JP2007500371A

JP2007500371A - 自動立体表示装置

Info

Publication number: JP2007500371A
Application number: JP2006521693A
Authority: JP
Inventors: コルネリス、ファン、ベルケル; アラン、ジー．ナップ; フーゴ、イェー．コルネリッセン
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2007-01-11
Also published as: US20060203336A1; GB0317714D0; EP1654883A1; US7436594B2; KR20060056356A; CN1833450A; WO2005011291A1; TW200527067A

Abstract

表示パネル（１０）、レンチキュラシート（１５）、および電気的に制御可能なディフューザ（８０）を含む自動立体表示デバイス（１）。電気的に制御可能なディフューザ（８０）は、電気光学媒体（９５）、たとえば小液滴高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）層に対して構造化表面（９８）を有する光学媒体（９４）、たとえばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を含む。電気光学材料（９５）の屈折率は、印加された電界（またはゼロ電界）で変化し、少なくとも（ｉ）非拡散モード、したがって表示デバイスの３Ｄ動作を実質的に提供する光学媒体（９４）の値とほぼマッチする値（ｎ２）と、（ｉｉ）光学媒体（９４）の値とは異なり、したがって構造化表面（９８）で屈折を生じる値（ｎ１）の間で切り替え可能である。構造化表面（９８）は、異なった屈折角（＆ｑｕｅｓｔ；０）を提供し、全体的拡散効果、したがって２Ｄ動作を提供する。ディフューザ（８０）は、独立型品目として提供されてよい。

Description

本発明は、カラー自動立体表示装置を含む自動立体表示装置、特に自動立体表示モードと２次元表示モードの間で電気的に切り替え可能な自動立体表示装置に関する。本発明は、更に、拡散モードと非拡散モードの間で電気的に制御可能または切り替え可能な電気制御可能または切替可能ディフューザに関する。

立体ディスプレーは、異なった観察点における異なった細分像から作られた像を提供する。もし適切に調整された異なる細分像（即ち、適切な両眼ディスパリティを有する）が観察者の左眼および右眼に提供されるならば、全体の像は３次元像として観察者へ感知される。異なる像を提供する１つの知られた方法はカラー内容を変化させることであり、観察者は、各々のアイピース内に異なるカラー吸収レンズを有する特別の眼鏡を着ける必要がある。

観察者が特別の眼鏡を着ける必要がなく、異なる観察点での異なる細分像から作られた像を提供する立体ディスプレーは、自動立体ディスプレーとして知られている。典型的な自動立体ディスプレーは、行および列に配列された表示素子のアレイを含むマトリックス液晶表示（ＬＣＤ）パネルを含む。更に、ディスプレーは、表示パネル上の所与の点から提供された可視出力が観察角に依存するように、表示素子のアレイからの出力光を指向する手段を含む。これは、左眼が見る観察像とは異なった観察像を観察者の右眼が見ることを意味し、所望の立体または３次元像が提供される。

出力光指向手段の良く知られた形態は、表示パネルに重ねられるレンチキュラシートである。たとえば、ポリマー材料の成形または機械加工されたシート形態をしたレンチキュラシートは表示パネルの出力側に重ねられ、（半）円柱レンズ素子を含むレンチキュラ素子は列方向に延び、各々のレンチキュラ素子は２つ以上の隣接した表示素子列のグループに関連づけられ、表示素子列と平行に延びる。各々の微小凸レンズが２つの表示素子列と関連づけられる配列において、表示パネルは、垂直に交錯した２つの２Ｄ細分像を含む合成像を表示するように駆動され、表示素子の交互の列は２つの像を表示し、各々の列の表示素子は２Ｄ細分像の垂直スライスを提供する。レンチキュラシートは、これら２つのスライス、および他の微小凸レンズに関連づけられた表示素子列からの対応スライスを、シートの前に居る観察者の左眼および右眼へ指向し、適切な両眼ディスパリティを有する細分像であれば、観察者は単一の立体像を感知する。各々の微小凸レンズが行方向で２つを超える隣接表示素子のグループに関連づけられ、各グループ内の対応表示素子列が２Ｄ（細分）像からの垂直スライスを提供するように適切に配列された他の多観察像配列において、観察者の頭が移動するにつれて、たとえば展望印象を作り出すように一連の連続した異なる立体観察像が感知される。レンチキュラ素子を表示ピクセルと正確に整列させる必要性を考えて、表示パネル上にレンチキュラスクリーンを永久的に取り付け、ピクセルアレイに対してレンチキュラ素子の位置を固定するのが普通である。

この種の自動立体表示装置は、様々な応用、たとえば医療用撮像、バーチャルリアリティ、ゲーム、移動電話、およびＣＡＤ分野で使用することができる。

米国特許第２００３／００１１８８４Ａ１号は、電気的に切り替え可能な光拡散層を設けられた自動立体表示装置を開示する。光拡散層は、対向する電極間に夾まれた電気光学材料、たとえば高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）層を含む。適切な電位差を電極へ印加することによって、非散乱状態から強拡散状態へ層を変化させ、装置を３Ｄモードから２Ｄモードへ変化させることができる。それは、拡散状態がレンチキュラシートの光学効果を打ち消すからである。

本発明の発明者は、通常の電気的に切り替え可能な光拡散層、たとえば米国特許第２００３／００１１８８４Ａ１号によって開示された装置で使用されるＰＤＬＣ層は、そのようなデバイスで演じる特定の拡散役割には最適でないことを悟った。特に、本発明の発明者は、所与の微小凸レンズに関連づけられたピクセルまたはサブピクセルからの光をハイレベルで混合すると共に異なった微小凸レンズに関連づけられたピクセルまたはサブピクセルからの光を可能な限り分離するためには、知られた拡散層の角散乱特性が、レンチキュラシートを横切る光の拡散プロセスに最適ではないことを悟った。

