JPS5812164Y2 - ネマテイツク液晶を含む液晶セルを有する装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、多数のスペクトル範囲を含む光学的光線通路
中の偏光フィルタ間に配置された、ネマティック液晶を
含む液晶セルを有する装置であって、前記ネマティック
液晶は、交流電圧を印加しないときはホメオトロピック
配向（整列された相）を示し、交流電圧を印加すると可
逆的に電気弾性変形せしめられる特性を有し、その際色
再生を生ぜしめるために、液晶の変形の増大につれて、
光線の液晶セル通過時にその複屈折特性により形成され
る正常光線と異常光線との間に路程差を生せしめて、液
晶セルを通過する光線のスペクトルの部分的消滅を検光
子で当該の選択された振幅と周波数に依存して生せしめ
るような振幅と周波数の交流電圧が液晶セルに印加され
るようにしたネマティック液晶を含む液晶セルを有する
装置に関する。

ドイツ特許出願公開第２０４６５６６号公報には液晶を
基にした色再生方式が示されており、ここでは複数個の
液晶セルが相前後して配置されており、それぞれネマテ
ィック液晶材中にセル毎に異なる多色性の色素の溶液を
有しており、各セルは別々に給電電極に従属せしめられ
ている。

基本となる効果は該文献では“電子カラースイッチング
と呼ばれており、ネマティックホトクリスタルにおける
多色性色素分子の配向および電界による分子の配列変化
に由来している。

これによって偏光光におけるスペクトル吸収は周知のよ
うに変化せしめられる。

装置の色はたとえば 作動接続されてない状態 におけ
る色値から 作動接続された状態 の殆んど無色の値に
転移することができる。

ｌシャン青から無色、２マゼンタ赤から無色、３黄から
無色の色変化を示す３つのセルを直列配置した装置を使
用すれば、黒および白を含めて可視スペクトルの多数の
色を作ることができる。

かかる色再生装置の欠点は以下の通りである。

″色偏差 、即ち色位置の相対的変化は配向方向の変化
およびそれに関連した多色性色素の吸収度の変化を利用
するときには原理的に著しく制限されている。

これは（層の光学的密度が小さい場合には）良好な色飽
和が得られないか又は（光学的層密度が大きい場合には
）光った白値が得られないことを意味する。

“電子カラースイッチング効果 の作動特性曲線、即ち
色位置のセル電圧に対する依存性は比較的平坦な経過を
とり、きわ立った閾値を持たない。

この結果一方ではたとえば厚さ２０μｍのセルを完全に
励振するためには普通約３０Ｖに達する比較的大きな作
動電圧を必要とし、他方ではこれによって交差格子装置
を使用する場合には 交差効果 と呼ばれる擾乱効果を
除去することができない。

この 交差効果 かまさに色マトリックス内に著しいコ
ントラスト損失を生ぜしめるのであり、それ故外部非直
線形の高価な素子によりこれを抑制する必要がある。

従って使用される多色性色素に関しては純度が高（要求
され、多色性成分を持つネマティック物質の３つの異な
る混合は極めて多種の温度係数、異方仕度などを生ずる
。

本考案の目的は無着色のネマティック液晶層を利用して
色再生装置を改良することにある。

この目的は本考案によれば、冒頭に述べた形式の装置に
おいて液晶セルの前の光線路中に、熱線を吸収ないし反
射するフィルタが挿入接続されているようにすることに
より達成される。

ネマティック液晶を用いた従来公知の多数の光弁および
再生装置では正の誘電異方性を有する物質で作動せしめ
られるのに対し、本発明によれば負の誘電異方性（ε、
１くε１）を有する物質が使用される。

たとえばドイツ特許出願Ｐ２１１９３３９明細書に原理
が示されている好適なセルでは無電界状態における液晶
分子配列は電極の表面に対しほぼ垂直に配向される。

本考案の実施例によれば液晶を含む２つの透明面状電極
を有する液晶セルを使用し、かつ電気制御度の選択によ
って液晶セルを、スペクトル透光性の制御可能なフィル
タとして作動させるのである。

本考案の別の実施例において使用される液晶セルでは２
つの面電極のうちの少なくとも１つが多数の別個に制御
可能な電極部分から成り、それによって指示のため記号
、文字等を電極部分の形状に応じて表示できるようにす
る。

