レンズアレイ構造
レンズアレイ構造は、直列に配列される２つの複屈折レンズアレイを備え、複屈折レンズアレイの両方が、１つの偏光を有する入射光を各指向性分布に導き、且つ上記１つの偏光に対して垂直な偏光を有する入射光には実質的に効果を及ぼさないように動作することが可能である。レンズアレイは、２つの垂直な偏光成分を有する入射光が、複屈折レンズアレイそれぞれにより或る指向性分布に導かれ、他方の複屈折レンズアレイによる影響を受けないように、相対的な向きにされる。したがって、偏光の制御により、２つのレンズアレイの効果の間で切り替えが可能となる。レンズアレイのいずれも効果を有さない第３のモードへの切り替えを可能にするために、レンズアレイの一方をアクティブにすることができる。このレンズ構造を表示装置に用いて、切り替え可能な指向性ディスプレイを提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置に関する。かかる装置は、切り替え可能な２次元（２Ｄ）／３次元（３Ｄ）自動立体（autostereoscopic）表示装置において、切り替え可能な高輝度反射型表示システムのために、マルチユーザ表示システムのために、又は指向性照明システムのために用いることができる。かかるシステムは、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、ラップトップ及びデスクトップコンピュータ、ゲーム装置、自動車用及び他のモバイル表示アプリケーションにおいて用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
通常の人間の視覚は立体的であり、すなわち、それぞれの眼がわずかに異なる世界像（image of the world）を見ている。脳が２つの像（ステレオペアと呼ばれる）を融合することにより、奥行き（depth）の感覚を与える。３次元立体ディスプレイは、実世界のシーンを見ている場合に見られるであろう像に対応する別個のほぼ平坦な像を、それぞれの眼に対して再現する。すると脳は再びステレオペアを融合して、像の奥行きが見えるようにする。
【０００３】
図１ａは、ディスプレイ平面１の表示面の平面図を示す。右眼２は、ディスプレイ平面上の右眼相同像点（homologous image point）３を見ており、左眼４は、ディスプレイ平面上の左眼相同点５を見ており、それにより、スクリーン平面の後方にユーザが認識する見かけ上の像点６が生成される。
【０００４】
図１ｂは、ディスプレイ平面１の表示面の平面図を示す。右眼２は、ディスプレイ平面上の右眼相同像点７を見ており、左眼４は、ディスプレイ平面上の左眼相同点８を見ており、それにより、スクリーン平面の前方に見かけ上の像点９が生成される。
【０００５】
図１ｃは、左眼画像１０及び右眼画像１１の外観を示す。左眼画像１０の相同点５は、基準線１２上に位置決めされる。右眼画像１１の対応する相同点３は、基準線１２に対して異なる相対位置３にある。基準線１２からの点３の間隔１３は、視差（disparity）と呼ばれ、この場合、スクリーン平面の後方にある点の正の視差（positive disparity）である。
【０００６】
シーンにおける一般的な点に関して、図１ａに示すようなステレオペアの各像には対応する点がある。これらの点は相同点（homologous point）と呼ばれる。２つの像の間の相同点の相対間隔は視差と呼ばれ、視差がゼロになる点は、ディスプレイの奥行き面（depth plane）の点に対応する。図１ｂは、非交差性視差を有する点がディスプレイの後方に現れることを示し、図１ｃは、交差性視差を有する点がディスプレイの前方に現れることを示す。相同点の間隔、観察者までの距離、及び観察者の眼間距離の大きさにより、ディスプレイで認識される奥行きの程度が決まる。
【０００７】
立体型ディスプレイは、従来技術において既知であり、ユーザがある種類の視認補助具を装着して、左右の眼に送られるビューを実質的に分離するようにするディスプレイを指す。例えば、視認補助具は、画像が（例えば赤色及び緑色に）色分けされるカラーフィルタ、画像が直交偏光状態で符号化される偏光眼鏡、又はビューが眼鏡のシャッタの開放と同期して画像の時間的配列として符号化されるシャッタ眼鏡であってもよい。
【０００８】
自動立体ディスプレイは、観察者が視認補助具を装着しなくても動作する。自動立体ディスプレイでは、図２に示すように、空間内の限られた領域からビューのそれぞれを見ることができる。
【０００９】
図２ａは、パララックス光学素子（parallax optical element）１７が取り付けられた表示デバイス１６を示す。表示デバイスは、右眼チャネルとして右眼画像１８を生成する。パララックス光学素子（element）１７は、矢印１９で示される方向に光を導き、ディスプレイの前方の領域に右眼観察ウィンドウ２０を生成するようにする。観察者は、自身の右眼２２をウィンドウ２０の位置に位置付ける。左眼観察ウィンドウ２４の位置を参考のために示す。観察ウィンドウ２０は、垂直方向に延びた光学瞳とも呼ばれる。
【００１０】
図２ｂは、左眼光学系を示す。表示デバイス１６は、左眼チャネルとして左眼画像２６を生成する。パララックス光学素子１７は、矢印２８で示される方向に光を導き、ディスプレイの前方の領域に左眼観察ウィンドウ３０を生成するようにする。観察者は、自身の左眼３２をウィンドウ３０の位置に位置付ける。右眼観察ウィンドウ２０の位置を参考のために示す。
【００１１】
本システムは、ディスプレイと光学的方向制御機構（optical steering mechanism）とを備える。左画像２６からの光は、観察ウィンドウ３０と呼ばれるディスプレイの前方の限られた領域に送られる。眼３２が観察ウィンドウ３０の位置に位置付けられている場合、観察者にはディスプレイ１６の全体にわたって適切な画像２６が見える。同様に、光学系は、右画像１８用に意図された光を別個のウィンドウ２０に送る。観察者が自身の右眼２２をウィンドウ２０に位置付けている場合、右眼画像はディスプレイの全体にわたって見られる。概して、いずれの画像からの光も、各指向性分布（directional distribution）に光学的に方向制御された（すなわち、導かれた）ものと考えられてよい。
【００１２】
図３は、ウィンドウ平面４２に左眼観察ウィンドウ３６、３７、３８及び右眼観察ウィンドウ３９、４０、４１を生成する、ディスプレイ平面３４における表示デバイス１６、１７の平面図を示す。ディスプレイからのウィンドウ平面の間隔は、公称視距離４３と呼ばれる。ディスプレイに関して中央の位置にあるウィンドウ３７、４０は、ゼロ番ローブ４４にある。ゼロ番ローブ４４の右側にあるウィンドウ３６、３９は、＋１番ローブ４６にあり、ゼロ番ローブの左側にあるウィンドウ３８、４１は、−１番ローブ４８にある。
【００１３】
ディスプレイの観察ウィンドウ平面は、横方向の観察自由度が最大となるディスプレイからの距離を表す。図３の平面図に示すように、ウィンドウ平面から離れた地点には、ダイヤモンド形の自動立体観察ゾーンがある。図に見られるように、ディスプレイにわたる点それぞれからの光は、有限幅を有する円錐形で観察ウィンドウに放たれる。円錐の幅は、角度幅として定義されてよい。
【００１４】
一対の観察ゾーン、例えば３７、４０のそれぞれに眼が位置付けられている場合、自動立体画像はディスプレイの全範囲にわたって見える。一次的には、ディスプレイの縦方向の観察自由度は、これらの観察ゾーンの長さにより決まる。
【００１５】
図４では、ディスプレイのウィンドウ平面全体の強度５０の変動（１つの有形形態の光の指向性分布を構成する）を、理想的なウィンドウの場合の位置５１に関して示す。右眼ウィンドウ位置の強度分布５２は図３のウィンドウ４１に対応し、強度分布５３はウィンドウ３７に対応し、強度分布５４はウィンドウ４０に対応し、強度分布５５はウィンドウ３６に対応する。
【００１６】
図５は、より現実的なウィンドウの場合の位置での強度分布を概略的に示す。右眼ウィンドウ位置の強度分布５６は図３のウィンドウ４１に対応し、強度分布５７はウィンドウ３７に対応し、強度分布５８はウィンドウ４０に対応し、強度分布５９はウィンドウ３６に対応する。
【００１７】
図４に示すように、画像の分離品質（quality）、及びディスプレイの横方向及び縦方向の観察自由度の大きさは、ウィンドウの品質により決まる。図４は、理想的な観察ウィンドウを示すが、図５は、ディスプレイから出力され得る実際の観察ウィンドウの概略図である。ウィンドウ性能が不十分であることにより、いくつかのアーチファクト（artefact）が生じる可能性がある。右眼画像からの光を左眼で見た場合、及びその反対の場合、クロストークが生じる。これは、ユーザにとって視覚的歪みをもたらす可能性がある重要な３Ｄ画像劣化のメカニズムである。さらに、ウィンドウの品質が悪いと、観察者の観察自由度が低下することになる。本光学系は、観察ウィンドウの性能を最適化するように設計される。
【００１８】
パララックス素子は、透過領域と交互に位置する不透明領域のアレイを備えるパララックスバリアであってもよい。パララックスバリアは、ディスプレイの領域から光を遮ることに頼っているため、輝度及びデバイスの効率は通常、元のディスプレイの輝度の約２０〜４０％に低下する。ディスプレイの画素構造に関してバリアのサブピクセル配向許容度の要件があるため、ディスプレイの観察自由度を最適化するために、パララックスバリアが容易に取り外し及び交換されることはない。２Ｄモードの解像度は半分である。
【００１９】
立体ディスプレイで用いるものとして当該技術分野において既知のパララックス光学系の別のタイプのものは、レンチキュラースクリーンであり、これは垂直方向に延びた円柱マイクロレンズのアレイである。
【００２０】
図６は、レンチキュラースクリーンを用いる従来技術の表示デバイスの典型的な構造を示す。バックライト６０が、ＬＣＤ入力偏光子６４に入射する光出力６２を生成する。光はＴＦＴ ＬＣＤ基板６６を透過して、ＬＣＤ画素平面６７に列及び行をなして配列された画素の反復アレイに入射する。赤色画素６８、７１、７３、緑色画素６９、７２、７５、及び青色画素７０、７３はそれぞれ、個別に制御可能な液晶層を構成し、ブラックマスク７６と呼ばれる不透明マスクの領域により分離される。各画素は、透過領域、すなわち画素開口７８を含む。画素を通過する光は、ＬＣＤ画素平面６７の液晶材料により位相が変調され、ＬＣＤカラーフィルタ基板８０に配置されたカラーフィルタにより色が変調される。次に、光は出力偏光子８２を通過し、その後、レンチキュラースクリーン基板９４と、レンチキュラースクリーン基板９２の表面に形成されたレンチキュラースクリーン９６とを通過する。パララックスバリアに関しては、レンチキュラースクリーン９４が、画素６９からの光線８８で示されるように、１つおきの画素列６９、７１、７３、７５からの光を右眼へと導き、画素６８からの光線９０で示されるように、その間の列６８、７０、７２、７４からの光を左眼へと導くのに役立つ。観察者には、レンチキュラースクリーン９６の個々のレンチクル９８の開口を照明する、下にある画素からの光が見える。取り込まれた光円錐の大きさは、取り込まれた光線１００により示される。
【００２１】
上記の構成では、ＬＣＤ画素平面は、空間光変調器（ＳＬＭ）としての役割を果たす。本明細書中で用いられる場合、光空間変調器又はＳＬＭという用語は、液晶ディスプレイ等の「光弁(light valve)」デバイスと、エレクトロルミネッセンスディスプレイ及びＬＥＤディスプレイ等の発光型デバイス（emissive devices）との両方を含む。
【００２２】
レンチキュラーディスプレイは、T. Okoshiによる「Three Dimensional Imaging Techniques」（Academic Press 1976）に記載されている。空間光変調器を用いるあるタイプのレンチキュラーディスプレイは、米国特許第４，９５９，６４１号に記載されている。米国特許第４，９５９，６４１号の発明は、空中での（in air）非切り替えレンチキュラー要素を説明している。
【００２３】
ディスプレイの画素列に対して傾斜した円柱レンズを用いるレンチキュラーディスプレイは、SPIE Proceedings Vol.2653, 1996, pages 32 to 39に発表された「Multiview 3D-LCD」に記載されている。
【００２４】
上述のフラットパネルディスプレイの観察自由度は、ディスプレイのウィンドウ構造により制限される。
【００２５】
観察自由度が観察者の位置の測定及びそれに応じたパララックス素子の移動により改善されるディスプレイが、欧州特許第０８２９７４３号に記載されている。このような観察者測定装置及び機械的作動は、高価且つ複雑である。
【００２６】
ウィンドウの光学構造が変化せず（例えば固定パララックス光学ディスプレイ）、画像データが観察者の測定位置に応じて切り替えられて、観察者がほぼ立体的な画像を維持するようにするディスプレイが、例えば欧州特許第０７２１１３１号に記載されている。
【００２７】
２Ｄ−３Ｄ切り替えディスプレイ
上述のように、空間的に多重化された３Ｄ表示を生成するためのパララックス光学系の使用により、各画像の解像度はフル表示解像度のせいぜい半分に制限される。多くの用途でディスプレイは、わずかな時間だけ３Ｄモードで用いることが意図され、フル解像度でアーチファクトのない２Ｄモードを有することが必要とされる。
【００２８】
パララックス光学系の効果が除去される或るタイプのディスプレイは、Proc.SPIE vol. 1915 Stereoscopic Displays and Applications IV (1993)pp177-186「Developments In Autostereoscopic Technology at Dimension Technologies Inc.」, 1993に開示されている。この場合、切り替え可能なディフューザ素子が、光のラインを形成するために用いられる光学系に配置される。このような切り替え可能なディフューザは、例えば、高分子分散型液晶タイプのものであってよく、これは、材料にわたって印加電圧を適用することにより、分子配列が散乱モードと非散乱モードとの間で切り替わるものである。３Ｄモードでは、ディフューザはクリアであり、後方パララックスバリア効果（rear parallax barrier effect）をもたらすために光のラインが生成される。２Ｄモードでは、ディフューザは散光性であり（scattering）、光のラインが消滅し（washed out）、均一光源の効果がもたらされる。このように、ディスプレイの出力は実質的に均等拡散（Lambertian）であり、ウィンドウが消滅する。すると、観察者にはディスプレイがフル解像度の２Ｄディスプレイとして見える。このようなディスプレイでは、３Ｄモードでフレネル回折アーチファクトが生じ、またディフューザのクリアな状態で望ましくない残留散乱が生じ、これがディスプレイのクロストークを増加させる。したがって、このようなディスプレイは高レベルの視覚的歪みを示す可能性が高い。
【００２９】
ＥＰ−Ａ−０，８３３，１８３に開示される別のタイプの切り替え可能な２Ｄ−３Ｄディスプレイでは、第２のＬＣＤがディスプレイの前部に配置されて、パララックス光学系としての役割を果たす。第１のモードでは、パララックスＬＣＤはクリアであるため、ウィンドウが形成されず、画像は２Ｄで見られる。第２のモードでは、パララックスバリアのスリットを生成するようにデバイスが切り替えられる。次に、出力ウィンドウが形成され、画像が３Ｄに見える。このようなディスプレイは、２つのＬＣＤ素子の使用によりコスト及び複雑性が増すとともに、輝度が低下するか、又は消費電力が増す。反射モードの３Ｄ表示システムで用いる場合、パララックスバリアは、光をディスプレイに入る途中及びディスプレイから出る途中の両方でパララックスバリアの遮断領域により減衰させるために、非常に低い輝度をもたらす。
