JP7083102B2 - 光線方向制御デバイス及び表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、光線方向制御デバイス及び表示装置に関する。

表示装置の小型・軽量化、高精細化と、あらゆる場所において情報に接続することができる無線ネットワークの拡充により、スマートフォン、タブレット端末あるいはノートパソコンを介し、時間を問わずにあらゆる場所で各種情報の処理を行うことが可能になってきている。しかしながら、あらゆる場所で様々な情報をやり取りするということは、レストランや公園、公共交通機関利用時など、周りに多くの他人がいる状況において各種情報にアクセスすることとなり、便利な反面、情報漏えいのリスクが高くなる。

このような状況に対して、従来から視野角制限フィルムと呼ばれる斜め方向へ出射する光を吸収することで画面を視聴できる範囲を正面に限定し、情報漏えいのリスクを軽減することを可能とするフィルムが利用されている。しかし、これを用いた場合、狭視野角に固定されるため、広視野角表示を用いて別の作業を行うためには、物理的に視野角制限フィルムを外すことが必要となる。

この様な、物理脱着が必要な固定視野角のルーバに対して、電気的な制御を適用することにより、広視野角モードと狭視野角モードを切り替える手段が開発されてきた。例えば、特開２０１３－５０７４０号公報は、狭視野角状態に固定されたルーバと、ＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）に代表される、光散乱状態と透明状態を電気的に切り替えることが可能な素子を積層する構成を開示する。

特開２０１６－６２０９２号公報は、電気泳動素子を含むアクティブルーバを開示する。アクティブルーバは、電気泳動素子の駆動電圧を変化させることで、電気泳動素子を光吸収状態と透明状態との間で切り替える。これにより、表示装置の狭視野角モードと広視野角モードの切り替えを可能とする。また、特開２００７－２０６３７３号公報は、ＰＤＬＣを使用したアクティブルーバを開示する。ＰＤＬＣの光散乱状態と透明状態とを切り替えることで、表示装置の狭視野角モードと広視野角モードの切り替えを可能とする。

特開２０１３－５０７４０号公報 特開２０１６－６２０９２号公報 特開２００７－２０６３７３号公報

特開２０１３－５０７４０号公報の技術は、広視野角モードにおいて、バックライトからの光の一部をルーバで吸収した後に、光を他の光学素子で拡散させる。したがって、広視野角モードを実現するための光の利用効率が低い。また、正面方向における輝度が狭視野角モードと広視野角モードで異なる。

特開２０１６－６２０９２号公報の技術において、広視野角モードの視野角は、バックライトからの光によって決まる視野角である。この構成は、バックライトからの光の広がり角で決まる視野角よりも広い視野角を実現することはできない。また、バックライトからの光の広がり角を大きくするほど、狭視野角モードにおけるアクティブルーバによる光の吸収が多くなり、光の利用効率の低下及び発熱の増加を招く。

特開２００７－２０６３７３号公報に開示の装置は、バックライトから光の広がり角で決まる視野角よりも、広い視野角又は狭い視野角の一方を実現することができる。しかし、一つの装置が、バックライト光の広がり角で決まる視野角より広い視野角及び狭い視野角を切り替えることはできない。

本開示の一態様は、光入射面に入射した光の光出射面からの出射角度範囲を変更可能な、光線方向制御デバイスであって、基板とそれぞれが、光入射面から光出射面に向かう方向に立ち上がり、前記基板の主面に沿って延びており、印加された電圧に応じて透明状態と光吸収状態とを切り替える、前記基板の主面に沿って配列された複数のルーバ素子と、それぞれが、固体高分子樹脂部と前記固体高分子樹脂部内に分散した液晶滴とを含み、印加された電圧に応じて入射した光の散乱度を変化させることで出射する光の拡散度を変化させる、前記基板の前記主面に沿って前記複数のルーバ素子の間に配列されている複数の高分子分散型液晶部と、前記高分子分散型液晶部のそれぞれを挟むように配置され、前記高分子分散型液晶部それぞれに対して駆動電圧を与える、複数の高分子分散型液晶部駆動電極ペアと、前記複数のルーバ素子それぞれを挟むように配置され、前記複数のルーバ素子それぞれに対して駆動電圧を与える、複数のルーバ素子駆動電極ペアと、を含む。

本開示の一態様によれば、バックライトからの光の広がり角で決まる視野角よりも広い視野角及び狭い視野角の間の切り替えが可能となる。

実施形態に係る光線方向制御デバイスの一部構成を示す平面図である。 光線方向制御を含む表示装置の断面構造を模式的に示している。 光吸収状態におけるルーバ素子を模式的に示す。 透明状態におけるルーバ素子を模式的に示した図である。 散乱状態のＰＤＬＣ部を示した図である。 透明状態のＰＤＬＣ部を示した図である。 広視野角モードの光線方向制御デバイスを示す。 狭視野角モードの光線方向制御デバイスを示す。 中間視野角モードの光線方向制御デバイスを示す。 広視野角モードにおける、光線方向制御デバイスの制御を示す。 狭視野角モードにおける、光線方向制御デバイスの制御を示す。 中間視野角モードにおける、光線方向制御デバイスの制御を示す。 光線方向制御デバイスの他の構成例を示す。

以下、添付図面を参照して実施形態を説明する。実施形態は本開示を実現するための一例に過ぎず、本開示の技術的範囲を限定するものではない。各図において共通の構成については同一の参照符号が付されている。説明をわかりやすくするため、図示した物の寸法、形状については、誇張して記載している場合もある。図において同一種類の要素の内の一部のみが符号で指示されている場合がある。

本開示の一態様の光線方向制御デバイスは、駆動電圧に応じて透明状態と光吸収状態を切り替えることができる光吸収素子と、駆動電圧に応じて透明状態と光拡散状態とを切り替えることができる光拡散素子とを含む。光線方向制御デバイスは、光吸収素子と光拡散素子とを個別に制御する。

