(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子と、
透光性の支持基材と、
前記支持基材の一表面に前記画像表示素子の画素ピッチよりも大きいピッチで形成された複数の凹部と、
前記凹部の側壁面に一軸方向に対向配置された透明電極層と、
前記一軸方向に平行に配向することが可能な第１の状態と前記一軸方向に垂直に配向することが可能な第２の状態との間を電気的に切り換えられることが可能であり、前記複数の凹部の各々に充填された液晶材料と、
を有し、前記液晶材料の前記第１の状態と前記第２の状態とを電気的に切り換えることで前記支持基材と前記液晶材料との間の屈折率差を切り換え、前記画像表示素子から出射し前記支持基材を透過する光の出射角を制御する光制御素子と
を具備する表示装置。
【請求項２】
液晶表示素子と、
面発光光源と、
透光性の支持基材と、
前記支持基材の一表面に前記画像表示素子の画素ピッチよりも大きいピッチで形成された複数の凹部と、
前記凹部の側壁面に一軸方向に対向配置された透明電極層と、
前記一軸方向に平行に配向することが可能な第１の状態と前記一軸方向に垂直に配向することが可能な第２の状態との間を電気的に切り換えられることが可能であり、前記複数の凹部の各々に充填された液晶材料と、
を有し、前記液晶材料の前記第１の状態と前記第２の状態とを電気的に切り換えることで前記支持基材と前記液晶材料との間の屈折率差を切り換え、前記面発光光源から前記支持基材を透過し前記液晶表示素子へ入射する光線の方向を制御する光制御素子と
を具備する表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば液晶表示素子から出射する光線方向を制御することが可能な光制御素子および表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイ(ＬＣＤ：Liquid Crystal Display)は携帯電話、個人情報端末(ＰＤＡ：Personal Digital Assistants)、ノート型パーソナルコンピュータなどの小中型ディスプレイをはじめとして、現在では３２インチ以上の大型フラットパネルディスプレイにも用いられている。
【０００３】
液晶ディスプレイは、一対の透明基板の間に液晶材料を封入した液晶表示素子を備えている。液晶の駆動方式としては、従来、液晶の配向方向が上下基板間で９０°捻れたＴＮ(Twisted Nematic)方式が主流であったが、斜めから見た場合の視認性が悪く視野角が狭いという課題があった。
【０００４】
この課題を解決する方法として、近年、ＩＰＳ(In Plane Switching-mode)、ＰＶＡ(Patterned Vertical Alignment)、ＭＶＡ(Multi-domain Vertical Alignment)などの方式が開発され、斜めから見た場合の視認性、色ずれ、コントラストが大幅に向上した。また、最近では、携帯電話やＰＤＡなどで静止画や動画を楽しむ用途も増加し、個人だけでなく大勢で一つのモニターを見る機会も増加している。このような背景から、上記の視野角拡大技術が携帯電話をはじめとするモバイル用ディスプレイにも適用され始めている。
【０００５】
一方、視野角が広すぎると電車の中などで画面の表示情報を周囲の人から認識されてしまうという課題も生じている。そこで、液晶表示画面に貼り付けることで視野角を制限するフィルムが知られている。このフィルムは、黒いストライプ状パターンを有するルーバーフィルムからなり、出射光線方向を制御し斜めからの画面の覗き込みを防止する。ところが、当該フィルムは光線の出射方向を固定してしまうため、状況に応じた視野角の広狭の切換えを行うことができない。
【０００６】
そこで、視野角を任意に切り換えることができる技術が例えば下記特許文献１〜４に記載されている。特許文献１には、バックライトの輝度と出射光の散乱度合を制御して視野角の調整を可能とした液晶表示装置が開示されている。特許文献２には、高分子分散型液晶セルとゲスト−ホスト型液晶セルとの間に表示用ＴＮ液晶セルを配置することで、反射型と透過型の切換えと視野角の切換えを可能とする技術が開示されている。また、特許文献３には、表示用液晶セルの前面に光学補償層を配置し、この光学補償層の位相差量を電気的に制御することで、視野角の切換えを行うようにした液晶ディスプレイが開示されている。
【０００７】
一方、特許文献４には、図１３に示すように、一対の透明基材１０３，１０４の間に、第１，第２の領域１０１，１０２をそれぞれ作製し、第２の領域１０２の透過度が第１の領域１０１の透過度よりも小さくなるように当該第２の領域１０２の透過度を切換え可能に構成した視野角制御素子１００の構成が開示されている。この視野角制御素子１００は液晶表示パネルの前面側（観察者側）に配置され、光源１０５から照射されて液晶表示パネルを透過した光Ｌを角度θ１で出射させる狭視野角モード（図１３Ａ）と、光Ｌを角度θ２で出射させる広視野角モード（図１３Ｂ）の２つの状態を選択的にとるように構成されている。
