(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正または負の複屈折特性を有する材料を含む調整可能な複屈折ディスプレイセルを備えており、前記材料の位相遅延が、正常屈折率と、電圧に依存する異常屈折率とによって定義され、前記ディスプレイセルは、
入射光エネルギーが前記セルを複数回通過するようにせしめる反射手段（ｄ）を含むアクティブマトリクス制御ディスプレイ素子と、
前記ディスプレイセルに向けられ、前記ディスプレイセル上に入射する光を偏光せしめるとともに、前記反射手段（ｄ）によって反射せしめられた光を受ける偏光手段と、
画素のそれぞれのオン／オフ状態およびグレースケールが、異常屈折率が電圧とともに変化するようなゼロでない駆動電圧を必要とするようにし、前記オン／オフ状態の画素のそれぞれにゼロでない駆動電圧を印加する電圧制御手段と、を有していることを特徴とするアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項２】
前記セルに対して電圧が印加されることによって、非複屈折状態において作動し得るようになっていることを特徴とする請求項１に記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項３】
入射光エネルギーが前記セルを２回通過するようにせしめる手段を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項４】
金属電極反射手段（ｄ）を有する手段を備えていることを特徴とする請求項３に記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項５】
前記金属電極反射手段（ｄ）はアルミニウムからなっていることを特徴とする請求項４に記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項６】
シリコンチップから形成されたパネルを備えていることを特徴とする請求項５に記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項７】
直線偏光された入射光ビームを生成する偏光子を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項８】
それぞれ、複数の波長における複数の直線偏光された入射光ビームを生成する複数の偏光子を備えていることを特徴とする請求項７に記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項９】
前記偏光子は１個またはそれ以上のプリズムからなっていることを特徴とする請求項８に記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項１０】
前記偏光子は立方体を形成する２個のプリズムからなっていることを特徴とする請求項９に記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項１１】
前記偏光子はシート状の偏光子または薄膜状の偏光子からなっていることを特徴とする請求項７に記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項１２】
カラーディスプレイを与える手段を備えていることを特徴とする請求項７〜請求項１１のいずれかに記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項１３】
前記カラーディスプレイを与える手段は、１個またはそれ以上のカラーフィルタを有していることを特徴とする請求項１２に記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項１４】
液晶分子を配向せしめるためのコーティングを備えていることを特徴とする請求項７〜請求項１３のいずれかに記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項１５】
１個またはそれ以上の結晶シリコンベース液晶セルを備えていることを特徴とする請求項７〜請求項１４のいずれかに記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項１６】
