JP2011242802A - 光源配列由来の光用の拡散体を組み込むディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】点光源のバックライト配列と平面ディスプレイの間に設置できる光学構造を提供する。
【解決手段】この構造は、有意な観察視差を導入することなく、点光源によって放出された光を分配して、ディスプレイの平面を均質に照射する。放射光は、好適な観察角度範囲内に部分的に視準され、法線方向から見る場合のディスプレイの輝度を最大化する。任意の非放射光線の実質的部分がこの構造によって内部反射されるように、この構造は反射性が高く、それらの光線がこの構造によって引き続き放出され得る可能性を増加させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、バックライトとして機能する光源の配列を具備する形式のディスプレイに関する。光源由来の光は、ディスプレイに対する適切に均質な空間及び角度照射を得るべく分配されるが、ディスプレイの法線表示方向に高い輝度を維持する。

本発明は、バックライトによって照射される透過型光変調器を備えたディスプレイに関する。このようなディスプレイの例には、幾つかの液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）と、２００２年９月６日に公開された国際公開公報又は２００３年９月１８日に公開された国際公開公報に開示される形式の高ダイナミックレンジ・ディスプレイとが含まれる。これらは双方とも本明細書の特許文献１と特許文献２に示される。

上記公報に開示されたような高ダイナミックレンジ・ディスプレイは、光源層（「バックライト」と呼ばれ得る）と、光変調器を含むディスプレイ層とを組み込む。バックライトは、表示すべき比較的低解像度バージョンの画像を描写する光パターンを生成すべく、制御される。観測者によって認知されるべく比較的高い解像度画像を提供するために、低解像度画像はディスプレイ層によって変調される。

バックライトは、通常、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような点型のアクティブ変調光源の配列を具備する。バックライトの前方に配置および整列されるディスプレイ層は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルなどであり得る。二つの層の間の距離を比較的小さく維持することによって、高解像度画像の各画素が照射されるように、バックライトの隣接する光源によって放出された光が円滑にお互いに融合できる。適切な画像補償技術を適用して、不都合な画像ぶれアーチファクトを除去し得る。

国際公開第０２／０６９０３０号パンフレット 国際公開第０３／０７７０１３号パンフレット

平面照射への多くの適用において（例えば、上述したような平面ディスプレイだけでなく、幾つかの一般的照射状況においても）、平面を均質に照射することが望ましい（つまり、バックライト）。配列に配置された複合ＬＥＤは、白熱光源に代わる強い低電力光源を提供するので、このような適用において使用され得る。しかし、ＬＥＤは均質な平面照射ではなく、点光源照射しか提供しない。従って、平面を均質に照射するため、ＬＥＤ配列におけるＬＥＤによって放出された光を何とかして分散する必要がある。

ディスプレイ適用において、各ＬＥＤ間の視差（対象への異なる視線に対応する、観測者の位置の変化による対象方向の見かけ上の変化）を回避することも望ましい。そうしなければ、その領域を種々の角度から見ると、観測者は領域の変化を認知することになり、望ましくない。

視差の問題は、各ＬＥＤがＬＣＤディスプレイ上の特定の画素又は画素群に対応するＬＥＤ／ＬＣＤ型高ダイナミックレンジ・ディスプレイの場合のように各点型光源が光源の直接前方の表示域と何らかの方法で相互作用する状況下において、均質な平面照射を得ら
れなくした。このようなディスプレイにおいて、各ＬＥＤは、主としてＬＥＤの直接前方のＬＣＤ画素を照射すべきである。この照射特性は、観測者の視角が変化するとき、依然として実質的に不変であるべきである。

法線方向から見る場合にディスプレイの輝度を最大にするため、バックライトによって放出された光は、好適な観察角度範囲内すなわちディスプレイの法線方向に対して約２５°の範囲内に部分的に視準されることも望ましい。最先端のＬＣＤディスプレイに組み込まれた反射偏光子の効率を最大にし、それによって偏光による光の損失を最小にするため、光学構造は全体として（つまり、光源層とディスプレイ層の間において何でも）適度に反射性であることが更に望ましい。

本発明は、光源のバックライト配列とディスプレイ層の間に光学構造を含むディスプレイを提供する。光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような点光源にし得る。その構造は、点光源によって放出された光を分配する。本発明は、また、点光源の配列由来の光を分配すべく使用し得る光学構造と関連方法を提供する。

以下の説明を通じて、本発明の一層完全な理解をもたらすために、具体的な詳細が示される。しかし、本発明は、これらの詳細なしに実行し得る。他の例において、本発明を不必要に曖昧にしないように、周知の構成要素は、示されないか、詳細に説明されていない。従って、明細書および図面は、制限的よりはむしろ例示的意味で受け取られるべきである。

