JP2005517198A - 液晶ディスプレイ・デバイス - Google Patents

Abstract

本発明の方法および装置は液晶ディスプレイに関するものである。例示的な実施の一形態では、液晶ディスプレイは、約６０°〜約９０°の範囲にあるねじれ角を有する液晶層を含み、かつ光源からの光を偏光させて偏光ベクトルと液晶層の第１の配向方向の間に角βが存在するような偏光を生成させるように位置決めした偏光器を含んでいる。角βは約−１３°〜約＋１３°の範囲にあり、またΔｎｄの値は約０．１μｍ〜約０．２μｍの範囲にある（ここで、Δｎは液晶層の複屈折、またｄは液晶層の厚さである）。本発明のその他の特徴は、添付の図面および説明から明らかであろう。

Description

本発明は、一般に液晶ディスプレイなどのディスプレイに関する。本発明は、具体的な１つの例示的実施形態では、偏光器、アナライザ、ツイスト・ネマチック液晶層および反射層を備えている、過渡(transient)ディスプレイ・モードで動作するような反射型液晶ディスプレイに関する。

偏光器、ツイスト・ネマチックＬＣ層および反射器からなる従来技術の非過渡的反射ディスプレイは多数存在する。これらのディスプレイのタイプは、独立して変更できる以下に示す３つのディスプレイ・パラメータであるΔｎｄ、φおよびβのさまざまな組み合わせを通じて互いに区別される。
（１）Δｎｄは、液晶の複屈折Δｎと液晶層の厚さｄの積、
（２）φは、ＬＣ層の２つの表面位置における液晶ダイレクタ(liquid crystal director)の配向方向同士の相対角度から決定されるようなネマチック層のねじれ角、
（３）βは、偏光器を出る直線偏光の電界ベクトルと、ＬＣ層の入力表面位置におけるＬＣダイレクタの配向方向との間の角度である。

Δｎｄ、φおよびβの値からなるある特定の組（Δｎｄ，φ，β）は、その座標軸がΔｎｄ、φおよびβであるような３次元空間内の１つの点を規定していると考えることができる。従来技術の反射ディスプレイはそれぞれこの空間の異なる領域を占めている。

従来技術の反射ディスプレイ同士の間でこうした差異が生じるのは、この空間内には、輝度、コントラスト比、セル・ギャップ、セル・ギャップのばらつきに対する許容差、動作電圧レンジおよび観察角などのディスプレイ属性のすべてを同時に最適化させるような単一の領域が存在しないためである。一般に、ある任意の時点で最適化できるディスプレイ属性はほんの幾つかだけであり、占有される（Δｎｄ，φ，β）空間の領域はこれらの属性のうちのどれを他の属性に対して強調させるかに応じてさまざまに異なる。

表１は、従来技術の反射ディスプレイによって占有されるこのパラメータ空間のさまざまな領域を一覧表示したものである。

表１の第１行目は、米国特許第４，０１９，８０７号に記載されているパラメータを示している。通電状態の反射率を上昇させかつ動作電圧を低下させるために、４５°の層ねじれ角を選択し、直線偏光させた光の電界ベクトルは入力ダイレクタと平行の向き、すなわちβ＝０、としている。このモードのことをハイブリッド・フィールド効果モードと呼ぶ。この特許ではΔｎｄの値は指定していないが、厚さｄは２μｍとすると共にネマチック液晶はエステル材料としている。シアンタイプのエステル液晶は概ね０．１５の比較的高い複屈折値を有することが知られており、したがってΔｎｄの値は概ね０．３μｍであると推定することができる。

表１の第２行目は、米国特許第４，３７８，９５５号に記載されているパラメータを示している。この特許では、偏光器を米国特許第４，０１９，８０７号で指定した角β＝０°ではなく角β＝２２．５°の方向に向けることにより、白黒のグレイスケール画像の色シンボルと重ね合わせて投影することによって色性能を最適化している。Δｎｄの値は明瞭に指定していないが、ビフェニル・タイプの液晶で満たした２〜４μｍのセル・ギャップを指定している。ビフェニル液晶は概ね０．２の比較的高い複屈折値を有することが知られているため、Δｎｄの範囲は概ね０．４μｍから０．８μｍまでに及ぶものと推定することができる。

表１の第３行目は、米国特許第５，８７０，１６４号で指定しているφ、β、Δｎｄのパラメータ空間を示している。表１の第１および第２行目に示した２つの特許における４５°のねじれ角と比較して通電状態の反射率を最適化するために５４°のねじれ角を示している。この変換効率は、Δｎｄが次の単純な式、Δｎｄ／λ＝［１−（φ／π）²］^1／2に従う場合に概ね１００％となり、φ＝５４°のときΔｎｄ／λ＝０．９５４となる。０．７〜１．２５の範囲のΔｎｄ／λの値が指定されている。５５０ｎｍの波長を有する緑色光では、Δｎｄ／λの範囲は、Δｎｄ範囲では０．３９〜０．６９μｍに相当する。

