JPH0511293B2 - - Google Patents

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JPH0511293B2
JPH0511293B2 JP59055209A JP5520984A JPH0511293B2 JP H0511293 B2 JPH0511293 B2 JP H0511293B2 JP 59055209 A JP59055209 A JP 59055209A JP 5520984 A JP5520984 A JP 5520984A JP H0511293 B2 JPH0511293 B2 JP H0511293B2
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Description

【発明の詳細な説明】
発明の分野 本発明は多色液晶デイスプレイに関し、特に光
シヤツター、赤味の強い光源及び輝度平衡化カラ
ーマスクとして機能する透過、高コントラスト型
の捩りネマチツク液晶セルを用いた多色液晶デイ
スプレイに関する。 従来技術の説明 捩りネマチツク(TN)液晶セルと偏光子を使
つた多色デイスプレイは、従来一般に2つの方式
で実現されてきた。第1の方式では、液晶層が通
常のTN液晶セルと同様偏光をリニアーに捩る働
きだけをする。従つて偏光白色光を用いた場合、
透過色は外側の交差した色付多色性偏光フイルタ
2個によつて生じる選択吸収の結果として得られ
る。第2の方式では、多側に配置した光妨害プレ
ートを用い、白色光で得られる選択干渉に応じて
各色が透過される。シエフアー,T.J.,(1973),
「TN電気光学的セルを使つた新規な多色液晶デ
イスプレイ」、ジヤーナル・オブ・アプライド・
フイジツクス44(11)、pp・4799〜4803を参照の
こと。最初の方式の方が、構造が簡単なため好ま
しい。 第2図は、上記の第1方式に基く2色液晶セル
200の動作原理を示している。このセルは、中性
(パンクロ)偏光子212,90°捩れTN液晶セル
214及び2個の2色性偏光子216,218か
ら成る。この構成では、中性偏光子212と2色
性検光子218の偏光軸が垂直に位置し、2色性
検光子216の偏光軸が水平に位置してある。
又、垂直方向の電気ベクトルを持つ以外の入射光
全てを、偏光子212が吸収するものとする。さ
らに両検光子216,218が、振動方向に関わ
りなく通過を許される1カラー成分の光を除き、
偏光軸方向の電気ベクトルを持つ光をカラーに関
係なく通過させると共に、他の偏光方向を持つ全
ての入射光を吸収するものとしてある。第2図の
例では、検光子216があらゆる偏光方向の緑色
成分を通過させ、検光子218が赤色成分を通過
させるようにしてある。TNセル214内の液晶
分子は、セルがオフ状態のとき、対応する隣接偏
光子の偏光軸に平行なセルの内面上に整列され
る。 動作時、光源210からの入射白色光が偏光子
212で垂直に偏光されて液晶層を通過し、その
偏光方向は実質上分子の配列に従う。つまり、白
色光は水平に偏光されてセルを出るため、その全
カラー成分が検光子216を通過する。この光が
検光子218に入ると、検光子218の偏光軸は
検光子216の偏光軸と垂直であるため、赤色成
分だけが検光子218を通過し、見る者は赤い光
を感知する。一方、閾電圧以上の電圧が液晶セル
214の電極を横切つて印加されると、分子が両
電極に対し垂直な方向を向く。この結果、入射偏
光はそのままの偏光方向でセルを通過する。従つ
てこの場合には、光のうち緑成分だけが検光子2
16を通過する。この光は検光子218も吸収さ
れずに通過するので、見る者は緑色を感知する。
この種の両検光子は、任意の色で、相互に90°の
直交する偏光軸を持つた2個の2色性偏光子とい
う形で市販されている。シヤンクス,I.A.,
(1974),「TN液晶による電気光学的カラー効
果」,エレクトロニクス・レターズ10(7),pp.90
〜91を参照のこと。 応答時間、動作電圧、電力消費量等TN2色表
示セルが持つ性能特性の多くは、従来のTN表示
セルの場合と同じである。2色式セルが追加の偏
光子を有する点を除き、両種の表示セルは基本的
に同じ構造を持つているからである。従つて、こ
の方式により印加電圧でマトリツクスの各ピクセ
ル(輝度でなく)カラーを制御するようにすれ
ば、2色マトリツクスデイスプレイができる。但
しこの方式では、良好なカラー分離は得られる
が、2色より多くは表示できない。又かかるデイ
スプレイの欠点は、特に反射型のデイスプレイを
用いた場合、偏光子と検光子によつて多量の光が
吸収されるため輝度が低くなることにある。 又、代表的な通過型捩りネマチツク液晶表示装
置を光シヤツタとして用い、光源とTN液晶デイ
スプレイの入力側との間に色付きフイルタを挿入
することも周知である。しかし、これらの従来装
置はオフ状態時に光洩れを生ずるため、付勢され
ていなくても下側に位置するカラーフイルタ又は
パツチが目に入つてしまう。既存の多色デイスプ
レイは幾つかの用途に適してはいるが、オフイス
機器や自動化計装パネルの分野におけるユーザー
にとつてはさほど魅力的ではない。本発明は後に
詳しく説明するように、高コントラストのTN液
晶表示装置、選定光源及び輝度平衡化カラーマス
クを組合せることによつて上記の光洩れ問題を解
消するものである。 高コントラストTN液晶表示装置が本発明の重
要な分を占めると共に、それ自体が従来技術を改
良したものであるため、まず従来のTN液晶表示
装置について以下論じ、従来技術と比較した高コ
ントラスト液晶表示装置の改良点の理解を促すこ
ととする。 従来の代表的な透過、捩りネマチツク型液晶装
置10のオフ状態を第1A図に、通電状態を第1
B図にそれぞれ示す。偏光子11と検光子12
が、ガラス13A,13の外面に取り付けられ
る。これら偏光子と検光子の偏光軸は互いに平行
で、上方ガラス板13Aにおける液晶分子14の
整列方向と一致している。こゝで液晶分子は比較
的ゆるやかに捩れているため、液晶素材に入つた
偏光は進むにつれその偏光方向が徐々に捩れ、最
