JP5128952B2 - 暗状態光再循環膜及びディスプレイ - Google Patents
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Description
(i)オン状態液晶部品54bに対応する画素が暗画素になり、
(ii)オフ状態液晶部品54aに対応する画素が明画素になる
種類の液晶型空間光変調器を想定して、図11に示した表現法に従い説明を行うことにする。実際にはこの組合せと異なる組合せでもよいことにご留意頂きたい。
(i)照明光のうち吸収性の光源側主偏光器50bの光透過軸と直交する偏光面を有する偏光成分はその偏光器50bによって吸収されるので、照明光のほとんど半分が失われることを避けるには、反射性偏光器(52b)をバックライトユニット56と偏光器50bの間に配置しなければならない、
(ii)反射性のCFA(62b)をバックライトユニット56と液晶部品54a/54bの間に配置しなければならない、
等、複数の経験則に従い決定することができる。また、従来技術によって示唆される事項としては、RPCFA(63b)をバックライトユニット56と液晶部品54a/54bの間のどこかに配置した方がよい、という事項がある。
「偏光素子、光学素子及び液晶ディスプレイ」(Polarizing Element, Optical Element, and Liquid Crystal Display)と題する米国特許に係る特許文献1(発明者:Hara)、
「反射性偏光器付ディスプレイ」(Reflective Polarizer Display)と題する米国特許に係る特許文献2(発明者:Ouderkirk et al.)、
「輝度向上用反射性偏光器」(Brightness Enhancing Reflective Polarizer)と題する米国特許出願に係る特許文献3(発明者:Weber et al.)、
「液晶表示装置及び電子装置」(Liquid Crystal Display Device and Electronic Apparatus)と題する米国特許出願に係る特許文献4(発明者:Maeda)等、
数多くの特許文献に記載がある。
(a)照明光を発するバックライトユニットと、
(b)バックライトユニットに近接配置されており入射してくる照明光のうち概ね特定の偏光成分だけを透過させる光源側偏光器と、
(c)光源側偏光器を透過した偏光成分を画素単位で部位選択的に変調することにより変調ビームを生成する液晶型空間光変調器と、
(d)変調ビームを波長選択的に透過させるCFAと、
(e)変調ビームのうちその偏光面が自分の光透過軸と平行な偏光成分を透過させる看者側偏光器と、
(f)液晶型空間光変調器と看者側偏光器の間に配置され暗状態光の一部をバックライトユニット方向に反射する反射性偏光素子と、
を備える液晶ディスプレイを提案する。
図12Aに、液晶ディスプレイ20の画面の一部を示す。この図に示すように、ディスプレイ20内で変調ビームが発生すると、その変調ビームによってディスプレイ20の画面上に明画素12及び暗画素14からなる画像が表示される。明画素12と暗画素14の個数比は表示する画像毎に様々である。本発明に係る装置及び方法の利点の一つは、暗画素14内で発生する不要な暗状態光の一部を明画素12にリダイレクト(回送)できることにある。この光学的処理について、図12Bにそのあらましを示す。同図に示すように、光はオン状態液晶部品54bにより形成される暗画素14からオフ状態液晶部品54aにより形成される明画素12へとリダイレクトされる。これから説明する実施形態では、この図に示した基本構成に1個又は複数個のCFA、例えば新種のCFAを追加した構成を採る。
I0:バックライトユニット56から得られる総光束。
x:全画素数に対する暗画素14の個数の比率(暗画素率)。
1−x:全画素数に対する明画素12の個数の比率(明画素率)。
T||:自分の光透過軸と平行な偏光面を有する偏光に対する看者側/光源側主偏光器50a/50bの光透過率。
Tlc:液晶部品の光透過率。一次近似としては、オン状態でもオフ状態でも同じ値であると仮定できる。
Tf:看者側主偏光器50aと液晶部品54a/54bの間に位置する反射性の看者側補助偏光器52aの光透過率。
Rf:看者側主偏光器50aと液晶部品54a/54bの間に位置する反射性の看者側補助偏光器52aの光反射率。
Tr:光源側主偏光器50bと液晶部品54a/54bの間に位置する反射性の光源側補助偏光器52bの光透過率。
Rr:光源側主偏光器50bと液晶部品54a/54bの間に位置する反射性の光源側補助偏光器52bの光反射率。