第１の様相において、本発明は、電気的に制御可能または切り替え可能な光ディフューザを提供する。この光ディフューザは、光学媒体または基板、前記電気光学媒体または層、および電気光学媒体を横切って電界を提供するように配列され、電気光学媒体を横切る電界の印加または非印加によって、または電気光学媒体を横切る電界の変化によって、電気光学媒体の屈折率の制御を可能にする透明電極を含む。光学媒体および電気光学媒体は、光学媒体の第１の表面と電気光学媒体の第１の表面の間に有効光学インターフェイスを有するように配列され、有効光学インターフェイスは、たとえば、電気光学媒体と光学媒体の直接の当接によって形成されるか、それらの間に、たとえば他の層、たとえば透明電極を有するように形成され、光学媒体の第１の表面および電気光学媒体の第１の表面の少なくとも１つは、表面分布を有するように構造化され、表面分布は、複数の表面角またはフェーセット角、または表面角またはフェーセット角の分布、または可変角または複数角を提供する輪郭を含み、（ｉ）電気光学媒体の屈折率が、電界の印加または非印加によって、光学媒体の屈折率とほぼ等しくなるように制御されるとき、光学媒体の第１の表面と電気光学媒体の第１の表面との間で、有効光学インターフェイスから生じる屈折が実質的に存在しないようにされ、（ｉｉ）電気光学媒体の屈折率が、電界の印加または非印加によって、光学媒体の屈折率とは異なるように制御されるとき、光学媒体の第１の表面と電気光学媒体の第１の表面との間の有効光学インターフェイスで屈折が起こるようにされ、また表面分布、たとえば複数の表面角またはフェーセット角が存在することによって、または、たとえば表面角またはフェーセット角の分布または可変角または複数角を提供する輪郭を含む表面分布によって、光は屈折によって対応する複数の角または方向へ指向され、それによって拡散効果またはモードが提供される。

好ましくは、複数の表面角は、異なる表面方向へ異なるように分布し、光は異なる表面方向へ異なる範囲で拡散される。

好ましくは、電気光学媒体は小液滴高分子分散型液晶を含む。

更なる様相において、本発明は、上記第１の様相に従った電気制御ディフューザまたは第１の様相の上記変形を含む自動立体表示デバイスを提供する。

好ましくは、自動立体ディスプレーは、表示パネル、たとえば液晶表示パネル、および指向手段、たとえばレンチキュラシートを含む。電気制御可能ディフューザは、拡散効果を提供して、少なくとも１つの電界モードで指向手段の効果を分断するように配列され、電界モードは、電気光学媒体を横切る電界または電圧の所与の大きさの印加、または電気光学媒体を横切る電界または電圧の非印加を含む。

好ましくは、上記電界モードの他の異なった１つにおいて、実質的に拡散は起こらない。他の可能性は、中間拡散効果の生起であって、たとえば、２Ｄと３Ｄの間の中間像を提供する。

好ましくは、拡散効果の間、拡散の範囲は、十分な混合を提供して実質的に２Ｄ像を提供するほど十分である。

好ましくは、表示パネルは、行および列に配列されたサブピクセルまたはピクセルを含み、指向手段は、列とほぼ平行に配列されたレンチキュラ素子を含み、行に沿ったサブピクセルまたはピクセルのグループは、それぞれのレンチキュラ素子と対応して配列され、複数の表面角は行および列方向で異なるように分布し、拡散モードでは、光が列方向よりも行方向へ多く拡散される。

好ましくは、表面角の分布または変化は、表面角が回折限界よりも大きいがサブピクセル間隔よりも小さいスケールで変化するようにされ、したがって看取される効果は、サブピクセル間隔に関するディフューザ効果である。

更なる様相において、本発明は、表示パネル、指向手段、たとえばレンチキュラシート、および電気制御可能ディフューザを含む自動立体表示デバイスを提供する。電気制御可能ディフューザは、電気光学媒体、たとえば小液滴高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）層に対して構造化表面を有する光学媒体、たとえばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を含む。電気光学材料の屈折率は、印加された電界（またはゼロ電界）で変化し、少なくとも（ｉ）実質的に非拡散モード、したがって表示デバイスの３Ｄ動作を提供する光学媒体の値とほぼマッチする値と、（ｉｉ）光学媒体の値と異なって構造化表面で屈折を生じる値との間で切り替え可能である。構造化表面は、異なった屈折角を提供して、全体的拡散効果、したがって２Ｄ動作を提供する。ディフューザは、独立型品目として提供されてよい。

本発明において、拡散または有効拡散効果は、光学媒体と電気光学媒体の間の凹凸面からの異なる角出力の変化によって提供される。この角変化は、構造化表面の表面分布を変化させることによって、および／または光学媒体および／または電気光学媒体の屈折率を変化させることによって、および電気光学媒体を横切って印加される電圧または電界のレベルを変化させるか選択することによって、制御されるか前もって決定されることができる。これは、拡散される光の角度分布が、電気光学または他の切り替え可能層のバルクを介するバルク拡散に依存する通常の電気制御ディフューザで利用できる分布よりも適した分布へ少なくとも近似的に制御、選択、または前もって決定されることを可能にする。

添付の図面を参照して、今から本発明の実施形態を例として説明する。

図１は、自動立体表示手段１０および電気切替可能光ディフューザ８０を含むカラー表示装置１の概略斜視図である。

自動立体ディスプレー１０は、通常のアクティブカラーマトリックス液晶表示（ＡＭＬＣＤ）パネル１１を備える。パネル１１は、空間光変調器として使用され、表示素子１２の平面アレイを有する。表示素子１２は、相互に垂直で整列した行および列として配列される。表示素子は、簡単にするため、各々の行および列で比較的少数が概略的に示される。表示パネル１１は光源１４によって照明される。光源１４は、任意の適切な種類であってよく、この例では、表示素子アレイの区域と同じ広がりの平面バックライトを含む。パネルへ入射した光は、適切な駆動電圧の印加によって個々の表示素子またはサブピクセル１２によって変調され、所望の像表示出力を生成する。