透明な導電性コーティングを備えたガラス板からなる基板を備えていることを特徴とする請求項７〜請求項１５のいずれかに記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項１７】
前記透明な導電性コーティングは、酸化インジウムスズのコーティングからなっていることを特徴とする請求項１６に記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【請求項１８】
光源を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項１７のいずれかに記載のアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、反射型ディスプレイ、特に、液晶のような電気光学的材料から形成されたアクティブマトリクスコントロールまたはディスプレイに基づく装置のようなディスプレイに関する。この種のディスプレイは、単結晶シリコンウエハーに基づく集積回路上に形成され得る。
【０００２】
【従来の技術】
市販されているアクティブマトリクスディスプレイは、一般に、光の透過に基礎をおいている。それらは、個々の画素における光の透過が電圧によって制御されるようなマトリクスディスプレイである。これらのアクティブマトリクス液晶ディスプレイは、一般に、光の透過を制御するための液晶のツイステッドネマティック効果（ＴＮ効果）、並びに個々の画素の光透過状態を制御するための半導体薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に基礎をおいている。ＴＦＴは、多結晶シリコン、アモルファスシリコンまたはセレン化カドミウム等の材料から形成されている。
【０００３】
これらのアクティブマトリクスディスプレイの原理は、次のとおりである。すなわち、入射光は、最初、偏光板（偏光子）を通過することによって偏光され、その後、液晶セル内に送られる。液晶セルは多数個の画素から構成されている。画素に電圧が印加されないときは、入射光の偏光ベクトルは、ＴＮ効果を通じて液晶分子によって回転せしめられる。液晶セルの出力側に配置された偏光板は、光を透過せしめ（通常、オン状態という）、あるいは遮断する（通常、オフ状態という）ために使用され得る。画素に適当な電圧が印加されると、ＴＮ効果は消失し、光の偏光状態は変化せしめられない。こうして、装置がオン状態にあるかまたはオフ状態にあるかに依存して、それぞれ、光は出力側の偏光板を透過し、あるいはこれによって遮断される。各画素は、印加電圧のアクティブコントロールによって独立に通電または非通電される。グレースケールが、また、中間電圧を適用することによって達成され得る。これらのアクティブマトリクスディスプレイはすべて、例外なくガラス基板、および光透過状態における機能に基礎をおいている。偏光板は液晶パネルの前面および後面に配置されている。いくつかのディスプレイは液晶パネルの後面にミラーを配置することにより、反射によって表示が視認される。
【０００４】
ディスプレイマトリクスのアクティブコントロールは、各画素のトランジスタ上の電気シグナルを制御することによって達成される。加えて、駆動電気回路が、各画素に対する電気パルスのタイミングおよびスキャニングを制御するために必要とされる。ＴＦＴは画素の光透過状態を制御するのに適しているが、アクティブマトリクスディスプレイの駆動部としては望ましいものではない。その最も重要な理由は、ＴＦＴがガラス基板上に形成された半導体薄膜に基づいており、製造段階において品質の良好な製品を製造するための特殊な処理技術を必要とすることである。ＴＦＴ集積回路は、また、ＴＦＴの電流−電圧特性が単結晶シリコン上に形成された超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）トランジスタとは異なっているという意味において、標準的なＶＬＳＩ回路設計手段を用いて容易に設計することができない。
【０００５】
ガラス板上のＴＦＴを、単結晶シリコンウエハー上に形成された高品質トランジスタまたは回路に置き換えようとする多くの試みがこれまでになされてきている。リプトン(Lipton)等は、１９７８年に、結晶シリコンに基づくアクティブマトリクス液晶ディスプレイを開示した。液晶からの光の動的散乱がディスプレイ機構として用いられた。画素に電圧が印加されないとき、光は透過する。電圧が印加されると、液晶は白濁し、入射光を散乱せしめる。不都合なことに、この装置は、低コントラストであり、光透過率も低いものであった。山崎(Yamasaki)等は、単結晶シリコンベースの装置であって、ディスプレイが色素の混入された液晶中におけるゲスト・ホスト効果に基づくものを開示した。このディスプレイにおいて、色素の吸収係数は色素分子の配列方向に関係する。これらのゲスト分子（色素分子）は、ホスト分子である液晶分子と同じ方向に配列する傾向がある。それ故、ゲスト・ホストの組合せによる吸収が印加電圧によって制御され得る。
