JP2006145707A

JP2006145707A - 液晶表示装置、撮像装置

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Publication number: JP2006145707A
Application number: JP2004333695A
Authority: JP
Inventors: Masayasu Mizushima; 正康水島
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】複数の液晶層からなる液晶パネルにおいて、光の入射方向の依存性を低減させる。
【解決手段】第１の基板１０ａと第２の基板１０ｂとの間に第１の液晶層１３ａが狭持され、第１の基板１０ａと第１の液晶層１３ａの間、又は第１の液晶層１３ａと第２の基板１０ｂの間に第１の液晶層１３ａの配向方向を決定する第１の配向膜１２ａが形成されてなる第１の液晶セル１４ａと、第２の基板１０ｂと第３の基板１０ｃとの間に第２の液晶層１３ｂが狭持され、第２の基板１０ｂと第２の液晶層１３ｂとの間、又は第２の液晶層１３ｂと第３の基板１０ｃとの間に第２の液晶層１３ｂの配向方向を決定する第２の配向膜１２ｂが形成されてなる第２の液晶セル１４ｂとが積層されてなるユニットを２ｎ（ｎは１以上の自然数）ユニット備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶組成物の吸収の異方性を利用した液晶表示装置及び、当該液晶表示装置を利用した撮像装置に関する。

液晶表示装置は、テレビやディスプレイ等の表示装置として多用されているが、入射光の光透過率を調節するための調光装置としても利用されている。液晶表示装置を調光装置として利用する場合、例えば、特許文献１に示すように、液晶セルの光透過時の光透過率の損失を小さくすると同時にコントラスト比（ダイナミックレンジ）を大きくするために、ＴＮ（ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）やＳＴＮ（ＳｕｐｅｒＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）等ではなくポジ型又はネガ型の２層からなるゲスト・ホスト液晶が用いられる。当該特許文献では、２層の液晶層の配向方向が互いに直交するように配置されている。

ここで、従来の液晶表示装置について図１０を参照して説明する。液晶表示装置３０は、図１０に示すように、ガラス基板３１ａ，３１ｂ，３１ｃと、ＩＴＯ等の透明電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと、配向膜３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄと、液晶層３４ａ，３４ｂとがシール３５と接着剤３６により一体的に構成されている。配向膜３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄは、狭持する各液晶層３４ａ，３４ｂの配向方向を決定する。また、液晶層３４ａ，３４ｂは、光の吸収に異方性を有するいわゆるゲスト・ホスト液晶であり、例えば、分子長軸方向の光を吸収するポジ型分子で構成されている。

また、液晶表示装置３０は、液晶層３４ａ，３４ｂを駆動するための交流電圧を印加する電極の引き出し部が設けられている。なお、以下では、基板３１ａ，３１ｂに狭持される液晶層３４ａと、液晶層３４ａの配向方向を決定する配向膜３３ａ，３３ｂと、液晶層３４ａに交流電圧を印加する透明電極３２ａ，３２ｂとを液晶セル３７ａと呼び、基板３１ｂ，３１ｃに狭持される液晶層３４ｂと、液晶層３４ｂの配向方向を決定する配向膜３３ｃ，３３ｄと、液晶層３４ｂに交流電圧を印加する透明電極３２ｃ，３２ｄを液晶セル３７ｂと呼ぶ。

また、図１１（Ａ）は、交流電圧を印加していない時の液晶セル３７ａ，３７ｂの状態を示す。入射光に対して、液晶分子が垂直方向を向いているので、入射光はほとんど吸収されずに透過する。つぎに、図１１（Ｂ）に交流電圧を印加した時の液晶セル３７ａ，３７ｂの状態を示す。入射光に対して、液晶分子が直角方向に捻れているため、入射光の一部が液晶分子に吸収され、光透過率が低下する。

この場合には、液晶セル３７ａの液晶の捻れ方向と、液晶セル３７ｂの液晶の捻れ方向とが互いに直交しているため、入射光は最も効率よく吸収され、光透過率を低減することができる（図１２）。なお、入射光は、全ての方向に振動する自然光である。

