JP7519271B2 - Image Display System - Google Patents
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Description
本発明は、画像表示システムに関する。 The present invention relates to an image display system.
近年、自動車に搭載される情報表示装置等において、表示される情報量が増大し、運転者が一目で情報を識別することが困難になりつつある。そこで、確認したい情報をより目立たせるため、確認したい表示画像を、それ以外の表示画像の上方に浮遊させ、重畳表示するシステムが望まれている。 In recent years, the amount of information displayed on information display devices installed in automobiles has increased, making it difficult for drivers to distinguish information at a glance. Therefore, there is a demand for a system that can make the display image of the driver's interest stand out more by floating it above other display images and displaying it superimposed.
また、劇場およびコンサート会場等において、2つの異なる画像を奥行方向に重ねて(重畳して)表示するシステム、および、画像を実体物および人物等に重畳して表示するシステムなどが、視覚トリック効果および演出効果等をもたらす目的で利用されている。 In addition, in theaters and concert halls, systems that display two different images overlapping (superimposed) in the depth direction, and systems that display images superimposed on real objects and people, etc., are used to create visual trick effects and dramatic effects, etc.
このような2つの異なる画像を重畳して表示する画像表示システムにおいては、2つの画像表示装置を用いて、それぞれが異なる画像となる光を照射することで、異なる2つの画像を重畳表示している。 In such an image display system that displays two different images in a superimposed manner, two different images are displayed in a superimposed manner by using two image display devices and emitting light that produces different images.
例えば、特許文献1には、第1の画像を表示する第1の画像表示面を有し、第1の偏光である第1の出射光を出射する第1の画像表示部と、入射した光の一部を透過し、他の一部を反射する透過反射面を有し、第1の画像表示部から出射された第1の出射光が入射する位置に透過反射面が配置されたビームスプリッターであって、第1の出射光の偏光を変化させて反射するビームスプリッターと、第1の出射光のうちビームスプリッターの透過反射面で反射された反射光が入射する位置に配置された、第1の偏光を吸収し、第1の偏光と異なる第2の偏光を透過させる吸収型偏光子とを備えた画像表示システムが記載されている。特許文献1においては、2つの異なる画像を重畳して表示する場合には、さらに、第2の画像表示部を有し、第2の画像表示部が第2の画像を表示することで、第1の画像と第2の画像とを重畳表示する。 For example, Patent Document 1 describes an image display system that includes a first image display unit that has a first image display surface that displays a first image and emits a first output light that is a first polarization, a beam splitter that has a transmission reflection surface that transmits a part of the incident light and reflects the other part, and the transmission reflection surface is arranged at a position where the first output light emitted from the first image display unit is incident, and the beam splitter changes the polarization of the first output light and reflects it, and an absorptive polarizer that is arranged at a position where the reflected light of the first output light reflected by the transmission reflection surface of the beam splitter is incident, and absorbs the first polarized light and transmits a second polarized light different from the first polarized light. Patent Document 1 describes a system that further includes a second image display unit when two different images are displayed in a superimposed manner, and the second image display unit displays the second image, thereby superimposing the first image and the second image.
このような重畳画像を表示する画像表示システムでは、画像表示装置を2つ用いる必要があった。そのため、システムが大型化したり、コストがかかるという問題があった。 In an image display system that displays such superimposed images, it is necessary to use two image display devices. This causes problems such as the system becoming larger and becoming more expensive.
本発明の課題は、異なる2つの画像を奥行方向に重ねて表示することができる、新規で小型の画像表示システムを提供することにある。 The objective of the present invention is to provide a new, compact image display system that can display two different images superimposed in the depth direction.
この課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。
[1] 導光板と、
導光板の一方の主面に配置された、右円偏光および左円偏光のいずれか一方を反射する液晶回折素子と、
導光板の他方の主面側に配置された透過型表示素子と、
導光板の端面から光を入射するための画像表示装置とを、備え、
画像表示装置は、白表示または黒表示と、画像表示とを交互に表示し、
透過型表示素子は、画像表示状態と透過状態とを交互に表示し、画像表示装置が白表示または黒表示を行っている際には、画像表示状態であり、画像表示装置が画像表示を行っている際には、透過状態である、画像表示システム。
[2] 透過型表示素子は、液晶セル、または、透過型LEDである、[1]に記載の画像表示システム。
[3] 透過型表示素子が液晶セルであり、
導光板と透過型表示素子との間に配置される位相差板を有する、[1]または[2]に記載の画像表示システム。
[4] 導光板と透過型表示システムとの間に配置される正のレンズを備える、[1]~[3]のいずれかに記載の画像表示システム。
[5] 液晶回折素子の導光板とは反対側の面側に配置される負のレンズを備える、[4]に記載の画像表示システム。
In order to solve this problem, the present invention has the following configuration.
[1] A light guide plate;
a liquid crystal diffraction element disposed on one of the main surfaces of the light guide plate and configured to reflect either right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light;
a transmission type display element disposed on the other main surface side of the light guide plate;
an image display device for receiving light from an end surface of the light guide plate;
the image display device alternately displays a white or black display and an image display;
The transmissive display element alternately displays an image display state and a transmissive state, and is in the image display state when the image display device is performing a white display or black display, and is in the transmissive state when the image display device is performing an image display.
[2] The image display system according to [1], wherein the transmissive display element is a liquid crystal cell or a transmissive LED.
[3] The transmissive display element is a liquid crystal cell,
3. The image display system according to claim 1, further comprising a retardation plate disposed between the light guide plate and the transmissive display element.
[4] The image display system according to any one of [1] to [3], further comprising a positive lens disposed between the light guide plate and the transmissive display system.
[5] The image display system according to [4], further comprising a negative lens disposed on a surface of the liquid crystal diffraction element opposite to the light guide plate.
本発明によれば、異なる2つの画像を奥行方向に重ねて表示することができる、新規で小型の画像表示システムを提供することができる。 The present invention provides a novel, compact image display system that can display two different images superimposed in the depth direction.
以下、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、本明細書において「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。また、角度について「直交」および「平行」とは、厳密な角度±10°の範囲を意味するものとし、並びに角度について「同一」および「異なる」は、その差が5°未満であるか否かを基準に判断できる。 The present invention will be described in detail below. The following description of the components may be based on a representative embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to such an embodiment. In this specification, a numerical range expressed using "~" means a range including the numerical values written before and after "~" as the lower and upper limits. In addition, "perpendicular" and "parallel" angles mean a range of ±10° of the exact angle, and "same" and "different" angles can be determined based on whether the difference is less than 5°.
本明細書において「遅相軸」とは、面内において屈折率が最大となる方向を意味する。
また、可視光とは、電磁波のうち、ヒトの目で見える波長の光であり、380~780nmの波長域の光を示す。
In this specification, the term "slow axis" refers to the in-plane direction in which the refractive index is maximum.
Visible light is electromagnetic radiation having a wavelength that can be seen by the human eye, and refers to light having a wavelength in the range of 380 to 780 nm.
<画像表示システム>
本発明の画像表示システムは、
導光板と、
導光板の一方の主面に配置された、右円偏光および左円偏光のいずれか一方を反射する液晶回折素子と、
導光板の他方の主面側に配置された透過型表示素子と、
導光板の端面から光を入射するための画像表示装置とを、備え、
画像表示装置は、白表示または黒表示と、画像表示とを交互に表示し、
透過型表示素子は、画像表示状態と透過状態とを交互に表示し、画像表示装置が白表示または黒表示を行っている際には、画像表示状態であり、画像表示装置が画像表示を行っている際には、透過状態である、画像表示システムである。
<Image display system>
The image display system of the present invention comprises:
A light guide plate;
a liquid crystal diffraction element disposed on one of the main surfaces of the light guide plate and configured to reflect either right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light;
a transmission type display element disposed on the other main surface side of the light guide plate;
an image display device for receiving light from an end surface of the light guide plate;
the image display device alternately displays a white or black display and an image display;
The transmissive display element is an image display system that alternates between an image display state and a transmissive state, and is in the image display state when the image display device is displaying white or black, and is in the transmissive state when the image display device is displaying an image.
図1は、本発明の画像表示システムを概念的に表す図である。 Figure 1 is a diagram conceptually illustrating the image display system of the present invention.
図1に示す画像表示システム10は、導光板12と、液晶回折素子14と、位相差板16と、透過型表示素子18と、画像表示装置20と、を有する。 The image display system 10 shown in FIG. 1 includes a light guide plate 12, a liquid crystal diffraction element 14, a retardation plate 16, a transmissive display element 18, and an image display device 20.
液晶回折素子14は、導光板12の一方の主面に配置されており、右円偏光および左円偏光のいずれか一方を選択的に反射しつつ、この反射光を正反射以外の角度に屈折(回折)させる素子である。液晶回折素子14は、導光板12内を導光された光を導光板の主面に対して全反射する角度から外れるように回折する。また、液晶回折素子14は、反射しない旋回方向の円偏光は透過する。
なお、主面とは、シート状物(板状物、フィルム等)の最大面である。
The liquid crystal diffraction element 14 is disposed on one of the main surfaces of the light guide plate 12, and is an element that selectively reflects either right-handed or left-handed circularly polarized light, while refracting (diffracting) the reflected light at an angle other than regular reflection. The liquid crystal diffraction element 14 diffracts the light guided through the light guide plate 12 so that the angle deviates from the angle at which the light is totally reflected by the main surface of the light guide plate. The liquid crystal diffraction element 14 also transmits circularly polarized light in the rotation direction that is not reflected.
The main surface means the largest surface of a sheet-like object (plate-like object, film, etc.).
位相差板16は、導光板12の、液晶回折素子14が配置された主面とは反対側の主面側に、液晶回折素子14と対面するように配置されており、液晶回折素子14で反射されて導光板12から出射した光の偏光状態を変化させるものである。具体的には、位相差板16は、円偏光を直線偏光に変換するλ/4板である。 The retardation plate 16 is arranged on the main surface of the light guide plate 12 opposite the main surface on which the liquid crystal diffraction element 14 is arranged so as to face the liquid crystal diffraction element 14, and changes the polarization state of the light reflected by the liquid crystal diffraction element 14 and emitted from the light guide plate 12. Specifically, the retardation plate 16 is a λ/4 plate that converts circularly polarized light into linearly polarized light.
透過型表示素子18は、入射する外光を透過する状態にすることができる表示素子である。透過型表示素子18は、入射する外光を利用して、画素ごとに透過率を変えることで画像を表示する表示素子であってもよく、自ら発光して画像を表示する表示素子であってもよい。
透過型表示素子18は、導光板12の液晶回折素子14が配置される主面とは反対側の主面側に配置される。
The transmissive display element 18 is a display element that can transmit incident external light. The transmissive display element 18 may be a display element that uses incident external light to change the transmittance for each pixel to display an image, or may be a display element that emits light itself to display an image.
The transmissive display element 18 is disposed on the main surface of the light guide plate 12 opposite to the main surface on which the liquid crystal diffraction element 14 is disposed.
画像表示装置20は、導光板12の端面側に配置されており、画像となる光、あるいは、白表示の光を照射して、これらの光を導光板12内に入射させるものである。画像表示装置20は、画像表示と白表示とを交互に表示する。
または、画像表示装置20は、画像となる光の照射と、黒表示、すなわち、光の照射を実質的に行わない状態とを交互に表示する。
画像表示装置20は、液晶回折素子14が反射する円偏光で画像表示および白表示(または黒表示)を行う。
The image display device 20 is disposed on the end face side of the light guide plate 12, and irradiates light that forms an image or light for white display, causing the light to enter the light guide plate 12. The image display device 20 alternately displays an image display and a white display.
Alternatively, the image display device 20 alternates between irradiating light that forms an image and displaying black, that is, a state in which light irradiation is substantially not performed.
The image display device 20 displays an image and a white display (or a black display) using the circularly polarized light reflected by the liquid crystal diffraction element 14 .
このような画像表示システム10の作用について図2および図3を用いて説明する。
図2は、画像表示システム10が透過型表示素子18による画像を実像として表示する状態を説明する図である。図3は、画像表示システム10が画像表示装置20による画像を虚像として表示する状態を説明する図である。
なお、以下の例では、画像表示装置20は、画像表示と白表示とを交互に表示するものであり、透過型表示素子18は、外光を利用して画素ごとに透過率を変えることで画像を表示する表示素子の場合として説明を行う。
The operation of the image display system 10 will be described with reference to FIGS.
Fig. 2 is a diagram for explaining a state in which the image display system 10 displays an image by the transmissive display element 18 as a real image. Fig. 3 is a diagram for explaining a state in which the image display system 10 displays an image by the image display device 20 as a virtual image.
In the following example, the image display device 20 is described as alternating between image display and white display, and the transmissive display element 18 is described as a display element that displays images by using external light to change the transmittance for each pixel.
まず、図2を用いて、画像表示システム10が透過型表示素子18による画像を実像として表示する状態(以下、単に「実像を表示する状態」ともいう)を説明する。
画像表示システム10が実像を表示する状態の場合には、画像表示装置20は、白表示を行う。前述のとおり、画像表示装置20は、液晶回折素子14が反射する円偏光で白表示を行う。
First, a state in which the image display system 10 displays an image by the transmissive display element 18 as a real image (hereinafter, simply referred to as a "state in which a real image is displayed") will be described with reference to FIG.
When the image display system 10 is in a state where it displays a real image, the image display device 20 displays white. As described above, the image display device 20 displays white with the circularly polarized light reflected by the liquid crystal diffraction element 14.
画像表示装置20が白表示して照射した光は、導光板12の端面から導光板12内に入射して導光板12内を導光される(図2中矢印参照)。導光板12内を導光された光は、導光板12の一方の主面に配置されている液晶回折素子14によって反射、回折される。図2に示す例においては、液晶回折素子14は、その表面に斜め方向から入射する光を液晶回折素子14の表面に垂直な方向(導光板12の主面に垂直な方向)に反射するように回折する。 The light emitted by the image display device 20 while displaying white enters the light guide plate 12 from the end face of the light guide plate 12 and is guided through the light guide plate 12 (see the arrow in FIG. 2). The light guided through the light guide plate 12 is reflected and diffracted by the liquid crystal diffraction element 14 arranged on one of the main surfaces of the light guide plate 12. In the example shown in FIG. 2, the liquid crystal diffraction element 14 diffracts light that is obliquely incident on its surface so as to be reflected in a direction perpendicular to the surface of the liquid crystal diffraction element 14 (a direction perpendicular to the main surface of the light guide plate 12).
液晶回折素子14に回折された光は、液晶回折素子14が配置される主面とは反対側の主面に到達するが、導光板12内を全反射する角度を外れているため、導光板12から出射される。 The light diffracted by the liquid crystal diffraction element 14 reaches the main surface opposite to the main surface on which the liquid crystal diffraction element 14 is arranged, but because the angle is not at which the light is totally reflected within the light guide plate 12, it is emitted from the light guide plate 12.
導光板12から出射された光は、位相差板16に入射する。前述のとおり、位相差板16は、液晶回折素子14で回折された円偏光を直線偏光に変換する。
位相差板16で変換された直線偏光は、透過型表示素子18に入射する。
The light emitted from the light guide plate 12 is incident on the retardation plate 16. As described above, the retardation plate 16 converts the circularly polarized light diffracted by the liquid crystal diffraction element 14 into linearly polarized light.
The linearly polarized light converted by the phase difference plate 16 enters the transmissive display element 18 .
ここで、実像を表示する状態において、透過型表示素子18は、画素ごとに透過率を変えることで画像を表示する画像表示状態である。また、画像表示装置20が表示した画像は、白表示である。そのため、透過型表示素子18に入射する光は、透過型表示素子18が画像を表示するために用いる外光として利用することが可能である。従って、透過型表示素子18は、入射した光、すなわち、画像表示装置20が白表示を行った光を利用して画像を表示する。 Here, in the state where a real image is displayed, the transmissive display element 18 is in an image display state where an image is displayed by changing the transmittance for each pixel. Also, the image displayed by the image display device 20 is a white display. Therefore, the light incident on the transmissive display element 18 can be used as external light that the transmissive display element 18 uses to display an image. Therefore, the transmissive display element 18 displays an image using the incident light, i.e., the light with which the image display device 20 has displayed white.
透過型表示素子18が表示する画像の光は、使用者Uに到達し、透過型表示素子18の表示面上にある実像として表示される。 The light of the image displayed by the transmissive display element 18 reaches the user U and is displayed as a real image on the display surface of the transmissive display element 18.
次に、図3を用いて、画像表示システム10が画像表示装置20による画像を虚像として表示する状態(以下、単に「虚像を表示する状態」ともいう)を説明する。
画像表示システム10が虚像を表示する状態の場合には、画像表示装置20は、画像表示を行う。前述のとおり、画像表示装置20は、液晶回折素子14が反射する円偏光で画像表示を行う。
Next, a state in which the image display system 10 displays an image by the image display device 20 as a virtual image (hereinafter, also simply referred to as a "state in which a virtual image is displayed") will be described with reference to FIG.
When the image display system 10 is in a state where it displays a virtual image, the image display device 20 displays an image. As described above, the image display device 20 displays an image using the circularly polarized light reflected by the liquid crystal diffraction element 14.
画像表示装置20が画像表示して照射した光は、導光板12の端面から導光板12内に入射して導光板12内を導光される(図3中矢印参照)。導光板12内を導光された光は、導光板12の一方の主面に配置されている液晶回折素子14によって反射、回折される。図3に示す例においては、液晶回折素子14は、その表面に斜め方向から入射する光を液晶回折素子14の表面に垂直な方向(導光板12の主面に垂直な方向)に反射するように回折する。 The light emitted by the image display device 20 to display an image enters the light guide plate 12 from the end face of the light guide plate 12 and is guided through the light guide plate 12 (see the arrow in FIG. 3). The light guided through the light guide plate 12 is reflected and diffracted by the liquid crystal diffraction element 14 arranged on one of the main surfaces of the light guide plate 12. In the example shown in FIG. 3, the liquid crystal diffraction element 14 diffracts light that is obliquely incident on its surface so as to be reflected in a direction perpendicular to the surface of the liquid crystal diffraction element 14 (a direction perpendicular to the main surface of the light guide plate 12).
