JP3998247B2 - パララックスバリア - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パッシブ型偏光変調光学素子および、そのような素子を備えた光学装置に関する。本発明はまた、パッシブ型偏光変調光学素子を作成するための方法に関する。そのような素子は、例えば自動立体タイプ等の３次元（３Ｄ）ディスプレイに使用し得る。そのようなディスプレイは、ゲーム機器、コンピュータ用モニタ、ラップトップディスプレイ、ワークステーションならびに、医療、設計または建築用途の業務用イメージングに用い得る。
【０００２】
本発明は、パララックスバリヤおよびディスプレイに関する。このようなディスプレイは、切り替え可能な２次元（２Ｄ）／３次元（３Ｄ）として用いることができ、ゲーム機器、コンピュータ用モニタ、ラップトップディスプレイ、ワークステーションならびに、医療、設計または建築用途の業務用イメージングに用い得る。
【０００３】
【従来の技術】
通常の視界において、人間の２つの目は、空間的に離れて頭部に位置していることから、２つの異なる視点から見た世界の眺め（ビュー）を知覚している。これらの２つの視点は次に、風景中の様々な物体への距離を見積もるために脳によって用いられる。効率的に３Ｄイメージを表示するディスプレイを提供するためには、この状況を再現し、いわゆる「立体イメージ対(stereoscopic pair of images)」を構成するイメージを、観察者の両眼に１つずつ供給することが必要である。
【０００４】
大部分の３Ｄディスプレイは、異なるビューを目に供給するためにどの技術を用いるかに基づいて、２つのタイプに分類され得る。「立体(stereoscopic)」ディスプレイは典型的には、広い観察領域にわたってイメージの両方を表示する。しかし、ビューの各々は、例えば色、偏光状態または表示時刻によってエンコードされているため、観察者が着用する眼鏡状のフィルタシステムによってこれらのビューを分離し、各々の目が対応するビューのみを見ることを許可するように試みている。
【０００５】
「自動立体(autostereoscopic)」ディスプレイは、観察者が視覚的補助具を着用することを必要としない。かわりに、２つのビューは空間上の規定された領域からしか見えない。ディスプレイのアクティブ領域の全体にわたってあるイメージを見ることができる空間領域を、「観察領域」と呼ぶ。一方の目が一方の観察領域内にありかつ他方の目が他方の観察領域内にあるように観察者が位置するとき、正しいビューのセットが見られ、３Ｄイメージが知覚される。
【０００６】
「フラットパネル」タイプの自動立体ディスプレイにおいて、観察領域は、ディスプレイの画素構造と、通常パララックス部材(parallax optic)と呼ばれる光学素子との組み合わせによって形成される。そのような光学部材の一例としてパララックスバリヤがある。この素子は、不透明領域によって隔たれた垂直な透光性スリットを有する、スクリーンである。このタイプのディスプレイを図１に示す。液晶型の空間光変調子（SLM）１は、１対のガラス基板２と、その間に挟持された、液晶層ならびに関連電極および配向層を有している。バックライト３は、SLM１を背後から照明し、パララックスバリヤ４は、SLM１の前面に設けられている。
【０００７】
SLM１は、画素開口部の２Ｄアレイを有している。画素は、ギャップ６によって分離された列状（５）に構成されている。パララックスバリヤ４は、画素列５の水平ピッチの整数倍に近い水平ピッチを有する、垂直方向に延びたスリット７を有しており、各スリットに対して画素列のグループが対応している。図１に示すように、列１、２および３として示す画素列は、パララックスバリヤ４の各スリット７に対応付けられている。
【０００８】
パララックスバリヤ４のようなパララックス部材の機能は、画素を透過する光を、所定の出力角度に制限することである。この制限は、対応するスリットの後部に位置する各画素列の視野角を、規定する。各画素の視野角度範囲は、画素幅および画素を含む平面とパララックス部材との間の隔たりによって、決定される。図１に示すように、各スリット７に対応する３つの列５は、各観察ウィンドウから見られ得る。
【０００９】
図２は、SLM１およびパララックスバリヤ４から生成される角度ゾーンを示している。図２においてパララックスバリヤのスリットは、画素列ピッチの正確な整数倍に等しい水平ピッチを有している。この場合、ディスプレイ表面横方向上の異なる位置からの角度ゾーンは互いに混ざりあい、イメージ１またはイメージ２だけを純粋に観察し得るゾーンは存在しない。このように、観察者の目の各々は、ディスプレイ全体にわたって１つだけのイメージを見ることはなく、むしろ、ディスプレイ表面上の異なる領域において異なるスライス状イメージを見ることになる。この問題を解決するために、パララックス部材のピッチをわずかに減少させ、角度ゾーンが、ディスプレイ前面の所定の平面上（一般に「ウィンドウ平面」として知られる）に集光するようにする。このパララックス部材のピッチの変化を、観察ポイント補正(view point correction)と呼び、図３にその原理を示す。ウィンドウ平面を８として示し、その結果得られる観察領域を、実質的に凧状の形状を有する観察領域９および１０として示している。観察者の左右の目がそれぞれ観察領域９および１０内に維持されるとすれば、各々の目はディスプレイ全体にわたって対応する１つのイメージのみを見ることになり、その結果として観察者は３Ｄ効果を知覚することができる。
【００１０】
ウィンドウ平面８は、ディスプレイの最適観察距離を規定する。この平面内に両目が位置するような場所にいる観察者は、ディスプレイの最高の性能を享受することができる。目がこの平面内において横方向に移動する際、ディスプレイ上のイメージは、両目が観察領域９および１０の端部に達するまで維持され、一方の目が隣接する観察領域内に移動する際、表示全体が素早く次のイメージに変わる。各観察領域内のウィンドウ平面の線を、一般に「観察ウィンドウ」と呼ぶ。
【００１１】
図４に示す自動立体ディスプレイは、パララックスバリヤ４がSLM１の背面に設けられている点において図１に示すものとは異なっている。この構成は、バリヤ４がSLM１の背後に設けられているため、損傷を受けにくいという利点を有する。また、パララックスバリヤ４背面の不透明部分を反射性にしてスリットに入射しない光を再利用することにより、ディスプレイの光効率が改善され得る。
【００１２】
パララックスバリヤ４とSLM１との間に、切り替え可能散乱器１１が示されている。このような散乱器は、低散乱状態すなわち実質的な透明状態と高散乱状態との間で切り替え可能な、高分子分散型液晶を有するものであってもよい。低散乱状態においては、ディスプレイは前述のように自動立体３Ｄディスプレイとして動作する。散乱器が高散乱状態に切り替えられると、光線が散乱器を通過する際に屈曲され、均一な分布、すなわち「ランベルト分布」(Lambertian distribution)を形成し、パララックスバリヤ４の効果を無効にして、観察領域を形成させなくする。従ってこのモードにおいて、ディスプレイは従来の２Ｄディスプレイとして働くが、SLM１のフル空間的解像度を２Ｄイメージの表示のために利用することが可能になる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の各ディスプレイにおいて、その基本原理は、SLM１の全画素の１部分集合が、任意の時刻において各々の目によって観察され得ることである。従って、観察領域において呈示された各ビューは、SLM１のフル解像度の１部分のみを使用する。典型的な２ビュー空間多重型自動立体ディスプレイにおいては、各々の目はフル解像度の半分のみのイメージしか知覚し得ない。３ビューシステムにおいては、各々の目の解像度は１／３でしかない。従って、複雑で小さなキャラクター、例えば文字およびイメージ中の詳細部などは、悪影響を受け得る。詳細な２Ｄ情報の表示時においてSLM１のフル解像度が各々の目に観察されるようにするためには、パララックスイメージングシステムをオフにするあるいは無効にできるような何らかの手段をディスプレイ中に設けることが望ましい。図４に示す切り替え可能散乱器１１はそのような切り替えを提供するものであるが、これはディスプレイのコストおよび複雑さを増す結果となる。
【００１４】
US2 631 496号に、単一の画像(picture)に基づいた自動立体ディスプレイが開示されている。このディスプレイにおいては、交互に垂直に方向付けられた偏光子のストライプを有する偏光素子によって、パララックス素子が提供されている。この偏光素子は、垂直列状に直交する偏光によってエンコードされた左右ビューからなるイメージと、作用する。イメージストリップ列毎に、エンコーディング状態が交替する。この結果、偏光素子は、パララックスバリヤと同様に機能するが、マーク／スペース比（すなわち各実効スリット幅対各実効不透明領域の比）が、実質的に１に等しい。この結果、比較的高いクロストークが生じ、観察者にとっては観察自由度が低い。このような構成は、イメージアーチファクトが発生することなしには、フル解像度での２Ｄ観察モードを可能にし得ない。
【００１５】
Proc.SPIE vol. 2177、p.181 「Novel 3D Steroscopic Imaging Technology」、S.M.Faris、1994に、外部マイクロ偏光子を使用することによって、立体ディスプレイとしても自動立体ディスプレイとしても動作し得るディスプレイが、開示されている。特に、２つのマイクロ偏光子シートが空間的に多重されたイメージ上方に設けられており、移動することによって立体観察および自動立体観察の間を切り替わる。このような構成は、高解像度の２Ｄ観察モードを提供し得ない。
