JPH09120068A - 液晶表示スクリーン - Google Patents
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Abstract
及び観察視野の制限を解消する。 【解決手段】 液晶セルは、Oをセルの中心点とし、O
Zをセルの平面に垂直またはほぼ垂直な方向として、平
面XOZにおけるコントラストまたはグレイレベルある
いはその両方の点で最も好都合な特性を有する。この液
晶セルを有する表示装置のスクリーンは、セルに対して
照明装置と同じ側に位置し、照明装置から来る光束を平
面XOZに直交する平面YOZ内でコリメートする手段
と、セルに対して照明装置と反対の側に位置し、光束を
平面YOZ内で分配する手段とを含む。
Description
変調し、コンピュータスクリーン、エビオニクス用スク
リーン、又はビデオ画像表示装置用に使用できる液晶表
示(LCD)型の電気光学式表示装置の分野に関する。
マトリックススクリーンでもよい。能動マトリックスス
クリーンの場合には、一般に下記の要素、すなわち − 上面にスイッチング素子のマトリックスが作られた
透明基板、 − その基板の一つが能動マトリックスである液晶セル
(一般に使用される材料はツイストネマチック液晶)、 − 上面に基本ドットRGBのモザイクの形のカラース
クリーンの色フィルタを付着させた第二基板、及び − 偏光子と、けい光管をベースとし、直視を可能にす
る背面照明モジュールを含む。
晶を使用するLCDの場合には、分子は、電界がないと
きセルの厚さ中にらせんを形成するように、アラインメ
ント層によって基板に平行に配向される。セルは互いに
交差するかまたは平行な二つの偏光子の間に置かれ、す
なわち偏光は互いに垂直または平行となる。
して、図1に示すような、三本の軸(x、y、z)を規
定することができる。この図は液晶セルの標準的な図を
示している。方向OZはセルの平面に対する垂線に対応
し、方向OYはセルの中心において液晶分子の長軸によ
って規定され、方向OXは方向OX及び方向OYに垂直
である。標準的には、方向OYはセルのいわゆる垂直軸
に対応し、方向OXはセルのいわゆる水平軸に対応す
る。
はセルに入って、液晶層と交差する際に回転され、それ
から第二偏光子を通過する。図1を見るとわかるよう
に、この例では、偏光子の配向はらせん内の偏光経路に
従うので、装置はこの非活動状態においては高い透光度
を有する。したがって、OFFの状態では常時白(N
W)状態が規定される。
子は電界に平行に配向する傾向がある。ツイスト構造は
破壊され、偏光はセルと交差する時、もはや回転せず、
ON状態の出力偏向子によって吸収される。
活動化状態は常時黒(NB)状態に対応し、励起状態は
透明度が最高の状態となる。
的配向に対応する中間電界によって中間の透光度を得る
こともでき、この結果、この装置によっていくつかのグ
レイレベルを必要とするビデオ画像の表示が可能にな
る。
を使用すると、カラービデオ画像の表示が可能になる。
示装置では、解決すべき主な問題の一つは、これらの装
置は構造上、観察の角度条件が変わると高い非均質性を
示すため、表示された画像の観察視角を改善する必要が
あるということである。
て観察するとき、装置は非常に高いコントラスト(非活
動化状態における透過度と活動化状態における透過度の
比)を有する。しかしながら、装置をセルの面に対する
垂線に対して傾斜した方向に沿って観察するときは、黒
状態の透過が増加し、この方向に沿ったコントラストが
低下する。
って表示し、基板に対する垂線に対して傾斜した方向に
沿って観察するとき、透過度が変化するという同じ現象
は、飽和レベルにも(分子が配向されてしまった状態)
すべてのグレイレベルにも影響するが、変化の仕方は各
レベルごとに異なる。このためコントラスト反転現象が
生じる。すなわち、垂線に沿ったとき他より暗いレベル
が、この他のレベルが傾斜した方向に従うときはより明
るくなる。
れているという問題をツイストネマチック液晶に関して
説明したが、より一般的に、STN(超ツイストネマチ
ック)型セル、フリーデリックス型セル(制御された複
屈折性に基づく効果を使用して、ツイスト形成のないプ
レーナ構造を有する)、静止した分子が同種回転的に配
向し、負の誘電異方性を有する、電気的に制御された複
屈折性(ECB)型セルでもこれらの問題は存在する。
題を解決するために、下記の手法が提案されている。例
えば、 − 各画素(ピクセル)中に、セルの基板の上の液晶分
子の配向または印加される電界の配向、またはこの電界
