JPH095745A - カラー液晶ディスプレイ装置の光ファイバフェースプレート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い視野角を保持しつつ、均一かつ対称的な
高コントラスト性能を持った液晶ディスプレイを提供す
る。 【解決手段】 バックライト付き透視型ＴＮ（ＳＴＮ）
液晶ディスプレイで、液晶セル６６の前面側保持要素と
して光ファイバフェースプレート７８を用いる。この光
ファイバフェースプレート７８は、ディスプレイの視野
角を増加させるとともに、輝度やコントラスト比、色度
の不必要な変動を除去することができる。特に、光ファ
イバフェースプレートは、円筒形の光ファイバと、間隙
クラッディング材とを備える。間隙クラッディング材に
は不透明なマスキングが施され、その結果、クラッディ
ング開口に起因する光の回析が観察者の視野領域に進入
することを防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、前面光ファイバフ
ェースプレートといった光学要素を用いて、有効視野角
を広げつつ色度や輝度、コントラスト比の変動を最小限
に抑えることができるバックライト付き透過型ＴＮカラ
ー液晶ディスプレイに関し、特に、隙間開口を備えた前
面光ファイバフェースプレートといった光学要素に関す
る。

【０００２】なお、本明細書を通じて、「軸外れ（ｏｆ
ｆ−ａｘｉｓ）」とは、任意の表面に対する垂線から外
れた仮想線をいうものとする。また、偏光板や位相差板
といった光学素子には、均等な機能を備えるあらゆる種
類の光学素子が含まれるものとし、例えば、板材に限ら
れずフィルムや薄膜といった形態が含まれる。

【０００３】

【従来の技術】従来の直視透過型カラー液晶ディスプレ
イは光源と複数の光学要素層とを備える。各光学要素層
は、光源が発する光のスペクトル成分を変化させる。中
でも、偏光板や位相差フィルム、液晶層は、光学異方性
および複屈折能を有し、素材の変数やセル構造、表示電
圧（すなわち輝度やグレーレベル）、光の伝搬方向とい
った要因に応じて複雑なスペクトル変化を生じさせる。

【０００４】ＴＮ（捩れネマティック）セルは、高性能
カラー液晶ディスプレイに対する液晶セル構造として周
知である。このＴＮセルでは、入口偏光板がまず入射光
を直線偏光し、続いて、液晶層がその偏光軸を回転させ
る。液晶層の複屈折と厚みとが偏光軸の回転を誘起す
る。たいていのＮＴ液晶ディスプレイでは、通常、捩れ
角すなわち回転角は９０度に設定される。ただし、その
他の捩れ角を用いて所望の光学特性を実現することもで
きる。液晶層による偏光軸の回転後、液晶層から出射し
た光の偏光状態は出口偏光板すなわち「検光子」によっ
て分光される。

【０００５】ＴＮセルでは、入口偏光板および出口偏光
板の構成に２つの原理が存在する。２枚の偏光板の偏光
軸を直交させた液晶ディスプレイはノーマリホワイトモ
ード液晶ディスプレイと呼ばれる。一方、２枚の偏光板
の偏光軸を平行にさせた液晶ディスプレイはノーマリブ
ラックモード液晶ディスプレイと呼ばれる。電圧制御さ
れたグレースケールおよび軸外れ観察視線の場合、液晶
層を通過する光路は、完全な電圧飽和状態のもとで軸に
沿った観察視線で画面を見る場合とは異なる複屈折をた
どる。こうした複屈折の相違は、光路が異方性の液晶分
子を横切る角度が液晶セル電圧と観察角とに応じて変化
することに起因する。この結果、液晶セルの通常モード
と捩れモードとで視刺激の度合いが異なり、２つの偏光
要素間で位相差の変動をもたらしたり、液晶セルの出口
で偏光状態の相異を生じさせたり、出口側偏光板の光透
過を変動させたりする。加えて、偏光板間の位相差や光
透過の変動は波長の影響を受けることから、色度だけで
なく、光強度や輝度にも差が生じる。軸外れの観察視線
によって一層複雑さが増す。液晶ディスプレイを構成す
る物質層を通過する光路長の差や、各光学境界での角度
に応じた反射作用および偏光作用が複雑さを加えている
のである。

【０００６】以上のように、特にＴＮカラー液晶ディス
プレイのような液晶ディスプレイでは、ディスプレイと
観察者との間の観察角の変化に応じて、輝度やコントラ
スト比、色度に好ましくない変動が生じる。しかも、軸
外れの観察視線や、電圧制御されたグレースケールのい
ずれもが、表示輝度やコントラスト比、色度の変動をも
たらすことから、これら２つの要因が重なると、直視型
ＴＮカラー液晶ディスプレイで顕著な異方性が一層強調
される。観察角と電圧制御グレーレベルとの特定の組み
合わせでは、ディスプレイのコントラスト比が反転した
り、所望の色が捕色にシフトしたりすることもある。デ
ィスプレイの視覚特性におけるこうした異方性によって
ディスプレイの円錐形視野域の角度はかなり狭められて
しまう。特に、電圧変調グレーレベル制御を用いた直視
型ＴＮカラー液晶ディスプレイでは顕著である。この種
の液晶ディスプレイ構成は、多くの望ましい動作特性を
有し、高性能直視型カラー液晶ディスプレイ（しばしば
アクティブマトリックスアドレッシング基板を用いて高
解像度および高コントラスト動作を簡素化する）で広く
用いられている一方で、視野角の制限がディスプレイの
最終的な画像形成能をかなり悪化させる。

【０００７】直視型液晶ディスプレイで視野角を改善す
る手法は様々に提案されている。例えば、液晶ディスプ
レイの出力で拡散光学層を使用したり、３次元位相差フ
ィルムまたは光学補償板を用いたり（すなわち「Ｎｅｇ
ａｔｉｖｅ−Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ Ｆｉｌｍ−
Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｍｕｌｔｉ−ＤｏｍａｉｎＴ
ＮＬＣＤｓ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｓｙｍｍｅ
ｔｒｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃ
ｅ」Ｈ．Ｌ．Ｏｎｇ、１９９３年、ＳＩＤＤｉｇｅｓｔ
ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ 第６５８
〜６６１頁）、いわゆるマルチドメイン画素構造を用い
たり（日本特開昭６３−１０６６２４号や日本特開平１
−８８５２０号参照）する。液晶ディスプレイの出力で
拡散光学層（例えば研磨ガラス散乱スクリーン）を用い
ると、観察方向から液晶ディスプレイが切り離される。
ただし、このような拡散素子は両方向からの光を分散す
るので、周囲光の入射によって液晶ディスプレイの画像
コントラストを悪化させる。この周囲光はオフィスや屋
外環境では一般的である。位相差フィルムや光学補償板
を用いると、液晶ディスプレイの視野角を効果的に改善
することができる。ただし、位相差フィルムを伝搬する
光に作用する位相遅れが波長に影響されやすいことか
ら、可視スペクトルを部分的にしか補償することができ
ない。したがって、フルカラーディスプレイに対する使
用時には、位相差フィルムや光学補償板の効果は制限さ
れてしまう。さらに、最近、マルチドメイン画素構造で
は開発が進み、液晶セル内での光学的自己補償アライン
メントによって直視型カラー液晶ディスプレイの視野角
がかなり効果的に改善されることが証明された。しか
し、このようなアラインメントを正確に設定することは
困難であり、液晶セルの製造を著しく複雑にしてしま
う。加えて、ドメイン境界やアラインメント境界が、デ
ィスプレイ上の可視境界や模様、条痕として現れる傾向
があり、液晶ディスプレイの画質を悪化させることとな
る。

【０００８】典型的なカラー液晶ディスプレイでは、液
晶セル内にカラーフィルタのモザイクパターンが形成さ
れる。３枚のスペクトル選択液晶セルを順次重ねれば、
減色法カラー液晶ディスプレイ構成を形成することがで
きる。各液晶セルは、可視スペクトルの直交成分を差し
引いたり除去したりする。減色法カラー液晶ディスプレ
イは、例えば、米国特許第５０３２００７号や米国特許
第４９１７４６５号、米国特許第４４１６５１４号に開
示される。この減色法液晶ディスプレイの構成は投射型
ディスプレイのフルカラー液晶ディスプレイライトバル
ブとして成功を収めている。この投射型ディスプレイで
は、減色セルの積層を通過する光線が平行光線に視準さ
れたり、少なくとも遠方の焦点に集められたりする。し
かし、減色法液晶ディスプレイ構成はバックライト付き
液晶ディスプレイには向かない。スペクトル選択セルを
比較的厚く重ね合わせた結果生じるパララックスによっ
て視野角の問題が生じるからである。こういった理由か
ら、直視型フルカラー液晶ディスプレイには、空間的加
色法による色合成や、カラーフィルタの平面モザイク構
造が好ましい。カラーフィルタのモザイク構造は、例え
ば、米国再発行特許第３３８８２号や、米国特許第４９
８７０４３号、米国特許第５０６６５１２号に示され
る。

【０００９】従来のように、液晶セル内にカラーフィル
タのモザイクパターンを形成することは、費用が嵩むう
えに効率が悪く、液晶材料に対する材料親和性が著しく
制限された。これらのフィルタは、通常３〜７ミクロン
のセルギャップ幅を有する液晶セル内に配置され、小さ
な画素寸法によってディスプレイのパララックスを低減
する。液晶セルの外側にカラーフィルタを配置すると、
液晶セル内の画素形成開口から液晶セルガラスの厚み
（約１１００ミクロン）程度の短距離だけカラーフィル
タをずらす必要がある。この結果、画素開口とその開口
に関連するカラーフィルタとの間に著しいパララックス
が生じ、アドレス指定された画素から軸外れで入ってく
る光線は、誤ったカラーフィルタを通過しやすい。例え
ば、アドレス指定された赤色画素開口からの光線が緑色
カラーフィルタを通過する可能性がある。

【００１０】以上のことから、カラーフィルタ処理や配
置を改良するといった要求が生じる。簡単な処理と、フ
ィルタ素材の効率的利用と、広い視野角にわたるカラー
画質の向上とが要求される。仮に、光学手段を用いて、
光線が大きく発散する最終的な光学的境界に達する前
に、直視型液晶ディスプレイ層を伝搬する光の角度を制
御すれば、色吸収カラーフィルタを液晶セルの外部に配
置したり、効率の高い干渉型カラーフィルタを使用した
りすることができる。いずれの場合でも、液晶セル以外
の光学層にカラーフィルタを配置することによって、一
層効率的なカラーフィルタ素材や処理工程を用いてカラ
ーフィルタを処理することでき、生産時の歩溜まりを向
上させ、製造コストを低減し、液晶ディスプレイの色再
現性や視感度効率を著しく向上させることができる。