平面配光構造の断片部分の、正確な縮尺ではない拡大側断面図。 更に別の拡散体を備えた別の平面配光構造の断片部分の、正確な縮尺ではない拡大側断面図。

図１は、層状の平面配光構造１０を示す。ディスプレイ・バックライト１３のＬＥＤになり得る幾つかの光源１２と、ＬＣＤパネル又は他の光変調器を具備し得るディスプレイ・パネル１４とが、図１に模式的に示される。配光構造１０は、後部反射体１６、光拡散容積１８、任意反射偏光子２０、および任意角度選択光伝達器２２を組み込む。

後部反射体１６は、バックライト配列のＬＥＤ１２に対応する位置に、透明領域２４の配列を具備する。透明領域２４は、ＬＥＤ１２によって放出された少なくとも幾らかの光に対して、実質的に透明な開口又は窓を具備し得る。各ＬＥＤ１２に一つの透明領域２４が提供される。領域２４は、ＬＥＤ１２のサイズ及び配置に適合するような、サイズ及び配置にされる。例えば、ＬＥＤ１２は長方形配列、六角形配列、又は正方配列に配置されることができ、領域２４は、ＬＥＤ１２の配置に適合するパターンに配置され得る。領域２４は、更にＬＥＤ１２に適合するような形状にし得る。

本実施形態において、ＬＥＤ１２はレンズを欠く。このようにレンズの無いＬＥＤは、ほぼランバート型に光を放出する（つまり、放射光の強度は、視角のコサインに正比例するように、視角に関して変動する）。別の実施例において、ＬＥＤ又は他の光源はレンズを備えてもよく、もしくは非ランバート型に光を放出するように構築され得る。各領域２４は、対応する直ぐ隣のＬＥＤ１２から放出された光を、拡散容積１８内に伝達する。

ＬＥＤ１２は、図示するように、拡散容積１８の外側でもよい。またはＬＥＤ１２は、開口になり得る領域２４を通って延出し、拡散容積１８内に僅かに突出し得る。
拡散容積１８の内部に臨む後部反射体１６の面２６は、高い反射性を有する。面２６は、好ましくは、少なくとも部分的に鏡面反射性を有する（つまり、拡散反射体とは対照的に、反射角は入射角に実質的に等しい）。面２６は、実質的に完全な鏡面反射になり得る。ミネソタ州セントポールのスリーエム特殊フィルム及びメディア製品事業部（3M Specialty Film and Media Products Division, St.Paul, MN）から入手可能な穴あき「放射ミラーフィルム」は、後部反射体１６の作成に使用可能な材料の一例である。

光拡散容積１８（最も簡単な場合、空隙）の厚さ寸法２８は、後部反射体１６から拡散容積１８の内部に進んだ光線が反射偏光子２０を通過する前に非対称的に拡散するために十分な厚さを維持しながら、最小化されることが好ましい（つまり、光線は、多くの方向に散乱される）。従って、拡散容積１８に入射する光線の任意の方向特性は、拡散容積１８から出射する光線には本質的に存在しない。

法線観察方向３０に対して実質的に平行な光線が、法線観察方向３０に対して実質的に垂直な光線よりも強く散乱されるような非等方散乱係数を拡散容積１８が具備する場合に、厚さ寸法２８は削減できる。このような非等方散乱は、拡散容積１８内に薄い弱光散乱性シート１９の多層膜（図１に示さず、図２を参照）を設置することによって、得られる。シート１９の表面において光が部分反射することによって、法線観察方向３０に対して実質的に平行な方向に進行する光が実質的に散乱する。シート１９は、例えば適切な透明高分子材料によって製造し得る。非等方散乱は、白色粒子（例えば、ペイント用顔料などの粒子）又は他の拡散反射性粒子によってドープ処理した適切な樹脂あるいはゲルのような透明な媒体を拡散容積１８の内部に提供することによっても、引き起こされ得る。

付加的な反射偏光子２０（ＬＣＤディスプレイ・パネル１４に組み込まれた反射偏光子に適合した偏光特性を具備する）は、ＬＣＤディスプレイ・パネル１４内に組み込まれた偏光子の偏光特性には適合しない偏光特性を具備する光線を、拡散容積１８の内部に向くように後方反射する。このように不適切な偏光光線は、拡散容積１８の内部において更に拡散し、後部反射体１６によって付加的な反射偏光子２０に再度、反射される（「再循環」（recycled））。

再循環光線の幾らかが、最終的に反射偏光子２０を通ってＬＣＤディスプレイ・パネル１４に移行できるように、拡散容積１８内の拡散は再循環光線の偏光特性をランダム化する。任意の残存する不適切な偏光光線は、再循環光線の偏光特性が偏光子２０の偏光特性に適合して再循環光線が反射偏光子２０を通ってＬＣＤディスプレイ・パネル１４に移行できるようになるまで、反射偏光子２０、拡散容積１８、および後部反射体１６によって、前述のように再度再循環される。