【００１６】
E.Nakayamaら、「2D/3DCompatible LC Display without Special Glasses」、Proc.第３回InternalDisplay Workshops vol.2、pp.453-456、1996に、図４に示した後部パララックスバリヤタイプと同様な３Ｄディスプレイが開示されている。切り替え可能な散乱器が図４に示す構成と同様にパララックスバリヤとSLMとの間に設けられていることにより、このディスプレイはフル解像度の２Ｄモードで動作することができる。
【００１７】
２Ｄモードにおける観察ウィンドウの形成を無くすためには、散乱器による散乱は、パララックスバリヤが観察者に見えることを完全に回避できなければならない。しかし、自動立体３Ｄモードが効果的であるためには、パララックスバリヤのスリット間のギャップは、強い消光効果を提供できなければならない。これらの要請は両立困難であり、切り替え可能散乱器が強力な背面散乱を起こすか（この結果ディスプレイの透過性が実質的に低減する）、パララックスバリヤの観察者側を反射性にすることによって（この結果３Ｄイメージが損なわれる）しか克服され得ない。更に、背面反射層をパララックスバリヤに設けることによって光を再利用して輝度を改善し得るが、観察者が受け取る光の全てがパララックスバリヤのスリットを通過しなければならず、２Ｄモードにおいて表示輝度が低下する。典型的には、パララックスバリヤのマーク／スペース比は、２：１であり、パックライトからの光の１／３のみしかディスプレイを透過しない。反射層によってこれを改善し得るが、ディスプレイがフル輝度に回復できるわけではない。また、切り替え可能散乱器における背面散乱は、２Ｄモードにおける表示輝度を低下させる。切り替え可能散乱器が高散乱モード動作時において強く背面散乱するように設計されている場合、低散乱モードにおいて３Ｄディスプレイ装置のクロストークが増大しないために必要な、低レベルの散乱を達成することが困難になる。
【００１８】
J.B.Eichenlaub、Proc. SPIE 2177、「An Autostereoscopic Display with High Brightness and Power Efficiency」、1994に、切り替え可能な散乱器あるいはランプのアレイを用いてフル解像度の２Ｄモードに切り替えられ得る、背面パララックスバリヤタイプの３Ｄディスプレイが開示されている。しかし、このような構成は、上記の欠点を有する。更に、そのようなディスプレイの光学系は、バックライト構造の厚みが２ｃｍ未満である現在のフラットパネルディスプレイシステムのスリムな設計には、適さない。
【００１９】
US5 234 964号に、背面パララックスバリヤタイプのパッシブディスプレイが開示されている。このディスプレイは、立体観察モードと自動立体観察モードとの間で切り替えが可能である。背面パララックスバリヤは、間にネマチック液晶層を挟持した、２つのマイクロ偏光子を有する。マイクロ偏光子内において、偏光領域および非偏光領域が位置あわせされており、液晶が非アクティブ状態にあり光の偏光に影響をおよぼさないときは、イメージを立体視するためには偏光眼鏡を着用しなければならない。対して、液晶がアクティブ状態にあり光の偏光を９０°回転させるときは、マイクロ偏光子の位置合わせされた偏光領域が光をブロックし、背面パララックスバリヤが形成されることによって、イメージを自動立体視することができる。
【００２０】
ディスプレイが２Ｄモードにあるとき、光は入力マイクロ偏光子の偏光領域および非偏光領域の両方から液晶層に入射する。偏光領域は、非偏光領域よりも実質的に低い透過性を有し、この結果ディスプレイの照明強度(illumination)にモワレ効果が生じる。このため、ディスプレイの照明強度が縞状になり、観察者が移動するにつれて照明強度がちらつく。２Ｄイメージの表示状態は従って非常に悪い。更に、ある偏光方向に対応付けられたイメージ画素は、それに直交する偏光方向のバリヤ領域からの光を透過しない。このことは、照明強度のさらなる不均一をもたらし、垂直画素線が曖昧になる。
【００２１】
上記装置の３Ｄモードにおいては、入射光の波長に応じて変化する偏光変化のために、不透明領域が着色されて、実質的な量の光が透過してしまう。偏光は、１つの「設計」波長でのみ、９０°の回転を受ける。他の波長においては回転はおおよそになる。この結果、かなりのレベルのクロストークが生じ、３Ｄイメージの品質が悪くなる。また、バリヤのマーク／スペース比は１：１であり、観察自由度が低下し、クロストークレベルが高くなる。
【００２２】
「Moleculararchitectures in thin plastic films by in-situ photopolymerization of reactive liquid crystals」、Phillips SID 95Digestに、パターン化された光学波長板を作成するための方法が開示されている。
【００２３】
「Surfaceinduced parallel allignment of liquid crystals by linearly polymerising photopolymers」、Schadtら、Japanese JournalofApplied Physics、vol 31(1992)、p.2155に、偏光された光を用いてポリビニルメトキシシナメートを架橋することによって得られる液晶の光重合に基づいた技術が、開示されている。
【００２４】
EP0 689 084号に、配向面および反応性メソゲン層の光学素子としての使用が開示されている。
【００２５】
US5 537 144号およびUS5 327 285号に、フォトリソグラフィー技術による偏光子またはリターダ（遅延器）のパターニングが開示されている。延伸されたPVAのフィルムを、熱く湿気の高い雰囲気中または水性漂白剤を用いてフォトレジストマスクを介して漂白することによって、波長板のアレイを生成している。これにより、材料の特性が変化し、材料の遅延特性が所定の領域において選択的に破壊される。従って、このような技術は、ある領域は互いに平行な光学軸を有するリターダとして作用し、他の領域は実質的に遅延がゼロであるような、単一層からなる素子を提供するためには用い得ない。
【００２６】
「Fourdomain TNLCD fabricated by reverse rubbing or double evaporation」Chenら、SID95 Digest、p.865に、アクティブ型液晶装置（LCD）の配向層をダブルラビング処理することを包含する技術の使用が、開示されている。液晶配向方向が各画素内において変化することによって、装置の視角特性の改善を可能にしている。
【００２７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ワイドビューのフル解像度２Ｄモードおよび指向性３Ｄ自動立体モードで動作し、２Ｄモードにおいてブラックマスクに起因する望ましくない視覚的アーチファクトが発生しないディスプレイを提供することである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明のパララックスバリアは、実質的に固定された複屈折性を有する複屈折性材料の層を有し、該複屈折性材料の層は、第１の方向に位置合わせされた第１の光学軸を有する少なくとも１つの第１のリターダと、該第１の方向と異なる第２の方向に位置合わせされた第２の光学軸を有する少なくとも１つの第２のリターダとを有し、前記第１のリターダの前記第１の光学軸は、第１の偏光を有する光の偏光ベクトルと平行であり、前記第２のリターダの前記第２の光学軸は、前記第１の偏光を有する光の偏光ベクトルの方向とは異なる方向に位置合わせされている、偏光変調層と、前記第１の偏光を有する光を通過させて前記偏光変調層に供給する入力偏光子と、該入力偏光子の偏光方向と直交する偏光方向を有し、前記第１リターダからの光を消光して前記第２リターダからの光を通過させる出力偏光子と、を有する。
【００２９】
前記偏光変調層の前記第１のリターダは、複数の第１のリターダを有しており、前記第２のリターダは、複数の第２のリターダを有しており、該第１および第２のリターダは、それぞれ規則的なアレイを構成してもよい。
【００３０】
前記第１および第２のリターダは、交互に繰り返す第１および第２のストリップによってそれぞれ構成されていてもよい。
【００３１】
前記第１のストリップは第１の幅を有し、前記第２のストリップは、該第１の幅より小さい第２の幅を有していてもよい。
【００３２】
前記第１および第２のリターダは、（２ｍ＋１）λ / ２の遅延を有しており、ｍは整数であり、λは可視光の波長であってもよい。
【００３３】
前記第２の方向は、前記第１の方向に対してほぼ４５°であってもよい。
【００３４】
前記複屈折性層は配向層の上に設けられており、該配向層は、前記第１および第２のリターダにそれぞれ対応しかつ第１および第２の配向方向をそれぞれ有する、第１および第２の領域を有していてもよい。
【００３５】
前記複屈折性材料は、反応性メソゲンを含んでいてもよい。
【００３６】
前記入力偏光子は、液晶装置の出力偏光子を含んでいてもよい。
【００９６】