終的に90度回転した偏光面を持つて表われる。こ
の偏光は出力検光子12によつて阻止されるた
め、出力側から見ると装置の表示面はほゞ不透明
で暗く見える。一般に従来の文献は、捩りネマチ
ツク装置に導波特性があると記している。つま
り、第1の偏光子面が白色光を偏光した後、この
偏光が導波作用のため、液晶分子の捩り角だけ回
転するという。これはほゞ正しいが、正確な記述
ではない。つまり後述するように、光のうち約2
%は直交成分として存在し、これが検光子を通過
して″洩れ″を生ずる。本発明はこうした直交光成
分が液晶素材から出るのを防止するものであり、
この点は後で詳しく説明する。光の直交成分の通
過を取り除くことは、従来可能と考えられていた
レベル以上に白色光の光コントラストを高め、従
来のTN液晶デイスプレイに伴う光洩れの問題を
実質上減じる。 一般的に、捩りネマチツク装置で使われる液晶
素材は正の誘電不等方性を有するため、電圧をか
けると第1B図に示すように、層中心にある分子
の先導子は印加電場と平行に向こうとする。ある
閾電圧(例えば1〜3V)以上では、ガラスの表
面真近でそれに拘束されているものを除き、各分
子は先導子と共に印加電場と平行の方向に向く。
この状態では液晶層がもはや光の偏光方向を捩ら
ないため、光は検光子を妨害なく通過する。中間
電圧で部分的な光透過が生じるという事実は、グ
レースケールが必要な装置にとつて重要なことで
ある。印加電圧が遮断されると、分子間の力によ
つて液晶分子は第1A図の捩り配列へと戻り、光
透過のほとんどを阻止する。液晶素材は高い抵抗
率(>1010ohm cm)を持つため、光学的状態を
変化させるのに実質直流HLは必要ない。従つ
て、かかる装置をスイツチオンするのに必要な電
力は低く、通常1μW/cm2以下である。 従来のデイスプレイは液晶自体の基本特性によ
つてそのコントラストが制限されているわけでは
ない、という点に留意することが重要である。む
しろ、偏光子によつてコントラストは制限されて
いる。ほとんどが反射型である従来デイスプレイ
のメーカーは、周囲の照明下で用いた際最も明る
い表示をもたらすのに光学上効率的な偏光素材を
選択している。膜状偏光子は、最も高い消光比を
与えるものが最も損失を生じ易いという特性を持
つている。こゝで消光比とは、2個の平行な偏光
子を通過した光の強度を交差させた場合の光強度
で割つた値を意味する。従つて、高いコントラス
トと高い明るさは同時に得られない。事実、コン
トラストと明るさの間で適切な釣合いが取られね
ばならない。 下記の第1a,1b表はこの点を示したものであ
る。第1a表には、偏光子と共に測定消光比の一
覧が示されている。ポラロイド社は、偏光子1個
を通つてランダムな偏光白色光になる非偏光白色
光透過度の測定値である数値を各製品に付してい
る。例えば、HN55は非偏光白色光の55%を通過
する。 第1b表には、メルク(Merck)液晶#1132(ビ
フエニール混合物)で満たした厚さ10ミクロンの
LCDセルの軸上白色光に関するフオトピツク
(photo pic)コントラスト比を、広範囲の消光比
を持つ各偏光子について示してある。第1a表 偏光子 消光比 ポラロイドHN−55 3.59 ポラロイドHN−48 3.80 ポラロイドHN−42 143 ポラロイドHN−32 〜8000
【表】 通常の捩りネマチツク(TN)素材は、光偏光
の状態を変化させる。従つて、光偏光の変化を人
間の目で認知できる光強度の差へと変換するのに
偏光子が必要である。 HN48を使うと、3.69の透過コントラストが得
られ、これは最大値3.8の3%内であつた。サン
リツツ社のLC−82−13を用いると、最大値15.6
より30%低いコントラスト比11.0が得られる。ポ
ラロイドHN32等非常に高い消光比の偏光子を用
いると、コントラストが大きく増加し、46.7の値
が得られる。しかし、そのコントラスト比は、偏
光子だけで可能な消光比8000を大きく下回つたオ
ーダーである。明らかに、最初の2ケースは偏光
子に制限された結果であるのに対し、最後の1ケ
ースはそうでない。この結果は先に触れたよう
に、一般のTNセルは約2%の白色光を通過さ
せ、これは偏光子自体の何らかの欠陥によるもの
ではない。 従つて、コントラストと濃度が偏光子に制限さ
れない状態で動作させるときは、消光比の高い偏
光子を使わねばならない。又、コントラストと濃
度の増大には、液晶セル自体の変化が必要であ
る。後述するように、この変化が本発明を形成す
る。 完全な導波作用が存在するなら、平面偏光され
た白色光が液晶分子の最後の層から出て行くと結
論できよう。実際のところ、液晶素材を出る光は
わずかに楕円偏光している。 この現象について、以下さらに詳しく説明す
る。セルの捩りに従つた主面偏光モードの他に、
この第1モードに対し直角な(直交する)電気ベ
クトルによる第2モードの伝播が生ずる。このモ
ードは、第1偏光子(検光子)の通過に何の障害
も与えない。このモードの光は約2%であるた
め、コントラストは50:1に制限される。グツク
とテリーは直交モードを含む光伝播を下記の文献
で数学的に取扱つている。 C.H.グツク及びH.A.テリー、「捩りネマチツク
液晶膜の光学的特性」、エレクトロニツク・レタ
ーズ、10,1,1974。 グツクとテリーの数式化を使うと、液晶層の厚
さ及び光の波長を関数とした光透過度の3次元プ
ロツトは第2図のように示される。第2図から、
液晶層の厚さが10μmに近づくと、光透過度が大
きく減少することが容易に理解できよう。 捩りネマチツクLCDは一般に、いわゆるモー
ギン(Mauguin)リミツト内で動作される;す
なわち、光の波長(λ)は複屈折率(△η)に液
晶層の厚さdを掛けた積の2倍よりはるかに小さ
くされる; ≪2△ηd 2△ηd(△η=0.14,d=10ミクロン)、の典型
値は約3である。そして捩りネマチツク液晶セル
は、モーギンリミツトに近いと見なされるところ
で動作する。液晶層の厚さ及び/又は複屈折を大
きくすれば、光コントラストが増加する。層の厚
さを増し、2△ηdが3よりはるかに大きくする
