特開 2024-90193 液晶表示装置及ヘッドマウントディスプレイ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024090193

(43)【公開日】2024-07-04

(54)【発明の名称】液晶表示装置及ヘッドマウントディスプレイ

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/1335 20060101AFI20240627BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20240627BHJP

   G02B 27/02 20060101ALI20240627BHJP

【ＦＩ】

G02F1/1335 510

G02F1/13 505

G02B27/02 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022205916

(22)【出願日】2022-12-22

(71)【出願人】

【識別番号】502356528

【氏名又は名称】株式会社ジャパンディスプレイ

(74)【代理人】

【識別番号】110000408

【氏名又は名称】弁理士法人高橋・林アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】大島 徹也

【テーマコード（参考）】

2H088

2H199

2H291

【Ｆターム（参考）】

2H088EA10

2H088HA17

2H088HA18

2H088HA22

2H088HA24

2H088MA06

2H199CA23

2H199CA42

2H199CA47

2H199CA63

2H199CA65

2H291FA22X

2H291FA22Z

2H291FA30X

2H291FA32X

2H291FA56X

2H291FD09

2H291FD10

2H291FD12

2H291HA06

2H291HA15

2H291LA11

2H291LA31

2H291MA02

2H291PA42

2H291PA44

(57)【要約】

【課題】光の偏光状態に関して組み込む機器の仕様に柔軟に対応することのできる液晶表示装置を提供する。
【解決手段】液晶表示装置は、透過型の液晶パネルと、液晶パネルを透過した光が出射される第１面の側に配置された第１偏光フィルムと、第１偏光フィルムより外側に配置された第２偏光フィルムと、液晶パネルの第１面とは反対の第２面側に配置された第３偏光フィルムと、を含み、第１偏光フィルムの吸収軸は液晶パネルの配向軸と平行に配置され、第１偏光フィルムと第３偏光フィルムはクロスニコルに配置され、第２偏光フィルムの吸収軸は第１偏光フィルムの吸収軸に対して傾いている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

透過型の液晶パネルと、
前記液晶パネルを透過した光が出射される第１面の側に配置された第１偏光フィルムと、
前記第１偏光フィルムより外側に配置された第２偏光フィルムと、
前記液晶パネルの前記第１面とは反対の第２面側に配置された第３偏光フィルムと、
を含み、
前記第１偏光フィルムの吸収軸は前記液晶パネルの配向軸と平行に配置され、
前記第１偏光フィルムと前記第３偏光フィルムとはクロスニコルに配置され、
前記第２偏光フィルムの吸収軸は前記第１偏光フィルムの吸収軸に対して傾いている、
ことを特徴とする液晶表示装置。

【請求項2】

前記第２偏光フィルムの吸収軸が前記第１偏光フィルムの吸収軸に対して、０度より大きく４５度以下の角度で傾いている、請求項１に記載の液晶表示装置。

【請求項3】

前記第２偏光フィルムの外側に配置された位相差フィルムをさらに含み、
前記位相差フィルムの延伸軸が、前記第２偏光フィルムの吸収軸に対し所定の角度傾いている、請求項１に記載の液晶表示装置。

【請求項4】

前記位相差フィルムが１／４波長位相差フィルムである、請求項３に記載の液晶表示装置。

【請求項5】

前記第１偏光フィルムと前記第２偏光フィルムとの間に位相差フィルムをさらに有し、
前記位相差フィルムの延伸軸が、前記第１偏光フィルムの吸収軸の角度と、前記第２偏光フィルムの吸収軸の角度と、の中間の角度を有する、請求項１に記載の液晶表示装置。

