JP5000715B2 - ディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、パブリックビューイングモードとプライベートビューイングモードを有するディスプレイに関する。

コンピュータ用モニターや電話機・携帯情報装置に内蔵の画面などの電子表示装置は、通常、視野角ができるだけ広くなるように設計されており、そのため、どんな観察位置からも読み取ることができる。しかしながら、例えば、満員電車の中で携帯用のコンピュータを使って私的な文書を読む場合のように、狭い範囲の角度からしか見ることのできないディスプレイが役に立つという状況もある。

米国特許ＵＳ６５５２８５０（E. Dudasik; Citicorp Inc. 2003）には、現金自動支払機に個人情報を表示する方法が記載されている。現金自動支払機のディスプレイによって発せられた光が一定の偏光状態を有し、現金自動支払機とその利用者は、当該偏光状態の光は吸収するが直交状態の光は透過する偏光シートの大画面に囲まれる。通行人からは、利用者と現金自動支払機は見えるが、画面に表示された情報は見えない。

光の方向を制御する用途の広い方法としては、「ルーバー・フィルム（louvred film）」がある。このフィルムは、ベネチアン・ブラインドと同様に、交互に配置された透明層と不透明層とからなり、これらの層に対してほぼ平行な方向に進む光を通し、当該層の面に対して大きな角度で進む光を吸収する。これらの層は、フィルムの表面に対して垂直であってもよく、別の角度をなしてもよい。そのようなフィルムを製造する方法は、米国再発行特許ＵＳＲＥ２７６１７（S.-L. Lu, 3M 1988）および米国特許ＵＳ４７６４４１０（R.F. Grzywinski; 3M 1998）に記載されている。

他にも、ルーバー・フィルムと同様の特性を示すフィルムを作製する方法があるが、これらは、例えば、米国特許ＵＳ５１４７７１６（P.A. Bellus; 3M 1992）や米国特許ＵＳ５５２８３１９（R.R. Austin; Photran Corp. 1996）に記載されている。

ルーバー・フィルムは、表示パネルの前、または透過型ディスプレイとそのバックライトとの間に設置され、当該ディスプレイを見ることのできる角度の範囲を制限する。すなわち、ルーバー・フィルムによって、ディスプレイを「個人用（private）」にすることができる。

米国特許出願公開ＵＳ２００２/０１５８９６７（J.M. Janick; IBM, ２００２年公開）には、光制御膜をディスプレイの前を覆うように移動させてプライベートモードに設定したり、光制御膜をディスプレイの後ろまたは横のホルダーに機械的に引っ込めてパブリックモードに設定したりすることができるように、光制御膜をディスプレイに取り付ける方法が記載されている。この方法では、可動部品を用いるため、これらの部品が故障または破損したり、ディスプレイがかさばったりするという欠点がある。

可動部品なしでパブリックモードからプライベートモードへ切り替える方法として、光制御膜を表示パネルの後ろに取り付けて、光制御膜とパネルとの間に、電子的にオン/オフ切替可能な拡散シートを設置することがある。拡散シートがオフのときは、光制御膜が視野角の範囲を制限し、ディスプレイはプライベートモードに設定されている。拡散シートがオンのときは、広い範囲の角度で進む光がパネルを通り、ディスプレイはパブリックモードに設定されている。また、光制御膜をパネルの前に取り付けて、切替可能な拡散シートを光制御膜の前に設置することによっても、同様の効果を得ることが可能である。

この種の切替可能な個人用装置は、米国特許ＵＳ５８３１６９８（S.W. Depp; IBM 1988）および米国特許ＵＳ６２１１９３０（W. Sautter; NCR Corp. 2001）、米国特許ＵＳ５８７７８２９（M. Okamoto; Sharp K.K. 2001）に記載されている。これらの装置には、ディスプレイがパブリックモードに設定されていようが、プライベートモードに設定されていようが、光制御膜が当該光制御膜に入射する光のかなりの割合を常に吸収するという共通の欠点がある。パブリックモードでは、拡散シートが広い範囲の角度に光を広げるため、これらのディスプレイは、バックライトを明るくして補正しない限り、プライベートモードに設定されている場合と比べて薄暗くなる。

また、これらの装置は、消費電力にも欠点がある。パブリックモードでは、拡散シートが光を拡散しないように切り替えられる。多くの場合、これは、切替可能な高分子分散型液晶拡散シートに電圧が印加されることを意味する。その結果、パブリックモードでは、プライベートモードと比べて多くの電力が消費される。このことが、ほとんど常にパブリックモードで用いられるディスプレイにとって、欠点となっている。

米国特許ＵＳ５８２５４３６（K.R. Knight; NCR Corp. 1998）には、パブリック／プライベートモード切替可能なディスプレイを作製する他の方法が記載されている。光制御装置は、構造が前述のルーバー・フィルムと同様である。しかしながら、ルーバー・フィルムにおける各不透明素子が、電子的に不透明状態から透明状態に切替可能な液晶セルに置き換えられている。光制御装置は、表示パネルの前または後ろに設置される。セルが不透明のときは、ディスプレイはプライベートモードに設定されており、透明のときは、パブリックモードに設定されている。

この方法には、適切な形状で液晶セルを製造するのが困難であり、費用もかかるという欠点がある。また、プライベートモードにおいて、まず透明材料を通過してから液晶セルの一部を通過するような角度で、光線が入射するという欠点もある。このような光線は、液晶セルに十分に吸収されず、これによって、装置のプライバシー性が低下する場合がある。

