能動複屈折レンズアレイ装置及びこれを備えた表示装置
【課題】表示装置のための能動複屈折レンズアレイ装置の、能動レンズ内での出力偏光の調整を提供する。
【解決手段】表示装置のための能動複屈折レンズアレイ装置は、レンズアレイを画定する凸表面を間に有する複屈折材料および実質的に等方性の材料と、複屈折材料を、３Ｄモードと２Ｄモードとの間で電気的に切り替えるために、複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、レンズアレイは、３Ｄモードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、２Ｄモードでは、所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極と、３Ｄモードと２Ｄのモードとの間で切り替えるために、電極の両端の電圧を制御する電圧コントローラであって、レンズアレイ装置の温度の変動を補償するために、３Ｄモードと２Ｄのモードとで印加される電圧を調整するように構成される電圧コントローラとを備える。
【解決手段】表示装置のための能動複屈折レンズアレイ装置は、レンズアレイを画定する凸表面を間に有する複屈折材料および実質的に等方性の材料と、複屈折材料を、３Ｄモードと２Ｄモードとの間で電気的に切り替えるために、複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、レンズアレイは、３Ｄモードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、２Ｄモードでは、所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極と、３Ｄモードと２Ｄのモードとの間で切り替えるために、電極の両端の電圧を制御する電圧コントローラであって、レンズアレイ装置の温度の変動を補償するために、３Ｄモードと２Ｄのモードとで印加される電圧を調整するように構成される電圧コントローラとを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、能動複屈折レンズアレイ装置及びこれを備えた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
切り替え可能な能動レンズを用いて、切り替え可能な２次元（２Ｄ）／３次元（３Ｄ）自動立体(autostereoscopic)表示装置、切り替え可能な高輝度反射型表示システム、または、マルチユーザ表示システムを提供することができる。こうした表示システムを、コンピュータモニタ、電気通信ハンドセット、デジタルカメラ、ラップトップおよびデスクトップコンピュータ、ゲーム装置、自動車、ならびに他のモバイル表示用途で用いることができる。
【０００３】
３Ｄディスプレイ
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。
【０００４】
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像点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。
【０００５】
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像点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。
【０００６】
図１ｃは、左眼画像１０および右眼画像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。
【０００７】
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、およ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。
【０００８】
立体型ディスプレイは、従来技術において既知であり、ユーザが或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（例えば赤色および緑色に）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、また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。
【０００９】
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。
【００１０】
図２ａは、パララックス（parallax）光学素子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の位置を参照のために示す。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。
【００１１】
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の位置を参照のために示す。
【００１２】
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（ずなわち、導かれた）ものと考えられてよい。
【００１３】
図３は、ウィンドウ平面４２に左眼観察ウィンドウ３６、３７、３８およ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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
図４ａ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。
【００１７】
図４ｂ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。
【００１８】
図４に示すように、画像の分離品質、およびディスプレイの横方向およ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４ａは、理想的な観察ウィンドウを示すが、図４ｂ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、およびその反対の場合、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。
【００１９】
パララックス光学素子はパララックスバリアである場合がある。ディスプレイは、バックライト、列および行で配置される電子的に調整可能な画素のアレイ（空間光変調器、ＳＬＭとして知られる）、および、図５の平面図に示すように、ディスプレイの前部に取り付けられたパララックスバリアを備える。
【００２０】
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、輝度およ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。ディスプレイの観察自由度を最適化するために、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、パララックスバリアが容易に取り外しおよ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。
【００２１】
立体ディスプレイで用いるものとして当技術分野においてよく知られている別のタイプのパララックス光学部品（パララックスバリアを参照）は、レンチキュラースクリーンと呼ばれ、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。本明細書中で用いる「円柱」という用語は、当技術分野における通常の意味を有し、厳密に球面レンズ形状だけではなく非球面レンズ形状も含む。レンズのピッチは、視点補正条件に対応する、すなわち、各画素からの光を観察ウィンドウに方向制御するために、パララックスバリアのピッチは、画素アレイのピッチの２倍より少し小さい。こうしたディスプレイでは、ステレオペア画像のそれぞれの解像度は、ベースＬＣＤの水平解像度の半分であり、２つのビューが作成される。
【００２２】
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ため、レンチキュラーディスプレイはベースパネルのフル輝度を有する。
【００２３】
図６は、レンチキュラーアレイを用いたレンチキュラー表示デバイスのための典型的な構造を示す。バックライト６０は、ＬＣＤ入力偏光子６４上に入射する光出力６２を生成する。光は、ＴＦＴ ＬＣＤ基板６６を透過し、ＬＣＤ画素平面６７で列および行で配置された繰り返しの画素アレイ上に入射する。赤色画素６８、７１、７３、緑色画素６９、７２、７５、および青色画素７０、７３はそれぞれ、個々の制御可能な液晶層を備え、ブラックマスク７６と呼ばれる不透明マスクの領域によって分離される。各画素は、透過領域、すなわち、画素開口７８を構成する。画素を通過する光は、ＬＣＤ画素平面７４内の液晶材料によって位相変調され、ＬＣＤカラーフィルタ基板８０上に配置されたカラーフィルタによって色変調される。光は、その後、出力偏光子８２を通過し、出力偏光子８２の後には、パララックスバリア８４およびパララックスバリア基板８６が設置される。パララックスバリア８４は、垂直方向に延びた不透明領域によって分離された垂直方向に延びた透過領域のアレイを備え、画素６９からの光についての光線８８で示すように、１つおきの画素列６９、７１、７３、７５からの光を右眼へと導き、光線９０で示すように、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（この全体の光の方向パターンは光の指向性分布の別の例を形成する）。観察者には、バリアの開口９２を照明する、下にある画素からの光が見える。光は、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範囲は、取り込まれた光線１００により示される。
【００２４】
レンチキュラーディスプレイは、非特許文献１に記載される。空間光変調器を用いる１つのタイプのレンチキュラーディスプレイは、特許文献１に記載されている。特許文献１の発明は特に、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。
【００２５】
ディスプレイの画素の列に対して傾斜する円柱レンズを用いたレンチキュラーディスプレイは、非特許文献２に記載される。
【００２６】
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。
【００２７】
観察自由度が観察者の位置の測定およ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、特許文献２に記載される。このような観察者測定装置および機械的作動は、高価かつ複雑である。
【００２８】
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、観察者が実質的にオルソスコピック画像（orthoscopic image）を維持するようにするディスプレイが、たとえば特許文献３に記載される。
【００２９】
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部品の使用により、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。
【００３０】
パララックス光学部品の効果が除去される１つのタイプのディスプレイとして、非特許文献３がある。この場合、切り替え可能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、材料の両端に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、ディフューザは透明であり、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透明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。
【００３１】
特許文献４に開示される、別のタイプの切り替え可能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、パララックス光学部品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は透明であるため、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。すると、出力ウインドウが形成され、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および複雑性が増すとともに、輝度が低下するか、または消費電力が増す。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およ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。
【００３２】
特許文献５に開示される、別のタイプの切り替え可能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およ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が検査（analyse）される。こう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およびフル輝度である。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およびクロストークを有することになる。
【００３３】
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。
【００３４】
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、非特許文献４に記載されている。
【００３５】
特許文献６および特許文献７に開示される、別のタイプの切り替え可能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。特許文献６および特許文献７は、レンチキュラースクリーンにおける電子光学(electro-optic)材料の使用を教示しており、レンチキュラースクリーンの屈折率は、レンチキュラー手段の光出力誘導作用が提供される第１の値と、光出力誘導作用が取り除かれる第２の値との間の電位を選択的に印加することによって切り替え可能である。
【００３６】
液晶フレネルレンズを含む３Ｄディスプレイが、非特許文献５に記載される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３７】
【特許文献１】米国特許第４，９５９，６４１号明細書
【特許文献２】欧州特許第０，８２９，７４３号明細書
【特許文献３】欧州特許第０，７２１，１３１号明細書
【特許文献４】欧州特許第０，８３３，１８３号明細書
【特許文献５】欧州特許第０，８２９，７４４号明細書
【特許文献６】米国特許第６，０６９，６５０号明細書
【特許文献７】国際公開９８／２１６２０号明細書
【非特許文献】
【００３８】
【非特許文献１】T.Okoshi: Three Dimensional Imaging Techniques: Academic Press, 1976
【非特許文献２】multiview 3D-LCD: SPIE Proceedings Vol.2653, 1996, pp32-39
【非特許文献３】Developments in Autostereoscopic Technology at Dimension Technologies Inc.: Proc. SPIE vol. 1915 Stereoscopic Displays and Applications IV (1993) pp177-186, 1993
【非特許文献４】L. G. Commander et al.: Electrode designs for tuneable microlenses: European Optical Society Topical Meetings Digest Series: 13,15-16 May 1997, pp48-58
【非特許文献５】S. Suyama et al.: 3D Display System with Dual Frequency Liquid Crystal Varifocal Lens: SID 97 DIGEST pp273-276
【発明の概要】
【００３９】
第１の態様では、本発明は、表示デバイスの出力と能動レンズの配向方向の間の偏光整合を提供する。
【００４０】
本発明の第１の態様の１つの形態では、実質的に直線偏光する出力を生成する表示装置のための、切り替え可能な複屈折レンズアレイが提供され、当該レンズアレイは、
平坦表面と、円柱レンズアレイを画定する凸表面との間に配置される複屈折材料と、
複屈折材料を、第１モードと第２モードの間で電気的に切り替えるために、複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、レンズアレイは、上記第１モードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、上記第２モードでは、上記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極とを備え、
第１モードでは、上記凸表面において、複屈折材料は、円柱レンズの幾何学的軸に平行に配向し、
第１モードでは、上記平坦表面において、複屈折材料は所定の角度で平坦表面に平行に配向するため、第１モードで、平坦表面と凸表面の間で配向方向がねじれる。
【００４１】
複屈折材料の配向方向が、円柱レンズの幾何学的軸に平行であることは有利である。その理由は、それによって、配向膜表面エネルギーと凸表面構造配向表面エネルギーの間の競合による凸表面における転位(dislocation)が回避されるからである。その転位は、散乱を引き起こし、光学クロストークを増加させ、レンズコントラストを低下させ、かつ／または、緩和時間を増加させる可能性がある。同様に、製造が簡略化され、知られている製造技法の使用が可能になる。
【００４２】
本発明の第１の態様によるレンズアレイは、実際のシステムでは光学的厚みが比較的厚いために、複屈折材料において実質的に無色の(achromatic)偏光誘導(guiding)が起こることになるという意外な利点を有する。換言すれば、偏光方向は、光が複屈折材料を通過するにつれて回転する。この誘導作用を用いて、レンズアレイ内のデバイスの偏光を制御することができる。
【００４３】
レンズアレイによる偏光方向のこうした回転は、ディスプレイと能動レンズの間にさらなる波長板を必要としないことを意味し（任意選択で、１つまたは複数の波長板が付加される場合があるが）、したがって、素子の視距離を第１の動作モードにおいて低減し、デバイスコストを低減することが可能になる。
【００４４】
配向は、任意の適した手段、たとえば、配向膜によって提供されることができる。
【００４５】
本発明の第１の態様の別の形態では、指向性表示装置が提供され、当該指向性表示装置は、
実質的に直線偏光する出力表示デバイスと、
第１モードでは、偏光出力表示デバイスの指向性分布を修正し、第２モードでは、表示デバイスの指向性分布の修正を実質的に引き起こさないように構成された切り替え可能な複屈折円柱レンズとを備え、当該切り替え可能な複屈折円柱レンズは、
円柱マイクロレンズアレイを画定する凸表面層と、
凸表面層における複屈折材料の配向が、第１の動作モードでは、円柱レンズの幾何学的軸にほぼ平行であるように凸表面層上に形成された配向膜と、
第１および第２のモードについて、それぞれ、少なくとも第１と第２の向きの間で複屈折材料の向きを切り替えるように構成された電極層とを備え、
平坦基板における複屈折材料の配向は、表示デバイスの出力偏光と連携して配向するため、第１の動作モードでは、ねじれが凸表面層における円柱マイクロレンズアレイの幾何学的軸にほぼ平行である状態で、偏光が複屈折材料を通過する。
【００４６】
好ましくは、以下の任意選択の特徴の１つまたは複数が存在する。
−複屈折材料は液晶である。
−平坦基板における配向方向は、表示デバイスの出力偏光に平行または直角である。
−実質的に偏光するディスプレイは、部分的に偏光するか、または、偏光しないディスプレイおよび偏光子素子を備えることができる。
−ディスプレイは、ディスプレイでない(non-display)指向性切り替え用途のための空間光変調器であってよい。
−第１モードにおいて、レンズを通過する偏光状態のねじれが存在する。
−偏光状態のねじれは４５°、−４５°、または１３５°である。
−実質的に偏光するディスプレイの出力偏光を回転させるために、表示デバイスと能動レンズの間に付加的な波長板を組み込んでもよい。
【００４７】
そのため、以降で述べる本発明の実施形態は、以下の利点のうちの１つまたは複数を提供する。
−液晶の配向方向は、凸表面円柱マイクロレンズの幾何学的軸に平行である可能性がある。
−レンズ表面は、知られている表面配向技法を用いた製造に都合がよい。
−ディスプレイと能動レンズの間にさらなる波長板が必要とされず、したがって、素子の視距離を３Ｄ動作モードで低減し、デバイスコストを低減することができる。
−配向膜表面エネルギーと凸表面構造配向表面エネルギーの間の競合により、切り替えレンズ内で回位(disclination)を受けないであろう。
−能動レンズセルのコントラストが最適化されるであろう。
−切り替え応答時間が最小になる。
−レンズ素子内の縮退(degeneracy)が最小になるため、デバイスが一様に切り替わる。
−本発明は、実際のシステムでは光学的厚みが比較的厚いために、レンズ内で偏光誘導が起こることになるという意外な利点を有する。この誘導作用を用いて、能動レンズ内のデバイスの偏光を制御することができる。
−ディスプレイは、固定した液晶ディスプレイ出力偏光状態によって、２Ｄおよび３Ｄモードにて高い輝度を生成することができる。
【００４８】
第２の態様では、本発明は、ホメオトロピックに配向する複屈折材料を有するレンズアレイを提供する。
【００４９】
本発明の第２の態様の１つの形態では、実質的に直線偏光する出力を生成する表示装置のための、切り替え可能な複屈折レンズアレイが提供され、当該レンズアレイは、
表面と、円柱レンズアレイを画定する少なくとも凸表面との間に配置される複屈折材料と、
複屈折材料を、第１モードと第２モードの間で電気的に切り替えるために、複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、レンズアレイは、上記第１モードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、上記第２モードでは、上記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極とを備え、
複屈折材料は、上記少なくとも１つの凸表面においてホメオトロピックに配向する。
【００５０】
こうしたレンズアレイは、第２の動作モードでは、電力消費を全く必要としないように構成されることができるという利点を有する。その理由は、制御電圧が無い時に、複屈折材料は、光軸に平行に配向し、それによって、光は、凸表面において、複屈折材料の常光線屈折率を受けるからであり、それは、最も都合よくは、入射光に対して実質的に全く影響が存在しない第２の動作モードである。
【００５１】
たとえば、２Ｄモードと自動立体３Ｄモードの間で切り替え可能な表示デバイスでは、これは、２Ｄモードは電力消費を必要としないことを意味する。したがって、電池による２Ｄ動作時間は影響を受けないであろう。能動レンズでは、レンズ奥行きが数十ミクロン程度である傾向があるため、セルの厚い部分を切り替えるために印加される必要がある電圧は、標準液晶セル動作電圧、たとえば、５μｍ厚セルについて５Ｖをほぼ超える。したがって、この種のレンズセルについての、駆動モードでの液晶の電力消費は、同じ液晶と駆動周波数を用いた標準５μｍ厚ＬＣＤの電力消費より実質的に大きい。したがって、２Ｄ駆動モードを有することは望ましくない。レンズスイッチが損傷する場合、デフォルトの動作モードは２Ｄモードにあるため、画像に対する劣化は見られないであろう。レンズの焦点距離は、所望のウィンドウの外観に合わせて電圧を修正することによって、３Ｄモードで調整される可能性がある。
【００５２】
配向は、任意の適した手段、たとえば、配向膜によって提供されてもよい。ホメオトロピック配向膜は、容易に入手できる高分子材料の使用して、屈折率を著しく高くすることなくレンズ表面を形成することを可能にする。こうした高分子材料は、高コスト、高い毒性、および難しい処理方式(regime)に直面しない。
【００５３】
本発明の第２の態様の別の形態では、複屈折光学材料および第１基板を備える切り替え可能な複屈折レンズを備える光学切り替え装置が提供され、
第１ホメオトロピック配向膜は凸表面構造上に形成され、
複屈折材料の誘電異方性はゼロ未満であるため、切り替え可能なレンズは、電界がセルに印加される時に第１モードで動作し、電界がセルに印加されない時に第２モードで動作する。
【００５４】
好ましくは、以下の任意選択の特徴のうちの１つまたは複数が存在する。
