JP5185145B2 - 立体画像表示装置、立体画像表示方法 - Google Patents

Description

本発明は、部分的に平面画像を表示することができる立体画像表示装置に関する。

立体的な動画表示が可能な立体視画像表示装置、所謂３次元ディスプレイには、種々の方式が知られている。近年、特にフラットパネルタイプで、専用の眼鏡等を必要とせず、直視型または投影型の液晶表示装置及びプラズマ表示装置等の画素位置が固定されている表示パネルからの光線を制御して観察者に視差を発生させる立体視画像表示方式が知られている。

視差発生手段（パララクスバリア或いは視差バリアとも称せられる）は、光線制御素子上の同一位置でも角度により異なる画像が見えるように光線を制御している。例えば、左右視差（水平視差）のみを与える場合には、スリット或いはレンチキュラシート（ シリンドリカルレンズアレイ）が用いられる。上下視差（垂直視差）も与える場合には、ピンホールアレイ或いはレンズアレイが用いられる。更に、視差バリアを用いる方式にも、２眼式、多眼式、超多眼式（多眼式の超多眼条件） 、インテグラルフォトグラフィー（ 以下、IPとも云う） に分類される。多眼或いは、１次元ＩＰ（水平視差のみのIP）において、視域・解像度・飛び出し量は、トレードオフであり、３つの特性とも十分なレベルにすることは困難である。そこで、複数の画像を時間的切り換えてディスプレイに表示し、その表示に同期して液晶シャッタを開閉することで、それぞれの画像を対応する眼に入るように制御する時分割立体表示方式が提案されている（例えば特許文献１）。時分割立体表示方式では、時間方向に光線数を増大させることができ、立体表示性能を向上させることができる。

文字表示を行う場合等には、部分的に高解像度な立体表示や平面画像表示を行う必要がある。液晶レンズを用いて、画面内で平面表示と立体表示とを部分的に切替える技術が提案されている（例えば特許文献２）。本手法では、平面表示と立体表示との間に輝度差が生じてしまう課題があった。また、時間方向に光線数を増大させることができず、立体表示性能（解像度、視域、飛び出し量）すべてを向上させることができなかった。

特許第３２６８５８６号公報 ＷＯ ０３／０１５４２４ Ａ２

上記従来技術では、部分的に平面表示可能な立体表示装置では、立体表示性能（解像度、視域、飛び出し量）全てを向上させることが出来なかった。

本発明は、部分的に平面表示可能な立体表示装置であっても立体表示性能（解像度、視域、飛び出し量）全てを向上させる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、第１の画像表示部と、前記第１の画像表示部の前面に設けられた複数のレンズを有し前記第１の画像表示部からの光線を制御する視差発生部と、前記視差発生部の前面に設けられ、画素がマトリクス状に配列された表示面を有し、前記第１の画像表示部から入射する光の透過率を変調する液晶パネルを有する第２の画像表示部と、入力信号から、各画素が立体画像表示と平面画像表示とのどちらの表示モードかを判定する判定部と、前記判定部が立体画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置では、前記入力信号に応じた要素画像を第１の画像表示部に表示させ、前記判定部が平面画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置では、第１の画像表示部に所定の輝度の光を前記視差発生部に向けて射出させる、第１制御部と、前記判定部が立体画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置には、光の遮断を可能にする幅狭かつ長尺状のシャッタを画面上の要素画像と対応する位置に複数配置してなるシャッタ画像を前記液晶パネルに表示させ、前記判定部が平面画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置では、前記入力信号に応じた平面画像を前記前記液晶パネルに表示させる、第２制御部と、前記シャッタ画像と前記要素画像との表示タイミング及び表示位置を同期させる同期部と、を具備することを特徴とする立体画像表示装置を提供する。