と(これはモーギンリミツトをはるかに越え、値
10に相当)、フオトピツクコントラスト比は数百
対1になる。しかし、コントラストのこの改善を
得るには対価を払う必要がある;つまり見る角度
とターンオフ時間が妥協されねばならない。ター
ンオフ時間は厚さの平方に比例するから、長いタ
ーンオフ時間を要する。こうしたターンオフ時間
の増加は、ヤフイス自動化機器や自動化計装パネ
ル等の用途では全く受け入れられない。 ターンオフ時間の増加をもたらす厚いセルを使
わず直交成分を減じる方法として、液晶素材へ2
色性染料を追加する方法がある。2色性染料の追
加は、本発明の主題に関連した直交成分の発生を
妨げる。液晶内へ2色性染料を含めることは、下
記の文献で初めて紹介された: G.H.ハイルマイアー及びL.A.ザノイ、 Appl,Phys,Lett.13,19,1968。 ハイイマイヤが、今では広く使われている“ゲ
スト−ホスト効果”という用語を生み出した。高
濃度で存在する液晶が“ホスト”、低濃度で存在
する2色性染料が“ゲスト”である。液晶が実質
上電気的特性を支配する一方、染料はその有利な
光学的特性を生かすためにそこに含まれている。 簡単に言えば、2色性染料が入射光の電気ベク
トルと共平行な長い吸収軸を持つているとき、最
大の吸収が生ずる。第3図は、“ハイルマイアー
型”装置の代表的な2つの状態を示している。こ
の構成では分子の捩れが存在しない点に注意のこ
と。又、装置の片側に1個だけ偏光子が必要な点
にも注意のこと。捩れ構造内に入れた2色性染料
が初めて公表されたのは下記の文献である: D.L.ホワイト及びG.N.テーラー、 L.Appl,Phys.45,4718,1974。 この装置では、分子ラセンのターンが多数存在
し、入射したランダムな偏光白色光をある程度吸
収するようにしている。これによつて、偏光子な
しで装置が動作可能となる。 液晶素材内では、分子軸内に熱誘導性の一時的
な変動が存在する。従つて、入射光の偏光面は液
晶及び/又は2色性染料の分子軸と必ずしも平行
でない。この結果、コントラスト比が所定の温度
で減少する。異つた量で変動する液晶素材もあ
る。最小の変動を持つ液晶素材が高い秩序パラメ
ータを持ち、最も望ましい。 2色性染料を液晶素材へ加えることは、上記の
ごとく周知である。しかし従来の染料は一般に、
見る角度を広げたりあるいは片方又は両方の偏光
子を取り除く等の特徴を得るために使われてい
る。現時点の液晶素材(秩序パラメータ0.75)
には染料の約10重量%以下が溶解可能であるた
め、得られる像のコントラスト比は捩りネマチツ
ク、ゲスト−ホスト型デイスプレイに使つた場
合、約4〜5という比較的低い値に制限されるこ
とを従来例は教示している。本発明の高コントラ
ストLCDは、この制限を克服するものである。 コツホの米国特許No.4288147は、各種のゲスト
用2色性染料を混入したホスト液晶を開示してい
る。この特許では、電−光構造がネマチツク及び
コレステリツク液晶等通常の良く知られた素材を
含むホスト液晶を有する一方、ゲストの2色性染
料はクロモフオールつまり発色団としてキノン類
似環を含む線形で非濃縮の芳香族化合物として特
徴付けられる。同特許に記載のごとく正の2色性
染料では、染料分子(一般に長く棒状の構造を持
つ)へその長軸に対して垂直にぶつかる光の方
が、長軸と平行に分子へぶつかる光より強く吸収
される。同特許によれば、この種染料の有利な特
性は高い秩序パラメータひいてはコントラストの
改善をもたらす長い構造と発色団としてのキノン
類似環に基いている。これらの染料は、入射光が
長軸に対して直角に染料分子へぶつかると色を発
する。入射光が染料の長軸と平行にぶつかつたと
き、液晶液は無色である。 シヤンクスの米国特許No.4211473は、前後の偏
光子と反射器を備えた反射型液晶表示装置を開示
している。この装置では、液晶表示素材の中に入
れた多色性染料と後方偏光子を使うことによりコ
ントラストが高められている。多色性及び螢光物
質は釣合いのとれた割合で含まれ、それぞれ相補
的な吸収及び発光スペクトルを持つ。表示装置に
入射した光は、強く減衰され且つ強く発色される
暗い状態域からの光と対照的に明るい状態域から
目に届いた光が中性の灰色となるように変換され
る。 プツセの米国特許No.2213382は、カラー再生の
質を高めるための装置を開示している。この装置
は投影系内に、各種カラーの垂直帯条片から成
り、それぞれの間に着色されてない帯条片が挟ま
れたフイルタを有する。非着色帯条件は、着色帯
条片による光の吸収と等しい光吸収特性を持つ灰
色フイルタから成る。 カマタの米国特許No.4342046は、再生すべきカ
ラー分離再生画像に対応した位置でベースフイル
ム上に配置された異つたスクリーン角度を持つ複
数の着色ハーフトーンスクリーンと、隣接するハ
ーフトーンスクリーン間に形成され、そこを通じ
て整合ラインが記録可能な透明のブランクスペー
スとから成る、画像再生装置で使われるカラー分
離ハーフトーンブロツク作製用の接触スクリーン
を開示している。 発明の要旨 本発明を要約すれば、高コントラストの液晶装
置と、赤色光の光源と、輝度平衡化カラーマスク
とから成る多色デイスプレイである。液晶装置
は、入力と出力両側にそれぞれ高消光比の偏光子
を備えた透過、捩りネマチツク型で、デイスプレ
イ用の光シヤツタとして機能する。液晶素材は混
合された2色性染料を含み、コントラストを制限
する偏光の直交モード電気ベクトルの発生を防い
でいる。カラーマスクは、周囲を灰色で囲まれた
異なる着色パツチを有し、提示されるそれぞれ異
つた着色データが実質上等しい輝度となるよう
に、各着色パツチが相互に且つ灰色の周囲と輝度
において平衡化される。オフ状態の間、光の洩れ
が生ぜず、輝度平衡化カラーマスクと高い光コン
トラスト及びTN液晶装置の濃度の組合せによつ
て、一様な暗い状態つまり死面(デツドフロン
ト)を与える多色デイスプレイの提供を可能とす
る。 好適実施例の説明 第1A,1B図は、それぞれオフ状態とオンつ
まり通電状態にある典型的な従来の透過型捩りネ
