JP2023048690A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正面輝度を向上することが可能な表示装置を提供することにある。【解決手段】本実施形態の表示装置は、照明装置と、表示パネルと、表示パネルの第１絶縁基板に接着された第１偏光板と、表示パネルの第２絶縁基板に接着された第２偏光板と、照明装置と第１偏光板との間の位置、または、第２偏光板に対向する位置に配置された透過型の回折格子と、を備える。回折格子は、第３絶縁基板及び第３配向膜を備えた第３基板と、第４絶縁基板及び第４配向膜を備えた第４基板と、第３基板及び第４基板の間に配置され複数の液晶分子を含み複数の液晶分子の配向方向が固定された状態で硬化している第２液晶層と、を備えている。【選択図】図７

Description

本発明の実施形態は、表示装置に関する。

表示装置の一例として、ＩＰＳ（Ｉｎ－Ｐｌａｎｅ－Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードあるいはＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードの液晶表示装置が知られている。これらの横電界方式の液晶表示装置では、液晶層を介して対向する一対の基板のうち、一方の基板が画素電極及び共通電極を備えている。液晶層の液晶分子は、画素電極及び共通電極の間に発生する電界を利用して駆動される。
近年では、従来のＦＦＳモードに比べて応答速度を速めるとともに配向安定性を向上させる方式も提案されている。

特開２０１５－１１４４９３号公報

本実施形態の目的は、正面輝度を向上することが可能な表示装置を提供することにある。

本実施形態の表示装置は、
照明装置と、第１絶縁基板と、前記第１絶縁基板の上に配置されたスイッチング素子と、複数の画素に亘って配置された共通電極と、各画素に配置され前記スイッチング素子と電気的に接続され前記共通電極と対向する画素電極と、第１配向膜と、を備えた第１基板と、第２絶縁基板と、第２配向膜と、を備え、前記第１基板に対向する第２基板と、前記第１基板及び前記第２基板の間に配置された第１液晶層と、前記第１基板に接着された第１偏光板と、前記第２基板に接着された第２偏光板と、前記照明装置と前記第１偏光板との間の位置、または、前記第２偏光板に対向する位置に配置された透過型の回折格子と、を備え、前記画素電極は、第１方向にそれぞれ延出し第２方向に所定のピッチで並んだ複数の枝部と、前記第２方向に延出し前記複数の枝部と接続された幹部と、を有し、前記回折格子は、第３絶縁基板と、第３配向膜と、を備えた第３基板と、第４絶縁基板と、第４配向膜と、を備えた第４基板と、前記第３基板及び前記第４基板の間に配置され、複数の液晶分子を含み、前記複数の液晶分子の配向方向が固定された状態で硬化している第２液晶層と、を備えている。

図１は、本実施形態に係る表示装置ＤＳＰの一構成例を示す図である。 図２は、図１に示した表示パネルＰＮＬの一例を示す図である。 図３は、図２に示した表示パネルＰＮＬの構造の一例を示す断面図である。 図４は、図３に示した画素電極ＰＥの一例を示す平面図である。 図５は、第１液晶層ＬＣ１が正の誘電率異方性（ポジ型）を有する場合の液晶分子ＬＭ１の配向状態を示す図である。 図６は、第１液晶層ＬＣ１が負の誘電率異方性（ネガ型）を有する場合の液晶分子ＬＭ１の配向状態を示す図である。 図７は、回折格子ＴＤＧの構造の一例を示す断面図である。 図８は、図７に示した液晶分子ＬＭ２の配向パターンの一例を示す平面図である。 図９は、表示パネルＰＮＬと回折格子ＴＤＧとが重畳した状態の一例を説明するための図である。 図１０は、表示パネルＰＮＬと回折格子ＴＤＧとが重畳した状態の他の例を説明するための図である。 図１１は、本実施形態に係る表示装置ＤＳＰの光学作用を説明するための図である。 図１２は、本実施形態に係る表示装置ＤＳＰの他の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。

なお、図面には、必要に応じて理解を容易にするために、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸を記載する。Ｘ軸に沿った方向をＸ方向または第１方向と称し、Ｙ軸に沿った方向をＹ方向または第２方向と称し、Ｚ軸に沿った方向をＺ方向または第３方向と称する。Ｘ軸及びＹ軸によって規定される面をＸ－Ｙ平面と称する。Ｘ－Ｙ平面を見ることを平面視という。第１方向Ｘ及び第２方向Ｙは、例えば表示装置ＤＳＰに含まれる基板に平行な方向に相当し、また、第３方向Ｚは、表示装置ＤＳＰの厚さ方向に相当する。

図１は、本実施形態に係る表示装置ＤＳＰの一構成例を示す図である。
表示装置ＤＳＰは、照明装置ＩＬと、透過型の回折格子（以下、単に回折格子と称する）ＴＤＧと、第１偏光板ＰＬ１と、表示パネルＰＮＬと、第２偏光板ＰＬ２と、を備えている。

