JPH1195206A - 偏光変換素子、液晶カラーシャッタ、カラー画像表示装置、および液晶セルの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速動作を安定して行うことができる偏光変
換素子を提供する。 【解決手段】 対向配置された第１の電極５３と第２の
電極５４と、第１の電極５３と第２の電極５４との間に
挟持され、第１の電極５３近傍の第１の層５５ａと、第
２の電極５４近傍の第２の層５５ｂと、第１の層５５ａ
と第２の層５５ｂとの間に第３の層５５ｃとを有する液
晶層５５と、第１の層、第２の層および第３の層により
前記液晶層５５を透過する偏光の偏光状態が実質的に保
持されるように第１の電極５３または第２の電極５４に
第１の信号を供給する第１の供給手段と、第１の層５５
ａと第２の層５５ｂとにより偏光が複屈折され、かつ第
３の層５５ｃにより前記偏光の偏光状態が実質的に保持
されるように第１の電極５３または第２の電極５４に第
２の信号を供給する第２の供給手段とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液晶層の電気−光学
応答を制御することにより液晶層を透過する偏光の偏光
状態を変調する偏光変換素子に関する。また本発明は偏
光子と検光子との間に偏光変換素子を挟持することによ
り透過光を波長を着色する液晶カラーシャッタに関す
る。また本発明は階調表示を行う表示装置と液晶カラー
シャッタを組み合わせたカラー画像表示装置に関する。
また本発明は、ネマチック液晶を電極付き基板間に挟持
した液晶セルの駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置は、薄型、軽量、低消費電
力などの特徴を有するために、ＯＡ機器、情報端末、時
計、テレビジョン受像機等様々な分野に応用されてい
る。特に、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）などの非線形ス
イッチング素子を用いた液晶表示装置は、その応答性か
らコンピューター、各種携帯型情報端末など情報量の多
い画像の表示モニターとして用いられている。情報量の
増加に伴い表示色の増加が必要とされることから、一般
的にはＲＧＢの３色を透過するカラーフィルターをグレ
イスケールの表示画面上に配設することにより、多色表
示を行っている。この、カラーフィルターは、ＲＧＢの
３色を表示画面を構成する絵素毎に分割して配置するた
めＲＧＢ（赤、緑、青）、ＲＧＢＢ（赤、緑、青、
黒）、ＲＧＢＷ（赤、緑、青、白）などの数絵素で一画
素を構成することになり、解像度や、輝度の低下を生じ
る原因となっている。また、微細な画素毎に異なる色を
配置するために高度な技術が必要とされ、製造単価が高
くなり液晶表示装置全体の生産性を低下させる大きな要
因の一つになっている。

【０００３】一方、白色光源の発光による画像の信号に
合わせて時間分割した色表示を行ない、人間の目にカラ
ー画像として認識させる面順次走査型カラーシャッター
表示方式による多色情報表示装置も知られている。この
表示方式は白黒表示（グレイスケール）の高精細ＣＲＴ
やＬＣＤの表示画面の前面にＲＢＧやＹＣＭなどの３原
色の光の透過制御を行なうカラーシャッタを設け、面順
次走査によりカラー画像を時分割合成するものである。
この表示方式では、画像の解像度はカラーシャッタの背
面に設けられた白黒表示装置に依存することになる。こ
の方法では、３原色の透過〜非透過を制御するカラーシ
ャッターとして液晶層を変調層として用いた偏光変換素
子が用いられている。カラーシャッタは、一般的には、
カラー偏光素子数枚と２枚の偏光変換素子およびニュー
トラルな偏光素子を組み合わせて、用いており、液晶層
内を通過する光の直線偏光の振動方向を約９０°変化さ
せることにより３原色の光透過制御を行なっている。

【０００４】また、複屈折効果による透過波長の選択を
行なう方式も提案されている（特開平６−８９０８３、
カシオ計算機株式会社）。これは２枚の偏光素子間に１
枚の偏光変換素子を介挿し、液晶層を挟持する電極に印
加する印加電圧により透過波長の選択を行なうカラーシ
ャッターである。複屈折効果による透過波長の選択方式
は、一般的にはＥＣＢ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃ
ｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ：電
圧制御型複屈折モード）と呼ばれている。このモードを
用いることにより、カラー偏光板等の部材が不要となる
ことからカラーシャッターを安価に構成することができ
る。しかしながら、このモードでは電圧を印加している
状態において、つまり液晶分子が電圧によりある角度を
持って立ち上がった状態で透過波長の選択を行なうた
め、駆動電圧のマージンが狭いという問題がある。また
駆動温度にたいする偏光変換特性への影響が大きく動作
が不安定で、これを制御するためにフィードバック回路
やセンサーを設けなければならないという問題もある。

【０００５】偏光変換素子は高速応答が求められること
から、ネマチック液晶の中でもＰｉ配列構造という比較
的高速応答を示すモードを用いることが一般的である。
このモードは外部から印加される力、例えば電圧が印加
された場合には、この電圧に対して数百μｓｅｃと高速
応答を行うことができる。しかしながら、電圧を切った
ときの応答は、液晶分子配向と液晶分子配列状態により
決定されるエネルギー安定状態から一義的に決定される
ため、約１ｍｓｅｃ〜約数ｍｓｅｃと遅い応答となる。

【０００６】より高速な応答を実現するための方式とし
て、例えばＦＬＣ（強誘電液晶）やＡＦＬＣ（反強誘電
液晶）による光シャッターを用いることも提案されては
いる。しかしながらＦＬＣやＡＦＬＣはヒステリシスを
有すること、わずかな衝撃によっても配向安定性を失っ
てしまうこと、さらに温度依存性、製造プロセス等の観
点から未だ大型表示装置に対応できるような大型の偏光
変換素子、カラーシャッタを構成するには問題が山積し
ているのが現状である。

【０００７】このように従来、ＦＬＣやＡＦＬＣなどの
高速応答型の液晶を用いることなく駆動電圧のＯＮ／Ｏ
ＦＦに対応して数百μｓｅｃオーダーの応答速度を示す
液晶セルをネマチック系液晶で構成することは困難であ
った。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような問
題点を解決するためになされたものである。すなわち本
発明は、液晶層の複屈折効果を安定に制御することによ
り高速動作する液晶セルを提供することを目的とする。
またネマチック液晶を用いた液晶セルにより、高速で安
定動作する偏光変換素子を提供することを目的とする。

【０００９】また本発明は、高速で安定動作する液晶カ
ラーシャッタを提供することを目的とし、さらにこのよ
うな液晶カラーシャッタとグレースケール表示の表示装
置とにより表示品質の優れたカラー画像表示装置を提供
することを目的とする。

【００１０】また、従来の複屈折効果を用いたモードで
は困難だった駆動条件の簡略化、安定化を図ることがで
きる液晶セルの駆動方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、本発明は以下のような構成を採用している。請
求項１に記載の本発明の偏光変換素子は、対向配置され
た第１の電極と第２の電極と、前記第１の電極と前記第
２の電極との間に挟持され、前記第１の電極近傍の第１
の層と、前記第２の電極近傍の第２の層と、前記第１の
層と前記第２の層との間に第３の層とを有する液晶層
と、前記第１の層、前記第２の層および前記第３の層に
より前記液晶層を透過する偏光の偏光状態が実質的に保
持されるように前記第１の電極または前記第２の電極に
第１の信号を供給する第１の供給手段と、前記第１の層
と前記第２の層とにより前記偏光が複屈折され、かつ前
記第３の層により前記偏光の偏光状態が実質的に保持さ
れるように前記第１の電極または前記第２の電極に第２
の信号を供給する第２の供給手段とを具備したことを特
徴とする。また、第１の電極と第２の電極との間に挟持
され、前記第１の電極近傍の第１の層と、前記第２の電
極近傍の第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との
間の第３の層とを有する液晶層と、前記液晶層の前記第
１の層、前記第２の層および前記第３の層により前記液
晶層を透過する偏光の偏光方向が実質的に保持されるよ
うに前記第１の電極または前記第２の電極に第１の信号
を供給する第１の供給手段と、前記液晶層の前記第１の
層および前記第２の層により前記偏光の偏光方向が変調
されるように、かつ、前記第３の層により前記偏光の前
記偏光方向が実質的に保持されるように前記第１の電極
または前記第２の電極に第２の信号を供給する第２の供
給手段とを具備するようにしてもよい。

