JP2002196332A - Lcd用の色分離バックライト - Google Patents
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Abstract
なく、LCD出力の輝度を増加させること。 【解決手段】 明細書では、光源として赤・緑・青LE
Dを用いるカラー透過型LCDを説明している。R、G
およびBのLEDは別々の光ガイドに接続されており、
各色毎に1つの光ガイドが設けられている。これらの光
ガイドは、上に重なる3つのプラスチックまたはガラス
シートの形状を採用している。別の実施形態では、支持
表面に互いに平行となるように配置された薄いファイバ
光ケーブルを用い、各ファイバ光ケーブルは、RGB繰
返しパターンにおけるR、GまたはBのLEDの1つに
しか光学的に接続されていない。光ガイドは、赤・緑・
青ピクセルの位置に対応する光を発するために変形部を
含む。R、GおよびBのLEDは、常時動作しているの
で、カラーフィルタリングが存在しない。
Description
プレイに関し、特に、カラー液晶ディスプレイを背面か
ら照らす(バックライティング)ための技術に関する。
は、一般的には、携帯電話、携帯情報端末(PDA)お
よびラップトップコンピュータのようなバッテリ駆動型
装置に用いられており、この液晶ディスプレイがCRT
に取って代わるような、デスクトップおよびテレビでの
アプリケーションにおいて普及してきている。現在、こ
のようなLCDの欠点としては、輝度が限られているこ
と、効率が低いこと、および、表示角度が限られている
ことがある。このLCDについては、モノクロまたはカ
ラーとすることができ、かつ、透過型(transmissive)
または反射型(reflective)とすることができる。本発
明は、バックライティングを必要とするカラー透過型L
CDを扱い、このバックライティングは、赤、緑および
青の要素を含んでいる。
CDの細部における断面図である。本発明により防止さ
れる従来技術にかかるLCDのある欠点を明らかにする
ために、図1に示す構造を用いる。
D層に対してバックライティングを行うための白色光源
を含む。一般的な白色光源としては蛍光電球がある。別
の白色光源としては、それぞれが発した光が組み合わさ
って白色光を生成する、赤色、緑色および青色発光ダイ
オード(LED)を組み合わせたものがある。その他の
白色光源も知られている。これらの白色光源は、ディス
プレイの背面に対して均一な光を供給しなくてはならな
い。このような均一な光を供給するための一般的な技術
としては、光源を透き通ったプラスチックシートにおけ
る1つ以上の端部に対して光学的に接続するといったよ
うに、蛍光電球またはLEDを光ガイドに対して光学的
に接続するものがある。このシートは、該シートの上部
表面から発光がなされるよう該上部表面に対してほぼ垂
直に光を屈折させる変形部(deformities)を有する。
このような変形部には、例えば、底面における隆起部、
プラスチックシートに埋め込んだ反射分子、または、上
記シートの上部表面または底面における荒面仕上(roug
hening)が含まれる。この変形部によって、光ガイドの
表面から準均一平面の光が発することになる。輝度およ
び均一性を向上させるために、光ガイドの裏面の後ろに
反射板を配置することができる。
して均一に光を与えるべく、ディスプレイの背後に配置
される光源に対して散光器(diffusers)を設けること
もよく知られている。
光させる。図1に示す実施形態では、偏光フィルタ14
は、透明な伝導体を有するガラス製の基体の中に形成さ
れる。
り、液晶層16の上には透明な伝導体を有するガラス製
の基体18がある。ガラス製の基体18における選択さ
れた伝導体は、電極19、20に接続されたディスプレ
イ制御信号により電圧が印加される。液晶層16のピク
セル領域を横切る電場が存在しないことにより、このピ
クセル領域を通過する光は、入射偏光に対して直交する
よう回転した偏光を有することになる。液晶層16のピ
クセル領域を横切る電場によって、液晶は、整列し、光
