JPH07333432A

JPH07333432A - 光機能素子及び液晶表示装置

Info

Publication number: JPH07333432A
Application number: JP12496994A
Authority: JP
Inventors: Hisahide Wakita; 尚英脇田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-06-07
Filing date: 1994-06-07
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】入射角依存が少なく光利用効率の高い光機能
素子及びこれを用いた明るい液晶表示素子を実現する。【構成】液晶分子６からなる位相回折格子１の背後
に、入射角によって複屈折量が異なる複屈折層１０を配
置し、さらに複屈折層１０の出射側に液晶表示素子１２
を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、通常光を効率よく一方
の偏光に変換する光利用効率の高い光機能素子及びそれ
を用いた表示が明るい液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自然光は様々な偏光を含んでおり、その
中から特定の偏光を取り出す偏光素子は、大きく２つに
分類される。一つは、「二色性」吸収により一方の偏光
を吸収するタイプのものであり、アクリル樹脂中にヨウ
素を混ぜ、延伸によって配向させた、いわゆる偏光フィ
ルムがこれに属する。偏光フィルムは比較的安価であ
り、大きなシート状で入手可能である。もう一つは、方
解石のような複屈折性結晶のプリズム２個を主軸が直交
するように貼合わせ、屈折方向に偏光依存を与えたウォ
ラストンプリズムのような偏光プリズム等である。偏光
プリズムは結晶を用いるので、非常に高価である。

【０００３】偏光素子を用いる製品として、液晶表示装
置が広く知られている。この液晶表示装置用の偏光素子
として、一般に安価な偏光フィルムが用いられている。
液晶表示装置では、ねじれネマチックモード等の液晶表
示素子を偏光フィルムで挟み、液晶表示素子を光スイッ
チとして機能させ、高いコントラストの表示を得る。し
かし、「二色性」吸収を用いると、一方の偏光が吸収さ
れてしまうので、光の利用効率が１／２以下になってし
まう。そのため、液晶表示装置などに用いた場合、表示
が暗くなり、特に、背後に光源を置かない反射型液晶表
示装置では、印刷物と比べて非常に暗い。

【０００４】一方、例えば特開平０３−２６１９１０号
公報に示された投射型液晶表示装置では、光利用効率を
高めるため、図８に示すように、ダイクロイックミラー
９０により、光源光の一方の偏光９１を透過させるとと
もに、他方の偏光９２を反射させ、さらに反射した偏光
９２をミラー９３により位相を反転させて再反射させる
という方法が用いられている。また、例えば特開平３−
２７３２号公報に示された複屈折性レンズを用いる方法
の場合、図９に示すように、延伸したポリイミドからな
る複屈折レンズ１０２とアクリル樹脂１０３を接合さ
せ、一方の偏光１０５だけを集光し、他方の偏光１０４
は直進させる。集光部１０７に位相を反転させるＴＮ液
晶を配置し、一方の偏光１０５を他方の偏光１０４に変
換する。その結果、大部分の入射光は他方の偏光１０４
に揃えられる。但し、複屈折レンズ１０２の材料である
ポリイミドとアクリル樹脂１０３との屈折率差（複屈折
率に等しい）がせいぜい０．３程度であるため、複屈折
レンズ１０２の焦点距離と直径の比（Ｆ値）は大きな値
になる。従って、入射角がわずかにずれても集光位置が
大きく横に移動するため、入射角は厳密に守られなけれ
ばならない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、液晶表
示装置の偏光素子として、「二色性」吸収を利用した偏
光フィルムを用いた場合、一方の偏光が吸収され光の利
用効率が１／２以下になるため、表示が暗くなり、特
に、背後に光源を置かない反射型液晶表示装置では、印
刷物と比べて非常に暗くなるという問題点を有してい
た。一方、特開平０３−２６１９１０号公報や特開平３
−２７３２号公報に示された従来例では、光利用効率が
高いため、表示を明るくすることは可能であるが、ダイ
クロイックミラー９０等の偏光特性にきわめて強く方向
依存する。また、特開平３−２７３２号公報に複屈折レ
ンズ１０２を用いた従来例では、入射方向がわずかにず
れるだけで、位相反転部１０７に集光されなくなる。従
って、何れの従来例の場合も、入射光の経路が厳密に決
まっている投射型液晶表示装置等に用途が限定され、反
射型液晶表示装置等に用いることは事実上不可能である
という問題点を有していた。本発明は、以上のような問
題点を解決するためになされたものであり、光利用効率
が高く、偏光特性等への依存性の低い光機能素子及びそ
れを用いた液晶表示装置を提供することを目的としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光機能素子は、入射光に含まれる一方の偏
光と他方の偏光とをそれぞれ異なる方向に出射させる偏
向層と、前記偏向層により異なる方向に出射された前記
一方の偏光及び他方の偏光がそれぞれ異なる入射角度で
入射面に入射し、入射角度により異なる複屈折率及び光
路長を示す複屈折層とを具備し、前記一方の偏光及び他
方の偏光が前記複屈折層を透過する際、前記一方の偏光
又は他方の偏光の位相を回転させ、前記複屈折層から出
射した前記一方の偏光及び他方の偏光の成分の内、前記
一方の偏光又は他方の偏光の成分のいずれかを増加させ
るように構成されている。上記構成において、複屈折層
を出射した一方の偏光及び他方の偏光の位相差が３０度
以下であることが好ましい。また、上記構成において、
複屈折層の複屈折率と光路長との積が、前記複屈折層へ
の入射角が５０度から７５度の範囲では入射光の主波長
の０．５倍であり、前記入射角が３０度以下の範囲では
入射光の主波長０．１倍以下であることが好ましい。ま
た、上記各構成において、複屈折層は、対向する平行な
一対の透明基板と、前記一対の透明基板間に設けられ前
記透明基板の基板面に対し垂直に配向された液晶層を具
備することが好ましい。上記構成において、偏向層は、
入射光に対して複屈折性を示す部分を周期的に配列した
位相型回折格子であることが好ましい。また、上記構成
において、偏向層は、一対の透明基板間に液晶を注入し
たものであって、前記一対の透明基板のそれぞれ対向す
る面上に周期的に異なる配向処理を施し、前記液晶の配
向方向を周期的に変えたものであることが好ましい。ま
た、上記構成において、一対の透明基板のそれぞれ対向
する面上に水平配向膜を形成し、前記水平配向膜上にそ
れぞれ周期的に配列された垂直配向膜を形成することに
より液晶の配向方向を周期的に変えたものであることが
好ましい。また、上記構成において、水平配向膜直下の
液晶の配向方向と、垂直配向膜直下の液晶の配列方向と
のなす角度が３０度から６０度の範囲であることが好ま
しい。または、上記構成において、偏向層は、一対の透
明基板のそれぞれ対向する２つの面の一方に周期的なス
トライプ状の凹凸を設け、他方の対向する面に配向処理
を施し、前記一対の透明基板を貼合わせて形成された空
間部に液晶を注入し、前記透明基板に対し水平に液晶を
配向させた位相型回折格子であることが好ましい。上記
構成において、透明基板の凸部の屈折率と液晶の常光屈
折率とがほぼ等しいことが好ましい。または、上記構成
において、偏向層は、高分子マトリクス中に液晶分子が
基板に対し水平で、かつ一軸方向に配向したものであっ
て、一方の偏光のみ散乱させることが好ましい。また
は、上記構成において、偏向層は、入射光に対し複屈折
性を示すプリズムを周期的に配列したものであることが
好ましい。上記構成において、偏向層は、一対の透明基
板間に液晶を注入したものであって、入射光側の透明基
板の液晶との境界面に周期的な傾斜部を設け、前記傾斜
部近傍の液晶分子を前記傾斜方向に平行に配向させたも
のであることが好ましい。上記構成において、対向する
第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基
板間に設けられた液晶層を具備し、前記第１の透明基板
の液晶層と接する面上に周期的に繰り返される水平配向
処理部と垂直配向処理部とを形成し、前記水平配向処理
部は、それにより配向される液晶分子の主軸方向が前記
繰り返し方向と斜めに交差するように配向処理され、第
２の透明基板の液晶層と接する面上を垂直配向処理し、
前記第１の透明基板を入射側に配置し、前記第１の透明
基板近傍の液晶が偏向層をなし、前記第２の透明基板近
傍の液晶が複屈折層となることが好ましい。

