JP2007025469A - 光学素子及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示品位の良好な液晶表示装置及び液晶表示装置に適用することによって表示品位を改善可能な光学素子を提供することを目的とする。
【解決手段】 液晶表示パネルＬＰＮの一方の外面に設けられ、第１偏光板５１、液晶分子をハイブリッド配向させた第１液晶フィルム５２、及び、第１偏光板５１と第１液晶フィルム５２との間に配置され第１偏光板５１を透過した直線偏光を楕円偏光に変換するとともに液晶フィルム５２の面内位相差をキャンセルする第１光学補償層５３、を含む第１光学素子ＯＤ１と、液晶表示パネルＬＰＮの他方の外面に設けられ、第２偏光板６１、液晶分子をハイブリッド配向させた第２液晶フィルム６２、及び、第２偏光板６１と第２液晶フィルム６２との間に配置され第２偏光板６１を透過した直線偏光を楕円偏光に変換するとともに液晶フィルム６２の面内位相差をキャンセルする第２光学補償層６３、を含む第２光学素子ＯＤ２と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

この発明は、光学素子及び液晶表示装置に係り、特に、ホモジニアス配向した液晶分子を含む液晶層を備え、外光及びバックライト光の少なくとも一方を利用して画像を表示する液晶表示装置に関する。

ツイステッドネマティック（ＴＮ）型の液晶表示装置には、視野角が狭いといった課題がある。このような課題に対して、視野角補償フィルムを適用し、特定方向の視野角を拡大可能とする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平２００３−２１８３８号公報

一対の基板間にホモジニアス配向した液晶分子を含む液晶層を保持することによって構成された液晶表示装置は、ＴＮ型より視野角を拡大可能であるが、近年、さらなる視野角の拡大及び階調反転の抑制といった表示品位の向上が要求されている。

この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、表示品位の良好な液晶表示装置及び液晶表示装置に適用することによって表示品位を改善可能な光学素子を提供することにある。

この発明の第１の態様による光学素子は、
液晶表示装置に適用可能な光学素子であって、
１つの偏光板と、
液晶分子をハイブリッド配向させた液晶フィルムと、
前記偏光板を透過した直線偏光を楕円偏光に変換するとともに前記液晶フィルムの面内位相差をキャンセルする光学補償層と、
を備えたことを特徴とする。

この発明の第２の態様による液晶表示装置は、
マトリクス状に配置された複数の画素を有する液晶表示装置であって、
互いに対向して配置された第１基板と第２基板との間に液晶層を保持した液晶表示パネルと、
前記液晶表示パネルの一方の外面に設けられ、第１偏光板、液晶分子をハイブリッド配向させた第１液晶フィルム、及び、前記第１偏光板と前記第１液晶フィルムとの間に配置され前記第１偏光板を透過した直線偏光を楕円偏光に変換するとともに前記液晶フィルムの面内位相差をキャンセルする第１光学補償層、を含む第１光学素子と、
前記液晶表示パネルの他方の外面に設けられ、第２偏光板、液晶分子をハイブリッド配向させた第２液晶フィルム、及び、前記第２偏光板と前記第２液晶フィルムとの間に配置され前記第２偏光板を透過した直線偏光を楕円偏光に変換するとともに前記液晶フィルムの面内位相差をキャンセルする第２光学補償層、を含む第２光学素子と、
を備えたことを特徴とする。

この発明の第３の態様による液晶表示装置は、
マトリクス状に配置された複数の画素を有する液晶表示装置であって、
互いに対向して配置された第１基板と第２基板との間に液晶層を保持した液晶表示パネルと、
前記液晶表示パネルの一方の外面に設けられ、偏光板、液晶分子をハイブリッド配向させた液晶フィルム、及び、前記偏光板と前記液晶フィルムとの間に配置され前記偏光板を透過した直線偏光を楕円偏光に変換するとともに前記液晶フィルムの面内位相差をキャンセルする光学補償層、を含む光学素子と、
を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、表示品位の良好な液晶表示装置及び液晶表示装置に適用することによって表示品位を改善可能な光学素子を提供することができる。

以下、この発明の一実施の形態に係る光学素子及びこの光学素子を備えた液晶表示装置について図面を参照して説明する。ここでは、外光を利用して画像を表示する反射部及びバックライト光を利用して画像を表示する透過部をそれぞれの画素に有する半透過型液晶表示装置を例に説明するが、この例に限らない。例えば、各画素が反射部のみを有する反射型液晶表示装置、各画素が透過部のみを有する透過型液晶表示装置、表示領域を構成する一部の画素が反射部を有するとともに他の画素が透過部を有するような液晶表示装置など種々のタイプの液晶表示装置に適用可能である。

図１及び図２に示すように、液晶表示装置は、アクティブマトリクスタイプの半透過型カラー液晶表示装置であって、液晶表示パネルＬＰＮを備えている。この液晶表示パネルＬＰＮは、アレイ基板（第１基板）ＡＲと、アレイ基板ＡＲと互いに対向して配置された対向基板（第２基板）ＣＴと、これらアレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとの間に保持された液晶層ＬＱと、を備えて構成されている。