の偏光に影響を与えなくなる。選択的に伝導体に電圧を
印加することにより、液晶層16を横切る電場が局所的
に存在するよう制御することができる。様々なディスプ
レイでは、通常は開いた(白色)シャッタ、および、通
常は閉じた(黒色)シャッタの両方が用いられる。
に1つのトランジスタを有する透明な薄膜トランジスタ
(TFT)アレイを用いることができる。TFTアレイ
については、非常によく知られているので、これ以上説
明する必要はない。
は、RGBピクセルフィルタ22によりフィルタが施さ
れる。RGBピクセルフィルタ22は、赤色フィルタ層
と、緑色フィルタ層と、青色フィルタ層とを含む。これ
らの層については、薄膜として付与することができる。
一例として、赤色フィルタは、ディスプレイの赤色ピク
セル領域に一致した赤色光フィルタ領域のアレイを含
む。赤色フィルタの残りの部分は、透き通っているので
他の光を通過させることができる。したがって、RGB
ピクセルフィルタ22は、ディスプレイにおけるR、G
およびBピクセルのそれぞれに対してフィルタを設けて
いる。偏光フィルタ24は、偏光フィルタ14からの光
出力に直交するよう偏光した光のみしか通過させない。
したがって、偏光フィルタ24は、液晶層16における
非印加ピクセル領域により偏光させた光のみしか通過さ
せず、液晶層16における印加部分を通過した光を吸収
する。液晶層16を横切る電場の大きさによって、赤
色、緑色および青色要素のそれぞれの輝度を制御し、任
意の色を生成することができる。この方法によれば、様
々な伝導体に対して選択的に電圧を印加することによ
り、見る者に対して任意色のイメージを見せることがで
きる。
のみしか通過させることができないので、RGBピクセ
ルフィルタ22は、該フィルタに到達するすべての光の
うち2/3に対して本質的にフィルタを施す。これは、
従来技術にかかるLCDの効率が一般的に低いことにお
ける重要な要因となっている。白色光源12の上にある
LCD層の全透過率は、4〜10%オーダである。白色
光源用のエネルギを別途必要とすることなく、LCD出
力の輝度を増加させる技術が必要となっている。
Dを示す。LCD層28と名付けられた層は、RGBピ
クセルフィルタ22を除く図1におけるすべての層を含
んでもよいし、または、LCDを実現するための別の層
であってもよい。図2では、白色光源を用いていない
が、代わりに、赤色、緑色および青色LEDのような、
赤色、緑色および青色光源30に対して順次電圧を印加
する。光ガイド32は、通常、該ガイドにおける1つ以
上の端部に沿ったRGB光を受け取り、非常によく知ら
れた多くの技術を用いて、この光をLCD層28の方向
へ屈折させる。RGB光源に対する電圧印加について
は、TFTアレイに対する電圧印加に対して常に同期さ
せて行う必要がある。加えて、感知可能なフリッカを防
止するためには、毎秒60フレームで3色全部を常に収
容するべく、R、GおよびB光源のそれぞれに対して少
なくとも180Hzの周波数で電圧を印加しなくてはな
らない。見る者がディスプレイを見ている間に頭を動か
すことにより生ずるような、動作アーティファクト(ar
tifact)を考慮するために、切替速度を非常に早くする
必要がある。シャッタ(LCおよびTFT)に対する切
替速度が遅いことおよび動作アーティファクトに関する
問題のせいで、少なくとも数年以上の間、このような方
法を実用化することはできそうもないであろう。
赤・緑・青LEDを用いるカラー透過型LCDを説明し
ている。R、GおよびBのLEDは別々の光ガイドに接
続されており、各色毎に1つの光ガイドが設けられてい
る。これらの光ガイドは、上に重なる3つのプラスチッ
クまたはガラスシートの形状を採用している。別の実施
形態では、支持表面に互いに平行となるように配置され
た薄いファイバ光ケーブルを用い、各ファイバ光ケーブ
ルは、RGB繰返しパターンにおけるR、GまたはBの
LEDの1つにしか光学的に接続されていない。光ガイ
ドは、赤、緑および青ピクセルの位置に対応する変形部
を含む。これらの変形部については、光ガイドから「漏
れた」光に対して従来技術で用いているどのようなもの