特開２００４−１２６４０２号公報特開昭６０−２５６１２０号公報

しかしながら、上述したように配向された液晶セル３７ａ，３７ｂでは、その性質上、いわゆる入射角依存性があるため、電圧印加時の光透過率が入射角や入射方向によって変化してしまう。例えば、図１３に示すように、配向膜の配向方向を対角線方向に配置した液晶表示装置では、視野角が図１３（ｃ）のＡ方向（角度α）である場合には暗く見え、一方、視野角が図１３（ｃ）のＢ方向（角度−α）である場合には明るく見える現象が生じる。この現象は、液晶表示装置に対してＡ方向から入射する光と、Ｂ方向から入射する光では光透過率が大きく異なっているために生ずるものである。

この現象は、液晶素子を調光装置として使用する場合に、例えば、撮影した画像が上下で明るさが異なるという問題を引き起こしてしまう。液晶セルが、撮像装置の光学系内で、光線の入射角がほとんど一定である部分に配置される場合には特に問題とはならないが、より大きな角度差をもって液晶セルに光が入射してくる場所に配置された場合には、より深刻な問題となってくる。

これは従来からディスプレイ等の表示装置では視野角依存として認識されていた問題であり、これを解決する方法として、液晶層を狭持する上方基板に同心円状の配向膜を形成し、下方基板に放射線状の配向膜を形成する方法がある（例えば、特許文献２参照）。しかし、上述のような構造によって解決できるのはＴＮ液晶やＳＴＮ液晶等の単層型の液晶セルに限られており、ゲスト・ホスト液晶のような複層型の液晶セルでは、コントラスト比（ダイナミックレンジ）が低下してしまう問題がある。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、透過率の入射角依存性が極めて小さい複層型の液晶セルを提供することを目的とする。

本発明に係る液晶表示装置は、上述の課題を解決するために、第１の基板と第２の基板との間に第１の液晶層が狭持され、上記第１の基板と上記第１の液晶層の間、又は上記第１の液晶層と上記第２の基板の間に上記第１の液晶層の配向方向を決定する第１の配向膜が形成されてなる第１の液晶セルと、上記第２の基板と第３の基板との間に第２の液晶層が狭持され、上記第２の基板と上記第２の液晶層との間、又は上記第２の液晶層と上記第３の基板との間に上記第２の液晶層の配向方向を決定する第２の配向膜が形成されてなる第２の液晶セルとが積層されてなるユニットを２ｎ（ｎは１以上の自然数）ユニット備え、上記第１の液晶層及び上記第２の液晶層は、液晶分子及び染料分子からなり、上記第１の配向膜には、同心の円輪状の配向パターンが形成されており、上記第２の配向膜には、放射状の配向パターンが形成されている。

また、第１の配向膜及び第２の配向膜には、膜面の中央に配向パターンの中心が位置するように配向パターンが形成されている。

また、第１の配向膜及び第２の配向膜には、多分割された複数の液晶配向領域が形成され、各液晶配向領域の中央に各配向パターンの中心が位置するように配向パターンが形成されている。

また、本発明に係る撮像装置は、上述の課題を解決するために、第１の基板と第２の基板との間に第１の液晶層が狭持され、上記第１の基板と上記第１の液晶層の間、又は上記第１の液晶層と上記第２の基板の間に上記第１の液晶層の配向方向を決定する第１の配向膜が形成されてなる第１の液晶セルと、上記第２の基板と第３の基板との間に第２の液晶層が狭持され、上記第２の基板と上記第２の液晶層との間、又は上記第２の液晶層と上記第３の基板との間に上記第２の液晶層の配向方向を決定する第２の配向膜が形成されてなる第２の液晶セルとが積層されてなるユニットを２ｎ（ｎは１以上の自然数）ユニット備え、上記第１の液晶層及び上記第２の液晶層は、液晶分子及び染料分子からなり、上記第１の配向膜には、同心の円輪状の配向パターンが形成されており、上記第２の配向膜には、放射状の配向パターンが形成されている液晶表示部と、上記液晶表示部の後段に配置され、被写体を撮像する撮像部を備える。

