JP5105920B2 - 立体画像表示装置 - Google Patents
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Description
吉野勝美著、「液晶とディスプレイ応用の基礎」、第43−44頁、コロナ社
本発明の第1実施形態による立体画像表示装置の構成を図1に示し、図1に示す切断面ABCDで切断した本実施形態による立体画像表示装置の断面を図2に示す。
sin(90−θvert)×1=sin(90−θn)×n
cosθvert= cosθn×n (2)
となり、観測者8からの俯角θvertよりレンズアレイ3を通過した後の俯角θnが大きな角度となることがわかる。
θn=arccos(cosθvert/n) (3)
sin(90−θn)×n=sin(90−θnf)×nf
cosθnf=cosθn×n/nf
(2)式より
cosθnf= cosθvert/nf (4)
θreal=θnf +θtilt (5)
となる。一軸性の複屈折性物質2の屈折率は液晶分子14への入射角度θrealで決定されるため、屈折率が俯角依存性を持つことを実施形態では利用する。詳しく述べると、非特許文献1より、一軸性の複屈折性物質2の長軸方向の屈折率をNe、短軸方向の屈折率をNoとすると、液晶分子14の長軸となす角度をθrealとすると、複屈折性物質2の屈折率N(θreal)は、次のように表される。
cosθnf=cosθvert/nf=cosθvert/N(θreal) (7)
θnf=arccos{cosθvert/N(θreal)}
θrealは90度近傍なので、N(θreal)=Neと仮定してもよい。
42<θn<90
の俯角しか複屈折性物質2では取りえない。
(4)、(5)、(6)式より、観測者8の俯角θvertによるレンズアレイ3のN(θvert)を求めることができる。例えば、複屈折性物質の最大長軸の屈折率Ne=1.587、短軸方向の屈折率No=1.492とした場合の(6)式のN(θvert)のθvert依存性を求めた結果を図4に示す。図4からわかるように、θvertによる一軸性の複屈折性物質2の屈折率は1.548までしか低下せず、No=1.492まで低減しない。
n(θreal=90)=1.587 (8)
n(θreal=80)=1.585 (9)
n(θreal=70)=1.575 (10)
より、(8)式と(9)式を比較すると80度と90度の屈折率の変化率は
{n(θreal=90)−n(θreal=80)}/(Ne−No))=0.02
と非常に小さい。しかし、(9)式と(10)式を比較すると70度と80度の変化率は
{n(θreal=80)−n(θreal=70)}/(Ne−No))=0.105
となる。上記より、80度から90度までは屈折率の変化率が、70度から80度までの屈折率の変化に比べて十分小さいことがわかる。今回、この変化率の小さな部分を利用する。
図5に液晶分子をθtilt分傾けた時の屈折率について、θvert依存性を示す。図5からわかるように、チルト角θtiltを8度、観測者8側に傾けると、屈折率の変化率が2%以内の領域は、θvertが72度から92度までとなり、チルト角θtiltを8度、観測者8と反対側に傾けると屈折率の変化率が2%以内の領域は88度から108度となる。
俯角θvertが、上限値θu(例えば、90度)と下限値θl(例えば50度)の範囲で劣化なく3次元画像表示装置を見る場合を考える。そのため、
θl<θvert<θu (11)
とする。図6を参照して説明する。スネルの法則により、観測者8と立体画像表示装置の中心を結んだ線がディスプレイ面となす角がθvert、下側レンズ面4、偏光方向を修正する位相差フィルム15、液晶表示装置のガラス基板を44、要素画像を表示する要素画素群を45とすると、それぞれの長さの割合も考慮した複屈折性物質2と要素画素群45の間の平均屈折率をnlens、透明基板4、位相差フィルム15、液晶表示装置の上側基板45の基板内でのディスプレイ面と成す角度をθlensとする。
nlens×(g4+g15+g44)=n4×g4+n15×g15+n44×g44
図6より、
sin(90−θnf)×N(θreal)=sin(90−θlens)×nlens
cosθlens= cosθnf×N(θreal)/nlens (12)
(7)式より
cosθlens=cosθn×n/nlens=cosθvert/nlens (13)
となり、実際のθvertよりレンズ面でのθlensが大きな角度となることがわかる。(13)式より、
θlens=arccos(cosθvert/nlens) (14)
