JP2020091389A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 導光性と透過性に優れた光学装置を提供する。【解決手段】 一実施形態に係る光学装置は、第１基板と、前記第１基板に対向する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板の間に配置され、前記第１基板および前記第２基板のそれぞれに密着した中間層と、前記第１基板および前記第２基板の少なくとも一方の側面に光を照射する光源と、を備えている。前記中間層の屈折率は、前記第１基板および前記第２基板のそれぞれとの界面近傍よりも、前記第１基板および前記第２基板の積層方向における中心領域において小さい。【選択図】 図６

Description

本発明の実施形態は、光学装置に関する。

複数の画素を有する表示パネルと、この表示パネルの側面に光を照射する光源とを備え、光源からの光を各画素で選択的に散乱させることにより画像を表示する透明表示装置が知られている。このような透明表示装置においては、画像に加え、表示パネルの背景を視認することができる。

例えば、上記表示パネルを複数重ねて１つの表示装置を構成する場合、積層方向の透過率と、光源からの光の導光性能とを両立することが難しい。すなわち、隣り合う表示パネルの各々の内部において、光が全反射条件を満たしながら導光されるためには、これら表示パネル間の中間層と各表示パネルとの界面に屈折率差が存在しなければならない。しかしながら、この場合には、積層方向に透過する光の一部が各界面で反射される。

一方、各界面に屈折率差が存在しなければ、積層方向に透過する光の反射が抑制される。しかしながら、この場合には、各界面において全反射条件が満たされず、隣り合う表示パネル間で相互に光漏れが生じる。

特開２０１３−８０６４６号公報 国際公開第２０１７／０３３９９７号

透明表示装置を重ねる場合について例示した上述の問題は、例えば積層された複数の導光板を備える照明装置など、表示装置以外の光学装置においても生じ得る。本開示は、導光性と透過性に優れた光学装置を提供することを目的の一つとする。

一実施形態に係る光学装置は、第１基板と、前記第１基板に対向する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板の間に配置され、前記第１基板および前記第２基板のそれぞれに密着した中間層と、前記第１基板および前記第２基板の少なくとも一方の側面に光を照射する光源と、を備えている。前記中間層の屈折率は、前記第１基板および前記第２基板のそれぞれとの界面近傍よりも、前記第１基板および前記第２基板の積層方向における中心領域において小さい。

他の実施形態に係る光学装置は、第１基板と、前記第１基板に対向する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板の間に配置され、前記第１基板および前記第２基板のそれぞれに密着した中間層と、前記第１基板および前記第２基板の少なくとも一方の側面に光を照射する光源と、を備えている。前記中間層は、異常光屈折率が常光屈折率よりも小さい負の一軸異方性を有している。前記常光屈折率と前記第１基板または前記第２基板の屈折率との差は、０．２以下である。さらに、前記異常光屈折率は、前記第１基板または前記第２基板の屈折率よりも小さい。

図１は、第１実施形態における表示装置の概略的な斜視図である。 図２は、第１実施形態における第１表示パネルの概略的な断面図である。 図３は、第１実施形態において第１表示パネルおよび第１光源に適用し得る構成の一例を示す概略的な断面図である。 図４は、第１比較例に係る表示装置の概略的な断面図である。 図５は、第２比較例に係る表示装置の概略的な断面図である。 図６は、第１実施形態における中間層の構成を説明するための概略的な断面図である。 図７は、第１実施形態における第１光源からの光の光路の一例を概略的に示す断面図である。 図８は、第２実施形態における表示装置の概略的な断面図である。 図９は、第２実施形態における第１光源からの光の光路の一例を概略的に示す断面図である。 図１０は、図９に示した光路において、所定条件を満たす中間層の異常光屈折率をプロットしたグラフである。 図１１は、第３実施形態における表示装置の概略的な断面図である。

いくつかの実施形態につき、図面を参照しながら説明する。
なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有される。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。各図において、連続して配置される同一又は類似の要素については符号を省略することがある。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を省略することがある。

本実施形態においては、光学装置の一例として、液晶表示パネルを備えた表示装置を開示する。ただし、本実施形態は、他種の表示素子を有する表示装置や表示装置以外の光学装置に対する、本実施形態にて開示される個々の技術的思想の適用を妨げるものではない。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る表示装置１の概略的な構成を示す斜視図である。表示装置１は、第１表示パネル２Ａと、第１表示パネル２Ａに対向する第２表示パネル２Ｂと、これら表示パネル２Ａ，２Ｂの間に配置された中間層３と、光源４とを備えている。

図１の例において、第１表示パネル２Ａおよび第２表示パネル２Ｂは、第１方向Ｘおよび第２方向Ｙで規定されるＸ−Ｙ平面と平行な平板状である。第１表示パネル２Ａ、中間層３および第２表示パネル２Ｂは、第３方向Ｚに積層されている。第１方向Ｘ、第２方向Ｙおよび第３方向Ｚは、本実施形態では互いに直交する方向であるが、９０°以外の角度で交わってもよい。