回折格子ＴＤＧ及び表示パネルＰＮＬは、いずれも液晶パネルである。照明装置ＩＬ、回折格子ＴＤＧ、第１偏光板ＰＬ１、表示パネルＰＮＬ、及び、第２偏光板ＰＬ２は、第３方向Ｚにおいて、この順に並んでいる。つまり、表示パネルＰＮＬは、第１偏光板ＰＬ１と第２偏光板ＰＬ２との間に位置する一方で、回折格子ＴＤＧは、第１偏光板ＰＬ１と第２偏光板ＰＬ２との間には位置していない。図１に示す例では、回折格子ＴＤＧは、照明装置ＩＬと第１偏光板ＰＬ１との間に配置されている。

照明装置ＩＬは、表示パネルＰＮＬを照明するように構成されている。照明装置ＩＬから出射される照明光は、表示装置ＤＳＰの法線方向つまり第３方向Ｚにコリメートされていることが望ましい。

表示パネルＰＮＬは、第１基板ＳＵＢ１と、第３方向Ｚにおいて第１基板ＳＵＢ１と対向する第２基板ＳＵＢ２と、第１基板ＳＵＢ１と第２基板ＳＵＢ２との間に配置された第１液晶層ＬＣ１と、を備えている。第１基板ＳＵＢ１及び第２基板ＳＵＢ２は、シールＳＥ１によって接着されている。第１液晶層ＬＣ１は、シールＳＥ１によって封止されている。表示パネルＰＮＬは、駆動部Ｄｒ１によって駆動される。駆動部Ｄｒ１は、コントローラＣＴＲによって制御される。

第１偏光板ＰＬ１は、第１基板ＳＵＢ１に接着されている。第２偏光板ＰＬ２は、第２基板ＳＵＢ２に接着されている。第１偏光板ＰＬ１及び第２偏光板ＰＬ２は、例えばクロスニコルの関係を満たすように配置されている。つまり、第１偏光板ＰＬ１の透過軸Ｔ１と、第２偏光板ＰＬ２の透過軸Ｔ２とは、Ｘ－Ｙ平面において互いに直交している。一例では、透過軸Ｔ１は第１方向Ｘと平行であり、透過軸Ｔ２は第２方向Ｙと平行である。

回折格子ＴＤＧは、第３基板ＳＵＢ３と、第３方向Ｚにおいて第３基板ＳＵＢ３と対向する第４基板ＳＵＢ４と、第３基板ＳＵＢ３と第４基板ＳＵＢ４との間に配置された第２液晶層ＬＣ２と、を備えている。第３基板ＳＵＢ３及び第４基板ＳＵＢ４は、シールＳＥ２によって接着されている。第２液晶層ＬＣ２は、シールＳＥ２によって封止されている。図１に示す例では、第３方向Ｚにおいて、第３基板ＳＵＢ３は照明装置ＩＬと対向し、第４基板ＳＵＢ４は第１偏光板ＰＬ１と対向している。なお、第４基板ＳＵＢ４と第１偏光板ＰＬ１との間にギャップが形成されていてもよい。
このような回折格子ＴＤＧは、駆動部によって駆動されるものではなく、また、コントローラＣＴＲによって制御されるものでもない。詳細については後述する。

図２は、図１に示した表示パネルＰＮＬの一例を示す図である。
表示パネルＰＮＬは、画像を表示する表示領域ＤＡにおいて、複数の画素ＰＸと、複数の走査線Ｇと、複数の信号線Ｓと、を備えている。複数の走査線Ｇ、及び、複数の信号線Ｓは、互いに交差している。また、表示パネルＰＮＬは、表示領域ＤＡの外側において、第１ドライバＤＲ１と、第２ドライバＤＲ２と、を備えている。複数の走査線Ｇは、第１ドライバＤＲ１と電気的に接続されている。複数の信号線Ｓは、第２ドライバＤＲ２と電気的に接続されている。第１ドライバＤＲ１及び第２ドライバＤＲ２は、図１に示した駆動部Ｄｒ１に含まれ、コントローラＣＴＲによって制御される。

各画素ＰＸは、スイッチング素子ＳＷと、画素電極ＰＥと、を備えている。スイッチング素子ＳＷは、走査線Ｇ及び信号線Ｓと電気的に接続されている。画素電極ＰＥは、スイッチング素子ＳＷと電気的に接続されている。共通電極ＣＥは、複数の画素ＰＸに亘って配置されている。

ここに示した画素ＰＸは、副画素、色画素などと称されるものであり、それぞれカラーフィルタを備え、例えば、赤を表示する赤画素、緑を表示する緑画素、青を表示する青画素、あるいは、白を表示する白画素などに相当する。このような画素ＰＸは、例えば、隣接する２本の走査線Ｇ及び隣接する２本の信号線Ｓによって区画されている。

表示パネルＰＮＬにおいて、第１ドライバＤＲ１は、各走査線Ｇに対して走査信号を供給する。第２ドライバＤＲ２は、各信号線Ｓに対して映像信号を供給する。走査信号が供給された走査線Ｇと電気的に接続されたスイッチング素子ＳＷでは、信号線Ｓと画素電極ＰＥとが導通し、信号線Ｓに供給された映像信号に応じた電圧が画素電極ＰＥに印加される。第１液晶層ＬＣ１は、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間に生じる電界によって駆動される。

