JP2896897B2 - 反射型表示装置及び偏光制御装置 - Google Patents

反射型表示装置及び偏光制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は偏光制御装置及び当該装置を有する反射型表
示装置（反射モード表示装置）に関し、少なくとも１つ
の透明な第１制御電極を有する第１の透明な支持プレー
トと、行及び列に配置した画像素子のマトリクスの画像
素子を駆動するための１つ以上のスイッチング素子を有
する少なくとも１つの半導体本体を具えた第２の支持プ
レートとの間に液晶物質の層を具え、各画像素子は、画
像電極を具え、当該画像電極は、少なくともスイッチン
グ素子の領域において、ほぼ完全に半導体本体を被覆し
ており、前記各画像電極の電圧が前記スイッチング素子
により制御可能であり、前記各画像電極の電圧が第１の
電圧では、液晶物質の層が、液晶の分子が支持プレート
にほぼ平行な第１の配向方向を有する第１の状態とな
り、第２の電圧では、液晶物質の層が、液晶の分子が支
持プレートにほぼ垂直な第２の配向方向を有する第２の
状態となる反射型表示装置に関するものである。
この種形式の表示装置に関しては、米国特許第4,239,
346号により既知であるが、前記特許による装置で使用
される効果（動的スキャッタリング）はゆっくりした緩
慢なものである。
本発明の目的は、画像素子の密度が充分高く、急速に
変化する画像を表示するのに充分な速さをもった前述形
式の表示装置を提供しようとするものである。
また、本発明の他の目的は再生可能な方法で中間色調
（グレイ スケール）が得られるような表示装置を提供
しようとするものである。
本発明は満足な作動を行うためには、有効な光通路の
長さの差はほぼ1/2λ０に制限されなければならないと
いう事実の認識にもとづいて得られたものである。これ
は液晶物質層の厚さを減少させなければならず、その結
果スイッチング時間が数ミリ秒に減少する可能性がある
ことを意味する。
負の誘電非等方性を有する物質を使用するときは、液
晶の分子は電圧がない状態では、支持プレートにほぼ垂
直な配向方向を有する。したがって、この場合、ほぼ垂
直に入射する光は複屈折を受けることなく、偏波器の使
用に応じて、反射後通過したり、通過しなかったりす
る。
複屈折は、傾斜角（チルト角）に応じて所定のスレシ
ョールド電圧から生ずる。電圧が増加した場合は、複屈
折は反射後の有効な光通路長の差が1/2λ０であるよう
な値まで急速に増加する。この値の調整は一般に使用さ
れている装置において、使用する層の厚さが大きすぎる
ためきわめて臨界的であり、これは複屈折の急速な増加
とあいまって中間調（グレイ スケール）の調整をきわ
めて難しくする。
したがって、本発明の表示装置の実施例によるとき
は、液晶物質の分子は電圧がゼロの状態において、支持
プレートにほぼ平衡に伸長するか、あるいは支持プレー
トの面に対して小さい角をなして伸長するような配向方
向を有することを特徴とする。
これはグレイ スケールを満足に調整する可能性を与
える。
これがため、支持プレートは、液晶分子に支持プレー
トの面とほぼ平行または支持プレートに対しある角度で
伸長する配向方向を与える配向層を有し、偏波器の偏波
方向を第１支持プレートの領域の分子の配向方向に対し
ある角度（45°を可とする）をもって伸長させるように
するを可とする。
正の誘電非等方性を有する液晶物質を使用するこの種
装置においては、再生可能な方法でグレイ スケールを
得ることができる。ゼロ電圧においては、複屈折は最大
であり、2dΔｎ＝1/2λ０が成立する。ここで、Δｎは
正常波および異常波に対する屈折率の差、ｄは液晶層の
厚さである。この場合には交差する偏波器とアナライザ
間に最大の反射が得られる。また、電圧が増加する場合
には、液晶分子は支持プレートに垂直な軸の方向に指向
する。この場合には、かなり平滑な電圧伝送特性が得ら
れる。
本発明による偏光制御装置及び当該装置を有する反射
型表示装置によるときは、偏光制御装置は複屈折物質層
を具え、入射光が液晶物質の層及び当該複屈折物質層を
往復して反射された際の、第１の状態と、第２の状態に
近く、液晶物質の層の複屈折量が一定値（δ）となる所
定の状態との間の反射後のリタデーションの差が、中心
波長λ０を有する入射光ビームに対しほぼ1/2λ０であ
って、複屈折物質層の複屈折量が、前記一定値（δ）と
絶対値がほぼ同じで符号が反対であることを特徴とす
る。
