JP2006173046A - 面光源素子およびこれを用いた三次元表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで解像度などを低下させることなく三次元感を表現することができる面光源素子、およびこれを用いた三次元表示装置を提供する。
【解決手段】 光制御板５の各凸部４の断面形状を左右対称の形状で、かついずれか一方の光源２１に近づくに従って、一方の光源側２１の反射面部分８１の傾きが徐々に大きくなるとともに他方の光源側２２の反射面部分８２の傾きが徐々に小さくなる形状に形成することにより、各光源２１、２２ごとに各凸部４からの光の出射方向をそれぞれ徐々に変化させることが可能となるので、各光源２１、２２からの光をそれぞれ任意の異なる所定位置に出射させることができる。また、この面光源素子１を用いて、液晶表示パネル９の映像情報と光源２１、２２の点滅を同時に切り替えることにより、三次元感を表現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ビデオカメラ、カーナビゲーションシステム、パーソナルコンピュータ、コンピュータ用モニタ、テレビ受像機、広告用看板などに利用される面光源素子およびこれを用いた直視型の三次元表示装置に関する。

近年、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、携帯電話、ＰＤＡ、ビデオカメラなどの小型表示装置や、カーナビゲーションシステム、パーソナルコンピュータ、コンピュータ用モニタ、テレビ受像機、広告用看板などの中大型表示装置として広く使用されるようになっている。この液晶ディスプレイは、面状に光を発する面光源素子（バックライト）と映像情報を与える透過型または半透過型の液晶表示パネルとで構成され、該液晶表示パネルが与えた映像情報により光の透過率がコントロールされることによって文字および映像が表示される。

該液晶ディスプレイはこれまでの技術開発により、解像度、階調、色度などの面で大幅にその性能が向上されてきたが、リアリティや臨場感のために三次元感を表現することが要求される場合がある。三次元感を表現するためには人間の左右の眼に視差を持った映像を呈示しなければならず、当初簡便にそれを実現する方法として眼鏡を装着する方式が採られてきた。

その一方、眼鏡を装着する煩わしさがあるため、眼鏡を必要としない方式も開発されてきた。例えば、パララックス（視差）バリアやレンチキュラレンズを用いることにより映像情報を右眼用と左眼用に分割する方式では、眼鏡を装着することなく三次元感を表現できる（例えば、特許文献１）。
特開平７−２８７１９５号公報

しかし、上記したパララックスバリアやレンチキュラレンズを装備する方式では、容易に三次元感を表現することができる反面、映像情報を分割するために解像度などが低下する。これに対して、超高精細の液晶表示パネルを使用することなどで解像度を低下させないことも可能であるが、これらはコストアップの要因につながるという問題がある。

また、パララックスバリアやレンチキュラレンズを装備する方式では二次元の映像情報と三次元の映像情報を切り替えることはできないか、または電気的なスイッチング機構を付加するなどの方法を採らなければならず、高コスト化や構造の複雑化などの問題がある（例えば、シャープ技報、第85号・2003年4月「2D/3D切り替えが可能なディスプレイ」参照）。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、低コストで解像度や操作性などを低下させることなく三次元感を表現することができる面光源素子、およびこれを用いた三次元表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、以下の知見に基づくものである。
図８に面光源素子の一例を示す。この面光源素子は、２つの光源２１、２２が対向する側面に沿ってそれぞれ配設され、光源２１、２２からの光が入射されて面状に光を出射する板状の導光体３と、導光体３から出射された光の出射角度の分布を制御する光制御板３５とを備えている。この光制御板３５は導光体３の出射面３ａ側に設けられて、複数の凸部３４が該出射面３ａと対向する面に配列され、かつ凸部３４の頂部が該出射面３ａと密着した密着部６が形成されて、導光体３から出射する光を該出射面３ａの正面方向に向かわせる。密着部６は、図示していない接着層または粘着層を介して密着させることができる。この例における凸部３４はシリンドリカルレンズのような一次元パターンであり、その稜線は左右の光源２１、２２が配設されている導光体側面と平行（光源の長手方向と平行）となるように配置されている。

