JPH11234705A

JPH11234705A - 立体表示装置

Info

Publication number: JPH11234705A
Application number: JP10034483A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tsutsui; 博司筒井; Yasunori Kuratomi; 靖規藏富; Yoshinao Taketomi; 義尚武富; Katsumi Adachi; 克己足達; Kenya Uomori; 謙也魚森
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-02-17
Filing date: 1998-02-17
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】観察者の前後左右の移動に追従し、めがねな
しで左右の視差画像を観察者の方向に提供する。【解決手段】平行変換素子２と液晶素子３と方向変換
素子４を備え、平行変換素子２により照明光を平行にし
て液晶素子３に入射し、透過光を方向変換素子４により
方向変換させて左右の視差画像を観察者８の両眼に出射
する立体表示装置であって、観察者の位置の移動に追従
して出力方向を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、立体表示が可能な
立体表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】パララックスバリア方式やレンチキュラ
ー方式は、立体の両眼視差を有する左右画像を、めがね
を使用しないで観察できる方法として従来より用いられ
てきた。この方法は特定の位置において左右の眼に独立
の両眼視差画像が観察されるようになっているが、立体
視できる目の位置が限定される。すなわち眼の間隔と等
間隔左右にずらすと立体の前後が反転する現象を生じ
る。

【０００３】この現象を改善するために、液晶を用いて
パララックスバリアのバリアを反転させ、目の位置が変
化した場合に追従する方法が開発された。この方法は、
目の位置を検出する赤外線センサの情報を用いて液晶を
反転することにより、目の位置の変化に対応させる方法
である（（参考文献）特開平７−２６１１１９号公報：
パララックスバリアに関する事項、特開平９−１５２６
６８号公報：観察者の位置追従方式に関する事項）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のパララックスバ
リア方式やレンチキュラー方式は、両眼視できる目の位
置が前後左右とも固定されている。また上述のようにパ
ララックスバリアのバリアを液晶を用いて反転させる方
法により、左右方向に関しての改善が得られるが、この
方法は液晶のバリアを反転させるのみで、バリアの間隔
は前もって設定された間隔で固定されているため、表示
画面に対して水平方向の移動に対しては不連続ながら追
従するが、垂直方向の移動に対しては追従しない。すな
わち立体を観察できる位置は表示画面に対して水平方向
は改善されるが、垂直方向は改善されない。観察者は首
を横に振ることはできても、表示画面からの距離を常に
一定に保つ必要がある。このことにより長時間の表示画
面の観察は、観察者に取り位置的自由度が無く、疲労を
招く。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、平行変換素
子により液晶素子に入力する照明光をおおむね平行光に
変換し、各画素ごとに出力方向を可変にする方向変換素
子を設けることにより、観察者が表示画面からの距離を
変化させても、観察者の位置に出力映像を収束すること
が可能となる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下本発明の一実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。まず本発明の構成に
関して述べる。図１に本発明の原理図を示す。

【０００７】図１において、照明光源１は液晶表示素子
に用いられる一般的なバックライト等を使用することが
できる。照明光源１から出力された光は拡散光である
が、平行変換素子２によりおおむね平行光に変換され
る。平行光に変換された光は液晶素子３に入射し、液晶
素子３により画像情報に変換され、おおむね平行光とし
て出力される。おおむね平行光として出力された画像情
報は、方向変換素子４により画素情報を特定方向に出力
して、観察者の位置に出力される。

【０００８】観察者の位置情報は、２台のカメラ１，２
により空間情報として検出される。カメラより得られた
空間情報に基づき方向変換素子を作動し、左右の立体画
像情報を観察者８の左右眼に入力する。観察者が移動し
た場合、観察者の動きに合わせて位置情報を検出し、そ
の情報に基づいて制御器７により画素信号の出力方向を
求め、方向変換素子４により方向を変えて観察者８の両
眼に入力する。

【０００９】図２（ａ）に平行変換素子の原理を示す。
照明光源１１は一般に用いられる液晶素子用の光源を使
用する。平行変換素子１２は２組のシリンドリカルレン
ズとスリットからなる。シリンドリカルレンズの隣接レ
ンズ間距離は、液晶素子の画素間距離に等しく、レンズ
厚さはレンズ焦点距離に等しく、１面が平面である。い
ずれか１方のシリンドリカルレンズの平面側に、スリッ
トが設けられている。このスリットは個々のシリンドリ
カルレンズの中心線上に開口部を設けてある。