本発明によれば、立体表示性能の高い時分割立体表示方式の立体表示装置であっても、画面内の領域毎に平面画像と立体画像とを選択的に表示することが出来る。

第１の実施形態の立体画像表示装置の構造の概略を示す水平断面図。 第１の実施形態の立体画像表示装置の機能ブロック図。 時分割立体表示の概念を示す図。 第１の表示部及び第２の表示部に表示する画像の例を示す図。 １画素に対して8bitの入力信号のデータ構造の例を示す図 平面表示位置でのバックライト輝度の調整方法を概念的に示した図 第１の実施形態の立体画像表示装置の動作を示す図。 カラーフィルタの画素の配列と視差発生用レンズの傾きの関係を例示した図。 カラーフィルタの画素の配列と視差発生用レンズの傾きの関係を例示した図。 第２の実施形態の立体画像表示装置の構造の概略を示す水平断面図。 第３の実施形態の立体画像表示装置の構造の概略を示す図。

以下図面を参照して本発明の実施の形態の立体画像表示装置を詳細に説明する。ここで、互いに同じ構成には共通の符号を付して、重複説明は省略する
[第1の実施形態]
図１は、本実施形態の立体画像表示装置の表示部の構造を示す水平断面図である。

図１において、上方側を観測者側、即ち、バックライト１００による光の射出側としている。本実施形態の立体画像表示装置は、第１の表示部２００と、視差発生用レンズ３００と、第２の表示部４００と、をこの順に備えている。

第１の表示部２００は、平面状の光源であって観測者側に光を射出するバックライト１００と、液晶パネル５００とを有する。

液晶パネル５００は、バックライト１００の射出面に対向して配置された、所定の方向に振動する光を透過する偏光方向を有する偏光板２０１と、光透過性の絶縁体であるガラス板２０２、複数の配線パターンを有する透明電極２０３と、液晶分子の初期配向を一方向に揃えた液晶層２０４と、複数の配線パターンを有する透明電極２０５と、Ｒ（赤）・Ｇ（緑）・Ｂ（青）のサブ画素がアレイ状に画像表示面上に配置されたカラーフィルタ２０６と、光透過性の絶縁体であるガラス板２０７と、所定の方向に振動する光を透過し偏光板２０１とは互いに直交する偏光方向を有する偏光板２０８と、をこの順に備えている。

透明電極２０３と透明電極２０５との間に保持された、液晶層２０４には液晶分子が、電界の影響がない初期配向において、長軸方向が一定の方向となるよう配向されている。液晶層２０４内の各液晶分子は、透明電極２３０及び透明電極２０５の各配線パターンに印加される電圧に応じて、その配向を変化させ液晶層２０４を透過する任意偏光状態の光線の輝度を調節する。

視差発生用レンズ３００は、観測者の左右の目に視差を発生させるための光学素子である。本実施形態では、視差発生用レンズ４００としてレンチキュラシートを用いた例について図示したが、フライアイレンズであって良い。また、視差発生用レンズ３００のレンズ凸部も、第１の表示部２００側、第２の表示部４００側のどちら側を向いていても良い。

第２の表示部４００は、バックライト１００の射出面に対向して配置された、偏光板２０８と同じ偏光方向を有する偏光板４０１と、光透過性の絶縁体であるガラス板４０２、複数の配線パターンを有する透明電極４０３と、液晶分子の初期配向を一方向に揃えた液晶層４０４と、複数の配線パターンを有する透明電極４０５と、Ｒ（赤）・Ｇ（緑）・Ｂ（青）のサブ画素がアレイ状に画像表示面上に配置されたカラーフィルタ４０６と、光透過性の絶縁体であるガラス板４０７と、所定の方向に振動する光を透過し偏光板４０１とは互いに対向する偏光方向を有する偏光板４０８と、をこの順に備えている。

なお、第１の表示部２００は、上述した液晶パネルに限られる物ではなく自発光タイプの表示装置、例えば、有機ＥＬパネル、プラズマ表示装置或いは電界放出型表示装置等の表示装置でも良い。尚、このような自発光タイプの表示装置は、バックライト１００を設ける必要がない点に注意されたい。

なお、偏光板２０１、２０８、４０１、４０８として、直線偏光板、円偏光板、楕円偏光板等を用いることができる。バックライト１００は一般的な蛍光管もしくはLEDバックライト、導光板と拡散板で構成されたもので良い。

