JP2005091896A - 画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】明るい表示が可能で、かつ、低コストで製造でき、立体画像表示装置として好適に用いられる画像表示装置を提供する。
【解決手段】本発明による画像表示装置は、光源を含む照明装置10と、照明装置10から出射された光を受け、偏光方向が互いに直交する2つの直線偏光P1およびP2に分離し、直線偏光P1およびP2の主光線を互いに所定の分離角だけ異なる方向に出射する偏光分離素子20と、偏光分離素子20から出射された直線偏光P1およびP2を受け、直線偏光P1およびP2をそれぞれ集光し、2つの集光スポットを形成する集光素子30と、2つの集光スポットの内の少なくとも一方の近傍に配置され当該直線偏光の少なくとも一部の偏光方向を変える第1偏光変換部42を有する偏光変換素子40と、偏光変換素子40から出射された光を用いて画像を表示する表示パネル50と、を備えている。
【選択図】図3
【解決手段】本発明による画像表示装置は、光源を含む照明装置10と、照明装置10から出射された光を受け、偏光方向が互いに直交する2つの直線偏光P1およびP2に分離し、直線偏光P1およびP2の主光線を互いに所定の分離角だけ異なる方向に出射する偏光分離素子20と、偏光分離素子20から出射された直線偏光P1およびP2を受け、直線偏光P1およびP2をそれぞれ集光し、2つの集光スポットを形成する集光素子30と、2つの集光スポットの内の少なくとも一方の近傍に配置され当該直線偏光の少なくとも一部の偏光方向を変える第1偏光変換部42を有する偏光変換素子40と、偏光変換素子40から出射された光を用いて画像を表示する表示パネル50と、を備えている。
【選択図】図3
Description
本発明は、画像表示装置に関し、特に、立体画像を表示することができる画像表示装置に関する。
2次元画像を表示する画像表示装置を用いて立体映像を表示する代表的な方法の1つは、パララックスバリア方式である。パララックスバリア方式とは、画像表示装置の前面又は後面に、光透過部と遮光部とを交互に配置した帯(バリア)を設け、このバリアを通して表示面を観察することにより、立体視を実現させる方式である。
特許文献1は、液晶表示素子(Liquid Crystal Display:以下、「LCD」と称する)の観察者側にパララックスバリアを備えた立体画像表示装置を開示している。
図18に、特許文献1に開示されている画像表示装置500を模式的に示す。画像表示装置500は、図16に示すように、観察者側から、パララックスバリア506、LCD501およびバックライト502を備えている。LCD501は、駆動用の電極や配線、薄膜トランジスタ(TFT)やカラーフィルタ等を備える一対のガラス基板503および504によって、液晶層505が挟み込まれた構成を有している。LCD501の光入射面および光出射面にはそれぞれ偏光板(図示せず)が配置されている。LCD501は、複数の画素を有し、各画素の液晶層505に電圧を印加することにより光の偏光状態を変化させて、表示を行う。
図18において、LCD501は、『左』の文字を付した画素に左眼用の映像を、『右』の文字を付した画素に右眼用の映像を表示する。パララックスバリア506は、その遮光部でLCD501からの光を遮るため、LCD501からの画像は、パララックスバリア506の光透過部を通してのみ観察者によって観察される。このとき、パララックスバリア506のパターンおよび配置を適切に設定することにより、観察者の右眼は『右』画素によって表示される映像のみ、左眼は『左』画素によって表示される映像のみを見ることができる。『左』画素および『右』画素によってそれぞれ表示される映像には視差が与えられているので、観測者は立体視を行うことができる。
なお、図18では説明の便宜上、液晶層505の厚さを誇張して示しているが、実際の液晶層505の厚さは数μmオーダーであり、mmオーダーのガラス基板503、504の厚さと比較すると非常に小さい。また、パララックスバリア506は低反射膜をつけたメタルマスクなどによって作製されているので、実際のパララックスバリア506の厚さも図示する厚さよりも小さくなる。
また、特許文献2には、パララックスバリアの有無を光学的に制御することにより、立体表示と2次元表示とを切り替えることが可能な画像表示装置が開示されている。この画像表示装置におけるパララックスバリアは、ストライプ状の1/2波長板、直線偏光を円偏光に変換する液晶セル、及び偏光板を組み合わせた構成を有している。
図19に、特許文献2に開示されている画像表示装置600を模式的に示す。画像表示装置600は、図19に示すように、観察者側から、パララックスバリア606、偏光板602、液晶表示パネル601および偏光板603をこの順で備えている。パララックスバリア606は、偏光板607、液晶セル608および位相差板アレイ(ストライプ状1/2位相差板)609を観察者側からこの順に有している。
ここで、図19および下記表1を参照しながら画像表示装置600の動作原理を説明する。液晶表示パネル601からの直線偏光(便宜的に「直線偏光A」と呼ぶ。)が位相差板アレイ609に入射すると、偏光方向が90°回転させられ、もとの直線偏光Aと偏光方向が直交する直線偏光(便宜的に「直線偏光B」と呼ぶ。)に変換されて出射される。一方、直線偏光Aのうち位相差板アレイ17の開口部を通過した光は、偏光状態が維持されるので、直線偏光Aのまま出射される。
位相差板アレイ609から出射された2つの直線偏光A、Bは、続いて液晶セル608に入射する。液晶セル608に電圧が印加されている(ON状態)時には、表1に示すように、液晶セル608に入射した直線偏光A、Bは、それぞれそのままの偏光状態で出射される。その後、直線偏光Aと直線偏光Bのうちいずれか一方の偏光方向が偏光板607の透過軸と一致するため偏光板607から出射し、もう一方の直線偏光は偏光板607によってカットされる。このように、この画像表示装置では、位相差板アレイ609自体をパララックスバリアとして機能させることができるので、立体画像を表示できる。
