(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノーマリホワイトモードで動作するアクティブマトリクス型である液晶装置において、  第１表面において第１方向に向けられた第１表面ディレクタ方向と第２表面において第２方向に向けられた第２表面ディレクタ方向とを有し、上記第１方向が、上記第２方向とは異なり、かつ上記第２方向に対して垂直でないねじれ液晶層と、
上記ねじれ液晶層への第１有限電界の印加によって残余リタデーションが補償されるように配置され、２分の１波長板と、リタデーションがｘ・（λ／４）であり、かつパラメータｘの値が選択可能（ｘ≠１）である位相差板とからなり、上記第１および第２方向のなす角の二等分線とほぼ平行またはほぼ垂直な光軸を有する収色的組み合わせ位相差板と、
上記ねじれ液晶層を通過する光を反射する反射板とを備え、
上記位相差板および上記ねじれ液晶層が直線偏光板と上記反射板との間に配置されていることを特徴とする液晶装置。
【請求項２】
上記位相差板が残余リタデーションとほぼ等しいリタデーションを有し、上記位相差板の光学軸が上記二等分線とほぼ垂直であることを特徴とする請求項１に記載の液晶装置。
【請求項３】
上記位相差板のリタデーションがλ／４に対し残余リタデーションだけ異なる波長板であり、λが液晶装置の作業波長であることを特徴とする請求項１に記載の液晶装置。
【請求項４】
上記位相差板のリタデーションがλ／４と残余リタデーションとの合計にほぼ等しく、上記位相差板の光学軸が上記第１および第２方向についての上記二等分線とほぼ垂直であることを特徴とする請求項３に記載の液晶装置。
【請求項５】
上記位相差板のリタデーションがλ／４と残余リタデーションとの差にほぼ等しく、上記位相差板の光学軸が上記第１および第２方向についての上記二等分線とほぼ平行な請求項３に記載の液晶装置。
【請求項６】
上記位相差板が上記ねじれ液晶層と少なくとも１枚のλ／２板の間に配置されていることを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載の液晶装置。
【請求項７】
上記ねじれ液晶層が、上記ねじれ液晶層における電位差をゼロにし、かつ上記第１有限電界と異なる第２有限電界を印加されると、λ／４とほぼ等しいリタデーションを生成し、λが液晶装置の作業波長であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の液晶装置。
【請求項８】
上記第１有限電界が上記ねじれ液晶層における電位差を７Ｖ以下にすることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７のいずれかに記載の液晶装置。
【請求項９】
上記ねじれ液晶層が均質に配向されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の液晶装置。
【請求項１０】
ねじれ液晶層が画素化されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の液晶装置。
【請求項１１】
上記位相差板が、上記ねじれ液晶層と４分の１波長板との間に配置されていることを特徴とする請求項１、２または７に記載の液晶装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかに記載の液晶装置と、
上記液晶装置に入射する光を偏光する偏光手段と、
上記ねじれ液晶層に印加する電圧を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする液晶ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶装置および液晶装置を含む液晶ディスプレイに関しており、このようなディスプレイは、低電力機器に使用され、あるいは背面照射型ディスプレイが見づらくなる晴天の屋外のような明るい環境で使用される反射型ディスプレイを含む。
【０００２】
【従来の技術】
周知の反射型液晶ディスプレイは、直線偏光板と反射板との間に液晶層を含んでいる。液晶層は、偏光板からの偏光が直線偏光で反射板に入射する第１の状態と、偏光板からの光が円偏光で反射板に入射する第２の状態とで切り替わることができる。直線偏光された光は、反射板に入射すると、その偏光方位を効果的に変えることなく反射される。このモードにおけるディスプレイあるいはディスプレイの絵素（画素）は反射しており、明るい。第２のモードでは、円偏光された光が円偏光の反対の向きに反射板で反射される。この場合、ディスプレイあるいは画素は暗くなる。液晶層は、電界を印加しない状態で直線偏光を得ることができる。この場合、ディスプレイはノーマリホワイト型である。また、液晶層は、印加電界のない状態で円偏光を得ることができる。この場合、ディスプレイはノーマリブラック型である。
【０００３】
このタイプの周知のディスプレイは、ツイストネマティック液晶層を含んでいる。Beynonらは、Proceeding of the International Display Research Conference, 1997, L-34 で、このタイプのディスプレイに適用し、液晶層によって円偏光を得るのに必要なリタデーション、ねじれ、配向方向の液晶パラメータの値を導き出している。これらのパラメータの組のほとんどは、液晶層にかかる電界が無限大に近づくにつれてディスプレイの明るさが漸近的に最大値に近づくというものである。したがって、有限の印加電界では最も明るい白状態を得ることができない。
【０００４】
米国特許第5,490,003 号とYang, Euro Display 1996, pp449には、最大の明るさを得ることができる構成が開示されている。しかしながら、この構成では多少色の暗い状態があり、最も明るい状態は比較的高い電圧で起こる。
【０００５】
