JP2017533473A - Ｌｃベース光学ディスプレイシステム - Google Patents

Abstract

光学活性構造およびディスプレイ装置が提示される。装置は、液晶材料と、ポンピング光に応答して１以上の所定の範囲において光を放出するように構成される複数のナノロッドとを含む。液晶の配向における変化は、ナノロッドの配向およびそこからの変調された光放出を変化させる。

Description

本発明は、一般に光学ディスプレイシステムの分野、より具体的にはフラットパネルディスプレイシステムの分野にある。

フラットパネルディスプレイシステムは、コンピュータモニタ、ラップトップコンピュータ、携帯電話、テレビなどの様々な装置／システムに広く使用されている。一般に、フラットパネルディスプレイは、市場において主要なディスプレイの種類となった。

液晶（ＬＣ）ベースのディスプレイシステムは、様々なフラットスクリーンディスプレイシステムにおいて主要な役割を果たす。ＬＣベースのディスプレイシステムは、ある液体特性と、分子間の結晶様秩序とを組み合わせた分子材料を利用する。液体特性の存在は、外部場、例えば電場に応答してＬＣ材料の変化する配向を可能にする。ＬＣ分子の異なる配向は、典型的には、複屈折および／または偏光の伝搬または回転などの異なる光学特性を有することによって区別可能である。

一般に、ＬＣベースのディスプレイシステムは、対応するバック照明ユニットを利用して、装置の表面全体にわたって高強度かつほぼ均一なライティングを提供する。ディスプレイシステムのＬＣパネルは、表面に沿って異なる領域から到達する光を完全にまたは部分的に遮断することによって、均一なバック照明に変調を提供する。十分な変調を提供するために、バック照明ユニットによって照射された光は、（例えば、ＬＣセルの底部に取り付けられた入力偏光子によって）偏光に変換される一方で、ＬＣ材料の位相変動（例えば、回転）は、偏光に対するその伝搬を変化させる。

米国特許第5,384,065号および第5,599,480号に記載されているような、負の誘電異方性を有するＬＣ材料に基づく装置を含む、様々な種類のＬＣベースのディスプレイが当該技術分野で知られている。

さらに、例えば、ナノドットおよびロッド状ナノ粒子などのナノ粒子の光学発光を利用するユニットを含む、様々な種類のバック照明ユニットが知られている。かかる光学ディスプレイ装置および照明ユニットは、例えば、本願の譲受人に譲渡された米国特許第8,471,969号および米国特許公開第2013/181,234号および第2014/009,902号に記載されている。かかるナノ粒子ベースのライティングユニットは、エネルギーコストを低減しながら、場合によっては偏光フィルタリングの必要性を排除するか、または少なくとも低減する一方で、所望の色温度で高強度照明を提供することができる。

さらに、いくつかのディスプレイ装置構成は、ディスプレイシステムの背面から到達する光に対して一定の透明性を提供する。少なくとも部分的に透明なディスプレイを提供するいくつかの既知の技術には：半透明ホログラフィック投影システム；透明な有機ＬＥＤ（ＴＯＬＥＤ）ディスプレイ；反射型ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）；青色反射型の厚いシートベースのディスプレイ；および透明ＬＣＤが含まれる。これらの技術は、ユーザにディスプレイを提供する一方、ディスプレイを通る光の伝搬を可能にして、ディスプレイシステムの背景のユーザビューを可能にする。

例えば、米国特許第2014/0292839号は、液晶パネルを含む透明なディスプレイ装置を提供する。液晶パネルは、カラーフィルタ基板、アレイ基板、液晶層、第１の偏光子および第２の偏光子を含む。第１の偏光子は、カラーフィルタ基板の液晶層から遠い側上に配置される。第２の偏光子は、アレイ基板の液晶層から遠い側上に配置される。カラーフィルタ基板は、透明基体と、透明基体上に形成されたカラーフィルタとを含む。

カラーフィルタは、複合画素領域を含み、複合画素領域のそれぞれはカラーサブ画素領域と透明なサブ画素領域とを有する。第２の偏光子は、カラーフィルタにおける透明サブ画素領域に空間的に対応する非偏光パターンを含み、光が非偏光パターンを通過した後も偏光状態は変化しない。

上記のように、ＬＣベースのディスプレイ装置は、典型的には、変調された照明（すなわち、画像を表示する）を提供するために光学伝搬の変化を利用する。より具体的には、ディスプレイ装置に示された画像は、装置の異なる領域／画素を通る光伝搬を遮断するか、または部分的に遮断することによって生成される。かかる伝播遮断ベースのディスプレイ技術は、高強度のバック照明を必要とし、エネルギー効率を低下させる原因となる。

さらに、透明または部分的に透明なディスプレイシステムの従来の構成は、限られた視野角、低いコントラストおよび明るさ、ならびにディスプレイサイズのスケールアップの困難さなどの様々な制限を受ける。本発明の技術は、光学活性ナノ粒子、特にナノロッドおよびそれからの光学的放出を利用して、システムの透明性を維持しながら望ましい高輝度を提供することができる透明ディスプレイシステムを提供する（例えばディスプレイを通過する可視光の１５％以上、好ましくは３０％、好ましくは４０％以上の伝搬）。

したがって、当該技術分野において、ディスプレイ装置の新規な構成が必要とされている。本発明は、ディスプレイ装置に使用するように構成された光学活性層／構造を提供する。光学活性構造は、ディスプレイ装置が増加したエネルギー効率で動くことを可能にする。さらに、本発明の光学活性構造の使用は、光学的に透明なディスプレイシステムの設計を可能にする。本発明の光学活性構造は、液晶（ＬＣ）分子マトリックス内に埋め込まれた複数の光学活性ロッド状ナノ粒子を有する１以上の層を含む。ロッド状ナノ粒子は、好ましくは、ＬＣ分子の配向変化がＬＣ分子と共にナノ粒子の回転／シフトをもたらすようにＬＣ材料と整列される。

光学活性ロッド状ナノ粒子は、青色光とＵＶとの間の範囲に典型的に対応する所定の第１の波長範囲の光を吸収するように選択され、典型的にはＵＶＡ範囲（３２０〜４００ｎｍ）範囲および／または紫色波長範囲（３８０〜４５０ｎｍ）を含み、１以上の第２の波長範囲（一般に可視スペクトル内）に応答した光を放出する。第２の波長範囲の波長は、ナノ粒子のサイズ、幾何学的形状および材料組成に従って決定されることに留意すべきである。同様に、第１の波長範囲の光の吸収は、典型的には、ナノ粒子の材料組成に従って決定される。いくつかの好ましい実施形態によれば、ナノ粒子は、異方性ナノ粒子、すなわち他より長い１つの軸を有するように選択される。

さらに、いくつかの好ましい実施形態によれば、ナノ粒子はロッド状半導体ナノ粒子であるように選択される。かかるロッド状ナノ粒子（ナノロッドとも呼ばれる）は、コア−シェル、コア−ダブルシェルまたはコア−マルチシェル構造を有してもよく、ここで、コアは、第１の材料組成から形成され、１以上のシェルは、１以上の他の材料組成物で形成される。さらに、コア自体は、単一の材料コア、コア−シェルまたはコア−マルチ−シェルであってもよく、異方性の幾何学的形状であってもなくてもよい。

ロッド状ナノ粒子（ナノロッド）は、一般的に、光学的または電気的ポンピングエネルギーに応答して双極子様光学的放出を示す。さらに、ナノロッドは、典型的には、放出された光の比較的高い偏光比（ＰＲ）を伴う光学的放出を提供する。この目的のために、偏光比は、一般に、ナノロッドの整列軸に対して平行偏光および垂直偏光を有する光の放出強度の比として定義される。より具体的には、適切なポンピングの際に、ナノロッドは、ナノロッドのパラメータに従って決定される所定の波長範囲の光を放出し、放出された光は、ナノロッドの長軸に垂直な方向に実質的に伝播する。

さらに、ナノロッドによって放出された光は、実質的に線形に偏光され、すなわち、ナノロッドのロングアライメント軸に対する平行偏光および垂直偏光のナノロッドの放出強度の間で測定された比が、１．５より大きいか、または好ましくは４より大きい偏光比（ＰＲ）を有することができる。したがって、ナノロッドの回転は、そこから放出される光の伝播方向を変化させ、放出された光の偏光および偏光配向を変化させることもできる。

この目的のために、ナノロッドが埋め込まれたＬＣ層は、外部場に応答してＬＣ分子の配向を変化させるように構成される。一般に、ＬＣ層は、ＬＣ分子の配向を変化させることによって、直流（ＤＣ）または交流（ＡＣ）場である外部の電場に応答するように構成される。いくつかの実施形態では、ＬＣ分子は、１つの配向（平面配向）で層の表面に平行に整列し、第２の配向（垂直／ホメオトロピック配向）で層の表面に垂直に整列するように構成される。さらに、ＬＣ材料の回転は、好ましくは、その中に埋め込まれたナノロッドの配向を変化させるように構成される。ナノロッドのこの回転は、以下でさらに詳細に説明するように、ナノロッドによるポンピングエネルギーの吸収およびナノロッドから放出される光の１以上の特性のうちの少なくとも１つに影響を与えることができる。

