JP2003043251A - 偏光素子、液晶表示装置ならびに携帯端末または表示機器 - Google Patents

偏光素子、液晶表示装置ならびに携帯端末または表示機器

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JP2003043251A
JP2003043251A JP2001230633A JP2001230633A JP2003043251A JP 2003043251 A JP2003043251 A JP 2003043251A JP 2001230633 A JP2001230633 A JP 2001230633A JP 2001230633 A JP2001230633 A JP 2001230633A JP 2003043251 A JP2003043251 A JP 2003043251A
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liquid crystal
light
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English (en)
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Yasunari Nagata
康成 永田
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Kyocera Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】低コストで光利用効率を高めた偏光素子を形成
し、これにより高輝度、高コントラストな表示機器を提
供する。 【解決手段】偏光素子1によれば、偏光板4の主面上に
二軸性位相差フィルム3およびホログラム偏光分離素子
2を順次形成してなり、入射光は、ホログラム偏光分離
素子2により2つの直線偏光に分離し、同時にそれぞれ
所要な方向へ出射し、出射された2つの直線偏光は二軸
性位相差フィルム3に入射し、二軸性位相差フィルム2
により一方の直線偏光は通過し、他方の直線偏光は偏光
方向を90°旋回し、偏光板を通過することで一つの直
線偏光として出射される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は液晶表示装置などの
偏光素子に関するものであり、さらにはこの偏光素子を
設けた液晶表示装置ならびにこの液晶表示装置を配設し
た携帯端末または表示機器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、液晶表示装置は小型もしくは中型
の携帯情報端末やノートパソコンの他に、大型かつ高精
細のモニターにまで使用されている。さらに携帯情報端
末のディスプレイとしての市場拡大の期待が高まってい
る。
【0003】携帯情報端末においては、薄く、軽く、低
電力のディスプレイが求められており、この要求に応じ
るべくバックライトを用いない反射型液晶表示装置、も
しくは明るい所では太陽光、蛍光灯などの外部照明によ
って反射型の装置として用い、暗いところではバックラ
イト等を内部照射として装着し、透過型の装置として用
いる半透過型液晶表示装置が知られている。
【0004】その一例として反射型液晶表示装置を図7
および図8でもって説明する。
【0005】図7は反射型液晶表示装置の断面図であ
り、図8は従来の偏光素子の斜視図である。
【0006】この反射型液晶表示装置22によれば、2
0はSTN型のカラー液晶表示パネル(以下、液晶パネ
ルと称する)であって、液晶パネル20の主面上には第
一位相差フィルム8、第二位相差フィルム7および偏光
板4を順次積層している。
【0007】上記構成の反射型液晶表示装置22におい
て、太陽光、蛍光灯などの外部照射光は、偏光板4、第
2位相差フィルム7、第1位相差フィルム8および液晶
パネル20を順次通過し、液晶パネル20内の反射膜
(図示せず)により反射され画像表示光となる。
【0008】上記偏光板4において、図8に示す如くP
偏光とS偏光が混在した外部照射光は、偏光板4に入
射し、S偏光を吸収することでP偏光のみを通過し、一
つの直線偏光となる。なお、S偏光は偏光板4の光吸
