JP4010047B2 - 反射型表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屋内照明灯から発する照明光や部屋の窓から入ってくる自然光などの外光を利用して表示を行なう反射型表示装置に関する。より詳しくは、反射型表示装置の画面に照明灯などの光源が映り込むことを防止するとともに不要反射によるコントラストの紙下を防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶などを電気光学物質に用いた表示装置はフラットパネル形状を有し軽量薄型で低消費電力に特徴がある。この為、携帯用機器のディスプレイなどとして盛んに開発されている。液晶は自発光型ではなく外光を選択的に透過遮断して画像を映し出す。この様な受動型の表示装置は照明方式によって透過型と反射型に分けられる。透過型の表示装置では、透明な一対の基板間に電気光学物質として例えば液晶を保持したパネルを作成し、その背面にバックライトを配置する一方、パネルの正面から画像を観察する。透過型の場合、バックライトは必須であり、例えば冷陰極管などが用いられる。ディスプレイ全体として見た場合バックライトが大部分の電力を消費する為、携帯用機器には不向きである。これに対し、反射型ではパネルの背面に反射板を配置する一方、正面から屋内照明光などを入射し、その反射光を利用して同じく正面から画像を観察する。透過型と異なり専用のバックライトを使わないので、反射型は比較的低消費電力で済み、携帯用機器のディスプレイに適している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、液晶を電気光学物質に用いた表示装置は大きな視角依存性があり、観察者が画面を見る角度（視角）に依存して表示コントラストが顕著に変化する。この視角依存性を緩和する為に従来から観察者と対向するパネルの前面に光拡散板を配した構造が提案されている。例えば、透過型の液晶表示装置の前面に光拡散板を装着した構造が特開昭５２−１７７９３号公報に開示されている。光拡散板はバックライトから発した光源光を拡散して視角依存性を緩和できる。しかし、光拡散板では外光の後方散乱が生じ、表示のコントラスト低下を招くという問題がある。この後方散乱は観察者側から画面に入射した外光が光拡散板で散乱反射され観察者の位置する後方に向かって散乱する現象をいう。後方散乱を抑制する為には屋内照明灯を暗くしたり、窓にブラインドを掛けて外光を遮るなどの工夫が必要になる。透過型の場合、照明を暗くしたり外光を遮っても、バックライトがあるので画面の表示自体に支障が生じることはない。
【０００４】
しかし、反射型の表示装置では、後方散乱を抑制する為照明を落としたり外光を遮ると、画像の表示自体ができなくなってしまう。従って、反射型表示装置では後方散乱に起因する表示のコントラスト低下を防ぐ為、後方散乱自体を抑制することが解決すべき課題となっている。なお、反射型表示装置では視角依存性の改善に加え、外部照明灯の映り込みを防ぐ為、光拡散板は必須である。反射型では外部照明灯の映り込み方向と観察者が表示を視認する視角方向が一致する為、映り込みがあると極端に表示が見にくくなる。又、反射型ではパネルの前面に透過型の光拡散板を設ける代わりに、背面側に反射型の光拡散板を設ける構造が提案されている。反射型の光拡散板を用いれば上述した後方散乱に起因する表示のコントラスト低下が生じる恐れはない。しかしながら、反射型の光拡散板をパネルに組み込むことはコストの増加につながり、好ましくない。
【０００５】
【課題を解決する為の手段】
上述した従来の技術の課題を解決する為に以下の手段を講じた。即ち、本発明に係る反射型表示装置は、基本的な構成としてパネルと光拡散層と四分の一波長板と偏光板とを有する。パネルは外光の入射側に位置する透明な第１基板、所定の間隙を介して該第１基板に接合し反射側に位置する第２基板、該間隙内に保持された液晶などの電気光学物質及び該電気光学物質に電圧を印加する電極を備えている。特徴事項として、該第１基板の上に下から順に光拡散層、四分の一波長板及び偏光板が重ねられている。該偏光板は外光を直線偏光に変換してパネルの第１基板側に入射する。該光拡散層はパネルの第２基板側で反射した外光を拡散的に出射するとともに、該偏光板を介して入射した外光の一部を不要に反射する（後方散乱）。該四分の一波長板は該偏光板と協働して該光拡散層が不要に反射した外光（後方散乱成分）を遮断する。前記電気光学物質は液晶層からなり、該第１基板側における前記液晶層の配向方向が該偏光板の透過軸と平行である。好ましくは、前記パネルは、電圧の印加状態に応じて四分の一波長板として機能する液晶層を電気光学物質として用いる。例えば、前記液晶層は誘電異方性が正で且つツイスト配向したネマティック液晶からなり、電圧無印加時四分の一波長板として機能し、電圧印加時四分の一波長板の機能を失う。