−第１モードでは、凸表面構造における複屈折材料の光軸の配向は、幾何学的マイクロレンズ軸にほぼ平行である。
−その配向は、配向膜のホモジニアスなバイアスによって提供され、
−その配向は、溝付き構造によって提供されるホモジニアスなバイアスによって提供され、
−平坦基板における配向は、
−ホメオトロピックであり、
−ホモジニアスであり、
−ホメオトロピック配向およびホモジニアス配向を含むため、第１モードでホモジニアス配向特性を、第２モードでホメオトロピック配向特性を示し、
−第１動作モードにおいて入射偏光状態のねじれを提供するため、凸表面構造における偏光状態は複屈折レンズ光軸に平行である。
―波長板は、表示デバイスと平坦基板の間に位置するため、平坦基板における偏光角は、凸表面基板における偏光角と平行である。
【００５５】
本発明の第３の態様の１つの形態では、表示装置が提供され、当該表示装置は、
空間光変調器および出力偏光子を有する表示デバイスと、
空間光変調器から光を受け取るように構成された電気的に切り替え可能な複屈折レンズアレイとを備え、
レンズアレイは、表示デバイスの空間光変調器と出力偏光子の間に配置される。
【００５６】
こうした表示デバイスは、出力偏光子が通常位置である、空間光変調器のすぐ出力側に配置されるのに比べて、短い視距離を提供する。これは、空間光変調器とレンズアレイの間に出力偏光子が無いために、その間の距離を減らすことができるためである。
【００５７】
本発明の第３の態様は、空間光変調器および出力偏光子を含む任意のタイプの表示デバイスに適用可能である。これは、入射光の偏光を位相変調して、或る変調量だけ、各画素における光の偏光の主軸についての楕円運動(ellipticity)および回転運動(rotation)を引き起こすように構成された液晶変調器などの空間光変調器に特に有利であり、出力偏光子が、所定の方向に偏光された光を選択するのに使用され、それによって、楕円および回転の量により出力光の振幅が変調される。しかしながら、第３の態様は、別法として、たとえば、偏光しない出力が生成され、出力偏光子が出力を偏光するのに使用される、発光型空間光変調器、または、偏光する出力が生成され、出力偏光子がクリーンアップ偏光子である、発光型空間光変調器に適用されてもよい。
【００５８】
本発明の第３の態様の別の形態では、指向性表示装置が提供され、当該指向性表示装置は、
実質的に直線偏光する出力表示デバイスと、
第１モードでは、偏光出力表示デバイスの指向性分布を修正し、第２モードでは、表示デバイスの指向性分布の修正を実質的にもたらさないように構成される切り替え可能な複屈折円柱レンズを備える能動レンズとを備え、
能動レンズは、画素平面と表示デバイスの出力偏光子の間に位置する。
【００５９】
本発明の第４の態様の１つの形態では、表示装置が提供され、当該表示装置は、空間光変調器の各画素で実質的に直線偏光する光を出力するように構成された発光型空間光変調器と、
空間光変調器から光を受け取るように構成された電気的に切り替え可能な複屈折レンズアレイとを備える。
【００６０】
本発明の第４の態様の別の形態では、発光型光方向切り替え装置が提供され、発光型光方向切り替え装置は、
切り替え可能な複屈折光学材料を含む切り替え可能な複屈折レンズを備える光学切り替え装置と、
それぞれが実質的に偏光する光出力を有する、発光画素領域のアレイを備える発光型空間光変調器装置とを備える。
【００６１】
こうした表示装置は、高い光効率を持って構成されることができる。
【００６２】
本発明の第５の態様の１つの形態では、表示装置のための能動複屈折レンズアレイ装置が提供され、当該能動複屈折レンズアレイ装置は、
レンズアレイを画定する凸表面を間に有する複屈折材料および実質的に等方性の材料と、
複屈折材料を、第１モードと第２モードの間で電気的に切り替えるために、複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、レンズアレイは、上記第１モードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、上記第２モードでは、上記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極と、
第１と第２のモードの間で切り替えるために、電極の両端の電圧を制御する電圧コントローラであって、レンズアレイ装置の温度の変動を補償するために、第１と第２のモードで印加される電圧を調整するように構成される、電圧コントローラとを備える。
【００６３】
等方性材料の屈折率、ならびに、複屈折材料の常光線および異常光の屈折率は、温度と共に変動する。そのため、或る温度で動作するように設計されたレンズアレイは、別の温度では光学特性が低下する場合がある。しかしながら、電圧制御は、温度による変動を補償することを可能にする。これは、光学性能を改善し、より広い動作温度範囲にわたるレンズアレイの動作を可能にする。
【００６４】
或るタイプの装置では、温度センサを用いて、レンズアレイ装置の温度を検知し、電圧コントローラは、温度センサによって検知された温度に応答して、レンズアレイ装置の温度の変動を補償するために、第１と第２のモードで印加される電圧を調整するように構成される。
【００６５】
このタイプの装置は、温度変化の自動補償を提供する利点を有する。
【００６６】
別のタイプの装置では、入力デバイスによって、ユーザが電圧調整を入力することが可能になり、電圧コントローラは、入力デバイスに入力された電圧調整に応答して第１および第２のモードで印加される電圧を調整するように構成される。
【００６７】
このタイプの装置は簡便さの利点を有する。
【００６８】
有利には、等方性材料の屈折率は、少なくとも２５℃の限界より低い温度における、複屈折材料の常光線屈折率と複屈折材料の異常光屈折率の間にある。
【００６９】
等方性材料の屈折率が、２０℃の典型的な設計温度において、複屈折材料の常光線屈折率（または、他の材料系では、複屈折材料の異常光屈折率）に等しい典型的な状況と比較すると、等方性材料の屈折率が複屈折材料の常光線屈折率を超える（または、複屈折材料の異常光屈折率以下の）温度範囲が増加する、しかしながら、この範囲で、電圧コントローラは、複屈折材料の有効屈折率を調整することによって、温度に伴う変動を補償することができるため、この特徴は、動作温度範囲を効果的に増加させる。この限界は、さらに範囲を増加させるために２５℃より大きい場合がある。
【００７０】
有利には、能動複屈折レンズアレイ装置は、能動複屈折レンズアレイ装置と直列に配置された空間光変調器をさらに備える表示装置において用いられ、少なくとも２５℃の限界より低い温度において、第１モードにおけるレンズアレイのパワーは、空間光変調器の最良のフォーカスを提供するためにレンズアレイに必要とされるパワーより大きい。
【００７１】
第１モードにおけるレンズアレイのパワーが、２０℃の典型的な設計温度において最良のフォーカスを提供するように設計される典型的な状況と比較すると、第１モードにおけるレンズアレイのパワーが、最良のフォーカスには強過ぎる温度範囲が増加する。しかしながら、この範囲で、電圧コントローラは、複屈折材料の有効屈折率を調整することによって、レンズアレイのフォーカスを最良のフォーカスに調整するために、パワーを減らすことができるため、この特徴は、動作温度範囲を効果的に増加させる。この限界は、さらに範囲を増加させるために２５℃より大きい場合がある。
【００７２】
本発明の第５の態様の別の形態では、表示装置のための能動複屈折レンズアレイ装置が提供され、当該能動複屈折レンズアレイ装置は、
レンズアレイを画定する凸表面を間に有する複屈折材料および実質的に等方性の材料と、
複屈折材料を、第１モードと第２モードの間で電気的に切り替えるために、複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、レンズアレイは、上記第１モードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、上記第２モードでは、上記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極とを備え、
等方性材料の屈折率は、２０℃を超える温度か、または、２５℃以上の温度で、複屈折材料の常光線屈折率または複屈折材料の異常光屈折率のうちの１つに等しい。
【００７３】
２０℃は、表示装置用の設計温度として一般に用いられる典型的な室温である。材料に応じて、等方性材料の屈折率は、複屈折材料の常光線屈折率または複屈折材料の異常光屈折率のうちの１つにほぼ等しい。等方性材料の屈折率が、複屈折材料の屈折率のうちのその１つに正確に等しい温度は、材料選択による設計パラメータとして選択することができる。本発明の第５の態様のこの形態では、この温度は、２０℃の標準設計温度ではなく、より高く、通常、２５℃以上の温度である。こうした選択は、表示装置が、２０℃の標準設計温度を超えた温度で用いられることがかなり多いことを理解することに基づく。したがって、等方性材料の屈折率が、複屈折材料の屈折率の関連する１つに正確に等しくなる温度を上げることによって、等方性材料の屈折率が、表示装置の通常の使用の大きな部分にわたって、複屈折材料の屈折率の関連する１つに実際に近くなる。
【００７４】
現時点で好ましい材料の場合、等方性材料の屈折率は、複屈折材料の常光線屈折率にほぼ等しく、２０℃を超える温度において正確に等しいが、他の材料の場合、等方性材料の屈折率は、複屈折材料の異常光屈折率にほぼ等しく、２０℃を超える温度において正確に等しい場合がある。
【００７５】
本発明の種々の態様の任意または全ては、有利には、組み合わせて用いられてもよい。したがって、一般に、本発明の任意の態様の任意の特徴は、本発明の他の任意の態様に適用されてもよい。
【００７６】
本発明の態様全てにおいて、以下の注釈があてはまる。レンズアレイは、実質的に直線偏光する出力を生成する任意のタイプの表示装置、たとえば、出力を偏光させる偏光子を有するバックライトで照明される透過型空間光変調器、または、本質的に偏光せずに偏光子を備える場合があるか、または、偏光する場合がある発光型空間光変調器と共に用いられてもよい。一般に、表示デバイスは、透過型、発光型、または、反射型、あるいは、その組み合わせを含む、各画素の光を変調するための任意のタイプの空間光変調器を採用することができる。
【００７７】
レンズアレイは、上記第１モードにおいて、入射光の指向性分布を修正するように構成される。これは、３Ｄ自動立体効果、高輝度領域、または、マルチユーザ表示システムの提供を含むが、それに限定しない種々の異なる効果を達成するのに用いられてもよい。
【００７８】
したがって、こうしたデバイスは、
１つの動作モードでの、肉眼で観察することができるフルカラー３Ｄ立体動(moving)画像、および、第２動作モードでの、フル解像度２Ｄ画像を都合よく提供することができる自動立体表示手段、
第１モードでは、実質的に非指向性の輝度性能を示し、第２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型および反射型表示システム、または、
１つの動作モードでの、１人の観察者に対する１つのフルカラー２Ｄ動画像および少なくとも第２の観察者に対する少なくとも第２の異なる２Ｄ画像、ならびに、第２の動作モードでの、全ての観察者によって見られるフル解像度２Ｄ画像を都合よく提供することができるマルチビュアー表示手段のために用いられることができる。
【００７９】
本発明の実施形態は、単独で、または、組み合わせで、以下の利点を提供するために以下の利点を提供することができる。
【００８０】
本発明は、低レベルの画像クロストークおよび高輝度を有する、高品質の自動立体３Ｄ画像およびフル解像度２Ｄ画像の生成を可能にする。
【００８１】
本発明はまた、２Ｄモードと、画像（異なってもよい）を広い範囲の方向から異なる目視者(viewer)が見ることのできるモードの間で切り替えられることのできる指向性のマルチビュアー表示の生成を可能にする。
【００８２】
マイクロレンズをガラス基板の内部になるように配置することによって、レンズの表面からの反射を最小化することができ、出力表面（平坦である場合がある）を反射防止コーティングすることができる。
【００８３】
高輝度半透過型または反射型ディスプレイは、有利には、ディスプレイの反射体材料によって規定された実質的に非指向性の特性を有する第１モードを有し、第２モードでは、指向性の輝度特性を有するため、決められた角度範囲からの表示輝度が大きい。こうしたディスプレイは、フルカラーで動作し、反射型と透過型の両方の動作モードの輝度を増加するのに用いることができる。
【００８４】
マルチビュアーディスプレイは、ディスプレイの複数の同時使用を可能にするために、１つの動作モードでは、全ての目視者が同じ画像を見、第２動作モードでは、異なる目視者が異なる画像を見ることができるように構成されることができる。
【００８５】
これにより、各観察者が同じ表示ユニットから好みの画像を見ることを可能にすることによって、ある環境で必要とされるディスプレイおよびディスプレイドライバの数を減らすことができる。
【００８６】
こうしたディスプレイは、自動車ディスプレイ、現金自動預払機、および、座席背面機内エンタテインメントディスプレイ(seat-back aviation entertainment displays)などのシステムに特に適する場合がある。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【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である。
【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である。
【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である。
【図２ａ】自動立体３Ｄディスプレイの前方における右眼観察ウィンドウの構成を概略的に示す図である。
【図２ｂ】自動立体３Ｄディスプレイの前方における左眼観察ウィンドウの構成を概略的に示す図である。
【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示す平面図である。
【図４ａ】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である。
【図４ｂ】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である。
【図５】パララックスバリアディスプレイの構造を示す図である。
【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である。
【図７ａ】液晶配向がレンズの両面においてホモジニアスであるレンズアレイの２つの円柱レンズの第１の断面図である。
【図７ｂ】図７ａの断面に直角の第２の断面における、図７ａの２つの円柱レンズを示す図である。
【図７ｃ】図７ｂと同じ図において、代替の機構を示す図であり、先端が平坦表面に実質的に接触し、電極が凸表面上に形成される。
【図８ａ】能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図８ｂ】能動レンズ輝度向上ディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図８ｃ】ツイステッド能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図８ｄ】ツイステッド能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイのための代替の配向方向および偏光方向を示す図である。
【図９ａ】液晶配向がレンズの両面においてホメオトロピックであるレンズアレイの２つの円柱レンズの第１の断面図である。
【図９ｂ】図９ａの断面に直角の第２の断面における、図９ａの２つの円柱レンズを示す図である。
【図１０ａ】ホメオトロピック配向膜を組み込む能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図１０ｂ】ホメオトロピック配向膜およびホモジニアス配向膜を組み込む能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図１１ａ】液晶配向が、能動レンズの１つの表面でホメオトロピックであり、第２の表面でホモジニアスであるレンズアレイの２つの円柱レンズを示す第１断面図である。
【図１１ｂ】図１１ａの断面に直角の第２の断面における、図１１ａの２つの円柱レンズを示す図である。
【図１２】ホメオトロピック配向膜およびホモジニアス配向膜を組み込む能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図１３ａ】液晶配向が、レンズ表面においてホメオトロピックおよびホモジニアスであることのできるレンズアレイの２つの円柱レンズを示す第１断面図である。
【図１３ｂ】図１３ａの断面に直角の第２の断面における、図１３ａの２つの円柱レンズを示す図である。
【図１４】内部偏光子を有する能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイの構造を示す断面図である。
【図１５】外部偏光子を有する能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイの構造を示す断面図である。
【図１６】外部偏光子を有する能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図１７】偏光発光型ディスプレイを有する能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイを示す図である。
【図１８】能動レンズ輝度向上反射型ディスプレイを示す図である。
【図１９】能動レンズ輝度向上反射型ディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図２０】傾斜した幾何学的レンズ軸を有する能動レンズのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図２１】能動レンズが、発光型ディスプレイと出力偏光子の間に配置される切り替え可能な自動立体ディスプレイを示す図である。
【図２２】レンズ材料について、温度に伴う屈折率の変動を概略的に示す図である。
【図２３】レンズセル駆動電圧を最適化するコントロール装置を示す図である。
【図２４】２Ｄモードの場合のレンズ材料についての、温度に伴う有効レンズ屈折率の制御を概略的に示す図である。
【図２５】３Ｄモードの場合のレンズ材料についての、温度に伴う有効レンズ屈折率の制御を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００８８】
次に、本発明の実施形態を、添付図面を参照して例示としてのみ説明する。
【００８９】
種々の実施形態の一部は、共通の要素を採用し、共通の要素には、簡潔にするために、共通の参照符号が与えられ、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および対応する効果を有する要素にも同様に、必要な変更を加えて適用される。同様に、ディスプレイである実施形態を示す図は、簡単にするために、ディスプレイの一部のみを示す。実際、ディスプレイの全体のエリアにわたって構成が繰り返される。
【００９０】
本明細書では、複屈折材料の光軸の方向（ダイレクタ方向または異常光軸方向）は、複屈折光軸と呼ばれるであろう。これは、幾何光学によって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。
【００９１】
円柱レンズは、縁（或る曲率半径を有しており、他の非球面成分を有する場合がある）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規定される。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方向であるため、ディスプレイの画素の列に平行である。本明細書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の行に平行である。
【００９２】
全ての使用において、特定の方向に配向している材料が参照される時、セル内での縮退を防止するためのプレチルトが存在する場合があり、その場合、完全な配向ではないが、かなりの配向が残ったままになる。
【００９３】
本明細書では、ＳＬＭ（空間光変調器）は、液晶ディスプレイなどの「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およびＬＥＤディスプレイなどの発光型デバイスとの両方を含む。種々の表示装置において、レンズのピッチは視点補正条件に対応し、すなわち、パララックスバリアのピッチは、各画素からの光を観察ウィンドウに方向制御するために、画素アレイのピッチの２倍より少し小さい。
【００９４】
以下の実施形態では、等方性材料として高分子材料が用いられるが、原理的に、高分子以外の材料、たとえば、ガラスを別法として用いることができ、その場合、凸表面はエッチングによって形成されてもよい。
【００９５】
ゼロツイスト能動レンズ
能動レンズは、それぞれの指向性分布の間での切り替えを可能にする切り替え可能な複屈折材料を含むレンズである。図６の固定レンズ９４、９８は、有利には、たとえば、フル解像度２Ｄモードと自動立体３Ｄモードの間での切り替えを可能にするために、本発明の能動レンズによって置き換えられてもよい。
【００９６】
図７ａおよび図７ｂはそれぞれ、能動レンズと呼ぶ、１つのタイプの切り替え可能な複屈折レンズアレイの側面図を示す。レンズ形態は、細長い円柱レンズのアレイを備える。簡潔にするために、図７ａおよび図７ｂは共に、電極１１０と１１５の間にある、電極１１０と１１５の両端に制御電圧が印加されていない第１円柱レンズ、および、電極１１２と１１４の間にある、電極１１２と１１４の両端に制御電圧が印加された第２円柱レンズを示す。第１基板１０２および第２基板１０４は複屈折材料１０６を間に挟む。第１基板１０２は、その上に凸表面構造１０８を形成される。構造１０８は、実質的に等方性の材料で構成されることができる。そのため、複屈折材料１０６は、第１基板１０２および構造１０８に隣接して凸表面を有し、第２基板１０４に隣接して平坦表面を有する。
【００９７】
電極層１１０および１１２は、基板１０２上に形成され、電極層１１４および１１５は、基板１０４上に形成される。電極は、たとえば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明電極であってよい。電極１１０および１１２は、別法として、レンズ構造１０８の表面上に形成されてもよい。
【００９８】
電極１１０、１１２および１１４、１１５は、作用を説明するために個別の要素として示されるため、液晶の切り替えは、同じ画像の異なる部分における異なる電界について示される。実際のデバイスでは、両方の基板上の電極は、レンズエリアの異なる領域が２Ｄまたは３Ｄとなるように独立に制御されるようにセグメント化されるか、または、表示エリア全体にわたって単一要素であってもよい。具体的には、レンズアレイは、当技術分野で知られるように、受動的に多重アドレス指定されてもよい。
【００９９】
レンズは、スペーサボール、スペーサファイバ、スペーサリブ、または他の知られているスペーサ技法によって第２基板１０４から離れて配置されてもよい。別法として、レンズは、平坦表面に接触してもよい。有利には、これは、スペーサに対する必要性をなくすが、能動レンズ開口を減らすであろう。
【０１００】
電極１１０と１１５の間のギャプ内で、複屈折分子は、セルの両端に電界が印加されない状態で、正の誘電異方性のネマチック液晶材料によって表される。液晶分子のダイレクタは、凸表面構造１０８および第２基板１０４におけるホモジニアス配向膜１１６および１１８によって実質的に表面の面内で配向する。小さなプレチルト（図示せず）が、配向膜１１６、１１８によってセルに与えられてもよい。説明のために、分子は、異常光屈折率が分子の長軸に平行な状態で、細長い楕円として表される。
【０１０１】
切り替え(switched)状態では、電界は、液晶分子を再配向させる(reorient)働きをするため、レンズセルの中央のダイレクタ配向(orientation)１２０は、実質的に垂直方向である。これは、セル全体にわたる屈折率分布の変動を引き起こす。
【０１０２】
動作の際、こうした素子は、たとえば、図８ａに示すように、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ＬＣＤの出力偏光子上で配向する。ディスプレイの直線出力偏光の透過方向１２２が０°である場合、光は、第２基板の層１０４、１１４、１１５、および１１８を備える第１平坦基板１２４に入射する。この基板における液晶材料の配向方向は偏光子１２２の透過軸に平行である。光は、複屈折材料を通過し、表面１０２、１０８、１１０，１１６を備えるレンズ基板１２６に当たる。
【０１０３】
オフ状態では、セルには電圧は印加されず、偏光は、液晶材料の異常光軸上に入射する。高分子の屈折率は、液晶材料の常光線屈折率に近くなるように設定され、したがって、レンズの表面に位相差が存在する。レンズは、垂直偏光状態の光に作用して、光出力の指向性分布の変化が引き起こされる。自動立体３Ｄディスプレイおよび指向性観察システムについてよく知られているように、画素平面がウィンドウ平面に実質的に結像されるような焦点距離をレンズが有するように位相構造が設定される可能性がある。