このタイプのねじれのない液晶ディスプレイにおいても、有限印加電界では最も明るい白状態を得られないという同様の問題がある。米国特許第4,767,190 号に、このタイプの構成が開示されており、付加された比較的低いリタデーションの固定位相差板が、その光学軸とねじれのない液晶層の光学軸とが交差するように光学的に液晶層に近接して配されている。したがって、付加位相差板のリタデーションは、液晶層によって与えられたリタデーションから効果的に減じられ、有限印加電界で最も明るい白状態を得ることができる。しかしながら、この技術では、ねじれ液晶ディスプレイには適用することができない。なぜなら、ディレクタの方向、すなわち光学軸が方位角的に変化するので、リタデーションを完全に相殺することができない。
【０００６】
高いコントラスト比（最大の反射状態におけるディスプレイによって反射された光と最も暗い状態におけるディスプレイによって反射された光の比）を得るためには、暗状態は可能な限り収色的にする必要がある。そのためには、暗状態を得るときに、反射板に入射する光を、最もたくさんの可視スペクトルを得るために可能な限り完全に近い状態で円偏光する必要がある。暗状態の収色性を向上させるためには、特別な位相差板を、ねじれ液晶層と光学的に直列に、一般的には液晶層と直線偏光板との間に設けることが知られている。例えば、WuらによるAppl. Phys. Lett., 1996, Vol. 68, pp1455に開示されているように、収色的４分の１波長位相差板を偏光板とねじれ液晶層との間に設けることが知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ディスプレイや画素の暗状態においては、ディスプレイの収色性が収色的４分の１波長位相差板によって決まるように、位相差板からの光の偏光に対する液晶層の影響を最小にしなければならない。明状態において、液晶層は、４分の１波長位相差板によって得られた円偏光を直線偏光に変換する。しかしながら、無限電圧では、液晶層のリタデーションがゼロになるので、暗状態の収色性を損なうリタデーションが残り、極力最良の暗状態を得るためには可能な限り高い電圧が必要になる。さらに、ほとんどの４分の１波長位相差板は複数の位相差板の組み合わせによって形成されるので、通常、４分の１波長板よりも円偏光板となり、問題がより複雑になる。
【０００８】
ねじれ液晶層の場合、残余リタデーションという問題の唯一の例外は液晶層のねじれが９０°の場合である。この場合、電圧、すなわち液晶層にかかる印加電界が所定の値を超えると、液晶層の表面部分が互いにほぼ相殺し合う（液晶層の両面のプレティルトが同じと仮定する）。例えば、Wu et al,  Appl. Phys. Lett., 1996, Vol.68, pp1455には、収色的位相差板を含むこのタイプのツイストネマティック液晶ディスプレイが開示されている。しかし、このようなディスプレイは、かなり大きいリタデーションがあるものの液晶のねじれが９０°ではないディスプレイほどには明るい白状態を得ることはできない。
【０００９】
なお、上述の「光学軸」とは複屈折物質の低速軸のみを指す。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の液晶装置は、上記の課題を解決するために、ノーマリホワイトモードで動作するアクティブマトリクス型の液晶装置において、第１表面において第１方向に向けられた第１表面ディレクタ方向と第２表面において第２方向に向けられた第２表面ディレクタ方向とを有し、上記第１方向が、上記第２方向とは異なり、かつ上記第２方向に対して垂直でないねじれ液晶層と、上記ねじれ液晶層への第１有限電界の印加によって残余リタデーションが補償されるように配置され、２分の１波長板と、リタデーションがｘ・（λ／４）であり、かつパラメータｘの値が選択可能（ｘ≠１）である位相差板とからなり、上記第１および第２方向のなす角の二等分線とほぼ平行またはほぼ垂直な光学軸を有する収色的組み合わせ位相差板と、上記ねじれ液晶層を通過する光を反射する反射板とを備え、上記位相差板および上記ねじれ液晶層が直線偏光板と上記反射板との間に配置されていることを特徴としている。
【００１１】
上記の位相差板は、請求項２に記載のように、残余リタデーションとほぼ等しいリタデーションを有し、上記位相差板の光学軸は上記二等分線とほぼ垂直であってもよい。
【００１２】
上記の「二等分線」とは、本来は、従来の数学的意味合いで用いられる。つまり、第１および第２方向間の角度に含まれて等角に離れた方向を意味する。また、ここでの「表面ディレクタ方向」とは、表面ディレクタ方向が表面プレティルトのないときのディレクタの方向であるように、液晶層の配向平面に投射されたその配向平面におけるディレクタの向きとして定義される。また、表面ディレクタ方向（ＳＤＯ）は（ＳＤＯ±π）と等しい。このように、第１および第２方向ならびに二等分線は、液晶装置の光学軸と垂直な共通面にある。
【００１３】
上記位相差板としては、請求項３に記載のように、リタデーションがλ／４に対し残余リタデーションだけ異なる波長板を用いてもよい。ここでは、λは装置の作業波長である。また、請求項４に記載のように、上記位相差板のリタデーションをλ／４と残余リタデーションとの合計とほぼ等しくし、位相差板の光学軸を第１および第２ディレクタの二等分線とほぼ垂直にしてもよい。さらに、請求項５に記載のように、位相差板のリタデーションをλ／４と残余リタデーションとの差とほぼ等しくし、位相差板の光学軸を第１および第２ディレクタの二等分線とほぼ平行にしてもよい。
【００１４】
液晶層におけるねじれ方向は、液晶層を光が伝搬する方向に液晶のディレクタが時計回りにねじれる場合は正方向であるとし、反時計回りにねじれる場合は負方向とする。
【００１５】
上記位相差板は、請求項６に記載のように、液晶層と少なくとも一枚のλ／2 板との間に配置されてもよい。
【００１６】
また、請求項７に記載のように、液晶層に第１印加電界とは異なる第２有限電界を印加することによって、液晶層はλ／４とほぼ等しいリタデーションを得ることができる。ここで、λは液晶装置の作業波長である。上記の第２印加電界は、液晶層における電位差をゼロにする。
