JP4591150B2

JP4591150B2 - 液晶表示装置

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Publication number: JP4591150B2
Application number: JP2005097037A
Authority: JP
Inventors: 竜也矢田; 徳夫小間
Original assignee: Epson Imaging Devices Corp
Current assignee: Epson Imaging Devices Corp
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: TWI294983B; JP2006276569A; KR20060106726A; EP1708515A1; DE602006005068D1; CN1841156A; CN100424563C; EP1708515B1; US20060221284A1; TW200634397A; US7408600B2; KR100810308B1

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、１つの表示用液晶パネル上で２画面表示が可能な液晶表示装置に関する。

従来より、テレビ受像機や情報機器等に搭載される表示装置として、表示用の液晶パネル（ＬＣＤ；ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ，以降、「ＬＣＤ」と略称する）を用いた液晶表示装置が知られている。この液晶表示装置に関しては、近年の情報機器の多様化に伴い、通常の１画面表示のみならず、１つの表示用ＬＣＤ上で異なる２つの表示画像を複数の観察者が個別に視認できる２画面表示や、立体視を可能にする３次元表示等の多用な表示モードの実現が求められている。

なお、本願に関連する技術文献としては、以下の特許文献が挙げられる。
特開２００４−２８００４２号公報

しかしながら、１つの表示用ＬＣＤ上での２画面表示や３次元表示等の表示モードを有する液晶表示装置の開発は未だに不充分なものであり、さらなる進展が求められていた。また、２画面表示や３次元表示等の異なる表示モードを任意に切り替えることが可能な液晶表示装置の開発の要望があった。

本発明の液晶表示装置は、上記課題に鑑みて為されたものであり、光源と、前記光源上に配置された第１の偏光板と、１対の透明電極に挟まれて複数の列に分割された第１の液晶部と第２の液晶部とからなる液晶層を含み、前記第１の偏光板上に配置され、前記第１及び第２の液晶部の光学的位相差を制御する偏光制御用液晶素子と、前記第１及び第２の液晶部の各列に沿って配列されるように前記偏光制御用液晶素子上に配置され、前記第１の液晶部から出射された光を第１の方向に屈折させ、前記第２の液晶部から出射された光を前記第１の方向と異なる第２の方向に屈折させるレンチキュラーレンズと、前記レンチキュラーレンズ上に配置され、複数の行に分割され、第１の光学的位相差が付与された行と前記第１の光学的位相差と異なる第２の光学的位相差が付与された行とが交互に配置された第１の位相差板と、前記第１の位相差板上に配置された液晶パネルと、前記液晶パネルを挟む第２及び第３の偏光板と、前記第１の偏光板と前記偏光制御用液晶素子の間に配置され、第３の光学的位相差を有した第２の位相差板と、前記偏光制御用液晶素子と前記第１の位相差板の間に配置され、前記第３の光学的位相差を有した第３の位相差板と、を備えることを特徴とする。

本発明の液晶表示装置によれば、観察者の希望に応じて異なる表示画像が要求された場合、異なる２つの表示画像を１つの表示用液晶パネル上で各観察者が個別に視認（即ち２画面表示）することが可能となる。その結果、表示画像による情報伝達の効率を向上させることができる。

また、偏光制御用液晶素子の制御及びレンチキュラーレンズの配置位置の調節により、上記２次元の２画面表示のみならず、２次元の１画面表示及び３次元の１画面表示の各表示モードを液晶表示装置側で任意に切り替えることが可能となる。

次に、本発明の第１の実施形態に係る液晶表示装置について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る液晶表示装置を説明する断面図である。また、図２及び図４は、本実施形態に係る液晶表示装置を説明する斜視図である。また、図３（Ａ）は、本実施形態の液晶表示装置の偏光制御用ＬＣＤ２０を説明する平面図であり、図３（Ｂ）はそのＸ−Ｘ線に沿った断面図である。なお、図１及び図２では、後述する第２及び第３の位相差板２３Ａ,２３Ｂの図示は省略されており、さらに図２では、第３の偏光板１３の図示は省略されている。また、図４では、後述する第３の偏光板１３、レンチキュラーレンズ３０及び表示用ＬＣＤ５０の図示は省略されている。

