(57)【要約】ディスプレイ・パネル（２０２）に垂直なベクトルから外れた視野角からの偏光型ディスプレイ（２００）の輝度を向上させる装置および方法。本発明の利点は、ディスプレイのクロスコックピット視認性が必要なアビオニクス応用分野など、視野角要件が非対称である応用分野で使用するときに最も顕著となる。本発明は、偏光回転要素（２３０）をディスプレイ装置の一部として導入して、ある方向（２３２）から別の方向（２３６）へ偏光を回転させることによって、以前の設計に固有の限界を克服する。本発明を使用することによって、オフ・ノーマル輝度が十分である角度が最も広い軸を、特定の応用分野に対して最も理想的な軸（２１２、２２２）に再配向させることができ、したがってこのようなディスプレイの全体的な性能および効率を劇的に向上させることができる。
2005518554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の平面内の視野角を最適化するために照明の拡張された角度を有する偏光型ディスプレイ装置であって、
偏光型ディスプレイ・パネルと、
偏光型ディスプレイ・パネルの表面のすぐ近くに位置し、第１の偏光方向と第２の偏光方向の間で偏光を回転させる偏光回転要素と、
を備えた偏光型ディスプレイ装置。
【請求項２】
前記第１の偏光方向は入方向を含み、前記第２の偏光方向が出方向を含む、請求項１に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項３】
前記入方向は後方要素の通過軸を含み、前記出方向は後方偏光板の通過軸を含む、請求項２に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項４】
前記偏光回転要素は、偏光型ディスプレイ・パネルに対して屈折率整合されている、請求項１に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項５】
第１の偏光は、所望のビューイング・エンベロープの長軸と整列している、請求項１に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項６】
前記偏光回転要素は偏光型ディスプレイ・パネルの前に配置された、請求項１に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項７】
前記偏光回転要素は偏光型ディスプレイ・パネルの後方に配置された、請求項１に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項８】
前記偏光回転要素の第１の側に隣接した光学要素をさらに備え、偏光型ディスプレイ・パネルは前記偏光回転要素の第２の側に隣接している、請求項１に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項９】
前記光学要素は、ブルースター角効果に関係した偏光感応性非対称透過率特性を有する、請求項８に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項１０】
前記光学要素は偏光軸を有する、請求項８に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項１１】
前記光学要素は偏光感応性散乱要素を含む、請求項１０に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項１２】
前記偏光回転要素は、リターダ、半波長リターダ、多層リターダおよび捩れ光軸要素から成るグループからの部材を含む、請求項１に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項１３】
前記視野角は垂直から、２５Ｅから６０Ｅの角度範囲にある、請求項１に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項１４】
前方および後方偏光フィルタをさらに備え、偏光型ディスプレイ・パネルが、前方偏光フィルタと後方偏光フィルタの間に置かれた偏光モジュラを含み、前記偏光回転要素は、前記前方偏光フィルタと前記後方偏光フィルタ間の領域の外側に位置する、請求項１に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項１５】
前記偏光型ディスプレイ・パネルはアクティブ・マトリクス型液晶ディスプレイである、請求項１に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項１６】
前記光学要素は光学フィルムである、請求項８に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【請求項１７】
偏光型ディスプレイ・パネルの視認性特性を向上させるための装置であって、
第１の偏光軸を有する偏光感応性散乱要素と、
偏光感応性散乱要素の１つの表面に取り付けられた偏光回転要素と、
を備えた装置。
【請求項１８】
前記偏光回転要素は偏光型ディスプレイ・パネルの直近に位置し、前記偏光感応性散乱要素に関連した透過率エンベロープの長軸の向きは所望の視野角に沿って指向されるように、前記偏光感応性散乱要素の偏光軸は指向される、請求項１７に記載の発明。
【請求項１９】
第１の偏光に対して非対称角度パターンをとり、第１の偏光に対する長軸を有する透過率エンベロープを有する後方光学要素から光を伝送するステップと、
第１の偏光における前記後方光学要素からの光を偏光回転要素によって受光するステップと、
