(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子と反射電極とを備えた複数の画素をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス基板と、透明電極を備えたガラス基板と、前記アクティブマトリクス基板と前記ガラス基板との間に封入した液晶層と、位相板と、偏光板とからなる反射型カラー液晶表示装置において、 前記液晶層に印加する電圧の低電圧側で黒画像を表示し、高電圧側のある電圧において白画像を表示するノーマリブラック表示方式であって、
前記位相板と前記液晶層との間における光のストークスパラメータ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）のＳ１−Ｓ２面への射影がほぼ直線であり、かつ、前記反射電極の反射面における偏光状態が何れの波長においてもほぼ円偏光であって、
前記液晶層の厚みと屈折率異方性との積である液晶層のリターデーションが２００ｎｍ以上でかつ３００ｎｍ以下であり、
前記液晶層のツイスト角度が４０度以上でかつ５５度以下であり、
前記偏光板の透過軸と前記ガラス基板側の液晶配向方向とのなす角度が−３２度以上でかつ−１６度以下であり、
前記偏光板の透過軸と前記位相板の遅相軸とのなす角度である位相板方位角が７０度以上でかつ８１度以下であり、
前記位相板のリターデーションが３２０ｎｍ以上でかつ４３０ｎｍ以下であることを特徴とする反射型カラー液晶表示装置。
【請求項２】
スイッチング素子と反射電極とを備えた複数の画素をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス基板と、透明電極を備えたガラス基板と、前記アクティブマトリクス基板と前記ガラス基板との間に封入した液晶層と、位相板と、偏光板とからなる反射型カラー液晶表示装置において、
前記液晶層に印加する電圧の低電圧側で黒画像を表示し、高電圧側のある電圧において白画像を表示するノーマリブラック表示方式であって、
前記位相板と前記液晶層との間における光のストークスパラメータ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）のＳ１−Ｓ２面への射影がほぼ直線であり、かつ、前記反射電極の反射面における偏光状態が何れの波長においてもほぼ円偏光であって、
前記液晶層の厚みと屈折率異方性との積である液晶層のリターデーションがほぼ２５０ｎｍであり、
前記液晶層のツイスト角度がほぼ５０度であり、
前記偏光板の透過軸とガラス基板側の液晶配向方向とのなす角度がほぼ−２６度であり、
前記偏光板の透過軸と位相板の遅相軸とのなす角度である位相板方位角がほぼ７６度であり、  前記位相板のリターデーションがほぼ３８０ｎｍであることを特徴とする反射型カラー液晶表示装置。
【請求項３】
スイッチング素子と反射電極とを備えた複数の画素をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス基板と、透明電極を備えたガラス基板と、前記アクティブマトリクス基板と前記ガラス基板との間に封入した液晶層と、位相板と、偏光板とからなる反射型カラー液晶表示装置において、
前記液晶層に印加する電圧の低電圧側で白画像を表示し、高電圧側のある電圧において黒画像を表示するノーマリホワイト表示方式であって、
前記位相板と前記液晶層との間における光のストークスパラメータ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）のＳ１−Ｓ２面への射影がほぼ直線であり、かつ、前記反射電極の反射面における偏光状態が何れの波長においてもほぼ直線偏光であることを特徴とする反射型カラー液晶表示装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記液晶層の厚みと屈折率異方性との積である液晶層のリターデーションが２００ｎｍ以上でかつ４５０ｎｍ以下であり、
前記液晶層のツイスト角度が５０度以上でかつ６５度以下であり、
前記偏光板の透過軸とアクティブマトリクス基板側の液晶配向方向とのなす角度がほぼ０度ないし９０度であり、
前記アクティブマトリクス基板側の液晶配向方向と位相板の遅相軸とのなす角度である位相板方位角が４４度以上でかつ７６度以下であり、
前記位相板のリターデーションが６９ｎｍ以上でかつ２５５ｎｍ以下であることを特徴とする反射型カラー液晶表示装置。
【請求項５】
請求項３において
前記液晶層の厚みと屈折率異方性との積である液晶層のリターデーションが２５０ｎｍ以上でかつ４５０ｎｍ以下であり、
前記液晶層のツイスト角度が５５度以上でかつ６０度以下であり、
前記偏光板の透過軸とアクティブマトリクス基板側の液晶配向方向とのなす角度がほぼ０度ないし９０度であり、
前記アクティブマトリクス基板側の液晶配向方向と位相板の遅相軸とのなす角度である位相板方位角が４７度以上でかつ７５度以下であり、
前記位相板のリターデーションが９１ｎｍ以上でかつ２５１ｎｍ以下であることを特徴とする反射型カラー液晶表示装置。
【請求項６】
請求項３において、
前記液晶層の厚みと屈折率異方性との積である液晶層のリターデーションがほぼ４００ｎｍであり、
前記液晶層のツイスト角度が約５５度以上でかつ約６０度以下であり、
前記偏光板の透過軸とアクティブマトリクス基板側の液晶配向方向とのなす角度がほぼ０度ないし９０度であり、
前記アクティブマトリクス基板側の液晶配向方向と位相板の遅相軸とのなす角度である位相板方位角が約７３度以上でかつ約７４度以下であり、
前記位相板のリターデーションが約１６０ｎｍ以上でかつ約２００ｎｍ以下であることを特徴とする反射型カラー液晶表示装置。