日本国特許ＪＰ３６０７２７２およびＪＰ３６０７２８６（東芝、２００５年）には、パブリック／プライベートモード切替可能な表示装置を作製する他の方法が記載されている。この装置は、パターン化した液晶配向を有する追加液晶パネルを用いており、そのパネルの異なる配向セグメントによって、ディスプレイの異なる領域の視野特性が異なる方法で修正され、その結果、表示パネル全体が完全に読み取れるのは、中央位置からだけとなる。

英国特許ＧＢ２４０５５４４には、一つの偏光にのみ作用するルーバーに基づいた、切替可能な個人用装置が記載されている。ルーバーは、着色液晶分子をルーバー内で回転させるか、または、別の素子を用いて入射光の偏光面を回転させることによって、オン/オフが切り替えられる。

ＧＢ２４１３３９４では、一つ以上の追加液晶層と偏光子とを表示パネルに搭載することによって、切替可能な個人用装置が構成されている。これら追加素子の固有視野角依存性は、周知の方法で電気的に液晶を切り替えることによって変化する。

英国特許ＧＢ２４１０１１６では、異なる角度範囲で光を発生する二つの異なるバックライトを用いることによって、ディスプレイがパブリックモードからプライベートモードへ切り替えられる。

英国特許ＧＢ２４２１３４６では、偏光変調層（ＰＭＬ）が、液晶表示パネルの出口偏光子の後ろに設置されている。ＰＭＬには、単に透明の部分もあれば、通過する光の偏光を変える部分もあり、後者の部分を介して見られる画素は、色が反転する（明るい画素は暗くなり、暗い画素は明るくなる）。これらの部分のすぐ後ろにある画素に送られたデータは、中央位置からディスプレイを見ると、画像が正常に見えるように反転される。しかしながら、別の角度からディスプレイを見ると、別の画素が位相差板素子を介して見え、画像が乱れる。軸外の観察者には、無作為なドットのパターンである見づらい画像が見える。偏光変調層は、液晶で形成されてもよく、オフに切り替えてパブリックモードに設定してもよい。

英国特許ＧＢ２４１８５１８では、標準的な薄膜トランジスタに、パターン電極付きのゲストホスト（着色）液晶層が搭載されている。着色液晶層は、吸収（プライベート）状態と非吸収（パブリック）状態との間で切り替えることができる。色素分子吸収は、光の入射角と偏光とに依存している。任意の偏光と配向とについて、色素の吸収は、視野角とともに増大し、その結果、高角度での明るさ（brightness）が低くなる（狭角モード）。

英国特許出願公開Ｎｏ．０５１０４２２．９には、単一の追加切替セルによるプライバシー機能と三次元（３Ｄ）機能との組み合わせが開示されている。このディスプレイには、三つの動作状態、すなわち、広角モードおよびプライベートモード、３Ｄモードがある。液晶配向は、パターン化された形態と、パターン化されていない形態との両方が記載されている。

英国特許出願公開Ｎｏ．０５１１１５３６．５には、液晶表示（ＬＣＤ）パネルの既存の偏光子の間に位置する追加液晶層を用いることが開示されている。この位置において、追加切替セルは、軸外からの光に対して階調曲線を修正することができる。これによって、英国特許ＧＢ２４１３３９４の技術に比べて高い画像のプライバシー性が得られる。

英国特許出願公開Ｎｏ．０６１３４６２．１には、表示パネルに追加コレステリック（cholesteric）層と円偏光子を搭載することによって構成された切替可能な個人用装置を用いることが開示されている。コレステリック層は、パブリック（広角）モードと、全方位にプライバシー性が得られるプライベート（狭角）モードとの間で切り替えることができる。

Adachi et al. （SID06, pp. 228）およびOkumura（米国特許出願公開ＵＳ２００５０１９０３２９）には、ＨＡＮセルを用いて、切替可能なプライバシー機能を得ることが開示されている。AdachiおよびOkumuraで用いられたＨＡＮセルは、下層の画像パネルと併用される。Adachi et al. （SID06, pp. 228）およびOkumura（米国特許出願公開ＵＳ２００５０１９０３２９）に記載されたパブリック（広角）モードは、ねじれていない。

日本特許ＪＰ０９２３０３７７および米国特許ＵＳ５８４４６４０には、単一層ＬＣＤパネルの視野角特性を変化させる方法が記載されている。これは、垂直配向ネマチック（Vertically Aligned Nematic；ＶＡＮ）液晶モードによって実現される。表示パネルの面における電界を用いて、画素領域における液晶材料の傾斜を制御する。画素内の異なる傾斜ドメインの数と配向とは、面内電界によって制御することができる。傾斜ドメインがいくつかある画素は視野角が広く、傾斜ドメインが一つの画素は視野角がより狭い。この方法を用いてディスプレイの視野角を変えることが記載されている。しかしながら、記載されたＶＡＮモードの単一の傾斜ドメインの視野角は、良好なプライバシー性を得るには狭さが不十分である。

英国特許ＧＢ２４０５５１６および英国特許ＧＢ２４０５５１８、英国特許ＧＢ２４０５５１７には、画像を特定の角度からのみ見えるようにするために、もともと非対称の視野角を有する液晶表示モードが開示されている。そのようなディスプレイは、マルチビュー表示が得られるように、視方向の異なる複数種類の画素を用いているが、切替可能な拡散シートを用いて単一広角視表示に切り替えることができる。

