JP2857159B2 - 利得反射体・液晶表示装置 - Google Patents

利得反射体・液晶表示装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は表示装置、特に利得反射体及び光散乱状態と
非散乱状態との間で切替可能な表示媒体を使用する表示
装置に関する。
〔発明の背景〕
視覚表示装置に液晶を使用することが可能である。本
発明の型の視覚表示装置を特に有用ならしめる液晶の特
性は、若干の液晶材料が厳密に整列した状態即ち非散乱
状態において光を透過させる能力、及び特に適切な染料
と組合せた場合比較的自由な状態即ち散乱状態において
光の散乱及び吸収の両方或は何れか一方を行う能力であ
る。散乱状態と非散乱状態との間で切替えるために、液
晶を横切る電界を選択的に印加することができる。
液晶視覚表示装置に、表示される文字と背景との間に
優れたコントラストを持たせ、また全ての周囲光状態に
おいて高い輝度を持たせることが望ましい。また表示装
置は前面のグレアが無いことが望ましい。
本発明は、以下に説明する好ましい実施例において、
表示媒体としてカプセル入りの動作的にネマティック液
晶或はネマティック曲線整列相（“NCAP"）液晶材料と
呼ぶことができる液晶の使用に関する。
動作的にネマティック液晶材料或はNCAP液晶材料の詳
細な説明は、1986年10月14日付のファーガソンの合衆国
特許4,616,903号「カプセル入り液晶及び方法」を参照
されたい。また1984年３月６日付のファーガソンの合衆
国特許4,435,047号「カプセル入り液晶及び方法」も参
照されたい。
無電界状態、即ち液晶にひずんだ状態或は無作為に整
列した状態をもたらす他の状態においては、NCAP液晶材
料は入射光を散乱させる。電界印加状態においては入射
光はNCAP材料を透過する。
無電界状態においては吸収によって充分な減衰を与え
るが、電界印加状態においては実質的に透明ならしめる
ために、液晶材料と多色性染料を共存させることができ
る。本発明においては、光の散乱及び吸収の両方或は何
れか一方に対する液晶の能力とは、液晶の散乱及び最小
吸収特性に限定されることなく、多色性染料が液晶の光
学的特性に付与できる付加的な特性をも含むものとす
る。
本発明の表示装置の表示媒体は、例えば動的散乱液晶
システム或は光学的に澄んだ（Pb,La）（Zr,Ti）（O3）
（“PLZT"）からなる強誘電性セラミックシステムのよ
うな他の散乱型表示材料からなっていても差支えない。
動的散乱表示媒体及びPLZT表示媒体は共に光散乱状態と
非散乱状態との間で切替可能である。
従来使用されている反射型液晶表示装置においては、
表示装置への照明が平行化或は準平行化されている時、
利得反射体の使用によって電界印加状態においてより高
い輝度を発生することが可能である。しかしながら無電
界状態においても輝度が増加するためコントラスト比は
殆んど或は全く改善されない。これらの表示装置への照
明が拡散されている時には、利得反射体は輝度に全く影
響を及ぼさない。
本発明は光散乱状態と非散乱状態との間で可変の表示
媒体を使用する反射型表示装置の改良に関する。本発明
は、またNCAP液晶材料の光散乱及び吸収特性の使用にも
関する。更に本発明は、小寸法及び大寸法の両表示装置
において、例えば比較的高いコントラスト及び比較的輝
く背景上に表示される暗い文字或は情報を得るために、
多色性或は二色性染料を含むこれらの液晶材料の使用に
も関する。
本発明の目的は、比較的高いコントラスト並びに輝度
を有する表示装置を提供することである。
本発明の別の目的は、全ての周囲光状態において優れ
たコントラスト及び高輝度を有する表示装置を提供する
ことである。
本発明の別の目的は、グレアが存在する視認状態にお
いて表示装置の性能を改善することである。
〔発明の概要〕
以下の説明から明白となるように、本表示装置は表示
装置の視認側に表示媒体が配置されている装置である。
この表示媒体は、入射光が少なくとも散乱及び吸収の一
方を受ける第１の状態と、この散乱或は吸収の量が減少
する第２の状態との間で切替可能である。表示媒体によ
って伝送された光を反射するための利得反射体は表示媒
体の背後に位置している。
表示媒体は、液晶材料の構造及び閉込め媒体手段に順
応する染料を含む液晶材料からなっていてよい。閉込め
媒体手段は液晶材料にひずんだ整列を誘導する。液晶材
料はこの整列に応答して光を散乱及び吸収し、また規定
された入力に応答して散乱及び吸収の量を導く。
利得反射体手段はオフセット利得反射体であってもよ
く、これは鏡面反射或はグレアを、反射利得即ちオフセ
ット利得反射体によって反射される光から角度的にずら
せる。本表示装置は、液晶手段と利得反射体手段との間