表示パネル１１の出力側には、レンチキュラシート１５が配置される。レンチキュラシート１５は、細長くて平行なレンチキュラ素子１６のアレイを提供する。レンチキュラ素子１６は、光学的には円柱状に収束する微小凸レンズを含む。微小凸レンズは、たとえば凸円柱形レンズとして形成され、凸円柱形レンズは、表示素子の列と平行に延び、知られた方法で分離像を提供するように働く。分離像は、表示パネル１１から遠いレンチキュラシート１５の側で対面する観察者の２つの眼に対して、表示パネル１１のアレイの中で垂直交互配置様式で生成され、立体または３Ｄ像が感知される。レンチキュラシートをマトリックス表示パネルと組み合わせて使用する自動立体表示装置は、よく知られており、ここで動作を詳細に説明する必要はないと思われる。そのような装置および動作の例は、上記の米国特許第２００３／００１１８８４Ａ１号および英国特許第２１９６１６６Ａ号で説明されるか参照されている。これら両者の内容は、参照してここに組み込まれる。各々のレンチキュラ素子１６は、サブピクセルの隣接した２つ、３つ、またはそれより多い列のグループの上に重なって、対応する数の観察像を提供することができる。

各々のレンチキュラ素子は、関連したピクセル列の各々から、空間的に離散した出力ビームを、相互に異なった角度方向へ提供する。表示パネルが駆動され、２Ｄ（サブ）像の狭い垂直スライスがサブピクセルの各々の列によって生成され、生成された表示は複数のインタリーブされた２Ｄ（サブ）像を含み、これらの像は観察者の左眼および右眼によって見ることができる。こうして、各々のレンチキュラ素子１６は、サブピクセルの関連した列の各々から１つの、複数の出力ビームを提供し、出力ビームの光軸は、相互に異なった方向にあり、レンチキュラ素子の長手方向軸の周りで角度的に広がっている。適切な２Ｄ像情報が表示素子のそれぞれの列へ印加されると、ビームの異なったものを受け取る眼を有する観察者によって、３Ｄ像が感知される。各々のレンチキュラ素子は複数のサブピクセル列に関連づけられているので、観察者の頭が行方向へ移動するにつれて、異なった立体像が観察される。レンチキュラ素子は、通常、サブピクセル列とほぼ整列しているが、米国特許第６，０６４，４２４号で説明されるように、列に関して少し斜めであってもよい。

図２は、この例では２つの観察像表示出力を生成する装置の動作を、平面図で示す。各々のレンチキュラ素子１６は、この例では隣接したサブピクセル列のペアであるグループ２１に重なっており、各々が２Ｄ観察像の垂直スライスを表す２つの垂直ストリップが観察者へ与えられる。適切な２Ｄ像情報がサブピクセル１２へ印加され、観察者の眼が適切な距離にあって出力ビームの異なったものを受け取ると、３Ｄ像が感知される。観察像の数は、図２で示されるような単一の立体像を与える２つの観察像から、より多くの観察像、たとえば６つの立体像を提供する７つの観察像まで、変更することができる。（明瞭にするため、電気切替可能光ディフューザ８０は、図２には示されない。）

図３は、カラーマトリックスＬＣＤパネル１１における表示素子の行の一部分の概略平面図である。パネル１１はカラーピクセルレイアウトを含み、このレイアウトの中では、各々のカラーピクセル３０が３つ（赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂ）の隣接したサブピクセル１２を行の中に含み、水平ＲＧＢトリプレット３０を構成する。そのようなカラーピクセルレイアウトは、表示パネル１１の表示素子１２がＲ、Ｇ、Ｂ列の中に反復して配列された垂直カラーフィルタストリップを使用して形成される。そのような表示パネルのピクセルピッチは、パネル内のピクセル間隔の尺度である。通常のカラーマトリックスＬＣＤパネルについては、ピクセルピッチは、垂直の列方向および水平の行方向でほぼ等しい。図３は８つのＲＧＢカラーピクセル３０を示し、各々のピクセル３０は３つのサブピクセル１２を含む。水平ピッチＫは、ピクセルの幅に、隣接したピクセル間の間隔（図示されず）を加えたものに等しい。そのような表示パネル１１の解像度は、ピクセルが観察者によって感知される空間周波数の尺度である。もちろん、高解像度が望ましい。なぜなら、高解像度は高品質の像出力を生成するからである。通常のカラーマトリックスＬＣＤパネルについては、解像度は、垂直の列方向および水平の行方向でほぼ等しい。

レンチキュラシート１５は表示パネル１１の上に重なり、各々の細長いレンチキュラ素子１６は、隣接したサブピクセル列のペア２１を実質的にカバーする。レンチキュラレンズのピッチｐは、２つの隣接した細長いレンチキュラ素子１６の中心間の距離である。表示パネル１１の１つの行のみが示され、したがって水平方向で隣接したサブピクセル２１の１つのペアのみが、各々のレンチキュラ素子１６と対応するように示されていることが分かるであろう。レンチキュラ素子１５は概略的に画かれ、１つの行の一部分の断面が示されていることも分かるであろう。個々の微小凸レンズ１５は、対応するサブピクセル３２および３３からの出力光を、相互に異なった方向へ向ける。更に図２を参照すると、観察者は２観察立体像を感知する。各々のペア２１の左３２の各々のサブピクセルからの出力は領域Ａへ向けられ、図２の観察者の右眼によって観察される。Ａで見られた像３５の感知された水平ピクセルピッチＬは、パネルの水平ピクセルピッチＫの長さの２倍である。同様に、各々のペア２１の右の各々のサブピクセル３３からの出力は領域Ｂへ向けられ、図２の観察者の左眼によって観察される。Ｂで見られる像３６は、水平ピクセルピッチＬを有するように感知される。したがって、２観察立体像の水平解像度は、レンチキュラシート１５なしで観察される対応２Ｄ像の水平解像度の半分である。