【０００７】一方、本発明の液晶表示装置は、上記各構
成のいずれかを有する光機能素子の出射側に二色性吸収
型の偏光フィルムと液晶表示素子を配置し、前記光機能
素子の出射光の最も強度の強い偏光方向に前記偏光フィ
ルムの偏光軸を合わせるように構成されている。上記構
成において、液晶表示素子の背後に拡散型反射板を配置
することが好ましい。

【０００８】

【作用】以上のように構成された本発明の光機能素子及
び液晶表示装置の作用を、図１を参照しつつ説明する。
複屈折性材料、例えば液晶等で作った回折格子やプリズ
ム等（例えば、図１の偏向層１）は、偏光依存性のある
偏向素子（光の進行方向を変える素子）として機能す
る。最も顕著に偏光依存性が現れるのは、複屈折材料
（例えば、ネマチック液晶６）の常光屈折率か異常光屈
折率のいずれかが接合する媒体（透明基板３等）の屈折
率と等しい場合であり、このときは一方の偏光成分（例
えば、偏光８）に対しては偏向素子として機能せず、入
射光（偏光８）は直進する。他方の偏光７に対しては、
偏向層１は偏向素子として機能すると共に、複屈折性を
示す。そのため、偏光７は偏向層１において常光線７ａ
及び異常光線７ｂに別れる。偏向層１を出射するとき、
偏光方向により進行方向が変わり、偏光７（常光線７ａ
及び異常光線７ｂ）と偏光８はそれぞれ複屈折層１０に
異なる入射角で進入する。複屈折層１０の複屈折率をΔ
ｎ、距離をｄ、波長をλとすると、複屈折層１０を透過
するとき、入射光は２π・Δｎｄ／λだけ位相が回転す
る。複屈折層１０はその性質から、光の進行方向によっ
て複屈折率Δｎが異なる場合がある。例えば、ネマチッ
ク液晶を垂直配向させた液晶層１１では、液晶層に垂直
な方向を入射角０として、入射角θの異常光に対する屈
折率ｎ_e（θ）は次の（数１）であらわされる。

【０００９】

【数１】

【００１０】この場合、常光線に対する屈折率ｎ_oはｎ_s
と等しい。但し、ｎ_p、ｎ_sはそれぞれ液晶分子の長軸及
び短軸方向の屈折率である。従って、複屈折率Δｎ
（θ）は次の（数２）であらわされる。