表１の第４行目は、米国特許第５，７２６，７２３号に記載されているφ、β、Δｎｄのパラメータ空間を示している。この特許では、５５°のねじれ角を有する反射ディスプレイを記載しており、またΔｎｄは、式０．５５［１−（φ／π）²］^1／2で与えられている。このディスプレイに対して、セル・ギャップがより大きなセルの使用が可能であり、かつセル・ギャップのばらつきにより影響を受けにくくし、これにより製造工程を最適化できるようなパラメータ空間のφ、β、Δｎｄの領域が見いだされている。

表１の第５行目は、米国特許第５，３６１，１５１号に記載されているφ、β、Δｎｄのパラメータ空間を示している。このディスプレイに対して、非通電状態における反射率を最適化し、かつより大きなセル・ギャップの使用を可能にし、これによりこうしたディスプレイ製造の際の生産効率を上昇できるようなパラメータ空間の領域が見いだされている。この特許のディスプレイでは、φ＝６３°、β＝０°を用いている。０．３３から０．４０までの範囲のΔｎｄ／λ値を指定している。５５０ｎｍの波長を有する緑色光では、Δｎｄ／λ値のこの範囲は、Δｎｄ範囲では０．１８〜０．２２μｍに相当する。

表１の第６行目は、米国特許第５，１３９，３４０号に記載されているφ、β、Δｎｄのパラメータ空間を示している。このディスプレイに対して、モノクロ表示を不快な色付けなしに観察できるように通電状態における反射率を最適化すると共に反射率対波長の分光感度を最小限にもしているパラメータ空間の領域が見いだされている。

表１の第７行目は、米国特許第５，４９０，００３号に記載されているφ、β、Δｎｄのパラメータ空間を示している。このディスプレイに対して、反射率およびコントラスト比を最適化しかつグレイ・スケール反転を防止するようなパラメータ空間の領域が見いだされている。このディスプレイに対しては、偏光器角βをねじれ角φの半分としているため、φが５０°から６８°までの範囲であることによってβは２５°から３４°までの範囲となることを示している。０．５８から０．６８までの範囲にあるΔｎｄ／λ値を指定している。５５０ｎｍの波長を有する緑色光では、Δｎｄ／λ値のこの範囲は、Δｎｄ範囲では０．３２〜０．３７μｍに相当する。このディスプレイ構成のことは、自己償型反射ディスプレイと呼んでいる。

表１の第８行目は、米国特許第５，９２６，２４５号に記載されているφ、β、Δｎｄのパラメータ空間を示している。このディスプレイに対して、反射率およびコントラスト比を最適化し、容易に製造できるような十分な厚さを有する１つのセル内で色分散を低下させているようなパラメータ空間の領域が見いだされている。

表１の第９行目は、米国特許第５，９３３，２０７号に記載されているφ、β、Δｎｄのパラメータ空間を示している。このディスプレイに対して、低い動作電圧、広い観察角、ならびに高い反射率とコントラスト比となるように最適化させたパラメータ空間の領域が見いだされている。本発明者らは、このディスプレイのことを、混合モード・ツイスト・ネマチック・ディスプレイ、またはＭＴＮディスプレイ、と呼んでいる。

これらの従来技術を参照しながら記載したディスプレイは、一般に、静的モード（static mode）と特徴付けできるようなモードで動作するように設計されている。静的モードでは、その液晶は飽和状態（液晶の周囲の電界の変化に対する液晶のレスポンスが実質的に完全である状態）に達している。この静的モードは、単一の「映像」フレーム（たとえば、映画の場合と同様に「動き」を表すように設計した一連の画面における全スクリーンのデータ）のフレーム周期のほとんどの部分に存在している。多くの場合、こうしたディスプレイは、テレビジョンのＮＴＳＣビデオ標準などの表示システムにおける典型的なフレーム周期に対応するような、約３０ミリ秒（ｍｓ）または約１６ｍｓのフレーム周期を有している。しかし、上述したディスプレイでは一般に、ディスプレイの液晶材料が経時的に高速で切り替えられ、その液体材料がほとんど常に実質的に動的な状態にある（たとえば液晶は一般に、ディスプレイ状態間の切り替えが高速であるため飽和状態に達しない）場合には、適切な結果が得られない。その液晶が一般に非飽和状態にあるようなディスプレイの一例は、その全体が実質的にすべての色を含んでいる白色の光ではなく、時を追って赤色、緑色および青色などの色からなるシーケンスで照らされているようなディスプレイである。こうしたディスプレイのことは、多くの場合、フィールド・シーケンシャル式色ディスプレイ（たとえば、米国特許第６，０４６，７１６号に記載されている例を参照）と呼んでいる。従来の１つのフルカラー・フレーム内では、別々の色（たとえば、赤色、次いで緑色、次いで青色）からなるシーケンスが３つの別々のカラー・サブフレームとして表示されている。したがって、１つのカラー・サブフレームはフル・フレームの約１／３（たとえば、３０ｍｓの１／３、または１６ｍｓの１／３）しか持続時間がない。

