JP2009217259A - 単一ビューディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】電力消費量を抑えた単一ビューディスプレイを提供する。
【解決手段】ディスプレイは、単一ビューを表示する表示装置１６と、単一ビューにより調整された光を縮小された角度範囲に集中させる光学システム１５とを備える。観察者方向判断システムは、ディスプレイに対する観察者の方向を判断し、角度範囲が観察者の方向を含めるように表示装置１６および光学システム１５を制御する。
【選択図】図１５

Description

本発明は、単一ビューディスプレイ、およびそのようなディスプレイの使用方法に関する。

表示装置の分野において、電力消費量は重要な要素である。携帯用デバイスに関しては、消費量を抑えることにより、独立性を高めたり、バッテリー容量を小さくしたりすることができる。バッテリーは、よく大衆消費電子製品の小型化で限定要因となり、その大きさや重さは、電力消費量と商品の望まれる独立性によって決まる。したがって、エネルギー消費の改善は携帯電話やノートパソコンなどの小型電子商品にとって非常に望ましいことである。

電力消費量は大型電子機器においても考慮すべき重要な点である。エネルギーは財務コストがかかり、またさらに重要なことは、発電することは環境に影響を与える。消費者は今、物を購入する際に電力消費量を重要な指標として捉えている。

液晶表示装置（LCD）や陰極線管（CRT）、有機発光ダイオード（OLED）、プラズマ表示パネル（PDP）などの発光表示装置は、例えば腕時計や携帯電話、車載用ディスプレイ、モニター、テレビといった電子機器に搭載される。

このような表示装置は、エネルギーの消費が効率的でない。ディスプレイの電力消費量において、光の放射が最も重要な要因である。ユーザーの目に届く光の量が非常に少ないため、あらゆる方向に放射されるこの光のほとんどが無駄となってしまう。

省力目的で、軸上の光の方向を制御する努力は行なわれてきている。一般的に、特に携帯用デバイスの場合、ユーザーはディスプレイの正面にいる。横方向に光が放射されることは必ずしも必要でない場合もある。光学部品は、ディスプレイの軸に近い方向に光源から放射された光を集中させるように設計されている。このような省力部品の例として、軸上の光を視準するLCD用バックライトのプリズム構造（米国特許第6967698号）、輝度上昇フィルムで知られるプリズムフィルム（米国特許第4542449号,米国特許第5175030号）、またはレンズアレイ（米国特許第65070324号 OLEDのレンズアレイ）などが挙げられる。このような方法は、軸上では効率が向上するものの、軸から外れたところでは可視度が低下する。このようなシステムでは、ユーザーが軸から外れたところにいるとき、照明プロファイルは変わらない。ユーザーは、最適条件でディスプレイを見続けたい場合、ディスプレイの正面にいなければならない。ユーザーが軸から外れると、ユーザーは低輝度の画像を見ることになり、軸上の光は無駄となってしまう。

3Dディスプレイやプライバシーディスプレイ（米国特許第20050243265号,米国特許第5132839号）といった方向性ディスプレイでは、光方向が制御される。このようなディスプレイは、光ビームの方向を変えるか、不要な方向へ放射された光を吸収することにより、光方向を制御する。

3Dディスプレイは、２つの隣接する視野に２つの異なる画像が送られ、ユーザーのそれぞれの目に画像が１つずつ送られる。これらのディスプレイのいくつかは、ユーザーの位置を検知する追跡システムを用いることでユーザーの位置に応じて照明する。送出された光は２つの視界窓へ向けられ、それぞれの視界窓に異なる画像を提供する。光の選択は、視差バリアやマイクロレンズアレイといった異なる光学手段により実現される。これらの例として、米国特許第5132839号（Travis）や米国特許出願公開第20050117016号（Surman）が挙げられる。レンチキュラーシステムなどの屈折法は、吸収により光を無駄に消費することなく、光方向を制御する効率的な方法である。しかしながら、これらの表示システムでは、クロストークは避けなければならない重要な指標である。そのため、3Dもしくはマルチビューディスプレイを設計する際、クロストークを減少させることに優先度がおかれ、省力は重要なパラメータではなくなる。

3Dディスプレイは、所望する3D効果を得るために、異なる画像を異なる場所に表示しなければならない。プライバシーディスプレイは、このようなことをしない「単一ビュー」のディスプレイである。しかし、プライバシーディスプレイ（米国特許出願公開第20050243265号, 米国特許第5831698号, 米国特許第6211960号, 米国特許第5825436号, 米国特許第05877829号）は細い視角に画像を表示し、この視野の外にいる人から詮索されることを防止する。この視野は、公共モードにおいては、複数のユーザーが画面を見られるようにより広い視野に切り換えることができる。切り換えは、ユーザーにより制御される。このシステムの欠点は、ユーザーが画面の正面にいなければならないことである。細い視野がメインユーザーの位置を追うことはない。

このような方向性ディスプレイの欠点は、アプリケーションの要求に起因する。３Dディスプレイまたはデュアルビューディスプレイにおいて、視野が重なっていわゆるクロストークを発生させてはならない。プライバシーディスプレイでは、制限された視野は鋭い遮断特性を持つ必要がある。プライベート域よりも外の角度に光が漏れることで、禁止された人物に表示を読ませてしまう可能性がある。このようなディスプレイにおいて光方向の特性が重要であるため、光方向の制御は省力を犠牲にして行なわれる。

