JP4950054B2 - ディスプレイ素子 - Google Patents

Description

本発明は、面内に設けられた複数の画素を有するイメージング層及び導光層を有するディスプレイ素子に関する。導光層は複数の光学素子を有する。その光学素子は、イメージング層中のそれぞれ異なる画素からの光を、前記面の法線に近い方向から見て左右へ進行させる。

光学素子としてシリンドリカルレンズを用いたそのような素子は、特許文献1に開示されている。この構成では、たとえば自動車の運転者がディスプレイを見て運転に関する情報を知る一方で、それと同時に、運転者とは異なる角度からディスプレイを見ている乗員は、たとえば映画等の、運転者が見る情報とは全く違う像を見ることができる。よって2つの異なる角度領域、つまり左右の領域では、1つのディスプレイで、左右のチャンネルに2つの異なる像の生成が可能である。

しかしそのようなディスプレイは、2チャンネル間でのクロストークのため、2つの領域の境界に近い角度で歪んだ像を生成する恐れがある。よって右側だが境界に近い領域でディスプレイを見ているユーザーには、左側チャネルのコンテンツも見えてしまうし、その逆も然りである。
独国特許発明第19920789号明細書

本発明の目的は、クロストークが緩和又は除去された上述の型のディスプレイ素子の提供である。

上記目的は、請求項1に記載のディスプレイ素子によって実現される。

より詳細には、本発明は、面内に設けられた複数の画素を有するイメージング層、及び、該イメージング層中のそれぞれ異なる画素からの光を、前記面の法線、又はそれに近い方向である中間方向から見て左右へ投影する複数の光学素子を有する導光層を有するディスプレイ素子に関する。各画素は、前記中間方向から離れた視野角でよりも前記中間方向に近い視野角で低いコントラスト及び/又は明るさを有するように備えられているLCD素子を有する。

上記手段の実現は、中間方向では実質的に情報が送信されないため、2チャンネル間でのクロストークの危険性が実質的に除去されることを意味する。

好適実施例では、LCD素子は、平行なラビング方向を有する後方配向層及び前方配向層を有する、非ツイステッド液晶セルであって良い。

LCD素子は、偏光方向が互いに交差する、後方偏光子と前方偏光子との間に設けられた、非ツイステッド液晶セルであることが好ましい。このことは、ディスプレイは法線方向では黒くなることを意味する。

代替的実施例では、LCD素子は、偏光方向が互いに平行である偏光子間に設けられた、非ツイステッド液晶セルである。

後方配向層のラビング方向は、後方偏光子の偏光方向と平行であることが好ましい。

代替的実施例として、後方配向層のラビング方向は、後方偏光子の偏光方向と垂直であって良い。

別な好適実施例では、LCD素子は、前記中間方向で450nm未満のリターデーション値を有するツイステッド液晶セルである。このセルはまた、所望の効果を生じさせる能力を有する。

液晶セルに用いられる液晶材料からなる、中央面に設けられた配向子は、ユーザーから見て垂直である。つまり、当該配向子は、左の視界と右の視界とを分ける面内に配向している。このことにより、左右の対称性が供される。たとえば2つの視界が+/-50°の極角で、かつ0°及び180°の方位角（つまり“3時”及び“9時”）である場合、2つの視界を分ける面は、ディスプレイの法線に対して“6時”及び“12時”の方向であるので、中央面に設けられた配向子は90°及び270°の方位角で配向されるのが最善である。

ツイステッドネマチックLCDセルが、0Vより大きな最小の絶対駆動電圧で駆動されることで、十分大きな中央面偏光子の傾き角を供する。あるいはその代わりに、同一の効果を供する、つまり法線方向において最小の光変調を保証する、高いプレチルト値が用いられても良い。

好適には、光学素子は左右で異なった視界を生成するシリンドリカルレンズを有して良い。

あるいはその代わりに、光学素子は、バリヤ中に垂直スリットを有して良い。

ディスプレイ素子は、左右の方向で対称的であって良い。よって中間方向はイメージング層の法線と一致する。

本発明に係るこれら及び他の態様は、以降で説明する実施例を参照することで明らかとなる。

図1は、本発明の実施例に従ったディスプレイ素子で用いられる重ね合わせ像の生成を概略的に図示している。

ディスプレイ素子は、第1方向、たとえばユーザーから見て左側(L)、に第1像1を表示し、第2方向、たとえばユーザーから見て右側(R)、に第2像2を表示するように作製されている。よって像は、左側チャネル及び右側チャネルにそれぞれ表示される。