図１の例において、各表示パネル２Ａ，２Ｂおよび中間層３は、第１方向Ｘと平行な２辺と、第２方向Ｙと平行な２辺とを有する矩形状である。ただし、各表示パネル２Ａ，２Ｂおよび中間層３の形状は矩形状に限られず、他の多角形状や円形であってもよい。

光源４は、第１光源４Ａと、第２光源４Ｂとを含む。第１光源４Ａは、第１表示パネル２Ａの側面に対向している。第２光源４Ｂは、第２表示パネル２Ｂの側面に対向している。これら光源４Ａ，４Ｂは、例えば第２方向Ｙに並べられた赤色、緑色および青色の発光素子を含む。発光素子としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザー素子を用いることができる。

第１表示パネル２Ａは、第１方向Ｘおよび第２方向Ｙに配列された複数の第１画素ＰＸＡを有している。第２表示パネル２Ｂは、第１方向Ｘおよび第２方向Ｙに配列された複数の第２画素ＰＸＢを有している。例えば、各画素ＰＸＡ，ＰＸＢのサイズは同じである。ただし、各画素ＰＸＡ，ＰＸＢのサイズが異なってもよい。

第１表示パネル２Ａは、第１光源４Ａからの光を散乱することにより画像を表示する。同様に、第２表示パネル２Ｂは、第２光源４Ｂからの光を散乱することにより画像を表示する。さらに、各表示パネル２Ａ，２Ｂおよび中間層３は、高い透明性を有している。したがって、表示装置１を第１表示パネル２Ａ側から見たときには、第２表示パネル２Ｂの画像の上方に第１表示パネル２Ａの画像が重畳する。反対に、表示装置１を第２表示パネル２Ｂ側から見たときには、第１表示パネル２Ａの画像の上方に第２表示パネル２Ｂの画像が重畳する。このように、２つの表示パネル２Ａ，２Ｂの画像を重畳させることで、立体感のある画像の表示や、情報のオーバーレイ表示が可能である。さらに、各表示パネル２Ａ，２Ｂは透明性を有しているために、表示装置１を通じて背景を視認することも可能である。

続いて、図２および図３を参照し、第１表示パネル２Ａに適用し得る構成を例示する。ただし、第１表示パネル２Ａの構成は、ここで例示するものに限られない。
図２は、第１表示パネル２Ａの概略的な断面図である。第１表示パネル２Ａは、第１アレイ基板１０Ａと、第１対向基板２０Ａと、第１液晶層３０Ａ（第１電気光学層）とを備えている。

第１アレイ基板１０Ａは、透明基板１１Ａと、絶縁層１２と、配向膜１３と、スイッチング素子ＳＷと、画素電極ＰＥとを備えている。スイッチング素子ＳＷは、各画素ＰＸＡにおいて透明基板１１Ａの上方に配置されている。絶縁層１２は、スイッチング素子ＳＷおよび透明基板１１Ａを覆っている。画素電極ＰＥは、各画素ＰＸＡにおいて絶縁層１２の上に配置され、スイッチング素子ＳＷと電気的に接続されている。配向膜１３は、画素電極ＰＥを覆っている。

なお、図２においてはスイッチング素子ＳＷを簡略化して示しているが、実際にはスイッチング素子ＳＷは半導体層や複数の電極を含む。また、絶縁層１２は、スイッチング素子ＳＷの半導体層、スイッチング素子ＳＷに走査信号を供給する走査線、および、スイッチング素子ＳＷに映像信号を供給する信号線の間に配置された１つまたは複数の絶縁膜を含む。

第１対向基板２０Ａは、透明基板２１Ａと、配向膜２２と、共通電極ＣＥとを備えている。共通電極ＣＥは、透明基板２１Ａの下方に配置されている。配向膜２２は、共通電極ＣＥを覆っている。第１対向基板２０Ａは、隣り合う画素ＰＸの境界と重畳する遮光層を備えてもよい。

透明基板１１Ａ，２１Ａは、例えば透明なガラスやプラスチックなどで形成することができる。画素電極ＰＥおよび共通電極ＣＥは、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明導電材料で形成することができる。

第１液晶層３０Ａは、配向膜１３，２２の間に配置されている。本実施形態において、第１液晶層３０Ａは、高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）を有する液晶層である。すなわち、第１液晶層３０Ａは、ポリマーと、ポリマーの隙間に分散された液晶分子とを含む。このような第１液晶層３０Ａは、例えば配向膜１３，２２の間に液晶モノマーを注入し、これら配向膜１３，２２の配向規制力により所定方向に配向された液晶モノマーに対し紫外光を照射してポリマーを形成することにより得られる。

例えば、第１液晶層３０Ａに電界が作用していない状態では、ポリマーおよび液晶分子のそれぞれの光軸は互いに略平行となる。したがって、第１液晶層３０Ａに入射した光は、第１液晶層３０Ａ内でほとんど散乱されることなく透過する。以下、このような状態を透明状態と呼ぶ。また、透明状態を実現するための画素電極ＰＥの電圧を透明電圧と呼ぶ。透明電圧は、共通電極ＣＥに印加される共通電圧と同じであってもよいし、共通電圧と僅かに異なる電圧であってもよい。