【００１１】特定用途のＣＲＴディスプレイでは、光フ
ァイバフェースプレートを用いてコントラスト強調がな
されている。光ファイバフェースプレートは、反射型単
色液晶ディスプレイの前面で集光要素として機能し、デ
ィスプレイの反射輝度を強調したり、背面照射カラー液
晶ディスプレイで導光板として機能し、画素開口にカラ
ー蛍光体のモザイクパターンを結合させたり、ハードコ
ピー用途で画像受け渡し要素として機能し、光学記録面
に画像生成装置の出力を結合させたりする。光ファイバ
フェースプレートに関する特許には、例えば、米国特許
第４３４４６６８号や米国特許第４３４９８１７号、米
国特許第４５５８２５５号、米国特許第４７５２８０６
号、米国特許第４７９９０５０号、米国特許第５０３５
４９０号、米国特許第５１８１１３０号、米国特許第５
０５０９６５号、米国特許第５０５３７６５号、米国特
許第５１１３２８５号、米国特許第５１３１０６５号が
挙げられる。

【００１２】米国特許第４７５２８０６号では、光ファ
イバフェースプレートを用いて液晶層から放射される光
がレンズアレイに続いて受光素子へと導かれる。米国特
許第４５５８２５５号では、光ファイバフェースプレー
トを用いて、真空蛍光装置から発せられる光を導いてプ
リント装置の感光部材が露光される。これらの適用例は
直視型ディスプレイ装置とは関係しない。

【００１３】米国特許第５１３１０６５号では、前面光
ファイバフェースプレートを用いて、放射性蛍光層から
放射された光が観察者に導かれ、高輝度かつ高コントラ
ストの薄膜ＥＬディスプレイ装置が創作される。米国特
許第４７９９０５０号では、光ファイバフェースプレー
トを導光板として用い、紫外線光源によって励起された
カラー蛍光体のモザイクパターン発光が背面照射型カラ
ー液晶ディスプレイの画素開口に結合させられる。これ
らの特許は、直視型ディスプレイ装置における蛍光発光
の導光に関し、軸外れ観察視線の改善には直接関係しな
い。

【００１４】米国特許第５０３５４９０号や米国特許第
５１８１１３０号、米国特許第４３４４６６８号、米国
特許第４３４９８１７号では、反射型液晶ディスプレイ
が光ファイバフェースプレートを利用し、広い受光角領
域から入射光を集光する。これによってディスプレイの
反射輝度とコントラストとが強調される。かかる手法
は、液晶ディスプレイでの色生成に関するものではな
く、カラー液晶ディスプレイに適用することはできな
い。反射型ディスプレイでは、十分な反射輝度が得られ
ず、色分離や色フィルタリングを行った上で良好な輝度
を確保することができないからである。しかも、この手
法は、軸外れの観察視線の改善には関係していない。

【００１５】米国特許第５０５０９６５号では、平行光
線の光源を必要とするＳＴＮ液晶ディスプレイが、順次
重ね合わされた減色法カラー液晶セルを使用する。この
手法は投射型ディスプレイに対する用途に向けられてい
る。直視型ディスプレイに適用する場合には、ディスプ
レイ出力に消平行または拡散が施されなければならない
ことから、画像コントラストが低下し、周囲光によって
色の非飽和が生じる。この手法は高性能直視型透過ＴＮ
カラー液晶ディスプレイに関係してはいない。

【００１６】すなわち、上記先行文献では、本発明が解
決する問題点が十分に認識されてはいない。

【００１７】１９９４年３月２１日付米国特許出願第２
１５４５４号（日本国特願平７−５３１０３号に対応）
に開示される背面照射付き直視型液晶ディスプレイ装置
は、バックライト光源と、背面拡散体と、背面偏光板
と、液晶セルとを備える。液晶セルは、アドレス素子お
よび酸化スズインジウム（ＩＴＯ）製透明画素電極を持
った背面ガラス層と、液晶層と、この液晶層の上面に直
接に接触して液晶セルの前面を構成する前面光ファイバ
フェースプレートとを有する。さらに、液晶ディスプレ
イ装置には、前面光ファイバフェースプレートの前面に
蒸着されたり、他の隣接基板上に配置されたりする色吸
収フィルタのモザイクアレイと、前面偏光板すなわち検
光子とが設けられる。液晶層に隣接する前面光ファイバ
フェースプレートの背面は比較的狭い受光立体角θ_max
ＩＮを有し、前面は比較的広い放出光（出力光）立体角
θ_max ＯＵＴを有する。しかも、後述するように、前面
光ファイバフェースプレートは、軸外れの光を方位角方
向に平均化することができる。

【００１８】米国特許出願第２１５４５４号の第２実施
例では、前面光ファイバフェースプレートの入力面すな
わち背面に隣接する液晶セル内に前面偏光板（検光子）
が配置される。かかる構成によれば、液晶セルから出射
する光の偏光状態は前面光ファイバフェースプレートに
対する入力に先立って解析され、前面光ファイバフェー
スプレートの光ファイバ内での反射の結果生じる顕著な
消偏の影響を排除することができる。このような消偏の
影響としてディスプレイのコントラストの悪化が挙げら
れる。この実施例では、前面偏光板（検光子）は、有機
染料分子列の偏光薄膜として、前面光ファイバフェース
プレートの入力面すなわち背面に蒸着されたり、有機染
料分子列のフィルムとして、その入力面に接着されたり
する。

【００１９】上記米国特許出願の第３および第４実施例
では、第１および第２実施例の構成に加えて、拡散体と
液晶セルとの間に背面光ファイバフェースプレートがさ
らに設けられる。背面光ファイバフェースプレートは、
前面光ファイバフェースプレートの反対側で拡散体に接
する入力面を備える。この入力面によって、大きなθ
_max ＩＮが得られ、その結果、受光角は比較的大きくな
る。その一方で、出力面では、θ_max ＯＵＴが小さく、
出射角は比較的小さくなる。背面光ファイバフェースプ
レートの大きな役割は、背面照射源からの集光を促し、
液晶ディスプレイの視感度効率を向上させることにあ
る。

【００２０】上記米国特許出願の第５および第６実施例
では、第３および第４実施例の構成に加えて、背面光フ
ァイバフェースプレートと背面偏光板との間に、スペク
トル選択カラー干渉フィルタ（ホログラフィックフィル
タ）のモザイクアレイがさらに設けられる。このカラー
干渉フィルタのモザイクアレイによって、背面照射源か
ら発光される赤色スペクトル、緑色スペクトルおよび青
色スペクトルの各発光ピークに合致する狭いスペクトル
帯域を形成することができる。フィルタは、画素アレイ
の赤色素子、緑色素子および青色素子に空間的に位置合
わせされ、狭帯域の光を対応画素まで透過させる。各フ
ィルタでは、スペクトル帯域外の照射光が反射して背面
光ファイバフェースプレートから拡散体に戻る。拡散体
は、戻ってきた照射光を反射し、背面光ファイバフェー
スプレートからフィルタに戻す。このように照射光は効
果的に「再利用」されて適切なスペクトル帯域でフィル
タを通過する。スペクトル干渉フィルタやホログラフィ
ックフィルタは角度の影響を受けやすいことから、背面
光ファイバフェースプレートによって背面照射源および
拡散体からの入射角が制約される。この色選択フィルタ
アレイが加わったことによって、液晶ディスプレイ装置
の光学層や、前面側のＲＧＢ選択フィルタアレイからな
るカラーフィルタを伝搬する光のスペクトル帯域を制約
して、ディスプレイ装置の前面でＲＧＢ選択フィルタの
吸収によって生じる損失を最小限に抑えることができ
る。その結果、直視型カラー液晶ディスプレイの視感度
効率および色再現性がともに向上することとなる。

【００２１】米国特許出願第２１５４５４号では、視野
角の問題を解決するにあたって、液晶セルの収容要素お
よび前面カバープレートとして前面光ファイバフェース
プレートを用いる。この前面光ファイバフェースプレー
トは、流動的な液晶材料に直接に接触したり、場合によ
って一体形成された薄フィルム形偏光板に接触したり
し、これによって前面ガラス基板は省略される。こうし
た前面光ファイバフェースプレートによって、光学的に
活性な液晶材料面から現れる偏光は、光ファイバの出口
開口で他の画像面に受け渡される。したがって、前面光
ファイバフェースプレートの背後の液晶層やその他の液
晶ディスプレイ用光学層はディスプレイ観察者の視覚方
向から切り離され、その結果、ディスプレイ観察者は、
光ファイバフェースプレートが受け渡しを行った画像面
から現れる偏光を目にすることとなる。仮に、液晶層を
通過した光が光ファイバフェースプレートに受容される
にあたって受光円錐角が狭い場合（すなわちθ_max ＩＮ
が小さい場合）、ディスプレイ観察者が目にするのは、
液晶ディスプレイの垂線周りに形成される狭い円錐視野
領域内に現れる液晶層およびその他の光学層の光学的効
果である。このとき、結合された光ファイバフェースプ
レートに対する視覚方向は関係しない。その一方で、光
ファイバフェースプレートからの出力や、ほぼ屈折率が
合致する素材から構成されて結合された追加層からの出
力で偏光を発散させた場合（すなわちθ_max ＯＵＴが比
較的大きい場合）、直視透過型の液晶ディスプレイに対
して満足のいく比較的広い円錐視野領域を確保すること
ができる。したがって、液晶層の出口面に対する垂線周
りの狭い円錐視野領域を伝搬してきた光で形成された画
像は合理的な角度で視認される。また、光ファイバフェ
ースプレートの方位角平均化特性が円錐視野領域の対称
性を確保することから、液晶ディスプレイの異方性は効
果的に平均化される。さらに、光ファイバフェースプレ
ートは液晶層の出力から直接に画像を受け渡すことか
ら、吸収性のカラーフィルタを液晶セル内に配置せずに
光ファイバフェースプレートの出力に配置することがで
きるといった付随的利益も得られる。かかる構成は、光
ファイバフェースプレートの出力面に対する蒸着によっ
て達成されたり、光ファイバフェースプレートの出力面
に隣接する基板上にフィルタを配置することによって達
成されたりする。その結果、フィルタ処理やセル構造が
簡素化され、使用される色フィルタ材料の自由度を増加
させ、スペクトル選択性能の自由度を増加させる。

