JP2008521041A - ディスプレイ素子 - Google Patents

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Abstract

本発明は、主方向に延在する、シリンドリカルレンズを有する複屈折レンズ系を有するディスプレイ素子に関する。LC層によって変調される光の偏光は、この主方向と垂直又は平行になるため、偏光子層(25’)によってねじられる。複屈折補償層(26)が用いられることで、回転子層(25’)によって導入される如何なる楕円度もが除去される。これにより、ディスプレイ素子がたとえば切り換え可能な2D/3Dディスプレイで用いられるときに、コントラストが改善される。

Description

本発明は、制御可能なLC（液晶）層、主方向に延在する多数のシリンドリカルレンズを有する複屈折レンズ層、及び、回転子層を有するディスプレイ素子に関する。前記回転子層は、光線の偏光方向を回転させる偏光ねじれを与える。前記ねじれが与えられることにより、光線の偏光方向が主方向と平行又は垂直になり、レンズ層は前記光線をその偏光方向に依存してそれぞれ異なるように屈折させ、かつ、切り替え可能な複屈折層はレンズ層からの光線を受光し、これらの光線に可変量の偏光ねじれを供することで複屈折レンズ層の動作モードを選択する。
上述のディスプレイは特許文献1で開示されており、2Dモードと3Dモードとの切り替えが可能なディスプレイとなる。回転子層は、市販されている制御可能なLC層を適合させるのに用いられて良い。そのLC層は大抵の場合、ユーザーから見て垂直であるレンズ層の主方向に対して45°及び135°の方位角で配向している。
そのようなディスプレイの問題は、2Dモード又は3Dモードでのコントラスト比が多くの用途において不十分なことである。
国際公開第03/015424号パンフレット
従って、本発明の目的は、レンズ層の動作モードに関係なく良好なコントラスト比が実現可能な、「技術分野」で述べた種類のディスプレイ素子の提供である。
上記目的は、請求項1に記載のディスプレイ素子によって実現される。
より具体的には、当該ディスプレイ素子は、制御可能なLC（液晶）層、主方向に延在する多数のシリンドリカルレンズを有する複屈折レンズ層、及び、回転子層を有する。前記回転子層は、前記LC層から受光した光線の偏光方向を回転させる偏光ねじれを与える。前記ねじれが与えられることにより、光線の偏光方向が主方向と平行又は垂直になり、レンズ層は前記光線をその偏光方向に依存してそれぞれ異なるように屈折させ、かつ、切り替え可能な複屈折層はレンズ層からの光線を受光し、これらの光線に可変量の偏光ねじれを供することで複屈折レンズ層の動作モードを選択する。当該ディスプレイ素子では、複屈折補償層が複屈折レンズ層と切り替え可能な複屈折層との間に設けられ、当該複屈折補償層は回転子層の偏光変化と実質的に同じ大きさで、かつそれとは方向が反対の偏光変化を供する。
追加された複屈折補償層は、回転子層とは方向が反対のねじれを供し、かつ回転子層によって導入される如何なる楕円度をも補償することを示す。そのように補償することで、2つの層は一緒になるときに、ディスプレイのコントラスト比を実質的に改善する。
この効果は、複屈折補償層のリターデーション値が回転子層のリターデーション値とほぼ等しくなるようにすることによって供されて良い。
複屈折補償層の偏光ねじれは、回転子層の偏光ねじれと大きさが等しいが、方向は反対であることが好ましい。
複屈折補償層の背面光学軸は回転子層の前方光学軸と垂直であることが好ましい。
好適実施例では、切り替え可能な複屈折層のリターデーション値もまた、LC層のリターデーション値とほぼ等しい。それによってもまた、コントラスト比が改善される効果が得られる。
切り替え可能な複屈折層の偏光ねじれもまた、LC層の偏光ねじれと大きさが等しいが、方向は反対であって良い。
切り替え可能な複屈折層の背面光学軸もまたLC層の前方光学軸と垂直であって良い。
