JP2013044900A - Ip stereoscopic display - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、立体ディスプレイに係り、空間像再生型の立体表示方式、特にインテグラル・フォトグラフィー（ＩＰ）を用いたＩＰ立体ディスプレイに関する。 The present invention relates to a three-dimensional display, and more particularly to an aerial image reproduction type three-dimensional display method, and more particularly to an IP three-dimensional display using integral photography (IP).
現在の立体表示技術は、２眼式、多眼式、体積表示型、空間像再生型に大別することができる。２眼式は、現在主流の立体表示方式である。この方式では、ディスプレイに表示された画像（再生された立体像）の観察時に特殊なメガネが必要である。２眼式は、視覚機能として主に両眼視差と輻輳を用いて観察者に立体を認識させる方式である。ここで、両眼視差を用いるとは、左右の眼における表示画像の違いを利用する方式であることを指し、輻輳を用いるとは、左右の眼球の回転を利用する方式であることを指す。なお、右眼と左眼の視線が成す角度を輻輳角、両眼の視線の交わった点を輻輳点という。この２眼式では、観察者に立体を認識させるために、右眼と左眼に対応した左右にズレのある映像信号を特殊なメガネに表示させている。 Current stereoscopic display technology can be broadly classified into two-lens type, multi-view type, volume display type, and aerial image reproduction type. The twin-lens method is a currently mainstream stereoscopic display method. This method requires special glasses when observing an image (reproduced stereoscopic image) displayed on the display. The binocular system is a system that allows an observer to recognize a solid using mainly binocular parallax and convergence as a visual function. Here, using binocular parallax refers to a method that uses the difference between the display images of the left and right eyes, and using convergence refers to a method that uses the rotation of the left and right eyeballs. The angle formed by the lines of sight of the right eye and the left eye is referred to as the convergence angle, and the point where the lines of sight of both eyes intersect is referred to as the convergence point. In this two-lens system, in order to allow the observer to recognize a solid, a video signal having a left / right shift corresponding to the right eye and the left eye is displayed on special glasses.
しかし、この方式においては、視覚機能として眼のピントの合う被写体の位置（ピント調節点）がディスプレイの表示画面に合うように調節されてしまう。このピント調節点は輻輳点とは異なっている。このことを、輻輳と調節の矛盾という。２眼式では、輻輳と調節の矛盾があるため、観察者に眼精疲労を招きやすいことが問題となっている。 However, in this method, as a visual function, the position of the subject in focus (focus adjustment point) is adjusted so as to match the display screen of the display. This focus adjustment point is different from the convergence point. This is called contradiction between congestion and regulation. In the two-lens system, there is a contradiction between vergence and adjustment, so that it is a problem that eye strain is easily caused to the observer.
輻輳と調節の矛盾が顕著に現れるのは、観察者が立体像を認識したときに結像された立体像（立体画像）の位置と、ディスプレイの表示画面の位置とが大きくずれている場合であることが既に知られている。具体的には、観察者が立体像を認識する場合、その立体像までの距離感を２つの方法で認識している。この場合、観察者は、立体像までの距離感を両眼の輻輳角によって認識する一方、個々の目（右眼および左眼）は水晶体の厚みを調節しながらピントを合わせる（焦点調節）機能によってディスプレイとの距離感を認識している。そして、両眼の輻輳角によって認識された距離感と、焦点調節機能によって認識された距離感との間に大きな違いが見られる場合には、観察者にとって大きな違和感となって感じられることとなる。 Contradiction between the convergence and the adjustment appears prominently when the position of the stereoscopic image (stereoscopic image) formed when the observer recognizes the stereoscopic image and the position of the display screen of the display are greatly shifted. It is already known that there is. Specifically, when the observer recognizes a stereoscopic image, the distance to the stereoscopic image is recognized by two methods. In this case, the observer recognizes the sense of distance to the stereoscopic image by the convergence angle of both eyes, while the individual eyes (right eye and left eye) focus while adjusting the thickness of the lens (focus adjustment) function By recognizing the distance from the display. And when there is a big difference between the sense of distance recognized by the convergence angle of both eyes and the sense of distance recognized by the focus adjustment function, it will be felt as a great discomfort for the observer. .
また、立体表示技術においては、立体像を観測する観察者の位置に応じて立体像が変化して見える機能、つまり、頭を動かすと見える画像も変化する運動視差の機能も重要である。しかし、２眼式においては、特殊なメガネに左眼用と右眼用の画像しか表示されないため、頭を動かしても表示される画像は同一となる欠点を持っている。すなわち、２眼式は、運動視差の機能が欠如している。 In the stereoscopic display technology, a function of changing the stereoscopic image according to the position of the observer observing the stereoscopic image, that is, a function of motion parallax that changes the visible image when the head is moved is also important. However, in the twin-lens system, only the left-eye and right-eye images are displayed on special glasses, so that the displayed images are the same even when the head is moved. That is, the twin-lens system lacks the function of motion parallax.
一方、多眼式は、２眼式より多くの視点からの立体表示が可能なため、運動視差の機能を持っている。しかし、多眼式は、２眼式と同様に、両眼視差と輻輳を用いて観察者に立体画像を認識させるため、輻輳と調節の矛盾が解消されておらず、観察者に眼精疲労を招きやすい。また、多眼式は、運動視差の機能を有する利点があるが、観察者が視点と視点の間で視線方向を移動させると、表示画像が不連続的に切り替わることによる不十分な運動視差のため、違和感が生じるという欠点もある。 On the other hand, the multi-view system has a function of motion parallax because stereoscopic display from more viewpoints than the 2-view system is possible. However, the multi-view type, like the binocular type, uses binocular parallax and vergence to allow the observer to recognize a stereoscopic image, so the contradiction between vergence and adjustment has not been resolved, and It is easy to invite. In addition, the multi-view system has an advantage of having a motion parallax function, but when the observer moves the viewing direction between the viewpoints, the display image is discontinuously switched, resulting in insufficient motion parallax. For this reason, there is a disadvantage that a sense of incongruity occurs.
体積表示型は、表示面を奥行き方向に複数配置する方式である。配置する表示面の間隔にも依存するが、前記した輻輳点とピント調節点とが一致するため、輻輳と調節の矛盾が解消され、その結果、眼精疲労は生じにくいという利点がある。しかし、体積表示型は、運動視差の機能はないという欠点がある。 The volume display type is a system in which a plurality of display surfaces are arranged in the depth direction. Although it depends on the interval between the display surfaces to be arranged, the convergence point and the focus adjustment point coincide with each other, so that the contradiction between the convergence and the adjustment is eliminated. As a result, there is an advantage that eye strain is less likely to occur. However, the volume display type has a drawback that there is no function of motion parallax.
空間像再生型は、両眼視差、輻輳、ピント調節および運動視差の４つの視覚機能をすべて満たすことを目指して開発が進められている。この空間像再生型は、被写体からの光そのものを再現する方式であって、立体観測用の特殊なメガネをかける必要がない。この方式の立体ディスプレイは、前記した４つの視覚機能をすべて使える可能性があるため、眼に疲労を与えず人にやさしい立体映像表示装置となりうる。 The aerial image reproduction type is being developed with the aim of satisfying all four visual functions of binocular parallax, convergence, focus adjustment, and motion parallax. This aerial image reproduction type is a method that reproduces the light from the subject itself, and does not require special glasses for stereoscopic observation. This type of stereoscopic display may be able to use all of the four visual functions described above, and thus can be a human-friendly stereoscopic image display device without causing eye fatigue.
空間像再生型の方式としては、インテグラル式とホログラフィーの２種類の方式で開発が進められている。インテグラル式は、被写体からの光を光線として取扱い、被写体から発せられる光線空間を再現する方式である。一方、ホログラフィーは、被写体からの光の波面を再生する方式であって、光の位相情報も忠実に再現できる利点があるものの、高密度で高精細な光の干渉縞を使って画像表示するため、ディスプレイにはインテグラル式より多数の画素数を必要とする欠点がある。 Development of two types of aerial image reproduction methods, integral and holography, is underway. The integral type is a method of reproducing light rays emitted from a subject by treating light from the subject as light rays. On the other hand, holography is a method that reproduces the wavefront of light from the subject and has the advantage of faithfully reproducing the phase information of the light, but displays images using high-density, high-definition interference fringes. The display has a drawback that it requires a larger number of pixels than the integral type.
前者のインテグラル式の１つであるインテグラル・フォトグラフィー（ＩＰ）を用いた立体ディスプレイ（以下、ＩＰ立体ディスプレイという）は、高精細ディスプレイの表示画面上に要素レンズを並置して構成されている。図１（ａ）に示す従来型のＩＰ立体表示装置２０１は、表示パネル２０２と、要素レンズアレイ２０３とを備えている。表示パネル２０２は、例えば液晶パネルから構成され、そのスクリーン面２０４において水平および垂直方向に所定数のマトリクス状に所定の画素ピッチｐ（図２（ａ）参照）で配置された多数の画素２０５を備えている。要素レンズアレイ２０３は、要素レンズ２０６を所定のレンズピッチＰ（図１１参照）で並置して構成されている。なお、要素レンズ２０６は図１（ａ）に示すように縦横を揃えて配置する必要はなく俵積み状態のデルタ配置であってもよい。図示は省略するが、ＩＰ立体表示装置２０１に対応したＩＰ立体撮影装置が、同様のレンズ板を介して被写体（例えば円柱等）を撮影しておくことが、立体を表示（再生）するための前提となる。これにより、ＩＰ立体表示装置２０１において、各要素レンズ２０６が、当該要素レンズ２０６の領域に映る画像（要素画像）を空間上に投影し、それらが集積されて、被写体の再生像（立体像）として、例えば円柱９０１，９０３や立方体９０２が表示される。
A stereoscopic display using integral photography (IP), which is one of the former integral formulas (hereinafter referred to as an IP stereoscopic display), is configured by arranging element lenses in parallel on a display screen of a high-definition display. Yes. A conventional IP
非特許文献１には、ＩＰ立体ディスプレイを、７６８０（水平：Ｈ）×４３２０（垂直：Ｖ）の画素数（スーバーハイピジョン）からなる動画対応の超高精細投射型ディスプレイの表示スクリーン上に、４００（Ｈ）×２５０（Ｖ）の個数からなる光学レンズ（以下、要素レンズとよぶ）を並置したレンズ板を重ねた構造のものとして試作したことが記載されている。このＩＰ立体ディスプレイによれば、ディスプレイの観察時に特殊なメガネが不要で、上下、左右のいずれの方位からも立体映像を観測することが可能となっている。
In Non-Patent
ＩＰ立体ディスプレイは、被写体から発せられる光線空間を再現する方式であるため、輻輳と調節の矛盾を改善できる可能性がある。しかし、ＩＰ立体ディスプレイには、大要、以下の（Ａ１）〜（Ａ３）に示す問題がある。 Since the IP stereoscopic display is a method of reproducing a light space emitted from a subject, there is a possibility that contradiction between convergence and adjustment can be improved. However, the IP stereoscopic display has the following problems (A1) to (A3).
（Ａ１）解像度の問題
例えば、非特許文献１に開示された従来のＩＰ立体ディスプレイでは、解像度がまだ実用域のレベルになっておらず、輻輳点とピント調節点との一致を確認できるまでに至っていない。輻輳点とピント調節点との一致を確認できるようにするために、今後、解像度を高める必要がある。ＩＰ立体ディスプレイは、立体画像の表示部分に多数の要素レンズ（光学レンズ）を並置したレンズ板を重ね合わせた構造になっているため、解像度の上限がレンズピッチで規定されている。したがって、解像度を高めるためには、レンズピッチを小さくする必要がある。
(A1) Resolution problem For example, in the conventional IP stereoscopic display disclosed in Non-Patent
（Ａ２）立体像の奥行き再現範囲の問題
ＩＰ立体ディスプレイでは、ディスプレイの奥行き方向の所定地点で解像度を高めることができたとしても、その所定地点の前後の解像度が低いために前後の画像がボケてしまうという問題もある。ＩＰ立体ディスプレイでは、詳細は後記するが、生成される再生像の解像度（再生像の空間周波数）が、光学レンズを並置したレンズ板付近で最大であって、レンズ板から離れるにしたがって低下する。よって、ＩＰ立体ディスプレイに精細度の高い立体像を表示させると、近景および遠景の表示画像の解像度が低下する。つまり、高精細な立体像の近景の画像と遠景の画像がボケてしまう。
(A2) Problem of depth reproduction range of stereoscopic image In the IP stereoscopic display, even if the resolution can be increased at a predetermined point in the depth direction of the display, the front and rear images are blurred because the resolution before and after the predetermined point is low. There is also a problem that it ends up. Although details will be described later in the IP stereoscopic display, the resolution of the reproduced image to be generated (spatial frequency of the reproduced image) is the maximum near the lens plate on which the optical lens is juxtaposed, and decreases as the distance from the lens plate increases. Therefore, when a high-definition stereoscopic image is displayed on the IP stereoscopic display, the resolution of the displayed images in the near view and the distant view decreases. That is, the close-up image and the distant view of the high-definition stereoscopic image are blurred.