前記偏光回転要素によって第２の偏光に対して光を回転するステップと、
第２の偏光における前記偏光回転要素からの光を、後方偏光板を有する偏光型ディスプレイ・パネルによって受光するステップと、
を含む偏光型ディスプレイを使用して光を投射する方法。
【請求項２０】
最適化する角度範囲を選択するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記角度範囲を選択するステップは、選択した角度に対応する偏光回転要素用の材料を選択するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記材料を選択するステップは、所定の遅延および角度を有する材料を選択するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
第１の偏光を有し且つあるパターンの光を透過する後方光学要素と、
前記第１の偏光における後方光学要素からの光を受光し、第２の偏光において光を透過するために指向された後方偏光板を有する偏光型ディスプレイ・パネルと、
第２の偏光における偏光型ディスプレイ・パネルからの光を受光し、第３の偏光へ回転し、該光を透過する偏光回転要素と、
を備えた偏光型ディスプレイ装置。
【請求項２４】
前記後方光学要素により透過された光のパターンは長軸および短軸を有し、長軸は、前記偏光型ディスプレイ・パネルの通過軸と整列し且つ短軸よりもかなり広い、請求項２３に記載の偏光型ディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は一般に、液晶ディスプレイ、強誘電性ディスプレイ、投射型ディスプレイ、ならびに他の同種の被照明型ディスプレイ装置およびシステムを含む偏光型ディスプレイの分野に関する。ただしこれらに限定されるわけではない。詳細には本発明は一般に、広い視野角範囲にわたって照明および視認性を必要とする偏光型ディスプレイに関する。本発明は、この広角照明を希望する場合に偏光型ディスプレイの光透過率を最大化する方法および装置を対象とする。
【０００２】
発明の背景
偏光型ディスプレイ、特に液晶材料の固有の特性を利用した偏光型ディスプレイは、さまざまな応用分野で使用されている。一般的な偏光型ディスプレイ・システムは一般に、選択的偏光材料の両側に置かれた２枚のガラス板を間に挟み込んだ２枚の固定式偏光板と、この選択的偏光マトリックスの選択された領域に電場を適用する電極アレイとを含む構成を有する。この選択的偏光材料は一般に、それによって材料中の異なる偏光が異なる速度で材料中を伝搬することができる光学複屈折を示す材料である。この複屈折によって、入射光の偏光状態を選択的に別の偏光状態に変化させることができる。この偏光材料は、ある偏光状態の光線を、別の偏光状態の光線に対して選択的に減衰させる減衰手段を含むことができる。
【０００３】
ＬＣＤとしても知られる液晶ディスプレイは、偏光型ディスプレイ装置のよく知られた例である。液晶は、電子ディスプレイ装置において自体を有用ならしめる２つの主要な特性、すなわち（１）複屈折特性および（２）選択的ディレクタ整列特性を有する。液晶材料の複屈折特性は、液晶材料試料中を光が通過するときにその偏光面を変化させる。例えば偏光面を回転させる。これらの材料の選択的ディレクタ整列特性は、ディレクタまたは液晶材料中の異方性分子の局所的な平均配向を、適用された電場などの配向場と一時的に整列させる。
【０００４】
偏光型液晶ディスプレイは、これらの２つの特性を調和的に使用して、ディスプレイ画面の選択された領域へ入射する光を希望に応じて選択的に透過させ、または遮断する。一般的なＬＣＤ装置では、入射光が第１の偏光板によって偏光されて第１の偏光状態になる。光線が複屈折液晶材料を通過するときには、所与の領域の光線の偏光が第２の偏光状態に変化する。この偏光状態の変化は、単純な偏光の回転の形態をとるが、楕円偏光などの他の偏光構成をとることもある。光が出口偏光板から外へ出るとき、第３の偏光状態である出口偏光板の偏光状態を持っていない光線は吸収される。適用している電場を変化させると、対応する第２の偏光状態も変化し、これによって出口偏光板を通過する光の量を制御することができる。数多くの偏光型ＬＣＤモードが開発されている。これには、ツイステッド・ネマチック（ＴＮ）モード、スーパー・ツイステッド・ネマチック（ＳＴＮ）モード、強誘電モード、反強誘電モード、コレステリックモード、フェーズ変化モード、ゲスト−ホスト・モード、バーティカル・アラインメント（ＶＡ）モード、インプレーン・スイッチング（ＩＰＳ）モード、電気制御複屈折（ＥＣＢ）モード、πセル・モードなどが含まれる。以上に説明した原理を組み込んだ装置が、高効率偏光ディスプレイ（Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ）という名称の本出願の出願人の米国特許第５７５１３８８号、および偏光検知光学要素を作成する方法（Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍａｋｉｎｇ  ａ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）という名称の本出願の出願人の米国特許第５９９９２３９号に開示されている。これらの特許は参照によって本明細書に組み込む。
【０００５】
