JPH01179019A - カラー表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、カラー表示装置、特に強誘電性液晶を高速ス
イッチング可能な透過波長制御板として使用したフィー
ルド順次カラー表示装置に関するものである。

〈従来技術及びその問題点〉 フィールド順次カラー表示装置は、１９５０年代に米国
Ｃ８３社などにより、カラーテレビ用として提案された
。しかし、当時は色選択装置が機械的な方式のために、
大型化、高速表示の点で、技術的解決に至らず、カラー
テレビ方式の主流に成り得なかった。然しなから近年、
色選択手段として液晶光学スイッチを用いるフィールド
順次カラー表示装置が一部の分野で見直されており、ツ
ィステッド・ネマチック型（以下単にＴＮという）液晶
とカラー化偏光板の組合せを利用したレーダー表示のカ
ラー化（米国特許第４００３０８１号明細書）などが考
えられている。

この方式が見直されている理由としては、単純な白黒表
示、ユニカラー表示から、より情報量の多いマルチカラ
ー化、フルカラー化への期待がもてるからである、カラ
ー表示可能な表示装置としては冷陰極管型（ＣＲＴ）が
代表的なものである。

これは高画質であるが、使われるブラウン管自体が大型
で重いために、例えば、航空機や車載用、持ち運べるポ
ータプルなデイスプレィや、小型の計測器などの表示部
には向いていない、このためには小型軽量で薄型の高密
度表示ができるデイスプレィが必要である。これらを志
向したものとしては、発光型の蛍光表示管、プラズマデ
イスプレィ（ＦＤＰ）、エレクトロクロミックデイスプ
レィ（ＥＣＤ）、エレクトロルミネッセンスデイスプレ
ィ（ＥＬ）、受光型の液晶デイスプレィ（ＬＣＤ）など
がある。

カラー化のためには発光型は赤、青、緑の各色の発光素
子を配置して加色混合する必要があるし、受光型のＬＣ
Ｄではカラーフィルターを形成して加色混合する必要が
ある。ＰＤＰ、ＥＣＤ、ＥＬでは発光素子の光スペクト
ルが限寓されることや、ＬＣＤにおいてはカラーフィル
ターの製造などに問題がある。共通の問題としては、各
発色部や色フィルターを平面上に配置する必要があるの
で同じ面積での表示密度が減少することである。すなわ
ち白黒表示と同じ情報をカラーで表示するためには２〜
３倍のドツト数が必要となることである。

上記の個々のデイスプレィ単独ではカラー化に伴う表示
密度の低下は避けがたいが、発光型のデイスプレィと位
相板としてのＬＣＤを組み合わせると、ドラ・ト数を一
定に維持したまま、発光型デイスプレィの画質を損なわ
ずに白黒表示と同じ密度でカラー化することが出来る。

以下第１図を参考にしながら、この方法の原理的側面に
つき詳述する。適当な発光スペクトルを有する画像表示
光源（１００）（例えば陰極線管（ＣＲＴ）、螢光表示
管等である）から出た光を互いに直交する二色の色偏光
板（１０３）（ｔ。

４）を通過させることで、互いに略直交する波長の異な
る二つの偏光成分（１０１ｉ波長λｕ　）　ト（１０２
ｉ波長λＬ　）に分割出来る。波長λＩｌ　と波長λ工
　は分布がシャープであれば理想的だが、実際は色偏光
板が完全でないのでλＩＩ　＋　　λ工を中心として拡
がっている。

以下、近似的にλ１１　　を赤、λ五　を緑としても一
般性は失われないので、これにしたがって説明する。も
しこの偏光面を何らかの装置（１０Ｂ）により略９０度
回転したり元へ戻すことが自由にできると、もう−枚の
中性偏光板（１０５）を通して、λｒｒ　かλ１　のど
ちらかの成分を通過させられる。すなわち画像表示光源
（１００）の白色光（ユニカラー光）から異なる二色を
分離して取り出すことが出来る。カラー表示の基本的な
構成としては、第１図のように画像表示光源（１００）
と色選択部（１０７）とからなる、赤（λＩＩ　　）の
色で表示したい画像を先ず線順次走査でＣＲＴ等の光源
（１００）上に画（（１フレーム）が、この間、色選択
部（１０７）で赤の色が選択されるようにすれば赤の画
像が見える０次の１フレームも同じ線順次走査で緑（λ
よ　）の色で表示したい画像を画き、この間は緑の色を
選択すると緑の画像が見える。これが基本のサイクルで
あるが、２フレームともＣＲＴ上で画像表示がされてい
る部分は赤と緑の混ざった色に見え、都合３色のカラー
表示が出来る。この操作を繰り返すと（赤、緑、赤、緑
、・・・）、カラーのパターンが表示される。勿論こう
して書かれた状態がチラつかない、特に混色が一色に見
える安定した画像であるためにはフレーム周波数が十分
に高いことが必要である。一般には１２０Ｈｚ以上が使
われる。