【０００８】
ここで、第２の領域１０２は、二色性色素を含有したゲスト−ホスト型液晶あるいは高分子分散型液晶からなる。そして、一対の透明基材１０３，１０４間に電場が存在しない状態では、第２の領域１０２の透過度は第１の領域１０１の透過度よりも小さく、第２の領域１０２に入射した光Ｌを吸収又は散乱して出射角を制限する狭視野角モードをとる。一方、一対の透明基材１０３，１０４間に所定の電場を形成すると、第２の領域１０２の液晶材料が垂直方向に配向されて高い透過度を示すようになり、これにより第１の領域１０１に入射した光のみならず、第２の領域１０２に入射した光Ｌをも透過させる広視野角モードをとる。
【０００９】
第１，第２の領域１０１，１０２は、表示パネルの各画素に対向するエリアに形成されている。具体的には、図１４Ａに示すようにＲＧＢ（赤、緑、青）の各画素領域に対応して第１の領域１０１がひとつずつ配置されたり、図１４Ｂに示すように画素ごとに第１の領域１０１が複数配置されるようにして、第１，第２の領域１０１，１０２の形成ピッチが規定されている。そして、第１の領域１０１の形成幅は、第２の領域１０２の形成幅と同等または第２の領域１０２の形成幅よりも小さく形成されている。
【００１０】
【特許文献１】特開平９−１０５９０７号公報
【特許文献２】特開平１０−１９７８４４号公報
【特許文献３】特開２００５−３０９０２０号公報
【特許文献４】特開２００５−２２１７５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、広視野角モードの場合（出射光の散乱度合が大きい場合）にバックライトの輝度を高くする必要があるため、低消費電力化という点では不利である。また、特許文献２の構成では、液晶セルが３枚必要であるので低コスト化が難しく厚さも大きくなる。更に、特許文献３の構成では、基板に配向処理が必要であるので安価に製造することが難しく、ガラス基板を使用する必要があるので軽量化、薄型化および耐衝撃性向上を狙ったフィルム基板の使用が難しいという問題がある。
【００１２】
一方、特許文献４の構成においては、１画素の対向したエリアに透過度の異なる第１，第２の領域１０１，１０２を形成しているので、透過度の高い第１の領域１０１の形成幅が透過度の低い第２の領域１０２の形成幅以下で形成されることになり、狭視野角モード時の光量が制限されて輝度の低下を招くという問題がある。
【００１３】
また、１画素の対向したエリアに透過度の異なる第１，第２の領域１０１，１０２を形成しているので、透過度の低い領域で散乱された光が表示画素や隣接セルに漏れることで表示が滲み、鮮明さが低下したり、色ずれが生じることがある。更に、１画素単位で形成した第１，第２の領域１０１，１０２のパターンを表示パターン上に設置する際のアライメントがプロセス上非常に煩雑であるとともに、アライメント精度で画質が左右されることにもなる。
【００１４】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、輝度の低下を抑えて光線方向を制御できる軽量、薄型、低コストの光制御素子および表示装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以上の課題を解決するに当たり、本発明の光制御素子は、透光性の支持基材と、支持基材の一表面に形成された複数の凹部と、複数の凹部の各々に充填された液晶材料と、液晶材料を挟むように支持基材上に配置された透明電極層とを備え、支持基材と液晶材料との間の屈折率差を電気的に切り換えることで、支持基材を透過する光の出射角を制御する。
【００１６】
本発明の光制御素子は、液晶材料の屈折率異方性を利用し、支持基材と液晶材料との間の屈折率差を電気的に制御して支持基材を透過する光線の出射角を制御するようにしている。好適には、液晶材料は、短軸方向の屈折率（常光屈折率ｎｏ）が支持基材の屈折率と同等であり、長軸方向の屈折率（異常光屈折率ｎｅ）が支持基材の屈折率と異なる液晶分子を含む構成とされる。
【００１７】
このような構成により、液晶材料が正の誘電異方性を有する場合、液晶材料に対して支持基材の厚さ方向に電場を印加することで分子長軸が電場方向に配列されることになる。これにより、光出射面から見たときに液晶材料が支持基材と同等の屈折率を有することから、支持基材と液晶材料との界面における光線の偏向作用をほとんど受けることなく光出射面から光が出射される。
一方、液晶材料に電場が印加されない場合、液晶分子は光出射面に平行に配向される。このため、光出射面から見たときに液晶材料が支持基材と異なる屈折率を有することから、支持基材と液晶材料との界面において光線が屈折率差に応じた一定の偏向作用を受けることで、凹部の配列方向に関して光線の出射方向が制限されることになる。
