(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直視型背面照明付き液晶ディスプレイ装置において、
バックライト用光源と、後部の拡散層と、後部の直線偏光子と、液晶セルとが順次配置されて構成され、
前記液晶セルが、アドレッシング要素及びＩＴＯ画素電極を有する後部ガラス層と、液晶層と、前部の保持要素として前記液晶層に実質上隣接した前部光ファイバー面板とを備え、
前記前部光ファイバー面板が、前記液晶層に隣接したその後面では小さい入射光受容立体角を有し、反対側の前面ではそれより大きな出力光立体角を有し、前記液晶ディスプレイ装置を通る視角を改善する
ことを特徴とする液晶ディスプレイ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液晶ディスプレイ装置において、更に、前記後部拡散層と前記後部直線偏光子との間には、後部光ファイバー面板が設けられ、該後部光ファイバー面板が後面では相対的に大きな入射光受容立体角を有し、反対側の前面ではそれより小さな出力光立体角を有することを特徴とする液晶ディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般には、ディスプレイ装置の色度、輝度、およびコントラスト比の望ましくない変化を可能な限り小さくしながら、ディスプレイ装置と観察者との間の有効視角を広げるために、前部の光ファイバー面板（ｆｉｂｅｒ  ｏｐｔｉｃ  ｆａｃｅ  ｐｌａｔｅ；  ＦＯＦＰと略す）を使用している透過型背面照明付きの捩れネマチック（ｔｗｉｓｔｅｄ−ｎｅｍａｔｉｃ；ＴＮと略す）カラー液晶ディスプレイ装置（ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｄｉｓｐｌａｙ；  ＬＣＤと略す）に関するものである。本発明は、さらに、バックライトのスペクトルピークに合わせた干渉カラーフィルタの配列と後部の光ファイバー面板（ＦＯＦＰ）の使用を通じて、バックライトからの背面照明の収集を高めると共に色選択フィルタの吸収損失を可能な限り小さくすることにより、ＬＣＤの発光効率を高めている。
【０００２】
【従来の技術】
従来の直視透過型カラーＬＣＤは、照明源と、照明源から出てきた分光組成を修正する多くの層状光学素子で構成されている。さらに、一部の光学素子、例えば偏光子、リターデーション（位相差）フィルム、および液晶層自体は、材料のパラメータや液晶セルの構造、表示電圧（すなわち、輝度すなわちグレーレベル）、および光伝播方向の関数として変わる複雑な分光修正を生じさせる光学的に異方性の複屈折層である。高性能カラーＬＣＤに広く使われている液晶セルはＴＮセルである。ＴＮセルの場合、入ってきた光が最初に入口偏光子によって直線偏光され、次に液晶層によって偏光軸が光学的に回転される。この偏光軸の回転は液晶層の複屈折と厚さによって達成される。大部分の捩れネマチックＬＣＤに使用される典型的な捩れ角すなわち回転角は９０°であるが、他の捩れ角を用いて所望する一定の光学特性を実現することができる。液晶層によって光学的に回転された後、液晶層から出てきた光の偏光状態が出口偏光子すなわち「検光子」によって調べられる。ＴＮセルの入口偏光子と出口偏光子の２つの本質的構成が使用されており、直交する偏光子を使用しているＬＣＤはノーマルホワイト・モードＬＣＤと呼ばれ、平行な偏光子から成るＬＣＤは一般にノーマルブラック・モードＬＣＤと呼ばれることが多い。電圧制御グレースケールおよびオフ・アクシス（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）  観察の場合、液晶層を通る光路は完全に電圧が飽和したオン・アクシス  （ｏｎ−ａｘｉｓ）の場合とは異なる複屈折を“見る”。これは、光路が異方性液晶分子をさえぎる角度が液晶セル電圧および視角の関数として変化するためである。これにより、液晶の通常モードと異常モードで異なる度合いの刺激が生じて、２つの偏光子間で異なる度合いの位相差や、液晶セルからの出口で異なる偏光状態や、出口偏光子を通る光透過の変化が起きる。それに加えて、偏光子間の位相差と光透過の変化は波長依存性があるので、輝度の差のほかに色度の差が生じる。オフ・アクシス観察は、異なるすべての光学境界面での角度に関連する反射効果と偏光効果ばかりでなく、ＬＣＤを構成するすべての物質層を通る光路長差が原因で余分の複雑さを加える。
【０００３】
それで、ＬＣＤ特にＴＮカラーＬＣＤは、輝度、コントラスト比、および色度がディスプレイ装置と観察者の間の視角の関数として望ましくない変化を示す。さらに、オフ・アクシス観察と電圧制御グレースケールは共に、表示の輝度、コントラスト比、および色度の変化をもたらすので、これら２つの要因が組み合わさると、直視型ＴＮカラーＬＣＤにおいて明白な異方性がさらにひどくなる。幾つかの例において、視角と電圧制御グレーレベルの特定の組合せにおいて、表示のコントラスト比が実際に逆になることがあり、また望んでいる色が補色の色相へ移ることがある。特に電圧変調グレーレベル制御を使用している直視型ＴＮカラーＬＣＤの場合、これらのディスプレイ装置の視覚的特性の異方性によってディスプレイ装置の有効円錐視角が大きく制限されることは明らかである。このＬＣＤの構成は多くの望ましい動作特性を有し、従って高性能の直視型カラーＬＣＤ（高解像度／高コントラスト動作を容易にするためアクティブマトリックス・アドレッシング基板を使用していることが多い）に広く使用されているが、視角の制限がこのディスプレイ装置で実現できる最終像形成性能をきびしく落としている。
【０００４】