【請求項７】
請求項４において、
偏光ビームスプリッタを有することを特徴とする反射型カラー液晶表示装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかにおいて、前記反射型カラー液晶表示装置に三原色光を時間分割で切換えて照射する光源を備え、前記光源の前記時間分割で切換えのタイミングに同期して各三原色に対応した画像の表示を行うことを特徴とする反射型カラー液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型カラー液晶表示装置に係り、特に、あらゆる階調において色再現を実現する液晶表示の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
反射型液晶ディスプレイは、液晶本来の低消費電力の特徴を備えたディスプレイであり、携帯情報端末機器等、駆動時間に対する要求が強い機器においては必須のデバイスである。しかしながら、現在主流の白黒表示の反射型液晶ディスプレイでは表示できる情報量に限りがあり、また、画像情報を扱うのが困難である等の問題点がある。今後の携帯情報端末機器等の市場の拡大のためにも、高性能な反射型カラー液晶ディスプレイが望まれている。
特開平１０−１５４８１７号公報には、ツイスト角度が４５°，６３°，９０°の場合におけるセルパラメータの開示がされている。また、特開平６−１１７１１号公報には、表面が滑らかな凹凸を有した鏡面電極を有し、偏光子と液晶素子と光学位相補償部材とからなる反射型液晶表示装置についての開示がある。この反射型液晶表示装置においては、液晶素子のリターデーションと光学位相補償部材のリターデーションとの差を波長で除した量が、ｍを正の整数として、ｍ／２±０．１のときに光透過状態、０．２５＋ｍ／２±０．１のときに遮光状態となるように、液晶素子ならびに光学位相補償部材のリターデーションを選定している。
上記何れの技術開示においても、白あるいは黒表示時の何れかの無彩色化はある程度考慮されているが、白表示及び黒表示、さらには全階調に渡る無彩色化は考慮されていない。したがって、このような条件の液晶ディスプレイにおいて白から黒へ連続的に変化するグラデーション表示を行うと、中間の階調において着色が生じ、表示品質の低下を招くことになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、白表示時及び黒表示時の無彩色化に加えて、中間調表示時の無彩色化も同時に実現し、色再現性の高い反射型カラー液晶表示装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、スイッチング素子と反射電極とを備えた複数の画素をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス基板と、透明電極を備えたガ
ラス基板と、アクティブマトリクス基板とガラス基板との間に封入した液晶層と、位相板と、偏光板とからなる反射型カラー液晶表示装置において、液晶層に印加する電圧の低電圧側で黒画像を表示し、高電圧側のある電圧において白画像を表示するノーマリブラック表示方式であって、位相板と液晶層との間における光のストークスパラメータ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）のＳ１−Ｓ２面への射影がほぼ直線であり、かつ、反射電極の反射面における偏光状態が何れの波長のにおいてもほぼ円偏光であって、
液晶層の厚みと屈折率異方性との積である液晶層のリターデーションが２００ｎｍ以上でかつ３００ｎｍ以下であり、液晶層のツイスト角度が４０度以上でかつ５５度以下であり、偏光板の透過軸とガラス基板側の液晶配向方向とのなす角度が−３２度以上でかつ−１６度以下であり、偏光板の透過軸と位相板の遅相軸とのなす角度である位相板方位角が７０度以上でかつ８１度以下であり、位相板のリターデーションが３２０ｎｍ以上でかつ４３０ｎｍ以下とし、より高コントラスト比の反射型カラー液晶表示装置を実現する。
また、液晶層の厚みと屈折率異方性との積である液晶層のリターデーションがほぼ２５０ｎｍであり、液晶層のツイスト角度がほぼ５０度であり、偏光板の透過軸とガラス基板側の液晶配向方向とのなす角度がほぼ−２６度であり、偏光板の透過軸と位相板の遅相軸とのなす角度である位相板方位角がほぼ７６度であり、位相板のリターデーションがほぼ３８０ｎｍとし、全ての階調で無彩色表示が可能であり、色再現性に優れる反射型カラー液晶表示装置を実現する。
また、スイッチング素子と反射電極とを備えた複数の画素をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス基板と、透明電極を備えたガラス基板と、アクティブマトリクス基板とガラス基板との間に封入した液晶層と、位相板と、偏光板とからなる反射型カラー液晶表示装置において、液晶層に印加する電圧の低電圧側で白画像を表示し、高電圧側のある電圧において黒画像を表示するノーマリホワイト表示方式であって、位相板と前記液晶層との間における光のストークスパラメータ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）のＳ１−Ｓ２面への射影がほぼ直線であり、かつ、反射電極の反射面における偏光状態が何れの波長のにおいてもほぼ直線偏光とする。
