JP2019095597A - 液晶装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】鏡状態と画像表示状態とを切り替えることができる液晶装置において、主に、鏡状態での光反射率を向上させる。【解決手段】当該液晶装置は、表示面を有する表示装置と、前記表示装置の表示面に対向して配置され、自然光に対する透過率が50%以上である吸収型の第1の偏光板と、前記表示装置と前記第1の偏光板との間に配置され、偏光成分を入射したときに、第1の方向の偏光成分を出射する状態と、該第1の方向とは異なる第2の方向の偏光成分を出射する状態と、に切り換えることができる液晶光学素子と、前記表示装置と前記液晶光学素子との間に配置される反射型の第2の偏光板と、を含む。【選択図】 図1

Description

本発明は、鏡状態と画像表示状態とを切り替えることができる液晶装置に関する。
特許文献1には、鏡状態と画像表示状態とを切り替えることができる液晶装置が開示されている。具体的には、画像光を出射する画像表示部と、入射される光の、第1の方向に振動する偏光成分は透過し、第1の方向と直交する第2の方向に振動する偏光成分は反射する反射型偏光手段と、入射される偏光の偏光軸を変化させることができる透過偏光軸可変部と、入射される光の、第1の方向に振動する偏光成分は吸収し、第2の方向に振動する偏光成分は透過する吸収型偏光手段と、が順に配置された液晶装置が開示されている。
透過偏光軸可変部には、ツイストネマチック(TN)型の液晶素子が用いられる。吸収型偏光手段には、一般に流通している染料系偏光板ないしヨウ素系偏光板が用いられる。また、反射型偏光手段には、ワイヤーグリッド偏光板や、多層フィルム型の偏光板(たとえば特許文献2)を用いることが可能であろう。
特許文献1によれば、液晶装置をこのような構成にすることにより、画像表示状態では、高画質な画像を表示することができ、鏡状態では、反射像を見やすくすることができる、としている。また、特許文献1によれば、画像表示状態における表示画像および鏡状態における反射像のコントラストを向上させるためには、偏光手段の偏光度は高い(光透過率は低い)ことが好ましく、具体的に、偏光度は96.6%〜99.5%の範囲内であることが好ましいとしている。
特開2001−318374号公報 特表平10−511322号公報
本発明の主な目的は、新規な構造の液晶装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、鏡状態と画像表示状態とを切り替えることができる液晶装置において、主に、鏡状態での光反射率を向上することにある。
本発明の主な観点によれば、表示面を有する表示装置と、前記表示装置の表示面に対向して配置され、自然光に対する透過率が50%以上である吸収型の第1の偏光板と、前記表示装置と前記第1の偏光板との間に配置され、偏光成分を入射したときに、第1の方向の偏光成分を出射する状態と、該第1の方向とは異なる第2の方向の偏光成分を出射する状態と、に切り換えることができる液晶光学素子と、前記表示装置と前記液晶光学素子との間に配置される反射型の第2の偏光板と、を含む液晶装置、が提供される。
本発明の他の観点によれば、表示面を有する表示装置と、前記表示装置の表示面に対向して配置される吸収型の第1の偏光板と、前記表示装置と前記第1の偏光板との間に配置される反射型の第2の偏光板と、前記表示装置と前記第2の偏光板との間に配置され、偏光成分を入射したときに、第1の方向の偏光成分を出射する状態と、該第1の方向とは異なる第2の方向の偏光成分を出射する状態と、に切り換えることができる液晶光学素子と、前記表示装置と前記液晶光学素子との間に配置される反射型の第3の偏光板と、を含む液晶装置、が提供される。
鏡状態と画像表示状態とを切り替えることができる液晶装置において、鏡状態での光反射率が向上する。
図1Aは、第1の実施例による液晶装置を示すダイアグラムであり、図1Bは液晶光学素子を示す断面図である。 図2は、第2の実施例による液晶装置を示すダイアグラムである。 図3は、吸収型偏光板の光透過率を変化させた時の、液晶装置の光反射率の変化をまとめたテーブルである。 および、 図4A〜図4Cは、第1〜第3の変形例による液晶装置の、光反射率の駆動電圧依存性を示すグラフである。