したがって、上記のように、いくつかの実施形態によれば、本発明は、入力ポンピングエネルギー（例えば、ポンピング光）に応答するように構成され動作可能で、制御ユニットからの動作コマンドに従って、デバイスから放出される構造化された光を提供するように構成され動作可能な光学活性構造を担持するディスプレイシステムを提供する。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステムは、可視光に対して少なくとも部分的に透明であるように構成される。ディスプレイ装置は、典型的には、そこから放出される光を変化させて、所定のプレゼンテーション時間（例えばビデオディスプレイ）を有する１以上の出力画像を生成するように構成される。

したがって、１つの広い態様によれば、本発明は、少なくとも１つの層を含む光学活性構造を提供し、該少なくとも１つの層は、前記少なくとも１つの層内で一緒に混合された液晶材料と複数の光学活性ナノロッドとを含み、液晶材料の１つの配向では、ナノロッドは、第１の強度レベルで１以上の所定の第２の波長範囲の光を放出することによって第１のポンピング波長範囲の入力放射に応答し、液晶材料の他の配向では、ナノロッドからの放出は第２の強度レベルに低減される。

光学活性ナノロッドは、前記少なくとも１つの第２の波長範囲の光を放出する材料組成および幾何学的形状を有するように選択することができる。
液晶材料は、好ましくは、外部電場に応答してその配向を変化させるように構成される。さらに、液晶材料の配向の変化は、好ましくは、前記光学活性ナノロッドの整列軸の回転をもたらし、それにより光学活性ナノロッドによって吸収され、光学活性ナノロッドから放出される光の特性を変化させる。液晶材料の配向の変化は、ナノロッドからの光の放出の連続的な変化を提供することができる。

一般に、光学活性ナノロッドにおける液晶材料は、１つの配向状態において構造の表面に平行な所定の軸に沿って整列され、他の配向状態において構造の表面に垂直な所定の軸に沿って、その配向を変化させる。いくつかの実施形態では、液晶材料は、負の誘電異方性を具備するように構成することができる。

ナノロッド材料は、外部電場に応答してその放出特性を変化させるように選択または構成されてもよく；印加された電場は、電場の存在下で光放出の強度を低減させる光のナノロッド放出の消光をもたらすことができる。しかしながら、ナノロッドの材料は、好ましくは、外部電場の存在が放出の波長を実質的に著しく変化させないように選択され、これは、発光強度が低減されるときの色変化を回避するためである。

光学活性構造は、構造の複数の別々に動作可能な画素を画定する複数の電極要素を含む電極配置をさらに備え、前記電極配置の電極要素は、対応する画素に選択的に電場を印加して、液晶材料および光学活性ナノロッドの回転をもたらすように構成される。

光学活性構造は、２以上の種類の光学活性ナノロッドを含むことができ、各種類は、他の種類のナノロッドの波長範囲とは異なる選択された波長範囲における光学的放出を提供するように選択された材料組成および幾何学的形状を有する光学活性ナノロッドを含む。異なる種類の光学活性ナノロッドは、構造の複数の画素領域に配置することができるため、放出光（例えば、赤色、緑色および青色画素領域）および／または、所望の照明温度の白色光を放出する画素領域の選択的な空間的および時間的変化によるカラー画像形成を可能にする。

いくつかの実施形態では、光学活性構造、液晶およびその光学活性ナノロッドは、可視スペクトルの光に対して光学的に部分的に透明に構成されてもよい。光学活性ナノロッドは、紫外（ＵＶ）または紫色の照明を含む第１の波長範囲のポンピング光に応答して可視スペクトルの光を放出するように構成することができる。

いくつかの実施形態では、液晶材料はネマチック液晶材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、光学活性構造は、前記液晶材料と物理的に接触して位置づけられた少なくとも１つの配向層をさらに含み、前記少なくとも１つの配向層は、液晶材料をその静止状態で配向させるように構成される。少なくとも１つの配向層は、ポリマー安定化垂直配向層を含むことができる。

光学活性構造は、構造の１つまたは２つの側で液晶材料およびナノロッド材料と物理的に接触して位置づけられ、それによって液晶材料および対応するナノロッドのマルチドメイン配置を提供する、１以上のドメインセパレータをさらに含むことができる。
典型的には、光学活性構造は、ディスプレイ装置での使用のために構成され得ることに留意すべきである。

他の広い態様によれば、本発明は、所望のパターン（画像）を選択的に表示するように構成されたディスプレイ装置であって、装置は、
第１のポンピング波長範囲の光照射を提供するように構成されたポンピング光源と、
整列されたナノロッドおよびＬＣ材料を含む光学活性構造であって、ナノロッドは、ポンピング光に応答して１以上の選択された第２の波長範囲の光を放出するように構成される、前記光学活性構造と、
外部場を提供し、それによってＬＣ材料およびナノロッドの配向を局所的に変化させ、それによってナノロッドからの光放出を変調する電極装置であって；一般に、ＬＣの配向における変化は、ナノロッドの配向の対応する変化を誘発し、それにより、ディスプレイ装置の所望の画素領域からの光放射を選択的に変調するように構成される、前記電極装置と、を含む。

ディスプレイ装置は、可視波長範囲の光または可視スペクトルの一部の光に対して少なくとも部分的に透明に構成されてもよい。

ディスプレイ装置は、映画などの非静止画像を表示するように動的に制御されるように構成されてもよい。この目的のために、ディスプレイ装置は、１以上の画像に対応する画像データを生成し、光学活性構造の電極配置を操作して、ＬＣ材料の配向を変化させるように構成され、選択された画素領域をオンおよび／またはオフモード、ならびにオフおよびオンモードの間の中間レベルに変換して、所望の画像を形成するように構成および動作可能な制御ユニットを含むか、またはそれに関連させることができる。

ディスプレイ装置は、装置とその背景から到達する光との間に位置する遮断／拡散層をさらに備えることができ、遮断／拡散層／要素は、デバイスの背景から到達する所定の波長範囲の光を選択的に遮断または拡散し、例えば、ＵＶポンピング光のようなポンピング光の波長の光を遮断して、使用時に活性層の蛍光またはスペクトルの可視部分（４００〜７００ｎｍ）の一部を最小化することで、ディスプレイの後のシーン背景照明を調光、および／または不透明な表示モードを提供するように構成することができる。

本発明のさらに別の広範な態様によれば、所望の画像を生成するパターン化された照明を生成するように構成された光学活性構造を含むディスプレイシステムが提供され、光学活性構造は、ポンピングエネルギーに応答した所定の波長範囲の光を放出するように構成された光学活性ナノロッドおよび液晶材料を含む、少なくとも１つの層を含む。ディスプレイシステムは、可視光に対して少なくとも部分的に透明であるように構成することができる。少なくとも１つの層は、液晶材料の配向の変化が前記光学活性ナノロッドの配向の対応する変化をもたらすように、前記光学活性ナノロッドと前記液晶材料との混合物を含むことができる。

いくつかの実施形態では、光学活性ナノロッドは、第１の所定の波長範囲の光ポンピングであるポンピングエネルギーに応答し、それによって１以上の第２の波長範囲の光を放出するように構成されてもよい。第１の波長範囲は、紫色光および紫外光波長のうちの少なくとも１つを含むことができ、前記１以上の第２の波長範囲は、可視光を含むことができる。

ディスプレイ装置は、その光学活性構造に関連し、前記液晶材料上に電場を選択的に印加してその配向の変化をもたらすように構成された電極配置を備えていてもよい。電極配置は、前記光学活性構造の複数の別々に操作された画素領域を画定する複数の電極要素を含むことができる。

いくつかの実施形態では、光学活性ナノロッドは、２以上の種類のナノロッドを含むことができ、各種類は、所定の異なる波長範囲の光を放出するナノロッドの幾何学的寸法および構造および組成に従って選択される。２以上の種類のナノロッドは、少なくとも３つの種類のナノロッドを含むことができ、各種類は、原色に対応する所定の波長範囲の光を放出するように選択される。

ディスプレイ装置は、第１の波長範囲の光ポンピングの形態でポンピングエネルギーを提供し、それにより前記光学活性ナノロッドに１以上の第２の波長範囲の光を放出させるように構成された、ポンピング光源をさらに備えることができる。ポンピング光源は、前記光学活性構造から所定の距離に位置づけられるように構成されてもよく、前記所定の距離は、１センチメートルよりも大きいか、または５センチメートルよりも大きい。いくつかの構成では、ポンピング光源は、ディスプレイ装置の光学活性構造から５０ｃｍより大きい、または１メートルより大きい距離に位置づけることができる。

いくつかの実施形態によれば、ディスプレイ装置は、望ましくない波長範囲の光をフィルタリングするように構成された少なくとも１つのフィルタ層をさらに含むことができる。フィルタ層は、ポンピング光（例えば、紫外線）照明の伝搬を遮断し、背景および／または放出光（例えば、可視スペクトル）の伝搬を可能にするように構成することができる。

液晶材料および光学活性構造の前記光学活性ナノロッドは、構造のある領域における前記液晶材料の配向の変化が前記領域内で前記光学活性体の回転の変化をもたらすことで、ポンピングエネルギーに応答して前記ナノロッドからの光放出を増加または低減するように混合することができる。