本発明に係るディスプレイは、パブリックビューイングモードとプライベートビューイングモードとを有するディスプレイであって、画像変調された光をパブリックビューイング領域全体に向けるように、かつ、上記パブリックモードでは第一画像を表示し、上記プライベートモードでは空間的にインターレースされた第二および第三画像を表示するように構成された表示装置と、第一画像によって変調された光が第一偏光を有するパブリックモードと、第二および第三画像によって変調された光がそれぞれ第二、第三偏光を付与されるプライベートモードとの間で切り替えができる制御可能な液晶装置と、角度依存型偏光チェンジャーと偏光子を有し、第一偏光の光をほぼパブリック領域全体に通し、第二偏光の光の通過をほぼパブリック領域内のプライベートビューイング領域のみに制限し、第三偏光の光の通過をほぼプライベートビューイング領域外かつパブリック領域内の少なくとも一つの非プライベートビューイング領域のみに制限する光学構成とを備える。

上記プライベート領域は、ディスプレイの軸上かつ周りにあってもよい。上記少なくとも一つの非プライベートビューイング領域は、ディスプレイの軸から離れて配置された複数の領域を含んでもよい。

上記第一偏光は、第二および第三偏光の一方とほぼ同じであってもよい。

パブリックモードにおける制御可能な装置と光学構成との組み合わせは、第一偏光にほぼ影響を与えなくてもよい。

上記第三偏光は、第二偏光にほぼ直交してもよい。

上記第一、第二、および第三偏光はほぼ直線偏光であってもよい。

上記偏光チェンジャーは、位相差板を有してもよい。上記位相差板は、ネガティブＣプレートを有してもよい。上記位相差板は、パブリックモードにおける制御可能な装置の位相差をほぼ補正する位相差を有してもよい。

上記制御可能な装置は、表示装置の第一および第二組の画素と光学的にそろえられた、第二および第三画像をそれぞれ表示するための第一および第二組の領域を有しており、第一および第二組の領域は、プライベートモードにおいて異なる偏光変化効果を有してもよい。

上記第一および第二組のうち一方の領域は、プライベートモードにおいて当該領域を通る光の偏光を９０度変化させるように構成されていてもよい。上記一方の組の領域は、プライベートモードでの動作中にツイストネマチックモードで動作するように構成されていてもよい。上記第一および第二組のうち他方の領域は、プライベートモードにおいて当該領域を通る光の偏光にほぼ影響を与えななくてもよい。上記他方の組の領域は、プライベートモードでの動作中に電界制御型複屈折モードで動作するように構成されていてもよい。上記制御可能な装置は、パブリックモードにおいてホメオトロピック配向で動作するように構成されていてもよい。

上記制御可能な装置は、スプレイツイスト型であり、第一および第二組の領域を規定するパターン電極構成を有してもよい。

上記表示装置は液晶表示装置であってもよい。上記表示装置は透過型であってもよい。ディスプレイは、上記表示装置用にバックライトを備えてもよい。

上記表示装置は発光ダイオード表示装置であってもよい。上記表示装置は有機発光ダイオード表示装置であってもよい。

上記第三画像は、プライベートモード中に第二および第三画像から光を受ける視野領域において第二画像を隠すための隠し画像または画像配列を含んでもよい。

これによって、パブリックビューイングモードとプライベートビューイングモードとを有するディスプレイであって、プライベートビューイングモードにおいて、プライベートビューイング領域外で表示された画像を必要に応じて制御・選択できるディスプレイを提供することが可能になる。上記ディスプレイは、パブリックモードとプライベートモードとの間で切り替えができる既知のタイプのディスプレイと同程度に薄くできる。上記構成によって、非プライベート領域にカラー画像、動画、ビデオなどを表示することが可能になり、ひいてはユーザがそのような「副画像」をカスタマイズすることを可能にする。例えば、電話機メーカーやネットワーク業者が、非プライベート領域に広告画像を表示し、機密情報を表示すると同時に、ディスプレイがプライベートビューイングモードに設定されていることを明かさないように「保護用副画像」を表示することが考えられる。パブリックビューイングモードについては、最大解像度で画像を表示することができる。また、光学視差（parallax optics）を表示装置と合わせることに関する製造上の問題を回避することができる。

本発明の実施形態を構成するディスプレイのプライベートビューイングモードを示す図である。 本発明の実施形態を構成し、プライベートビューイングモードで動作しているディスプレイの断面図である。 パブリックビューイングモードにおける動作を示す、図２のディスプレイの断面図である。 図２および３に示されたタイプのディスプレイの光学性能をモデリングした結果を示す。 図２および３に示されたタイプのディスプレイの光学性能をモデリングした結果を示す。 プライベートビューイングモードおよびパブリックビューイングモードにおける性能を示す、度で表した視野極角に対する任意単位で表した発光のグラフである。 図２および３に示されたディスプレイの動作をより詳細に示す概略断面図である。 図２および３に示されたディスプレイに用いることのできるスプレイツイストモードの液晶装置の概略断面図である。 図２および３に示されたディスプレイに用いることのできる他のタイプの液晶装置の概略断面図である。 図２および３に示されたディスプレイに用いることのできる他のタイプの液晶装置の概略断面図である。

図１は、インターレース画像ディスプレイ３を示し、このインターレース画像ディスプレイ３では、交互に並ぶ画素行によって発せられた光が、残りの画素行によって発せられた光に対して直交する偏光状態を有しており、それぞれ一つの偏光状態からなる二つの画像が、観察者７を含む「主領域」であるプライベートビューイング領域５と観察者６を含む「副領域」である非プライベートビューイング領域とに分離される。