【００３０】
欧州特許第０８２９７４４号に開示される別のタイプの切り替え可能な２Ｄ−３Ｄディスプレイでは、パララックスバリアは、半波長リターダ素子（half-wave retarder elements）のパターン化されたアレイを含む。リターダ素子のパターンは、パララックスバリア素子のバリアスリット及び吸収領域のパターンに対応する。３Ｄ動作モードでは、偏光子がディスプレイに加えられることにより、パターン化されたリターダのスリットを通る光が検査（analyze）される。このようにして吸収パララックスバリアが生成される。２Ｄ動作モードでは、２Ｄ動作モードにはいかなる偏光特性も関与しないため、偏光子は完全に取り外される。したがって、ディスプレイの出力はフル解像度及びフル輝度である。１つの欠点は、このようなディスプレイはパララックスバリア技術を用いるため、３Ｄ動作モードではおそらく２０〜３０％の輝度に制限されることである。また、ディスプレイは、バリアの開口からの回折により制限される観察自由度及びクロストークを有することになる。
【００３１】
光の方向を切り替えるために、電気的に切り替え可能な複屈折レンズを設けることが知られている。このようなレンズを用いて、ディスプレイを２Ｄ動作モードと３Ｄ動作モードとの間で切り替えることが知られている。
【００３２】
例えば、電気的に切り替え可能な複屈折液晶マイクロレンズが、European Optical Society Topical Meetings Digest Series: 13, 15-16 May 1997 L. G. Commander他著、「Electrode designs for tuneable microlenses」（pp48-58）に記載されている。
【００３３】
米国特許第６，０６９，６５０号及びＷＯ９８／２１６２０に開示される別のタイプの切り替え可能な２Ｄ−３Ｄディスプレイでは、液晶材料で充填されたレンチキュラースクリーンを含む切り替え可能なマイクロレンズが、レンチキュラースクリーンの光パワーを変えるために用いられる。米国特許第６，０６９，６５０号及びＷＯ９８／２１６２０は、レンチキュラー手段の光出力誘導（directing）作用が提供される第１の値と光出力誘導作用が除去される第２の値との間で電位を選択的に印加することにより屈折率を切り替え可能なレンチキュラースクリーンでの、電気光学材料の使用を教示している。
【００３４】
液晶フレネルレンズを含む３Ｄディスプレイが、S. Suyama他著「3D Display System with Dual Frequency Liquid Crystal Varifocal Lens」、SID 97 DIGEST pp273-276に記載されている。
【００３５】
ＷＯ０３／０１５，４２４に開示される別のタイプの切り替え可能な２Ｄ−３Ｄディスプレイでは、受動複屈折マイクロレンズが、レンズを通過して観察者に届く光の偏光を制御することにより２Ｄモードと３Ｄモードとの間で切り替えられる。当該参考文献から、複屈折マイクロレンズの幾何学的軸がレンズ表面における複屈折材料軸と平行であるように入力偏光を回転させるために、受動複屈折レンズで捻りを用いることも既知である。ＷＯ０３／０１５，４２４に開示される表示デバイスの１つは、図７の平面図に示されており、以下のように構成される。
【００３６】
バックライト１０２が、ＬＣＤ入力偏光子１０６の照明１０４を生成する。光は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）基板１０８を通過して、個別に制御可能な位相変調画素１１２〜１２６を含む画素層１１０に入射する。画素は、行及び列をなして配列され、画素開口１２８を含み、分離用のブラックマスク１３０を有してもよい。次に、光はＬＣＤ対向基板１３２と、複屈折マイクロレンズアレイ１３８が形成されるレンズキャリア基板１３６とを通過する。複屈折マイクロレンズアレイ１３８は、等方性レンズ微細構造１４０と、光軸方向１４２を有する配向複屈折材料とを含む。次に、複屈折レンズの出力は、レンズ基板１４４と偏光修正デバイス１４６とを通過する。
【００３７】
レンズアレイの各複屈折レンズは円柱状である。レンズアレイ１３８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。この例でのレンズのピッチは、ディスプレイの画素のピッチのほぼ２倍になるように構成されて、２ビュー自動立体ディスプレイが生成されるようになる。
【００３８】
第１の動作モードでは、偏光修正デバイス１４６は、マイクロレンズアレイの複屈折材料の常軸と平行な偏光状態を有する光を透過するように構成される。材料（液晶材料等）の常光屈折率は、等方性微細構造１４０の屈折率とほぼ整合する。したがって、レンズは光学効果を有さず、ディスプレイの出力の指向性分布に実質的な変化はない。このモードでは、観察者の各眼には、ディスプレイの画素１１２〜１２６全てが見え、２Ｄ画像が生成される。
【００３９】
第２の動作モードでは、偏光修正デバイス１４６は、複屈折マイクロレンズアレイの異常軸と平行な偏光状態を有する光を透過するように構成される。材料（液晶材料等）の異常光屈折率は、等方性微細構造１４０の屈折率とは異なる。したがって、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、当該技術分野において既知のように、ディスプレイの前方の正確な位置にいる観察者が左眼で左画像の画素１１２、１１６、１２０、１２４からの光に対応する左画像を見て、右眼で右画像の画素１１４、１１８、１２２、１２６に対応する右画像を見るように設定することができる。このように、切り替え可能な２Ｄ−３Ｄ自動立体ディスプレイを生成することができる。
【００４０】
レンズアレイは、光学効率が高く、スポットサイズが小さく、既知のリソグラフ加工技法を用いて製造できるという特性を組み合わせているため、自動立体ディスプレイに特に適している。
【００４１】
光の方向を切り替えるために、電気的に切り替え可能な複屈折レンズを設けることも知られている。このようなレンズを用いて、ディスプレイを２Ｄ動作モードと３Ｄ動作モードとの間で切り替えることが知られている。
【００４２】
３Ｄ自動立体ディスプレイでは、レンズアレイ（又はレンチキュラースクリーン）を用いて、光を適当な観察ウィンドウから成る指向性分布に導くことができる。このタイプのレンズアレイを用いて、光を他の指向性分布に導くこともできる。このような指向性分布の例は、ＷＯ０３／０１５，４２４に開示されており、光が公称観察平面における広い水平ウィンドウに導かれる高輝度分布を含む。ウィンドウでは、観察者には、パネルの垂直口径比に比例した輝度の上昇が見える。観察ウィンドウ外では、観察者には画素間のギャップが見えるため、ディスプレイの輝度は低下していることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４３】
少なくとも２つの指向性動作モードが利用可能である切り替え可能な指向性ディスプレイを提供することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
本発明によれば、直列に配列される第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイを備えるレンズアレイ構造であって、
第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイの両方は、１つの偏光を有する入射光を各指向性分布に導き、且つその１つの偏光に対して垂直な偏光を有する入射光に実質的に効果を及ぼさないように動作することが可能であり、
第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイは、第１の偏光成分を有する入射光が、第１の複屈折レンズアレイにより或る指向性分布に導かれ、且つ第２の複屈折レンズアレイによる影響を受けず、第１の偏光成分に対して垂直な方向に偏光された第２の偏光成分を有する入射光が、第１の複屈折レンズアレイによる影響を受けず、且つ第２の複屈折レンズアレイにより所定の指向性分布に導かれるように、相対的な向きにされる、直列に配列される第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイを備えるレンズアレイ構造が提供される。
【００４５】
したがって、入射光は、その偏光に応じて第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイのいずれか一方の指向性分布に導かれる。これにより、レンズアレイ構造の効果を、そこを通過する光の偏光の制御により変えることが可能となる。
【００４６】
レンズアレイ構造は、空間光変調器と、ディスプレイを通過する光の偏光を制御して、上記第１の偏光成分又は上記第２の偏光成分に選択的に対応する偏光成分を有する光を表示デバイスから出力するように配列される、切り替え可能な偏光制御デバイスとも含む、表示装置に組み込むことができる。表示デバイスは、表示デバイスからの光出力の偏光成分がレンズアレイ構造に入射する第１の偏光成分に対応するか又は第２の偏光成分に対応するかに応じて、出力光が異なる指向性分布に導かれる、２つのモードで動作可能である。２つのモード間の切り替えは、偏光制御デバイスの切り替えにより行われる。
【００４７】
第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイが光を導く指向性分布は、
自動立体横長（landscape）分布、
自動立体縦長（portrait）分布、
２ビュー自動立体分布、
マルチビュー自動立体分布、
傾斜レンズ自動立体分布、
高輝度分布、又は
マルチビューア分布
のうちいずれか２つであり得る。
【００４８】
レンズアレイは、両方が受動的であってもよい。この場合、レンズアレイ構造は、第１の偏光成分及び第２の偏光成分に対する効果に対応する２つの可能な動作モードを有する。
【００４９】
代替的に、レンズアレイの一方又は両方が、１つの偏光を有する入射光を各指向性分布に導き、且つ上記１つの偏光に対して垂直な偏光を有する入射光には実質的に効果を及ぼさない第１のモードと、実質的に光学効果を有さない第２のモードとの間で切り替え可能な能動レンズアレイであってもよい。能動レンズアレイを第１のモードで用いることにより、レンズアレイ構造は２つの動作モードを有し、これらの両方で、上述のように偏光制御に応じて異なる指向性分布が達成される。能動レンズアレイを第２のモードで用いることにより、レンズアレイ構造は、レンズアレイ構造が光学効果を全く有さない第３の動作モードを有する。このような能動レンズアレイは、上述のような表示装置に組み込むことができる。但し、少なくとも１つの能動レンズアレイの切り替えを制御するように配列される制御回路を追加して組み込むことができる。したがって、表示装置は、レンズアレイの入力照明が実質的に修正されない「非指向性モード」を有する。
【００５０】
このようなデバイスは、
第１の動作モードでは、肉眼で見ることができる、動くフルカラーの３Ｄ立体画像を、第２の動作モードでは、フル解像度の２Ｄ画像を適宜提供することができる、自動立体表示手段と、
第１のモードでは、実質的に非指向性の輝度性能を示すことができ、第２のモードでは、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半透過反射型表示システムと、又は
１つの動作モードでは、１つの２Ｄ画像（フルカラー動画であってもよい）を１人の観察者に、且つ少なくとも第２の別の２Ｄ画像を少なくとも第２の観察者に、第２の動作モードでは、全観察者により見られる１つのフル解像度の２Ｄ画像を適宜提供することができる、マルチビューア表示手段と
に用いることができる。
【００５１】
本発明による別の形態では、指向性表示装置であって、
第１の複屈折レンズアレイと、
第２の複屈折レンズアレイと、
偏光された出力を有することができる空間光変調器と、
表示装置が少なくとも２つの指向性モードを生成できるように配列される第１のレンズ表面又は第２のレンズ表面における位相ステップを制御するように配列される、少なくとも１つの屈折表面位相ステップ切り替え手段と
を備える、指向性表示装置が提供される。
【００５２】
レンズアレイは円柱状であることが望ましい。
【００５３】
各レンズアレイは、等方性材料及び複屈折材料を含むことが望ましい。
【００５４】
１つの可能性として、等方性材料の屈折率はほぼ同じであり、複屈折材料の屈折率の一方とほぼ等しい。
【００５５】
別の可能性として、等方性材料の一方の屈折率は、複屈折材料の常光屈折率とほぼ同じであり、等方性材料の他方の屈折率は、複屈折材料の異常光屈折率とほぼ同じである。
【００５６】
切り替え手段は、空間光変調器の出力偏光子とレンズアレイとの間に配置され得る切り替え可能な偏光回転子を含んでもよい。
【００５７】
レンズの一方又は両方は能動的であってもよく、その場合、切り替え手段は、能動レンズを含むレンズにおける切り替え可能な電界を含み得る。
【００５８】
切り替え手段は、切り替え可能な偏光回転子とレンズにおける切り替え可能な電界との組み合わせであり得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
次に、本発明の実施形態を、単なる例として、図面を参照して説明する。
【００６０】
種々の実施形態のいくつかは共通の要素を用いており、それらには簡略化するために共通の参照符号を与え、その説明は繰り返さない。さらに、各実施形態の要素の説明は、他の実施形態の同一の要素及び対応する効果を有する要素にも、適宜変更を加えて準用される。また、ディスプレイである実施形態を示す図は、明確化するためにディスプレイの一部のみを示す。実際には、ディスプレイの全域にわたってその構成が繰り返される。
【００６１】
本明細書では、複屈折材料の光軸の方向（ダイレクタ方向、又は異常軸方向）は、複屈折光軸と呼ばれる。これは、幾何光学により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。
【００６２】
円柱レンズは、（曲率半径を有し、且つ他の非球面成分を有してもよい）縁が第１の直線方向に掃引された(swept）レンズを指す。幾何学的マイクロレンズ軸は、第１の直線方向に、すなわち、縁の掃引方向に平行にレンズの中心に沿ったライン、として定義される。本明細書中で用いられる「円柱」という用語は、当該技術分野において通常の意味を有し、厳密な球面レンズ形状だけではなく非球面レンズ形状も含む。
【００６３】
２Ｄ−３Ｄ型ディスプレイでは、幾何学的マイクロレンズ軸は垂直であるため、ディスプレイの画素列に平行であるか、又は当該列に対してわずかに傾斜している。本明細書中で説明する輝度向上ディスプレイでは、幾何学的マイクロレンズ軸は水平であるため、ディスプレイの画素行に平行である。
【００６４】