【００１８】
従って、本発明の光制御素子を液晶表示素子等の画像表示素子の前面に配置したときには、液晶材料に対する電場印加の有無で表示光の出射方向が制御可能となる。また、液晶材料は電場の有無に関係なく透光性を有するので、高分子分散型液晶やこれに二色性黒色色素を添加した複合材料に比べて光の透過率の低下を抑えることができ、視野角制限時における正面輝度の向上を図ることが可能となる。
【００１９】
本発明の光制御素子においては、支持基材の一表面に形成された複数の凹部に上述した液晶材料が充填される。凹部には、支持基材の面内に等間隔または不等間隔に配列されたストライプ状あるいは格子状の溝、あるいは孔が含まれる。孔は丸孔でもよいし、角孔や長孔でもよい。凹部の形成間隔や形成幅は特に制限されず、所望の光線制御特性が得られるように適宜設定することができる。従って、液晶材料あるいは支持基材の領域幅を画素領域に対応して形成する必要はないので、画像表示素子に対する光制御素子のアライメント精度は不要であり、かつ表示の滲み等による画質の劣化を回避することができる。
【００２０】
また、支持基材上の凹部の側壁面は、支持基材表面に対して垂直に形成されていてもよいし底部に向かって斜めに形成されていてもよい。また、凹部の対向する側壁面が互いに異なる傾斜角で形成されていてもよい。さらに、凹部の側壁面が可視光に対して散乱性のある凹凸構造を有していると、入射光の散乱度合を高めて視野角制限効果の向上を図ることができる。
【００２１】
更に、凹部の壁面に、当該壁面に対して液晶分子を垂直に配向させるための垂直配向処理を施すことにより、液晶分子の長軸方向が支持基板の面内に平行な配向状態と垂直な配向状態とが無電場で保持される双安定構造を発現させることができるので、消費電力の低減を図ることが可能となる。
【００２２】
本発明の光制御素子において、液晶材料を挟むように配置される透明電極層は、支持基材の一方の面および他方の面に各々対向して配置したり、個々の凹部の互いに対向する側壁面に各々対向して配置する等して構成される。透明電極層は、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)、ＩＺＯ(Indium Zinc Oxide)、ＺｎＯなどの透明な導電性酸化物のほか、導電性高分子材料等で構成することができる。
【００２３】
画像表示素子としては、液晶表示素子のほか、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイ、プラズマディスプレイ、フィールドエミッションディスプレイ、電気泳動ディスプレイ等の各種表示素子を用いることができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上述べたように、本発明によれば、表示素子の光線方向を制御し視野角を切り換える光制御素子を安価かつ軽量・薄型化できるとともに、輝度の低下による画質の劣化を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態による光制御素子１０の要部の断面構造を概略的に示す分解斜視図である。本実施形態の光制御素子１０は、透光性の支持基材１１と、支持基材１１の表面１１ａに形成された複数の凹部１２と、凹部１２に充填された液晶材料１３と、液晶材料１３を挟むように支持基材１１の表裏面に各々対向配置された一対の透明電極層１４ａ，１４ｂとを備えている。
【００２７】
支持基材１１は、可視光に対して透明であれば材料は特に制限されず、例えばガラス、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）などのプラスチック板、シートあるいはフィルムで構成することができる。また、ＵＶ（紫外線）硬化型樹脂等で支持基材１１を形成することも可能である。
【００２８】
凹部１２は、支持基材１１の表面１１ａにＹ軸方向に延びてストライプ状に配列された複数の溝で構成されている。凹部１２は、支持基材１１の表面１１ａにおいてＸ軸方向に等間隔で配列されているが、不等間隔で配列されていてもよい。凹部１２の断面形状は、凹部１２の側壁面が支持基材１１の表面１１ａに対して垂直な矩形状で構成されている。凹部１２の形成方法は特に制限されず、プレス加工、切削加工、エッチング加工、レーザー加工等の方法が挙げられる。
【００２９】
なおこの例に限らず、凹部１２の断面形状は、図２に示す光制御素子１０’のように、凹部１２の側壁面が支持基材１１の表面１１ａに対して斜めに形成された台形状で構成されていてもよい。凹部１２の形成幅、形成深さ、形成ピッチ等は、要求される視野角特性に応じて適宜設定することができる。
【００３０】