一の実施例では、切り替え可能な複屈折層は、各独立して制御可能な複数の副領域を有して良い。このことにより、ディスプレイの一の部分が2Dで、ディスプレイの他の部分が3Dである混合ディスプレイモードが可能となる。
ディスプレイ素子は、2D-3D切り替え可能ディスプレイ素子として用いられて良い。そのとき、主方向はユーザーから見てほぼ垂直である。
本発明に係るこれら及び他の態様は、以降で説明する実施例を参照することで明らかとなる。
図1及び図2は、自動立体像を得るための基本的な考え方を概略的に図示している。自動立体像とは、特殊眼鏡を用いていないユーザーに3次元で現れる像を意味する。
第1像1はユーザーの左目に表示させる一方で、第2像2はユーザーの右目にそれぞれ表示させる。そのような像は、たとえば人間の目に似た2つのオフセットカメラで対象物を撮影することによって得られて良い。当然のことだが、そのような像は他の様々な方法によって得ることが可能である。
第1像1及び第2像2をそれぞれ、第1像1及び第2像2から順序通りに（左から右へ、最も左にある第2像からの細片、最も左にある第1像からの細片、左から2番目にある第2像からの細片というような順序で）、垂直な細片L1、L2…及びR1、R2…を交互に配置することによって、第1像1及び第2像2から合成画像3が得られて良い。合成画像3はたとえば液晶ディスプレイ(LCD)を用いて表示されて良い。
図2は、液晶ディスプレイ4によって表示されるそのような合成像をユーザーの目6及び7へ投影する構成を図示している。その構成は、複数の並列するシリンドリカル並凸レンズを有するレンズ層5を有する。各レンズは表示された合成像中の2つの細片R及びLを覆う。各レンズは細片Rからの光をユーザーの右目6へ投影し、かつ細片Lからの光をユーザーの左目7へ投影するように機能する。これは、所謂“3Dはがき”で用いられるアイディアと非常に似ている。3Dはがきでは、合成像が紙上に印刷され、かつレンズ層は成形されたプラスチックシートを有する。
図3は、本発明の実施例で用いることのできる複屈折レンズ10の動作原理を、概略的断面図で示している。レンズ10は第1透明材料11及び第2透明材料12を有して良い。第1透明材料11は等方性である。つまり、第1透明材料11の屈折率n1は、その材料を通り抜ける光の偏光方向に関係なく同一であるということを意味している。その代わり第2透明材料12は複屈折性である。第2透明材料12は、第1偏光方向13を有する光に対して第1屈折率n2を有し、第2偏光方向14を有する光に対して第2屈折率n3を有する。ここで第1偏光方向13は紙の面内方向で、第2偏光方向14は紙の面に垂直な方向である。あるいはその代わりに、第1材料11が複屈折性で、第2材料12が等方性である。第1材料11と第2材料12との間の界面15は、第1材料11それ自体がシリンドリカル平凸レンズを構成するように曲がった表面である。
n1=n2でかつn1>n3であると仮定すると、偏光方向13を有する偏光光線16は界面15の前後で同一の屈折率であるレンズを通り抜けるので屈折されない。しかし偏光方向14を有する偏光光線17は図3に図示されているように屈折される。その理由は、界面15の前後において屈折率が異なるためである。よって光の偏光方向を変化させることによって、レンズ10が動作すべきか否かを選択して良い。あるいはその代わりに、レンズは、n1=n2でかつn1<n3となるように構築されても良い。
図4は、従来技術による、2D/3D切り替え可能ディスプレイを概略的に図示している。ディスプレイは次の層を有する。背面偏光子20は、背面光放出装置（図示されていない）からの光を方位角45°を有する光に偏光する。この光は、複数の画素を有するツイステッドネマチックTFT（薄膜トランジスタ）LC（液晶）層21によって変調される。それによって、TFT-LC層21を通り抜ける光に90°の偏光ねじれが与えられて良い。