そのようなディスプレイは、たとえば自動車で使用されて良い。その場合、ディスプレイを見ている運転者は、運転に特有の情報を第1像で見る。運転に特有の情報とは、たとえばスピード、燃料消費又はカーナビゲーション情報のような、自動車のコンピュータからのデータのようなものである。同時に、運転者の横で同一のディスプレイを見ている乗員は第2像を見ている。第2像はたとえば、動画又はウエブブラウザスクリーンに関して良い。

本発明の実施例に従ったディスプレイ素子の別な用途は、自動立体3Dディスプレイである。ここでは、第1像1を運転者に、かつ第2像2を乗員に表示する代わりに、第1像1及び第2像2を、ユーザーの左目及び右目にそれぞれ表示させる。自動立体3Dディスプレイとは、ユーザーが特殊眼鏡等を身につける必要のない3Dディスプレイを意味する。

そのような効果を可能にするため、合成画像3は、第1像1及び第2像2から生成される。これは、第1像1及び第2像2をそれぞれ、垂直な細片L1、L2…及びR1、R2…のように分割することによって実現される。細片は、1画素（ピクセル）以上の幅であって良い。続いてこれらの細片は合成画像3内で交互に配置される。合成画像3は図示されているように左から右へ、第2像2の最も左側にある細片R1、第1像1の最も左側にある細片L1、第2像2の最も左側から2番目にある細片R2、のように配置された細片を有する。この合成画像3は、面内に複数の画素を有するイメージング層によって表示されて良い。

ディスプレイ素子は、イメージング層中のそれぞれ異なる画素（第1像1及び第2像2に関する）からの光をそれぞれ、左右へ進行させる複数の光学素子を有する導光層をさらに有する。

図2は、本発明の第1実施例に従った導光層を有するディスプレイ素子の断面を図示している。ここでディスプレイ素子は、母体中に備えられた、複数の画素を有するイメージング層4を有する。ディスプレイ素子は、背面発光配置をさらに有して良い。

以降でより詳細に説明するように、イメージング層は液晶ディスプレイである。よって各画素は少なくとも1つのLCDセルを有する。画素は、左側像及び右側像の細片L、R、L、Rのように分割される。各細片は1画素以上分の幅を有する。イメージング層4から短い距離をおいて設けられた導光層5は、多数のシリンドリカルレンズ6を有する。多数のシリンドリカルレンズ6は、所謂3D絵はがきのようである。LC層とレンズとの間の距離は、レンズの焦点距離にほぼ等しい。典型的なパラメータは、ガラスの厚さが0.9mm、レンズの曲率半径が0.4mm、及び画素のピッチが0.3mmであって良い。しかし実際には、ディスプレイの要件に依存して、パラメータはかなりの程度変化させることが可能である。

レンズとイメージング層細片との位置関係は、レンズが、左側の像の細片Lから左へ（ユーザーから見て）、かつ右側の像の細片Rから右へ、光を進行させるように構成される。

図3は、本発明の第2実施例、つまり代替的実施例に従った導光層を図示している。この実施例は、導光層5’が、垂直配向スリット8の形態をとる複数の光学素子を有するバリヤ7を有することを除けば図2で説明した第1実施例と一致する。バリヤ7のスリット8とイメージング層の細片との間の位置関係は、左側像の細片Lからの光が左側では透過するが、右側へはブロックされ、かつ右側像の細片Rからの光が右側では透過するが、左側ではブロックされるように構成される（左右はユーザーから見ての方向である）。図2及び図3の導光層5及び5’は指向性フィルタリングを供することで、左側からの光が左へ、右側からの光が右へ、それぞれ支配的に進行する。

しかし図2及び図3から分かるように、LCDセル面の法線に（ほぼ）平行に放出される光は、図2の光ビーム9及び図3の光ビーム9’で図示されているように、このフィルタリング効果の影響を受けない。従って、そのようなフィルタリング配置で従来のLCDを用いると、上述の法線に近い視野角で、左側チャネルと右側チャネルとの間で実質的なクロストークが起こる。このことはたとえば上述の自動車で用いられる場合において、後部座席の乗員は、自動車運転者が見るための像データの影響により、歪んだ、そしておそらく理解不能な像を見ることになることを意味する。