【０１０４】
輝度向上観察システムでは、画素平面の画像は、垂直配向したレンズではなく水平配向した円柱マイクロレンズアレイ１２７の場合に、ウィンドウ平面で生成される。この場合、出力偏光子１２３の配向方向は、図８ｂに示すように、水平であるように設定され、平面１２５および凸表面構造１２７における配向方向も、水平であるように設定される。以下の説明では、レンズは垂直方向に配向すると仮定されるが、同じ装置を、水平配向したレンズに適用することができる。
【０１０５】
オン状態では、セルの両端に電圧が印加され、液晶材料は、電界に平行に、図７ａおよび図７ｂに示す向き１２０に再配向するため、入射偏光状態は、実質的に液晶の常光線屈折率に直面する(see)。レンズ構造１０８は、液晶材料の常光線屈折率に実質的に屈折率整合する(indexed matched)ため、液晶レンズでは、光学効果は実質的に全く観察されない。このモードでは、レンズによって、指向性分布の修正は実質的に全く与えられず、出力の指向性は、ベースディスプレイからの出力とほぼ同じである。実際のシステムでは、屈折率整合は、厳密でない場合があるため、厳密でない程度に応じて、小さな残留光学効果が存在する場合がある。この動作モードは、ディスプレイの２Ｄ出力または非修正出力に用いられる可能性がある。有利には、これによって、ユーザが、自動立体表示システムまたは指向性表示システムの場合にディスプレイの画素の全てを見るか、または、輝度向上表示システムの場合に均一に照明されたウィンドウ平面を見ることが可能になる。
【０１０６】
図７ｃは、レンズ先端(cusp)が平坦基板と接触し、電極が凸表面構造上に位置するセルを示す。付加的な絶縁層（図示せず）が、電気的短絡を防止するために、表面上に組み込まれてもよい。一般に、電気的短絡をなくすために、図７ａおよび図７ｂに示すように、平坦表面上に電極を組み込むことが望ましい場合があるが、これは、セルの両端での駆動電圧を増加させる場合がある。
【０１０７】
平坦基板が、ディスプレイの出力偏光とアライメントをとられるこうしたデバイスは、有利には、両方の指向性分布の動作の場合に、同じ液晶モード（たとえば、ノーマリホワイトまたはノーマリブラック）で動作する。
【０１０８】
屈折率整合条件は、出力の指向性分布が実質的に修正されないように設定される。実際には、等方性屈折率と、複屈折率材料の屈折率のうちの１つの屈折率との間の小さな差が存在する場合がある。しかしながら、小さな屈折率の差の場合、画素平面での目のスポットサイズがレンズのサイズと同じであるため、光出力は、その差にかなり鈍感である場合がある。したがって、屈折率整合条件についての許容度は、比較的緩和される場合がある。たとえば、１つの作製された系では、５５５ｎｍで１．５６の等方性屈折率を有する材料Norland製ＮＯＡ７１が、対応する、１．５２の常光線屈折率を有するMerck製のＥ７と組み合わせて用いられた。２Ｄ−３Ｄ表示のデモンストレーションでは、これは、２Ｄ画像の品質には実質的に影響を与えずに、使用時に２Ｄモードのウィンドウ平面において小さな輝度（intensity）変動をもたらした。
【０１０９】
ツイステッド能動レンズセル
実際には、偏光表示デバイスの出力偏光角度は、一般に、垂直方向になるように設定されない。これは、液晶ディスプレイなどのディスプレイの視野角性能の最適化による。たとえば、よく知られているノーマリホワイト透過型ツイステッドネマチックディスプレイは、４５°の角度の出力偏光を有するが、半透過型および反射型ディスプレイは、たとえば、２０°に近い出力角度を有する。これまでに述べた実施形態では、複屈折レンズの入力表面および出力表面上での偏光状態の出力角度は、この角度に整合しない場合がある、ゼロであるように設定される。
【０１１０】
凸表面構造は、付随する表面配向エネルギーを有し、配向膜と競合して、液晶セル上に配向を与えるであろう。この効果は、曲率半径が最小であるレンズ先端の近くで特に重要である場合がある。これは、異なる液晶ダイレクタ配向のエリア間で液晶材料の回位を引き起こす場合がある。回位は、散乱を引き起こし、光学クロストークを増加させ、レンズコントラストを低下させ、緩和時間を増加させる場合があり、したがって、望ましくない。したがって、レンズ表面における液晶材料を、レンズアレイの円柱レンズの幾何学的光軸に平行に配向させることが好ましい。
【０１１１】
１つの手法は、パネル出力偏光に平行である配向膜を平面および凸表面上に作成することであろう。これは、円柱レンズの幾何学的レンズ軸に平行でない、凸レンズ表面構造における配向膜を必要とするであろう。
【０１１２】
本発明の一実施形態では、ディスプレイの出力偏光は、能動レンズへの入力において、半波長板などの波長板を組み込むことによって修正することができる。これは、出力直線偏光状態が、能動レンズを通過する前に、垂直方向に対して回転することを可能にする。半波長板、および、色分散効果が減少する広帯域半波長板は当技術分野ではよく知られている。波長板は材料およびデバイスへの取り付けのために追加のコストがかかり、波長板は有彩色であってもよく、波長板は厚みを追加する。画素平面とレンズの分離は、表示デバイスからのウィンドウの距離を決め、したがって、この距離を増加させることは、ディスプレイからの最良の観察ゾーンの距離を増加させる。
【０１１３】
たとえば、８０μｍのカラーの画素以下のピッチを有する場合がある２ビューディスプレイは、ほぼ１６０μｍのピッチのレンズ、および、９００μｍの、レンズに対する画素の典型的な分離を有することになり、この典型的な分離は、５００μｍのディスプレイ基板の厚み、２００μｍの出力偏光子の厚み、１５０μｍのガラスＭｉｃｒｏｓｈｅｅｔの厚み、および５０μｍ厚の液晶層を含む。この系は、ディスプレイから４８０ｍｍの距離において６５ｍｍ幅のウィンドウを生成するであろう。２００μｍ厚の波長板が付加される場合、この距離は５８５ｍｍに増加するであろう。こうした名目上の視距離の増加は、多くのディスプレイ、特にモバイルディスプレイにとって望ましくない。画素サイズを減少することは、視距離をさらに増加するであろう。処理時間および材料を追加するという犠牲を払って、高複屈折性の材料をコーティングすることによって作られるような薄い波長板が使用されてもよい。したがって、追加の波長板を導入することは、望ましいオプションでない場合がある。
【０１１４】
レンズデバイスに偏光回転機能を組み込むこと以外に、凸表面構造における３Ｄモードでの液晶材料の配向が、幾何学的レンズ軸に平行である能動レンズを作成することによって、垂直出力偏光を提供するために、波長板を追加するか、または、ディスプレイを再設計する必要がなくなることが望ましい。
【０１１５】
本発明の目的は、入射偏光状態のねじれが能動レンズの厚みを通して起こるような光パワーをレンズが有するモードにおいて、平坦基板上の液晶材料の配向とレンズ基板上の液晶材料の配向の間にある角度を設定することによって、能動レンズ内で誘導回転(guiding rotation)を用いることによる能動レンズ内での出力偏光の調整を提供することである。そのため、能動レンズは、指向性分布修正動作モードにおける円柱レンズの幾何学的光軸に対する複屈折材料の平行な配向に加えて、表示デバイスからの出力偏光の補正を提供するのに役立つ。
【０１１６】
例のシステムを調べることによってわかるように、これは意外なことに有利である。その例では、屈折率１．５６の等方性材料、および、１．７５の異常光屈折率を有するMerck Limited製のＥ７液晶材料を用いて得られる自動立体３Ｄディスプレイは、１３０μｍの最適レンズ曲率半径を与える。こうしたレンズは２７．５μｍのサグ(sag)を有する。そのため、少なくともこの厚みの液晶層が、レンズの最も厚い部分で必要とされる。こうした層は、６μｍを超える光学厚みを有し、Ｇｏｏｃｈ−Ｔａｒｒｙの関係から、したがって、Ｍａｕｇｉｎ限界に近づく、強く誘導された(strongly guided)レジーム(regime)内にある。したがって、偏光状態は、レンズエリアのほとんどにわたって都合よく誘導されるであろう。
【０１１７】
ポジティブパワーの(positive power)液晶レンズの場合、先端は厚みが薄く、したがって、誘導があまり有効でない場合がある。同様に、ネガティブパワーの(negative power)液晶レンズの場合、レンズの中心は厚みが薄く、誘導があまり有効でない場合がある。層が、偏光状態を誘導し、したがって、デバイスのコントラストを最適にし続けるように、液晶材料のさらなる均一な厚みの層を、セルの最も薄い部分の近くに組み込んでもよい。４５°の出力偏光子透過角度を有するベースＬＣＤ２００を用いた自動立体ディスプレイについての本発明の一実施形態が図８ｃに示される。ディスプレイからの出力は、ホモジニアスに配向した正の誘電異方性液晶材料を表面に有する平面基板上に入射する。レンズ表面における配向膜は、レンズに平行であり、したがって、垂直方向である。よって、レンズを通して偏光状態の４５°の回転が起こり、レンズ表面において、偏光は液晶材料の異常光軸上に入射し、位相不整合、したがって、レンズ焦点距離が生成される。
【０１１８】
セル内での材料の回転は、コレステリック物質をドーピングすることによって補助されてもよい。配向膜の近くでのプレチルト効果を補償するために、平坦表面および凸表面における配向方向は、反平行である、垂直方向に分解した配向方向成分を有してもよく、その結果、オフ状態では、セルは構造全体にわたってほぼ均一なプレチルトを有する。任意選択で、セルは、平行かまたは反平行である、垂直方向の配向成分を有してもよく、その場合、反応速度が改善される場合がある。
【０１１９】
オン状態では、図７ｂに示すように、分子は、分子配向１２０が印加電界に平行な状態で、実質的に垂直配向状態に駆動される。この場合、レンズにおける偏光の回転が減るため、レンズ表面に入射する偏光状態は、幾何学的レンズ軸に平行ではない。しかしながら、偏光状態は、液晶屈折率の常光線成分に配向することになり、したがって、レンズは、ほぼ屈折率整合し、実質的に光パワーを有さないことになる。
【０１２０】
オン状態では、配向膜の近くで液晶材料の残留チルト(tilt)が存在する場合があり、この残留チルトによって、入射偏光状態についてレンズの焦点距離の増加がもたらされることになる。このチルトは、液晶材料の常光線成分の屈折率を、等方性材料より小さくなるように減少させることによって補償することができる。そのため、レンズの巨視的な(bulk)焦点距離を補償することができる。オフ状態の焦点距離を確定するために、液晶材料の異常光屈折率から曲率半径が設定される。
【０１２１】
本発明の実施形態の全てにおいて、第１基板上での配向膜の配向は、偏光表示デバイスからの入力偏光状態に対して平行ではなく直角である場合がある。これは、有利には、第１動作モードにおける能動レンズセルの偏光の誘導回転を改善する場合がある。これは、図８ｄに示され、平坦基板２０３における配向方向は、パネル出力偏光２００に直角である。レンズアレイは配向方向２０５を有する。
【０１２２】
図１８は、輝度向上半透過型表示モードで使用するための本発明の別の実施形態を示す。光源２５２は、ＩＴＯ皮膜２５６を有する支持基板２５４および等方性微細構造２５８を含む能動レンズを照明する。配向膜２６０は、等方性微細構造２５８の表面上に形成され、液晶材料２６２は、配向膜２６０と、ＩＴＯ皮膜２６６および配向膜２６４が表面に形成された平坦基板２６８との間に挟まれる。基板２６６は、たとえば、厚み１６０μｍのＭｉｃｒｏｓｈｅｅｔであってよい。能動レンズは、標準半透過ディスプレイで使用されるような偏光子および波長板スタック２７０上に設置される。対向基板２７２および液晶層２７４は、吸収領域２７７、入射光を反射するための反射領域２７８、および、バックライト２８２および能動マトリクスバックプレーン２８４からの光を透過するための透過領域２８０を有する半反射反射(transflective reflective)画素平面２７６上に形成される。
【０１２３】
周囲光源２５２（装置の一部ではない）からの光はディスプレイを照明する。第１動作モードでは、レンズはオフ状態にあるためフォーカス機能が存在する。そのため、光源は画素平面２７６上に結像する。反射光は、隣接するレンズによって集光され、光線２８６で示すように観察者に結像する。ディスプレイの前部の制限されたウィンドウにおいて、画像が明るく現れるであろう。明るいウィンドウはより暗いウィンドウによって散在させられているため、全体の輝度が維持される。透過モードでは、制限された透過領域からの光は、画像の見かけの輝度を増加するため、ウィンドウ平面に同様に結像される。前部反射２８８は、有効光２８６と異なる方向にあるため、見えない。
【０１２４】
図１８のディスプレイの動作は図１９に示される。入射光は、レンズ２６２において２つの偏光状態に分解される。オフ状態では、レンズによって結像される偏光状態は、レンズ幾何学的軸２９２に平行であり、レンズを通して回転して平坦基板２９４上に入るため、典型的な半透過ディスプレイの場合、たとえば、２０°である場合がある、ディスプレイの偏光子２９５の透過軸に平行に入射する。この光は、反射バックプレーン２９６上に透過され、光は、ディスプレイによって変調され、偏光子２９８および平坦基板３００を通して反射される。第２の光の回転は、光がレンズ３０２によって観察者２９０に対して結像されるように起こる。
【０１２５】
非レンズモードでは、オン状態液晶配向において、入射偏光が、全ての偏光において常光線液晶屈折率に直面する（see）ため、レンズは、実際には全く機能を有さず、光出力は実質的に修正されない。
【０１２６】
能動レンズデバイスでの非ゼロねじれの使用のさらなる利点は、セルの配向縮退を減らすことができることである。縮退は、上部表面と下部表面の間の液晶配向についての、セル内の液晶の複数の最小エネルギーねじれ方向から生ずる。複数の回転エネルギー最小値が存在する場合、分子が、セルを通してたどる可能性がある複数の回転経路が存在し、したがって、誘導作用が異なる可能性があり、セルの異なる部分において異なるレンズ特性を与える。回転オフセットを用いることは、セル内の分子のための単一の好ましい回転経路を可能にし、したがって、セルの均一性を高める。
【０１２７】
こうして、能動レンズ内の偏光状態の回転は、レンズ表面における平行配向を維持しながら、特定のパネルについてのレンズ性能を最適化するのに役立つ。デバイスは、反射光の反射経路と同じように、透過光について機能する。
【０１２８】
図２０に示す、さらなる実施形態では、円柱レンズアレイは、パネルの画素の列に対して傾斜する場合がある。ビュー間のクロストークが増加するという不利を伴って、見かけのビュー数を増加させるために、パネルの画素に対してレンズ軸を傾斜させることは、当技術分野ではよく知られている。本発明では、能動レンズが、幾何学的レンズ軸に平行である、レンズ表面における液晶の配向を有することが望ましい。こうしたデバイスは、有利には、ねじれを達成するために、平坦表面と凸表面の間のねじれを用いる場合がある。図２０は、画素３０６が列および行で配置される画素平面３０４を示す。画素は、４５°の出力偏光３０８を有する透過型ノーマリホワイトツイステッドネマチック液晶ディスプレイに組み込まれる。能動レンズの平坦基板３１０は４５°の配向方向を有し、凸表面レンズ３１２は、たとえば、１０°の幾何学的レンズ軸の配向を有する。この表面３１２上の配向膜方向は、１９０°に設定されるため、平坦基板上の配向方向は、垂直方向に反平行成分を有する。
【０１２９】
レンズは、別法として、凸表面の表面において、図に示す曲率とは逆の曲率で配向してもよい。この場合、液晶レンズの最も薄い部分は、先端の近くではなく、レンズの中心に配置される(align)。こうしたレンズは、レンズの収差の増加により、波面品質の低下を受ける。
【０１３０】
ホメオトロピック配向膜
これまでに述べた実施形態は、従来のホモジニアス配向膜および正の誘電異方性材料を使用する。しかしながら、デバイスを２Ｄモードで動作させるために、セルの両端で電圧が印加される必要がある。多くのデバイスの２Ｄモードは、より多く使用される可能性がある。２Ｄ画像のための３Ｄモードでのデバイスの動作は、ディスプレイのユーザに好ましくないアーチファクトを引き起こすことになり、したがって、望ましくない。したがって、こうした素子は、多くは切り替え式の動作状態に維持される必要があるであろう。これは、３Ｄモードと比較して、デバイスの電力消費の増加を引き起こすであろう。スイッチがうまく働かない場合、デバイスは、３Ｄモードのままとなることになり、同様に、望ましくない。
【０１３１】
デバイスが、オフ状態にある時に２Ｄモードで動作するために、光学微細構造材料１０８の屈折率は、液晶材料の異常光屈折率と同じであるように設定されるであろう。これは、低コストで容易に入手可能で、かつ、安全に扱うことのできる高分子および液晶材料の選択が必要であるために望ましくない。
【０１３２】
上記例では、Ｅ７は、５５０ｎｍで、０．２２のデルタｎを有し、１．７５の異常光屈折率（ｎｅ）を有するMerck製の典型的な正の誘電異方性材料である。１．６より大きい屈折率を有する高分子材料が入手可能であるが、これらの材料は、毒性があり、高価であり、扱うのが難しい傾向があり、したがって、望ましくない。別法として、正の誘電異方性液晶材料のｎｅは、より受け入れやすい高分子材料に整合するように下げることができる。しかしながら、ｎｅを下げることは、材料のデルタｎを下げる傾向がある。たとえば、Merck Limited製のＭＬＣ３３７６は、１．５７のｎｅを有するが、０．０９のデルタｎしか有さない。こうしたレンズは、−１００μｍ未満のレンズ曲率を必要とするであろう。そのため、こうしたレンズは、サグが増加し、配向が反転し、表面反射が増加し、散乱、光学クロストーク、および反応時間の増加につながる収差が低下する。こうしたレンズは、同様に、あまり強く誘導しないため、セル内の入力偏光の回転が効果的でなくなるであろう。
【０１３３】
したがって、レンズ構造を形成するのに通常用いられる多くの高分子の場合、液晶材料の屈折率の異常光成分ではなく、常光線成分に対する等方性材料の屈折率整合を使用することが、簡単で、安価で、高い性能を提供する。
【０１３４】
そのため、ホモジニアス配向、正の誘電異方性液晶、および、容易に入手可能な高分子材料の組み合わせを用いて作製された能動レンズデバイスは、一般に、先に述べた理由で望ましくない、駆動式(driven)２Ｄ動作モードを必要とするであろう。
【０１３５】
能動レンズは、図７と同様である、図９ａおよび図９ｂに示すように構成される。基板１０２は、電極１１０、１１２、光学微細構造１０８、および、その表面上に形成されたホメオトロピック配向膜１２８を有し、一方、基板１０４は、電極１１４、１１５およびその表面上に形成されたホメオトロピック配向膜１３０を有する。セルは、負の誘電異方性を有する液晶材料１３２で充填される。
【０１３６】
デバイスの動作は図１０ａで述べられる。ディスプレイの出力偏光子は、垂直方向に対して平行な入力直線偏光状態方向１３６を提供する。ホメオトロピック配向によって、ダイレクタが、表面の平面にほぼ直角に配向する。オフ状態では、図９において電極１１０の下の液晶材料配向１２４で示すように、偏光状態は、液晶材料上に入射し、液晶材料の常光線屈折率に直面し、次に、等方性高分子微細構造１０８の屈折率に整合する。そのため、レンズにおいて、実質的な位相段差は存在せず、レンズは、出力指向性分布に対して実質的に影響を与えない。
【０１３７】
オン状態では、図９ａおよび図９ｂの電極１１２の下に示すように、液晶の負の誘電異方性により、その配向１３２が、セルの中央のダイレクタが実質的に基板の平面内にあるように変調される。したがって、ディスプレイの出力偏光が直面する液晶の異常光屈折率成分が存在し、レンズによって位相段差が生成される。こうしたレンズを用いて、ディスプレイの指向性分布を変更し、たとえば、３Ｄ動作モードを生成することができる。
【０１３８】
こうした実施形態は、有利には、屈折率の低い従来の高分子材料を用いた切り替え式でない２Ｄ動作モードを生成するのに役立ち、したがって、安価で、製造が簡単である。この実施形態では、デバイスの電力消費は、デバイスが３Ｄ動作モードにある時に存在するだけである。
【０１３９】
オン状態では、液晶分子は、電界によって基板に平行に引き寄せられる。レンズ表面における液晶材料の配向バイアスは、たとえば、レンズ微細構造の表面エネルギーによって、幾何学的マイクロレンズ軸に平行になる場合がある。駆動状態においてこの向きの配向を促進するために、付加的な配向特徴部(feature)がこの表面上に組み込まれる場合がある。こうした配向特徴部は、高分子微細構造内に形成された、幾何学的マイクロレンズ軸に平行に通る溝であってもよい。こうした溝は、たとえば、回折格子によって形成されてもよい。回折格子は、有利には、レンズと同じ複製プロセスで形成することができるように、マイクロレンズ構造のマスタリングプロセスにおいて形成されてもよい。
【０１４０】
平坦基板はまた、オン状態での分子の配向をバイアスするために、ホモジニアス配向構造を有してもよい。オン状態での配向膜のバイアスは、表示デバイスからの出力偏光状態が幾何学的マイクロレンズ軸にほぼ平行になるように回転するように、セルを通して偏光の回転を提供するように構成されてもよい。これは図１０ｂに示される。たとえば、４５°のパネル出力偏光が平坦基板上に入射する。オフ状態では、ホメオトロピックに配向した液晶が、常光線屈折率が等方性材料に整合した状態で見られるため、実質的に回転は必要とされない。しかしオン状態では、配向膜２０８は、ホモジニアス配向バイアスを有するため、液晶分子は、パネルの出力偏光方向にほぼ平行に（または直角に）配向する。レンズにおいて、ホモジニアス配向バイアスは、平坦基板における配向の垂直成分に反平行であり、したがって、セルを通して回転が提供される。こうした回転は、先に述べたものと同じ利点を提供し、特に、波長板の追加、または、表示デバイス出力偏光の他の変更を必要とすることなく、標準ディスプレイの出力偏光とレンズのアラメントをとることを可能にし、したがって、デバイスの視野角を最大にする。
【０１４１】
本発明のさらなる実施形態は、図１１および図１２に示される。この構成では、平坦基板における配向膜１３４は、ホモジニアス配向膜であり、液晶を基板に平行に配向させる。オフ状態では、入射偏光は、平坦基板の近くの材料１３６内で異常光屈折率に直面する。しかしながら、レンズ表面に近い材料１３８は、ホメオトロピックに配向するため、偏光状態は、凸表面領域において実質的に常光線屈折率に直面する。高分子屈折率は、液晶材料の常光線屈折率に実質的に整合するため、実質的に位相段差が存在せず、レンズは機能を有さない。
【０１４２】
ホモジニアス配向膜に近い領域における付加的なレンズパワーを補償するために、液晶の常光線屈折率は、高分子材料の屈折率より低い場合がある。レンズの曲率は、液晶材料の異常光屈折率および高分子屈折率によって設定される。
【０１４３】
オン状態では、負の誘電異方性材料は、ダイレクタ１４０が全体のセルを通して基板に実質的に平行であるように再配向し、偏光状態は、液晶材料の異常光屈折率に直面する。そのため、レンズにおける位相段差が存在し、修正された指向性分布および３Ｄ動作モードが生ずる。これは、図１１ａおよび図１１ｂの電極１１２の下のダイレクタ配向１４０によって示される。
【０１４４】
図１３に示すような双安定レンズを形成するために、レンズ表面上のそれぞれの配向膜におけるホメオトロピック配向およびホモジニアス配向の組み合わせを用いてもよい。こうしたレンズは、２つの状態の間で切り替えるため以外で、パワーを加えられる必要がない。画素輝度切り替え用途のための平坦セルは、G.P. Bryan-Brown, C.V. Brown, J.C. Jones, E.L. Wood, I.C. Sage, P. Brett, J. Rudin著「Grating aligned bistable Nematic device」（SID 97 Digest pp37-40）に記載されている。格子およびホメオトロピック配向膜の組み合わせを用いて、双安定セルが作成される。
【０１４５】
第１電極領域１１０において、セルの両端でパルスが駆動されるため、材料は、セルにわたってホメオトロピック配向膜に従って配向する。入射直線偏光状態は、その後、液晶材料１４６の常光線屈折率に直面し、レンズ構造は分解されない。ｄｃ電圧パルスが印加される場合、レンズ表面における液晶配向は、ダイレクタ１４８が格子表面に平行になるように修正される。そのため、レンズ表面の領域では、偏光状態は、液晶材料の異常光屈折率に直面し、レンズが分解される。格子の表面エネルギーが、ホメオトロピック配向膜の表面エネルギーと同じになるように設定される場合、デバイスは双安定とすることができ、２Ｄモードと３Ｄモードの両方で駆動されないであろう。デバイスは、正または負の電圧パルスを印加することによって、２Ｄモードと３Ｄモードの間で切り替えられる。
【０１４６】
上記の実施形態では、ホメオトロピック配向膜は、レンズ表面で使用されるため、第１の非駆動モードでは、入射偏光状態は、高分子と屈折率整合する液晶の常光線屈折率に直面する。常光線屈折率を用いることによって、デバイスの作製時に標準高分子材料が使用されてもよい。位相構造がレンズ表面で生ずるため、レンズの平坦表面はホメオトロピックまたはホモジニアス配向のいずれかを使用することができる。
【０１４７】
外部偏光子の能動レンズデバイス