【００１１】

【数２】

【００１２】また、（数２）は近似的に（数３）であら
わされる。

【００１３】

【数３】

【００１４】一方、複屈折層１０における光路長はｄ／
ｃｏｓθとなるので、複屈折量は次の（数４）であらわ
される。

【００１５】

【数４】

【００１６】すなわち、入射角が大きくなると複屈折量
も大きくなるため、偏向層１で分離した１８０度位相差
を有する２つの偏光７及び８が複屈折層を透過する際、
複屈折量の値によっては位相差が小さくなる。そのた
め、複屈折量を適宜選択することにより、２つの偏光７
及び８を１つの偏光８に揃えることができる。

【００１７】一般に、通常の環境で印刷物を見るとき、
紙面が暗くならないよう、天井または斜め上の照明の光
が紙面法線と３０度程度の小さい角度をなすように印刷
物の表面を向けるが、これは反射型の液晶表示装置等で
も同様である。従って、入射光の多くは入射角（紙面法
線となす角）の小さい方向から入射するので、偏光され
ない一方の偏光（例えば、偏光８）は入射角の大きな範
囲での分布量は少ない。ところが、他方の偏光（例え
ば、偏光７）は、偏向層１を透過して屈折され、入射角
の大きな方向にも分布を広げ、複屈折層１０へ入射す
る。回折格子のような周期構造を異方性物質で形成する
場合、異方性物質の主軸を周期構造の方向に対し４５度
をなすように配向させると、回折した偏光の偏光面は垂
直配向液晶分子に対し４５度をなすので、複屈折を受け
やすくなる。複屈折層１０の厚さｄを適当な大きさに設
定し、入射角が６０〜７０度程度の範囲で複屈折量が
０．５になるようにすれば、大きな入射角で複屈折層へ
進入した他方の偏光７は偏光面を回転させて一方の偏光
８の成分が増え、入射角が５０度程度以下の一方の偏光
８はほぼそのままの偏光面を保つ。この結果、複屈折層
１０を出射する光の一方の偏光８の強度は入射偏光より
増大し、他方の偏光７は減少する。

【００１８】複屈折層１０の下に、一方の偏光８と平行
に偏光板１３ａを配置し、その下に液晶表示素子１４、
拡散反射板１５を配置することにより、従来のものとほ
ぼ同じコントラストを有し、かつ反射率が５０％以上の
液晶表示装置が得られる。液晶により変調を受け拡散反
射板から戻ってくる画像は、偏光板１３ａ及び１３ｂに
より一方の偏光７’及び８’だけとなるので、再び偏向
層１を通っても偏光されず画像が二重に見えたりするこ
とはない。

【００１９】

【実施例】

（第１の実施例）本発明の光機能素子及び液晶表示装置
の好適な第１の実施例を図１及び図２を参照しつつ説明
する。図１は、本発明の光機能素子及び液晶表示装置の
第１の実施例の構成を示す断面図であり、図２はネマチ
ック液晶層における配向方向を表す平面図である。この
第１の実施例は、偏向層１として複屈折性を示す液晶を
用いた位相型回折格子を用いた例を示している。

【００２０】図１において、偏向層１は、ガラス等で形
成された第１の基板２と第２の基板３との間にネマチッ
ク液晶層６を挟むように構成されている。第１の基板２
の下面及び第２の基板３の上面にはそれぞれ、ポリイミ
ド等を主成分とする水平配向膜４が形成されており、ま
た水平配向膜４の所定の範囲にはシランカプリング剤を
原料とする垂直配向膜５が形成されている。一方、複屈
折層１０は、ガラス等で形成された第２の基板３と第３
の基板９との間にネマチック液晶層１１を挟むように構
成されている。第２の基板３の下面及び第３の基板９の
上面にはそれぞれ、シランカプリング剤を原料とする垂
直配向膜５が形成されている。偏向層１及び複屈折層１
０は本発明の光機能素子を構成する。また、液晶表示素
子１２は、ＴＮ液晶パネル１４を挟むように設けられた
２つの偏光板１３ａ及び１３ｂと、偏光板１３ｂの下方
に設けられた拡散反射板１５とを具備するように構成さ
れ、複屈折層１０の下方に配置されている。偏向層１、
複屈折層１０及び液晶表示素子１２は、本発明の液晶表
示装置を構成する。

【００２１】次に、偏向層１の製造方法について説明す
る。まず、第１及び第２の基板２及び３の表面にポリイ
ミド等を主成分とする水平配向膜４の材料を塗布し、図
２の楕円の長軸方向２０に平行にラビングした。その
後、フォトリソグラフィーにより、ラビング方向に対し
４５度をなす方向２１に平行なストライプのマスクをレ
ジストで形成した。その上から、シランカプラー等を主
成分とする垂直配向膜５の材料を塗布し、１２０℃で焼
成した後、現像液でレジストを除去した。その結果、水
平配向膜４の上にストライプ状の垂直配向膜５が形成さ
れた。垂直配向膜５のストライプのピッチは３μｍであ
り、幅は１．５μｍである。球形スペーサを用い、第１
及び第２の基板２及び３を水平配向膜４どうしが対向す
るように基板間距離１．３μｍに保ち、シール樹脂で周
辺を固定してパネル化した。このとき、第１及び第２の
基板２及び３の垂直配向膜５の位置がずれないよう位置
を正確に合わせる。そして、ＢＤＨ社製のネマチック液
晶Ｅ−８（屈折率異方性Δｎ＝０．２３、常光屈折率ｎ
_O＝１．５２）を第１及び第２の基板２及び３の間に形
成された空間に注入した。その結果、図１及び図２に示
すように、垂直配向膜５がある部分の液晶分子６ｂは垂
直に配向され（図２では円の部分）、水平配向膜４が露
出している部分の液晶分子６ａはストライプパターンと
４５度をなす方向でかつ各基板２及び３に水平になるよ
うに配向された。なお、図１におけるハンマー状の記号
６ａは、液晶分子がハンマーの頭を手前としてハンマー
の柄に平行に並んでいることを示す慣用的な記号であ
る。

