JP5921376B2

JP5921376B2 - 立体表示装置

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Publication number: JP5921376B2
Application number: JP2012171211A
Authority: JP
Inventors: 真一郎岡; 小村　真一; 真一小村
Original assignee: Japan Display Inc
Current assignee: Japan Display Inc
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2032-08-01
Also published as: CN103576408B; US20140036174A1; CN103576408A; TWI482999B; KR20140017455A; US9442297B2; JP2014032246A; TW201428347A; KR101482427B1

Description

本発明は、特殊な眼鏡を用いないで、立体画像を表示できる裸眼式の立体表示装置に関する。

３次元画像を表示する立体表示装置としては、左右の眼に別々の画像を見せるために、眼鏡を用いるものと、眼鏡を用いないで裸眼のままで立体感を与えるものに大別される。眼鏡を用いない裸眼式の立体表示装置においては、左右の眼に別々の光を入射させる構造を備えており、パララックスバリアを用いたものやレンチキュラレンズを用いたものなどが提案されている。

液晶レンズを用いた３次元液晶表示装置（３Ｄ−ＬＣＤ）においては、視点が固定されることが課題となっており、視点が固定されることによって、立体像が見える位置が固定される。この課題を解決するために、液晶レンズの位置を移動させることが提案されている。

特許文献１には、複数の異なる視差像を同時に表示する表示手段と、該表示手段に装着されておりシリンドリカルレンズのアレイで構成されてかつ該シリンドリカルレンズの光学特性を可変できる光学手段と、観察者の頭部の空間的位置を検出する検出手段と、該検出手段に接続されており該検出手段で検出された該頭部の位置情報に基づいて該頭部の最適位置に立体像が再生されるように該光学手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする３次元ディスプレイ装置（請求項１）、が開示されている。

特開平７−７２４４５号公報

特許文献１では、光学特性可変レンズに電極を複数配置し、電極アレイに印加する電圧のパターンを変えることによって、液晶レンズのレンズ位置を移動させ、立体像が見える視点位置を移動させている。しかし、立体像が見える視点位置は、表示パネルに対して、左右に移動させることはできるが、前後位置は固定したままで、前後方向に移動することはできない。

本発明は、表示パネルに対して、視点位置を、左右だけでなく、前後方向にも移動可能とし、立体像が見える範囲を広げることができる立体表示装置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、本発明の立体表示装置は、左目用と右目用の視差像を同時に表示する表示素子と、該表示素子に装着され、該表示素子から出射された光の方向を調整する液晶レンズとから成る立体表示パネルを用いた立体表示装置において、前記立体表示パネルに対する、観察者の前後方向の位置に応じて、前記液晶レンズのピッチを変化させることを特徴とするものである。

本発明の立体表示装置において、前記観察者の位置を検出する観察者位置検出手段と、前記液晶レンズを駆動する液晶レンズ駆動手段とを備え、前記液晶レンズ駆動手段は、前記観察者位置検出手段で検出した観察者の前後方向の位置に応じて、前記液晶レンズの複数の電極に印加する電圧のパターンのピッチを変化させるのが好ましい。

また、本発明の立体表示装置において、前記観察者位置検出手段は、観察者の目の位置或いは顔の位置を検出するのが好ましい。

また、本発明の立体表示装置において、前記観察者位置検出手段は、更に、観察者の左右方向の位置を検出し、前記液晶レンズ駆動手段は、検出した観察者の左右方向の位置に応じて、前記液晶レンズの複数の電極に印加する電圧のパターンを移動させるのが好ましい。

また、本発明の立体表示装置において、前記液晶レンズは、透明電極からなる平面状の第１の電極と、透明電極からなる複数の櫛歯状の第２の電極とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極とで液晶層を挟持するものであり、前記複数の櫛歯状の第２の電極の内、電圧を印加する電極のピッチを変化させて、液晶レンズのピッチを変化させるのが好ましい。

また、本発明の立体表示装置において、前記電圧を印加する電極のピッチを一様に変化させて、液晶レンズのピッチを変化させるのが好ましい。

また、本発明の立体表示装置において、前記電圧を印加する電極のピッチを不連続的に変化させて、液晶レンズのピッチを変化させるのが好ましい。

また、本発明の立体表示装置において、レンズピッチの中で小さな屈折率分布を少しずつ移動させるのが好ましい。

また、本発明の立体表示装置において、前記液晶レンズは、出射側に偏光板を備えるとともに、電圧無印加状態において、液晶層の入射偏光軸と出射変更軸とが９０度回転するものであり、電圧印加状態において、高電圧が印加された第２の電極上では、液晶層および偏光板により光が遮光され、それ以外の第２の電極上では、光が透過するのが好ましい。