マチツク液晶装置10を示している。この装置
は、平行に配置された上側透明ガラス基板13A
と下側透明ガラス基板13を備え、各々ガラス基
板の対向内面に透明電極16を有する。そして両
透明電極間に、p型捩りネマチツク液晶素材の薄
層がサンドイツチ状に挟まれている。偏光子11
と検光子12が、各ガラス基板の外面に取り付け
られる。偏光子と検光子の偏光軸は平行で、上側
ガラス基板13Aにおける液晶分子14の整列方
向と一致している。液晶分子は徐々に捩れ、下側
ガラス基板における分子は90°回転し、上側ガラ
ス基板に隣接した分子と直交関係にある。光源1
8からの偏光は、検光子12の偏光方向が上記の
ように決められているため、出力側20から見た
とき実質上遮断されている。 電極16が両者間を横切つて生じる一定の閾値
以上のAC電圧を電源21から受取ると、ガラス
基板の表面に拘束された分子を除き、残りの液晶
分子は印加電場と実質上平行な方向を向く。この
通電状態では、液晶層が光の偏光方向を捩らない
ので、光は検光子12を通過する。 第3図は、ネマチツク液晶素材に混合した2色
性染料を含む従来の透過型初期液晶装置40を示
している。典型的なゲスト−ホスト構造におい
て、染料分子42は液晶分子44に対し自らを整
列させる。装置40は、それぞれ対向する基板内
面50に形成された透明電極48を含む平行な1
対のガラス基板46を備え、これらガラス基板が
両者間に低濃度の二色性染料を含むネマチツク液
晶素材の薄層をサンドイツチ状に挾持している。
偏光子54が、装置40の入力側面56に取り付
けられる。この偏光子の偏光軸はp型ネマチツク
液晶分子44の方向と平行で一致している。AC
電圧が透明電極に印加されていない(つまりオフ
状態だ)と、2色性染料分子がそこを通過する偏
光のほとんどを吸収するため、ある程度の光洩れ
が許容される場合なら、光を遮断するのに第2の
偏光子/検光子を必要としない。第3図の装置は
一般に″ハイルマイヤー型″装置と呼ばれている。 電極48が両者間を横切つて生じる一定の閾値
以上のAC電圧を電源49から受取ると、ホスト
の液晶分子44とゲストの染料分子42は共に印
加電場と平行な方向を向く。この通電状態では、
染料分子を内部に含む液晶層が偏光を通過させ
る。 第4図は、本発明による透過、ゲスト−ホスト
型の捩りネマチツク液晶装置70を示しており、
こゝではアントラキノン又はアゾ染料等の2色性
染料が広く使われている液晶素材の任意の1つに
混合されている。又第4図は、装置70をオフ状
態とオン状態の両方について示している。装置7
0は、平行で透明な上・下ガラス基板71,72
を有する。透明電極73が、各ガラス基板の対向
する内面71A,72A上に設けられる。整列層
78が両電極73を被覆している。比較的低濃度
の2色性染料が混合された捩りネマチツク液晶素
材の薄層が、それぞれ電極を含むガラス基板表面
間にサンドイツチ状に挾持される。ポラロイド社
から市販されているポラロイドHN32偏光子74
A,74Bが、それぞれ透明電極を有する面と反
対側のガラス基板表面に取り付けられる。両偏光
子の偏光軸は、下側ガラス基板面72A上に位置
する透明電極73の表面73Aにおける液晶分子
75の整列方向に平行で一致している。あるい
は、両偏光子を並行に90°回転させて配置しても、
実質上同じ結果が得られる。液晶分子は当該分野
で周知のごとく徐々に捩れており、上側ガラス基
板面の分子は90°回転され、下側ガラス基板面と
隣接した分子と直交している。典型的なゲスト−
ホスト構造において、2色性染料76の各軸は液
晶分子の軸と平行である。光源77からの光は,
下側ガラス基板72側の偏光子74Aを通つて液
晶層内に入る。オフ状態では、出力側から見たと
き(つまり偏光子74B側から見たとき)光源7
7からの偏光が遮断される。これは、捩りネマチ
ツク液晶層で90°捩れた偏光が、平行な偏光面を
持つ偏光子74Bに入るためである。光が液晶分
子の層から層へと次々にぶつかるとき、偏光の第
2成分つまり直交モードが生ずる。約0.15の液晶
被屈折率を持10ミクロンの液晶セルの場合、その
電気ベクトルが主成分と直交しているため、通常
ほゞ光の2%が直交モードとして存在する。この
直交モード光は偏光子74Bをほゞ完全に通過可
能だが、直交伝播モードの発生を防ぐため特に付
加された2色性染料がオフ状態の間直交モード光
の通過を妨げる。 オンつまり通電状態では、電源79から適切な
大きさ(例えば1又は3V)のAC電圧が電極73
に印加され、当該分野では周知なごとく、液晶素
材を横切る電場を形成する。ホストの液晶分子は
電場の方向に自らを整列し、ゲストの2色性染料
分子はホスト分子とほゞ平行な方向を維持する。
従つて、偏光は装置70を通過する。 上記した本発明の利点を実現するのに、90°の
捩りセルを必ずしも使う必要はない。他の捩り角
度も使用できる。液晶分子の捩れは、表面処理と
コレステリツク液晶等のキラル(対掌性)微量添
加物の量とに依存している。 本発明に用いるように高コントラストのTN液
晶装置の応用範囲は数多いが、特に自動化計装パ
ネルやコピー装置パネル等のオフイス自動化機器
で用いられる多色液晶デイスプレイが最適であ
る。その理由の1つは、光洩れの防止で液晶デイ
スプレイがより優れた死面(デツドプロント)パ
ネルを提供できる点にある。こゝで死面パネルと
は、LCD電極の付勢によつて得られる各種のメ
ツセージがオフ状態では検知できないことを意味
する。この死面つまり非常に暗い状態とコントラ
ストの増大が本発明で実現可能であり、これら両
者は液晶表示装置を改善する上で極めて有利であ
る。 本発明で得られるコントラスト増を表わすプロ
ツトが第5図に示してある。下側の曲線は、第4
図の装置の入力側に高コントラスト比の偏光子を
1個設けたときに得られたものである。つまりそ
のコントラスト比は、電場で回転される2色性染
料による場合とよらない場合の吸収差に基く。偏
光子1個の構成中で液晶素材が果す役割は、分子
の向きを決めることにある。上側の曲線は、第4
図に示すような偏光子2個の構成を用いたときに
