JPH10501349A - 円ノッチ偏光子を利用する減法混色液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 複数の円偏光子を採用する減法混色液晶表示装置。減法混色表示装置においては、各画素は３つの液晶スイッチング素子を有する。それぞれの液晶スイッチング素子に円偏光子と、１／４波長遅延板との組合わせが隣接している。円偏光子と１／４波長遅延板との組合わせは、原色（赤，緑，青）のそれぞれについて分離した急勾配の偏光帯域に対する直線ノッチ偏光子を形成する。ノッチ偏光子は、光の透過率を向上させ且つ色閾を拡張させるために、表示装置の特定のバックライトに同調される。円ノッチ偏光子はコレステリック液晶シリコーンであるのが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】 円ノッチ偏光子を利用する減法混色液晶表示装置 発明の背景 フルカラー英数字ビデオ画像，フルカラーグラフィックビデオ画像及び／又は テレビジョン形ビデオ画像を生成する従来のセグメント化表示技法又はマトリク ス表示技法は、赤（Ｒ），緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の小さな原色画素の高密度配列 を介する加法混色合成に基づいていた。 視覚情報表示装置においては、カラー符号化は一般的な特徴となっている。カ ラー表示システムやその適用用途には、現在、多くの種類があるが、有用である と思われる色の数多くの用途は既存のカラー表示技法の制約のために開発されて いない。既存のほぼ全てのカラー表示装置は、３原色の非常に小さな点（すなわ ち、非常に小さなＲ，Ｇ及びＢの画素）の空間的統合、あるいは交番する原色の 逐次提示される画像フィールドの時間的統合のいずれかによってフルカラーが生 成されるという点で、加法混色システムである。 色合成のためのこれらの加法混色方式は、いずれも重大な制約を有する。空間 加法混色合成の場合、３原色の小さな要素（すなわち、Ｒ，Ｇ及びＢの画素）が 対向する投影角度を人間の視覚系統の空間的統合域の中に包含させなければなら ないので、高い画素密度、すなわち、高い分解能が必要である。３原色要素が大 きすぎると、完全な色合成は行われず、画像の中に色縞模様カラーパターンが現 れる。シャドーマスク陰極線管と同様に、フルカラー画像を生成するために、空 間的に分離した３原色要素の３つの「集団」が必要とされるので、その結果、表 示装置で利用可能な画像サンプリング分解能は低下してしまう。センサビデオ情 報の表示用のシステムのように、フルカラーと非常に高い画像分解能を要求する 用途の場合、画像サンプリング分解能が失われるために、カラー合成のための空 間加法混色方式は一般には実現不可能である。加えて、カラー情報表示装置の数 多くの用途は、カラーコード化英数字表示装置又はカラーコード化記号表示装置 のように、ごく低い画像分解能しか必要としない。低分解能の表示装置の場合、 画像分解能の条件は相当に低いとはいえ、適切なカラー合成を行うためには相対 的に高い画素分解能又は高い密度が要求されるので、一般には空間加法混色技法 は不適切である。通常、画素密度を高くすればコスト高となり、低分解能表示装 置で有用であると思われる数多くの色の用途は、空間加法混色表示技法のコスト が相対的に高いために、開発されないままである。 時間カラー合成は空間的に分離したＲ，Ｇ及びＢの画素の３つの「集団」に基 づいてフルカラー画像を生成するのではなく、原色画像を急速に逐次交番させる ことによってカラー合成を実行する。このカラー合成方式は、空間カラー合成の ようには画像分解能を低下させない。フルカラー制御は個々の画像画素で有効に 実行される。一般に、時間合成は、広帯域画像形成源が光を時間的に順次カラー フィルタ（典型的にはＲ，Ｇ及びＢ）を通過させることによって実行される。そ れぞれ対応するフィルタが画像形成源の前方にある間に所期の色の中の画像の適 切な部分が表示されるように、画像形成源を３つのカラーフィルタと同期させな ければならない。そのような「フレーム逐次」カラー表示システムで最も良く見 られる制約は、画像形成源としての広帯域蛍光体（すなわち、白色光を放射する ）と、カラーレンダリング素子としてのＲフィルタ，Ｇフィルタ及びＢフィルタ を含む回転カラーホィールとを有する陰極線管の使用によって象徴されている。 さらに最近によって、カラーホィールの代わりに、本質的には液晶（ＬＣ）スイ ッチング可能光学偏光子と、いくつかの偏光カラーフィルタ膜の層とから構成さ れる非機械的構成要素が使用されるようになっている。 時間カラー合成を使用するカラー表示システムの欠点は、そのようなシステム においては、個別の原色画像フィールドが時間的に分離されており、総表示観察 期間の三分の一の時間しか存在していないという事実に根づいている。