【００２２】以上のようにして形成された偏向層１に対
し、ハロゲンランプの光をコリメートし、基板法線から
４０度の方向から入射させたところ、図２における方向
２０と垂直な偏光８は直進した。また、方向２０に平行
な偏光７の内、輝度において６０％程度の光は、回折に
より方向２１に垂直な面内で偏向した。なお、偏向角は
１次回折光が９度、２次回折光が１７．５度、３次回折
光が２５度であった。

【００２３】複屈折層１０も同様に、表面に垂直配向膜
５が形成された２つの基板３及び９を基板距離１．０μ
ｍに保ち、その間に、複屈折率△ｎが０．１５のネマチ
ック液晶を注入し、垂直配向させて形成し、偏向層１の
第２の基板３の下方（背面）に配置した。なお、偏向層
１の第２の基板２と複屈折層１０の第２の基板２との間
に、界面での反射を防ぐための、ガラスと屈折率が近い
エチレングリコールを充填し、実質的に２つの第２の基
板２を一体化している。

【００２４】次に、前記（数４）に基づいて、垂直配向
液晶素子への入射角と複屈折との関係を数値計算した特
性曲線を図３に示す。図３において、横軸を入射角と
し、特性曲線３０は複屈折量Δｎｄ／λｃｏｓθをあら
わし、また特性曲線３１は複屈折により入射偏光が垂直
な偏光成分に変換される割合をあらわす。入射光の波長
は、視感度の最も高い５５０ｎｍに設定した。特性曲線
３０に着目すると、複屈折量が０．５になるとき入射直
線偏光は垂直な直線偏光に変わるので、変換割合は１．
０になる。特性曲線３１に着目すると、入射角が４０度
以下の範囲では、偏光変換される割合は１５％以下であ
るが、入射角が５０度から７０度の範囲では、平均７０
％程度は偏光変換される。ハロゲンランプの平行ビーム
を基板法線から４０度の方向から入射させて測定したと
ころ、方向２０に垂直な偏光８は、１０％程度しか偏光
状態が変わらなかった。一方、方向２０に平行な偏光７
の内、１次回折光は約３０％、２次回折光は６０％、３
次回折光は９０％が垂直成分に変換された。

【００２５】偏向層１及び複屈折層１０で構成される光
機能素子の下に、前記液晶表示素子１２を配置して液晶
表示装置を構成し、屋内の蛍光灯照明下で液晶表示装置
の表示パネルの正面から２度測光の輝度計を用いて表示
特性を測定した。但し、液晶表示素子１２の偏光板１３
ａ及び１３ｂの偏光軸は、偏向層１の液晶６の配向方向
と平行にした。偏光変換された入射角の大きな偏光７
は、偏光板１３ａ及び１３ｂを透過したあと、拡散反射
板１５で拡散反射され、表示パネル正面に近い方向へも
戻る。その結果、偏向層１と複屈折層１０とで構成され
た第１の実施例の光機能素子を付加した液晶表示装置
は、光機能素子を付加しない従来の液晶表示装置と比較
して、約２０％輝度が向上し、コントラストは従来と変
わらないことが確認された。

【００２６】なお、光利用効率を高めるために、複屈折
層１０の複屈折量（複屈折率×距離）は、照明の仕方に
もよるが、入射自然光の分布が多い入射角では小さく、
屈折光が分布する入射角では波長の０．５倍に近くする
ことが望ましい。従って、偏向層１に入射した直交する
２つの偏光７及び８の屈折角の差は大きな方がよく、分
離した偏光が複屈折層１０を通った結果、２つの偏光の
位相差が３０度以下になれば入射光のうち９０％は１つ
の偏光へ変換される。投射型表示装置に用いる場合のよ
うに入射角度が限定される場合には、その入射角の入射
光に対して位相差が３０度以下になるよう複屈折量を設
定すればよい。入射光が入射角に依存して分布がある場
合は、その強度分布と偏向層の屈折角差とに応じて、最
も偏光変換効率が上がる入射角に対して位相差が小さく
なるよう設定すればよい。例えば、偏向層１及び複屈折
層１０を反射型液晶表示素子と組合わせる場合、入射角
３０度以下の範囲では複屈折率を０．１以下（偏光変換
率が約１０％）とし、屈折光が分布する５０度から７５
度の範囲では、複屈折率が０．５となるよう設定するの
がよい。このときの複屈折率の波長は、入射光線の主波
長、すなわち、自然光ならば視感度の高い緑光に、また
カラーフィルターを設けたりする場合はその色の波長に
設定する。

【００２７】また、垂直配向液晶層１１に斜めに入射す
る光は液晶分子に対して斜めに入射しなければ複屈折を
受けないので、本実施例では最も効率の高い、進行方向
（屈折方向）に対して４５度に偏光依存性の主軸がある
ように偏向層１の配向方向を設定したが、この角度は、
３０度から６０度の範囲内にあれば複屈折を十分受ける
ので、４５度に限られない。