得られた。 偏光子1個を含む装置のコントラストは、次式
で近似的に与えられる: コントラスト比(CR)=e3Sid こゝで、Sは染料/液晶混合物の秩序パラメー
タ、αiは等方的な吸収係数、dは液晶厚の厚さで
ある。本発明の主題である上側の曲線について
は、その関係を表わす近似式はまだ存在しない。 この実験データを得るのに用いた液晶/染料混
合物はホフマン−ラロツヘ社から入手した。この
混合物は、製品表示番号ROSA−605を有する。
従来技術の教示と反対に、多量の2色性染料でな
くともコントラストの有意な増大が達成される。
又このデータは、希釈染料/液晶混合物によつて
得られた。この希釈には、同じくホフマン−ラロ
ツヘ社の製品である液晶ROTN−605を用いた。 データを得るのに用いた光源は、2800絶対色温
度のタングステン光源である。フオトピツクコン
トラスト比の測定には、プリチヤード1980B光度
計を使用した。ポラロイドHN32の偏光子を用い
た例では、3以上のオンオフ状態光学濃度が第4
図の装置で測定された。 従来の通過型TN液晶デイスプレイの真近にパ
ツチ状の着色フイルムを備えたマスクを配置し、
着色フイルムに光を通しさらに液晶装置の入力側
へ向けることによつて、多色液晶デイスプレイを
作製できることは周知である。このような構成を
用いれば、異つた着色メツセージ及び/又は符号
が暗い背景上に形成される。一般的な多色TN液
晶装置の背景は、幾らかの光が洩れ、液晶内のカ
ラーパツチ及び/又は電極の情報表示構成が見え
るため、オフ状態でも完全に不透明ではない。 本発明では、上述した高コントラスト液晶装置
が、灰色の周囲317内に複数のカラーパツチを
有する多色マスクと組合わされた光シヤツタとし
て使われる。使用する液晶装置の高コントラスト
が、見る者によるカラーの感知を妨げる。つまり
前述のごとく、従来の装置では一般的だつた偏光
電気ベクトルの真交モードに原因する光洩れが取
り除かれているからである。さらに、パツチを通
過する光の明るさもつと正確には輝度が、灰色周
囲317を通過するものと一致される。この組合
わせによつて、パツチ及びメツセージ又はデータ
のオフ状態における視覚化が全面的に回避される
ため、完全に近い出力つまり″死面(デツドフロ
ント)″が見る者に与えられ、従つて自動化計装
パネルやオフイス用複写装置パネル等の機器にお
けるそうしたデイスプレイの使用をいつそう魅力
あるものとする。 コントラスト又は濃度勾配の感知閾値は、約
0.5光コントラストと求められている。可視の閾
値に関する研究については、次の文献を参照のこ
と: P.W.コブ及びF.K.モス,「視覚閾値の4変数」,
J.Frahklin Inst.,205,831(1928);及び J.P.コナー及びR.E.ガヌング、「照射の低い値
における視覚閾値の実験的決定」,J.Opt.Soc.
Am.25,287(1935) コブとモスが高い照明レベルを調べる一方、コ
ナーとカヌングは低い状態を調べた。可視の閾値
は幾分明るさに依存し、第9図はその観測された
依存性を示している。但し、この結果は対象物の
サイズ等その他の変数にも依存している点に留意
のこと。第9図の曲線を得るのに与えられたデー
タは、角度サイズが10分の紙を持つ対象物に関す
るものであつた。曲線のうち一般的な照明レベル
は、1〜100フート−ランベルトの範囲である。 高く平衡化されたカラーマスクの下敷きと組合
わされ本発明で使われる高コントラスト/高濃度
の液晶デイスプレイは、閾値付近でコントラスト
が減少する。光の強度も目のダイナミツクレンジ
外の値へと減少し、それは約3桁の大きさであ
る。平衡化カラー下敷きは高コントラスト/高濃
度液晶装置によつて大きく輝度が減じられるた
め、背後の照明器が極めて明るい場合でも見えな
くなる。本発明で用いる照明器は、約1000フート
−ランベルトの表面輝度を有する。 第8図は、本発明による多色デイスプレイ30
0の分解斜視である。照明器310は、反射器3
12、螢光源314(以下に述べる理由からクー
ル・ホワイト・デラツクスF40T12が好ましい)
及び散光器316から成る。カラー平衡化マスク
318が、照明器310と第4図を参照して詳し
く説明した高コントラストTN液晶装置の入力側
の間に位置される。それぞれ上下のガラス基板7
1,72上に位置する第4及び8図の透明電極7
3は、複数の近接して離間した電極から成る。一
方の基板上の電極は他方の基板上の電極に垂直
で、当該分野において周知の方法でアドレス可能
なマトリツクスを形成する。あるいは、電極を任
意の形状としてもよい。基板上の所定電極を付勢
すると、所定領域における液晶素材を光が通過可
能となる。従つて、所定の電極へ適切に電位差を
印加すれば、所望のメツセージ又はグラフ情報を
表示できる。又、液晶セルの大面積ブロツクを付
勢可能で、カラー下敷きから情報を表示可能であ
る。マスク318は、灰色周囲317の中に多色
パツチ319を含んで成る。第4図を参照して前
したごとく、液晶デイスプレイ320の入出力両
側に高消光比の偏光子324,326が取り付け
られる。図示のように例えば複写装置の構成を描
いたカバー330が、液晶装置320の出力側に
配置される及び/又は下敷き(図示せず)内に含
められる。 この発明では、識別用のグレースケール閾値以
下にコントラストを減じるため、高コントラスト
及び高濃度の液晶装置と平衡化カラーマスクを用
いる。又、カラー識別に基く差を感知する見る者
の能力が失われるような充分に低い輝度レベルに
おける動作も可能とする。従つて、完全な″死面
(デツドフロント)″の外観が実現される。 マスク318内にあるカラーパツチ319の輝
度の平衡化は、高コントラスト液晶装置で光の洩
れを防ぎ、見る者に完全な″死面″パネルを与える
認識不能な濃度差をもたらすほど正確に成される
必要はない。カラーパツチの輝度は近似的な一致
でも、大きな性能改善をもたらす。 テストした一組のカラーパツチは、下記のよう
な輝度透過率を持つていた: 黄 84% 青 34% 赤 21% 緑 39% 輝度透過率50%を有する灰色周囲317を上記