偏光出力表示システムにおいて、従来技術のディスプレイは、偏光子に対する能動レンズの相対位置を開示しない。図１４に示すように、能動レンズは、たとえば、厚みが１５０μｍ以下のＭｉｃｒｏｓｈｅｅｔガラスまたはプラスチック材料基板である場合がある基板２１１、平坦基板配向膜とＩＴＯ皮膜２１２およびレンズ基板配向膜とＩＴＯ皮膜２１４、複屈折材料２１８および等方性材料２２０および最終基板２１６を備えてもよい。この構造は、ディスプレイの出力偏光子の後に配置してもよい。輝度は、ディスプレイ偏光子によって分解(analyse)されているため、レンズは、出力光の指向性のみを操作する。こうしたシステムは、出力偏光子の厚みのために、視距離の増加を受ける。
【０１４８】
システムの視距離は、図１５に示すように、デバイスの能動レンズの後に偏光子を配置することによって減少させることができる。この場合、ＬＣＤ偏光は、未だ出力偏光子８２によって分解されていないが、まず能動レンズ２１１〜２２０を通過する。ディスプレイの動作は図１６に示される。たとえば、ディスプレイが、出力偏光子によって０°に設定されたノーマリホワイト出力偏光角２２２を有する液晶ディスプレイである場合、平坦基板は、０°の配向角２２４を有するホモジニアス配向を有する。レンズのオフ状態では、ＬＣＤからのホワイト状態の光は、レンズを通過するため、円柱レンズアレイに入射する偏光２２６は、幾何学的レンズ軸に平行になる。この光は、その後、０°の透過方向を有する出力偏光子２２８を透過する。レンズのオン状態では、電界がセルに印加され、正の誘電異方性材料が、セルの基板にほぼ直角に再配向する。そのため、偏光状態は、レンズの常光線屈折率に直面し、レンズ機能は与えられない。出力偏光状態は、出力偏光子を通過する。
【０１４９】
こうした構成は、出力偏光子におけるコントラストの損失のために、レンズセルの非ゼロ°の偏光回転を有するデバイス内では都合よく動作しないであろう。こうしたデバイスは、ディスプレイの出力偏光を回転させるために、１つまたは複数の波長板の追加を必要とする場合がある。波長板は、有利には、偏光子より薄く作られる可能性がある。レンズセルにおけるコントラストの損失はまた、最終画像のコントラストを低下させる働きをする場合がある。
【０１５０】
外部偏光子の実施形態は、さらに、外部周囲光におけるレンズの可視性が減るという利点を有する。ディスプレイの前部に入射する外部光源は、入力偏光子を通過し、レンズおよび位相段差を有する他の表面（たとえば、ＩＴＯなどの反射皮膜から）においてフレネル反射を受け、その後、出力偏光子を通過して戻る。したがって、外部偏光子は、各方向に通過する光の一部を吸収し、したがって、レンズ反射を減らし、有利には、表示コントラストを増加させる。
【０１５１】
有利には、こうした素子は高い偏光変換効率を有する液晶モードで、モードのコントラストを最適化するために使用することができる。透過型ノーマリホワイトツイステッドネマチック液晶などの、一部のデバイスでは、オン状態（最大ホワイトレベルを生成する偏光状態と呼ぶ）は、ブラック状態に対して９０°の回転を有する。そのため、レンズを通過する偏光状態は、オン状態のみから分解(resolve)することができる。たとえば、混合ツイステッドネマチックデバイスなどの、他のデバイスでは、オン偏光状態は、ブラック状態に直角でない場合がある。こうしたデバイスは、内部能動レンズ構成においてコントラストの減少を受ける。
【０１５２】
多くの反射型液晶ディスプレイなどの、偏光子に加えて波長板が光出力上で使用されるシステムでは、波長板は、画素平面と能動レンズデバイスの間に配置される場合があるため、ディスプレイからの出力はほぼ直線である。
【０１５３】
図２１は、本発明のさらなる実施形態を示す。たとえば、高分子エレクトロルミネッセンスディスプレイなどの発光型ディスプレイは、発光画素３１６〜３３０が形成される基板３１４を備える。発光画素は、偏光しないか、部分的に偏光するか、または、ディスプレイの素子の残りを通して最適な透過を提供するようにアライメントをとられた直線出力偏光方向を持って偏光する場合がある。発光型ディスプレイ対向基板３３２には、能動レンズ素子が取り付けられる。能動レンズは、たとえば、Ｍｉｃｒｏｓｈｅｅｔ３３４、ＩＴＯ電極３３６、３４２、切り替え可能な複屈折材料３３８、等方性凸表面構造３４０、および、支持基板３４４を備える。最終出力偏光子３４６は、マイクロレンズアレイの幾何学的軸に平行である透過方向を持った状態で取り付けられる。
【０１５４】
オフ状態では、液晶材料は、画素から光を受け取り、垂直偏光状態（紙面に対して垂直）について、屈折構造において位相不整合が生じるため、レンズは光学機能を有する。この偏光状態は、出力偏光子３４６を透過する。そのため、能動レンズは、画素平面と出力偏光子の間に配置されてもよく、有利には、ディスプレイの視距離を減らす。オン状態では、分子が再配向するため、偏光子３４６を透過した出力偏光は液晶材料３３８の常光線屈折率に直面しており、レンズ機能は見られない。こうして、偏光子３４４は、クリーンアップ偏光子とレンズ分解(analyzing)偏光子の機能を組み合わせるのに役立つ。
【０１５５】
偏光発光型ディスプレイ
高分子および小分子有機エレクトロルミネッセンスディスプレイを含む無機および有機のエレクトロルミネッセンスディスプレイなどの発光型ディスプレイは、通常、偏光しない光出力を生成する。しかしながら、指向性分布光学切り替えシステムは、たとえば、均等拡散である場合がある第１モードと、たとえば、自動立体３Ｄウィンドウである場合がある第２モードとの間でディスプレイが再構成されることが可能になるように偏光の切り替えに依存する場合がある。そのため、非偏光ディスプレイは、偏光指向性分布光学切り替えシステムと組み合わされると、偏光損失を示すことになる。
【０１５６】
本発明の目的は、能動レンズを備える指向性分布光学切り替えシステムの入力偏光状態に対して偏光発光型ディスプレイの出力偏光のアライメントをとることによって、発光型ディスプレイにおける高光効率を提供することである。偏光のアライメントは、ディスプレイの発光画素内の発光材料の一軸配向した発色団(uniaxial aligned chromophore)によって達成され得る。偏光出力の主軸の配向方向(alignment direction)は、複屈折マイクロレンズ内の複屈折材料の配向方向と連携するように設定される場合がある。
【０１５７】
こうして、能動レンズを用いた高効率発光型指向性分布光学切り替えディスプレイを達成することができる。こうしたディスプレイは、ＬＣＤディスプレイと比べてさらなる利点を有し、たとえば、バックライトを必要とせず、したがって、薄くかつ軽く作ることができ、モバイル用途にとって重要である可能性がある。
【０１５８】
偏光した出力を提供する任意のタイプの偏光発光型ディスプレイが用いられてもよい。たとえば、それは、A.E.A. Contoret, S.R. Farrar, P.O. Jackson, S.M. Khan, L. May, M. O'Neill, J.E. Nicholls, S.M. KellyおよびG.J. Richards著「Polarized Electroluminescence from an Anisotropic Nematic Network on a Non-contact Photoalignment Layer」（Adv. Mater. 2000, 12, No.13, July 5 p971）に記載される偏光有機エレクトロルミネッセンスディスプレイであってもよい。これは、実際のシステムにおいて、１１：１の偏光効率を達成することができることを証明する。
【０１５９】
図１７は、本発明の一実施形態を示す。画素２３０〜２４４のアレイは表示基板２４６上に形成される。基板２４６は、画素のそれぞれが、電気信号によって独立にアドレス指定されるようにアドレス指定用の薄膜トランジスタおよび電極のアレイを備える場合がある。薄膜トランジスタは、無機であるか、または、有機材料で具現されてもよい。別法として、画素は、アドレス指定用トランジスタが画素に存在する必要がない受動アドレス指定方式(scheme)によってアドレス指定されてもよい。画素２３〜２４４のそれぞれは、発光の偏光が、全画素について、ほぼ直線であり、かつ、ほぼ同じ向きであるように、発色団を備える発光材料が一軸配向する発光領域を備える。各画素は、ほぼ同じ偏光方向を有するように構成される。発光材料は、たとえば、高分子エレクトロルミネッセンス材料または小分子エレクトロルミネッセンス材料であってよい。発光材料の分子を配向させることによって、偏光発光を生成する手段が知られている。さらなるカバー基板２４８が画素に取り付けられる。基板２４８は、障壁層およびコントラスト強調ブラックマスク層を組み込む場合がある。
【０１６０】
任意選択の偏光子２５０が基板２４８に取り付けられてもよい。別法として、偏光子材料は、たとえば、基板２４８の内部表面上で、画素平面に、または、画素平面の近くに組み込まれてもよい。
【０１６１】
たとえば、１つの知られている偏光有機エレクトロルミネッセンスディスプレイは、１１：１の偏光比を有する。偏光効率４５％の典型的な偏光子と組み合わせると、光源からの全体のスループットは、クリーンアップ偏光子と組み合わせた非偏光の光源についての４５％と比較すると、８２．５％になるであろう。
【０１６２】
能動複屈折マイクロレンズ２１２〜２２０は、偏光子２５０の表面上に形成される。スイッチセルからの出力偏光を切り替えるために、電圧が液晶セルの両端に印加される。
【０１６３】
図１７の装置は以下のように動作する。偏光発光画素アレイ２３０〜２４４からの出力偏光は、発光材料の偏光方向の主軸に平行な透過方向を有する直線偏光子２５０によってクリーンアップされる(cleaned)。この偏光状態は、オフ状態において、複屈折レンズ２１８内の液晶材料の配向に平行であるようにアライメントがとられる。この屈折率は、等方性材料４０の屈折率と異なるため、レンズ効果が存在する。第２モードでは、材料２１８は、印加電界によって再配向するため、レンズ表面において等方性材料に対する屈折率段差が実質的に存在せず、レンズは光学機能を有さない。これは、２Ｄモードに対して光出力の指向性分布の変化を引き起こす。レンズは、ウィンドウ平面において画素平面の画像を生成するように構成される場合がある。
【０１６４】
最適動作温度範囲の拡張
次に、最適動作温度範囲を拡張するための考慮事項を述べる。これらの考慮事項は、先に述べた能動複屈折レンズアレイ全てに当てはまり、実際に一般に、電極両端の電圧制御によって２つのモードで動作する任意の他の能動複屈折レンズアレイに当てはまる。
【０１６５】
ディスプレイの性能は、動作温度と共に変化する場合がある。これは、温度に伴う、複屈折材料の常光線屈折率および異常光屈折率、ならびに、等方性材料の屈折率の変動によるものである可能性がある。
【０１６６】
液晶材料と高分子材料の典型的な組み合わせについての、温度３５２に対する屈折率３５０の変動が、図２２に概略的に示される。常光線屈折率３５６は、ネマチック−等方性遷移温度に近づくにつれて増加する傾向があるが、異常光屈折率３５４は減少する。ネマチック−等方性遷移温度３６０を超えると、複屈折材料の屈折率は整合するようになる。高分子の屈折率３５８は、図示するように、温度と共に減少する場合がある。
【０１６７】
図２２に示すシステムは、正の誘電異方性液晶材料について、高分子の屈折率３５６が、複屈折材料の常光線屈折率に実質的に整合する典型的な材料系の場合を示す。本出願の他の箇所で述べたように、こうしたシステムは、通常、高分子の屈折率と常光線屈折率が実質的に整合する２Ｄ動作モードを可能にするために、セルに電圧が印加されることを必要とする。他の材料系では、高分子の屈折率３５６は、複屈折材料の異常光屈折率に実質的に整合する場合があり、その場合、以下の考慮事項が、必要な変更を加えてやはり当てはまる。
【０１６８】
設計動作温度３６２は、通常、室温、たとえば、２０〜２５℃の範囲、好ましくは、２０℃である。
【０１６９】
高分子の屈折率が常光線屈折率３５６に等しいゼロ電圧屈折率整合点３６８が、材料の的確な選択に応じて設計パラメータとして選択されてもよい。通常、ゼロ電圧屈折率整合点３６８は、設計動作温度に設定される。しかしながら、ゼロ電圧屈折率整合点３６８を、次の通り、より高い温度にバイアスする時に利点が存在することが理解されている。
【０１７０】
第１に、こうした選択は、表示装置が、２０℃の標準設計温度を超えた温度で用いられることがかなり多いという考慮事項が存在する。したがって、高分子材料の屈折率が、複屈折材料の屈折率の関連する１つに正確に等しくなる温度を上げることによって、高分子材料の屈折率が、表示装置の通常の使用の大きな部分にわたって、複屈折材料の屈折率の関連する１つに実際に近くなる。
【０１７１】
複屈折レンズ材料の常光線屈折率３５６が、設計温度３６２において、高分子の屈折率３５８に実質的に整合する系の場合、屈折率整合条件は、温度が上昇すると失われる場合がある。これは、高分子の屈折率を、室温における常光線屈折率と異常光屈折率の間に設定することによって克服することができ、その結果、２Ｄモードについて、許容可能な低い輝度変動が、ウィンドウ平面で見られる。動作温度が上昇するにつれて、液晶の常光線屈折率３５６は高分子の屈折率３５８の方へ増加するため、先に述べたように、典型的な所望動作温度範囲について、十分に緊密な屈折率整合条件が２Ｄレンズ性能要件を満たす温度範囲が拡張される。
【０１７２】
第２に、温度変動について、デバイスの性能をさらに補償するのに用いることができる、図２３に示す装置について以下で述べる。温度センサ３７０または手動ユーザ調節３７２を用いて、レンズセル３７６の両端の電圧を駆動する電圧コントローラ３７４が設定される。そのため、２Ｄモードでは、低い電圧がレンズの両端に印加される可能性がある。手動ユーザ調整は、直接的な電子調整によってか、または、電圧を制御するソフトウェアアプリケーションへのユーザ入力によって実施されてもよい。
【０１７３】
高分子の屈折率３５８は、設計動作温度３６２を超える、好ましくは、少なくとも２５℃である限界までの温度範囲にわたって、常光線屈折率３５８と異常光屈折率３５４の間に設定される。この特定の実施形態では、限界はゼロ電圧屈折率整合点３６８である。この温度範囲にわたって、電圧コントローラ３７４は、第２モード（２Ｄモード）での温度変動を補償することができ、それによって、有効温度動作範囲が拡張される。
【０１７４】
図２４は、こうしたデバイスにおける屈折率の変動を概略的に示す。有効屈折率は、複屈折レンズを通して観察者のところに通過する偏光状態が直面する結果として得られる屈折率である。有効屈折率は、複屈折材料の常光線屈折率と異常光屈折率の分解された成分である。電圧が複屈折材料に印加された場合、材料は再配向するため、偏光状態が直面する常光線屈折率と異常光屈折率の相対成分は変わり、したがって、有効屈折率が変わる。
【０１７５】
示した例では、複屈折材料を完全に切り替えるための電圧が印加される場合、設計動作温度３６２にて、レンズを通過する時に入射偏光状態が直面する有効屈折率は高分子の屈折率より低い。
【０１７６】
低い電圧が印加される場合、偏光状態が複屈折材料の異常光屈折率成分に直面し始めるため、偏光が直面する有効屈折率は、矢印３６４で示す量だけ増加するであろう。高分子の屈折率３５８が、標準動作温度での液晶の常光線屈折率を超えて設定される場合、レンズの有効屈折率は、動作温度において高分子の屈折率３５８に整合するように制御されることができる。
【０１７７】
電圧が、動作範囲にわたる動作温度に、たとえば、矢印３６６で示す温度に合うように調整される場合、第２モードの動作温度範囲を拡張することができる。温度３６８では、屈折率整合条件を達成するために電圧は印加されない。電圧信号３７４は、表示性能を最適化するために、温度センサ３７０からの自動フィードバックによってか、または、入力３７２による手動補正によって設定されることができる。
【０１７８】
同様に、第１モード（３Ｄモード）の動作温度範囲は、図２５に示すように拡張することができる。温度３５２が上昇するにつれて、材料の異常光屈折率３５４が減ることになり、したがって、レンズの光パワーが減る。レンズの曲率半径の選択によって制御される場合があるレンズアレイのパワーは、設計動作温度３６２を超える、好ましくは、少なくとも２５℃である限界までの温度範囲にわたって、表示装置内の空間光変調器の最良のフォーカスでの設計温度３６２の動作に必要とされるパワーより大きくなるように設定される場合がある。この温度範囲にわたって、電圧コントローラ３７４は、第１モード（３Ｄモード）における温度変動を補償することができ、それによって、有効温度動作範囲が拡張される。
【０１７９】
この特定の実施形態では、セルに電圧が印加されない場合、レンズの光パワーは、室温での最適性能に必要とされるより少し大きい。調整された電圧が、最適なレンズ動作を達成するために、レンズセルの両端に印加されてもよい。これは、矢印３７０で示され、レンズの偏光状態が直面する有効屈折率は、屈折率３７２の場所に当たる。温度が上昇するにつれて、レンズの有効屈折率は低下することになるため、必要とされる屈折率降下３７４は小さくなり、レンズの光学性能を維持するための駆動電圧を下げることができる。図２３に示す同じコントロールシステムを用いて、最良のディスプレイフォーカスを設定することによって、システム性能を最適化することができる。温度範囲にわたる最良フォーカスの較正は、エンドユーザへの出荷前のディスプレイについて決定される可能性がある。
【０１８０】
レンズの最良フォーカスは、レンズの光パワーおよび空間光変調器の画素平面からのレンズの分離によって決定される。
【０１８１】
レンズの最良フォーカスは、たとえば、当技術分野でよく知られているように、近軸フォーカス、最小オンアクシススポットサイズ、フィールド平均化スポットサイズ、最小オンアクシス２乗平均平方根光路差、または、最小フィールド平均化２乗平均平方根光路差として規定されることができる。別法として、最良フォーカスは、画素平面での目のスポットサイズ（すなわち、画素平面における名目上の人の瞳の画像サイズ）に関して決定されてもよい。最良フォーカスは、一般に、目のスポットサイズを最小にすることによって設定されてもよい。別法として、最良フォーカスは、画素平面における最小の目のスポットサイズと異なっていてもよい。たとえば、最良フォーカスの目のスポットサイズは、画素列間のギャップより大きい場合があるため、得られるスポットは、列間のギャップを結像することによるウィンドウ平面における輝度差をぼかしてなくすのに役立つ。最良フォーカスは、別法として、ディスプレイの視覚による観察によって決定されてもよいため、観察者がディスプレイに対して横方向に移動する時に、表示表面上に見られるフリンジの視覚的な外観が、ディスプレイの外観が最良に認識されるように最適化される。最良フォーカス設定は、ユーザが、ユーザの個人的好みに最もよく合うようにディスプレイの外観を変えることを可能にするために、ディスプレイ上でのユーザ設定であってもよい。
【０１８２】
レンズが、ホメオトロピック配向膜および負の誘電異方性を有する複屈折材料を組み込む場合、３Ｄ動作についてより高い駆動電圧が必要とされる。この場合、２Ｄモードは、駆動電圧を上げることによって最適化されるため、有効屈折率は高分子の屈折率の方に増加する。３Ｄモードでは、駆動電圧は減少するため、有効屈折率は、最良フォーカス位置を得るため低下する。
【０１８３】
高分子の屈折率はまた、複屈折材料の異常光屈折率に近いが、それ未満であるように設定される場合がある。この場合、有効屈折率の小さな変化が、屈折率整合を生じ、一方、駆動電圧の低下を用いて、３Ｄモードでの有効屈折率を増加させ、よって、最良フォーカスのための屈折率段差を生成することができる。
【０１８４】
こうして、ディスプレイの動作範囲は、有利には、高分子の屈折率を常光線屈折率と異常光屈折率の間に設定することによって拡張することができる。
【０１８５】
さらに、３Ｄモードの動作温度範囲は、有利には、設計動作温度で最適化された対応するレンズの場合よりレンズの曲率半径を小さくなるように設定することによって最適化される場合がある。
【０１８６】
レンズがねじれを組み込む本発明の実施形態は、さらなる補償を必要とする場合がある。レンズのねじれの量は、オフセット駆動電圧によって決定される場合がある。そのため、小さなオフセット駆動電圧は、駆動電圧が無い場合に存在するよりも少ないレンズのねじれを引き起こす場合がある。別法として、最大駆動電圧のオフセットは、普通なら存在しないねじれを導入する場合がある。ねじれの作用を除去するために、パネル出力偏光方向を補償するための波長板を用いることが望ましい場合がある。別法として、デバイスの設計上のねじれは、製造時に設定されて、最適化されるため、オフセット電圧が印加されると、設計動作温度において、正確なねじれがレンズセル内で生じる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、能動複屈折レンズアレイ装置及びこれを備えた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
切り替え可能な能動レンズを用いて、切り替え可能な２次元（２Ｄ）／３次元（３Ｄ）自動立体(autostereoscopic)表示装置、切り替え可能な高輝度反射型表示システム、または、マルチユーザ表示システムを提供することができる。こうした表示システムを、コンピュータモニタ、電気通信ハンドセット、デジタルカメラ、ラップトップおよびデスクトップコンピュータ、ゲーム装置、自動車、ならびに他のモバイル表示用途で用いることができる。
【０００３】
３Ｄディスプレイ
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。
【０００４】
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像点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。
【０００５】
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像点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。
【０００６】
図１ｃは、左眼画像１０および右眼画像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。
【０００７】
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、およ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。
【０００８】
立体型ディスプレイは、従来技術において既知であり、ユーザが或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（例えば赤色および緑色に）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、また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。
【０００９】
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。
【００１０】
図２ａは、パララックス（parallax）光学素子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の位置を参照のために示す。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。
【００１１】
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の位置を参照のために示す。
【００１２】
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（ずなわち、導かれた）ものと考えられてよい。
【００１３】
図３は、ウィンドウ平面４２に左眼観察ウィンドウ３６、３７、３８およ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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
図４ａ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。
【００１７】
図４ｂ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。
【００１８】
図４に示すように、画像の分離品質、およびディスプレイの横方向およ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４ａは、理想的な観察ウィンドウを示すが、図４ｂ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、およびその反対の場合、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。
【００１９】
パララックス光学素子はパララックスバリアである場合がある。ディスプレイは、バックライト、列および行で配置される電子的に調整可能な画素のアレイ（空間光変調器、ＳＬＭとして知られる）、および、図５の平面図に示すように、ディスプレイの前部に取り付けられたパララックスバリアを備える。