の強度が異なる、いくつかの領域を作ることによってセ
ルの空間構造を変更する。ただし、この手法では、領域
の複雑さが増す。
る。これは黒状態の特性を改善し、したがってコントラ
ストを改善することを可能にする、負の誘電異方性を有
する分子の被膜である。この方法によって、良好なコン
トラストが存在する水平ゾーンを広くすることは可能で
あるが、垂直ゾーンについては不可能である。
超ツイストネマチック型の)液晶表示(LCD)装置で
使用される電気光学的効果のほとんどについて、知覚さ
れる画像のレベルで、二つの対称平面で異なる角挙動が
観察されるという分析に基づくものである。
zが、標準的には水平面に対応し、角特性は垂線に対し
て実際上対称である。入射の値がセルに対する垂線に対
してかなり高い場合でもコントラストはかなり高く、グ
レイレベルの反転の問題は余り大きくはない。
が標準的には垂直面に対応し、角度特性は対称ではな
く、特に中間レベルにおいて最大の軸外れコントラスト
を示し、この最大の軸外れコントラストはより大きい角
度にシフトする。したがって、これは、この第二平面の
半分でグレイレベルの主な反転を生じさせる。
に、ツイストネマチック型の液晶セルが様々な印加電圧
について交差した偏光子の間で観察される。入射角と透
過度の変化の関係を示す。図2は、水平面に関するもの
であり、図2aは、セルがアドレスされた状態における
液晶分子の分布を示している。図3は垂直面に関するも
のであり、図3aは、セルが励起された状態における液
晶分子の分布を示している。この図3aは、先に引き起
こされた非対称の起源を表す(グレイ反転は図2b及び
図3bではオーバラップする透過曲線によって示されて
いる)。
用してビデオ画像を表示する場合には、最低でも10の
コントラストを得てグレイ反転がないようにするために
は、使用可能な視角は水平で±30°、垂直で−25°
〜+5°の間に限定される。
ットがこのスクリーンに対して角度を変えた場合にも、
スクリーン上の読取り可能な情報要素を維持することが
不可欠であることに注目されたい。
レイレベルあるいはその両方の点における液晶セルの特
性の様々な挙動を観察することは、先に参照した種々の
形式のセル(TN、STN、フリーデリック、ECB)
について一般的なものであり、セルの平面に垂直または
ほぼ垂直な方向OZに基づいて、コントラストまたはグ
レイレベルあるいはその両方の点における液晶セルの角
度特性が前記平面XOZに垂直な平面YOZ内で最も有
利なものとなるように、平面XOZを規定することは一
般に可能である。
動の不都合を克服するために、本発明は、液晶セル上の
この平面YOZに沿ってコリメートされた照明を送り、
この同じ平面YOZに沿ってセルの出力部から光を分配
することを目標とする。
は、照明装置、液晶セルを含む液晶表示スクリーンであ
って、前記セルが、Oをセルの中心点とし、OZをセル
の平面に垂直またはほぼ垂直な方向として、平面XOZ
におけるコントラストまたはグレイレベルあるいはその
両方の点で最も好都合な特性を有し、前記スクリーン
が、 − セルに対して照明装置と同じ側に位置し、照明装置
から来る光束を平面XOZに直交する平面YOZ内でコ
リメートする手段と、 − セルに対して照明装置と反対の側に位置し、光束を
平面YOZに沿って分配する手段とを含む、液晶表示ス
クリーンである。
況では、本発明の目的は、照明装置と、基板に関して平
坦な方向に配向した液晶分子を二つの基板の間に含む液
晶セルを含み、分子の長軸がセルの中心の点Oにおいて
方向OYを規定し、スクリーンが、 − セルに対して照明装置と同じ側に位置し、方向OY
とセルの平面に垂直またはほぼ垂直な方向OZによって
規定される平面p1 内で、照明装置から来る光束をコリ
メートする手段と、 − セルに対して照明装置と反対の側に位置し、光束を
平面p1 に沿って分配する手段とを含む、液晶表示スク
リーンである。
折手段である(この場合には、手段はマイクロレンズの
配列でよい)。
ために、平面YOZに直交する平面XOZにおける視角
の増加を可能にする補償被膜を、平面YOZで使用され
るコリメート/分配手段と組み合わせることが可能であ
る。
らの手段はホログラフィ形式であることが有利であり、
これによって、後述するように後方散乱現象の制限が可
能になる。
付の図面から、本発明がより明確に理解され、またその
他の利点が明らかになろう。
晶セル(TN、STN、フリーデリックス型のセル)を
使用する表示スクリーンに関して記述するが、本発明は
ECB型セルにも適用することができる。
リメート手段を含む。この形式のコリメートは、例えば
