JP7312632B2 - 光学素子および液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子および液晶表示装置に関し、特に、電極に電圧を印加することで、光の出射方向を制御できる液晶層を備えた回折格子機能を有する光学素子に関する。

特許文献１には、液晶層を用いた液晶回折格子が開示され、電圧印加時に、液晶層にねじれ構造を有する部分と、垂直に配向させた部分とを設ける技術が開示されている。

特許文献２には、液晶層を用いた液晶パネルが開示され、電圧印加時に、画素電極の上方と、互いに隣り合う画素電極の間とにおいて、液晶層の屈折率を互いに異ならせる技術が開示されている。

特許文献３には、互いに隣り合う共通電極の端部において、電圧印加時に、液晶分子を互いに逆方向に回転させる配向方法を有する液晶パネルが開示されている。

特開平９－２８１３３０号公報 特開平６－１３８４６９号公報 特開２０１３－１０９３０９号公報

液晶層などを備えたパネルを有する表示装置において、パネルの下方には、バックライトユニットなどの光源が設けられる場合がある。バックライトユニットから発せられる光は、パネル内の液晶層を介してパネルの上方から出射するが、パネル内の液晶の配向性を制御することによって、出射光の視野角を広くさせる技術が検討されている。しかしながら、パネルには、応答速度の高速化または消費電力の低減などが求められるので、パネルの開発には、視野角のみが考慮されるのではなく、これらの特性との兼ね合いが必要となる。そこで、パネル以外の構造で視野角を広くできる技術が望まれ、また、視野角を自由に調整できる技術が望まれる。

その他の課題および新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになる。

一実施の形態である光学素子は、それぞれが順番に積層された第１偏光板と、第１基板と、第１液晶層と、第２基板と、第２偏光板とを有する。ここで、前記第１基板は、第１電極と、前記第１電極に対向する第２電極とを有し、前記第２電極は、平面視において、第１方向に延在し、且つ、前記第１方向と直交する第２方向に複数配列された複数の枝電極を有する。また、前記第２電極に電圧が印加されていない場合、前記第１液晶層の液晶分子の配向方向は、前記第１方向または前記第２方向に沿う方向であり、前記第１偏光板の透過軸および前記第２偏光板の透過軸は、互いに平行であり、且つ、前記液晶分子の配向の方向と平行である。

実施の形態１における液晶回折格子を示す模式図である。 実施の形態１における液晶回折格子を示す要部平面図である。 実施の形態１における液晶回折格子を示す要部断面図である。 実施の形態１における光の回折角度と距離との関係を示すグラフである。 実施の形態１における液晶分子の回転を示す平面図である。 実施の形態１における光の透過率と回折角度との関係を示すグラフである。 実施の形態１における光の強度と距離との関係を示すグラフである。 実施の形態１における回折パターンを示す模式図である。 変形例１における表示装置を示す模式図である。 変形例１における表示装置を示す断面図である。 変形例１における表示装置を示す要部断面図である。 実施の形態２における液晶回折格子を示す模式図である。 実施の形態２における液晶回折格子を示す平面模式図である。 実施の形態２における液晶回折格子を示す平面模式図である。 実施の形態２における回折パターンを示す模式図である。 変形例２における表示装置を示す模式図である。 実施の形態３における液晶回折格子を示す模式図である。 実施の形態３における液晶回折格子を示す平面模式図である。 実施の形態３における液晶回折格子を示す平面模式図である。 実施の形態３における回折パターンを示す模式図である。 実施の形態３における回折パターンを示す模式図である。 変形例３における表示装置を示す模式図である。

以下に、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、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ものである。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、各部の幅、厚さまたは形状等について模式的に表される場合があるが、図面は、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。また、本明細書および各図面において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一または関連する符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

なお、本願において説明されるＸ方向およびＹ方向は互いに直交し、Ｘ方向およびＹ方向からなる面は水平面となる。また、Ｚ方向は、Ｘ方向およびＹ方向に直交し、上記水平面に垂直な鉛直方向である。本願では、Ｚ方向をある構造体の厚さ方向として説明する場合もある。

また、実施の形態で用いられる図面では、図面を見易くするために、断面図であってもハッチングが省略されている場合もあり、平面図であってもハッチングが付されている場合もある。

（実施の形態１）
＜液晶回折格子（光学素子）１００の構造＞
以下に図１～図８を用いて、実施の形態１における光学素子の一例として、液晶回折格子１００の構造を説明する。

図１に示されるように、液晶回折格子１００は、基板ＳＵＢ１、基板ＳＵＢ１の上方に設けられた基板ＳＵＢ２、および、基板ＳＵＢ１と基板ＳＵＢ２との間に形成された液晶層（電気光学層）ＬＱ１を有する。基板ＳＵＢ１および基板ＳＵＢ２は、後述する透明な基板、絶縁膜または導電性膜などを含み、可視光が透過可能な透明性を有する材料からなる。

また、基板ＳＵＢ１と基板ＳＵＢ２との間には、液晶層ＬＱ１を封止するため、且つ、基板ＳＵＢ１と基板ＳＵＢ２との接着性を向上させるために、シール材ＳＬＭ１が設けられている。シール材ＳＬＭ１は、可視光が透過可能な透明性を有していない。このため、液晶回折格子１００は、光の透過に寄与する透過領域ＴＲと、透過領域ＴＲの外周に設けられ、且つ、光の透過に寄与しない非透過領域ＮＴＲとを有する。すなわち、非透過領域ＮＴＲは、シール材ＳＬＭ１が設けられた領域である。透過領域ＴＲにおいては、複数の走査線と複数の信号線がマトリクス状に配置され、一対の走査線と一対の信号線で囲まれた複数の画素領域を有する。各画素領域には、後述する上部電極がそれぞれ形成され、ここに印加する電位によって、液晶層ＬＱ１の液晶分子の回転を制御する。

例えば、基板ＳＵＢ１の下方に設けられた、光源であるバックライトユニットＢＵＬから発せられた入射光ＩＬは、透過領域ＴＲにおいて基板ＳＵＢ１を透過し、液晶層ＬＱ１の内部で回折される。液晶層ＬＱ１を透過した光は、基板ＳＵＢ２から出射光（回折光）ＯＬ１として出射する。ここで、液晶回折格子１００に印加される電圧の状態（ＯＮまたはＯＦＦ）によって、液晶層ＬＱ１の配向が変化するので、配向状態によって異なる視野角の出射光ＯＬ１を得ることができる。