に配列されたカラーフィルタ或はレンズをも含むことが
できる。
本発明の一面によれば、液晶表示装置は平行化され
た、準平行化された、或は拡散された照明状態において
比較的暗い背景上に比較的輝く或は白い文字、情報等を
発生することができる。暗い背景は、無電界状態におい
て無作為に整列して入射する光を散乱させ吸収する液晶
材料によって発生させることができる。輝く文字は、例
えば電界印加状態或は規則的な整列時に光学的に実質的
に透明となる液晶材料によって発生する。液晶材料が無
電界状態にある時には比較的暗い背景のみが現われる。
液晶材料の選択された部分が規則的に整列している時、
即ち電界印加状態の時には、暗い背景に対して極めて輝
く文字が表示装置の視角内に現われる。
〔実施例〕 添付図面を参照する。全図面を通して同一成分に対し
ては同一参照番号を附してあり、先ず第１図を説明す
る。第１図は全体を（10）で示す液晶表示装置を示す。
表示装置（10）は２つの主要成分、即ち表示媒体（1
2）及び利得反射体（14）を含む。表示媒体（12）は表
示装置（10）の視認側（25）に配置されている。利得反
射体（14）は非視認側に配置されている。表示媒体（1
2）と利得反射体（14）との間にカラーフィルタ（20）
を配置することができる。
表示装置（10）は枠（16）をも含む。枠（16）は、表
示媒体（12）及び利得反射体（14）のための環境保護を
与えるプラスチックハウジングからなっていてよい。
表示媒体（12）は、例えばNCAP液晶材料、動的散乱液
晶材料、或はPLZTのような強誘電性セラミックの如く光
散乱状態と非散乱状態との間で切替可能な材料からな
り、これらの詳細に関しては後述する。これらの材料
は、本発明においては、従来可能であったよりも良好な
コントラスト比を有する表示を発生させるのに使用され
る。
利得反射体（14）は、標準ツイステッドネマティック
液晶及びゲスト・ホスト液晶と共に使用され、電界印加
及び無電界の両状態における輝度を増加させる。輝度は
増加するが、表示のコントラスト比は同一のままであ
る。このような表示の知覚的外観は利得反射体を使用し
ないよりやゝ良好であるが、若干の場合には、外観は悪
化することがある。
しかしながら、本発明の表示装置においては、表示装
置が散乱状態と非散乱状態との間で切替えられる時に主
な差異が発生する。利得反射体の実効利得は入射光の平
行化度に依存する。散乱状態においては、反射体に入射
する光は比較的拡散している。拡散照明に対する反射体
の利得は１に近い。非散乱状態においては、反射体に入
射する光は遥かに平行化され（照明系の設計に依存す
る）、従って実効利得は１よりも大きい。
例えば、NCAP液晶材料を使用した本発明の表示装置の
非散乱状態における実効利得は2.2であり、散乱状態に
おいては1.1であることが分った。即ち、電界印加状態
における輝度は2.2倍まで増加し、電界印加状態の実効
利得が2.2で無電界状態の実効利得が1.1である表示装置
のコントラスト比（コントラスト比＝電界印加時の輝度
×利得／無電界時の輝度×利得）は２倍である。
より高いコントラストを有し輝度がより高い程、表示
性能及び見かけが大きく改善されることは言うまでもな
い。
本発明の表示媒体（12）は、液晶材料（22）を含む液
晶セル（21）からなっていてよい。本発明による液晶材
料の光学的特性は、液晶材料に規定された入力が印加さ
れているか否かの関数である。規定された入力は、好ま
しくは電磁型、特に電界である。
液晶材料（22）に電界を選択的に印加する或は印加し
ないための回路（24）を第１図に略示してある。回路
（24）は電池の如き電源（26）及びスイッチ（28）を含
む。変形として、電源は交流の源であっても差支えな
い。回路（24）はリード線（30）、（31）によって、セ
ル（21）の液晶材料（22）の両側即ち両面に位置してい
る電極（32）、（33）に接続されている。
電極（32）、（33）は実質的な光学的に透明であり、
それぞれ光学的に透明なサブストレート（52）、（53）
上に形成することができる。
スイッチ（28）を開いて液晶材料に電界を印加しない
場合がいわゆる滅勢（無電界）状態（モード）、或は散
乱光状態である。スイッチ（28）を閉じて液晶材料を横
切って電界を印加すると、液晶材料はいわゆる付勢（電
界印加）状態（モード）、或は非散乱状態となる。表示
装置の動作特性は、詳細を後述するように、液晶材料
（22）の散乱状態或は非散乱状態に依存する。
液晶材料（22）は、合衆国特許4,435,047号に記載さ
れている型（NCAP）であることが好ましい。第３図に図
式的に示してあるように、この液晶材料（22）は、閉込
め媒体（44）内に形成された、或は閉込め媒体（44）に
