JP2006500606A - 切り換え可能レンズディスプレイ - Google Patents

Abstract

本発明によるディスプレイデバイス（１０，２０，３０）は、実質的に透明な基板（Ｓ）の１つの層と、ピンホール（Ｈ）の１つの配列を保持し前記基板（Ｓ）の前方に配置され、各ピンホール（Ｈ）が単一の画素に対応してなる１つのピンホールマスク（Ｍ）と、前記基板（Ｓ）を通り前記ピンホールマスク（Ｍ）へ向かう光の発散に電気的に制御されたやり方で影響を及ぼすために、前記基板（Ｓ）と前記ピンホールマスク（Ｎ）との間に配置された電気的に制御可能な反射性もしくは回折性レンズ（Ｌ）または対応する光学的構成要素の１つの配列と、を少なくとも含む。本発明は、高いコントラストおよび高い輝度を備える透過型、反射型または蛍光ディスプレイを作り出すために用いることができる。

Description

本発明は、添付の請求項１の前文に従うディスプレイデバイスに関する。

ディスプレイ技術は、今日多くの場合にポータブルで、典型的には音声およびデータのための無線接続性も特徴とするように設計される新しい電子デバイスを開発する時の重要な要素の１つである。将来、ディスプレイは、白黒およびカラー形式双方で高品質の静止画像および動画像をますます再現できることが必要になる。

ディスプレイ品質を紙印刷の品質により近づける目的で、特に、ディスプレイの彩度に加えて輝度およびコントラストがさらに改善されなければならない。ライブビデオ画像を見ることができるようにするために、電力消費量を犠牲にすることなくディスプレイの速度も向上されなければならない。ディスプレイデバイスの大量生産を可能にするためには、製造技術は低価格を可能にするために十分に単純であることが望ましい。小さくコンパクトなデバイスに適したものであるためには、ディスプレイはサイズおよび重量においてコンパクトであることが望ましい。

その一方で、好ましくは、ディスプレイ技術は、例えばスポーツ会場の屋外ディスプレイパネルまたは展示会ホールなどにおける屋内ディスプレイパネルとして使用できるより大面積のディスプレイも構成できることが望ましい。

小型ポータブルデバイスにおいて、またはより大型のディスプレイパネルとして使用されるのに適したディスプレイのための従来技術の解決策としては、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）およびマイクロミラーまたは他の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの投射型ディスプレイが含まれる。

伝統的なＣＲＴは、電力消費量およびディスプレイのかなりかさばる構造が制限要因ではない非ポータブルデバイスにおいて主に用いられる。ＣＲＴは、いくつかの個別のＣＲＴユニットを一緒に組み合わせることによるのでなければ、非常に大面積のディスプレイを構成するのには適していない。

ＬＣＤ技術に基づくパネルディスプレイは、低電力消費量およびコンパクトサイズを必要とする多くの用途において圧倒的に使用される。ＬＣＤは、ある特定の有機分子、すなわち液晶の使用に基づき、液晶は、電界によって再配向することができ、従って、液晶材料を含む層を通っての光の透過を変更できる。ＬＣＤの主要な短所は、それらの限られた輝度、色再生および速度に関連している。

ＦＥＤは、従来のＣＲＴとの多くの類似点を有している。ＦＥＤにおいて、真空中で電子が蛍光体に向かって加速され、蛍光体は励起されてグローを放出する。原色の赤、緑および青（ＲＧＢ）色をそれぞれ作り出すために種々の蛍光体材料が用いられる。ＣＲＴと比較した場合の主な違いは、熱放出ではなく電界放出により電子が発生され、従って、ＦＥＤはＣＲＴよりも消費電力量が少なく、見られる前に十分なウォーミングアップの時間をも必要としないことである。１つの単一の電子銃の代わりに、各画素は数千個のサブミクロンチップを含み、これらのチップから電子が放出される。ＦＥＤの主要な短所は、ポータブルデバイスにおけるＦＥＤの使用を可能にする十分に低い作動電圧を達成するという課題に関連する。複雑な製造工程のため、ＦＥＤも高価なディスプレイデバイスであり、従って、それらの使用はある特定分野の用途に限定される。

プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）は、本質的に、高度な方式で制御される小さい蛍光管のマトリックスであるとして特徴付けることができる。ＰＤＰ中の１つの画素において、プラズマ放電が最初に電界により引き起こされる。この放電により、電界の存在から運動エネルギーを得るイオンおよび電子を含むプラズマが作り出される。これらの粒子は、高速でネオンおよびキセノン原子と衝突し、その結果これらの原子はより高い励起状態にされ、より低い状態への逆励起と同時に紫外線を放出する。そして今度はこの放出が蛍光体材料を励起して、この蛍光体材料がグローを放出する。赤、緑および青（ＲＧＢ）色をそれぞれ作り出すために種々の蛍光体材料が用いられる。ＰＤＰの主要な短所は、電力消費量が高いことと、十分に薄くかつ小型ポータブルデバイスにおいて使用するのに十分小さい画素を備えたディスプレイを製造できる可能性が限られていることに関連する。例えばＦＥＤの場合よりも製造技術上の要件がそれほど厳しくないにもかかわらず、ＰＤＰの価格は、現時点で比較的高い。

ＭＥＭＳベースの投射ディスプレイは、光の経路に影響を及ぼすために、静電的に駆動される小型の構造体、例えばマイクロミラーを使用する。シリコン表面微細加工は、光学的ＭＥＭＳデバイスを製造するための最近の急速に発展している技術であるが、これは依然としてかなり要求の厳しい製造技術であり、従って、ＭＥＭＳデバイスはかなり高価である。

本発明の主な目的は、新規なタイプのディスプレイデバイスを製造することであり、このディスプレイデバイスは、上述の従来のディスプレイデバイスと比較して明らかな利点をもたらす。本発明によるディスプレイデバイスの主な長所は、高い光効率および高いコントラストである。これらの非常に望ましい特性は、単純な構造により達成でき、これにより、低価格を可能にするために十分に単純な製造技術を用いることが可能になる。本発明は、大面積ディスプレイデバイスに用いることができるが、例えば、ディスプレイがサイズおよび重量双方でコンパクトであることが望ましい携帯電話のようなポータブル機器用の小型ディスプレイにも適している。

前述の特性および目的を達成するために、本発明によるディスプレイデバイスは、第一に、独立請求項１の特徴部分に提示される点を特徴とする。

本発明の基本的な要旨は以下の通りである。電気的に切り換え可能で個別にアドレス可能な複数のレンズの１つの配列を保持するように１つの透明基板が配置される。前記レンズがオンに切り換えられると、これらのレンズは、後部から透明基板を通って入射する光を、その基板の前に配置された１つのピンホールマスクのピンホール中に焦点合わせする。従って、入射光のほとんどは、ピンホール中に集中され、ピンホールマスクを通過する。レンズがオフに切り換えられると、光は基板および切り換え可能なレンズを、ほとんど乱されることなく、すなわち発散の変化なく通過し、ピンホールマスクに当たる。この場合、光のほとんどはブロックされ、光のごく一部のみがピンホールマスクを通過する。ピンホールマスクを、光が前記マスクを出る側から見ると、観察者は、個別のレンズの切り換え状態に従って明るいまたは暗い画素エリアを見る。

非常に高い光効率が本発明により達成される。なぜならば、要望があれば、画素をオンおよびオフ状態間で切り換えるために、光変換または偏光フィルタリングが全く必要とされないからである。

対応するレンズを電気的に調整して種々の焦点距離（発散）を生成することにより、ピンホールに当たっている焦点スポットサイズを調整することによって、画素の輝度を、暗い（画素オフ）状態および明るい（画素オン）状態の間で変えることができる。画素の輝度に影響を及ぼす別の可能性は、対応するレンズのオン−オフデューティサイクルを調整することである。

本発明の好ましい実施例およびそれらの利点は、以下で与えられる説明および実施例を通じて、そしてまた添付の特許請求の範囲を通じて、当業者にとってより明白なものになるであろう。

以下において、添付の図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

以下で提示される図面が、もっぱら説明の目的のために意図されたものであり、従って、例えば、デバイスの様々な構造および構成要素を、それらの正確な相対的な尺度および／または形状で示すものではないことが理解されるべきである。明確にする目的で、本発明の精神を説明するために必須ではない構成要素および細部は、図面からは省かれている。

図１ａおよび１ｂは、本発明による透過型ディスプレイ１０を概略的に示す。

透明基板Ｓは、電気的に切り換え可能な複数のレンズＬの１つの配列を保持しており、これらのレンズは、レンズＬを通る光の発散を変えるためにそれらの屈折または回折光学パワーを電気的に変更するためにそれぞれ個別にアドレスできる。可視画像を作り出すために、透過型ディスプレイ１０は、基板Ｓの背後に置かれた適切な光源ＬＳ、すなわちバックライトを必要とする。前記バックライトは、好ましくは平行または平行に近い光による基板Ｓのほぼ均一な照明を提供するどのような適切な光源（自然または人工）でもよい。