上記の光学素子は、例えば、自動立体ディスプレイに使用し得、パララックスバリヤ動作を無効にすることによりそのようなディスプレイが２次元（２Ｄ）モードで使用されることを可能にするような、パララックスバリヤを提供するために用い得る。このタイプの装置が、英国特許出願第9713985.1号に開示されている。２Ｄモード時においては、３Ｄモードにおいてスリットとして作用する領域と、スリット間の領域との間の光吸収の差を回避することが有利である。そうしなければ、２Ｄモードにおいて、吸収変化の画素構造またはディスプレイとの干渉(beating)により、モワレ模様が生成され観察されてしまう。
【００９７】
本光学素子は、単一のフォトリソグラフィーマスク工程を用いて作成することができるため、製造の複雑さおよび素子コストが減少する。素子を別の基板に接着することによって、素子の光学特性に影響を与えることなくその表面へのダメージを防ぐことができる。素子をガラス基板上に形成すれば、素子の作成に先だって、低コストの抗反射層を基板の反対側の面に設けておくことができる。
【００９８】
本光学素子は、スピンコーティング、フォトリソグラフィーマスキングおよびラビング技術などの既存のプロセスを用いて製造し得る。このように、本タイプの光学素子は大量にかつ低コストで製造が可能である。本素子は、遅延材料を除去することなしに製造することができるため、表面アーチファクトまたは損傷を引き起こしたり、後に平面化工程を必要とすることなく、容易に作成が可能である。フォトリソグラフィー技術を用いることにより、遅延層を高精度および高解像度で作成することができるため、そのような素子は、観察ポイント補正されたパララックスバリヤにおける使用に適している。更に、高レベルの寸法安定性を有する素子を提供することが可能である。
【００９９】
【発明の実施の形態】
図面中、同じ参照符号は同じ構成要素を表す。
【０１００】
図５に示すパララックスバリヤは、偏光変調層２０および、偏光シート２１の形態である偏光子を有している。偏光変調層２０は、平行で細長いスリット領域の形態であり入射光の直線偏光２３を９０°回転するように構成された、開口部領域２２を有している。開口部領域２２は、入射光の偏光状態に影響を与えないように構成されたバリヤ領域（２４など）によって隔てられている。領域２２は、例えば適切に位置合わせされた１／２波長板偏光リターダまたは９０°偏光回転器を有していてもよい。開口部領域２２は、パララックスバリヤの所望のピッチで（上述の観察ポイント補正を含めて）設けられており、パララックスバリヤスリットに必要とされる幅を有している。このようなスリットのピッチおよび幅の典型値はそれぞれ、２００μｍおよび５０μｍである。開口部領域２２は、入力偏光を９０度回転させるように位置合わせされた光学軸を有している。例えば、パララックスバリヤが薄膜トランジスタ（TFT）型液晶ディスプレイ（LCD）の前に設置されたとき、LCDからの光は、LCDの垂直軸（ストライプ状の開口部領域２２はこれに対して平行である）に対して＋４５°で偏光されている。光学軸は従って、スリット領域から出力された光２５の偏光が、同じ垂直軸に対して−４５°であるように構成されている。バリヤ領域２４は、透過光に対して効果をほとんど有さないか全く有さない透明領域であり、したがって＋４５°偏光のままである。
【０１０１】
偏光シート２１は、入射光の（従って領域２４を通過する光の）偏光方向２３に実質的に直交する偏光方向２６を有している。しかし、偏光方向２６はスリット領域２２を通過する光の偏光方向に平行であるため、パララックスバリヤはバリヤモードで動作し、入射光はスリット領域２２を透過するが、バリヤ領域２４で規定されるバリヤ部分によって実質的にブロックされるか消光される。
【０１０２】
パララックスバリヤを非バリヤモードで動作させるためには、偏光シート２１が、例えば取り去さられることによって、無効にされる。このモードにおいて、ストリップ領域２２を検光する偏光シートが無いために、ストリップ領域２２は実質的に見えなくなる。領域２２および２４が実質的に同じ透過率を有するように構成することにより、対応して設けられたLCDの画素構造とのモワレ干渉(Moire beating)などによる、望ましくない視覚的なアーチファクトが生じなくなる。スリット領域２２は依然として入射光の偏光方向を回転させるが、これは偏光シート２１が取り去れられたときには人間の目には見えなくなる。このモードにおいて、パララックスバリヤは、光をほとんど減衰させることなしに、LCDのフル空間解像度を２Ｄ表示に利用可能にする。図５のパララックスバリヤを、図１に示す前部パララックスバリヤ４の代わりに用いることによって、本発明の一実施態様としての自動立体３Ｄディスプレイを提供することができる。
【０１０３】
偏光シート２１を取り去ることを可能にするための簡便な方法を図６ａに示す。偏光シート２１は、ダブルヒンジ３０および３１によって、自動立体ディスプレイの残りの部分に取り付けられている。これにより、偏光シート２１がディスプレイの前部に回転し、偏光子の位置合わせはヒンジの基線によって制御され、所望であれば、偏光シートのヒンジと反対端に設けられた位置基準点によって更に制約される。この２Ｄモードにおいて、偏光子はディスプレイユニットの後部にたたまれ、ディスプレイユニットの後部と面一で格納される。
【０１０４】
偏光シート２１を取り去ることを可能にするための別の簡便な方法を図６ｂに示す。偏光シート２１は、透明であり長手方向に延びる非偏光領域を有する、透明フィルム上に形成されている。フィルムは、LCD１および偏光変調層２０の各端に設けられたローラ２８および２９に、巻かれている。ローラ２８および２９は例えば電気モータによって駆動され、フィルムの偏光領域２１または透明非偏光領域をLCD１および偏光変調層２０の前に位置させることができる。または、ローラ２８および２９を手動で操作してもよい。偏光領域２１がLCD１および偏光変調層２０の前に位置するとき、ディスプレイは３Ｄモードで動作し、一方、フィルムの透明非偏光領域がLCD１および偏光変調層２０の前に位置するとき、ディスプレイは２Ｄモードで動作する。
【０１０５】
図６ｃは、３Ｄモードおよび２Ｄモード動作を切り替えるための更なる方法を示している。この場合、偏光シート２１は永久的にLCD１および偏光変調層２０の前部に設置されているが、シート２１に対して垂直な軸のまわりを回転可能になっている。偏光シート２１の回転位置が、スリット領域２２からの光を透過するがバリヤ領域２４からの光を消光するような位置にある場合、前部パララックスバリヤがＡの状態にあり、ディスプレイは３Ｄモードで動作する。このようにして、狭い透光性スリットと広い不透明ギャップを有するバリヤが形成される。一方、偏光シート２１の回転位置が９０°回転されると、スリット領域２２からの光をブロックあるいは消光し、バリヤ領域２４からの光を透過する。この場合、Ｂに示すように、広い「スリット」を通して光が透過する一方で、狭い不透明な「ギャップ」が形成される。一見Ｂに示す構成もパララックスバリヤとして機能し続けるかのように見えるが、観察領域はそれほどはっきりと規定されたものではなく、従って広い２Ｄ領域が生成される。残存する不透明領域は、パララックスバリヤによって不透明領域が形成されることがないディスプレイに比較して、２Ｄモードにおける輝度を減少させる。これは便利な技術であるが、２Ｄモードにおいてマスク上の黒色領域からのモワレ効果が若干残存する場合がある。
【０１０６】
図１および４に示すような公知のタイプのディスプレイにおけるパララックスバリヤ４を除去可能にすることによって、フル解像度の高輝度２Ｄモード動作を提供しようとした場合、５段階の自由度、すなわち２つの平行移動軸および３つの回転軸で位置を規定するマウントを、５μｍ程度の位置許容度で設けなければならない。また、パララックスバリヤ４およびSLM１の間での平行度を維持することが特に困難である。いずれかの素子が傾いても、ウィンドウにずれが生じ、モワレ模様が生じる。この結果、観察自由度が減少し、ディスプレイのクロストークレベルが増大する。除去可能部材によってそのような傾きを補償させねばならず、使用を簡単に維持し除去可能部材のかさを十分確保しながら、これを低いコストオーバーヘッドでロバストに達成するのは、非常に困難である。
【０１０７】
図５に示すパララックスバリヤの実効平面は、偏光変調層２０の平面上にある。この偏光変調層２０を対応LCDに対して位置合わせすることにより、自動立体ディスプレイの光学的アラインメントが決定される。図５に示すパララックスバリヤにおいては、偏光変調層２０は対応LCDに対して永久的に固定されたままでよいため、LCDの屈曲に適応し、ウィンドウ品質の劣化を最小にする。これにより剛性が得られ、例えば製造中または、LCD製造ライン上で利用可能な高精度位置合わせ具を用いて行われる後の固定工程において、接着剤その他の永久的固定部材を用いることを可能にする。除去可能な偏光シート２１は、シート２０の前部に設置する際において、単に１つの回転軸において再位置合わせするだけでよい。平行移動位置に関する許容度としては、単に、ディスプレイ表面の全体が偏光シート２１によって覆われていることと、ディスプレイ表面の平面内にある軸まわりの回転が、偏光吸収軸に影響しないことを要求するのみである。従って、唯一の要請は、ディスプレイ表面の法線方向の軸のまわりの回転位置合わせにより、バリヤ領域２４からの光の消光を確実にすることだけである。バリヤ領域２４からの光漏れを１％未満に減少するためには、位置合わせ許容度は±５°程度であり、これは容易に満たし得る。
【０１０８】