【請求項6】

前記位相差フィルムが、１／２波長位相差フィルムである、請求項５に記載の液晶表示装置。

【請求項7】

前記液晶パネルが、ＩＰＳ方式の液晶パネル、又はＴＮ方式の液晶パネルである、請求項１に記載の液晶表示装置。

【請求項8】

請求項１乃至７のいずれか一項に記載の液晶表示装置を有するヘッドマウントディスプレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一実施形態は液晶表示装置に設けられる光学フィルムの構成に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、仮想現実（Virtual Reality：ＶＲ）、拡張現実（Augmented Reality：ＡＲ）を提供する技術が実用化されている。ヘッドマウントディスプレイ（Head Mount Display：ＨＭＤ）は、機器本体を頭部に装着して眼前に配置された液晶パネルに画像を表示するように構成された、頭部装着型の液晶表示装置であり、ＶＲやＡＲを実現する際に利用される。遮蔽型のヘッドマウントディスプレイは外光を遮るので、バックライトを備えた液晶表示装置が用いられている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１４４３２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ヘッドマウントディスプレイは、観察者に臨場感の高い画像を視認できるように、液晶表示パネルの前面（液晶表示パネルと観察者との間）にレンズが配置されている。レンズを用いた光学系は所定の焦点距離が必要となる。当該所定の焦点距離を直線で設計すると、ヘッドマウントディスプレイが大型化してしまう。そこで、反射型偏光板や位相差板などの光学フィルムを用いて光が往復する光路を設計し、機器の小型化を図る工夫がされている。

【0005】

しかし、ヘッドマウントディスプレイの光学系には種々の設計があり、液晶表示パネルから出射される光の偏光状態と、光学系が設計された組み込む機器の側で要求される光の偏光状態とが必ずしも適合しないことが問題となる。

【0006】

本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、光の偏光状態に関して、液晶表示パネルを変更することなく組み込む機器の仕様に柔軟に対応することのできる液晶表示装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一実施形態に係る液晶表示装置は、透過型の液晶パネルと、液晶パネルを透過した光が出射される第１面の側に配置された第１偏光フィルムと、第１偏光フィルムより外側に配置された第２偏光フィルムと、液晶パネルの第１面とは反対の第２面側に配置された第３偏光フィルムと、を含み、第１偏光フィルムの吸収軸は液晶パネルの配向軸と平行に配置され、第１偏光フィルムと第３偏光フィルムはクロスニコルに配置され、第２偏光フィルムの吸収軸は第１偏光フィルムの吸収軸に対して傾いている。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施形態に係る液晶表示装置の構成を示す図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る液晶表示装置の構成を示す図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る液晶表示装置の構成を示す図である。

【図4】２枚の偏光フィルムの吸収軸がずれた場合にどの程度透過率が減少するかについてシミュレーションを行った結果を示す。

【図5】本発明の一実施形態に係る液晶表示装置が組み込まれたヘッドマウントディスプレイの構成を示す。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施の形態を、図面等を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に例示する実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、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様の要素には、同一の符号（又は数字の後にＡ、Ｂ、ａ、ｂなどを付した符号）を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。さらに各要素に対する「第１」、「第２」と付記された文字は、各要素を区別するために用いられる便宜的な標識であり、特段の説明がない限りそれ以上の意味を有しない。

【0010】

本明細書において、ある部材又は領域が他の部材又は領域の「上に（又は下に）」あるとする場合、特段の限定がない限りこれは他の部材又は領域の直上（又は直下）にある場合のみでなく他の部材又は領域の上方（又は下方）にある場合を含み、すなわち、他の部材又は領域の上方（又は下方）において間に別の構成要素が含まれている場合も含む。

【0011】

以下に示す実施形態において偏光フィルム、位相差フィルムの構成が詳細に説明される。しかし、本発明の一実施形態は偏光フィルム、位相差フィルムに限定されず、偏光フィルム、位相差フィルムは、それぞれ偏光板、位相差板に置き換えることができる。すなわち、偏光フィルムと偏光板、位相差フィルムと位相差板は同義なものである。