【００２８】（第２の実施例）上記第１の実施例と同様
に、偏向層として位相型回折格子を用いた光機能素子及
び液晶表示装置の好適な第２の実施例を、その構成を示
す断面図である図４を参照しつつ説明する。なお、図１
と同一の番号を付した構成要素は同一であるため、その
説明を省略する。図４において、偏向層４０は、第１の
基板４３と、第２の基板４１と、第１の基板４３の下面
及び第２の基板４１の上面にそれぞれ設けられた水平配
向膜４と、一方の基板４１または４３の上に形成された
凹凸パターン４２と、対向する水平配向膜４及び凹凸パ
ターン４２の凹部に注入されたネマチック液晶層６を具
備するように構成されている。第１の基板４１上に形成
された水平配向膜４は、図１に示した第１の実施例と同
様に、紙面に対し４５度方向にラビングしたものであ
る。凹凸パターン４２は、水平配向膜４の上に光重合型
樹脂（アクリル樹脂など）を塗布し、マスク露光するこ
とにより、紙面に対し垂直方向にストライプ状に形成さ
れている。また、第２の基板４３上に形成された水平配
向膜４も、紙面に４５度方向にラビングしたものであ
る。凹凸パターン４２の屈折率（約１．５）は、ネマチ
ック液晶層６の分子６ａの短軸方向の屈折率と等しく、
長軸方向の屈折率とは異なる。そのため、ネマチック液
晶層６の分子６ａの長軸に平行な偏光のみが回折を生
じ、図１に示した第１の実施例と同様に機能する。この
第２の実施例の場合も、偏向層４０と複屈折層１０とで
構成された光機能素子を液晶表示素子１２に付加するこ
とにより、従来のものより光利用効率が向上し、反射型
液晶表示装置をかなり明るくすることが可能となった。

【００２９】（第３の実施例）次に、本発明の光機能素
子及び液晶表示装置の好適な第３の実施例を、その構成
を示す断面図である図５を参照しつつ説明する。第３の
実施例では、偏向層５０を高分子マトリクスに液晶分子
が基板に対して水平で、かつ一軸方向に配向させたもの
を用い、一方の偏光のみを散乱させる例を示している。
図５において、偏向層５０は、厚さ０．１ｍｍのアクリ
ルフィルム５１を基板間隔２０μｍで対向させた空セル
に、高分子分散液晶を注入し、アクリルフィルム５１の
両端を引張ることにより延伸したものである。高分子分
散液晶は、光重合性のアクリルモノマー（２エチルヘキ
シルアクリレート）１２％とオリゴマー８％、重合開始
剤０．５％、ネマチック液晶Ｅ−８を７９．５％を混
合、加熱して相溶させた溶液を注入し、紫外線を照射す
ることにより作成される。延伸により液晶滴５２は楕円
形になり、液晶分子５５は延伸方向に配向する。この結
果、延伸方向に垂直な入射偏光５３に対しては均質な媒
質となるので、光は直進し、延伸方向に平行な偏光５４
は散乱される。散乱された偏光の広がり方は、液晶滴の
粒径や延伸率により異なるが、液晶滴の短軸を１μｍ、
長軸を３μｍ程度とすると、入射光は方向依存性の少な
い前方散乱を示す。

【００３０】この散乱型の異方性偏向層５０の下方（背
面）に第１の実施例と同じ複屈折層１０を隣接させる
と、散乱する偏光５４の内、延伸方向と４５度の方向を
中心として偏光面が回転する。延伸方向と４５度の方向
の散乱光は、第１の実施例の場合と同様に、複屈折層１
０への入射角が５０度から８０度の範囲の偏光は他方の
偏光成分へ変換される割合が高い。また、第１の実施例
の場合と同様に複屈折層１０の下方に液晶表示素子１２
を偏光板１３ａ及び１３ｂの偏光軸を偏向層５０の延伸
方向と合わせるように配置し、屋内照明下で測定したと
ころ、偏向層５０と複屈折層１０とで構成された第２の
実施例の光機能素子を付加した液晶表示装置の明るさ
は、光機能素子を付加しない従来の液晶表示装置の明る
さよりも約１５％向上していることが確認された。

【００３１】（第４の実施例）次に、本発明の光機能素
子及び液晶表示装置の好適な第４の実施例を、その構成
を示す断面図である図６を参照しつつ説明する。第４の
実施例は、偏光層６０として、複屈折性プリズムを用い
た例を示している。図６において、偏向層６０は、平面
基板６１と、三角波板基板６２と、平面基板６１上面及
び三角波板基板６２の下面の設けられた水平配向膜４
と、水平配向膜４間に注入されたネマチック液晶層６と
を具備するように構成されている。三角波板基板６２
は、例えば高さ０．２ｍｍ、ピッチ０．４ｍｍ、頂角が
８０度の三角波状のポリビニルアルコール製である。水
平配向膜４は、例えばポリイミド等を三角波板基板６２
の下面に塗布し、三角波の斜面に平行にラビングするこ
とにより形成される。水平配向膜４が形成された平面基
板６１及び三角波板基板６２は、厚さ２０μｍのポリエ
ステル製フィルムスペーサー（例えば、東レ製ルミラー
フィルム等）を挟み、上記第１の実施例等と同様にシー
ル樹脂を周辺に塗布することにより貼合わせられる。そ
して、平面基板６１と三角波板基板６２との間の空間
に、ネマチック液晶Ｅ−８を注入した。液晶分子６ａは
パネル面真上から見ると、三角波板基板６２の三角波プ
リズムのストライプパターン（尾根の線）に対し４５度
方向に配向している。