【００１７】
第１印加電界は、請求項８に記載のように液晶層における電位差を７Ｖ以下にしてもよい。
【００１８】
液晶層は、請求項９に記載のように均質に配向されていてもよい。
【００１９】
液晶層は、請求項１０に記載のように画素化されていてもよい。
【００２０】
位相差板および液晶層は、請求項１１に記載のように、直線偏光板と反射板との間に設けられていてもよい。位相差板は、請求項１２に記載のように、上記ねじれ液晶層と４分の１波長板との間に設けられていてもよい。
【００２１】
本発明の請求項１３に記載のディスプレイは、請求項１ないし１２のいずれかの液晶装置と、上記液晶装置に入射する光を偏光する偏光手段と、
上記ねじれ液晶層に印加する電圧を制御する制御手段とを備えている。
【００２２】
以上のように、ねじれ液晶を位相差板として使用し、選択された有限電圧でリタデーションをほぼゼロにできる装置を提供することが可能になる。例えば、ねじれ液晶を有する一板偏光方式反射型ディスプレイの場合、そのコントラスト比が、周知のこのタイプのディスプレイに比べファクター２〜１０高くなる。この装置は、どのような選択電圧が液晶層に印加されても、収色性の優れた暗状態を得ることができる。例えば、装置をアクティブマトリクス駆動する場合、暗状態は５Ｖ未満の印加電圧によって得ることができる。
【００２３】
反射型ディスプレイは、消費電力が少ないため、低電力機器によく使用される。例えば、反射型ディスプレイでは、バックライトが不必要なので、バックライトによる電力消費を抑えることができる。位相差板のリタデーションが増加すると、暗状態を得るための電圧は低くなる。これによって、このタイプのディスプレイの駆動電圧をできるだけ低くすることができる。その結果、このタイプのディスプレイの消費電力を減少することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図１ないし図２７に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００２５】
なお、図面においては、同様の部品には同じ参照番号が付記されている。
【００２６】
図１は、システムの各素子の光学軸の基準方向を定義する１で示された直線偏光を有する入力光を用いるシステムを示している。このシステムは、それぞれリタデーションβを有する第１および第２位相差板２・３を備えている。第１位相差板２の光学軸は基準方向に対して角度θとなるよう配置され、第２位相差板３の光学軸は第１位相差板２の光学軸に対して角度φとなるよう配置されている。したがって、第１および第２位相差板２・３の光学軸は光学軸の二等分線４に対しての角度がそれぞれ−φ／２、＋φ／２となるように配置されている。最終的にシステムは、リタデーションγを有する位相差板５を備えることになる。位相差板５は、光学軸が（θ＋（φ／２）±９０）の角度で、すなわち、二等分線４と垂直になるよう配置されている。
【００２７】
図１に示されたシステムの楕円率は、ジョーンズマトリクスから算出することができる。例えば、1984年にJohn Wileyが出版したYariv らによる「Optical Waves In Crystals 」に開示されているように、ゼロ値は直線偏光を示し、±１の値は円偏光を示し、中間値は位相差板５から位相差板３を通って図１のシステムを通過する光の楕円率の程度を示している。位相差板５のリタデーションγは２・β・cos φと等しい。
【００２８】
図２（ａ）は、θ＝７５°、φ＝４５°であるときの、５５０ｎｍの波長でのリタデーションに対する楕円率を示している。これらのパラメータは、βを変更することによって、楕円率を最も急速にゼロから逸れさせるものである。図２（ａ）の実線で示された曲線は、この作用を図１のシステムから位相差板５を省略した場合について示し、破線はこの作用を図１に示されたシステムについて示している。このように、それぞれの位相差板２・３のリタデーションβが大きくなると、楕円率はゼロから逸れる。しかしながら、βの値が小さいと、この逸れは比較的小さい。事実、全ての位相差板の方向の組み合わせにおいて、リタデーションβが５０ｎｍ未満の場合、楕円率は０．０５未満のままである。
【００２９】
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示された曲線と同様の曲線であるが、これらはθ＝１５°、φ＝６０°とされた図１に示す種類のシステムに関するものである。同様に、図２（ｃ）はθ＝３０°、φ＝３０°とされた図１に示すシステムの楕円率を示している。
【００３０】
第１および第２位相差板２・３が、その光学軸が二等分線４の方向と一致するように配置された単一の位相差板と置き換えられた場合、全てのリタデーションの値でゼロの楕円率が得られる。したがって、図２（ａ）ないし図２（ｃ）は、第１および第２位相差板２・３が、概算では、比較的小さいリタデーションβで光学軸が二等分線４の方向と一致するように配置された単一の位相差板と等しくなるということを示している。
【００３１】
図３は、それぞれの第１および第２位相差板２・３がねじれ液晶層６と置き換えられたシステムを示すものである。液晶層６は、ネマティック液晶を含んでいる。このタイプの液晶としては、例えばメルク製のＺＬＩ−４７９２が知られている。液晶層６は、ねじれ角φ＝３０°と、入力偏光に対してφ＝３０°で配向された入力ディレクタを持つ（図２（ｃ）場合と等しい）。したがって、位相差板５の光学軸は、−４５°で配向されている。表面ディレクタ方向９・１０は、二等分線４とともに液晶層６の表面７・８に示されている。位相差板５は、リタデーションγを持つ。液晶層６は、リタデーションが２５０ｎｍとなるような厚みを持っている。
【００３２】
非添加ねじれ液晶において、電圧がしきい値電圧を超えて増大するとともに、ディレクタ中間面内チルトが増大するほど、中間面内の２つの領域のいずれの側も、それらがあかたも分離した２つの同じ位相差板であるかのようにみせる「光学的非結合」であると考えられる。
