JP2007514975A - ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

ディスプレイ装置は、発光画素（１２０）とコントラスト促進要素（１１０）を具える。コントラスト促進要素は、先狭の凹部として形成された間隙領域（２１２）により分離された複数の導波路（２１６）を具える。導波路（２１６）と間隙領域（２１２）の間の界面は反射層を具える。先狭の凹部は、入射した周囲光に対して袋小路を形成し、この周囲光はコントラスト促進要素により効率的に吸収される。一方、ディスプレイ装置の画素（１２０）により放射された光は、導波路（２１６）を伝わる。その結果、ディスプレイ装置は、特に明るい周囲光条件下で、比較的高いコントラスト比を有する
【選択図】図１

Description

この発明はディスプレイ装置に関する。

テレビ及びモニタ等のディスプレイ装置は広範囲にわたり利用されている。ディスプレイ上の画像の品質は、できる限り良好であることが重要である。このため、ディスプレイ製造業者は、画像の輝度、彩度及びコントラスト比等のディスプレイ特性の向上を常に追及している。

表示された画像のコントラスト比は、明（白）状態と暗（黒）状態の間でのディスプレイの画素の輝度の比として定義される。

ディスプレイを明るい外部光条件下に置くと、コントラスト比に悪影響を及ぼし得ることが知られている。もっとも、移動体用途に用いられるある種の反射型のディスプレイでは、表示すべき画像の光源として周囲光を用いるので、実際のところ、こうした光条件が好ましい。

しかし一般には、ＣＲＴ又はポリマーＬＥＤディスプレイ等の任意の放射ディスプレイの場合、またはバックライトシステムを組み込んだ透過型ＬＣＤ等の固有の光源を組み込んだディスプレイの場合、光が明るい条件下では、周囲光がスクリーンを通ってディスプレイに入り、ディスプレイ内の要素及び／又は表面で反射されるので、表示された画像のコントラストが損なわれる。かかるディスプレイでは、自分に向かって不所望ながらも反射された迷光を観者が感知するので、反射された光がディスプレイの暗状態を明るくする。さらに、反射により不要かつ予測不能な効果が引き起こされる、すなわち使用者がアーティファクトやゆがみを経験する。この結果、コントラスト比が低下する。

コントラスト比を向上させるために多くの解決策が提案されてきた。例えば、ＣＲＴの蛍光体等の放射ディスプレイ・ブラックマトリクス吸収材料が、放射要素を取り囲むためにしばしば用いられる。これは、比較的大きな表面積を覆う放射体自体が入射迷光を依然として反射するので、コントラスト比の向上が比較的限定されるという欠点を有する。他の試みは、周囲光の反射の抑制に非常に効果的である、偏光器とラムダ板の組合せを用いる。しかし、このような解決策は、ディスプレイの画素により放射される光の比較的大部分も吸収し、したがって、前記の高輝度ディスプレイの強度が悪影響を受けるため、コントラスト比の向上は依然としてかなり制限される。

特許文献１には、一列のテーパー状導波路を有するディスプレイ基板であって、導波路間の領域を光吸収（黒色）材料で満たすことのできるものが記載されている。画素から放射された光は導波路を介して案内され、一方、周囲光は導波路の列に入射し光吸収材料により吸収される。しかし、材料は導波路と直接接触しているので、導波路を介して伝わった光の過剰な吸収損失を招く。この効果は、粒子状ブラックマトリクス材料を用いることにより低減できるが、この解決策の利益は依然として比較的限定される。

米国特許第５，４８１，３８５号明細書

この発明の目的は、コントラスト促進手段を有しており、表示された画像が、特に明るい外部光条件下で特に高いコントラスト比を有するディスプレイ装置を提供することにある。

この目的は、独立形式の請求項１に規定されたディスプレイ装置を用いることにより達成される。さらに有利な実施態様は引用形式の請求項に記載されている。

この発明は以下の知見に基づくものである。

画素に向かって狭くなる形状を有する幾何学的要素の構造を平らな基板に刻みつけることができる。このようにして形成された先狭の凹部内には反射層、好ましくは金属層が被着される。