上記の例は、２観察像システムの場合を説明したが、２観察像よりも多い立体像では解像度が低減される。たとえば、各々の微小凸レンズが４つの隣接したサブピクセル列をほぼカバーし、４観察像立体表示を与えてよい。この立体表示は、対応する２Ｄ表示の４分の１の水平解像度を有する。

図１を再び参照して、電気切替可能光ディフューザ８０の役割を今から詳細に説明する。第１の条件において、電気切替可能光ディフューザ８０は、実質的に非拡散、即ち実質的にクリアな状態へ切り替えられ、観察者は前述したような立体３Ｄ像を感知する。この像は像３５および３６となる。第２の条件において、電気切替可能光ディフューザ８０は実質的に拡散状態へ切り替えられ、レンチキュラシート１５の指向効果は実質的に無効にされ、観察者は２Ｄ像を感知する。電気切替可能光ディフューザ８０は、シート１５の表面と非常に接近して、好ましくは直接接触して配列される。

電気切替可能光ディフューザ８０が上記の第２の条件にあるとき、即ち、実質的な拡散状態へ切り替えられたとき、その効果は図３で概略的に示される。平均効果が起こって、各々のペア２１内の各サブピクセルからの光出力は、実質的に同じ方向へ向けられる。したがって、観察者の双方の眼は同じ像５０を見る。個々のレンチキュラ素子１６に対応する各々の感知されたピクセルからの出力は、対応する下のサブピクセルペア２１のサブ素子の全てによって寄与を受ける。たとえば、電気切替可能光ディフューザ８０がクリア状態へ切り替えられて、右眼は赤いサブピクセルからの出力を観察し、左眼は隣接した緑サブピクセルからの出力を観察する場合、電気切替可能光ディフューザ８０が拡散状態へ切り替えられると、双方の眼は、赤および緑のサブピクセルからの出力混合を観察することになる。したがって、観察者は像５０を見て、双方の眼が全てのサブピクセルからの光出力を受け取り、したがって２Ｄ像が感知される。この例において、混合されたトリプレット５１は、６つの表示素子、即ち各カラーの２つの表示素子の出力によって寄与を受ける。混合されたトリプレット５１のピッチＭは、立体的に感知される水平ピッチＬと同じである。しかし、各々の混合トリプレット５１の全体的出力は、カラー「非混合」の２つのピクセルトリプレットの出力を備える。したがって、２Ｄ感知水平ピクセルピッチは、混合トリプレットピッチＭの半分である。こうして、２Ｄ像の解像度は、立体像の解像度よりも大きい。上記の例で説明した２観察像表示の場合、このように電気切替可能光ディフューザ８０を切り替えることによって、フル解像度が回復される。

前述したように、実質的な拡散状態へ切り替えられたときの電気切替可能光ディフューザ８０の役割および効果は、理想的な電気切替可能光ディフューザ８０で達成される理想化または最適結果を現す。具体的には、前述した説明は、光拡散層の角拡散特性が理想化されていることを仮定する。即ち、第１に、特定のレンチキュラ素子に対応する２つのサブピクセルからの光は、完全および均等に混合され（たとえば、像５０の結合サブピクセル像５２の「Ｒ＋Ｇ」）、第２に、特定のレンチキュラ素子に対応する２つのサブピクセルからの光は、行に沿って隣接したサブピクセルの光路の中で到着するほど広く散乱されないこと（たとえば、青Ｂは、像５０の「Ｒ＋Ｇ」結合サブピクセル像５２の中に存在しない）、または同じ列に沿った（即ち、特定のレンチキュラ素子を下がった）隣接サブピクセルからの光が散乱されないことを仮定する。

通常の電気的に切替可能な光拡散層、たとえば上記の米国特許第２００３／００１１８８４Ａ１号で説明されるバルクＰＤＬＣ層を使用して、妥当なパフォーマンスが達成されるかも知れない。しかし、そのような通常のディフューザ層は、前述した目的に特に適している角拡散特性を有しない。

図４Ａは、通常のバルクＰＤＬＣ層の典型的な角拡散（これは散乱とも考えてよい）プロファイル８０を示す（実寸に比例していない）。通常の角拡散プロファイル８０は、邪魔されないＰＤＬＣ層を通過する光の強い「弾道」ピーク８２、および広い多重散乱肩８４を含む。いずれの特徴も望ましくない。強い弾道ピーク８２は、特定のレンチキュラ素子に対応する２つのサブピクセルからの光が完全および均等に混合する範囲を縮小する。広い多重散乱肩８４は、特定のレンチキュラ素子に対応する２つのサブピクセルからの光が広く散乱される範囲を増大させ、その光が他のサブピクセルの光路の中で到着する。

本発明の発明者は、より適切な角拡散（散乱）プロファイルが、図４Ｂで示される（実寸に比例していない）角拡散プロファイル８６であることを悟った。本発明の発明者は、電気切替可能光ディフューザが、理想的には垂直散乱を誘導せず、水平方向の狭い角度でガウス拡散を有することを悟った。散乱角は、理想的には、所与のレンズの下にあるか対応するサブピクセルの同じグループに属するサブピクセルからの光を混合するのに十分なだけである。即ち、散乱角は、理想的には、次式によって与えられる観察領域の幅のオーダである。

ここで、ｐはレンズピッチであり、ｆは焦点距離である。ｐおよびｆについて、現在のディスプレーの典型的な値は、ｐ＝０．４ｍｍおよびｆ＝１．５ｍｍであり、１５°（ＦＷＨＭ）の散乱角を与える。将来、より大きなφが望ましくなることが期待される。φよりも大きい角度での散乱は、輝度を減少させ（光は、大きな角度の中へ失われる）、コントラストを減少させる（散乱は、異なったレンチキュラ素子の下にあるピクセルからの光を混合する）傾向がある。図４Ｂを参照すると、角拡散プロファイル８６は、１％よりも小さい垂直散乱成分、および約１０％の水平散乱成分９０を含む。