他のディスプレイにおいて、ユーザー位置の作用として省力利益を得るものがある（Chih-Nan WuおよびWei-Chung Cheng，“Viewing Direction-Aware Backlight Scaling”，ｐ281-286，Great Lakes Symposium 2007 on VLSI）。この論文では、観察者が中心軸より離れていったときにバックライト電力が上げられる。これは、そうしなければ軸から外れている観察者に対しては見かけ上の表示輝度が低くなることを埋め合わせるためである。しかしながら、これらのディスプレイも全ての方向に光を放射するため、ほとんどの光が無駄となってしまう。

米国特許第6,967,698号明細書 米国特許第4,542,449号明細書 米国特許第5,175,030号明細書 米国特許第6,570,324号明細書 米国特許出願公開第2005/0243265A1号明細書 米国特許第5,132,839号明細書 米国特許出願公開第2005/0117016A1号明細書 米国特許第5,831,698号明細書 米国特許第6,211,930号明細書 米国特許第5,825,436号明細書 米国特許第5,877,829号明細書

Chih-Nan WuおよびWei-Chung Cheng ，"Viewing Direction-Aware Backlight Scaling"，ｐ２８１−２８６， Great Lakes Symposium 2007 on VLSI

本発明の第１態様によれば、バックライトにより照らされる、単一ビューを表示する透過型表示装置と、単一ビューにより変調された光を、縮小された角度範囲に集中させる光学システムと、ディスプレイに対する観察者の方向を判断し、バックライトからの照明の上記角度範囲を屈折させることで上記角度範囲が上記判断された方向を含むように、上記表示装置と上記光学システムとの少なくとも一つを制御する判断システムとを備えている単一ビューディスプレイを提供する。

上記判断システムは、上記判断された方向を含めるために、上記角度範囲により示された角度を変化させるよう、上記表示装置および上記光学システムの少なくとも一つを制御するように構成されていてもよい。上記角度範囲はディスプレイ軸と略対称的であってもよい。上記角度範囲の上記角度は、上記ディスプレイ軸を含む第一面内において可変であってもよい。上記角度範囲の上記角度は、上記ディスプレイ軸を含み、上記第一面と垂直な第二面内において可変であってもよい。

上記判断システムは、上記判断された方向を含むために上記角度範囲を変化させるよう、上記表示装置および上記光学システムの少なくとも一つを制御するように構成されていてもよい。上記角度範囲の上記方向は、ディスプレイ軸を含む第三面内において可変であってもよい。上記角度範囲の上記方向は、ディスプレイ軸を含み、第三面と垂直な第四面内において可変であってもよい。

上記判断システムは、上記ディスプレイに対応する複数の観察者の方向を判断するように構成されていてもよい。上記判断システムは、上記角度範囲が全ての上記判断された方向を含めるように、上記表示装置および上記光学システムの少なくとも一つを制御するように構成されていてもよい。上記判断システムは、全ての上記判断された方向が含まれるように複数の角度範囲を生成するよう、上記表示装置および上記光学システムの少なくとも一つを制御するように構成されていてもよい。

上記判断システムは、観察者が上記判断された方向を選択できるようにする手動制御を有していてもよい。

上記判断システムは、自動観察者追跡システムを備えていてもよい。

上記光学システムは、視準光学システムを備えていてもよい。上記光学システムは、収束レンズの列を備えていてもよい。上記判断システムは、上記光学システムの位置と、上記表示装置に表示される画像の位置とをそれぞれ対応させて制御するように構成されていてもよい。

上記表示装置は、液晶装置を備えていてもよい。

上記バックライトは、ダイオードの群が対応するレンズの後方に配された、発光ダイオード装置もしくは有機発光ダイオード装置を備えていてもよい。

上記バックライトは、位置および／または大きさが制御可能であり、上記光学システムの後方に配されている広範な光源および孔を有する反射板を備えていてもよい。上記反射板は、少なくとも一つのコレステリック液晶セルを備えていてもよい。上記反射板は、制御可能な四分の一波長板と反射コレステリック偏光板とを備えていてもよい。上記反射板は、第一および第二反射直線偏光板の間に配された制御可能な二分の一波長板を備えていてもよい。上記反射板は、エレクトロクロミックミラーを備えていてもよい。

上記バックライトは、上記視準光学システムの後方に配される、別々に制御可能な複数の独立した光源を備えていてもよい。上記視準光学システムは、フレネルレンズを少なくとも一つ備えていてもよい。

上記バックライトは、上記レンズの後方に配される、制御可能な光抽出機構を有する光導波路を備えていてもよい。

上記バックライトは、広範な光源と、固定孔を有する反射板と、上記光学システムに対応して反射板を動かす作動装置とを備えていてもよい。

上記バックライトは、広範な光源と、レンズアレイとを備え、上記光学システムは、光ステアリング構成を備えていてもよい。上記光ステアリング構成は、エレクトロウェッティングレンズ構成を備えていてもよい。あるいは、上記光ステアリング構成は、エレクトロウェッティングプリズム構成を備えていてもよい。

