JP4927149B2 - 制御可能な光源を備えたエリアアクティブバックライト - Google Patents

制御可能な光源を備えたエリアアクティブバックライト Download PDF

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Description

本発明は、液晶パネル、具体的には、制御可能な光源を備えた液晶パネルに関するものである。
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル、または、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）ディスプレイのローカル伝達は、バックライト光源からパネル領域を通過する光の強さを調節し、可変強度にて表示可能な画素を生成するため変更され得る。光源からの光がパネルを介して視聴者に届くか、または阻止されるかは、光弁における液晶の分子配向によって決まる。
液晶はそれ自体発光しないので、透過型ディスプレイは外部光源を必要とする。小型で安価なＬＣＤパネルは、多くの場合、パネルを通過した後で視聴者に向かって反射する光に依存している。パネルは完全に透明ではないので、相当量の光が、パネルの通過時に吸収される。そのため、最適な照明条件下以外で、このタイプのパネル上に表示される画像を見るのは困難であると考えられる。一方、コンピュータのディスプレイ、およびビデオスクリーンに用いられるＬＣＤパネルは、一般的に、パネルの側面または背面に設けられた蛍光管または発光ダイオード（ＬＥＤｓ）の列を用いて背後から光を照射する。ディスプレイがより均一な輝度レベルを得るためには、一般的には、上記点光源および線光源からの光が視聴者への伝達を制御する光弁に作用する前に、この光を拡散パネル内に拡散させる。
光弁の伝達は、一対の偏光板の間に配置された、液晶層によって制御される。第一偏光板に作用する光源からの光は、複数の平面における電磁波振動を有する。偏光板の光軸における平面内で振動する一部の光のみが、偏光板を通過することができる。ＬＣＤにおいて、第一および第二偏光板の光軸は、第一偏光板を通過する光が通常状態において第二偏光板を連続的に通過しないように、交差して配置されている。しかし、半透過型液晶層が、２つの偏光板を隔てるセルギャップを埋めている。液晶分子の物理的配向は制御可能であり、層にかかる分子列を伝達する光の振動面は、偏光板の光軸に対して並ぶか、または、並ばずに回転する。
セルギャップの壁を形成する第一および第二偏光板の表面には溝が刻まれているので、セルギャップの壁のすぐ近傍にある液晶分子が溝に対して並び、その結果、各偏光板の光軸に対して並ぶ。分子の力により、近傍の液晶分子が隣の分子に対して並ぼうとし、その結果、セルギャップにかかる列における分子配向が、列の長さに渡ってねじれて配列される。同様に、分子列を伝達する光の振動面は、第一偏光板の光軸から第二偏光板の光軸までねじれて配列される。上記配向の液晶を用いることで、光源からの光が半透明のパネルアセンブリにおける１対の偏光板を通過することができ、パネルの正面から見たときに、ディスプレイ面の点灯領域を生成することができる。
画素を暗くして画像を生成するために、セルギャップの壁の上に配置された電極に対して並んだ電極に電圧を印加する。上記電圧は、一般的には薄膜トランジスタによって制御される。電極の近傍にある液晶分子は、電圧により生成された電界に引き付けられ、電界に対して並ぶように回転する。液晶分子は電界によって回転するが、結晶の列はねじれて配列されない。セルの壁の近傍にある結晶の光軸は、対応する偏光板の光軸と並んだ列から回転して外れ、光弁のローカル伝達および対応するディスプレイ画素の強さを徐々に下げる。カラー液晶ディスプレイは、ディスプレイ画素を構成する複数の原色要素（一般的には赤、緑、および、青）のうちの各々に伝達される光の強さを変えることにより、生成される。
図１を参照すると、（括弧で括られた）液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）５０は、バックライト５２、および、（括弧で括られた）光弁５４を備える。液晶はそれ自体発光しないので、ほとんどのＬＣＤパネルは、パネルの側面または背面に設けられた蛍光管または発光ダイオード（ＬＥＤｓ）の配列を用いて背後から光を照射する。光を分散させてディスプレイの表面に渡ってより均一な強度を得るために、バックライト５２からの光が、光弁５４に作用する前に拡散板５６を通過する。
光弁５４は、バックライト５２から、パネルの前面に表示される画像を見る視聴者５８への光の伝達を制御する。光弁５４は、１対の偏光板６０および６２を備えており、偏光板間のセルギャップに収容される液晶層によって隔てられている。第一偏光板６２に作用するバックライト５２からの光は、複数の面において振動する電磁波を備える。偏光板の光軸における平面内で振動する光の部分のみが、偏光板を通過することができる。ＬＣＤ光弁において、第一偏光板６２および第二偏光板６０の光軸は、第一偏光板を通過する光が通常状態において第二偏光板を連続的に通過しないように、交差して配置されている。しかし、液晶６４の層における半透明型結晶の配向は、局所的に制御されており、次のいずれかとなる。すなわち、光の振動面が偏光板の光軸に対して並ぶようにねじれて配列され、光が光弁を通過して高輝度の画素またはピクセルを生成するか、または、偏光板のうち１つの光軸と並んだ列から外れ、光を弱めて、スクリーンまたは画素における低輝度の領域を生成する。
第一ガラス基板６３の表面および第二ガラス基板６１の表面が、セルギャップの壁を形成する。壁のすぐ近傍にある液晶６４の分子を物理的に並べる微視的な溝を生成するために、当該表面にバッファを行う。分子の力により、近傍の液晶分子が隣の分子と並ぼうとし、その結果、セルギャップにかかる分子列における分子配向が、列の長さに渡ってねじれて配列される。同様に、分子列を伝達する光の振動面は、第一偏光板６２の光軸からセルギャップの対向面における液晶の配向によって規定される平面にねじれて配列される。セルギャップの壁にバッファを行い、近傍の結晶を第二偏光板の光軸に対して並べる場合、バックライト５２からの光が１対の偏光板６０および６２を通過することができ、パネルの正面から見たときに、ディスプレイ面の点灯領域を生成することができる（ノーマリーホワイトＬＣＤ）。
