表示装置及び照明装置
【課題】視野角制御機能及び立体／平面表示切替機能を実現することができる薄型の表示装置及び薄型の照明装置を提供する。
【解決手段】カラー表示可能な表示装置は、基板１上の発光素子ＯＬＥＤ＃１〜＃３と、発光素子の駆動回路４、４’と、光学手段２１とを備え、発光素子ＯＬＥＤ＃１〜＃３及び光学手段２１がサブ画素３１を構成し、隣接する、放射光の波長が相互に異なる３つのサブ画素３１が単位画素３を構成し、光学手段が、中央部に位置する第１の発光素子ＯＬＥＤ＃２から放射される光を、第１の発光素子ＯＬＥＤ＃２を通り基板１に垂直な直線の方向に屈折させ、且つ、第１の発光素子の周囲に位置する第２の発光素子ＯＬＥＤ＃１、＃３から放射される光を、該第２の発光素子から第１の発光素子ＯＬＥＤ＃２に向かう方向に屈折させる。
【解決手段】カラー表示可能な表示装置は、基板１上の発光素子ＯＬＥＤ＃１〜＃３と、発光素子の駆動回路４、４’と、光学手段２１とを備え、発光素子ＯＬＥＤ＃１〜＃３及び光学手段２１がサブ画素３１を構成し、隣接する、放射光の波長が相互に異なる３つのサブ画素３１が単位画素３を構成し、光学手段が、中央部に位置する第１の発光素子ＯＬＥＤ＃２から放射される光を、第１の発光素子ＯＬＥＤ＃２を通り基板１に垂直な直線の方向に屈折させ、且つ、第１の発光素子の周囲に位置する第２の発光素子ＯＬＥＤ＃１、＃３から放射される光を、該第２の発光素子から第１の発光素子ＯＬＥＤ＃２に向かう方向に屈折させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶ディスプレイ用バックライトなどの照明装置、及び、視野角の制御機能、２次元表示／３次元表示の切り替え機能などを有する薄型の表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディスプレイは一般に視野角が広い方が見やすいが、携帯電話やノートＰＣ等のディスプレイでは、他人の覗き見を防止するには視野角を狭くすればよい。従って、使用場面に応じて視野角を切り替える機能（以下「視野角制御機能」とも記す）を備えることが望ましい。そこで従来から、液晶ディスプレイの視野角を電気的に切り替える方法が提案されている。例えば下記特許文献１には、図１０に示すように、液晶表示パネル１とバックライト２との間に、電界制御型パネル３を挿入した構成の表示装置が開示されている。ここで、電界制御型パネル３は、透明電極を備えた透明基板２枚の間に高分子分散型液晶層を配置した構成であり、透明電極の間に電圧を印加すると透明状態になる。このとき、バックライト２から照射される光は散乱されることなく液晶表示パネル１に入射し、視野角は正面方向の狭い範囲となる。一方、電界制御型パネル３に電圧を印加しないときには、高分子分散型液晶層がバックライト２からの光を散乱するため、液晶表示パネル１から広い範囲に光が放射されて、視野角は広くなる。
【０００３】
一方、２眼式の両眼視差方式による立体表示と平面画像表示とを切り替える機能（以下「立体／平面表示切替機能」とも記す）を有する液晶ディスプレイが知られている。例えば、光源を２つ備えたバックライトを用いる方法が、下記非特許文献１に開示されている。非特許文献１では、図１１に示すように、エッジ点灯型のバックライトの導光板の両端にそれぞれ光源１及び２を配置して、これらを交互に点灯する。導光体の表面には、特殊な光学部品（断面形状は、上面がレンチキュラーレンズであり、下面がプリズムである。）が配置される。例えば、光源１を点灯したときには、この光学部品の機能により、ＬＣＤの法線から右側へ約１０°傾いた方向へ光が放射される。従って、光は右目には到達するが、左目には到達しない。光源２を点灯したときには、左側へ約１０°傾いた方向へ光が放射され、左目のみに入射する。これら２組の光源１、２のＯＮ／ＯＦＦと同期して、液晶パネルに右目用と左目用の画像データを入力すると、右目には右目用画像のみが入射し、左目には左目用画像のみが入射することになる。この動作を高速に切り替えることにより立体表示が可能になる。この構成で両方の光源１及び２を同時に点灯すれば、平面画像が表示される。この平面画像の精細度は、立体表示と同じである。
【０００４】
また、下記特許文献２も知られている。特許文献２では、図１２に示すように、２つのレンチキュラーレンズ３１、３２を対向させて、液晶ディスプレイ２の表面に設置する。レンチキュラーレンズの１つの曲面３１ａは、液晶ディスプレイ２の隣接する２つの画素４１、４２に対応している。図１２の（ａ）の立体画像表示モードでは、レンズの効果により、画素４１を通過した光は、表示面の法線から右の方向へ曲げられる。同様にして、画素４１を通過した光は、左の方向へ曲げられる。従って、画素４１に右目用、画素４２に左目用の画像を表示することにより、両眼視差方式による立体表示が可能になる。一方、図１２の（ｂ）では、２つのレンチキュラーレンズ３１、３２を半ピッチずらして対向させて配置しており、この場合、レンズ効果が打ち消されて、平面画像を表示する。ここで表示される平面画像は、立体画像表示モードの画像の２倍の精細度になる。逆に言えば、立体表示の画像の精細度は、平面表示の画像の精細度の１／２である。
【０００５】
また、図１１及び図１２の技術は、２つの観察方向に応じて異なる画像（視差画像）を表示するものである。従って、立体表示の他にも、例えばカーナビゲーション用ディスプレイとして、運転者用と助手席用に異なる画像を表示することもできる。但し、この場合の視差は、運転者の目と助手席の人の目とディスプレイを頂点とする三角形の２辺の成す角度に等しいので、立体表示のときの視差に比べて大きく設定する必要がある。
【０００６】
以上に説明したように、表示装置には、利用場面に応じて、視野角が広いモードと狭いモードとを切り替える機能、立体画像表示モードと平面画像表示モードとを切り替える機能が求められており、それぞれの機能を実現する構成が提案されている。
【特許文献１】特開２００６−１１９２９１号公報
【特許文献２】特開２００４−０８５９２４号公報
【非特許文献１】T. Sasagawa, A. Yuuki, S. Tahata, O. Murakami, and K. Oda, “Dual directional backlight for stereoscopic LCD,” SID03 Digest, pp. 399-401, 2003.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
仮に、一つの表示装置で、視野角制御機能と立体／平面表示切替機能とを実現できれば、携帯電話などの利便性が更に向上する。また、カーナビゲーション用ディスプレイで地図の表示と立体的な風景の表示とを切り替えることができれば、ナビゲーションシステムの有効性が向上する。
【０００８】
しかし、次のような問題がある。第１に、上記した特許文献１、２及び非特許文献１を組み合わせても、視野角制御機能及び立体／平面表示切替機能の両方を有する表示装置を実現することは困難である。
【０００９】
第２に、機能の追加に伴って表示装置が大型化する問題がある。一般に、液晶ディスプレイを薄くするために、液晶パネルの透明基板の研磨、プラスチック材料の採用、偏光板やバックライトなどの構成要素の薄型化や機能の統合などの様々な技術革新がなされているが、現時点で最も薄い液晶ディスプレイの厚さは１ｍｍ程度である。これに、従来技術により視野角制御機能を搭載すると、図１０の構成では電界制御型パネルの厚さが加わるため、少なくとも約０．４ｍｍは厚くなる。また、立体表示方式切替機能を搭載すると、図１２の構成では１〜２ｍｍも厚さが増加する。従って、従来技術では、これらの機能を（同時ではなく、独立して）有する表示装置を１ｍｍ以下にまで薄くすることは困難である。
【００１０】
第３に、２眼式の両眼視差方式の立体表示には、立体画像を観察できる場所の範囲が狭いという問題がある。これを解決するには、多眼式の手法が知られている。即ち、右目用と左目用の２つの画像だけではなく、少しずつ見る角度の異なる多数の画像をわずかに異なる方向へ出力することにより、一人の観察者が場所を移動しても、また複数の観察者が同時に、それぞれの位置に対応した画像を観察できるようになる。しかし、図１１の構成では、光の放射方向は特殊な光学部品の形状によって２方向に制限されているため、多眼式の手法を適応できない。図１２のようにレンチキュラーレンズを用いる構成では、多数の画素と一つのレンズとを対応させることにより、多眼式にすることが可能と考えられる。しかし、多数の画素を用いて一つの立体画像を表示する必要があるため、画像の精細度が著しく劣化する問題を生じる。
【００１１】
従って、本発明は、視野角制御機能、立体／平面表示切替機能、及び多眼式立体表示機能を実現することができる薄型の表示装置、及び、薄型の照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的は、以下の手段によって達成される。
【００１３】
