JP4005808B2 - ジグザグ状波長板を有するｌｃｄプライバシ・スクリーン - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に関し、更に詳しくは、液晶ディスプレイの視野を制限することによって、当該ＬＣＤ上に生じるイメージを、スクリーンの真正面に座っているユーザだけが見ることができ、斜めの角度でスクリーンを見ているそれ以外の者は見ることができなくするようなアセンブリに関する。この目的は、スクリーンに対してほぼ垂直であるもの以外はスクリーンから生じる光をほとんど除去することによって達成されうる。
【従来の技術】
液晶は電子的なディスプレイにとって有用であるが、その理由は、液晶層を通過する偏光された光はこの液晶層の複屈折によって影響され、複屈折は、液晶層の両端に電圧を加えることによって変化させることができるからである。その結果として、反射光の伝達を、他のタイプのディスプレイにおいて用いられる発光材料に要求されるよりもはるかに少ないパワーで制御することができる。これにより、ＬＣＤディスプレイの寿命をより長く、より軽量に、そして電流消費を低下させることができる。
ＬＣＤであるコンピュータ・モニタやテレビ・ディスプレイでは、マトリクス状のピクセルがディスプレイの全体に配置されている。これらのピクセルは、２組の垂直な導体の間で、Ｘ−Ｙ方向のシーケンシャルなアドレシング方式によって付勢される。ディスプレイがネマチックな液晶を組み入れている場合には、薄膜トランジスタのアレイを用いて、個々のピクセルにおける駆動電圧を制御することができる。
多くの応用例において、コントラストの歪み又は損失を伴わずにディスプレイを見ることができる角度を拡大することが望まれている。例えば、エビオニクスでは、様々な異なる角度でスクリーンを見ている複数の人間にとって、ディスプレイが明瞭であって歪みがないことが重要である。また、多くの場合に、ユーザ以外の観察者にもコンピュータ・ディスプレイが見えることが望ましいし、スクリーンの正面以外に座っている観客にもビデオ・スクリーンが歪みのない画像を提供することが望ましい。歪みがなく高輝度な視野角を可能にするアセンブリは、多くの従来の文献に示されている。例えば、ｗｉｎｋｅｒへの米国特許第５，６１２，８０１号がある。
しかし、使用可能な視野角を著しく狭くして視野に関するプライバシーを提供することが好ましいような多くの特許出願がなされている。そこで意図されているのは、スクリーン上のイメージへのアクセスを、スクリーンの真正面に座っている者だけに可能にし、その者の隣に座っている人間やその者を見下ろすように立っている人間にはスクリーン上のイメージを見えなくすることである。航空機の座席のような狭い位置では、このような工夫が意味を有する。また、機内で各個人だけに見えるスクリーンを提供することも意味を有する。そうすれば、各個人が料金を支払って自分の望む画面を見ることができる。これは、映画などについていえることであるが、ウェブ・サイトを見たり、電子メールを送る際にも同様の配慮が意味を有する。
【発明の概要】
本発明は、３Ｍ社から提供されている装置において生じてしまうイメージ輝度の低下を改善する。本発明は、ＬＣＤスクリーンに加えて、少なくとも２つの離間しあるパターンを有する２分の１波長板と直線偏光器とを備えている。ＬＣＤから放出された光線の水平成分は実質的に直交する態様以外のものは、波長板アセンブリによってブロックされ、観察者まで到達しない。その結果、ほぼ９０度以外の角度からスクリーン上のイメージを見る機会は、著しく減少し又は排除される。光の強度は、輝度向上膜を追加することによって、改善される。
【発明の実施の態様】
図１は、ＬＣＤスクリーンの表面から垂直（直交して、又は、法線方向に入射する）に出てくる光線１２と、非直交的な光を表す２つの非直交光線１４及び１５とを示している。第１の光線１４は水平方向にだけ９０度ではなく、第２の光線は垂直方向にだけ９０度でない。水平成分１４に非直交的である光線１４は、スクリーンの正面に座っている人間以外の者にもＬＣＤスクリーン上のイメージを見ることを可能にしている。本発明の目的は、この水平方向の非直交的な光線を可能な限り見えなくすることである。