【0012】

［第１実施形態］
図１は、本発明の一実施形態に係る液晶表示装置１００を構成する偏光フィルムの構成を示す。液晶表示装置１００は、液晶パネル１０２Ａ、第１偏光フィルム１０４、第２偏光フィルム１０６、第３偏光フィルム１０８を含む。図１は、説明の便宜上、液晶パネル１０２Ａの手前側を第１面ＦＳと示し、第１面ＦＳの反対側を第２面ＲＳと示す。第１面ＦＳと第２面ＲＳは表裏の関係を有する。

【0013】

図１に示すように、液晶パネル１０２Ａの第１面ＦＳの側に第１偏光フィルム１０４及び第２偏光フィルム１０６が配置され、液晶パネル１０２Ａの第２面ＲＳの側に第３偏光フィルム１０８が配置される。図１には示されないが、第２面ＲＳ側に光源（バックライト）が配置される。液晶表示装置１００は、図示されない光源（バックライト）から放射された光が、第３偏光フィルム１０８、液晶パネル１０２Ａ、第１偏光フィルム１０４、第２偏光フィルム１０６を通して出射される構成を有する。別言すれば、液晶表示装置１００は、光源（バックライト）の光が入射する側に第３偏光フィルム１０８が配置され、液晶パネル１０２Ａを透過した光が出射される側に第１偏光フィルム１０４及び第２偏光フィルム１０６が配置された構成を有する。

【0014】

本実施形態において、液晶パネル１０２ＡはＴＮ（Twisted Nematic）方式である。図１には詳細に示されないが、液晶パネル１０２Ａは、第１面ＦＳ側の第１基板と、第２面ＲＳ側の第２基板と、第１基板と第２基板とに挟まれた液晶層と、を含んで構成される。また、第１基板の側には第１配向膜（図示されず）が設けられ、第２基板の側には第２配向膜（図示されず）が設けられる。図１は、第１配向膜の配向軸ＡＬ１を実線で示し、第２配向膜の配向軸ＡＬ２を点線で示す。液晶パネル１０２ＡはＴＮ方式であるので、第１配向膜の配向軸ＡＬ１と第２配向膜の配向軸ＡＬ２とが直交するように設けられている。なお、液晶パネルにおける配向軸とは、各配向膜における初期配向方向のことであって、無電界時に液晶分子の長軸が向く方向のことを言う。

【0015】

なお本実施形態において、配向軸とは、電圧が印加されない状態で、配向膜の配向規制力を受けて液晶分子の長軸方向が配向する方向を指すものとする。

【0016】

図１は、第１偏光フィルム１０４、第２偏光フィルム１０６、及び第３偏光フィルム１０８の吸収軸を示す。第１偏光フィルム１０４、第２偏光フィルム１０６、及び第３偏光フィルム１０８は、いずれも直線偏光フィルムであり、吸収軸に直交する方向に透過軸を有する。

【0017】

第１偏光フィルム１０４は、吸収軸ＡＡ１が液晶パネル１０２Ａの配向軸ＡＬ１と同じ方向（平行）を向くように配置される。また、第３偏光フィルム１０８は、吸収軸ＡＡ３が液晶パネル１０２Ａの配向軸ＡＬ２と同じ方向（平行）を向くように配置される。したがって、第１偏光フィルム１０４の吸収軸ＡＡ１と第３偏光フィルム１０８の吸収軸ＡＡ３とはクロスニコル（直交）に配置されており、この点においては従来の液晶表示装置と同様である。

【0018】

これに対し、本実施形態に係る液晶表示装置１００は、第１偏光フィルム１０４の外側に第２偏光フィルム１０６がさらに配置された構成を有する。第１偏光フィルム１０４と第２偏光フィルム１０６とは平面視で重なるが、吸収軸の方向が一致せず異なるように配置されている。

【0019】

上述のように、第１偏光フィルム１０４の吸収軸ＡＡ１は、液晶パネル１０２Ａの配向軸ＡＬ１に合わせて配置される。これに対し、第２偏光フィルム１０６の吸収軸ＡＡ２は、液晶表示装置１００を組み込む機器の仕様に合わせて配置される。