図２は、本発明の好ましい実施形態を構成し、プライベートモードで動作しているディスプレイを示す。数箇所の点において積層体を通る光線の偏光状態が、直線偏光を示す傾斜矢印で示されており、矢印は、その傾斜によって、垂直方向１５に対して＋４５度（２２）または−４５度（２３）の角度をなしている。表示軸に対してある角度をなして伝播する光線の偏光状態の変化は、負誘電異方性（Δε）位相差板９によってもたらされ、図示された光線のみならず、紙面に対して同様の角度で出入りする光線についても生じる。

図示されたＬＣＤ表示パネル１１は、視野角が広く、複数組の赤・緑・青の画素表示素子１２を備えている。追加液晶セル１０は、そのパターン化された配向領域１３・１４がディスプレイの画素行１２と位置合わせされるように、表示パネルの真上に位置している。追加セルは、表示パネルの交互に並ぶ画素行からの光の出力偏光状態が９０度回転するように、その液晶構成においてパターン化されている。この効果をもたらすために、液晶セルは、ツイストネマチック（twisted nematic；ＴＮ）モードと非ツイストモードの液晶構成の交互領域を含み、交互領域の空間周波数（ピッチ）は、下層の表示パネルの画素ピッチの二倍である。残りの行は、この偏光状態においては変わらない。負光学異方性位相差板フィルム（−ｖｅＣプレート）９の層は、追加液晶セルの真上に位置し、追加偏光シート８は、その透過軸が表示パネルの出力偏光子３０の透過軸と平行になるように、−ｖｅＣプレート９の真上に位置している。図１のように二次画像をディスプレイの水平側方にいる観察者６に表示するために、これらの透過軸は、ディスプレイの通常の配向において、垂直線１５に対して＋／−４５度の角度をなしている。

パターン化された追加液晶セル１０の効果は、一次画像に影響を与えずに、二次画像を含む光の偏光状態を９０度（図２および図６では、＋４５度から−４５度に）回転させることである。−ｖｅＣプレート９の効果は、主観察者７に向かって軸上を（層に対して直角に）伝播する光線１７・１８については、これら偏光状態に影響を与えずに、副観察者６に向かって軸外を進む光１６・１９については、両偏光状態を９０度回転させることである。従って、軸上を伝播する二次画像からの光は、その偏光状態が追加液晶セル１０によって偏光子８の透過軸に対して直交するように回転されているため、追加偏光子８が当該光を吸収する。しかしながら、主画像を含む光は、その偏光状態が依然として透過軸と平行であるため、偏光子８を通過して主観察者７に対して主画像を形成する。両組の画像からの光は、その偏光状態がネガティブＣプレート層９によって９０度回転されたため、軸外の光線について反転が生じる。従って、主画像は遮断され、二次画像は透過されて副観察者６に対して表示画像を形成する。当該効果を図４（ａ）および４（ｂ）に示す。なお、同図における極座標は、（ａ）では主画像に、（ｂ）では副画像に対する視野角の関数としてモデル相対光度（modelled relative brightness）を示す。図５に、水平面（図４（ａ）および４（ｂ）では、９０度方位）におけるこれら座標の断面を示し、プライバシー性能を説明する。主画像の明るさおよび副画像の明るさ、パブリックモード画像の明るさをそれぞれ２５および２６、２７で示す。

パブリックモードでは、図３に示すように、電界が追加液晶セル２０に印加され、液晶ダイレクタを印加された電界の方向と一致するように回転させる。これによって、液晶層のねじれがなくなるため、表示パネルによって発せられた光の偏光状態の回転を防ぎ、液晶層は、正でありかつ−ｖｅＣプレート層９を補正する全体的な位相差（overall retardation）を有するように設計される。このように組み合わされた液晶セル２０と−ｖｅＣプレート層９とは、光学的に中立に見えるようになり、表示パネル１１の全領域からの光は、すべての観察者に向けて透過される。表示パネルは、インターレース画像を表示する必要がなくなり、単一の最大解像度画像を最大の明るさで表示することができる。

ディスプレイの具体例では、−ｖｅＣプレート層９は、全体的な光学的位相差が８００〜１０００ｎｍの範囲にある。これによって、ディスプレイの法線から４０〜５０度の所望の角度で、二次画像が確実に支配的となる。追加液晶セル１０は、液晶層の厚さが１２〜１７μｍの範囲にある。これによって、０Ｖにおいてねじれ状態にあるセルの部分１４を、ツイストネマチックセルに対するグーチ−タリーの二次極小（Gooch-Tarry 2nd minimum）またはその近くで動作させることが可能になる。これによって、セルが主観察者に対して二次画像を遮断する効率が最大限になる。使用された液晶のΔεは、０Ｖ状態において使用されたセルの厚さについてこの第二極小条件を満たすように、かつ、約５Ｖでのオン状態（switched state）２０において位相差板フィルムを補正するように選択される。また、本実施形態では、セルのねじれ部分１４が、下層の表示パネルの、列とは対照的に、交互に並ぶ画素行１２の真上に位置するように、配向がパターン化されている。セルの配向層は、ねじれ部分で（ディスプレイが通常見られる配向における垂直線１５に対して；図４（ａ）および４（ｂ）参照）４５度および−４５度の角度でラビングされてＴＮモードとなり、非ねじれ部分１３で４５度および２２５度の角度でラビングされて逆平行配向ＥＣＢ（electrically controlled birefringence；電界制御型複屈折）モードとなる。これらのラビング方向はすべて、偏光子３０・８の透過軸に対して平行または垂直である。