一方、液晶セル608に電圧が印加されていない(OFF状態)時には、液晶セル608に入射した直線偏光AおよびBは、互いに反対周りの円偏光(「円偏光a」および「円偏光b」と呼ぶ。)に変換されて出射される。その後、これらの円偏光aおよびbのそれぞれの偏光板607の透過軸に一致した偏光成分のみが偏光板607から出射される。つまり、これらの円偏光aおよびbはいずれも部分的に偏光板607を通過することとなる。この場合には、ストライプ状1/2位相差板609はパララックスバリアとして機能しないので、2次元画像が表示される。
パララックスバリア方式は簡便な立体画像表示方式ではあるが、これを利用した従来の立体画像表示装置には、以下に示すような問題点がある。
特許文献1のパララックスバリア方式の立体画像表示装置では、LCDから出射した光の約半分がパララックスバリアの遮光部で吸収されるため、パララックスバリアが設置されていない表示装置と比べると、表示の明るさが半減する。この明るさの低下は、2次元画像表示時においても同様に発生する。
パララックスバリア方式の立体画像表示装置において、明るさを低下させずに2次元画像を表示するためには、2次元画像表示時にパララックスバリアを取り除く方法がある。しかしながら、この方法では2次元画像表示の後に再び立体画像を表示するためには、パララックスバリアを正確に所定の状態となるように設置する必要があり、実質上困難である。すなわち、パララックスバリアが液晶表示素子に対して、わずかに回転したりずれたりしたりするだけで、パララックスバリアのパターンと液晶表示素子の画素配列との間で干渉が生じてモアレ縞が形成され、その結果、立体視が妨げられる。モアレ縞が生じないように正確な位置合せを行なうための機構を製作することは可能であるが、そのためには画素ピッチよりもさらに高い精度が要求される設計や加工技術が必要となり、コスト高となるだけでなく、表示装置自体が大型化する。
次に、特許文献2のパララックスバリアの有無を光学的に制御する画像表示装置では、パララックスバリアを機能させずに2次元画像を表示する時は、全画素(右眼および左眼用画素)を両目で視認できる。そのため、解像度の高い2次元表示を実現できる。しかし、偏光板607によって円偏光aおよびbを直線偏光として観察者側へ出射する際、これらの円偏光aおよびbの1/2以上の光がカットされるので、表示の明るさが低下する。また、立体画像表示時にも光の約半分が偏光板607で吸収されるので明るさが低下する。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、明るい表示が可能で、かつ、低コストで製造でき、立体画像表示装置として好適に用いられる画像表示装置を提供することにある。
本発明による画像表示装置は、光源を含む照明装置と、前記照明装置から出射された光を受け、偏光方向が互いに直交する第1および第2直線偏光に分離し、前記第1および前記第2直線偏光の主光線を互いに分離角θだけ異なる方向に出射する偏光分離素子と、前記偏光分離素子から出射された前記第1および第2直線偏光を受け、前記第1および第2直線偏光をそれぞれ集光し、第1および第2集光スポットを形成する集光素子と、前記第1および第2集光スポットの内の少なくとも第1集光スポットの近傍に配置され当該直線偏光の少なくとも一部の偏光方向を変える第1偏光変換部を有する偏光変換素子と、前記偏光変換素子から出射された光を用いて画像を表示する表示パネルと、を備えており、そのことによって上記目的が達成される。
ある好適な実施形態において、本発明による画像表示装置は、前記表示パネルと前記偏光変換素子との間に設けられた偏光板をさらに備え、前記偏光変換素子は、前記第1集光スポットの中心を含む第1領域と、前記第2集光スポットの中心を含む第2領域とを有し、前記偏光変換素子の前記第1領域および前記第2領域から出射された直線偏光の偏光方向と、前記偏光板の透過軸とが略一致している。
ある好適な実施形態において、前記第1偏光変換部は前記第1領域のみに配置されている。
ある好適な実施形態において、前記偏光変換素子は、前記第1領域と前記第2領域との間に配置された第3領域をさらに有し、前記第3領域から出射した直線偏光の偏光方向と、前記偏光板の透過軸とが略直交している。
ある好適な実施形態において、前記偏光変換素子は、前記第3領域のうちの前記第1領域よりも前記第2領域に近い部分に配置され前記第2直線偏光のうちの一部の偏光方向を変える第2偏光変換部を有している。
ある好適な実施形態において、前記第2偏光変換部は位相差板である。
ある好適な実施形態において、前記第1偏光変換部は位相差板である。
ある好適な実施形態において、本発明による画像表示装置は、前記偏光分離素子と前記偏光変換素子との間に配置された光散乱素子をさらに備え、前記光散乱素子は、供給される電圧に応じて、入射した直線偏光の偏光方向を維持する状態と、入射した直線偏光を散乱してその偏光状態を乱す状態とをとり得る。
ある好適な実施形態において、前記照明装置は、前記光源から出射された光を受ける入射端面と前記入射端面に交差し前記入射端面から入射した光を前記偏光分離素子に向けて出射する出射面とを有する導光板を有し、前記入射端面の長手方向(延びる方向)と、前記偏光分離素子によって分離された前記第1および第2直線偏光の主光線によって規定される面とが略直交し、且つ、前記集光素子は前記第1および第2直線偏光の主光線によって規定される前記面内で前記第1および第2直線偏光を集光するように配置されている。