カラーパツチ319を保持するマスク318とし
て使つたところ、パツチの可視性に大きな減少が
実現された。従つて、本発明の一部はカラーパツ
チ319と灰色周囲317をより正確に一致さ
せ、光が通過しない状態で一様な濃度を持つパネ
ルを見る者が感知できるようにする点にある。 必要な条件は、カラーパツチ319の灰色外周
317に対する輝度透過率でなく、輝度と平衡化
する点にあることを認識するのが重要である。こ
う区別する理由は、一般に異つたスペクトル出力
を持つ各種の光源に対して本発明を使用可能とす
るためである。例えば、白熱光源は赤色光が非常
に豊富で、白色螢光光源は通常赤色光が不足して
いる。螢光源は、寿命が長い、発熱量が少い等デ
イスプレイとして有利な利点を持つている。しか
し、螢光源は特定の波数で多数の強度スパイクを
有するため、デイスプレイの設計時にはこれらの
スパイクを考慮しなければならない。 第11図は、本発明で用いた螢光リン光源31
4(クール・ホワイト・デラツクスF40T12)の
スペクトル形状を示している。これを本発明で用
いたのは、このホワイトリン光が他の螢光源より
も高い出力をスペクトルの赤色部分を持ち、全体
的により一様なスペクトルを示すためである。 本発明で用いる平衡化カラーマスクは様々な技
術で作成でき、例えばカラー写真フイルムが使え
る。原則的に必要なのは、フイルムの露光を調節
し、必要な光透過特性を与えることである。他に
可能な手法として、着色インクのシルクスクリー
ン印刷やグラフイツクアートで使われている従来
の印刷技術がある。 輝度平衡化カラーマスクを与える好ましい方法
は、光感知機による写真手法で、アグフア−ガバ
エルト社から販売されるコピープルーフ
(Copyproof)として呼ばれる素材上に接触露光
を用いて各種のカラーパツチが形成される。コピ
ープルーフ上に形成されたカラーパツチは青と赤
がより明るいパツチを形成できることが認められ
た。つまり、より多くの着色光がパツチを通過す
る。 コピープルーフを使つて得た結果を記す前に、
さらに幾つかの点をはつきりさせておく方がよい
であろう。人間の視覚系は、スペクトル中緑色の
部分(550nm)に対し最大の感度を持つ。目の感
度はその両側で低下する。第10図は、波長を関
数とした目の感度を示している。ルーメンやフー
ト−ランベルト等の測定単位には、この重み関数
が含まれている。 カラーパツチを選択する上で必要な概念は、サ
ンプルから発した白色光に目のスペクトル感度関
数を加重した関数として定義される輝度透過率で
ある。 これはどんな白色光源にも当てはまる。異つた
白色光源からの光はそれぞれの出力スペクトル形
状が幾分異るため、輝度透過率は光源にも依存す
る。上記のごとく本発明の螢光は選択され、好ま
しい1つは、クール・ホワイト・デラツクス
F40T12(第11図)である。 アグフアーガバエルト社のコピープルーフ素材
の輝度透過率を、各色について下記の第2(a)表に
示す。17〜75%の範囲にわたつている点に注意の
こと。後述のハーフトーン技術を使うと、輝度透
過率は第2(b)表に示すように数%以内に平衡化さ
れる。 第2a表 ※ アグフアーゲバエルト社素材の光源加重済 輝度透過率 赤 17% 青 21% 緑 43% 黄 75% ※クール・ホワイト・デラツクス螢光灯 第2b表 ※ 平衡後のアグフアーゲバエルト社素材の 光源加重済輝度透過率 赤 29% 青 29% 緑 30% 黄 33% 白 31% ※クール・ホワイト・デラツクス螢光灯 前述のように、全カラーパツチのハーフトーン
化は、本発明の多色デイスプレイパネルで一様な
濃度を見る者が感知できるようにすること、つま
り″死面(デンドフロント)″パネルを得る上で必
要である。ハーフトーン化は、目に対する感度が
高いカラー中に黒の小ドツトを加え、又目に対す
る感度が低いカラー中に白い小孔を開け光をより
多く発せしめることによつて成される。単位長に
おけるドツト数は本発明において、写真的にハー
フトーンを形成するための150ドツト/インチス
クリーンを使つて決められる。 不透明な黒ドツトは、明るい緑、黄及び白のパ
ツチを暗くするのに使われる。一般に黒ドツト
は、面積の30〜50%を占める。赤と青パツチの明
るさは、小さい透明孔を開け、比較的暗い青と赤
の明るさを増すことによつて増加される。穴は全
波長に対して透明だから、カラー飽和は減じられ
る。このため、透明孔は大きくし過ぎてはなら
ず、10〜20%の範囲の開面積で最良の結果が得ら
れる。すなわち、透明孔はカラーパツチ全面積の
10〜20%以下とする。第12図は、本発明で用い
る上記ハーフトーン化概念を示したものである。 第12図は、内側にカラーパツチ319を含む
周囲317を示している。パツチの色が赤又は青
のときは、明るさを増さねばならないので、小透
明孔332がパツチ中に形成される。一方パツチ
の色が黄、緑又は白のときは、明るさを減じねば
ならないので、小さい黒色の不透明ドツト334
が施される。 ハーフトーン化法による明るさの一致化は、再
現性が高いばかりか、アナログ的でなくデジタル
的で、2値状態系の利点を生かせるため有利な手
法である。ここで2値状態系とは、孔が充分に透
明で、ドツトがほゞ不透明であり、光の透過度を
変えないことを意味する。 本発明は前述のごとく、自動化計装パネルやゼ
ログラフイツクプリンタ、複写装置等のオフイス
機器で使用するのに最適な高コントラスト多色液
晶デイスプレイに関連している。第6図は、液晶
デイスプレイ82を複写装置80に多色LCD8
2については第4図及び第8図を参照しながら詳
述する。使つた例を示している。多色デイスプレ
イ82はアルフアニユメリツクデイスプレイ84
と協働して、複写装置の状態をユーザーに効率よ
く知らせ、生じた故障を通知し、LCD82とア
ルフアニユメリツクデイスプレイ84に便利よく
表示可能なものよりもつと詳細な情報を与える必
要がある場合に、ユーザーがフリツプチヤート8
6を参照するようにせしめる。複写装置のマイク
ロプロセツサとLCD間の動作上及び電子的イン
ターフエイスの詳細については、1982年9月21日
