JP4410244B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像を表示する装置に関する。

こうした装置は、自動立体(autostereoscopic)３次元ディスプレイ、切り替え可能な２次元（２Ｄ）／３次元（３Ｄ）自動立体ディスプレイ、または、切り替え可能な高輝度表示システムにおいて用いることができる。こうしたシステムは、コンピュータのモニタ、遠隔通信用ハンドセット、デジタルカメラ、ラップトップおよびデスクトップコンピュータ、ゲーム装置、自動車および他のモバイル表示用途、ならびに遠隔通信切り替え用途において用いることができる。

機能を向上させるために微小光学部品を使用する表示システムは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）プロジェクタ、自動立体３Ｄディスプレイ、および輝度向上反射型ディスプレイを含む。

各システムにおいて、マイクロレンズアレイなどの微小光学部品は、空間光変調器の部品の少なくとも１つの画素とアライメントを取られる。可能なシステムは図１の平面図に示される。バックライト２は、ＬＣＤ入力偏光子６の照明４を生成する。光は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）基板８を通過し、個々に制御可能な位相変調画素１２〜２６を備える画素層１０上に入射する。画素は、行と列で配列され、画素開口２８および分離ブラックマスク３０を備える。光は、その後、ＬＣＤ対向基板３２、および、複屈折マイクロレンズアレイ３８がその上に形成されるレンズキャリア基板３６を通過する。複屈折マイクロレンズアレイ３８は、等方性レンズ微細構造４０および光軸方向４２を有する配向した複屈折材料を備える。複屈折レンズの出力は、その後、レンズ基板４４および偏光修正デバイス４６を通過する。

レンズアレイの各複屈折レンズは円柱状であり、レンズアレイ３８はレンチキュラースクリーンであり、レンズの幾何学的軸は紙面に対して垂直である。この例では、レンズのピッチは、２ビュー自動立体ディスプレイが生成されるように、ディスプレイの画素のピッチのほぼ２倍であるように構成される。

第１動作モードにおいて、偏光修正デバイス４６は、マイクロレンズアレイの複屈折材料の常光線軸(ordinary axis)に平行である偏光状態を有する光を透過するように構成される。材料（液晶材料など）の常光線屈折率は、実質的に等方性微細構造４０の屈折率に整合する。そのため、レンズは光学効果を有せず、ディスプレイの出力の指向性分布は実質的に変化しない。このモードでは、観察者は、それぞれの目でディスプレイの画素１２〜２６を全て見て、２Ｄ画像が生成されるであろう。

第２動作モードでは、偏光修正デバイス４６は、複屈折マイクロレンズアレイの異常光軸(extraordinary axis)に平行である偏光状態を有する光を透過するように構成される。材料（液晶材料など）の異常光屈折率は、等方性微細構造４０の屈折率と異なる。そのため、レンズは光学効果を有し、ディスプレイの出力の指向性分布は変化する。この指向性分布は、当該技術分野でよく知られているように、ディスプレイの前面に正しく配置された観察者が、左画像画素１２、１６、２０、２４からの光に対応する左画像を左目で見て、右画像画素１４、１８、２２、２６に対応する右画像を右目で見るように設定されることができる。このようにして、切り替え可能２Ｄ−３Ｄ自動立体ディスプレイを作製することができる。

レンズアレイは自動立体ディスプレイに特に適している、それは、レンズアレイが、効率が高く、スポットサイズが小さく、かつ、よく知られているリソグラフィ処理技法を用いて製造することができるという機能性を組み合わせているからである。

光の指向性を切り替える、たとえば、ディスプレイを、２Ｄ動作モードと３Ｄ動作モードの間で切り替えるために、電気的に切り替え可能な複屈折レンズを設けることが提案されてきた。

電気的に切り替え可能な複屈折液晶マイクロレンズは、European Optical Society Topical Meetings Digest Series： 13, 15-16 May 1997 L.G. Commander等著「Electrode designs for tuneable microlenses」pp48-58に記載されている。

ＵＳ−６，０６９，６５０およびＷＯ−９８／２１６２０に記載されている、別のタイプの切り替え可能２Ｄ−３Ｄディスプレイにおいて、液晶材料を充填したレンチキュラースクリーンを備える切り替え可能マイクロレンズは、レンチキュラースクリーンの光パワーを変更するのに用いられる。

既知の有機エレクトロルミネッセンスディスプレイは、画素の発光部の前部または背部において反射電極を使用する場合がある。画素開口は、発光領域とギャップ領域に分割され、発光画素開口を構成する。発光領域の垂直開口比は、たとえば、行電極において必要とされるギャップ幅によって制限される場合がある。エレクトロルミネッセンスディスプレイはまた、ＬＣＤディスプレイに使用されるものと同様のアクティブマトリクスバックプレーンを採用する場合もある。この場合も、開口比（発光面積／全画素面積）の減少が結果として得られる。そのため、こうしたパネルは、ＷＯ−０３／０１５４２４に記載される輝度向上に好適である。こうした輝度向上型では、マイクロレンズアレイは、画素の画像を公称観察(nominal viewing)平面における光学瞳すなわち「ウィンドウ」に導くのに用いられる。ウィンドウにおいて、観察者は、パネルの垂直開口比に比例した輝度の増加を見ることになる。観察ウィンドウをはずれると、観察者は、画素間のギャップを見ることになり、ディスプレイの輝度が低下する。