図５は、この実施形態で提供される電気切替可能光ディフューザ８０の更なる詳細を示す。

電気切替可能光ディフューザ８０は、間隔を空けられた２つの透明基板９２および９４、たとえば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から作られた薄いプラスチック基板を含み、それによってセルが形成され、小液滴ＰＤＬＣ材料９５がセルの中に夾まれる。たとえばインジウムスズ酸化物から作られた透明な電極９６および９７が、基板９２および９４の内面上に、対向した配列で設けられる。（図１で示されるような）リード８１が、透明電極９６および９７へ結合される。動作において、リード８１および透明電極９６および９７は、必要に応じて小液滴ＰＤＬＣ材料９５を横切る電界を供与および印加するように使用される。

基板９４の内面９８は、凹凸のある非均一または非平坦の表面分布を有する構造化表面である。構造化表面は、任意の適切な手段を使用して形成されてよい。そのような形成には、たとえば、機械的、エンボス形成、再生、または光学手段を使用して形成することが含まれる（今後は、構造化表面を有する基板は構造化基板９４と呼ばれ、他の基板は平坦基板９２と呼ばれる。）この実施形態において、表面はエンボスされる。

小液滴ＰＤＬＣ材料９５は、電界がそれを横切って印加されるか否かに依存して、異なった実効屈折率を有する。電界が印加されないとき、小液滴ＰＤＬＣ材料９５の屈折率は、構造化基板９４の屈折率とは異なり、したがって、この後で詳細に説明するように、凹凸面における屈折率のミスマッチに起因する散乱および拡散が起こる。

しかし、小液滴ＰＤＬＣ材料９５を横切って電界が印加されるとき、小液滴ＰＤＬＣ材料９５の屈折率は、構造化基板９４の屈折率とほぼまたは実質的に等しくなり、凹凸面における屈折率のミスマッチは存在せず、散乱および拡散は起こらない。ここで使用される小液滴ＰＤＬＣ材料９５は、電界が材料を横切って印加されるときでも、材料を横切って印加される電界が存在しないときでも、材料を通過する光線に実質的なバルク拡散効果を与えないことに注意すべきである（これは、上記の米国特許第２００３／００１１８８４Ａ１号で、標準ＰＤＬＣ材料によって使用される従来技術のバルク拡散効果と対比される）。

小液滴ＰＤＬＣ材料９５は、可視光の波長のオーダ、またはそれよりも小さいバブルサイズを有する。このタイプの材料は、いわゆるホログラフィックＰＤＬＣで使用されており、ＪＨＭＮｅｉｊｚｅｎ，ＨＭＪＢｏｏｔｓ，ＦＡＭＡＰａｕｌｉｓｓｅｎ，ＭＢｖａｎｄｅｒＭａｒｋａｎｄＨＪＣｏｒｎｅｌｉｓｓｅｎ，ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｓｖｏｌ．２２２５５−２６４頁（１９９７年）およびＮａｔｌａｂｔｅｃｈｎｉｃａｌｎｏｔｅＴＮ０２１／９６で説明されている。これら刊行物の内容は、参照してここに組み込まれる。

液晶分子のバブルからバブルへのランダム配向に起因して、セルは、次の実効屈折率を有する媒体を表す。

十分に強い電界が、小液滴ＰＤＬＣ材料９５の層を横切って印加されるとき、バブル内の液晶分子は電界の方向に整列する。層を垂直に（即ち、電界と平行に）通過する光については、小液滴ＰＤＬＣ材料９５の層は、次の実効屈折率を表す。
ｎ_２＝ｎ_０
ｎ_ｅおよびｎ_０の典型的な値は、それぞれ１．８０７および１．５２７であり、上記の式から値ｎ_１＝１．６２０およびｎ_２＝１．５２７が与えられる。

図６は、透明電極９６および９７の間に電界が印加されず、したがってＰＤＬＣ材料９５の実効屈折率がｎ_１＝１．６２０であるとき、電気切替可能光ディフューザ８０へ垂直に衝突する光線１０１の経路を概略的に示す。

光線１０１は、自動立体ディスプレー１０の外層から構造化基板９４の中へ入る。外層は、この例では、ｎ_２に近い屈折率を有するガラス基板１０５である。

構造化基板９４も、ｎ_２に等しい屈折率を有する。第１の屈折は構造化表面９８で起こる。表面９８は角度φだけ傾いており、そこで屈折率はｎ_２およびｎ_１から変化する。第２の屈折は、平坦基板９２と空気１０８の間のインターフェイスで起こる。（平坦基板９２の屈折率は重要ではなく、結果の角度θ_０は、ｎ１から空気への遷移によって完全に決定されることに注意されたい。同様に、図６に示されないが実際に第２の基板９４と小液滴ＰＤＬＣ層９５の間にある透明電極９７の存在からは、正味の効果は生じない。なぜなら、その屈折動作は、自分自身を打ち消すからである。即ち、構造化基板９４と小液滴ＰＤＬＣ層９５の間の構造化表面９８では、それらの間に透明電極９７が存在しても、有効光学インターフェイスが提供される。

したがって、空気１０８内の角度は、次式のθ_０によって与えられる。

ここで、凹凸面９８の代表的部分９８ａの角度を考える。これは、便宜的に、代表的部分のフェーセット角と呼ばれ、図６ではφのラベルを付けられている。全体としての構造化表面９８の上には、そのようなフェーセット角の分布が存在し、各々のフェーセット角は、異なった角度θ_０で入射光を屈折させ、射出角の分布が生じる。言い換えれば、インターフェイスの全体はディフューザとして動作する。

