(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視または近可視スペクトル内の光源ビームを２つの概して直角の偏光ビームにおおよそ分光し、かつ該偏光ビームの一方の大部分を１つ以上の角度配向に反射するための反射分散偏光デバイスにおいて、
該デバイスが、
前記光源ビーム内に配置するように構成された複数の薄手で細長の、分離された素子を含み、該素子が光源ビームの電磁波と相互作用する手段を備えていることにより、概して、（ｉ）前記素子に対し直角の偏光配向を有し、かつ第１偏光の透過ビームを形成する光は透過され、（ｉｉ）前記素子と平行の偏光配向を有し、かつ第２偏光の反射ビームを形成する光は反射され、
各細長の素子が露光表面を有し、該露光表面が他の素子の露光表面と一緒に複数構成要素表面を形成し、該構成要素表面が模様構造を形成しており、該構成要素表面の大多数が、頂部を画定する高い部分と底部を画定する低い部分とをそれぞれ有し、各構成要素表面が、構成要素表面の両側の間に形成される直径を有し、模様構造表面の大部分が、可視光または近可視光の波長より大きい各直径を有する構成要素表面により形成され、それにより１つ以上の角度配向で反射ビームを反射する、反射分散偏光デバイス。
【請求項２】
可視または近可視スペクトル内の光源ビームを２つの概して直角の偏光ビームにおおよそ分光し、かつ該偏光ビームの一方の大部分を１つ以上の角度配向に反射するための反射分散偏光デバイスにおいて、
該デバイスが、
光源ビーム内に配置されるように構成され、かつ表面を有する基板と、
該基板表面に配置され互いに間隔をおいた複数の概して平行な、薄手で細長の素子とを含み、各細長素子が、他の素子の露光表面と一緒に複数の小高い輪郭部を形成する露光表面を有し、該複数の小高い輪郭部が模様構造の反射表面を画定しており、該模様構造の表面の大部分が、可視または近可視スペクトルのほぼ光の波長を超える、細長素子と平行な長さを有する輪郭部によって形成され、該素子が、光源ビームの電磁波と相互作用する手段を備えていることにより、概して、（ｉ）該素子と直角の偏光配向を有し、かつ第１偏光の透過ビームを形成する光は透過し、（ｉｉ）該素子と平行な偏光配向を有し、かつ第２偏光の反射ビームを形成する光は反射し、それによって１つ以上の角度配向に反射ビームを方向づける、反射分散偏光デバイス。
【請求項３】
反射分散偏光デバイスを製造する方法において、
該方法が、表面を有する基板を用意する段階と、
概して平行な薄手の別個の素子のパターンを形成するため、基板表面に材料を被着させる段階とを含み、各素子が露光表面を有し、該露光表面が他の素子の露光表面と一緒に、模様構造の反射表面を画定する複数の小高い輪郭部を形成し、前記素子が、光源ビームの電磁波との相互作用手段を備えていることにより、概して、（ｉ）該素子に対し直角の偏光配向を有し、かつ第１偏光の透過ビームを形成する光は透過し、（ｉｉ）該素子と平行な偏光配向を有し、かつ第２偏光の反射ビームを形成する光は反射する、反射分散偏光デバイスを製造する方法。
【請求項４】
可視または近可視スペクトル内の光源ビームを２つの概して直角の偏光ビームにおおよそ分光し、かつ該偏光ビームの一方の大部分を１つ以上の角度配向で反射するための、液晶ディスプレイと共に使用する反射分散偏光デバイスにおいて、
該偏光デバイスが、
前記光源ビーム内に配置するように構成された複数の薄手で分離された細長の素子の概して平行な配列を含み、該素子が光源ビームの電磁波との相互作用手段を備えていることにより、概して、（ｉ）前記素子に対し直角の偏光配向を有し、かつ第１偏光の透過ビームを形成する光は透過するが、（ｉｉ）前記素子と平行の偏光配向を有し、かつ第２偏光の反射ビームを形成する光は反射し、
各細長の素子が露光表面を有し、該露光表面が、他の素子の露光表面と一緒に第２偏光の光の大部分を拡散形式で反射する模様構造の反射表面を画定する複数の小高い輪郭部を形成し、更に前記偏光デバイスが、
細長の素子に電気接続された電気接触部材とを含む、反射分散偏光デバイス。
【請求項５】
或る角度範囲にわたり、観察者に可視の光を透過および／または反射することにより可視画像を造出するために光を操作するディスプレイ・デバイスにおいて、
該ディスプレイ・デバイスが、
光を偏光させて単一の偏光配向を有する光だけを透過させ、第１偏光を形成するように構成された第１偏光部材と、
第１偏光部材の背方に配置され、第１偏光から第２偏光へ透過時に光の偏光配向を選択的に変化させる部材に応答可能な偏光変更部材と、
第１偏光の光を透過させる偏光変更部材の背方に配置され、かつ偏光変更部材と第１偏光部材とを透過して戻る第２偏光を分散反射する第２反射分散偏光部材とを含み、該第２偏光部材が、薄手で細長の、間隔をおいた素子の概して平行な配列を有し、各細長の素子が露光表面を有し、該露光表面が、他の素子の露光表面と一緒に第２偏光の光の大部分を拡散反射する模様構造の反射表面を画定する複数の小高い輪郭部を形成し、該素子が、光の電磁波との相互作用手段を備えていることにより、概して、（ｉ）素子に対し直角の偏光配向を有する光は透過させ、（ｉｉ）素子に対し平行の偏光配向を有する光は反射させ、それによって光を１つ以上の配向で分散させ、或る角度範囲にわたり可視の画像を造出する、光を操作するディスプレイ・デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
１．発明の分野