また、この液晶表示装置は、液晶表示パネルＬＰＮの一方の外面（すなわちアレイ基板ＡＲの液晶層ＬＱを保持する面とは反対の外面）に設けられた第１光学素子ＯＤ１、及び、液晶表示パネルＬＰＮの他方の外面（すなわち対向基板ＣＴの液晶層ＬＱを保持する面とは反対の外面）に設けられた第２光学素子ＯＤ２を備えている。さらに、この液晶表示装置は、第１光学素子ＯＤ１側から液晶表示パネルＬＰＮを照明するバックライトユニットＢＬを備えている。

このような液晶表示装置は、画像を表示する表示領域ＤＳＰにおいて、ｍ×ｎ個のマトリクス状に配置された複数の画素ＰＸを備えている。各画素ＰＸは、外光を選択的に反射することによって画像を表示（反射表示）する反射部ＰＲと、バックライトユニットＢＬからのバックライト光を選択的に透過することによって画像を表示（透過表示）する透過部ＰＴと、を有している。

アレイ基板ＡＲは、ガラス板や石英板などの光透過性を有する絶縁基板１０を用いて形成される。すなわち、このアレイ基板ＡＲは、表示領域ＤＳＰにおいて、画素毎に配置されたｍ×ｎ個の画素電極ＥＰ、これら画素電極ＥＰの行方向に沿ってそれぞれ形成されたｎ本の走査線Ｙ（Ｙ１〜Ｙｎ）、これら画素電極ＥＰの列方向に沿ってそれぞれ形成されたｍ本の信号線Ｘ（Ｘ１〜Ｘｍ）、各画素ＰＸにおいて走査線Ｙと信号線Ｘとの交差位置近傍に配置されたｍ×ｎ個のスイッチング素子Ｗ（例えば薄膜トランジスタ）、液晶容量ＣＬＣと並列に補助容量ＣＳを構成するよう画素電極ＥＰに容量結合する補助容量線ＡＹなどを備えている。

アレイ基板ＡＲは、さらに、表示領域ＤＳＰの周辺の駆動回路領域ＤＣＴにおいて、ｎ本の走査線Ｙに接続された走査線ドライバＹＤを構成する少なくとも一部、及び、ｍ本の信号線Ｘに接続された信号線ドライバＸＤを構成する少なくとも一部を備えている。走査線ドライバＹＤは、コントローラＣＮＴによる制御に基づいてｎ本の走査線Ｙに順次走査信号（駆動信号）を供給する。また、信号線ドライバＸＤは、コントローラＣＮＴによる制御に基づいて各行のスイッチング素子Ｗが走査信号によってオンするタイミングでｍ本の信号線Ｘに映像信号（駆動信号）を供給する。これにより、各行の画素電極ＥＰは、対応するスイッチング素子Ｗを介して供給される映像信号に応じた画素電位にそれぞれ設定される。

各スイッチング素子Ｗは、例えば、Ｎチャネル薄膜トランジスタであり、絶縁基板１０上に配置されたポリシリコン半導体層１２を備えている。ポリシリコン半導体層１２は、チャネル領域１２Ｃを挟んだ両側にそれぞれソース領域１２Ｓ及びドレイン領域１２Ｄを有している。このポリシリコン半導体層１２は、ゲート絶縁膜１４によって覆われている。

スイッチング素子Ｗのゲート電極ＷＧは、１本の走査線Ｙに接続され（あるいは走査線Ｙと一体的に形成され）、走査線Ｙ及び補助容量線ＡＹとともにゲート絶縁膜１４上に配置されている。これらゲート電極ＷＧ、走査線Ｙ、及び、補助容量線ＡＹは、層間絶縁膜１６によって覆われている。

スイッチング素子Ｗのソース電極ＷＳ及びドレイン電極ＷＤは、層間絶縁膜１６上においてゲート電極ＷＧの両側に配置されている。ソース電極ＷＳは、１本の信号線Ｘに接続される（あるいは信号線Ｘと一体に形成される）とともに、ポリシリコン半導体層１２のソース領域１２Ｓにコンタクトしている。ドレイン電極ＷＤは、１個の画素電極ＥＰに接続される（あるいは画素電極ＥＰと一体に形成される）とともに、ポリシリコン半導体層１２のドレイン領域１２Ｄにコンタクトしている。これらソース電極ＷＳ、ドレイン電極ＷＤ、及び信号線Ｘは、有機絶縁膜１８によって覆われている。

画素電極ＥＰは、反射部ＰＲに対応して設けられた反射電極ＥＰＲ及び透過部ＰＴに対応して設けられた透過電極ＥＰＴを有している。反射電極ＥＰＲは、有機絶縁膜１８上に配置され、ドレイン電極ＷＤと電気的に接続されている。この反射電極ＥＰＲは、アルミニウムなどの光反射性を有する金属膜によって形成される。透過電極ＥＰＴは、層間絶縁膜１６上に配置され、反射電極ＥＰＲと電気的に接続されている。この透過電極ＥＰＴは、インジウム・ティン・オキサイド（ＩＴＯ）などの光透過性を有する金属膜によって形成される。すべての画素ＰＸに対応した画素電極ＥＰは、配向膜２０によって覆われている。

