(57)【要約】【課題】外光が存在するような環境下でも、高コントラスト、広視野角および高輝度を同時に実現する視認性の高い薄型ディスプレイを製作する。特に、７０インチ以上の大画面で視認性の高いディスプレイとそれの画像表示用光学素子を実現する。【解決手段】複数の導光路３６を二次元アレイ状に配置し、導光路３６の入射部３５および出射部がそれぞれ同一平面または同一曲面内に存在し、導光路は間隙を埋める保持材料３７により互いに保持固有されており、導光路は少なくとも一部にテーパー部を有し、入射部断面積よりも出射部断面積を小さくする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の導光路が二次元アレイ状に配置され、
該導光路の入射部および出射部がそれぞれ同一平面あるいは同一曲面内に存在し、該導光路は間隙を埋める保持材料を介して互いに保持固定された導光路アレイからなる画像表示用光学素子であって、
該導光路は少なくとも一部にテーパー部を有し、
該入射部に該導光路端部の断面積の大きい部分を、該出射部に該導光路端部の断面積の小さい部分を配置したことを特徴とする画像表示用光学素子。
【請求項２】
前記入射部に該導光路端部の断面積の小さい部分を、前記出射部に該導光路端部の断面積の大きい部分を配置し、
該入射部に入射された画像を該出射部により拡大して出射する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の画像表示用光学素子。
【請求項３】
前記導光路の入射面に対する出射面の面積比は、１０％以上９０％以下であることを特徴とする請求項１または２記載の画像表示用光学素子。
【請求項４】
前記導光路のテーパー部において、該導光路の中心軸に対するテーパー角度が４度以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の画像表示用光学素子。
【請求項５】
前記導光路のテーパー部において、該テーパー部の入射側端部断面の最大幅に対するテーパー部の長さの比が５以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の画像表示用光学素子。
【請求項６】
前記導光路の画像入射面から画像出射面までの距離が１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の画像表示用光学素子。
【請求項７】
前記導光路は、高屈折率の透明樹脂からなる導光部が、該樹脂よりも低屈折率の樹脂で覆われている構成であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示用光学素子。
【請求項８】
前記導光路アレイ内部において、該導光路間の少なくとも一部は光吸収性部材から構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の画像表示用光学素子。
【請求項９】
前記画像入射面において、隣接する導光路はそれぞれ少なくとも５μｍ以上の距離を有して分離されており、その間隙の表層部は低反射性部材または光吸収性部材から構成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の画像表示用光学素子。
【請求項１０】
前記画像出射面において、隣接する導光路の間隙の表層部は低反射性部材または光吸収性部材から構成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の画像表示用光学素子。
【請求項１１】
前記画像入射面において、各導光路端部が光散乱性部材あるいは凹凸面で構成され、光散乱性を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の画像表示用光学素子。
【請求項１２】
前記画像出射面において、各導光路端部が光散乱性部材あるいは凹凸面で構成され、光散乱性を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の画像表示用光学素子。
【請求項１３】
画像発生手段および請求項１乃至１２のいずれかに記載の画像表示用光学素子から構成され、該画像発生手段が発生する画像光を該画像表示用光学素子の画像入射面に入射させることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１４】
前記画像発生手段は、単独でも画像表示可能な画像表示デバイスであり、該表示デバイスを前記画像表示光学素子の画像入射面に直接または別の光学素子を間に挟む形で隣接させて、該表示デバイスによる画像光を前記画像表示用光学素子の画像入射面に入射させることを特徴とする請求項１３記載の画像表示装置。
【請求項１５】
前記画像発生手段はプロジェクタであり、該プロジェクタによる画像光を前記画像表示用光学素子の画像入射面に結像させることを特徴とする請求項１３記載の画像表示装置。
【請求項１６】
前記画像発生手段は、レーザー光をＯＮ／ＯＦＦまたは走査可能なレーザー光発生装置であり、該装置から発せられる１本または複数本のレーザー光を前記画像表示用光学素子の画像入射面に入射させることを特徴とする請求項１３記載の画像表示装置。
【請求項１７】