３つの加 法混色画像フィールドは空間加法混色表示装置又は単色表示装置の単一のフィー ルドとして同じ時間の量で提示されなければならないので、フレーム逐次表示装 置は、画像のちらつきを最小にするのに十分に速い再生速度でフルカラー画像を 生成するために、きわめて大きいシステム帯域幅を要求する。単色表示装置又は 空間加法混色表示装置と同等の大きなシステム帯域幅と高いフルカラー再生速度 をもっているとしても、逐次カラー画像フィールドの相互間には輝度の変調が存 在しているために、フレーム逐次カラー表示装置は画像のちらつきを生じやすい 。ところが、時間合成による色混合の方式のさらに重要な制約は、多くの場合、 表 示画像又は観察者の目が動いている間に混合色が個々の原色画像成分に混濁する か又は分離するように見えることである。 これらの加法混色方式に代わる方法が減法混色である。減法混色では、表示装 置の１つの画素は３つの積層スイッチング素子と、原色ごとのカラーフィルタと から構成されている。白色光は、積層から所望の色が放射されるまで、原色の一 部分ずつがフィルタリングで除去された状態でスイッチング素子を透過する。各 スイッチング素子は個別に動作して、色の含有量と画像組立てを制御できる。 １つの減法混色方式においては、それぞれが異なるゲスト二色性染料（典型的 にはマゼンタ（マイナスＧ）染料，シアン（マイナスＲ）染料及び黄色（マイナ スＢ）染料）を含む３つのゲスト／ホスト液晶セルを関連する構造要素及び光学 素子（たとえば、偏光子及び／又は光ファイバプレート）と共に位置合わせして 積層する。装置を低分解能フルカラー表示装置又は高分解能フルカラー表示装置 として構成する場合、セルはパターン電極（用途によっては、それに加えて個々 の画素の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの積分サンプルホールド機能）を含み 、装置を単純な電子カラーフィルタとして構成する場合には、均一電極層を含む 。装置をカラー表示装置として構成する場合、フルカラー画像表現のためには広 帯域の照明源があるだけで良い。単純な電子カラーフィルタ構成では、装置は、 広帯域ランプを伴う白色放射蛍光体又はバックライトパターン照明器を有する陰 極線管などの広帯域画像形成源と組合わせて使用される。 別の種類の減法混色液晶カラー表示装置においては、表示装置は第１，第２及 び第３の減法混色ＬＣＤフィルタから構成されており、各フィルタは、原色の１ つをその他の減法混色カラーに大きな影響を及ぼすことなく多色光ビームから独 立して減じる手段を含む。それぞれの減法混色ＬＣＤフィルタは波長選択ダイク ロイック偏光子を液晶セルと組合わせて、様々に異なる量の入射スペクトル放射 エネルギーを３つの原色エネルギー帯域の１つの中から選択的に減じることがで きるフィルタを構成する。従来の減法混色フィルタでは、能動スイッチング素子 としてツイステッドネマチック（ＴＮ）又はスーパーツイステッドネマチック（ ＳＴＮ）を使用できることがわかっている。 従来の減法混色表示装置は、通常、市販のシートタイプのカラー偏光子を組込 んでいる。それらは、通常、特定の帯域の可視スペクトルを偏光するために平行 にアライメントされた二色性染料を埋め込んだガラス又はプラスチックの薄いシ ートから形成されている。この種の偏光子の欠点は、選択されない原色のかなり の振幅が漏れてしまい、色純度や色域が制限されるので、選択された色のグレイ スケール調光の間に色度のシフトが起こることである。加えて、ダイクロイック 偏光子は広範囲で吸収し、色純度を向上させるために組合わせて利用されたとき には、広い偏光帯域の重なり合いによって、透過率をひどく制限する。たとえば 、理想的な場合のシアン偏光子は赤のみを偏光し、緑と青の波長を１００％透過 すべきである。しかしながら、典型的なシアンダイクロイック偏光子は緑の３０ ％，青の５０％しか透過しない。減法混色システムにおいては、赤，緑，青の色 は連続して発生され、マゼンタ，黄色，シアンの偏光子の重なり合いはその透過 率損失を倍増するので、その重なり合いは重大である。また、シアン，マゼンタ ，黄色の個々の偏光子が透過する通過帯域波長の割合は均等ではない。広い色域 を生成するためにそれらの偏光子を数多く組合わせると、その結果、白色状態透 過率は低くなり、個々の選択色のうちいくつかの色の透過率は白色状態透過率よ りはるかに低くなる。従って、透過率が低いことに加えて、赤の選択，緑の選択 ，青の選択を一体に加えても、理想のシステムで得られると考えられるような白 色選択のスペクトル及び輝度とは等しくならない。 従って、本発明の目的は、透過品質，色域及びグレイスケールを改善しつつ減 法混色を実行することである。 発明の概要 ここでは、円ノッチ偏光子を採用する減法混色液晶表示装置を開示する。表示 装置は、光をフィルタリングするように作用する複数の画素に入射する光を放射 する照明手段から構成されている。各画素は、入射光の偏光を選択的に回転させ る３つの能動スイッチング素子から構成されている。