JPH0656462B2 - 高速液晶可変光学リタ−ダ - Google Patents

高速液晶可変光学リタ−ダ

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JPH0656462B2 JP59158529A JP15852984A JPH0656462B2 JP H0656462 B2 JPH0656462 B2 JP H0656462B2 JP 59158529 A JP59158529 A JP 59158529A JP 15852984 A JP15852984 A JP 15852984A JP H0656462 B2 JPH0656462 B2 JP H0656462B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は光学リターダ、特に液晶を用い、これを通過す
る光線の光学リタデーション（遅延）を電気的に可変す
る高速液晶光学リターダに関する。
従来技術とその問題点 液晶表示装置（LCD）は構造が簡単で且つ低消費電力で
動作するため電気光学シヤツター、文字／図示表示装
置、或はカラーフイルタ等として広く使用されている。
これらLCDは対向して配置した２枚の絶縁支持板（少な
くとも一方は透明）の内面に電極を設けると共に配向膜
を形成し、その間に液晶（LC）体を充填封止するを普通
とする。この電極間に電圧を選択的に印加することによ
り生じる電界で液晶分子の状態を制御する。ツイステイ
ツドネマチツク（TN）型液晶にあつては配向膜の配向方
向を90゜（π/2ラジアン）とするのが普通である。
斯るTN型液晶表示装置は電極を夫々互に直交するマトリ
クス状に構成し、順次（シーケンシヤル）モードで動作
する液晶表示装置は米国特許第4,019,808号、第4,239,3
49号、第4,003,081号及び第4,295,093号公報等に開示さ
れている。しかし、斯る従来の液晶表示装置は２枚の支
持板間のすべての液晶体の分子が電界により回転動作す
るので、ターンオフ時間が比較的遅い為に通常のテレビ
ジヨンの如き数十Hzのフレームレートでシーケンシヤル
動作（フレーム順次）するフリツカのない表示装置への
応用には適しなかつた。このことは、液晶分子のうち配
向膜に接するものが、電界の変化により互に逆方向に流
れる為であると説明することができる。（バン・ドーン
著「Transient Behavior of Twisted Nematic Liq
uid Crystal Loyer in an Electric Field」Jour
nol De Physique Vol.36第Ｃｌ−261〜263参
照。）。従来のTNネマチック液晶表示装置にあつては、
この流れが光学的バウンドを生じディレクタに逆トルク
を与えるので応答速度が遅くなる。
発明の目的 本発明は斯る液晶装置を用い、それを通過する光線の光
学リタデーションを電気的に制御する、高速スイッチン
グ動作の可能な高速液晶可変光学リターダを提供するこ
とである。
発明の概要 本発明の高速液晶可変光学リターダは、内面に導電層と
配向膜を有する１対の電極構体間に液晶体を充填封止
し、両配向膜に接触するディレクタが互に平行且つ配向
膜表面に対して鋭い角度で逆回転方向となるよう配向処
理している。
導電層に交流電圧を印加して液晶内に電界を形成する
と、面非接触ディレクタが両電極構体の内面に垂直に配
列されてリタデーションが略０になり、導電層に印加す
る交流電圧を０ボルト又は０ボルトに近い電圧にする
と、両電極構体の中央部の面非接触ディレクタは電極構
体に垂直な状態を維持し、中央部の両側の面非接触ディ
レクタは、各側で電極構体に垂直且つ面接触ディレクタ
の配向方向に平行な面内で面接触ディレクタの傾斜角度
に近づくように回転して配列されて、リタデーションが
略半波長になる。この際、面非接触ディレクタの配列の
変化は、電極構体の内面に平行な同一方向であるので、
ディレクタの光学的バウンドを軽減し、応答が極めて迅
速である。
実施例 以下、添付図を参照して本発明の高速液晶可変光学リタ
ーダの一実施例を説明する。高速液晶可変光学リターダ