本発明の第二態様によれば、第一態様に係るディスプレイを用いるための表示方法であり、電力消費量を削減するための表示方法が提供される。

このように、周知のディスプレイと比べて電力消費量を抑えたディスプレイを提供することができる。このようなディスプレイはより低い動作コストを実現でき、また環境への影響を少なくすることができる。電池式の機器において使用される場合、このようなディスプレイは独立性を向上および／またはバッテリー容量を低下することができる。

このようなディスプレイは、ユーザーに対してのみ光を放射することで、全ての方向に光を放射することにより発生する無駄な光を減らすもしくはなくし、省力してもよい。およそ半角２度の立体角に対して光が放射されると、ランベルト輝度で全方向に放射するディスプレイと比べて８００から１０００のゲインが可能である。およそ半角１０度の立体角に対して光が放射される場合、ランベルト輝度で全方向に放射するディスプレイと比べて３０から４０のゲインが可能である。

発光の方向は調節可能であり、ユーザー位置の作用として変更可能である。方向の制御は、ユーザーが電子装置上の調整ボタンもしくはリモコンを介して行なうことができる。また、ユーザーを追跡し、光をその方向へ向けることで、自動調節してもよい。実施形態によっては、複数のユーザーを考慮し、各ユーザーに光を向けてもよい。3Dや同様のアプリケーションでは漏えい、さらにはクロストークを起こすためにプライバシーや3Dでは光を放射するのに使用されない技術を、ここでは使用することができる。電力消費量を減らすためには、光学部品のいくつかが低い光学機能を有していても許容でき、低クロストークが必要とされる場合では全く機能しない方法も、実行可能である。観察者にディスプレイを広範囲の視角から見ることを可能とすることにより、観察者が自由に位置を決めることが許容できるようになる。

有用光は目に届き、無用光は他の方向へ放射されているディスプレイを見ているユーザーの図である。 ディスプレイの軸と同じ高さから、ユーザーの目に届くように細い光ビームが放射されているディスプレイを見ているユーザーの側面図である。 立った状態で、ディスプレイの軸よりも高い位置からユーザーの目に届くように細い光ビームが角度をつけてディスプレイから放射されているディスプレイを見ているユーザーの側面図である。 ディスプレイの軸上から、ユーザーの目に届くように細い光ビームがディスプレイから放射されているディスプレイを見ているユーザーの上面図である。 ディスプレイの軸から外れた位置から、ユーザーの目に届くように細い光ビームが角度をつけてディスプレイから放射されているディスプレイを見ているユーザーの上面図である。 立った状態で、ディスプレイの軸よりも高い位置からユーザーの目に届くようにより幅広い光ビームがディスプレイから放射されているディスプレイを見ているユーザーの側面図である。 ディスプレイの軸から外れた位置から、ユーザーの目に届くようにより幅広い光ビームがディスプレイから放射されているディスプレイを見ているユーザーの上面図である。 ディスプレイの軸から外れた位置から、二人のユーザーの目にそれぞれ届くように二つの細い光ビームが角度をつけてディスプレイから放射されているディスプレイを見ている、二人のユーザーの上面図である。 それぞれ別の高さから、二人のユーザーの目にそれぞれ届くように二つの細い光ビームが角度をつけてディスプレイから放射されているディスプレイを見ている、二人のユーザーの側面図である。 ディスプレイの軸から外れた位置から、二人のユーザーの目に届くように幅の広い光ビームが角度をつけてディスプレイから放射されているディスプレイを見ている、二人のユーザーの上面図である。 ユーザーからのコマンドと相関的に光ビームの方向もしくは幅を制御する流れを示すブロック図である。 ユーザー位置と相関的に光方向を自動的に向けさせる流れを示すブロック図である。 透明表示装置と、複数の視界窓を設けた直下型バックライトとで構成されるディスプレイを示す図である。 図１３と同様のディスプレイであり、直下型バックライトが方向性光学部品と選択可能な光源とからなるディスプレイを示す図である。 図１４と同様のディスプレイであり、直下型バックライトがレンズアレイとOLEDディスプレイとを組み合わせてなるディスプレイを示す図である。 図１３と同様のディスプレイであり、直下型バックライトがレンズアレイとアドレス指定可能切換可能ミラーとを組み合わせてなるディスプレイを示す図である。 図１６と同様のディスプレイであり、切換可能ミラーが、切換可能コレステリック液晶セルに、デュアル輝度上昇フィルム（DBEF）と二つの四分の一波長板とを組み合わせてなるディスプレイを示す図である。 図１６と同様のディスプレイであり、切換可能ミラーが、切換可能四分の一波長板液晶セルに、DBEFと固定コレステリック層とを組み合わせてなるディスプレイを示す図である。 図１６と同様のディスプレイであり、切換可能ミラーが、切換可能二分の一波長板液晶セルに二つのDBEFを組み合わせてなるディスプレイを示す図である。 図１６と同様のディスプレイであり、切換可能ミラーがエレクトロクロミック切換可能ミラーからなるディスプレイを示す図である。 図１４と同様のディスプレイであり、ディスプレイと同じ大きさのレンズと複数の光源を有するディスプレイを示す図である。 図２１と同様のディスプレイであり、照明システムの奥行きを減らすためにミラーを使用しているディスプレイを示す図である。 図１４と同様のディスプレイであり、選択可能な光源が、切換可能な抽出機構を有する光導波路からなるディスプレイを示す図である。 図１３と同様のディスプレイであり、直下型バックライトが、レンズアレイと変動可能なミラーにパターニングすることで設けられたスリットアレイとを組み合わせたものと、照明するためのバックライトとからなるディスプレイを示す図である。 視界窓を調整するために、機械作動装置がパターニングされたミラーの孔をレンズの軸から外れるように動かしている、図２４のディスプレイを示す図である。 視界窓の幅を広げるために、機械作動装置がパターニングされたミラーの孔をレンズの焦点面から外れるように動かしている、図２４のディスプレイを示す図である。 機械作動装置が、パターニングされたミラーの代わりにレンズアレイを動かしている、図２４のディスプレイを示す図である。 パターニングされたミラーの代わりに第一レンズアレイが配され、バックライトが視準バックライトである、図２４と同様のディスプレイを示す図である。 視準バックライトと、第一レンズアレイと、切換可能なエレクトロウェッティングレンズアレイとからなる、図２８と同様のディスプレイを示す図である。 エレクトロウェッティングレンズが光を左右に動かすためにずらされている、図２９のディスプレイを示す図である。 視準バックライトと光ビームを調整するセルのエレクトロウェッティングプリズムアレイとを備える直下型バックライトの断面図である。

