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JP2025151995A - Backlight system and display device - Google Patents

Backlight system and display device

Info

Publication number
JP2025151995A
JP2025151995A JP2024053680A JP2024053680A JP2025151995A JP 2025151995 A JP2025151995 A JP 2025151995A JP 2024053680 A JP2024053680 A JP 2024053680A JP 2024053680 A JP2024053680 A JP 2024053680A JP 2025151995 A JP2025151995 A JP 2025151995A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
backlight
light
diffraction grating
liquid crystal
backlight system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2024053680A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
大輔 南
毅士 小山
良輔 三枝
潔 箕浦
彰 坂井
雄一 川平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Display Technology Corp
Original Assignee
Sharp Display Technology Corp
Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Display Technology Corp filed Critical Sharp Display Technology Corp
Publication of JP2025151995A publication Critical patent/JP2025151995A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

【課題】光の利用効率に優れたバックライトシステム、及び、該バックライトシステムを用いた表示装置を提供する。
【解決手段】バックライトと、パンチャラトナム・ベリー位相回折格子と、第一のλ/4板とをこの順に備え、前記バックライトから出射され、前記パンチャラトナム・ベリー位相回折格子と前記第一のλ/4板とを通過した光を出射するバックライトシステム。
【選択図】図3

A backlight system with excellent light utilization efficiency and a display device using the backlight system are provided.
[Solution] A backlight system comprising a backlight, a Pancharatnam Berry phase diffraction grating, and a first λ/4 plate in this order, and emitting light that is emitted from the backlight and passes through the Pancharatnam Berry phase diffraction grating and the first λ/4 plate.
[Selected Figure] Figure 3

Description

以下の開示は、バックライトシステム及び表示装置に関する。 The following disclosure relates to a backlight system and a display device.

近年の液晶ディスプレイに用いられるバックライトの構造はエッジ型が主流であり、側方に配置された光源のLEDから出射された光を導光板で導光させ、拡散シートとプリズムシートによって正面に光を集めている。 The mainstream backlight structure used in recent LCD displays is the edge type, in which light emitted from LED light sources placed on the side is guided by a light guide plate and then concentrated toward the front using a diffusion sheet and prism sheet.

特許文献1には、光源側から拡散シート、プリズムシートの順に配置されたバックライト用の光学シートが開示されている。この光学シートでは、拡散シートの出射面とプリズムシートの入射面とが開口部を有する反射層を介して貼り合わされ、大きい入射角の光がプリズムシートへ入射することを抑制している。 Patent Document 1 discloses an optical sheet for a backlight, in which a diffusion sheet and a prism sheet are arranged in this order from the light source side. In this optical sheet, the exit surface of the diffusion sheet and the entrance surface of the prism sheet are bonded together via a reflective layer with openings, preventing light with a large angle of incidence from entering the prism sheet.

特開2009-210798号公報JP 2009-210798 A

従来のバックライトシステムでは、プリズムシートを用いる場合、プリズムシートの入射した光の一部はサイドローブ光と呼ばれる不要な光として出射されるため、光利用効率が低下していた。 In conventional backlight systems, when a prism sheet is used, some of the light that enters the prism sheet is emitted as unnecessary light called side lobe light, reducing light utilization efficiency.

また、特許文献1に記載されたバックライト用の光学シートは、反射層の形成が難しいことに加え、反射層の間の開口部に光が入射しないと反射回数が増えることにより、光の利用効率が低下してしまうものであった。 Furthermore, the optical sheet for backlights described in Patent Document 1 is difficult to form a reflective layer on, and if light does not enter the openings between the reflective layers, the number of reflections increases, resulting in reduced light utilization efficiency.

本発明は上記現状に鑑みてなされたものであり、光の利用効率に優れたバックライトシステム、及び、該バックライトシステムを用いた表示装置を提供することを目的とするものである。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned current situation, and aims to provide a backlight system with excellent light utilization efficiency, and a display device using such a backlight system.

(1)本発明の一実施形態は、バックライトと、パンチャラトナム・ベリー位相回折格子と、第一のλ/4板とをこの順に備え、前記バックライトから出射され、前記パンチャラトナム・ベリー位相回折格子と前記第一のλ/4板とを通過した光を出射する、バックライトシステム。 (1) One embodiment of the present invention is a backlight system that includes, in this order, a backlight, a Pancharatnam Berry phase diffraction grating, and a first λ/4 plate, and that emits light that is emitted from the backlight and has passed through the Pancharatnam Berry phase diffraction grating and the first λ/4 plate.

(2)また、本発明のある実施形態は、上記(1)の構成に加え、前記パンチャラトナム・ベリー位相回折格子は、重合性液晶の硬化物を含む位相差層を備え、前記重合性液晶の遅相軸は、前記位相差層の面内で、前記位相差層の一方の端部から他方の端部に向かう第一の方向において周期的に回転し、前記重合性液晶の遅相軸が前記第一の方向に平行となる位置から前記第一の方向に距離x[μm]離れた位置に配置された前記重合性液晶の配向方向である分子配向パターンΦ(x)[°]は、下記式(1)を満たす、バックライトシステム。
式中、Λは、前記重合性液晶の遅相軸が前記位相差層の面内で180°回転するピッチ[μm]を表し、m、n及びAは任意の定数である。
(2) In addition to the configuration of (1), an embodiment of the present invention provides a backlight system in which the Pancharatnam-Berry phase diffraction grating includes a retardation layer containing a cured polymerizable liquid crystal, a slow axis of the polymerizable liquid crystal periodically rotates in a first direction from one end of the retardation layer to the other end within the plane of the retardation layer, and a molecular orientation pattern Φ(x) [°], which is an orientation direction of the polymerizable liquid crystal arranged at a position a distance x [μm] in the first direction from a position where the slow axis of the polymerizable liquid crystal is parallel to the first direction, satisfies the following formula (1):
In the formula, Λ represents the pitch [μm] at which the slow axis of the polymerizable liquid crystal rotates by 180° in the plane of the retardation layer, and m, n, and A are arbitrary constants.

(3)また、本発明のある実施形態は、上記(1)又は(2)の構成に加え、更に、前記バックライトと前記パンチャラトナム・ベリー位相回折格子との間に、拡散シートを備える、バックライトシステム。 (3) Furthermore, in addition to the configuration of (1) or (2) above, one embodiment of the present invention is a backlight system further comprising a diffusion sheet between the backlight and the Pancharatnam Berry phase diffraction grating.

(4)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、(2)又は(3)の構成に加え、更に、前記第一のλ/4板よりも前記パンチャラトナム・ベリー位相回折格子とは反対側に、屈折型光学素子を備える、バックライトシステム。 (4) Furthermore, in one embodiment of the present invention, in addition to the configuration of (1), (2), or (3) above, the backlight system further comprises a refractive optical element on the opposite side of the first λ/4 plate from the Pancharatnam Berry phase diffraction grating.

(5)また、本発明のある実施形態は、上記(4)の構成に加え、前記屈折型光学素子は、レンチキュラーレンズ又はプリズムシートである、バックライトシステム。 (5) Furthermore, in one embodiment of the present invention, in addition to the configuration of (4) above, the refractive optical element is a lenticular lens or a prism sheet.