図1Aは、第1の実施例による液晶装置を示すダイアグラムである。ここで、水平面を構成するX軸およびY軸、ならびに、X軸およびY軸に直交するZ軸、からなるXYZ直交座標系を設定する。
第1の実施例による液晶装置100は、X軸方向に、画像表示装置10,反射型の偏光板20,液晶光学素子30および吸収型の偏光板40、が順番に配置される構成を有する。また、画像表示装置10および液晶光学素子30を電気的に制御する制御装置90を具備する。
画像表示装置10は、たとえば、一般的なTFT(Thin Film Transistor)液晶モニタである。具体的には、照明装置(バックライト)と、照明装置の光軸上に配置され、アクティブマトリクス方式であって、IPS(In−Plane Switching)型である液晶セルと、液晶セルを挟む一対の偏光板と、を含む。制御装置90により、表示面11における画像の表示(明表示)および非表示(暗表示)が制御される。
第1の実施例において、画像表示装置10は、反射型偏光板20側に吸収型偏光板12を含んでいる。該吸収型偏光板はZ軸に沿う偏光軸を有する。これにより、画像表示装置10から出力される光は、たとえばZ軸に沿う偏光軸を有する(Z軸方向の偏光成分を主に含む)。この場合、画像表示装置10は、表示面側に吸収型偏光板を含んでいる方がコントラスト比は高くなる。しかし、前記吸収型偏光板を取り去った構成であっても、画像表示状態では通常レベルの画像が表示できるため、反射型偏光板20側に吸収型偏光板を含まなくてもよい。
反射型偏光板20は、たとえば、多層フィルム型の偏光板であり、Z軸方向の偏光成分を透過し、Y軸方向の偏光成分を反射する。たとえば、自然光(非偏光)を入射したときの光透過率が43%であり、光反射率が45%である。偏光板20は、画像表示装置10の表示面11に対向して配置される。
液晶光学素子30は、入射した直線偏光を、その偏光軸を変化させて透過する状態と、その偏光軸を変化させないで透過する状態と、を切り替えることができる。制御装置90により、入射光(直線偏光)の偏光方向を、たとえば90°回転して、出射するか、または、入射光の偏光方向を変化させないで出射するか、が選択される。液晶光学素子30は、偏光板20に対向して配置される。
図1Bは、液晶光学素子30の構造を示す断面図である。液晶光学素子30は、主に、対向配置される一対の電極34a,34bと、一対の電極34a,34bの間に設けられる液晶層39と、を含む。
具体的には、一対の電極34a,34bは、たとえばインジウム錫酸化物などの、透光性導電部材により構成され、それぞれ透明なガラス基板32a,32b表面に設けられる。なお、一対の電極34a,34bを覆うように、配向膜36a,36bを設けてもよい。配向膜36a,36bには、ラビング処理などの一軸配向処理が施される。
一対の電極34a,34b(ないし基板32a,32b)の間であって、その周縁には、枠状の全体的平面形状を有するシール部材38が設けられている。電極34a,34bおよびシール部材38により囲まれた空間に、たとえばツイストネマチック型の液晶材料が封入され、液晶層39を構成している。
定常時(電圧無印加時)、画像表示装置10(図1A)に近い電極(たとえば第1の電極34a)に近接する液晶分子は、たとえばY軸に沿って配列している。また、画像表示装置10(図1A)から遠い電極(たとえば第2の電極34b)に近接する液晶分子は、たとえばZ軸に沿って配列している。第1の電極34aから第2の電極34bに向かって、液晶分子は、90°捻じれるように配列している。電極34a,34bを介して、液晶層39に電圧が印加されると、YZ平面にほぼ平行に配列する液晶分子が、X軸に沿うように配列する(電極34a,34bに対して直交するように、立ち上がる)。
また、ツイストネマチック型液晶素子についても、90°の場合について例を挙げて説明したが、ツイスト角も90°のみに限定されるものではない。より具体的には、ツイスト角として、60°から120°の範囲のツイストネマチック型液晶素子にも適用できる。