図２は、本実施形態の第１の表示部２００及び第２の表示部４００が表示する画像の例を示す図である。

図２（ａ）は、第１の表示部２００に表示する画像の例を示す図である。第１の表示部２００は、立体画像（３Ｄ画像ともいう）を表示する表示モードの画素については、入力された要素画像アレイに従った要素画像を第１の表示部２００に表示する。ここで、要素画像アレイとは、立体画像の元となる、それぞれが左眼用の画像若しくは右眼用の画像である、要素画像を複数統合した一フレーム分の画像である。なお、要素画像には、複数の視点から立体表示の対象となる対象物を撮影することで得られた当該視点数に応じた数の視点画像が含まれているものとする。これら要素画像は、視差発生用レンズ３００を介して観測されると、視差発生用レンズ３００による両目視差の発生により、各要素画像に含まれた同視点位置の視点画像が選択的に見えることになる。これにより、観測者から見て、要素画像の集まりは所定の位置に結像した立体画像として認識される。

平面画像（２Ｄ画像ともいう）を表示する表示モードの画素については、その画素位置をバックライト領域とし、所定の輝度の光を第２の表示部４００に向けて射出するようにする。バックライト領域の輝度を調整する方法については後述する。

図２（ｂ）は、第２の表示部４００に表示する画像の例を示す図である。第２の表示部４００は、立体表示をする表示モードの画素の画素位置には、シャッタ画像を表示するよう制御される。ここで、シャッタ画像とは複数の光を遮光する複数のシャッタ要素が略垂直方向に沿って延出されるよう配列された構造を備える。各シャッタ要素は、視差発生用レンズ３００の正面から見た１つのレンズの面積と等しい面積となるよう対応して配される。１つのレンズに対応する細長い領域を複数個に短く分割し、縦に並ぶ複数のシャッタ要素としても良い。また、後に変形例としてシャッタ要素が視差発生用レンズ３００のレンズに対して相対的にある角を成して斜めに対向されるように配置されても良い。従って、各シャッタ要素が略垂直方向に沿って延出されるとは、その延出方向が垂直方向に一致する場合に限らず、垂直方向（列方向）に対してある角度を成す場合も含むものである。各シャッタ要素が垂直方向に対してある角度を成して延出される場合には、斜めに延出されるシャッタ要素が水平方向（行方向）に配列されることとなる。図２（ｂ）において、シャッタ画像として概略的に白と黒で示された部分は、夫々あるフィールドにおける透過及び遮光状態を表している。この例では、１フレームが２フィールドに分割され、１フィールドにつき全レンズ数の１／２個のレンズ（偶数番目或いは奇数番目）が透過状態となるようにシャッタが開閉される。

第２の表示部４００には、平面表示をする表示モードの画素の画素位置には、入力された平面画像に従った画素値の画像を表示するよう制御される。第１の表示部２００のバックライト領域からの光を透過することで平面画像を表示することが出来る。

図３は、時分割立体表示の概念を示す図である。立体表示画像１フレームに対応する要素画像は、時分割数nであるｎフィールドで構成される。図３は例としてn＝２の場合を示す。この場合、第２の表示部４００における第１の表示部２００からの光を遮光するシャッタの開閉は、視差発生用レンズ３００の隣接するそれぞれのレンズ幅毎に行われる。シャッタの開閉及び要素画像のフィールドを120Hz以上の速度で切替えることで、60Hzで表示した場合と比較して実効的に２倍の視差数を表現することができる。

図４は、本実施形態の立体画像表示装置を示す機能ブロック図である。本実施形態の立体画像表示装置は、判定部１１、第１制御部１２、第２制御部１３、記憶部１４、同期制御部１５、を備える。

判定部１１は、入力信号から、各画素が立体画像表示と平面画像表示とのどちらの表示モードかを判定する。表示モードは、入力信号に基づき行われるが、入力信号のデータ構造については図５で後述する。