を用いることができる。R、GおよびBのLEDは、常
時動作しているので、カラーフィルタリングが存在しな
い。
した赤色ピクセルと、隣接する平行な列に配置した緑色
ピクセルと、緑色ピクセルに隣接した列に配置した青色
ピクセルとを有する。上記パターンは繰り返される。こ
のタイプのディスプレイでは、上記光ガイドのそれぞれ
における変形部は、光ガイドにより伝送される特定の色
のためのピクセル列に一致したストリップに配置され
る。このタイプの実施形態では、特定の色の光はファイ
バ光ケーブルによる列に本質的に制限されるので、光ガ
イドとしてのファイバ光ケーブルが特に適している。各
ケーブルの厚さは、ピクセル幅にほぼ等しい。
れば、図2に示した技術とは異なり、RGBのLEDを
常時(時間の100%だけ)動作させることができ、か
つ、図1に示した技術とは異なり、RGBピクセルフィ
ルタが不要となるので、LCDは、従来技術にかかるデ
ィスプレイと同じ輝度を出すためには、非常に小さなエ
ネルギしか用いない。
は、本発明の一実施形態にかかるLCDの一部の断面図
である。バックライトの上にある層は、RGBピクセル
フィルタ22が除去されている点を除いて、図1におけ
るものと同一である。図1を参照して説明した受動伝導
体グリッドを、よく知られた薄膜トランジスタ(TF
T)アレイに置き換えることができる。液晶ディスプレ
イに関するさらなる情報については、「液晶フラットパ
ネルディスプレイ」(1993年、William O'Mara著、
Van Nostrand Reinhold出版)および「カラーTFT液
晶ディスプレイ」(T.Yamazaki著、SEMI出版)と題
した書籍において見つけることができる。これらの内容
については、参照することにより、本明細書に含めてお
く。
青色光ガイド41および緑色光ガイド42としてデザイ
ンされた3つの透明な光ガイドを含み、各ガイドは、そ
れぞれ、赤色LED43、青色LED44および緑色L
ED45に光学的に接続されている。
は、高い光学的品質を有するプラスチックまたはガラス
により形成される。各光ガイド層の厚さは、LCDのサ
イズおよびLCDが必要とする機械的性質のような様々
な要素に依存する。光ガイド40〜42の厚さは、光が
上に重なっている光ガイド層を通して広がることを実質
的に制限する程度において薄くしなければならない。各
色の光の割合が所望白色点を達成するように、偏光フィ
ルタ14のバックライト照度を設定することが望まし
い。これは、RGB光の割合を固定する蛍光灯より優れ
たLEDが有する重要な特徴である。偏光フィルタ14
に入射する全3色について所望照度特性を実現するため
には、LED電圧印加信号を調整することにより、また
は、各光ガイドについての変形部の特性を調節すること
により、各光ガイド40〜42を射出する光の必要強度
を達成することができる。
されている。見ての通り、LCDにおけるビューイング
領域に沿った各色ピクセルの部分と一致するように、変
形部46を各色毎にずらしている。これらの変形部46
としては、多数の形状のうち任意のものを採用すること
ができる。一実施形態では、変形部46は、光ガイド4
0〜42における表面または底面のいずれかにおける、
単なる窪みまたはその他の変形物である。このような変
形物は、例えば、米国特許第6,072,551号、第
5,876,107号、第5,857,761号および第
4,573,766号に記載されたものである。これらに
すべてについては、参照することにより、本明細書に含
めておく。
た変形部46が示されているが、この変形部を光ガイド
の底面に形成することができる。変形部の1つのタイプ
は、図4に示され、光ガイドの上部表面にほぼ垂直な方
向に光を屈折させることが望まれている領域における、
該光ガイドの底面に形成される傾斜した窪み(groove)
を含む。青色光ガイド41の一部分が図4に示されてお
り、ここでは、窪み48は、青色ピクセル領域のみにお
ける光ガイドの底面に形成されている。LED44(図
3)からの青色光は、限定角度(±20度)で光ガイド
41の側面に入射し、傾斜した窪みの表面に反射して臨