なお、面光源素子の面内の輝度分布は、各凸部３４の間隔を変調することにより調整することができる。すなわち、光源２１、２２に近い領域では伝搬光が多いため各凸部３４の間隔を広く、光源２１、２２から遠い領域（面光源素子の中央部分に相当）では伝搬光が少ないため各凸部３４の間隔を狭めればよい。

図９に示すように、各凸部３４の光源２１、２２側の両内側面に反射面３８が設けられている。光源２１、２２から導光体３に入射し、導光体３内を伝搬してきた光は光制御板３５の凸部３４と導光体３の密着部６から凸部３４内に進行し、反射面３８で反射し光制御板３５の出射面３７から出射される。光制御板３５における左側の光源２１からの代表的光線の伝搬を同図に示す。

各凸部３４の断面形状が図９のような場合、光制御板５から出射される光は垂直に近い角度を有する（なお、本明細書における凸部の断面形状とは、導光体３の対向する側面に沿って配置された光源２１、２２の長手方向に直交する方向で切断した断面形状と定義する）。つまり、光の出射角度は凸部３４における反射面３８の接線の傾きに依存する（以下、単に「傾き」と呼ぶこともある）。接線の傾きが小さい場合、入射光の向きと同じ方向に出射され出射角度も小さく（図１０）、接線の傾きが大きい場合、垂直に出射される（図９）、もしくは入射光の向きとは反対の方向に出射される（図１１）。この現象を利用することにより、出射光を任意の方向に取り出すことができる。例えば、光制御板３５の面内の全ての凸部３４を図９のような断面形状を持たせることにより出射光は略垂直方向に取り出されるため、平行光源を発する面光源素子とすることができる。なお、本明細書における「接線の傾き」は、光源２１、２２と導光体３とを含む平面と凸部３４の接線の傾きを示し、正の値をとるものとする。したがって、図９における左右の反射面の傾きは同一ということになる。

一方、面光源素子において、一方の光源からの光は光制御板３５の凸部３４の片側の反射面のみを利用し、他方の光源からの光は該凸部３４の他方の反射面のみを利用する。したがって、凸部３４の両側の傾きを同一にすることは、上述した平行光源を実現する場合には有意義であるが、該光制御板３５を使用した面光源素子の特徴を未だ十分には活かしていない問題がある。

本発明者らは上述した現象および問題について鋭意検討した結果、光制御板の凸部の左右の反射面における接線の傾きを非同一とし（ただし、面光源素子１の中央部分だけは凸部４が対称形状）、かつ左右の接線の傾きを最適化することで三次元表示装置用の面光源素子として利用できることを見出した。

すなわち、本発明にかかる面光源素子は、一対の光源が対向する側面に沿ってそれぞれ配設され、光源からの光が入射されて面状に光を出射する板状の導光体と、導光体の出射面側に設けられて、複数の凸部が該出射面と対向する面に配列され、かつ前記凸部における前記一対の光源側の両内側面に曲面状の反射面が設けられるとともに前記凸部の頂部が該出射面と密着して形成されて、導光体から出射する光を該出射面の正面方向に向かわせる光制御板とを備え、前記光制御板の各凸部を前記光源の長手方向に直交する方向で切断した各凸部の断面形状は、前記光制御板における前記光源の長手方向に直交する方向の中心線からそれぞれ左右対称の形状に形成されており、かつ、いずれか一方の光源に近づくに従って、当該一方の光源側の反射面部分の傾きが徐々に大きくなるとともに他方の光源側の反射面部分の傾きが徐々に小さくなる形状に形成されている。

この構成によれば、光制御板の各凸部の断面形状を左右対称の形状で、かついずれか一方の光源に近づくに従って、一方の光源側の反射面部分の傾きが徐々に大きくなるとともに他方の光源側の反射面部分の傾きが徐々に小さくなる形状に形成することにより、各光源ごとに各凸部からの光の出射方向をそれぞれ徐々に変化させることが可能となるので、各光源からの光をそれぞれ任意の異なる所定位置に出射させることができる。

