JP2002520677A - 光分布制御式反射偏光デバイスおよびデバイスに組み込まれた液晶ディスプレイ - Google Patents
光分布制御式反射偏光デバイスおよびデバイスに組み込まれた液晶ディスプレイInfo
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Abstract
Description
好適な形式のものに関する。より具体的には、本発明は、複数の薄手で細長の素
子を有する偏光デバイス、それも、該細長の素子が、(i)素子と直角の第1偏
光配向を有する光は透過し、(ii)素子と平行な第2偏光配向を有する光は反
射するためのものであり、しかも該細長の素子が、それぞれ露光表面を有し、該
露光表面が、第2偏光を基準平面に対し拡散反射または非正反射するための模様
構造表面を共に形成する形式のものに関する。
ッチ状に挟まれた液晶層を含んでいる。透明な電極が、透明なプレートの内表面
に配置され、液晶層の光透過特性を変更する電気信号を発するのに使用される。
透明な電極は、ディスプレイ・デバイスの画素構造を形成するために、通常はパ
ターン化される。 液晶ディスプレイの好ましくかつ最も普通に使用される形式では、周知の「ツ
イステッド・ネマチック」液晶効果が利用される。ツイステッド・ネマチック効
果が好ましいのは、優れたコントラスト比、低駆動電圧、現在の駆動回路技術に
適合可能な敏感な応答しきい値、広い観察角度、良好なグレースケール表現が得
られるためである。
イッチが直線偏光素子を含み、該直線偏光素子は、前後の透明プレートの外表面
に取り付けられ、かつ直角の偏光軸を有している。液晶層は、電場が印加されて
いない場合には、液晶層を透過する光の偏光ベクトルが90度旋回するが、電場
が印加されている場合には、旋回しないように設計されている。したがって、電
場の不在の場合、1つの偏光素子を透過する光は再配向され、対向偏光素子を通
過することで、パネルが透明となり、観察者に明るく見えるようになる。電場が
存在する場合、一方の偏光素子を透過する光は、旋回しないので、第2偏光素子
によって遮断される。したがって、パネルは不透明になり、観察者には暗く見え
る。このようにして、透明電極は、パネルの選択区域に電場を印加するために使
用され、明るい画素および暗い画素の形式で可視画像を造出することができる。
れた光源によって照明され、反対側から観察される。その場合、可視画像は、パ
ネルを通過する光によって一度だけ造出される。しかし、携帯用のコミュニケー
ション装置等の使用事例では、低電力消費が臨界的であり、ディスプレイは主と
して周囲光により照明される。その場合、反射素子は、液晶サンドイッチの背方
に配置されているので、周囲光はサンドイッチを通過し、反射素子から反射され
、観察者とは反対の方向にサンドイッチを再び通過する。したがって、観察者が
見る画像は、液晶デバイスを2度通過した光によって形成される。
題は、光が2度液晶デバイスを通過するという事実である。通常、「パララック
ス」と呼ばれる最も重大な問題が生じるのは、反射素子が、後側の透明なプレー
トおよび直線偏光素子の背方に、液晶層からかなりの間隔をおいて配置されてい
るためである。ディスプレイに入射する周囲光は、液晶層により空間的に変調さ
れ、後側の反射素子に光が入射する明暗区域のパターンを形成する。反射後、光
は、逆方向に液晶デバイスを通過し、再び空間的に変調される。しかし、ディス
プレイが常時照明され、ディスプレイ表面に対し斜めの角度から見られるため、
液晶サンドイッチを2回通過することで形成された画像は、概して部分的に重な
らず、観察者には、たいがいの条件下で2重の画像または影の画像が見える。影
の画像は、現在、携帯電話や携帯計算機に使用されるディスプレイ等の低解像度
ディスプレイ用には容認されるが、この現象は、周囲光に照明されるツイステッ
ド・ネマチック液晶ディスプレイの解像能または最小画素寸法を制限し、ラット
ップコンピュータ等の高情報密度ディスプレイを要する製品への使用には妨げに
なる。
的な問題点は、直線偏光素子内での吸光に起因する明度の付加的損失である。こ
のことは、1つの偏光の100%を透過し、直角偏光の100%を吸光する理論
偏光素子に係わる問題ではないことに注意されたい。しかし、現在の直線偏光素
子は、好ましい偏光の90%以下を透過するだけである。液晶サンドイッチの2
回目の透過中に付加的に吸光される結果、可能な液晶明度の少なくとも20%は
損失する。 別の方法では、周囲光照明式ツイステッド・ネマチック液晶ディスプレイのパ
ララックス問題を除去する提案がなされている。米国特許第4,492,432
号および第5,139,340号に記載の方法では、ディスプレイの前側に1つ
の偏光素子を要するだけの別の液晶電子光学効果が利用されている。後側の偏光
素子が不要なため、後側の反射素子は、液晶層のすぐ近くの後側透明プレートの
内表面に配置できる。この方法でパララックス問題は解決できるが、この方法を
用いたディスプレイでは、ツイステッド・ネマチック液晶ディスプレイ・デバイ
スで得られる高いコントラスト比、広い観察角度、迅速な応答、円滑なグレース
ケール表現は得られない。
この場合には、液晶層自体が拡散反射素子として機能し、偏光素子または別個の
反射素子は不要である。この方法では、高いディスプレイ明度が得られる可能性
はあるが、PDLCには、高駆動電圧と、現在の駆動回路技術に適合しない複合
的な駆動波形とが要求される。代替技術には、このような問題があるため、ツイ
ステッド・ネマチック液晶技術の利点を保持しつつ、パララックス問題を解決す
る液晶技術の開発が、技術上好ましいことになろう。 グリンバーグ氏に交付された米国特許第4,688,897号では、周囲光照
明式ツイステッド・ネマチック液晶ディスプレイを、ツイステッド・ネマチック
液晶デバイス内へのワイヤグリッド反射偏光素子の組み込みにより改良すること
が提案されている。ワイヤグリッドは、後側偏光素子、正反射素子、液晶層に対
する後側電気接点として機能する。この手法では、液晶層と直接接触する後側反