となる。また、図6より、2次元表示装置1と複屈折性物質2までの距離をgとすると
実際の光学ギャップg(θvert)は
g(θvert)=g/sinθlens=g/sin{arccos(cosθvert/nlens)} (15)
となる。そこで、図7に3次元画像表示装置におけるギャップgと視域角2θと視差数mとサブピクセルピッチsp、レンズ21の屈折率、すなわちレンズ21の表面から要素画像群45までのそれぞれの光路長も考慮した平均屈折率nlensの関係を示す。
tanθ=sp×m/2/g/nlens
g=(sp×m)/2/nlens/tanθ (16)
となる。(15)、(16)式より
次式を書き換えた。
θreal=θnf +θtilt=arccos{cosθvert/N(θreal)}+θtilt
N(θreal)は未知数であり、直感的にわかりにくいので、図4より、正面から±45度の俯角方向においては、変化が小さいため、N(θreal) はNeとおいてもよい。
θreal=arccos{cos(θvert/Ne)}+θtilt (18)
θreal=90度の時、N(θreal)=Ne
となる。立体画像表示装置の正面(θvert=90度)で、焦点距離がレンズアレイと要素画像の間の距離gと一致するように、曲率rと、レンズの厚みdを決めると、立体画像表示装置をほぼ正面に見る位置で、クロストークの少ない良好な3次元画像を得ることができる。
次に、本発明の第2実施例を説明する。第1実施例において、数式化することにより、一般的な条件を求める。図16に示すような両凸レンズの場合について求めると
次に、本発明の第3実施例を説明する。第1実施例において、数式化することにより、一般的な条件を求める。図1に示すような片凸レンズの場合について求める。図1に示すように、片凸レンズの内側の媒体の屈折率をN(θreal)、外側の屈折率をnとし、片凸レンズの曲率半径をr1とする。
次に、本実施形態の第4実施例について説明する。今まで、レンズの稜線方向と平行な面での視域角の拡大について述べてきた。すなわち、立体画像表示装置の垂直方向の視域角を拡大するために、ギャップの伸び率と焦点距離の伸び率を合致させることを目的とした。一方、焦点距離が変化することにより、立体画像表示装置の水平方向の視域角も変化するため、それらの対策方法について述べる。
tanθk/tanθ=gk/g=k (30)
(30)式より
kが1.11倍とすると、視域角2θが22度、すなわちθ=11度の時は、俯角方向55度方向からディスプレイを観測した場合、視域角2θkの半分は
θk=10度、となる。
θk=13.7度
と、両者とも視域角が小さくなる。このように、θvertが90度に比べて、俯角が浅くなるとレンズ面と要素画像までのギャップがk倍になるため、視域角が狭くなることを述べた。
g(θvert)=g/sin{arccos(cosθvert/Ne)} (31)
であるから、
g(θu)=g/sin{arccos(cosθu/Ne)} (32)
g(θl)=g/sin{arccos(cosθl /Ne)} (33)
k=g(θu)/g(θl)=sin{arccos(cosθl /Ne)}/sin{arccos(cosθu/Ne) }
となる。(30)式より
tanθk=tanθ×k=tanθ×sin{arccos(cosθl /Ne)}/sin{arccos(cosθu/Ne) }
となる。ここで、tanθkとtanθの中間値であるθmiddleに合わせようとすると、
tanθmiddle=tanθk/2
=tanθ×sin{arccos(cosθl /Ne)}/sin{arccos(cosθu/Ne)}/2
上記のtanθmiddleで要素画像ピッチを設定するとよい。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。複屈折レンズは、最大主軸の屈折率(異常光成分)とその主軸に垂直な平面での屈折率(常光成分)が異なるという特徴がある。そこで、3次元表示モードである図14および2次元表示モードである図15に示すように、平面表示装置1の位相差フィルム15を通過した光線35の偏光方向を最大主軸、あるいは最大主軸と直角の短軸方向11に切り替えを行う装置35によって、偏光方向を制御すると、常光成分と異常光成分に分離することができる。すなわち、液晶分子の長軸方向10に水平な偏光面をもつ光が入射すると異常光成分の屈折率Neが発現するため、光が境界面で曲がって入射する。一方、液晶の長軸10と垂直な面内での偏光面をもつ光を入射すると、常光成分の屈折率Noが発現し、光は境界面で曲がらず、直進する。これより、液晶レンズによって2次元画像/3次元画像の切り替えが可能となる。