一方、対向基板ＣＴは、ガラス板や石英板などの光透過性を有する絶縁基板３０を用いて形成される。すなわち、この対向基板ＣＴは、表示領域ＤＳＰにおいて、各画素ＰＸを区画するブラックマトリクス３２、ブラックマトリクス３２によって囲まれた各画素に配置されたカラーフィルタ３４、対向電極ＥＴなどを備えている。

ブラックマトリクス３２は、アレイ基板ＡＲに設けられた走査線Ｙや信号線Ｘなどの配線部に対向するように配置されている。カラーフィルタ３４は、互いに異なる複数の色、例えば赤色、青色、緑色といった３原色にそれぞれ着色された着色樹脂によって形成されている。赤色着色樹脂、青色着色樹脂、及び緑色着色樹脂は、それぞれ赤色画素、青色画素、及び緑色画素に対応して配置されている。

なお、カラーフィルタ３４は、反射部ＰＲと透過部ＰＴとで光学濃度が異なるように形成しても良い。すなわち、反射部ＰＲでは、表示に寄与する外光がカラーフィルタ３４を２回通過するのに対して、透過部ＰＴでは、表示に寄与するバックライト光がカラーフィルタ３４を１回通過するのみである。したがって、反射部ＰＲと透過部ＰＴとで色味を整えるためには、反射部ＰＲに配置された着色樹脂の光学濃度を透過部ＰＴに配置された着色樹脂の半分程度にすることが望ましい。

対向電極ＥＴは、すべての画素ＰＸの画素電極ＥＰに対向するように配置されている。この対向電極ＥＴは、インジウム・ティン・オキサイド（ＩＴＯ）などの光透過性を有する金属膜によって形成される。また、この対向電極ＥＴは、配向膜３６によって覆われている。

このような対向基板ＣＴと上述したようなアレイ基板ＡＲとをそれぞれの配向膜２０及び３６が対向するように配置したとき、両者の間に配置された図示しないスペーサにより、所定のギャップが形成される。このとき、反射部ＰＲには、透過部ＰＴのほぼ半分程度のギャップが形成される。この実施の形態では、反射部ＰＲのギャップは約２．８μｍであり、透過部ＰＴのギャップは約４．８μｍに設定した。

液晶層ＬＱは、これらアレイ基板ＡＲの配向膜２０と対向基板ＣＴの配向膜３６との間に形成されたギャップに封入された液晶分子４０を含む液晶組成物で構成さていれる。この実施の形態では、液晶層ＬＱは、ツイスト角は０ｄｅｇ（ホモジニアス配向）の液晶分子４０を含んでいる。

図３に示すように、第１光学素子ＯＤ１及び第２光学素子ＯＤ２は、これらを通過した光の偏光状態を制御する。すなわち、第１光学素子ＯＤ１は、液晶層ＬＱに楕円偏光の偏光状態を有する光が入射するように自身を通過する光の偏光状態を制御する。したがって、第１光学素子ＯＤ１に入射したバックライト光の偏光状態は、第１光学素子ＯＤ１を通過した際に楕円偏光に変換される。その後、第１光学素子ＯＤ１から出射されたバックライト光は、楕円偏光の偏光状態を保って液晶層ＬＱに入射する。

また、第２光学素子ＯＤ２も同様に、液晶層ＬＱに楕円偏光の偏光状態を有する光が入射するように自身を通過する光の偏光状態を制御する。したがって、第２光学素子ＯＤ２に入射した外光の偏光状態は、第２光学素子ＯＤ１を通過した際に楕円偏光に変換される。その後、第２光学素子ＯＤ２から出射された外光は、楕円偏光の偏光状態を保って液晶層ＬＱに入射する。

第１光学素子ＯＤ１は、１つの第１偏光板５１と、液晶分子をハイブリッド配向させた液晶フィルム５２と、第１偏光板５１を透過した直線偏光を楕円偏光に変換するとともに液晶フィルム５２の面内位相差をキャンセルする第１光学補償層５３と、で構成されている。また、第２光学素子ＯＤ２は、１つの第２偏光板６１と、液晶分子をハイブリッド配向させた液晶フィルム６２と、第１偏光板６１を透過した直線偏光を楕円偏光に変換するとともに液晶フィルム６２の面内位相差をキャンセルする第２光学補償層６３と、で構成されている。

ここで適用される偏光板は、光の進行方向に直交する平面内において、互いに直交する吸収軸及び透過軸を有している。このような偏光板は、ランダムな方向の振動面を有する光から、透過軸と平行な１方向の振動面を有する光すなわち直線偏光の偏光状態を有する光を取り出すものである。

ここで適用される液晶フィルムは、正あるいは負の屈折率異方性を有する液晶分子を液晶状態において法線方向に沿ってハイブリッド配向した状態で固定化させたものであり、ＷＶフィルム（富士写真フィルム社製）を採用している。このような液晶フィルムは、視野角拡大機能を有した位相差板に相当する。

第１光学補償層５３は、第１偏光板５１と第１液晶フィルム５２との間に配置された第１位相差板５３Ａと、第１液晶フィルム５２と第１位相差板５３Ａとの間に配置された第２位相差板５３Ｂと、を備えている。また、第２光学補償層６３は、第２偏光板６１と第２液晶フィルム６２との間に配置された第３位相差板６３Ａと、第２液晶フィルム５２と第３位相差板６３Ａとの間に配置された第４位相差板６３Ｂと、を備えている。