２ビュー自動立体３Ｄディスプレイのレンズアレイのレンズのピッチは、レンズアレイとともに用いられる空間光変調器の画素のピッチの２倍にほぼ等しい。実際には、レンズアレイのレンズのピッチは、「視点補正」として一般的に知られる方法で観察ウィンドウまで光を方向制御するために、空間光変調器の画素のピッチの２倍よりもわずかに小さい。レンズの曲率は、ウィンドウ平面においてＬＣＤ画素の画像を生成するように実質的に設定される。レンズが画素から円錐形の光を集光し、それをウィンドウに分配すると、レンズアレイは入射光のフル輝度を提供する。
【００６５】
円柱レンズ、細長いスリットのアレイ、又はホログラムの列を組み込んだもの等の従来技術の指向性ディスプレイは、一方向のみにパララックスを生み出す。これは、指向性モードで光学要素により与えられる解像度の損失を減らす役割を果たすことが好都合である。しかしながら、指向性モードのディスプレイの向きは、光学素子軸構成の幾何学的形状により固定されるため、ディスプレイは横長モード又は縦長モードの一方でしか用いることができない。
【００６６】
携帯電話及びカメラ等のデバイスでは、例えばメニューインタフェースとゲームアプリケーションとの間で用途を最適に合わせるようにディスプレイを回転させることが望ましい場合が多い。このような機能は、標準的な指向性ディスプレイでは可能となり得ない。
【００６７】
さらに、パネルの挙動がベースパネルの挙動とほぼ同じである第１の非指向性モードとパネルの挙動が指向性ディスプレイ、例えば自動立体ディスプレイである第２の指向性モードとの間で、指向性機能を切り替えることが一般的に望ましい。
【００６８】
実施形態は、単独で、又は任意の組み合わせで以下の利点を達成することができる。
指向性表示デバイスの複数の動作モードを独立した性能を有するように構成できる。
非指向性モードを構成できる。
ディスプレイが実質的にベースディスプレイのフル輝度を有する。
標準的な材料及び加工技法を用いることができる。
低費用である。
既製品のフラットパネルディスプレイと互換性がある。且つ／又は
指向性モードでのディスプレイの性能が高い。
【００６９】
図８〜図１１は、本発明によるレンズアレイ構造を適用することができる表示装置を示す。これらの表示装置は、図７に示し上述したものと同様であるが、以下の変更を伴う。バックライト及び入力偏光子は図示されていない。
【００７０】
図８の表示装置では、図７の偏光子１４６が、液晶層１６０を挟むさらなるＩＴＯ層１５８及び１５８と、出力基板１６４と、出力偏光子１６６とを備える電気制御偏光スイッチで置き換えられる。電気信号コントローラ１６２が、ＩＴＯ電極間で電界を切り替えて液晶材料１６０を切り替えることを可能にする。これにより、前述のように、出力偏光子１６６によって透過される偏光状態の制御、したがってレンズの機能を制御することが可能となる。
【００７１】
図９は、図８のものと同様の概念的デバイスを示すが、出力偏光子１５４が対向基板１３２上に配置され、ＩＴＯ電極配向層１５８及びＬＣ層１６０がレンズ１４２と偏光子１５４との間に配置される。このような構成により、フル画像コントラスト及びフル輝度を有するレンズの切り替えが可能となる。
【００７２】
図１０は、電極と液晶スイッチ１７４及び液晶スイッチ１６０とが固体液晶レンズであり得る液晶レンズに接触するよう配置される、代替的な構成を示す。ＩＴＯ電極１７２がレンズの片側に組み込まれる。
【００７３】
図１１は、自動立体ディスプレイの２ビュー画素列が輝度向上ディスプレイの開口で置き換えられる、図１０のディスプレイの代替的な構成を示す。
【００７４】
本発明によるものではないが、非指向性モードと指向性モードとの間で切り替えることができ、且つ縦長の向き及び横長の向きの両方で指向性モードを可能にすることができる概念的装置が、図１２に示され、これは、図８に示すものと同様の構造及び動作を有する偏光起動（Activated）マイクロレンズディスプレイの場合である。ＬＣＤパネル出力基板２００は、直線出力偏光２０２を有する。出力偏光状態は、配向方向２０６を有する対向基板２０４と配向方向２１０を有する表面レリーフレンズ２０８との間に挟まれる複屈折材料（図示せず）を含むレンズアレイに入射する。出力光は、それぞれ配向方向２１６、２１８を有するとともに液晶層（図示せず）を挟むＩＴＯ電極２１２、２１４から成る液晶シャッタを通過する。次に、光は、偏光透過方向２２２を有する最終出力偏光子２２０を通過する。
【００７５】
このようなディスプレイのレンズアレイ２０８は、非円柱状である。レンズは、例えば実質的に第１の方向に２つの画素列、第２の方向に２つの画素行のピッチを有するように配列され得る。したがって、ディスプレイは原理上、横長動作モード及び縦長動作モードの両方で自動立体ディスプレイを見せることができる。パネルは、この例では、例えば赤色画素、緑色画素、及び青色画素の垂直列を有する横長パネルとして向けることができる。２つのモード間で切り替えを行うために、パネル上の左眼及び右眼データは、横長動作では隣接する列に、縦長動作では隣接する行にあり得る。
【００７６】
不都合なことに、表面レリーフレンズは、水平レンズ軸及び垂直レンズ軸の両方で同じ１つの最大奥行きを有する。しかしながら、レンズは、概して非正方形となるため、曲率半径は水平方向と垂直方向とで大きく異なり得る。したがって、レンズの焦点距離は２つの向きで異なる。しかしながら、画素平面は、レンズ表面から一定の１つの距離にあるため、デバイスは１つの向きで最適に動作するよう焦点合わせするか、又は両方の向きで妥協した焦点に設定することしかできない。これは、少なくとも一方のモードで、生成されるウィンドウが望ましくない品質となり得ることを意味する。さらに、指向性動作モードでは、ディスプレイは垂直軸及び水平軸両方で画素間のギャップを結像するため、軸を中心にディスプレイを傾けると画像がちらつく。さらに、ディスプレイは、水平方向及び垂直方向の両方で限られた解像度しか示さない。
【００７７】
さらに不都合なことに、レンズアレイの表面における複屈折材料の高性能配向を維持することが困難であり得る。
【００７８】
したがって、非円柱レンズを用いて、縦長の向き及び横長の向きの両方で用いることができる指向性ディスプレイと非指向性ディスプレイとの間の切り替えを行うことができる。しかしながら、このようなディスプレイには、上述のものを含む多数の欠点がある。
【００７９】
以下の図では、或る表面における、又は紙面内に入るか又は紙面外に出る方向の複屈折材料の向きを示すために符号を用いるが、当該技術分野において既知のように、表面における複屈折材料のプレチルトにより、向きは図示のものからわずかに外れている可能性があることを理解されたい。
【００８０】
本発明の空間光変調器は、透過型ディスプレイ、反射型ディスプレイ、半透過型ディスプレイ、又は発光型ディスプレイ（有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ等）、或いはそれらの組み合わせとすることができる。非偏光ディスプレイの場合、さらなる偏光子及び波長板層を用いてもよい。
【００８１】
図１３は、横長パネル及び縦長パネルの説明を明確にする。図１３ａにおいて、横長パネル３００は、赤色画素列３０２、緑色画素列３０４、及び青色画素列３０６を有する。図１３ｂに示すような縦長モードに回転させると、画素列も回転する。図１３ｃは、赤色画素列３１０、緑色画素列３１２、及び青色画素列３１４を有する縦長パネル３０８を示す。図１３ｄは、横長使用のために回転させた縦長パネルを示す。
【００８２】
本発明の実施形態は、図７〜図１１に示すか又はＷＯ０３／０１５，４２４に開示される表示装置のいずれかに基づき、且つレンズアレイを以下の構成のいずれか１つを有するレンズアレイ構造で置き換えることにより、形成することができる。したがって、参照により本明細書に援用されるＷＯ０３／０１５，４２４に開示される表示装置の種々の特徴は、本発明の場合にも同様に適用することができる。
【００８３】
非指向性モードに切り替え可能ではないが２つの指向性モードを有する切り替え可能なレンズアレイ構造が、図１４に示される。図示の例では、レンズは、等方性表面レリーフ層２２４、複屈折材料２２６、複屈折材料を配向させる機能を有する層２２８、複屈折材料を配向させる機能を有する第２の層２３０、第２の複屈折材料２３２、及び第２の等方性表面レリーフ層２３４を備える。各表面に配向方向２３６〜２４２が記されている。配向方向２３８、２４０は、各配向方向２３６、２４２と直交していてもよく、又は平行であってもよい。
【００８４】
複屈折材料の常光屈折率は、等方性材料の屈折率とほぼ同じであるように設定される。円柱レンズアレイ２２４のレンズは、水平に設定され、ピッチはディスプレイ（図示せず）の画素行のピッチのほぼ２倍である。円柱レンズアレイ２３４のレンズは、垂直に設定され、ピッチはディスプレイの列のピッチのほぼ２倍である。レンズ２２４の複屈折材料光軸の配向方向２３０は、レンズの幾何学的軸と平行に設定され、レンズ対向基板２２８には逆平行な配向方向２３８が設定される。配向層２２８及び２３０は、例えばガラスマイクロシート（図示せず）等の薄い基板の両側に配置することができる。表面２３０の複屈折材料の配向方向２４０は、配向方向２３８と直交し、配向方向２４２と逆平行である。
【００８５】
動作時には、第１の直線偏光状態２４４がレンズに入射する。この偏光状態は、複屈折材料２２６の異常軸と平行であるため、この表面には屈折率段差が生じ、レンズ機能が生じる。光は配向層２２８を通過し、第２のレンズ２３２の材料に入射する。この場合、偏光状態は、等方性材料の屈折率と整合する第２の複屈折材料、したがって第２のレンズ２３４の表面の常光屈折率と一致し（see）、いかなる機能も生じない。直交偏光状態２４６の場合、第１のレンズで光の屈折率が整合し、第２のレンズにおいてレンズ機能が生じる。
【００８６】
したがって、レンズを通過して観察者まで届く偏光状態を変更することにより、２つの異なるレンズ機能に分解することができる。このようなレンズを用いて、縦長の自動立体３Ｄ動作モードと横長の自動立体３Ｄ動作モードとの間で切り替えることができるディスプレイを構成することができる。
【００８７】
ディスプレイの動作は、前述したものと同様である。
【００８８】
代替的に、レンズの一方を横長の自動立体３Ｄディスプレイのレンズとし、他方を輝度向上ディスプレイのレンズとしてもよい。
【００８９】
代替的に、レンズの一方を２ビュー自動立体ディスプレイとし、傾斜レンズを用いて他方をマルチビュー自動立体ディスプレイとしてもよい。この場合、両方のパネル向きが、例えば横長であってもよい。
【００９０】
したがって、指向性ディスプレイモードの任意の２つの組み合わせをもたらすことができる。
【００９１】
レンズアレイそれぞれの等方性及び複屈折素子の向きは、画素平面に焦点が形成されるように曲率及び屈折率を設定して配列することができる。各表面の曲率は、境界面の両側での材料の屈折率に応じて、システムにおける光の伝播方向に対して正であっても負であってもよい。一方のレンズの焦点距離は、基板の厚さとほぼ等しい量だけ他方とは異なる必要があることに留意されたい。有利には、画素平面から遠いレンズは、レンズのサグ(sag)が最小になるように、その動作モードで最大の横方向レンズピッチで結像を行う必要があるように選択され得る。代替的に、画素平面から遠いレンズは、観察距離が２つのレンズで名目上同じであるように、その動作モードで最大の横方向画素ピッチで結像を行う必要があるように選択され得る。
【００９２】
図１４に記載のレンズと同様の機能を有するレンズアレイ構造を、例えば図１５の断面図に示すように構成することができる。例えば、ＴＦＴ−ＬＣＤ１０２、１０６、１０８、１１０、１３２のバックライトからの光は、配向層方向２４８を有するレンズ対向基板２４７を通過して、複屈折材料２４９と及び表面配向方向２５０を有する等方性レンズ２５２とへ届く。レンズ２５２は、画素平面１１０からの画素を出力ウィンドウに結像する役割を果たす。等方性材料は、例えばマイクロシート等の任意選択的な薄い基板２５４に取り付けられる。層２５４の厚さは、画素平面からの各レンズの間隔を最適にするように調整することができる。例えば、横長モードの３Ｄレンズは短い間隔を必要とし得るが、縦長モードの３Ｄレンズは長い間隔を必要とし得る。
【００９３】
第２のレンズ２５６は、例えば第１のレンズ２５２の軸に対して回転し得る軸を有し、異なる曲率半径を有し得る。レンズは、回転させると、断面に曲率がないように見える。光は、両面にそれぞれ配向方向２５８及び２６０を有する第２の複屈折材料２５９を通過する。再び、配向方向２５８と２６０とは直交する。２つの指向性モード間で切り替える際のディスプレイの動作は、前述した通りである。
【００９４】
図１６は図１５の構造の一部を示すが、配向方向２６０がＬＣＤの出力偏光と一致するように調整してある。複屈折材料の複屈折及びガイドにより、複屈折材料２４９において直線偏光方向の回転が行われる。例えば、ＬＣＤの出力偏光方向は、パネルの平面図の垂直線に対して４５°にあり得る。この場合、配向方向２６０は、レンズ２５２の軸に対して４５°となる。残りの配向方向は、前述したのと同じであり得る。
【００９５】
いずれの場合も、レンズの２つの部品間の配向方向は直交するため、レンズは独立した挙動を示すことができる。
【００９６】
図１５のレンズアレイ構造は、例えば図１７に示すように製造することができる。図１７ａでは、基板２４７は、例えばラビングしたポリイミド配向層、光配向層、又は回折配向層であり得る配向層を有する。Merckから入手可能なＭＲ２５７等の硬化性複屈折材料２４９の層が、基板２４７の表面に施され、配向層２６４（回折配向層であり得る）を有する表面レリーフ層を含むエンボス加工具（embossing tool）２６２が材料２４９の表面に施されて、適切な材料配向方向を有するレンズが形成される。材料がこの構造で硬化するように、紫外線源（図示せず）が材料に施される。
【００９７】
図１７ｂでは、ＵＶ硬化性ポリマー等の等方性材料が、第１のレンズアレイの上面に施され、工具２６６により第２の表面レリーフ及び配向層構造２６８がエンボス加工される。この場合も、材料はＵＶ硬化される。代替的に、例えばコーティングされたポリイミド層を加工してからラビングした後で、配向層を施してもよい。最後に、外側基板１４４に配向層２７０を加えて、液晶又は硬化性液晶材料等の複屈折材料でギャップを充填することにより、構造が組み立てられる。配向層（図示せず）を有するエンボス加工具が図１７ａ及び図１７ｂに記載するようにして用いられる場合、基板１４４は省いてもよい。
【００９８】
図１４に示す構造を作製するには、複製された等方性表面２２４及び２３４上で非複製配向層を用いることができる。配向層を有するガラスマイクロシート層等の層を、スペーサによってレンズ表面間に挟むことができ、ＵＶ硬化性液晶材料であり得る適当な複屈折材料でギャップが充填される。
【００９９】
これらの構成では、第１の複屈折層及び第２の複屈折層、並びに第１の等方性層及び第２の等方性層は、システムの設計を個別に最適化するために異なる材料から成っていてもよい。
【０１００】