本開示の光線方向制御デバイスよって、バックライトからの光の広がり角度で決まる基準視野角モード、基準視野角よりも広い視野角モード、及び、基準視野角よりも狭い視野角モードの、三つのモードを有する表示装置を実現することができる。

光吸収素子の一例は、分散媒内での有色電気泳動粒子の配置を駆動電圧で制御するアクティブルーバ（単にルーバとも呼ぶ）である。光拡散素子の一例は、ＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ：高分子分散型液晶）素子である。以下に説明においては、分散媒及び有色電気泳動粒子を含むルーバと、ＰＤＬＣ部とを含む光線方向制御デバイスを説明する。

＜第１実施形態＞
［構成］
図１Ａは、実施形態に係る光線方向制御デバイス１００の一部構成を示す平面図である。光線方向制御デバイス１００は、平面視において格子状のルーバ１３５と、ルーバ１３５が画定する空間内の配置されている複数のＰＤＬＣ部１３１とを含む。図１Ａの例においては、複数のＰＤＬＣ部うち、一つのＰＤＬＣ部のみが符号１３１で指示されている。ＰＤＬＣ層１３０は、複数のＰＤＬＣ１３１で構成されている。ルーバ１３５及びＰＤＬＣ層１３０は、基板（図１Ａにおいて不図示）上に形成されている。

ルーバ１３５は、基板主面上に配列された複数の部分で構成されている。この部分を、ルーバ素子又はルーバ部と呼ぶ。ルーバ１３５は、分離された複数のルーバ素子で構成されていてもよく、つながっている複数のルーバ素子で構成されていてもよい。

図１Ａの例において、ルーバ１３５は、基板の主面に沿って縦方向（列方向）に延びる複数のルーバ素子（ルーバ部）１３３と、左右方向（行方向）の延びる複数のルーバ素子（ルーバ部）１３４で構成されている。縦方向と横方向は垂直である。図１Ａの例においては、一つの縦方向のルーバ部、一つの横方向のルーバ部のみが、それぞれ、符号１３３及び１３４で指示されている。

ルーバ素子（ルーバ部）１３３、１３４の形状はＰＤＬＣ部１３１の形状に影響を受ける。図１Ａの例において、ＰＤＬＣ部１３１は独立した矩形であり、ルーバ素子（ルーバ部）１３３、１３４はつながって、一つの格子状のルーバ１３５を構成する。ルーバ１３５が横方向又は縦方向のストライブ形状を有する場合、ルーバ１３５は、複数の分離されたルーバ素子（ルーバ部）で構成され得る。

縦方向に延びる各ルーバ素子１３３は、横方向の延びる複数のルーバ素子１３４それぞれと交差し、交差部それぞれにておいて、複数のルーバ素子１３４と連続している。同様に、横方向に延びる各ルーバ素子１３４は、縦方向の延びる複数のルーバ素子１３３それぞれと交差し、交差部それぞれにておいて、複数のルーバ素子１３３と連続している。

ルーバ１３５のパターン形状は、視野角を制御することができれば、任意である。例えば、ルーバ１３５は、ストライプ状であってもよい。例えば、図１Ａの例において、ルーバ１３５は、複数のルーバ素子１３３が省略され、複数のルーバ素子１３４のみで構成されていてもよく、複数のルーバ素子１３４が省略され、複数のルーバ素子１３３のみで構成されていてもよい。

ルーバ素子１３３のピッチ又はルーバ素子１３４のピッチは、一定であっても変化してもよい。ルーバ素子１３３又は１３４は、直線状でなくてもよい。例えば、ルーバ素子１３３又は１３４は、屈曲を繰り返しながら、縦方向又は横方向に延びていてもよい。

複数のＰＤＬＣ部１３１は、ルーバ素子の間の空間を埋めるように、配列されている。言い換えれば、ＰＤＬＣ部１３１の間の隙間を埋めるように、ルーバ１３５（ルーバ素子１３３、１３４）が配置されている。ＰＤＬＣ部１３１は同一の矩形を有するが、ルーバ１３５のパターン形状において、異なる形状を有してもよい。例えば、正方形、菱形、円形、楕円形等、光学特性に合わせて形状を変更しても良い。

図１Ｂは、光線方向制御デバイス１００を含む表示装置１０の断面構造を模式的に示している。表示装置１０は、バックライトモジュール３００、液晶表示パネル２００、及び、バックライトモジュール３００と液晶表示パネル２００との間に配置された光線方向制御デバイス１００を含む。バックライトモジュール３００と光線方向制御デバイス１００を含む構成を、バックライトユニットと呼ぶことがある。なお、液晶表示パネル２００の上面（視認側）に光線方向制御デバイス１００を配置してもよいが、広視野角モードにおける画像のぼやけを生じ得る。

以下の説明において、液晶表示パネル２００が表示する画像を視認するユーザの側を前側と呼び、その反対側を後側又は裏側と呼ぶ。図１Ｂにおいて、光線方向制御デバイス１００は、液晶表示パネル２００の後側（裏側）に配置され、バックライトモジュール３００の前側に配置されている。

表示装置１０は、さらに、制御部１５０を含む。制御部１５０は、表示装置１０内の他の構成要素を制御する。本例において特に、制御部１５０は、光線方向制御デバイス１００を制御する回路を含む。具体的には、制御部１５０は、ルーバ１３５を駆動する回路と、ＰＤＬＣ部１３１を駆動する駆動回路とを含む。ルーバ１３５及びＰＤＬＣ部１３１に加え、これらの駆動回路を含む構成を、光線方向制御デバイスと呼んでもよい。

バックライトモジュール３００は、集光された面状の光を放射する面状光源装置である。バックライトモジュール３００は、光源と拡散板を含む複数の光学板とを含む。バックライトモジュール３００は、エッジ型バックライトモジュールであっても直下型バックライトモジュールであってもよい。