以下の説明では、第１偏光板５１及び第２偏光板６１についてはそれぞれの吸収軸Ａ１及びＡ２によってそれぞれの配置を特定し、また、第１位相差板５３Ａ及び第２位相差板５３Ｂ、及び、第３位相差板６３Ａ及び第４位相差板６３Ｂについてはそれぞれの遅相軸Ｄ１及びＤ２、及び、Ｄ３及びＤ４によってそれぞれの配置を特定するものとする。

ここでは、図４に示すように、この実施の形態に係る液晶表示装置においては、対向基板側から観察したとき、アレイ基板ＡＲ（または対向基板ＣＴ）の主面に平行な平面内において、便宜上、互いに直交するＸ軸及びＹ軸を定義し、この平面の法線方向をＺ軸と定義する。面内とは、Ｘ軸及びＹ軸で規定される平面内に相当する。ここで、Ｘ軸は画面の水平方向に対応し、Ｙ軸は画面の垂直方向に対応するものとする。また、Ｘ軸の正（＋）の方向（０°方位）が画面の右側に対応し、Ｘ軸の負（−）の方向（１８０°方位）が画面の左側に対応するものとする。さらに、Ｙ軸の正（＋）の方向（９０°方位）が画面の上側に対応し、Ｙ軸の負（−）の方向（２７０°方位）が画面の下側に対応するものとする。

第１光学補償層５３を構成する第１位相差板５３Ａ及び第２光学補償層６３を構成する第３位相差板６３Ａは、互いに直交する遅相軸及び進相軸を有している。遅相軸は、複屈折を議論する上で、相対的に屈折率の大きな軸に対応し、進相軸は、相対的に屈折率の小さな軸に対応する。遅相軸は、異常光線の振動面と一致するものとする。進相軸は、常光線の振動面と一致するものとする。常光線及び異常光線の屈折率をそれぞれｎｏ及びｎｅとし、それぞれの光線の進行方向に沿った位相差板の厚さをｄとしたとき、位相差板のリタデーション値Δｎ・ｄ（ｎｍ）は、（ｎｅ・ｄ−ｎｏ・ｄ）で定義される（つまり、Δｎ＝ｎｅ−ｎｏ）。

第１位相差板５３Ａ及び第３位相差板６３Ａは、進相軸及び遅相軸を透過する所定波長の光の間に１／４波長の位相差を与えるいわゆる１／４波長板である。つまり、第１位相差板５３Ａは、面内において、その遅相軸が第１偏光板５１の吸収軸（または透過軸）に対して所定の角度（鋭角）を形成するように配置することにより、第１偏光板５１を透過した直線偏光を所定の楕円率（＝短軸方向の振幅／長軸方向の振幅）を有する楕円偏光に変換する機能を有している。同様に、第３位相差板６３Ａは、面内において、その遅相軸が第２偏光板６１の吸収軸（または透過軸）に対して所定の角度（鋭角）を形成するように配置することにより、第２偏光板６１を透過した直線偏光を所定の楕円率を有する楕円偏光に変換する機能を有している。

一般に、位相差板を構成する複屈折材料は、常光線に対する屈折率ｎｏ及び異常光線に対する屈折率ｎｅが光の波長に依存する特性を有している。このため、位相差板のリタデーション値Δｎ・ｄは、通過する光の波長に依存することになる。このため、カラー表示に利用されるすべての波長範囲において、所定のリタデーションを付与して円偏光を形成するためには、少なくとも２種類の位相差板（１／２波長板及び１／４波長板）を組み合わせ、位相差板のリタデーション値の波長依存性を緩和している。

これに対して、この実施の形態では、偏光板と単一の位相差板（１／４波長板）とを組み合わせ、偏光板の吸収軸と位相差板の遅相軸とを最適化することにより、入射光の波長にかかわらずほぼ一定の楕円率を有する楕円偏光を形成するように構成している。ここでは、その最適化条件として、第１光学素子ＯＤ１については、第１偏光板５１の吸収軸Ａ１と第１位相差板５３Ａの遅相軸Ｄ１との成す鋭角の角度は、２５度以上７０度以下の範囲に設定される。また、第２光学素子ＯＤ２についても同様に、第２偏光板６１の吸収軸Ａ２と第３位相差板６３Ａの遅相軸Ｄ３との成す鋭角の角度は、２５度以上７０度以下の範囲に設定される。

このように、偏光板の吸収軸と位相差板の遅相軸との成す鋭角の角度を上述した範囲に設定することにより、カラー表示に利用されるすべての波長範囲例えば４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の光に対して、所定範囲の楕円率の偏光状態を形成することができ、ほぼ均一な楕円率の楕円偏光を利用することができる。つまり、位相差板におけるリタデーション値の波長依存性による光学特性の劣化も防止することが可能となる。

一方、第１光学補償層５３を構成する第２位相差板５３Ｂ及び第２光学補償層６３を構成する第４位相差板６３Ｂも同様に、互いに直交する遅相軸及び進相軸を有している。これらの第２位相差板５３Ｂ及び第４位相差板６３Ｂは、主に、液晶フィルムの面内位相差をキャンセルするような位相差を有した位相差板である。