液晶回折素子14に回折された光は、液晶回折素子14が配置される主面とは反対側の主面に到達するが、導光板12内を全反射する角度を外れているため、導光板12から出射される。 The light diffracted by the liquid crystal diffraction element 14 reaches the main surface opposite to the main surface on which the liquid crystal diffraction element 14 is arranged, but because the angle is not at which the light is totally reflected within the light guide plate 12, it is emitted from the light guide plate 12.
導光板12から出射された光は、位相差板16に入射する。前述のとおり、位相差板16は、液晶回折素子14で回折された円偏光を直線偏光に変換する。
位相差板16で変換された直線偏光は、透過型表示素子18に入射する。
The light emitted from the light guide plate 12 is incident on the retardation plate 16. As described above, the retardation plate 16 converts the circularly polarized light diffracted by the liquid crystal diffraction element 14 into linearly polarized light.
The linearly polarized light converted by the phase difference plate 16 enters the transmissive display element 18 .
ここで、虚像を表示する状態において、透過型表示素子18は、画像表示を行わず入射する外光を透過する透過状態である。また、画像表示装置20は画像を表示する。そのため、透過型表示素子18は、画像表示装置20が表示し、導光板12を導光されて、液晶回折素子14で反射された画像の光を透過する。
透過型表示素子18を透過した光は、使用者Uに到達する。この光による画像は、液晶回折素子14が反射した光の進行方向と平行であって、画像表示装置20から使用者Uまでの光路長と同じ距離の位置にある虚像Vとして使用者Uに視認される。すなわち、虚像Vは、視認側(使用者U)から見て実像(透過型表示素子18)よりも奧側に視認される。
Here, in the state where a virtual image is displayed, the transmissive display element 18 is in a transmissive state where it does not display an image and transmits incident external light. Also, the image display device 20 displays an image. Therefore, the transmissive display element 18 transmits the light of the image displayed by the image display device 20, guided through the light guide plate 12, and reflected by the liquid crystal diffraction element 14.
The light transmitted through the transmissive display element 18 reaches the user U. An image formed by this light is parallel to the traveling direction of the light reflected by the liquid crystal diffraction element 14, and is visually recognized by the user U as a virtual image V at a position the same distance as the optical path length from the image display device 20 to the user U. In other words, the virtual image V is visually recognized behind the real image (transmissive display element 18) when viewed from the viewing side (user U).
画像表示システム10は、実像を表示する状態と虚像を表示する状態とを高速に交互に切り替えることで、すなわち、画像表示装置20の白表示と画像表示の切り替え、および、その表示の切り替えに同期して、透過型表示素子18の画像表示状態と、透過状態との切り替えを行うことで、実像と虚像とが奥行方向に重なった重畳画像として表示することができる。 The image display system 10 can display a superimposed image in which a real image and a virtual image are overlapped in the depth direction by rapidly alternating between a state in which a real image is displayed and a state in which a virtual image is displayed, i.e., by switching between white display and image display on the image display device 20, and by switching between an image display state and a transmissive state on the transmissive display element 18 in synchronization with the display switching.
一例として、このような本発明の画像表示システム10をカーナビゲーションシステムに利用し、例えば、虚像Vとして地図画像を表示し、実像として、位置情報、天気および到着時刻等の付加情報を表示する。この際には、使用者Uには、地図画像に対して、付加情報が手前に浮き上がったように視認される。
この結果、使用者Uは、観察する重畳画像において、地図画像と付加情報とを一目で識別することができ、自身に必要な情報を正確かつ迅速に知見できる。
As an example, the image display system 10 of the present invention is used in a car navigation system to display, for example, a map image as a virtual image V and additional information such as location information, weather, and arrival time as a real image. At this time, the user U visually recognizes the additional information as if it were floating in front of the map image.
As a result, the user U can distinguish at a glance between the map image and the additional information in the superimposed image being observed, and can accurately and quickly find the information he or she needs.
なお、実像を表示する状態と虚像を表示する状態とを切り替える時間(表示する時間)は、実像と虚像とが重畳画像として視認できる観点から、30ms以下が好ましく、16ms以下がより好ましく、8ms以下がさらに好ましい。 The time required to switch between a state in which a real image is displayed and a state in which a virtual image is displayed (display time) is preferably 30 ms or less, more preferably 16 ms or less, and even more preferably 8 ms or less, from the viewpoint of being able to view the real image and the virtual image as a superimposed image.
ここで、本発明の画像表示システムにおいて、画像表示装置20が画像表示および白表示を行う際の光は、導光板12内を導光される際に、導光板12の両主面で全反射を繰り返しながら導光されてもよいし、両主面で全反射されることなく、直接、液晶回折素子14に向かって導光されるようにしてもよい。 Here, in the image display system of the present invention, when the image display device 20 displays an image and a white display, the light may be guided through the light guide plate 12 while repeatedly being totally reflected by both main surfaces of the light guide plate 12, or may be guided directly toward the liquid crystal diffraction element 14 without being totally reflected by both main surfaces.
また、本発明の画像表示システムは、さらに、正のレンズと、負のレンズと、を有していてもよい。
このような画像表示システムの例を図4および図5に示す。図4は、画像表示システム10が透過型表示素子18による画像を実像として表示する状態を説明する図である。図5は、画像表示システム10が画像表示装置20による画像を虚像として表示する状態を説明する図である。
The image display system of the present invention may further include a positive lens and a negative lens.
Examples of such an image display system are shown in Figures 4 and 5. Figure 4 is a diagram illustrating a state in which the image display system 10 displays an image by the transmissive display element 18 as a real image. Figure 5 is a diagram illustrating a state in which the image display system 10 displays an image by the image display device 20 as a virtual image.
図4および図5に示す画像表示システム10は、導光板12と、液晶回折素子14と、位相差板16と、透過型表示素子18と、画像表示装置20と、正のレンズ22と、負のレンズ24と、を有する。 The image display system 10 shown in Figures 4 and 5 has a light guide plate 12, a liquid crystal diffraction element 14, a retardation plate 16, a transmissive display element 18, an image display device 20, a positive lens 22, and a negative lens 24.
導光板12、液晶回折素子14、位相差板16、透過型表示素子18、および、画像表示装置20については、図1~図3に示す例と同様であるためその説明は省略する。 The light guide plate 12, liquid crystal diffraction element 14, retardation plate 16, transmissive display element 18, and image display device 20 are similar to those in the examples shown in Figures 1 to 3, and therefore their description is omitted.
正のレンズ22は、入射した平行光束を収束させる働きを持つ凸レンズである。図に示すように、正のレンズ22は、導光板12と位相差板16との間に配置されている。正のレンズ22は、その光軸が導光板12の主面(液晶回折素子14の主面)に垂直になるように配置されている。 The positive lens 22 is a convex lens that functions to converge the incident parallel light beam. As shown in the figure, the positive lens 22 is disposed between the light guide plate 12 and the retardation plate 16. The positive lens 22 is disposed so that its optical axis is perpendicular to the main surface of the light guide plate 12 (the main surface of the liquid crystal diffraction element 14).
負のレンズ24は、入射した平行光束を発散させる働きを持つ凹レンズである。図に示すように、負のレンズ24は、液晶回折素子14の、導光板12とは反対側の面側に配置されている。負のレンズ24は、その光軸が液晶回折素子14の表面(主面)に垂直になるように配置されている。 The negative lens 24 is a concave lens that functions to diverge the incident parallel light beam. As shown in the figure, the negative lens 24 is disposed on the surface of the liquid crystal diffraction element 14 opposite the light guide plate 12. The negative lens 24 is disposed so that its optical axis is perpendicular to the surface (principal surface) of the liquid crystal diffraction element 14.
このような画像表示システム10の作用について図4および図5を用いて説明する。
図4は、画像表示システム10が透過型表示素子18による画像を実像として表示する状態を説明する図である。図5は、画像表示システム10が画像表示装置20による画像を虚像として表示する状態を説明する図である。
The operation of the image display system 10 will be described with reference to FIGS.
Fig. 4 is a diagram for explaining a state in which the image display system 10 displays an image by the transmissive display element 18 as a real image. Fig. 5 is a diagram for explaining a state in which the image display system 10 displays an image by the image display device 20 as a virtual image.
まず、図4を用いて、画像表示システム10が実像を表示する状態を説明する。
画像表示システム10が実像を表示する状態の場合には、画像表示装置20は、白表示を行う。前述のとおり、画像表示装置20は、液晶回折素子14が反射する円偏光で白表示を行う。
First, a state in which the image display system 10 displays a real image will be described with reference to FIG.
When the image display system 10 is in a state where it displays a real image, the image display device 20 displays white. As described above, the image display device 20 displays white with the circularly polarized light reflected by the liquid crystal diffraction element 14.
画像表示装置20が白表示して照射した光は、導光板12の端面から導光板12内に入射して導光板12内を導光される(図4中矢印参照)。導光板12内を導光された光は、導光板12の一方の主面に配置されている液晶回折素子14によって反射、回折される。図4に示す例においては、液晶回折素子14は、その表面に斜め方向から入射する光を液晶回折素子14の表面に垂直な方向(導光板12の主面に垂直な方向)に反射するように回折する。 The light emitted by the image display device 20 while displaying white enters the light guide plate 12 from the end face of the light guide plate 12 and is guided through the light guide plate 12 (see the arrow in FIG. 4). The light guided through the light guide plate 12 is reflected and diffracted by the liquid crystal diffraction element 14 arranged on one of the main surfaces of the light guide plate 12. In the example shown in FIG. 4, the liquid crystal diffraction element 14 diffracts light that is obliquely incident on its surface so as to be reflected in a direction perpendicular to the surface of the liquid crystal diffraction element 14 (a direction perpendicular to the main surface of the light guide plate 12).
液晶回折素子14に回折された光は、液晶回折素子14が配置される主面とは反対側の主面に到達するが、導光板12内を全反射する角度を外れているため、導光板12から出射される。 The light diffracted by the liquid crystal diffraction element 14 reaches the main surface opposite to the main surface on which the liquid crystal diffraction element 14 is arranged, but because the angle is not at which the light is totally reflected within the light guide plate 12, it is emitted from the light guide plate 12.
導光板12から出射された光は、正のレンズ22に入射して集光される。正のレンズ22を透過した光は、位相差板16に入射する。前述のとおり、位相差板16は、液晶回折素子14で回折された円偏光を直線偏光に変換する。
位相差板16で変換された直線偏光は、透過型表示素子18に入射する。
The light emitted from the light guide plate 12 is incident on the positive lens 22 and condensed. The light transmitted through the positive lens 22 is incident on the retardation plate 16. As described above, the retardation plate 16 converts the circularly polarized light diffracted by the liquid crystal diffraction element 14 into linearly polarized light.
The linearly polarized light converted by the phase difference plate 16 enters the transmissive display element 18 .
ここで、実像を表示する状態において、透過型表示素子18は、画素ごとに透過率を変えることで画像を表示する画像表示状態である。また、画像表示装置20が表示した画像は、白表示である。そのため、透過型表示素子18に入射する光は、透過型表示素子18が画像を表示するために用いる外光として利用することが可能である。従って、透過型表示素子18は、入射した光、すなわち、画像表示装置20が白表示を行った光を利用して画像を表示する。 Here, in the state where a real image is displayed, the transmissive display element 18 is in an image display state where an image is displayed by changing the transmittance for each pixel. Also, the image displayed by the image display device 20 is a white display. Therefore, the light incident on the transmissive display element 18 can be used as external light that the transmissive display element 18 uses to display an image. Therefore, the transmissive display element 18 displays an image using the incident light, i.e., the light with which the image display device 20 has displayed white.
透過型表示素子18が表示する画像の光は、使用者Uに到達し、透過型表示素子18の表示面上にある実像として表示される。 The light of the image displayed by the transmissive display element 18 reaches the user U and is displayed as a real image on the display surface of the transmissive display element 18.
次に、図5を用いて、画像表示システム10が虚像を表示する状態を説明する。
画像表示システム10が虚像を表示する状態の場合には、画像表示装置20は、画像表示を行う。前述のとおり、画像表示装置20は、液晶回折素子14が反射する円偏光で画像表示を行う。
Next, a state in which the image display system 10 displays a virtual image will be described with reference to FIG.
When the image display system 10 is in a state where it displays a virtual image, the image display device 20 displays an image. As described above, the image display device 20 displays an image using the circularly polarized light reflected by the liquid crystal diffraction element 14.
画像表示装置20が画像表示して照射した光は、導光板12の端面から導光板12内に入射して導光板12内を導光される(図5中矢印参照)。導光板12内を導光された光は、導光板12の一方の主面に配置されている液晶回折素子14によって反射、回折される。図5に示す例においては、液晶回折素子14は、その表面に斜め方向から入射する光を液晶回折素子14の表面に垂直な方向(導光板12の主面に垂直な方向)に反射するように回折する。 The light emitted by the image display device 20 to display an image enters the light guide plate 12 from the end face of the light guide plate 12 and is guided through the light guide plate 12 (see the arrow in FIG. 5). The light guided through the light guide plate 12 is reflected and diffracted by the liquid crystal diffraction element 14 arranged on one of the main surfaces of the light guide plate 12. In the example shown in FIG. 5, the liquid crystal diffraction element 14 diffracts light that is obliquely incident on its surface so as to be reflected in a direction perpendicular to the surface of the liquid crystal diffraction element 14 (a direction perpendicular to the main surface of the light guide plate 12).
液晶回折素子14に回折された光は、液晶回折素子14が配置される主面とは反対側の主面に到達するが、導光板12内を全反射する角度を外れているため、導光板12から出射される。 The light diffracted by the liquid crystal diffraction element 14 reaches the main surface opposite to the main surface on which the liquid crystal diffraction element 14 is arranged, but because the angle is not at which the light is totally reflected within the light guide plate 12, it is emitted from the light guide plate 12.
導光板12から出射された光は、正のレンズ22に入射して集光される。正のレンズ22を透過した光は、位相差板16に入射する。前述のとおり、位相差板16は、液晶回折素子14で回折された円偏光を直線偏光に変換する。
位相差板16で変換された直線偏光は、透過型表示素子18に入射する。
The light emitted from the light guide plate 12 is incident on the positive lens 22 and condensed. The light transmitted through the positive lens 22 is incident on the retardation plate 16. As described above, the retardation plate 16 converts the circularly polarized light diffracted by the liquid crystal diffraction element 14 into linearly polarized light.
The linearly polarized light converted by the phase difference plate 16 enters the transmissive display element 18 .
ここで、虚像を表示する状態において、透過型表示素子18は、画像表示を行わず入射する外光を透過する透過状態である。また、画像表示装置20は画像を表示する。そのため、透過型表示素子18は、画像表示装置20が表示し、導光板12を導光されて、液晶回折素子14で反射された画像の光を透過する。 When displaying a virtual image, the transmissive display element 18 is in a transmissive state in which it does not display an image and transmits incident external light. The image display device 20 displays an image. Therefore, the transmissive display element 18 transmits the light of the image displayed by the image display device 20, guided through the light guide plate 12, and reflected by the liquid crystal diffraction element 14.
また、前述のとおり、透過型表示素子18を透過した光は、正のレンズ22によって集光されているため、正のレンズ22よりも視認側の空間で結像した後、使用者Uに到達する。図示例においては、透過型表示素子18よりも視認側の空間で結像する。
この光による画像は、正のレンズ22によって光が結像した位置に虚像Vとして使用者Uに視認される。正のレンズ22がこの光を透過型表示素子18よりも視認側で結像させることで、虚像Vは視認側(使用者U)から見て実像(透過型表示素子18)よりも手前に視認される。
As described above, the light transmitted through the transmissive display element 18 is condensed by the positive lens 22, and therefore forms an image in a space on the viewing side of the positive lens 22 before reaching the user U. In the illustrated example, the image is formed in a space on the viewing side of the transmissive display element 18.
The image formed by this light is viewed by the user U as a virtual image V at the position where the light is focused by the positive lens 22. The positive lens 22 focuses this light on the viewing side of the transmissive display element 18, so that the virtual image V is viewed from the viewing side (user U) as being closer to the viewer than the real image (transmissive display element 18).
図4および図5に示す画像表示システム10においても、実像を表示する状態と虚像を表示する状態とを高速に交互に切り替えることで、すなわち、画像表示装置の白表示と画像表示の切り替え、および、その表示の切り替えに同期して、透過型表示素子18の画像表示状態と、透過状態との切り替えを行うことで、実像と虚像とが奥行方向に重なった重畳画像として表示することができる。 In the image display system 10 shown in Figures 4 and 5, by rapidly alternating between a state in which a real image is displayed and a state in which a virtual image is displayed, i.e., by switching between white display and image display on the image display device, and by switching between the image display state and the transmissive state of the transmissive display element 18 in synchronization with the display switching, it is possible to display a superimposed image in which a real image and a virtual image are superimposed in the depth direction.
この画像表示システム10をカーナビゲーションシステムに利用する場合には、例えば、実像として地図画像を表示し、虚像Vとして、位置情報、天気および到着時刻等の付加情報を表示する。この際には、使用者Uには、地図画像に対して、付加情報が手前に浮き上がったように視認される。 When this image display system 10 is used in a car navigation system, for example, a map image is displayed as a real image, and additional information such as location information, weather, and arrival time is displayed as a virtual image V. At this time, the user U visually perceives the additional information as floating in front of the map image.