偏光型ディスプレイは、ディスプレイ上の像の鮮鋭度および輝度を向上させるためにしばしばバックライト照明を利用する。ポータブル・コンピューティング装置に組み込まれたバックライト付き偏光型ディスプレイでは、動作時間の延長に対する要求および限られたバッテリ電力のため、ディスプレイの効率が重視される。バックライト付きディスプレイの消費電力の大部分は光を生み出すために使用される。偏光型ディスプレイ装置の効率および性能はともに、生み出された光を効果的な方法で集め、誘導する装置の効率に比例する。
【０００６】
像の輝度を高めるのに有用であることが知られている１つの装置が光学フィルムである。光学フィルムは液晶ディスプレイ・システム、およびディスプレイの輝度を高めるために透過または反射光の方向または偏光を制御することが望ましい他の応用分野で使用される。このような光学フィルムを使用することによって、偏光型ディスプレイの所望の視野角範囲の輝度をかなり高めることができることが知られている。
【０００７】
光学フィルムは本質的に、反射、屈折、散乱またはこれらの組合せを通して光を再誘導するように設計された光透過性材料のフィルムを含む。ディスプレイ画面とともに使用すると光学フィルムは、光学フィルムがなければ吸収され、またはディスプレイから望ましくない角度で出ていってしまうであろう光を制御し再誘導することによって、ある所望の視野角範囲内のディスプレイの輝度をかなり高めることができる。光学フィルムがなければ無駄になるであろう光が反射され、または別の方法でディスプレイまたは光源へ再誘導され、そこでその一部を「再利用」し、ディスプレイから出ていくことができる角度または偏光でフィルムに戻すことができる。所望のレベルの輝度をディスプレイに提供するのに必要な消費電力を低減することができるのでこの再利用は有用である。以下の特許およびＰＣＴ公告にはさまざまな光学フィルムが記載されている。これらは参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００８】
米国特許第５７８３１２０号（ＰＣＴ公告ＷＯ９７／３２２２２号）、光学フィルムを作成する方法（Ａ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍａｋｉｎｇ  ａｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｌｍ）、
ＰＣＴ公告ＷＯ９７／３２２２３号、共通連続相を持つ光学フィルム（Ａｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｌｍ  ｗｉｔｈ  Ｃｏ−Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｐｈａｓｅｓ）、
米国特許第５８２５５４３号、第１の複屈折相と第２の相を含む散乱して反射する偏光要素（Ｄｉｆｆｕｓｅｌｙ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ  ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ  ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  ａ  ｆｉｒｓｔ  ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ  ｐｈａｓｅ  ａｎｄ  ａ  ｓｅｃｏｎｄ  ｐｈａｓｅ）、
ＰＣＴ公告ＷＯ９７／３２２２４号、Ａｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｌｍ、
ＰＣＴ公告ＷＯ９７／３２２２５号、光学フィルムを含むライト取付具（Ｌｉｇｈｔ  Ｆｉｘｔｕｒｅ  Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｌｍ）、
ＰＣＴ公告ＷＯ９７／３２２２６号、輝度増強フィルム（Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｆｉｌｍ）、
ＰＣＴ公告ＷＯ９７／３２２２７号、非法線の入射角で増加利得をもつ光学フィルム（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｌｍ  ｗｉｔｈ  Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ  Ｇａｉｎ  ａｔ  Ｎｏｎ−Ｎｏｒｍａｌ  Ａｎｇｌｅｓ  ｏｆ  Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）、および
ＰＣＴ公告ＷＯ９７／３２２３０号、光抽出器を備えた光ファイバ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｘｔｒａｃｔｏｒ）。
【０００９】
しかし、上記のタイプのフィルムの試験データは、これらのフィルムの性能が、ディスプレイ画面に垂直なベクトルに近い視野角に対して最も良好であることを明瞭に示している。それよりも広い視野角では、フィルムの性能が低下することが知られている。当技術分野では、従来のアーキテクチャによって生み出される装置よりも優れた表示特性および効率を有するディスプレイ装置が求められている。
【００１０】
発明の簡単な概要