各々のスイッチング素子の 両側には、光源に対し同調され、入射光の分離帯域を偏光するノッチ偏光子があ る。ノッチ偏光子は、特定の１つの原色に対応する少なくとも１つの円ノッチ偏 光層と、１／４波長遅延板とから構成されている。円ノッチ偏光子と１／４波長 遅延板は組合わされて、入射光の１つの分離帯域に対し直線ノッチ偏光子を形成 する。 ノッチ偏光子は入射光の特定の帯域幅を偏光するように同調される。使用され る光源の種類に応じて、この帯域幅を拡張又は縮小させることができる。ノッチ 偏光子のもう１つの利点は、フィルタの重なり合いを著しく大きく減少させ且つ 透過率とコントラストを向上させる急勾配の偏光帯域である。これらのノッチ偏 光子フィルタを二色性染料型の偏光子と組合わせて使用することもでき、その場 合、コントラスト比は大きく増進し、また、二色性染料型偏光子のみを使用した ときと比較して、透過率の向上も達成される。 図面の簡単な説明 図１Ａ及び図１Ｂは、空間加法混色カラー合成法を使用してフルカラー画像を 生成する２つの既存の方式、すなわち、シャドーマスクカラー陰極線管（図１Ａ ）と、Ｒ，Ｇ及びＢカラーフィルタアレイを有するアクティブマトリクスアドレ ス液晶表示パネル（図１Ｂ）とを示す。 図２は、減法混色液晶表示装置の概念展開図である。 図３は、円ノッチ偏光子及び遅延膜を有する好ましい減法混色液晶表示装置の 中の１つの画素の三次元展開図である。 図４は、円ノッチ偏光子及び遅延膜を利用するツイステッドネマチック減法混 色液晶表示装置の中の１つの画素に関する真理値表である。 図５は、ほぼ等価の色域を得るために使用されるノッチ偏光子又はダイクロイ ック偏光子のいずれかを伴う画素の白色光に関する比較透過率図である。 図６は、ノッチ偏光子又はダイクロイック偏光子のいずれかを伴う画素の赤色 光に関する比較透過率図である。 図７は、ノッチ偏光子又はダイクロイック偏光子のいずれかを伴う画素の緑色 光に関する比較透過率図である。 図８は、ノッチ偏光子又はダイクロイック偏光子のいずれかを伴う画素の青色 光に関する比較透過率図である。 図９は、ＮＴＳＣ規格をダイクロイック偏光子及びノッチ偏光子の減法混色シ ステムと比較する色度図である。 図１０は、ダイクロイック赤色フィルタとノッチ赤色フィルタの性能を比較す る透過率図である。 図１１は、広帯域ランプの出力スペクトルを示す。 図１２は、フィルタ同調広帯域ランプの出力スペクトルを示す。 図１３ａは、３帯域光源の出力スペクトルを示す。 図１４ａ〜図１４ｄは、単一層円ノッチ偏光子の、厚さが増すにつれた性能を 示す透過率図である。 図１５は、多層ノッチ偏光子の構成を示す。 図１６ａ及び図１６ｂは、多層ノッチ偏光子の性能を示す透過率図である。 図１７ａ及び図１７ｂは、ダイクロイック偏光子とノッチ偏光子の組合わせの 性能を示す透過率図である。 図１８ａは、直視時に原色ピークに同調されるノッチフィルタを表わすグラフ であり、図１８ｂは、斜めの角度から見る場合のノッチの幅を示すグラフである 。 好ましい実施形態の説明 図１Ａ及び図１Ｂは、空間加法混色情報表示装置の２つのごく一般的な実施形 態を示す。まず、図１Ａを参照すると、市販のカラーテレビジョン受像機で使用 され、カラー情報表示装置として主要な装置であるような典型的なシャドーマス ク陰極線管１００が示されている。シャドーマスクカラー陰極線管では、それぞ れが関連する電子ビーム１０２によって励起される密接して位置するＲ，Ｇ及び Ｂの蛍光体ドット１０６からの発光を空間的に統合することにより、フルカラー が得られる。蛍光体ドットは陰極線管の面１０４に配置されている。電子ビーム １０２は複数の電子銃によって発生する。Ｒ，Ｇ及びＢの蛍光体ドット１０６は 画素グループ１０５を成して配列されている。１つの画素グループ１０５の各蛍 光体ドットを励起する電子ビーム１０２は、シャドーマスク１０３中の各画素グ ループ１０５と関連するアパーチャを通過する。尚、色情報の空間的統合は表示 装置によってではなく、観察者の目によって行われるので、個々の原色要素が観 察者の目では個別に分解可能でないように、表示装置は十分な分解能を有するこ とが必要である。 次に図１Ｂを参照すると、空間加法混色合成に基づく別のフルカラー表示装置 が示されている。この表示装置は、一般に、アクティブマトリクスアドレス指定 液晶カラーマトリクス表示装置と呼ばれる。画像形成や色混合の基本原理はシャ ドーマスクカラー陰極線管で使用されている原理と同じであるが、液晶カラーマ トリクス表示装置１２０は、カラーフィルタ（典型的にはＲ，Ｇ及びＢ）のマイ クロ層を通して入射光をゲーティングするために各画素で電子制御光弁として個 別に作用する液晶物質を採用している。バックライト１３０は偏光物質１２７を 透過する。次に、バックライトは、薄膜トランジスタ１２８が配置されているガ ラス基板１２６を透過する。液晶物質１２５はガラス基板１２６と共通（透明） 電極１２３との間に封入されている。