JP2006519418A - ディスプレイ・デバイスと、そのための照明システム - Google Patents

Abstract

本発明は、電気光学材料の層（４）と、行および列で構成されたピクセルの領域内で電極（７）を備える第１の光透過可能な基板（５）と、第２の光透過可能な基板（６）とを有するディスプレイ・パネル（２）であって、前記電気光学材料の層（４）が前記第１と第２の層（５、６）の間に挟まれるディスプレイ・パネルと、前記電気光学材料の層（４）から離れて、第２の基板（６）の側部上で構成される照明システム（３）であって、前記ディスプレイ・パネル（２）に面する出口面を有する、光透過性材料の光導波路（１４）を備える照明システムとを備えるディスプレイ・デバイス（１）に関する。本発明によれば、照明システム（３）は、マトリクス・アドレス可能な光管理部材（２７）をさらに備える。

Description

本発明は、ライト・バルブ・ディスプレイ・パネルおよび照明システムを備えるディスプレイ・デバイスに関する。詳細には、本発明は、ディスプレイ・パネルに面する出口面を有する、光透過性材料の光導波路を備える照明システムを有するディスプレイ・デバイスに関する。

ライト・バルブまたはシャッタ技術を使用するディスプレイは、今日、一般的に使用されている。そのようなディスプレイの典型的な例は、液晶ディスプレイである。ライト・バルブまたはシャッタ・ディスプレイの基本的な機能は、ディスプレイ、またはそのピクセル・パターンが光を透過する（白画素）ことも光を遮断する（黒画素）こともできるが、ディスプレイは、光自体を生成することができない。したがって、照明用バックライトが必要とされる。そのようなバックライトは、液晶ディスプレイをその表面全体にわたって均一に照明し、バックライトから生じる光が透過率の低い液晶ディスプレイを通過した後で、白画素が十分明るいものとして知覚されるような明るさでディスプレイを照明する（液晶ディスプレイは、たとえばディスプレイ内で構成された偏光子とカラー・フィルタにより、数パーセント、典型的には５から１０％の間の透過率を有するにすぎない）。そのようなディスプレイ・デバイスの例は、特許文献ＷＯ０２／２１０４２内で開示されている。

しかし、上記は、映像内容（picture content）が白画素の明るさに影響を及ぼす従来技術の陰極線管とは対照的に、バックライトによって照明される液晶ディスプレイの白画素の明るさが画像内容（image content）から独立していることを意味する。これは、陰極線管では平均ビーム電流が制限され、したがって白画素は、それらが数個しかない場合、より明るくなるという事実による。この現象は、表示された画像を「きらめく」ように見せることができる。

さらに、異なるディスプレイ応用例間に、いくつかの基礎的な違いがある。ディスプレイがモニタとして、たとえばコンピュータ・モニタとして使用されたとき、通常、多数のピクセルが比較的明るい状態にあり、したがって、液晶ディスプレイの挙動は、そのような応用例において有利である。すなわち、多数のピクセルが「白」状態に、またはオン状態にある場合ですら、画像は明るいままとなる。しかし、テレビジョン応用例の場合、この挙動は異なったものである。典型的なテレビジョン画像では、通常、ピクセルの小さい部分だけが非常に明るいだけである。そのような状況では、陰極線管は、液晶ディスプレイによって匹敵し得ないほどの明るさを得ることができる。液晶ディスプレイのバックライトでは、最初に大量の光を生成しなければならず、画面の大半が暗いため、生成された光の大半が再び吸収されることになる。これにより電力が浪費され、また画面正面性能（front of screen performance）が制限され、これは、今のところ、液晶テレビジョン応用例にとって最も重要な問題と考えられる。

さらに、陰極線管の特別な特性は、Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｍｏｎｉｔｏｒｓの商標であるＬｉｇｈｔＦｒａｍｅと呼ばれるモニタ機能によってさらに利用されている。画面の大部分をわずかに暗くすることにより、たとえば写真または映画を表示する小さな部分を増光する（boost）ことができる。液晶ディスプレイのために同様の機能を得ることが望ましい。

したがって、本発明の一目的は、改善されたピークの輝度を有する、液晶ディスプレイ内で使用するためのバックライトを達成することである。本発明の他の目的は、改善された黒レベルを有する液晶ディスプレイを達成することであり、さらに本発明の一目的は、改善されたコントラストを有する液晶ディスプレイ・デバイスを達成することである。さらに本発明の一目的は、コントラストと色範囲（colour range）に関して液晶ディスプレイの画面正面性能を改善すること、また、バックライティングの効率を改善することである。

