(57)【要約】【課題】色味を変えずに、画素の輝度を変化させること。【解決手段】カラー表示素子１では、副画素ごとに厚さが異なる液晶層を有する。そして、カラー表示素子１の液晶層は、印加電圧によって、所定の分子配列を取る第１の状態、第１の状態とはリタデーションが異なる分子配列を取る第２の状態のいずれかになる双安定性の物質で形成される。さらに、双安定性の物質は、第１の状態とリタデーションが変わらず透過率が異なる第３の状態も取り得る。【選択図】図１
2011107416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの画素が複数の副画素に分割され、各副画素から透過される透過光を混色して発色を行う表示素子であって、
前記副画素ごとに厚さが異なる液晶層を有し、
前記液晶層は、
印加電圧の制御によって、所定の分子配列を取る第１の状態、前記第１の状態とはリタデーションが異なる分子配列を取る第２の状態、前記第１の状態とリタデーションが変わらず透過率が異なる第３の状態のいずれかになる双安定性の物質で形成されることを特徴とする表示素子。
【請求項２】
前記双安定性の物質としてコレステリック液晶を用いることを特徴とする請求項１に記載の表示素子。
【請求項３】
前記液晶層が挟持される対向基板の表裏に、透過光の円偏光の向きが互いに異なる円偏光板をそれぞれ積層することを特徴とする請求項２に記載の表示素子。
【請求項４】
前記液晶層が挟持される対向基板にパターンニングされた電極と前記双安定性の物質の間に光透過性物質を配することにより、前記双安定性の物質の厚さを前記副画素ごとに変えることを特徴とする請求項１、２または３に記載の表示素子。
【請求項５】
前記液晶層が挟持される対向基板のうち光源側にある基板と、該基板にパターンニングされる電極の間に光透過性物質を配することにより、前記双安定性の物質の厚さを前記副画素ごとに変えることを特徴とする請求項１、２または３に記載の表示素子。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずか一つに記載の表示素子と、
前記液晶層が挟持される対向基板にパターンニングされた電極に電圧を印加して液晶を駆動する駆動部と
を有することを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示素子及び表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
カラー表示を行う方式として、画素を複数の副画素に分割して各副画素から透過する光を混色させることにより１つの画素として表示する方式がある。この方式では、副画素を通過する２つの偏光成分に生じる位相差（リタデーション）の量を制御することで、副画素を透過させる光の波長帯域を設定する。この方式によれば、高価なカラーフィルタを用いずにカラー表示を実現することができる。
【０００３】
この方式を用いたカラー表示素子の構造および副画素の透過光について説明する。図２２は、従来技術におけるカラー表示素子の構造例を示す図である。図２２のＦ２２−ａは、ディスプレイを正面視した場合の平面図を示す。図２２のＦ２２−ｂは、ディスプレイを断面視した場合の断面図を示す。また、図２２のＦＸ−ｃは、偏光板の軸と液晶の配向方向（遅延軸）の関係を示す。
【０００４】
図２２のＦＸ−ａの平面図に示すように、カラー表示素子１００は、画素Ａおよび画素Ｂを有し、これら画素Ａおよび画素Ｂは、青、緑または赤に相当する波長を持つ光をそれぞれ透過可能な３つの副画素をさらに有する。このうち、画素Ａは、青に相当する波長を持つ光（青色光）を透過可能な副画素Ａ１と、緑に相当する波長を持つ光（緑色光）を透過可能な副画素Ａ２と、赤に相当する波長を持つ光（赤色光）を透過可能な副画素Ａ３とを有する。また、画素Ｂは、青色光を透過可能な副画素Ｂ１と、緑色光を透過可能な副画素Ｂ２と、赤色光を透過可能な副画素Ｂ３とを有する。
【０００５】
図２２の２２−ｂの断面図に示すように、カラー表示素子１００は、ディスプレイの観察面から順に、偏光板１１０ａと、基板１２０ａと、電極１３０と、ネマティック液晶１４０と、電極１５０と、基板１２０ｂと、偏光板１１０ｂとが積層される。このカラー表示素子１００は、基板１２０ａ及び１２０ｂの間にネマティック液晶１４０を挟持したネマティック液晶層の表面に偏光板１１０ａを積層するとともにネマティック層の裏面に偏光板１１０ｂを積層する。なお、カラー表示素子１００の下部の基板１２０ｂには、上部の基板１２０ａの電極１３０に対向させて電極１５０Ａ１〜１５０Ａ３及び１５０Ｂ１〜１５０Ｂ３が副画素ごとにパターンニングされる。
【０００６】
図２２の２２−ｃに示すように、カラー表示素子１００は、電極１３０と電極１５０の間に電圧が印加された場合に光を遮光するために、２枚の偏光板１１０ａ及び１１０ｂが互いの軸を直交させた状態で配置される。さらに、ネマティック液晶１４０の液晶分子は、その配向軸が偏光板１１０ａの軸との間で４５度の角度をなし、かつ偏光板１１０ｂの軸との間で４５度の角度をなすように配向される。
【０００７】
そして、偏光板の軸と液晶の配向軸が図２２の２２−ｃに示す関係を持つ場合には、透過光の強度Ｉ（λ）及び液晶層のリタデーションＲは、式（１）及び式（２）で表される。これら式（１）および式（２）に示すように、リタデーションＲは、印加電圧Ｖおよび液晶層の厚さｄに依存することがわかる。なお、式（１）及び式（２）では、Ｉ０（λ）が各波長の入射強度を示し、ｄが液晶層の厚さを示し、Ｖが液晶に印加される電圧を示し、また、Δｎが液晶層の複屈折率を示すこととする。
【０００８】
【数１】
2011107416.tif 000003
【数２】
2011107416.tif 000004
【０００９】