(6)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、(2)、(3)、(4)又は(5)の構成に加え、更に、前記バックライトと前記パンチャラトナム・ベリー位相回折格子との間に、第二のλ/4板を備え、前記バックライトから出射される光は直線偏光である、バックライトシステム。 (6) Furthermore, in addition to the configuration of (1), (2), (3), (4), or (5) above, one embodiment of the present invention is a backlight system further comprising a second λ/4 plate between the backlight and the Pancharatnam-Berry phase diffraction grating, and the light emitted from the backlight is linearly polarized.

(7)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、(2)、(3)、(4)、(5)又は(6)の構成に加え、前記パンチャラトナム・ベリー位相回折格子は、平面視において、配向ピッチが互いに異なる複数の領域を有し、前記複数の領域は、前記バックライトにおける第1バックライト領域に対向する第1領域と、前記バックライトにおける前記第1バックライト領域よりも前記バックライトの光源から遠い第2バックライト領域に対向する第2領域とを含み、前記第2領域における配向ピッチは、前記第1領域における配向ピッチよりも小さい、バックライトシステム。 (7) Furthermore, in one embodiment of the present invention, in addition to the configuration of (1), (2), (3), (4), (5), or (6) above, the Pancharatnam-Berry phase diffraction grating has, in a planar view, a plurality of regions having different orientation pitches, the plurality of regions including a first region facing a first backlight region in the backlight and a second region facing a second backlight region in the backlight that is farther from the light source of the backlight than the first backlight region, and the orientation pitch in the second region is smaller than the orientation pitch in the first region.

(8)また、本発明のある実施形態は、上記(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)又は(7)のバックライトシステムと、前記バックライトシステムの出射光を用いて画像の表示を行う液晶パネルと、を備える、表示装置。 (8) Another embodiment of the present invention is a display device comprising the backlight system of (1), (2), (3), (4), (5), (6), or (7) above, and a liquid crystal panel that displays an image using light emitted from the backlight system.

(9)また、本発明のある実施形態は、上記(7)の構成に加え、前記バックライトシステムと前記液晶パネルとの間に、反射型偏光板を備える、表示装置。 (9) Furthermore, in one embodiment of the present invention, in addition to the configuration of (7) above, the display device further comprises a reflective polarizing plate between the backlight system and the liquid crystal panel.

本発明によれば、光の利用効率に優れたバックライトシステム、及び、該バックライトシステムを用いた表示装置を提供することができる。 The present invention provides a backlight system with excellent light utilization efficiency, and a display device using the backlight system.

従来のバックライトシステムの構成を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a conventional backlight system. サイドローブ光を説明するためのプリズムシートの断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a prism sheet for explaining side lobe light. 実施形態1に係るバックライトシステム及び表示装置の構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a backlight system and a display device according to a first embodiment. PBP回折格子の構成を模式的に示した断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a PBP diffraction grating. PBP回折格子の構成を模式的に示した平面図である。FIG. 1 is a plan view schematically showing the configuration of a PBP diffraction grating. 偏光顕微鏡で撮影したPBP回折格子の写真である。1 is a photograph of a PBP diffraction grating taken with a polarizing microscope. 円偏光が入射したときのPBP回折格子の働きを説明する模式図である。1A and 1B are schematic diagrams illustrating the function of a PBP diffraction grating when circularly polarized light is incident thereon. PBP回折格子の回折角θとPBP回折格子の出射光側に配置したスクリーン上での光強度分布U(θ)について説明する模式図である。1 is a schematic diagram illustrating a diffraction angle θ of a PBP diffraction grating and a light intensity distribution U(θ) on a screen placed on the exit light side of the PBP diffraction grating. 参考例のPBP回折格子の分子配向パターンΦ(x)を示すグラフである。10 is a graph showing the molecular orientation pattern Φ(x) of the PBP diffraction grating of the reference example. 参考例のPBP回折格子の光強度分布U(θ)を示すグラフである。10 is a graph showing the light intensity distribution U(θ) of the PBP diffraction grating of the reference example. 実施形態2のPBP回折格子の分子配向パターンΦ(x)を示すグラフである。10 is a graph showing the molecular orientation pattern Φ(x) of the PBP diffraction grating of the second embodiment. 実施形態2のPBP回折格子の光強度分布U(θ)を示すグラフである。10 is a graph showing the light intensity distribution U(θ) of the PBP diffraction grating of the second embodiment. 実施形態2及び参考例のPBP回折格子を透過した光の状態について説明する模式図である。10A and 10B are schematic diagrams illustrating the state of light transmitted through the PBP diffraction gratings of the second embodiment and the reference example. 実施形態3に係るバックライトシステム及び表示装置の構成を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of a backlight system and a display device according to a third embodiment. 実施形態4に係るバックライトシステム及び表示装置の構成を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating the configuration of a backlight system and a display device according to a fourth embodiment. 実施形態4に係るバックライトシステムが備えるプリズムシートの構造を模式的に示した断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a prism sheet included in a backlight system according to a fourth embodiment. 回折型素子の特性を説明するための模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the characteristics of a diffraction element. 屈折型素子の特性を説明するための模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the characteristics of a refractive element. 実施形態5に係るバックライトシステム及び表示装置の構成を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating the configuration of a backlight system and a display device according to a fifth embodiment. 面内均一に表示光を法線方向に出射する表示パネルを備えるヘッドマウントディスプレイを示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a head-mounted display including a display panel that emits display light uniformly in the normal direction within a plane. 両端で表示光を斜め方向に出射する表示パネルを備えるヘッドマウントディスプレイを示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a head-mounted display having a display panel that emits display light obliquely at both ends. 実施形態6に係るバックライトシステム及び表示装置の構成を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of a backlight system and a display device according to a sixth embodiment. 実施例1における出射光の角度を測定する方法を説明する図である。5A and 5B are diagrams illustrating a method for measuring the angle of emitted light in the first embodiment.

(本開示の概要)
図1は、従来のバックライトシステムの構成を示す模式図である。図2は、サイドローブ光を説明するためのプリズムシートの断面図である。なお、本開示において、図中の矢印は、光線の進行方向を示している。本開示において、角度は、ディスプレイ面の法線方向を0°と定義したときの値を表し、ディスプレイ面の法線方向からの傾きの大きさに相当する。
(Summary of the Disclosure)
Fig. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a conventional backlight system. Fig. 2 is a cross-sectional view of a prism sheet for explaining side lobe light. In this disclosure, arrows in the figure indicate the traveling direction of light rays. In this disclosure, angles represent values when the normal direction to the display surface is defined as 0°, and correspond to the magnitude of the inclination from the normal direction to the display surface.

図1に示すように、従来のバックライトシステムでは、バックライト100上に拡散シート11と稜線が互いに直交するプリズムシート12a及び12bが積層されており、それらのシートによって、バックライトシステムから出射する光線について、その最大強度を示す方向の角度(「ピーク角度」ともいう)が0°(ディスプレイ面の法線方向)となるように調整している。しかし、図2に示すように、プリズムシート12では、光が当たる角度と位置によって光線の方向が変わるため、すべての光を一様に有効光として利用できない。サイドローブとして出射された光(サイドローブ光)は再利用されることなく、出射されてしまう。図1の構成では、2枚のプリズムシート12a及び12bがそれぞれサイドローブ光を発生させることから、従来のバックライトシステムは、光利用効率に課題があった。 As shown in Figure 1, in conventional backlight systems, prism sheets 12a and 12b, whose ridgelines intersect perpendicularly with the diffusion sheet 11, are stacked on top of the backlight 100. These sheets adjust the angle of the light beam emitted from the backlight system, which indicates its maximum intensity (also known as the "peak angle"), to 0° (the normal direction of the display surface). However, as shown in Figure 2, the direction of the light beam changes depending on the angle and position at which the light strikes the prism sheet 12, so not all light can be used uniformly as effective light. Light emitted as a side lobe (side lobe light) is emitted without being reused. In the configuration of Figure 1, the two prism sheets 12a and 12b each generate side lobe light, so conventional backlight systems have issues with light utilization efficiency.