フィルタ１２４は各薄膜抵抗器１２８と関 連している。薄膜トランジスタ１２８は関連するフィルタ１２４を透過する光の 強さを制御する。３つのフィルタ（Ｒ，Ｇ及びＢ）１２８が１つの画像画素を形 成する。フィルタを通過した光は、次に、ガラス基板１２２と偏光ユニット１２ １を透過する。 図２は、減法混色液晶表示装置の構造を概念の上から示す。光源２は、ＲＧＢ 減法混色積層８に入射する光を放射する。概念のレベルでは、この積層８は３つ の別個のカラーフィルタ１０，１２及び１４から構成されている。それぞれのフ ィルタは、光源２から放射される光からの可視スペクトルの一部を選択的に除去 する。図示した構成においては、黄色フィルタ１０は青色光を除去するように作 用し、シアンフィルタ１２は赤色光を除去するように作用し、マゼンタフィルタ １４は緑色光を除去するように作用する。これらのフィルタの各々の中に、所望 の出力に応じてターンオン，ターンオフできる個々の画素１１がある。フィルタ １０，１２及び１４内部の個々の画素を操作することにより、カラー画像を生成 する。 本発明は減法混色技法を液晶表示装置に取り入れている。周知の通り、各表示 装置は多数の個別の画素から構成されている。表示装置の一実施形態の１つの画 素の詳細な図を図３に示す。画素は、両側にカラーノッチ偏光子が配置された３ つの能動スイッチング素子２８，３８及び４８を有している。これらの素子の組 合わせが積層構造を形成する。各々の能動スイッチング素子は、液晶を間に封入 した２つの透明電極から構成されている。本発明の好ましい実施形態で使用され る液晶はツイステッドネマチック（ＴＮ）液晶であるが、スーパーツイステッド ネマチック（ＳＴＮ）液晶を使用しても良い。電極に電圧が印加されないとき、 液晶は素子に入射する光の極性をねじる。電圧があるときには、入射光は極性を 変えずに通過する。スイッチング素子２８に、１／４波長遅延板２４を伴う黄色 円偏光子２２が隣接している。黄色円偏光子２２と１／４波長遅延板２４の組合 わせは、青色光に対する直線偏光子として作用する。四分の一波長遅延板３０は 直線偏光された青色光を円偏光に変換し、偏光の方面は、ツイステッドネマチッ ク液晶（オン又はオフ）から射出し、遅延板３０に入射する青色の直線偏光の入 射方向によって右回り又は左回りとなる。反対側の遅延板から射出する青色円偏 光は、右回り又は左回りの方向が遅延板３０の方向と同じであるか又は逆である かに従って、透過（通過）するか又は反射される（消失する）かのいずれかであ る。偏光子と、１／４波長遅延板と、スイッチング素子との組合わせは、青色光 に対する選択的フィルタとして作用する。 偏光子３２とスイッチング素子３８との間にはマゼンタ円偏光子３４と、１／ ４波長遅延板３６とがある。この組合わせは緑色光に対する直線偏光子として作 用する。スイッチング素子３８の反対側には１／４波長遅延板４０と、マゼンタ 円偏光子４２がある。１／４波長遅延板３６及び４０と、マゼンタ円偏光子３４ 及び４２との組合わせは、スイッチング素子３８の状態に従って、緑色光を消失 させるか又は通過させる選択的フィルタとして作用する。偏光子４２とスイッチ ング素子４８との間にはシアン円偏光子４４と、１／４波長遅延板４６がある。 この組合わせは赤色光に対する直線偏光子として作用する。スイッチング素子の 反対側には１／４波長遅延板５０と、シアン円偏光子５２がある。１／４波長遅 延板４６及び５０と、偏光子４４及び５２との組合わせは、スイッチング素子４ ８の状態に従って、赤色光を通過させるか又は消失させる選択的フィルタとして 作用する。フィルタはどのような順序であっても良く、図３に示す順序は全く限 定的なものではない。 図４に示す真理値表を検討することにより、減法混色液晶表示装置の１つの画 素の動作を理解できる。真理値表は、減法混色表示装置アセンブリを通過する光 の偏光と変調を追跡したものである。非偏光白色（ＲＧＢ）光は入射光媒体であ る。交差する矢印は偏光されない光を示す。直線偏光はＸ及びＹの偏光を表わす 方向矢印により指示されている。黒点は色の消失を示す。３つの記号から成る各 グループにおける色の順序はＲ，Ｇ，Ｂである。シアン，マゼンタ及び黄色の円 偏光子は赤，緑，青をそれぞれ円偏光する。これらの偏光子は右回りの円偏光を 通過させ、左回りの円偏光を阻止（反射）する。四分の一波長遅延板は、各々の ツイステッドネマチック液晶セルに入射する前に、円偏光カラーを直線偏光に変 換する。液晶セルは直線偏光をオフ状態では９０度回転させ、電界オン状態では 回転させない。出力四分の一波長遅延板は、Ｙ直線偏光カラーが右回りに円偏光 され且つＸ直線偏光カラーは左回りに円偏光されるようにアライメントされてい る。右回り円偏光カラーＲ，Ｇ及びＢは出力円ノッチ偏光子Ｃ，Ｍ及びＹによっ てそれぞれ透過され、左回り円偏光カラーＲ，Ｇ及びＢは出力円ノッチ偏光子Ｃ ，Ｍ及びＹによってそれぞれ消失（反射）される。