本発明によれば、液晶レンズのレンズピッチを変化させることによって、左右方向だけでなく、前後方向にも視点位置を動かすことが可能となる。そして、立体像が見える範囲を広げることができる。

本発明の実施例１の立体表示パネルの構造を示す断面図である。本発明の実施例１の立体表示パネルと観察者の目との関係を示す図である。本発明の実施例１の液晶レンズの概略構造を示す断面図である。本発明の実施例１の液晶レンズの動作を説明する図である。本発明の実施例１の液晶レンズと画素の関係を示す図である。表示パネルのｘ方向の面内位置に対する、ずれ量の関係を示す図である。液晶レンズの特性を変化させることによる、視距離移動を説明する図である。本発明の実施例１の立体表示装置の概略構成を示す図である。本発明の実施例２の液晶レンズの構成を示す図である。本発明の実施例２の液晶レンズの特性を説明する図である。本発明の実施例３の液晶レンズの屈折率分布を説明する図である。本発明の実施例３の液晶レンズの構成を示す図である。本発明の実施例４の液晶レンズの動作を説明する図である。本発明の実施例４の液晶レンズの動作を説明する図である。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。各図面において、同一の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。

図１に、本発明の実施例１の立体表示パネルの概略断面図を示す。立体表示パネル１０は、表示素子２０と液晶レンズ３０とから成り、表示素子２０と液晶レンズ３０とは接着部材１２によって接続されている。表示素子２０は、液晶表示素子（ＬＣＤ）が好ましく、例えばＩＰＳ( In−Plane Switching )方式の液晶表示素子を用いることができる。表示素子２０としては、有機ＥＬを用いた表示素子やその他の表示素子でも良い。ただし、液晶レンズ３０には直線偏光を入射する必要があるため、液晶表示素子以外の場合は、表示素子２０と液晶レンズ３０の間に偏光板や位相差板を設けるとよい。

図２に、裸眼式の３Ｄディスプレイの概略を示す。裸眼式の３Ｄディスプレイは、立体表示パネル１０から観察者の左右の目１４に視差がついた画像を入射することにより、立体像を表示している。図に示すように、以下の説明において、立体表示パネル１０と観察者の目１４との距離を“Ｌ”とし、左右の目の間隔を“Ｂ”とする。また、立体表示パネルに対して左右方向の軸をｘ軸とし、前後方向の軸をｚ軸とする。

図３に、液晶レンズ３０の一例の概略断面図を示す。透明な材料からなる第１の基板３２上には、平面状の透明電極からなる第１の電極３３が設けられ、その上には配向膜３４が設けられている。また、透明な材料からなる第２の基板３６上には櫛歯状の透明電極からなる第２の電極３７が設けられ、その上に配向膜３８が設けられている。そして、第１の基板３２と第２の基板３６とは、液晶３５を挟んで、それぞれの配向膜３４，３８が対向するように配置される。

ここで、配向膜３４，３８は、例えばポリイミドであり、液晶３５を水平方向に配向させる。そして、液晶は正の誘電率異方性を備えている。（ただし、液晶が負の誘電率異方性を備えており、配向膜が、垂直方向に配向させるものでも良い。）
図に示すように、第２の電極３７のピッチは、レンズのピッチを表しており、“Ｑ”で表す。また、第２の電極３７の電極の幅を“Ｅ”とし、液晶層の厚さ（配向膜３４と配向膜３８との間隔）を“ｄ”とする。

図４に、図３の液晶レンズ３０を駆動したときの、液晶配向を示す。図４（ａ）は、第１の電極３３と第２の電極３７との間に電圧を印加した際の、電界の向きを示している。第２の電極３７から第１の電極３３に向かう方向に電気力線が生じている。図４（ｂ）は、第１の電極３３と第２の電極３７との間に電圧を印加しない場合の、液晶の初期配向を示している。液晶分子は、水平方向に配向している。図４（ｃ）は、電圧印加後の液晶の配向を示している。図４（ａ）に示す電気力線の方向に、液晶分子が配向する。図４（ｃ）において、第２の電極上の液晶分子が垂直方向に配向している部分は、屈折率が小さく、第２の電極間の液晶分子が水平方向に配向している部分は、ｘ軸方向に偏光した光に対して屈折率が大きくなる。