ある好適な実施形態において、前記導光板は、第1方向に略平行な第1辺と、前記第1方向に略直交する第2方向に略平行な第2辺とを有し、前記入射端面は前記第2方向に平行である。
ある好適な実施形態において、前記第1集光スポットと前記第2集光スポットとは、前記第1方向に沿って交互に配置されている。
ある好適な実施形態において、前記集光素子は複数のレンチキュラーレンズを備え、前記複数のレンチキュラーレンズのそれぞれの延設方向は前記第2方向と略平行である。
ある好適な実施形態において、前記複数のレンチキュラーレンズは前記第1方向にピッチPで配列されており、前記分離角θは、前記レンチキュラーレンズと前記偏光変換素子との間の距離をd、前記レンチキュラーレンズと前記偏光変換素子との間に存在する媒体の屈折率をnとすると、θ=2×tan-1(n×P/4d)の関係を満足する。
ある好適な実施形態において、前記照明装置から出射される光の、前記第1および前記第2直線偏光の主光線を含む面内の配光分布の半値幅角は約30°以下である。
ある好適な実施形態において、前記表示パネルは、第1の画像を表示するための第1画素群と、第2の画像を表示するための第2画素群とを有する。
ある好適な実施形態において、前記第1画素群が表示する前記第1の画像は右目用の画像であり、前記第2画素群が表示する前記第2の画像は左目用の画像である。
本発明による画像表示装置は、照明装置からの光を偏光方向が互いに直交する第1および第2直線偏光に分離し、第1および第2直線偏光の主光線を互いに所定の分離角だけ異なる方向に出射する偏光分離素子と、偏光分離素子から出射された第1および第2直線偏光をそれぞれ集光し、第1および第2集光スポットを形成する集光素子と、第1および第2集光スポットの内の少なくとも第1集光スポットの近傍に配置され当該直線偏光の少なくとも一部の偏光方向を変える第1偏光変換部を有する偏光変換素子と、を備えており、これらの偏光分離素子、集光素子および偏光変換素子が、協同的に視差バリア(パララックスバリア)として機能し得るので、立体表示を行うことができる。
本発明による画像表示装置では、従来のパララックスバリアのように遮光領域で光を遮るのではなく、集光スポットを形成することによって選択的に光を出射させるので、照明装置からの光を有効に利用することができ、明るい表示を実現することができる。また、明るい2次元表示を行うためにパララックスバリアを装置から取り外す必要もないので、パララックスバリアを高い位置精度で再び装置に取り付けるための複雑な機構も必要とせず、装置の小型化、低コスト化の点で有利である。さらに、従来の一般的な液晶表示装置では、照明装置から出射した光の約半分が表示パネルの光入射側に設けられる偏光板で吸収されて表示に用いることができないのに対して、本発明による画像表示装置では、照明装置からの光のほぼ全てを、表示パネルの光入射側に設けられた偏光板の透過軸に偏光方向が略一致した直線偏光として偏光変換素子から出射させることができるので、従来の一般的な液晶表示装置に比べても明るい表示を実現することができる。
このように、本発明によると、明るい表示が可能で、かつ、低コストで製造でき、立体画像表示装置として好適に用いられる画像表示装置が提供される。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図1に、本実施形態における画像表示装置100を模式的に示す。画像表示装置100は、図1に示すように、照明装置10、偏光分離素子20、集光素子30、偏光変換素子40および表示パネル50を背面側(観察者側とは反対側)からこの順で備えている。画像表示装置100は、さらに、表示パネル50と偏光変換素子40との間に設けられた偏光板61と、表示パネル50の観察者側に設けられた偏光板62とを有している。
照明装置10は、少なくとも光源を含んでいる。照明装置10としては、例えば、光源および導光板を有し、導光板の入射端面に光源が配置されたエッジライト方式の照明装置を用いることができる。
偏光分離素子20は、図2(a)に示すように、照明装置10から出射された光を受け、偏光方向が互いに直交する2つの直線偏光P1(偏光方向が紙面に平行)およびP2(偏光方向が紙面に垂直)に分離し、これら2つの直線偏光P1およびP2の主光線を互いに分離角θだけ異なる方向に出射する。偏光分離素子20によって分離された2つの直線偏光P1およびP2の主光線が規定する面は、紙面に平行である。
集光素子30は、図2(b)に示すように、偏光分離素子20から出射された2つの直線偏光P1およびP2を受け、2つの直線偏光P1およびP2をそれぞれ集光し、2つの集光スポット(点状である必要はなく、線状であってもよい。)を形成する。直線偏光P1およびP2にそれぞれ対応した2つの集光スポットは、所定の間隔で形成される。具体的には、2つの集光スポットは、従来のパララックスバリアにおける光透過領域の位置に対応するように形成される。なお、本実施形態における集光素子30は、2つの直線偏光P1およびP2を偏光分離面(紙面に平行)内で集光する機能を有している。他の方向(例えば偏光分離面に直交する方向:紙面に垂直な方向)に集光作用を有していてもよいし、有していなくてもよい。
偏光変換素子40は、図2(b)に示すように集光素子30によって形成される2つの集光スポットの内の少なくとも一方の近傍に配置され当該直線偏光(ここでは直線偏光P2)の少なくとも一部の偏光方向を変える第1偏光変換部42を有している。第1偏光変換部42は、遅相軸が所定の角度で配置された位相差板などであり、例えば直線偏光P1の偏光方向を90°回転させるように配置されたλ/2板である。従って、第1偏光変換部42は、直線偏光P1の偏光方向を変化させ、直線偏光P2の偏光方向と一致させる。