TFT-LC層21からの光はレンズ層22を通り抜ける。レンズ層22は、図3の説明の際に論じた原理に従って機能し、90°の方位方向に、つまりユーザーから見て垂直に配向したシリンドリカルレンズを多数有する。レンズ層22の次には、切り替え可能な複屈折層23が続く。これにより、90°と0°との間で入射光の偏光変化を切り替えることができる。この層は、たとえば第1透明電極及び第2透明電極を有し、各々は層の表面のほとんどを覆うネマチックねじれ層として備えられて良い。ねじれの大きさは、電極間に印加された制御電圧Vcの変化に応答して変化して良い。
基本的には、レンズ層22は図2のレンズ層5と同様なレンズ機能を供する。そのレンズ機能により、一の偏光方向を有する光は屈折されるが他の偏光方向を有する光は屈折されない。切り替え可能な複屈折層23は、通常状態で明るいモード（+90°ねじれ）から通常状態で暗いモード（0°）へディスプレイを切り替えることができる。よって2Dモードでは、一例として切り替え可能な複屈折層23が90°ねじれを供して良く、それによって前面偏光子（検光子）24はレンズ層22によって屈折した光を遮蔽する。3Dモードでは、切り替え可能な複屈折層23は0°ねじれを供して良く、よってレンズ層22によって屈折されない光が前面偏光子24によって遮蔽される。
本発明の実施例に従うと、上述の切り替え可能な複屈折層23に2つ以上の個別的に制御可能な副領域（各々は各分離した電極間に印加される各分離した制御電圧によって制御される）を供することが可能である。これにより混合モードの利用が可能となる。混合モードでは、たとえば上半分であるディスプレイの一部が2Dディスプレイとして機能する一方で、たとえば下半分であるディスプレイの一部が同時に3Dディスプレイとして機能する。
TFT-LC層は2Dモードと比較して、3Dモードでは反転した信号を受け取らなければならない。その理由は、これらのモードのうちの一のモードでは、ディスプレイは通常の状態で暗い一方で、他のモードではディスプレイは通常の状態で明るいからである。どちらのモードが通常の状態で明るく、かつどちらのモードが通常の状態で暗いのかは、レンズ層22内での複屈折性材料の配向に依存する。
混合状態が切り替え可能な複屈折層23内で用いられる場合には、TFT-LC層にも混合状態が用いられなければならない。
レンズ層22のレンズは垂直方向に配向しているため、レンズ層中の等方性材料と非等方性材料との間の界面に到達する光は、黒色及び白色画素の場合では、方位方向が0°又は90°のいずれかに偏光されなければならない。グレイレベルについては、様々な異なる偏光状態が可能である。ほとんどの入手可能なTFT-LC層21は45°又は135°に配向しているため、回転子層25が、TFT-LC層21とレンズ層22との間に供される。
しかしこの回転子層25が導入されることで、通常状態で暗いモード又は通常状態で明るいモードのいずれにおいてもコントラスト比の低下が引き起こされる。
この理由は、この回転子のようなねじれた複屈折構造の導波が可視スペクトルにわたって完全となり得ないからである。良好な回転子は、Gooch-Tarryの式が最大値をとるときに得られる。その条件は以下の式で表される。
Figure 2008521041
 ここでN=1,2,3,4…、λは波長、Δnは複屈折率、dは複屈折材料の厚さで、φはねじれ角である。明らかに、この条件は1つの波長についてのみ満たすことができる。大抵の場合ではλ=550nmが選択される。dΔn/λの値が小さくなればなるほど、他の可視光の波長についても前記条件が満たされるようになり、かつ暗い状態及び明るい状態の波長依存性が小さくなる。
図4で図示された構成のシミュレーションでは、よって回転子層25（45°ねじれ）ではN=1が選択され、TFT-LC層21及び切り替え可能な複屈折層23（両方とも90°ねじれ）ではN=2が選択された。
通常状態で明るいモード（モード1）及び通常状態で暗いモード（モード2）についての明るい状態及び暗い状態での（視感度関数を乗じた後の）結果としての透過率が図5に示されている。