交互に並ぶ、列ではなく画素行の偏光状態が回転するように、追加液晶セル１０をパターン化することによって、プライバシー効果が最も顕著となる好ましい面である水平視野面において、−ｖｅＣプレート層９だけでプライバシー性が得られ、下層の表示パネル１１とパターン化された追加液晶セル１０との間で視差の問題が生じないという利点がもたらされる。垂直面における軸外の観察者には、表示パネル１１の画素行と追加液晶セル１０のパターニングとが正確に一致しておらず、視差が生じるおそれがある。しかしながら、このことはプライバシー機構に有利に働かせることができる。−ｖｅＣプレート９の効果による場合よりも狭い角度で垂直に軸外の観察者に二次画像が表示されるように、視差を設計することができるからである。

一方、表示パネル１１と追加液晶セル１０との間に薄いガラス層を用いて、視差の問題を削減し、−ｖｅＣプレート９の位相差によって水平垂直両方におけるプライバシー性を決定することが可能になる。

実際、ＬＣＤ画像パネル１１と追加液晶セル１０の液晶層との間におけるガラス層および接着層の厚さは、視野角が垂直方向に大きくなるにつれ、視差効果によってまず二次画像が可視化され、次いで、傾斜角がさらに大きくなるにつれ、一次画像が可視化されるような厚さであってもよい。この一次画像の「第二画面」は、ネガティブＣプレート９の光学的位相差によって観察画像が反転される角度と一致するようにすることができる。このようにして、一次画像の「第二画面」を取り除き、一次画像に対する初期視差カットオフ（initial parallax cut-off）より大きい垂直方向におけるすべての視野角に対して二次画像を可視化することができる。

また、使用された−ｖｅＣプレート９は必ずしも上記のようなものである必要はなく、層（軸上）に対して垂直に伝播する光の偏光状態に影響を与えずに、位相差を加えるまたは角度をなして層を伝播する光の偏光状態を回転させる光学層であればよい。これを実現できる層としては、例えば、中間電圧が印加されたＥＣＢモードにおける他の均一に配向された液晶セル、または、英国特許出願公開Ｎｏ．０６１３４６２．１に開示されたような、カイラル液晶モードを有するセルが挙げられる。他の例としては、高カイラル反応性メソゲン層のような、所望の特性を有する高分子液晶層が挙げられる。実際、ＥＣＤセルまたは固定傾斜光学的位相差板（ある角度で層に平行でもなければ垂直でもない光軸）の使用は、水平面でのみ軸外を伝播する光の偏光状態に影響を与える。これによって、表示パネルと追加液晶セルの分離による視差効果だけで垂直面における二つの画像についての視野角を制御しながら、傾斜位相差板層だけで水平面における視野角を制御することが可能になる。

プライベートモードでは二つの画像をインターレースする必要があるため、各画像は、その解像度が一方向において半減されている（例えば、２４０×３２０画素のディスプレイは、それぞれ２４０×１６０の二つのインターレース画像しか表示できない）。これを緩和するために、所要の方向において解像度を二倍にした表示パネルを製造することができる。

追加液晶セル１０は、ほぼ次のように構成される。すなわち、追加液晶層が二つのガラス基板に挟まれる。ガラスの厚さは、下層のＬＣＤ画像パネル１１と追加液晶セル１０との間の距離を決定することができ、その場合は、二層間の視差効果が垂直視方向における視野領域に影響を与える角度を決定する以外、重要でない。このために、視差効果を減ずるため、薄いガラスが好ましい。ガラス基板は、ＩＴＯ（indium tin oxide；インジウムスズ酸化物）のような透明導電材料の層で被覆されている。そして、基板は、ガラス表面に平行な方向における隣接液晶層の配向（平面配向）を促進する高分子配向層でさらに被覆されている。

下層のＬＣＤディスプレイに最も近くに位置する基板上には、配向層が垂直視方向１５に対して４５度の角度で均一に機械的にラビングされ、その結果、この方向における液晶の配向が促進され、使用された正一軸液晶材料の光軸が表示パネルの出力偏光子３０の透過軸と平行になる。

下層のＬＣＤディスプレイから最も遠くに位置する基板上では、配向層がまず対向基板と逆平行な方向に均一にラビングされ、次いで、欧州特許ＥＰ０８８７６６７に記載されているマルチラビング・プロセスが行われる。このマルチラビング・プロセスでは、例えば、Shipley PLC社製のMicroposit S1805のようなフォトレジスト層が配向層上に蒸着され、マスクを介して紫外線を選択的に当てられ、現像される。次いで、基板は、最初のラビング方向に直交する角度（−４５度）で再度ラビングされ、残ったフォトレジスト層に保護されていない領域の配向方向がこの方向に再配向される。次いで、残ったフォトレジスト層は、紫外線を当てられ現像される。露光に使うマスクは、下層のＬＣＤパネル上に交互に並ぶ画素行１２（または行の集まり）に一致する配向方向のパターンを基板上に形成するように選択される。

マルチラビング法に加えて、層を伝播する光の偏光状態に影響を与えない領域とそれを９０度回転させる領域を繰り返す領域の所要のパターニングを形成するために、他のさまざまな技術を用いることができる。これらには、ＩＴＯ電極の光配向またはパターニングを後述のスプレイツイストモードのような好適な液晶モードと併用することが挙げられる。

次いで、基板は、スペーサ・ビーズを浴びせられ、内側を向きかつ液晶を充填した状態で、配向層と貼り合わせられる。スペーサ・ビーズの直径は、液晶層の厚さを決定する。この直径は、液晶層の光学的位相差（Δｎｄ）が、追加液晶セル１０上部のネガティブＣプレート９の光学的位相差とほぼ一致し、また光の偏光状態の効率的な回転についてのグーチ−タリーの極小条件を満たすように、液晶の屈折率との組み合わせで選択される。