射素子が備えられることでパララックスは除去されるが、拡散反射素子ではなく
正反射素子を用いているため、ツイステッド・ネマチックディスプレイの他の魅
力的な特徴の多くが犠牲にされる。
由があることが、以前から認められていた。第1の理由は、正反射されるディス
プレイ画像が、ディスプレイ・サンドイッチの前表面と内表面とから自然的に発
生する正反射として、同じ軸に沿って観察されねばならないことである。これら
の表面反射(空間的に変調されずに画像を形成する)は入射光の5%以上になり
得る。偏光素子の吸光により、ディスプレイ画像の最大明度は、入射光の40%
を超えることができない。したがって、ディスプレイの最大可能なコントラスト
比は、40%対5%、すなわち8対1である。第2の理由は、正反射素子を有す
るディスプレイの観察角度および明度が、厳密に照明源によって決定されること
である。例えばディスプレイ性能は、拡散内部照明下では許容できようが、点光
源による照明の場合には、観察角度が極端に小さくなり、直接に太陽光下で観察
する場合には、ディスプレイ明度がヒトの視覚組織の能力を超えることになる。
第3の理由は、一般に正反射素子を有するディスプレイは、デバイス内での多反
射間の干渉により発生する好ましくないカラー縞を有することである。これらの
理由のため、前記提案では、偏光素子および反射素子を液晶セル内へ移動させる
ことでパララックスの問題は解決されるが、改良された周囲光照明式液晶ディス
プレイ・デバイスは得られない。したがって、パララックス問題が克服される一
方、ツイステッド・ネマチック液晶効果の性能上の利点が維持されている実質的
に改良された周囲光照明式ディスプレイの必要性は、依然として存在している。 したがって、パララックスが低減された液晶ディスプレイ・デバイス、または
パララックスを低減または除去可能な偏光デバイスの開発が好ましいだろう。ま
た、拡散反射光を発生可能な偏光デバイスの開発が好ましいだろう。また、1つ
の偏光を非正反射で反射可能な偏光デバイスの開発が好ましいだろう。
光デバイスを得ることにあり、その場合、一方の成分は吸光または透過され、他
方の成分は、制御された角度範囲にわたり拡散反射または非正反射される。 本発明の別の目的は、現存の駆動回路に適合する低駆動電圧、高コントラスト
比、パララックス効果およびゴースト画像なしの高解像度、制御された観察角度
を有する改良型周囲光照明式液晶ディスプレイ・デバイスを得ることである。 本発明の前記その他の目的および利点は、複数の薄手で細長の素子、それも、
それぞれ露光表面を有し、模様構造の表面を一緒に形成する素子が平行配列され
ている偏光デバイスによって実現された。複数の配列素子は、(i)素子と直角
の偏光配向を有する光は透過するが、(ii)素子と平行の偏光配向を有する光
は反射するように、光源ビーム内に配置されている。 細長素子の配列の大部分は、基準平面を供なう、共通の全体的な配向と、基準
平面に対し直角の共通の基準軸とを共有している。細長素子の露光表面は、模様
構造を形成する複数構成要素表面を形成している。したがって、模様構造表面の
複数構成要素表面は、それぞれ1つの偏光の光を反射するが、その反射は、拡散
反射、つまり種々の角度での反射である。
いる。複数構成要素表面の大多数は、基準平面に対し共面または平行ではない。
したがって、複数構成要素表面は平均実効高さに対して異なる高さを有している
。複数構成要素表面の複数構成要素軸の大部分が、共通の基準角度に対し異なる
角度範囲を形成している。複数構成要素表面は、頂部を画定する高い部分と、底
部を画定する低い部分とを有している。各構成要素表面は、構成要素表面の両側
の間の寸法または直径を有している。模様構造表面の大部分は、可視光または近
可視光の波長より大きい直径または間隔を有する構成要素表面により構成されて
いる。 細長の素子の露光表面は、また波形の断面を有している。波形断面は周期的ま
たは不規則的にできる。加えて、波形断面は、湾曲面または平面により画定でき
る。露光表面は、また複数の凹部または凸部を画定できる。凸部は凸曲面状また
は凸平面状にすることができる。同じように、凹部は凹曲面状または凹平面状に
することができる。
模様構造の表面を有しており、該表面は、素子の露光表面に対応する模様構造表
面を形成している。 あるいはまた、複数構成要素表面の複数軸の大多数は、基準軸と同様の配向を
有しているが、基準平面に対し非正反射で第2偏光の光を反射するために、基準
軸とは異なる角度値を有している。 偏光デバイスは、液晶層の背方で偏光素子と拡散反射素子とを形成する。加え
て、偏光デバイスは、電気接点を形成するか、等電位平面を形成するかして、電
極として機能でき、かつ液晶層を横断する電場を発生させる。適当な電気接触を
確保するため、複数短絡片を素子配列の部分に電気接続することができる。 本発明の前記その他の目的、特徴、利点、代替態様が、当業者には、添付図面
について行う以下の詳しい説明により明らかになるだろう。
おり、これら図面につき、当業者が本発明を製造しかつ使用することができるよ
うに、本発明を説明する。 本発明の特徴を説明するために、改良型の周囲光照明式または反射式のツイス
テッド・ネマチック液晶ディスプレイについて説明する。しかし、本明細書を読
めば分かるように、本発明は、その種のディスプレイと共に使用することに限定
されるものではない。図1は、従来の反射式ツイステッド・ネマチック液晶ディ
スプレイ10の略示断面図である。このディスプレイは、第1透明プレート12
と第2透明プレート13との間にサンドイッチ状に挟まれた液晶層11から成っ
ている。これらの各プレート12,13は、液晶層11に隣接するプレート12
または13の表面に被着された1つ以上の透明電極14,15をそれぞれ有して
いる。第1偏光素子16は第1ガラスプレート12と光源19との間に配置され
ている。第2偏光素子は、第2ガラスプレート13の背後に配置され、拡散反射
素子18は、第2偏光素子17の背後に配置されている。
15との厚さは、分かりやすくするために著しく誇張して示してある。透明プレ