液晶材料１３を構成する液晶分子としては、公知のネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクティック液晶、ディスコティック液晶などを用いることができる。また、本実施形態において、液晶材料１３は、電場方向と平行に長軸方向が配向される誘電異方性が正の液晶材料が用いられており、無電場状態では液晶材料１３の液晶分子はその長軸方向がＸＹ面内（特にＹ軸方向）に平行に配向される。なお、液晶材料１３は、電場方向と垂直に長軸方向が配向される誘電異方性が負の液晶材料で構成することも可能である。
【００３１】
本実施形態では、液晶分子の短軸方向の屈折率（常光屈折率：ｎｏ）が支持基材１１の屈折率と同等であり、長軸方向の屈折率（異常光屈折率：ｎｅ）が支持基材１１の屈折率と異なる液晶材料が用いられている。具体的な組合せ例としては、支持基材１１をＰＭＭＡ（屈折率１．５０）とし、液晶材料をｎｏ＝１．５０５７、ｎｅ＝１．７０６５のネマチック液晶材料とする。また、支持基材１１をＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー、屈折率１．５２５）とし、液晶材料をｎｏ＝１．５２５、ｎｅ＝１．８１２のネマチック液晶材料とする。
【００３２】
透明電極層１４ａ，１４ｂは、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯなどの透明な導電性酸化物で構成されるが、これ以外にも、例えば導電性高分子材料を用いることができる。一方の透明電極層１４ａは、ガラスやプラスチックシート等の透明基板に支持されて支持基材１１の表面に貼り付けられ、凹部１２内の液晶材料１２を封止する機能をも有している。他方の透明電極層１４ｂは、同様な透明基材に支持された状態で支持基材１１の裏面側に貼合されてもよいし、支持基材１１の裏面側に直接、スパッタ等により成膜されてもよい。
【００３３】
次に、図１に示した光制御素子１０の一作用について説明する。図３は光制御素子１０をＹ軸方向から見たときの要部断面図である。なお、図３においては透明電極層１４ａ，１４ｂの図示を省略している。また、符号１６は、光制御素子１０の裏面側に対向配置された液晶表示素子（液晶パネル）等の画像表示素子あるいはバックライトユニット（面発光光源）である。
【００３４】
光制御素子１０は、支持基材１１の表面に形成された複数の凹部１２の内部に液晶材料１３が充填された構成を有している。従って、凹部１２の支持基材１１表面に対して垂直な側壁および支持基材１１表面に対して平行な底壁が、支持基材１１と液晶材料１３の境界面を構成している。液晶材料１３は無電場状態で分子長軸がＸＹ面内（Ｙ軸方向）に配向されているため、光制御素子１０の光出射面は、Ｘ軸方向に屈折率が交互に異なっている。
【００３５】
このような構成の光制御素子１０は、当該光制御素子１０を透過する光線の出射角制御機能を有している。以下の例では、光制御素子１０が液晶表示素子の前面に配置される場合について説明する。
【００３６】
図３に示すように、光制御素子１０を垂直方向から見る観察者Ａは、光制御素子１０を垂直方向に透過する光Ｌ１によって光制御素子１０を見通すことができる。これに対して、光制御素子１０に斜めに入射する光Ｌ２は光制御素子１０を通過するまでに支持基材１１と液晶材料１２間の界面においてこれらの屈折率差に応じた偏向作用と凹部１２内での反射の繰り返しによる平行移動を受ける。このため、光制御素子１０を凹部１２の配列方向（Ｘ軸方向）に関して斜め方向から見る観察者Ｂは、光制御素子１０を鮮明に見通すことができない。これにより、視野角がＺ軸ないしＹＺ平面に近い方向に限られることになる。
【００３７】
本実施形態の光制御素子１０は、支持基材１１と液晶材料１３の屈折率差を利用して視野角制限機能を得るようにしているが、これら支持基材１１および液晶材料１３は何れも透明性を有しているので輝度の低下はほとんど発生しない。
例えば図４に、Ｙ軸方向に延びる光透過領域２と光吸収領域３とがＸ軸方向に交互に配列形成された構成の視野角制御素子１を示す。この視野角制御素子１は、垂直方向の光Ｌ１は透過するが、一定角度以上傾斜した斜め方向の光Ｌ２を光吸収領域３において吸収することで、視野角制限機能を得ている。しかし、光吸収領域３を含むため、輝度が低下し画面が暗くなるという欠点がある。これに対し、本実施形態の光制御素子１０は光吸収領域を含まないため、輝度の低下はほとんど発生しない。
従って、図４に示した視野角制御素子１と本実施形態の光制御素子１０の違いは明確であり、前者を「吸収型ルーバー」と称するならば、後者を「位相型ルーバー」と称することで互いに区別することができる。