R:バックライトユニット56の光反射率。
図13A及び図13Bに、本発明の一実施形態における暗状態再循環の仕組みを示す。この図に示す構成による光学的処理を理解するには、図14A及び図14Bに示す従来の構成による光学的処理と対比するのが有益である。
[数1]
Itotal0≒0.5I0T|| 2Tlc(1−x)
となる。
[数2]
Itotal1≒0.5I0T|| 2TlcTf(1−x)+0.5I0T|| 2Tlc 2RfRx・0.5T|| 2TlcTf(1−x)
=0.5I0T|| 2TlcTf(1−x){1+0.5T|| 2Tlc 2RfRx}
となり、二次再循環光までを考慮すると
[数3]
Itotal2≒Itotal1+(0.5I0T|| 2Tlc 2RfRx)2・0.5I0T|| 2TlcTf(1−x)
=0.5I0T|| 2TlcTf(1−x){1+0.5T|| 2Tlc 2RfRx+(0.5T|| 2Tlc 2RfRx)2}
となるので、全ての次数の再循環光を考慮すると
[数4]
IDS≒0.5I0T|| 2TlcTf(1−x){1+0.5T|| 2Tlc 2RfRx+(0.5T|| 2Tlc 2RfRx)2+…}
=0.5I0T|| 2Tlc(1−x)・Tf/(1−0.5T|| 2Tlc 2RfRx)
となる。利得は
[数5]
GainDS=IDS/Itotal0−1
=Tf/(1−0.5T|| 2Tlc 2RfRx)−1
として定義できる。例えばT||、Tlc、Tf、Rf及びRが理想値即ち1である場合、この利得は
[数6]
Gain=1/(1−0.5x)−1
となる。この式によれば、暗画素率xが100%に十分近ければGain=100%即ち最大値になり、x=50%ならGain=33%になり、x=0%ならGain=0%になる。但し、実際には、再循環される暗状態光の一部が必ず光源側主偏光器50bによって吸収されるため100%の最大利得が得られることはないので、f=T|| 2Tlc 2RfRとして次の式
[数7]
GainDS=Tf/(1−0.5fx)−1
に基づき利得を求める方がよいであろう。例えばより現実的な値としてT||≒0.95、Tlc≒0、95、Tf≒0.9、Rf≒0.95及びR≒0.9を想定すると、f≒0.7になる。
図18A及び図18Bに、本発明の他の実施形態における暗状態再循環の仕組みを示す。この図に示す構成による光学的処理を理解するには、図17A及び図17Bに示す従来の構成による光学的処理と対比するのが有益である。
[数8]
IRP total≒0.5I0T|| 2Tlc(1−x)Tr/(1−0.5RrR)≦2Itotal0
になる。
[数9]
IRP DS≒0.5I0T|| 2Tlc(1−x){Tr/(1−0.5RrR)}{Tf/(1−T|| 2Tlc 2RfRx)}
になる。光源側補助偏光器52bによる偏光再循環が発生するだけの従来の構成を基準とした利得は
[数10]
GainRP DS=IRP DS/IRP total−1=Tf/(1−T|| 2Tlc 2RfRx)−1
になるので、T||、Tlc、Tf、Rf及びRが全て理想値即ち1なら
[数11]
GainRP DS=1/(1−x)−1
になる。従って、原理上は、暗画素率xが100%に近づくにつれ利得は上限なしに高まっていく。x=50%なら利得は100%、x=0%なら0%になる。また、f=T|| 2Tlc 2RfRとおくと
[数12]
GainRP DS=Tf/(1−fx)−1
となる。この式中、T||≒0.95、Tlc≒0.95、Tf≒0.9、Rf≒0.95及びR≒0.9とおくと、f≒0.7というより現実的な値が得られる。この数値を用いた場合、x=100%に十分近づいたときの利得GainRP DSは200%になり、x=50%のときは38%になる。
図5A及び図5Bに、本発明の第1実施形態に係る液晶ディスプレイ20及びその変形例を示す。これら、図5A及び図5Bを含め、本発明の実施形態を示す後述の各図面では、図1〜図4Cにおける図示形態に倣い暗画素を左側、明画素を右側に示してある。
図6に、反射性の看者側CFA62aと従来からある吸収性のCFA60とを併用する液晶ディスプレイ20の構成を示す。この比較例におけるCFA62aの位置は図5Bにおける看者側補助偏光器52aの位置と同じ位置、即ち液晶部品54a/54bとCFA60の間である。この図に示す構成においても、図1に示した従来の構成に比べれば、確かに放射光量を多くすることができる。しかしながら、暗画素におけるオン状態液晶部品54bからの出射光は、CFA62a及び60を通り、ついには看者側主偏光器50aにより吸収されてしまうので、暗状態光再循環効果は発生しない。