フェーセット角の分布または変化は、フェーセット角が、回折限界よりも大きくサブピクセル間隔よりも小さなスケールで変動するようにされ、したがって観察される効果は、サブピクセル間隔に関するディフューザ効果である。

オン状態において、電界が印加されたとき、ＰＤＬＣの実効屈折率はｎ_２に等しく、屈折は起こらない。セルはクリアな非散乱面、即ち非拡散状態を与える。

上記の式は、凹凸基板面のフェーセットの角度分布の幅を、拡散プロファイルの幅に関連づけるために使用可能である。即ち、

この例において、σ_φ＝４４°とすれば、σ_θ＝５°となる。ｎ_１およびｎ_２は全く接近し、より弱い電界が印加されると更に接近するので、

を必要なだけ小さくできることが分かる。他の実施形態において、これはディスプレー上に中間２Ｄ／３Ｄ効果、即ち、縮小した深さではあるが向上した解像度を有する或る３Ｄが存在する効果を作り出すために有用である。

この実施形態において、構造化表面は、多数の小さな離散区域を含む表面分布でエンボスされる。各々の区域は、レンズよりも小さく（たとえば、２００μｍよりも小さい）、光の波長よりも大きい（たとえば、１μｍ以上）。この実施形態において、便利な数、たとえば１００の異なったフェーセット角が使用される。各々の区域は、フェーセット角の１つを有するように作られる。たとえば、第１のフェーセット角を有する１万の区域が存在し、第２のフェーセット角を有する１万の区域が存在する。以下同様である。表面にわたって全ての区域が混合され、任意の局所区域には、好ましくは、１００の異なったフェーセット角の少なくとも大部分が分布する。区域は、機械的（即ち、粗い研磨）またはフォトリソグラフィ（セミランダム固定デザインを使用する）で作ることができる。

更に、異なった実施形態において、図４Ｂの理想化された散乱プロファイルがアプローチされてよい範囲は、

が水平および垂直方向で異なるように、基板の構造化表面を構造化することによって増大される。この実施形態に関しては、これはエンボス配列の中で異なった離散区域の分布を制御することによって達成されてよい。

１つの一般的な利点は、ｎ_１からｎ_２への屈折率の変化が小さくてよいことである。

他の利点は、セルの構造が非常に単純で、薄いプラスチック基板材料を使用できることである。なぜなら、注意深い整合を必要としないからである。

他の利点は、２Ｄ（散乱）状態が電力消費を必要としないことである。

上記の実施形態において、透明電極は基板９２および９４のほぼ全区域の上に延び、それによって全表示区域を２Ｄと３Ｄモードの間で切り替える。しかし、他の実施形態において、２Ｄディスプレーの中に３Ｄウィンドウを提供するか、３Ｄディスプレーの中に２Ｄウィンドウを提供するように、透明電極９６および９７をパターン化してよい。これは、上記の米国特許第２００３／００１１８８４Ａ１号で説明される方法で実現されてよい。

電気切替可能光ディフューザ８０は、上記の実施形態のように、指向手段１５の前に配置されることが好ましいが、それを指向手段と表示パネル１１の間に配置して、指向手段の入力側と密接させることが考えられる。

上記の実施形態において、レンチキュラ素子の曲面は観察者と対面する。これは、通常、最良の光学特性を提供する。しかし、他の実施形態において、他の理由、たとえば製造またはアセンブリを容易にするため、レンチキュラレンズの曲面を観察者と対面させなくてもよい。

上記の実施形態において、ディスプレーは、異なったカラーのサブピクセルを有するカラーディスプレーである。しかし、他の実施形態において、電気切替可能光ディフューザは、白黒表示手段で使用されてよい。

更に、上記の実施形態で説明した電気切替可能光ディフューザは、前述した表示手段と共に使用するのに特に適しているが、他の実施形態では、電気切替可能ディフューザを必要とするか、可能性として使用する他のタイプの表示デバイスまたは配列と一緒に、電気切替可能光ディフューザを使用してよい。実際に、本発明は、他の適切な光学的応用における電気切替可能ディフューザへ拡張され、この意味で、電気切替可能ディフューザ自身に関する上記実施形態の詳細は、本発明の様相に従って、独立型電気切替可能ディフューザの実施形態を表すものとして考えられるべきである。

上記の実施形態において、構造化表面の表面分布は、エンボスによって形成される。しかし、他の実施形態において、構造化表面の表面分布は、任意の適切な手段を使用して形成されてよい。そのような手段の中には、たとえば、機械的、再生、化学エッチング、光学手段などが含まれる。

上記の実施形態において、構造化表面の表面分布は、約１万の個別区域を含み、これらの区域は、１０の異なったフェーセット角を、空間的に分布した様式で共用する。その結果、構造化表面によって画定されるインターフェイスで屈折が起こるとき、この例では、１０の異なった出力角の空間混合分布が起こる。表面は、フェーセット角で特徴付けられるが、各々の区域自身の中でほぼ平坦である。しかし、他の実施形態において、構造化表面は他の適切な形態であってよい。

たとえば、上記の実施形態の変形において、区域の数および／または異なるフェーセット角の数は、異なっていてよい。

上記の任意の実施形態において、１つの可能性は、区域が相互にほぼ類似していることであり、他の可能性は、区域の幾つかまたは全てが異なっていることである。

上記の任意の実施形態において、１つの可能性は、各々のフェーセット角について、ほぼ等しい数の区域が存在することであり、他の可能性は、異なったフェーセット角の幾つかまたは全てについて、異なった数の区域が存在することである。

上記の実施形態において、構造化表面は、前述したプロファイル詳細を有するエンボスツール／スタンプを使用してエンボスされる。プロファイル詳細は、たとえば、コンピュータ支援（ＣＡＤ）プロセスを使用して、詳細デザインによって形成される。しかし、他の実施形態において、表面分布は、ランダムまたは疑似ランダムの表面分布詳細で形成されてよい。たとえば、これは（粗い）研磨またはエッチングプロセスが使用されるときに起こるかも知れない。他の可能性は、疑似ランダム表面が自動デザインプロセスによって生成されてよいことである。自動デザインプロセスは、たとえば、フェーセット角および特性の適切な混合分布を提供するように設計されたコンピュータ・アルゴリズムを含む。