に出願された本発明の出願人に譲渡されたジヨン
W.ドートン他の米国特許SerialNo.420963を参照
のこと。そこで、ドートン他の米国特許出願を
こゝに参考文献として含める。 複写装置80は、スマートな外観を与え且つ一
般的なコピー装置の構成部品とサブアセンブリを
与えるハウジング88を有する。又概略的に図示
した複写装置80は、プラテンとプラテンカバー
も有する。プラテンカバー90はヒンジ止めさ
れ、ユーザーがカバー90を上げ下げし、コピー
する原稿をプラテン(図示せず)上に挿入できる
ようにしている。複写装置80はさらに、複数原
稿を頁順に重ねたコピーセツトを与えるソータ9
2を含む。操作パネル94によりユーザー各自が
コピー寸法、コピーコントラスト、コピー枚数、
コピーの処理方式(ダブルコピーかシングルコピ
ーか等)を選択する。液晶デイスプレイ82を有
するパネル96も、コピー動作スタート用のボタ
ン95を備えている。 ユーザーが複写装置80を使おうとするとき、
LCD82とアルフアニユメリツクデイスプレイ
84は共にブランクで、ユーザーが″電源オン″ス
イツチ95を操作し、複写装置80内の電源を付
勢するまで、表示不能である。電源がオンする
と、″待機(Standby)″メツセージがアルフアニ
ユメリツクデイスプレイ84上に現われ、複写装
置が未だ使えないことを指示する。複写装置のゼ
ログラフイツクコピーを行う準備が整うと、アル
フアニユメリツクデイスプレイが″コピー準備他
完了(Ready To Make Copier)″というメツ
セージを与え、複写装置80の動作準備が整つた
ことをユーザーに告げる。 複写装置80を構成する各部の機能は、マスタ
ー中央プロセツサ112とつながつた多数のプロ
グラム式制御器から成る電子サブシステム110
(第7図)によつて制御されモニターされる。パ
ネル96と主プロセツサ112間のインターフエ
イス114が、ユーザーから与えられたコピー枚
数等に関する入力をプロセツサ112に知らせ
る。主プロセツサ112はそのユーザ入力に応答
し、主メモリ装置116内にストアされたオペレ
ーテイングシステムを実行する。 主メモリ116内のアルゴリズムに従い、マス
ター中央プロセツサ112が通信バス118に沿
つて複写装置をモニターし制御するのに使われる
多数の遠隔エレクトロニクスユニツト120〜1
25と接続される。個々のユニツト120〜12
5は複写装置の構成によつて異るため、第7図は
可能な多くの電気サブシステム構成の1例を示し
たものに過ぎない。各ユニツト120〜125
は、付属のメモリ(RAMとROM)と補助回路
を含め各自のマイクロプロセツサを有する。 LCD82とアルフアニユメリツクデイスプレ
イ84は、表示コンソール遠隔ユニツト125へ
電気的に接続される。表示コンソール遠隔ユニツ
ト125は、主プロセツサ112から状況情報、
故障情報又はプログラム制御情報を受取り、適切
なメツセージをアルフアニユメリツクデイスプレ
イ84上に表示し、該当があれば、LCDデイス
プレイ82上の複数の液晶セグメントのいずれか
を付勢するかあるいは液晶セル内の電極マトリツ
クスにアドレスして情報を生成する。 多色液晶デイスプレイ82はアルフアニユメリ
ツクデイスプレイ84の真上に取り付けられ、フ
リツプチヤート86の側面に位置する。アルフア
ニユメリツクデイスプレイ84は、ユーザーの助
けとなるようなメツセージを発生可能な真空螢光
管から成る。 アルフアニユメリツクデイスプレイの真上に位
置する多色液晶デイスプレイ82は各種の液晶セ
グメント及びアドレス可能な電極マトリツクスを
含み、ユーザーが各自複写装置と相互作用し、動
作中に故障が生じたらその故障を正すのを援助す
る。 液晶デイスプレイ70内における液晶セルに関
連した詳細は、第4図を参照してすでに説明し
た。第8図は、第6図に示したような複写装置で
使える多色LCD300の一構成を分解して概略
的に表わしたものである。第8図において、螢光
灯314が反射器312と散光器316を介し、
液晶装置320の背後にあるカラーマスク318
へ光を通過させる。液晶電極エレメントがオフ状
態にあれば、照明器310からの光はユーザーに
達しない。しかし、多色液晶デイスプレイ82
(又は320)内の電極エレメントが付勢される
と、光は液晶のうち通電されたセグメントを通過
してユーザーに達する。従つて、表示コンソール
遠隔ユニツト125からの信号により液晶電極の
中の適切な電極が通電されれば、そのセグメント
を通過する光によつてそれが可視状態となる。 繰返して言えば、本発明は高コントラント液晶
装置と、光源と、輝度平衡化カラーマスクとから
成り、オフ状態の間、液晶装置からの光洩れがな
く、しかも輝度平衡化カラーマスクが見る者によ
つて視認可能な閾値より低い一様な光学濃度を与
えるために、一様に暗い状態つまり死面(デツト
フロント)をもたらすことのできる多色デイスプ
レイに関する。 液晶装置は、入出力両側に高消光比の偏光子を
備えた透過、捩りネマチツク型で、デイスプレイ
用の光シヤツタとして機能する。コントラストを
制限する偏光の直交モード電気ベクトル発生を防
ぐため、液晶素材に2色性染料が混合されてい
る。カラーマスクは異つた色のカラーパツチとそ
れらを取り巻く灰色周囲を有し、各カラーパツチ
は輝度平衡化されている。従つて、与えられる異
つた各カラーデータはほゞ等しい明るさとなる。 上述した本発明の複写装置への適用は、特定な
用途を例示したものに過ぎず、唯一の用途として
示したものではない。これに限らず、本発明はそ
の他多くの分野にとつても重要である。 本発明の上記説明から様々な変形、変化が可能
なのは明らかであり、こうした変更や変形も全て
本発明の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
第1A図はオフ状態にある従来の透過型捩りネ
マチツク液晶装置を概略的に表わした側断面図:
第1B図は通電つまりオン状態にある従来の透過
型捩りネマチツク液晶装置を概略的に表わした側
断面図;第2図は従来の2色液晶デイスプレイの
