらに該光学
部材の背後に光吸収体が配置されていることを特徴とす
る表示装置。
【請求項２】光吸収体は光学素子のほぼ全面に広がるよ
うに配置される請求項１記載の表示装置。
【請求項３】光学部材は、透過散乱型表示素子側から順
に第１の界面と第２の界面とを有し、第１の界面は、入
射する光のうち少なくとも一部の光の方向を透過散乱型
表示素子の表示面となす角が小さくなるように偏向する
ものであり、第２の界面は、透過散乱型表示素子の表示
面となす角が所定の角以上に小さい方向から入射する光
を実質的に反射し、それ以外の光を実質的に透過するも
のであることを特徴とする請求項１又は２記載の表示装
置。
【請求項４】第２の界面は平坦状界面であり、第１の界
面は第２の界面に対する角度が周期的に変化する波状界
面であることを特徴とする請求項３記載の表示装置。
【請求項５】第１の界面は鋸刃状界面であり、第２の界
面は平坦状界面であることを特徴とする請求項３又は４
記載の表示装置。
【請求項６】光学部材は、その鋸刃状部が透過散乱型光
学素子側に向くように配置されたプリズムアレイである
ことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の表示
装置。
【請求項７】プリズムアレイの頂角が６０°〜１７０°
であることを特徴とする請求項６記載の表示装置。
【請求項８】光学部材の側面に光源を配置したことを特
徴とする請求項１〜７いずれか１項記載の表示装置。
【請求項９】外部からの入力に応答してその光散乱特性
が変化する透過散乱型表示素子の背後に、透過散乱型表
示素子を透過した光のうち、所定の角度範囲内に入射す
る光に対しては実質的に透過し、それ以外の光に対して
は実質的に反射する光学部材が配置され、さらに該光学
部材の背後に光吸収体が配置され、さらに、光学部材の側面に光源を配置し、光源から出射
した光の少なくとも一部は光学部材の側面から光学部材
の内部に入射せしめられ、光学部材に入射された入射光
のうちの少なくとも一部が光学部材の表面から出射され
ることを特徴とする表示装置。
【請求項１０】光学部材は、透過散乱型表示素子側から
順に第１の界面と第２の界面とを有し、第１の界面は、
入射する光のうち少なくとも一部の光の方向を透過散乱
型表示素子の表示面となす角が小さくなるように偏向す
るものであり、第２の界面は、透過散乱型表示素子の表
示面となす角が所定の角以上に小さい方向から入射する
光を実質的に反射し、それ以外の光を実質的に透過し、光学部材に入射された入射光の少なくとも一部が第１の
界面から出射されることを特徴とする請求項９記載の表
示装置。
【請求項１１】第２の界面に対する角度が周期的に変化
する波状界面を第１の界面として有するプリズムアレイ
を光学部材として備えてなることを特徴とする請求項１
０記載の表示装置。
【請求項１２】波状界面の周期的な変化のある方向と交
わる側面に光源を配置したことを特徴とする請求項１１
記載の表示装置。
【請求項１３】光学部材は２枚重ねられ、いずれか一方
又は両方の光学部材の側面に光源が配置されてなること
を特徴とする請求項９〜１２いずれか１項記載の表示装
置。
【請求項１４】光学部材の側面のうち、光源からの光が
入射する側面以外のいずれかに反射体を設けてなること
を特徴とする請求項９〜１３いずれか１項記載の表示装
置。
【請求項１５】透過散乱型表示素子が液晶が固化物マト
リクス中に分散保持された液晶−固化物マトリクス複合
体であることを特徴とする請求項１〜１４いずれか１項
記載の表示装置。