ＬＣＤの出力側での拡散光学層の使用、３次元位相差フィルムすなわち光学的補償素子〔例えば、  Ｏｎｇ，Ｈ．Ｌ．（１９９３）．Ｎｅｇａｔｉｖｅ−Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ  Ｆｉｌｍ−Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ  ＴＮ  ＬＣＤｓ  ｗｉｔｈ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＳＩＤ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，６５８−６６１］、およびいわゆるマルチドメイン画素構造［Ｔａｎｕｍａ，Ｓ．（１９８８）．Ｊａｐａｎ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｎｏ．６３−１０６６２４；  Ｏｔａｎｉ，Ａ．（１９８９）．Ｊａｐａｎ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｎｏ．０１８８５２０］  を含む、直視型ＬＣＤにおける視角の問題を改善する可能性のある多くの解決策が提案されている。ＬＣＤの出力側に拡散光学層（例えば、すりガラス散乱画面）を使用すれば、見る方向からＬＣＤが切り離されるであろう。しかし、そのような拡散光学層は両方向からの光を分散するので、入射周囲照明（ほとんどのオフィスや屋外の環境において一般的である）の下で、ＬＣＤの像コントラストが大きく低下するであろう。位相差フィルムすなわち光学的補償素子はＬＣＤの視角に一定の有益な改善をもたらすことができる。しかし、フィルムを通って伝播する光に与えられる位相遅れは波長依存性が強く、従って可視スペクトルの限定された部分を補償できるだけである。位相差フィルムをフルカラーディスプレイ装置の視角の改善に使用すると、このことが位相差フィルムすなわち光学的補償素子の有効性を制限する。最後に、マルチドメイン画素構造における比較的新しい開発（液晶セル内の光学的自己補償アライメント）は直視型カラーＬＣＤの視角の改善にかなり有効であることを証明することができる。しかし、都合が悪いことに、上記のアライメントは正確な設定が困難であるので、液晶セルの製造を著しく複雑にする可能性がある。それに加えて、ドメインすなわちアライメントの境界が目に見える境界線や、模様や、平行な細い筋としてディスプレイ装置上に現れるので、ＬＣＤの画質が悪くなる傾向がある。
【０００５】
典型的なカラーＬＣＤは、液晶セル自体の中に形成した色選択フィルタのパターンモザイクを使用している。そのほかに、それぞれが可視スペクトルの直交成分を減じる、または除去する３個の分光選択液晶セルを順次配置して、減法カラーＬＣＤの構成を作ることができる。減法カラーＬＣＤのいろいろな構成例が、米国特許第５，０３２，００７号、同第４，９１７，４６５００７号、同第４，４１６，５１４００７号に記載されている。減法カラーＬＣＤの構成は、投射型ディスプレイ装置（液晶セルのスタックを通過する光線は平行光線にされるか、少なくとも遠方の焦点に集められる）用のフルカラーＬＣＤ光弁として成功しているが、分光選択液晶セルの比較的厚いスタックによって生じる視差のために起きる視角の問題があるので、減法カラーＬＣＤの構成を直視型バックライト付きＬＣＤに使用するのは望ましくない。これらの理由から、空間的加法色合成と色選択フィルタの平面モザイクは、直視型フルカラーＬＣＤに好ましい手法である。モザイクカラーフィルタの例が、米国再発行特許第３３，８８２号、米国特許第４，９８７，０４３号、同第５，０６６，５１２号に記載されている。
【０００６】
液晶セルの中に色選択フィルタのパターンモザイクを加工する、すなわち作る従来の方法は、コストが高く、効率が悪く、しかも液晶材料との両立のため、きびしい制約を受ける。これらのフィルタは、小さい画素寸法をもつディスプレイ装置において視差を少なくするため、一般に３〜７ミクロン程度のセルギャップ幅をもつ液晶セルの中に配置される。色選択フィルタを液晶セルの外に配置するには、フィルタを液晶セルのガラスの厚さ（一般に、約１１００ミクロン程度）に等しい最小距離だけ液晶セル内の画素形成アパーチャーからずらせる必要がある。これは画素形成アパーチャーと色選択フィルタの間に非常に大きな視差を生じさせるので、オフ・アクシス観察では、アドレス指定された画素からの光線がたぶん間違った色選択フィルタを通過することがある（例えば、アドレス指定された赤色の画素アパーチャーからの光線が、実際には緑色の色選択フィルタを通過する）。
【０００７】
それで、より容易な処理と、より高効率のフィルタ材料の使用と、より広い視角範囲にわたるカラー画質の向上とを可能にする改良されたカラーフィルタ処理と配置が要望されている。もし広い視角を与えるため（観察方向からＬＣＤを有効に切り離すため）光線を発散させることができる最終光学境界面まで直視型ＬＣＤの光学層を通って光が伝播する角度を制御するすなわち拘束する光学手段を開発することができれば、吸収色選択フィルタを液晶セルの外に配置することもできるし、または高い効率の干渉色選択フィルタを使用することもできるであろう。いずれにせよ、液晶セル上でなく光学層上にカラーフィルタを置くことが可能になり、より広範囲のより高効率の材料と処理工程を用いてカラーフィルタを処理することが可能になるので、生産性の向上、製造コストの低下、およびＬＣＤのカラー性能と発光効率の著しい向上がもたらされるであろう。
【０００８】