色選択部に於ける偏光面を略９０度回転する手段として
液晶の複屈折性を利用することが可能である。もちろん
液晶に限らず、ＰＺＴなどの結晶や薄い磁性流体なども
可能であるが、小型軽量で薄く出来、且つ低電圧で偏光
面の回転ができる液晶が最も好ましい、液晶は構成分子
の幾何学的異方性のために、秩序構造を形成する場合が
あり、第２図に示すように入射光（２００）の伝播に対
する異方性即ち複屈折性が発現する。この秩序としては
電圧の印加されない状態でホモジニアス配向（２０１）
したネマチック構造が使われている。

この時の屈折率をｎＡ　　とする。誘電異方性が正の時
は交流（２０４）を印加するとセル中央部の液晶分子（
２０３）が基板に垂直に立ってくる（ホメオトロピック
配向（２０２））ので屈折率をｎへ変化させることが出
来る。偏向面の回転には屈折率の異方性Δｎ（＝ｎｕ　
　　ｎふ）が関係している。

第３図に示すように、波長λの線傷光（３００）は複屈
折性媒質（３０１）に入ると入射偏光面内の成分（３０
２）とそれと直交する面内の成分（３０３）に別れるが
、この二つの成分に位相差が発生するので媒質を出た光
は、−ａには楕円偏光（３０５）となる、理想的には、
この位相差が入射光の波長の丁度半分になると出射光は
偏光面が９０度回転した線傷光（３０６）となる、即ち
複屈折性媒質が半波長位相板の作用をする。

（尚、この第３図の楕円偏光と線傷光はそれらの進行方
向と垂直な面内での電気ベクトルの軌跡だけを示してい
る。）液晶のΔｎと層の厚みｄの組合せを適当に選ぶと
位相差をλ／２とすることができる。これが、先述した
ように偏光面の９０度回転効果であり、色（波長）の選
択機構として使える理由である。１フレーム毎にホモジ
ニアス配向トホメオトロピック配向のスイッチングを行
うと出てくる光の波長をλｕ　　（例えば赤）とλ工（
同縁）の間で自由に交換出来る。切り換えの周波数を１
２０Ｈｚ程度とすると、スイッチングに許される時間は
約８　ｍ５ｅｃ程度となる。ネマチック型液晶は実効値
応答であるので、ホモジニアス配向（２０１）からホメ
オトロピック配向（２０２）を引き起こす立ち上がりに
は、交流を数ｌＯｍｇｅｃ印加する必要があり、応答が
遅すぎるという欠点がある。また、元のホモジニアスに
戻すのに要する立ち下がり時間は、立ち上がり時間より
長いのが普通である。このためフレーム周波数を上げら
れず高画質のカラー表示は難しかった。

ボラック（Ｐｏｌｌａｃｋ）等は、ＣＲＴとＬＣＤの組
合せを前提として、ＬＣＤ側の応答速度の向上とスイッ
チングの対称性を上げるためにπセル型の液晶スイッチ
ング素子を提案している。（Ｊ。

Ｍ、Ｐｏ１ｌａｃｋ　　ｅｔ　　ａｌ、、Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇ　　ｏｆ　　ｔｈｅ　　ＳＩＤ、Ｖｏｌ　　２
？、ｐ２５７　（１９８７））、このセルに於ける液晶
分子（４００）の配置を第４図に示す、第４図（イ）が
、電圧の印加されない静的な状態である。交流を印加す
ると第４図（ロ）で示したように基板に近い部分が立ち
上がることで屈折率が変化する。中間部分の液晶分子が
捩じれないようにして応答速度の向上を計ったものであ
る。この場合、第２図の構造に比べて液晶の応答速度は
１０倍はど速い、しかし、立ち上がり時間が０　、　２
　ｍ５ｅｃだが、立ち下がり時間が２．５ｍ５ｅｃと長
いので応答の対称性には問題が残っている。配向制御も
難しくセルの製造コストも高い、さらにΔｎに波長依存
性があるのでλＩＩ　とλ↓のスペクトルに分布がある
と、液晶セルがスペクトル全部に対して完全な半波長位
相板にならず、どちらかの成分が漏れてくるので色純度
が低下することがある。