いくつかの実施形態によれば、液晶材料および対応するナノロッドの配向の変化は、ナノロッドが出力光伝播の全体的な方向に平行であるようにその長軸が整列されたオフ状態、および、ナノロッドが前記少なくとも１つの層の表面に平行であるようにその長軸が整列され、ポンピングエネルギーに応答して光を放出するオン状態を提供することができる。ディスプレイ装置は、液晶材料の配向に関連する１以上の中間状態を提供し、それによって１以上の画素領域からの１以上の中間レベルの発光を可能にするように構成されてもよい。

いくつかの実施形態によれば、ディスプレイシステムは、装置とその背景シーンから到達する光との間に位置する遮断／拡散層をさらに備えてもよく、遮断／拡散要素は、装置の背景シーンから到達する所定の波長範囲の光を選択的に遮断または拡散層することで、ディスプレイ装置の「スマートガラス」能力を提供するように構成されてもよい。

本明細書に開示された主題をよりよく理解し、実際にどのように実施することができるかを例示するために、以下の実施形態を添付の図面を参照して限定されない例として説明する。

図１Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、埋込みナノロッドを有するＬＣ層を含む光学活性層を利用したディスプレイ装置の一部を、それぞれオン状態およびオフ状態で概略的に示す。 図１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、埋込みナノロッドを有するＬＣ層を含む光学活性層を利用したディスプレイ装置の一部を、それぞれオン状態およびオフ状態で概略的に示す。 図２Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、埋め込みナノロッドを有する垂直に整列したＬＣ層を利用するディスプレイ装置の一部を、それぞれオフおよびオン状態で示す。 図２Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、埋め込みナノロッドを有する垂直に整列したＬＣ層を利用するディスプレイ装置の一部を、それぞれオフおよびオン状態で示す。 図３Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、埋め込みナノロッドを有するマルチドメイン画素セル内の垂直に整列したＬＣ層を利用するディスプレイ装置の一部を、それぞれオフおよびオン状態で示す。 図３Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、埋め込みナノロッドを有するマルチドメイン画素セル内の垂直に整列したＬＣ層を利用するディスプレイ装置の一部を、それぞれオフおよびオン状態で示す。

図４Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、埋め込まれたナノロッドを有するパターン化された電極画素セル内の垂直に整列されたＬＣ層を利用するディスプレイ装置の一部を、それぞれオフおよびオン状態で示す。 図４Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、埋め込まれたナノロッドを有するパターン化された電極画素セル内の垂直に整列されたＬＣ層を利用するディスプレイ装置の一部を、それぞれオフおよびオン状態で示す。 図５Ａは、ディスプレイ装置の３つの隣接画素の側面図（図５Ａ）を概略的に示す。 図５Ｂは、ディスプレイ装置の３つの隣接画素の上面図（図５Ｂ）を概略的に示す。 図６は、本発明のいくつかの実施形態による透明ディスプレイユニットの層状構造を示す。 図７は、本発明のいくつかの実施形態による透明ディスプレイユニットの使用を例示する。

本発明は、液晶層に挿入または埋め込まれた蛍光異方性ナノ材料に基づくディスプレイを提供する。異方性ナノ材料は、好ましくは、液晶中の異方性ナノ材料の混合が、それからの放出の単純化された構造および変調を提供する一方で、増加した色品質を有する光学照明を提供するように構成され得る。

図１および図２を参照し、本発明による光学活性構造（層）１０を利用するディスプレイ装置（例えば、画素セル）１００の一部の断面をオン（図１Ａ）およびオフ（図１Ｂ）状態で概略的に示す。光学活性構造１０は、好ましい軸に沿って一緒に整列され、印加された外部場に応答して配向を変えるように構成された液晶（ＬＣ）分子１４と異方性ナノ材料粒子１２（ナノロッド）の混合物を含む。ディスプレイ装置１００の活性層１０は、一般に、上部１０４と下部１０２基板との間に封入することができ、それらは可視スペクトルの光に対して、場合によっては紫外線照明に対しても透明であり、具体的には、上部および下部基板は、第１の波長範囲のポンピング光と第２の波長範囲の放出光とに対して透明である。

さらに、装置は、例えば、ラビングされたポリイミドの層によって形成された、１以上の整列／配向層１０６を含むことができ、かかる２つの層が図に示されている。装置はまた、ＬＣ材料１４の配向の変化を促進する電場変調を選択的に提供するように構成された電極配置１０７を含むか、またはそれに関連してもよい。一般に、ＬＣ材料１４の配向の変化は、ナノ材料粒子１２の配向の変化を誘導し、したがって、デバイス１００の光学活性の変調を提供する。いくつかの構成では、電極配置１０７は、透明電極、例えば、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）ベースの電極を含み、それを通した光学放射の伝搬を可能にする。

光学活性層１０のナノロッド１２は、１以上の第２の波長範囲１１０の光を放出することによって、第１の波長範囲（例えば、青色、紫色、ＵＶ、またはナノロッドの材料組成および所望の装置用途に基づく任意の適切な波長）の入力ポンピング光１０８に応答するように、選択および構成される。ディスプレイ装置１００は、表示された画像における干渉を防止するために、ポンピング光の吸収されない成分を遮断するように構成されたポンピング光遮断器１０５を含むことができる。なお、図１Ａおよび図１Ｂならびに以下のすべての図は、概略的なものであり、異なる要素の実際のサイズには関係しない。より具体的には、ナノロッドのそれに対するＬＣ材料の相対的なサイズは、一般に、スケール外であり、図面から理解できることではない。

本発明による使用に一般的に適したナノロッド材料は、長さ（長軸）が８〜５００ｎｍ、好ましくは１０〜１６０ｎｍであり、幅または直径が数ナノメートル（例えば３ｎｍ〜５０ｎｍ）であり、長軸に沿った長さと短軸に沿った長さとの比であるアスペクト比が１．５より大きく、好ましくは３より大きい。ＬＣ分子１４は、外部電場に応答して回転し、前記電場はゼロであるときに逆回転する。図１Ａおよび１Ｂは、ディスプレイ装置１００のオン／オフ状態の一例を示す。図１Ａでは、ＬＣ材料１４は、その静止配向状態にあり、構造１０の表面に平行な軸に沿って整列している。

この構成は、ナノロッド１２が構造１０の表面に平行な同様の軸に沿ってＬＣ分子と共に整列されることをもたらす。この配向では、ナノロッド１２は、入力ポンピング光１０８の方向に垂直に、そして出力放出光１１０の伝播の所望の方向に垂直にその長軸と整列する。これは、ナノロッド１２によるポンピング光の効率的な吸収と、装置による画像を投影するために大部分が所望の方向に伝播する１以上の第２の波長範囲の光の放出を提供する。したがって、ナノロッドから放出された第２の波長範囲の出力放出光１１０は、図１Ａに示すように、ディスプレイ装置から観察者に向かって所望の方向に伝播することができる。

適切な電場が電極配置１０７の電極間に印加されると、それに従ってＬＣ材料の分子１４が回転し、層１０に埋め込まれたナノロッド１２の対応する回転をもたらす。図１Ｂに示すように、この例では、ナノロッド１２は、その長軸が層１０の表面に対して垂直になるようにオフ状態に配向される。この構成では、ナノロッドから放出された光は、層１０内で実質的に伝播し、層の外には実質的に伝播しない。

さらに、バック照明におけるポンピング光１０８の吸収のための断面は、ナノロッド１２の配向の結果、ならびに電極１０７によって印加された外部電場によって引き起こされるナノロッド蛍光上の消光効果の結果として、大きく低減される。したがって、選択された領域（ピクセル）におけるＬＣ材料およびナノロッドの配向の適切な変化は、ナノロッドによる光学的放出の局所変調を提供し、光学活性層の領域を、中間状態を含むオン状態およびオフ状態の間で切り替えることを可能にする。

一般に、本発明のナノ結晶１２は、シード（seed）されたナノロッド、ナノロッドまたはコア／シェルナノロッドのような半導体の細長い構造である。ナノロッドは、表面リガンドなどの付加などの付加的な表面修飾プロセスの有無にかかわらず、適切な液晶材料１４に挿入される。ナノロッドは、ＬＣ分子配向によってＬＣ層内に整列され得る。ＬＣ分子は、ラビングされたポリイミド層を利用するか、または光配向（photo alignment）などの任意の適切な技術によって整列され得る。ディスプレイ装置の選択された電極への電場の印加は、その長軸が電場と平行または実質的に平行であるように、ナノロッドとともにＬＣ材料への局所的（例えば画素領域内での）回転を誘発する（例えば±１０度の角度公差）。

これは、ディスプレイの選択された対応する領域をオン、オフおよび中間状態の間で切り替える。なお、図１Ａおよび図１Ｂでは、電場が印加されていない状態でオン状態が記述され、電場が印加されることによってオフ状態が記述されているが、これは以下に説明する異なる実施形態の構成によって選択される。“オン状態”とは、観察者に強い光が放出されている状態をいい、“オフ状態”とは、観察者の方向に光が放出されていない状態、または弱い状態をいう。長軸が層の表面に対して垂直に整列されたナノロッドの配向が図１に示され、光学活性層からの出力光を相乗的に低減し、最小化するいくつかの効果を提供することにも留意すべきである。