収作用により熱に変換される。
【0009】このように従来の反射型液晶表示装置22
によれば、外部照射光を偏光板4に入射することで1つ
の直線偏光が得られ、画像表示することができた。
【0010】しかしながら、偏光板4はP偏光のみを通
過し、S偏光は吸収されることで50%程度の光利用効
率しかなかった。また、強い光に対しては、偏光板4に
吸収されるS偏光が増加することに伴って、発熱により
高温となり、偏光板4自体が自己破壊を生じるなどの欠
点があった。
【0011】そこで、この問題を解決するために、かか
る偏光素子の改良技術が提案されている(特開平9−1
45926号公報参照)。図9はこの素子の分解斜視図
である。
【0012】同図に示す如く偏光素子33によれば、偏
光板4の主面上に位相差0層31と位相差λ/2層32
とを選択的に複数箇所設け、これらの層上に集光レンズ
30と複屈折層29を順次積層した構成である。なお、
位相差0層31は位相差を生じさせない層である。
【0013】この偏光素子33において入射光は、偏光
面が互いに直交する2種類の直線偏光成分であるP偏光
とS偏光に分離し、同時に互いに異なる方向へ出射し、
これら分離された2つの偏光を集光レンズ30に通過す
ることで、それぞれ空間的に異なる位置にP偏光とS偏
光となって集光する。
【0014】そして、P偏光は位相差0層を通過し、S
偏光は位相差λ/2層によって偏光方向を90°旋回さ
れ、それぞれ偏光板4に通過し、偏光方向のそろったP
偏光を得ることが出来た。
【0015】このように偏光素子33によれば、入射光
は上記偏光プロセスを経ることで、不用偏光成分を有効
に利用することができ、しかも、光吸収作用による発熱
が抑えられたため、自己破壊が生じなくなり、その結
果、安定的に機能させた偏光素子構造が得られた。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
9−145926号公報に提案された偏光素子33によ
れば、複屈折層29、集光レンズ30、2種類の位相差
層ならびに偏光板4を順次積層したことで、微細な位相
差λ/2層32と位相差0層31を同一平面内に選択的
に構成する必要があり、構造的に大変複雑となることで
製造工程が増え、製造コストが上がるという問題があ
る。
【0017】また、上記の偏光プロセスでは、集光レン
ズ30を形成したことで、素子層が厚くなり、素子の小
型化という市場のニーズに応えられないという問題もあ
る。
【0018】さらにまた、光の入射角により集光レンズ
の出射角度も変化し、分離された偏光が選択する位相差
層に入射されないなど光利用効率の低下という問題もあ
る。
【0019】
【発明の目的】本発明は叙上に鑑みて完成されたもので
あり、その目的は偏光素子構造を単純化し、光利用効率
を上げ、さらに小型化および低コストを達成した偏光素
子を提供することにある。
【0020】また、本発明の他の目的は、かかる本発明
の偏光素子を液晶表示パネルの表示面に設けた液晶表示
装置を提供することにある。さらにまた、本発明の他の
目的は、本発明の液晶表示装置を配設した携帯端末また
は表示機器を提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】本発明の偏光素子は、入
射光を偏光方向を互いに直交する二種類の直線偏光に分
離して所要の方向に出射するホログラム偏光分離素子
と、二種類の直線偏光のうち一方を通過し、他方を旋回
させる二軸性位相差フィルムと、偏光板とを順次積層し
たことを特徴とする。
【0022】本発明の液晶表示装置は、かかる構成の偏
光素子を液晶表示パネルの表示面に設けたことを特徴と
する。
【0023】本発明の携帯端末は、本発明の液晶表示装
置を配設したことを特徴とする。
【0024】本発明の表示機器は、本発明の液晶表示装
置を配設したことを特徴とする。
【作用】本発明の偏光素子によれば、偏光板の主面上に
二軸性位相差フィルムとホログラム偏光分離素子とを順
次積層した素子構成にしたことで、従来の偏光素子にて
用いられた集光レンズが不用になり、さらに位相差0層
と位相差λ/2層とを同一平面内の複数箇所に選択形成
する工程をなくしたことで、複雑な製造工程を簡略化で
き、素子層厚を薄くすることができる。