この点を図２３を用いて具体的に説明する。図２３は、従来技術におけるリタデーションと透過率の関係を説明するための説明図である。図２３のＦ２３−ａは、印加電圧とリタデーションの相関関係の一例を示すグラフである。図２３のＦ２３−ｂは、液晶層の厚さとリタデーションの相関関係の一例を示すグラフである。また、図２３のＦ２３−ｃは、各リタデーションにおける透過率（Ｉ（λ）／Ｉ０（λ））の波長分布の一例を示す。なお、図２３のＦ２３−ｃでは、液晶層のリタデーションをそれぞれ０ｎｍ、６１０ｎｍ、８１０ｎｍ、１０１０ｎｍとした場合の透過率の波長分布を示す。
【００１０】
印加電圧とリタデーションの関係は、縦軸をリタデーション（ｎｍ）とし、横軸を印加電圧（Ｖ）とした時、図２３のＦＸ−ａのグラフに示す関係となる。すなわち、印加電圧が大きくなるにしたがってリタデーションも大きくなるが、リタデーションが増加する割合（傾き）は印加電圧が大きくなるにつれて小さくなる。さらに、印加電圧が大きくなるとリタデーションの値は一定値に収束して飽和する。また、液晶層の厚さとリタデーションの関係は、縦軸をリタデーション（ｎｍ）とし、横軸を液晶の厚さ（ｎｍ）とした時、図２３のＦ２３−ｂのグラフに示す関係となる。すなわち、液晶層の厚さとリタデーションの両者は線形関係にあり、液晶層の厚さが大きくなるにしたがってリタデーションも大きくなる。
【００１１】
このように、リタデーションＲは、印加電圧Ｖおよび液晶層の厚さｄに依存するので、印加電圧または液晶層の厚さを切り替えることで、リタデーションが０である状態とリタデーションが所定の値である状態とに変化させることができる。かかるリタデーションの切り替えを行った場合には、入射光及び透過光の強度比である透過率（Ｉ（λ）／Ｉ０（λ））の波長分布はリタデーションの大きさによって変化する。
【００１２】
図２３のＦ２３−ｃに示すように、リタデーションを０ｎｍとした場合には、全ての波長帯域における透過率を０とすることができるので、黒表示を行うことができる。リタデーションを６１０ｎｍとした場合には、青色に相当する波長を持つ光の透過率を他の色の波長を有する光の透過率よりも上げることができるので、青表示を行うことができる。リタデーションを８１０ｎｍとした場合には、緑色に相当する波長を持つ光の透過率を他の色の波長を有する光の透過率よりも上げることができるので、緑表示を行うことができる。さらに、リタデーションを１０１０ｎｍとした場合には、赤色に相当する波長を持つ光の透過率を他の色の波長を有する光の透過率よりも上げることができるので、赤表示を行うことができる。
【００１３】
このように、従来技術におけるカラー表示素子では、印加電圧または液晶層の厚さを切り替えることによりリタデーションの値を制御する。かかるリタデーション制御により、透過光の波長分布を副画素ごとに変化させ、各副画素の透過光を所望の色に設定することができる。このようにして設定した色を副画素間で混色することで、従来技術におけるカラー表示素子は１つの画素で複数の色を表示できる。
【００１４】
この点を図２４を用いて具体的に説明する。図２４は、従来技術における各副画素の透過光強度の波長分布の一例を示す図である。図２４のＦ２４−ａは、入射光強度の波長分布の一例を示す。図２４のＦ２４−ｂは、各副画素における透過率の波長分布の一例を示す。また、図２４のＦ２４−ｃは、各副画素における透過光強度の波長分布の一例を示す。なお、これらＦ２４−ａ〜Ｆ２４−ｃの例では、副画素Ａ１のリタデーションを６１０ｎｍとし、副画素Ａ２のリタデーションを８１０ｎｍとし、また、副画素Ａ３のリタデーションを１０１０ｎｍとした場合を示す。
【００１５】
図２４のＦ２４−ａに示すように、入射光は、可視光の波長帯域全般、例えば青、緑、赤に相当する波長帯域の光を含む。そして、図２４のＦ２４−ｂに示すように、副画素Ａ１は、青色に相当する波長を持つ光の透過率が他の色の波長を有する光の透過率よりも高い波長分布を有する。副画素Ａ２は、緑色に相当する波長を持つ光の透過率が他の色の波長を有する光の透過率よりも高い波長分布を有する。また、副画素Ａ３は、赤色に相当する波長を持つ光の透過率が他の色の波長を有する光の透過率より高い波長分布を有する。
【００１６】
このように、入射光が図２４のＦ２４−ａに示す波長分布を有し、かつ副画素Ａ１〜Ａ３が図２４のＦ２４−ｂに示す波長分布を有するとした時、各副画素Ａ１〜Ａ３の透過光強度の波長分布は図２４のＦ２４−３に示す波長分布となる。つまり、図２４のＦ２４−ｃに示すように、副画素Ａ１は青色に相当する波長を持つ光を透過し、副画素Ａ２は緑色に相当する波長を持つ光を透過し、さらに、副画素Ａ３は赤色に相当する波長を持つ光を透過する。このように、各副画素Ａ１〜Ａ３におけるリタデーションを０又は所定の値（Ａ１：６１０ｎｍ、Ａ２：８１０ｎｍ、Ａ３：１０１０ｎｍ）に切り替えることで、各副画素Ａ１〜Ａ３の透過光強度の波長分布を変化させ、副画素間で異なる色を表示できる。この結果、画素Ａでは、副画素Ａ１〜Ａ３の表示色を混色させることで、多様な色表示を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００２−１４８６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上記の従来技術では、以下に説明するように、色味を変えず、画素の輝度を変化させることはできないという問題がある。すなわち、画素の色表示を簡単な制御で実現するには、各副画素における色味を固定した上で輝度を変化させるのが好ましいが、上記の従来技術では、輝度を変化させるために液晶に印加する電圧を変えると、その印加電圧の変化に伴ってリタデーションも変化する。このため、透過率の波長分布が変化し、輝度とともに色味まで変化してしまう。
【００１９】