図２は、本発明の特徴を組み入れた典型的なバックライト付きのＬＣＤ構成を示している。ＬＣＤスクリーン１０の背後にある光源２０によって発生された光１８は、ＬＣＤスクリーンのピクセルの電子的な付勢と組み合わされて、スクリーン上にイメージを発生される。この光は、スクリーンの透明部分を通過する。この光は、ＬＣＤスクリーンの表面に対して様々な異なる複数の角度にだけでなく、直交方向に放射する。従来型のディスプレイ出力偏光器２２がＬＣＤディスプレイ１０の出口側において用いられて、表示イメージを生じる。ディスプレイ出力偏光器２２は、実際には、ＬＣＤディスプレイの一部として提供される。それは、波長板（ｗａｖｅｐｌａｔｅ）アセンブリのための入力偏光器として機能し、「入力偏光器」と称される。ＬＣＤが用いられない場合には、入力偏光器は、波長板アセンブリの前に追加される。この偏光器は、膜の偏光方向に平行に振動する光の波列成分だけを透過させ、その方向と直角に振動する波列成分は吸収する。偏光膜の偏光方向に平行でない波列成分の一部は透過されることもあるが、偏光膜を（通過して）生じる光は、実質的に直線偏光される。
方向が異なると異なる屈折率を有しているような材料は、複屈折（ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ）という。どのような材料でも、直交する軸に沿った３つの基本的なインデクスによって完全に特徴付けられる。これらのインデクスの２つが等しく（「常光線」（ｏｒｄｉｎａｒｙ）と称される、ｎ_ｏ）第３のインデクスが異なる（「異常光線」（ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ）と称される、ｎ_ｅ）場合には、その光線は、一軸的に複屈折である。ｎ_ｅ＞ｎ_ｏである場合には、正の複屈折である。すべての３つの方向で複屈折インデクスが同じ場合には、その材料は「等方的」（ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）と称される。
一軸的に複屈折である膜構造では、異常インデクス（又は、ｃ軸）が膜の平面内に存在する場合には、それは、ａ平面と称される。その理由は、それが、結晶学者がａ切断（ａ−ｃｕｔ）結晶と称するものと同じ光学的な対称性を有するからである。そのようなａ平面は、その厚さｄと複屈折に関するｎｅ−ｎｏとが次の数式を満たすように選択される場合には、２分の１波（ｈａｌｆ−ｗａｖｅ）と称される。
【数１】
（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）ｄ＝λ／２
２分の１波長板は、平面偏光がその上に入射し偏光ベクトルが膜の異常軸に対して角度θをなすときに、光が通過するにつれて偏光面が２θだけ回転されるという性質を有する。
この偏光器から離間し、ＬＣＤ１０から更に離れた位置に、その透過軸が入力偏光器２２の透過軸直交している別の偏光器２４がある。この偏光器２４は、分析器と呼ばれることが多い。入力偏光器２２から出ていく光の選択された成分は、２つの偏光器の間に位置する２分の１波長板アセンブリ２６によって９０度回転された偏光ベクトルを有する。分析器２４は、後で波長板から出ていく光の回転された成分を通過させるように位置決めされている。後述するように、回転されていない光は、追加的な偏光器２４を通過せず、従って、追加的な偏光器２４の背後にいる観察者２８には見られることがない。
入力偏光器２２と追加的な偏光器２４との間には、アセンブリ２６があり、このアセンブリ２６は、追加的な偏光器２４と組み合わされて、波長板を斜めの水平方向に横断し入力偏光器２２を通過する光が観察者２８に到達するのを防止するように機能するジグザグ状のストライプ付きのパターンを有する２分の１波長板３０及び３２を含んでいる。