従来の背面照明システムに一般に使用される蛍光管など
の、標準的円筒形光源に非常によく適している。
平面での散乱と結合したものは、さらに、二つの平面に
おいてコリメート/散乱手段によって発生したものより
も弱い後方散乱を発生させるという利点を有する。エビ
オニクス用のスクリーンの適用などのいくつかの適用で
は、この後方散乱の問題は、高い周囲の光度に起因する
大きな問題を示す。
略図を示すものであり、これは、 − 垂直面内でコリメートされた照明システム1、すな
わち光度50%における光束が、立体角Ω0 を規定す
る、一般的には±1°から±20°までの範囲になりう
る発散を有する垂直面に対応することが多い平面YOZ
と、±15°から±90°までの範囲の発散を有する水
平面に含まれる、前記照明システムと、 − 二つの偏光子の間に挿入された液晶セル2と、 − 水平面に対応することが多い平面XOZにおける視
角の改善を可能にする、一つまたは二つの補償被膜3
と、 − 例えばマイクロレンズシステムまたはホログラフィ
散乱装置でよい、垂直面において立体角Ω1内に光を分
配する手段4と、 − 後方散乱を減少させるために使用することができる
任意選択の偏光子5を含む。
ち一つの平面でコリメート/散乱システムを使用するた
めには、本発明による表示スクリーンによって得られる
空間的解像度が十分なものに保たれ、また様々なピクセ
ルから来る情報要素が液晶セルに対して散乱装置に位置
する観察者にとって混じり合わないことを確証すること
が重要である。
によって分けられた270μm(標準寸法)の平面YO
Zに沿ったサイズを有するピクセルを有するスクリーン
の場合、一つのピクセルから来て隣接ピクセルから来る
エネルギーと混ざるエネルギーのパーセンテージが低い
ままであることがわかる。この特性を図示するために、
図5は、±5のコリメートの場合の、液晶セルの基板、
散乱システム、及び出力偏光子によって形成されたユニ
ットの様々な厚さについて、エネルギーのこのパーセン
テージを示す。
結合された蛍光管を含んでいる。
面状であってもよい。これは、例えばウェルフォードと
ウィンストンによる「高収集非結像光学」(アカデミッ
クプレス出版1989年)に記載されているような光学
コンセントレータの形をとってもよい。この反射鏡はま
た蛍光管の周りに接着された簡単な反射被膜であっても
よい。
明システム 第一実施例では、図6に示すような放物面状の光学コン
セントレータである反射鏡12の中の蛍光管11を用い
た光源から来る光のコリメートは、平面YOZに沿って
得られる。この場合、コリメート角は反射鏡の高さHと
反射鏡の中に挿入された管の周囲に対応する表面Sとの
比によって決定される。
一要素から成るか、または液晶セルの平面に取り付けら
れたこのような要素の直線配列から成ってもよい。
放物面状の反射鏡22の中に挿入されている。このアセ
ンブリは平面ウェーブガイド23(例えばガラス板また
はプラスチック板)に結合されている。光はウェーブガ
イドからマイクロプリズム24の配列における鏡面反射
によって生じ、この反射は、全反射または配列上に付着
された反射層(例えばアルミニウム)のいずれかであ
る。ウェーブガイド25の別のスライス上に、反射層ま
たは蛍光管と反射鏡から成る第二アセンブリのいずれか
を取り付けることが可能である。
至るまで通すことのできるいずれの型の液晶を含んでも
よい。特に、これは、セルの特定の基板に固定すること
によってツイストネマチック(TN)形状にセル内に構
成されたネマチック液晶にすることもできる。
型セルを構成するコレステロールを基材とするセルにす
ることもできる。
リックスセルにすることもできる。
る。
に関して性能特性を最適化するには、液晶セルを一つま
たは複数の補償被膜と結合させることが有利である。
N型セルの場合には、偏光子の間に取り付けた一つまた
は複数の補償被膜(例えば遅延プレート)と液晶セルを
使用することが可能である。被膜をセルのいずれかの側
に置くこともできる。一般的には、これらは引き伸ばし
たポリビニルアルコール(PVA)またはポリカーボネ
ート(PC)の被膜にすることができる。PVAまたは
PCのフォイルがある一定の方向に引き伸ばされると、
ある屈折率を有する楕円体の複屈折材料が得られ、こう
してこの楕円体は葉巻の形状に似ており、この葉巻の長
軸は引き伸ばし方向に整列する。この形式の被膜はNi
tto社によって市販されている。
補償のためには、ある屈折率を有する楕円体であり、こ
の楕円体が平坦な平面を呈するような材料を得る必要が
ある。これは、フォイルを二つの垂直をなす方向に引き