上記目的および他の目的は、少なくとも部分的には、請求項１に定義された本発明によって達成される。したがって、本発明は、電気光学材料層と、行および列で構成されたピクセルの領域内で電極を備える第１の光透過性基板と、第２の光透過性基板とを有するディスプレイ・パネルであって、前記電気光学材料層が前記第１と第２の層の間に挟まれたディスプレイ・パネルと、前記電気光学材料層から離れて、第２の基板の側部上に設けられた照明システムであって、前記ディスプレイ・パネルに面する出口面を有する、光透過性材料の光導波路を備える照明システムとを備えるディスプレイ・デバイスであって、前記照明システムは、たとえばマトリクス・アドレス可能な外結合（out-coupling）部材などマトリクス・アドレス可能な光管理部材をさらに備えることを特徴とするディスプレイ・デバイスを教示する。このようにして、光源によって生成された光を、より効率的な方法で、ディスプレイ・パネル全体にわたって分配することができる。それにより、ディスプレイのコントラストを改善することができ、照明デバイスの局所的な増光と局所的な減光とを達成することができる。好適には、前記マトリクス・アドレス可能な光管理部材は、液晶材料層と、列電極層と、行電極層とを備え、液晶材料層は、前記列電極層と前記行電極層との間に挟まれ、前記液晶材料層は、好ましくは液晶ゲル材料によって構成される。液晶ゲル材料という用語は、本文では、モノマーの重合の後で電圧が印加されたとき透明状態から非常に散乱する状態に切り替わる光開始剤（photo-initiator）の存在下で、液晶と多官能液晶モノマーとが光重合することによって形成された材料と解釈すべきである。照明システムは、前記ディスプレイ・デバイスの観察者が見たときに、前記マトリクス・アドレス可能な外部結合部材の裏側上に、あるいは前記ディスプレイ・デバイスの観察者が見たときに、前記マトリクス・アドレス可能な外部結合部材の正面側上に、前記マトリクス・アドレス可能な外部結合部材の縁部のうち１つで構成される光源をさらに備えることが好ましい。

さらに、ディスプレイ・デバイスは、好適には、前記ディスプレイ・パネル上で表示される画像の明るい部分および暗い部分を解析し、それにより、前記照明デバイスによって表示される照明パターンを決定し、前記照明パターンによって引き起こされる輝度または色における望ましくない遷移（transition）を補償するために、前記ディスプレイ・パネルに対する適切な駆動信号を同時に生成するように構成される駆動ユニットをさらに備える。好適には、前記駆動ユニットは、照明システムの電極の本質的に連続するアドレッシングストリップにアドレッシング選択パルスを供給するように構成され、前記選択パルスの選択時間が、フレーム時間をアドレッシングストリップの数で割り算したものより長く、その結果、順次アドレスされるストリップの選択パルスが重なり合うことになる。それにより、照明システムの明るさを改善することができる。代替的に、あるいは補足的に、前記駆動ユニットは、照明システムの電極の２つ以上のアドレッシングストリップにアドレッシング選択パルスを同時に供給するように構成される。これは、異なるストリップ（たとえば行）について異なる高調波、またはより全体的に直交する信号を使用することによって達成することができる。したがって、複数のストリップを、十分長い時間の間、オンの状態で保つために、各ピクセルについて独立して輝度レベルを設定する能力を犠牲にすることなしに選択することが可能である。

好適には、ディスプレイ・デバイスは、照明システムのバイアス・レベルを制御するように構成されるバイアス・レベル・モジュレータをさらに備える。それにより、表示しようとする画像のためのビデオ内容に基づいて、輝度を局所的に高めることができる。

また、ディスプレイ・デバイスは、好適には、照明システムの光源の電力を調節するための光源電力モジュレータを備えることができ、調節が、前記照明デバイスによって表示される照明パターンに依存する。したがって、ディスプレイのコントラストをさらに改善すること、明るさを改善すること、より良好な色性能を達成することが可能である。好適には、調節される前記光源は、冷陰極蛍光灯、熱陰極灯、白色発光ダイオード、またはカラー発光ダイオードの組合せ、のうち１つを含む。

上記目的および他の目的はまた、少なくとも部分的には、上述のディスプレイ・デバイスを駆動する方法であって、ディスプレイ・パネルによって表示しようとする画像を、その明るい部分および暗い部分に関して解析するステップと、解析された画像の明るい部分および暗い部分に関する情報を、前記照明デバイスに適した解像度に変換するステップと、解析された画像に関する情報を照明デバイスに送信するステップと、照明パターンによって引き起こされる輝度または色における望ましくない遷移を補償するために、照明デバイスの駆動に関する情報を、ディスプレイ・パネルに適した解像度に変換するステップと、照明デバイスを前記変換された情報によって駆動するステップとを含む方法によって達成される。

以下、本発明について、その現在好ましい実施形態により、添付の図面を参照しながら、より詳しく述べる。

以下、本発明の第１の好ましい実施形態について、図１、図２および図３を参照しながら述べる。

ディスプレイ・デバイス１は、本質的に、ディスプレイ・パネル２と、照明システム３とを備える。

図１に示されているように、ディスプレイ・パネル２は、本質的に、液晶材料など電気光学的能動材料層４を備える。液晶層の場合には、この層の動作は、たとえば、ツイステッドネマチック（ＴＮ）、スーパーツイステッドネマチック（ＳＴＮ）、垂直配向型ネマチック（ＶＡＮ）、光学補償複屈折（ＯＣＢ）、面内スイッチング・ネマチック（ＩＰＳ）、またはそこに入射する光の偏光方向を調節するための強誘電効果に基づくものとすることができる。電気光学的能動層４は、第１および第２の基板５、６の間に挟まれている。さらに、ディスプレイ・パネルは、本質的に透明である複数のフロント電極およびバック電極７、８により、たとえば、それぞれ前記第１の基板５および前記第２の基板６上でマトリクス・ピクセルの形で構成されたピクセル・パターンに細分される。この場合には、アクティブ・マトリクス駆動が使用されることが好ましい。第１の基板５ならびに第２の基板６は光透過性の材料からなり、上述のように、電極７もまた光透過性であり、たとえばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）から製造することができる。電極７、８は、該電極７、８を介して電気駆動電圧を供給するために、接続ワイヤ９、１０によって前記駆動ユニット１１に接続されており、この駆動電圧は駆動ユニット１１によって制御される。さらに、ディスプレイ・パネルは、一般に、それ自体既知の形式で、偏光子１２と、検光子１３とを備える。