なお、図4および図5に示す例では、正のレンズ22は、導光板12と位相差板16との間に配置される構成としたが、これに限定はされない。正のレンズ22は、位相差板16と透過型表示素子18との間に配置されてもよい。 In the example shown in Figs. 4 and 5, the positive lens 22 is arranged between the light guide plate 12 and the retardation plate 16, but this is not limited to the configuration. The positive lens 22 may be arranged between the retardation plate 16 and the transmissive display element 18.
ここで、図4および図5に示す例では、好ましい態様として、画像表示システム10は、液晶回折素子14の導光板12とは反対側の面側に負のレンズ24を有している。
画像表示システム10が虚像Vを表示する状態の場合には、虚像Vとともに、画像表示システム10の背景が視認され得る。その際、画像表示システム10が正のレンズ22を有すると、背景が正のレンズ22の影響で歪んだり、拡大または縮小されてしまう。
これに対して、画像表示システム10が、液晶回折素子14の導光板12とは反対側の面側に負のレンズ24を有することで、正のレンズ22の光を収束させる作用を負のレンズ24の光を発散させる作用で相殺して、背景が歪んだり、拡大または縮小されてしまうことを抑制できる。
背景の歪み、および、拡大または縮小を抑制する観点から、正のレンズ22のレンズパワーと負のレンズ24のレンズパワーの絶対値を略同じとすることが好ましい。
In the example shown in FIG. 4 and FIG. 5, in a preferred embodiment, the image display system 10 has a negative lens 24 on the surface of the liquid crystal diffraction element 14 opposite to the light guide plate 12 .
When the image display system 10 is in a state where it displays the virtual image V, the background of the image display system 10 can be viewed together with the virtual image V. In this case, if the image display system 10 has a positive lens 22, the background will be distorted or enlarged or reduced due to the influence of the positive lens 22.
In response to this, the image display system 10 has a negative lens 24 on the side of the liquid crystal diffraction element 14 opposite the light guide plate 12, so that the light converging effect of the positive lens 22 is offset by the light diverging effect of the negative lens 24, thereby preventing the background from being distorted or enlarged or reduced.
From the viewpoint of suppressing distortion and enlargement or reduction of the background, it is preferable that the absolute values of the lens power of the positive lens 22 and the lens power of the negative lens 24 are approximately the same.
また、上述した例においては、画像表示装置20は、画像表示と白表示とを交互に表示するもので、透過型表示素子18は、外光を利用して画素ごとに透過率を変えることで画像を表示する表示素子の場合として説明を行ったがこれに限定はされない。
本発明の画像表示システムは、画像表示装置20が、画像表示と黒表示とを交互に表示するもので、透過型表示素子18は、自発光して画像を表示する表示素子であってもよい。
In addition, in the above example, the image display device 20 alternately displays an image and a white display, and the transmissive display element 18 is described as a display element that displays an image by using external light to change the transmittance for each pixel, but the present invention is not limited to this.
In the image display system of the present invention, the image display device 20 alternately displays an image and a black display, and the transmissive display element 18 may be a display element that emits light to display an image.
画像表示装置20が、画像表示と黒表示とを交互に表示するもので、透過型表示素子18は、自発光して画像を表示する表示素子である場合には、画像表示システム10が実像を表示する状態の場合には、画像表示装置20は黒表示を行う。すなわち、画像表示装置20は実質的に発光しない。また、透過型表示素子18は、自発光して画像を表示する。これにより、画像表示システム10は透過型表示素子18による画像を実像として表示する。 When the image display device 20 alternates between image display and black display and the transmissive display element 18 is a display element that displays an image by self-emitting light, the image display device 20 displays black when the image display system 10 is in a state where it displays a real image. In other words, the image display device 20 does not substantially emit light. Also, the transmissive display element 18 displays an image by self-emitting light. As a result, the image display system 10 displays the image by the transmissive display element 18 as a real image.
一方、画像表示システム10が虚像を表示する状態の場合には、画像表示装置20は画像表示を行う。また、透過型表示素子18は、自発光を行わず、透過状態である。そのため、画像表示装置20が照射した光は、上述した例と同様の光路を通り、画像表示装置20が照射して導光板12に導光されて液晶回折素子14で回折された画像の光を透過する。これにより、画像表示システム10は画像表示装置20による画像を虚像として表示する。 On the other hand, when the image display system 10 is in a state where it displays a virtual image, the image display device 20 displays an image. Also, the transmissive display element 18 does not emit light by itself and is in a transmissive state. Therefore, the light irradiated by the image display device 20 travels along the same optical path as in the above example, and the light of the image irradiated by the image display device 20, guided to the light guide plate 12, and diffracted by the liquid crystal diffraction element 14 is transmitted. As a result, the image display system 10 displays the image by the image display device 20 as a virtual image.
このような画像表示システムにおいても、実像を表示する状態と虚像を表示する状態とを高速に交互に切り替えることで、すなわち、画像表示装置20の黒表示と画像表示の切り替え、および、その表示の切り替えに同期して、透過型表示素子18の画像表示状態と、透過状態との切り替えを行うことで、実像と虚像とが奥行方向に重なった重畳画像として表示することができる。 Even in such an image display system, by rapidly alternating between a state in which a real image is displayed and a state in which a virtual image is displayed, i.e., by switching between black display and image display on the image display device 20, and by switching between the image display state and the transmissive state of the transmissive display element 18 in synchronization with the display switching, it is possible to display a superimposed image in which the real image and the virtual image are superimposed in the depth direction.
ここで、図1~図3および図4~図5に示す例では、好ましい態様として、導光板12と透過型表示素子18との間に、位相差板16を有している。
後に詳述するが、外光を利用して画素ごとに透過率を変えることで画像を表示する透過型表示素子18としては、液晶セルが挙げられる。透過型表示素子18が液晶セルの場合には、導光板12と透過型表示素子18との間に、位相差板16を有する構成とするのが好ましい。
In the examples shown in FIGS. 1 to 3 and 4 to 5, a retardation plate 16 is provided between the light guide plate 12 and the transmissive display element 18 as a preferred embodiment.
As will be described in detail later, a liquid crystal cell is an example of the transmissive display element 18 that displays an image by changing the transmittance for each pixel using external light. When the transmissive display element 18 is a liquid crystal cell, it is preferable to have a retardation plate 16 between the light guide plate 12 and the transmissive display element 18.
周知のとおり、液晶セルは、電圧をかけることでセル内の液晶材料の並び方を変化させて光を透過させたり遮断させたりして光の透過率を変化させる。一般に液晶セルは両面に直線偏光子を有しており、入射した光の直線偏光成分に対して作用する。
また、本発明の画像表示システムにおいて、画像表示装置20が照射する光は円偏光である。画像表示装置20が照射した光が円偏光のまま透過型表示素子18に入射すると、円偏光の一部の成分のみが透過可能で他の成分は吸収されてしまう。そのため、外光としての白表示の光量、および、画像表示の際の光量が低下してしまい、実像および虚像ともに輝度が低下してしまう。
As is well known, liquid crystal cells change the light transmittance by changing the arrangement of the liquid crystal material in the cell when a voltage is applied, thereby transmitting or blocking light. Generally, liquid crystal cells have linear polarizers on both sides, which act on the linearly polarized component of the incident light.
In the image display system of the present invention, the light irradiated by the image display device 20 is circularly polarized light. If the light irradiated by the image display device 20 is incident on the transmissive display element 18 as it is, only a portion of the circularly polarized light component can be transmitted, and the other components are absorbed. As a result, the amount of light for white display as external light and the amount of light when displaying an image are reduced, and the brightness of both the real image and the virtual image is reduced.
これに対して、導光板12と透過型表示素子18との間に、位相差板16を配置することで、画像表示装置20が照射し、液晶回折素子14が反射した円偏光を位相差板16によって直線偏光に変換することで、透過型表示素子18が有する直線偏光子で光が吸収されてしまうことを防止でき、実像および虚像の輝度が低下してしまうことを防止できる。 In response to this, by disposing a retardation plate 16 between the light guide plate 12 and the transmissive display element 18, the circularly polarized light irradiated by the image display device 20 and reflected by the liquid crystal diffraction element 14 is converted into linearly polarized light by the retardation plate 16, thereby preventing the light from being absorbed by the linear polarizer of the transmissive display element 18 and preventing a decrease in the brightness of the real image and virtual image.
なお、位相差板16は、遅相軸の方向が、液晶回折素子14が反射した円偏光を、透過型表示素子18である液晶セルの入射側の直線偏光子の透過軸に平行な直線偏光に変換する向きに配置されればよい。 The retardation plate 16 is arranged so that the direction of the slow axis is oriented to convert the circularly polarized light reflected by the liquid crystal diffraction element 14 into linearly polarized light parallel to the transmission axis of the linear polarizer on the entrance side of the liquid crystal cell, which is the transmissive display element 18.
一方、透過型表示素子18が、透過型LED(light emitting diode)等の自発光して画像を表示する表示素子の場合には、光の偏光状態に関わらず、光を透過可能であるため、位相差板16は不要である。 On the other hand, if the transmissive display element 18 is a display element that displays an image by self-emitting light, such as a transmissive LED (light emitting diode), the retardation plate 16 is not required because the light can be transmitted regardless of the polarization state of the light.
次に、本発明の画像表示システムの各構成要素について説明する。 Next, we will explain each component of the image display system of the present invention.
〔画像表示装置〕
画像表示装置は、画像表示システムにおいて虚像となる画像を表示し、透過型表示素子の外光となる白表示を行うものである。あるいは、画像表示装置は、画像表示システムにおいて虚像となる画像を表示し、光を照射しない黒表示を行うものである。
また、前述のとおり、画像表示装置は、右円偏光または左円偏光による表示を行う。
[Image display device]
The image display device displays an image that becomes a virtual image in the image display system and performs white display that becomes external light of the transmissive display element, or displays an image that becomes a virtual image in the image display system and performs black display that does not emit light.
As described above, the image display device performs display using right-handed or left-handed circularly polarized light.
画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子に加えて、画像表示素子が照射した光の進行方向を導光板に入射する向きに変える導光部材、および、画像表示素子が照射した光の偏光状態を円偏光に変換する位相差板あるいは円偏光板(直線偏光板および位相差板の組み合わせ)等を有していてもよい。 The image display device may have, in addition to an image display element that displays an image, a light guide member that changes the direction of travel of light irradiated by the image display element to the direction that the light enters the light guide plate, and a retardation plate or a circular polarizing plate (a combination of a linear polarizing plate and a retardation plate) that converts the polarization state of the light irradiated by the image display element into circularly polarized light.
図6に示す画像表示システム10は、導光板12と、液晶回折素子14と、位相差板16と、透過型表示素子18と、画像表示装置20と、正のレンズ22と、負のレンズ24と、を有する。画像表示装置20は、画像表示素子26と、導光部材29と、を有する。 The image display system 10 shown in FIG. 6 has a light guide plate 12, a liquid crystal diffraction element 14, a retardation plate 16, a transmissive display element 18, an image display device 20, a positive lens 22, and a negative lens 24. The image display device 20 has an image display element 26 and a light guide member 29.
導光板12、液晶回折素子14、位相差板16、透過型表示素子18、正のレンズ22、および、負のレンズ24については上述した例と同様の構成を有するため、以下においては、画像表示装置20が有する画像表示素子26、および、導光部材29について説明する。 The light guide plate 12, liquid crystal diffraction element 14, retardation plate 16, transmissive display element 18, positive lens 22, and negative lens 24 have the same configuration as in the above-mentioned example, so below, we will explain the image display element 26 and light guide member 29 of the image display device 20.
図6に示す例においては、画像表示素子26、および、導光部材29は、導光板12の一方の側面側に配置されており、導光板12の主面に垂直な方向にこの順に配置されている。画像表示素子26は導光板12の主面に垂直な方向に導光部材29に向けて光を照射する。導光部材29に入射した光は、導光部材29によって、その進行方向を導光板12の側面に向かう方向に曲げられる。導光部材29によって進行方向を曲げられた光は導光板12の側面から導光板12内に入射する。 In the example shown in FIG. 6, the image display element 26 and the light guide member 29 are disposed on one side of the light guide plate 12, and are disposed in this order in a direction perpendicular to the main surface of the light guide plate 12. The image display element 26 irradiates light toward the light guide member 29 in a direction perpendicular to the main surface of the light guide plate 12. The light that enters the light guide member 29 has its traveling direction bent by the light guide member 29 in a direction toward the side surface of the light guide plate 12. The light whose traveling direction has been bent by the light guide member 29 enters the light guide plate 12 from the side surface of the light guide plate 12.
(画像表示素子)
画像表示素子26には、制限はなく、例えば、画像表示装置に用いられる公知の表示装置が、各種、利用可能である。一例として、画像表示素子としては、プロジェクター、液晶ディスプレイ(LCOS:Liquid Crystal On Siliconなどを含む)、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ(OLED)、マイクロLED、DLP(Digital Light Processing)、および、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーを用いたスキャニング方式ディスプレイ等が挙げられる。
(Image display element)
There is no limitation on the image display element 26, and for example, various known display devices used in image display devices can be used. Examples of image display elements include projectors, liquid crystal displays (including LCOS (Liquid Crystal On Silicon) and the like), organic electroluminescence displays (OLEDs), micro LEDs, DLPs (Digital Light Processing), and scanning displays using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirrors.
なお、液晶回折素子14が異なる選択反射波長の複数のコレステリック液晶層を有する構成の場合には、画像表示素子26は、各コレステリック液晶層が反射する波長の光を用いて多色画像を表示する画像表示素子が用いられる。 When the liquid crystal diffraction element 14 has multiple cholesteric liquid crystal layers with different selective reflection wavelengths, the image display element 26 is an image display element that displays a multicolor image using light of the wavelengths reflected by each cholesteric liquid crystal layer.
本発明の画像表示システムに用いられる画像表示素子26は、各種の画像表示装置に用いられる公知の投映レンズ(コリメートレンズ)を有していてもよい。 The image display element 26 used in the image display system of the present invention may have a known projection lens (collimator lens) used in various image display devices.
画像表示素子26は、虚像として表示する画像の表示と、白表示とを高速に交互に表示する。または、画像表示素子26は、虚像として表示する画像の表示と、黒表示とを高速に交互に表示する。 The image display element 26 alternates between displaying an image to be displayed as a virtual image and displaying white at high speed. Alternatively, the image display element 26 alternates between displaying an image to be displayed as a virtual image and displaying black at high speed.
(導光部材)
導光部材29は、画像表示素子26が照射した光の進行方向を導光板の側面に入射する角度に曲げるものである。
導光部材29としては、公知のミラー、回折素子等が利用可能である。
(Light guiding member)
The light guide member 29 bends the traveling direction of the light emitted by the image display element 26 at an angle such that the light is incident on a side surface of the light guide plate.
The light guide member 29 may be a known mirror, a diffraction element, or the like.
なお、図6に示す例では、画像表示装置20が導光部材29を有し、画像表示素子26が導光板12の側面に略平行な方向に照射した光の進行方向を導光板12の側面に略垂直な方向に曲げて、光を導光板12に入射させるものとしたがこれに限定はされない。
画像表示素子26が、その表示面を導光板12の端面に対面して配置され、画像表示素子26が照射した光が直接、導光板12の端面から導光板12内に入射する構成としてもよい。
In the example shown in Figure 6, the image display device 20 has a light-guiding member 29, and the image display element 26 bends the direction of travel of light irradiated in a direction approximately parallel to the side surface of the light guide plate 12 to a direction approximately perpendicular to the side surface of the light guide plate 12, causing the light to enter the light guide plate 12, but the present invention is not limited to this.
The image display element 26 may be arranged with its display surface facing the end face of the light guide plate 12 , and the light emitted by the image display element 26 may be directly incident on the light guide plate 12 from the end face thereof.
〔透過型表示素子〕
透過型表示素子は、画像表示システムにおいて実像となる画像を表示するものである。
透過型表示素子は、画像を表示することができ、かつ、入射する外光を透過する状態にすることができれば特に制限はない。
透過型表示素子としては、液晶セル、透過型LED等が例示される。
[Transmissive display element]
The transmissive display element displays a real image in the image display system.
There are no particular limitations on the transmissive display element as long as it can display an image and can transmit incident external light.
Examples of the transmissive display element include a liquid crystal cell and a transmissive LED.
液晶セルは、電圧をかけることでセル内の液晶材料の並び方を変化させて光を透過させたり遮断させたりして、画素(セル)ごとに光の透過率を変化させて、画像を表示する。一般に液晶セルは両面に直線偏光子を有している。また、透過型表示素子として液晶セルを用いる場合には、カラーフィルタを有していてもよい。 When a voltage is applied to a liquid crystal cell, the arrangement of the liquid crystal material inside the cell is changed to transmit or block light, changing the light transmittance for each pixel (cell) and displaying an image. Liquid crystal cells generally have linear polarizers on both sides. When using liquid crystal cells as transmissive display elements, they may also have color filters.
前述のとおり、液晶セルを用いた透過型表示素子は、自発光はせず、入射する外光を利用して画像を表示するものである。また、液晶セルを用いた透過型表示素子は、全ての画素(セル)で光を透過する状態にすることで、透過状態とすることができる。 As mentioned above, transmissive display elements using liquid crystal cells are not self-luminous, but display images using incident external light. In addition, transmissive display elements using liquid crystal cells can be made to be in a transmissive state by making all pixels (cells) transmit light.
透過型LED(透過型LED表示装置)は、1画素となるLEDが一定の間隔で多数配列された構成を有し、各LEDを点灯させてある画像を表示するものである。透過型LEDは、LEDが間隔をあけて配置されており、LEDの間の領域が光を透過可能である。 Transmissive LEDs (transmissive LED display devices) are configured with a large number of LEDs, each of which is a pixel, arranged at regular intervals, and display an image by lighting up each LED. In transmissive LEDs, the LEDs are arranged at intervals, and the areas between the LEDs allow light to pass through.