レンズＬがオンに切り換えられると（図１ａ）、これらのレンズは、後部から基板Ｓを通って入射する光をピンホールマスクＭのピンホールＨ中に焦点合わせする。従って、入射光のほとんどはピンホールマスクＭを通過し、この図の右側から見た時に、ピンホールＨは、明るい画素として観察される。

レンズＬがオフに切り換えられると（図１ｂ）、光は基板Ｓに加えて切り換え可能なレンズＬを、ほとんど乱されることなく、すなわち発散の大きな変化なく通過し、ピンホールマスクＭに当たる。この場合、光のほとんどはブロックされ、光のごく一部のみがピンホールマスクＭを通過する。それゆえ、ピンホールＨは暗い画素として観察される。

光が前記マスクを出る側からピンホールマスクＭを見ると、観察者は、個別のレンズＬの切り換え状態に従って明るいまたは暗い画素エリアを見る。

単一のレンズＬの目的は、レンズＬ自体の開口よりもかなり小さいエリアに光を集中／焦点合わせする電気的に制御可能な手段を提供することである。従って、電気的に切り換え可能なレンズＬの多くのタイプをこの目的に用い得る。

レンズＬは、例えば、米国カリフォルニア州ＤｉｇｉＬｅｎｓ Ｉｎｃ．，から商業的に入手可能なような切り換え可能なホログラムに基づくことができる。１つの可能性は、本出願人の以前のフィンランド特許出願第ＦＩ２００００９１７号に記載の電気的に変形可能な粘弾性ゲル（ポリマー）の使用に基づく切り換え可能なフレネルゾーンレンズを用いることである。どのような他の電気的に制御可能な可変焦点レンズまたはそれ自体既知であって屈折か回折に基づく対応する切り換え可能な光学デバイスも、本発明の範囲から逸脱することなく用い得る。

原則として、本発明は、コンパクトなポータブルデバイス用の小さいディスプレイでもテレビセットまた公共のディスプレイパネル用のより大きいディスプレイでも、広範囲のディスプレイ面積を有するディスプレイを構成するのに適している。切り換え可能なレンズＬの開口（断面直径）は、用途に従って変わり得る。非常に小さい直径のレンズＬの場合、レンズの開口数（ＮＡ）が小さくなりすぎて、光集中係数、すなわちオンおよびオフ状態の間の差が小さすぎて十分なコントラストを提供できない下限があるかもしれない。

ディスプレイの性能、特にコントラストは、使用されるレンズＬの開口数（ＮＡ）に主に依存する。すなわち、ＮＡが高くなればなるほど、光は焦点により良好に集中し得る。よりぴったりとした焦点とは、オン状態において光を犠牲にすることなくより小さいピンホールを用い得ることを意味する。より小さいピンホールは、オフ状態においてバックグラウンドを弱める。従って、より高い開口数は、より良好なコントラストにつながる。

以下の例は、発明によるディスプレイデバイスの潜在的な性能の１つの考えを与えるものである。

開口数Ｎ．Ａ．＝０．１になる直径ｄ＝１ｍｍで焦点距離ｆ＝５ｍｍの回折マイクロレンズＬを考える。６０％の回折効率を有するレンズＬは、到来する光の６０％を回折制限された焦点スポット中に焦点合わせする。

回折制限されたスポットのサイズのピンホールＨを通過する光だけを透過する透過型ディスプレイ１０の理論的コントラストは、以下のように計算される。

レンズ断面積Ａは、式（１）により与えられる。

波長λ＝５００ｎｍである時の回折制限された焦点の面積は、式（２）により与えられる。

従って、前述の焦点面積およびレンズ面積の比は下記の通りである。

レンズＬについて非常に妥当な６０％の回折効率を仮定すれば、１つの画素のオフ（暗い）状態とオン（明るい）状態との間のコントラストは、１：８０００よりも良好であろう。

上記で与えられる概算は、コヒーレントで平行な照明を仮定していて、どのような迷光または隣接画素間のクロストークも考慮していない。それにもかかわらず、非常に高いコントラストが本発明によって容易に達成できることをこの概算は示している。

ディスプレイの応答時間は、電気的に制御可能なレンズＬの切り換え速度およびそれらの駆動方式に依存する。一般に、本発明によるディスプレイがＬＣＤベースの切り換え可能なレンズを利用するように設計されていれば、これは必然的に通常のＬＣＤ性能に近い切り換え速度につながる。例えば、前述の以前の出願第ＦＩ２００００９１７号において本出願人により記載された切り換え可能なポリマーレンズは、より早い動作速度を保証する。