【００３３】
図３のシステムの最小楕円率は、位相差板５のリタデーションγの関数として算出される。ここで、最小楕円率が得られるときの液晶層６にかかる電圧に注目する。位相差板５のリタデーションが液晶層６の有限電圧における残余リタデーションを相殺するとき、楕円率はゼロとなる。ゼロからの逸れは、位相差板５が液晶層６の残余リタデーションを完全に相殺していないということを意味している。
【００３４】
図４に、単一波長でのリタデーションγを楕円率をゼロにする電圧の関数として示す。図５は、液晶層６からの直線偏光の方位角をリタデーションγの関数として示している。位相差板５のリタデーションが大きくなると、楕円率をゼロにする電圧は低くなる。しかしながら、リタデーションγが大きくなると、次の２つのことが起こる。第１に、いくつかのγの値で楕円率の値がゼロ表示からずれて、位相差板５が液晶層６の残余リタデーションをもはや補償することができなくなる。第２に、元の方向からの偏光状態の方位角のずれが増大する。位相差板５および液晶層６が透過型において用いられる場合、これらの２つの要因は、特に偏光方位の変化のために、液晶装置の性能がγの増大で悪化することを意味している。しかしながら、これらの２つの現象は、反射型においては次の２つの理由によりそれほど重要ではない。第１に、反射型のシステムは、構成部品を通過する光の正逆の経路のために、本来光学対称性を有しており、このことは、光学部品が正しく選択されていれば、楕円率がゼロからずれていても、上記のような際立った効果が生じないことを意味している。第２に、反射型では、直線偏光された光が、方位角の値に関わらず同じ偏光方位で直線偏光された光と同様に反射されることから、反射板での偏光方位がディスプレイの光学性能に関係がない。したがって、反射型装置は、リタデーション値の広い範囲にわたってねじれ液晶層の残余リタデーションを補償することができるというように、透過型装置に対して非常に有利である。
【００３５】
図６は、位相差板５と、直線偏光板１１と反射板１２の間に設けられたねじれ液晶層６を備える反射型液晶ディスプレイを示している。直線偏光板１１は、上記の基準方向を定める透過方向１を持つ。ねじれ液晶層６の表面層７の表面ディレクタ方向９は、透過方向１に対して角度θに配向されており、ねじれ液晶層６は表面層８に向かってφの角度でねじれているので、表面層８の配向方向は（θ＋φ±ｍπ）となり、ここではｍ＝０，１である。例えば、図６に示すように、θ＝０°，φ＝６３．６°となる。ねじれ液晶層６は、表面プレティルトにほぼ等しく均質に配向されている。
【００３６】
印加電界がゼロで広がっていないディレクタの形態と正方向にねじれたねじれ液晶層６を得るために、配向方向を０°とすることによって表面ディレクタ方向９を得る。この配向方向は、ポリイミド配向膜を０°の方向に沿って布で擦ることによって得られる。しかし、蒸着された酸化シリコンや光配向されたポリマー等、他の配向技術を用いてもよい。表面ディレクタ方向１０は、−１１６．４°の配向方向と、表面層７と同等のプレティルトとによって得られる。あるいは、印加電界がゼロで広がっていないディレクタの形態を得るには、配向方向を１８０°および６３．６°としてもよい。
【００３７】
印加電界がゼロで広がったディレクタの形態を得るには、表面ディレクタ方向９・１０と対応する配向方向は、それぞれ０°および６３．６°、あるいは１８０°および−１１６．４°とすることができる。
【００３８】
上述のように、ねじれ液晶層６は、ＺＬＩ−４７９２として知られ、電界を印加しない状態でリタデーションが２５０ｎｍとなるような厚みを持つネマティック液晶を含んでいる。しかしながら、正の誘電異方性を持ち、面外でスイッチングするネマティックタイプの液晶であれば他の液晶を使用してもよい。
【００３９】
位相差板５としては、Nitto 製のＮＲＺタイプのものを使用することができる。
【００４０】
上述のように、位相差板５は表面ディレクタ方向９・１０の二等分線と垂直な光学軸を持つ。したがって、光学軸αの方向は、（θ＋φ／２）±９０）によって得ることができ、図６に示すように−５８．２°となる。
【００４１】
図７は、位相差板５が省かれた、図６に示されたノーマリブラックタイプのディスプレイにおける反射輝度（光源Ｄ６５）をねじれ液晶層６に印加された電圧の関数として示している。図７の曲線は、ねじれ液晶層６に印加された電圧が高くなると反射率が漸近的に最大値１に近づくことを表している。したがって、最大反射率は有限電圧では得られない。図８は、位相差板５を備える図６に示されたディスプレイについて、図７と同様の曲線を示している。リタデーションが２０ｎｍの位相差板５には、有限電圧でねじれ液晶層６の残余リタデーションを補償し、５．１Ｖの電圧で最大反射率を得るという効果がある。最大反射率が得られる実際の電圧は、位相差板５のリタデーションを変えることによって変化する。例えば、位相差板５のリタデーションを大きくすると電圧は低くなる。
【００４２】
図７に示された性能と比較すると、ディスプレイの暗状態は位相差板５によって悪影響を受けている。なぜなら、位相差板５の存在によって、ディスプレイが暗状態のとき、反射板１２での偏光が円偏光というよりもむしろ楕円偏光になるからである。しかしながら、暗状態の性能は、反射状態の良好な明るさを維持しながら、ねじれ液晶層６が直線状態を円状態に変換するよりも楕円状態を円状態に変換するように、ねじれ液晶層６のパラメータを変更することによって向上させることができる。
【００４３】
図９のグラフは、図８と同様に、液晶のパラメータが変更された図６のディスプレイを示すものである。この場合、ねじれ角φが５７．５°であり、電圧がゼロのときのねじれ液晶層６のリタデーションは２１２．４ｎｍである。位相差板５のリタデーションは２０ｎｍであり、その光学軸は−６１．２５°に向けられている。最大反射率は、電圧が６．０Ｖのときに得られるが、ねじれ液晶層６にかかる電圧が４．７Ｖになると反射率が０．９９よりも大きくなる。しかしながら、暗状態の性能は向上し、図７に示す反射率と同様の反射率が得られる。したがって、ディスプレイのコントラスト比は図７の場合よりも向上する。