ＦＯＦＰは、反射型単色ＬＣＤの前面にある表示の反射輝度を強める光収集要素や、パターン付きカラー蛍光体モザイクを背面照明付きカラーＬＣＤの対応する画素アパーチャーに結合する光チャンネリング素子や、ハードコピー利用のため像形成装置の出力を写真記録面へ結合する像中継素子のように、専用ブラウン管（ＣＲＴ）ディスプレイ装置のコントラストを強めるために使用されてきた。ＦＯＦＰに関係する幾つかの特許として、米国特許第４，３３４，６６８号、同第４，３４９，８１７号、同第４，５５８，２５５号、同第４，７５２，８０６号、同第４，７９９，０５０号、同第５，０３５，４９０号、同第５，１８１，１３０号、同第５，０５０，９６５号、同第５，０５３，７６５号、同第５，１１３，２８５号、同第５，１３１，０６５号がある。
【０００９】
上記米国特許第４，７５２，８０６号は、液晶層から出てきた光をレンズ配列へ、次に感光体へ伝送するためにＦＯＦＰを使用している。米国特許第４，５５８，２５５号は、真空蛍光装置から放射された光を伝送して印字装置の感光部材を露光するためにＦＯＦＰを使用している。しかし、これらの利用は直視型ディスプレイ装置に関するものではない。
【００１０】
上記米国特許第５，１３１，０６５号は、高輝度、高コントラストの薄膜電子燐光ディスプレイ装置を作るために、放射性燐光体層から出てきた光をビューアーへ伝送するのにＦＯＦＰを使用している。米国特許第４，７９９，０５０号は、紫外線源によって励起されたパターン付きカラー燐光体モザイクの放射を背面照明付きカラーＬＣＤの対応する画素アパーチャーへ結合する光伝送素子としてＦＯＦＰを使用している。これらの特許は直視型ディスプレイ装置における燐光体放射の伝送に関するものであり、オフ・アクシス観察の改善とは直接の関係がない。
【００１１】
上記米国特許第５，０３５，４９０号、同第４，３３４，６６８号、および同第４，３４９，８１７号はすべて、より広い受入れ角で入射光を集めてディスプレイ装置の反射輝度とコントラストを強めるためにＦＯＦＰを使用している反射型ＬＣＤ装置に関するものである。この手法はＬＣＤにおける色の発生に向けられておらず、かつ上記のＬＣＤに色分解およびフィルタ処理を可能にする十分な反射輝度がないので、カラーＬＣＤに事実上利用できないが、それでも快適に見ることができる程度の出力輝度が得られる。さらに、この方法はオフ・アクシス観察時の性能の改善とは関係がない。
【００１２】
上記米国特許第５，０５０，９６５号は、順次重ね合わせた減法カラー液晶セルを使用し、平行光線源を必要とするスーパー捩れネマチック（ＳＴＮと略す）ＬＣＤに関するものである。この手法は投射型ディスプレイ装置に利用することが意図されている。直視型ディスプレイ装置に利用する場合、ディスプレイ装置出力は平行解消すなわち拡散を必要とする。これは周囲照明の下で像コントラストの低下と、彩度の減少をもたらす。この手法は高性能、直視透過型ＴＮカラーＬＣＤを直接の対象としていない。
【００１３】
これらの特許はどれも本発明が解決した問題を十分に認識していない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、直視型ＬＣＤ、特にカラーディスプレイ装置についてオフ・アクシス視角の問題を最小限度にする、もしくは除去することにより、広い視角範囲にわたって均一な高画質の像表現を可能にすることである。
【００１５】
本発明の第２の目的は、カラーＬＣＤの液晶セルの外に色選択フィルタのモザイクを配置することを可能にし、ＬＣＤの製造性を向上させ、そしてより広範囲のより高効率の分光選択カラーフィルタ材料の使用を可能にすることにより、オフアクセスで見たときのカラー性能と発光効率を向上させることである。
【００１６】
本発明の第３の目的は、液晶セルの有効な複屈折と、観察者の観察方向からＬＣＤを構成する大部分の光学層の光路長効果を切り離すことにより、観察者が液晶セルおよび大部分の他の光学層を通過する光線をＬＣＤの法線まわりの小さい円錐角以外の角度で見ることを防止することである。
【００１７】
本発明の第４の目的は、出力角と（または）入力角をかなり広い円錐角へ広げると同時に、液晶セルおよび大部分の他のＬＣＤ光学層を光が限定された角度で通過することを許すことにより、コントラスト、色度、および輝度の望ましくない変化を起こさずに、既存のカラーＬＣＤより広い視角を与えることである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記およびその他の目的、並びに利点は、発明の第１の実施例において、バックライト用光源と、後部の拡散層と、後部の偏光子と、液晶セルとを備えた直視型背面照明付き液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置であって、前記液晶セルが、アドレッシング要素及びインジュウム錫酸化物（ＩＴＯ）透明画素電極を有する後部ガラス層と、上面と下面をもつ液晶層と、液晶セルの前部保持要素として液晶層の上面に接して配置された前部ＦＯＦＰとを含み、更に装置には、前部ＦＯＦＰの前面にデポジットした、または独立した隣接基板上に配置した色吸収フィルタのモザイク配列と、前部偏光子（すなわち検光子）とが設けられた直視型背面照明付きＬＣＤ装置によって達成される。前部ＦＯＦＰは、液晶層に隣接するその後面で比較的狭い光受容立体角（θｍａｘ  ＩＮ）を有し、その前面で比較的広い光出口（出力）立体角（θｍａｘ  ＯＵＴ）を有する。
【００１９】
第２の実施例においては、前部偏光子すなわち検光子が前部ＦＯＦＰの後面すなわち入力面に隣接する液晶セルの中に配置されている。この構成は、液晶セルを出ていく光の偏光状態を前部ＦＯＦＰに入る前に調べることができ、またＦＯＦＰの光ファイバ内の反射によって生じる偏光解消の重大な影響（ディスプレイ装置のコントラストを低下させる）を除去するように設計されている。このケースでは、前部偏光子すなわち検光子を、前部ＦＯＦＰの後面すなわち入力面にデポジットした、または直かに接着した整列した有機染料分子から成る薄い偏光コートすなわち薄膜にすることができる。
【００２０】