なお、ここで例示したように、第1偏光変換部42は集光素子30によって形成される2つの集光スポットの内の一方に配置すれば、一方の直線偏光の偏光方向を他方の偏光方向に一致させることができるが、これに限られない。例えば、2つの集光スポットのそれぞれに対応して第1偏光変換部42を設けて、直線偏光P1およびP2の両方の偏光方向を変化させ、いずれの偏光方向とも異なる方向で偏光方向が互いに一致にするようにしてもよい。例えば、第1偏光変換部42としてλ/2板を用いて、直線偏光P1の集光スポットに対応して設けられるλ/2板の遅相軸の方向と直線偏光P1の偏光方向とのなす角、および直線偏光P2の集光スポットに対応して設けられるλ/2板の遅相軸の方向と直線偏光P2の偏光方向とのなす角を適宜設定することによって、2つの直線偏光P1およびP2の偏光方向をもとの偏光方向とは異なる方向で一致させることができる。構成を簡略化して製造コストを低減する観点からは、2つの集光スポットの一方のみに第1偏光変換部42を設けることが好ましい。
以下では、集光素子30として、複数の半円柱状のレンチキュラーレンズ32を有する素子を用い、第1偏光変換部42としてレンチキュラーレンズ32と平行に延びる短冊状のλ/2板を用いた構成を例に本発明による実施形態を説明する。なお、図2(b)では、透明基板(例えばガラス基板)31の光入射側に集光素子30が設けられるとともに、光出射側に偏光変換素子40が設けられ、集光素子30と偏光変換素子40とが一体に構成されている場合を例示したが、勿論これに限定されず、集光素子30と偏光変換素子40とは別個の素子として分離されていてもよい。
表示パネル50は、偏光変換素子40から出射された光を用いて画像を表示する。表示パネル50は、第1の画像を表示するための第1画素群と、第2の画像を表示するための第2画素群とを有している。第1画素群は複数の第1画素を含んでおり、第2画素群は複数の第2画素を含んでいる。ここでは、表示パネル50は、偏光板61を透過した直線偏光を変調する液晶表示パネルである。第1の画像および第2の画像は、例えば右目用の画像と左目用の画像である。第1画素および第2画素を含む複数の画素は、典型的には、行および列を有するマトリクス状に配列されており、行方向および列方向のいずれか一方に沿って第1画素と第2画素とが交互に配列され、他方に沿って第1画素または第2画素が連続して配列されている。つまり、表示パネル50は、第1画素の列(または行)と第2画素の列(または行)とが交互に配置された構成を有している。従来のパララックスバリア方式の立体画像表示装置では、その光透過領域が第1画素の列(または第2画素の列)の配列ピッチとほぼ同じピッチで配列されるのに対して、本発明による画像表示装置100では、集光素子30によって形成される集光スポットが従来の方式のパララックスバリアにおける光透過部の位置に形成される。つまり、集光スポットが第1画素の列(または第2画素の列)の配列ピッチとほぼ同じピッチで配列されるように集光が行われる。
表示パネル50の光入射側(照明装置側)に配置された偏光板61の透過軸方向は、偏光変換素子40を通過した光の偏光方向と一致するように配置されている。図示した例では、偏光板61の透過軸は、紙面に垂直で、直線偏光P2を透過するように配置されている。観察者側の偏光板62の透過軸は、液晶表示パネルの表示モード(液晶層の配向モードおよびNWまたはNBモード)などに応じて、偏光板61の透過軸と所定の関係(例えば直交または平行)となるように配置されている。もちろん、偏光変換素子40から出射される直線偏光の偏光方向はこれに限られず、上述したように第1偏光変換部42を適宜変更することによって、任意の方向にすることができる。
次に、図3を参照しながら、画像表示装置100の表示原理を説明する。
照明装置10から出射した光は、偏光分離素子20によって、偏光方向が互いに直交する2つの直線偏光P1およびP2に分離され、2つの直線偏光P1およびP2が集光素子30に向けて互いに所定の分離角θだけ異なる方向に出射される。集光素子30に入射した2つの直線偏光P1およびP2は、それぞれ集光され、偏光変換素子40上に2つの集光スポットが形成される。直線偏光P2の集光スポットは、偏光変換素子40の第1偏光変換部42が設けられていない部分に形成されるので、直線偏光P2は偏光方向が維持されたまま、偏光板61に向けて出射され、偏光板61を透過して表示パネル50で表示に用いられる。一方、直線偏光P1の集光スポットは、偏光変換素子40の第1偏光変換部42に形成されるので、直線偏光P1は偏光方向が90°回転し、直線偏光P2と偏光方向が同じ直線偏光として偏光板61に向けて出射され、偏光板61を透過して表示パネル50で表示に用いられる。集光素子30によって形成される集光スポットは、従来のパララックスバリアにおける光透過領域に対応した位置に形成されるので、偏光変換素子40に入射した光は、偏光変換素子40の一部から選択的に出射する。そのため、上記偏光分離素子20、集光素子30および偏光変換素子40は、協同的にパララックスバリアとして機能し、表示パネル50の第1画素群と第2画素群とに右目用の画像と左目用の画像とをそれぞれ表示することによって、立体表示が可能になる。
このように、本発明による画像表示装置100は、協同的にパララックスバリアとして機能する偏光分離素子20、集光素子30および偏光変換素子40を有しているので、立体表示を行うことができる。画像表示装置100では、従来のパララックスバリアのように遮光領域で光を吸収するのではなく、集光スポットを形成することによって選択的に光を出射させるので、照明装置10からの光を有効に利用することができ、明るい表示(立体表示および2次元表示の両方)を実現することができる。また、明るい2次元表示を行うためにパララックスバリアを装置から取り外す必要もないので、パララックスバリアを高い位置精度で再び装置に取り付けるための複雑な機構も必要とせず、装置の小型化、低コスト化の点で有利である。また、従来の一般的な液晶表示装置では、照明装置から出射した光の約半分が表示パネルの光入射側に設けられる偏光板で吸収されて表示に用いることができないのに対して、本発明による画像表示装置100では、照明装置10からの光のほぼ全てを、表示パネル10の光入射側に設けられた偏光板61の透過軸に偏光方向が略一致した直線偏光として偏光変換素子40から出射させる事ができるので、従来の一般的な液晶表示装置に比べても明るい表示を実現することができる。