界角度より小さい角度で光ガイドの上部表面に入射する
まで、徹底的に内部で反射する。レンズ49は、光を視
準して(collimate)青色ピクセル領域に差し向ける。
これらのレンズおよび窪みを適切に選択することによ
り、反射光の指向性を調節することができる。勿論、光
ガイドから光を出力させるために用いることができる、
レンズおよび変形部の適切な形状が多く存在する。
赤色LEDを通る電流を調整して、緑色および青色光ガ
イドによる減衰を最も効率的に補償できるよう、最も効
率的な赤色のカラーLEDが底面にある光ガイド40を
照射するように、光ガイド40〜42の順序を選択して
ある。白色光における緑色の要素は、青色および赤色要
素よりも高くなっているので、減衰が最も少なくなって
いる。白色光を生成するには、光源とは無関係に光の約
65%を緑にする必要がある。光ガイドの最適な順序
は、用いる特定のLEDに依存しうる。理想的には、L
EDにより出力されたR、GおよびBの強度は、白色光
または他のグレースケール(中性)光を生成するため
に、制御可能でなければならない。
で、輝度の変化を補償するために、電圧印加信号に対し
て(例えば、光検出器のフィードバックを用いるよう
な)ダイナミックな調整を行うことができる。
ける変形部46のパターンを示す、光ガイド40、41
および42それぞれの一部分の上面図である。特定タイ
プのLCDにおけるピクセルの配置においては、垂直な
列に整列させた赤色ピクセルと、赤色ピクセルに隣接す
る列に整列させた緑色ピクセルと、緑色ピクセルに隣接
した列に整列させた青色ピクセルとが存在する。光ガイ
ドからの光を反射させるための変形部46は、異なる光
が重ならないようにずらされている。これらの発光領域
は、表示すべきピクセルに対応する、赤色、緑色および
青色光列の一部を見せるための光バルブとして機能する
ような液晶層16(図3)により選択的に「シャッタが
閉められている」。
標準ピクセル配列には、高精細度テレビジョン標準の1
280×1024ピクセル、または、低解像度の640
×480および320×240が含まれる。これらのピ
クセルのピッチは、もちろん、LCDの所望サイズおよ
びピクセル数により決定される。携帯電話のようなシン
プルなディスプレイについては、ピクセル数をさらに少
なくすることができる。
1におけるRGBピクセルフィルタ22により招かれた
66%の損失は取り除かれ、この技術を赤色、緑色およ
び青色LEDにおいて常に用いることにより、図2とは
対照的に、高切替速度、フリッカおよび同期という不都
合を避けることができる。
方式のスキャナ50は、従来方式の回路より、赤色、緑
色および青色のデータを受け取り、行および列を指定す
る既知の回路を用いて、TFTアレイ26におけるトラ
ンジスタに対して選択的に電圧を印加する。図3に示す
技術を用いることにより、上記アレイにおける最初のス
キャンを赤色ピクセルに対して行わなければならないと
いう必要性がなくなる(図2とは対照的に)が、代わり
に、赤色、緑色および青色バックライティングが常にな
されているので、蛇紋石(serpentine)方式により、赤
色、緑色および青色ピクセルのシャッタを順次閉じるこ
とができる。さらに、TFTアレイ26(または受動伝
導体グリッド)に対して、一時に1つ以上のピクセルに
対して電圧を印加することを含んだ、任意の制御タイプ
を用いることができる。
EDの一部分の断面図であり、ここでは、光ガイドは、
互いに平行となるように平面に配置されたファイバ光ケ
ーブルである。上に重なるLCD層58は、図3に示し
たものと同一の層であってもよいし、または、LCDに
用いるその他の層であってもよい。
バ光ケーブル56の配置、および、赤色LED62、緑
色LED63および青色LED64に対するこの光ケー
ブルの接続の様子を示す上面図である。隣接するファイ
バ光ケーブルへの漏れを除去するために、用いるファイ
バ光ケーブルによっては、実際には、ファイバ光ケーブ
ルは互いに接触しないことが望ましいであろう。ファイ
バ光ケーブルの束をLEDに接続する方法はよく知られ
ている。光源をより均一にさせるために必要とあらば、