発明者らは、かかる凹部が互いに十分に接近して密集しており、それらの直径が十分に小さい場合には、この基板が、先狭の凹部の比較的広い入口部を具える側から基板に入る光に対して、特に有効な光吸収材となることを見出した。明るい周囲光条件下で観察した場合でさえ、基板は暗い黒色を呈する。暗い黒状態は、高いコントラスト比をもたらす。

この発明のディスプレイ装置にあるようなコントラスト促進要素は、かかる基板から容易に形成することができる。この場合、基板を、好ましくは高い反射指数を有する、ガラス又はポリマー等の光透過性の第１の材料から加工すべきであり、基板の、先狭の凹部を形成した後も残る部分は、ディスプレイ装置の画素から放射された光の導波路として機能する。隣接する導波路は、以下で「間隙領域」とも呼ぶ先狭の凹部によって分離されている。

画素により放射された光は、幾何学構造の基準面である入口面を通って導波路に入り、導波路を通って伝播する。

さらに、出口面を導波路上に画定する必要がある。このため、先狭の凹部の内部に反射層を設けた後に、基板の上部を除去する。したがって、導波路は、実質的に反射材料がなく、好ましくは実質的に入口面に平行な出口面を有する。

導波路と間隙領域との間の界面上の反射材料はそれ自体、可視光に対する効果的な反射体である。実際、先狭の凹部内に入った周囲光がかかる界面に入射すると、入射光の２〜１０パーセントのみが金属に吸収され、大部分は反射される。

上述のように、それでもなお、反射幾何学要素を有する基板は、高度に効果的な吸収体であることが分かった。凹部の内部での入射光の反射回数は、特に凹部が画素に向かって狭くなるにつれて、比較的高くなるので、入射光の特に高い割合が、究極的には吸収される。間隙領域の直径、したがって隣接する導波路間の距離は、可視領域の光の波長に近づくので、表面プラズモンに基づいて、さらなる吸収効果が起きる。

その結果、先狭の凹部は、入射した周囲光に対してデッドエンド（袋小路）となり、この発明にしたがうディスプレイ装置のコントラスト促進要素が、かかる光の特に高い割合を吸収する。迷光による問題は最小限となり、ディスプレイの黒状態は比較的暗く見える。さらに、凹部と導波路の間の界面上の反射材料は、導波路内の総内部反射にほとんど影響を与えないので、画素により放射された光の特に高い割合が導波路を通って案内され、伝搬される。ディスプレイの白状態は比較的明るく見える。

その結果、この発明にしたがうディスプレイ装置のコントラスト比は、特に周囲光が明るい条件下で、比較的高くなる。

この発明のディスプレイ装置のコントラスト促進要素は、比較的製造が容易である。透過性材料の層をディスプレイ装置の発光画素に隣接して配置する。いわゆるソフトリソグラフィを用いることにより、すなわち所望の先狭の凹部を、後の硬化工程において凝固される液体層にエンボス加工することにより、幾何学構造を形成することが好ましい。あるいは、選択的エッチング処理、またはマスター上でのモノマー含有材料の重合処理を用いることができる。次いで、導波路の上端を、例えば機械研磨または湿式化学処理により除去することができる。このようにして形成された導波路は、画素に隣接する入口面よりも好ましくは実質的に小さい出口面を有する。この場合、周囲光は、出口面の比較的小さな表面領域から観者に向かって反射されて戻るのみである。したがって、ディスプレイの黒状態は特に暗く、コントラスト比は特に高くなる。

好ましくは、反射層は間隙領域と導波路の間の界面の少なくとも大部分を覆う。さらに好ましくは、テーパー状要素は内側全体が金属で覆われている。

先狭の凹部、すなわち間隙領域はテーパー状であることが好ましく、漏斗状であることがさらに好ましい。

この発明のディスプレイのコントラスト促進要素による光吸収の有効性に影響を及ぼす種々のパラメータがあり、例えば表面上の幾何学構造の密度、充填密度、構造の頂点角度及び出口面の大きさなどがある。