画素を暗くして画像を生成するために、セルギャップの壁の上に配置された透明電極と並んだ電極に電圧を印加する。この電圧は、一般的には薄膜トランジスタによって制御される。電極の近傍にある液晶分子は、電圧により生成された電界に引き付けられ、回転して電界に並ぶ。液晶分子は電界によって回転するが、結晶の列はねじれて配列されない。セルの壁の近傍にある結晶の光軸は、対応する偏光板の光軸と並んだ列から回転して徐々に外れ、光弁５４のローカル伝達を徐々に下げるとともに、対応する画素の輝度を徐々に弱める。逆に、ノーマリーブラックＬＣＤを製造するために、光弁の偏光板およびバッファを配列することができる。ノーマリーブラックＬＣＤの画素は、電極に印加されていないときは暗く（光が阻止されている）、電極に印加されているときは明るい。カラー液晶ディスプレイは、表示される画素を構成する複数の原色（一般的には赤、緑、および、青）サブ画素のうちの各々に伝達される光の強さを変えることにより、生成される。タッチスクリーンの前に配列された一組のカラーフィルタ８４、偏光板８２が、周辺光の反射を大幅に低減させることができる。また、被覆板８６を偏光板８２の上に配置してもよい。
上述の例では、ＴＮ装置に関して説明してきた。しかし、上記記述は、単なる例示にすぎず、特に限定されるものではなく、マルチドメイン垂直配列型（ＭＶＡ）、ＰＶＡ型、水平配列型（ＩＰＳ）、および、スーパーＴＮ（ＳＴＮ）型のＬＣＤを含む、同様の装置を用いてもよい。
図２は、側面から供給する冷陰極蛍光（すなわち、ＣＣＦＬ）バックライトランプ１１０を備えた、代表的な液晶ディスプレイ１００（すなわち、ＬＣＤ）を示す。ＣＣＦＬランプ１１０からの光は、導光体１２０の中に結合される。放たれた光は、全反射（ＴＩＲ）を介して導光体１２０内に閉じ込められ、導光体１２０の裏面１３０から散乱することにより、臨界角よりも小さい散乱角を有する光が導光体１２０の前面を通過し、略均一にディスプレイに分散される。残念ながら、バックライト１１０が供給する光を、ディスプレイの異なる領域に対して選択的に制御することはできない。
また、上記問題点を解消するための特許文献１〜６に開示された発明では、装置が複雑になる（例えば、特許文献１〜６参照）。
米国特許第７，４３０，３５５号明細書 米国特許出願公開第２００８／０２１２１５８号明細書 米国特許第５，３１９，４９１号明細書 米国特許第４，７９４，３７０号明細書 米国特許第４，８０７，９６７号明細書 米国特許第４，２３４，２４５号明細書
上記従来のディスプレイは、バックライトが供給する光を異なる領域に対して選択的に制御することができないという問題点を有している。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、バックライトが供給する光を異なる領域に対して選択的に制御することができるディスプレイを提供することを目的としている。
本発明のディスプレイは、上記の課題を解決するために、（ａ）液晶層と、（ｂ）上記液晶層に光を供給するバックライトと、を備えたディスプレイであって、（ｃ）上記液晶層が、上記バックライトから上記ディスプレイの前面への光の伝達を選択的に変更し、（ｄ）上記バックライトが、間隙を介して配置された複数の導光体を備えており、（ｅ）上記ディスプレイが、上記液晶層に向かう光の伝達を選択的に阻止する複数の選択素子を備えており、上記複数の選択素子は、上記複数の導光体に関連付けられており、（ｆ）上記導光体と上記選択素子との複数の組み合わせが、フレーム中に、上記ディスプレイの前面に光を供給し、上記複数の組み合わせによる光の供給に時間差があることを特徴とする。
また、本発明のディスプレイは、上記選択素子における上記導光体側の面には、結合膜が形成されており、上記複数の導光体のうちの選択された導光体と、該導光体に関連付けられている選択素子における結合膜とが接触し、上記複数の導光体のうちの選択されなかった導光体と、該導光体に関連付けられている選択素子における結合膜とが離れることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記複数の導光体が、互いに平行となるように配置されていることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、特定の時間において、上記導光体のうちの少なくとも１つであり、かつ上記導光体の総数よりも少ない数である上記導光体の方へ、選択的に光を向ける光方向制御機構をさらに備えていることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記光方向制御機構が、上記ディスプレイにおける上端から下端までの光出射を導いており、上記光方向制御機構における光方向制御装置のうちの１つが作動するとき、上記複数の導光体のうちの該光方向制御装置に関連付けられた導光体の列が光を出射することが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記複数の導光体の全部に、上記選択素子のうちの少なくとも１つがそれぞれ関連付けられていることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記複数の導光体のそれぞれにおいて、上記光が、実質的に、上記複数の選択素子のうちからそれぞれ選択された１つの選択素子に関連付けられた位置のみから出射することが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記複数の組み合わせが、上記ディスプレイの時分割照射をもたらすことが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記選択素子が、ポリマーマトリクス中に液晶材料を有していることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記ポリマーマトリクス中の上記液晶材料が、導電層の間に挟まれていることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記導電層のうちの少なくとも１つに電圧を印加するとき、該導電層の近傍にある液晶分子が該電圧により生成された電界に引き付けられて該電界に並ぶことにより、上記光が伝達されることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記バックライトが、上記導光体のそれぞれに対してそれぞれ光を供給する複数の発光ダイオードを備えていることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記バックライトが、複数の一次元導光体を備えていることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記選択素子が、光取り出し体であることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記複数の導光体のうちの選択された導光体と、該導光体に関連付けられている上記選択素子における上記結合膜とが接触するとき、該選択素子における全内部反射が無効化されることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記選択素子が、微小光構造体を有していることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記選択素子が、レンズおよびシャッターを形成する薄膜層を有していることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記選択素子が、上記レンズおよびシャッターの開閉を制御することが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記複数の組み合わせによる光の供給の上記時間差が、動きぼけの低減を引き起こしていることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記複数の導光体が、上記ディスプレイ全体に渡って延びていることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記光方向制御機構が、上記ディスプレイをその上端から下端まで走査するものであることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記光方向制御機構が、機械式シャッターを備えていることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、表示画像における動きを有しないと判定された領域に対する光は、表示画像における動きを有すると判定された領域に対する光が出射された後に、上記導光体へ供給されることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、上記の課題を解決するために、（ａ）液晶層と、（ｂ）上記液晶層に光を供給するバックライトと、を備えたディスプレイであって、（ｃ）上記液晶層が、上記バックライトから上記ディスプレイの前面への光の伝達を選択的に変更し、（ｄ）上記バックライトが、間隙を介して配置された複数の導光体を備えており、上記複数の導光体は、上記ディスプレイの一端から他端まで延びる互いに平行な複数の一次元の列内に配置されており、（ｅ）上記バックライトが、上記導光体のそれぞれに関連付けられた少なくとも１つの光源を備えており、（ｆ）上記ディスプレイが、上記導光体のそれぞれに関連付けられた複数の選択素子を備えており、上記選択素子の１つを選択して作動させることによって、上記液晶層の方に向けられた光が実質的に阻止される一方、上記選択素子の１つが選択されていないときに、上記液晶層の方に向けられた光が実質的に阻止され、（ｇ）上記選択素子が、導電層の間に挟まれたポリマーマトリクス中の液晶材料を有しており、（ｈ）上記導光体のそれぞれが順次に光を供給し、上記導光体のそれぞれに関連付けられた複数の選択素子が選択され、これらによって光が上記導光体のそれぞれから選択的に出射されることを特徴とする。
また、本発明のディスプレイは、上記選択素子における上記導光体側の面には、結合膜が形成されており、上記複数の導光体のうちの選択された導光体と、該導光体に関連付けられている選択素子における結合膜とが接触し、上記複数の導光体のうちの選択されなかった導光体と、該導光体に関連付けられている選択素子における結合膜とが離れることが好ましい。
また、本発明のディスプレイは、表示画像における動きを有しないと判定された領域に対する光は、表示画像における動きを有すると判定された領域に対する光が出射された後に、上記導光体へ供給されることが好ましい。
本発明のディスプレイは、以上のように、（ａ）液晶層と、（ｂ）上記液晶層に光を供給するバックライトと、を備えたディスプレイであって、（ｃ）上記液晶層が、上記バックライトから上記ディスプレイの前面への光の伝達を選択的に変更し、（ｄ）上記バックライトが、間隙を介して配置された複数の導光体を備えており、（ｅ）上記ディスプレイが、上記液晶層に向かう光の伝達を選択的に阻止する複数の選択素子を備えており、上記複数の選択素子は、上記複数の導光体に関連付けられており、（ｆ）上記導光体と上記選択素子との複数の組み合わせが、フレーム中に、上記ディスプレイの前面に光を供給し、上記複数の組み合わせによる光の供給に時間差があるものである。