偏光分離素子20としては、例えば、図4に示す素子を好適に用いることが出来る。図4に示す偏光分離素子20は、一対の透明基板22および23と、これらの間に設けられたプリズム21aおよび光学的異方性物質層21bとを有している。プリズム21aは、紙面の上下方向に規則正しく一定の周期的で設けられた三角プリズムであり、例えば透明基板23に一体に形成され得る。
光学的異方性物質層21bは、プリズム21aの周期方向の偏光方向を有する直線偏光(ここではP1)に対する屈折率は、プリズム21aの屈折率と異なっており、これに直交する偏光方向を有する直線偏光(ここではP2)に対する屈折率は、プリズムの屈折率と略一致している。
偏光分離素子20に透明基板22の法線方向から入射した光の内の直線偏光P2にとっては、光学的異方性物質層21bおよびプリズム21aの屈折率は互いに略一致しているので、これらの界面で屈折されること無く直進する。これに対し、直線偏光P1にとっては、光学的異方性物質層21bおよびプリズム21aの屈折率は互いに異なるので、この界面で屈折される。その結果、直線偏光P1とP2とは、偏光分離素子20の透明基板23から異なる角度(分離角θ)で出射される。分離角θは、プリズム21aと光学的異方性物質層21bとの界面における屈折角を調整することによって制御され得る。
なお、図4に示した偏光分離素子20を用いて分離した2つの直線偏光P1およびP2を、集光素子30および偏光変換素子40に対して互いに対称に入射させるために、図5に示すように、集光素子30および偏光変換素子40が設けられる基板31の法線(図中の破線)が直線偏光P1とP2とのなす角(分離角)を二等分するように配置することが好ましい。このように配置することによって、液晶表示装置の視角依存の影響を最小限に抑えることができる。図5では、集光素子30以降の構成要素を偏光分離素子20の法線に対して傾ける構成としたが、表示パネル50以降、または表示パネル50のみを傾ける構成としてもよい。
また、図4に示す偏光分離素子20以外の公知の偏光分離素子を用いることもできる。例えば、図6(a)および(b)に示すような、方解石や水晶などの一軸性結晶から形成された2つのプリズムの光学軸を直交させて貼り合わせたウォラストン・プリズム20’やロション・プリズム20’’を用いてもよい。ウォラストン・プリズムおよびロション・プリズムは、例えば、辻内順平著、「光学概論II」、p193−194に開示されている。
図6(a)に示すウォラストン・プリズム20’に常光線(ここではP1)と異常光線(ここではP2)とが入射すると、2つのプリズムの光学軸が直交しているので、2つのプリズムの境界において常光線と異常光線の進行方向が変わり、常光線および異常光線はウォラストン・プリズム20’から互いに異なる方向に出射する。このとき、常光線および異常光線は、ウォラストン・プリズム20’の光出射面に対して対称な角度で出射されるので、集光素子30や表示パネル50を光軸に対して傾けなくても、液晶表示装置の視角依存の影響を最小限に抑制することができる。
図6(b)に示すロション・プリズム20’’は、光入射側のプリズムの光学軸の方向が図6(a)に示すウォラストン・プリズム20’とは異なっている。ロション・プリズム20’’に常光線(ここではP1)と異常光線(ここではP2)とが入射すると、2つのプリズムの境界において異常光線のみが進行方向を変えられるので、常光線と異常光線とを互いに異なる方向に出射することができる。
次に、図7(a)および(b)を参照しながら、集光素子30および偏光変換素子40の好ましい構成を説明する。
集光素子30は、透明基板31の光入射側にピッチPで配列されたレンチキュラーレンズ32を有し、偏光変換素子40は、透明基板31の光出射側にピッチPで配列された第1偏光変換部(λ/2板)42と、第1偏光変換部42間に配置された開口部(λ/2板が設けられていない領域)とを有している。本実施形態では、レンチキュラーレンズ32および第1偏光変換部42の配列ピッチPは、配列方向における画素ピッチの略4倍である。第1偏光変換部42は、レンチキュラーレンズ32の延設方向と略平行にストライプ状に形成されている。また、本実施形態では、個々のレンチキュラーレンズ32の幅はピッチPとほぼ一致しており、個々の第1偏光変換部42の幅は略P/4(画素ピッチとほぼ同じ)である。
レンチキュラーレンズ32に2つの直線偏光P1およびP2が入射すると、レンチキュラーレンズ32の集光機能によって、2つの直線偏光P1およびP2に対応して2つの集光スポットが形成される。具体的には、一方の直線偏光P1は第1偏光変換部42上にその集光スポットが形成され、他方の直線偏光P2は第1偏光変換部42が設けられていない部分にその集光スポットが形成される。つまり、偏光変換素子40は、直線偏光P1の集光スポットの中心を含む第1領域R1(例えば幅が略P/4)に第1偏光変換部42を有し、直線偏光P2の集光スポットの中心を含む第2領域R2(例えば幅が略P/4)には第1偏光変換部42を有していない。
図8に示すように、レンチキュラーレンズ32および偏光変換素子40は、レンチキュラーレンズ32と偏光変換素子40との間の距離をd、これらの間に存在する媒体の屈折率をnとすると、θ=2×tan-1(n×P/4d)の関係を満足するように配置されることが好ましい。なお、図8では簡単のために、透明基板31を省略し、n=1の場合を図示しているが、透明基板31として例えば屈折率が1.52のガラス基板を用いると、θ=2×tan-1(1.52×P/4d)の関係を満足するように配置される。