図7A、図7B及び図7Cに、本発明の第2実施形態及びその変形例に係る液晶ディスプレイ20を示す。本実施形態においては、液晶部品54a/54bとCFA60及び看者側主偏光器50aの間に配置した看者側RPCFA63aを以て、反射性偏光素子40として機能させている。本実施形態の場合、暗画素率xが100%に十分近ければ、従来の構成に比して3倍にも上る高い輝度レベルを得ることができる。また、図7AにおけるRPCFA63aは、前掲の非特許文献1に記載の通りそれ単体で色フィルタ、偏光器及び光反射器として機能する部材であり、光路上でCFA60に対し前置されている。従って、暗状態光がCFA60に達する前にRPCFA63aによって再循環に回されることとなるため、CFA60における光吸収量を最小限に抑えることができる。
図8A及び図8Bに、本発明の第3実施形態及びその変形例に係る液晶ディスプレイ20を示す。本実施形態においては、CFA60並びに反射性の看者側及び光源側補助偏光器52a/52bを使用し、そのうち偏光器52aを以て反射性偏光素子40として機能させることにより、図5Aに示した構成に比べ更に高い輝度レベルが得られるようにしている。図8Aに示す構成で図5Aに示した構成より幾分高い輝度レベルが得られるのは、光源側主偏光器50bによって吸収されてしまうはずの光が偏光器52bによって再循環に回されるからである。反面、偏光器52aによって再循環に回せるのは、液晶部品54a/54bからの出射光のうちCFA60を通り抜けた光、即ち約1/3だけである。加えて、偏光器52aによって再循環に回された光はCFA60を2回通過することとなるので、先に注記した通り、CFA60の光透過特性が理想的な特性から外れている分、その再循環光にも損失が発生することとなる。その点、図8Bに示す構成は図8Aに示す構成に比べ有利である。即ち、光出射経路上、CFA60より前段に反射性の偏光器52aが配置されているため、暗状態光をオン状態液晶部品54bを介しより効率的に即ちCFA60に通すことなく再循環させることができる。
図9A及び図9Bに、本発明の第4実施形態及びその変形例に係る液晶ディスプレイ20を示す。本実施形態においては、CFA60及び看者側補助偏光器52aを使用し、その偏光器52aを反射性偏光素子40として機能させている。本実施形態における光学的処理は、部材単位では前述の各実施形態におけるそれに相対応しているが、前述の各実施形態とは部材配置が異なるため全体としては異なっている。
図10A〜図10Dに、本発明の第5実施形態及びその変形例に係る液晶ディスプレイ20を示す。本実施形態においては、反射性偏光素子40として機能する反射性の看者側補助偏光器52aと、RPCFA63bとを併用している。これらの図のうち図10A及び図10Bは、CFA60及び看者側補助偏光器52aが採りうる二種類の位置関係を示したものである。ご理解頂けるように、前述の実施形態に関し示した理由から、暗状態光再循環という点では図10Bに示す構成より図10Aに示す構成の方が優れている。また、バックライトユニット56と隣り合わせに配置されているRPCFA63bは、不要なP偏光成分及び不要な色成分を反射してバックライトユニット56方向に戻し再循環させる。
先に図7A、図7B及び図7Cに示した構成においては、看者側RPCFA63a、或いは何れも反射性の看者側補助偏光器52aと看者側CFA62aの組合せによって、暗状態光を再循環に回して輝度レベルを向上させている。しかしながら、暗状態光再循環が生じている間も光源側主偏光器50bに無偏向光が送り込まれるため、その偏光器50bにて光損失が発生し、その結果、再循環効率が頭打ちとなってしまう。これに対処し輝度レベルを更に向上させるには、偏光器50bとバックライトユニット56の間に反射性偏光器をもう1個、即ち光源側補助偏光器52bとして設ければよい(第6実施形態)。また、CFA62aの特性とその理想特性との差が問題であるならば、その補助偏光器52bに代えて反射性のCFA62b又はRPCFA63bを光源側で用いることにより、更に輝度レベルを向上させることができる。