即ち、本発明に係る第１の表示装置は、基板上に形成された複数の所定数の発光素子と、前記発光素子の各々の発光量を調整する駆動回路と、前記発光素子の上に配置された光学手段とを備え、前記所定数の前記発光素子及び前記光学手段が１つのサブ画素を構成し、１つのサブ画素と、該サブ画素の周辺に隣接する複数のサブ画素とが、単位画素を構成し、前記単位画素を構成する複数のサブ画素から放射される光の分光強度分布のうち、少なくとも２つの分光強度分布が相互に異なり、複数の前記単位画素が２次元状に配列され、前記光学手段が、前記サブ画素中の前記発光素子または前記サブ画素中の前記発光素子の一部集合である発光素子群の各々から放射される光を、相互に異なる方向に導くことを特徴としている。
【００１４】
本発明に係る第２の表示装置は、基板上に形成された複数の所定数の発光素子と、前記発光素子の各々の発光量を調整する駆動回路と、前記発光素子の上に配置された光学手段とを備え、前記所定数の前記発光素子及び前記光学手段が、単位画素を構成し、複数の前記単位画素が２次元状に配列され、複数の前記単位画素から放射される光の分光強度分布が同じであり、前記光学手段が、前記サブ画素中の前記発光素子または前記サブ画素中の前記発光素子の一部集合である発光素子群の各々から放射される光を、相互に異なる方向に導くことを特徴としている。
【００１５】
上記の第１又は第２の表示装置において、前記駆動回路は、第１モードにおいて、前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群をＯＦＦし、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群のみの発光量を制御し、第２モードにおいて、前記サブ画素の発光素子または発光素子群の発光量を制御することができる。
【００１６】
また、上記の第１又は第２の表示装置において、前記駆動回路は、前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群に第１の画像を、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群に第２の画像を、それぞれ表示してもよい。
【００１７】
また、上記の第１又は第２の表示装置において、前記駆動回路は、前記発光素子群に、互いに異なる複数の画像を表示し、該複数の画像が２眼式または多眼式立体表示用の視差画像であってもよい。
【００１８】
また、上記の第１又は第２の表示装置において、前記駆動回路は、前記発光素子群の発光量を調整することにより、前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群をＯＦＦし、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群のみの発光量を制御する狭視野角モード、前記サブ画素の発光素子または発光素子群の発光量を制御する広視野角モード、前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群が第１の画像を、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群が第２の画像を、それぞれ表示するデュアル表示モード、及び、前記発光素子群に、互いに異なる複数の画像を表示し、該複数の画像が立体表示用の視差画像である前記立体表示モードからなる群の中から選択される少なくとも２つの表示モードの中の一つのモードを選択することができる。
【００１９】
また、前記発光素子は、有機ＥＬ発光素子であることができる。
【００２０】
また、前記光学手段は、半円筒状レンズ、マイクロレンズ、又は屈折率分布型の光学手段の何れかであることができる。
【００２１】
本発明に係る照明装置は、基板上に形成された複数の所定数の発光素子と、前記発光素子の発光量を調整する駆動回路と、前記発光素子の上に配置された光学手段とを備え、前記所定数の前記発光素子及び前記光学手段が、単位照明素子を構成し、複数の前記単位照明素子が１次元または２次元状に配列され、前記駆動回路が、複数の前記単位照明素子を構成する前記発光素子の発光量を調整し、前記光学手段が、前記単位照明素子中の前記発光素子または前記単位照明素子中の前記発光素子の一部集合である発光素子群の各々から放射される光を、相互に異なる方向に導くことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、視野角制御機能と立体／平面表示切替機能とを共に有する薄型の表示装置を実現することができる。従来技術では、視野角制御機能と立体／平面表示切替機能のいずれか一方を提供できるに過ぎず、何れの場合にも表示装置の厚さが１ｍｍ以上増加する。現在これらの機能を持たない表示装置が１ｍｍ程度まで薄型化されているので、これらの機能の追加により２倍以上に厚くなることを意味する。
【００２３】
これに対して、本発明では、これらの機能を提供するために、表示装置の厚さが、高々１００μｍ〜２００μｍ程度増加するだけである。本発明を有機ＥＬディスプレイに適用すれば、表示装置の厚さを０．４ｍｍ以下にすることができ、同様の機能を備えた液晶ディスプレイに比べて格段の薄型化を達成することができる。
【００２４】
更に、本発明の表示装置によれば、一つの表示装置で、広／狭視野角と立体／平面画像の４種類の表示モードを切り替えることもできるので、映像表示装置を備えた種々の装置の付加価値を高めることができる。例えば、携帯電話などの利便性を更に向上させることができる。また、カーナビゲーション用ディスプレイに適用した場合、例えば、地図の表示と立体的な風景の表示とを切り替えて表示することなどができる。また、立体表示の他にも、運転者用と助手席用に異なる画像を表示することも可能になるので、カーナビゲーションシステムの有効性を向上させることができる。
【００２５】
また、サブ画素を構成する発光素子の数を増やし、一部の複数の発光素子を発光素子群とし、発光素子群に多眼式立体表示用の視差画像を表示すれば、画像の精細度の高い多眼式立体表示を容易に実現することができる。
【００２６】
また、本発明の照明装置を液晶ディスプレイのバックライトとして使用すれば、表示装置の厚さは０．４ｍｍのバックライトに０．４ｍｍの液晶パネルを加えた０．８ｍｍ程度とすることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。
【００２８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る表示装置の構成を示す斜視図である。本表示装置は、有機ＥＬディスプレイとして構成した例である。本表示装置は、表面に複数の有機発光素子（Organic Light Emitting Diode、以下ＯＬＥＤとも記す）及びその駆動回路を形成した基板１と、基板１に密着して配置された半円筒状レンズアレイ２とを備えて構成されている。
【００２９】
図１の右側には、画像表示の単位要素となる画素の構成を拡大して示している。カラー表示のための単位画素３は、それぞれ分光強度分布の異なる赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光を出力する３つのサブ画素３１（図１のＲ、Ｇ、Ｂ）を一組として構成される。各サブ画素３１は、３つの短冊状のＯＬＥＤ＃１、ＯＬＥＤ＃２及びＯＬＥＤ＃３と、１つの半円筒状レンズ２１とで構成されている。ＯＬＥＤ＃２は中央部に配置され、ＯＬＥＤ＃１及び＃３はＯＬＥＤ＃２の周囲に配置されている。ＯＬＥＤ＃１、＃２、＃３のＯＮ／ＯＦＦや発光量は、個々のＯＬＥＤに独立して設けられた駆動回路により制御される。一般に、有機ＥＬディスプレイの製造工程においては、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）技術により、画素回路と呼ばれる駆動回路の一部が基板１の表面に形成され、その上に絶縁膜などを形成した後にＯＬＥＤ＃１などが形成される。また、これらの多数の画素回路は、基板１の周辺部に配置された駆動回路（図１において符号４、４’で模式的に示す）により制御される。
【００３０】
図１では、単位画素３として、Ｒ、Ｇ、Ｂの光を出力する３つのサブ画素３１をストライプ状に併置する構成の例を挙げたが、複数のサブ画素を併置するには多様な方法が知られている。例えば、Ｇのサブ画素２個とＲとＢのサブ画素各１個をセットにして２行２列に配置した構成でもよい。あるいは、輝度向上のためにＲ、Ｇ、Ｂに白色のサブ画素を加えたり、色再現性向上を目指して第４の色のサブ画素を加えたりする方法もある。
【００３１】
なお、モノクロ画像を表示するには、１種類のＯＬＥＤのみを用いて、各単位画素を１つのサブ画素で構成すればよい。
【００３２】
図２は、図１に示した表示装置を部分的に示す水平断面図であり、１つのサブ画素３１と１つの主要な構成要素との位置関係を示している。１つの半円筒状レンズ２１に対して３つのＯＬＥＤ＃１〜＃３が配置されている。図２には、本表示装置に関する重要な設計パラメータである、半円筒状レンズ２１のレンズ材料の屈折率ｎ、半円筒状レンズ２１の曲率半径ｒ、半円筒状レンズ２１の円弧の中心のｚ座標Ｌ、複数のサブ画素３１間のピッチ（サブ画素３１の幅）の１／２の距離Ｈを示している。なお、点Ｏはｘｚ座標の原点である。
【００３３】
