(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板の間に置かれたツイステッドネマチック（ＴＮ）液晶の層と、
前記セルの両側にある２つの直交する偏光子と、
前記セルと前記２つの直交する偏光子の少なくとも一と平行であり且つ前記セルと前記２つの直交する偏光子の少なくとも一との間に備えられた一軸性の負の複屈折を有する、少なくとも１つの補正手段と、
を備える電気駆動式の表示装置であって、
少なくとも前記補正手段の一は液晶を有する層であり、前記の一軸性の負の複屈折を有する補正手段の光学軸は前記セルの主面についての法線に関して傾きの角度を有し、水平方向の角度分布を広くし且つ鉛直方向のコントラスト比の角度分布のずれを取り除くように、前記傾きの角度は０°より大きく、１５°より小さい、
電気駆動式の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パネル上で透過光を直接変調するか、又は、投射光を間接的に変調してスクリーン上に画像を表示する電気的に駆動される電気光学装置に関するものであり、特に、変調電場が加わっていない場合には螺旋ネマチック構造を示す液晶が２つの互いに直角に配置された偏光子の間に配置される液晶表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この構造の液晶表示装置では、液晶セルに印加する電圧を増加させた時に透明度が低下するようにすることができるが、視覚化された画像が観察角度（視野角）条件によって変わるという欠点がある。すなわち、画像に均一性が無い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的はこの欠点を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の対象は、２枚の偏光子によって区画された光学空間内に螺旋ネマチック液晶層を配置し、この螺旋ネマチック液晶層に負の複屈折を有する一軸性補正要素を組み合わせた電気駆動式の表示装置において、負の複屈折を有する一軸性補正要素の光学軸が螺旋ネマチック液晶層の主要面の法線に対して傾斜していることを特徴とする装置にある。
【０００５】
本発明の第２の対象は、補正要素を用いることによって、ネマチック相の液晶分子の螺旋状配置に駆動電場効果を与えた時に生じる対称性欠陥の欠点を無くした上記電気駆動式の表示装置にある。これは投射式の表示装置の場合に特に好ましく、光学軸が液晶相を区画する面の法線に対して小さい傾斜を成す補正要素を使用する。本発明の一実施例では垂直入射した時に表示装置が等方性媒体として機能するように光学軸を互いに直交して重ねた２枚の一軸性補正要素を使用し、一方の光学軸を液晶相の面に対してわずかに傾斜させ、他方の光学軸をその面に平行にしている。
【０００６】
本発明では、従来法の欠点を少なくするために、一軸性の複屈折光学媒体で作られた１枚または複数枚の補正板を液晶装置の互いに交差した２枚の偏光子の間に配置する。こうすることによって、より広角の観察角度でより均一なコントラスト比を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
【０００８】
図１に示す２枚の透明な支持板３、４はネマチック液晶を収容する互いに平行な面を有する空間を区画している。ネマチック液晶と接触する支持板３、４の表面は界面活性剤で処理され且つ整列法で処理（アラインメント処理）されてネマチック液晶の分子に対して特定の配向を示すようになる。同図に円筒形で示した区域７は制御電場が加わっていない状態で螺旋状に配向する分子を示している。支持板３の直ぐ近傍では、分子はＸ軸およびＹ軸に対して４５°傾斜した方向１０に配向している。支持板４の直ぐ近傍では、分子は上記の方向１０に対して直交した方向９に配向している。支持板３及び４の内側表面から中間の点では液晶分子がＸ軸（この表示装置の鉛直方向に対応する）に沿って配列している。支持板３及び４は電源６と接続した透明電極を有し、電源６から送られ電圧ｕに比例する強度の電場がＺ方向に加えられる。この駆動電場が加わると、円筒形で示した区域８のように螺旋状の分子配列が変わる。駆動電場が加わらない状態では分子配列は対称で、その主要面の一方から液晶層に入り、その反対側の主要面から出る光線の直線偏光は９０°回転する。従って、支持板３及び４を偏光子２と検光子５との間に、これらの各要素が上記の方向１０及び９を取るように配置すると、光源１から出た照明光は螺旋状配列７によって最も多く表示装置を透過する。これは駆動電場がない場合に対応し、「開いた」状態を特徴付ける。逆に、駆動電場が作用すると、液晶層の回転力が小さくなり、互いに交差した偏光子２及び５が光を遮断する作用をする。これは「閉じた」状態に対応する。