図２は、基板ＳＵＢ１に含まれる上部電極ＵＥの平面形状を示す要部平面図である。基板ＳＵＢ１には、このような形状の上部電極ＵＥが、画素領域ごとに設けられている。

図２に示されるように、上部電極ＵＥには複数の枝電極ＵＥ１、ＵＥ２が含まれ、平面視において、複数の枝電極ＵＥ１、ＵＥ２が、それぞれＹ方向に延在し、それぞれＸ方向において互いに隣接している。複数の枝電極ＵＥ１は、Ｘ方向に延在する連結部ＵＥａによって互いに接続され、複数の枝電極ＵＥ２も連結部ＵＥａによって互いに接続されている。複数の枝電極ＵＥ１および複数の枝電極ＵＥ２は、連結部ＵＥａを介してＹ方向に隣接し、Ｘ方向において半ピッチずれるように配置され、千鳥配置とされている。

なお、複数の枝電極ＵＥ１、複数の枝電極ＵＥ２および連結部ＵＥａは、同じ層に形成された導電性膜であるが、以降では、主に、複数の枝電極ＵＥ１を用いて説明を行う。また、図示はしていないが、下部電極ＬＥは、基板ＳＵＢ１の上面全体に渡って面状に形成され、複数の上部電極ＵＥ１、複数の上部電極ＵＥ２および連結部ＵＥａは、下部電極ＬＥと対向し、平面視において下部電極ＬＥと重なっている。

図３は、図２のＡ－Ａ線に沿った断面図であり、液晶回折格子１００のうち透過領域ＴＲの詳細な内部構造を示す断面図である。

基板ＳＵＢ１は、支持基板（絶縁性基板）１を有する。支持基板１は、例えばガラス基板または透明な樹脂基板である。支持基板１上には、下部電極ＬＥが形成されている。下部電極ＬＥは、透明度が高い導電材料からなり、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）またはＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）などの酸化金属物からなる。

下部電極ＬＥ上には、絶縁膜ＩＬが形成されている。絶縁膜ＩＬは、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）膜、酸化珪素（ＳｉＯ）膜、酸窒化珪素（ＳｉＯＮ）膜または酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）膜のような無機絶縁膜である。また、絶縁膜ＩＬは、例えばアクリル樹脂膜のような有機絶縁膜であってもよいし、上記無機絶縁膜と上記有機絶縁膜との積層膜であってもよい。

絶縁膜ＩＬ上には、上部電極ＵＥ１が形成されている。上部電極ＵＥ１を構成する材料は、下部電極ＬＥと同様である。また、上部電極ＵＥ１と下部電極ＬＥとの間に位置する絶縁膜ＩＬは、容量絶縁膜として機能している。

絶縁膜ＩＬ上には、上部電極ＵＥ１を覆い、且つ、液晶層ＬＱ１に接するように、配向膜ＡＬ１が形成されている。配向膜ＡＬ１は、例えばポリイミドのような樹脂材料からなる有機絶縁膜である。また、配向膜ＡＬ１にはラビングまたは光配向などで配向処理が施されている。このため、配向膜ＡＬ１は、液晶層ＬＱ１に含まれる液晶分子の初期配向の方向を揃える機能を備える。

基板ＳＵＢ２は、可視光が透過する性質を備えた支持基板（絶縁性基板）２を有する。支持基板２を構成する材料は、支持基板１と同様である。配向膜ＡＬ２は、液晶層ＬＱ１に接し、液晶層ＬＱ１と支持基板２との間に形成されている。配向膜ＡＬ２は、配向膜ＡＬ１と同様な材料からなり、配向膜ＡＬ１と同様な機能を有する。

なお、支持基板１、下部電極ＬＥ、絶縁膜ＩＬ、上部電極ＵＥ、配向膜ＡＬ１、配向膜ＡＬ２および支持基板２の各々は、可視光が透過可能な性質を有する。

液晶層ＬＱ１は、上部電極ＵＥおよび下部電極ＬＥの上方に形成され、ネマティック液晶からなり、ネガ液晶またはポジ液晶からなる。また、液晶回折格子１００の外部には電源制御部ＰＳが設けられ、上部電極ＵＥおよび下部電極ＬＥは、スイッチ素子ＳＷを介して電源制御部ＰＳに電気的に接続されている。スイッチ素子をオンにすることで、上部電極ＵＥ１および下部電極ＬＥに所定の電圧が印加され、液晶層ＬＱ１に含まれる液晶分子の配向の方向が、初期配向から変化する。

なお、スイッチ素子ＳＷは、電源制御部ＰＳと共に液晶回折格子１００の外部に設けられていてもよいが、液晶回折格子１００の内部（基板ＳＵＢ１の内部）に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）を設け、このＴＦＴをスイッチ素子ＳＷとしてもよい。

＜液晶回折格子１００の動作＞
実施の形態１における液晶回折格子１００では、櫛歯状の枝電極ＵＥ１と面状の下部電極ＬＥとが異なる層に形成されている。電圧印加時において、液晶層ＬＱ１の液晶分子は、基板ＳＵＢ１または基板ＳＵＢ２の上面と平行な方向、すなわちＸ方向とＹ方向とで構成される水平面と平行な方向に回転する。

図４は、上部電極ＵＥ１および下部電極ＬＥに所定の電圧が印加され、液晶層ＬＱ１に含まれる液晶分子の配向が初期配向から変化した場合における、光の回折角度のグラフを示している。縦軸は、入射光ＩＬに対する出射光ＯＬ１の回折角度であり、横軸は、一方の上部電極ＵＥ１（左側）の中央から他方の上部電極ＵＥ１（右側）の中央までの距離である。図４では、グラフの横軸の位置を判り易くするために、破線によって、グラフの各点と、２つの上部電極ＵＥ１の周辺との位置関係が示されている。