の一例の簡単な模型断面図を第２図に示す。高速液晶可
変光学リターダ（100）は略平行に対向して配した１対
の電極構体（102）,（104）間に充填した液晶体（106）
を含む。各電極構体（102）又は（104）はその内面にイ
ンジウム錫の如き透明導電層（電極）（110）を有す誘
電体ガラス基板（108）より成る。デイレクタ配向膜（1
12）を導電層（110）に設け電極構体（102）と液晶体
（106）間の境界をなす。この配向膜（112）の表面は液
晶体（106）に接触し、液晶体分子の面接触デイレクタ
を後述する如く所望方向に配向処理する。
電極構体（102）,（104）は例えば互に左右にずらせて
導電層（110）,（110′）に夫々電極駆動端子（113）を
接続する。また、電極構体間はガラスフアイバ等のスペ
ーサ（114）により略一定間隔に維持する。
次に、第１図Ａ乃至Ｄは、本発明に係る高速液晶可変光
学リターダの配向膜の配向方向及び各動作状態下での液
晶分子のネマチック・デイレクタ配向形状を示す模型図
である。
電極構体（102）の配向膜（112）は、面接触デイレクタ
（116）が互に平行で且つ配向面を基準にして反時計方
向を正とする（以下同じ）とき傾斜バイアス角+θとな
るよう配向処理している。一方、電極構体（104）の配
向膜（112′）は面接触デイレクタ（118）が互に平行で
且つ傾斜バイアス角−θとなるよう配向処理をする。よ
つて、デイレクタ配向層（112）,（112′）の面接触デ
イレクタ（116）,（118）は夫々互に逆方向に傾斜バイ
アスされることに注目されたい。
面接触デイレクタを希望する配向にする第１の方法は、
ポリイミドを配向膜（112）,（112′）の材料として用
い、夫々電極構体（102）,（104）の内面に被着形成す
ることである。次に、この配向膜を摩擦して傾斜バイア
ス角｜θ｜を2゜乃至5゜の範囲とするのが好適である。
面接触デイレクタの配向を行なう第２の方法は、夫々配
向膜（112）,（112′）の材料として一酸化硅素（SiO）
を使用する。このSiOを蒸発させて電極構体面から測定
して好ましくは5゜の角度で蒸着させて、その量を調整
して｜θ｜を10゜乃至30゜、好ましくは15゜乃至25゜の
傾斜バイアスとする。
所望方向に液晶分子を配向する為に一酸化硅素又はその
他の配向材料を被着する方法は例えば米国特許第4,165,
923号公報等に開示されており、当業者には周知である
ので、これ以上の説明は省略する。
第１図Ａは約２kHz、実効値20ボルトの交流信号Ｖ1を電
極構体（102）,（104）の導電層（110），（110′）に
印加した場合の面非接触デイレクタ（120）の方向を図
示する。導電層（110′）の信号Ｖ1は駆動器（26）の出
力において生じる第１スイッチング状態であつて、電極
構体（102）,（104）間の液晶体（106）中に交流電界Ｅ
を発生してセルをオンとし、正異方値を有する液晶体
（106）の面非接触デイレクタ（120）の多くは電束方向
（121）に沿つて略一列縦隊に整列する。この方向は、
電極構体の配向面に対して法線方向である。よつて、液
晶セル（100）が「オン」状態に刺激されると、面非接
触デイレクタ（120）はセル面に垂直に配列する。セル
の２つのトポロジー状態中、面接触デイレクタ（116）
及び（118）は実質的に同じ傾斜バイアス角｜θ｜を維
持し続けることに注目されたい。尚、第１状態を第１図
中Ａ乃至Ｃに示し、第２状態を第１図Ｄに示す。
第１図Ｂは信号Ｖ1を取り除いた直後の面非接触デイレ
クタ（120）の方向を示し、面非接触デイレクタの配列
はセル内の電極構体（102）及び（104）間に生じる電界
には影響されないが、液晶分子間の弾性力により影響を
受けて「オン」状態の一列縦隊配列から面非接触デイレ
クタのリラツクスを生じさせる。信号Ｖ1を取り除くと
駆動器(26)の出力に第２スイツチング状態が生じ、第１
図Ｂのデイレクタ方向がセルの「オフ」状態に対応す
る。
液晶セル（100）を「オフ」状態にスイツチングするに
は駆動器(26)の出力に信号Ｖ1以下で０ボルトに近い交