本考案のさらに別の実施例において使用される液晶セル
では２つの面状電極のおのおのが、相互に平行に延びる
別個に制御可能な条片電極から成り、一方の電極群の条
片電極が他方の電極群のそれに対して垂直方向に延びて
いる（交差網目マトリックス）ようにしたのである。

本考案のさらに別の実施例によれば液晶の制御のためＩ
ＫＨｚ〜３０ＫＨｚの周波数例えばほぼ５ ＫＨｚの
周波数の交流電圧を使用するのである。

本考案の別の実施例によれば光学的ビーム路中に多数の
液晶を相前後して配置し、ｎ個のセルの場合（ｎ ＋
１ ）個の極フィルタを設け、その場合２つのセルの間
に各１つの極フィルタを挿入接続する。

第１図は電極２間に配置された液晶１の無電圧状態を示
す概略図で、この場合液晶分子はホメオトロープに配向
されている。

かかるネマティック相の再生可能な配向形態（ホメオト
ロピック整列）は極めて安定している。

車前に、σ 案によれば結晶組織に適当な周波数ｆ ＞ 、 、 ’
。

および電圧Ｕｚ＞ＵＴの交流電界を印加すると結晶組織
は定常的にかつ可逆電気弾性的に変形せしめられる。

第２図は電極２に交流電圧を印加した際に液晶１０分子
軸が通常面に対し咲αだげ回転することを概略的に示す
。

第２ａ図は２つの異なる交流電圧Ｕ２ ＊ Ｕ３に対す
るくαと電極からの点の距離Ｘとの関係を示す線図であ
る。

かかる変形は主としてたとえば方解石結晶などの光学的
に複屈折する結晶の軸方向の回転に類似する。

複屈折結晶では屈折率ｎ。を示す正常光線とｎ８を示す
異常光線との間には入射光の軸が光学的主軸に二数しな
いときには路程差が生ずる。

第３図はこれを３つの異なる電圧Ｕ１．Ｕ２．Ｕ３（但
しＵ３〉Ｕ２〉Ｕ□）を液晶に印加した場合について示
したものである。

本考案の特に簡単な実施例では配向度Ｓ＝（−）＜３Ｃ
Ｏ８θ−１〉が極めて良好である場合に光学的単軸結晶
のような特性の液晶物質（ｎ−メトキシベンジリデン−
ｎ、ｐ−ブチルアニリン）が使用される。

本考案により無電界状態で結晶組織がホメオトロピック
整列を示す場合には、正常光線に対する屈折率ｎｏが異
常光線に対する屈折率ｎ８に等しい光学的屈折率楕円体
の軸（普通Ｚ軸と呼ばれる）はたとえばサンドイッチ形
の液晶セルの透明電極の表面に垂直である。

本考案によればかかるセルは、伝播方向がホメオトロピ
ックに配向された液晶の上述の屈折率楕円体の２軸に平
行するほぼ平行直線偏光白色光により照射される。

液晶セルの後側の光通過方向にはもう一つの偏光子（“
検光子゛とも呼ばれる）とつや消し板を設けると有利で
ある。

つや消し板の代りに特殊な場合には小角伝達用のファイ
バーオプティックス板を使用することもできる。

本考案の特に良好な実施例では液晶セルに複数個の平行
な透明条件導体が設けられ、この場合一方の側の電極群
は他方の側の電極群に対し、垂直に配置される。

交差格子装置の場合には周知のようにマトリックスの各
素子は問題となる行・列に電圧を印加することにより励
振することができる。

上述のように印加電圧としては、液晶物質の導電率が大
きくなるにつれて周波数が増大する交流電圧が良好であ
る。

きわ立った閾値以上にセル電圧が上昇するにつれて液晶
組織の変形も増大する。

かかる電気弾性変形は完全に安定しており、乱れ運動へ
の移行は変形が著しい場合にも生じない。

この場合液晶変形とはザウペ氏による（「アンゲバンテ
・ヒエミーＪ８０（１９６８）９９ ）に使用する意味
を有し、液晶液体が弾性的に可撓性の構造を示し、その
エンタルピーが所定の限界条件に対し最小値を示すこと
を云う。