少なくとも２つ以上の前記画像表示用光学素子を、画像入射面および画像出射面がそれぞれ同一平面または同一曲面内に位置するように並べたことを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれかに記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示用光学素子および画像表示装置に関し、特に大型表示装置で、かつ外からの光入射が大きい環境にある画像表示装置とその光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、画像表示用光学素子に関するものとしては、例えば、特公平８−３３５４０号公報に記載の『テーパ付き導波管のアレイを備えた直視型表示装置』（以下、Ａ方式と呼ぶ）がある。これは、図１１（ａ）に示すように、視野角拡大およびコントラストの向上を狙って、平坦な基板状に先細の導波管（円錐、四角錐等）を並べた画像等倍光学系の画像表示用シートを液晶等の画像形成手段に隣接配置した画像表示装置である。この場合、導波管の間隙は、光吸収材料で構成されている。２４は基板、２８は導波管、３１は出力面、３３は間隙領域、２６は側面である。また、図１１（ｂ）は、円錐の入力面にランダムに分布され、−１０から＋１０度の入力角でランダムに分布された１００００本の光線の入力を想定した場合の特定の導波管の出力分布を示す視野角特性図である。
しかし、平坦な基板（数値限定はないが、実施例中では１００μｍ厚透明フィルム使用）を使用するため、実際には基板中で反射する光が隣接する導波管に入射してしまい、ゴースト像を形成してしまう。
【０００３】
これについては、例えば、特表平１０−５０８１１５号公報に記載の『改良された偏光子』（以下、Ｂ方式と呼ぶ）により、液晶用の偏光子上に直接アレイを作製することで解決を図っているが、偏光子の下層に厚さ数十μｍの透明支持基板層が存在しており、一定レベルのゴースト像は残る。
しかし、この範囲の形状であると、実際には視野角特性が広がるものの、周期的な光強度パターンとなるか、あるいは、光伝搬損失が増大し、輝度が低下する、といった画質上大きな問題が生じる。
【０００４】
なお、上記Ｂ方式では、導波管入射部面積／出射部面積比は、１〜５０％であるのに対して、最も好ましいのは４〜１２％である。
また、テーパー角度は、２〜１４度であるのに対して、最も好ましいのは６〜１０度である。
また、導波管長／導波管入射部幅比は、０．２５〜２０であるのに対して、最も好ましいのは２〜４である。
この場合、導波管というよりは円錐、四角錐状の突起であって、画像表示部は非常に薄いフィルム状になっている。
【０００５】
その他の装置としては、例えば、特表平１０−５１１７８０号公報に記載の『少なくとも２の幾何学的に差異をつけたテーパー光学導波管を有する複数のユニットを含む光学装置』（以下、Ｃ方式と呼ぶ）がある。これは、導波管の各々が光入力表面から光出力表面へとある角度で先細になっているビューイングフィルムであって、このフィルムは投影ディスプレイ装置、オフスクリーンディスプレイ装置、ダイレクトビューディスプレイ装置などに使用される。
そして、上記Ａ方式に対して視野角特性等改善を狙い、大きさが様々に異なるテーパー導波管を組み合わせて導波管アレイを形成している。しかしながら、実際には、周期的でなく様々な大きさの導波管が並ぶアレイを作り込むのは非常に困難である。
【０００６】
次に、特開平６−３００９２９号公報に記載の『画像表示装置』（以下、Ｄ方式と呼ぶ）は、導光路アレイを用いた画像拡大光学系において、視野角およびコントラスト向上を狙った例である。すなわち、図１３に示すように、光ファイバー２’の先端に直角に光拡散用の透明光ファイバー５’を配置し、画像出射面３’の非表示領域には光吸収層６’を形成する。この場合、光ファイバー２’を使用しているため、導光路断面は入射部１’から出射部３’全体にわたって同形状、同面積となる。
【０００７】
また、特開平４−１１９３２２号公報に記載の『液晶表示装置』（以下、Ｅ方式と呼ぶ）は、図１２に示すように、先太状の導光路アレイ３を液晶画面２の画像拡大に使用した液晶表示装置であって、導光路断面積が出射部において入射部よりも大きい例を示したものである。図１２において、１は光源、４は拡散板である。
また、特許第２５３８５６２号公報に記載の『遮光板』（以下、Ｆ方式と呼ぶ）は、透過性スクリーン（等倍画像系）でコントラスト向上を狙った例である。図１０に示すように、透明板５上に凹凸形状および遮光部６を設け、透過光は通し、余分な外光は遮光部６にて吸収することで、画像のコントラストを向上させる。しかしながら、視野角が制限されるか、あるいは、凹凸形状の影響で光量が低下する等の問題がある。
【０００８】
【特許文献１】
特公平８−３３５４０号公報（第４図、第７図および第４頁右欄１１
行〜第５頁左欄３４行、第５頁右欄４５行〜第６頁６行）
【特許文献２】
特表平１０−５０８１１５号公報
【特許文献３】
特表平１０−５１１７８０号公報
【特許文献４】
特開平６−３００９２９号公報（図１および段落〔００１７〕，〔０
０１８〕，）
【特許文献５】
特開平４−１１９３２２号公報（図１）
【特許文献６】
特許第２５３８５６２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、画像表示装置における画質の要素は、色再現性や解像度の他に、
▲１▼コントラスト（白／黒表示時の光量比）
▲２▼視野角
▲３▼輝度
などが挙げられ、これらを向上させることが重要である。上記▲２▼に関しては、例えば、液晶ディスプレイなどは近年めざましい進歩を遂げ、視野角特性が大きく向上しており、また、▲３▼に関しても、バックライト技術が進歩を遂げ、液晶ディスプレイあるいはプロジェクタなどにおいても、輝度は大きくアップしてきている。
【００１０】
上記▲１▼のコントラストに関しては、黒表示時にいかに外光反射をシャットアウトし、光のない状態を作り出せるかが課題となる。したがって、特にオフィス等での照明下や、屋外などでの外光の反射によるコントラスト低下は大きな問題である。これに対して、偏光板を利用した反射防止フィルター等が市販されているが、外光反射が低減され、ある程度の効果はあるものの、その効果は十分とは言えないのが現状である。