ート12,13の通常の実際厚さは0.5〜1.1ミリメートルである。液晶層
11と透明電極14,15との厚さは、通常、それぞれ0.004mmと0.0
001mmである。 透明プレート12,13の表面の適当な処理によって、液晶層11の分子は、
プレート12,13の表面と平行に、かつまた好ましい方向に整列させることが
できる。ツィステッド・ネマチック液晶ディスプレイの場合、透明プレート12
,13は、第1プレート12の液晶の好ましい方向が第2プレート13の液晶の
配向に対し直角方向となるように、配向される。この配向によって、液晶層内で
捩れ効果が緩和状態におかれる。この効果はファーガソンにより説明されている
(米国特許第3,731,986号)。 第1偏光素子16は、第1透明プレート12の表面液晶分子と平行の偏光方向
で光を透過するように配向され、第2偏光素子17は、第1偏光素子16の表面
液晶分子に対し直角の偏光方向で光を透過するように配向されている。
透過した光は、液晶層11へ入射する。光が液晶層11を透過するさい、光の偏
光ベクトルは、液晶分子の配向の捩れにより90度旋回し、それによって、光は
、最小吸光率で第2偏光素子17を透過させる要求に通りに配向された偏光ベク
トルで液晶層11を出射する。この光は、反射素子18に反射し、同じような効
果をもって逆の順序で偏光素子16,17および液晶層11を透過して戻る。 透明電極14,15間に電圧が印加されると、液晶分子が電場と整合する方向
に旋回し、効果的に分子配向の捩れを戻す。その場合、第1偏光素子16からの
透過光は、偏光ベクトルの方向を変更することなく液晶層11を透過する。この
ため、光は第2偏光素子17を透過できず、該素子17により吸光される。この
吸光の結果、電場が印加された区域に対応するディスプレイ表面に暗部が発生す
る。透明電極をパターンに分割することにより、ディスプレイは記号およびその
他の情報を呈示するようにすることができる。
きな問題点を示す略示断面図である。この略示ディスプレイは、図1のそれと類
似しているが、液晶層11と透明電極14,15との厚さが減じられている点が
異なっている。加えて、液晶層11が3つの部分、つまり画素11a,11b,
11cに分けられ、該画素が、透明電極14,15の対応部分によって個別に制
御されている。 この説明の場合、画素11a,11c内の液晶材料には電場が印加されておら
ず、液晶材料は捩れ状態にあると仮定する。加えて、画素11bには電圧が印加
され、液晶材料は捩れ状態にないと仮定する。したがって、画素11bの区域は
暗部として観察されるだろう。しかし、加えて、画素11bを透過する光は第2
偏光素子17によって吸光されるので、画素11bは、拡散反射素子18上に暗
影を投じ、その結果、符号22で示した拡散反射素子区域が暗部となる。このた
め、暗い画素11bの見かけ寸法が拡大され、隣接の明るい画素11cの見かけ
寸法が縮小される。この効果は、液晶層11と拡散反射素子18との画素間のパ
ララックス、つまり変位によるものであること、またこの効果により、ディスプ
レイの解像能に上限がおかれることに留意されたい。
とで除去できることが理解できよう。その場合、反射素子は第2偏光素子の背方
に配置せねばならないので、偏光素子と反射素子との双方を、第1と第2のガラ
スプレートにより形成された液晶ディスプレイ・セル内に配置せねばならないだ
ろう。従来式の偏光素子は、概して、液晶ディスプレイ・セルを構成するために
使用される処理工程に適合しない着色かつ延伸されたポリマーフィルムで造られ
ている。更に、フィルム偏光素子は、液晶層と第2ガラスプレート上の電極との
間に配置されるので、偏光素子フィルムは液晶層と電気的に直列接続されること
になり、このため、液晶分子の捩れを戻すのに要する電圧が著しく増大すること
になろう。
型ツィステッド・ネマチック液晶ディスプレイ30の略示断面図である。このデ
ィスプレイ30は、透明プレート32と後側のプレート33との間にサンドイッ
チ状に挟まれた液晶層31から成っている。液晶層は、既述のように、ガラスプ
レート32,33の表面と整合している。前側のプレート32には、液晶層31
に隣接する表面に透明な電極34が被着されている。前側の透明なプレート32
と光源37との間には、直線偏光素子36が配置されている。液晶層31に隣接
する後側プレート33の表面は、密な間隔の平行な導体グリッド35で被覆され
ている。適当な間隔の導体グリッドは、導体の方向に沿って偏光される電磁波を
反射し、導体と直角方向に偏光される電磁波は透過する。したがって、導体グリ
ッド35は、液晶ディスプレイ・デバイス30内部で偏光素子、反射素子、液晶
層31との電気接点が組み合わされたものとなっている。導体グリッド35から
の反射は正反射であり、これは、反射角度が、反射表面に対する法線の反対側の
入射角度に等しいことを意味する。
計の重大な欠点を示す、液晶ディスプレイ・デバイス30の略示断面図である。
光源37からの光はディスプレー30に入射する。この光のいくらかの部分は、
それぞれ光線40,41によって示したように、ディスプレイの前表面と内表面
とから反射される。これらの反射は、通常は、合計して入射光の5%だろう。光
の他の部分は前側の偏光素子36を透過し、光線39によって示されるように、
導体グリッド35により反射されるか、または後側のプレート33を透過して吸
収される。通常、入射光の35%は、液晶層31に電圧の印加されていない区域
で導体グリッド35から反射され、1%以下が、液晶層31に電圧が印加された
区域で反射される。この設計の主な欠点は、光線39,40,41がすべて平行
であり、観察者が目にする明度は、これらの成分の合計であるという点である。
したがって、コントラスト比、つまり暗い画素の明度に対する明るい区域の明度
の比は、(35%+5%)対(1%+5%)、つまり約7対1を超えていない。
更に、光線39,40,41が平行なので、一定種類の照明下では、これら3つ
の光線間の干渉のため、カラーの帯や縞が観察される。
バイス45の平面図と断面図である。偏光デバイス45は、図5Bに見られるよ