高分子を含む無機および有機エレクトロルミネッセンスディスプレイなどの発光型ディスプレイおよび小分子有機エレクトロルミネッセンスディスプレイは通常、偏光しない光出力を生成する。しかしながら、指向性分布光切り替えシステムは、たとえば、ランベルトの完全均等拡散（Lambertian）によって構成される第１モードと、たとえば、自動立体３Ｄウィンドウで構成される第２モードとの間でディスプレイが再構成されることが可能になるように、偏光の切り替えに依存する場合がある。そのため、非偏光ディスプレイは、偏光指向性分布光切り替えシステムと組み合わされると、偏光損失を示すことになる。

発光が実質的にランダムに偏光される、これらの電極層からの反射を回避するために、円偏光子を使用することが当該技術分野で知られている。円偏光子は、電極からの外部光の反射を打ち消すのに役立ち、一般に、直線偏光子および４分の1波長板を備える。たとえば、３Ｄ自動立体効果または輝度向上効果を生成するために、出力光の指向性分布を修正することが可能なレンズを有する表示装置に対して、こうした円偏光子を適用することが望ましいであろう。しかしながら、レンズが複屈折レンズであり、複屈折レンズが、ディスプレイを通過する光の偏光に応じて動作するレンズによって行われる修正の切り替えを可能にするのに用いられる場合、光の偏光に同様に依存する円偏光子を実装する方法は自明ではない。

本発明の第１の態様による１つの形態では、表示装置が提供され、当該表示装置は、
有機エレクトロルミネッセンス材料の画素のアレイを備える発光型空間光変調器であって、画素はそれぞれ実質的に偏光する光を出力するように構成される、発光型空間光変調器と、
第１および第２の偏光モードの間で切り替え可能な切り替え可能偏光子であって、第１および第２の偏光モードにおいて、それぞれの偏光成分の光を通過させる、切り替え可能偏光子と、
第１の偏光成分の光を第１の指向性分布に導き、第２の偏光成分の光を第１の指向性分布と異なる第２の指向性分布に導くように構成される、前記空間光変調器から光を受け取るように配置される複屈折レンズとを備え、複屈折レンズおよび切り替え可能偏光子は直列に配置される。

空間光変調器からの偏光は、切り替え可能偏光子および複屈折レンズを（いずれかの順序で）通過する。偏光子のモードは、第１の偏光成分または第２の偏光成分のうちの一方または他方に対応する光を効果的に選択して、表示デバイスから出力する。したがって、偏光子のモードの切り替えによって、表示デバイスから出力される光が、第１と第２の指向性分布の間で切り替えられる。

多くの実用的な実施形態では、複屈折レンズは、第２の偏光成分の光に実質的に影響を与えないため、第２の指向性分布は複屈折レンズに入力される光の指向性分布と同じである。これによって、複屈折レンズが効果を有さないモードと、複屈折レンズが表示デバイスの指向性分布を修正するモードとの間でデバイスを切り替えることが可能になる。

そのため、本発明の第１の態様は、偏光発光型ディスプレイの出力偏光を、指向性分布光切り替えシステムの入力偏光状態とアライメントをとることによって、発光型ディスプレイにおける高い光効率を提供する。偏光のアライメントは、ディスプレイの発光画素内の発光材料の一軸配向した発色団(uniaxial aligned chromophore)によって達成され得る。偏光出力の主軸の配向方向(alignment direction)は、複屈折レンズ内の複屈折材料の配向方向と連携するように設定される場合がある。

こうして、高効率発光型指向性分布光切り替えディスプレイを達成することができる。こうしたディスプレイは、ＬＣＤディスプレイと比べてさらなる利点を有し、たとえば、バックライトを必要とせず、したがって、モバイル用途にとって重要である可能性がある薄さと軽さを与えることができる。

本発明の第１の態様による別の形態では、光学装置が提供され、当該光学装置は、
それぞれが実質的に偏光する光出力を有する発光画素領域のアレイを備える発光型空間光変調器装置を備える、発光型ディスプレイ光方向切り替え装置と、
第１の偏光成分の光を通過させる第１偏光モードと、第２の偏光成分の光を通過させる第２偏光モードの間で切り替え可能な切り替え可能偏光子と、
動作の際に、第１の偏光成分の光を実質的に第１の指向性分布に、第２の偏光成分の光を第１の指向性分布と異なる実質的に第２の指向性分布に導くような複屈折の複屈折レンズとを備え、
切り替え可能偏光子および複屈折レンズは、直列に配置され、第１の偏光成分および第２の偏光成分の両方を含むかまたは第１の偏光成分および第２の偏光成分の両方に分割可能な入力光がデバイスに入力され、切り替え可能偏光子が第１の偏光モードに設定された場合、デバイスにより出力された光が第１の偏光成分を実質的に有し、かつ第１の指向性分布に実質的に導かれ、切り替え可能偏光子が第２の偏光モードに設定された場合、デバイスにより出力された光が第２の偏光成分を実質的に有し、かつ第２の指向性分布に実質的に導かれるように配列される。

好ましくは、１つまたは複数の以下の任意選択の特徴が存在する。

発光材料は、高分子エレクトロルミネッセンス材料かまたは小分子エレクトロルミネッセンス材料であってよい。

実質的に偏光する出力は、
直線偏光であってもよく、
画素の全てについて実質的に同じ方向であってもよく、
一軸配向した発色団によって達成されてもよく、かつ／または、複屈折レンズの幾何学的光軸に平行にアライメントがとられてもよい。