本発明は、拡散かつ非正反射偏光デバイスであって、特に液晶ディスプレイに好適な形式のものに関する。より具体的には、本発明は、複数の薄手で細長の素子を有する偏光デバイス、それも、該細長の素子が、（ｉ）素子と直角の第１偏光配向を有する光は透過し、（ｉｉ）素子と平行な第２偏光配向を有する光は反射するためのものであり、しかも該細長の素子が、それぞれ露光表面を有し、該露光表面が、第２偏光を基準平面に対し拡散反射または非正反射するための模様構造表面を共に形成する形式のものに関する。
【０００２】
２．先行技術
通常の液晶ディスプレイ・デバイスは、前後の透明なプレートの間にサンドイッチ状に挟まれた液晶層を含んでいる。透明な電極が、透明なプレートの内表面に配置され、液晶層の光透過特性を変更する電気信号を発するのに使用される。透明な電極は、ディスプレイ・デバイスの画素構造を形成するために、通常はパターン化される。
液晶ディスプレイの好ましくかつ最も普通に使用される形式では、周知の「ツイステッド・ネマチック」液晶効果が利用される。ツイステッド・ネマチック効果が好ましいのは、優れたコントラスト比、低駆動電圧、現在の駆動回路技術に適合可能な敏感な応答しきい値、広い観察角度、良好なグレースケール表現が得られるためである。
【０００３】
ツイステッド・ネマチック液晶ディスプレイでは、またディスプレイ・サンドイッチが直線偏光素子を含み、該直線偏光素子は、前後の透明プレートの外表面に取り付けられ、かつ直角の偏光軸を有している。液晶層は、電場が印加されていない場合には、液晶層を透過する光の偏光ベクトルが９０度旋回するが、電場が印加されている場合には、旋回しないように設計されている。したがって、電場の不在の場合、１つの偏光素子を透過する光は再配向され、対向偏光素子を通過することで、パネルが透明となり、観察者に明るく見えるようになる。電場が存在する場合、一方の偏光素子を透過する光は、旋回しないので、第２偏光素子によって遮断される。したがって、パネルは不透明になり、観察者には暗く見える。このようにして、透明電極は、パネルの選択区域に電場を印加するために使用され、明るい画素および暗い画素の形式で可視画像を造出することができる。
【０００４】
多くの用途で、液晶ディスプレイ・デバイスは、サンドイッチの後側に配置された光源によって照明され、反対側から観察される。その場合、可視画像は、パネルを通過する光によって一度だけ造出される。しかし、携帯用のコミュニケーション装置等の使用事例では、低電力消費が臨界的であり、ディスプレイは主として周囲光により照明される。その場合、反射素子は、液晶サンドイッチの背方に配置されているので、周囲光はサンドイッチを通過し、反射素子から反射され、観察者とは反対の方向にサンドイッチを再び通過する。したがって、観察者が見る画像は、液晶デバイスを２度通過した光によって形成される。
【０００５】
現在の周囲光で照明されるツイステッド・ネマチック液晶デバイスに関する問題は、光が２度液晶デバイスを通過するという事実である。通常、「パララックス」と呼ばれる最も重大な問題が生じるのは、反射素子が、後側の透明なプレートおよび直線偏光素子の背方に、液晶層からかなりの間隔をおいて配置されているためである。ディスプレイに入射する周囲光は、液晶層により空間的に変調され、後側の反射素子に光が入射する明暗区域のパターンを形成する。反射後、光は、逆方向に液晶デバイスを通過し、再び空間的に変調される。しかし、ディスプレイが常時照明され、ディスプレイ表面に対し斜めの角度から見られるため、液晶サンドイッチを２回通過することで形成された画像は、概して部分的に重ならず、観察者には、たいがいの条件下で２重の画像または影の画像が見える。影の画像は、現在、携帯電話や携帯計算機に使用されるディスプレイ等の低解像度ディスプレイ用には容認されるが、この現象は、周囲光に照明されるツイステッド・ネマチック液晶ディスプレイの解像能または最小画素寸法を制限し、ラットップコンピュータ等の高情報密度ディスプレイを要する製品への使用には妨げになる。
【０００６】
現在の周囲光照明式ツイステッド・ネマチック液晶ディスプレイに係わる付加的な問題点は、直線偏光素子内での吸光に起因する明度の付加的損失である。このことは、１つの偏光の１００％を透過し、直角偏光の１００％を吸光する理論偏光素子に係わる問題ではないことに注意されたい。しかし、現在の直線偏光素子は、好ましい偏光の９０％以下を透過するだけである。液晶サンドイッチの２回目の透過中に付加的に吸光される結果、可能な液晶明度の少なくとも２０％は損失する。
別の方法では、周囲光照明式ツイステッド・ネマチック液晶ディスプレイのパララックス問題を除去する提案がなされている。米国特許第４，４９２，４３２号および第５，１３９，３４０号に記載の方法では、ディスプレイの前側に１つの偏光素子を要するだけの別の液晶電子光学効果が利用されている。後側の偏光素子が不要なため、後側の反射素子は、液晶層のすぐ近くの後側透明プレートの内表面に配置できる。この方法でパララックス問題は解決できるが、この方法を用いたディスプレイでは、ツイステッド・ネマチック液晶ディスプレイ・デバイスで得られる高いコントラスト比、広い観察角度、迅速な応答、円滑なグレースケール表現は得られない。
【０００７】