【００１２】前記第１の電極および前記第２の電極の前
記液晶層を挟持する面には、前記液晶層を構成する液晶
分子がベンド配向、スプレイ配向するように例えば配向
膜のような配向制御手段を配設するようにすればよい。
また第１の電極上に配設する配向膜と第２の電極上に配
設する配向膜のラビング方向の交差角θは、例えば０°
≦θ≦２０°程度の範囲に設定することが好ましく、ま
た平行配向にすることがさらに好ましい。

【００１３】第１の電極と第２の電極とは透光性基板の
液晶を挟持する側の全面に配設するようにしてもよい
し、所定のパターンに分割して配設するようにしてもよ
い。例えば第１の電極をマトリクスアレイ状に配設し、
薄膜トランジスタ、ＭＩＭなどの非線形スイッチング素
子を介して第１の信号および第２の信号を供給するよう
構成するようにしてもよい。このような構成は例えばア
クティブマトリクス型液晶表示装置と等価であり、本発
明の偏光変換素子を用いて高速かつ安定動作する液晶表
示装置を構成することができる。

【００１４】また、液晶層をホメオトロピック配列させ
る第１の電位を前記第１の電極または前記第２の電極に
供給する第１の供給手段と、前記液晶層の前記第１の電
極および第２の電極近傍の領域が前記液晶層を透過する
偏光に複屈折を与えるようにかつ前記第３の領域がホメ
オトロピック配列するような前記第１の電位よりも小さ
な第２の電位を前記第１の電極または第２の電極に供給
する第２の供給手段とを具備するようにしてもよい。こ
こで第２の電位は、透過光に所望の複屈折を与えるよう
に定められるが、第３の領域は常にホメオトロピック配
列を維持するよう設定される。したがって液晶層がスプ
レイ配列、ベンド配列の場合には第２の信号電圧は０Ｖ
ではない。

【００１５】一方、各液晶カラーシャッタを構成する液
晶層の厚みが全ての偏光変換素子あるいは一部の偏光変
換素子間で同一でも差し支えない、この場合には、それ
ぞれの偏光変換素子ごとに飽和電圧以上の選択電圧Ｖh
とこれに対応した保持電圧Ｖo ペアにより透過波長を７
００ｎｍ〜４５０ｎｍまで任意に変化させることが可能
であるため、必要な透過波長に対応した駆動信号Ｖh ・
Ｖo ぺアをそれぞれの液晶素子に印加ることで安定な透
過波長が選択できる。

【００１６】請求項２に記載の本発明の液晶カラーシャ
ッタは、第１の透過軸を有する偏光子と、前記第１の透
過軸と交差する第２の透過軸と有する検光子と、前記偏
光子と前記検光子との間に配設され、対向配置された第
１の電極と第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の
電極との間に挟持され、前記第１の電極近傍の第１の層
と、前記第２の電極近傍の第２の層と、前記第１の層と
前記第２の層との間に第３の層とを有する液晶層とを具
備した偏光変換素子とを具備し、前記偏光変換素子は、
前記液晶層により前記偏光子を透過した偏光の偏光状態
が実質的に保持されるように前記第１の電極または前記
第２の電極に第１の信号を供給する第１の供給手段と、
前記液晶層の前記第１の層および前記第２の層では前記
偏光が複屈折され、かつ前記第３の層では前記偏光の偏
光状態が実質的に保持されるように前記第１の電極また
は前記第２の電極に第２の信号を供給する第２の供給手
段とを具備した偏光変換素子とを具備したことを特徴と
する。

【００１７】前記偏光変換素子は、前記第１の信号が印
加されたときに、前記偏光子を透過した偏光の位相が実
質的に１８０°シフトするように前記偏光子と前記検光
子との間に複数積層するようにすればよい。また、前記
液晶層の屈折率異方性をΔｎ、前記液晶層の前記第１の
層と前記第２の層の厚さをｔ、前記偏光子と前記検光子
との間に配設される前記偏光変換素子の数をｍ、前記偏
光子を透過した偏光の波長をλとしたとき、 ２ｔ×Δｎ×ｍ≧λ／２ となるようにすることが好適である。例えば液晶層を構
成する液晶分子がベンド配列したＰｉセル型の偏光変換
素子では、波長λの光の位相を１８０°シフトさせるの
に必要な偏光変換素子の積層枚数をｍ、液晶材料の屈折
率異方性をΔｎとしたとき、波長λとリタデーションＲ
（＝２ｔ×Δｎ×ｍ）とがＲ≧λ／２なる関係を満たす
ようにすればよい。なお、発明者らの考察によれば、液
晶層のうち第１の電極および第２の電極上に配設される
配向膜に動作が拘束される第１の層と第２の層の厚さは
約０．３〜０．３５μｍ程度であることから、０．３≦
ｔ≦０．３５に設定することが好ましい。

【００１８】請求項５に記載の本発明のカラー画像表示
装置は、色情報に応じた階調を有する画像を表示画面に
表示する手段と、前記表示画面上に配設され、第１の透
過軸を有する偏光子と、前記第１の透過軸と交差する第
２の透過軸と有する検光子と、前記偏光子と前記検光子
との間に配設され、対向配置された第１の電極と第２の
電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に挟持
され、前記第１の電極近傍の第１の層と、前記第２の電
極近傍の第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との
間に第３の層とを有する液晶層とを具備した偏光変換素
子とを具備し、前記偏光変換素子は、前記液晶層により
前記偏光子を透過した偏光の偏光状態が実質的に保持さ
れるように前記第１の電極または前記第２の電極に第１
の信号を供給する第１の供給手段と、前記液晶層の前記
第１の層および前記第２の層では前記偏光が複屈折さ
れ、かつ前記第３の層では前記偏光の偏光状態が実質的
に保持されるように前記第１の電極または前記第２の電
極に第２の信号を供給する第２の供給手段とを具備した
ことを特徴とする。

【００１９】例えばＣＲＴ、ＥＬディスプレイ等の階調
表示が可能な表示装置の表示画面上に本発明の液晶カラ
ーシャッタを重ね、表示画面の色情報と同期して液晶カ
ラーシャッタの透過波長を制御することによりカラー画
像を表示することができる。また例えばＣＲＴを複数マ
トリクス状に配列して大画面を構成した薄型の表示装置
が提案されているが、本発明はこのような表示装置と組
み合わせてカラー表示することもできる。本発明の液晶
カラーシャッタは安定かつ高速動作するから、カラー画
像表示装置を安定動作させることができ、さらに表示品
質も向上することができる。

【００２０】請求項６に記載の本発明の液晶セルの駆動
方法は、第１の電極と第２の電極とに挟持され、前記第
１の電極近傍の第１の層と、前記第２の電極近傍の第２
の層と、前記第１の層と前記第２の層との間の第３の層
とを有する液晶層により、この液晶層を透過する偏光の
偏光状態が実質的に保持されるように前記第１の電極ま
たは前記第２の電極に第１の信号を供給する工程と、前
記第１の層と前記第２の層とにより前記偏光が複屈折さ
れ、かつ前記第３の層により前記偏光の偏光状態が実質
的に保持されるように前記第１の電極または前記第２の
電極に第２の信号を供給する工程とを具備したことを特
徴とする。

【００２１】前記第１の信号を供給してから前記第２の
信号を供給するまでの間に前記第２の信号よりも電圧振
幅の小さな第３の信号を供給する工程をさらに有するよ
うにしてもよい。これにより第１の信号により液晶層全
体がホメオトロピック配向した状態から、第２の信号に
応じて配向膜にアンカリングされた領域を含む第１の層
と第２の層とが透過偏光に複屈折を与えるような配向状
態へのスイッチングが加速される。

【００２２】例えばＰｉセル型偏光変換素子を、ホメオ
トロピック配列を取るに十分な飽和電位Ｖh （第１の信
号）と、所定波長の光の位相を１８０°シフトさせるた
めの複屈折を与えるオフセット電位Ｖ₀ （第２の信号）
により駆動する場合、飽和電位Ｖh からオフセット電位
Ｖ₀ にスイッチングする際に、オフセット電位Ｖ₀ より
低い過渡電位Ｖt （第３の電位）を液晶層に印加するこ
とにより、より大きな電圧振幅により液晶分子が駆動さ
れて応答速度が向上する。またこのとき過渡電位Ｖt を
印加するパルス幅は約２００μｓｅｃから約４００μｓ
ｅｃ程度に設定することが好ましい。さらに、この間に
光スイッチングする波長により決定される電位を持つ一
つ以上のパルスの組み合わせにより制御するようにして
もよい。