【００２２】前面および背面光ファイバフェースプレー
トは光ファイバアレイを備え、この光ファイバアレイで
は、個々の光ファイバが隙間クラッディング材を介して
互いに溶着され、所望の厚みを持った１枚の板に切断さ
れ研磨される。当業者に周知のように、様々な光学特性
を持った光ファイバフェースプレートを製造することが
できる。光ファイバは、制御された入射角で入射した光
を内部反射によって通過させる。ただし、大きな入射角
で入射してくる光を拒絶したり吸収したりすることもで
きる。背面光ファイバフェースプレートの光ファイバに
進入する光を大きな受光角θ_max ＩＮで集光するには、
開口数（ＮＡ）の大きい光ファイバフェースプレートを
用いたり、例えば空気といった低屈折率の境界面に結合
させたりすればよい。また、前面光ファイバフェースプ
レートから出ていく光を散乱させて比較的大きな放光角
θ_max ＯＵＴを確保するには、同様に、開口数の大きな
光ファイバフェースプレートを用いたり、低屈折率の境
界面に結合させたりすればよい。逆に、開口数の小さな
光ファイバフェースプレートを用いたり、例えばプラス
チックやポリイミド、光学ガラスといった比較的に高屈
折率の境界面に結合させたりすれば、背面光ファイバフ
ェースプレートからの放光角θ_max ＯＵＴや、前面光フ
ァイバフェースプレートへの受光角θ_max ＩＮが制限さ
れる。

【００２３】適切な境界面で大小任意のθ_max ＩＮおよ
びθ_max ＯＵＴを組み合わせると、方位角平均化特性と
の協働によって、後述するように、注目すべき特質を生
み出す。すなわち、ディスプレイ観察者は、比較的大き
な観察角でディスプレイ表示を視認することができるに
も拘わらず、直視透過型カラー液晶ディスプレイに一般
的に見受けられる非均一性や異方性とは異なり、観察角
の変化に応じて画像コントラストや色度はわずかにしか
変化しない。しかも、背面照明源からの光は比較的大き
な受光角で背面光ファイバフェースプレートに進入する
ことができる。進入した光は、背面光ファイバフェース
プレートの出力面に達すると比較的小さな放光角に縮減
され、ディスプレイの光学系を通過していく。一旦背面
光ファイバフェースプレートの出力面を通過すると、光
は比較的細い光線で光学系を通過する。続いて、前面光
ファイバフェースプレートの出力面に到達すると、その
光線は再び大きな円錐角（立体角）に拡張され、広い視
野角が得られる。このように背面光ファイバフェースプ
レートを使用すれば、照射源から集光されて液晶ディス
プレイの光学系を伝搬する光の量が増大し、前面光ファ
イバフェースプレートのみを用いる場合に比べ視感度効
率が向上する。

【００２４】θ_max ＩＮおよびθ_max ＯＵＴを制御する
にあたって重要な要因として、光ファイバフェースプレ
ートの開口数と、光ファイバフェースプレートとの間で
境界を形成する光学層の屈折率とが挙げられる。開口数
によって、レンズ系でのｆ／＃ナンバーと同様に、光フ
ァイバの集光力が示される。次式は、開口数、θ_maxお
よび境界層の屈折率Ｎの基本的な関係を示す。

【００２５】

【数１】 ここで、ＮＡ：光ファイバフェースプレートの開口数、
θ_max ：光ファイバフェースプレートの最大受光立体角
または最大放光立体角、Ｎ₀ ：周囲の境界層の屈折率、
Ｎ_fib ：光ファイバの屈折率、およびＮ_clad：クラッデ
ィング材の屈折率である。光ファイバフェースプレート
を出て、光学層を伝搬し、最終的に空気との境界面で液
晶ディスプレイから出射する光の屈折角を計算する必要
もある。各光学的境界ごとに光の屈折角を計算していく
と、最終的に、液晶ディスプレイの出口での光の角分布
を推定することができる。第１光学媒体の屈折率を
Ｎ₁ 、第２光学媒体の屈折率をＮ₂ とおくと、次式によ
って、第１および第２光学媒体の境界面における屈折角
を計算することができる。

【００２６】

【数２】 ここで、θ_ref ：屈折角、θ_inc ：入射角、Ｎ₁ ：第１
光学媒体の屈折率、およびＮ₂ ：第２光学媒体の屈折率
である。

【００２７】以上から、光ファイバフェースプレートの
開口数は光ファイバの屈折率Ｎ_fibおよびクラッディン
グ材の屈折率Ｎ_cladに依存することがわかる。また、光
ファイバフェースプレートの受光立体角θ_max ＩＮおよ
び放光立体角θ_max ＯＵＴは光ファイバフェースプレー
トとの境界を成す素材の屈折率Ｎ₀ に依存することもわ
かる。本発明では、小さな角分布を与えるθ_max は３０
度以下であり、大きな角分布を与えるθ_max は５０度以
上であると定義される。

【００２８】図１は、前述の関係を満たす一般的な光フ
ァイバ１０を示す。θ_max で定義される円錐１２に沿っ
て光ファイバ１０に進入する光は、完全に内部反射さ
れ、実質的な損失なしに光ファイバ１０に沿って伝搬す
る。光ファイバ１０を取り巻く物質の屈折率（Ｎ₀ ）が
入口面と出口面とで等しければ、入射角と等しい出射角
θで光は光ファイバ１０から出射する。θ_max で定義さ
れる円錐１２から外れて光ファイバ１０に進入する光
は、光ファイバ１０の長さ方向にわたって完全に案内さ
れるわけではなく、隣接するクラッディング材１４にリ
ークする。

【００２９】光ファイバ中を途中でリークした光線は、
クラッディング材１４を通過して光ファイバ束すなわち
溶着されたフェースプレートの他の光ファイバに進入す
る。ただし、光線は、ここでも同じくリークして、光フ
ァイバ束やフェースプレートを横切り続ける。図２およ
び図３は、光ファイバ１０の開口数が変化した際に生じ
る効果を示す。図２では、光ファイバ１０の開口数は小
さく、受光円錐角１２ａも小さい。図３では、開口数が
大きく受光円錐角１２ｂが大きい。すなわち、ファイバ
１０の開口数が大きくなるほど、入口および出口でのθ
_max が大きくなる。

【００３０】一般に、光ファイバ１０に入った光は、フ
ァイバの長さ方向に伝搬するにつれてファイバの中心軸
回りに回転する。ファイバ入力面の垂線に対して所定の
入射角θで入った光は、入射角と等しい出射角θで放出
される。ただし、光線の方位角位置Φは回転する。この
方位角の回転は、光ファイバ１０内で光線が反射する回
数に依存する。一般に、スキュー光線は、メリジオナル
光線に比べ、大きな回転を受ける。液晶ディスプレイに
光ファイバフェースプレートを適用する場合には、照射
光の中でもスキュー光線が光ファイバに進入する。

【００３１】前述のように、溶着された光ファイバ束す
なわちフェースプレートでは、受光円錐内の光線も受光
円錐外の光線もファイバの屈曲した内面に起因する方位
角回転を受ける。このような方位角回転は、図４に示す
ように、任意の傾斜角θで進入する入射光１１を方位角
位置Φ回りで平均化し、出射光は立体角２θの中空円錐
１６を形成することになる。中空円錐１６となって現れ
る出射光は方位角位置Φ回りで平均化されているので、
透過光の光強度はどの方位角位置でも等しい。この方位
角に沿った平均化特性によって、輝度やコントラストに
異方性を有する液晶ディスプレイに光フェースプレート
が結合されると、大きな角度にわたって対称的な視覚特
性を形成することができる。

【００３２】光刺激効果を解釈するにあたって考慮しな
ければならない重要な点には、目の有効受光円錐や、測
光器および分光放射計といった有効光刺激用測定器の有
効受光円錐がある。人間の目の受光円錐はきわめて小さ
く、目が受け入れる光の立体角は狭い。言い換えれば、
人間の目の開口数は小さい。図５には、受光円錐角θが
小さい人間の目が示される。円錐角θを決定する要因に
は、瞳孔の直径および観察距離が挙げられる。受光円錐
角はａｒｃｔａｎ（瞳孔の直径／観察距離）から計算さ
れる。一般に、瞳孔距離は、瞳孔（開口絞り）２２と網
膜結像面２４との距離によって定義され、観察距離は、
瞳孔２２と平面１８との距離によって定義される。瞳孔
の直径が３ｍｍであって観察距離が５０８ｍｍの場合、
受光円錐角は約０．３４度となる。光学系測定機器にも
同様の幾何学的考察が適用される。ディスプレイや対象
物で代表される観察平面１８上のいずれの点で画像を見
ても、観察者の目が受け取るのは、観察平面１８から発
光されたり反射されたりする光が形成する角分布のわず
かな範囲である。

【００３３】光ファイバフェースプレートの方位角に沿
った平均化特性によれば、観察平面１８からの情報が空
間的に平均化され、情報の低域空間フィルタリングが行
われる。光ファイバフェースプレートおよび液晶ディス
プレイの第１光学層（例えば偏光板）の屈折率がほぼ一
致すると仮定すると、低域空間フィルタリングの度合い
は、観察角や、光ファイバフェースプレートの入口から
観察平面までの距離、観察者の目の受光円錐角、光ファ
イバフェースプレートおよび視野媒体（空気）間の屈折
率に応じて変化する。図６には、液晶ディスプレイ３２
に光ファイバフェースプレート２４を結合することによ
って生じる空間平均化が幾何学的に示される。観察者の
目２０からの視線が軸上にあるとき、液晶ディスプレイ
３２からの情報は投射領域内で平均化される。投射領域
は、目２０の受光円錐角と、液晶ディスプレイ３２から
光ファイバフェースプレート２４の入力面までの距離
と、視野媒体の屈折率（空気中ではＮ_m ＝１．０）およ
び光ファイバフェースプレート２４の屈折率間の比とに
よって画成される。円錐２７は、軸に沿った目２０から
の視線に空間平均化を施す円錐を示す。軸に沿った視線
に空間的な平均化が施されると、その領域は次式で表わ
される。

【００３４】

【数３】 ここで、ｄ：観察平面上の投射領域の直径、ＰＤ：瞳孔
の直径、Ｖ_d ：観察距離、Ｎ_FOFP：光ファイバフェース
プレートの屈折率、およびｔ：光ファイバフェースプレ
ートの入力面から観察平面までの距離である。