また、本発明のディスプレイは、以上のように、（ａ）液晶層と、（ｂ）上記液晶層に光を供給するバックライトと、を備えたディスプレイであって、（ｃ）上記液晶層が、上記バックライトから上記ディスプレイの前面への光の伝達を選択的に変更し、（ｄ）上記バックライトが、間隙を介して配置された複数の導光体を備えており、上記複数の導光体は、上記ディスプレイの一端から他端まで延びる互いに平行な複数の一次元の列内に配置されており、（ｅ）上記バックライトが、上記導光体のそれぞれに関連付けられた少なくとも１つの光源を備えており、（ｆ）上記ディスプレイが、上記導光体のそれぞれに関連付けられた複数の選択素子を備えており、上記選択素子の１つを選択して作動させることによって、上記液晶層の方に向けられた光が実質的に阻止される一方、上記選択素子の１つが選択されていないときに、上記液晶層の方に向けられた光が実質的に阻止され、（ｇ）上記選択素子が、導電層の間に挟まれたポリマーマトリクス中の液晶材料を有しており、（ｈ）上記導光体のそれぞれが順次に光を供給し、上記導光体のそれぞれに関連付けられた複数の選択素子が選択され、これらによって光が上記導光体のそれぞれから選択的に出射されるものである。
それゆえ、本発明のディスプレイは、バックライトが供給する光を異なる領域に対して選択的に制御することができるという効果を奏する。
液晶ディスプレイを示す断面図である。 側面から照射するバックライトを備えた液晶ディスプレイを示す断面図である。 導光体を備えた液晶ディスプレイを示す断面図である。 発光ダイオードバックライトのための光取り出し体（選択素子）を示す平面図である。 導光体におけるＴＩＲを示す断面図である。 導光体におけるＦＴＩＲを示す断面図である。 ＦＴＩＲディスプレイを示す断面図である。 １Ｄ線形導光体からのＬＣＤバックライトを示す平面図である。 １Ｄバックライト素子からなるＬＣＤバックライトを示す平面図である。 ＰＳＦを示す図である。 静電ＦＴＩＲを用いた光の制御を示す図である。 ディスプレイに入力するためのＬＥＤおよびＬＣＤ駆動値を求めるフローチャートである。 トーンマッピングを示すグラフである。 １Ｄバックライト素子、および、透明材料ベースの光方向制御機構からなるＬＣＤバックライトを示す平面図である。 オフ状態の場合の図１４に係る透明材料を示す図である。 オン状態の場合の図１４に係る透明材料を示す図である。 図１４に係る透明材料の層を示す図である。 図１４に係る透明材料における、液晶を内部に備えたポリマーマトリクスを示す図である。
本発明の実施形態について図１〜図１８に基づいて説明すると以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
添付の図面を参照するとともに、下記の本発明の詳細な説明を鑑みることにより、本発明に係る、上述および他の目的、特徴、および利点をより容易に理解することができる。
画質を上げるために、ディスプレイの異なる領域に選択的に光を照射するアクティブバックライトを備えることが望ましい。ディスプレイの当該領域は、画素、または、サブ画素、または、サブ画素の一部と同じくらい小さくてもよいが、一般的に、画素よりも大幅に大きく、好ましくは、ディスプレイが均一な入力のための均一な光出射を生成することができるようにパターン化されている。加えて、ディスプレイの異なる領域におけるバックライトを選択的に減らすため、ディスプレイの総電力消費量も低減している。しかし、従来の二次元バックライトは、各アクティブユニットについて別々の駆動装置を必要としていた。この二次元バックライトは大型のディスプレイ領域には相対的に高価である。
ディスプレイは、ディスプレイの縁、または、他の光源に沿って平行に配置された単一（または複数）の発光ダイオードの列を含んでいてもよい。発光ダイオードの各々が、ディスプレイに渡って一次元のストライプ領域になるように照射してもよい。同様に、他のいずれかの方法にてディスプレイ領域に照射するように光源を配置していてもよい。まとめて、一次元の照射領域がディスプレイ全体を照射してもよい。二次元列の発光ダイオードとの関係において、一次元列の発光ダイオードは、より低コストのディスプレイを実現できるが、二次元列が実施できる選択的な照射を実施することができない。
一次元列の光源の低コストという利点とともに、二次元列の光源の利点に鑑みると、導光体、および、ディスプレイの異なる領域への時間差を設けた照射によって、一次元列とともに二次元列の機能が達成されることがわかった。上記組み合わせにより、二次元列の選択性と、一次元列の低コストおよび低消費電力という両方の利点を得ることができる。さらに、画素の空間的な時間照射は、画質を向上させるのに使用される。すなわち、動く物体を表示するときに画像の動きぼけを低減するとともに、ダークブラックからのコントラスト比を増大させる。導光体は、特定の場所から別の場所への光の経路を方向付ける、または支持する、あらゆるタイプの構造であってもよい。
図３は、ＬＥＤ光源を含むバックライトを示す。ＬＥＤからの光を、導光体の中で結合させ、スクリーン全面に均一な光を分散させるために、光取り出し体（選択素子）が用いられる。
図４は、図３の光取り出し体（選択素子）を示す。図中の丸印は、ＴＩＲ条件をもはや満たさない領域を指しており、ディスプレイに渡ってＬＣＤの中に光を分散させる。略均一のバックライトを達成するために、これらの光取り出し体の領域および分散が取り決められる。
図２、３および４に示されたバックライトの形態において、全反射は、ＣＣＦＬ、ＬＥＤ、または、レーザーなどの光源からディスプレイの前面に光を導くのに使用される。図５を参照すると、ＴＩＲ導光体が図示されている。ＴＩＲ導光体は、臨界角４１．８°を与える屈折率１．５０の透明ポリマーによって構成されている。ＬＥＤから生成された光が、導光体に入る。このとき、層の角度分布は、±θｃ以内に制限されている。スネルの法則によると、θｃよりも大きい角度にて内壁に当たる全ての層は、全反射され、導光体に沿って進む。これは、ガイドの入射面上への全ビーム入射が導かれることを意味する。
導光体から光を取り出す方法はたくさんある。光の取り出し方法の一つには、入射角が臨界角θｃよりも小さくなるように光線の方向を変えるために散乱を用いることが挙げられる。他の光の取り出し方法としては、ＴＩＲからのエバネセント波が新しい材料に結合（エバネセント波結合）されるように、導光体の極めて近傍（例えば数波長以内）に、より高い、より低い、または、同じ屈折率を有する他の材料を備えることが挙げられる。エバネセント波により内部全反射（ＦＴＩＲ）が生じ、それによって、導光体からの光の取り出しが起こる。図６は、導光体における内部全反射を示す。したがって、導光体から望ましい位置に選択的に光を取り出すことができる。