さらにフィルタ又はグリッドを利用することによってこの効果を緩和又は除去することは不可能ではないと思われる。しかしこれは複雑であり、かつ他の方向での視野特性を阻害すると思われる。

代わりに本発明に従うと、この問題は、ほとんどの従来LCD用途によってかなり望ましくないと思われる特性を、イメージング層のLCDセルに供することによって解決される。かなり望ましくないと思われる特性とは特に、イメージング層面の法線に近い方向と一致する視野方向で明るさ及び/又はコントラストが減少することである。このことは、法線視野角付近たとえば図3に図示された視野角10では、全く又はほとんど情報が発せられないことを意味する。これにより、クロストークは実質的に除去される。用途によっては、ディスプレイは、わずかに非対称的であることが好ましい場合がある。つまり法線方向で最小コントラストはならず、法線付近の左右方向で最小コントラストとなって良い。好適には、以降で述べる第2実施例で与えられているLCDパラメータを適切に調節することによって、最大5°-10°のずれが供されて良い。

所望の効果を供する能力を有する2つのLCDセルの実施例についてここで説明する。

従来のLCDセル19と同様に、本発明の実施例で用いられるLCDセルは、図8で概略的に図示されているように、後方基板21と前方基板22との間に閉じこめられた液晶材料20、並びに液晶分子の配向に影響を及ぼす電極23及び24を有する。そのセルはさらに、緩和状態つまり電極23及び24に電圧が印加されない状態の液晶材料に所定の配向方向を与えるように機能する後方配向層27及び前方配向層28だけではなく、後方偏光子25及び前方偏光子26をも有する。そのセルは、背面発光装置29からの光を受光する。たとえ第2実施例で、特別な駆動電圧が選ばれるべきだとしても、そのセルの特性に対処するには、従来の方法、つまり能動モード、受動モードなど、によって実現されて良い。

本明細書では角度は、自動車のディスプレイに関して次のように定義される。方位角は、運転者又は乗員から見て右方向（3時）を指す0°から、車の天井（12時）の方向を指す90°、左方向（9時）の方向を指す270°、車の床（6時）の方向を指す90°を介して、360°（0°）までの範囲である。極角は、ディスプレイ面の法線方向で、自動車の後部座席へ向かう方向を指す0°から、ディスプレイ面内方向を指す90°までの範囲である。これらの極角及び方位角の値の範囲はともに、ディスプレイの視野面での全方向をカバーする。

第1実施例では、非ツイステッド液晶(LC)層は、互いの偏光方向が交差した、第1（後方）偏光子と第2（前方）偏光子との間に設けられ、複屈折材料の光学軸が偏光子と平行又は垂直に配向されるように位置合わせされる。このことは、LCDセルの面の法線方向に印加される電圧に光学効果が依存しないことを意味する。電圧が印加されると、屈折率は変化するかもしれないが、光の偏光は変化しない。

しかし斜め角では、光の偏光方向は液晶材料配向子と平行とはならず、そのような角度で進行する光は複屈折を起こす。よって、前方偏光子に到達する光の偏光は印加電圧に依存する。従ってセルは、前記法線に近い視野角で、前記法線から離れた視野角でよりも小さなコントラストを有する。

実行されたシミュレーションはこの特性を示している。以下のLCDパラメータが用いられた。

この実施例では、後方偏光子と前方偏光子とは交差している（垂直な位置関係にある）。これは、偏光がLC材料による影響を受けない方向、つまり法線方向では、ディスプレイは常に黒いことを意味する。

代替的実施例では、後方偏光子と前方偏光子とは平行であって良い。この場合ではその代わり、セルは法線方向で明るい。しかし法線方向には信号は発せられない。その理由は、透過率が変化しないために、クロストークを起こす信号が透過しないためである。

図4及び図5は、表1の特性を有するLCDセルの特性を図示している。図4は、様々な電圧及び方位視野角0°/180°での極視野角の関数として明るさを図示している。ここでの明るさとは、より詳細には心理測定明度である（透過率の明確な非線形関数）。図から明らかなように、-15°から+15°の範囲内、ディスプレイ法線周辺での電圧に対する明るさの依存性は非常に低い。このことは図5からも見て取れる。図5では、極視野角及び印加電圧の関数として、LCDセルの明るさが様々なグレースケールで（明るさが大きいほどグレースケールは明るくなる）図示されている。

