(57)【要約】  概ね無偏向の照明光を発するバックライトユニットと、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、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、変調ビームを波長選択的に透過させる色フィルタアレイと、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、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。
2008521059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（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主偏光器と、
（ｃ）光源側主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色フィルタアレイと、
（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主偏光器と、
（ｆ）液晶型空間光変調器と看者側主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。
【請求項２】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、反射性偏光素子が液晶型空間光変調器の表面に光学結合した液晶ディスプレイ。
【請求項３】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、色フィルタアレイが液晶型空間光変調器の表面に光学結合した液晶ディスプレイ。
【請求項４】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、反射性偏光素子の光透過率が７５％超である液晶ディスプレイ。
【請求項５】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、更に、光源側主偏光器とバックライトユニットの間に配置された反射性の光源側補助偏光器を備える液晶ディスプレイ。
【請求項６】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、更に、光源側主偏光器とバックライトユニットの間に配置されたコリメーティング膜を備える液晶ディスプレイ。
【請求項７】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、更に、反射性偏光素子に光学結合した補償膜を備える液晶ディスプレイ。
【請求項８】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、看者側主偏光器の光透過軸と光源側主偏光器の光透過軸が±１０°の精度で互いに平行である液晶ディスプレイ。
【請求項９】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、看者側主偏光器の光透過軸と光源側主偏光器の光透過軸が±１０°の精度で互いに直交する液晶ディスプレイ。
【請求項１０】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、看者側主偏光器の光透過軸と反射性偏光素子の光透過軸が±１０°の精度で互いに平行である液晶ディスプレイ。
【請求項１１】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、反射性偏光素子としてワイヤグリッド型偏光器を使用する液晶ディスプレイ。
【請求項１２】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、反射性偏光素子として多層干渉型偏光器を使用する液晶ディスプレイ。
【請求項１３】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、反射性偏光素子として１／４波長リターダ付コレステリック液晶型偏光器を使用する液晶ディスプレイ。
【請求項１４】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、バックライトユニットとして発光ダイオードを少なくとも１個使用する液晶ディスプレイ。
【請求項１５】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、反射性偏光素子が反射性偏光性色フィルタアレイである液晶ディスプレイ。
【請求項１６】
請求項１５記載の液晶ディスプレイであって、反射性偏光性色フィルタアレイが、
ａ）反射性偏光器と、
ｂ）反射性偏光器と看者側主偏光器の間に配置された反射性色フィルタアレイと、
を有する液晶ディスプレイ。
【請求項１７】
請求項１５記載の液晶ディスプレイであって、反射性偏光性色フィルタアレイが、
ａ）反射性色フィルタアレイと、
ｂ）反射性色フィルタアレイと看者側主偏光器の間に配置された反射性偏光器と、
を有する液晶ディスプレイ。
【請求項１８】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、バックライトユニットが直線偏光を放射する液晶ディスプレイ。
【請求項１９】
請求項１８記載の液晶ディスプレイであって、バックライトユニットが反射性偏光器を有する液晶ディスプレイ。
【請求項２０】
請求項１８記載の液晶ディスプレイであって、色フィルタアレイが反射性偏光素子と看者側主偏光器の間に配置された液晶ディスプレイ。
【請求項２１】
請求項１８記載の液晶ディスプレイであって、反射性偏光素子が色フィルタアレイと看者側主偏光器の間に配置された液晶ディスプレイ。
【請求項２２】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、更に、バックライトユニットと光源側主偏光器の間に配置された反射性色フィルタアレイを備える液晶ディスプレイ。
【請求項２３】
請求項２２記載の液晶ディスプレイであって、色フィルタアレイが反射性偏光素子と看者側主偏光器の間に配置された液晶ディスプレイ。
【請求項２４】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、バックライトユニットが分光型バックライトユニットである液晶ディスプレイ。
【請求項２５】
請求項２２記載の液晶ディスプレイであって、反射性偏光素子が色フィルタアレイと看者側主偏光器の間に配置された液晶ディスプレイ。
【請求項２６】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、更に、バックライトユニットと光源側主偏光器の間に配置された反射性偏光性色フィルタアレイを備える液晶ディスプレイ。