第１に、ナノロッドの長軸に平行な方向を有するナノロッド上に印加された電場は、ナノロッドの光学活性の消光を提供する。消光は、電場下での電子−正孔分離によるものであり、米国特許第8,471,969号に詳細に記載されており、ナノロッドの長軸の同じ方向に印加されたＤＣおよびＡＣ電場のいずれかによる消光を記載している。記載したように、ナノロッド上に印加された電場は、放出された光の顕著な消光をもたらす。しかしながら、ナノロッドの材料および構成は、好ましくは、外部電場の結果として放出の波長におけるシフトを排除するか、または少なくとも大幅に低減するように選択されることに留意すべきである。これは、ディスプレイ装置による画像形成に起因する色の変化を避けるためである。

第２に、上記したように、ナノロッドからの光学的放出は実質的に双極子様の分布を有する。より具体的には、光の大部分はナノロッドの長軸に垂直な方向に放出され、長軸の方向にはほとんど光が放出されない。ナノロッドを観察者に向けられたその長軸に整列させることによって、放出された光のごく一部のみが観察者に向かって伝播する。したがって、放出される光の強度の大部分は、光の漏れを防ぐために適切な吸収体が配置される側に向けられる。

第３に、ナノロッドによるポンピング光の吸収は、吸収のための対応する断面に依存する。図１Ｂに示すいわゆる“オフ構成”では、ナノロッドは、その長軸がポンピング光の伝播方向と平行になるように配向される。これにより、ポンピング光の吸収のための断面が最小限に抑えられ、ナノロッドからの放出が低減される。

本発明のいくつかの実施形態では、ＬＣ材料の配向変化を、ナノロッドによって放出される光の偏光の回転のために使用することもできることに留意されたい。装置は、一般に、光伝播の全体的な方向に関して光学活性構造１０の下流に位置づけられた偏光フィルタを含むことができる。したがって、装置の領域がオン状態にあるとき、ＬＣ材料は、ナノロッドによって放出された光を偏光回転なしに伝播させ、追加の偏光フィルタによって伝搬させることができ、オフ状態では、ＬＣは、放出された光の少なくとも一部分の偏光を回転することで、この部分の追加の偏光フィルタによる除去をもたらすように補助することもできる。

したがって、ＬＣ材料上に電場を印加することによって、ナノロッドの配向の変化は、ポンピング光に応答してナノロッドの光学的放出を排除するか、または少なくとも大幅に低減する。しかしながら、ナノロッドの光放出が完全に除去されないいくつかの構成では、配向変化は、放出された光を画素領域間に位置する適切な光吸収体に吸収させ、少なくとも外方向（観察者）における放出を少なくとも著しく低減する。これは、装置の画素要素のオン状態では、一般に、ナノロッドからの光放出を妨げる効果はなく、吸収断面積は、オフ状態に比べてはるかに大きく、その結果、ポンピング光に応答して高い光学的放出が得られる。

したがって、オン状態では、ナノロッドは、光学活性構造１０の平面に平行に配向され、入力ポンピング光の吸収のための大きな断面積を提供し、それによりそこから光学的放出をもたらす。したがってナノロッドは強く吸収し、その最大放出を放出し、放出の指向性は、ディスプレイの出力方向に向けられる。この状態では、ナノロッドの配向は、隣接する画素の方向に放出される光が最小限になるように、そして視野方向における光の強度が最大になるように構成される。さらに、典型的には、ナノロッドから放出された光を反射しながらポンピング光を伝搬するように構成された適切な背面リフレクターを使用して、光のより多くの部分を好ましい方向に向けることができる。

これに関連して、中間電圧の印加は中間光強度出力（一般にグレースケール能力と呼ばれる）を提供することにも留意すべきである。より具体的には、中間場振幅は、ＬＣおよびナノロッドの回転を、光学活性層１０に対して面内と垂直との間の配向にさせ、それにより、低減された光強度の放出、特に、観察者に向けられた所望の方向への光伝播を生じる。これは、単色画像を提供する１つの種類のナノロッドを使用する“グレースケール”パターンの生成を可能にする。

さらに、複数の画素要素を利用するディスプレイでは、ある画素からの光出力の強度変化を用いて画質を改善することができる。このような“マルチ画素”ディスプレイシステムでは、異なる画素領域は、異なる光学的放出特性、すなわち、１つの画素で赤色光を放出し、隣接画素領域で緑色光を放出するナノロッドを含む。この構成は、カラー画像を提示する能力を装置に提供する。

さらに、従来のＬＣベースのディスプレイシステムとは異なり、本発明の技術は、光放出の変調およびディスプレイ上の画像の生成のための任意の偏光フィルタの使用を必要としない。しかし、上に示したように、いくつかの実施形態では、かかる偏光フィルタの使用が有益であり得る。ナノロッドからの光出力の変調は、一般に、ナノロッドの配向を変化させることによって達成され、そこからの放出を低減させるので、光のフィルタリングは特に必要とはされない。この偏光フィルタの省略は、より良いエネルギー効率、およびより良い色で低コストを提供することができる。

また、本発明の技術は、完全に透明なディスプレイ装置、すなわちシースルーディスプレイ装置を構成することを可能にする。これは、光学的に透明な電極配置（例えば、ＩＴＯ電極）および光学的に透明な搬送基板を利用することによって達成することができる。この構成では、ポンピング光は、好ましくは、ディスプレイの背面および／またはその側面から到達するＵＶ波長範囲であってもよい。これで、ディスプレイ装置の背後にある物体から到達する可視スペクトルの光が、装置を通して伝搬する。これは、図１Ａおよび図１Ｂに例示され、ポンピング光１０８および放出光１１０に加えて、バックグラウンドシーン（「追加」）光入力１０９および出力１１４を示す。

上記したように、本発明による光学活性構造１０およびディスプレイ装置は、所望の光学活性およびその変調を提供するために２つの主要な材料群を利用する。光学活性構造１０は、一般に：
１．液晶材料（ＬＣ）
２．異方性蛍光半導体ナノ構造（ナノロッド）を含む。
しかしながら、ナノ構造の液晶への挿入を可能にするおよび／または簡略化するために、リガンドおよび添加剤のような追加の成分を光学活性層に使用することができることに留意すべきである。

様々な種類の液晶材料および混合物をナノロッドと組み合わせて使用することができる。これらの材料は、好ましくはホモジニアス（プレーナーとしても知られている）配向で配向することができる。ＬＣ材料は、好ましくは、ネマチックＬＣ材料であり得るが、他の種類のＬＣ材料が使用されてもよい。ネマチックＬＣ材料は、誘電性の負または正の異方性を有することができる。ＬＣの整列は、典型的には、外部電場および／または光学活性層のＬＣ材料と接触している基板表面の境界条件によって誘導される。例えば、任意にラビングされる基板のポリイミドコーティングは、ＬＣ分子を基板表面に平行に整列させることができる。ＬＣ材料の他の組み合わせおよび相も使用することができる。

適切なＬＣ材料は、当技術分野で一般的に知られている。材料特性は、光学活性構造の好ましい整列およびスイッチングの態様に従って選択することができる。好ましい態様では、誘電性の負のＬＣ材料を選択することができる。好ましくは、基板に対してＬＣ材料の垂直配向を有する構成で使用され、それによってナノロッドからの光放出の上記の変調を最適化することができる。

本発明の様々な実施形態において有用な光学活性異方性ナノ粒子（ナノロッド）は、一般に半導体材料、例えばＩＩ−ＶＩ、ＩＩＩ−Ｖ、またはＩＶ−ＶＩ族半導体、ならびにそれらの様々な組み合わせから作製され得る。かかる材料はまた、本出願の譲受人に譲渡された米国特許第8,471,969号および特許公報US2014/009,902およびUS2013/115,455を含む上記の特許刊行物にさらに詳細に記載されている。半導体材料は、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、Ｃｕ_２Ｓ、Ｃｕ_２Ｓｅ、ＣｕＩｎＳ_２、ＣｕＩｎＳｅ_２、Ｃｕ_２（ＺｎＳｎ）Ｓ_４、Ｃｕ_２（ＩｎＧａ）Ｓ_４、これらのＴｉＯ_２合金、およびこれらの混合物から選択することができる。

この材料リストは、ロッド材料（ナノロッドの場合）、コアおよびシェル材料（コア／シェルナノロッド）、またはシードされたロッド構造のシードおよびロッド材料のいずれかを指してもよい。シードされたナノロッドは、細長いシェル内に非対称に位置づけられたシード（またはコア）を有することができる。コアは、典型的には、細長い粒子上の長さの約４分の１から２分の１に位置し得るが、他の位置も可能であり得る。シードの典型的なサイズは、１〜２０ｎｍ、より詳細には２〜１０ｎｍの直径であってもよい。第１のシェルに加えて、安定性および光学的機能のためにさらなるシェル層が含まれてもよい。ナノロッドの材料の組み合わせおよび寸法は、典型的には、用途に必要とされる所望の色の光放出の調整を提供するように調整される。