本発明は、以後「オフ・ノーマル輝度（ｏｆｆ  ｎｏｒｍａｌ  ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）」と呼ぶ、ディスプレイ画面に垂直なベクトルから外れた視野角からの偏光型ディスプレイの輝度を高める装置および方法を含む。本発明の利点は、ディスプレイのクロスコックピット視認性（ｃｒｏｓｓ−ｃｏｃｋｐｉｔ  ｖｉｅｗａｂｉｌｉｔｙ）が必要なアビオニクス応用分野など、視野角要件が非対称である応用分野で使用するときに顕著である。このようなケースでは、所望のビューイング・エンベロープが例えば水平軸方向で広く（例えば＋／−５５度）、垂直方向で狭い（例えば３０度未満）。非対称ビューイング要件は、コンピュータ・モニタ、テレビジョンなど、他の多くのディスプレイ応用分野にも見られる。ただし、水平−垂直方向間で非対称であるとは言っても、左右では対称な性能を維持することがしばしば非常に望ましい。
【００１１】
本発明とともに使用するのに適した大部分の装置では、偏光型ディスプレイの後方に後方光学要素が配置される。先に論じたとおり、試験データによれば、光学フィルムなどのある種の光学要素は、最適なビューイング・エンベロープの範囲内の偏光型ディスプレイの輝度を相当に高める。しかし、これらの光学フィルムの多くは、多くの応用分野で必要なより広い角度からのオフ・ノーマル輝度を向上させることに関しては依然として不向きである。
【００１２】
偏光型広角ディスプレイ向けに照明を最適化しようとする以前の試みは、いくつかの欠点および限界に直面した。例えば、こうして得られるディスプレイ画面では、最も広い照明角度が、最も有用だと考えられる水平方向に沿った平面になく、ディスプレイ画面の対角線に沿った向きの平面内に現れる。
【００１３】
本発明は、後方光学要素から後方偏光板に透過する光の偏光面を回転させる偏光回転要素を、ディスプレイとディスプレイの後方要素との間に導入することによって、先に説明した問題を解決する。偏光回転要素は多くの形態をとることができる。使用する特定の要素の選択は、特定の応用分野の詳細および要求によって決まる。考慮すべき因子には例えば、分散、色度シフトの許容差、効率およびコストが含まれる。本発明を使用することによって、オフ・ノーマル輝度が十分である角度が最も広角な平面を、特定の応用分野に対して最も理想的な平面に対して再配向させることができ、したがってこのようなディスプレイの全体的な性能および効率を劇的に向上させることができる。
【００１４】
本明細書に記載した発明は、広視野角でのディスプレイ透過率において重大な利点を提供し、前置偏光板などの光学要素と広視野角偏光型ディスプレイとの適合性を劇的に増大させる。
【００１５】
発明の詳細な説明
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部分を構成する添付図は、本発明をさらに説明し、本発明の詳細な説明とともに本発明の原理を説明する働きをする。全図面を通して、同じ参照番号は同一の要素または機能上同種の要素を指す。
【００１６】
本発明は、ディスプレイのクロスコックピット視認性が必要なアビオニクス応用分野のディスプレイなど、視野角要件が非対称である広視野角ディスプレイを対象とする。このような応用分野では、理想的なビューイング・エンベロープが水平軸方向で広く（おそらく最大５５度オフ・ノーマル）、垂直方向で狭い（おそらく３０度未満）。同様のビューイング条件は、コンピュータ・モニタ、テレビジョンなど、他のディスプレイ応用分野にも見られる。
【００１７】
本発明とともに使用するのに適した大部分の装置では、偏光型ディスプレイ・パネルの後方に１つまたは複数の後方光学要素が配置される。この光学要素は、例えば高効率偏光ディスプレイ（Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ）という名称の本出願の出願人の米国特許第５７５１３８８号、および偏光感知光学要素を作成する方法（Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍａｋｉｎｇ  ａ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）という名称の本出願の出願人の米国特許第５９９９２３９号に開示されている偏光感応性散乱要素（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ）などのように、偏光依存性の透過率対視野角特性を有する。１つには空気界面および内部界面での偏光感応性の反射のため、このような要素は、透過光がブルースター角に近づき、透過光の偏光軸が入射／反射面に含まれるか、またはその近くにあるときにより高い透過率を示すことができる。言い換えると、ディスプレイ装置の後方光学要素偏光板の通過軸の方向の角度に対してより高い透過率が得られる。
【００１８】
そのような１つのシナリオが図１に示されている。図１には、概ね長方形の画素型ディスプレイ・パネル１０２と、画素型ディスプレイ・パネル１０２の裏面に配置された後方偏光板（図示せず）の通過軸１０８と実質的に整列した直線偏光軸または通過軸１０６を有する後方要素１０４とを備えた偏光型ディスプレイ装置１００が示されている。後方要素１０４は例えば、前置偏光板を含むことができる。効率を高めるためには一般に、後方要素１０４を透過した光が高い割合で後方偏光板を透過することが必要である。そのため一般的には、後方要素１０４の通過軸１０６が後方偏光板の通過軸１０８と密に整列する必要がある。さらに、設計上の考慮事項として、ディスプレイ装置１００の後方偏光板の通過軸１０８の任意の回転は一般に排除される。例えば、最も一般的な直視用ツイステッド・ネマチック・ディスプレイ構成は斜めの前および後通過軸を有する。この通過軸を、偏光板の偏光軸または透過軸と呼ぶこともある。ディスプレイ装置１００の光源および他の構造要素は、上記の先行特許に記載されているものとすると有利である。