（Ａ３）視域の問題
ＩＰ立体ディスプレイでは、上下左右いずれの方向においても、観察者の位置に応じた立体像を見ることができる。ただし、観察者が移動してディスプレイを視認できる範囲（視域）は、ある１つの要素画像からの光が、それに対応する１つの要素レンズにより放射される領域に限られる。ＩＰ立体ディスプレイでは、表示された立体画像の視域が例えば液晶ディスプレイ等の通常のＦＰＤ（flat panel display）に比べて狭いという問題がある。例えば非特許文献１に開示された従来のＩＰ立体ディスプレイの視域角は設計仕様として２８°、実測値として２４°であり、通常のＦＰＤ（例えば５０〜１７０°）に比べて格段に小さい。
(A3) Viewing Area Problem With the IP stereoscopic display, a stereoscopic image corresponding to the position of the observer can be seen in any of the upper, lower, left, and right directions. However, the range (viewing zone) in which the observer can move and visually recognize the display is limited to a region where light from one element image is emitted by one corresponding element lens. The IP stereoscopic display has a problem that the viewing area of the displayed stereoscopic image is narrower than that of a normal flat panel display (FPD) such as a liquid crystal display. For example, the viewing zone angle of a conventional IP stereoscopic display disclosed in
これら（Ａ１）〜（Ａ３）の各問題が発生する要因について以下に数式を用いて詳細に説明する。まず、主として、（Ａ１）解像度の問題が発生する要因について図１０を参照して説明する。図１０のグラフにおいて、横軸は再生像の奥行き位置（レンズ板と再生像の距離）を表すＺ軸、縦軸は後記する再生像の空間周波数γをｃｐｒ（cycle per radian）を単位として表すγ軸をそれぞれ示す。Ｚ軸においてＺ＝０の位置に、図示しないレンズ板があるものとする。また、観察者（瞳で示す）が立体像を観察する観察位置は、Ｚ軸においてＺ＝Ｌの位置であるものとする。つまり、レンズ板から観察者までの距離（以下、観視距離という）はＬである。
一般に、ＩＰ立体ディスプレイの再生像が表示される最大の空間周波数（ナイキスト周波数）βは、要素レンズのピッチ（以下、単にレンズピッチという）Ｐと観視距離Ｌとを用いて式（１）で与えられる。
The factors that cause the problems (A1) to (A3) will be described in detail below using mathematical expressions. First, (A1) the cause of the resolution problem will be mainly described with reference to FIG. In the graph of FIG. 10, the horizontal axis represents the Z position representing the depth position of the reproduced image (distance between the lens plate and the reproduced image), and the vertical axis represents the spatial frequency γ of the reproduced image, which will be described later, in units of cpr (cycle per radian). The γ axes are shown respectively. It is assumed that there is a lens plate (not shown) at the position of Z = 0 on the Z axis. Further, the observation position where the observer (indicated by the pupil) observes the stereoscopic image is assumed to be a position of Z = L on the Z axis. That is, the distance from the lens plate to the observer (hereinafter referred to as viewing distance) is L.
In general, the maximum spatial frequency (Nyquist frequency) β at which a reproduced image of an IP stereoscopic display is displayed is expressed by Equation (1) using the pitch P of the element lens (hereinafter simply referred to as the lens pitch) P and the viewing distance L. Given.
β＝Ｌ／２Ｐ … 式（１） β = L / 2P (1)
立体像の解像度は、レンズピッチＰだけでなく、要素レンズによって投影される要素画像の空間周波数特性にも依存する。要素レンズによって投影される要素画像の空間周波数がαであるとすると、この投影された像は、見る人の位置からは、異なる空間周波数βの像として見える。ここではαを投影空間周波数、βを観視空間周波数と表記する。αとβの関係は、次の式（２）で表わされる。 The resolution of the stereoscopic image depends not only on the lens pitch P but also on the spatial frequency characteristics of the element image projected by the element lens. If the spatial frequency of the element image projected by the element lens is α, the projected image appears as an image having a different spatial frequency β from the position of the viewer. Here, α is expressed as a projection spatial frequency and β is expressed as a viewing spatial frequency. The relationship between α and β is expressed by the following equation (2).
β＝α（Ｌ−ｚ）／｜ｚ｜ … 式（２） β = α (L−z) / | z | Formula (2)
ここで、ｚは、図１０のＺ軸上の任意の値であって、再生像の奥行き位置（レンズ板と再生像の距離）を表し、図１０のＺ軸において図示しないレンズ板の位置（Ｚ＝０）に対して右側が正、左側が負の値を取るものとする。 Here, z is an arbitrary value on the Z axis in FIG. 10 and represents the depth position of the reproduced image (the distance between the lens plate and the reproduced image). The position of the lens plate (not shown) on the Z axis in FIG. It is assumed that the right side is positive and the left side is negative with respect to Z = 0).
図１０に示すライン８０１は、式（２）のｚが正の値をとるときの観視空間周波数に相当し、ライン８０２は、式（２）のｚが負の値をとるときの観視空間周波数に相当し、ライン８０３は、式（１）のβ（ナイキスト周波数）に相当している。図１０においてライン８０１〜８０３を繋げた実線で示すように、再生像の空間周波数は、図示しないレンズ板付近（Ｚ＝０近傍）で最大となり、レンズ板から離れるにしたがって低下する。なお、再生像をレンズ板から離していくときに、同じ距離ならば、ｚが負の値をとるときよりも正の値をとるときの方が観視空間周波数がより低くなっていることが分かる。
A
また、式（２）によれば、ある一定の観視空間周波数βに対しては、立体像がレンズ板から離れるほど、投影空間周波数αは高くなることが分かる。投影空間周波数αは、表示素子の画素ピッチと、要素レンズの回折および収差とに依存する。 Further, according to the equation (2), it can be seen that, for a certain viewing spatial frequency β, the projection spatial frequency α becomes higher as the stereoscopic image is separated from the lens plate. The projection spatial frequency α depends on the pixel pitch of the display element and the diffraction and aberration of the element lens.
要素レンズの回折の限界については、Ａｂｂｅの回折限界によって理論的に予見される。Ａｂｂｅの回折限界は、次の式（３）で表すように、光学レンズを利用した場合に収束できる光のスポットサイズＳの下限値を示したもので、光学レンズを用いた場合に原理的に収束可能な限界値を示すものである。
ここで、λは光学レンズに入射する光の波長、ｎは光学レンズの焦点と光学レンズの間の媒質の屈折率（レンズの屈折率ではない）である。また、角度（回折角）θについては、光学レンズの口径ｒと光学レンズの焦点距離ｄとを用いて以下の式（４）から算出される。
非特許文献１に開示された従来のＩＰ立体ディスプレイの場合のスポットサイズを求めるために、非特許文献１に記載された装置仕様を、前記式（３）および式（４）に代入して、青色光（λ＝４５０ｎｍ）の条件で計算すると、スポットサイズは１．０８２μｍと求まる。一方、この従来のＩＰ立体ディスプレイの投射スクリーン上の要素画素の画素ピッチは、約７０μｍ程度である。
In order to obtain the spot size in the case of the conventional IP stereoscopic display disclosed in
この従来のＩＰ立体ディスプレイにおいて、さらなる高精細化（レンズピッチＰをさらに細かくすること）を実現するためには、画素ピッチの低減（狭ピッチ化）が不可欠となる。ただし、画素ピッチを７０μｍより小さくした場合に、スポットサイズも同様に低減することについては、前記式（３）によって難しくなっている。その理由は、高精細化に伴いレンズピッチＰをさらに細かくする場合、光学レンズの口径ｒが小さくなりそれによってスポットサイズＳが増大してしまっては高精細な画像を得られないからである。よって、高精細化する前に例えば１．０８２μｍであったスポットサイズＳを、その値を増大させることなく高精細化するためには、高精細化の前後で、式（３）および式（４）のθの値を変えないことが要求される。そのため、式（４）によって、要素レンズとして用いている光学レンズの口径ｒを小さくする際には、その口径ｒのサイズの減少に比例して光学レンズの焦点距離ｄも小さくする必要がある。 In this conventional IP stereoscopic display, reduction of the pixel pitch (narrow pitch) is indispensable in order to achieve further high definition (further finer lens pitch P). However, when the pixel pitch is made smaller than 70 μm, it is difficult to reduce the spot size in the same manner by the equation (3). The reason is that when the lens pitch P is made finer as the definition becomes higher, a high-definition image cannot be obtained if the aperture size r of the optical lens is reduced and the spot size S is increased accordingly. Therefore, in order to make the spot size S which was 1.082 μm, for example, before the high definition without increasing the value, the expressions (3) and (4) before and after the high definition. ) Θ is not changed. Therefore, when the aperture r of the optical lens used as the element lens is reduced according to the equation (4), it is necessary to reduce the focal length d of the optical lens in proportion to the decrease in the size of the aperture r.
一方、表示素子の画素ピッチがｐ、レンズ板から表示素子までの距離がｇである場合、要素レンズによって投影される要素画像の最大の空間周波数αｐは、次の式（５）で表わされる。 On the other hand, when the pixel pitch of the display element is p and the distance from the lens plate to the display element is g, the maximum spatial frequency αp of the element image projected by the element lens is expressed by the following equation (5).
αｐ＝｜ｇ｜／２ｐ … 式（５） αp = | g | / 2p (5)
ここで、ｇは、図１０に示すＺ軸上では図示しないレンズ板に対して右側が正、左側が負の値を取るものとする。ただし、式（５）においてｇの値は、実際的には各要素レンズの焦点距離ｄの値と等しく、ｇの値は理想的にはディスプレイの表示画面全体に渡って一定値である。しかしながら、大型ディスプレイの場合、ｇの値を表示画面全体に渡って一定値に保持することは極めて難しい。よって、表示スクリーン面とレンズ板との間を一定値に保持できずに、ｇ値が焦点距離ｄの値からずれてしまうと、表示される立体画像はボケてしまうことになる。これは、前記した（Ａ２）立体像の奥行き再現範囲の問題が発生する要因となっている。 Here, g is positive on the right side and negative on the left side with respect to a lens plate (not shown) on the Z-axis shown in FIG. However, in equation (5), the value of g is actually equal to the value of the focal length d of each element lens, and the value of g is ideally a constant value over the entire display screen of the display. However, in the case of a large display, it is extremely difficult to keep the value of g constant over the entire display screen. Therefore, when the g value deviates from the value of the focal distance d without maintaining a constant value between the display screen surface and the lens plate, the displayed stereoscopic image is blurred. This is a cause of the problem of the depth reproduction range of the (A2) stereoscopic image described above.
前記した式（５）で表わされる要素画像の最大の空間周波数αｐとは別に、要素レンズの回折限界の空間周波数をαｄ、要素レンズの収差を考慮した場合の限界の空間周波数をαｅと定義する。このとき、要素レンズによって投影される要素画像の限界の空間周波数、つまり、前記式（２）に示す投影空間周波数αは、正確には、次の式（６）で表わされるように、３つの空間周波数のうちの最小値で規定される。 In addition to the maximum spatial frequency αp of the element image represented by the above equation (5), the spatial frequency of the diffraction limit of the element lens is defined as αd, and the spatial frequency of the limit in consideration of the aberration of the element lens is defined as αe. . At this time, the limit spatial frequency of the element image projected by the element lens, that is, the projection spatial frequency α shown in the expression (2) is exactly three as shown in the following expression (6). It is defined by the minimum value of the spatial frequency.
α＝ｍｉｎ［αｐ，αｄ，αｅ］ … 式（６） α = min [αp, αd, αe] (6)
このようにして決まる投影空間周波数で投影された要素画像が集積されて、立体像が生成される。式（６）で規定される投影空間周波数αは、前記した式（２）によって観視空間周波数βと関係付けられている。
以上のことから、任意の奥行に生成される立体像の最高空間周波数γは、次の式（７）に示すように、レンズピッチＰのみで決まる最大空間周波数βｎと、前記した式（２）で計算される観視空間周波数βとを比較した結果の低い方に制限されることになる。
The element images projected at the projection spatial frequency determined in this way are accumulated to generate a stereoscopic image. The projection spatial frequency α defined by Equation (6) is related to the viewing spatial frequency β by Equation (2) described above.
From the above, the maximum spatial frequency γ of the stereoscopic image generated at an arbitrary depth is the maximum spatial frequency βn determined only by the lens pitch P as shown in the following equation (7), and the above equation (2). It is limited to the lower one of the result of comparison with the visual spatial frequency β calculated in (1).
γ＝ｍｉｎ［βｎ，β] … 式（７） γ = min [βn, β] (7)
この式（７）で表わされる空間周波数γを上限空間周波数γと表記する（図１０参照）。上限空間周波数γの決定要因であって、ＩＰ立体ディスプレイの高精細化を阻害する要因としては、式（２）および式（３）で規定した要素レンズの回折による限界が顕著となっている。 The spatial frequency γ represented by the equation (7) is expressed as an upper limit spatial frequency γ (see FIG. 10). As a determinant of the upper limit spatial frequency γ, and as a factor that hinders high definition of the IP stereoscopic display, the limit due to diffraction of the element lens defined by the expressions (2) and (3) is remarkable.
次に、主として、（Ａ３）視域の問題が発生する要因として視域の広がりについて図１１を参照して説明する。図１１は、従来のＩＰ立体ディスプレイ（図１（ａ）参照）において、要素画像と要素レンズにより形成される視域の一例として、ディスプレイの鉛直方向の切断面を示している。図１１において、横軸は、図１０と同様に、再生像の奥行き位置（レンズ板と再生像の距離）を表すＺ軸を示し、観察者の観察位置は、Ｚ軸においてＺ＝Ｌの位置であるものとする。図１１において、角度Ωは、視域の広がりを示しており、以下では視域角Ωと表記し、次の式（８）で表わす。 Next, mainly (A3) the extent of the viewing zone as a factor that causes the viewing zone problem will be described with reference to FIG. FIG. 11 shows a vertical cut surface of the display as an example of a viewing zone formed by an element image and an element lens in a conventional IP stereoscopic display (see FIG. 1A). In FIG. 11, the horizontal axis indicates the Z axis representing the depth position of the reproduced image (the distance between the lens plate and the reproduced image), as in FIG. 10, and the observer's observation position is a position of Z = L on the Z axis. Suppose that In FIG. 11, the angle Ω indicates the spread of the viewing zone, and is hereinafter referred to as the viewing zone angle Ω and is represented by the following formula (8).
Ω≒２ｔａｎ−１（Ｐ／２｜ｇ｜） … 式（８） Ω≈2 tan −1 (P / 2 | g |) (8)
ここで、Ｐはレンズピッチを示し、ｇはレンズ板から表示素子までの距離（要素レンズの焦点距離）を示す。なお、図１１において、１つの要素レンズが投影する、表示パネル２０２上の要素画像表示領域の高さの値と距離ｇと視域角Ωとの幾何関係を表したものが式（８）であり、式（８）において、要素画像表示領域の高さは、近似的にＰの値で表されている。
Here, P represents the lens pitch, and g represents the distance from the lens plate to the display element (focal length of the element lens). In FIG. 11, Expression (8) represents the geometric relationship between the height value of the element image display area on the
前記した式（１）〜式（８）で表される関係と、ＩＰ立体ディスプレイにおける前記した（Ａ１）〜（Ａ３）の各問題とを対比して整理する。
前記（Ａ１）の問題として挙げたＩＰ立体ディスプレイの解像度を改善するためには、前記式（１）によって、要素レンズのレンズピッチＰを小さくする必要がある。これは、式（１）において、Ｌが一定値のときにＰが小さくなると、再生像が表示される最大の空間周波数βが大きくなるからである。
一方、前記（Ａ３）の問題として挙げた視域を拡大するためには、前記式（８）によって、レンズピッチＰを大きくする必要がある。つまり、解像度の改善と視域の拡大とは、トレードオフの関係にある。
The relationship expressed by the above-described formulas (1) to (8) and the above-described problems (A1) to (A3) in the IP stereoscopic display will be compared and organized.