この問題点を具体的に説明する。３次元の空間中のベクトルとして色を表現する場合には、ＣＩＥ（Commission  internationale  de  l'eclairage）のＸＹＺ空間中のベクトルとして表現する方法が広く使用される。かかるＸＹＺ空間の中でベクトルの向きと大きさは、透過光の波長分布から一意に定まる。すなわち、ベクトルの向きは透過光の波長分布の形状から求めることができ、ベクトルの大きさは波長全体の強度から求めることができる。なお、ＸＹＺ空間におけるベクトルでは、ベクトルの向きが「色味（＝飽和度＋色相）」を表し、ベクトルのＹ軸方向の大きさが「輝度」を表す。
【００２０】
そして、各副画素の色を表すベクトルをＣ１、Ｃ２、Ｃ３とした時、画素の色を表すベクトルＣは「Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３」と表現される。このとき、各副画素の色味を変化させずに輝度だけを変化させると、画素を表すベクトルＣは「Ｃ＝ａＣ１＋ｂＣ２＋ｃＣ３（ａ，ｂ，ｃ≦１）」と表現できる。このように、各副画素Ａ１〜Ａ３の輝度だけを変化させる場合には、ＸＹＺ表色系で表現可能な全ての色を各副画素の色の線形加算で表現できる。このため、所望の色を１つの画素Ａで表示する場合には、各副画素Ａ１〜Ａ３の輝度をどのような状態にすればよいかを一意に決定できる。
【００２１】
ところが、上記の従来技術では、各副画素Ａ１〜Ａ３の輝度Ｙ１〜Ｙ３を変化させると、それに伴って色味Ｃ１〜Ｃ３も変化する。このため、画素Ａの色を表すベクトルＣは「Ｃ＝Ｃ１（Ｙ１）＋Ｃ２（Ｙ２）＋Ｃ３（Ｙ３）  （Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３：各副画素の輝度）」と表現される。この場合には、各副画素Ａ１〜Ａ３における色味Ｃ１〜Ｃ３それぞれが輝度Ｙ１〜Ｙ３の関数となってしまう。
【００２２】
この点を図２５を用いて具体的に説明する。図２５は、従来技術における印加電圧変化に伴う透過光の波長分布の変化を説明するための説明図である。図２５のＦ２５−ａは、入射光強度の波長分布の一例を示す。図２５のＦ２５−ｂは、副画素Ａ２における透過率の波長分布がシフトする場合の一例を示す。また、図２５のＦ２５−ｃは、副画素Ａ２の透過率の波長分布がシフトした場合における透過光強度の波長分布の一例を示す。なお、ここでは、Ｆ２５−ａ〜Ｆ２５−ｃを用いて、副画素Ａ１〜Ａ３のうち副画素Ａ２の透過光強度の波長分布が変化する場合に注目して説明を行うこととする。
【００２３】
図２５のＦ２５−ａに示すように、入射光は、可視光の波長帯域全般、例えば青、緑、赤に相当する波長帯域の光を含む。そして、図２５のＦ２５−ｂに示すように、副画素Ａ２における緑色光の透過率を下げるべく、副画素Ａ２の液晶への印加電圧を変化させると、初期状態（図２４のＦ２４−ｂと同一の状態）から横軸のマイナス方向にシフトする。このため、印加電圧を変化させた後には、副画素Ａ２における透過率の波長分布は図示の点線の波長分布に変化する。これに伴って、副画素Ａ２における透過光強度も図２５のＦ２５−ｃのように変化する。
【００２４】
すなわち、副画素Ａ２における透過光の波長分布は、横軸のマイナス方向にシフトするので、緑色光の透過光強度は低下する。しかしながら、透過光の波長分布が横軸のマイナス方向にシフトすることにより青色光の透過率が初期状態よりも高くなるので、青色光の透過光強度が上がり、副画素Ａ２が表示する色味が変化してしまう。なお、ここでは、副画素Ａ２の透過光強度の波長分布に注目したが、副画素Ａ１およびＡ３でも同様に色味が変化する。
【００２５】
このように、上記の従来技術では、色味を固定することを放棄する他なく、各副画素における輝度および色味の関数を定義した上でその関数を用いて液晶への印加電圧を制御せざるを得ない。このため、画素の色表示を行うための制御が複雑になってしまう。
【００２６】
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、色味を変えずに、画素の輝度を変化させることができる表示素子及び表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本願の開示する表示素子は、１つの画素が複数の副画素に分割され、各副画素から透過される透過光を混色して発色を行う表示素子である。この表示素子は、副画素ごとに厚さが異なる液晶層を有する。そして、この液晶層は、印加電圧によって、所定の分子配列を取る第１の状態、第１の状態とはリタデーションが異なる分子配列を取る第２の状態のいずれかになる双安定性の物質で形成される。さらに、双安定性の物質は、第１の状態とリタデーションが変わらず透過率が異なる第３の状態も取り得る。
【発明の効果】
【００２８】
本願の開示する表示素子の一つの態様によれば、色味を変えずに、画素の輝度を変化させることが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本実施例に係るカラー表示素子の構造例を示す図である。
【図２】図２は、コレステリック液晶の特性を説明するための説明図である。
【図３】図３は、印加電圧変化に伴う透過光の波長分布の変化を説明するための説明図である。
【図４】図４は、偏光板を用いる場合におけるカラー表示素子を側面視した側面図である。
【図５】図５は、光源寄りの偏光板から透過した透過光の成分を上面視した上面図である。
【図６】図６は、液晶を通過する光成分に生じる位相差を説明するための側面図である。
【図７】図７は、液晶から透過した透過光の成分を上面視した上面図である。
【図８】図８は、偏光板の軸と液晶の配向方向の関係を示す図である。
【図９】図９は、基板平面を垂直に断面視した場合におけるコレステリック液晶の断面図である。
【図１０】図１０は、基板を上面視した場合におけるコレステリック液晶の上面図である。