よって第1実施例のLCD素子19’の一般的な設計原理は、図9に図示されているように、後方偏光子25’の偏光軸に平行なラビング方向を有する非ツイステッドLC層20’を用い、かつ互いに平行又は垂直な、後方偏光子25’及び前方偏光子（検光子）26’を用いることである。

第2実施例は、リターデーション値の小さなツイステッドネマチック(TN)LCDセルを有する。このことは、低駆動電圧では、限られたグレースケール変調のみが可能であることを意味する。以降で図示するように、実際、3Vでは、法線方向でほぼ黒い状態を実現することが可能であり、これよりも高い電圧ではほとんど変調されない。しかし以降の例で説明するように、斜め角では、LC材料を介する光路は長くなり、偏光軸とLC配向子との間の平均角度も大きくなるため、実効的な変調は大きくなる。ラビング方向が45°及び135°であることで、中央面のLC配向子の配向が90°であることを保証し、その一方で、偏光方向は0°及び90°であることに留意すべきである。これにより、視野角については、左右対称が保証される。中央面のLC配向子とは、2つの基板間の中間の面内でのLC分子の配向を意味する。

以下のパラメータを用いて第2実施例のシミュレーションが行われた。

図6及び図7は、上記パラメータを有する、本発明の第2実施例に従ったLCDセルのシミュレーション結果を図示している。図から分かるように、たとえば3-9Vのような適切な駆動電圧を選択することによって、図4と同様な角度とコントラストとの比を得ることができる。図7から分かるように、絶対最小動作電圧を3V未満にするのは避けなければならない。

よって第2実施例のLCD素子19’’の一般的な設計原理は、図10に図示されているように、方位角が90°又は270°である中央面のLC配向子を有する、互いに交差する偏光子25’’と偏光子26’’との間に設けられたツイステッドLC層20’’を用いることで、左右方向での対称的な視野条件を保証することである。実効リターデーションを小さくすることで（dΔn<450nmが好ましく、dΔn<300nmがより好ましい）、光路長が長くなる斜め角でのみ変調が起こる。斜め角での変調は、非常に大きなプレチルト角を供することによって、又は閾値電圧よりも高い絶対電圧、本実施例では3Vより高い電圧、を用いることによって実現可能である。

上で説明された2つの実施例は、多数の特性を共通して有している。この多数の特性は、これら2の実施例が望ましいものとして機能していると考える理由である。第1の共通する特性は、法線方向又はそれに近い方向（つまり極角が0°に近い方向）に進行する光が、電気光学効果を起こさない、又は非常に少ししか起こさないことである。“少し”とはここでは、斜め視野角で、左/右側観測者へ向かって進行する光と比較して小さい、という意味である。第1実施例では、LC層でのツイストを避け、かつLC層を後方偏光子に対して平行又は垂直に配向させることで、電圧が電極にわたって印加され、かつLC層でのチルトが誘起されるときに、LC層を進行する光の偏光が、斜め角で入射した光線についてのみ調節されることによって、第1の共通する特性は実現される。これらの斜め角入射の光線については、“純粋なチルト”は、“チルト”と“方位の再配向”の混合として起こり、法線方向に導光される光線ではない。

第2実施例では、方位配向子の平均配向もまた偏光子に対して平行で、かつ駆動電圧に独立であることを保証することによって同一の効果が得られる。このことは、2つの基板でのLC配向子の配向を、互いに対向し、かつたとえば+45°から+135°の範囲での偏光子の配向に対して対称となるように選択することによって実現される。

両実施例が共通して有する第2点は、両実施例は、ある範囲内の電圧で駆動し、かつ法線方向に近い光線では電圧依存する電気光学効果が起こらないことである。第1実施例の場合では、すべての電圧値が許される。なぜなら第1実施例は、LC分子は常に偏光子と方位的に平行に配向する特殊な場合だからである。第2実施例の場合では、問題が生じる恐れがある。それは、LC層の下半分は、45°-90°の方位配向を有し、かつLC層の上半分は、90°-135°の方位配向を有することである。たとえ平均として、全LC層が90°の方位配向を有するように見えるとしても、この平均化効果は、常に最小の絶対電圧をLC層に印加して、プレチルト値よりもはるかに大きな、デフォルトでゼロではないチルト値を誘起することによってより厳密にできる。上述の例において、発明者らは、所与のLCについて、少なくとも3Vの電圧で満足行く結果が得られることを発見した。従って駆動電圧は、通常範囲である0-5Vの代わりに3-10Vの範囲にしなければならない。当然のことだが、この求められている最小電圧の厳密な値は。LC材料のパラメータ特に弾性定数及び粘性に依存する。