本発明の１つの重要な利点は、このディスプレイデバイスは、偏光された光なしで動作するように設計できることである。これは当然、使用される切り換え可能なレンズＬのタイプに依存する。偏光された光が必要とされないという事実により、高い光効率および高い輝度を達成することが可能になる。

本発明の精神および範囲内で、透過型ディスプレイ１０以外のタイプのディスプレイも構成し得る。本発明を、例えば、反射型または蛍光ベースのディスプレイを構成するために用い得る。

図２ａおよび２ｂは、本発明による反射型ディスプレイ２０を概略的に説明する。レンズＬに向いたピンホールマスクＭの表面は、少なくとも部分的に吸光性となるように配置されている。ピンホールＨには、反射ミラーＲが装備されている。光がミラーＲ上で焦点合わせされる（図２ａ）ようにレンズＬを通る光がピンホールマスクＭおよびピンホール／ミラーＲに当たると、その光のほとんどは、レンズＬを通り今度はデバイスの左側に位置する観察者に向かって反射する。レンズＬが作動されていない場合（図２ｂ）には、光のほとんどは、ピンホールマスクＭにより吸収されるようになる。反射型ディスプレイ２０は、ディスプレイデバイス自体の中に配置されたどのような光源も必ずしも必要とすることなく、周囲の自然光または人工光の中で作動し得る。

図３ａおよび３ｂは、本発明のさらに別の考えられる実施例を概略的に説明している。蛍光ベースのディスプレイ３０において、ピンホールマスクＭ中のピンホールＨを通って伝達された照明は、蛍光体材料Ｐを励起するために用いられる。種々の蛍光体材料Ｐを、種々の色、例えばＲＧＢタイプの原色を作り出すために用い得る。図３ａおよび３ｂにおいて、蛍光体材料Ｐは、例えば、Ｃ１＝Ｒ（赤）、Ｃ２＝Ｇ（緑）およびＣ３＝Ｂ（青）となるように配置してもよい。

用語ピンホールは、本明細書中および特許請求の範囲中で広い意味で使われており、従って、ピンホールマスク（Ｍ）を通る光のための空間的に限定された経路を規定するのに適したどのような開口または対応する構造も意味することが理解されるべきである。

蛍光体材料Ｐの励起が非線形である場合、すなわち、例えばいわゆる二光子励起を必要とする場合、ピンホールＨは、全く必要とされないかもしれない。なぜならば、蛍光は、蛍光励起を発生させるために光強度が十分に高いビームの焦点内においてのみ生成されるからである。

一般に、本発明によるディスプレイ１０、２０、３０の画素の幾何学的配列は任意であり、レンズＬの物理的サイズおよび前記レンズＬを作動させる電子駆動回路の能力のみにより制限される。画素の幾何学的配列、すなわち、ディスプレイ中の画素が互いにどのように配置されるかは、矩形である必要はない。従って、画素は、特定の用途に適するように、環状またはどのような他の適切な幾何学的配列ででも配置できる。

レンズＬのサイズおよび形状は変えることができ、これらのパラメータは、前記レンズの動作原理によってのみ制限される。それ自体技術的に既知のどのような電気的に制御可能なレンズタイプも用い得る。唯一共通な局面は、レンズＬの断面サイズに比べて小さい面積への光の集中である。

本発明は、白黒およびカラーディスプレイ双方を作り出すのに適している。例えば、図３ａおよび３ｂに記載されるやり方で原色を作り出すことによりフルカラーディスプレイを構成できる。他のどの色も、原色を所望の比率で混ぜることにより原色から作り出すことができる。

単一の画素の輝度は、適度の焦点合わせを作り出すようにレンズＬを調整することによって制御できる。最も単純な実施例において、レンズＬは、２つの異なる状態、つまりオンとオフ、を持つだけにすることができる。より広範囲のグレーレベル（または原色レベル）は、レンズの有効焦点距離が段階的または連続的に制御できる電気的に制御可能なレンズＬを利用して達成できる。

画素の輝度を調整する好ましい方法は、切り換え可能なレンズＬのオン−オフのデューティサイクルを調整することである。１つの画素中の１つのレンズＬの電圧または対応する電気的制御が、十分に高い周波数、例えば＞２５Ｈｚで起動／動作停止される場合、人の視覚は、最大輝度（画素オン）と黒（画素オフ）との間の明滅を区別できないが、代わりに、一定の中間輝度を有する画素を観察することができる。

