JP5052170B2 - 液晶表示素子、それを用いた投射型表示装置およびそれぞれの駆動方法 - Google Patents

液晶表示素子、それを用いた投射型表示装置およびそれぞれの駆動方法 Download PDF

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本発明は、液晶表示素子、それを用いた投射型表示装置およびそれぞれの駆動方法に関し、特にフィールドシーケンシャル(FS)駆動方式の液晶表示素子、それを用いた投射型表示装置およびそれぞれの駆動方法に関する。
液晶表示素子では一般に、黒背景に白表示をさせたものをネガ表示、白背景に黒表示をさせたものをポジ表示と呼んでいる。
ネガ表示において黒背景に白以外の色を表示させるカラー表示液晶表示素子や、ポジ表示において白背景に黒以外の色を表示させるカラー表示液晶表示素子の駆動方法として、フィールドシーケンシャル(FS)駆動方式が知られている。特許文献1〜特許文献4は、表示セグメントを白黒以外のカラー色にしたFS駆動方式の液晶表示素子を提案している。
FSLCDの使用において、例えば周囲環境が暗い場合やLCDが振動する場合、または観察者の視線が高速に移動する場合、混色表示時に各色表示状態が人間の目に分離して観察される、いわゆるカラーブレーク現象が生じ、表示品位が著しく低下する。
特許文献5は、表示セグメントと背景色の両方とも任意のカラー表示を行い、カラーブレークを起こさないFS駆動の液晶表示素子を提案している。
特開平11−085062号公報 特開2004−029154号公報 特開2004−294824号公報 特開2002−303846号公報 特開2006−330612号公報
特許文献5に記載の液晶表示素子の場合、2つの液晶セルを用いる。一方の液晶セルが通常のセグメント表示をし、他方の液晶セルが所謂反転パターンを表示する。そのため、液晶セルの物理的な厚みによって、表示領域を斜めから見た場合視差が生じる。これにより、表示をさせたいセグメントが立体的に見えたり2重写りしたりする現象が生じる。
本発明の目的は、視認性を向上させた液晶表示素子、それを用いた投射型表示装置およびそれぞれの駆動方法を提供することである。
本発明の一観点によれば、所定の文字や図形を表示させる少なくとも1つのセグメント電極を備え、対向する第1の一対の基板と、該第1の一対の基板間に保持された第1の液晶層とを含む第1の液晶セルと、有効表示領域のほぼ全域を表示させる全面電極を備え対向する第2の一対の基板と、該第2の一対の基板間に保持された第2の液晶層とを含む第2の液晶セルと、前記第1、第2の液晶セルを含む2層構造パネルにおける前記基板の法線方向に関して両側に配置された2枚のクロスポラライザーと、複数の色の発光が可能な光源と、1フレームを複数のサブフレームに時分割し、各サブフレーム内で任意の数の光源を発光させ、その発光に同期させて前記2層構造パネルの複数の表示領域の透光および遮光の状態を制御する制御回路とを有し、前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルの液晶は、リターデーションが等しく、かつ、ツイスト方向が逆であり、前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルの液晶中央分子の配向方向が互いに90°の角度をなし、前記第1の液晶セルの前記第2の液晶セル側の基板の配向処理方向と、前記第2の液晶セルの前記第1の液晶セル側の基板の配向処理方向が直交しており、前記第2の液晶セルの全面電極で表示される有効表示領域に対応する前記第1の液晶セルの領域内には、該全面電極よりも小さい複数のセグメント電極が設けられており、前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルはともに、サブフレームごとの駆動が可能であり、前記制御回路が、前記第1の液晶セルに形成された電極と、前記第2の液晶セルに形成された電極が重なり合って画定する複数の表示領域を、前記サブフレームのいずれか1つのみで透光状態とするか、もしくは全てのサブフレームにおいて遮光状態とするよう制御し、前記複数の表示領域の各々を画定する前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルの双方が駆動状態もしくは非駆動状態の場合に、該表示領域の各々が遮光状態となる液晶表示素子が提供される。