図７は、図５のパララックスバリヤを後部パララックスバリヤ型自動立体ディスプレイに使用した例を示す。偏光変調層２０はLCD１の近傍に設けられており、入力偏光子として機能する偏光シート２１は、偏光変調層２０とバックライト３との間に設けられている。LCD１は、ストリップ領域２２からの光を通しかつバリヤ領域２４からの光をブロックするように偏光方向が位置合わせされた入力偏光子３２を、有している。このように、入力偏光シート２１とLCD偏光子３２との偏光方向は、互いに直交する。フル解像度で高輝度２Ｄモードを提供するときには、偏光シート２１を光路から除去する。
【０１０９】
図示において、ストリップ領域２２は基板上、特に基板の外側面上（すなわちLCD１から遠い方の基板面）に形成されている。これは単なる構成例であり、ストリップ領域２２は基板のいずれの面上に作成されてもよい。ストリップ領域が基板の内側面上（すなわちLCD１に対向する側の面）に作成された場合、LCD１と接触していることによって、ストリップ領域は基板からの汚れやひっかきから保護される。更に、３Ｄモードにおけるディスプレイの最適観察距離は、LCD１内の液晶層とストリップ領域２２との隔たりによって設定される。基板の内側面上にストリップ領域２２を基板内側面に設けることによってこの隔たりが減少し、従って最適観察距離が減少する。
【０１１０】
図８は、可動偏光子２１がバックライトの一部を形成している、後部パララックスバリヤディスプレイを示している。バックライトは、光源３３および、３Ｄモードにおいて光を偏光シート２１を通して光導波路３５内に導く反射器３４を、有している。光導波路３５はその出力面上に、LCD１の照明を均一にするためのパターン化シート３６および、出力光をより広い角度範囲に散乱するための偏光保存散乱器３７を有している。このような散乱器は、レンチキュラー性質を有していてもよい。
【０１１１】
この構成により、光導波路３５の入力面において比較的小さな偏光子２１を使用することが可能になる。偏光子２１は、比較的短い移動によって光路から除去されてフル解像度高輝度２Ｄモード動作を達成することができる。
【０１１２】
図９は、図８に示すタイプの偏光された光源を有するが、偏光子２１が光導波路３５の入力に固定されている、自動立体ディスプレイを示している。光源３３は３Ｄ動作用に照明される。
【０１１３】
ディスプレイは、更なる非偏光バックライトを有している。この非偏光バックライトは、光源３８、反射器３９および光導波路４０の形態である。光導波路３５および４０は、光導波路４０からの出力光が光導波路３５を通過するように設けられている。フル解像度高輝度２Ｄモードにおいては、光源３３は消灯されかつ光源３９が点灯されることにより、偏光されていない光が光導波路３５を通過し、偏光変調層２０を介してLCD１を照明する。
【０１１４】
図１０は、機械的移動を必要とすることなしに３Ｄモードと２Ｄモードとの間を切り替え可能な、前部パララックスバリヤ自動立体ディスプレイの一例を示している。偏光変調層２０はLCD１の出力面の近傍に設けられており、出射偏光シート２１が、ディスプレイの出力側に位置している。切り替え可能な１／４波長回転器４１が、シート偏光子２１および偏光変調層２０の間に設けられている。回転器４１は、透過される偏光に影響をおよぼさない第１の状態と、各偏光状態が偏光シート２１中を均一に透過される第２の状態との間を、切り替え可能である。第２の状態において、回転器４１は、偏光シート２１の偏光学軸に対して４５°の角度の光学軸を有する１／４波長板として機能するように、切り替え得る。この状態において、領域２２および２４からの直線偏光は両方とも反対周りの円偏光に変換され、そのうち５０％が偏光シート２１によって透過される。
【０１１５】
このタイプの構成の利点は、２つのモードが異なる領域において共存するように、制御素子４１を空間的に制御することが可能である点である。このことにより、ディスプレイのある部分が２Ｄモードで動作し、他の部分が３Ｄモードで動作することが可能になる。
【０１１６】
図１１に示すディスプレイは、切り替え可能１／４波長回転器４１の代わりに切り替え可能散乱器４２を用いている点において、図１０に示すものと異なる。散乱器４２は、脱偏光状態(depolarising)状態と、非脱偏光状態(non-depolarising)状態との間を電子的に切り替え可能である。このような散乱器は、高分子分散型液晶素子として実現することができる。
【０１１７】
低散乱状態において、切り替え可能散乱器４２は動作に実質的に影響をおよぼさず、ディスプレイは自動立体３Ｄモードで動作する。より高い散乱状態においては、散乱器４２は２つの効果を有する。第１に、散乱器は、入射光の偏光を破壊することにより、領域２２および２４からの光が実質的に均一に出射偏光シート２１中を透過されることである。第２に、散乱器は、透過光をランダム方向に散乱することにより、システムを通過する光の指向性を破壊する。しかし、偏光が失われることでディスプレイは十分に２Ｄモードで動作し得るので、散乱器４２は強い散乱効果を有する必要はない。散乱器４２は、単にディスプレイの視野角を十分にするために十分な散乱を供給するだけでよい。従って、散乱器４２は、公知のタイプのシステムにおけるよりも低い散乱強度を提供すればよいため、より明るい２Ｄモードが達成し得る。
【０１１８】
図１１ｂに示すディスプレイは、層２０と切り替え可能散乱器４２との位置が交換されている点において、図１１ａに示したものと異なっている。
【０１１９】
切り替え可能散乱器４２はまた、後部バリヤ構成においても使用可能である。この場合も、異なる領域が異なるモードで動作するように散乱器４２を制御することにより、ある領域は２Ｄモードで動作し、同時に他の領域は３Ｄモードで動作するディスプレイを提供することができる。散乱器は、２Ｄ状態におけるイメージの見やすさに実質的に影響しないため、この構成はより適切であり得る。
【０１２０】
本明細書に開示するパララックスバリヤは、英国特許出願第9702259.4号に開示されたディスプレイにおいても使用可能である。このディスプレイは自動立体タイプであり、観察者が視認できるインジケータを備えていることによって、観察者は、最適な観察位置に自分を位置させることができる。状況によってはこの視認可能な位置インジケータを無効にする方がよい場合があり得、これは例えば、３Ｄ／２Ｄモード混合動作について上述したように、パララックスバリヤのうちのインジケータを構成する部分だけを無効にすることによって達成し得る。
【０１２１】
図１２は、図７に示したものと同様な後部パララックスバリヤタイプのディスプレイであるが、偏光シート２１の代わりにマスク４３およびパララックス部材４４を用いたディスプレイを示している。パララックス部材をレンチキュラースクリーンとして図示しているが、パララックスバリヤを有するものであってもよい。マスク４３のマスク要素とLCD１内の画素ブラックマスクとの間の視差（パララックス）が観察ゾーン４５を発生するように機能するため（ゾーン間の境界部分でのオーバーラップは大きくなるが）、パララックス部材４４は必須ではない。マスク４３は水平ストリップを有している。水平ストリップは例えば、各々が偏光ストリップ、透明(clear)ストリップおよび不透明ストリップの３つのストリップからなる、複数のグループとして構成されてもよい。ストリップの各グループは、レンチキュラースクリーン４４のパララックス要素（レンチキュラーの形態である）と対応付けられている。
【０１２２】
マスク４３は、レンチキュラースクリーン４４に対して、垂直方向に可動である。図１２に示す位置においては、偏光ストリップはスクリーン４４のレンチキュールと位置合わせされており、ゾーン４５内に位置する観察者に対して、３Ｄ動作を提供する。結果として、ディスプレイの通常の観察ゾーンであるゾーン４５内に位置する観察者は、３Ｄイメージを知覚することができる。
２Ｄ動作が必要なときは、マスク４３はスクリーン４４に対して相対的に移動され、透明ストリップがゾーン４５内にイメージングされる状態となる。このことによりディスプレイはフル解像度高輝度２Ｄモードで動作することが可能になる。従って、比較的小さいな移動で３Ｄモードおよび２Ｄモード間の切り替えを達成し得る。暗色または不透明のストリップは、偏光された光が非偏光観察領域中に漏れること（あるいはその逆）を防ぐために用いられる。
【０１２３】
マスク４３は、例えばJP 63-158525Aに開示された方法などの、適切な方法によって形成され得る。
【０１２４】
パララックスバリヤの領域２２および２４の光学的機能を逆にすることにより、バリヤ領域２４が偏光状態を回転させ、ストリップ領域２２が実質的に偏光に影響を与えないようにすることも可能であるが、図５を用いて説明した構成の方が一般に好ましい。特に、２つの直交する(crossed)偏光子を用いれば、他に（光学的にアクティブな）素子を介在させることなしに、バリヤ領域２４および偏光シート２１の対応領域によって形成される不透明領域の暗色レベルを効果的に提供することができる。これにより、広い波長帯域にわたって強い消光効果が得られ、ディスプレイのクロストークが最小になる。
【０１２５】
ディスプレイのパララックスバリヤの、別の構成例の可能性としては、平行な偏光方向を有する２つの偏光子を用い、バリヤ領域２４を光学的にアクティブにすることによって偏光回転を得、スリット領域２２が偏光に影響しないようにしてもよい。上述のように、そのような構成において、重要なバリヤの不透明領域は、偏光回転材料の性能、すなわち高い消光効果および１％未満の光漏れを達成できるか否かに依存する。これを達成するための手段の一例としては、領域２４としての第１の極小条件を満たす厚さを有する、高分子化されたツイステッドネマチック液晶層がある。そのような構成の利点は、スリット領域２２がニュートラルであるため、カラーバランス欠点が抑制された３Ｄモードを提供するために最適な色性能を有している点である。