【図１１】図１１は、コレステリック液晶の遅延軸を説明するための説明図である。
【図１２】図１２は、２つの円偏光板の適用例を示す図である。
【図１３】図１３は、２つの円偏光板を透過する透過光の偏光要領を説明するための説明図である。
【図１４】図１４は、コレステリック液晶の選択反射を説明するための説明図である。
【図１５】図１５は、黒表示時における外光反射を説明するための説明図である。
【図１６】図１６は、外光寄りに設けられる円偏光板の実装例を示す図である。
【図１７】図１７は、図１６に示した円偏光板による選択反射の防止要領を説明するための説明図である。
【図１８】図１８は、同じ向きの円偏光板を用いたカラー表示素子を断面視した断面図である。
【図１９】図１９は、異なる向きの円偏光板を用いたカラー表示素子を断面視した断面図である。
【図２０】図２０は、図１に示したカラー表示素子の実装例その１を示す図である。
【図２１】図２１は、図１に示したカラー表示素子の実施例その２を示す図である。
【図２２】図２２は、従来技術におけるカラー表示素子の構造例を示す図である。
【図２３】図２３は、従来技術におけるリタデーションと透過率の関係を説明するための説明図である。
【図２４】図２４は、従来技術における各副画素の透過光強度の波長分布の一例を示す図である。
【図２５】図２５は、従来技術における印加電圧変化に伴う透過光の波長分布の変化を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に、本願の開示する表示素子及び表示装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例は開示の技術を限定するものではない。
【実施例】
【００３１】
まず、本実施例に係るカラー表示素子の構造を説明する。図１は、本実施例に係るカラー表示素子の構造例を示す図である。図１に示すように、カラー表示素子１は、ディスプレイの観察面から順に、円偏光板２ａと、基板３ａと、電極４と、双安定物質５と、光透過性物質６と、電極７と、基板３ｂと、円偏光板２ｂとを有する。なお、図１の例では、２つの画素ＡおよびＢを図示したが、カラー表示素子１に実装可能な画素の数は図示のものに限定されず、任意の行数および列数の画素を基板表面に実装できる。
【００３２】
さらに、カラー表示素子１の下部の基板２ｂには、電極７Ａ１〜７Ａ３及び７Ｂ１〜７Ｂ３が副画素ごとにパターンニングされる。例えば、カラー表示素子１では、副画素Ａ１には電極７Ａ１が、副画素Ａ２には電極７Ａ２が、副画素Ａ３には電極７Ａ３がパターンニングされ、これら３つの副画素Ａ１〜Ａ３を含んで画素Ａとして構成される。また、同様に、カラー表示素子１では、副画素Ｂ１には電極７Ｂ１が、副画素Ｂ２には電極７Ｂ２が、副画素Ｂ３には電極７Ｂ３がパターンニングされ、これら３つの副画素Ｂ１〜Ｂ３を含んで画素Ａとして構成される。
【００３３】
また、カラー表示素子１には、各副画素のコレステリック液晶部分が互いに異なる厚さとなるように、下部の基板２ｂに付設される電極７上に副画素間で互いに厚さが異なる光透過性物質６を配置する。例えば、図１の例で言えば、電極７Ａ１の上部には、副画素Ａ１〜Ａ３に設けられる光透過性物質６の中で厚さが最も大きい厚さＤ１に形成された光透過性物質６Ａ１が配置される。これによって、液晶層の厚さ、すなわち光透過性物質６Ａ１から電極４までの距離が副画素Ａ１〜Ａ３間で最も短い距離ｄ１となるように副画素Ａ１が形成される。電極７Ａ２の上部には、光透過性物質６Ａ１よりも厚さが薄い厚さＤ２に形成された光透過性物質６Ａ２が配置される。これによって、液晶層の厚さ、すなわち光透過性物質６Ａ２から電極４までの距離が副画素Ａ１よりも遠く、かつ副画素Ａ３よりも短い距離ｄ２となるように副画素Ａ２が形成される。また、電極７Ａ３の上部には、光透過性物質が配置されない。これによって、液晶層の厚さ、すなわち電極７Ａ３から電極４までの距離が副画素Ａ１〜Ａ３間で最も長い距離ｄ３となるように副画素Ａ３が形成される。なお、図１の例では、電極７Ａ３の上部には、光透過性物質６を設けない構造例を例示したが、例えば光透過性物質６Ａ２よりも薄い厚さＤ３を有する光透過性物質６Ａ３（図示せず）を設けることとしてもよい。また、ここでは、画素Ａに含まれる副画素Ａ１〜Ａ３の構造例を説明したが、画素Ｂに含まれるＢ１〜Ｂ３も光透過性物質６Ｂ１及び６Ｂ２を用いて液晶層の厚さがそれぞれｄ１、ｄ２、ｄ３に形成される。
【００３４】
このように、本実施例に係るカラー表示素子１では、光透過性物質６を用いて副画素Ａ１〜Ａ３における液晶層の厚さをｄ１、ｄ２、ｄ３と変えることによって各副画素Ａ１〜Ａ３のフォーカルコニック状態におけるリタデーションを変化させる。一例としては、副画素Ａ３の液晶層がフォーカルコニック状態である場合にリタデーションが１０１０ｎｍとなるように液晶層の厚さｄ３が調節される。これによって、副画素Ａ３で赤色に相当する波長を持つ光を透過させる。その上で、副画素Ａ１の液晶層がフォーカルコニック状態である場合にリタデーションが６１０ｎｍとなるように光透過性物質６Ａ１の厚さＤ１が調節されて電極７Ａ１上に配置される。これによって、副画素Ａ１で青色に相当する波長を持つ光を透過させる。さらに、副画素Ａ２の液晶層がフォーカルコニック状態である場合にリタデーションが８１０ｎｍとなるように光透過性物質６Ａ２の厚さＤ２が調節されて電極７Ａ２上に配置される。これによって、副画素Ａ２で緑色に相当する波長を持つ光を透過させる。このようにカラー表示素子１を構成すれば、液晶へ印加電圧を制御せずとも各副画素ごとに異なるリタデーションを与えることができ、印加電圧の制御を輝度調節だけに使用させることができる。なお、各副画素Ａ１〜Ａ３の液晶層がプレーナー状態である場合には、リタデーションが０となる。このため、同じ向きの円偏光板を用いる時には黒表示となり、また、異なる向きの円偏光板を用いる時には白表示となる。