図１は、何故現在のディスプレイが供給エネルギーのほとんどを無駄にしているかを示している。同図では、ディスプレイ１により放射された光のほとんどがユーザー４に到達しないため、無駄になる様子を示している。この無用光２は多大な電力消費の一因となる。電子ディスプレイ１により放射された有用光３は、ユーザー４に対して放射されたときのみに有用といえる。

電子ディスプレイ１は、光の無駄を制限する。図２に示すように、ディスプレイは細い視野５に向けて光を放射する。視野の位置や大きさは、ユーザー４の顔の位置に合わせて調節可能である。たとえ他の方向にいくらかは光が放射されるとしても、無駄となる光の合計量は、全ての方向に対して発光するディスプレイに比べてかなり少ない。

ユーザーが常にディスプレイの正面にいるわけではないため、軸から外れたユーザー６に対して同様の画質を提供しながらも電力を節約する手段が提供されている。ユーザーがディスプレイの中心軸から外れているとき、視野７はユーザー６の位置に合わされる。例えば、図３に示すように、ユーザーがディスプレイの軸の上か下にいる場合、発光方向は縦に傾く。

他の特徴として、図４および図５に示すように、ユーザーがディスプレイの軸９から左右に外れるように動いたとき、発光の方向８は水平方向に回転することが挙げられる。

ユーザーの頭の位置を合わせるのに別の方法を用いてもよい。この別の方法では、光が放射される角度の範囲を広げることにより、視野の幅を広げる。このような方法は、図６に示すようなユーザーの位置の縦方向での移動に対応することができる。ユーザーが軸上にいる図２に比べ、視野はかなり幅広く、電力消費量は増加する。しかし、視野の幅は、少なくとも視野内にいるユーザーを含むものの、図１のような標準的なディスプレイと同等の幅まで広がらないように制限することができる。また、図７に示すような、ユーザーが軸上にいる図４と比較して、ユーザーの左右の動きにも対応することができる。

ユーザー位置に合わせて視野を広げる方法（図６および図７）は、ユーザーに光を向ける第一の方法（図３および図４）と組み合わせてもよい。この組み合わせは同時に行なわれてもよい。すなわち、視野の幅を広げながら、同時に視野の中心を動かしてもよい。あるいは、これら二つの方法の組み合わせは順番に行なわれてもよい。すなわち、ユーザーが動くと、最初に視野の幅が広がり、次に視野の中心が最適な位置になるように動かされ、さらに、ユーザーに集中し、電力を節約するために視野の幅を狭めてもよい。なお、最適な位置とは、ユーザーが一人だけの場合はそのユーザーの位置、ユーザーが複数いる場合はその複数ユーザーの間の位置を表す。

ディスプレイは、同時に何人ものユーザーにより使用されるように構成されていてもよい。複数ユーザーに対してディスプレイ１を可視表示すると共に省力するために、複数の視野が、複数の離れた方向に光を放射することで発生されてもよい。それぞれの視野は、図８および図９に示すように、対応するユーザーに向けられている。軸から外れた二人のユーザー６は、それぞれ対応する視野５の中でディスプレイからの光を受ける。

ディスプレイは、マルチユーザーに対応するために視野を広げる方法を用いてもよい。図１０に示すように、視野の幅は、全てのユーザーを覆うように広げられる。無用光を最小限に抑えるため、制御システムは視野の大きさを最小に調整する。