【０００６】
本発明によれば、観察者と対向するパネルの前面に、偏光板、四分の一波長板及び光拡散層を重ねている。特に、光拡散層を偏光板及び四分の一波長板の積層とパネルとの間に挿入している。偏光板と四分の一波長板の積層は光拡散層で生じた後方散乱を遮断することができ、反射型表示装置のコントラストの改善につながる。特に、動作原理上偏光板と四分の一波長板の積層が必須の構成部品となるパネルを用いれば、単に光拡散層を偏光板及び四分の一波長板の積層とパネルとの間に装着するのみで後方散乱の抑制が可能となる。このようなパネルとしては、電圧無印加状態で四分の一波長板として機能する液晶層を電気光学物質として用いたノーマリホワイトモードのＴＮ−ＥＣＢが挙げられる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る反射型表示装置の基本的な構成を示す模式的な断面図である。図示する様に、本反射型表示装置は、基本的な構成としてパネル０と光拡散層７と四分の一波長板８と偏光板９とを備えている。パネル０は外光の入射側に位置する透明な第１基板１と所定の間隙を介してこの第１基板１に接合し反射側に位置する第２基板２とで構成されている。両基板１，２の間隙には電気光学物質として液晶層３が保持されている。ただし、本発明はこれに限られるものではなく液晶に代えて他の電気光学物質を用いることもできる。パネル０には液晶層３に電圧を印加する電極が形成されている。具体的には、ガラスなどからなる第１基板１の内面にＩＴＯなどの透明導電膜からなる透明電極５が形成されている一方、第２基板２の内面にはアルミニウムなどの金属蒸着膜からなる反射電極６が形成されている。液晶層３は透明電極５及び反射電極６によって上下から挟持されている。本発明の特徴事項として、パネル０の第１基板１の上に、下から順に光拡散層７、四分の一波長板８及び偏光板９が重ねられている。偏光板９は外光を直線偏光に変換して第１基板１側に入射する。光拡散層７は第２基板２側の反射電極６で反射した外光を拡散的に出射する。これにより、液晶層３に起因する視角依存性を緩和することができる。光拡散層７は基本的に光透過型であるが、偏光板９を介して入射した外光の一部を不要に反射してしまい、所謂後方散乱成分が生じる。四分の一波長板８は偏光板９と協働して光拡散層７が不要に反射した外光を遮断する。これにより、後方散乱を抑制しており、表示コントラストの低下を防ぐことができる。
【０００８】
図示する様に、光拡散層７は、例えば微粒子７ａを樹脂７ｂ中に分散した透明な光学フイルムからなる。例えば、光拡散層７は高分子ビーズからなる微粒子７ａを異なる屈折率の樹脂（マトリクスポリマー）７ｂ中に分散固定化した透明なフイルムであり、ガラスなどからなる第１基板１の前面に接着剤などを介して接合される。微粒子７ａの屈折率は１．０〜１．９の範囲にある。その粒径は１〜１０μｍ程度である。一方、樹脂（マトリクスポリマー）７ｂはアクリル樹脂からなりその屈折率は１．５である。微粒子７ａと樹脂７ｂの屈折率を大きく異ならせることにより、光拡散層７は優れた散乱能を発揮することができる。即ち、反射電極６で反射した外光を観察者に向かって拡散的に透過し、液晶層３の視角依存性を低減化できる。ただし、光拡散層７で一部反射した外光が後方散乱成分となり、表示コントラストの低化をもたらす恐れがある。
【０００９】
四分の一波長板８は例えば一軸延伸された高分子フィルムからなり、常光と異常光との間で四分の一波長分の位相差を与える。四分の一波長板８の光学軸（一軸異方軸）は偏光板９の偏光軸（透過軸）と４５°の角度を成す様に配されている。これにより、光拡散層７による後方散乱成分を観察者側から遮断することが可能である。即ち、外光は偏光板９を透過すると直線偏光になる。この直線偏光は四分の一波長板８を透過すると円偏光になる。円偏光の一部は光拡散層７によって不要に反射され後方散乱成分が生じる。不要反射した円偏光は四分の一波長板８を逆に透過する時直線偏光に戻る。ただし、出射時の偏光軸は入射時の偏光軸から９０°回転する。この結果出射直線偏光は偏光板９の透過軸と直交する様になり、全て吸収される。よって、光拡散層７による後方散乱成分が観察者側に漏れることがなくなる。
【００１０】
