JP4833973B2 - 視差を縮小し、輝度を維持する拡散体 - Google Patents

Description

本発明は、光学構成要素、より具体的には、コンピュータ・ディスプレイ、テレビのディスプレイなどのようなディスプレイの光学構成要素に関する。このディスプレイは、ＬＣＤディスプレイでもよい。本発明は、高ダイナミックレンジ・ディスプレイおよび他の種類のディスプレイに適用されることができる。

典型的な高ダイナミックレンジ・ディスプレイにおいて、バックライトは、光変調器の内側に、比較的低い解像度画像を生成する。低解像度画像は光変調器によって変調され、比較的高い解像度画像を提供する。この画像は、観測者によって認知されるべく、光変調器の外側に出現する。変調器はＬＣＤを具備し得る。バックライトと光変調器とを制御する電子信号は、公知の種類の適切な制御回路によって生成され得る。例えば、ＬＣＤ光変調器は、従来型のＬＣＤコンピュータ・モニタのＬＣＤ変調器を制御するために使用されるような、同じ種類の制御回路を使用して制御され得る。高ダイナミックレンジ・ディスプレイの例は、２００２年９月６日に公開された国際公開公報と、２００３年９月１８日に公開された国際公開公報に開示される。これらは双方とも、本明細書の特許文献１と特許文献２に示される。

バックライト内の複合光源は、光変調器の各画素を照射することができる。バックライトと変調器の間の分離距離を相対的に小さく維持することによって、隣接する低解像度画像の画素は、互いに円滑に融合できる。周知の画像補償技術を適用して、任意の不都合な画像ぶれアーチファクトを除去し得る。

このような画像補償技術の一つの難点は、低解像度画像の画素から、相当する高解像度画像の画素に分配された光強度（輝度）が、理想的には不変であることである。そうでなければ、高解像度画像の画素強度は、観測者が画像を見る方向の関数として変動するかもしれず、これは望ましくない。このような輝度不変性を得る一つの慣用法は、ディスプレイ内に、ランバート出力分布を備えた拡散体を組み込むことである（つまり、拡散体の外側から発する光線の角度分布は、拡散体の法線方向に対称であり、相当する入射光線の方向には無関係である）。このような拡散体は、視差（対象への異なる視線に相当する、観測者の位置の変化による対象の方向の見かけ上の変化）を排除する。従って、観測者は、ディスプレイ層の後ろの不要な物体画像を見ない。

ランバート拡散体は、不都合なことに、ディスプレイの相対的な輝度を約１０倍減らす。この要因としては、部分的には拡散体内の光線の後方散乱に起因し、一部は、相対的に大きな立体角一面に光束を広げる拡散体に固有の機能のためである（約０．５ステラジアン以下の好適な立体角に比較して、事実上、Πステラジアン）。
国際公開第０２／０６９０３０号パンフレット 国際公開第０３／０７７０１３号パンフレット ピー．コーン（Ｐ．Ｋｏｎ）ら著、「プリズム光導波路で大光源を効率的に連結する構造体（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｌａｒｇｅ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎ Ｐｒｉｓｍ Ｌｉｇｈｔ Ｇｕｉｄｅｓ）」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ、ｐ．７８〜８２、２０００

発明者は、観測者がディスプレイを見る方向性に対する、ディスプレイを通過して伝達される光線の角度分布の依存度を制限することによって観測視差を減らす方法において、好適な観察角度範囲内に入射光線を制限することによって、ディスプレイ・バックライトの画像輝度を維持するディスプレイ装置の必要性を認めた。

本発明の一側面として、複数の拡散体構成要素を具備する拡散体が提供される。各拡散体構成要素は、集光器と逆集光器の間に光学的に連結（optically coupled）された導波
路を具備する。

本発明の別の一側面として、バックライトと光変調器の間に設置された拡散体を具備するディスプレイが提供される。
以下の説明を通じて、本発明の一層完全な理解をもたらすために、具体的な詳細が示される。しかし、本発明は、これらの詳細なしに実行し得る。他の例において、本発明を不必要に曖昧にしないように、周知の構成要素は、示されないか、詳細に説明されていない。従って、明細書および図面は、制限的よりはむしろ例示的意味で受け取られるべきである。