図において、液晶の初期配向としてホモジニアス配向を示しているが、これに限られるものではない。屈折率に分布が生じればよいから、例えばねじれ配向でもよい。また、配向方向も、図４（ｂ）においては、電極の長辺方向に対して垂直に配向しているが、これに限られるものではない。

次に、液晶レンズの設計方法について説明する。式１に、レンズピッチと表示素子の画素ピッチとの関係を示す。

ここで、“Ｑ”はレンズピッチであり、“Ｐ”は表示素子の画素ピッチであり、“Ｂ”は人間の目と目の間の距離であり、凡そ６５ｍｍである。ここで、画素ピッチとは、右目（若しくは左目）用の画像を表示する単位と定義する。例えば、画素毎に左目用、右目用の画像を交互に表示する場合は、画素サイズが画素ピッチとなる。また、サブ画素（ＲやＧやＢ）毎に左右の画像を交互に表示する場合は、サブ画素サイズが画素ピッチとなる。
式１に基づいて、画素ピッチからレンズピッチを決定することができる。

次に、図５乃至図７を用いて液晶レンズを用いた視点移動方法について説明する。液晶レンズを用いた視点移動方法については、例えば特許文献１に記載されている。

図５に、液晶レンズと表示画素との位置関係を示す。図５（ａ）は、表示パネル中央における画素と液晶レンズの屈折率分布との位置関係を示している。図において、第１の画素と第２の画素はそれぞれ左目用と右目用の画像を表示している。表示パネル中央では、液晶レンズの中央位置と、第１の画素と第２の画素の境界とが一致するように設計する。ただし、実際には表示パネルのずれなどが生じるため、多少のずれが生じることがある。

図５（ｂ）に、表示パネル端における画素と液晶レンズの屈折率分布との位置関係を示す。式１からもわかるように、レンズピッチＱが画素ピッチの２倍よりも小さいため、表示パネルの端部に行くにつれて、画素と液晶レンズの位置関係にずれが生じてくる。そのずれの量を、ａ（ｘ）と定義する。

図６に、表示素子のｘ方向の面内位置に対する、図５で定義したずれ量ａ（ｘ）を示している。図において、点線で示した位置が、表示素子の中央位置に対応している。

特性曲線(1)は、式１から計算されるずれ量ａ（ｘ）を示す。このとき、表示素子の中央では、図５（ａ）に示したように、ａ（ｘ）は０となることが望ましく、ａ（ｘ）が０であれば、表示素子中心位置が最適視認位置となる。特性曲線(1)の傾きは、式１によって決定される。

特性曲線(1)の状態であれば、表示パネルの正面で、かつ、次の式２によって決定される最適視距離で、最もクロストークが低減する。

ここで、“Ｌ”は最適視距離であり、“Ｄ”は表示装置の液晶層から液晶レンズの液晶層までの距離である。

水平方向に始点移動をした場合には、特性曲線(2)のように、傾きを保ったまま特性曲線(1)をｘ方向に平行移動させる。これにより、移動させた量に応じて最適視認位置がｘ方向に移動する。

本発明においては、液晶レンズを用いて、表示パネルのｘ方向の面内位置に対するずれ量ａ（ｘ）の関係を特性曲線(3)のように設定する。特性曲線(3)に示すように、表示素子中央でａ（ｘ）が０であり、傾きのみを特性曲線(1)から変えた場合には、最適視点位置は前後方向であるｚ方向にのみ移動する。

また、図示していないが、特性曲線(1)から傾きを変化させ、かつ、水平方向に平行移動させると、最適視点位置はｘ方向(水平方向）およびｚ方向(前後方向)に移動する。

図７に、図６に示した特性曲線(1)〜(3)に対応するレンズを設計した時の、視点移動を示す。ハッチングしている領域が、視域と呼ばれるクロストークが低く立体視できる空間的な範囲である。式１から外れてしまうと、クロストークが増加するが、液晶レンズの場合は、クロストークが低下する領域が比較的広く、５％以下であるならば、５°以上あるため、式１からずれたとしてもクロストークへの影響は小さい。

液晶レンズの特性曲線(2)の場合は、視域が水平方向に移動する。

液晶レンズの特性曲線(3)の場合は、特性曲線(1)に比べて傾きが小さいので、ずれ量ａ（ｘ）が小さくなり、レンズピッチＱが大きくなる。そのため、液晶レンズの屈折率分布が緩やかとなり、表示パネルからｚ軸方向に離れる方向に視距離が移動し、移動した位置が視域となる。