この一連の減法混合カラーに おける各々の減法混色カラー変調素子の順序は右回り円偏光子，四分の一波長遅 延板，ツイステッドネマチック光弁，四分の一波長遅延板，右回り円偏光子の順 となっている。一連の左回り円ノッチ偏光子並びに左回りと右回りの円ノッチ偏 光子の連続の組合わせも同等の成果をもって構成できる。上記の連続する素子の 全ては、希望に応じて、通常着色状態又は通常白色状態に方向づけできる。 当初、画素に入射する光は３つの原色全ての要素を含む白色である。光が画素 を通って進むにつれて、観察者に伝えられるべき所望の色に応じて、減法混色さ れるか又は通過する。本発明のこの実施形態においては、偏光子は、まず、マゼ ンタ偏光子が位置し、次に黄色偏光子があり、第３にシアン偏光子が来るという 順序になっている。先に説明した通り、マゼンタ偏光子は緑色光を偏光し、黄色 偏光子は青色光を偏光し、シアン偏光子は赤色光を偏光する。真理値表によれば 、白色光がマゼンタ円偏光子に入射すると、光の緑色成分は円偏光されるが、光 のその他の成分は変化せずに通過する。１／４波長板では、円偏光された緑色光 は一方向に直線偏光される。液晶セルに電荷が加われば、通過する光の偏光は変 化しないが、液晶セルがオフである場合には、光の偏光は９０°回転する。液晶 セルの反対側にある１／４波長板は第１の方向に偏光された緑色光を反時計回り 方向に円偏光し、第２の方向に偏光された緑色光を時計回り方向に円偏光する。 第２のマゼンタ円偏光子では、反時計回り方向に円偏光された緑色光は阻止され る が、時計回り方向に偏光された緑色光は通過する。黄色とシアンのノッチ偏光子 は赤色光と、青色光とに対してそれぞれ同じ機能を果たす。入射光のそれらの成 分は完全にフィルタリングされるか又は通過する。真理値表の最上部に見られる ように、画素から光の８つの基本的な組合わせの全て（３原色，減法混色，白色 及び黒色）が射出できる。しかしながら、これは様々なシェーディング技術や、 それらの液晶セルを部分的にターンオン，ターンオフすることにより形成できる グレイスケールを考慮に入れていない。真理値表は、単に、減法混色液晶表示装 置の１つの特定の画素の、フルカラーを得るための基本動作を示しているにすぎ ない。 円ノッチ偏光子と１／４波長遅延板の組合わせは、入射光に対する直線偏光子 を形成する。本発明の好ましい実施形態では、円ノッチ偏光子の構成においては コレステリック液晶シリコーンを使用する。コレステリック液晶シリコーンから 製造された偏光子は、ＴＮ ＬＣＤ減法混色表示装置のほぼ理想的な偏光子であ る。それらの偏光子は非常に急勾配で、分離された偏光帯域を有し、可視スペク トルの特定の波長領域を偏光するため、一般にノッチ偏光子と呼ばれる。染料又 はヨウ素を使用する従来の偏光フィルタとは異なり、コレステリックフィルタは 光を吸収せずに、偏光を反射し、残る部分を通過させる。 液晶シリコーンは、液晶相を誘起するためにバックボーンとしてのシロキサン 環及びメソジェニック側基を伴う側鎖ポリマーである。ピッチ，ヘリシティ及び 反射色はメソジェニック側基の種類と比によって決まる。液晶シリコーンはドイ ツのＷａｃｋｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能である。コレステリッ ク液晶シリコーン（ＣＬＣＳ）混合物は、特性偏光ノッチ波長の場所についてカ イラリティを調整するように調整される。適切な物質を使用することにより、熱 処理又はＵＶ照射でＣＬＣＳを架橋できる。 ＣＬＣＳ直線偏光子は特定の波長に同調され、次に、色（赤，緑及び青の波長 ）ごとに特定の１／４波長遅延に適合させた１／４波長膜に接合される。赤，緑 ，青の最適化ＣＬＣＳ円ノッチ偏光反射膜の１／４波長遅延のためにストレッチ ポリマー膜を選択したが、それらは特定のランプスペクトル出力に最適に同調さ れている。これは、直線偏光変換と比較してより高い偏光効率及びより高い透過 率 を得るために、円偏光の直線変換を最大限にする。無彩色（広帯域）遅延板を使 用することも可能である。１／４波長遅延板は円偏光を直線偏光に変換し、直線 偏光を円偏光に変換する働きをする。帯域外透過を最大にし、使用される照明（ 広帯域又は狭帯域）に対して、シアンノッチとマゼンタノッチとのわずかな重な り合いと、マゼンタノッチと黄色ノッチとのわずかな重なり合いを最小にするた めに、ＣＬＣＳ層の厚さはノッチ偏光帯域幅を最適化するように校正される。 ここで説明するノッチ偏光子の利点は、入射光の大部分をフィルタリングする のではなく、これらのフィルタが分離色帯域を鮮明に除去することである。コレ ステリック液晶シリコーンから製造されたフィルムは円偏光の分離帯（５０％） を一方向のカイラリティとして効率良く反射する一方で、狭いノッチ帯域で逆の カイラリティ方向に効率よく円偏光された光として光の約５０％を透過する。