２分の１（λ／２）波長板アセンブリ２６は、好適実施例では、一定の予め選択された距離Ｓだけ離れている２つのパターン付きの２分の１波長板３０及び３２を備えている。一方の波長板３０は、そのｃ軸が分析器の透過角度に対して＋４５度であり、従って、この波長板のストライプ付きの複屈折部分は、光をある方向に一定の角度（９０度）回転させ、他方で、第２の波長板３２はそのｃ軸が分析器の透過軸に対して＋４５度又は−４５度であり、従って、ストライプ付きの複屈折部分は、光を更に±９０度（０度又は１８０度まで）回転させる。２分の１波長板３０及び３２は、それぞれ、等方的な部分３４と複屈折的な部分３６とを交互に有しており、等方的部分３４は回転させずに光を透過させ、複屈折的部分３６は偏光を所望の角度だけ意図した方向に回転させる。
部分３４及び３６は、それぞれ、長さ方向の寸法は同じである。すなわち、Ｐ_１＝Ｐ_２である。Ｐ_１がＰ_２に等しくない場合には、ゼロ（透過がゼロ）に到達することができない。２つの２分の１波長板の相互の位置関係は、第１の２分の１波長板３０の等方的部分３４を通過して垂直に１２又は実質的に垂直に１３進む光は第２の波長板３２の複屈折部分３６を通過するように、なっている。あるいは、第１の２分の１波長板３０の複屈折的部分３６を通過して垂直に１２又は実質的に垂直に１３進む光は第２の波長板３２の等方的部分３６を通過する。両方の場合に、入力偏光器２２を通過する光は、２分の１波長板２６によって、９０度回転され、水平成分が波長板２２のストライプ方向に垂直である向きを有する追加的な偏光器２４を、入力偏光器２２の透過面に９０度で通過し、それによって、ＬＣＤイメージを観察者２８が見ることが可能になる。入力偏光器２２から出てくる他のすべての光１４のかなりの部分は、両方の２分の１波長板３０及び３２の上の複屈折部分３６又は２つの等方的部分３４に遭遇し、光１４は、分析器偏光器２４を透過するのではなく、分析器２４に吸収される。
所望の０の角度は、スクリーンが動作している環境に依存する。図３は、２つの２分の１波長板３０及び３２が１．５の屈折率を有する材料の中に埋め込まれ、Ｓ＝１．４（Ｐ_１＋Ｐ_２）であり、Ｐ_１＝Ｐ_２である場合に、光が透過するパーセンテージを示すグラフである。
ゼロ点よりも大きな角度では、あるパーセンテージの光が依然として透過されるが、容易には見えない程度の強度又はコントラスト比しか有していない。ゼロ点は、２つの２分の１波長板の間の距離Ｓを変化させることによって、変動させることができる。波長板が近づけられると、つまりＳが小さくなると、ゼロ角度は、２つの２分の１波長板が接触する場合の１８０度まで増加していく。逆に、２分の１波長板が離される（つまり、Ｓが大きくなる）と、ゼロ角度は減少する。しかし、２分の１波長板アセンブリ２６は、偏光器２２及び２４と組み合わされ、実際的である程度の厚さを有するようになる。好ましくは、ゼロ点は、４０度よりは大きくない。Ｐ_２のサイズは、ＬＣＤにおけるピクセル・サイズに依存する。好適実施例では、Ｐ_１＝Ｐ_２＝１７．５μであり、Ｓ＝５０μである。しかし、Ｐ_１及びＰ_２は、約１０μから約２００μまで変動することができ、Ｓは約２５μから約５００μまで変動することができる。
θ_ｅｘｔが透過がゼロになる所望の視野角であり、ｎが埋め込む側の材料の屈折率であり、Ｐ_１＝Ｐ_２であるとすると、空間の選択を制御する公式は、Ｓを２分の１波長板の間の距離として、次の通りである。
【数２】
Ｓ／Ｐ_２＝ｃｏｔ［ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎθ_ｅｘｔ）／ｎ］
θ_ｅｘｔ＝３０度である典型的な場合には、ｎ＝１．５、Ｓ／Ｐ_２＝２．８である。