前述のとおり、透過型LEDを用いた透過型表示素子は、LEDが自発光して画像を表示するものである。また、透過型LEDを用いた過型表示素子は、全ての画素(LED)が消灯することで、LEDの間の領域から光を透過した光を好適に視認できる状態にすることができる。 As mentioned above, a transmissive display element using transmissive LEDs displays an image by the LEDs self-emitting. In addition, a transmissive display element using transmissive LEDs can be in a state where the light transmitted through the areas between the LEDs can be easily seen by turning off all pixels (LEDs).
透過型LEDにおいて、各LEDは、無機LEDであってもよく、有機LEDであってもよい。
また、透過型LEDは、異なる色を発光するLEDを有する構成、例えば、青色LEDと緑色LEDと赤色LEDとを有する構成であってもよく、単色(白色)のLEDとカラーフィルターとを組み合わせたものであってもよい。
In a transmissive LED, each LED may be an inorganic LED or an organic LED.
In addition, the transmissive LED may be configured to have LEDs that emit different colors, for example, a blue LED, a green LED, and a red LED, or may be a combination of a single-color (white) LED and a color filter.
〔導光板〕
導光板は、入射した光を内部で導光するものである。
導光板としては特に限定はなく、画像表示装置等で用いられている従来公知の導光板を用いることができる。
〔Light guide plate〕
The light guide plate internally guides incident light.
The light guide plate is not particularly limited, and any conventional light guide plate used in image display devices or the like can be used.
導光板の厚さには特に制限はないが、画像表示システム全体の体積を小さくする観点から、1mm~500mmが好ましく、10mm~100mmがより好ましく、30mm~50mmがさらに好ましい。
また、導光板の主面の大きさには特に制限はなく、画像表示装置が表示する虚像の大きさ、透過型表示素子が表示する実像の大きさ、画像表示素子の表示面の大きさ等に応じて適宜設定すればよい。
There is no particular limit to the thickness of the light guide plate, but from the viewpoint of reducing the volume of the entire image display system, the thickness is preferably 1 mm to 500 mm, more preferably 10 mm to 100 mm, and even more preferably 30 mm to 50 mm.
Furthermore, there is no particular restriction on the size of the main surface of the light guide plate, and it may be set appropriately depending on the size of the virtual image displayed by the image display device, the size of the real image displayed by the transmissive display element, the size of the display surface of the image display element, etc.
〔液晶回折素子〕
液晶回折素子としては、公知の液晶回折素子を適宜用いることができる。
[Liquid crystal diffraction element]
As the liquid crystal diffraction element, a known liquid crystal diffraction element can be appropriately used.
液晶回折素子は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成されたコレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層を有する回折素子である。また、液晶回折素子が有するコレステリック液晶層は、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有しており、これにより、反射する光を回折する。 The liquid crystal diffraction element is a diffraction element having a cholesteric liquid crystal layer formed by fixing a cholesteric liquid crystal phase formed using a composition containing a liquid crystal compound. The cholesteric liquid crystal layer of the liquid crystal diffraction element has a liquid crystal orientation pattern in which the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along at least one direction in the plane, thereby diffracting the reflected light.
液晶回折素子の一例を、図7および図8を用いて説明する。
図7は、液晶回折素子が有するコレステリック液晶層の平面図である。図8は、液晶回折素子の一例を模式的に示す図である。
図7および図8に示す液晶回折素子は、コレステリック液晶相を固定してなり、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層34を有する。コレステリック液晶層は、選択反射波長の一方の円偏光を反射し、他の波長域の光および他方の円偏光を透過するものである。したがって、コレステリック液晶層を有する回折素子は、反射型の回折素子である。
An example of the liquid crystal diffraction element will be described with reference to FIGS.
Fig. 7 is a plan view of a cholesteric liquid crystal layer of a liquid crystal diffraction element, and Fig. 8 is a schematic diagram showing an example of a liquid crystal diffraction element.
The liquid crystal diffraction element shown in Figures 7 and 8 has a cholesteric liquid crystal layer 34 having a liquid crystal orientation pattern in which the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along at least one direction in the plane, with a cholesteric liquid crystal phase fixed. The cholesteric liquid crystal layer reflects one circularly polarized light of the selective reflection wavelength and transmits light of the other wavelength range and the other circularly polarized light. Therefore, the diffraction element having the cholesteric liquid crystal layer is a reflection type diffraction element.
図8に示す例では、液晶回折素子は、支持体30と、配向膜32と、コレステリック液晶層34と、を有する。
なお、図8に示す例の液晶回折素子は、支持体30と、配向膜32と、コレステリック液晶層34とを有するが、本発明は、これに制限はされない。液晶回折素子は、例えば、導光板12に貼り合わせた後に、支持体30を剥離した、配向膜32およびコレステリック液晶層34のみを有するものでもよい。または、液晶回折素子は、例えば、導光板12に貼り合わせた後に、支持体30および配向膜32を剥離した、コレステリック液晶層34のみを有するものでもよい。
In the example shown in FIG. 8, the liquid crystal diffraction element has a support 30, an alignment film 32, and a cholesteric liquid crystal layer .
8 has a support 30, an alignment film 32, and a cholesteric liquid crystal layer 34, but the present invention is not limited thereto. The liquid crystal diffraction element may have only the alignment film 32 and the cholesteric liquid crystal layer 34, after the support 30 is peeled off after being bonded to the light guide plate 12. Alternatively, the liquid crystal diffraction element may have only the cholesteric liquid crystal layer 34, after the support 30 and the alignment film 32 are peeled off after being bonded to the light guide plate 12.
<支持体>
支持体30は、配向膜32、および、コレステリック液晶層34を支持するものである。
支持体30は、配向膜32、コレステリック液晶層34を支持できるものであれば、各種のシート状物(フィルム、板状物)が利用可能である。
なお、支持体30は、対応する光に対する透過率が50%以上であるのが好ましく、70%以上であるのがより好ましく、85%以上であるのがさらに好ましい。
<Support>
The support 30 supports the alignment film 32 and the cholesteric liquid crystal layer 34 .
The support 30 may be any type of sheet-like material (film, plate-like material) as long as it can support the alignment film 32 and the cholesteric liquid crystal layer 34 .
The support 30 preferably has a transmittance to the corresponding light of 50% or more, more preferably 70% or more, and even more preferably 85% or more.
支持体30の厚さには、制限はなく、液晶回折素子の用途および支持体30の形成材料等に応じて、配向膜32、コレステリック液晶層34を保持できる厚さを、適宜、設定すればよい。
支持体30の厚さは、1~2000μmが好ましく、3~500μmがより好ましく、5~250μmがさらに好ましい。
There is no limitation on the thickness of the support 30, and the thickness capable of supporting the alignment film 32 and the cholesteric liquid crystal layer 34 may be appropriately set depending on the application of the liquid crystal diffraction element and the material from which the support 30 is formed.
The thickness of the support 30 is preferably from 1 to 2000 μm, more preferably from 3 to 500 μm, and even more preferably from 5 to 250 μm.
支持体30は単層であっても、多層であってもよい。
単層である場合の支持体30としては、ガラス、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、アクリル、および、ポリオレフィン等からなる支持体30が例示される。多層である場合の支持体30の例としては、前述の単層の支持体のいずれかなどを基板として含み、この基板の表面に他の層を設けたもの等が例示される。
The support 30 may be a single layer or a multi-layer.
Examples of the support 30 in the case of a single layer include support 30 made of glass, triacetyl cellulose (TAC), polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate, polyvinyl chloride, acrylic, polyolefin, etc. Examples of the support 30 in the case of a multilayer include a support that includes any of the above-mentioned single-layer supports as a substrate, and another layer is provided on the surface of this substrate.
<配向膜>
液晶回折素子において、支持体30の表面には配向膜32が形成される。
配向膜32は、コレステリック液晶層34を形成する際に、液晶化合物40を所定の液晶配向パターンに配向するための配向膜である。
後述するが、本発明において、コレステリック液晶層34は、液晶化合物40に由来する光学軸40A(図7参照)の向きが、面内の一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する。従って、配向膜32は、コレステリック液晶層34が、この液晶配向パターンを形成できるように、形成される。
以下の説明では、『光学軸40Aの向きが回転』を単に『光学軸40Aが回転』とも言う。
<Alignment film>
In the liquid crystal diffraction element, an alignment film 32 is formed on the surface of a support 30 .
The alignment film 32 is an alignment film for aligning the liquid crystal compound 40 in a predetermined liquid crystal alignment pattern when the cholesteric liquid crystal layer 34 is formed.
As will be described later, in the present invention, the cholesteric liquid crystal layer 34 has a liquid crystal orientation pattern in which the direction of the optical axis 40A (see FIG. 7) derived from the liquid crystal compound 40 changes while continuously rotating along one direction in the plane. Therefore, the alignment film 32 is formed so that the cholesteric liquid crystal layer 34 can form this liquid crystal orientation pattern.
In the following description, "the orientation of the optical axis 40A rotates" will also be simply referred to as "the optical axis 40A rotates."
配向膜32は、公知の各種のものが利用可能である。
例えば、ポリマーなどの有機化合物からなるラビング処理膜、無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、ならびに、ω-トリコサン酸、ジオクタデシルメチルアンモニウムクロライドおよびステアリル酸メチルなどの有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるLB(Langmuir-Blodgett:ラングミュア・ブロジェット)膜を累積させた膜、等が例示される。
The alignment film 32 may be of any of various known types.
Examples of such films include a rubbed film made of an organic compound such as a polymer, an obliquely evaporated film of an inorganic compound, a film having a microgroove, and a film obtained by accumulating LB (Langmuir-Blodgett) films made by the Langmuir-Blodgett method of an organic compound such as ω-tricosanoic acid, dioctadecylmethylammonium chloride, and methyl stearate.
ラビング処理による配向膜32は、ポリマー層の表面を紙または布で一定方向に数回こすることにより形成できる。
配向膜32に使用する材料としては、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平9-152509号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開2005-097377号公報、特開2005-099228号公報、および、特開2005-128503号公報記載の配向膜32等の形成に用いられる材料が好ましい。
The alignment film 32 formed by rubbing treatment can be formed by rubbing the surface of the polymer layer several times in a certain direction with paper or cloth.
Preferred materials for use in the alignment film 32 include polyimide, polyvinyl alcohol, polymers having polymerizable groups as described in JP-A-9-152509, and materials used in forming the alignment film 32 described in JP-A-2005-097377, JP-A-2005-099228, and JP-A-2005-128503.
液晶回折素子においては、配向膜32は、光配向性の素材に偏光または非偏光を照射して配向膜32とした、いわゆる光配向膜が好適に利用される。すなわち、液晶回折素子においては、配向膜32として、支持体30上に、光配向材料を塗布して形成した光配向膜が、好適に利用される。
偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向または斜め方向から行うことができ、非偏光の照射は、光配向膜に対して、斜め方向から行うことができる。
In the liquid crystal diffraction element, the alignment film 32 is preferably a so-called photo-alignment film obtained by irradiating a photo-alignable material with polarized or non-polarized light to form the alignment film 32. That is, in the liquid crystal diffraction element, the alignment film 32 is preferably a photo-alignment film formed by applying a photo-alignment material onto the support 30.
The photo-alignment film can be irradiated with polarized light from a vertical direction or an oblique direction, while the photo-alignment film can be irradiated with unpolarized light from an oblique direction.
本発明に利用可能な配向膜に用いられる光配向材料としては、例えば、特開2006-285197号公報、特開2007-076839号公報、特開2007-138138号公報、特開2007-094071号公報、特開2007-121721号公報、特開2007-140465号公報、特開2007-156439号公報、特開2007-133184号公報、特開2009-109831号公報、特許第3883848号公報および特許第4151746号公報に記載のアゾ化合物、特開2002-229039号公報に記載の芳香族エステル化合物、特開2002-265541号公報および特開2002-317013号公報に記載の光配向性単位を有するマレイミドおよび/またはアルケニル置換ナジイミド化合物、特許第4205195号および特許第4205198号に記載の光架橋性シラン誘導体、特表2003-520878号公報、特表2004-529220号公報および特許第4162850号に記載の光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミドおよび光架橋性ポリエステル、ならびに、特開平9-118717号公報、特表平10-506420号公報、特表2003-505561号公報、国際公開第2010/150748号、特開2013-177561号公報および特開2014-12823号公報に記載の光二量化可能な化合物、特にシンナメート化合物、カルコン化合物およびクマリン化合物等が、好ましい例として例示される。
中でも、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミド、光架橋性ポリエステル、シンナメート化合物、および、カルコン化合物は、好適に利用される。
Examples of photoalignment materials used in the alignment film that can be used in the present invention include those described in JP-A-2006-285197, JP-A-2007-076839, JP-A-2007-138138, JP-A-2007-094071, JP-A-2007-121721, JP-A-2007-140465, JP-A-2007-156439, and JP-A-2007-160144. azo compounds described in JP-A-07-133184, JP-A-2009-109831, JP-B-3883848 and JP-B-4151746, aromatic ester compounds described in JP-A-2002-229039, maleimides having photo-alignable units described in JP-A-2002-265541 and JP-A-2002-317013, and/or alkenyl-substituted nadimide compounds, photocrosslinkable silane derivatives described in Japanese Patent Nos. 4205195 and 4205198, photocrosslinkable polyimides, photocrosslinkable polyamides and photocrosslinkable polyesters described in JP-T-2003-520878, JP-T-2004-529220 and JP-T-4162850, and photodimerizable compounds described in JP-A-9-118717, JP-T-10-506420, JP-T-2003-505561, WO 2010/150748, JP-A-2013-177561 and JP-A-2014-12823, in particular cinnamate compounds, chalcone compounds and coumarin compounds, are exemplified as preferred examples.
Among these, azo compounds, photocrosslinkable polyimides, photocrosslinkable polyamides, photocrosslinkable polyesters, cinnamate compounds, and chalcone compounds are preferably used.
配向膜32の厚さには、制限はなく、配向膜32の形成材料に応じて、必要な配向機能を得られる厚さを、適宜、設定すればよい。
配向膜32の厚さは、0.01~5μmが好ましく、0.05~2μmがより好ましい。
There is no limitation on the thickness of the alignment film 32, and the thickness may be appropriately set so as to obtain the necessary alignment function depending on the material from which the alignment film 32 is formed.
The thickness of the alignment film 32 is preferably 0.01 to 5 μm, and more preferably 0.05 to 2 μm.
配向膜32の形成方法には、制限はなく、配向膜32の形成材料に応じた公知の方法が、各種、利用可能である。一例として、配向膜32を支持体30の表面に塗布して乾燥させた後、配向膜32をレーザ光によって露光して、配向パターンを形成する方法が例示される。 There are no limitations on the method for forming the alignment film 32, and various known methods can be used depending on the material for forming the alignment film 32. One example is a method in which the alignment film 32 is applied to the surface of the support 30 and dried, and then the alignment film 32 is exposed to laser light to form an alignment pattern.
図11に、配向膜32を露光して、配向パターンを形成する露光装置の一例を概念的に示す。
図11に示す露光装置60は、レーザ62を備えた光源64と、レーザ62が出射したレーザ光Mの偏光方向を変えるλ/2板65と、レーザ62が出射したレーザ光Mを光線MAおよびMBの2つに分離する偏光ビームスプリッター68と、分離された2つの光線MAおよびMBの光路上にそれぞれ配置されたミラー70Aおよび70Bと、λ/4板72Aおよび72Bと、を備える。
なお、光源64は直線偏光P0を出射する。λ/4板72Aは、直線偏光P0(光線MA)を右円偏光PRに、λ/4板72Bは直線偏光P0(光線MB)を左円偏光PLに、それぞれ変換する。
FIG. 11 conceptually shows an example of an exposure apparatus for exposing the alignment film 32 to light to form an alignment pattern.
The exposure device 60 shown in FIG. 11 includes a light source 64 having a laser 62, a λ/2 plate 65 that changes the polarization direction of the laser light M emitted by the laser 62, a polarizing beam splitter 68 that splits the laser light M emitted by the laser 62 into two light beams MA and MB, mirrors 70A and 70B that are respectively arranged on the optical paths of the two split light beams MA and MB, and λ/4 plates 72A and 72B.
The light source 64 emits linearly polarized light P 0. The λ/4 plate 72A converts the linearly polarized light P 0 (light beam MA) into right-handed circularly polarized light P R , and the λ/4 plate 72B converts the linearly polarized light P 0 (light beam MB) into left-handed circularly polarized light P L.
配向パターンを形成される前の配向膜32を有する支持体30が露光部に配置され、2つの光線MAと光線MBとを配向膜32上において交差させて干渉させ、その干渉光を配向膜32に照射して露光する。
この際の干渉により、配向膜32に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。これにより、配向状態が周期的に変化する配向パターンを有する配向膜(以下、パターン配向膜ともいう)が得られる。
A support 30 having an alignment film 32 before an alignment pattern is formed is placed in an exposure section, and two light beams MA and MB are made to intersect and interfere on the alignment film 32, and the alignment film 32 is exposed by being irradiated with the interference light.
Due to the interference at this time, the polarization state of the light irradiated to the alignment film 32 changes periodically in the form of interference fringes, thereby obtaining an alignment film having an alignment pattern in which the alignment state changes periodically (hereinafter also referred to as a pattern alignment film).
露光装置60においては、2つの光線MAおよびMBの交差角αを変化させることにより、配向パターンの周期を調節できる。すなわち、露光装置60においては、交差角αを調節することにより、液晶化合物40に由来する光学軸40Aが一方向に沿って連続的に回転する配向パターンにおいて、光学軸40Aが回転する1方向における、光学軸40Aが180°回転する1周期の長さを調節できる。 In the exposure device 60, the period of the orientation pattern can be adjusted by changing the crossing angle α of the two light beams MA and MB. That is, in the exposure device 60, by adjusting the crossing angle α, in an orientation pattern in which the optical axis 40A derived from the liquid crystal compound 40 rotates continuously along one direction, the length of one period in which the optical axis 40A rotates 180° in one direction in which the optical axis 40A rotates can be adjusted.