図８（ａ）に、本実施例の立体表示装置の概略ブロック構成図を示す。観察者の位置を検出する検出用カメラ４０を備えている。検出用カメラ４０は、例えば観察者の目や顔の位置を検出する。検出用カメラ４０は、立体表示パネル１０と一体に構成されていても、或いは、別体に構成されていても良い。観察者位置検出手段５０は、検出用カメラで撮像した画像に基づいて、観察者の左右位置および前後位置を表す信号を算出する。液晶レンズ駆動ドライバ６０は、観察者の左右位置および前後位置を表す信号に基づいて、立体表示パネル１０内の液晶レンズを駆動する信号を出力する。なお、立体表示パネル１０の表示素子は、表示パネル駆動ドライバ７０により駆動される。なお、図８（ｂ）に示すように、液晶レンズ駆動ドライバ６０などは、通常、立体表示パネル１０と一体に構成されている。観察者の位置を検出する手段としては、カメラに限らず、赤外線を観察者に照射して、反射した赤外線を受光するもの、観察者に磁界発生器を取り付けて、発生する磁界を磁界検出器で検出するものなど、適宜の位置検出手段を用いることができる。

本発明の立体表示装置を搭載した表示機器（例えば、携帯電話やテレビ）などに、顔の位置や目の位置を検出する検出手段を設けておき、得られた位置情報を基に、図６の特性曲線の位置と傾きを調整することで、クロストークの少ない立体画像を、顔の任意の位置において得ることができる。ここで、特性曲線の傾きは、液晶レンズのピッチを一様に変えることにより、調整できる。

本発明の実施例２の立体表示装置を、図９および図１０を用いて説明する。

図９に、本実施例の液晶レンズの断面図を示す。第１の電極は、平面状の透明電極からなり、第２の電極は、櫛歯状の透明電極からなる。そして、図中の点線から点線までがレンズ１ピッチを表している。

例えば図９（ａ）に示すように、所定のピッチで第２の電極（ｏｎ）に最も高い電圧を印加し、その他の第２の電極にはそれよりも低い最適な電圧若しくは０Ｖを印加することにより、図に示されるような良好な屈折率分布を得ることができる。ここで、屈折率分布とは、ある位置でｚ方向に液晶の屈折率を平均化したものである。屈折率分布は各レンズピッチの半分で２次曲線となるときに、最もレンズ効果が良くなることが知られている。図９（ａ）によれば、レンズ１ピッチに１周期のレンズが配置されていることがわかる。

一方、図６の特性曲線(2)を実施するように視点を移動させるためには、第２の電極の最も高い電圧を印加する位置を横方向に変更する。図９（ｂ）に示すように、第２の電極に電圧を印加することにより、屈折率分布が移動し、移動した距離に応じて最適視認位置がｘ方向(水平方向）に動く。

図９（ｃ）に、本実施例の第２電極の電圧印加の構成を示している。図９（ａ）および図９（ｂ）のレンズピッチは一定であるが、図９（ｃ）では、Ａ部に比べてＢ部のピッチが小さくなっており、レンズピッチが不連続になっている。第２電極の最も高い電圧を印加する位置を変えることにより、不連続にレンズピッチを変えることができる。

図１０に、表示パネルのｘ方向の面内位置に対するずれ量ａ（ｘ）の、本実施例の特性曲線を示す。図９（ｃ）の第２電極の電圧印加の構成を用いることにより、図１０の特性曲線(4)のような特性を作ることができる。これにより、不連続な液晶レンズピッチを達成でき、前後方向に視点移動可能な特性曲線(3)に近づけることができる。

本発明の実施例３の立体表示装置を、図１１および図１２を用いて説明する。

実施例３では、液晶レンズのレンズピッチの中に小さなレンズを形成する。視点が中心位置の場合は、小さなレンズ効果を得ることができる屈折率分布を、図１１（ａ）のようにする。これにより、式２で決まる最適視認距離で、パネル中央付近で立体視することができる。

一方、図１１（ｂ）に示すように、レンズピッチの中で小さな屈折率分布を少しずつ移動させることで、レンズピッチを変えることなく、図６の特性曲線(3)の状態を作り出すことができる。この結果、最適視認位置をｚ方向（前後方向）に移動させることができる。また、図示していないが、屈折率分布の中心位置をパネル全体でシフトすれば、ｘ方向に移動させることも可能である。