【００２０】
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、輝度およ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。ディスプレイの観察自由度を最適化するために、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、パララックスバリアが容易に取り外しおよ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。
【００２１】
立体ディスプレイで用いるものとして当技術分野においてよく知られている別のタイプのパララックス光学部品（パララックスバリアを参照）は、レンチキュラースクリーンと呼ばれ、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。本明細書中で用いる「円柱」という用語は、当技術分野における通常の意味を有し、厳密に球面レンズ形状だけではなく非球面レンズ形状も含む。レンズのピッチは、視点補正条件に対応する、すなわち、各画素からの光を観察ウィンドウに方向制御するために、パララックスバリアのピッチは、画素アレイのピッチの２倍より少し小さい。こうしたディスプレイでは、ステレオペア画像のそれぞれの解像度は、ベースＬＣＤの水平解像度の半分であり、２つのビューが作成される。
【００２２】
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ため、レンチキュラーディスプレイはベースパネルのフル輝度を有する。
【００２３】
図６は、レンチキュラーアレイを用いたレンチキュラー表示デバイスのための典型的な構造を示す。バックライト６０は、ＬＣＤ入力偏光子６４上に入射する光出力６２を生成する。光は、ＴＦＴ ＬＣＤ基板６６を透過し、ＬＣＤ画素平面６７で列および行で配置された繰り返しの画素アレイ上に入射する。赤色画素６８、７１、７３、緑色画素６９、７２、７５、および青色画素７０、７３はそれぞれ、個々の制御可能な液晶層を備え、ブラックマスク７６と呼ばれる不透明マスクの領域によって分離される。各画素は、透過領域、すなわち、画素開口７８を構成する。画素を通過する光は、ＬＣＤ画素平面７４内の液晶材料によって位相変調され、ＬＣＤカラーフィルタ基板８０上に配置されたカラーフィルタによって色変調される。光は、その後、出力偏光子８２を通過し、出力偏光子８２の後には、パララックスバリア８４およびパララックスバリア基板８６が設置される。パララックスバリア８４は、垂直方向に延びた不透明領域によって分離された垂直方向に延びた透過領域のアレイを備え、画素６９からの光についての光線８８で示すように、１つおきの画素列６９、７１、７３、７５からの光を右眼へと導き、光線９０で示すように、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（この全体の光の方向パターンは光の指向性分布の別の例を形成する）。観察者には、バリアの開口９２を照明する、下にある画素からの光が見える。光は、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範囲は、取り込まれた光線１００により示される。
【００２４】
レンチキュラーディスプレイは、非特許文献１に記載される。空間光変調器を用いる１つのタイプのレンチキュラーディスプレイは、特許文献１に記載されている。特許文献１の発明は特に、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。
【００２５】
ディスプレイの画素の列に対して傾斜する円柱レンズを用いたレンチキュラーディスプレイは、非特許文献２に記載される。
【００２６】
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。
【００２７】
観察自由度が観察者の位置の測定およ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、特許文献２に記載される。このような観察者測定装置および機械的作動は、高価かつ複雑である。
【００２８】
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、観察者が実質的にオルソスコピック画像（orthoscopic image）を維持するようにするディスプレイが、たとえば特許文献３に記載される。
【００２９】
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部品の使用により、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。
【００３０】
パララックス光学部品の効果が除去される１つのタイプのディスプレイとして、非特許文献３がある。この場合、切り替え可能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、材料の両端に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、ディフューザは透明であり、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透明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。
【００３１】
特許文献４に開示される、別のタイプの切り替え可能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、パララックス光学部品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は透明であるため、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。すると、出力ウインドウが形成され、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および複雑性が増すとともに、輝度が低下するか、または消費電力が増す。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およ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。
【００３２】
特許文献５に開示される、別のタイプの切り替え可能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およ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が検査（analyse）される。こう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およびフル輝度である。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およびクロストークを有することになる。
【００３３】
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。
【００３４】
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、非特許文献４に記載されている。
【００３５】
特許文献６および特許文献７に開示される、別のタイプの切り替え可能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。特許文献６および特許文献７は、レンチキュラースクリーンにおける電子光学(electro-optic)材料の使用を教示しており、レンチキュラースクリーンの屈折率は、レンチキュラー手段の光出力誘導作用が提供される第１の値と、光出力誘導作用が取り除かれる第２の値との間の電位を選択的に印加することによって切り替え可能である。
【００３６】
液晶フレネルレンズを含む３Ｄディスプレイが、非特許文献５に記載される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３７】
【特許文献１】米国特許第４，９５９，６４１号明細書
【特許文献２】欧州特許第０，８２９，７４３号明細書
【特許文献３】欧州特許第０，７２１，１３１号明細書
【特許文献４】欧州特許第０，８３３，１８３号明細書
【特許文献５】欧州特許第０，８２９，７４４号明細書
【特許文献６】米国特許第６，０６９，６５０号明細書
【特許文献７】国際公開９８／２１６２０号明細書
【非特許文献】
【００３８】
【非特許文献１】T.Okoshi: Three Dimensional Imaging Techniques: Academic Press, 1976
【非特許文献２】multiview 3D-LCD: SPIE Proceedings Vol.2653, 1996, pp32-39
【非特許文献３】Developments in Autostereoscopic Technology at Dimension Technologies Inc.: Proc. SPIE vol. 1915 Stereoscopic Displays and Applications IV (1993) pp177-186, 1993
【非特許文献４】L. G. Commander et al.: Electrode designs for tuneable microlenses: European Optical Society Topical Meetings Digest Series: 13,15-16 May 1997, pp48-58
【非特許文献５】S. Suyama et al.: 3D Display System with Dual Frequency Liquid Crystal Varifocal Lens: SID 97 DIGEST pp273-276
【発明の概要】
【００３９】
第１の態様では、本発明は、表示デバイスの出力と能動レンズの配向方向の間の偏光整合を提供する。
【００４０】
本発明の第１の態様の１つの形態では、実質的に直線偏光する出力を生成する表示装置のための、切り替え可能な複屈折レンズアレイが提供され、当該レンズアレイは、
平坦表面と、円柱レンズアレイを画定する凸表面との間に配置される複屈折材料と、
複屈折材料を、第１モードと第２モードの間で電気的に切り替えるために、複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、レンズアレイは、上記第１モードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、上記第２モードでは、上記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極とを備え、
第１モードでは、上記凸表面において、複屈折材料は、円柱レンズの幾何学的軸に平行に配向し、
第１モードでは、上記平坦表面において、複屈折材料は所定の角度で平坦表面に平行に配向するため、第１モードで、平坦表面と凸表面の間で配向方向がねじれる。
【００４１】
複屈折材料の配向方向が、円柱レンズの幾何学的軸に平行であることは有利である。その理由は、それによって、配向膜表面エネルギーと凸表面構造配向表面エネルギーの間の競合による凸表面における転位(dislocation)が回避されるからである。その転位は、散乱を引き起こし、光学クロストークを増加させ、レンズコントラストを低下させ、かつ／または、緩和時間を増加させる可能性がある。同様に、製造が簡略化され、知られている製造技法の使用が可能になる。
【００４２】
本発明の第１の態様によるレンズアレイは、実際のシステムでは光学的厚みが比較的厚いために、複屈折材料において実質的に無色の(achromatic)偏光誘導(guiding)が起こることになるという意外な利点を有する。換言すれば、偏光方向は、光が複屈折材料を通過するにつれて回転する。この誘導作用を用いて、レンズアレイ内のデバイスの偏光を制御することができる。
【００４３】
レンズアレイによる偏光方向のこうした回転は、ディスプレイと能動レンズの間にさらなる波長板を必要としないことを意味し（任意選択で、１つまたは複数の波長板が付加される場合があるが）、したがって、素子の視距離を第１の動作モードにおいて低減し、デバイスコストを低減することが可能になる。
【００４４】
配向は、任意の適した手段、たとえば、配向膜によって提供されることができる。
【００４５】
本発明の第１の態様の別の形態では、指向性表示装置が提供され、当該指向性表示装置は、
実質的に直線偏光する出力表示デバイスと、
第１モードでは、偏光出力表示デバイスの指向性分布を修正し、第２モードでは、表示デバイスの指向性分布の修正を実質的に引き起こさないように構成された切り替え可能な複屈折円柱レンズとを備え、当該切り替え可能な複屈折円柱レンズは、
円柱マイクロレンズアレイを画定する凸表面層と、
凸表面層における複屈折材料の配向が、第１の動作モードでは、円柱レンズの幾何学的軸にほぼ平行であるように凸表面層上に形成された配向膜と、
第１および第２のモードについて、それぞれ、少なくとも第１と第２の向きの間で複屈折材料の向きを切り替えるように構成された電極層とを備え、
平坦基板における複屈折材料の配向は、表示デバイスの出力偏光と連携して配向するため、第１の動作モードでは、ねじれが凸表面層における円柱マイクロレンズアレイの幾何学的軸にほぼ平行である状態で、偏光が複屈折材料を通過する。
【００４６】
好ましくは、以下の任意選択の特徴の１つまたは複数が存在する。
−複屈折材料は液晶である。
−平坦基板における配向方向は、表示デバイスの出力偏光に平行または直角である。
−実質的に偏光するディスプレイは、部分的に偏光するか、または、偏光しないディスプレイおよび偏光子素子を備えることができる。
−ディスプレイは、ディスプレイでない(non-display)指向性切り替え用途のための空間光変調器であってよい。
−第１モードにおいて、レンズを通過する偏光状態のねじれが存在する。
−偏光状態のねじれは４５°、−４５°、または１３５°である。
−実質的に偏光するディスプレイの出力偏光を回転させるために、表示デバイスと能動レンズの間に付加的な波長板を組み込んでもよい。
【００４７】
そのため、以降で述べる本発明の実施形態は、以下の利点のうちの１つまたは複数を提供する。
−液晶の配向方向は、凸表面円柱マイクロレンズの幾何学的軸に平行である可能性がある。
−レンズ表面は、知られている表面配向技法を用いた製造に都合がよい。
−ディスプレイと能動レンズの間にさらなる波長板が必要とされず、したがって、素子の視距離を３Ｄ動作モードで低減し、デバイスコストを低減することができる。
−配向膜表面エネルギーと凸表面構造配向表面エネルギーの間の競合により、切り替えレンズ内で回位(disclination)を受けないであろう。
−能動レンズセルのコントラストが最適化されるであろう。
−切り替え応答時間が最小になる。
−レンズ素子内の縮退(degeneracy)が最小になるため、デバイスが一様に切り替わる。
−本発明は、実際のシステムでは光学的厚みが比較的厚いために、レンズ内で偏光誘導が起こることになるという意外な利点を有する。この誘導作用を用いて、能動レンズ内のデバイスの偏光を制御することができる。
−ディスプレイは、固定した液晶ディスプレイ出力偏光状態によって、２Ｄおよび３Ｄモードにて高い輝度を生成することができる。
【００４８】
第２の態様では、本発明は、ホメオトロピックに配向する複屈折材料を有するレンズアレイを提供する。
【００４９】
本発明の第２の態様の１つの形態では、実質的に直線偏光する出力を生成する表示装置のための、切り替え可能な複屈折レンズアレイが提供され、当該レンズアレイは、
表面と、円柱レンズアレイを画定する少なくとも凸表面との間に配置される複屈折材料と、
複屈折材料を、第１モードと第２モードの間で電気的に切り替えるために、複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、レンズアレイは、上記第１モードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、上記第２モードでは、上記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極とを備え、
複屈折材料は、上記少なくとも１つの凸表面においてホメオトロピックに配向する。
【００５０】
こうしたレンズアレイは、第２の動作モードでは、電力消費を全く必要としないように構成されることができるという利点を有する。その理由は、制御電圧が無い時に、複屈折材料は、光軸に平行に配向し、それによって、光は、凸表面において、複屈折材料の常光線屈折率を受けるからであり、それは、最も都合よくは、入射光に対して実質的に全く影響が存在しない第２の動作モードである。
【００５１】
たとえば、２Ｄモードと自動立体３Ｄモードの間で切り替え可能な表示デバイスでは、これは、２Ｄモードは電力消費を必要としないことを意味する。したがって、電池による２Ｄ動作時間は影響を受けないであろう。能動レンズでは、レンズ奥行きが数十ミクロン程度である傾向があるため、セルの厚い部分を切り替えるために印加される必要がある電圧は、標準液晶セル動作電圧、たとえば、５μｍ厚セルについて５Ｖをほぼ超える。したがって、この種のレンズセルについての、駆動モードでの液晶の電力消費は、同じ液晶と駆動周波数を用いた標準５μｍ厚ＬＣＤの電力消費より実質的に大きい。したがって、２Ｄ駆動モードを有することは望ましくない。レンズスイッチが損傷する場合、デフォルトの動作モードは２Ｄモードにあるため、画像に対する劣化は見られないであろう。レンズの焦点距離は、所望のウィンドウの外観に合わせて電圧を修正することによって、３Ｄモードで調整される可能性がある。
【００５２】
配向は、任意の適した手段、たとえば、配向膜によって提供されてもよい。ホメオトロピック配向膜は、容易に入手できる高分子材料の使用して、屈折率を著しく高くすることなくレンズ表面を形成することを可能にする。こうした高分子材料は、高コスト、高い毒性、および難しい処理方式(regime)に直面しない。
【００５３】
本発明の第２の態様の別の形態では、複屈折光学材料および第１基板を備える切り替え可能な複屈折レンズを備える光学切り替え装置が提供され、
第１ホメオトロピック配向膜は凸表面構造上に形成され、
複屈折材料の誘電異方性はゼロ未満であるため、切り替え可能なレンズは、電界がセルに印加される時に第１モードで動作し、電界がセルに印加されない時に第２モードで動作する。
【００５４】
好ましくは、以下の任意選択の特徴のうちの１つまたは複数が存在する。
−第１モードでは、凸表面構造における複屈折材料の光軸の配向は、幾何学的マイクロレンズ軸にほぼ平行である。
−その配向は、配向膜のホモジニアスなバイアスによって提供され、
−その配向は、溝付き構造によって提供されるホモジニアスなバイアスによって提供され、
−平坦基板における配向は、
−ホメオトロピックであり、
−ホモジニアスであり、
−ホメオトロピック配向およびホモジニアス配向を含むため、第１モードでホモジニアス配向特性を、第２モードでホメオトロピック配向特性を示し、
−第１動作モードにおいて入射偏光状態のねじれを提供するため、凸表面構造における偏光状態は複屈折レンズ光軸に平行である。
―波長板は、表示デバイスと平坦基板の間に位置するため、平坦基板における偏光角は、凸表面基板における偏光角と平行である。
【００５５】
本発明の第３の態様の１つの形態では、表示装置が提供され、当該表示装置は、
空間光変調器および出力偏光子を有する表示デバイスと、
空間光変調器から光を受け取るように構成された電気的に切り替え可能な複屈折レンズアレイとを備え、
レンズアレイは、表示デバイスの空間光変調器と出力偏光子の間に配置される。
【００５６】
こうした表示デバイスは、出力偏光子が通常位置である、空間光変調器のすぐ出力側に配置されるのに比べて、短い視距離を提供する。これは、空間光変調器とレンズアレイの間に出力偏光子が無いために、その間の距離を減らすことができるためである。
【００５７】
本発明の第３の態様は、空間光変調器および出力偏光子を含む任意のタイプの表示デバイスに適用可能である。これは、入射光の偏光を位相変調して、或る変調量だけ、各画素における光の偏光の主軸についての楕円運動(ellipticity)および回転運動(rotation)を引き起こすように構成された液晶変調器などの空間光変調器に特に有利であり、出力偏光子が、所定の方向に偏光された光を選択するのに使用され、それによって、楕円および回転の量により出力光の振幅が変調される。しかしながら、第３の態様は、別法として、たとえば、偏光しない出力が生成され、出力偏光子が出力を偏光するのに使用される、発光型空間光変調器、または、偏光する出力が生成され、出力偏光子がクリーンアップ偏光子である、発光型空間光変調器に適用されてもよい。
【００５８】
本発明の第３の態様の別の形態では、指向性表示装置が提供され、当該指向性表示装置は、
実質的に直線偏光する出力表示デバイスと、
第１モードでは、偏光出力表示デバイスの指向性分布を修正し、第２モードでは、表示デバイスの指向性分布の修正を実質的にもたらさないように構成される切り替え可能な複屈折円柱レンズを備える能動レンズとを備え、
能動レンズは、画素平面と表示デバイスの出力偏光子の間に位置する。
【００５９】
本発明の第４の態様の１つの形態では、表示装置が提供され、当該表示装置は、空間光変調器の各画素で実質的に直線偏光する光を出力するように構成された発光型空間光変調器と、
空間光変調器から光を受け取るように構成された電気的に切り替え可能な複屈折レンズアレイとを備える。
【００６０】
本発明の第４の態様の別の形態では、発光型光方向切り替え装置が提供され、発光型光方向切り替え装置は、
切り替え可能な複屈折光学材料を含む切り替え可能な複屈折レンズを備える光学切り替え装置と、
それぞれが実質的に偏光する光出力を有する、発光画素領域のアレイを備える発光型空間光変調器装置とを備える。
【００６１】
こうした表示装置は、高い光効率を持って構成されることができる。
【００６２】
本発明の第５の態様の１つの形態では、表示装置のための能動複屈折レンズアレイ装置が提供され、当該能動複屈折レンズアレイ装置は、
レンズアレイを画定する凸表面を間に有する複屈折材料および実質的に等方性の材料と、
複屈折材料を、第１モードと第２モードの間で電気的に切り替えるために、複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、レンズアレイは、上記第１モードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、上記第２モードでは、上記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極と、
第１と第２のモードの間で切り替えるために、電極の両端の電圧を制御する電圧コントローラであって、レンズアレイ装置の温度の変動を補償するために、第１と第２のモードで印加される電圧を調整するように構成される、電圧コントローラとを備える。
【００６３】
等方性材料の屈折率、ならびに、複屈折材料の常光線および異常光の屈折率は、温度と共に変動する。そのため、或る温度で動作するように設計されたレンズアレイは、別の温度では光学特性が低下する場合がある。しかしながら、電圧制御は、温度による変動を補償することを可能にする。これは、光学性能を改善し、より広い動作温度範囲にわたるレンズアレイの動作を可能にする。
【００６４】
或るタイプの装置では、温度センサを用いて、レンズアレイ装置の温度を検知し、電圧コントローラは、温度センサによって検知された温度に応答して、レンズアレイ装置の温度の変動を補償するために、第１と第２のモードで印加される電圧を調整するように構成される。
【００６５】
このタイプの装置は、温度変化の自動補償を提供する利点を有する。
【００６６】
別のタイプの装置では、入力デバイスによって、ユーザが電圧調整を入力することが可能になり、電圧コントローラは、入力デバイスに入力された電圧調整に応答して第１および第２のモードで印加される電圧を調整するように構成される。
【００６７】
このタイプの装置は簡便さの利点を有する。
【００６８】
有利には、等方性材料の屈折率は、少なくとも２５℃の限界より低い温度における、複屈折材料の常光線屈折率と複屈折材料の異常光屈折率の間にある。
【００６９】
等方性材料の屈折率が、２０℃の典型的な設計温度において、複屈折材料の常光線屈折率（または、他の材料系では、複屈折材料の異常光屈折率）に等しい典型的な状況と比較すると、等方性材料の屈折率が複屈折材料の常光線屈折率を超える（または、複屈折材料の異常光屈折率以下の）温度範囲が増加する、しかしながら、この範囲で、電圧コントローラは、複屈折材料の有効屈折率を調整することによって、温度に伴う変動を補償することができるため、この特徴は、動作温度範囲を効果的に増加させる。この限界は、さらに範囲を増加させるために２５℃より大きい場合がある。
【００７０】
有利には、能動複屈折レンズアレイ装置は、能動複屈折レンズアレイ装置と直列に配置された空間光変調器をさらに備える表示装置において用いられ、少なくとも２５℃の限界より低い温度において、第１モードにおけるレンズアレイのパワーは、空間光変調器の最良のフォーカスを提供するためにレンズアレイに必要とされるパワーより大きい。