また、光吸収部材を用いて外光を吸収し、コントラスト低減を図る手段としては、例えば住友３Ｍ製のライトコントロールフィルム（図１０参照）や、上記Ｆ方式（特許２５３８５６２号）に記載の遮光板（図１１（ａ）参照）のようなものが知られており、市販されている。
【００１１】
しかし、これらには、以下のような問題がある。
（イ）上記ライトコントロールフィルムに対しては、ルーバー状に遮光層が存在する機構上、ルーバーに直交する方向については視野角が大きく制限される。
（ロ）フィルム内部に入射した光は遮光層で吸収され、フィルム外部に再び戻ることは少ないが、フィルムの透明部表面での外光反射は残り、コントラストアップ効果は限定的である。また、画像光自体も一部遮光層で吸収されてしまうため、輝度が低下してしまう。
次に、上記Ｆ方式（特許２５３８５６２号）記載の遮光板に対しては、ルーバー部がシート外に出た形をしており、ライトコントロールフィルムと光学的機能は類似している。そのため、上記と同様に、視野角の制限等でほぼ同様の課題を有する。従って、表示装置に関して上記▲１▼〜▲３▼を同時に満たすような満足のいく画質制御技術がないのが実情である。
【００１２】
一方、大画面ディスプレイについては、液晶、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ等、フラットパネルディスプレイとして盛んに研究開発が進んでいるが、その大きさは製造装置等の制限から６０〜７０インチ程度の大きさが限界であり、７０インチ以上の大きさの大画面ディスプレイについては、フロントプロジェクションあるいはリアプロジェクション式の表示装置しか存在しない。これに対して、上記Ｅ方式（特開平４−１１９３２２号）、あるいは、上記Ｄ方式（特開平６−３００９２９号）のような導光路アレイを用いた画像拡大光学系に液晶等のディスプレイの画像を入射して拡大し、これをタイリングすることによって、ディスプレイの大型化を図る研究開発がなされており、これが実現できれば、理論上はいくらでも大きな大画面ディスプレイを作ることが可能となる。
【００１３】
しかし、この拡大導光路アレイを用いた大画面ディスプレイについては、以下のような問題が存在している。
１）導光路数が数十万本以上となり、かつ導光路間のピッチが場所によって異なるような拡大導光路アレイを低コストに作る適当な技術がこれまで開発されていない。
２）導光路間を遮光すると、ある程度コントラストはアップするが、導光路端面での外光反射による影響は残るし、一般に導光路から出射される光は視野角が狭い。
ここで、１）については、本出願人が作製し、提案した『プラスチック光ファイバーアレー及びその製造方法』（以下、Ｈ方式と呼ぶ）が、２次元導光路アレイを一括加工できるため、生産性も非常に良く、有効である。
しかし、２）については、導光路間を遮光した場合に他ディスプレイ方式よりもコントラストが向上するものの、視野角が狭いということで、この方式についても上記画質構成要素の上記▲１▼〜▲３▼を満たすのが難しいのが現状である。
【００１４】
また、リアプロジェクション式ディスプレイは、外光と画像光が同じ方向からスクリーンに入射してしまうフロントプロジェクション式よりも、外光の影響が少ないため、その分コントラストは良い。しかし、これもディスプレイ前面での外光反射の影響を受け、他のディスプレイ方式に比べコントラストが良いわけではなく、また他のディスプレイ方式に比べて視野角が狭いという欠点があり、この方式についても上記画質構成要素の上記▲１▼〜▲３▼を同時には満たせていない。
【００１５】
なお、リアプロジェクション式と拡大導光路アレイを合わせた方式として、光ファイバースクリーンが知られており、市販されており、他の方式に比べるとコントラストが比較的良い画像が得られている。これは、光ファイバーの一方を離散的に並べ、かつ他方を束ね、この束ねた側にプロジェクタの画像光を入射し、光ファイバー束で画像を拡大して大画面で表示する方式である。ただし、上記に述べたように、少なくとも何十万本にもなる光ファイバーを配線するという気の遠くなるような工程を経るため、一般オフィスが到底購入できないような高価格となっており、価格の下がる目処は立っていない模様である。また、全ファイバーを１つあるいは２つに束ねるという構造上、ディスプレイの奥行きが非常に大きく、その点でも一般オフィスで使用できるレベルの表示装置ではない。
【００１６】
（本発明の目的）
本発明の目的は、このような従来の課題を解消し、外光が存在するような環境下でも、高コントラスト、広視野角および高輝度を同時に実現する視認性の高い薄型ディスプレイを実現できる画像表示用光学素子および画像表示装置を提供することにある。
特に、７０インチ以上の大画面で視認性の高いディスプレイの実現、およびそのための画像表示用光学素子の実現を図ることである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像表示用光学素子は、（１）複数の導光路が二次元アレイ状に配置され、該導光路の入射部および出射部がそれぞれ同一平面あるいは同一曲面内に存在し、該導光路は間隙を埋める保持材料にて互いに保持固定されている導光路アレイであって、該導光路は少なくとも一部にテーパー部を有し、入射部断面積よりも出射部断面積が小さいことを特徴としている。
また、（２）前記入射部に該テーパー部の断面積の小さい部分を、前記出射部に該テーパー部の断面積の大きい部分を配置し、該入射部に入射された画像を該出射部により拡大して出射する手段を備えたことも特徴としている。