光をどこへ送るか、方向８に関する情報が必要となる。この情報は、最も効果的に省力し、ユーザーに対して最適な画像を表示し続ける上で必要である。

最適な方向についての情報は、ユーザーインターフェース１００を介して、ユーザーが制御してもよい。ユーザーは視野の位置や大きさを、図１１に示すように表示モジュールもしくはリモコンにある制御ボタン１０１を用いて合わせる。しかし、この設定は固定されるため、ユーザーにより更新されなければならず、ユーザーの位置や数が頻繁に変わると、時に手間となる場合がある。より省力効果を得るためには、ユーザーの位置に関する情報は自動化されていることが好ましい。ユーザーの位置に関する情報は、米国特許出願公開第2007/0188667号に記載のように、ユーザーを追跡することにより自動的に取得してもよい。図１２に示すように、カメラ１０２などの光学検知器が、ディスプレイの正面の領域を観察する。ユーザーの位置を認識するのに画像分析がコンピュータ１０３により行なわれ、切換可能光学部品１０４などの光ステアリングシステムのコントローラーに発光方向の情報が提供される。

ディスプレイは別の方法で構成されてもよい。一般的に、別の実施の形態において、システムは、１つ以上の細い放射コーンの方向、これら放射コーンの幅、もしくは方向と幅の両方の、いずれかを制御することができる。

図１３に示す実施の形態では、透過型ディスプレイもしくは空間変調器３２に有向光源３３が組み合わされている。透過型ディスプレイ３２は、例えば、透過型LCDパネルである。有向バックライト３３は、一つもしくは複数の視野７に対し、選択的に光を照らす大きな源である。透過型表示装置３２は画像を調節する。

有向バックライトは、OLED１６などの発光型ディスプレイに収束レンズ１５を組み合わせて構成してもよい。この場合、単色OLEDが使用される。バックライトとして使用されるこの発光型ディスプレイは、画像を表示しない。その代わり、レンズアレイにより光を向かせる際に、発光方向を制御できるよう、発光位置を選択することができる。この有向バックライトは、図１４および図１５に示すように、ユーザーに画像情報を提供する、LCD ３２などの空間光変調器の後方に設けられる。画像を提供する必要がないため、OLEDの構成は簡単化される。電子発光材料１７は、ストライプ上にパターニングされた電極２３と平面電極２０の間に、ストライプと平行に設けられている両凸レンズと組み合わされたときに設けられる。画素が円形レンズアレイ間に配置されるようであれば、単純マトリクスが用いられる。

別の実施の形態では、図１６に示すように、放射された光の方向を制御するのにレンズに対応してパターニングされた切換可能ミラー３４が用いられる。切換可能ミラーの電極２３は、透明スリットの幅と位置を電気的に制御できるようにパターニングされている。ミラー３４は、スリットを通らない光を反射させる。その光はバックライトに向かって反射し、さらにバックライトユニット３６の拡散体もしくはバックミラー７１によって再度反射される。幾度か反射された光は、有用となるためにスリットを通りユーザーに向かう機会があることにより、リサイクル利用されるものとして捉えられている。スリットを通る光は点源から放射されているように見える。スリットは、レンズアレイにおけるレンズ１５の焦点面に設けられている。レンズから出る光線は、スリットからレンズの中央まで続く線で表されている方向と平行になるように視準される。スリットの幅を広げることで、放射角度は拡大する。スリットの位置を左右に動かすことで、放射コーンは左右に向くことができる。照明を与えるために、この切換可能LCDの後方で従来のバックライト３６が使用される。このバックライトは、エッジライト型もしくは直下型バックライトであってよい。

切換可能ミラーは幾通りの構成方法がある。第一の方法は液晶のコレステリックモードのアドレス可能なセル３７を用いて構成する。コレステリックモードでは、液晶層は光の円偏光を反射する。セルは透明電極２０とパターニングされた電極２３を有する二つの基板４０で形成されている。電圧を印加すると、液晶分子の配向が変化し、層が透明になる。

図１７はシステムの光学性質を示している。バックライト３６より放射される光は反射偏光板３８により直線偏光される。反射偏光板の種類として、3M製のDBEFフィルムが挙げられるが、他の直線反射偏光板も使用することができる。直線偏光は、四分の一波長板３９により円偏光に変換される。コレステリックモードでは、液晶３７は円偏光された光を反射する。コレステリックセルは、可視スペクトル全体に対して光を反射する、一つもしくは複数の切換可能コレステリック液晶層から構成されていてもよい。透明電極２０とパターニングされた電極２３の間に、電界を印加することができる。電極２３をパターニングすることにより、液晶層のどの領域３５に電界を印加するかが選択できる。電界下の液晶分子は、電界と平行に配向され、コレステリックモードの反射効果を遮断する。この領域は、円偏光された光が通れるように透明であり、反射層にスリットが設けられている。

コレステリック切換可能液晶層が設けられた後に、レンズアレイ１５が配される。レンズは、光ビームが視準されるように、切換可能反射ミラーの近くにレンズの焦点面がくる位置に配置される。透明領域の位置が、レンズから出射される光の方向の角度を決定する。

円偏光された光は、次に、LCDパネルの裏側偏光板４２に到達し、LCDと表側偏光板４３により調整される前に、第二四分の一波長板４１を介して直線偏光された光に変換される。

コレステリック液晶により反射された光は様々な光路に沿って進むことができる。バックライトユニットの数ある光学フィルム（DBEF、拡散体、BEF、バックミラー７１）のうちの一つから光が反射されると、光は切換可能ミラーと衝突し、透明スリット３５と衝突しない限りは反射される。この光は、バックライトに反射し返されたときに間違った方向ではなくユーザーに向かって照射される可能性があるため、リサイクル利用される。