2 一軸性の複屈折性物質
3 観測者側のレンズアレイ
4 透明基板
5 2次元表示装置の画素
6 2次元表示装置の要素画像の中の画素から画面に垂直方向に射出される光線の軌跡
7 2次元表示装置の要素画像の中の画素から俯角45度方向に射出される光線の軌跡
8 観測者
10 複屈折性物質における屈折率が最大となる長軸方向
11 複屈折性物質における屈折率が最小となる短軸方向
14 一軸性の複屈折性物質の分子
15 位相差フィルム(偏光板)
16 光線の偏光方向
20 観測者から3次元画像表示装置を俯瞰した時の入射光線
21 等方性屈折率をもつレンズアレイ
26 レンズピッチlp
27 同一レンズ要素画像の中で中央の要素画像から射出される光線中心
28 同一レンズ要素画像の中で左端の要素画像から差出される光線中心
29 同一レンズ要素画像の中で右端の要素画像から差出される光線中心
33 光線の偏光方向を切り替えを行う装置
35 光線
36 2次元表示装置側のレンズアレイ
Claims (6)
- 複数の画素がマトリクス状に配列された表示面を有する平面表示装置と、
前記平面表示装置の前記表示面の前面に配置され、内部に一軸性の複屈折性物質が挿入された複数のレンズであって、各レンズは稜線が第1方向に伸張するとともに前記第1方向に直交する第2方向に並んで配置された複数のレンズを有し、光線の方向を制御する光線制御素子と、
前記平面表示装置と前記光線制御素子との間に設けられ、前記平面表示装置からの光線の偏光方向を揃える偏光板と、
を備え、
前記複屈折性物質は、屈折率の最大主軸が前記複数のレンズの稜線に平行でかつ前記最大主軸方向が観測者と相対する方向に一様に角度θ tilt で傾いており、前記角度θ tilt は−10度以上0度未満の範囲または0度より大きく10度以下の範囲にあることを特徴とする立体画像表示装置。 - 前記複数のレンズの各々は、レンズ面が両面とも互いに反対方向に凸状態に相対しており、視域角を2θ、水平方向のサブピクセルピッチをsp、水平方向の視差数をm、前記両面凸レンズどうしの頂点から頂点までの長さの半分の位置から前記平面表示装置まで媒体の屈折率の平均値をnlens、前記レンズの両面の曲率半径をr、前記レンズの頂点から頂点までのレンズの厚さをd、前記レンズの内側に形成された複屈折性物質の最大主軸方向の屈折率をNe、最大主軸方向に直交する短軸方向の屈折率No(<Ne)、前記2面の両面ともレンズの外側に形成された等方性物質の屈折率をn、前記レンズの稜線方向に対する観測者の俯角をθvert、前記複屈折性物質を通過する光線と前記最大主軸方向とのなす角度をθrealとした場合、θrealは
θreal=arcos(cosθvert/Ne)+θtilt
で表され、前記光線が前記複屈折性物質を通った時の屈折率が
- 前記複数のレンズの各々は、レンズの1面が観測者側に凸状態、あるいは観測者と反対側に凸状態になっており、視域角を2θ、水平方向のサブピクセルピッチをsp、水平方向の視差数をm、前記レンズの両端に接する平面から前記平面表示装置まで媒体の屈折率の平均値をnlens、前記レンズの曲率半径をr1、前記レンズの表面から各々のレンズの両端に接する平面までにおいて前記レンズの内側に形成された複屈折性物質の最大主軸方向の屈折率をNe、最大主軸方向に直交する短軸方向の屈折率No(<Ne)、前記レンズのレンズ側に接する等方性物質の屈折率をn、前記レンズの稜線方向に対する観測者の俯角をθvert、前記複屈折性物質を通過する光線と前記最大主軸方向とのなす角度をθrealとした場合、θrealは
θreal=arcos(cosθvert/Ne)+θtilt
で表され、前記光線が前記複屈折性物質を通った時の屈折率が
- 前記複屈折性物質の分子の最大主軸方向が観測者と相対する方向に傾いている角度θtiltは、7度以上10度の範囲にあることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の立体画像表示装置。
- 前記偏光板は前記光線の偏光方向を前記複屈折性物質の屈折率の最大主軸に一致させることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の立体画像表示装置。
- 前記最大主軸に偏光方向を合わせる3次元画像が表示され、前記最大主軸と直角方向に偏光を合わせると2次元画像が表示されるように偏光方向を変える装置を更に備えたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の立体画像表示装置。
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