ここでは、サブ画素３１が３つのＯＬＥＤで構成されているが、後述するように、サブ画素３１を構成するＯＬＥＤの数は３に限定されず、ディスプレイの仕様に応じて適切なＯＬＥＤの数を決定すればよい。また、半円筒状レンズ２１の光が放射される表面の水平断面形状は、真円の一部である円弧に限定されず、視野角制御の要求仕様に応じて適切に決定すればよい。レンズ材料の屈折率ｎも適切に決定すればよい。以下では、半円筒状レンズ２１に一般的なポリマー材料やガラス材料を用いることとして、屈折率ｎを約１．５として説明する。
【００３４】
次に、本実施の形態に係る表示装置の動作原理を説明する。一般的な素子構造のＯＬＥＤでは、全ての方向に光が放射され、その角度分布はランバート則に従う。即ち、発光部（ＯＬＥＤ）の法線方向と成す角度θの方向に放射される光の強度Ｉ(θ)は、Ｉ0を定数として、Ｉ(θ)＝Ｉ0ｃｏｓ(θ)と表される。ＯＬＥＤから放射された光は、レンズと空気との境界に到達して屈折される。境界面に入射するときの角度によっては全反射することがあるので、全反射する確率が低くなるように設計することが望ましい。図２に実線で示したように、ＯＬＥＤ＃２のみが点灯すると、放射された光は、レンズの屈折作用によりｚ軸方向に進路を変えられる。従って、光は、ディスプレイの正面方向を中心とする狭い角度範囲に出力される。また、図２に破線で示したように、ＯＬＥＤ＃３のみを点灯すると、光はレンズ表面で屈折して、主に図２の右下方へ、即ち、ＯＬＥＤ＃３からＯＬＥＤ＃２の方向に、光の進路が変えられる。逆に、ＯＬＥＤ＃１のみを点灯すると、光はレンズ表面で屈折して、右上方へ、即ち、ＯＬＥＤ＃１からＯＬＥＤ＃２の方向に、光の進路が変えられる（図示せず）。
【００３５】
従って、本実施の形態に係る表示装置において、視野角を狭くする場合には、ＯＬＥＤ＃２のみを点灯し、視野角を広くする場合には、全てのＯＬＥＤ＃１〜＃３を点灯すればよい。このように、点灯させるＯＬＥＤを選択してそれらの発光量を調整することによって、視野角が狭い状態と広い状態とを切り替えることができる。また、本実施の形態に係る表示装置において、２眼式の両眼視差方式の立体表示を行う場合には、ＯＬＥＤ＃２を点灯させずに、例えば、ＯＬＥＤ＃１のみを点灯させて右目画像を表示し、ＯＬＥＤ＃３のみを点灯させて左目画像を表示すればよい。ＯＬＥＤ＃１、＃３を点灯するタイミングは、両方同時に点灯させてもよく、交互に高速に切り替えて点灯させてもよい。
【００３６】
このように、本発明の第１の実施の形態に係る表示装置では、サブ画素を複数のＯＬＥＤとそれらに対応したレンズとで構成し、各ＯＬＥＤの発光強度を調整することによりサブ画素が出力する光の強度（角度分布）を制御する。
【００３７】
次に、数値例を挙げて、視野角制御機能及び立体／平面表示切替機能の両方の機能を、同じ構成により実現可能であることを、より詳細に説明する。ここでは、レンズの屈折率ｎを１．５、半径ｒを１．５、ｚ座標Ｌを１．７、距離Ｈを１．５とする。また、サブ画素を構成するＯＬＥＤは＃１〜＃５の５個とし、それぞれの位置は、図２のｘ座標を用いて、ＯＬＥＤ＃１は−１．０＜ｘ＜−０．７、ＯＬＥＤ＃２は−０．６＜ｘ＜−０．３、ＯＬＥＤ＃３は−０．２＜ｘ＜０．２、ＯＬＥＤ＃４は０．３＜ｘ＜０．６、ＯＬＥＤ＃５は０．７＜ｘ＜１．０とする。これらの値は相似形の関係を満足するように決定すればよく、例えばｒ＝６０（μｍ）のときには、ＯＬＥＤの幅は６μｍ〜８μｍとなる。このとき、ディスプレイの厚さは、レンズの厚さ（１２８μｍ）だけ増加することになる。
【００３８】
光強度の出力角度依存性は、光線追跡の手法を用いて数値計算により求めることができる。即ち、各ＯＬＥＤを多数の微小な光源の集合として、それぞれの光源からランバート則に従って光線を発生させる。個々の光線の軌跡を追跡し、レンズと空気の境界で全反射するか否かを判定し、全反射しない場合にはスネルの法則を適用して放射角度を求めて、レンズから放射される光の方向を求める。最後に、放射角度毎に光線が発生する頻度を加算する。
【００３９】
光線追跡の手法により、ＯＬＥＤから放射される光の強度の角度分布をシミュレーションした結果を図３〜図５に示す。図３は、ＯＬＥＤ＃１〜＃５の各々から放射される光の強度の角度分布を示している。個々のＯＬＥＤで発生させた光線数は全て同じである。
【００４０】
図３のデータを基に、視野角制御機能を評価するために、ＯＬＥＤ＃３のみを点灯したときと、全てのＯＬＥＤ＃１〜＃５を点灯したときとを比較した。シミュレーション結果を図４に示す。図４に示したように、サブ画素の中央に位置するＯＬＥＤ＃３のみを点灯すると、正面方向を中心とした角度分布（半値幅は２０°）が得られ、全てのＯＬＥＤ＃１〜＃５を点灯すると、比較的広い角度の分布が得られる。視野角は、ＯＬＥＤ＃３のみを点灯した場合±１５°程度、全てのＯＬＥＤ＃１〜＃５を点灯した場合±３５°程度となった。
【００４１】
次に、２眼式の両眼視差方式による立体表示を評価するために、ＯＬＥＤ＃２及び＃４をそれぞれ点灯する場合をシミュレーションした。得られた光強度の角度依存性を図５に示す。図５から、ＯＬＥＤ＃２及び＃４の２つの角度分布（それぞれの半値幅は約１８°）が完全に分離されていることが確認できる。
【００４２】
さらに、ＯＬＥＤ＃１及び＃５のみを点灯する場合、２つの強度分布が、図５の場合よりもさらに左右に分離される。従って、２人が表示装置の両側から、異なる映像を見ることが可能となり、デュアルディスプレイを実現することができる。
【００４３】
尚、図３〜５では、約±５０°以上の大きな角度の方向に光が出力されているが、これらは目的とする画像表示には利用できない。これらが迷光として問題になる場合には、隣接するレンズの間（図２において、基板表面に垂直な点線部分）に光の吸収体を挿入する等の手法により、迷光を除去すればよい。
【００４４】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態においては、図１の構成を照明装置として用いる。この場合、単位画素が単位照明素子の役割をすることになる。例えば、図１の構成をバックライトとして液晶パネルの後方に配置することにより、液晶ディスプレイを構成することができる。この場合には、対応するＯＬＥＤの発光強度を同時に調整できればよい。前述の画素回路が不要なので、駆動回路は非常に単純になる。例えば、図１における各サブ画素３１を構成するＯＬＥＤ＃ｉ（ｉ＝１〜３）を相互に接続すれば、バックライト表面での明るさが均一になるようにするには、ＯＬＥＤ＃ｉ（ｉ＝１〜３）毎の発光強度を調節するだけでよい。なお、液晶パネルの透過率は光の入射角度に依存し、特に、一般に用いられている液晶の配向方式のねじれネマッティック（ＴＮ）型液晶では、表示面の法線方向とのなす角度が５０°を超えると、光の透過率が著しく低下する。この場合には、図３〜５の例で見られた大きな角度方向の光は液晶パネルに吸収されて、ディスプレイからは出力されない。なお、単位照明素子の配列は、２次元状の配列に限定されず、例えば１次元状の配列であってもよい。
【００４５】
以上、有機ＥＬディスプレイを一例として本発明の実施の形態に係る表示装置を説明したが、これに限定されない。ＯＬＥＤを用いたディスプレイに関しては、駆動方法、カラー化の方法、使用する材料や製造方法に関して、様々な構成が知られている。例えば、駆動方法に関しては、ＴＦＴを用いるか否かにより、アクティブ駆動とパッシブ駆動とがある。カラー化の方法に関しては、上記したように発光波長の異なる３種の発光素子を併置する構成や、白色発光素子とカラーフィルタを組み合わせる構成がある。材料と製造方法の視点では、真空蒸着法で製造する低分子系材料を用いたＯＬＥＤと、インクジェットやレーザー光の照射による転写法等の手法で製造する高分子系材料のＯＬＥＤがある。本発明は、サブ画素を構成する面状発光素子及び光学手段（図１の例ではＯＬＥＤ＃１〜＃３及び半円筒状レンズ２１）を対応させて配置する点に特徴がある。従って、面状発光素子の任意の駆動方法、任意のカラー化の方法、任意の材料や任意の製造方法に適用可能である。例えば、図１では上面発光型ＯＬＥＤの例を示したが、本発明は下面発光型ＯＬＥＤにも適用できる。図６を用いて具体的に示す。
【００４６】
図６は、上面発光型及び下面発光型の構成を示す断面図である。図６の（ａ）は、図１と同じ上面発光型の表示装置であるが、図１で省略されているＯＬＥＤの構成（有機材料層、透明電極、金属電極）、封止材料（保護層）も示している。ここで、各部の厚さに関しては、レンズの厚さｔ１は約１００〜２００μｍ、ＯＬＥＤ部分及び保護層の厚さｔ２は約１μｍ、基板の厚さｔ３は約２００μｍ、ＯＬＥＤ部分の厚さｔ４は１μｍ未満である。一方、図６の（ｂ）は、下面発光型の表示装置である。下面発光型では、光がＯＬＥＤの透明基板を透過して外部に出力される。これは、図１において、発光素子であるＯＬＥＤ＃１〜＃３と半円筒形状レンズ２１との間に一様な厚さの透明媒体が挿入された構成と等価である。従って、設計パラメータＬの下限に制限が加わるだけで、基本的な設計は同じである。なお、図６の（ｂ）の各部の厚さに関しては、レンズ及び透明基板の厚さｔ５は約２００〜４００μｍ、ＯＬＥＤ及び保護層の厚さｔ２は約１μｍ、金属又はガラス製の蓋の厚さｔ６は約１００〜１０００μｍである。
【００４７】