本考案の動作を理解せしめるためそこから以下の結論が
生ずる。

ｌ電解のしゃ断後変形液晶組織は比較的迅速にもとの秩
序ある状態（即ち本考案の場合にはホメオトロピック整
列）に戻る。

２交流電界の印加時の液晶分子の角度偏倚は弾性力のた
め位置に依存しており、従って（厚さ方向からみて）電
極に近い領域では最小値を、セル中央では最大値を示す
。

かかる前提のもとに本考案の作動態様は以下の２つの実
施例から容易に理解できる。

実施例Ａ： 交差偏光子゛ この実施例では円偏光フィルタの偏光方向は互いに垂直
に設定される。

液晶セルの電極に電圧が印加されない場合には装置は光
を阻止する働きをする、即ちつや消し板は暗い。

その理由は光通路にある液晶層のホメオトロピック整列
により路程差が生じないからである。

マトリックスセルの対象座標に関し任意に選ばれたフィ
ールドに上述の如き周波数（普通は数ＫＨｚ）の交流電
圧を印加し、電圧を徐々に高めると、閾値電圧Ｕｒまで
はつや消し板は暗い状態に留まる。

それ故この範囲ではまだ液晶構造の本質的変形は生じな
い。

ＵＴ以上では（厚さ約２０μｍのＭＢＢＡを充填したセ
ルではＵＴｅｆｆは約４ｖである）角度伸張の増大が生
じ、即ち液晶構造の変形が生ずる。

複屈折物質において傾斜角の関数として正常光線と異常
光線間の屈折率の差の増大によ２光学的路程差Ｆ＝ｄ・
△ユの増大が生ずる。

△ｎＭａｘ＝ｎＯｎ、は液晶物質において極めて大きな
値をとり得る（最大値では０．３まで）ので、薄い液晶
層（普通は２０μｍ）および小さな平均的変形角度でも
著しい光学的路程差が生ずる。

それ故装置内ではセル電圧の上昇につれて増大する光学
的路程差が生ぜしめられ、その結果周知の干渉色がつや
消し板上にみられるようになる。

第４図は本考案による液晶セルの作動時の印加交流電圧
Ｕ／Ｕｏに関連した光学的路程差をｎｍ示した曲線図で
、この場合液晶セルの厚さは２０μｍ１周波数は５ Ｋ
Ｈｚ 、作動温度は２５℃である。

以下に若干の代表的な色と、その光学的路程差Ｆおよび
セル電圧Ｕを示す。

その他 この実施例では約８ｖ以下の電圧を印加する限りいわゆ
る 交差効果 は生じない。

即ちマトリックスの所定の各フィールドにおいてはセル
に印加された電圧に相当する色だけが現われ、セルの他
の部分は黒に留まる。

実゛施例Ｂ： 平行偏光子゛ 以上の説明から直ちに以下のことが理解できよう。

即ち偏光子を平行にした場合電圧を印加しないセルは明
るいセル電圧を高めると実施例Ａに対する補色値（即ち
たとえば５３６ｎｍ路程差瞠おいては赤の代りに緑）が
現われる。

更に総ての色は実施例Ａでは黒の地の上に現われたのに
対し本実施例では白の地の上に現われる。

本考案により再生される色が極めて高い色飽和を示し、
本発明により作動される装置により総ての基色並びに多
数の混合色が同じ色フィールド上に得られることは極め
て有利である。

それぞれ３つのフィールドを一つのカラートリプルにま
とめるか又は３つのかかる本考案装置を順次配列すると
、総ての色をほぼ完全な色飽和にまで達成することがで
きる。

しかしながら経費および輝度上の理由から最初の装置に
優先権が与えられる。

即ちマトリックスの３つの比較的小さい色フィールドは
目には一つの混合色像としてまとめられる（３ビーム・
カラー受像管の場合と同じ）。

交差網目スクリーン状に配置された電極を有する液晶セ
ルでは条片電極間の分離線をできるだけ薄くすると有利
である。

なぜならそれらの範囲には配列の乱れが生ずることがあ
り、実施例Ａにおける暗い基色では不所望の明るい線を
生ぜしめるおそれがあるからである。

電極を支持するセルのガラス板は電極間隔（即ちセルの
厚さ）が小さければ小さい程および全マトリックスに対
する色の均等性の要求が太きければ大きい程益々高度の
面平行を示す必要がある。