液晶分子のツイスト角を90°から変更したことに対応して、反射型の偏光板20、吸収型の偏光板40の偏光軸を適切な方向に設定する。上記のような範囲のツイスト角、偏光軸に設定することで、良好な表示特性が広い視角範囲にわたって得られる。
なお、液晶層39(液晶材料)の屈折率差(複屈折)Δnは約0.1である。液晶層39の厚み(セル厚)dは6.0μm程度である。液晶光学素子30のリタデーションΔndは、0.6μm程度である。
液晶光学素子30は、定常状態(電圧無印加状態)では、入射した直線偏光を、その偏光軸を変化させて透過する状態になっている。また、電極34a,34bを介して液晶層39に電圧を印加した状態(電圧印加状態)では、入射した直線偏光を、その偏光軸を変化させないで透過する状態になっている。
再度、図1Aを参照する。吸収型偏光板40は、たとえば、染料系の偏光板であり、Z軸方向の偏光成分を透過し、Y軸方向の偏光成分を吸収する。たとえば、自然光を入射したときの光透過率が60%であり、偏光度が49%である。偏光板40は、液晶セル30に対向して配置される。
第1の実施例において、吸収型偏光板40に自然光が入射すると、Z軸方向の偏光成分(Z軸偏光と呼ぶこととする)が吸収型偏光板40を透過する。液晶光学素子30が定常状態である場合、吸収型偏光板40を透過したZ軸偏光が液晶光学素子30に入射すると、Z軸偏光が、Y軸方向の偏光成分(Y軸偏光)に変換されて出射される(入射光の偏光軸が90°回転される)。液晶光学素子30から出射されるY軸偏光は、反射型偏光板20により反射され、再度、液晶光学素子30に入射し、Z軸偏光に変換される。そして、液晶光学素子30を透過したZ軸偏光は、吸収型偏光板40に到達する。
このように、液晶光学素子30が定常状態である場合、吸収型偏光板40に入射する光は、反射型偏光板20により反射される。吸収型偏光板40側から画像表示装置10を観察した場合、主に、反射型偏光板20により反射される像(周囲の風景等)が視認される。すなわち、液晶光学素子30が定常状態である場合、液晶装置100は鏡状態となる。
また、第1の実施例において、画像表示装置10は、主に、Z軸方向の偏光成分(Z軸偏光)を出力する。画像表示装置10から出力されたZ軸偏光は、反射型偏光板20を透過する。液晶光学素子が電圧印加状態である場合、反射型偏光板20を透過したZ軸偏光が液晶光学素子30に入射すると、Z軸偏光がそのまま出射される(入射光の偏光軸が変化しない)。そして、液晶光学素子30から出射されるZ軸偏光は、吸収型偏光板40に到達する。
このように、液晶光学素子30が電圧印加状態である場合、画像表示装置10から出射される光が、吸収型偏光板40まで到達する。吸収型偏光板40側から画像表示装置10を観察した場合、主に、画像表示装置10に表示される像(表示画像)が視認される。すなわち、液晶光学素子30が電圧印加状態である場合、液晶装置100は画像表示状態となる。
このような、鏡状態と画像表示状態とを切り替えることができる液晶装置100は、たとえば車両用のルームミラー(バックミラーないし後写鏡)などに応用することができる。たとえば、通常は鏡状態でルームミラーとして使用し、必要なときに画像表示状態に切り替えて車内の温度などを表示する、等の用途が考えられる。
液晶装置100を車両用のルームミラーに応用する場合、画像表示状態における表示画像の品位(画像の明るさや鮮明さ等)よりも、鏡状態における光反射率の高さが重視される。鏡状態における液晶装置100の光反射率は高いことが好ましく、たとえば40%以上であることが望ましい。
一方で、画像表示状態においても光反射率が高いと、液晶装置に周囲の風景・様子が映り込んで、表示装置10が表示する画像が見えにくくなってしまう。このため、画像表示状態における液晶表示装置100の光反射率は低いことが好ましく、たとえば15%以下であることが好ましい。