また、面状発光素子はＯＬＥＤに限らず、例えば無機ＥＬ素子であってもよい。無機ＥＬ素子は、無機材料と電極材料とを積層した構成の薄膜発光素子であり、高い交流電圧を印加して駆動するため、携帯電話のような低消費電力が要求される用途にはＯＬＥＤに比べて不向きであるが、消費電力がそれほど問題とならない用途では、無機ＥＬ素子に本発明を適用して製造した表示装置も有効である。
【００４８】
また、上記ではサブ画素を構成するＯＬＥＤの個数が奇数の場合を説明したが、偶数であってもよい。例えば、図１においてＯＬＥＤ＃２を２つに分割して、中央部に配置してもよく、周囲に配置されたＯＬＥＤ＃１、＃３をそれぞれ複数に分割して、隣接させて配置してもよい。
【００４９】
また、光学手段に関して、上記では半円筒状レンズ（レンチキュラーレンズ）を用いる場合を説明したが、複数の発光素子に対応して配置する光学手段は、光の伝搬角度を適切に変換する機能を持つものであれば、様々なものを使用できる。例えば、図７に示したように、半円筒状ではなく半球状の光学手段（マイクロレンズ）を複数の１組の面状発光素子（図７では９個（３×３））に対応させて配置したマイクロレンズアレイであってもよい。この場合には、右目用と左目用に加えて上下方向の画像も用意することにより、上下左右の方向から立体画像を観察することができるようになる。また、プリズムシートなどを使用してもよい。光学手段の形状に関して、発光素子からの光が放射される側の表面形状は、その断面形状が完全な円の一部（円弧）である必要はなく、実際に使用する発光素子の光学特性、要求される機器の仕様等に応じて適切に選択すればよい。
【００５０】
また、光学手段及び発光素子の位置関係に関しても、適切に設計すればよい。例えば、図８の（ａ）〜（ｃ）に示したように、種々のレンズ形状に応じて発光素子を配置することが可能である。
【００５１】
また、光学手段は、レンズのような凹凸の形状を持つものである必要はなく、光の進路を適切に変更する機能を有していればよい。例えば、図９に示すような屈折率分布型の光学手段を備えていてもよい。図９の（ａ）では、２枚のガラス板の間に、周期的に変化する屈折率分布を有する薄い層を備えている。また、図９の（ｂ）は、表面付近に、周期的に変化する屈折率分布を有する光学部品（屈折率分布型マイクロレンズ）の一例を示す。このような光学部品は、例えばガラス板の表面の一部にイオンを注入して拡散させることにより形成することができる。
【００５２】
また、光学手段は、上記したように光の伝搬角度を適切に変換する機能を持つものであればよく、光を屈折させる手段に限定されない。例えば、回折によって所定の方向に光を伝搬させる、回折格子などを用いてもよい。
【００５３】
また、本発明の表示装置の製造方法に関しても、光学部品と発光素子を別々に製造し、両者の位置を合わせて張り合わせる方法、発光素子の表面に直接にマイクロレンズアレイを形成する方法、予め屈折率分布型マイクロレンズを形成した基板の表面にＯＬＥＤを形成する方法等の様々な手法が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る表示装置の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した表示装置を部分的に示す水平断面図である。
【図３】ＯＬＥＤ＃１〜＃５の各々から放射される光の強度の角度分布を示すグラフである。
【図４】ＯＬＥＤ＃３のみを点灯した場合、及び、全てのＯＬＥＤ＃１〜＃５を点灯した場合に放射される光の強度の角度分布を示すグラフである。
【図５】ＯＬＥＤ＃２及び＃４をそれぞれ点灯した場合に放射される光の強度の角度分布を示すグラフである。
【図６】本発明の変形実施例である上面発光型及び下面発光型の表示装置の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の変形実施例であるマイクロレンズアレイを用いた表示装置を示す斜視図である。
【図８】本発明の変形実施例である光学手段及び発光素子の位置関係を示す断面図である。
【図９】本発明の変形実施例である屈折率分布を有する層を用いた表示装置を示す断面図である。
【図１０】視野角を電気的に切り替えることができる従来の液晶ディスプレイを示す断面図である。
【図１１】両眼視差方式による立体表示と平面画像表示とを切り替える機能を有する従来の液晶ディスプレイにおける立体表示の動作を示す図である。
【図１２】両眼視差方式による立体表示と平面画像表示とを切り替える機能を有する従来の液晶ディスプレイにおける切り替え動作を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 基板
２ 半筒状レンズアレイ
３ 単位画素
４、４’ 駆動回路
２１ 半円筒状レンズ
３１ サブ画素
ＯＬＥＤ＃１〜＃３ 有機発光素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶ディスプレイ用バックライトなどの照明装置、及び、視野角の制御機能、２次元表示／３次元表示の切り替え機能などを有する薄型の表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディスプレイは一般に視野角が広い方が見やすいが、携帯電話やノートＰＣ等のディスプレイでは、他人の覗き見を防止するには視野角を狭くすればよい。従って、使用場面に応じて視野角を切り替える機能（以下「視野角制御機能」とも記す）を備えることが望ましい。そこで従来から、液晶ディスプレイの視野角を電気的に切り替える方法が提案されている。例えば下記特許文献１には、図１０に示すように、液晶表示パネル１とバックライト２との間に、電界制御型パネル３を挿入した構成の表示装置が開示されている。ここで、電界制御型パネル３は、透明電極を備えた透明基板２枚の間に高分子分散型液晶層を配置した構成であり、透明電極の間に電圧を印加すると透明状態になる。このとき、バックライト２から照射される光は散乱されることなく液晶表示パネル１に入射し、視野角は正面方向の狭い範囲となる。一方、電界制御型パネル３に電圧を印加しないときには、高分子分散型液晶層がバックライト２からの光を散乱するため、液晶表示パネル１から広い範囲に光が放射されて、視野角は広くなる。
【０００３】
一方、２眼式の両眼視差方式による立体表示と平面画像表示とを切り替える機能（以下「立体／平面表示切替機能」とも記す）を有する液晶ディスプレイが知られている。例えば、光源を２つ備えたバックライトを用いる方法が、下記非特許文献１に開示されている。非特許文献１では、図１１に示すように、エッジ点灯型のバックライトの導光板の両端にそれぞれ光源１及び２を配置して、これらを交互に点灯する。導光体の表面には、特殊な光学部品（断面形状は、上面がレンチキュラーレンズであり、下面がプリズムである。）が配置される。例えば、光源１を点灯したときには、この光学部品の機能により、ＬＣＤの法線から右側へ約１０°傾いた方向へ光が放射される。従って、光は右目には到達するが、左目には到達しない。光源２を点灯したときには、左側へ約１０°傾いた方向へ光が放射され、左目のみに入射する。これら２組の光源１、２のＯＮ／ＯＦＦと同期して、液晶パネルに右目用と左目用の画像データを入力すると、右目には右目用画像のみが入射し、左目には左目用画像のみが入射することになる。この動作を高速に切り替えることにより立体表示が可能になる。この構成で両方の光源１及び２を同時に点灯すれば、平面画像が表示される。この平面画像の精細度は、立体表示と同じである。
【０００４】
また、下記特許文献２も知られている。特許文献２では、図１２に示すように、２つのレンチキュラーレンズ３１、３２を対向させて、液晶ディスプレイ２の表面に設置する。レンチキュラーレンズの１つの曲面３１ａは、液晶ディスプレイ２の隣接する２つの画素４１、４２に対応している。図１２の（ａ）の立体画像表示モードでは、レンズの効果により、画素４１を通過した光は、表示面の法線から右の方向へ曲げられる。同様にして、画素４１を通過した光は、左の方向へ曲げられる。従って、画素４１に右目用、画素４２に左目用の画像を表示することにより、両眼視差方式による立体表示が可能になる。一方、図１２の（ｂ）では、２つのレンチキュラーレンズ３１、３２を半ピッチずらして対向させて配置しており、この場合、レンズ効果が打ち消されて、平面画像を表示する。ここで表示される平面画像は、立体画像表示モードの画像の２倍の精細度になる。逆に言えば、立体表示の画像の精細度は、平面表示の画像の精細度の１／２である。
【０００５】
また、図１１及び図１２の技術は、２つの観察方向に応じて異なる画像（視差画像）を表示するものである。従って、立体表示の他にも、例えばカーナビゲーション用ディスプレイとして、運転者用と助手席用に異なる画像を表示することもできる。但し、この場合の視差は、運転者の目と助手席の人の目とディスプレイを頂点とする三角形の２辺の成す角度に等しいので、立体表示のときの視差に比べて大きく設定する必要がある。
【０００６】
以上に説明したように、表示装置には、利用場面に応じて、視野角が広いモードと狭いモードとを切り替える機能、立体画像表示モードと平面画像表示モードとを切り替える機能が求められており、それぞれの機能を実現する構成が提案されている。