本開示のバックライトシステムは、上記プリズムシートの代わりに、パンチャラトナム・ベリー位相(PBP:Pancharatnam-Berry Phase)回折格子を用いるものである。PBP回折格子は、重合性液晶を紫外線硬化させることにより作製される光学フィルムであり、液晶配向の回転周期を変えることにより回折角度を制御可能な光学素子である。PBP回折格子によれば、入射した光の進行方向を正面方向に曲げることで、バックライトシステムの正面出射光を増やすことができる。また、面内で均一に光を曲げることができるため、サイドローブ光等の不要な光が発生しない。これらの要因により、本開示のバックライトシステムは、光学フィルムの複雑な積層を行うことなく、高い光利用効率を得ることができる。 The backlight system of the present disclosure uses a Pancharatnam-Berry Phase (PBP) diffraction grating instead of the prism sheet. A PBP diffraction grating is an optical film made by UV-curing polymerizable liquid crystals, and is an optical element whose diffraction angle can be controlled by changing the rotation period of the liquid crystal orientation. A PBP diffraction grating can increase the amount of front-emitting light from a backlight system by bending the direction of incident light toward the front. Furthermore, because light can be bent uniformly within the plane, unnecessary light such as side lobe light is not generated. Due to these factors, the backlight system of the present disclosure can achieve high light utilization efficiency without the need for complex stacking of optical films.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は適宜省略する。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. Note that the same reference numerals will be used in different drawings to designate the same parts or parts having similar functions, and repeated explanations will be omitted where appropriate.

(実施形態1)
図3~7を用いて実施形態1のバックライトシステム、及び、該バックライトシステムを備えた表示装置の構成について説明する。図3は、実施形態1に係るバックライトシステム及び表示装置の構成を示す模式図である。図4は、PBP回折格子の構成を模式的に示した断面図である。図5は、PBP回折格子の構成を模式的に示した平面図である。図6は、偏光顕微鏡で撮影したPBP回折格子の写真である。図7は、円偏光が入射したときのPBP回折格子の働きを説明する模式図である。
(Embodiment 1)
The configuration of the backlight system of embodiment 1 and a display device including the backlight system will be described with reference to Figures 3 to 7. Figure 3 is a schematic diagram showing the configuration of the backlight system and display device according to embodiment 1. Figure 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a PBP diffraction grating. Figure 5 is a plan view showing a schematic configuration of a PBP diffraction grating. Figure 6 is a photograph of a PBP diffraction grating taken with a polarizing microscope. Figure 7 is a schematic diagram explaining the function of a PBP diffraction grating when circularly polarized light is incident thereon.

図3に示すように、実施形態1のバックライトシステムは、バックライト100と、パンチャラトナム・ベリー位相(PBP:Pancharatnam-Berry Phase)回折格子150と、第一のλ/4板180とをこの順に備える。実施形態1の表示装置は、バックライトシステムの前方に、反射型偏光板200と、液晶パネル(LCD)300とがこの順に配置されたものである。液晶パネル300は、バックライトシステムの出射光を用いて画像の表示を行う。 As shown in FIG. 3, the backlight system of embodiment 1 includes a backlight 100, a Pancharatnam-Berry Phase (PBP) diffraction grating 150, and a first λ/4 plate 180, arranged in this order. The display device of embodiment 1 includes a reflective polarizing plate 200 and a liquid crystal panel (LCD) 300, arranged in this order, in front of the backlight system. The liquid crystal panel 300 displays images using light emitted from the backlight system.

バックライト100としては特に限定されず、例えば、液晶表示装置等の技術分野で利用されている従来公知のものを用いることができる。バックライト100は、LED等の光源と、導光板とを含むエッジ型のバックライトが好適に用いられる。 The backlight 100 is not particularly limited, and can be, for example, a conventional backlight used in technical fields such as liquid crystal display devices. An edge-type backlight including a light source such as an LED and a light guide plate is preferably used as the backlight 100.

図4に示すように、PBP回折格子150は、ガラス基板、PETフィルム等で構成される基材152上に設けられた配向膜154に配向処理をした後に、重合性液晶156を塗布し、紫外線によって重合性液晶156を光硬化させた位相差層158を有する光学フィルムである。 As shown in Figure 4, the PBP diffraction grating 150 is an optical film having a retardation layer 158 formed by applying an alignment film 154 provided on a substrate 152 made of a glass substrate, PET film, or the like, to which an alignment treatment has been applied, followed by application of a polymerizable liquid crystal 156, and then photo-curing the polymerizable liquid crystal 156 with ultraviolet light.

PBP回折格子150は、例えば、国際公開第2019/189818号、特表2008-532085号公報等に記載の方法で作製することができる。 The PBP diffraction grating 150 can be fabricated, for example, by methods described in International Publication No. 2019/189818 and Published Japanese Translation of PCT International Publication No. 2008-532085.

図5に示すように、平面視において、硬化された重合性液晶156の配向方向は、位相差層158の面内で、位相差層158の一方の端部から他方の端部に向かう第一の方向(図5中のx軸方向)において周期的に回転し、x軸方向と直交するy軸方向においては周期的に回転していない。ここで、硬化された重合性液晶156の長軸が遅相軸である。すなわち、PBP回折格子150が備える位相差層158は、硬化された重合性液晶156由来の遅相軸の向きが面内のx軸方向に沿って連続的に回転しながら変化する。図6に示すように、遅相軸の向きは偏光顕微鏡やAxoscan(Axo Metrics社)を用いて確認することができる。図7に示すように、PBP回折格子150は、入射する右円偏光RCPを+θ方向に、左円偏光LCPを-θ方向に回折させる。つまり偏光の種類に応じて回折方向が逆向きになる偏光依存回折素子である。 As shown in FIG. 5 , in a planar view, the orientation direction of the cured polymerizable liquid crystal 156 periodically rotates within the plane of the retardation layer 158 in a first direction (the x-axis direction in FIG. 5 ) from one end of the retardation layer 158 to the other end, but does not periodically rotate in the y-axis direction, which is perpendicular to the x-axis direction. Here, the long axis of the cured polymerizable liquid crystal 156 is the slow axis. That is, in the retardation layer 158 provided in the PBP diffraction grating 150, the direction of the slow axis derived from the cured polymerizable liquid crystal 156 changes while continuously rotating along the x-axis direction in the plane. As shown in FIG. 6 , the direction of the slow axis can be confirmed using a polarizing microscope or an Axoscan (AxoMetrics). As shown in FIG. 7 , the PBP diffraction grating 150 diffracts incident right-handed circularly polarized light (RCP) in the +θ direction and left-handed circularly polarized light (LCP) in the -θ direction. In other words, it is a polarization-dependent diffraction element in which the diffraction direction reverses depending on the type of polarization.