In order to improve the resolution of the IP stereoscopic display mentioned as the problem of (A1), it is necessary to reduce the lens pitch P of the element lens by the equation (1). This is because in Formula (1), when P is small when L is a constant value, the maximum spatial frequency β at which a reproduced image is displayed increases.
On the other hand, in order to enlarge the viewing area mentioned as the problem of (A3), it is necessary to increase the lens pitch P according to the equation (8). In other words, there is a trade-off between improving the resolution and expanding the viewing zone.
また、別の観点からは、前記（Ａ３）の問題として挙げた視域を拡大させるためには、前記式（８）によって、レンズ板から表示素子までの距離（要素レンズの焦点距離）ｇを小さくする必要がある。一方、前記（Ａ２）の問題として挙げた立体画像の奥行き再現範囲を拡大するためには、前記式（５）によって、レンズ板から表示素子までの距離（要素レンズの焦点距離）ｇを大きくする必要がある。つまり、視域の拡大と立体画像の奥行き再現範囲の拡大とは、トレードオフの関係にある。 From another point of view, in order to enlarge the viewing area mentioned as the problem of (A3), the distance from the lens plate to the display element (focal length of the element lens) g is set according to the equation (8). It needs to be small. On the other hand, in order to expand the depth reproduction range of the stereoscopic image mentioned as the problem of (A2), the distance from the lens plate to the display element (focal length of the element lens) g is increased by the equation (5). There is a need. In other words, the expansion of the viewing zone and the expansion of the depth reproduction range of the stereoscopic image are in a trade-off relationship.
したがって、ＩＰ立体ディスプレイにおいて、解像度の向上と視域の拡大との両立を図ることは難しく、また、視域の拡大と立体画像の奥行き再現範囲の拡大との両立を図ることも難しい。 Therefore, in the IP stereoscopic display, it is difficult to achieve both improvement in resolution and enlargement of the viewing area, and it is difficult to achieve both enlargement of the viewing area and enlargement of the depth reproduction range of the stereoscopic image.
以下に、前記（Ａ１）〜（Ａ３）の各問題に対する現実的な具体例として、ＩＰ立体ディスプレイの技術の今後の発展により想定される技術と、従来技術とを対比させて整理する。非特許文献１に開示された従来のＩＰ立体ディスプレイは、前記したように、対角２４型、要素レンズの個数は４００（Ｈ）×２５０（Ｖ）であり、画素ピッチは７０μｍ程度である。これよりも高精細かつ大型なＩＰ立体ディスプレイの目標値として、例えば、以下の仕様をもつディスプレイを想定する。すなわち、例えば、対角５０型、要素レンズの個数を、ハイビジョンの画素数である１９２０（Ｈ）×１０８０（Ｖ）にまで拡大し、視域３０°、要素レンズで投影する要素画像を構成する要素画素数を６０×６０ピクセルとした構造を有した将来型のＩＰ立体ディスプレイを想定する。この場合、表１に示すように、要素画素の画素ピッチは、３〜９μｍ（この画素ピッチの値は要素レンズや各要素画素の形状および配列に依存する）にまで小さくする必要がある。実際には、この画素ピッチの中に、赤、青、緑（ＲＧＢ）の各要素画素を形成することになる。
Hereinafter, as a practical concrete example for each of the problems (A1) to (A3), a technique assumed by the future development of the IP stereoscopic display technique and a conventional technique are compared and arranged. As described above, the conventional IP stereoscopic display disclosed in
前記したように、非特許文献１に開示された従来のＩＰ立体ディスプレイのスポットサイズ（青色光、λ＝４５０ｎｍ）は１．０８２μｍとなる。よって、将来型のＩＰ立体ディスプレイの画素ピッチ（３〜９μｍ）は、従来のＩＰ立体ディスプレイのスポットサイズの大きさ（１．０８２μｍ）に近いと言える。さらに、実際の画素を構成するＲＧＢの各画素は、この画素ピッチ（３〜９μｍ）の中に形成する必要があるため、各画素のサイズは、スポットサイズと同等である。そのため、上記のように想定した将来型のＩＰ立体ディスプレイにおいては、光の回折限界によって、光学レンズによる高精細化には限界があると考えられる。つまり、前記（Ａ１）の問題が発生する。
As described above, the spot size (blue light, λ = 450 nm) of the conventional IP stereoscopic display disclosed in
このような理由から、式（６）に示す投影空間周波数αにおいて、要素レンズの回折限界の空間周波数αｄの寄与が大きくなる。そのため、光学レンズの回折の寄与によって、生成される再生像の解像度（空間周波数）が、図１０においてライン８０１〜８０３を繋げた実線で示すように、「光学レンズを並置したレンズ板付近で最大となり、レンズ板から離れるにしたがって低下する」現象が顕在化し、奥行き方向の再現範囲が低下する。すなわち、光学レンズの回折の効果に由来して、立体像の近景および遠景の表示画像の解像度の低下問題（立体像の近景と遠景の画像がボケる問題）が生じるようになる。つまり、前記（Ａ１）の問題に連動して（Ａ２）の問題が発生する。
For this reason, in the projection spatial frequency α shown in the equation (6), the contribution of the spatial frequency αd of the diffraction limit of the element lens becomes large. Therefore, the resolution (spatial frequency) of the reproduced image generated due to the diffraction of the optical lens is “maximum near the lens plate on which the optical lenses are juxtaposed, as shown by the solid line connecting the
一方、前記（Ａ１）の問題へ対処するディスプレイの高精細化への要件として、眼の瞳に対して、立体像の結像点を通過する光線を少なくとも２本（複数本）入れるだけの高精細化が実現できないと、輻輳と調節の矛盾を発生し易く、観察者の眼の負担が増加するという問題もある。このため、ＩＰ立体ディスプレイを高精細化するにあたっては、レンズピッチを小さくすることによって要素レンズの個数を増やすことに加えて、単位要素レンズ当たりの要素画素数の増加（立体表示画面数の増加）が求められている（非特許文献２参照）。レンズピッチの低減（要素レンズの個数の増加）は要素レンズのレンズ径の縮小化につながるので、単位要素レンズ当たりの要素画素数の増加とは、トレードオフの関係にある。 On the other hand, as a requirement for high-definition display that deals with the problem (A1), a high enough to enter at least two (plural) rays passing through the image point of the stereoscopic image with respect to the pupil of the eye. If refinement cannot be realized, there is a problem that contradiction between congestion and adjustment tends to occur and the burden on the observer's eyes increases. For this reason, in increasing the definition of the IP stereoscopic display, in addition to increasing the number of element lenses by reducing the lens pitch, the number of element pixels per unit element lens is increased (the number of stereoscopic display screens is increased). Is required (see Non-Patent Document 2). Since the reduction in lens pitch (increase in the number of element lenses) leads to a reduction in the lens diameter of the element lens, there is a trade-off relationship with an increase in the number of element pixels per unit element lens.
なお、レンズ径の縮小化に関しては、ＩＰ立体ディスプレイとは直接関係ないものの、発光素子の分野では、微細化技術が精力的に進められている。特に柱状構造を持つ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子の開発は目覚ましく、各種光源を目指した研究が進められているのが現状である（例えば、特許文献１や非特許文献３参照）。
Although the lens diameter is not directly related to the IP stereoscopic display, miniaturization technology has been vigorously advanced in the field of light emitting elements. In particular, the development of LED (Light Emitting Diode) elements having a columnar structure has been remarkable, and research aimed at various light sources is currently underway (see, for example,
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、表示する画像の精細度を高めると共に、視域および奥行き再現範囲を拡大できるＩＰ立体ディスプレイを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an IP three-dimensional display capable of increasing the definition of an image to be displayed and expanding the viewing zone and the depth reproduction range.
前記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載のＩＰ立体ディスプレイは、インテグラル・フォトグラフィー（ＩＰ）方式により、撮像側にて被写体を光学レンズが並置されたレンズ板を介して撮像した各要素画像から前記被写体の立体像を再生するＩＰ立体ディスプレイであって、前記各要素画像から前記被写体の立体像を再生するための撮像側に対応した光学レンズを並置したレンズ板を設けることなく、前記要素画像毎に、基板上に前記要素画像を構成する要素画素としての発光素子を設けて、前記発光素子から射出する光線の方向を、前記各要素画像から前記被写体の立体像を再生するための光学レンズのレンズ中心を通過する光軸によって規定される方向と同様になるように画素毎に設定したことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the IP stereoscopic display according to
かかる構成によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、撮像側にて光学レンズを並置したレンズ板の当該光学レンズで撮像された要素画像を入力して立体像を再生することを前提にしながらも、立体像を再生するときには、原理的に高精細化が難しいレンズ板を使用することはない。このＩＰ立体ディスプレイには、要素画像を構成する要素画素として発光素子が設けられており、画素毎に、発光素子からの光線の射出方向を設定することとした。従来は表示パネルに表示された各要素画像を対応する要素レンズでそれぞれ投影して立体像を再生していた。このとき、要素画像を構成する要素画素は要素レンズにより投影されていた。これに対して、本発明のＩＰ立体ディスプレイは、要素画像を構成する要素画素を構成する発光素子において、射出する光線の方向が、各要素画像から被写体の立体像を再生するための要素レンズ（光学レンズ）のレンズ中心を通過する光軸によって規定される方向と同様になるように画素毎に設定されているので、実際には光学レンズが配置されていないにも関わらずあたかも光学レンズに投影されたかのように要素画素（発光素子）からの光が特定の方位を向いた光線となる。要するに、要素画素を形成する発光素子自体が、発光の方向に指向性を持っている。そのため、本発明のＩＰ立体ディスプレイは、光学レンズで投影される光線の方向と同様の方向を、各要素画素を構成する発光素子にそれぞれ設定しておくことで、同様に立体像を再生することができる。 According to such a configuration, the IP stereoscopic display assumes that the stereoscopic image is reproduced by inputting the element image captured by the optical lens of the lens plate on which the optical lens is juxtaposed on the imaging side. When reproducing a lens plate, it is not necessary to use a lens plate that is difficult in principle to achieve high definition. In this IP stereoscopic display, a light emitting element is provided as an element pixel constituting an element image, and the light emission direction from the light emitting element is set for each pixel. Conventionally, each element image displayed on the display panel is projected by a corresponding element lens to reproduce a stereoscopic image. At this time, the element pixels constituting the element image are projected by the element lens. On the other hand, in the IP stereoscopic display of the present invention, in the light emitting element that constitutes the element pixel that constitutes the element image, the direction of the emitted light beam is an element lens (for reproducing the stereoscopic image of the subject from each element image). Since it is set for each pixel so that it is the same as the direction defined by the optical axis passing through the lens center of the optical lens), it is projected onto the optical lens even though no optical lens is actually arranged. As if, the light from the element pixel (light emitting element) becomes a light beam directed in a specific direction. In short, the light emitting element itself forming the element pixel has directivity in the direction of light emission. Therefore, the IP stereoscopic display of the present invention reproduces a stereoscopic image in the same manner by setting the same direction as the direction of the light beam projected by the optical lens to each light emitting element constituting each element pixel. Can do.
また、請求項２に記載のＩＰ立体ディスプレイは、請求項１に記載のＩＰ立体ディスプレイにおいて、前記発光素子は、少なくとも一部が柱状に形成されて柱頭の射出面から光線を射出するＬＥＤ素子であることとした。
The IP stereoscopic display according to
かかる構成によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、発光素子としてＬＥＤ素子を備え、このＬＥＤ素子の少なくとも一部が柱状に形成されているので、発光素子で形成する画素を微小化し、画素ピッチを小さくすることができる。また、半導体の微細化プロセスによって半導体結晶を成長させることで、ＬＥＤ素子の柱状の部分を形成し、太さや高さを制御した柱の柱頭を射出面にすることができる。ここで、ＬＥＤ素子の材料は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｌＡｓＰからなる群から選択された１つであることが好ましい。 According to such a configuration, the IP stereoscopic display includes an LED element as a light emitting element, and at least a part of the LED element is formed in a column shape, so that the pixels formed by the light emitting element are miniaturized and the pixel pitch is reduced. be able to. Further, by growing a semiconductor crystal by a semiconductor miniaturization process, a columnar portion of the LED element can be formed, and the columnar head of which the thickness and height are controlled can be used as the emission surface. Here, the material of the LED element is preferably one selected from the group consisting of GaN, AlN, GaAlN, ZnO, GaAs, GaP, GaAlAs, and GaAlAsP.
また、請求項３に記載のＩＰ立体ディスプレイは、請求項１または請求項２に記載のＩＰ立体ディスプレイにおいて、前記発光素子は、平坦な基板上に画素毎に設けられた半導体発光層を含む基部と、前記基部の上面に設けられた複数の半導体柱状部とを備え、前記複数の半導体柱状部は、柱頭の射出面からの光を互いに干渉させて合成した光線の方向が、当該画素から射出する光線の方向となるようにそれぞれの大きさが設定されていることとした。
The IP stereoscopic display according to
かかる構成によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、半導体発光層を含む基部と、基部の上面に設けられた大きさの異なる複数の半導体柱状部とを有した発光素子を備えている。したがって、発光素子の基部で発生した光は、半導体柱状部を光導波路として、複数の異なる光導波路を伝搬し、各半導体柱状部の端面の柱頭から放射される。画素において、異なる光導波路を経由して各半導体柱状部から放射されたそれぞれの光は、当該発光素子の半導体発光層を１つの光源として発生した光なので干渉し、合成された光線となって予め設定された方向に射出される。一方、画素毎に合成された光線が、異なる画素からそれぞれ射出されるが、画素毎に半導体発光層は異なっており、光源が異なるため干渉することはない。これにより、ＩＰ立体ディスプレイは、立体像を再生することができる。 According to such a configuration, the IP stereoscopic display includes a light emitting element having a base including a semiconductor light emitting layer and a plurality of semiconductor columnar portions having different sizes provided on the upper surface of the base. Accordingly, light generated at the base of the light emitting element propagates through a plurality of different optical waveguides using the semiconductor columnar portion as an optical waveguide, and is emitted from the top of the end face of each semiconductor columnar portion. In the pixel, each light radiated from each semiconductor columnar part via different optical waveguides is a light generated by using the semiconductor light emitting layer of the light emitting element as one light source, so that it interferes and becomes a combined light beam in advance. Injected in the set direction. On the other hand, light beams synthesized for each pixel are emitted from different pixels, but the semiconductor light emitting layer is different for each pixel, and the light source is different, so there is no interference. Thereby, the IP stereoscopic display can reproduce a stereoscopic image.