本発明は、選ばれたタイプの実施例に関して上記で提示および説明されてきたが、これらの実施例は例にすぎないこと、および当業者は、本発明の精神および範囲内に留まりつつ、本明細書中で具体的に開示された技法以外の技法を利用して他のディスプレイデバイスを構成し得るであろうことが理解されるべきである。従って、例示されたディスプレイデバイスの動作におけるだけでなく、このディスプレイデバイスの形態および細部における省略および代替ならびに変更が、本発明の精神を逸脱することなく当業者によりなし得ることが理解されるべきである。

例えば、同じ結果を達成するために実質的に同じやり方で実質的に同じ機能を実行する要素の全ての組み合わせは本発明の範囲内にあることが明確に意図されている。さらに、本発明のいずれかの開示された形態および／または実施例と関連して提示および／または説明された構造および／または要素は、他のいずれかの開示または説明もしくは示唆された形態または実施例中に設計選択の一般的問題として組み込まれ得ることが認識されるべきである。従って、本明細書に添付される特許請求の範囲により示されるやり方でのみ本発明を限定することがその意図である。

オン状態にある本発明の第１の実施例を概略的に示す図である。 オフ状態にある本発明の第１の実施例を概略的に示す図である。 オン状態にある本発明の第２の実施例を概略的に示す図である。 オフ状態にある本発明の第２の実施例を概略的に示す図である。 オン状態にある本発明の第３の実施例を概略的に示す図である。 オフ状態にある本発明の第３の実施例を概略的に示す図である。

Claims (10)

1. 複数の画素（Ｐ）の１つの配列を含むディスプレイデバイスであって、該ディスプレイデバイス（１０，２０，３０）は、
   実質的に透明な基板（Ｓ）の１つの層と、
   複数のピンホール（Ｈ）または対応する制限開口の１つの配列を保持し前記基板（Ｓ）の前方に配置され、各ピンホール（Ｈ）が単一の画素に対応してなる１つのピンホールマスク（Ｍ）と、
   前記基板（Ｓ）および前記レンズ（Ｌ）を通り前記ピンホールマスク（Ｍ）へ向かう光の発散に、電気的に制御されたやり方で影響を及ぼすために、前記基板（Ｓ）と前記ピンホールマスク（Ｎ）との間に配置された電気的に制御可能な反射性もしくは回折性の複数のレンズ（Ｌ）または対応する光学的構成要素の１つの配列とを少なくとも含むことを特徴とするディスプレイデバイス。
2. 透過型ディスプレイデバイス（１０）を構成するために、前記ピンホールマスク（Ｍ）中の前記ピンホール（Ｈ）は光透過性となるように配置されることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイデバイス。
3. 反射型ディスプレイデバイス（２０）を構成するために、前記ピンホールマスク（Ｍ）中の前記ピンホール（Ｈ）は少なくとも部分的に反射性となるように配置され、該ピンホールマスク（Ｍ）は少なくとも部分的に吸光性となるように配置されることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイデバイス。
4. 蛍光ディスプレイデバイス（３０）を構成するために、前記ピンホールマスク（Ｍ）中の前記ピンホール（Ｈ）は蛍光体材料（Ｐ）へ向かう１つの光学経路を決定するように配置されることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイデバイス。
5. カラーディスプレイを構成するために、前記ディスプレイデバイス（３０）はいくつかの異なるタイプの蛍光体材料（Ｐ）を含むことを特徴とする請求項４に記載のディスプレイデバイス。
6. 前記の電気的に制御可能なレンズ（Ｌ）は、電気的に変形可能な粘弾性ゲルの使用に基づくことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のディスプレイデバイス。
7. 前記電気的に制御可能なレンズ（Ｌ）は、液晶ベースの切り換え可能なレンズであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のディスプレイデバイス。
8. 前記電気的に制御可能なレンズ（Ｌ）は、各々が２つ以上の別個の電気的に選択可能な焦点値を有する複数の可変焦点レンズであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のディスプレイデバイス。
9. 前記電気的に制御可能なレンズ（Ｌ）は、それらのオン−オフデューティサイクルに影響を及ぼすことにより制御されるように配置されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のディスプレイデバイス。
10. 前記ディスプレイデバイス（１０，２０，３０）は、無線移動局または移動電話のためのパネルディスプレイであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のディスプレイデバイス。
    

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