PBP回折格子150は、上記の液晶配向の回転周期(以下、「配向ピッチ」ともいう)を変えることで、入射光の回折角度を制御できる。PBP回折格子150の面内で配向ピッチを異ならせてもよい。これよって、PBP回折格子150の面内に、入射光の入射角分布に応じた回折角の異なる複数の領域を形成することができる。 The PBP diffraction grating 150 can control the diffraction angle of incident light by changing the rotation period of the liquid crystal orientation (hereinafter also referred to as the "orientation pitch"). The orientation pitch may be varied within the plane of the PBP diffraction grating 150. This makes it possible to form multiple regions within the plane of the PBP diffraction grating 150 that have different diffraction angles according to the incident angle distribution of the incident light.

配向膜154は、面内の配向規制力がパターニングされたものである。具体的には、配向膜154は、位相差層158の遅相軸が面内で周期的に回転するように重合性液晶156を配向させる配向規制力を有するものである。 The alignment film 154 has a patterned in-plane alignment control force. Specifically, the alignment film 154 has an alignment control force that aligns the polymerizable liquid crystal 156 so that the slow axis of the retardation layer 158 rotates periodically in-plane.

配向膜154の材料としては、ポリイミドを主鎖に有するポリマー、ポリアミック酸を主鎖に有するポリマー、ポリシロキサンを主鎖に有するポリマー等の液晶パネルの分野で一般的な材料を用いることができる。配向膜154は基材152上に配向膜材料を塗布することによって形成することができる。上記塗布方法は特に限定されず、例えば、フレキソ印刷、インクジェット塗布等を用いることができる。 The alignment film 154 can be made of materials commonly used in the field of liquid crystal panels, such as polymers with polyimide in the main chain, polymers with polyamic acid in the main chain, and polymers with polysiloxane in the main chain. The alignment film 154 can be formed by applying an alignment film material to the substrate 152. The application method is not particularly limited, and can be, for example, flexographic printing, inkjet application, etc.

配向膜154の種類は特に限定されず、配向処理としてラビング処理が施されたラビング配向膜であってもよいし、光官能基を有し、かつ配向処理として光配向処理が施された光配向膜であってもよいが、面内の配向規制力を複雑なパターンにパターニングする観点からは、光配向膜であることが好ましい。 The type of alignment film 154 is not particularly limited, and may be a rubbed alignment film that has been subjected to rubbing as an alignment treatment, or a photo-alignment film that has photo-functional groups and has been subjected to photo-alignment as an alignment treatment. However, from the perspective of patterning the in-plane alignment control force into a complex pattern, a photo-alignment film is preferable.

位相差層158は、重合性液晶156を重合させることで得られる。上記重合性液晶156の種類は特に限定されず、従来公知の重合性液晶化合物を使用することができ、紫外線(UV)照射により重合して硬化するものが好適に用いられる。重合性液晶156としては、例えば、ビフェニル基、ターフェニル基、ナフタレン基、フェニルベンゾエート基、アゾベンゼン基、これらの誘導体等のメソゲン基と、シンナモイル基、カルコン基、シンナミリデン基、β-(2-フェニル)アクリロイル基、桂皮酸基、これらの誘導体等の光反応性基とを、併せ有する構造の側鎖を有し、アクリレート、メタクリレート、マレイミド、N-フェニルマレイミド、シロキサン等の構造を主鎖に有するポリマーを挙げることができる。 The retardation layer 158 is obtained by polymerizing polymerizable liquid crystal 156. The type of polymerizable liquid crystal 156 is not particularly limited, and conventionally known polymerizable liquid crystal compounds can be used. Those that polymerize and harden upon exposure to ultraviolet (UV) light are preferably used. Examples of polymerizable liquid crystal 156 include polymers with side chains that combine mesogenic groups such as biphenyl, terphenyl, naphthalene, phenylbenzoate, azobenzene, and derivatives thereof with photoreactive groups such as cinnamoyl, chalcone, cinnamylidene, β-(2-phenyl)acryloyl, cinnamic acid, and derivatives thereof, and with main chains that include structures such as acrylate, methacrylate, maleimide, N-phenylmaleimide, and siloxane.

上記重合性液晶156は、単一の繰り返し単位からなるホモポリマーであってもよく、側鎖の構造の異なる2以上の繰り返し単位からなるコポリマーであってもよい。上記コポリマーとしては、交互型、ランダム型、グラフト型等のいずれをも含む。 The polymerizable liquid crystal 156 may be a homopolymer consisting of a single repeating unit, or a copolymer consisting of two or more repeating units with different side chain structures. The copolymer may be of an alternating type, a random type, a graft type, or the like.

PBP回折格子150の回折効率ηは位相差層158の厚みdと複屈折Δnを用いてη=sin(Δndπ/λ)で表され、位相差Δnd=λ/2の時に100%の効率となる。そのため、通常は位相差層158のΔndがλ/2となるように設計される。PBP回折格子150はλ/2板として機能するため、入射する円偏光は逆回転の円偏光に変換されて出射する。 The diffraction efficiency η of the PBP diffraction grating 150 is expressed as η = sin 2 (Δndπ/λ) using the thickness d and birefringence Δn of the retardation layer 158, and is 100% efficient when the retardation Δnd = λ/2. Therefore, the retardation layer 158 is usually designed so that Δnd is λ/2. Because the PBP diffraction grating 150 functions as a λ/2 plate, incident circularly polarized light is converted into counter-rotating circularly polarized light and then emitted.

λ/4板は、透過する光に対し、その波長の1/4に相当する位相差を付与する部材を意味し、例えば、波長550nmの光に対し、117.5nm以上、157.5nm以下の位相差を付与する部材が挙げられる。第一のλ/4板180としては、例えば、液晶表示装置等の技術分野で利用されている従来公知のものを用いることができる。 A λ/4 plate is a component that imparts a phase difference equivalent to 1/4 of the wavelength of transmitted light. For example, it is a component that imparts a phase difference of 117.5 nm or more and 157.5 nm or less to light with a wavelength of 550 nm. The first λ/4 plate 180 can be, for example, a conventionally known plate used in technical fields such as liquid crystal display devices.

反射型偏光板200としては特に限定されず、例えば、液晶表示装置等の技術分野で利用されている従来公知のものを用いることができる。 The reflective polarizing plate 200 is not particularly limited, and can be, for example, a conventional polarizing plate used in the technical field of liquid crystal display devices, etc.

液晶パネル(LCD)300としては特に限定されず、例えば、液晶表示装置等の技術分野で利用されている従来公知のものを用いることができる。 The liquid crystal panel (LCD) 300 is not particularly limited, and can be, for example, a conventionally known one used in the technical field of liquid crystal display devices, etc.