本発明では、配向膜の表面に形成される放射状の配向パターンの方向が中心から外側に向かって形成されるか、又は外側から中心に向かって形成されるかによって、得られる画像の周辺を中心に比べて明るくしたり、暗くしたりすることができる。

また、画像の周辺を中心に比べて明るくすると、撮像光学系が常に問題として抱えている周辺光量が暗くなる現象（シェーディング）に対して極めて有効となる。

また、第１の液晶セルの液晶・染料分子の配向方向を配向膜の配向パターンに応じてすべて一の方向に配向させ、かつ、第２の液晶セルの液晶・染料分子の配向方向を配向膜の配向パターンに応じてすべて他の方向に配向させるので、従来のＴＮやＳＴＮのように一の液晶層内で液晶分子の捻れ現象が生じることがなく、第１の液晶セルの液晶・染料分子の配向方向と第２の液晶セルの液晶・染料分子の配向方向とを互いに直交させることができ、コントラスト比（ダイナミックレンジ）を大きくすることができる。

また、本発明を調光素子として撮像装置に用いた場合、任意の入射角で入射してくる光は、どの方向から入射してきても一定の光透過率を得ることができ、入射方向に関する依存性を生じさせなくすることができる。

以下、本発明の実施の形態として図面に示した液晶表示装置１について、詳細に説明する。液晶表示装置１は、図１に示すように、透明電極１１ａが形成されているガラス基板１０ａと、透明電極１１ｂが形成されているガラス基板１０ｂとの間に液晶層１３ａが狭持され、透明電極１１ａと液晶層１３ａとの間に液晶層１３ａの配向方向を決定する配向膜１２ａが形成されてなる第１のセル１４ａと、透明電極１１ｃが形成されているガラス基板１０ｂと、透明電極１１ｄが形成されているガラス基板１０ｃとの間に液晶層１３ｂが狭持され、透明電極１１ｃと液晶層１３ｂとの間に液晶層１３ｂの配向方向を決定する配向膜１２ｂが形成されてなる第２のセル１４ｂとが積層されてなるユニットを備えている。

また、配向膜１２ａは、液晶層１３ａと透明電極１１ｂとの間に形成されていても良く、また、配向膜１２ｂは、液晶層１３ｂと透明電極１１ｄとの間に形成されていても良い。したがって、液晶表示装置１は、配向膜１２ａ及び配向膜１２ｂが形成されるパターンとして図２に示すように、配向膜１２ａが透明電極１１ａと液晶層１３ａとの間に形成されてなる第１のセル１４ａと、配向膜１２ｂが透明電極１１ｃと液晶層１３ｂとの間に形成されてなる第２のセル１４ｂのユニット（図２（ａ））と、配向膜１２ａが透明電極１１ａと液晶層１３ａとの間に形成されてなる第１のセル１４ａと、配向膜１２ｂが液晶層１３ｂと透明電極１１ｄとの間に形成されてなる第２のセル１４ｂのユニット（図２（ｂ））と、配向膜１２ａが液晶層１３ａと透明電極１１ｂとの間に形成されてなる第１のセル１４ａと、配向膜１２ｂが透明電極１１ｃと液晶層１３ｂとの間に形成されてなる第２のセル１４ｂのユニット（図２（ｃ））と、配向膜１２ａが液晶層１３ａと透明電極１１ｂとの間に形成されてなる第１のセル１４ａと、配向膜１２ｂが液晶層１３ｂと透明電極１１ｄとの間に形成されてなる第２のセル１４ｂのユニット（図２（ｄ））の４パターンある。