本発明が主として関連する照明システム３（図２参照）は、本質的に、前記ディスプレイ・パネル２に面するように構成された出口面１５と、好適には４つの端面１６とを有する導波路構造１４を備える。たとえば棒状蛍光灯などの光源１７は、前記端面１６の少なくとも１つに沿って構成され、前記光源によって発せられた光は、前記端面１６を介して導波路構造１４内に結合するように構成される。内結合（incoupling）端面１６および出口面１５を除いて、導波路構造１４のすべての表面は、望ましくない位置で光が導波路を出るのを防止するために、反射コーティングなどを備えることができる。

本発明のこの第１の実施形態によれば、導波路構造１４は、本質的に、第１の導波路基板１９と第２の導波路基板２０との間に挟まれた液晶材料層１８を備える。液晶材料は、液晶層１８に電圧を印加することによって、透明状態と散乱状態との間で調節することができる。さらに、導波路は、複数のフロント導波路電極およびバック導波路電極２１、２２により、前記第１の導波路基板１９および前記第２の導波路基板２０上でマトリクス・ピクセルの形態で構成されたピクセル・パターンに細分（subdivided）される。したがって、上記の構造は、マトリクス・アドレス可能な光管理部材を構成し、電極２１および２２をアドレッシングすることにより、後で導波路１４内において内部反射される光をピクセルが透過させるだけの透過可能な状態と、光がピクセルによって散乱され、したがって、ディスプレイ・パネル２に向かう方向で、導波路１４の出口面１５を透過することが可能になる散乱状態との間で、液晶材料層１９のピクセルを切り替えることができる。本例では、マトリクス・アドレス可能な光管理部材は、外部結合部材である。しかし、照明デバイスは、外部結合部材、本発明を使用することができる反射、散乱および方向部材など、いくつかの光管理部材を含む。導波路ピクセル・パターンの解像度は、ディスプレイ・パネル２の対応するピクセル・パターンより大きく、または、はるかに大きくすることができることが好ましい。導波路電極２１、２２は、前記電極２１、２２を介して駆動電圧を供給するために、接続ワイヤ２３、２４により前記駆動ユニット１１に接続されており、この駆動電圧は駆動ユニット１１によって制御される。代替的に、マトリクス導波路を駆動するために、別個の駆動ユニットを設けることができる。導波路電極２１、２２は、好ましくはストリップ電極の形態にあり、したがって、それぞれ列電極および行電極と呼ばれる場合もある。行電極と列電極とを共に導波路構造内に含み、電極に印加される電圧を制御することにより、照明デバイス表面の領域全体にわたって、散乱液晶ゲル層の散乱の量を変えることができ、導波路は、光が必要とされる場所に光を搬送する。したがって、そのような照明デバイスをディスプレイ・デバイス内に含むことにより、ディスプレイ画面の明るい部分を表示しようとするディスプレイ・デバイスの領域内で、より多くの光を発することができ、ディスプレイ画面の暗い部分を表示しようとするディスプレイ・デバイスの領域内で、より少ない光を発する（または光を発しない）ことができる。それにより、ディスプレイの最大の明るさと黒レベル（したがってコントラスト比）を改善することができる。さらに、従来技術の液晶ディスプレイに比べて、ディスプレイの暗い部分によって吸収される光が少なくなるため、電力消費を削減することができる。

上述の導波路構造１４は、例えば、より厚い光ガイドに接着され、または他の手段によって固着させることができ、また、上記で示されているように、バックライトの明るさをさらに高めるために、反射器または反射コーティングを導波路構造の裏側上で構成することができ、方向変更ホイルを導波路構造の正面側上で構成することができる。