【００３２】液晶分子６ａの常光屈折率とポリビニルア
ルコール及びポリイミドの屈折率はほぼ等しいので、液
晶分子６ａの長軸に垂直な偏光６３に対しては、三角波
板基板６２の三角波状面はプリズムとしては機能せず、
入射偏光は直進する。一方、液晶分子６ａの長軸方向の
偏光６４に対しては、三角波板基板６２の三角波状面は
プリズムとして機能さうるため、入射光は屈折する。入
射角が５０度以下では、屈折角は約１０度前後入射角よ
りも増える。このように、偏光６４のみが大きな出射角
で出射していく。

【００３３】この偏向層６０の下方に、屈折率異方性Δ
ｎが０．１５のネマチック液晶層６６を水平配向させた
厚さ１．０μｍの複屈折層６５を、液晶分子６６ａの長
軸が三角波板基板６２の三角波プリズムのストライプパ
ターンに平行（紙面に垂直）になるように配置した。液
晶分子６６ａの長軸方向と基板６１の法線を含む面での
入射角θに対する屈折率異方性△ｎと距離ｄ／ｃｏｓθ
の積は、前記（数３）にθ＝π/2−θを代入することに
より得られ、次の（数５）のようになる。

【００３４】

【数５】

【００３５】（数５）から明らかなように、垂直配向の
場合より入射角依存が小さく、入射角が増大すると複屈
折量は減少する。これに対して、分子短軸と基板法線を
含む面では△ｎは角度によらないので、複屈折量は（ｎ
_p−ｎ_s）ｄ／λｃｏｓθとなり、垂直配向の場合と同様
に、ｃｏｓθに反比例して急激に増加する。従って、三
角波板基板６２の三角波プリズムの斜面で屈折する方向
に、複屈折層６５の液晶分子６６ａの短軸を合わせれ
ば、θが増大する一方の偏光に対しては複屈折量が増
え、他方の偏光へ変換される率が逆の場合より高い。な
お、上記各実施例３と同様に、拡散反射板１５を有する
液晶表示素子１２を、偏光板１５の偏光軸を紙面に対し
４５度となるように設け、偏向層６０と複屈折層６５と
で構成された光機能素子を付加した液晶表示装置を構成
し、これを屋内照明の下で表示させたところ、偏向層６
０と複屈折層６５とで構成された光機能素子を付加しな
い従来の液晶表示装置より明るいことが確認された。

【００３６】（第５の実施例）本発明の光機能素子及び
液晶表示装置の好適な第５の実施例を、その構成を示す
断面図である図７を参照しつつ説明する。上記第１の実
施例から第４の実施例までは、偏向層と複屈折層とが分
離されていたが、第５の実施例では１つの液晶パネル８
０でこれら偏向層と複屈折層とを兼ねるように構成され
ている。すなわち、図中上側の第１の基板２では、第１
の実施例１と同様に、ラビングされ水平配向膜４の上
に、垂直配向膜５がラビング方向と４５度をなす方向に
ストライプ状に形成されている。ストライプのピッチは
６μｍであり、ストライプの幅は１：１である。図中下
側の第２の基板８２上には垂直配向膜５が形成されてい
る。第１の基板２と第２の基板８２との基板間隔はスペ
ーサーにより４μｍに保持され、第１の基板２と第２の
基板８２との間の空間にネマチック液晶Ｅ−８を注入す
ることにより液晶層８１が形成されている。液晶層８１
において、第１の基板２の近傍は垂直配向膜５のストラ
イプと４５度をなす水平配向と垂直配向の繰り返しによ
る回折格子構造となり、第２の基板８２の近傍は垂直配
向のみとなる。この場合も、水平配向部の液晶分子６ａ
の長軸に平行な偏光７のみが偏光し、液晶分子６ａの長
軸に垂直な偏光８は直進する。第１の基板２の入射面に
対し４０度方向から入射させた平行光線の内、直進した
偏光８は７％程度が他方の偏光に変わり、回折した偏光
７の内、約１５％が逆の偏光に変換される。従って、第
１の実施例と同様に、液晶層８０の下方にＴＮ液晶表示
素子１２を配置することにより光機能素子を付加した液
晶表示装置を構成し、これを屋内照明の下で表示させた
ところ、光機能素子を付加しない従来の液晶表示装置よ
り明るいことが確認された。

【００３７】なお、上記各実施例では、反射型液晶表示
素子１２の前に本発明の光機能素子を配置したが、透過
型液晶と照明との間に本発明の光機能素子を設けても同
様の効果を奏する。また、液晶表示素子を用いた投射型
表示装置において、光源と液晶表示素子との間に本発明
の光機能素子を配置しても同様の効果を奏する。さら
に、上記各実施例では偏向層及び複屈折層として液晶を
用いたが、延伸したポリマーや無機の複屈折性を有する
物質を用いた場合でも、同様の効果を奏する。また、上
記各実施例では、一方の偏光は複屈折を受けないよう複
屈折層を設定したが、２つの偏光の複屈折量に差があ
り、位相差が縮まるのであれば、必ずしもこのように構
成する必要はない。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光機能素
子及び液晶表示装置によれば、偏光層により入射光に含
まれる一方の偏光と他方の偏光とをそれぞれ異なる方向
に出射させ、偏向層により異なる方向に出射された一方
の偏光及び他方の偏光がそれぞれ異なる入射角度で複屈
折層の入射面に入射させ、複屈折層が有する入射角度に
より異なる複屈折率及び光路長を示す性質により一方の
偏光及び他方の偏光が複屈折層を透過する際、一方の偏
光又は他方の偏光の位相を回転させ、複屈折層から出射
した一方の偏光及び他方の偏光の成分の内、一方の偏光
又は他方の偏光の成分のいずれかを増加させるように構
成したので、従来、液晶表示素子の偏光板等でカットさ
れていた偏光成分を偏光板を通過させることができ、光
利用性が向上し、液晶表示装置等の表示を明るくするこ
とができる。