また、（３）前記導光路の入射面に対する出射面の面積比は、１０％以上９０％以下であることも特徴としている（望ましくは、１５〜５０％）。
【００１８】
また、（４）前記導光路のテーパー部において、該導光路の中心軸に対するテーパー角度が４度以下であることも特徴としている（望ましくは、２度以下）。また、（５）前記導光路のテーパー部において、該テーパー部の入射側端部断面の最大幅に対するテーパー部の長さの比が５以上であることも特徴としている（望ましくは、２０以上）。
また、（６）前記導光路の画像入射面から画像出射面までの距離が１ｍｍ以上であることも特徴としている（望ましくは、２ｍｍ以上）。
また、（７）前記導光路は、高屈折率の透明樹脂からなる導光部が、該樹脂よりも低屈折率の樹脂で覆われている構成であることも特徴としている。
【００１９】
また、（８）前記導光路アレイ内部において、該導光路間の少なくとも一部は光吸収性部材から構成されていることも特徴としている。
また、（９）前記画像入射面において、隣接する導光路はそれぞれ少なくとも５μｍ以上の距離を有して分離されており、その間隙の表層部は低反射性部材または光吸収性部材から構成されていることも特徴としている。
また、（１０）前記画像出射面において、隣接する導光路の間隙の表層部は低反射性部材または光吸収性部材から構成されていることも特徴としている。
また、（１１）前記画像入射面において、各導光路端部が光散乱性部材あるいは凹凸面で構成され、光散乱性を有することも特徴としている。
【００２０】
また、（１２）前記画像出射面において、各導光路端部が光散乱性部材あるいは凹凸面で構成され、光散乱性を有することも特徴としている。
本発明の画像表示装置は、（１３）画像発生手段および前記（１）〜（１２）のいずれかに記載の画像表示用光学素子から構成され、該画像発生手段が発生する画像光を該画像表示用光学素子の画像入射面に入射させることを特徴としている。
また、（１４）前記画像発生手段は、単独でも画像表示可能な画像表示デバイスであり、該表示デバイスを前記画像表示光学素子の画像入射面に直接または別の光学素子を間に挟む形で隣接させて、該表示デバイスによる画像光を前記画像表示用光学素子の画像入射面に入射させることも特徴としている（有機ＥＬ素子、液晶素子など）。
【００２１】
また、（１５）前記画像発生手段はプロジェクタであり、該プロジェクタによる画像光を前記画像表示用光学素子の画像入射面に結像させることも特徴としている。
また、（１６）前記画像発生手段は、レーザー光をＯＮ／ＯＦＦまたは走査可能なレーザー光発生装置であり、該装置から発せられる１本または複数本のレーザー光を前記画像表示用光学素子の画像入射面に入射させることも特徴としている。
また、（１７）少なくとも２つ以上の前記画像表示用光学素子を、画像入射面および画像出射面がそれぞれ同一平面または同一曲面内に位置するように並べたことも特徴としている。
【００２２】
【発明の実施形態】
以下、本発明の原理と実施例について、図面により詳細に説明する。
（原理）
これまで、出願人は大画面ディスプレイの実現を目指し、導光路アレイを用いたディスプレイ方式について研究開発を行ってきたが、さらにコントラスト向上という点において、導光路間が遮光された導光路アレイ、あるいは光ファイバースクリーンが他のディスプレイよりもコントラストが比較的良いことに注目し、導光路アレイを用いて、他のディスプレイ方式に比べ徹底的にコントラストが良く、かつ視野角特性および輝度の点においても満足できる薄型ディスプレイが実現できないか否かについて鋭意研究を重ねた。
【００２３】
まず、導光路アレイを用いた画像表示素子の場合、コントラストの低下原因および対策は、以下のように考えられる。
（原因１）画像表示面の画素間での外光反射に対しては、（対策）画像表示面の画素間を光吸収性を有する部材で構成する。（例：前記Ｄ方式（特開平６−３００９２９号）（図１３参照）
（原因２）画像表示面から一度導光路内に入射した外光が内部で反射して再び画像表示面から出射する問題に対しては、（対策）導光路間を光吸収部材で構成する。
（原因３）画像表示面の導光路表面（透明部）での外光反射に対しては、（対策）反射防止膜付加等を実施する。
【００２４】
上記原因１，２に対しては、この対策で外光を吸収し反射・散乱を防ぐことが可能であるが、上記原因３については、一般の反射防止膜は可視光線全波長領域でその効果を発揮させるのは無理であり、かなりの外光が反射してしまう。
そこで、コントラストは画像出射光と外光反射光の強度比で決まるという特性から、原因３に対して、根本的にコントラスト向上について考え直したところ、以下の考えにたどり着いた。すなわち
１）画像出射光を外光反射光に対して強めればよい（といっても、光源そのもののパワーを強くするのは、消費電力ＵＰを招くだけになる）。
２）画像出射光の出射範囲を絞り、単位面積あたりの画像出射光強度を強めればよい（外光反射については単位面積あたりの反射強度は一定）。
３）導光路に逆テーパー状の部分を設ける、すなわち入射部よりも出射部の断面積を小さくする
【００２５】
しかし、このような構造であると、画像出射面において光を出射しない部分が増え、特に画像拡大光学系では、入射部よりも出射部の導光路間ピッチが長くなって、さらに光を出射しない部分の面積が増えるため、離散的な画像となって画質が低下してしまうと一般的に考えられ、敬遠されてきた。したがって、拡大導光路アレイにおいて、光ファイバーを使用する関係上から、入射部と出射部の断面積が同じ場合はあるものの、理想的には入射部よりも出射部の面積が大きく、光を出射しない面積を減らすのが最適と考えられてきており（例えば、図１２に示すような前記Ｅ方式（特開平４−１１９３２２号）参照）、出願人も、これまでそのように考えてきた。