【００７１】
第１モードにおけるレンズアレイのパワーが、２０℃の典型的な設計温度において最良のフォーカスを提供するように設計される典型的な状況と比較すると、第１モードにおけるレンズアレイのパワーが、最良のフォーカスには強過ぎる温度範囲が増加する。しかしながら、この範囲で、電圧コントローラは、複屈折材料の有効屈折率を調整することによって、レンズアレイのフォーカスを最良のフォーカスに調整するために、パワーを減らすことができるため、この特徴は、動作温度範囲を効果的に増加させる。この限界は、さらに範囲を増加させるために２５℃より大きい場合がある。
【００７２】
本発明の第５の態様の別の形態では、表示装置のための能動複屈折レンズアレイ装置が提供され、当該能動複屈折レンズアレイ装置は、
レンズアレイを画定する凸表面を間に有する複屈折材料および実質的に等方性の材料と、
複屈折材料を、第１モードと第２モードの間で電気的に切り替えるために、複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、レンズアレイは、上記第１モードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、上記第２モードでは、上記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極とを備え、
等方性材料の屈折率は、２０℃を超える温度か、または、２５℃以上の温度で、複屈折材料の常光線屈折率または複屈折材料の異常光屈折率のうちの１つに等しい。
【００７３】
２０℃は、表示装置用の設計温度として一般に用いられる典型的な室温である。材料に応じて、等方性材料の屈折率は、複屈折材料の常光線屈折率または複屈折材料の異常光屈折率のうちの１つにほぼ等しい。等方性材料の屈折率が、複屈折材料の屈折率のうちのその１つに正確に等しい温度は、材料選択による設計パラメータとして選択することができる。本発明の第５の態様のこの形態では、この温度は、２０℃の標準設計温度ではなく、より高く、通常、２５℃以上の温度である。こうした選択は、表示装置が、２０℃の標準設計温度を超えた温度で用いられることがかなり多いことを理解することに基づく。したがって、等方性材料の屈折率が、複屈折材料の屈折率の関連する１つに正確に等しくなる温度を上げることによって、等方性材料の屈折率が、表示装置の通常の使用の大きな部分にわたって、複屈折材料の屈折率の関連する１つに実際に近くなる。
【００７４】
現時点で好ましい材料の場合、等方性材料の屈折率は、複屈折材料の常光線屈折率にほぼ等しく、２０℃を超える温度において正確に等しいが、他の材料の場合、等方性材料の屈折率は、複屈折材料の異常光屈折率にほぼ等しく、２０℃を超える温度において正確に等しい場合がある。
【００７５】
本発明の種々の態様の任意または全ては、有利には、組み合わせて用いられてもよい。したがって、一般に、本発明の任意の態様の任意の特徴は、本発明の他の任意の態様に適用されてもよい。
【００７６】
本発明の態様全てにおいて、以下の注釈があてはまる。レンズアレイは、実質的に直線偏光する出力を生成する任意のタイプの表示装置、たとえば、出力を偏光させる偏光子を有するバックライトで照明される透過型空間光変調器、または、本質的に偏光せずに偏光子を備える場合があるか、または、偏光する場合がある発光型空間光変調器と共に用いられてもよい。一般に、表示デバイスは、透過型、発光型、または、反射型、あるいは、その組み合わせを含む、各画素の光を変調するための任意のタイプの空間光変調器を採用することができる。
【００７７】
レンズアレイは、上記第１モードにおいて、入射光の指向性分布を修正するように構成される。これは、３Ｄ自動立体効果、高輝度領域、または、マルチユーザ表示システムの提供を含むが、それに限定しない種々の異なる効果を達成するのに用いられてもよい。
【００７８】
したがって、こうしたデバイスは、
１つの動作モードでの、肉眼で観察することができるフルカラー３Ｄ立体動(moving)画像、および、第２動作モードでの、フル解像度２Ｄ画像を都合よく提供することができる自動立体表示手段、
第１モードでは、実質的に非指向性の輝度性能を示し、第２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型および反射型表示システム、または、
１つの動作モードでの、１人の観察者に対する１つのフルカラー２Ｄ動画像および少なくとも第２の観察者に対する少なくとも第２の異なる２Ｄ画像、ならびに、第２の動作モードでの、全ての観察者によって見られるフル解像度２Ｄ画像を都合よく提供することができるマルチビュアー表示手段のために用いられることができる。
【００７９】
本発明の実施形態は、単独で、または、組み合わせで、以下の利点を提供するために以下の利点を提供することができる。
【００８０】
本発明は、低レベルの画像クロストークおよび高輝度を有する、高品質の自動立体３Ｄ画像およびフル解像度２Ｄ画像の生成を可能にする。
【００８１】
本発明はまた、２Ｄモードと、画像（異なってもよい）を広い範囲の方向から異なる目視者(viewer)が見ることのできるモードの間で切り替えられることのできる指向性のマルチビュアー表示の生成を可能にする。
【００８２】
マイクロレンズをガラス基板の内部になるように配置することによって、レンズの表面からの反射を最小化することができ、出力表面（平坦である場合がある）を反射防止コーティングすることができる。
【００８３】
高輝度半透過型または反射型ディスプレイは、有利には、ディスプレイの反射体材料によって規定された実質的に非指向性の特性を有する第１モードを有し、第２モードでは、指向性の輝度特性を有するため、決められた角度範囲からの表示輝度が大きい。こうしたディスプレイは、フルカラーで動作し、反射型と透過型の両方の動作モードの輝度を増加するのに用いることができる。
【００８４】
マルチビュアーディスプレイは、ディスプレイの複数の同時使用を可能にするために、１つの動作モードでは、全ての目視者が同じ画像を見、第２動作モードでは、異なる目視者が異なる画像を見ることができるように構成されることができる。
【００８５】
これにより、各観察者が同じ表示ユニットから好みの画像を見ることを可能にすることによって、ある環境で必要とされるディスプレイおよびディスプレイドライバの数を減らすことができる。
【００８６】
こうしたディスプレイは、自動車ディスプレイ、現金自動預払機、および、座席背面機内エンタテインメントディスプレイ(seat-back aviation entertainment displays)などのシステムに特に適する場合がある。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【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である。
【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である。
【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である。
【図２ａ】自動立体３Ｄディスプレイの前方における右眼観察ウィンドウの構成を概略的に示す図である。
【図２ｂ】自動立体３Ｄディスプレイの前方における左眼観察ウィンドウの構成を概略的に示す図である。
【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示す平面図である。
【図４ａ】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である。
【図４ｂ】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である。
【図５】パララックスバリアディスプレイの構造を示す図である。
【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である。
【図７ａ】液晶配向がレンズの両面においてホモジニアスであるレンズアレイの２つの円柱レンズの第１の断面図である。
【図７ｂ】図７ａの断面に直角の第２の断面における、図７ａの２つの円柱レンズを示す図である。
【図７ｃ】図７ｂと同じ図において、代替の機構を示す図であり、先端が平坦表面に実質的に接触し、電極が凸表面上に形成される。
【図８ａ】能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図８ｂ】能動レンズ輝度向上ディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図８ｃ】ツイステッド能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図８ｄ】ツイステッド能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイのための代替の配向方向および偏光方向を示す図である。
【図９ａ】液晶配向がレンズの両面においてホメオトロピックであるレンズアレイの２つの円柱レンズの第１の断面図である。
【図９ｂ】図９ａの断面に直角の第２の断面における、図９ａの２つの円柱レンズを示す図である。
【図１０ａ】ホメオトロピック配向膜を組み込む能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図１０ｂ】ホメオトロピック配向膜およびホモジニアス配向膜を組み込む能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図１１ａ】液晶配向が、能動レンズの１つの表面でホメオトロピックであり、第２の表面でホモジニアスであるレンズアレイの２つの円柱レンズを示す第１断面図である。
【図１１ｂ】図１１ａの断面に直角の第２の断面における、図１１ａの２つの円柱レンズを示す図である。
【図１２】ホメオトロピック配向膜およびホモジニアス配向膜を組み込む能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図１３ａ】液晶配向が、レンズ表面においてホメオトロピックおよびホモジニアスであることのできるレンズアレイの２つの円柱レンズを示す第１断面図である。
【図１３ｂ】図１３ａの断面に直角の第２の断面における、図１３ａの２つの円柱レンズを示す図である。
【図１４】内部偏光子を有する能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイの構造を示す断面図である。
【図１５】外部偏光子を有する能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイの構造を示す断面図である。
【図１６】外部偏光子を有する能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図１７】偏光発光型ディスプレイを有する能動レンズ自動立体３Ｄディスプレイを示す図である。
【図１８】能動レンズ輝度向上反射型ディスプレイを示す図である。
【図１９】能動レンズ輝度向上反射型ディスプレイのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図２０】傾斜した幾何学的レンズ軸を有する能動レンズのための配向方向および偏光方向を示す図である。
【図２１】能動レンズが、発光型ディスプレイと出力偏光子の間に配置される切り替え可能な自動立体ディスプレイを示す図である。
【図２２】レンズ材料について、温度に伴う屈折率の変動を概略的に示す図である。
【図２３】レンズセル駆動電圧を最適化するコントロール装置を示す図である。
【図２４】２Ｄモードの場合のレンズ材料についての、温度に伴う有効レンズ屈折率の制御を概略的に示す図である。
【図２５】３Ｄモードの場合のレンズ材料についての、温度に伴う有効レンズ屈折率の制御を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００８８】
次に、本発明の実施形態を、添付図面を参照して例示としてのみ説明する。
【００８９】
種々の実施形態の一部は、共通の要素を採用し、共通の要素には、簡潔にするために、共通の参照符号が与えられ、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および対応する効果を有する要素にも同様に、必要な変更を加えて適用される。同様に、ディスプレイである実施形態を示す図は、簡単にするために、ディスプレイの一部のみを示す。実際、ディスプレイの全体のエリアにわたって構成が繰り返される。
【００９０】
本明細書では、複屈折材料の光軸の方向（ダイレクタ方向または異常光軸方向）は、複屈折光軸と呼ばれるであろう。これは、幾何光学によって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。
【００９１】
円柱レンズは、縁（或る曲率半径を有しており、他の非球面成分を有する場合がある）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規定される。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方向であるため、ディスプレイの画素の列に平行である。本明細書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の行に平行である。
【００９２】
全ての使用において、特定の方向に配向している材料が参照される時、セル内での縮退を防止するためのプレチルトが存在する場合があり、その場合、完全な配向ではないが、かなりの配向が残ったままになる。
【００９３】
本明細書では、ＳＬＭ（空間光変調器）は、液晶ディスプレイなどの「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およびＬＥＤディスプレイなどの発光型デバイスとの両方を含む。種々の表示装置において、レンズのピッチは視点補正条件に対応し、すなわち、パララックスバリアのピッチは、各画素からの光を観察ウィンドウに方向制御するために、画素アレイのピッチの２倍より少し小さい。
【００９４】
以下の実施形態では、等方性材料として高分子材料が用いられるが、原理的に、高分子以外の材料、たとえば、ガラスを別法として用いることができ、その場合、凸表面はエッチングによって形成されてもよい。
【００９５】
ゼロツイスト能動レンズ
能動レンズは、それぞれの指向性分布の間での切り替えを可能にする切り替え可能な複屈折材料を含むレンズである。図６の固定レンズ９４、９８は、有利には、たとえば、フル解像度２Ｄモードと自動立体３Ｄモードの間での切り替えを可能にするために、本発明の能動レンズによって置き換えられてもよい。
【００９６】
図７ａおよび図７ｂはそれぞれ、能動レンズと呼ぶ、１つのタイプの切り替え可能な複屈折レンズアレイの側面図を示す。レンズ形態は、細長い円柱レンズのアレイを備える。簡潔にするために、図７ａおよび図７ｂは共に、電極１１０と１１５の間にある、電極１１０と１１５の両端に制御電圧が印加されていない第１円柱レンズ、および、電極１１２と１１４の間にある、電極１１２と１１４の両端に制御電圧が印加された第２円柱レンズを示す。第１基板１０２および第２基板１０４は複屈折材料１０６を間に挟む。第１基板１０２は、その上に凸表面構造１０８を形成される。構造１０８は、実質的に等方性の材料で構成されることができる。そのため、複屈折材料１０６は、第１基板１０２および構造１０８に隣接して凸表面を有し、第２基板１０４に隣接して平坦表面を有する。
【００９７】
電極層１１０および１１２は、基板１０２上に形成され、電極層１１４および１１５は、基板１０４上に形成される。電極は、たとえば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明電極であってよい。電極１１０および１１２は、別法として、レンズ構造１０８の表面上に形成されてもよい。
【００９８】
電極１１０、１１２および１１４、１１５は、作用を説明するために個別の要素として示されるため、液晶の切り替えは、同じ画像の異なる部分における異なる電界について示される。実際のデバイスでは、両方の基板上の電極は、レンズエリアの異なる領域が２Ｄまたは３Ｄとなるように独立に制御されるようにセグメント化されるか、または、表示エリア全体にわたって単一要素であってもよい。具体的には、レンズアレイは、当技術分野で知られるように、受動的に多重アドレス指定されてもよい。
【００９９】
レンズは、スペーサボール、スペーサファイバ、スペーサリブ、または他の知られているスペーサ技法によって第２基板１０４から離れて配置されてもよい。別法として、レンズは、平坦表面に接触してもよい。有利には、これは、スペーサに対する必要性をなくすが、能動レンズ開口を減らすであろう。
【０１００】
電極１１０と１１５の間のギャプ内で、複屈折分子は、セルの両端に電界が印加されない状態で、正の誘電異方性のネマチック液晶材料によって表される。液晶分子のダイレクタは、凸表面構造１０８および第２基板１０４におけるホモジニアス配向膜１１６および１１８によって実質的に表面の面内で配向する。小さなプレチルト（図示せず）が、配向膜１１６、１１８によってセルに与えられてもよい。説明のために、分子は、異常光屈折率が分子の長軸に平行な状態で、細長い楕円として表される。
【０１０１】
切り替え(switched)状態では、電界は、液晶分子を再配向させる(reorient)働きをするため、レンズセルの中央のダイレクタ配向(orientation)１２０は、実質的に垂直方向である。これは、セル全体にわたる屈折率分布の変動を引き起こす。
【０１０２】
動作の際、こうした素子は、たとえば、図８ａに示すように、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ＬＣＤの出力偏光子上で配向する。ディスプレイの直線出力偏光の透過方向１２２が０°である場合、光は、第２基板の層１０４、１１４、１１５、および１１８を備える第１平坦基板１２４に入射する。この基板における液晶材料の配向方向は偏光子１２２の透過軸に平行である。光は、複屈折材料を通過し、表面１０２、１０８、１１０，１１６を備えるレンズ基板１２６に当たる。
【０１０３】
オフ状態では、セルには電圧は印加されず、偏光は、液晶材料の異常光軸上に入射する。高分子の屈折率は、液晶材料の常光線屈折率に近くなるように設定され、したがって、レンズの表面に位相差が存在する。レンズは、垂直偏光状態の光に作用して、光出力の指向性分布の変化が引き起こされる。自動立体３Ｄディスプレイおよび指向性観察システムについてよく知られているように、画素平面がウィンドウ平面に実質的に結像されるような焦点距離をレンズが有するように位相構造が設定される可能性がある。
【０１０４】
輝度向上観察システムでは、画素平面の画像は、垂直配向したレンズではなく水平配向した円柱マイクロレンズアレイ１２７の場合に、ウィンドウ平面で生成される。この場合、出力偏光子１２３の配向方向は、図８ｂに示すように、水平であるように設定され、平面１２５および凸表面構造１２７における配向方向も、水平であるように設定される。以下の説明では、レンズは垂直方向に配向すると仮定されるが、同じ装置を、水平配向したレンズに適用することができる。
【０１０５】
オン状態では、セルの両端に電圧が印加され、液晶材料は、電界に平行に、図７ａおよび図７ｂに示す向き１２０に再配向するため、入射偏光状態は、実質的に液晶の常光線屈折率に直面する(see)。レンズ構造１０８は、液晶材料の常光線屈折率に実質的に屈折率整合する(indexed matched)ため、液晶レンズでは、光学効果は実質的に全く観察されない。このモードでは、レンズによって、指向性分布の修正は実質的に全く与えられず、出力の指向性は、ベースディスプレイからの出力とほぼ同じである。実際のシステムでは、屈折率整合は、厳密でない場合があるため、厳密でない程度に応じて、小さな残留光学効果が存在する場合がある。この動作モードは、ディスプレイの２Ｄ出力または非修正出力に用いられる可能性がある。有利には、これによって、ユーザが、自動立体表示システムまたは指向性表示システムの場合にディスプレイの画素の全てを見るか、または、輝度向上表示システムの場合に均一に照明されたウィンドウ平面を見ることが可能になる。
【０１０６】
図７ｃは、レンズ先端(cusp)が平坦基板と接触し、電極が凸表面構造上に位置するセルを示す。付加的な絶縁層（図示せず）が、電気的短絡を防止するために、表面上に組み込まれてもよい。一般に、電気的短絡をなくすために、図７ａおよび図７ｂに示すように、平坦表面上に電極を組み込むことが望ましい場合があるが、これは、セルの両端での駆動電圧を増加させる場合がある。
【０１０７】
平坦基板が、ディスプレイの出力偏光とアライメントをとられるこうしたデバイスは、有利には、両方の指向性分布の動作の場合に、同じ液晶モード（たとえば、ノーマリホワイトまたはノーマリブラック）で動作する。
【０１０８】
屈折率整合条件は、出力の指向性分布が実質的に修正されないように設定される。実際には、等方性屈折率と、複屈折率材料の屈折率のうちの１つの屈折率との間の小さな差が存在する場合がある。しかしながら、小さな屈折率の差の場合、画素平面での目のスポットサイズがレンズのサイズと同じであるため、光出力は、その差にかなり鈍感である場合がある。したがって、屈折率整合条件についての許容度は、比較的緩和される場合がある。たとえば、１つの作製された系では、５５５ｎｍで１．５６の等方性屈折率を有する材料Norland製ＮＯＡ７１が、対応する、１．５２の常光線屈折率を有するMerck製のＥ７と組み合わせて用いられた。２Ｄ−３Ｄ表示のデモンストレーションでは、これは、２Ｄ画像の品質には実質的に影響を与えずに、使用時に２Ｄモードのウィンドウ平面において小さな輝度（intensity）変動をもたらした。
【０１０９】
ツイステッド能動レンズセル
実際には、偏光表示デバイスの出力偏光角度は、一般に、垂直方向になるように設定されない。これは、液晶ディスプレイなどのディスプレイの視野角性能の最適化による。たとえば、よく知られているノーマリホワイト透過型ツイステッドネマチックディスプレイは、４５°の角度の出力偏光を有するが、半透過型および反射型ディスプレイは、たとえば、２０°に近い出力角度を有する。これまでに述べた実施形態では、複屈折レンズの入力表面および出力表面上での偏光状態の出力角度は、この角度に整合しない場合がある、ゼロであるように設定される。
【０１１０】
凸表面構造は、付随する表面配向エネルギーを有し、配向膜と競合して、液晶セル上に配向を与えるであろう。この効果は、曲率半径が最小であるレンズ先端の近くで特に重要である場合がある。これは、異なる液晶ダイレクタ配向のエリア間で液晶材料の回位を引き起こす場合がある。回位は、散乱を引き起こし、光学クロストークを増加させ、レンズコントラストを低下させ、緩和時間を増加させる場合があり、したがって、望ましくない。したがって、レンズ表面における液晶材料を、レンズアレイの円柱レンズの幾何学的光軸に平行に配向させることが好ましい。
【０１１１】
１つの手法は、パネル出力偏光に平行である配向膜を平面および凸表面上に作成することであろう。これは、円柱レンズの幾何学的レンズ軸に平行でない、凸レンズ表面構造における配向膜を必要とするであろう。
【０１１２】
本発明の一実施形態では、ディスプレイの出力偏光は、能動レンズへの入力において、半波長板などの波長板を組み込むことによって修正することができる。これは、出力直線偏光状態が、能動レンズを通過する前に、垂直方向に対して回転することを可能にする。半波長板、および、色分散効果が減少する広帯域半波長板は当技術分野ではよく知られている。波長板は材料およびデバイスへの取り付けのために追加のコストがかかり、波長板は有彩色であってもよく、波長板は厚みを追加する。画素平面とレンズの分離は、表示デバイスからのウィンドウの距離を決め、したがって、この距離を増加させることは、ディスプレイからの最良の観察ゾーンの距離を増加させる。
【０１１３】
たとえば、８０μｍのカラーの画素以下のピッチを有する場合がある２ビューディスプレイは、ほぼ１６０μｍのピッチのレンズ、および、９００μｍの、レンズに対する画素の典型的な分離を有することになり、この典型的な分離は、５００μｍのディスプレイ基板の厚み、２００μｍの出力偏光子の厚み、１５０μｍのガラスＭｉｃｒｏｓｈｅｅｔの厚み、および５０μｍ厚の液晶層を含む。この系は、ディスプレイから４８０ｍｍの距離において６５ｍｍ幅のウィンドウを生成するであろう。２００μｍ厚の波長板が付加される場合、この距離は５８５ｍｍに増加するであろう。こうした名目上の視距離の増加は、多くのディスプレイ、特にモバイルディスプレイにとって望ましくない。画素サイズを減少することは、視距離をさらに増加するであろう。処理時間および材料を追加するという犠牲を払って、高複屈折性の材料をコーティングすることによって作られるような薄い波長板が使用されてもよい。したがって、追加の波長板を導入することは、望ましいオプションでない場合がある。
【０１１４】
レンズデバイスに偏光回転機能を組み込むこと以外に、凸表面構造における３Ｄモードでの液晶材料の配向が、幾何学的レンズ軸に平行である能動レンズを作成することによって、垂直出力偏光を提供するために、波長板を追加するか、または、ディスプレイを再設計する必要がなくなることが望ましい。
【０１１５】