配向膜１２ａは、液晶層１３ａの配向方向を決定し、配向膜１２ｂは、液晶層１３ｂの配向方向を決定する。また、配向膜１２ａの表面は、図３に示すように、同心の円輪状の配向パターンが形成されてなり、一方、配向膜１２ｂの表面は、図４に示すように、放射状の配向パターンが形成されてなる。配向パターンの形成処理方法としては、配向膜を塗布した基板上を綿布や化学繊維等で擦るラビング処理方法が一般的であるが、これに限られない。また、配向膜１２ａの表面に放射状の配向パターンが形成され、一方、配向膜１２ｂの表面に同心の円輪状の配向パターンが形成されても良い。

また、配向膜１２ａ及び第２の配向膜１２ｂには、図３及び図４に示すように、膜面の中央に配向パターンの中心が位置するように配向パターンが形成されている。なお、配向膜１２ａ及び第２の配向膜１２ｂには、図５に示すように、多分割された複数の液晶配向領域が形成され、各液晶配向領域の中央に各配向パターンの中心が位置するように配向パターンが形成されていても良い。

液晶層１３ａ及び液晶層１３ｂは、ネガ型液晶分子をホスト材料とし、ポジ型染料分子をゲスト材料とする、いわゆるゲスト−ホスト型液晶であり、液晶・染料分子の方向に応じて光の吸収に変化が生じる、いわゆる異方性を有している。

ここで、液晶表示装置１の動作について説明する。液晶層１３ａは、透明電極１１ａと透明電極１１ｂとの間に所定の電圧が印加されることにより、配向膜１２ａの配向方向に応じて液晶・染料分子が同心の円輪状に配向される。

また、液晶層１３ｂは、透明電極１１ｃと透明電極１１ｄとの間に所定の電圧が印加されることにより、配向膜１２ｂの配向方向に応じて液晶・染料分子が放射状に配向される。

ここで、配向膜の配向パターンの配向方向について述べる。円輪状の配向パターンは、時計回り方向でも、反時計回り方向であっても良く、放射状の配向パターンは、中心から外側に向かう方向でも、外側から中心に向かう方向であっても良い。

ただし、配向パターンが中心から外側に向かって形成されている場合に、駆動電圧が印加されたときには、液晶層１３ｂの液晶・染料分子は、図６（ａ）に示すように、中心から外側に向かって傾斜するようになる。なお、図６（ａ）では、配向膜１２ａには、中心から外側に向かって放射状の配向パターンが形成されており、配向膜１２ｂには、反時計方向の同心の円輪状の配向パターンが形成されている。

このような液晶膜１３ｂを後述する撮像装置の光学系の前面部分に配置すると、撮像された画像は、図７（ａ）に示すように、中心に比べて周辺が明るいものとなる。また、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子の直前部分に配置される場合には、中心に比べて周辺が暗い撮影画像が得られる。

また、配向パターンが外側から中心に向かって形成されている場合に、駆動電圧が印加されたときには、液晶層１３ｂの液晶・染料分子は、図６（ｂ）に示すように、外側から中心に向かって傾斜するようになる。なお、図６（ｂ）では、配向膜１２ａには、外側から中心に向かって放射状の配向パターンが形成されており、配向膜１２ｂには、反時計方向の同心の円輪状の配向パターンが形成されている。

このような液晶膜１３ｂを後述する撮像装置の光学系の前面部分に配置すると、撮像された画像は、図７（ｂ）に示すように、中心に比べて周辺が明るいものとなる。また、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子の直前部分に配置される場合には、中心に比べて周辺が明るい撮像画像が得られる。

このようにして、本発明に係る液晶表示装置１は、配向膜の表面に形成される放射状の配向パターンの方向が中心から外側に向かって形成されるか、又は外側から中心に向かって形成されるかによって、得られる画像の周辺を中心に比べて明るくしたり、暗くしたりすることができる。