図２２は、さらなるレンズアレイ構造を示す。このレンズアレイ構造は、基板２２８及び２３０がなく、等方性レンズ基板の一方、例えば２９０が、通常は複屈折材料２２６の異常光屈折率とほぼ同じ屈折率を有するプラスチック材料である材料から構成されるという点で、図１４のレンズアレイ構造とは異なる。複屈折材料２８８を用いて、２つのレンズ表面２２４と２９０との間のギャップが充填される。他方のレンズ基板２２４は、複屈折材料２２６の常光屈折率とほぼ同じ屈折率を有するプラスチック材料から構成される。複屈折材料２８８は、レンズの表面の配向方向２３６及び２４２により制御される向き、すなわち捩れた構成を取る。矢印２４４で示すように偏光された光は、その偏光ではレンズから複屈折材料２２６まで屈折率段差があるため、デバイスに入ってレンズ２２４に当たる。次に、光は複屈折材料を通って回転し、レンズ基板２９０の境界面から出ると、屈折率段差がなくなる。これは、２９０が複屈折材料２２６の異常光屈折率とほぼ同じ屈折率を有する材料からできているからである。反対に、デバイスに入る光が矢印２４６で示す方向に偏光される場合、素子２２４において屈折率段差は見られないが、光は依然として複屈折材料２２６により回転されて、方向２４２に直交する偏光でレンズ基板２９０に衝突するため、この境界面では屈折率段差がある。したがって、ＷＯ０３／０１５，４２４に記載されるような偏光スイッチによってデバイスからの出力偏光を選択することにより、レンズ２２４又は２９０いずれかの光学機能を選択することができる。
【０１０１】
図２３の実施形態は、透明電極２９２、２９４が例えば基板２２４及び２９０それぞれに設けられるという点で、図２２の実施形態とは異なる。このような電極は、複屈折材料２２６にわたって電界が形成されることを可能にするように、例えば各基板のいずれかの表面に施されるＩＴＯコーティングであってもよい。切り替え可能な電気デバイス２９８と、電極２９２、２９４への接点とが設けられる。非切り替え状態での動作時には、偏光２４４を有する光は第１のレンズ機能に対応するが、セルを通って第２のレンズにガイドされ、ここでの屈折率整合は、レンズ機能が見られないことを意味する。切り替えモードでは、複屈折材料２８８の分子が基板に対して垂直に配向されることにより、偏光状態２４４の場合、第１のレンズは屈折率整合し、第２のレンズは境界面に屈折率段差があるため、レンズ機能がもたらされる。
【０１０２】
これまで説明してきた構造は、２つの動作モード間での切り替えを可能にする。ディスプレイが第３の実質的に非指向性のモードを有することが望まれる場合が多い。この目的を果たす１つのレンズアレイ構造を図１８に示す。デバイスは、図１４に示すものと同様の構造を有するように構成されるが、２つの外面レリーフ構造を備える。第２のレンズは、切り替え可能なネマチック液晶材料と、電極２７２及び２７４と、必要に応じてセルに電界を印加する切り替え可能な電気ドライバ２７６とを備える、能動レンズである。
【０１０３】
第１の動作モードでは、第２のレンズセルには電界が印加されないため、デバイスは図１４に関して説明したように動作し、２つのレンズ構造のどちらが光学機能を有するかを最終出力偏光選択により制御する。液晶材料の配向方向２４０、２４２は、実質的にホモジニアス配向である。
【０１０４】
非指向性モードを生成するために、デバイスは図１９に示すように構成される。偏光状態２４６は、光学効果を有さない第１のレンズを通過する。ドライバ２７６によりセルに電界が印加されることにより、液晶ダイレクタ配向方向２４０、２４２がレンズの表面に対してほぼ垂直に配向される。したがって、偏光状態は、表面レリーフ構造における液晶材料の常光屈折率と一致するため、デバイスは屈折率整合し、光学機能を有さない。したがって、非指向性モードが生成される。
【０１０５】
デバイス構造の一例を図２０の断面に示すが、これは、電極２７２、２７４及び駆動回路２７６が挿入され、液晶材料２５９が例えば切り替え可能なネマチック液晶である点を除いて、図１５と同様である。複屈折材料２４９は、例えば硬化された液晶であってもよい。非切り替え液晶配向２５８、２６０はホモジニアス配向であり得るが、切り替え状態の配向２８０、２７８はホメオトロピック配向であり得る。
【０１０６】
さらなる電極２８２、２８４及び駆動回路２８６が組み込まれるように、単一の入力偏光状態が用いられ、両方のレンズが能動レンズである、代替的な構造を図２１に示す。非指向性モードでは、両方のレンズが起動されることにより、ダイレクタが表面に対して垂直となり、両方のレンズで入射偏光状態が屈折率整合する。第１のレンズを起動するには、ドライバ２８６をオフに切り替えることで、配向方向２３６により第１の屈折表面で屈折率段差ができるようにする。不都合なことに、配向方向は幾何学的レンズ軸に直交するため、セルにディスクリネーションが生じ得る。
【０１０７】
第３のモードでは、第２のレンズ機能が起動され、次にドライバ２８６が起動され、ドライバ２７６が停止される。両方のレンズを同時に起動するには、両方のレンズをオフに切り替えることで、両方の表面で屈折率段差ができるようにする。
【０１０８】
デバイス性能を最適化するために、能動レンズ及び受動レンズの相対位置を逆にすることができる。
【０１０９】
単一能動レンズ構成の偏光スイッチセルは、例えば図９の構造と同様に、パネル出力偏光子とレンズセルとの間に配置してもよい。
【０１１０】
このように、実質的に非指向性のモードと２つの異なる指向性モードとの間で切り替えることができるディスプレイを生成することができる。指向性モードは、自動立体横長モード、自動立体縦長モード、２ビュー自動立体モード、マルチビュー自動立体モード、傾斜レンズ自動立体モード、輝度向上モード、又はマルチビューアモードの組み合わせであってもよい。
【０１１１】
本発明の実施形態における複屈折ネマチック液晶材料は、当該技術分野において既知の液晶ゲル又は高分子ネマチック複合材料を形成するように、或る割合の硬化性液晶材料、例えばＲＭ２５７（Merck Ltd.）を含有していてもよい。ＬＣゲルは、前述の硬化性液晶材料と同様に重合させることができる。有利には、ＬＣゲルは、ネマチックＬＣセルの機械的特性を安定させて、例えば機械圧力に対する堅牢性を高めるのに役立ち得る。ＬＣゲルは、本発明の能動的実施態様又は受動的実施態様のいずれに用いることもでき、ＬＣゲルでは、純粋な液晶の場合と比べて駆動電圧を高くすることができる。液晶材料、ＬＣゲル、又は硬化性液晶を用いる受動レンズの実施態様では、動作に駆動電圧が必要ない。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１ａ】３Ｄディスプレイにおけるスクリーン平面の後方の物体の見かけ上の奥行きの生成を示す。
【図１ｂ】３Ｄディスプレイにおけるスクリーン平面の前方の物体の見かけ上の奥行きの生成を示す。
【図１ｃ】ステレオペア画像の各画像上の対応する相同点の位置を示す。
【図２ａ】自動立体３Ｄディスプレイの前方のウィンドウを見ている右眼の構成を概略的に示す。
【図２ｂ】自動立体３Ｄディスプレイの前方のウィンドウを見ている左眼の構成を概略的に示す。
【図３】３Ｄディスプレイの出力円錐からの観察ゾーンの生成を平面図で示す。
【図４】自動立体ディスプレイの理想的なウィンドウのプロファイルを示す。
【図５】自動立体３Ｄディスプレイからの観察ウィンドウの出力プロファイルの概略図を示す。
【図６】レンチキュラースクリーンディスプレイの構造を示す。
【図７】従来技術の偏光起動マイクロレンズディスプレイを示す。
【図８】従来技術の偏光起動マイクロレンズディスプレイを示す。
【図９】従来技術の偏光起動マイクロレンズディスプレイを示す。
【図１０】従来技術の偏光起動マイクロレンズディスプレイを示す。
【図１１】従来技術の偏光起動マイクロレンズディスプレイを示す。
【図１２】垂直及び水平の指向性を有する１つの指向性モードを有する切り替え可能なディスプレイの一例を示す。
【図１３ａ】横長使用の横長パネルを示す。
【図１３ｂ】縦長使用の縦長パネルを示す。
【図１３ｃ】縦長使用の縦長パネルを示す。
【図１３ｄ】横長使用の横長パネルを示す。
【図１４】直交レンズを有する切り替え可能な指向性ディスプレイを備える本発明の一実施形態を示す。
【図１５】図１４の構成を用いるディスプレイの構造を示す。
【図１６】図１５の一部の代替的な配向方向を示す。
【図１７ａ】図１５のレンズ構造を作製する１つの方法を示す。
【図１７ｂ】図１５のレンズ構造を作製する１つの方法を示す。
【図１７ｃ】図１５のレンズ構造を作製する１つの方法を示す。
【図１８】単一の能動レンズを用いて非指向性モード及び２つの異なる指向性モードが生成される、本発明の一実施形態を示す。
【図１９】図１８のディスプレイの非指向性モードの生成を示す。
【図２０】図１８のレンズを組み込んだディスプレイの構造を示す。
【図２１】一対の能動レンズを用いて非指向性モード及び２つの異なる指向性モードが生成される、本発明の一実施形態を示す。
【図２２】入射偏光状態を制御することにより２つの指向性モードが得られる、本発明の一実施形態を示す。
【図２３】セルにおける電界を制御することにより２つの指向性モードが得られる、本発明の一実施形態を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置に関する。かかる装置は、切り替え可能な２次元（２Ｄ）／３次元（３Ｄ）自動立体（autostereoscopic）表示装置において、切り替え可能な高輝度反射型表示システムのために、マルチユーザ表示システムのために、又は指向性照明システムのために用いることができる。かかるシステムは、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、ラップトップ及びデスクトップコンピュータ、ゲーム装置、自動車用及び他のモバイル表示アプリケーションにおいて用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
通常の人間の視覚は立体的であり、すなわち、それぞれの眼がわずかに異なる世界像（image of the world）を見ている。脳が２つの像（ステレオペアと呼ばれる）を融合することにより、奥行き（depth）の感覚を与える。３次元立体ディスプレイは、実世界のシーンを見ている場合に見られるであろう像に対応する別個のほぼ平坦な像を、それぞれの眼に対して再現する。すると脳は再びステレオペアを融合して、像の奥行きが見えるようにする。
【０００３】
図１ａは、ディスプレイ平面１の表示面の平面図を示す。右眼２は、ディスプレイ平面上の右眼相同像点（homologous image point）３を見ており、左眼４は、ディスプレイ平面上の左眼相同点５を見ており、それにより、スクリーン平面の後方にユーザが認識する見かけ上の像点６が生成される。
【０００４】
図１ｂは、ディスプレイ平面１の表示面の平面図を示す。右眼２は、ディスプレイ平面上の右眼相同像点７を見ており、左眼４は、ディスプレイ平面上の左眼相同点８を見ており、それにより、スクリーン平面の前方に見かけ上の像点９が生成される。
【０００５】
図１ｃは、左眼画像１０及び右眼画像１１の外観を示す。左眼画像１０の相同点５は、基準線１２上に位置決めされる。右眼画像１１の対応する相同点３は、基準線１２に対して異なる相対位置３にある。基準線１２からの点３の間隔１３は、視差（disparity）と呼ばれ、この場合、スクリーン平面の後方にある点の正の視差（positive disparity）である。
【０００６】
シーンにおける一般的な点に関して、図１ａに示すようなステレオペアの各像には対応する点がある。これらの点は相同点（homologous point）と呼ばれる。２つの像の間の相同点の相対間隔は視差と呼ばれ、視差がゼロになる点は、ディスプレイの奥行き面（depth plane）の点に対応する。図１ｂは、非交差性視差を有する点がディスプレイの後方に現れることを示し、図１ｃは、交差性視差を有する点がディスプレイの前方に現れることを示す。相同点の間隔、観察者までの距離、及び観察者の眼間距離の大きさにより、ディスプレイで認識される奥行きの程度が決まる。
【０００７】
立体型ディスプレイは、従来技術において既知であり、ユーザがある種類の視認補助具を装着して、左右の眼に送られるビューを実質的に分離するようにするディスプレイを指す。例えば、視認補助具は、画像が（例えば赤色及び緑色に）色分けされるカラーフィルタ、画像が直交偏光状態で符号化される偏光眼鏡、又はビューが眼鏡のシャッタの開放と同期して画像の時間的配列として符号化されるシャッタ眼鏡であってもよい。
【０００８】
自動立体ディスプレイは、観察者が視認補助具を装着しなくても動作する。自動立体ディスプレイでは、図２に示すように、空間内の限られた領域からビューのそれぞれを見ることができる。
【０００９】
図２ａは、パララックス光学素子（parallax optical element）１７が取り付けられた表示デバイス１６を示す。表示デバイスは、右眼チャネルとして右眼画像１８を生成する。パララックス光学素子（element）１７は、矢印１９で示される方向に光を導き、ディスプレイの前方の領域に右眼観察ウィンドウ２０を生成するようにする。観察者は、自身の右眼２２をウィンドウ２０の位置に位置付ける。左眼観察ウィンドウ２４の位置を参考のために示す。観察ウィンドウ２０は、垂直方向に延びた光学瞳とも呼ばれる。
【００１０】
図２ｂは、左眼光学系を示す。表示デバイス１６は、左眼チャネルとして左眼画像２６を生成する。パララックス光学素子１７は、矢印２８で示される方向に光を導き、ディスプレイの前方の領域に左眼観察ウィンドウ３０を生成するようにする。観察者は、自身の左眼３２をウィンドウ３０の位置に位置付ける。右眼観察ウィンドウ２０の位置を参考のために示す。
【００１１】
本システムは、ディスプレイと光学的方向制御機構（optical steering mechanism）とを備える。左画像２６からの光は、観察ウィンドウ３０と呼ばれるディスプレイの前方の限られた領域に送られる。眼３２が観察ウィンドウ３０の位置に位置付けられている場合、観察者にはディスプレイ１６の全体にわたって適切な画像２６が見える。同様に、光学系は、右画像１８用に意図された光を別個のウィンドウ２０に送る。観察者が自身の右眼２２をウィンドウ２０に位置付けている場合、右眼画像はディスプレイの全体にわたって見られる。概して、いずれの画像からの光も、各指向性分布（directional distribution）に光学的に方向制御された（すなわち、導かれた）ものと考えられてよい。
【００１２】
図３は、ウィンドウ平面４２に左眼観察ウィンドウ３６、３７、３８及び右眼観察ウィンドウ３９、４０、４１を生成する、ディスプレイ平面３４における表示デバイス１６、１７の平面図を示す。ディスプレイからのウィンドウ平面の間隔は、公称視距離４３と呼ばれる。ディスプレイに関して中央の位置にあるウィンドウ３７、４０は、ゼロ番ローブ４４にある。ゼロ番ローブ４４の右側にあるウィンドウ３６、３９は、＋１番ローブ４６にあり、ゼロ番ローブの左側にあるウィンドウ３８、４１は、−１番ローブ４８にある。
【００１３】
ディスプレイの観察ウィンドウ平面は、横方向の観察自由度が最大となるディスプレイからの距離を表す。図３の平面図に示すように、ウィンドウ平面から離れた地点には、ダイヤモンド形の自動立体観察ゾーンがある。図に見られるように、ディスプレイにわたる点それぞれからの光は、有限幅を有する円錐形で観察ウィンドウに放たれる。円錐の幅は、角度幅として定義されてよい。
【００１４】
一対の観察ゾーン、例えば３７、４０のそれぞれに眼が位置付けられている場合、自動立体画像はディスプレイの全範囲にわたって見える。一次的には、ディスプレイの縦方向の観察自由度は、これらの観察ゾーンの長さにより決まる。
【００１５】
図４では、ディスプレイのウィンドウ平面全体の強度５０の変動（１つの有形形態の光の指向性分布を構成する）を、理想的なウィンドウの場合の位置５１に関して示す。右眼ウィンドウ位置の強度分布５２は図３のウィンドウ４１に対応し、強度分布５３はウィンドウ３７に対応し、強度分布５４はウィンドウ４０に対応し、強度分布５５はウィンドウ３６に対応する。
【００１６】