また、請求項４に記載のＩＰ立体ディスプレイは、請求項３に記載のＩＰ立体ディスプレイにおいて、前記発光素子は、前記基部の上面に、２つの半導体柱状部を備え、前記画素から射出する光線の方向が、当該画素において前記半導体発光層で発光し前記２つの半導体柱状部を異なる光導波路として伝搬して各射出面における光の位相差に応じた干渉によって合成された光線の方向となるように、当該２つの半導体柱状部の高さおよび位置が設定されていることとした。
The IP stereoscopic display according to claim 4 is the IP stereoscopic display according to
かかる構成によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、半導体発光層を含む基部と、基部の上面に設けられた２つの半導体柱状部とを有した発光素子を備えている。２つの半導体柱状部のうち長い方から順番に第１柱状部、第２柱状部とすると、第１柱状部と第２柱状部との高さの差は、第１および第２柱状部を伝搬する光についての光路長の差となる。また、半導体柱状部の外側に、半導体柱状部よりも屈折率が低い部材や空気が充填されているとき、界面を挟んで媒質中の光の速度が異なるので、合成された光線は、半導体柱状部内の光路長がより短い第２柱状部の側に傾斜した方向に進行することとなる。もしくは、光路長がより長い第１柱状部の側に傾斜した方向に進行することとなる。この射出される方向については、２つの柱状部の高さおよび柱状部間の距離によって決まる。よって、合成された光線が予め設定された方向に射出するように第１柱状部と第２柱状部との高さと位置が決定される。 According to such a configuration, the IP stereoscopic display includes a light emitting element having a base including a semiconductor light emitting layer and two semiconductor columnar portions provided on the upper surface of the base. If the first columnar part and the second columnar part are sequentially arranged from the longest of the two semiconductor columnar parts, the difference in height between the first columnar part and the second columnar part propagates through the first and second columnar parts. This is the difference in the optical path length for the light to be transmitted. Also, when the outside of the semiconductor columnar part is filled with a member having a refractive index lower than that of the semiconductor columnar part or air, the speed of light in the medium is different across the interface. The optical path length in the part proceeds in a direction inclined toward the second columnar part with a shorter length. Alternatively, the light travels in a direction inclined toward the first columnar portion having a longer optical path length. The emission direction is determined by the height of the two columnar portions and the distance between the columnar portions. Therefore, the height and position of the first columnar portion and the second columnar portion are determined so that the combined light beam is emitted in a preset direction.
また、請求項５に記載のＩＰ立体ディスプレイは、請求項３または請求項４に記載のＩＰ立体ディスプレイにおいて、前記発光素子は、前記半導体柱状部の柱の横断面における幅が前記半導体発光層の発光波長以上の長さに形成されていることとした。
The IP stereoscopic display according to
かかる構成によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、各画素において、発光素子の半導体発光層で発生した光は、直接または反射によって間接的に半導体柱状部の側に伝搬するが、半導体柱状部の水平方向の幅を発光波長よりも広くなるように形成したので、半導体柱状部の基端側で反射する割合を低減し、発光素子の基部から半導体柱状部へと光を効率よく伝播させることができる。したがって、ＩＰ立体ディスプレイにおける光出力の低減を防止することができる。 According to such a configuration, in the IP stereoscopic display, in each pixel, light generated in the semiconductor light emitting layer of the light emitting element propagates directly or indirectly to the semiconductor columnar part by reflection, but in the horizontal direction of the semiconductor columnar part. Therefore, the ratio of reflection on the base end side of the semiconductor columnar portion can be reduced, and light can be efficiently propagated from the base portion of the light emitting element to the semiconductor columnar portion. Therefore, it is possible to prevent a reduction in light output in the IP stereoscopic display.
また、請求項６に記載のＩＰ立体ディスプレイは、請求項１または請求項２に記載のＩＰ立体ディスプレイにおいて、前記立体像を再生するための要素画像毎に凸形状の突起部を並置して形成された基板と、半導体発光層を含み前記基板上に柱状に形成された前記発光素子と、を備え、前記発光素子は、画素毎に前記基板の前記突起部の表面の法線方向に立設するように設けられていることとした。
The IP stereoscopic display according to claim 6 is the IP stereoscopic display according to
かかる構成によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、基板に要素画像毎の突起部を備えると共に、半導体発光層を含み柱状に形成された発光素子を基板の突起部の表面の法線方向に立設するように備えている。したがって、各画素において、発光素子の半導体発光層で発生した光が柱状の発光素子自体を光導波路として伝搬して端面の柱頭から放射されると、突起部に形成された異なる画素から異なる角度でそれぞれ射出された光により要素画像が形成され、さらに、各要素画像から立体像を再生することができる。 According to such a configuration, the IP stereoscopic display includes a protrusion for each element image on the substrate, and the light emitting elements formed in a column shape including the semiconductor light emitting layer are erected in the normal direction of the surface of the protrusion of the substrate. Have prepared. Therefore, in each pixel, when the light generated in the semiconductor light emitting layer of the light emitting element propagates through the columnar light emitting element itself as an optical waveguide and is emitted from the end of the end face, the light is emitted from different pixels formed on the protrusion at different angles. Element images are formed by the emitted light, and a three-dimensional image can be reproduced from each element image.
請求項１に記載の発明によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、光学レンズを備えずに立体像を再生することができる。したがって、ＩＰ立体ディスプレイは、従来よりも、表示する画像の精細度を高めることができると共に、視域および奥行き再現範囲を拡大することができる。 According to the first aspect of the present invention, the IP stereoscopic display can reproduce a stereoscopic image without providing an optical lens. Therefore, the IP stereoscopic display can increase the definition of an image to be displayed and can increase the viewing area and the depth reproduction range as compared with the conventional one.
請求項２に記載の発明によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、画素として、指向性の高い柱状部を有するＬＥＤ素子を備え、画素ピッチを小さくすることができるので、解像度を高め、高精細な立体像を再生することができる。 According to the second aspect of the present invention, the IP stereoscopic display includes, as pixels, LED elements having columnar portions with high directivity, and the pixel pitch can be reduced. The image can be reproduced.
請求項３に記載の発明によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、画素を形成する発光素子が、異なる光導波路を伝搬した光を干渉させて合成された光線を射出するので、画素毎に光線の射出方向を設定することができる。 According to the third aspect of the present invention, in the IP stereoscopic display, the light emitting elements that form the pixels emit light beams that are synthesized by interfering with light propagated through different optical waveguides. The direction can be set.
請求項４に記載の発明によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、画素を形成する発光素子の２つの半導体柱状部の高さおよび位置に応じた方向に対して、当該画素からの光線を射出するので、画素毎に光線の射出方向を容易に設定することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the IP stereoscopic display emits the light beam from the pixel in the direction according to the height and position of the two semiconductor columnar portions of the light emitting element forming the pixel. The light emission direction can be easily set for each pixel.
請求項５に記載の発明によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、画素を形成する発光素子において基部から半導体柱状部へと光を効率よく伝播させることができるので、ディスプレイの光出力の低減を防止することができる。
According to the invention described in
請求項６に記載の発明によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、基板の突起部の表面に画素として形成されたそれぞれの発光素子からの光が１単位の要素画素群として要素画像を形成し、各要素画像から立体像を再生することができる。 According to the invention described in claim 6, in the IP stereoscopic display, the light from each light emitting element formed as a pixel on the surface of the protruding portion of the substrate forms an element image as an element pixel group of one unit, A stereoscopic image can be reproduced from the element image.
以下、本発明のＩＰ立体ディスプレイを実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面に示される部材等のサイズや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。 Hereinafter, embodiments for implementing an IP stereoscopic display of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the size and positional relationship of members and the like shown in the drawings may be exaggerated for clarity of explanation.
［ＩＰ立体ディスプレイの概要］
まず、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイについて従来技術と対比させながら図１および図２を参照して説明する。図１（ａ）に従来型のＩＰ立体表示装置２０１を示し、図１（ｂ）に本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１を示す。
[Outline of IP stereoscopic display]
First, an IP stereoscopic display according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG. FIG. 1A shows a conventional IP
図１（ａ）に示すＩＰ立体表示装置２０１の構成については、本発明の背景技術として既に説明したので、詳細な説明を省略する。このＩＰ立体表示装置２０１の断面構造を図２（ａ）に模式的に示す。なお、図２（ａ）では、要素レンズ２０６からスクリーン面２０４までの距離ｇを要素レンズの焦点距離の値とした。このＩＰ立体表示装置２０１は、光学レンズを要素レンズ２０６として用いることによって画像表示面（スクリーン面２０４）に表示された映像について、表示面から周囲に射出された光線を平行光に変えて、光線の方位（方向）を制御していた。
Since the configuration of the IP
これに対して、図１（ｂ）に示すＩＰ立体ディスプレイ１は、従来型のＩＰ立体表示装置２０１とは異なり、要素レンズアレイ２０３を備えずに、ＩＰ方式により、要素画像から立体像を再生する方式のＩＰ立体ディスプレイである。このＩＰ立体ディスプレイ１の断面構造を図２（ｂ）に模式的に示す。ＩＰ立体ディスプレイ１は、基板２上に画像表示面（ＦＰＤ面４）の画素５としての光線指向型発光素子１０（図２（ｂ）参照）を備えている。ＩＰ立体ディスプレイ１は、ＦＰＤ面４において水平および垂直方向に所定数のマトリクス状に配置された画素５を備えており、各画素５は、図示しない行ドライバおよび列ドライバにより、図示しない走査ラインおよびデータラインを介して駆動される。
In contrast, the IP
光線指向型発光素子１０は、発散光ではなく、指向性の高い光を発光する素子であり、特定の方向に光線を射出する。この光線指向型発光素子１０としては、例えば、図２（ｂ）に示すように、少なくとも一部が複数の柱状に形成されて柱頭の射出面から光線を射出するＬＥＤ素子を用いることができる。ＬＥＤ素子の材料は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｌＡｓＰからなる群から選択された１つであることが好ましい。光線指向型発光素子１０の構造の詳細については後記する。本実施形態では、光線指向型発光素子１０は、後記する式（１０）および式（１１）において規定する特定の角度の方向（α１，θ１）には光線を射出するが、その他の方向には射出しないような指向性を有することとした。
The light-directional
図１（ｂ）に示すＩＰ立体ディスプレイ１は、光線指向型発光素子１０から射出する光線の方向が画素５毎に設定されている。図示は省略するが、従来のＩＰ立体表示装置２０１に対応したＩＰ立体撮影装置が、要素レンズアレイ２０３と同様のレンズ板を介して被写体（例えば円柱等）を撮影しておくことが、ＩＰ立体ディスプレイ１にて立体を表示（再生）するための前提となる。ＦＰＤ面４に設けられた各光線指向型発光素子１０から射出する光線は、あたかもレンズで投影されたかのように集まって、ＩＰ立体表示装置２０１と同様の原理で、被写体の再生像（立体像）として、例えば円柱９０１，９０３や立方体９０２が表示される。
In the IP
ＩＰ立体ディスプレイ１は、光線指向型発光素子１０からの発光の射出方向を限定することで、光学レンズを不要としたものである。以下、発光素子からの発光の射出方向について従来技術と対比させつつ、数式を用いて適宜図１および図２を参照しながら説明する。ここでは、まず、数式を用いるためにいくつかの前提を以下に示す。
The IP
発光素子の射出面を例えばｘｙ平面として、ｘｙ平面の原点に置かれた発光素子と、ｘｙ平面を底面とする半球の３次元空間を仮定する。また、射出面に対して垂直な例えばｚｘ平面において、射出面に対する法線方向である＋ｚ軸から射出面への回転角度をθ（−９０°≦θ≦９０°）で表す。この場合、＋ｚ軸がθ＝０°を示し、＋ｘ軸の方向がθ＝９０°、−ｘ軸の方向がθ＝−９０°となる。
また、射出面（ｘｙ平面）からの仰角をθ’とすると、θ’＝９０°−θの関係が成り立つ。また、ｚ軸の周りの回転角（方位角）をα（−１８０°＜α≦１８０°）で表すと、角度θおよび方位角αを用いて半球面上の位置を特定できる。
Assuming that the emission surface of the light emitting element is an xy plane, for example, a light emitting element placed at the origin of the xy plane and a hemispherical three-dimensional space having the xy plane as a bottom surface. Further, in the zx plane perpendicular to the exit surface, for example, the rotation angle from the + z axis, which is the normal direction to the exit surface, to the exit surface is represented by θ (−90 ° ≦ θ ≦ 90 °). In this case, the + z axis indicates θ = 0 °, the + x axis direction is θ = 90 °, and the −x axis direction is θ = −90 °.
Further, assuming that the elevation angle from the exit surface (xy plane) is θ ′, the relationship θ ′ = 90 ° −θ holds. Further, when the rotation angle (azimuth angle) around the z-axis is represented by α (−180 ° <α ≦ 180 °), the position on the hemisphere can be specified using the angle θ and the azimuth angle α.
従来の典型的なＩＰ立体ディスプレイ（ＩＰ立体表示装置２０１）において、表示パネル２０２の表示素子（例えば発光素子）から放射される光線は、画素２０５の周囲に等方的なランバーシアン（Lambertian）分布の状態を示す。具体的には、射出面に対する法線方向（θ＝０）の光強度をＩ０として、方位角をαとした場合、ランベルトの余弦則を示すランバーシアンの光強度分布Ｉ（α，θ）は、次の式（９）により表すことができる。
In a conventional typical IP stereoscopic display (IP stereoscopic display device 201), light emitted from a display element (for example, a light emitting element) of the
Ｉ（α，θ）＝Ｉ０×ｃｏｓθ … 式（９） I (α, θ) = I 0 × cos θ Equation (9)
すなわち、通常の発光素子から放出される発光の強度は、一般的に方位角αには依存せず、射出面に対する法線方向からの角度θ（あるいは仰角θ’）のみに依存している。 That is, the intensity of light emitted from a normal light emitting element generally does not depend on the azimuth angle α, but depends only on the angle θ (or elevation angle θ ′) from the normal direction to the exit surface.