本実施形態では、パネル０は、電圧の印加状態に応じて四分の一波長板として機能する液晶層３を電気光学物質として用いている。換言すると、パネル０は液晶層３の複屈折性を利用して表示を行っており、所謂ＥＣＢモードを採用している。ただし、本発明はこれに限られるものではなく、ゲストホストモードやツイストネマティックモードを採用してもよい。液晶層３は誘電異方性が正で且つツイスト配向したネマティック液晶３ｍからなる。即ち、本実施形態ではツイストネマティック（ＴＮ）液晶３ｍを利用しており、所謂ＴＮ−ＥＣＢモードである。ただし、本発明はこれに限られるものではなく、通常のＥＣＢモードも含まれる。液晶層３は電圧無印加時四分の一波長板として機能し、偏光板９及び四分の一波長板８と協働して反射電極６で反射した外光を透過して白表示を実現する。液晶層３は電圧印加時には四分の一波長板の機能を失い、反射電極６で反射した外光を遮断して黒表示となる。即ち、本実施形態ではパネル０はノーマリホワイトモードである。ただし、本発明はこれに限られるものではない。なお、ノーマリホワイトモードで且つＥＣＢモードのパネル０は動作原理上偏光板９及び四分の一波長板８を必須の構成部品として用いる。この偏光板９及び四分の一波長板８をそのまま利用することで、光拡散層７による後方散乱を遮断することが可能である。パネル０の具体的なパラメータを以下に列挙する。ネマティック液晶３ｍの光学異方性Δｎは０．７程度であり、液晶層３の厚みは３μｍ程度である。従って、液晶層３の計算上のリターデーションΔｎ・ｄは０．２〜０．２５μｍとなる。ツイスト配向したネマティック液晶３ｍのツイスト角は６０°〜７０°である。ネマティック液晶３ｍをツイスト配向することで、液晶層３の実効的なリターデーションは０．１５μｍ（１５０ｎｍ）程度となり、ほぼ外光の中心波長λ（６００ｎｍ程度）の四分の一程度となり、液晶層３は四分の一波長板として機能する。
【００１１】
以下、図２及び図３を参照して、図１に示した反射型表示装置の動作を詳細に説明する。図２は電圧無印加時における動作を模式的に表わしている。前述した様に、本反射型表示装置は、観察者側から見て順に、偏光板９、四分の一波長板８、光拡散層７、液晶層３、反射電極６が配列した構造となっている。偏光板９の透過軸を９ｐで表わしている。四分の一波長板８の光学軸８ｄは透過軸９ｐと４５°の角度で交差している。液晶層３に含まれるネマティック液晶３ｍは電圧無印加状態でツイスト配向しており、液晶層３は四分の一波長板として機能する。本実施形態では、第１基板側におけるネマティック液晶３ｍの配向方向が偏光板９の透過軸９ｐと平行になっている。ネマティック液晶３ｍは第１基板から第２基板に向かってツイスト配向しており、このツイスト角は前述した様に６０°〜７０°である。
【００１２】
入射光１１は偏光板９を通過すると直線偏光に変換される。その偏光方向は透過軸９ｐと平行であり、以下平行直線偏光と呼ぶことにする。この平行直線偏光１２は四分の一波長板８を通過すると円偏光１３に変換される。円偏光１３の大部分は光拡散層７を拡散的に透過して液晶層３に至る。ただし円偏光１３の一部は光拡散層７により拡散反射され、後方散乱成分１７となる。光拡散層７を前方に向かって透過した円偏光１３は四分の一波長板として機能する液晶層３により直線偏光に変換される。ただし、この直線偏光の偏光方向は平行直線偏光１２と直交するようになり、以下直交直線偏光と呼ぶことにする。反射電極６で反射した直交直線偏光１４は液晶層３を逆方向に通過すると円偏光になる。さらに、光拡散層７を拡散的に通過した円偏光は四分の一波長板８で平行直線偏光１５に変換される。この平行直線偏光１５はそのまま偏光板９を通過し、出射光１６となって観察者に至る。従って、白表示が得られる。電圧無印加状態では液晶層３が四分の一波長板として機能する為、元々の四分の一波長板８と合わせると、表示パネルは全体として二分の一波長板として機能する。反射型の場合外光は表示パネルを往復するので、結局表示パネルは等価的に一波長板として機能する。一波長板は実質的に光学的な作用を及ぼさないので、外光はそのまま反射され観察者に至り、白表示となる。
【００１３】
一方、光拡散層７で反射した後方散乱成分（円偏光）１７は四分の一波長板８で直交直線偏光になる。これは偏光板９の透過軸９ｐと直交するので通過することができず、遮断吸収され後方散乱成分１７が観察者に至ることがない。直線偏光は四分の一波長板を往復する毎に偏光方向が９０°回転する。後方散乱成分１７については四分の一波長板８を往復するのみであるので、偏光方向が９０°回転する。これに対し、外光のうちの大部分は四分の一波長板８及び液晶層３をそれぞれ往復で通過する為、偏光方向が９０°×２＝１８０°回転することになる。この相違により、表示に寄与する外光成分から不要な後方散乱成分のみを分離除去することが可能になる。
【００１４】