〈発明の目的〉 本発明の目的は、上記した応答速度の遅さを改善でき、
かつ簡単な構成で良好な色コントラストと色純度、広い
視野角で高解像度のフィールド順次カラー表示装置を提
供することである。

〈発明の構成〉 本発明は、光画像を特定波長について二方向にカラー偏
光する手段と、該カラー偏光された光を任意のタイミン
グで透過もしくは吸収する透過波長制御手段が、チルト
角が２２．５度以上４５度以下である強誘電性液晶に二
色性色素を混入させたゲストホスト型液晶セルであるこ
とを特徴とするものである。

すなわち複屈折性による偏光面の回転では無く、色分解
された偏光面は直交したままで、二色性色素の光吸収能
が入射偏光面の該二色性色素分子に対する方向に強く依
存する性質を利用して、透過する成分を色分解された二
つの成分から任意に選択し入れ換え出来るようにしたも
のである。第５図に示すように、二色性色素（５００）
はある特定方向に偏光した光（５０１）を良く吸収しこ
れと略直交した偏光面をもつ光（５０２）を透過する性
質がある。二色性色素も分子形状的には幾何学異方性が
つよく、長袖方向に偏光した光をよく吸収し透過率ｌｌ
ｌ１ｌｕｔ　　が小さくなる。逆に長軸方向と直角方向
に偏光した光はよく透過（透過率Ｉ、ｏｕｔ）する性質
を持つ、直交する透過光の強度の比Ｉ工。ＬＩｉ／　１
　＋＋　Ｏ”８が二色性比であり５〜１２程度である。

今問題としている入射偏光面が直交する二つの場合へ適
用には、二色性色素を略９０度回転すればよい。第６図
に示すように、二色性色素の長軸方向をＡｘに揃えると
ＢＹ力方向偏光した光（６０１）だけが透過し、二色性
色素を略９０度回転すると今度はＡｘ力方向光（６０２
）だけが透過してくる。これは透過する波長の制御板と
して使える。従って二色性色素分子の方向を揃えて且つ
回転出来ることが要求される。この目的の為に、液晶の
ゲストホスト効果を利用する。これはホストの液晶が秩
序構造をとって長袖がある方向を向くと、この中に溶解
したゲストの色素分子も同じ方向を向く性質である。

但し第２図のようなネマチック構造に色素を溶解したゲ
ストホスト型では、光の進行方向と垂直な面内での略９
０度の回転は不可能である。この変化では一方向の偏光
の透過吸収しか制御できない、今の場合には直交した二
方向の透過吸収ができる必要がある。即ち基板に平行（
光の進行方向と垂直）な扇型の両端に液晶分子が変位す
る必要があり、こうした変位をする液晶として強誘電性
液晶のスメクチック構造、特にカイラルスメクタチック
Ｃ（以下単にＳｍＣ”）構造が知られている（ＲｌＢ、
Ｍｅｙｅｒ　　ｅｔ　　ａｌ、、Ｊ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔ
ｔ、（Ｐａｒｉｓ）、、３６．１６９　（１９７５））
、ＳｍＨ”　、Ｓｍｒ”　、ＳｍＦｏはＳｍＣ”より低
温に位置するより高度な秩序相であるが、電気光学的応
答についてＳｍＣ”と大差はなく以下の議論が適用出来
る。この液晶分子の特徴は不整中心（キラリティー）と
分子の長軸方向とほぼ直角に自発分極とを持つことであ
る。