一方、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１では、ある特定の方向のみに限定して発光を射出する画素５として、光線指向型発光素子１０を備える。すなわち、光線指向型発光素子１０は、次の式（１０）に示すように、方位角αの値がα１であって、かつ、射出面に対する法線方向からの角度θの値がθ１をとるとき（あるいは仰角θ’の値θ１′が９０°−θ１をとるとき）に光を射出する。式（１０）では、このときの光強度の値をＩｍａｘとした。また、光線指向型発光素子１０は、次の式（１１）に示すように、方位角αの値がα１であっても角度θの値がθ１以外のときには光を射出しないものである。なお、α≠α１のときにも光を射出しない。
On the other hand, the IP
Ｉ（α１，θ１）＝Ｉｍａｘ … 式（１０）
Ｉ（α，θ）＝０ （α＝α１，θ≠θ１）） … 式（１１）
I (α 1 , θ 1 ) = I max (10)
I (α, θ) = 0 (α = α 1 , θ ≠ θ 1 )) Equation (11)
式（１０）および式（１１）において規定した特定の方向（α１，θ１）については、例えば、従来の要素レンズ２０６によって規定されていた方向と同様の方向とする。これにより、光線指向型発光素子１０による発光は、従来の要素レンズ２０６によって規定されていた方向にのみ射出させることができる。このことについて、図２（ａ）および図２（ｂ）を参照して詳細に説明する。
The specific directions (α 1 , θ 1 ) defined in the expressions (10) and (11) are, for example, the same directions as those defined by the
図２（ａ）において、ＩＰ立体表示装置２０１の表示パネル２０２の例えば図中左から７番目の画素２０５から放射される光は、画素２０５の周囲に等方的なランバーシアン分布の状態を示し、要素レンズ２０６によって平行光となる。このときの平行光は、当該７番目の画素２０５と要素レンズ２０６の中心とを結ぶ光軸に平行なものとなっている。同様に、図中左から４番目の画素２０５から放射される光が、要素レンズ２０６によって平行光となるとき、この平行光は、当該４番目の画素２０５と要素レンズ２０６の中心とを結ぶ光軸に平行なものとなっている。
In FIG. 2A, light emitted from, for example, the
また、図２（ｂ）において、ＩＰ立体ディスプレイ１の基板２のＦＰＤ面４に配置された例えば図中左から７番目の画素５を形成する光線指向型発光素子１０は、ＦＰＤ面４の法線方向に光線を射出している。この７番目の画素５を形成する光線指向型発光素子１０が射出する光線の方向と、図２（ａ）においてＩＰ立体表示装置２０１の７番目の画素２０５から放射される光の、要素レンズ２０６による平行光の光軸の方向とは同じである。同様に、図２（ｂ）においてＩＰ立体ディスプレイ１の図中左から４番目の画素５を形成する光線指向型発光素子１０が射出する光線の方向と、図２（ａ）においてＩＰ立体表示装置２０１の４番目の画素２０５から放射される光の、要素レンズ２０６による平行光の光軸の方向とは同じである。図示を省略するが、他の対応する画素５と画素２０５との対応関係も同様である。これら本発明と従来技術との対応関係は、前記式（１０）および式（１１）において規定した特定の方向（α１，θ１）について、例えば、従来の要素レンズ２０６によって規定されていた方向と全く同じ方向としたことを意味する。
In FIG. 2B, the light-directional
ただし、図２に示した例は、あくまでも光線指向型発光素子１０による光の射出方向の説明を簡単にするために示したものであるので、ＩＰ立体ディスプレイ１が再生する立体像と、ＩＰ立体表示装置２０１が再生する立体像とが同一となる。そこで、ＩＰ立体ディスプレイ１が再生する立体像を、ＩＰ立体表示装置２０１が再生する立体像よりも高精細化するためには、以下の（Ｂ１）〜（Ｂ４）を実行すればよい。
However, since the example shown in FIG. 2 is shown only for the sake of simplifying the explanation of the light emission direction by the light-directional
（Ｂ１）図２（ａ）においてＩＰ立体表示装置２０１の表示パネル２０２の画素ピッチｐを小さくする。なお、図２（ｂ）においては、この小さくした画素ピッチｐにて光線指向型発光素子１０を配置することとする。
（Ｂ２）図２（ａ）においてＩＰ立体表示装置２０１のレンズピッチを小さくするように縮小化した別の要素レンズを仮定し、その焦点距離に合わせて表示パネル２０２から離間させて配置した要素レンズアレイを想定する。
（Ｂ３）図２（ａ）において想定したレンズアレイの各要素レンズの中心と、表示パネル２０２の各画素とを繋ぐ光軸の方向をそれぞれ求める。
（Ｂ４）図２（ａ）において上記（Ｂ３）で画素毎に求めた光軸の方向を、図２（ｂ）において、当該画素に対応した光線指向型発光素子１０の光線の射出方向と一致させるように設定する。
(B1) In FIG. 2A, the pixel pitch p of the
(B2) In FIG. 2A, assuming another element lens reduced so as to reduce the lens pitch of the IP
(B3) The direction of the optical axis connecting the center of each element lens of the lens array assumed in FIG. 2A and each pixel of the
(B4) The direction of the optical axis obtained for each pixel in (B3) in FIG. 2 (a) matches the light emission direction of the light-emitting
前記したように、ＩＰ立体ディスプレイ１は、原理的に高精細化が難しい光学レンズ（要素レンズ）を使用することなく、光線指向型発光素子１０からの発光の射出方向を限定することで、立体像を再生することとした。これにより、ＩＰ立体ディスプレイ１では、従来の典型的なＩＰ立体ディスプレイであるＩＰ立体表示装置２０１にまつわる前記（Ａ１）解像度の問題、（Ａ２）立体像の奥行き再現範囲の問題、（Ａ３）視域の問題を、従来技術に比べて改善することができる。以下では、これらの点について、図面を参照して説明する。
As described above, the IP three-
まず、主として、（Ａ１）従来は解像度が低かったという問題について図３を参照して説明する。図３のグラフにおいて、横軸は再生像の奥行き位置を表すＺ軸、縦軸は前記した任意の奥行に生成される立体像の最高空間周波数γを表すγ軸をそれぞれ示す。図３のグラフでは、Ｚ軸においてＺ＝０の位置に図示しないＦＰＤ面４（図１参照）があるものとする。図３のグラフは、図１０を参照して説明したレンズ板をＦＰＤ面に代えて示している。なお、図３では、図１０において実線で示したライン８０１〜８０３を破線で示し、さらに、ライン３０１，３０２を付加している。
First, (A1) the problem that the resolution has been low in the prior art will be mainly described with reference to FIG. In the graph of FIG. 3, the horizontal axis represents the Z-axis representing the depth position of the reproduced image, and the vertical axis represents the γ-axis representing the highest spatial frequency γ of the stereoscopic image generated at the arbitrary depth described above. In the graph of FIG. 3, it is assumed that there is an unillustrated FPD surface 4 (see FIG. 1) at a position of Z = 0 on the Z axis. The graph of FIG. 3 shows the lens plate described with reference to FIG. 10 in place of the FPD surface. In FIG. 3,
図３において破線で示すライン８０１は、従来技術として説明したように、前記式（２）のｚが正の値をとるときの観視空間周波数に相当する。従来技術によれば、前記式（２）に示す投影空間周波数αは、前記式（６）で表わされる。前記式（６）の右辺に示す要素画像の限界の空間周波数αｄ、αｅはレンズの存在自体で決まる要因である。また、前記表１に示すようにレンズ板を用いた将来型のＩＰ立体ディスプレイでは要素レンズの回折限界の空間周波数αｄの寄与が大きいと考えられる。よって、従来技術において、レンズアレイを不要とした場合、前記式（６）の右辺に示す要素画像の限界の空間周波数αｄ、αｅを考慮する必要はなく、前記式（６）の右辺に示す要素画像の最大の空間周波数αｐの寄与だけを考えればよい。この要素画像の最大の空間周波数αｐは前記式（５）で定義されるので、画素ピッチｐに反比例し、レンズ板から表示素子までの距離（従来技術では要素レンズの焦点距離）ｇに比例する。よって、レンズアレイを不要とした場合、実際には存在しない仮想的なレンズ板を想定し、この仮想的なレンズ板からＦＰＤ面（表示素子）までの距離ｇの値として、現状の焦点距離よりも小さな距離を任意に設定することができる。この場合に、画素ピッチｐも合わせて小さな値に設定することができる。
ここで、画素ピッチｐを小さな値に設定することについて言及する。前記表１を用いて行った従来技術と想定された将来技術との対比における検討結果「前記式（６）においてαｄの寄与が大きくなる」とは、要素画像の最大の空間周波数αｐの値が、要素レンズの回折限界の空間周波数αｄの値よりも大きくなることを意味する。したがって、想定された将来技術のように、要素画像の最大の空間周波数αｐの値が、要素レンズの回折限界の空間周波数αｄの値よりも大きくなる範囲については、前記式（２）において投影空間周波数αに対して、レンズアレイを用いることを前提としたαｄの値の代わりに、レンズアレイを不要とすることを前提としたαｐの値を代入することができる。このようにした場合、観視空間周波数βは大きくなる。その結果、図３において破線で示すライン８０１は、実線で示すライン３０１の位置にまで上昇させることが可能である。
A
Here, reference is made to setting the pixel pitch p to a small value. The result of the examination in the comparison between the conventional technique performed using Table 1 and the assumed future technique “the contribution of αd in equation (6) is large” means that the value of the maximum spatial frequency αp of the element image is This means that the value becomes larger than the value of the spatial frequency αd of the diffraction limit of the element lens. Therefore, as in the assumed future technology, the range in which the value of the maximum spatial frequency αp of the element image is larger than the value of the spatial frequency αd of the diffraction limit of the element lens is the projection space in the expression (2). For the frequency α, the value of αp on the assumption that the lens array is not required can be substituted for the value of αd on the assumption that the lens array is used. In such a case, the visual spatial frequency β increases. As a result, the
同様に、図３において破線で示すライン８０２は、実線で示すライン３０２の位置にまで上昇させることが可能である。すなわち、ＩＰ立体ディスプレイ１は、任意の奥行に生成される立体像の最高空間周波数γを高めることで、解像度を従来よりも高めることができる。
Similarly, a
次に、（Ａ２）従来は立体像の奥行き再現範囲が狭かったという問題についても、図３のグラフにより説明することができる。図３に示すライン８０３は、前記式（１）のβ（ナイキスト周波数）に相当している。Ｚ軸においてＺ＝０の位置に想定しているＦＰＤ面４（図１参照）における立体像の最高空間周波数γは、レンズアレイの有無にかかわらず不変である。しかしながら、図３に実線で示すように、レンズアレイを不要とした場合には、図１０のグラフと比べたときに、任意の奥行に生成される立体像の最高空間周波数γが最大値を示すような再生像の奥行き位置の範囲はＺ軸を挟んで左右にそれぞれ拡大していることが分かる。すなわち、ＩＰ立体ディスプレイ１は、立体像の奥行き再現範囲を従来よりも拡大することができる。
Next, the problem that (A2) the depth reproduction range of a stereoscopic image has been narrow in the prior art can also be described with reference to the graph of FIG. A
次に、主として、（Ａ３）従来は視域が狭かったという問題について図４を参照して説明する。図４（ａ）は、従来型のＩＰ立体表示装置２０１の説明で参照した図１１と同様な図面であって、主として視域角Ωを形式的にΩ０に変更した点が異なっている。したがって、同様な符号を付して詳細な説明を省略する。図４（ｂ）は、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１についての視域の説明図を図４（ａ）と同様な形式で表したものである。
Next, mainly (A3) the problem that the viewing zone has been narrow in the prior art will be described with reference to FIG. 4 (a) is a similar drawing as Fig. 11 referred to in the description of conventional IP
図４（ｂ）に示すＩＰ立体ディスプレイ１は、レンズアレイを不要としたので、前記したように、実際には存在しない仮想的なレンズ板を想定し、この仮想的なレンズ板からＦＰＤ面（表示素子）までの距離ｇの値として、表１に示した現状の焦点距離よりも小さな距離を任意に設定することができる。
Since the IP
具体的には、従来型のＩＰ立体表示装置２０１は、視域角Ω０が、表示パネル２０２に表示される要素画像を構成する要素画素から放射されて、要素レンズアレイ２０３の図４（ａ）において中央に位置する要素レンズのレンズ中心を通過する２本の光軸のなす角で規定されている。
Specifically, in the conventional IP
一方、ＩＰ立体ディスプレイ１は、視域角Ω１が、ＦＰＤ面に表示される要素画像を構成する要素画素から射出されて、図４（ａ）に示す焦点距離ｇよりも小さな距離にて交差する２本の光線のなす角で規定されている。これにより、視域角Ω１が視域角Ω０よりも大きくなる。すなわち、ＩＰ立体ディスプレイ１は、視域を従来よりも拡大することができる。
On the other hand, IP
なお、図４（ｂ）においてＦＰＤ面に表示される要素画像を構成する要素画素から射出されている２本の光線の端点間の距離を、図４（ａ）に示した要素画像を構成する要素画素から射出されている２本の光軸の端点間の距離よりも小さく表示したのは、画素ピッチも小さな値に設定したことを示している。 In FIG. 4B, the distance between the end points of two rays emitted from the element pixels constituting the element image displayed on the FPD surface constitutes the element image shown in FIG. The display smaller than the distance between the end points of the two optical axes emitted from the element pixel indicates that the pixel pitch is also set to a small value.