ＦＴＩＲを内蔵するディスプレイを製造するための一つの技術には、バックライトから放出される光を低減させるために、全反射を最大化させる（または、相当量のＴＩＲを有する）角度にて１つ以上の導光体を用いることが挙げられる。図７を参照すると、薄膜層を用いて、２つの透明導電体２１０および２２０の間に微小光構造２００を挟むことによりレンズ／シャッターを形成してもよい。層の境界および導光体上のＴＦＴ構造の周囲における屈折率は、全反射を保持する空気の反射率と近似する。わずかに隆起したＴＦＴ構造に層を接続させることにより、導光体と膜との間に小さな空隙が生じるため、層は、実質的に、ディスプレイにおけるＴＦＴ素子の上に乗っている。
いずれかの既定の画素にて逆帯電されるとき、２つの導電層２１０、２２０が互いに引き合う（図７参照）。これにより、微小光構造が、導光体と接触するまで空隙を通って引き下ろされる。層の一部が、下にある導光体に接触すると、全反射が阻止されるため、当該位置において関連付けられた画素を介して光を放出することができる。帯電の継続時間は、シャッターの開閉を制御する。いずれかの既定の画素において、継続時間は、関連付けられた画素、サブ画素、および／または、色の相対的強度を決定する。
二次元エリアアクティブバックライトを用いることで、下記の１つ以上の利点が得られる：
１．ブラックレベルの低減によるコントラストの増大；
２．消費電力の低減；
３．バックライトの点滅による動きぼけの低減；ならびに
４．ＲＧＢバックライトによる広い色域、および、低減された輝度による色域の大きさの維持。
残念ながら、二次元エリアアクティブバックライトは、多数の駆動回路を必要とする。例えば、４８×２４×３のバックライト素子は、３４５６のドライバを必要とし、極めて高額となり得る。さらに重要なことは、バックライト素子が増えるにつれ不均一性が増し、この不均一性を補正するために高価なフォトセンサ回路をさらに必要とするおそれがある。したがって、バックライト素子の数を減らすことが望ましい。
バックライト素子（ＢＬＥ）の数を減らす方法には、一次元線形バックライトの使用がある。一次元線形バックライトにおいて、各バックライト素子は、１つ以上のＬＥＤ、および、ディスプレイ全体の一部を横断して延びる導光体からなる。図８は、１０個の一次元ＢＬＥを備えたバックライトを示す。各ＢＬＥは、ディスプレイの上端から下端まで、１つの垂直帯を覆っている。複数の一次元ＢＬＥの使用により、駆動装置の数を減らすことができ、結果として、コストを下げることができる。また、複数の一次元ＢＬＥにより、ＢＬＥの不均一な光の出射をモニターおよび補正することができ、空間的な均一性、および、色の一致を実現することができる。一連のバックライト素子および導光体の使用は従来技術に対して進歩しているが、高コントラスト比、消費電力の低減、低い輝度レベルでの広色域、および／または、バックライト点滅による動きぼけの低減を含む、二次元バックライトと一致する利点が、完全には達成されていない。
一組の一次元光源を用いて二次元の機能性を達成するために、光方向制御機構を用いて、一次元の線光源または点光源から二次元エリアアクティブバックライトを可能にするように光をアクティブに取り出す。ＬＥＤまたは他の光源からの光は、導光体の中に結合されるが、１組以上の画素などの選択領域からの光出射は、上端から下端まで走査する（または、その他適した処理機構）。例えば、図９に示すように、光方向制御機構が、上端から下端まで光出射を導いてもよい。制御装置のうちの一つが作動するとき、導光体において関連付けられた列は、光取り出しのために開かれる。すなわち、当該列のみから光が取り出され、他の領域はブラックのままである。作動した光制御装置が作動停止し、他の光制御装置が作動する。新たに作動した光制御装置において関連付けられた横の列により、導光体が当該列の光取り出しのために開かれ、他の領域はブラックのままである。この処理は、好ましくは連続して、各光制御機構に関して繰り返される。必要に応じて、１つを上回る光方向制御機構を同時に選択してもよい。必要に応じて、画像の表示中に、１つ以上の光方向制御機構を複数回選択してもよい。必要に応じて、ディスプレイは、ディスプレイの幅の一部のみを越えて延びる導光体を備えていてもよく、その場合、ディスプレイの幅に及ぶ複数の導光体が必要とされる。時分割照射を行う上記光制御により、一次元導光体を用いた二次元エリアアクティブバックライトが得られる。点像分布関数（ＰＳＦ）は、一次元導光体の光出射プロファイルによって横方向に、さらに、制御の光出射プロファイルによって縦方向に規定されている。図１０は、光方向制御可能な一次元バックライトを用いたＰＳＦの一例を示す。
光方向制御機構は、ウィンドウのシャッターと類似の制御可能なシャッターと機械的に組み合わせることによって得られる。光制御ユニットの各々が、電動シャッターからなる。光出射のために列が選択されると、モータがシャッターを開け、横の列の光出射を可能にする。その後、シャッターを閉じ、次の列のシャッターを開ける。機械式シャッターが用いられるが、このシャッターがノイズまたは寿命の問題をもたらす可能性がある。
図６に示されたような、エバネセント波結合に基づく光方向制御機構が望ましい。エバネセント波の結合を達成するには、多くの方法が存在する。ほとんどの場合、導光体の近傍の屈折率の変更により、内部全反射が生じる。ＦＴＩＲを生成するためのいくつかの技術は、下記の技術を含む。すなわち、
１．ＴＦＴが電極を制御して、逆帯電された二層が互いに引き合うように構成する、静電技術。静電気力により、二膜が接触する。二膜が接触すると、光は図７に示されたように結合して放出される。所望の鑑賞を行うのに、数個の光スイッチのみで足りることもある；
２．電圧により、結合膜が導光体に接触するように構成する、圧電技術；