液晶フィルムの面内位相差をキャンセルするための最適化条件としては、例えば、第２位相差板５３Ｂは、その遅相軸が第１液晶フィルム５２の遅相軸とほぼ垂直となるように配置し、しかも、第１液晶フィルム５２の面内位相差とは逆極性且つ絶対値がほぼ等しい面内位相差を有するように構成する。同様に、第４位相差板６３Ｂは、その遅相軸が第２液晶フィルム６２の遅相軸とほぼ垂直となるように配置し、しかも、第２液晶フィルム６２の面内位相差とは逆極性且つ絶対値がほぼ等しい面内位相差を有するように構成する。例えば、第１液晶フィルム５２及び第２液晶フィルム６２のそれぞれが−３０ｎｍの面内位相差を有している場合、第２位相差板５３Ｂ及び第４位相差板６３Ｂは、それぞれ＋３０ｎｍの面内位相差を有するように構成することで、液晶フィルムのそれぞれの面内位相差がキャンセルされる。

つまり、第１位相差板５３Ａ及び第３位相差板６３Ａは、主に、１／４波長板として機能するような面内位相差を有しており、通常、緑色波長の光を基準としてその１／４波長に相当する面内位相差に設定されることから、これらの位相差板は、１５０ｎｍ以下の面内位相差を有することになる。

また、第２位相差板５３Ｂ及び第４位相差板６３Ｂは、主に、液晶フィルムが有する極わずかな面内位相差をキャンセルするような面内位相差を有しており、通常、液晶フィルムが有する面内位相差はマイナス数十ｎｍであることから、これらの位相差板も、＋１５０ｎｍ以下の面内位相差を有することになる。

次に、表示モードがノーマリーホワイトモードの半透過型液晶表示装置による反射表示及び透過表示の動作について、図２を参照してより詳細に説明する。

まず、反射部ＰＲにおける液晶層ＬＱを通過する光は、液晶層ＬＱに電位差を与えていない状態すなわち電圧無印加時において、以下のように動作する。すなわち、対向基板ＣＴ側から入射した外光は、第２光学素子ＯＤ２を通過することにより例えば時計回りの楕円偏光の偏光状態を有するように変換された後、対向基板ＣＴを介して液晶層ＬＱに入射する。この楕円偏光は、液晶層ＬＱを通過する際にπ／２の位相差が与えられた後に反射電極ＥＰＲに達する。反射電極ＥＰＲにより反射された反射光は、その時点でπの位相差が与えられ、再び液晶層ＬＱを通過する際にπ／２の位相差が与えられる。つまり、液晶層ＬＱを往復した楕円偏光は２πの位相差が与えられることになる。したがって、反射部ＰＲによって反射された反射光は、時計回りの楕円偏光の偏光状態を保って対向基板ＣＴを通過する。この楕円偏光は、第２光学素子ＯＤ２を通過可能であるため、カラーフィルタ３４の色に即した単色の明表示に寄与する。

一方、反射部ＰＲにおける液晶層ＬＱを通過する光は、液晶層ＬＱに電位差を与えた状態すなわち電圧印加時において、以下のように動作する。すなわち、電圧無印加時と同様に、対向基板ＣＴ側から入射した外光は、第２光学素子ＯＤ２を通過することにより例えば時計回りの楕円偏光の偏光状態を有するように変換され、対向基板ＣＴを介して液晶層ＬＱに入射する。この楕円偏光は、電圧印加時の液晶層ＬＱの残留リタデーションが０の場合には、液晶層ＬＱを通過する際に位相差の影響を受けないので、そのままの偏光状態を保って反射電極ＥＰＲに達する。反射電極ＥＰＲにより反射された反射光は、前述と同様にその時点でπの位相差が与えられ、再び液晶層ＬＱを通過するが、位相差の影響を受けないので、液晶層ＬＱを往復した楕円偏光はπの位相差が与えられることになる。つまり、反射部ＰＲによって反射された反射光は、反時計回りの楕円偏光の偏光状態に変換されて対向基板ＣＴを通過する。この楕円偏光は、第２光学素子ＯＤ２を通過しない。このため、暗表示すなわち黒表示となる。

なお、液晶層ＬＱに電圧を印加した場合には、基板界面の液晶分子は、配向規制力（アンカリング）により完全に立ちきらないため、電圧印加時の液晶層ＬＱの残留リタデーションは０ではなく、数〜数十ｎｍ程度の残留リタデーションを有するのが通常である。その際は、第２光学素子ＯＤ２を構成するいずれかの位相差板のリタデーション値を液晶層ＬＱの残留リタデーションの分だけ小さくすることにより、反射電極ＥＰＲに達する光の偏光状態は液晶層ＬＱの残留リタデーションが０の時と同一となり、上述と同様なメカニズムで黒表示を行うことができる。