【０００９】
本発明では、偏光子２と支持板３との間または支持板４と検光子５との間に補正要素１１を加える。この補正要素１１は、例えば光学軸がＯＺ軸の方向を向いた一軸性の複屈折媒体から裁断した平行面を有する薄板にすることができるが、これに限定されるものではない。図１、図２でこの補正要素１１が無い装置は公知で、その場合の電気光学特性は図３、図４に示してある。この螺旋ネマチック液晶ディスプレイ装置の代表的な特性を下記に示す。
ＭＥＲＣＫ  ＺＬＩ−３３４７型液晶
光路差（ｎｅ−ｎ０)ｄ：  ４７６ｎｍ
螺旋角度            ：  ９０°
電場の無い時の液晶分子の予備傾斜角度：  ２°
ＳＡＮＲＩＴＺ  ＬＬＣ２  ８２１８Ｓ型の偏光子
「開いた」状態の電圧  ：  １．７４Ｖ
「閉じた」状態の電圧  ：  ５．４０Ｖ
光の波長  ：  ５５０ｎｍ
図３は駆動電圧ｕの関数としての透過率Ｔを表し、図４は２つの曲線によって角度特性すなわち光線の方向Ｒでのコントラスト比ＣＲの変化を表している。図１を参照すると、光線の角度座標はΦとΘであることが分かる。座標ΦはＲとＺとを含む平面Πの配向を示す。座標ΘはＺに対する配向Ｒを示す。
【００１０】
曲線Θ＝０は、水平に角度走査した時のコントラスト比がどのように変化するかを示しており、曲線Φ＝Π／２は鉛直に角度走査した場合を示している。結果は水平走査では対称で、鉛直走査では非対称で、右にずれている。この非対称性および右へのズレは図２の断面図から容易に理解できる。すなわち、分子は液晶層の面に対してほぼ平行のままであるが、予備傾斜角度によって決まる方向に分子自体が回転してＯＺ方向に傾く。この条件下では、矢印１４で示すように鉛直に角度走査すると、液晶層の残留複屈折が大きくなるだけである。これが図４のズレの原因である。
【００１１】
図３と図４の曲線は補正要素１１が複屈折による補正をしないという仮定で描かれている。
【００１２】
図５に示した本発明の第１実施例では、補正要素１１が負の複屈折の一軸性媒体の形をしている。すなわち、この補正要素１１の光学軸ＯＡはＸＺ面内にあり、液晶層面と７５〜９０°の範囲の角度（β）を成している。矢印１６は分子の予備傾斜方向を示している。図５の（ｂ）は、光学軸ＯＡに平行な方向への伝播を示す屈折率楕円の断面１７が円形であることを示している。
【００１３】
表示装置の性能は総合コントラスト比ＩＣＲ(Integrated  Contrast  Ratio)で評価することができる。この総合コントラスト比ＩＣＲの数学的表現は［式１］で表される。
【００１４】
【数１】
0003923992.tif 000002
ここで、
αは集積円錐の開口の半角であり、
Ｔ（Θ，Φ，Ｕｏｆｆ)及びＴ（Θ，Φ，Ｕｏｎ）は、それぞれ、「開いた」状態及び「閉じた」状態での透過率である。
【００１５】
補正要素１１の光路差を−３９０ｎｍとし、光学軸の角度を８３°とすると、ＩＣＲの大きさ（２０°）は１８７となる。一方、補正要素１１が無い液晶セルではこの値は７７になる。そのような補正要素は、均一に予備傾斜したディスコティックな液晶層(une  couche  de  crystal  liquide  discotique)で作ることができる。図１８と図１９の参照曲線ＨＲＴＩの曲線はこの実施例に相当する。図１９では、補正要素１１が無い液晶セルの角度変化を示す曲線ＴＮで現れている曲線ＨＲＴＩのズレが取れていることが分かる。図１８は補正要素１１が水平方向でコントラスト比ＣＲの角度分布を広くしていることを表している。
【００１６】
図５に示した補正法では、光学軸に沿って伝播する光波に対して等方性特性を示す負の複屈折を有する単一の補正要素を使用する。
【００１７】