また、本発明にかかる三次元表示装置は、上記の面光源素子の発光面上に透過型もしくは半透過型液晶表示パネルを設け、該液晶表示パネルで表示される映像情報を右眼用と左眼用に高速で切り替えるとともに、切り替えられる映像情報に同調させて前記２つの光源を交互に点滅させることにより、三次元表示を行う。

この構成によれば、各光源からの光をそれぞれ任意の異なる方向に出射することができるので、光源からの光を右眼用と左眼用に分割することができる面光源素子が得られ、液晶表示パネルの映像情報と光源の点滅を同時に切り替えることにより、解像度などを低下させることなく三次元感を表現する三次元表示装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる面光源素子を示す斜視図である。図１では、図８と異なり、光制御板５の各凸部４を光源２１、２２の長手方向に直交する方向（左右方向）で切断した各凸部４の断面形状は、光制御板５における該左右方向の中心線Ｏ（垂直面）からそれぞれ左右対称の形状に形成されている。それとともに、前記中心線Ｏを境にして、いずれか一方の光源２１、２２に近づくに従って、当該一方の光源２１、２２側の反射面部分８１、８２の傾きが徐々に大きくなるとともに他方の光源２１、２２側の反射面部分８１、８２の傾きが徐々に小さくなる形状に形成されている。その他の構成は図８と同様である。

各凸部４の反射面部分８１、８２を前記したように形成することにより、光源２１と光源２２からの光をそれぞれ異なる所定位置に出射することが可能となる。この理由を以下に説明する。

図１における光源２１に近い側（左側）の面光源素子１の一部断面図を図２に示す。なお、光源２１からの光線の軌跡を実線の矢印で表し、光源２２からの光線の軌跡を破線の矢印で表している。この場合、反射面部分８１の傾きが大きく、反射面部分８２の傾きが小さくなっている。このため、破線と実線の矢印の方向が異なり、光源２１と光源２２からの光は出射角度が異なる。

次に、図１における光源２２に近い側（右側）の面光源素子１の一部断面図を図３に示す。この場合、反射面部分８１の傾きが小さく、反射面部分８２の傾きが大きくなっている。このため、同様に光源２１と光源２２からの光はそれぞれ出射角度が異なる。図２と図３の例は面光源素子１の中心線Ｏから等距離だけ離れた位置の凸部４の断面形状を表しており、凸部４の断面形状だけでなく光の出射角度もまた左右対称となっている。なお、面光源素子１の中心線Ｏからの距離が等しくない凸部４同士では、光の出射角度は左右非対称となる。

また、図１における光制御板５の中心線Ｏ近傍の面光源素子１の一部断面図を図４に示す。この場合、反射面８１と反射面８２の傾きは等しくなり、光源２１および光源２２からの光の出射角度もまた左右対称となる。

このように、光制御板５の各凸部４の断面形状を左右対称の形状で、かついずれか一方の光源２１に近づくに従って、一方の光源２１側の反射面部分８１の傾きが徐々に大きくなるとともに他方の光源２２側の反射面部分８２の傾きが徐々に小さくなる形状に形成することにより、各凸部４の両反射面部分８１、８２の傾きを徐々に大きくするか徐々に小さく調整して、光の出射方向を徐々に変化させることが可能となるので、各光源２１、２２からの光を光制御板５からそれぞれ任意の異なる方向に出射させることができる。

図５は、仮に光源２１と光源２２のいずれか一方を設けないとした場合の面光源素子１の光の出射方向を示す側面図である。なお、光源２１のみからの出射光の軌跡を実線の矢印、光源２２からの出射光の軌跡を破線の矢印で表す。この図から、反射面８１および反射面８２のそれぞれの傾きを最適化することにより、光源２１からの光は図中のＲポイント、光源２２からの光は図中のＬポイントにそれぞれ集光することができる。したがって、ＲポイントとＬポイントの距離を観察者の右眼と左眼の間隔とし、ＲポイントとＬポイントから面光源素子１までの最短距離を観察者が表示装置を観察するときの距離と設定すると、光源２１の光を右眼のみに入射し、光源２２の光を左眼のみに入射することが可能となる。