うに、基板47上に支持された密な間隔の導電素子46のグリッドから成ってい
る。導電素子の表面48は、適当な装置によって模様構造を与えられている。表
面48の表面模様構造は、液晶ディスプレイにとって望ましい観察角度に相応す
る区域へ正反射で光を分布させるように計算された形式で表面法線が変化するよ
うに調整されている。小面による回折も、光の分布に寄与する。図5のディスプ
レイは、ランダムな複数の面または小面から成る表面を含むが、連続的に変化す
る表面模様構造も、規則的構造からの反射により生じ得る干渉効果を防止する配
慮がなされる限り、効果的だろう。規則的構造による反射は、アメリカン・エル
ゼヴィーァ・パブリッシング・カンパニー発行の『正反射』のなかでラヴィン(
Lavin)が説明している。
間隔Xが、偏光される電磁放射の波長より小さくなければならない。間隔Xは、
可視スペクトルで使用する場合、好ましい比較的小型の寸法では、0.005マ
イクロメートルから0.2マイクロメートルの範囲である。なぜなら、それによ
りワイヤグリッドの偏光性能が増すからである。加えて、偏光素子用に効率的に
機能させるには、小面の寸法または直径、すなわち間隔Yを波長より大きくせね
ばならない。同時に、デバイスに目に見える一様の外観を与えるためには、間隔
Yは、ヒトの肉眼の視覚系の分解能より小さくなければならない。間隔Yは、普
通は0.5〜10マイクロメートルの範囲であるが、特定の用途では、別の範囲
も使用できる。
面化された表面の直角方向の寸法が重要になる。通常のディスプレイでの液晶層
の厚さは、3〜5マイクロメートルの範囲である。この厚さは、本発明を適用す
る液晶ディスプレイ・デバイスの場合、増すことができるのに対し、パターン化
または粗面化された表面の直角方向寸法は限定される。この限定に係わる一つの
形式は、表面から高すぎる小面を、2つ以上のより小さい小面に分割することに
よって間隔Yの最大寸法を減じ、それにより、大きい小面の辺の角度を、より小
さい小面の辺の角度で維持することだろう。こうすることで、目標光分布を維持
するために、入射光に対し一定角度傾斜したほぼ等量の表面積を提供する効果が
得られる一方、直角方向の寸法範囲が減じられる。しかし、望ましくない回折効
果は防止するように配慮せねばならない。基板の直角方向寸法を限定することに
係わる別の形式は、本発明の偏光素子を、平面化、または部分的に平面化する材
料の薄膜で被覆することだろう。この被覆は、あまり厚くする必要はなく(1〜
5マイクロメートル程度の厚さがあれば十分過ぎよう)、また所望の改良を達成
するために完全に平らな表面にする必要もない。もちろん、使用材料の光学指数
を液晶の光学指数に整合させる等の問題は、最適性能を得るために重要だろう。
液晶層厚さにより直角方向寸法範囲に課せられる制限に対処する別の複数の手法
が、当業者であれば思いつくだろう。
本発明にとって製造技術の選択は、表面模様構造の適当な仕様が満たされる限り
、決定的な問題ではない。最も簡単な一つの手法は、アルミニウムまたは銀の薄
膜を模様構造表面に直接に被着させパターン化することだろう。半導体工業で一
般的な種々の被着およびパターン化の技術を用いて、その方法で十分な場の深さ
が設けられる限り、模様構造表面上にはっきりした輪郭のパターンを形成できる
。米国特許第4,049,944号でガーヴィン(Garvin)氏が、または
米国特許第4,514,479号でフェランテ(Ferrante)氏が説明し
ているようなホログラフィ式リソグラフィは、十分な解像能と場の深さが得られ
る方法である。 下に配置される基板の所望表面模様は、研削または砂吹き等の機械式削り落と
しによるか、もしくはガラス食刻用の希フッカ水素の周知の使用等による化学式
浸食によって達せられる。あるいはまた、基板上に変形可能な材料を被着させて
から、エンボス加工または、シュヴァーツマン(Shvartsman)氏が米
国特許第4,840,757号で説明しているような放射線補助鋳造法によって
模様構造化できよう。更に別の方法では、模様構造表面は、連続的なプラスチッ
クフィルムにエンボス加工または成形加工できよう(例えば、ブランクホーンB
lenkhorn氏が米国特許第4,840,757号で説明している)。該プ
ラスチックフィルムは、次いで剛性基板に重ねられる。
れたポリマーフィルムから成る滑らかな表面上に平行な導体のグリッドを付着さ
せ、パターン化し、次いでザガー(Zager)氏が米国特許第5,466,3
19号で説明している方法を用いて表面模様構造をエンボス加工することだろう
。このほかの製造技術の組み合わせも、本発明の範囲内で確かに可能である。 表面模様構造を成形またはエンボス加工するどの工程にも、一般にシムと呼ば
れる金属工具が必要とされようが、該金属工具は、大体のところ、フォトレジス
ト層に形成された表面レリーフパターンに金属めっきすることで調製される。適
当な、ランダムに模様構造化されたフォトレジスト層を作製する技術は、『散乱
現象の最新分析に関する国際ワークショップ会議録』(1990年9月、p.S
30)所収のデインティ(Dainty)氏の論文『特性付けされたランダム粗
面による散乱光の測定』(“Measurements of light s
cattering by a charakterized randam
rough surface” in The Proceedings of
the International Workshop on Moder
n Analysis of Scattering Phenomena)に
説明されている。不均整な分散特性を有する模様構造表面を製作する改良型技術
は、米国特許第5,609,939号に説明されている。
料スラブと概して平行な基準平面を画定するのが有用である。基準平面は、また
模様構造に対して多くの形式で画定できる。例えば1つの適当な基準平面は、基
準平面からの模様構造表面の平均間隔を、ゼロまたは他のなんらかの有用な値と
する条件によって画定されよう。この画定形式は、偏光デバイスの全長にわたっ
て適用して基準平面全体を画定したり、適当であるかぎり、偏光デバイスの局所
