JP4846786B2 - 液晶表示素子及びそれを備えた電子ペーパー並びに画像処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の液晶層が積層された液晶表示素子及びそれを備えた電子ペーパー並びに画像処理方法に関する。

近年、各企業・大学で電子ペーパーの開発が盛んに進められている。電子ペーパーは、電子書籍を筆頭として、モバイル端末のサブディスプレイやＩＣカードの表示部などへの応用が期待されている。電子ペーパーに用いられる有力な表示方式の１つに、コレステリック液晶を用いた液晶表示素子がある。コレステリック液晶を用いた液晶表示素子は、半永久的な表示保持特性（メモリ性）、鮮やかなカラー表示特性、高コントラスト特性、及び高解像度特性等の優れた特徴を有している。コレステリック液晶は、ネマティック液晶にキラル性の添加剤（カイラル材）を比較的多く（数十％）添加することにより得られ、カイラル・ネマティック液晶とも称される。コレステリック液晶は、入射光が干渉反射される程度にネマティック液晶の分子が螺旋（らせん）状に強くねじられたコレステリック相を形成する。

コレステリック液晶を用いた表示素子は、液晶分子の配向状態を画素毎に制御することにより表示を行う。コレステリック液晶の配向状態には、プレーナ状態とフォーカルコニック状態とがある。これらの状態は無電界下でも安定して存在する。フォーカルコニック状態の液晶層は光を透過し、プレーナ状態の液晶層は液晶分子の螺旋ピッチに応じた特定波長の光を選択反射する。

図１４は、コレステリック液晶を用いた液晶表示素子の断面構成を模式的に示している。図１４（ａ）はプレーナ状態の液晶表示素子の断面構成を示し、図１４（ｂ）はフォーカルコニック状態の液晶表示素子の断面構成を示している。図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、液晶表示素子１４６は、一対の上下基板１４７、１４９と、上下基板１４７、１４９間にコレステリック液晶を封止して形成された液晶層１４３とを有している。

図１４（ａ）に示すように、プレーナ状態での液晶分子１３３は、螺旋軸が基板面にほぼ垂直になるような螺旋構造を形成する。プレーナ状態の液晶層１４３は、液晶分子１３３の螺旋ピッチに応じた所定波長の光を選択的に反射する。したがって、ある画素の液晶層１４３をプレーナ状態にすることにより、当該画素は明状態となる。液晶の平均屈折率をｎとし、螺旋ピッチをｐとすると、反射が最大となる波長λは、λ＝ｎ・ｐで表される。反射帯域幅Δλは、液晶の屈折率異方性Δｎに伴って大きくなる。

一方、図１４（ｂ）に示すように、フォーカルコニック状態での液晶分子１３３は、螺旋軸が基板面にほぼ平行になるような螺旋構造を形成する。フォーカルコニック状態の液晶層１４３は、入射光の多くを透過させる。したがって、ある画素の液晶層１４３をフォーカルコニック状態にすることにより、当該画素は暗状態となる。下基板１４９の裏面側に可視光吸収層を配置すれば、フォーカルコニック状態で黒を表示させることができる。

図１５は、コレステリック液晶を用いた一般的なカラー液晶表示素子の断面構成を模式的に示している。図１５に示すように、カラー液晶表示素子は、青色（Ｂ）を表示する液晶層（Ｂｌｕｅ層）１０１Ｂ、緑色（Ｇ）を表示する液晶層（Ｇｒｅｅｎ層）１０１Ｇ、及び赤色（Ｒ）を表示する液晶層（Ｒｅｄ層）１０１Ｒが例えば表示面側（図中上方）からこの順に積層された構成を有している。一般に、カイラル材の含有率が高い液晶層ほど波長の短い光を反射する。すなわち、図１５に示すようなカラー液晶表示素子の場合、液晶層１０１Ｂがカイラル材を最も多く含んでおり、液晶分子が強く捻られて螺旋ピッチが短くなっている。また一般に、カイラル材の含有率が高い液晶層ほど、駆動電圧が高くなる傾向を示す。

図１６は、液晶表示素子の反射スペクトルの一例を示している。横軸は波長（ｎｍ）を表し、縦軸は反射率（％）を表している。▲印を結ぶ曲線は液晶層１０１Ｂでの反射スペクトルを示し、■印を結ぶ曲線は液晶層１０１Ｇでの反射スペクトルを示し、◆印を結ぶ曲線は液晶層１０１Ｒでの反射スペクトルを示している。プレーナ状態の液晶層は左右どちらか一方の円偏光を選択反射するため、反射率は理論上の最大値で５０％であり、実際には４０％前後になる。このように、液晶層１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂは、液晶分子の螺旋ピッチを異ならせることによってそれぞれＲ、Ｇ、Ｂ各色を選択反射するようになっている。これにより、３層の液晶層１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂが積層された構成を有する液晶表示素子は、カラー表示が可能になっている。
特開平１１−２８８００８号公報 特開２００５−２６６５７６号公報 特開２０００−１４７５４７号公報 特開２０００−３６３８７号公報

しかしながら、コレステリック液晶を用いた積層構造のカラー液晶表示素子には、色再現範囲のバランスやコントラストが他の表示素子と比較して必ずしも優れていないという問題があった。その原因の１つに、下層に配置された液晶層での反射光に生じる反射ロスや反射ノイズが挙げられる。図１７は、コレステリック液晶を用いたカラー液晶表示素子の問題点を説明する図である。図１７に示すカラー液晶表示素子は、図１５に示した液晶表示素子と同様に、例えばＢを表示する液晶層１０１Ｂ、Ｇを表示する液晶層１０１Ｇ、及びＲを表示する液晶層１０１Ｒが表示面側からこの順に積層された構成を有している。液晶層１０１Ｂ、１０１Ｇがフォーカルコニック状態であり、液晶層１０１Ｒがプレーナ状態であるとすると、表示面側から入射した光は、液晶層１０１Ｂ、１０１Ｇを透過して液晶層１０１Ｒで反射する。ところが液晶層１０１Ｒでの反射光には、液晶層１０１Ｒより表示面側に位置する液晶層１０１Ｇ、１０１Ｂでの散乱や、液晶層１０１Ｒより表示面側の各界面における界面反射により、大きな反射ロスが生じる。これにより、Ｒの色純度やコントラストが低下するため、表示画像にめりはりがなくなり表示品質が低下してしまう。