【００２３】また本発明においては、複数の偏光変換素
子の液晶層の厚みが全て同じ場合であっても、前記駆動
信号 Ｖh とＶ₀ の組み合わせにより所定の透過波長を
選択的に液晶層へ書き込むことができる。

【００２４】すなわち本発明の偏光変換素子、液晶カラ
ーシャッタ、カラー画像表示装置は配向膜に動作が拘束
されるアンカリング領域を含む配向膜近傍の（第１の層
および第２の層）のみを用いて光学応答を得るものであ
る。一方バルク層である第３の層は常にホメオトロピッ
ク配列するようにバイアス電圧を印加している。第１の
層および第２の層の液晶分子は配向膜に拘束されている
から、例えば液晶層全体がホメオトロピック配列した状
態から、第１の層および第２の層が透過光に対して複屈
折を与えるような状態へ高速に遷移する。このような高
速応答領域である第１の層および第２の層の厚さｔは配
向膜と液晶層との界面から約０．３〜０．３５μｍ程度
の範囲にあると考えられる。そしてこの第１の層と第２
の層との厚さは液晶層のセルギャップに依存しない。

【００２５】このような偏光変換素子を動作させるため
には、波長λの光の位相を１８０°シフトさせるのに必
要なリタデーションＲが半波長値λ／２以上であればよ
い。したがって、２ｔ×Δｎ×ｍ≧λ／２となるよう
に、液晶材料の屈折率異方性Δｎと偏光変換素子の積層
枚数ｍを定めるようにすればよいことがわかる。Δｎが
約０．５１以上のような液晶材料を用いて液晶層を構成
すれば、１枚の偏光変換素子のみにより十分なリタデー
ションを得ることができる。Δｎが約０．５１より小さ
な液晶材料を用いる場合には、上述のような偏光変換素
子を複数枚積層することにより必要なリタデーションを
確保するようにすればよい。前述のように本発明の偏光
変換素子では、光学応答に実質的に寄与する液晶分子の
配列層の厚さ２ｔは液晶層全体の厚さに依存していない
ので、１枚のセルの厚さをいくら厚くしたとしても光学
応答に寄与しないバルク層が増加するだけである。この
バルク層は配向膜に殆ど拘束されていないから、第１の
信号を印加した状態から第２の信号を印加したときの応
答速度は従来と同等の領域である。本発明はこのような
バルク層を光学応答に用いず、もっぱら第１の層と第２
の層とにより光学応答を得るような液晶層の駆動手段を
備えることにより、極めて高速で、かつ安定動作する偏
光変換素子を実現している。

【００２６】偏光変換素子の駆動は液晶層を挟持する第
１の電極と第２の電極とにより形成される電界により液
晶層の光学応答を制御することにより行われる。第１の
信号として例えば液晶層の飽和電位Ｖh を印加すると、
液晶層を構成する液晶分子はすべてホメオトロピック配
列し、リダテーションはゼロとなる。このため偏光子を
透過した光は検光子を透過することはできない。第１の
信号を印加した状態から第２の信号として例えばオフセ
ット電位Ｖ_o に切り替えると同時に、液晶層の第１の層
と第２の層はオフセット電位Ｖ_o に応じた複屈折を与え
るように再配列する。したがって偏光子を透過した直線
偏光は楕円偏光に変化し（リダテーションによる位相シ
フト）、一部の光が検光子を透過する。例えば入射光が
白色光の場合には、検光子を透過する光は干渉現象によ
りオフセット電位Ｖ_o に応じて着色することになる。

【００２７】このとき、スイッチング波長λが大きくな
るほど位相シフトに必要な高速応答リダテーション値が
大きくなるため応答時間が遅くなる傾向がある。これに
対し飽和電圧以上の飽和電位Ｖh の後に過渡電位Ｖt を
印加し、このあとオフセット電位Ｖ_o を印加することに
より安定に液晶層の複屈折制御を行なう本発明において
は、スイッチング波長λに応じて過渡電位Ｖｔのパルス
電位を最適化することができる。このため、スイッチン
グ波長λが大きくなった場合でも応答時間の変化が比較
的少なく、従来の一般的な信号波形を用いた場合と比較
しても約４０％程度高速化することができる。

【００２８】このように、従来の駆動信号では飽和電位
Ｖh からオフセット電位Ｖ_o に信号電位を直接低下させ
てから光スイッチングを行なうのに対して、本発明の駆
動方法では、飽和電位Ｖh からオフセット電位Ｖo より
更に低い液晶分子の再配列加速のための過渡電位Ｖt を
一旦印加した後、所定波長λの光の位相を１８０°シフ
トさせるためのオフセット電位Ｖ_o を印加することによ
り、高速で安定した偏光変換を行うことができる。また
このような構成を採用することにより従来のＰｉ型偏光
変換素子では不可能だった約３００μｓｅｃ以下での高
速な応答、特に液晶層に印加する電圧を低くした場合に
起る応答回復時間τdecay の高速化を行うことができ
る。

【００２９】このような偏光変換素子は、ガラスなどの
透明基板上にＩＴＯなどの透明導電性膜からなる電極を
形成し、電極上に液晶分子の配向を制御するための配向
層を形成し、これらの基板間にネマチック液晶を挟持す
ることにより構成することができる。偏光変換素子を複
数積層する場合には、３枚の基板の間隙に２層の液晶層
を挟持するようにしてもよい。また液晶カラーシャッタ
を構成するには本発明の偏光変換素子を透過軸が交差す
るように配設した偏光子と検光子との間に挟持するよう
にすればよい。

【００３０】偏光変換素子の液晶層を構成する液晶分子
は、液晶層を挟持する第１の電極と第２の電極上に配設
された配向膜に施された配向処理により、基板面上にお
いて一定方向に並ぶように処理されており、上下基板の
ラビング方向がほぼ同一になるように設定されている。
この配列は一般的に平行配向処理と呼ばれる配列で、液
晶層がスプレイ配列状態やベンド配列状態を形成するＰ
ｉセルと呼ばれるモードである。液晶分子を配向状態を
拘束する配向層としては、例えばポリミイドなどの高分
子膜をラビングして用いるようにすればよい。もちろん
酸化シリコン（ＳｉＯx ）などの無機材料により形成す
るようにしてもよい。本発明の偏光変換素子では、配向
膜近傍の液晶分子配列の安定性が大きいほど、つまりア
ンカリング強度が大きいほど第１の信号から第２の信号
あるいは第３の信号へスイッチングしたときの液晶分子
の再配列（戻り）が高速になることから、アンカリング
強度を示す外挿長が大きい材料を用いて配向膜を構成す
ることが好適である。また複数の偏光変換素子を積層し
て用いる場合にも、すべての偏光変換素子のの液晶分子
の配向方向が互いにほぼ等しいか約１８０°異なる方向
になるように組み合わせることが好ましい。

【００３１】また、偏光変換素子内に挟持された液晶材
料には、液晶層に印加される信号が切り換えられる際の
配列再編成時にの再編成過程が無秩序にならないよう
に、例えば自発的捻じれを有するカイラル材を混合して
おくようにしてもよい。ただしこの場合、カイラル剤の
混合により決定される捻じれ角度が９０°以下になるよ
う混合比を決めることが好適である。あるいは、液晶材
料に自発的捻じれを生じさせない場合には、液晶分子の
配向を制御する過程、例えば配向膜のラビング処理時に
液晶層を挟持する第１の電極と２枚の基板の液晶層挟持
面に配設されたのラビング方向の交差角度θが０°≦θ
≦２０°をほぼ満たすようにラビング処理することが好
ましい。

【００３２】本発明の液晶カラーシャッタ、カラー画像
表示装置等において偏光変換素子と組み合わされる２枚
以上の偏光素子（偏光子、検光子）は、その吸収軸が互
いに揃う状態（パラレルニコル状態）か、その吸収軸が
ほぼ９０°の角度で交差する状態（クロスニコル状態）
で使用される。このとき偏光変換素子はこの吸収軸また
は透過容易軸からほぼ４５°の角度をなす方位に液晶層
を構成する液晶分子配列の平均的光学軸（進相軸、遅相
軸）が揃うように配設することが好ましい。さらに、複
数の偏光変換素子を積層して用いる場合には、全ての偏
光変換素子の平均的光学軸（進相軸、遅相軸）が偏光素
子の吸収軸または透過容易軸からほぼ４５°の角度をな
す方位に揃えることが好ましい。