図１８に示す別のシステムは、切換可能な、アドレス指定された四分の一波長板４４、固定反射コレステリック偏光板４５とレンズアレイ１５とを用いている。固定反射コレステリック偏光板は、例えばMerck製のTransmax、販売元ChelixのCircular Polariser、もしくは米国特許第6061108号や米国特許第6339464号に説明されているものであってよい。DBEFなどの第一反射直線偏光板３８は、バックライト３６からくる光を直線偏光するために使用される。直線偏光された光は切換可能液晶セル４４を通る。切換可能液晶セルは、光の偏光状態を切り換えるのに面内切換もしくは面外切換を用いることができる。これにより、直線偏光された光は右手円偏光もしくは左手円偏光に変換される。切換可能液晶セルは、左もしくは右手円偏光を提供する、光軸の面内切換を行なう四分の一波長板であってもよい。また、共に同じ方向に並べられた、切換可能な二分の一波長板と固定四分の一波長板との組み合わせであってもよい。この組み合わせにより、四分の一波長板と四分の三波長板との切り換え、続いて左手円偏光と右手円偏光とで切り換えることが可能となる。最後に、切換可能液晶セルは、０ｖで波長の四分の三の遅延があり、電圧が印加されたときは波長の四分の一の遅延がある、左手円偏光モードと右手円偏光モードの間で切り換える切換可能遅延セルであってもよい。切換可能液晶セル４４は、レンズ１５の焦点面の近くに設けられる。パターニングされた電極２３により、セルのそれぞれ異なった領域に電圧を印加することができる。円偏光板と同じ配向で円偏光される光は、円偏光板から反射される。電界を印加することで、偏光は円偏光と逆の配向で偏光されるように制御される。

コレステリック偏光板の配向と逆方向に円偏光された光は送出される。この光は、切換可能四分の一波長板の面に焦点面が位置するレンズと衝突する。光はレンズにより、視準される。視準された光の方向は、液晶を切り換える電界の位置によって決まる。電界域の幅は、視準効率を決定し、より大きなスリットは、完全に平行なビームというよりもコーン型放射をより発生させる。LCD３２の裏側偏光板４２に入射させるためには、円偏光は四分の一波長板４１を介して直線に変換し返される。

あるいは、システムは、電界の印加時に反射し、電界が無印加時に送出される光を用いてもよい。

切換可能ミラーは、図１９に示すように、二つのDBEFフィルムなどの直線反射偏光板３８，４７の間に設けられた、切換可能二分の一波長板４６を用いて設けてもよい。バックライト３６からの光は、最初に第一直線反射偏光膜３８により直線偏光される。この直線偏光はOff状態（もしくはOn状態）において、切換可能二分の一波長板４６により回転される。回転された偏光は、バックライト３６にてリサイクル利用されるために、第二DBEF４７により反射される。切換可能層のOn状態（対応してOff状態）を通る光は、回転されずに第二DBEFを介してレンズ１５に到達する。切換可能二分の一波長板４６はレンズの焦点面の近くに設けられる。これは、透明電極の間に液晶を封入されてなり、電界制御複屈折（ECB）、ねじれネマティック（TN）、スーパーツイステッドネマティック（STN）、垂直配列ネマティック（VAN）などの様々な液晶モードのいずれか一つを用いることができる。上記の例のように、レンズは光を視準し、光を一つの方向へ導く。

図２０に示す別の実施の形態では、切換可能エレクトロクロミックミラーは、米国特許6,647,116号に記載の遷移金属切換可能ミラーを用いて形成される。切換可能ミラーは、水素ガスや少量の他のガスで充填されたセルのガラス基板４６の内側に、ITOからなるパターニングされた第一透明電極４８と、マグネシウムを含む電解液４９と、同じくマグネシウムを含むミラー電極５０と、ITOからなる他の透明電極５１とがコーティングされて構成されてもよい。パターニングされた透明電極４８は、光を送出、反射するエレクトロクロミックミラーの部分を選択できるようにする。

このエレクトロクロミック切換可能ミラーはレンズアレイ１５の焦点面に配置され、レンズがユーザーに対して光を向け直す領域においては透明モードに切り換えられている。逆に、光を誰もいないところに向け直すレンズの領域においては反射モードに切り換えられている。反射光は、バックライト３６内で反射または拡散させることによりリサイクル利用される。

図２１に例を示す別の実施の形態では、放電灯などの複数の光源５２が大型レンズ５３の焦点面に設けられている。大型レンズとしては、フレネルレンズもしくはホログラフィックレンズなどが用いられる。レンズは、その前方に配置される液晶パネル３２の大きさと同等もしくは液晶パネル３２よりも大きい大きさを有する。各光源は焦点面に配され、光を放射したとき、光は視準されて対応する視野に向かう。観察者のいない視野に光が向かう光源は、電力消費量を抑えるために電源が切られる。