【００１９】
装置の所望のビューイング・エンベロープ１２０は応用分野によって決まる。透過率エンベロープ１１０は、後方偏光板の通過軸１０８によって選択された偏光に対して後方要素１０４の透過率の角度が非対称であることを表す。例えば、エンベロープ１１０を、要素１０４が等しい透過率を有する角度を表す等透過率線に関係づけることができる。この設計では、エンベロープ１１０と１２０が一致していないため、ビューイング・エンベロープ１２０の急な角度のところでの透過率が低くなる（おそらくは後方要素がない場合よりも低くなる）。図示の装置１００では、後方要素１０４の通過軸１０６の方向のせいで、後方要素１０４の透過率エンベロープ１１０の長軸１１２が所望のビューイング・エンベロープ１２０の長軸１２２から約４５度ずれている。図１から分かるように、実際のエンベロープ１１０と所望のエンベロープ１２０の間にはかなりの不一致がある。この不一致は重大な性能ギャップを表す。
【００２０】
図２に示すように、本発明の一実施形態を例示するディスプレイ装置２００は、後方要素２０４と画素型ディスプレイ・パネル２０２の裏面の後方偏光板（図示せず）との間に偏光回転要素２３０を導入することによって、先に説明した問題を解決する。広角照明源（図示せず）からの光線は後方要素２０４に入射する。後方要素２０４はこれらの光線に作用して、前記光線の少なくとも一部分を概ね回転要素２３０の方向へ透過させる。回転要素２３０はこの偏光を、後方要素の通過軸２０６に一致した入方向２３２から後方偏光板の通過軸２０８に一致した出方向２３６へ角度２３４の分だけ回転させる。本発明の一態様によれば、後方要素２０４の配向２０６は後方偏光板の配向２０８に対して固定されない。そのため、後方要素２０４の長軸２１２を有する輝度エンベロープ２１０を最適化する位置へ後方要素２０４の通過軸２０６の向きを合わせて、長軸２２２を有する所望のエンベロープ２２０とより密に一致するようにすることができる。このように、この実施形態は広い視野角で最適な性能を与える。
【００２１】
偏光回転要素２３０は、ほぼ半波長板またはほぼλ／２板を含む多くの形態をとることができる。使用する特定の要素の選択は、その応用分野の特定の要件によって決定される。考慮すべき因子には例えば、分散、色度シフトの許容差および効率が含まれる。適当な要素回転要素２３０の例には以下のようなものがある。ただしこれらに限定されるわけではない。
【００２２】
・ポジティブＡプレート（例えばｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚ）などの従来のリターダ、ほぼ半波長。
・ネガティブＡプレート（例えばｎｘ＜ｎｙ＝ｎｚ）、ほぼ半波長。
【００２３】
・２軸リターダ（ｎｘ！＝ｎｙ！＝ｎｚ）、ｎｘ−ｎｙ平面でほぼ半波長。
・色消し半波長板などの多層リターダ構造、または同種の多層構造。
・偏光板を持たないＴＮ  ＬＣＤセルなどの、リターダの回転角度内で光学軸が捩れる捩れ光学軸リターダ、または同種の複屈折ポリマー構造（例えば重合可能液晶（ＬＣ）またはポリマーＬＣを使用して製作することができる構造）。
【００２４】
・スタックの前から後方へ向かって光学軸が層から層へ徐々に回転する偏光板、リターダなどの高透過率複屈折層スタック。
これらのリターダとして使用するのに適した材料は当技術分野で数多く知られており、これらには、ポリカーボネート、アクリル、ポリスルホン、ポリエステル、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ＰＥＴ、ナイロン、アクリロニトリル、ポリマー液晶、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）およびこれらの組合せが含まれる。ただしこれらに限定されるわけではない。
【００２５】
図２の実施形態の一形態では、偏光回転要素２３０がディスプレイ・パネル２０２の後方偏光板に直接に積層される。図２の実施形態の他の形態では、偏光回転要素２３０が後方要素２０４に直接に積層される。図２の実施形態の他の形態では、偏光回転要素２３０が、後方偏光板と後方要素２０４の間に取り込まれる。
【００２６】
本発明の特定の一実施形態では、図２に示した画素型ディスプレイ・パネル２０２が、後方偏光板の角度通過軸２０８が装置２００の水平軸２１０から−４５度ずれたアクティブ・マトリクス型液晶ディスプレイ・パネルである。後方要素２０４は、後方散乱、後方反射または拡散反射型の前置偏光板である。前置偏光板２０４は、米国特許第５７５１３８８号および５９９９２３９号に記載されているように未使用の偏光をバックライト・キャビティ（図示せず）に戻すことによってディスプレイの効率を高める働きをする。
【００２７】
図２に示した実施形態は、図２のエンベロープ２１０および２２０によって表される拡張された照明またはビューイング・エンベロープを提供する。偏光を回転させるのに有用な可能な設計にはこのほか、比較的平行な光に対して偏光を回転させる構成が含まれる。このような設計の図２の実施形態の最も重大な効果または利益は特に、広角照明を必要とする応用分野で調和的に実現される。この実施形態の光線は、垂直方向に対して大きな角度でシステム内の１つまたは複数の界面に入射する。本発明によれば、このディスプレイは、レンズまたは拡散器を介在させない直視モードで利用することができ、垂直から２０度以上ずれた角度を含む所望のエンベロープを有することができる。より好ましくは、視野角が、垂直から３０度以上ずれた角度を含むが、本発明のこの実施形態から最大の利益を得るためには、所望のビューイング・エンベロープが垂直から５０度以上ずれた角度を含む。