クリーンアップ偏光子（clean-up polariser）が用いられてもよい。クリーンアップ偏光子は、発光型ディスプレイの画素と他の光学部品の間に配置されてもよい。クリーンアップ偏光子は、発光型ディスプレイの出力偏光の主軸に実質的に平行な透過軸を有してもよい。

本発明の第１の態様による表示装置は、参照により本明細書に援用されるＷＯ−０３／０１５４２４に開示されている表示装置の特徴のいずれかを含んでもよく、表示装置が、画素のそれぞれが実質的に偏光する光を出力するように構成された、有機ルミネッセンス材料の画素のアレイを備える発光型空間光変調器を有するという変更と共に、ＷＯ−０３／０１５４２４の特許請求の範囲の特徴を全て含んでもよい。ＷＯ−０３／０１５４２４に開示されている表示装置の利点は、本発明に同様に当てはまる。

本発明の第２の態様による１つの形態では、表示装置が提供され、当該表示装置は、
画素のアレイを備える発光型空間光変調器であって、画素はそれぞれ実質的にランダムに偏光する光を出力するように構成される、発光型空間光変調器と、
表示装置の第１動作モードでは、第１の偏光成分の光を第１の指向性分布に導き、表示装置の第２動作モードでは、第２の偏光成分の光を第１の指向性分布と異なる第２の指向性分布に導くように構成される、空間光変調器から光を受け取るように配置される複屈折レンズと、
４分の１波長板と、
直線偏光子とを備え、
４分の１波長波長板は、空間光変調器と複屈折レンズの間に配列され、直線偏光子は、複屈折レンズを隔てて４分の１波長板の反対側に配列される。

４分の１波長板および直線偏光子は、組み合わせると、先に参照した、既知の方法で反射を軽減する円偏光子として働く。この作用は、出力光の指向性分布を修正することを可能にし、修正が切り替え可能である複屈折レンズを有する表示装置において達成される。円偏光子の素子、すなわち、複屈折レンズの両側にある４分の１波長板および直線偏光子の位置は、複屈折レンズの両方の動作モードにおいて、両作用が共に偏光依存性であるにもかかわらず、複屈折レンズの作用の適切な切り替えと円偏光子の適切な動作とを共に可能にすることを、本発明者等は認識した。

さらに、これらの素子の位置は、以下のようにかなりの利点を達成する。第１に、概して空間光変調器と複屈折レンズの間に円偏光子を配列する概念的な可能性と比較すると、４分の１波長板のみがそこに位置する。結果として、空間光変調器と複屈折レンズの間の距離を最小にすることができる。これはかなりの利点である。たとえば、レンズが輝度向上効果を提供する場合、ディスプレイの観察自由度は、画素平面からのレンズの間隔およびディスプレイの画素の垂直方向の範囲によって決まるため、本発明によって達成される間隔の最小化は、指向性モードにおけるディスプレイの観察自由度を最適化する。対照的に、標準２Ｄディスプレイにおいてこの距離を最小化しても、観察自由度は改善されない。

別の利点は損失に関連する。非偏光発光型ディスプレイは、偏光発光型ディスプレイより安価で、製造が容易である。しかしながら、非偏光発光型ディスプレイと組み合わせて用いると、指向性分布の切り替え可能な修正を提供する複屈折レンズの使用は、偏光制御の作用により、公称出力が５０％減る。同様に、複屈折レンズ無しで非偏光発光型ディスプレイと共に円偏光子の直線偏光子を用いると、公称出力が５０％減る。しかしながら、本発明の第１の態様の構成によって、円偏光子と切り替え可能な複屈折レンズの両方を、５０％のみの総損失で実装することが可能になる。すなわち、円偏光子と切り替え可能な複屈折レンズそれぞれの損失は累積されない。これは、対応する損失を増加させることなく両方の特徴を組み込むことを可能にするため、かなりの利点である。

本発明の第２の態様による別の形態では、発光型指向性ディスプレイが提供され、当該発光型指向性ディスプレイは、
画素のアレイを備える実質的にランダムに偏光する出力の発光型空間光変調器と、
受動複屈折レンズと、
偏光回転装置と、
４分の１波長板と、
直線偏光子とを備え、４分の１波長板は、画素のアレイと受動複屈折レンズの間に配置される。

本発明の第２の態様によるさらに別の形態では、発光型指向性ディスプレイが提供され、当該発光型指向性ディスプレイは、
画素のアレイを備える実質的にランダムに偏光する出力の発光型空間光変調器と、
受動複屈折レンズと、
４分の１波長板と、
直線偏光子とを備え、４分の１波長板は、画素のアレイと受動複屈折レンズの間に配置される。

好ましくは、１つまたは複数の以下の任意選択の特徴が存在する。

発光材料は、高分子エレクトロルミネッセンス材料かまたは小分子エレクトロルミネッセンス材料であってよい。

レンズの幾何学光軸は、空間光変調器の画素とアライメントをとられてもよい。

画素は行および列で配列されてもよい。

本発明の第２の態様による、このための複屈折レンズおよび切り替え機構は、ＷＯ−０３／０１５４２４の特許請求項の特徴を含む、参照により本明細書に援用されるＷＯ−０３／０１５４２４に開示されている表示装置に対応する要素の特徴のいずれかを含んでもよい。