【００２６】
しかし、上記アイデアを基に光学シミュレーションを行って特性を解析し、実際に逆テーパー状の導光路を有する拡大導光路アレイを作製して検討したところ、以下の結論に達し、意外にもコントラスト向上以外にも効果があり、画質が大きく向上することを見いだすに至った。すなわち、
１）画像出射面における導光路面積が減るため、上記原因３による外光反射量が大きく低減し、一方画像光量は変化しないので低減した導光路面積に比例してコントラストが大きく向上する（コントラスト向上の効果）。
【００２７】
２）逆テーパー状の導光路で出射光範囲を絞ることにより、出射面での視野角が広がる（広視野角化の効果）。
３）光出射範囲は狭くなるが、単位面積あたりの光量が増えるため、視覚的に刺激が強くなり、光出射範囲が広い場合よりも見かけ上明るく感じる（見かけ上の輝度ＵＰの効果）。
４）画面の数センチ先まで近づいて見た場合には、画像が離散的に見えて画質は低下するものの、全体の画像光量が変わらない限り、通常画面を見る２５ｃｍ以上先では、ほぼ連続的な画像として認識でき、画質上問題はない。
【００２８】
さらに、この結果から、逆テーパー状の導光路を平行に並べた等倍系のアレイシートの作製・検証およびシミュレーションによる光学的な検討を行って、ある一定の規則をもったテーパー形状にすることにより、コントラスト、視野角特性がともに向上するとともに、見かけ上の輝度もアップし、このシートを有機ＥＬディスプレイあるいは液晶ディスプレイ上に付加すること、あるいはこれをリアプロジェクション用のスクリーンに応用することで、ディスプレイとしての画質性能が大きく向上することを見いだすに至った。
【００２９】
なお、透明基板上に逆テーパー状の導光路を並べた等倍系の導光路アレイシートの提案は存在するが（例えば、前記Ａ方式図１１（ａ）（特公平８−３３５４０号）、前記Ｃ方式（特表平１０−５１１７８０号）、および前記Ｂ方式（特表１０−５０８１１５号）参照）するが、これについては以下のような重大な問題が存在し、結果的にはディスプレイの高画質化に至らない。
▲１▼画像入射側に透明基板が存在し、この透明基板内で入射画像が反射を繰り返しゴースト像が形成されてしまう。これについては、本発明者も問題として認識しており、前記Ｂ方式（特表１０−５０８１１５号）では偏光子層を導光路直下においているが、その下に透明基板が存在するため、一定のゴースト像は発生する。
【００３０】
▲２▼視野角特性において、光強度が角度に対して周期的に変動する。これについても本発明者は問題として認識しており、この周期変動については前記Ａ方式（特公平８−３３５４０号）、前記Ｃ方式（特表平１０−５１１７８０号）とも、図１１（ｂ）に示すグラフを掲載しており、実際に前記Ｃ方式（特表平１０−５１１７８０号）では、この周期変動を低減するために光導波管の大きさを様々に変えた光導波管アレイ構造を記載している。しかし、この構造は実際に作る上では手間が非常にかかり、現実的ではない。
【００３１】
また、導光路アレイといっても、実施例中に説明があるように、導光路幅と高さの比が２〜４程度であるので、実際には導光路（明細書中では、光導波管と記載）というよりは、単純な円錐あるいは四角錐が並んだフィルムであること、および透明基板上にアレイが存在すること、および視野角特性等、画像上重大な問題が存在する点において、本発明とは根本的に異なる内容であり、この公報に記載されている内容では、到底本発明が実現する高画質を実現できない。
【００３２】
以下、本発明の実施例について、図面により詳細に説明する。
（実施例１）
（作製した画像表示光学素子）
図１は、本発明の実施例１を示す画像表示用光学素子（２次元導光路アレイシート）の背面、画像入射面、および断面図である。また、図２は、図１の円形状と正方形の形状断面を有する導光路アレイの形態例を示す図である。
図１において、３５は画像入射面、３６は導光路、３７は保持材（遮光材）である。また、図２において、３８はテーパー部、３９は入射部、４０は導光路、４１は出射部、４２は平行部である。
【００３３】
図１の導光路２次元アレイシートの形状は、下記の通りである。
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【００３４】
（結果）
前記Ｈ方式による製造方法で、上述した構成の２次元導光路アレイシートを作製した。具体的には、溶融させたポリカーボネート樹脂を櫛形部材にて引き上げてテーパー状導光路アレイを一括で作製した後、間をカーボンブラック入ＵＶ硬化性樹脂液につけてＵＶ光を照射して硬化させた後、画像入射面および出射面を研磨した。
【００３５】
比較例としては、出射部がほぼ等しいφ０．９３ｍｍの導光路アレイ、および形状は同じであるが、保持部にカーボンブラックを混入させないものを作製した。
評価としては、均一な白色光を出射できる導光板の上に文字パターンおよび絵柄を印刷した透明フィルムを載せ、さらにその上に導光路アレイを載せて、導光路アレイ出射面に形成される画像を見ることにより画質評価を行った。また、外光として光量を可変できる電灯を用い、その光がちょうど反射する位置付近を中心に観察した。
【００３６】
結果は下記の通りである。
１）カーボンブラックを混入しないものについては、外光が導光路内部で反射して戻ってくるため、コントラストが悪いとともに、導光路間にも画像光が入射しゴースト画像が見られた。
２）テーパー度合いが異なる２つのサンプルについては、コントラストが明らかに異なり、テーパー度合いのきつい出射部φ０．０４ｍｍの導光路アレイの方が明らかにコントラストが良く、外光量を４倍程度にして同程度のコントラストと感じた。
【００３７】