表１の第１行目から第９行目までで一覧表示した関連技術のディスプレイ構成のすべてにおいて、発明者らは、一般に静的で定常状態の駆動条件下でディスプレイ属性のある種の組み合わせを最適化するようにこれら３つのパラメータφ、β、Δｎｄを選択している。静的な駆動条件下では、その液晶が電圧に対して完全に応答できるように十分な時間にわたって一定電圧が印加されている。このことは一般に、画素電極に対して約１６．７ｍｓのフル・フレーム周期にわたって一定電圧をかけてから別の値に変更することができるような今日のアクティブ・マトリックスＴＦＴ（薄膜トランジスタ）ディスプレイにおいて当てはまることである。極めて高速で動いている画像を表示する場合を除いて、大部分の画素ではフレームごとにその状態が変化することはない。これらのタイプのディスプレイにおける色は、ノート型コンピュータなどの直接観察型の用途に関してカラー・モザイク・フィルタを使用するか、投影型用途に関して、別々に赤色、緑色または青色のカラー・チャネルにおいて３つのディスプレイ・パネルを重ね合わせるかのいずれかによって得られる。

本発明の方法および装置は液晶ディスプレイに関するものである。例示的な実施の一態様では、液晶ディスプレイは、約６０°〜約９０°の範囲にあるねじれ角を有する液晶層を含み、かつ光源からの光を偏光させて偏光ベクトルと液晶層の第１の配向方向の間に角βが存在するような偏光を生成させるように位置決めした偏光器を含んでいる。角βは約−１３°〜約＋１３°の範囲にあり、またΔｎｄの値は約０．１μｍ〜約０．２μｍの範囲にある（ここで、Δｎは液晶層の複屈折、またｄは液晶層の厚さである）。本発明のその他の特徴は、添付の図面および説明から明らかとなろう。

同じ参照番号によって同じ要素を指し示している添付の図面の各図では、本発明を一例として図示しており限定を意図していない。

本発明を以下に示すような多くの詳細事項を参照しながら記載することにし、また添付の図面によって、本発明を図示することにする。以下の記載および図面は本発明を例示するものであり、本発明を限定するものとして解釈すべきではない。具体的な詳細事項の多くは、本発明に関する完全な理解を提供するように記載するものである。しかし、ある種の例では、本発明の詳細を不必要に不明瞭にすることがないように、よく知られている詳細事項または従来からの詳細事項は記載していない。

実施の一形態では、本発明は、画素電圧があるフレームと次のフレームで変更される場合、あるいはさらに１つのフレーム内で画素電圧が複数回変更される場合に、表示させる画像が変更されるか否かに関わりなく過渡的状態で画素が動作しているようなディスプレイを目的としたものである。こうした場合は、たとえば、あるシーンに関する左眼の像と右眼の像をそのディスプレイが交互に提示するような立体表示システムに当てはまる。フリッカ効果を回避するには、右眼と左眼のサブフレーム周期をＴＦＴディスプレイに関する従来の約１６．７ｍｓのフレーム周期と比べて一層短くしなければならない。過渡的動作の別の例は、その色をフィールド・シーケンシャル式カラー法によって発生させているようなディスプレイに関するものである。このタイプの色表示では、そのフレーム周期は赤色、緑色および青色のカラー・サブフレームに分けられており、カラー画像の赤色、緑色および青色の成分は、眼がこれらの成分を融合したフルカラー画像として知覚するように十分に速い速度で順次表示させている。たとえば、緑色画素は変化がないように見えるが、実際には赤色と青色のサブフレーム周期の間では完全にオフに切り替え緑色サブフレーム周期の間でのみオンにしている。フリッカおよび色分解効果を回避するには、これら個々のカラー・サブフレーム周期はＴＦＴディスプレイに関する従来の約１６．７ｍｓのフレーム周期と比べて一層短くしなければならない。これらの状況において、また特により低い温度では、ある特定のカラー・サブフレーム駆動電圧に対して、電圧が次のカラー・サブフレームに対する新たなレベルまで変化するまでに、液晶は完全に応答できるだけの十分な時間をもはやもち得ない。これらの過渡的な駆動条件下では、ディスプレイの輝度および彩度を最適化する変数φ、βおよびΔｎｄの特定の組み合わせが、表１に一覧表示した静的駆動の従来技術ディスプレイに関して記載した対応する変数の組とは全く異なることを発明者らは発見した。