【００３５】図６では、距離ｔは２００ミクロンに、瞳
孔の直径は３ｍｍに、観察距離は５０８ｍｍに、光ファ
イバフェースプレートの屈折率Ｎ_FOFPは１．５に設定さ
れ、空間平均化が施される領域は０．７９ミクロンとな
る。この程度の低域フィルタリングは知覚されず、液晶
ディスプレイの画素配列が生じさせる高域空間の周波数
ノイズを減衰させる際に役立つわけではない。しかし、
光ファイバフェースプレート内で軸に沿って空間平均化
が施される際に生じる低域フィルタリングが視覚的な画
像劣化をもたらすこともない。

【００３６】最大の空間平均化を得るには、光ファイバ
フェースプレート２４のθ_max に観察角を合わせる。か
かる状態に係る目２１が図６に示される。目２１からの
軸外れ視線に対して空間平均化が施される場合、液晶デ
ィスプレイからの情報は環状領域内で平均化される。環
状領域の外径は、光ファイバフェースプレート２４の入
力面での角度θ_max に対応する中空円錐の外径に等し
く、環状領域の幅は、目２１の受光円錐角と、光ファイ
バフェースプレート表面上の垂線に対する観察角θと、
視野媒体の屈折率（空気でＮ_air ＝１．０）および光フ
ァイバフェースプレートの屈折率間の比とによって決定
される。中空円錐２８は、目２１からの軸外れ視線に対
して空間平均化が施された際の円錐視野領域である。こ
のときの空間平均化は以下の２式で表わされる。

【００３７】

【数４】 ここで、ｄ_a ：観察平面上の投射環の外径、θ_max ：光
ファイバフェースプレートの入力面に対する最大受光円
錐角の１／２、ｔ：光ファイバフェースプレートの入力
面から観察平面までの距離。

【００３８】

【数５】 ここで、Ｗ_a ：観察平面上の投射環の幅、θ：光ファイ
バフェースプレートの垂線に対する角度、ｔ：光ファイ
バフェースプレートの入力面から観察平面までの距離、
Ｎ_FOFP：光ファイバフェースプレートの屈折率、ＰＤ：
瞳孔の直径、Ｖ_d：観察距離。

【００３９】軸外れ視線に対する空間平均化の具体例と
して、図６では、距離ｔ＝２００ミクロン、瞳孔の距離
ＰＤ＝３ｍｍ、観察距離Ｖ_d ＝５０８ｍｍ、光ファイバ
フェースプレート２４の屈折率Ｎ＝約１．５、開口数Ｎ
Ａ＝０．６６が設定される。光ファイバフェースプレー
ト２４の入力面には、屈折率１．５の偏光板３０が接す
る。かかる状態では、光ファイバフェースプレート２４
の入力面に対するθ_{ma x} ＝約２６．１度となる。空間平
均化が施される環領域の外径は約１９６ミクロンとな
る。光ファイバフェースプレート２４の出力面に対する
θ_max は約４１．３度となることから、この角度が光フ
ァイバフェースプレートの垂線に対する観察角θに対応
する。その結果、空間平均化が施される環領域の幅は
０．５９ミクロンとなる。

【００４０】観察平面の環領域内で画素情報に空間平均
化を施すことは、光ファイバの特性として好ましいとは
言えない。しかし、光ファイバフェースプレートが液晶
ディスプレイ３２に結合された際に、光ファイバフェー
スプレートの入力面と観察平面との間の距離がわずかで
あれば、軸外れ視線に対して環領域で行われる空間平均
化は表示画像の劣化をほとんど引き起こさない。

【００４１】以上のように、日本特願平７−５３１０３
号に記載される光ファイバフェースプレートは、液晶層
と隣接して組み込まれることによって、かなり広い視野
角と均一な画素情報出力を達成している。しかし、軸外
れで光ファイバフェースプレートに入射した光は、光フ
ァイバを透過しきれずリークし、光ファイバ間のクラッ
ディング材から散乱放射されて観察者の有効視野角に入
り込み、表示コントラスト低下の原因となっている。

【００４２】本発明は、かかる実情に鑑みてなされたも
ので、光ファイバフェースプレートを使用して、一層広
い視野角で均一かつ対称的な表示性能を達成することが
できるとともに、軸外れで入射した光の散乱を防止する
ことによって、表示コントラストおよび視感度効率を著
しく改善することができる直視型液晶ディスプレイ装置
を提供することを目的とする。

【００４３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、フェースプレートの前面と背面と
の間で延びる複数の光ファイバと、フェースプレート内
でこれら複数の光ファイバの間隙を埋めるクラッディン
グ材とを備え、クラッディング材の少なくとも前面に
は、不透明なマスキングが施されることを特徴とする。
クラッディング材にマスキングを施すことによって、ク
ラッディング材で散乱された軸外れ光が観察者の円錐視
野領域内に入り込むことを防止し、コントラスト比およ
び視感度効率を大幅に改善することができる。しかも、
このような光ファイバフェースプレートを液晶ディスプ
レイの前面に用いることにより、均一で、かつ、対称的
な視角領域を持つ液晶ディスプレイが実現され、その結
果、液晶ディスプレイの用途を確実に広げることが可能
となる。

【００４４】また、本発明によれば、光ファイバフェー
スプレートをカラー液晶ディスプレイの液晶層と十分に
近接して配置することによって、液晶面での画素情報の
空間平均化によるコントラスト低下を最小限に抑えるこ
とができる。

【００４５】なお、「光ファイバフェースプレート」の
語句は最も広義に解釈されるべきであって、光ファイバ
フェースプレートの基本的な光学特性を示すものは全て
これに含まれるものとする。したがって、完全な内部反
射特性を有し、入力面および出力面で開口数を制御する
ことができ、回転方位角の平均化特性を有し、背面から
前面への対象面の平行移動を行うことができれば、溶着
した光ファイバフェースプレートを含む任意の物質層を
本発明に用いることができる。しかも、これらの基本的
な光学特性を有するならば任意の材料を使用することが
でき、当業者にとって自明な限り、光学的に均等な光フ
ァイバフェースプレートを生成することができる。こう
いった均等物には、例えば、複数の光学特性を有してマ
イクロ加工または予備成形されたガラス基板やプラスチ
ック基板や、物理的なアラインメントや応力によって異
なる屈折率すなわち複屈折を示す二重性材料を含んだ様
々な網状重合体、屈折率の連続性を途切れさせる境界面
が画成される複数の円筒から構成される基板などが含ま
れる。

【００４６】

【発明の実施の形態】図７〜１２は、日本特願平７−５
３１０３号に開示される実施形態に対応する。これらの
実施形態を詳細に説明すれば、本発明の理解を助けるこ
ととなるであろう。図７には、バックライト源６０と、
拡散板６２と、背面直線偏光板６４と、液晶セル６６
と、色選択フィルタのモザイクアレイ６８と、前面直線
偏光板すなわち検光子７０ａとを備えるバックライト付
き直視透過型カラー液晶ディスプレイ装置が示される。
バックライト源６０は、集光／配光用光学系を持った３
帯域熱陰極蛍光ランプまたは３帯域冷陰極蛍光ランプで
あることが好ましい。液晶セル６６は、マトリクスアド
レッシング素子７４およびＩＴＯ画素電極を有する背面
ガラス板７２と、液晶層７６と、前面保持板７８とを備
える。液晶層７６には捩れネマチック液晶材料が含まれ
ることが好ましい。前面保持板７８は、本発明に係る光
ファイバフェースプレートとして構成され、前面ガラス
板として機能することとなる。

【００４７】光ファイバフェースプレート７８の背面に
は、ＩＴＯ共通電極とアラインメントポリイミドとが蒸
着される。光ファイバフェースプレート７８は、背面カ
バーガラス板７２およびそのマトリクスアドレッシング
素子７４とともに用いられて液晶層７６を挟み込む。光
ファイバフェースプレート７８は複数の光ファイバから
構成される。光ファイバは、クラッディング材を挟んで
互いに溶着された後、所定の厚さまで切断および研磨さ
れる。液晶層７６の前面に接触する光ファイバフェース
プレート７８は、光ファイバフェースプレート７８の出
口面すなわち前面に存在する画像平面に向けて、液晶層
７６内を伝搬してきた光線を受け渡す。

【００４８】通常、軸外れ視線では、液晶材料および偏
光板の光学特性や、液晶ディスプレイを構成する全ての
素材を通過する光路長の影響に起因して、画像コントラ
ストや色度、その他の光学特性が変化する。しかし、光
ファイバフェースプレート７８では、液晶層を通過して
きた光線は、完全に内部反射しない限り光ファイバを透
過しきれない。光ファイバを透過させるには、光ファイ
バフェースプレート７８の開口数や、光ファイバフェー
スプレートに接する物質の屈折率に応じて光線の立体角
を制限する必要がある。その結果、観察者は、どのよう
な観察角からでも、直接に液晶ディスプレイを見ること
はない。なぜなら、光ファイバフェースプレート７８に
よって、液晶層７６やその背後の光学素子は、光フェー
スプレート７８の前面から出射する光線から切り離され
るからである。また、光ファイバフェースプレートの方
位角に沿った平均化特性によって、方向的な異方性が解
消され、いずれの方位角位置でも均一な画像が提供され
る。したがって、軸外れ角度の比較的大きな領域にわた
って観察者が光ファイバフェースプレートから受け渡さ
れる画像は、軸外れ角度の一層小さな液晶ディスプレイ
を直接に観察する場合（光ファイバフェースプレートを
用いない場合）に比べ、何ら変わりがない。大きな観察
角にわたって、コントラストおよび色表示性能や、表示
画像の均一性が向上することとなる。