［ＩＰ立体ディスプレイの構造の例］
ＩＰ立体ディスプレイ１の各要素画素（画素５）において、特定の方向だけに発光を射出させる方法については、様々な方法が考えられるが、ここでは、一例として、発光素子に段差を設けて、段差の高低差を利用して発光の射出方向を特定する方法を用いた構造を例示する。
[Example of structure of IP stereoscopic display]
Various methods can be considered for emitting light only in a specific direction in each element pixel (pixel 5) of the IP
図５は、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイに用いる光線指向型発光素子１０の構造の一例とその配置例を模式的に示す概念図である。図５においては、説明のために、ＩＰ立体ディスプレイ１Ａとして、基板２上に２行２列で所定間隔をあけて４つの光線指向型発光素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを画素として配置して示した。なお、以下では、特に区別しない場合には、光線指向型発光素子１０と表記する。実際には、発光素子の個数は、通常のＩＰ立体ディスプレイの要素画素数に相当する個数（縦横とも数百〜数千程度の個数）である。一方、この要素画素の単位集団を要素画素群として定義した場合、通常のＩＰ立体ディスプレイの要素レンズに相当する領域に要素画素群（１つの単位構造）が並置される構造となる。この要素画素群を、前記要素レンズの個数分、タイル状に並置すると、光線指向型発光素子１０によってなるＩＰ立体ディスプレイ１が作製できる。また、図５において、半導体柱状部の外側に、半導体柱状部よりも屈折率が低い部材や空気が充填されているとき、界面を挟んで媒質中の光の速度が異なるので、合成された光線は、半導体柱状部内の光路長がより短い第２柱状部の側に傾斜した方向に進行することとなる。もしくは、光路長がより長い第１柱状部の側に傾斜した方向に進行することとなる。この射出される方向については、２つの柱状部の高さおよび柱状部間の距離によって決まる。よって、合成された光線が予め設定された方向に射出するように第１柱状部と第２柱状部との高さと位置が決定される。
FIG. 5 is a conceptual diagram schematically showing an example of the structure of the light-directional
光線指向型発光素子１０の典型的な構造を図６に示す。図６（ａ）は、光線指向型発光素子１０を上からみた平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視における断面図である。
光線指向型発光素子１０は、図５および図６に示すように、基部２０と、基部２０の上にそれぞれ設けられた複数（図では２つ）の半導体柱状部３１，３２とを備えている。
A typical structure of the light-directional
As shown in FIGS. 5 and 6, the light-directional
基部２０は、平坦な基板２上に画素毎に独立して設けられている。この基部２０は、図６（ｂ）に示すように半導体発光層２１を含んでいる。半導体発光層２１の下側には、ｎ型半導体層２２が設けられ、半導体発光層２１の上側には、ｐ型半導体層２３が設けられている。
光線指向型発光素子１０が青色発光素子である場合、半導体発光層２１は、例えば、ＩｎＧａＮの量子井戸層として形成される。
また、この場合、ｎ型半導体層２２は、基板２側から順に、例えば、ｎ型ＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ障壁層とが積層された構造とすることができる。
また、ｐ型半導体層２３は、半導体発光層２１側から順に、例えば、ｐ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ障壁層と、ｐ型ＧａＮ層と、が積層された構造とすることができる。
The
When the light-directional
In this case, the n-
The p-
なお、この基部２０において図示を省略したが、一般的なＬＥＤ素子と同様に、ｎ型半導体層２２およびｐ型半導体層２３との間に段差を設けて、当該段差から引き出された部分にオーミックコンタクトを形成する形で電極を形成できれば、電極の構造は特に限定されるものではない。例えばｐ電極を、基部２０の上面において半導体柱状部３１，３２のない部分に設け、ｎ電極をｎ型半導体層２２の基板２側の面に設けてもよい。また、電極材料としては一般的な金属電極が使用できる。
Although not shown in the
基部２０は、図６に示すように、例えば円柱状に形成されている。基部２０の寸法は、従来のＩＰ立体ディスプレイにおける要素画素の寸法より小さく形成できれば、従来のＩＰ立体ディスプレイよりも画素数が増えるため高精細化が可能となる。この場合、円柱の直径Ｂは、２μｍ以下であることが好ましい。２μｍ以下であれば、前記表１の将来型のＩＰ立体ディスプレイにおける画素ピッチ（３〜９μｍ）の実現に好適だからである。なお、前記表１に示すように、このときの対角サイズや要素レンズの個数が、将来普及するときの目標値と考えられるので、円柱の直径Ｂの下限は、自ずと定まり、極端に小さくなることはなく、同程度のオーダー、例えば、１μｍ以上であれば充分である。
As shown in FIG. 6, the
基部２０の厚み（膜厚）Ｃは、少なくとも半導体発光層２１とそれを挟む障壁層の厚みとの合計以上の厚みを有し、半導体柱状部３１，３２の高さとのバランスや使用材料の量を考慮して例えば数十〜１００ｎｍ程度であることが好ましく、５０ｎｍ程度であることが特に好ましい。
The thickness (film thickness) C of the
半導体柱状部３１，３２は、柱頭の射出面３１ａ，３２ａから射出する光を互いに干渉させて合成した光線の方向が、当該画素から射出する光線の方向となるようにそれぞれの大きさが設定されている。
半導体柱状部３１，３２は、基部２０と同様な半導体材料で構成されている。青色発光素子である場合、半導体柱状部３１，３２は、例えば、ｐ型ＧａＮ層等で構成されている。なお、単層構造である必要は無く、多層構造であってもよい。
The sizes of the
The
本実施形態では、２つの半導体柱状部３１，３２は、例えば円柱状に形成されている。図６に示すように、半導体柱状部３１の上底面（射出面）の直径φ１と、半導体柱状部３２の上底面（射出面）の直径φ２は、半導体発光層２１の発光波長以上の長さに形成されていると、基部２０から半導体柱状部３１，３２へと光を効率よく伝播させることができるので、このように構成することが好ましい。
In the present embodiment, the two
半導体柱状部３１の高さｈ１と、半導体柱状部３２の高さｈ２とは、発光波長程度、あるいは、その数倍程度が好ましい。半導体柱状部３１の高さｈ１と、半導体柱状部３２の高さｈ２との差Ｄは、画素毎に決定されており、詳細は後記するが、当該画素から射出する光線の方向を規定するように設定されている。なお、画素の位置によっては高さを等しくすべき位置もある。
半導体柱状部３１と、半導体柱状部３２との距離Ｅは、それぞれの柱頭の射出面３１ａ，３２ａから射出する光を互いに干渉させることができる距離であればよい。この距離Ｅは、発光波長以下、例えば１／４〜１波長程度であることが好ましい。
The height h1 of the
The distance E between the
光線指向型発光素子１０を製造する方法としては、公知の種々の微細加工技術を用いることができ、特に限定されない。例えば、微細加工技術によって光線指向型発光素子１０の全体構造を予め作成してから基板２の上に張り合わせる方法（以下、張り合わせ法という）や、基板２上に基部２０を先に形成しておき、半導体柱状部３１，３２を成長させる方法（以下、柱成長法という）、ナノインプリント（nanoimprint）技術等を用いることができる。
As a method for manufacturing the light-directional
このうち、例えば張り合わせ法では、個々の通常のＬＥＤ素子を微細化加工し、要素レンズ相当の前記要素画素群を１単位として、別工程によって事前に他のＬＥＤウエハを用いて、例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）等の機械的な微細加工技術または、フェムト秒レーザ等を使った光学的な微細加工技術によって、光線指向型発光素子１０の構造を作製しておく。そして、個々の微細素子を、前記要素画素群を１単位としてタイル状に基板２の上に分子間力によって直接張り合わせることで光線指向型発光素子１０を製造する。
Among these, for example, in the bonding method, each normal LED element is miniaturized, the element pixel group corresponding to the element lens is set as one unit, and another LED wafer is used in advance by another process, for example, a focused ion beam. The structure of the light-directional
また、例えば柱成長法では、光線指向型発光素子１０の基部２０を先に形成する。次に、この基部２０上に、金属を蒸着した後、金属パターンをＦＩＢまたはフェムト秒レーザまたは電子ビームリソグラフィーで円形状にマスク形成する。すると、円形のマスク形状を踏襲する形で、柱状構造からなる円柱を成長させることができる。その際、円柱の高さは、円柱の口径と相関があることが既に知られているので、この知見により、円柱の口径を少しずつ変えることで、自律的にその上に成長する円柱の高さ（高低）を制御することができる。
また、例えば、ナノインプリント技術を使うことで、発光層を有していない導波路部分（半導体柱状部３１，３２）のみを、発光素子（基部２０）の上から形成することもできる。
For example, in the column growth method, the
Further, for example, by using the nanoimprint technique, only the waveguide portions (
図５に戻って、ＩＰ立体ディスプレイ１Ａにおける光線指向型発光素子１０の発光について説明する。光線指向型発光素子１０は図示しない電極を介して、図示しない行ドライバおよび列ドライバにより駆動される。これにより、例えば光線指向型発光素子１０ａにおいて、２つの半導体柱状部の射出面から射出した各光線が干渉して合成されて、合成された光線が、半導体柱状部の高さおよび柱状部間の距離に基づいて規定される方向（矢印５０１で示す方向）に射出し、当該画素から放射される光線となる。同様に、光線指向型発光素子１０ｂ，１０ｃ，１０ｄでは、それぞれ、合成された光線が、高さおよび柱状部間の距離に基づく方向（矢印５０２，５０３，５０４で示す方向）に射出する。なお、以下では、簡便のため、合成された光線が、一例として高さ（高さの差）に基づく方向に射出されるものとして説明する。
Returning to FIG. 5, the light emission of the light-directional
図５の例では、４つの画素について、２つの半導体柱状部の高さの差が大きい順番に並べると、光線指向型発光素子１０ａ、光線指向型発光素子１０ｄ、光線指向型発光素子１０ｂ、光線指向型発光素子１０ｃとなる。また、図５の例において、射出面の法線方向（θ＝０°）から射出面に平行な方向への回転角を光線の射出方向の角度θとして定義すると、画素毎の光線の射出方向の角度θが大きい順番（矢印５０１，５０４，５０２，５０３の順番）は、２つの半導体柱状部の高さの差が大きい順番と同じである。
In the example of FIG. 5, when four pixels are arranged in the descending order of the height difference between the two semiconductor columnar portions, the light-directional light-emitting
以下では、光線指向型発光素子１０における光線の射出方向を制御できる原理について、図５および図６を参照しつつ詳細に説明する。
一般に、半導体の誘電率は真空中（空気中）より高いため、半導体中を伝搬する際の光の速度は、空気中を伝搬する速度に比べて遅くなる。具体的には、大気中または真空中の光の速度をｃ、半導体の屈折率をｎとすると、半導体中の速度は、ｃ／ｎで与えられる（例えばＧａＮであればｎ＝２.６）。このため、半導体素子中で発生した光（発光）を２つに分岐して、一方をそのまま大気中（もしくは真空中）に射出し、かつ、もう一方を半導体中で伝搬させてから射出した場合、それら２つの光が射出された後に出会うと、光路が異なるため、光の位相は異なるようになる。すなわち、半導体中を伝搬する光は、大気中（もしくは真空中）に比べて遅延するため、両者が混合されると、それら２つの光の波面とは全く異なる波面をもつ波が生成（合成）される。
Below, the principle which can control the emission direction of the light beam in the light-directional
In general, since the dielectric constant of a semiconductor is higher than that in a vacuum (in air), the speed of light when propagating in a semiconductor is lower than the speed of propagating in air. Specifically, when the speed of light in the atmosphere or vacuum is c and the refractive index of the semiconductor is n, the speed in the semiconductor is given by c / n (for example, n = 2.6 for GaN). . Therefore, when the light (emission) generated in the semiconductor element is branched into two, one is emitted as it is in the atmosphere (or in vacuum), and the other is propagated in the semiconductor and then emitted When they meet after the two lights are emitted, the optical paths are different, so the phases of the light are different. In other words, the light propagating in the semiconductor is delayed compared to the atmosphere (or in a vacuum), so when they are mixed, a wave having a wavefront completely different from the wavefront of these two lights is generated (synthesized). Is done.
図５において、柱状構造を有する半導体内部で、同一波源（半導体発光層２１：図６（ｂ）参照）から発生した平面波からなる波面を有する発光が伝搬されるとし、この平面波からなる波面が半導体中を伝搬していった場合、光が射出される位置（射出面３１ａ，３２ａ：図６（ｂ）参照）を波源とする２つの光源が存在する。なお、ここでは、放出される光（電磁波）についての波の性質について言及する文脈では「波源」と呼び、放出（射出）される光そのものやその方向、表示について言及する文脈では「光源」と呼ぶこととする。これら２つの光源が新たな波源となって合成される。すなわち、これら２つの波源から放出される光の波面は互いに干渉し、これら２つの波源間の相対的な位置によって決定される方位（方向）に、光が射出されることになる。 In FIG. 5, it is assumed that light emission having a wavefront consisting of a plane wave generated from the same wave source (semiconductor light emitting layer 21: see FIG. 6B) is propagated inside a semiconductor having a columnar structure. When propagating through the inside, there are two light sources having wave sources at positions where light is emitted (emission surfaces 31a and 32a: see FIG. 6B). In this context, it is called “wave source” in the context of referring to the nature of the wave of emitted light (electromagnetic wave), and “light source” in the context of referring to the emitted (emitted) light itself, its direction, and display. I will call it. These two light sources are combined as new wave sources. That is, the wavefronts of the light emitted from these two wave sources interfere with each other, and light is emitted in the azimuth (direction) determined by the relative position between these two wave sources.
一方、発光源（半導体発光層２１：図６（ｂ）参照）が異なる波が複数個あったしても、それらの波の間には干渉性は生じないため、互いに波面の間は影響し合わない。本実施形態では、各画素を構成する光線指向型発光素子１０が、個別に、射出される方向（方位）が決定されていることによって、光学レンズを介することなく、各光線指向型発光素子１０から特定の方向（方位）への指向性をもった光を射出することができる。すなわち、発光する要素画素（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ：図５参照）間では、全くの相関関係（コヒーレンス）を持たないために、互いに出射光の指向性をみたすことはない。
On the other hand, even if there are a plurality of waves with different light emitting sources (semiconductor light emitting layer 21: see FIG. 6B), there is no interference between the waves, so there is an influence between the wave fronts. Do not fit. In the present embodiment, each light-directional light-emitting
一方、個別の画素を取り上げてみると、光線指向型発光素子１０の上部に、複数の光路を分岐する半導体柱状部３１，３２を備えており、分岐された光路長に違いがあると、位相差が生じることになって、光線指向型発光素子１０から放出される光は、ある特定の方位にのみ強い指向性を有するようになる。
On the other hand, when individual pixels are taken up,
この指向性を発現するためには、各画素内の構造の中で発生する光（射出面３１ａ，３２ａから射出する光）が、図２（ａ）のように全方位に向けて発光するのではなく、時間的もしくは空間的にコヒーレンスをもつ必要がある。 In order to express this directivity, light generated in the structure in each pixel (light emitted from the emission surfaces 31a and 32a) emits light in all directions as shown in FIG. Instead, it needs to have coherence in time or space.