ここで、液晶層の厚みと屈折率異方性との積である液晶層のリターデーションが２００ｎｍ以上でかつ４５０ｎｍ以下であり、液晶層のツイスト角度が５０度以上でかつ６５度以下であり、偏光板の透過軸とアクティブマトリクス基板側の液晶配向方向とのなす角度がほぼ０度ないし９０度であり、アクティブマトリクス基板側の液晶配向方向と位相板の遅相軸とのなす角度である位相板方位角が４４度以上でかつ７６度以下であり、位相板のリターデーションが６９ｎｍ以上でかつ２５５ｎｍ以下とし、好適な高コントラスト比の反射型カラー液晶表示装置を実現する。
ここで、液晶層の厚みと屈折率異方性との積である液晶層のリターデーションが２５０ｎｍ以上でかつ４５０ｎｍ以下であり、液晶層のツイスト角度が５５度以上でかつ６０度以下であり、偏光板の透過軸とアクティブマトリクス基板側の液晶配向方向とのなす角度がほぼ０度ないし９０度であり、アクティブマトリクス基板側の液晶配向方向と位相板の遅相軸とのなす角度である位相板方位角が４７度以上でかつ７５度以下であり、位相板のリターデーションが９１ｎｍ以上でかつ２５１ｎｍ以下とし、より高コントラスト比の反射型カラー液晶表示装置を実現する。
ここで、液晶層の厚みと屈折率異方性との積である液晶層のリターデーションがほぼ４００ｎｍであり、液晶層のツイスト角度が約５５度以上でかつ約６０度以下であり、偏光板の透過軸とアクティブマトリクス基板側の液晶配向方向とのなす角度がほぼ０度ないし９０度であり、アクティブマトリクス基板側の液晶配向方向と位相板の遅相軸とのなす角度である位相板方位角が約７３度以上でかつ約７４度以下であり、位相板のリターデーションが約１６０ｎｍ以上でかつ約２００ｎｍ以下とし、全ての階調で無彩色表示が可能であり、色再現性に優れる反射型カラー液晶表示装置を実現する。
ここで、偏光ビームスプリッタを有する反射型カラー液晶表示装置を実現する。
ここで、前記した反射型カラー液晶表示装置に、三原色光を時間分割で切換えて照射する光源を備え、光源の前記時間分割で切換えのタイミングに同期して各三原色に対応した画像の表示を行う。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図２に、本発明を適用する反射型カラー液晶表示装置の断面図を示す。反射型カラー液晶表示装置は、スイッチング素子と、複数の画素をマトリクス状に配置し、かつ、各々の画素に表面形状が滑らかな凹凸である凹凸反射電極１０４ａが形成されたアクティブマトリクス基板１２２と、カラーフィルタ１２１や図示していない透明電極などが形成されているガラス基板１２０と、アクティブマトリクス基板１２２とガラス基板１２０との間に封入した液晶層１０３と、位相板１０２と、偏光板１０１からなる反射型カラー液晶ディスプレイパネルである。
反射型カラー液晶ディスプレイパネルは、照明等の外光を光源とし、パネルへの入射光１０５を位相板１０２と液晶層１０３において位相変調し、凹凸反射電極１０４ａで反射散乱され、再び液晶層１０３と位相板１０２によって位相変調され、偏光板１０１を介してパネルより出射する反射光１０６の強弱により画像を形成するディスプレイである。
【０００６】
図１は、本発明の第１の実施形態であり、反射型カラー液晶表示装置を構成する各光学素子における光学軸の相対関係ならびに光学特性を決定するパラメータについて説明する。
図１では、反射型カラー液晶ディスプレイパネルの構成部材のうち、偏光板１０１と、位相板１０２と、液晶層１０３と、反射電極１０４とを模式的に示す。偏光板１０１の透過軸１０７方向を基準として、他の各光学素子の光学軸の方位を定義する。角度の符号は反時計周りを正とする。位相板１０２の遅相軸１０８と透過軸１０７方向とのなす角を位相板方位角度１０９とする。液晶層１０３のパラメータとしては、ガラス基板１２０側の液晶の配向方向である上側液晶配向方向１１０と、アクティブマトリクス基板１２２側の液晶の配向方向である下側液晶配向方向１１１と、上下液晶配向方向のなす角に相当するツイスト角度１１３と、上側液晶配向方向１１０と透過軸１０７とのなす角である液晶配向角度１１２とがある。上側液晶配向方向１１０と下側液晶配向方向１１１を示す矢印の方位はラビング方向を示す。また、液晶層１０３のパラメータとして、液晶層１０３の厚みと屈折率異方性の積であるリターデーションがある。あるいはまた、位相板１０２のリターデーションも同様にパラメータである。
以上のように、反射型液晶セルの光学特性を決定するパラメータは５種類（液晶層１０３のツイスト角度１１３，液晶配向角度１１２，液晶層１０３のリターデーション，位相板１０２のリターデーション，位相板方位角度１０９）挙げられる。これらのパラメータの最適値を求めるためには何らかの最適化アルゴリズムが必要である。
【０００７】
以下において、最適化アルゴリズムについて述べる。まず、電圧がほぼ０Ｖｒｍｓのときに黒画像表示を行うための液晶セルの特徴について、図１を用いて述べる。入射光１０５のうち、偏光板１０１によって透過軸１０７と直交する偏光成分は吸収され、透過軸１０７と平行な偏光成分のみが通過する。入射偏光は位相板１０２及び液晶層１０３を通過し、反射板１０４によって反射される。この反射偏光は、再び液晶層１０３及び位相板１０２を通過し、偏光板１０１に入射する。黒画像表示となるためには、反射偏光が偏光板１０１によってほぼ完全に吸収される必要がある。したがって、反射偏光は、ほぼ直線偏光でかつその偏光方向は入射偏光方向と直交していることが必要である。また、無彩色な表示を行うためには、全ての色で同時にこの条件を満たす必要がある。対称性から、この条件を満たすためには、反射板１０４上での偏光状態が円偏光である必要がある。しかも、無彩色な表示を行うために、各波長において同時にこの条件を満たす必要がある。