なお、集光スポットは収束点(光束の断面積が最も小さくなる点)と一致することを要しないが、第1偏光変換部42における集光スポットの幅は、第1偏光変換部42の幅よりも小さいことが好ましい。収束点は、例えば偏光変換素子40の近傍から表示パネル50の画素の近傍との間に形成されることが好ましい。また、偏光変換素子40上での集光スポットの中心間の間隔は、レンチキュラーレンズ32のピッチPの2分の1と略等しいことが好ましい。
偏光変換素子40の第1領域R1および第2領域R2から出射される直線偏光の偏光方向と、偏光板61の透過軸とは略一致している。集光素子30の集光機能が十分に高ければ、第1領域R1と第2領域R2との間の第3領域R3(例えば幅が略P/4)からは光はほとんど出射しないが、集光素子30の集光機能が十分ではない場合、第3領域R3からも光が出射し、この光が表示パネル50に入射すると、ゴースト(二重像)の原因となる。そのため、ゴーストの発生を抑制して表示品位を向上する観点からは、第3領域R3から出射する光の偏光方向が、偏光板61の透過軸と略直交するような構成を採用することが好ましい。
具体的には、図9に示すように、偏光変換素子40が、第3領域R3のうちの第1領域R1よりも第2領域R2に近い部分(例えば幅が略P/8)に配置され直線偏光P2のうちの一部の偏光方向を変える第2偏光変換部44を有していることが好ましい。第2偏光変換部44は、遅相軸が所定の角度で配置された位相差板などであり、例えば直線偏光P2の偏光方向を90°回転させるように配置されたλ/2板である。
このような第2偏光変換部44を有していない場合、図10(a)に示すように、第3R領域R3に入射した直線偏光P1およびP2のうち、直線偏光P1は偏光方向が偏光板61の透過軸と略直交しているので偏光板61で吸収されるものの、直線偏光P2は偏光方向が偏光板61の透過軸と略一致しているので偏光板61を透過して表示パネル50に入射し、ゴーストの原因となってしまう。
これに対して、第3領域R3の第2領域R2に近い部分に第2偏光変換部44を有していると、図10(b)に示すように、第3領域R3に入射した直線偏光P2の偏光方向は90°回転して偏光板61の透過軸と略直交する。そのため、第3領域R3に入射した直線偏光P2は、偏光板61で吸収されるので、ゴーストの発生が抑制された高品位の表示が可能になる。
次に、図11を参照しながら、本発明による他の画像表示装置200を説明する。
図11に示す画像表示装置200は、偏光分離素子20と集光素子30との間に配置された光散乱素子70を備えている点において、図1などに示す画像表示装置100と異なっている。
画像表示装置200が備える光散乱素子70は、供給される電圧に応じて、入射した直線偏光の偏光方向を維持する状態と、入射した直線偏光を散乱してその偏光状態を乱す状態とをとり得る。
光散乱素子70としては、図12(a)および(b)に示すような高分子分散型液晶セルを用いることができる。図12(a)および(b)に示す高分子分散型液晶セル70は、一対の透明基板(例えばガラス基板)71および72と、これらの間に設けられた高分子マトリクス(例えば樹脂から形成されている)73と、高分子マトリクス中に分散され液晶分子を含むドロップレット74とを有している。一対の透明基板71および72の高分子マトリクス73側の表面には、高分子マトリクス73およびドロップレット74に電圧を印加するための電極がそれぞれ形成されている。
液晶セル70の電極間に電圧が印加されていないとき、図12(a)に示すように、ドロップレット74内の液晶分子はドロップレット74の界面に沿うように配向し、ドロップレット74の屈折率と高分子マトリクス73の屈折率とが異なっている。そのため、液晶セル70に入射した直線偏光は散乱され、その偏光状態を乱されてランダムな偏光となる。
液晶セル70の電極間に十分に大きな電圧が印加されると、図12(b)に示すように、ドロップレット74内の液晶分子は透明基板71および72の法線方向に沿って配向し、ドロップレット74の屈折率と高分子マトリクス73の屈折率とがほぼ一致する。そのため、液晶セル70に入射した直線偏光はその偏光方向を維持される。
光散乱素子70を備えた画像表示装置200では、光散乱素子70が図12(b)に示すように直線偏光の偏光方向を維持する状態をとっているとき、図13(a)に示すように画像表示装置100と同様の立体表示を行うことができる。勿論、この状態で2次元表示を行うこともできる。
一方、光散乱素子70が図12(a)に示すように直線偏光を散乱する状態をとっていると、図13(b)に示すように、偏光分離素子20から出射された2つの直線偏光P1およびP2は、光散乱素子70によって散乱されてランダムな偏光となるので、集光素子30によって集光スポットは形成されず、偏光変換素子40にはランダムな偏光が到達する。偏光変換素子40に到達したランダムな偏光は、第1偏光変換部42や第2偏光変換部44を通過してもランダムな偏光のままであるので、偏光板62には偏光変換素子40のほぼ全面から出射されたランダムな偏光が到達する。つまり、この状態では、偏光分離素子20、集光素子30および偏光変換素子40は、パララックスバリアとして機能しない。そのため、この状態では、表示パネル10の画素の全てを両眼のそれぞれで視認することができ、解像度の高い2次元表示が可能になる。なお、この状態では、偏光変換素子40から偏光板62に向けて出射される光の約半分が偏光板61で吸収されるので、図13(a)に示す状態で行う2次元表示に比べれば明るさ自体は低下する。しかしながら、一般的な液晶表示装置と同様の明るさを確保できるので、パララックスバリアを備えた従来の画像表示装置に比べれば、明るく、且つ、解像度の高い2次元表示を行うことができる。