図３は、図２に示した表示パネルＰＮＬの構造の一例を示す断面図である。ここでは、第１方向Ｘ及び第３方向Ｚで規定されるＸ－Ｚ断面を参照しながら表示パネルＰＮＬの構造について説明する。

表示パネルＰＮＬは、第１基板ＳＵＢ１と、第２基板ＳＵＢ２と、第１基板ＳＵＢ１と第２基板ＳＵＢ２との間に保持された第１液晶層ＬＣ１と、を備えている。

第１基板ＳＵＢ１は、スイッチング素子ＳＷ、画素電極ＰＥ、共通電極ＣＥ等に加えて、第１絶縁基板１０と、絶縁層１１及び１２と、第１配向膜１３と、を備えている。また、第１基板ＳＵＢ１は、図２に示した走査線Ｇ、信号線Ｓ、第１ドライバＤＲ１、第２ドライバＤＲ２なども備えている。第１絶縁基板１０は、第１液晶層ＬＣ１と対向する内面１０Ａと、内面１０Ａの反対側の外面１０Ｂと、を有している。

スイッチング素子ＳＷは、簡略化して示すが、第１絶縁基板１０の内面１０Ａに配置され、絶縁層１１によって覆われている。スイッチング素子ＳＷに接続される走査線Ｇ及び信号線Ｓの図示を省略している。実際には、絶縁層１１が複数の絶縁層を含み、スイッチング素子ＳＷがこれらの絶縁層の間に配置された半導体層や各種電極を含んでいる。

共通電極ＣＥは、絶縁層１１の上に位置し、複数の画素ＰＸに亘って配置されている。共通電極ＣＥは、絶縁層１２によって覆われている。各画素ＰＸの画素電極ＰＥは、絶縁層１２の上に配置され、絶縁層１２を介して共通電極ＣＥと対向している。各々の画素電極ＰＥは、共通電極ＣＥの開口ＯＰ、及び、絶縁層１１及び１２を貫通するコンタクトホールＣＨを通じて、それぞれスイッチング素子ＳＷと電気的に接続されている。第１配向膜１３は、画素電極ＰＥを覆い、第１液晶層ＬＣ１に接している。

第２基板ＳＵＢ２は、第２絶縁基板２０と、遮光層２１と、カラーフィルタ層２２と、オーバーコート層２３と、第２配向膜２４と、を備えている。第２絶縁基板２０は、第１液晶層ＬＣ１と対向する内面２０Ａと、内面２０Ａの反対側の外面２０Ｂと、を有している。

遮光層２１は、内面２０Ａに配置され、隣接する画素ＰＸの境界に位置している。カラーフィルタ層２２は、赤カラーフィルタ２２Ｒ、緑カラーフィルタ２２Ｇ、及び、青カラーフィルタ２２Ｂを有している。オーバーコート層２３は、カラーフィルタ層２２を覆っている。第２配向膜２４は、オーバーコート層２３を覆い、第１液晶層ＬＣ１に接している。

第１偏光板ＰＬ１は、第１絶縁基板１０の外面１０Ｂに接着されている。第２偏光板ＰＬ２は、第２絶縁基板２０の外面２０Ｂに接着されている。

第１絶縁基板１０及び第２絶縁基板２０は、光透過性を有するガラス基板や樹脂基板等の透明基板である。画素電極ＰＥ及び共通電極ＣＥは、例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）やインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの透明導電材料によって形成された透明電極である。第１配向膜１３及び第２配向膜２４は、いずれもＸ－Ｙ平面に沿った配向規制力を有する水平配向膜であり、一例では光配向処理が施された光配向膜であるが、ラビング処理された配向膜であってもよい。

図４は、図３に示した画素電極ＰＥの一例を示す平面図である。
画素電極ＰＥは、第１方向Ｘにそれぞれ延出した複数の枝部３１と、第２方向Ｙに延出した１つの幹部３２と、を有している。枝部３１及び幹部３２は、一体的に形成され、互いに接続されている。

すべての枝部３１は、幹部３２の片側に接続されている。つまり、すべての枝部３１は、幹部３２から第１方向Ｘに沿って同じ向きに延出している。図示した例では、すべての枝部３１は、幹部３２から図の右側に向かって延出している。一例では、枝部３１の第１方向Ｘに沿った長さＬｘは５μｍ程度であり、第２方向Ｙに沿った枝部３１のピッチＰｙは５～６μｍ程度である。このようなサイズの画素電極ＰＥは、例えば１０００ｐｐｉ程度の高精細パネルに好適である。
枝部３１は、例えば図示したような第１方向Ｘに延びた長方形状であるが、この例に限定されない。

次に、図５及び図６を参照しながら表示パネルＰＮＬの動作原理について説明する。
各図において、第１液晶層ＬＣ１に含まれる液晶分子ＬＭ１、画素電極ＰＥ、及び、共通電極ＣＥを図示して説明する。また、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間に電界が形成されていない状態をオフ時と称し、画素電極ＰＥと共通電極ＣＥとの間に電界が形成された状態をオン時と称する。各図には、オフ時における液晶分子ＬＭ１の配向状態を点線で示し、オン時における液晶分子ＬＭ１の配向状態を実線で示す。