本発明に係る装置において、反射がゼロであるような
状態を得るためには、比較的高い電圧（理論的には無限
大の電圧）を供給して、すべての分子が支持プレートに
垂直方向に配向することができるようにしなければなら
ない。
これを回避するためには、反対の複屈折をもった位相
プレートに、例えば角−δにわたる位相回転を与えるこ
とが望ましい。この場合、液晶層の厚さは所定のλに対
して、2dΔｎ＝1/2λ０＋２δが成立するよう選定す
る。ゼロ電圧においては、最大の伝送が起り、また複屈
折がδにわたる位相回転を生ずるような支持プレートに
垂直な軸と液晶分子間の角度で滅光状態が得られ、これ
はかなり低い電圧で達成される。実際には、すべてのグ
レイ スケールは0.5Vと2.5Vの間の電圧範囲で液晶物質
を横切って変化する。
通常、この目的のためには最大の厚さｄが選定され
る。この場合には、使用波長をλ０としたとき、 が成立する。約800セントまでの波長範囲およびΔｎ
＝0.15の値においては、これは液晶の厚さが多くて２μ
ｍ程度であることを意味する。
２つの支持プレート上の液晶分子の配向は相互にツイ
スト（捩回）させることができ、これは装置のスイッチ
ング速度に好影響を与える。
液晶物質の層の厚さの所望の均一性は、例えば同日出
願の非公開特許NL-8701347号（特願昭63-141934）に記
載の方法により得ることができる。さらに容易な製造を
可能とする本発明の一実施例の場合は、支持プレートは
ほぼ均一な層からエッチングにより得るようにしたスペ
ーサを具えたことおよび２つの支持プレートを圧力（プ
レス）手段により支持するようにしたことを特徴とす
る。この場合、均一に分布する圧力を得るため、例えば
シリコンゴムを中間物質として使用することが望まし
い。
また、反射パワーを増大させるため、第２支持プレー
トは半導体の（可能な）中間部分および画像素子をカバ
ーする付加的反射層（誘電体ミラー）を具えるを可とす
る。この場合には、中間半導体物質はさらに良好に入射
光から遮蔽される。
第２支持プレートは、画像素子の領域において例え
ば、非結晶シリコンまたは多結晶シリコンよりなるTFT
スイッチのような半導体素子を含むガラスプレートまた
は水晶プレートで、例えば誘電体ミラーおよび（可能
な）スペーサを配置する前にプレーナ処理を施すように
したものにより形成することができるが、この目的のた
めには、駆動回路を有する１つの半導体基板を選択する
ことが望ましい。また、そこには、駆動回路およ駆動ラ
インとともに導電物質よりなる他の層（またはパター
ン）を設けることが望ましい。さらに、この半導体基板
には、基板を冷却するため熱伝導物質の層（例えば金属
層）を配設するを可とする。また、これは、例えば半導
体基板とシリコンゴム間に配置した独立の金属プレート
を用いて行うこともできる。
また、前述したように、上述の表示装置は、（カラ
ー）投影テレビジョン用装置として特に好適である。
実施例 以下図面により本発明を説明する。
第１図は例えば、ガラスにより形成した第１支持プレ
ート２を含む装置１の平面図を示し、また第２図はその
断面図を示す。支持プレート２はインジウム錫酸化物ま
たは他の適当な物質よりなる透明電極３を有し、さらに
必要に応じて液晶物質５と電極間の不所望の反応を防止
する働きをする配向層４を具える。第１支持プレートと
半導体基体６により構成さる第２支持プレートとの間に
は、例えば商品名ZLI 1132（メルク）の液晶物質を配置
し、これらの支持プレートをスペーサ７により一定距離
離間させる。また、アセンブリはリム部８により包囲す
るようにする。
本実施例においては、例えばアルミニウムよりなる反
射画像電極９を含む画像素子のマトリクスを第２支持プ
レート（半導体基体）上に配置している。これらの画像
電極は半導体基体６内に設けたスイッチング素子を用い
て電気的に駆動するようにする。例えばＰ形基板10より
なるこの半導体基体は主平面11上にn-MOSトランジスタ1
2を含み、これらトランジスタのｎ形ソース領域13をn+
形領域14に接続する。前記領域14は１つの列の画像素子
に対し共通とし、列導体として機能する。MOSトランジ
スタ12のｎ形ドレイン領域15は画像電極９に接触させる
ためn+形接触領域に接続する。
主平面11は、ゲート電極18の領域においてゲートオキ
サイドとし機能する例えば酸化珪素のような絶縁物質の
層17により被覆する。ソース領域13およびドレイン領域
15は浅いイオン注入によりゲート電極に対して自己整合
形式で配置する。行内の複数の画像素子のゲート電極18