【０１２６】
ストリップ領域２２による偏光回転は一般に、あまり広い波長帯域にわたって最適には機能しないため、可視スペクトルの部分によっては透過率が低くなる。図１３に、LCDの出力偏光子単軸複屈折材料（英国メルク社からRM257として入手可能）からなる波長板、および偏光シート２１を通した非偏光の透過率の計算結果を示す。２つの偏光子の偏光学軸が直交(crossed)状態にあるとき、設計上透過率は可視スペクトルの中央部で最高になり、可視スペクトルの両端に向かって減少していく。中心波長を正しく選択すれば、透過された光は良好なホワイトカラーバランスを維持する。LCD１の赤、緑および青色チャネル間のバランスを調整することにより、３Ｄモードにおいて正しいカラー表示を得ることが必要になり得る。そのような色バランス変化は、例えば、予め較正しておき、３ＤイメージソフトウェアのドライバまたはLCDのカラーフィルタ設計中に設定しておくことによって、２Ｄカラースペクトルおよび３Ｄカラースペクトル間で最適化を図ってもよい。
【０１２７】
図１３に示す平行配置の偏光子の場合の曲線は、バリヤ領域２４がその偏光を回転させた場合の、不透明バリヤ領域に当てはまるものである。システムの中心波長においては、良好な消光効果がえられる。しかし、スペクトルの端部に向かって、透過率は実質的に増大する。クロストークレベルを１％以下にするためには、バリヤは、可視スペクトルにわたって１００：１のコントラスト比を提供できなければならない。図１３に示すように、平行配置の偏光子と偏光回転器をバリヤ領域２４として用いることによっては、これは達成できない。
【０１２８】
図１４は、他の光学素子の介在なしに、２つの直交する(crossed)偏光子を通過する際の透過率特性を示している。４５０〜７５０ｎｍの全波長帯域にわたって、消光が実質的に改善され、所望のコントラスト比が達成されている。この構成において、例えば波長板でスリット開口部を形成し、直交(crossed)偏光子によってバリヤの不透明領域を規定するようにすれば、大部分のアプリケーションにおいて最適な構成となる。
【０１２９】
偏光変調層２０は、例えばRM257などの反応性メソゲン層を堆積し、これを標準的なフォトリソグラフィー技術によってスリット構造にパターニングすることによって、形成され得る。既に存在しているパララックスバリヤを、エッチング用のマスクとして便利に用いることができる。
【０１３０】
図１５は、偏光変調層２０を形成する方法を説明する図である。図１５ａにおいて、配向層６０が基板６１に塗布される。配向層６０は、例えば、ラビング処理を施したポリイミドや、ポリアミド、または酸化シリコンを含むものであってもよい。図１５ｂは、配向層６０によって配向方向が決定される、光学的遅延層６２の塗布を示している。遅延層６２は、配向可能であり最終的に所定の方向に固定が可能な、任意の適切な複屈折性材料であり得る。適切な材料としては、液晶性ポリマーまたは反応性メソゲンがある。適切な反応性メソゲンの例としては、英国メルク社から入手可能である、高複屈折性を有するため比較的薄い層の使用を可能にする、RM257（前記）などがある。図１５ｃに示すように、遅延層６２の領域６３は、マスク６４を介して紫外線照射されることにより、光重合される。図１５ｄに示すように、未重合の領域は、例えばエッチング処理などによって除去され、所望のパターン化光学的リターダ構成が現れるようにする。
【０１３１】
パターン化リターダは次に、平面化層６５によって平面化される。層６５は、図１５ｅに示されるように、未重合のリターダ材料が除去されたあとのギャップを埋める。平面化層６５の材料は、好ましくは等方性、透明、かつリターダ６３と実質的に同様な厚さを有する。適切な材料としては、アクリルおよびエポキシ樹脂がある。
【０１３２】
図１６に示す偏光変調層２０の作成方法は、図１６ｃに示す選択的重合化の後に、未重合のリターダ材料６２を除去しない点において、図１５に示す方法とは異なっている。層は、未重合のリターダ材料の等方性転移温度を越える温度に加熱される。未重合のリターダ材料は、長波長の紫外線照射に曝されることによって等方状態で硬化する。この結果、等方性材料６６および複屈折性材料６３を図１６ｄに示す状態で有する層が得られる。
【０１３３】
図１７に示す方法は、カイラルドーパントが、遅延層６７として塗布される前に反応性メソゲン混合物に添加される点において、図１６に示す方法とは異なっている。このカイラルドーパントにより、層を通過する際に遅延方向を連続的に回転させる効果が導入され、ガイディング・ツイステッドリターダが提供される。選択的な重合化は、図１７ｃに示すように行われる。
【０１３４】
図１８は、リターダアレイを作成する方法を示している。この方法は、更なるパターン化リターダ７２が形成される点において、図１５に示した方法とは異なっている。平面化層６５を図１８ｅに示すように塗布した後、例えば配向層６０と同じタイプの更なる配向層６９が、例えば同じ方法で塗布される。配向層６９は、配向層６０とは異なる配向方向で塗布される。例えばリターダ６２と同じタイプである更なるリターダ７０が、例えば同じ方法により、配向層６９上に形成される。層７０は、マスク７１を介して選択的に紫外線照射に曝されることにより、更なるパターン化光学リターダを形成する領域７２が、光重合する。未重合領域を次に図１８ｉに示すように除去し、図１８ｊに示すように更なる平面化層７３を形成する。この技術を用いることにより、後述のように使用される、交互に異なる方向に配向されたリターダを提供することが可能になる。図１８ｂ〜図１８ｅに図示した工程を繰り返すことにより、多数積層されたパターン化リターダを作成することができる。
【０１３５】
図１９に示すリターダアレイの作成方法は、標準配向層６０の代わりに、直線的に光重合可能な材料７４の層（例えば、「surface induced parallel allignment of liquid crystals by linearlypolymerisingphotopolymers」、Schadtら、JapaneseJournal of Applied Physics、vol 31(1992)、p.2155およびEP 0 689 084号に記載されているタイプのもの）を用いる点において、図１５に示す方法とは異なっている。図１９ｂに示すように、マスク６４を介して層を第１の直線偏光による選択的照射に曝すことにより、露光領域Ａを形成する。未露光領域Ｂを、次に、マスク７６を用いて異なる直線偏光を有する照射に曝す。このようにして、配向層２８の有する領域は、交互に異なる配向方向、例えば４５°または９０°異なる配向方向を、提供する。リターダ層６２を次に、前述のように、図１９ｄに示すように塗布する。しかし、リターダ層は、その下に位置する配向層７５の領域に支配されて交互の方向を有するようになるため、選択的な光重合を必要とせず、均一な紫外線光源に曝露することによって、リターダ層６２を硬化することができる。
【０１３６】
図２０に示すリターダ層アレイの作成方法は、配向層６０が２度ラビング処理を受ける点において、図１５に示した方法とは異なっている。まず、配向層６０を第１の方向にラビング処理する。フォトレジスト材料７７を塗布し、図２０ｄに示すようにマスク６４を介して選択的に光重合する。これは、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて行い得る。未重合の材料を除去することによって、重合化したフォトレジスト材料７８およびその下の配向層６０の一部領域が現れるようにする。このアッセンブリを次に第２の方向Ｂにラビング処理することにより、空間的に変化する配向方向７９を有する配向層が得られる。このタイプの技術が、「Four domain TN-LCD fabricated by reverse rubbing or double evaporation」Chenら、SID95 Digest、pp.865〜868に開示されている。光重合後のフォトレジスト材料を次に除去する。リターダ層６２を次に、図２２ａに示すように塗布する。しかし、リターダ層は、その下に位置する配向層７９の領域に支配されて交互の方向を有するようになるため、選択的な光重合を必要とせず、均一な紫外線光源に曝露することによって、リターダ層６２を硬化することができる。
【０１３７】
パターン化偏光変調層を作成するための別の技術が、US 2 647 440号およびUS 5 537 144号に開示されている。
【０１３８】
偏光回転は、少なくとも２つの物理効果によって達成され得る。第１の物理効果によれば、複屈折性材料を用いた光学的リターダによって偏光回転を提供できる。このような材料は、材料中を伝播する光の屈折率が、材料の光学軸に対しての偏光方向に依存することを、特徴とする。光学軸は、材料の分子または結晶構造によって決まる。単軸複屈折性材料の場合、光学軸に平行な偏光面を伝播する光に対して１つの屈折率が存在し、光学軸に垂直な偏光面を伝播する光に対してもう１つの屈折率が存在する。これらの間に存在する偏光面を有する光は、一般的には損失なしにこれらの偏光を加算したものと考えられ得る。材料が厚さｔを有し、波長λの光が「速い」偏光および「遅い」偏光との間で位相遅延πを受けるとすれば、この素子は「１／２波長板」または「λ／２板」と呼ばれる。この厚さは従って、
ｔ＝（２ｍ＋１）λ/（２Δｎ）
で与えられる。上式において、Δｎは２つの屈折率の差を表し、ｍは整数を表す。
【０１３９】