本発明の他の観点によれば、所定の文字や図形を表示させる少なくとも1つのセグメント電極を備え、対向する第1の一対の基板と、該第1の一対の基板間に保持された第1の液晶層とを含む第1の液晶セルと、有効表示領域のほぼ全域を表示させる全面電極を備え対向する第2の一対の基板と、該第2の一対の基板間に保持された第2の液晶層とを含む第2の液晶セルと、前記第1、第2の液晶セルを含む2層構造パネルにおける前記基板の法線方向に関して両側に配置された2枚のクロスポラライザーと、複数の色の発光が可能な光源と、1フレームを複数のサブフレームに時分割し、各サブフレーム内で任意の数の光源を発光させ、その発光に同期させて前記2層構造パネルの複数の表示領域であって、前記第1の液晶セルに形成された電極と、前記第2の液晶セルに形成された電極が重なり合って画定する複数の表示領域の透光および遮光の状態を制御する制御回路とを有し、前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルの液晶は、リターデーションが等しく、かつ、ツイスト方向が逆であり、前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルの液晶中央分子の配向方向が互いに90°の角度をなし、前記第1の液晶セルの前記第2の液晶セル側の基板の配向処理方向と、前記第2の液晶セルの前記第1の液晶セル側の基板の配向処理方向が直交しており、前記第2の液晶セルの全面電極で表示される有効表示領域に対応する前記第1の液晶セルの領域内には、該全面電極よりも小さい複数のセグメント電極が設けられており、前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルはともに、サブフレームごとの駆動が可能であり、前記複数の表示領域の各々を画定する前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルの双方が駆動状態もしくは非駆動状態の場合に、該表示領域の各々が遮光状態となる液晶表示素子の駆動方法であって、あるサブフレームで透光状態とされた表示領域は、他のサブフレームでは遮光状態となるよう制御される液晶表示素子の駆動方法が提供される。
液晶表示素子の視認性が向上する。
図1に、実施例による液晶表示素子の主要部分である液晶表示部101の断面図を示す。図示のように、実施例による液晶表示部101は、2つのTN(ツイストネマチック)液晶セル(背面セル1a、前面セル1b)がガラス基板の法線方向に積層配置された液晶セル構造(2層構造パネルSPと呼ぶこととする)を含む。2層構造パネルの上下にはクロスポラライザー2a、2b(透過軸方向が交差する偏光板)が配置される。
TN液晶セル1a(1b)の配向膜として、日産化学工業(株)製の水平配向膜SE410を用いる。一対のガラス製透明基板3a1、3a2(3b1、3b2)に形成された配向膜にレーヨン製のラビング布を使用してラビング処理しプレチルト角を付与する。この配向膜と電極を有する一対の透明基板の電極側を向かい合わせ、直径2μmのギャップコントロール材を介してシール材4aで貼り合わせる。そしてメルク(株)製の複屈折率Δnが0.24で誘電率異方性が正の液晶材料にツイスト方向を決めるカイラル材を添加したものを注入して1つの液晶セルを作製する。
図2に、偏光板の透過軸および液晶セルのラビング方向を示す。図中には4つの座標軸があるが、左から順に、ポラライザー2a、TN液晶セル1a、TN液晶セル1b、ポラライザー2bに対応する。なお、液晶表示素子は図中裏面から観察されるものとする。液晶のねじれ(ツイスト)の方向についてはバックライトの進行方向を基準とする。2層構造パネルの2つの液晶セルの違いは、液晶のツイスト方向が逆向きであることである。図示のように、背面液晶セル1aの液晶分子が右ねじれ90°、前面液晶セル1bの液晶分子が左ねじれ90°となるようにラビングを施す。さらに、液晶セル1a、1bそれぞれの厚さ方向に関して中央に位置する液晶分子(液晶中央分子)の配向方向が互いに90°の角度を為す。また、偏光板2a、2bは互いにクロスニコルになるように透過軸または吸収軸を設定する。また、液晶中央分子の配向方向と45°の角度を為すように偏光板2a、2bを配置する。