一方、第１液晶層３０Ａに十分な電界が作用している状態では、ポリマーおよび液晶分子のそれぞれの光軸は互いに交差する。したがって、第１液晶層３０Ａに入射した光は、第１液晶層３０Ａ内で散乱される。以下、このような状態を散乱状態と呼ぶ。また、散乱状態を実現するための画素電極ＰＥの電圧を散乱電圧と呼ぶ。

図３は、第１表示パネル２Ａおよび第１光源４Ａに適用し得る構成の一例を示す概略的な断面図である。図３の例において、第１光源４Ａは、第１アレイ基板１０Ａおよび第１対向基板２０Ａの側面と対向している。第１アレイ基板１０Ａおよび第１対向基板２０Ａは、環状のシールＳＥにより貼り合わされている。第１液晶層３０Ａは、シールＳＥにより、第１アレイ基板１０Ａと第１対向基板２０Ａの間に封入されている。

図３に示すように、第１光源４Ａが放つ光ＬＡは、第１アレイ基板１０Ａおよび第１対向基板２０Ａの側面に照射される。これら側面から第１表示パネル２Ａの内部に入った光ＬＡは、第１表示パネル２Ａの内部を伝播する。透明電圧が印加されている画素電極ＰＥ（図３中のＯＦＦ）の近傍においては、光ＬＡが第１液晶層３０Ａでほとんど散乱されない。そのため、光ＬＡは、第１表示パネル２Ａからほとんど漏れ出すことはない。

一方、散乱電圧が印加されている画素電極ＰＥ（図３中のＯＮ）の近傍においては、光ＬＡが第１液晶層３０Ａで散乱される。この散乱光は、第１表示パネル２Ａから出射し、表示画像として視認される。散乱電圧を所定範囲で段階的に規定することにより、散乱度（輝度）の階調表現を実現することも可能である。

なお、透明電圧が印加されている画素電極ＰＥの近傍において第１表示パネル２Ａに入射する外光Ｌｏは、ほとんど散乱されることなく第１表示パネル２Ａを透過する。すなわち、第１アレイ基板１０Ａ側から第１表示パネル２Ａを見た場合には第１対向基板２０Ａ側の背景が視認可能であり、第１対向基板２０Ａ側から第１表示パネル２Ａを見た場合には第１アレイ基板１０Ａ側の背景が視認可能である。

以上のような構成の第１表示パネル２Ａおよび第１光源４Ａは、例えばフィールドシーケンシャル方式にて駆動することができる。この方式においては、１つのフレーム期間が複数のサブフレーム期間（フィールド）を含む。例えば、第１光源４Ａが赤色、緑色および青色の発光素子を含む場合、１つのフレーム期間には、赤色、緑色および青色のサブフレーム期間が含まれる。

赤色のサブフレーム期間においては、赤色の発光素子が点灯するとともに、赤色の画像データに応じた電圧が各画素電極ＰＥに印加される。これにより、赤色の画像が表示される。緑色および青色のサブフレーム期間においても同様に、それぞれ緑色および青色の発光素子が点灯するとともに、それぞれ緑色および青色の画像データに応じた電圧が各画素電極ＰＥに印加される。これにより、緑色および青色の画像が表示される。このように時分割で表示される赤色、緑色および青色の画像は、互いに合成されて多色表示の画像として観察者に視認される。

なお、第１液晶層３０Ａは、共通電圧と同程度の電圧が画素電極ＰＥに印加されている場合に散乱状態となり、共通電圧と十分に異なる電圧が画素電極ＰＥに印加されている場合に透明状態となる構成を有してもよい。また、第１表示パネル２Ａおよび第１光源４Ａは、単色の画像を表示する構成を有してもよい。

第２表示パネル２Ｂおよび第２光源４Ｂについては、第１表示パネル２Ａおよび第１光源４Ａと同様の構成を適用してもよいし、他の構成を適用してもよい。本実施形態においては、第２表示パネル２Ｂおよび第２光源４Ｂが図２および図３に示した第１表示パネル２Ａおよび第１光源４Ａと同様の構成を備える場合を想定する。以下、第２表示パネル２Ｂが備えるアレイ基板、対向基板および液晶層を、それぞれ第２アレイ基板１０Ｂ、第２対向基板２０Ｂおよび第２液晶層３０Ｂ（第２電気光学層）と呼ぶ。さらに、第２アレイ基板１０Ｂおよび第２対向基板２０Ｂの透明基板を、それぞれ透明基板１１Ｂ，２１Ｂと呼ぶ。

図１に示したように中間層３を介して第１表示パネル２Ａと第２表示パネル２Ｂを積層する場合、それぞれの界面における屈折や反射を考慮して中間層３の屈折率を定める必要がある。仮に中間層３の屈折率が適切でない場合には、表示装置１の透過率の低下や、第１表示パネル２Ａと第２表示パネル２Ｂの間での光漏れが生じ得る。