図５は、より現実的なウィンドウの場合の位置での強度分布を概略的に示す。右眼ウィンドウ位置の強度分布５６は図３のウィンドウ４１に対応し、強度分布５７はウィンドウ３７に対応し、強度分布５８はウィンドウ４０に対応し、強度分布５９はウィンドウ３６に対応する。
【００１７】
図４に示すように、画像の分離品質（quality）、及びディスプレイの横方向及び縦方向の観察自由度の大きさは、ウィンドウの品質により決まる。図４は、理想的な観察ウィンドウを示すが、図５は、ディスプレイから出力され得る実際の観察ウィンドウの概略図である。ウィンドウ性能が不十分であることにより、いくつかのアーチファクト（artefact）が生じる可能性がある。右眼画像からの光を左眼で見た場合、及びその反対の場合、クロストークが生じる。これは、ユーザにとって視覚的歪みをもたらす可能性がある重要な３Ｄ画像劣化のメカニズムである。さらに、ウィンドウの品質が悪いと、観察者の観察自由度が低下することになる。本光学系は、観察ウィンドウの性能を最適化するように設計される。
【００１８】
パララックス素子は、透過領域と交互に位置する不透明領域のアレイを備えるパララックスバリアであってもよい。パララックスバリアは、ディスプレイの領域から光を遮ることに頼っているため、輝度及びデバイスの効率は通常、元のディスプレイの輝度の約２０〜４０％に低下する。ディスプレイの画素構造に関してバリアのサブピクセル配向許容度の要件があるため、ディスプレイの観察自由度を最適化するために、パララックスバリアが容易に取り外し及び交換されることはない。２Ｄモードの解像度は半分である。
【００１９】
立体ディスプレイで用いるものとして当該技術分野において既知のパララックス光学系の別のタイプのものは、レンチキュラースクリーンであり、これは垂直方向に延びた円柱マイクロレンズのアレイである。
【００２０】
図６は、レンチキュラースクリーンを用いる従来技術の表示デバイスの典型的な構造を示す。バックライト６０が、ＬＣＤ入力偏光子６４に入射する光出力６２を生成する。光はＴＦＴ ＬＣＤ基板６６を透過して、ＬＣＤ画素平面６７に列及び行をなして配列された画素の反復アレイに入射する。赤色画素６８、７１、７３、緑色画素６９、７２、７５、及び青色画素７０、７３はそれぞれ、個別に制御可能な液晶層を構成し、ブラックマスク７６と呼ばれる不透明マスクの領域により分離される。各画素は、透過領域、すなわち画素開口７８を含む。画素を通過する光は、ＬＣＤ画素平面６７の液晶材料により位相が変調され、ＬＣＤカラーフィルタ基板８０に配置されたカラーフィルタにより色が変調される。次に、光は出力偏光子８２を通過し、その後、レンチキュラースクリーン基板９４と、レンチキュラースクリーン基板９２の表面に形成されたレンチキュラースクリーン９６とを通過する。パララックスバリアに関しては、レンチキュラースクリーン９４が、画素６９からの光線８８で示されるように、１つおきの画素列６９、７１、７３、７５からの光を右眼へと導き、画素６８からの光線９０で示されるように、その間の列６８、７０、７２、７４からの光を左眼へと導くのに役立つ。観察者には、レンチキュラースクリーン９６の個々のレンチクル９８の開口を照明する、下にある画素からの光が見える。取り込まれた光円錐の大きさは、取り込まれた光線１００により示される。
【００２１】
上記の構成では、ＬＣＤ画素平面は、空間光変調器（ＳＬＭ）としての役割を果たす。本明細書中で用いられる場合、光空間変調器又はＳＬＭという用語は、液晶ディスプレイ等の「光弁(light valve)」デバイスと、エレクトロルミネッセンスディスプレイ及びＬＥＤディスプレイ等の発光型デバイス（emissive devices）との両方を含む。
【００２２】
レンチキュラーディスプレイは、T. Okoshiによる「Three Dimensional Imaging Techniques」（Academic Press 1976）に記載されている。空間光変調器を用いるあるタイプのレンチキュラーディスプレイは、米国特許第４，９５９，６４１号に記載されている。米国特許第４，９５９，６４１号の発明は、空中での（in air）非切り替えレンチキュラー要素を説明している。
【００２３】
ディスプレイの画素列に対して傾斜した円柱レンズを用いるレンチキュラーディスプレイは、SPIE Proceedings Vol.2653, 1996, pages 32 to 39に発表された「Multiview 3D-LCD」に記載されている。
【００２４】
上述のフラットパネルディスプレイの観察自由度は、ディスプレイのウィンドウ構造により制限される。
【００２５】
観察自由度が観察者の位置の測定及びそれに応じたパララックス素子の移動により改善されるディスプレイが、欧州特許第０８２９７４３号に記載されている。このような観察者測定装置及び機械的作動は、高価且つ複雑である。
【００２６】
ウィンドウの光学構造が変化せず（例えば固定パララックス光学ディスプレイ）、画像データが観察者の測定位置に応じて切り替えられて、観察者がほぼ立体的な画像を維持するようにするディスプレイが、例えば欧州特許第０７２１１３１号に記載されている。
【００２７】
２Ｄ−３Ｄ切り替えディスプレイ
上述のように、空間的に多重化された３Ｄ表示を生成するためのパララックス光学系の使用により、各画像の解像度はフル表示解像度のせいぜい半分に制限される。多くの用途でディスプレイは、わずかな時間だけ３Ｄモードで用いることが意図され、フル解像度でアーチファクトのない２Ｄモードを有することが必要とされる。
【００２８】
パララックス光学系の効果が除去される或るタイプのディスプレイは、Proc.SPIE vol. 1915 Stereoscopic Displays and Applications IV (1993)pp177-186「Developments In Autostereoscopic Technology at Dimension Technologies Inc.」, 1993に開示されている。この場合、切り替え可能なディフューザ素子が、光のラインを形成するために用いられる光学系に配置される。このような切り替え可能なディフューザは、例えば、高分子分散型液晶タイプのものであってよく、これは、材料にわたって印加電圧を適用することにより、分子配列が散乱モードと非散乱モードとの間で切り替わるものである。３Ｄモードでは、ディフューザはクリアであり、後方パララックスバリア効果（rear parallax barrier effect）をもたらすために光のラインが生成される。２Ｄモードでは、ディフューザは散光性であり（scattering）、光のラインが消滅し（washed out）、均一光源の効果がもたらされる。このように、ディスプレイの出力は実質的に均等拡散（Lambertian）であり、ウィンドウが消滅する。すると、観察者にはディスプレイがフル解像度の２Ｄディスプレイとして見える。このようなディスプレイでは、３Ｄモードでフレネル回折アーチファクトが生じ、またディフューザのクリアな状態で望ましくない残留散乱が生じ、これがディスプレイのクロストークを増加させる。したがって、このようなディスプレイは高レベルの視覚的歪みを示す可能性が高い。
【００２９】
ＥＰ−Ａ−０，８３３，１８３に開示される別のタイプの切り替え可能な２Ｄ−３Ｄディスプレイでは、第２のＬＣＤがディスプレイの前部に配置されて、パララックス光学系としての役割を果たす。第１のモードでは、パララックスＬＣＤはクリアであるため、ウィンドウが形成されず、画像は２Ｄで見られる。第２のモードでは、パララックスバリアのスリットを生成するようにデバイスが切り替えられる。次に、出力ウィンドウが形成され、画像が３Ｄに見える。このようなディスプレイは、２つのＬＣＤ素子の使用によりコスト及び複雑性が増すとともに、輝度が低下するか、又は消費電力が増す。反射モードの３Ｄ表示システムで用いる場合、パララックスバリアは、光をディスプレイに入る途中及びディスプレイから出る途中の両方でパララックスバリアの遮断領域により減衰させるために、非常に低い輝度をもたらす。
【００３０】
欧州特許第０８２９７４４号に開示される別のタイプの切り替え可能な２Ｄ−３Ｄディスプレイでは、パララックスバリアは、半波長リターダ素子（half-wave retarder elements）のパターン化されたアレイを含む。リターダ素子のパターンは、パララックスバリア素子のバリアスリット及び吸収領域のパターンに対応する。３Ｄ動作モードでは、偏光子がディスプレイに加えられることにより、パターン化されたリターダのスリットを通る光が検査（analyze）される。このようにして吸収パララックスバリアが生成される。２Ｄ動作モードでは、２Ｄ動作モードにはいかなる偏光特性も関与しないため、偏光子は完全に取り外される。したがって、ディスプレイの出力はフル解像度及びフル輝度である。１つの欠点は、このようなディスプレイはパララックスバリア技術を用いるため、３Ｄ動作モードではおそらく２０〜３０％の輝度に制限されることである。また、ディスプレイは、バリアの開口からの回折により制限される観察自由度及びクロストークを有することになる。
【００３１】
光の方向を切り替えるために、電気的に切り替え可能な複屈折レンズを設けることが知られている。このようなレンズを用いて、ディスプレイを２Ｄ動作モードと３Ｄ動作モードとの間で切り替えることが知られている。
【００３２】
例えば、電気的に切り替え可能な複屈折液晶マイクロレンズが、European Optical Society Topical Meetings Digest Series: 13, 15-16 May 1997 L. G. Commander他著、「Electrode designs for tuneable microlenses」（pp48-58）に記載されている。
【００３３】
米国特許第６，０６９，６５０号及びＷＯ９８／２１６２０に開示される別のタイプの切り替え可能な２Ｄ−３Ｄディスプレイでは、液晶材料で充填されたレンチキュラースクリーンを含む切り替え可能なマイクロレンズが、レンチキュラースクリーンの光パワーを変えるために用いられる。米国特許第６，０６９，６５０号及びＷＯ９８／２１６２０は、レンチキュラー手段の光出力誘導（directing）作用が提供される第１の値と光出力誘導作用が除去される第２の値との間で電位を選択的に印加することにより屈折率を切り替え可能なレンチキュラースクリーンでの、電気光学材料の使用を教示している。
【００３４】
液晶フレネルレンズを含む３Ｄディスプレイが、S. Suyama他著「3D Display System with Dual Frequency Liquid Crystal Varifocal Lens」、SID 97 DIGEST pp273-276に記載されている。
【００３５】
ＷＯ０３／０１５，４２４に開示される別のタイプの切り替え可能な２Ｄ−３Ｄディスプレイでは、受動複屈折マイクロレンズが、レンズを通過して観察者に届く光の偏光を制御することにより２Ｄモードと３Ｄモードとの間で切り替えられる。当該参考文献から、複屈折マイクロレンズの幾何学的軸がレンズ表面における複屈折材料軸と平行であるように入力偏光を回転させるために、受動複屈折レンズで捻りを用いることも既知である。ＷＯ０３／０１５，４２４に開示される表示デバイスの１つは、図７の平面図に示されており、以下のように構成される。
【００３６】
バックライト１０２が、ＬＣＤ入力偏光子１０６の照明１０４を生成する。光は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）基板１０８を通過して、個別に制御可能な位相変調画素１１２〜１２６を含む画素層１１０に入射する。画素は、行及び列をなして配列され、画素開口１２８を含み、分離用のブラックマスク１３０を有してもよい。次に、光はＬＣＤ対向基板１３２と、複屈折マイクロレンズアレイ１３８が形成されるレンズキャリア基板１３６とを通過する。複屈折マイクロレンズアレイ１３８は、等方性レンズ微細構造１４０と、光軸方向１４２を有する配向複屈折材料とを含む。次に、複屈折レンズの出力は、レンズ基板１４４と偏光修正デバイス１４６とを通過する。
【００３７】
レンズアレイの各複屈折レンズは円柱状である。レンズアレイ１３８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。この例でのレンズのピッチは、ディスプレイの画素のピッチのほぼ２倍になるように構成されて、２ビュー自動立体ディスプレイが生成されるようになる。
【００３８】
第１の動作モードでは、偏光修正デバイス１４６は、マイクロレンズアレイの複屈折材料の常軸と平行な偏光状態を有する光を透過するように構成される。材料（液晶材料等）の常光屈折率は、等方性微細構造１４０の屈折率とほぼ整合する。したがって、レンズは光学効果を有さず、ディスプレイの出力の指向性分布に実質的な変化はない。このモードでは、観察者の各眼には、ディスプレイの画素１１２〜１２６全てが見え、２Ｄ画像が生成される。
【００３９】
第２の動作モードでは、偏光修正デバイス１４６は、複屈折マイクロレンズアレイの異常軸と平行な偏光状態を有する光を透過するように構成される。材料（液晶材料等）の異常光屈折率は、等方性微細構造１４０の屈折率とは異なる。したがって、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、当該技術分野において既知のように、ディスプレイの前方の正確な位置にいる観察者が左眼で左画像の画素１１２、１１６、１２０、１２４からの光に対応する左画像を見て、右眼で右画像の画素１１４、１１８、１２２、１２６に対応する右画像を見るように設定することができる。このように、切り替え可能な２Ｄ−３Ｄ自動立体ディスプレイを生成することができる。
【００４０】
レンズアレイは、光学効率が高く、スポットサイズが小さく、既知のリソグラフ加工技法を用いて製造できるという特性を組み合わせているため、自動立体ディスプレイに特に適している。
【００４１】
光の方向を切り替えるために、電気的に切り替え可能な複屈折レンズを設けることも知られている。このようなレンズを用いて、ディスプレイを２Ｄ動作モードと３Ｄ動作モードとの間で切り替えることが知られている。
【００４２】
３Ｄ自動立体ディスプレイでは、レンズアレイ（又はレンチキュラースクリーン）を用いて、光を適当な観察ウィンドウから成る指向性分布に導くことができる。このタイプのレンズアレイを用いて、光を他の指向性分布に導くこともできる。このような指向性分布の例は、ＷＯ０３／０１５，４２４に開示されており、光が公称観察平面における広い水平ウィンドウに導かれる高輝度分布を含む。ウィンドウでは、観察者には、パネルの垂直口径比に比例した輝度の上昇が見える。観察ウィンドウ外では、観察者には画素間のギャップが見えるため、ディスプレイの輝度は低下していることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４３】
少なくとも２つの指向性動作モードが利用可能である切り替え可能な指向性ディスプレイを提供することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
本発明によれば、直列に配列される第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイを備えるレンズアレイ構造であって、
第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイの両方は、１つの偏光を有する入射光を各指向性分布に導き、且つその１つの偏光に対して垂直な偏光を有する入射光に実質的に効果を及ぼさないように動作することが可能であり、