第３および第４の実施例は、第１および第２の実施例の構成に、さらに拡散層と液晶セルの間に追加の後部ＦＯＦＰを配置している。後部ＦＯＦＰは、前部ＦＯＦＰの反対側にあって、拡散板に面して隣接し、比較的広い光入力受容角をもたらす大きなθｍａｘ  ＩＮを与える入力面と、前記入力面の反対側にあって、比較的狭い光出口すなわち出力角をもたらす小さいθｍａｘ  ＯＵＴを与える出力面を有する。後部ＦＯＦＰの主目的は、背面照明源からの光の収集を増すことにより、ＬＣＤの発光効率を向上させることである。
【００２１】
第５および第６の実施例は、第３および第４の実施例の構成に、さらに後部ＦＯＦＰと後部偏光子間に追加の分光選択色干渉フィルタすなわちホログラフィーフィルタのモザイク配列を配置している。色干渉フィルタすなわちホログラフィーフィルタのモザイク配列の主目的は、背面照明源の三原色の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のスペクトル放射ピークに合った狭い分光帯域通過を与えることである。これらのフィルタは画素配列の赤、緑、青要素と空間的に整合されており、狭帯域の光を対応する画素へ通す。各フィルタの分光帯域の外側の照明は後部ＦＯＦＰを通して反射されて拡散層へ戻され、拡散層はその光を反射して後部ＦＯＦＰを通してフィルタのモザイク配列へ戻す。このように、光は、適切な分光帯域を持つフィルタを通過するまで事実上“再循環”される。分光干渉フィルタやホログラフィーフィルタは角度に敏感であるので、後部ＦＯＦＰが背面照明源と拡散層からの入射角を制限する。この追加の色選択フィルタのモザイク配列は、ＬＣＤの光学層と三原色色選択フィルタ配列の色吸収フィルタを通って伝播する光の分光帯域を制限することで、ディスプレイ装置の前部にある三原色色選択フィルタ配列の吸収損失を最小限度にするので、直視型カラーＬＣＤの発光効率とカラー性能が共に向上する。
【００２２】
本発明は、前部ＦＯＦＰを、液晶材料またはオプションの一体構造の薄膜偏光子に密着した状態で、液晶セルの前方保護板兼保持要素として使用し、かつ前部ガラス基板を無くすことにより、ＬＣＤの視角の問題を解決している。前部ＦＯＦＰは、光学的に活性な液晶材料の面から出てきた偏光をＦＯＦＰの光ファイバーの出口アパーチャーの所にある別の像面へ中継する。観察者がＦＯＦＰによって中継され像面から出てきた光線を見るという点で、これは観察者の観察方向から前部ＦＯＦＰより後方の液晶層およびその他のＬＣＤ光学層を有効に切り離す。もし液晶層を通って伝播した光線が狭い円錐角（すなわち、小さいθｍａｘ  ＩＮ）を通してＦＯＦＰによって受け取られるだけであれば、液晶層や他のＬＣＤ光学層の光学的効果は、ＦＯＦＰに対する観察方向に関係なく、ＬＣＤの法線まわりの狭い円錐視角を通って現れるので、観察者はそれらを見るだけあろう。もしＦＯＦＰまたは屈折率がほぼ一致する材料でできた追加の層の出力側で光線を発散させれば（すなわち、比較的大きなθｍａｘ  ＯＵＴ）、直視透過型ディスプレイ装置の場合、比較的広い範囲の満足できる視角を維持することが可能である。画像はＦＯＦＰによって液晶層の出力側から直接中継されるので、この構成は、吸収型色選択フィルタを液晶セルの内部でなく、ＦＯＦＰの出力側に配置できるという特別な利点を有する。これはフィルタ処理とセル構造を簡単化し、しかも使用可能なカラーフィルタ材料ばかりでなく、分光選択性能により大きな寛容度を与える。
【００２３】
前部はＦＯＦＰと後部ＦＯＦＰは個別の光ファイバーの配列から成り、格子間クラッド材料と一緒に溶融された後、所望の厚さに切断され、研磨されて面板にされる。異なる光学的特性を有するＦＯＦＰの製造法はこの分野では周知である。光ファイバーは制御された入力角すなわち受入れ角で入射した光を全内面反射によって伝送するが、入力角より大きな角度で入射した光は拒絶または吸収するように設計されている。後部ＦＯＦＰの光ファイバーに入ってきた光は、高い開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ａｐｅｒｔｕｒｅ；  ＮＡと略す）を有するＦＯＦＰの使用、または低屈折率の境界面（例えば、空気）への結合、またはその両方によって広い入力角θｍａｘ  ＩＮにわたって集められる。前部ＦＯＦＰの光ファイバーから出ていく光は、同様に、高いＮＡを有するＦＯＦＰの使用、または低屈折率の境界面（例えば、空気）への最終的結合、またはその両方によって発散される、すなわち比較的広い角度θｍａｘ  ＯＵＴで出ていく。低いＮＡを有するＦＯＦＰの使用および（または）比較的高い屈折率の材料（例えば、プラスチック、ポリイミド、または光学ガラス）への結合は、それぞれ後部ＦＯＦＰの光出力出口角θｍａｘ  ＯＵＴと前部ＦＯＦＰの光入力受入れ角θｍａｘ  ＩＮを制限する。
【００２４】
上に述べたように、適切な境界面における低いおよび高いθｍａｘ  ＩＮとθｍａｘ  ＯＵＴの組合せは注目すべき性質を生み出す。すなわち、典型的な直視透過型カラーＬＣＤに出現する非均一性や異方性と異なり、視角の関数としてＬＣＤの像コントラストと色度がごくわずか変化するだけで、観察者は比較的広い範囲の視角でディスプレイ装置を見ることができる。さらに、背面照明源からの光は比較的広い受入れ角（光が後部ＦＯＦＰの出力面に達し、ディスプレイ装置のレンズを通過するとき、比較的狭い出口角へチャンネルダウンされる）で後部ＦＯＦＰに入ることができる。光は、後部ＦＯＦＰの出力面を通過した後、レンズを通過するとき、比較的狭いビームの状態にある。そのあと、ビームは、前部ＦＯＦＰの出力面に達すると、再び比較的広い円錐角すなわち立体角へかくだいるので、広い視角が得られる。このように、後部ＦＯＦＰの使用は、照明源からＬＣＤのレンズを通して送られる光量の増加をもたらすので、本発明の前部ＦＯＦＰのみの構成よりディスプレイ装置の発光効率は相当に向上する。