更に別の方法では、ポリマー分散液晶ディスプレイ（ＰＤＬＣ）が利用され、この場合には、液晶層自体が拡散反射素子として機能し、偏光素子または別個の反射素子は不要である。この方法では、高いディスプレイ明度が得られる可能性はあるが、ＰＤＬＣには、高駆動電圧と、現在の駆動回路技術に適合しない複合的な駆動波形とが要求される。代替技術には、このような問題があるため、ツイステッド・ネマチック液晶技術の利点を保持しつつ、パララックス問題を解決する液晶技術の開発が、技術上好ましいことになろう。
グリンバーグ氏に交付された米国特許第４，６８８，８９７号では、周囲光照明式ツイステッド・ネマチック液晶ディスプレイを、ツイステッド・ネマチック液晶デバイス内へのワイヤグリッド反射偏光素子の組み込みにより改良することが提案されている。ワイヤグリッドは、後側偏光素子、正反射素子、液晶層に対する後側電気接点として機能する。この手法では、液晶層と直接接触する後側反射素子が備えられることでパララックスは除去されるが、拡散反射素子ではなく正反射素子を用いているため、ツイステッド・ネマチックディスプレイの他の魅力的な特徴の多くが犠牲にされる。
【０００８】
周囲光照明式液晶ディスプレイには、正反射素子が受け入れられない３つの理由があることが、以前から認められていた。第１の理由は、正反射されるディスプレイ画像が、ディスプレイ・サンドイッチの前表面と内表面とから自然的に発生する正反射として、同じ軸に沿って観察されねばならないことである。これらの表面反射（空間的に変調されずに画像を形成する）は入射光の５％以上になり得る。偏光素子の吸光により、ディスプレイ画像の最大明度は、入射光の４０％を超えることができない。したがって、ディスプレイの最大可能なコントラスト比は、４０％対５％、すなわち８対１である。第２の理由は、正反射素子を有するディスプレイの観察角度および明度が、厳密に照明源によって決定されることである。例えばディスプレイ性能は、拡散内部照明下では許容できようが、点光源による照明の場合には、観察角度が極端に小さくなり、直接に太陽光下で観察する場合には、ディスプレイ明度がヒトの視覚組織の能力を超えることになる。第３の理由は、一般に正反射素子を有するディスプレイは、デバイス内での多反射間の干渉により発生する好ましくないカラー縞を有することである。これらの理由のため、前記提案では、偏光素子および反射素子を液晶セル内へ移動させることでパララックスの問題は解決されるが、改良された周囲光照明式液晶ディスプレイ・デバイスは得られない。したがって、パララックス問題が克服される一方、ツイステッド・ネマチック液晶効果の性能上の利点が維持されている実質的に改良された周囲光照明式ディスプレイの必要性は、依然として存在している。したがって、パララックスが低減された液晶ディスプレイ・デバイス、またはパララックスを低減または除去可能な偏光デバイスの開発が好ましいだろう。また、拡散反射光を発生可能な偏光デバイスの開発が好ましいだろう。また、１つの偏光を非正反射で反射可能な偏光デバイスの開発が好ましいだろう。
【０００９】
（発明の目的と要約）
本発明の目的は、１つの光源ビームを２つの直角偏光成分に分光するための偏光デバイスを得ることにあり、その場合、一方の成分は吸光または透過され、他方の成分は、制御された角度範囲にわたり拡散反射または非正反射される。
本発明の別の目的は、現存の駆動回路に適合する低駆動電圧、高コントラスト比、パララックス効果およびゴースト画像なしの高解像度、制御された観察角度を有する改良型周囲光照明式液晶ディスプレイ・デバイスを得ることである。
本発明の前記その他の目的および利点は、複数の薄手で細長の素子、それも、それぞれ露光表面を有し、模様構造の表面を一緒に形成する素子が平行配列されている偏光デバイスによって実現された。複数の配列素子は、（ｉ）素子と直角の偏光配向を有する光は透過するが、（ｉｉ）素子と平行の偏光配向を有する光は反射するように、光源ビーム内に配置されている。
細長素子の配列の大部分は、基準平面を供なう、共通の全体的な配向と、基準平面に対し直角の共通の基準軸とを共有している。細長素子の露光表面は、模様構造を形成する複数構成要素表面を形成している。したがって、模様構造表面の複数構成要素表面は、それぞれ１つの偏光の光を反射するが、その反射は、拡散反射、つまり種々の角度での反射である。
【００１０】
複数構成要素表面は、それぞれ構成要素表面に対し直角の構成要素軸を有している。複数構成要素表面の大多数は、基準平面に対し共面または平行ではない。したがって、複数構成要素表面は平均実効高さに対して異なる高さを有している。複数構成要素表面の複数構成要素軸の大部分が、共通の基準角度に対し異なる角度範囲を形成している。複数構成要素表面は、頂部を画定する高い部分と、底部を画定する低い部分とを有している。各構成要素表面は、構成要素表面の両側の間の寸法または直径を有している。模様構造表面の大部分は、可視光または近可視光の波長より大きい直径または間隔を有する構成要素表面により構成されている。
細長の素子の露光表面は、また波形の断面の一部を形成している。波形断面は周期的または不規則的にできる。加えて、波形断面は、湾曲面または平面により画定できる。露光表面は、また複数の凹部または凸部を画定できる。凸部は凸曲面状または凸平面状にすることができる。同じように、凹部は凹曲面状または凹平面状にすることができる。
【００１１】
偏光デバイスは、また基板を有し、該基板には素子が配列されている。基板は模様構造の表面を有しており、該表面は、素子の露光表面に対応する模様構造表面を形成している。
あるいはまた、複数構成要素表面の複数軸の大多数は、基準軸と同様の配向を有しているが、基準平面に対し非正反射で第２偏光の光を反射するために、基準軸とは異なる角度値を有している。