液晶層１０１Ｒの表示面側に位置する液晶層１０１Ｇにおいても、液晶層１０１Ｒほどではないが同様の問題が生じる。すなわち、液晶層１０１Ｂ、１０１Ｒがフォーカルコニック状態であり、液晶層１０１Ｇがプレーナ状態であるとすると、表示面側から入射した光は、液晶層１０１Ｂを透過して液晶層１０１Ｇで反射する。ところが液晶層１０１Ｇでの反射光には、液晶層１０１Ｇより表示面側に位置する液晶層１０１Ｂでの散乱や、液晶層１０１Ｇより表示面側の各界面における界面反射により、反射ロスが生じる。図１７に示す構成では、液晶層１０１Ｂが最も表示面側に位置するため、色再現性においてはＢが最も有利である。
以上のように、コレステリック液晶を用いたカラー液晶表示素子は、特に下層に配置される液晶層の表示色における色再現性やコントラストが比較的低いという問題を有している。

本発明の目的は、表示品質の良好な液晶表示素子及びそれを備えた電子ペーパー並びに画像処理方法を提供することにある。

上記目的は、コレステリック相を形成する第１の液晶層を備えた表示部と、入力画像データの入力階調値を第１の表示階調値に変換して、前記第１の液晶層に表示させる第１の表示画像データを生成する制御部とを有することを特徴とする液晶表示素子によって達成される。

上記本発明の液晶表示素子において、前記表示部近傍の温度を検出する環境温度検知部を備え、同一の前記入力階調値から変換される前記第１の表示階調値は、検出した前記温度によって値が異なることを特徴とする。

また上記目的は、コレステリック相を形成する第１の液晶層と、前記第１の液晶層の表示面側に積層された、コレステリック相を形成する第２の液晶層とを備えた表示部と、入力画像データに基づいて前記第１の液晶層を駆動するために印加するパルス電圧の第１の駆動波形データと、前記入力画像データに基づいて前記第２の液晶層を駆動するために印加するパルス電圧の第２の駆動波形データとを生成する制御部とを有することを特徴とする液晶表示素子によって達成される。

さらに上記目的は、上記本発明の液晶表示素子を備えていることを特徴とする電子ペーパーによって達成される。

また上記目的は、入力画像データの入力階調値を第１の表示階調値に変換して、第１の液晶層に表示させる第１の表示画像データを生成し、前記入力階調値を前記第１の表示階調値とは値が異なる第２の表示階調値に変換して、前記第１の液晶層の表示面側に積層された第２の液晶層に表示させる第２の表示画像データをさらに生成することを特徴とする画像処理方法によって達成される。

本発明によれば、表示品質の良好な液晶表示素子及びそれを備えた電子ペーパーを実現できる。

本発明の一実施の形態による液晶表示素子及びそれを備えた電子ペーパー並びに画像処理方法について図１乃至図１３を用いて説明する。まず、本実施の形態による液晶表示素子及び画像処理方法の原理について説明する。図１は、本実施の形態による液晶表示素子における入力階調値と表示階調値との関係を示す階調曲線の一例を示している。横軸は、外部から液晶表示素子に入力する入力画像データに含まれる入力階調値（例えば階調０〜２５５）を表している。縦軸は、入力階調値から変換される表示画像データに含まれる表示階調値（例えば階調０〜２５５）を表している。曲線ｒ１はＲの階調曲線を示し、曲線ｇ１はＧの階調曲線を示し、曲線ｂ１はＢの階調曲線を示している。ここで液晶表示素子は、Ｂを表示する表示層、Ｇを表示する表示層及びＲを表示する表示層が表示面側からこの順に積層された構成を有しているものとする。

図１に示すように、Ｂの階調曲線（曲線ｂ１）は単調増加のほぼ直線であり、Ｂの表示階調値は入力階調値とほぼ等しい値に変換される。これに対し、Ｒ及びＧの階調曲線（曲線ｇ１及びｒ１）は、単調増加であるが高階調側で上に凸、低階調側で下に凸の曲線である。Ｒ及びＧの表示階調値は、多くの階調値で入力階調値と異なる値に変換される。高階調側（ハイライト側；例えば階調１２８〜２５４）の入力階調値から変換されるＧの表示階調値は、その入力階調値（及び同じ入力階調値から変換されるＢの表示階調値）よりも高くなっている。また、高階調側の入力階調値から変換されるＲの表示階調値は、同じ入力階調値から変換されるＧの表示階調値よりさらに高くなっている。これにより、液晶表示素子の下層側に配置された表示層の色成分ほど、彩度（色純度）を強調する方向に補正されるようになる。ただし、入力階調値の最大値（階調２５５）から変換されるＲ、Ｇ、Ｂの表示階調値は、いずれも最大値（階調２５５）になっている。

一方、低階調側（シャドウ側；例えば階調１〜１２６）の入力階調値から変換されるＧの表示階調値は、その入力階調値（及び同じ入力階調値から変換されるＢの表示階調値）よりも低くなっている。また、低階調側の入力階調値から変換されるＲの表示階調値は、同じ入力階調値から変換されるＧの表示階調値よりもさらに低くなっている。これにより、液晶表示素子の下層側に配置された表示層の色成分ほど、コントラストを強調する方向に補正されるようになる。ただし、入力階調値の最小値（階調０）から変換されるＲ、Ｇ、Ｂの表示階調値は、いずれも最小値（階調０）になっている。