【００４４】
図１０は、φ＝６３．６°，θ＝８°，α＝−６６．２°であり、印加電圧がゼロでねじれ液晶層６のリタデーションが２４２．１ｎｍとなる図６に示されたディスプレイの性能を示している。コントラスト比性能は、図９に示されたものと同等であるが、この場合、最大反射率は６．３Ｖの電圧で得られる。
【００４５】
図９および図１０に示された性能のパラメータは、位相差板５が省かれた図６に示すタイプのディスプレイと同様の暗状態性能を提供する。しかしながら、最も明るい明状態は、例えば図１８に示すアクティブマトリクス駆動のためのドライバ２６で発生するねじれ液晶層６への印加電圧によって得られる。ディスプレイのパラメータを適宜調整することによって、性能を特定の用途に合わせて最適化することができる。例えば、有限電圧あるいは従来の駆動電圧での最も明るいディスプレイの明るさを明るくすることができ、そして／あるいは、暗状態の暗さを暗くすることができる。同様に、赤、緑、青の画素を含むディスプレイにおいては、各色ごとにオン状態電圧を最適化できるので都合がよい。
【００４６】
上述の複数組のパラメータは、無限にある組の内の数例である。
【００４７】
図１１に示すディスプレイは、位相差板５が２分の１波長板１５とリタデーションがｘ・λ／４である位相差板６とからなる収色的組合わせ位相差板に置き換えられている点において図６に示すディスプレイと異なっている。ここで、ｘの値は選択可能なパラメータである。表面ディレクタ方向９・１０は、上述のように方向付けられているが、２分の１波長板１５および位相差板１６の光学軸は基準方向に対してρとψとなるよう向けられている。例えば、２分の１波長板１５ではリタデーションは２７０ｎｍに近く、ρ＝１５°とすることができ、位相差板１６では、リタデーションは１３５ｎｍに近く、ψ＝７５°とすることができる。ねじれ液晶層６は、電圧がゼロのときのリタデーションが２４０ｎｍであり、θ＝４０°，φ＝７０°の上述のＺＬＩ−４７９２を含むことができる。表面ディレクタ方向９は、配向方向を４０°とし、表面ディレクタ方向１０を−７0 °とすることで、印加電界がゼロの状態で、ひろがりがなく、７０°のねじれを得る。しかしながら、Beynonらが開示したいずれかの解答に近いパラメータの液晶層を使用することも可能である。θ＝４０°のとき、最適な明状態は得られるが、θは明状態の色度に対する影響が比較的小さいのであればどのような値をとってもよい。２分の１波長板１５と位相差板１６としては、Nitto 製のＮＲＺタイプの位相差板を使用することができる。
【００４８】
ｘが１のとき、２分の１波長板１５および位相差板１６は従来の収色的位相差板を含む。このような位相差板を使用するディスプレイの反射性能を図１２に示す。ねじれ液晶層６にかかる電圧が高くなると、反射率はゼロに近づき、有限駆動電圧では最小反射率を得ることができない。
【００４９】
図１３は、位相差板１６のリタデーションが４分の１波長よりも小さい、つまり、１３５ｎｍよりも２０．６ｎｍだけ小さい、すなわちｘ≒０．８４７である図１１のディスプレイにおける反射率を示している。ここでは、暗状態の反射率は４．７５Ｖの電圧で最小になる。明状態の最大反射率は、図１２に示された性能と比べると劣るが、駆動電圧が５Ｖ未満でのディスプレイのコントラスト比は約２０：１から９５：１に向上した。
【００５０】
図１４は、ねじれ液晶層６の液晶パラメータを変更することによって得られる性能の改善を示している。この場合、位相差板１６のリタデーションは４分の１波長（１３５ｎｍ）よりも２７．５ｎｍ小さくなり、（ｘ≒０．７９６）、φ＝６５°、θ＝４２．５°であり、ねじれ液晶層６のリタデーションは２５７ｎｍである。暗状態の性能は、図１３で示された性能と同様であるが、明状態の性能は大幅に向上し、図１２に示された性能に近くなる。コントラスト比は１００：１よりも高くなり、最大の暗状態反射率はねじれ液晶層６に４．７８Ｖの電圧を印加することによって得られる。また、明状態の色度は、図１３に示す性能と比べると向上している。
【００５１】
液晶装置における全ての他の角度の符号が逆である場合、図１２ないし図１４に対応する同一の光学性能は、負の液晶ねじれを用いることによって達成される。図１１に示すディスプレイでは、ねじれ液晶層６のねじれ方向は正方向、つまり、表面７から表面８に向かって時計回りにねじれている。負方向、すなわち、反時計回りのねじれも適用することができるが、正方向のねじれの方がさらに収色的な明状態を提供する。
【００５２】
ねじれ液晶層６は、どちらの方向のねじれをも持つことができるが、ねじれの方向が位相差板の光学軸の基準方向１からずれた角度の方向と同じとき、より収色的明状態が得られる。したがって、図１１に示すψ＜９０°の実施例では、位相差板１６の光学軸の基準方向１からのずれは時計回りであり、ねじれ液晶層６は表面７から表面８に向かって時計回りのねじれを持っている。
【００５３】
図１５に示すディスプレイは、位相差板１６の光学軸が表面ディレクタ方向９・１０の二等分線と垂直になるように２分の１波長板１５および位相差板１６の光学軸が９０°回転させられているという点において図１１に示すディスプレイと異なっている。表面ディレクタ方向９・１０は、配向方向をそれぞれ１３０°、２４０°とすることによって得ることができる。位相差板１６のリタデーションは、４分の１波長よりも１７ｎｍ大きい、すなわち、ｘ≒１．１２６である。この構成での反射率は図１６に示されており、最大の暗状態反射率は電圧が５．５Ｖのときに得られ、コントラスト比は１００よりも高くなる。
【００５４】
図１５に示す実施例では、ψ＞９０°であり、位相差板１６の光学軸は基準方向１から反時計回りに（１８０°−ψ）ずれている。より収色的な明状態を得るために、ねじれ液晶層６は表面７から表面８に向かって反時計回りのねじれを持っている。