よって限定された複数の容積（42）内の動作的にネマテ
ィック液晶（40）で形成することが好ましい。この液晶
（40）は光学的に透明であることが好ましく、また閉込
め媒体（44）も光学的に透明であることが好ましい。図
示の実施例における液晶材料（22）は、例えば多色性或
は二色性染料のような染料（46）と混合したものであ
る。しかし染料を用いない液晶材料を、表示媒体を形成
するために使用することが可能である。
各容積（42）は離散していてもよいし、或は変形とし
て液晶（40）が液晶材料を収容する多数のカプセル状の
囲みを形成するのに役立つ重合体カプセル材のような閉
込め媒体内に収容されていてもよい。液晶（40）は閉込
め空洞のほぼ球形の、或はその他の曲面に多少閉込めら
れる。しかし、これらの空洞は例えば１或はそれ以上の
チャンネル或は通路によって相互接続可能である。液晶
は離散した容積或は空洞及び相互接続用通路の両者内に
あることが好ましいであろう。即ち、それぞれのカプセ
ルの内部容積は１或はそれ以上の相互接続用通路を介し
て流体的に結合できる。個々の結合されていないカプセ
ルに関する本発明の全ての面及び特色を１或はそれ以上
の相互接続用通路を有するカプセルの配列に適用可能で
あることを見出した。
液晶（40）内の多色性染料（46）は液晶を透過する光
の若干を吸収し、この吸収の程度は液晶材料に電界が印
加されているか否か、及びこの電界の大きさの関数であ
る。好ましくは、液晶の電界印加状態における吸収を０
とするか或は可能な限り０に近づけて入射光の透過を最
大にする。
染料の整列は、例えば第３図及び第４図に図式的に示
すように液晶（40）の整列に追随する（詳細に関しては
前記特許を参照されたい）。従って、液晶構造がひずん
だ整列にある時には染料は比較的多量の光を吸収する。
しかし、液晶（40）が例えば第４図に示す液晶のように
平行整列にある時には染料による光吸収は最小になる。
電界の大きさが増減すると液晶材料のひずみの量が変化
し、染料による吸収の量も相応して変化する。
第４図に示す如き電界印加動作、即ち非散乱状態にお
いては、液晶構造は大よそ平行整列をとるものと考えら
れる。電界印加状態における液晶（40）の常屈折率は閉
込め媒体（44）の屈折率に整合しているから、液晶材料
（22）は本質的に化学的に透明となり、入射する光が液
晶と閉込め媒体との界面において屈折することはない。
この電界印加動作中には入射光は液晶セル（21）を透過
する。
表示装置の無電界動作、即ち散乱状態を第３図に示
す。液晶材料（22）に入射する光は屈折され、散乱さ
れ、吸収される。この散乱は、液晶（40）の異常屈折率
が閉込め媒体（44）の屈折率とは異なるために生ずるの
である。光は染料（46）によって吸収される。
液晶の屈折率は、液晶材料を横切って電界が印加され
ているか否かに依存して変化する。閉込め媒体（44）の
屈折率と液晶（40）の常屈折率（電界Ｅが印加されてい
る時の屈折率）は、電界印加状態において光の散乱を回
避しそれによって光の透過を最大ならしめるために、可
能な限り整合させるべきである。しかし、液晶が無電界
状態にある時には液晶（40）と閉込め媒体との境界にお
いて屈折率に差を生ずる。
無電界状態においては、閉込め媒体は液晶の自然構造
をひずませて特に液晶と表面との界面において液晶に異
常屈折率（電界Ｅが印加されない時の屈折率）特性を与
える。この異常屈折率は閉込め媒体の屈折率とは異なる
ので、このひずんだ整列状態においては液晶と閉込め媒
体との界面において屈折率に差を生じ、入射光は屈折さ
せられて散乱することになる。
液晶の常屈折率が異常屈折率よりも閉込め媒体の屈折
率に近接している限り、非散乱状態（第４図）から散乱
状態（第３図）へ移行する時、及びその逆の時に散乱に
変化が発生する。
本発明によれば、例えば電極（33）が共通電極表面を
形成し、対面する電極（32）は複数の電極部分を有する
パターン化された電極であってよい。これらの電極部分
を選択的に付勢することによって液晶材料の選択された
部分に電界を印加する。例えば、公知のように、電極
（32）を電気的に絶縁されている７セグメントに分割
し、各セグメントを選択的に付勢することによって種々
の数字を表示することが可能である。電極（32）は、行
及び列に配列された複数のドット或は画素からなるドッ
トマトリックス表示を形成させることもできる。列は行
ラインを介して並列に表示情報を受入れるように可能化
される。
染料（46）を含む液晶材料（22）は、液晶及び閉込め
媒体の乳剤の形状で調剤され、この乳剤はその後乾燥或
は硬化される。変形として、前述の如く、液晶材料は閉
込め媒体内に個々に形成された複数の液晶カプセルの形
状であってもよい。