本実施の形態によれば、液晶表示素子の最下層に位置する表示層の表示色であるＲの中間調でのくすみが改善され、電子ペーパーのように限られた色再現範囲の表示素子においても、肌色（ペールオレンジ）などの記憶色を好ましく表示できるようになる。

図２は、本実施の形態による液晶表示素子のＲ、Ｇ、Ｂの階調曲線の他の例を重ねて示している。横軸及び縦軸は図１と同様である。曲線ｒ２はＲの階調曲線を示し、曲線ｇ２はＧの階調曲線を示し、曲線ｂ２はＢの階調曲線を示している。図２に示すように、本例では、Ｒ、Ｇ、Ｂの階調曲線（曲線ｒ２、ｇ２、ｂ２）はいずれも高階調側で上に凸、低階調側で下に凸の曲線になっている。高階調側の入力階調値から変換されるＲ、Ｇ、Ｂの表示階調値は、いずれもその入力階調値よりも高くなっている。高階調側の同一の入力階調値からは、Ｇの表示階調値はＢの表示階調値よりも高く変換され、Ｒの表示階調値はＧの表示階調値よりさらに高く変換される。これにより、液晶表示素子の下層側に配置された表示層の色成分ほど彩度を強調する方向に補正されるようになるのに加えて、最も表示面側に配置された表示層の色成分の彩度も強調される。

一方、低階調側の入力階調値から変換されるＲ、Ｇ、Ｂの表示階調値は、いずれもその入力階調値よりも低くなっている。低階調側の同一の入力階調値からは、Ｇの表示階調値はＢの表示階調値よりも低く変換され、Ｒの表示階調値はＧの表示階調値よりもさらに低く変換される。これにより、液晶表示素子の下層側に配置された表示層の色成分ほどコントラストを強調する方向に補正されるようになるのに加えて、最も表示面側に配置された表示層の色成分のコントラストも強調される。

また本願発明者は、上記のような彩度及びコントラストの強調の程度を温度によって調整するとさらに効果的であることを突き止めた。図３は、温度とフォーカルコニック状態の液晶層での光の散乱との関係を示すグラフである。横軸は温度（℃）を表し、縦軸は散乱を表している。この散乱は、フォーカルコニック状態の液晶層に入射した光の「後方散乱」が大きな割合を占める。図３の散乱はフォーカルコニック状態での反射率の測定値（白色板比，％）である。図３に示すように、一般に低温になるほどフォーカルコニック状態の液晶層での光の散乱が増加する。したがって低温下では、液晶表示素子の下層の表示色は上層の液晶層での散乱の影響を強く受けるため、下層の表示色の色純度がさらに低下する。それに加え、黒濃度が低下（黒輝度が上昇）してしまうため、コントラストも大きく低下してしまう。

色再現範囲のバランスやコントラストは、暗状態、つまりフォーカルコニック状態の液晶層での光の散乱に大きく左右される。例えば表示色がＲ、Ｇ又はＢの単色である場合、１つの液晶層がプレーナ状態となり、他の２つの液晶層がフォーカルコニック状態になる。このとき、フォーカルコニック状態の液晶層での光の散乱が大きいと、プレーナ状態の液晶層での反射光に散乱光がノイズとして加わるため、色純度が低下してしまう。また、黒を表示しているときには全ての液晶層がフォーカルコニック状態になる。このとき、液晶層での光の散乱が大きいと、黒濃度が著しく低下してしまう。

そこで本実施の形態では、彩度及びコントラストの強調の程度を例えば表示部近傍の温度によって調整する。図４は、互いに異なる温度でのＲ、Ｇ、Ｂの階調曲線の例を示している。図４（ａ）は表示部近傍の温度が室温（２０〜３０℃程度）よりある程度以上高いときの階調曲線を示し、図４（ｂ）は表示部近傍の温度が室温程度であるときの階調曲線を示し、図４（ｃ）は表示部近傍の温度が室温よりある程度以上低いときの階調曲線を示している。図４（ａ）〜（ｃ）において、横軸及び縦軸は図１と同様である。また、曲線ｒ３、ｒ４、ｒ５はＲの階調曲線をそれぞれ示し、曲線ｇ３、ｇ４、ｇ５はＧの階調曲線をそれぞれ示し、曲線ｂ３、ｂ４、ｂ５はＢの階調曲線をそれぞれ示している。

表示部近傍の温度が高いときには、フォーカルコニック状態の液晶層での光の散乱が比較的小さいため、彩度及びコントラストの強調は必ずしも必要でない。したがって図４（ａ）に示すように、Ｒ、Ｇ、Ｂの表示階調値は、例えばいずれも入力階調値とほぼ等しい値に変換される。

表示部近傍の温度が室温程度のときには、フォーカルコニック状態の液晶層での光の散乱が高温時と比べると大きい。したがって図４（ｂ）に示すように、彩度及びコントラストを強調するように表示階調値を変換するのが好ましい。例えば、高階調側の同一の入力階調値からは、Ｇの表示階調値はＢの表示階調値よりも高く変換され、Ｒの表示階調値はＧの表示階調値よりさらに高く変換される。また、低階調側の同一の入力階調値からは、Ｇの表示階調値はＢの表示階調値よりも低く変換され、Ｒの表示階調値はＧの表示階調値よりもさらに低く変換される。