このように、反射部ＰＲでは、外光を選択的に反射することによって画像を表示する。

透過部ＰＴにおける液晶層ＬＱを通過する光は、電圧無印加時において、以下のように動作する。すなわち、バックライトユニットＢＬから出射されたバックライト光は、第１光学素子ＯＤ１を通過することにより例えば反時計回りの楕円偏光の偏光状態を有するように変換され、アレイ基板ＡＲを介して液晶層ＬＱに入射する。この楕円偏光は、反射部ＰＲの約２倍のギャップを有する透過部ＰＴにおいて液晶層ＬＱを通過する際にπの位相差が与えられる。つまり、透過部ＰＴを透過した透過光は、時計回りの楕円偏光の偏光状態を有するように変換され、対向基板ＣＴを通過する。この楕円偏光は、第２光学素子ＯＤ２を通過可能であるため、カラーフィルタ３４の色に即した単色の明表示に寄与する。

一方、透過部ＰＴにおける液晶層ＬＱを通過する光は、電圧印加時において、以下のように動作する。すなわち、電圧無印加時と同様に、アレイ基板ＡＲ側から入射したバックライト光は、第１光学素子ＯＤ１を通過することにより例えば反時計回りの楕円偏光の偏光状態を有するように変換され、アレイ基板ＡＲを介して液晶層ＬＱに入射する。この楕円偏光は、例えば電圧印加時の液晶層の残留リタデーションが０の場合には、液晶層ＬＱを通過する際に位相差の影響を受けないので、そのままの偏光状態を保って対向基板ＣＴを通過する。この楕円偏光は、第２光学素子ＯＤ２を通過しない。このため、暗表示、すなわち黒表示となる。

このように、透過部ＰＴでは、バックライト光を選択的に透過することによって画像を表示する。

（実施例）
液晶層ＬＱは、ホモジニアス配向した液晶分子４０を含む液晶組成物で構成されており、例えば、液晶組成物としてＭＪ０４１１１３（メルク社製、Δｎ＝０．０６５）を適用した。このとき、液晶分子４０のダイレクタ（液晶分子の長軸方向）４０Ｄは、図４に示すＸ−Ｙ平面内において、Ｙ軸と平行に設定する。なお、Ｘ軸を基準とした場合（Ｘ軸上の正方向を０°方位とした場合）、ダイレクタ４０Ｄは、２７０°の方位に相当する。

つまり、図５に示すように、液晶表示パネルの法線ＺとＹ軸とを含むＹ−Ｚ平面内において、法線Ｚを基準としてＹ軸の正（＋）の方向に倒れたときの法線Ｚとのなす角度Θ（ｄｅｇ）を正（＋）とし、法線Ｚを基準としてＹ軸の負（−）の方向に倒れたときの法線Ｚとのなす角度Θを負（−）とするとき、液晶分子４０のダイレクタ４０Ｄは、法線Ｚとのなす角度Θが負の範囲に存在する。ここでは、液晶分子４０のダイレクタ４０Ｄが存在する範囲すなわちΘが０°から−９０°までの範囲を主視角方向（画面下側）とし、液晶分子４０のダイレクタ４０Ｄが存在しない範囲すなわちΘが０°から＋９０°までの範囲を反主視角方向（画面上側）とする。

第１偏光板５１は、その吸収軸Ａ１とＸ軸との間に成す角度θ１（ｄｅｇ）で配置される。第１位相差板５３Ａは、上述したように、第１偏光板５１と協同して所定の楕円率を有する楕円偏光を形成するように最適化され、その遅相軸Ｄ１とＸ軸との間に成す角度θ２（ｄｅｇ）で配置される（つまり、｜θ２−θ１｜が２５度以上７０度以下の範囲内となるようにθ１及びθ２を選択する）。第１液晶フィルム５２は、その遅相軸ＤＬ１とＸ軸との間に成す角度θ３（ｄｅｇ）で配置される。第２位相差板５３Ｂは、上述したように、第１液晶フィルム５２の面内位相差をキャンセルするように最適化され、その遅相軸Ｄ２とＸ軸との間に成す角度θ４（ｄｅｇ）で配置される。

同様に、第２偏光板６１は、その吸収軸Ａ２と第１偏光板５１の吸収軸Ａ１とがほぼ直交するように配置され、ここではＸ軸との間に成す角度θ５（ｄｅｇ）で配置される。第３位相差板６３Ａは、上述したように、第２偏光板６１と協同して所定の楕円率を有する楕円偏光を形成するように最適化され、その遅相軸Ｄ３とＸ軸との間に成す角度θ６（ｄｅｇ）で配置される（つまり、｜θ６−θ５｜が２５度以上７０度以下の範囲内となるようにθ５及びθ６を選択する）。第２液晶フィルム６２は、その遅相軸ＤＬ２とＸ軸との間に成す角度θ７（ｄｅｇ）で配置される。第４位相差板６３Ｂは、上述したように、第２液晶フィルム６２の面内位相差をキャンセルするように最適化され、その遅相軸Ｄ４とＸ軸との間に成す角度θ８（ｄｅｇ）で配置される。