こ れらのノッチ偏光子は分離偏光帯域以外の非偏光の８０〜１００％を透過するが 、これはほぼ理想的な偏光子特性であり、市販されているダイクロイック偏光子 の特性よりはるかにすぐれている。図５から図８は、ここで説明するノッチ円偏 光子を使用する画素と、市販のダイクロイック偏光子を使用する画素の光透過率 を比較したものである。照明源は三帯域ランプである。 図５は、双方の種類の画素を通過する白色光の透過率を示す。点線はノッチ偏 光子の白であり、実線はダイクロイックの白である。グラフからわかるように、 円ノッチ偏光子を通過する白色光の透過率は同等の色域に関してダイクロイック フィルタを透過する白色光の量の何倍にもなっている。図６は、画素から赤色光 が放射される状況を示す。ノッチフィルタの場合、入射光の青色成分と緑色成分 はほぼ完全に除去されるが、赤色光の透過率はダイクロイックフィルタで得られ ると考えられる透過率の２倍を越える。また、このグラフは、円ノッチ偏光子に よりフィルタリングされる狭く、急勾配の光の帯域をも示している。青と緑の間 のスペクトル及び緑と赤の間のスペクトルは画素を通過できる。図７及び図８は 、青色光及び緑色光のそれぞれに関する画素の性能を示す。この場合にも、フィ ルタリングされる光の狭く、急勾配の帯域は明らかである。 これらの結果は、減法混色カラー光弁において最適化カラーダイクロイックフ ィルタ技法と比較して光透過率が驚くほど改善されることを示すと共に、色域も 改善されたことを示している（すなわち、色域が犠牲になるどころか、改善が見 られる）。図９では、ノッチ偏光子の推定色域をダイクロイック偏光子の色域及 びＮＴＳＣ規格と比較して、色度図に示している。色度図は３つの色域を表わし ている。第１の色域は、二色性染料カラーシート偏光子及び他の二色性染料型偏 光子を有する、完全色域を得るためのツイステッドネマチック減法混色カラー表 示装置である。第２は、ＣＲＴのＮＴＳＣ規格特性である。第３は、円ノッチ偏 光子と、四分の一波長遅延板と、同調光源とを利用するツイステッドネマチック 減法混色カラー表示装置である。色域をＣＩＥ１９７６色度座標で示した。ノッ チ偏光子の色域は、より多くの色相を利用でき、最大である。 カラー円偏光ノッチフィルタのもう１つの利点は、隣接するカラーフィルタの 重なり合いが少なくなったことである。図１０は、ノッチフィルタと従来のダイ クロフィルタによる赤色のフィルタリングの比較を示す透過率図である。図を見 るとわかるように、円ノッチ偏光子は狭い帯域の中だけで赤色光をフィルタリン グし、可視スペクトルの他の領域への重なり合いはごくわずかである。従来のダ イクロイックフィルタの場合、赤色光はフィルタリングされるが、緑色光も大幅 にフィルタリングされる。これはカラー表示装置の輝度とコントラストに悪影響 を及ぼす。 減法混色表示装置においてカラー円ノッチ偏光子の利点を利用するためには、 ノッチ偏光子のそれぞれについて、光源と偏光帯域幅とを何らかの形で光学的に 同調させなければならない。偏光帯幅は、光源により放射されるどのような光を もフィルタリングするのに十分な広い幅でなければならない。本発明の別の実施 形態では、３つの原色の狭い帯域で光を放射するように同調されるか、３つの原 色のより広い帯域にわたって光を放射するようにフィルタ同調されるか、又は広 い帯域にわたって光を放射する光源と共に、円カラーノッチ偏光子の利点を利用 することができる。 図１１は、典型的な広帯域ランプの出力のグラフである。この光源の場合、可 視スペクトルの範囲の光を放射する。減法混色表示装置の性能を改善するために は、図１２に示す成分により類似する成分を含む光を放射すると有利である。こ の特定のグラフは、ノッチフィルタを伴い、赤色ピーク，緑色ピーク及び青色ピ ークに同調された３００ワット広帯域ランプのものである。それらのノッチフィ ルタはランプの一部として内蔵できる。ノッチフィルタは前述のように液晶シリ コーンから製造されても良いが、市販の多重誘電干渉フィルタ又は他のダイクロ イック材料であっても良い。それらのノッチフィルタは、キセノンアークランプ ，ハロゲン化金属ランプ，タングステンハロゲンランプ又は蛍光ランプなどの広 帯域光源を同調するために使用される。もう１つは、狭い波長帯域で原色を放射 する複数の個別のレーザーなどの３帯域光源である。 本発明の第１の実施形態においては、３つの個別のレーザーなどの３帯域光源 又は同調広帯域ランプを使用できる。多くの種類の光源では、図３に示す画素の 実施形態を使用できる。３帯域光源の出力を図１３ａに示す。出力は、大きさと 幅がわかっている原色の３つの幅の狭いスパイクから構成されている。三帯域光 源は原色ピークと原色ピークとの間では光を放射しないので、液晶シリコーンの 単一の層は必要な選択的フィルタリングを行うために同調される。図１３ａは、 照明時にコリメート光を使用し、直視又は照明円錐を見ることが望まれない場合 の幅の狭い分離ピークを伴う３帯域ランプのノッチ偏光子の位置決めとカラー制 御を詳細に示す。 