図３は、図１に示した反射型表示装置の電圧印加時における動作状態を模式的に表わしたものである。図２に示した電圧無印加状態と対応する部分には対応する参照番号を付して理解を容易にしている。電圧印加状態では誘電異方性が正のネマティック液晶３ｍが電圧に応答して立ち上がり垂直配向に移行する。この結果、液晶層３は四分の一波長板としての機能を失うことになる。入射光１１は偏光板９を通過した後平行直線偏光１２になる。平行直線偏光１２は四分の一波長板８により円偏光１３に変換される。円偏光１３の一部は後方散乱成分１７となり、再び四分の一波長板８を逆方向に通過して直交直線偏光になる。これは偏光板９を通過できないので、遮断されることになる。即ち、本発明では電圧の印加状態に係わらず、後方散乱成分１７は常に遮断されることになる。一方光拡散層７を拡散的に通過した大部分の円偏光１３はそのまま液晶層３を通過して反射電極６に至り、円偏光状態を維持している。反射電極６で反射した円偏光１４ａは光拡散層７を通って四分の一波長板８に至る。ここで、円偏光１４ａは直交直線偏光１５ａに変換される。この直交直線偏光１５ａは偏光板９を通過できないので、黒表示が得られる。この様に、本発明では光拡散層７による後方散乱成分１７が四分の一波長板８及び偏光板９によって吸収される為、表示に寄与しない。特に、黒表示時にける後方散乱成分の光抜けがなくなり、コントラストを大幅に改善することが可能である。
【００１５】
図４は、反射型表示装置の参考例を示す模式的な断面図である。図１に示した本発明に係る反射型表示装置と対応する部分には対応する参照番号を付して理解を容易にしている。異なる点は、この参考例では通常の様に光拡散層７が偏光板９の上に装着されていることである。光拡散層７は入射光１１の大部分を拡散的に透過して前方散乱成分１８をパネル０側に導く。この時、光拡散層７は入射光１１の一部を拡散的に反射して後方散乱成分１７を生じる。本発明と異なり、この参考例では後方散乱成分１７を何ら遮断することができないので、表示コントラストが低下する。特に、黒表示時における沈み込みが充分でなくなりコントラストが甘くなってしまう。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、反射型表示装置において、観察者側に対向するパネルの上に下から順に光拡散層、四分の一波長板及び偏光板を重ねることにより、光拡散層で生じた不要な後方散乱成分を遮断することが可能になる。これにより、特に黒表示時の光抜けを抑制でき、大幅にコントラストを改善できる。コントラストを落とすことなく透過型の光拡散板を使うことができる為、従来の様に反射型の光拡散板をパネルに組み込む必要がなくなり、製造コストの低減化が実現できる。加えて、光拡散層として比較的後方散乱成分の大きな拡散フィルムを使用することが可能になり、光拡散層の材料選択幅が広がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る反射型表示装置の実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示した反射型表示装置の電圧無印加時における動作を示す模式図である。
【図３】図１に示した反射型表示装置の電圧印加時における動作を示す模式図である。
【図４】反射型表示装置の参考例を示す断面図である。
【符号の説明】
０・・・パネル、１・・・第１基板、２・・・第２基板、３・・・液晶層、５・・・透明電極、６・・・反射電極、７・・・光拡散層、８・・・四分の一波長板、９・・・偏光板

Claims (3)

1. 外光の入射側に位置する透明な第１基板、所定の間隙を介して該第１基板に接合し反射側に位置する第２基板、該間隙内に保持された電気光学物質及び該電気光学物質に電圧を印加する電極を備えたパネルと、該第１基板の上に下から順に重ねた光拡散層、四分の一波長板及び偏光板とを有する反射型表示装置であって、
   該偏光板は、外光を直線偏光に変換して第１基板側に入射し、
   該光拡散層は第２基板側で反射した外光を拡散的に出射するとともに該偏光板を介して入射した外光の一部を不要に反射し、
   該四分の一波長板は該偏光板と協働して該光拡散層が不要に反射した外光を遮断し、
   前記電気光学物質は液晶層からなり、該第１基板側における前記液晶層の配向方向が該偏光板の透過軸と平行であることを特徴とする反射型表示装置。
2. 前記パネルは、電圧の印加状態に応じて四分の一波長板として機能する液晶層を電気光学物質として用いることを特徴とする請求項１記載の反射型表示装置。
3. 前記液晶層は誘電異方性が正で且つツイスト配向したネマティック液晶からなり、電圧無印加時四分の一波長板として機能し、電圧印加時四分の一波長板の機能を失うことを特徴とする請求項２記載の反射型表示装置。

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