3次元的な概略的な分解斜視図で、オフ状態とオ
ン状態の両方を示す図;第3図はゲスト−ホスト
効果を利用した従来の代表的な透過型液晶表示装
置を概略的に表わした側断面図で、オフ状態とオ
ン状態を示す図;第4図は本発明の高コントラス
ト液晶装置の3次元的な概略図;第5図は液晶セ
ルの厚さを関数としたコントラスト比のグラフ状
プロツトで、入力側に偏光子1個を備えた場合a
と第4図の偏光子2個の構成bとにおける2色性
染料を含んだ液晶装置のコントラスト比を比較し
たもの;第6図は本発明を適用したゼログラフイ
ツク複写装置の概略図;第7図は第6図の複写装
置内でゼログラフイツク機能を制御及びモニター
するのに用いるエレクトロニクスの概略図;及び
第8図は第4図の液晶表示装置を含む本発明によ
る多色デイスプレイの3次元的な概略分解斜視
図;第9図は光コントラスト(%)対明るさ(フ
ートーランベルト)をプロツトしたグラフ;第1
0図はスペクトルの視感度対波長(nm)として
プロツトした標準的な目の感度曲線;第11図は
光の波長(nm)対螢光灯(クール・ホワイト・
デラツクスF40T12)の10nm毎のワツトをプロツ
トしたグラフ;及び第12図はカラーパツチの明
るさ増と明るさ減を示した概略図である。 70……液晶装置(セル)、71,72……透
明絶縁ガラス基板、73……透明電極、74A,
74B,324,326……偏光子、75……液
晶分子、76……2色性染料分子、77……光
源、79……電源、112……主プロセツサ、1
16……メモリ、300……多色デイスプレイ、
317……灰色周囲、318……平衡化カラーマ
スク、319……カラーパツチ、332……透明
孔、334……不透明ドツト。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 2枚の平行に配置されそれぞれが対向面に少
    くとも1つの透明電極を担持した透明で絶縁性の
    基板を含む液晶セルで、ネマチツク液晶素材の層
    が基板と平行な液晶分子を有し、該層が両基板の
    間で液晶分子が徐々に回転する状態となるように
    絶縁基板の間に含まれ、適切な大きさの電位差が
    両電極間に印加されたとき、上記セルが上記層を
    横切る電場の形成に応じ電極の近傍で光を透過可
    能とするもの; 上記絶縁基板面の一方へと光を向かわせる比較
    的一様なスペクトル含有量を有する光源; 上記電極間に電位差を与え、上記セルを横切る
    電場を発生する手段で、セルを横切つて電場が存
    在するとき、液晶分子が電場の方向と平行に自ら
    を整列させるもの; 光源から受取つた光を偏光させるため、電極を
    設けた面と反対側の各絶縁基板面に配置された高
    吸光比偏光子で、該偏光子が光源に近い方の絶縁
    基板面に隣接した液晶分子の方向と平行又は直角
    な偏光軸を含み、さらに該偏光子が偏光の主ベク
    トル成分の通過時、液晶セルから100よりも大き
    なコントラスト比を得ることができる吸光比を有
    するもの; 液晶分子素材に混合されてゲスト−ホスト混合
    物を形成する比較的小量の2色性染料で、該2色
    性染料の分子がゲスト分子で、電場が存在しない
    とき捩りネマチツク液晶分子の配向に基く偏光の
    不完全な回転によつて生ずる偏光の直交ベクトル
    成分を吸収するのに充分な量を有し、その発生と
    通過を防ぐ目的で付加されたもの;及び 光源と液晶セルの間に位置した輝度平衡化カラ
    ーマスクで、該マスクが複数のカラーパツチと残
    部の灰色周囲とを持ち、各カラーパツチが相互に
    且つ灰色周囲に対して輝度が平衡化され、各異つ
    たパツチと灰色周囲が実質上等しい輝度透過率を
    有し、電位差がセル電極に印加されていないと
    き、出力パネルが見る者にとつて一様に暗い死面
    出力パネルとして映るようにしたもの; から成る出力パネルを有する多色液晶表示装置。 2 上記セルが各基板面上に複数の電極を有し、
    各電極が電位差を与える上記手段によつて個々に
    アドレス可能で、見る者が読取可能な情報を生み
    出す特許請求の範囲第1項の多色液晶表示装置。 3 各基板面上の複数の電極が近接した一連の電
    極から成り、基板面の各々に設けられた電極が相
    互に直交し、所定の電極を横切る電気の印加がマ
    トリツクス式アドレスを可能とする特許請求の範
    囲第2項の多色液晶表示装置。 4 ゲスト−ホスト混合物層の厚さが10ミクロン
    である特許請求の範囲第1項の多色液晶表示装
    置。 5 光源が高い赤色光含有量を持つ比較的一様な
    スペクトルの螢光灯である特許請求の範囲第1項
    の多色液晶表示装置。 6 上記蛍光灯は少なくとも19パーセントの赤色
    光含有量を有する燐光である特許請求の範囲第5
    項の多色液晶表示装置。 7 上記マスク中のカラーパツチが、見る者の目
    に対する感度が高いカラーを比較的小さい不透明
    ドツトのスクリーンで暗くし、見る者の目に対す
    る感度が低いカラーを一連の比較的小さい透明孔
    で明るくすることによつて輝度平衡化されている
    特許請求の範囲第1項の多色液晶表示装置。 8 上記不透明ドツトと透明孔が150ドツト/イ
    ンチスクリーンを使つて各カラーパツチ内に形成
    され、透明孔がカラーパツチ全面積の10〜20%以
    下で、不透明ドツトがカラーパツチ全面積の30〜
    50%以下である特許請求の範囲第7項の多色液晶
    表示装置。 9 上記液晶/染料混合物が、10重量部よりも小
    さな染料で成る特許請求の範囲第1項記載の多色
    液晶表示装置。
JP59055209A 1983-03-29 1984-03-22 多色液晶表示装置 Granted JPS59195224A (ja)

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