本発明は、実施の一形態では、米国特許第５，９３３，２０７号に記載されている最適な方式の０．２５μｍ値を含め従来技術の方式における最適な静的効率で必要な値を下回る０．１〜０．２μｍの範囲にあるようなΔｎｄ値で特徴付けられる。さらに、本発明では、層ねじれ角は６０°〜９０°の範囲にあり、またβは−１３°〜＋１３°の範囲にある。過渡的駆動の状態では、本発明の実施形態は、静的な駆動に対して最適化している従来技術のスキームのパラメータ選択と比較して極めて高い輝度および彩度を示す。

図１は、偏光ビームスプリッタ１２（ＰＢＳ）を偏光素子として使用している本発明の直接観察型実施形態１１の幾何学配置の簡略図である。光源１４からの光は、ＰＢＳからの反射によって直線偏光を受け、図示したようにｘ方向と平行のＥベクトルをもってＬＣセル１６に向けてｚ方向に伝播する。このＬＣセルのディスプレイ・セル１６は、前面の透明な基板１８と、背面の反射基板２０とからなり、これらの両者はｘ−ｙ平面に対して平行であると共にお互いからセル・ギャップ距離ｄだけ隔てられている。周知の液晶ディスプレイでは、ｄは典型的には、１μｍ未満から７μｍ超までの範囲にある。この２つの基板プレートの内側表面は、前面基板上のＩＴＯなど透明な導電性コーティングや、背面基板上のアルミニウムなどの反射コーティングを含め、さまざまな薄膜コーティングを有している。さらに、これら２つの表面上には、隣接するＬＣ材料のダイレクタに対して所与の向きを与えるように指定された方向にラビング処理された、たとえば薄層のポリイミド材料からなる配向コーティングが存在する。もちろん、偏光させたＵＶ放射に対する露出によって処理した特殊な感光性ポリマーなど、各処理表面に隣接する液晶のダイレクタに対して配向を与えるような別の配向材料や配向方式も使用することができる。

簡略化するため、図１では個々の画素を表示していないが、実際のディスプレイセルは、実施の一形態では、ディスプレイの各画素を決めるように個々にアドレス付けできる複数の電極を備えることになることを理解すべきである。ＬＣディスプレイの別の例については、図７に関連して以下で記載することにする。

前面基板の内側表面上の配向コーティングは、隣接するＬＣのダイレクタに対して、ｘ−ｙ平面上へのその投影がｘ軸と角βを作るような向きを与えるように処理している。したがって、ＬＣダイレクタ２２はｘ軸に対してβの角度をなしている。βは、偏光入力角と定義される。背面基板の内側表面上の配向コーティングは、隣接するＬＣのダイレクタに対して、ｘ−ｙ平面上へのその投影がｘ軸と角β＋φを作るような向きを与えるように処理している。したがって、ＬＣダイレクタ２４はｘ軸に対してβ＋φの角度である。これらの条件では、セルの内部のＬＣダイレクタは、セルの一方の側からもう一方の側に向かって角度φにわたって均一にねじられている。この角φはＬＣ層ねじれ角の大きさと定義される。図１では、左手式ねじれ構造を表している。偏光入力角βは、直線偏光させた光に関する電界ベクトルの方向がセル内部のダイレクタ配向角の範囲内にある場合は正、また、この範囲外にある場合は負となるように規定している。図１に示す実施形態では、βの値は負である。通常入射の観察では、βに対して９０°の整数倍を加算または減算しても、同じディスプレイ性能が得られることに留意すべきである。

この液晶材料はたとえば、ネマチック液晶であって、液晶に対して事前のねじれを与えるためのキラル（chiral）成分を備えさせたり、備えさせないことができる。ねじれ角φが９０°を超えるような場合では、ねじれ角を維持させるために液晶にキラル成分を添加する必要がある。ねじれ角φが９０°であるような場合では、この目的ではキラル成分は不要であるが、しかしながら、応答時間を高速化するためや、ごく僅かな逆のねじれを除去するためにキラル成分を添加することが有利となることもある。この液晶は、異常屈折率と正常屈折率との間の差として規定できるような複屈折Δｎで特徴付けされる。典型的な液晶混合物に関する複屈折値は０．０８と０．２５の間でさまざまな値をとる。