【００２８】
図３に本発明の他の実施形態を示す。図３に示すとおりディスプレイ装置３００は、後方要素３０４と画素型ディスプレイ・パネル３０２の裏面の後方偏光板（図示せず）との間に偏光回転要素３３０を含む。回転要素３３０は、入方向３３２から後方偏光板の通過軸３０８に一致した出方向３３６に角度３３４の分だけ偏光を回転させる。これらの要素が図２の要素２００〜２３６と本質に等価であることは容易に理解される。
【００２９】
要素３０２〜３３６に加えて、図３に示した実施形態は、画素型ディスプレイ・パネル３０２の前面に配置された追加の偏光回転要素３４０を含む。要素３４０は、ディスプレイ・パネル３０２の前面を透過した光の偏光を、方向３４２から方向３２２へ角度３４４の分だけ回転させる。
【００３０】
図３から分かるとおり、方向３２２は、所望のビューイング・エンベロープ３２０の長軸に沿って延びている。適当な光学装置とともに使用すると、軸３２２に沿った偏光方向は、所望のビューイング・エンベロープ３２０の長軸３２２に沿ってビューイング・エンベロープをさらに広げる効果を有する。エンベロープ３１０は、ディスプレイ・パネル３０２の固定された固有の透過率エンベロープ（図示せず）を含まない、回転要素３４０がない場合に生じるであろう実際の透過率エンベロープを表し、エンベロープ３４８は、回転要素３４０を組み込んだ装置３００のエンベロープを表す。同様に、前回転要素３４０はこのようなシステムにおいて、要素３０４および３３０の存在とは独立に有利に使用することができる。
【００３１】
図４に本発明の他の実施形態を示す。この実施形態では、偏光回転要素４３０がディスプレイ・パネル４０２のすぐ後方に配置される。偏光回転要素４３０の向きは、後方要素から入射し、所望のビューイング・エンベロープ４２０の長軸４２２に沿って偏光される光が、後方偏光板の通過軸４０６と一致するように回転された偏光を有するように決められる。この実施形態の利益を可能にするためには、偏光回転要素４３０が、ディスプレイ・パネルの後方偏光板に対して屈折率整合させていることが好ましい。このことは、空気ギャップを介在させずに直接に偏光回転要素を積層し、または他の方法で取り付けることを意味する。これにより、所望の視野角全体にわたって後面反射を最小化することができる。同様に、前方偏光回転要素４４０は、ディスプレイ・パネル４０２の前面に対して屈折率整合されていることが好ましく、前方偏光回転要素４４０は、ディスプレイ・パネル４０２から出た光線の偏光４４２を回転させて、所望のビューイング・エンベロープ４２０の長軸４２２に一致させる。図４に示した角度は多くの一般的なＬＣＤ構成を代表するが、ＬＣＤモードおよび応用分野によって正確な角度は変化するので、本発明は事実上一般化されたものであると理解しなければならない。
【００３２】
図５に本発明の他の実施形態を示す。図２の実施形態と似ているが（図５の共通する要素については図２についての議論を参照されたい。したがってそれらの共通事項についての議論は繰り返さない）、この実施形態では、通過軸を持たない後方要素５０４を利用する。後方要素は例えば、１層または数層のガラス、拡散器材料、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）または前置偏光板として機能しない他の材料の層から成ることができる。偏光回転はむしろ、所望のビューイング・エンベロープ５２０の外側の角度でのこれらの要素からの表面反射を低減するのに利用される。図５に示すように、本発明が組み込まれたディスプレイ装置５００は、後方要素５０４と画素型ディスプレイ・パネル５０２の裏面の後方偏光板（図示せず）との間に偏光回転要素５３０を導入する。垂直以外の角度で入射した場合、ディスプレイ装置５００の裏面に入射した光線の一部分は、表面反射によって少なくとも部分的に偏光される。回転要素５３０はこれらの光線に作用して、入方向５３２に沿った偏光を、後方偏光板の通過軸５０８と一致した出方向５３６に角度５３４の分だけ回転させる。この設計では、ある入射角で入射したある偏光の反射率の自然の低減が影響を受けて、所望のエンベロープ５２０全体にわたって透過率が最適化される。そのため、この実施形態は広視野角で最適な性能を与える。
【００３３】
図５の後方要素５０４は他の形態をとることもできる。一実施形態では後方要素５０４が、ミネソタ・マイニング・アンド・マニュファクチュアリング・カンパニー（Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ  Ｍｉｎｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ：３Ｍ（商標））社から販売されているプリズマティック輝度増強フィルム（Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｆｉｌｍ（ＢＥＦ））などの方向制御フィルムである。バックライト構成を適当にすれば、このようなフィルムは限られた角度範囲内に光を集める。本発明は、角度範囲の境界近くの表示出力をかなり増大させることができる。プリズム・フィルムを通過した光線に関連した大きな入射角のため、これらのフィルムを用いた表面反射の効果は重大である。
【００３４】
以上の実施形態では偏光回転要素を、ある方向の直線偏光を他の方向の直線偏光へ回転させるものとして説明した。しかし、全ての波長および全ての入射角に対してこれを実行する理想的な単一の解決方法は存在しないことを当業者は理解しよう。本発明は、所望の性能またはビューイング・エンベロープに対して最適化された、実質的に１つの直線偏光から他の直線偏光への偏光の回転を提供することによってこれに対応する。