区域のみにわたって適用することができる。 図5は、素子幅にほぼ等しい厚さの導電素子の単一レベルグリッドを示したも
のだが、ワイヤグリッド偏光素子の性能を改善するための公知技術も適用できる
。グリッドの吸光率を改善するために必要であれば、例えば米国特許第4,28
9,381号でガーヴィン氏が説明している2重レベルグリッド法、またはカイ
ルマン(Keilmann)氏が米国特許第5,177,635号で説明してい
る過厚導体技術を採用できよう。また、中心と中心との間隔、または周期に対す
る素子の幅の変動を利用することで、反射光の全量を犠牲にしてグリッド吸光率
を高めるか、または逆に反射光を増大させて、グリッド吸光率を減少させること
ができる。当業者には、特定用途用にワイヤグリッド性能を改善するこのほかの
技術や方法も、きっと考えられるだろう。
・ネマチック液晶ディスプレイデバイス60の略示断面図である。このディスプ
レイ60は、前側の透明プレート62と後側のプレート63との間にサンドイッ
チ状に挟まれた液晶層61から成り、プレート63は、液晶層61の隣接表面上
のグリッド状反射偏光素子65を支持している。反射偏光素子65は、既述のよ
うに模様構造表面に被着された多数の平行な導電素子67で構成されている。こ
の模様構造表面の特性は、既述の形式で表面の種々の部分からの正反射による光
の分布を制御するように選択されている。液晶層は、既述のように、ガラスのプ
レート62,63の表面に整合している。既述の平面化層70も、液晶層の最適
性能を得るために表面を平らにする必要があれば、用いることができる。前側の
プレート62は、液晶層61に隣接する表面に被着された透明電極64を有して
いる。直線偏光素子66は、前側の透明プレート62と光源69との間に配置さ
れている。グリッド状偏光素子65を透過する光は吸収を要するので、後側のプ
レート63を吸光性にするか、プレート63の後面に黒色ペイント等の吸光材料
68を付着させることができる。
に、光を偏光させるための偏光部材の一例である。直角の偏光配向または第2偏
光を有する光は吸収される。言うまでもなく、複数偏光素子は種々の効率を有し
、かつまた直線偏光素子66は、第1偏光の光のみでなく、第2偏光の一定量の
光も透過し、第2偏光に加えて第1偏光の光の一定量をも吸収することが理解さ
れよう。どのような偏光部材も、光の事実上1つの偏光配向のみを透過させるた
めに使用される。 液晶層61および関連電極は、これらを通過して光が第1偏光から第2偏光す
るさい、光の偏光配向を選択的に変更するための偏光変更部材の一例である。言
うまでもなく、光の偏光配向を選択的に変更するためには、どのような偏光変更
部材でも使用できることが理解されよう。該偏光変更部材には、例えば両側に電
極を有するか、前側に電極を有する前記液晶層や、後述するように、短絡片を有
するワイヤグリッド状偏光素子等が含まれている。
るための反射分散偏光素子の一例である。反射偏光素子65は、間隔をおいた薄
手で細長の素子67の平行な配列を有している。素子67により、概して、該素
子と直角の偏光配向を有する光は透過し、該素子と平行な偏光配向を有する光は
反射するように光の電磁波と相互作用する部材が得られる。各素子は、他の素子
の露光表面と一緒に第2偏光の光の大部分を拡散反射する露光表面を有している
。これについては、更に後述する。 吸光材料68は、反射偏光素子66を透過後、第1偏光の光を吸収する吸光部
材の一例である。 図7は、光の分布を制御可能な偏光素子が、本発明によるツィステッド・ネマ
チック・ディスプレイ・セル内に組み込まれた場合に生じるディスプレイ性能の
改善を示す略示断面図である。ディスプレイ・デバイス30の構造は、反射偏光
素子36が、多数の光線39によって示されるように、制御された角度範囲にわ
たって光を反射または分布させる点を除いて、図3に示したデバイスと同じであ
る。ディスプレイをほぼ直角の入射角度で見る観察者は、偏光素子から反射され
る光のみを観察し、ディスプレイのコントラストが、表面反射40,41によっ
て低下することはないだろう。したがって、ディスプレイ・デバイス60では、
図6に示すように、観察者23(図2)に可視の光を反射することで可視画像が
造出されるように光が操作されて、1つ以上の配向で前面が形成され、或る角度
範囲にわたり可視画像が造出される。
液晶層との電気接点として役立ち、同時に偏光素子および拡散反射素子として機
能する。その場合、グリッドは、ディスプレイ画素のアドレスに使用する技術に
適した、電気絶縁された部分グリッドに分割されねばならない。更に、絶縁され
た各部分グリッド内では、グリッドの抵抗率は、液晶層への一様な電圧印加を保
証するのに十分なだけ低い値でなければならない。絶縁された部分グリッドの細
長の素子との適切な電気接触を保証するために、光の波長よりはるかに長い間隔
でグリッドの線を接続する短絡片が組み込まれている。これらの短絡片は、所望
とあれば、多マイクロメートルの幅にすることができ、表面全般の所々に散在さ
せることができる。通常、短絡片は、ディスプレイの画素化を妨害するのを避け
るために、また肉眼で見えないようにするために、十分に狭幅であることが望ま
しい。短絡片は、また、可視光の通常の波長より著しく異なるべきだが、必要と
あれば、相応に互いに接近して配置できる。過剰な数の短絡片を使用すれば、反
射光を偏光しないかなりの表面積を占めることになるため、逆に偏光素子性能に
悪影響を与えることになろう。短絡片は、また非偏光の光を反射できるため、肉
眼には周囲の区域より明るく見え、相応に狭幅でないと目立つことになる。
表面模様構造自体が種々の形態をとることができる。再び図5Aおよび図5Bに
戻ると、偏光デバイスは、複数の薄手で細長の分離された素子46の概して平行
な配列を有している。細長の素子46は、光源と相互作用することにより、(1
)素子46と直角の偏光配向を有し、かつ第1偏光の透過ビームを形成する光を
透過し、(2)素子46と平行な偏光配向を有し、かつ第2偏光の反射ビームを
形成する光は反射する。 細長の各素子46は露光表面80を有し、該露光表面は、上面、つまり基板4