散光器を各LEDについて用いることができる。ファイ
バ光ケーブル56に接続される光を向上させるために必
要とあらば、コリメータ68を用いることができる。
費されるのを防ぐために、この端部をある角度で切断
し、この端部に反射コーティングを付与し、または、フ
ァイバ光ケーブルの両端部をLEDにより終端させるこ
とができる。光を漏らすために、変形部がファイバ光ケ
ーブル56の上部表面または底面に形成され、または、
光を漏らすために、高屈折率を有する材料がケーブル5
6に付与される。
て、用いるファイバ光ケーブル56の幅を決定すること
ができる。
ルから隣接する列に漏れることを最小限に抑えるため
に、フィルタまたはマスクを用いることができる。
意数のLEDを用いることができる。LEDの光ガイド
に対する光接続効率を向上させるために、光源を光ガイ
ドの表面に結合させるべく高屈折率を有する光学エポキ
シを用いるといったような、任意の既知技術を用いるこ
とができる。光ガイドおよびLCDを説明した非常に多
くの発行済の特許によって、光抽出効率を向上させるた
めの技術が提供されており、本発明では、これらの技術
のいずれをも適宜用いることができる。これらの特許に
は、米国特許番号第6,094,283号、第6,079,
838号、6,078,704号、第6,073,034
号、第6,072,551号、第6,060,727号、第
6,057,966号、第5,975,711号、第5,8
83,684号、第5,857,761号、第5,841,
494号、第5,580,932号、第5,479,328
号、第5,404,277号、第5,202,950号、第
5,050,946号、第4,929,062号および第
4,573,766号が含まれ、これらはすべて参照する
ことにより本発明に含めておく。
明してきたが、当業者にとって、より広い態様での本発
明から逸脱することなく、変形および変更を施すことが
可能であることは当業者にとって自明なことであり、し
たがって、別記請求項は、本発明の本質的な思想および
範囲に含まれるようなそういった変形および変更のすべ
てを、該請求項の範囲内において包含するものである。
透過型LCDの断面図
赤色、緑色および青色光源を用いたLCDの断面図
た、本発明の一実施形態を示すLCDの一部分の断面図
面にあるコリメーティングレンズを通過する光を反射さ
せるための、光ガイドの底面に設けた隔離された変形部
を示す該光ガイドの一部分の断面図
ストリップに配置された変形部を示した、赤色光、青色
光および緑色光を伝える光ガイドの一部分の断面図
バ光ケーブルを用いた本発明の一実施形態を示すLCD
の断面図
の配置、および、赤色LED、緑色LEDおよび青色L
EDに対するこの光ケーブルの接続の様子を示す上面図
Claims (20)
- 【請求項1】 液晶層を含む複数の層と、 赤色光を接続する少なくとも1つの第1光ガイド、緑色
光を接続する少なくとも1つの第2光ガイド、および、
青色光を接続する少なくとも1つの第3光ガイドを含む
バックライトと、を具備し、 前記第1光ガイド、前記第2光ガイドおよび前記第3光
ガイドは、前記液晶層の表面を照射するように配置され
ることを特徴とするカラー液晶ディスプレイ。 - 【請求項2】 前記第1光ガイドに光学的に接続された
赤色発光ダイオードと、 前記第2光ガイドに光学的に接続された緑色発光ダイオ
ードと、 前記第3光ガイドに光学的に接続された青色発光ダイオ
ードと、を具備することを特徴とする請求項1に記載の
ディスプレイ。 - 【請求項3】 第1光ガイドは赤色光を受け取る複数の
光ガイドを具備し、 第2光ガイドは緑色光を受け取る複数の光ガイドを具備
し、 第3光ガイドは青色光を受け取る複数の光ガイドを具備
することを特徴とする請求項1に記載のディスプレイ。 - 【請求項4】 前記第1光ガイド、前記第2光ガイドお
よび前記第3光ガイドは、互いに隣接しておりかつ平行
となっているファイバ光ケーブルを具備することを特徴
とする請求項3に記載のディスプレイ。 - 【請求項5】 前記ファイバ光ケーブルは、該ファイバ
光ケーブルから光を漏れさせる変形部を有することを特