位相型ルーバーにおいては、基材と凹部内の物質との屈折率の差が大きいほど界面での反射も屈折も顕著になるから、凹部内の物質としてなるべく基材と屈折率との差が大きいものを選ぶことが望ましい。例えば、基材に用いるＰＭＭＡの屈折率は１．５であるが、これと屈折率差の大きい物質として、屈折率がほぼ１である窒素、空気などの気体が挙げられる。凹部の中に満たされた液体（これの屈折率は基材に近いものを用いる）を上記のような気体で置き換えれば、凹部と基材の屈折率差にはほぼ０から０．５までの顕著な変化が得られる。このような流体の移動操作は、例えば光制御素子の外部に設けられたポンプによって溝状に形成された凹部に給気、または排気することによって達成される。
【００３８】
図５は、光制御素子１０の視野角制御機能を模式的に示すＹ軸方向から見た要部断面図であり、Ａは狭視野角モードを示し、Ｂは広視野角モードを示している。なお、図５Ａ，Ｂにおいては透明電極層１４ａ，１４ｂの図示は省略している。
【００３９】
支持基材１１上の凹部１２に充填された液晶材料１３に電場が印加されていない場合、液晶材料１３の液晶分子の長軸はＸＹ面内（Ｙ軸方向）にほぼ平行に配向している。この場合、ＸＹ面内において支持基材１１と液晶材料１３との間で屈折率が異なるため、光制御素子１０は上述したような作用で図５Ａに示す狭視野角モードをとる。
【００４０】
この狭視野角モードにおいては、支持基材１１と液晶材料１３間の界面を斜め方向に透過する光Ｌ３は屈折率に応じた一定の偏向作用を受けて出射角が制限される。また、液晶材料１３を透過する光Ｌ４もまた出射されるが、この光Ｌ４は元の光路から平行移動して出射されるために、隣接画素間での表示の重なりや抜け等を生じさせて視認を困難化させることができる。
【００４１】
このように、狭視野角モードにおいては、支持基材１１と液晶材料１３間の界面において入射光線の散乱効果を発現させることができるので、例えば斜め方向からの表示画面の覗き込み防止効果を得ることができる。また、支持基材１１と液晶材料１３との界面での反射や液晶材料１３の内部での全反射作用により、入射光線が正面方向に配向される割合が高められる結果、正面輝度が高まり、視野角制限時における表示画質の向上を図ることが可能となる。
【００４２】
一方、液晶材料１３に対して支持基材１１の厚さ方向に所定の電場が印加された場合、液晶材料１３の液晶分子の長軸はＺ方向に配向される。この場合、ＸＹ面内において支持基材１１と液晶材料１３との間において屈折率が同等となるため、凹所１２の壁面（支持基材１１と液晶材料１３の界面）は見かけ上存在しなくなる。従って、図５Ｂに示すように光制御素子１０を斜め方向に透過する光Ｌ５は、支持基材１１と液晶材料１３との界面において偏向作用を殆ど受けることなく透過し入射方向と略同方向に出射する。これにより、光制御素子１０は広視野角モードをとり、正面方向だけでなく斜め方向からも画像の視認が可能となる。
【００４３】
以上のように、液晶材料１３に対する外部電場の印加・無印加によって光制御素子１０の視野角モードを切り換えることができる。液晶材料１３に対する外部電場の印加は、液晶材料１３を挟むように対向配置された一対の透明電極層１４ａ，１４ｂによって行うことができる。
【００４４】
図６は透明電極膜１４ａ，１４ｂの構成例を示す光制御素子の断面模式図である。
図６Ａは、図１に示した光制御素子１０の構成に対応している。支持基材１１の表裏面には一対の透明電極層１４ａ，１４ｂがそれぞれ配置されている。一方の透明電極層１４ａは、支持基材１１の表面に配置された透明基板１７の内面側に支持されている。他方の透明電極層１４ｂは、支持基材１１の裏面に直接形成されている。透明電極層１４ａ，１４ｂはいずれもベタ膜で構成され、支持基材１１の全領域にわたって対向配置されることで液晶材料１３に対する電場印加を行う。
【００４５】
一方、図６Ｂは、上述した透明電極層１４ａと同一構成の透明電極層１８ａに対して、その対向電極層１８ｂが各凹部１２の底部にそれぞれ形成されている。また、図６Ｃは、凹部１２の対向する側壁面に電極層１９ａ，１９ｂをそれぞれ対向配置させた構成例を示している。図６Ｃの構成例においては、電極間距離を短くできるので消費電力の低減を図れるとともに、凹部１２の高アスペクト比化にも対応可能となる。
【００４６】
なお、図６Ｃの例では、電場方向が凹部１２の配列方向となるため、液晶分子の長軸方向が電場方向に平行に配向する誘電異方性が正の液晶材料においては、電場印加時に狭視野角モードをとり、電場無印加時に広視野角モードをとることになる。また、液晶分子の長軸方向が電場方向に垂直に配向する誘電異方性が負の液晶材料においては、電場印加時に広視野角モードをとり、電場無印加時に狭視野角モードをとることになる。
【００４７】
図７は、支持基材１１に形成される凹部１２の構成の変形例を示している。
例えば、凹部１２は、Ｘ軸方向に互いに対向する一対の側壁面が対称に形成される場合に限られず、図７に示すように側壁面１２ａ，１２ｂを形成角度が異なる非対称な形状としてもよい。この場合、光の出射制限角度を左右方向で異ならせることができるようになる。