【0020】

図１は、第１偏光フィルム１０４の吸収軸ＡＡ１が、垂直方向に対して角度θ１傾いている態様を示す。これに対し、第２偏光フィルム１０６の吸収軸ＡＡ２は、垂直方向に対して角度θ２（＞θ１）傾いている態様を示す。具体的に、図１は、第１偏光フィルム１０４の吸収軸ＡＡ１の角度θ１が垂直方向から４５度傾いており、第２偏光フィルム１０６の吸収軸ＡＡ２が垂直方向から９０度傾いている一例を示す。

【0021】

偏光フィルムは、入射する光に対し、吸収軸に平行な偏光成分を吸収し、透過軸に平行な偏光成分を透過する特性を有する。したがって、２枚の偏光フィルムの吸収軸が一致していないとき透過率の減少が見込まれる。そこで、図４に、２枚の偏光フィルムの吸収軸がずれた場合にどの程度透過率が減少するかについてシミュレーションを行った結果を示す。図４に示すグラフの縦軸に示す透過率は、偏光フィルム１枚のときの透過率を１００として規格化した値である。

【0022】

２枚の偏光フィルムの角度差がない場合（Δθ＝０）、偏光フィルムが１枚の場合に比べて約７％透過率が低下しており、規格化された透過率は９３％となっている。グラフに挿入された図に示すように、一方の偏光フィルムを回転させ、２枚の偏光フィルムの吸収軸の角度差（Δθ）が大きくなると、ＣＯＳ^２（Δθ）に比例して透過率が低下する傾向が示されている。吸収軸の角度差Δθ＝５の場合の規格化された透過率は９３％となり、吸収軸の角度差がΔθ＝２５の場合の規格化された透過率は７６％となり、Δθ＝４５の場合でも４７％が得られている。したがって、第１偏光フィルム１０４の吸収軸ＡＡ１の角度θ１と、第２偏光フィルム１０６の吸収軸ＡＡ２の角度θ２との角度差Δθ（＝θ２－θ１）は、０度より大きく４５度以下であれば透過光を得ることができ、５度以上３０度以下、とすれば透過光の減衰を３０％以下に抑えることができるので好ましい。さらには、角度差Δθを０度より大きく２５度以下とすれば、透過光の減衰を７％以上２５％以下に抑えることができる。さらには、角度差Δθを０度より大きく１５度以下とすれば、透過光の減衰を７％以上１５％以下に抑えることができる。さらには、角度差Δθを０度より大きく１０５度以下とすれば、透過光の減衰を７％以上１０％以下に抑えることができる。

【0023】

本実施形態で示すように、液晶パネル１０２Ａの光出射側に設ける偏光フィルムを２枚で構成し、液晶パネル１０２Ａの側に配置される第１偏光フィルム１０４の吸収軸を液晶パネル１０２Ａの配向軸に合わせて配置し、第１偏光フィルム１０４の外側に配置される第２偏光フィルム１０６の吸収軸を、組み込む機器の仕様に合わせて配置することで、液晶パネル１０２Ａ自体の再設計をしなくても吸収軸の方向を組み込み先の機器の仕様に合わせることができる。この場合において、２枚の偏光フィルムの吸収軸の角度差Δθを０度より大きく４５度以下とすることで、液晶パネル１０２Ａから出射される光の減衰を抑えることができる。

【0024】

なお、本実施形態では液晶パネル１０２ＡがＴＮ方式である場合を示したが、液晶パネルの方式に限定はなく、ＩＰＳ方式の液晶パネルを用いる場合でも、同様に適用することができる。