は行電極19の構成素子を構成する。トランジスタ12の各
々および関連の画像電極９は行電極19および列導体14を
介して個別に駆動しうるようにする。また、ゲート電極
を電気的に絶縁するため、第２絶縁層20を設ける。本実
施例においては、この層20上にn+形の層14の上部に伸長
する導体パターン21および行電極19を配置する。例え
ば、大地電位のような固定電圧を有するこのような導体
パターンを設けることにより、列導体および行導体から
画像電極９へのクロストーク（漏話）を防止するように
する。また，導体パターン21はスイッチング素子または
半導体基体の他の部分の上部に伸長させてもよいこと当
然であり、また、それらは絶縁層17,20および23内の接
触ホール22の領域に凹所を設けるようにしている。この
場合、前記絶縁層23は導体パターン21を画像電極９から
絶縁する。この絶縁層23は、平滑なミラー表面を得るた
め接触領域16と画像電極９間に電気的接続を与える目的
のため接触ホール22および接触金属部25を設ける前にプ
レーナライズ（平面化）するを可とする。また、反射パ
ワーを増加させるため、面全体は誘電体ミラー24により
被覆することが望ましく、満足な冷却を与えるため、半
導体基体６の下側には導電層26を設けるを可とする。
半導体基体は、例えばシフトレジスタのような制御電
極をこの半導体基体内に実現する場合は、リム部８を超
えて伸長させることもできる。
本実施例においては、画像電極は約30×30（μｍ）２
の表面積を有し、実際のトランジスタ12は、例えば、約
12×15（μｍ）２の表面積を有する。
また、第１図および第２図に示した装置は、複数のス
ペーサ７を含む。それらは、誘電体ミラー24を仕上げた
後、完成した半導体基体６を例えば、0.8μｍの厚みを
有する酸化マグネシウム層で被覆することにより得られ
る。この厚さは、とりわけ使用する液晶物質の依存す
る。スペーサはフォトリソグラヒットエッチング（写真
蝕刻）により得るようにする。スペーサの量は第２支持
プレートの終局の面における表面の変化により、１画像
素子当り１および２の間ならびに10ないし20画素あたり
１の間で変化する。この面は酸化マグネシウムの層を設
ける前に研磨（rubbing）のような液晶の配向処理を受
けさせるようにする。関連のエッチングステップは同時
にリム部８を限定するのにも使用することができる。
終極的な液晶物質の層５は、そこからスペーサがエッ
チされる層の厚さにより決められ、本実施例の場合、そ
れは0.8μｍである。しかし、本実施例で使用する正の
誘電非等方性をベースにしたプレーナ液晶効果において
は、この層は例えば0.25μｍと２μｍの間で変化する。
また液晶層５の必要とする均一な厚さを得るため前もっ
て液晶物質を第１支持プレート２と半導体基体６との間
に導入した後、半導体基体を第１支持プレートに対して
プレスする。この場合、充分な圧力を与えた場合は、面
27におけるミクロ的なレベルでは不平滑さが見られるも
のの、スペーサ７により実際上均一な厚さの液晶層５が
得られる。
本実施例においては、プレスはシリコン ゴム28を介
して行うようにし、概略図で示した外囲部30を含む全体
の組合せを例えば１またはそれ以上のねじ連結部29によ
り保持する方法で均一な圧力を受けさせるようにしてい
る。
以下、正の誘電非等方性を有する該プレーナ液晶効果
の使用に関し、第３図および第４図により詳細に説明す
る。表面層４および27は、電圧のない状態では、液晶の
分子が支持プレート2,6の面に平行な所定方向に指向す
るよう調整されているものとする。
例えば、偏波方向33（第3a図）を有する直線偏波光
は、その偏波方向が液晶分子のオリエンテーション層
（デイレクタ32で示す）に対して45°の角度で伸長する
偏波器31を介して通過する。この振動方向は液晶の配向
方向に対し45°の角度で伸長するので、入射する偏波は
正常波（液晶の配向方向に平行な振動方向34を有する）
および異常波（振動方向34に垂直な振動方向35を有す
る）に分割される。
正常波に対する光学的通路の長さと異常波に対する光
学的通路の長さの差は、反射後液晶を離れる際2dΔｎで
ある（ただし、ｄは液晶層の厚さ、Δｎは正常波と異常
波屈折率の差である）。この光学的通路の長さの差は、
液晶分子が支持プレートにほぼ平行に方向決めされてい
るため、第3a図の状態では最大となる（Δｎ＝Δ
nmax）。選定した波長λ０に対して、2dΔnmax＝1/2λ