徴とする請求項4に記載のディスプレイ。 - 【請求項6】 前記変形部は、光がピクセル位置に対応
する領域のみにおける前記ファイバ光ケーブルから漏れ
るように配置されていることを特徴とする請求項5に記
載のディスプレイ。 - 【請求項7】 前記第1光ガイド、前記第2光ガイドお
よび前記第3光ガイドは、前記光ガイドのそれぞれから
光を漏れさせる変形部を有することを特徴とする請求項
1に記載のディスプレイ。 - 【請求項8】 前記変形部は、光がピクセル位置に対応
する領域のみにおける前記光ガイドのそれぞれから漏れ
るように配置されていることを特徴とする請求項7に記
載のディスプレイ。 - 【請求項9】 前記変形部は、ピクセル列に一致する列
に配置されていることを特徴とする請求項8に記載のデ
ィスプレイ。 - 【請求項10】 前記光ガイドのそれぞれは、該光ガイ
ドのそれぞれを射出する光を視準するレンズを含むこと
を特徴とする請求項1に記載のディスプレイ。 - 【請求項11】 前記第1光ガイド、前記第2光ガイド
および前記第3光ガイドのそれぞれは、透明なシートで
あり、 前記第1光ガイドは前記第2光ガイドの上に重なり、前
記第3光ガイドは前記第2光ガイドの上に重なることを
特徴とする請求項1に記載のディスプレイ。 - 【請求項12】 前記複数の層は、 第1偏光フィルタと、 電圧印加アレイと、 液晶層と、 第2偏光フィルタと、を具備することを特徴とする請求
項1に記載のディスプレイ。 - 【請求項13】 前記電圧印加アレイは、薄膜トランジ
スタアレイであることを特徴とする請求項12に記載の
ディスプレイ。 - 【請求項14】 前記複数の層はカラーフィルタを欠い
ていることを特徴とする請求項12に記載のディスプレ
イ。 - 【請求項15】 液晶層を含む複数の層と、赤色光を接
続する少なくとも1つの第1光ガイド、緑色光を接続す
る少なくとも1つの第2光ガイドおよび青色光を接続す
る少なくとも1つの第3光ガイドを含むバックライト
と、を具備し、かつ、前記第1光ガイド、前記第2光ガ
イドおよび前記第3光ガイドが前記液晶層の表面を照射
するように配置される、カラー液晶ディスプレイにより
実行される方法であって、 前記第1光ガイドに光学的に接続される赤色発光ダイオ
ード(LED)に電圧を印加する工程と、 前記第2光ガイドに光学的に接続される緑色発光ダイオ
ードに電圧を印加する工程と、 前記第3光ガイドに光学的に接続される青色発光ダイオ
ードに電圧を印加する工程と、 赤色光、緑色光および青色光の組み合わせを含むイメー
ジを表示させるために、前記液晶層を選択的に制御する
工程と、を具備することを特徴とする方法。 - 【請求項16】 前記第1光ガイド、前記第2光ガイド
および前記第3光ガイドは、互いに隣接しておりかつ平
行となっているファイバ光ケーブルを具備することを特
徴とする請求項15に記載の方法。 - 【請求項17】 前記第1光ガイド、前記第2光ガイド
および前記第3光ガイドは、前記光ガイドのそれぞれか
ら光を漏れさせる変形部を有し、 前記発光ダイオードのそれぞれに電圧を印加することに
より、光は、前記変形部を反射して、ピクセル位置に対
応する領域のみにおける前記光ガイドのそれぞれを射出
することを特徴とする請求項15に記載の方法。 - 【請求項18】 前記変形部は、ピクセル列に一致する
列に配置されることを特徴とする請求項17に記載の方
法。 - 【請求項19】 前記第1光ガイド、前記第2光ガイド
および前記第3光ガイドのそれぞれは、透明なシートで
あり、 前記第1光ガイドは前記第2光ガイドの上に重なり、前
記第3光ガイドは前記第2光ガイドの上に重なることを
特徴とする請求項15に記載の方法。 - 【請求項20】 前記複数の層は、第1偏光フィルタ、
薄膜トランジスタアレイ、前記液晶層、第2偏光フィル
タを具備し、 前記液晶層を選択的に制御する工程は、前記薄膜トラン
ジスタアレイにおけるトランジスタを選択的に作動させ
る工程を具備することを特徴とする請求項15に記載の
方法。
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