【０００６】
ディスプレイに対する動的散乱の概念が、近年、高分子分散液晶の発明のために再検討された。高分子フィルム中に分散した液晶小滴は、非常に高い光散乱効果、およびオン（非散乱）状態とオフ（散乱）状態との間の高コントラスト比を生じ得る。したがって、それは、結晶シリコン上にアクティブマトリクスディスプレイを与えるための重要な技術となり得る。１９９０年に、ドゥルザイック(Drzaic)等は、このような高分子分散液晶に基づく反射型アクティブマトリクス液晶ディスプレイを開示した。しかしながら、この技術には、高分子分散液晶の安定性の問題、およびこのようなディスプレイを作動せしめるには高電圧を使用する必要があるという問題がある。高電圧が必要とされる理由は、単に、高分子フィルムを、アクティブマトリクス液晶ディスプレイ中において、液晶フィルムと同じ厚さ（数ミクロン）に形成することができないということにある。液晶を配向せしめる際に重要なのは、電界（厚さ当たりの電圧）である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の課題は、上述したような従来のアクティブマトリクスディスプレイが有する問題を解決すべく、改良されたアクティブマトリクスディスプレイを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明によれば、正または負の複屈折特性を有する材料を含む調整可能な複屈折ディスプレイセルを備えており、前記材料の位相遅延が、正常屈折率と、電圧に依存する異常屈折率とによって定義され、前記ディスプレイセルは、
入射光エネルギーが前記セルを複数回通過するようにせしめる反射手段（ｄ）を含むアクティブマトリクス制御ディスプレイ素子と、
前記ディスプレイセルに向けられ、前記ディスプレイセル上に入射する光を偏光せしめるとともに、前記反射手段（ｄ）によって反射せしめられた光を受ける偏光手段と、
画素のそれぞれのオン／オフ状態およびグレースケールが、異常屈折率が電圧とともに変化するようなゼロでない駆動電圧を必要とするようにし、前記オン／オフ状態の画素のそれぞれにゼロでない駆動電圧を印加する電圧制御手段と、を有していることを特徴とするアクティブマトリクス液晶スディスプレイが提供される。
【０００９】
好ましくは、このアクティブマトリクス液晶ディスプレイは、セルに対して電圧が印加されることにより非複屈折状態において作動しうるようになっている。ここで、「非複屈折状態」とは、「電圧が印加された状態で、液晶セルが複屈折性を示さない（等方性を有する）状態」をいう。
本発明の別の特徴によれば、アクティブマトリクス液晶ディスプレイは、入射光エネルギーがセルを２回通過するようにせしめる手段を備えている。これは特に、この手段が、例えばアルミニウムからなる金属電極反射手段からなっているとき、入射光の有効利用を可能にする。アルミニウムは相対的に安価であるが、効果的な材料である。
本発明のさらに別の特徴によれば、セルはシリコンチップ、好ましくは、単結晶シリコンチップからなっている。
【００１０】
本発明のさらに別の特徴によれば、このディスプレイは、それぞれ複数の波長における複数の直線偏光された入射光ビームを生成する複数の偏光子を備えている。
【００１１】
本発明のさらに別の特徴によれば、ディスプレイは、直線偏光された入射光ビームを生成する偏光子を備えており、この偏光子は、好ましくは、１個またはそれ以上のプリズム、より好ましくは、立方体を形成する２個のプリズムからなっている。
あるいは、偏光子はシート状または薄膜状の偏光子からなっている。
【００１２】
本発明のさらに別の特徴によれば、カラーディスプレイを与える手段が備えられ、好ましくは、カラーディスプレイを与える手段は、１つまたはそれ以上のカラーフィルターを有している。
本発明のさらに別の特徴によれば、ディスプレイは、液晶分子を配向せしめるための高分子コーティングを備えている。
【００１３】