非常に透明な状態と散乱状態との間で切り替えることができる好適な、好ましい液晶材料は、それ自体ではいくつかの成分と、液晶性モノマーと、光開始剤とを含み得る非反応性液晶のブレンドの光重合によって形成される液晶ゲルである。光重合の前に、このブレンドは、表面アラインメント層で配向され、ブレンドは透明である。ＵＶ光を用いた露光による光重合の後で、ポリマー・ネットワークは、ポリマー・ネットワーク分子が同じ配向と、好ましくは同じ光学特性、すなわちほぼ等しい通常のおよび異常の光屈折率とを有するところでミクロ相分離する。このいわゆる液晶ゲルは、依然として透明である。この非反応性液晶は、電界を印加した後だけ、ネットワーク分子とは別の平均的な向きに適応することによって電界に応答する。結果として得られる屈折率遷移により、ネットワークの存在によって向上された、非反応性液晶領域内のマルチドメインの形成による助けを受けて、材料の散乱が結果として生じる。零電圧配向は、導波路内の伝播波に平行な平面、それに垂直な平面、すなわち電極の表面に垂直なものとすることができる。後者の場合には、分子が電界線に対して垂直に配向するように、正味の負の誘電異方性を有する特別な液晶混合物を選択しなければならない。本発明の他および実施形態では、散乱液晶は、いわゆるポリマー分散型液晶（ＰＤＬＣ）からなる。ＰＤＬＣシステムは当分野でよく知られており、電界オフ状態で散乱を示し、電界を印加したときに透明になることによって特徴付けられる。記載されたようなＬＣゲル、およびＰＤＬＣシステムの利点は、透明状態がより透明である、すなわち、あまり散乱を示さず、したがって、導波光線に対してはるかに高い透過率を示すことである。記載されているようなＬＣゲルの第２の利点は、電界に対してはるかに速く応答し、ＰＤＬＣシステムが一般に１０ミリ秒の速さで切り替わるが、数ミリ秒程度の切り替わり速度が十分可能であることである。

以下、上記で開示されているディスプレイ・デバイスの駆動について、より詳しく述べる。この駆動構成は、図３に概略的に示されている。

最初に、ディスプレイ・パネル２上で表示しようとする画像が、画像内容プロバイダ６０によって提供される。画像内容が画像解析デバイス６１に送信され、画像解析デバイス６１では、画像のどの部分が明るいか、またどの部分が暗いか見出すために、画像内容が解析される。この情報を用いて、照明システム３ならびにディスプレイ・パネル２を制御することができる。したがって、解析された画像内容は、ディスプレイ・パネル電極７、８に対する信号印加を制御するように構成されたディスプレイ・パネル制御ユニット６２に送信される。解析された画像内容はまた、照明システム制御ユニット６３に送信され、照明システム制御ユニット６３では、画像内容は、処理され、潜在的に照明システム・ピクセル・フォーマットに変換され、その後、照明システム３の散乱を制御するために、その対応する電極２１、２２に送信される。しかし、ある領域内で照明システムのバックライト強度を別の領域に対して変化させることはまた、ディスプレイ・パネル２上で示される画像の灰色値を修正することを必要とする場合があることを意味し、これは、ディスプレイ・パネル制御ユニット６２によって達成することができる。

照明デバイス３は、たとえばＷＯ０２／２１０４２内で開示されているように、走査バックライトの機能を用いて、本発明によるハイライティングを組み合わせることができる。これは、たとえば、行が１本ずつ点灯する場合に達成することができる。液晶ゲル材料は、通常のＬＣ材料よりはるかに速く応答するため、行走査は、標準的なパッシブ・マトリクス・アドレッシングを用いて達成することができる。信号の２乗平均平方根（ＲＭＳ）値に応答するのではなく、行は、そのアドレッシング時間中だけ「オン」になることになる。行は順次アドレスされるため、行は１本ずつ点灯することになる。

駆動構成は、材料特性と、散乱液晶ゲル材料の処理詳細とにリンクされ、下記でより詳しく述べられる。照明デバイスまたはバックライトの代表的な電気光学応答曲線が、図４に示されている。液晶ゲル材料は、駆動ユニット１１によって印加された列電位と行電位との間の電圧差の絶対値に応答する。液晶ゲル材料は、１ｍｓ程度の応答時間を有する。図４でわかるように、ある閾値電圧があり、それより下で材料が基本的に透明であり、照明デバイス３の光出力がローとなる。この閾値は、通常のパッシブ・マトリクス・アドレッシングで行われるように、行を選択するために使用することができる。この場合には、６０Ｖの行選択電圧を使用してもよく、一方、列信号は、−３０Ｖから＋３０Ｖに及び得る（−３０がオン状態であり、＋３０がオフ状態である）。行が選択されない場合、ピクセル・バイアスは最大３０Ｖであり、一方、選択された行は、３０から９０Ｖに変わる可能性がある。この駆動方法が、図５に概略的に示されている。

従来技術で使用される通常のパッシブ・マトリクス駆動と、本発明で使用されるパッシブ・マトリクス駆動とに１つの大きな違いがある。すなわち、散乱層１８の液晶ゲルの応答の速度がある。通常のパッシブ・マトリクス駆動は、（１フレームを超える）比較的長い時間全体にわたって平均化されたバイアス電圧のＲＭＳ値に応答する、低速の液晶材料を用いて動作する。その場合には、かなり多数の行を駆動することが可能になるように、非常に急勾配の電圧−透過率曲線が必要とされる。しかし、本発明による照明デバイス内で使用される液晶ゲル材料は、非常に高速であり、ほぼ瞬間的に応答する。したがって、パルスが短くなり、行の数はＶ−Ｔ曲線によって制限されない。

本発明による層内で使用することができる代表的なＬＣゲル材料は、以下の成分によって構成される。すなわち、
１．液晶ブレンド。この場合、市販のＬＣブレンド、好ましくは、正味として負の誘電異方性と、散乱を高めるために大きな複屈折とを有するものを選択すればよい。一例は、Ｍｅｒｃｋによって市販される液晶ブレンド、ＢＬ１０９である。