【００３５】
さらに、本実施例に係るカラー表示素子１には、副画素の輝度を変えるために液晶層への印加電圧を変えても、透過率の波長分布の形状はそのままで透過率の大きさだけが変化する特性を有する双安定物質５が液晶層に使用される。この双安定物質５の一例として使用されるコレステリック液晶は、プレーナー状態とフォーカルコニック状態の２つの異なる状態で安定する性質を有する。
【００３６】
図２は、コレステリック液晶の特性を説明するための説明図である。図２のＦ２−ａは、コレステリック液晶における透過率と印加電圧の関係を示す図である。また、図２のＦ２−ｂは、コレステリック液晶の状態別の透過イメージを示す。なお、図２のＦ２−ｂでは、副画素Ａ２を正面視した場合の透過イメージを例示する。
【００３７】
図２のＦ２−ａ及びＦ２−ｂに示すように、コレステリック液晶は、電極４と電極７の間に第１の電圧を印加した後に電圧の印加を停止した場合には、副画素内の全ての領域がプレーナー状態（Ｆ２−ｂのＰＬ）となる。また、コレステリック液晶は、電極４と電極７の間に第２の電圧を印加した後に電圧の印加を停止した場合には、副画素内の全ての領域がフォーカルコニック状態（Ｆ２−ｂのＦＣ）となる。
【００３８】
ここで、コレステリック液晶は、第１の電圧と第２の電圧の間に所在する第３の電圧を印加した後に電圧の印加を停止した場合には、プレーナー状態である微小領域Ｅ１とフォーカルコニック状態である微小領域Ｅ２が混在した中間状態（Ｆ２−ｂの中間）になる。この中間状態では、微小領域Ｅ２におけるリタデーションの大きさ自体は変化しないものの、副画素Ａ２全体から見れば微小領域Ｅ１のプレーナー状態が混在するので、透過率はフォーカルコニック状態よりも低下する。したがって、第３の電圧を第１の電圧から第２の電圧の間で加減して印加することで、リタデーションを変化させることなく、透過率を変化させることができる。
【００３９】
なお、ここでは、図２のＦ２−ａのグラフ示す右肩下がりの部分でＦＣ状態と中間状態の境界となる電圧値を第１の電圧とし、ＰＬ状態と中間状態の境界となる電圧値を第２の電圧とする場合を説明した。しかしながら、図２のＦ２−ａのグラフ示す左肩下がりの部分でＰＬ状態と中間状態の境界となる電圧値を第２の電圧とし、ＦＣ状態と中間状態の境界となる電圧値を第１の電圧としてもかまわない。
【００４０】
図３は、印加電圧変化に伴う透過光の波長分布の変化を説明するための説明図である。図３のＦ３−ａは、入射光強度の波長分布の一例を示す。図３のＦ３−ｂは、副画素Ａ２における透過率の変化の一例を示す。また、図３のＦ３−ｃは、副画素Ａ２の透過率が変化した場合における透過光強度の波長分布の一例を示す。なお、ここでは、図２と同様に、副画素Ａ１〜Ａ３のうち副画素Ａ２の透過光強度の波長分布が変化する場合に注目して説明を行うこととする。
【００４１】
図３のＦ３−ａに示すように、入射光は、可視光の波長帯域全般、例えば青、緑、赤に相当する波長帯域の光を含む。そして、図３のＦ３−ｂに示すように、電極４と副画素Ａ２の電極７Ａ２の間に第３の電圧を印加させた場合には、電圧印加前の初期状態から透過率の波長分布は変化することなく、透過率の大きさだけが図示の点線のように低下する。これに伴って、副画素Ａ２における透過光強度も図３のＦ３−ｃのように変化する。
【００４２】
すなわち、カラー表示素子１では、副画素Ａ２における透過光の波長分布は変化せずに緑色光の透過光強度だけが低下する。このため、副画素Ａ２が表示する色味は変化しない。この図３の例では、副画素Ａ２の透過光強度の波長分布に注目したが、副画素Ａ１およびＡ３でも印加電圧の変化に応答して色味は変化しない。この結果、印加電圧の制御により輝度だけを変化させることができる。したがって、各副画素Ａ１〜Ａ３の最大輝度の色の線形加算で画素Ａの色を表現でき、画素の色表示を簡単な制御で実現できる。
【００４３】
また、本実施例に係るカラー表示素子１では、２枚の基板３ａ及び３ｂの間にコレステリック液晶に代表される双安定物質５を挟持した液晶層の両面に円偏光板２ａ及び２ｂを用いる。このように、円偏光板２ａ及び２ｂを用いるのは、少なくとも２つの効果が得られるからである。１つ目の効果としては、コレステリック液晶の遅延軸と偏光板の透過軸を適切な位置関係に合わせる必要をなくすことができる点（効果１）が挙げられる。また、２つ目の効果としては、コレステリック液晶がプレーナー状態にある場合の反射光の影響をなくすことができる点（効果２）が挙げられる。
【００４４】
（１）効果１が得られる理由
ここでは、偏光板を用いる場合と円偏光板を用いる場合と対比して円偏光板を用いる場合の効果１を説明する。まず、偏光板を用いる場合について説明する。２つの偏光板の間で入射光を透過させるためには、２枚の偏光板の軸と液晶の配向方向（遅延軸）が図２２のＦＸ−ｃに示した位置関係を有する必要がある。
【００４５】
この点を図４〜図７を用いて具体的に説明する。図４は、偏光板を用いるカラー表示素子を断面視した断面図である。図５は、光源寄りの偏光板から透過した透過光の成分を上面視した上面図である。図６は、液晶を通過する光成分に生じる位相差を説明するための側面図である。図７は、液晶から透過した透過光の成分を上面視した上面図である。
【００４６】
図４に示すように、偏光板２ｃ及び２ｄを用いた場合には、光源から照射された光は偏光板２ｃに入射する。このようにして偏光板２ｃを透過した透過光は、直交する２つの振動成分、すなわち図５に示す液晶遅延軸と平行な光成分Ｘおよび液晶遅延軸と直交する方向の光成分Ｙに分解できる。この透過光のうち光成分Ｘは、図６に示すように、液晶を進行するに際して光成分Ｙよりも遅延し、光成分Ｘと光成分Ｙの間に位相差が生じる。これら光成分Ｘと光成分Ｙの位相差は、液晶層を進むにしたがって大きくなる。