本発明のさらに別の特徴によれば、ディスプレイは、１個またはそれ以上の結晶シリコンベースの液晶セルを備えている。この構成は、相対的に容易に製造可能なディスプレイ装置をもたらす。
本発明のさらに別の特徴によれば、ディスプレイは、透明な導電性コーティングを有するガラス板からなる基板を備えている。この透明な導電性コーティングは、好ましくは、酸化インジウムスズのコーティングからなっている。
【００１４】
本発明のさらに別の特徴によれば、ディスプレイは光源を備えている。
【００１５】
【作用】
本発明においては、ディスプレイを与えるために線形電気光学的効果が利用される。また、結晶シリコンが、画素並びに駆動回路に対するすべての制御トランジスタを形成するための基板として使用される。このディスプレイは、電圧に依存する複屈折を伴う電気光学的材料であればどのような材料を用いても構成され得る。液晶は、電界に依存する顕著な複屈折特性を有している。本発明において、液晶は、通常のＴＮモードディスプレイの場合のようには配向せしめられない。その代わり、液晶分子は、ディスプレイエリアの全体にわたって、実質上、正確に平行に配向せしめられる。こうして、液晶セルは、複屈折線形電気光学的装置として作動する。このディスプレイの動作は、入射光ビームの２つの直交する偏光方向の位相遅延に基づいている。もし偏光方向が液晶セルの光軸方向に対して４５°の角度をなすように入射光ビームが直線偏光せしめられるならば、照射光ビームは、高速の偏光成分と低速の偏光成分との間において位相遅延を有する。線形電気光学的装置に対して、高速の偏光成分と低速の偏光成分の間の位相の遅延は、
Ｑ＝２π(ne(v)−no)d／λ、
ここで、ne(v) は液晶の電圧に依存する異常屈折率（異常光線に対する屈折率）を、noは液晶の正常屈折率（常光線に対する屈折率）を、d は液晶セルの厚さを、λは光の波長をそれぞれ表す、によって得られる。したがって、印加電圧によって液晶の複屈折の値を制御することにより、照射光ビームの偏光が操作され、多数のグレースケールとともにオン／オフ状態が与えられる。例えば、セルを通過する際に９０°（または２７０°等々）の位相遅延を与える（ゼロでない）電圧は、偏光ベクトルが液晶セルから反射する際に９０°回転せしめられることを意味する。この光ビームは、直交偏光子を透過し得る。これは、液晶セル／画素のオン状態である。電圧が１８０°（または３６０°等々）の位相遅延を与えるときには、反射されたビームの偏光は変化せしめられず、直交偏光子は光を遮る。これは画素のオフ状態である。システム全体を通じた透過値がすべて、画素に印加される電圧を制御することにより複屈折の値を適当に選択することによって得られる。
【００１６】
このように、この反射型液晶ディスプレイは線形電気光学的効果に基礎をおいている。反射型と呼ばれるのは、光が、液晶セルの一面から反射する時点で、液晶セルを複数回、好ましくは２回通過するからである。結晶シリコンが基板として使用されていることから、これは現実に生じる。ガラス板に基づくアクティブマトリクス液晶ディスプレイとは異なり、シリコンウエハーを通じての透過は生じない。しかしながら、このシステムにおいては、偏光子およびレンズ等の光透過素子が存在する。結晶シリコン基板の使用は、今や明白である。個々の画素の電圧を制御し、維持するためのトランジスタとして、シリコンチップ上に形成された高品質の金属・酸化物・半導体（ＭＯＳ）トランジスタが使用され得る。さらに、駆動回路が、マイクロエレクトロニクス製造技術を用いて、同一のシリコンチップ上に形成され得る。これらの回路の設計は、また、通常のＶＬＳＩ回路設計の原理およびツールを用いてなされ得る。画素はまた極めて小型に形成され、よって、ディスプレイマトリクスおよび駆動回路を含むチップ全体の大きさを極めて小型に形成し、しかも高解像度を備えたものとすることができる。このディスプレイは、その表示が直接に、あるいはスクリーン上への投影によって視認され得る。駆動回路に依存して、このディスプレイは、異なる種類の画像情報を表示するために使用され得る。例えば、ディスプレイは、テレビ画像を表示するために、またはコンピュータ端末装置として、またはその他の形式のビデオディスプレイとして使用され得る。
【００１７】
ディスプレイは線形電気光学的効果に基づいているので、液晶以外の別のタイプの電気光学的材料がまた使用され得る。液晶は、ここでは本発明の好ましい実施例として説明されたにすぎない。使用可能なその他の電気光学的材料の例として、鉛・ランタン・ジルコニウム・チタン酸塩（ＰＬＺＴ）、バリウム・チタン酸塩（ＢａＴｉ０３）およびその他の多くの透明な金属酸化物を挙げることができる。
