JPH07128656A - 螺旋ネマチック液晶ディスプレイ装置 - Google Patents

螺旋ネマチック液晶ディスプレイ装置

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JPH07128656A
JPH07128656A JP5181988A JP18198893A JPH07128656A JP H07128656 A JPH07128656 A JP H07128656A JP 5181988 A JP5181988 A JP 5181988A JP 18198893 A JP18198893 A JP 18198893A JP H07128656 A JPH07128656 A JP H07128656A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 螺旋状ネマチック液晶層の偏光回転特性を利
用する電気的に駆動される表示装置。 【構成】 ２つの偏光子２、５の間に形成された空間中
に封入された螺旋ネマチック液晶層と、コントラスト比
を小さくするように液晶層の残留複屈折を補正する一軸
性の複屈折手段11とを組み合わた表示装置。。 【効果】 コントラスト比の角度分布の均一性は補正要
素がない装置に比較して改良される。コンピュータ用の
ディスプレイ装置、テレビ画像の直接または投射表示装
置で使用される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、パネル上で透過光を直
接変調するか、投射光を間接的に変調してスクリーン上
に画像を表示する電気的に駆動される電気−光学装置に
関するものであり、特に、変調電場が加わっていない場
合には螺旋ネマチック構造を示す液晶が２つの互いに直
角に配置された偏光子の間に配置される液晶表示装置に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】この構造の液晶表示装置では、液晶セル
に印加する電圧を増加させた時に透明度が低下するよう
にすることができるが、視覚化された画像が観察角度条
件によって変わるという欠点がある。すなわち、画像に
均一性が無い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はこの欠
点を解決することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の対象は、
２枚の偏光子によって区画された光学空間内に螺旋ネマ
チック液晶層を配置し、この螺旋ネマチック液晶層に負
の複屈折を有する一軸性補正要素を組み合わた電気駆動
式の表示装置において、負の複屈折を有する一軸性補正
要素の光学軸が螺旋ネマチック液晶層の主要面の法線に
対して傾斜していることを特徴とする装置にある。本発
明の第２の対象は、補正要素を用いることによって、ネ
マチック相の液晶分子の螺旋状配置に駆動電場効果を与
えた時に生じる対称性欠陥の欠点を無くした上記電気駆
動式の表示装置にある。これは投射式の表示装置の場合
に特に好ましく、光学軸が液晶相を区画する面の法線に
対して小さい傾斜を成す補正要素を使用する。本発明の
一実施例では垂直入射した時に表示装置が等方性媒体と
して機能するように光学軸を互いに直交して重ねた２枚
の一軸性補正要素を使用し、一方の光学軸を液晶相の面
に対してわずかに傾斜させ、他方の光学軸をその面に平
行にしている。
【０００５】
【作用】本発明では、従来法の欠点を少なくするため
に、一軸性の複屈折光学媒体で作られた１枚または複数
枚の補正板を液晶装置の互いに交差した２枚の偏光子の
間に配置する。こうすることによって、より開いた観察
角度でより均一なコントラスト比を得ることができる。
以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
【０００６】
【実施例】図１に示す２枚の透明な支持板３、４はネマ
チック液晶を収容する互いに平行な面を有する空間を区
画している。ネマチック液晶と接触する支持板３、４の