表示部近傍の温度が低いときには、フォーカルコニック状態の液晶層での光の散乱がさらに大きい。したがって図４（ｃ）に示すように、彩度及びコントラストをさらに強調するように表示階調値を変換するのが好ましい。例えば、高階調側の同一の入力階調値から変換されるＲ、Ｇ、Ｂの表示階調値は、表示部近傍の温度が室温程度のときのＲ、Ｇ、Ｂの表示階調値（図４（ｂ）参照）よりもそれぞれ高くなる。また、低階調側の同一の入力階調値から変換されるＲ、Ｇ、Ｂの表示階調値は、表示部近傍の温度が室温程度のときのＲ、Ｇ、Ｂの表示階調値よりもそれぞれ低くなる。

このように、表示部近傍の温度が低いほど彩度及びコントラストを強調することによって、フォーカルコニック状態の液晶層での光の散乱による彩度及びコントラストの低下を良好に補正できるようになる。これにより、液晶表示素子の使用環境の温度によらず、良好な表示品質が得られる。

図５は、本実施の形態による液晶表示素子の概略の構成を示すブロック図である。図６は、液晶表示素子の構成を模式的に示す断面図である。図５及び図６に示すように、液晶表示素子は、メモリ性を有する表示部３８を備えている。表示部３８は、Ｂを表示する表示層３９Ｂ、Ｇを表示する表示層３９Ｇ、及びＲを表示する表示層３９Ｒが表示面側（図６中上方）からこの順に積層された構成を有している。さらに、表示層３９Ｒの裏面側（図６中下方）には、必要に応じて可視光吸収層４０が設けられる。

各表示層３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂは、シール材４４を介して貼り合わされた一対の基板４２、４３を有している。基板４２、４３の例えば双方は、可視光を透過させる透光性を有している。基板４２、４３としては、ガラス基板や、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ；ＰｏｌｙＥｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）やポリカーボネート（ＰＣ；ＰｏｌｙＣａｒｂｏｎａｔｅ）等を用いたフィルム基板を用いることができる。

基板４２の基板４３に対向する面には、互いにほぼ平行に延びる帯状の複数の走査電極４８が形成されている。また基板４３の基板４２に対向する面には、互いにほぼ平行に延びる帯状の複数の信号電極５０が形成されている。Ｑ−ＶＧＡの表示層であれば、例えば２４０本の走査電極４８と３２０本の信号電極５０とが形成される。基板面に垂直に見ると、走査電極４８と信号電極５０とは互いに交差するように延びている。走査電極４８と信号電極５０とが交差する複数の領域は、マトリクス状に配置された複数の画素領域となる。走査電極４８及び信号電極５０は、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ；Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を用いて形成されている。インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ；Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｃ Ｏｘｉｄｅ）等の透明導電膜や、アルミニウム、シリコン等の金属電極、あるいは、アモルファスシリコン、珪酸ビスマス（ＢＳＯ；Ｂｉｓｍｕｔｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｘｉｄｅ）等の光導電性膜等を用いて走査電極４８及び信号電極５０を形成することもできる。

走査電極４８上及び信号電極５０上には絶縁性薄膜や配向安定化膜がコーティングされていることが好ましい。絶縁性薄膜は、電極間の短絡を防止したりガスバリア層としてガス成分を遮断したりして、液晶表示層の信頼性を向上する機能を有する。配向安定化膜には、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、又はアクリル樹脂等の有機膜や、酸化シリコン、酸化アルミニウム等の無機材料が用いられる。本例では、走査電極４８、信号電極５０上に配向安定化膜がコーティングされている。また、配向安定化膜を絶縁性薄膜と兼用してもよい。

基板４２、４３間には、セルギャップを均一に保持するためのスペーサ（不図示）が設けられている。スペーサとしては、樹脂製又は無機酸化物製の球状スペーサや、表面に熱可塑性の樹脂がコーティングされた固着スペーサ、フォトリソグラフィ法を用いて基板上に形成された柱状スペーサ等が用いられる。

基板４２、４３間には、室温でコレステリック相を示すコレステリック液晶組成物が封止され、液晶層４６が形成されている。コレステリック液晶組成物は、ネマティック液晶混合物にカイラル材を１０〜４０ｗｔ％添加して作製されている。ここで、カイラル材の添加量は、ネマティック液晶とカイラル材の合計量を１００ｗｔ％としたときの値である。カイラル材の添加量が多いと、ネマティック液晶の分子が強く捻られるため螺旋ピッチが短くなり、プレーナ状態で短波長の光を選択反射するようになる。逆にカイラル材の添加量が少ないと螺旋ピッチが長くなり、プレーナ状態で長波長の光を選択反射するようになる。表示層３９Ｒの液晶層４６はプレーナ状態でＲの波長の光を選択反射し、表示層３９Ｇの液晶層４６はプレーナ状態でＧの波長の光を選択反射し、表示層３９Ｂの液晶層４６はプレーナ状態でＢの波長の光を選択反射するようになっている。

ネマティック液晶としては公知の各種材料を用いることができる。コレステリック液晶組成物としての誘電率異方性Δεは、２０〜５０であることが好ましい。誘電率異方性Δεが２０以上であれば、駆動電圧の著しい上昇を抑えられるため、駆動回路に安価な汎用部品を使用できる。コレステリック液晶組成物の誘電率異方性Δεが上記範囲より低すぎると、駆動電圧が高くなってしまう。逆に、誘電率異方性Δεが上記範囲より高すぎると、表示素子としての安定性や信頼性が低下し、画像欠陥や画像ノイズが発生し易くなってしまう。