【００５５】
図１７は、図１２と比較してＯＮ状態電圧の減少を調べるために、位相差板１６のリタデーションが４分の１波長（１３５ｎｍ）よりも７５ｎｍ小さくされた図１１に示すディスプレイの反射率を示している。暗状態の反射率は３．４５Ｖで最小となっている。液晶のパラメータはここで得られる最も明るい状態を回復するために、θ＝４５°、φ＝６０°であり、ねじれ液晶層６のリタデーションが３１６ｎｍとなるよう変更されている。
【００５６】
ＺＬＩ−４７９２よりも低いしきい電圧、かつ薄膜トランジスタによって低電圧駆動に最適化された他の液晶を使用することもできる。このような液晶材料の一例としては、メルク製のＭＬＣ−６４７６を挙げることができる。明状態、暗状態電圧が、このように低下する結果、消費電力が低下する。例えば、ＭＬＣ−６４７６を使用すると、図１６の暗状態電圧が４．０Ｖとなる。
【００５７】
図１８は、アクティブマトリクス型カラーディスプレイパネルの構成を図解的に示している。このディスプレイパネルは、例えばガラス製の、基板２０・２１を備えている。基板２０は、反射板１２として機能するマイクロ反射構成（ＭＲＳ）の画素電極を含んでいる。各画素電極は、行および列アドレス電極（図示せず）に接続された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）素子２４に接続されている。行および列電極は、薄膜トランジスタのためのゲートおよびソース電極に対応していてもよい。
【００５８】
基板２１は、平面電極２２を備えており、位相差板５は偏光板１１と基板２１との間にリタデーションフィルムを備えている。マイクロカラーフィルタ２３は、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）のフィルタを含んでおり、ねじれ液晶層６と基板２１との間に配置されている。図１８に示すディスプレイパネルの光学素子の配置は、図６に示すディスプレイと対応している。
【００５９】
図１９は、図６に示すディスプレイと同様の基本型のディスプレイを示しているが、このディスプレイは、動作モードをノーマリブラックからノーマリホワイトに変えるために４分の１波長板１７を含むよう変更されている。４分の１波長板１７は、基準方向１に対する角度δが４５°となるように光学軸１８が配向されている。４分の１波長板１７のリタデーションは約１３７．５ｎｍである。
【００６０】
なお、４分の１波長板１７は、ねじれ液晶層６と反射板１２との間に設けられていてもよい。
【００６１】
本実施例では、位相差板５の光学軸は基準方向１に対する角度αが５８．７５°となるように方向づけられており、リタデーションは２０ｎｍである。ねじれ液晶層６の表面７の表面ディレクタ方向９は基準方向１に対する角度θが１２０°になるように方向づけられており、ねじれ液晶層６のねじれ角φは５７．５°となっている。表面ディレクタ方向９・１０は、それぞれ配向方向を１２０°、−２．５°とすることにより得られる。印加電界のない状態では、ねじれ液晶層６のリタデーションは２１２．４ｎｍとなる。
【００６２】
続いて、以下に、ねじれ液晶層６にメルク製のＭＬＣ−６４７６タイプの液晶が使用された場合について説明する。
【００６３】
図２０に示すように、図１９のディスプレイの反射率は、電圧がゼロＶあるいはゼロに近い値のときにほぼ最大値となり、電圧が７．５Ｖではっきりとはしないが最小値となる。また、良好な暗状態は、ほぼ５Ｖより高い電圧で得られる。最小反射率は、特に低くはないが、特に収色的ではない４分の１波長板１７によって決まる。
【００６４】
上述のように、明状態を最適化するのに必要な位相差板５のリタデーションの増大およびねじれ液晶層６のパラメータの変更によって、暗状態電圧をさらに低下させることができる。さらに、収色的真４分の１波長位相差板を４分の１波長板１７の代わりに使用することによって、最小反射率を小さくすることができる。
【００６５】
比較のため、図２１に位相差板５が省かれた図１９に示すタイプのディスプレイの反射率を示す。図２０に示す図１９のディスプレイの性能と比較して、このディスプレイの暗状態性能は大幅に劣っている。
【００６６】
図２２は、ねじれ液晶層６の残余リタデーションを補償するために図１９の固定位相差板５を使用する代わりに、４分の１波長板（図２２では５）のリタデーションを変更したノーマリホワイトディスプレイを示している。４分の１波長板５の光学軸は、再び基準方向に対する角度αが４５°となるように方向付けられているが、リタデーションは１７５ｎｍ（すなわち、約λ／４＋４０ｎｍ）に変更されている。ねじれ液晶層６の表面７の表面ディレクタ方向９は１０７．５°に方向付けられており、ねじれ液晶層６は、５５°のねじれ角φを持ち、電界がねじれ液晶層６に印加されない状態で２３７ｎｍのリタデーションを持つ。表面ディレクタ方向９・１０は、それぞれ１０７．５°、−１７．５°の配向方向によって得ることができる。
【００６７】
図２３に、図２２のディスプレイの反射率を示す。より大きな残余リタデーションを補償するため、図２０より低くなる電圧が４．４６Ｖのときに最小反射率となる。ねじれ角の二等分線が位相差板５の光学軸にほぼ平行となるように、位相差板５のリタデーションを約９５ｎｍ（すなわち約λ／４−４０ｎｍ）に減少させるとともに、ねじれ液晶層６を配向することによって、同様の結果が得られる。液晶リタデーションおよびねじれ角は、前述のように、明状態を回復するためにわずかに変更される必要がある。
【００６８】
ここに開示された技術は、欧州特許出願Ｎｏ．９７３０８８５３．７に開示されたねじれ液晶層をスイッチング素子として含む装置に応用することができ、その内容は参考として本出願に組み入れられている。例えば、図２４は、欧州特許出願Ｎｏ．９７３０８８５３．７の図１４に示されたタイプの装置を示している。位相差板１７の光学軸１８は、基準方向１に対する角度δが１５°となるよう方向付けられ、リタデーションは２２２．７ｎｍである。表面ディレクタ方向９は、角度θが３２．５度の方向に向いており、ねじれ液晶層６は６３．６°のねじれ角φと、１５２．５ｎｍのリタデーションを持つ。表面ディレクタ方向９・１０は、それぞれ３２．５°、−８３．９°の方向付けによって得ることができる。