この実施例では、第１液晶フィルム５２及び第２液晶フィルム６２は、二軸性の位相差板（面内位相差は３０〜４０ｎｍ）であるＷＶフィルム（富士写真フィルム社製）を採用した。第１位相差板５３Ａ及び第３位相差板６３Ａは、一軸性の１／４波長板（面内位相差は１４５ｎｍ）であるゼオノア（株式会社オプテス製）を採用した。第２位相差板５３Ｂ及び第４位相差板６３Ｂは、一軸性の位相差板（面内位相差は３５ｎｍ）であるゼオノア（株式会社オプテス製）を採用した。また、このとき、θ１＝１°、θ２＝３６°、θ３＝０°、θ４＝９０°、θ５＝９１．５°、θ６＝１４５°、θ７＝０°、θ８＝９０°とした。

このような実施例によれば、第１偏光板５１及び第１位相差板５３Ａを透過した波長５５０ｎｍの光の楕円率は０．７５であり、かつ、４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の光についてほぼ同等の楕円率が得られた。また、第２偏光板６１及び第３位相差板６３Ａを透過した波長５５０ｎｍの光についても楕円率は０．７５であり、かつ、４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の光についてほぼ同等の楕円率が得られた。

また、透過部におけるコントラストの視野角依存性をシミュレーションしたところ、図６に示すような特性図が得られた。このような特性図では、中心が液晶表示パネルの法線方向に相当し、０°（ｄｅｇ）方位がＸ軸上の正（＋）の方向、１８０（ｄｅｇ）方位がＸ軸上の負（−）の方向、９０（ｄｅｇ）方位がＹ軸上の正（＋）の方向（画面上側：反主視角方向）、２７０（ｄｅｇ）方位がＹ軸上の負（−）の方向（画面下側：主視角方向）にそれぞれ相当する。また、法線方向を中心とした同心円は、法線に対する倒れ角度であり、それぞれ２０°、４０°、６０°、８０°に相当する。この特性図は、各方向について等しいコントラストが得られる角度を結ぶことで得られたものである。

図６から明らかなように、ほぼ全方位にわたって高コントラスト領域を拡大することができ、特に、画面の主視角方向のコントラスト低下が改善できていることが確認できた。また、全方位にわたって階調反転を抑制できていることが確認できた。

なお、上述した実施例では、第１位相差板、第２位相差板、第３位相差板、及び、第４位相差板のそれぞれは、一軸性の位相差板であるゼオノアを採用したが、同様の一軸性の位相差板や、２軸の位相差板など要求される性能及び補償すべき位相差などに応じて適宜採用可能である。また、第１液晶フィルム及び第２液晶フィルムについても、ＷＶフィルムに限らず、視野角拡大機能を有した他の位相差板を適宜採用可能である。

以上説明したように、この実施の形態によれば、視野角が拡大できるとともに階調反転を抑制することができ、表示品位の良好な画像を表示することが可能となる。

なお、この発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、スイッチング素子ＷがＮチャネル薄膜トランジスタで構成された例について説明したが、同様の各種駆動信号を発生できる構成であれば、他の構成であっても良い。

また、反射型の液晶表示装置においては、液晶表示パネルの一方の外面（すなわち対向基板の外面）のみに、上述した偏光板、液晶フィルム、及び光学補償層を備えた光学素子を配置することにより、実施の形態で説明した半透過型液晶表示装置と同様に表示品位を改善することが可能となる。

図１は、この発明の一実施の形態に係る液晶表示装置の構成を概略的に示す図である。 図２は、図１に示した液晶表示装置の断面構造を概略的に示す図である。 図３は、図２に示した液晶表示装置の第１光学素子及び第２光学素子の構成を概略的に示す図である。 図４は、図２に示した液晶表示装置において液晶分子のダイレクタを基準として、第１光学素子及び第２光学素子の配置関係を説明するための図である。 図５は、液晶分子のダイレクタを説明するための図である。 図６は、実施例の液晶表示装置におけるコントラストの視野角依存性の特性図である。

符号の説明

ＬＰＮ…液晶表示パネル、ＡＲ…アレイ基板、ＣＴ…対向基板、ＬＱ…液晶層、ＰＴ…透過部、ＰＲ…反射部、ＯＤ１…第１光学素子、ＯＤ２…第２光学素子、５１…第１偏光板、５２…第１液晶フィルム、５３…第１光学補償層、５３Ａ…第１位相差板、５３Ｂ…第２位相差板、６１…第２偏光板、６２…第２液晶フィルム、６３…第２光学補償層、６３Ａ…第３位相差板、６３Ｂ…第４位相差板、ＢＬ…バックライトユニット、ＰＸ…画素

Claims (24)