【００４７】
その後、偏光板２ｃの透過光が液晶層を通過すると、リタデーションがλ／２となる波長λにおいては、光成分Ｘと光成分Ｙの位相差が１８０度となる。このため、光成分Ｘは、図７に示すように、逆方向の光成分Ｘ´となり、偏光板２ｃの透過光の偏光方向が９０度変化する。したがって、液晶透過後の偏光は、偏光板２ｄの透過軸と平行な方向となるので、偏光板２ｄを透過する。
【００４８】
このように、２枚の偏光板の軸と液晶の配向方向が適切な位置関係（図２２のＦＸ−ｃ）に定められた場合には、偏光板２ｃの透過光は偏光板２ｄを透過する。ところが、２枚の偏光板の軸と液晶の配向方向が適切な位置関係に定められなかった場合には、偏光板２ｃへの入射光は偏光板２ｄを透過しない。
【００４９】
図８は、偏光板の軸と液晶の配向方向の関係を示す図である。例えば、図８に示すように、偏光板２ｃと液晶の配向方向が平行方向である場合には、偏光板２ｃの透過光は偏光板２ｄを透過しない。すなわち、この場合には、全ての光成分が液晶遅延軸と平行な方向となるので、偏光板２ｃの透過光の偏光方向は変化しない。このため、偏光板２ｄは、入射光に含まれる全ての波長λを遮断する。
【００５０】
次に、円偏光板を用いる場合について説明する。図９は、基板平面を垂直に断面視した場合におけるコレステリック液晶の断面図である。図１０は、基板を上面視した場合におけるコレステリック液晶の上面図である。図１１は、コレステリック液晶の遅延軸を説明するための説明図である。図１２は、２つの円偏光板の適用例を示す図である。図１３は、２つの円偏光板を透過する透過光の偏光要領を説明するための説明図である。
【００５１】
図９に示すように、コレステリック液晶がプレーナー状態である場合には、螺旋軸が基板平面に直交する方向に整列し、また、コレステリック液晶がフォーカルコニック状態である場合には、螺旋軸が基板平面と平行な方向に整列する。そして、図１０に示すように、プレーナー状態の場合には、螺旋軸を中心に点対称な構造を有するので、図中のＸ方向およびＹ方向で屈折率が同じとなり、リタデーションは発生しない。一方、フォーカルコニック状態の場合には、螺旋軸を通るＸ方向の直線またはＹ方向の直線を軸に線対称な構造を有するので、Ｘ方向またはＹ方向で屈折率に差が生じ、リタデーションが発生する。
【００５２】
かかるコレステリック液晶は、図１１に示すように、微小領域で遅延軸の向きが変化し、それぞれの液晶分子の間で遅延軸の向きが一様ではない。このため、偏光板の透過軸と液晶の遅延軸を合せることはできない。
【００５３】
このことから、本実施例に係るカラー表示素子１では、液晶の遅延軸の影響をなくすために、円偏光板２ａ及び２ｂを用いる。例えば、右螺旋のコレステリック液晶を用いる場合には、図１２に示すように、円偏光板２ａに左円偏光板を使用し、円偏光板２ｂに右円偏光板を使用する。この場合には、照明光が円偏光板２ｂへ入射すると、円偏光板２ｂは右円偏光を透過する。このようにして円偏光板２ｂを透過した透過光は、位相が９０度異なる直交した２つの成分が如何なる方向を有していようと、右円偏光として包括することができる。このため、液晶の遅延軸の向きを一様に合せる必要がない。なお、本実施例では、光の進行方向から見て右回りを右円偏光とし、光の進行方向から見て左まわりを左円偏光とする。
【００５４】
さらに、コレステリック液晶がフォーカルコニック状態である場合には、円偏光板２ｂを透過した右円偏光は、コレステリック液晶を進むしたがって２つの直交成分間の位相差が大きくなる。例えば、リタデーションがλ／２となる波長λにおいては、２つの直交成分の位相差が１８０度となるので、２つの直交成分の位相差が９０度から−９０度となる。このため、図１３に示すように、コレステリック液晶への入射時には右円偏光であった入射光が透過時には左円偏光に反転し、左円偏光板である円偏光板２ａを透過する。このように、遅延軸が一様でないコレステリック液晶であっても２つの円偏光板を用いることで、リタデーション制御によるカラー表示を実現することができる。
【００５５】
（２）効果２が得られる理由
次に、円偏光板を用いる場合の効果１を説明する。例えば、コレステリック液晶がプレーナー状態である場合に黒表示を行う透過型のカラー表示素子１を想定した場合には、コレステリック液晶が有する選択反射という性質が黒表示のコントラストを低下させる。なお、選択反射とは、コレステリック液晶がプレーナー状態である場合に、波長が液晶構造の螺旋ピッチに等しく、かつ螺旋の巻きと同じ向きの円偏光を反射する性質を指す。
【００５６】
図１４は、コレステリック液晶の選択反射を説明するための説明図である。図１５は、黒表示時における外光反射を説明するための説明図である。図１６は、外光寄りに設けられる円偏光板の実装例を示す図である。図１７は、図１６に示した円偏光板による選択反射の防止要領を説明するための説明図である。図１４のＦ１４−ａの例では、プレーナー状態であるコレステリック液晶に円偏光が入射した場合を示す。また、図１４のＦ１４−ｂの例では、フォーカルコニック状態であるコレステリック液晶に円偏光が入射した場合を示す。なお、図１４〜図１７の例では、いずれもコレステリック液晶が右螺旋ピッチであるものとする。
【００５７】
図１４のＦ１４−ａに示すように、プレーナー状態であるコレステリック液晶に円偏光が入射した場合には、コレステリック液晶は、左円偏光成分を透過する。その一方で、コレステリック液晶は、コレステリック液晶の螺旋ピッチに等しい波長を有し、かつ螺旋の巻きと同じ向きの右円偏光成分を選択反射する。また、図１４のＦ１４−ｂに示すように、フォーカルコニック状態であるコレステリック液晶に円偏光が入射した場合には、コレステリック液晶は、左右の両円偏光成分を透過する。