【請求項２７】
請求項２６記載の液晶ディスプレイであって、色フィルタアレイが反射性偏光素子と看者側主偏光器の間に配置された液晶ディスプレイ。
【請求項２８】
請求項２６記載の液晶ディスプレイであって、反射性偏光素子が色フィルタアレイと看者側主偏光器の間に配置された液晶ディスプレイ。
【請求項２９】
請求項２６記載の液晶ディスプレイであって、反射性偏光性色フィルタアレイが、
ａ）反射性偏光器と、
ｂ）反射性偏光器とバックライトユニットの間に配置された反射性色フィルタアレイと、
を有する液晶ディスプレイ。
【請求項３０】
請求項１５記載の液晶ディスプレイであって、色フィルタアレイが、反射性偏光性色フィルタアレイと隣り合わせに配置された液晶ディスプレイ。
【請求項３１】
請求項１記載の液晶ディスプレイであって、看者側主偏光器の光透過軸と反射性偏光素子の光透過軸が±１０°の精度で互いに直交する液晶ディスプレイ。
【請求項３２】
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。
【請求項３３】
請求項３２記載の方法であって、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方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大まかには偏光器付のカラー液晶ディスプレイに関し、より詳細には、液晶ディスプレイ内の色フィルタアレイ（ＣＦＡ）や看者側偏光器にて吸収されてしまうはずの暗状態光を、反射性色フィルタアレイや反射性偏光器を併用して再循環（リサイクル）させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイにおける画像表示は、従来から、照明光の偏向状態を変調し、得られた偏光を液晶表面に入射することによって、行われている。例えばバックライト型液晶ディスプレイでは、光源側偏光器や看者側偏光器等、一群の偏光器を用いて液晶による空間変調を補う構成を採るのが普通である。光源側偏光器は光源と液晶型空間光変調器の間に配置される偏光器であり、これを通すことで液晶型空間光変調器への入射光は偏光になる。看者側偏光器は偏光器のうち液晶型空間光変調器から見て看者側に配置される偏光器であり、検光器として作動する。また、こうした液晶ディスプレイを構成する画素は、それぞれ、稼働時に明状態及び暗状態のうちの何れかの状態を採る。明状態とは、液晶型空間光変調器によって変調された光の偏光面が看者側偏光器の光透過軸と平行になっている状態であり、明状態の画素即ち明画素からは光が放射される。暗状態とは、液晶型空間光変調器によって変調された光の偏光面が看者側偏光器の光透過軸と平行になっておらず光がブロックされてしまう状態であり、暗状態の画素即ち暗画素からは光がほとんど放射されない。
【０００３】
図１１に、液晶ディスプレイの主要構成部品がどのように作動し、各画素で無偏向光や偏光がどのように処理されるか、そのあらましを示す。以下の説明及び図面では、この図における記号法及び図示法を踏襲することにする。図中、太い矢印は光の伝搬方向を、その上に重なっている記号は偏光成分を、脇に記されている記号は光透過軸の方向を、それぞれ表している。特に、互いに直交する偏光のうちＰ偏光は太い矢印に重なる直線で、Ｓ偏光は同じく円で、それぞれ表されており、光透過軸の方向は双方向矢印（Ｐ偏光面と平行な場合）又は円（Ｓ偏光面と平行な場合）で、それぞれ表されている。また、図中の偏光器５０ａ／５０ｂは、自分の光透過軸と平行な偏光面を有する偏光成分を透過させ直交する偏光面を有する偏光成分を吸収する偏光器、即ち吸収性偏光器であり、偏光器５２ａ／５２ｂは、自分の光透過軸と平行な偏光面を有する偏光成分を透過させ直交する偏光面を有する偏光成分を反射する偏光器、即ち反射性偏光器である。各液晶部品５４ａ／５４ｂは、概ね偏向済の照明光を画素単位で変調することにより、変調ビームを生成する。液晶部品５４ａ／５４ｂの状態には入射光の偏光面を回転させて出射する状態と回転させないで出射する状態とがあるが、以下の説明では前者（５４ａ）をオフ状態と呼び後者をオン状態（５４ｂ）と呼ぶことにする。また、オフ状態の液晶部品５４ａをオフ状態液晶部品と呼び、オン状態の液晶部品５４ｂをオン状態液晶部品と呼ぶ。このように、液晶部品５４ａ／５４ｂは、いわば液晶型空間光変調器上にある個々の光変調素子のことである。逆にいえば、液晶型空間光変調器とは液晶部品５４ａ／５４ｂのアレイのことである。
【０００４】
また、液晶型空間光変調器による画素変調状態には、先に示した通り暗状態と明状態の二種類がある。暗状態や明状態という表現は画素の状態を述べる表現、即ちその画素が見た目にどのように写るのかを表す表現であって、ここで述べたオン状態やオフ状態という表現、即ち液晶部品５４ａ／５４ｂにおける偏向作用自体を述べる表現とはまた別物であるので、注意されたい。
【０００５】
おわかり頂けるように、液晶型空間光変調器には、オン状態液晶部品５４ｂに対応する画素が暗状態になる種類と明状態になる種類とがある。即ち、液晶部品のオン状態及びオフ状態と画素の明状態及び暗状態とがどのような対応関係になるのかは様々であるが、本願では、特に注記しない限り
（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。
【０００６】
液晶ディスプレイには、通常、偏向処理や偏光再循環処理を担う部品に加え、色フィルタのアレイであるＣＦＡが設けられる。図１に、第１従来技術に係る液晶ディスプレイ１０の構成を示す。この液晶ディスプレイ１０は、吸収性の看者側偏光器５０ａ、ＣＦＡ６０、それぞれオフ状態（５４ａ）又はオン状態（５４ｂ）を採る複数個の液晶部品、吸収性の光源側偏光器５０ｂ、バックライトユニット５６並びに反射膜５７を備えている。オフ状態液晶部品５４ａは入射光の偏光面を変化させ、円で表されるＳ偏光を直線で表されるＰ偏光に、またＰ偏光をＳ偏光に変換するが、オン状態液晶部品５４ｂでは偏光面の回転は生じない。また、液晶部品５４ａ／５４ｂは各画素内で三原色に対応して三分割されており、それら液晶部品５４ａ／５４ｂによるアレイから出射される変調ビームの経路上にはＣＦＡ６０がある。そのＣＦＡ６０においては、レッド（Ｒ）用の色フィルタ６０ｒ、グリーン（Ｇ）用の色フィルタ６０ｇ及びブルー（Ｂ）用の色フィルタ６０ｂが、液晶部品アレイにおける液晶部品配置に対応して、アレイ配置されている（以下の図面では簡便化のため可能な限りフィルタの色符号を省略する）。本従来技術にてＣＦＡ６０を構成している各色フィルタ６０ｒ、６０ｇ及び６０ｂは、何れも吸収性である。
【０００７】