光源としてノッチフィルタ同調広帯域ランプを採用するような状況では、円ノ ッチ偏光子が機能する範囲を拡張することが必要である。この範囲拡張を容易に するために、より厚い円偏光子を使用できる。液晶シリコーン層の厚さを増すこ とにより、より広い帯域の入射光をフィルタリングできる。厚さが増すことによ り、青色範囲の光のフィルタリングに及ぼされる影響は図１４ａ〜図１４ｄに示 すグラフからわかる。図１４ａでは、シリコーン層の厚さは１２μであり、ノッ チは狭い。図１４ｂ及び図１４ｃにおいては、シリコーン層の厚さは２０μ，２ ８μ，最終的には８０μに増し、ノッチの幅も相応して拡張する。ノッチ偏光子 層の厚さが増すにつれて、ノッチ偏光子の帯域幅とノッチ偏光子の効率は共に増 加する。 本発明の別の実施形態では、偏光子の帯域幅を増すために、液晶シリコーンの 複数の層を１／４波長遅延板によって同調される。複数の偏光層を使用する構成 を図１５に示す。この場合、ノッチフィルタは１／４波長遅延板６８と、液晶シ リコーンの３つの層６２，６４及び６６とから構成されている。本発明のこの実 施形態の性能を図１６ａ及び図１６ｂに示す。 図１６ａは、それぞれの液晶シリコーン層によりフィルタリングされる入射光 の部分を詳細に示す。たとえば、層６２は５００から５４０ナノメートルの帯域 の光を偏光するために最適化されても良く、層６４は５４０から５８０ナノメー トルに同調され、最後に、層６８は６０から６００ナノメートルの領域でフィル タリングするために同調されても良い。偏光子の重なり合いは問題ではなく、層 は特定の光源の出力に整合するように最適化されている。全ての層の複合構造を 図１６ｂに示す。これらの液晶シリコーン層の多くは、所望の量のフィルタリン グを行うために使用できる。 本発明の最後の実施形態においては、ダイクロイックフィルタと組合わせて円 ノッチ偏光子を採用している。広帯域光源を採用する場合、広いスペクトル範囲 にわたって光をフィルタリングするためにダイクロイックフィルタを使用する必 要がある。図１７ａに示す透過率図では、実線は４００ナノメートルから５００ ナノメートルの光について典型的なダイクロイックフィルタの出力を示す。典型 的なダイクロイックフィルタを使用すると、フィルタリングすべきスペクトルの 特定の部分で光の著しく大きな漏れが起こりうる。図１７ａでは、４５０ナノメ ートルの範囲に大きな漏れが示されている。この実施形態においては、漏れを補 正するために、円ノッチ偏光子をダイクロイックフィルタと組合わせて使用する 。点線と丸形点線は、円ノッチ偏光子により除去される４００ナノメートルから ５００ナノメートルのスペクトルの部分である。図１７ｂに示すように、円ノッ チ偏光子をダイクロイックフィルタと組合わせて使用する場合、ダイクロイック フィルタの総透過品質を低下させずに、ダイクロイックフィルタからの漏れを排 除することができる。 同調広帯域ランプと共に広帯域ノッチ偏光子を使用するときには、直視と、斜 めからの観察の双方を考慮に入れるために、フィルタを同調する必要がある。実 際には、画素を通過する光がコレステリック液晶シリコン層に対して垂直な角度 とは異なる角度で通過してしまうためにノッチがシフトした場合でも、偏光子の ノッチの場所がカラーピークとアライメントされたままであるように、ＲＧＢラ ンプピークを同調し且つのち偏光子の位置と幅を設定する。図１８ａは、直視時 のフィルタの好ましい同調を示す。 角度を成す光について色度シフトを阻止するためには、図１８ａに示すノッチ 位置をシフト（拡張）しなければならない。ノッチ幅は先に説明した方法のいず れかによって拡張できる。図１８ｂには、図１８ａと同じ構成てはあるが、光が ノッチ偏光子層に対する垂線からプラス４０度又はマイナス４０度の角度で通過 する場合のシフトしたノッチ位置を示す。ノッチはより短い波長へシフトしてい るが、ランプピークとアライメントされたままであり、ピーク間が正しく分離し ているため、隣接するピークを減衰することはない。この構成は角度を成す光出 力に対する色度シフトを阻止する。三帯域ランプ又はレーザーのようにランプピ ークがより狭い場合には、構成は類似しているが、より狭いノッチ偏光子帯域幅 を利用できる。 以上、円ノッチ偏光子を利用する新規で、自明ではない減法混色液晶表示装置 を説明した。出願人は以上の説明によって本発明を限定しようとするのではなく 、本発明を添付の請求の範囲によって定義している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．