【００５８】
このため、偏光板２ｃ及び２ｄを用いた場合には、図１５に示すように、フォーカルコニック状態の部分で色表示を行っても選択反射の性質により外光が反射されることはなく、コントラストが低下することもない。ところが、プレーナー状態の部分で黒表示を行う場合には、コレステリック液晶により選択反射された右円偏光成分のうち特定の直線偏光成分が偏光板２ｄを透過するので、黒表示部に反射光がのり、コントラストが低下してしまう。
【００５９】
このことから、本実施例に係るカラー表示素子１では、プレーナー状態における選択反射の影響をなくために、基板３ａの上部に設けられる円偏光板２ａとして左円偏光板を実装する。この左円偏光板２ａには、図１６に示すように、直線偏光板２ａ−１と、λ／４位相差版２ａ−２とが積層される。例えば、左円偏光板２ａに対して直線偏光板２ａ−１側から光が入射した場合には、入射光の特定の偏光成分を左円偏光として透過する。また、左円偏光板２ａに対してλ／４位相差版２ａ−２側から光が入射した場合には、入射光のうち左円偏光成分を直線偏光へ変えて透過するとともに右円偏光成分を吸収する。
【００６０】
このように、右螺旋のコレステリック液晶の観察面（前面）側に左円偏光板を実装した場合には、図１７に示すように、コレステリック液晶層への入射光が左円偏光成分だけとなる。したがって、本実施例に係るカラー表示素子１によれば、コレステリック液晶層へ右円偏光成分が入射することがなくなり、右螺旋のコレステリック液晶によって右円偏光成分が選択反射されることを防止できる。
【００６１】
また、本実施例に係るカラー表示素子１の円偏光板２ａおよび円偏光板２ｂには、互いに向きが異なる円偏光板を使用する。このように、互いに向きが異なる円偏光板を用いるのは、プレーナー状態である場合に黒表示を可能とするためである。
【００６２】
この点を図１８及び図１９を用いて具体的に説明する。図１８は、同じ向きの円偏光板を用いたカラー表示素子を断面視した断面図である。図１９は、異なる向きの円偏光板を用いたカラー表示素子を断面視した断面図である。図１８の例では、光源寄りの円偏光板および観察面寄りの円偏光板に左円偏光板を使用した場合を示す。図１９の例では、光源寄りの円偏光板には右円偏光板を使用し、観察面寄りの円偏光板には左円偏光板を使用した場合を示す。なお、これら図１８及び図１９の例では、いずれもコレステリック液晶が右螺旋ピッチであるものとする。
【００６３】
図１８に示すように、同じ向きの円偏光板を用いた場合には、プレーナー状態でリタデーションが発生しないので、光源寄りの左円偏光板に入射した左円偏光は右螺旋のコレステリック液晶を透過し、さらに、観察面寄りの左円偏光板を透過する。このため、同じ向きの円偏光板を用いる場合には白表示を採用することとなる。また、コレステリック液晶がフォーカルコニック状態である場合には、光透過性物質６の厚さに応じたリタデーションが液晶層に発生する。このため、各副画素Ａ１〜Ａ３またはＢ１〜Ｂ３に対応する青、緑、赤に相当する波長を持つ光が観察面寄りの左円偏光板を透過する。この場合には、画素ＡまたはＢは色表示となる。なお、フォーカルコニック状態では、リタデーションの整数倍になる波長λの光の透過率が最も高くなる。
【００６４】
一方、図１９に示すように、異なる向きの円偏光板を用いた場合には、プレーナー状態でリタデーションが発生しないので、光源寄りの右円偏光板に入射した左円偏光は右円偏光となって右螺旋のコレステリック液晶を透過した後に観察面寄りの左円偏光板に吸収される。このため、異なる向きの円偏光板を用いる場合には黒表示を採用できる。また、コレステリック液晶がフォーカルコニック状態である場合には、光透過性物質６の厚さに応じたリタデーションが液晶層に発生する。このため、各副画素Ａ１〜Ａ３またはＢ１〜Ｂ３に対応する青、緑、赤に相当する波長を持つ光が観察面寄りの左円偏光板を透過する。この場合には、画素ＡまたはＢは色表示となる。なお、フォーカルコニック状態では、λ／２がリタデーションの奇数倍になる波長λの光の透過率が最も高くなる。
【００６５】
このように、同じ向きの円偏光板を用いた場合には、白表示しか行うことができないが、異なる向きの円偏光板を用いた場合には、黒表示を行うことができる。したがって、本実施例に係るカラー表示素子１によれば、コントラストが低下することを防止できる。
【００６６】
［本実施例の効果］
上述してきたように、本実施例に係るカラー表示素子１によれば、各副画素における透過光の波長分布を変化せずに透過率だけを低下させることができる。したがって、色味を変えず、画素の輝度を変化させることが可能になる。
【００６７】
また、本実施例に係るカラー表示素子１によれば、基板３ａ、双安定性物質５、基板３ｂが２つの円偏光板２ａ及び円偏光板２ｂによって積層される。このため、遅延軸が一様でないコレステリック液晶であってもリタデーション制御によるカラー表示を実現することが可能になる。
【００６８】
さらに、本実施例に係るカラー表示素子１によれば、互いに円偏光の向きが異なる円偏光板２ａ及び円偏光板２ｂを用いる。このため、黒表示を行うことができ、コントラストを向上させることが可能になる。
【００６９】
［カラー表示素子の実装例］
ここで、本実施例に係るカラー表示素子の実装例を説明する。図２０は、図１に示したカラー表示素子の実装例その１を示す図である。図２１は、図１に示したカラー表示素子の実施例その２を示す図である。なお、図２０及び図２１では、図１に示したカラー表示素子１で説明した部材と同一の部材については同様の符号を付し、その説明を省略する。
【００７０】
図２０に示すカラー表示素子１０は、ディスプレイの観察面から順に、左円偏光板１４ａと、基板３ａと、電極４と、右螺旋のコレステリック液晶１３と、透明樹脂１５と、電極７と、基板３ｂと、右円偏光板１４ｂとを有する。さらに、右円偏光板１４ｂの下部には、光源であるＬＥＤ（Light  Emitting  Diode）１１と、ＬＥＤ１１による照明を右円偏光板１４ｂへ均一に面発光させる導光板１２とを有する。