他の可能性は、構造化表面が全面的または部分的に曲面区域を含むことである。これらの曲面区域は、相互に異なった曲率角を有するか、所定または疑似ランダムまたはランダム様式でオフセットされ、屈折角の混合が起こるようにされる。

明らかに、構造化表面が実現される形態として多くの方法が存在し、ここで言及するには多すぎる。したがって、上記の例および可能性が単なる例であること、および効果的な散乱または拡散が起こるように、本発明が複数の出力拡散角を提供する構造化表面分布を包含することを理解すべきである。

上記の実施形態において、電界の印加のもとで屈折率を変化させる電気光学材料または媒体として、小液滴ＰＤＬＣが使用される。しかし、他の実施形態において、好ましくは小量だけ屈折率を変化させるように、電界の印加のもとで屈折率を変化させる電気光学材料または媒体として、他の材料または手段が使用されてよい。たとえば、従来の液晶材料（ＬＣ）が、たとえば超ねじれネマティック形態で使用されてよい。ＰＤＬＣの利点は、電界が存在しないと材料が速く緩和し、実効屈折率ｎ_１への精密な形態を有することである。通常のＬＣを使用する利点は、ＬＣ層を好ましい方向、即ち、液晶ディスプレーの偏光子の方向へ配向できることである。ｎ_１の散乱状態において、完全値ｎ_ｅを得ることができるが、小液滴ＰＤＬＣの場合、前述した式によって最高可能値が与えられる。非散乱状態において、屈折率ｎ_２＝ｎ_０となるようにＰＤＬＣおよびＬＣを配列することができる。

電界の印加のもとで屈折率を変化させる電気光学材料または媒体として使用する他の可能性は、いわゆる「エレクトロウェッティング」配列を使用することである。「エレクトロウェッティング」配列において、表面における流体のウェッティング振る舞いは、流体・表面接触角を電気的に変化させることによって操作される。そのような実施形態において、ｎ＝１．５を有する構造化表面の屈折率とマッチする油膜を、ｎ＝１．３３を有する水膜によって置換することができる（即ち、液体上の電界効果によって、液体は物理的に移動する）。後者（水）の状態は、散乱、したがって２Ｄモードを生じ、前者（油）の状態は、非散乱表面、したがって３Ｄモードを生じる。

上記の実施形態において、散乱／拡散効果は、印加される電界が存在しないときに起こり、電気切替可能ディフューザは、電界が印加されたときに実質的に非拡散にされる。他の実施形態において、これは逆にされる。それは、電界が印加されないとき、電気光学材料の屈折率を構造化基板の屈折率とマッチさせることによって行われる。

上記の実施形態において、透明電極は、電気光学材料のいずれかの側に直接置かれ、したがって透明電極の１つは、構造化基板の構造化表面の上に設けられ、電気光学材料に直接対向する、即ち、構造化基板と電気光学材料の間にあるようにされる（もっとも、それは屈折出力角上に全体的効果を有しない。なぜなら、基板と透明導体のインターフェイスにおける屈折は、透明導体と電気光学材料の間のインターフェイスにおける屈折によって打ち消されるからである）。他の実施形態において、透明電極の１つまたは双方は、たとえば基板の外面、たとえば構造化基板の外側の（平坦）表面に置かれてよい。この場合、電界が透明導体間で印加されるとき、或る電界は基板を横切り、或る電界は電気光学材料を横切る。

上記の実施形態において、使用される電気光学材料の屈折率の値の１つは、非電界に対するものである。他の実施形態において、電界を印加しないことによって提供される１つの動作条件の代わりに、印加される電界のそれぞれの異なった大きさによって、双方の動作条件が提供される。この場合、たとえば、１つの電界の大きさにおける屈折率は、構造化基板の屈折率とほぼマッチし（即ち、拡散なし）、第２の電界の大きさにおける屈折率は、構造化基板の屈折率とは異なるであろう。これは、２Ｄおよび３Ｄモードの双方で電力を使用する必要があることを意味するが、電気光学材料の屈折率が構造化基板の屈折率とマッチしなければならない要件が緩和され、材料の広い選択が可能になり製造公差が増大するという利点を与えるであろう。

上記の実施形態において、非電気光学媒体は構造化表面で提供され、電気光学材料（即ち、電界の印加のもとで屈折率を変化させる媒体）と隣接して配置される。しかし、他の実施形態において、もし固体の電気光学材料が使用されるならば、構造化表面を電気光学材料の上に設けてもよい。

上記の実施形態において、レンチキュラ素子を含むレンチキュラシートが光指向手段として使用される。しかし、他の実施形態において、他の適切な指向手段が使用されてよい。たとえば、サブピクセルの各々のペアまたは他のグループについて別々の球面レンズを含むシートが使用されてもよい。

自動立体表示手段および電気切替可能光ディフューザを含むカラー表示装置の概略斜視図である。２つの観察像表示出力を生成する図１の装置の動作を示す平面図である。図１の装置における表示素子行の一部分の概略平面図である。従来技術のバルクディフューザとして使用される通常のＰＤＬＣ層の典型的角拡散（散乱）プロファイルを示す図である（実寸に比例していない）。理想化された角拡散（分散）プロファイルを示す図である。図１の装置に設けられる電気切替可能光ディフューザの詳細を示す図である。図５の電気切替可能光ディフューザへ垂直に衝突した光の光路を概略的に示す図である。