図3に、2つの液晶セルの電極パターン例を示す。液晶セル1a、1bは、それぞれ液晶層に電圧を印加し表示をさせるための透明電極を有する。一方のセル(表示セルと呼ぶ)はセグメント表示をするためのセグメント電極、例えば図示のような電極a〜dのような構成を有し、他方のセル(背景表示セルとよぶ)は有効表示領域全てを表示する全面電極eを有する。なお、表示セルと背景表示セルはどちらのセルが上(背面側)であっても構成として可能である。
図4に、実施例によるフィールドシーケンシャル(FS)駆動方法の概念図を示す。液晶セルが2枚重なった2層構造パネルを含む液晶表示部101の背面に例えばR(赤)G(緑)B(青)がそれぞれ独立して発光可能なバックライト光源LS(発光ダイオードLEDや冷陰極型蛍光ランプCCFLなど)が装備され、2層構造パネルのドライバ10aとバックライトドライバ10bが同期して駆動するよう同期コントローラ20が装備される。
上記のようなFS駆動方式の液晶表示素子は、2層構造パネルSPの2つの液晶セルが共に駆動状態か非駆動状態の場合、バックライトの光を遮光することが可能である。
以下、実施例の態様について説明する。ここでは、駆動電圧1フレームを3つのサブフレームに分割した場合の実施例について説明する。
(実施例1)
図5に、実施例1による液晶表示素子の駆動方法の表を示す。実施例1は、代表的なネガ表示である黒背景にカラーのセグメント表示を行う態様である。図5に示した表は、各サブフレームでのRGB(BL)各LEDのON/OFF状態と、表示セルに設けられたa〜dのセグメント電極および背景表示セルに設けられた全面電極eのON/OFF状態と、各電極が画定する表示領域に表示される色とを表している。全面電極eはセグメント電極a〜dより大きく、また表示領域のほぼ全面に形成された電極であるので、表中のセグメント電極a〜dがそのまま表示領域と重なる。また表中の電極eの表示色は、セグメント電極以外の背景の表示領域の色となる。
LEDのONとは発光している状態を、OFFとは発光していない状態を表す。各電極のONとは、TN液晶セルの液晶分子を立ち上がらせるのに十分な電圧が印加されている状態(駆動状態と定義する)を表す。各電極のOFFとは、スタティック駆動においては電圧無印加状態を表し、マルチプレックス駆動においては、TN液晶セルの液晶分子がTN配向を維持できる電圧を印加した状態(非駆動状態と定義する)を指す。
図6に、実際の表示を示す。実施例1では、全面電極eをサブフレームいずれにおいてもOFF状態に設定することで、背景(セグメント電極a〜dと重ならない部分)を黒表示にする。a〜dのセグメントには、各サブフレームに対応してONもしくはOFFが割り当てられる。背景表示セルにおける全面電極eと、表示セルにおける各セグメント電極a〜dが重なり合う表示領域では、どちらか一方のセルがONの場合に液晶表示部として透光状態となる。双方のセルがONもしくはOFFのときには、液晶表示部として遮光状態となる。
それぞれのサブフレームでは、LEDが表示色に対応して発光しており、赤緑青それぞれのON/OFFと発光強度を調整することにより複数の色を発光させることが可能である。図5の表では、図6に示すように、電極aが白(W)、電極bが赤(R)、電極cが黄(Y)、電極dが黒(BK)を表示するように電圧のON/OFFを制御する例を示した。
(実施例2)
図7に、実施例2による液晶表示素子の駆動方法の表を示す。実施例2は、代表的なポジ表示である白背景にカラーのセグメント表示を行う態様である。LEDのON/OFFおよび各電極のON/OFFの定義は実施例1と同様である。
図8に、実際の表示を示す。実施例2では、バックライトが白の発光をしているサブフレームにおいて、全面電極eをONに設定することにより背景を白表示にする。液晶表示部における透光/遮光状態の制御方法は実施例1と同様である。