一実施例においては、閉込め媒体はポリビニルアルコ
ール（PVA）の形状である。別の実施例においては、液
晶はラテックス閉込め媒体内に分散或は捕捉されてい
る。何れの実施例においても、液晶セル（21）のサブス
トレート（52）、（53）はマイラ（商品名）のようなポ
リエステルフィルムからなっていてよく、インジウム錫
酸化物（ITO）の層を予め被膜して電極を形成してお
く。好ましくは、フィルムは80乃至500オーム／平方ITO
層で被膜する。ITO以外の材料を用いて本発明の装置の
電極を形成しても差支えない。
ラテックスに捕えられたNCAP液晶は、ラテックス媒体
内に捕捉された液晶からなる。ラテックスは粒子の懸濁
液である。これらの粒子は天然ゴム、或は人工重合体或
は共重合体でよい。ラテックス媒体はこれら粒子の懸濁
液の乾燥によって形成する。ラテックスに捕えられたNC
AP液晶及びその製造方法の詳細に関しては1985年２月25
日付合衆国特許出願705,209号「ラテックスに捕えられ
たNCAP液晶組成、方法及び装置」を参照されたい。
変形実施例においては、表示媒体（12）は動的散乱液
晶材料からなる液晶セルである。前述のカプセル入り動
作的にネマティック液晶材料と同様に、動的散乱液晶材
料も光散乱状態と非散乱状態との間で切替可能である。
動作的にネマティック液晶材料とは対照的に、動作散乱
液晶材料は電界が印加されると液晶材料の整列が乱れて
光を散乱乃至は屈折させる。しかし無電界状態において
は、動的散乱液晶材料は光学的に澄む。即ち動的散乱液
晶材料の散乱効果は電界が印加されない時に得られる。
動的散乱液晶材料は当分野においては周知であり、従
って詳細な説明は省略し、動的散乱に関する論文を以下
に示すに留める。
J.L.ファーガソン等「液晶及びそれらの応用」、1970
年１月エレクトロ・テクノロジー、41ページ、及び E.H.ハイルマイヤー等「動的散乱：ネマティック液晶
の若干のクラスにおける新らしい電気・光効果」、1968
年Proc.IEEE、第56巻1162ページ。
表示媒体として使用可能な他の型の液晶材料にはツイ
ステッドネマティック及びスーパーツイスト液晶材料が
含まれる。これらの材料も当分野においては公知である
ので詳細な説明は省略する。
更に別の実施例においては、表示媒体（12）は散乱／
非散乱強誘電性セラミックシステムからなる。強誘電性
表示システムもまた当分野において周知であり、説明は
省略する。これらは光学的に澄んだ（Pb、La）（Zr、T
i）O3セラミック材料（PLZT）からなっていよう。PLZT
セラミックは、カプセル入りの動的にネマティック液晶
材料及び動的散乱液晶材料と同様に、光散乱状態と非散
乱状態との間で切替可能である。PLZT強誘電性セラミッ
クに関する論文を以下に示す。
A.L.ダリサ等「強誘電性セラミック及び他の表示媒体
のための渦巻き散乱モデル」1973年７月Proc.IEEE第61
巻n7、981〜991ページ、及びG.H.ハートリング等［PLZT
セラミックの光学的及び電気・光特性の最新の改良」19
72年フエロエレクトリックス第３巻269ページ。
前述のカラーフィルタ（20）はカラー表示を得るため
に使用される。フィルタ（20）は、如何なる透明且つ非
散乱カラー材料から作ってもよい。例えば、カラーフィ
ルタは着色した硝子或は染色したプラスチック材料で形
成することができる。カラーフィルタ、カラーシート或
はカラーレンズ（20）は、例えば赤、緑、黄、橙等のよ
うに実質的にどのような色であっても差支えない。
カラーフィルタ（20）は表示媒体（12）の前側或は後
側に積層することができる。しかし、フィルタは表示媒
体の背後に積層することが好ましい。
変形として、第１図に示すように、カラーフィルタ
（20）を表示媒体（12）の後面から離間させ、間隔
“d1"で表わされている空隙を両者の間に設けることが
できる。もし表示装置の電極が画素を形成するように配
列されていれば、間隔“d1"は画素の短い方の寸法のほ
ぼ10％未満とすべきである。
前述のように、表示媒体（12）は非散乱（透明）状態
と散乱（不透明）状態との間で切替可能である。表示媒
体或はその一部の背後に配置された着色材料は、電界印
加状態において表示装置の視認側（25）の観測者或は観
測機器（58）に対して可視となる。
カラーフィルタ（20）を除去し、その代りに利得反射
体（14）を番号（54）で示すように例えば蛍光染料のよ
うな着色染料で印刷された選択性スクリーンとすること
ができる。着色染料は表示装置の画素にカラーを発生さ
せることができる着色パターンを作る。蛍光染料は、広
い周波数範囲の光を吸収し特定のカラーでこの光を放出
できる能力があるため、輝度が増加する。