偏光デバイスは、液晶層の背方で偏光素子と拡散反射素子とを形成する。加えて、偏光デバイスは、電気接点を形成するか、等電位平面を形成するかして、電極として機能でき、かつ液晶層を横断する電場を発生させる。適当な電気接触を確保するため、複数短絡片を素子配列の部分に電気接続することができる。
本発明の前記その他の目的、特徴、利点、代替態様が、当業者には、添付図面について行う以下の詳しい説明により明らかになるだろう。
【００１２】
（発明の詳細な説明）
以下で参照する図面には、本発明の種々の素子が数字の符号によって示されており、これら図面につき、当業者が本発明を製造しかつ使用することができるように、本発明を説明する。
本発明の特徴を説明するために、改良型の周囲光照明式または反射式のツイステッド・ネマチック液晶ディスプレイについて説明する。しかし、本明細書を読めば分かるように、本発明は、その種のディスプレイと共に使用することに限定されるものではない。図１は、従来の反射式ツイステッド・ネマチック液晶ディスプレイ１０の略示断面図である。このディスプレイは、第１透明プレート１２と第２透明プレート１３との間にサンドイッチ状に挟まれた液晶層１１から成っている。これらの各プレート１２，１３は、液晶層１１に隣接するプレート１２または１３の表面に被着された１つ以上の透明電極１４，１５をそれぞれ有している。第１偏光素子１６は第１ガラスプレート１２と光源１９との間に配置されている。第２偏光素子は、第２ガラスプレート１３の背後に配置され、拡散反射素子１８は、第２偏光素子１７の背後に配置されている。
【００１３】
図１が比例尺ではないことに留意されたい。特に液晶層１１と透明電極１４，１５との厚さは、分かりやすくするために著しく誇張して示してある。透明プレート１２，１３の通常の実際厚さは０．５〜１．１ミリメートルである。液晶層１１と透明電極１４，１５との厚さは、通常、それぞれ０．００４ｍｍと０．０００１ｍｍである。
透明プレート１２，１３の表面の適当な処理によって、液晶層１１の分子は、プレート１２，１３の表面と平行に、かつまた好ましい方向に整列させることができる。ツィステッド・ネマチック液晶ディスプレイの場合、透明プレート１２，１３は、第１プレート１２の液晶の好ましい方向が第２プレート１３の液晶の配向に対し直角方向となるように、配向される。この配向によって、液晶層内で捩れ効果が緩和状態におかれる。この効果はファーガソンにより説明されている（米国特許第３，７３１，９８６号）。
第１偏光素子１６は、第１透明プレート１２の表面液晶分子と平行の偏光方向で光を透過するように配向され、第２偏光素子１７は、第１偏光素子１６の表面液晶分子に対し直角の偏光方向で光を透過するように配向されている。
【００１４】
電圧が印加されていない場合、液晶層は緩和状態にある。第１偏光素子１６を透過した光は、液晶層１１へ入射する。光が液晶層１１を透過するさい、光の偏光ベクトルは、液晶分子の配向の捩れにより９０度旋回し、それによって、光は、最小吸光率で第２偏光素子１７を透過させる要求に通りに配向された偏光ベクトルで液晶層１１を出射する。この光は、反射素子１８に反射し、同じような効果をもって逆の順序で偏光素子１６，１７および液晶層１１を透過して戻る。
透明電極１４，１５間に電圧が印加されると、液晶分子が電場と整合する方向に旋回し、効果的に分子配向の捩れを戻す。その場合、第１偏光素子１６からの透過光は、偏光ベクトルの方向を変更することなく液晶層１１を透過する。このため、光は第２偏光素子１７を透過できず、該素子１７により吸光される。この吸光の結果、電場が印加された区域に対応するディスプレイ表面に暗部が発生する。透明電極をパターンに分割することにより、ディスプレイは記号およびその他の情報を呈示するようにすることができる。
【００１５】
図２は、従来の反射式ツィステッド・ネマチック液晶ディスプレイに係わる大きな問題点を示す略示断面図である。この略示ディスプレイは、図１のそれと類似しているが、液晶層１１と透明電極１４，１５との厚さが減じられている点が異なっている。加えて、液晶層１１が３つの部分、つまり画素１１ａ，１１ｂ，１１ｃに分けられ、該画素が、透明電極１４，１５の対応部分によって個別に制御されている。
この説明の場合、画素１１ａ，１１ｃ内の液晶材料には電場が印加されておらず、液晶材料は捩れ状態にあると仮定する。加えて、画素１１ｂには電圧が印加され、液晶材料は捩れ状態にないと仮定する。したがって、画素１１ｂの区域は暗部として観察されるだろう。しかし、加えて、画素１１ｂを透過する光は第２偏光素子１７によって吸光されるので、画素１１ｂは、拡散反射素子１８上に暗影を投じ、その結果、符号２２で示した拡散反射素子区域が暗部となる。このため、暗い画素１１ｂの見かけ寸法が拡大され、隣接の明るい画素１１ｃの見かけ寸法が縮小される。この効果は、液晶層１１と拡散反射素子１８との画素間のパララックス、つまり変位によるものであること、またこの効果により、ディスプレイの解像能に上限がおかれることに留意されたい。
【００１６】