付加的な角度選択光伝達器２２は、ミネソタ州セントポールのスリーエム特殊フィルム及びメディア製品事業部（3M Specialty Film and Media Products Division, St.Paul, MN）から入手できるビキュイティ(Vikuiti)（登録商標）輝度強化フィルム(Brightness Enhancement Film)の二枚の平行シート上において、微小反復プリズムを互いに９０°で交差させることによって形成し得る。光伝達器２２は、法線観察方向３０に対して実質的に平行な方向に沿って、部分視準光線をＬＣＤディスプレイ・パネル１４に選択的に伝達するが、任意の非放射光線の実質的部分を後方反射して反射偏光子２０と後部反射体１６に戻し、非放射光線が次に光伝達器２２を通って放射すべく、更に反射し得る（「再循環される」）。

層状の平面配光構造１０は、低い光吸収損失を特徴とするという意味で効率が高い。後部反射体１６と、拡散容積１８内の任意の材料と、存在する場合の反射偏光子２０と、そして存在する場合の角度選択光伝達器２２とが、ＬＥＤ１２からの放出光を実質的に吸収
しない材料によって製造されるならば、ＬＥＤ１２から構造１０内に放出された光線のほとんど全部は、最終的に構造１０を通ってＬＣＤディスプレイ・パネル１４に放出され得る。不要な画像アーチファクトは、構造の拡散性が高いため有意に減らされ、場合によっては実質的に排除される。

明確および簡潔にするため、当業者によって提供できる様々な構成要素は、本明細書において詳細に説明していない。例えば、本明細書において述べられるような光学構造を組み込むディスプレイは、ＬＥＤ１２又は他の発光器に光を放出させる適切な駆動回路を含み得る。このような回路は、任意に、ＬＥＤ１２又は他の光源の輝度を個々に変調させ得る。当業者に公知の回路を含めて、任意の適切な駆動回路を使用し得る。更に、ディスプレイは、通常、ディスプレイ・パネル内の個々の画素を操作すべく適切な駆動回路を具備し、ディスプレイ上に表示されるべき画像に対応する画像データに従って光を変調する。適切なディスプレイ・パネル駆動回路もまた、本発明の当業者に公知である。従って、ＬＥＤ１２の駆動回路、ディスプレイ・パネル１４の駆動回路、更に電源などのような他の十分に理解された構成要素は、本明細書において詳細に説明していない。

構成要素（例えば、部材、部品、組立体、シート、コリメータ、反射体など）が前述の場合に他に明記されなければ、構成要素（「手段」への言及を含めて）は、本発明の例示の模範的実施例においてその機能を実行する開示構造と構造的に等価ではない構成要素を含めて、記載の構成要素（つまり、機能的に等価である）の機能を実行する任意の構成要素を等価物として含むと解釈されるべきである。

前述の開示内容を考慮して、当業者に明らかになり得るように、本発明の実施において、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多くの変更および改変が可能である。例えば、
・反射偏光子２０と角度選択光伝達器２２のいずれか或いは両方を省略し得る。その場合、後部反射体１６と光拡散容積１８のみを配光構造１０内に提供することによって満足いく結果を得ることができる。しかし、不適切な偏光光線が失われるので、構造１０の光出力容量を増加させるために反射偏光子２０を含める方が好ましい。また、構造１０によって放出された光の輝度を増加させるために角度選択光伝達器２２を含めることが好ましい。その場合、光伝達器２２は通過する光を部分的に視準するので、視角が減る犠牲を払う。この視角の低下は、光伝達器２２とＬＣＤディスプレイ・パネル１４の間に図２に示すような更に別の拡散体３２を提供することによって補うことができる。更に別の拡散体３２は、光伝達器２２を通過することによって狭い範囲で拡散された光線を横方向に拡散することによって、視角を増加させる。

・反射偏光子２０と角度選択光伝達器２２が共に存在するとき、どちらの順でも配置し得る。
・後部反射体１６は、必ずしも完全に平坦でなくてもよい。後部反射体１６は小規模でデコボコし得る（つまり、表面構造を有する）。拡散容積１８の面は、光が拡散容積１８から実質的に均質に放出され得るように、全般的に互いに平行にすべきである。

幾つかの例および実施例が上記で討議されてきたが、当業者は、特定の改変、置換、付加およびそれらの部分的組み合わせを認めるだろう。従って、添付した請求項が、その真の範囲内にあるとして、このような改変、置換、付加および部分的組み合わせを全て含むと解釈しようとするものである。

Claims (20)