なお、画像表示に当たっては、周知の通り、複数の色（図示例ではＲ、Ｇ及びＢ）を変調ビーム内で混色させるのであるが、以下の記述では、その簡便化、単純化のため、ある一色（Ｒ、Ｇ及びＢのうち何れか）の成分だけを通している状態を想定して、図１〜図１０Ｄに示す構成における光学的処理の内容に関し説明する。実際には、図１〜図１０Ｄに示す構成では同時に複数色を処理できるのでご注意頂きたい。
【０００８】
本従来技術では、バックライトユニット５６から無偏向光が放射されると光源側偏光器５０ｂがＳ偏光成分のみを通す。更に液晶部品５４ａ／５４ｂを通った光のうちＣＦＡ６０を通り抜けるのは、色フィルタ６０ｒ、６０ｇ及び６０ｂのうちその画素で表示させたい色に係る色フィルタに入射したものだけ（例えばＲＧＢのうちＧだけ）であり、他の色に係る色フィルタに入射したもの（例えばＲとＢ）はその色フィルタによって吸収される。そして、看者側偏光器５０ａはＰ偏光のみを通しＳ偏光を吸収するので、看者側偏光器５０ａを通り抜けるのはオフ状態液晶部品５４ａを通り抜けてきたＰ偏光成分だけである。
【０００９】
このように、光源側偏光器５０ｂ及びＣＦＡ６０にて吸収が生じるので、明画素放射光量は、その画素にバックライトユニット５６から入射する光量に対して、僅かに１／６程になってしまう。このことから明らかな通り、各種構成部品の配置を工夫し明画素放射光量を増やすことが求められている。
【００１０】
図２に、第２従来技術に係る液晶ディスプレイ１０の構成を示す。この従来技術では、偏光再循環を行うことで、図１に示した第１従来技術よりも明画素放射光量を増やしている。即ち、この構成では、バックライトユニット５６と光源側偏光器５０ｂの間に、反射性の補助偏光器５２ｂを配置してあるため、不要な偏光が反射されて明画素へと再循環され、第１従来技術に比べ明画素の輝度レベルがほぼ２倍になる。
【００１１】
図３Ａに、第３従来技術に係る液晶ディスプレイ１０の構成を示す。この従来技術では、光源側に反射性のＣＦＡ６２ｂを設け色再循環を行っている分、輝度レベルが高まっている。即ち、ＣＦＡ６２ｂにて不要な色成分が反射されるのでＣＦＡ６０における色成分吸収が少なくなる一方明画素に供給される光量が増え、従って図１に示した第１従来技術に比べると輝度レベルがほぼ３倍にも上る高さになる。また、図３Ｂに、ＣＦＡ６２ｂの位置を光源側偏光器（以下「補助」と区別する場合は「主」を付す；看者側についても同様）５０ｂと液晶部品の間に移した変形例を示す。吸収性の偏光器５０ｂが反射性のＣＦＡ６２ｂによる光再循環経路上にあるので、この変形例における明画素の輝度レベルは、図３Ａに示した第３従来技術における輝度レベルの約１／２になる。次いで、図４Ａに、第４従来技術に係る液晶ディスプレイ１０の構成を示す。この従来技術では、非特許文献１に記載の反射性偏向性ＣＦＡ（ＲＰＣＦＡ）、即ちそれ単独で偏向再循環と色再循環を同時に実行する膜状部材を、液晶部品５４ａ／５４ｂから見て光源側で用いている。このＲＰＣＦＡ６３ｂは、機能的にはＣＦＡ６２ｂ相当部分と光源側補助偏光器５２ｂ相当部分とに分けられるので、その配置形態は図４Ｂ及び図４Ｃに示す二種類の形態の何れかになる。図４Ｂに示した配置は、偏光器５２ｂ相当部分がバックライトユニット５６側にありＣＦＡ６２ｂ相当部分がその上に位置する配置であり、図４Ｃに示した配置はその逆に、ＣＦＡ６２ｂ相当部分がバックライトユニット５６側にあり偏光器５２ｂ相当部分がその上に位置する配置である。ＲＰＣＦＡ６３ｂには更に１／４波長プレートを組み込むこともできる。
【００１２】
以上の説明から理解できるように、反射性偏光器及び反射性ＣＦＡをうまく使用すれば液晶ディスプレイ放射光量を増加させることができる。そうした膜状部材の積層によって形成される液晶ディスプレイ１０のどこにそれらの膜状部材を配置すればよいかについては、図２〜図４Ｃに示した一群の従来技術から導き出せる一群の経験則、即ち
（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。
【００１３】
反射性偏光器を用いる従来技術、即ち図２及び図４Ａ〜図４Ｃに概略記載した従来技術については、
「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。
【００１４】
既に知られているように、使用する偏光器の種類によって得られる効果が違うので、偏光器の種類はそれを使用する液晶ディスプレイの使用形態に応じて決めるとよい。例えば「看者側可変位置偏光器付液晶ディスプレイ」（Liquid Crystal Displays with Repositionable Front Polarizers）と題する米国特許である特許文献５（発明者：Kotchick et al.）には、その看者側偏光器の傾きや位置を調整してより見やすい画面にすることができるポータブル装置用液晶ディスプレイモジュールが記載されている。この使用形態では、様々な種類の偏光器をその看者側偏光器として使用することができる。同様に、「液晶ディスプレイ付電子装置用可換偏光器」（Interchangeable Polarizers for Electronic Devices Having a Liquid Crystal Display）と題する米国特許出願に係る特許文献６（発明者：Sahouani et al.）には、その看者側偏光器を着脱でき且つ使用したい表示効果に応じ別の種類の偏光器に交換できる装置構成が記載されている。これら、特許文献５及び６に記載の構成のうち幾つかは、反射性偏光器を液晶ディスプレイ用看者側偏光器として使用する構成である点で、共通している。但し、重要なことに、特許文献５及び６では、メタリックな外観を得たい場合等、ある種の特殊な場合を除くとその種の構成は望ましくない構成であることが、輝度レベルや効率の向上とは特に関係なしに強調されている。輝度レベルや効率の向上との関連では、特許文献５及び６ではむしろ、本願図２に記載した構成のように、照明光源たるバックライトユニット５６と光源側偏光器５０ｂの間に反射性偏光器（５２ｂ）を配置する従来技術がある旨、説明されている。特許文献５及び６で指摘している従来技術は、明らかに、例外的な場合を除き液晶部品５４ａ／５４ｂよりも看者寄りの位置には反射性偏光器を設けない構成である。ここでいう例外的な場合とは、画面表示をメタリックな外観にしたい場合等のことである。実際、コントラスト比に大きなロスが生じ輝度レベル向上効果が事実上損なわれてしまうので、看者側偏光器５０ａの代わりに反射性偏光器を使用するのは望ましくないことである。
【００１５】
【特許文献１】米国特許第６６６１４８２号明細書
【特許文献２】米国特許第５８２８４８８号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００３／０１６４９１４号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００４／００６１８１２号明細書