図１及び図２に示すように、バックライト用光源ＢＬと対向して、その全方位光から直線偏光を抽出する第１の偏光板１１が配置されている。第１の偏光板１１の観察者側には、第１の偏光板１１により抽出された直線偏光の偏光軸の角度（直線偏光の進行方向と直交する平面における偏光軸の角度）を光学的位相差により制御する偏光制御用ＬＣＤ２０が配置されている。

この偏光制御用ＬＣＤ２０は、１対の透明電極２４に挟まれて垂直配向（ＶＡ；ＶｅｒｔｉｃａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）モードにより駆動する液晶層から成り、その液晶層は複数の列に区分された第１の液晶部２１及び第２の液晶部２２から成る。ここで、第１の液晶部２１及び第２の液晶部２２では、制御回路（不図示）によって１対の透明電極２４への電圧印加の有無が制御され、液晶分子による所定の光学的位相差が生じるように制御される。この所定の光学的位相差は、入射する直線偏光の波長をλとした場合、例えばλ／２であり、入射する直線偏光の偏光軸の角度を９０度回転させるものである。

その際、垂直配向された液晶分子は、電圧印加の際に所定の傾きを有する必要があるが、その傾きは、図３（Ａ）の平面図及びそのＸ−Ｘ線に沿った断面図である図３（Ｂ）に示すように、１対の透明電極２４（１対の透明基板に形成される）の少なくともいずれか一方に形成された突起部もしくは、スリット部から成る配向制御部２５によって与えられることが好ましい。もしくは、上記傾きはその他の配向処理により与えられてもよい。

さらに、偏光制御用ＬＣＤ２０の観察者側には、第１及び第２の液晶部２１,２２の各列に沿って平行に凸面が連続するレンチキュラーレンズ３０が配置されている。このレンチキュラーレンズ３０は、第１及び第２の液晶部２１,２２毎に偏光軸の角度が異なる直線偏光を、それぞれ異なる２つの方向、即ち第１の観察者Ａに向かう第１の方向、及び第２の観察者Ｂに向かう第２の方向にそれぞれ屈折させる。

このレンチキュラーレンズ３０と対向した位置には、第１の位相差板４０が配置されている。第１の位相差板４０は、複数の行に分割され、第１の光学的位相差が付与された第１の行４１（例えば奇数行）と、第１の光学的位相差と異なる光学的位相差が付与された第２の行４２（例えば偶数行）とが交互に配置されて成る。これらの第１の行４１及び第２の行４２は、各行から出射した直線偏光の偏光軸が互いに直交するように形成される。例えば、第１の行４１に付与された第１の光学的位相差をλ／２とし、第２の行４２に付与された第１の光学的位相差と異なる光学的位相差を零とする。この第１の位相差板４０は、第２の偏光板１２と第３の偏光板１３（図２では不図示）とによって挟まれた表示用ＬＣＤ５０に接合されている。

ここで、第２の偏光板１２は第１の偏光板１１と同一の偏光軸の角度（例えば４５度）を有している。また、第３の偏光板１３は、第２の偏光板１２とクロスニコル配置（偏光軸の角度が互いに直交する配置）されている。また、表示用ＬＣＤ５０の表示画素の画素ピッチは、上記第１の位相差板４０の第１及び第２の行４１,４２のピッチと一致しているものとする。

さらに、本実施形態では、図４に示すように、上記構成における偏光制御用ＬＣＤ２０の両面に、第２の光学的位相差を有した第２の位相差板２３Ａ及び第３の位相差板２３Ｂが配置されている。この第２の光学的位相差は、バックライト用光源ＢＬから抽出した直線偏光の波長をλとした場合、λ／４となる光学的位相差である。即ち、第２の位相差板２３Ａ及び第３の位相差板２３Ｂは、第１の偏光板１１の透過軸（偏光軸）に対して４５度ずれた遅相軸を有している。また、第２の位相差板２３Ａの遅相軸と第３の位相差板２３Ｂの遅相軸とは互いに直交している。