第２図に示すように、表示媒体（12）を通過する時に
屈折される入射光（光ビーム（60）で表わしてある）は
利得反射体（14）で光ビーム（62）として反射され、利
得ローブ（64）を形成する。入射光は、後述するよう
に、表示媒体（12）の表面からグレアとしても反射す
る。
反射光（62）は均一に分布せず、或る程度集中する。
利得反射体の特定例は平面鏡である。この場合、平行化
された入射光ビーム内の全ての光は反射ビーム内におい
ても平行を保ち、入射角が反射角に等しくなるような方
向に伝播する。利得反射体の本質に依存して反射ビーム
内の光分布は広がったり或は狭まったりする。このよう
な反射体の利得は、利得反射体から検光子（表面に対し
て所与の角度に固定された立体角を有する）内への光束
とランベルト反射体からのそれとの比として限定でき
る。
入射光ビームの平行度が低下すると利得反射体からの
反射光の分布が広がり、従って利得が低下する。特別な
場合は、入射光ビーム、或は例えば視認側（25）からの
照明が拡散或はランベルトである時に発生する。この場
合にはランベルト反射光分布となり、利得は１である。
利得反射体（14）は、入射光を光反射する公知の、且
つ既に市販されている利得反射体の何れであってもよ
い。例えば、利得反射体は反射光が入射光ビームと同じ
通路或はラインに沿うような逆反射体からなっていてよ
い。
より好ましくは利得反射体（14）は入射光とは異なる
通路に沿って反射利得を与えるようにする。このような
利得反射体は例えば1984年６月26日付合衆国特許4,456,
336号に記載されている。利得反射体（14）は、球形或
は円筒形区分のような単純な素子の繰返しを有するレン
ズ状表面からなっていてもよく、これはたわみ可能なPV
C内に埋込まれ、アルミニウム顔料塗料或は他の反射媒
体で被膜される。
利得反射体は、第２図に示すように、反射被膜（55）
を有する不透明なプラスチック或は金属サブストレート
（50）をも備えている。この被膜は銀或はアルミニウム
の薄い層、或は例えば粗く平坦ではない表面を有するス
パッタしたアルミニウム被膜からなることができる。
本発明の表示装置に使用可能な別の型の利得反射体が
1980年12月30日付のミハラキス等の合衆国特許4,241,98
0号「ビーム放出制御手段」（以下の説明において“980
号特許”と略称する）に記載されている。980号特許に
記載の利得反射体はカリフォルニア州パロアルトのプロ
トライトコーポレーションから市販されている。これは
ミラーイメージという商品名である。この利得反射体及
びその製造方法は、198 年のProc.SPIE第760巻29ペー
ジの、G.ミハラキスの論文「大スクリーン投影表示装
置」にも記載されている。
この利得反射体は光学素子のアレーからなり、これら
の素子は行列マトリックスを形成するように並置されて
いる。これらの光学素子は凹凸の両方の像形成部分を有
し、これらの素子の光軸は利得反射体のサブストレート
への垂線に対してある角度をなしている。典型的には個
々の光学素子の寸法は所定の視認距離において観測者が
解像できるよりも小さく、凹凸部分はこの視認距離にお
いて像を重畳させるように整形されている。
第２図に光ビーム（66）で示すグレア即ち鏡面反射
は、利得反射体の主面（即ち、例えば透明なカバーを含
む表示媒体（12）の前面及び後面からなる表示装置表
面）に平行な反射性平面によって反射された光によって
もたらされる。上述の利得反射体を用いると、表示装置
の視認側（25）の観測者或は観測機器（58）は最高利得
の反射光だけではなく最高のグレアをも受ける。これ
は、反射光ビーム（62）からなる利得ローブ（64）（反
射利得）が光ビーム（66）で表われている鏡面反射の方
向（即ち、入射角θ１は反射角θ２に等しい）を中心と
して分布しているからである。しかも、もし観測者（5
8）がグレア角から外れるように移動すれば、利用可能
な利得が低下する。
この理由から、オフセット利得反射体、即ち鏡面反射
（グレア）の方向を反射利得（光）の方向から分離する
利得反射体を使用すると有利である。
オフセット利得反射体（14′）を有する表示装置から
の光分布パターンを第５図に図式的に示してあり、反射
利得は光ビーム（62′）で構成される光ローブ（64′）
で示され、また鏡面反射（反射グレア）は光ビーム（6
6′）で示されている。図示のように、表示媒体（12）
の表面からの鏡面反射（グレア）は表示装置の最高輝度
及びコントラストと同一の方向にはなく、鏡面反射はオ
フセット利得反射体によって反射される光（光ビーム
（62′））から角度的にずれている。
観測者が観測可能なグレアを排除することによって、
表示装置（10）の光学的性能が向上し、また見かけが強
められる。