図１は、単一の拡散体構成要素１０を示す。例えば、ディスプレイ内の変調器に、バックライト由来の入射光を拡散させる上で適した拡散体は、拡散体に分布された多数の拡散体構成要素を含み得る。このディスプレイは、高ダイナミックレンジ・ディスプレイか、或いは、例えば従来型のＬＣＤディスプレイのような別の種類のディスプレイを具備し得る。

拡散体構成要素１０は、複合放物面集光器（compound parabolic concentrator）１４
と逆複合放物面集光器（inverse compound parabolic concentrator）１６の間において
光学的に連結される円筒形の導波路１２を含む。導波路１２は、光線が導波路１２内において全内部反射(totally internally reflected)されるような周囲材料（例えば、空気）とは十分異なる屈折率を具備するような任意の適切な材料によって形成され得る。例えば、導波路１２は、適切に光学的に透明なガラス又はプラスチック材料のような適切な透明材或いは誘電体によって形成され得る。

複合放物面集光器１４は、入射光線１８，２０，２２を集光し、光線を、複合放物面集光器１４から導波路１２に向ける。入射光線１８，２０，２２が複合放物面集光器１４に入る前に、空気媒体において光線１８，２０，２２が好適な観察角度範囲内、つまり矢印２４によって示されるディスプレイの法線方向から約２５°の範囲内に存在するように、コリメータ（図１には示されない）は光線１８，２０，２２を視準（collimate）する。
視準によって、複合放物面集光器１４に入る光線数が最大になるので、導波路１２内に連結（coupled into）される光線数が最大になる。

複合放物面集光器１４と逆複合放物面集光器１６は、光線がそれらの境界で全内部反射される周囲材料（例えば、空気）とは十分異なる屈折率を具備する任意の適切な材料或いは複数の材料によって形成され得る。複合放物面集光器１４と逆複合放物面集光器１６は、それぞれ導波路１２と同じ材料によって製造し得る。例えば、複合放物面集光器１４と逆複合放物面集光器１６は、適切な光学的に透明なガラスかプラスチック材料のような適切な透明材か誘電体によって製造し得る。実施例によっては、複合放物面集光器１４、逆複合放物面集光器１６および導波路１２は全て、同じ材料によって製造される。これによって、複合放物面集光器１４、逆複合放物面集光器１６および導波路１２の間の界面における反射が回避される。

導波路１２は、光線２６，２８，３０が逆複合放物面集光器１６内へ移行する前に、集光光線２６，２８，３０を全内部反射し、空間均質化する。これに関連して、「空間均質化」（spatial homogenization）は、導波路１２に入る光線方向を特徴付ける情報が実質的に除去されることを意味する。空間均質化された光線３２，３４，３６は、逆複合放物面集光器１６（複合放物面コリメータでもよい）によって拡散体構成要素１０から外に向けられる。光線３２，３４，３６は、相当する光線３８，４０，４２として拡散体構成要素１０から出る。逆複合放物面集光器１６は、拡散体構成要素１０から放出された光を、拡散体構成要素１０への入射光に類似するかあるいは同じ視準レベルに復元することができる。

複合放物面集光器は周知の明確な光学デバイスである（例えば、非特許文献１を参照）。導波路１２の直径は、それぞれ導波路１２に交わる集光器１４，１６の直径に適合するように選択される。導波路１２の長さは重要ではない。導波路１２は、好ましくは前述の空間均質化を得るため、光線が導波路１２を通過するとき、かなりの回数（例えば２回以上、好ましくは３回以上、あるいはさらに１０回以上）、全内部反射されるのに足る長さである。これは、一般的に導波路１２の長さが、直径の少なくとも二倍であること（導波路１２の断面が円形である場合）、あるいは、最大横断寸法（largest transverse dimension）の二倍であること（導波路１２の断面が円形ではない場合）を意味する。

図２と図３は、多数の拡散体構成要素１０を組み込む拡散シート４４の一部分を示す。シート４４は、低解像度画像の画素から出る光線が、相当する高解像度画像の画素に到達し、その輝度に寄与し得る可能性を最大化することによって、画像輝度を維持する。各拡散体構成要素１０を通過する光線を空間均質化することによって、シート４４は、また、所望の２５°の視準角範囲内でこれらの光線の入射角度分布特性を実質的に除去する。従って、低解像度画像から高解像度画像に移行して高解像度画像を形成する光線の輝度比は、ディスプレイ観測者によって認知される所望の観察範囲内においては、観測者の観察方向に実質的に依存しない。これによって、ぶれアーチファクトのような不都合なアーチファクトを除去する、任意の適切な画像補償技術を正確に適用し易くなる。