ここで、反射面８１と反射面８２の傾きを最適化することにより、図５とは逆に光源２１からの光をＬポイント、光源２２からの光をＲポイントにそれぞれ集光することもできるが（図示しない）、光源に近い場所の凸部においては、他方の光源から伝搬されてきた光を大きく反射しなければならないため、凸部には屈折率の高い材料を使用しなければならない。仮に屈折率の低い材料を使用すると、光が全反射せずに反射面から透過する可能性がある。したがって、本発明においては、図５のような態様にすることが好ましい。

図６は上記した面光源素子１を用いた三次元表示装置の斜視図を示す。面光源素子１の出射面側に映像情報を与える透過型または半透過型の液晶表示パネル９を設ける。該液晶表示パネル９は一般的には、偏光層、光学補償層、基材層、配向膜層、液晶層、ＴＦＴ層（薄膜トランジスタ）、カラーフィルタ層、半透過半反射層などの各種部材からなり、面光源素子１からの光を映像情報に変換し観察者に映像情報を与える。

本発明の三次元表示装置に使用する液晶表示パネル９は、右眼用と左眼用の映像情報を交互に切り替え、かつ該液晶表示パネルの映像情報と同調させて光源２１および光源２２を交互に点滅させる。つまり、液晶表示パネルが右眼用の映像情報を表示している間は光源２１を点灯し、液晶表示パネルが右眼用から左眼用の映像情報の表示に切り替わる際、瞬時に光源２１を消灯し光源２２を点灯する。逆に、液晶表示パネルが左眼用から右眼用の映像情報の表示に切り替わる際、瞬時に光源２２を消灯し光源２１を点灯する。この動作を繰り返すことにより三次元表示が可能となる。

本発明の三次元表示装置における液晶表示パネル９については、一般的なＴＮ（Twisted Nematic）モード、ＳＴＮ（Super Twisted Nematic）モード、ＶＡ（Vertical Alignment）モード、ＩＰＳ（In-Plane Switching）モードなどを使用することができる。静止画の三次元表示については、上述のモードで十分に対応できるが、動画の三次元表示を実現する場合には、ＯＣＢ（Optically Compensated Bend）モードやスメクチック液晶による強誘電性液晶・反強誘電性液晶モードなどを採用することが好ましい。ＯＣＢモードや強誘電性液晶・反強誘電性液晶モードは液晶の応答速度が上述した他モードに比べて非常に速く、数ミリ秒を達成することが可能であるため（他モードの応答速度は十ミリ秒から数十ミリ秒）、なめらかな動画の三次元表示を実現することができる。ただし、上述したモードに限られるわけではなく、いかなるモードに対しても三次元表示が可能となる。

また、光源２１、２２としては冷陰極管や熱陰極管などの蛍光管などを使用することもできるが、動画の三次元表示を実現する場合はＬＥＤ（Light Emitting Diode）などを採用することが好ましい。ＬＥＤは高速で点滅を繰り返すことが可能であるだけでなく、点滅を繰り返しても発光寿命が短くならないといった特徴も有する。図５に示した本発明の面光源素子の例では、光源として蛍光管などの線状光源が記載されているが、ＬＥＤを使用する場合、棒状の導光部材を用いてＬＥＤの点光源を線状光源に変換すればよい。ただし、これらの光源に限られず、その他の光源に対しても三次元表示が可能となる。

一般的な三次元表示装置においては、右眼用と左眼用の２種類の映像情報を表示しなければならず、本発明の三次元表示装置においても同様なことが言える。従来のパララックスバリアやレンチキュラレンズを装備する方式では映像情報を空間分割して表示しなければならないために解像度の低下は避けられないが、本発明によれば映像情報を時分割して表示することができるために解像度はまったく低下しない。また本発明では、パララックスバリアやレンチキュラレンズといった部材を使用する必要が無いため、三次元表示装置の薄型化や低コスト化にも寄与しうる。