【００６９】
図２５は、図２４のディスプレイの反射率性能を示している。最大反射率は、５Ｖより高い電圧で得られ、ここで得ることができる最大値よりも大幅に小さい。
【００７０】
図２６は、本発明の一実施例を提供するために位相差板５を含むように変更された図２４のディスプレイを示している。位相差板５の光学軸は、基準方向１に対する角度αが−３３．２°となるように方向付けられ、リタデーションが５０ｎｍである。ねじれ液晶層６のパラメータは、表面ディレクタ方向９が２９．５°の角度θに向き、ねじれ液晶層６のねじれ角φが５４．６°、かつねじれ液晶層６のリタデーションが２０８．５ｎｍとなるよう変更されている。表面ディレクタ方向９・１０は、それぞれ２９．５°、−９５．９°の方向付けによって得ることができる。
【００７１】
図２７は、図２６に示すディスプレイの反射率性能を示している。図２７および図２５に示された性能と比べると、図２６のディスプレイにおける５Ｖで得られる反射率の最大値はかなり高くなっている。したがって、図２６に示すディスプレイの明状態性能およびコントラスト比は図２４のディスプレイと比較すると大幅に向上している。
【００７２】
本発明の範囲内で様々な変更をすることができる。例えば、視野角を改善するため、前述の位相差板はいずれも二軸性のものであってもよい。本発明において記載された反射型装置が直視反射ディスプレイまたは反射型投射ディスプレイシステムのいずれかで用いられることに適している。直視型ディスプレイにおいて、単一の直線偏光板は、装置の前面での偏光手段として従来より用いられているものである。投射型において、ディスプレイは、光学システムの設計に依存する単一の偏光板または偏光ビームスプリッタを用いてもよい。
【００７３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１に係る液晶装置は、ノーマリホワイトモードで動作するアクティブマトリクス型の液晶装置において、第１表面において第１方向に向けられた第１表面ディレクタ方向と第２表面において第２方向に向けられた第２表面ディレクタ方向とを有し、上記第１方向が、上記第２方向とは異なり、かつ上記第２方向に対して垂直でないねじれ液晶層と、上記ねじれ液晶層への第１有限電界の印加によって残余リタデーションが補償されるように配置され、２分の１波長板と、リタデーションがｘ・（λ／４）であり、かつパラメータｘの値が選択可能（ｘ≠１）である位相差板とからなり、上記第１および第２方向のなす角の二等分線とほぼ平行またはほぼ垂直な光学軸を有する収色的組み合わせ位相差板と、上記ねじれ液晶層を通過する光を反射する反射板とを備え、上記位相差板および上記ねじれ液晶層が直線偏光板と上記反射板との間に配置されている構成である。
【００７４】
本発明の請求項２に係る液晶装置は、請求項１に記載の液晶装置において、上記位相差板が残余リタデーションとほぼ等しいリタデーションを有し、上記位相差板の光学軸が上記二等分線とほぼ垂直である。
【００７５】
本発明の請求項３に係る液晶装置は、請求項１に記載の液晶装置において、上記位相差板のリタデーションがλ／４に対し残余リタデーションだけ異なる波長板であり、λが液晶装置の作業波長である。
【００７６】
本発明の請求項４に係る液晶装置は、請求項３に記載の液晶装置において、上記位相差板のリタデーションがλ／４と残余リタデーションとの合計にほぼ等しく、上記位相差板の光学軸が上記第１および第２方向についての上記二等分線とほぼ垂直である。
【００７７】
本発明の請求項５に係る液晶装置は、請求項３に記載の液晶装置において、上記位相差板のリタデーションがλ／４と残余リタデーションとの差にほぼ等しく、上記位相差板の光学軸が上記第１および第２方向についての上記二等分線とほぼ平行である。
【００７８】
本発明の請求項６に係る液晶装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載の液晶装置において、上記位相差板が上記ねじれ液晶層と少なくとも１枚のλ／２板の間に配置されている。
【００７９】
本発明の請求項７に係る液晶装置は、請求項１ないし６のいずれかに記載の液晶装置において、上記ねじれ液晶層における電位差をゼロにし、かつ上記第１有限電界と異なる第２有限電界を印加されると、λ／４とほぼ等しいリタデーションを生成し、λが液晶装置の作業波長である。
【００８０】
本発明の請求項８に係る液晶装置は、請求項１、２、３、４、５、６または８のいずれかに記載の液晶装置において、上記第１有限電界が上記ねじれ液晶層における電位差を７Ｖ以下にする。
【００８１】
本発明の請求項９に係る液晶装置は、請求項１ないし８のいずれかに記載の液晶装置において、上記ねじれ液晶層が均質に配向されている。
【００８２】
本発明の請求項１０に係る液晶装置は、請求項１ないし９のいずれかに記載の液晶装置において、ねじれ液晶層が画素化されている。
【００８３】
本発明の請求項１１に係る液晶装置は、請求項１ないし１０のいずれかに記載の液晶装置において、上記位相差板および上記ねじれ液晶層が直線偏光板と反射板との間に配置されている。
【００８４】
本発明の請求項１２に係る液晶装置は、請求項１、２または７に記載の液晶装置において、上記位相差板が、上記ねじれ液晶層と４分の１波長板との間に配置されている。
【００８５】
以上の液晶装置では、ねじれ液晶を位相差板として使用し、選択された有限電圧でリタデーションをほぼゼロにできる装置を提供することが可能になる。この液晶装置は、どのような選択電圧が液晶層に印加されても、収色性の優れた暗状態を得ることができる。また、反射板を用いた構成では、十分低い電圧で最大反射率を得ることができる。また、最大反射率が得られる実際の電圧は、位相差板のリタデーションを変えることによって変化する。例えば、位相差板のリタデーションを大きくすると電圧は低くなる。