実施形態1において光利用効率が向上する原理について、図3を参照して説明する。バックライト100から出射され、PBP回折格子150に入射する光(入射角θ)に含まれる左円偏光LCPの成分は、PBP回折格子150によって-θ回折し、右円偏光RCPとなる。PBP回折格子150を通過して右円偏光RCPとなった光は、第一のλ/4板180により直線偏光LP1に変換される。この直線偏光LP1は、反射型偏光板200の透過軸と平行であるため、反射型偏光板200を透過する。一方で、PBP回折格子150に入射する光(入射角θ)に含まれる右円偏光RCPの成分は、PBP回折格子150によって+θ回折し、左円偏光LCPとなる。PBP回折格子150を通過して左円偏光LCPとなった光は、第一のλ/4板180により直線偏光LP2に変換される。この直線偏光LP2は、反射型偏光板200の透過軸と直交するため、反射型偏光板200により反射される。この反射光は、バックライト100に戻されリサイクルされる。そのため、最終的には、理想的にすべての光が正面方向に出射されるため、光利用効率が向上する。 The principle by which light utilization efficiency is improved in embodiment 1 will be explained with reference to FIG. 3. The left-handed circularly polarized light (LCP) component contained in the light (incident angle θ) emitted from the backlight 100 and incident on the PBP diffraction grating 150 is diffracted by −θ by the PBP diffraction grating 150 and becomes right-handed circularly polarized light (RCP). The light that passes through the PBP diffraction grating 150 and becomes right-handed circularly polarized light (RCP) is converted into linearly polarized light (LP1) by the first λ/4 plate 180. This linearly polarized light (LP1) is parallel to the transmission axis of the reflective polarizer 200, and therefore passes through the reflective polarizer 200. On the other hand, the right-handed circularly polarized light (RCP) component contained in the light (incident angle θ) incident on the PBP diffraction grating 150 is diffracted by +θ by the PBP diffraction grating 150 and becomes left-handed circularly polarized light (LCP). The light that passes through the PBP diffraction grating 150 and becomes left-handed circularly polarized light (LCP) is converted into linearly polarized light (LP2) by the first λ/4 plate 180. This linearly polarized light LP2 is perpendicular to the transmission axis of the reflective polarizer 200, and is therefore reflected by the reflective polarizer 200. This reflected light is returned to the backlight 100 and recycled. As a result, ideally, all light is ultimately emitted in the front direction, improving light utilization efficiency.

(実施形態2)
実施形態2では、参考例と対比しつつ、光利用効率を更に向上させる構成について説明する。図8は、PBP回折格子の回折角θとPBP回折格子の出射光側に配置したスクリーン上での光強度分布U(θ)について説明する模式図である。図9は、参考例のPBP回折格子の分子配向パターンΦ(x)を示すグラフである。図10は、参考例のPBP回折格子の光強度分布U(θ)を示すグラフである。なお、本開示において、「分子配向パターンΦ(x)」を単に「分子配向Φ(x)」ともいう。図11は、実施形態2のPBP回折格子の分子配向パターンΦ(x)を示すグラフである。図12は、実施形態2のPBP回折格子の光強度分布U(θ)を示すグラフである。図13は、実施形態2及び参考例のPBP回折格子を透過した光の状態について説明する模式図である。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a configuration for further improving light utilization efficiency will be described in comparison with the reference example. FIG. 8 is a schematic diagram illustrating the diffraction angle θ of the PBP diffraction grating and the light intensity distribution U(θ) on a screen arranged on the output light side of the PBP diffraction grating. FIG. 9 is a graph showing the molecular orientation pattern Φ(x) of the PBP diffraction grating of the reference example. FIG. 10 is a graph showing the light intensity distribution U(θ) of the PBP diffraction grating of the reference example. Note that in this disclosure, "molecular orientation pattern Φ(x)" may also be simply referred to as "molecular orientation Φ(x)." FIG. 11 is a graph showing the molecular orientation pattern Φ(x) of the PBP diffraction grating of the second embodiment. FIG. 12 is a graph showing the light intensity distribution U(θ) of the PBP diffraction grating of the second embodiment. FIG. 13 is a schematic diagram illustrating the state of light transmitted through the PBP diffraction gratings of the second embodiment and the reference example.

PBP回折格子150の回折角は波長に依存する。回折角の計算には例えばフラウンフォーファー回折を使用することができる。平面視において、重合性液晶156の遅相軸が第一の方向(図中のx軸方向)に平行となる位置から第一の方向に距離x[μm]離れた位置に配置された重合性液晶の分子配向をΦ(x)[°]とすると、図8に示すように、回折角がθ[°]であるPBP回折格子150からスクリーン50へ光が入射する場合、スクリーン50上での光強度分布U(θ)は、下記式(2)で表される。 The diffraction angle of the PBP diffraction grating 150 depends on the wavelength. The diffraction angle can be calculated using, for example, Fraunhofer diffraction. In a planar view, if the molecular orientation of the polymerizable liquid crystal 156 positioned at a distance x [μm] in the first direction from the position where the slow axis of the polymerizable liquid crystal 156 is parallel to the first direction (the x-axis direction in the figure) is Φ(x) [°], when light is incident on the screen 50 from the PBP diffraction grating 150 with a diffraction angle θ [°] as shown in Figure 8, the light intensity distribution U(θ) on the screen 50 is expressed by the following equation (2):

式中、θはPBP回折格子150の回折角(°)、λは光の波長(nm)、kは比例定数を表す。本実施形態及び参考例ではkの値はU(θ)をθ=-π~πの範囲で積分した値が100%になるように定める。このときのU(θ)は回折効率とも呼ばれる。 In this formula, θ is the diffraction angle (°) of the PBP diffraction grating 150, λ is the wavelength of light (nm), and k is a proportionality constant. In this embodiment and reference example, the value of k is set so that the value obtained by integrating U(θ) over the range of θ = -π to π is 100%. U(θ) in this case is also called the diffraction efficiency.

ここでは、計算を簡単にするために、配向ピッチが比較的大きい場合(回折角が7.9°の場合)について説明する。
図9に示すように、「Φ(x)=x×180°/4μm」の分子配向パターンを有する参考例のPBP回折格子について、入射光の波長が450nm、550nm、650nmである場合の光強度分布U(θ)を計算した。これは配向ピッチが4μmの場合を計算していることになる。
Here, for the sake of simplicity of calculation, the case where the orientation pitch is relatively large (the diffraction angle is 7.9°) will be described.
As shown in Fig. 9, for the PBP diffraction grating of the reference example having a molecular orientation pattern of "Φ(x) = x × 180°/4 μm," the light intensity distribution U(θ) was calculated when the wavelength of incident light was 450 nm, 550 nm, and 650 nm. This corresponds to the calculation for an orientation pitch of 4 μm.

結果を図10に示す。例えば入射光の波長が550nmである場合、θ=7.9°でU(θ)が100%であった。これはすべての入射光がθ=7.9°の方向に曲がることを示しており、実験で容易に確かめることができる。当該参考例の課題は赤色光R、緑色光G及び青色光Bの回折角が互いに異なることであった。これは色割れなど、表示品位を下げる原因となる。 The results are shown in Figure 10. For example, when the wavelength of the incident light is 550 nm, U(θ) is 100% at θ = 7.9°. This indicates that all incident light is bent in the direction of θ = 7.9°, which can be easily verified experimentally. The problem with this reference example was that the diffraction angles of red light R, green light G, and blue light B were different from one another. This can cause color breakup and other degradation in display quality.