ＳｍＣ”の模式的な構造は、第７図（イ）に示すように
層構造をなしている。液晶分子（７００）の一端は円錐
の頂点（７０１）にあり、他端は頂点を支点として円錐
上を移動できる０円錐の頂角（７０２）の大きさを２０
で表すと、これは液晶で決まる固有のものであり、チル
ト角と呼ばれる。θとしては小さいものでは数度大きい
ものでは４５度に達するものもある。液晶分子の円錐上
の位置は層内（１＋　、ｊ！ｔ、・・・）では一定であ
るが、キラリティーのために層毎に連続的に変化するツ
イスト構造をなす、この構造の最大の特徴は外部から電
場Ｅが印加されるとツイストがほどけて自発分極Ｐ（７
０３）とＥの方向が揃うように分子の再配置が生じるこ
とである。即ち自発分極下（７０３）が全て同じ方向を
向（（液晶分子も同じ）ことが出来てその方向が二つあ
り（第７図（ロ）と第７図（ハ））、それが印加電場Ｅ
の極性で変えられるということである。

この二つの方向をゲスト分子も含めて基板面に射影した
のが第８図である。ＳｍＣ”の液晶分子（８０１）に溶
解した二色性色素（８００）もほぼ同じ変化をする。電
圧を印加することで、吸収能が最大の角度を２倍のチル
ト角２θだけ変化させることが出来る。チルト角θを４
５度とすることができれば先述したように直交した偏光
のどちらでも任意に選択することが出来、理想的な透過
波長選択機能を有する。理論的には２２．５°〈θく４
５＠であればよいが、実際には３５度程度以上であれば
十分である。この液晶のもう一つの特徴はスイッチング
が極めて高速であることと、第８図の（イ）→（ロ）と
（ロ）→（イ）のスイッチングの時間差も無視できるこ
とである。ＳｍＣ１は電場Ｅと自発分極Ｐが直接結合す
るパルス応答であるので波高値１０Ｖｐｐ程度の低電圧
でもｌ　ｍ５ｅｃ以下の応答速度が得られている。構成
的には中性偏光板（１０５）を省略できる利点がある。

〈実施例〉 フレーム周波数１２０Ｈｚでノンインターレース表示の
陰極線管（ＣＲＴ）を画像表示部とし、カラー偏光板と
して５ＣＣ２Ｒ−１２３（赤）と５ＣＣ２Ｇ−１２３（
緑）（いずれも■王立製商品名）を偏光軸が直交するよ
うに貼り合せ、二色性偏光板とした。ゲストホスト液晶
は強誘電性液晶ＺＬＩ３０７９　（■メルク社製）に２
色性色素ＬＣＤ　１２２（■日本化薬製商品名）を重量
比で５％を溶解して得た。セルは透明電極の両側にポリ
イミドをコートし片側だけをラビング処理をしたものを
、ギャップが約５ミクロンになるようにはりあわせた。

これに液晶を１００度でキャピラリー法で導入した後ゆ
っくりと徐冷しモノドメインなＳｍＣ“を形成しゲスト
ホスト型液晶セルを得た。この液晶の室温度でのチルト
角は３９度、応答速度は０．６□Ｓｅｃであった。

二色性偏光板の赤の偏光軸が飽和電圧（＋１０Ｖ）印加
時のセルの二色性色素分子の方向と一致するようにこれ
らを固定し色選択部とした（緑の透過率が一番高い位置
）０画像表示信号部から、赤色画面の表示データーを画
像表示部へ送り赤色用の画をＣＲＴ上に表示（１フレー
ム）、同時に色選択信号（−１０Ｖ）をこの間印加して
色選択部を赤にして、赤色の表示を行う０次に、緑の画
像信号と、色選択信号（＋１０Ｖ）を送り、緑表示を行
った。１／１２０秒ごとに赤、緑、赤、緑と画像を切り
かえる事で赤と緑、および赤・緑の混合した色表示がフ
リッカ−の無い状態で観察できた。チルト角が４５度よ
り僅かに小さいので赤の純度が緑より低下するが実用上
は全く問題はない。

二色性偏光板とセルの光軸を緑に合わせると赤の純度が
改善された。バックのＣＲＴの画質が全く損なわれずカ
ラー表示が出来た。

また、二色性色素のチルト角２θが９０度に較べて小さ
い時（５０”＜２θ＜８０”程度）は、全体の色分離と
色バランスを向上させるのに、二つの色偏光フィルター
の為す角度を９０度ではなく、２θに略一致させるのが
効果があった。

第９図で示すように赤の偏光軸（９０１）とチルト角の
一方（９０４）が略直交し、緑の偏光軸（９０２）と他
方のチルト角（９０３）とを略直交するように色偏光板
（９０５）と二色性色素（９０６）を配置することであ
る。