２．液晶性モノマー。好適なそのような材料は、Ｄ．Ｊ．Ｂｒｏｅｒらの「Ｍａｋｒｏｍｏｌ． Ｃｈｅｍ． １９０，３２０１〜３２１５（１９８９年）、およびＤ．Ｊ．Ｂｒｏｅｒの「Ｐｈｏｔｏｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍｓ． Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｃｕｒｉｎｇ Ｐｏｌｙｍ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ （Ｆｏｕａｓｓｉｅｒ、Ｊｅａｎ−Ｐｉｅｒｒｅ； Ｒａｖｅｒ Ｊ．編）−Ｖｏｌ３」３８３〜４４３（１９９３年）に記載されている。好ましい実施形態では、以下の化学構造を有する液晶性ジアクリレートが使用される。すなわち、

好ましい濃度は、６から１２Ｗｔ％の間である。

３．光開始剤。典型的な光開始剤は、Ｉｒｇａｃｕｒｅ６５１（Ｃｉｂａ Ｇｅｉｇｙ）という商標で市販されている。その量は、反応性モノマーの量に対して計算して、通常約１ｗｔ％である。

さらに、この層の膜厚（すなわち、セル・ギャップ）は、代表的には、６から１８マイクロメートルの間である。切り替わり電圧は、セル・ギャップに応じて、６０から１２０ボルトの間程度である。

しかし、照明デバイスから十分な光出力を得るためには、発光時間を十分長くすることが必要とされる場合がある。これは行選択時間を十分長くすべきであることを意味するため、１フレーム時間内で、限られた数の行しか選択することができない。したがって、これは依然として、しかし従来技術における通常のパッシブ・マトリクス・パネルの場合と異なる方法で、照明デバイスの解像度を制限する可能性がある。

以下、上記で開示されているディスプレイ・デバイスのための変更アドレッシング方式について述べる。照明デバイス３からの光出力は、行選択時間を増大することによって増大することができる。これは、マトリクス構造の解像度を下げるのではなく、連続する行について選択パルスを重ね合わせることによって達成することができる（図６を参照）。しかし、これには何らかの結果が伴う。ある瞬間に複数の行が選択されるため、あらゆるピクセルに任意の所望の値を与えることは、もはや可能でない。上述のように同じ列またはデータ駆動が使用される場合、照明デバイスまたはバックライト上で示される光パターンは、列に沿ってにじむことになる。にじみの量は、同時に選択される行数によって決まる。しかし、これは照明デバイスに影響を及ぼすだけであり、ディスプレイ・デバイス全体に影響を及ぼすものでないため、これは、明るさの利得を考えると受け入れられるものとすることができる。さらに、列に沿ったにじみは、たとえば列に沿った高域通過ろ波手段により照明デバイス照明パターンを予め処理することによって、ある程度相殺することができる。

理想的には、複数の行を、十分長い時間の間、オンの状態で保つために、各ピクセルについて独立して明るさレベルを設定する能力を犠牲にすることなしに選択したいと望まれる。これは、従来技術の、通常の液晶ディスプレイ・パネルの複数行アドレッシングにおいて既知であるように、異なる行について異なる高調波、またはより全体的な直交信号を使用することによって達成することができる。この方法は、図７に示されている。列信号は、異なる直交関数の重ね合わせである。符号は、ピクセルがオンか、それともオフか決定する。この方法が機能するために、高調波の周波数は、液晶ゲルが駆動電圧の２乗平均平方根値に応答することしかできないように高くすべきである。換言すれば、液晶ゲルは、複数行アドレッシング機能の周波数に対して低速に、また同時に、フレーム時間内でオンおよびオフに切り替わることができるように十分高速にすべきである。このようにして多重化することができる行の最大数は、電気光学応答（図４）の峻度と、所望のコントラストとによって決まる（オン状態についての最大電圧は、より多くの行が多重化されるとき低下する）。Ｖ＿ＯＮ＝６０Ｖ、Ｖ＿ＯＦＦ＝３０Ｖである図４のＴ−Ｖ曲線例の場合、最大コントラストで同時にアドレスすることができる行の最大数は、３に等しい。