【００４８】
また、図７に示す凹部１２は、その対向する側壁面に可視光に対して散乱性のある微細な凹凸構造２０を有している。凹凸構造２０は支持基材１１と液晶材料の界面に入射する光をより効率良く散乱させ、視野角制限機能を高める機能を有しており、例えば可視光波長（例えば５００ｎｍ）の１／３倍から１０倍の周期あるいは高さで形成されている。
【００４９】
凹凸構造２０の形成方法としては、側壁面１２ａ，１２ｂを溝方向（Ｙ方向）にラビング処理する等の方法があり、溝方向に平行な条痕を例えば１００ｎｍ以下の周期で形成することができる。なお、凹所１２の側壁面に微細な凹凸構造２０を設けることによって、液晶材料１３の壁面近傍における配向制御も可能となる。
【００５０】
図８は、凹所１２の壁面に、当該壁面に対して液晶分子を垂直に配向させるための垂直配向処理を施した例を示しており、Ａは狭視野角モード、Ｂは広視野角モードをそれぞれ示している。垂直配向処理の例としては、長鎖アルキルシランを凹部１２の壁面（側壁面および底壁面）に吸着させる方法等がある。
【００５１】
この構成により、凹部１２の壁面に対して液晶分子が垂直に整列しようとする配向規制が働き、図８Ａ，Ｂに示す２通りの配向様態をとる。図８Ａは液晶材料１３の液晶分子の大部分がＸＹ面内に平行に配向することで当該光制御素子は狭視野角モードをとり、図８Ｂは液晶材料１３の液晶分子が概ねＺ軸方向に配向されることで当該光制御素子は広視野角モードをとる。これらの配向様態は、外部電場が存在しなくとも安定した配向状態を保持することから、双安定構造とも称され、低消費電力化を実現できる点で好適である。
【００５２】
（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について図９〜図１１を参照して説明する。図９は本実施形態による表示装置２１の概略図、図１０は表示装置２１の分解斜視図、図１１は表示装置２１に組み込まれる光制御素子１０の各視野角制御モードを説明する要部平面図である。
【００５３】
本実施形態の表示装置２１は、バックライトユニット２２と、液晶表示素子（液晶表示パネル）２３と、光制御素子１０とを備えている。本例において、図中Ｘ軸方向は画面左右方向、Ｙ軸方向は画面上下方向、Ｘ軸方向は画面正面方向をそれぞれ示している。
【００５４】
バックライトユニット２２は、液晶表示素子２３の背面側（図中下面側）に配置された面発光光源として構成されている。バックライトユニット２２は、直下型のバックライトユニットでもよいし、導光板を備えたエッジライト型のバックライトユニットでもよい。光源には、蛍光管等の線状光源のほか、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の点状光源が用いられる。なお、バックライトユニット１は、上記光源のほか、拡散板あるいは拡散シート等の光拡散性シートや、プリズムシートあるいはレンズシート等の集光性を備えた輝度向上フィルム等を適宜組み合わせて構成することができる。
【００５５】
液晶表示素子２３は、本発明に係る画像表示素子として構成されている。液晶表示素子２３は、一対の透明基材２４ａ，２４ｂと、これらの透明基材２４ａ，２４ｂの間に挟まれた液晶層２５と、透明基材２４ａ，２４ｂの外面側にそれぞれ配置された偏光板２６ａ，２６ｂとを備えている。本実施形態において、液晶層２５の駆動方式として、表示光の出射角範囲が比較的広い広視野角特性のＩＰＳ方式やＭＶＡ方式等が採用されている。なお、透明基材２４ａ，２４ｂの内面には、図示せずとも、透明電極膜、配向膜、カラーフィルター等が設けられている。
【００５６】
光制御素子１０は、液晶表示素子２３の前面側（図中上面側）に配置されている。光制御素子１０は、上述の第１の実施形態で説明したような構成を有しており、図１０に示すように、透光性の支持基材１１と、この支持基材１１の表面に形成された複数の凹部１２の内部に充填された液晶材料１３と、支持基材１１の上面を覆う透明基板１７と、液晶材料１３を挟むように支持基材１１の厚さ方向（Ｚ軸方向）に対向配置された一対の透明電極層（図示略）とを備えている。また、これら一対の透明電極層間に所定電圧を印加し又は印加電圧を解除する電圧制御手段が図示せずとも設けられている。
【００５７】
液晶層１３を構成する液晶分子は、その短軸方向の屈折率が支持基材１１の屈折率と同等であり、長軸方向の屈折率が支持基材１１の屈折率よりも大きい。従って、電圧ＯＦＦ時は、図１１Ａに示すように液晶材料１３の液晶分子がＸＹ面に平行に配向されることによって、ＸＹ面から見たときに支持基材１１と液晶材料１３の屈折率は互いに異なる。一方、電圧ＯＮ時は、図１１Ｂに示すように液晶材料１３の液晶分子がＺ軸方向に配向されることによって、ＸＹ面から見たときに支持基材１１と液晶材料１３の屈折率は同等となる。