【００３９】また、複屈折層を出射した一方の偏光及び
他方の偏光の位相差が３０度以下とすることにより、通
常の環境で印刷物を見る場合とほぼ同様の条件で液晶表
示装置等の表示を明るくすることができる。さらに、複
屈折層の複屈折率と光路長との積が、前記複屈折層への
入射角が５０度から７５度の範囲では入射光の主波長の
０．５倍であり、前記入射角が３０度以下の範囲では入
射光の主波長０．１倍以下とすることにより、上記複屈
折層を出射した一方の偏光及び他方の偏光の位相差が３
０度以下という条件を容易に作り出すことができる。ま
た、複屈折層を、対向する平行な一対の透明基板と、前
記一対の透明基板間に設けられ前記透明基板の基板面に
対し垂直に配向された液晶層を具備するように構成する
ことにより、周知の液晶表示素子製造技術を応用するこ
とができ、複屈折層の製作が容易になる。

【００４０】また、偏向層を、入射光に対して複屈折性
を示す部分を周期的に配列した位相型回折格子とするこ
とにより偏光層及び光機能素子を偏平にすることがで
き、液晶表示素子等の表面に取り付けてもあまりかさば
らない。また、偏向層を一対の透明基板間に液晶を注入
し、一対の透明基板のそれぞれ対向する面上に周期的に
異なる配向処理を施し、液晶の配向方向を周期的に変え
ることにより、位相型回折格子の製造が容易になる。ま
た、一対の透明基板のそれぞれ対向する面上に水平配向
膜を形成し、水平配向膜上にそれぞれ周期的に配列され
た垂直配向膜を形成することにより、容易に液晶の配向
方向を周期的に変えることができる。また、水平配向膜
直下の液晶の配向方向と、垂直配向膜直下の液晶の配列
方向とのなす角度が３０度から６０度の範囲とすること
により、複屈折を十分受けることができる。

【００４１】または、偏向層を一対の透明基板のそれぞ
れ対向する２つの面の一方に周期的なストライプ状の凹
凸を設け、他方の対向する面に配向処理を施し、前記前
記一対の透明基板を張合わせて形成された空間部に液晶
を注入し、前記透明基板に対し水平に液晶を配向させた
位相型回折格子とすることにより、水平配向膜上に垂直
配向膜を形成することなく、上記位相型回折格子とほぼ
同様の回折格子が得られ、製造工程が簡略化させる。ま
た、透明基板の凸部の屈折率と液晶の常光屈折率とをほ
ぼ等しくすることにより、液晶分子の長軸に平行な偏光
のみを回折させることができる。または、偏向層を高分
子マトリクス中に液晶分子が基板に対し水平で、かつ一
軸方向に配向したものとし、一方の偏光のみ散乱させる
ことにより、偏光層の構造が簡単になり、また製作が容
易になる。

【００４２】または、偏向層を入射光に対し複屈折性を
示すプリズムを周期的に配列したものとすることによ
り、位相型回折格子を用いた場合よりも大きく光の進行
方向を曲げる（屈折角を大きくする）ことができる。ま
た、偏向層を、一対の透明基板間に液晶を注入したもの
であって、入射光側の透明基板の液晶との境界面に周期
的な傾斜部を設け、前記傾斜部近傍の液晶分子を前記傾
斜方向に平行に配向させたものとすることにより、容易
に上記複屈折性プリズムを形成することができる。

【００４３】また、対向する第１及び第２の透明基板
と、第１及び第２の透明基板間に設けられた液晶層を具
備し、第１の透明基板の液晶層と接する面上に周期的に
繰り返される水平配向処理部と垂直配向処理部とを形成
し、水平配向処理部は、それにより配向される液晶分子
の主軸方向が繰り返し方向と斜めに交差するように配向
処理され、第２の透明基板の液晶層と接する面上を垂直
配向処理し、第１の透明基板を入射側に配置し、第１の
透明基板近傍の液晶が偏向層をなし、第２の透明基板近
傍の液晶が複屈折層となるように構成することにより、
１つの液晶パネルで光機能素子を構成することができ、
製造工程の簡略化及びコストダウンを図ることができ
る。

【００４４】一方、本発明の液晶表示装置は、上記各構
成のいずれかを有する光機能素子の出射側に二色性吸収
型の偏光フィルムと液晶表示素子を配置し、前記光機能
素子の出射光の最も強度の強い偏光方向に前記偏光フィ
ルムの偏光軸を合わせるように構成したので、従来液晶
表示素子の偏光板によりカットされていた光をも偏光板
を透過させることができ、従来のものと比較して表示が
明るくなる。また、液晶表示素子の背後に拡散型反射板
を配置することにより、反射型の液晶表示装置の表示を
明るくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光機能素子及び液晶表示装置の第１の
実施例の構成を示す断面図