【００７１】
また、画素Ａ及び画素Ｂのコレステリック液晶１３の両側面は、シール剤１６によって電極４、電極７、コレステリック液晶１３および透明樹脂１５が封止される。なお、図２０の例では、基板３ａの上部に左円偏光板１４ａを配置し、基板３ｂの下部に右円偏光板１４ｂを配置することとしたが、基板３ａの上部に右円偏光板を配置し、基板３ｂの下部に左円偏光板を配置することとしてもよい。
【００７２】
そして、カラー表示素子１０では、コレステリック液晶１３と電極７Ａ１、７Ａ２、７Ｂ１及び７Ｂ２の間に設置する光透過性物質として複屈折率の無い感光性透明樹脂を使用する。このような感光性透明樹脂のように複屈折の無い素材を用いることで、リタデーションの発生要因をコレステリック液晶の厚さだけに依存させることができ、カラー表示素子の設計を簡素化できる。さらに、電極７Ａ１、７Ａ２、７Ｂ１及び７Ｂ２の上部に透明樹脂を設置するので、既存の製造工程に透明樹脂を付設する工程を追加するだけでよく、カラー表示素子の製造工程も簡便にできる。
【００７３】
一方、図２１に示すカラー表示素子３０では、図２０に示したカラー表示素子１０と比較して、電極７Ａ１、７Ａ２、７Ｂ１及び７Ｂ２と基板３ｂの間に複屈折率の無い感光性の透明樹脂３１Ａ１、３１Ａ２、３１Ｂ１、３１Ｂ２が設置される点が異なる。この頭目樹脂３１の設置により、図２０に示したカラー表示素子１０と同様に、リタデーションの発生要因をコレステリック液晶の厚さだけに依存させることができ、カラー表示素子の設計を簡素化できる。さらに、電極７と基板３ｂの間に透明樹脂３１を設置するので、３つの副画素のうち２つの副画素の電極７と基板３ｂの電極間距離を透明樹脂を使用しない場合よりも短くすることができ、液晶を駆動させるのに必要な電力を省電力化できる。
【００７４】
また、本実施例に係るカラー表示素子１、１０及び３０は、液晶層が挟持される対向基板にパターンニングされた電極に電圧を印加して液晶を駆動する駆動回路や駆動回路の制御を行うデバイスドライバなどを含めて表示装置として構成できる。かかる表示装置は、例えばコンピュータのモニタ装置、テレビ映像の表示装置、広告の表示装置、携帯電話や携帯ゲーム装置などに適用することができる。
【００７５】
なお、上記の実施例では、コレステリック液晶を用いる場合を説明したが、開示の表示素子はこれに限定されるものではく、コレステリック液晶以外にも双安定性の液晶であれば他の各種の液晶を用いる場合にも開示の表示素子を同様に適用することができる。
【００７６】
以上の実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
【００７７】
（付記１）１つの画素が複数の副画素に分割され、各副画素から透過される透過光を混色して発色を行う表示素子であって、
前記副画素ごとに厚さが異なる液晶層を有し、
前記液晶層は、
印加電圧の制御によって、所定の分子配列を取る第１の状態、前記第１の状態とはリタデーションが異なる分子配列を取る第２の状態、前記第１の状態とリタデーションが変わらず透過率が異なる第３の状態のいずれかになる双安定性の物質で形成されることを特徴とする表示素子。
【００７８】
（付記２）前記双安定性の物質としてコレステリック液晶を用いることを特徴とする付記１に記載の表示素子。
【００７９】
（付記３）前記液晶層が挟持される対向基板の表裏に、透過光の円偏光の向きが互いに異なる円偏光板をそれぞれ積層することを特徴とする付記２に記載の表示素子。
【００８０】
（付記４）前記液晶層が挟持される対向基板にパターンニングされた電極と前記双安定性の物質の間に光透過性物質を配することにより、前記双安定性の物質の厚さを前記副画素ごとに変えることを特徴とする付記１、２または３に記載の表示素子。
【００８１】
（付記５）前記液晶層が挟持される対向基板のうち光源側にある基板と、該基板にパターンニングされる電極の間に光透過性物質を配することにより、前記双安定性の物質の厚さを前記副画素ごとに変えることを特徴とする付記１、２または３に記載の表示素子。
【００８２】
（付記６）前記光透過性物質として複屈折のない物質を用いることを特徴とする付記４または５に記載の表示素子。
【００８３】
（付記７）付記１〜付記６のいずか一つに記載の表示素子と、
前記液晶層が挟持される対向基板にパターンニングされた電極に電圧を印加して液晶を駆動する駆動部と
を有することを特徴とする表示装置。
【符号の説明】
【００８４】
１    カラー表示素子
２ａ，２ｂ    円偏光板
３ａ，３ｂ    基板
４    電極
５    双安定性物質
６Ａ１，６Ａ２，６Ｂ１，６Ｂ２    光透過性物質
７Ａ１，７Ａ２，７Ａ３，７Ｂ１，７Ｂ２，７Ｂ３    電極
【図１】
2011107416.tif 000005
【図２】
2011107416.tif 000006
【図３】
2011107416.tif 000007
【図４】
2011107416.tif 000008
【図５】
2011107416.tif 000009
【図６】
2011107416.tif 000010
【図７】
2011107416.tif 000011
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2011107416.tif 000014
【図１１】
2011107416.tif 000015
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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