全体的なナノロッド構造の長さは、典型的には８ｎｍ〜５００ｎｍの範囲、より好ましくは１０〜１６０ｎｍの範囲である。全体的なロッドの直径は、典型的には１〜２０ｎｍの間、より具体的には１〜１０ｎｍの間であり得る。典型的なナノロッドは、アスペクト比の長さ／直径が１．５より大きく、または優先的に３より大きい。サイズおよび組成の制御により、異方性ナノロッドの放出色を異なるサンプルに対して調整してディスプレイの必要な基本色を提供することができる。例えば、モノクロームディスプレイ用の単色バックライト光源には、単一の種類のロッドサンプルを使用することができ、または異なる色で発光する２以上の異なるロッドの組み合わせをカラーディスプレイに使用することができる。上記したように、ナノロッドの寸法、構造、および材料／化学組成（例えば、アスペクト比、幾何学的形状、コアの異なる組成および／またはナノロッドの様々なシェルなど）における変化は、一般に、その放出波長を制御するために使用される。例えば、放出の波長を制御するために、シードおよびロッドの直径変動が使用される。

ナノロッドは、各種類のナノロッドが、比較的狭い帯域幅を有し、可視スペクトルの波長範囲を有する光を放出するように構成される。一般に、ナノロッドは、ディスプレイ産業において一般的に使用される可視色（例えば、赤色、緑色および青色）の光を放出するように選択されるが、画像の品質を高めるために追加の色または色の組合せを使用することができる。典型的には、６０ｎｍ未満の全幅半値（ＦＷＨＭ）で光を放出するようにナノロッドを選択することにより、高品質の色を提供し、場合によっては４５ｎｍ以下の全幅半値を提供する。

ナノロッドは、ナノロッドの光学特性を向上させることができる分子リガンドによって覆われ／囲まれてもよく、いくつかの構成では、ナノロッドをＬＣ材料に共通に回転させるのを助けることができる。分子リガンドはまた、層内のナノロッドおよびＬＣの分散を増加させ、光学活性層内のナノロッドのより均一な分布を提供し得る。ナノロッドのリガンドカバレッジは、ナノロッドの合成段階で得られ得るか、またはナノロッドが合成された後に交換され得る。種々のリガンドを使用して、ナノロッドを水性または有機溶液に移す。

このように、ディスプレイ装置の画素構造を提供するために、光学活性層は、複数の画素領域で構成され、それぞれが１以上の波長範囲の光を放出するように選択されたＬＣおよびナノロッドを含む（典型的には、各画素は１色の光を放出するように構成される）。具体的には、光学活性層は、２つの（好ましくは透明な）基板の間に位置づけられ、構造に沿って（その表面に沿って）配置された複数の好ましくは透明な電極を、例えば基板の両方または一つの上に含み、異なる画素領域に適切な電場を選択的に印加することができる。

電極配置の異なる電極は、光学活性構造上に局部的な電場を生成し、それにより、層の画素領域を画定し動作させるように構成される。いくつかの構成では、少なくとも１つの基板は、配向層、例えば、ポリイミド材料、またはラビングすることによって構成された任意の他の材料によってコーティングされるか、または基板の平面に対して特定の方向にＬＣ材料の整列を提供することができる。上記したように、ＬＣ材料は、好ましくは、光学活性層の表面に平行に整列するように構成される。しかしながら、以下でさらに説明するように、ＬＣ材料の追加の配向を使用することができる。

図１Ａおよび図１Ｂを再び参照すると、光学活性構造は、入力ポンピング光（例えば、ＵＶ光）を吸収しながら、装置１００を通る可視光の伝搬を可能にし、その結果、オン状態と中間状態のナノロッドによって出力光を放出する。これに関連して、この構造は、構造の一方の側から到達する光の少なくとも１５％、好ましくは４０％以上がそこを伝搬することを意味する可視スペクトルの周囲光に対して光学的に透明であり得ることに留意されたい。

典型的には、本発明の光学活性構造における液晶材料の使用は、構造を通過する光の一部分がその偏光状態に従って反射または吸収されるため、そこを通過する光の偏光における回転をもたらす。光学活性構造および構造を利用するディスプレイ装置は、表示品質を向上させるために１以上の偏光子フィルタを利用してもしなくてもよいことがさらに理解されるべきである。かかる偏光子フィルタは、装置を通る周囲光の光学伝搬を低減することができる。

さらに、ポンピングエネルギー（例えばポンピング光）の有無にかかわらず、適用される場に対する光学活性構造の応答の正確なプロファイルは、実際には構造の複数の設計パラメータに依存する。これらのパラメータは、ＬＣナノロッド整列応答の測定、電場に対するナノロッドの応答（例えば、外部電場による消光放出）、光学活性ナノロッドの機械的特性、ＬＣ層中のナノロッドの濃度、およびＬＣおよびナノロッドに影響を及ぼす印加電場の周波数および波形を含む。

上記のように、本発明のいくつかの実施形態によれば、ＬＣおよびナノロッド層は、電場がゼロでオン状態、電場が印加されるとオフに切り替えられるように構成することができる。この構成は、ネマチック液晶を利用して提供することができる。いくつかの他の実施形態では、“オン状態”は電場の印加時に得られ、“オフ”状態は電場の印加なしで得られた装置の静止状態である。これは、様々な垂直配向（ＶＡ）種類の液晶ベースの装置で一般的に使用されているホメオトロピック液晶材料を用いて提供することができる。

図２Ａおよび２Ｂを参照して、本発明のいくつかの実施形態によるディスプレイ装置のオフ（図２Ａ）およびオン（図２Ｂ）の状態を示す。図２Ａは、埋め込まれたナノロッド１２を有するホメオトロピックＬＣ１４を示す。電極１０７によって電場が提供されると、ＬＣ材料の層は光学活性層と面内で回転し、それによって対応するナノロッドを回転させ、放出された光を層の外に向けることを可能にする。図に示すように、ＬＣ材料１４の層／領域は、層１０の全領域に沿ってその配向を変化させるように、またはＬＣ材料１４の一部分が回転し、一部が静止状態に置かれるように構成することができる。これは、光学活性ナノロッド１２を回転させて、ポンピング光１０８に応答したそこからの光学的放出１１０を可能にする。

図３Ａおよび３Ｂは、光学活性層のマルチドメイン垂直配向（ＭＶＡ）構成を示す。この構成は、ＬＣの整列を変化するために基板から延びるドメイン分離要素１１６を含む。一般に、図３Ａは電場無印加時のオフ状態を示し、図３Ｂは、領域に電場が印加されたときのオン状態を示す。ＬＣ／ナノロッド混合領域の１つまたは２つの側に分離特徴部（例えば、突起部）１１６が位置して、単一画素を規定する構造の領域内に液晶材料１４のマルチドメイン整列を生成する。

図４Ａおよび図４Ｂは、パターニングされた垂直配向（ＰＶＡ）層を利用する追加の構成を示す。この構成では、２つの分離された電極１１７が画素領域の近傍に位置づけられ、上部基板部分に等しい大きさの電圧を印加するように構成される。図４Ａは電場無印加時のオフ状態を示し、図４Ｂは、領域に電場を印加したときのオン状態を示している。かかる光学活性構造１００構成は、構造１００の単一の画素および／または単一面内に位置づけられたパターン化された電極１１７を含む電極配置の使用を可能にする。追加的または代替的に、電極要素の１以上は、特定の画素領域への選択的アクセスを提供するためにパターン化される。これは、他の電極要素がパターン化されていてもいなくてもよい。

電極配置は、構造１００の異なる画素領域に選択的かつ望ましく電場を印加するように構成された複数の電極要素１１７の配置を含むことができ、したがって、ディスプレイ装置は、光学活性構造を利用して所望の画像を形成する。本発明のいくつかの実施形態によれば、電極配置は、光学活性構造の一方の側から異なる画素領域に関連する複数の電極要素の配置、一方で、光学活性構造の他方の側に接地を提供する単一の電極要素の配置を含むことができる。いくつかの他の実施形態では、光学活性構造の両側は、複数の画素専用電極要素を利用することができる。また、光学活性構造（液晶材料）のマルチドメイン垂直配向（ＭＶＡ）構成を利用するいくつかの実施形態では、単一の画素は、画素領域の異なるドメインの１以上に印加される電場を変化させる複数の電極要素に関連付けられている。

液晶材料のいくつかの追加の構成およびその配向の制御、例えば、ポリマー安定化垂直配向（ＰＳ−ＶＡ）層を利用することができる。ナノロッドを含むＬＣ材料の配向は、活性層中に（例えば、液晶材料と接触して）重合可能な添加剤（例えば、反応性メソゲン）層を添加することによって安定化され最適化され得る。これにより、スイッチング性能を向上させることができ、図３Ａ（要素１１６）に示される突起配置は省略してもよい。

ＶＡベースの装置のいくつかでは、オン状態は、垂直に向けられていないが水平方向にあり、したがって必ずしも均一に整列されていないナノロッドを含むことができる。例えば、ＭＶＡ（図３Ａおよび３Ｂ）およびＰＶＡ（図４Ａおよび４Ｂ）種類の構造では、画素の異なる領域は、基板平面上の水平投影に対して異なる角度で整列されたナノロッドおよび液晶分子を含むことができる。加えて、ＶＡベースの装置は、追加の電極パターニング特徴および図１Ａおよび１Ｂに示された特徴とは異なる整列特徴を有することができる。