全面電極eがONの状態であると、電極eとセグメント電極a〜dのいずれかとが重なり合う表示部分において、セグメント表示が電極eの表示の影響でカラーブレーク現象を生じる可能性が考慮される。発明者らは、電極eをONにするサブフレームにおいて、セグメント電極a〜dのうち白表示以外の色の表示をさせたい電極をON状態に設定することで、電極の重なり部分においてバックライトの発光を遮光し、カラーブレークを防ぐ方法を発案した。例えば、電極aは全てのサブフレームにおいて電極eと同じON/OFF状態であるので黒表示(遮光状態)となる。
他の色を表示させたい場合は、その色がバックライトから発光しているサブフレームにおいて、電極eと異なる状態(一方がON状態で他方がOFF状態)になるように駆動電圧の設定を行えばよい。
図7の表では、図8に示すように、電極aが黒(BK)、電極bが赤(R)、電極cが黄(Y)、電極dが白(W)を表示するように電圧のON/OFFを制御する例を示した。実施例1と同様に、図示した色表示以外にも赤緑青のLEDそれぞれのON/OFFと発光強度を調整することにより複数の色を表示させることが可能である。
(実施例3)
図9に、実施例3による液晶表示素子の駆動方法を示す。実施例3は、所望の色の背景にカラーのセグメント表示を行う態様である。LEDのON/OFFおよび各電極のON/OFFの定義は実施例1と同様である。
図10に、実際の表示を示す。図10では、例として背景色が青の表示を示している。背景色に青を表示するために、バックライトが青を発光しているサブフレームにおいて電極eをON状態にする。液晶表示部における透光/遮光状態の制御方法は実施例1と同様である。
カラーブレークを防ぐ対策は実施例2と同様である。
図9の表では、図10に示すように、電極aが白(W)、電極bが赤(R)、電極cが黒(BK)、電極dが青(BL)を表示するように電圧のON/OFFを制御する例を示した。実施例1と同様に、図示した色表示以外にも赤緑青のLEDそれぞれのON/OFFと発光強度を調整することにより複数の色を表示させることが可能である。
上記のように、液晶表示部101は、2つの液晶セルの電極が重なり合った部分において、液晶セル双方の駆動電圧がOFF状態の場合のみならず、双方がON状態の場合であっても、バックライトの光を遮光することが可能である。これによりカラーブレークや表示ずれなどを防止して表示品位が向上したマルチカラー液晶表示素子を提供することができる。
また、表示の明るさはバックライト側で調整できるため、液晶セルに加える電圧は、最も応答速度が速くなる条件(全ON/全OFF)で良く、液晶の応答速度を著しく低下させる中間調表示を行う必要がないこともメリットとして挙げられる。
本発明を適用できる他の表示装置として、投射型の表示装置が挙げられる。図11Aおよび図11Bに、投射型表示装置の例を示す。
図11Aに示した投射型表示装置は、光の進行方向に順に位置関係を記述すると、平行光を出射する光源LS、ポラライザーX1、2層構造パネルSP、ポラライザーX2、スクリーンSCが配置された構造である。ポラライザーX1、X2はクロスニコル配置される。
図11Bに示した投射型表示装置は、光の進行方向に順に位置関係を記述すると、例えば点光源である光源LS、ポラライザーX1、2層構造パネルSP、ポラライザーX2、フレネルレンズFL、スクリーンSCが配置された構造である。
このように、スクリーンSCに表示を投射させる方式をとれば、観察者はスクリーンに投射された基板にほぼ垂直な光の像を見ることになるため、視角による視認性の差異が生じ難くなる。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、2層構造パネルSPに用いる液晶セルはTN液晶セルに限られるものではなく、垂直配向型セルやSTN(スーパーツイストネマチック)型セル、さらには強誘電性液晶セルなどにおいても、互いの液晶セルが共にON状態、OFF状態のそれぞれにおいてバックライトの光を遮光するように液晶セル条件を満足すれば、本発明が適用可能であることは当業者には自明であろう。