この観点から、次に述べるような最適化アルゴリズムを見出した。まず、液晶層１０３の条件（ツイスト角度φ及びリターデーションｄΔｎ）（ｄは液晶層１０３のセルギャップ、Δｎは液晶分子の屈折率異方性）を求めるため、反射型の光路のうち反射電極１０４以降について考えた。すなわち、反射電極１０４上での偏光状態が液晶層１０３と位相板１０２を通過した後、偏光板１０１で吸収される条件を求める。後述のように、液晶層１０３のパラメータ２項目（ツイスト角度φ及びリターデーションｄΔｎ）が最適化されると、他の３項目（液晶配向角度１１２、位相板１０２のリターデーション、位相板方位角度１０９）のパラメータはほぼ自動的に求めることができる。
【０００８】
図４に、最適化アルゴリズムのフローチャートを示す。各状態における偏光状態を表すためには、ストークスパラメータを用いるのが便利である。ストークスパラメータは、偏光状態を三次元空間の座標で表す指標であり、例えば「応用光学II  鶴田匡夫著  培風館発行」にその詳細が記載されている。したがって、ストークスパラメータの座標の模式図も同時に示した。
以下、図４を用いて、具体的にアルゴリズムについて述べる。まず初めに、反射電極１０４上における円偏光を液晶層１０３に入射し、液晶層１０３のツイスト角度ならびにリターデーションに応じて位相変調がなされる。ストークスパラメータが表す座標は、三次元空間上で直径が１の球面上に位置する。この球面はポアンカレ球と称される。液晶層１０３を通過後の楕円偏光のポアンカレ球上の座標（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3）を調べる。位相板１０２を用いて各波長の楕円偏光を直線偏光に変換するためには、各波長の楕円偏光のポアンカレ球上の座標のＳ1−Ｓ2面上への射影が直線上にあることが必要である。各波長の楕円偏光のポアンカレ球上の座標のＳ1−Ｓ2面上への射影を直線でフィッティングし、位相板１０２の方位角度θならびにリターデーションｄPCΔｎPCを算出する。その結果を用いて先の楕円偏光（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3）を直線偏光化（Ｓ1’，Ｓ2’，Ｓ3’）する。直線偏光の条件（Ｓ3’＝０）から偏光板１０１の方位角度θ’を求め、黒表示の輝度（Ｓ0”）を算出する。
このように、液晶層１０３のツイスト角度φ及びリターデーションｄΔｎを最適化することにより、他の３つのパラメータをほぼ一義的に求めることができるのが本アルゴリズムの特長である。また、アルゴリズムの説明の中でも述べるが、位相板１０２の方位角θ及び偏光板１０１の方位角度θ’は、アルゴリズムの便宜上電極上の液晶配向方向を基準にとった角度とする。したがって、このアルゴリズムで求められた位相板１０２の方位角θ及び偏光板１０１の方位角度θ’は図１に定義した角度である位相板方位角１０９ならびに液晶配向角度１１２に適宜変換する必要がある。これは、以下の本発明の他の実施形態においても同様である。
【０００９】
以下、アルゴリズムについて詳述する。円偏光を液晶層１０３に入射すると、液晶層１０３からの出射光の電場ベクトルは、次式で表される。
【数１】
0003641708.tif 000002
ここで、Ｊ∞はジョーンズ行列であり、次式で表される。
【数２】
0003641708.tif 000003
ここで、
【数３】
0003641708.tif 000004
【数４】
0003641708.tif 000005
【数５】
0003641708.tif 000006
【数６】
0003641708.tif 000007
ここで、φは液晶層１０３のツイスト角度、ｄは液晶層１０３のセルギャップ、Δｎは液晶分子の屈折率異方性、λは波長である。
式（２）から式（６）を用いて式（１）を計算すると、次のようになる。
【数７】
0003641708.tif 000008
上式より液晶層１０３からの出射光のストークスパラメータを求めると、次式のようになる。
【数８】
0003641708.tif 000009
【数９】
0003641708.tif 000010
【数１０】
0003641708.tif 000011
【数１１】
0003641708.tif 000012
ポアンカレ球上の座標のＳ1−Ｓ2面上への射影が波長λに対して直線になる条件は、液晶層１０３の各ツイスト角度φ及びリターデーションｄΔｎにおいて、
【数１２】
0003641708.tif 000013
を用いてフィッテイングを行い、その自乗平均誤差を最小にする条件について、数値的に探索を行うことにより求めた。
位相板１０２の方位角θは、式（１２）の傾きｐから次式のように求められる。
【数１３】
0003641708.tif 000014
ここで、θは反射電極１０４上の液晶分子の配向方向と位相板１０２の進相軸とのなす角度である。また、０≦ｔａｎ~1ｐ＜ｎである。
位相板１０２からの出射光のストークスパラメータＳ0’，Ｓ1’，Ｓ2’，Ｓ3’は、次式のように求められる。
【数１４】
0003641708.tif 000015
ここで、Гは位相板１０２通過後の固有偏光間の位相差であり、位相板１０２の厚さｄPC及び屈折率異方性ΔｎPCを用いて、Г＝２πｄPCΔｎPC／λと表される。さらに、偏光板１０１通過後の光強度Ｓ0”は、次式にように求められる。
【数１５】
0003641708.tif 000016
ここで、θ’は反射電極１０４上の液晶分子の配向方向と偏光板１０１の透過軸とのなす角度であり、ある波長λに対し、次式のように求められる。
【数１６】
0003641708.tif 000017
また、位相板１０２のリターデーションｄPCΔｎPCは、Ｓ3’＝０の条件から次式で与えられる。
【数１７】
0003641708.tif 000018