また、本発明に係る液晶表示装置１では、第１の液晶セル１４ａの液晶・染料分子の配向方向を配向膜１２ａの配向パターンに応じてすべて一の方向に配向させ、第２の液晶セル１４ｂの液晶・染料分子の配向方向を配向膜１２ｂの配向パターンに応じてすべて他の方向に配向させるので、従来のＴＮやＳＴＮのように一の液晶層内で液晶分子の捻れ現象が生じることがなく、第１の液晶セル１４ａの液晶・染料分子の配向方向と第２の液晶セル１４ｂの液晶・染料分子の配向方向とを互いに直交させることができ、コントラスト比（ダイナミックレンジ）を大きくすることができる。

また、例えば、液晶表示装置１を調光素子として後述する撮像装置に用いた場合、液晶表示装置１の表面における中心と光軸の中心を一致させる必要があるが、液晶表示装置１の表面に対して任意の入射角（例えば、３０°）で入射してくる光は、どの方向から入射してきても一定の光透過率を得ることができ、入射方向に関する依存性を生じさせなくすることができる。

また、液晶表示装置１は、図８に示すように、第１の液晶セル１４ａと第２の液晶セル１４ｂとを積層したユニットを２ｎ（ｎは２以上の自然数）ユニット積層させた構造であっても良い。なお、図８では、２ユニットの構成例を示している。このような構造の場合には、２ｎユニットを同時に駆動させる、すなわち液晶配向方位と実効印加電圧を揃えることにより、光学濃度比（コントラスト比）を充分に大きく確保しながら、調光装置に要求されるより高い応答速度で複数の液晶光学素子を駆動することを実現することができる。

液晶表示装置１において、コントラスト比（ダイナミックレンジ）を小さくすることなく光透過率の入射方向の依存性を軽減することができる。これは液晶セルを調光素子として後述する撮像装置に用いた場合に、特に有効であり、撮影した画面のある方向のみが明るかったり暗かったりする現象を生じることがなく、自然な撮影をすることができる。また、放射状に配向させる一方の液晶層の配向方向と液晶セルの配置場所によっては、周辺の明るさを中心に比べて高くすることができるため、シェーディング補正に対して極めて有効である。

また、上述した液晶表示装置１を撮像装置に用いることもできる。撮像装置２は、図９に示すように、複数のレンズで構成されるレンズ前群２０と、直線偏光を得る偏光板２１と、上述した液晶表示装置１と、複数のレンズで構成されるレンズ後群２２と、被写体を撮像する撮像部２３とを備えている。

レンズ前群２０を透過した光は、偏光板２１を介して直線偏光された後、液晶表示装置１に入射する。そして、液晶表示装置１を透過した光は、レンズ後群２２で集光され、撮像部２３に入射され、撮像部２３で映像化される。

このように構成される撮像装置２は、上述した液晶表示装置１を調光素子として用いるので、液晶表示装置１の表面における中心と光軸の中心を一致させる必要があるが、液晶表示装置１の表面に対して任意の入射角（例えば、３０°）で入射してくる光は、どの方向から入射してきても一定の光透過率を得ることができ、入射方向に関する依存性を生じさせなくすることができる。

したがって、撮像装置２では、撮像画面において、ある方向のみが明るかったり暗かったりするという問題は解消され、撮像画面内の明るさとしては自然な状態での撮影画像が得られる。

また、配向膜を放射状や同心円状に配向をさせると、その中心部分はいわゆる配向乱れという状態になり、正しく配向している周囲と比較して、透過率が大きくなってしまうという問題が生じてしまうことがある。したがって、調光素子として撮像装置のなかに液晶セルを配置する場合には、撮影した画像の中心部分のみが周囲に比べて明るくなってしまう。撮像装置の光学系にもよるが、液晶セルを撮像素子の直前に配置した場合に最も影響がある。この問題を解決するために、本願発明では、配向乱れを起こしている中心部分に対して撮像装置または撮像装置内で明るさ補正を行う補正部を設けるような構成であっても良い。補正部は、液晶セルに印加している電圧の実効値に応じて、配向乱れを起こしていない領域の透過率を変化させ、それに応じて明るさ補正を変化させるものである。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施例に限定されるものではなく、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な変更、置換又はその同等のものを行うことができることは勿論である。