【0025】加えて、従来の偏光素子での課題、すなわ
ち、光の入射角により集光レンズの出射角も変化するこ
とで、分離された偏光が選択する位相差層に入射しない
という点も解消される。
【0026】さらに本発明によれば、ホログラム偏光分
離素子は入射した光を所要な方向に出射できることか
ら、この素子以降の積層される部材に対し光を適切な方
向から入射することができ、これにより光利用効率を高
められる。
【0027】以上のように従来の課題が解消されたこと
で、光利用効率が上がり、製造コストを低減し、素子構
造を単純化し、小型化かつ低コストな偏光素子が提供で
きる。
【0028】また、本発明の偏光素子を液晶表示パネル
に設けることで、小型化、高輝度化、高コントラスト化
および低コスト化した液晶表示装置が提供される。
【0029】
【発明の実施の形態】以下、本発明の偏光素子および液
晶表示装置を図でもって説明する。
【0030】本発明の偏光素子 先ず、本発明の偏光素子の構成および入射された光の偏
光プロセスについて図1に示す。同図は本発明の偏光素
子の分解斜視図である。
【0031】この偏光素子1は、入射方向にそってホロ
グラム偏光分離素子2と二軸性位相差フィルム3と偏光
板4を順次重ねた構成であって、外部照射光は下記に
示す偏光プロセス(1)〜(6)を経る。
【0032】外部照射光をホログラム偏光分離素子2
に入射する。
【0033】入射光はP偏光とS偏光に分離され、
同時にそれぞれ所要な方向に出射される。
【0034】P偏光とS偏光は二軸性位相差フィル
ム3に入射する。
【0035】P偏光は偏光方向を変えずに通過(P偏
光)し、S偏光は偏光方向を90°旋回されること
でP偏光となって出射される。
【0036】P偏光であるとは偏光板4に入射す
る。
【0037】偏光板により極めて偏光方向の揃ったP偏
光とになり出射し、一つの直線偏光が得られる。
【0038】以上の通り、偏光プロセス(1)(2)に
てホログラム偏光分離素子2は、入射光を2つの直線偏
光に分離し、同時に分離した直線偏光を所要な方向に出
射させ、次のプロセス(3)(4)にて二軸性位相差フ
ィルム3は、2つの直線偏光のうち、一方の直線偏光を
通過し、他方の直線偏光の偏光方向を旋回させる。
【0039】このように上記二軸性位相差フィルム3と
ホログラム偏光分離素子2とを偏光板4の主面上に順次
形成したことによって、極めて偏光方向のそろった、低
コストで光利用効率の高い偏光素子1が得られる。
【0040】かくして本発明の偏光素子1によれば、従
来の偏光素子33にて用いた集光レンズ30、位相差0
層31ならびに位相差λ/2層32が不用になったこと
で、複雑な工程が減り、構造を単純化でき、これによ
り、製造コストを低減し、より素子層厚の薄い低コスト
な偏光素子1が得られた。
【0041】また、二軸性位相差フィルム3を用いたこ
とで、従来の素子の課題、すなわち、分離された偏光が
選択した位相差層に入射しないことに起因した光利用効
率低下という課題が解決し、そして、ホログラム偏光分
離素子2により偏光を適切な方向で二軸性位相差フィル
ム3に入射させたことで不用な光の減衰がなくなり、よ
り光の利用効率を高めることができた。
【0042】なお、ホログラム偏光分離素子2の出射光
の出射方向については、この素子以降に積層される部材
の要求特性に対応して適宣決定すればよい。
【0043】次にホログラム偏光分離素子2と二軸性位
相差フィルム3について詳述する。 (ホログラム偏光分離素子)ホログラム偏光分離素子2
について図でもって詳述する。
【0044】図2はホログラム偏光分離素子2に入射さ
れた光の偏光プロセスである。
【0045】同図に示す入射光は前述したように、ホロ
グラム偏光分離素子2により2つの直線偏光に分離し、
同時に所要な方向に出射する。本実施の形態において
は、光を入射面に対して垂直[(001)方向]に入射
し、同時に2つの直交する直線偏光P偏光およびS偏光
に分離し、P偏光は入射面に対して垂直[(001)方
向]に出射し、S偏光は1/3(111)の方向に出射
させた。
【0046】このようにランダムな偏光を持つ光は、ホ
ログラム偏光分離素子2に入射することにより2つの直
線偏光に分離し、それぞれ所要な方向へ出射することが
できた。
【0047】このホログラム偏光分離素子2の製造方法