３）テーパー度合いが異なる２つのサンプルについては、視野角が異なり、テーパー度合いのきつい出射部φ０．０４ｍｍの導光路アレイの方が明らかに視野角が広い（倍程度の範囲で認識可能）。
４）画面から１ｍ以下の近距離では、テーパー度合いのきつい出射部φ０．０４ｍｍの導光路アレイの方が少し明るく感じる。１ｍ以上離れると、ほぼ同じ明るさに感じる。
５）画面から２０ｃｍ以下の近距離に近づくと、テーパー度合いのきつい出射部φ０．０４ｍｍの導光路アレイは、画像が若干離散的に見える。画像認識上は問題ないが、絵としては滑らかさに欠ける。
【００３８】
すなわち、実質画像を見る２０ｃｍ以上離れた距離では、画像の滑らかさにも問題ない範囲で、コントラストが大きく向上すると同時に、視野角および見かけの輝度まで向上した。
次いで、これらの導光路アレイを有機ＥＬディスプレイ上に置き、その画像を観察して画質特性を評価した。
ここでも、上記結果とほぼ同じ傾向が得られ、コントラスト向上および広視野角化効果、そして見かけの輝度アップ効果を確認することができた。ただし、ここでも、遮光部が存在しない導光路アレイでは、ゴースト画像となると同時にコントラストが悪い画像が得られた。
【００３９】
（実施例２）
（作製した画像表示光学素子）
実施例２は、図１および図２と同じ図が適用されるが、実施例１とは導光路断面形状および構成樹脂が異なる。
図１の導光路２次元アレイシートは、下記の通りである。
2004102007.tif 000004
【００４０】
（結果）
ＵＶ硬化性樹脂の転写成形法を利用して、導光路アレイを作製した。より具体的には、ドライエッチングにて加工した石英ガラス基板上の導光路凹凸パターンを上記ＵＶ硬化性樹脂を使って１２０枚転写成形して、順にそれらの間に真空引きをして気泡を巻き込まないようにしながらカーボンブラック入りＵＶ硬化性樹脂を入れて軽くプレスし、ＵＶ光を照射してアレイを形成し、最後に画像入射面および出射面を研磨した。
また、比較例として、入射部　０．１ｍｍＸ０．１ｍｍ、　出射部０．１ｍｍＸ０．１ｍｍの等断面積の導光路アレイを作製した。
【００４１】
画質評価も実施例１と同じように行い、この画像表示光学素子についても、シートがない場合に比べてコントラストが大幅に向上すると同時に、同断面積の導光路アレイシートに比べ視野角が倍程度に拡大され、見かけ上の輝度もアップする効果が確認できた。
また、実施例１のサンプルに比べた場合は、画像入射面における非導光路部の面積が断面形状の差から少ないため、画像入射光が全体として多く、その分明るい画像が得られた。
【００４２】
（実施例３）
（作製した画像表示光学素子）
実施例３は、図１および図２と同じ図が適用されるが、実施例１，２とは導光路断面形状および構成樹脂が異なる。
図１における導光路２次元アレイシートは、下記の通りである。
2004102007.tif 000005
【００４３】
（結果）
実施例２と同じ作製法にて、同じ導光路アレイシートを４枚作製した。
また、比較例として、入射部　０．１ｍｍＸ０．１ｍｍ、　出射部０．１ｍｍＸ０．１ｍｍの等断面積の導光路アレイおよびテーパー部長さが０．２ｍｍの導光路アレイも作製した。
画質評価も実施例１と同じように行い、この画像表示光学素子についても、シートがない場合に比べてコントラストが大幅に向上すると同時に、同断面積の導光路アレイシートに比べ視野角が倍程度に拡大され、見かけ上の輝度もアップする効果が確認できた。
【００４４】
一方、テーパー部長さが０．２ｍｍでテーパー角度が急な導光路アレイについては、コントラスト改善効果はある程度見られるものの、視野角特性において、見る角度を変えると明るくなったり暗くなったりし、周期的な挙動を示した。
また、導光路アレイシートの厚さについては、２．５ｍｍ厚で、実施例１、２の１．２ｍｍ厚シートに比べて厚くなった分強度もあって扱い易く、実際に２×２でタイリングして画像を入射したが、シート間近傍でもほぼシームレスな画像を得ることができた。
【００４５】
このように、少なくともその一部にテーパー部を有する導光路アレイであって、導光路の出射部の断面積が入射部の断面積よりも小さく、各導光路間が遮光されていれば、コントラスト向上および視野角の拡大、そして見かけ上の輝度アップ効果が得られるが、そのテーパー形状によってその画質向上効果は大きく異なり、形状によってはかえって光量の低下あるいは視野角特性の大きな悪化を招くことになる。
【００４６】
なお、導光路の断面形状は、ここでは円または正方形を示したが、長方形、楕円その他の形でも、その機能を満たせばよく、また、平行部の有無、導光路内でのテーパー部の位置等は、その機能を満たせば制限を受けるものではなく、本実施例とは異なるパターンであってよい。
【００４７】
図３は、図２（ａ）円形状断面と、（ｂ）（ｃ）正方形状断面の導光路の比較図である。
なお、同じ正方形状でも、（ｂ）は全体がテーパー状であり、（ｃ）は平行部とテーパー部がある形態である。
図３（ａ）は全体がテーパー部の導光路アレイ例を示し、入射部断面積Ｓ１から出射部断面積Ｓ２まで一律にテーパー角度で縮小している。
図３（ｂ）は平行部とテーパー部を有する導光路アレイ例を示し、入射部断面積Ｓ１で中間位まで平行部であり、残りの部分が出射部断面積Ｓ２までテーパー角度で縮小している。
【００４８】
（光学解析によるテーパー形状と画質への影響検証）
図４および図５は、テーパー導光路における伝搬効率と視野角特性を示す図である。
以下、光学解析によるテーパー形態と画質への影響を検証する。
導光路アレイを作製して、その画質特性を評価することにより、入射部断面積よりも出射部断面積が小さい導光路アレイが画質向上効果をもたらすことを確認したが、同時に、そのテーパー形状によっては、かえって画質が悪化することも確認した。そこで、ここではコンピューターにより光学シミュレーションを行って、テーパー形状と伝搬損失（光量低下）および視野角特性（出射光強度の角度依存性）を調べた。