流電圧Ｖ2を印加しても達成できる。信号Ｖ2の周波数は
一般に信号Ｖ1のそれと同じである。
液晶セル（100）の「オン」から「オフ」状態への転移
中、面非接触デイレクタ（120）は電極構体表面に垂直
の一列縦隊から退却して隣接したデイレクタ同士が略平
行関係になろうとする。よつて、面非接触デイレクタ
（120a）及び（120b）は矢印（122a）で示す方向に時計
方向に回転し、デイレクタ（116）及び（120a）が平行
に近い関係になり、面非接触デイレクタ（120c）及び
（120d）は矢印（122b）で示す反時計方向に回転して、
デイレクタ（118）と（120c）が平行に近い関係にな
る。よつて、セル（100）が「オフ」状態にリラツクス
すると、面非接触デイレクタの多くは夫々配列してデイ
レクタ成分をセル表面に投影する。このとき、面非接触
ディレクタの回転は、電極構体に垂直且つ面接触ディレ
クタに平行な面内で起こる。
液晶セル（100）の表面ジエオメトリは従来の液晶セル
とは異なる点に注意されたい。即ち、従来セルでは傾斜
バイアス角は電極構体の内面から測つて同じ回転方向で
ある。この液晶セル（100）の面接触デイレクタ形状に
より、面非接触デイレクタを光学的バウンドを生じるこ
となく「オン」状態から「オフ」状態へ迅速にリラツク
スできる。この迅速且つ光学的バウンドを生じないリラ
クセーシヨンは液晶体の流れがセルの配向処理した表面
に沿つて同じ方向（124）である為だと現段階では考え
られている。この単方向の流れは上述した従来例セルに
あつては生じ得ず、配向処理した面に沿つて互に逆方向
に流れる。このセル（100）内での液晶体の単方向性流
動による効果として、リラツクスしているセル内の流れ
により中間位置の面非接触デイレクタ（120e）には何ら
逆トルクが生じない点にある。その結果、バウンドのな
い迅速な電子光学スイツチングが実現できる。
第１図Ｃは第１図Ｂの「オフ」状態から液晶セル（10
0）を更にリラツクスさせた期間Ｔ1後のダイレクタの方
向を示す。この状態は一般に電界を取り除いた後約50ms
経過してもセル内に電界を再び生じさせない場合に生じ
る。第１図Ｃに示すセル内のデイレクタ形状は、面非接
触デイレクタ（120）が面形状を放棄して、いわゆるπ
ラジアンねじれ又はら旋形状をとることを特徴とする。
更にリラツクスすると、πラジアンねじれ形状のセルは
デイスクリネーシヨン運動を生じ、約数分間の期間Ｔ2
を超すと第１図Ｄに示すスプレイ状態へと進行する。約
１ボルトの交流信号Ｖ3を周期的にセルに印加すると、
面非接触デイレクタがπラジアンねじれ状態から更にス
プレイ状態へ進行しないことに注目されたい。
液晶セル（100）を０乃至半波可変リターダとして動作
する方法は、デイスクリネーシヨンのない面非接触デイ
レクタを第１図Ａに示す電界整列即ち「オン」状態から
第１図Ｂに示す面即ち「オフ」状態にすることである。
液晶セル（100）は、光学軸が面非接触デイレクタ（12
0）の整列方向に対応する０乃至半波可変リターダとし
て動作される。
電極構体（102）,（104）の面に法線方向（126）に進行
する線形偏光光線は液晶セルが「オン」状態のとき面非
接触デイレクタ（120）の方向と一致する。デイレクタ
（120）が「オン」状態になると、デイレクタのセルの
電極構体表面への投影は無視し得る。この状態下では、
液晶セル（100）は方向（126）に進行する入射光線に対
し光学リタデーシヨンをかなり減少する。
線形偏光光線が電極構体（102）,（104）の面に法線方
向（126）に進行すると、液晶セル（100）が「オフ」状
態であれば面非接触デイレクタの整列方向と不一致であ
る。デイレクタ（120）がこの「オフ」状態にあると、
セルの電極構体面への投影成分は多くなる。この状態下
では液晶セル（100）は略法線方向の入射光線に対して
実効複屈折を有する。面非接触デイレクタ（120）の方
向はΔnd/λ＝1/2の数式を満足する波長の光に対して実
質的に半波光学リタデーシヨンを生じる。ここで、ｄは
液晶体（106）の層厚（128）、Δnはセルの実効複屈
折、λは光の波長である。