エッジ型バックライトモジュールは、一般に、積層された導光板、拡散板及び集光板と、導光板の側面に対向する位置に配置された複数のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）と、を含む。直下型バックライトモジュールは、一般に、液晶表示パネル２００の主面に対向するように配置された複数のＬＥＤと、ＬＥＤの前に積層された拡散板及び集光板を含む。直下型における集光板は省略されてもよい。また、バックライトモジュールの光源としては、ＬＥＤに限らず、蛍光灯（冷陰極管、熱陰極管）やＥＬ素子（有機ＥＬ、無機ＥＬ等）等を使用してもよい。

液晶表示パネル２００は、横電界制御型液晶表示パネルでも、縦電界制御型液晶表示パネルでもよい。横電界制御型液晶表示パネルは、例えば、ＩＰＳ（Ｉｎ－Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）型とＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ－Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）型液晶表示パネルである。縦電界制御型液晶表示パネルは、例えば、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）型とＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）型液晶表示パネルである。

液晶表示パネル２００は、一般に、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）基板と、ＴＦＴ基板に対向するカラーフィルタ（ＣＦ）基板とを含む。ＴＦＴ基板とＣＦ基板との間には、液晶層が挟まれている。ＴＦＴ基板及びＣＦ基板は、ガラス又は樹脂からなる絶縁性の透明基板である。ＴＦＴ基板及びＣＦ基板は、例えば矩形であり、互いの一つの主面が対向している。ＴＦＴ基板及びＣＦ基板は不撓性又は可撓性である。

ＴＦＴ基板及びＣＦ基板の液晶層と反対側の主面上に、偏光板が取り付けられている。ＴＦＴ基板の液晶層に対する主面上には、液晶層に電界を与えるための液晶駆動電極と対向電極とが配列されている。対向電極は、ＣＦ基板のＴＦＴ基板に対向する主面に形成されることもある。

液晶表示パネル２００は、バックライトモジュール３００から、光線方向制御デバイス１００を介して背面から入射した光の透過を制御して、画像を表示する。液晶駆動電極と対向電極との各ペアが、一つの画素の液晶に電界を与える。与えられえる電界によって、画素の透過光量が変化する。ＴＦＴ基板には、制御する画素を選択するための不図示のＴＦＴアレイが形成されている。制御部１５０は、画像データに応じて、ＴＦＴアレイ、液晶駆動電極及び対向電極を制御して、画像を液晶表示パネル２００に表示させる。

図１Ｂに示す光線方向制御デバイス１００の断面構造は、図１ＡにおけるＢＢ切断線での断面構造である。光線方向制御デバイス１００は、前側基板１４１及び後側基板１０２を含む。前側基板１４１及び後側基板１０２は、ガラス又は樹脂からなる絶縁性の透明基板である。

前側基板１４１及び後側基板１０２は、例えば矩形であり、前側基板１４１の後側面が、後側基板１０２の前側面に対向している。前側基板１４１及び後側基板１０２は不撓性又は可撓性である。後側基板１０２の後側主面は、バックライトモジュール３００からの光が入射する光入射面である。前側基板１４１の前側主面は、バックライトモジュール３００からの光が出射する光出射面である。

ＰＤＬＣ層１３０は、前側基板１４１及び後側基板１０２の対向主面（単に基板主面とも呼ぶ）の間に挟まれている。ＰＤＬＣ層１３０は、基板主面に沿って配列されている複数のＰＤＬＣ部１３１で構成されている。ＰＤＬＣ層１３０は、層厚方向（図１Ｂにおける上下方向）において立ち上がり、図１Ａを参照して説明したように所定のパターン形状を有する。

図１Ｂの構成例において、ルーバ素子１３３が、ＰＤＬＣ層１３０を貫通するように、ＰＤＬＣ層１３０内に配置（形成）されている。ルーバ素子１３３は、光入射面から光出射面に向かう方向（層厚方向）に立ち上がり、その高さは、ＰＤＬＣ層１３０と同様である。例えば、ルーバ素子１３３の高さは３μｍ～３００μｍであり、その幅は０．２５μｍ～４０μｍであり、そのピッチは１μｍ～２００μｍである。

ルーバ素子１３４も同様であり、図１Ａを参照したように、ルーバ１３５は、基板主面に沿った所定のパターン形状を有している。ルーバ１３５は、ＰＤＬＣ層１３０と同一の層領域に存在している。これにより、光線方向制御デバイス１００の厚みを薄くし、また、製造効率を上げることができる。

後側基板１０２の前側主面上に、複数のルーバ素子駆動電極１２６が形成されている。ルーバ素子駆動電極１２６は、対向するルーバ素子１３３に駆動電圧を与えるための電極である。ルーバ素子駆動電極１２６は、対応するルーバ素子１３３に対向し、ＰＤＬＣ部１３１に対向していない。ルーバ素子駆動電極１２６は、ＰＤＬＣ部１３１を避けるように、ＰＤＬＣ部１３１の表面の外側に配置されている。これにより、ルーバ駆動電位のＰＤＬＣ部１３１への影響を避けることができる。

ルーバ素子１３４のルーバ素子駆動電極も同様である。ルーバ素子１３３、１３４それぞれのルーバ素子駆動電極は、例えば、ルーバ１３５と同一のパターン形状（例えば格子状）を有する連続する金属層であるルーバ電極の一部である。ルーバ素子駆動電極は、例えば、ＩＴＯ又はＺｎＯ等の透明導体、又は、ＭｏやＡｌなどの遮光性金属で形成される。

後側基板１０２の前側主面上に、複数のＰＤＬＣ部駆動電極１２７が形成されている。ＰＤＬＣ部駆動電極１２７は、対向するＰＤＬＣ部１３１に駆動電圧を与えるための電極である。ＰＤＬＣ部駆動電極１２７は、対応するＰＤＬＣ部１３１に対向し、ルーバ１３５に対向していない。ＰＤＬＣ部駆動電極１２７は、ルーバ１３５を避けるように、ルーバ１３５の表面の外側に配置されている。ＰＤＬＣ部駆動電極１２７は、例えば、ＩＴＯ又はＺｎＯ等の透明導体で形成される。