次に、本実施形態の液晶表示装置の動作について図面を参照して説明する。図５は、本実施形態の液晶表示装置の動作を説明する概念図である。

図５に示すように、最初に、第１の偏光板１１により、バックライト用光源ＢＬの全方位光から直線偏光が抽出される。この直線偏光は、第１の偏光板１１の透過軸（偏光軸）に対して、その遅相軸が４５度になるように配置された第２の位相差板２３Ａを透過することにより円偏光となり、偏光制御用ＬＣＤ２０へ入射する。ここで、所定の光学的位相差λ／２を有した第１の液晶部２１へ入射した光の偏光軸の角度は上記光学的位相差によって９０度回転する。さらに、その液晶層から出射した光は、第２の位相差板２３Ａの遅相軸と直交する遅相軸を有した第３の位相差板２３Ｂに入射し、再び直線偏光となり出射される。

即ち、この偏光軸の角度は、第１及び第２の偏光板１１,１２の偏光軸と直交する角度となる。一方、電圧印加されずに光学的位相差が生じていない第２の液晶部２２に入射した直線偏光は、その偏光軸の角度を保ったまま出射される。即ち、この偏光軸の角度は、第１及び第２の偏光板１１,１２の偏光軸と同じ角度となる。

このとき、上述した第２及び第３の位相差板２３Ａ,２３Ｂにより、偏光制御用ＬＣＤ２０内で生じる複屈折による不要な光学的位相差を除去することが可能となり、その液晶層の液晶分子の配向方向が一様でない場合にも良好な透過特性が得られる。

次に、偏光制御用ＬＣＤ２０から出射した上記光学的位相差の異なる２種類の直線偏光は、不図示のレンチキュラーレンズ３０を透過することにより、それぞれ異なる２つの方向（第１の方向及び第２の方向）に屈折し、第１の位相差板４０に入射する。

ここで、第１の位相差板４０の複数の行のうち、第１の光学的位相差λ／２を有する第１の行４１（例えば奇数行）を透過する上記２種類の直線偏光は、その偏光軸の角度が９０度回転して第２の偏光板１２へ入射する。このとき、上記２種類の直線偏光のうち、偏光制御用ＬＣＤ２０の第１の液晶部２１を透過した第１の方向の直線偏光は、その偏光軸の角度が第２の偏光板１２の偏光軸と一致するため、この第２の偏光板１２を透過して表示用ＬＣＤに入射する。一方、第２の液晶部２２を透過した第２の方向の直線偏光は、その偏光軸の角度が第２の偏光板１２の偏光軸と直交するため、この第２の偏光板１２を透過せず、表示用ＬＣＤ５０には入射しない。

また、第１の位相差板４０の複数の行のうち、光学的位相差の無い（もしくは第１の光学的位相差と異なる光学的位相差を有する）第２の行４２（例えば偶数行）を透過する上記２種類の直線偏光は、そのままの偏光軸の角度を保ちながら第２の偏光板１２へ入射する。このとき、上記２種類の直線偏光のうち、偏光制御用ＬＣＤ２０の第１の液晶部２１を透過した第１の方向の直線偏光は、その偏光軸の角度が第２の偏光板１２の偏光軸と直交するため、この第２の偏光板１２を透過せず、表示用ＬＣＤには入射しない。一方、偏光制御用ＬＣＤ２０の第２の液晶部２２を透過した第２の方向の直線偏光は、その偏光軸の角度が第２の偏光板１２の偏光軸と一致するため、この第２の偏光板１２を透過して表示用ＬＣＤに入射する。

このとき、第１の位相差板４０の第１の行４１に対応する表示用ＬＣＤ５０の行（例えば奇数行）の複数の表示画素では、不図示の制御回路により、第１の表示画像に応じてその駆動状態が制御される。また、第２の行４２に対応する表示用ＬＣＤ５０の行（例えば偶数行）の複数の表示画素では、第２の表示画像に応じてその駆動状態が制御される。