【００３３】本発明の偏光変換素子（液晶セル）を駆動
する信号波形は、基本的には電位的に高い状態である飽
和電位Ｖh （第１の信号）と、これよりも電位的に低い
状態であるオフセット電圧Ｖ_o （第２の信号）とにより
構成される。ここで、オフセット電圧Ｖ_o は０Ｖ以上の
電位をバイアス電圧として与えることが必要である。こ
のようなバイアス電圧を印加することにより、本発明の
偏光変換素子では液晶層のバルク層（第３の層）を、常
にホメオトロピック配列状態を維持することができる。
したがって、高速応答する第１の層と第２の層のみによ
り光学応答を得ることができる。また、飽和電位Ｖh
は、用いる液晶材料および配向処理により異なるけれど
も、電気光学応答の飽和値以上の値に設定することが好
ましい。このような駆動電圧を第１の電極と第２の電極
とにより液晶層に印加することにより、配向膜に拘束さ
れた第１の層と第２の層を構成する液晶分子も第３の層
を構成する液晶分子もすべて実質的に光学応答に寄与し
ないようにホメオトロピック配列させることができる。
また、オフセット電圧電位が０Ｖの場合でも一時的に安
定な状態を示す偏光変換素子の構成を採用することも可
能であるが、基本的には飽和電位Ｖh とオフセット電位
Ｖo のペアにより駆動するようにすることが安定動作の
観点からは好ましい。

【００３４】偏光変換素子の液晶層の厚みは一般的には
用いる液晶材料の屈折率異方性Δｎとセル厚ｄにより決
定されるリタデーションＲに影響を与えるが、本発明の
偏光変換素子では光学応答に影響を与える液晶分子配列
が液晶配向膜の近傍層である第１の層と第２の層のみで
あることから、従来の偏光変換手段、液晶セルのような
Δｎｄの概念は不要となる。ただし、光学応答に寄与す
る液晶層の厚みが少ないほど高速な応答が実現されるこ
とから、リタデーションの変化を稼ぐために大きな屈折
率異方性を有するネマチック液晶材料を用いることが好
ましい。また前述のようにそのような液晶材料を用いて
構成される偏光変換素子のリタデーションが以下の式を
満たすことが重要である。 ２ｔ×Δｎ×ｍ≧λ／２ （但し０．３≦ｔ≦０．３
５） すなわち、２ｔ×Δｎ×ｍは液晶材料の複屈折率Δｎと
積層枚数ｍと高速応答定数２ｔにより決定される高速応
答リタデーション値であって、λは位相を１８０°シフ
トする光の波長である。特にΔｎが０、２６７以上の材
料を用いることが本発明の偏光変換素子の構成上好まし
い。したがって、複数の偏光変換素子を積層して用いる
場合にも、それぞれの偏光変換素子により選択される透
過波長毎に液晶層の厚みを変更して最適化する必要はな
く、プロセス起因のみによるセルギャップの決定を行う
ことができ生産性が向上する。この場合、偏光変換素子
の駆動波形は飽和電圧以上の飽和電位Ｖh とオフセット
電位Ｖo により容易に決定することができる。

【００３５】このように本発明の偏光変換素子は、液晶
層を挟持する電極上に配設された配向膜に拘束された第
１の層および第２の層により選択的に光学応答が得られ
るように、第１の電極と第２の電極との間に電界を形成
する駆動手段を備えている。このような構成を採用する
ことにより応答速度が高速でしかも安定動作する偏光変
換素子、液晶カラーシャッタ、カラー画像表示装置を実
現することができる。またネマチック液晶を用いること
ができるから、配向安定性が高く、温度依存性が小さ
く、大型表示装置にも適用できるような大型の偏光変換
素子を提供することができる。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下に本発明についてさらに詳細
に説明する。

【００３７】（実施形態１）図１、図２は本発明の偏光
変換素子の構成を模式的に示す図である。この偏光変換
素子は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）
などの透明導電性膜からなる第１の電極５３を配設した
第１の基板５１と、透明導電性膜からなる第２の電極５
４とを配設した第２の基板５２との間に液晶層５５を挟
持したものである。液晶層５５はネマティック液晶を用
いており、第１の電極５３と第２の電極５４の液晶層挟
持面にはポリイミドなどをラビングなどにより平行配向
処理した第１の配向膜５６、第２の配向膜５７が配設さ
れている。

【００３８】また、液晶層５５は、第１の配向膜５６近
傍の第１の層５５ａと、第２の配向膜１７近傍の第１の
層５５ｂと、第１の層５５ａと第２の層５５ｂとの間の
第３の層５５ｃとを有している。第１の層５５ａと第２
の層５５ｂの液晶分子は第１の配向膜５６、第２の配向
膜５７によりその配向状態が第３の層５５ｃに比べてよ
り強く拘束されている。このような高速応答領域である
第１の層５５ａおよび第２の層５５ｂの厚さｔは配向膜
５６、５７と液晶層５５との界面から約０．３〜０．３
５μｍ程度の範囲になるように設定している。この第１
の層５５ａと第２の層５５ｂとの厚さは液晶層５５全体
の厚さには依存しない。

【００３９】ここで図１は第１の電極５３と第２の電極
５４とに第１の信号が供給され、液晶層５５全体がほぼ
ホメオトロピック配列するような電界が形成されている
様子を示している。また、図２は第１の電極５３と第２
の電極５４とに第２の信号が供給され、第３の層５５ｃ
はホメオトロピック配列しているが、第１の層５５ａと
第２の層５５ｂとは透過光に対して複屈折を与えるよう
な傾斜配列をなすような電界が形成されている様子を示
している。第２の信号の大きさは第１の信号よりは小さ
いが、第３の層５５ｃをホメオトロピック配列に維持す
るだけの大きさは有している。また第２の信号の電位に
応じて、例えば直線偏光から楕円偏光への変換のような
偏光変換の程度が定まる。このような第１の信号、第２
の信号は、図示しない例えば液晶表示装置の対向電極駆
動回路のような駆動回路により供給するようにすればよ
い。

【００４０】このような構成を採用することにより、本
発明の偏光変換素子は配向膜５６、５７に動作が拘束さ
れるアンカリング領域を含む配向膜近傍の第１の層５５
ａおよび第２の層５５ｂのみを用いて光学応答を得るこ
とができる。バルク層である第３の層５５ｃにはホメオ
トロピック配列するようにバイアス電圧が印加されてい
るから、第３の層５５ｃのリタデーションはゼロであ
り、偏光変換には寄与しない。

【００４１】第１の層５５ａおよび第２の層５５ｂの液
晶分子は配向膜５６、５７に拘束されているから、例え
ば液晶層５５全体がホメオトロピック配列した状態か
ら、第１の層５５ａおよび第２の層１５ｂが透過光に対
して複屈折を与えるような状態へ高速に遷移させること
ができる。 （実施形態２）実施形態１に例示したような本発明の偏
光変換素子を動作させるためには、波長λの光の位相を
１８０°シフトさせるのに必要なリタデーションＲが半
波長値λ／２以上であればよい。したがって、２ｔ×Δ
ｎ×ｍ≧λ／２となるように、液晶材料の屈折率異方性
Δｎと偏光変換素子の積層枚数ｍを定めるようにすれば
よい。図３は本発明の偏光変換素子を２層積層した構成
を模式的に示す図である。液晶層５５を２層用いること
により本発明の偏光変換素子の光変調層である第１の層
５５ａと第２の層５５ｂとの厚さΣ（ｔ）を２倍にする
ことができ、１枚の偏光変換素子のみにより十分なリタ
デーションを得ることができない場合でも、入射光の位
相シフトに必要なリタデーションを確保することができ
る。

【００４２】前述のように本発明の偏光変換素子では、
光学応答に実質的に寄与する液晶分子の配列層の厚さは
液晶層全体の厚さに依存していないので、１枚のセルの
厚さをいくら厚くしたとしても光学応答に寄与しないバ
ルク層が増加するだけである。この第３の層５５ｃは配
向膜５６、５７に殆ど拘束されていないから、第１の信
号を印加した状態から第２の信号を印加したときの応答
速度は従来と同等である。本発明はこのようなバルク層
を光学応答に用いず、もっぱら第１の層５５ａと第２の
層５５ｂとにより光学応答を得るような駆動手段を備え
ることにより、極めて高速でかつ安定動作する偏光変換
素子を実現することができる。