本発明の両方の態様について、３Ｄ自動立体作用、輝度の向上、または、マルチユーザ表示システムの提供を含むが、それに限定しない、種々の異なる作用を達成するために、一方のまたは両方のモードにおいて、レンズアレイを用いて表示デバイスの指向性分布を修正してもよい。

したがって、こうしたシステムは、
一方の動作モードでは肉眼で観察できるフルカラー３Ｄ立体動(moving)画像を、第２動作モードではフル解像度２Ｄ画像を、従来の方法で提供することができる自動立体表示手段、
第１モードでは、実質的に非指向性の輝度性能を示すことができ、第２モードでは、実質的に指向性の輝度性能を示すことができる、切り替え可能な高輝度表示システム、または、
一方の動作モードでは、１人の観察者に対してフルカラー２Ｄ動画像および少なくとも第２の観察者に対して少なくとも第２の異なる２Ｄ画像を、第２動作モードでは、全ての観察者によって見られるフル解像度２Ｄ画像を、従来の方法で提供することができるマルチビュアー表示手段
のために用いられる可能性がある。

有利には、輝度性能の向上を有機エレクトロルミネッセンスディスプレイに適用することによって、ディスプレイの寿命を延ばすことができる。輝度向上は、ディスプレイの画素の電気的な駆動負荷の低減に望ましい輝度レベルを達成するのに使用される場合がある。画素の電気的な駆動負荷の低減は、ディスプレイで使用される材料の寿命を延ばすのに用いることができる。

本発明の以降で述べる実施形態は、以下の利点を、単独で、または、組み合わせて提供することができる。

発光型ディスプレイを用いる切り替え可能な指向性表示装置は、高い光学効率で構成される可能性がある。

本装置は、高解像度の高輝度２Ｄモードと高輝度３Ｄモードの間の効率的な切り替えを可能にする。

本装置は、標準輝度２Ｄモードと輝度向上２Ｄモードの間の効率的な切り替えを可能にし、ディスプレイの光学開口を効果的に増加させる。

本装置は低コストで製造されることができる。

３Ｄモードの光学的クロストークを、最適化することができる。

発光型ディスプレイの使用によって、バックライト素子を使用することなく、薄いデバイスを作製することが可能になる。

素子は、既知の技法を用いて製造することができる。

ディスプレイは、広い範囲の動作環境で動作することができる。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態をごく一例として述べる。

以降で説明する種々の実施形態は、多数の共通の特徴を共有する。簡潔にするために、共通の特徴については共通の参照符号が用いられ、その説明は各実施形態について繰り返されない。

図２は、本発明の第１の実施形態を示す。画素５０のアレイは、空間光変調器を構成する表示基板４８上に形成される。基板４８は、画素のそれぞれが電気信号によって独立してアドレス指定されるように、アドレス指定用の薄膜トランジスタおよび電極のアレイを備えていてもよい。薄膜トランジスタは、無機であってもよく、または、有機材料で具現されてもよい。別法として、画素は、アドレス指定用トランジスタが画素に存在する必要がない受動アドレス指定方式によってアドレス指定されてもよい。

画素５０のそれぞれは、発光の偏光が、画素全体について、ほぼ直線であり、かつ、ほぼ同じ向きであるように、発色団を備える発光材料が一軸配向する発光領域を備える。好ましくは、各画素は、実質的に同じ偏光方向を有するように配列される。

画素５０の発光材料は、任意の有機エレクトロルミネッセンス材料、たとえば、高分子エレクトロルミネッセンス材料、または、小分子エレクトロルミネッセンス材料であってよい。発光材料は、任意の適した技法を用いて、発光材料の分子を配向させることによって、偏光発光を生成するように構成される。たとえば、発光材料は、A.E.A.Contoret, S.R.Farrar, P.O.Jackson, S.M.Khan, L.MAY, M.O'Neill, J.E.Nicholls, S.M.Kelly,およびG.J.Richards著「Polarized Electroluminescence from an Anisotropic Nematic Network on a Non-contact Photoalignment Layer」Adv. Mater. 2000, 12, No.13, July 5 p971に開示されるものであってもよく、実際のシステムにおいて、１１：１の偏光効率を達成することができることを証明する(demonstrate)。

さらなるカバー基板５２が画素に取り付けられる。基板５２は、障壁層およびコントラスト増強ブラックマスク層を組み込む場合がある。

任意選択の偏光子５４が基板５２に取り付けられてもよい。別法として、偏光子材料は、たとえば、基板５２の内面上で、画素平面に、または、画素平面の近くに組みこまれてもよい。

たとえば、１つの既知の偏光有機エレクトロルミネッセンスディスプレイは、１１：１の偏光比を有する。偏光効率４５％の典型的な偏光子と組み合わせると、光源からの全体のスループットは、クリーンアップ偏光子と組み合わせた非偏光の光源についての４５％と比較すると、８２．５％になるであろう。