そこで、本実施形態では分子配向を「Φ(x)=kx+m×sin(nx+A)」としてU(θ)を計算した。具体的には、「Φ(x)=kx+m×sin(nx+A)」においてk=180°/Λである下記式(1)を用いた。 Therefore, in this embodiment, U(θ) was calculated using the molecular orientation "Φ(x) = kx + m × sin(nx + A)." Specifically, the following formula (1) was used, where k = 180°/Λ in "Φ(x) = kx + m × sin(nx + A)."

より具体的には、図11に示すように、Λ=4μm(すなわち、k=180°/4μm)、n=2π/800μm、A=0としてU(θ)を計算した。これはFM変調の考え方で利用される計算であり、複数のピークが現れることが知られている。実際に図12の計算結果をみると各波長のピークが分裂し、重なっていた。これにより、図13に示すように、参考例のPBP回折格子150より、上記式(1)を満たす実施形態2のPBP回折格子150の方が色割れの問題を解決することが可能であることが分かった。なお、上記式(1)の右辺第二項が微小であるため、図9及び図11は類似するように見えるが、互いに異なるグラフである。
同様に、回折角が78°の場合についても最適なA、k、n及びmを適宜設定することにより、色割れの問題を解決できる。
More specifically, as shown in FIG. 11 , U(θ) was calculated assuming Λ=4 μm (i.e., k=180°/4 μm), n=2π/800 μm, and A=0. This is a calculation used in the concept of FM modulation, and it is known that multiple peaks appear. Looking at the calculation results in FIG. 12 , the peaks for each wavelength were split and overlapped. As a result, as shown in FIG. 13 , it was found that the PBP diffraction grating 150 of the second embodiment, which satisfies the above formula (1), is more capable of solving the color breakup problem than the PBP diffraction grating 150 of the reference example. Note that, because the second term on the right side of the above formula (1) is small, FIGS. 9 and 11 appear similar, but are actually different graphs.
Similarly, when the diffraction angle is 78°, the problem of color breakup can be solved by appropriately setting the optimum values of A, k, n, and m.

(実施形態3)
図14は、実施形態3に係るバックライトシステム及び表示装置の構成を示す模式図である。図14に示すように、実施形態3では、バックライト100とPBP回折格子150との間に、拡散シート120が設けられている。拡散シート120は、入射光を拡散して透過させる機能を有するものであれば限定されず、例えば、液晶表示装置等の技術分野で利用されている従来公知のものを用いることができる。
PBP回折格子150は回折角を大きくするためには、配向ピッチを細かくする必要があるが、配向ピッチを細かくすると、液晶配向が綺麗に並ばず、ヘイズが発生しやすくなる。そのため、液晶配向が綺麗に並ぶ材料の選定等に制限がかかる。拡散シート120を用いれば、PBP回折格子150の回折角を小さくすることが可能である。例えば、図14に示すように、バックライト100の出射光のピーク角度が78°である場合に、PBP回折格子150に求められる回折角を78°から45°に小さくすることができる。回折角が45°であることで、PBP回折格子150の配向ピッチは0.8μmとなり、配向ピッチが大きくなるため、PBP回折格子150の生産性が向上する。また、拡散シート120を用いることにより、PBP回折格子150を通過する際に、光線の光路が波長ごとに分離する現象(例えば、白色光が複数の単色光に分離する現象)である色割れが発生することを防止する効果も得られる。
(Embodiment 3)
Fig. 14 is a schematic diagram showing the configuration of a backlight system and a display device according to embodiment 3. As shown in Fig. 14, in embodiment 3, a diffusion sheet 120 is provided between a backlight 100 and a PBP diffraction grating 150. The diffusion sheet 120 is not limited as long as it has the function of diffusing and transmitting incident light, and for example, a conventionally known diffusion sheet used in technical fields such as liquid crystal display devices can be used.
To increase the diffraction angle of the PBP diffraction grating 150, a finer orientation pitch is required. However, a finer orientation pitch results in less uniform alignment of the liquid crystals, making haze more likely to occur. This places limitations on the selection of materials that allow for uniform alignment of the liquid crystals. The use of a diffusion sheet 120 makes it possible to reduce the diffraction angle of the PBP diffraction grating 150. For example, as shown in FIG. 14 , when the peak angle of the light emitted from the backlight 100 is 78°, the diffraction angle required for the PBP diffraction grating 150 can be reduced from 78° to 45°. A diffraction angle of 45° results in the orientation pitch of the PBP diffraction grating 150 being 0.8 μm, which increases the orientation pitch and improves the productivity of the PBP diffraction grating 150. Furthermore, the use of a diffusion sheet 120 also prevents color breakup, a phenomenon in which the optical paths of light rays separate into wavelengths (e.g., white light splitting into multiple monochromatic lights) when passing through the PBP diffraction grating 150.

(実施形態4)
図15Aは、実施形態4に係るバックライトシステム及び表示装置の構成を示す模式図である。図15Bは、実施形態4に係るバックライトシステムが備えるレンチキュラーレンズの構造を模式的に示した断面図である。図15Aに示すように、実施形態4では、第一のλ/4板180と反射型偏光板200との間に、屈折型光学素子(屈折型素子)であるレンチキュラーレンズ190が設けられている。屈折型素子の種類は特に限定されず、レンチキュラーレンズ190の代わりにプリズムシートを用いてもよい。
図16Aは、回折型素子の特性を説明するための模式図である。図16Bは、屈折型素子の特性を説明するための模式図である。図16A及び16Bに示すように、回折型素子15は長波長の光ほど大きく曲げるが、屈折型素子19は短波長の光ほど大きく曲げる特性がある。このため、回折型素子15又は屈折型素子19に入射した白色光Wは、赤色光R、緑色光G、青色光Bに色分離する。したがって、PBP回折格子150に屈折型素子19を組み合わせることで、PBP回折格子150の回折角の波長依存性により生じる色割れを軽減することができる。本実施形態のように屈折型素子(レンチキュラーレンズ190)を配置すると、図15Aに示すように、PBP回折格子150で色分離した光はレンチキュラーレンズ190で再び重なり、色分離が改善する。また、レンチキュラーレンズ190によって正面方向により集光させることができるため、正面輝度を向上させることができる。
(Embodiment 4)
Fig. 15A is a schematic diagram showing the configuration of a backlight system and a display device according to embodiment 4. Fig. 15B is a cross-sectional view showing the structure of a lenticular lens included in the backlight system according to embodiment 4. As shown in Fig. 15A, in embodiment 4, a lenticular lens 190, which is a refractive optical element (refractive element), is provided between a first λ/4 plate 180 and a reflective polarizing plate 200. The type of the refractive element is not particularly limited, and a prism sheet may be used instead of the lenticular lens 190.
FIG. 16A is a schematic diagram illustrating the characteristics of a diffractive element. FIG. 16B is a schematic diagram illustrating the characteristics of a refractive element. As shown in FIGS. 16A and 16B, the diffractive element 15 bends light with longer wavelengths more, while the refractive element 19 bends light with shorter wavelengths more. Therefore, white light W incident on the diffractive element 15 or the refractive element 19 is color-separated into red light R, green light G, and blue light B. Therefore, by combining the PBP diffraction grating 150 with the refractive element 19, color breakup caused by the wavelength dependence of the diffraction angle of the PBP diffraction grating 150 can be reduced. When a refractive element (lenticular lens 190) is arranged as in this embodiment, as shown in FIG. 15A, the light color-separated by the PBP diffraction grating 150 overlaps again at the lenticular lens 190, improving color separation. Furthermore, the lenticular lens 190 can focus light more in the front direction, thereby improving front brightness.