【特許文献５】米国特許第６６４２９７７号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００３／００１６３１６号明細書
【特許文献７】国際公開第ＷＯ００／７０４００号パンフレット
【特許文献８】特開２００２−９９２５０号公報
【非特許文献１】"Cholesteric Colour Filters for Reflective and Transmissive LCDs" by R.T. Wegh, C. Doornkamp, and J. Lub in pp. 305-308 of Eurodisplay 2002
【非特許文献２】"Micro-structured Polymeric Linearly Polarized Light Emitting Lightguide for LCD Illumination" by H. J. B. Jagt, H. J.Cornelissen, and DJ. Broer in SID 02 Digest pp. 1236-1239
【非特許文献３】"Low-power LCD using a Novel Optical System" by Y. Taira et al. in SID 02 Digest pp. 1313-1315
【非特許文献４】"Design Issues in Using Thin-Film Optical Intereference Filters as Color Filters for LCD System Applications" by S-F. Chen and H-P. D. Shieh in SID 1994 Digest pp. 411-416
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
このように、従来から反射性偏光器、反射性ＣＦＡ及びＲＰＣＦＡを組み込む手法が液晶ディスプレイにおける効率及び輝度レベル向上手段として用いられてきたが、従来型の構成に比べ込み入った構成にすることなくまたコスト増を発生させることなく液晶ディスプレイの輝度を高めることが、今なお求められているといえよう。
【００１７】
即ち、より効率が高くより輝度レベルが高い液晶ディスプレイが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本願においては、より効率が高くより輝度レベルが高い液晶ディスプレイを実現することを目的として、
（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。
【００１９】
即ち、本発明の特徴の一つは、変調ビームの経路上にＣＦＡに加え反射性偏光素子を配置することにより、暗画素内の光即ち暗状態光を反射させ再使用できるようにしたことにある。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、従来の液晶ディスプレイに比べその輝度レベル及び効率が高い液晶ディスプレイが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に関し別紙図面を参照しつつ説明する。但し、以下の説明は本発明の技術的範囲を定めるものではない。本発明の構成要件は、別紙特許請求の範囲にて明瞭且つ一意に定義してある。また、以下の説明では、主として本発明に係る装置を構成する部材又はその装置と深い関係にある部材に絞って述べており、一部の部材については詳細な説明や図示を省いてある。説明や図示が省かれている部分については、本件技術分野における習熟者（いわゆる当業者）にとり周知の種々の形態を採りうるものと了解されたい。
【００２２】
本発明に係る装置及び方法においては、液晶ディスプレイの効率及び輝度レベルを高めるため、１個又は複数個の反射性偏光器をＣＦＡと併用し暗状態光を再循環させるようにしている。本発明は、「暗状態光再循環膜及びディスプレイ」（Dark State Light Recycling Film And Display）と題し本願出願人が特許を受ける権利を保持している２００４年９月１３日付米国特許出願第１０／９３９６５６号（発明者：Xiang-Dong Mi、米国代理人側整理番号：８８４５９）に記載されている暗状態光再循環という発想や、それを利用して液晶ディスプレイの効率及び輝度レベルを高める手法の適用範囲を、従来からある吸収性及び反射性ＣＦＡを用いた液晶ディスプレイにも拡張したものである。本願には、更に、液晶ディスプレイにてＲＰＣＦＡを好適に利用できる部材配置についても記載してある。
【００２３】
先に背景技術の欄で説明した通り、反射性偏光器を吸収性の看者側偏光器５０ａの代わりに使用することは、輝度レベルやコントラスト比を向上させる上で望ましくないことであるといわれてきたが、以下説明する本発明の各実施形態では、ある種の反射性偏光素子を用い様々な部材配置の液晶ディスプレイを実現している。ここでいう反射性偏光素子は、例えば１枚の膜状シート等の形態により独立単体の構成部品として実現することもできるし、或いは反射性偏光器とＣＦＡを組み合わせ複合性の高い高度なＲＰＣＦＡ（例えば前掲の非特許文献１に記載のＲＰＣＦＡやそれに類するもの）を構成することにより実現することもできる。また、後述する何れの実施形態に係る液晶ディスプレイにおいても、反射性偏光素子を変調ビームの経路上、液晶型空間光変調器と吸収性の看者側偏光器の間に配置している。
【００２４】
暗状態光再循環
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。
【００２５】
暗状態光再循環の仕組みを実際に即して説明するため、ここで、次の通り幾つかの変数を定義する。
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。
【００２６】
反射性の光源側補助偏光器がない構成における暗状態光再循環
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。
【００２７】
まず、図１４Ａに示す構成では、暗状態光再循環が発生しないので、個数比率１−ｘを占める明画素１２から放射される光束（明状態光）の総量は、
［数１］
Ｉtotal0≒０．５Ｉ0Ｔ||2Ｔlc（１−ｘ）
となる。
【００２８】
暗状態光再循環を発生させるため、吸収性の看者側主偏光器５０ａと液晶部品５４ａ／５４ｂの間に反射性の補助偏光器５２ａを配置すると、個数比率１−ｘを占める明画素１２からの総光束は、図１３Ａから理解できるように、ほぼ０．５Ｉ0Ｔ||2ＴlcＴf（１−ｘ）になる。