また、コレステリック液晶組成物の屈折率異方性Δｎは、画質を支配する重要な物性値である。屈折率異方性Δｎは、概ね０．１８〜０．２４であることが好ましい。屈折率異方性Δｎがこの範囲より小さいと、プレーナ状態での反射率が低下するため、表示輝度が低下してしまう。逆に屈折率異方性Δｎがこの範囲より大きいと、フォーカルコニック状態での光の散乱が大きくなるため、色純度やコントラストが低下して表示がぼやけてしまう。コレステリック液晶組成物の比抵抗値は、１０^１０〜１０^１３Ω・ｃｍの範囲であることが望ましい。また、コレステリック液晶組成物の粘性が低いほど低温時の電圧上昇やコントラスト低下が抑制される。コレステリック液晶組成物の粘度は、応答速度や配向状態の安定性から、２０〜１２００ｍＰａ・ｓの範囲であることが望ましい。

本実施の形態では、プレーナ状態における表示層３９Ｇの液晶層４６での旋光性と、表示層３９Ｒ、３９Ｂの液晶層４６での旋光性とを異ならせている。このため、図１６に示したようなＢとＧの反射スペクトルが重なる領域、及びＧとＲの反射スペクトルが重なる領域では、表示層３９Ｂの液晶層４６で右円偏光の光を反射させ、表示層３９Ｇの液晶層４６で左円偏光の光を反射させるころができる。これにより、反射光の損失を低減させて、液晶表示素子の表示画面の明るさを向上させることができる。

また液晶表示素子は、ＳＴＮモードの液晶表示素子と同様に、表示部３８にそれぞれ接続されたスキャン側のドライバＩＣ２０及びデータ側のドライバＩＣ２１を有している。本実施の形態のように複数の表示層３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂが積層された液晶表示素子では、一般にデータ側のドライバＩＣ２１は各層毎に独立して設ける必要がある。スキャン側のドライバＩＣは、各層で共通化してもよい。

さらに液晶表示素子は、昇圧部２２、電圧生成部２３及びレギュレータ２４を備えた電源部２８を有している。昇圧部２２は例えばＤＣ−ＤＣコンバータを有し、外部から入力された例えば直流３〜５Ｖの電圧をコレステリック液晶の駆動に必要な直流３０〜４０Ｖ前後の電圧に昇圧する。電圧生成部２３は、昇圧部２２で昇圧された電圧を用いて、各画素の階調値や選択／非選択の別に応じて必要な複数レベルの電圧を生成する。レギュレータ２４は、ツェナーダイオードやオペアンプ等を有し、電圧生成部２３で生成された電圧を安定化させ、ドライバＩＣ２０、２１に供給するようになっている。

また液晶表示素子は、温度センサ（環境温度検知部）２７を有している。温度センサ２７は、例えば表示部３８近傍に設置され、表示部３８近傍の温度を検出し、検出した温度に基づいて温度データを出力するようになっている。

さらに液晶表示素子は、演算部２５及びデータ制御部２６を備えた制御部２９を有している。演算部２５は、入力画像データを外部から入力し、表示部３８近傍の温度データを温度センサ２７から入力する。なお、温度データは外部から演算部２５に入力するようにしてもよく、その場合温度センサ２７を液晶表示素子に設ける必要はない。演算部２５は、入力画像データと温度データとに基づいて、表示部３８の各表示層３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂに表示させるための表示画像データを生成してデータ制御部２６に出力するようになっている。データ制御部２６は、データ制御部２６から入力した表示層３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂ毎の表示画像データと予め設定された駆動波形データとに基づいて駆動データを生成する。データ制御部２６は、生成した駆動データをデータ取込みクロックに合わせてデータ側のドライバＩＣ２１に出力するようになっている。またデータ制御部２６は、パルス極性制御信号、フレーム開始信号、データラッチ・スキャンシフト、ドライバ出力オフなどの制御信号をドライバＩＣ２０、２１に出力する。

図７は、演算部２５の構成及び演算部２５での処理の流れの概略を示すブロック図である。図７に示すように、温度センサ２７からの出力値は、演算部２５のデコーダ３０に入力する。デコーダ３０は、温度センサ２７からの出力値を所定の温度データに変換し、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）セレクタ３１に出力する。温度センサ２７の出力がデジタル信号の場合、デコーダ３０はＬＵＴセレクタに合わせた符号化を行う。温度センサ２７の出力がアナログ信号の場合、デコーダ３０にはＡ／Ｄコンバータとしての機能を持たせる。ＬＵＴセレクタ３１は、画像補正（強調処理）ＬＵＴを記憶するＬＵＴメモリ３２から、デコーダからの温度データに基づく最適な強調処理ＬＵＴを選択する。選択された強調処理ＬＵＴには、図４（ａ）〜（ｃ）に示したような階調曲線のデータが含まれている。

一方、入力画像データは、演算部２５の画質強調処理部３３に入力する。画質強調処理部３３は、ＬＵＴセレクタ３１が選択した強調処理ＬＵＴに基づき、入力画像データの入力階調値を表示階調値に変換する画質強調処理を行い、各表示層３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂに表示させるための表示画像データを生成する。なお、画質強調処理部３３は、画質強調処理を強調処理ＬＵＴに基づいて行うのではなく、入力画像データを用いた所定の演算処理によって行ってもよい。

生成された表示画像データには、必要であれば階調変換処理部３４により階調変換処理が施される。例えば、表示部３８の表示色数が５１２色のとき、各表示層３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂの表示可能階調数はそれぞれ８階調である。これに対し入力画像がフルカラー（Ｒ、Ｇ、Ｂがいずれも２５６階調（８ｂｉｔ））である場合には、表示可能階調数に応じた階調変換処理が必要になる。階調変換のアルゴリズムとしては、網点法や組織的ディザ法などもあるが、誤差拡散法が最も解像性や先鋭度に優れており、コレステリック液晶を用いた液晶表示素子とも相性がよい。それに次いでブルーノイズマスク法がある。ブルーノイズマスク法は、誤差拡散法よりやや画質は劣るものの、処理が高速であるという長所を有する。ここで、画質強調処理と階調変換処理の順序は任意である。ただし、画質強調処理により表示画像データを生成した後に階調変換処理を施した方が、粒状性や偽輪郭を抑制でき、より階調が滑らかになるという利点がある。