【００４３】（実施形態３）以下に、上述したような本
発明の偏光変換素子およびその駆動波形のさらに具体的
な例を説明する。

【００４４】本発明の偏光変換素子の製造方法の例につ
いて説明する。まず図１、図２に示すように対向する第
１の電極５３を配設した第１の基板５１と、第２の電極
５４を配設した第２の基板５２との液晶層５５と接する
面に配向膜５６、５７をそれぞれ形成する。

【００４５】次に、配向膜５６、５７の表面を対向配置
した、互いに配向方向が同じ方向となるような方向にラ
ビング処理を行なう。

【００４６】第１の基板５１と第２の基板５２一定の間
隔を保って対向配置するために、基板間にスペーサー５
８を静電散布法などにより適量配設し、このスペーサー
を介して第１の基板と第２の基板とを貼り合わせ、基板
間に液晶組成物を充填して偏光変換素子を形成する。充
填された液晶組成物は配向膜５６、５７の配向処理方向
およびプレチルト角度によりスプレイ配列状態やベンド
配列状態を取らせることができる（図４参照）。

【００４７】つぎにこのような本発明の偏光変換素子を
用いた液晶カラーシャッタについて説明する。

【００４８】上述のようにして作成した偏光変換素子
８、９を例えば２枚の偏光板１１、１２の間に図５のよ
うな配置で挟持する。このとき２枚の偏光変換素子８、
９の光学軸が等しくなるように配置する。このとき、偏
光板１１、１２の吸収軸または透過容易軸が偏光変換素
子８、９の光学軸と４５°の角度をなして交差するよう
に配設することが重要である。

【００４９】偏光変換素子８、９の駆動はそれぞれの偏
光変換素子に配した電極から液晶層に印加される。

【００５０】図６は従来のＰｉ型の偏光変換素子に用い
られる一般的な駆動信号波形の例を概略的に示す図であ
る。

【００５１】飽和電位Ｖh ではリダテーションがゼロと
なるため、液晶層に入射した光は透過しない。この飽和
電位Ｖh がオフセット電位Ｖo に切り替わると同時に所
定波長λの光が高速応答リダテーションによる位相シフ
トの結果透過する。このとき、従来の偏光変換素子では
スイッチング波長λが大きくなるほど位相シフトに必要
な高速応答リダテーション値が大きくなるために、応答
時間が遅くなるという問題がある。図７は従来の偏光変
換素子における波長と応答時間との関係を示すグラフで
ある。

【００５２】図８は本発明の偏光変換素子の駆動信号波
形の例を概略的に示す図である。飽和電圧以上の飽和電
位Ｖh とこの直後に印加される加速用の過渡電位Ｖt お
よびオフセット電位Ｖo の信号セットにより安定に液晶
層の複屈折の電圧制御を行なうものである。本発明の駆
動では、スイッチング波長λ毎に過渡電位Ｖt のパルス
電位を最適化するため、スイッチング波長λが大きくな
った場合でも応答時間の変化が比較的少なくすることが
できる。

【００５３】図９は本発明の偏光変換素子の波長と応答
時間との関係を示すグラフである。このように従来の信
号波形を用いた駆動と比較すると、電気信号に対する光
学応答の速度を約４０％程度も高速化することができ
る。

【００５４】図６、図８の波形の比較からも判るよう
に、従来の駆動波形では飽和電位Ｖhからオフセット電
位Ｖo に信号電位を低下させてスイッチングを行なうの
に対して、本発明では、飽和電位Ｖh からオフセット電
位Ｖo よりさらに更に低い加速用の過渡電位Ｖt を一旦
印加し。この後に所定波長λの光の位相を１８０°シフ
トさせるためのオフセット電位Ｖo を印加している。こ
のような構成を採用することによりさらに高速で安定し
たスイッチングを行うことができる。

【００５５】このように、本発明の偏光変換素子によれ
ば、飽和電位Ｖh からオフセット電位Ｖo ｎｏペアから
なる駆動信号とともに、加速用の過渡電位Ｖt を印加し
て第１の信号に対応した光学応答から第２の信号に対応
した光学応答に遷移するまでの応答時間を短縮すること
ができる。例えば、従来のＰｉ型偏光変換素子では不可
能だった約３００μｓｅｃ以下での高速応答、特に液晶
層に印加する電圧を低くした場合の応答回復時間τdeca
y の高速化を図ることができる。

【００５６】（実施形態４）図１０は本発明の偏光変換
素子の構成を模式的に示す図である。図に示すように透
明電極１４、１５が付与された対向基板である透明基板
１６、１７の対向配置される面にポリイミドを厚さ７０
ｎｍに成膜し１８０℃にて１時間焼成を行ない配向膜１
８、１９を形成した。次に、配向膜１８、１９表面を回
転ラビング装置を用いて一定方向に配向処理を施した。
ここで、それぞれの基板の配向処理方向は、対向配置さ
れる基板の液晶と接する面のラビング方向が同一方向ま
たは同一方向から最大１０°異なる方位に設定されるよ
うな方向２０、２１にラビング処理を施した。そして、
それぞれの基板の配向膜面が向き合うように基板を密着
して液晶セルを形成した。この時、液晶層の厚みを一定
に制御するために基板面に球状のスペーサ（ミクロパー
ル、５μｍ径、積水ファインケミカル（株）製）を均一
に散布し、周辺に施した密着層内にも同様のスペーサー
を混合してセルギャップの均一化をはかった。同様にし
て２枚目の偏光変換素子をもう１枚形成した。ここで
は、２枚目の偏光変換素子の液晶層の厚みも５μｍに設
定した。

【００５７】次に、それぞれの偏光変換素子の基板間隙
に液晶材料（ＢＬ００６、ＭＥＲＣＫ社製）を常法にて
注入して、偏光変換素子２２、２３とした。

【００５８】そして、偏光方向が互いに９０°の角度を
なすようにして配置した偏光板２４、２５の間に液晶素
子２２、２３をそれぞれの素子のラビング方向が０°ま
たは１８０°の角度をなすようにして重ね、更に偏光板
の吸収軸と４５°の角度をなすように配置し液晶カラー
シャッタを形成した。

【００５９】この液晶カラーシャッタを前述のような加
速用の過渡電位Ｖt パルスを印加して駆動したところ安
定した高速動作を行うことができた。

【００６０】比較例（１）として、図１１は本発明の偏
光変換素子の構成を模式的に示す図である。図に示すよ
うな透明電極２６、２７が付与された対向基板である透
明基板２８、２９の対向配置される面にポリイミドを厚
さ７０ｎｍに成膜し１８０℃にて１時間焼成を行ない配
向膜３０、３１を形成した。

【００６１】次に、配向膜３０、３１表面を回転ラビン
グ装置を用いて一定方向に配向処理を施した。ここで、
それぞれの基板の配向処理方向は、対向配置される基板
の液晶と接する面のラビング方向が同一方向に設定され
るような方向３２、３３にラビング処理を施した。そし
て、それぞれの基板の配向膜面が向き合うように基板を
密着して液晶セルを形成した。この時、液晶層の厚みを
一定に制御するために基板面に球状のスペーサー（ミク
ロパール、５μｍ径、積水ファインケミカル（株）製）
を均一に散布し、周辺に施した密着層内にも同様のスペ
ーサーを混合してギャップの均一化を図った。

【００６２】次に基板間隙に液晶材料（ＢＬ−０３５；
ＭＥＲＣＫ社製）を常法にて注入して偏光変換素子３４
とした。

【００６３】この偏光変換素子３４を、偏光方向が互い
に９０°の角度をなすようにして配置した偏光板３５、
３６の間に、配向膜のラビング方向と、偏光板の吸収軸
とが４５°の角度をなすようにして配置し、液晶カラー
シャッタを作成した。ただし駆動には一般的なＰｉ型偏
光変換素子を駆動する場合に用いるオフセットのない単
純駆動を用いた。

【００６４】前述の本発明の駆動方法と比較すると、飽
和電位Ｖh と過渡電位Ｖt との電圧振幅の絶対値の差よ
りも、飽和電位Ｖh とオフセット電位Ｖo との電圧振幅
の絶対値の差のほうが小さいため、応答に遅れが見られ
た。特に選択波長が大きくなった場合の回復時間の遅れ
が大きかった。

【００６５】さらに比較例（２）として、上述同様のプ
ロセスにより本発明の偏光変換素子を構成した。ただ
し、駆動部には加速用の過渡電位Ｖt パルスを印加する
手段は付与していない。