このパララックス効果は、反射素子を液晶層と直接接触状態で配置するすることで除去できることが理解できよう。その場合、反射素子は第２偏光素子の背方に配置せねばならないので、偏光素子と反射素子との双方を、第１と第２のガラスプレートにより形成された液晶ディスプレイ・セル内に配置せねばならないだろう。従来式の偏光素子は、概して、液晶ディスプレイ・セルを構成するために使用される処理工程に適合しない着色かつ延伸されたポリマーフィルムで造られている。更に、フィルム偏光素子は、液晶層と第２ガラスプレート上の電極との間に配置されるので、偏光素子フィルムは液晶層と電気的に直列接続されることになり、このため、液晶分子の捩れを戻すのに要する電圧が著しく増大することになろう。
【００１７】
図３は、米国特許４，６８８，８９７号でグリンバーグ氏が説明している改良型ツィステッド・ネマチック液晶ディスプレイ３０の略示断面図である。このディスプレイ３０は、透明プレート３２と後側のプレート３３との間にサンドイッチ状に挟まれた液晶層３１から成っている。液晶層は、既述のように、ガラスプレート３２，３３の表面と整合している。前側のプレート３２には、液晶層３１に隣接する表面に透明な電極３４が被着されている。前側の透明なプレート３２と光源３７との間には、直線偏光素子３６が配置されている。液晶層３１に隣接する後側プレート３３の表面は、密な間隔の平行な導体グリッド３５で被覆されている。適当な間隔の導体グリッドは、導体の方向に沿って偏光される電磁波を反射し、導体と直角方向に偏光される電磁波は透過する。したがって、導体グリッド３５は、液晶ディスプレイ・デバイス３０内部で偏光素子、反射素子、液晶層３１との電気接点が組み合わされたものとなっている。導体グリッド３５からの反射は正反射であり、これは、反射角度が、反射表面に対する法線の反対側の入射角度に等しいことを意味する。
【００１８】
図４は、米国特許第４，６８８，８９７号でグリンバーグ氏が説明している設計の重大な欠点を示す、液晶ディスプレイ・デバイス３０の略示断面図である。光源３７からの光はディスプレー３０に入射する。この光のいくらかの部分は、それぞれ光線４０，４１によって示したように、ディスプレイの前表面と内表面とから反射される。これらの反射は、通常は、合計して入射光の５％だろう。光の他の部分は前側の偏光素子３６を透過し、光線３９によって示されるように、導体グリッド３５により反射されるか、または後側のプレート３３を透過して吸収される。通常、入射光の３５％は、液晶層３１に電圧の印加されていない区域で導体グリッド３５から反射され、１％以下が、液晶層３１に電圧が印加された区域で反射される。この設計の主な欠点は、光線３９，４０，４１がすべて平行であり、観察者が目にする明度は、これらの成分の合計であるという点である。したがって、コントラスト比、つまり暗い画素の明度に対する明るい区域の明度の比は、（３５％＋５％）対（１％＋５％）、つまり約７対１を超えていない。更に、光線３９，４０，４１が平行なので、一定種類の照明下では、これら３つの光線間の干渉のため、カラーの帯や縞が観察される。
【００１９】
図５Ａおよび図５Ｂは、本発明により制御された形式で光を分布可能な偏光デバイス４５の平面図と断面図である。偏光デバイス４５は、図５Ｂに見られるように、基板４７上に支持された密な間隔の導電素子４６のグリッドから成っている。導電素子の表面４８は、適当な装置によって模様構造を与えられている。表面４８の表面模様構造は、液晶ディスプレイにとって望ましい観察角度に相応する区域へ正反射で光を分布させるように計算された形式で表面法線が変化するように調整されている。小面による回折も、光の分布に寄与する。図５のディスプレイは、ランダムな複数の面または小面から成る表面を含むが、連続的に変化する表面模様構造も、規則的構造からの反射により生じ得る干渉効果を防止する配慮がなされる限り、効果的だろう。規則的構造による反射は、アメリカン・エルゼヴィーァ・パブリッシング・カンパニー発行の『正反射』のなかでラヴィン（Ｌａｖｉｎ）が説明している。
【００２０】
図５のデバイスの場合、効率のよい偏光素子として働くには、隣接導電素子の間隔Ｘが、偏光される電磁放射の波長より小さくなければならない。間隔Ｘは、可視スペクトルで使用する場合、好ましい比較的小型の寸法では、０．００５マイクロメートルから０．２マイクロメートルの範囲である。なぜなら、それによりワイヤグリッドの偏光性能が増すからである。加えて、偏光素子用に効率的に機能させるには、小面の寸法または直径、すなわち間隔Ｙを波長より大きくせねばならない。同時に、デバイスに目に見える一様の外観を与えるためには、間隔Ｙは、ヒトの肉眼の視覚系の分解能より小さくなければならない。間隔Ｙは、普通は０．５〜１０マイクロメートルの範囲であるが、特定の用途では、別の範囲も使用できる。
【００２１】
本発明の偏光デバイスを液晶デバイス内に使用する場合、パターン化または粗面化された表面の直角方向の寸法が重要になる。通常のディスプレイでの液晶層の厚さは、３〜５マイクロメートルの範囲である。この厚さは、本発明を適用する液晶ディスプレイ・デバイスの場合、増すことができるのに対し、パターン化または粗面化された表面の直角方向寸法は限定される。この限定に係わる一つの形式は、表面から高すぎる小面を、２つ以上のより小さい小面に分割することによって間隔Ｙの最大寸法を減じ、それにより、大きい小面の辺の角度を、より小さい小面の辺の角度で維持することだろう。こうすることで、目標光分布を維持するために、入射光に対し一定角度傾斜したほぼ等量の表面積を提供する効果が得られる一方、直角方向の寸法範囲が減じられる。しかし、望ましくない回折効果は防止するように配慮せねばならない。基板の直角方向寸法を限定することに係わる別の形式は、本発明の偏光素子を、平面化、または部分的に平面化する材料の薄膜で被覆することだろう。この被覆は、あまり厚くする必要はなく（１〜５マイクロメートル程度の厚さがあれば十分過ぎよう）、また所望の改良を達成するために完全に平らな表面にする必要もない。もちろん、使用材料の光学指数を液晶の光学指数に整合させる等の問題は、最適性能を得るために重要だろう。液晶層厚さにより直角方向寸法範囲に課せられる制限に対処する別の複数の手法が、当業者であれば思いつくだろう。