反対にセルの厚さが増大するとスイツチンＭ間も増大す
る。

スイッチング時間を短縮するにはできるだけ低い固定点
を有する液晶物質を使用するか又は作動温度範囲を固定
点から太陽に清澄点の方向に転移せしめると有利である
。

その他ネマティック相の導電率およびこれに相対的に作
動電圧の周波数を比較的大きく選び、スイッチング時間
を短縮することが行われる。

マトリックス点の励振は２つの交流電圧（行又は列）の
一方の位相変調により行うと好適である。

なぜならこれにより一定の像点に生ずる和電圧の量は容
易に変化せしめられるからである。

色輝度は周知のように問題の像点の時多重変化 （Ｚｅｉｔｍｕｌｔｉｐｌｅｘｖａｒｉａｔｉｏｎ ）
により所望の範囲に変化せしめられる。

第５図から明らかなように一定の位相差を有する同じ周
波数の２つの正弦波振動Ｕａ、Ｕ５の重量により合成電
圧Ｕ８が生ずる。

本考案の別の有利な実施例によれば液晶セルの光源側の
ガラス板は偏光フィルタガラスから形成するか、又はセ
ルのガラス板にたとえばカナダバルサムにより偏光フィ
ルタ基が接合される。

後者の場合境界面の反射損がｆｉに回避され、装置の光
度は高められる。

液晶セルのガラス・空気面の表面の精製（非反射化）も
本考案による作動方法と共働して行なうようにすると好
適である。

第６図は本考案により使用される装置の概略図で、本考
案による作動状態の液晶セルＦの効果がつや消し板Ｍに
みられるようにされている。

光りは偏光フィルタＰ０、交流電圧により作動する液晶
セル下、偏光フィルタＰ２（検光子）を通過し、つや消
し板Ｍに衝突する。

本考案の特に有利な応用例は投影による大面積の光度の
強いカラーディスプレイの製作である。

この場合にはたとえば偏光フィルタ、色マトリックスセ
ル、偏光フィルタからなるサンドイッチ形装置が通常の
立像プロジェクタのいわゆる” Ｄｉａａｕｆｎａｈｎ
ｅｂｕｈｎｅ （透明陽画投影台）に配置される。

第７図はかかる装置を示す。光源から発せられる光りは
集光レンズＫにより整列され、偏光フィルタＰ１、液晶
セルＦおよび偏光フィルタＰ２を通過し、投影レンズＯ
により再生スクリーンＳ上に写し出される。

色マトリックスセルは本考案によれば印加電圧に応じて
各色でプロジェクタによる光の流れの制御に使用される
。

光度の強い装置では液晶セルＦの前に熱しゃ蔽フィルタ
（たとえばいわゆる“カルフレックスフィルタ （Ｃａ
１ｆｌｅｘｆｉｌｔｅｒ） ）を置くか又はかかるフィ
ルタ層を光源側のセル壁に設け、色位置ゐ転移をもたら
すような液晶セルの不都合な加熱を回避することが大切
である。

伝達されるコントラストが強い場合には第２の偏光フィ
ルタＰ２（検光子）と投影レンズＯの間にファイバーオ
プティックス板を設けると有利である。

液晶セル色マ） ＩＪラックス応用例は上述の実施例に
限定されるものではなく、その他種々の応用例が考えら
れる。

ネマティック相のホメオトロピック配向はセル材料およ
び使用される液晶物質に／ 依存しており１、理想的な場合にのみ相は第３図のＵ□
の場合のように表面に正確に垂直に配向される稀にはわ
ずかに角度が偏倚（たとえば８０）することもある？か
かる場合にも本考案によれば液晶セルを相応オる補正角
度だけ傾げながら装置に組込めば満足すべき作動が遠戚
される。

この場合最適な方向づけの発見は簡単に行うことができ
る。

即ち交差偏光子を有する装置（実施例Ａ）の場合にはＵ
□＝、０の場合に最大の暗さに調整されるからである。

大きな光流を使用する場合に交差網目スクリーン状の電
極装置の微細な電極分離線が（特に実施例Ａおよび投影
作動時に暗フィールドに微細な明線として）現われる場
合には、たとえば黒線を示す所定の補色マスクにより是
正すると好適である３高価な色再生装置に対しては色マ
トリックスセルは周囲温度よりも高いかつ良好には調整
可能な温度で作動せしめることがすすめられる。