なお、実施の形態１では、枝電極ＵＥ１（ＵＥ２）のＸ方向におけるピッチをそれぞれ等しくしている。ここで言うピッチとは、Ｘ方向における１つの枝電極ＵＥ１（ＵＥ２）の幅と、Ｘ方向において最も隣接する２つの枝電極ＵＥ１（ＵＥ２）の間の距離との和で定義される。１つの枝電極ＵＥ１（ＵＥ２）の幅、および、Ｘ方向における２つの枝電極ＵＥ１（ＵＥ２）の間の距離は、それぞれ例えば１０μｍである。

また、図５には、電圧印加前（初期配向）における液晶分子ＬＱＭの状態と、電圧印加後における液晶分子ＬＱＭの状態とが示されている。なお、液晶層ＬＱ１はネガ液晶またはポジ液晶であるが、実施の形態１では、液晶層ＬＱ１がネガ液晶である場合を例示している。この場合、図５に示されるように、液晶分子ＬＱＭの初期配向の方向は、枝電極ＵＥ１が延在する方向と直交する方向（Ｘ方向）となる。

図５に示されるように、Ｘ方向において、一方（左側）の枝電極ＵＥ１の中央から他方（右側）の枝電極ＵＥ１の中央までの間に、液晶分子ＬＱＭの配向方向（配向角度）が連続的に変化している。すなわち、電圧印加後には、Ｘ方向において、液晶分子ＬＱＭの配向方向が連続的に変化している。

一方（左側）の枝電極ＵＥ１の端部付近では、液晶分子ＬＱＭが時計回り（右回り）方向Ｒに回転し、他方（右側）の枝電極ＵＥ１の端部付近では、液晶分子ＬＱＭが反時計回り（左回り）方向Ｌに回転する。液晶分子ＬＱＭの配向方向が最も変化するのは、枝電極ＵＥ１の端部付近であるが、一方（左側）の枝電極ＵＥ１の端部と、他方（右側）の枝電極ＵＥ１の端部とでは、液晶分子ＬＱＭの回転方向が逆になる。

なお、液晶層ＬＱ１がポジ液晶である場合、液晶分子ＬＱＭの初期配向の方向は、枝電極ＵＥ１が延在する方向（Ｙ方向）となる。また、ポジ液晶の液晶分子ＬＱＭの回転方向は、ネガ液晶と同様である。このため、液晶層ＬＱ１がポジ液晶である場合、電圧印加後には、Ｘ方向において、液晶分子ＬＱＭの配向方向が連続的に変化する。

図６は、図４に示される光の回折角度と、透過率との関係を示している。図６から判るように、回折角度が±２０度程度の範囲内であった光が、出射光ＯＬ１として液晶回折格子１００を透過し易くなっている。

図７は、液晶回折格子１００の上方の所定の位置における光の強度と、光源の中心からの距離との関係を示している。なお、図７における縦軸および横軸は、相対値で示されている。図８は、図７の光の強度を回折パターンとして表したものである。また、図７および図８では、電圧印加前（液晶層ＬＱ１－ＯＦＦ）および電圧印加後（液晶層ＬＱ１－ＯＮ）における、それぞれの光の強度および回折パターンが示されている。

電圧印加前において、バックライトユニットＢＬＵから発せられた入射光ＩＬのうち、ごく一部は回折するものの、大部分はほぼ回折することなく液晶回折格子１００を透過する。すなわち、光源中心の周囲における光の強度が強くなっている。

一方で、電圧印加後では、出射光ＯＬ１は、図６に示されるような角度で回折した光が主体となる。このため、光源中心から少し離れた領域における光の強度が最も強くなっている。また、回折した光には、光源中心の光（０次光）も含まれる。すなわち、実施の形態１における液晶回折格子１００を用いることで、出射光ＯＬ１の視野角を広げることができる。

また、液晶回折格子１００への電圧印加状態を変更させるだけで、出射光ＯＬ１の視野角を広くする、または、狭くすることができる。そして、視野角の変更は、図３に示されるスイッチ素子ＳＷを切り替えるだけで行われる。すなわち、液晶回折格子１００を用いることで、視野角の変更を簡単に行うことが可能となる。

また、実施の形態１では、図２または図４などに示されるように、枝電極ＵＥ１（ＵＥ２）のＸ方向におけるピッチをそれぞれ等しくしているが、複数の枝電極ＵＥ１（ＵＥ２）において、これらのピッチが部分的に異なっていてもよい。例えば、透過領域ＴＲの中央部における枝電極ＵＥ１（ＵＥ２）のピッチを狭くし、透過領域ＴＲのうち非透過領域ＮＴＲに近い周辺部における枝電極ＵＥ１（ＵＥ２）のピッチを広くすることもできる。または、これらの関係を逆にすることもできる。

そのような部分的なピッチ変更を行うと、各所における光の回折角度が異なるようになる。従って、電圧印加時に、角度の異なる複数の視野角を得ることができる。すなわち、液晶回折格子１００を利用するユーザの要望に応じて、ある特定の位置の視野角を異ならせた液晶回折格子１００を提供できる。

（変形例１）
変形例１では、実施の形態１で説明した液晶回折格子１００を、表示装置ＤＳＰの一部の部材として適用している。

図９は、表示装置ＤＳＰに含まれるパネルＰＬと、バックライトユニットＢＵＬとの間に液晶回折格子１００が設けられた場合、視野角が変化した様子を模式的に示している。

図９に示されるように、表示装置ＤＳＰに液晶回折格子１００が備えられていることで、電圧印加前（液晶層ＬＱ１－ＯＦＦ）と比較して、電圧印加後（液晶層ＬＱ１－ＯＮ）に、パネルＰＬから出射される出射光ＯＬ２の視野角が広くなる。また、表示装置ＤＳＰを利用するユーザが、視野角を広くしたい、または、視野角を狭くしたいと望んだ場合、液晶回折格子１００に印加される電圧状態を変更するだけで、直ぐに視野角の変更を簡単に行うことができる。すなわち、変形例１によれば、表示装置ＤＳＰの性能を向上させることができる。