オフセット利得反射体（14′）の１つの型の構造を第
６図及び第７図に図式的に示す。このオフセット利得反
射体は前記980号特許に記載されている利得反射体の変
形である。記述すれば、第６図及び第７図に示すオフセ
ット利得反射体の光学素子は、反射光を角度的にずらせ
る非対称波形からなる。前述の如く、この変形利得反射
体は第５図に示す光分布パターンを発生する。
980号特許の利得反射体の数学的表面は、低次曲線状
の個々の光学素子を互に結合（スプライニング）して一
次導関数（切線）が連続し二次導関数（曲率）が限定さ
れる形状を得るようになっている。換言すれば、光学素
子は滑らかに且つ鋭い縁を生ずることなく互に結合され
ている。この二次元（スプラインされた）波形は、直交
軸上に限定された別の波形によって非標準的に変調され
る。その結果、表面は前述のように凹及び凸の像形成部
分を有し、これらの部分が滑らかに結合された三次元光
学素子となる。この素子アレーの光学的仕事率（光を広
げる能力）は単一の素子の光学的仕事率と全く同一であ
る。
980号特許の利得反射体の単一の光学素子は、原則と
して２つの零交叉を有する滑らかな連続関数の何れであ
っても差支えない。例えば、第６図のXY面は変曲面或は
０面であり、Ｘ方向の全ての波形が零交叉をしている。
しかし実際には、例えば円、楕円、抛物線、或は双曲線
のような二次関数に限定されている。光線が光学素子に
よって反射される角度はその点における湾曲の勾配に依
存し、湾曲の勾配が鋭い程角度は大きくなる。従って、
光反射パターンの境界は最も鋭い負及び正の勾配によっ
て決定される。
光の分布が光学素子表面の勾配のみに依存するという
事実の重要な結果として、この表面の鏡像は全く同一の
光分布を有することになる。その焦点距離は同一である
が符号は逆となる。
勾配依存性の第２の重要な結果は、光分布パターンが
素子の寸法に無関係なことである。小さい素子は到来光
を受けるとその小部分に作用するが、その光を大きい素
子と同一の角度或はパターンに分布させる。これは大き
い素子及び小さい素子が同一形状であれば常に真であ
る。
三次元光学素子の単一列からなる表面は、主波形に垂
直な軸に、ある繰返し波形を導入することによって製造
することができる。これは、素子寸法を変調波の振幅に
比例せしめることによって行われる。980号特許の利得
反射体の表面は、各素子にその鏡像を結合することによ
って形成されている。この場合鏡像の寸法は、元の素子
の寸法には関係なく、混合した素子の混合長が一定に保
たれるようになっている。このパターンは無限に反覆さ
れ、980号特許に示されているような行列をなした光学
素子の連続シート或はアレーが作られる。
プロトライト社から市販されている利得反射体は対称
的であり、従って対称的な光分布場即ちパターンを発生
する。
第５図乃至第７図に図式的に示すオフセット利得反射
体（14′）は非対称波形素子を採用しており、この素子
は図示のように回転楕円体の一区分とすることができ
る。回転抛物線、回転双曲線或は他の高次曲線のような
他の非対称形を用いてオフセット利得反射体を製造する
ことも可能である。
詳述すれば、オフセット利得反射体（14′）は非対称
光学素子“A"のアレーから作られており、各素子は例え
ば回転楕円体の一部からなっている。第７図に示すよう
に、得られた曲線は正の勾配“B"を有する長さの部分の
方が負の勾配“C"を有する長さの部分よりも遥かに長
い。正及び負の勾配領域は反射光を反対側へ送るから、
面積の大きい正勾配側“B"はより多くの光を受ける。更
に、正の勾配側は曲率が小さく、従って負側“C"よりも
狭い角度に光を分布させる。分布角度が小さいために光
はより多く集中し続け、従ってより明るい。その結果、
光学素子シート（アレー）の素子に垂直に導かれた光
は、一方の側の方が他方の側よりも明るい分布パターン
で反射されるようになる。
第８図は上述のオフセット利得反射体からの反射光パ
ターンを示す図であり、０゜からの反射角をＸ軸に、ま
た輝度をＹ軸にとってある。図示のように、オフセット
利得反射体は入射光を、“E"においてより明るくなるパ
ターンで、即ちＹ軸の一方の側が他方の側よりも明るい
パターンで反射する。
このオフセット利得反射体は前記のミハラキスによる
SPIEの論文に記載されている技法で、即ち非対称光学素
子を形成するためにコンピユータ数値制御マイクロフラ
イス盤を使用することによって製造することができる。
このようなオフセット利得反射体はプロトライト社にお
いて製造可能である。
準平行光の下での表示装置（10）の最適使用は、表示
媒体（12）の異なる部分へ入射する光の角度の制御に大
きく依存する。殆んどの用途においては入射光は完全に
平行化されておらず、或は入射光が表示装置表面に垂直