【００２５】
θｍａｘ  ＩＮとθｍａｘ  ＯＵＴを制御する重要な特徴は、ＦＯＦＰとの境界での光学層の屈折率と、ＦＯＦＰのＮＡである。ＮＡは、レンズ系のｆ／ナンバーとほぼ同じ態様の光ファイバーの集光力を表す値である。ＮＡとθｍａｘ  と境界材料すなわち層の屈折率（Ｎ）との間の基本的な関係は以下の周知の式で表される。
0003578824.tif 000002
である。またＦＯＦＰを出て幾つかの光学層を通って伝播し、最後に空気との最終光学的境界でＬＣＤを出ていく光線について、屈折角を計算する必要がある。上記光線について各光学的境界ごとに屈折率を計算し、ＬＣＤの出口における光の角度分布の最終推定値を得ることができる。次式により、屈折率Ｎ１  ，Ｎ２  をもつ２つの光学媒質の境界における屈折角を計算することができる。ここで、Ｎ１  は第１光学媒質の屈折率であり、Ｎ２  は第２光学媒質の屈折率である。
θｒｅｆ  ＝ａｒｃｓｉｎ〔（Ｎ１  ／Ｎ２  ）ｓｉｎθｉｎｃ  〕
ここで、θｒｅｆ  ＝屈折角
θｉｎｃ  ＝入射角
Ｎ１  ＝第１光学媒質の屈折率
Ｎ２  ＝第２光学媒質の屈折率
である。
【００２６】
以上から、ＦＯＦＰのＮＡはもっぱら光ファイバーの屈折率（Ｎｆｉｂ  ）とクラッドの屈折率（Ｎｃｌａｄ）の関数であるのに対し、ＦＯＦＰの光入力立体角（θｍａｘ  ＩＮ）と光出力立体角（θｍａｘ  ＯＵＴ）はＦＯＦＰのそれぞれの境界における物質の屈折率（Ｎ０  ）の関数である。本発明の場合、光の小さいすなわち狭い角度分布を与えるθｍａｘ  の好ましい値はθｍａｘ  ≦３０°であり、光の大きなすなわち広い角度分布を与えるθｍａｘ  の好ましい値はθｍａｘ  ≧５０°である。
【００２７】
本発明の種々の好ましい実施例は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読まれれば、明らかになるであろう。
【００２８】
【実施例】
図１に、新規な構成を用いたＬＣＤの第１の実施例を示す。直視透過型バックライト付きカラーＬＣＤは、バックライト用光源１２（集光および配光レンズをもつ３バンド熱陰極または冷陰極蛍光ランプが好ましい）、拡散層１４、後部直線偏光子１６、液晶セル１８、色選択フィルタのモザイク配列３０、および前部直線偏光子すなわち検光子２０ａを有している。液晶セル１８は、マトリックスアドレッシング要素２４とＩＴＯ画素電極を有する後部ガラス層２２、液晶層２６（ＴＮ液晶物質を含むものが好ましい）、および前部保持要素２８よりなっている。前部保持要素２８は、一般に前部ガラス層であり、本発明に係るＦＯＦＰである。
【００２９】
ＦＯＦＰ２８の後面に、共通ＩＴＯ電極とアライメントポリイミドがデポジットされている。マトリックスアドレッシング要素２４を含む後部ガラス層２２とＦＯＦＰ２８の間に液晶層２８が入っている。ＦＯＦＰ２８は複数の光ファイバーから成り、適当なクラッド材料と共に溶融され、切断され、所望の厚さに研磨されている。液晶層２６の前面と直接接しているＦＯＦＰ２８は、液晶層を通って伝播する光をＦＯＦＰ２８の出口すなわち前面にある別の像面へ中継する。
【００３０】
通常は、ＬＣＤを構成するすべての物質にわたる光路長効果のほか、液晶物質と偏光子の光学的性質のために、オフ・アクシス観察は、かなり異なる像コントラスト、色度、その他の光学的特性をもたらす。しかし、ＦＯＦＰ２８は全内面反射によって、ＦＯＦＰと境を接する物質の屈折率とＦＯＦＰのＮＡとによって決まる制限された立体角の中の液晶層を通過した光を通す。これは観察者がどんな観察方向からもＬＣＤを直接のぞき込むことを防止する。その理由は、ＦＯＦＰ２８がその前面から出ていく光線から液晶層とその後方の他の光学層を切り離すからである。従って、観察者が比較的広範囲のオフ・アクシス角にわたって見たＦＯＦＰによって中継された像は、非常に狭い範囲の角度にわたって直視型ＬＣＤ（ＦＯＦＰを使用していない）によって形成された像と同じである。その結果、より広範囲の視角にわたって、ディスプレイ装置の外観の均一性のほかに、コントラストとカラー性能を向上させることができる。
【００３１】
本発明に係るＦＯＦＰ２８は、液晶層２６に隣接した特定のＮＡをもつ後面すなわち入力面を有する。例えば、ＮＡ＝  ０．８０  、液晶の屈折率＝約  １．６    とすれば、θｍａｘ  ＩＮ＝ａｒｃｓｉｎ〔（１／６０）  ０．８  ］＝３０°であり、従ってＦＯＦＰで伝送される光は比較的狭い立体角３０°に制限される。立体角θｍａｘ  ＩＮ＝３０°より外側の光線は、ＦＯＦＰのクラッド材料の中で区域外吸収（ｅｘｔｒａｍｕｒａｌ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ；  ＥＭＡと略す）によって吸収される。液晶層を通って伝播する光線の比較的狭い円錐のみがＦＯＦＰによって伝送されるので、比較的高いコントラストと満足できるカラー性能をもたらす角度の光線のみがＦＯＦＰの出力面へ伝送される。ＦＯＦＰの出力面では、ＬＣＤの後続光学層ばかりでなく、ＦＯＦＰの出力境界面に、液晶物質とほぼ同じ値の比較的高い屈折率が出現する。従って、θｍａｘ  ＯＵＴ＝θｍａｘ  ＩＮ＝３０°である。ＦＯＦＰの出力側にあるすべての光学層（  例えば、直線偏光子と色吸収フィルタ）  が屈折率が約  １．６    の物質であって、これらの層が屈折率整合接着剤で接合されていると仮定すると、光はθｍａｘ  ＯＵＴ＝３０°のＦＯＦＰの出力側の角度とほぼ同じ角度でこれらの後続光学層を通って伝播する。空気とＬＣＤの最終光学境界面では、ＬＣＤの最終光学境界面に生じた屈折角（θｒｅｆ  ＝ａｒｃｓｉｎ〔（  １．６／  １．０  ）  ｓｉｎ３０°  ］＝  ５３．１３    °）  に従って、ＬＣＤを出ていく光線の立体角が拡大される。従って、ＬＣＤ全体のθｍａｘ  ＯＵＴすなわち本発明に係る直視型ＬＣＤの有効視角は  ５３．１３    °に等しい。この第１の実施例では、液晶層と他の先行光学層を通って伝播し、満足できるコントラストとカラー性能をもたらす光線の制限された立体角がＬＣＤの最終光学境界面の所で拡大されるので、出力側では非常に大きな立体角にわたって満足できるコントラストとカラー性能が得られる。