【特許文献１】特開２００６−１１９２９１号公報
【特許文献２】特開２００４−０８５９２４号公報
【非特許文献１】T. Sasagawa, A. Yuuki, S. Tahata, O. Murakami, and K. Oda, “Dual directional backlight for stereoscopic LCD,” SID03 Digest, pp. 399-401, 2003.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
仮に、一つの表示装置で、視野角制御機能と立体／平面表示切替機能とを実現できれば、携帯電話などの利便性が更に向上する。また、カーナビゲーション用ディスプレイで地図の表示と立体的な風景の表示とを切り替えることができれば、ナビゲーションシステムの有効性が向上する。
【０００８】
しかし、次のような問題がある。第１に、上記した特許文献１、２及び非特許文献１を組み合わせても、視野角制御機能及び立体／平面表示切替機能の両方を有する表示装置を実現することは困難である。
【０００９】
第２に、機能の追加に伴って表示装置が大型化する問題がある。一般に、液晶ディスプレイを薄くするために、液晶パネルの透明基板の研磨、プラスチック材料の採用、偏光板やバックライトなどの構成要素の薄型化や機能の統合などの様々な技術革新がなされているが、現時点で最も薄い液晶ディスプレイの厚さは１ｍｍ程度である。これに、従来技術により視野角制御機能を搭載すると、図１０の構成では電界制御型パネルの厚さが加わるため、少なくとも約０．４ｍｍは厚くなる。また、立体表示方式切替機能を搭載すると、図１２の構成では１〜２ｍｍも厚さが増加する。従って、従来技術では、これらの機能を（同時ではなく、独立して）有する表示装置を１ｍｍ以下にまで薄くすることは困難である。
【００１０】
第３に、２眼式の両眼視差方式の立体表示には、立体画像を観察できる場所の範囲が狭いという問題がある。これを解決するには、多眼式の手法が知られている。即ち、右目用と左目用の２つの画像だけではなく、少しずつ見る角度の異なる多数の画像をわずかに異なる方向へ出力することにより、一人の観察者が場所を移動しても、また複数の観察者が同時に、それぞれの位置に対応した画像を観察できるようになる。しかし、図１１の構成では、光の放射方向は特殊な光学部品の形状によって２方向に制限されているため、多眼式の手法を適応できない。図１２のようにレンチキュラーレンズを用いる構成では、多数の画素と一つのレンズとを対応させることにより、多眼式にすることが可能と考えられる。しかし、多数の画素を用いて一つの立体画像を表示する必要があるため、画像の精細度が著しく劣化する問題を生じる。
【００１１】
従って、本発明は、視野角制御機能、立体／平面表示切替機能、及び多眼式立体表示機能を実現することができる薄型の表示装置、及び、薄型の照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的は、以下の手段によって達成される。
【００１３】
即ち、本発明に係る第１の表示装置は、基板上に形成された複数の所定数の発光素子と、前記発光素子の各々の発光量を調整する駆動回路と、前記発光素子の上に配置された光学手段とを備え、前記所定数の前記発光素子及び前記光学手段が１つのサブ画素を構成し、１つのサブ画素と、該サブ画素の周辺に隣接する複数のサブ画素とが、単位画素を構成し、前記単位画素を構成する複数のサブ画素から放射される光の分光強度分布のうち、少なくとも２つの分光強度分布が相互に異なり、複数の前記単位画素が２次元状に配列され、前記光学手段が、前記サブ画素中の前記発光素子または前記サブ画素中の前記発光素子の一部集合である発光素子群の各々から放射される光を、相互に異なる方向に導くことを特徴としている。
【００１４】
本発明に係る第２の表示装置は、基板上に形成された複数の所定数の発光素子と、前記発光素子の各々の発光量を調整する駆動回路と、前記発光素子の上に配置された光学手段とを備え、前記所定数の前記発光素子及び前記光学手段が、単位画素を構成し、複数の前記単位画素が２次元状に配列され、複数の前記単位画素から放射される光の分光強度分布が同じであり、前記光学手段が、前記サブ画素中の前記発光素子または前記サブ画素中の前記発光素子の一部集合である発光素子群の各々から放射される光を、相互に異なる方向に導くことを特徴としている。
【００１５】
上記の第１又は第２の表示装置において、前記駆動回路は、第１モードにおいて、前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群をＯＦＦし、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群のみの発光量を制御し、第２モードにおいて、前記サブ画素の発光素子または発光素子群の発光量を制御することができる。
【００１６】
また、上記の第１又は第２の表示装置において、前記駆動回路は、前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群に第１の画像を、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群に第２の画像を、それぞれ表示してもよい。
【００１７】
また、上記の第１又は第２の表示装置において、前記駆動回路は、前記発光素子群に、互いに異なる複数の画像を表示し、該複数の画像が２眼式または多眼式立体表示用の視差画像であってもよい。
【００１８】
また、上記の第１又は第２の表示装置において、前記駆動回路は、前記発光素子群の発光量を調整することにより、前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群をＯＦＦし、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群のみの発光量を制御する狭視野角モード、前記サブ画素の発光素子または発光素子群の発光量を制御する広視野角モード、前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群が第１の画像を、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群が第２の画像を、それぞれ表示するデュアル表示モード、及び、前記発光素子群に、互いに異なる複数の画像を表示し、該複数の画像が立体表示用の視差画像である前記立体表示モードからなる群の中から選択される少なくとも２つの表示モードの中の一つのモードを選択することができる。
【００１９】
また、前記発光素子は、有機ＥＬ発光素子であることができる。
【００２０】
また、前記光学手段は、半円筒状レンズ、マイクロレンズ、又は屈折率分布型の光学手段の何れかであることができる。
【００２１】
本発明に係る照明装置は、基板上に形成された複数の所定数の発光素子と、前記発光素子の発光量を調整する駆動回路と、前記発光素子の上に配置された光学手段とを備え、前記所定数の前記発光素子及び前記光学手段が、単位照明素子を構成し、複数の前記単位照明素子が１次元または２次元状に配列され、前記駆動回路が、複数の前記単位照明素子を構成する前記発光素子の発光量を調整し、前記光学手段が、前記単位照明素子中の前記発光素子または前記単位照明素子中の前記発光素子の一部集合である発光素子群の各々から放射される光を、相互に異なる方向に導くことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、視野角制御機能と立体／平面表示切替機能とを共に有する薄型の表示装置を実現することができる。従来技術では、視野角制御機能と立体／平面表示切替機能のいずれか一方を提供できるに過ぎず、何れの場合にも表示装置の厚さが１ｍｍ以上増加する。現在これらの機能を持たない表示装置が１ｍｍ程度まで薄型化されているので、これらの機能の追加により２倍以上に厚くなることを意味する。
【００２３】
これに対して、本発明では、これらの機能を提供するために、表示装置の厚さが、高々１００μｍ〜２００μｍ程度増加するだけである。本発明を有機ＥＬディスプレイに適用すれば、表示装置の厚さを０．４ｍｍ以下にすることができ、同様の機能を備えた液晶ディスプレイに比べて格段の薄型化を達成することができる。
【００２４】
更に、本発明の表示装置によれば、一つの表示装置で、広／狭視野角と立体／平面画像の４種類の表示モードを切り替えることもできるので、映像表示装置を備えた種々の装置の付加価値を高めることができる。例えば、携帯電話などの利便性を更に向上させることができる。また、カーナビゲーション用ディスプレイに適用した場合、例えば、地図の表示と立体的な風景の表示とを切り替えて表示することなどができる。また、立体表示の他にも、運転者用と助手席用に異なる画像を表示することも可能になるので、カーナビゲーションシステムの有効性を向上させることができる。
【００２５】
また、サブ画素を構成する発光素子の数を増やし、一部の複数の発光素子を発光素子群とし、発光素子群に多眼式立体表示用の視差画像を表示すれば、画像の精細度の高い多眼式立体表示を容易に実現することができる。