発明者らは、第1の実施例において、吸収型偏光板40の光透過率を変化させたときの、鏡状態および画像表示状態における光反射率の変化について検討を行った。その結果、吸収型偏光板40の光透過率を50%としたとき、鏡状態における光反射率が約40%であり、画像表示状態における光反射率が約8%程度であった。また、吸収型偏光板40の光透過率を60%としたとき、鏡状態における光反射率が約42%であり、画像表示状態における光反射率が約12%程度であった。さらに、吸収型偏光板40の光透過率を65%としたとき、鏡状態における光反射率が約43%であり、画像表示状態における光反射率が約16%程度であった。
比較として、従来技術で用いられているような吸収型偏光板40の光透過率が45%としたとき、鏡状態における光反射率が約36%であり、画像表示状態における光反射率が約6%程度であった。従って、従来技術よりも第1の実施例の方が、鏡状態での光反射率が向上することが分かる。
以上の検討結果から、第1の実施例による液晶装置100において、鏡状態における光反射率が40%以上となり、かつ、画像表示状態における光反射率が15%以下となる、吸収型偏光板40の光透過率の範囲は、50%〜60%と推察される。発明者らは、鏡状態における光反射率を向上し、画像表示状態における光反射率を抑制する液晶装置について、更なる検討を行った。
図2は、第2の実施例による液晶装置101を示すダイアグラムである。第2の実施例による液晶装置101は、第1の実施例による液晶装置100(図1A参照)とほぼ同様の構成を有する。第2の実施例による液晶装置101は、液晶光学素子30と吸収型偏光板40との間に、さらに、反射型偏光板50が挿入されている。
すなわち、第2の実施例による液晶装置101は、表示面11を有する画像表示装置10、表示装置10の表示面11に対向して配置される吸収型偏光板40(第1の偏光板)、表示装置10と吸収型偏光板40との間に配置される表側反射型偏光板50(第2の偏光板)、表示装置10と反射型偏光板50との間に配置される液晶光学素子30、および、表示装置10と液晶光学素子30との間に配置される裏側反射型偏光板20(第3の偏光板)、を含む。第2の実施例による画像表示装置10,裏側反射型偏光板20,液晶光学素子30および吸収型偏光板40は、第1の実施例と同様の構造・構成を有している。
表側反射型偏光板50(第2の偏光板)は、たとえば裏側反射型偏光板20(第3の偏光板)と同様のものを用いることができる。たとえば、多層フィルム型の偏光板であり、Z軸方向の偏光成分(Z軸偏光)を透過し、Y軸方向の偏光成分(Y軸偏光)を反射する。自然光を入射したときの光透過率が43%であり、光反射率が45%である。
発明者らは、第2の実施例において、吸収型偏光板40の光透過率を変化させたときの、鏡状態および画像表示状態における光反射率の変化について検討を行った。その結果、吸収型偏光板40の光透過率を50%としたとき、鏡状態における光反射率が約40%であり、画像表示状態における光反射率が約8%程度であった。また、吸収型偏光板40の光透過率を60%としたとき、鏡状態における光反射率が約45%であり、画像表示状態における光反射率が約12%程度であった。
図3は、第1の実施例および第2の実施例において、吸収型偏光板40の光透過率を変化させたときの、鏡状態および画像表示状態における光反射率の変化をまとめたテーブルである。このテーブルから、吸収型偏光板40の光透過率によらず、第2の実施例による液晶装置101の、鏡状態における光反射率が、第1の実施例によるそれよりも大きくなっていることがわかる。一方で、第2の実施例による液晶装置101の、画像表示状態における光反射率は、第1の実施例によるそれと同程度であることがわかる。
第2の実施例による液晶装置101において、鏡状態における光反射率が40%以上となり、かつ、画像表示状態における光反射率が15%以下となる、吸収型偏光板40の光透過率の範囲は、50%〜60%と推察される。
以上のように、第2の実施例による液晶装置のほうが、第1の実施例による液晶装置よりも、画像表示状態における光反射率を同程度に抑えつつ、鏡状態における光反射率が高くなっている。たとえば車両用のルームミラーなど鏡機能を重視するデバイスに応用する場合、第1の実施例によりも第2の実施例による液晶装置の方が好適であろう。