【００２２】
拡散反射式偏光デバイスを製造するためには、種々の周知の技術が使用でき、本発明にとって製造技術の選択は、表面模様構造の適当な仕様が満たされる限り、決定的な問題ではない。最も簡単な一つの手法は、アルミニウムまたは銀の薄膜を模様構造表面に直接に被着させパターン化することだろう。半導体工業で一般的な種々の被着およびパターン化の技術を用いて、その方法で十分な場の深さが設けられる限り、模様構造表面上にはっきりした輪郭のパターンを形成できる。米国特許第４，０４９，９４４号でガーヴィン（Ｇａｒｖｉｎ）氏が、または米国特許第４，５１４，４７９号でフェランテ（Ｆｅｒｒａｎｔｅ）氏が説明しているようなホログラフィ式リソグラフィは、十分な解像能と場の深さが得られる方法である。
下に配置される基板の所望表面模様は、研削または砂吹き等の機械式削り落としによるか、もしくはガラス食刻用の希フッカ水素の周知の使用等による化学式浸食によって達せられる。あるいはまた、基板上に変形可能な材料を被着させてから、エンボス加工または、シュヴァーツマン（Ｓｈｖａｒｔｓｍａｎ）氏が米国特許第４，８４０，７５７号で説明しているような放射線補助鋳造法によって模様構造化できよう。更に別の方法では、模様構造表面は、連続的なプラスチックフィルムにエンボス加工または成形加工できよう（例えば、ブランクホーンＢｌｅｎｋｈｏｒｎ氏が米国特許第４，８４０，７５７号で説明している）。該プラスチックフィルムは、次いで剛性基板に重ねられる。
【００２３】
分散反射式偏光素子を製造する更に別の方法は、剛性の高い基板上にかぶせられたポリマーフィルムから成る滑らかな表面上に平行な導体のグリッドを付着させ、パターン化し、次いでザガー（Ｚａｇｅｒ）氏が米国特許第５，４６６，３１９号で説明している方法を用いて表面模様構造をエンボス加工することだろう。このほかの製造技術の組み合わせも、本発明の範囲内で確かに可能である。
表面模様構造を成形またはエンボス加工するどの工程にも、一般にシムと呼ばれる金属工具が必要とされようが、該金属工具は、大体のところ、フォトレジスト層に形成された表面レリーフパターンに金属めっきすることで調製される。適当な、ランダムに模様構造化されたフォトレジスト層を作製する技術は、『散乱現象の最新分析に関する国際ワークショップ会議録』（１９９０年９月、ｐ．Ｓ３０）所収のデインティ（Ｄａｉｎｔｙ）氏の論文『特性付けされたランダム粗面による散乱光の測定』（“Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  ｌｉｇｈｔ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｂｙ  ａ  ｃｈａｒａｋｔｅｒｉｚｅｄ  ｒａｎｄａｍ  ｒｏｕｇｈ  ｓｕｒｆａｃｅ”  ｉｎ  Ｔｈｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｍｏｄｅｒｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ）に説明されている。不均整な分散特性を有する模様構造表面を製作する改良型技術は、米国特許第５，６０９，９３９号に説明されている。
【００２４】
表面模様構造を特性付けするためには、導電素子の支持体と説明される基板材料スラブと概して平行な基準平面を画定するのが有用である。基準平面は、また模様構造に対して多くの形式で画定できる。例えば１つの適当な基準平面は、基準平面からの模様構造表面の平均間隔を、ゼロまたは他のなんらかの有用な値とする条件によって画定されよう。この画定形式は、偏光デバイスの全長にわたって適用して基準平面全体を画定したり、適当であるかぎり、偏光デバイスの局所区域のみにわたって適用することができる。
図５は、素子幅にほぼ等しい厚さの導電素子の単一レベルグリッドを示したものだが、ワイヤグリッド偏光素子の性能を改善するための公知技術も適用できる。グリッドの吸光率を改善するために必要であれば、例えば米国特許第４，２８９，３８１号でガーヴィン氏が説明している２重レベルグリッド法、またはカイルマン（Ｋｅｉｌｍａｎｎ）氏が米国特許第５，１７７，６３５号で説明している過厚導体技術を採用できよう。また、中心と中心との間隔、または周期に対する素子の幅の変動を利用することで、反射光の全量を犠牲にしてグリッド吸光率を高めるか、または逆に反射光を増大させて、グリッド吸光率を減少させることができる。当業者には、特定用途用にワイヤグリッド性能を改善するこのほかの技術や方法も、きっと考えられるだろう。
【００２５】