伸ばして、ネマチック液晶の正の複屈折を補償すること
のできる負の複屈折を得ることによって、得ることがで
きる。
二つの被膜に置き換えることができる。これは、要求さ
れるものが一平面のみにおける角度特性であり場合には
(これは一般に本発明の場合である)、非常に良好に作
動する。
が、セル内でステップΔn・eにおける差が475nm
に近くなるようなものであれば(ただしeはセルの厚
さ、Δnは常態屈折率と異常屈折率との差)、利用可能
な補償被膜が存在するので、これらの被膜は約340n
mの高さでこの差を補償する。
いセルに適用された、図2に示すものと同じ制御電圧に
ついて、水平面における視角の関数として透過の進行を
示すことによって、上記の性能特性を表すものである。
る。
される散乱手段は、ホログラフィ型であることが有利で
ある。
の干渉を記録することを想起されたい。いったんホログ
ラムが作られると、これは、参照波によって照明される
場合に物体波を復元する。
に、物体波は平面波によって照明される散乱装置から来
る波によって形成され、この散乱装置はホログラフィ媒
体に平行に置かれ、このホログラフィ媒体の中で干渉を
記録することが要求される。この媒体は、二つの波の間
の干渉パターンの強度を屈折率の変化の形で記録するこ
とのできる、光重合体型または重クロム酸塩ゼラチン型
の感光性媒体にすることもできる(位相ホログラム)。
同じ波Oi によって照明される場合には、散乱波Os を
復元する。
て立証されると、すなわちdをホログラムの厚さ、λを
記録波長、no を感光性媒体の平均屈折率、Λを回折格
子の平均ピッチとして、2πdλ/no Λ2 >>1の条
件が満たされると、読取り波と呼ばれる波Oi のエネル
ギーすべては、選択された散乱ローブによって選択され
た方向に向け直される。
に後方散乱を発生させるので、特に周辺照明の後方散乱
について非常に選択的であることに注目すべきである。
ために、表面ホログラム型の浮彫り回折格子構造(rais
ed grating structure)を作ることも可能である。現
在、このようなホログラフィ散乱装置はPOC(カリフ
ォルニア州Tonance のフィジカルオプティクス社)によ
って市販されている。
ェーブガイドをアルミニウムで被覆したマイクロプリズ
ムと共に使用し、照明された表面積は70×90mm2
である。
ツイストネマチック型液晶セル(東芝参考文献TFD
40W 13−MS)。
社参考文献 LSD 20°×80°、すなわち±10
°と±40°のコリメート)。
子は散乱装置の出力側において、周辺光におけるコント
ラストの増加を可能にする。その理由は、散乱装置を通
過する波の偏光は本質的に保存される一方で、後方散乱
波の偏光は本質的に壊されるからである。この偏光は、
液晶セルの出力側に位置する偏光子の偏光と平行になる
ように選択される。
軸コリメート/散乱装置なしの同じスクリーンについて
得られる。
スクリーンと本発明によるスクリーンについて、また様
々な制御電圧について、水平面、45°平面、及び垂直
面における視角と光度との関係を示す。これらの図か
ら、グレイ反転の問題は本発明において提唱される表示
スクリーンを通じて解決されたことを、極めて明確に見
ることができる。
して得られる性能特性は水平より垂直における方がよ
い。
能な性能特性を得ることを選択してもよい。この目的の
ために、液晶の整列方向は、セルの中心において、長軸
が水平である液晶分子を得るように、従来選択されてい
る配向に対して回転される。この場合には、コリメート
/散乱手段は水平面で使用される。
て、コントラストに関する最高の特性はセル平面に垂直
な平面においてではなく、セル平面に対する垂線に関し
てわずかに傾斜した平面において達成される。
に、交差偏光子モードで、コントラストに関する最高の
特性が、垂線に対して5°から15°まで傾斜した平面
において得られる。この例では、したがって方向OZは
セルの平面に対する垂線とわずかな角度を形成する。し
たがって、装置が最も効率的に性能を発揮する平面と同
じ平面でコリメートするように適合された後方散乱シス
テム1を使用することによって、本発明のシステムの性
能特性を向上することが可能である。
蛍光管と背面にマイクロプリズムを有するウェーブガイ
ドに結合された放物面状反射鏡とともに使用されるとき
には、プリズムの角度の簡単な変更で目標達成が可能に
なる。
システムを使用する本発明による装置ではまた、問題の
出力基板において、すなわち基板の外側で色フィルタの
使用を考慮することが可能になる。これはコストと技術