符号の説明

１カラー表示装置
１０自動立体ディスプレー
１１アクティブカラーマトリックス液晶表示（ＡＭＬＣＤ）パネル
１２表示素子
１４光源
１５レンチキュラシート
１６レンチキュラ素子
２１グループ
３０カラーピクセル
３２、３３サブピクセル
３５、３６、５０像
５１トリプレット
８０電気切替可能光ディフューザ
９２、９４透明基板
９５小液滴ＰＤＬＣ材料
９６、９７透明電極

Claims

電気的に制御可能な光ディフューザであって、
光学媒体の第１の表面と電気光学媒体の第１の表面の間に有効光学インターフェイスを有するように配列された光学媒体および電気光学媒体と、
前記電気光学媒体を横切る電界を提供し、前記電気光学媒体を横切る電界の印加または非印加によって、前記電気光学媒体の屈折率の制御を可能にするように配列された透明電極とを具備し、
前記光学媒体の第１の表面および前記電気光学媒体の第１の表面の１つが表面分布で構造化され、表面分布が複数の表面角を備え、（ｉ）前記電気光学媒体の屈折率が、電界の印加または非印加によって、前記光学媒体の屈折率とほぼ等しくなるように制御されるとき、前記光学媒体の第１の表面と前記電気光学媒体の第１の表面の間の有効光学インターフェイスから生じる屈折が実質的に存在せず、（ｉｉ）前記電気光学媒体の屈折率が、電界の印加または非印加によって、前記光学媒体の屈折率とは異なるように制御されるとき、前記光学媒体の第１の表面と前記電気光学媒体の第１の表面の間の有効光学インターフェイスで屈折が起こるようにされ、また複数の表面角が存在するために、光が屈折によって対応する複数の角へ指向されて拡散効果が提供される、ディフューザ。
前記複数の表面角が、異なる表面方向で異なるように分布し、光が、異なる表面方向では異なる範囲に拡散する、請求項１に記載のディフューザ。
電界が前記電気光学媒体を横切って印加されるとき、前記電気光学媒体の屈折率が前記光学媒体の屈折率とほぼ等しく、電界が前記電気光学媒体を横切って印加されないとき、前記電気光学媒体の屈折率が前記光学媒体の屈折率とは異なる、請求項１または２に記載のディフューザ。
前記電気光学媒体が小液滴高分子分散型液晶を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のディフューザ。
自動立体表示デバイスであって、
前記サブピクセルまたは前記ピクセルのアレイと、
複数の指向素子を備える指向手段と、
前記サブピクセルまたは前記ピクセルの複数のグループであって、各々のグループが複数のサブピクセルまたはピクセルを含み、それぞれの指向素子と対応して配列されたグループと、
電気的に制御可能なディフューザとを具備し、
前記電気的に制御可能なディフューザが、
光学媒体の第１の表面と電気光学媒体の第１の表面の間で有効光学インターフェイスを有するように配列された光学媒体および電気光学媒体と、
前記電気光学媒体を横切る電界を提供して、前記電気光学媒体を横切る電界の印加または非印加によって前記電気光学媒体の屈折率の制御を可能にするように配列された透明電極を含み、
前記光学媒体の第１の表面および前記電気光学媒体の第１の表面の１つが表面分布で構造化され、表面分布が複数の表面角を含んで、（ｉ）前記電気光学媒体の屈折率が、電界の印加または非印加によって、前記光学媒体の屈折率とほぼ等しくなるように制御されるとき、前記光学媒体の第１の表面と前記電気光学媒体の第１の表面の間の有効光学インターフェイスから生じる屈折が実質的に存在せず、それによって非拡散モードを提供するようにされ、（ｉｉ）前記電気光学媒体の屈折率が、電界の印加または非印加によって、前記光学媒体の屈折率とは異なるように制御されるとき、前記光学媒体の第１の表面と前記電気光学媒体の第１の表面の間の有効光学インターフェイスで屈折が起こるようにされ、複数の表面角が存在するために、光が屈折によって対応する複数の角へ指向されて、拡散モードが提供され、
前記サブピクセルまたは前記ピクセル、前記指向手段、および前記電気的に制御可能なディフューザが、
前記ディフューザが前記非拡散モードにあるとき、グループ内の異なったサブピクセルまたはピクセルからの光が、対応する指向素子によって、異なる方向へ指向され、それによって３Ｄモードが提供され、
前記ディフューザが前記拡散モードにあるとき、グループ内の異なったサブピクセルまたはピクセルからの光が混合される
ように配列された表示デバイス。
前記拡散モードにおいて、拡散の範囲が、実質的に２Ｄ像を提供するため十分な混合を提供するほどに十分である、請求項５に記載の表示デバイス。
前記拡散モードにおいて、拡散の範囲が、２Ｄと３Ｄの間の中間像を提供するため十分な混合を提供するほどに十分なだけである、請求項５に記載の表示デバイス。
前記指向手段がレンチキュラシートであり、前記指向素子がレンチキュラ素子である、請求項５から７のいずれか一項に記載の表示デバイス。
前記サブピクセルまたは前記ピクセルが行および列に配列され、前記レンチキュラ素子が列とほぼ平行に配列されて、行に沿った前記サブピクセルまたは前記ピクセルのグループがそれぞれのレンチキュラ素子と対応するように配列され、前記複数の表面角が行および列方向で異なるように分布して、前記拡散モードにおいて、光が、列方向よりも行方向へ多く拡散される、請求項８に記載の表示デバイス。
電界が前記電気光学媒体を横切って印加されるとき、前記電気光学媒体の屈折率が前記光学媒体の屈折率とほぼ等しく、電界が前記電気光学媒体を横切って印加されないとき、前記電気光学媒体の屈折率が前記光学媒体の屈折率とは異なり、したがって電界が印加されないとき前記拡散モードが達成される、請求項５から９のいずれか一項に記載の表示デバイス。
前記電気光学媒体が小液滴高分子分散型液晶を含む、請求項５から１０のいずれか一項に記載の表示デバイス。