そして、第１の位相差板４０の第１の行４１を透過した第１の方向の直線偏光は、その第１の行４１に対応した表示用ＬＣＤ５０の行（例えば奇数行）の複数の表示画素を通り、第３の偏光板１３を介して、その第１の表示画像のみを第１の観察者Ａに視認させる。また、第２の行４２を透過した第２の方向の直線偏光は、その第２の行４２に対応した表示用ＬＣＤ５０の行（例えば偶数行）の複数の表示画素を通り、第３の偏光板１３を介して、その第２の表示画像のみを第２の観察者Ｂに視認させる。上記説明より当業者に容易に理解されるように、１つの表示用ＬＣＤ５０上で、第１の方向及び第２の方向でそれぞれ異なる２画面の視認が可能となる。

なお、上述した実施形態では、偏光制御用ＬＣＤ２０の第１の液晶部２１及び第２の液晶部２２は、垂直配向モードにより駆動するものとしたが、本発明はこれに限定されず、次に示す第２の実施形態に係る構成を有してもよい。次に、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る液晶表示装置を説明する斜視図である。なお、図６では、後述する第３の偏光板１３、レンチキュラーレンズ３０及び表示用ＬＣＤ５０の図示は省略されているものとする。

本実施形態の液晶表示装置では、第１の実施形態とは異なり、偏光制御用ＬＣＤ２０の第１の液晶部２１及び第２の液晶部２２は、電界制御複屈折（ＥＣＢ；ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＢｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モードにより駆動する。ここで、第１の液晶部２１に生じる光学的位相差Ｒは任意であるが、例えばλ／４であるものとする。また、第２の液晶部２２に生じる光学的位相差は、Ｒ＋λ／２であるものとする。また、第１の液晶部２１及び第２の液晶部２２の不図示の透明電極には、図３のような配向制御部２５が必ずしも形成されている必要はない。

その他の構成については、図１及び図２に示した第１の実施形態と同様である。また、第１の位相差板４０の第１の行４１は偶数行であるものとし、第２の行４２は奇数行であるものとして説明を行う。なお、これらの第１の行４１及び第２の行４２は、第１の実施形態と同様に、各行から出射した直線偏光の偏光軸が互いに直交するように形成される。

そして、図６に示すように、偏光制御用ＬＣＤ２０の第１の偏光板１１側には、第４の位相差板２３Ｃが配置されている。この第４の位相差板２３Ｃは、上記第１の液晶部２１が有する光学的位相差Ｒと同じ光学的位相差である。

次に、本実施形態の液晶表示装置の動作について図面を参照して説明する。図７は、本実施形態の液晶表示装置の動作を説明する概念図である。

図７に示すように、最初に、第１の偏光板１１によりバックライト用光源ＢＬの全方位光から直線偏光が抽出される。この直線偏光は、第４の位相差板２３Ｃに入射し、その偏光軸の角度が光学的位相差Ｒに応じて回転して（Ｒ＝λ／４の場合は円偏光となって）、偏光制御用ＬＣＤ２０へ入射する。ここで、偏光制御用ＬＣＤ２０の第１の液晶部２１から出射した直線偏光の偏光軸の角度は、その光学的位相差Ｒ＝λ／４により、第１及び第２の偏光板１１,１２の偏光軸と同じ角度となる。一方、第２の液晶部２２から出射した直線偏光の偏光軸の角度は、その光学的位相差Ｒ＋λ／２により、さらに９０度回転して、第１及び第２の偏光板１１,１２の偏光軸と直交する角度となる。