【００５８】
以上のような構成の表示装置２１においては、光制御素子１０の液晶層１３に対する電圧のＯＮ／ＯＦＦによって、液晶表示素子２３の視野角を制御することができる。具体的に、電圧ＯＦＦ時においては、液晶表示素子２３から出射する画像光が光制御素子１０を透過する際、支持基材１１と液晶材料１３間の界面における屈折率差に応じた入射光の反射、偏向を含む散乱作用を受ける。これにより、凹部１２の配列方向（Ｘ軸方向）に関して視野角が制限されるため狭視野角モードが実現される。
なお、凹部１２をＸ軸方向だけでなくＹ軸方向にも形成することにより、Ｘ軸およびＹ軸方向に関して視野角制限機能を得ることができる。
【００５９】
一方、電圧ＯＮ時においては、支持基材１１と液晶材料１３間の界面における屈折率差が殆ど存在しなくなるため、入射光はほぼそのままの光路で光制御素子１０を出射する。これにより、表示光が広い視野角範囲で出射されるため広視野角モードが実現される。特に、ＩＰＳ、ＶＡ方式等の広視野角の液晶表示素子であれば、ほぼその液晶表示素子と同等の視野角特性を得ることができる。
【００６０】
以上のように構成される本実施形態の表示装置２１においては、広視野角モードと狭視野角モードとが電気的に切り換えられる光制御素子１０を備えているので、例えば光制御素子１０を広視野角モードに切り換えることで、一つのモニターで画像を同時に大勢で観賞することが可能となる。また、光制御素子１０を狭視野角モードに切り換えることで、電車の中などにおいて画面の表示情報を周囲の人から覗き見られることを防ぐことができる。
【００６１】
また、光制御素子１０は、支持基材１１と液晶材料１３との間の屈折率差を電気的に制御することで広視野角モードと狭視野角モードとの切換えを行うようにしているので、特に狭視野角モード時における透過光量の低下を抑えることができ、輝度低下による画質の劣化を防ぐことができる。
【００６２】
液晶層１３の形成ピッチや形成幅等は特に制限されず、従って、例えば液晶表示素子２３の画素ピッチよりも大きく形成することによって、液晶表示素子２３に対する高精度なアライメント精度が不要となり、かつ画質の劣化も防ぐことができる。また、凹部１２の延在方向が液晶表示素子２３の画素配列方向と非平行となるように光制御素子１０を液晶表示素子２３上に配置することで、干渉縞の発生による画質の劣化を回避することができる。
【００６３】
なお、光制御素子１０は、その凹部１２が形成される表面側を光出射面として液晶表示素子２３の前面に配置した構成例について説明したが、これとは逆に、光制御素子１０の凹部１２の形成面を液晶表示素子２３側に向けて配置してもよい。この場合においても上述と同様な作用効果を得ることができるとともに、凹所１２の境界が観察者側から見えにくくなることもあって、仕様に応じて使い分けることができる。
【００６４】
一方、例えば、無電場状態において液晶材料１３を構成する液晶分子がＹ軸方向に配向するように光制御素子１０が構成されている場合、液晶材料１３に入射する光は、Ｘ軸方向に振動する偏光成分（Ｘ偏光）よりもＹ軸方向に振動する偏光成分（Ｙ偏光）の方が界面での反射率が高く、出射規制がされやすい。そこで、液晶表示素子２３の前面偏光板２６ａの透過軸をＹ軸方向に向けることで、光制御素子１０に対してＹ偏光の光のみを入射させることが可能となり、これにより視野角制限効果を高めることができる。
【００６５】
なお、液晶分子がＸ軸方向に配向されている場合にも同様であり、この場合は前面偏光板２６ａの透過軸をＸ軸方向に向けて配置する。しかし、本例の場合、支持基材１１と液晶材料１３の界面に対してｐ偏光で光が入射することになり、界面の反射率は小さく不利となる。従って、液晶材料１３の分子配向をＹ軸方向とし、界面に対してｓ偏光となるように前面偏光板２６ａの透過軸をＹ軸方向とする構成例が好ましい。
【００６６】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について図１２を参照して説明する。図１２は本実施形態の表示装置３１の概略構成図である。なお、図において上述の第２の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６７】
本実施形態の表示装置３１は、バックライトユニット２２と液晶表示素子２３との間に光制御素子１０が配置されている。光制御素子１０は、バックライトユニット２２から液晶表示素子２３へ入射する光の入射角を制御する機能を有する。
【００６８】