を図3と図4にて説明する。図3は記録装置6を用いた
ホログラム偏光分離素子2を形成する概要図であり、図
4はホログラム記録層5に干渉縞を形成する概要図であ
る。
【0048】先ず、ホログラム偏光分離素子2は、図3
に示す如くホログラム記録層5(ポラロイド製DMP-1
28フォトポリマー)を記録装置6の所定位置に配置
し、これに物体光(コヒレント光)と参照光(コヒレン
ト光)とを同時に照射し、体積的に干渉縞を記録するこ
とで形成される。この記録した干渉縞が回折格子とな
り、光の経路を曲げる働きをする。
【0049】したがって、参照光と同じ波面の光を照射
すると、この干渉縞によって光の経路が曲げられ、新た
に波面が形成され、この波面は物体光と同じになる。
【0050】上記、ホログラム記録層5はマトリクスポ
リマー(ポリ-N-ビニルピロリドン)、光重合成モノマ
ー(リチウムアクリラート、アクリル酸、メチレンビス
アクリルアミド)、光反応開始剤(ポリエチレンイミ
ン)ならびに分光増感剤(メチレンブルー)を用いて所
定の構成にしたものである。
【0051】次に本実施の形態に用いたホログラム偏光
分離素子2の作製方法を図4でもって説明する。
【0052】同図に示す如く素子の形成においては、前
記記録装置6の所定位置にホログラム記録層を配置し、
参照光としてP偏光とS偏光が混在した光をホログラム
記録層の入射面に対して垂直[(001)方向]に入射
し、物体光としてホログラム記録層の入射面の対向面か
ら、P偏光を(00−1)方向へ、同時にS偏光を−1
/3(111)方向へ入射することで、ホログラム記録
層5に干渉縞を感光している。このような形成過程を経
ることで所要なホログラム偏光分離素子が得られる。 (二軸性位相差フィルム)二軸性位相差フィルム3につ
いては、2つの直線偏光のうち一方を通過し、他方の偏
光方向を旋回させるために使用するものである。
【0053】この二軸性位相差フィルム3は、ポリカー
ボネート等の材料をフィルム状にし、これを垂直方向に
均一に圧力を加えることによって、フィルムの厚み方向
に複屈折が生じるようにしたものである。つまり、面内
にリタデーションを持たないフィルムを厚さ方向に延伸
(あるいは押圧)し、厚さ方向の屈折率楕円体を変化さ
せ形成したものである。
【0054】リタデーションは△ndで表される位相差
であって、△nは複屈折率、dはフィルムの厚さであ
り、この△ndによって媒質中で生じた二つの偏光の位
相差が規定され、合成の偏光状態が決定される。
【0055】本発明では、このフィルム3の厚さ方向の
延伸を制御することによって、ホログラム偏光分離素子
2によって分離されたS偏光に対してのリタデーション
をλ/2とし、所望の偏光状態が得られる。
【0056】なお、下記において二軸性位相差フィルム
3をS偏光の進行方向におけるリタデーションが可視光
の波長の1/2であるものとして、垂直配向フィルム3
と称する。
【0057】この垂直配向フィルム3により偏光がP偏
光からP偏光、P偏光からS偏光となることについて図
1と図5でもって説明する。図5はP偏光およびS偏光
を垂直配向フィルム3により偏光方向を旋回する概要図
である。
【0058】前記垂直配向フィルム3の屈折率楕円体に
ついて考える。
【0059】この垂直配向フィルム3は、フィルム面内
にリタデーションを持たないということからnx=ny
となり、厚さ方向にフィルムを延伸しているのでnx=
ny≠nzとなる。
【0060】ここで、前記ホログラム偏光分離素子にお
いて出射されたP偏光については進行方向に対して垂
直な面で屈折率楕円体を切ると、円形が現れリタデーシ
ョン△nd=0となる。したがって、この方向に通過し
たP偏光の偏光状態は、垂直配向フィルムの通過後
(→)で変化しない。
【0061】これに対して、S偏光においては、進行
方向に対して垂直な面で屈折率楕円体を切ると、x軸、
y軸ならびにz軸に対して45°傾いた楕円が現れリタ
デーション△nd=λ/2となる。したがって、この方
向に通過したS偏光の偏光状態は、フィルム通過後
(→)で90°旋回し、P偏光と同じ状態とな
る。
【0062】この偏光方向の旋回を数式で表したものが
図5下記の行列式である。
【0063】以上、上記二軸性位相差フィルム3とホロ