【００４９】
（解析モデル）
図４（ａ）は、解析モデルを示す図である。断面は、円形状の平行部およびテーパー部からなる導光路形状である。
４２は平行部、３８はテーパー部である。ここでは、屈折率は、実施例１で使用した材料の値を使用した。
（結果）
まず、テーパー部長さｌが５ｍｍと一定かつテーパー角の影響を受けない十分な長さで、かつ入射部断面積Ｓ１と出射部断面積Ｓ２の比Ｓ２／Ｓ１を変えた場合の伝搬損失および光強度角度依存性を図４（ｂ）に示す。
これを見ると、Ｓ２／Ｓ１を小さくすればするほど、すなわち出射部面積を小さくするほど視野角が広くなっているが、Ｓ２／Ｓ１を９％以下にすると伝搬効率が下がり、光量低下を招くことがわかる。
【００５０】
次に、上述した結果で伝搬効率が下がらなかった範囲である１６％にＳ２／Ｓ１を固定し、テーパー長ｌ／入射部直径Ｄ１（同時にテーパー角度θが変化する）を変えた場合の解析結果を図５（ｃ）に示す。
ここでは、ｌ／Ｄが５以下で若干の伝搬効率の低下が見られたが、ｌ／Ｄが５以上では伝搬効率の低下は見られなかった。しかし、ｌ／Ｄが５（θ＝３．４°）以下では、光強度の角度依存性において、実施例２でも見られた角度に対する周期的な強度変動が見られる。これに対し、ｌ／Ｄが１０（θ＝１．７°）では、その変動がかなり小さく、ｌ／Ｄ＝２０（θ＝０．９°）では変動は全く見られなかった。
【００５１】
最後に、上述した結果で伝搬効率の低下が見られたが、最も視野角が広がった１％にＳ２／Ｓ１を固定し、テーパー長ｌ／入射部直径Ｄ１を変えた場合の解析結果を図５（ｄ）に示す。
ここでは、もともと伝搬効率の悪化が見られ、さらに１／Ｄが１０以下で急激な伝搬効率の低下が見られた。また、光強度の角度依存性については、視野角範囲は広いものの、ｌ／Ｄが５より小さい場合に角度に対する周期的な強度変動が見られ、特にｌ／Ｄ＝１での解析結果では、この変動が非常に大きなものとなった。
【００５２】
そして、この結果は従来例の図１１（ｂ）に示した前記Ａ方式（特公平８−３３５４０号）内のグラフに酷似しており、この結果を裏付けるものである。実際に前記Ａ方式（特公平８−３３５４０号）内の実施例で指定されているテーパー部形状範囲は
Ｓ２／Ｓ１　　　１〜５０％　：　４−１２％が望ましい
θ　　　　　２〜１４度　　：　６〜１０度が望ましい
ｌ／Ｄ　　　　　０．２５〜２０　　　：　　２〜４　が望ましい
とされ、Ｓ２／Ｓ１，１／Ｄとも望ましいとされる範囲が非常に小さく（逆に、θは非常に大きく）、この範囲では上述した解析結果のように視野角だけは広がるものの伝搬効率の低下が生じ、かつ角度に対して周期的な光強度依存性を示してしまい、ディスプレイとしては致命的な画質を示すことになることが、この解析結果からも示されたことになる。
【００５３】
（実施例４）
（作製した画像表示光学素子）
実施例４は、図１および図２と同じ図が適用されるが、実施例１，２とは導光路断面形状および構成樹脂が異なる。
2004102007.tif 000006
【００５４】
（構成した画像表示装置）
図６は、本発明の導光路アレイ型スクリーンを用いた画像表示装置の図である。
図６において、４６はミラー、４７は画像表示用透過スクリーン、４８は画像表示素子（導光路アレイ）、４９は光拡散性フィルム貼付、４５はプロジェクタである。
スクリーン：
上記画像表示用光学素子を２５枚　５×５でタイリングし、入射面側に厚さ５０μｍの光拡散性フィルムを貼り付け（４９）、
プロジェクタ４５およびミラー４６および上記スクリーン４７にて、リアプロジェクションディスプレイを構成した。
【００５５】
（結果）
上記構成で、プロジェクタから画像をミラーに反射させてタイリングした導光路アレイシートからなるスクリーン裏面に結像させた。この時、導光路アレイシート入射面側には、薄い光拡散性フィルムが貼り付けしてあるので、シームレスなタイリング状態が保持されるとともに、この光拡散性フィルム状で一度きれいが画像が結像され、その後に導光路内に光が入射していくため、鮮明な画像が導光路アレイ出射面側から出射された。
【００５６】
比較例として、リアプロジェクション用スクリーンとして使用されるフレネルレンズシートや、光拡散性シートをスクリーンとした場合を実施したが、逆テーパー状の導光路アレイシートを使用した場合の方が、明らかに外光反射に強く高いコントラストを有する画像が得られた。また、視野角特性はフレネルレンズシートの場合と遜色ないレベルであった。
また、コントラストが高いこと、および見かけの輝度アップ効果により、一層明るく鮮明な画像として認識することができた。
【００５７】
（実施例５）
（作製した画像表示光学素子）
図８は、本発明の実施例５を示す画像拡大光学素子の入射部、出射部と光学素子の図である。また、図７は、テーパー部を有する拡大導光路アレイ形状例を示す図である。
図８において、５５は光出射部、５６は光吸収面（導光路間）、５８は画像出射面、５７は画像拡大光学素子（拡大導光路アレイ）、５９は光入射面、６０は光入射部、６１は光吸収面（導光路間）である。また、図７において、５０は画像入射面、５１は画像出射面、５２は導光路中心軸である。
【００５８】
2004102007.tif 000007
【００５９】
（結果）
実施例１と同様に、まず均質な白色光を発する導光板と画像が印刷されたフィルムを用いて画質を評価した。比較としては、等断面積（テーパーなし）の拡大導光路アレイを用いた。
結果は