【００８６】
請求項１３に係るディスプレイは、請求項１ないし１２のいずれかに記載の液晶装置と、上記液晶装置に入射する光を偏光する偏光手段と、上記ねじれ液晶層に印加する電圧を制御する制御手段とを備えている構成である。
【００８７】
例えば、反射型ディスプレイでは、バックライトが不必要なので、バックライトによる電力消費が抑えられるが、位相差板のリタデーションが増加すると、暗状態を得るための電圧は低くなる。これによって、このタイプのディスプレイの駆動電圧をできるだけ低くすることができる。その結果、このタイプのディスプレイの消費電力を減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの小さい位相差板を単一の位相差板で代替するシステムを示す斜視図である。
【図２】（ａ）ないし（ｃ）は角パラメータを異ならせた図１のシステムにおけるナノメータで表されたリタデーションに対する楕円係数を示すグラフである。
【図３】電圧が印加されたねじれ液晶層が二つの小さな同じ位相差板によって近づけられるシステムを示す図である。
【図４】図３のシステムの楕円率をゼロにする電圧に対するリタデーションを示すグラフである。
【図５】図３のシステムの楕円率をゼロにするリタデーションに対する直線偏光の方位角を示すグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態を構成する反射型液晶ディスプレイを示す斜視図である。
【図７】位相差板が省かれた図６に示す種類のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図８】第１組の液晶パラメータに設定した図６のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図９】第２組の液晶パラメータに設定した図６のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図１０】第３組の液晶パラメータに設定した図６のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図１１】本発明の第３実施形態を構成する液晶ディスプレイを示す斜視図である。
【図１２】第１組のパラメータに設定した図１１のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図１３】第２組のパラメータに設定した図１１のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図１４】第３組のパラメータに設定した図１１のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図１５】本発明の第４実施形態を構成する反射型液晶ディスプレイを示す斜視図である。
【図１６】図１５のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図１７】第４組のパラメータに設定した図１１のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図１８】本発明の第５実施形態を構成するピクセル化された液晶ディスプレイを示す斜視図である。
【図１９】本発明の第６実施形態を構成する反射型液晶ディスプレイを示す斜視図である。
【図２０】図１９のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図２１】固定位相差板が省かれた図１９に示された種類のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図２２】本発明の第７実施形態を構成する反射型液晶ディスプレイを示す斜視図である。
【図２３】図１９のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図２４】欧州特許出願第97308853.7号に記載されている反射型液晶ディスプレイを示す斜視図である。
【図２５】図２４のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図２６】本発明の第８実施形態を提供するために変形された図２４のディスプレイを示す斜視図である。
【図２７】図２６のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【符号の説明】
２・３      位相差板
４          二等分線
５          位相差板
６          ねじれ液晶層
７・８      表面（第１および第２表面）
９・１０    表面ディレクタ方向（第１および第２表面ディレクタ方向）
１１          直線偏光板（偏光手段）
１２          反射板
１５          ２分の１波長板
１６          位相差板
１７          ４分の１波長板
２６          ドライバ（制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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】
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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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【図２６】
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【図２７】
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