任意選択の基板５６が、偏光子５４に取り付けられ、基板５６上に複屈折マイクロレンズが形成される。複屈折マイクロレンズは、レンチキュラー凸表面構造などの凸表面構造を組み込む。凸表面構造は、複屈折材料と等方性材料の界面で形成されてもよい。複屈折マイクロレンズは、配向方向４２を有する複屈折材料および等方性材料４０を組み込む。複屈折マイクロレンズは、たとえば、基板５６上のホモジニアス配向膜と、等方性材料の表面上のホモジニアス配向膜との間に挟まれた、ネマチック液晶などの、配向液晶材料を備える。ホメオトロピック配向膜もまた用いられてもよい。複屈折材料は、反応性メソゲン液晶などのＵＶ硬化液晶材料であってもよい。複屈折レンズの２つの表面上の液晶材料の相対的な配向は、平行、反平行であってもよく、または、入射偏光が、凸表面構造に当たる前に複屈折レンズ内で回転するように、２つの表面間でねじれが存在してもよい。等方性材料の屈折率および分散は、複屈折材料の屈折率および分散のうちの一方とほぼ同じであってよい。本発明に適用可能である複屈折マイクロレンズの実施形態は、参照により本明細書に援用されるＷＯ−０３／０１５，４２４に記載されている。

複屈折マイクロレンズの後で、基板４１上に、偏光スイッチセルが形成される。スイッチは、最終の直線出力偏光子６６を透過した偏光を切り替えるのに役立ち、透明ＩＴＯ電極と配向膜５８の間に挟まれたネマチック液晶材料層６０を備えてもよい。スイッチセルからの出力偏光を切り替えるために、電圧６２が、液晶セルの両端に印加される。

図２の装置は以下のように動作する。発光型ディスプレイは、実質的に直線偏光された出力偏光を生成する。偏光発光型画素アレイ５０からの出力偏光は、発光材料の偏光方向の主軸に平行な透過方向を有する直線偏光子５４によってクリーンアップされる(cleaned)。この偏光状態は、レンズによって２つの直交成分に分解されるように、複屈折レンズ４２内の液晶材料の配向に対して４５°でアライメントがとられる。第１の状態の偏光切り替え材料６０は、出力偏光子６６を透過した偏光状態が、複屈折レンズ４２内の液晶材料の常光線屈折率に平行であるようにアライメントがとられる。この屈折率は、等方性材料４０の屈折率とほぼ整合し、したがって、実質的にレンズ効果は存在しないが、厳密な屈折率整合を得ることが可能でない限りにおいて、小さな残留光学効果が存在する場合がある。そのため、ディスプレイは、画素平面からの光出力と実質的に同じである指向性分布を有する。

第２モードでは、スイッチ６２は、偏光子６６を透過した偏光が、複屈折材料４２の異常光線屈折率に直面する（see）ように材料６０を調整し、したがって、レンズ表面において等方性材料に対する屈折率段差が存在し、レンズは光学機能を有する。これは、光出力の指向性分布の変化を引き起こす。レンズは、ウィンドウ平面において画素平面の画像を生成するように構成される。

本明細書では、複屈折材料の光学軸の方向（ダイレクタ方向、または、異常光軸方向）を、複屈折光軸と呼ぶ。これは、幾何光学によって通常の方法で規定されるレンズの光軸と混同されるべきではない。

レンズ内の液晶の配向は、セルの厚みを通って平行であるように設定されてもよい。レンズ表面での配向は、円柱レンズの幾何学的レンズ軸に平行であってもよい。別法として、複屈折光軸は、発光型ディスプレイとクリーンアップ偏光子の偏光配向方向が、幾何学的レンズ軸と異なる角度であるように、セルを通して回転するように構成されてもよい。これは、たとえば、偏光発光型デバイスの作製時の製造公差を緩和するか、または、偏光発光状態によって視野角に制限が課される場合に、デバイスの視野角を改善するのに有利である場合がある。

レンズは、ディスプレイの画素の列のピッチの実質的に（正確にではないが）２倍のピッチで、列で配列されてもよい。ユーザが目をウィンドウ平面に置く場合、パネルの画素の交互の列が見られ、ステレオ画像を観察することができる。この光出力は、ＷＯ−０３／０１５４２４に記載されている。

別法として、レンズは、ディスプレイの行のピッチと実質的に（正確にではないが）同じピッチで、円柱レンズの行として配列されてもよい。垂直方向における画素の開口比が１００％未満である場合、指向性動作モードでは、レンズは、画素の中央からのレンズの結像により輝度の低い領域によって分離された、ディスプレイが高い輝度を有する領域を生成するであろう。

図２の装置は、レンズへの入力偏光状態が、複屈折マイクロレンズの複屈折光軸に対してそれぞれ平行および直交の２つの直交成分に分解されるため、公称５０％の輝度を有する。

フル輝度の動作モードを示すことができる装置が図３に示される。図２と比較すると、偏光スイッチと複屈折マイクロレンズアレイの位置が反転している。偏光発光型ディスプレイおよびクリーンアップ偏光子５４からの出力偏光は、偏光切り替え機構６０、５８、６２に入射する。第１モードでは、偏光スイッチは起こらず、その結果、複屈折マイクロレンズアレイ４２へ入射する偏光は、レンズ表面における常光線屈折率成分（the ordinary component of the refractive index）に平行であり、等方性材料４０に対する屈折率整合のために、レンズが見られない。光は、たとえば、反射防止フィルムを備える場合がある最終基板６８を通過する。そのため、光は、発光型パネルと実質的に同じ指向性分布を有する。