０が成立するような厚さｄを選定した場合は、到来異常
ビームと出力異常ビームは相互に180°移相する（それ
ぞれ振動方向35および35′で示す）。かくして、現出す
る光の偏波方向は90°回転する（第3a図に33′で示す）
ので、この光はその偏波方向が偏波器31のそれに対し90
°回転するアナライザ36を通常することができる。かく
して、Ｖ＝０では最大量の光が反射される。
第3c図の状態では液晶のディレクタ32は２つの支持プ
レートに対し垂直である。この場合は、入射偏波ビーム
は分割されることなく、その偏波方向を保持する（2dΔ
ｎ＝０）、したがって、このビームはアナライザ36の通
過を阻止される。
第3b図に示す中間の状態では、０＜2dΔｎ＜1/2λ０
が成立する。この場合は、発出するビームは楕円形また
は円形に偏波され、供給される電圧Ｖおよびデイレクタ
と支持プレート間の関連の角に応じてその大部分または
小部分にわたりアナライザ36を通過する。
第3c図の全滅光状態の場合、すなわち、すべての導波
器が支持プレートに垂直な場合は、きわめて高い電圧
（理論的には無限大）が必要である（第４図の曲線3
7）。
実際には、偏波光の位相回転δに応じてある量の光が
まだ反射されるようなオフ電圧V1（第４図）を選択する
ことにより、このような高電圧を防止することができ
る。全滅光状態（第４図の曲線38）は、例えば、ポラロ
イド、セロハンまたは他の適当な反対の位相回転−δを
生ずる複屈折物質の位相プレート39で第１図の装置を拡
張することにより得られる。ゼロ電圧におけるこの位相
回転δが複屈折を生ずることを防止するため、液晶層の
厚さｄはｄΔnmax＝1/4λ０＋δとなるよう選定する。
実際には、 までの値で充分である。位相プレート39の複屈折と位
相シフトδに応じてｄの値を適当に選定することによ
り、２つの状態間の有効な光通路の長さの差を反射後1/
2λ０とすることが可能である。
ディレクタ32はＶ＝０においてすでに支持プレートに
対する所定角（傾斜）を有しているかもしれず、この場
合も、次式により厚さｄを選定することができる。
ここでΔｎは正常波と異常波に対する屈折率の差（Ｖ
＝０における値）である。
上述の効果をベースにした反射セルにおいては、ほぼ
0Vとほぼ2.5Vの間の電圧範囲で完全な反射から完全な無
反射まで変化するすべての中間の強度値（中間の色調）
が観察され、また５ないし10msのオーダーのスイッチン
グ時間が実現された。
これらのスイッチング時間は、２つの支持プレート上
の配向方向に相互にツイスト（捩り）を与えることによ
り、さらに減少（2ms程度まで）させることさえでき
る。
第５図は第１図および第２図に関して上述した装置１
を用いて実現した投写装置の概要図である。
ランプ40（概略的に図示）は光ビームを放射する。こ
の光ビームはコリメータレンズ（視準器レンズ）41,42
を通過してミラー43に突当たり、垂線48に対して小さい
角度で液晶装置１の方向に反射する。
次に、光は平凸レンズ44を介して半導体装置の反射電
極に達し、前記反射電極は制御電極の影響のもとで液晶
の状態（反射するか否か）を決定する。情報は、例えば
アンテナ記号47で示すようなTV信号とするを可とする。
ビームは、反射後、垂線48に対し小さな角をなして装
置１を離れ平凸レンズ44および第２レンズ45を介して受
像面46に到達する。この面は、例えば、投射スクリーン
に一致する。また、偏波器およびアナライザは、例え
ば、それぞれミラー43と平凸レンズ44との間およびレン
ズ44と45との間に配置する。
上述の効果を使用するときは、異なるカラーに対して
滅光状態が起る電圧V1間の拡がりは小さく、したがって
モノクロム表示に対しては広いスペクトラムを有するラ
ンプ40を使用することで充分であり、また液晶層の厚さ
ｄに対しては例えばλ＝0.6μｍに関連する平均値が選
定される。
カラー表示に関しては、第５図は例えは青、緑および
赤の３つの合成カラーの１つに対する付加物を示す。こ
の場合、光源は中心波長λｉ（ｉ＝1,2,3）のスペクト
ラムを放射するを可とし、厚さｄに関しては を選定するを可とする。
第６図は本発明の変形例を示すものであり、ランプ40
よりの光はコンデンサレンズ41,42を経てビームスプリ
ッタ49に入射し、このビームスプリッタ49は偏光光線を
通過させる。この偏光光線はダイクロイックミラー51,5
2を通じて装置1R,1G,1Bに入射する。これらの装置はそ
れぞれ赤、青、緑の副画像が、形成されるように駆動さ
れる。ダイクロイックミラー51は例えば青色光を反射