図４は、透過率の低下を説明するための、第１比較例に係る表示装置１００の概略的な断面図である。この図の例において、各表示パネル２Ａ，２Ｂは、第１アレイ基板１０Ａと第２対向基板２０Ｂが対向するように積層されている。中間層３は、第１アレイ基板１０Ａの透明基板１１Ａと、第２対向基板２０Ｂの透明基板２１Ｂとに密着している。例えば、各光源４Ａ，４Ｂは、入射面（Ｘ−Ｚ平面）内で電場が振動するＰ偏光と、入射面に対して垂直に電場が振動するＳ偏光とを含む拡散光を放つ。

第１光源４Ａからの光ＬＡが第１表示パネル２Ａ内で導光されるためには、透明基板１１Ａと中間層３との界面、および、透明基板２１Ａと空気（外部雰囲気）との界面において、光ＬＡが全反射される必要がある。第２光源４Ｂからの光ＬＢについても同様である。一般に、屈折率ｎｉの物質から屈折率ｎｊの物質に進む光が全反射条件を満たすための臨界角θｃは、ａｒｃｓｉｎ（ｎｊ／ｎｉ）で与えられ、ｎｉ＜ｎｊの場合には全反射が生じない。

ここで、透明基板１１Ａ，１１Ｂ，２１Ａ，２１Ｂが屈折率ｎｇ＝１．５の等方性のガラス基板であり、空気の屈折率ｎａおよび中間層３の屈折率ｎがともに１．０である場合を想定する。この場合においては、透明基板１１Ａと中間層３との界面、および、透明基板２１Ａと空気との界面のそれぞれにおいて、第１表示パネル２Ａ内部を進む光ＬＡが全反射条件を満たし得る。第２表示パネル２Ｂ内部を進む光ＬＢについても同様である。

一方で、各表示パネル２Ａ，２Ｂを第３方向Ｚと平行に通過する外光Ｌｏに関しては、フレネル反射により透過率が低下する。一般に、強度Ｉｉの光が屈折率ｎｉの物質から屈折率ｎｊの物質に向けてこれら物質の界面に対し垂直に進む場合、当該界面による反射光の強度Ｉｊは、Ｉｉ（（ｎｉ−ｎｊ）／（ｎｉ＋ｎｊ））＾２で与えられる。すなわち、ｎｇ＝１．５かつｎ＝１．０の場合のようにｎｇとｎの差が大きいと、この差の２乗の値の影響を強く受けて反射の強度が増す。これにより、各透明基板２１Ａ，１１Ｂと空気との各界面だけでなく、各透明基板１１Ａ，２１Ｂと中間層３との各界面においても強い反射が生じる。その結果、外光Ｌｏの透過率が低下し、表示装置１００の背景を視認しにくくなる。

図５は、第１表示パネル２Ａと第２表示パネル２Ｂの間での光漏れを説明するための、第２比較例に係る表示装置２００の概略的な断面図である。この図の例においては中間層３の屈折率ｎが１．５であり、他の条件は図４の例と同じである。

図５の例においては、中間層３と各透明基板１１Ａ，２１Ｂとの各界面において屈折率差が生じないため、外光Ｌｏの透過率が向上する。しかしながら、これら界面において全反射条件が満たされない。そのため、光ＬＡが中間層３を通って第２表示パネル２Ｂに漏れる。同様に、光ＬＢが中間層３を通って第１表示パネル２Ａに漏れる。

このように、複数の表示パネルを積層する場合においては、透過率の低下と表示パネル相互間での光漏れの発生を抑制することが難しい。そこで、本実施形態においては、中間層３の構成を工夫することにより、表示装置１の透過率と光漏れを改善する。

図６は、本実施形態における中間層３の構成を説明するための表示装置１の概略的な断面図である。各表示パネル２Ａ，２Ｂおよび中間層３の積層構造は、図４および図５の比較例と同じである。

本実施形態において、中間層３は、第１層３１と、第２層３２と、第３層３３とを備えている。第２層３２は、第１層３１と透明基板１１Ａの間に配置され、第１層３１および透明基板１１Ａの双方に密着している。第３層３３は、第１層３１と透明基板２１Ｂの間に配置され、第１層３１および透明基板２１Ｂの双方に密着している。

第１層３１は、透明基板１１Ａ，２１Ｂの屈折率ｎｇよりも小さい第１屈折率ｎ１を有している（ｎ１＜ｎｇ）。第２層３２は、屈折率ｎｇよりも小さく、かつ第１屈折率ｎ１よりも大きい第２屈折率ｎ２を有している（ｎ１＜ｎ２＜ｎｇ）。第３層３３は、屈折率ｎｇよりも小さく、かつ第１屈折率ｎ１よりも大きい第３屈折率ｎ３を有している（ｎ１＜ｎ３＜ｎｇ）。第２屈折率ｎ２と第３屈折率ｎ３は、同じであってもよい。

このように、中間層３の屈折率は、透明基板１１Ａ，２１Ｂのそれぞれとの界面近傍（第１層３２および第３層３３）よりも、透明基板１１Ａ，２１Ｂの積層方向（第３方向Ｚ）における中心領域（第１層３１）において小さい。しかも、中間層３の屈折率は、全体的に透明基板１１Ａ，２１Ｂの屈折率以下である。