好ましくは、先狭のくぼみの頂点の角度が平均で９０°未満である。すなわち、コントラスト促進要素の外面の法線方向に対する界面の角度は４５°未満であり、以下、この界面の角度をαというものとする。角度αは図２に示したようなものであり、したがってテーパー状の凹部の頂点の角度は２αに等しい。

より好ましくは、αは１５〜３０°の範囲内であり、したがって頂角は３０〜６０°の範囲である。したがって先狭の凹部は比較的鋭利であり、すなわち凹部の入口の断面直径よりも長さが大きくなる。

間隙領域の吸収効果が高いので、コントラスト促進フィルタによる光吸収は、一般に頂角の減少に伴って増加するが、３０°未満の頂角では、ディスプレイの視角に影響がある場合があることが分かっている。この場合、放射された光の導波は妨げられ、導波路からの放射がもはや等方的ではなくなる。すなわち、強度分布が極めて角度依存的になり、視角を制限することとなる。このことは一般には有害である。しかし、機密ディスプレイのように、非常に限られた視角の恩恵を受ける用途も存在する。これらの場合には、３０°未満の頂角が想定される。

好ましくは、コントラスト促進要素の厚さ、すなわち法線方向に平行な方向での導波路の寸法が１００ｎｍと１０μｍの間である。この高さと角度αが好適な範囲内にあると考えると、幾何学構造は、ディスプレイの各画素に対して数百又は数千の導波路を設けたようなものとなる。

導波路の出口面領域の大きさは、導波路の上端が切除されている場合には、基板表面からの高さを変えることにより決めることができる。好ましくは、出口面領域の平均直径が、可視光スペクトル内の光の波長の大きさと同程度である。したがって、例えば直径は１又は２μｍ、より好ましくは約５００ｎｍ以下である。

この場合、導波路からの放射はほぼ等方的であり、コントラスト促進手段はディスプレイの視角を全く又はほとんど制限しない。したがって、視角に影響を与えることなく、比較的小さな頂角を用いることができる。さらに、周囲光が反射される導波路の出口面は、観者に対向するディスプレイ装置の表面の極めて小さな部分を構成するので、迷光の量がさらに減少する。

好ましくは、複数の導波路、及び基板中の先狭の凹部をランダム構造に配置する。これにより、ディスプレイの視角に及ぼすコントラスト促進手段の影響がさらに低減され、表示した画像への干渉及び／又はモアレ効果の発生をなくす。

紹介のために述べると、前記のコントラスト促進フィルタを組み込んでいる、この発明のディスプレイ装置は、発光画素を有する種々の形式のディスプレイ装置のいずれかとすることができる。

例えば、このディスプレイ装置は、有機ＬＥＤ、発光画素が光放射有機材料を含む場合には、有機材料ポリマーＬＥＤ（Ｐ−ＬＥＤ）又は低分子ＯＬＥＤのいずれか、バックライト付き画素を有する透過性ＬＣＤ、又は発光リンを含む画素を有する、ＣＲＴ、電界放出ディスプレイ又はプラズマディスプレイ等の真空蛍光ディスプレイとすることができる。

一般に、コントラスト促進要素はディスプレイの観者側に配置されるが、画素とコントラスト促進要素の間の距離が大きくなり過ぎないように、好ましくは数ミリメートル以下となるように注意すべきである。さもなければ、混信が起き、したがって原色の分離に悪影響を及ぼす場合がある。

間隙領域は、導波路の第１の材料よりも屈折率の小さな第２の材料を含む。第２の材料は屈折率が約１である空気とすることもできるが、より好ましくは、テーパー状の凹部は、屈折率が１に近い、例えば１．１又は１．０５等である保護材料を含む。

保護材料は間隙領域、特に間隙領域と導波路の間の界面上の繊細な反射層を保護する。材料の屈折率は、間隙領域内の材料の表面での周囲光の反射を大幅に防ぐために、低くすべきであり、この反射はコントラスト比を低下させる。この目的に適当な材料は、エアロゾル材料又はかかるエアロゾル材料と混合したポリマーを含む。