なお、ここでは光散乱素子70が偏光分離素子20と集光素子30との間に配置されている場合を例示したが、光散乱素子70は偏光分離素子20と偏光変換素子40との間であればどこに配置してもよい。
次に、照明装置10、偏光分離素子20および集光素子30の好ましい配置関係を説明する。
照明装置10としては、光源が導光板の少なくとも一方の端面(入射端面)側に配置されたエッジライト方式の照明装置を用いることができる。
図14(a)および(b)に、エッジライト方式の照明装置10を模式的に示す。照明装置10は、図14(a)および(b)に示すように、光源12と導光板14とを有している。光源12としては例えば冷陰極管を用いることができる。導光板14は、光源12から出射された光を受ける入射端面14aと、入射端面14aに交差し、入射端面14aから入射した光を偏光分離素子20に向けて出射する出射面14bとを有している。
光源12から出射され導光板14の入射端面14aから導光板14内に入射した光は、導光板14中を第1の方向(図中の矢印参照)に伝播しながら、出射面14bから偏光分離素子20に向けて出射される。線状の光源12は第2の方向(図中の矢印参照)に沿って配置されており、第1の方向は第2の方向に直交する。一般に導光板14は、第1の方向を長手方向とする長方形である。つまり、第1方向に略平行な辺と、第1方向に略直交する第2方向に略平行な辺とを有している。導光板14のB−B’線(第1の方向)に沿った断面の形状は、例えば図14(b)に示すような楔型であるが、これに限られない。特に、光源12を両側に配置した導光板はB−B’線に沿った断面形状が一般に左右対称である。
エッジライト方式の照明装置10から出射される光の強度分布(配光分布)は、図15に示すように方向依存性を有している。図15の横軸は出射面法線と出射光とが成す角度であり、縦軸は出射光強度である。ここでは、取り込み角が±60度で測定した結果を例示している。
図15に示したように、光の伝播方向である第1方向(図14(a)中B−B’線方向)においては、出射光の平行度は高く、第1方向に直交する第2方向(図14(a)中A−A´線方向)においては、出射光の平行度が低い。特に、出射光の平行度が、図14の配光分布を示すグラフにおける半値幅(FWHM)角が30°(±15°)以下であると、レンチキュラーレンズなどの集光素子で効率良く集光することが出来る。
導光板14から出射される光の強度分布は上述したような方向依存性を有しているので、導光板14の入射端面14aの長手方向(延びる方向;すなわち第2方向)と、偏光分離素子20によって分離された2つの直線偏光P1およびP2の主光線によって規定される面とが略直交し、且つ、集光素子30がその面内で直線偏光P1およびP2を集光するように配置されている構成を採用することによって、照明装置10から出射される光の内で平行度が高い方の光を効率的に利用することができ、その結果、光源12から出射される光全体の利用効率を向上することができる。
具体的には、図4に示す偏光分離素子20を用いる場合には、プリズム21aの周期方向を第1方向に略平行(第2方向に略直交)とすることによって、2つの直線偏光P1およびP2の主光線によって規定される面を第2方向に略直交させることができる。また、図7(a)および(b)に示すように集光素子30が複数のレンチキュラーレンズ32を備えている場合には、それぞれのレンチキュラーレンズ32の延設方向(延びる方向)を第2方向と略平行とすることによって、偏光分離素子20で分離された直線偏光P1およびP2の主光線を含む面内でそれぞれの直線偏光P1およびP2を集光することができる。なお、このとき、第1集光スポットと第2集光スポットとは、第1方向に沿って交互に配置(形成)される。
なお、エッジライト方式の照明装置としては、上述した冷陰極管を用いるタイプに限られず、発光ダイオード等を用いるタイプでもよい。例えば、図16(a)および(b)に示す照明装置10’のように、発光ダイオード12aを入射端面14aに線状に複数個配列してもよい。あるいは、図17(a)および(b)に示す照明装置10’’のように、2つの発光ダイオード12aの間に、導光板14の入射端面14aに対向する出射端面を有する線状の導光体12bを配置した照明装置10’’を用いてもよい。
また、本実施形態では、第1画素群および第2画素群の一方を右目に視認させ、他方を左目に視認させることによって立体画像を表示する場合を例に本発明を説明したが、本発明による画像表示装置は、第1画素群および第2画素群の一方をある観察者(例えば乗用車の運転席に座っている人)に視認させ、他方を他の観察者(例えば乗用車の助手席に座っている人)に視認させることによって、複数の観察者に対して別々の画像表示を行う用途にも用いることができる。
本発明によると、明るい表示が可能で、かつ、低コストで製造でき、立体画像表示装置として好適に用いられる画像表示装置が提供される。
本発明は、特に立体表示を行う液晶表示装置に好適に用いられ、透過型液晶表示装置にも透過反射両用型液晶表示装置にも好適に用いられる。
10、10’、10’’ 照明装置
12 光源
12a 発光ダイオード(LED)
14 導光板
14a 入射端面
14b 出射面
20 偏光分離素子
20’ ウォラストン・プリズム(偏光分離素子)
20’’ ロション・プリズム(偏光分離素子)
21a プリズム
21b 光学的異方性物質層
22、23 透明基板
30 集光素子
31 透明基板
32 レンチキュラーレンズ
40 偏光変換素子
42 第1偏光変換部
44 第2偏光変換部
50 表示パネル(液晶表示パネル)
61、62 偏光板
70 光散乱素子(高分子分散型液晶セル)
71、72 透明基板
73 高分子マトリクス
74 ドロップレット
100、200 画像表示装置
12 光源