第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイは、第１の偏光成分を有する入射光が、第１の複屈折レンズアレイにより或る指向性分布に導かれ、且つ第２の複屈折レンズアレイによる影響を受けず、第１の偏光成分に対して垂直な方向に偏光された第２の偏光成分を有する入射光が、第１の複屈折レンズアレイによる影響を受けず、且つ第２の複屈折レンズアレイにより所定の指向性分布に導かれるように、相対的な向きにされる、直列に配列される第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイを備えるレンズアレイ構造が提供される。
【００４５】
したがって、入射光は、その偏光に応じて第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイのいずれか一方の指向性分布に導かれる。これにより、レンズアレイ構造の効果を、そこを通過する光の偏光の制御により変えることが可能となる。
【００４６】
レンズアレイ構造は、空間光変調器と、ディスプレイを通過する光の偏光を制御して、上記第１の偏光成分又は上記第２の偏光成分に選択的に対応する偏光成分を有する光を表示デバイスから出力するように配列される、切り替え可能な偏光制御デバイスとも含む、表示装置に組み込むことができる。表示デバイスは、表示デバイスからの光出力の偏光成分がレンズアレイ構造に入射する第１の偏光成分に対応するか又は第２の偏光成分に対応するかに応じて、出力光が異なる指向性分布に導かれる、２つのモードで動作可能である。２つのモード間の切り替えは、偏光制御デバイスの切り替えにより行われる。
【００４７】
第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイが光を導く指向性分布は、
自動立体横長（landscape）分布、
自動立体縦長（portrait）分布、
２ビュー自動立体分布、
マルチビュー自動立体分布、
傾斜レンズ自動立体分布、
高輝度分布、又は
マルチビューア分布
のうちいずれか２つであり得る。
【００４８】
レンズアレイは、両方が受動的であってもよい。この場合、レンズアレイ構造は、第１の偏光成分及び第２の偏光成分に対する効果に対応する２つの可能な動作モードを有する。
【００４９】
代替的に、レンズアレイの一方又は両方が、１つの偏光を有する入射光を各指向性分布に導き、且つ上記１つの偏光に対して垂直な偏光を有する入射光には実質的に効果を及ぼさない第１のモードと、実質的に光学効果を有さない第２のモードとの間で切り替え可能な能動レンズアレイであってもよい。能動レンズアレイを第１のモードで用いることにより、レンズアレイ構造は２つの動作モードを有し、これらの両方で、上述のように偏光制御に応じて異なる指向性分布が達成される。能動レンズアレイを第２のモードで用いることにより、レンズアレイ構造は、レンズアレイ構造が光学効果を全く有さない第３の動作モードを有する。このような能動レンズアレイは、上述のような表示装置に組み込むことができる。但し、少なくとも１つの能動レンズアレイの切り替えを制御するように配列される制御回路を追加して組み込むことができる。したがって、表示装置は、レンズアレイの入力照明が実質的に修正されない「非指向性モード」を有する。
【００５０】
このようなデバイスは、
第１の動作モードでは、肉眼で見ることができる、動くフルカラーの３Ｄ立体画像を、第２の動作モードでは、フル解像度の２Ｄ画像を適宜提供することができる、自動立体表示手段と、
第１のモードでは、実質的に非指向性の輝度性能を示すことができ、第２のモードでは、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半透過反射型表示システムと、又は
１つの動作モードでは、１つの２Ｄ画像（フルカラー動画であってもよい）を１人の観察者に、且つ少なくとも第２の別の２Ｄ画像を少なくとも第２の観察者に、第２の動作モードでは、全観察者により見られる１つのフル解像度の２Ｄ画像を適宜提供することができる、マルチビューア表示手段と
に用いることができる。
【００５１】
本発明による別の形態では、指向性表示装置であって、
第１の複屈折レンズアレイと、
第２の複屈折レンズアレイと、
偏光された出力を有することができる空間光変調器と、
表示装置が少なくとも２つの指向性モードを生成できるように配列される第１のレンズ表面又は第２のレンズ表面における位相ステップを制御するように配列される、少なくとも１つの屈折表面位相ステップ切り替え手段と
を備える、指向性表示装置が提供される。
【００５２】
レンズアレイは円柱状であることが望ましい。
【００５３】
各レンズアレイは、等方性材料及び複屈折材料を含むことが望ましい。
【００５４】
１つの可能性として、等方性材料の屈折率はほぼ同じであり、複屈折材料の屈折率の一方とほぼ等しい。
【００５５】
別の可能性として、等方性材料の一方の屈折率は、複屈折材料の常光屈折率とほぼ同じであり、等方性材料の他方の屈折率は、複屈折材料の異常光屈折率とほぼ同じである。
【００５６】
切り替え手段は、空間光変調器の出力偏光子とレンズアレイとの間に配置され得る切り替え可能な偏光回転子を含んでもよい。
【００５７】
レンズの一方又は両方は能動的であってもよく、その場合、切り替え手段は、能動レンズを含むレンズにおける切り替え可能な電界を含み得る。
【００５８】
切り替え手段は、切り替え可能な偏光回転子とレンズにおける切り替え可能な電界との組み合わせであり得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
次に、本発明の実施形態を、単なる例として、図面を参照して説明する。
【００６０】
種々の実施形態のいくつかは共通の要素を用いており、それらには簡略化するために共通の参照符号を与え、その説明は繰り返さない。さらに、各実施形態の要素の説明は、他の実施形態の同一の要素及び対応する効果を有する要素にも、適宜変更を加えて準用される。また、ディスプレイである実施形態を示す図は、明確化するためにディスプレイの一部のみを示す。実際には、ディスプレイの全域にわたってその構成が繰り返される。
【００６１】
本明細書では、複屈折材料の光軸の方向（ダイレクタ方向、又は異常軸方向）は、複屈折光軸と呼ばれる。これは、幾何光学により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。
【００６２】
円柱レンズは、（曲率半径を有し、且つ他の非球面成分を有してもよい）縁が第１の直線方向に掃引された(swept）レンズを指す。幾何学的マイクロレンズ軸は、第１の直線方向に、すなわち、縁の掃引方向に平行にレンズの中心に沿ったライン、として定義される。本明細書中で用いられる「円柱」という用語は、当該技術分野において通常の意味を有し、厳密な球面レンズ形状だけではなく非球面レンズ形状も含む。
【００６３】
２Ｄ−３Ｄ型ディスプレイでは、幾何学的マイクロレンズ軸は垂直であるため、ディスプレイの画素列に平行であるか、又は当該列に対してわずかに傾斜している。本明細書中で説明する輝度向上ディスプレイでは、幾何学的マイクロレンズ軸は水平であるため、ディスプレイの画素行に平行である。
【００６４】
２ビュー自動立体３Ｄディスプレイのレンズアレイのレンズのピッチは、レンズアレイとともに用いられる空間光変調器の画素のピッチの２倍にほぼ等しい。実際には、レンズアレイのレンズのピッチは、「視点補正」として一般的に知られる方法で観察ウィンドウまで光を方向制御するために、空間光変調器の画素のピッチの２倍よりもわずかに小さい。レンズの曲率は、ウィンドウ平面においてＬＣＤ画素の画像を生成するように実質的に設定される。レンズが画素から円錐形の光を集光し、それをウィンドウに分配すると、レンズアレイは入射光のフル輝度を提供する。
【００６５】
円柱レンズ、細長いスリットのアレイ、又はホログラムの列を組み込んだもの等の従来技術の指向性ディスプレイは、一方向のみにパララックスを生み出す。これは、指向性モードで光学要素により与えられる解像度の損失を減らす役割を果たすことが好都合である。しかしながら、指向性モードのディスプレイの向きは、光学素子軸構成の幾何学的形状により固定されるため、ディスプレイは横長モード又は縦長モードの一方でしか用いることができない。
【００６６】
携帯電話及びカメラ等のデバイスでは、例えばメニューインタフェースとゲームアプリケーションとの間で用途を最適に合わせるようにディスプレイを回転させることが望ましい場合が多い。このような機能は、標準的な指向性ディスプレイでは可能となり得ない。
【００６７】
さらに、パネルの挙動がベースパネルの挙動とほぼ同じである第１の非指向性モードとパネルの挙動が指向性ディスプレイ、例えば自動立体ディスプレイである第２の指向性モードとの間で、指向性機能を切り替えることが一般的に望ましい。
【００６８】
実施形態は、単独で、又は任意の組み合わせで以下の利点を達成することができる。
指向性表示デバイスの複数の動作モードを独立した性能を有するように構成できる。
非指向性モードを構成できる。
ディスプレイが実質的にベースディスプレイのフル輝度を有する。
標準的な材料及び加工技法を用いることができる。
低費用である。
既製品のフラットパネルディスプレイと互換性がある。且つ／又は
指向性モードでのディスプレイの性能が高い。
【００６９】
図８〜図１１は、本発明によるレンズアレイ構造を適用することができる表示装置を示す。これらの表示装置は、図７に示し上述したものと同様であるが、以下の変更を伴う。バックライト及び入力偏光子は図示されていない。
【００７０】
図８の表示装置では、図７の偏光子１４６が、液晶層１６０を挟むさらなるＩＴＯ層１５８及び１５８と、出力基板１６４と、出力偏光子１６６とを備える電気制御偏光スイッチで置き換えられる。電気信号コントローラ１６２が、ＩＴＯ電極間で電界を切り替えて液晶材料１６０を切り替えることを可能にする。これにより、前述のように、出力偏光子１６６によって透過される偏光状態の制御、したがってレンズの機能を制御することが可能となる。
【００７１】
図９は、図８のものと同様の概念的デバイスを示すが、出力偏光子１５４が対向基板１３２上に配置され、ＩＴＯ電極配向層１５８及びＬＣ層１６０がレンズ１４２と偏光子１５４との間に配置される。このような構成により、フル画像コントラスト及びフル輝度を有するレンズの切り替えが可能となる。
【００７２】
図１０は、電極と液晶スイッチ１７４及び液晶スイッチ１６０とが固体液晶レンズであり得る液晶レンズに接触するよう配置される、代替的な構成を示す。ＩＴＯ電極１７２がレンズの片側に組み込まれる。
【００７３】
図１１は、自動立体ディスプレイの２ビュー画素列が輝度向上ディスプレイの開口で置き換えられる、図１０のディスプレイの代替的な構成を示す。
【００７４】
本発明によるものではないが、非指向性モードと指向性モードとの間で切り替えることができ、且つ縦長の向き及び横長の向きの両方で指向性モードを可能にすることができる概念的装置が、図１２に示され、これは、図８に示すものと同様の構造及び動作を有する偏光起動（Activated）マイクロレンズディスプレイの場合である。ＬＣＤパネル出力基板２００は、直線出力偏光２０２を有する。出力偏光状態は、配向方向２０６を有する対向基板２０４と配向方向２１０を有する表面レリーフレンズ２０８との間に挟まれる複屈折材料（図示せず）を含むレンズアレイに入射する。出力光は、それぞれ配向方向２１６、２１８を有するとともに液晶層（図示せず）を挟むＩＴＯ電極２１２、２１４から成る液晶シャッタを通過する。次に、光は、偏光透過方向２２２を有する最終出力偏光子２２０を通過する。
【００７５】
このようなディスプレイのレンズアレイ２０８は、非円柱状である。レンズは、例えば実質的に第１の方向に２つの画素列、第２の方向に２つの画素行のピッチを有するように配列され得る。したがって、ディスプレイは原理上、横長動作モード及び縦長動作モードの両方で自動立体ディスプレイを見せることができる。パネルは、この例では、例えば赤色画素、緑色画素、及び青色画素の垂直列を有する横長パネルとして向けることができる。２つのモード間で切り替えを行うために、パネル上の左眼及び右眼データは、横長動作では隣接する列に、縦長動作では隣接する行にあり得る。
【００７６】
不都合なことに、表面レリーフレンズは、水平レンズ軸及び垂直レンズ軸の両方で同じ１つの最大奥行きを有する。しかしながら、レンズは、概して非正方形となるため、曲率半径は水平方向と垂直方向とで大きく異なり得る。したがって、レンズの焦点距離は２つの向きで異なる。しかしながら、画素平面は、レンズ表面から一定の１つの距離にあるため、デバイスは１つの向きで最適に動作するよう焦点合わせするか、又は両方の向きで妥協した焦点に設定することしかできない。これは、少なくとも一方のモードで、生成されるウィンドウが望ましくない品質となり得ることを意味する。さらに、指向性動作モードでは、ディスプレイは垂直軸及び水平軸両方で画素間のギャップを結像するため、軸を中心にディスプレイを傾けると画像がちらつく。さらに、ディスプレイは、水平方向及び垂直方向の両方で限られた解像度しか示さない。
【００７７】
さらに不都合なことに、レンズアレイの表面における複屈折材料の高性能配向を維持することが困難であり得る。
【００７８】
したがって、非円柱レンズを用いて、縦長の向き及び横長の向きの両方で用いることができる指向性ディスプレイと非指向性ディスプレイとの間の切り替えを行うことができる。しかしながら、このようなディスプレイには、上述のものを含む多数の欠点がある。
【００７９】
以下の図では、或る表面における、又は紙面内に入るか又は紙面外に出る方向の複屈折材料の向きを示すために符号を用いるが、当該技術分野において既知のように、表面における複屈折材料のプレチルトにより、向きは図示のものからわずかに外れている可能性があることを理解されたい。
【００８０】
本発明の空間光変調器は、透過型ディスプレイ、反射型ディスプレイ、半透過型ディスプレイ、又は発光型ディスプレイ（有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ等）、或いはそれらの組み合わせとすることができる。非偏光ディスプレイの場合、さらなる偏光子及び波長板層を用いてもよい。
【００８１】
図１３は、横長パネル及び縦長パネルの説明を明確にする。図１３ａにおいて、横長パネル３００は、赤色画素列３０２、緑色画素列３０４、及び青色画素列３０６を有する。図１３ｂに示すような縦長モードに回転させると、画素列も回転する。図１３ｃは、赤色画素列３１０、緑色画素列３１２、及び青色画素列３１４を有する縦長パネル３０８を示す。図１３ｄは、横長使用のために回転させた縦長パネルを示す。
【００８２】
本発明の実施形態は、図７〜図１１に示すか又はＷＯ０３／０１５，４２４に開示される表示装置のいずれかに基づき、且つレンズアレイを以下の構成のいずれか１つを有するレンズアレイ構造で置き換えることにより、形成することができる。したがって、参照により本明細書に援用されるＷＯ０３／０１５，４２４に開示される表示装置の種々の特徴は、本発明の場合にも同様に適用することができる。
【００８３】