以下の計算においては、光源としてＥ光源を用いた。位相板１０２にはポリカーボネートを用い、計算にはその物性値を用いた。
【００１０】
図５に、上記のアルゴリズムを用いて電圧０Ｖｒｍｓのときの反射率の計算結果を示す。この図５は、電圧０Ｖｒｍｓのときの等反射率曲線（反射率０．１％，０．２％，０．３％，・・・）を表している。先に述べたように、本アルゴリズムで独立に変動させるパラメータは、液晶層１０３のリターデーションとツイスト角度であるので、図５の横軸及び縦軸は夫々液晶層１０３のリターデーションとツイスト角度である。位相板１０２のリターデーションと、位相板１０２の方位角と、液晶配向角度については、夫々の条件ごとに最適化された値を用いている。
最も反射率の低くなる液晶セルの条件は、液晶層１０３のリターデーションが概ね３４０ｎｍ以下であり、ツイスト角度が約２０°以上でかつ７０°以下である。液晶層１０３のリターデーションが１５０ｎｍよりも小さい領域においても反射率が０．４％以下の条件が得られる。しかしながら、液晶層１０３のリターデーションの電圧変化量は、黒画像表示のときと白画像表示のときの差が最大で約４分の１波長の位相変化である。したがって、白画像表示の反射率を十分高くするために、液晶層１０３のリターデーションとして４分の１波長の位相変化に相当するリターデーション（波長５５０ｎｍでは１３７．５ｎｍ）以上が必要である。実際には、電圧を液晶セルに印加しても全ての液晶分子が完全に電圧印加方向に揃うわけではないので、液晶層１０３のリターデーション値は４分の１波長よりは大きく、１５０ｎｍ以上は必要であると考えられる。したがって、液晶層１０３のリターデーションは１５０ｎｍ以上でかつ３４０ｎｍ以下が好適な条件と云える。
さらには、黒表示の反射率として０．１％以下が得られる条件がコントラスト比の観点からはより望ましく、液晶層１０３のリターデーションとして１５０ｎｍ以上でかつ３２５ｎｍ以下、ツイスト角度として４０°以上でかつ５５°以下がより好適な条件と云える。
【００１１】
図６から図９に、代表的な液晶層１０３及び位相板１０２の条件、各光学素子の光学軸の相対角度について、それぞれツイスト４０°４５°５０°５５°の電圧−反射率を計算した結果を示す。何れの条件においても良好な白黒表示が得られることが分かる（印加電圧０Ｖｒｍｓ−反射率０％のとき、黒表示）。
表１（図２７）に、夫々のパラメータ条件（液晶層１０３のリターデーション、ツイスト角度、液晶配向角度、位相板１０２のリターデーション、位相板方位角度）を示す。同時にコントラスト比も示しておく。各代表的条件間の補間を行うことにより、容易に各代表的条件間の任意の条件を求めることが可能である。
【００１２】
図１０から図１３に、図６から図９に示した電圧−反射率特性に沿ってｘ−ｙ色度座標を計算した結果を示す。全体的な傾向として、白表示は概ね光源の色度と同等な色度に位置し、黒表示になるにつれ大きく色度変化する。これは青から紫方向に色度変化する結果である。また、一見黒表示側で色度変化量が多く思われるが、これは黒表示の反射率が低く、僅かな反射スペクトルの形状の波長依存性を反映した結果であり、各条件において十分なコントラスト比が得られていることからも、何れの条件も画像表示には申し分ないと考えられる。白表示と黒表示の中間位置が中間階調になる。
さらに、黒表示における色度座標も光源の色度座標に十分近い位置にあればなおよい。具体的には、液晶層１０３のリターデーションが約２５０ｎｍ、ツイスト角度が約５０度、液晶配向角度が約−２６度、位相板１０２のリターデーションが約３７９ｎｍ、位相板方位角度が約７６度である（図１２）。これらの値は中心値を示しており、ある程度の変動幅を有する値である。
【００１３】
図１において、便宜的に各光学素子を四角形で現したが、これは例えば基板に対する偏光板の透過軸方向等を規定するものではない。各光学素子の光学軸の相対的な角度の関係を定義するものである、基板に対する各光学素子の光学軸の角度は、反射型カラー液晶表示装置の使用方法と視野角特性との関係から最適な角度が決定される。ここでいう視野角特性とは、反射型カラー液晶表示装置の表示面の法線方向から表示画像を見たときの特性を基準としたときの各表示特性（輝度、コントラスト比等）における表示面の法線方向からずれた方向から見たときの特性変化の角度依存性である。
第１の実施形態における反射型カラー液晶表示装置の電圧に対する反射率の特性は、低電圧側で黒画像表示を行い、高電圧側のある電圧において白画像表示を行うノーマリブラック型である。
【００１４】
図３は、図２の反射型カラー液晶表示装置に示す凹凸反射電極１０４ａに代えて散乱板１２３を位相板１０２とガラス基板１２０との間に配置する断面図を示す。ここで、反射電極１０４の表面は平坦形状をなす。
なお、散乱板１２３の配置はこれに限定されることはなく、例えば偏光板１０１と位相板１０２との間に配置してもよい。また、偏光板１０１ないし位相板１０２自体が散乱性を持つ部材を用いてもよい。また、散乱板１２３は偏光板１０１ないし位相板１０２の接着剤を兼ねてもよい。
また、図２及び図３においては、カラーフィルタ１２１はガラス基板１２０側に設けてあるが、アクティブマトリクス基板１２２側に設けてもよい。
【００１５】
図１４は、本発明の第２の実施形態であり、反射型カラー液晶表示装置を構成する各光学素子における光学軸の相対関係ならびに光学特性を決定するパラメータについて説明する。
本実施形態の第１の実施形態との相違点は、第１の実施形態の表示方式がノーマリブラックであるのに対し、ノーマリホワイトであることである。