ネガティブＣプレート９の位相差は、層を伝播する光の偏光状態に９０度回転が生じることによって、ＬＣＤパネルからの主画像が完全に遮断され、二次画像が完全に透過される、軸上方向からの極角を決定する。位相差８８０ｎｍのネガティブＣプレート９は、所望の視野角の５０度で所要の効果を得られることが分かっている。これは、ＬＣＤパネルから最も遠い追加セルの外部に日東電工製の１１０ｎｍネガティブＣプレート膜を８枚積層することで実現される。複屈折がΔｎ＝０．０９２である厚さ１６．５μｍのMerck社製の液晶ZLI-4619-000は、ディスプレイに対して最大の明るさ、最大解像のパブリックモードを実現するように、オン状態２０ではネガティブＣプレート９を補正することと、ねじれ液晶モードに対するグーチ−タリーの二次極小の近くで、オフ状態（unswitched state）では二次画像からの光をできるだけ多く９０度回転させることとの両方において、良好な性能を得られることが分かっている。

上記構成の追加液晶セルは、透過軸が表示パネルの出力偏光子３０と平行で、共に垂直視方向１５に対して４５度の角度をなしている状態で、偏光膜８が下層の画像表示パネル１１から最も遠い基板の外部上に積層されている。次いで、追加液晶セルは、パターン化された配向領域１３・１４がＬＣＤパネルの画素行１２と位置合わせされている状態で、下層のＬＣＤパネルの正面に貼り合わせられる。これによって、図２に示すような積層体が得られる。

図７は、図２および３に示されたディスプレイのセル１０として用いることのできる他のタイプの均一に配向された液晶装置を示す。この装置は、「スプレイツイストモード」型であり、例えばガラスでできた透明基板４０・４４を備え、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）でできた透明電極構成４１が備えられている。上部基板４０には、垂直（ホメオトロピック）配向ではなく高プレチルト配向を促進するための配向層４２が備えられている。従って、プレチルトθは９０度未満かつ４５度より大きいが、通常７５度以上から９０度以下の範囲にある。典型的なプレチルトは約８５度である。配向層４２は、通常は非ラビング状態で垂直配向を促進するのに用いられる材料でできているが、非垂直のプレチルトが得られるように配向中にラビングされる。そのような材料としては、例えば、JSRから入手できるJALS 2017が知られている。

下部基板には、０度より大きくかつ４０度未満の低プレチルトを促進するための配向層４３が備えられている。このプレチルトは、通常０度以上から１５度以下の範囲にあり、好適なプレチルトとしては、例えば、５度が挙げられる。配向層４３は、例えば、日産化学工業から入手できるSE610として知られる材料を含んでもよく、矢印で示す方向にラビングされる。

この装置は、好適な液晶材料を充填したセルが得られるように基板を組み立てることで形成される。基板は、配向層４２・４３のそれぞれのラビング方向が互いに平行で同じ方向を向くように合わせられる。すなわち、配向面でのプレチルトには、配向面と平行で同じ方向を向く成分がある。装置が組み立てられると、その結果、配向層４２・４３の間に得られたセルには、ネマチック液晶材料が充填されている。このように、液晶材料は、ダイレクタ構成が配向層と電極構成４１間に印加された電界とによって決定された状態で、配向層４２・４３の間に層を形成する。

そのようなスプレイツイストセルを充填する際、二つの変形状態の混在が観察される。これらは、スプレイベンド変形とスプレイ変形であると考えられる。スプレイベンド変形とスプレイ変形は、Wang and Bos, J. Appl. Phys., Vol. 90, pp. 552 (2001)に開示されているように、位相が異なる。５０で示すスプレイベンド変形は、ダイレクタが「高プレチルト」の基板４０近くの垂直線を通過する一方、スプレイ変形は、知られている限りでは、ダイレクタ・プロファイル（director profile）が「低プレチルト」の基板４１近くの水平位置を通過する。なお、スプレイモードは、ここに記載されている応用において実際に使用されることはない。好適な面外電界を印加することによって、スプレイベンド変形状態５０は、表示領域全体にわたって核をなし、電界を印加されることもなく安定した状態を保つ。すなわち、スプレイ変形が完全に取り除かれる。（ここでいう電界はすべて面外電界であり、基板に対してほぼ垂直の方向である）。

スプレイツイストセルには、負誘電異方性を有する液晶が充填されていてもよく、正誘電異方性を有する液晶が充填されていてもよい。負誘電異方性材料であれば、パブリック（広角）モードに対して良好な制御が可能になるが、プライベート（狭角）モードに対する制御は不十分になる。正誘電異方性材料であれば、プライベート（狭角）モードに対して良好な制御が可能になるが、パブリック（広角）モードに対する制御は不十分になる。最適性能は、スプレイツイストセルに、例えば、Merck社から入手できるMDA-00-3969のような二重周波数液晶材料を充填することによって見つけることができる。二重周波数液晶は、ある駆動周波数範囲（通常、低周波数＜1ｋＨｚ）に対しては正誘電異方性を示し、別の駆動周波数範囲（通常、高周波数＞1０ｋＨｚ）に対しては負誘電異方性を示す。従って、二重周波数液晶を充填されたスプレイツイストセルであれば、プライベート（狭角）モードとプライベート（狭角）モードの両方に対して良好な制御が可能になる。

電界の印加により、スプレイベンド変形５０とスプレイツイスト変形５１を切り替えることができる。スプレイツイストセルが、平行な直線偏光子の間に、基板ラビング方向が偏光子の透過軸に対して平行または垂直になった状態で構成されている場合、三つの非常に有用な光学形態（optical regimes）を実現することができる。