非指向性モードに切り替え可能ではないが２つの指向性モードを有する切り替え可能なレンズアレイ構造が、図１４に示される。図示の例では、レンズは、等方性表面レリーフ層２２４、複屈折材料２２６、複屈折材料を配向させる機能を有する層２２８、複屈折材料を配向させる機能を有する第２の層２３０、第２の複屈折材料２３２、及び第２の等方性表面レリーフ層２３４を備える。各表面に配向方向２３６〜２４２が記されている。配向方向２３８、２４０は、各配向方向２３６、２４２と直交していてもよく、又は平行であってもよい。
【００８４】
複屈折材料の常光屈折率は、等方性材料の屈折率とほぼ同じであるように設定される。円柱レンズアレイ２２４のレンズは、水平に設定され、ピッチはディスプレイ（図示せず）の画素行のピッチのほぼ２倍である。円柱レンズアレイ２３４のレンズは、垂直に設定され、ピッチはディスプレイの列のピッチのほぼ２倍である。レンズ２２４の複屈折材料光軸の配向方向２３０は、レンズの幾何学的軸と平行に設定され、レンズ対向基板２２８には逆平行な配向方向２３８が設定される。配向層２２８及び２３０は、例えばガラスマイクロシート（図示せず）等の薄い基板の両側に配置することができる。表面２３０の複屈折材料の配向方向２４０は、配向方向２３８と直交し、配向方向２４２と逆平行である。
【００８５】
動作時には、第１の直線偏光状態２４４がレンズに入射する。この偏光状態は、複屈折材料２２６の異常軸と平行であるため、この表面には屈折率段差が生じ、レンズ機能が生じる。光は配向層２２８を通過し、第２のレンズ２３２の材料に入射する。この場合、偏光状態は、等方性材料の屈折率と整合する第２の複屈折材料、したがって第２のレンズ２３４の表面の常光屈折率と一致し（see）、いかなる機能も生じない。直交偏光状態２４６の場合、第１のレンズで光の屈折率が整合し、第２のレンズにおいてレンズ機能が生じる。
【００８６】
したがって、レンズを通過して観察者まで届く偏光状態を変更することにより、２つの異なるレンズ機能に分解することができる。このようなレンズを用いて、縦長の自動立体３Ｄ動作モードと横長の自動立体３Ｄ動作モードとの間で切り替えることができるディスプレイを構成することができる。
【００８７】
ディスプレイの動作は、前述したものと同様である。
【００８８】
代替的に、レンズの一方を横長の自動立体３Ｄディスプレイのレンズとし、他方を輝度向上ディスプレイのレンズとしてもよい。
【００８９】
代替的に、レンズの一方を２ビュー自動立体ディスプレイとし、傾斜レンズを用いて他方をマルチビュー自動立体ディスプレイとしてもよい。この場合、両方のパネル向きが、例えば横長であってもよい。
【００９０】
したがって、指向性ディスプレイモードの任意の２つの組み合わせをもたらすことができる。
【００９１】
レンズアレイそれぞれの等方性及び複屈折素子の向きは、画素平面に焦点が形成されるように曲率及び屈折率を設定して配列することができる。各表面の曲率は、境界面の両側での材料の屈折率に応じて、システムにおける光の伝播方向に対して正であっても負であってもよい。一方のレンズの焦点距離は、基板の厚さとほぼ等しい量だけ他方とは異なる必要があることに留意されたい。有利には、画素平面から遠いレンズは、レンズのサグ(sag)が最小になるように、その動作モードで最大の横方向レンズピッチで結像を行う必要があるように選択され得る。代替的に、画素平面から遠いレンズは、観察距離が２つのレンズで名目上同じであるように、その動作モードで最大の横方向画素ピッチで結像を行う必要があるように選択され得る。
【００９２】
図１４に記載のレンズと同様の機能を有するレンズアレイ構造を、例えば図１５の断面図に示すように構成することができる。例えば、ＴＦＴ−ＬＣＤ１０２、１０６、１０８、１１０、１３２のバックライトからの光は、配向層方向２４８を有するレンズ対向基板２４７を通過して、複屈折材料２４９と及び表面配向方向２５０を有する等方性レンズ２５２とへ届く。レンズ２５２は、画素平面１１０からの画素を出力ウィンドウに結像する役割を果たす。等方性材料は、例えばマイクロシート等の任意選択的な薄い基板２５４に取り付けられる。層２５４の厚さは、画素平面からの各レンズの間隔を最適にするように調整することができる。例えば、横長モードの３Ｄレンズは短い間隔を必要とし得るが、縦長モードの３Ｄレンズは長い間隔を必要とし得る。
【００９３】
第２のレンズ２５６は、例えば第１のレンズ２５２の軸に対して回転し得る軸を有し、異なる曲率半径を有し得る。レンズは、回転させると、断面に曲率がないように見える。光は、両面にそれぞれ配向方向２５８及び２６０を有する第２の複屈折材料２５９を通過する。再び、配向方向２５８と２６０とは直交する。２つの指向性モード間で切り替える際のディスプレイの動作は、前述した通りである。
【００９４】
図１６は図１５の構造の一部を示すが、配向方向２６０がＬＣＤの出力偏光と一致するように調整してある。複屈折材料の複屈折及びガイドにより、複屈折材料２４９において直線偏光方向の回転が行われる。例えば、ＬＣＤの出力偏光方向は、パネルの平面図の垂直線に対して４５°にあり得る。この場合、配向方向２６０は、レンズ２５２の軸に対して４５°となる。残りの配向方向は、前述したのと同じであり得る。
【００９５】
いずれの場合も、レンズの２つの部品間の配向方向は直交するため、レンズは独立した挙動を示すことができる。
【００９６】
図１５のレンズアレイ構造は、例えば図１７に示すように製造することができる。図１７ａでは、基板２４７は、例えばラビングしたポリイミド配向層、光配向層、又は回折配向層であり得る配向層を有する。Merckから入手可能なＭＲ２５７等の硬化性複屈折材料２４９の層が、基板２４７の表面に施され、配向層２６４（回折配向層であり得る）を有する表面レリーフ層を含むエンボス加工具（embossing tool）２６２が材料２４９の表面に施されて、適切な材料配向方向を有するレンズが形成される。材料がこの構造で硬化するように、紫外線源（図示せず）が材料に施される。
【００９７】
図１７ｂでは、ＵＶ硬化性ポリマー等の等方性材料が、第１のレンズアレイの上面に施され、工具２６６により第２の表面レリーフ及び配向層構造２６８がエンボス加工される。この場合も、材料はＵＶ硬化される。代替的に、例えばコーティングされたポリイミド層を加工してからラビングした後で、配向層を施してもよい。最後に、外側基板１４４に配向層２７０を加えて、液晶又は硬化性液晶材料等の複屈折材料でギャップを充填することにより、構造が組み立てられる。配向層（図示せず）を有するエンボス加工具が図１７ａ及び図１７ｂに記載するようにして用いられる場合、基板１４４は省いてもよい。
【００９８】
図１４に示す構造を作製するには、複製された等方性表面２２４及び２３４上で非複製配向層を用いることができる。配向層を有するガラスマイクロシート層等の層を、スペーサによってレンズ表面間に挟むことができ、ＵＶ硬化性液晶材料であり得る適当な複屈折材料でギャップが充填される。
【００９９】
これらの構成では、第１の複屈折層及び第２の複屈折層、並びに第１の等方性層及び第２の等方性層は、システムの設計を個別に最適化するために異なる材料から成っていてもよい。
【０１００】
図２２は、さらなるレンズアレイ構造を示す。このレンズアレイ構造は、基板２２８及び２３０がなく、等方性レンズ基板の一方、例えば２９０が、通常は複屈折材料２２６の異常光屈折率とほぼ同じ屈折率を有するプラスチック材料である材料から構成されるという点で、図１４のレンズアレイ構造とは異なる。複屈折材料２８８を用いて、２つのレンズ表面２２４と２９０との間のギャップが充填される。他方のレンズ基板２２４は、複屈折材料２２６の常光屈折率とほぼ同じ屈折率を有するプラスチック材料から構成される。複屈折材料２８８は、レンズの表面の配向方向２３６及び２４２により制御される向き、すなわち捩れた構成を取る。矢印２４４で示すように偏光された光は、その偏光ではレンズから複屈折材料２２６まで屈折率段差があるため、デバイスに入ってレンズ２２４に当たる。次に、光は複屈折材料を通って回転し、レンズ基板２９０の境界面から出ると、屈折率段差がなくなる。これは、２９０が複屈折材料２２６の異常光屈折率とほぼ同じ屈折率を有する材料からできているからである。反対に、デバイスに入る光が矢印２４６で示す方向に偏光される場合、素子２２４において屈折率段差は見られないが、光は依然として複屈折材料２２６により回転されて、方向２４２に直交する偏光でレンズ基板２９０に衝突するため、この境界面では屈折率段差がある。したがって、ＷＯ０３／０１５，４２４に記載されるような偏光スイッチによってデバイスからの出力偏光を選択することにより、レンズ２２４又は２９０いずれかの光学機能を選択することができる。
【０１０１】
図２３の実施形態は、透明電極２９２、２９４が例えば基板２２４及び２９０それぞれに設けられるという点で、図２２の実施形態とは異なる。このような電極は、複屈折材料２２６にわたって電界が形成されることを可能にするように、例えば各基板のいずれかの表面に施されるＩＴＯコーティングであってもよい。切り替え可能な電気デバイス２９８と、電極２９２、２９４への接点とが設けられる。非切り替え状態での動作時には、偏光２４４を有する光は第１のレンズ機能に対応するが、セルを通って第２のレンズにガイドされ、ここでの屈折率整合は、レンズ機能が見られないことを意味する。切り替えモードでは、複屈折材料２８８の分子が基板に対して垂直に配向されることにより、偏光状態２４４の場合、第１のレンズは屈折率整合し、第２のレンズは境界面に屈折率段差があるため、レンズ機能がもたらされる。
【０１０２】
これまで説明してきた構造は、２つの動作モード間での切り替えを可能にする。ディスプレイが第３の実質的に非指向性のモードを有することが望まれる場合が多い。この目的を果たす１つのレンズアレイ構造を図１８に示す。デバイスは、図１４に示すものと同様の構造を有するように構成されるが、２つの外面レリーフ構造を備える。第２のレンズは、切り替え可能なネマチック液晶材料と、電極２７２及び２７４と、必要に応じてセルに電界を印加する切り替え可能な電気ドライバ２７６とを備える、能動レンズである。
【０１０３】
第１の動作モードでは、第２のレンズセルには電界が印加されないため、デバイスは図１４に関して説明したように動作し、２つのレンズ構造のどちらが光学機能を有するかを最終出力偏光選択により制御する。液晶材料の配向方向２４０、２４２は、実質的にホモジニアス配向である。
【０１０４】
非指向性モードを生成するために、デバイスは図１９に示すように構成される。偏光状態２４６は、光学効果を有さない第１のレンズを通過する。ドライバ２７６によりセルに電界が印加されることにより、液晶ダイレクタ配向方向２４０、２４２がレンズの表面に対してほぼ垂直に配向される。したがって、偏光状態は、表面レリーフ構造における液晶材料の常光屈折率と一致するため、デバイスは屈折率整合し、光学機能を有さない。したがって、非指向性モードが生成される。
【０１０５】
デバイス構造の一例を図２０の断面に示すが、これは、電極２７２、２７４及び駆動回路２７６が挿入され、液晶材料２５９が例えば切り替え可能なネマチック液晶である点を除いて、図１５と同様である。複屈折材料２４９は、例えば硬化された液晶であってもよい。非切り替え液晶配向２５８、２６０はホモジニアス配向であり得るが、切り替え状態の配向２８０、２７８はホメオトロピック配向であり得る。
【０１０６】
さらなる電極２８２、２８４及び駆動回路２８６が組み込まれるように、単一の入力偏光状態が用いられ、両方のレンズが能動レンズである、代替的な構造を図２１に示す。非指向性モードでは、両方のレンズが起動されることにより、ダイレクタが表面に対して垂直となり、両方のレンズで入射偏光状態が屈折率整合する。第１のレンズを起動するには、ドライバ２８６をオフに切り替えることで、配向方向２３６により第１の屈折表面で屈折率段差ができるようにする。不都合なことに、配向方向は幾何学的レンズ軸に直交するため、セルにディスクリネーションが生じ得る。
【０１０７】
第３のモードでは、第２のレンズ機能が起動され、次にドライバ２８６が起動され、ドライバ２７６が停止される。両方のレンズを同時に起動するには、両方のレンズをオフに切り替えることで、両方の表面で屈折率段差ができるようにする。
【０１０８】
デバイス性能を最適化するために、能動レンズ及び受動レンズの相対位置を逆にすることができる。
【０１０９】
単一能動レンズ構成の偏光スイッチセルは、例えば図９の構造と同様に、パネル出力偏光子とレンズセルとの間に配置してもよい。
【０１１０】
このように、実質的に非指向性のモードと２つの異なる指向性モードとの間で切り替えることができるディスプレイを生成することができる。指向性モードは、自動立体横長モード、自動立体縦長モード、２ビュー自動立体モード、マルチビュー自動立体モード、傾斜レンズ自動立体モード、輝度向上モード、又はマルチビューアモードの組み合わせであってもよい。
【０１１１】
本発明の実施形態における複屈折ネマチック液晶材料は、当該技術分野において既知の液晶ゲル又は高分子ネマチック複合材料を形成するように、或る割合の硬化性液晶材料、例えばＲＭ２５７（Merck Ltd.）を含有していてもよい。ＬＣゲルは、前述の硬化性液晶材料と同様に重合させることができる。有利には、ＬＣゲルは、ネマチックＬＣセルの機械的特性を安定させて、例えば機械圧力に対する堅牢性を高めるのに役立ち得る。ＬＣゲルは、本発明の能動的実施態様又は受動的実施態様のいずれに用いることもでき、ＬＣゲルでは、純粋な液晶の場合と比べて駆動電圧を高くすることができる。液晶材料、ＬＣゲル、又は硬化性液晶を用いる受動レンズの実施態様では、動作に駆動電圧が必要ない。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１ａ】３Ｄディスプレイにおけるスクリーン平面の後方の物体の見かけ上の奥行きの生成を示す。
【図１ｂ】３Ｄディスプレイにおけるスクリーン平面の前方の物体の見かけ上の奥行きの生成を示す。
【図１ｃ】ステレオペア画像の各画像上の対応する相同点の位置を示す。
【図２ａ】自動立体３Ｄディスプレイの前方のウィンドウを見ている右眼の構成を概略的に示す。
【図２ｂ】自動立体３Ｄディスプレイの前方のウィンドウを見ている左眼の構成を概略的に示す。
【図３】３Ｄディスプレイの出力円錐からの観察ゾーンの生成を平面図で示す。
【図４】自動立体ディスプレイの理想的なウィンドウのプロファイルを示す。
【図５】自動立体３Ｄディスプレイからの観察ウィンドウの出力プロファイルの概略図を示す。
【図６】レンチキュラースクリーンディスプレイの構造を示す。
【図７】従来技術の偏光起動マイクロレンズディスプレイを示す。
【図８】従来技術の偏光起動マイクロレンズディスプレイを示す。
【図９】従来技術の偏光起動マイクロレンズディスプレイを示す。
【図１０】従来技術の偏光起動マイクロレンズディスプレイを示す。
【図１１】従来技術の偏光起動マイクロレンズディスプレイを示す。
【図１２】垂直及び水平の指向性を有する１つの指向性モードを有する切り替え可能なディスプレイの一例を示す。
【図１３ａ】横長使用の横長パネルを示す。
【図１３ｂ】縦長使用の縦長パネルを示す。
【図１３ｃ】縦長使用の縦長パネルを示す。
【図１３ｄ】横長使用の横長パネルを示す。
【図１４】直交レンズを有する切り替え可能な指向性ディスプレイを備える本発明の一実施形態を示す。
【図１５】図１４の構成を用いるディスプレイの構造を示す。
【図１６】図１５の一部の代替的な配向方向を示す。
【図１７ａ】図１５のレンズ構造を作製する１つの方法を示す。
【図１７ｂ】図１５のレンズ構造を作製する１つの方法を示す。
【図１７ｃ】図１５のレンズ構造を作製する１つの方法を示す。
【図１８】単一の能動レンズを用いて非指向性モード及び２つの異なる指向性モードが生成される、本発明の一実施形態を示す。