1. ＬＣＤパネルからなるディスプレイ層と；
   前記ディスプレイ層で表示すべき画像に対応する画像データに基づき光を調節すべく、前記ＬＣＤパネルの個々の画素を操作する第１駆動回路と；
   前記ＬＣＤパネルを照らすバックライトと
   を有するディスプレイにおいて、
   前記バックライトは、表示すべき前記画像の低解像度バージョンを表示する光パターンを生成すべく制御されるように構成され、
   前記ディスプレイ層は、観測者によって受入れられるために高解像度画像を生成すべく、前記画像の前記低解像度バージョンを調節するように構成され、
   前記バックライトは、
   空間的に分散された複数の点光源と；
   前記点光源によって放出される光の輝度を個々に調節すべく構成された第２駆動回路と；
   複数の前記点光源からの光線を受入れそして前記ＬＣＤパネルを照らすように構成された平面配光構造と
   を有し、
   前記平面配光構造は、
   光を非等方性散乱するように構成された拡散容積と；
   前記拡散容積の内部に配置された複数層の光散乱性シートと；
   前記拡散容積に面する反射体と
   を有し、
   前記平面配光構造は、前記点光源から前記平面配光構造に進入した光を非等方性散乱するように構成されている
   ことを特徴とする、ディスプレイ。
2. 前記平面配光構造による前記非等方性散乱は、前記点光源から前記平面配光構造の中へそして前記平面配光構造の反対側へと第１方向に沿って方向付けられた光線が、前記第１方向以外で前記平面配光構造の中へと方向付けられた光線よりも、強く散乱されるように構成されている、
   請求項１記載のディスプレイ。
3. 前記反射体は、前記点光源に対応するように位置する透明領域を有し、
   前記透明領域は、前記点光源から前記平面配光構造の中へと光を伝達するように構成されている、
   請求項１または２記載のディスプレイ。
4. 前記反射体は、部分的に鏡面反射性を具備する、
   請求項１〜３何れか一項記載のディスプレイ。
5. 前記反射体は、全面的に鏡面反射性を具備する、
   請求項４記載のディスプレイ。
6. 前記拡散容積に入射する光線の任意の方向特性が、前記拡散容積から出射する光線には存在しないように、前記平面配光構造は構成される、
   請求項１〜５何れか一項記載のディスプレイ。
7. 前記ディスプレイはさらに、前記平面配光構造と前記ＬＣＤパネルとの間に位置する反射偏光子を有する、
   請求項１〜６何れか一項記載のディスプレイ。
8. 前記ディスプレイはさらに、前記平面配光構造と前記ＬＣＤパネルとの間に位置する角度選択光伝達器を有する、
   請求項１〜７何れか一項記載のディスプレイ。
9. 前記ディスプレイはさらに、前記角度選択光伝達器と前記ＬＣＤパネルとの間に位置するさらに別の拡散体を有する、
   請求項８記載のディスプレイ。
10. 前記拡散体の両面は、互いに平行である、
    請求項１〜９何れか一項記載のディスプレイ。
11. 前記点光源は、発光ダイオードである、
    請求項１〜１０何れか一項記載のディスプレイ。
12. 前記拡散容積は、反射性粒子を有する、
    請求項１〜１１何れか一項記載のディスプレイ。
13. 前記拡散容積は、拡散反射性粒子を有する、
    請求項１〜１１何れか一項記載のディスプレイ。
14. 前記拡散反射性粒子は、白色粒子である、
    請求項１３記載のディスプレイ。
15. 前記拡散容積は、粒子によってドープ処理したゲル透明媒体を有する、
    請求項１〜１１何れか一項記載のディスプレイ。
16. 前記シートは、高分子材料からなる、
    請求項１〜１５何れか一項記載のディスプレイ。
17. 前記ディスプレイはさらに、前記平面配光構造と前記ＬＣＤディスプレイとの間に二枚の輝度強化フィルムを有する、
    請求項１〜１６何れか一項記載のディスプレイ。
18. 前記ディスプレイはさらに、前記平面配光構造と前記ＬＣＤディスプレイとの間に少なくとも１枚の輝度強化フィルムを有し、
    前記輝度強化フィルムは、微小反復プリズムによって構成される、
    請求項１〜１６何れか一項記載のディスプレイ。
19. 前記反射体は、前記反射体に向かって帰ってきた光線を、反射することで再循環させるように構成されている、
    請求項１〜１８何れか一項記載のディスプレイ。
20. 前記平面配光構造はさらに、散乱反射性粒子によってドープ処理した透明媒体を有し、
    前記シートは高分子材料からなり、
    前記ディスプレイはさらに、前記平面配光構造と前記ＬＣＤディスプレイとの間に位置する反射偏光子を有し、
    前記反射体は、前記反射体に向かって帰ってくるように前記反射偏光子から反射されてきた光線を、反射することで再循環させるように構成されている、
    請求項１または２記載のディスプレイ。

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