第１制御部１２は、第１の画像表示部２００に表示する画像を制御する。具体的には、第１の表示部２００の透明電極２０３、２０５に印加する電圧を制御することで液晶の配勾方向を制御する。それによって、カラーフィルタ２０６の各画素を通過する光の偏光状態を制御することで画像を表示することが可能となる。第１の制御部１２は、判定部１１が判定した各画素の表示モードに応じて表示する画像を制御する。具体的には、前述したように立体画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置には要素画像を表示し、平面画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置には、所定の輝度の光を視差発生用レンズ３００に向けて射出するバックライト領域となるような画像を表示する。なお、第１の制御部１２は、入力された要素画像アレイを記憶部１５に記憶し、記憶された要素画像アレイを時分割数ｎ個の要素画像に分割し（ｎは２以上の整数）、これら各要素画像を所定の時間間隔毎に切り替えて第１の表示部２００の表示面上に表示させる。

記憶部１４は、要素画像アレイを記憶する。

第２制御部１３は、第１制御部１２と同様に、第２の表示部２００の透明電極４０３、４０５に印加する電圧を制御することで、第２の画像表示部４００に表示する画像を制御する。具体的には、前述したように立体画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置にはシャッタ画像を表示する。要素画像の第１及び第２フィールド目の垂直走査信号に同期するシャッタ開閉信号を生成し、それに対応した垂直駆動信号並びに水平駆動信号を生成する。平面画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置には、入力された画像を表示する。

同期制御部１５は、第１の表示部２００に表示される要素画像と第２の表示部４００に表示されるシャッタ画像との所定時間間隔毎の切り替えタイミングを同期させる第１フィールド目の垂直走査信号及び第２フィールド目の垂直走査信号を生成し、第１制御部１２と第２制御部１３とに送る。

図５は、本実施形態の１画素のサブピクセル毎の8bitの入力信号のデータ構造の例を示す図である。入力信号のうち、上位６bitすなわち上位７〜２bitにはカラー画像である要素画像と平面画像のサブピクセルの画素値を示す。例えばＲＧＢフォーマットのカラー画像信号であるときは、ＲＧＢそれぞれのサブピクセルに対して8bitの信号が割り当てられる。中位1bitはシャッタ画像若しくはバックライト領域の階調を示し、０の場合は黒を、１の場合は白を表示する。下位1bitは各画素の表示モードの判定に用い、０の場合は要素画像の表示モードであり、１の場合は平面画像の表示モードである。

図６は、平面表示位置でのバックライト輝度の調整方法を概念的に示した図である。同じバックライト１００の輝度値で立体画像表示を行った場合と、平面画像表示を行った場合とでは、平面画像表示を行った場合の方が、輝度が大きくなる。そのため、平面画像と立体画像とを同時に表示した際にバックライト領域の輝度を調整しないと、その輝度差が不自然に知覚されてしまう。そのため、本実施形態では、バックライト領域の全体での輝度を低下させるために、図５に示した中位1bitの階調に従って、黒のドットを第１の画像表示部２００のバックライト領域部分に表示する。それによって、バックライト領域を透過する光の透過率を１００％未満とする。それによって、観察者の位置で、平面画像と立体画像との輝度が同一になるように輝度を調整することができる。

図７は、本実施形態の立体画像表示装置の動作を示す図である。

まず、図５に示したように、下位１bitから上位２〜７bitのカラー画像信号が要素画像、バックライト用画像、シャッタ画像、平面画像で用いる画像信号のbit部を指定し、全ての画像信号は１枚に合成した状態で入力される（Ｓ１０１）。要素画像と平面画像は8bitのBMP画像信号のうち上位6bitを、シャッタ画像とバックライト輝度調整用ドット画像では中位１bit、位置判定用信号を下位１bitとした例を示している。