第２動作モードでは、偏光スイッチが、パネルからの偏光を回転させ、その結果、偏光が複屈折マイクロレンズの複屈折光軸に平行となり、レンズは光学機能を有する。

この構成では、光は全てが、正確なレンズ軸に直面し、したがって、システムには実質的に損失が存在しない。

こうした構成では、付加的な層の厚みのために視距離が増加する。厚みは、図４に示すように、基板６４を取り除き、複屈折レンズに硬化させた液晶材料を用いることによって減る可能性がある。任意選択の基板７０が、偏光子５４上に形成され、ＩＴＯおよび配向膜５８が基板７０の反対面上に形成されている。複屈折マイクロレンズおよび等方性材料は、ＩＴＯ皮膜７２を有する基板６８上に形成されてもよい。複屈折マイクロレンズ４２は、反応性メソゲンなどのＵＶ硬化材料から作られてもよく、配向膜７４がその表面上に形成されてもよい。ネマチック液晶６０などの切り替え可能偏光変調材料が、マイクロレンズ配向膜４２と、ＩＴＯおよび配向膜５８との間に挟まれてもよい。別法として、ＩＴＯ皮膜７２は、配向膜７４と結合したＵＶ硬化複屈折マイクロレンズ４２の表面上に形成されてもよい。電源６２によって、電圧がＩＴＯ皮膜に印加される。

こうして、画素平面からのレンズの間隔を縮めることができる。これは、小さな画素サイズを有するデバイスにとって特に有利である。たとえば、層５８が偏光子５４上に形成されるように、基板７０もまた取り除かれてもよい。

図５は、偏光発光型ディスプレイを用いた、切り替え可能輝度向上型表示装置を示す。

図５に示すように、画素平面５０内の偏光発光画素は、発光画素間に発光領域８０およびギャップ８２を備えてよい。ギャップ領域は、たとえば、電極またはアドレス指定用トランジスタを備えてもよい。レンズは、ディスプレイについて行で配置されてもよい。また、レンズのピッチは、画素の行のピッチとほぼ同じであるように設定される。ディスプレイの要素の残りは、たとえば、図４と同様に構成され、動作してもよい。第１動作モードでは、レンズは光学機能を有さないように構成され、その結果、発光領域からの光は、円柱レンズアレイのレンズによって実質的に修正されない。第２動作モードでは、レンズは光学機能を有するように構成され、その結果、画素のそれぞれは、ディスプレイから公称距離にあるウィンドウ平面に対して各レンズによって結像される。観察者がウィンドウ平面において画素の画像の位置に目を置く場合、ディスプレイは、修正の無いディスプレイに比べて輝度が増加する。観察者が画像間のギャップの位置に目を置く場合、ディスプレイは、修正されたディスプレイより輝度が減少する。こうして、ディスプレイの輝度は、有利には、画素の開口比が、第１の方向に１００％未満である場合には改善される可能性がある。

本発明の第１の態様のさらなる実施形態は、参照により本明細書に援用されるＷＯ−０３／０１５４２４に開示されている表示装置として形成されることができるが、上述のように、ＷＯ−０３／０１５４２４に開示されている空間光変調器を、画素のそれぞれが実質的に偏光する光を出力するように構成された、有機エレクトロルミネッセンス材料の画素のアレイを備える発光型空間光変調器によって置き換える。したがって、ＷＯ−０３／０１５４２４の開示は、空間光変調器の置き換えを除いて、本発明に同様に適用される。

図６は、非偏光ディスプレイを有する輝度向上表示装置を断面で示す。

この表示装置は、実質的にランダムに偏光する光を出力することを除いて、表示基板４８上に形成されて先に述べた発光型表示装置と同じ構成および機構を有する空間光変調器を構成する、画素５０のアレイ備える。そのため、画素５０の発光材料は、任意の有機エレクトロルミネッセンス材料、たとえば、高分子エレクトロルミネッセンス材料、または、小分子エレクトロルミネッセンス材料であってよい。別法として、画素５０のアレイおよび基板４８は、それぞれがランダムに偏光する光を出力するように構成された画素のアレイを備える、任意の他のタイプの発光型空間光変調器によって置き換えられてもよい。

画素５０のアレイは１００％未満の垂直開口比を有し、４分の１波長板８４の方へ光を放出する。光が実質的にランダムに偏光するため、実質的に同じ輝度の、第１および第２の分解された直線成分が、レンズアレイ４２に入射する。複屈折材料の光軸に平行な第１の分解された直線偏光成分は、レンズ表面で位相段差に直面するため、画素開口からの光は、公称観察位置のウィンドウの方に導かれる。複屈折材料光軸に直交する分解成分は、屈折表面において屈折率整合に直面するため、レンズ機能は、実質的に全く生成されない。光は、その後、切り替え可能な偏光回転子５８〜６２を通過する。オフ状態では、第１の分解した直線偏光状態は、回転し、出力偏光子６６によって消失し、一方、第２の分解した直線偏光状態は、回転し、出力偏光子６６を透過する。電界が層６０に印加されると、状態は回転せず、その結果、第１偏光状態は透過し、第２状態は吸収される。そのため、ディスプレイは従来のモードで動作する。