以下、本発明の第２の好ましい実施形態について、図８および図９を参照しながら述べる。

このディスプレイ・デバイス３１は、本質的に、ディスプレイ・パネル３２と、照明システム３３とを備える。

ディスプレイ・パネル３２は、上記の実施形態で述べられているものと本質的に同一であり、したがって、ここではあまり詳しく述べない。

照明システム３３は、本質的に、バックライト２５と、バックライト・モジュレータ２６とを備える。バックライト２５は、一定のバイアス光レベルを生成する標準的なタイプのものでよい。バックライト・モジュレータ２６は、バックライト２５とディスプレイ・パネル３２との間に配置される。この場合には、バックライト・モジュレータ２６は、本質的に、上記でより詳しく述べられているように、フロント電極およびバック電極によりアドレスされる、液晶層など電気光学的能動層３４を備える（図８参照）。対応するアドレッシング手段を有する電気光学的能動層が、第１と第２の反射偏光子３５、３６の間に挟まれている。上記の構造は、マトリクス・アドレス可能な光管理部材を構成する。したがって、図８に示されているように、バックライト・モジュレータ２６の電気光学的能動層３４は、標準タイプのバックライト２５から発せられた光を調節するように構成され、一方、反射偏光子３５、３６は、望ましくない偏光を有する光、すなわち、図８に示すように、ディスプレイ・デバイスによって表示しようとする映像の「暗い」部分で発せられる光を再利用するために使用される。このようにして、バックライトの効率を高めることができる。ディスプレイ・デバイスのこのタイプの駆動は、図９に概略的に示されている。ここでは、画像がディスプレイ・デバイス上で表示される。表示される画像に関する情報（すなわち、画像内容）は、たとえば、ビデオ信号などにより、画像内容プロバイダ６０から受信される。その後、画像内容は画像解析デバイス６１に送信され、その部分より明るい部分および／または暗い部分に関して画像内容を解析する。その後、この画像解析情報は、処理済み画像信号を形成するために使用され、処理済み画像信号は、ディスプレイ・パネル２に送信され、ディスプレイ・パネル２の画像表示を制御するように構成される。さらに、画像解析情報は、照明システム制御ユニット６２内で２Ｄバックライト情報信号を形成するために使用され、２Ｄバックライト情報信号は、表示される画像のより明るい部分および／または暗い部分に関する情報に従ってバックライト・モジュレータの透過率を制御するように構成される。さらに、２Ｄバックライト情報信号は、標準タイプのバックライト２５のバイアス・レベルを制御するように構成された、バイアス・レベル信号を調節するために使用されるバイアス・レベル・モジュレータ６４に送信される。

代替の実施形態が、図１０に開示されている。ここでは、ディスプレイ・デバイス４１は、本質的に、ディスプレイ・パネル４２と、照明システム４３とを備える。

ディスプレイ・パネル４２は、上記の実施形態で述べられているものと本質的に同一であり、したがって、ここではあまり詳しく述べない。

照明システム４３は、本質的に、バイアス・レベル輝度のための本質的に標準タイプのバックライト４５と、バックライト４５から本質的に分離された散乱モジュレータ・パネル４４とを備える。バックライト４５は、本質的に、液晶パネル４２とモジュレータ・パネル４４の間に挟まれる。

バックライト４５は、本質的に、前記ディスプレイ・パネル４２に面するように構成された第１の出口面４７と、モジュレータ・パネル４４に面するように構成された第２の出口面４８と、好ましくは４つの端面４９とを有する導波路構造４６を備える。たとえば棒状蛍光灯など光源５０は、前記端面４９の少なくとも１つに沿って構成され、前記光源によって発せられた光は、前記端面４９を介して導波路構造４６内に結合するように構成される。内結合端面４９および出口面４７、４８を除いて、導波路構造４６のすべての表面は、望ましくない位置で光が導波路を出るのを防止するために、反射コーティングなどを設けてもよい。導波路構造４６は、テーパ形状を有してもよく、また、導波路にとって好適な反射パターンを得るために、反射制御用溝５７などを設けてもよい。

マトリクス・アドレス可能な光管理部材を構成する散乱モジュレータ・パネル４４は、本質的に、第１の基板５２と第２の基板５３との間に挟まれる液晶ゲル材料層５１を備える。さらに、散乱モジュレータ・パネル４４は、前記第１の基板５２および前記第２の基板５３上でマトリクス・ピクセルの形態で構成されたストリップ電極など複数のフロント電極およびバック電極（図示せず）により、ピクセル・パターンに細分される。上記のように、散乱モジュレータ・パネルのピクセル・パターンの解像度は、ディスプレイ・パネル４２の対応する解像度より低く、または、はるかに低くすることができる。さらに、照明システムは、モジュレータ・パネル４４が反射鏡５６とバックライト４５との間に挟まれるように構成された反射鏡５６を備える。

以下、本発明の機能について述べる。光は光源５０から発せられ、透過端面４９を介して導波路構造４６内に入る。導波路構造４６内では、光がテーパ形構造と反射制御用溝５７によって内部反射され、その結果、光は、本質的に、モジュレータ・パネル４４に面する第２の出口面４８だけを介して発せられる。モジュレータ・パネル４４は上述のように制御され、その結果、ディスプレイ・パネル４２によって表示される画像に応じて、いくつかのピクセルは透明モードになり、いくつかのピクセルは散乱モードになる。したがって、透明ピクセル内に入る光は、それを透過し、反射鏡５６によって反射され、導波路構造内に戻ることになる。一方、散乱ピクセル上に当たる光は、鏡５６によって反射されることなしに、導波路構造の方向で散乱されることになる。

したがって、この実施形態によれば、モジュレータは、上述の実施形態の場合のように導波路内に配置されない。したがって、たとえばＩＴＯの層または他の薄い層に関連する吸収損失が防止される。しかし、オン／オフ輝度比は、本発明の最初に述べられている実施形態の場合より小さくなる。