この発明の前記の及び他の態様を、添付の図面を参照しつつ、さらに説明する。

この発明にしたがうディスプレイ装置１００はディスプレイパネル１２０を具える。ディスプレイパネル１２０は、Ｏ−ＬＥＤ若しくはＰ−ＬＥＤディスプレイパネル、バックライトシステムを組み入れた透過型ＬＣＤパネル、ＣＲＴスクリーン、プラズマディスプレイパネル又は電界放出パネル（ＦＥＤ）等の従来の光放射型のものである。図１は、ディスプレイパネル１２０の単一の画素（ピクセル）、またはカラーディスプレイパネルの場合には単一の色サブピクセルを示す。

コントラスト促進フィルタ１１０がディスプレイパネル１２０の観者側に取り付けられる。フィルタは、複数のテーパー状の凹部１１２を含み、この凹部はこの実施態様においては漏斗状である。テーパー状の凹部１１２の間のフィルタは、ディプレイパネル１２０のピクセルから放出された光の導波路として作用するように適当に形成されており、一般に透過性材料から形成される。

テーパー状の凹部１１２は、いわゆるソフトリソグラフィを用いることにより、すなわち所望の先狭の凹部を、後に硬化工程において凝固される液体層にエンボス加工することにより、形成される。

液体層に凹部を画定するのに用いられるマスタースタンプは、Ｒ．Ｒｅｉｃｈｅ及びＷ．Ｈａｕｆｆｅの「１０ｋｅＶのアルゴン及びクリプトンイオンで照射した際の高インデックス銅双晶」、アプライド・サーフェス・サイエンス １６５（２０００）、ｐ２７９〜２８７に記載されているように、例えば高い指数の金属クリスタルのイオン照射により製造することができる。このようにして、ピラミッドで覆われた表面を有する金属スタンプを形成する。ピラミッドは液体層にテーパー状の凹部を刻みつける。

あるいは、選択的エッチング処理又はモノマー含有材料をマスター上で重合する処理を用いることができる。

図１に示した円漏斗状の代わりに、凹部１１２に対して、楕円状、正方形状又は長方形状の漏斗形状等の代替的な先狭形状を想定することができる。

図２は、図１に示す線ＩＩ−ＩＩ上におけるコントラスト促進フィルタ２１０の断面を示す。テーパー状の凹部２１２は、基板内の導波路２１６の間に間隙領域を形成し、反射層２１４、好ましくは薄い金属層が、凹部２１２と隣接する導波路２１６の間の界面上に設けられる。この層は、界面の全領域を本質的に覆う。

例えば銀層である、このような薄い金属層を、公知の蒸着技術又はスパッタリング技術を用いて適用することができる。コーティングの厚さは、貫入深さ（ｋ値）により求められる。１０〜１００ｎｍの厚さは所望の効果に十分である。

ディスプレイパネルのピクセルにより放射された光２２２は、コントラスト促進フィルタ２１０に入り、入口面２１７を通過し、導波路２１６に入り、効率的にこれを伝わり、出口面２８から放射される。導波路２１６の出口面２１８は、透過率をできる限り高くするために、実質的に反射性材料がない。

一方、観者側からディスプレイ装置に落ちる周囲光２３２は、凹部２１２に入り、上述したようにして効率的に吸収される。周囲光２３２のわずかな部分が導波路２１６の出口面２１８から反射される。この部分ができる限り小さいということを確実にするために、出口面２１８を、凹部２１２の入口により占められる表面積に比べて、小さくすべきである。したがって、ディスプレイの黒状態が特に暗くなり、コントラスト比が特に高くなる。また、導波路の比較的小さい出口面２１８は、導波路２１６による等方的な光放射を確実なものとする。

導波路２１６の出口面２１８により占められる領域以外の、この発明のコントラスト促進フィルタ１１０による周囲光の吸収の効果は、同様にして他の幾つかのパラメータにより求められる。

上述したように、漏斗形状の凹部２１２の頂角（２α）は、３０〜６０°の間にあることが好ましい。したがって、法線方向における漏斗形状の凹部２１２の長さは、漏斗入口の断面直径よりも大きい。機密ディスプレイのように、限定された視角が問題とならない場合には、より小さな頂角を適用してもよい。