【００１８】
【実施例】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。
図１には、本発明によるアクティブマトリクス液晶ディスプレイの概略構成が示してある。このディスプレイは、反射状態において作動し得る調整可能な複屈折ディスプレイおよび制御素子を備えており、それによって、入射光が複数回、この実施例では２回セルを通過するようにせしめる。図１に示したように、ディスプレイ全体は画素のＭ×Ｎ列からなっている。ここで、ＭおよびＮは、コンピュータ端末装置およびテレビに対する標準的なディスプレイ解像度に適合する数である。この実施例では、画素は、マイクロエレクトロニクス技術を用いて、単結晶シリコンウエハー上に形成される。
【００１９】
各画素は、画像表示のための装置を形成しており、さらに、液晶セルに印加される電圧を制御するためのＭＯＳ（金属・酸化物・半導体）トランジスタａを有している。ＭＯＳトランジスタのソースｂは電気的にパルス化され、その電圧は当該画素に対する液晶セルに印加される電圧を決定する。ＭＯＳトランジスタのゲートｃは、トランジスタをオン／オフする電気的パルスによって駆動され得る。ゲートパルスおよびソースパルスは、ディスプレイが列毎に走査されるように順序付けられている。画素の大きさよりわずかに小さく、ＭＯＳトランジスタのドレーンに接続された金属パッドｄは、液晶画素の電極として機能する。この金属としては、アルミニウムまたはマイクロエレクトロニクス処理に適合するその他の金属およびそれ以外の材料を使用することができる。この金属パッドｄと基板との間の液晶が、ディスプレイの単位（画素）を形成する。
【００２０】
図２に示したように、基板は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような透明な導電性コーティングｆを有するガラス板ｅからなっている。このガラス板上に形成された集積回路を備えたシリコンウエハーｇは、液晶分子ｉを配向せしめるための高分子コーティングｈを有している。ＩＴＯコーティングを施されたガラス板は、また、液晶分子を配向せしめるための高分子コーティングｊを有している。この実施例では、配向高分子のコーティングによって、セルに電圧が印加されないとき、液晶分子がすべて互いに平行に配向せしめられる。この直線的配向を図２に示した。
【００２１】
図３には、本発明による液晶ディスプレイの典型的な実施例における光路が示してある。図３には、単結晶シリコンベースの液晶セルｋが示してある。金属パッドｄは光に対するミラーとして機能する。光源ｌはハロゲンランプ（またはそれ以外の明るい光源）である。この実施例では、光源は、立方体プリズム偏光子ｍを透過することによって直線偏光せしめられた後、液晶ディスプレイ上に垂直に入射する。入射光の偏光は、液晶分子の配向方向に対し４５°の角度をなしている。光は、金属パッドｄから反射するとき、同一の立方体プリズム偏光子ｍ中に入射し得る。もし光の偏光状態が変化しなければ、光は偏光子によって反射せしめられ、光路Ａに沿って光源にもどる。もし光の偏光が９０°回転せしめられるならば、光は偏光子を通過して光路Ｂに沿って進む。光路Ｂはディスプレイに対する視認方向である。そのとき、この光は直接に視認され、あるいは（図示はしない）適当な光投影機構によってスクリーン上に投影され得る。
【００２２】
カラーフィルターｎは、広帯域の光源を用いる場合に必要となる。あるいは、カラーフィルターは、コーティング技術によって液晶セルに組み込まれ得る。カラーによる出力が要求される場合には、赤色、緑色および青色の画素を同一のディスプレイ上に多重化せしめること、あるいは３つの独立なディスプレイを使用することが必要である。
【００２３】
図３に示した実施例に対する多くの変形例を考案することができる。図４および図５には、所期のディスプレイ機能を達成するための光学的レイアウトを備えた可能な構成を示した。
図４の実施例は、基本的に図３の実施例に類似している。
【００２４】
図５には、周辺光が使用可能な実施例を示した。この実施例は、液晶セル上に配置された薄膜偏光子ｐを備えている。この場合、液晶セルへの入射光ビームおよび液晶セルからの照射光ビームは、オン状態において同一の偏光を有していなければならない。図３および図４に示した実施例は、投影型ディスプレイとして適しており、一方、図５に示した実施例は、周辺光の下における直接視認型のディスプレイとして適している。