でもないから、表示媒体（12）及び利得反射体の異なる
部分（もし表示装置が垂直に配向されていれば、例えば
上面及び下面）は異なる角度で光を受ける。これは、一
般的には異なる光学的性能を呈し、従って表示に目立っ
た差を生ずることになる。
しかし、第９図に示す実施例では液晶セル（21′）及
び利得反射体（14″）は例えば湾曲させることが可能な
（一方向へ）薄いたわみ可能なプラスチックサブストレ
ート上に組立てられているので、液晶セル及び利得反射
体のより多くの表面が表示装置（10″）の視認側（25）
に設置された照明源（80）に対して同一の入射角（α１
＝α２）となる（源（80）からの光はビーム（82）、
（84）によって表わされている）。この実施例において
は、液晶セル（21′）がカプセル入りの動作的にネマテ
ィック或はNCAP液晶材料であることが最も好ましく、利
得反射体（14″）はサブストレートの湾曲面上にアルミ
ニウムをスパッタリングして表面が平坦でない被膜を設
けることができる。この構造は表示装置の均一な光学的
性能及び表示を保証するのを援助する。この表示装置は
車輌のダッシュボード表示装置への応用に特に適するも
のである。
本発明の表示装置は全ての周囲光状態の下で作動可能
であり、優れたコントラスト及び輝度を有する表示を発
生する。表示装置は夜間（極めて低い、0.11ランベルト
（100フートランベルト）以下或は０の、周囲光）、晴
天（周囲光は1.08ランベルト（1000フートランベルト）
以上）、及び曇天の日中或は屋内（周囲光は0.11〜1.08
ランベルト）において有効である。
前述のように光ビーム（60）で表わされている入射光
（第２図及び第５図）は、非散乱状態において表示媒体
を透過し、光ビーム（62）で示すように利得反射体によ
って反射されて観測者（58）が観測できる表示を発生す
る。
前述のように、NCAP液晶セル内の染料は光を吸収す
る。準平行化入射光の場合、電界印加状態においては光
は液晶セルを通過し、次で利得反射体によって狭い分布
内に反射され、再び液晶セルを通過するが、この時に殆
んど吸収或は散乱されないので表示の輝度は増加する。
無電界状態においては入射光は強く散乱され、吸収さ
れる。従って利得反射体に到達する光の部分は、入射ビ
ームよりも遥かに多く拡散している。従って、利得反射
体の実効利得は遥かに低くなる。それ故表示はより明る
く且つ高いコントラストを有する。
入射光が拡散している場合、電界印加状態における輝
度はやはり利得反射体によって増加させられる。これ
は、異なる角度から液晶セルに入る光の差動吸収によっ
てもたらされるのである。
例えば、ビーム（72）によって表わされている液晶セ
ル構造に垂直な光線を考えよう（第１図、第３図、第４
図）。電界印加状態においては、NCAP液晶材料は電界Ｅ
によって整列されているから、光線（72）のように液晶
セルに垂直な光は殆んど散乱或は吸収されない。垂直か
らある角度、例えば45゜の光線の場合には、これらの光
線は電界によって整列されている液晶（40）及び染料
（46）に平行に走行しないから大きな吸収が起る。入射
方向が液晶セルの表面に対して垂直の方向から離れる程
光は強く散乱され吸収されるから、透過光分布は入射分
布から若干狭められる。この狭い分布がある利得を持っ
て利得反射体から反射されることになる。
無電界状態においては、液晶セルは入射拡散光を散乱
させ吸収して殆んど或は全く利得を与えない。従って拡
散照明状態であっても利得反射体及び液晶セルのこの組
合せは高い輝度及びコントラストを与える。
本発明の表示装置は、種々の動作モードで、表示装置
の視角内の視認側（25）の観測者（58）に対して選択さ
れた数字、文字或は他の情報を表示する。例えば、観測
者（58）に対して、付勢された電極間の領域は、極めて
暗い背景に対して極めて明るく（或は着色されて）見え
る。付勢された電極間に位置していない液晶材料は無電
界状態にある。従ってこのような材料は入射光を散乱さ
せ、吸収し続けるので、視認側及び非視認側の両方から
極めて暗く見える。
本発明の表示装置は、車輌のダッシュボード及び制御
盤のような表示器に適用可能である。
本発明の表示装置は、 （１） 表示媒体が非散乱状態にある時の表示の輝度が
増加する一方で、散乱状態における表示の輝度が変化し
ないため、表示装置を平行光或は準平行光の何れかによ
って照明した時にコントラスト比が増加すること、 （２） 拡散光によって照明した場合でさえも表示の輝
度及びコントラスト比が改善されること、及び （３） 反射光の分布（利得反射体からの反射利得）を
鏡面反射（利得反射体の前面にある表示媒体からのグレ
ア）から角度的に分離する能力があること を含む独特な表示改善を提供する。