12a 発光ダイオード(LED)
14 導光板
14a 入射端面
14b 出射面
20 偏光分離素子
20’ ウォラストン・プリズム(偏光分離素子)
20’’ ロション・プリズム(偏光分離素子)
21a プリズム
21b 光学的異方性物質層
22、23 透明基板
30 集光素子
31 透明基板
32 レンチキュラーレンズ
40 偏光変換素子
42 第1偏光変換部
44 第2偏光変換部
50 表示パネル(液晶表示パネル)
61、62 偏光板
70 光散乱素子(高分子分散型液晶セル)
71、72 透明基板
73 高分子マトリクス
74 ドロップレット
100、200 画像表示装置
Claims (16)
- 光源を含む照明装置と、
前記照明装置から出射された光を受け、偏光方向が互いに直交する第1および第2直線偏光に分離し、前記第1および前記第2直線偏光の主光線を互いに分離角θだけ異なる方向に出射する偏光分離素子と、
前記偏光分離素子から出射された前記第1および第2直線偏光を受け、前記第1および第2直線偏光をそれぞれ集光し、第1および第2集光スポットを形成する集光素子と、
前記第1および第2集光スポットの内の少なくとも第1集光スポットの近傍に配置され当該直線偏光の少なくとも一部の偏光方向を変える第1偏光変換部を有する偏光変換素子と、
前記偏光変換素子から出射された光を用いて画像を表示する表示パネルと、を備えた画像表示装置。 - 前記表示パネルと前記偏光変換素子との間に設けられた偏光板をさらに備え、
前記偏光変換素子は、前記第1集光スポットの中心を含む第1領域と、前記第2集光スポットの中心を含む第2領域とを有し、
前記偏光変換素子の前記第1領域および前記第2領域から出射された直線偏光の偏光方向と、前記偏光板の透過軸とが略一致している、請求項1に記載の画像表示装置。 - 前記第1偏光変換部は前記第1領域のみに配置されている、請求項2に記載の画像表示装置。
- 前記偏光変換素子は、前記第1領域と前記第2領域との間に配置された第3領域をさらに有し、
前記第3領域から出射した直線偏光の偏光方向と、前記偏光板の透過軸とが略直交している、請求項2または3に記載の画像表示装置。 - 前記偏光変換素子は、前記第3領域のうちの前記第1領域よりも前記第2領域に近い部分に配置され前記第2直線偏光のうちの一部の偏光方向を変える第2偏光変換部を有している、請求項4に記載の画像表示装置。
- 前記第2偏光変換部は位相差板である、請求項5に記載の画像表示装置。
- 前記第1偏光変換部は位相差板である、請求項1から6のいずれかに記載の画像表示装置。
- 前記偏光分離素子と前記偏光変換素子との間に配置された光散乱素子をさらに備え、
前記光散乱素子は、供給される電圧に応じて、入射した直線偏光の偏光方向を維持する状態と、入射した直線偏光を散乱してその偏光状態を乱す状態とをとり得る、請求項1から7のいずれかに記載の画像表示装置。 - 前記照明装置は、前記光源から出射された光を受ける入射端面と前記入射端面に交差し前記入射端面から入射した光を前記偏光分離素子に向けて出射する出射面とを有する導光板を有し、
前記入射端面の長手方向と、前記偏光分離素子によって分離された前記第1および第2直線偏光の主光線によって規定される面とが略直交し、且つ、前記集光素子は前記第1および第2直線偏光の主光線によって規定される前記面内で前記第1および第2直線偏光を集光するように配置されている、請求項1から8のいずれかに記載の画像表示装置。 - 前記導光板は、第1方向に略平行な第1辺と、前記第1方向に略直交する第2方向に略平行な第2辺とを有し、前記入射端面は前記第2方向に平行である、請求項9に記載の画像表示装置。
- 前記第1集光スポットと前記第2集光スポットとは、前記第1方向に沿って交互に配置されている、請求項10に記載の画像表示装置。
- 前記集光素子は複数のレンチキュラーレンズを備え、前記複数のレンチキュラーレンズのそれぞれの延設方向は前記第2方向と略平行である、請求項10または11に記載の画像表示装置。
- 前記複数のレンチキュラーレンズは前記第1方向にピッチPで配列されており、
前記分離角θは、前記レンチキュラーレンズと前記偏光変換素子との間の距離をd、前記レンチキュラーレンズと前記偏光変換素子との間に存在する媒体の屈折率をnとすると、θ=2×tan-1(n×P/4d)の関係を満足する、請求項12に記載の画像表示装置。 - 前記照明装置から出射される光の、前記第1および前記第2直線偏光の主光線を含む面内の配光分布の半値幅角は約30°以下である、請求項9から13のいずれかに記載の画像表示装置。
- 前記表示パネルは、第1の画像を表示するための第1画素群と、第2の画像を表示するための第2画素群とを有する、請求項1から14のいずれかに記載の画像表示装置。
- 前記第1画素群が表示する前記第1の画像は右目用の画像であり、前記第2画素群が表示する前記第2の画像は左目用の画像である、請求項15に記載の画像表示装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003326530A JP2005091896A (ja) | 2003-09-18 | 2003-09-18 | 画像表示装置 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101467192B1 (ko) * | 2008-04-04 | 2014-12-01 | 엘지이노텍 주식회사 | 영상분리표시장치 |
-
2003
- 2003-09-18 JP JP2003326530A patent/JP2005091896A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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