表面は界面活性剤で処理され且つ整列法で処理（アライ
ンメント処理）されてネマチック液晶の分子に対して特
定の配向を示すようになる。図で円筒形で示した区域７
は制御電場が加わっていない状態で螺旋状に配向する分
子を示している。支持板３の直ぐ近傍では、分子はＸ軸
およびＹ軸に対して45°傾斜した方向10に配向してい
る。支持板４の直ぐ近傍では、分子は上記の方向10に対
して直交した方向９に配向している。支持板３および４
の内側表面から中間の点では液晶分子がＸ軸（この表示
装置の鉛直方向に対応する）に沿って配列している。支
持板３および４は電源６と接続した透明電極を有し、電
源６から送られ電圧ｕに比例する強度の電場がＺ方向に
加えられる。この駆動電場が加わると、円筒形で示した
区域８のように螺旋状の分子配列が変わる。駆動電場が
加わらない状態では分子配列は対称で、その主要面の１
方から液晶層に入り、その反対側の主要面から出る光線
の直線偏光は90°回転させる。従って、支持板３および
４を偏光子２と検光子５との間にこれらの各要素が上記
の方向10および９を取るように配置すると、光源１から
出た照明光は螺旋状配列７によって最も多く表示装置を
透過する。これは駆動電場がない場合に対応し、「開い
た」状態を特徴付ける。逆に、駆動電場が作用すると、
液晶層の回転力が小さくなり、互いに交差した偏光子２
および５が光を遮断する作用をする。これは「閉じた」
状態に対応する。
【０００７】本発明では、偏光子２と支持板３との間ま
たは支持板４と検光子５との間に補正要素11を加える。
この補正要素11は例えば光学軸がＯＺ軸の方向を向いた
一軸性の複屈折媒体から裁断した平行面を有する薄板に
することができるが、これに限定されるものではない。
図１、図２でこの補正要素11が無い装置は公知で、その
場合の電気光学特性は図３、図４に示してある。この螺
旋ネマチック液晶ディスプレイ装置の代表的な特性を下
記に示す： ＭＥＲＣＫ ＺＬＩ−３３４７型液晶 光路差（ｎe −ｎ0 ）ｄ： 476 nm 螺旋角度 ： 90° 電場の無い時の液晶分子の予備傾斜角度： ２° ＳＡＮＲＩＴＺ ＬＬＣ２ ８２１８Ｓ型の偏光子 「開いた」状態の電圧 ： 1.74Ｖ 「閉じた」状態の電圧 ： 5.40Ｖ 光の波長： 550 nm
【０００８】図３は駆動電圧ｕの関数としての透過率Ｔ
を表し、図４は２つの曲線によって角度特性すなわち光
線の方向Ｒでのコントラスト比ＣＲの変化を表してい
る。図１を参照すると、光線の角度座標はΦとΘである
ことが分かる。座標ΦはＲとＺとを含む平面Πの配向を
示す。座標ΘはＺに対する配向Ｒを示す。曲線Θ＝０
は、水平に角度走査した時のコントラスト比がどのよう
に変化するかを示しており、曲線Φ＝Π／２は鉛直に角
度走査した場合を示している。結果は水平走査では対称
で、鉛直走査では非対称で、右にずれている。この非対
称性および右へのズレは図２の断面図から容易に理解で
きる。すなわち、分子は液晶層の面に対してほぼ平行の
ままであるが、予備傾斜角度によって決まる方向に分子
自体が回転してＯＺ方向に傾く。この条件下では、矢印
14で示すように鉛直に角度走査すると、液晶層の残留複
屈折が大きくなるだけである。これが図４のズレの原因
である。図３と図４の曲線は補正要素11が複屈折による
補正をしないという仮定で描かれている。
【０００９】図５に示した本発明の第１実施例では、補
正要素11が負の複屈折の一軸性媒体の形をしている。す
なわち、この補正要素11の光学軸ＯＡはＸＺ面内にあ
り、液晶層面と75〜90°の範囲の角度（β）を成してい
る。矢印16は分子の予備傾斜方向を示している。図５の
(b) は、光学軸ＯＡに平行な方向への伝播を示す屈折率
楕円の断面17が円形であることを示している。表示装置
の性能は総合コントラスト比ＩＣＲ (Integrated Contr
ast Ratio)で評価することができる。この総合コントラ
スト比ＩＣＲの数学的表現は〔式１〕で表される：
【００１０】
【式１】 (ここで、αは集積円錐の開口の半角であり、Ｔ（Θ、