7の表面48の概して反対側の面である。露光表面80の大多数は模様構造を有
している。したがって、素子46の露光表面80は、光の大部分を拡散させて、
つまり或る範囲の種々の角度にわたって反射する。 図5Bを見ると、既述のように、基準平面84が設けられている。基準平面8
4は、模様構造表面48の平均高さによって画定できる。基準平面は、基板47
と概して平行でよい。また、基準平面84に対し直角の基準法線88を設けるこ
とができる。
いる。各構成要素表面92,93は、関連構成要素表面に対し概して直角の構成
要素軸96,97を有している。構成要素軸96,97は、共通の基準軸88に
対し或る範囲の異なる角度を形成している。構成要素表面92,93の多くは、
基準平面88とは、概して非共面かつ非平行である。あるいはまた、各構成要素
軸96,97は、共通の基準軸88に対しては類似の配向を有しているが、基準
平面84に対し非正反射形式で光を反射させるために、基準軸88とは異なる角
度値を有している。 構成要素表面92,93の多くは、頂部を形成する高い部分100と底部を形
成する低い部分104とを有している。構成要素表面92,93は、有効平均高
さに対し、または基準平面に対し種々の異なる高さ、または高くされた輪郭を有
している。図5Aを見ると、構成要素表面92,93の多くは、その両側を差し
渡す距離によって画定される直径、寸法、長さLのいずれかを有している。かな
りの数の構成要素表面92,93の寸法または長さは、可視光または近可視光の
波長より大きい。したがって、この寸法または長さLは、約0.4マイクロメー
トルを超えるのが好ましい。長さLは、細長の素子46と平行な配向を含むどの
ような目標配向での構成要素表面の差し渡しであってもよい。
10を有している。この断面は、基準平面84に対し直角に截断した断面である
。この波形断面110は、周期的または不規則的である。加えて、波形断面11
0は、図8Aに示すように、湾曲表面112によって形成されるか、図8Bに示
すように、平面的な表面114されている。波形断面110は、図8Bに示すよ
うに、鋸歯状表面により形成でき、つまり鋸歯状断面を有することができる。 図9aおよび図9bを見ると、細長の素子46の露光表面80が、複数の凹部
120を形成している。凹部120は、図9aに見られるように、湾曲側面12
2を有しており、言い換えると凹曲面状であるか、または図9bに示すように、
平面状の側面124を有している。 図10および図11を見ると、細長の素子46の露光表面80は、複数の凸部
130を有している。これらの凸部は、図10に見られるように、平面的な側面
132を有するか、図11に見られるように、湾曲側面134を有し、言い換え
ると凸曲面状である。
それ自体に模様構造化されている基板によって形成されることが理解される。加
えて、素子の露光表面は、極めてさまざまな構成要素表面を形成できることも理
解されよう。構成要素表面は、平面状、湾曲状、他の組み合わせのいずれかの側
面にすることができる。好ましくは、構成要素表面の大多数は、光を基準平面に
対し拡散反射、または非正反射するように寸法付けかつ構成されている。細長の
素子の露光表面は、模様構造表面を形成する。模様構造表面は、空間的振動分布
により画定される。主振動または最も基本の振動は、好ましくは、可視光または
近可視光の波長を、すなわち約0.4マイクロメートルを超える周期を有してい
る。
らの実施例だけに限定されるものではない。当業者には、本発明の精神および範
囲の枠内で、多くの変更態様が考えられよう。例えば、本発明をツィステッド・
ネマチック液晶ディスプレイについて説明したが、本発明は、別の液晶材料また
は電気−光学効果を利用するディスプレイを含む、別の形式での使用にも適用可
能である。したがって、本発明は、特許請求の範囲によってのみ制限されるもの
である。
・ネマチック液晶ディスプレイ・デバイスの断面図。
の暗部を略示した図。
光素子を組み込んだ液晶ディスプレイ・デバイスの断面図。
た図。
デバイスの断面図。
図。
Claims (42)
- 【請求項1】 可視または近可視スペクトル内の光源ビームを2つの概して
直角の偏光ビームにおおよそ分光し、かつ該偏光ビームの一方の大部分を1つ以
上の角度配向で反射するための反射分散偏光デバイスにおいて、 該デバイスが、 前記光源ビーム内に配置するように構成された複数の薄手で細長の、分離され
た素子の概して平行な配列を含み、該素子が光源ビームの電磁波と相互作用する
手段を備えていることにより、概して、(i)前記素子に対し直角の偏光配向を
有し、かつ第1偏光の透過ビームを形成する光は透過され、(ii)前記素子と
平行の偏光配向を有し、かつ第2偏光の反射ビームを形成する光は反射され、 各細長の素子が露光表面を有し、該露光表面が、他の素子の露光表面と一緒に
第2偏光の光の大部分を拡散形式で反射する、反射分散偏光デバイス。 - 【請求項2】 前記複数細長の素子の複数露光表面の大部分が、異なる角度
範囲にわたり、第2偏光の光の大部分を拡散反射するように構成された表面模様
構造を含む、請求項1に記載された偏光デバイス。 - 【請求項3】 前記細長素子の配列の大部分が、基準平面を供なう共通の全
体的配向と、基準平面に対し直角の共通の基準軸とを共有しており、かつまた前
記素子の露光表面が複数の構成要素表面を形成し、該構成要素表面が、関連構成
要素表面に対し概して直角の構成要素軸をそれぞれ有しており、該複数の構成要
素軸が共通の基準軸に対し或る範囲の異なる角度をなしている、請求項1に記載
された偏光デバイス。 - 【請求項4】 前記細長素子の配列の大部分が、基準平面を供なう共通の全
体的配向を共有し、前記素子の露光表面が、基準平面と概して非共面または非平
行の複数の構成要素表面を形成している、請求項1に記載された偏光デバイス。 - 【請求項5】 前記細長い素子の露光表面の大多数が、複数構成要素表面か
を含む模様構造を有し、該模様構造の大部分が、可視光または近可視光の波長よ
り長い、細長の素子と平行な長さをそれぞれ有する構成要素表面から形成されて