通常状態で明るいモードについてのコントラスト比はほぼCR=1000という優れた値だが、通常状態で暗いモードについてのコントラスト比はわずかCR=50に過ぎない。上述のように、どちらのモードを3Dで用い、かつどちらのモードを2Dで用いるのかは任意に選択されて良い。
図6は、本発明の実施例に従った2D/3D切り替え可能ディスプレイを概略的に図示している。図4のディスプレイ素子は複屈折補償層26を有するように修正された。しかも、回転子層25’は、たとえ必要なことではないとはいえ、透過光の偏光を図4の回転子層25と比較して反対方向にねじる。切り替え可能な複屈折層23’及び前面偏光子24’の偏光方向もまた変化する。複屈折補償層26は、回転子層25によって誘起される如何なる不完全な偏光ねじれをも補償する能力を有する。このことは、回転子層25’の不完全な回転によって偏光が楕円になる波長において、2つの層25’及び26の互いに等価な複屈折効果が全体としてゼロとなるので、この楕円特性が補償層によって除去されることを意味する。図6の実施例では、これは、全ねじれが0°であること、リターデーション値dΔnが2つの層で等しいこと、かつ複屈折補償層26の背面光学軸が回転子層25’の前方光学軸に対して垂直である（図6に図示されているようにそれぞれ水平及び垂直である）ことに起因する。
このことは、レンズそれ自体を無視し、かつ薄いセグメント中での回転層25’及び26を分割することによって認識することができる。続いて、複屈折補償層26及び回転子層25’の光学的に隣接する薄い単軸セグメントが除去されて良い。その理由は、これらの層の効果は互いに打ち消し合うからである。これは、補償層26及び回転子層25’が完全に除去されるまで行われて良い。
一般的な本発明のアイディアは、回転子層25’の偏光変化とほぼ同じ大きさだが方向が反対で、かつほぼ同一の波長依存性を有する偏光変化を複屈折補償層26に供することによって表すことが可能である。
これは、複屈折補償層26のリターデーション値(dΔn)を、回転子層25’のリターデーション値とほぼ等しくすることによってかなりの程度実現できる。
複屈折補償層26の偏光ねじれもまた、回転子層25’の偏光ねじれとほぼ同じ大きさだが方向が反対にすることが好ましい。
複屈折補償層26の背面光学軸もまた、回転子層25’の前面光学軸と垂直になるように備えられていることが好ましい。
これら3つの方法の各々がそれ自体でコントラストを改善するが、3つすべてを利用するのが最適である。
好適実施例では、同一の一般的アイディアは、LC層21及び切り替え可能な複屈折層23’からなる1組の層に適用しても良い。
よって、切り替え可能な複屈折層23’のリターデーション値は、LC層21のリターデーション値にほぼ等しいことが好ましい。切り替え可能な複屈折層23’の偏光ねじれはさらに、LC層21の偏光ねじれとほぼ同じ大きさだが方向が反対であって良い。結局、切り替え可能な複屈折層23’の背面（背面光発光放出装置の方を向く面）光学軸はLC層21の前面（ユーザーの方を向く面）光学軸に垂直であって良い。
図6の実施例では、回転子層25(φ=45°)では、N=1（λ=550nm）が選択されるのが好ましく、TFT-LC層21及び切り替え可能な複屈折層23’(φ=45°)では、N=2が選択されるのが好ましい。これにより各層について、Gooch-Tarryの式の最大値に従ったd（層の厚さ）とΔn（LC材料の複屈折率）との関係が決定される。
図7は、図6のディスプレイのコントラスト比特性のシミュレーション結果を示している。図7から分かるように、ここではコントラスト比は優れており、両モードで同一である（2つのグラフは一致している）。
本発明は上述の実施例に限定されず、添付請求項の範囲内で変化可能である。