【００２９】
他方、個数比率ｘを占める暗画素１４内で反射されバックライトユニット５６にて再反射される光束は、図１３Ｂにから理解できるように、ほぼ０．５Ｉ0Ｔ||2Ｔlc2ＲfＲｘになる。
【００３０】
この光束のリダイレクト先は個数比率１−ｘの明画素１２と個数比率ｘの暗画素１４であり、リダイレクトは個数比率に応じた確率で行われることとなる。従って、明画素１２から放射される総光束は、一巡目即ち一次再循環光までを考慮すると
［数２］
Ｉtotal1≒０．５Ｉ0Ｔ||2ＴlcＴf（１−ｘ）＋０．５Ｉ0Ｔ||2Ｔlc2ＲfＲｘ・０．５Ｔ||2ＴlcＴf（１−ｘ）
＝０．５Ｉ0Ｔ||2ＴlcＴf（１−ｘ）｛１＋０．５Ｔ||2Ｔlc2ＲfＲｘ｝
となり、二次再循環光までを考慮すると
［数３］
Ｉtotal2≒Ｉtotal1＋（０．５Ｉ0Ｔ||2Ｔlc2ＲfＲｘ）2・０．５Ｉ0Ｔ||2ＴlcＴf（１−ｘ）
＝０．５Ｉ0Ｔ||2ＴlcＴf（１−ｘ）｛１＋０．５Ｔ||2Ｔlc2ＲfＲｘ＋（０．５Ｔ||2Ｔlc2ＲfＲｘ）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||2Ｔlc2ＲfＲｘ＋（０．５Ｔ||2Ｔlc2ＲfＲｘ）2＋…｝
＝０．５Ｉ0Ｔ||2Ｔlc（１−ｘ）・Ｔf／（１−０．５Ｔ||2Ｔlc2ＲfＲｘ）
となる。利得は
［数５］
ＧａｉｎDS＝ＩDS／Ｉtotal0−１
＝Ｔf／（１−０．５Ｔ||2Ｔlc2ＲfＲｘ）−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||2Ｔlc2ＲfＲ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。
【００３１】
図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃに、反射性の看者側補助偏光器５２ａの光透過率が１００％、９５％及び８０％（同順）であるときの暗画素率ｘに対する利得の関係を示す。何れの図からも、暗画素率ｘが同じなら係数ｆが大きければ大きい程利得も高くなり、係数ｆが同じなら暗画素率ｘが高ければ高い程利得も高くなることがわかる。
【００３２】
看者側補助偏光器５２ａの光透過率Ｔfが１００％である場合、図１５Ａに示すように、係数ｆ及び暗画素率ｘがどのような値でも利得は常に正の値になる。理想状態即ち係数ｆ＝１の状態では、暗画素率ｘを１００％に近づけると利得も１００％に近づく。
【００３３】
看者側補助偏光器５２ａの光透過率Ｔfが１００％未満例えば約９５％である場合、図１５Ｂに示すように、暗画素率ｘが低いときに利得が負になることがある。これは、暗画素１４が少なく明画素１２が多い画像だと光伝搬光率に実際にロスが生じることを表している。反面、暗画素１４が多く明画素１２が少ない画像、即ち暗画素率ｘが高い画像なら、利得は正になる。
【００３４】
看者側補助偏光器５２ａの光透過率Ｔfが更に低く例えば８０％である場合、図１５Ｃに示すように、係数ｆが小さく例えば０．２であると、暗画素率ｘの全値域（０から１まで）に亘り利得が負になることがある。しかしながら、適切に設計されている液晶システムならば大抵はｆ≧０．７になる。曲線から読み取れるように、ｆ＝０．７なら利得はｘ≧０．６の領域で正になる。
【００３５】
以上のことから理解できるように、暗状態光再循環の利得は液晶ディスプレイの画面上にどのような画像を表示させるかにより変わる。そこで、利得をより定量的に調べるため、暗画素率ｘの全値域（０から１まで）に亘り同一荷重で平均利得を計算してみた。図１６に、係数ｆ及び光反射率Ｔfの各組合せ毎に計算した平均利得を表により示す。この図から読み取れるように、係数ｆ及び光透過率Ｔfを右上の三角形に係る組合せにすれば、正の利得が得られる（損失にならない）。例えばＴf＝０．７５且つｆ≧０．９なら平均利得は正、Ｔf＝０．９且つｆ≧０．４でも正である。Ｔf＝０．９且つｆ＝０．７では平均利得は約１１％になる。なお、これら係数ｆ及び光透過率Ｔfの値域は適用する条件によって変化する。また、光利用効率率上の利得も、暗画素率の値が同じであっても画像のパターンが違えば異なる値になる。
【００３６】
反射性の光源側補助偏光器がある構成における暗状態光再循環
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。
【００３７】
まず、図１７Ａ及び図１７Ｂに示す従来の構成においては、暗状態光再循環は発生しないが反射性の光源側補助偏光器５２ｂにより偏光再循環が発生するので、個数比率で１−ｘを占める明画素１２から放射される総光束は
［数８］
ＩRPtotal≒０．５Ｉ0Ｔ||2Ｔlc（１−ｘ）Ｔr／（１−０．５ＲrＲ）≦２Ｉtotal0
になる。
【００３８】
これに対し、看者側主偏光器５０ａと液晶部品５４ａ／５４ｂとの間に反射性の看者側補助偏光器５２ａを配した図１８Ａ及び図１８Ｂの構成では、更に暗状態光再循環も発生するので、個数比率で１−ｘを占める明画素１２から放射される総光束は、
［数９］
ＩRPDS≒０．５Ｉ0Ｔ||2Ｔlc（１−ｘ）｛Ｔr／（１−０．５ＲrＲ）｝｛Ｔf／（１−Ｔ||2Ｔlc2ＲfＲｘ）｝
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］
ＧａｉｎRPDS＝ＩRPDS／ＩRPtotal−１＝Ｔf／（１−Ｔ||2Ｔlc2ＲfＲｘ）−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］
ＧａｉｎRPDS＝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||2Ｔlc2ＲfＲとおくと
［数１２］
ＧａｉｎRPDS＝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ＧａｉｎRPDSは２００％になり、ｘ＝５０％のときは３８％になる。
【００３９】
第１実施形態
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。
【００４０】