一例として、透明基板１１Ａ，２１Ｂの屈折率ｎｇが１．５、第１屈折率ｎ１が１．３、第２屈折率ｎ２および第３屈折率ｎ３が１．４であり、光ＬＡの第１表示パネル２Ａ内部での伝搬角が最大で２９°である場合を想定する。ここで、伝搬角は、Ｘ−Ｙ平面に対する光ＬＡの進行方向の傾きである。

図７は、このような条件における光ＬＡの光路の一例を概略的に示す断面図である。伝播角２９°であれば、透明基板１１Ａと中間層３との界面に入射する光ＬＡの入射角が６１°となる。この光ＬＡが透明基板１１Ａから第２層３２を経て、第２層３２と第１層３１との界面に到達する場合、当該界面への入射角をθとすると、スネルの法則により１．５×ｓｉｎ６１°＝１．４×ｓｉｎθが成り立つ。この関係から、入射角θは、約６９．６°となる。第２層３２と第１層３１との界面における臨界角θｃは、ａｒｃｓｉｎ（１．３／１．４）で表され、約６８．２°となる。

このように、第２層３２から第１層３１に入射する光ＬＡにおいて、入射角θが臨界角θｃを超えるので、全反射条件が満たされる。したがって、光ＬＡは、第１表示パネル２Ａ内部を良好に伝搬する。第２光源４Ｂからの光ＬＢについても同様に、第２表示パネル２Ｂ内部を良好に伝搬する。

外光Ｌｏは、上述の通り界面を構成する両物質の屈折率差の２乗の値の影響を強く受けた強度で反射される。図６の例においては、透明基板１１Ａ，２１Ｂと第１層３１との間に、光ＬＡ，ＬＢが全反射条件を満たす程度に大きい屈折率差を設けたとしても、第２層３２および第３層３３の存在により外光Ｌｏの反射が抑制される。

すなわち、透明基板１１Ａと第２層３２との界面における屈折率差（ｎｇ−ｎ２）、第２層３２と第１層３１との界面における屈折率差（ｎ２−ｎ１）、第１層３１と第３層３３との界面における屈折率差（ｎ１−ｎ３）、および、第３層３３と透明基板２１Ｂとの界面における屈折率差（ｎ３−ｎｇ）は、透明基板１１Ａ，２１Ｂの各々と第１層３１とを密着させた場合の各界面における屈折率差（ｎｇ−ｎ１）よりも十分に小さい。したがって、例えば図４に示したように中間層３を低屈折率の単層構造とする場合に比べ、外光Ｌｏの反射を抑制することができる。

外光Ｌｏの反射を好適に抑制する観点からは、上記各界面における屈折率差（ｎｇ−ｎ２，ｎ２−ｎ１，ｎ１−ｎ３，ｎ３−ｎｇ）が０．２以下であることが好ましい。これら屈折率差が０．１以下であれば一層好ましい。

中間層３の各層３１〜３３を構成する材料は、特に限定されない。一例を挙げると、例えばフッ素系のアクリレート・エポキシ樹脂などの低屈折率樹脂や多孔質材料を用いることができる。その他にも、各層３１〜３３としては、アクリル系、シリコン系、ウレタン系などの光学粘着シートを用いてもよい。

中間層３を構成する層の数は、３つに限られない。第１層３１と透明基板１１Ａの間、および、第１層３１と透明基板２１Ｂの間に、それぞれ２つ以上の層を配置してもよい。このようにより多くの層で中間層３を構成し、かつ各層の界面における屈折率差を小さくすれば、より好適に外光Ｌｏの反射を抑制できる。

中間層３は、透明基板１１Ａ，２１Ｂとの各界面から積層方向における中心領域に向かうに連れて屈折率が連続的に小さくなる構造を有してもよい。このような構造としては、例えばモスアイ構造を用いることができる。

中間層３は、透明基板１１Ａ，２１Ｂの屈折率以上の層を含んでもよい。例えば、透明基板１１Ａ，２１Ｂと接する各層の屈折率が透明基板１１Ａ，２１Ｂの屈折率よりも僅かに大きくなり、中間層３の積層方向における中心領域に近づくに連れて中間層３の各層の屈折率が透明基板１１Ａ，２１Ｂの屈折率よりも小さくなってもよい。

［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。ここでは第１実施形態との相違点に着目し、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図８は、第２実施形態における表示装置１の概略的な断面図である。本実施形態において、各光源４Ａ，４Ｂがそれぞれ放つ光ＬＡ，ＬＢは、表示パネル２Ａ，２Ｂ内部の導光方向における偏光がＰ偏光である。例えば、このような光ＬＡ，ＬＢは、Ｐ偏光およびＳ偏光を含む光を放つ発光素子と、この光のＳ偏光を吸収しＰ偏光を透過する偏光子とを各光源４Ａ，４Ｂに設けることで生成することができる。