グラム偏光分離素子2とを用い、偏光板4の主面上に順
次積層させることにより、低コストで光利用効率の高い
偏光素子1を得ることが出来た。
【0064】本発明の液晶表示装置 本発明の偏光素子を用いた液晶表示装置について図でも
って説明する。
【0065】図6は本発明の偏光素子を積層した反射型
液晶表示装置の断面図である。なお、図7と同一の機能
を有する部材は、同一の符号を付す。
【0066】液晶表示装置は完全なる透過型あるいは反
射型、さらには半透過型の液晶表示装置でもよく、バッ
クライトを用いることで、透過型または半透過型にな
る。
【0067】本例では反射型液晶表示装置21を図6に
より説明する。
【0068】STN型のカラー液晶表示パネル20によ
れば、ガラスや合成樹脂からなる透明基板9と透明基板
19とを対向するが、透明基板19の内面にはアクリル
系樹脂材などからなる樹脂でもってほぼ半球状の凸部1
8を多数配列することで、ランダム性の凸状配列群を形
成し、この凸状配列群上に光反射材である銀もしくは銀
合金(AgPd、AgPdCu、AgPdRu、AgCMg、AgCuAu)もしく
は誘電体ミラーを被覆させ反射膜17を形成し、この反
射膜17の上にカラーフィルタ16を設けている。さら
にカラーフィルタ16の間にアルミニウムやクロムなど
の金属からなる薄膜もしくは感光性レジストにて形成し
た遮光膜であるブラックマトリクスを形成してもよい。
【0069】そして、カラーフィルタ16の上にSiO
2や樹脂からなるオーバーコート層15を被覆し、オー
バーコート層15の上に多数平行に配列したITOから
なる透明電極14と、一定方向にラビングしたポリイミ
ド樹脂からなる配向膜13とを順次形成している。
【0070】一方、透明基板9の内面には、多数平行に
配列したITOからなる透明電極10を透明電極14の
配列方向と直交するように形成し、一定方向にラビング
したポリイミド樹脂からなる配向膜11とを順次形成し
ている。なお、透明電極10と配向膜11との間にSi
2からなる絶縁層を設けても良い。
【0071】上記カラーフィルタ16は、顔料分散方
式、すなわちあらかじめ顔料(赤、青、緑など)により
調合された感光性レジストを基板上に塗布し、フォトリ
ソグラフィにより形成する。
【0072】このように形成した、両透明基板9、19
を、例えば200〜270°の角度でツイストされたカ
イラルネマチック液晶からなる液晶層12を介してシー
ル材により貼り合わせる。さらに透明基板9、19の間
には液晶層12の厚みを一定にするためにスペーサ(図
示せず)を多数配置する。
【0073】上記構成の液晶パネル20の表示画面側に
ポリカーボネートなどからなる第1位相差フィルム8と
第2位相差フィルム7および本発明の偏光素子1を順次
形成することで反射型液晶表示装置21となる。
【0074】上記構成の反射型液晶表示装置21におい
ては、太陽光、蛍光灯などの外部照射による照射光が、
偏光素子1を通過するにあたり、ホログラム偏光分離素
子2、二軸性位相差フィルム3および偏光板4を順次通
過し、次いで第2位相差フィルム7、第1位相差フィル
ム8および液晶パネル20を順次通過する。
【0075】液晶パネル20の内部に入射された光は、
カラーフィルタ16を通過して反射膜17にて反射さ
れ、そして再び、第1位相差フィルム8および第2位相
差フィルム7を順次通過し、偏光板4、二軸性位相差フ
ィルム3およびホログラム偏光分離素子2を順次通過す
ることで出射し、安定した鮮明な画像表示ができた。
【0076】本発明の偏光素子1を用いたことにより、
従来に比べて、小型化し、光利用効率の高いことから、
輝度とコントラストを高めた液晶表示装置が得られた。
【0077】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
の変更や改良等はなんら差し支えない。
【0078】例えば、偏光素子1を外部照射光の偏光に
用いたが、透過型、半透過型液晶表示装置に用いられる
バックライトの偏光として用いてもよく、従来はバック
ライトの光を偏光板(偏光フィルム、偏光層)によって
直線偏光に変換し画像表示していたが、本発明の偏光素
子を用いることで光利用効率を上げることができる。
【0079】さらに、光を所要な方向に出射できること
から、光を液晶パネル内に形成したカラーフィルタの一