【００３２】
本発明によって形成された像が鮮明にかつピントが合って見えるようにし、かつ隣接画素間の光学的漏話（これは、カラーＬＣＤにおいて色選択のためカラーフィルタの空間的モザイクを使用すると、カラー性能の低下をもたらす。）を防止するために、ＦＯＦＰの入力面がディスプレイ装置の画素形成面のすぐ近くにあることが重要である。すなわち表示画素のサイズに比べて、ＦＯＦＰの入力面とＬＣＤの画素形成面間の距離を小さくしなければならない。ＬＣＤの画素形成面は液晶層であり、その典型的な画素サイズは１００〜４００ミクロンであるので、本発明は、ＩＴＯ層と液晶アライメント層（一般に、それぞれの厚さは数百オングストロームに過ぎない）のみで隔てられた状態で、ＦＯＦＰ２８の入力面を液晶層のすぐ近くに配置している。これには、液晶セル１８の光変調作用を生じさせるため液晶セル１８を通って伝播した光を出力偏光子すなわち検光子２０ａが適切に調べることができるように、最初に入力偏光子１６によって偏光され、次に液晶層２６のＴＮまたはＳＴＮ構成によって光学的に回転された光の偏光状態をＦＯＦＰ２８が維持する必要がある。このため、ＦＯＦＰ２８は、そこを通って伝播する光の偏光状態を実質上乱さない光ファイバーで作らなければならない。もし上記の偏光がＦＯＦＰ内の内面反射によって実質上乱されれば、ＬＣＤのコントラストが低下するであろう。
【００３３】
Ｉｎｃｏｍ  Ｉｎｃ．−Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｄｉｖ．，    Ｇａｌｉｅｏ  Ｅｌｔｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｒｐ．  ，および  Ｓｃｈｏｔｔ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃｓ，  Ｉｎｃ．（いずれも米国）から、偏光維持性を有する光ファイバーで作られたＦＯＦＰを含め、種々のサイズおよびＮＡのＦＯＦＰを入手することができる。また３Ｍ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒｓ  （  米国  ）から、種々の光学的特性と偏光維持性を有する特殊な光ファイバーを入手することができる。
【００３４】
好ましい第１の実施例のディスプレイ装置は高画質の直視型カラーＬＣＤであり、それぞれが表示画素に対応する複数の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および青（Ｂ）のフィルタ要素より成るカラーフィルタモザイク配列３０を有する。カラーフィルタモザイク配列のフィルタ要素の数はディスプレイ装置の解像度とサイズによって決まる。
【００３５】
カラーフィルタのモザイク配列３０は広範囲の視角にわたって比較的均一な色選択が可能な色吸収フィルタのモザイクで構成することが好ましい。分光吸収フィルタは、比較的広帯域の照明源から入力光を受け取り、懸濁染料または顔料で広帯域スペクトルの選択した部分を吸収することによって有効に作用する。従って、吸収フィルタは染料または顔料で吸収されない入力スペクトルの部分を通す。例えば、もしフィルタが赤色フィルタであれば、可視スペクトルの長い波長領域すなわち赤色領域の光を通すが、緑色と青色の領域など、スペクトルの他の部分を吸収するであろう。ガラスまたはプラスチック結合剤を用いて作られた標準色吸収フィルタは周知であり、さまざまな製造業者から入手することができる。
【００３６】
前に述べたように、液晶セルの内部にフィルタのモザイク３０を配置することは問題がある。標準ガラスフィルタまたはプラスチックフィルタを用いてフィルタのモザイクを作ることはできないので、工程中に液晶セルの基板すなわち収容要素の内面、例えば典型的なカラーＬＣＤの液晶セルの前部または後部ガラスの内面に、特殊な薄膜色吸収フィルタ材料を（各カラーごとに）直接にデポジットしなければならない。この処理すなわちコーティングは一般にスピンコーティングを使用して行なわれる。しかし、スピンコーティングは選択可能なフィルタ材料をきびしく制限している。それに加えて、液晶セルを作る際にフィルタを処理しなければならないので、フィルタ材料は液晶材料または他の処理工程で形成される追加のパッシベーション層と両立しなければならない。薄膜カラーフィルタのモザイクを作る際に使用する色吸収フィルタ材料は、  Ｂｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｉｎｃ．  （  米国  ）    のほか、日東電工や凸版（株）を含む、多くの供給業者から入手することができる。
【００３７】
さらに、直視型ＴＮカラーＬＣＤなどの典型的なカラーＬＣＤにおいて液晶セルの外側にカラーフィルタのモザイクを配置することは問題がある。カラーフィルタと液晶層間に隙間があると、観察者がオフ・アクシスで見たとき視差が生じて、ディスプレイ装置の画素と対応するカラーフィルタとの間に誤整合が生じる。そこで、典型的な高解像度カラーＬＣＤはカラーフィルタのモザイクを液晶セルの内部に配置することを要求している。
【００３８】