【００４９】光ファイバフェースプレート７８では、液
晶層７６に隣接する背面（入力面）に特定の開口数が設
定される。例えば、開口数は０．８０に、液晶の屈折率
は約１．６に、受容円錐角θ_max ＩＮはａｒｃｓｉｎ
［（１／１．６）０．８］＝３０度に設定されると、光
ファイバフェースプレートを伝搬する光は比較的小さな
立体角３０度に制限される。立体角θ_max ＩＮ＝３０度
の範囲外にある光線は、光ファイバからリークしたり、
場合によって、光ファイバフェースプレート７８のクラ
ッディング材による域外吸収（ＥＭＡ：ｅｘｔｒａｍｕ
ｒａｌ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）によって吸収される。
光ファイバフェースプレートは、液晶層を伝搬してきた
光線を比較的小さな円錐角で受け取ることから、比較的
コントラストが高く色再現性が良好な光線のみが光ファ
イバフェースプレート７８の出力面に伝搬される。光フ
ァイバフェースプレート７８の出力面では、光ファイバ
フェースプレート７８の出力側境界面や、光ファイバフ
ェースプレートに接する液晶ディスプレイの光学層に対
して、液晶材料の屈折率とほぼ等しい比較的高い屈折率
が得られる。したがってθ_max ＩＮ＝θ_max ＯＵＴ＝３
０度が成立する。光ファイバフェースプレートの出力側
では、直線偏光板やカラーフィルタその他全ての光学層
の素材は約１．６の屈折率を備え、これらの光学層が屈
折率整合接着剤で相互に接合されていると仮定すると、
光ファイバフェースプレートの出射角と同一の角度θ
_max ＯＵＴ＝３０度で光線はこれらの光学層を次々と伝
搬し続ける。空気と接する液晶ディスプレイの最終光学
境界面では、液晶ディスプレイから出射する光線の立体
角は、最終光学境界面に生じる屈折角θ_ref ＝ａｒｃｓ
ｉｎ［（１．６／１．０）ｓｉｎ３０°］＝５３．１３
度に従って拡張される。すなわち、本実施形態に係る直
視型液晶ディスプレイでは、液晶ディスプレイ全体のθ
_max ＯＵＴすなわち有効視野角は５３．１３度となる。
言い換えれば、液晶層やその上流側の光学層を伝搬し、
入射時に立体角が制限されることによって良好なコント
ラストおよび良好な色再現性を引き起こすことができる
光線は液晶ディスプレイの最終光学境界面から大きな出
射角で出射する。しかも、光ファイバフェースプレート
の方位角に沿った平均化特性に起因して、出力側では、
極めて大きな立体角にわたって良好なコントラストおよ
び色再現性が得られる。

【００５０】焦点をしっかりと合わせて最大限鮮明な画
像を得たり、隣接画素間の光学的クロストークを防止す
る（例えば、カラー液晶ディスプレイで空間的にモザイ
ク形のカラーフィルタを使用すると、クロストークによ
って色再現性の悪化を引き起こす）には、光ファイバフ
ェースプレート７８の入力面はディスプレイの画素形成
平面に近接配置されなければならない。すなわち、光フ
ァイバフェースプレート７８の入力面と液晶ディスプレ
イの画素形成平面との距離は、ディスプレイの画素サイ
ズに比べて小さくされなければならない。液晶ディスプ
レイの画素形成平面は液晶層７６であって、一般的な画
素サイズは１００〜４００ミクロンであることから、光
ファイバフェースプレート７８の入力面は非常に液晶層
７６に接近して配置される。両者間には、せいぜい数百
オングストロームの厚みのＩＴＯ膜や液晶アラインメン
ト層が介在するだけである。したがって、液晶セル６６
を通過してきた光の偏光状態は、光ファイバフェースプ
レート７８によって保持される。そういった光の偏光状
態は、背面直線偏光板６４で最初に偏光されたままであ
ったり、液晶層７６のＴＮ構造やＳＴＮ構造によって回
転したりする。このような偏光状態は、前面直線偏光板
すなわち検光子７０ａによって適切に検出され、液晶セ
ル６６の光変調機能が発揮されることとなる。したがっ
て、光ファイバフェースプレート７８の構成にあたって
は、光ファイバフェースプレート７８を伝搬する光の偏
光状態が光ファイバによって実質的に乱されないことが
必要とされる。仮に、光ファイバフェースプレート内の
内部反射によって偏光状態が実質的に乱されるとすれ
ば、液晶ディスプレイのコントラストが悪化する。

【００５１】様々な大きさや開口数を有する光ファイバ
フェースプレートは、米国マサチューセッツ州Ｓｏｕｔ
ｈｂｒｉｄｇｅ所在のＩｎｃｏｍ社光ファイバ部門や、
米国マサチューセッツ州Ｓｔｕｒｂｒｉｄｇｅ所在のＧ
ａｌｉｌｅｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ社、米国
マサチューセッツ州Ｓｏｕｔｈｂｒｉｄｇｅ所在のＳｃ
ｈｏｔｔ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ社から入手するこ
とができる。光ファイバフェースプレートには、偏光維
持特性を持った光ファイバで構成されるものも含まれ
る。また、様々な光学特性や偏光特性を有する特殊な光
ファイバは、米国コネチカット州Ｗｅｓｔ Ｈａｖｅｎ
所在の３Ｍ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆ
ｉｂｅｒｓから入手することができる。

【００５２】一具体例に係る高画質の直視型カラー液晶
ディスプレイは、複数の赤色フィルタ素子、緑色フィル
タ素子および青色フィルタ素子から構成されるカラーフ
ィルタのモザイクアレイ６８を備える。各フィルタ素子
は、ディスプレイ画素に対応する。カラーフィルタのフ
ィルタ素子の個数は、ディスプレイの解像度や大きさに
依存している。

【００５３】カラーフィルタのモザイクアレイ６８は、
広範囲の観察角にわたって比較的均一な色選択を実施す
ることができる色吸収フィルタのモザイクで構成される
ことが好ましい。スペクトル吸収フィルタが機能する
と、比較的広い帯域の照射源から光が取り込まれ、その
広い帯域のスペクトルの中から特定の帯域が付着染料ま
たは付着顔料によって吸収される。吸収されなかった帯
域のスペクトルは吸収フィルタを通過する。例えば、赤
色フィルタは、可視スペクトル中の波長の長い赤色帯域
を透過させつつ、緑色帯域や青色帯域のスペクトルを吸
収する。ガラス結合剤やプラスチック結合剤を用いて構
成された標準的な色吸収フィルタは様々な製造業者を通
じて入手される。

【００５４】前述したように、液晶セル内にフィルタ６
８を配置するにあたっていくつかの問題が浮かび上が
る。標準的なガラスフィルタやプラスチックフィルタを
用いて液晶セル内にモザイクを形成することはできず、
特殊な色吸収フィルタの薄膜素材を用いなければならな
い。この素材は、液晶セル基板内面や収容部材内面に対
し、例えば、カラー液晶ディスプレイの前面側セルガラ
スや背面側セルガラスの内面に対し、各色ごとの領域に
直接に蒸着される。こういった処理すなわち成膜を達成
するために、通常、スピンコートが用いられる。このス
ピンコートに使用されるフィルタ材料はかなり限定され
る。加えて、液晶セルの形成時にフィルタを形成しなけ
ればならないことから、フィルタ材料には、液晶材料や
他の処理工程で形成される被膜保護層に対する親和性が
要求される。薄膜カラーフィルタのモザイクを形成する
にあたって使用される色吸収フィルタ材料は、例えば米
国ミズーリ州Ｒｏｌｌｏ所在のＢｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅ
ｎｃｅｓ社や日東電工、凸版印刷といった多くの業者を
通じて入手される。

【００５５】さらに、直視型カラーＴＮ液晶ディスプレ
イといった典型的なカラー液晶ディスプレイでは、液晶
セルの外側にカラーフィルタのモザイクを形成するにあ
たっていくつかの問題が浮かび上がる。例えば、カラー
フィルタと液晶層との間に隙間があると、軸外れ視線で
はパララックスが生じ、ディスプレイの画素と、画素に
対応するカラーフィルタとの間に位置ずれが生じる。し
たがって、一般に、高解像度カラー液晶ディスプレイで
は、液晶セル内にカラーフィルタのモザイクが配置され
ることが要求される。

【００５６】本実施形態では、液晶セルの前面保持部材
として光ファイバフェースプレート７８を用いることか
ら、液晶層の画素形成用平面は光ファイバフェースプレ
ート７８の出力面に対して案内される。したがって、薄
膜色吸収材で形成されるカラーフィルタのモザイクアレ
イ６８が、薄膜色吸収材を用いて光ファイバフェースプ
レート７８の前面すなわち出力面に直接に蒸着された
り、色吸収フィルタのモザイクアレイ６８を含んだ別個
の基板が、光ファイバフェースプレート７８および前面
偏光板７０ａ間で光ファイバフェースプレート７８の出
力面に直接に接着されたりすることができ、液晶ディス
プレイの画素とその画素に対応するカラーフィルタとの
間では、パララックスに起因する位置ずれが極力抑制さ
れる。

【００５７】カラーフィルタのモザイクを液晶セルの外
側に配置することができることで、例えばガラスやプラ
スチック、ゼラチンといった様々な材料からフィルタ材
料を選択することが可能となる。その結果、スペクトル
選択性の高いフィルタ材料を用いることによって液晶デ
ィスプレイの色再現性を向上させたり、カラーフィルタ
を液晶セルとは別個に処理することによって処理コスト
を低減したりすることができる。

【００５８】前面偏光板すなわち検光子７０ａは、背面
偏光板６４と同一の構造および特性を持った直線偏光板
である。日本のニットー、サンリツ、米国マサチューセ
ッツ州Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ所在のＰｏｌａｒｏｉｄ社と
いった供給業者から、多様な厚さや吸光比の偏光板が提
供されている。

【００５９】図８は第２実施形態を示す。この第２実施
形態では、前面偏光板７０ａに代えて、光ファイバフェ
ースプレート７８の入力面に隣接して液晶セル６６内に
前面偏光板すなわち検光子７０ｂが配置される。かかる
構成によれば、液晶層７６から出る光の偏光状態は光フ
ァイバフェースプレート７８に入る前に分光され、その
結果、光ファイバフェースプレート７８の光ファイバ内
で偏光が解消された際に生じるコントラストの低下を回
避することができる。ただし、液晶層内に画素形成面が
存在することから、液晶ディスプレイの画素サイズに比
べて前面偏光板７０ｂの厚みを比較的小さくしなければ
ならない。一般に、液晶ディスプレイの画素サイズは約
１００〜４００ミクロンなので、厚さ約１５０〜２５０
ミクロンの通常の高効率偏光板を前面偏光板７０ｂに用
いると、画像の鮮明度の低下と、隣接画素間のクロスト
ークとをもたらし不適切である。そこで、米国特許第５
１８１１３０号や米国特許第２４００８７７号、米国特
許第２４８１３８０号、米国特許第２５４４６５９号に
開示されるように、前面偏光板７０ｂを形成するにあた
って位置決めされた有機染料の薄膜を用い、偏光層の厚
みに対する画素サイズの比を最大化させる。こうした工
程で形成された偏光層の厚みは約０．５〜５０ミクロン
となる。また、米国ケンタッキー州Ｗｉｌｌｉａｍｓｔ
ｏｗｎ所在のＳｔｅｒｌｉｎｇ Ｏｐｔｉｃｓ社から入
手される薄膜偏光子コーティングを用いてもよい。