図６に示した例では、正の複屈折を有する２つの補正要素１１ａ、１１ｂを互いに並べて配置して上記と同様な結果を得ている。これらの補正要素１１ａ、１１ｂは同じ光路差を導入するが、光学軸ＯＡが互いに直交しているので、軸Ｚに対してほとんど傾斜していない伝播方向では全体として等方性の挙動を示す。補正要素１１ａの光学軸ＯＡは図面の面に垂直に配向しており、一方、補正要素１１ｂの光学軸は液晶層の面に対して０〜１５°の範囲の角度（β）で傾斜している。補正要素１１ｂは液晶層によって構成することができる。例えば、図６の２枚の補正要素を用いて補正要素１１ｂの光学軸ＯＡが６．５°傾斜した光路差４４０ｎｍの補正要素を構成することができる。この実施例では、１８２の総合コントラスト比ＩＣＲ（２０°）が得られる。図１８と図１９の曲線ＤＲＴＩはこの形式の補正をした場合のコントラスト比ＣＲの角度分布を表している。
【００１８】
光学軸が液晶層の面に垂直または平行な補正要素を使用することによって単純化することができる。こうして単純化した場合には、図５の実施例で図８、図９の曲線ＨＲで示される角度分布の結果を得ることができる。同じ単純化を図６の場合で行うと、図８、図９の曲線ＤＲで示される角度分布の結果が得られる。図６では、屈折率楕円の断面１９及び２０はＸ及びＹに沿った長軸を有する。
【００１９】
図７の実施例と図６の実施例との相違点は、屈折率楕円の断面２３及び２４の長軸が方向９、１９を向いている点にある。これらの断面２１及び２２は図７の面に対応する。図７の実施例は図８、図９に曲線ＤＲＯで示す角度分布の結果を示す。
【００２０】
上記の単純化では鉛直方向での曲線のズレは取れないが、直接見る表示装置の場合にはこれは問題にならない。上記実施例では、図５が負の一軸性複屈折媒体を使用した場合に対応し、図６、図７が正の一軸性複屈折媒体を使用した場合に対応する。
【００２１】
図１０は反射鏡１００を備えた光源１と組み合わされた螺旋ネマチック液晶表示装置２５を有する映写装置を示している。スクリーンヘの投影は対物レンズ２６で行われるが、補正しない表示装置の場合に鉛直方向に観察されるコントラスト最大ズレを考慮して、光学軸２７に対して螺旋ネマチック液晶表示装置２５を傾斜させて、光学軸方向の照度を最適化する必要があることが分かる。あるいは、対物レンズの光学軸に対して螺旋ネマチック液晶表示装置２５をズラしても同じ結果を得ることができる。しかし、何れの場合も、螺旋ネマチック液晶表示装置２５が映像光学的観点からは正確に位置決めされていないため、これらの方法では映写対物レンズを最大限に使用することはできない。この問題に対して既に提案された解決方法は、液晶層の面の法線に対して、あるいは、液晶層の面に対してわずかに傾斜した光学軸を有する一軸性の複屈折媒体を使用する方法である。この解決方法は実施するのが困難である。
【００２２】
図１１、図１２に示す方法はより容易に実施できる。これらの実施例では単一または二枚の補正要素１１を液晶層に対して平行に配置しないで傾斜βさせ、それによって、入射面および出射面に平行または垂直な光学軸を有する補正要素を用いることによって、鉛直方向のコントラスト比の曲線のズレを最終的に取り除くことができる。
【００２３】
図１１では、螺旋ネマチック液晶層は平行な面を有する２つの透明な支持板３、４の間に封入された厚さの均一な層であり、偏光子２は支持板３から一定距離の所に保持されており、偏光子２と支持板３との間には、入射面および出射面に対して傾斜βした平行面を有する複屈折補正要素１１を斜めに配置する。この補正要素１１ではその外周に２つの空気プリズムを形成し、光が多段の空気−ガラス屈折系を通るため、内部反射によってロスし、伝播される大量の光が減少し、画質が変わる。この欠点を解消するために、図１２では支持板３を角度βのプリズム２９に代え、偏光子２と補正要素１１との間にその全空間を占める他のプリズム２８を設ける。
【００２４】
図１１の実施例では、例えば光路差が−４５０ｎｍで角度βが１０°である入射面及び射出面に対して垂直な光学軸を有する単一の補正要素を用いることができ、総合コントラスト比ＩＣＲ（２０°）＝２０５が得られる。この場合に対応する角度分布曲線は、図１４、図１５にＩＨＲ−ｆで示されている。同じ参照番号を付けた図１６と図１７の曲線は、波長λに対する「開いた」状態及び「閉じた」状態での透過率Ｔの依存性を表している。
【００２５】