このためセルの外面に適当な電気抵抗を有する透明な導
体面を載置し、 抵抗加熱 （導体面による直接通電）
を行うようにすることもできる。

又電子部材を使用すればセル内面に設けられた行・列導
体条片を再生作動中セルの加熱（たとえば色修正）に使
用することができる。

かかる方法はたとえば（セル厚の許容誤差を超過する結
果として）プレートの一部の色偏差の補償に好適に使用
できる。

本考案の別の実施例によれば曇色、即ち色値に重畳され
たグレースケールを発生する問題も解決される。

種類の少ない純灰色値（黒と白の間）は第４図の目盛に
よれば比較的わずかな路程差で即ちＵ／ＵＴの小さな値
で作ることができる。

色を曇らせるため網目スクリーンの類似する２つのセル
が光線方向に前後に配置される。

この場合以下の２つの事例を区別する必要がある。

〔第１の事例〕 灰色曇化（ｇｒａｙ ｃｌｏｕｄｉｎｇ ）に利用さ
れる液晶セルは並列接続された偏光子間に設げられるが
、この場合 灰色セル か カラーセル の前後どちら
に配置されるかは問題にならない。

いずれの場合にも装置全体を２つのセルと３つの偏光子
から構成することが重要である。

かかる装置の構成例は以下の通０である。

光源、０の位置の偏光子１、色マ） ＩＪラックスル、
９０の位置の偏光子２、 灰色マトリックスセル 、偏
光子２と同位置（即ち９０ ）の偏光子ｌに対向する偏
光子３、つや消し板。

この場合には無電圧状態で 灰色マトリックス は完全
に透明になり、Ｕ／ＵＴの小さい値の電圧を印加すると
灰色が濃くなって殆んど黒になる。

Ｕ／ＵＴが大きい値では 灰色マトリックス も色値の
作り、しかも補色値を生せしめる。

〔事例２〕 灰色曇化に利用される液晶セルは交差するように調整さ
れた偏光子間に設けられる。

従って事例１で述べたことが該当する。

装置の構成例は次の通り。

光源、Ｏの位置の偏光子１１色マトリックスセル、９０
の位置の偏光子２、灰色マトリックスセル、偏光子２に
対し９０の位置（即ち偏光子１に平行な）偏光子３、つ
や消し板。

繰返して云えば、色ないし灰色マトリックスセルと呼ば
れる２つの液晶セルは同一に構成され、マトリックス電
極素子が互いに重なり合うように光線通路に直接前後し
て（或いは極めて小さい間隔で）配置されなげればなら
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案による電圧を印加しない状態の液晶の分
子配向を示す概略図、第２図は電圧を印加した状態の概
略図、第２ａ図はその場合の電極からの距離・電圧の大
きさと分子軸の回転角との関係を示す線図、第３図は液
晶に異なる電圧を印加した場合の正常光線と異常光線と
の間の路程差を説明するための線図、第４図は本考案に
よる液晶セルの作動時の印加交流電圧と路程差との関係
を示す線図、第５図は本考案の作動方式に使用される合
成電圧の説明図、第６図および第７図は本考案の２つの
応用例を示す装置の概略図である。 １・・・・・・液晶、２・・・・・・電極、Ｐ□、Ｐ２
・・・・・・偏光フィルタ、Ｆ・・・・・・液晶セル、
Ｍ・・・・・・つや消し板、Ｏ・・・・・・レンズ。 Ｋ。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 多数のスペクトル範囲を含む光学的光線通路中ノ偏光フ
   ィルタ間に配置された、ネマティック液晶を含み、前記
   ネマティック液晶は、交流電圧を印加しないときはホメ
   オトロピック配向（整列された相）を示し、交流電圧を
   印加すると可逆的に電気弾性的に変形せしめられる特性
   を有し、その際色再生を生ぜしめるために選定された振
   幅及び周波数の交流電圧を液晶セルに印加し、その際そ
   の選定は液晶の変形の増大につれて、光線の液晶セル通
   過時にその複屈折特性により形成される正常光線と異常
   光線との間に路程差を生ぜしめて、液晶セルを通過する
   光線のスペクトルの部分的消滅を検光子で、選択された
   振幅と周波数に依存して生ぜしめるようになっているよ
   うにしたネマティック液晶を含む液晶セルを有する装置
   において、液晶セルの手前の光線路中に、熱線を吸収な
   いし反射するフィルタが挿入接続されているようにした
   ことを特徴とするネマティック液晶を含む液晶セルを有
   する装置。