【００６０】第３および第４実施形態によれば、図９お
よび図１０に示すように、背面偏光板６４と拡散板６２
との間に背面光ファイバフェースプレート８０が挿入さ
れる。空気に接する入力面を拡散板６２に向けた背面光
ファイバフェースプレート８０では、入力面は空気に接
するとともに拡散板６２に向けられ、出力面は１．６と
いった比較的高い屈折率の背面直線偏光板６４に接着さ
れる。このような状態で背面光ファイバフェースプレー
ト８０を組み込むことにより、液晶ディスプレイの視感
度効率に著しい増加が見られる。この視感度の増加は、
背面照射源６０から照射されて光学拡散板６２で拡散さ
れた光の光ファイバフェースプレート８０に対する集光
角が大きくなることに起因する。

【００６１】第１および第２実施形態では、前面光ファ
イバフェースプレート７８に対しθ_max ＩＮより大きな
入射角で入ってくる軸外れの光線が全て光ファイバによ
って内部反射するわけではなく、出口までたどり着かな
かったりクラッディング材のＥＭＡによって吸収された
りすることがある。前述のように、θ_max ＩＮ＝約３０
度とすれば、光ファイバフェースプレート７８が通過さ
せるのは立体角３０度の範囲内で入射する光線だけであ
って、この立体角３０度の範囲外の角度で入射した光
は、液晶ディスプレイの出力面での光像の生成に役立た
ずに無駄となる。第３および第４実施形態のように、前
述と同様な屈折率で拡散板６２と背面偏光板６４との間
に背面光ファイバフェースプレート８０を配置すれば、
開口数０．８の光ファイバフェースプレートを用いたと
して、背面光ファイバフェースプレート８０の入力時に
θ_max ＩＮ＝ａｒｃｓｉｎ［（１／１．０）０．８］＝
５３．１３度が得られ、背面光ファイバフェースプレー
ト８０の出力時にはθ_max ＯＵＴ＝ａｒｃｓｉｎ［（１
／１．６）０．８］＝３０度が得られる。背面光ファイ
バフェースプレート８０の追加によって一層大きな立体
角にわたって集光が行われ、続いて、ほとんど損失なく
伝わって前面光ファイバフェースプレート７８の立体角
に対応する立体角で出射していくこととなる。かかる構
成によれば、背面照射源６０から照射されて光学拡散板
６２によって拡散された光は効率的に集光され、液晶デ
ィスプレイの視感度効率を向上させ、一層明るいディス
プレイ像を提供することとなる。図９および図１０に示
す第３および第４実施形態は、第１および第２実施形態
に、各々、背面光ファイバフェースプレート８０を組み
込んだものに対応する。

【００６２】第３および第４実施形態によれば、第１お
よび第２実施形態に比べ、液晶ディスプレイの視感度効
率が向上するが、カラーフィルタのモザイクアレイ６８
では吸収フィルタによって未だに大きな視感度の低下が
もたらされる。この種のフィルタでは、色選択にあたっ
て余分な波長までもが吸収されてしまうからである。デ
ィスプレイの入力スペクトルの全域に及ぶ比較的広帯域
のスペクトル入力が、モザイクアレイ６８を構成するＲ
ＧＢ（赤、緑、青）の各カラーフィルタを通過すると仮
定すると、各フィルタでは、入力した光の約２／３が吸
収され無駄にされる。例えば、赤色フィルタでは、長波
長の赤色光は通過し、中間波長の緑色光や短波長の青色
光は吸収されてしまう。かかる悪効率にも拘わらずほと
んど全ての直視型カラー液晶ディスプレイで吸収フィル
タを用いて色選択を行っている理由は、吸収フィルタに
よって広い観察角にわたって満足のいく色再現性が得ら
れるからである。さらに一層効率的な色選択フィルタと
して、多層誘電干渉フィルタやホログラフィック型フィ
ルタが挙げられる。これらのフィルタは、通過帯域の波
長を吸収せずに反射するといった有効な特性を持ってい
る。しかし、このようなフィルタの動作では、通過する
光波と反射する光波との間で位相関係を変化させ、これ
によって建設的な干渉と破壊的な干渉とを生じさせる。
その結果、光路長すなわち光の入射角の影響を受けやす
い。フィルタが有効に作動するための角度が制限される
ことによって、一般の直視型カラー液晶ディスプレイに
対する適用が制限されてしまうのである。

【００６３】背面光ファイバフェースプレート８０を用
いた第３および第４実施形態では、光ファイバフェース
プレートの出力面に対する光の立体角が制限されること
から、干渉型フィルタやホログラフィック型フィルタが
独特の使用方法によって適用され、カラー液晶ディスプ
レイの視感度効率や色再現性を向上させることができ
る。図１１および図１２に示す第５および第６実施形態
では、第３および第４実施形態での背面光ファイバフェ
ースプレート８０および背面直線偏光板６４間にカラー
干渉フィルタすなわちホログラフィックフィルタのモザ
イクアレイ８２が挿入される。基本的には、液晶ディス
プレイ素材の光学的構成に応じて、背面光ファイバフェ
ースプレート８０と前面フィルタモザイクアレイ６８と
の間であればモザイクアレイ８２の位置を様々に設定す
ることができる。モザイクアレイ８２は、赤色フィルタ
素子や緑色フィルタ素子、青色フィルタ素子を含み、各
素子の解像度および位置はモザイクアレイ６８に直接に
対応する。例えば、モザイクアレイ８２の赤色素子は任
意の画素位置でモザイクアレイ６８の赤色素子に対応す
る。スペクトル選択性能の高い干渉フィルタ用材料は、
例えば米国カリフォルニア州Ｓａｎｔａ Ｒｏｓａ所在
のＯｐｔｉｃａｌ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｌａｂｏｒａｔｏ
ｒｉｅｓ社から入手される。ホログラフィ処理によって
形成されたスペクトル選択性能の高いフィルタ用素材
は、米国デラウェア州Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ所在のＤｕ
Ｐｏｎｔ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓの光学素子
事業を通じて入手される。

【００６４】干渉フィルタやホログラフィックフィルタ
のモザイクアレイ８２によれば、以下のようにして液晶
ディスプレイの視感度効率と色再現性とが向上する。例
えば、赤色フィルタといった長波長の通過に調整された
モザイクアレイ８２上の１つの素子に、赤といった波長
の長い可視光線が衝突し、その波長がそのフィルタを通
過したとする。緑色や青色といった中間波長および短波
長の可視光線は、赤色干渉フィルタ素子や赤色ホログラ
フィックフィルタ素子に吸収されずにこれらの素子によ
って背面光ファイバフェースプレート８０に向けて反射
される。反射した波長は再び拡散板６２に衝突する。拡
散板６２によってこれらの波長は乱反射され、背面光フ
ァイバフェースプレート８０から再度モザイクアレイ８
２に戻る。モザイクアレイ８２では、再び、赤色といっ
た長波長を通過させる任意の素子に衝突する。こういっ
た光の動きが繰り返され、最終的に、長波長の光に対し
て通過帯域を有する１つの素子に光が衝突することとな
る。同様の動きは、中間波長（緑）や短波長（青）にも
当てはまる。また、モザイクアレイ６８のフィルタ素子
に対して、モザイクアレイ８２のフィルタ素子がしっか
りと対応していることから、モザイクアレイ８２が波長
すなわち色の事前選択を実行することによって、モザイ
クアレイ６８のフィルタ素子は「波長または色の最終選
択」すなわち「波長または色の微調整」を行えばよく、
モザイクアレイ６８のフィルタ素子では吸収がほとんど
行われない。したがって、これらの第５および第６実施
形態では、光をより有効に使用することができ、広い視
野角を確保しつつ液晶ディスプレイの視感度効率および
色再現性を一層向上させることができる。

【００６５】光波が任意の障害や境界を突き進む際に生
じる直進伝搬からの乖離は「回析」とよばれる。障害に
は、ナイフエッヂやピンホールのような不透明媒質や、
屈折率の異なる２つの透明媒体によって画成される境界
が挙げられる。境界や障害を通じて直進経路から光が逸
れたり屈折したりすると、回析を受けた光が境界から離
れた任意の平面に投射された際にその光の任意の点では
光強度分布が拡散作用または回析パターンとして現われ
る。１つの開口を透過する光では、光路の回析度すなわ
ち屈折度は、開口の大きさおよび形状と、光源からの光
の波長とによって決定される。加えて、開口から離れた
位置での回析パターンでは、開口から観察面までの距離
が影響する。遠視野での回析パターンは、一般に、フラ
ウンホーファー回析パターンと呼ばれる。レンズの円形
開口、ストップ（ｓｔｏｐ）、瞳孔などが制約となる光
学系では、フラウンホーファー回析パターンはエアリー
ディスクと呼ばれる。エアリーディスクは、円形開口を
通過する光によって生じ、中央の明るいスポットと、そ
のスポットを取り巻いて急速に強度が減少していく一連
のぼやけた輪とを規定するベッセル関数の第１式によっ
て表わされる。エアリーディスクの最初の暗い輪には、
回析点の光強度の約８４％が含まれる。すなわち、エア
リーディスクは、回析が制限された光学系で生じる不鮮
明な輪ともいえる。

【００６６】光ファイバフェースプレートに対する回析
の影響を考慮するにあたって、本発明では、光ファイバ
フェースプレートに入射する光の分散角に焦点が当てら
れる。図１３に示すように、光ファイバフェースプレー
トは、複数の光ファイバおよび間隙クラッディング材が
相互に溶着されてなるプレートを備える。光ファイバと
クラッディング材とは２つの異なる小開口集合を構成す
る。光ファイバ９０の入力面および出力面は小さな円形
開口９４と考えられる。入力面および出力面に見られる
クラッディング開口９２の形状や大きさは幾分不規則で
ある。ただし、ここでは、理解のために、クラッディン
グ開口９２を円形開口とみなし、その直径は全てのクラ
ッディング開口９２の平均値に設定される。軸線に沿っ
て照射光１１が光ファイバフェースプレートに入射する
と、回析によって光路は角分布を生じる。回析度すなわ
ち光路の角分布の幅は開口の直径に反比例し、開口が小
さいほど、光ファイバフェースプレートを伝搬する光は
大きな屈折角で回析されるようになる。クラッディング
開口９２はファイバ開口９４の比較にならないくらい小
さく、入射光を最大角度で回析する。図１３に示す相対
フラウンホーファー回析パターン（またはエアリーディ
スク）は、ファイバおよびクラッディング材の回析によ
る角分布を観察者９６の網膜上に投影した際に得られ
る。観察者９６は、光ファイバフェースプレートから所
定の距離離されている。回析によって生じる分散角は次
式で求められる。