なお、発明者らによる更なる検討によれば、液晶光学素子30のセル厚dないしリタデーションΔndを調整することにより、液晶装置の光反射率はさらに向上する。たとえば、吸収型偏光板40の光透過率を50%とし、液晶光学素子30のリタデーションΔndを0.6μmから0.9μmにすると、液晶装置の光反射率は40%から41%に向上した。また、吸収型偏光板40の光透過率を60%とし、液晶光学素子30のリタデーションΔndを0.6μmから0.9μmにすると、液晶装置の光反射率は45%から46%に向上した。
液晶光学素子30のセル厚dないしリタデーションΔndを調整すると、液晶装置から出力される像(鏡状態における反射像および画像表示状態における表示像)の色味も変化する。光反射率および出力像の色味を勘案すると、液晶光学素子30のリタデーションΔndは、0.8μm〜1.5μm程度が好ましいと考えられる。
以下、図1A、図2を参照して、第1の実施例による液晶装置の変形例1、第2の実施例による液晶装置の変形例2、比較としてカイラル剤が添加されていない第1の実施例による液晶装置の変形例3、について説明する。
変形例1〜3においても、同様に液晶光学素子30は、主に、対向配置される一対の電極34a,34bと、一対の電極34a,34bの間に設けられる液晶層39と、を含む。
具体的には、一対の電極34a,34bは、たとえばインジウム錫酸化物などの、透光性導電部材により構成され、それぞれ透明なガラス基板32a,32b表面に設けられる。なお、一対の電極34a,34bを覆うように、配向膜36a,36bを設けた。配向膜36a,36bには、ラビング処理などの一軸配向処理が施される。液晶層39は、基板面内方向を0°としたときのプレティルト角89.5°に設定されたアンチパラレル配向構造とした。プレティルト角の方位は、液晶層39の厚さ方向の中央で反射型偏光板20、吸収型偏光板40の偏光軸となす角度が45°である方位とした。なお、この場合においてプレティルト角は、89.0°〜89.9°が好ましい。
一対の電極34a,34b(ないし基板32a,32b)の間であって、その周縁には、枠状の全体的平面形状を有するシール部材38が設けられている。電極34a,34bおよびシール部材38により囲まれた空間に、液晶光学素子30の液晶層39に、ツイストネマチック型ではなく、カイラル剤が添加されたバーティカルアライメント型(VA型)の液晶材料が用いられる。
変形例1、変形例2の液晶光学素子の液晶層のリタデーションΔndは、たとえば0.35μm〜0.65μmの範囲内、具体的には0.65μm(Δn=0.13,d=5μm)である。カイラル剤は、たとえば、カイラルピッチ(液晶分子の捻じれ長さ)pに対するセル厚dの比率d/pが0.25〜0.33の範囲内、具体的には0.29(カイラルピッチp:17.24μm、セル厚d:5μm)になるように添加される。
これに対し、変形例3は、液晶光学素子30の液晶層39に、カイラル剤が添加されないバーティカルアライメント型(VA型)の液晶材料が用いられる。
変形例3の液晶光学素子の液晶層のリタデーションΔndは、たとえば0.35μm〜0.65μmの範囲内、具体的には0.65μm(Δn=0.13,d=5μm)である。
変形例1〜3において、吸収型偏光板40の光透過率を変化させたときの、鏡状態および画像表示状態における光反射率の変化について検討を行った。その結果、変形例1では、吸収型偏光板40の光透過率を60%としたとき、鏡状態における光反射率が約46%であり、画像表示状態における光反射率が約13%程度であった。また、変形例2では、吸収型偏光板40の光透過率を60%としたとき、鏡状態における光反射率が約49%であり、画像表示状態における光反射率が約13%程度であった。また、変形例3では、吸収型偏光板40の光透過率を60%としたとき、鏡状態における光反射率が約46%であり、画像表示状態における光反射率が約29%(5V駆動時)程度であった。