以下に、このような表示装置ＤＳＰの詳細な構造について説明を行う。

＜表示装置ＤＳＰの構造＞
図１０は、実施の形態１における表示装置（電気光学装置、液晶表示装置）ＤＳＰを示す断面図である。表示装置ＤＳＰは、パネルＰＮＬ、配線板ＦＷＢおよび回路基板ＣＢを主構成として有する。また、実施の形態１における表示装置ＤＳＰは、バックライトユニットＢＬＵおよびカメラモジュールなどを含む電子機器（例えばスマートフォン、タブレット端末機器またはモニタ）として定義されることもある。

図１０に示されるように、パネルＰＮＬは、表示装置ＤＳＰの外部から供給される入力信号に応じて画像が形成される表示領域ＤＡ、および、表示領域ＤＡの周辺に位置する非表示領域ＮＤＡを有する。非表示領域ＮＤＡにおいて、パネルＰＬは、配線板（フレキシブル配線板）ＦＷＢ、および、回路基板ＣＢなどに電気的に接続されている。

配線板ＦＷＢおよび回路基板ＣＢは、バックライトユニットＢＬＵの裏側へ折り曲げられている。このため、表示領域ＤＡに対する法線方向（Ｚ方向）から見た平面視において、配線板ＦＷＢおよび回路基板ＣＢは実際には視認されない。

表示領域ＤＡにおいて、パネルＰＮＬは、基板ＳＵＢ５、基板ＳＵＢ５の上方に設けられた基板ＳＵＢ６、および、基板ＳＵＢ５と基板ＳＵＢ６との間に形成された液晶層（電気光学層）ＬＱ２を有する。基板ＳＵＢ５および基板ＳＵＢ６は、Ｚ方向において対向している。液晶層ＬＱ２は、基板ＳＵＢ５の表面と、基板ＳＵＢ６の裏面とが貼り合わされているシールＳＬＭ３の内側に設けられている。

実施の形態１におけるパネルＰＮＬは、偏光板ＯＤ３および偏光板ＯＤ４を含む。偏光板ＯＤ３は、基板ＳＵＢ５の下方に設けられ、偏光板ＯＤ４は、基板ＳＵＢ６の上方に設けられている。言い換えれば、偏光板ＯＤ３は、基板ＳＵＢ５の裏面側に設けられ、偏光板ＯＤ４は、基板ＳＵＢ６の表面側に設けられている。偏光板ＯＤ３および偏光板ＯＤ４の各々は、必要に応じて位相差板を含んでもよい。

また、表示領域ＤＡにおいて、基板ＳＵＢ６の表面側がパネルＰＮＬ（表示装置ＤＳＰ）の表示面側となる。実施の形態１では、パネルＰＮＬの表面は表面ＦＳとして示され、パネルＰＮＬの裏面は裏面ＢＳとして示されている。

パネルＰＮＬの裏面ＢＳの下方には、偏光板ＯＤ３を介してバックライトユニットＢＬＵが設けられている。バックライトユニットＢＬＵは、基板ＳＵＢ５から基板ＳＵＢ６へ向かう方向へ、光を出射する機能を有する。

パネルＰＮＬの表面ＦＳの上方には、表示装置ＤＳＰの表示面を覆うように、接着層（光学粘着テープ）ＯＣＡを介してカバー部材ＣＶＭが設けられている。カバー部材ＣＶＭは、パネルＰＮＬを保護するための部材であり、例えばガラスからなる。

非表示領域ＮＤＡにおいて、基板ＳＵＢ５および基板ＳＵＢ６は、シール材ＳＬＭ３を介して接着されている。シール材ＳＬＭ３は、基板ＳＵＢ５と基板ＳＵＢ６との間に、液晶層ＬＱ２となる液晶を封入するための役割も果たす。

配線板ＦＷＢは、平面視においてバックライトユニットＢＬＵと重なる位置に設けられ、基板ＳＵＢ５に形成された端子ＴＭ１に電気的に接続されている。回路基板ＣＢは、配線板ＦＷＢと同様に、平面視においてバックライトユニットＢＬＵと重なる位置に設けられ、配線板ＦＷＢの内部の配線に電気的に接続されている。

図１１は、表示領域ＤＡの一部を拡大した要部断面図であり、表示領域ＤＡにおける基板ＳＵＢ５および基板ＳＵＢ６の内部の詳細な構造を示している。また、以下に説明するゲート線ＧＬ、ソース線ＳＬ、共通電極ＣＥ、コモン信号線ＣＭＬおよび画素電極ＰＥは、実際には異なる断面に形成されている場合もあるが、図１１では、Ｚ方向におけるこれらの位置関係を示すことを主旨としている。

まず、パネルＰＮＬのうち、偏光板ＯＤ３の上方に形成されている基板ＳＵＢ５の詳細な構造について説明する。基板ＳＵＢ５は、可視光が透過する性質を備えた支持基板（絶縁性基板）１０を有する。支持基板１０は、例えばガラス基板である。

支持基板１０上には、無機材料からなる絶縁膜１１が形成されている。絶縁膜１１は、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）膜、酸化珪素（ＳｉＯ）膜、酸窒化珪素（ＳｉＯＮ）膜、若しくは酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）膜のような単層膜、または、これらを適宜積層させた積層膜である。これらの膜は、水分の浸透を防止する効果があり、バリア膜として機能する。

絶縁膜１１上には、第１導電層としてゲート線ＧＬが形成されている。ゲート線ＧＬは、例えばモリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）を主成分とする遮光性を備えた金属膜である。なお、ゲート線ＧＬは、トランジスタのゲート電極に電気的に接続されている。また、ゲート線ＧＬが、トランジスタのゲート電極を構成している場合もある。

絶縁膜１１上には、ゲート線ＧＬを覆うように、無機材料からなる絶縁膜１２が形成されている。絶縁膜１２を構成する材料は、絶縁膜１１と同様である。また、絶縁膜１１と絶縁膜１２との間に、ゲート電極および半導体層などを有するトランジスタが形成されている。

絶縁膜１２上には、第２導電層としてソース線ＳＬが形成されている。ソース線ＳＬは、遮光性を備えた金属膜であり、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜、チタン（Ｔｉ）膜および窒化チタン（ＴｉＮ）膜が積層された積層膜である。なお、ソース線ＳＬは、トランジスタのソース電極に電気的に接続されている。絶縁膜１２上には、ソース線ＳＬを覆うように、絶縁膜１３が形成されている。絶縁膜１３は、有機絶縁膜であり、例えばアクリル樹脂膜であり、感光性樹脂材料からなる。