３．電圧により、結合膜の屈折率が増大し、それによりＴＩＲの臨界角が低減されるように構成する、電気光学技術。この場合、結合膜に動きはなく、屈折率にのみ変動がある；
４．結合膜が導光体に回転毎に接触するように周りを回転する機械式モータ。
図９に示したように、導光体がディスプレイ全面に垂直に配置されている。導光体からの結合光出射は、ＬＣＤ駆動と同期化されており、この同期化は、通常、一度に一列、上端から下端まで実施される。光は、上端にて制御されて放出され、下端に到達し、続いて次の列に進み、さらに上記工程を繰り返す。図１１は、５つの制御可能なセグメントを備えたバックライトのための光制御シーケンスを示す。フレーム開始において、第一列（図中では上部）が光出射のために選択される。ＬＥＤ出射の強さ、または、パルス幅変調（ＰＷＭ）幅、または、強さとＰＷＭ幅の両方が、上記位置の所望のバックライトに基づいて調整される。他の全ての領域はブラックである。フレーム周期の５分の１（３．３ｍｓ）において、第一列の選択が解除され、結合膜が導光体から離れるように移動する。さらに、第二列が選択され、結合膜が導光体に近づくように移動して、第二列に関してＦＴＩＲが発生する。第二列に対応するＬＥＤ駆動値は、ＬＥＤ駆動装置の中に読み込まれ、全てのＬＥＤ光が第二列に対応する領域に点灯する。上記工程は、第三、第四、第五列について繰り返され、１つのＬＣＤフレームが完了する。代替的に、必要に応じてＬＥＤおよび光方向制御機構を逆にしてもよい。
上記時分割照射の利点は、時間的アパーチャが低減され、動きぼけが低減されることにある。制御可能な各列は、時間的周期の部分のみが動作シーケンスのレンダリングが低減された動きぼけを得ることができるインパルスディスプレイとなる。
上記光方向制御機構は、二次元光方向制御機構を備えたレーザーなどの点光源に適用されてもよい。光は、Ｍ（横軸）×Ｎ（縦軸）の制御可能なバックライト素子を備えた２つの二次元導光体に結合される。光出射は、ＣＲＴディスプレイにおいて行われるように、上端から下端に、および、左端から右端に走査される。
制御可能なバックライトは、Ｍ（カラムドライバの数）×Ｎ（制御可能なユニットの数）×Ｃ（カラーチャネルの数）のバックライト素子を備えたエリアアクティブバックライトと等しい。図１２は、入力画像を低解像度の二次元バックライト（制御可能な一次元バックライト）、および、高解像度のＬＣＤ画像に変換する技術を示すフローチャートである。ＬＣＤ解像度は、０〜１の範囲内のｍ×ｎ画素であり、０の場合はブラック、１の場合は最大伝達である。バックライトの解像度は、Ｍ×Ｎであり、このとき、Ｍ＜ｍ、Ｎ＜ｎである。入力画像がＬＣＤと同じ解像度を有すると想定され得る。入力画像が異なる解像度を有する場合、入力画像をＬＣＤ画像の解像度に変換するのにスケーリングステップまたはトリミングステップを用いてもよい。第一ステップは、入力画像から所望のバックライトを引き出すものである。
入力画像は、ローパスであり、中間の解像度（Ｍ１×Ｎ１）に二段階で取り出される（下方取り出しされる）。例えば、ＢＬＥ解像度の８倍である（８Ｍ×８Ｎ）。動き検知および鏡面ハイライトの維持のために、余剰の解像度が役立つ。最大で８×８の下方取り出しされた画像が、ＬＥＤ最大画像（Ｍ×Ｎ）を形成する。そして、図１３に示されるように、ブロック平均画像が、１Ｄ ＬＵＴを介してトーンマッピングされる。曲線は、暗オフセット、および、暗領域におけるバックライトをわずかに高くする拡張非線形性を含む。これにより、暗ノイズの可視性および圧縮アーチファクトが低減される。上記２つの最大値を目的のバックライト値として用いる。
目的のバックライトは、アクティブバックライト素子（Ｍ×Ｎ）の数と同じ大きさを有する。対象物がＢＬＥ境界を横断すると、ちらつき（すなわち、強度変動）が観察されることがある。上記のような対象物の境界移動により、ＢＬＥ駆動値に急変が生じる。理論上、バックライトにおける変動は、ＬＣＤによって補正可能である。しかし、ＬＥＤとＬＣＤとのタイミング差異、ならびに、補正計算において用いられるＰＳＦ、および、ＢＬＥの実際のＰＳＦにおける不整合が原因で、いくらかの僅かな強度変動が見られる。目が対象物の動きを追っていないときは、この僅かな強度変動には気づかない可能性がある。しかし、目が対象物の動きを追っているとき、この僅かなバックライトの変動が周期変動となる。変動の周期は、フレーム毎のＢＬＥブロックについて、ビデオフレームレート、および、対象物の動作速度の産物である。対象物が、８ビデオフレーム、さらに、ビデオフレームレート６０ＨｚでＢＬＥブロックを横断する場合、ちらつきの周期は６０ｈｚ×０．１２５＝７．５Ｈｚである。これは、ちらつきに対する人の視覚感度のほぼ最大であり、極めて不快なアーチファクトを生成する。上記動作のちらつきを低減するために、対象物がＢＬＥグリッドを横断するとき、動作適合アルゴリズムを用いてＢＬＥ出射の急変を低減する。動作検知は、ビデオ画像を動作領域および静止領域という２つのクラスに分けるのに用いられる。動作領域において、バックライトコントラストは、ＢＬＥ駆動値に急変が生じないように低減される。静止領域において、バックライトコントラストは、コントラスト比を向上させるとともに電力消費を低減するために維持される。
動作検知は、Ｍ１×Ｎ１の解像度にて二段階で取り出した画像について実施される。現在フレームにおける値を、前のフレームにおける対応するブロックと比較した。差異が閾値よりも大きい場合、上記ブロックを含むバックライトブロックが動作ブロックとして分類される。好適な実施形態において、各バックライトブロックが８×８のサブブロックを含む。動作検知の工程は下記の通りである：
各フレームについて、
１．現在フレームのための入力画像において各サブブロックの平均を算出する；
２．現在フレームの平均と前のフレームのサブブロック平均との間の差異が閾値よりも大きい場合（例えば、全範囲のうちの５％）、サブブロックを含むバックライトブロックが動作ブロックである。したがって、第一動作マップが形成される；
３．動作マップ上で形態拡張操作を実施して（動作ブロックに隣接する静止ブロックを変更する）、拡張動作マップを形成する；