バックライト光が等方的に出射される場合、光制御素子１０は、電圧無印加状態において支持基材１１と液晶材料１３との間に生じる屈折率差に基づく偏向作用によって、凹部１２の配列方向に関して入射光の出射方向を制限する。これにより、液晶表示素子２３に対しては入射方向が制限された光が入射されることになり、表示画像の狭視野角化が実現される。一方、光制御素子１０は、電圧印加状態において支持基材１１と液晶材料１３との間の屈折率差をなくすため、バックライト光は光制御素子１０によって出射角を制限されることなく液晶表示素子２３へ入射する。これにより、表示画像の広視野角化が実現される。
【００６９】
これに対して、バックライト光が液晶表示素子２３の正面方向（Ｚ軸方向）に指向性のある狭い配向分布を有する場合、光制御素子１０は、電圧無印加状態において、支持基材１１と液晶材料１３との間の屈折率差に基づく偏向作用により、凹部１２の配列方向に関してバックライト光の出射角を広げて液晶表示素子２３へ入射させる。これにより、広視野角モードが実現される。一方、光制御素子１０は、電圧印加状態において、正面方向に出射されるバックライト光の光路を妨げずに液晶表示素子２３へ入射させる。このため、表示装置３１は狭視野角モードとなる。
【００７０】
以上のように、本実施形態によれば、バックライトユニット２２の光出射特性に関係なく、視野角モードの切替を行うことができるとともに、バックライトユニット２２の光出射特性に応じた最適な視野角モードを光制御素子１０によって実現することができる。
【００７１】
以上、本発明の各実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００７２】
例えば以上の各実施形態では、光制御素子１０を構成する液晶材料１３の液晶分子として、その長軸方向の屈折率（異常光屈折率）が支持基材１１の屈折率よりも大きいものを用いたが、これに限らず、長軸方向の屈折率が支持基材１１の屈折率よりも小さいものを用いてもよい。
【００７３】
なお、液晶材料１３の長軸方向の屈折率が支持基材の屈折率よりも大きい場合は、光出射面から見て支持基材１１の形成幅よりも液晶材料の形成幅を大きくすることで、当該光制御素子を透過する光が液晶材料内での全反射作用によって正面方向へ出射しやすくなるため、正面輝度の向上を図ることが可能となる。
【００７４】
また、以上の各実施形態では、本発明に係る光制御素子を視野角制御素子として用いた例について説明したが、これに限らず、照明光源の出射角制御など光線方向の切替用途に広く適用可能である。例えば、直下型バックライトユニットにおいて、光源直上位置に液晶材料領域を対向配置させ、光源非直上位置に支持基材領域を対向配置させることで、輝度分布の調整を可能とした光源装置を構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第１の実施形態による光制御素子の要部の断面構造を概略的に示す分解斜視図である。
【図２】上記光制御素子の構成の変形例を示す図である。
【図３】図１の光制御素子をＹ軸方向から見たときの要部断面図である。
【図４】比較として示す従来の光吸収型の光制御素子の概略構成を示す側断面図である。
【図５】図１の光制御素子の視野角制御機能を模式的に示すＹ軸方向から見た要部断面図であり、Ａは狭視野角モード、Ｂは広視野角モードをそれぞれ示している。
【図６】本発明に係る光制御素子を構成する透明電極層の構成例を模式的に示す要部断面図である。
【図７】本発明に係る光制御素子の支持基材に形成される凹部の構成の変形例を示す側断面図である。
【図８】本発明に係る光制御素子の構成の変形例を説明する要部断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態において説明する表示装置の概略構成図である。
【図１０】上記表示装置の分解斜視図である。
【図１１】上記表示装置を構成する光制御素子の各視野角モードを説明する要部平面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態において説明する表示装置の概略構成図である。
【図１３】従来技術に係る光制御素子の概略構成を示す要部断面図である。
【図１４】図１３の光制御素子の要部の概略構成図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０，１０’…光制御素子、１１…支持基材、１１ａ…支持基材の表面、１２…凹部、１２ａ，１２ｂ…凹部の側壁面、１３…液晶材料、１４ａ，１４ｂ，１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ…透明電極層、２０…凹凸構造、２１，３１…表示装置、２２…バックライトユニット、２３…液晶表示素子（画像表示素子）、２４ａ，２４ｂ…透明基材、２５…液晶層、２６ａ，２６ｂ…偏光板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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