(実施形態5)
図17は、実施形態5に係るバックライトシステム及び表示装置の構成を示す模式図である。図17に示すように、実施形態5では、バックライト100とPBP回折格子150との間に、第二のλ/4板130が設けられている。バックライト100から出射される光が直線偏光LPであるとき、PBP回折格子150の前段に第二のλ/4板130を挿入することでPBP回折格子150に円偏光(ここでは左円偏光LCP)のみが入射する。そのため、PBP回折格子150では入射した左円偏光LCPが全て正面方向に回折されるため、光の利用効率が向上する。
(Embodiment 5)
17 is a schematic diagram showing the configuration of a backlight system and a display device according to embodiment 5. As shown in FIG. 17 , in embodiment 5, a second λ/4 plate 130 is provided between the backlight 100 and the PBP diffraction grating 150. When the light emitted from the backlight 100 is linearly polarized light LP, by inserting the second λ/4 plate 130 before the PBP diffraction grating 150, only circularly polarized light (here, left-handed circularly polarized light LCP) is incident on the PBP diffraction grating 150. Therefore, the PBP diffraction grating 150 diffracts all of the incident left-handed circularly polarized light LCP in the forward direction, thereby improving the light utilization efficiency.

(実施形態6)
図18は、面内均一に表示光を法線方向に出射する表示パネルを備えるヘッドマウントディスプレイを示す模式図である。図19は、両端で表示光を斜め方向に出射する表示パネルを備えるヘッドマウントディスプレイを示す模式図である。図20は、実施形態6に係るバックライトシステム及び表示装置の構成を示す模式図である。
(Embodiment 6)
Fig. 18 is a schematic diagram showing a head-mounted display including a display panel that emits display light uniformly in the normal direction within a plane. Fig. 19 is a schematic diagram showing a head-mounted display including a display panel that emits display light in oblique directions at both ends. Fig. 20 is a schematic diagram showing the configuration of a backlight system and a display device according to a sixth embodiment.

例えば、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)では、ディスプレイである液晶パネル300と観察者の目Eの間にレンズ400が使われおり、液晶パネル300の表示を拡大して利用している。図18に示すように、面内均一に液晶パネル300の法線方向の輝度が最も高い様に設計されている場合、液晶パネル300の端の方で目Eに届く光が少し減ってしまう。そのため、図19に示すように光路を変更すれば、液晶パネル300の端の光利用効率を向上することができる。実施形態6では、PBP回折素子の配向ピッチを面内で変化させることにより図19に示す光の進行方向を実現する。具体的には、LED光源110に近い側の配向ピッチを大きくし、LED光源110から遠ざかるほどに配向ピッチを小さくする。そうすることで、出射される光のピーク角度が光利用効率の高いものとなる。 For example, in a head-mounted display (HMD), a lens 400 is used between the liquid crystal panel 300 (which serves as a display) and the viewer's eye E, enlarging the image displayed on the liquid crystal panel 300. As shown in FIG. 18, if the liquid crystal panel 300 is designed so that the brightness in the normal direction is highest uniformly across the surface, the amount of light reaching the eye E will be slightly reduced at the edges of the liquid crystal panel 300. Therefore, by changing the light path as shown in FIG. 19, the light utilization efficiency at the edges of the liquid crystal panel 300 can be improved. In embodiment 6, the light propagation direction shown in FIG. 19 is achieved by varying the orientation pitch of the PBP diffraction element across the surface. Specifically, the orientation pitch is increased on the side closer to the LED light source 110, and the orientation pitch is decreased as the distance from the LED light source 110 increases. This results in a peak angle for the emitted light that achieves high light utilization efficiency.

図19に示す光の進行方向を実現するために、例えば、導光板のLED光源側の端部(バックライトにおける第1バックライト領域に対向する第1領域の一例)における配向ピッチは1.2μm、導光板の中央部(バックライトにおける第1バックライト領域よりもバックライトの光源から遠い第2バックライト領域に対向する第2領域の一例)における配向ピッチは0.5μm、導光板のLED光源とは反対側の端部(バックライトにおける第1バックライト領域よりもバックライトの光源から遠い第2バックライト領域に対向する第2領域の一例)における配向ピッチは0.4μmに調整される。 To achieve the light propagation direction shown in Figure 19, for example, the orientation pitch at the end of the light guide plate on the LED light source side (an example of a first region facing the first backlight region in the backlight) is adjusted to 1.2 μm, the orientation pitch at the center of the light guide plate (an example of a second region facing the second backlight region that is farther from the backlight light source than the first backlight region in the backlight) is adjusted to 0.5 μm, and the orientation pitch at the end of the light guide plate opposite the LED light source (an example of a second region facing the second backlight region that is farther from the backlight light source than the first backlight region in the backlight) is adjusted to 0.4 μm.

(検証実験)
図21は、実施例1における出射光の角度を測定する方法を説明する図である。本検証実験では、入射光としてレーザー光(波長532nm)を使用し、「反射型偏光板」を一般的な偏光板210に置き換えた光学系を用いて、PBP回折格子150の回折が実際に原理通りに生じるかを測定した。
(Verification experiment)
21 is a diagram illustrating a method for measuring the angle of output light in Example 1. In this verification experiment, laser light (wavelength 532 nm) was used as incident light, and an optical system in which the "reflective polarizing plate" was replaced with a general polarizing plate 210 was used to measure whether diffraction of the PBP diffraction grating 150 actually occurred according to the principle.

以下の手順でPBP回折格子150の測定サンプルを作製した。
(1)ガラス基板上に、光異性化型の光配向膜を塗布した。
(2)光配向膜に対して波長365nmの偏光紫外線(UV)を100mJ/cmで照射する配向処理を行い、続いて160℃のオーブンで光配向膜を20分間焼成した。
(3)光配向膜上に、重合性液晶化合物を1000rpmで回転するスピンコーターで塗布した。
(4)塗布後の重合性液晶化合物に対して波長365nmの無偏光UVを3J/cm照射して重合性液晶化合物を硬化し、PBP回折格子150の測定サンプルが完成した。
A measurement sample of the PBP diffraction grating 150 was prepared in the following procedure.
(1) A photoisomerizable photo-alignment film was applied onto a glass substrate.
(2) The photo-alignment film was subjected to an alignment treatment by irradiating it with polarized ultraviolet (UV) light having a wavelength of 365 nm at 100 mJ/cm 2 , and then the photo-alignment film was baked in an oven at 160° C. for 20 minutes.
(3) A polymerizable liquid crystal compound was applied onto the photo-alignment film using a spin coater rotating at 1000 rpm.
(4) The applied polymerizable liquid crystal compound was irradiated with 3 J/cm 2 of unpolarized UV light having a wavelength of 365 nm to harden the polymerizable liquid crystal compound, thereby completing a measurement sample of the PBP diffraction grating 150.