図５Ａ及び図５Ｂに示す液晶ディスプレイ２０は、吸収性の看者側主偏光器５０ａと液晶部品５４ａ／５４ｂの間に配置され反射性偏光素子４０として機能する反射性の看者側補助偏光器５２ａを備えている。また、ＣＦＡ６０は吸収性であり偏光器５２ａに隣接して配置されている。即ち、図５Ａでは偏光器５２ａと液晶部品５４ａ／５４ｂの間に、また図５Ｂでは偏光器５０ａと偏光器５２ａの間に配置されている。更に、本実施形態でも後述する実施形態でも、偏光器５０ａの光透過軸と偏光器５０ｂの光透過軸は互いに直交しており、偏光器５０ａの光透過軸と偏光器５２ａの光透過軸は互いに平行に並んでいる。その精度は少なくとも約±１０°の精度であり、例えば偏光器５０ａの光透過軸と偏光器５０ｂの光透過軸のなす角度は８０〜１００°の範囲内である。但し、こうした光透過軸配置は一例に過ぎず、他の配置、例えば偏光器５０ａの光透過軸と偏光器５０ｂの光透過軸を±１０°の精度で互いに平行にする等、直交・平行の関係を入れ替えてもよい。また、図１１に示した取り決めに従って、オフ状態液晶部品５４ａはＰ偏光をＳ偏光に変換しＳ偏光をＰ偏光に変換するものとする。更に、図示例では偏光器５２ａの光透過軸が同様に偏光器５０ａの光透過軸と平行であるので、偏光器５２ａからの再循環光は偏光器５０ａの光透過軸に対して直交する偏光面を有する偏光になる。
【００４１】
本実施形態においては、バックライトユニット５６からの無偏向光が光源側主偏光器５０ｂに入射する。この偏光器５０ｂはその光のうちＳ偏光成分を透過させＰ偏光成分を吸収する。明画素では、オフ状態液晶部品５４ａによって偏光面が回転され、Ｐ偏光が出射される。出射されたＰ偏光はＣＦＡ６０及び看者側補助偏光器５２ａをこの順で（図５Ａ）又は逆の順で（図５Ｂ）通り抜け看者側主偏光器５０ａを透過していく。従って、明画素においては、看者側補助偏光器５２ａを介し所望の光を放射させうる。
【００４２】
また、反射性偏光素子４０から見てどちら側に吸収性のＣＦＡ６０があるかによって、実現できる輝度レベルは異なるレベルになる。例えば図５Ａに示す位置関係の場合、図中左側に示す暗画素においては、オン状態液晶部品５４ｂから出射されＣＦＡ６０を通り抜けた光が看者側補助偏光器５２ａによって反射され、ＣＦＡ６０を通り抜けて戻り再循環に供される。通過域外の光はそのＣＦＡ６０によって吸収されるため、偏光器５２ａによって反射された光のうち実際に再循環される光はＣＦＡ６０の通過域内の光だけである。更に、ＣＦＡ６０の光透過特性は実際には理想的な特性ではなく、通過域内に属する波長成分も通過のたびに幾らかずつ失われていく。これと対比するに、図５Ｂに示す構成においては、反射性偏光素子４０とＣＦＡ６０の位置関係が逆転しているので、オン状態液晶部品５４ｂから出射される光がＣＦＡ６０を経ずに偏光器５２ａにより反射される。従って、図５Ｂに示す構成においては、図５Ａに示す構成に比べ、その輝度レベルが約（１−ｘ／６）／（１−ｘ／２）−１倍になる。この式中の暗画素率ｘが１００％に十分近い場合、図５Ｂに示す構成にて実現可能な輝度レベルは、図５Ａに示す構成におけるそれに比べ、約６７％高いレベルになる。
【００４３】
図５Ａ及び図５Ｂの何れに示す構成においても、看者側補助偏光器５２ａによってバックライトユニット５６方向にＳ偏光が反射されるので再循環効果が発生し、明画素で暗状態光を利用できるようになる。従って、これら図５Ａ及び図５Ｂに示す新規な構成によれば、図１及び図２に示した従来の構成に比べ一段高い輝度レベルを実現することができる。
【００４４】
比較例
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。
【００４５】
第２実施形態
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。
【００４６】
また、図７Ｂ及び図７Ｃに示すように、看者側ＲＰＣＦＡ６３ａは反射性の偏光器５２ａと反射性のＣＦＡ６２ａの組合せによっても実現できる。図示されているように、何れも反射性で看者側にある補助偏光器５２ａ及びＣＦＡ６２ａは、どのような順序で積層してもよい。
【００４７】
第３実施形態
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。
【００４８】
念のため、図８Ａ及び図８Ｂに示した構成における光学的処理を示すと次のようになる。まず、バックライトユニット５６から放射される無偏向光は光源側補助偏光器５２ｂに入射する。この偏光器５２ｂは、入射光の偏光成分のうち一種類（図示例ではＳ偏光）を透過させることにより直線偏光を生成する一方、それと直交する偏光面を有する偏光成分をバックライトユニット５６方向に反射して再循環させる。光源側主偏光器５０ｂはＳ偏光成分を透過させまた残留Ｐ偏光成分を全て吸収し、オン状態液晶部品５４ｂは偏光面を回転させずにそのＳ偏光を透過させる。ＣＦＡ６０には波長選択性があり、液晶部品を透過したＳ偏光（図８Ａ）又は更にＣＦＡ６０を透過したＳ偏光（図８Ｂ）のうちある波長成分を透過させ他の波長成分を吸収する。看者側補助偏光器５２ａは、液晶部品を透過したＳ偏光（図８Ｂ）又は更にＣＦＡ６０を透過したＳ偏光（図８Ａ）を、バックライトユニット５６方向に反射させる。この光学的処理には再循環効果があるので、光を暗画素内を通し明画素向けに再使用することができる。他方、オフ状態液晶部品５４ａは入射光の偏光面を回転させるので、その出射光はＰ偏光になる。ＣＦＡ６０はこのＰ偏光を波長選択的に透過させまた吸収する。ＣＦＡ６０を透過した光は看者側補助偏光器５２ａ及び看者側主偏光器５０ａを相前後して通り透過していく。
【００４９】
第４実施形態
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。
【００５０】
図９Ａ及び図９Ｂの何れに示す構成においても、看者側補助偏光器５２ａにて反射された高レベル暗状態光がＣＦＡ６０にて吸収されずに再循環に回されるため、輝度レベル乃至利得はかなり高くなる。即ち、これらの構成においては、反射性のＣＦＡ６２ｂをバックライトユニット５６のすぐ後段に隣接配置することにより、後段に送ると無駄になる光が直ちに再循環に回るようにしているため、ＣＦＡ６０での暗状態光吸収がほとんどなくなる。
【００５１】
第５実施形態
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。
【００５２】
また、図１０Ｃ及び図１０Ｄに示すように、ＲＰＣＦＡ６３ｂは何れも反射性の補助偏光器５２ｂ及びＣＦＡ６２ｂを重ね合わせた複合膜として実現することができる。これらの図に示すように、どちらを上にして重ね合わせてもよい。これら、図示されている四種類の構成の何れにおいても、暗状態光が反射性の看者側補助偏光器５２ｂによって再循環に回されるため、従来の構成に比べて顕著に高い輝度レベル乃至利得が得られる。
【００５３】
第６実施形態
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。
【００５４】
第７実施形態
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。
【００５５】
第８実施形態
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。
【００５６】
液晶システム
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。