このような配向状態が周期的に変化した配向パターンを有する配向膜32上に、コレステリック液晶層を形成することにより、後述するように、液晶化合物40に由来する光学軸40Aが一方向に沿って連続的に回転する液晶配向パターンを有する、コレステリック液晶層34を形成できる。
また、λ/4板72Aおよび72Bの光学軸を、それぞれ、90°回転することにより、光学軸40Aの回転方向を逆にすることができる。
By forming a cholesteric liquid crystal layer on an alignment film 32 having an alignment pattern in which the alignment state changes periodically, a cholesteric liquid crystal layer 34 can be formed having a liquid crystal alignment pattern in which the optical axis 40A derived from the liquid crystal compound 40 rotates continuously along one direction, as described below.
Moreover, by rotating the optical axes of the λ/4 plates 72A and 72B by 90°, respectively, the rotation direction of the optical axis 40A can be reversed.
上述のとおり、パターン配向膜は、パターン配向膜の上に形成されるコレステリック液晶層中の液晶化合物の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンとなるように、液晶化合物を配向させる配向パターンを有する。パターン配向膜が、液晶化合物を配向させる向きに沿った軸を配向軸とすると、パターン配向膜は、配向軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している配向パターンを有するといえる。パターン配向膜の配向軸は、吸収異方性を測定することで検出することができる。例えば、パターン配向膜に直線偏光を回転させながら照射して、パターン配向膜を透過する光の光量を測定した際に、光量が最大または最小となる向きが、面内の一方向に沿って漸次変化して観測される。 As described above, the patterned alignment film has an alignment pattern that aligns the liquid crystal compound so that the direction of the optical axis of the liquid crystal compound in the cholesteric liquid crystal layer formed on the patterned alignment film becomes a liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis of the liquid crystal compound changes while rotating continuously along at least one direction in the plane. If the axis along which the patterned alignment film aligns the liquid crystal compound is the alignment axis, it can be said that the patterned alignment film has an alignment pattern in which the direction of the alignment axis changes while rotating continuously along at least one direction in the plane. The alignment axis of the patterned alignment film can be detected by measuring the absorption anisotropy. For example, when the patterned alignment film is irradiated with linearly polarized light while rotating and the amount of light transmitted through the patterned alignment film is measured, the direction in which the amount of light is maximum or minimum is observed to change gradually along one direction in the plane.
なお、本発明において、配向膜32は、好ましい態様として設けられるものであり、必須の構成要件ではない。
例えば、支持体30をラビング処理する方法、支持体30をレーザ光などで加工する方法等によって、支持体30に配向パターンを形成することにより、コレステリック液晶層34が、液晶化合物40に由来する光学軸40Aの向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する構成とすることも、可能である。すなわち、本発明においては、支持体30を配向膜として作用させてもよい。
In the present invention, the alignment film 32 is provided as a preferred embodiment, but is not an essential component.
For example, by forming an orientation pattern on the support 30 by a method of subjecting the support 30 to a rubbing treatment, a method of processing the support 30 with laser light, or the like, it is possible to configure the cholesteric liquid crystal layer 34 to have a liquid crystal orientation pattern in which the direction of the optical axis 40A derived from the liquid crystal compound 40 changes while continuously rotating along at least one direction in the plane. That is, in the present invention, the support 30 may act as an orientation film.
<コレステリック液晶層>
液晶回折素子において、配向膜32の表面には、コレステリック液晶層34が形成される。
上述したように、コレステリック液晶層は、コレステリック液晶相を固定してなる、コレステリック液晶層であり、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層である。液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層は、コレステリック液晶層の主面に垂直な断面においてSEMにて観察されるコレステリック液晶相由来の明部及び暗部の配列方向が、コレステリック液晶層の主面に対して傾斜している。
<Cholesteric Liquid Crystal Layer>
In the liquid crystal diffraction element, a cholesteric liquid crystal layer 34 is formed on the surface of an alignment film 32 .
As described above, the cholesteric liquid crystal layer is a cholesteric liquid crystal layer having a fixed cholesteric liquid crystal phase, and has a liquid crystal orientation pattern in which the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along at least one direction in the plane. In the cholesteric liquid crystal layer having a liquid crystal orientation pattern in which the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along at least one direction in the plane, the alignment direction of the light and dark parts derived from the cholesteric liquid crystal phase observed by SEM in a cross section perpendicular to the main surface of the cholesteric liquid crystal layer is inclined with respect to the main surface of the cholesteric liquid crystal layer.
コレステリック液晶層34は、図8に概念的に示すように、通常のコレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層と同様に、液晶化合物40が螺旋状に旋回して積み重ねられた螺旋構造を有し、液晶化合物40が螺旋状に1回転(360°回転)して積み重ねられた構成を螺旋1ピッチとして、螺旋状に旋回する液晶化合物40が、複数ピッチ、積層された構造を有する。 As conceptually shown in FIG. 8, the cholesteric liquid crystal layer 34 has a helical structure in which the liquid crystal compounds 40 are spirally stacked, similar to a cholesteric liquid crystal layer formed by fixing a normal cholesteric liquid crystal phase, and the liquid crystal compounds 40 spirally rotate one turn (360° rotation) and stacked in a helical shape, forming one helical pitch, and the helical liquid crystal compounds 40 are stacked in multiple pitches.
周知のように、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層は、波長選択反射性を有する。後に詳述するが、コレステリック液晶層の選択的な反射波長域は、上述した螺旋1ピッチの厚さ方向の長さに依存する。
従って、液晶回折素子に波長選択性を持たせ、回折素子ごとに異なる波長の光を回折する構成とする場合には、各液晶回折素子ごとに、コレステリック液晶層の螺旋ピッチPを調整して、コレステリック液晶層の選択的な反射波長域を適宜設定すればよい。
As is well known, a cholesteric liquid crystal layer formed by fixing a cholesteric liquid crystal phase has wavelength selective reflectivity. As will be described in detail later, the selective reflection wavelength range of the cholesteric liquid crystal layer depends on the length of one pitch of the helix in the thickness direction.
Therefore, if the liquid crystal diffraction element is given wavelength selectivity and each diffraction element is configured to diffract light of a different wavelength, the helical pitch P of the cholesteric liquid crystal layer can be adjusted for each liquid crystal diffraction element to appropriately set the selective reflection wavelength range of the cholesteric liquid crystal layer.
図7に示すように、コレステリック液晶層34のX-Y面において、液晶化合物40は、X-Y面内の互いに平行な複数の配列軸Dに沿って配列しており、それぞれの配列軸D上において、液晶化合物40の光学軸40Aの向きは、配列軸Dに沿った面内の一方向に連続的に回転しながら変化している。ここで、説明のため、配列軸DがX方向に向いているとする。また、Y方向においては、光学軸40Aの向きが等しい液晶化合物40が等間隔で配向している。 As shown in FIG. 7, in the X-Y plane of the cholesteric liquid crystal layer 34, the liquid crystal compounds 40 are aligned along multiple alignment axes D that are parallel to each other in the X-Y plane, and on each alignment axis D, the direction of the optical axis 40A of the liquid crystal compounds 40 changes while continuously rotating in one direction in the plane along the alignment axis D. For the sake of explanation, it is assumed here that the alignment axis D is oriented in the X direction. In addition, in the Y direction, the liquid crystal compounds 40 whose optical axes 40A are aligned in the same direction are aligned at equal intervals.
なお、「液晶化合物40の光学軸40Aの向きが配列軸Dに沿った面内の一方向に連続的に回転しながら変化している」とは、液晶化合物40の光学軸40Aと配列軸Dとのなす角度が、配列軸D方向の位置により異なっており、配列軸Dに沿って光学軸40Aと配列軸Dとのなす角度がθからθ+180°あるいはθ-180°まで徐々に変化していることを意味する。つまり、配列軸Dに沿って配列する複数の液晶化合物40は、図7に示すように、光学軸40Aが配列軸Dに沿って一定の角度ずつ回転しながら変化する。 Note that "the orientation of the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 changes while rotating continuously in one direction in the plane along the arrangement axis D" means that the angle between the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 and the arrangement axis D varies depending on the position in the arrangement axis D direction, and the angle between the optical axis 40A and the arrangement axis D gradually changes from θ to θ+180° or θ-180° along the arrangement axis D. In other words, the optical axis 40A of the multiple liquid crystal compounds 40 aligned along the arrangement axis D changes while rotating at a constant angle along the arrangement axis D, as shown in FIG. 7.
なお、配列軸D方向に互いに隣接する液晶化合物40の光学軸40Aの角度の差は、45°以下であるのが好ましく、15°以下であるのがより好ましく、より小さい角度であるのがさらに好ましい。 The difference in angle between the optical axes 40A of the liquid crystal compounds 40 adjacent to each other in the direction of the alignment axis D is preferably 45° or less, more preferably 15° or less, and even more preferably a smaller angle.
また、本明細書において、液晶化合物40が棒状液晶化合物である場合、液晶化合物40の光学軸40Aは、棒状液晶化合物の分子長軸を意図する。一方、液晶化合物40が円盤状液晶化合物である場合、液晶化合物40の光学軸40Aは、円盤状液晶化合物の円盤面に対する法線方向に平行な軸を意図する。 In addition, in this specification, when the liquid crystal compound 40 is a rod-shaped liquid crystal compound, the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 is intended to be the molecular long axis of the rod-shaped liquid crystal compound. On the other hand, when the liquid crystal compound 40 is a discotic liquid crystal compound, the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 is intended to be an axis parallel to the normal direction to the disc surface of the discotic liquid crystal compound.
コレステリック液晶層34においては、このような液晶化合物40の液晶配向パターンにおいて、面内で光学軸40Aが連続的に回転して変化する配列軸D方向において、液晶化合物40の光学軸40Aが180°回転する長さ(距離)を、液晶配向パターンにおける1周期の長さΛとする。
すなわち、配列軸D方向に対する角度が等しい2つの液晶化合物40の、配列軸D方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。具体的には、図7に示すように、配列軸D方向と光学軸40Aの方向とが一致する2つの液晶化合物40の、配列軸D方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。以下の説明では、この1周期の長さΛを『1周期Λ』とも言う。
コレステリック液晶層34の液晶配向パターンは、この1周期Λを、配列軸D方向すなわち光学軸40Aの向きが連続的に回転して変化する一方向に繰り返す。
In the cholesteric liquid crystal layer 34, in the liquid crystal orientation pattern of such liquid crystal compound 40, the length (distance) over which the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 rotates 180° in the direction of the alignment axis D along which the optical axis 40A continuously rotates and changes in the plane is defined as the length Λ of one period in the liquid crystal orientation pattern.
That is, the length Λ of one period is defined as the distance between the centers in the direction of the alignment axis D of two liquid crystal compounds 40 that are at the same angle with respect to the direction of the alignment axis D. Specifically, as shown in Fig. 7, the length Λ of one period is defined as the distance between the centers in the direction of the alignment axis D of two liquid crystal compounds 40 whose directions of the alignment axis D and the optical axis 40A coincide with each other. In the following description, this length Λ of one period is also referred to as "one period Λ".
The liquid crystal alignment pattern of the cholesteric liquid crystal layer 34 repeats this one period Λ in one direction in which the direction of the alignment axis D, that is, the direction of the optical axis 40A, changes by continuously rotating.
一方、コレステリック液晶層34を形成する液晶化合物40は、配列軸D方向と直交する方向(図7においてはY方向)、すなわち、光学軸40Aが連続的に回転する一方向と直交するY方向では、光学軸40Aの向きが等しい。
言い換えれば、コレステリック液晶層34を形成する液晶化合物40は、Y方向では、液晶化合物40の光学軸40Aと配列軸D方向とが成す角度が等しい。
On the other hand, the liquid crystal compound 40 forming the cholesteric liquid crystal layer 34 has the same orientation of the optical axis 40A in a direction perpendicular to the direction of the alignment axis D (Y direction in Figure 7), i.e., in the Y direction perpendicular to the direction in which the optical axis 40A continuously rotates.
In other words, in the liquid crystal compound 40 forming the cholesteric liquid crystal layer 34, the angle between the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 and the direction of the alignment axis D is equal in the Y direction.
図8に示すコレステリック液晶層34のX-Z面をSEM(走査型電子顕微鏡)にて観察すると、図9に示すような明部42と暗部44とが交互に配列された配列方向が、主面(X-Y面)に対して所定角度で傾斜している縞模様が観察される。このようなSEM断面において、隣接する明部42から明部42、または、暗部44から暗部44の、明部42または暗部44が成す線の法線方向における間隔が1/2ピッチに概ね相当する。 When the X-Z plane of the cholesteric liquid crystal layer 34 shown in Figure 8 is observed with a SEM (scanning electron microscope), a striped pattern is observed in which the arrangement direction of the alternating light and dark sections 42 and 44 as shown in Figure 9 is tilted at a certain angle to the main surface (X-Y plane). In such an SEM cross section, the spacing in the normal direction of the lines formed by adjacent light sections 42 to light sections 42 or dark sections 44 to dark sections 44 roughly corresponds to 1/2 pitch.
以下、液晶層による回折の作用について説明する。
従来のコレステリック液晶層において、コレステリック液晶相由来の螺旋軸は、主面(X-Y面)に対して垂直であり、その反射面は主面(X-Y面)と平行な面である。また、液晶化合物の光学軸は、主面(X-Y面)に対して傾斜していない。言い換えると、光学軸は主面(X-Y面)に対して平行である。したがって、従来のコレステリック液晶層のX-Z面をSEMにて観察すると、明部と暗部とが交互に配列された配列方向は主面(X-Y面)と垂直となる。
コレステリック液晶相は鏡面反射性であるため、例えば、コレステリック液晶層に法線方向から光が入射される場合、法線方向に光が反射される。
The effect of diffraction by the liquid crystal layer will now be described.
In a conventional cholesteric liquid crystal layer, the helical axis derived from the cholesteric liquid crystal phase is perpendicular to the main surface (X-Y plane), and the reflection surface is parallel to the main surface (X-Y plane). In addition, the optical axis of the liquid crystal compound is not tilted with respect to the main surface (X-Y plane). In other words, the optical axis is parallel to the main surface (X-Y plane). Therefore, when the X-Z plane of a conventional cholesteric liquid crystal layer is observed with an SEM, the alignment direction in which light and dark areas are alternately aligned is perpendicular to the main surface (X-Y plane).
Since the cholesteric liquid crystal phase has specular reflectivity, for example, when light is incident on a cholesteric liquid crystal layer from the normal direction, the light is reflected in the normal direction.
これに対して、明部と暗部の配列方向が傾斜した構成のコレステリック液晶層34は、入射した光を、鏡面反射に対して配列軸D方向に傾けて反射する。コレステリック液晶層34は、面内において、配列軸D方向(所定の一方向)に沿って光学軸40Aが連続的に回転しながら変化する、液晶配向パターンを有するものである。以下、図10を参照して説明する。 In contrast, the cholesteric liquid crystal layer 34, which has a configuration in which the alignment direction of the light and dark areas is tilted, reflects the incident light with an inclination toward the alignment axis D with respect to specular reflection. The cholesteric liquid crystal layer 34 has a liquid crystal alignment pattern in which the optical axis 40A changes while continuously rotating in the plane along the alignment axis D direction (a specific direction). The following description will be given with reference to FIG. 10.
一例として、コレステリック液晶層34は、赤色光の右円偏光RRを選択的に反射するコレステリック液晶層であるとする。従って、コレステリック液晶層34に光が入射すると、コレステリック液晶層34は、赤色光の右円偏光RRのみを反射し、それ以外の光を透過する。 As an example, the cholesteric liquid crystal layer 34 is assumed to be a cholesteric liquid crystal layer that selectively reflects right-handed circularly polarized red light R R. Therefore, when light is incident on the cholesteric liquid crystal layer 34, the cholesteric liquid crystal layer 34 reflects only the right-handed circularly polarized red light R R and transmits other light.
コレステリック液晶層34では、液晶化合物40の光学軸40Aが配列軸D方向(一方向)に沿って回転しながら変化している。コレステリック液晶層34に形成された液晶配向パターンは、配列軸D方向に周期的なパターンである。そのため、コレステリック液晶層34に入射した赤色光の右円偏光RRには、図10に概念的に示すように、液晶配向パターンの周期に応じた方向に反射(回折)され、反射された赤色光の右円偏光RRは、XY面(コレステリック液晶層の主面)に対して配列軸D方向に傾いた方向に反射(回折)される。 In the cholesteric liquid crystal layer 34, the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 changes while rotating along the direction of the alignment axis D (one direction). The liquid crystal orientation pattern formed in the cholesteric liquid crystal layer 34 is a periodic pattern along the direction of the alignment axis D. Therefore, as conceptually shown in Fig. 10, the right-handed circularly polarized light R R of red light incident on the cholesteric liquid crystal layer 34 is reflected (diffracted) in a direction according to the period of the liquid crystal orientation pattern, and the reflected right-handed circularly polarized light R R of red light is reflected (diffracted) in a direction tilted toward the alignment axis D with respect to the XY plane (the main surface of the cholesteric liquid crystal layer).
従って、コレステリック液晶層34において、光学軸40Aが回転する一方向である配列軸D方向を、適宜、設定することで、光の反射方向(回折角度)を調節できる。 Therefore, in the cholesteric liquid crystal layer 34, the direction of the array axis D, which is the direction in which the optical axis 40A rotates, can be appropriately set to adjust the light reflection direction (diffraction angle).