上記した光学活性構造１００は、本発明のいくつかの実施形態によれば、ディスプレイ装置におけるパターン化された光放出構造として使用することができる。この目的のために、ディスプレイ装置は、典型的には、光学活性構造、および構造の所望の画素領域に選択的に電場を印加するように構成された電極配置を含むことができる。これにより、選択された画素をオン状態とオフ状態との間で切り替えることが可能になり、それによって観察者に見える画像が生成される。典型的には、光学活性構造は、隣接する画素領域が、異なる３以上の波長範囲（色）の光を放出するナノロッドを含むように構成されてもよい。典型的には、かかる異なる色は原色、例えば、赤色、緑色および青色を含み；混合することによりフルカラー画像を提供する。いくつかの構成では、光学的活性構造は、４以上の異なる色の画素領域を含み、それによって画像品質の向上を可能にする。

これに関連して、図５Ａおよび５Ｂは、本発明のディスプレイシステム２５０の例示的な部分を概略的に示しているが、ディスプレイシステム部分２５０は、上記のディスプレイ装置の画素の２次元アレイのうちの３つの画素を含む。上記の電子的接続および制御構造は、図示を簡略化するために特に示されていない。画素アレイ２２０は、選択された（異なる）放出特性のナノロッド材料を選択された異なる画素領域内に置くことによって形成される。一般的には、画素領域は、電極要素の領域に影響を与えることによって、すなわち電極配置によって、画定され得ることに留意すべきである。しかしながら、いくつかの構成では、いくつかの構成において、画素間でＬＣとナノロッドとの混合を防ぐために、異なる隣接画素領域をそれらの間で物理的に分離することができる。

図５Ａおよび図５Ｂに示す例では、各画素または各行／列の画素は、異なるナノロッド群からの材料で構成され、隣接する領域の画素からセパレータ２１０によって分離される。セパレータ２１０は、隣接する画素領域の材料を分離するように構成され、画素領域間の光の漏れを防止するために、対応する画素およびその隣接画素から放出される光の遮断または吸収を提供することもできる。この目的のために、分離領域２１０の材料組成は、好ましくは、可視スペクトル範囲の光、または少なくとも対応するナノロッドの発光の波長範囲の光に対して高い吸光度および低い反射率を有するものとして選択することができる。例えば、セパレータ２１０は、吸収顔料を有する樹脂または他の適切な材料で構成されてもよい。

さらに、図５Ａおよび図５Ｂに例示されるように、ディスプレイシステム２５０は、異なる色２２１、２２２、２２３のフィルタセルのアレイを有する追加のカラーフィルタ層２２０を利用することができる。フィルタセルのアレイは、典型的には、各フィルタセルが画素領域に応答するように、画素配置に整列される。そして、画素領域の発光色に基づいて画素領域とフィルタセルとがペアになる。カラーフィルタ２２０は、隣接する画素領域からの光漏れおよび／または周囲光の漏れを低減するのを助けるように構成される。

本発明のいくつかの実施形態では、ディスプレイシステム２５０は、隣接画素間にセパレータ２１０を使用する必要なしに構成できることに留意されたい。この目的のために、異なる選択された波長範囲で発光する選択されたナノロッドの混合物は、１以上の画素領域内で一緒に混合され、それによって２以上の色、典型的には赤色、緑色および青色の混合放出を生み出す。したがって、一般的に白色光照明を提供する。異なる画素領域からの発光を変化させるための電極配置の動作は、異なる色のナノロッドの発光に影響し、一般に、対応する画素領域からの光放出強度を制御する。

カラーディスプレイ、すなわち異なる色で発光する異なる画素を有するディスプレイを提供するために、ディスプレイシステム２５０は、異なる画素領域の発光をフィルタリングするカラーフィルタセル２２１、２２２、２２３によって例示される、カラーフィルタアレイを利用し、異なる画素に異なる色の光を放出させる。この構成は、よりエネルギー効率の低いディスプレイを提供することができるが、境界領域構造（セパレータ２１０）の使用を必要としないことがあり、これは製造の複雑さを低減する。

本発明によるディスプレイシステム２５０は、光放出を変調するために任意の偏光フィルタを伴っての例示はなされず、また使用する必要もないことに留意されたい。これは、液晶材料の偏光回転特性に依存する大部分の液晶ベースのディスプレイとは正反対である。さらに、従来のＬＣベースのディスプレイシステム、およびほとんどの従来のディスプレイシステムは、光の伝搬の遮断に基づいている。これに対して、本発明のディスプレイシステムは、異なる画素領域内のナノロッドによる光放出の変調に基づいている。本発明のディスプレイ装置の放出は、光放出ナノロッドの光学励起を得て、そこから蛍光をもたらす。

さらに、ディスプレイ装置上に画像を生成するために放出された光の変調は、ナノロッドの吸収特性および放出特性の変調によって提供される。部分的には、変調効果は、双極子エミッタ（すなわち、ナノロッド）の指向性に基づき、ナノロッドの放出の消光を誘発し、ポンピング光の吸収およびナノロッドの異なる配向に対するこの影響の変化を低減する電場を生成する。したがって、本発明のディスプレイシステムは、より高い光伝搬性（ディスプレイシステムの透明性）を提供するように構成することができる。ディスプレイシステムを通る周囲光の伝搬率は、一般に、ナノロッドの濃度ならびに画素アレイの充填率および可視範囲内のナノロッドの吸収に依存する。

しかしながら、ここでは特に示されていないが、１以上の偏光子フィルタがディスプレイシステム２５０において依然として使用されてもよいことに留意すべきである。一般的に、１以上の偏光子フィルタは、オン状態とオフ状態との間のさらなるコントラストを提供するために、上部基板の上、すなわち視聴者に向けて配置することができる。偏光フィルタは、ナノロッドの固有の偏光放出を利用することができ、そのオフ配向では、いかなる小さな放出強度も、異なる偏光の光成分を含むという事実を利用することができる。本発明によるディスプレイシステム２５０の文脈で使用される“コントラスト”または“コントラスト比”という用語は、通常のＬＣＤ装置内の白画素と黒画素との間の比を測定する一般的に使用される用語を指すものではない。本明細書で使用されるこれらの用語は、オン状態およびオフ状態の画素領域からの蛍光放出の比の尺度を規定し、したがってコントラスト比は実際にディスプレイの透明度レベルに関係する。

上記したように、オン状態では、ナノロッドは、光学活性構造内、すなわち構造／層の表面に平行に整列され、したがって、そこから放出された光は、ナノロッドの整列方向に沿って実質的に偏光される。これは、オフ状態では、ナノロッドがその先端に“立って”整列、すなわち、ディスプレイシステムの表面に垂直な観察者に向かう光の伝播の全体的な方向に平行に整列され、したがって、好ましい整列または偏光の無い光を放出する。
したがって、偏光子は、オフ状態で放出された非偏光光の約５０％を遮断し、オン状態で放出された偏光光の大部分を伝搬するので、偏光子フィルタを使用するとコントラスト比をほぼ倍にすることができる。ただし、オフ状態の光放出は実質的に無視できる程度に構成されている。この効果は、画素領域内の比較的均質な液晶配向を利用したディスプレイ装置において最も重要であることにさらに留意されたい。これは、典型的には、画素領域のマルチドメイン型構成が、偏光子フィルタの使用に利益をもたらさない場合があるからである。

したがって、上記のように、本発明の光学的に透明なディスプレイシステム／装置は、伝搬された背景シーンの光上に画像を提示しながら、装置の背後に位置するシーンの光を伝搬することができる。この用途では、ＬＣスタックで生じる光吸収を低下させるという利点がある。図６は、本発明のいくつかの実施形態による透明ディスプレイ装置２５０の層状構造を概略的に示す。ディスプレイ装置２５０は、一般に、低散乱および高透過率を有し、ポンピング光源３１０によって放出された光をＬＣスタック上、および、典型的には、光学活性構造の画素領域に近接して位置づけられた複数の電極要素を含む電極配置３５０によって動作可能な装置の光学活性構造／層３８０上に向けるように構成された光ガイド層３０５を含むことができる。

ＬＣスタックは、２つの透明支持基板１０２および１０４と、それらの間に位置する光学活性ＬＣ／ナノロッド層３８０とを含むことができる。ここには示していないが、場合によっては、光ガイドを遠隔ポンピング光源に置き換えることもできることに留意されたい。図６に示すような光ガイド３０５は、ディスプレイ装置２５０の後ろの領域に開放ＵＶランプを必要とせずに提供され得るポンピング光を示す。上記のように、ディスプレイ装置２５０は、ＬＣスタック上に置かれ、各画素領域の所望の出力色（放出光の波長範囲）に対応する一つ以上のカラーフィルタ２２０を含んでもよい。

本明細書で例示されるディスプレイ装置２５０の光学スタックは、１つの上部偏光子３３０、２つの偏光子（上部偏光子３３０および下部偏光子３４０）、１つの下部偏光子３４０を含むか、または偏光子なしで構成されてもよい。異なる偏光子の構成は、選択された用途に対応する異なる利点および性能を提供する。図６はまた、ディスプレイ装置２５０の背面に位置づけられた機械的または電子的に変調された光遮断器／拡散器、または“スマートガラス”層３８５を示す。スマートガラス層３８５は、以下でさらに詳細に説明するように、一般に、それを通した光伝搬を選択的に伝搬または遮断するように構成される。