光学形態１：適切な大面外電界の印加により、液晶ダイレクタは、大部分が電界に対して垂直にかつ基板面に対して平行にそろえられる。ラビングされた配向条件と適切な電界の組み合わせにより、ダイレクタは強制的にスプレイツイスト変形５１をとらされる。ダイレクタは、低プレチルト基板４４から高プレチルト基板４０に至るまでねじれ構造を形成する。もし液晶層がモーギンのガイド条件（Mauguin guiding conditions）を満たすだけ十分に厚い（＞〜１０μｍ）場合、スプレイツイストモードに入る光の偏光状態は、スプレイツイストモードを出る光の偏光状態と同じである。この光学的効果は、上記ＥＣＢモードに相当する。もし液晶層がモーギンのガイド条件を満たすには薄すぎる場合、グーチ−タリーのガイド基準（Gooch-Tarry guiding criteria）（Gooch and Tarry, J. Phys. D., Vol. 8, pp. 1575-1584 (1975)）を採用して、スプレイツイストモード７に入る光が、スプレイツイストモードを出る光と同じ偏光状態になるようにすることができる。

光学形態２：光学形態１で印加された電界より小さい適切な面外電界の印加により、液晶ダイレクタは、電界に対して垂直（基板面に対して平行）にそろえられた部分が小さくなる。ラビングされた配向条件と適切な電界の組み合わせにより、ダイレクタは依然として強制的にスプレイツイスト変形５１をとらされる。ダイレクタは依然として低プレチルト基板４４から高プレチルト基板４０に至るまでねじれているが、印加電圧が光学形態１より小さいため、液晶層の大部分は傾斜が高い。光学的効果は、主として軸上を伝播する光を直交偏光状態に変換することである。この光学形態は、上記ＴＮ動作に相当する。よって、セルは平行な偏光子の間で黒く見える。スプレイツイストセルにおける電極の適切なパターニングによって、光学形態１および光学形態２の交互に並ぶ行（または交互に並ぶ列）を実現することができる。光学形態２が軸上で黒く見えるのに対して、光学形態１が透明に見えるため、視差バリアを実現することができる。

好適にカイラルドープされた液晶セルでは、光学形態２を印加電界なしで生じるように構成することができる。これは、０．３以下のｄ／ｐ（セルの厚さ／カイラルピッチ）比で生じる。

光学形態３：スプレイツイストセル全体にわたる適切な面外電界の印加により、ダイレクタ構造は、印加電界に対してほぼ平行にそろえられる。これによって、スプレイツイストセルとネガティブＣプレートとが実質的に互いを光学的に補正するため、すなわち、スプレイツイストセルの光機能がネガティブＣプレートによってほぼすべての入射角に対して「打ち消される」ため、パブリックビューイングモードが得られる。

上記三つの光学形態を同時に最適化することはできない。しかしながら、適度に低い駆動電圧（＜２０Ｖ）を用いた全体的に良好な光学性能を、下記のパラメーターによって得ることができる。

厚さ４０μｍ以下のセル；
８５度以下のプレチルトを誘導する高プレチルト配向；
５度以下のプレチルトを誘導する低プレチルト配向；
二重周波数液晶；
セルの厚さ／ピッチ（ｄ／ｐ）比が０．１以下のカイラルドーパント
図８（ａ）および８（ｂ）は、パターン化された配向を必要としないさらに他のタイプの追加切替セル１０を示す。本実施形態では、追加切替セルの両基板が、均一な平面液晶配向を有している。パターン電極５２が一方のセル基板上で用いられ、セルの平面における液晶配向を回転させてねじれ液晶構造５４を構築するＩＰＳ型（App. Phys. Lett, 67. pp. 3895）またはＦＦＳ型（SID ’01 Digest pp. 484）の面内切替を実現する。この種の領域は、平面電極５３と交互に並べられ、図２に示すような、前述の追加セルのパターン化された配向領域１３・１４に相当するＴＮのようなＥＣＢ液晶構造の交互領域を形成する。この状態で、画像パネル１１の交互に並ぶ画素行に対してそろえられた交互に並ぶ液晶構造領域は、画像パネルの交互に並ぶ画素行からの光の偏光を回転させ、装置が前述のようにプライベートモードで動作する。図８（ｂ）に示すパブリックモードでは、追加セルの対向する基板上の平面電極５３・５６の間を電圧が印加され、液晶は、その動作が図３に前述されたパブリックモードに相当するように、セルにおいて垂直にそろえられる。

この種の装置は、例えば、ユーザが機密情報を見たい時に、他に誰が見ているかをコントロールできない装置に応用することができる。これらの装置としては、例えば、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノートパソコン（ＰＣ）、現金自動預入支払機（ＡＴＭ）、電子決済ＰＯＳ（ＥＰＯＳ）機器が挙げられる。

上述のように、ディスプレイによって表示された「副画像」は、広告や注意をそらせることを目的として選択されてもよい。しかしながら、これら副画像は、それらの画像隠蔽特性を理由に選択されてもよい。例えば、両画像からの光が透過されて入ってくる限られた視野角領域があり、そのような領域においてさらに高いプライバシー性が得られるように、副画像が主画像を隠すように選択またはカスタマイズされる。重畳先の情報を隠すための好適な画像としては、下層の情報と空間周波数が類似した錯視的模様および白色雑音、不規則な模様が挙げられる。隠し文書として、分かりにくい不規則な文書を用いてもよい。そのような隠し画像は、その効果を最大限にするために拡大縮小が可能であってもよく、隠す対象となる内容に合わせてカスタマイズまたは変更されてもよい。