入力画像データの各色の階調数と各表示層３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂの表示可能階調数とが一致している場合には、階調変換処理部３４を設けなくてもよい。例えば、画像データが液晶表示素子に送信（配信）される前に、誤差拡散法などを用いた画像データの階調変換処理を予め送信側で施しておくことが考えられる。この場合、入力画像データに既に階調変換処理が施されているとすると、画質強調処理が階調変換処理の後に施されることになる。したがって、画質がやや劣化する可能性があるが、階調変換処理部３４を液晶表示素子に設けるためのコストが削減されることに加え、入力画像データが液晶表示素子に入力されてから表示までに要する時間が短縮されるという利点がある。

なお図示を省略しているが、本実施の形態による電子ペーパーは、上記の液晶表示素子に、入出力装置及び全体を統括制御する制御装置を設けた構成を有している。

ここで、液晶表示素子の駆動方法について説明する。図８（ａ）は、データ制御部２６から入力した駆動データに基づいて、液晶をプレーナ状態にするためにドライバＩＣ２１が信号電極５０に印加する１選択期間分の電圧波形を示している。この選択時間は液晶材料や素子構造に依存するが、概ね数ｍｓ〜数十ｍｓである。図８（ｂ）は、液晶をフォーカルコニック状態にするためにドライバＩＣ２１が信号電極５０に印加する電圧波形を示している。図９（ａ）は選択した走査電極４８にドライバＩＣ２０が印加する電圧波形を示し、図９（ｂ）は非選択の走査電極４８にドライバＩＣ２０が印加する電圧波形を示している。図１０（ａ）はプレーナ状態に駆動される画素の液晶層４６に印加される電圧波形を示し、図１０（ｂ）はフォーカルコニック状態に駆動される画素の液晶層４６に印加される電圧波形を示している。

また図１１は、コレステリック液晶の電圧−反射率特性の一例を示すグラフである。横軸は液晶層４６に印加される電圧値（Ｖ）を表し、縦軸は電圧印加後の液晶層４６の反射率を表している。液晶層４６の反射率が相対的に高い状態はプレーナ状態を表し、反射率が相対的に低い状態はフォーカルコニック状態を表している。図６に示す実線の曲線Ｐは、初期状態がプレーナ状態である液晶層４６の電圧−反射率特性を示し、破線の曲線ＦＣは、初期状態がフォーカルコニック状態である液晶層４６の電圧−反射率特性を示している。

プレーナ状態に駆動される画素では、選択期間の前半において、図８（ａ）に示すように信号電極５０の電圧が＋３２Ｖになり、図９（ａ）に示すように走査電極４８の電圧が０Ｖになる。このため、図１０（ａ）に示すように当該画素の液晶層４６には＋３２Ｖの電圧が印加される。また選択期間の後半において、信号電極５０の電圧は０Ｖになり、走査電極４８の電圧は＋３２Ｖになる。このため、当該画素の液晶層４６には−３２Ｖの電圧が印加される。非選択期間の液晶層４６に印加される電圧は最大で±４Ｖであるため、選択期間における当該画素の液晶層４６にはほぼ±３２Ｖのパルス電圧が印加されることになる。液晶層４６に強い電界を生じさせると、液晶分子の螺旋構造は完全に解け、全ての液晶分子の長軸方向が電界の向きに従うホメオトロピック状態になる。次に、ホメオトロピック状態の液晶から電界を急激に除去すると、液晶の螺旋軸は電極表面に垂直になり、螺旋ピッチに応じた波長の光を選択反射するプレーナ状態になる。すなわち、図１１に示すように、液晶層４６は±３２Ｖ（≒ＶＰ０）のパルス電圧が印加されるとプレーナ状態になり、当該画素は明状態になる。

一方、フォーカルコニック状態に駆動される画素では、選択期間の前半において、図８（ｂ）に示すように信号電極５０の電圧が＋２４Ｖになり、図９（ａ）に示すように走査電極４８の電圧が０Ｖになる。このため、図１０（ｂ）に示すように当該画素の液晶層４６には＋２４Ｖの電圧が印加される。また選択期間の後半において、信号電極５０の電圧は＋８Ｖになり、走査電極４８の電圧は＋３２Ｖになる。このため、当該画素の液晶層には−２４Ｖの電圧が印加される。非選択期間に印加される電圧は最大で±４Ｖであるため、選択期間における当該画素の液晶層４６にはほぼ±２４Ｖのパルス電圧が印加されることになる。液晶分子の螺旋構造が完全には解けない程度の比較的弱い電界を液晶層４６に生じさせた後に電界を除去した場合、あるいは強い電界を液晶層４６に生じさせた後に電界を緩やかに除去した場合には、液晶の螺旋軸は電極表面に平行になり、入射光を透過するフォーカルコニック状態になる。すなわち、図１１に示すように、液晶層４６は±２４Ｖ（＜ＶＦ１００ｂ）のパルス電圧が印加されるとフォーカルコニック状態になり、当該画素は暗状態になる。

中間調を表示するためには、ＶＦ１００ｂ（例えば２６Ｖ）とＶＰ０（例えば３２Ｖ）との間の電圧値、又はＶＦ０（例えば６Ｖ）とＶＦ１００ａ（例えば２０Ｖ）との間の電圧値が用いられる。これらの電圧値のパルス電圧を印加することにより、液晶の配向状態がプレーナ状態とフォーカルコニック状態とが混在した状態になり、中間調の表示が可能になる。ＶＦ０とＶＦ１００ａとの間の電圧値を用いて中間調を表示する場合には、液晶の初期状態をプレーナ状態にしなければならない制約があるが、中間調での表示むらが小さく、良好な表示品質が得られる。一方、ＶＦ１００ｂとＶＰ０との間の電圧値を用いて中間調を表示する場合には、中間調での表示むらがやや大きくなる他、汎用のドライバＩＣではクロストークを抑制するための制御が難しくなるが、書込み時間を短縮できる利点がある。