図１２に、図１１の屈折率分布を達成するための電極構成を示す。なお、目標の屈折率分布に近づけるために、第２の電極のピッチは細かければ細かいほど好ましい。図１２（ａ）に示すように、同じ繰り返しのパターンで、第２の電極（ｏｎ）に最も高い電圧を印加し、その他の第２電極にはそれよりも低い最適な電圧若しくは０Ｖを印加することにより、良好な屈折率分布を得ることができる。なお、図１２（ａ）では、第２の電極（ｏｎ）は５本で１ピッチとなっているが、これに限られるものではない。

図１２（ｂ）に、最適視認位置をｚ方向（前後方向）に移動させるときの、最も高い電圧の印加位置を示している。図１２（ｂ）のように、最も高い電圧を印加する第２の電極の位置を変更することによって、屈折率分布の中心位置をシフトさせることができる。

本発明の実施例４の立体表示装置を、図１３および図１４を用いて説明する。

図１３は、液晶レンズの電圧無印加時の液晶の配向方向を示した断面図である。初期配向は９０度のねじれ配向をしている。液晶レンズに入射される光は、直線偏光している。そして、ねじれ配向の旋光性のため、直線偏光は９０度回転する。本実施例の液晶レンズは出射側に偏光板８０を有しており、その透過軸は入射偏光に対して略９０度となっている。そのため、液晶レンズに電圧を印加していないときは、光が透過する。

図１４は、液晶レンズに電圧を印加した状態を示している。第２の電極（ｏｎ）には十分に大きな電圧が印加されるため、第２の電極上の液晶３５は基板に対して略垂直に配向し、ねじれがほどける。そのため、電圧が印加されている場所では旋光性が失われ、光が遮光される。

一方、第２の電極（ｏｎ）間の中央付近では、図１４に示されるように液晶３５が配向し、レンズ効果が得られる。このとき、屈折率に分布が生じる領域ではねじれが完全にほどけないため、光が透過する。このような構成により、図１１に示したような屈折率分布を得ることができる。

実施例３では、第２の電極（ｏｎ）の箇所では液晶が基板に対して略垂直に配向するため、屈折率が低く一定な領域が生じる。この箇所ではレンズ効果が得られないため、実施例３ではクロストークが大きくなる。

これに対して、実施例４では、液晶レンズに電圧が印加されている状態において、レンズ効果が得られない領域は偏光板８０によって光が遮断されるため、入射光は透過しない。そのため、クロストークに悪影響を及ぼすことがない。そして、電圧を印加する場所を変更することにより、図１２に示したと同様の効果を得ることができる。

本実施例では、クロストークが低下せずに、レンズの位置を連続的に変化させることが可能な立体表示装置を提供することができる。

本発明によれば、視点位置を、表示パネルに対して、左右だけでなく、前後方向にも移動可能とし、立体像が見える範囲を広げることができ、携帯電話などのモバイル機器の表示装置、ゲームやテレビなどのディスプレイに用いることができる。

１０立体表示パネル
１２接着部材
１４観察者の目
２０表示素子
３０液晶レンズ
３２第１の基板
３３第１の電極
３４配向膜
３５液晶
３６第２の基板
３７第２の電極
３８配向膜
４０検出用カメラ
５０観察者位置検出手段
６０液晶レンズ駆動ドライバ
７０表示パネル駆動ドライバ
８０偏光板

Claims

左目用と右目用の視差像を同時に表示する表示素子と、該表示素子に装着され、該表示素子から出射された光の方向を調整する液晶レンズとから成る立体表示パネルを用いた立体表示装置において、
前記立体表示パネルに対する、観察者の前後方向の位置に応じて、前記液晶レンズのピッチを変化させ、
前記液晶レンズは、透明電極からなる平面状の第１の電極と、透明電極からなる複数の櫛歯状の第２の電極とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極とで液晶層を挟持するものであり、
前記複数の櫛歯状の第２の電極の内、電圧を印加する電極のピッチを変化させて、液晶レンズのピッチを変化させ、
前記液晶レンズは、出射側に偏光板を備えるとともに、電圧無印加状態において、液晶層の入射偏光軸と出射偏光軸とが９０度回転するものであり、
電圧印加状態において、高電圧が印加された第２の電極上では、液晶層および偏光板により光が遮光され、それ以外の第２の電極上では、光が透過することを特徴とする立体表示装置。
請求項１に記載の立体表示装置において、
前記電圧を印加する電極のピッチを一様に変化させて、液晶レンズのピッチを変化させることを特徴とする立体表示装置。
請求項１に記載の立体表示装置において、
前記電圧を印加する電極のピッチを空間的な位置に関して不連続的に変化させて、液晶レンズのピッチを変化させることを特徴とする立体表示装置。