加えて、パララックスバリアやレンチキュラレンズを装備する方式では二次元の映像情報と三次元の映像情報を切り替えることはできないか、または電気的なスイッチング機構を付加するなどの方法を採らなければならないが、本発明の三次元表示装置であれば、液晶表示パネル９が二次元の映像情報を表示し、光源２１および光源２２を点灯し続けることで、観察者は二次元の映像情報を認識することができる。このため、本発明では、従来のような電気的なスイッチ機構が不要となるから、低コスト化、簡単な構造にできるなどの利点がある。

なお、導光体３に用いる樹脂としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリオレフィン樹脂、環状ポリオレフィン樹脂等の透明性に優れるものが挙げられる。また、光制御板５の凸部形状は該凸部形状のネガ型となる金型を用いて、熱プレス法、紫外線硬化による２Ｐ法、出射成形法や押出成形法などによって成形することができる。該金型は、金属板を切削加工して作製しても良いし、凸部形状を光造形法、レーザー直接描画もしくはレジストリフロー法で作製した後、該凸部形状を用いて電鋳処理などを行い金型としても良い。

レジストリフロー法で作製する場合、図７に示すようにポジ型レジスト１２を塗布した基板１１に対してフォトマスク１３を介して露光する際に線状光源を使用し、フォトマスクのラインアンドスペースと線状光源の長手方向を平行に配置して露光することで作製できる。基板１１の外部では露光・現像時にはポジ型レジスト１２が鈍角となるが、熱処理条件を最適化しポジ型レジストをリフローさせることで所望の凸部形状を作製することができる。

なお、この実施形態では、光制御板５の各凸部４を一次元パターンで配列しているが、２次元パターンで配列してもよい。

本発明の一実施形態にかかる面光源素子を示す斜視図である。 光制御板の凸部における光線の軌跡を示す側面図である。 光制御板の凸部における光線の軌跡を示す側面図である。 光制御板の凸部における光線の軌跡を示す側面図である。 面光源素子における光の出射方向を示す側面図である。 図１の面光源素子を用いた三次元表示装置を示す側面図である。 光制御板の凸部形状を作製する方法を示す側面図である。 面光源素子の一例を示す斜視図である。 光制御板の凸部における光線の軌跡を示す側面図である。 光制御板の凸部における光線の軌跡を示す側面図である。 光制御板の凸部における光線の軌跡を示す側面図である。

符号の説明

１：面光源素子
３：導光体
３ａ：導光体の出射面
４：凸部
５：光制御板
７：出射面
９：液晶表示パネル
１１：基板
１２：ポジ型レジスト
１３：フォトマスク
１４：点光源
２１：光源（左側）
２２：光源（右側）
８１：凸部の反射面
８２：凸部の反射面

Claims (2)

1. 一対の光源が対向する側面に沿ってそれぞれ配設され、光源からの光が入射されて面状に光を出射する板状の導光体と、導光体の出射面側に設けられて、複数の凸部が該出射面と対向する面に配列され、かつ前記凸部における前記一対の光源側の両内側面に曲面状の反射面が設けられるとともに前記凸部の頂部が該出射面と密着して形成されて、導光体から出射する光を該出射面の正面方向に向かわせる光制御板とを備え、
   前記光制御板の各凸部を前記光源の長手方向に直交する方向で切断した各凸部の断面形状は、前記光制御板における前記光源の長手方向に直交する方向の中心線からそれぞれ左右対称の形状に形成されており、かつ、いずれか一方の光源に近づくに従って、当該一方の光源側の反射面部分の傾きが徐々に大きくなるとともに他方の光源側の反射面部分の傾きが徐々に小さくなる形状に形成されている面光源素子。
2. 請求項１記載の面光源素子の発光面上に透過型もしくは半透過型液晶表示パネルを設けてなる表示装置であって、
   該液晶表示パネルで表示される映像情報を右眼用と左眼用に高速に切り替えるとともに、切り替えられる映像情報に同調させて前記２つの光源を交互に点滅させることにより、三次元表示を行う三次元表示装置。

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