画素電極ＰＥについて、枝部３１は、各図の右側の先端に向かって先細る形状を有している。そして、枝部３１は、第２方向Ｙにおいて対向するエッジ３１Ａ及び３１Ｂを有している。エッジ３１Ａは、第１方向Ｘに沿った軸に対して時計回りに角度θＡをもって傾斜している。エッジ３１Ｂは、第１方向Ｘに沿った軸に対して反時計回りに角度θＢをもって傾斜している。角度θＡ及び角度θＢは、ほぼ同等であり、例えば、１°以上の角度である。

図５は、第１液晶層ＬＣ１が正の誘電率異方性（ポジ型）を有する場合の液晶分子ＬＭ１の配向状態を示す図である。
オフ時における液晶分子ＬＭ１の初期配向方向ＡＤ１は、第１方向Ｘに平行である。つまり、点線で示すように、液晶分子ＬＭ１は、その長軸が第１方向Ｘに平行となるように初期配向している。初期配向方向ＡＤ１は、枝部３１の延出方向に平行である。このような初期配向状態を形成するために、第１液晶層ＬＣ１に接する第１配向膜１３及び第２配向膜２４の配向処理方向は、第１方向Ｘに平行である。

オン時には、Ｘ－Ｙ平面において、エッジ３１Ａ及び３１Ｂに交差する電界が発生する。液晶分子ＬＭ１は、その長軸が電界に対してほぼ平行となるように回転する。例えば、エッジ３１Ａの近傍の液晶分子ＬＭ１は、反時計回りである回転方向Ｒ１に回転する。エッジ３１Ｂの近傍の液晶分子ＬＭ１は、時計回りである回転方向Ｒ２に回転する。つまり、枝部３１に関して、エッジ３１Ａ側とエッジ３１Ｂ側とでは、液晶分子ＬＭ１の回転方向が互いに異なる。

一方で、各枝部３１のエッジ３１Ａとエッジ３１Ｂとの間の中心線Ｃ１の近傍においては、回転方向Ｒ１に回転する液晶分子ＬＭ１と回転方向Ｒ２に回転する液晶分子ＬＭ１とが拮抗している。このため、このような領域の液晶分子ＬＭ１は、オン時において、ほとんど回転せず、初期配向状態を維持している。
同様に、第２方向Ｙに隣接する２つの枝部３１のうち、一方の枝部３１のエッジ３１Ａと他方の枝部３１のエッジ３１Ｂとの間の中心線Ｃ２の近傍においても、液晶分子ＬＭ１は、オン時において、ほとんど回転しない。

図６は、第１液晶層ＬＣ１が負の誘電率異方性（ネガ型）を有する場合の液晶分子ＬＭ１の配向状態を示す図である。
オフ時における液晶分子ＬＭ１の初期配向方向ＡＤ２は、第２方向Ｙに平行である。つまり、点線で示すように、液晶分子ＬＭ１は、その長軸が第２方向Ｙに平行となるように初期配向している。初期配向方向ＡＤ２は、枝部３１の延出方向と直交する。このような初期配向状態を形成するために、第１液晶層ＬＣ１に接する第１配向膜１３及び第２配向膜２４の配向処理方向は、第２方向Ｙに平行である。

オン時の液晶分子ＬＭ１は、Ｘ－Ｙ平面において、その長軸が電界に対してほぼ直交するように回転する。例えば、エッジ３１Ａの近傍の液晶分子ＬＭ１は、反時計回りである回転方向Ｒ１に回転する。エッジ３１Ｂの近傍の液晶分子ＬＭ１は、時計回りである回転方向Ｒ２に回転する。

一方で、各枝部３１の中心線Ｃ１、及び、第２方向Ｙに隣接する枝部３１の間の中心線Ｃ２の近傍においては、液晶分子ＬＭ１は、オン時において、ほとんど回転せず、初期配向状態を維持している。

このように、枝部３１のエッジ３１Ａ近傍においては、液晶分子ＬＭ１の回転方向が揃う。また、エッジ３１Ｂ近傍においても、液晶分子ＬＭ１の回転方向が揃う。但し、エッジ３１Ｂ近傍における液晶分子ＬＭ１の回転方向は、エッジ３１Ａ近傍の液晶分子ＬＭ１の回転方向とは逆方向である。このため、液晶分子ＬＭ１が回転しない領域が、第２方向Ｙに沿って周期的に形成される。これにより、一般的なＦＦＳモードと比較して、電圧を印加した際の応答速度が高速化されるとともに、縦電界による液晶分子ＬＭ１の立ち上がりが発生しにくいため、ポジ型の液晶層を適用した場合よりも配向安定性を高めることが可能となる。

次に、透過型の回折格子ＴＤＧについて説明する。

図７は、回折格子ＴＤＧの構造の一例を示す断面図である。ここでは、第２方向Ｙ及び第３方向Ｚで規定されるＹ－Ｚ断面を参照しながら回折格子ＴＤＧの構造について説明する。