図4A〜図4Cは、変形例1(図4A)、変形例2(図4B)、変形例3(図4C)の液晶光学素子に印加する電圧を変化させた場合の電圧―反射率特性である。まず、変形例3においては、印加する電圧を上げていくと、反射率が徐々に下がっていき、鏡状態から画像表示状態に変化する。しかし、印加する電圧が3.8Vのとき光反射率は16.4%であるが、印加する電圧が3.8Vを超えると逆に反射率は上がってしまう。したがって、画像表示状態において光反射率が高くなってしまう。これに対し、変形例1、2においては、印加する電圧を上げていくと、反射率が徐々に下がっていき、鏡状態から画像表示状態に変化する。そして、印加する電圧を上げていくと、駆動電圧5V程度で光反射率が約13%程度まで下がる。
液晶光学素子の液晶層をツイストネマチック型としたときよりも、VA型としたときのほうが、より良好な特性を有する液晶装置を実現することができた。
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。たとえば、実施例では、液晶光学素子が定常状態である場合に、液晶装置が鏡状態になるように、偏光板の透過軸や液晶光学素子の液晶分子配向方向を設定したが、液晶光学素子が定常状態である場合に、液晶装置が画像表示状態になるように、偏光板の透過軸等を設定してもよい。また、吸収型偏光板等の表面に低光反射処理を施して、画像表示状態における光反射率の低減を図ってもよい。さらに、吸収型偏光板ないし反射型偏光板の各々を、複数の同種の偏光板で構成してもかまわないであろう。その他種々の変形、置換、改良等が可能なことは当業者に自明であろう。
10…画像表示装置、11…表示面、12…吸収型偏光板(第4の偏光板)、20…裏側反射型偏光板(第3の偏光板)、30…液晶光学素子、32…基板、34…電極、36…配向膜、38…シール部材、39…液晶層、40…吸収型偏光板(第1の偏光板)、50…表側反射型偏光板(第2の偏光板)、90…制御装置、100…液晶装置(第1の実施例)、101…液晶装置(第2の実施例)。

Claims (7)

  1. 表示面を有する表示装置と、
    前記表示装置の表示面に対向して配置され、自然光に対する透過率が50%以上である吸収型の第1の偏光板と、
    前記表示装置と前記第1の偏光板との間に配置され、偏光成分を入射したときに、第1の方向の偏光成分を出射する状態と、該第1の方向とは異なる第2の方向の偏光成分を出射する状態と、に切り換えることができる液晶光学素子と、
    前記表示装置と前記液晶光学素子との間に配置される反射型の第2の偏光板と、
    を含む液晶装置。
  2. 表示面を有する表示装置と、
    前記表示装置の表示面に対向して配置される吸収型の第1の偏光板と、
    前記表示装置と前記第1の偏光板との間に配置される反射型の第2の偏光板と、
    前記表示装置と前記第2の偏光板との間に配置され、偏光成分を入射したときに、第1の方向の偏光成分を出射する状態と、該第1の方向とは異なる第2の方向の偏光成分を出射する状態と、に切り換えることができる液晶光学素子と、
    前記表示装置と前記液晶光学素子との間に配置される反射型の第3の偏光板と、
    を含む液晶装置。
  3. 前記第1の偏光板は、自然光に対する透過率が50%以上である請求項2記載の液晶装置。
  4. 前記液晶光学素子は、ツイストネマチック型の液晶材料を用いた液晶層を含み、前記液晶層のリタデーションが0.8μm〜1.5μmの範囲内である請求項1〜3の何れかに記載の液晶装置。
  5. 前記液晶光学素子は、カイラル剤が添加されたバーティカルアライメント型の液晶材料を用いた液晶層を含み、カイラルピッチpに対する該液晶層の厚みdの比率d/pが0.250〜0.325の範囲内である請求項1〜3の何れかに記載の液晶装置。
  6. 前記液晶層のリタデーションは、0.35μm〜0.65μmの範囲内である請求項5記載の液晶装置。
  7. 前記表示装置は、表示面側に配置される吸収型の第4の偏光板を含む、請求項1〜3の何れかに記載の液晶装置。
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