【００６７】

【数６】 ここで、θ_diffr ：エアリーディスクの第１暗輪に対応
する角度の１／２（°）、Ｄ：円形開口の直径、および
λ：光の波長である。

【００６８】上式で、公称ファイバ直径を７ミクロンと
し、公称クラッディング材直径を０．５ミクロンとする
と、５５０ｎｍの入射光では、エアリーディスクの第１
暗輪に対応する回析角は、ファイバ開口９４では約５．
４９度、クラッディング開口９２では約７６．９度とな
る。照射光が軸に沿って入射し、光ファイバフェースプ
レートが結合された液晶ディスプレイの観察者の視線が
軸に沿っている場合、光ファイバフェースプレートの回
析はディスプレイの輝度をわずかに低下させる。その理
由は、図５と関連して述べたように、目（および測光計
器）の視野円錐領域が小さいせいである。

【００６９】光ファイバフェースプレートの回析は、光
ファイバフェースプレートを用いた液晶ディスプレイを
軸に沿った視線で見る際に、変則的なコントラスト低下
を生じさせる。この仕組みを解明することによって、軸
に沿って液晶ディスプレイを観察した際に生じるコント
ラストの低下を効果的に抑制することができる手段を開
発することができると考えられる。この問題に言及する
にあたって、前述した一般のＴＮ液晶ディスプレイやＳ
ＴＮ液晶ディスプレイでコントラスト性能がいかに観察
角によって左右されるかを考察してみる。軸に沿った視
線で観察する場合、この種の液晶ディスプレイのコント
ラスト比は非常に高い。視線が軸から離れていき光の伝
搬角度が大きくなるほど漸進的なコントラストの悪化が
見られる。観察されるコントラストの悪化が漸進的とは
いえ、前述したように等方性を示すわけではない。極端
に大きな軸外れ角では、ディスプレイのコントラストが
逆転して反転画像となる場合もある。ただし、こうした
軸外れのコントラストの悪化が、軸に沿った視線に対す
る高いコントラスト性能に影響するわけではない。目や
ほとんどの測光計器では受光円錐が小さいからである。
しかしながら、このような液晶ディスプレイに光ファイ
バフェースプレートが結合されると、軸に沿った視線の
ときでも、光ファイバフェースプレートを持たない液晶
ディスプレイのコントラスト性能レベルよりも光ファイ
バフェースプレート付き液晶ディスプレイのコントラス
ト性能が劣ってしまう。軸に沿った視線のときでも、光
ファイバフェースプレート付き液晶ディスプレイのコン
トラスト性能を改善することは重要な課題なのである。

【００７０】光ファイバフェースプレート付き液晶ディ
スプレイで、光が軸外れの角度で伝搬し、軸に沿った視
線時のコントラスト性能を悪化させる場合、光の角度の
方向が変化することによって光の一部が観察者の目や測
光計器の小さな受光円錐に結合させられると考えられ
る。図１４では、入射光１００はバックライトといった
光源から現れる。光の入射角は、光ファイバフェースプ
レートの入力面の垂線から開いた角度である。出力面で
は、ファイバ開口９４とクラッディング開口９２との回
析によって、光は伝搬方向周りに角分布する。開口の大
きいファイバ開口９４では、回析角が比較的に小さく、
観察者の目９６や計器の受光円錐内に多くの光を散乱す
ることはない。しかし、開口がずっと小さなクラッディ
ング開口９２では、軸外れに散乱する光の角分布範囲が
極めて大きく、著しい量の軸外れ光が目９６や測光計器
の小さな受光円錐内に導入される。液晶ディスプレイか
らの軸外れ光（すなわちコントラストの悪化）は、光フ
ァイバフェースプレートのクラッディング開口９２で回
析され、目９６や計器の小さな受光円錐内に送り込ま
れ、結果として、光ファイバフェースプレート結合の液
晶ディスプレイで軸に沿った視線の際にコントラスト性
能が著しく悪化することになる。

【００７１】光ファイバフェースプレート結合の液晶デ
ィスプレイで、軸に沿った視線の際のコントラストを飛
躍的に向上させるには、図１５に示すように、光ファイ
バフェースプレートのクラッディング開口９２にマスキ
ング（被覆）を施せばよい。図１５では、光ファイバフ
ェースプレートのクラッディング材１０２にマスキング
が施され、このマスキングによって、クラッディング開
口９２が観察者の円錐視野領域に向けて軸外れの光を回
析することが防止される。クラッディング材１０２にマ
スキングを施した光ファイバフェースプレートが結合さ
れた液晶ディスプレイを評価した結果、この手法の有効
性が追認され、軸に沿った視線時のコントラスト性能が
飛躍的に向上した。こういった回析や、クラッディング
開口９２にマスキングを施した光ファイバフェースプレ
ートによって、日本特願平７−５３１０３号に開示され
た発明を大幅に改善させることができる。

【００７２】図１６には、透明なクラッディング開口９
２を持った溶着光ファイバフェースプレート１５０が示
される。一方、図１７には、マスキングされた不透明な
クラッディング開口９２を持った溶着光ファイバフェー
スプレート１５２が示される。このマスキングは、光フ
ァイバフェースプレートの前面を遮蔽膜で被覆し、その
遮蔽膜でクラッディング開口９２のみを覆わせることに
よって達成される。成膜では、例えば、光ファイバフェ
ースプレートに金属／酸化金属間反射防止膜を施し、続
いて、クラッディング開口９２の不透明膜を維持しつつ
ファイバ開口９４の膜をパターンニングで取り去ること
によって形成される。膜の非反射特性によって光ファイ
バフェースプレートから周囲への反射が抑制される。か
かる抑制によって、高輝度で軸外れ方向から暗状態に回
析された光が、軸に沿った方向に結合することを防止
し、これによって、軸に沿った視線時やあらゆる状態で
のコントラスト比が大幅に改善される。この種の膜層
は、例えば米国カリフォルニア州Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒ
ａ所在のＮａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ社から入手され
る。その他の被覆手法を本発明に適用してもよい。例え
ば、化学的性質の異なる材料でファイバコア９０および
クラッディング材を形成することもできる。光ファイバ
フェースプレートのクラッディング材は、続いて、気体
処理によって不透明にされる。

【００７３】上述したように、バックライト６０から照
射された軸外れの光は、液晶フラットパネルディスプレ
イを構成する受動光学素子および能動光学要素の積層を
横切り、その結果、光ファイバフェースプレートを出射
した後に回析によるコントラスト悪化をもたらす。軸外
れの光の伝搬を緩和したり補償したりするために、輝度
強調フィルム（ＢＥＦ：ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｅｎｈ
ｅｎｃｉｎｇ ｆｉｌｍ）や負の位相差板が用いられる
こともある。伝搬の緩和や補償が、光ファイバフェース
プレートで回析される軸外れ光の量を抑制しコントラス
トを改善させる。

【００７４】通常、ＢＥＦは拡散板と液晶ディスプレイ
パネルとの間に配置される。このＢＥＦを用いてバック
ライトアセンブリからの光の分布状態が制御される。デ
ィスプレイで用いるには非効率的な角度でバックライト
アセンブリから光が出射すると、光は液晶ディスプレイ
を横切る前に小さい角度に折り込まれる。この折り込み
によって、小さな有効受光角内で表示輝度と効率とを増
大させる。この仕組みはルー（Ｌｕ）によって立証され
た（ＳＩＤ ９３ Ｄｉｇｅｓｔ、３３頁参照）。従来
から、ＢＥＦを用いて、バックライトの輝度を向上させ
たり、その寿命を延命化させたりしていた。同一の輝度
レベルを相対的に低い電力で達成することができるから
である。ＢＥＦは、例えば米国ミネソタ州Ｓｔ．Ｐａｕ
ｌ所在の３Ｍ社から入手される。ＢＥＦによれば、光が
光ファイバフェースプレートに達する前に、軸外れの光
を可能な限り軸に沿った光に折り込み、光ファイバフェ
ースプレートの回析作用を抑制することができる。

【００７５】図１８は光学素子の積層を示す。ＢＥＦ１
１０、１１２は、拡散板に続いて互いに直交する方向に
重ねられ、４５度の角度に配向された第１偏光板に到達
する前に、可能な限りの軸外れ光を軸に向けて折り込
む。図１８は単なるシステム構成の一可能性を示すに過
ぎない。ＢＥＦや偏光板、液晶材料の方向や、表面パラ
メータ（プレチルト角／捩れ角など）を変えることによ
って、ディスプレイに適用される際に所望の性能を実現
することができる。ＢＥＦ１１０、１１２の向きによっ
て、入射光を漏斗状に狭めてディスプレイの随所に行き
わたらせることもでき、この場合、コントラストがより
高くなって望ましい。こういった概念は、ホログラフィ
拡散フィルムとして知られる他の輝度強調フィルム（例
えば米国ミシガン州Ａｎｎ Ａｒｂｏｒ所在のＫａｉｓ
ｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｔｅｍｓ社のＨａｌｏＢｒ
ｉｔｅホログラフィック拡散フィルム）を使用しても同
様の効果が達成される。ホログラフィック拡散フィルム
を互いに直交させて前述の効果をねらってもよい。ＢＥ
Ｆ技術とホログラフィック拡散技術との協働によってさ
らに効果的な適用例も考えられる。