Φ、Ｕoff ）とＴ（Θ、Φ、Ｕon）は「開いた」状態お
よび「閉じた」状態での透過率である)
【００１１】補正要素11の光路差を−390 nmとし、光学
軸の角度を83°とすると、ＩＣＲの大きさ (20°) は 1
87となる。一方、補正要素11が無い液晶セルではこの値
は77になる。そのような補正要素は、均一に予備傾斜し
たディスコティックな液晶層(une couche de crystal l
iquide discotique)で作ることができる。図18と図19の
参照曲線ＨＲＴＩの曲線はこの実施例に相当する。図19
では、補正要素11が無い液晶セルの角度変化を示す曲線
ＴＮでは現れている曲線ＨＲＴＩのズレが取れているこ
とが分かる。図18は補正要素11が水平方向でコントラス
ト比ＣＲの角度分布を広くしていることを表している。
図５に示した補正法では、光学軸に沿って伝播する光波
に対して等方性特性を示す負の複屈折を有する単一の補
正要素を使用する。
【００１２】図６に示した例では、正の複屈折を有する
２つの補正要素11ａ、11ｂを互いに並べて配置して上記
と同様な結果を得ている。これらの補正要素11ａ、11ｂ
は同じ光路差を導入するが、光学軸ＯＡが互いに直交し
ているので、軸Ｚに対してほとんど傾斜していない伝播
方向では全体として等方性の挙動を示す。補正要素11ａ
の光学軸ＯＡは図面の面に垂直に配向しており、一方、
補正要素11ｂの光学軸は液晶層の面に対して０〜15°の
範囲の角度（β）で傾斜している。補正要素11ｂは液晶
層によって構成することができる。例えば、図６の２枚
の補正要素を用いて補正要素11ｂの光学軸ＯＡが 6.5°
傾斜した光路差 440nmの補正要素を構成することができ
る。この実施例で 182の総合コントラスト比ＩＣＲ（20
°）が得られる。図18と図19の曲線ＤＲＴＩはこの形式
の補正をした場合のコントラスト比ＣＲの角度分布を表
している。
【００１３】光学軸が液晶層の面に垂直または平行な補
正要素を使用することによって単純化することができ
る。こうして単純化した場合には、図５の実施例で図
８、図９の曲線ＨＲで示される角度分布の結果を得るこ
とができる。同じ単純化を図６の場合で行うと、図８、
図９の曲線ＤＲで示される角度分布の結果が得られる。
図６では、屈折率楕円の断面19および20はＸおよびＹに
沿った長軸を有する。
【００１４】図７の実施例と図６の実施例との相違点は
屈折率楕円の断面23および24の長軸が方向９、19を向い
ている点にある。これらの断面21および22は図７の面に
対応する。図７の実施例は図８、図９に曲線ＤＲＯで示
す角度分布の結果を示す。上記の単純化では鉛直方向で
の曲線のズレは取れないが、直接見る表示装置の場合に
はこれは問題にならない。上記実施例では、図５が負の
一軸性複屈折媒体を使用した場合に対応し、図６、図７
が正の一軸性複屈折媒を使用した場合に対応する。
【００１５】図10は反射鏡 100を備えた光源１と組み合
わされた螺旋ネマチック液晶表示装置25を有する映写装
置を示している。スクリーンへの投影は対物レンズ26で
行われるが、補正しない表示装置の場合に鉛直方向に観
察されるコントラスト最大ズレを考慮して、光学軸27に
対して螺旋ネマチック液晶表示装置25を傾斜させて、光
学軸方向の照度を最適化する必要があることが分かる。
あるいは、対物レンズの光学軸に対して螺旋ネマチック
液晶表示装置25をズラしても同じ結果を得ることができ
る。しかし、何れの場合も、螺旋ネマチック液晶表示装
置25が映像光学的観点からは正確に位置決めされていな
いため、これらの方法では映写対物レンズを最大限に使
用することはできない。この問題に対して既に提案され
た解決方法は、液晶層の面の法線に対して、あるいは、
液晶層の面に対してわずかに傾斜した光学軸を有する一
軸性の複屈折媒体を使用する方法である。この解決方法
は実施するのが困難である。
【００１６】図11、図12に示す方法はより容易に実施で
きる。これらの実施例では単一または二枚の補正要素11
を液晶層に対して平行に配置しないで傾斜βさせ、それ