回折格子ＴＤＧは、第３基板ＳＵＢ３と、第４基板ＳＵＢ４と、第３基板ＳＵＢ３と第４基板ＳＵＢ４との間に保持された第２液晶層ＬＣ２と、を備えている。

第３基板ＳＵＢ３は、第３絶縁基板３０と、第３配向膜Ａ３と、を備えている。第３絶縁基板３０は、第２液晶層ＬＣ２と対向する内面３０Ａと、内面３０Ａの反対側の外面３０Ｂと、を有している。第３配向膜Ａ３は、内面３０Ａに配置され、第２液晶層ＬＣ２に接している。つまり、第３配向膜Ａ３は、第３絶縁基板３０に接している。要するに、第３基板ＳＵＢ３は、第３絶縁基板３０と第３配向膜Ａ３との間に、第２液晶層ＬＣ２を駆動するための電極及び配線を備えていない。

第４基板ＳＵＢ４は、第４絶縁基板４０と、第４配向膜Ａ４と、を備えている。第４絶縁基板４０は、第２液晶層ＬＣ２と対向する内面４０Ａと、内面４０Ａの反対側の外面４０Ｂと、を有している。第４配向膜Ａ４は、内面４０Ａに配置され、第２液晶層ＬＣ２に接している。つまり、第４配向膜Ａ４は、第４絶縁基板４０に接している。要するに、第４基板ＳＵＢ４は、第４絶縁基板４０と第４配向膜Ａ４との間に、第２液晶層ＬＣ２を駆動するための電極及び配線を備えていない。

第３絶縁基板３０及び第４絶縁基板４０は、光透過性を有するガラス基板や樹脂基板等の透明基板である。第３配向膜Ａ３及び第４配向膜Ａ４は、いずれもＸ－Ｙ平面に沿った配向規制力を有する水平配向膜である。一例では、第３配向膜Ａ３及び第４配向膜Ａ４は、光配向処理が施された光配向膜である。

第２液晶層ＬＣ２は、第３方向Ｚにおいて配向方向が揃ったネマティック液晶を有している。第２液晶層ＬＣ２に含まれる複数の液晶分子ＬＭ２は、それぞれ所定の方向に配向している。第３配向膜Ａ３及び第４配向膜Ａ４に沿って並んだ複数の液晶分子ＬＭ２の配向方向は、第２方向Ｙに沿って連続的に変化している。このような第２液晶層ＬＣ２は、複数の液晶分子ＬＭ２の配向方向が固定された状態で硬化している。液晶分子ＬＭ２の配向パターンについては後述する。なお、本明細書での液晶分子の配向方向とは、Ｘ－Ｙ平面における液晶分子の長軸の方向に相当する。

第２液晶層ＬＣ２の屈折率異方性あるいは複屈折性をΔｎ（液晶分子の異常光に対する屈折率ｎｅと常光に対する屈折率ｎｏとの差分）とし、第２液晶層ＬＣ２の第３方向Ｚに沿った厚さをｄとし、回折光の波長をλとしたときに、第２液晶層ＬＣ２のリタデーションΔｎ・ｄは、λ／２とすることが望ましい。

点線で囲んだ領域に着目すると、第３方向Ｚに並んだ複数の液晶分子ＬＭ２の配向方向は、互いに平行である。すなわち、複数の液晶分子ＬＭ２のうち、第３配向膜Ａ３の近傍に位置する液晶分子ＬＭ２１の配向方向、及び、第４配向膜Ａ４の近傍に位置する液晶分子ＬＭ２２の配向方向は、ほぼ一致している。また、液晶分子ＬＭ２１と液晶分子ＬＭ２２との間の他の液晶分子ＬＭ２の配向方向も、液晶分子ＬＭ２１の配向方向とほぼ一致している。

ここで、回折格子ＴＤＧによる回折現象について説明する。
なお、点線で示した照明装置ＩＬは、第３方向Ｚにコリメートされた無偏光の照明光を出射するものとする。このような照明光は、右回りの円偏光Ｒである照明光ＬＩ１と、左回りの円偏光Ｌである照明光ＬＩ２と、を含んでいる。

照明光ＬＩ１及び照明光ＬＩ２は、回折格子ＴＤＧの法線Ｎに沿って回折格子ＴＤＧに入射する。照明光ＬＩ１は、回折格子ＴＤＧを透過した後に、左回りの円偏光Ｌである回折光ＬＤ１に変換される。照明光ＬＩ２は、回折格子ＴＤＧを透過した後に、右回りの円偏光Ｒである回折光ＬＤ２に変換される。

回折光ＬＤ１の回折角θｄ１は、回折光ＬＤ２の回折角θｄ２とほぼ等しい。但し、回折光ＬＤ１の回折方向は、回折光ＬＤ２の回折方向とは異なる。図示した例では、回折光ＬＤ１は法線Ｎに対して右側に回折されるのに対して、回折光ＬＤ２は法線Ｎに対して左側に回折される。