し、この青色光は装置1Bに入射し、赤及び緑の光を通過
させる。ダイクロイックミラー52は緑の光を反射させ、
これを装置1Gに入射させ、また赤の光を通過させ、これ
を装置1Rに入射させる。これらの装置1R,1G,1Bに印加す
る電圧に応じて偏光の方向が変化する。偏光状態が変化
しないと、反射光はダイクロイックミラー51,52および
ビームスプリッタ49を通過して光源たるランプ40に戻
る。これらの装置１（1R,1G,1B）のうちの１つ以上で複
屈折が生ずると、反射光は原のビームの偏光方向に対し
直角な偏光方向を有する成分を有する如くなる。このよ
うな反射光はビームスプリッタ49でレンズ45の方向に反
射され、従ってスクリーン46上に映像を生ずる。これら
の装置1R,1G,1Bとレンズ45間の光学的距離は互に等しく
なるように選定する。
本発明は本明細書に記載の実施例に限定されるもので
なく、本発明は他の変形をも包含するものである。例え
ば第２支持プレートによるプレスの代りに、他の圧力手
段を用いることもでき、シリコン ゴムの代りに、例え
ばエラストーマ（elastomer）または他の適当な物質を
選択することもできる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明装置中の支持プレートの１つの一部を示
す平面図、 第２図は第１図示プレートの断面図、 第３図は正の誘電異方性の原理による液晶の作用を示す
図、 第４図はこの装置に関連する電圧対光強度特性を示す
図、 第５図は投写テレビジョンにおける第１図および第２図
に示す装置の使用例を示す図、 第６図は本発明の変形例を示す図である。 １……装置 ２……第１支持プレート ３……透明電極 ４……配向層 ５……液晶物質 ６……第２支持プレート（半導体基体） ７……スペーサ ８……リム部 ９……画像電極 10……Ｐ型基板 11……主平面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−117275（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−221727（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−125331（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−220315（ＪＰ，Ａ) 米国特許4378955（ＵＳ，Ａ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】偏光制御装置であって、該偏光制御装置
    は、少なくとも１つの透明な第１制御電極を有する第１
    の透明な支持プレートと、行及び列に配置した画像素子
    のマトリクスの画像素子を駆動するための１つ以上のス
    イッチング素子を有する少なくとも１つの半導体本体を
    具えた第２の支持プレートとの間に液晶物質の層を具
    え、各画像素子は、画像電極を具え、当該画像電極は、
    少なくともスイッチング素子の領域において、ほぼ完全
    に半導体本体を被覆しており、前記各画像電極の電圧が
    前記スイッチング素子により制御可能であり、前記各画
    像電極の電圧が第１の電圧では、液晶物質の層が、液晶
    の分子が支持プレートにほぼ平行な第１の配向方向を有
    する第１の状態となり、第２の電圧では、液晶物質の層
    が、液晶の分子が支持プレートにほぼ垂直な第２の配向
    方向を有する第２の状態となる偏光制御装置において、 当該偏光制御装置は複屈折物質層を具え、入射光が液晶
    物質の層及び当該複屈折物質層を往復して反射された際
    の、第１の状態と、第２の状態に近く、液晶物質の層の
    複屈折量が一定値（δ）となる所定の状態との間の反射
    後のリタデーションの差が、中心波長λ０を有する入射
    光ビームに対しほぼ1/2λ０であって、複屈折物質層の
    複屈折量が、前記一定値（δ）と絶対値がほぼ同じで符
    号が反対であることを特徴とする偏光制御装置。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の偏光制御装置、偏光子及
    び検光子を有することを特徴とする反射型表示装置。
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