図１Ｂの例において、ＰＤＬＣ部駆動電極１２７は、ＰＤＬＣ部１３１のパターン形状と同様のパターン形状を有する。ＰＤＬＣ部駆動電極１２７の厚み（高さ）は、ルーバ駆動電極と同様であり、これらは同一の層領域に配置されている。ＰＤＬＣ部駆動電極１２７とルーバ駆動電極とは離間しており、それらの間には絶縁層が形成されている。

ルーバ駆動電極が格子状である場合、ＰＤＬＣ部駆動電極１２７は島状であって、周囲をルーバ素子駆動電極で囲まれている。例えば、ＰＤＬＣ部駆動電極１２７及びルーバ駆動電極の下側に、絶縁層を介して、金属層が形成される。ＰＤＬＣ部駆動電極１２７は、ビアを介して金属層に接続され、ＰＤＬＣ部駆動電極１２７が電気的に接続される。ルーバ駆動電極がストライプ状（櫛歯状）である場合、ＰＤＬＣ部駆動電極１２７は、例えば、ＰＤＬＣ層１３０の外側で、同一層において相互接続される。

前側基板１４１の後側基板１０２に対する主面上には、対向電極１３６が形成されている。図１Ｂの例において、対向電極１３６は、例えば、連続した１枚の面状の透明金属層である。対向電極１３６は、例えば、ＩＴＯ又はＺｎＯで形成された透明電極である。

ＰＤＬＣ部１３１は、層厚方向において、対応するＰＤＬＣ部駆動電極１２７と対向電極１３６とに挟まれている。対向電極１３６のＰＤＬＣ部１３１が対向する部分が、当該ＰＤＬＣ部１３１の駆動電極ペアの他方の駆動電極に相当する。

ルーバ素子１３３は、層厚方向において、対応するルーバ素子駆動電極１２６と対向電極１３６とに挟まれている。対向電極１３６のルーバ素子１３３が対向する部分が、当該ルーバ素子１３３の駆動電極ペアの他方の駆動電極に相当する。ルーバ素子１３４について同様である。

一つの対向電極１３６の異なる一部が、それぞれ、ルーバ１３５の駆動電極及びＰＤＬＣ層１３０の駆動電極であるので、層数及び配線数を低減し、光線方向制御デバイス１００の厚みを薄くすることができ、また、製造効率を上げることができる。なお、図１Ｂにおいては、後側基板１０２はバックライトモジュール３００側に配置され、前側基板１４１は液晶表示パネル２００側に配置された構造で説明を行ったが、この構成に限らず、後側基板１０２を液晶表示パネル２００側に前側基板１４１をバックライトモジュール３００側に配置してもよい。

［動作］
制御部１５０は、ルーバ１３５を直流駆動し、ＰＤＬＣ層１３０を交流駆動する。制御部１５０は、対向電極１３６に対して一定電位（基準電位）、例えば接地電位を与える。制御部１５０は、表示装置１０の視野角のモードに応じて、異なる一定電位をルーバ素子駆動電極に与える。

制御部１５０は、表示装置１０の視野角のモードに応じて、ＰＤＬＣ部駆動電極１２７に、基準電位、又は、基準電位に対する交流電位を与える。交流信号は、例えば、矩形波又はサイン波である。

このように、ＰＤＬＣ層１３０は交流電界（交流電圧）で駆動され、ルーバ１３５は直流電界（直流電圧）で駆動される。ルーバ１３５は、交流電界対して、応答時間の関係で反応しない。そのため、ルーバ１３５とＰＤＬＣ層１３０との駆動を、独立させることができる。

図２Ａは、光吸収状態におけるルーバ素子１３３を模式的に示す。図２Ｂは、透明状態におけるルーバ素子１３３を模式的に示す。ルーバ素子１３３は、ＰＤＬＣ層１３０に形成されたルーバ溝１３７（空間）に収容されている電気泳動粒子１３９と分散媒１３８とを含む。

電気泳動粒子１３９は有色であり、例えば、カーボンブラック等の黒色の微粒子である。分散媒１３８は例えば無色透明な液体の材料で形成されている。ルーバ１３５は、分散媒１３８内にある有色の電気泳動粒子（有色荷電粒子）１３９の配置が変化することで、光の透過方向の範囲を変化させる。電気泳動粒子１３９は正又は負に帯電しており、図２Ａの例において、電気泳動粒子１３９は正に帯電している。

各ルーバ素子１３３は、ルーバ素子駆動電極１２６と対向電極１３６とに挟まれている。図２Ａ、２Ｂの例において、ルーバ素子駆動電極１２６と対向電極１３６は、電気泳動粒子１３９及び分散媒１３８からなる電気泳動素子材料に接触している。これら電極１２６、１３６と電気泳動素子材料との間に絶縁層が存在してもよい。絶縁層は、例えば、酸化シリコン又は窒化シリコンである。

図２Ａを参照して、光吸収状態において、ルーバ素子１３３中の電気泳動粒子１３９は、分散媒１３８内に均等に分散している。分散している電気泳動粒子１３９が光を吸収することで、ルーバ素子１３３は、入射した光線５０１を遮蔽する。これにより、狭い出射角度範囲内の光線５０１のみが、ルーバ１３５を通過する。

光吸収状態において、ルーバ素子１３３を挟むルーバ素子駆動電極１２６と対向電極１３６とは、略同電位（無電圧）に維持される。これにより、同極性に帯電している電気泳動粒子１３９は互いに反発し、分散媒１３８内で拡散し、分散媒１３８内で均等に分散した状態に維持される。

図２Ｂを参照して、透明状態は、電気泳動粒子１３９を、ルーバ素子１３３を挟む電極の一方の近傍に凝集させることにより実現される。図２Ｂの例においては、電気泳動粒子１３９は、ルーバ素子駆動電極１２６の近傍に凝集している。ルーバ素子１３３の大部分の領域は透明な分散媒１３８のみで構成され、ルーバ素子１３３は透明状態となる。これにより、広い出射角度範囲内の光線５０１が、ルーバ１３５を通過する。