しかし、本発明はＦＯＦＰを液晶セルの前部保持要素として使用しているので、液晶層の画素形成面はＦＯＦＰ２８の出力面へ中継される。従って、薄膜色吸収材料でできたカラーフィルタのモザイク３０をＦＯＦＰ２８の前面（出力面）に直接にデポジットすることもできるし、代わりに色吸収フィルタのモザイク３０を含む独立基板をＦＯＦＰ２８と前部偏光子すなわち検光子２０ａの間に、ＦＯＦＰ２８の前面（出力面）に直接接着することにより、ＬＣＤの画素と対応するカラーフィルタ間の視差が原因で生じる誤整合を少なく、または全く無くすることができる。
【００３９】
カラーフィルタのモザイクを液晶セルの外側に配置できることにより、多種多様なフィルタ材料、例えばガラス、プラスチック、ゼラチン、その他のフィルタ材料を選択することができる。従って、分光選択性の良いフィルタ材料を使用することができるので、ＬＣＤのカラー性能を向上させることができ、またカラーフィルタを液晶セルから独立に処理することができるので、処理コストを下げることができる。
【００４０】
前部偏光子すなわち検光子２０ａは後部偏光子１６と同じ構造および特性の直線シート偏光子である。  Ｎｉｔｔｏ  （日本）  、  Ｓａｎｒｉｔｚｕ（日本）  、および  Ｐｏｌａｒｏｉｄ  Ｃｏｒｐ．  （  米国  ）を含むさまざまな業者から、種々の厚さおよび吸光比を有する適当なシート偏光子を入手することができる。図２に本発明の第２の実施例を示す。この実施例においては、第１の実施例の前部偏光子すなわち検光子２０ａが、ＦＯＦＰ２８の入力面に隣接して液晶セル１８の中に置かれた前部偏光子すなわち検光子２０ｂで置き換えられている。この代りの構成は、ＦＯＦＰ２８に入る前に液晶層から出た光の偏光状態を調べることができるので、前部ＦＯＦＰの光ファイバー内の偏光解消から生じるＬＣＤのコントラストの低下を避けることができる。しかし、画素形成面は液晶層の内部にあるので、内部前部偏光子すなわち検光子２０ｂの厚さをＬＣＤ画素のサイズに比べてかなり小さくしなければならない。ＬＣＤ画素のサイズは一般に約１００〜４００ミクロンであるから、厚さが約１５０〜２５０ミクロンの典型的な高効率のシート偏光子は、画像の鮮明度の低下と隣接画素間の光学的漏話をもたらすので、内部前部偏光子２０ｂとして使用することができない。画素サイズと偏光層の厚さの比を最大にするため、米国特許第５，１８１，１３０号、同第２，４００，８７７号、同第２，４８１，３８０号、同第２，５４４，６５９号の開示内容に従って、整列した有機染料の薄い層で内部前部偏光子２０ｂを作ることができる。この方法によって作られた偏光層は  ０．５    〜  ５０  ミクロンの厚さにできる。また  Ｓｔｅｒｌｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃｓ  （米国）から、薄い偏光子コートを入手することができる。
【００４１】
図３および図４に示すように、本発明の第３および第４の実施例に従って、後部偏光子１６と拡散層１４の間に後部ＦＯＦＰ３２を追加することにより、さらに改良した直視型カラーＬＣＤを得ることができる。拡散層１４に面し、空気と境を接する入力面と、約  １．６    の比較的高い屈折率をもつ後部直線シート偏光子１６に接着された出力面をもつ後部ＦＯＦＰ３２を組み入れることにより、後部照明源１２から放射され、光学拡散層１４によって拡散される光の収集角が大きくなるので、ＬＣＤの発光効率をかなり高めることができる。
【００４２】
第１の実施例の場合、前部ＦＯＦＰ２８に対しθｍａｘ  ＩＮ＜入射角をもつオフ・アクシス光線は光ファイバーによって全内面反射されず、ＦＯＦＰのクラッド材料内のＥＭＡで吸収されて消滅する。計算例では、θｍａｘ  ＩＮは約３０°である。従って、３０°の立体角の中の光線のみがＦＯＦＰ２８によって伝送されるが、この立体角の外側の光線はＬＣＤの出力側で光像を発生するために費やされる。拡散層１４と上述の境界屈折率をもつ後部偏光子１６との間に後部ＦＯＦＰ３２を配置し、例えば  ０．８    のＮＡをもつＦＯＦＰを使用すれば、後部ＦＯＦＰ３２の入力側では、θｍａｘ  ＩＮ＝ａｒｃｓｉｎ〔（１／  １．１  ）  ０．８  ］＝５３．１３°であり、後部ＦＯＦＰ３２の出力側では、θｍａｘ  ＯＵＴ＝ａｒｃｓｉｎ〔（１／  １．６  ）  ０．８  ］＝３０°である。後部ＦＯＦＰ３２を挿入することにより、光は非常に広い立体角にわたって集められ、そのあと前部ＦＯＦＰ２８の立体角にほぼ一致する立体角で出ていくので、損失が少ないか、全く無い。これは後部照明源１２から放射され、光学拡散層１４によって拡散された利用可能な光を有効に集めるので、ＬＣＤの発光効率が向上し、より明るい表示画像が得られる。図３および図４にそれぞれ示した第３および第４の実施例は、本発明の第１および第２の実施例に対する後部ＦＯＦＰ３２の挿入を反映している。
【００４３】
本発明の第３および第４の実施例は、第１および第２の実施例よりＬＣＤの発光効率をさらに向上させるが、カラーフィルタのモザイク３０の吸収フィルタは望まない波長を吸収することで色選択を達成するで、やはり発光効率を大きく低下させる。カラーフィルタのモザイク３０を構成する三原色の各カラーフィルタ（赤、緑、青）をディスプレイ装置の全入力スペクトルから成る比較的広帯域スペクトル入力が通過すると仮定すると、各フィルタは受け取った利用可能な光の約２／３を吸収する、すなわち無駄にする（例えば、赤吸収フィルタは長い波長すなわち赤色光を通すが、中間の波長すなわち緑色光と短い波長すなわち青色光を吸収する）。このような非効率にもかかわらず、吸収フィルタは広い視角にわたって満足できるカラー性能が得られるので、ほとんど全ての直視型カラーＬＣＤにおいて色選択のために使用されている。通過帯域の外側の波長を吸収せずに反射する有用な性質を有する多層誘電体干渉フィルタすなわちホログラフィー形式のフィルタの中から、非常に効率のよい色選択フィルタを見つけ出すことができる。しかし、多層誘電体干渉フィルタは伝送される光波と反射される光波間の位相関係を変えることによって作用し、その結果、有益な干渉と有害な干渉が生じので、光路長効果、従って入ってくる光の入射角に極めて敏感である。フィルタが有効に作用する角度の狭いことが、典型的な直視型カラーＬＣＤにおいて色選択のために多層誘電体干渉フィルタを使用することを制限している。