また、同じ波長で、同じ旋回方向の円偏光を反射する場合に、配列軸D方向に向かう液晶化合物40の光学軸40Aの回転方向を逆にすることで、円偏光の反射方向を逆にできる。
例えば、図7および図8においては、配列軸D方向に向かう光学軸40Aの回転方向は時計回りで、ある円偏光が配列軸D方向に傾けて反射されるが、これを反時計回りとすることで、ある円偏光が配列軸D方向とは逆方向に傾けて反射される。
When circularly polarized light of the same wavelength and rotation direction is reflected, the reflection direction of the circularly polarized light can be reversed by reversing the rotation direction of the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 facing the alignment axis D.
For example, in Figures 7 and 8, the rotation direction of the optical axis 40A toward the array axis D is clockwise, and some circularly polarized light is reflected with an inclination toward the array axis D, but by changing this to counterclockwise, some circularly polarized light is reflected with an inclination in the opposite direction to the array axis D.
さらに、同じ液晶配向パターンを有する液晶層では、液晶化合物40の螺旋の旋回方向すなわち反射する円偏光の旋回方向によって、反射方向が逆になる。
例えば、螺旋の旋回方向が右捩じれの場合、右円偏光を選択的に反射するものであり、配列軸D方向に沿って光学軸40Aが時計回りに回転する液晶配向パターンを有することにより、右円偏光を配列軸D方向に傾けて反射する。
また、例えば、螺旋の旋回方向が左捩じれの場合、左円偏光を選択的に反射するものであり、配列軸D方向に沿って光学軸40Aが時計回りに回転する液晶配向パターンを有する液晶層は、左円偏光を配列軸D方向と逆方向に傾けて反射する。
Furthermore, in liquid crystal layers having the same liquid crystal orientation pattern, the reflection direction is reversed depending on the helical rotation direction of the liquid crystal compound 40, that is, the rotation direction of the reflected circularly polarized light.
For example, when the direction of rotation of the helix is right-twisted, right-handed circularly polarized light is selectively reflected, and by having a liquid crystal orientation pattern in which the optical axis 40A rotates clockwise along the direction of the array axis D, the right-handed circularly polarized light is reflected at an angle toward the direction of the array axis D.
Furthermore, for example, when the direction of rotation of the helix is left twisted, left-handed circularly polarized light is selectively reflected, and a liquid crystal layer having a liquid crystal orientation pattern in which the optical axis 40A rotates clockwise along the direction of the array axis D reflects left-handed circularly polarized light tilted in the direction opposite to the direction of the array axis D.
液晶配向パターンを有する液晶層では、1周期Λが短いほど、入射光に対する反射光の角度が大きくなる。すなわち、1周期Λが短いほど、入射光に対して、反射光を大きく傾けて反射できる。従って、各回折素子が有する液晶層における液晶配向パターンの1周期は、各回折素子の回折角度、配置等に応じて適宜設定すればよい。
これらの回折素子の回折構造の周期(1周期Λ)は0.1μm~10μmが好ましく、0.1μm~1μmがより好ましく、0.1μm~0.8μmがさらに好ましく、入射する光の波長λ以下がさらに好ましい。
In a liquid crystal layer having a liquid crystal orientation pattern, the shorter the period Λ, the larger the angle of the reflected light with respect to the incident light. In other words, the shorter the period Λ, the more the reflected light can be reflected at a greater inclination with respect to the incident light. Therefore, the period of the liquid crystal orientation pattern in the liquid crystal layer of each diffraction element may be appropriately set according to the diffraction angle, arrangement, etc. of each diffraction element.
The period (one period Λ) of the diffractive structure of these diffractive elements is preferably 0.1 μm to 10 μm, more preferably 0.1 μm to 1 μm, even more preferably 0.1 μm to 0.8 μm, and even more preferably equal to or less than the wavelength λ of the incident light.
ここで、図8に示す例では、コレステリック液晶層34のX-Z面において、液晶化合物40が、主面(X-Y面)に対して、その光学軸40Aが平行に配向している構成としたがこれに限定はされない。例えば、コレステリック液晶層34のX-Z面において、液晶化合物40が、主面(X-Y面)に対して、その光学軸40Aが傾斜して配向している構成であってもよい。 In the example shown in FIG. 8, the liquid crystal compound 40 is configured such that its optical axis 40A is aligned parallel to the main surface (X-Y surface) in the X-Z surface of the cholesteric liquid crystal layer 34, but this is not limiting. For example, the liquid crystal compound 40 may be configured such that its optical axis 40A is aligned at an angle to the main surface (X-Y surface) in the X-Z surface of the cholesteric liquid crystal layer 34.
また、コレステリック液晶層34のX-Z面において、液晶化合物40の主面(X-Y面)に対する傾斜角度(チルト角)は厚さ方向(Z方向)に一様であってもよいし、液晶化合物40のチルト角が厚さ方向で異なっている領域を有していてもよい。
例えば、コレステリック液晶層の、配向膜32側の界面において液晶化合物40の光学軸40Aが主面に平行であり(プレチルト角が0であり)、配向膜32側の界面から厚さ方向に離間するにしたがって、液晶化合物40のチルト角が大きくなって、その後、他方の界面(空気界面)側まで一定のチルト角で液晶化合物が配向されている構成であってもよい。
Furthermore, in the X-Z plane of the cholesteric liquid crystal layer 34, the inclination angle (tilt angle) of the liquid crystal compound 40 with respect to the main surface (X-Y plane) may be uniform in the thickness direction (Z direction), or the liquid crystal compound 40 may have a region in which the tilt angle varies in the thickness direction.
For example, the cholesteric liquid crystal layer may have a configuration in which the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 at the interface on the alignment film 32 side is parallel to the main surface (the pretilt angle is 0), and the tilt angle of the liquid crystal compound 40 increases with increasing distance in the thickness direction from the interface on the alignment film 32 side, and thereafter, the liquid crystal compound is oriented at a constant tilt angle up to the other interface (air interface) side.
このように、コレステリック液晶層においては、上下界面の一方の界面において、液晶化合物の光学軸がプレチルト角を有している構成であってもよく、両方の界面でプレチルト角を有する構成であってもよい。また、両界面でプレチルト角が異なっていてもよい。
このように液晶化合物がチルト角を有して(傾斜して)いることにより、光が回折する際に実効的な液晶化合物の複屈折率が高くなり、回折効率を高めることができる。
In this way, in the cholesteric liquid crystal layer, the optical axis of the liquid crystal compound may have a pretilt angle at one of the upper and lower interfaces, or may have pretilt angles at both interfaces, or the pretilt angles may be different at both interfaces.
By the liquid crystal compound having such a tilt angle (inclining), the effective birefringence of the liquid crystal compound increases when light is diffracted, and the diffraction efficiency can be improved.
液晶化合物40の光学軸40Aと主面(X-Y面)とのなす平均角度(平均チルト角)は、5~80°が好ましく、10~50°がより好ましい。なお、平均チルト角は、コレステリック液晶層34のX-Z面を偏光顕微鏡観察することにより測定できる。なかでも、コレステリック液晶層34のX-Z面において、液晶化合物40は、主面(X-Y面)に対して、その光学軸40Aが同一の方向に傾斜配向することが好ましい。
なお、上記チルト角は、コレステリック液晶層断面の偏光顕微鏡観察において、液晶化合物40の光学軸40Aと主面とのなす角度を任意の5か所以上で測定して、それらを算術平均した値である。
The average angle (average tilt angle) between the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 and the principal surface (X-Y plane) is preferably 5 to 80°, and more preferably 10 to 50°. The average tilt angle can be measured by observing the X-Z plane of the cholesteric liquid crystal layer 34 with a polarizing microscope. In particular, in the X-Z plane of the cholesteric liquid crystal layer 34, the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 is preferably tilted in the same direction with respect to the principal surface (X-Y plane).
The tilt angle is an arithmetic average of angles between the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 and the principal surface measured at any five or more points in a cross section of the cholesteric liquid crystal layer observed with a polarizing microscope.
回折素子(コレステリック液晶層)に垂直に入射した光は、コレステリック液晶層内において斜め方向に、屈曲力が加わり斜めに進む。コレステリック液晶層内において光が進むと、本来垂直入射に対して所望の回折角が得られるように設定されている回折周期等の条件とのずれが生じるために、回折ロスが生じる。
液晶化合物をチルトさせた場合、チルトさせない場合と比較して、光が回折する方位に対してより高い複屈折率が生じる方位が存在する。この方向では実効的な異常光屈折率が大きくなるため、異常光屈折率と常光屈折率の差である複屈折率が高くなる。
狙った回折する方位に合わせて、チルト角の方位を設定することによって、その方位での本来の回折条件とのずれを抑制することができ、結果としてチルト角を持たせた液晶化合物を用いた場合の方が、より高い回折効率を得ることができると考えられる。
Light that is perpendicularly incident on the diffraction element (cholesteric liquid crystal layer) travels obliquely in the cholesteric liquid crystal layer due to the bending force acting on it. When light travels in the cholesteric liquid crystal layer, a deviation occurs from the conditions, such as the diffraction period, that are set to obtain a desired diffraction angle for perpendicular incidence, resulting in diffraction loss.
When a liquid crystal compound is tilted, there exists a direction in which a higher birefringence occurs with respect to the direction in which light is diffracted, compared to when it is not tilted. In this direction, the effective extraordinary refractive index becomes larger, and therefore the birefringence, which is the difference between the extraordinary refractive index and the ordinary refractive index, becomes higher.
By setting the tilt angle direction in accordance with the desired diffraction direction, it is possible to suppress deviation from the original diffraction conditions at that direction. As a result, it is believed that a higher diffraction efficiency can be obtained when using a liquid crystal compound with a tilt angle.
また、チルト角は液晶層の界面の処理によって制御されることが望ましい。支持体側の界面においては、配向膜にプレチルト処理をおこなうことにより液晶化合物のチルト角を制御することが出来る。例えば、配向膜の形成の際に配向膜に紫外線を正面から露光した後に斜めから露光することにより、配向膜上に形成するコレステリック液晶層中の液晶化合物にプレチルト角を生じさせることが出来る。この場合には、2回目の照射方向に対して液晶化合物の単軸側が見える方向にプレチルトする。但し2回目の照射方向に対して垂直方向の方位の液晶化合物はプレチルトしないため、面内でプレチルトする領域とプレチルトしない領域が存在する。このことは、狙った方位に光を回折させるときにその方向に最も複屈折を高めることに寄与するので回折効率を高めるのに適している。
さらに、コレステリック液晶層中または配向膜中にプレチルト角を助長する添加剤を加えることも出来る。この場合、回折効率を更に高める因子として添加剤を利用できる。
この添加剤は空気側の界面のプレチルト角の制御にも利用できる。
In addition, it is desirable to control the tilt angle by treating the interface of the liquid crystal layer. At the interface on the support side, the tilt angle of the liquid crystal compound can be controlled by performing a pretilt treatment on the alignment film. For example, when forming the alignment film, the alignment film is exposed to ultraviolet light from the front and then obliquely exposed, so that a pretilt angle can be generated in the liquid crystal compound in the cholesteric liquid crystal layer formed on the alignment film. In this case, the liquid crystal compound is pretilted in the direction in which the single axis side is visible with respect to the second irradiation direction. However, since the liquid crystal compound in the direction perpendicular to the second irradiation direction does not pretilt, there are regions in the plane that are pretilted and regions that are not pretilted. This contributes to increasing the birefringence in the desired direction when light is diffracted in that direction, and is therefore suitable for increasing the diffraction efficiency.
Furthermore, an additive that promotes the pretilt angle can be added to the cholesteric liquid crystal layer or the alignment film, in which case the additive can be used as a factor for further increasing the diffraction efficiency.
This additive can also be used to control the pretilt angle of the air-side interface.
ここで、コレステリック液晶層は、法線方向および法線に対して傾斜した方向から面内レタデーションReを測定した際に、遅相軸面内および進相軸面内のいずれかにおいて、面内レタデーションReが最小となる方向が法線方向から傾斜しているのが好ましい。具体的には、面内レタデーションReが最小となる方向が法線と成す測定角の絶対値が5°以上であることが好ましい。言い換えると、コレステリック液晶層の液晶化合物が主面に対して傾斜し、かつ、傾斜方向がコレステリック液晶層の明部および暗部に略一致していることが好ましい。なお、法線方向とは、主面に対して垂直な方向である。
コレステリック液晶層がこのような構成を有することにより、液晶化合物が主面に平行であるコレステリック液晶層に比して、高い回折効率で円偏光を回折できる。
Here, when the in-plane retardation Re of the cholesteric liquid crystal layer is measured from the normal direction and from a direction inclined to the normal direction, it is preferable that the direction in which the in-plane retardation Re is minimum is inclined from the normal direction in either the slow axis plane or the fast axis plane. Specifically, it is preferable that the absolute value of the measurement angle between the normal line and the direction in which the in-plane retardation Re is minimum is 5° or more. In other words, it is preferable that the liquid crystal compound of the cholesteric liquid crystal layer is inclined to the main surface, and the inclination direction approximately coincides with the light and dark parts of the cholesteric liquid crystal layer. The normal direction is a direction perpendicular to the main surface.
The cholesteric liquid crystal layer having such a configuration can diffract circularly polarized light with higher diffraction efficiency than a cholesteric liquid crystal layer in which the liquid crystal compound is parallel to the main surface.
コレステリック液晶層の液晶化合物が主面に対して傾斜し、かつ、傾斜方向が明部および暗部に略一致している構成では、反射面に相当する明部および暗部と、液晶化合物の光学軸とが一致している。そのため、光の反射(回折)に対する液晶化合物の作用が大きくなり、回折効率を向上できる。その結果、入射光に対する反射光の光量をより向上できる。 In a configuration in which the liquid crystal compound of the cholesteric liquid crystal layer is tilted with respect to the main surface and the tilt direction is approximately aligned with the light and dark areas, the light and dark areas that correspond to the reflective surface are aligned with the optical axis of the liquid crystal compound. This increases the effect of the liquid crystal compound on the reflection (diffraction) of light, improving the diffraction efficiency. As a result, the amount of reflected light relative to the incident light can be further improved.
コレステリック液晶層の進相軸面または遅相軸面において、コレステリック液晶層の光学軸傾斜角の絶対値は5°以上が好ましく、15°以上がより好ましく、20°以上がさらに好ましい。
光学軸傾斜角の絶対値を15°以上とすることにより、より好適に、液晶化合物の方向を明部および暗部に一致させ、回折効率を向上できる点で好ましい。
In the fast axis plane or slow axis plane of the cholesteric liquid crystal layer, the absolute value of the optical axis tilt angle of the cholesteric liquid crystal layer is preferably 5° or more, more preferably 15° or more, and even more preferably 20° or more.
By setting the absolute value of the optical axis tilt angle to 15° or more, it is possible to more suitably match the directions of the liquid crystal compounds with the light and dark areas, which is preferable in terms of improving the diffraction efficiency.
また、X-Z面においてSEMにより観察されるコレステリック液晶相に由来する明部42および暗部44からなる明暗線の形状が波状(波打ち構造)である構成のコレステリック液晶層を用いることもできる。明暗線の形状が波打ち構造のコレステリック液晶層は、光を拡散することができるため、投映型画像表示システムにおいて表示される画像の視野角を大きくすることができる。 It is also possible to use a cholesteric liquid crystal layer in which the shape of the light and dark lines, consisting of light areas 42 and dark areas 44 derived from the cholesteric liquid crystal phase as observed by SEM in the X-Z plane, is wavy (wave structure). A cholesteric liquid crystal layer in which the shape of the light and dark lines is wavy can diffuse light, thereby increasing the viewing angle of the image displayed in the projection type image display system.
好ましくは、波打ち構造とは、縞模様を成す明部または暗部の連続線において、コレステリック液晶層の平面に対する傾斜角度の絶対値が5°以上である領域Mが少なくとも1つ存在し、かつ、領域Mを面方向に挟んで最も近い位置にある、傾斜角度が0°の山または谷が特定される構造である。
傾斜角度0°の山または谷とは、凸状、凹状を含むが、傾斜角度0°であれば、階段状および棚状の点も含む。波打ち構造は、縞模様の明部または暗部の連続線において、傾斜角度の絶対値が5°以上である領域Mと、それを挟む山または谷とが、複数、繰り返すのが好ましい。
Preferably, the wavy structure is a structure in which there is at least one region M in the continuous light or dark lines forming a striped pattern, the absolute value of the tilt angle relative to the plane of the cholesteric liquid crystal layer being 5° or more, and a peak or valley having a tilt angle of 0° is identified that is closest to region M in the planar direction.
A peak or valley with an inclination angle of 0° includes a convex shape and a concave shape, but also includes step-like and shelf-like points as long as the inclination angle is 0°. The wavy structure is preferably such that, in a continuous line of light or dark parts of the striped pattern, a region M with an absolute value of an inclination angle of 5° or more and a peak or valley between the region M are repeated multiple times.
波打ち構造を有するコレステリック液晶層は、ラビング等の配向処理を施さない形成面にコレステリック液晶層を形成することで、形成できる。 A cholesteric liquid crystal layer with a wavy structure can be formed by forming a cholesteric liquid crystal layer on a formation surface that has not been subjected to an alignment treatment such as rubbing.
<<コレステリック液晶層の形成方法>>
コレステリック液晶層は、コレステリック液晶相を層状に固定して形成できる。
コレステリック液晶相を固定した構造は、コレステリック液晶相となっている液晶化合物の配向が保持されている構造であればよく、典型的には、重合性液晶化合物をコレステリック液晶相の配向状態としたうえで、紫外線照射、加熱等によって重合、硬化し、流動性が無い層を形成して、同時に、外場または外力によって配向形態に変化を生じさせることない状態に変化した構造が好ましい。
なお、コレステリック液晶相を固定した構造においては、コレステリック液晶相の光学的性質が保持されていれば十分であり、コレステリック液晶層において、液晶化合物40は液晶性を示さなくてもよい。例えば、重合性液晶化合物は、硬化反応により高分子量化して、液晶性を失っていてもよい。
<<Method of forming a cholesteric liquid crystal layer>>
The cholesteric liquid crystal layer can be formed by fixing a cholesteric liquid crystal phase in a layer shape.