【図２】本発明の第１の実施例における液晶の配向方向
を示す平面図

【図３】本発明の第１の実施例における複屈折層の角度
依存特性図

【図４】本発明の光機能素子及び液晶表示装置の第２の
実施例の構成を示す断面図

【図５】本発明の光機能素子及び液晶表示装置の第３の
実施例の構成を示す断面図

【図６】本発明の光機能素子及び液晶表示装置の第４の
実施例の構成を示す断面図

【図７】本発明の光機能素子及び液晶表示装置の第５の
実施例の構成を示す断面図

【図８】従来の投射型表示装置の偏光変換素子の構成を
示す図

【図９】別の従来の投射型表示装置の偏光変換素子の構
成を示す図

【符号の説明】

１：偏向層２：第１の基板３：第２の基板４：水平配向膜５：垂直配向膜６：液晶層６ａ：液晶分子６ｂ：液晶分子７：入射偏光８：入射偏光９：第３の基板１０：複屈折層１１：液晶層１２：液晶表示素子１３ａ：偏光板１３ｂ：偏光板１４：ＴＮ液晶パネル１５：拡散反射板４０：偏向層４１：第１の基板４２：凹凸パターン４３：第２の基板５０：偏向層５１：アクリルフィルム５２：液晶滴５３：入射偏光５４：入射偏光５５：液晶分子６０：偏向層６１：平面基板６２：三角波基板６３：入射偏光６４：入射偏光６５：複屈折層６６：液晶分子８０：液晶パネル８１：液晶層８２：第２の基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光に含まれる一方の偏光と他方の偏
光とをそれぞれ異なる方向に出射させる偏向層と、前記
偏向層により異なる方向に出射された前記一方の偏光及
び他方の偏光がそれぞれ異なる入射角度で入射面に入射
し、入射角度により異なる複屈折率及び光路長を示す複
屈折層とを具備し、前記一方の偏光及び他方の偏光が前
記複屈折層を透過する際、前記一方の偏光又は他方の偏
光の位相を回転させ、前記複屈折層から出射した前記一
方の偏光及び他方の偏光の成分の内、前記一方の偏光又
は他方の偏光の成分のいずれかを増加させる光機能素
子。
【請求項２】複屈折層を出射した一方の偏光及び他方
の偏光の位相差が３０度以下である請求項１記載の光機
能素子。
【請求項３】複屈折層の複屈折率と光路長との積が、
前記複屈折層への入射角が５０度から７５度の範囲では
入射光の主波長の０．５倍であり、前記入射角が３０度
以下の範囲では入射光の主波長０．１倍以下である請求
項１又は２記載の光機能素子。
【請求項４】複屈折層は、対向する平行な一対の透明
基板と、前記一対の透明基板間に設けられ前記透明基板
の基板面に対し垂直に配向された液晶層を具備する請求
項１から３のいずれかに記載の光機能素子。
【請求項５】偏向層は、入射光に対して複屈折性を示
す部分を周期的に配列した位相型回折格子である請求項
１記載の光機能素子。
【請求項６】偏向層は、一対の透明基板間に液晶を注
入したものであって、前記一対の透明基板のそれぞれ対
向する面上に周期的に異なる配向処理を施し、前記液晶
の配向方向を周期的に変えたものである請求項５記載の
光機能素子。
【請求項７】一対の透明基板のそれぞれ対向する面上
に水平配向膜を形成し、前記水平配向膜上にそれぞれ周
期的に配列された垂直配向膜を形成することにより液晶
の配向方向を周期的に変えたものである請求項６記載の
光機能素子。
【請求項８】水平配向膜直下の液晶の配向方向と、垂
直配向膜直下の液晶の配列方向とのなす角度が３０度か
ら６０度の範囲である請求項７記載の光機能素子。
【請求項９】偏向層は、一対の透明基板のそれぞれ対
向する２つの面の一方に周期的なストライプ状の凹凸を
設け、他方の対向する面に配向処理を施し、前記一対の
透明基板を貼合わせて形成された空間部に液晶を注入
し、前記透明基板に対し水平に液晶を配向させた位相型
回折格子である請求項５記載の光機能素子。
【請求項１０】透明基板の凸部の屈折率と液晶の常光
屈折率とがほぼ等しい請求項９記載の光機能素子。
【請求項１１】偏向層は、高分子マトリクス中に液晶
分子が基板に対し水平で、かつ一軸方向に配向したもの
であって、一方の偏光のみ散乱させる請求項１記載の光
機能素子。
【請求項１２】偏向層は、入射光に対し複屈折性を示
すプリズムを周期的に配列したものである請求項１記載
の光機能素子。
【請求項１３】偏向層は、一対の透明基板間に液晶を
注入したものであって、入射光側の透明基板の液晶との
境界面に周期的な傾斜部を設け、前記傾斜部近傍の液晶
分子を前記傾斜方向に平行に配向させたものである請求
項１２記載の光機能素子。
【請求項１４】対向する第１及び第２の透明基板と、
前記第１及び第２の透明基板間に設けられた液晶層を具
備し、前記第１の透明基板の液晶層と接する面上に周期
的に繰り返される水平配向処理部と垂直配向処理部とを
形成し、前記水平配向処理部は、それにより配向される
液晶分子の主軸方向が前記繰り返し方向と斜めに交差す
るように配向処理され、第２の透明基板の液晶層と接す
る面上を垂直配向処理し、前記第１の透明基板を入射側
に配置し、前記第１の透明基板近傍の液晶が偏向層をな
し、前記第２の透明基板近傍の液晶が複屈折層となる請
求項１記載の光機能素子。
【請求項１５】請求項１から１４のいずれかに記載の
光機能素子の出射側に二色性吸収型の偏光フィルムと液
晶表示素子を配置し、前記光機能素子の出射光の最も強
度の強い偏光方向に前記偏光フィルムの偏光軸を合わせ
た液晶表示装置。
【請求項１６】液晶表示素子の背後に拡散型反射板を
配置した請求項１５記載の表示素子。