幾つかの状況では、偏光器またはＰＢＳと透明な基板の間に負のＣプレートやその同等品を挿入し、ディスプレイの観察角を大きくすると有利となることもある。

本発明の動作モードの詳細を検討する前に単一偏光器反射ＴＮディスプレイのすべてに関して周知の詳細を吟味することは価値があろう。これらのディスプレイはすべて、入力ダイレクタと角βをなすような直線偏光の入力状態と、ＴＮ層の状態によって決定される偏光の出力状態とを有すると見ることができる。ＴＮ層の内部ｂに関する有用な数学的記述は以下のようになる。マクスウェルの方程式に対する解の一形態は、ＴＮ層の均一にねじれた光学媒質を含め均一の任意の媒質中を前進方向に伝播する２つの固有モードとなる。ＴＮ層内において、これらの固有モードは楕円偏光された直交状態にあり、その各長軸はその場所のＬＣダイレクタと平行および垂直であると共に、ねじれ構造に合わせて正確に回転し、これによってこれらが通過する構造の全回転が得られる。この２つのノーマル・モードに関する楕円率ｂ／ａは、楕円の長軸に対する楕円の短軸の比と定義され、次式により得られる。
b/a=(φ/π)/(Δnd/λ+[(φ/π)²+(Δnd/λ)²]^1/2)

この式から、これらの固有モードの楕円率が、ねじれ角φ、光の波長λおよびΔｎｄ積によってのみ決定されていることを理解することが重要である。入力偏光角βは固有モードの楕円率には全く影響を及ぼさない。

図２は、眼が最も高感度となる可視スペクトルの緑色部分に対応するような、φ＝７０°、Δｎｄ＝０．１３μｍおよびλ＝５５０ｎｍとした場合の本発明の実施の一形態による固有モードを表している。上の式によれば、これらの条件の下では、ｂ／ａ＝０．５６２であり、かなりの量の楕円率を示す。

マクスウェルの方程式に対する固有モード形態の解を用いることによって、発明者らは、これらの固有モードのそれぞれに関連して異なる屈折率が存在し、これによりＬＣ層を通過して伝播するに連れてこれらの間に位相シフトが導入されることが分かった。この位相シフトδ（ｚ）は次式によって得られる。
δ(z)=2π(z/d)[(φ/π)²+(Δnd/λ)²]^1/2

上式において、入力基板からの距離ｚのｚはＬＣ層内の位置を表し、背面基板すなわち反射器の位置ではｚ＝ｄとなる。層内の任意の点における光の偏光の状態は、２つの固有モードをこれらの間の相対的位相シフトを考慮に入れながら重ね合わせることによって決定している。ＬＣセルに対する入力位置では、位相シフトが存在せず、また固有モードが重ね合わされてｘ軸に沿った直線偏光の光が得られる。したがって、ｚ＝ｄである反射器の位置では、位相シフトはδ（ｄ）＝２π［（φ／π）²＋（Δｎｄ／λ）²］^1／2となる。

図１に示すディスプレイの静的反射率Ｒに関する一般式は次式によって得られる。
Ｒ＝1-[cos²x+(1-a²)/(1+a²)sin²x]²
-4a²[sin²xsin2β/(1+a²)+sinxcosxcos2β/(1+a²)^1/2]²
上式において、ａ＝π／φ（Δｎｄ／λ）、ｘ＝φ（１＋ａ²）^1／2であり、またβは偏光器入力角である。簡略とするために、この式では反射器の不完全反射率などの損失に関しては考慮していない。

過渡的切り替え方式（たとえばフィールド・シーケンシャル式カラー照射を使用する場合）では、０．１μｍ≦Δｎｄ≦０．２μｍの範囲にあるΔｎｄの値によって特に高い反射率が得られることが分かった。所与のΔｎｄおよびφの値に関して、偏光器入力角βに対する反射率を最適化することができる。図３は、最適な偏光器入力角βを、Δｎｄの値０．１μｍおよび０．２μｍに対するねじれ角φの関数としてプロットしたものである。６０°から９０°までに及ぶねじれ角、ならびに０．１μｍから０．２μｍまでに及ぶΔｎｄの値の範囲内では、最適な偏光器入力角βは−１３°と＋１３°の間でさまざまな値となることに留意されたい。

表２は、Δｎｄ＝０．１３μｍおよびλ＝５５０ｎｍの場合におけるねじれ角６０°、７０°、８０°および９０°に対する本発明の最適な偏光器角βを一覧表示したものである。この表にはさらに、ディスプレイの反射器位置と出力位置におけるＬＣ層を通って反射した後の偏光状態の楕円率も表している。