絶縁膜１３上には、第３導電層としてコモン信号線ＣＭＬが形成されている。コモン信号線ＣＭＬは、後述する共通電極ＣＥに接続され、共通電極ＣＥにコモン電位またはタッチ検出電位を供給するための配線である。コモン信号線ＣＭＬを構成する材料は、ソース線ＳＬと同様である。絶縁膜１３上には、コモン信号線ＣＭＬを覆うように、有機材料からなる絶縁膜１４が形成されている。絶縁膜１４を構成する材料は、絶縁膜１３と同様である。絶縁膜１３および絶縁膜１４は平坦化膜としての役割を担う。

絶縁膜１４上には、第４導電層として共通電極ＣＥが形成されている。共通電極ＣＥは、例えばＩＴＯまたはＩＺＯなどの透明度が高い導電材料からなり、導電性を有する酸化金属物からなる。共通電極ＣＥは、後述する画素電極ＰＥおよび液晶ＬＱ２を駆動させるための電極であり、詳細には説明しないが、パネルＰＮＬがタッチパネルを構成する場合に、タッチ検出電極としての機能も備える。絶縁膜１４上には、共通電極ＣＥを覆うように、無機材料からなる絶縁膜１５が形成されている。絶縁膜１５を構成する材料は、絶縁膜１１と同様である。絶縁膜１５は、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間の容量絶縁膜である。

絶縁膜１５上には、第５導電層として画素電極ＰＥが形成されている。画素電極ＰＥを構成する材料は、共通電極ＣＥと同様である。また、実施の形態１では、平面視において、複数の画素電極ＰＥは、互いに隣り合う二つのソース線ＳＬの間に位置している。絶縁膜１５上には、画素電極ＰＥを覆うように、有機絶縁膜である配向膜ＡＬ３が形成されている。配向膜ＡＬ３は、液晶層ＬＱ２に含まれる液晶分子の初期配向の方向を揃える機能を備え、例えばポリイミドのような樹脂材料からなる。また、配向膜ＡＬ３は、液晶層ＬＱ２に接している。

なお、ゲート線ＧＬ、ソース線ＳＬ、コモン信号線ＣＭＬ、共通電極ＣＥおよび画素電極ＰＥは、図１０に示される端子ＴＭ１を介して、配線板ＦＷＢおよび回路基板ＣＢに電気的に接続されている。

次に、パネルＰＮＬのうち、偏光板ＯＤ４の下方に形成されている基板ＳＵＢ６の詳細な構造について説明する。基板ＳＵＢ６は、可視光が透過する性質を備えた支持基板（絶縁性基板）２０を有する。支持基板２０は、例えばガラス基板である。

支持基板２０と液晶層ＬＱ２との間に、バリア膜ＢＲ、遮光膜（ブラックマトリクス）ＢＭ、カラーフィルタＣＦＲ、カラーフィルタＣＦＧ、カラーフィルタＣＦＢ、平坦化膜ＰＺおよび配向膜ＡＬ４が形成されている。

バリア膜ＢＲは、支持基板２０の裏面全体に形成されている。バリア膜ＢＲは、無機材料からなり、例えば窒化珪素、酸化珪素、酸窒化珪素または酸化アルミニウムのうち少なくとも１つを含む無機絶縁膜である。また、バリア膜ＢＲは、支持基板２０の外部に存在する水分が、支持基板２０の内部に浸透した場合、この水分が、カラーフィルタＣＦＲ、ＣＦＧ、ＣＦＢおよび液晶層ＬＱ２などへも浸透することを防止するために設けられている。ただし、基板ＳＵＢ６はバリア膜ＢＲを備えない構造であってもよい。

支持基板２０の裏面側には、バリア膜ＢＲを介して三色のカラーフィルタ（色変換層）が形成されている。実施の形態１では、赤（Ｒ）のカラーフィルタＣＦＲ、緑（Ｇ）のカラーフィルタＣＦＧ、および、青（Ｂ）のカラーフィルタＣＦＢが周期的に配列されている。表示装置ＤＳＰでは、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の三色の画素を１組とすることで、カラー画像が表示される。基板ＳＵＢ６の複数のカラーフィルタＣＦＲ、ＣＦＧ、ＣＦＢは、基板ＳＵＢ５に形成されている画素電極ＰＥを含む各々の画素ＰＸと、互いに対向する位置に配置されている。なお、カラーフィルタの種類は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の３色に限定されるものではない。また、実施の形態１のカラーフィルタＣＦＲ、ＣＦＧ、ＣＦＢは、自身を透過する光の波長を変化させることができる色変換層も含む。

また、複数のカラーフィルタＣＦＲ、ＣＦＧ、ＣＦＢの各々の境界に、遮光膜ＢＭが配置される。遮光膜ＢＭは、例えば黒色の樹脂または低反射性を有する金属からなる。遮光膜ＢＭは、平面視において、例えば表示領域ＤＡにおいて格子状に形成されている。言い換えれば、遮光膜ＢＭは、Ｘ方向およびＹ方向に延在していており、平面視において画素電極ＰＥと重なる位置に開口部を有する。このように、各画素ＰＸを遮光膜ＢＭで区画することにより、カラーフィルタＣＦＲ、ＣＦＧ、ＣＦＢの各々において、光漏れおよび混色の発生を抑制することができる。一般的に、遮光膜ＢＭの開口部のうち、最も周縁部側に形成された開口部の端部が、表示領域ＤＡと非表示領域ＮＤＡとの境界として規定される。

平坦化膜ＰＺは、支持基板２０の裏面側において、カラーフィルタＣＦＲ、ＣＦＧ、ＣＦＢを覆っている。平坦化膜ＰＺは、カラーフィルタＣＦＲ、ＣＦＧ、ＣＦＢから液晶層ＬＱ２へ不純物が拡散することを防止するための保護膜であり、カラーフィルタと遮光膜の段差を吸収する絶縁膜である。平坦化膜ＰＺは、有機の樹脂材料から形成される。また、平坦化膜ＰＺはオーバーコート膜ともいう。