図12に、一例として、2層構造パネルに垂直配向型液晶セルを用いた場合における、偏光板の透過軸および液晶セルのラビング方向を示す。4つの座標軸と各構造との対応関係は、左から順に、ポラライザーX1、垂直配向型液晶セルVC1、垂直配向型液晶セルVC2、ポラライザーX2である。図示のように、2つの垂直配向型液晶セルに電圧を印加した際、液晶分子が倒れこむ方向が互いに直交するような関係にラビング処理を施す。
また、この液晶セルにカイラル材をいれ、電圧印加時に液晶分子が倒れ込みながらツイストするような配向にする場合には、それぞれの液晶セルの液晶層に同じカイラルピッチでツイストの方向が逆になるように調整すれば良い。
さらには、表示セルに形成する電極としてセグメント電極の例を挙げたが、複数の画素(ドット)電極が並ぶドットマトリクス表示型の液晶セルでも良い。
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
図1は実施例による液晶表示素子の主要部分である液晶セル構造の断面図である。 図2は、偏光板の透過軸および液晶セルのラビング方向を表す平面図である。 図3は、2つの液晶セルの電極パターン例である。 図4は、実施例によるフィールドシーケンシャル(FS)駆動方法の概念図である。 図5は、実施例1による液晶表示素子の駆動方法の表である。 図6は、実施例1による表示例である。 図7は、実施例2による液晶表示素子の駆動方法の表である。 図8は、実施例2による表示例である。 図9は、実施例3による液晶表示素子の駆動方法の表である。 図10は、実施例3による表示例である。 図11A、図11Bは、実施例を適用した投射型表示装置の例である。 図12は、2層構造パネルに垂直配向型液晶セルを用いた場合における、偏光板の透過軸および液晶セルのラビング方向を表す平面図である。
符号の説明
1a、1b、VC1、VC2液晶セル
2a、2b、X1、X2 ポラライザー(偏光板)
3a1、3a2、3b1、3b2 基板
4a、4b シール材
5a1、5a2、5b1、5b2、a、b、c、d、e 電極
10a、10b ドライバ
20 同期コントローラ
101 液晶表示部
FL フレネルレンズ
LS 光源
SC スクリーン
SP 2層構造パネル

Claims (8)

  1. 所定の文字や図形を表示させる少なくとも1つのセグメント電極を備え、対向する第1の一対の基板と、該第1の一対の基板間に保持された第1の液晶層とを含む第1の液晶セルと、
    有効表示領域のほぼ全域を表示させる全面電極を備え対向する第2の一対の基板と、該第2の一対の基板間に保持された第2の液晶層とを含む第2の液晶セルと、
    前記第1、第2の液晶セルを含む2層構造パネルにおける前記基板の法線方向に関して両側に配置された2枚のクロスポラライザーと、
    複数の色の発光が可能な光源と、
    1フレームを複数のサブフレームに時分割し、各サブフレーム内で任意の数の光源を発光させ、その発光に同期させて前記2層構造パネルの複数の表示領域の透光および遮光の状態を制御する制御回路と
    を有し、
    前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルの液晶は、リターデーションが等しく、かつ、ツイスト方向が逆であり、
    前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルの液晶中央分子の配向方向が互いに90°の角度をなし、
    前記第1の液晶セルの前記第2の液晶セル側の基板の配向処理方向と、前記第2の液晶セルの前記第1の液晶セル側の基板の配向処理方向が直交しており、
    前記第2の液晶セルの全面電極で表示される有効表示領域に対応する前記第1の液晶セルの領域内には、該全面電極よりも小さい複数のセグメント電極が設けられており、
    前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルはともに、サブフレームごとの駆動が可能であり、