なお、色偏光板と二色性色素の為す相対的な角度δは、
（９０−２０）に固定する必要はなく、画像表示光源の
帯発光スペクトル、色偏光板の特性に合わせて色分離純
度が良くなるようにした。

チルト角が４５度の強誘電性液晶を使えば画質は更に向
上する。色偏光板と液晶セルの前後の位置は第１図と逆
でもよい、この装置は、画像表示部として分割出来る様
な帯状の発光スペクトルをもつどんなものでもカラー化
出来る。発光型のみならず受光型のＬＣＤでもよいこと
は、容易に類推出来よう。

〈発明の効果〉 上述のように、ゲストホスト型の強誘電性液晶セルをユ
ニカラーの画像表示部と組み合わせると、従来のネマチ
ック型液晶セルと比較して、その高い応答速度と駆動方
式（パルス応答性）の容易さにより、非常に簡単な構成
で、高解像度の良好な色純度と色コントラスト、広い視
野角を有するフィールド順次カラー表示装置が得られる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、フィールド順次カラー表示装置の一例を示す
概念図である。 第２図は、ツィステッドネマチック構造の液晶の　電圧
印加による変化の説明図であり、第２図（イ）はホモジ
ニアス配向、第２図（ロ）はホメオトロピック配向を示
す説明図である。 第３図は直線偏光の複屈折性媒体を通過する時の波形の
変化を示す説明図である。 第４図（イ）（ロ）はπセルの液晶分子の配向状態を示
す説明図である。 第５図（イ）（ロ）は本発明のカラー表示装置における
二色性色素分子の直線偏光に対する透過吸収の違いを示
す説明図である。 第６図は、互いに直交する線傷光が二色性色素分子の回
転により透過吸収される様子を示す説明図である。 第７図はＳｍＣ”のモノドメイン相の構造の説明図であ
り、第７図（イ）は電圧の印加されない自然なツイスト
構造を示し、第７図（ロ）と第７図（ハ）は電圧が印加
された時で、液晶分子の位置の違いは印加電場の極性に
よることを示す説明図である。 第８図（イ）（ロ）は二色性色素分子が第７図（ロ）、
（ハ）に溶解した場合の電場方向への射影図である。 第９図は二色性色素分子と色偏光板との角度関係を示す
説明図である。 （１００）　　・・・・・・画像表示光源（６０１）（
６０２）　　・・・・・・直線偏光（１０３）（１０４
）　　・・・・・・色偏光板　　　　゛（１０５）　　
・・・・・・中性偏光板（１０Ｂ）　　・・・・・・偏
光面回転装置（位相板）（１０７）　　・・・・・・色
選択部 （２００）（３００）　　・・・・・・入射光（２０１
）　　・・・・・・ホモジニアス配向（２０２）　　・
・・・・・ホメオトロピック配向・・・・・・液晶分子 （３０１）　　・・・・・・複屈折性媒質（３０２）（
３０３）　　・・・・・・複屈折性媒質中の電場ベクト
ル （３０５）（３０６）　　・・・・・・出射光の電場ベ
クトル （５００）（８００）　　・・・・・・２色性色素分子
（７０１）　　・・・・・・円錐の頂角（７０３）　　
・・・・・・自発分極 （７０２）（８０２）　　・・・・・・チルト角（７０
４）（７０５）　　・・・・・・電場がある時の液晶分
子の位置 特　　許　　出　　願　　人 凸版印刷株式会社 代表者　鈴木和夫 （ロ） 第２図 （４）　　　第４図　６°） 第６図 第 ３図 （イ〕 （口〕 第５図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）光画像を特定波長について二方向にカラー偏光する
   手段と、該カラー偏光された光を任意のタイミングで透
   過もしくは吸収する透過波長制御手段を具備するカラー
   表示装置であって、前記透過波長制御手段がチルト角が
   ２２．５度以上４５度以下である強誘電性液晶に二色性
   色素を混入させたゲストホスト型液晶セルであることを
   特徴とするカラー表示装置。 ２）強誘電性液晶が、カイラルスメクチックＣ相カイラ
   ルスメクチックＩ相、カイラルスメクチックＨ相、カイ
   ラルスメクチックＦ相のうちのいずれかの相を呈するも
   のである特許請求の範囲第１項記載のカラー表示装置。