The structure in which the cholesteric liquid crystal phase is fixed may be any structure in which the orientation of the liquid crystal compound in the cholesteric liquid crystal phase is maintained, and typically, a structure in which a polymerizable liquid crystal compound is brought into a cholesteric liquid crystal phase orientation state, and then polymerized and hardened by ultraviolet light irradiation, heating, etc. to form a layer with no fluidity, and at the same time, changed to a state in which the orientation form does not change due to an external field or external force, is preferred.
In the structure in which the cholesteric liquid crystal phase is fixed, it is sufficient that the optical properties of the cholesteric liquid crystal phase are maintained, and the liquid crystal compound 40 does not need to exhibit liquid crystallinity in the cholesteric liquid crystal layer. For example, the polymerizable liquid crystal compound may be polymerized by a curing reaction and lose its liquid crystallinity.
コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層の形成に用いる材料としては、一例として、液晶化合物を含む液晶組成物が挙げられる。液晶化合物は重合性液晶化合物であるのが好ましい。
また、コレステリック液晶層の形成に用いる液晶組成物は、さらに界面活性剤およびキラル剤を含んでいてもよい。
An example of a material used to form a cholesteric liquid crystal layer formed by fixing a cholesteric liquid crystal phase is a liquid crystal composition containing a liquid crystal compound, which is preferably a polymerizable liquid crystal compound.
The liquid crystal composition used to form the cholesteric liquid crystal layer may further contain a surfactant and a chiral agent.
--重合性液晶化合物--
重合性液晶化合物は、棒状液晶化合物であっても、円盤状液晶化合物であってもよい。
コレステリック液晶相を形成する棒状の重合性液晶化合物の例としては、棒状ネマチック液晶化合物が挙げられる。棒状ネマチック液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類、および、アルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類等が好ましく用いられる。低分子液晶化合物だけではなく、高分子液晶化合物も用いることができる。
--Polymerizable liquid crystal compound--
The polymerizable liquid crystal compound may be a rod-shaped liquid crystal compound or a discotic liquid crystal compound.
Examples of rod-shaped polymerizable liquid crystal compounds that form a cholesteric liquid crystal phase include rod-shaped nematic liquid crystal compounds. Examples of rod-shaped nematic liquid crystal compounds include azomethines, azoxys, cyanobiphenyls, cyanophenyl esters, and benzoic acid esters. Preferred examples of the low molecular weight liquid crystal compound include cyclohexane carboxylic acid phenyl esters, cyanophenylcyclohexanes, cyano-substituted phenylpyrimidines, alkoxy-substituted phenylpyrimidines, phenyldioxanes, tolanes, and alkenylcyclohexylbenzonitriles. In addition, polymer liquid crystal compounds can also be used.
重合性液晶化合物は、重合性基を液晶化合物に導入することで得られる。重合性基の例には、不飽和重合性基、エポキシ基、およびアジリジニル基が含まれ、不飽和重合性基が好ましく、エチレン性不飽和重合性基がより好ましい。重合性基は種々の方法で、液晶化合物の分子中に導入できる。重合性液晶化合物が有する重合性基の個数は、好ましくは1~6個、より好ましくは1~3個である。
重合性液晶化合物の例は、Makromol.Chem.,190巻、2255頁(1989年)、Advanced Materials 5巻、107頁(1993年)、米国特許第4683327号明細書、米国特許第5622648号明細書、米国特許第5770107号明細書、国際公開第95/22586号、国際公開第95/24455号、国際公開第97/00600号、国際公開第98/23580号、国際公開第98/52905号、特開平1-272551号公報、特開平6-016616号公報、特開平7-110469号公報、特開平11-080081号公報、および、特開2001-328973号公報等に記載の化合物が含まれる。2種類以上の重合性液晶化合物を併用してもよい。2種類以上の重合性液晶化合物を併用すると、配向温度を低下させることができる。
A polymerizable liquid crystal compound can be obtained by introducing a polymerizable group into a liquid crystal compound. Examples of the polymerizable group include an unsaturated polymerizable group, an epoxy group, and an aziridinyl group, with an unsaturated polymerizable group being preferred, and an ethylenically unsaturated polymerizable group being more preferred. The polymerizable group can be introduced into the molecule of the liquid crystal compound by various methods. The number of polymerizable groups in the polymerizable liquid crystal compound is preferably 1 to 6, more preferably 1 to 3.
Examples of the polymerizable liquid crystal compounds are described in Makromol. Chem. , Vol. 190, p. 2255 (1989), Advanced Materials Vol. 5, p. 107 (1993), U.S. Pat. No. 4,683,327, U.S. Pat. No. 5,622,648, U.S. Pat. No. 5,770,107, WO 95/22586, WO 95/24455, WO 97/00600, WO 98/23580, WO 98/52905, JP-A-1-272551, JP-A-6-016616, JP-A-7-110469, JP-A-11-080081, and compounds described in JP-A-2001-328973 and the like are included. Two or more polymerizable liquid crystal compounds may be used in combination. By using two or more kinds of polymerizable liquid crystal compounds in combination, the alignment temperature can be lowered.
また、上記以外の重合性液晶化合物としては、特開昭57-165480号公報に開示されているようなコレステリック相を有する環式オルガノポリシロキサン化合物等を用いることができる。さらに、前述の高分子液晶化合物としては、液晶を呈するメソゲン基を主鎖、側鎖、あるいは主鎖および側鎖の両方の位置に導入した高分子、コレステリル基を側鎖に導入した高分子コレステリック液晶、特開平9-133810号公報に開示されているような液晶性高分子、および、特開平11-293252号公報に開示されているような液晶性高分子等を用いることができる。 Other polymerizable liquid crystal compounds that can be used include cyclic organopolysiloxane compounds having a cholesteric phase as disclosed in JP-A-57-165480. Furthermore, the aforementioned polymer liquid crystal compounds can include polymers in which mesogen groups exhibiting liquid crystallinity have been introduced into the main chain, side chain, or both the main chain and side chain, polymer cholesteric liquid crystals in which cholesteryl groups have been introduced into the side chain, liquid crystalline polymers as disclosed in JP-A-9-133810, and liquid crystalline polymers as disclosed in JP-A-11-293252.
--円盤状液晶化合物--
円盤状液晶化合物としては、例えば、特開2007-108732号公報や特開2010-244038号公報に記載のものを好ましく用いることができる。
--Discotic liquid crystal compounds--
As the discotic liquid crystal compound, for example, those described in JP-A-2007-108732 and JP-A-2010-244038 can be preferably used.
また、液晶組成物中の重合性液晶化合物の添加量は、液晶組成物の固形分質量(溶媒を除いた質量)に対して、75~99.9質量%であるのが好ましく、80~99質量%であるのがより好ましく、85~90質量%であるのがさらに好ましい。 The amount of the polymerizable liquid crystal compound added to the liquid crystal composition is preferably 75 to 99.9% by mass, more preferably 80 to 99% by mass, and even more preferably 85 to 90% by mass, based on the solid content mass of the liquid crystal composition (mass excluding the solvent).
--界面活性剤--
コレステリック液晶層を形成する際に用いる液晶組成物は、界面活性剤を含有してもよい。
界面活性剤は、安定的に、または迅速に、コレステリック液晶相の配向に寄与する配向制御剤として機能できる化合物が好ましい。界面活性剤としては、例えば、シリコ-ン系界面活性剤およびフッ素系界面活性剤が挙げられ、フッ素系界面活性剤が好ましく例示される。
--Surfactants--
The liquid crystal composition used in forming the cholesteric liquid crystal layer may contain a surfactant.
The surfactant is preferably a compound that can function as an alignment control agent that contributes to the alignment of the cholesteric liquid crystal phase stably or quickly. Examples of the surfactant include silicone surfactants and fluorine surfactants, and fluorine surfactants are preferred.
界面活性剤の具体例としては、特開2014-119605号公報の段落[0082]~[0090]に記載の化合物、特開2012-203237号公報の段落[0031]~[0034]に記載の化合物、特開2005-099248号公報の段落[0092]および[0093]中に例示されている化合物、特開2002-129162号公報の段落[0076]~[0078]および段落[0082]~[0085]中に例示されている化合物、ならびに、特開2007-272185号公報の段落[0018]~[0043]等に記載のフッ素(メタ)アクリレート系ポリマー、などが挙げられる。
なお、界面活性剤は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
フッ素系界面活性剤として、特開2014-119605号公報の段落[0082]~[0090]に記載の化合物が好ましい。
Specific examples of the surfactant include the compounds described in paragraphs [0082] to [0090] of JP-A-2014-119605, the compounds described in paragraphs [0031] to [0034] of JP-A-2012-203237, the compounds exemplified in paragraphs [0092] and [0093] of JP-A-2005-099248, the compounds exemplified in paragraphs [0076] to [0078] and paragraphs [0082] to [0085] of JP-A-2002-129162, and fluorine (meth)acrylate-based polymers described in paragraphs [0018] to [0043] of JP-A-2007-272185, and the like.
The surfactant may be used alone or in combination of two or more kinds.
As the fluorine-based surfactant, the compounds described in paragraphs [0082] to [0090] of JP-A-2014-119605 are preferred.
液晶組成物中における、界面活性剤の添加量は、液晶化合物の全質量に対して0.01~10質量%が好ましく、0.01~5質量%がより好ましく、0.02~1質量%がさらに好ましい。 The amount of surfactant added in the liquid crystal composition is preferably 0.01 to 10% by mass, more preferably 0.01 to 5% by mass, and even more preferably 0.02 to 1% by mass, based on the total mass of the liquid crystal compound.
--キラル剤(光学活性化合物)--
キラル剤(カイラル剤)はコレステリック液晶相の螺旋構造を誘起する機能を有する。キラル剤は、化合物によって誘起する螺旋の捩れ方向または螺旋ピッチが異なるため、目的に応じて選択すればよい。
キラル剤としては、特に制限はなく、公知の化合物(例えば、液晶デバイスハンドブック、第3章4-3項、TN(twisted nematic)、STN(Super Twisted Nematic)用キラル剤、199頁、日本学術振興会第142委員会編、1989に記載)、イソソルビド、および、イソマンニド誘導体等を用いることができる。
キラル剤は、一般に不斉炭素原子を含むが、不斉炭素原子を含まない軸性不斉化合物または面性不斉化合物もキラル剤として用いることができる。軸性不斉化合物または面性不斉化合物の例には、ビナフチル、ヘリセン、パラシクロファン、および、これらの誘導体が含まれる。キラル剤は、重合性基を有していてもよい。キラル剤と液晶化合物とがいずれも重合性基を有する場合は、重合性キラル剤と重合性液晶化合物との重合反応により、重合性液晶化合物から誘導される繰り返し単位と、キラル剤から誘導される繰り返し単位とを有するポリマーを形成することができる。この態様では、重合性キラル剤が有する重合性基は、重合性液晶化合物が有する重合性基と、同種の基であるのが好ましい。従って、キラル剤の重合性基も、不飽和重合性基、エポキシ基またはアジリジニル基であるのが好ましく、不飽和重合性基であるのがより好ましく、エチレン性不飽和重合性基であるのがさらに好ましい。
また、キラル剤は、液晶化合物であってもよい。
--Chiral agents (optically active compounds)--
Chiral agents have the function of inducing a helical structure in the cholesteric liquid crystal phase. Chiral agents can be selected according to the purpose, since the twist direction or helical pitch of the helix induced varies depending on the compound.
The chiral agent is not particularly limited, and known compounds (for example, those described in Liquid Crystal Device Handbook, Chapter 3, Section 4-3, Chiral Agents for TN (twisted nematic) and STN (Super Twisted Nematic), p. 199, edited by the 142nd Committee of the Japan Society for the Promotion of Science, 1989), isosorbide, and isomannide derivatives can be used.
Although the chiral agent generally contains an asymmetric carbon atom, an axially asymmetric compound or a planarly asymmetric compound that does not contain an asymmetric carbon atom can also be used as the chiral agent. Examples of the axially asymmetric compound or the planarly asymmetric compound include binaphthyl, helicene, paracyclophane, and derivatives thereof. The chiral agent may have a polymerizable group. When both the chiral agent and the liquid crystal compound have a polymerizable group, a polymer having a repeating unit derived from the polymerizable liquid crystal compound and a repeating unit derived from the chiral agent can be formed by a polymerization reaction between the polymerizable chiral agent and the polymerizable liquid crystal compound. In this embodiment, the polymerizable group of the polymerizable chiral agent is preferably the same type of group as the polymerizable group of the polymerizable liquid crystal compound. Therefore, the polymerizable group of the chiral agent is also preferably an unsaturated polymerizable group, an epoxy group, or an aziridinyl group, more preferably an unsaturated polymerizable group, and even more preferably an ethylenically unsaturated polymerizable group.
The chiral agent may also be a liquid crystal compound.
キラル剤が光異性化基を有する場合には、塗布、配向後に活性光線などのフォトマスク照射によって、発光波長に対応した所望の反射波長のパターンを形成することができるので好ましい。光異性化基としては、フォトクロッミック性を示す化合物の異性化部位、アゾ基、アゾキシ基、または、シンナモイル基が好ましい。具体的な化合物として、特開2002-080478号公報、特開2002-080851号公報、特開2002-179668号公報、特開2002-179669号公報、特開2002-179670号公報、特開2002-179681号公報、特開2002-179682号公報、特開2002-338575号公報、特開2002-338668号公報、特開2003-313189号公報、および、特開2003-313292号公報等に記載の化合物を用いることができる。 When the chiral agent has a photoisomerizable group, it is preferable because a pattern of the desired reflection wavelength corresponding to the emission wavelength can be formed by irradiating a photomask with actinic rays or the like after coating and orientation. As the photoisomerizable group, the isomerization site of a compound exhibiting photochromic properties, an azo group, an azoxy group, or a cinnamoyl group is preferable. Specific compounds that can be used include those described in JP-A-2002-080478, JP-A-2002-080851, JP-A-2002-179668, JP-A-2002-179669, JP-A-2002-179670, JP-A-2002-179681, JP-A-2002-179682, JP-A-2002-338575, JP-A-2002-338668, JP-A-2003-313189, and JP-A-2003-313292.
液晶組成物における、キラル剤の含有量は、液晶化合物の含有モル量に対して0.01~200モル%が好ましく、1~30モル%がより好ましい。 The content of the chiral agent in the liquid crystal composition is preferably 0.01 to 200 mol %, more preferably 1 to 30 mol %, based on the molar content of the liquid crystal compound.
--重合開始剤--
液晶組成物が重合性化合物を含む場合は、重合開始剤を含有しているのが好ましい。紫外線照射により重合反応を進行させる態様では、使用する重合開始剤は、紫外線照射によって重合反応を開始可能な光重合開始剤であるのが好ましい。
光重合開始剤の例には、α-カルボニル化合物(米国特許第2367661号、米国特許第2367670号の各明細書記載)、アシロインエーテル(米国特許第2448828号明細書記載)、α-炭化水素置換芳香族アシロイン化合物(米国特許第2722512号明細書記載)、多核キノン化合物(米国特許第3046127号、米国特許第2951758号の各明細書記載)、トリアリールイミダゾールダイマーとp-アミノフェニルケトンとの組み合わせ(米国特許第3549367号明細書記載)、アクリジンおよびフェナジン化合物(特開昭60-105667号公報、米国特許第4239850号明細書記載)、ならびに、オキサジアゾール化合物(米国特許第4212970号明細書記載)等が挙げられる。
液晶組成物中の光重合開始剤の含有量は、液晶化合物の含有量に対して0.1~20質量%であるのが好ましく、0.5~12質量%であるのがさらに好ましい。
--Polymerization initiator--
When the liquid crystal composition contains a polymerizable compound, it preferably contains a polymerization initiator. In an embodiment in which the polymerization reaction is caused to proceed by ultraviolet irradiation, the polymerization initiator used is preferably a photopolymerization initiator capable of initiating the polymerization reaction by ultraviolet irradiation.
Examples of the photopolymerization initiator include α-carbonyl compounds (described in U.S. Pat. Nos. 2,367,661 and 2,367,670), acyloin ethers (described in U.S. Pat. No. 2,448,828), α-hydrocarbon-substituted aromatic acyloin compounds (described in U.S. Pat. No. 2,722,512), polynuclear quinone compounds (described in U.S. Pat. Nos. 3,046,127 and 2,951,758), combinations of triarylimidazole dimers and p-aminophenyl ketones (described in U.S. Pat. No. 3,549,367), acridine and phenazine compounds (described in JP-A No. 60-105667 and U.S. Pat. No. 4,239,850), and oxadiazole compounds (described in U.S. Pat. No. 4,212,970).
The content of the photopolymerization initiator in the liquid crystal composition is preferably 0.1 to 20% by mass, and more preferably 0.5 to 12% by mass, based on the content of the liquid crystal compound.