図２Ｂの例において、対向電極１３６に対するルーバ素子駆動電極１２６の相対電位は、電気泳動粒子１３９の電荷とは逆の極性を有する（電位差Ｖ）。これにより、電気泳動粒子１３９は、ルーバ素子駆動電極１２６の近傍に集まる。

例えば、電気泳動粒子１３９の電荷が負（－）であり、ルーバ素子駆動電極１２６が正極である場合、電気泳動粒子１３９は、ルーバ素子駆動電極１２６の近傍に集まる。同様に、電気泳動粒子１３９の電荷が正（＋）であり、ルーバ素子駆動電極１２６が負極である場合、電気泳動粒子１３９は、ルーバ素子駆動電極１２６の近傍に集まる。電位差Ｖは、例えば２０Ｖ～２５Ｖ程度であればよい。

反対に、対向電極１３６に対するルーバ素子駆動電極１２６の相対電位は、電気泳動粒子１３９の電荷と同一の極性を有してもよい（電位差Ｖ）。これにより、電気泳動粒子１３９は、対向電極１３６の近傍に集まる。例えば、電気泳動粒子１３９の電荷が負（－）であり、ルーバ素子駆動電極１２６が負極である場合、電気泳動粒子１３９は、対向電極１３６の近傍に集まる。同様に、電気泳動粒子１３９の電荷が正（＋）であり、ルーバ素子駆動電極１２６が正極である場合、電気泳動粒子１３９は、対向電極１３６の近傍に集まる。

ルーバ１３５は、分散媒１３８内の電気泳動粒子１３９を含む上記構成と異なる構成を有してもよい。例えば、ルーバ１３５は、狭視野角モードにおいて、光を拡散してもよい。例えば、ルーバ１３５は、エレクトロクロミズムを示すエレクトロクロミック材料で構成されていてもよい。エレクトロクロミック材料は、印加されている電圧に応じて透過光量を変化させる。この点は、他の実施形態において同様である。

図３Ａ及び図３Ｂを参照してＰＤＬＣ部１３１の構成及び状態を説明する。図３Ａは、散乱状態のＰＤＬＣ部１３１を示し、図３Ｂは透明状態のＰＤＬＣ部１３１を示す。ＰＤＬＣ部１３１は、固体の高分子樹脂部３１１と、高分子樹脂部３１１内に分散している液晶滴３１２とを含む。

高分子樹脂部３１１は、高分子マトリックス又は高分子ネットワークである。高分子ネットワークと液晶滴からなる素子は、ＰＮＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれることもある。本開示において、ＰＮＬＣはＰＤＬＣに含まれる。ＰＤＬＣ部１３１（ＰＤＬＣ層１３０）は、例えば光硬化性樹脂と液晶材料の混合物を露光して硬化させることにより形成される。

各ＰＤＬＣ部１３１は、ＰＤＬＣ部駆動電極１２７と対向電極１３６とに挟まれている。ＰＤＬＣ部駆動電極１２７と対向電極１３６との間の電圧によって、ＰＤＬＣ部１３１内の液晶滴３１２の配向状態が変化する。これにより、ＰＤＬＣ部の入射光に対する状態が変化する。

ＰＤＬＣ部１３１に電圧（電界）が印加されていないとき、図３Ａに示すように、ＰＤＬＣ部１３１は光散乱状態である。ＰＤＬＣ部１３１に入射した光（光線５０１）は、散乱して出射される。これは、液晶滴３１２の液晶分子の配列が不規則であり、高分子樹脂部３１１と液晶滴３１２の見かけの屈折率が異なるためである。

一方、ＰＤＬＣ部１３１に所定値より大きい電圧（電界）が印加されているとき、図３Ｂに示すように、ＰＤＬＣ部１３１は透明状態である。ＰＤＬＣ部１３１に入射した光（光線５０１）は、散乱されることなく、ＰＤＬＣ部１３１を通過する。これは、液晶滴３１２の液晶分子が電界方向に配列しており、高分子樹脂部３１１と液晶滴３１２の見かけの屈折率が略一致しているからである。

ＰＤＬＣ部１３１が光散乱状態である場合、ＰＤＬＣ部１３１から出射する光の広がり角度は、ＰＤＬＣ部１３１に入射した光の広がり角度よりも大きい。ＰＤＬＣ部１３１が透明状態である場合、ＰＤＬＣ部１３１から出射する光の広がり角度は、ＰＤＬＣ部１３１に入射した光の広がり角度と略一致する。

ＰＤＬＣ部１３１は、入射した光を散乱又は透過して、液晶表示パネル２００に出射する。液晶滴１３２の焼き付きを防止するため、ＰＤＬＣ部１３１に対して、交流電圧が印加される。

ＰＤＬＣ部１３１は、印加される電圧値に応じて、光散乱性（散乱度又は透過率）を連続的に変化させる。ＰＤＬＣ部１３１の状態は、図３Ａ及び３Ｂに示す二つの状態に限らず、透明状態から拡散状態まで連続して変化することができる。したがって、ＰＤＬＣ部１３１に与える電圧値によって、出射光の広がり角度を、入射光の広がり角度から最大角度まで、連続的に変化させることができる。

なお、図３Ａ及び３Ｂに示すＰＤＬＣ部１３１は、ノーマルモードタイプのＰＤＬＣである。これと異なり、リバースモードタイプのＰＤＬＣを使用してもよい。リバースモードタイプのＰＤＬＣは、無電界時の基準状態が透明状態であり、電圧を印加されて散乱状態に変化する。

図２Ａ、２Ｂを参照して説明したように、ルーバ１３５は、出射光の広がり角度を、入射光の広がり角度よりも狭くすることができる。一方、ＰＤＬＣ層１３０は、出射光の広がり角度を、入射光の広がり角度よりも広くすることができる。本実施形態の光線方向制御デバイス１００は、この二つの機能を個別に制御することで、バックライトモジュール３００からの光の広がり角度で決まる視野角より狭い視野角及び広い視野角を実現することができる。