によって、入射面および出射面に平行または垂直な光学
軸を有する補正要素を用いることによって、鉛直方向の
コントラスト比の曲線のズレを最終的に取り除くことが
できる。図11では、螺旋ネマチック液晶層は平行な面を
有する２つの透明な支持板３、４の間に封入された厚さ
の均一な層であり、偏光子２は支持板３から一定距離の
所に保持されており、偏光子２と支持板３との間には、
入射面および出射面に対して傾斜βした平行面を有する
複屈折補正要素11を斜めに配置する。この補正要素11で
はその外周に２つの空気プリズムを形成し、光が多段の
空気−ガラス屈折系を通るため、内部反射によってロス
し、伝播される大量の光が減少し、画質が変わる。この
欠点を解消するために、図12では支持板３を角度βのプ
リズム29に代え、偏光子２と補正要素11との間にその全
空間を占める他のプリズム28を設ける。
【００１７】図11の実施例では、例えば光路差が−450n
m で角度βが10°であるを入射面および射出面に対して
垂直な光学軸を有する単一の補正要素を用いることがで
き、総合コントラスト比ＩＣＲ (20°) ＝205 が得られ
る。この場合に対応する角度分布曲線は図14、図15にＩ
ＨＲ−ｆで示してある。同じ参照番号を付けた図16と図
17の曲線は、波長λに対する「開いた」および「閉じ
た」状態での透過率Ｔの依存性を表している。
【００１８】図11の実施例に図６に示す形式の二重の補
正要素を用い、光路差を 475 nm とし、角度βを10°に
すると、総合コントラスト比ＩＣＲ (20°) は 190にな
る。この場合は、図14〜図17で曲線ＩＤＲ−ｆで示して
ある。図12の実施例に図５に示す形式の単一の補正要素
を用い、光路差を−380 nmとし、角度βを７°にすると
総合コントラスト比ＩＣＲ (20°) は 187になる。この
場合は、図14〜図17で曲線ＩＨＲ−ｗで示される。図12
の実施例で図６に示す形式の二重の補正要素を用い、光
路差を 500 nm とし、角度βを６°にすると、総合コン
トラスト比ＩＣＲ (20°) は 173になる。この場合は、
図14〜図17で曲線ＩＤＲ−ｗで示してある。
【００１９】図13は、図12の表示装置を備えた映写装置
の概略図である。この装置の対物レンズ26による拡大画
像形成条件は理想的であり、コントラスト比の角度分布
は水平および鉛直方向で光学軸に対して対称である。既
に説明したように、一軸性の複屈折補正要素を螺旋ネマ
チック液晶層に組込むことによって、いずれの場合でも
コントラスト比に優れた水平角度分布にすることができ
る。補正要素を構成する複屈折媒体の光学軸を液晶層の
面に対して適当に傾斜させることによって、鉛直角度分
布のズレも取り除くことができる。入射面および射出面
に垂直な光学軸を有する単一の補正要素の場合には、直
角入射して補正要素を通過する際の直線偏光は保持され
るのが分かる。２枚の補正要素を重ねて使用した実施例
の場合も同様に、第１の補正要素によって生じる光路差
は他方の補正要素によって取り消される。
【００２０】ネマチック液晶装置に対する本発明の改良
は光学的なものである。この改良はコンピュータのディ
スプレーとして使用されるパッシブまたはアクティブマ
トリックスディスプレイ装置に特に適用できる。本発明
の改良を映写装置やビデオカメラまたは顕微鏡カメラの
ファインダーで使用することもできる。上記の説明は単
なる例示に過ぎず、本発明の範囲内で種々の実施例にす
ることができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の表示装置の等尺図。
【図２】 図１の装置の断面図。
【図３】 図１の液晶セルの機能を説明するための図。
【図４】 補正要素が無い場合の図１の液晶セルの角度
応答性を示す図。
【図５】 本発明の第１実施例の断面図 (a)と正面図
(b)。
【図６】 本発明の第２実施例の断面図 (a)と正面図
(b)。
【図７】 本発明の第３実施例の断面図 (a)と正面図
(b)。
【図８】 コントラスト比の角度依存性が改良されるこ
とを示す図。