スペースＳは、その空間を完全に充填している既知の厚さの接着剤など、透過的で等方的な充填材料３８によって提供される。あるいは、既知の厚さを有するスペーサを充填材料３８と共に用いて、２分の１波長板３０及び３２の間の空間を維持する補助を受けることができる。類似の参照番号の構成要素は、上述した構成要素と同じ態様で機能する。従って、この実施例は、比直交的な光の透過を水平及び垂直方向に制限できるという追加的な特徴を有する。
水平及び垂直の両方の方向に視野を制限する別の方法としては、ストライプが水平方向を向いた第２のジグザグ状の波長板オペレーション・センタを用いる方法がある。第２の入力偏光器が、２つのジグザグ状波長板アセンブリの間に追加されなければならず、第２の入力偏光器は第１の入力偏光器と交差している。このような場合には、分析器偏光器は、第１の入力偏光器ではなく、第２の入力偏光器と交差する。
本発明は、公開されている文献に示されているように波長板を形成する複数の技術である何らかの特定の形式の２分の１波長板が必要になるということはない。しかし、２つの技術が用いられるのが通常である。一方の技術は、ポリカーボネートやポリビニル・アルコール・ポリマ膜などの案らかのプラスチック膜を一軸的に伸長させ、その際に、その膜を伸長された状態のままに圧力及び／又は熱を用いて維持し、膜の上には交互のストライプ状のパターンをスタンプするというものである。これは、等方的又は複屈折的な平行な交互の領域を作ることができる。別の方法としては、重合された液晶モノマの溶液を、摩擦された（ｒｕｂｂｅｄ）ポリイミド膜の上に溶媒投下（ｓｏｌｖｅｎｔ ｃａｓｔ）するという方法がある。形成される液晶膜のｃ軸は、ポリイミド膜の摩擦方向と一致する。膜が乾燥され重合されると、ポリイミド膜の上には複屈折ポリマのコーティングが残る。そして、ポリマ膜の表面にフォトレジストを加え、フォトレジストは、所望のストライプ幅を有するストライプ状のフォトマスクを用いて被覆され、フォトレジストの平行部分はエッチングによって除去され、複屈折及び等方的ストライプが残る。このような複屈折膜を形成する他の方法も、この技術分野の当業者であれば、知っているはずである。
上述の装置の更なる改善として、輝度強化膜４２を、図６に示されているように、光源２０とＬＣＤスクリーン１０との間に追加することができる。輝度強化膜は、光を更に前方の方向に集中させる屈折的な光学装置を用いて、より少ない光が斜めの方向に進むようにする。これらの膜は、市販されている。輝度強化膜４２は、光源２０から生じる光１８を合焦して、光１８のより多くの部分がＬＣＤ１０の背面に到達してＬＣＤのイメージをより明るく、そしてその結果として、観察者に到達する光がより強くなるようにする。この様子は、図５のグラフに示されている。輝度強化膜が用いられる場合には、直交方向から離れた角度ではより少ない光しか利用できず、その結果、ゼロ角度よりも大きな角度の透過光のパーセンテージが減少する。
好適実施例では、２分の１波長板３０及び３２は、５５０ｎｍの光に対して設計されている。しかし、波長板が２分の１の波長に十分に近いと、アセンブリはそれに到達する可視光のすべての周波数に対して意図した態様で動作する。
以上では、本発明を異なる複数の実施例を参照して示し説明したが、この技術分野の当業者であれば、冒頭の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形式、詳細、組成及び動作条件を変更することができることを理解するはずである。
例えば、２分の１波長板について説明したが、９０度とは異なる同一の角度で光を回転させる２つの板を用いることもできる。しかし、そのようなシステムは、やや効率の悪い態様で動作し、ゼロ点を生じない可能性がある。また、２つよりも多くの波長板を用いて、Ｐ_１とＰ_２との比率や、Ｐ_１及びＰ_２に対するＳの関係を変動させて、ゼロ角度を更に小さくすることもできる。この技術分野の当業者であれば、ここには記載されていない技術であって偏光を生じさせることができるものを想到することができよう。本発明は、他の偏光技術を用いても可能である。更に、ここで与えられているアセンブリはＬＣＤスクリーンとの関係で説明したが、イメージを提供するあらゆる態様のスクリーンについてもプライバシを提供するように用いることができることを当業者であれば理解するはずである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のＬＣＤスクリーンから放出された光の概略的な表現である。