1. 液晶表示装置に適用可能な光学素子であって、
   １つの偏光板と、
   液晶分子をハイブリッド配向させた液晶フィルムと、
   前記偏光板を透過した直線偏光を楕円偏光に変換するとともに前記液晶フィルムの面内位相差をキャンセルする光学補償層と、
   を備えたことを特徴とする光学素子。
2. 前記光学補償層は、
   前記偏光板と前記液晶フィルムとの間に配置され、進相軸及び遅相軸を透過する所定波長の光の間に１／４波長の位相差を与える第１位相差板と、
   前記液晶フィルムと前記第１位相差板との間に配置され、前記液晶フィルムの面内位相差をキャンセルするような位相差を有した第２位相差板と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記偏光板の吸収軸と、前記第１位相差板の遅相軸との成す鋭角の角度は、２５度以上７０度以下の範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
4. 前記液晶フィルムの遅相軸と、前記第２位相差板の遅相軸とは、ほぼ垂直であることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
5. 前記第１位相差板及び前記第２位相差板は、それぞれ１５０ｎｍ以下の面内位相差を有することを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
6. マトリクス状に配置された複数の画素を有する液晶表示装置であって、
   互いに対向して配置された第１基板と第２基板との間に液晶層を保持した液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルの一方の外面に設けられ、第１偏光板、液晶分子をハイブリッド配向させた第１液晶フィルム、及び、前記第１偏光板と前記第１液晶フィルムとの間に配置され前記第１偏光板を透過した直線偏光を楕円偏光に変換するとともに前記液晶フィルムの面内位相差をキャンセルする第１光学補償層、を含む第１光学素子と、
   前記液晶表示パネルの他方の外面に設けられ、第２偏光板、液晶分子をハイブリッド配向させた第２液晶フィルム、及び、前記第２偏光板と前記第２液晶フィルムとの間に配置され前記第２偏光板を透過した直線偏光を楕円偏光に変換するとともに前記液晶フィルムの面内位相差をキャンセルする第２光学補償層、を含む第２光学素子と、
   を備えたことを特徴とする液晶表示装置。
7. 前記第１光学補償層は、
   進相軸及び遅相軸を透過する所定波長の光の間に１／４波長の位相差を与える第１位相差板と、
   前記第１液晶フィルムと前記第１位相差板との間に配置され、前記第１液晶フィルムの面内位相差をキャンセルするような位相差を有した第２位相差板と、
   を備えたことを特徴とする請求項６に記載の液晶表示装置。
8. 前記第１偏光板の吸収軸と、前記第１位相差板の遅相軸との成す鋭角の角度は、２５度以上７０度以下の範囲にあることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
9. 前記第１液晶フィルムの遅相軸と、前記第２位相差板の遅相軸とは、ほぼ垂直であることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
10. 前記第１位相差板及び前記第２位相差板は、それぞれ１５０ｎｍ以下の面内位相差を有することを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
11. 前記第２光学補償層は、
    進相軸及び遅相軸を透過する所定波長の光の間に１／４波長の位相差を与える第３位相差板と、
    前記第２液晶フィルムと前記第３位相差板との間に配置され、前記第２液晶フィルムの面内位相差をキャンセルするような位相差を有した第４位相差板と、
    を備えたことを特徴とする請求項６に記載の液晶表示装置。
12. 前記第２偏光板の吸収軸と、前記第３位相差板の遅相軸との成す鋭角の角度は、２５度以上７０度以下の範囲にあることを特徴とする請求項１２に記載の液晶表示装置。
13. 前記第２液晶フィルムの遅相軸と、前記第４位相差板の遅相軸とは、ほぼ垂直であることを特徴とする請求項１２に記載の液晶表示装置。
14. 前記第３位相差板及び前記第４位相差板は、それぞれ１５０ｎｍ以下の面内位相差を有することを特徴とする請求項１２に記載の液晶表示装置。
15. 前記第１光学素子側から前記液晶表示パネルを照明するバックライトユニットを備えたことを特徴とする請求項６に記載の液晶表示装置。
16. 表示モードがノーマリーホワイトであることを特徴とする請求項６に記載の液晶表示装置。
17. 前記液晶層は、ホモジニアス配向した液晶分子を含むことを特徴とする請求項６に記載の液晶表示装置。
18. マトリクス状に配置された複数の画素を有する液晶表示装置であって、
    互いに対向して配置された第１基板と第２基板との間に液晶層を保持した液晶表示パネルと、
    前記液晶表示パネルの一方の外面に設けられ、偏光板、液晶分子をハイブリッド配向させた液晶フィルム、及び、前記偏光板と前記液晶フィルムとの間に配置され前記偏光板を透過した直線偏光を楕円偏光に変換するとともに前記液晶フィルムの面内位相差をキャンセルする光学補償層、を含む光学素子と、
    を備えたことを特徴とする液晶表示装置。
19. 前記光学補償層は、
    進相軸及び遅相軸を透過する所定波長の光の間に１／４波長の位相差を与える第１位相差板と、
    前記液晶フィルムと前記第１位相差板との間に配置され、前記液晶フィルムの面内位相差をキャンセルするような位相差を有した第２位相差板と、
    を備えたことを特徴とする請求項１８に記載の液晶表示装置。
20. 前記偏光板の吸収軸と、前記第１位相差板の遅相軸との成す鋭角の角度は、２５度以上７０度以下の範囲にあることを特徴とする請求項１９に記載の液晶表示装置。
21. 前記液晶フィルムの遅相軸と、前記第２位相差板の遅相軸とは、ほぼ垂直であることを特徴とする請求項１９に記載の液晶表示装置。
22. 前記第１位相差板及び前記第２位相差板は、それぞれ１５０ｎｍ以下の面内位相差を有することを特徴とする請求項１９に記載の液晶表示装置。
23. 表示モードがノーマリーホワイトであることを特徴とする請求項１８に記載の液晶表示装置。
24. 前記液晶層は、ホモジニアス配向した液晶分子を含むことを特徴とする請求項１８に記載の液晶表示装置。

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