このような光学素子に平面偏光された光が入射すると、その偏光面は、入射偏光面と材料の光学軸との間の角度の、２倍の回転を受ける。従って、１／２波長板が入射偏光面に対して４５°に方向付けられている場合、素子を出射する光の偏光面は９０°変化する。
【０１４０】
第２の物理効果は、偏光回転器によって生じるものである。反応性メソゲンをカイラルドーパントとともに用いることによって実現され得るこのような素子は、任意の一片の薄いスライス内においては複屈折性を有するが、複数のスライス間においては光学軸の角度が一定の定義で回転してスパイラル状となる材料を含んでなる。このような光学素子は、導波(guiding)によって偏光回転を起こし、広い波長帯域にわたって入射偏光面を９０°回転させるように構成することができる。
【０１４１】
更に、例えば装置性能を最適化する目的で、上記の２つの効果を組み合わせることによって偏光回転を提供してもよい。
【０１４２】
偏光シート２１のLCD１に対する角度的位置合わせの許容度は、パララックスバリヤの不透明領域を透過することが許容される光漏れレベルによって決定される。このような漏れは非常に低くなければならず、好ましくは１％未満である。各軸間に角度θを有する２つの完全に交差する(perfect crossed)偏光子による光の消光は、
Ｉ(θ)＝Ｉ(０)ｃｏｓ²(θ)
で与えられる。１％の光漏れに対応する回転角度は、等式Ｉ(θ)／Ｉ(０)＝０．０１の解で与えられ、角度θ＝８４．３°および９５．７°となる。このように、理想値９０°に対して約±５°の許容度が存在する。このような角度許容度は、単純なメカニクスまたは基準マークに対する視認による位置合わせによって、容易に達成され得る。
【０１４３】
図２１は、前面パララックスバリヤタイプのディスプレイを示す。このディスプレイにおいては、進相軸が垂直になるように偏光変調層２０に固定された１／４波長板４６と、進相軸が水平になるように偏光変調層２０に固定された１／４波長板４７とを設けることによって、パララックスバリヤの変形例を構成している。偏光シート２１およびLCD１の出力偏光子４８の偏光方向はそれぞれ、−４５°および＋４５°である。
【０１４４】
１／４波長板４６は、偏光変調層２０からの直線偏光された光を円偏光に変換する。同様に、１／４波長板４７は、円偏光された光を直線偏光に戻す。このような構成によって、角度位置合わせ許容度を実質的に緩和することができる。実際には、１／４波長板はその設計波長においてのみ「完全」である。その他の波長においては、平面内の遅延は、完全な円偏光を生じるには適正ではなく、楕円状態が生じる。しかし、２つの１／４波長板４６および４７を、光学軸が互いに直交するように構成すれば、一方の板の遅延の不正確さが、他方の板の不正確さによって相殺される。
【０１４５】
偏光シート２１および１／４波長板４７が、ディスプレイ表面に対して実質的に法線方向に延びる軸のまわりに回転されるに従って、１／４波長板４６および４７の不完全性の相殺効果が薄れ、これらの板の不完全性が顕現する。図２２は、この構成を用いた場合の、相対回転角度０°、５°、１０°、および１５°に対する、バリヤ領域２４を通過する光の消光を示している。可視スペクトルの大部分において、１０°までの角度ずれに対して１％未満の透過率を達成することができる。このように、±１０°の角度許容度が達成される。これは、１／４波長板４６および４７を省略した場合に得られる値の２倍である。
【０１４６】
図２３に示すパララックスバリヤは、偏光変調層２０がパターン化リターダを有する点において、図５に示すものとは異なっている。パターン化リターダは、例えば、上述の図１８〜図２０に示す方法のいずれかを用いて作成することができる。開口部領域２２は、光学軸が光２３の偏光方向に対して４５°に位置合わせされたλ／２板を含んでなる。バリヤ領域２４は、光学軸が光２３の偏光方向に対して０°に位置合わせされたλ／２板を含んでなる。このようにして、バリヤ領域２４を通過する光２３の偏光は影響を受けず、光は偏光シート２１によって消光される。開口部領域２２を通過する光２３の偏光方向は、９０°回転されるため、光は偏光シート２１を通過する。このように、３Ｄモードにおいて、装置は前述のようにパララックスバリヤとして機能する。
【０１４７】
図２３に示すパララックスバリヤの一つの利点は、偏光変調層２０を構成するパターン化リターダは平面状であるため、偏光変調層２０の領域２２および２４を通過する光において位相のミスマッチが実質的に存在しないことである。従って実質的に回折効果を回避することができ、観察者のディスプレイに対するに移動につれての、照明強度の均一性変化すなわちちらつきが実質的にない。
【０１４８】
回折効果はまた、例えば図１５〜図１７に示すように層を平面化することによっても、実質的に回避し得る。
【０１４９】
図２４に示すパララックスバリヤは、偏光ベクトルおよび光学軸が４５°回転している点において、図２３に示すものとは異なっている。対応LCDの出力偏光子を含んでいてもよい入力偏光子２１’は、その偏光学軸を４５°に方向付けられている。これは、例えばツイステッドネマチックタイプのLCDの出力偏光子に典型的である。開口部領域２２の光学軸は９０°に方向付けられており、一方、バリヤ領域２４の光学軸は４５°に位置合わせされていることにより、入力偏光子２１’からの光の偏光ベクトルに対して平行である。偏光シート２１はその偏光学軸が−４５°に方向付けられていることにより、入力偏光子２１’の偏光学軸に対して直交している（図２５に示すように、−４５°は光学的には＋１３５°と同等である）。
【０１５０】
図２６は、偏光シート２１を省略し、観察者が着用する検光眼鏡２１''によって偏光機能を提供する構成を示している。検光眼鏡２１''は、偏光学軸が９０°に方向付けられていることにより偏光２３の偏光ベクトルに対して直交する、偏光レンズを有している。しかし、偏光学軸および光学軸は、角度関係が維持されている限り、任意の所望の角度に回転されてもよい。このような構成により、従来の偏光サングラスを使用することが可能になり、そのような従来の偏光サングラスを外すことによりディスプレイを２Ｄモードで観察することが可能になる。
【０１５１】
製造上のもう一つの重要な問題は、偏光変調層２０と、板８０（用いる場合においてのみ）との視野角をLCD１に対してマッチングさせることである。非軸上の位置から観察した場合、観察者の目に届く光は、偏光変調層２０を通って斜めに進む。このような斜めの光線は、その複屈折性層内における異なる方向および異なる層厚のため、わずかに異なる偏光状態となる。LCDのコントラストおよびカラー性能は、視野角が増大するにつれて悪化する。バリヤの開口部領域２２もまた、非軸上観察において、カラーおよび透過率変化を受ける。従って、最も広い角度範囲において非着色透過が得られるように波長板厚を選択することが、望ましい。さらに、反応性メソゲンまたは液晶を波長板の作成に用いた場合、同じ理由からそのプレチルトを慎重に選択しなければならない。
【０１５２】
偏光回転を行う素子の性能を、複屈折性リターダとてして構成された場合において改善するためには、特定の厚さおよび相対的な光学角度を有する２層または３層リターダとして形成し得る。広帯域性能のための波長板の組み合わせは、例えば、Proc. Ind. Acad. Sci、vol.41、No.4、section A、p.130、S.Pancharatnam 「Achromatic Combinations of Birefringent Plates」、1995 に開示されている。
【０１５３】
図２７は、実質的に固定された複屈折性を有する複屈折性材料の層を有する、パッシブ型偏光変調光学素子１１を示している。この層の厚さおよび複屈折性は、１／２波長板として作用するように、ただし異なる方向に光学軸が方向付けられた異なる領域がリターダとして作用するように構成されている。特に、素子１１は、第１のリターダ群１２および第２のリターダ群１３を有している。リターダ群１２および１３は、層内に形成され交互に繰り返す平行な垂直ストリップを有している。ストリップ１２は同じ幅を有しており、その光学軸は基準方向に対して４５°で位置合わせされている。ストリップ１３は同じ幅を有しており、その光学軸は基準方向に対して９０°で位置合わせされている。
【０１５４】
図２７に示す光学素子１１は、入力偏光子１４と協働して光学装置を形成する。入力偏光子１４は、例えば、液晶装置の出力偏光子を含んでいてもよい。入力偏光子１４は、基準方向に対して４５°の偏光ベクトルを有する直線偏光された光を供給する。
【０１５５】
偏光子１４からの光の偏光ベクトルはリターダ１２の光学軸に平行であり、従ってリターダ１２は、偏光ベクトルに対して実質的に影響をおよぼさない。従って、リターダ１２を出た光は、基準方向に対してその偏光ベクトルが４５°方向である。領域１３の光学軸は入力光の偏光ベクトルに対して４５°で位置合わせされている。よって、リターダ１３は１／２波長板として振るまい、光の偏光ベクトルを９０°回転させることにより、リターダ１３からの出力光は、基準方向に対してその偏光ベクトルが１３５°方向である。
【０１５６】
図２９および図３０に示す構成は、素子１１の光学軸および偏光子１４の偏光方向が４５°回転されている点において、図２７および図２８に示すものと異なっている。従って、偏光子１４からの光の偏光ベクトルは、リターダ１２を出る光と同様０°であり、一方、リターダ１３を出る光は、偏光ベクトルが９０°回転される。
【０１５７】