１）テーパーなしの拡大導光路に比べ、明らかにテーパータイプの方がコントラストが向上し、外光に強いことが確認できた。視野角特性も、テーパータイプの方が良かった。いずれのタイプも、角度に対する周期的な変動は見られなかった。
【００６０】
２）面から１．５ｍ以下の近距離では、テーパータイプの拡大導光路アレイの方が少し明るく感じる。１．５ｍ以上離れると、ほぼ同じ明るさに感じる。
３）画面から５０ｃｍ以下の近距離に近づくと、テーパータイプの導光路アレイは画像が若干離散的に見える。画像認識上は問題ないが、絵としては滑らかさに欠ける。
【００６１】
特に、従来から拡大導光路アレイの導光路は、等断面積または出射部にかけて断面積が大きくなるテーパータイプが指向され、逆テーパータイプは常識的に敬遠されてきたが、この実験によって画像表示用光学素子として全く問題なく、むしろコントラストをはじめとした画質が大きく向上することを確認できた。
【００６２】
（実施例６）
（構成した画像表示装置）
図９は、図８の画像拡大光学素子を用いた画像表示装置の斜視図である。
図９において、６２は小型画像表示パネル（有機ＥＬディスプレイ）、６３は画像拡大光学素子（拡大導光路アレイ）である。
画像拡大系
実施例５に記載の画像表示用光学素子を１６個　４×４でタイリングして、接着剤にて互いを固定した。
各画像表示用光学素子に有機ＥＬデバイスを直接固定した。
【００６３】
（結果）
ほぼ、シームレスな画像を示すとともに、蛍光灯等の外光下でも黒白のはっきりした引き締まった非常にコントラストの良い画像が見られた。
画面に近づくと、画像が点の集合として認識されるものの、５０ｃｍ以上離れて見た場合には、ほぼ連続的な画像として認識され、問題のない画質であった。また、コントラスト向上等により明るく、非常に鮮明な画像として認識することができ、視野角特性も実際のディスプレイデバイス画像を入力しても、実施例５で確認したレベルを問題なく実現した。
【００６４】
なお、ここでは画像入力手段として有機ＥＬデバイスを使用したが、液晶等の他の画像表示デバイスでも良い。また、画像入力手段はプロジェクタの他、ＤＭＤ等のミラーアレイデバイスをレーザー光の光走査またはＯＮ／ＯＦＦ手段として使用したレーザー光発生装置など、画像を光として出射するものであれば、ここに記載したもの以外でももちろんかまわない。
【００６５】
（追加事項）
１）導光路用、保持部材用、光吸収材用等の材質は、上記実施例で述べた樹脂以外でも、その光学的機能を満たすものであれば何でも良く、必ずしも樹脂でなくても良い。
２）光学素子の製法も、上記実施例に述べたものでなくても、その機能を満たすものが作製できる方法であれば何でも良い。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、外光が存在する環境下においても、高コントラスト、広視野角、および高輝度を同時に実現する視認性の高い薄型ディスプレイ装置を実現することができ、特に７０インチ以上の大画面で視認性の高いディスプレイとそのための画像表示用光学素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１〜４に共通に適用される画像表示用光学素子の入射面と出射面の図である。
【図２】図１における導光路アレイ形状例を示す図である。
【図３】本発明のテーパー部を有する導光路アレイ形状例を示す図である。
【図４】本発明におけるテーパー導光路の伝搬効率と視野角特性を示す図（その１）である。
【図５】同じく、テーパー導光路の伝搬効率と視野角特性を示す図（その２）である。
【図６】本発明の導光路アレイ型スクリーンを用いた画像表示装置の図である。
【図７】本発明におけるテーパー部を有する拡大導光路アレイ形状例を示す図である。
【図８】本発明の実施例５を示す画像拡大光学素子の説明図である。
【図９】本発明の実施例６を示す画像拡大光学素子を用いた画像表示装置の図である。
【図１０】従来例１を示す画質改善用フィルムであるライトコントロールフィルムの説明図（Ｆ方式）である。
【図１１】従来例２を示す導波管アレイを用いた画像形成手段および視野角特性の図（Ａ方式）である。
【図１２】従来例３を示す画像拡大光学系の図（Ｅ方式）である。
【図１３】従来例４を示す画像拡大光学系の図（Ｄ方式）である。
【符号の説明】
３５…画像入射面、３６…導光路、３７…保持材（遮光材）、
３８…テーパー部、３９…入射部、４０…導光路、４１…出射部、
４２…平行部、４５…プロジェクタ、４６…ミラー、
４７…画像表示用透過スクリーン、４８…画像表示素子（導光路アレイ）、
４９…光拡散性フィルム貼付、５０…画像入射面、５１…画像出射面、
５２…導光路中心軸、５５…光出射部、５６…光吸収面（導光路間）、
５８…画像出射面、５７…画像拡大光学素子（拡大導光路アレイ）、
５９…画像入射面、６０…光入射部、６１…光吸収面（導光路間）、
６２…小型画像表示パネル（有機ＥＬディスプレイ）、
６３…画像拡大光学素子（拡大導光路アレイ）。
【図１】
2004102007.tif 000008
【図２】
2004102007.tif 000009
【図３】
2004102007.tif 000010
【図４】
2004102007.tif 000011
【図５】
2004102007.tif 000012
【図６】
2004102007.tif 000013
【図７】
2004102007.tif 000014
【図８】
2004102007.tif 000015
【図９】
2004102007.tif 000016
【図１０】
2004102007.tif 000017
【図１１】
2004102007.tif 000018
【図１２】
2004102007.tif 000019
【図１３】
2004102007.tif 000020