【００６６】このようにして作製した液晶カラーシャッ
タに図１２のような駆動信号を印加した。図１２は、本
発明の液晶カラーシャッタの駆動信号波形の例を示す図
である。この時の応答波形を図１３に示す。実施形態１
の素子にはオフセット駆動波形に加速用過渡電位パルス
を付与した波形１０１を印加した。この場合応答波形１
０２に示す。波長６２０ｎｍの光源を用いた場合、τri
se＝４０μｓｅｃ、τdecay ＝２１９μｓｅｃの高速応
答が確認された。比較例（１）の液晶カラーシャッタに
は、一般的なＰｉ型偏光変換素子と同様の駆動波形１０
３を印加した。この場合の応答波形を１０４に示す。τ
riseの差は殆どないがτdecay に関する応答速度に関し
ては１．３ｍｓｅｃにおいても飽和が得られず高速シャ
ッターとしての使用が不可能であった。

【００６７】最後に、比較例（２）の素子は実施形態１
と全く同様の構造を有しているが、オフセット駆動波形
に過渡電位Ｖt を付与しない信号波形１０５を印加した
場合の駆動である。この場合の応答波形を１０６に示
す。τrise＝４０μｓｅｃ、τdecay ＝３６０μｓｅｃ
と比較例１の素子よりはかなり高速ではあるがτdecay
の立ち上がりにまだ遅れがみられ１０１よりも４０％ほ
ど遅くなっている。

【００６８】このようにに、本発明の偏光変換素子は従
来の素子形態を大きく変更することなく、飽和電位Ｖh
、オフセット電位Ｖo 、および応答回復時間τdecay
を加速するための過渡電位Ｖt により液晶層の電気信号
に対する光学応答を高速化することができる。

【００６９】（実施形態５）次に、上述したような本発
明の液晶カラーシャッタおよびその駆動波形についてさ
らに説明する。

【００７０】先ず図１４に示すように対向する基板１、
２の液晶と接する面に配向膜３、４をそれぞれ形成す
る。次に配向膜３、４上を基板の液晶と接する面どうし
が向かい合うようにして貼り合わせた時、互いに同じ配
向方向になるような方向５、６にラビンク処理を行う。

【００７１】この基板を一定間隔を保つて対向配置する
ために、基板間にスペーサーボール７を適量付与して張
り合わせ、該基板間に間隙を形成する。間隙に充填され
た液晶分子は基板表面の配向処理方向およびプレチルト
角度によりスプレイ状態８やベンド状態９に配列する。

【００７２】このようにして形成した偏光変換素子１
０、１１を例えば２枚、図１５は本発明の液晶カラーシ
ャッタの構成を模式的に示す図である。図に示すような
配置にそれぞれの偏光変換素子の光学軸が等しくなるよ
うに配設する。

【００７３】これら偏光変換素子を挟み込む位置に偏光
板１２、１３を配設し液晶カラーシャッタを構成する。
このとき、偏光板の吸収軸１４、１５または透過が偏光
変換素子の光学軸４５゜の角度をなす位置に配設するこ
とが重要である。

【００７４】液晶カラーシャッタの駆動はそれぞれの偏
光変換素子に配設した電極から印加される信号により行
われる。図１６は従来の液晶カラーシャッタの駆動信号
波形の例を示す図である。従来の液晶カラーシャッタで
は、電圧が印加された状態での透過波長制御であるた
め、所望の波長に対応した信号電圧１６、１７、１８が
印加され続ける。これら、信号電圧１６、１７、１８が
例えばＲ、Ｇ、Ｂの光透過を制御する信号波形および電
圧になる。

【００７５】これに対して本発明の液晶カラーシャッタ
の駆動信号波形の例を図１７に示す。飽和電圧以上の飽
和電位Ｈｎ（第１の信号）と、この直後に印加される保
持電圧Ｌｎ（第２の信号）の信号の組により安定に液晶
層の複屈折の制御を行う本方式では、Ｈｎ１・Ｌｎ１、
Ｈｎ２・Ｌｎ２、Ｈｎ３・Ｌｎ３なる信号セットおよび
保持時間ｔ１、ｔ２、ｔ３なる駆動波形により、たとえ
ばＲ，Ｇ，Ｂの光透過を制御する信号波形および電圧と
なる。

【００７６】図１６、図１７の比較から判るように従来
では信号電圧を印加し続けながら透過波長を選択するの
に対して、本発明の駆動波形では飽和電位より遥かに低
い保持電圧（ゼロではない）により透過波長を選択する
ためノイズなどの影響が少ない安定した色表示を行うこ
とができる。

【００７７】本発明によると、飽和電位Ｈｎと保持電圧
Ｌｎペアからなる駆動信号により駆動される偏光板間に
配置された液晶素子により、カラー偏光板・カラーフィ
ルターあるいは高濃度の二色性色素を混合したゲストホ
スト液晶を用いることなく、色再現性および色純度の高
いカラー表示を行うことができる。

【００７８】（実施形態６）図１８に示すような透明電
極１０３、１０４が付与された対向基板である透明基板
１０１、１０２の対向配置される面にポリイミドを厚さ
７０ｎｍに成膜し１８０℃にて１時間焼成を行い液晶層
挟持面に配向膜１０５、１０６を形成した。次に、配向
膜１０５、１０６表面を回転ラビング装置を用いて一定
方向に配向処理を施した。ここで、それぞれの基板の配
向処理方向は、対向配置される基板の液晶と接する面の
ラビング方向が同一方向または同一方向から最大１０°
異なる方位に設定されるような方向１０７、１０８にラ
ビング処理を施した。ついで、それぞれの基板の配向膜
面が向き合うように基板を接着して液晶セルを形成し
た。この時、液晶層の厚みを一定に制御するために基板
面に球状のスペーサー（ミクロパール、５μｍ径：積水
ファインケミカル（株）製）を均一に散布し、周辺に施
した接着層内にも同様のスペーサーを混合ギャップの均
一化を図った。同様にして２枚目の偏光変換素子をもう
１枚形成した。ただし、２枚目のセルの液晶層の厚みも
５μｍ径に設定した。次に、それぞれの偏光変換素子に
液晶材料（ＢＬ−００６：ＭＥＲＣＫ社製）を常法にて
注入して液晶素子１０９、１１０とした。そして、偏光
方向が互いに９０°の角度をなすようにして配置した偏
光板の間に、配向膜のラビング方向が０゜または１８０
゜の角度をなすようにして本発明の偏光変換素子を重
ね、さらに偏光板の吸収軸と４５゜の角度をなすように
配置して液晶カラーシャッタを形成した。

【００７９】このように作製した液晶カラーシャッタを
以下に説明するように駆動した。図１９は本発明の液晶
カラーシャッタの駆動信号２０１と透過波長２０２の関
係を示す図である。なお駆動信号２０１は第１の駆動信
号２０１ａと第２の駆動信号２０１ｂとからなってい
る。第１の駆動信号では、液晶層をすべてホメオトロピ
ック配列になり、リタデーションの寄与は実質的にな
い。したがって偏光の位相はシフトしない。第２の駆動
信号２０１ｂでは液晶層の第１の層と第２の層とにより
透過光は複屈折を受けてリタデーションが変化する。し
たがって例えば直線偏光は楕円偏光に変化し、検光子を
透過する成分が生じる。

【００８０】このような駆動波形により、τrise＝２５
０μｓｅｃ、τdecay=３００μｓｅｃの高速応答が確認
された。

【００８１】比較例（３）として、図２０（ａ）に示す
ような透明電極２３、２４が付与された対向基板である
透明基板２１、２２の対向配置される面にポリイミドを
厚さ７０ｎｍに成膜し、約１８０℃にて１時間焼成を行
い配向膜２５、２６を形成した。

【００８２】次に配向膜２５、２６表面を回転ラビング
装置を用いて一定方向に配向処理をを施した。ここで、
それぞれの基板の配向処理方向は、対向配置される基板
の液晶と接する面のラビング方向が同一方向に設定され
るような方向２７，２８にラビンク処理を施した。

【００８３】その後、それぞれの基板の配向漠面が向き
合うように基板を接着して液晶セルを形成した。この
時、液晶層厚みを一定に制御するために基板面球状のス
ペーサー（ミクロパール、５μｍ径、積水フアインケミ
カル（株）製）を均一に散布し、周辺に施した接着層内
にも同様のスペーサーを混合してギャップの均一化を図
った。