【００３５】
所望のエンベロープ全体にわたって性能を最適化するためには一般に、後方要素およびディスプレイ・パネルの諸構成要素の詳細な特性に応じて、単純な偏光回転設計からわずかに逸脱することが好ましい。これは、所望のエンベロープに対して適当なメリット・ファンクションが最適化されるまで偏光回転要素を、経験的にまたはシミュレーションによって繰り返し調整することによって達成することができる。非限定的な例として、ＬＣＤの後方偏光板または前方偏光板として使用される大部分の偏光フィルムは、実際の偏光層の外面にＴＡＣなどの透明なポリマー基板を含む。この透明フィルムは一般に、角度性能に影響を及ぼす可能性がある複屈折特性を示す。偏光回転要素の設計を調整して、所望のビューイング・エンベロープにとって有利な方法でこの複屈折を補償することが望ましい。
【００３６】
具体的には、本発明の他の態様によれば、偏光回転要素が、入射角が広い範囲にわたって変化するときに比較的に均一な性能が得られる単層半波長リターダである。これは例えば、従来のポリカーボネートまたはＰＶＡリターダによって、あるいは参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第５８６７２３９号に記載されているものなどのアクリロニトリル・リターダまたはアクリロニトリルコポリマー・リターダによって、あるいは同様の特性を有するその他のリターダによって提供することができる。
【００３７】
他の実施形態を図６に示す。この図には、リターダ６５０および６５２を含む偏光回転要素６３０が示されている。リターダ６５０は、角度６５６の方向を向いた光学軸６５４を有し、リターダ６５２は、角度６６０の方向を向いた光学軸６５８を有する。遅れおよび角度は、この回転子を使用するディスプレイに最適な回転が提供されるように調整される。この実施形態では、２つのリターダ６５０および６５２がそれぞれポジティブＡプレートであり、これらのポジティブＡプレートは、約２００ｎｍの面内遅れ（ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ｒｅｔａｒｄａｎｃｅ）を有することが好ましい。角度６５４および６５６はそれぞれ１４度および１２９度であることが好ましい。回転要素６３０は、図２の実施形態の要素２３０として使用するのが効果的であり、この要素は、偏光を実質的に約４５度の角度２３４だけ回転させる。これらの層は互いに対して積層され、かつ偏光板に対しても積層されることが好ましい。この要素は、本明細書の他の図に示した実施形態でも同様に使用することができる。当業者なら、対称特性を使用して偏光を他の方向に回転させることによって類似の回転子要素を製作することができること、および他の多層構成を構築することができることを理解するであろう。
【００３８】
上で説明した構成を使用した測定によれば、偏光回転子に対して予想されるとおりに垂直な入射での効果が最も小さく、５５度、−５５度など、水平方向に垂直からより離れた角度では透過率がかなり増大する。ベア・ガラス、ＩＴＯガラス、ＢＥＦフィルム、前置偏光拡散器、図４の実施形態の場合のような外面単独を含む、さまざまな後方要素を使用して試験を実施した。増大の程度は、空気界面または後方要素の偏光感応性透過率の簡単な予測または測定と合理的に一致していた。
【００３９】
本発明の他の実施形態を図７に示す。これは反射モード・ディスプレイ装置である。前方偏光板７６４は、ディスプレイ装置７００の前面に入射した光線（図示せず）を偏光させる。広角光線を含むこれらの光線の供給源は周囲光とすることができ、あるいは、特に生成され、ディスプレイ装置の前面に向かって誘導された光とすることもできる。アドレス可能な偏光制御要素７６２は、前方偏光板７６４を透過した光線の偏光状態を選択的に変化させる。これらの光線は次いで偏光回転要素７３０を通過する。一部の光線は光学要素７０４によって反射または後方散乱され、その後、これらの要素を逆の順番で通過し、または前方偏光板７６４または偏光制御要素７６２によって吸収される。アドレス可能な偏光制御要素７６２は例えば、先に説明したいずれかの偏光型ディスプレイＬＣＤモードを利用する装置を含むことができる。光学要素７０４は、第１の直線偏光の光を実質的に拡散反射しまたは後方散乱させ、一方で、第１の偏光に直交する第２の偏光を実質的に吸収しまたは透過させる任意の要素を含むことができる。例としては、米国特許第５７５１３８８号および５９９９２３９号に記載されている偏光感応性散乱要素（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ：ＰＳＳＥ）などの反射または後方散乱型偏光板、あるいは吸収型偏光板とその後方の反射器とから成るアセンブリが挙げられる。
【００４０】
光学要素７０４は後方散乱型ＰＳＳＥであることが好ましい。このような要素の散乱プロファイルは要素の微細構造の形態、例えば形状、サイズ、配向、アスペクト比の関数である。例えば、配向した長いロッド、ドロップレットまたはファイバを含むＰＳＳＥは、フラットなドメインを含むＰＳＳＥとは異なる散乱方向性を有する傾向がある。本発明は、要素７６２および７６４の設計から大幅に独立して、ＰＳＳＥ軸の向きを決めることができるという追加の自由度を提供する。これによって、反射モードに対してもビューイング・エンベロープを最適化することができる。
【００４１】