図１１の実施例に図６に示す形式の二重の補正要素を用い、光路差を４７５ｎｍとし、角度βを１０°にすると、総合コントラスト比ＩＣＲ（２０°）は１９０になる。この場合は、図１４〜１７で曲線ＩＤＲ−ｆに示してある。図１２の実施例に図５に示す形式の単一の補正要素を用い、光路差を−３８０ｎｍとし、角度βを７°にすると総合コントラスト比ＩＣＲ（２０°）は１８７になる。この場合は、図１４〜１７に曲線ＩＨＲ−ｗで示される。図１２の実施例で図６に示す形式の二重の補正要素を用い、光路差を５００ｎｍとし、角度βを６°にすると、総合コントラスト比ＩＣＲ（２０°）は１７３になる。この場合は、図１４〜１７に曲線ＩＤＲ−ｗで示されている。
【００２６】
図１３は、図１２の表示装置を備えた映写装置の概略図である。この装置の対物レンズ２６による拡大画像形成条件は理想的であり、コントラスト比の角度分布は水平および鉛直方向で光学軸に対して対称である。
【００２７】
既に説明したように、一軸性の複屈折補正要素を螺旋ネマチック液晶層に組み込むことによって、いずれの場合でもコントラスト比に優れた水平角度分布にすることができる。補正要素を構成する複屈折媒体の光学軸を液晶層の面に対して適当に傾斜させることによって、鉛直角度分布のズレも取り除くことができる。入射面および射出面に垂直な光学軸を有する単一の補正要素の場合には、直角入射して補正要素を通過する際の直線偏光は保持されるのが分かる。２枚の補正要素を重ねて使用した実施例の場合も同様に、第１の補正要素によって生じる光路差は他方の補正要素によって取り消される。
【００２８】
ネマチック液晶装置に対する本発明の改良は光学的なものである。この改良はコンピュータのディスプレイとして使用されるパッシブまたはアクティブマトリックスディスプレイ装置に特に適用できる。本発明の改良を映写装置やビデオカメラまたは顕微鏡カメラのファインダーで使用することもできる。
【００２９】
上記の説明は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲内で種々の実施例にすることができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の表示装置の等尺図である。
【図２】図１の装置の断面図である。
【図３】図１の液晶セルの機能を説明するための図である。
【図４】補正要素が無い場合の図１の液晶セルの角度応答性を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例の断面図（ａ）と正面図（ｂ）である。
【図６】本発明の第２実施例の断面図（ａ）と正面図（ｂ）である。
【図７】本発明の第３実施例の断面図（ａ）と正面図（ｂ）である。
【図８】コントラスト比の角度依存性が改良されることを示す図である。
【図９】コントラスト比の角度依存性が改良されることを示す別の図である。
【図１０】公知の投射ディスプレイ装置の概略図である。
【図１１】本発明の別の実施例の断面図である。
【図１２】本発明のさらに別の実施例の断面図である。
【図１３】本発明の映写ディスプレイ装置の概略図である。
【図１４】コントラスト比の角度依存性が改良されることを示す図である。
【図１５】コントラスト比の角度依存性が改良されることを示す別の図である。
【図１６】開状態および閉状態での透過率の波長依存性を示す図である。
【図１７】開状態および閉状態での透過率の波長依存性を示す別の図である。
【図１８】液晶層の面またはその法線に対して僅かに傾斜した光学軸を有する補正要素を用いた場合のコントラスト比の角度依存性を示す図である。
【図１９】液晶層の面またはその法線に対して僅かに傾斜した光学軸を有する補正要素を用いた場合のコントラスト比の角度依存性を示す別の図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  照明光源
２  偏光子
３、４  支持板
５  検光子
６  電源
１１，１１ａ，１１ｂ  補正要素
２５  表示装置
２６  対物レンズ
２７  光軸
【図１】
0003923992.tif 000003
【図２】
0003923992.tif 000004
【図３】
0003923992.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【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】
0003923992.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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