４．各バックライトブロックについて、動作状況マップは、動作検知結果に基づいてアップデートされる：
動作ブロックが
ｍＭａｐ（ｉ，ｊ）＝ｍｉｎ（４，ｍＭＡＰ（ｉ，ｊ）＋１）
である場合、その他（静止ブロック）は、
ｍＭａｐ（ｉ，ｊ）＝ｍａｘ（０，ｍＭＡＰ（ｉ，ｊ）−１）
であり、ＬＥＤ駆動値は、下記の数式によって求められる。
Figure 0004927149
ＬＥＤｍａｘは、現在ＬＥＤの中央に位置するウィンドウにおけるＬＥＤのローカル最大値である。一例では、３×３ウィンドウである。他の例では、５×５ウィンドウである。
したがって、非動作を含む上記領域において、２つ（または、それ以上）のフレーム上にエネルギーが放出されることが観察される。これにより、ちらつきは低減されるが、動きぼけが大きくなる。しかし、大きな動きがなければ、大きな動きぼけは生じない。それに応じて、動作を含む上記領域において、エネルギーが単一フレームに移動するのが観察される。これにより、ちらつきは増大するが、動きぼけが低減される。動作に基づくエネルギーの相対分散が、画質を向上させる。
代替的実施形態では、動作予測を用いる。ウィンドウは、動作ベクトルと一列に並べられる。上記アプローチは、ウィンドウの大きさを低減させるとともに非動作方向におけるコントラストを維持するが、動作ベクトルの計算は、単なる動作検知よりも複雑である。
ＢＬＥにおけるＰＳＦ分布は、ＢＬＥ空間よりも大きく、より均一なバックライト画像を提供するので、互いに近傍に配置されたＢＬＥ素子の間に相当量のクロストークが存在する。ＢＬＥ駆動値を得るために、反復解析アルゴリズムを用いてもよい。ＢＬＥ駆動値が決定されると、当該駆動値はフレームメモリ内に保存され、一度につき一列毎に、ＢＬＥ（例えば、ＬＥＤ）駆動装置に送信される。バックライト分布は、ＢＬＥ駆動値、および、ＢＬＥの点像分布関数の解析により予測されてもよい。バックライト分布が算出されると、バックライトを用いて入力画像を分割することによって、ＬＣＤ値が求められる。
図１４を参照すると、ディスプレイの光出射を制御するための他の技術は、選択的に略透明な材料層を含むことにある。好適には、当該材料層は、複数の列に分割され、電気信号の適用に基づいて、当該材料層を通過する光の伝達を選択的に変更する。図１５を参照すると、液晶の球などの透明材料の屈折率が、周囲媒体と異なっており、それにより、インピード光の方向が拡散または変更される。上記拡散は、ＦＴＩＲを生成し、光は導光体から取り出される。したがって、オン（例えば、電圧が印加されていない）状態にある、透明材料に関連付けられたディスプレイにおける全領域が、上記領域における光取り出しによって明るくなる傾向がある。図１６を参照すると、透明材料に電圧を印加する第二オン状態において、ＬＣの球における屈折率が周囲媒体と適合する。したがって、透明材料は、当該透明材料を介して伝達される光の拡散または阻止をもたらさず、光入射を通過させる傾向がある。そのため、オフ（例えば、電圧が印加された）状態にある、透明材料に関連付けられたディスプレイの全領域が、ＴＩＲが原因で暗くなる傾向がある。
図１７を参照すると、透明材料は、透明導電膜４０２および４０４の二層間に挟まれた液晶ベースの膜４００から構成されていてもよい。透明導電膜４０２および４０４は、一般的に、１対のガラス基板４０６と４０８との間に挟まれている。図１８を参照すると、液晶ベースの膜は、内部に液晶を備えたポリマーマトリクスを含む。１つ以上の導電膜４０２および４０４に電気信号を送る場合、透明材料はオフ状態である。導電膜４０２および４０４に電気信号を与えない場合、透明材料はオン状態である。ＬＣおよびその周囲媒体の相対的屈折率を変更することにより、オンおよびオフ状態を変更することができる。
透明材料に係る好適な形態は、１００ボルト５０／６０ヘルツ信号に基づいて動作する。オフ状態において、平行光の伝達は、７５％の光伝達、７．５％のヘイズであり、オン状態において、平行光の伝達は、７４％の光伝達、９４％のヘイズである。
上述の明細書において使用された用語および表現は、記述の観点から使用されており、本発明を制限するものではない。さらに、当該用語および表現の使用に関して、図示および記載された特徴と同等のもの、またはその一部、を除外する意図はなく、本発明の範囲は、下記の請求項によって規定されるものである。
本発明は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などに適用することができる。
５０ 液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）
５２ バックライト
５４ 光弁
５６ 拡散板
５８ 視聴者
６０ 偏光板（第二偏光板）
６１ 第二ガラス基板
６２ 偏光板（第一偏光板）
６３ 第一ガラス基板
６４ 液晶
８２ 偏光板
８４ カラーフィルタ
８６ 被覆板
１００ 液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）
１１０ バックライト
１２０ 導光体
１３０ 裏面
２００ 微小光構造（微小光構造体）
２１０ 導電層
２２０ 導電層

Claims (23)

  1. （ａ）液晶層と、
    （ｂ）上記液晶層に光を供給するバックライトと、
    を備えたディスプレイであって、
    （ｃ）上記液晶層が、上記バックライトから上記ディスプレイの前面への光の伝達を選択的に変更し、
    （ｄ）上記バックライトが、間隙を介して配置された複数の導光体を備えており、
    （ｅ）上記ディスプレイが、上記液晶層に向かう光の伝達を選択的に阻止する複数の選択素子を備えており、上記複数の選択素子は、上記複数の導光体に関連付けられており、
    （ｆ）上記導光体と上記選択素子との複数の組み合わせが、フレーム中に、上記ディスプレイの前面に光を供給し、上記複数の組み合わせによる光の供給に時間差がある
    ことを特徴とするディスプレイ。
  2. 上記選択素子における上記導光体側の面には、結合膜が形成されており、
    上記複数の導光体のうちの選択された導光体と、該導光体に関連付けられている選択素子における結合膜とが接触し、