図８は、図７に示した液晶分子ＬＭ２の配向パターンの一例を示す平面図である。
図８には、第２液晶層ＬＣ２に含まれる液晶分子ＬＭ２のうち、第２液晶層ＬＣ２と第３配向膜Ａ３との界面近傍に配列した液晶分子ＬＭ２１の配向パターンが示されている。

第２液晶層ＬＣ２において、第２方向Ｙに並んだ液晶分子ＬＭ２１の各々の配向方向は、互いに異なる。つまり、第２液晶層ＬＣ２のＸ－Ｙ平面における空間位相は、第２方向Ｙに沿って異なる。例えば、液晶分子ＬＭ２１の各々の配向方向は、第２方向Ｙに沿って（図の上から下に向かって）、時計回りに一定角度ずつ連続的に変化している。ここでは、互いに隣接する液晶分子ＬＭ２１の配向方向の変化量は、第２方向Ｙに沿って一定である。

ここで、第２方向Ｙに沿って液晶分子ＬＭ２１の配向方向が１８０度だけ変化するときの２つの液晶分子ＬＭ２１の間隔を配向周期Λと定義する。

一方、第２液晶層ＬＣ２において、第１方向Ｘに沿って並んだ液晶分子ＬＭ２１の各々の配向方向は略一致する。つまり、第２液晶層ＬＣ２のＸ－Ｙ平面における空間位相は、第１方向Ｘにおいて略一致する。

図９は、表示パネルＰＮＬと回折格子ＴＤＧとが重畳した状態の一例を説明するための図である。なお、図中には、第１液晶層ＬＣ１がポジ型である場合のオン時の液晶分子ＬＭ１が点線で示されている。但し、上記の通り、第１液晶層ＬＣ１はネガ型であってもよい。

回折格子ＴＤＧにおける配向周期Λは、表示パネルＰＮＬにおける枝部３１のピッチＰｙとほぼ同等である（Λ≒Ｐｙ）。また、配向周期ΛがピッチＰｙに一致することが望ましい（Λ＝Ｐｙ）。配向周期Λ及びピッチＰｙは、１０μｍ以下であり、一例では５～６μｍである。
配向周期Λに対するピッチＰｙの許容される誤差は、１０％以下である。つまり、配向周期ΛとピッチＰｙとの差分は、１μｍ以下である。

上記の通り、第２液晶層ＬＣ２は、配向方向が連続的に変化した複数の液晶分子ＬＭ２を有している。複数の液晶分子ＬＭ２は、第１方向Ｘに配向した液晶分子ＬＭＸ、及び、第２方向Ｙに配向した液晶分子ＬＭＹを含んでいる。液晶分子ＬＭＸは、１つの枝部３１に重畳している。また、液晶分子ＬＭＹは、第２方向Ｙに隣接する２つの枝部３１の間に位置している。配向周期ΛがピッチＰｙに一致する場合、液晶分子ＬＭＸは、枝部３１の中心線Ｃ１に重畳し、また、液晶分子ＬＭＹは、枝部３１の間の中心線Ｃ２に重畳している。

図１０は、表示パネルＰＮＬと回折格子ＴＤＧとが重畳した状態の他の例を説明するための図である。
図１０に示す例では、回折格子ＴＤＧの第２液晶層ＬＣ２において、複数の液晶分子ＬＭ２のうち、第２方向Ｙに配向した液晶分子ＬＭＹは、１つの枝部３１に重畳している。また、複数の液晶分子ＬＭ２のうち、第１方向Ｘに配向した液晶分子ＬＭＸは、第２方向Ｙに隣接する２つの枝部３１の間に位置している。配向周期ΛがピッチＰｙに一致する場合、液晶分子ＬＭＹは、枝部３１の中心線Ｃ１に重畳し、また、液晶分子ＬＭＸは、枝部３１の間の中心線Ｃ２に重畳している。

表示パネルＰＮＬと回折格子ＴＤＧとが重畳する際、表示パネルＰＮＬに対する回折格子ＴＤＧの第１方向Ｘの位置ずれ、及び、第２方向Ｙの位置ずれは許容される。

次に、表示装置ＤＳＰの光学作用について説明する。

図１１は、本実施形態に係る表示装置ＤＳＰの光学作用を説明するための図である。なお、ここでは、表示パネルＰＮＬがオン状態である場合について説明する。

照明装置ＩＬは、表示装置ＤＳＰの法線Ｎに沿った無偏光の照明光ＬＩを出射する。以下の説明では、照明光ＬＩのうちの右回りの円偏光である照明光ＬＩ１と、左回りの円偏光である照明光ＬＩ２とについてそれぞれ説明する。図中の（Ｒ）は右回りの円偏光を示し、（Ｌ）は左回りの円偏光を示している。

照明光ＬＩ１は、回折格子ＴＤＧを透過した後に、左回りの円偏光である回折光ＬＤ１に変換される。回折光ＬＤ１は、第１偏光板ＰＬ１に入射する。なお、照明光ＬＩ１と平行な透過光（０次回折光）については説明を省略する。

第１偏光板ＰＬ１は、回折光ＬＤ１のうち、透過軸Ｔ１に平行な直線偏光である光ＬＰ１を透過する。光ＬＰ１は、右回りの円偏光である光ＬＰ１１と、左回りの円偏光である光ＬＰ１２と、を含んでいる。このような光ＬＰ１は、表示パネルＰＮＬに入射する。