【００２６】
また、本発明の照明装置を液晶ディスプレイのバックライトとして使用すれば、表示装置の厚さは０．４ｍｍのバックライトに０．４ｍｍの液晶パネルを加えた０．８ｍｍ程度とすることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。
【００２８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る表示装置の構成を示す斜視図である。本表示装置は、有機ＥＬディスプレイとして構成した例である。本表示装置は、表面に複数の有機発光素子（Organic Light Emitting Diode、以下ＯＬＥＤとも記す）及びその駆動回路を形成した基板１と、基板１に密着して配置された半円筒状レンズアレイ２とを備えて構成されている。
【００２９】
図１の右側には、画像表示の単位要素となる画素の構成を拡大して示している。カラー表示のための単位画素３は、それぞれ分光強度分布の異なる赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光を出力する３つのサブ画素３１（図１のＲ、Ｇ、Ｂ）を一組として構成される。各サブ画素３１は、３つの短冊状のＯＬＥＤ＃１、ＯＬＥＤ＃２及びＯＬＥＤ＃３と、１つの半円筒状レンズ２１とで構成されている。ＯＬＥＤ＃２は中央部に配置され、ＯＬＥＤ＃１及び＃３はＯＬＥＤ＃２の周囲に配置されている。ＯＬＥＤ＃１、＃２、＃３のＯＮ／ＯＦＦや発光量は、個々のＯＬＥＤに独立して設けられた駆動回路により制御される。一般に、有機ＥＬディスプレイの製造工程においては、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）技術により、画素回路と呼ばれる駆動回路の一部が基板１の表面に形成され、その上に絶縁膜などを形成した後にＯＬＥＤ＃１などが形成される。また、これらの多数の画素回路は、基板１の周辺部に配置された駆動回路（図１において符号４、４’で模式的に示す）により制御される。
【００３０】
図１では、単位画素３として、Ｒ、Ｇ、Ｂの光を出力する３つのサブ画素３１をストライプ状に併置する構成の例を挙げたが、複数のサブ画素を併置するには多様な方法が知られている。例えば、Ｇのサブ画素２個とＲとＢのサブ画素各１個をセットにして２行２列に配置した構成でもよい。あるいは、輝度向上のためにＲ、Ｇ、Ｂに白色のサブ画素を加えたり、色再現性向上を目指して第４の色のサブ画素を加えたりする方法もある。
【００３１】
なお、モノクロ画像を表示するには、１種類のＯＬＥＤのみを用いて、各単位画素を１つのサブ画素で構成すればよい。
【００３２】
図２は、図１に示した表示装置を部分的に示す水平断面図であり、１つのサブ画素３１と１つの主要な構成要素との位置関係を示している。１つの半円筒状レンズ２１に対して３つのＯＬＥＤ＃１〜＃３が配置されている。図２には、本表示装置に関する重要な設計パラメータである、半円筒状レンズ２１のレンズ材料の屈折率ｎ、半円筒状レンズ２１の曲率半径ｒ、半円筒状レンズ２１の円弧の中心のｚ座標Ｌ、複数のサブ画素３１間のピッチ（サブ画素３１の幅）の１／２の距離Ｈを示している。なお、点Ｏはｘｚ座標の原点である。
【００３３】
ここでは、サブ画素３１が３つのＯＬＥＤで構成されているが、後述するように、サブ画素３１を構成するＯＬＥＤの数は３に限定されず、ディスプレイの仕様に応じて適切なＯＬＥＤの数を決定すればよい。また、半円筒状レンズ２１の光が放射される表面の水平断面形状は、真円の一部である円弧に限定されず、視野角制御の要求仕様に応じて適切に決定すればよい。レンズ材料の屈折率ｎも適切に決定すればよい。以下では、半円筒状レンズ２１に一般的なポリマー材料やガラス材料を用いることとして、屈折率ｎを約１．５として説明する。
【００３４】
次に、本実施の形態に係る表示装置の動作原理を説明する。一般的な素子構造のＯＬＥＤでは、全ての方向に光が放射され、その角度分布はランバート則に従う。即ち、発光部（ＯＬＥＤ）の法線方向と成す角度θの方向に放射される光の強度Ｉ(θ)は、Ｉ0を定数として、Ｉ(θ)＝Ｉ0ｃｏｓ(θ)と表される。ＯＬＥＤから放射された光は、レンズと空気との境界に到達して屈折される。境界面に入射するときの角度によっては全反射することがあるので、全反射する確率が低くなるように設計することが望ましい。図２に実線で示したように、ＯＬＥＤ＃２のみが点灯すると、放射された光は、レンズの屈折作用によりｚ軸方向に進路を変えられる。従って、光は、ディスプレイの正面方向を中心とする狭い角度範囲に出力される。また、図２に破線で示したように、ＯＬＥＤ＃３のみを点灯すると、光はレンズ表面で屈折して、主に図２の右下方へ、即ち、ＯＬＥＤ＃３からＯＬＥＤ＃２の方向に、光の進路が変えられる。逆に、ＯＬＥＤ＃１のみを点灯すると、光はレンズ表面で屈折して、右上方へ、即ち、ＯＬＥＤ＃１からＯＬＥＤ＃２の方向に、光の進路が変えられる（図示せず）。
【００３５】
従って、本実施の形態に係る表示装置において、視野角を狭くする場合には、ＯＬＥＤ＃２のみを点灯し、視野角を広くする場合には、全てのＯＬＥＤ＃１〜＃３を点灯すればよい。このように、点灯させるＯＬＥＤを選択してそれらの発光量を調整することによって、視野角が狭い状態と広い状態とを切り替えることができる。また、本実施の形態に係る表示装置において、２眼式の両眼視差方式の立体表示を行う場合には、ＯＬＥＤ＃２を点灯させずに、例えば、ＯＬＥＤ＃１のみを点灯させて右目画像を表示し、ＯＬＥＤ＃３のみを点灯させて左目画像を表示すればよい。ＯＬＥＤ＃１、＃３を点灯するタイミングは、両方同時に点灯させてもよく、交互に高速に切り替えて点灯させてもよい。
【００３６】
このように、本発明の第１の実施の形態に係る表示装置では、サブ画素を複数のＯＬＥＤとそれらに対応したレンズとで構成し、各ＯＬＥＤの発光強度を調整することによりサブ画素が出力する光の強度（角度分布）を制御する。
【００３７】
次に、数値例を挙げて、視野角制御機能及び立体／平面表示切替機能の両方の機能を、同じ構成により実現可能であることを、より詳細に説明する。ここでは、レンズの屈折率ｎを１．５、半径ｒを１．５、ｚ座標Ｌを１．７、距離Ｈを１．５とする。また、サブ画素を構成するＯＬＥＤは＃１〜＃５の５個とし、それぞれの位置は、図２のｘ座標を用いて、ＯＬＥＤ＃１は−１．０＜ｘ＜−０．７、ＯＬＥＤ＃２は−０．６＜ｘ＜−０．３、ＯＬＥＤ＃３は−０．２＜ｘ＜０．２、ＯＬＥＤ＃４は０．３＜ｘ＜０．６、ＯＬＥＤ＃５は０．７＜ｘ＜１．０とする。これらの値は相似形の関係を満足するように決定すればよく、例えばｒ＝６０（μｍ）のときには、ＯＬＥＤの幅は６μｍ〜８μｍとなる。このとき、ディスプレイの厚さは、レンズの厚さ（１２８μｍ）だけ増加することになる。
【００３８】
光強度の出力角度依存性は、光線追跡の手法を用いて数値計算により求めることができる。即ち、各ＯＬＥＤを多数の微小な光源の集合として、それぞれの光源からランバート則に従って光線を発生させる。個々の光線の軌跡を追跡し、レンズと空気の境界で全反射するか否かを判定し、全反射しない場合にはスネルの法則を適用して放射角度を求めて、レンズから放射される光の方向を求める。最後に、放射角度毎に光線が発生する頻度を加算する。
【００３９】
光線追跡の手法により、ＯＬＥＤから放射される光の強度の角度分布をシミュレーションした結果を図３〜図５に示す。図３は、ＯＬＥＤ＃１〜＃５の各々から放射される光の強度の角度分布を示している。個々のＯＬＥＤで発生させた光線数は全て同じである。
【００４０】
図３のデータを基に、視野角制御機能を評価するために、ＯＬＥＤ＃３のみを点灯したときと、全てのＯＬＥＤ＃１〜＃５を点灯したときとを比較した。シミュレーション結果を図４に示す。図４に示したように、サブ画素の中央に位置するＯＬＥＤ＃３のみを点灯すると、正面方向を中心とした角度分布（半値幅は２０°）が得られ、全てのＯＬＥＤ＃１〜＃５を点灯すると、比較的広い角度の分布が得られる。視野角は、ＯＬＥＤ＃３のみを点灯した場合±１５°程度、全てのＯＬＥＤ＃１〜＃５を点灯した場合±３５°程度となった。
【００４１】
次に、２眼式の両眼視差方式による立体表示を評価するために、ＯＬＥＤ＃２及び＃４をそれぞれ点灯する場合をシミュレーションした。得られた光強度の角度依存性を図５に示す。図５から、ＯＬＥＤ＃２及び＃４の２つの角度分布（それぞれの半値幅は約１８°）が完全に分離されていることが確認できる。
【００４２】
さらに、ＯＬＥＤ＃１及び＃５のみを点灯する場合、２つの強度分布が、図５の場合よりもさらに左右に分離される。従って、２人が表示装置の両側から、異なる映像を見ることが可能となり、デュアルディスプレイを実現することができる。
【００４３】
尚、図３〜５では、約±５０°以上の大きな角度の方向に光が出力されているが、これらは目的とする画像表示には利用できない。これらが迷光として問題になる場合には、隣接するレンズの間（図２において、基板表面に垂直な点線部分）に光の吸収体を挿入する等の手法により、迷光を除去すればよい。