このコヒーレンスをもった光が複数本（例えば２本）、半導体柱状部３１，３２の射出面３１ａ，３２ａから発光されて、それらが重畳されたときに、干渉性を有する場合には、ある特定の方位に光が射出されるようになる。このときに、光の進行方向を規定する条件としては、発光の波面が揃っているか、または、射出された光が幾つかのルートを辿ったにせよ、合成されることが必要となる。
If there is a plurality of light (for example, two) with this coherence, light is emitted from the emission surfaces 31a and 32a of the
本実施形態では、各画素を構成する光線指向型発光素子１０の内部のｐｎ接合部分（半導体発光層２１：図６（ｂ）参照）から、ある一定の方向（例えば基部２０の膜厚方向）に、例えば発光波長の数波長分の距離をもって導波路として、光が進行できるように半導体柱状部３１，３２を構成した。その導波路の役目を果たすのが、半導体結晶（基部２０＋半導体柱状部３１，３２）である。
In the present embodiment, a certain direction (for example, the film thickness direction of the base 20) from the pn junction portion (semiconductor light emitting layer 21: see FIG. 6B) inside the light beam-oriented
柱状構造（半導体柱状部３１，３２）を有する半導体結晶の内部（半導体発光層２１）で放出された光は、その多くが、半導体結晶の高い屈折率（ＧａＮはｎ＝２．６）を反映して、柱状結晶（半導体柱状部３１，３２）の内部を全反射しながら伝搬する。
Most of the light emitted inside the semiconductor crystal (semiconductor light emitting layer 21) having the columnar structure (
その際、図６（ｂ）に示したように、複数個の（例えば、２か所）の光路に分かれた場合に、半導体結晶中では、光の伝搬速度が、ｃ／ｎとなり、一方の空気中を伝搬した光は、ｃとなる。具体的には、一方である半導体柱状部３２の光路を通る光は、高さｈ２の半導体結晶中では光の伝搬速度がｃ／ｎとなり、その後、空気中を速度ｃで伝搬する。他方である半導体柱状部３１の光路を通る光は、高さｈ１の半導体結晶中では光の伝搬速度がｃ／ｎとなり、その後、空気中を速度ｃで伝搬する。つまり、高さの差Ｄの部分に着目すると、一方の経路と他方の経路とでは、光の伝搬速度が異なっている。
そのため、その両者が合成されて波面を形成した場合には、その合成された光の進行方向は曲げられることになる。実際に、曲げられる角度は、高さの差Ｄの部分について、空気中を伝搬する光（一方の経路）と、半導体結晶中を伝搬した光（他方の経路）との位相の差で与えられる。
At that time, as shown in FIG. 6B, when the light path is divided into a plurality of (for example, two) optical paths, the light propagation speed is c / n in the semiconductor crystal, The light propagated in the air becomes c. Specifically, the light passing through the optical path of the
Therefore, when both are combined to form a wavefront, the direction of travel of the combined light is bent. Actually, the bending angle is given by the phase difference between the light propagating in the air (one path) and the light propagating in the semiconductor crystal (the other path) for the portion of the height difference D. .
本実施形態では、各画素を構成する光線指向型発光素子１０において、基部２０の半導体発光層２１で光を発生した後、導波路的に柱状構造（基部２０の半導体発光層２１の上のｐ型半導体層２３）を光が伝搬した後に、半導体柱状部３１，３２によって光を分岐している。よって、光の波面は、半導体中で、比較的揃っている（コヒーレンスが保たれている）ため、一定の方向性を維持している。つまり、光が強く向く方向としては、発光素子から光が射出された後では、その光は、基本的には、当該光の波面とは垂直の方向に対して強く伝搬する。このため、各画素から放出される光は、半導体柱状部３１，３２の高さが等しければ、光線指向型発光素子１０から垂直の方位に強く指向性をもつ光となる。
In the present embodiment, in the light-directional
一方、半導体柱状部３１，３２の高さが異なる場合、２つに分岐した光に、遅延効果が加わり、その２つの光の間には、波（光波）の位相差が生じるため、主面（合成された光の波面）は、２つの射出面を波源とする方位を持つ方向に曲げられる。なお、詳細な説明は後記する。
On the other hand, when the
このような微細構造を有する光線指向型発光素子１０を多数個並べた表示素子（ＦＰＤ）は、従来技術においてレンズ板（要素レンズアレイ２０３：図１（ａ）参照）と発光面（表示パネル２０２：図１（ａ）参照）とを接合させた装置と同じ働きを有するようになる。そのため、ＩＰ方式により、要素画像から立体像を再生する通常のＩＰ立体ディスプレイと同一の機能を持ちながら、光学レンズを用いることなく、高精細表示と視域の両立とを図ることが可能なディスプレイになる。
A display element (FPD) in which a large number of light-directional
以下、光線指向型発光素子１０において、２つの射出面を波源とする方位を持つ方向に光線が曲げられる現象を数式を用いて説明する。
位置ｒ１にある波源と、位置ｒ２にある波源とからそれぞれ射出された光によって、時刻ｔにおいて合成される光の強度Ｉ（ｒ）は、次の式（１２）で与えられる。
Hereinafter, a phenomenon in which a light beam is bent in a direction having an azimuth having two emission surfaces as wave sources in the light beam-oriented
The intensity I (r) of the light synthesized at time t by the light emitted from the wave source at position r 1 and the wave source at position r 2 is given by the following equation (12).
式（１２）において、光の干渉を表す第３項が存在するために、発光部（基部２０の半導体発光層２１）から射出された光が、２つの波源からそれぞれ射出された後に重畳されて、波面を変える（波の進行方向を変える）ことが可能となる。よって、画素構造の中の２つの波源からそれぞれ射出された光によって、当該画素において強度変調が可能となる。一方、画素間においては、発光強度の点では相関性を持たないため、合成される光の強度は、２つの画素から射出されたそれぞれの光の強度の単なる加算となる。つまり、画素間において合成される光の強度は、２つの画素を２つの波源とみなしたときに、前記式（１２）の第１項と第２項に相当する演算で求められることとなる。
In Expression (12), since the third term representing the interference of light exists, the light emitted from the light emitting part (the semiconductor
前記式（１２）の第３項で実部を利用するγは、前記式（１３）で表され、０から１までの値をとり、２つの波源から射出された光が時間的・空間的にどのくらい相関を持っているのかを示している。よって、γは、次の式（１４）〜式（１６）のように場合分けすることができる。 Γ using the real part in the third term of the equation (12) is expressed by the equation (13), and takes a value from 0 to 1, and the light emitted from the two wave sources is temporally and spatially. It shows how much correlation there is. Therefore, γ can be divided into cases as shown in the following equations (14) to (16).
式（１４）の場合を完全コヒーレント、式（１５）の場合をインコヒーレント、式（１６）の場合を部分的なコヒーレントと呼ぶ。本実施形態では、光線指向型発光素子１０として、ＬＥＤの光源を使用しているため、部分的なコヒーレントになっている。したがって、光線指向型発光素子１０においては、光の強度において、前記式（１２）の第３項の寄与が大きいため、光の進行方向を大きく曲げられる。
The case of Equation (14) is called fully coherent, the case of Equation (15) is called incoherent, and the case of Equation (16) is called partial coherent. In this embodiment, since the light source of LED is used as the light-directional
特に、光線指向型発光素子１０としてのＬＥＤ素子の材料である半導体の光学的な屈折率ｎが１より大きいために、２つの波源から射出された光は、射出後、大きく曲がることになる。具体的には、半導体中では、ｐｎ接合部分を波源とする平面波が発生するが、それらが柱状構造からなる半導体から射出されて、２つの光源から射出されて、それら光源が新たな波源となって機能する場合には、それら２つの光源は、いわゆる２つの波源として働く。それら２つの波源から射出される光は、それら波源がつくる面に垂直な方向を主方位とし、これら柱状構造物に応じて、発光の方位を任意の方位に決定することが可能となる。上記のメカニズムによって、従来、光学レンズが担ってきた光の方位の制御を、２つの波源から構成される２つの光源に代用させることにより、高精細化に対応した光の放出源を形成することが可能となる。
In particular, since the optical refractive index n of the semiconductor that is the material of the LED element as the light-directional
光線指向型発光素子１０としては、ＧａＮなどを発光材料とするＬＥＤ素子を使用することが好適である。ＬＥＤ素子の内部では、ｐｎの接合部分（Ｉｎの含有部分）から発光して、素子内部を伝搬し、ＬＥＤのテラスの部分（射出面３１ａ，３２ａ）を発光させる。なお、図５においては、発光状態のＬＥＤのテラスの部分を塗りつぶしで示した。
As the light-directional
一方、２つのテラスから発光した光は、ＬＥＤの上方に光を射出するため、相互作用しあい、それら２つのテラスの位置に応じて、２つの波源からの光の相関を取る形式で、放出される光（合成された光）の方位が決定される。その際、放出される光の方位は、２つのテラスの間の距離Ｅ（図６（ｂ）参照）と、高さの違いＤ（図６（ｂ）参照）を反映したものとなる。 On the other hand, the light emitted from the two terraces is emitted in a form that interacts with each other to correlate the light from the two wave sources according to the position of the two terraces to emit light above the LEDs. The direction of light (synthesized light) is determined. At that time, the direction of the emitted light reflects the distance E between the two terraces (see FIG. 6B) and the height difference D (see FIG. 6B).
２つのテラスの間の距離Ｅ（図６（ｂ）参照）や高さの違いＤ（図６（ｂ）参照）を変えて、放出される光の方位を確かめるシミュレーション実験を行った。このシミュレーション実験の主な条件を表２に示し、結果の一例を図７に示す。 A simulation experiment for confirming the direction of emitted light was performed by changing the distance E between the two terraces (see FIG. 6B) and the height difference D (see FIG. 6B). The main conditions of this simulation experiment are shown in Table 2, and an example of the results is shown in FIG.
図７（ｂ）のグラフは、当該グラフの下側に図示したように２つのテラスの高さの違いがあるＬＥＤにおいて、ＺＸ面内にて、ＬＥＤから放射された光の軌跡（波面）を図示したものである。図７（ｂ）に示すように、Ｚ軸に平行に上方へ向かう方向から逸脱する方位に実際に光が射出される。この光が射出される角度は、２つのテラスの間の距離Ｅ（図６（ｂ）参照）や高さの違いＤ（図６（ｂ）参照）を反映している。 The graph of FIG. 7B shows the trajectory (wavefront) of the light emitted from the LED in the ZX plane in the LED having a difference in height between the two terraces as illustrated below the graph. It is illustrated. As shown in FIG. 7B, light is actually emitted in a direction deviating from the upward direction parallel to the Z axis. The angle at which the light is emitted reflects the distance E between the two terraces (see FIG. 6B) and the height difference D (see FIG. 6B).
図７（ａ）のグラフは、Ｚ軸に平行に上方に光が射出される場合を示している。この結果が得られたときには、当該グラフの下側に図示したように、２つのテラスの高さ方向の位置が、全く同一な場合（Ｄ＝０）であって、光は曲がることなくＬＥＤ上方に放出される。 The graph of FIG. 7A shows a case where light is emitted upward in parallel with the Z axis. When this result is obtained, as shown in the lower side of the graph, the heights of the two terraces are exactly the same (D = 0), and the light is not bent and the LED is above the LED. To be released.