第１動作モードでは、ディスプレイの前部で外部光源８６から入射する光は、偏光子６６によって偏光し、回転子５８〜６２によって回転し、その結果、レンズ４２、４０において、位相段差に直面する。光は、その後、波長板８４を通過し、円偏光状態に変換される。図９は、複屈折レンズの光軸の配向と関連した４分の１波長板の光軸の配向を詳細に示す。動作を簡潔にするために、外部光源８６からの光の経路が展開され、図６の装置の指向性モードについて示される。光源８６からの入射光は、偏光透過方向９２を有する偏光子６６からの偏光方向９３を有する。光は、偏光状態９４が基板４１を通過するように偏光スイッチ（図示せず）を通過する。偏光状態９７は、複屈折レンズ４２の複屈折光軸９６上に入射する。この例では、複屈折レンズの配向は、反平行であり、その結果、基板５６にて配向方向９８が生成され、基板５６にて偏光方向９９が生成される。４分の１波長板８４の光軸方向１００は、４分の１波長板に最も近い表面上での、複屈折レンズ内の複屈折材料の配向である方向９８に対して４５°で設定される。４分の１波長板は、実質的に円偏光状態１０１を生成する。光は、円偏光状態１０２を有して画素平面５０から反射し、４分の１波長板軸１００に直面し、偏光状態出力１０４が与えられる。そのため、４分の１波長板は、反射された経路上で、方向９９に対して９０°である偏光状態を出力するのに役立つ。この偏光状態１０６、１０８は、レンズにおける複屈折光軸方向９６、９８と直交する。偏光スイッチにおいて、偏光状態は回転せず、その結果、偏光状態１１０は、基板６４を通過し、偏光子６６に入射し、実質的に吸収される。

画素平面５０内の電極からの反射時に、位相シフトが起こる。光は、その後、波長板８４を通過して戻り、入力に対して直交する直線偏光が生成され、その結果、レンズ表面にて、位相段差に直面する。偏光状態は、再び、回転子５８〜６２によって回転し、入力偏光子６６によって消失する。切り替えた状態では、同じ位相シフトが反射体で起こり、その結果、再び、４分の１波長板と偏光子の組み合わせによって、反射が打ち消される。そのため、輝度向上または自動立体表示機能の切り替えを維持しながら、反射体からの前方反射は打ち消される。

こうした外部偏光子の実施形態は、外部周囲光内でのレンズの可視性が低減されるという利点を有する。ディスプレイの前部に入射する外部光源は、入力偏光子を通過し、レンズおよび位相段差を有する他の表面（たとえば、ＩＴＯなどの反射性皮膜から）においてフレネル反射を受け、その後、出力偏光子を通過して戻る。したがって、外部偏光子は、それぞれの方向に通る光の一部を吸収し、したがって、レンズ反射を低減し、有利には、表示コントラストを増加させる。

輝度向上モードにおけるディスプレイの観察自由度、または、３Ｄモードにおける公称視距離は、画素とレンズ面の分離によって決まる。これらの２つの表面の間に付加される層の厚みを最小にすることが望ましい。４分の１波長板８４は、コーティングされ、配向した硬化可能な液晶層などの薄い波長板である可能性がある。こうした材料の一例は、Merck Ltd.から入手可能なＲＭ２５７であり、適した配向膜上での配向の後にＵＶ硬化されることができる。この層について、典型的な厚みは２ミクロン未満であろう。複数の層は、当該技術分野で知られるように、４分の１波長板のスペクトル効率を増加させる可能性がある。

基板５６は、たとえば、薄ガラスＭｉｃｒｏｓｈｅｅｔ（Schott A.G.）であるか、または、レンズ４２内の硬化された液晶材料の使用によってなくされてもよい。封入層対向基板５２の構造的安定性を確保するために、ＯＥＬデバイスを、レンズが所定場所にある状態で組み立ててもよい。

こうした組み立てプロセスは図７で説明される。一方の面にＩＴＯ層５８を有する基板４１の第２の表面上に、ＵＶキャスティングまたはエンボス加工などの既知の手段によって等方性レンズ構造４０が形成される。表面は、ポリイミドなどの配向膜によってコーティングされるか、または、回折配向膜構造が上に形成されてもよい。回折膜構造は、凸表面構造をエンボス加工するための作製工具(mastering tool)において形成されてもよく、その結果、単一のエンボス加工工程が必要とされる。

図７ｂは、レンズ４０の表面上に形成された硬化可能な液晶材料層４２を示す。レンズ表面の配向は、等方性レンズ上の配向膜によって固定される。反対表面の配向は、平面シム(shim)上の回折構造による、第２基板（図示せず）上の配向膜によって固定されてもよく、または、液晶材料の緩い(relaxed)配向状態であってよい（すなわち、配向は材料内で固定されない）。第２基板を用いる場合、デバイスの全体の厚みを減らすために、レンズを固めた後に第２基板を取り除いてもよい。

図７ｃは波長板の取り付けを示す。これは、硬化可能な液晶高分子などのコーティングされた波長板であってもよく、または、貼り合わせ層であってよい。別法として、この層は、表示対向基板５２に取り付けられてもよい。

図７ｄは、表示対向基板５２への取り付けを示す。複合対向基板は、その後、図７ｅに示すように、ＯＥＬ発光基板に取り付けられて、封入が可能になる。カラーフィルタを対向基板に嵌める場合、フィルタは、平面ガラス５２または組み立てられた複合基板に取り付けられてもよい。