    上記複数の導光体のうちの選択されなかった導光体と、該導光体に関連付けられている選択素子における結合膜とが離れる
    ことを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ。
  3. 上記複数の導光体が、互いに平行となるように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のディスプレイ。
  4. 特定の時間において、上記導光体のうちの少なくとも１つであり、かつ上記導光体の総数よりも少ない数である上記導光体の方へ、選択的に光を向ける光方向制御機構をさらに備えていることを特徴とする請求項３に記載のディスプレイ。
  5. 上記光方向制御機構が、上記ディスプレイにおける上端から下端までの光出射を導いており、上記光方向制御機構における光方向制御装置のうちの１つが作動するとき、上記複数の導光体のうちの該光方向制御装置に関連付けられた導光体の列が光を出射することを特徴とする請求項４に記載のディスプレイ。
  6. 上記複数の導光体の全部に、上記選択素子のうちの少なくとも１つがそれぞれ関連付けられていることを特徴とする請求項４または５に記載のディスプレイ。
  7. 上記複数の導光体のそれぞれにおいて、上記光が、実質的に、上記複数の選択素子のうちからそれぞれ選択された１つの選択素子に関連付けられた位置のみから出射することを特徴とする請求項６に記載のディスプレイ。
  8. 上記複数の組み合わせが、上記ディスプレイの時分割照射をもたらすことを特徴とする請求項７に記載のディスプレイ。
  9. 上記選択素子が、ポリマーマトリクス中に液晶材料を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のディスプレイ。
  10. 上記ポリマーマトリクス中の上記液晶材料が、導電層の間に挟まれていることを特徴とする請求項９に記載のディスプレイ。
  11. 上記導電層のうちの少なくとも１つに電圧を印加するとき、該導電層の近傍にある液晶分子が該電圧により生成された電界に引き付けられて該電界に並ぶことにより、上記光が伝達されることを特徴とする請求項１０に記載のディスプレイ。
  12. 上記バックライトが、上記導光体のそれぞれに対してそれぞれ光を供給する複数の発光ダイオードを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のディスプレイ。
  13. 上記バックライトが、複数の一次元導光体を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のディスプレイ。
  14. 上記複数の導光体のうちの選択された導光体と、該導光体に関連付けられている上記選択素子における上記結合膜とが接触するとき、該選択素子と該導光体との界面における全内部反射が無効化されることを特徴とする請求項２に記載のディスプレイ。
  15. 上記選択素子が、レンズおよびシャッターを形成する薄膜層を有していることを特徴とする請求項１４に記載のディスプレイ。
  16. 上記選択素子が、上記レンズおよびシャッターの開閉を制御することを特徴とする請求項１５に記載のディスプレイ。
  17. 上記複数の導光体が、上記ディスプレイ全体に渡って延びていることを特徴とする請求項１または２に記載のディスプレイ。
  18. 上記光方向制御機構が、上記ディスプレイをその上端から下端まで走査するものであることを特徴とする請求項１１に記載のディスプレイ。
  19. 上記光方向制御機構が、機械式シャッターを備えていることを特徴とする請求項１１に記載のディスプレイ。
  20. 表示画像における動きを有しないと判定された領域に対する光は、表示画像における動きを有すると判定された領域に対する光が出射された後に、上記導光体へ供給されることを特徴とする請求項１または２に記載のディスプレイ。
  21. （ａ）液晶層と、
    （ｂ）上記液晶層に光を供給するバックライトと、
    を備えたディスプレイであって、
    （ｃ）上記液晶層が、上記バックライトから上記ディスプレイの前面への光の伝達を選択的に変更し、
    （ｄ）上記バックライトが、間隙を介して配置された複数の導光体を備えており、上記複数の導光体は、上記ディスプレイの一端から他端まで延びる互いに平行な複数の一次元の列内に配置されており、
    （ｅ）上記バックライトが、上記導光体のそれぞれに関連付けられた少なくとも１つの光源を備えており、
    （ｆ）上記ディスプレイが、上記導光体のそれぞれに関連付けられた複数の選択素子を備えており、上記選択素子の１つを選択して作動させることによって、上記液晶層の方に向けられた光が実質的に阻止される一方、上記選択素子の１つが選択されていないときに、上記液晶層の方に向けられた光が実質的に阻止され、
    （ｇ）上記選択素子が、導電層の間に挟まれたポリマーマトリクス中の液晶材料を有しており、
    （ｈ）上記導光体のそれぞれが順次に光を供給し、上記導光体のそれぞれに関連付けられた複数の選択素子が選択され、これらによって光が上記導光体のそれぞれから選択的に出射される
    ことを特徴とするディスプレイ。
  22. 上記選択素子における上記導光体側の面には、結合膜が形成されており、
    上記複数の導光体のうちの選択された導光体と、該導光体に関連付けられている選択素子における結合膜とが接触し、
    上記複数の導光体のうちの選択されなかった導光体と、該導光体に関連付けられている選択素子における結合膜とが離れる
    ことを特徴とする請求項２１に記載のディスプレイ。
  23. 表示画像における動きを有しないと判定された領域に対する光は、表示画像における動きを有すると判定された領域に対する光が出射された後に、上記導光体へ供給されることを特徴とする請求項２１または２２に記載のディスプレイ。
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