配向膜ＡＬ４は、液晶層ＬＱ２に接しており、液晶層ＬＱ２と平坦化膜ＰＺとの間に形成されている。配向膜ＡＬ４は、配向膜ＡＬ３と同様な材料からなり、配向膜ＡＬ３と同様な機能を有する。

また、上記の構成のうち、支持基板１０、絶縁膜１１～１５、共通電極ＣＥ、画素電極ＰＥ、配向膜ＡＬ３、配向膜ＡＬ４、平坦化膜ＰＺ、バリア膜ＢＲおよび支持基板２０の各々は、可視光が透過可能な性質を有する。また、上記の構成のうち、ゲート線ＧＬ、ソース線ＳＬ、コモン信号線ＣＭＬおよび遮光膜ＢＭの各々は、可視光が透過できない性質を有する。

なお、実施の形態１では、表示装置ＤＳＰがスマートフォン等である場合を例示したが、表示装置ＤＳＰの用途はそれらに限られず、表示装置ＤＳＰは、車のルームミラーなどに使われる光の透過を制御するためのシャッター液晶素子なども含む。

以上のように、液晶回折格子１００を、上述のような表示装置ＤＳＰの一部の部材として適用することができる。なお、液晶回折格子１００の主な目的は、光を回折させて視野角を広くすることであるので、液晶回折格子１００の透過領域ＴＲには、表示装置ＤＳＰに備えられているゲート線ＧＬ、ソース線ＳＬおよびコモン信号線ＣＭＬのような、可視光が透過できない構造体が設けられていない。また、液晶回折格子１００では表示装置ＤＳＰのように色分けを行う必要も無いので、液晶回折格子１００の透過領域ＴＲには、複数のカラーフィルタＣＦＲ、ＣＦＧ、ＣＦＢおよび遮光膜ＢＭが設けられていない。

（実施の形態２）
以下に図１２～図１５を用いて、実施の形態２における光学素子の一例として、液晶回折格子２００について説明する。なお、以下では、実施の形態１との相違点について主に説明する。

図１２に示されるように、実施の形態２における液晶回折格子２００は、実施の形態１における液晶回折格子１００の構造に加えて、基板ＳＵＢ１の下方に設けられた偏光板ＯＤ１と、基板ＳＵＢ２の上方に設けられた偏光板ＯＤ２とを有する。すなわち、偏光板ＯＤ１と偏光板ＯＤ２との間に、基板ＳＵＢ１、液晶層ＬＱ１および基板ＳＵＢ２が設けられている。偏光板ＯＤ１および偏光板ＯＤ２の各々の透過軸は、液晶層ＬＱ１の液晶分子ＬＱＭの初期配向の方向に対して、平行または直交している。

図１３は、偏光板ＯＤ１および偏光板ＯＤ２の各々の透過軸が、互いに平行であり、液晶分子ＬＱＭの初期配向に対して平行である場合を示している。図１４は、偏光板ＯＤ１の透過軸が、偏光板ＯＤ２の透過軸と直交し、液晶分子ＬＱＭの初期配向に対して平行である場合を示している。なお、図１３および図１４に示される矢印は、偏光板ＯＤ１の透過軸、液晶分子ＬＱＭの初期配向の方向および偏光板ＯＤ２の透過軸を示している。

図１５は、図１３（偏光板平行）および図１４（偏光板直交）を使用した場合における出射光ＯＬ１の回折パターンを示している。偏光板ＯＤ１および偏光板ＯＤ２の各々の透過軸が互いに平行である場合、回折パターンは、実施の形態１の図８で説明した場合とほぼ同じとなる。

偏光板ＯＤ１の透過軸が偏光板ＯＤ２の透過軸と直交している場合、電圧印加前（液晶層ＬＱ１－ＯＦＦ）では、出射光ＯＬ１は液晶回折格子２００を透過しないので、回折スポットが無い状態として、回折パターンは全体的に黒くなる。電圧印加後（液晶層ＬＱ１－ＯＮ）では、回折した光のうち、一部は偏光板ＯＤ２に遮られるが、他の一部は偏光板ＯＤ２から出射光ＯＬ１として出射する。偏光板ＯＤ２から出射する出射光ＯＬ１は、ある特定の回析角度で回折した光である。

図４に示される波形から、同じ回折角度を有する光が２つあることが分かるが、２つの光が出射する方向は、互いに異なっている。また、図４に示される波形は、複数の上部電極ＵＥ１の数だけ繰り返されることは自明である。このため、同じ回折角度を有し、同じ方向に出射される光は強調される。その結果、図１５に示されるように、光の強度が強い領域が２箇所となるような回析パターンが観測される。なお、理想的には上記２箇所のみが現れる。実際には若干の光漏れが生じ、図１５のように、上記２箇所の周囲に弱い光の強度を有するスポットが観測される場合もある。

このように、偏光板ＯＤ１および偏光板ＯＤ２を設けた場合であっても、視野角を広くすることができ、視野角の変更を容易に行うことができる。また、偏光板ＯＤ１および偏光板ＯＤ２の各々の透過軸が、互いに平行であるか直交であるかによって、別の視野角を有する液晶回折格子２００を提供できる。また、図１５の「偏光板直交」に示されるように、液晶回折格子２００に、出射光ＯＬ１を出射するまたは遮断するという機能を備えさせることもでき、それらの変更も容易に行うことができる。

（変形例２）
変形例２では、実施の形態２で説明した液晶回折格子２００を、表示装置ＤＳＰの一部の部材として適用している。表示装置ＤＳＰの構造は、変形例１と同じである。

図１６は、表示装置ＤＳＰに含まれるパネルＰＬと、バックライトユニットＢＵＬとの間に液晶回折格子２００が設けられた場合、視野角が変化した様子を模式的に示している。

図１６の「偏光板平行」における視野角は、変形例１の図９とほぼ同じとなる。図１６の「偏光板直交」における「液晶層ＬＱ１－ＯＦＦ」では、出射光ＯＬ１は液晶回折格子２００を透過しないので、出射光ＯＬ２は現れない。図１６の「偏光板直交」における「液晶層ＬＱ１－ＯＮ」では、上述の２箇所の回析スポットに対応する方向へ出射光ＯＬ２が出射される。