無彩色白表示を実現するためには、反射電極１０４上で全波長光が直線偏光にできる限り近い状態になっていることが必要である。つまり、反射電極１０４と偏光板１０１の間の光学条件が位相差０ないし理想的な１／２波長板であればよい。また、位相変調の波長依存性を小さく抑えるためには旋光性を利用するのが有効である。したがって、反射電極１０４上の直線偏光の偏光方向と反射電極１０４上の液晶分子の配向方向は平行ないし直行した状態を仮定する。
以下では、反射電極１０４上の直線偏光の偏光方向と反射電極１０４上の液晶分子の配向方向が平行である場合について述べる。
【００１６】
図１５に、無彩色白表示条件の最適化アルゴリズムのフローチャートを示す。無彩色白表示条件の最適化アルゴリズムの、無彩色黒表示のそれからの変更点は、１）反射電極上円偏光（Ｓ3＝−１）→直線偏光（（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3）＝（１，０，０））、２）直線Ｓ2＝ｐＳ1＋ｑでフィッテイング→Ｓ2＝ｐ（Ｓ1＋１）でフィッティングの２点である。Ｓ2＝ｐ（Ｓ1＋１）でフィッテイングするのは、位相板１０２通過後の偏光状態を（Ｓ1’，Ｓ2’，Ｓ3’）＝（−１，０，０）とするためである。
以下、アルゴリズムについて詳述する。直線偏光を液晶層１０３に入射すると、液晶層１０３からの出射光の電場ベクトルは、次式で表される。
【数１８】
0003641708.tif 000019
式（２）から式（６）を用いて式（１８）を計算し、液晶層１０３からの出射光のストークスパラメータを求めると、次式のようになる。ただし、これらは反射電極１０４上において（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3）＝（１，０，０）としたときの表式である。
【数１９】
0003641708.tif 000020
【数２０】
0003641708.tif 000021
【数２１】
0003641708.tif 000022
【数２２】
0003641708.tif 000023
液晶層１０３及び位相板１０２全体で位相差１／２波長である場合、位相板１０２通過後のストークスパラメータは（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3）＝（−１，０，０）である。この条件を満たすためには、液晶層１０３通過後のストークスパラメータのＳ1−Ｓ2面上への射影が次式で表される直線上にあればよい。
【数２３】
0003641708.tif 000024
さらに、先の黒表示条件の計算と同様に最小自乗誤差を最小にする液晶層１０３のツイスト角度φ及びリターデーションｄΔｎを求めた。位相板１０２の視角は、式（２３）の傾きｐ及び式（１３）によって求められる。偏光板１０１通過後の光強度は式（１４）及び式（１５）により得られる。ただし、反射電極１０４上の液晶分子の配向方向と偏光板１０１の透過軸とのなす角度であるθ’は、θ’＝０ないしθ’＝π／２ある。
以下の計算においては、光源としてＥ光源を用いた。位相板１０２にはポリカーボネートを用い、計算にはその物性値を用いた。
【００１７】
図１６から図１９に、代表的な液晶層１０３及び位相板１０２の条件、各光学素子の光学軸の相対角度について、それぞれツイスト５０°５５°６０°６５°の電圧−反射率を計算した結果を示す。何れの条件においても良好な白黒表示が得られることが分かる（印加電圧０Ｖｒｍｓ−反射率１００％のとき、白表示）。
表２（図２８）に、夫々のパラメータ条件（液晶層１０３のリターデーション、ツイスト角度、位相板１０２のリターデーション、位相板方位角度）を示す。同時にコントラスト比も示しておく。各代表的条件間の補間を行うことにより、容易に各代表的条件間の任意の条件を求めることが可能である。
【００１８】
特に、高いコントラスト比が実現できる条件は、ツイスト角度５５度から６０度である。図２０及び図２１に、図１７及び図１８に示した電圧−反射率特性に沿ってｘ−ｙ色度座標を計算した結果を示す。液晶層１０３のリターデーションが約４００ｎｍ、ツイスト角度が約５５度から約６０度、液晶配向角度が約７３度から約７４度、位相板１０２のリターデーションが約１６２から１９６ｎｍ、位相板方位角度が約７３度から７４度である。これらの値は中心値を示しており、ある程度の変動幅を有する値である。
【００１９】
図２２は、本発明の第３の実施形態であり、反射型カラー液晶表示装置を構成する各光学素子における光学軸の相対関係を示す。本実施形態を適用する反射型カラー液晶表示装置は、図２の反射型カラー液晶表示装置と比べて、偏光板１０４の代わりに偏光ビームスプリッタ１３１を用いた点で相違する。用途としては、液晶プロジェクタが挙げられる。
図示されていない光源からの入射光１０５のうち、一方の偏光成分１３４のみが偏光ビームスプリッタ１３１を通過し、他方の偏光成分はプリズムの合せ面で反射されて位相板１０２へは到達しない。偏光成分１３４は位相板１０２及び液晶層１０３によって位相変調され、反射電極１０４で反射され、再び液晶層１０３及び位相板１０２を通過して偏光ビームスプリッタ１３１に到達する。このときの偏光状態によって偏光ビームスプリッタ１３１を通過して光源への戻り光１３２あるいは図示されていないスクリーンへの投写光１３３となる。殆ど全ての光が光源への戻り光１３２になったときが黒画像表示であり、殆ど全ての光がスクリーンへの投写光１３３となった場合が白画像表示である。したがって、位相板１０２及び液晶層１０３のパラメータ条件を第２の実施形態と同様にした場合には、ノーマリホワイトの表示方式となる。
【００２０】