図２１の実施の形態において、ディスプレイの奥行きを減らすために、図２２に示すような光学ビームを反射するための一つ以上のミラー５４を用いてもよい。

別の方向性バックライトは、図２３に示すように、レンズアレイ１５に光導波路５６の切換可能抽出機構素子５５を組み合わせて構成される。切換可能抽出機構素子５５は光導波路と機械的に接触し、全内部反射の条件を遮断する。抽出機構素子は、Takeuchi（米国特許第6724973号）もしくはSelbrede（米国特許第5319491号）に記載のシステムのように、電界を印加することで作動されてもよい。光導波路上にあるパターニングされた透明電極５７と可撓透明電極５８の間の電界は、光導波路に向かって抽出機構を引きつける力を生成する。光導波路と抽出機構が接触する場所で、光は光導波路から抜ける。抽出機構が個別に切換可能であるため、光を抽出する位置を選択することができる。光抽出の位置は、抽出機構が方向性レンズアレイ１５の焦点面内にあるため、照明する方向の条件となる。

液晶表示パネル３２とこの方向性バックライトユニットとを組み合わせることにより、低電力性の方向性ディスプレイを得ることができる。

別の種類の実施の形態では、透明型ディスプレイ３２を、小口孔およびレンズアレイ５９を備える直下型バックライトユニット３３と組み合わせて用いている。例えば、図２４はミラー６１に小口孔６０が設けられたバックライトを示している。光はバックライトに向かって反射されるか、ミラー６１のスリット６０を通って送出される。スリットからの光は点源から放射されているように見える。レンズアレイ５９の焦点面に配されているため、この光は視準される。レンズアレイの位置はスリットと対応しており、この位置によりバックライトシステムの放射方向と、視準の度合いが決まる。スリットがレンズの軸から外れるように動くことで、光が一方向に向けられる。焦点面とレンズ面の間にある距離が変わると、光ビームの視準の度合いが設定される。スリットと対応してレンズアレイの位置を制御するには、レンズを動かすか、スリットを動かすかの二つの解決法が挙げられる。

図２４では、パターニングされたミラーは電気機械作動装置６２に接続されている。追跡システムが作動装置に制御信号を供給することで、光がユーザーに向けられるようにレンズアレイに対してミラーが配置される。

機械作動装置６２は、例えば、ミラーに左右の並進運動を行なわせるステッパー電動機であってもよい。ミラーのスリットが左右に動いたため、レンズを介した後の光の方向が図２５に示すように傾く。このことにより、視野は、作動装置の制御により、左右に動く。

あるいは、機械作動装置は、ミラーからレンズまでの距離が修正されるように、ミラーと接続されていてもよい。スリットが焦点面から遠ざかるにつれ、光ビームは視準されることがなくなり、図２６に示すように視野が拡大する。

あるいは、図２７に示すように、機械作動装置は、ミラースリット６０を動かすのではなく、レンズアレイ５９を移動させるのに用いられる。

図２８に示す別の実施の形態では、視準バックライト６３が第一レンズアレイ６４と組み合わされている。視準バックライトは、ディスプレイの軸と平行に視準された光を放射する。第一レンズアレイ６４は、第二レンズアレイ５９の焦点面に光を集中させる。機械作動装置６２は、発光方向を制御するために第二レンズアレイ５９を移動させる。レンズ５９が左右に移動することにより、細い視野５が左右に移動する。レンズ５９が面外方向に移動することで、視野１０の幅が変化する。

別の実施の形態では、レンズの湾曲や位置が電気的に制御されるレンズアレイを用いて光ステアリング構造を提供する。二つの等濃度非混和性液が透明セルに封入され、その液-液界面はしずくの形を形成する。このしずく型は、エレクトロウェッティングの工程として知られる電気的切換可能レンズとして用いられる。欧州特許第1019758号に記載のように、しずくの位置の心出しを制御するために電界の半径方向の勾配を用いてもよい。図２９および図３０に示す実施の形態では、絶縁液６５のしずくがセルの基板６６上に整列して設けられる。セルは、異なる屈折率を有する導体液６９で充填されている。セルの一つの基板６６の表面には、パターニングされた透明電極６８の上に絶縁層６７が覆われている。電極は、各しずく６５を制御された位置にしずくの中心に向かって電界が放射状に低下するよう、電圧V1よりも高い電圧V2よりもさらに高い電圧を有する。各電極６８に印加される電圧を変えることにより、電界勾配の中心を変えることができる。図３０に示すように、V1が印加された箇所では電極に印加された電圧が変化し、電界勾配の中心の位置に従ってしずくが配置される。

このエレクトロウェッティングレンズアレイは、レンズを左右に動かすことで光を向かせるように用いてもよい。また、電極により印加される電圧と相関的にしずく形状を変形させることで、視準モードと広範囲視角とを切り換えてもよい。

図３１に示す別の実施の形態では、光を変調するための光ステアリング構造を設けるために、エレクトロウェッティング技術を用いている。切換可能マイクロプリズムアレイは、電界が印加される際にプリズムの勾配が切り換えられるところに設けられる。屈折率の異なる二つの液体の間の界面の勾配は、光路がどの方向に屈折するかを決定する。このようなエレクトロウェッティングプリズムアレイは、Neil R. Smith（N.R. Smith et Al., 10 July 2006 / Vol. 14, No. 14，p6557，OPTICS EXPRESS）により説明されている。