図３１および図３２は、図２７および図２８に示すタイプの光学装置が出力偏光子１５と協働することによってパララックスバリヤを形成する様子を示している。出力偏光子１５の偏光方向は、入力偏光子１４の偏光方向と直交方向である。偏光子１５は従って、リターダ１２を通過する光を実質的に消光するが、リターダ１３を出た光は通過させる。
【０１５８】
リターダ１３によって行われる偏光回転は、可視スペクトルの全体に対して最適に作用するわけではないため、可視スペクトルの一部は、他の部分よりも透過率が低くなる。図３３は、RM257（英国メルク社から入手可能）として公知である単軸複屈折性材料によって図３１および図３２に示した装置において素子１１を構成した場合の、装置を通した非偏光の透過率の計算結果を示す。偏光子１４および１５が直交する場合、設計上透過率は可視スペクトルの中央部で最高になり、可視スペクトルの両端に向かって減少していく。中心波長を正しく選択すれば、透過された光は良好なホワイトカラーバランスを維持する。
【０１５９】
図３３は、図３１および図３２に示すタイプの装置において、偏光子１４および１５の偏光学軸を平行に設置し、かつリターダ１２および１３の光学軸を逆にした場合の性能を示している。この場合、リターダ１２を介した消光は、広帯域１/２波板性能に依存する。中心波長は良好な消光を提供するが、透過率は可視スペクトルの両端に向かって実質的に増加する。クロストークレベルを１％以下にするためには、自動立体ディスプレイにおけるパララックスバリヤは、可視スペクトルにわたって１００：１のコントラスト比を提供できなければならない。図３３に示すように、平行配置の偏光子と偏光回転器をパララックスバリヤのスリット領域間のバリヤ領域として用いることによっては、これは達成できない。
【０１６０】
図３４は、他の光学素子の介在なしに、２つの直交する(crossed)偏光子を通過する際の透過率特性を示している。４５０〜７５０ｎｍの全波長帯域にわたって、消光が実質的に改善され、所望のコントラスト比が達成されている。これは、リターダ１２の光学軸が入力光の偏光ベクトルと位置合わせされているため偏光ベクトルに対して実質的に影響をおよぼさないので、図３１に示す構成に対応する。一般に、そのような構成は、パララックスバリヤのコントラスト比要請を満たし得るので、好ましい。しかし、透過光の無色性の方がコントスト比および消光の無色性よりも重要であるようなアプリケーションにおいては、図３１および図３２に示すタイプの構成において、出力偏光子軸を９０°回転させることが好ましい場合がある。
【０１６１】
素子１１は、入力偏光子１４に接着することによって、ストリップ状リターダ１２および１３ならびに、偏光子１４を含むLCDの画素構造の、相対傾きの許容度の厳密性を得ることができる。またこのことにより、界面の屈折率をマッチングさせることができ、装置内の反射を減少することができる。偏光子１４および素子１１に同様の高透明度、無色性および熱膨張率の要請を満たす適切な材料としては、エポキシ樹脂、アクリルポリマー、およびポリウレタン系接着剤等の、有機接着剤がある。
【０１６２】
図３１および図３２に示す装置は、図１に示す自動立体３Ｄディスプレイのパララックスバリヤ４として使用され得る。その場合、リターダ１３はパララックスバリヤのスリットとして作用し、リターダ１２はスリット間の不透明領域として作用する。
【０１６３】
非軸上位置から観察した場合、観察者の目に届く光は、素子１１を形成する層中を通って斜めに進む。このような斜めの光線は、複屈折性層内における異なる方向および層内の伝播路がより長いことにより、わずかに異なる偏光状態となる。従って、バリヤスリットを通った光は、非軸上観察においては色および透過率の変化をきたす。しかし、パララックスバリヤの視野角性能は、イメージコントラストに実質的に影響しない。LCDをSLMとして用いる３Ｄディスプレイにおいては、ホワイト状態の色度の視認性を最小にするように視野角性能を構成するが、構成によっては、色彩変化はバリヤスリットの配向方向に平行な方向において悪化する傾向にあり得る。同様に、LCDは、主として垂直方向において観察方向が最も制限されるように設定された、視野角性能を有していることがある。LCDにおいて、非軸上観察は、コントラストおよび色彩の劣化につながる。従って、リターダの最も悪い視野角をSLMの最も悪い観察角度と位置合わせすることにより、パララックスバリヤの性能を、SLMのイメージ質の悪さによって目立たなくする事が可能である。
【０１６４】
リターダ１２および１３は、光学軸を除く光学特性が層中を通じて均一であるような、単一の層中に形成される。更に、この層は、実質的に一定の厚さを有していてもよい。このような構成により、層１１を他の層に接着しても空気ギャップが発生したり、平面化することが必要になったりすることがない。
【０１６５】
３Ｄイメージの観察自由度は、バリヤスリットと図１に示すディスプレイにおけるLCDの画素との位置合わせによって、部分的に決定される。LCDに対するバリヤスリットの傾きはフリンジ位置合わせ不良を引き起こし、観察自由度が失われたり、ディスプレイ上にイメージクロストーク領域が発生したりする。この結果、観察者にとっては視覚上のストレスが増すため、望ましくない。層１１を偏光子１４に接触するように形成することによって、そのような傾きを実質的に回避することができる。特に、所望の位置合わせを提供するための技術が存在しており、層１１を対応するLCDその他の装置と一体的に形成することにより、製造時において正確な位置合わせが得られ、また、機械的ショックおよび温度変化などの環境条件によっても実質的に影響を受けない。
【０１６６】
図１に示すタイプのディスプレイを、出力偏光子１５を除去するなどして無効することによって、２Ｄモードで動作させ得る。このモードにおいては、素子１１の光学軸のパターン化構造が見えないことが望ましい。例えば、リターダ１２および１３は、同じ光吸収性能を有することにより、LCD構造とのモワレ干渉を回避することが望ましい。もう一つの回避されるべきアーチファクトは、パララックスバリヤの位相構造に起因する回折である。そのような回折は、LCDの画素構造と干渉することによって、低コントラストモワレ干渉(moire inteference)効果をもたらし得る。光学素子１１を用いれば、位相構造の回折効率が、公知の構成に比較して実質的に減少する。例えば、リターダ１２および１３からの光における直交する直線偏光状態は、実質的に互いと干渉することがない。リターダは実質的に同じ屈折率を有する同一材料で形成されるため、リターダ１２および１３間の位相上のステップは最小になる。
【０１６７】
図３５は、回折レベルを減少させるための別の方法を示している。光学素子１１の製造（詳しく後述する）に際して、２０に示すような外観を有するマスクを用いて２１に示す配向層の配向を規定することによって、素子を形成する。パララックスバリヤのスリットは従って、非直線的な境界線によって規定されることになる。むしろ、境界線はサイン波形状を有している。この結果、異なるアスペクト比に起因して複数の異なる回折構造が得られ、回折効果が鈍化する。この構造はまた、回折構造を垂直方向にも若干鈍化させる。しかし、回折構造の垂直画素構造との干渉の垂直方向での最小化は、注意深くなされなければならない。
【０１６８】
図３６は、光学素子１１を作成するための第１の方法を示している。素子は、例えばスピンコーティングによって配向層３１が形成された基板３０上に作成される。配向層は、例えば「Surface Induced Parallel Alignment of Liquid Crystals by Linearly Polymerised Photopolymers」、Schadtら、JapaneseJournal of Applied Physics、vol 31(1992)、p.2155およびEP 0 689 084号に記載されているタイプのような、直線状重合が可能な材料を含んでいる。配向層３１を、マスク３２を介して第１の直線偏光を有する放射に曝することにより、露光領域Ａを形成する。次に、層３１の未露光領域をマスク３３を介して異なる直線偏光を有する放射に曝すことにより、露光領域Ｂを形成する。このようにして、配向層３１に、交互に異なる配向方向（例えば４５°または９０°異なる）を有する領域が形成される。配向層３１を次に、例えばスピンコーティングにより、リターダ層３４で覆う。リターダ層３４は、配向が可能であり、所定の方向に実質的に固定が可能な任意の材料を含んでなる。適切な材料の一つは、ジアクリレートおよび／またはモノアクリレートを含有する反応性液晶ポリマーを含むものである。適切な材料の一例として、英国メルク社から入手可能なRM257として知られる材料がある。遅延層３４を次に、例えば紫外線照射に曝すことにより、固定あるいは重合化し、固定されたリターダ３５を形成する。
【０１６９】
リターダ層３４の光学軸は、その下に位置する配向層３１の領域に支配されて交互の方向を有するようになるため、選択的な重合を必要としない。また、リターダ材料をプロセス中において除去する必要がないため、広帯域源からの遠隔曝露を行うことを可能にし、リターダ材料がマスクにはりつく危険を回避することができる。
【０１７０】
基板３０は、光学素子の性能に影響するような（コントラスト比の減少、または装置のカラー性能の劣化など）複屈折性を最小化するように、選択される。例えば、適切な平坦さを有する適切なフロートグラスを基板３０に用いることにより、３Ｄディスプレイにおいて光学素子が偏光子１４上あるいはその近傍に設けられた場合の周辺構造を歪みを避け得る。
【０１７１】