図４ａは、表３で与えられるような右手式ねじれφ＝７０°、Δｎｄ＝０．１３μｍおよびβ＝−４．７２°とした過渡的駆動に対して最適化した本発明の反射ディスプレイの構成を表している。図４ｂは、この例に対応したディスプレイ反射器の位置、また再び出力の位置における光の偏光の楕円状態を表している。これらの２カ所の位置における偏光状態は、直線（楕円率＝０）でもなくまた円形（楕円率＝１）でもなく、まさに楕円的である。

次に、色をフィールド・シーケンシャル式カラー法で発生させる場合における過渡的駆動状態にある本発明に関する例を提供する。このタイプのディスプレイでは、そのフレーム周期は赤色、緑色および青色のカラー・サブフレームに分けられており、またカラー画像の赤色、緑色および青色の成分は赤色、緑色および青色の照射の下で順次表示させている。このタイプのディスプレイを実現するために（米国特許第６，０４６，７１６号に記載した方式などによって）ディスプレイ照射の色は、赤色、緑色および青色の光を迅速に巡回し、また画素電極上の画素値はＲ、ＧおよびＢの成分値を迅速に巡回する。図１に示す例を参照すると、この光源は赤色、緑色および青色のカラー・フィルタをその前に配置して含むような回転するホイールを有する白色光源でよい。別法として、その光源は、その各カラーＬＥＤ（発光ダイオード）を順次付勢させている赤色、緑色および青色のＬＥＤからなるアセンブリとすることが可能である。さらに、カラー・シャッタを観察者の前、または白色光源の前のいずれかに配置するなどとした別の技法も可能である。

フリッカおよび色分解効果を回避するためには、個々のカラー・サブフレーム周期はＴＦＴディスプレイに対する従来の約１６．８ｍｓのフレーム周期と比べて一層短くしなければならない。従来のフレーム周期をそれぞれの持続時間が２．８ｍｓであるような６つのカラー・サブフレームに細分割させると、フリッカおよび色分解効果がほとんど完全に抑制されることが知られている。図５は、カラー・サブフレーム周期が２．８ｍｓであるような本発明の実施の一形態を表している。緑色サブフレーム（Ｇ）の間では、ディスプレイはフル・カラー画像のうちの緑色成分を表示させ緑色光で照射を受ける。赤色サブフレーム（Ｒ）の間では、ディスプレイはフル・カラー画像のうちの赤色成分を表示させ赤色光で照射を受ける。さらに、青色サブフレーム（Ｂ）の間では、ディスプレイはフル・カラー画像のうちの青色成分を表示させ、青色光で照射を受ける。図５に示す順次式照射パターン５２は、順次式カラー・サブフレームの一例である。

図５上で重ね合わせた画素駆動波形５０によって、飽和した緑色表示を得るために望ましい本発明のディスプレイのうちの１つの画素に印加される電圧波形を表している。ＰＢＳを本発明と組み合わせて使用すると、電圧を印加していないときに反射性が高い状態が得られる。この状態のことを、ノーマリ・オープン（normally open）またはノーマリ・ホワイト（normally white：ＮＷ）ディスプレイと呼ぶことがある。図示した画素駆動波形では、その画素は、印加電圧がゼロである場合は緑色サブフレーム周期（Ｇ）の間で反射性が高い状態にあり、また印加電圧が５ボルトである場合は赤色（Ｒ）および青色（Ｂ）のサブフレーム周期の間で反射率が極めて低い状態となることになる。液晶には任意の電圧変化に応答するためにある程度の時間が必要であるため、またそのサブフレーム周期がかなり短いために、液晶では一般に、次のサブフレーム電圧が印加される前に、当該サブフレーム電圧に完全に応答できるだけの十分な時間がとれない。こうした状況では、ディスプレイは、液晶の状態が飽和状態すなわち安定状態に到達しないような過渡的モードで動作していると云うことができる。カラー・モザイク・フィルタを使用する従来のカラーＬＣＤと比較してフィールド・シーケンシャル式カラー表示では表示されるカラー画像が完全に静止している場合であっても通常過渡的モードで動作していることを理解するのは容易である。

図６ａおよび６ｂは、図５の画素駆動波形に対する本発明の液晶ディスプレイの応答を表しており、またこの応答を、そのディスプレイ・パラメータをβ＝２０°において従来の静的な駆動条件に関して最適化している米国特許第５，９３３，２０７号に記載のＭＴＮディスプレイの応答と比較している。表３は、これらの２つのディスプレイに関するパラメータの比較を表している。これらのデータは、ａｕｔｒｏｎｉｃ−Ｍｅｌｃｈｅｒｓ ＧｍｂＨ（Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ、Ｇｅｒｍａｎｙ）から入手可能な市販のＬＣＤモデル化ソフトウェア・パッケージであるＤＩＭＯＳを用いて計算した。