さらに、ディスプレイ装置２５０は、光学スタックに沿って選択された位置に置かれた１以上の任意の光リサイクル要素（特に図示せず）を含むことができる。これらの光リサイクル要素は、選択的な波長伝搬特性または選択的な偏光特性を有することができる。例えば、ポンピング光（例えば、ＵＶ光）を反射するフィルムは、カラーフィルタ２２０の下の様々な位置に置かれてもよい。かかるポンピング光リフレクターは、好ましくは光学活性構造３８０の電極側に置かれ、ポンピング波長範囲の光を反射し、放出された波長範囲の光（例えば、可視光）を伝搬するように構成される。かかる光リサイクルおよび反射要素は、ナノロッドによる光放出を改善し、および／または所与のポンピング源強度に対する放出強度を維持しながら、より少ない材料（光学活性構造３８０におけるナノロッドの量）の使用を可能にするように構成され得る。

より少ない材料が必要な場合、電極間のギャップは、ＬＣ濃度の同じナノロッドについてより小さくなり、したがって、いくつかの構成では、同じ電圧に対してより高い電場の使用を可能にする。これは、より高い電場を利用した印加電圧によるナノロッドの放出のより大きな消光をもたらすことができる。追加の反射光学要素３２０を光ガイド３０５の下に配置することができ、反射光学要素３２０は、好ましくは、ポンピング波長に対して高い反射率を有し、可視光に対して高い伝搬率を有するように構成され、よりポンピング光を光学活性ＬＣ／ＮＲ層３８０に向ける。

上記したように、本発明のディスプレイ装置は、用途によっては、所望の性能を得るために偏光子を使用しないことによって利益を得ることができる。この場合、画素領域のオン状態では、ナノロッドが光を放出することで、ディスプレイ上に画像を生成することができる。オフ状態の画素領域は、ほとんど透明であり、蛍光光を放出しない。この構成では、高い伝搬率が得られ、偏光子の使用を省略すると、透過率およびポンピング光伝搬率で５０％以上の利得を提供することができ、下部偏光子によって遮断されない。これに対して、１つまたは２つの偏光子が使用される場合には、ある光強度が遮断または反射される。カラーフィルタ層２２０を省略して伝搬率を約３倍（例えば、白色光の場合）高くすることも可能である。この場合、異なる画素領域は、上記した画素領域の放出の所望の色に対応する異なる選択された光放出特性のナノロッドを含むように構成される。

いくつかの用途では、特定の性能を得るために１つまたは２つの偏光子を使用する利点がある。いくつかの実施形態では、光学活性構造３８０またはその光学スタックの２つの側に２つの偏光子３３０および３４０を使用することが可能である。例えば、偏光子の相対的方向の選択、ＬＣラビング方向およびＬＣの複屈折特性は、様々な所望の表示特性を提供する。いくつかの実施形態では、頂部３３０および底部３４０の偏光子は、ナノロッド材料の方向と同じ方向に整列されてもよい。

このような構成では、ＬＣ材料は、入力された偏光光を９０度回転させるように構成され、したがって、放出された光を上部偏光子３３０によって遮断させる。これは、ナノロッド材料の最大の蛍光を提供しながら、オン状態の背景シーン光成分（図１〜図４の１０９）を遮断する。オフ状態では、ＬＣ材料は垂直に整列され、したがって、それを通過する光の偏光を回転させない。これは、ナノロッドも垂直に整列され、実質的に発光しない間である。したがって、この構成では、オフ状態は透明画素を提供し、オンは画素強度を提供し、背景シーン光を遮断する。

図７を参照して、筐体（例えば、ショールームボックス、冷蔵庫など）４１０、本発明の透明ディスプレイ装置４２０、物体４３０（この場合は１ペアの靴）、および、ナノロッドにポンピングエネルギーを提供するためにＵＶまたは紫色光線４５０のポンピング光を放出するように構成された光源４４０を含む、透明ディスプレイシステム４００を示す。一般に、ポンピング光源４４０とディスプレイ装置４２０の光学活性構造との間の距離は、表示サイズ、筐体の寸法および構成、ポンピング光源の照明プロファイルに従って選択することができる。

例えば、レーザの種類のポンピング光源を利用することにより、距離を非常に大きくすることができる。しかしながら、典型的には、ポンピング光源４４０とディスプレイ装置４２０との間の距離は、数センチメートルから１または２メートル（例えば、２ｃｍから２００ｃｍ）の間であり、ポンピング強度および均一な照明を維持する。さらに、典型的には、ポンピング光源４４０とディスプレイ装置４２０との間の距離は、より大きいディスプレイ面積のためには増加し、より小さい表示面積のためには減少する。

オブジェクト４３０（ここには図示せず）を照明するために、追加のライティングを含めることができる。いくつかの実施形態では、ポンピング光４５０またはポンピング光の一部は、例えば、図６に示すような導波路に取り付けられたＬＥＤまたはＣＣＦＬによるエッジ照明を使用する別々の透明バックライトによって提供されてもよい。別の実施形態（図示せず）では、ポンピング光は、ディスプレイ装置の視聴者側からディスプレイに向けられ得る。

いくつかの実施形態では、ＵＶポンピング光は、偏光され、好適な所望の偏光方向にディスプレイ装置に向けられてもよい。ＵＶ偏光方向がオン状態のナノロッドの長軸方向と一致する場合、ナノロッドは、入力偏光方向に敏感でないオフ状態と比較して、増加した吸光度を提供する。これにより、コントラスト比をさらに２倍に高めることができる。ディスプレイ装置は、追加のフィルタ、例えば、波長選択フィルタを含んでもよく、ディスプレイ装置によって放出され、観察者に向かって伝播する光の光路に位置づけられる。

追加のフィルタは、ポンピング波長範囲の光、UV（UVA）光または紫色光、の通過を遮断および/または拡散し、背景および/または放出光のような可視波長範囲の光を伝搬するために使用することができる。 追加フィルタは、ディスプレイ自体に吸収されない光を吸収するように構成することができる。 ポンピング光は視認性がないか、または視認性がほとんどないので、ポンピングを増加させて、ディスプレイがルミネセンス画像を提供できるようにすることが可能である。 これにより、可視光を用いて物体の照明をポンピング光を使用するディスプレイの照明から分離することが可能になる。 これは、同じ可視光がディスプレイを有効にし、オブジェクトおよびその周囲を照らすために使用される通常の透明ディスプレイよりも有利である。

ディスプレイが出力するために必要な光量は周囲の周囲光レベルに応答して変化し得るので、本発明のディスプレイ装置は、観察者側のディスプレイの近くにフォトセンサを含み、場合によってはフォトセンサディスプレイのオブジェクト側にも含んでよい。これらのセンサは、その周囲の光強度を検出し、その光レベルを、ポンピング光の強度を変調するように構成されたコントローラモジュールおよび対象物を照らす可視光を、ディスプレイに最適なライティング条件を提供するように送信するように構成される。例えば、昼光の場合、ポンピング光の強度は、視聴者を囲む高強度周辺光に一致するように増加されるべきである。これは、夜間（相対的な暗さ）には、画面の明るさを周囲の明るさに調整するために、ポンピング光を低減させるべきである。この例では、対象物に向けられた可視光線は、昼光（暗い）においても同様に増加（低減）することができる。

いくつかの実施形態では、本発明による透明ディスプレイ装置は、１以上の選択的光フィルタリング要素と共に使用され、ディスプレイ装置がその透明モードまたは非透明モードのいずれかで動作することを可能にする。より具体的には、選択的な光フィルタリング要素を使用して、ディスプレイ装置を蛍光非透明ディスプレイに変換すること、すなわち、“レギュラーモード”機能を有することにより、装置の後からの光が観察者に届くのを防ぎながら、異なる画素領域によって生成された画像の表示を提供する。選択的光フィルタリング要素は、透明ディスプレイ装置のバックライト入力と、図６（要素３８５）に示されるようにディスプレイの背後に位置するオブジェクト／シーンとの間に位置する遮断／拡散層であってもよい。遮断／拡散層は、任意の物体および／またはディスプレイ装置の背後に位置するシーン全体からの光を遮断するか、または少なくとも強く拡散させることができる。

遮断／拡散構成要素を使用することにより、ナノロッドによって放出された蛍光光が、ディスプレイを介して背景シーン光の伝搬を回避しながらディスプレイ上に画像を形成することが可能になる。追加の機械的スクリーンまたはシャッターを使用して、背景シーン光の所望の遮断および／または拡散を提供するように、手動または電子制御によって位置づけることができる。好ましくは、遮断／拡散要素は、ポンピング光をディスプレイに反射して、ポンピングエネルギーをディスプレイ装置のナノロッドに提供するように構成される。

代替的にまたは追加的に、１以上の電子的に制御された透明媒体が選択的な光フィルタとして使用されてもよく、かかる選択的伝搬層が図６（要素３８５）に例示される。電子的に制御された透明媒体は、それを通る光の伝搬に関して透明または不透明／拡散のいずれかであり得る。かかる電子的に制御されるフィルタは、一般に“スマートウィンドウ”として知られている。

“スマートガラス”ディスプレイ装置は、本発明の装置に装置の少なくとも１つの表面上に所望の画像を表示することを同時かつ独立して可能にしながら、装置を通して背景シーン光の伝搬を選択的に許可または遮断するように構成することができる。高透明性と遮光性または光拡散性の状態との切り替え、ならびに表示画像の変化は、上記のような電極配置ならびに遮断／拡散要素および場合によってはポンプ光源および物体光源に接続された専用の制御ユニットによって提供される。“スマートグラス”装置は、電気泳動装置、エレクトロウェッティング装置、懸濁粒子装置（ＳＰＤ）、エレクトロクロミック装置、ポリマー分散液晶装置、およびマイクロブラインドなどの装置の技術を利用して、様々な物理的および化学的現象を使用することができる。