まとめると、本発明は、ディスプレイ前方の各異なる角度領域で各異なる像を表示する、つまり第1像を左側へ表示し、かつ第2像を右側へ表示する、ことを目的としたディスプレイ素子に関する。従ってディスプレイ素子は、イメージング層、及び、たとえばシリンドリカルレンズを有する導光層を有する。各異なる領域が交差する領域付近でのクロストークを回避するため、イメージング層は、該イメージング層の法線方向付近での明るさ及び/又はコントラストの小さい液晶セルを有する。これにより、2つの表示像間でのクロストークが実質的に除去される。

本発明は説明された実施例に限定されない。添付請求項の範囲内で様々な変更が可能である。

重ね合わせ像の生成を概略的に図示している。 本発明の第1実施例に従った導光層を図示している。 本発明の第2実施例に従った導光層を図示している。 本発明の第1実施例に従ったディスプレイ素子を設計するための、LCDセルのシミュレーション結果を図示している。 本発明の第1実施例に従ったディスプレイ素子を設計するための、LCDセルのシミュレーション結果を図示している。 本発明の第2実施例に従ったディスプレイ素子を設計するための、LCDセルのシミュレーション結果を図示している。 本発明の第2実施例に従ったディスプレイ素子を設計するための、LCDセルのシミュレーション結果を図示している。 一般的な液晶(LC)セルを図示している。 本発明の第1実施例に従って配備されたそのようなLCセルを概略的に図示している。 本発明の第1実施例に従って配備されたそのようなLCセルを概略的に図示している。

Claims (12)

1. 面内に設けられた複数の画素を有するイメージング層；及び
   該イメージング層中のそれぞれ異なる画素からの光を、前記面の法線又は前記法線に近い方向である中間方向から見て左と右へ投影することで、それぞれ異なる像が前記中間方向の左と右に表示される、複数の光学素子を有する導光層；
   を有し、
   各画素は、前記中間方向から離れた視野角でよりも前記中間方向に近い視野角で低いコントラスト及び/又は明るさを有することで、前記の中間方向の左と右に表示されるそれぞれ異なる像間であって、前記それぞれ異なる像が交差する場所でのクロストークを減少させるように構成されたLCD素子を有する、
   ディスプレイ素子。
2. 前記LCD素子が非ツイステッド液晶セルで、平行なラビング方向を有する後方配向層及び前方配向層を有する、請求項1に記載のディスプレイ素子。
3. 前記LCD素子が、互いに交差している、後方偏光子と前方偏光子との間に設けられている非ツイステッド液晶セルである、請求項2に記載のディスプレイ素子。
4. 前記LCD素子が、互いに平行な、後方偏光子と前方偏光子との間に設けられている非ツイステッド液晶セルである、請求項2に記載のディスプレイ素子。
5. 前記後方配向層の前記ラビング方向が前記後方偏光子の偏光方向に平行である、請求項2から4に記載のディスプレイ素子。
6. 前記後方配向層の前記ラビング方向が前記後方偏光子の偏光方向に垂直である、請求項2から4に記載のディスプレイ素子。
7. 前記LCD素子がツイステッド液晶セルで、かつ前記中間方向で450nm未満のリターデーション値を有する、請求項1に記載のディスプレイ素子。
8. 前記液晶セルの液晶材料からなる前記液晶セルの中央面の配向子が、ユーザーから見て垂直である、請求項7に記載のディスプレイ素子。
9. 前記LCDセルが、0Vよりも大きな最小絶対駆動電圧で駆動される、請求項7又は8に記載のディスプレイ素子。
10. 前記光学素子がシリンドリカルレンズを有する、請求項1から9に記載のディスプレイ素子。
11. 前記光学素子がバリヤ中の垂直スリットを有する、請求項1から9に記載のディスプレイ素子。
12. 前記中間方向が前記イメージング層の法線と一致する、請求項1から11に記載のディスプレイ素子。

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