さらに本実施形態において、中間層３は、異常光屈折率ｎｅ１が常光屈折率ｎｏ１よりも小さい負の一軸異方性を有している（ｎｅ１＜ｎｏ１）。異常光屈折率ｎｅ１は、透明基板１１Ａ，２１Ｂの屈折率ｎｇよりも小さい（ｎｅ１＜ｎｇ）。Ｐ偏光である光ＬＡ，ＬＢは、透明基板１１Ａ，２１Ｂから中間層３に入射する際に、異常光屈折率ｎｅ１を感じる。より具体的には、光ＬＡの伝播角が水平（図８の例においては第１方向Ｘ）に限りなく近い場合には光ＬＡが異常光屈折率ｎｅ１を感じ、他の場合に光ＬＡが伝播角に応じた屈折率を感じる。図８の例において、中間層３は単層構造であるが、異常光屈折率ｎｅ１および常光屈折率ｎｏ１の少なくとも一方が異なる複数の層を有してもよい。

負の一軸異方性を有する中間層３の材料としては、例えば、硝酸ナトリウム（ｎｏ＝１．５８，ｎｅ＝１．３３）を用いることができる。また、光学異方性ポリマー、異方性の多孔質ポリマー、高分子ゲル、ディスコティック液晶、コレステリック液晶、金属や無機材料を利用した微小構造（ナノ構造）などで、中間層３の屈折率条件を実現してもよい。

また、本実施形態において、各液晶層３０Ａ，３０Ｂは、異常光屈折率ｎｅ２が常光屈折率ｎｏ２よりも大きい正の一軸異方性を有している（ｎｅ２＞ｎｏ２）。このような液晶層３０Ａ，３０Ｂとしては、例えば液晶分子が垂直配向されたネマティック液晶を適用し得る。なお、各液晶層３０Ａ，３０Ｂの構成はこの例に限られず、液晶分子が水平配向された構成であってもよい。

一例として、屈折率ｎｇが１．５、異常光屈折率ｎｅ１が１．３、常光屈折率ｎｏ１が１．５、異常光屈折率ｎｅ２が１．７、常光屈折率ｎｏ２が１．５の場合を想定する。第１表示パネル２Ａ内部において、透明基板１１Ａと中間層３との界面に入射する光ＬＡは、中間層３の異常光屈折率ｎｅ１を感じる。異常光屈折率ｎｅ１（＝１．３）は屈折率ｎｇ（＝１．５）よりも小さいため、当該界面においては全反射条件が成立し得る。したがって、光ＬＡは、当該界面および透明基板２１Ａと空気との界面にて全反射され、第１表示パネル２Ａ内部を伝播する。また、異常光屈折率ｎｅ２（＝１．７）が透明基板１１Ａ，２１Ａの屈折率ｎｇ（＝１．５）よりも大きいため、光ＬＡの一部は、第１液晶層３０Ａ内部で全反射されながら伝播する。光ＬＢについても同様に、第２表示パネル２Ｂ内部を伝搬する。

一方で、各屈折率ｎｇ，ｎｏ１がいずれも１．５であることから、外光Ｌｏは、透明基板１１Ａと中間層３との界面、および、中間層３と透明基板２１Ｂとの界面において反射されない。したがって、外光Ｌｏは、表示装置１を好適に透過する。透明基板１１Ａと第１液晶層３０Ａの間、透明基板２１Ａと第１液晶層３０Ａの間、透明基板１１Ｂと第２液晶層３０Ｂの間、透明基板２１Ｂと第２液晶層３０Ｂの間にそれぞれ存在する絶縁層等の屈折率は、屈折率ｎｇ，ｎｏ２（＝１．５）に近いことが好ましい。これにより、各層の界面における外光Ｌｏの反射を抑制し、外光Ｌｏの透過率を一層高めることができる。

常光屈折率ｎｏ１は、必ずしも屈折率ｎｇと一致する必要はない。ただし、外光Ｌｏの反射を抑制する観点からは、常光屈折率ｎｏ１と屈折率ｎｇとの差が０．２以下（−０．２≦ｎｏ１−ｎｇ≦０．２）であることが好ましい。常光屈折率ｎｏ１と屈折率ｎｇとの差が０．１以下（−０．１≦ｎｏ１−ｎｇ≦０．１）であると一層好ましい。常光屈折率ｎｏ２と屈折率ｎｇの関係についても同様である。

次に、異常光屈折率ｎｅ１の好ましい範囲について説明する。図９は、Ｘ−Ｚ断面において、第１光源４Ａが放つ拡散光のうち最も大きい角度で第１表示パネル２Ａの側面に入射する光ＬＡの光路を示す概略的な断面図である。光ＬＡの側面への入射角をθ１、側面からの出射角（屈折角）をθ２と定義する。さらに、光ＬＡが全反射されずに中間層３に入射する場合の出射角（屈折角）をθ３と定義する。