【００８４】次に、液晶セルに液晶材料（ＢＬ−０３
５：ＭＥＲＣＫ社製）を常法にて注入して偏光変換素子
２９とした。

【００８５】この偏光変換素子を偏光方向が互いに９０
゜の角度をなすようにして配置した偏光板の間に液晶素
子の吸収軸が４５°の角度をなすように配置し、液晶カ
ラーシャッタを形成した（図２０（ｂ））。

【００８６】このようにして作製した液晶カラーシャッ
タに図３１に示すような一般的な駆動信号２０３を印加
したところリタデーションのミスマッチにより光透過に
オーバーシュートが見られる応答波形２０４が得られ
た。特に、応答速度に関しては１．３ｍｓｅｃにおいて
も飽和が得られず高速シャッターとしての使用が不可能
であった。

【００８７】このように、本発明の液晶カラーシャッタ
は従来からの素子形態を大きく変更することなく、書き
込み信号電圧Ｈｎと保持信号電圧Ｌｎぺアにより高速応
答領域のリタデーション変化による偏光変換を高速に行
うことができる。

【００８８】また本発明によると、選択電圧Ｈｎと保持
電圧Ｌｎペアからなる駆動信号により駆動される偏光素
子間に配置された液晶素子により、カラー偏光素子・カ
ラーフィルタあるいは高濃度の二色性色素を混合したゲ
ストホスト液晶を用いることなく、色再現性および色純
度の高いカラー表示が可能となる。

【００８９】（実施形態７）上述同様の液晶カラーシャ
ッタに図２１のような駆動信号３０１、３０２を印加し
た場合の透過波長を図２２に示す。セル組み立て条件が
等しい偏光変換素子において駆動信号波形により異なる
透過波長１０１１、１０１２が選択され、さらに２枚の
組み合わせにより合成された選択波長１０１３が表示さ
れる。これらの選択条件組み合わせによりカラー表示が
可能となる。

【００９０】比較例（５）として、図２３に示すような
透明電極２３、２４が付与された対向基板である透明基
板２１、２２の対向配置される面にポリイミドを厚さ７
０ｎｍに成膜し１８０°にて１時間焼成を行い配向膜２
５、２６を形成した。

【００９１】次に配向膜２５、２６表面を回転ラビング
装置を用いて一定力拘に配向処理委を施した。ここで、
それぞれの基板の配向処理方向は配向処理される基板の
液晶と接する面のラビング方向が同一方向に設定される
様な２７、２８にラビンク処理を施した。それぞれの基
板の配向漠面が向き合うように基板を接着して液晶セル
を形成した。この時、液晶層厚みを一定に制御するため
に基板面球状のスペーサー（ミクロパール、２．５μｍ
径、積水フアインケミカル）を均一に散布し、周辺に施
した接着層内にも同様のスペーサーを混合してギャップ
の均一化をはかった。

【００９２】次に、液晶セルに液晶材料（ＢＬ−：ＭＥ
ＲＣＫ社製）を常法にて注入して偏光変換素子２９とし
た。

【００９３】この偏光変換素子を偏光方向が互いに９０
゜の角度をなすようにして配置した偏光板の間に液晶素
子の吸収軸が４５°の角度をなすように配置し液晶カラ
ーシャッタを形成した（図２３（ｂ））。このようにし
て作製した液晶カラーシャッタに図２４に示すような一
般的な駆動信号４０３を印加したところ、信号印加時と
信号無印加時との液晶分子配列の変形過程において不規
則なディスクリネーシヨンが発生し動作安定が得られな
かった（図２５）。また、透過波長を選択する電位は、
素子に印加される信号電圧により決定されるがこの駆動
信号電圧が素子の駆動飽和電圧より遥かに低い電位であ
るため信号波形に対する透過率の応答状に見られる通
り、応答速度が遅く液晶分子配列の変形に伴う透過波長
依存が顕在化し均一なカラー表示が安定に行えなかっ
た。

【００９４】（実施形態８）図２６（ａ）に示すような
透明電極３３、３４が付与された対向基板である透明基
阪３１、３２の対向配置される面にポリイミドを厚さ７
０μｍに成膜し１８０°にて１時間焼成を行い配向膜３
５、３６を形成した。次に、配向膜３５、３６表面を回
転ラビンク装置を用いて一定方向に配向処理を施した。
ここで、それぞれの基板の配向処理方向は、対向配置さ
れる基板の液晶と接するラビング方向が同一方向または
同一方向から最大２０゜異なる方位に設定される様な方
向３７、３８にラビング処理を施した。それぞれの基板
の配向膜面が向き合うように基板を接着して液晶セルを
形成した。この時、液晶層の厚みを一定に制御するため
に基板面に球状のスペーサー（ミクロパール、２．５μ
ｍ径、積水フアインケミカル（株）製）を均一に散布
し、周辺に施した接着層内にも同様のスペーサーを混合
してギャップの均一化をはかった。同ようにして２枚目
の液晶セルをもうーヒット形成した。ただし、２枚目の
セルの液晶厚みは１．５μｍ径に設定した。

【００９５】次にそれぞれの液晶セルに液晶材料（ＢＬ
−０３５：ＭＥＲＣＫ社製）を常法にて注入して偏光変
換素子３９、４０とした。

【００９６】偏光方向が互いに９０゜の角度をなすよう
にして配置した偏光板の間に偏光変換素子子３９、４０
をそれぞれの素子のラビング方向が０゜または１８０゜
の角度をなすようにして重ね、更に偏光素子の吸収軸４
５゜の角度をなすように配置し液晶カラーシャッタを形
成した。

【００９７】このようにして作製した液晶表示素子に図
２７のような駆動信号５０４、５０５を印加した場合の
透過波長を図２８に示す。セル組み立て条件が異なる素
子においても最適化された駆動信号波形とセルギャップ
による複屈折により異なる透過波長４１、４２が安定に
選択され、さらに２枚の組み合わせにより合成された選
択波長が表示される。したがって、これらの選択条件組
み合わせにより安定かつ高速のカラー表示を行うことが
できる。

【００９８】比較例（６）として、図２９に示すような
透明電極５３、５４が付与された対向基板である透明基
阪５１、５２の対向配置される面にポリイミドを厚さ７
０μｍに成膜し１８０℃にて１時間焼成を行い配向膜５
５、５６を形成した。

【００９９】次に配向膜５５、５６表面を回転ラビング
装置を用いてー定方向に配向処理を施した。ここで、そ
れぞれの基板の配向処理方向は、対向配置される基板の
液晶と接する面のラビング方向が同一方向に設定される
様な方向５７、５８にラビング処理を施した。それぞれ
の基板の基板の配向膜面が向き合うように基板を接着し
て液晶セルを形成した。この時、液晶層の厚みを一定に
制御するために基板面に球状のスペーサー（ミクロパー
ル、５μｍ径：積水フアインケミカル（株）製）を均一
に散布し、周辺に施した接着層内にも同様のスペーサー
を混合してギャップの均一化を図った。次に、液晶セル
に液晶材料（ＢＬー０３５：ＭＥＲＣＫ社製）を常法に
て注入して偏光変換素子５９とした。

【０１００】偏光方向が互いに９０゜の角度をなすよう
にして配置した偏光板の間に液晶セル５９をラビング方
向が偏光素子の吸収軸が４５゜の角度をなすように配置
し液晶表示装置を形成した。

【０１０１】このようにして作製した液晶表示素子に図
３０に示すような保持電力が０Ｖである駆動信号ペア６
０６を印加したところ、信号印加時と信号無印加時との
液晶分子配列において不規則なディスクリネーシヨンが
発生し動作安定が得られなかった。

【０１０２】以上詳述したように、本発明の液晶表示装
置は従来からの素子形態を大きく変更することなく、書
き込み信号電圧Ｈｎと保持信号電圧Ｌｎぺアにより安定
にカラー表示を行う事ができること、ならびに液晶セル
内分子配列最適化により安定した動作特性を有する液晶
カラーシャッタを提供することができる。

【０１０３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の偏光変換
素子、液晶カラーシャッタ、カラー画像表示装置は配向
膜に動作が拘束されるアンカリング領域を含む配向膜近
傍のみを用いて極めて高速の光学応答を安定して得るこ
とができる。また本発明の駆動方法では、飽和電位Ｖh
からオフセット電位Ｖo より更に低い液晶分子の再配列
加速のための過渡電位Ｖt を一旦印加した後、所定波長
λの光の位相を１８０°シフトさせるためのオフセット
電位Ｖ_o を印加することにより、高速で安定した偏光変
換を行うことができる。またこのような構成を採用する
ことにより従来のＰｉ型偏光変換素子では不可能だった
約３００μｓｅｃ以下での高速な応答、特に液晶層に印
加する電圧を低くした場合に起る応答回復時間τdecay
の高速化を行うことができる。