たとえば、たとえ本発明が各異なる像内容をユーザーの右目及び左目にそれぞれ表示できる2D-3D切り替え可能ディスプレイとともに説明されたとしても、本発明のディスプレイは一般的な2面/1面切り替え可能ディスプレイとしても同様に利用可能である。よって、第1像及び第2像をユーザーの左目及び右目に表示する代わりに、これらの像は第1ユーザー及び第2ユーザーの方向に表示される。よってたとえばディスプレイを見るとき、同じディスプレイを同時に見ている乗員はたとえば映画を見る一方で、車の運転手が案内情報のような運転関連情報を見ることができる。
以上をまとめると、本発明は主方向に延在するシリンドリカルレンズを有する複屈折レンズ系を有するディスプレイ素子に関する。LC層によって変調される光の偏光は回転しそうによってねじられることで、この主方向と垂直又は平行となる。複屈折補償層が用いられることで、回転子層によって導入される如何なる楕円度をも除去される。これにより、ディスプレイ素子が、たとえば2D/3D切り替え可能ディスプレイで用いられるときに、そのコントラストを改善する。
重ね合わせ像の生成を概略的に図示している。 像からの情報をユーザーの左右の目へ投影する構成を図示している。 複屈折レンズの動作原理を図示している。 従来技術による、2D/3D切り替え可能ディスプレイを概略的に図示している。 図4のディスプレイのコントラスト比特性のシミュレーション結果を図示している。 本発明の実施例に従った、2D/3D切り替え可能ディスプレイを概略的に図示している。 図6のディスプレイのコントラスト比特性のシミュレーション結果を図示している。

Claims (9)

  1. 制御可能なLC（液晶）層；
    主方向に延在する多数のシリンドリカルレンズを有する複屈折レンズ層；及び
    回転子層；
    前記複屈折レンズ層からの光線を受光し、これらの光線に可変量の偏光ねじれを供することで前記複屈折レンズ層の動作モードを選択する切り替え可能な複屈折層；
    を有し、
    前記回転子層は前記LC層から受光した光線の偏光方向を回転させる偏光ねじれを与え、
    前記偏光ねじれが与えられることにより、前記光線の偏光方向が前記主方向と平行又は垂直になり、前記レンズ層は前記光線をその偏光方向に依存してそれぞれ異なるように屈折させ、
    複屈折補償層が前記複屈折レンズ層と前記切り替え可能な複屈折層との間に設けられ、前記複屈折補償層は前記回転子層の偏光変化と実質的に同じ大きさで、かつそれとは方向が反対の偏光変化を供する、
    ディスプレイ素子。
  2. 前記複屈折補償層のリターデーション値が前記回転子層のリターデーション値と実質的に等しい、請求項1に記載のディスプレイ素子。
  3. 前記複屈折補償層の偏光ねじれが前記回転子層の前記偏光ねじれと実質的に同じ大きさで、かつ前記回転子層の前記偏光ねじれとは方向が反対である、請求項1又は2に記載のディスプレイ素子。
  4. 前記複屈折補償層の背面光学軸が前記回転子層の前面光学軸と垂直である、請求項1から3までのいずれかに記載のディスプレイ素子。
  5. 前記切り替え可能な複屈折層のリターデーション値が前記LC層のリターデーション値と実質的に等しい、上記請求項のうちのいずれかに記載のディスプレイ素子。
  6. 前記切り替え可能な複屈折層の前記偏光ねじれが、前記LC層の偏光ねじれと実質的に同じ大きさで、かつ前記LC層の前記偏光ねじれとは方向が反対である、上記請求項のうちのいずれかに記載のディスプレイ素子。
  7. 前記切り替え可能な複屈折層の背面光学軸が前記LC層の前面光学軸と垂直である、上記請求項のうちのいずれかに記載のディスプレイ素子。
  8. 前記切り替え可能な複屈折層が各独立して制御可能な複数の副領域を有する、上記請求項のうちのいずれかに記載のディスプレイ素子。
  9. 2D-3D切り替え可能ディスプレイである、上記請求項のうちのいずれかに記載のディスプレイ素子であって、前記主方向がユーザーから見てほぼ垂直である、ディスプレイ素子。
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