以下、本発明の他の有利な変形例について、図１１、図１２、図１３を参照しながら述べる。この変形例の目的は、コントラストおよび色範囲の点で、上述の液晶ディスプレイ・パネルの画面正面性能を改善すること、および、バックライティングの効率を改善することである。この目的ために、走査またはハイライティング・バックライトのスクロール散乱ストリップと同期された照明システムの光源の電力を調節することが提案される。このようにして、バックライトの明るい部分をより明るく、暗い部分をより暗くすることができる。光は必要とされる場所に、より効率的に移送されるため、これにより、より効率的なバックライティングと、より明るい、きらめく画像が得られることになる。同じ技法を、赤、緑、および青光源など異なる色について別々に適用することにより、バックライトの色を画面全体にわたって変えることができる。事実上これは、より広範囲の使用可能な色をもたらす。

図１１の実施形態は、本質的に図３に開示されている実施形態に対応し、したがって、ディスプレイの基本機能について、ここでは繰り返さない。しかし、本実施形態によれば、ディスプレイは、ランプ・ドライバ／光源電力モジュレータ２９をさらに備える。ランプ・ドライバ２９によってバックライト３のランプの電力を調節するために、必要とされる信号を生成することが必要とされることになる。ディスプレイ・パネルによって表示される画像が解析され、そこから、バックライトの強度レベルが導出される。その後、強度レベルは、バックライト内のＬＣゲルの散乱電力を調節するために、また光源電力の調節のために、調節信号内で照明システム制御ユニット６３によって分割することができる。十分に正確にするために、実際のランプ出力を測定し、これを必要とされる出力と比較する、１つまたは複数の光センサ２８を備えるフィードバック・ループを含むことが望ましい場合がある。このプロセスが、図１１に概略的に示されている。光センサ２８の検出信号はランプ・ドライバ２９にフィードバックされるように構成され、ランプ・ドライバはまた、照明システム制御ユニット６３から情報を受信するためにも接続される。それにより、ピクセルに供給される電力は、そのピクセルによって表示される画像内容に応じて変更してよい。したがって、セグメント化されたバックライトがアドレスされている間に、光源電力を変えることにより、ディスプレイのコントラストを改善することができる。セグメントｉがアドレスされている（すなわち、散乱している）とき、電力源は電力ｐｉを有することになり、セグメントｊが散乱しているとき、電力源は電力ｐｊを有することになる。電力ｐｉは、セグメントｉについて必要とされる明るさに応じて調節され、バックライト３のランプの平均電力は、一定にすべきである。この実施形態により、改善されたコントラストと、改善されたピークの明るさ、およびより良好な色性能を有するディスプレイ・デバイスを達成することができる。

好ましくは、バックライトの光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）によって構成され、そのようなデバイスは、電力を効率的な方法で、比較的容易に変えることができる。さらに、ＬＥＤは、非常に速く切り替わることができ、平均電力によって制限され、したがって、短いパルスで非常に明るくすることができる。代替的に、バックライトの光源は、様々な蛍光体、または蛍光体混合物を有する冷陰極蛍光灯（ＣＣＦＬ）によって構成することができる。

さらに、ＬＥＤは様々な波長について市販されている点で、ＬＥＤの使用は有利であり、したがって、電力調節および色調節を共に組み合わせるのに基本的に適している。したがって、本発明の概念は、たとえばカラー・ディスプレイのＲ、Ｇ、Ｂ光源を独立して変更するように拡張することができる。これは、図１２によって示される。このようにして、光の電力および光の色を共に変更することができる。これにより色三角形（colour triangle）のサイズは増大されない（またはほとんど増大されない）が、色三角形がシフトする。このシフトは、アドレスされるセグメントごとに独立して設定することができる。１セグメント内では「通常の」色三角形しか使用可能でないが、画面全体の色範囲は増大する。

また、色域への時間系列の適用と組み合わせて、追加の向上が可能である。たとえば、画像を解析して局所的により高い明るさを必要とするとされ、一方、残りの領域では色域がより重要であるとき、この領域内で発する光源すべてを同時にオンに切り替えることによってカラー・フィルタ帯域幅を満たすことにより、明るさに対する追加の増光を提供することができる。さらに他の実施形態では（図１３参照）、散乱バックライトの光の、調節された外結合は、全反射（外結合なし）と界面部での透過とを区別する、電気的にアドレスされる屈折率の原理に基づいて動作する。屈折率調節は、方向依存性のあるものとすることができる。これは、２つの屈折率切替え層を積み重ねることにより、第１の層は、１つの方向から来るＲ、Ｇ、Ｂを調節することになり、一方、第２の層は、その直交方向から来る、わずかにシフトされたＲ’、Ｇ’、Ｂ’を調節することを意味する（図１３参照）。これは、光源の両セット、すなわちＲ、Ｇ、ＢとＲ’、Ｇ’、Ｂ’とを連続的に切り替えることができる利点を有する。これは、高速切替えＬＥＤではなく、２組の蛍光灯が使用される場合に、有益となり得る。散乱要素を方向依存性にすることもまた可能であるはずである。

本発明の保護範囲は、示されている諸実施形態に限定されない。本発明は、ありとあらゆる新規の特徴、および、独特の特徴のありとあらゆる組合せにある。さらに、特許請求の範囲内の参照符号は、それらの保護範囲を限定するものとして解釈すべきでない。