図６は、ディスプレイの観察者側からのみ照明する意図の改良型ツィステッド・ネマチック液晶ディスプレイデバイス６０の略示断面図である。このディスプレイ６０は、前側の透明プレート６２と後側のプレート６３との間にサンドイッチ状に挟まれた液晶層６１から成り、プレート６３は、液晶層６１の隣接表面上のグリッド状反射偏光素子６５を支持している。反射偏光素子６５は、既述のように模様構造表面に被着された多数の平行な導電素子６７で構成されている。この模様構造表面の特性は、既述の形式で表面の種々の部分からの正反射による光の分布を制御するように選択されている。液晶層は、既述のように、ガラスのプレート６２，６３の表面に整合している。既述の平面化層７０も、液晶層の最適性能を得るために表面を平らにする必要があれば、用いることができる。前側のプレート６２は、液晶層６１に隣接する表面に被着された透明電極６４を有している。直線偏光素子６６は、前側の透明プレート６２と光源６９との間に配置されている。グリッド状偏光素子６５を透過する光は吸収を要するので、後側のプレート６３を吸光性にするか、プレート６３の後面に黒色ペイント等の吸光材料６８を付着させることができる。
【００２６】
直線偏光素子６６は、単一偏光または第１偏光を有する光のみが透過するように、光を偏光させるための偏光部材の一例である。直角の偏光配向または第２偏光を有する光は吸収される。言うまでもなく、複数偏光素子は種々の効率を有し、かつまた直線偏光素子６６は、第１偏光の光のみでなく、第２偏光の一定量の光も透過し、第２偏光に加えて第１偏光の光の一定量をも吸収することが理解されよう。どのような偏光部材も、光の事実上１つの偏光配向のみを透過させるために使用される。
液晶層６１および関連電極は、これらを通過して光が第１偏光から第２偏光するさい、光の偏光配向を選択的に変更するための偏光変更部材の一例である。言うまでもなく、光の偏光配向を選択的に変更するためには、どのような偏光変更部材でも使用できることが理解されよう。該偏光変更部材には、例えば両側に電極を有するか、前側に電極を有する前記液晶層や、後述するように、短絡片を有するワイヤグリッド状偏光素子等が含まれている。
【００２７】
反射偏光素子６５は、第１偏光の光を透過し、第２偏光の光は分散的に反射するための反射分散偏光素子の一例である。反射偏光素子６５は、間隔をおいた薄手で細長の素子６７の平行な配列を有している。素子６７により、概して、該素子と直角の偏光配向を有する光は透過し、該素子と平行な偏光配向を有する光は反射するように光の電磁波と相互作用する部材が得られる。各素子は、他の素子の露光表面と一緒に第２偏光の光の大部分を拡散反射する露光表面を有している。これについては、更に後述する。
吸光材料６８は、反射偏光素子６６を透過後、第１偏光の光を吸収する吸光部材の一例である。
図７は、光の分布を制御可能な偏光素子が、本発明によるツィステッド・ネマチック・ディスプレイ・セル内に組み込まれた場合に生じるディスプレイ性能の改善を示す略示断面図である。ディスプレイ・デバイス３０の構造は、反射偏光素子３６が、多数の光線３９によって示されるように、制御された角度範囲にわたって光を反射または分布させる点を除いて、図３に示したデバイスと同じである。ディスプレイをほぼ直角の入射角度で見る観察者は、偏光素子から反射される光のみを観察し、ディスプレイのコントラストが、表面反射４０，４１によって低下することはないだろう。したがって、ディスプレイ・デバイス６０では、図６に示すように、観察者２３（図２）に可視の光を反射することで可視画像が造出されるように光が操作されて、１つ以上の配向で前面が形成され、或る角度範囲にわたり可視画像が造出される。
【００２８】
グリッド状偏光素子は、液晶ディスプレイ・デバイスと共に使用される場合、液晶層との電気接点として役立ち、同時に偏光素子および拡散反射素子として機能する。その場合、グリッドは、ディスプレイ画素のアドレスに使用する技術に適した、電気絶縁された部分グリッドに分割されねばならない。更に、絶縁された各部分グリッド内では、グリッドの抵抗率は、液晶層への一様な電圧印加を保証するのに十分なだけ低い値でなければならない。絶縁された部分グリッドの細長の素子との適切な電気接触を保証するために、光の波長よりはるかに長い間隔でグリッドの線を接続する短絡片が組み込まれている。これらの短絡片は、所望とあれば、多マイクロメートルの幅にすることができ、表面全般の所々に散在させることができる。通常、短絡片は、ディスプレイの画素化を妨害するのを避けるために、また肉眼で見えないようにするために、十分に狭幅であることが望ましい。短絡片は、また、可視光の通常の波長より著しく異なるべきだが、必要とあれば、相応に互いに接近して配置できる。過剰な数の短絡片を使用すれば、反射光を偏光しないかなりの表面積を占めることになるため、逆に偏光素子性能に悪影響を与えることになろう。短絡片は、また非偏光の光を反射できるため、肉眼には周囲の区域より明るく見え、相応に狭幅でないと目立つことになる。
【００２９】
既述のように、偏光デバイスの模様構造表面は、種々の形式で特徴付けでき、表面模様構造自体が種々の形態をとることができる。再び図５Ａおよび図５Ｂに戻ると、偏光デバイスは、複数の薄手で細長の分離された素子４６の概して平行な配列を有している。細長の素子４６は、光源と相互作用することにより、（１）素子４６と直角の偏光配向を有し、かつ第１偏光の透過ビームを形成する光を透過し、（２）素子４６と平行な偏光配向を有し、かつ第２偏光の反射ビームを形成する光は反射する。
細長の各素子４６は露光表面８０を有し、該露光表面は、上面、つまり基板４７の表面４８の概して反対側の面である。露光表面８０の大多数は模様構造を有している。したがって、素子４６の露光表面８０は、光の大部分を拡散させて、つまり或る範囲の種々の角度にわたって反射する。