【0025】

［第２実施形態］
図２は、第１実施形態に示す液晶表示装置１００に対し、第１偏光フィルム１０４と第２偏光フィルム１０６の間に位相差フィルム１１０を設けた構成を示す。位相差フィルム１１０は１／２位相差フィルムである。位相差フィルム１１０の延伸軸ＥＸ１は、第１偏光フィルム１０４の吸収軸ＡＡ１の方向と第２偏光フィルム１０６の吸収軸ＡＡ２の方向とに対して、或いは第１偏光フィルム１０４の透過軸（吸収軸ＡＡ１＋９０°）の方向と第２偏光フィルム１０６の透過軸（吸収軸ＡＡ２＋９０°）の方向とに対して、これらの中間の方向を向くように配置されていることが好ましい。なお、図２においては、位相差フィルム１１０の延伸軸ＥＸ１は、各偏光フィルムの透過軸の中間の方向を向いている。位相差フィルム１１０の延伸軸ＥＸ１は、各偏光フィルムの吸収軸の中間の方向を向けても同様の効果が得られる。すなわち、当該位相差フィルム１１０の延伸軸ＥＸ１は、当該図中に示す方向±９０°の方向のものも採用可能である。

【0026】

位相差フィルム１１０が１／２波長偏光フィルムである場合、入射光の偏光方向が延伸軸ＥＸ１に対して角度θｘで入射した場合に、その偏光方向を２θｘ回転させて出射することができる。したがって、第１偏光フィルム１０４の吸収軸ＡＡ１と第２偏光フィルム１０６の吸収軸ＡＡ２の角度差が大きいときに、位相差フィルム１１０によって偏光方向を回転させることができるので、２つの吸収軸の角度差を生じていたとしても、透過光が減少を可及的抑制することができる。

【0027】

図４は、吸収軸の方向が異なる２枚の偏光フィルムの間に、位相差フィルム（１／２波長）が設けられたときの規格化された透過率を示す。図４のグラフに示すように、２枚の偏光フィルムの吸収軸の角度差がΔθである場合、第１偏光フィルム１０４の吸収軸ＡＡ１と位相差フィルムの延伸軸の角度差ΔβをΔθの１／２とすることで、透過率の減衰を防ぐことができる。

【0028】

本実施形態に示すように、液晶パネル１０２Ａの光出射側に設ける２枚の偏光フィルムの間に位相差フィルムを設けることで、透過光強度の低下を防ぐことができる。特に、２枚の偏光フィルムの吸収軸の角度差が大きい場合に、位相差フィルムを設けることで、透過光強度の低下を大幅に防ぐことができる。

【0029】

［第３実施形態］
図３は、第２本実施形態に示す液晶表示装置１００に対して、位相差フィルムの配置が異なる一例を示す。図３に示すように、液晶パネル１０２Ｂの第１面ＦＳの側から、第１偏光フィルム１０４、第２偏光フィルム１０６、位相差フィルム１１１がこの順に配置される。第１偏光フィルム１０４の吸収軸ＡＡ１は、液晶パネル１０２Ｂの配向軸ＡＬ１と同じ方向（平行）を向くように配置される。第１偏光フィルム１０４の吸収軸ＡＡ１に対し、第２偏光フィルム１０６の吸収軸ＡＡ２はΔθａだけ傾いて配置される。２つの偏光フィルムの角度差Δθａは、前述のように０度より大きく４５度以下、好ましくは５度以上２５度以下である。

【0030】

第２偏光フィルム１０６の前面に配置される位相差フィルム１１１の延伸軸ＥＸ１は、第２偏光フィルム１０６の吸収軸に対してさらに角度差Δθｂを有するように配置される。位相差フィルム１１１の延伸軸ＥＸ１の方向は、例えば、第２偏光フィルム１０６の吸収軸ＡＡ２と、液晶表示装置１００を組み込む機器の仕様に基づく吸収軸の角度との中間の角度とすることができる。或いは、位相差フィルム１１１の延伸軸ＥＸ１の方向は、例えば、第２偏光フィルム１０６の透過軸（吸収軸ＡＡ２＋９０°）と、液晶表示装置１００を組み込む機器の仕様に基づく透過軸（吸収軸＋９０°）の角度との中間の角度とすることができる。例えば、角度差Δθｂは、４５度とすることができる。