まず、判定部１１は、入力された信号から、表示モードを判定する（Ｓ１０２）。

表示モードが立体表示モードであった場合（Ｓ１０２,Ｙｅｓ）、同期制御部１５は、該当する画素のアドレスを取得する（Ｓ１０３）。なお、フレームのラスタ順に画素情報が送られてくる信号である場合には、当該画素がフレーム内で何番目に送られてきたかで判断する。アドレスが判明したら、同期制御部１５は画素アドレスを第１制御部１２及び第２制御部に送る。第１制御部１２は、入力された信号の上位６bitと指定する（Ｓ１０４）。また、同期制御部１５は入力された信号の中位1bitを指定し第２制御部１３に入力する（Ｓ１０７）。第１制御部１２は、上位6bit の要素画像を第１の表示部２００に表示させる（Ｓ１０５）。また、第２制御部１３は、中位1bitのシャッタ画像を第２の表示部４００に表示させる（Ｓ１０８）。これらの表示動作Ｓ１０８、Ｓ１０５は、同期制御部１５から送られる同期信号に従って、シャッタ画像と要素画像とを同時に表示する。

表示モードが平面表示モードであった場合（Ｓ１０２,Ｎｏ）、同期制御部１５は、該当する画素のアドレスを取得する（Ｓ１０９）。なお、フレームのラスタ順に画素情報が送られてくる信号である場合には、当該画素がフレーム内で何番目に送られてきたかで判断する。アドレスが判明したら、同期制御部１５は画素アドレスを第１制御部１２及び第２制御部に送る。また、同期制御部１５は入力された信号の上位６bitを指定し第２制御部１３に入力する（Ｓ１１３）。また、同期制御部１５は入力された信号の中位1bitを指定し第１制御部１３に入力する（Ｓ１１０）。第２制御部１３は、上位6bit の平面画像を第２の表示部４００に表示させる（Ｓ１１４）。また、第１制御部１２は、下位1bitのバックライト領域の画像を第２の表示部２００に表示させる（Ｓ１１１）。これらの表示動作Ｓ１１１、Ｓ１１４は、同期制御部１５から送られる同期信号に従って、平面画像とバックライト領域の画像とを同時に表示する。

図８、９は、第１の表示部２００のカラーフィルタ２０６の画素の配列と視差発生用レンズ３００の各レンズの傾きの関係を例示した図である。画素の上に設置するレンズは、カラーフィルタ２０６のサブ画素を拡大表示するため、ＲＧＢのサブ画素からの光が１セットで同一方向に出射させる必要がある。例えば、Ｒのカラーフィルタの配列方向に対して、レンズ稜線方向は傾きを有するように配置する。

図８は、ＲＧＢの各画素が同色で垂直に配置されたストライプ配列に対して稜線方向が傾きをもった斜めレンズを用いた場合である。

図９は、ＲＧＢの各画素がarctan(1/3)の傾きに配置されたモザイク配列と、画素の列方向に対して傾きをもたない垂直レンズを用いた場合を示す。これらの配置によって、ＲＧＢのカラーフィルタ部がレンズによって指向性がついて分離したとしても、同一方向にＲＧＢの光線が出射され、白色の画像が再生できることになる。

［第２の実施形態］
図１０は、本実施形態の立体画像表示装置の構造の概略を示す水平断面図である。

第１の表示部２１０、第２の表示部４１０は、それぞれ１枚ずつ偏光板２１１、偏光板４１１を有する点が図１の立体画像表示装置と異なる。偏光板２１１と、偏光板４１１とは、互いに対向する偏光方向を有する。

偏光板２１１はバックライト１００の射出面と対向するように設けられる。偏光板２１１上部にガラス板２０２、２０７で挟んだ、透明電極２０３、２０５と液晶層２０４とカラーフィルタ２０６とが構成されている。

視差発生用レンズ３００は第１の表示部２１０のガラス板２０７の背面に密着して設置される。視差発生用レンズ３００上部には、ガラス板４０２が密着させて設置される。

ガラス板４０２、４０７で挟んだ、透明電極４０３、４０５と、液晶層４０４と、カラーフィルタ４０６とが構成されている。偏光板４１１は、ガラス板４０７と密着されて設けられる。

本実施形態の立体画像表示装置によれば、図１の立体表示装置と比較してバックライト１００から射出された光が観測者まで到達するまでに透過する遮光板の枚数が少なくなるため、表示する画像の輝度を向上することが出来る。また、第１の実施形態の立体画像表示装置と比較して偏光板を２枚分省くことができるため薄型化した構造及び高輝度な表示を実現することができる。