空気の屈折率ｎａが１．０かつ第１表示パネル２Ａ（透明基板１１Ａ）の屈折率ｎｇが１．５である場合、スネルの法則により、以下の２つの式が成り立つ。ここで、ｎｅ１（θ３）は、出射角θ３に応じて光ＬＡが感じる屈折率を表す関数であり、異常光屈折率ｎｅ１から常光屈折率ｎｏ１（＝１．５）の範囲で変化する。
１．０×ｓｉｎθ１＝１．５×ｓｉｎθ２
１．５×ｓｉｎ（９０°−θ２）＝ｎｅ１（θ３）×ｓｉｎ（θ３）

図１０は、複数の入射角θ１に対し、上記２つの式を満たす出射角θ３が存在する範囲で最小となる異常光屈折率ｎｅ１をプロットしたグラフである。すなわち、このプロットよりも左側の領域においては、図９に示した光ＬＡが第１表示パネル２Ａと中間層３との界面において全反射条件を満たす。

入射角θ１は、例えば−２０°以上かつ＋２０°である（−２０°≦θ１≦＋２０°）。この場合、図１０によれば、異常光屈折率ｎｅ１が１．４６程度（ｎｇとの差が０．０４程度）であれば第１表示パネル２Ａと中間層３との界面における全反射条件が満たされる。そこで、異常光屈折率ｎｅ１は、屈折率ｎｇよりも０．０５以上小さいことが好ましい（ｎｅ１≦ｎｇ−０．０５）。異常光屈折率ｎｅ１が屈折率ｎｇよりも０．１以上小さければ（ｎｅ１≦ｎｇ−０．１）、より確実に上記界面において全反射条件が満たされる。

以上の本実施形態においても、第１実施形態と同様に、表示装置１の透過率の低下や、第１表示パネル２Ａと第２表示パネル２Ｂの間での光漏れを抑制することができる。

［第３実施形態］
第３実施形態について説明する。ここでは第１，第２実施形態との相違点に着目し、第１，第２実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図１１は、第３実施形態における表示装置１の概略的な断面図である。本実施形態において、第２表示パネル２Ｂは、遮光性を有した透過型の液晶表示パネルである。すなわち、第２表示パネル２Ｂは、第１偏光板ＰＬ１と、第２偏光板ＰＬ２とを備え、これら偏光板ＰＬ１，ＰＬ２の間に第２アレイ基板１０Ｂ、第２対向基板２０Ｂおよび第２液晶層３０Ｂが配置されている。

第１偏光板ＰＬ１の下方には、第２表示パネル２Ｂに光を照射する面光源であるバックライトＢＬが配置されている。第２表示パネル２Ｂは、バックライトＢＬからの光を画素ごとに選択的に透過することで画像を表示する。図中の上方から表示装置１を見た場合、第１表示パネル２Ａが表示する画像は、第２表示パネル２Ｂが表示する画像に重なる。

このような表示装置１において、中間層３には、第１実施形態と同じく屈折率の異なる複数の層を積層した構造を適用してもよい。また、中間層３には、第２実施形態と同じく負の一軸異方性を有する構造を適用してもよい。これらにより、第１光源４Ａからの光を第１表示パネル２Ａ内部において良好に導光できる。さらに、第２表示パネル２Ｂの表示画像を構成する光Ｌｄが、第２表示パネル２Ｂと中間層３との界面および第１表示パネル２Ａと中間層３との界面において反射されることを抑制できる。

なお、第２表示パネル２Ｂは、液晶表示パネルに限られない。第２表示パネル２Ｂは、有機ＥＬ表示パネル等の自発光型の表示パネル、Light Emitting Diode（ＬＥＤ）表示素子を有する自発光型の表示パネル、電気泳動素子を有する電子ペーパ型の表示パネル、Micro Electro Mechanical Systems（ＭＥＭＳ）を応用した表示パネル、あるいはエレクトロクロミズムを応用した表示パネルなどの他種の表示パネルであってもよい。

以上、本発明の第１ないし第３実施形態として説明した表示装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての表示装置あるいは光学装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変形例に想到し得るものであり、それら変形例についても本発明の範囲に属するものと解される。例えば、上述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

また、各実施形態において述べた態様によりもたらされる他の作用効果について、本明細書の記載から明らかなもの、又は当業者において適宜想到し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。

以下に、いくつかの変形例を例示する。
第１ないし第３実施形態においては、表示装置１が２つの表示パネルを備える例を開示した。しかしながら、表示装置１は、３つ以上の表示パネルを備えてもよい。この場合において、隣り合う表示パネルの間にそれぞれ中間層３を配置してもよい。

表示装置１の最外面を構成する基板、例えば透明基板２１Ａ，１１Ｂの外面に、反射防止膜を設けてもよい。これにより、透明基板２１Ａ，１１Ｂと空気との界面における外光の反射を抑制し、表示装置１の透過率をさらに高めることができる。このような反射防止膜は、屈折率が異なる複数の層を積層したものであってもよいし、モスアイ構造を有するものであってもよい。

表示装置１の最外面を構成する基板、例えば透明基板２１Ａ，１１Ｂの外面に、例えばガラス等で形成されたカバー部材が配置されてもよい。この場合において、上記反射防止膜がカバー部材の表面に設けられてもよい。また、透明基板２１Ａ，１１Ｂの外面とカバー部材の間に中間層３が設けられてもよい。