的容易性(例えば、セルの外側にフィルタを得るための
写真形式の印刷)の点で主な利点を示すものである。
ムを、液晶層と色フィルタ層との間にある一定の距離を
有するために使用することができる。色の飽和を減少し
ないためには、やはり±1°〜±7°というかなり小さ
なコリメート角とまた比較的小さな基板厚さ(約0.7
mm)を予定することが必要である。
一定の距離に散乱手段を置くことによって、色フィルタ
R、G、Bの各々から来る光線をわずかに混合して、色
フィルタの可視性を部分的に除くことが可能である(色
フィルタが縞状に配置されているとき)。
チック液晶表示スクリーンの標準的な構造を示す図であ
る。
おける液晶分子の分布を示す図である。
面におけるセルの平面に対する垂線に関する観察視角の
関数としての、ツイストネマチックセルの透過の進行を
示す図である。
る液晶分子の分布を示す図である。
面におけるセルの平面に対する垂線に関する観察視角の
関数としての、ツイストネマチックセルの透過の進行を
示す図である。
る、セルから来て隣接セルからのエネルギーと混じり合
うエネルギーのパーセンテージの進行を示すダイアグラ
ムである。
後方散乱手段とコリメート手段とを組み合わせる装置の
第一実施例を示す図である。
後方散乱手段とコリメート手段とを組み合わせる装置の
第二実施例を示す図である。
クリーンについての、水平面における視角と透過の進行
との関係を示すダイアグラムである。
クリーンについての、水平面、傾斜平面、及び垂直面に
おける視角と輝度の進行との関係を示すダイアグラムで
ある。
クリーンについての、水平面、傾斜平面、及び垂直面に
おける視角と輝度の進行との関係を示すダイアグラムで
ある。
クリーンについての、水平面、傾斜平面、及び垂直面に
おける視角と輝度の進行との関係を示すダイアグラムで
ある。
についての、水平面、傾斜平面、及び垂直面における視
角と輝度の進行との関係を示すダイアグラムである。
についての、水平面、傾斜平面、及び垂直面における視
角と輝度の進行との関係を示すダイアグラムである。
についての、水平面、傾斜平面、及び垂直面における視
角と輝度の進行との関係を示すダイアグラムである。
Claims (10)
- 【請求項1】 照明装置及び液晶セルを含む液晶表示ス
クリーンであって、前記セルが、Oをセルの中心点と
し、OZをセルの平面に垂直またはほぼ垂直な方向とし
て、平面XOZにおけるコントラストまたはグレイレベ
ルあるいはその両方の点で最も好都合な特性を有し、前
記スクリーンが、 セルに対して照明装置と同じ側に位置し、照明装置から
来る光束を平面XOZに直交する平面YOZ内でコリメ
ートする手段と、 セルに対して照明装置と反対の側に位置し、光束を平面
YOZ内で分配する手段とを含む液晶表示スクリーン。 - 【請求項2】 液晶セルが二つの基板の間に、基板に関
して平坦な方向に配向した液晶分子を含み、分子の長軸
がセルの中心Oにおいて、平面YOZを規定することを
可能にする方向OYを規定している請求項1に記載の表
示スクリーン。 - 【請求項3】 液晶セルと光分配手段との間に一つまた
は複数の補償被膜を含み、前記被膜が平面XOZ内で均
質な光束の増加を可能にする請求項1または2に記載の
表示スクリーン。 - 【請求項4】 照明装置とコリメート手段が、円筒形状
または放物面状の反射鏡中に挿入された一つまたは複数
の蛍光管を含む請求項1から3のいずれか一項に記載の
表示スクリーン。 - 【請求項5】 反射鏡の中に挿入された蛍光管によって
規定される一つまたは複数のアセンブリを含み、各アセ
ンブリがウェーブガイドの側面に位置し、ウェーブガイ
ドの液晶セルに対向する面が前記セルに対してコリメー
トされた形で光を抽出する手段を含む請求項4に記載の
表示スクリーン。 - 【請求項6】 光を抽出する手段がマイクロプリズムの
配列から成る請求項5に記載の表示スクリーン。 - 【請求項7】 平面YOZ内で光を分配する手段がマイ
クロプリズムの配列を含む請求項1に記載の表示スクリ
ーン。 - 【請求項8】 平面XOZ内で光を分配する手段がホロ
グラフィ散乱装置を含む請求項1に記載の表示スクリー
ン。 - 【請求項9】 光分配手段の出力部に偏光子を含む請求
項1に記載の表示スクリーン。 - 【請求項10】 基板の一方がスイッチング素子のマト
リクスを含み、他方の基板が外面に色フィルタを含む請
求項1に記載の表示スクリーン。
Applications Claiming Priority (2)
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