図６ａは緑色サブフレームの間で反射率を増加させ赤色および青色のカラー・サブフレームの間で反射率を抑制していることを表している７つのカラー・サブフレーム（垂直な点線）からなる期間における本発明の一例に関する光学応答（太線のカーブ）６０を表している。図６ａの細線のカーブ６２は、静的動作に対して最適化させている米国特許第５，９３３，２０７号で開示したディスプレイの光学応答を表している。これらの２つのディスプレイの応答をより詳しく示した像は、図６ｂに示す拡大図で知ることができ、第１の緑色サブフレームと次の赤色サブフレームの一部分を含む時間期間をカバーしている。米国特許第５，９３３，２０７号に開示されている従来技術のディスプレイと比べて、本発明のディスプレイではその反射率がそのサブフレーム全体にわたって一貫して高くなっていることに留意されたい。たとえば、２．８ｍｓのサブフレームの終端において、本発明のディスプレイの反射率は、従来技術のディスプレイの反射率と比べて２．８倍大きくなっており、緑色光源がこの瞬間にだけフラッシュしていたとしても、このディスプレイは２．８倍明るい表示ができることになる。緑色サブフレームのより多くの部分で緑色光をオンにするとそれだけ反射率の改善がさらに大きくなる。たとえば、緑色光がサブフレームの全体にわたってオンに保持されたとすれば、知覚される反射率は反射率カーブの下の面積によって決定されることになる。図６ｂの２つのカーブの下側の面積を比較することによって、本発明の統合反射率は、静的な駆動条件に関して最適化させている従来技術ディスプレイと比べて４．１倍大きくなることが分かる。

図７は、本発明のディスプレイ・デバイスの一例を表している。この例の実施の一形態では、デバイス１０１は、このデバイス１０１にごく接近した位置にある観察者の眼１０３にレンズ１０５（または一群のレンズ）を介して画像を投射しているヘッドマウント式ディスプレイとすることができる。ヘッドマウント式ディスプレイに関しては多くの例（「ブロート・ツー・ジ・アイ（brought to the eye）」ディスプレイと呼ばれることもある）が周知であり、またこれらのディスプレイに対するさまざまな光学的構成も周知である。図７に示す例では、一般化しかつ簡略化した光学的構成であること、代わりにさまざまな周知の光学的構成が使用されることを理解されたい。ディスプレイ・デバイス１０１はさらに、偏光器１０７（偏光ビームスプリッタとすることがある）と、光源１０９（フィールド・シーケンシャル式カラー照射を提供するような赤色、緑色および青色のＬＥＤの組でもよい）とを含んでいる。デバイス１０１を動作させる一方法では、光源１０９からの光を反射型液晶セル１１０に向けて偏光させて反射させ、次いでこの反射型液晶セル１１０はこの光を空間変調させると共にこの変調させた光を画像を作成するように反射させて戻している。この画像は、反射画素電極１２５、１２７、１２９および１３１など複数の画素電極（通常は矩形アレイの形に配列させる）上に印加した電圧によって指定している。次いでこの画像は、偏光器１０７およびレンズ１０５（または一群のレンズ）を通じて観察者１０３に見えるようになる。図７に示す例では、セル１１０は、シリコン上液晶（ＬＣｏＳ）デバイスとし、次いでこのデバイス内で集積回路１２３上に画素電極を配置させてもよい。こうしたＬＣｏＳデバイスの例はよく知られており、たとえば、米国特許第６，０４６，７１６号を参照されたい。セル１１０は、透明な電極１１４（たとえば、ＩＴＯ電極）を基板１１１の表面上に被着させて有するカバーガラス基板１１１を含んでいる。配向層１１６はこの透明電極１１４に取り付けるか、透明電極１１４上に形成させている。別の配向層１１２は、集積回路１２３の基板の上側部分に取り付けるか、上側部分に形成させる。スペーサ１２０および１２１は配向層１１２と１１６の間のギャップｄを形成しており、またこのギャップ内には液晶材料１１８を配置している。セル１１０の具体的な例示的実施形態の１つでは、そのねじれ角は約８０°とすることができ、角βは約５°以下とすることができ、またΔｎｄは約０．１６μｍとすることができる。