【図２】 図１に示された従来のＬＣＤに追加された本発明による特徴を組み入れたアセンブリの概略的な平面図である。
【図３】 図２のアセンブリの正面図である。
【図４】 ２分の１波長板上にチェッカーボード・パターンを有するアセンブリの第２の実施例の全体図である。
【図５】 交差した偏光器の間のジグザグ状の波長板を通過する透過を示すグラフである。
【図６】 輝度強化膜を追加した図２のアセンブリの平面図である。

Claims (7)

1. ディスプレイから生じる光の視野角（viewing angle）を縮小させるアセンブリであって、
   入力偏光器フィルム（２２）及び分析器偏光器フィルム（２４）であって、これらのフィルムは離間しており平行であって、前記分析器偏光器フィルム（２４）は、その上に入射する直線偏光を、前記入力偏光器フィルムを通過して出ていく直線偏光に対して９０度となるように透過させるように向けられた透過軸を有している、入力偏光器フィルム（２２）及び分析器偏光器フィルム（２４）と、 前記入力偏光器フィルム（２２）と前記分析器偏光器フィルム（２４）との間に配置されており、前記ディスプレイの表面と垂直の方向に伝搬する直線偏光を９０度回転された状態で透過させる２分の１波長板アセンブリ（２６）と、
   を備えており、前記２分の１波長板アセンブリ（２６）は、第１の波長板（３０）と少なくとも１つの第２の波長板（３２）とを備え、前記少なくとも１つの第２の波長板（３２）は前記第１の波長板（３０）から一定の距離に離間され、それぞれの波長板（３０、３２）は複数の複屈折性（３６）及び等方性（３４）のストライプを交互に有し、前記等方性ストライプ（３４）は法線方向にその上に入射する偏光を回転なしで透過させ、前記複屈折性ストライプ（３６）は法線方向にその上に入射する偏光をある定義された角度だけ回転させて透過させ、前記第２の波長板（３２）は、前記第１の波長板（３０）の上の前記等方性ストライプ（３４）を通過する法線方向に入射する偏光は前記第２の波長板（３２）の上の前記複屈折性ストライプ（３６）の１つを通過し、前記第１の波長板（３０）の上の前記複屈折性ストライプ（３６）を通過する法線方向に入射する偏光は前記第２の波長板（３２）の上の前記等方性ストライプ（３４）の１つを通過して前記第１の波長板に法線方向に入射する偏光を９０度回転して前記第２の波長板から透過させるように、位置決めされていることを特徴とするアセンブリ。
2. 請求項１記載のアセンブリにおいて、前記複数の交互の等方性及び複屈折性ストライプ（３４、３６）はそれぞれが同じ幅を有していることを特徴とするアセンブリ。
3. 請求項２記載のアセンブリにおいて、前記幅は約１０μから約２００μであることを特徴とするアセンブリ。
4. 請求項２記載のアセンブリにおいて、前記幅は約２０μであることを特徴とするアセンブリ。
5. 請求項１記載のアセンブリにおいて、前記第１の波長板（３０）と前記第２の波長板（３２）との間の前記一定の距離は約２５μから約５００μであることを特徴とするアセンブリ。
6. 請求項１記載のアセンブリにおいて、前記第１の波長板（３０）と前記第２の波長板（３２）との間の前記一定の距離は約５０μであることを特徴とするアセンブリ。
7. 請求項１記載のアセンブリにおいて、前記第１の波長板（３０）と前記第２の波長板（３２）との間には接着剤が充填されていることを特徴とするアセンブリ。

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