図５Ｂを見ると、既述のように、基準平面８４が設けられている。基準平面８４は、模様構造表面４８の平均高さによって画定できる。基準平面は、基板４７と概して平行でよい。また、基準平面８４に対し直角の基準法線８８を設けることができる。
【００３０】
素子４６の露光表面８０は、複数の構成要素表面９２、つまり小面を形成している。各構成要素表面９２，９３は、関連構成要素表面に対し概して直角の構成要素軸９６，９７を有している。構成要素軸９６，９７は、共通の基準軸８８に対し或る範囲の異なる角度を形成している。構成要素表面９２，９３の多くは、基準平面８８とは、概して非共面かつ非平行である。あるいはまた、各構成要素軸９６，９７は、共通の基準軸８８に対しては類似の配向を有しているが、基準平面８４に対し非正反射形式で光を反射させるために、基準軸８８とは異なる角度値を有している。
構成要素表面９２，９３の多くは、頂部を形成する高い部分１００と底部を形成する低い部分１０４とを有している。構成要素表面９２，９３は、有効平均高さに対し、または基準平面に対し種々の異なる高さ、または高くされた輪郭を有している。図５Ａを見ると、構成要素表面９２，９３の多くは、その両側を差し渡す距離によって画定される直径、寸法、長さＬのいずれかを有している。かなりの数の構成要素表面９２，９３の寸法または長さは、可視光または近可視光の波長より大きい。したがって、この寸法または長さＬは、約０．４マイクロメートルを超えるのが好ましい。長さＬは、細長の素子４６と平行な配向を含むどのような目標配向での構成要素表面の差し渡しであってもよい。
【００３１】
図８Ａおよび図８Ｂを見ると、細長の素子４６の露光表面８０が、波形断面１１０を有している。この断面は、基準平面８４に対し直角に截断した断面である。この波形断面１１０は、周期的または不規則的である。加えて、波形断面１１０は、図８Ａに示すように、湾曲表面１１２によって形成されるか、図８Ｂに示すように、平面的な表面１１４されている。波形断面１１０は、図８Ｂに示すように、鋸歯状表面により形成でき、つまり鋸歯状断面を有することができる。
図９ａおよび図９ｂを見ると、細長の素子４６の露光表面８０が、複数の凹部１２０を形成している。凹部１２０は、図９ａに見られるように、湾曲側面１２２を有しており、言い換えると凹曲面状であるか、または図９ｂに示すように、平面状の側面１２４を有している。
図１０および図１１を見ると、細長の素子４６の露光表面８０は、複数の凸部１３０を有している。これらの凸部は、図１０に見られるように、平面的な側面１３２を有するか、図１１に見られるように、湾曲側面１３４を有し、言い換えると凸曲面状である。
【００３２】
言うまでもなく、細長の素子の露光表面は、模様構造表面を形成するように、それ自体に模様構造化されている基板によって形成されることが理解される。加えて、素子の露光表面は、極めてさまざまな構成要素表面を形成できることも理解されよう。構成要素表面は、平面状、湾曲状、他の組み合わせのいずれかの側面にすることができる。好ましくは、構成要素表面の大多数は、光を基準平面に対し拡散反射、または非正反射するように寸法付けかつ構成されている。細長の素子の露光表面は、模様構造表面を形成する。模様構造表面は、空間的振動分布により画定される。主振動または最も基本の振動は、好ましくは、可視光または近可視光の波長を、すなわち約０．４マイクロメートルを超える周期を有している。
【００３３】
本発明を開示し、かつその特定の実施例を詳細に説明したが、本発明は、これらの実施例だけに限定されるものではない。当業者には、本発明の精神および範囲の枠内で、多くの変更態様が考えられよう。例えば、本発明をツィステッド・ネマチック液晶ディスプレイについて説明したが、本発明は、別の液晶材料または電気−光学効果を利用するディスプレイを含む、別の形式での使用にも適用可能である。したがって、本発明は、特許請求の範囲によってのみ制限されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  携帯用装置内に現在使用されている種類の、通常の周囲光照明式ツィステッド・ネマチック液晶ディスプレイ・デバイスの断面図。
【図２】  通常の周囲光照明式ツィステッド・ネマチック液晶デバイス内に発生する画像の暗部を略示した図。
【図３】  グリンバーグ（米国特許第４，６８８，８９７号）によるワイヤグリッド状偏光素子を組み込んだ液晶ディスプレイ・デバイスの断面図。
【図４】  正反射反射素子を組み込んだ液晶ディスプレイ・デバイスからの反射を略示した図。
【図５Ａ】  本発明の好適実施例による拡散反射偏光素子の断面図。
【図５Ｂ】  本発明の好適実施例による拡散反射偏光素子の平面図。
【図６】  本発明の別の実施例による拡散反射偏光素子を組み込んだ液晶ディスプレイ・デバイスの断面図。
【図７】  拡散反射素子を組み込んだ液晶ディスプレイ・デバイスからの反射を略示した図。
【図８Ａ】  本発明の偏光素子デバイスの斜視図。
【図８Ｂ】  本発明の偏光素子デバイスの斜視図。
【図９ａ】  本発明の偏光素子デバイスの斜視図。
【図９ｂ】  本発明の偏光素子デバイスの斜視図。
【図１０】  本発明の偏光素子デバイスの斜視図。
【図１１】  本発明の偏光素子デバイスの斜視図。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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