このエレクトロウェッティングマイクロプリズムアレイ１２０は、視準バックライト１２１と組み合わされている。プリズムによって、視準ビームは横にそれる。プリズムの角度を制御することにより、照明の方向を制御することができる。このシステムは、LCDパネルなどの透明型ディスプレイの後方に配置される。

Claims (22)

1. バックライトにより照らされる、単一ビューを表示する透過型表示装置と、
   単一ビューにより変調された光を、縮小された角度範囲に集中させる光学システムと、
   ディスプレイに対する観察者の方向を判断し、バックライトからの照明の上記角度範囲を屈折させることで上記角度範囲が上記判断された方向を含むように、上記表示装置と上記光学システムとの少なくとも一つを制御する判断システムと
   を備えている単一ビューディスプレイ。
2. 上記判断システムは、上記判断された方向を含めるために、上記角度範囲により示された角度を変化させるよう、上記表示装置および上記光学システムの少なくとも一つを制御するように構成され、
   上記角度範囲は、好ましくはディスプレイ軸と略対称的である、請求項１に記載のディスプレイ。
3. 上記角度範囲の上記角度は、上記ディスプレイ軸を含む第一面内において可変であり、好ましくは、上記ディスプレイ軸を含み、上記第一面と垂直な第二面内において可変である、請求項２に記載のディスプレイ。
4. 上記判断システムは、上記判断された方向を含むために上記角度範囲を変化させるよう、上記表示装置および上記光学システムの少なくとも一つを制御するように構成される、請求項１〜３のいずれか一つに記載のディスプレイ。
5. 上記角度範囲の上記方向は、上記ディスプレイ軸を含む第三面内において可変であり、好ましくは、上記ディスプレイ軸を含み、上記第三面と垂直な第四面内において可変である、請求項４に記載のディスプレイ。
6. 上記判断システムは、上記ディスプレイに対する複数の観察者の方向を判断するように構成されている、請求項１〜５のいずれか一つに記載のディスプレイ。
7. 上記判断システムは、上記角度範囲が全ての上記判断された方向を含めるように、上記表示装置および上記光学システムの少なくとも一つを制御するように構成される、請求項２に直接的もしくは間接的に従属する場合における請求項６に記載のディスプレイ。
8. 上記判断システムは、全ての上記判断された方向が含まれるように複数の角度範囲を生成するよう、上記表示装置および上記光学システムの少なくとも一つを制御するように構成される、請求項４に直接的もしくは間接的に従属する場合における請求項６もしくは請求項７に記載にディスプレイ。
9. 上記判断システムが、観察者が上記判断された方向を選択できるようにする手動制御を有する、請求項１〜８のいずれか一つに記載のディスプレイ。
10. 上記判断システムが、自動観察者追跡システムを備えている、請求項１〜８のいずれか一つに記載のディスプレイ。
11. 上記光学システムが、視準光学システムを備えている、請求項１〜１０のいずれか一つに記載のディスプレイ。
12. 上記光学システムが、収束レンズアレイを備えている、請求項１１に記載のディスプレイ。
13. 上記判断システムが、上記光学システムの位置と、上記表示装置に表示される画像の位置とをそれぞれ対応させて制御するように構成される、請求項１１または請求項１２に記載のディスプレイ。
14. 上記表示装置が液晶装置を備えている、請求項１〜１３のいずれか一つに記載のディスプレイ。
15. 上記バックライトが、各レンズの後方に配置されたダイオードの群を持つ発光ダイオード装置もしくは有機発光ダイオード装置を備えている、請求項１２に記載のディスプレイ。
16. 上記バックライトは、位置および／または大きさが制御可能であり、上記光学システムの後方に配されている広範な光源および孔を有する反射板を備えている、請求項１〜１４のいずれか一つに記載のディスプレイ。
17. 上記反射板は、
    少なくとも一つのコレステリック液晶セルと、
    制御可能な四分の一波長板および反射コレステリック偏光板と、
    第一および第二反射直線偏光板の間に配された制御可能な二分の一波長板と、
    エレクトロクロミックミラーとのうちの一つを備えている、請求項１６に記載のディスプレイ。
18. 上記バックライトは、上記視準光学システムの後方に配される、別々に制御可能な複数の独立した光源を備えており、
    上記視準光学システムは、好ましくはフレネルレンズを少なくとも一つを備えている、請求項１１に記載のディスプレイ。
19. 上記バックライトは、上記レンズの後方に配される、制御可能な光抽出機構を有する光導波路を備えている、請求項１２に記載のディスプレイ。
20. 上記バックライトは、広範な光源と、固定孔を有する反射板と、上記光学システムに対応して反射板を動かす作動装置とを備えている、請求項１１または１２に記載のディスプレイ。
21. 上記バックライトが、広範な光源とレンズアレイとを備え、上記光学システムが光ステアリング構成を備え、
    上記光ステアリング構成は、好ましくはエレクトロウェッティングレンズ構成とエレクトロウェッティングプリズム構成とのいずれか一つを備えている、請求項１〜１４のいずれか一つに記載のディスプレイ。
22. 請求項１〜２１のいずれか一つに記載のディスプレイを電力消費量を削減するために用いる表示方法。

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