完成したPBP回折格子150の測定サンプルは、ガラス基板上に光配向膜及び重合性液晶層が積層された構成を有するものであった。この測定サンプルは、重合性液晶の配向方向が180°回転する距離(配向ピッチΔ)が0.5μmとなるように配向処理を行った。PBP回折格子150による回折角θは、下記式で計算される。本検証実験の場合、図21に示すように、θ=78°であった。
θ=arcsin(λ/Δ)
The completed measurement sample of the PBP diffraction grating 150 had a structure in which a photo-alignment film and a polymerizable liquid crystal layer were laminated on a glass substrate. This measurement sample was subjected to an alignment process so that the distance by which the alignment direction of the polymerizable liquid crystal rotates by 180° (alignment pitch Δ) was 0.5 μm. The diffraction angle θ of the PBP diffraction grating 150 is calculated using the following formula. In this verification experiment, θ = 78°, as shown in Figure 21.
θ=arcsin(λ/Δ)

第一のλ/4板180としては、COP(シクロオレフィンポリマー)から構成される位相差フィルムを使用した。 A retardation film made of COP (cycloolefin polymer) was used as the first λ/4 plate 180.

図21に示す光学系において、PBP回折格子150への入射光の入射角を78°にしたときの出射光の角度を測定した。上記計算通りであれば0°で出射されるのに対し、実験結果は0°であった。この実験結果により、本開示に示した方法によって光利用効率を向上できることが確認された。 In the optical system shown in Figure 21, the angle of the exiting light was measured when the incident angle of the incident light on the PBP diffraction grating 150 was set to 78°. According to the above calculation, the exiting light would be at 0°, but the experimental result was 0°. This experimental result confirmed that the light utilization efficiency can be improved by the method disclosed in this disclosure.

11:拡散シート
12、12a、12b:プリズムシート
15:回折型素子
19:屈折型素子
50:スクリーン
100:バックライト
110:LED光源
120:拡散シート
130:第二のλ/4板
150:パンチャラトナム・ベリー位相(PBP)回折格子
152:基材
154:配向膜
156:重合性液晶
158:位相差層
180:第一のλ/4板
190:レンチキュラーレンズ
200:反射型偏光板
210:偏光板
300:液晶パネル(LCD)
400:レンズ
LCP:左円偏光
LP、LP1、LP2:直線偏光
RCP:右円偏光
Reference numeral 11: Diffusion sheet 12, 12a, 12b: Prism sheet 15: Diffraction element 19: Refractive element 50: Screen 100: Backlight 110: LED light source 120: Diffusion sheet 130: Second λ/4 plate 150: Pancharatnam-Berry phase (PBP) diffraction grating 152: Base material 154: Alignment film 156: Polymerizable liquid crystal 158: Retardation layer 180: First λ/4 plate 190: Lenticular lens 200: Reflective polarizing plate 210: Polarizing plate 300: Liquid crystal panel (LCD)
400: Lens LCP: Left circularly polarized LP, LP1, LP2: Linearly polarized RCP: Right circularly polarized

Claims (9)

バックライトと、
パンチャラトナム・ベリー位相回折格子と、
第一のλ/4板とをこの順に備え、
前記バックライトから出射され、前記パンチャラトナム・ベリー位相回折格子と前記第一のλ/4板とを通過した光を出射するバックライトシステム。
Backlight and
Pancharatnam Berry phase grating;
a first λ/4 plate in this order,
A backlight system that outputs light that is emitted from the backlight and passes through the Pancharatnam Berry phase diffraction grating and the first λ/4 plate.
前記パンチャラトナム・ベリー位相回折格子は、重合性液晶の硬化物を含む位相差層を備え、
前記重合性液晶の遅相軸は、前記位相差層の面内で、前記位相差層の一方の端部から他方の端部に向かう第一の方向において周期的に回転し、
前記重合性液晶の遅相軸が前記第一の方向に平行となる位置から前記第一の方向に距離x[μm]離れた位置に配置された前記重合性液晶の配向方向である分子配向パターンΦ(x)[°]は、下記式(1)を満たす請求項1に記載のバックライトシステム。
式中、Λは、前記重合性液晶の遅相軸が前記位相差層の面内で180°回転するピッチ[μm]を表し、m、n及びAは任意の定数である。
the Pancharatnam-Berry phase diffraction grating comprises a retardation layer containing a cured product of a polymerizable liquid crystal;
a slow axis of the polymerizable liquid crystal periodically rotates in a first direction from one end of the retardation layer to the other end of the retardation layer within the plane of the retardation layer,
The backlight system of claim 1, wherein the molecular orientation pattern Φ(x) [°], which is the orientation direction of the polymerizable liquid crystal arranged at a position a distance x [μm] in the first direction from a position where the slow axis of the polymerizable liquid crystal is parallel to the first direction, satisfies the following formula (1):
In the formula, Λ represents the pitch [μm] at which the slow axis of the polymerizable liquid crystal rotates by 180° in the plane of the retardation layer, and m, n, and A are arbitrary constants.
更に、前記バックライトと前記パンチャラトナム・ベリー位相回折格子との間に、拡散シートを備える請求項1に記載のバックライトシステム。 The backlight system of claim 1, further comprising a diffusion sheet between the backlight and the Pancharatnam Berry phase diffraction grating. 更に、前記第一のλ/4板よりも前記パンチャラトナム・ベリー位相回折格子とは反対側に、屈折型光学素子を備える請求項1に記載のバックライトシステム。 The backlight system of claim 1 further comprising a refractive optical element on the opposite side of the first λ/4 plate from the Pancharatnam Berry phase diffraction grating. 前記屈折型光学素子は、レンチキュラーレンズ又はプリズムシートである請求項4に記載のバックライトシステム。 The backlight system of claim 4, wherein the refractive optical element is a lenticular lens or a prism sheet. 更に、前記バックライトと前記パンチャラトナム・ベリー位相回折格子との間に、第二のλ/4板を備え、
前記バックライトから出射される光は直線偏光である請求項1に記載のバックライトシステム。
further comprising a second λ/4 plate between the backlight and the Pancharatnam Berry phase grating;
The backlight system according to claim 1 , wherein the light emitted from the backlight is linearly polarized light.
前記パンチャラトナム・ベリー位相回折格子は、平面視において、配向ピッチが互いに異なる複数の領域を有し、
前記複数の領域は、前記バックライトにおける第1バックライト領域に対向する第1領域と、前記バックライトにおける前記第1バックライト領域よりも前記バックライトの光源から遠い第2バックライト領域に対向する第2領域とを含み、
前記第2領域における配向ピッチは、前記第1領域における配向ピッチよりも小さい請求項1に記載のバックライトシステム。
The Pancharatnam Berry phase diffraction grating has a plurality of regions having different orientation pitches in a plan view,
the plurality of regions include a first region facing a first backlight region of the backlight and a second region facing a second backlight region of the backlight that is farther from a light source of the backlight than the first backlight region of the backlight,
The backlight system according to claim 1 , wherein the alignment pitch in the second region is smaller than the alignment pitch in the first region.
請求項1~7のいずれかに記載のバックライトシステムと、
前記バックライトシステムの出射光を用いて画像の表示を行う液晶パネルとを備える表示装置。
A backlight system according to any one of claims 1 to 7;
a display device comprising a liquid crystal panel that displays an image using light emitted by the backlight system;
前記バックライトシステムと前記液晶パネルとの間に、反射型偏光板を備える請求項8に記載の表示装置。 The display device described in claim 8, further comprising a reflective polarizing plate between the backlight system and the liquid crystal panel.
JP2024053680A 2024-03-28 Backlight system and display device Pending JP2025151995A (en)

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