このとき、上述した第４の位相差板２３Ｃにより、偏光制御用ＬＣＤ２０内で生じる複屈折による不要な光学的位相差を除去することが可能となる。

ここで、第１の位相差板４０の複数の行のうち、光学的位相差の無い（もしくは第１の光学的位相差と異なる光学的位相差を有する）第１の行４１（例えば偶数行）を透過する上記２種類の直線偏光は、そのままの偏光軸の角度を保ちながら第２の偏光板１２へ入射する。このとき、上記２種類の直線偏光のうち、偏光制御用ＬＣＤ２０の第１の液晶部２１を透過した第１の方向の直線偏光は、その偏光軸の角度が第２の偏光板１２の偏光軸と一致するため、この第２の偏光板１２を透過して表示用ＬＣＤ５０に入射する。一方、偏光制御用ＬＣＤ２０の第２の液晶部２２を透過した第２の方向の直線偏光は、その偏光軸の角度が第２の偏光板１２の偏光軸と直交するため、この第２の偏光板１２を透過しない。

また、第１の位相差板４０の複数の行のうち、第１の光学的位相差λ／２を有する第２の行４２（例えば奇数行）を透過する上記２種類の直線偏光の偏光軸の角度は、９０度回転して第２の偏光板１２へ入射する。このとき、上記２種類の直線偏光のうち、偏光制御用ＬＣＤ２０の第１の液晶部２１を透過した第１の方向の直線偏光は、その偏光軸の角度が第２の偏光板１２の偏光軸と直交するため、この第２の偏光板１２を透過しない。一方、第２の液晶部２２を透過した第２の方向の直線偏光は、その偏光軸の角度が第２の偏光板１２の偏光軸と一致するため、この第２の偏光板１２を透過して表示用ＬＣＤ５０に入射する。

このとき、第１の位相差板４０の第１の行４１に対応する表示用ＬＣＤ５０の行（例えば偶数行）の複数の表示画素では、不図示の制御回路により、第１の表示画像に応じてその駆動状態が制御される。また、第２の行４２に対応する表示用ＬＣＤ５０の行（例えば奇数行）の複数の表示画素では、第２の表示画像に応じてその駆動状態が制御される。

そして、第１の位相差板４０の第１の行４１を透過した第１の方向の直線偏光は、その第１の行４１に対応した表示用ＬＣＤ５０の行（例えば偶数行）の複数の表示画素を通り、第３の偏光板１３を介して、その第１の表示画像のみを第１の観察者に視認させる。また、第２の行４２を透過した第２の方向の直線偏光は、その第２の行４２に対応した表示用ＬＣＤ５０の行（例えば奇数行）の複数の表示画素を通り、第３の偏光板１３を介して、その第２の表示画像のみを第２の観察者に視認させる。こうして、１つの表示用ＬＣＤ５０上で、第１の方向及び第２の方向でそれぞれ異なる２画面の視認が可能となる。

なお、上述した第１及び第２の実施形態では、必要に応じて、偏光制御用ＬＣＤ２０に対するレンチキュラーレンズ３０の配置位置を調節することにより、直線偏光の進行方向、即ち第１の方向及び第２の方向を任意に変化させることができる。さらにいえば、第１の方向及び第２の方向を、１人の観察者の左眼及び右眼のそれぞれに合わせて調節し、表示用ＬＣＤ５０の奇数行と偶数行に立体視用の２つの表示画像をそれぞれ表示すれば、３次元表示モードに任意に切り替えることができる。

また、必要に応じて、第１及び第２の液晶部２１，２２の全てが同一の光学的位相差となるように電圧印加の有無を制御することにより、直線偏光を一方の方向のみに進行させて、一方の観察者のみよる視認（２次元表示モード）に任意に切り替えることができる。

また、必要に応じて、第３の偏光板１３上もしくは表示用ＬＣＤ５０上に、視野角を拡大するための光学的位相差を有した光学補償フィルム（不図示）を配置することで、上記各表示モードにおける表示用ＬＣＤ５０に対する視野角を拡大することができる。

本発明の第１の実施形態に係る液晶表示装置を説明する断面図である。本発明の第１の実施形態に係る液晶表示装置を説明する斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る液晶表示装置を説明する平面図及びそのＸ−Ｘ線に沿った断面図である。本発明の第１の実施形態に係る液晶表示装置を説明する斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る液晶表示装置の動作を説明する概念図である。本発明の第２の実施形態に係る液晶表示装置を説明する斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る液晶表示装置の動作を説明する概念図である。