図４は、拡散シート４４を組み込むディスプレイ１００を示す。ディスプレイ１００は、バックライト１０２を含む。例示の実施例において、バックライト１０２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）１０４の配列を具備する。ＬＥＤ１０４によって放出された光は、コリメータ１０８を通過する。コリメータ１０８は、好ましくは、コリメータを通過する角度範囲内を進まない光を、「再循環」（recycle）させる種類のものである。視準光は、シ
ート４４の導波路１２（図４には表示なし）を通過し、光変調器１１４の画素１１２に当たる。光変調器１１４は、例えば、ＬＣＤパネルあるいは他の透過型光変調器でもよい。

例示の実施例において、画像データ処理装置１２２およびバックライト１０２制御用の適切なインターフェース電子機器１２４Ａと光変調器１１４制御用の適切なインターフェース電子機器１２４Ｂを具備する制御装置１２０は、ディスプレイ１００上に表示されるべき画像を特定する画像データを受信し、バックライト１０２の発光器（例えば、ＬＥＤ１０４）と光変調器１１４の画素を駆動し、観測者、又は観測者達が見る所望の画像を生成する。制御装置１２０は、画像データ１２６によって特定化された画像を表示するため、バックライト１０２と光変調器１１４を制御する適当なソフトウエア／ハードウエア・インターフェースを備えた適切にプログラムされたコンピュータを具備し得る。

通常、拡散体構成要素１０の直径は、照射する高解像度光変調器の画素よりもずっと小さい。高解像度変調器の各画素は、複数の拡散体構成要素１０を通過する光によって照射されることができる。例えば、拡散体構成要素１０の直径は、数１０ミクロン（つまり、
約１０ミクロン〜約１００又は２００ミクロンの範囲）になり得るが、高解像度変調器の各画素の寸法は、約数１００ミクロン（例えば、通常、約１００ミクロン以上）になり得る。高解像度変調器の単一画素は、１０個以上の拡散体構成要素１０を通過した光によって照射されることができる。実施例によっては、各拡散体構成要素１０は、ディスプレイの高解像度画像の一画素のサイズに相当する寸法にされる。

構成要素（例えば、部材、部品、組立体、デバイス、処理装置、制御装置、コリメータ、回路など）が前述の場合、他に明記されなければ、構成要素（「手段」への言及を含めて）は、本発明の例示の模範的実施例においてその機能を実行する開示構造と構造的に等価ではない構成要素を含めて、記載の構成要素（つまり、機能的に等価である）の機能を実行する任意の構成要素をその構成要素の等価物として含むものと解釈されるべきである。

前述の開示内容を考慮して、当業者に明らかになり得るように、本発明の実施において、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの変更および改変が可能である。例えば、
・高ダイナミックレンジ・ディスプレイに関して上述されているが、本発明は、一般適用のものであり、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のような任意の直接バックライト・ディスプレイ・サブシステムに結合して使用されることができる。このようなＬＣＤは、例えば、ルミレッズ・ライティング（Ｌｕｍｉｌｅｄｓ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ）、サンホセの米国エルエルシ（Ｕ．Ｓ．ＬＬＣ ｏｆ Ｓａｎ Ｊｏｓｅ）、カリフォルニア（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）から入手できる赤・緑・青ラクシオン（Ｌｕｘｅｏｎ）ＤＣＣ（登録商標）発光ダイオード光源の配列のような個別光源の配列によって、背後から光が当てられ得る。

・導波路１２と集光器１４，１６は、断面が円でなくてもよく、他の断面形状を有し得る。例えば、導波路１２の断面は、長方形か六角形でもよく、集光器１４，１６は、円錐状でもよい。このような別の形状は、上記の形状よりも光学的に効率が低いものの、組み立てが一層簡単且つ一層費用のかからない拡散体の製造が望まれる幾つかの適用において、受け入れられ得る。

・拡散体構成要素１０は、図３に示されるように正方格子様式で配列される必要がなく、ディスプレイ・シートの画素又は画素群の配置に適合する任意の他の望ましい配置（例えば、ランダム分布、六角形、長方形格子など）でもよい。

・放物面集光器１４と逆複合放物面集光器１６は、双方が導波路１２に適合すべく、通常、同じあるいは類似のサイズになり得るが、必ずしも互いに同じサイズである必要はない。