同調照明手段と； 複数の画素とを具備し、前記画素の各々は、 前記照明手段に対してアライメントされ、前記照明手段からの入射光の偏光 を選択的に回転させる第１，第２及び第３の能動スイッチング素子と； 第１のスイッチング素子に隣接し、第１の原色（赤，緑及び青）の狭い帯域 の光を偏光する第１の入射ノッチ偏光子と； 第１のスイッチング素子に隣接し、第１のスイッチング素子により光に対し 与えられる回転に従って第１の原色の光を阻止するか又は通過させる第１の射出 ノッチ偏光子と； 第２のスイッチング素子に隣接し、第２の原色の狭い帯域の光を偏光する第 ２の入射ノッチ偏光子と； 第２のスイッチング素子に隣接し、第２のスイッチング素子により光に対し 与えられる回転に従って第２の原色の光を阻止するか又は通過させる第２の射出 ノッチ偏光子と； 第２のスイッチング素子に隣接し、第３の原色の狭い帯域の光を偏光する第 ３の入射ノッチ偏光子と； 第３のスイッチング素子に隣接し、第３のスイッチング素子により光に対し 与えられる回転に従って第３の原色の光を阻止するか又は通過させる第３の射出 ノッチ偏光子と を具備する減法混色液晶表示装置。 ２．入射ノッチ偏光子及び射出ノッチ偏光子は円ノッチ偏光子と、四分の一波 長遅延板とから構成されている請求項１記載の減法混色液晶表示装置。 ３．円ノッチ偏光子は複数の同調架橋コレステリック液晶シリコーンから構成 されている請求項２記載の減法混色液晶表示装置。 ４．能動スイッチング素子はツイステッドネマチック液晶から構成されている 請求項３記載の減法混色液晶表示装置。 ５．能動スイッチング素子はスーパーツイステッドネマチック液晶から構成さ れている請求項３記載の減法混色液晶表示装置。 ６．照明手段は３帯域同調光源である請求項３記載の減法混色液晶表示装置。 ７．３帯域光源は、各々が原色のそれぞれについて帯域幅が狭く且つ強さの大 きい光を放射する３つ１組のレーザーである請求項６記載の減法混色液晶表示装 置。 ８．照明手段はフィルタ同調広帯域光源である請求項３記載の減法混色液晶表 示装置。 ９．フィルタ同調照明手段は、原色相互間のスペクトルの所定の部分をフィル タリングする複数のノッチ偏光子により同調される請求項８記載の減法混色液晶 表示装置。 １０．ノッチ偏光子は、広帯域ランプと共に採用されるであろう広帯域ノッチ 偏光子又は黒色フィルタ偏光子を形成する複数のダイクロイックシートカラー偏 光子の組合わせからも構成されている請求項３記載の減法混色液晶表示装置。 １１．円ノッチ偏光子は、ダイクロイックシートカラー偏光子により効率悪く 偏光されたか又は偏光されなかった光を効率良く偏光するように同調される請求 項１０記載の減法混色液晶表示装置。 １２．偏光される光の帯域を拡張するために、ノッチ偏光子に、隣接するノッ チ偏光波長をもつ複数の円ノッチ偏光子が含まれている請求項３記載の減法混色 液晶表示装置。 １３．照明手段と； それぞれが特定の原色（赤，緑，青）を減色混合する複数の積層液晶カラーフ ィルタとを具備し、各フィルタは、 前記照明手段に対して同調され、３原色の１つを偏光する少なくとも１つの 入射円ノッチ偏光子と； 照明手段からの光を既知の角度だけ選択的に回転させる液晶スイッチング素 子と； 前記照明手段に対して同調され、液晶スイッチング素子により光に対し選択 的に与えられる回転に従って同じ１つの原色を阻止するか又は通過させる少なく とも１つの射出円ノッチ偏光子とから構成されている複数の画素を含む減法混色 液晶表示装置。 １４．入射ノッチ偏光子及び射出ノッチ偏光子は円ノッチ偏光子と、四分の一 波長遅延板とから構成されている請求項１３記載の減法混色液晶表示装置。 １５．円ノッチ偏光子は同調架橋可能コレステリック液晶シリコーンの層から 構成されている請求項１４記載の減法混色液晶表示装置。 １６．能動スイッチング素子はツイステッドネマチック液晶から構成されてい る請求項１５記載の減法混色液晶表示装置。 １７．能動スイッチング素子はスーパーツイステッドネマチック液晶から構成 されている請求項１５記載の減法混色液晶表示装置。 １８．照明手段は３帯域同調光源である請求項１５記載の減法混色液晶表示装 置。 １９．３帯域光源は、各々が原色のそれぞれについて帯域幅が狭く、強さの大 きい光を放射する３つ１組のレーザーである請求項１８記載の減法混色液晶表示 装置。 ２０．照明手段はランプピークが同調されるフィルタ同調広帯域光源である請 求項１５記載の減法混色液晶表示装置。 ２１．フィルタ同調照明手段は、３原色の帯域幅及び場所を規定するためにス ペクトルの所定の部分をフィルタリングする複数対の架橋ノッチ偏光子により同 調される請求項２０記載の減法混色液晶表示装置。 ２２．ノッチ偏光子は複数のダイクロイックシートカラー偏光子からも構成さ れている請求項１５記載の減法混色液晶表示装置。 ２３．円ノッチ偏光子は、ダイクロイックシートカラー偏光子により効率悪く 偏光されたか又は偏光されなかった光を効率良く偏光するように同調される請求 項２２記載の減法混色液晶表示装置。 ２４．偏光される光の帯域を拡張するために、ノッチ偏光子に、隣接するノッ チ偏光波長をもつ複数の円ノッチ偏光子が含まれている請求項１５記載の減法混 色液晶表示装置。 ２５．液晶シリコーンの層の厚さはフィルタリングされた光の帯域幅に比例す る請求項１５記載の減法混色液晶表示装置。