【００２５】
本発明によれば、光の偏光が操作されることによってディスプレイ効果が生じる。光の強度が変化せしめられることによってディスプレイ効果が生じる。偏光子はディスプレイの一体化された部分をなす。したがって、これを達成するため、個々の画素のオンおよびオフ状態は、ゼロでない駆動電圧を必要とする。言い換えれば、本発明によれば、オンおよびオフ状態の両方に対して常に電圧制御が必要とされる。すなわち、本発明は、正および負の複屈折のいずれを利用しても良好に作用する。
【００２６】
すべての実施例において、液晶分子の層は逆平行に配向されており、液晶分子がゼロ電圧時にセル壁面に対して実質上平行に配向するようになっている。電圧が印加されたとき（常時印加されるが）、液晶分子は同一方向に傾く。
こうして、本発明によって、以下のような構成を提供することができる。すなわち、
【００２７】
１．個々の画素のオン／オフ状態を制御するトランジスタを備えた、液晶セルの複屈折の電圧制御に基づくアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。ディスプレイを通過する光の偏光状態は、個々の画素に対する印加電圧によって変化せしめられ得る。ディスプレイは単結晶シリコンウエハー上に形成されることができ、さらにこの単結晶シリコンウエハー上には個々の画素のアクティブコントロールのためのすべてのトランジスタ、およびすべての駆動回路、並びに電圧制御、スキャニングおよびタイミング制御のためのすべての集積回路が形成される。アクティブマトリクスディスプレイの各画素は、シリコン基板上に形成された反射金属電極を含んでいる。ディスプレイは光の反射に基づいており、光は、各画素の金属電極からの反射により、液晶セルを２回通過しなければならない。
【００２８】
２．線形電気光学的材料がこのディスプレイに対して使用され得ること。特に、液晶が使用され得る。
３．表示される画像は、直接に視認され、あるいは大面積ディスプレイのためのスクリーン上に投影され得る。
【００２９】
４．光源が投影型ディスプレイに対して要求されるとき、外部の光学手段が入射光ビームを形成するために使用され得る。周辺光が表示を直接視認するために使用され得る。
５．直方体プリズム偏光子が、直線偏光された光ビームをディスプレイ内に生成し、表示のために適当に偏光された出力ビームを選択するために使用される。
【００３０】
６．シート状の偏光子が、また、ディスプレイを得るために使用され得ること。
７．前記ディスプレイは、結晶シリコンウエハー上に形成されること。ウエハーは、画素のマトリクスを有するように配置され、画素はそれぞれ、オン（輝）またはオフ（暗）を切り換えられ、またはこれらの間の任意の明るさに切り換えられ得る。
【００３１】
８．ディスプレイは任意のカラーで表示可能である。
９．赤色、緑色および青色の３つのディスプレイが、カラー画像を与えるための組合せにおいて使用され得る。
１０．ディスプレイの画素は、カラー画像が単一のディスプレイにおいて得られうるようなカラー装置を備え得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるアクティブマトリクス液晶ディスプレイの概略図であり、ＭＯＳトランジスタおよび金属電極を示したものである。
【図２】  画素の断面図であり、材料の種々の層を示したものである。
【図３】  本発明の別の実施例による液晶ディスプレイを示す図である。
【図４】  図３の実施例の変形例を示す図である。
【図５】  図３の実施例の変形例を示す図である。
【符号の説明】
ａ  ＭＯＳトランジスタ
ｂ  ソース
ｃ  ゲート
ｄ  金属パッド
ｅ  ガラス板
ｆ  透明な導電性コーティング
ｇ  シリコンウエハー
ｈ  高分子コーティング
ｉ  液晶分子
ｊ  高分子コーティング
ｋ  液晶セル
ｌ  光源
ｍ  偏光子
ｎ  カラーフィルター
Ａ、Ｂ  光路
【図１】
0003672602.tif 000002
【図２】
0003672602.tif 000003
【図３】
0003672602.tif 000004
【図４】
0003672602.tif 000005
【図５】
0003672602.tif 000006