【図９】 コントラスト比の角度依存性が改良されるこ
とを示す別の図。
【図10】 公知の投射ディスプレイ装置の概略図。
【図11】 本発明の別の実施例の断面図。
【図12】 本発明のさらに別の実施例の断面図。
【図13】 本発明の映写ディスプレイ装置の概略図。
【図14】 コントラスト比の角度依存性が改良されるこ
とを示す図。
【図15】 コントラスト比の角度依存性が改良されるこ
とを示す別の図。
【図16】 開状態および閉状態での透過率の波長依存性
を示す図。
【図17】 開状態および閉状態での透過率の波長依存性
を示す別の図。
【図18】 液晶層の面またはその法線に対して僅かに傾
斜した光学軸を有する補正要素を用いた場合のコントラ
スト比の角度依存性を示す図。
【図19】 液晶層の面またはその法線に対して僅かに傾
斜した光学軸を有する補正要素を用いた場合のコントラ
スト比の角度依存性を示す別の図。
【符号の説明】
１ 照明光源 11、11ａ、11ｂ 補正要
素 ２ 偏光子 25 表示装置 ３、４ 支持板 26 対物レンズ ５ 検光子 27 光軸 ６ 電源

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２枚の偏光子によって区画された光学空
    間内に螺旋ネマチック液晶層を配置し、この螺旋ネマチ
    ック液晶層に負の複屈折を有する一軸性補正要素を組み
    合わた電気駆動式の表示装置において、 負の複屈折を有する一軸性補正要素(11, 11a, 11b)の光
    学軸(OA)が螺旋ネマチック液晶層の主要面の法線(Z) に
    対して傾斜していることを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 偏光子(2, 5)が互いに交差しており、駆
    動電圧が加わっていない状態での螺旋ネマチック液晶層
    の分子の向き(7) が螺旋ネマチック液晶層の主要面の法
    線(Z) 方向に透過する照明光の直線偏光を90°回転させ
    るように調節されている請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 補正要素が平行面を有する複屈折板(11)
    で構成され、この複屈折板を構成する媒体の光学軸が上
    記の光学軸(OA)である請求項１または２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 補正要素が互いに直交した光学軸(OA)を
    有する平行な面(11a,11b)を有する２つの一軸性の複屈
    折板で構成される請求項１または２に記載の装置。
  5. 【請求項５】 複屈折板の緩性軸が偏光子(2, 5)によっ
    て決定される偏光方向の複屈折の二等分線に沿った方向
    を向いている請求項４に記載の装置。
  6. 【請求項６】 複屈折板の緩性軸が偏光子(2, 5)によっ
    て選択される偏光方向に沿った方向を向いている請求項
    ４に記載の装置。
  7. 【請求項７】 上記の平行な面が主要面に平行である請
    求項３または４に記載の装置。
  8. 【請求項８】 上記の平行な面を主要面に対して配向す
    ることによって傾斜が生じる請求項３または４に記載の
    装置。
  9. 【請求項９】 螺旋ネマチック液晶層、補正要素（11、
    11ａ、11ｂ）および偏光子(2, 5)の積層をクサビ状の屈
    折率挿入部材(28, 29)を用いて行う請求項８に記載の装
    置。
  10. 【請求項１０】 投影用対物レンズを備えたスクリーン
    上に画像を映写する映写装置において、 請求項１〜９のいずれか一項に記載の表示装置(2, 28、
    11、29、4, 5) を有し且つこの表示装置の液晶層が投影
    用対物レンズ(26)の光学軸(27)に対して直角且つ同心の
    主要面を有することを特徴とする映写装置。
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