図２３に、本発明の液晶プロジェクタ用のライトバルブの実施形態の断面図を示す。偏光ビームスプリッタは省略する。本実施形態は、アクティブマトリクス基板１２２として単結晶シリコン基板を用いる。アクティブマトリクス基板１２２は、ｎ型基板１４１上にｐ型井戸１４２を形成し、その上にＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ１４３と、保持容量１４４を形成する。各トランジスタ間の配線や絶縁膜等をさらに積層し、最上層に反射電極１０４とその保護膜１４６を形成する。透明電極１４８を備えたガラス基板１２０とアクティブマトリクス基板１２２との間に液晶層１０３を封止する。液晶層１０３の厚みを一定に保つために支柱１４７を設ける。プロジェクタ用ライトバルブは高強度光にさらされるため、光がＭＯＳトランジスタ１４３の領域に侵入しないように遮光層１５３を設ける。ガラス基板１２０の上面に位相板１０２を貼付する。
本実施形態により、あらゆる階調において無彩色な画像表示が可能となり、色再現性の高い液晶プロジェクタを実現できる。
【００２１】
カラー画像表示を行う方式として、以上に述べたカラーフィルタを並置して用いるカラー画像表示方式の他に、時分割でＲＧＢ（Ｒｅｄ，Ｇｒｅｅｎ，Ｂｌｕｅ）の画像を表示することによるカラー画像表示方式（フィールドシーケンシャル方式）がある。フィールドシーケンシャル方式の利点は、一つの画素でＲＧＢの各色画像を表示するため、画素数はカラーフィルタ並置方式の場合の３分の１でよいことが挙げられる。また、同じ精細度の画像を表示した場合、フィールドシーケンシャル単板方式の方がカラーフィルタ並置方式に比べて画素毎の色ずれがないため、高精細画像として知覚される。
フィールドシーケンシャル単板方式の場合も、一つのパネルでフルカラー表示する上で色再現を忠実に行うためには、三原色毎の反射率の電圧依存性が揃っている必要がある。云い換えれば、色度変化の電圧依存性が小さい必要がある。
本発明の反射型カラー液晶表示モードは、色度変化の電圧依存性が小さいため、フィールドシーケンシャル単板方式の液晶ディスプレイに最適な液晶表示方式である。したがって、本発明の反射型カラー液晶表示モードをフィールドシーケンシャル単板方式の反射型カラー液晶表示装置に適用することにより、色再現性の高い反射型カラー液晶表示装置を実現することが可能である。
以下、本発明によるフィールドシーケンシャル単板方式の反射型カラー液晶表示装置の３つの実施形態について述べる。何れもこの特長を備える。反射型カラー液晶表示装置の表示方式としては、先に述べた反射型カラー液晶表示装置表面に偏光板を貼付する方式、あるいは、偏光ビームスプリッタ等を用いるクロスニコルの偏光光学配置を用いた方式の何れを用いてもよい。
本実施形態の反射型カラー液晶表示装置は、ヘッドマウントディスプレイないしフェイスマウントディスプレイに適用することができる。
【００２２】
図２４は、本発明によるフィールドシーケンシャル単板方式の反射型カラー液晶表示装置の第一の実施形態を示す。本実施形態の反射型カラー液晶表示装置は、光源２０５、拡散素子２０４、偏光板１０１及び位相板１０２を貼付した反射型液晶パネル２０３、レンズ２０２等から構成する。
本実施形態の反射型カラー液晶表示装置は、光源２０５からの光を拡散素子２０４によって拡散し、偏光板１０１及び位相板１０２を介して反射型液晶パネル２０３に照射し、この反射型液晶パネル２０３によって変調された光を観測者２０１がレンズ２０２を介して画像として視認する方式のディスプレイである。
光源２０５には、ＲＧＢの各３原色に対応する発光ダイオードを用い、各色画像の表示に同期して順次点灯するように構成する。拡散素子２０４としては例えばホログラフィックススクリーンやビーズスクリーンが適当である。
なお、本実施形態においては、ＲＧＢには各３原色について独立な発光ダイオードを３つ組み合わせた構成としたが、３つの発光ダイオードを１つのパッケージに一体化したものを用いてもよい。
【００２３】
図２５は、本発明によるフィールドシーケンシャル単板方式の反射型カラー液晶表示装置の第二の実施形態を示す。本実施形態の第一の実施形態との相違点は、偏光板１０１の代わりに偏光ビームスプリッタ１３１を用いた点である。フィールドシーケンシャル単板方式の反射型カラー液晶表示装置の第一の実施形態においては不要反射光であり、コントラスト比を低下させる原因であった位相板１０２の表面反射光は、本実施形態においては偏光ビームスプリッタ１３１によって光源２０５方向に戻され、観測者２０１には視認されないので、高コントラスト比を実現することができる。また、フィールドシーケンシャル単板方式の反射型カラー液晶表示装置の第一の実施形態においては偏光板１０１の表面反射光もコントラスト比低下の原因となるが、本実施形態においては偏光板１０１の代わりに偏光ビームスプリッタ１３１を用いているために、この問題も無い。
【００２４】
図２６は、本発明によるフィールドシーケンシャル単板方式の反射型カラー液晶表示装置の第三の実施形態を示す。本実施形態は、発光ダイオードを用いた光源２０５からの光を拡散素子２０４及び偏光ビームスプリッタ１３１を介して位相板１０２を貼付した反射型液晶パネル２０３に照射し、反射型液晶パネル２０３によって変調された光はレンズ２０２を介してスクリーン２０７上に画像２０６として投写される。この画像２０６を観測者２０１が視認する。本実施形態の利点は、液晶ディスプレイパネルを含む光学系をコンパクトに構成できることである。
なお、本実施形態においては、光源２０５として発光ダイオードを用いたが、レーザダイオードを用いることも可能である。レーザダイオードからの出射光は偏光しており、光利用効率を高める効果がある。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、液晶層のツイスト角度及びリターデーションを最適化することにより、他の３つの液晶配向角度、位相板のリターデーション、位相板方位角度のパラメータをほぼ一義的にかつ自動的に求めることができる。