本発明の目的は、入射偏光状態のねじれが能動レンズの厚みを通して起こるような光パワーをレンズが有するモードにおいて、平坦基板上の液晶材料の配向とレンズ基板上の液晶材料の配向の間にある角度を設定することによって、能動レンズ内で誘導回転(guiding rotation)を用いることによる能動レンズ内での出力偏光の調整を提供することである。そのため、能動レンズは、指向性分布修正動作モードにおける円柱レンズの幾何学的光軸に対する複屈折材料の平行な配向に加えて、表示デバイスからの出力偏光の補正を提供するのに役立つ。
【０１１６】
例のシステムを調べることによってわかるように、これは意外なことに有利である。その例では、屈折率１．５６の等方性材料、および、１．７５の異常光屈折率を有するMerck Limited製のＥ７液晶材料を用いて得られる自動立体３Ｄディスプレイは、１３０μｍの最適レンズ曲率半径を与える。こうしたレンズは２７．５μｍのサグ(sag)を有する。そのため、少なくともこの厚みの液晶層が、レンズの最も厚い部分で必要とされる。こうした層は、６μｍを超える光学厚みを有し、Ｇｏｏｃｈ−Ｔａｒｒｙの関係から、したがって、Ｍａｕｇｉｎ限界に近づく、強く誘導された(strongly guided)レジーム(regime)内にある。したがって、偏光状態は、レンズエリアのほとんどにわたって都合よく誘導されるであろう。
【０１１７】
ポジティブパワーの(positive power)液晶レンズの場合、先端は厚みが薄く、したがって、誘導があまり有効でない場合がある。同様に、ネガティブパワーの(negative power)液晶レンズの場合、レンズの中心は厚みが薄く、誘導があまり有効でない場合がある。層が、偏光状態を誘導し、したがって、デバイスのコントラストを最適にし続けるように、液晶材料のさらなる均一な厚みの層を、セルの最も薄い部分の近くに組み込んでもよい。４５°の出力偏光子透過角度を有するベースＬＣＤ２００を用いた自動立体ディスプレイについての本発明の一実施形態が図８ｃに示される。ディスプレイからの出力は、ホモジニアスに配向した正の誘電異方性液晶材料を表面に有する平面基板上に入射する。レンズ表面における配向膜は、レンズに平行であり、したがって、垂直方向である。よって、レンズを通して偏光状態の４５°の回転が起こり、レンズ表面において、偏光は液晶材料の異常光軸上に入射し、位相不整合、したがって、レンズ焦点距離が生成される。
【０１１８】
セル内での材料の回転は、コレステリック物質をドーピングすることによって補助されてもよい。配向膜の近くでのプレチルト効果を補償するために、平坦表面および凸表面における配向方向は、反平行である、垂直方向に分解した配向方向成分を有してもよく、その結果、オフ状態では、セルは構造全体にわたってほぼ均一なプレチルトを有する。任意選択で、セルは、平行かまたは反平行である、垂直方向の配向成分を有してもよく、その場合、反応速度が改善される場合がある。
【０１１９】
オン状態では、図７ｂに示すように、分子は、分子配向１２０が印加電界に平行な状態で、実質的に垂直配向状態に駆動される。この場合、レンズにおける偏光の回転が減るため、レンズ表面に入射する偏光状態は、幾何学的レンズ軸に平行ではない。しかしながら、偏光状態は、液晶屈折率の常光線成分に配向することになり、したがって、レンズは、ほぼ屈折率整合し、実質的に光パワーを有さないことになる。
【０１２０】
オン状態では、配向膜の近くで液晶材料の残留チルト(tilt)が存在する場合があり、この残留チルトによって、入射偏光状態についてレンズの焦点距離の増加がもたらされることになる。このチルトは、液晶材料の常光線成分の屈折率を、等方性材料より小さくなるように減少させることによって補償することができる。そのため、レンズの巨視的な(bulk)焦点距離を補償することができる。オフ状態の焦点距離を確定するために、液晶材料の異常光屈折率から曲率半径が設定される。
【０１２１】
本発明の実施形態の全てにおいて、第１基板上での配向膜の配向は、偏光表示デバイスからの入力偏光状態に対して平行ではなく直角である場合がある。これは、有利には、第１動作モードにおける能動レンズセルの偏光の誘導回転を改善する場合がある。これは、図８ｄに示され、平坦基板２０３における配向方向は、パネル出力偏光２００に直角である。レンズアレイは配向方向２０５を有する。
【０１２２】
図１８は、輝度向上半透過型表示モードで使用するための本発明の別の実施形態を示す。光源２５２は、ＩＴＯ皮膜２５６を有する支持基板２５４および等方性微細構造２５８を含む能動レンズを照明する。配向膜２６０は、等方性微細構造２５８の表面上に形成され、液晶材料２６２は、配向膜２６０と、ＩＴＯ皮膜２６６および配向膜２６４が表面に形成された平坦基板２６８との間に挟まれる。基板２６６は、たとえば、厚み１６０μｍのＭｉｃｒｏｓｈｅｅｔであってよい。能動レンズは、標準半透過ディスプレイで使用されるような偏光子および波長板スタック２７０上に設置される。対向基板２７２および液晶層２７４は、吸収領域２７７、入射光を反射するための反射領域２７８、および、バックライト２８２および能動マトリクスバックプレーン２８４からの光を透過するための透過領域２８０を有する半反射反射(transflective reflective)画素平面２７６上に形成される。
【０１２３】
周囲光源２５２（装置の一部ではない）からの光はディスプレイを照明する。第１動作モードでは、レンズはオフ状態にあるためフォーカス機能が存在する。そのため、光源は画素平面２７６上に結像する。反射光は、隣接するレンズによって集光され、光線２８６で示すように観察者に結像する。ディスプレイの前部の制限されたウィンドウにおいて、画像が明るく現れるであろう。明るいウィンドウはより暗いウィンドウによって散在させられているため、全体の輝度が維持される。透過モードでは、制限された透過領域からの光は、画像の見かけの輝度を増加するため、ウィンドウ平面に同様に結像される。前部反射２８８は、有効光２８６と異なる方向にあるため、見えない。
【０１２４】
図１８のディスプレイの動作は図１９に示される。入射光は、レンズ２６２において２つの偏光状態に分解される。オフ状態では、レンズによって結像される偏光状態は、レンズ幾何学的軸２９２に平行であり、レンズを通して回転して平坦基板２９４上に入るため、典型的な半透過ディスプレイの場合、たとえば、２０°である場合がある、ディスプレイの偏光子２９５の透過軸に平行に入射する。この光は、反射バックプレーン２９６上に透過され、光は、ディスプレイによって変調され、偏光子２９８および平坦基板３００を通して反射される。第２の光の回転は、光がレンズ３０２によって観察者２９０に対して結像されるように起こる。
【０１２５】
非レンズモードでは、オン状態液晶配向において、入射偏光が、全ての偏光において常光線液晶屈折率に直面する（see）ため、レンズは、実際には全く機能を有さず、光出力は実質的に修正されない。
【０１２６】
能動レンズデバイスでの非ゼロねじれの使用のさらなる利点は、セルの配向縮退を減らすことができることである。縮退は、上部表面と下部表面の間の液晶配向についての、セル内の液晶の複数の最小エネルギーねじれ方向から生ずる。複数の回転エネルギー最小値が存在する場合、分子が、セルを通してたどる可能性がある複数の回転経路が存在し、したがって、誘導作用が異なる可能性があり、セルの異なる部分において異なるレンズ特性を与える。回転オフセットを用いることは、セル内の分子のための単一の好ましい回転経路を可能にし、したがって、セルの均一性を高める。
【０１２７】
こうして、能動レンズ内の偏光状態の回転は、レンズ表面における平行配向を維持しながら、特定のパネルについてのレンズ性能を最適化するのに役立つ。デバイスは、反射光の反射経路と同じように、透過光について機能する。
【０１２８】
図２０に示す、さらなる実施形態では、円柱レンズアレイは、パネルの画素の列に対して傾斜する場合がある。ビュー間のクロストークが増加するという不利を伴って、見かけのビュー数を増加させるために、パネルの画素に対してレンズ軸を傾斜させることは、当技術分野ではよく知られている。本発明では、能動レンズが、幾何学的レンズ軸に平行である、レンズ表面における液晶の配向を有することが望ましい。こうしたデバイスは、有利には、ねじれを達成するために、平坦表面と凸表面の間のねじれを用いる場合がある。図２０は、画素３０６が列および行で配置される画素平面３０４を示す。画素は、４５°の出力偏光３０８を有する透過型ノーマリホワイトツイステッドネマチック液晶ディスプレイに組み込まれる。能動レンズの平坦基板３１０は４５°の配向方向を有し、凸表面レンズ３１２は、たとえば、１０°の幾何学的レンズ軸の配向を有する。この表面３１２上の配向膜方向は、１９０°に設定されるため、平坦基板上の配向方向は、垂直方向に反平行成分を有する。
【０１２９】
レンズは、別法として、凸表面の表面において、図に示す曲率とは逆の曲率で配向してもよい。この場合、液晶レンズの最も薄い部分は、先端の近くではなく、レンズの中心に配置される(align)。こうしたレンズは、レンズの収差の増加により、波面品質の低下を受ける。
【０１３０】
ホメオトロピック配向膜
これまでに述べた実施形態は、従来のホモジニアス配向膜および正の誘電異方性材料を使用する。しかしながら、デバイスを２Ｄモードで動作させるために、セルの両端で電圧が印加される必要がある。多くのデバイスの２Ｄモードは、より多く使用される可能性がある。２Ｄ画像のための３Ｄモードでのデバイスの動作は、ディスプレイのユーザに好ましくないアーチファクトを引き起こすことになり、したがって、望ましくない。したがって、こうした素子は、多くは切り替え式の動作状態に維持される必要があるであろう。これは、３Ｄモードと比較して、デバイスの電力消費の増加を引き起こすであろう。スイッチがうまく働かない場合、デバイスは、３Ｄモードのままとなることになり、同様に、望ましくない。
【０１３１】
デバイスが、オフ状態にある時に２Ｄモードで動作するために、光学微細構造材料１０８の屈折率は、液晶材料の異常光屈折率と同じであるように設定されるであろう。これは、低コストで容易に入手可能で、かつ、安全に扱うことのできる高分子および液晶材料の選択が必要であるために望ましくない。
【０１３２】
上記例では、Ｅ７は、５５０ｎｍで、０．２２のデルタｎを有し、１．７５の異常光屈折率（ｎｅ）を有するMerck製の典型的な正の誘電異方性材料である。１．６より大きい屈折率を有する高分子材料が入手可能であるが、これらの材料は、毒性があり、高価であり、扱うのが難しい傾向があり、したがって、望ましくない。別法として、正の誘電異方性液晶材料のｎｅは、より受け入れやすい高分子材料に整合するように下げることができる。しかしながら、ｎｅを下げることは、材料のデルタｎを下げる傾向がある。たとえば、Merck Limited製のＭＬＣ３３７６は、１．５７のｎｅを有するが、０．０９のデルタｎしか有さない。こうしたレンズは、−１００μｍ未満のレンズ曲率を必要とするであろう。そのため、こうしたレンズは、サグが増加し、配向が反転し、表面反射が増加し、散乱、光学クロストーク、および反応時間の増加につながる収差が低下する。こうしたレンズは、同様に、あまり強く誘導しないため、セル内の入力偏光の回転が効果的でなくなるであろう。
【０１３３】
したがって、レンズ構造を形成するのに通常用いられる多くの高分子の場合、液晶材料の屈折率の異常光成分ではなく、常光線成分に対する等方性材料の屈折率整合を使用することが、簡単で、安価で、高い性能を提供する。
【０１３４】
そのため、ホモジニアス配向、正の誘電異方性液晶、および、容易に入手可能な高分子材料の組み合わせを用いて作製された能動レンズデバイスは、一般に、先に述べた理由で望ましくない、駆動式(driven)２Ｄ動作モードを必要とするであろう。
【０１３５】
能動レンズは、図７と同様である、図９ａおよび図９ｂに示すように構成される。基板１０２は、電極１１０、１１２、光学微細構造１０８、および、その表面上に形成されたホメオトロピック配向膜１２８を有し、一方、基板１０４は、電極１１４、１１５およびその表面上に形成されたホメオトロピック配向膜１３０を有する。セルは、負の誘電異方性を有する液晶材料１３２で充填される。
【０１３６】
デバイスの動作は図１０ａで述べられる。ディスプレイの出力偏光子は、垂直方向に対して平行な入力直線偏光状態方向１３６を提供する。ホメオトロピック配向によって、ダイレクタが、表面の平面にほぼ直角に配向する。オフ状態では、図９において電極１１０の下の液晶材料配向１２４で示すように、偏光状態は、液晶材料上に入射し、液晶材料の常光線屈折率に直面し、次に、等方性高分子微細構造１０８の屈折率に整合する。そのため、レンズにおいて、実質的な位相段差は存在せず、レンズは、出力指向性分布に対して実質的に影響を与えない。
【０１３７】
オン状態では、図９ａおよび図９ｂの電極１１２の下に示すように、液晶の負の誘電異方性により、その配向１３２が、セルの中央のダイレクタが実質的に基板の平面内にあるように変調される。したがって、ディスプレイの出力偏光が直面する液晶の異常光屈折率成分が存在し、レンズによって位相段差が生成される。こうしたレンズを用いて、ディスプレイの指向性分布を変更し、たとえば、３Ｄ動作モードを生成することができる。
【０１３８】
こうした実施形態は、有利には、屈折率の低い従来の高分子材料を用いた切り替え式でない２Ｄ動作モードを生成するのに役立ち、したがって、安価で、製造が簡単である。この実施形態では、デバイスの電力消費は、デバイスが３Ｄ動作モードにある時に存在するだけである。
【０１３９】
オン状態では、液晶分子は、電界によって基板に平行に引き寄せられる。レンズ表面における液晶材料の配向バイアスは、たとえば、レンズ微細構造の表面エネルギーによって、幾何学的マイクロレンズ軸に平行になる場合がある。駆動状態においてこの向きの配向を促進するために、付加的な配向特徴部(feature)がこの表面上に組み込まれる場合がある。こうした配向特徴部は、高分子微細構造内に形成された、幾何学的マイクロレンズ軸に平行に通る溝であってもよい。こうした溝は、たとえば、回折格子によって形成されてもよい。回折格子は、有利には、レンズと同じ複製プロセスで形成することができるように、マイクロレンズ構造のマスタリングプロセスにおいて形成されてもよい。
【０１４０】
平坦基板はまた、オン状態での分子の配向をバイアスするために、ホモジニアス配向構造を有してもよい。オン状態での配向膜のバイアスは、表示デバイスからの出力偏光状態が幾何学的マイクロレンズ軸にほぼ平行になるように回転するように、セルを通して偏光の回転を提供するように構成されてもよい。これは図１０ｂに示される。たとえば、４５°のパネル出力偏光が平坦基板上に入射する。オフ状態では、ホメオトロピックに配向した液晶が、常光線屈折率が等方性材料に整合した状態で見られるため、実質的に回転は必要とされない。しかしオン状態では、配向膜２０８は、ホモジニアス配向バイアスを有するため、液晶分子は、パネルの出力偏光方向にほぼ平行に（または直角に）配向する。レンズにおいて、ホモジニアス配向バイアスは、平坦基板における配向の垂直成分に反平行であり、したがって、セルを通して回転が提供される。こうした回転は、先に述べたものと同じ利点を提供し、特に、波長板の追加、または、表示デバイス出力偏光の他の変更を必要とすることなく、標準ディスプレイの出力偏光とレンズのアラメントをとることを可能にし、したがって、デバイスの視野角を最大にする。
【０１４１】
本発明のさらなる実施形態は、図１１および図１２に示される。この構成では、平坦基板における配向膜１３４は、ホモジニアス配向膜であり、液晶を基板に平行に配向させる。オフ状態では、入射偏光は、平坦基板の近くの材料１３６内で異常光屈折率に直面する。しかしながら、レンズ表面に近い材料１３８は、ホメオトロピックに配向するため、偏光状態は、凸表面領域において実質的に常光線屈折率に直面する。高分子屈折率は、液晶材料の常光線屈折率に実質的に整合するため、実質的に位相段差が存在せず、レンズは機能を有さない。
【０１４２】
ホモジニアス配向膜に近い領域における付加的なレンズパワーを補償するために、液晶の常光線屈折率は、高分子材料の屈折率より低い場合がある。レンズの曲率は、液晶材料の異常光屈折率および高分子屈折率によって設定される。
【０１４３】
オン状態では、負の誘電異方性材料は、ダイレクタ１４０が全体のセルを通して基板に実質的に平行であるように再配向し、偏光状態は、液晶材料の異常光屈折率に直面する。そのため、レンズにおける位相段差が存在し、修正された指向性分布および３Ｄ動作モードが生ずる。これは、図１１ａおよび図１１ｂの電極１１２の下のダイレクタ配向１４０によって示される。
【０１４４】
図１３に示すような双安定レンズを形成するために、レンズ表面上のそれぞれの配向膜におけるホメオトロピック配向およびホモジニアス配向の組み合わせを用いてもよい。こうしたレンズは、２つの状態の間で切り替えるため以外で、パワーを加えられる必要がない。画素輝度切り替え用途のための平坦セルは、G.P. Bryan-Brown, C.V. Brown, J.C. Jones, E.L. Wood, I.C. Sage, P. Brett, J. Rudin著「Grating aligned bistable Nematic device」（SID 97 Digest pp37-40）に記載されている。格子およびホメオトロピック配向膜の組み合わせを用いて、双安定セルが作成される。
【０１４５】
第１電極領域１１０において、セルの両端でパルスが駆動されるため、材料は、セルにわたってホメオトロピック配向膜に従って配向する。入射直線偏光状態は、その後、液晶材料１４６の常光線屈折率に直面し、レンズ構造は分解されない。ｄｃ電圧パルスが印加される場合、レンズ表面における液晶配向は、ダイレクタ１４８が格子表面に平行になるように修正される。そのため、レンズ表面の領域では、偏光状態は、液晶材料の異常光屈折率に直面し、レンズが分解される。格子の表面エネルギーが、ホメオトロピック配向膜の表面エネルギーと同じになるように設定される場合、デバイスは双安定とすることができ、２Ｄモードと３Ｄモードの両方で駆動されないであろう。デバイスは、正または負の電圧パルスを印加することによって、２Ｄモードと３Ｄモードの間で切り替えられる。
【０１４６】
上記の実施形態では、ホメオトロピック配向膜は、レンズ表面で使用されるため、第１の非駆動モードでは、入射偏光状態は、高分子と屈折率整合する液晶の常光線屈折率に直面する。常光線屈折率を用いることによって、デバイスの作製時に標準高分子材料が使用されてもよい。位相構造がレンズ表面で生ずるため、レンズの平坦表面はホメオトロピックまたはホモジニアス配向のいずれかを使用することができる。
【０１４７】
外部偏光子の能動レンズデバイス
偏光出力表示システムにおいて、従来技術のディスプレイは、偏光子に対する能動レンズの相対位置を開示しない。図１４に示すように、能動レンズは、たとえば、厚みが１５０μｍ以下のＭｉｃｒｏｓｈｅｅｔガラスまたはプラスチック材料基板である場合がある基板２１１、平坦基板配向膜とＩＴＯ皮膜２１２およびレンズ基板配向膜とＩＴＯ皮膜２１４、複屈折材料２１８および等方性材料２２０および最終基板２１６を備えてもよい。この構造は、ディスプレイの出力偏光子の後に配置してもよい。輝度は、ディスプレイ偏光子によって分解(analyse)されているため、レンズは、出力光の指向性のみを操作する。こうしたシステムは、出力偏光子の厚みのために、視距離の増加を受ける。
【０１４８】
システムの視距離は、図１５に示すように、デバイスの能動レンズの後に偏光子を配置することによって減少させることができる。この場合、ＬＣＤ偏光は、未だ出力偏光子８２によって分解されていないが、まず能動レンズ２１１〜２２０を通過する。ディスプレイの動作は図１６に示される。たとえば、ディスプレイが、出力偏光子によって０°に設定されたノーマリホワイト出力偏光角２２２を有する液晶ディスプレイである場合、平坦基板は、０°の配向角２２４を有するホモジニアス配向を有する。レンズのオフ状態では、ＬＣＤからのホワイト状態の光は、レンズを通過するため、円柱レンズアレイに入射する偏光２２６は、幾何学的レンズ軸に平行になる。この光は、その後、０°の透過方向を有する出力偏光子２２８を透過する。レンズのオン状態では、電界がセルに印加され、正の誘電異方性材料が、セルの基板にほぼ直角に再配向する。そのため、偏光状態は、レンズの常光線屈折率に直面し、レンズ機能は与えられない。出力偏光状態は、出力偏光子を通過する。
【０１４９】
こうした構成は、出力偏光子におけるコントラストの損失のために、レンズセルの非ゼロ°の偏光回転を有するデバイス内では都合よく動作しないであろう。こうしたデバイスは、ディスプレイの出力偏光を回転させるために、１つまたは複数の波長板の追加を必要とする場合がある。波長板は、有利には、偏光子より薄く作られる可能性がある。レンズセルにおけるコントラストの損失はまた、最終画像のコントラストを低下させる働きをする場合がある。
【０１５０】
外部偏光子の実施形態は、さらに、外部周囲光におけるレンズの可視性が減るという利点を有する。ディスプレイの前部に入射する外部光源は、入力偏光子を通過し、レンズおよび位相段差を有する他の表面（たとえば、ＩＴＯなどの反射皮膜から）においてフレネル反射を受け、その後、出力偏光子を通過して戻る。したがって、外部偏光子は、各方向に通過する光の一部を吸収し、したがって、レンズ反射を減らし、有利には、表示コントラストを増加させる。
【０１５１】
有利には、こうした素子は高い偏光変換効率を有する液晶モードで、モードのコントラストを最適化するために使用することができる。透過型ノーマリホワイトツイステッドネマチック液晶などの、一部のデバイスでは、オン状態（最大ホワイトレベルを生成する偏光状態と呼ぶ）は、ブラック状態に対して９０°の回転を有する。そのため、レンズを通過する偏光状態は、オン状態のみから分解(resolve)することができる。たとえば、混合ツイステッドネマチックデバイスなどの、他のデバイスでは、オン偏光状態は、ブラック状態に直角でない場合がある。こうしたデバイスは、内部能動レンズ構成においてコントラストの減少を受ける。
【０１５２】
多くの反射型液晶ディスプレイなどの、偏光子に加えて波長板が光出力上で使用されるシステムでは、波長板は、画素平面と能動レンズデバイスの間に配置される場合があるため、ディスプレイからの出力はほぼ直線である。
【０１５３】
図２１は、本発明のさらなる実施形態を示す。たとえば、高分子エレクトロルミネッセンスディスプレイなどの発光型ディスプレイは、発光画素３１６〜３３０が形成される基板３１４を備える。発光画素は、偏光しないか、部分的に偏光するか、または、ディスプレイの素子の残りを通して最適な透過を提供するようにアライメントをとられた直線出力偏光方向を持って偏光する場合がある。発光型ディスプレイ対向基板３３２には、能動レンズ素子が取り付けられる。能動レンズは、たとえば、Ｍｉｃｒｏｓｈｅｅｔ３３４、ＩＴＯ電極３３６、３４２、切り替え可能な複屈折材料３３８、等方性凸表面構造３４０、および、支持基板３４４を備える。最終出力偏光子３４６は、マイクロレンズアレイの幾何学的軸に平行である透過方向を持った状態で取り付けられる。
【０１５４】
オフ状態では、液晶材料は、画素から光を受け取り、垂直偏光状態（紙面に対して垂直）について、屈折構造において位相不整合が生じるため、レンズは光学機能を有する。この偏光状態は、出力偏光子３４６を透過する。そのため、能動レンズは、画素平面と出力偏光子の間に配置されてもよく、有利には、ディスプレイの視距離を減らす。オン状態では、分子が再配向するため、偏光子３４６を透過した出力偏光は液晶材料３３８の常光線屈折率に直面しており、レンズ機能は見られない。こうして、偏光子３４４は、クリーンアップ偏光子とレンズ分解(analyzing)偏光子の機能を組み合わせるのに役立つ。
【０１５５】
偏光発光型ディスプレイ
高分子および小分子有機エレクトロルミネッセンスディスプレイを含む無機および有機のエレクトロルミネッセンスディスプレイなどの発光型ディスプレイは、通常、偏光しない光出力を生成する。しかしながら、指向性分布光学切り替えシステムは、たとえば、均等拡散である場合がある第１モードと、たとえば、自動立体３Ｄウィンドウである場合がある第２モードとの間でディスプレイが再構成されることが可能になるように偏光の切り替えに依存する場合がある。そのため、非偏光ディスプレイは、偏光指向性分布光学切り替えシステムと組み合わされると、偏光損失を示すことになる。
【０１５６】
本発明の目的は、能動レンズを備える指向性分布光学切り替えシステムの入力偏光状態に対して偏光発光型ディスプレイの出力偏光のアライメントをとることによって、発光型ディスプレイにおける高光効率を提供することである。偏光のアライメントは、ディスプレイの発光画素内の発光材料の一軸配向した発色団(uniaxial aligned chromophore)によって達成され得る。偏光出力の主軸の配向方向(alignment direction)は、複屈折マイクロレンズ内の複屈折材料の配向方向と連携するように設定される場合がある。
【０１５７】
こうして、能動レンズを用いた高効率発光型指向性分布光学切り替えディスプレイを達成することができる。こうしたディスプレイは、ＬＣＤディスプレイと比べてさらなる利点を有し、たとえば、バックライトを必要とせず、したがって、薄くかつ軽く作ることができ、モバイル用途にとって重要である可能性がある。
【０１５８】