--架橋剤--
液晶組成物は、硬化後の膜強度向上、耐久性向上のため、任意に架橋剤を含有していてもよい。架橋剤としては、紫外線、熱、および、湿気等で硬化するものが好適に使用できる。
架橋剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えばトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレートおよびペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート等の多官能アクリレート化合物;グリシジル(メタ)アクリレートおよびエチレングリコールジグリシジルエーテル等のエポキシ化合物;2,2-ビスヒドロキシメチルブタノール-トリス[3-(1-アジリジニル)プロピオネート]および4,4-ビス(エチレンイミノカルボニルアミノ)ジフェニルメタン等のアジリジン化合物;ヘキサメチレンジイソシアネートおよびビウレット型イソシアネート等のイソシアネート化合物;オキサゾリン基を側鎖に有するポリオキサゾリン化合物;ならびに、ビニルトリメトキシシラン、N-(2-アミノエチル)3-アミノプロピルトリメトキシシラン等のアルコキシシラン化合物などが挙げられる。また、架橋剤の反応性に応じて公知の触媒を用いることができ、膜強度および耐久性向上に加えて生産性を向上させることができる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
架橋剤の含有量は、液晶組成物の固形分質量に対して、3~20質量%が好ましく、5~15質量%がより好ましい。架橋剤の含有量が上記範囲内であれば、架橋密度向上の効果が得られやすく、コレステリック液晶相の安定性がより向上する。
--Crosslinking agent--
The liquid crystal composition may contain a crosslinking agent in order to improve the film strength and durability after curing. As the crosslinking agent, those which are cured by ultraviolet light, heat, moisture, etc. can be suitably used.
The crosslinking agent is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. Examples of the crosslinking agent include polyfunctional acrylate compounds such as trimethylolpropane tri(meth)acrylate and pentaerythritol tri(meth)acrylate; epoxy compounds such as glycidyl (meth)acrylate and ethylene glycol diglycidyl ether; aziridine compounds such as 2,2-bishydroxymethylbutanol-tris[3-(1-aziridinyl)propionate] and 4,4-bis(ethyleneiminocarbonylamino)diphenylmethane; isocyanate compounds such as hexamethylene diisocyanate and biuret type isocyanate; polyoxazoline compounds having an oxazoline group in the side chain; and alkoxysilane compounds such as vinyltrimethoxysilane and N-(2-aminoethyl)3-aminopropyltrimethoxysilane. In addition, a known catalyst can be used depending on the reactivity of the crosslinking agent, and in addition to improving the film strength and durability, productivity can be improved. These may be used alone or in combination of two or more.
The content of the crosslinking agent is preferably 3 to 20% by mass, more preferably 5 to 15% by mass, based on the solid content by mass of the liquid crystal composition. When the content of the crosslinking agent is within the above range, the effect of improving the crosslinking density is easily obtained, and the stability of the cholesteric liquid crystal phase is further improved.
--その他の添加剤--
液晶組成物中には、必要に応じて、さらに重合禁止剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定化剤、色材、および、金属酸化物微粒子等を、光学的性能等を低下させない範囲で添加することができる。
--Other additives--
If necessary, a polymerization inhibitor, an antioxidant, an ultraviolet absorber, a light stabilizer, a colorant, metal oxide fine particles, etc. may be added to the liquid crystal composition within a range that does not deteriorate the optical performance, etc.
液晶組成物は、コレステリック液晶層を形成する際には、液体として用いられるのが好ましい。
液晶組成物は溶媒を含んでいてもよい。溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、有機溶媒が好ましい。
有機溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ケトン類、アルキルハライド類、アミド類、スルホキシド類、ヘテロ環化合物、炭化水素類、エステル類、および、エーテル類などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、環境への負荷を考慮した場合にはケトン類が好ましい。
The liquid crystal composition is preferably used in the form of a liquid when forming a cholesteric liquid crystal layer.
The liquid crystal composition may contain a solvent. The solvent is not limited and can be appropriately selected depending on the purpose, but an organic solvent is preferable.
The organic solvent is not limited and can be appropriately selected according to the purpose, and examples thereof include ketones, alkyl halides, amides, sulfoxides, heterocyclic compounds, hydrocarbons, esters, and ethers. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, ketones are preferred when considering the burden on the environment.
コレステリック液晶層を形成する際には、コレステリック液晶層の形成面に液晶組成物を塗布して、液晶化合物をコレステリック液晶相の状態に配向した後、液晶化合物を硬化して、コレステリック液晶層とするのが好ましい。
すなわち、配向膜32上にコレステリック液晶層を形成する場合には、配向膜32に液晶組成物を塗布して、液晶化合物をコレステリック液晶相の状態に配向した後、液晶化合物を硬化して、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層を形成するのが好ましい。
液晶組成物の塗布は、インクジェットおよびスクロール印刷等の印刷法、ならびに、スピンコート、バーコートおよびスプレー塗布等のシート状物に液体を一様に塗布できる公知の方法が全て利用可能である。
When forming a cholesteric liquid crystal layer, it is preferable to apply a liquid crystal composition to the surface on which the cholesteric liquid crystal layer is to be formed, align the liquid crystal compound in a cholesteric liquid crystal phase state, and then harden the liquid crystal compound to form a cholesteric liquid crystal layer.
That is, when forming a cholesteric liquid crystal layer on the alignment film 32, it is preferable to apply a liquid crystal composition to the alignment film 32, align the liquid crystal compound in a cholesteric liquid crystal phase state, and then harden the liquid crystal compound to form a cholesteric liquid crystal layer in which the cholesteric liquid crystal phase is fixed.
The liquid crystal composition can be applied by any known method capable of uniformly applying a liquid to a sheet-like material, such as a printing method including ink-jet printing and scroll printing, as well as spin coating, bar coating and spray coating.
塗布された液晶組成物は、必要に応じて乾燥および/または加熱され、その後、硬化され、コレステリック液晶層を形成する。この乾燥および/または加熱の工程で、液晶組成物中の液晶化合物がコレステリック液晶相に配向すればよい。加熱を行う場合、加熱温度は、200℃以下が好ましく、130℃以下がより好ましい。 The applied liquid crystal composition is dried and/or heated as necessary, and then cured to form a cholesteric liquid crystal layer. In this drying and/or heating process, the liquid crystal compounds in the liquid crystal composition are aligned in a cholesteric liquid crystal phase. When heating is performed, the heating temperature is preferably 200°C or less, and more preferably 130°C or less.
配向させた液晶化合物は、必要に応じて、さらに重合される。重合は、熱重合、および、光照射による光重合のいずれでもよいが、光重合が好ましい。光照射は、紫外線を用いるのが好ましい。照射エネルギーは、20mJ/cm2~50J/cm2が好ましく、50~1500mJ/cm2がより好ましい。光重合反応を促進するため、加熱条件下または窒素雰囲気下で光照射を実施してもよい。照射する紫外線の波長は250~430nmが好ましい。 The aligned liquid crystal compound is further polymerized as necessary. The polymerization may be either thermal polymerization or photopolymerization by light irradiation, but photopolymerization is preferred. For the light irradiation, ultraviolet light is preferably used. The irradiation energy is preferably 20 mJ/cm 2 to 50 J/cm 2 , more preferably 50 to 1500 mJ/cm 2. To promote the photopolymerization reaction, light irradiation may be performed under heating conditions or in a nitrogen atmosphere. The wavelength of the ultraviolet light to be irradiated is preferably 250 to 430 nm.
また、コレステリック液晶層の形成方法としては、円盤状液晶化合物を含む組成物を用いて、上記円盤状液晶化合物の分子軸が表面に対して傾斜している傾斜液晶層を形成し、傾斜液晶層上に、液晶化合物を含む組成物を用いて、コレステリック液晶層を形成する方法も好適に用いられる。
このような傾斜液晶層を用いたコレステリック液晶層の形成方法は、国際公開2019/181247の段落[0049]~[0194]に記載されている。
As a method for forming a cholesteric liquid crystal layer, a method is also suitably used in which a composition containing a discotic liquid crystal compound is used to form an inclined liquid crystal layer in which the molecular axis of the discotic liquid crystal compound is inclined with respect to the surface, and a cholesteric liquid crystal layer is then formed on the inclined liquid crystal layer using a composition containing the liquid crystal compound.
A method for forming a cholesteric liquid crystal layer using such a tilted liquid crystal layer is described in paragraphs [0049] to [0194] of WO 2019/181247.
コレステリック液晶層の厚さには、制限はなく、液晶回折素子の用途、コレステリック液晶層に要求される光の反射率、および、コレステリック液晶層の形成材料等に応じて、必要な光の反射率が得られる厚さを、適宜、設定すればよい。 There is no limit to the thickness of the cholesteric liquid crystal layer, and the thickness that provides the required light reflectance can be set appropriately depending on the application of the liquid crystal diffraction element, the light reflectance required for the cholesteric liquid crystal layer, and the material from which the cholesteric liquid crystal layer is formed.
ここで、液晶回折素子、および、第2液晶回折素子は、波長選択性を有するコレステリック液晶層を1層有する構成であってもよいし、2層以上有する構成であってもよい。 Here, the liquid crystal diffraction element and the second liquid crystal diffraction element may be configured to have one cholesteric liquid crystal layer having wavelength selectivity, or may be configured to have two or more layers.
液晶回折素子が2以上のコレステリック液晶層を有する場合には、2以上のコレステリック液晶層はそれぞれ、SEMによって観察されるコレステリック液晶層の断面において、コレステリック液晶相に由来する明部および暗部が、コレステリック液晶層の主面に対して傾斜しており、明部から明部、または暗部から暗部の傾斜面に対する法線方向の間隔を1/2ピッチとした際に、コレステリック液晶層のピッチPが互いに異なることが好ましい。すなわち、2以上のコレステリック液晶層は波長選択性が互いに異なることが好ましい。 When the liquid crystal diffraction element has two or more cholesteric liquid crystal layers, it is preferable that the two or more cholesteric liquid crystal layers have light and dark areas derived from the cholesteric liquid crystal phase inclined with respect to the main surface of the cholesteric liquid crystal layer in a cross section of the cholesteric liquid crystal layer observed by SEM, and that the pitch P of the cholesteric liquid crystal layers is different from each other when the spacing in the normal direction to the inclined surface from light area to light area or from dark area to dark area is 1/2 pitch. In other words, it is preferable that the wavelength selectivity of the two or more cholesteric liquid crystal layers is different from each other.
例えば、液晶回折素子は、赤色光を選択的に反射するコレステリック液晶層と緑色光を選択的に反射するコレステリック液晶層との2層のコレステリック液晶層を有するものでもよく、赤色光を選択的に反射するコレステリック液晶層と、緑色光を選択的に反射するコレステリック液晶層と、青色光を選択的に反射するコレステリック液晶層との3層の液晶層を有するものでもよい。 For example, the liquid crystal diffraction element may have two cholesteric liquid crystal layers, one that selectively reflects red light and the other that selectively reflects green light, or it may have three liquid crystal layers, one that selectively reflects red light, one that selectively reflects green light, and another that selectively reflects blue light.
液晶回折素子が複数のコレステリック液晶層を有する構成の場合には、例えば、各コレステリック液晶層が赤色光、緑色光および青色光の3色の光をそれぞれ反射する構成とすることで、画像表示装置が表示するカラー画像、および、白画像を導光することができる。
また、例えば、液晶回折素子は、選択反射中心波長が異なる3層のコレステリック液晶層を有し、赤色光、緑色光および青色光等の可視光から選択される1色または2色と、赤外線および/または紫外線を反射する構成でもよく、可視光以外の光のみを反射する構成でもよい。
あるいは、液晶回折素子は、選択反射中心波長が異なるコレステリック液晶層を2層または4層以上、有するものであってもよい。また、液晶回折素子は、赤色光、緑色光および青色光等の可視光に加えて、赤外線および/または紫外線等の可視光以外の光を反射する構成でもよく、あるいは、各コレステリック液晶層が、赤外線および/または紫外線等の可視光以外の光を反射する構成でもよい。
In the case where the liquid crystal diffraction element has a configuration having multiple cholesteric liquid crystal layers, for example, each cholesteric liquid crystal layer can be configured to reflect three colors of light, namely red light, green light, and blue light, thereby guiding a color image and a white image displayed by the image display device.
Also, for example, the liquid crystal diffraction element may have three cholesteric liquid crystal layers with different selective reflection center wavelengths, and may be configured to reflect one or two colors selected from visible light such as red light, green light, and blue light, as well as infrared light and/or ultraviolet light, or may be configured to reflect only light other than visible light.
Alternatively, the liquid crystal diffraction element may have two or four or more cholesteric liquid crystal layers with different selective reflection central wavelengths. The liquid crystal diffraction element may be configured to reflect light other than visible light, such as infrared light and/or ultraviolet light, in addition to visible light, such as red light, green light, and blue light, or each cholesteric liquid crystal layer may be configured to reflect light other than visible light, such as infrared light and/or ultraviolet light.
また、液晶回折素子が2以上のコレステリック液晶層有する場合には、2以上のコレステリック液晶層はそれぞれ、液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光学軸の向きが面内方向に180°回転する長さ、すなわち、回折構造の1周期Λが、互いに異なることが好ましい。
具体的には、コレステリック液晶層のピッチPが互いに異なる場合には、ピッチP(選択反射中心波長の長さ)の順列と、コレステリック液晶層の液晶配向パターンにおける1周期Λの長さの順列とが等しいことが好ましい。これにより、各コレステリック液晶層の、SEM断面における明部および暗部の傾斜角度を略一致させることができ、各コレステリック液晶層の選択反射波長の光に対する回折角度を略一致させることができる。すなわち、波長の異なる光を、ほぼ同じ方向に回折することができる。
Furthermore, when the liquid crystal diffraction element has two or more cholesteric liquid crystal layers, it is preferable that the length by which the orientation of the optical axis derived from the liquid crystal compound in the liquid crystal orientation pattern rotates 180° in the in-plane direction, i.e., one period Λ of the diffraction structure, of each of the two or more cholesteric liquid crystal layers is different from each other.
Specifically, when the pitches P of the cholesteric liquid crystal layers are different from one another, it is preferable that the permutation of the pitches P (lengths of the selective reflection central wavelengths) is equal to the permutation of the lengths of one period Λ in the liquid crystal orientation pattern of the cholesteric liquid crystal layers. This allows the inclination angles of the bright and dark parts of each cholesteric liquid crystal layer in the SEM cross section to be approximately the same, and allows the diffraction angles of each cholesteric liquid crystal layer for light of the selective reflection wavelength to be approximately the same. In other words, light of different wavelengths can be diffracted in approximately the same direction.
例えば、液晶回折素子が第1コレステリック液晶層と第2コレステリック液晶層との2つのコレステリック液晶層を有する場合に、第1コレステリック液晶層のピッチをP1、1周期をΛ1とし、第2コレステリック液晶層のピッチをP2、1周期をΛ2とすると、P1<P2、Λ1<Λ2を満たすことが好ましい。 For example, when a liquid crystal diffraction element has two cholesteric liquid crystal layers, a first cholesteric liquid crystal layer and a second cholesteric liquid crystal layer, if the pitch of the first cholesteric liquid crystal layer is P1 and one period is Λ1, and the pitch of the second cholesteric liquid crystal layer is P2 and one period is Λ2, it is preferable to satisfy P1<P2 and Λ1<Λ2.
以上、本発明の画像表示システムについて詳細に説明したが、本発明は、上述の例に制限はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのは、もちろんである。 The image display system of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above examples, and various improvements and modifications may of course be made without departing from the spirit of the present invention.
カーナビゲーションシステム等に好適に利用可能である。 It can be ideally used in car navigation systems, etc.
10 画像表示システム
12 導光板
14 液晶回折素子
16 位相差層
18 透過型表示素子
20 画像表示装置
22 正のレンズ
24 負のレンズ
26 画像表示素子
29 導光部材
30 支持体
32 配向膜
34 コレステリック液晶層
40 液晶化合物
40A 光学軸
42 明部
44 暗部
60 露光装置
62 レーザ
64 光源
65 λ/2板
68 ビームスプリッター
70A,70B ミラー
72A,72B λ/4板
U 使用者
V 虚像
Λ 1周期
D 配列軸
P 螺旋ピッチ
RR 右円偏光
RL 左円偏光
M レーザ光
MA,MB 光線
PO 直線偏光
PR 右円偏光
PL 左円偏光
10 Image display system 12 Light guide plate 14 Liquid crystal diffraction element 16 Retardation layer 18 Transmissive display element 20 Image display device 22 Positive lens 24 Negative lens 26 Image display element 29 Light guide member 30 Support 32 Alignment film 34 Cholesteric liquid crystal layer 40 Liquid crystal compound 40A Optical axis 42 Bright area 44 Dark area 60 Exposure device 62 Laser 64 Light source 65 λ/2 plate 68 Beam splitter 70A, 70B Mirror 72A, 72B λ/4 plate U User V Virtual image Λ One period D Array axis P Helical pitch R R Right circularly polarized light R L Left circularly polarized light M Laser light MA, MB Light beam P O Linearly polarized light P R Right circularly polarized light P L Left circularly polarized light
Claims (5)
前記導光板の一方の主面に配置された、右円偏光および左円偏光のいずれか一方を反射する液晶回折素子と、
前記導光板の他方の主面側に配置された透過型表示素子と、
前記導光板の端面から光を入射するための画像表示装置とを、備え、
前記画像表示装置は、前記液晶回折素子が反射する円偏光を照射するものであり、
前記画像表示装置は、白表示または黒表示と、画像表示とを交互に表示し、
前記透過型表示素子は、画像表示状態と透過状態とを交互に表示し、前記画像表示装置が白表示または黒表示を行っている際には、画像表示状態であり、前記画像表示装置が画像表示を行っている際には、透過状態である、画像表示システム。 A light guide plate;
a liquid crystal diffraction element disposed on one of the main surfaces of the light guide plate and configured to reflect either right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light;
a transmission type display element disposed on the other main surface side of the light guide plate;
an image display device for receiving light from an end surface of the light guide plate,
the image display device irradiates a circularly polarized light reflected by the liquid crystal diffraction element,
the image display device alternately displays a white display or a black display and an image display,
The transmissive display element alternately displays an image display state and a transmissive state, and is in the image display state when the image display device is displaying white or black, and is in the transmissive state when the image display device is displaying an image.
前記導光板と前記透過型表示素子との間に配置される位相差板を有する、請求項1または2に記載の画像表示システム。 the transmissive display element is a liquid crystal cell,
3. The image display system according to claim 1, further comprising a retardation plate disposed between said light guide plate and said transmissive display element.
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