【００４４】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態においては、図１の構成を照明装置として用いる。この場合、単位画素が単位照明素子の役割をすることになる。例えば、図１の構成をバックライトとして液晶パネルの後方に配置することにより、液晶ディスプレイを構成することができる。この場合には、対応するＯＬＥＤの発光強度を同時に調整できればよい。前述の画素回路が不要なので、駆動回路は非常に単純になる。例えば、図１における各サブ画素３１を構成するＯＬＥＤ＃ｉ（ｉ＝１〜３）を相互に接続すれば、バックライト表面での明るさが均一になるようにするには、ＯＬＥＤ＃ｉ（ｉ＝１〜３）毎の発光強度を調節するだけでよい。なお、液晶パネルの透過率は光の入射角度に依存し、特に、一般に用いられている液晶の配向方式のねじれネマッティック（ＴＮ）型液晶では、表示面の法線方向とのなす角度が５０°を超えると、光の透過率が著しく低下する。この場合には、図３〜５の例で見られた大きな角度方向の光は液晶パネルに吸収されて、ディスプレイからは出力されない。なお、単位照明素子の配列は、２次元状の配列に限定されず、例えば１次元状の配列であってもよい。
【００４５】
以上、有機ＥＬディスプレイを一例として本発明の実施の形態に係る表示装置を説明したが、これに限定されない。ＯＬＥＤを用いたディスプレイに関しては、駆動方法、カラー化の方法、使用する材料や製造方法に関して、様々な構成が知られている。例えば、駆動方法に関しては、ＴＦＴを用いるか否かにより、アクティブ駆動とパッシブ駆動とがある。カラー化の方法に関しては、上記したように発光波長の異なる３種の発光素子を併置する構成や、白色発光素子とカラーフィルタを組み合わせる構成がある。材料と製造方法の視点では、真空蒸着法で製造する低分子系材料を用いたＯＬＥＤと、インクジェットやレーザー光の照射による転写法等の手法で製造する高分子系材料のＯＬＥＤがある。本発明は、サブ画素を構成する面状発光素子及び光学手段（図１の例ではＯＬＥＤ＃１〜＃３及び半円筒状レンズ２１）を対応させて配置する点に特徴がある。従って、面状発光素子の任意の駆動方法、任意のカラー化の方法、任意の材料や任意の製造方法に適用可能である。例えば、図１では上面発光型ＯＬＥＤの例を示したが、本発明は下面発光型ＯＬＥＤにも適用できる。図６を用いて具体的に示す。
【００４６】
図６は、上面発光型及び下面発光型の構成を示す断面図である。図６の（ａ）は、図１と同じ上面発光型の表示装置であるが、図１で省略されているＯＬＥＤの構成（有機材料層、透明電極、金属電極）、封止材料（保護層）も示している。ここで、各部の厚さに関しては、レンズの厚さｔ１は約１００〜２００μｍ、ＯＬＥＤ部分及び保護層の厚さｔ２は約１μｍ、基板の厚さｔ３は約２００μｍ、ＯＬＥＤ部分の厚さｔ４は１μｍ未満である。一方、図６の（ｂ）は、下面発光型の表示装置である。下面発光型では、光がＯＬＥＤの透明基板を透過して外部に出力される。これは、図１において、発光素子であるＯＬＥＤ＃１〜＃３と半円筒形状レンズ２１との間に一様な厚さの透明媒体が挿入された構成と等価である。従って、設計パラメータＬの下限に制限が加わるだけで、基本的な設計は同じである。なお、図６の（ｂ）の各部の厚さに関しては、レンズ及び透明基板の厚さｔ５は約２００〜４００μｍ、ＯＬＥＤ及び保護層の厚さｔ２は約１μｍ、金属又はガラス製の蓋の厚さｔ６は約１００〜１０００μｍである。
【００４７】
また、面状発光素子はＯＬＥＤに限らず、例えば無機ＥＬ素子であってもよい。無機ＥＬ素子は、無機材料と電極材料とを積層した構成の薄膜発光素子であり、高い交流電圧を印加して駆動するため、携帯電話のような低消費電力が要求される用途にはＯＬＥＤに比べて不向きであるが、消費電力がそれほど問題とならない用途では、無機ＥＬ素子に本発明を適用して製造した表示装置も有効である。
【００４８】
また、上記ではサブ画素を構成するＯＬＥＤの個数が奇数の場合を説明したが、偶数であってもよい。例えば、図１においてＯＬＥＤ＃２を２つに分割して、中央部に配置してもよく、周囲に配置されたＯＬＥＤ＃１、＃３をそれぞれ複数に分割して、隣接させて配置してもよい。
【００４９】
また、光学手段に関して、上記では半円筒状レンズ（レンチキュラーレンズ）を用いる場合を説明したが、複数の発光素子に対応して配置する光学手段は、光の伝搬角度を適切に変換する機能を持つものであれば、様々なものを使用できる。例えば、図７に示したように、半円筒状ではなく半球状の光学手段（マイクロレンズ）を複数の１組の面状発光素子（図７では９個（３×３））に対応させて配置したマイクロレンズアレイであってもよい。この場合には、右目用と左目用に加えて上下方向の画像も用意することにより、上下左右の方向から立体画像を観察することができるようになる。また、プリズムシートなどを使用してもよい。光学手段の形状に関して、発光素子からの光が放射される側の表面形状は、その断面形状が完全な円の一部（円弧）である必要はなく、実際に使用する発光素子の光学特性、要求される機器の仕様等に応じて適切に選択すればよい。
【００５０】
また、光学手段及び発光素子の位置関係に関しても、適切に設計すればよい。例えば、図８の（ａ）〜（ｃ）に示したように、種々のレンズ形状に応じて発光素子を配置することが可能である。
【００５１】
また、光学手段は、レンズのような凹凸の形状を持つものである必要はなく、光の進路を適切に変更する機能を有していればよい。例えば、図９に示すような屈折率分布型の光学手段を備えていてもよい。図９の（ａ）では、２枚のガラス板の間に、周期的に変化する屈折率分布を有する薄い層を備えている。また、図９の（ｂ）は、表面付近に、周期的に変化する屈折率分布を有する光学部品（屈折率分布型マイクロレンズ）の一例を示す。このような光学部品は、例えばガラス板の表面の一部にイオンを注入して拡散させることにより形成することができる。
【００５２】
また、光学手段は、上記したように光の伝搬角度を適切に変換する機能を持つものであればよく、光を屈折させる手段に限定されない。例えば、回折によって所定の方向に光を伝搬させる、回折格子などを用いてもよい。
【００５３】
また、本発明の表示装置の製造方法に関しても、光学部品と発光素子を別々に製造し、両者の位置を合わせて張り合わせる方法、発光素子の表面に直接にマイクロレンズアレイを形成する方法、予め屈折率分布型マイクロレンズを形成した基板の表面にＯＬＥＤを形成する方法等の様々な手法が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る表示装置の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した表示装置を部分的に示す水平断面図である。
【図３】ＯＬＥＤ＃１〜＃５の各々から放射される光の強度の角度分布を示すグラフである。
【図４】ＯＬＥＤ＃３のみを点灯した場合、及び、全てのＯＬＥＤ＃１〜＃５を点灯した場合に放射される光の強度の角度分布を示すグラフである。
【図５】ＯＬＥＤ＃２及び＃４をそれぞれ点灯した場合に放射される光の強度の角度分布を示すグラフである。
【図６】本発明の変形実施例である上面発光型及び下面発光型の表示装置の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の変形実施例であるマイクロレンズアレイを用いた表示装置を示す斜視図である。
【図８】本発明の変形実施例である光学手段及び発光素子の位置関係を示す断面図である。
【図９】本発明の変形実施例である屈折率分布を有する層を用いた表示装置を示す断面図である。
【図１０】視野角を電気的に切り替えることができる従来の液晶ディスプレイを示す断面図である。
【図１１】両眼視差方式による立体表示と平面画像表示とを切り替える機能を有する従来の液晶ディスプレイにおける立体表示の動作を示す図である。
【図１２】両眼視差方式による立体表示と平面画像表示とを切り替える機能を有する従来の液晶ディスプレイにおける切り替え動作を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 基板
２ 半筒状レンズアレイ
３ 単位画素
４、４’ 駆動回路
２１ 半円筒状レンズ
３１ サブ画素
ＯＬＥＤ＃１〜＃３ 有機発光素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された複数の所定数の発光素子と、
前記発光素子の各々の発光量を調整する駆動回路と、
前記発光素子の上に配置された光学手段とを備え、
前記所定数の前記発光素子及び前記光学手段が１つのサブ画素を構成し、
１つのサブ画素と、該サブ画素の周辺に隣接する複数のサブ画素とが、単位画素を構成し、
前記単位画素を構成する複数のサブ画素から放射される光の分光強度分布のうち、少なくとも２つの分光強度分布が相互に異なり、
複数の前記単位画素が２次元状に配列され、
前記光学手段が、前記サブ画素中の前記発光素子または前記サブ画素中の前記発光素子の一部集合である発光素子群の各々から放射される光を、相互に異なる方向に導くことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
基板上に形成された複数の所定数の発光素子と、
前記発光素子の各々の発光量を調整する駆動回路と、