また、白表示時及び黒表示時の無彩色化に加えて、中間調表示時の無彩色化も同時に実現でき、色再現性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態であり、反射型カラー液晶表示装置を構成する各光学素子における光学軸の相対関係ならびに光学特性を決定するパラメータについての説明図
【図２】本発明を適用する反射型カラー液晶表示装置の断面図
【図３】本発明を適用する反射型カラー液晶表示装置を一部変更した断面図
【図４】本発明の無彩色黒表示条件の最適化アルゴリズムのフローチャート
【図５】本発明による電圧０Ｖｒｍｓのときの反射率の計算結果を示す図
【図６】本発明によるツイスト角度４０度のときの電圧−反射率特性図
【図７】本発明によるツイスト角度４５度のときの電圧−反射率特性図
【図８】本発明によるツイスト角度５０度のときの電圧−反射率特性図
【図９】本発明によるツイスト角度５５度のときの電圧−反射率特性図
【図１０】本発明によるツイスト角度４０度のときの色度の電圧依存性を示す図
【図１１】本発明によるツイスト角度４５度のときの色度の電圧依存性を示す図
【図１２】本発明によるツイスト角度５０度のときの色度の電圧依存性を示す図
【図１３】本発明によるツイスト角度５５度のときの色度の電圧依存性を示す図
【図１４】本発明の第２の実施形態であり、反射型カラー液晶表示装置を構成する各光学素子における光学軸の相対関係ならびに光学特性を決定するパラメータについての説明図
【図１５】本発明の無彩色白表示条件の最適化アルゴリズムのフローチャート
【図１６】本発明によるツイスト角度５０度のときの電圧−反射率特性図
【図１７】本発明によるツイスト角度５５度のときの電圧−反射率特性図
【図１８】本発明によるツイスト角度６０度のときの電圧−反射率特性図
【図１９】本発明によるツイスト角度６５度のときの電圧−反射率特性図
【図２０】本発明によるツイスト角度５５度のときの色度の電圧依存性を示す図
【図２１】本発明によるツイスト角度６０度のときの色度の電圧依存性を示す図
【図２２】本発明の第３の実施形態であり、反射型カラー液晶表示装置を構成する各光学素子における光学軸の相対関係についての説明図
【図２３】本発明の液晶プロジェクタ用のライトバルブの実施形態の断面図
【図２４】本発明によるフィールドシーケンシャル単板方式の反射型カラー液晶表示装置の第一の実施形態
【図２５】本発明によるフィールドシーケンシャル単板方式の反射型カラー液晶表示装置の第二の実施形態
【図２６】本発明によるフィールドシーケンシャル単板方式の反射型カラー液晶表示装置の第三の実施形態
【図２７】表１の図
【図２８】表２の図
【符号の説明】
１０１…偏光板，１０２…位相板，１０３…液晶層，１０４…反射電極，１０４ａ…凹凸反射電極，１０４ｂ…鏡面反射電極，１０５…入射光，１０６…反射光，１０７…透過軸，１０８…遅相軸，１０９…位相板方位角度，１１０…上側液晶配向方向，１１１…下側液晶配向方向，１１２…液晶配向角度，１１３…ツイスト角度，１２０…ガラス基板，１２１…カラーフィルタ，１２２…アクティブマトリクス基板，１２３…拡散板，１３１…偏光ビームスプリッタ，１３２…光源への戻り光，１３３…スクリーンへの投写光，１３４…偏光成分，１４１…ｎ型基板，１４２…ｐ型井戸，１４３…ＭＯＳトランジスタ，１４４…保持容量，１４６…保護膜，１４７…支柱，１４８…透明電極，１５３…遮光層
２０２…レンズ，２０３…反射型液晶パネル，２０４…拡散素子，２０５…光源，２０７…スクリーン
【図１】
0003641708.tif 000025
【図２】
0003641708.tif 000026
【図３】
0003641708.tif 000027
【図４】
0003641708.tif 000028
【図５】
0003641708.tif 000029
【図６】
0003641708.tif 000030
【図７】
0003641708.tif 000031
【図８】
0003641708.tif 000032
【図９】
0003641708.tif 000033
【図１０】
0003641708.tif 000034
【図１１】
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【図１２】
0003641708.tif 000036
【図１３】
0003641708.tif 000037
【図１４】
0003641708.tif 000038
【図１５】
0003641708.tif 000039
【図１６】
0003641708.tif 000040
【図１７】
0003641708.tif 000041
【図１８】
0003641708.tif 000042
【図１９】
0003641708.tif 000043
【図２０】
0003641708.tif 000044
【図２１】
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【図２２】
0003641708.tif 000046
【図２３】
0003641708.tif 000047
【図２４】
0003641708.tif 000048
【図２５】
0003641708.tif 000049
【図２６】
0003641708.tif 000050
【図２７】
0003641708.tif 000051
【図２８】
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