・光が全内部反射される構造を提供する代わりに、放物面集光器１４、逆複合放物面集光器１６および／または導波路１２は、放物面集光器１４、逆複合放物面集光器１６および／または導波路１２の周囲を囲む反射金属のような反射被膜を提供するか、反射材を提供することによって製造し得る。このような実施例において、放物面集光器１４、逆複合放物面集光器１６および／または導波路１２は、反射壁を備えた中空構造の形態で提供され得る。

幾らかの例の局面および実施例が上記で討議されてきたが、当業者は、特定の改変、置換、付加およびそれらの部分的組み合わせを認めるだろう。従って、添付した請求項が、その真の範囲内にあるとして、このような改変、置換、付加および部分的組み合わせを全て含むと解釈しようとするものである。

拡散体構成要素の大きな倍尺での側断面図。 図１の拡散体構成要素を複数組み込んだ拡散シートの断片部分の、大きな倍尺での平断面図。 図２の拡散シートの断片部分の、大きな倍尺での（図２よりも大きな倍尺での）正面図。 図２に示す拡散シートを組み込んだディスプレイの一部分の模式断面図。

Claims (17)

1. 複数の拡散体構成要素を具備する拡散シートとしての拡散体であって、前記拡散シートは、互いに空間的に離間した光入射面と光出射面とを有し、
   各拡散体構成要素が、集光器と；逆集光器と；前記集光器と前記逆集光器の間に光学的に連結された導波路とを具備し、
   前記集光器は、前記拡散シートに入射した光を受けるために前記拡散シート内で前記光入射面に向かうように配置され、
   前記逆集光器は、前記拡散シート内で前記光出射面に向かうように配置される
   ことを特徴とする、拡散体。
2. 前記集光器が複合放物面集光器である、
   請求項１記載の拡散体。
3. 前記逆集光器が逆複合放物面集光器を具備する、
   請求項２記載の拡散体。
4. 前記複合放物面集光器は、入射光線を集光して前記複合放物面集光器から前記導波路内へ通過する光線数を、最大化する、
   請求項３記載の拡散体。
5. 前記拡散体は、前記入射光線が前記複合放物面集光器に入る前に、前記入射光線を視準するコリメータを具備する、
   請求項４記載の拡散体。
6. 前記コリメータが、前記入射光線を、ディスプレイの法線方向に対して約２５°の範囲内に向けさせる、
   請求項５記載の拡散体。
7. 前記導波路が、集光光線を脱視準するとともに、脱視準光線を前記逆複合放物面集光器内に光学的に連結する、
   請求項６記載の拡散体。
8. 前記逆複合放物面集光器は、前記コリメータが前記入射光線を視準するのと同じ程度、空間均質化された光線を視準する、
   請求項７記載の拡散体。
9. 前記導波路は、空気によって囲まれた誘電体を具備し、該誘電体は光学的に透明である、
   請求項１〜８何れか一項記載の拡散体。
10. バックライトと光変調器の間に設置された、
    請求項１〜９何れか一項記載の拡散体を具備するディスプレイ。
11. 前記ディスプレイは、前記バックライトと前記拡散体の間にコリメータを具備する、
    請求項１０記載のディスプレイ。
12. 前記コリメータは、前記拡散体に入射する光の大部分を、前記拡散体に垂直な線に対して約２５°の視角範囲内に向けさせる、
    請求項１１記載のディスプレイ。
13. 前記バックライトは、個々に制御可能な複数の光源を具備する、
    請求項１０〜１２何れか一項記載のディスプレイ。
14. 前記の個々に制御可能な光源は、発光ダイオードを具備する、
    請求項１３記載のディスプレイ。
15. 前記変調器は複数の画素を具備し、前記各画素は制御可能な光透過率を有し、
    前記拡散体は、複数の前記画素の各々の前記拡散体上の投影領域内に、複数の前記拡散体構成要素を具備する、
    請求項１０〜１３何れか一項記載のディスプレイ。
16. 前記ディスプレイは、画像データによって規定された低解像度バージョンの画像を前記変調器上に提供すべく、前記の個々に制御可能な光源の強度を制御するように構成された制御装置を具備する、
    請求項１３又は１４記載のディスプレイ。
17. 前記制御装置は、前記低解像度バージョンの画像よりも高い解像度に見える画像を表示すべく、前記変調器の画素を制御するように構成される、
    請求項１６記載のディスプレイ。

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