以下において、表示装置１０（光線方向制御デバイス１００）の複数の視野角モードを説明する。本実施形態の表示装置１０は、広視野角モード、狭視野角モード、及び、中間視野角モードを含む、複数の視野角モードを有する。

図４Ａ～４Ｃは、視野角モードと、ルーバ１３５及びＰＤＬＣ層１３０の状態との関係を示している。図４Ａは広視野角モードの光線方向制御デバイス１００を示し、図４Ｂは狭視野角モードの光線方向制御デバイス１００を示し、図４Ｃは中間視野角モードの光線方向制御デバイス１００を示す。図４Ａ～４Ｃにおいて、電極１２６、１２７、１３６は省略されている。

図４Ａに示すように、広視野角モードにおいて、ルーバ１３５（ルーバ素子１３３）は、透明状態であり、ＰＤＬＣ層１３０（ＰＤＬＣ部１３１）は、光散乱状態である。バックライトモジュール３００からの光は、ＰＤＬＣ層１３０で散乱され、ルーバ１３５を通過する。

そのため、広視野角モードにおいて、光線方向制御デバイス１００からの出射光の広がり角度は、バックライトモジュール３００からの光の広がり角度よりも広い。具体的には、光線方向制御デバイス１００からの出射光の半値角θ１は、バックライトモジュール３００からの光の半値角θ０よりも大きい。

広視野角モードは、同時に複数のユーザが表示装置１０の画面を見るような場合に、有益である。例えば、表示装置１０を含むタブレット型ＰＣを机上に置いて、複数のユーザが四方より見ている状態で、プレゼンテーションを行う場合等に有益である。

図４Ｂに示すように、狭視野角モードにおいて、ルーバ１３５（ルーバ素子１３３）は、光吸収状態であり、ＰＤＬＣ層１３０（ＰＤＬＣ部１３１）は、透明状態である。バックライトモジュール３００からの光は、ＰＤＬＣ層１３０を通過する。バックライトモジュール３００からの光のうち、出射角度が大きい範囲の光が、ルーバ１３５によって吸収される（遮られる）。

したがって、狭視野角モードにおいて、光線方向制御デバイス１００からの出射光の広がり角度は、バックライトモジュール３００からの光の広がり角度よりも狭い。具体的には、光線方向制御デバイス１００からの出射光の半値角θ１は、バックライトモジュール３００からの光の半値角θ０よりも小さい。

狭視野角モードは、正面方向のみに光を出射する。したがって、ユーザ以外の周囲の他人による画像の覗き見を防止することができる。

図４Ｃに示すように、中間視野角モードにおいて、ルーバ１３５（ルーバ素子１３３）は、透明であり、ＰＤＬＣ層１３０（ＰＤＬＣ部１３１）も、透明状態である。バックライトモジュール３００からの光は、ＰＤＬＣ層１３０及びルーバ１３５を通過する。

したがって、中間視野角モードにおいて、光線方向制御デバイス１００からの出射光の広がり角度は、バックライトモジュール３００からの光の広がり角度に一致する。具体的には、光線方向制御デバイス１００からの出射光の半値角θ１は、バックライトモジュール３００からの光の半値角θ０と等しい。

中間視野角モードは、個人で画面を視聴する場合に適している。中間視野角モードは、バックライトモジュール３００からの光を、そのまま光線方向制御デバイス１００を通過させるので、バックライトモジュール３００の光の利用効率を最も大きくすることができる。

上述のように、ＰＤＬＣ層１３０の光散乱性は、印加電圧に対して２値ではなく、連続的に変化する。つまり、ＰＤＬＣ層１３０の入射光に対する状態は、透明状態から最大の散乱状態まで、連続して変化することができる。このため、光線方向制御デバイス１００は、図４Ａに示す広視野角モードと、図４Ｃに示す中間視野角モードとの間で、出射光の広がり角度を連続的に変化させることができる。このように、光線方向制御デバイス１００は、出射光の広がり角度が異なる複数の中間視野角モードを有してもよい。

以上のように光線方向制御デバイス１００により、一つのバックライトユニットで、多人数での同時視認、個人利用、シークレット利用と、シーンに合わせて視認可能範囲を切り替えることが可能となる。上述のような集光型のバックライトモジュールを使用することで、狭視野角モードにおけるルーバ１３５による光吸収量を低減し、発熱を抑制することができる。また、正面方向の光強度の低下も少なくすることができる。

以下において、図５Ａ～５Ｃを参照して、図４Ａ～４Ｃを参照して説明した視野角モードそれぞれにおける、光線方向制御デバイス１００の制御方法（駆動方法）を説明する。図５Ａは、広視野角モードにおける、光線方向制御デバイス１００の制御を示す。制御部１５０は、ルーバ１３５（ルーバ素子１３３）に対して、０より大きい一定電圧を与え、ＰＤＬＣ層１３０（ＰＤＬＣ部１３１）を、無電界（無電圧）に維持する。

具体的には、制御部１５０は、対向電極１３６に一定の基準電位を与え、ルーバ素子駆動電極１２６に対して、基準電位から所定電圧だけ異なる駆動電位を与える。制御部１５０は、ＰＤＬＣ部駆動電極１２７に対して基準電位を与える。この駆動により、ルーバ１３５は透明状態であり、ＰＤＬＣ層１３０は光散乱状態になる。なお、対向電極１３６とルーバ素子駆動電極１２６との間に電界を生じさせないようにするために、両電極を等電位（ショート）としても、開放してもよい。

図５Ｂは、狭視野角モードにおける、光線方向制御デバイス１００の制御を示す。制御部１５０は、ルーバ１３５（ルーバ素子１３３）を、無電界（無電圧）に維持する。制御部１５０は、ＰＤＬＣ層１３０（ＰＤＬＣ部１３１）に対して、交流電界（交流電圧）を与える。