オン状態（ＯＮ）の表示パネルＰＮＬでは、上記の通り、エッジ３１Ａ近傍の液晶分子ＬＭ２が一様に反時計回りの回転方向Ｒ１に回転し、エッジ３１Ｂ近傍の液晶分子ＬＭ２が一様に時計回りの回転方向Ｒ２に回転している。このとき、画素電極ＰＥの全体に重畳する液晶分子ＬＭ１の配向状態が回折格子として機能する。

表示パネルＰＮＬに入射した光ＬＰ１のうち、光ＬＰ１１は、表示パネルＰＮＬを透過した後に、左回りの円偏光である回折光ＬＤ１１に変換される。また、光ＬＰ１２は、表示パネルＰＮＬを透過した後に、右回りの円偏光である回折光ＬＤ１２に変換される。回折光ＬＤ１１及び回折光ＬＤ１２は、第２偏光板ＰＬ２を透過する。回折光ＬＤ１１のうち第２偏光板ＰＬ２を直進した透過光ＬＴ１１、及び、回折光ＬＤ１２のうち第２偏光板ＰＬ２を直進した透過光ＬＴ１２は、いずれも透過軸Ｔ２に平行な直線偏光である。

つまり、表示パネルＰＮＬに入射する直線偏光である光ＬＰ１は、表示パネルＰＮＬを透過した後に、回折光ＬＤ１１及び回折光ＬＤ１２を含む直線偏光に変換されるが、変換された直線偏光の偏光軸は、光ＬＰ１の偏光軸と直交する。このため、回折光ＬＤ１１及び回折光ＬＤ１２を含む直線偏光は、透過軸Ｔ２を有する第２偏光板ＰＬ２を透過する。

なお、表示パネルＰＮＬを直進する透過光は、光ＬＰ１と同じ直線偏光であるため、第２偏光板ＰＬ２で吸収される。

一方、照明光ＬＩ２は、回折格子ＴＤＧを透過した後に、右回りの円偏光である回折光ＬＤ２に変換される。第１偏光板ＰＬ１は、回折光ＬＤ２のうち、透過軸Ｔ１に平行な直線偏光である光ＬＰ２を透過する。光ＬＰ２は、左回りの円偏光である光ＬＰ２１と、右回りの円偏光である光ＬＰ２２と、を含んでいる。このような光ＬＰ２は、表示パネルＰＮＬに入射する。

表示パネルＰＮＬに入射した光ＬＰ２のうち、光ＬＰ２１は、表示パネルＰＮＬを透過した後に、右回りの円偏光である回折光ＬＤ２１に変換される。また、光ＬＰ２２は、表示パネルＰＮＬを透過した後に、左回りの円偏光である回折光ＬＤ２２に変換される。回折光ＬＤ２１及び回折光ＬＤ２２は、第２偏光板ＰＬ２を透過する。回折光ＬＤ２１のうち第２偏光板ＰＬ２を直進した透過光ＬＴ２１、及び、回折光ＬＤ２２のうち第２偏光板ＰＬ２を直進した透過光ＬＴ２２は、いずれも透過軸Ｔ２に平行な直線偏光である。

ここで、回折格子ＴＤＧにおける回折光ＬＤ１の回折角θ１が表示パネルＰＮＬにおける回折光ＬＤ１１の回折角θ２と等しくなるように設計される。

回折角θ１は、以下の関係式で示すように、配向周期Λ及び透過光の波長λで決定される。
ｓｉｎθ１＝λ／Λ

回折角θ２は、以下の関係式で示すように、ピッチＰｙ及び透過光の波長λで決定される。
ｓｉｎθ１＝λ／Ｐｙ

つまり、回折角θ１が回折角θ２に一致するためには、配向周期Λは、ピッチＰｙに一致するように設定される。

本実施形態では、図８乃至図１０を参照して説明したように、配向周期ΛがピッチＰｙに一致しているため、回折角θ１が回折角θ２に一致する。したがって、法線Ｎに沿った照明光ＬＩが回折格子ＴＤＧに入射した場合、表示パネルＰＮＬを透過した回折光ＬＤ１１及び回折光ＬＤ２１は、法線方向に回折される。これにより、法線Ｎに沿った透過光ＬＴ１１及び透過光ＬＴ２１が得られ、正面輝度を向上することができる。

図１２は、本実施形態に係る表示装置ＤＳＰの他の構成例を示す図である。
図１２に示す構成例は、図１に示した構成例と比較して、回折格子ＴＤＧが第３方向Ｚにおいて第２偏光板ＰＬ２に対向する位置に配置された点で相違している。

照明装置ＩＬ、第１偏光板ＰＬ１、表示パネルＰＮＬ、第２偏光板ＰＬ２、及び、回折格子ＴＤＧは、第３方向Ｚにおいて、この順に並んでいる。つまり、図１２に示す構成例においても、回折格子ＴＤＧは、第１偏光板ＰＬ１と第２偏光板ＰＬ２との間には位置していない。