さらに他の実施形態では、ＬＣＤ画像パネル１１よりはむしろ、ＬＥＤディスプレイや有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）ディスプレイなどの放射型ディスプレイが使用される。この場合、装置は依然として図２および３に示されたとおりであり、追加切替セルも上述のままであって、追加構成要素を設置する対象となるディスプレイのタイプだけが異なる。実際、プライベートモードでは行方向にインターレースされた一次画像と二次画像を表示し、パブリックモードでは単一の画像を表示することがでる画像表示装置であれば何でもＬＣＤ画像パネル１１と置き換えて、記載された方法で装置を動作させることができる。そもそも、ＯＬＥＤのようなタイプのディスプレイは、プライベートモードにおいて別々の観察者に対して二つの画像を分離させるのに必要な偏光を発することができない。しかしながら、全体的な明るさは犠牲になるが、単に放射型ディスプレイの前面に偏光子を設置することができる。実際、多くのＯＬＥＤ型ディスプレイが、前面偏光子を用いてディスプレイからの周辺光反射を減少させており、その場合、下層のディスプレイからの画像の明るさを失わずに装置を組み入れることができる。

Claims (23)

1. パブリックビューイングモードと、プライベートビューイングモードとを有するディスプレイであって、
   画像変調された光をパブリックビューイング領域全体に向けるように、かつ、上記パブリックビューイングモードでは第一画像を表示し、上記プライベートビューイングモードでは空間的にインターレースされた第二および第三画像を表示するように構成された表示装置と、
   第一画像によって変調された光が第一偏光を有するパブリックビューイングモードと、第二および第三画像によって変調された光がそれぞれ第二、第三偏光を付与されるプライベートビューイングモードとの間で切り替えができる制御可能な液晶装置と、
   角度依存型偏光チェンジャーと偏光子とを有し、第一偏光の光をほぼパブリックビューイング領域全体に通し、第二偏光の光の通過をほぼパブリックビューイング領域内のプライベートビューイング領域のみに制限し、第三偏光の光の通過をほぼプライベートビューイング領域外かつパブリック領域内の少なくとも一つの非プライベートビューイング領域のみに制限する光学構成とを備えるディスプレイ。
2. 上記プライベートビューイング領域は、ディスプレイの軸上かつ周りにある、請求項１に記載のディスプレイ。
3. 上記少なくとも一つの非プライベートビューイング領域は、ディスプレイの軸から離れて配置された複数の領域を含む、請求項２に記載のディスプレイ。
4. 上記第一偏光は、第二および第三偏光の一方とほぼ同じである、請求項１に記載のディスプレイ。
5. パブリックビューイングモードにおける制御可能な液晶装置と光学構成との組み合わせは、第一偏光にほぼ影響を与えない、請求項１に記載のディスプレイ。
6. 上記第三偏光は、第二偏光にほぼ直交する、請求項１に記載のディスプレイ。
7. 上記第一、第二、および第三偏光はほぼ直線偏光である、請求項１に記載のディスプレイ。
8. 上記偏光チェンジャーは、位相差板を有する、請求項１に記載のディスプレイ。
9. 上記位相差板は、ネガティブＣプレートを有する、請求項８に記載のディスプレイ。
10. 上記位相差板は、パブリックビューイングモードにおける制御可能な液晶装置の位相差をほぼ補正する位相差を有する、請求項８に記載のディスプレイ。
11. 上記制御可能な液晶装置は、表示装置の第一および第二組の画素と光学的にそろえられた、第二および第三画像をそれぞれ表示するための第一および第二組の領域を有しており、第一および第二組の領域は、プライベートビューイングモードにおいて異なる偏光変化効果を有する、請求項１に記載のディスプレイ。
12. 上記第一および第二組のうち一方の領域は、プライベートビューイングモードにおいて当該領域を通る光の偏光を９０度変化させるように構成されている、請求項１１に記載のディスプレイ。
13. 上記一方の組の領域は、プライベートビューイングモードでの動作中にツイストネマチックモードで動作するように構成されている、請求項１２に記載のディスプレイ。
14. 上記第一および第二組のうち他方の領域は、プライベートビューイングモードにおいて当該領域を通る光の偏光にほぼ影響を与えない、請求項１２に記載のディスプレイ。
15. 上記他方の組の領域は、プライベートビューイングモードでの動作中に電界制御型複屈折モードで動作するように構成されている、請求項１４に記載のディスプレイ。
16. 上記制御可能な液晶装置は、パブリックビューイングモードにおいてホメオトロピック配向で動作するように構成されている、請求項１３または１５に記載のディスプレイ。
17. 上記制御可能な液晶装置は、スプレイツイスト型であり、第一、第二組の領域を規定するパターン電極構成を有する、請求項１１に記載のディスプレイ。
18. 上記表示装置は液晶表示装置である、請求項１に記載のディスプレイ。
19. 上記表示装置は透過型である、請求項１８に記載のディスプレイ。
20. 上記表示装置用にバックライトを備える、請求項１９に記載のディスプレイ。
21. 上記表示装置は発光ダイオード表示装置である、請求項１に記載のディスプレイ。
22. 上記表示装置は有機発光ダイオード表示装置である、請求項２１に記載のディスプレイ。
23. 上記第三画像は、プライベートビューイングモード中に第二および第三画像から光を受ける視野領域において第二画像を隠すための隠し画像または画像配列を含む、請求項１に記載のディスプレイ。

Images