第１ないし第３実施形態においては、第１アレイ基板１０Ａと第２対向基板２０Ｂが中間層３を介して対向する構成を開示した。この場合においては、透明基板１１Ａが第１基板の一例であり、透明基板２１Ｂが第２基板の一例であり、透明基板２１Ａが第３基板の一例であり、透明基板１１Ｂが第４基板の一例である。他の例として、第１アレイ基板１０Ａと第２アレイ基板１０Ｂが中間層３を介して対向してもよいし、第１対向基板２０Ａと第２対向基板２０Ｂが中間層３を介して対向してもよい。

第１ないし第３実施形態においては、光学装置の一例として、表示装置を開示した。しかしながら、各実施形態にて開示した構成は、第１基板と第２基板が中間層を介して対向し、これら第１基板と第２基板の少なくとも一方において光が導光される種々の光学装置に適用可能である。このような光学装置の一例としては、例えば２つの導光板（第１基板および第２基板）を備え、それぞれの導光板の側面から光源の光が入射する照明装置が考えられる。

第１ないし第３実施形態においては、第１電気光学層および第２電気光学層がそれぞれ第１液晶層３０Ａおよび第２液晶層３０Ｂである場合を例示した。ただし、第１電気光学層および第２電気光学層は、透明状態と散乱状態とを切り替えることが可能であればよく、液晶層に限定されない。

１…表示装置、２Ａ…第１表示パネル、２Ｂ…第２表示パネル、３…中間層、４Ａ…第１光源、４Ｂ…第２光源、１０Ａ…第１アレイ基板、１０Ｂ…第２アレイ基板、２０Ａ…第１対向基板、２０Ｂ…第２対向基板、１１Ａ，２１Ａ，１１Ｂ，２１Ｂ…透明基板、３０Ａ…第１液晶層、３０Ｂ…第２液晶層、ＬＡ…第１光源からの光、ＬＢ…第２光源からの光。

Claims (8)

1. 第１基板と、
   前記第１基板に対向する第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板の間に配置され、前記第１基板および前記第２基板のそれぞれに密着した中間層と、
   前記第１基板および前記第２基板の少なくとも一方の側面に光を照射する光源と、を備え、
   前記中間層の屈折率は、前記第１基板および前記第２基板のそれぞれとの界面近傍よりも、前記第１基板および前記第２基板の積層方向における中心領域において小さい、
   光学装置。
2. 前記中間層は、前記中心領域を含む第１層と、前記第１層と前記第１基板の間の第２層と、前記第１層と前記第２基板の間の第３層と、を備え、
   前記第１層は、前記第１基板および前記第２基板の屈折率よりも小さい第１屈折率を有し、
   前記第２層は、前記第１基板の屈折率よりも小さく、かつ前記第１屈折率よりも大きい第２屈折率を有し、
   前記第３層は、前記第２基板の屈折率よりも小さく、かつ前記第１屈折率よりも大きい第３屈折率を有する、
   請求項１に記載の光学装置。
3. 前記第１基板と前記第２層、前記第２層と前記第１層、前記第１層と前記第３層、前記第３層と前記第２基板のそれぞれの界面における屈折率差が、０．２以下である、
   請求項２に記載の光学装置。
4. 第１基板と、
   前記第１基板に対向する第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板の間に配置され、前記第１基板および前記第２基板のそれぞれに密着した中間層と、
   前記第１基板および前記第２基板の少なくとも一方の側面に光を照射する光源と、を備え、
   前記中間層は、異常光屈折率が常光屈折率よりも小さい負の一軸異方性を有し、
   前記常光屈折率と前記第１基板または前記第２基板の屈折率との差は、０．２以下であり、
   前記異常光屈折率は、前記第１基板または前記第２基板の屈折率よりも小さい、
   光学装置。
5. 前記異常光屈折率は、前記第１基板または前記第２基板の屈折率よりも０．０５以上小さい、
   請求項４に記載の光学装置。
6. 前記第１基板と、前記第１基板に対向する第３基板と、前記第１基板および前記第３基板の間に配置された第１電気光学層と、複数の第１画素と、を含む第１表示パネルをさらに備え、
   前記光源は、前記第１表示パネルの側面に光を照射する第１光源を含み、
   前記第１電気光学層は、前記第１画素に印加される電圧に応じて、前記第１光源からの光を散乱する散乱状態と、当該光を透過する透明状態とで切り替わる、
   請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の光学装置。
7. 前記第２基板と、前記第２基板に対向する第４基板と、前記第２基板および前記第４基板の間に配置された第２電気光学層と、複数の第２画素と、を含む第２表示パネルをさらに備え、
   前記光源は、前記第２表示パネルの側面に光を照射する第２光源を含み、
   前記第２電気光学層は、前記第２画素に印加される電圧に応じて、前記第２光源からの光を散乱する散乱状態と、当該光を透過する透明状態とで切り替わる、
   請求項６に記載の光学装置。
8. 前記第１電気光学層および前記第２電気光学層の少なくとも一方は、液晶層である、
   請求項７に記載の光学装置。

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