【0031】

位相差フィルム１１１は、１／４波長位相差フィルムであってもよい。この場合、角度差Δθｂを４５度とすることで、出射光を円偏光にすることができる。それにより、円偏光となる波長以外で、広い波長帯域に亘って透過光の強度を向上させることができる。なお、位相差フィルム１１１として、１／２波長位相差フィルムのものも採用可能である。

【0032】

なお、図３では、液晶パネル１０２ＢがＩＰＳ（In Plane Switching）方式である場合を示す。液晶パネル１０２Bは透過型であり、第１偏光フィルム１０４の吸収軸ＡＡ１が液晶パネル１０２Ｂの配向軸ＡＬ１及び配向軸ＡＬ２と同じ方向（平行）に配置され、第１偏光フィルム１０４の吸収軸ＡＡ１と第３偏光フィルム１０８の吸収軸ＡＡ３とはクロスニコル（直交）に配置されている。

【0033】

本実施形態に示すように、第２偏光フィルム１０６の吸収軸と、液晶表示装置１００を組み込む機器の仕様に基づく吸収軸との角度差が大きい場合でも、位相差フィルム１１１を挟むことで吸収軸の角度差を緩和、機器側の吸収軸に適合させることができる。

【0034】

［第４実施形態］
図５は、液晶表示装置１００が組み込まれる機器の一例として、ヘッドマウントディスプレイ２００の構成を示す。ヘッドマウントディスプレイ２００は、液晶表示装置１００、レンズ２０２、ハーフミラー２０４、光学フィルム２０６を含んで構成される。

【0035】

液晶表示装置１００は、第１乃至第３実施形態に示す液晶表示装置１００が適用される。図５は、液晶パネル１０２の光入射側に第３偏光フィルム１０８が配置され、光出射側に第１偏光フィルム１０４及び第２偏光フィルム１０６が配置される例を示すが、第２実施形態及び第３実施形態で説明したように、位相差フィルム１１０がさらに配置されてもよい。

【0036】

ヘッドマウントディスプレイ２００の光学系は、レンズ２０２を挟むようにハーフミラー２０４と光学フィルム２０６が配置される。ヘッドマウントディスプレイ２００には、光学フィルム２０６として１／４波長フィルムと反射偏光フィルムを適宜組み合わせることで、光学フィルム２０６とハーフミラー２０４との間で光を反射させて実効的な光路長を長くした光学系が構成されている。液晶表示装置１００から出射された所定の偏光軸を有する光は、ハーフミラー２０４、レンズ２０２を通過して光学フィルム２０６で反射される。そして、再びレンズ２０２に入射しハーフミラー２０４で反射される。ハーフミラー２０４による反射光は再びレンズ２０２に入射し、光学フィルム２０６を透過して、視認者の側に出射される。

【0037】

ヘッドマウントディスプレイ２００では、上記のような光学系を最適化するために、光学フィルム２０６において必ずしも液晶表示装置１００の側と整合しない吸収軸が要求されることがある。このような場合においても、第１乃至第３実施形態に示す液晶表示装置１００を用いることで、ヘッドマウントディスプレイ２００の側で要求される吸収軸と整合を図ることができ、光源１２０から出射される光のロスを低減することができる。また、さまざまな仕様のヘッドマウントディスプレイにおいて柔軟に対応することができる。

【符号の説明】

【0038】

１００：液晶表示装置、１０２：液晶パネル、１０４：第１偏光フィルム、１０６：第２偏光フィルム、１０８：第３偏光フィルム、１１０：位相差フィルム、１１１：位相差フィルム、１２０：光源、２００：ヘッドマウントディスプレイ、２０２：レンズ、２０４：ハーフミラー、２０６：光学フィルム、ＡＬ１、ＡＬ２：配向軸、ＡＡ１、ＡＡ２、ＡＡ３：吸収軸、ＥＸ１、ＥＸ２：延伸軸、ＦＳ：第１面、ＲＳ：第２面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】