図１２は、本実施の形態の効果を説明する図である。図１２（ａ）は、従来の液晶表示素子のグレイスケール表示での反射スペクトルを示している。図１２（ｂ）は、図１に示した階調曲線に基づく階調の補正を行った本実施の形態による液晶表示素子のグレイスケール表示での反射スペクトルを示している。図１２（ｃ）は、図２に示した階調曲線に基づく階調の補正を行った本実施の形態による液晶表示素子のグレイスケール表示での反射スペクトルを示している。図１２（ａ）〜（ｃ）の曲線ａ１は、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色がいずれも階調０である状態の反射スペクトルを示している。以下同様に曲線ａ２、ａ３、ａ４、ａ５は、階調６３、階調１２７、階調１９１、階調２５５である状態の反射スペクトルをそれぞれ示している。ただし、図１２（ｂ）、（ｃ）に反射スペクトルを示した本実施の形態による液晶表示素子では、表示部３８近傍の温度に基づく階調の補正は行わなかった。

図１２（ａ）に示すように、従来の液晶表示素子においては、Ｒに相当する長波長帯域での反射率は、低階調側では相対的に高く、高階調側では相対的に低い。したがって、Ｒのコントラストや色純度が低下していることが分かる。これに対し、図１２（ｂ）、（ｃ）に示すように本実施の形態による液晶表示素子では、特に長波長帯域において、中間調の低階調側（曲線ａ２）での反射率が抑えられ、中間調の高階調側（曲線ａ４）での反射率が高められている。したがって本実施の形態によれば、コントラストや色純度の高い良好な表示品質が得られる。特に、図１２（ｃ）に示す反射スペクトルでは、Ｂに相当する短波長帯域での反射率も中間調の低階調側で抑えられ、中間調の高階調側で高められている。したがって、図２に示した階調曲線に基づく補正を行うことにより、コントラストや色純度がより高くなることが分かる。

次に、本実施の形態による液晶表示素子の変形例について説明する。本変形例は、表示画像データを補正するのではなく、駆動波形データを補正する点に特徴を有している。図１３は、本変形例の液晶表示素子の演算部２５の構成及び演算部２５での処理の流れの概略を示すブロック図である。図１３に示すように演算部２５は、強調処理ＬＵＴを記憶するＬＵＴメモリ３２に代えて、駆動波形ＬＵＴを記憶するＬＵＴメモリ３５を有している。駆動波形ＬＵＴには、例えば中間調を表示するために各表示層３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂの液晶層に印加するパルス電圧の駆動波形データが格納されている。駆動波形データとしては、パルス幅のデータやパルス波高値を補正する波高補正値のデータが含まれる。例えば、液晶表示素子の下層側に配置された表示層の色成分ほど、高階調側ではパルス幅が広く又は波高補正値が大きくなっており、低階調側ではパルス幅が狭く又は波高補正値が小さくなっている。ＬＵＴセレクタ３１は、デコーダからの温度データに基づく最適な駆動波形ＬＵＴをＬＵＴメモリ３５から選択する。演算部２５は、選択した駆動波形ＬＵＴに基づいて各表示層３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂ毎の駆動波形データを生成し、データ制御部２６に出力する。

一方、入力画像データは、演算部２５の階調変換処理部３４に入力される。階調変換処理部３４は、入力画像データに必要な階調変換処理を施して表示画像データを生成し、生成した表示画像データをデータ制御部２６に出力する。入力画像データの各色の階調数と各表示層３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂの表示可能階調数とが一致している場合には、階調変換処理部３４は不要である。そのとき入力画像データは、そのまま表示画像データとしてデータ制御部２６に出力される。

データ制御部２６は、各表示層３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂの駆動波形データと表示画像データとに基づいて、液晶表示素子の下層側に配置された表示層の色成分ほど彩度及びコントラストが強調されるような駆動データを生成する。データ制御部２６は、生成した駆動データをデータ取込みクロックに合わせてデータ側のドライバＩＣ２１に出力するようになっている。

既に述べたように、中間調を表示するためには、ＶＦ０とＶＦ１００ａとの間の電圧値、又はＶＦ１００ｂとＶＰ０との間の電圧値が用いられる。ＶＦ０とＶＦ１００ａとの間の電圧値を用いて中間調を表示する場合には、液晶の初期状態はプレーナ状態にする必要がある。プレーナ状態の液晶層に、ＶＦ０とＶＦ１００ａとの間の中間的な強度のパルス電圧を印加することにより中間調が表示される。

例えば、高階調側の中間調（駆動電圧が図１１に示す６〜１３Ｖの範囲）を強調する場合、明度を上げる方向に補正するために、波高値の補正により出力電圧値を相対的に下げてプレーナ状態側に駆動する。これに対し、低階調側の中間調（駆動電圧が図１１に示す１３〜２０Ｖの範囲）を強調する場合、明度を下げる方向に補正するために、波高値の補正により出力電圧値を相対的に上げてフォーカルコニック状態側に駆動する。すなわち、データ制御部２６から出力される駆動データには、表示画像データの各表示階調値を得るのに本来必要な駆動電圧値ではなく、駆動波形データの波高補正値に基づいて補正された駆動電圧値が含まれている。また、パルス電圧の波高を補正するのではなく、パルス幅を補正してもよい。例えばパルス幅を広くすることにより電圧値を上げるのとほぼ同等な効果が得られる。