上述の本発明の概念は、液晶ディスプレイ・パネルなど様々なタイプの電気光学的アクティブディスプレイ・パネル、または他のタイプのライト・バルブもしくはシャッタ・システムに使用することができることに留意されたい。さらに、本発明は、モノクローム／ＲＧＢディスプレイに限定されず、その色とは関係なく、実際上どのディスプレイにも使用することができることに留意されたい。

本発明と共に使用されるディスプレイ・パネルの概略図である。 本発明による照明システムの概略図である。 本発明によるディスプレイ・デバイスの概略図である。 例示的な照明システムについて電気光学応答を示す図である。 照明システムのパッシブ・マトリクス・アドレッシングを表す１組の図である。 本発明による照明システムについて変形されたアドレッシング方式を開示する図である。 本発明による照明システムについてさらに変形されたアドレッシング方式を開示する図である。 本発明のディスプレイ・デバイスの代替的な実施形態の概略断面図である。 図８によるディスプレイ・デバイスの概略図である。 さらに本発明による照明システムの代替的な実施形態の概略断面図である。 変形されたディスプレイ・デバイスの概略図である。 図１１で開示されたディスプレイ・デバイスの変形例の概略図である。 本照明システムのさらなる実施形態の概略図である。

Claims (12)

1. 電気光学材料層と、行および列に配列されたピクセルの領域内で電極を備えた第１の光透過性基板と、第２の光透過性基板とを含み、前記電気光学材料層が前記第１の基板と前記第２の基板との間に挟まれたディスプレイ・パネルと、
   前記電気光学材料層から離れて、前記第２の基板の側部上に配置され、前記ディスプレイ・パネルに面する出口面を有する、光透過性材料からなる光導波路を備えた照明システムと、を備えるディスプレイ・デバイスであって、
   前記照明システムは、マトリクス・アドレス可能な光管理部材をさらに備えることを特徴とするディスプレイ・デバイス。
2. 前記マトリクス・アドレス可能な光管理部材は、液晶材料層と、列電極層と、行電極層とを備えた外部結合部材であり、前記液晶材料層は、前記列電極層と前記行電極層との間に挟まれている、請求項１に記載のディスプレイ・デバイス。
3. 前記液晶材料層は、液晶ゲル材料によって構成されている、請求項２に記載のディスプレイ・デバイス。
4. 前記照明システムは、前記ディスプレイ・デバイスの観察者が見たときに、前記マトリクス・アドレス可能な外部結合部材のバックサイド上に、あるいは前記ディスプレイ・デバイスの観察者が見たときに、前記マトリクス・アドレス可能な外部結合部材のフロントサイド上に、前記マトリクス・アドレス可能な外部結合部材の縁部の少なくとも１つで構成される光源をさらに備えた、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のディスプレイ・デバイス。
5. 前記ディスプレイ・パネル上に表示される画像の明るい部分および暗い部分を解析し、それにより、前記照明デバイスによって表示される照明パターンを決定し、前記照明パターンによって引き起こされる輝度または色における望ましくない遷移を補償するために、前記ディスプレイ・パネルに対する適切な駆動信号を本質的に同時に生成するように構成された駆動ユニットをさらに備える、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のディスプレイ・デバイス。
6. 前記駆動ユニットは、前記照明システムの電極の本質的に連続するアドレッシングストリップにアドレッシング選択パルスを供給するように構成され、前記選択パルスの選択時間は、フレーム時間をアドレッシングストリップの数で割ったものより長く、それにより連続的にアドレスされるストリップの選択パルスが重なり合う、請求項５に記載のディスプレイ・デバイス。
7. 前記駆動ユニットは、前記照明システムの電極の２つ以上のアドレッシングストリップにアドレッシング選択パルスを同時に供給するように構成された、請求項５に記載のディスプレイ・デバイス。
8. 前記照明システムのバイアス・レベルを制御するように構成されたバイアス・レベル・モジュレータをさらに備える、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のディスプレイ・デバイス。
9. 前記照明システムの前記光源の電力を調節するための光源電力モジュレータをさらに備え、前記調節は、前記照明デバイスによって表示される照明パターンに依存する、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のディスプレイ・デバイス。
10. 調節される前記光源は、冷陰極蛍光灯、熱陰極蛍光灯、白色発光ダイオード、またはカラー発光ダイオードの組合せのうち１つを含む、請求項９に記載のディスプレイ・デバイス。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のディスプレイ・デバイス内で使用するための、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の照明システム。
12. 請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のディスプレイ・デバイスを駆動する方法であって、
    前記ディスプレイ・パネルによって表示しようとする画像を、その明るい部分および暗い部分に関して解析するステップと、
    前記解析された画像の明るい部分および暗い部分に関する情報を、前記照明デバイスに適した解像度に変換するステップと、
    前記解析された画像に関する情報を前記照明デバイスに送信するステップと、
    前記照明パターンによって引き起こされる輝度または色のうち１つにおける望ましくない遷移を補償するために、前記照明デバイスの駆動に関する情報を、前記ディスプレイ・パネルに適合された解像度に変換するステップと、
    前記照明デバイスを、前記変換された情報によって駆動するステップとを含む方法。

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