法線方向における漏斗形状凹部２１２の長さは、コントラスト促進フィルタ２１０の厚さと略同様であり、
放射体と導波路２１６の入口面の間の距離は、視差効果を防止し、カラーディスプレイでは、異なるサブピクセル間での干渉を防止するために、小さくしなければならない。

凹部２１２は、ディスプレイパネル１２０のピクセル毎に数百又は数千の漏斗形状凹部があるような大きさとする。したがって、漏斗形状凹部２１２に向かう入口の断面直径は数マイクロメートル以下であり、したがって、凹部２１２の長さは、好適な頂角範囲に対しては、最大で１０マイクロメートルである。

コントラスト促進フィルタ１１０、特に凹部２１２内の反射層２１４の機械的損傷を防ぐため、観者に向かう円滑面が好ましい。したがって、漏斗状凹部２１２を低屈性率材料で満たすことが好ましい。すなわち、屈折率は、いかなる場合でも、基板材料のそれよりも低くし、主として総内部反射による導波路２１６内での放射光２２２の適正な案内を確実なものとすべきであり、好ましくは空気と凹部２１２内の低屈折率材料の間の界面が後方反射するのを防ぐような値に近づけるべきである。適用すべき材料は、ポリマー材料が好ましく、エアロゾル材料を含むことがさらに好ましい。

これに代え、またはこれに加え、反射防止コーティングで被覆した付加的な平面ガラス基板をコントラスト促進フィルタ１１０の頂部に配置することができる。

要するに、ディスプレイ装置は、発光画素及びコントラスト促進要素を具える。コントラスト促進要素は、先狭の凹部として形成された間隙領域により分離された複数の導波路を具える。導波路と間隙領域の間の界面は反射層を具える。先狭の凹部は、入射した周囲光に対して袋小路を形成し、この周囲光はコントラスト促進要素により効率的に吸収される。一方、ディスプレイ装置の画素により放射された光は、導波路を伝わる。その結果、ディスプレイ装置は、特に明るい周囲光条件下で、比較的高いコントラスト比を有する。

この発明にしたがうディスプレイ装置の画素の実施態様を示す。 図１のディスプレイ装置のコントラスト促進フィルタの線ＩＩ−ＩＩ上における断面を示す。

Claims (11)

1. 発光画素と、
   前記画素に隣接し、第１の屈折率を有する第１の材料を含む複数の導波路を具える基板、及び第１の屈折率よりも低い屈折率を有する第２の材料を含む間隙領域とを具え、
   前記間隙領域は導波路の間に配置され、画素の方向において先狭の形状とされ、
   導波路と間隙領域の間の界面が反射層を具えることを特徴とするディスプレイ装置。
2. 前記間隙領域はテーパー状の形状を有する、請求項１に記載のディスプレイ装置。
3. 複数の導波路の入口面が前記要素から放射された光を受容するよう配置されており、前記複数の導波路の出口面の表面積が入口面の表面積よりも実質的に小さい、請求項１に記載のディスプレイ装置。
4. 前記反射層は金属層である、請求項１に記載のディスプレイ装置。
5. 間隙領域は実質的に漏斗状である、請求項１に記載のディスプレイ装置。
6. 間隙領域の頂角は９０°より小さい、請求項１に記載のディスプレイ装置。
7. 頂角は３０〜６０°の範囲にある、請求項６に記載のディスプレイ装置。
8. 導波路基板の厚さが１００ナノメートルと１０マイクロメートルの間にある、請求項１に記載のディスプレイ装置。
9. 導波路の出口面の断面長さは、可視光領域での光の波長の大きさ程度である、請求項１に記載のディスプレイ装置。
10. 複数の導波路及び／又は間隙領域がランダム構造に配置される、請求項１に記載のディスプレイ装置。
11. ディスプレイ装置は、ポリマー発光ディスプレイ、有機発光ディスプレイ、透過型液晶ディスプレイ、ＣＲＴ、プラズマディスプレイ又は電界放出ディスプレイの一つを具える、請求項１に記載のディスプレイ装置。

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