本発明に係る液晶表示装置の構成を示すブロック図である。本発明に係る液晶表示装置の各層の積層パターンを示す図である。配向膜上に形成される第１の配向パターンを示す図である。配向膜上に形成される第２の配向パターンを示す図である。配向膜状に形成される第３の配向パターンを示す図である。配向パターンに応じて変化する液晶・染料分子を示す図である。図６に示す液晶・染料分子の傾斜によって変化する撮像画像を示す図である。本発明に係る液晶表示装置の他の構成を示すブロック図である。本発明に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。従来の液晶表示装置の構成を示すブロック図である。ネガ型のゲストホストセルに対して、駆動電圧のＯＮ／ＯＦＦに応じて変化する光の透過・吸収についての説明に供する図である。ネガ型のゲストホストセルに対して、駆動電圧を印加した場合の光の透過・吸収についての説明に供する図である。入射角依存性についての説明に供する図である。

符号の説明

１液晶表示装置、２撮像装置、１０ａ，１０ｂ，１０ｃガラス基板、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ透明電極、１２ａ，１２ｂ配向膜、１３ａ，１３ｂ液晶層、１４ａ第１のセル、１４ｂ第２のセル

Claims

第１の基板と第２の基板との間に第１の液晶層が狭持され、上記第１の基板と上記第１の液晶層の間、又は上記第１の液晶層と上記第２の基板の間に上記第１の液晶層の配向方向を決定する第１の配向膜が形成されてなる第１の液晶セルと、
上記第２の基板と第３の基板との間に第２の液晶層が狭持され、上記第２の基板と上記第２の液晶層との間、又は上記第２の液晶層と上記第３の基板との間に上記第２の液晶層の配向方向を決定する第２の配向膜が形成されてなる第２の液晶セルとが積層されてなるユニットを２ｎ（ｎは１以上の自然数）ユニット備え、
上記第１の液晶層及び上記第２の液晶層は、液晶分子及び染料分子からなり、
上記第１の配向膜には、同心の円輪状の配向パターンが形成されており、
上記第２の配向膜には、放射状の配向パターンが形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
上記第１の配向膜及び上記第２の配向膜には、膜面の中央に配向パターンの中心が位置するように配向パターンが形成されていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
上記第１の配向膜及び上記第２の配向膜には、多分割された複数の液晶配向領域が形成され、各液晶配向領域の中央に各配向パターンの中心が位置するように配向パターンが形成されていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
第１の基板と第２の基板との間に第１の液晶層が狭持され、上記第１の基板と上記第１の液晶層の間、又は上記第１の液晶層と上記第２の基板の間に上記第１の液晶層の配向方向を決定する第１の配向膜が形成されてなる第１の液晶セルと、上記第２の基板と第３の基板との間に第２の液晶層が狭持され、上記第２の基板と上記第２の液晶層との間、又は上記第２の液晶層と上記第３の基板との間に上記第２の液晶層の配向方向を決定する第２の配向膜が形成されてなる第２の液晶セルとが積層されてなるユニットを２ｎ（ｎは１以上の自然数）ユニット備え、上記第１の液晶層及び上記第２の液晶層は、液晶分子及び染料分子からなり、上記第１の配向膜には、同心の円輪状の配向パターンが形成されており、上記第２の配向膜には、放射状の配向パターンが形成されている液晶表示部と、
上記液晶表示部の後段に配置され、被写体を撮像する撮像部を備えることを特徴とする撮像装置。
上記第１の配向膜及び上記第２の配向膜には、膜面の中央に配向パターンの中心が位置するように配向パターンが形成されていることを特徴とする請求項４記載の撮像装置。
上記第１の配向膜及び上記第２の配向膜には、多分割された複数の液晶配向領域が形成され、各液晶配向領域の中央に各配向パターンの中心が位置するように配向パターンが形成されていることを特徴とする請求項４記載の撮像装置。