上記に挙げられていない追加技術を使用して、同様の機能を提供することができる。“スマートグラス”要素は、電圧の電気的制御によって不透明および／または拡散層を提供することができ、透明ディスプレイを簡単な電気制御で通常のディスプレイまたは遮光スクリーンに変換することができる。“スマートグラス”はまた、光放出出力を増加させるためにＮＲ−ＬＣ層にポンピング光を反射して戻すように構成することもできる。

したがって、本発明は、光学活性層を利用したディスプレイ装置を提供する。活性層は、ポンピング光に応答して望ましく変調された照明を提供するためのＬＣ材料および光放出ナノロッドを含む。装置は、装置の背後に位置する物体の背景光の伝搬の上にカラー画像を提供することができる透明ディスプレイを提供するように構成されてもよい。当業者であれば、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の実施形態に様々な修正および変更を適用できることを容易に理解するであろう。

Claims (34)

1. 所望の画像を生成するパターン化された照明を生成するように構成された光学活性構造を含むディスプレイシステムであって、光学活性構造は、ポンピングエネルギーに応答して所定の波長範囲の出力光を放出するように構成された光学活性ナノロッドを含む少なくとも１つの層、および液晶材料を含む、前記ディスプレイ装置。
2. ディスプレイ装置が可視光に対して少なくとも部分的に透明である、請求項１に記載のディスプレイ装置。
3. 前記少なくとも１つの層が、液晶材料の配向における変化が光学活性ナノロッドの配向における対応する変化をもたらすような前記光学活性ナノロッドおよび前記液晶材料の混合物を含む、請求項１または２に記載のディスプレイ装置。
4. 前記光学活性ナノロッドが、第１の所定の波長範囲の光学ポンピングとなるポンピングエネルギーに応答するように構成されることで、１以上の第２の波長範囲の光を放出する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のディスプレイ装置。
5. 前記第１の波長範囲が、紫色光および紫外光波長の少なくとも１つを含み、前記１以上の第２の波長範囲は可視光を含む、請求項４に記載のディスプレイ装置。
6. 前記光学活性構造が、前記液晶材料上に電場を選択的に印可するように構成された電極配置を含むことで、その配向における変化をもたらす、請求項１〜５のいずれか一項に記載のディスプレイ装置。
7. 前記電極配置が、前記光学活性構造の別々に操作される複数の画素領域を画定する複数の電極要素を含む、請求項６に記載のディスプレイ装置。
8. 前記光学活性ナノロッドが、２以上の種類のナノロッドを含み、各ナノロッドの種類は、所定の異なる波長範囲の光を放出するナノロッドの寸法および構造および組成に従って選択される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のディスプレイ装置。
9. 前記２以上の種類のナノロッドが、少なくとも３つの種類のナノロッドを含み、各種類は原色に応答した所定の波長範囲の光を放出するように選択される、請求項８に記載のディスプレイ装置。
10. ディスプレイ装置が、第１の波長範囲の光学ポンピングの形態におけるポンピングエネルギーを提供するように構成されるポンピング光源を含むことで、前記光学活性ナノロッドが１以上の第２の波長範囲の光を放出することをもたらす、請求項１〜９のいずれか一項に記載のディスプレイ装置。
11. 前記ポンピング光源が、前記光学活性構造から所定の距離に位置するように構成され、前記所定の距離が１センチメートルより大きい、請求項１０に記載のディスプレイ装置。
12. 不要な波長範囲の光を除去するように構成される少なくとも１つのフィルター層をさらに含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のディスプレイ装置。
13. 前記フィルター層が、紫外照明の伝搬を遮断し、可視スペクトルの伝搬を許容するように構成される、請求項１２に記載のディスプレイ装置。
14. 前記液晶材料および前記光学活性構造の光学活性ナノロッドが、構造の特定の領域における前記液晶材料の配向における変化が前記領域における前記光学活性の回転の変化をもたらすように混合されることで、ポンピングエネルギーに応答して前記ナノロッドからの光学的放出を増加または低減させる、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のディスプレイ装置。
15. 液晶材料および対応するナノロッドの配向の変化が、ナノロッドがその長軸に整列して光出力伝播の全体的な方向に平行になるオフ状態、およびナノロッドがその長軸に整列して前記少なくとも１つの層の表面に平行になりポンピングエネルギーに応答して光を放出するオン状態を提供する、請求項１〜１４に記載のディスプレイ装置。
16. 光学活性構造がさらに、液晶材料の配向に関連した１以上の中間状態を提供することで、１以上の画素領域からの光学的放出の１以上の中間レベルを可能にするように構成される、請求項１５に記載のディスプレイ装置。
17. 少なくとも１つの層を含む光学活性構造であって、該少なくとも１つの層は前記少なくとも１つの層内に共に混合される液晶材料および複数の光学活性ナノロッドを含み、液晶材料の１つの配向において、ナノロッドは、１以上の所定の第２の波長範囲の光を第１の強度レベルで放出することによって第１のポンピング波長範囲の入力放射に応答し、液晶材料の他の配向において、ナノロッドは、第２の強度レベルに低減される、前記光学活性構造。
18. 光学活性ナノロッドが、前記少なくとも１つの第２の波長範囲の光を放出する組成および幾何学的形状を有するように構成される、請求項１７に記載の光学活性構造。
19. 液晶材料が、外部電場に応答してその配向を変化させるように構成され、したがって液晶材料の配向における変化が、前記光学活性ナノロッド回転をもたらすことで、ナノロッドによる光の放出を変化させる、請求項１７または１８に記載の光学活性構造。
20. 前記液晶材料の配向における変化が、ナノロッドからの光放出の連続的な変化を提供する、請求項１９に記載の光学活性構造。
21. 光学活性ナノロッドにおける液晶材料が、１つの配向状態における構造の表面に平行な所定の軸に沿って整列し、他の配向状態における構造の表面に垂直な所定の軸に沿って整列するようにその配向を変化させる、請求項１９または２０に記載の光学活性構造。
22. 液晶材料が、負の誘電異方性を有する、請求項１７〜２１のいずれか一項に記載の光学活性構造。
23. 構造の複数の別々に操作可能な画素を画定する複数の電極要素を含む電極要素配置をさらに含み、前記電極要素配置の電極要素は、対応する画素に電場を選択的に印可することで、液晶材料および光学活性ナノロッドの回転をもたらすように構成される、請求項１７〜２２のいずれか一項に記載の光学活性構造。
24. ２以上の種類の光学活性ナノロッドを含み、各種類は、他の種類のナノロッドの波長範囲と異なる選択された波長範囲における光学的放出を提供するように選択される材料組成および幾何学的形状を有する光学活性ナノロッドを含む、請求項１７〜２３のいずれか一項に記載の光学活性構造。
25. 異なる種類の光学活性ナノロッドが、構造の複数の画素領域に配置されることで、放出光の空間選択的および一時的な変化によるカラー画像形成を可能にする、請求項２４に記載の光学活性構造。
26. 前記光学活性構造、液晶およびその光学活性ナノロッドが、可視スペクトルの光に光学的に部分的に透明になるように構成され、前記光学活性ナノロッドが、紫外（ＵＶ）または紫色照明を含む第１の波長範囲におけるポンピング光に応答して可視スペクトルの光を放出するように構成される、請求項１７〜２５のいずれか一項に記載の光学活性構造。
27. 液晶材料が、ネマチック液晶材料を含む、請求項１７〜２６のいずれか一項に記載の光学活性構造。
28. 前記液晶材料と物理的に接触して位置する少なくとも１つの配向層をさらに含み、前記少なくとも１つの配向層が、その静止状態において液晶材料を配向するように構成される、請求項１７〜２７のいずれか一項に記載の光学活性構造。
29. 前記少なくとも１つの配向層が、ポリマー安定化垂直配向層を含む、請求項２８に記載の光学活性構造。
30. 構造の１以上の側で液晶材料およびナノロッド材料に物理的に接触して位置する１以上のドメインセパレータをさらに含むことで、液晶材料および対応するナノロッドのマルチドメイン整列を提供する、請求項１７〜２９のいずれか一項に記載の光学活性構造。
31. ディスプレイ装置における使用のために構成された、請求項１７〜３０のいずれか一項に記載の光学活性構造。
32. ディスプレイ装置であって、第１のポンピング波長範囲の光学照明を提供するように構成されるポンピング光源と、請求項１７〜３１のいずれか一項に記載の光学活性構造と、光学活性構造の所望の画素領域に電場を選択的に印可することで、ディスプレイ装置の所望の画素領域におけるナノロッドの光放出を変調するように構成される電極配置とを含む、前記ディスプレイ装置。
33. ディスプレイ装置が、可視波長範囲の光に対して少なくとも部分的に透明である、請求項３２に記載のディスプレイ装置。
34. 装置とその背景から到達する光との間に位置するブロッキング／拡散層をさらに含み、ブロッキング／拡散要素は、装置の背景から到達する所定の波長範囲の光を選択的に遮断または拡散するように構成される、請求項３２または３３に記載のディスプレイ装置。