具体的には、制御部１５０は、対向電極１３６に一定の基準電位を与え、ルーバ素子駆動電極１２６に対して、基準電位を与える。制御部１５０は、ＰＤＬＣ部駆動電極１２７に対して基準電位に対する交流電圧を与える。交流電圧の周波数は例えば数十Ｈｚであり、振幅は例えば数十Ｖである。この駆動により、ルーバ１３５は光吸収状態であり、ＰＤＬＣ層１３０は透明状態になる。

図５Ｃは、中間視野角モードにおける、光線方向制御デバイス１００の制御を示す。制御部１５０は、ルーバ１３５（ルーバ素子１３３）に対して、０より大きい一定電圧を与える。制御部１５０は、ＰＤＬＣ層１３０（ＰＤＬＣ部１３１）に対して、交流電界（交流電圧）を与える。

具体的には、制御部１５０は、対向電極１３６に一定の基準電位を与え、ルーバ素子駆動電極１２６に対して、基準電位から所定電圧だけ異なる駆動電位を与える。制御部１５０は、ＰＤＬＣ部駆動電極１２７に対して基準電位に対する交流電圧を与える。この駆動により、ルーバ１３５は透明状態となり、ＰＤＬＣ層１３０も透明状態になる。

制御部１５０は、例えば、不図示のインタフェースを介したユーザ入力に応じて、視野角モードを切り替える。制御部１５０は、上述のように、ユーザ入力に応じて、異なる視野角の中間視野角モードを提供してもよい。制御部１５０は、ユーザ入力に応じて、ＰＤＬＣ層１３０に与える交流電圧の振幅を変化させる。交流電圧の振幅を大きくすることで、視野角が狭くなる。例えば、制御部１５０は、ユーザ入力と交流電圧の振幅とを対応付ける情報を予め保持し、それを使用して、交流電圧の振幅を決定する。

＜他の実施形態＞
図６は、光線方向制御デバイス１００の他の構成例を示す。以下においては、図１Ｂに示す構成例との相違点を主に説明する。ＰＤＬＣ部駆動電極層１２３が、ルーバ素子駆動電極１２６と後側基板１０２との間に配置されている。ＰＤＬＣ部駆動電極層１２３とルーバ素子駆動電極１２６との間に、絶縁層１２９が配置されている。

ＰＤＬＣ部駆動電極層１２３は、ＰＤＬＣ部１３１に対向すると共に、ルーバ素子１３３（ルーバ１３５）にも対向している。つまり、平面視において、ルーバ１３５は、ＰＤＬＣ部駆動電極層１２３に重なっている。ＰＤＬＣ部駆動電極層１２３は、連続する面状の導体層であり、一つのＰＤＬＣ部１３１のＰＤＬＣ駆動電極は、ＰＤＬＣ部駆動電極層１２３の一部であって、そのＰＤＬＣ部１３１が対向する部分である。

上述のように、ＰＤＬＣ層１３０の駆動電圧は、ルーバ１３５が応答しない周波数の交流信号であるため、ＰＤＬＣ部駆動電極層１２３とルーバ１３５が重なっていても、ルーバ１３５の動作への実質的な影響は存在しない。連続する導体層であるＰＤＬＣ部駆動電極層１２３により、ＰＤＬＣ部それぞれの駆動電極を効率的に作成することができる。ＰＤＬＣ部駆動電極層１２３の駆動方法は、図１Ｂの構成と同様である。

以下において、光線方向制御デバイス１００の製造方法の例を説明する。ＰＤＬＣ層は、液晶をマイクロカプセル化し、感光性樹脂の中に分散させることにより作成できる。例えば、複合コアセルベーション手法を用いることができる。具体的には、ゼラチンとアラビアゴムをベースとした親水性の溶液中に正の誘電異方性のネマチック液晶を混入して、数μｍ程度の液滴になるまで撹拌し、その後に硬化剤を混入して液滴表面に個体の被膜を形成させる。

その後、上記のように作成されたマイクロカプセルを感光性樹脂の中に混入し、分散したものをガラス基板上に数十μｍ厚で塗布し、井桁状もしくはストライプ状の溝が構成されるように露光を行う。この時の溝の幅はマイクロカプセルが十分排出されるように設定される。これにより、ガラス基板上にＰＤＬＣ層が形成される。その後、ＰＤＬＣ層が形成された基板と他のガラス基板を重ね合わせ、ＰＤＬＣ層の溝内に電気泳動材料を注入する。

光線方向制御デバイス１００の製造方法の他の例を説明する。ＰＤＬＣ層は、高分子分散型液晶素子を用いることで作成できる。具体的には、紫外線硬化樹脂と、正の誘電異方性のネマチック液晶を含む混合液を、２枚の透明な基板からなり、ギャップを有するセルに注入する。

井桁状もしくはストライプ状の感光しない部分を有するよう、紫外線硬化樹脂を含む混合液をして光硬化させる。その後、一方の基板を剥離して、未露光部分を洗浄して、ＰＤＬＣ層の溝を形成する。その後、透明なガラス基板をＰＤＬＣ層に重ね、電気泳動材料をＰＤＬＣ層の溝に注入する。

以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示が上記の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、上記の実施形態の各要素を、本開示の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。

１０ 表示装置、１００ 光線方向制御デバイス、１０２ 後側基板、１２３ 高分子分散型液晶部駆動電極層、１２６ ルーバ素子駆動電極、１２７ 高分子分散型液晶部駆動電極、１２９ 絶縁層、１３０ ＰＤＬＣ層、１３１ ＰＤＬＣ部、１３２ 液晶滴、１３３、１３４ ルーバ部（ルーバ素子）、１３５ ルーバ、１３６ 対向電極、１３６ 対向電極、１３７ ルーバ溝、１３８ 分散媒、１３９ 電気泳動粒子、１４１ 前側基板、１５０ 制御部、２００ 液晶表示パネル、３００ バックライトモジュール、３１１ 高分子樹脂部、３１２ 液晶滴、５０１ 光線

Claims (11)