つ一つに均等に分散させることで極めて均一な画像表示
を得ることができる。
【0080】本発明の携帯電話 図10にて上記反射型液晶表示装置21を搭載した携帯
電話23を説明する。
【0081】この携帯電話23によれば、小型の筐体2
4内に反射型液晶表示装置21を配設している。筐体2
4の上部には送信/受信用のアンテナ25を設け、さら
に表面にはレシーバ26とマイク27とが形成されてい
る。
【0082】本発明の液晶表示装置を搭載した事で、極
めて鮮明な画像表示をした携帯電話が得られた。
【0083】本発明の携帯端末 図11にて反射型液晶表示装置21を配設した携帯端末
28を説明する。この携帯端末28は携帯電話以外の様
々な携帯端末として示す。たとえば、時計、計算機、ゲ
ーム機、万歩計(登録商標)、GPS、POS、ハンデ
ィーターミナル、工業計器などがあるが、これらに限定
されるものではない。
【0084】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれ
ば種々の変更や改善などは何ら差し支えない。たとえ
ば、上記の実施形態においては、単純マトリックスタイ
プの液晶表示装置もしくは、TFTなどのアクティブタ
イプの液晶表示装置に適用できる。単純マトリックスタ
イプの装置においては、本例の如く反射型STN型単純
マトリックスタイプのカラー液晶表示装置以外に、透過
型および半透過型でもよく、その他に双安定型単純マト
リックスタイプのカラーおよびモノクロ液晶表示装置や
モノクロタイプのSTN型単純マトリックスの液晶表示
装置、TN型単純マトリックスタイプの液晶表示装置で
あっても同様な作用効果が得られる。
【0085】また、本発明の液晶表示装置を配設した装
置として、携帯端末でもって例示したが、その他、この
液晶表示装置を表示デバイスとして使用する各種機器に
も適用できる。たとえば、ミシン、ステレオ、楽器、ビ
デオ、ATM、複写機やファクシミリ、駅、レストラ
ン、工場内の表示パネルなどの様々な表示機器の表示板
にも使用してもよい。
【0086】
【発明の効果】以上のとおり、本発明の偏光素子によれ
ば、偏光板の主面上に、二種類の直線偏光のうち一方を
通過し、他方を旋回させる二軸性位相差フィルムと入射
光を二種類の直線偏光に分離すると同時に出射光を所要
な方向に出射することができるホログラム偏光分離素子
とを順次積層したことで、素子層厚を薄くし、光の利用
効率を高めるとともに、製造工程が減ったことで低コス
ト化した偏光素子が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の偏光素子の分解斜視図である。
【図2】ホログラム偏光分離素子による入射光の偏光プ
ロセスの概要図である。
【図3】記録装置を用いたホログラム偏光分離素子を形
成する概要図である。
【図4】ホログラム記録層に干渉縞を形成する概要図で
ある。
【図5】入射光を垂直配向フィルムにより偏光方向を旋
回する概要図である。
【図6】本発明の反射型液晶表示装置の断面図である。
【図7】従来の反射型液晶表示装置の断面図である。
【図8】従来の偏光素子の斜視図である。
【図9】従来の改良された偏光素子の分解斜視図であ
る。
【図10】本発明の携帯電話の一例を示す平面図であ
る。
【図11】本発明の携帯端末の一例を示す平面図であ
る。
【符号の説明】
1・・・偏光素子 2・・・ホログラム偏光分離素子 3・・・二軸性位相差フィルム(垂直配向フィルム) 4・・・偏光板

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入射光を偏光方向を互いに直交する二種類
    の直線偏光に分離して所要の方向に出射するホログラム
    偏光分離素子と、二種類の直線偏光のうち一方を通過
    し、他方を旋回させる二軸性位相差フィルムと、偏光板
    とを順次積層したことを特徴とする偏光素子。
  2. 【請求項2】請求項1の偏光素子を液晶表示パネルの表
    示面に設けた液晶表示装置。
  3. 【請求項3】請求項2の液晶表示装置を配設した携帯端
    末または表示機器。
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