図７（ｂ）のグラフの結果となったときには、青色光の波長の条件（λ＝４３６ｎｍ）のほか、半導体材料をＧａＮであるものとしてその屈折率ｎ＝２．６を条件として、光の位相差Ψがπ／４となるように、半導体柱状部３１，３２の高さの差Ｄを下記式（１７）により求め、Ｄ＝３４．１ｎｍとした。なお、同様な条件で光の位相差ΨがΨ＝π／２となるときの半導体柱状部３１，３２の高さの差Ｄは６８．１ｎｍである。
When the result of the graph of FIG. 7 (b) is obtained, in addition to the condition of the wavelength of the blue light (λ = 436 nm), the semiconductor material is GaN, and the refractive index n = 2.6. The height difference D of the
Ｄ＝λ÷（ｎ−１）÷（２π／Ψ） …式（１７） D = λ ÷ (n−1) ÷ (2π / Ψ) Equation (17)
よって、光線指向型発光素子１０が薄膜（基部２０）と円柱（半導体柱状部３１，３２）の組み合わせで構成されて画素内部に２つの射出面を波源として備える構造の場合、円柱の高さの差Ｄ、または、２つの波源から射出する光の位相差Ψを設定することで、光線を所望の方位に射出することができる。
Therefore, in the case where the light-emitting light-emitting
以上説明したように、本実施形態のＩＰ立体ディスプレイ１によれば、要素画素として、自発光型素子であって予め発光の指向性を持たせた光線指向型発光素子１０を使用することで、その光線指向型発光素子１０からの発光の射出方向を、光学レンズを用いることなく、光線指向型発光素子１０自体で決定することができる。したがって、従来、光学レンズの使用に付随して問題となっていたＡｂｂｅの回折限界に縛られることなく、空間像再生型の映像表示が可能となる。すなわち、高解像度化によってボケのない立体映像を観察者に提供することが可能となる。
As described above, according to the IP three-
また、本実施形態のＩＰ立体ディスプレイ１によれば、光学レンズを用いないので、従来のレンズ板から表示素子までの距離ｇの制約（前記式（５））を考慮せずに要素画素の画素数（要素画像を構成する画素の個数）を増大できるため、奥行き方向の再現範囲も拡大することが可能となる。すなわち、高精細な立体映像信号をＩＰ立体ディスプレイ１に入力した場合に、図３を参照して説明したように、近景から遠景までの奥行き方向での立体再現範囲を拡大することが可能となる。
In addition, according to the IP
また、本実施形態のＩＰ立体ディスプレイ１によれば、視域についても、従来の光学レンズの制限要因であった光学レンズの焦点距離ｇに無関係になるため、図４を参照して説明したように、視域の拡大が可能となる。
Further, according to the IP
これらの効果をまとめると、本実施形態のＩＰ立体ディスプレイ１によれば、要素画素の画素数を、視域を確保した上で、奥行き方向の再現範囲と共に拡大することが可能となる。すなわち、視域の拡大と、近景から遠景までの奥行き方向での立体再現範囲の拡大との両立を図ることが可能となる。
Summarizing these effects, according to the IP
以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ＩＰ立体ディスプレイ１が備える光線指向型発光素子１０の基部２０や半導体柱状部３１，３２は、図示した円柱形状に限らず、上面の形状が楕円、正方形、その他の多角形であってもよいし、円錐台や角錐台等の傾斜面を有する形状であってもよい。また、半導体柱状部の個数を２つとしたが、３つ以上であってもよい。
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to this. For example, the
また、本実施形態では、光線指向型発光素子１０によって特定の方向だけに発光を射出させる方法について、発光素子に設けた段差の高低差を利用したが、他の方法を用いることも可能である。例えば、特許文献１に開示された全体の形状が柱状に構成されたＬＥＤ等の発光素子を、平坦な基板上に立設するように成長させるのではなく、凸形状やドーム形状の突起部を有した基板上に成長させることで、柱状の発光素子自体を特定の方向に傾斜させるようにしてもよい。この場合のＩＰ立体ディスプレイの構成を図８に模式的に示す。図８に示したように、ＩＰ立体ディスプレイ１Ｂは、レンズ板の形状をもつ多数の突起部３を有する基板２Ｂの上に、画素５としての光線指向型発光素子１０Ｂを並置している。図８において領域４０を拡大して示す図９にて突起部３の構造を示す。図９（ａ）は突起部の平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＸ−Ｘ線矢視における断面図である。ここでは、突起部３毎に一例として１７個の光線指向型発光素子１０Ｂ（画素５）を設けた。なお、図９（ａ）には、光線指向型発光素子１０Ｂ（画素５）と比較するため従来のＩＰ立体表示装置２０１における画素２０５の配置を破線で示す。
Further, in this embodiment, the method of emitting light only in a specific direction by the light-directional
基板２Ｂは、従来のレンズ板と同等の形状を有するガラスや石英の基板等、表面に結晶の方位等の異方性を有していないことが好ましい。すなわち、方位依存性のないアモルファス形状のガラスや石英の基板材料を用いることによって、各光線指向型発光素子１０Ｂの特性ばらつきを抑えることが可能となる。従来の無機系発光素子は、結晶基板上に発光素子を成長することで、基板と結晶方位の揃った発光素子を形成していたが、この実施形態では、基板２Ｂに例えばアモルファス状態のガラス基板を用いることによって、基板の結晶方位に縛られることなく微細な発光素子を成長させることが可能となる。なお、基板２Ｂは、結晶性基板であっても構わない。
The
基板２Ｂは、図８に示すように要素画像毎に並置された突起部３を有する。突起部３は、例えば図９（ｂ）に示すような半円球形状、またはドーム形状、あるいは断面視で扇型形状に形成されている。例えば、基板２Ｂをガラス基板とした場合、このガラス基板上に突起部３を形成する方法は、例えば公知のガラスのレンズの作製法を用いることができる。
As shown in FIG. 8, the
光線指向型発光素子１０Ｂは、柱状の形状であって微細な口径の半導体の自発光素子からなる表示素子である。光線指向型発光素子１０Ｂは、図８に示すように円柱状に形成されている。なお、この円柱は、図示を省略するが、下からｎ型半導体層、半導体発光層、ｐ型半導体層が積層された構造であり、例えば円柱の側面にｐ型電極、円柱の底面部にｎ型電極を備える。
The light-directional
光線指向型発光素子１０Ｂの材質については、例えばＧａＮやＺｎＯ等の無機系のＬＥＤ素子が好適であるが、有機ＥＬ材料などの有機系発光材料の適用も可能である。なお、微細な素子を別工程で作製する際には、ＬＥＤ素子の場合にはＬＥＤウエハ上に作るが、有機ＥＬ材料の場合にはガラスの上に作る。
As a material of the light-directional
この光線指向型発光素子１０Ｂは、図９（ｂ）に示すように、画素毎に基板２Ｂの突起部３の表面の法線方向に立設している。つまり、個々の光線指向型発光素子１０Ｂは、その発光が取り出される射出口部分を、要素画像毎に並置された突起部３の表面から外部に向けた形で並置されている。
As shown in FIG. 9B, the light-directional
突起部３の外表面（凸面）に光線指向型発光素子１０Ｂを形成したので、図９（ａ）に示すように、素子が突起部３の外周（下周縁）に近づくにつれて密度が粗になる。一方、図示を省略するが仮に凹面に素子を形成すると、素子が凹面の外周（上周縁）に近づくにつれて密度が密になり、円柱間が近接してしまうため、分離が難しくなる。つまり、突起部３の外表面（凸面）に光線指向型発光素子１０Ｂを形成すると、製造し易くなるという利点がある。
Since the light-directional
光線指向型発光素子１０Ｂを製造する方法としては、公知の種々の微細加工技術を用いることができ、特に限定されない。例えば、基板２Ｂをガラス基板とした場合、このガラス基板上に半球状の突起部３を形成しておく。この突起部３上に発光素子を形成した場合には、ガラスは結晶基板と異なって方位無依存なので、ガラス面と垂直な方向に配位した電極や発光層が形成される。このような電極や発光層を、例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ）またはフェムト秒レーザ等の機械的な微細加工技術によって、形状加工することができる。この場合の発光素子の方位は、半球状の表面に垂直方向に向くため、半球形状の形状が担保されていれば、所定の角度の形成が可能である。
As a method for manufacturing the light-directional
また、別の製造方法としては、半球状のガラス基板上に、別工程で作製した円柱の発光素子を機械的に並置することもできる。その場合、導電性のペーストなどによる化学的方法を用いて突起部３の表面に常に垂直方向になるように張り合わせる。また、ナノインプリントを使うことで、半導体発光層よりも上側の非発光の円柱部分（導波路部分）のみを各発光素子の上から形成することもできる。なお、突起部３の表面に、光線指向型発光素子１０を配置していく順番は特に限定されず、ナノインプリントの場合には、一括形成が可能である。
As another manufacturing method, a cylindrical light emitting element manufactured in a separate process can be mechanically juxtaposed on a hemispherical glass substrate. In that case, it sticks so that it may become always perpendicular | vertical to the surface of the
このように光線指向型発光素子１０Ｂを基板２Ｂの突起部３上に配置していくことによって、光線指向型発光素子１０Ｂについて、特性ばらつきを招くことなく並置して配置することが可能となる。また、これによって、従来のＩＰディスプレイでは、観察者の観察できる角度範囲（視域）と立体ディスプレイで表示する再生像の空間周波数（解像度）の両立を図ることが難しかったのに対して、ＩＰ立体ディスプレイ１Ｂによれば、微細な光線指向型発光素子１０Ｂの数（画素数）に比例した形で再生像の空間周波数（解像度）を増加させることができるのに加えて、視域についても突起部３の形に見合う範囲で確保することが可能となる。
By arranging the light-directional
１，１Ａ，１Ｂ ＩＰ立体ディスプレイ
２，２Ｂ 基板
３ 突起部
４ ＦＰＤ面
５ 画素
１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ），１０Ｂ 光線指向型発光素子
２０ 基部
２１ 半導体発光層
２２ ｎ型半導体層
２３ ｐ型半導体層
３１,３２ 半導体柱状部
３１ａ，３２ａ 射出面
1, 1A, 1B IP
Claims (6)
前記各要素画像から前記被写体の立体像を再生するための撮像側に対応した光学レンズを並置したレンズ板を設けることなく、前記要素画像毎に、基板上に前記要素画像を構成する要素画素としての発光素子を設けて、前記発光素子から射出する光線の方向を、前記各要素画像から前記被写体の立体像を再生するための光学レンズのレンズ中心を通過する光軸によって規定される方向と同様になるように画素毎に設定したことを特徴とするＩＰ立体ディスプレイ。 An IP stereoscopic display that reproduces a stereoscopic image of the subject from each element image obtained by imaging the subject through a lens plate on which an optical lens is juxtaposed on an imaging side by an integral photography (IP) method,
As an element pixel constituting the element image on the substrate for each element image, without providing a lens plate in which an optical lens corresponding to the imaging side for reproducing a stereoscopic image of the subject from each element image is provided. The direction of the light beam emitted from the light emitting element is the same as the direction defined by the optical axis passing through the lens center of the optical lens for reproducing the stereoscopic image of the subject from the element images. An IP stereoscopic display characterized by being set for each pixel so that
平坦な基板上に画素毎に設けられた半導体発光層を含む基部と、
前記基部の上面に設けられた複数の半導体柱状部とを備え、
前記複数の半導体柱状部は、柱頭の射出面からの光を互いに干渉させて合成した光線の方向が、当該画素から射出する光線の方向となるようにそれぞれの大きさが設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＩＰ立体ディスプレイ。 The light emitting element is
A base including a semiconductor light emitting layer provided for each pixel on a flat substrate;
A plurality of semiconductor columnar portions provided on the upper surface of the base,
The plurality of semiconductor columnar portions are sized so that the direction of the light beam synthesized by causing the light beams from the emission surfaces of the column heads to interfere with each other is the direction of the light beam emitted from the pixel. The IP stereoscopic display according to claim 1, wherein the IP stereoscopic display is characterized.
前記画素から射出する光線の方向が、当該画素において前記半導体発光層で発光し前記２つの半導体柱状部を異なる光導波路として伝搬して各射出面における光の位相差に応じた干渉によって合成された光線の方向となるように、当該２つの半導体柱状部の高さおよび位置が設定されていることを特徴とする請求項３に記載のＩＰ立体ディスプレイ。 The light-emitting element includes two semiconductor columnar portions on the upper surface of the base portion,
The direction of the light beam emitted from the pixel is synthesized by interference according to the phase difference of light on each emission surface by emitting light from the semiconductor light emitting layer in the pixel and propagating through the two semiconductor columnar portions as different optical waveguides. The IP three-dimensional display according to claim 3, wherein the height and position of the two semiconductor columnar portions are set so as to be in the direction of light rays.
半導体発光層を含み前記基板上に柱状に形成された前記発光素子と、を備え、
前記発光素子は、画素毎に前記基板の前記突起部の表面の法線方向に立設するように設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＩＰ立体ディスプレイ。 A substrate formed by juxtaposing convex protrusions for each element image for reproducing the stereoscopic image;
The light emitting element including a semiconductor light emitting layer and formed in a columnar shape on the substrate,
3. The IP stereoscopic display according to claim 1, wherein the light emitting element is provided so as to be erected in a normal direction of a surface of the protruding portion of the substrate for each pixel. 4.
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013046355A (en) * | 2011-08-26 | 2013-03-04 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | Ip stereoscopic display |
| JP2015032593A (en) * | 2013-07-31 | 2015-02-16 | 日本放送協会 | Light-emitting device |
| JP2015034789A (en) * | 2013-08-09 | 2015-02-19 | 日本放送協会 | Ray emitting direction calculation apparatus and ray emitting direction calculation method |
| JP2015184558A (en) * | 2014-03-25 | 2015-10-22 | 日本放送協会 | Stereoscopic image display device |
| JP2015184559A (en) * | 2014-03-25 | 2015-10-22 | 日本放送協会 | Stereoscopic image display device |
| JP2016076576A (en) * | 2014-10-06 | 2016-05-12 | 日本放送協会 | Light beam directional characteristic measuring device and light beam directional characteristic measuring method |
| JP2017078776A (en) * | 2015-10-20 | 2017-04-27 | 日本放送協会 | Stereoscopic image display device |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005354111A (en) * | 2005-08-15 | 2005-12-22 | Seiko Epson Corp | Surface-emitting led and manufacturing method therefor, optical module, optical transfer unit |
| JP2007322764A (en) * | 2006-06-01 | 2007-12-13 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | Stereoscopic image display apparatus and method thereof |
| JP2008134341A (en) * | 2006-11-27 | 2008-06-12 | Shimadzu Corp | Display device |
| JP2009272922A (en) * | 2008-05-08 | 2009-11-19 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | Stereoscopic image conversion apparatus and program thereof |
| JP2011003820A (en) * | 2009-06-22 | 2011-01-06 | Fuji Xerox Co Ltd | Surface emitting semiconductor laser, surface emitting semiconductor laser device, optical transmission apparatus, and information processing apparatus |
| JP2011047992A (en) * | 2009-08-25 | 2011-03-10 | Sony Corp | Stereoscopic image displaying device and a method of manufacturing the same |
| JP2011515848A (en) * | 2008-03-26 | 2011-05-19 | パナソニック株式会社 | Semiconductor light emitting device |
-
2011
- 2011-08-24 JP JP2011182138A patent/JP5767531B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005354111A (en) * | 2005-08-15 | 2005-12-22 | Seiko Epson Corp | Surface-emitting led and manufacturing method therefor, optical module, optical transfer unit |
| JP2007322764A (en) * | 2006-06-01 | 2007-12-13 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | Stereoscopic image display apparatus and method thereof |
| JP2008134341A (en) * | 2006-11-27 | 2008-06-12 | Shimadzu Corp | Display device |
| JP2011515848A (en) * | 2008-03-26 | 2011-05-19 | パナソニック株式会社 | Semiconductor light emitting device |
| JP2009272922A (en) * | 2008-05-08 | 2009-11-19 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | Stereoscopic image conversion apparatus and program thereof |
| JP2011003820A (en) * | 2009-06-22 | 2011-01-06 | Fuji Xerox Co Ltd | Surface emitting semiconductor laser, surface emitting semiconductor laser device, optical transmission apparatus, and information processing apparatus |
| JP2011047992A (en) * | 2009-08-25 | 2011-03-10 | Sony Corp | Stereoscopic image displaying device and a method of manufacturing the same |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013046355A (en) * | 2011-08-26 | 2013-03-04 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | Ip stereoscopic display |
| JP2015032593A (en) * | 2013-07-31 | 2015-02-16 | 日本放送協会 | Light-emitting device |
| JP2015034789A (en) * | 2013-08-09 | 2015-02-19 | 日本放送協会 | Ray emitting direction calculation apparatus and ray emitting direction calculation method |
| JP2015184558A (en) * | 2014-03-25 | 2015-10-22 | 日本放送協会 | Stereoscopic image display device |
| JP2015184559A (en) * | 2014-03-25 | 2015-10-22 | 日本放送協会 | Stereoscopic image display device |
| JP2016076576A (en) * | 2014-10-06 | 2016-05-12 | 日本放送協会 | Light beam directional characteristic measuring device and light beam directional characteristic measuring method |
| JP2017078776A (en) * | 2015-10-20 | 2017-04-27 | 日本放送協会 | Stereoscopic image display device |
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