本発明は、画像を画面上に投影させ、観察者は、ディスプレイ・デバイスのオリフィスをのぞき込むのでなくこの画面を観察する投影システムを駆動する反射型液晶ディスプレイにおいても使用できることを理解されたい。

本発明について、その例示的でありかつ好ましい実施形態に関連して詳細に図示し説明してきたが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである本発明の精神および趣旨を逸脱することなく、形態および詳細に関して上述およびその他の変更を行うことができることを理解されよう。

ツイスト・ネマチック液晶層の入力ダイレクタと角βをなしている入力偏光ベクトルを備えた偏光素子として偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を使用している本発明の反射ディスプレイの簡略図である。 その層を通じたねじれに従ってＬＣダイレクタに合わせて厳密に回転する直交する２つの前進伝播楕円偏光の固有モードを表している、本発明のディスプレイの数学的記述の図である。 過渡的駆動動作下にある反射ディスプレイに対して最適化されている本発明のディスプレイの偏光器入力角βの領域の図である。 ａ：φ＝７０°、Δｎｄ＝０．１３μｍおよびβ＝−４．７２とした本発明の反射ディスプレイの構成を表した図である。ｂ：図４ａの例に関して、本発明の反射ディスプレイの反射器位置および出力位置における光の偏光の楕円状態を表した図である。 本発明のフィールド・シーケンシャル式カラー表示におけるカラー・サブフレームの配置、ならびに飽和した緑色画素を発生させる画素波形を表した図である。 ａ：静的駆動に対して最適化させたディスプレイ（細線のカーブ）と比較した、過渡的駆動に対して最適化させた本発明の反射ディスプレイ（太線のカーブ）の図５の波形に対する光学応答のシミュレーションの図である。ｂ：図６ａ応答カーブの拡大図である。 本発明のディスプレイ・デバイスの別の例である。

Claims (14)

1. 約６０°〜約９０°のねじれ角（φ）を有する液晶層と、
   光源からの光を受け取って該光を偏光させるように位置決めされ、前記偏光のベクトルと前記液晶層の第１の配向方向との間に角βが存在するように前記光を偏光させる偏光器とを備える液晶ディスプレイ・デバイスであって、
   βが約−１３°〜約＋１３°の範囲にあり、Δｎを液晶層の複屈折、ｄを液晶層の厚さのとき、Δｎｄの値が約０．１μｍ〜約０．２μｍである液晶ディスプレイ・デバイス。
2. 前記液晶層と結合された第１の基板と、
   前記液晶層と結合された第２の基板とをさらに備え、前記第１の基板と前記第２の基板が前記厚さｄを規定する請求項１に記載の液晶ディスプレイ・デバイス。
3. 前記第２の基板が反射表面を備えている請求項２に記載の液晶ディスプレイ・デバイス。
4. 前記反射表面が、前記第２の基板上に配置された複数の反射画素電極を備えている請求項３に記載の液晶ディスプレイ・デバイス。
5. 前記第２の基板が集積回路を備えている請求項４に記載の液晶ディスプレイ・デバイス。
6. 前記第１の基板が透明であり、かつ透明な電極を備えている請求項２に記載の液晶ディスプレイ・デバイス。
7. 前記第１の配向方向を決定する第１の配向層が前記第１の基板上に作成され、第２の配向方向を決定する第２の配向層が前記第２の基板上に作成され、前記ねじれ角が前記第１の配向方向と前記第２の配向方向の間の角によって決定される請求項６に記載の液晶ディスプレイ・デバイス。
8. 前記偏光器が偏光ビームスプリッタである請求項７に記載の液晶ディスプレイ・デバイス。
9. 前記光源が、別々の色フィールドに対応する複数の異なる色の光を時間の経過に従って別々に提供しているフィールド・シーケンシャル式光源である請求項２に記載の液晶ディスプレイ・デバイス。
10. 前記光源が、順番にかつ別々にオンになる３つの異なる色のＬＥＤ（発光ダイオード）である請求項９に記載の液晶ディスプレイ・デバイス。
11. 前記液晶層から変調を受けた光を受け取るように位置決めされた少なくとも１つのレンズをさらに備える請求項２に記載の液晶ディスプレイ・デバイス。
12. ヘッド・マウント式ディスプレイ内に収納されている請求項１１に記載の液晶ディスプレイ・デバイス。
13. 前記別々の色フィールドの各別々の色フィールドの持続時間が約８ミリ秒以下である請求項９に記載の液晶ディスプレイ・デバイス。
14. 前記ねじれ角が約８０°であり、前記βが約−５°〜約＋５°の範囲にあり、かつ前記Δｎｄが約０．１３μｍ〜約０．１７μｍの範囲にある請求項２に記載の液晶ディスプレイ・デバイス。

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