前記発光素子の上に配置された光学手段とを備え、
前記所定数の前記発光素子及び前記光学手段が、単位画素を構成し、
複数の前記単位画素が２次元状に配列され、
複数の前記単位画素から放射される光の分光強度分布が同じであり、
前記光学手段が、前記サブ画素中の前記発光素子または前記サブ画素中の前記発光素子の一部集合である発光素子群の各々から放射される光を、相互に異なる方向に導くことを特徴とする表示装置。
【請求項３】
前記駆動回路が、
第１モードにおいて、前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群をＯＦＦし、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群のみの発光量を制御し、
第２モードにおいて、前記サブ画素の発光素子または発光素子群の発光量を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記駆動回路が、前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群に第１の画像を、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群に第２の画像を、それぞれ表示することを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項５】
前記駆動回路が、前記発光素子群に、互いに異なる複数の画像を表示し、
該複数の画像が２眼式または多眼式立体表示用の視差画像であることを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項６】
前記駆動回路が、前記発光素子群の発光量を調整することにより、
前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群をＯＦＦし、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群のみの発光量を制御する狭視野角モード、
前記サブ画素の発光素子または発光素子群の発光量を制御する広視野角モード、
前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群が第１の画像を、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群が第２の画像を、それぞれ表示するデュアル表示モード、及び、
前記発光素子群に、互いに異なる複数の画像を表示し、該複数の画像が立体表示用の視差画像である前記立体表示モード
からなる群の中から選択される少なくとも２つの表示モードの中の一つのモードを選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項７】
前記発光素子が有機ＥＬ発光素子であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の表示装置。
【請求項８】
前記光学手段が、半円筒状レンズ、マイクロレンズ、又は屈折率分布型の光学手段の何れかであることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の表示装置。
【請求項９】
基板上に形成された複数の所定数の発光素子と、
前記発光素子の発光量を調整する駆動回路と、
前記発光素子の上に配置された光学手段とを備え、
前記所定数の前記発光素子及び前記光学手段が、単位照明素子を構成し、
複数の前記単位照明素子が１次元または２次元状に配列され、
前記駆動回路が、複数の前記単位照明素子を構成する前記発光素子の発光量を調整し、
前記光学手段が、前記単位照明素子中の前記発光素子または前記単位照明素子中の前記発光素子の一部集合である発光素子群の各々から放射される光を、相互に異なる方向に導くことを特徴とする照明装置。
【請求項１】
基板上に形成された複数の所定数の発光素子と、
前記発光素子の各々の発光量を調整する駆動回路と、
前記発光素子の上に配置された光学手段とを備え、
前記所定数の前記発光素子及び前記光学手段が１つのサブ画素を構成し、
１つのサブ画素と、該サブ画素の周辺に隣接する複数のサブ画素とが、単位画素を構成し、
前記単位画素を構成する複数のサブ画素から放射される光の分光強度分布のうち、少なくとも２つの分光強度分布が相互に異なり、
複数の前記単位画素が２次元状に配列され、
前記光学手段が、前記サブ画素中の前記発光素子または前記サブ画素中の前記発光素子の一部集合である発光素子群の各々から放射される光を、相互に異なる方向に導くことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
基板上に形成された複数の所定数の発光素子と、
前記発光素子の各々の発光量を調整する駆動回路と、
前記発光素子の上に配置された光学手段とを備え、
前記所定数の前記発光素子及び前記光学手段が、単位画素を構成し、
複数の前記単位画素が２次元状に配列され、
複数の前記単位画素から放射される光の分光強度分布が同じであり、
前記光学手段が、前記サブ画素中の前記発光素子または前記サブ画素中の前記発光素子の一部集合である発光素子群の各々から放射される光を、相互に異なる方向に導くことを特徴とする表示装置。
【請求項３】
前記駆動回路が、
第１モードにおいて、前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群をＯＦＦし、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群のみの発光量を制御し、
第２モードにおいて、前記サブ画素の発光素子または発光素子群の発光量を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記駆動回路が、前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群に第１の画像を、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群に第２の画像を、それぞれ表示することを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項５】
前記駆動回路が、前記発光素子群に、互いに異なる複数の画像を表示し、
該複数の画像が２眼式または多眼式立体表示用の視差画像であることを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項６】
前記駆動回路が、前記発光素子群の発光量を調整することにより、
前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群をＯＦＦし、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群のみの発光量を制御する狭視野角モード、
前記サブ画素の発光素子または発光素子群の発光量を制御する広視野角モード、
前記サブ画素の一部の発光素子または発光素子群が第１の画像を、前記サブ画素のその他の発光素子または発光素子群が第２の画像を、それぞれ表示するデュアル表示モード、及び、
前記発光素子群に、互いに異なる複数の画像を表示し、該複数の画像が立体表示用の視差画像である前記立体表示モード
からなる群の中から選択される少なくとも２つの表示モードの中の一つのモードを選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項７】
前記発光素子が有機ＥＬ発光素子であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の表示装置。
【請求項８】
前記光学手段が、半円筒状レンズ、マイクロレンズ、又は屈折率分布型の光学手段の何れかであることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の表示装置。
【請求項９】
基板上に形成された複数の所定数の発光素子と、
前記発光素子の発光量を調整する駆動回路と、
前記発光素子の上に配置された光学手段とを備え、
前記所定数の前記発光素子及び前記光学手段が、単位照明素子を構成し、
複数の前記単位照明素子が１次元または２次元状に配列され、
前記駆動回路が、複数の前記単位照明素子を構成する前記発光素子の発光量を調整し、
前記光学手段が、前記単位照明素子中の前記発光素子または前記単位照明素子中の前記発光素子の一部集合である発光素子群の各々から放射される光を、相互に異なる方向に導くことを特徴とする照明装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−３０４７１５（Ｐ２００８−３０４７１５Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５１９９９（Ｐ２００７−１５１９９９）
【出願日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
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