【００７６】光ファイバフェースプレートを横切る軸外
れ光および回析を抑制すべく、他の手法を用いて軸外れ
光の作用を補償することもできる。図１９に示すよう
に、液晶層と第２偏光板との間に負の位相差板を配置す
ることによって軸外れ光の作用が補償される。負の位相
差板の光路長は、液晶層の光路長と大きさが等しく、向
きが反対である。光路長はΔｎｄ／λで定義される。こ
こで、Δｎは屈折率、ｄは位相差板の厚さ、λは積層を
横切る光の波長である。印加電圧によって液晶セルの方
向が完全に揃うと（いわゆるホメオトロピック状態）、
液晶セルに進入する軸外れ光はコントラストにとって最
も有害な要因となる。ホメオトロピック状態の光は、液
晶の複屈折によって通常（Ｎ_o ）成分と異常（Ｎ_e ）成
分とに分解される。この光は、第２偏光板から漏れ出て
コントラストを悪化させる。図１９に示す積層中の負の
位相差板によって補償を行えば、通常光線および異常光
線は、第２偏光板に進入する前に再び統合される。図１
９では１枚のＢＥＦが使用されている。ただし、適用先
に応じ、光学特性の向上を図って、２枚以上のＢＥＦを
必要とする場合もあれば、全く必要としない場合もあ
る。また、拡散板やＢＥＦに代えて、あるいは、これら
光学素子と組み合わせて、ホログラフィック散乱技術を
光学素子の積層に適用してもよい。負の位相差板を用い
て軸外れ光の漏れを最小限に留めれば、光ファイバフェ
ースプレートの回析の影響を小さくして表示コントラス
トを改善することができる。

【００７７】光ファイバフェースプレートの受動光学素
子を液晶ディスプレイシステムの最後の光学素子として
用いると、液晶ディスプレイの視野角特性が大幅に改善
される。視野角特性は、等コントラスト図として知られ
る極図式によって表される。この等コントラスト図では
等コントラスト比曲線が描かれる。液晶ディスプレイシ
ステムを構成する光学素子の積層に光ファイバフェース
プレートを組み込む場合、最良の等コントラスト図（原
点を中心とした同心円）が得られる。光ファイバフェー
スプレートの方位角平均化作用によって、従来の液晶デ
ィスプレイの視野角が改善される。例えば、Ｔｅｒｒｙ
ＳｃｈｅｆｆｅｒおよびＪｕｒｇｅｎＮｅｈｒｉｎｇ
著「Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ ａｎｄ Ｓｕｐ
ｅｒｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ Ｍｏｄｅ ＬＣ
Ｄｓ」（Ｂ．Ｂａｈａｄｕｒ編集「Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒ
ｙｓｔａｌｓ： Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄＵ
ｓｅｓ」Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、Ｓｉｎｇ
ａｐｏｒｅ、１９９０年）を参照していただきたい。非
常に視野角の狭い液晶ディスプレイセルを設計した場
合、光ファイバフェースプレート要素の方位角平均化作
用が乏しい視野角性能を完全に補償することとなる（例
えば図２０を参照のこと）。視野角特性が非常に制限さ
れ（この制限によってスタンドアロンタイプのディスプ
レイに対する適用が制限される）、図２０の等コントラ
スト図に示すような均一な高コントラスト領域を有する
液晶ディスプレイセルを設計した場合、光ファイバフェ
ースプレートがこのセルの視野角特性を完全に対称的に
変換する（すなわち原点周りの同心円）。コントラスト
を飛躍的に向上させるには、このようなセルをＢＥＦや
ホログラフィック拡散フィルムとともに使用してもよ
い。例えば、ＢＥＦあるいはホログラフィック拡散フィ
ルムを使用すれば、バックライトの光強度はほとんどが
液晶ディスプレイの狭い観察角方向に導かれ、光ファイ
バフェースプレートを通じて方位角平均化作用が施され
る。

【００７８】光ファイバフェースプレート（または光学
的な均等物）が結合された液晶ディスプレイの光学特性
によれば、高コントラストで、対称的な広視野角を持っ
た製品を実現することができる。しかし、適用例によっ
ては、視野角の広さよりも他の特性が重要となる場合も
ある。例えば、エビオニクス環境下では、周囲光が非常
に強いことがあり（１００００ｆｃ以上）、ディスプレ
イ表面からの反射によって表示コントラストが著しく低
下することがある。また、エビオニクス環境下では、広
い角度でディスプレイから放射すなわち漏洩する迷光が
コックピット内の様々な表面で反射し、この反射が問題
となることがある。かかる反射によって、エビオニクス
環境や他の光学的用途では、高コントラストおよび単純
な光学系、比較的低コストといった特性を有するノーマ
リホワイトモードのＴＮ液晶ディスプレイを使用するこ
とが困難となる。特に、バブルキャノピー（操縦席上の
透明な円蓋）を有する軍事用コックピットでは問題が深
刻となる。様々な角度からディスプレイに光が入射し、
表示コントラストを低下させる上に、湾曲したバブルキ
ャノピーがディスプレイからの漏れ発光の多様な反射を
さらに増長するからである。域外吸収特性の高い比較的
厚みのある光ファイバフェースプレートを液晶ディスプ
レイに結合すれば、エビオニクス環境や周囲光の強い環
境下でも有利である。特に、域外吸収が軸外れ照射を吸
収することによって、第１に、ディスプレイ表面に入射
する強い周囲光によるコントラスト低下を最小限に抑え
ることができ、第２に、傾斜角度で漏れ出てくる表示光
を低減することができるからである。このような高い域
外吸収特性を持った光ファイバフェースプレートを液晶
ディスプレイに用いる手法は、例えば３Ｍ社が製造する
前述の輝度強調フィルム（ＢＥＦ）と組み合わさって、
ディスプレイ表面の垂線周りの狭い円錐角内で出力輝度
を高めることができ、しかも、周囲光によるコントラス
ト低下に対して抵抗力を発揮し、迷光の放出を低減する
ことができる。また、光ファイバフェースプレートを通
過する光は効果的にごたまぜにされ、光ファイバフェー
スプレートが結合された液晶ディスプレイから放射され
た光はしっかりと消偏される。かかる消偏によって、デ
ィスプレイの観察者が偏光サングラスやゴーグルを着用
するエビオニクス環境やアウトドア環境下で有利とな
る。

【００７９】光ファイバフェースプレートが結合された
液晶ディスプレイの採用が特に有効な分野には、水平お
よび垂直の双方のディスプレイ配置が必要な環境への適
用が挙げられる。標準的な液晶ディスプレイでは、コン
トラストや輝度性能が角度によって非対称であることか
ら、同一のディスプレイを水平方向および垂直方向の双
方に向けることができない。特定の観察方向を確立すべ
く、標準的な液晶ディスプレイやその液晶配向は最適化
される。光ファイバフェースプレートが結合された液晶
ディスプレイによれば、実質的にディスプレイの向きと
は関係なく、均一かつ対称的なコントラストおよび輝度
を提供することができ、その結果、性能を劣化させるこ
となく１つのディスプレイを水平方向にも垂直方向にも
用いることができる。かかる特徴によれば、物理的に回
転可能な液晶ディスプレイによって、ワークステーショ
ンのＣＲＴディスプレイで行われていたように景観やポ
ートレートのページの向きを調整することができる。ま
た、どの向きにも使えることによって、同サイズおよび
同特性の液晶ディスプレイとの間で、部品を交換するこ
とができ、共通部品によってコスト低減を図ることがで
きる。ただし、部品は水平方向および垂直方向双方の向
きで使用されなければならない。同様のことが、エビオ
ニクスなどの不安定な環境への適用例にもあてはまる。

【００８０】本発明を良好な実施形態に基づいて述べて
きたが、これは一例に過ぎず、本発明を限定するもので
はない。当業者にとって、本発明の原理と範囲を離れる
ことなく、多様な変形が可能である。

【００８１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、クラッデ
ィング材から漏れ出る光を抑制して、液晶ディスプレイ
のコントラストおよび視感度効率を飛躍的に向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 光ファイバを通過する光の伝搬原理を示す図
である。

【図２】 開口数の小さな光ファイバでの光の伝搬を示
す図である。

【図３】 開口数の大きな光ファイバでの光の伝搬を示
す図である。

【図４】 光ファイバ内の光の伝搬によって全方位角に
わたって平均化された中空放光円錐を示す図である。

【図５】 観察者の目に対する小さな受光円錐を示す図
である。

【図６】 光ファイバフェースプレートを通じて対象平
面での情報が空間平均化される様子を示す図である。

【図７】 前面光ファイバフェースプレートが適用され
たバックライト付き直視型透過カラー液晶ディスプレイ
の分解斜視図である。

【図８】 光ファイバフェースプレートの入力面に隣接
して液晶セルに一体化された偏光板がさらに組み込まれ
た図７のディスプレイの分解斜視図である。

【図９】 背面光ファイバフェースプレートがさらに組
み込まれた図７のディスプレイの分解斜視図である。

【図１０】 背面光ファイバフェースプレートがさらに
組み込まれた図８のディスプレイの分解斜視図である。

【図１１】 モザイク形アレイのカラー干渉（ホログラ
フィック）フィルタがさらに組み込まれた図９のディス
プレイの分解斜視図である。

【図１２】 モザイク形アレイのカラー干渉（ホログラ
フィック）フィルタがさらに組み込まれた図１０のディ
スプレイの分解斜視図である。

【図１３】 軸外れで入射した光に対する光ファイバフ
ェースプレートの光回析を示す図である。

【図１４】 軸外れで入射した光に対する光ファイバフ
ェースプレートの光回析を示す図である。

【図１５】 本発明に係る光ファイバフェースプレート
の部分斜視図である。

【図１６】 透明なクラッディング開口を有する光ファ
イバフェースプレートを示す図である。

【図１７】 不透明なクラッディング開口を有する光フ
ァイバフェースプレートを示す図である。

【図１８】 光ファイバフェースプレートとともに直交
するＢＥＦが組み込まれた液晶ディスプレイシステムを
示す図である。

【図１９】 光ファイバフェースプレートとともに負の
位相差フィルムが組み込まれた液晶ディスプレイシステ
ムを示す図である。

【図２０】 視角は限られるが均一の高コントラスト性
能を有する液晶ディスプレイの高コントラスト図であ
る。

【符号の説明】

１０、９０ 光ファイバ、１４ クラッディング材、９
２ クラッディング開口、９４ ファイバ開口、１０２
不透明クラッディング開口、１１０、１１２ＢＥＦ、
１５０、１５２ 光ファイバフェースプレート。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス ジー フィスク アメリカ合衆国 カリフォルニア州 キャ ンベル アカプルコ ドライブ 4713 (72)発明者 グレッグ ピー クローフォード アメリカ合衆国 カリフォルニア州 パロ アルト エンバーカデロ ロード 860

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フェースプレートの前面と背面との間で
   延びる複数の光ファイバと、フェースプレート内で前記
   複数の光ファイバ間を埋めるファイバクラッディング材
   とを備え、前記ファイバクラッディング材の少なくとも
   前記光ファイバフェースプレートの前面側には不透明な
   マスキングが施されることを特徴とする光ファイバフェ
   ースプレート。