いる、請求項1に記載された偏光デバイス。 - 【請求項6】 前記細長の素子の露光表面の大多数が、複数の構成要素表面
を形成し、該構成要素表面の大多数が、頂部を形成する高い部分と底部を形成す
る低い部分とをそれぞれ有し、各構成要素表面が、両側の間の直径により定めら
れる寸法を有し、かなりの数の構成要素表面の直径が、可視光または近可視光の
波長より大きい、請求項1に記載された偏光デバイス。 - 【請求項7】 前記細長の素子の大多数が、基準平面を供なう共通の全体的
配向を共有し、また前記細長の素子の露光表面が、基準平面と直角の概して波形
の断面を有している、請求項1に記載された偏光デバイス。 - 【請求項8】 前記断面が周期的(periodic)である、請求項7に
記載された偏光デバイス。 - 【請求項9】 前記断面が不規則である、請求項7に記載された偏光デバイ
ス。 - 【請求項10】 前記波形断面が湾曲した表面によって画定されている、請
求項7に記載された偏光デバイス。 - 【請求項11】 前記波形断面が平面的な表面により画定されている、請求
項7に記載された偏光デバイス。 - 【請求項12】 前記波形断面が鋸歯状表面により画定されている、請求項
7に記載された偏光デバイス。 - 【請求項13】 前記細長の素子の露光表面が複数の凹部を画定している、
請求項1に記載された偏光デバイス。 - 【請求項14】 前記凹部が凹曲面状である、請求項13に記載された偏光
デバイス。 - 【請求項15】 前記凹部が平面的な側面を有している、請求項13に記載
された偏光デバイス。 - 【請求項16】 前記細長の素子の露光表面が複数の凸部を画定している、
請求項1に記載された偏光デバイス。 - 【請求項17】 前記凸部が凸曲面状である、請求項16に記載された偏光
デバイス。 - 【請求項18】 前記凸部が平面的な複数側面を有している、請求項16に
記載された偏光デバイス。 - 【請求項19】 可視または近可視スペクトル内の光源ビームを2つの概し
て直角の偏光ビームにおおよそ分光し、かつ該偏光ビームの一方の大部分を1つ
以上の角度配向に反射するための反射分散偏光デバイスにおいて、 該デバイスが、 前記光源ビーム内に配置するように構成された複数の薄手で細長の、分離され
た素子を含み、該素子が光源ビームの電磁波と相互作用する手段を備えているこ
とにより、概して、(i)前記素子に対し直角の偏光配向を有し、かつ第1偏光
の透過ビームを形成する光は透過され、(ii)前記素子と平行の偏光配向を有
し、かつ第2偏光の反射ビームを形成する光は反射され、 各細長の素子が露光表面を有し、該露光表面が他の素子の露光表面と一緒に複
数構成要素表面を形成し、該構成要素表面が模様構造を形成しており、該構成要
素表面の大多数が、頂部を画定する高い部分と底部を画定する低い部分とをそれ
ぞれ有し、各構成要素表面が、構成要素表面の両側の間に形成される直径を有し
、模様構造表面の大部分が、可視光または近可視光の波長より大きい各直径を有
する構成要素表面により形成され、それにより1つ以上の角度配向で反射ビーム
を反射する、反射分散偏光デバイス。 - 【請求項20】 前記細長の素子の大多数が、基準平面を供なう共通の全体
的配向と、基準平面に対し概して直角の基準軸とを共有しており、かつまた前記
構成要素表面が、それぞれ対応構成要素表面に対し概して直角の構成要素軸を有
し、複数の該構成要素軸が、基準軸に対し複数の角度をなしている、請求項19
に記載された偏光デバイス。 - 【請求項21】 前記模様構造の大部分が、約0.4マイクロメートルを超
える各差し渡し直径を有する構成要素表面によって形成されている、請求項19
に記載された偏光デバイス。 - 【請求項22】 前記模様構造が、0.4マイクロメートルを超える周期の
主振動での空間振動分布により画定される、請求項19に記載された偏光デバイ
ス。 - 【請求項23】 前記模様構造の大部分が、概して平面的な構成要素表面に
よって形成されている、請求項19に記載された偏光デバイス。 - 【請求項24】 前記模様構造の大部分が、概して凸面状である構成要素表
面によって画定されている、請求項19に記載された偏光デバイス。 - 【請求項25】 前記模様構造の大部分が、概して凹面状である構成要素表
面によって画定されている、請求項19に記載された偏光デバイス。 - 【請求項26】 前記模様構造の大部分が、模様構造に対し直角の断面が波
形である構成要素表面によって形成されている、請求項19に記載された偏光デ
バイス。 - 【請求項27】 前記模様構造の大部分が、平均実効高さに対し複数の異な
る高さをそれぞれ有する構成要素表面によって形成されている、請求項19に記
載された偏光デバイス。 - 【請求項28】 更に、模様構造の表面を有する基材を含み、かつまた複数
の薄手で細長の素子の概して平行の配列が、基材の模様構造の表面に配置され、
基材の模様構造表面により、細長の素子の露光表面が構成要素表面を形成する、
請求項19に記載された偏光デバイス。 - 【請求項29】 可視または近可視スペクトル内の光源ビームを2つの概し
て直角の偏光ビームにおおよそ分光し、かつ該偏光ビームの一方の大部分を1つ
以上の角度配向に反射するための反射分散偏光デバイスにおいて、 該デバイスが、 光源ビーム内に配置されるように構成され、かつ表面を有する基板と、 該基板表面に配置され互いに間隔をおいた複数の概して平行な、薄手で細長の
素子とを含み、各細長素子が、他の素子の露光表面と一緒に平均実効高さに対し
複数の小高い輪郭部を形成する露光表面を有し、該平均実効高さが模様構造の反
射表面を画定しており、該模様構造の表面の大部分が、可視または近可視スペク
トルのほぼ光の波長を超える、細長素子と平行な長さを有する輪郭部によって形
成され、該素子が、光源ビームの電磁波と相互作用する手段を備えていることに
より、概して、(i)該素子と直角の偏光配向を有し、かつ第1偏光の透過ビー
ムを形成する光は透過し、(ii)該素子と平行な偏光配向を有し、かつ第2偏
光の反射ビームを形成する光は反射し、それによって1つ以上の角度配向に反射