上で説明した反射モードに加えて、後方要素７０４の性質に応じて、装置をバックライト照明に適したものにすることもできる。ここでもやはり、偏光回転要素７３０を使用することによって、ディスプレイ装置のビューイング・ジオメトリを最適化することができる。図７の実施形態の他の変形形態は、偏光回転要素７３０と拡散型ＰＳＳＥ７０４の組合せを、偏光に対して前または後投射画面と類似の方法で使用するものである。
【００４２】
図８に、測定された一組のデータを示す。この測定のための実験設定は、図２の実施形態に基づいておこなった。通常白のツイステッド・ネマチック・セルをディスプレイ・パネルとして使用し、後方要素は、市販の拡散反射型偏光板、３Ｍ（商標）  拡散反射偏光板（Ｄｉｆｆｕｓｅ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）とした。偏光回転要素および偏光板の角度は、図６の実施形態で説明したように構成した。このアセンブリに拡散型のバックライトを当て、本発明を使用した場合としない場合とで輝度を測定した。名目構成（図１参照）では、後方要素の偏光軸を後方偏光板の偏光軸と整列させた。改良構成では、後方要素の偏光軸を水平まで回転させ、偏光回転要素は後方偏光板に積層した。垂直視野角を０度としたときの水平視野角に対する輝度の増大を、向上割合（Ｌimproved／Ｌnominal−１）×１００として図８に示した。水平角が垂直から離れるにつれて２３％もの相対的な増大が見られる。
【００４３】
本発明の他の実施形態を図９に示す。ここでは、偏光回転要素の特性と追加の光再誘導要素とを組み合わせて、追加の利益を得る。図９は、バックライト付きディスプレイ構成９００の側面図を示す。広角照明器９８０が光線９８２を供給し、次いでこの光線が後方要素９０４を通過する。光線９８４は、概ね方向９８６の方向に後方要素９０４を出て、光再誘導要素９８８に入射する。光線９８４は、光再誘導要素９８８によって新しい方向９９０に再誘導され、その後、偏光回転要素９３０および偏光型ディスプレイ・パネル９０２を通過する。偏光回転要素９３０、後方要素９０４およびディスプレイ・パネル９０２の動作は先に説明したとおりである。これらの要素を光再誘導要素９８８と組み合わせることによって、広角性能およびビューイング・エンベロープ・マッチングを同時に最適化することができる。光再誘導要素９８８は、フレネル・レンズ、フレネル・プリズム、回折要素、ホログラフィ要素、偏光保存拡散器など、当業者に知られているものを含むいくつかの任意の形態をとることができる。それぞれの入力方向９８６に対して、１つまたは複数の対応する出力方向９９０がある。
【００４４】
本発明の数多くの変形が可能であり、これらは当業者には明白であろう。エンベロープおよび構成要素軸のさまざまな方向および偏光回転子の形態のさまざまなオプションに加えて、本発明は、前置偏光板の代わりに、または前置偏光板と一緒に他の後方要素を使用して有利に使用することができる。このような光学要素の例には、ヒータ・ガラス、拡散器、方向性フィルム、ＥＭＩフィルタなどが含まれる。これらの要素はそれぞれ、設計による、または要素の詳細な性質のアーチファクトとしての視野角限界および偏光感応性の透過率を有する。例えば、本発明を使用すると、このような要素上に高価な反射防止膜を配置する必要性を低減させることができる。プリズム方向性フィルムの透過率の偏光感応性に影響を及ぼすことができる。
【００４５】
本明細書に記載した実施形態および例は、本発明およびその実際の適用を最もよく説明し、それによって当業者が本発明を実施し利用できるようにするために示したものである。しかし、以上の説明および例は、例示目的で示したにすぎないことを当業者は理解されたい。本発明の他の変形および変更は当業者には明白であり、添付の請求項の目的はこのような変形および変更をカバーすることにある。記載の説明は、全てを網羅しようとするものでも、または本発明の範囲を限定しようとするものでもない。上記の教示を考慮すれば、上記の請求項の範囲を逸脱しない多くの変更および変形が可能である。本発明の使用に、さまざまな特性を有する構成要素を含めることが企図される。本発明の範囲は、あらゆる等価物に対する完全な認識を与える本明細書に添付の請求項によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本出願人の上記先行特許に開示されている装置などの従来技術の偏光型ディスプレイ装置を示す図であって、所望のビューイング・エンベロープを、偏光型ディスプレイ装置中の実際のビューイング・エンベロープとの比較で示す図である。
【図２】
本発明の一実施形態が組み込まれた偏光型ディスプレイ装置を示す図である。
【図３】
本発明の第２の実施形態が組み込まれた偏光型ディスプレイ装置を示す図である。
【図４】
本発明の第３の実施形態が組み込まれた偏光型ディスプレイ装置を示す図である。
【図５】
本発明の第４の実施形態が組み込まれた偏光型ディスプレイ装置を示す図である。
【図６】
本発明に基づく偏光回転要素の一実施形態を示す図である。
【図７】
本発明の第５の実施形態が組み込まれた偏光型ディスプレイ装置を示す図である。
【図８】
測定された本発明の一実施形態の性能の向上を示す図である。
【図９】
本発明の一実施形態が組み込まれた偏光型ディスプレイ装置を示す図である。
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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