このように、表示装置ＤＳＰに液晶回折格子２００が備えられていることで、電圧印加時に、パネルＰＬから出射される出射光ＯＬ２の視野角が広くなる。また、液晶回折格子２００に印加される電圧状態を変更するだけで、出射光ＯＬ２の視野角を変更する、または、出射光ＯＬ２を出射する若しくは遮断するなどの調整を簡単に行うことができる。従って、実施の形態２では、実施の形態１と比較して、表示装置ＤＳＰの性能を更に向上させることができる。

（実施の形態３）
以下に図１７～図２０を用いて、実施の形態３における光学素子の一例として、液晶回折格子３００について説明する。なお、以下では、実施の形態２との相違点について主に説明する。また、図１７～図２０の主旨は、実施の形態２における図１２～図１５の主旨と同様である。

図１７に示されるように、実施の形態３における液晶回折格子３００は、実施の形態２における液晶回折格子２００の構造に加えて、基板ＳＵＢ２と偏光板ＯＤ２との間に、基板ＳＵＢ３、偏光変換素子ＴＮおよび基板ＳＵＢ４が設けられている。

基板ＳＵＢ３および基板ＳＵＢ４の各々の構造は、基板ＳＵＢ１および基板ＳＵＢ２の構造と概ね同様であるが、配向膜ＡＬ１および配向膜ＡＬ２に施されるラビング処理などに関する点が若干異なる。また、基板ＳＵＢ３には下部電極（図示せず）が形成され、基板ＳＵＢ４には上部電極（図示せず）が形成されている。

偏光変換素子ＴＮは、偏光を９０度回転させる機能を有する素子であり、例えばＴＮ（Twisted Nematic）型の液晶層からなる。詳細に図示はしないが、基板ＳＵＢ３および基板ＳＵＢ４にも図３に示されるようなスイッチ素子ＳＷおよび電源制御部ＰＳが電気的に接続されている。偏光変換素子ＴＮにおける偏光は、基板ＳＵＢ３の下部電極と、基板ＳＵＢ４の上部電極とに印加される電圧状態によって変化する。

電圧が印加されていない状態において、偏光変換素子ＴＮの液晶分子は、基板ＳＵＢ３側と基板ＳＵＢ４側とで９０度ねじれるように配向されている。電圧が印加された状態では、偏光変換素子ＴＮの液晶分子は、垂直方向に立ち上がり、偏光変換素子ＴＮに入射した光は、ほぼ回折されず、偏光変換素子ＴＮを透過する。

また、基板ＳＵＢ３と基板ＳＵＢ４との間には、偏光変換素子ＴＮを封止するため、且つ、基板ＳＵＢ３と基板ＳＵＢ４との接着性を向上させるためのシール材ＳＬＭ２が設けられている。シール材ＳＬＭ２は、シール材ＳＬＭ１と同様に、可視光が透過可能な透明性を有していない。このため、液晶層ＬＱ１および偏光変換素子ＴＮにおいて、各々の透過領域ＴＲおよび非透過領域ＮＴＲは、同じ範囲であることが好ましいが、若干ずれていても構わない。

図１８は、偏光板ＯＤ１および偏光板ＯＤ２の各々の透過軸が平行である場合を示し、図１９は、偏光板ＯＤ１および偏光板ＯＤ２の各々の透過軸が直交する場合を示している。偏光変換素子ＴＮの液晶分子の配向は、基板ＳＵＢ３および基板ＳＵＢ４の各電極に印加される電圧の状態によって異なっている。

図２０は、図１８の場合における出射光ＯＬ１の回折パターンを示している。

基板ＳＵＢ３および基板ＳＵＢ４の各電極に電圧が印加されていない状態（偏光変換素子ＴＮ－ＯＦＦ）であり、且つ、基板ＳＵＢ１の上部電極ＵＥ１、ＵＥ２および下部電極ＬＥに電圧が印加されていない状態（液晶層ＬＱ１－ＯＦＦ）の場合、液晶層ＬＱ１を透過した光は、偏光変換素子ＴＮによって９０度偏光されるので、偏光板ＯＤ２によって遮られる。従って、回折スポットが無く、回析パターンは全体的に黒として観測される。

「偏光変換素子ＴＮ－ＯＦＦ」、且つ、基板ＳＵＢ１の上部電極ＵＥ１、ＵＥ２および下部電極ＬＥに電圧が印加されている状態（液晶層ＬＱ１－ＯＮ）の場合、液晶層ＬＱ１において回折した光は、偏光変換素子ＴＮによって９０度偏光されるので、光の強度が強い領域が２箇所となるような回析パターンが観測される。

基板ＳＵＢ３および基板ＳＵＢ４の各電極に電圧が印加されている状態（偏光変換素子ＴＮ－ＯＮ）であり、且つ、「液晶層ＬＱ１－ＯＦＦ」の場合、入射光ＩＬはほぼ出射光ＯＬ１として出射され、光源中心の周囲における光の強度が強い回折パターンが観測される。

「偏光変換素子ＴＮ－ＯＮ」且つ「液晶層ＬＱ１－ＯＮ」の場合、光源中心から少し離れた領域における光の強度が最も強い回折パターンが観測される。

図２１は、図１９の場合における出射光ＯＬ１の回折パターンを示している。

偏光板ＯＤ１および偏光板ＯＤ２の各々の透過軸が直交する場合には、図２１に示されるように、「偏光変換素子ＴＮ－ＯＮ」および「偏光変換素子ＴＮ－ＯＦＦ」における回折パターンが、図２０と逆になる。

このように、偏光変換素子ＴＮを設けたことにより、選択できる視野角の種類を増やすことができ、それらの変更を容易に行うことができる。また、出射光ＯＬ１を出射するまたは遮断するという機能を備えさせることもできる。

（変形例３）
変形例３では、実施の形態３で説明した液晶回折格子３００を、表示装置ＤＳＰの一部の部材として適用している。表示装置ＤＳＰの構造は、変形例１と同じである。