［第３の実施形態］
図１１は、本実施形態の立体表示装置の概略を示す図である。

本実施形態では、バックライト１００が複数の微小なＬＥＤを有する点が第１の実施形態の立体表示装置とは異なる。各ＬＥＤは、それぞれ射出する光の輝度を調整することが可能である。図９に示す立体表示装置では、同時に表示する平面画像と立体画像の輝度差を解消するために黒ドットをバックライト領域に表示していたが、本実施形態では、バックライト領域と対応する位置のＬＥＤが射出する光の輝度を低下させる。

２００、２１０・・・第１の表示部
１００・・・バックライト
５００、５１０・・・液晶パネル
２０１・・・偏光板
２０２・・・ガラス板
２０３・・・透明電極
２０４・・・液晶層
２０５・・・透明電極
２０６・・・カラーフィルタ
２０７・・・ガラス板
２０８・・・偏光板
２１１・・・偏光版
３００・・・視差発生レンズ
４００、４１０・・・第２の表示部
４０１・・・偏光板
４０２・・・ガラス板
４０３・・・透明電極
４０４・・・液晶層
４０５・・・透明電極
４０６・・・カラーフィルタ
４０７・・・ガラス板
４０８・・・偏光板
４１１・・・偏光板
１１・・・判定部
１２・・・第１制御部
１３・・・第２制御部
１４・・・記憶部
１５・・・同期制御部

Claims (5)

1. 第１の画像表示部と、
   前記第１の画像表示部の前面に設けられた複数のレンズを有し前記第１の画像表示部からの光線を制御する視差発生部と、
   前記視差発生部の前面に設けられ、画素がマトリクス状に配列された表示面を有し、前記第１の画像表示部から入射する光の透過率を変調する液晶パネルを有する第２の画像表示部と、
   入力信号から、各画素が立体画像表示と平面画像表示とのどちらの表示モードかを判定する判定部と、
   前記判定部が立体画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置では、前記入力信号に応じた要素画像を第１の画像表示部に表示させ、前記判定部が平面画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置では、第１の画像表示部に所定の輝度の光を前記視差発生部に向けて射出させる、第１制御部と、
   前記判定部が立体画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置には、シャッタ画像を前記液晶パネルに表示させ、前記判定部が平面画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置では、前記入力信号に応じた平面画像を前記液晶パネルに表示させる、第２制御部と、
   前記液晶パネルに表示する光の遮断を可能にする幅狭かつ長尺状のシャッタを複数配置してなる前記シャッタ画像と前記第１の画像表示部に表示する前記要素画像との表示タイミング及び表示位置を同期させる同期部と、
   を具備することを特徴とする立体画像表示装置。
2. 前記第１の画像表示部は、
   光を射出するバックライトと、
   前記バックライトからの光の透過率を変調する液晶パネルと、
   を有し、
   前記第１制御部は、前記判定部が平面画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置では、前記液晶パネルの光の透過率を低下させることを特徴とする請求項１記載の立体画像表示装置。
3. 前記第１制御部は、前記判定部が平面画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置では、所定の割合で前記液晶パネルの光の透過率を遮光状態とさせることを特徴とする請求項１記載の立体画像表示装置。
4. 前記バックライトは、それぞれ光の輝度を制御可能な複数の光源を有し、
   前記第１制御部は、前記判定部が平面画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置と対応する位置にある前記光源が射出する光の強度を、前記立体画像表示を行う表示モードと判定した画素の画素位置で前記光源が射出する光の強度よりも小さくさせることを特徴とする請求項２記載の立体画像表示装置。
5. 入力信号は、画像信号の各画素が立体画像表示と平面画像表示とのどちらの表示モードかを指定する判定信号と、前記判定信号が示す表示モードで表示する画像信号と、前記立体画像表示を行う表示モードである場合にはシャッタ画像の、前記平面画像表示を行う表示モードであればバックライト画像の階調を指定する信号と、を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の立体画像表示装置。