【００５７】
輝度レベル調整向け制御論理は、図２０のフローチャートに示す通り、わかりやすい論理である。図中、データ取得ステップ１００では各画素の画像データにアクセスする。次いで実行される暗画素率計算ステップ１１０では、変調ビームにおける暗画素率ｘを画像データから計算する。輝度レベル計算ステップ１２０では、計算された暗画素率ｘに基づき、制御ロジックプロセッサ７０が明画素の輝度レベルを計算する。それには例えばある種の計算式やルックアップテーブルを使用する。駆動信号調整ステップ１３０では、制御ロジックプロセッサ７０が、輝度レベル計算結果をアナログ信号又はディジタル信号の形態で駆動回路７２に送る。なお、この図に示した制御論理による調整は、画像が１枚与えられるたびに実行するようにしてもよいし、一群の画像を受け取った上で個々の画像を対象に（いわば制御ループとして）繰り返し実行するようにしてもよい。
【００５８】
反射性偏光器の種類
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。
【００５９】
良好な性能を得るには、反射性偏光器にて発生するリターダンスをできるだけ小さくし、明画素又は暗画素に悪影響が及ばないようにした方がよい。ある程度のリターダンスを避けられない場合は、基板の光軸に対する反射性偏光器の光透過軸の平行度又は直交度をできる限り高くする必要がある。また、本件技術分野で知られている補償膜を組み込むことによって、画面看取角（画面を読み取れる角度範囲）を拡げ、コントラスト比を高め、また反射性偏光器の色純度を高めることができる。その補償膜は、反射性偏光素子４０と一体に設けることもできるし、反射性偏光素子４０とは別体の部材として設けて反射性偏光素子４０に光学結合（取付等）させることもできる。
【００６０】
また、本願記載の各実施形態に対し更に部材を付加することで、輝度レベル及びコントラスト比を更に高めることもできる。例えば、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輝度向上膜といった様々な既存のコリメーティング膜を付加し、照明光を平行化（コリメート）するとよい。その追加先は、例えば図５Ａ〜図１０Ｄに示す構成であれば、バックライトユニット５６のすぐ後段にするとよい。
【００６１】
更に、先に説明した各実施形態においては、反射性偏光素子４０が反射性の看者側補助偏光器５２ａ（図５Ａ、図５Ｂ、図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ、図９Ｂ及び図１０Ａ〜図１０Ｄの場合）又は看者側ＲＰＣＦＡ６３ａ（図７Ａ〜図７Ｃ）によって構成されている。そうした反射性偏光素子４０を液晶型空間光変調器５４と吸収性の看者側主偏光器５０ａの間に配置することによって、暗画素（液晶部品５４ｂに対応）における不要光を再循環させ、その液晶ディスプレイ２０の明画素（液晶部品５４ａに対応）における輝度レベルを高めることができる。反射性偏光素子４０は、液晶型空間光変調器５４の表面に光学結合させることもできる。同じくＣＦＡも、液晶型空間光変調器５４の表面に光学結合させることができる。
【００６２】
また、ご理解頂けるように、照明光や変調光のビームを光学的に処理するため光学部品を追加すると、それに伴い輝度レベルに損失が生じることが多い。使用している各光学部品の内在損失（固有損失）を打ち消し十分な輝度レベル向上を達成するには、どのような性能条件下であればそうなるのかを予め調べておくのが有益であろう。本願出願人の知見によれば、反射性偏光素子４０の光透過率Ｔを０．７５（７５％）以上にすると、とりわけ望ましい結果が得られる。
【００６３】
以上、本発明についてその好適な実施形態を参照し具体的且つ詳細に説明したが、いわゆる当業者であれば、本発明の実施形態に関するこれまでの説明及び別紙特許請求の範囲を参照することによって、本発明の技術的範囲を逸脱することなしにそれらの実施形態を様々に変形し又は改良することができるので、その点についてご理解頂きたい。例えば、液晶型空間光変調器における明画素内光学的処理の内容と暗画素内光学的処理の内容を逆にすることもできる。また、その間に反射性の看者側補助偏光器５２ａを設けているため吸収性の看者側主偏光器５０及び吸収性の光源側主偏光器５０ｂの構成を変える必要が生じるが、光学分野におけるいわゆる当業者であれば、そのことは容易に理解できるであろう。また、反射性の看者側補助偏光器５２ａを液晶部品５４ａ／５４ｂの表面上に組み込むことにより、液晶型空間光変調器５４自体に反射性偏光素子としての機能を持たせることができる。
【００６４】
更に、液晶ディスプレイ２０の構成部材を模式的に層分けして図示したが、求められている光学的性能に応じ、構成部材同士を光学的に直結（例えば接着）させるのが望ましい。例えば、吸収性の光源側主偏光器５０ｂ、反射性の光源側補助偏光器５２ｂ又は光源側ＲＰＣＦＡ６３ｂをバックライトユニット５６の表面に直接固定することで、一種の直線偏光導波路を形成することができる。
【００６５】
直線偏光導波路を使用することは、例えば非特許文献２に記載されているように、有益なことである。また、非特許文献２に記載されている直線偏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り、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。
【００６６】
分光型光導波路、例えば非特許文献３に記載の光導波路を使用することは、暗状態光再循環に必要な部材の個数を減らす上で、とりわけ有益なことである。また、非特許文献３に記載されている分光型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り、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。
【００６７】
反射性色フィルタは、非特許文献４に記載されているように、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2のような薄膜交互積層構造を採る薄膜光学光干渉フィルタによって実現できる。
【００６８】
以上、反射性偏光器をＣＦＡと併用し暗状態光を再循環させることにより液晶ディスプレイにおける効率及び輝度レベルを向上させる技術について、説明を行った。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】光源側及び看者側の吸収性偏光器並びに吸収性色フィルタアレイ（ＣＦＡ）を備える液晶ディスプレイ、特にその暗画素及び明画素における光学的処理を示す模式的側断面図である。