符号の説明

１１第１の偏光板１２第２の偏光板１３第３の偏光板
２０偏光制御用ＬＣＤ２１第１の液晶部２２第２の液晶部
２３Ａ第２の位相差板２３Ｂ第３の位相差板２３Ｃ第４の位相差板
２４透明基板２５配向制御部３０レンチキュラーレンズ
４０第１の位相差板４１第１の行４２第２の行
５０表示用ＬＣＤ

Claims

光源と、
前記光源上に配置された第１の偏光板と、
１対の透明電極に挟まれて複数の列に分割された第１の液晶部と第２の液晶部とからなる液晶層を含み、前記第１の偏光板上に配置され、前記第１及び第２の液晶部の光学的位相差を制御する偏光制御用液晶素子と、
前記第１及び第２の液晶部の各列に沿って配列されるように前記偏光制御用液晶素子上に配置され、前記第１の液晶部から出射された光を第１の方向に屈折させ、前記第２の液晶部から出射された光を前記第１の方向と異なる第２の方向に屈折させるレンチキュラーレンズと、
前記レンチキュラーレンズ上に配置され、複数の行に分割され、第１の光学的位相差が付与された行と前記第１の光学的位相差と異なる第２の光学的位相差が付与された行とが交互に配置された第１の位相差板と、
前記第１の位相差板上に配置された液晶パネルと、
前記液晶パネルを挟む第２及び第３の偏光板と、
前記第１の偏光板と前記偏光制御用液晶素子の間に配置され、第３の光学的位相差を有した第２の位相差板と、
前記偏光制御用液晶素子と前記第１の位相差板の間に配置され、前記第３の光学的位相差を有した第３の位相差板と、を備えることを特徴とする液晶表示装置。
前記偏光制御用液晶素子は、垂直配向モードにおいて、前記液晶層の列の略半数に電圧を印加せず、他の略半数の前記液晶層の列に前記光源によって発生された光の２分の１の光学的位相差に対応する電圧を印加し、
前記第２の位相差板の前記第３の光学的位相差は、前記光の波長の４分の１であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
前記偏光制御用液晶素子を構成する前記１対の透明電極の少なくともいずれか一方に、前記液晶層の液晶分子の配向を制御する配向制御部が配置されていることを特徴とする請求項２記載の液晶表示装置。
光源と、
前記光源上に配置された第１の偏光板と、１対の透明電極に挟まれて複数の列に分割された第１の液晶部と第２の液晶部とからなる液晶層を含み、前記第１の偏光板上に配置され、前記第１及び第２の液晶部の光学的位相差を制御する偏光制御用液晶素子と、
前記第１及び第２の液晶部の各列に沿って配列されるように前記偏光制御用液晶素子上に配置され、前記第１の液晶部から出射された光を第１の方向に屈折させ、前記第２の液晶部から出射された光を前記第１の方向と異なる第２の方向に屈折させるレンチキュラーレンズと、
前記レンチキュラーレンズ上に配置され、複数の行に分割され、第１の光学的位相差が付与された行と前記第１の光学的位相差と異なる第２の光学的位相差が付与された行とが交互に配置された第１の位相差板と、
前記第１の位相差板上に配置された液晶パネルと、
前記液晶パネルを挟む第２及び第３の偏光板と、
第３の光学的位相差を有し前記第１の偏光板と前記第１の位相差板の間に配置された第２の位相差板と、を備えることを特徴とする液晶表示装置。
前記偏光制御用液晶素子は、電圧無印加時に光の波長の２分の１の光学的位相差と前記第３の光学的位相差を足した光学的位相差を発生させるものであり、電界制御複屈折モードにより駆動するものであり、
前記第２の位相差板の前記第３の光学的位相差は、前記偏光制御用液晶素子の前記液晶層の電圧印加時に生じる光学的位相差と同一であることを特徴とする請求項４記載の液晶表示装置。
前記液晶パネル上に、視野角を拡大する光学補償フィルムが配置されていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５のいずれかに記載の液晶表示装置。