偏光した出力を提供する任意のタイプの偏光発光型ディスプレイが用いられてもよい。たとえば、それは、A.E.A. Contoret, S.R. Farrar, P.O. Jackson, S.M. Khan, L. May, M. O'Neill, J.E. Nicholls, S.M. KellyおよびG.J. Richards著「Polarized Electroluminescence from an Anisotropic Nematic Network on a Non-contact Photoalignment Layer」（Adv. Mater. 2000, 12, No.13, July 5 p971）に記載される偏光有機エレクトロルミネッセンスディスプレイであってもよい。これは、実際のシステムにおいて、１１：１の偏光効率を達成することができることを証明する。
【０１５９】
図１７は、本発明の一実施形態を示す。画素２３０〜２４４のアレイは表示基板２４６上に形成される。基板２４６は、画素のそれぞれが、電気信号によって独立にアドレス指定されるようにアドレス指定用の薄膜トランジスタおよび電極のアレイを備える場合がある。薄膜トランジスタは、無機であるか、または、有機材料で具現されてもよい。別法として、画素は、アドレス指定用トランジスタが画素に存在する必要がない受動アドレス指定方式(scheme)によってアドレス指定されてもよい。画素２３〜２４４のそれぞれは、発光の偏光が、全画素について、ほぼ直線であり、かつ、ほぼ同じ向きであるように、発色団を備える発光材料が一軸配向する発光領域を備える。各画素は、ほぼ同じ偏光方向を有するように構成される。発光材料は、たとえば、高分子エレクトロルミネッセンス材料または小分子エレクトロルミネッセンス材料であってよい。発光材料の分子を配向させることによって、偏光発光を生成する手段が知られている。さらなるカバー基板２４８が画素に取り付けられる。基板２４８は、障壁層およびコントラスト強調ブラックマスク層を組み込む場合がある。
【０１６０】
任意選択の偏光子２５０が基板２４８に取り付けられてもよい。別法として、偏光子材料は、たとえば、基板２４８の内部表面上で、画素平面に、または、画素平面の近くに組み込まれてもよい。
【０１６１】
たとえば、１つの知られている偏光有機エレクトロルミネッセンスディスプレイは、１１：１の偏光比を有する。偏光効率４５％の典型的な偏光子と組み合わせると、光源からの全体のスループットは、クリーンアップ偏光子と組み合わせた非偏光の光源についての４５％と比較すると、８２．５％になるであろう。
【０１６２】
能動複屈折マイクロレンズ２１２〜２２０は、偏光子２５０の表面上に形成される。スイッチセルからの出力偏光を切り替えるために、電圧が液晶セルの両端に印加される。
【０１６３】
図１７の装置は以下のように動作する。偏光発光画素アレイ２３０〜２４４からの出力偏光は、発光材料の偏光方向の主軸に平行な透過方向を有する直線偏光子２５０によってクリーンアップされる(cleaned)。この偏光状態は、オフ状態において、複屈折レンズ２１８内の液晶材料の配向に平行であるようにアライメントがとられる。この屈折率は、等方性材料４０の屈折率と異なるため、レンズ効果が存在する。第２モードでは、材料２１８は、印加電界によって再配向するため、レンズ表面において等方性材料に対する屈折率段差が実質的に存在せず、レンズは光学機能を有さない。これは、２Ｄモードに対して光出力の指向性分布の変化を引き起こす。レンズは、ウィンドウ平面において画素平面の画像を生成するように構成される場合がある。
【０１６４】
最適動作温度範囲の拡張
次に、最適動作温度範囲を拡張するための考慮事項を述べる。これらの考慮事項は、先に述べた能動複屈折レンズアレイ全てに当てはまり、実際に一般に、電極両端の電圧制御によって２つのモードで動作する任意の他の能動複屈折レンズアレイに当てはまる。
【０１６５】
ディスプレイの性能は、動作温度と共に変化する場合がある。これは、温度に伴う、複屈折材料の常光線屈折率および異常光屈折率、ならびに、等方性材料の屈折率の変動によるものである可能性がある。
【０１６６】
液晶材料と高分子材料の典型的な組み合わせについての、温度３５２に対する屈折率３５０の変動が、図２２に概略的に示される。常光線屈折率３５６は、ネマチック−等方性遷移温度に近づくにつれて増加する傾向があるが、異常光屈折率３５４は減少する。ネマチック−等方性遷移温度３６０を超えると、複屈折材料の屈折率は整合するようになる。高分子の屈折率３５８は、図示するように、温度と共に減少する場合がある。
【０１６７】
図２２に示すシステムは、正の誘電異方性液晶材料について、高分子の屈折率３５６が、複屈折材料の常光線屈折率に実質的に整合する典型的な材料系の場合を示す。本出願の他の箇所で述べたように、こうしたシステムは、通常、高分子の屈折率と常光線屈折率が実質的に整合する２Ｄ動作モードを可能にするために、セルに電圧が印加されることを必要とする。他の材料系では、高分子の屈折率３５６は、複屈折材料の異常光屈折率に実質的に整合する場合があり、その場合、以下の考慮事項が、必要な変更を加えてやはり当てはまる。
【０１６８】
設計動作温度３６２は、通常、室温、たとえば、２０〜２５℃の範囲、好ましくは、２０℃である。
【０１６９】
高分子の屈折率が常光線屈折率３５６に等しいゼロ電圧屈折率整合点３６８が、材料の的確な選択に応じて設計パラメータとして選択されてもよい。通常、ゼロ電圧屈折率整合点３６８は、設計動作温度に設定される。しかしながら、ゼロ電圧屈折率整合点３６８を、次の通り、より高い温度にバイアスする時に利点が存在することが理解されている。
【０１７０】
第１に、こうした選択は、表示装置が、２０℃の標準設計温度を超えた温度で用いられることがかなり多いという考慮事項が存在する。したがって、高分子材料の屈折率が、複屈折材料の屈折率の関連する１つに正確に等しくなる温度を上げることによって、高分子材料の屈折率が、表示装置の通常の使用の大きな部分にわたって、複屈折材料の屈折率の関連する１つに実際に近くなる。
【０１７１】
複屈折レンズ材料の常光線屈折率３５６が、設計温度３６２において、高分子の屈折率３５８に実質的に整合する系の場合、屈折率整合条件は、温度が上昇すると失われる場合がある。これは、高分子の屈折率を、室温における常光線屈折率と異常光屈折率の間に設定することによって克服することができ、その結果、２Ｄモードについて、許容可能な低い輝度変動が、ウィンドウ平面で見られる。動作温度が上昇するにつれて、液晶の常光線屈折率３５６は高分子の屈折率３５８の方へ増加するため、先に述べたように、典型的な所望動作温度範囲について、十分に緊密な屈折率整合条件が２Ｄレンズ性能要件を満たす温度範囲が拡張される。
【０１７２】
第２に、温度変動について、デバイスの性能をさらに補償するのに用いることができる、図２３に示す装置について以下で述べる。温度センサ３７０または手動ユーザ調節３７２を用いて、レンズセル３７６の両端の電圧を駆動する電圧コントローラ３７４が設定される。そのため、２Ｄモードでは、低い電圧がレンズの両端に印加される可能性がある。手動ユーザ調整は、直接的な電子調整によってか、または、電圧を制御するソフトウェアアプリケーションへのユーザ入力によって実施されてもよい。
【０１７３】
高分子の屈折率３５８は、設計動作温度３６２を超える、好ましくは、少なくとも２５℃である限界までの温度範囲にわたって、常光線屈折率３５８と異常光屈折率３５４の間に設定される。この特定の実施形態では、限界はゼロ電圧屈折率整合点３６８である。この温度範囲にわたって、電圧コントローラ３７４は、第２モード（２Ｄモード）での温度変動を補償することができ、それによって、有効温度動作範囲が拡張される。
【０１７４】
図２４は、こうしたデバイスにおける屈折率の変動を概略的に示す。有効屈折率は、複屈折レンズを通して観察者のところに通過する偏光状態が直面する結果として得られる屈折率である。有効屈折率は、複屈折材料の常光線屈折率と異常光屈折率の分解された成分である。電圧が複屈折材料に印加された場合、材料は再配向するため、偏光状態が直面する常光線屈折率と異常光屈折率の相対成分は変わり、したがって、有効屈折率が変わる。
【０１７５】
示した例では、複屈折材料を完全に切り替えるための電圧が印加される場合、設計動作温度３６２にて、レンズを通過する時に入射偏光状態が直面する有効屈折率は高分子の屈折率より低い。
【０１７６】
低い電圧が印加される場合、偏光状態が複屈折材料の異常光屈折率成分に直面し始めるため、偏光が直面する有効屈折率は、矢印３６４で示す量だけ増加するであろう。高分子の屈折率３５８が、標準動作温度での液晶の常光線屈折率を超えて設定される場合、レンズの有効屈折率は、動作温度において高分子の屈折率３５８に整合するように制御されることができる。
【０１７７】
電圧が、動作範囲にわたる動作温度に、たとえば、矢印３６６で示す温度に合うように調整される場合、第２モードの動作温度範囲を拡張することができる。温度３６８では、屈折率整合条件を達成するために電圧は印加されない。電圧信号３７４は、表示性能を最適化するために、温度センサ３７０からの自動フィードバックによってか、または、入力３７２による手動補正によって設定されることができる。
【０１７８】
同様に、第１モード（３Ｄモード）の動作温度範囲は、図２５に示すように拡張することができる。温度３５２が上昇するにつれて、材料の異常光屈折率３５４が減ることになり、したがって、レンズの光パワーが減る。レンズの曲率半径の選択によって制御される場合があるレンズアレイのパワーは、設計動作温度３６２を超える、好ましくは、少なくとも２５℃である限界までの温度範囲にわたって、表示装置内の空間光変調器の最良のフォーカスでの設計温度３６２の動作に必要とされるパワーより大きくなるように設定される場合がある。この温度範囲にわたって、電圧コントローラ３７４は、第１モード（３Ｄモード）における温度変動を補償することができ、それによって、有効温度動作範囲が拡張される。
【０１７９】
この特定の実施形態では、セルに電圧が印加されない場合、レンズの光パワーは、室温での最適性能に必要とされるより少し大きい。調整された電圧が、最適なレンズ動作を達成するために、レンズセルの両端に印加されてもよい。これは、矢印３７０で示され、レンズの偏光状態が直面する有効屈折率は、屈折率３７２の場所に当たる。温度が上昇するにつれて、レンズの有効屈折率は低下することになるため、必要とされる屈折率降下３７４は小さくなり、レンズの光学性能を維持するための駆動電圧を下げることができる。図２３に示す同じコントロールシステムを用いて、最良のディスプレイフォーカスを設定することによって、システム性能を最適化することができる。温度範囲にわたる最良フォーカスの較正は、エンドユーザへの出荷前のディスプレイについて決定される可能性がある。
【０１８０】
レンズの最良フォーカスは、レンズの光パワーおよび空間光変調器の画素平面からのレンズの分離によって決定される。
【０１８１】
レンズの最良フォーカスは、たとえば、当技術分野でよく知られているように、近軸フォーカス、最小オンアクシススポットサイズ、フィールド平均化スポットサイズ、最小オンアクシス２乗平均平方根光路差、または、最小フィールド平均化２乗平均平方根光路差として規定されることができる。別法として、最良フォーカスは、画素平面での目のスポットサイズ（すなわち、画素平面における名目上の人の瞳の画像サイズ）に関して決定されてもよい。最良フォーカスは、一般に、目のスポットサイズを最小にすることによって設定されてもよい。別法として、最良フォーカスは、画素平面における最小の目のスポットサイズと異なっていてもよい。たとえば、最良フォーカスの目のスポットサイズは、画素列間のギャップより大きい場合があるため、得られるスポットは、列間のギャップを結像することによるウィンドウ平面における輝度差をぼかしてなくすのに役立つ。最良フォーカスは、別法として、ディスプレイの視覚による観察によって決定されてもよいため、観察者がディスプレイに対して横方向に移動する時に、表示表面上に見られるフリンジの視覚的な外観が、ディスプレイの外観が最良に認識されるように最適化される。最良フォーカス設定は、ユーザが、ユーザの個人的好みに最もよく合うようにディスプレイの外観を変えることを可能にするために、ディスプレイ上でのユーザ設定であってもよい。
【０１８２】
レンズが、ホメオトロピック配向膜および負の誘電異方性を有する複屈折材料を組み込む場合、３Ｄ動作についてより高い駆動電圧が必要とされる。この場合、２Ｄモードは、駆動電圧を上げることによって最適化されるため、有効屈折率は高分子の屈折率の方に増加する。３Ｄモードでは、駆動電圧は減少するため、有効屈折率は、最良フォーカス位置を得るため低下する。
【０１８３】
高分子の屈折率はまた、複屈折材料の異常光屈折率に近いが、それ未満であるように設定される場合がある。この場合、有効屈折率の小さな変化が、屈折率整合を生じ、一方、駆動電圧の低下を用いて、３Ｄモードでの有効屈折率を増加させ、よって、最良フォーカスのための屈折率段差を生成することができる。
【０１８４】
こうして、ディスプレイの動作範囲は、有利には、高分子の屈折率を常光線屈折率と異常光屈折率の間に設定することによって拡張することができる。
【０１８５】
さらに、３Ｄモードの動作温度範囲は、有利には、設計動作温度で最適化された対応するレンズの場合よりレンズの曲率半径を小さくなるように設定することによって最適化される場合がある。
【０１８６】
レンズがねじれを組み込む本発明の実施形態は、さらなる補償を必要とする場合がある。レンズのねじれの量は、オフセット駆動電圧によって決定される場合がある。そのため、小さなオフセット駆動電圧は、駆動電圧が無い場合に存在するよりも少ないレンズのねじれを引き起こす場合がある。別法として、最大駆動電圧のオフセットは、普通なら存在しないねじれを導入する場合がある。ねじれの作用を除去するために、パネル出力偏光方向を補償するための波長板を用いることが望ましい場合がある。別法として、デバイスの設計上のねじれは、製造時に設定されて、最適化されるため、オフセット電圧が印加されると、設計動作温度において、正確なねじれがレンズセル内で生じる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズアレイを画定する凸表面を間に有する複屈折材料および実質的に等方性の材料と、
前記複屈折材料を、３Ｄモードと２Ｄモードとの間で電気的に切り替えるために、前記複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、前記レンズアレイは、前記３Ｄモードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、前記２Ｄモードでは、前記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極と、
前記３Ｄモードと前記２Ｄのモードとの間で切り替えるために、前記電極の両端の電圧を制御する電圧コントローラであって、レンズアレイ装置の温度の変動を補償するために、前記３Ｄモードと前記２Ｄのモードとで印加される電圧を調整するように構成される電圧コントローラと
を備える、表示装置のための能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項２】
レンズアレイ装置の温度を検知するための温度センサをさらに備え、前記電圧コントローラは、前記温度センサによって検知された温度に応答して、レンズアレイ装置の温度の変動を補償するために、前記３Ｄモードと前記２Ｄのモードとで印加される電圧を調整するように構成される、請求項１に記載の能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項３】
ユーザが電圧調整を入力することを可能にするための入力デバイスをさらに備え、前記電圧コントローラは、前記入力デバイスに入力された前記電圧調整に応答して前記３Ｄモードと前記２Ｄのモードとで印加される電圧を調整するように構成される、請求項１に記載の能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項４】
前記等方性材料の屈折率は、少なくとも２５℃の限界より低い温度における、前記複屈折材料の常光線屈折率と前記複屈折材料の異常光屈折率との間にある、請求項１〜３のいずれか一項に記載の能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項５】
前記等方性材料の屈折率は、前記複屈折材料の前記異常光屈折率より前記複屈折材料の前記常光線屈折率に近い、請求項４に記載の能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項６】
前記等方性材料は高分子材料である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の能動複屈折レンズアレイ装置と、
該能動複屈折レンズアレイ装置と直列に配置された空間光変調器と
を備え、
少なくとも２５℃の限界より低い温度において、前記３Ｄモードにおける前記レンズアレイのパワーは、前記空間光変調器の最良フォーカスを提供するために前記レンズアレイに必要とされるパワーより大きい表示装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の能動複屈折レンズアレイ装置と、
該能動複屈折レンズアレイ装置と直列に配置された空間光変調器と
を備え、
少なくとも２５℃の限界より低い温度において、前記３Ｄモードにおける前記レンズアレイのねじれは、前記空間光変調器の出力偏光状態の最良の回転を提供するために前記レンズアレイに必要とされるねじれより大きい表示装置。
【請求項９】
レンズアレイを画定する凸表面を間に有する複屈折材料および実質的に等方性の材料と、
前記複屈折材料を、３Ｄモードと２Ｄモードとの間で電気的に切り替えるために、前記複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、前記レンズアレイは、前記３Ｄモードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、前記２Ｄモードでは、前記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極と
を備え、
前記等方性材料の屈折率は、２０℃を超える温度における、前記複屈折材料の常光線屈折率または前記複屈折材料の異常光屈折率のうちの１つに等しい、表示装置のための能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項１０】
前記等方性材料は高分子材料である、請求項９に記載の能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項１】
レンズアレイを画定する凸表面を間に有する複屈折材料および実質的に等方性の材料と、
前記複屈折材料を、３Ｄモードと２Ｄモードとの間で電気的に切り替えるために、前記複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、前記レンズアレイは、前記３Ｄモードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、前記２Ｄモードでは、前記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極と、
前記３Ｄモードと前記２Ｄのモードとの間で切り替えるために、前記電極の両端の電圧を制御する電圧コントローラであって、レンズアレイ装置の温度の変動を補償するために、前記３Ｄモードと前記２Ｄのモードとで印加される電圧を調整するように構成される電圧コントローラと
を備える、表示装置のための能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項２】
レンズアレイ装置の温度を検知するための温度センサをさらに備え、前記電圧コントローラは、前記温度センサによって検知された温度に応答して、レンズアレイ装置の温度の変動を補償するために、前記３Ｄモードと前記２Ｄのモードとで印加される電圧を調整するように構成される、請求項１に記載の能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項３】
ユーザが電圧調整を入力することを可能にするための入力デバイスをさらに備え、前記電圧コントローラは、前記入力デバイスに入力された前記電圧調整に応答して前記３Ｄモードと前記２Ｄのモードとで印加される電圧を調整するように構成される、請求項１に記載の能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項４】
前記等方性材料の屈折率は、少なくとも２５℃の限界より低い温度における、前記複屈折材料の常光線屈折率と前記複屈折材料の異常光屈折率との間にある、請求項１〜３のいずれか一項に記載の能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項５】
前記等方性材料の屈折率は、前記複屈折材料の前記異常光屈折率より前記複屈折材料の前記常光線屈折率に近い、請求項４に記載の能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項６】
前記等方性材料は高分子材料である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の能動複屈折レンズアレイ装置と、
該能動複屈折レンズアレイ装置と直列に配置された空間光変調器と
を備え、
少なくとも２５℃の限界より低い温度において、前記３Ｄモードにおける前記レンズアレイのパワーは、前記空間光変調器の最良フォーカスを提供するために前記レンズアレイに必要とされるパワーより大きい表示装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の能動複屈折レンズアレイ装置と、
該能動複屈折レンズアレイ装置と直列に配置された空間光変調器と
を備え、
少なくとも２５℃の限界より低い温度において、前記３Ｄモードにおける前記レンズアレイのねじれは、前記空間光変調器の出力偏光状態の最良の回転を提供するために前記レンズアレイに必要とされるねじれより大きい表示装置。
【請求項９】
レンズアレイを画定する凸表面を間に有する複屈折材料および実質的に等方性の材料と、
前記複屈折材料を、３Ｄモードと２Ｄモードとの間で電気的に切り替えるために、前記複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、前記レンズアレイは、前記３Ｄモードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、前記２Ｄモードでは、前記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極と
を備え、
前記等方性材料の屈折率は、２０℃を超える温度における、前記複屈折材料の常光線屈折率または前記複屈折材料の異常光屈折率のうちの１つに等しい、表示装置のための能動複屈折レンズアレイ装置。
【請求項１０】
前記等方性材料は高分子材料である、請求項９に記載の能動複屈折レンズアレイ装置。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図７ｃ】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図８ｃ】
【図８ｄ】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１１ａ】
【図１１ｂ】
【図１２】
【図１３ａ】
【図１３ｂ】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図７ｃ】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図８ｃ】
【図８ｄ】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１１ａ】
【図１１ｂ】
【図１２】
【図１３ａ】
【図１３ｂ】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１１−５３６９２（Ｐ２０１１−５３６９２Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１１１６９（Ｐ２０１０−２１１１６９）
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【分割の表示】特願２００６−５０２２１７（Ｐ２００６−５０２２１７）の分割
【原出願日】平成１６年２月４日（２００４．２．４）
【出願人】（５０４０１１２１０）エーユー オプトロニクス コーポレイション (36)
【氏名又は名称原語表記】ＡＵ Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【分割の表示】特願２００６−５０２２１７（Ｐ２００６−５０２２１７）の分割
【原出願日】平成１６年２月４日（２００４．２．４）
【出願人】（５０４０１１２１０）エーユー オプトロニクス コーポレイション (36)
【氏名又は名称原語表記】ＡＵ Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐ．
【Ｆターム（参考）】
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