【００４４】
本発明の第３および第４の実施例における後部ＦＯＦＰ３２の使用はＦＯＦＰの出力面で光の立体角を制限するので、干渉すなわちホログラフィー形式のフィルタを独自に使用して、カラーＬＣＤの発光効率とカラー性能を向上させることができる。図５および図６にそれぞれ示した本発明の第５および第６の実施例は、第３および第４の実施例の後部ＦＯＦＰ３２と後部直線偏光子１６の間に、色干渉すなわちホログラフィー形式のフィルタモザイク３４を挿入している。原則として、ＬＣＤ材料の光学的構成に従って、後部ＦＯＦＰ３２と前部フィルタモザイク３０間のさまざまな位置にフィルタモザイク３４を配置することができる。赤色フィルタ素子が任意の決められた画素位置で前部フィルタモザイク３０の赤色フィルタ素子と対応するように、フィルタモザイク３４は、個々のフィルタ素子の解像度と位置が前部フィルタモザイク３０に直接対応している赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各フィルタ素子から成っている。高い分光選択性を有する適当な干渉フィルタ材料は、  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏａｔｉｎｇ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．  （米国）  から入手することができる。またホログラフィー処理によって作られた高い分光選択性のフィルタ材料は、  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  ｖｅｎｔｕｒｅ  ｏｆ  Ｄｕｐｏｎｔ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（米国）から入手することができる。
【００４５】
干渉すなわちホログラフィーフィルタのモザイク３４は、以下のようにＬＣＤの発光効率とカラー性能を向上させる働きをする。例えば、長い波長（赤）の可視光線が長い波長の光を通すように調整されたモザイク３４の素子（赤色フィルタ）と出会えば、この波長はそのフィルタを通過する。しかし、干渉すなわちホログラフィー赤色フィルタ素子は中間の波長（緑）と短い波長（青）を吸収せずに、これらの波長を反射して後部ＦＯＦＰ３２を通して戻す。これらの反射された波長は再び拡散層１４と出会うが、拡散層１４はこれらの波長を散乱し、かつ反射して後部ＦＯＦＰ３２を通してフィルタモザイク３４へ戻す。そこで、これらの波長は再びフィルタモザイク３４の長い波長すなわち赤色光を通すフィルタ素子と出会う。光が最終的に長い波長の光に対し正しい通過帯域をもつフィルタに出会うまでこのプロセスが続く。中間の波長（緑色）と短い波長（青色）についても同じプロセスが生じる。またフィルタモザイク３４のフィルタ素子は吸収フィルタモザイク３０のフィルタ素子に直接対応しているので、フィルタモザイク３０の対応する吸収フィルタ素子は“波長すなわち色の最終選択”を行い、他方のフィルタモザイク３４のフィルタ素子はフィルタモザイク３０のフィルタ素子で生じる吸収が比較的少なくなるように“波長すなわち色の予備選択”を行なう。このように、これらの第５と第６の実施例は、利用可能な光をより望ましく使用することによって、ＬＣＤの発光効率とカラー性能をよりいっそう向上させると同時に、広い視角を維持する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例であって、前部ＦＯＦＰを有する直視透過型バックライト付きカラーＬＣＤの分解図である。
【図２】本発明の第２の実施例であって、前部ＦＯＦＰの入力面に隣接して液晶セルの中に偏光子を組み入れた図１のカラーＬＣＤに似た分解図である。
【図３】本発明の第３の実施例であって、バックライトと拡散層からの光の収集を高めるため、さらに後部ＦＯＦＰを組み入れた図１のカラーＬＣＤに似た分解図である。
【図４】本発明の第４の実施例であって、バックライトと拡散層からの光の収集を高めるため、さらに後部ＦＯＦＰを組み入れた図２のカラーＬＣＤに似た分解図である。
【図５】本発明の第５の実施例であって、ディスプレイ装置の発光効率とカラー性能を向上させるため、さらに後部偏光子と後部ＦＯＦＰの間に色干渉すなわちホログラフィーフィルタのモザイクアレイを組み入れた、図３のカラーＬＣＤに似た分解図である。
【図６】本発明の第６の実施例であって、ディスプレイ装置の発光効率とカラー性能を向上させるため、さらに後部偏光子と後部ＦＯＦＰの間に色干渉すなわちホログラフィーフィルタのモザイクアレイを組み入れた、図４のカラーＬＣＤに似た分解図である。
【符号の説明】
１２  バックライト用光源
１４  拡散層
１６  後部直線偏光子
１８  液晶セル
２０ａ  前部偏光子すなわち検光子
２０ｂ  液晶セルと一体の前部偏光子
２２  後部ガラス層
２４  マトリックスアドレッシング要素とＩＴＯ画素電極
２６  液晶層
２８  前部保持要素（前部ＦＯＦＰ）
３０  色吸収フィルタのモザイク
３２  後部ＦＯＦＰ
３４  干渉すなわちホログラフィーフィルタのモザイク
【図１】
0003578824.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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