ビームを方向づける、反射分散偏光デバイス。 - 【請求項30】 前記模様構造の表面の大部分が、約0.4マイクロメート
ルを超える長さを有する輪郭部によって形成されている、請求項29に記載され
た偏光デバイス。 - 【請求項31】 前記模様構造の表面が、0.4マイクロメートルを超える
周期の主振動を有する空間振動分布により画定される、請求項29に記載された
偏光デバイス。 - 【請求項32】 前記模様構造の表面の大部分が、概して平面的な輪郭部に
より形成されている、請求項29に記載された偏光デバイス。 - 【請求項33】 前記模様構造の表面の大部分が、概して凸面状の輪郭部に
より形成されている、請求項29に記載された偏光デバイス。 - 【請求項34】 前記模様構造の表面の大部分が、概して凹面状の輪郭部に
より形成されている、請求項29に記載された偏光デバイス。 - 【請求項35】 反射分散偏光デバイスを製造する方法において、 該方法が、表面を有する基板を用意する段階と 概して平行な薄手の別個の素子のパターンを形成するため、基板表面に材料を
被着させる段階とを含み、各素子が露光表面を有し、該露光表面が他の素子の露
光表面と一緒に、平均実効高さに対し複数の小高い輪郭部を形成し、該平均実効
高さが、模様構造の反射表面を画定しており、前記素子が、光源ビームの電磁波
との相互作用手段を備えていることにより、概して、(i)該素子に対し直角の
偏光配向を有し、かつ第1偏光の透過ビームを形成する光は透過し、(ii)該
素子と平行な偏光配向を有し、かつ第2偏光の反射ビームを形成する光は反射す
る、反射分散偏光デバイスを製造する方法。 - 【請求項36】 基板を用意する前記段階が、基板に複数の構成要素表面を
設ける作業を含み、該構成要素表面の大多数が、模様構造の表面を画定する可視
光波長または近可視光波長を超える両縁部差し渡し長さをそれぞれ有している、
請求項35に記載された方法。 - 【請求項37】 複数の概して平行で薄手の、間隔をおいた素子のパターン
を形成するために、材料を被着させる前記段階が、該素子の露光表面に複数輪郭
部を形成する作業を含む、請求項35に記載された方法。 - 【請求項38】 可視または近可視のスペクトル内の光源ビームを2つの概
して直角の偏光ビームにおおよそ分光し、かつ該偏光ビームの一方の大部分を基
準平面に対して非正反射形式で反射するための反射偏光デバイスにおいて、 該デバイスが、 前記光源ビーム内に配置するように構成された複数の薄手で分離された細長の
素子を含み、該素子が、光源ビームの電磁波との相互作用手段を備えていること
により、概して、(i)前記素子に対し直角の偏光配向を有し、かつ第1偏光の
透過ビームを形成する光は透過するが、(ii)前記素子と平行の偏光配向を有
し、かつ第2偏光の反射ビームを形成する光は反射し、 各細長の素子が露光表面を有し、該露光表面が、他の素子の露光表面と一緒に
複数の構成要素表面を形成し、細長の素子の配列の大部分が、基準平面を供なう
共通の全体的配向と、基準平面に対し直角の共通の基準軸とを共有しており、前
記構成要素表面が、それぞれ関連構成要素表面に対し概して直角の構成要素軸を
有し、該構成要素軸の大多数が、基準軸に対し類似の配向を有しているが、基準
軸からの異なる角度値を有していることにより、第2偏光の大部分が基準平面に
対して非正反射形式で反射される、反射偏光デバイス。 - 【請求項39】 可視または近可視スペクトル内の光源ビームを2つの概し
て直角の偏光ビームにおおよそ分光し、かつ該偏光ビームの一方の大部分を1つ
以上の角度配向で反射するための、液晶ディスプレイと共に使用する反射分散偏
光デバイスにおいて、 該偏光デバイスが、 前記光源ビーム内に配置するように構成された複数の薄手で分離された細長の
素子の概して平行な配列を含み、該素子が光源ビームの電磁波との相互作用手段
を備えていることにより、概して、(i)前記素子に対し直角の偏光配向を有し
、かつ第1偏光の透過ビームを形成する光は透過するが、(ii)前記素子と平
行の偏光配向を有し、かつ第2偏光の反射ビームを形成する光は反射し、 各細長の素子が露光表面を有し、該露光表面が、他の素子の露光表面と一緒に
第2偏光の光の大部分を拡散形式で反射し、更に前記偏光デバイスが、 液晶材料を横切る電場を設けるように構成された細長の素子に電気接続された
電気接触部材とを含む、反射分散偏光デバイス。 - 【請求項40】 前記電気接触部材が細長素子に電気接続された複数短絡片
を含む、請求項39に記載された偏光デバイス。 - 【請求項41】 或る角度範囲にわたり、観察者に可視の光を透過および/
または反射することにより可視画像を造出するために光を操作するディスプレイ
・デバイスにおいて、 該ディスプレイ・デバイスが、 光を偏光させて単一の偏光配向を有する光だけを透過させ、第1偏光を形成す
るように構成された第1偏光部材と、 第1偏光部材の背方に配置され、第1偏光から第2偏光へ透過時に光の偏光配
向を選択的に変化させる部材に応答可能な偏光変更部材と、 第1偏光の光を透過させる偏光変更部材の背方に配置され、かつ偏光変更部材
と第1偏光部材とを透過して戻る第2偏光を分散反射する第2反射分散偏光部材
とを含み、該第2偏光部材が、薄手で細長の、間隔をおいた素子の概して平行な
配列を有し、各細長の素子が露光表面を有し、該露光表面が、他の素子の露光表
面と一緒に第2偏光の光の大部分を拡散反射し、該素子が、光の電磁波との相互
作用手段を備えていることにより、概して、(i)素子に対し直角の偏光配向を
有する光は透過させ、(ii)素子に対し平行の偏光配向を有する光は反射させ
、それによって光を1つ以上の配向で分散させ、或る角度範囲にわたり可視の画
像を造出する、光を操作するディスプレイ・デバイス。 - 【請求項42】 更に、第1偏光の光を、該光が第2偏光素子を透過した後
に吸収するために、第2偏光素子の背方に設けられた吸光手段を含む、請求項4
1に記載されたディスプレイ・デバイス。
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