本発明の若干の実施例を説明したが、本発明はこれら
の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の
みによって限定されることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による表示装置の概要側面図、 第２図は本発明の表示装置の利得反射体成分の概要図、 第３図及び第４図は閉込め媒体手段内のある量の液晶及
び染料を含む本発明に使用される液晶材料が、それぞれ
ひずんだ整列状態及び平行整列状態にあることを示す概
要図、 第５図は本発明の表示装置に使用可能なオフセット利得
反射体の概要図、 第６図は本発明に使用可能なオフセット利得反射体の形
状を示す概要斜視図、 第７図は第６図の７−７矢視図、 第８図は本発明の表示装置に使用可能なオフセット利得
反射体からの反射体パターンを示すグラフである。第９
図は、本発明の別の実施例を示す。 10……液晶表示装置、12……表示媒体、 14……利得反射体、 14′……オフセット利得反射体、 16……枠、 20……カラーフィルタ、 21……液晶セル、22……液晶材料、 24……電界印加回路、25……視認側、 26……電源、28……スイッチ、 32,33……電極、 40……動作的にネマティック液晶、 42……容積、44……閉込め媒体、 46……染料、 50,52,53……サブストレート、 55……反射被膜、 58……観測者（機器）、 60……入射光、62……反射ビーム、 64……利得ローブ、66……グレア、 72,74……入射光、80……照明源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード ウィーリー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94022 ロス アルトス デオドラ ド ライブ 2178 (56)参考文献 特開 昭59−15279（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−178428（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−231930（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−123296（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−203916（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/1335 G02F 1/1333 G09F 9/00

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】入射光が少なくとも分散されるか吸収され
    るかのどちらかである第１の状態とその分散もしくは吸
    収の程度が少なくなる第２の状態との間で切り換わるこ
    とができる表示媒体を表示装置を見る方の側に配置し、
    そしてオフセット利得反射体を前記の表示媒体の後ろ
    に、表示装置を見ない方の側に配置して、前記の表示媒
    体を通る光を反射し、反射光は前記の表示媒体からの鏡
    面反射から角度的にずれており、前記のオフセット利得
    反射体は長くなっている曲面の部分が負の傾斜ではなく
    正の傾斜となっている曲面を形成する非対称性の光学的
    要素の連続アレイから成ることを特徴とした表示装置。
  2. 【請求項２】表示媒体はダイナミック・スキャッタリン
    グ液晶材料、ツイステッド・ネマチック液晶材料、スー
    パツイスト液晶材料、カプセル化した作用的にネマチッ
    クな液晶材料もしくはPLZT強誘電性液晶材料から成る請
    求項１に記載の表示装置。
  3. 【請求項３】表示媒体はカプセル化した作用的にネマチ
    ックな液晶材料から成る請求項２に記載の表示装置。
  4. 【請求項４】カプセル化した作用的にネマチックな液晶
    材料が染料を含んでいる請求項３に記載の表示装置。
  5. 【請求項５】染料が多色性染料である請求項４に記載の
    表示装置。
  6. 【請求項６】表示媒体とオフセット利得反射体との間に
    カラーレンズが配置されている請求項１、２、３、４も
    しくは５に記載の表示装置。
  7. 【請求項７】表示媒体とオフセット利得反射体との間に
    カラーフイルターが配置されている請求項１、２、３、
    ４もしくは５に記載の表示装置。
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