図３７は、光学素子を作成するための第２の方法を示している。基板３０は、例えばスピンコーティングによって、ポリイミド配向層３１の被膜を有している。ポリイミドは、デュポン社から入手可能なPI2555として知られる材料を、Ｎ-メチル-2-ピロリジンおよび1-メトキシプロパン-2-オルの混合物を含む溶剤（デュポン社製T9039）中に、１：２０で溶解した材料を含んでなっていてもよい。例えば、層３１はオープンボール・スピンコーター中において、4000rpmで３０秒間スピンを行うことによって、形成され得る。ポリイミド層３１を次に、１７０℃で２時間加熱する。または、反応性メソゲンのプリチルト効果の要請に応じて、配向層は酸化シリコンであってもよい。配向層３１を柔らかい布によってラビングすることによって、Ａとして示すように、好ましい配向および配向層上のプレチルトを与える。
【０１７２】
フォトレジストの層３６を、例えばスピンコーティングによって配向層３１上に形成する。フォトレジスト３６を、マスク３７（例えば所望のパララックスバリヤのクロームコピー）を介して選択的に露光する。結果として、マスク３７を介した曝露後、光学素子のうちパララックスバリヤのスリット間の不透明領域となる部分をフォトレジストが覆っている。未曝露のフォトレジストを次に除去する。
【０１７３】
素子を次に再度ラビングすることにより、例えば以前の配向に対して４５°または９０°である、異なった第２の配向を配向層に与える。場合によっては、配向層３１の露出領域を、所望の配向方向を得るために、以前の未ラビング状態の配向層の場合に必要だった角度とは異なる角度でラビングすることが、必要になり得る。これが必要であり得る理由は、元の配向層が、再ラビング後も表面エネルギーに影響をおよぼし続ける可能性があるためである。従って、表面エネルギー補正の意味で、所望の配向方向に対して１０°から２０°異なるラビング方向が必要となり得る。再ラビング領域をＢとして表している。
【０１７４】
次に、残存するフォトレジストを、例えばアセトンで洗浄することによって除去する。次にリターダ層３９（例えば図１３で説明したタイプのもの）をスピニングによって塗布することにより、その光学軸は、その下に位置する配向層３１の領域に支配された方向となる。リターダ層３９を次に、例えば紫外線照射によって固定することにより、リターダ４０を形成する。
【０１７５】
【発明の効果】
本発明によれば、ディスプレイは、ワイドビューのフル解像度２Ｄモードおよび指向性３Ｄ自動立体モードで動作し、２Ｄモードにおいてブラックマスクに起因する望ましくない視覚的アーチファクトが発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知のタイプの自動立体３Ｄディスプレイの概略水平断面図である。
【図２】観察ポイント補正を行っていないディスプレイによって生じる円錐光を説明する、平面図である。
【図３】観察ポイント補正されたディスプレイによって生じる観察領域を説明する、図２と同様な図である。
【図４】別の公知のタイプの自動立体３Ｄディスプレイの概略水平断面図である。
【図５】本発明の一実施例におけるパララックスバリヤの概略図である。
【図６ａ】図５のバリヤのモード間切り替えを行うための構成を説明する概略図である。
【図６ｂ】図５のバリヤのモード間切り替えを行うための構成を説明する概略図である。
【図６ｃ】図５のバリヤのモード間切り替えを行うための構成を説明する概略平面図である。
【図７】本発明の一実施態様における自動立体３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図８】本発明の別の実施態様における自動立体３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図９】本発明の別の実施態様における自動立体３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図１０】本発明の別の実施態様における自動立体３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図１１ａ】本発明の別の実施態様における自動立体３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図１１ｂ】本発明の別の実施態様における自動立体３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図１２】本発明の別の実施態様における自動立体３Ｄディスプレイの概略側面図である。
【図１３】ｎｍ単位の波長に対する透過率を分数で示すグラフであり、１／２波長板を挟持する２つの偏光子を通過する非偏光の透過率を示している。
【図１４】ｎｍ単位の波長に対する光の透過率を％で示すグラフであり、直交する(crossed)偏光子を通過する光の透過率を示している。
【図１５】偏光変調層を作成するための第１の方法を説明する図である。
【図１６】偏光変調層を作成するための第２の方法を説明する図である。
【図１７】偏光変調層を作成するための第３の方法を説明する図である。
【図１８】偏光変調層を作成するための第４の方法を説明する図である。
【図１９】偏光変調層を作成するための第５の方法を説明する図である。
【図２０】偏光変調層を作成するための第６の方法を説明する図である。
【図２１】本発明の別の実施態様における自動立体３Ｄディスプレイの概略平面図である。
【図２２】ｎｍ単位の波長に対する光の透過率を分数で示すグラフであり、２枚の１／４波長板を挟持し直交する(crossed)偏光子を有するシステムを通過する光の消光効果を示している。
【図２３】本発明の別の実施態様におけるパララックスバリヤを示す概略図である。
【図２４】本発明の別の実施態様におけるパララックスバリヤを示す概略図である。
【図２５】図２４のパララックスバリヤの平面図である。
【図２６】本発明の別の実施態様における構成を示す概略図である。
【図２７】本発明の実施態様における光学素子および光学装置を示す概略図である。
【図２８】図２７の素子および装置の平面図である。
【図２９】本発明の別の実施態様における光学素子および光学装置を示す概略図である。
【図３０】図２９の素子および装置の平面図である。
【図３１】本発明の更なる実施態様における光学素子および光学装置を示す概略図である。
【図３２】図３１の素子および装置の平面図である。
【図３３】ｎｍ単位の波長に対する透過率を任意の単位で示すグラフであり、直交する(crossed)偏光子および平行な偏光子に挟持された１／２波長リターダにおける透過率を示している。
【図３４】ｎｍ単位の波長に対する透過率を％で示すグラフであり、２つの直交する(crossed)偏光子の間に介在する光学素子が存在しない状態を示している。
【図３５】本発明の一実施態様における、スリットエッジの空間的変調による回折を減少させたパララックスバリヤのための、配向層の配向およびマスクの外観を示す。
【図３６】本発明の一実施態様における光学素子を作成するための方法を説明する図である。
【図３７】本発明の一実施態様における光学素子を作成するための方法を説明する図である。
【符号の説明】
２０ 偏光変調層
２１ 偏光シート
２２ 開口部領域
２３ 偏光方向
２４ バリヤ領域
２６ 偏光方向

Claims (9)

1. 実質的に固定された複屈折性を有する複屈折性材料の層を有し、該複屈折性材料の層は、第１の方向に位置合わせされた第１の光学軸を有する少なくとも１つの第１のリターダと、該第１の方向と異なる第２の方向に位置合わせされた第２の光学軸を有する少なくとも１つの第２のリターダとを有し、前記第１のリターダの前記第１の光学軸は、第１の偏光を有する光の偏光ベクトルと平行であり、前記第２のリターダの前記第２の光学軸は、前記第１の偏光を有する光の偏光ベクトルの方向とは異なる方向に位置合わせされている、偏光変調層と、
   前記第１の偏光を有する光を通過させて前記偏光変調層に供給する入力偏光子と、
   該入力偏光子の偏光方向と直交する偏光方向を有し、前記第１リターダからの光を消光して前記第２リターダからの光を通過させる出力偏光子と、
   を有するパララックスバリア。
2. 前記偏光変調層の前記第１のリターダは、複数の第１のリターダを有しており、前記第２のリターダは、複数の第２のリターダを有しており、該第１および第２のリターダは、それぞれ規則的なアレイを構成する、請求項１にパララックスバリア。
3. 前記第１および第２のリターダは、交互に繰り返す第１および第２のストリップによってそれぞれ構成されている、請求項２に記載のパララックスバリア。
4. 前記第１のストリップは第１の幅を有し、前記第２のストリップは、該第１の幅より小さい第２の幅を有する、請求項３に記載のパララックスバリア。
5. 前記第１および第２のリターダは、（２ｍ＋１）λ/２の遅延を有しており、ｍは整数であり、λは可視光の波長である、請求項１から４のいずれかに記載のパララックスバリア。
6. 前記第２の方向は、前記第１の方向に対してほぼ４５°である、請求項１から５のいずれかに記載のパララックスバリア。
7. 前記複屈折性層は配向層の上に設けられており、該配向層は、前記第１および第２のリターダにそれぞれ対応しかつ第１および第２の配向方向をそれぞれ有する、第１および第２の領域を有している、請求項１から６のいずれかに記載のパララックスバリア。
8. 前記複屈折性材料は、反応性メソゲンを含んでいる、請求項１から６のいずれかに記載のパララックスバリア。
9. 前記入力偏光子は、液晶装置の出力偏光子を含んでいる、請求項１に記載のパララックスバリヤ。

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