【図１９】図１８のディスプレイの非指向性モードの生成を示す。
【図２０】図１８のレンズを組み込んだディスプレイの構造を示す。
【図２１】一対の能動レンズを用いて非指向性モード及び２つの異なる指向性モードが生成される、本発明の一実施形態を示す。
【図２２】入射偏光状態を制御することにより２つの指向性モードが得られる、本発明の一実施形態を示す。
【図２３】セルにおける電界を制御することにより２つの指向性モードが得られる、本発明の一実施形態を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に配列される第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイを備えるレンズアレイ構造であって、
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの両方は、１つの偏光を有する入射光を各指向性分布に導き、且つ前記１つの偏光に対して垂直な偏光を有する入射光に実質的に効果を及ぼさないように動作することが可能であり、
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイは、第１の偏光成分を有する入射光が、前記第１の複屈折レンズアレイにより或る指向性分布に導かれ、且つ前記第２の複屈折レンズアレイによる影響を受けず、前記第１の偏光成分に対して垂直な方向に偏光された第２の偏光成分を有する入射光が、前記第１の複屈折レンズアレイによる影響を受けず、且つ前記第２の複屈折レンズアレイにより所定の指向性分布に導かれるように、相対的な向きにされる、直列に配列される第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイを備えるレンズアレイ構造。
【請求項２】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイは、円柱レンズアレイである、請求項１に記載のレンズアレイ構造。
【請求項３】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイはそれぞれ、複屈折材料及び等方性材料を含み、間に湾曲表面を有する、請求項１又は２に記載のレンズアレイ構造。
【請求項４】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの前記複屈折材料は、同じ常光屈折率及び異常光屈折率を有し、前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの前記複屈折材料の常軸はそれぞれ、前記第１の偏光成分及び前記第２の偏光成分と対応する方向に向き、前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイ両方の前記等方性材料は、前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの前記複屈折材料の前記常光屈折率及び前記異常光屈折率の一方と等しい、同じ屈折率を有する、請求項３に記載のレンズアレイ構造。
【請求項５】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの前記複屈折材料は、同じ常光屈折率及び異常光屈折率を有し、前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの一方の前記等方性材料は、前記複屈折材料の前記常光屈折率と等しい屈折率を有し、前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの他方の前記等方性材料は、前記複屈折材料の前記異常光屈折率と等しい屈折率を有する、請求項３に記載のレンズアレイ構造。
【請求項６】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイは、共通の複屈折材料を含む、請求項５に記載のレンズアレイ構造。
【請求項７】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの前記複屈折材料の前記常軸はそれぞれ、前記第１の偏光成分及び前記第２の偏光成分に対応する方向に向き、
前記第１の等方性材料は、前記第１の複屈折材料の前記常光屈折率及び前記異常光屈折率の一方と等しい屈折率を有し、
前記第２の等方性材料は、前記第２の複屈折材料の前記常光屈折率及び前記異常光屈折率の一方と等しい屈折率を有する、請求項３に記載のレンズアレイ構造。
【請求項８】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの両方は、受動レンズアレイである、請求項１〜７のいずれか一項に記載のレンズアレイ構造。
【請求項９】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの少なくとも一方は、１つの偏光を有する入射光を各指向性分布に導き、且つ前記１つの偏光に対して垂直な偏光を有する入射光に実質的に効果を及ぼさない第１のモードと、実質的に光学効果を有さない第２のモードとの間で切り替え可能な、能動レンズアレイである、請求項１〜７のいずれか一項に記載のレンズアレイ構造。
【請求項１０】
表示装置であって、
空間光変調器と、
請求項１〜８のいずれか一項に記載のレンズアレイ構造と、
該ディスプレイを通過する偏光を制御して、前記第１の偏光成分又は前記第２の偏光成分に選択的に対応する偏光成分を有する光を該表示デバイスから出力するように配列される、切り替え可能な偏光制御デバイスと
を備える、表示装置。
【請求項１１】
表示装置であって、
空間光変調器と、
請求項９に記載のレンズアレイ構造と、
該ディスプレイを通過する偏光を制御して、前記第１の偏光成分又は前記第２の偏光成分に選択的に対応する偏光成分を有する光を該表示デバイスから出力するように配列される、切り替え可能な偏光制御デバイスと、
前記少なくとも１つの能動レンズアレイの切り替えを制御するように配列される制御回路と
を備える、表示装置。
【請求項１２】
前記切り替え可能な偏光制御デバイスは、前記第１の偏光成分又は前記第２の偏光成分に選択的に対応する偏光成分を有する光を通すように配列される切り替え可能な偏光子を備える、請求項１１に記載の表示装置。
【請求項１３】
前記切り替え可能な偏光制御デバイスは、切り替え可能な偏光回転子を備える、請求項１１に記載の表示装置。
【請求項１４】
前記空間光変調器は、実質的に偏光された光を出力するように配列され、前記切り替え可能な偏光回転子は、前記空間光変調器と前記レンズアレイ構造との間に配列される、請求項１３に記載の表示装置。
【請求項１５】
前記空間光変調器は、実質的に偏光された光を出力するように配列され、前記表示装置はさらに、前記切り替え可能な偏光回転子の出力側に配列される直線偏光子を備える、請求項１３に記載の表示装置。
【請求項１】
直列に配列される第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイを備えるレンズアレイ構造であって、
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの両方は、１つの偏光を有する入射光を各指向性分布に導き、且つ前記１つの偏光に対して垂直な偏光を有する入射光に実質的に効果を及ぼさないように動作することが可能であり、
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイは、第１の偏光成分を有する入射光が、前記第１の複屈折レンズアレイにより或る指向性分布に導かれ、且つ前記第２の複屈折レンズアレイによる影響を受けず、前記第１の偏光成分に対して垂直な方向に偏光された第２の偏光成分を有する入射光が、前記第１の複屈折レンズアレイによる影響を受けず、且つ前記第２の複屈折レンズアレイにより所定の指向性分布に導かれるように、相対的な向きにされる、直列に配列される第１の複屈折レンズアレイ及び第２の複屈折レンズアレイを備えるレンズアレイ構造。
【請求項２】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイは、円柱レンズアレイである、請求項１に記載のレンズアレイ構造。
【請求項３】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイはそれぞれ、複屈折材料及び等方性材料を含み、間に湾曲表面を有する、請求項１又は２に記載のレンズアレイ構造。
【請求項４】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの前記複屈折材料は、同じ常光屈折率及び異常光屈折率を有し、前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの前記複屈折材料の常軸はそれぞれ、前記第１の偏光成分及び前記第２の偏光成分と対応する方向に向き、前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイ両方の前記等方性材料は、前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの前記複屈折材料の前記常光屈折率及び前記異常光屈折率の一方と等しい、同じ屈折率を有する、請求項３に記載のレンズアレイ構造。
【請求項５】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの前記複屈折材料は、同じ常光屈折率及び異常光屈折率を有し、前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの一方の前記等方性材料は、前記複屈折材料の前記常光屈折率と等しい屈折率を有し、前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの他方の前記等方性材料は、前記複屈折材料の前記異常光屈折率と等しい屈折率を有する、請求項３に記載のレンズアレイ構造。
【請求項６】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイは、共通の複屈折材料を含む、請求項５に記載のレンズアレイ構造。
【請求項７】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの前記複屈折材料の前記常軸はそれぞれ、前記第１の偏光成分及び前記第２の偏光成分に対応する方向に向き、
前記第１の等方性材料は、前記第１の複屈折材料の前記常光屈折率及び前記異常光屈折率の一方と等しい屈折率を有し、
前記第２の等方性材料は、前記第２の複屈折材料の前記常光屈折率及び前記異常光屈折率の一方と等しい屈折率を有する、請求項３に記載のレンズアレイ構造。
【請求項８】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの両方は、受動レンズアレイである、請求項１〜７のいずれか一項に記載のレンズアレイ構造。
【請求項９】
前記第１の複屈折レンズアレイ及び前記第２の複屈折レンズアレイの少なくとも一方は、１つの偏光を有する入射光を各指向性分布に導き、且つ前記１つの偏光に対して垂直な偏光を有する入射光に実質的に効果を及ぼさない第１のモードと、実質的に光学効果を有さない第２のモードとの間で切り替え可能な、能動レンズアレイである、請求項１〜７のいずれか一項に記載のレンズアレイ構造。
【請求項１０】
表示装置であって、
空間光変調器と、
請求項１〜８のいずれか一項に記載のレンズアレイ構造と、
該ディスプレイを通過する偏光を制御して、前記第１の偏光成分又は前記第２の偏光成分に選択的に対応する偏光成分を有する光を該表示デバイスから出力するように配列される、切り替え可能な偏光制御デバイスと
を備える、表示装置。
【請求項１１】
表示装置であって、
空間光変調器と、
請求項９に記載のレンズアレイ構造と、
該ディスプレイを通過する偏光を制御して、前記第１の偏光成分又は前記第２の偏光成分に選択的に対応する偏光成分を有する光を該表示デバイスから出力するように配列される、切り替え可能な偏光制御デバイスと、
前記少なくとも１つの能動レンズアレイの切り替えを制御するように配列される制御回路と
を備える、表示装置。
【請求項１２】
前記切り替え可能な偏光制御デバイスは、前記第１の偏光成分又は前記第２の偏光成分に選択的に対応する偏光成分を有する光を通すように配列される切り替え可能な偏光子を備える、請求項１１に記載の表示装置。
【請求項１３】
前記切り替え可能な偏光制御デバイスは、切り替え可能な偏光回転子を備える、請求項１１に記載の表示装置。
【請求項１４】
前記空間光変調器は、実質的に偏光された光を出力するように配列され、前記切り替え可能な偏光回転子は、前記空間光変調器と前記レンズアレイ構造との間に配列される、請求項１３に記載の表示装置。
【請求項１５】
前記空間光変調器は、実質的に偏光された光を出力するように配列され、前記表示装置はさらに、前記切り替え可能な偏光回転子の出力側に配列される直線偏光子を備える、請求項１３に記載の表示装置。
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公表番号】特表２００７−５３５６８６（Ｐ２００７−５３５６８６Ａ）
【公表日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１８３６８（Ｐ２００６−５１８３６８）
【出願日】平成１６年７月９日（２００４．７．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００２９８４
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００６７７４
【国際公開日】平成１７年１月２０日（２００５．１．２０）
【出願人】（５０４０４８３７５）オキュイティ・リミテッド (4)
【氏名又は名称原語表記】ＯＣＵＩＴＹ ＬＩＭＩＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】７７ Ｈｅｙｆｏｒｄ Ｐａｒｋ， Ｕｐｐｅｒ Ｈｅｙｆｏｒｄ， Ｏｘｆｏｒｄｓｈｉｒｅ ＯＸ２５ ５ＨＤ， Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇ ｄｏｍ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月９日（２００４．７．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００２９８４
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００６７７４
【国際公開日】平成１７年１月２０日（２００５．１．２０）
【出願人】（５０４０４８３７５）オキュイティ・リミテッド (4)
【氏名又は名称原語表記】ＯＣＵＩＴＹ ＬＩＭＩＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】７７ Ｈｅｙｆｏｒｄ Ｐａｒｋ， Ｕｐｐｅｒ Ｈｅｙｆｏｒｄ， Ｏｘｆｏｒｄｓｈｉｒｅ ＯＸ２５ ５ＨＤ， Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇ ｄｏｍ
【Ｆターム（参考）】
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