図8A及び図8Bに示した第3実施形態並びに図7A、図7B及び図7Cを参照して説明した第6実施形態における光源側補助偏光器52b及びバックライトユニット56は、図8A中に破線枠で記してあるように、直線偏光型バックライトユニット65に置き換えることができる。直線偏光型バックライトユニット65は偏光を放射する装置であり、その種の装置としては直線偏光導波路が数多く知られている。例えば非特許文献2には、直線偏光型バックライトユニット65として使用できる直線偏光導波路が記載されている。直線偏光型バックライトユニット65をバックライトユニット56の代わりに用いれば、大抵の液晶ディスプレイ利用装置では、吸収性の光源側主偏光器50bや反射性の光源側補助偏光器52bを別途設ける必要がなくなる。
図9A及び図9Bに示した第4実施形態並びに図7A、図7B及び図7Cを参照して説明した第6実施形態中、白色光を放射するバックライトユニット56及び反射性の光源側CFA62bは、図9A中に破線枠で示してあるように、分光型バックライトユニット67に置き換えることができる。分光型バックライトユニット67は、レッド、グリーン及びブルーの各色成分をその色の色フィルタに向け放射する装置であり、その種の装置としては分光型光導波路が数多く知られている。例えば分光型光導波路に関する非特許文献3には、分光型バックライトユニット67として使用できる光源が記載されている。こうした光源を用いることで、とりわけ有益なことに、暗状態光再循環に必要な部材の個数を減らすことができる。特に、非特許文献3に記載の光導波路をバックライトユニット56として使用することによって、大抵の液晶ディスプレイ利用装置では、光源側に反射性のCFA62bを別途設ける必要がなくなる。
本発明は、このように液晶ディスプレイ内で暗状態光再循環を発生させて明画素に送り込み、光源側から明画素に供給する光量を暗状態光再循環が発生しない従来の液晶ディスプレイに比べ多くする技術であるため、その液晶部品がどのような種類のものであっても適用することができる。また、先の説明で言及したように、輝度レベルの増分は暗画素率xによって左右されるものであるが、その画素に係るデータが同じ値なら暗画素率xの如何によらずその画素の輝度レベルが同じになることが望まれる場合もある。そこで、本願では更に、バックライトユニット56の輝度(光源輝度)レベルを暗画素率xに基づき動的に調整し、それによって輝度レベルを一定に保つ装置及び方法を提案する。図19に、輝度レベル制御用に付加する部材をブロック図により示す。図中の制御ロジックプロセッサ70は、画像データを受け取るとそれに基づき暗画素率xを計算し、その結果に基づき変調した信号を駆動回路72に供給する。駆動回路72からバックライトユニット56へと供給される駆動信号の値は制御ロジックプロセッサ70からの信号に従い変化する。バックライトユニット56としては、例えば単体の発光ダイオード(LED)、LEDのアレイ等、駆動信号の変化に対し十分迅速に追従して発光強度が変わるものである限り、どのような光源でも用いることができる。そして、液晶型空間光変調器54はオフ状態液晶部品54a及びオン状態液晶部品54bをアレイ化した空間光変調器であり、それらの液晶部品によって光を空間的に変調して変調ビームを生成する。
本発明に係る装置及び方法では、様々な種類の反射性偏光器を使用することができる。使用できる反射性偏光器としては、例えば、アメリカ合衆国ユタ州オーレム所在のMoxtek, Inc.から入手できるワイヤグリッド型偏光器、1/4波長リターダ付コレステリック液晶型偏光器、アメリカ合衆国ミネソタ州セントポール所在の3M社製Vikuiti二重輝度向上膜といった多層干渉型偏光器等がある(なおMoxtek、3M、Vikuitiは登録商標;以下表記を省略)。ワイヤグリッド型偏光器はガラス基板上に細い配線を形成した偏光器であり、これを用いる場合はそれらのワイヤを液晶部品方向に向け、電極、位置決め手段及び反射性偏光器として機能させる。但し、それらのワイヤを看者側偏光器側に向けてもよい。また、他種反射性偏光器を用いてもよい。
Claims (2)
- ディスプレイの輝度を調整する方法であって、
a)そのディスプレイを構成する透過型の液晶部品をバックライト照明するステップと、
b)バックライト照明光の偏向状態を画像データに従い画素単位で変調することにより変調ビームを生成するステップと、
c)変調ビームを反射性偏向性色フィルタアレイに通すステップと、
d)画像データに基づき明画素に対する暗画素の個数比率を判別するステップと、
e)表示されている画像について計算した個数比率に基づきバックライト照明の輝度レベルを変調するステップと、
を有する方法。 - バックライト照明の輝度レベルを変調するステップが、発光ダイオードの駆動電流を変化させるステップを含む、請求項1記載の方法。
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