1. 光入射面に入射した光の光出射面からの出射角度範囲を変更可能な、光線方向制御デバイスであって、
   基板と
   それぞれが、光入射面から光出射面に向かう方向に立ち上がり、前記基板の主面に沿って延びており、印加された電圧に応じて透明状態と光吸収状態とを切り替え、前記基板の主面に沿って配列され、互いに分離されて又は互いにつながっている複数のルーバ素子と、
   それぞれが、固体高分子樹脂部と前記固体高分子樹脂部内に分散した液晶滴とを含み、印加された電圧に応じて入射した光の散乱度を変化させることで出射する光の拡散度を変化させる、前記基板の前記主面に沿って前記複数のルーバ素子の間に配列されている複数の高分子分散型液晶部と、
   前記高分子分散型液晶部のそれぞれを挟むように配置され、前記高分子分散型液晶部それぞれに対して駆動電圧を与える、複数の高分子分散型液晶部駆動電極ペアと、
   前記複数のルーバ素子それぞれを挟むように配置され、前記複数のルーバ素子それぞれに対して駆動電圧を与える、複数のルーバ素子駆動電極ペアと、
   を含む、光線方向制御デバイス。
2. 請求項１に記載の光線方向制御デバイスであって、
   前記複数のルーバ素子のそれぞれは、透明分散媒と有色電気泳動粒子とを含む、
   光線方向制御デバイス。
3. 請求項１に記載の光線方向制御デバイスであって、
   複数のルーバ素子駆動電極ペアのそれぞれは、第１電極と第２電極で構成され、
   前記第１電極は、それぞれ、対応するルーバ素子に対向し、前記複数の高分子分散型液晶部を避けるように、配置されている、
   光線方向制御デバイス。
4. 請求項３に記載の光線方向制御デバイスであって、
   前記複数の高分子分散型液晶部駆動電極ペアのそれぞれは、第３電極と第４電極で構成され、
   前記第３電極のそれぞれは、連続する導体層の一部であり、
   前記第１電極は、前記導体層と前記対応するルーバ素子との間に配置されており、
   前記第１電極と前記導体層との間に絶縁層が存在する、
   光線方向制御デバイス。
5. 請求項１に記載の光線方向制御デバイスであって、
   複数のルーバ素子駆動電極ペアのそれぞれは、第１電極と第２電極で構成され、
   前記複数の高分子分散型液晶部駆動電極ペアのそれぞれは、第３電極と第４電極で構成され、
   前記第２電極及び前記第４電極は、連続する導体層の一部である、
   光線方向制御デバイス。
6. 請求項１に記載の光線方向制御デバイスであって、
   前記複数のルーバ素子駆動電極ペアそれぞれが与える駆動電圧は、直流であり、
   複数の高分子分散型液晶部駆動電極ペアそれぞれが与える駆動電圧は、交流である、
   光線方向制御デバイス。
7. 請求項５に記載の光線方向制御デバイスであって、
   制御部をさらに含み、
   前記複数のルーバ素子のそれぞれ、透明状態及び吸収状態を含む、複数の状態を有し、
   前記複数の高分子分散型液晶部は、それぞれ、透明状態及び拡散状態を含む、複数の状態を有し、
   前記制御部は、
   前記導体層に一定の基準電位を与え、
   前記第１電極に対して、前記複数のルーバ素子の前記複数の状態それぞれに対応する一定電位を与え、
   前記第３電極に対して、前記複数の高分子分散型液晶部の前記複数の状態それぞれに対応して、前記基準電位又は前記基準電位に対する交流電位を与える、
   光線方向制御デバイス。
8. 請求項１に記載の光線方向制御デバイスであって、
   複数の視野角モードにおいて前記複数の高分子分散型液晶部及び前記複数のルーバ素子を制御する、制御部をさらに含み、
   前記制御部は、
   広視野角モードにおいて、前記複数のルーバ素子を透明状態に維持し、前記複数の高分子分散型液晶部を光散乱状態に維持し、
   狭視野角モードにおいて、前記複数のルーバ素子を光吸収状態に維持し、前記複数の高分子分散型液晶部を透明状態に維持する、
   光線方向制御デバイス。
9. 請求項８に記載の光線方向制御デバイスであって、
   前記制御部は、
   中間視野角モードにおいて、前記複数のルーバ素子を透明状態に維持し、前記複数の高分子分散型液晶部を透明状態に維持する、
   光線方向制御デバイス。
10. 請求項８に記載の光線方向制御デバイスであって、
    前記複数の視野角モードは、異なる視野角を有する複数の中間視野角モードを含み、
    前記制御部は、
    前記複数の中間視野角モードにおいて、前記複数のルーバ素子を透明状態に維持し、前記複数の高分子分散型液晶部に対して異なる振幅の交流電圧を与える、
    光線方向制御デバイス。
11. 表示パネルと、
    面状光を出射する、バックライトモジュールと、
    前記バックライトモジュールと前記表示パネルとの間に配置されており、光入射面に入射した光の光出射面からの出射角度範囲を変更可能な、光線方向制御デバイスと、
    を含む表示装置であって、
    前記光線方向制御デバイスは、
    基板と
    それぞれが、光入射面から光出射面に向かう方向に立ち上がり、前記基板の主面に沿って延びており、印加された電圧に応じて透明状態と光吸収状態とを切り替え、前記基板の主面に沿って配列され、互いに分離されて又は互いにつながっている複数のルーバ素子と、
    それぞれが、固体高分子樹脂部と前記固体高分子樹脂部内に分散した液晶滴とを含み、印加された電圧に応じて入射した光の散乱度を変化させることで出射する光の拡散度を変化させる、前記基板の前記主面に沿って前記複数のルーバ素子の間に配列されている複数の高分子分散型液晶部と、
    前記高分子分散型液晶部のそれぞれを挟むように配置され、前記高分子分散型液晶部それぞれに対して駆動電圧を与える、複数の高分子分散型液晶部駆動電極ペアと、
    前記複数のルーバ素子それぞれを挟むように配置され、前記複数のルーバ素子それぞれに対して駆動電圧を与える、複数のルーバ素子駆動電極ペアと、
    を含む、表示装置。

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