次に、第３図は本発明による高速液晶可変光学リターダ
の光学特性曲線を示す。液晶セルの「オン」と「オフ」
間の転移時間は約1.0msの高速であることが判かる。こ
の応答特性は英国プールのBDHケミカルズリミテツド製
Ｅ-44型液晶体を3μの厚さとし、実効値＋20ボルトの2k
Hzの駆動パルスで駆動した場合に得た実測値である。こ
の高速光応答特性は液晶セルの「オン」から「オフ」へ
の転移期間中に生じる面非接触デイレクタの再配列中に
液晶体流動を単方向とすることにより光学的バウンドを
軽減するためであると説明できる。
発明の効果 本発明の高速液晶光学リターダは、面接触ディレクタが
各配向膜の表面から夫々鋭い角度で逆回転方向に傾斜す
るように配向処理されるので、面非接触ディレクタが電
極構体に垂直に配列されたオン状態からオフ状態に切り
替えると、面非接触ディレクタのうち中央部のものは実
質的に変化せず、その両側の面非接触ディレクタは、各
側で電極構体に垂直且つ面接触ディレクタの配向方向に
平行な面内で面接触ディレクタの傾斜角度に近づくよう
に回転して配列されたので、面非接触ディレクタの配列
の変化は同一方向となり、ディレクタの光学的バウンド
を軽減し、従来の液晶光学リターダに比して、応答が極
めて高速（１ｍｓ程度）となる。従つて、フレーム順次
方式のカラー表示装置等に適用し、例えば白黒用陰極線
管と共に使用して超高解像度のカラー表示装置が実現で
きる等の実用上極めて顕著な効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第１図Ａ乃至Ｄは本発明による高速液晶可変光学リター
ダの各動作状態におけるデイレクタの運動を模型的に示
す動作状態図、第２図は本発明による高速液晶可変光学
リターダの概略構成図、第３図は本発明による高速液晶
可変光学リターダの光学応答特性図を示す。 （102）,（104）は電極構体、（106）は液晶体、（11
0）は導電層、（112）は配向膜、（116）,（118）は面
接触デイレクタ、（120）は面非接触デイレクタを示
す。
フロントページの続き (72)発明者 フイリツプ・エイ・ジヨンソン・ジユニア アメリカ合衆国 オレゴン州 97005 ビ ーバートン ラウト３ ボツクス 718 (56)参考文献 特開 昭55−70819（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】夫々内面に透明の導電層及び配向膜を有
    し、相互に略一定間隔で対向させた１対の電極構体と、
    該電極構体間に充填したネマチック型液晶体とを具え、 該配向膜に接触する上記液晶体の面接触ディレクタは一
    様に配置され、上記各配向膜面への投影が互いに平行で
    あり、且つ上記各配向膜の表面から夫々鋭い角度で逆回
    転方向に傾斜するように配向処理され、上記電極構体の
    上記導電層間に第１制御電圧を印加すると、上記配向膜
    に接触しない上記液晶体の面非接触ディレクタが上記電
    極構体の内面に対し略垂直に配列され、続いて上記導電
    層間に第２制御電圧を印加すると、上記１対の電極構体
    間の上記液晶体の厚さ方向の中央部の上記面非接触ディ
    レクタは上記電極構体の内面に略垂直な状態を維持し、
    上記中央部の面非接触ディレクタの上記液晶体の厚さ方
    向の両側の上記面非接触ディレクタは、各側において、
    上記電極構体の垂直に且つ上記面接触ディレクタの配向
    方向に平行な面内で上記面接触ディレクタの傾斜角度に
    近づくように回転して配列され、上記両側の面非接触デ
    ィレクタの配列の変化は、上記電極構体の内面に平行な
    同一方向の変化により促進されることを特徴とする高速
    液晶可変光学リターダ。
JP59158529A 1983-05-09 1984-07-28 高速液晶可変光学リタ−ダ Expired - Fee Related JPH0656462B2 (ja)

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