一方、ＶＦ１００ｂとＶＰ０との間の電圧値を用いて中間調を表示する場合には、液晶の初期状態はプレーナ状態でもフォーカルコニック状態でもよく、ＶＦ１００ｂとＶＰ０との間の中間的な強度のパルス電圧を液晶層に印加することにより中間調が表示される。

例えば、高階調側の中間調（駆動電圧が図１１に示す２９〜３２Ｖの範囲）を強調する場合、明度を上げる方向に補正するために、波高値の補正により出力電圧値を相対的に上げてプレーナ状態側に駆動する。これに対し、低階調側の中間調（駆動電圧が図１１に示す２６〜２９Ｖの範囲）を強調する場合、明度を下げる方向に補正するために、波高値の補正により出力電圧値を相対的に下げてフォーカルコニック状態側に駆動する。

コレステリック液晶を用いた液晶表示素子などの反射型の表示素子は、一般に色再現範囲が限られている。コレステリック液晶を用いた従来の表示素子では、人物の肌の色などがかなりくすんだ表示となってしまい、主観評価で高い評価を得られなかった。本実施の形態によれば、肌色、緑又は空の色などの観察者の主観に訴えることができる記憶色を強調できるため、主観評価で高い評価を得られた。

以上説明したように、本実施の形態によれば、コレステリック液晶を用いたカラー液晶表示素子において、特に下層に配置される表示色における色再現性やコントラストを向上できる。また本実施の形態によれば、液晶表示素子の使用環境の温度によらず、良好な表示品質が得られる。

本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態ではコレステリック液晶を用いたカラー液晶表示素子を例に挙げたが、本発明はこれに限らず、他の表示素子にも適用できる。

さらに、上記実施の形態では電子ペーパーを例に挙げたが、本発明はこれに限らず、表示素子を備えた種々の電子端末に適用できる。

また、上記実施の形態では、固定された階調曲線に基づいて入力階調値を単純に出力階調値に変換する方法を例に挙げたが、本発明はこれに限らず、入力画像データに基づき階調曲線を最適化することが好ましい。例えば、入力画像データから記憶色を判断し、その記憶色を他の色より強調するようにすれば、さらに高い主観評価が得られるようになる。

本発明の一実施の形態による液晶表示素子のＲ、Ｇ、Ｂの階調曲線の一例を重ねて示す図である。 本発明の一実施の形態による液晶表示素子のＲ、Ｇ、Ｂの階調曲線の他の例を重ねて示す図である。 温度とフォーカルコニック状態の液晶層での散乱との関係を示すグラフである。 互いに異なる温度でのＲ、Ｇ、Ｂの階調曲線の例を示す図である。 本発明の一実施の形態による液晶表示素子の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態による液晶表示素子構成を模式的に示す断面図である。 演算部の構成及び演算部での処理の流れの概略を示すブロック図である。 信号電極に印加される１選択期間分の電圧波形を示す図である。 走査電極に印加される１選択期間分の電圧波形を示す図である。 画素の液晶層に印加される１選択期間分の電圧波形を示す図である。 コレステリック液晶の電圧−反射率特性の一例を示すグラフである。 本発明の一実施の形態による液晶表示素子の効果を説明する図である。 本発明の一実施の形態の変形例による液晶表示素子の演算部の構成及び演算部での処理の流れの概略を示すブロック図である。 コレステリック液晶を用いた液晶表示素子の断面構成を模式的に示す図である。 コレステリック液晶を用いたカラー液晶表示素子の断面構成を模式的に示す図である。 積層構造を有する液晶表示素子の反射スペクトルの一例を示す図である。 コレステリック液晶を用いたカラー液晶表示素子の問題点を説明する図である。

符号の説明

２０、２１ ドライバＩＣ
２２ 昇圧部
２３ 電圧生成部
２４ レギュレータ
２５ 演算部
２６ データ制御部
２７ 温度センサ
２８ 電源部
２９ 制御部
３０ デコーダ
３１ ＬＵＴセレクタ
３２、３５ ＬＵＴメモリ
３３ 画質強調処理部
３４ 階調変換処理部
３８ 表示部
３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂ 表示層
４０ 可視光吸収層
４２、４３ 基板
４４ シール材
４６ 液晶層
４８ 走査電極
５０ 信号電極

Claims (5)

1. コレステリック相を形成する第１の液晶層と、前記第１の液晶層の表示面側に積層された、コレステリック相を形成する第２の液晶層とを備えた表示部と、
   入力画像データの入力階調値を第１の表示階調値に変換して、前記第１の液晶層に表示させる第１の表示画像データを生成し、前記入力階調値を前記第１の表示階調値とは値が異なる第２の表示階調値に変換して、前記第２の液晶層に表示させる第２の表示画像データを生成する制御部とを有し、
   前記入力階調値から変換される前記第１の表示階調値は、当該入力階調値から変換される前記第２の表示階調値よりも高階調側で高く、かつ／又は、低階調側で低いこと
   を特徴とする液晶表示素子。
2. 請求項１記載の液晶表示素子において、
   前記表示部近傍の温度を検出する環境温度検知部を備え、
   同一の前記入力階調値から変換される前記第１の表示階調値は、検出した前記温度によって値が異なること
   を特徴とする液晶表示素子。
3. 請求項２記載の液晶表示素子において、
   高階調側の前記入力階調値から変換される前記第１の表示階調値は、前記温度が低いほど高いこと
   を特徴とする液晶表示素子。
4. 請求項２又は３に記載の液晶表示素子において、
   低階調側の前記入力階調値から変換される前記第１の表示階調値は、前記温度が低いほど低いこと
   を特徴とする液晶表示素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液晶表示素子を備えていること
   を特徴とする電子ペーパー。

Images