    前記制御回路が、前記第1の液晶セルに形成された電極と、前記第2の液晶セルに形成された電極が重なり合って画定する複数の表示領域を、前記サブフレームのいずれか1つのみで透光状態とするか、もしくは全てのサブフレームにおいて遮光状態とするよう制御し、
    前記複数の表示領域の各々を画定する前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルの双方が駆動状態もしくは非駆動状態の場合に、該表示領域の各々が遮光状態となる液晶表示素子。
  2. 前記光源がLEDを有する請求項1記載の液晶表示素子。
  3. 請求項1または2記載の液晶表示素子を含む投射型表示装置であって、
    前記光源が平行光を出射する構造である投射型表示装置。
  4. 請求項1または2記載の液晶表示素子を含む投射型表示装置であって、
    前記光源が放射光を発する点光源であり、
    さらに、前記液晶表示素子を挟んで前記点光源とは反対側にフレネルレンズを有する投射型表示装置。
  5. 所定の文字や図形を表示させる少なくとも1つのセグメント電極を備え、対向する第1の一対の基板と、該第1の一対の基板間に保持された第1の液晶層とを含む第1の液晶セルと、
    有効表示領域のほぼ全域を表示させる全面電極を備え対向する第2の一対の基板と、該第2の一対の基板間に保持された第2の液晶層とを含む第2の液晶セルと、
    前記第1、第2の液晶セルを含む2層構造パネルにおける前記基板の法線方向に関して両側に配置された2枚のクロスポラライザーと、
    複数の色の発光が可能な光源と、
    1フレームを複数のサブフレームに時分割し、各サブフレーム内で任意の数の光源を発光させ、その発光に同期させて前記2層構造パネルの複数の表示領域であって、前記第1の液晶セルに形成された電極と、前記第2の液晶セルに形成された電極が重なり合って画定する複数の表示領域の透光および遮光の状態を制御する制御回路と
    を有し、
    前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルの液晶は、リターデーションが等しく、かつ、ツイスト方向が逆であり、
    前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルの液晶中央分子の配向方向が互いに90°の角度をなし、
    前記第1の液晶セルの前記第2の液晶セル側の基板の配向処理方向と、前記第2の液晶セルの前記第1の液晶セル側の基板の配向処理方向が直交しており、
    前記第2の液晶セルの全面電極で表示される有効表示領域に対応する前記第1の液晶セルの領域内には、該全面電極よりも小さい複数のセグメント電極が設けられており、
    前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルはともに、サブフレームごとの駆動が可能であり、
    前記複数の表示領域の各々を画定する前記第1の液晶セルと前記第2の液晶セルの双方が駆動状態もしくは非駆動状態の場合に、該表示領域の各々が遮光状態となる液晶表示素子の駆動方法であって、
    あるサブフレームで透光状態とされた表示領域は、他のサブフレームでは遮光状態となるよう制御される液晶表示素子の駆動方法。
  6. さらに、
    前記1つのフレームが第1のサブフレームと第2のサブフレームを含み、
    前記光源の発光色が第1の色と第2の色を含み、
    前記第1のフレームにおいて前記第1の色が透過した表示領域とは別の表示領域に、前記第2のフレームにおいて前記第2の色を透過させる請求項5記載の液晶表示素子の駆動方法。
  7. 前記光源が平行光を出射する構造である請求項5または6記載の液晶表示素子の駆動方法を用いた投射型表示装置の駆動方法。
  8. 請求項5または6記載の液晶表示素子の駆動方法を用いた投射型表示装置の駆動方法であって、
    前記光源が放射光を発する点光源であり、前記液晶表示素子を挟んで前記点光源とは反対側にフレネルレンズを有する投射型表示装置の駆動方法。
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