図２２は、表示装置ＤＳＰに含まれるパネルＰＬと、バックライトユニットＢＵＬとの間に液晶回折格子３００が設けられた場合、視野角が変化した様子を模式的に示している。ここでは、「偏光変換素子ＴＮ－ＯＮ」または「偏光変換素子ＴＮ－ＯＦＦ」と、「液晶層ＬＱ１－ＯＦＦ」または「液晶層ＬＱ１－ＯＮ」とを組み合わせた場合の出射光ＯＬ１が示される。

なお、ここでは、図１８に示されるような、偏光板ＯＤ１および偏光板ＯＤ２の各々の透過軸が平行である場合を例示している。しかし、偏光板ＯＤ１および偏光板ＯＤ２の各々の透過軸が直交する場合には、「偏光変換素子ＴＮ－ＯＮ」および「偏光変換素子ＴＮ－ＯＦＦ」における視野角が、図２２と逆になる。

表示装置ＤＳＰに液晶回折格子３００が備えられていることで、パネルＰＬから出射される出射光ＯＬ２の視野角の広さを３種類から選択することができ、出射光ＯＬ２を遮断することもできる。すなわち、変形例３では、出射光ＯＬ２の視野角の切り替えと、出射光ＯＬ２の遮断とが、一つの液晶回折格子３００によって実施可能である。従って、実施の形態３では、実施の形態２と比較して、表示装置ＤＳＰの性能を更に向上させることができる。

本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。例えば、上述の各実施の形態に対して、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、または、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。

本発明は、光学素子、および、光学素子を備える液晶表示装置に利用可能である。

１、２、１０、２０ 支持基板
１１、１２、１５ 絶縁膜（無機絶縁膜）
１３、１４ 絶縁膜（有機絶縁膜）
１００、２００、３００ 液晶回折格子（光学素子）
ＡＬ１～ＡＬ４ 配向膜
ＢＬＵ バックライトユニット
ＢＭ 遮光膜
ＢＲ バリア膜
ＢＳ 裏面
ＣＢ 回路基板
ＣＥ 共通電極
ＣＦＢ、ＣＦＧ、ＣＦＲ カラーフィルタ
ＣＭＬ コモン信号線
ＣＶＭ カバー部材
ＤＡ 表示領域
ＤＳＰ 表示装置（電気光学装置、液晶表示装置）
ＦＳ 表面
ＦＷＢ 配線板
ＧＬ ゲート線
ＩＦ 絶縁膜
ＩＬ 入射光
Ｌ 反時計回り方向
ＬＥ 下部電極
ＬＱ１、ＬＱ２ 液晶層（電気光学層）
ＬＱＭ 液晶分子
ＮＤＡ 非表示領域
ＮＴＲ 非透過領域
ＯＣＡ 接着層
ＯＤ１～ＯＤ４ 偏光板
ＯＬ１、ＯＬ２ 出射光（回折光）
ＰＥ 画素電極
ＰＦＡ 周辺領域
ＰＮＬ パネル
ＰＳ 電源制御部
ＰＺ 平坦化膜
Ｒ 時計回り方向
ＳＬ ソース線
ＳＬＭ１～ＳＬＭ３ シール材
ＳＵＢ１～ＳＵＢ６ 基板
ＳＷ スイッチ素子
ＴＭ１ 端子
ＴＮ 偏光変換素子（液晶層）
ＴＲ 透過領域
ＵＥ 上部電極
ＵＥａ 連結部
ＵＥ１、ＵＥ２ 枝電極

Claims (8)

1. それぞれが順番に積層された第１偏光板と、第１基板と、第１液晶層と、第２基板と、第２偏光板とを有し、
   前記第１基板は、第１電極と、前記第１電極に対向する第２電極とを有し、
   前記第２電極は、複数の枝電極と、前記複数の枝電極を接続する連結部とを有し、
   平面視において、前記複数の枝電極は、第１方向に延在し、且つ、前記第１方向と直交する第２方向に配列されると共に、前記連結部は、前記第２方向に延在し、
   前記第２電極に電圧が印加されていない場合、前記第１液晶層の液晶分子の配向方向は、前記第１方向または前記第２方向に沿う方向であり、
   前記第１偏光板の透過軸および前記第２偏光板の透過軸は、互いに平行であり、且つ、前記液晶分子の配向の方向と平行である、液晶回折格子を構成する光学素子。
2. 請求項１に記載の光学素子において、
   前記第１液晶層はネガ液晶からなり、
   前記第２電極に電圧が印加されていない場合の前記液晶分子の配向方向は、前記第２方向に沿う方向であり、
   前記第２電極に電圧が印加されている場合、前記第１液晶層の前記液晶分子の配向方向は、前記第２方向において連続的に変化している、光学素子。
3. 請求項１に記載の光学素子において、
   前記第１液晶層はポジ液晶からなり、
   前記第２電極に電圧が印加されていない場合の前記液晶分子の配向方向は、前記第１方向に沿う方向であり、
   前記第２電極に電圧が印加されている場合、前記第１液晶層の前記液晶分子の配向方向は、前記第２方向において連続的に変化している、光学素子。
4. 請求項１～３の何れか１項に記載の光学素子において、
   前記第１偏光板と前記第１基板との間に、偏光を９０度回転させる機能を有する偏光変換素子を更に有する、光学素子。
5. 請求項４に記載の光学素子において、
   前記偏光変換素子は、第３基板と、第２液晶層と、第４基板とを有し、
   ＴＮ（Twisted Nematic）型の液晶パネルである、光学素子。
6. 請求項１～５の何れか１項に記載の光学素子において、
   前記第２方向における１つの前記第２電極の幅と、前記第２方向において隣接する２つの前記第２電極の間の距離との和で定義されるピッチは、前記第２方向上で部分的に異なっている、光学素子。
7. 請求項１～６の何れか１項に記載の光学素子において、
   前記第１基板には、複数のカラーフィルタ、および、可視光が透過できない性質を有する遮光膜が設けられていない、光学素子。
8. 請求項１～７の何れか１項に記載の光学素子を備える液晶表示装置であって、
   第５基板、第３液晶層および第６基板の順に積層された液晶表示パネルと、
   バックライトユニットと、
   を有し、
   前記第５基板は、カラーフィルタと、遮光膜とを含み、
   前記光学素子は、前記液晶表示パネルと前記バックライトユニットとの間に設けられている、液晶表示装置。

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