回折格子ＴＤＧは、第３基板ＳＵＢ３と、第３方向Ｚにおいて第３基板ＳＵＢ３と対向する第４基板ＳＵＢ４と、第３基板ＳＵＢ３と第４基板ＳＵＢ４との間に配置された第２液晶層ＬＣ２と、を備えている。第３基板ＳＵＢ３は、第３方向Ｚにおいて、第２偏光板ＰＬ２と対向している。回折格子ＴＤＧの詳細については、上記の通りである。

このような構成例においても、上記の構成例と同様の効果が得られる。

以上説明したように、本実施形態によれば、正面輝度を向上することが可能な表示装置を提供することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

ＤＳＰ…表示装置 ＰＬ１…第１偏光板 ＰＬ２…第２偏光板 ＩＬ…照明装置
ＰＮＬ…表示パネル ＳＵＢ１…第１基板 ＳＵＢ２…第２基板 ＬＣ１…第１液晶層
１３…第１配向膜 ２４…第２配向膜 ＣＥ…共通電極
ＰＥ…画素電極 ３１…枝部 ３２…幹部
ＴＤＧ…透過型回折格子 ＳＵＢ３…第３基板 ＳＵＢ４…第４基板 ＬＣ２…第２液晶層 Ａ３…第３配向膜 Ａ４…第４配向膜

Claims (9)

1. 照明装置と、
   第１絶縁基板と、前記第１絶縁基板の上に配置されたスイッチング素子と、複数の画素に亘って配置された共通電極と、各画素に配置され前記スイッチング素子と電気的に接続され前記共通電極と対向する画素電極と、第１配向膜と、を備えた第１基板と、
   第２絶縁基板と、第２配向膜と、を備え、前記第１基板に対向する第２基板と、
   前記第１基板及び前記第２基板の間に配置された第１液晶層と、
   前記第１基板に接着された第１偏光板と、
   前記第２基板に接着された第２偏光板と、
   前記照明装置と前記第１偏光板との間の位置、または、前記第２偏光板に対向する位置に配置された透過型の回折格子と、を備え、
   前記画素電極は、第１方向にそれぞれ延出し第２方向に所定のピッチで並んだ複数の枝部と、前記第２方向に延出し前記複数の枝部と接続された幹部と、を有し、
   前記回折格子は、
   第３絶縁基板と、第３配向膜と、を備えた第３基板と、
   第４絶縁基板と、第４配向膜と、を備えた第４基板と、
   前記第３基板及び前記第４基板の間に配置され、複数の液晶分子を含み、前記複数の液晶分子の配向方向が固定された状態で硬化している第２液晶層と、を備えている、表示装置。
2. 前記第１方向に沿って並んだ前記複数の液晶分子の各々の配向方向は、ほぼ平行であり、
   前記第２方向に沿って並んだ前記複数の液晶分子の各々の配向方向は、連続的に変化し、
   前記複数の液晶分子のうち、前記第１方向に配向した前記液晶分子は、１つの前記枝部に重畳し、
   前記複数の液晶分子のうち、前記第２方向に配向した前記液晶分子は、前記第２方向に隣接する２つの前記枝部の間に位置している、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記第１方向に沿って並んだ前記複数の液晶分子の各々の配向方向は、ほぼ平行であり、
   前記第２方向に沿って並んだ前記複数の液晶分子の各々の配向方向は、連続的に変化し、
   前記複数の液晶分子のうち、前記第２方向に配向した前記液晶分子は、１つの前記枝部に重畳し、
   前記複数の液晶分子のうち、前記第１方向に配向した前記液晶分子は、前記第２方向に隣接する２つの前記枝部の間に位置している、請求項１に記載の表示装置。
4. 前記第１方向に沿って並んだ前記複数の液晶分子の各々の配向方向は、ほぼ平行であり、
   前記第２方向に沿って並んだ前記複数の液晶分子の各々の配向方向は、連続的に変化し、
   前記第２方向に沿って前記液晶分子の配向方向が１８０°変化するときの前記液晶分子の間隔を配向周期としたとき、
   前記配向周期は、前記枝部の前記ピッチとほぼ同等である、請求項１に記載の表示装置。
5. 前記配向周期及び前記ピッチは、１０μｍ以下である、請求項４に記載の表示装置。
6. 前記配向周期と前記ピッチとの差分は、１μｍ以下である、請求項４に記載の表示装置。
7. 前記第２基板は、さらに、前記第２絶縁基板と前記第２配向膜との間に、遮光層と、カラーフィルタ層と、オーバーコート層と、を備え、
   前記第３配向膜は、前記第３絶縁基板に接し、
   前記第４配向膜は、前記第４絶縁基板に接している、請求項１に記載の表示装置。
8. 前記第１液晶層は、正の誘電率異方性を有し、
   前記第１液晶層の液晶分子は、前記第１方向に初期配向している、請求項１に記載の表示装置。
9. 前記第１液晶層は、負の誘電率異方性を有し、
   前記第１液晶層の液晶分子は、前記第２方向に初期配向している、請求項１に記載の表示装置。

Images