【０１０４】また本発明の液晶カラーシャッタを、例え
ばＣＲＴ、ＥＬディスプレイ等の階調表示が可能な表示
装置の表示画面上に重ね、表示画面の色情報と同期して
液晶カラーシャッタの透過波長を制御することによりカ
ラー画像を表示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の偏光変換素子の構成を模式的に示す
図。

【図２】本発明の偏光変換素子の構成を模式的に示す
図。

【図３】本発明の偏光変換素子を２層積層した構成を模
式的に示す図。

【図４】本発明の偏光変換素子の構成を模式的に示す
図。

【図５】本発明の液晶カラーシャッタの構成を模式的に
示す図。

【図６】従来のＰｉ型の偏光変換素子に用いられる一般
的な駆動信号波形の例を概略的に示す図。

【図７】従来の偏光変換素子における波長と応答時間と
の関係を示すグラフ。

【図８】本発明の偏光変換素子の駆動信号波形の例を概
略的に示す図。

【図９】本発明の偏光変換素子の波長と応答時間との関
係を示すグラフ。

【図１０】本発明の偏光変換素子の構成を模式的に示す
図。

【図１１】本発明の偏光変換素子の構成を模式的に示す
図。

【図１２】本発明の液晶カラーシャッタの駆動信号波形
の例を示す図。

【図１３】図１２の液晶カラーシャッタの駆動信号に対
する応答波形の例を示す図。

【図１４】本発明の偏光変換素子の構成を模式的に示す
図。

【図１５】本発明の液晶カラーシャッタの構成を模式的
に示す図。

【図１６】従来の液晶カラーシャッタの駆動信号波形の
例を示す図。

【図１７】本発明の液晶カラーシャッタの駆動信号波形
の例を示す図。

【図１８】本発明の偏光変換素子の構成を模式的に示す
図。

【図１９】本発明の液晶カラーシャッタの駆動信号と透
過波長の関係を示す図。

【図２０】本発明の偏光変換素子の構成を模式的に示す
図。

【図２１】本発明の液晶カラーシャッタの駆動信号波形
の例を示す図。

【図２２】図２１の液晶カラーシャッタの駆動信号に対
する透過波長を示す図。

【図２３】本発明の偏光変換素子の構成を模式的に示す
図。

【図２４】液晶カラーシャッタの従来の駆動波形の例を
示す図。

【図２５】信号印加時と信号無印加時との液晶分子配列
の変形過程において発生した不規則なディスクリネーシ
ヨンを示す図。

【図２６】本発明の偏光変換素子の構成を模式的に示す
図。

【図２７】本発明の液晶カラーシャッタの駆動波形の例
を示す図。

【図２８】図２７の液晶カラーシャッタの駆動信号に対
する透過波長を示す図。

【図２９】本発明の偏光変換素子の構成を模式的に示す
図。

【図３０】液晶カラーシャッタの従来の駆動波形の例を
示す図。

【図３１】液晶カラーシャッタの従来の駆動波形の例を
示す図。

【符号の説明】

５１…………第１の基板 ５２…………第２の基板 ５３…………第１の電極 ５４…………第２の電極 ５５…………液晶層 ５５ａ………第１の層（高速応答層） ５５ｂ………第１の層（高速応答層） ５５ｃ………第３の層（バルク層） ５６…………第１の配向膜 ５７…………第２の配向膜 ５８…………スペーサー

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向配置された第１の電極と第２の電極
   と、 前記第１の電極と前記第２の電極との間に挟持され、前
   記第１の電極近傍の第１の層と、前記第２の電極近傍の
   第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に第３
   の層とを有する液晶層と、 前記第１の層、前記第２の層および前記第３の層により
   前記液晶層を透過する偏光の偏光状態が実質的に保持さ
   れるように前記第１の電極または前記第２の電極に第１
   の信号を供給する第１の供給手段と、 前記第１の層と前記第２の層とにより前記偏光が複屈折
   され、かつ前記第３の層により前記偏光の偏光状態が実
   質的に保持されるように前記第１の電極または前記第２
   の電極に第２の信号を供給する第２の供給手段とを具備
   したことを特徴とする偏光変換素子。
2. 【請求項２】 第１の透過軸を有する偏光子と、 前記第１の透過軸と交差する第２の透過軸と有する検光
   子と、 前記偏光子と前記検光子との間に配設され、対向配置さ
   れた第１の電極と第２の電極と、前記第１の電極と前記
   第２の電極との間に挟持され、前記第１の電極近傍の第
   １の層と、前記第２の電極近傍の第２の層と、前記第１
   の層と前記第２の層との間に第３の層とを有する液晶層
   とを具備した偏光変換素子とを具備し、 前記偏光変換素子は、前記液晶層により前記偏光子を透
   過した偏光の偏光状態が実質的に保持されるように前記
   第１の電極または前記第２の電極に第１の信号を供給す
   る第１の供給手段と、 前記液晶層の前記第１の層および前記第２の層では前記
   偏光が複屈折され、かつ前記第３の層では前記偏光の偏
   光状態が実質的に保持されるように前記第１の電極また
   は前記第２の電極に第２の信号を供給する第２の供給手
   段とを具備した偏光変換素子とを具備したことを特徴と
   する液晶カラーシャッタ。
3. 【請求項３】 前記偏光変換素子は、前記第１の信号が
   印加されたときに、前記偏光子を透過した偏光の位相が
   実質的に１８０°シフトするように前記偏光子と前記検
   光子との間に複数積層されたことを特徴とする請求項２
   に記載の液晶カラーシャッタ。
4. 【請求項４】 前記液晶層の屈折率異方性をΔｎ、 前記液晶層の前記第１の層と前記第２の層の厚さをｔ、 前記偏光子と前記検光子との間に配設される前記偏光変
   換素子の数をｍ、 前記偏光子を透過した偏光の波長をλとしたとき、 ２ｔ×Δｎ×ｍ≧λ／２ であることを特徴とする請求項２乃至請求項３のいずれ
   かに記載の液晶カラーシャッタ。
5. 【請求項５】 色情報に応じた階調を有する画像を表示
   画面に表示する手段と、 前記表示画面上に配設され、第１の透過軸を有する偏光
   子と、前記第１の透過軸と交差する第２の透過軸と有す
   る検光子と、前記偏光子と前記検光子との間に配設さ
   れ、対向配置された第１の電極と第２の電極と、前記第
   １の電極と前記第２の電極との間に挟持され、前記第１
   の電極近傍の第１の層と、前記第２の電極近傍の第２の
   層と、前記第１の層と前記第２の層との間に第３の層と
   を有する液晶層とを具備した偏光変換素子とを具備し、 前記偏光変換素子は、前記液晶層により前記偏光子を透
   過した偏光の偏光状態が実質的に保持されるように前記
   第１の電極または前記第２の電極に第１の信号を供給す
   る第１の供給手段と、 前記液晶層の前記第１の層および前記第２の層では前記
   偏光が複屈折され、かつ前記第３の層では前記偏光の偏
   光状態が実質的に保持されるように前記第１の電極また
   は前記第２の電極に第２の信号を供給する第２の供給手
   段とを具備したことを特徴とするカラー画像表示装置。
6. 【請求項６】 第１の電極と第２の電極とに挟持され、
   前記第１の電極近傍の第１の層と、前記第２の電極近傍
   の第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間の第
   ３の層とを有する液晶層により、この液晶層を透過する
   偏光の偏光状態が実質的に保持されるように前記第１の
   電極または前記第２の電極に第１の信号を供給する工程
   と、 前記第１の層と前記第２の層とにより前記偏光が複屈折
   され、かつ前記第３の層により前記偏光の偏光状態が実
   質的に保持されるように前記第１の電極または前記第２
   の電極に第２の信号を供給する工程とを具備したことを
   特徴とする液晶セルの駆動方法。
7. 【請求項７】 前記第１の信号を供給してから前記第２
   の信号を供給するまでの間に前記第２の信号よりも電圧
   振幅の小さな第３の信号を供給する工程をさらに有する
   ことを特徴とする請求項８に記載の液晶セルの駆動方
   法。