図７ｆは、組み立てられたデバイスへのスイッチセルの最終的な取り付けを示す。

本発明のさらなる実施形態では、偏光回転子および受動複屈折レンズは、図８に断面で示すように、能動レンズによって置き換えられてもよい。発光画素平面５０は、４分の１波長板８４を通して、透明電極９２、９４および液晶層８８を備える能動レンズ上に光を導く。凸表面レンズ９０は、液晶８８の常光線屈折率にほぼ等しい屈折率を有する。第１モードでは、電界はセルに印加されず、レンズは、レンズ表面にて位相段差が存在するように配向され、レンズ機能を与ええる。レンズは、観察ウィンドウを生成するように構成される。第２モードでは、電界が、電極９２、９４の間に印加され、その結果、液晶材料８８が再配向され、屈折率整合がレンズ表面にて起こる。周囲光源から入射する光は、先に述べたように、４分の１波長板８４および偏光子６６の組み合わせにより、相殺機能に直面する。

液晶ディスプレイを用いた、或るタイプの切り替え可能な２Ｄ−３Ｄ自動立体表示装置を示す図である。 偏光発光型ディスプレイを用いた、別のタイプの切り替え可能な２Ｄ−３Ｄ自動立体表示装置を示す図である。 偏光発光型ディスプレイを用いた、別のタイプの切り替え可能な２Ｄ−３Ｄ自動立体表示装置を示す図である。 偏光発光型ディスプレイを用いた、別のタイプの切り替え可能な２Ｄ−３Ｄ自動立体表示装置を示す図である。 偏光発光型ディスプレイを用いた、或るタイプの切り替え可能な輝度向上型表示装置を示す図である。 ランダム偏光発光型ＯＥＬディスプレイにおいて、電極からの正面反射（frontal reflection）を打ち消すために、４分の１波長板を備える装置を示す図である。 構造的な安定性を維持しながら、短い視距離を可能にするＯＥＬパネル作製のためのプロセスを示す図である。 能動複屈折レンズおよび４分の１波長板を組み込むディスプレイを示す図である。 図６の実施形態の４分の１波長板の光軸の配向を示す図である。

Claims (7)

1. 表示装置であって、
   画素のアレイを備える発光型空間光変調器であって、前記画素はそれぞれ実質的にランダムに偏光する光を出力するように構成される、発光型空間光変調器と、
   表示装置の第１動作モードでは、第１の偏光成分の光を第１の指向性分布に導き、表示装置の第２動作モードでは、第２の偏光成分の光を前記第１の指向性分布と異なる第２の指向性分布に導くように構成される、前記空間光変調器から光を受け取るように配置され、アレイになっている複屈折レンズと、
   ４分の１波長板と、
   直線偏光子と
   を備え、
   前記４分の１波長波長板は、前記空間光変調器と前記複屈折レンズの間に配列され、前記直線偏光子は、前記複屈折レンズを隔てて前記４分の１波長板の反対側に配列される表示装置。
2. 前記複屈折レンズは、第１の偏光成分の光を前記第１の指向性分布に導き、第２の偏光成分の光を前記第２の指向性分布に導くように構成される受動複屈折レンズであり、
   表示装置は、前記複屈折レンズと前記直線偏光子の間に配列された切り替え可能な偏光回転子をさらに備え、該切り替え可能な偏光回転子は、前記第１の偏光成分の入射光が前記直線偏光子の通過を可能にするように偏光されて出力される第１モードと、前記第２の偏光成分の入射光が前記直線偏光子の通過を可能にするように偏光されて出力される第２モードとの間で切り替え可能である請求項１に記載の表示装置。
3. 前記複屈折レンズは、前記直線偏光子による通過を可能にする偏光を有する光が、前記第１の指向性分布に導かれる第１モードと、前記直線偏光子による通過を可能にする偏光を有する光が、前記第２の指向性分布に導かれる第２モードとの間で切り替え可能である能動複屈折レンズである請求項１に記載の表示装置。
4. 前記空間光変調器の前記画素は、有機エレクトロルミネッセンス材料を含有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の表示装置。
5. 前記波長板の光軸は、前記波長板に最も近い前記レンズの表面において、該レンズの複屈折材料の前記複屈折光軸の配向に対して約４５°でアライメントがとられる請求項１ないし４のいずれか１項に記載の表示装置。
6. 表示装置であって、
   有機エレクトロルミネッセンス材料の画素のアレイを備える発光型空間光変調器であって、前記画素はそれぞれ実質的に偏光する光を出力するように構成される、発光型空間光変調器と、
   第１および第２の偏光モードの間で切り替え可能な切り替え可能偏光子であって、前記第１および第２の偏光モードにおいて、それぞれの偏光成分の光を通過させる、切り替え可能偏光子と、
   第１の偏光成分の光を第１の指向性分布に導き、第２の偏光成分の光を前記第１の指向性分布と異なる第２の指向性分布に導くように構成される、前記空間光変調器から光を受け取るように配置され、アレイになっている複屈折レンズと、
   ４分の１波長板と、
   直線偏光子と
   を備え、
   前記４分の１波長波長板は、前記空間光変調器と前記複屈折レンズの間に配列され、前記直線偏光子は、前記複屈折レンズを隔てて前記４分の１波長板の反対側に配列され、
   該複屈折レンズおよび前記切り替え可能偏光子は直列に配置される表示装置。
7. 前記第２の指向性分布は入力分布と同じであり、それによって、前記複屈折レンズは実質的に光学効果を有さない請求項１ないし６のいずれか１項に記載の表示装置。

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