【図２】光源側及び看者側の吸収性偏光器、吸収性のＣＦＡ並びに光源側の反射性偏光器を備える液晶ディスプレイ、特にその暗画素及び明画素における光学的処理を示す模式的側断面図である。
【図３Ａ】光源側及び看者側の吸収性偏光器、吸収性のＣＦＡ並びに光源側の反射性ＣＦＡを備える液晶ディスプレイ、特にその暗画素及び明画素における光学的処理を示す模式的側断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示した構成の変形例を示す模式的側断面図である。
【図４Ａ】光源側及び看者側の吸収性偏光器、吸収性のＣＦＡ並びに反射性偏向素子たる光源側の反射性偏光性ＣＦＡ（ＲＰＣＦＡ）を備える液晶ディスプレイ、特にその暗画素及び明画素における光学的処理を示す模式的側断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示した構成の変形例を示す模式的側断面図である。
【図４Ｃ】図４Ａに示した構成の変形例を示す模式的側断面図である。
【図５Ａ】光源側及び看者側の吸収性偏光器、吸収性のＣＦＡ並びに看者側の反射性偏光器を備え本発明の実施形態に係る液晶ディスプレイ、特にその暗画素及び明画素における光学的処理を示す模式的側断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示した構成の変形例を示す模式的側断面図である。
【図６】光源側及び看者側の吸収性偏光器、吸収性のＣＦＡ並びに看者側の反射性ＣＦＡを備え比較例に係る液晶ディスプレイ、特にその暗画素及び明画素における光学的処理を示す模式的側断面図である。
【図７Ａ】光源側及び看者側の吸収性偏光器、吸収性のＣＦＡ並びに反射性偏光素子たる看者側のＲＰＣＦＡを備え本発明の実施形態に係る液晶ディスプレイ、特にその暗画素及び明画素における光学的処理を示す模式的側断面図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示した構成の変形例を示す模式的側断面図である。
【図７Ｃ】図７Ａに示した構成の変形例を示す模式的側断面図である。
【図８Ａ】光源側及び看者側の吸収性偏光器、吸収性のＣＦＡ並びに光源側及び看者側の反射性偏光器を備え本発明の実施形態に係る液晶ディスプレイ、特にその暗画素及び明画素における光学的処理を示す模式的側断面図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示した構成の変形例を示す模式的側断面図である。
【図９Ａ】光源側及び看者側の吸収性偏光器、吸収性のＣＦＡ、看者側の反射性偏光器並びに光源側の反射性ＣＦＡを備え本発明の実施形態に係る液晶ディスプレイ、特にその暗画素及び明画素における光学的処理を示す模式的側断面図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示した構成の変形例を示す模式的側断面図である。
【図１０Ａ】光源側及び看者側の吸収性偏光器、吸収性のＣＦＡ、看者側の反射性偏光器並びに反射性偏光素子たるＲＰＣＦＡを備え本発明の実施形態に係る液晶ディスプレイ、特にその暗画素及び明画素における光学的処理を示す模式的側断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示した構成の変形例を示す模式的側断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ａに示した構成の変形例を示す模式的側断面図である。
【図１０Ｄ】図１０Ａに示した構成の変形例を示す模式的側断面図である。
【図１１】本発明の構成部品の説明に使用する用語、記号及び状態表記を示す側断面図である。
【図１２Ａ】ある画像における画素配置パターンを示す上面図である。
【図１２Ｂ】オフ状態液晶部品及びその隣のオン状態液晶部品を示す模式的側断面図である。
【図１３Ａ】光源側及び看者側の吸収性偏光器並びに本発明の特徴に係る看者側の反射性偏光器を備える液晶ディスプレイにおける明画素を示す模式的側断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａの液晶ディスプレイにおける暗画素を示す模式的側断面図である。
【図１４Ａ】光源側及び看者側の吸収性偏光器を備える液晶ディスプレイにおける明画素を示す模式的側断面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａの液晶ディスプレイにおける暗画素を示す模式的側断面図である。
【図１５Ａ】暗画素乃至明画素個数比率の全値域に亘り効率乃至相対利得を描いたグラフである。
【図１５Ｂ】図１５Ａと同じ要領で描いたグラフである。
【図１５Ｃ】図１５Ａと同じ要領で描いたグラフである。
【図１６】本発明に係る方法を用いたとき光透過率によって利得の計算値がどのように変化するかを示す表を描いた図である。
【図１７Ａ】光源側及び看者側の吸収性偏光器並びに光源側の反射性偏光器を備える従来の液晶ディスプレイにおける明状態を示す模式的側断面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ａの液晶ディスプレイにおける暗状態を示す模式的側断面図である。
【図１８Ａ】光源側及び看者側の吸収性偏光器、光源側の反射性偏光器並びに本発明の特徴に係る看者側の反射性偏光器を備える液晶ディスプレイにおける明状態を示す模式的側断面図である。
【図１８Ｂ】図１８Ａの液晶ディスプレイにおける暗状態を示す模式的側断面図である。
【図１９】本発明の一実施形態に係る輝度レベル制御装置の構成を示す模式的ブロック図である。
【図２０】画像全体の輝度に基づきバックライトユニットの輝度レベルを最適化する論理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７０】
１０，２０  液晶ディスプレイ、１２  明画素、１４  暗画素、４０  反射性偏光素子、５０ａ，５０ｂ  吸収性主偏光器、５２ａ，５２ｂ  反射性補助偏光器、５４  液晶型空間光変調器、５４ａ，５４ｂ  液晶部品、５６  バックライトユニット、５７  反射膜、６０  吸収性色フィルタアレイ（ＣＦＡ）、６２ａ，６２ｂ  反射性ＣＦＡ、６３ａ，６３ｂ  反射性偏向性ＣＦＡ（ＲＰＣＦＡ）、６５  直線偏光型バックライトユニット、６７  分光型バックライトユニット、７０  制御ロジックプロセッサ、７２  駆動回路、１００  データ取得ステップ、１１０  暗画素率計算ステップ、１２０  輝度レベル計算ステップ、１３０  駆動信号調整ステップ。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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