【００１０】開口部の幅は得られる平行度の精度に関係
し、狭いほど平行光成分が増加するが、光量の低下をま
ねくので、照明光源１１の出力強度を考慮して決める必
要がある。ここで使用する平行性は、紙面に対して平行
な平面上での平行性であり、紙面に対して垂直な方向、
すなわちシリンドリカルレンズの軸方向に対しては、平
行性は無くても良い。

【００１１】照明光源１１から出力する光はランダムな
進行方向を持っている。ランダムな光はシリンドリカル
レンズにより集光されるが、そのうちスリット１４の開
口部のみを通る光線がもう１方のシリンドリカルレンズ
に入力する。この開口部はシリンドリカルレンズの焦点
に位置するので、開口部およびシリンドリカルレンズを
透過した光はおおむね平行光として出力される。またス
リット１４の材料は、光を遮光する材料であれば限定さ
れないが、金属であることが好ましい。一例としてアル
ミニウムの蒸着膜を用いることができる。

【００１２】また、出力側は戻り光がコントラスト、ク
ロストーク等に影響を与えるため、反射が少ないことが
望ましい。一例として、クロムとアルミニウムの積層膜
で実現することができる。また、スリットを透過しない
光は有効に利用するため、照明光源側に戻すために反射
率が高いミラーの役割をなすことが好ましい。一例とし
て、アルミニウムは反射率が９０％であり、好ましい材
料である。さらに反射効率を高めるには誘電体多層膜反
射ミラーを用いることが望ましい。反射されて照明光源
１１に戻った光は再度数回の反射・散乱を経て、再度平
行変換素子１２に照射される。

【００１３】図２（ｂ）により平行性を高めた平行変換
素子の組合せを示す。（ｂ）における斜線部はホログラ
ム素子であり、照明光源のランダムな波面と平行光の波
面を干渉させてホログラムを作製した、透過型ホログラ
ム素子である。このホログラム素子を照明光源と平行変
換素子の間に挿入することにより、照明光源からの光の
成分の多くを前もって平行光に変換するため、高い変換
効率で平行光に変換することができる。さらに、ホログ
ラム素子により平行光に変換されなかった成分は、平行
変換素子によりカットされるので、両者を透過した照明
光源はより平行性の高い光源となる。

【００１４】次に方向変換素子について述べる。方向変
換素子の断面を図３に示す。方向変換素子は分割された
第１の透明電極を有する第１の透明基板２１と、分割さ
れた第１の透明電極２２と対向して分割されたテーパを
有する第２の透明基板２５との間に液晶を充填して形成
される。第２の透明基板２５には共通電極２４が形成さ
れている。図面上では液晶素子を透過した光は第１の透
明基板にほぼ垂直に入射するので、第１の透明基板の材
料の屈折率は光線の軌跡には影響しない。第１の透明基
板２１を透過した光は液晶を透過し、第二の透明基板２
５との境界面に至る。

【００１５】第２の透明基板２５はテーパを有し、光線
に対して傾きを有するため、液晶２３と第２の透明基板
２５とに屈折率差が生じると、光線の軌道が曲げられる
ことになる。液晶は電界をかけることにより液晶分子の
配向方向が変化し、配向方向の変化により偏光光に対す
る屈折率の変化を生じる。

【００１６】図３は光線の屈折方向を模式的に描いた図
である。nairを空気の屈折率、ｎ０を第２の透明基板２
５の屈折率、ｎ１からｎ４までを強度の異なる電界のか
かった状態の液晶の屈折率とすると、下記に示す（数
１）の条件、すなわち液晶の屈折率より第２の透明基板
の屈折率が大きい場合は、図３のように特定方向に収束
させることができる。

【００１７】 nair＜ｎ１＜ｎ２＜ｎ３＜ｎ４＜ｎ０（数１）逆に下記に記す（数２）の条件、すなわち液晶の屈折率
が第２の透明基板の屈折率より大きい場合は、図５のよ
うに逆の方向に収束させることができる。

【００１８】 nair＜ｎ０＜ｎ１＜ｎ２＜ｎ３＜ｎ４（数２）図３、図５のような効果を得るには、液晶の屈折率可変
範囲内に第２の透明基板の屈折率が存在すればよい。こ
の原理を図４を用いて説明する。液晶材料の屈折率をｎ
１、第２の透明基板の屈折率をｎ２、空気の屈折率をｎ
３とし、液晶材料と第２の透明基板との接合界面の角度
をθ０、接合界面における第２の透明基板へ屈折角をθ
１、第２の透明基板から空気中への出射角をθ２とする
と、下記のような関係式が得られる。

【００１９】ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２（数３）ｎ２ｓｉｎ（θ１−θ２）＝ｎ３ｓｉｎθ３（数４）上式に個々のパラメータの値を代入する。一般に用いら
れる代表的な液晶の屈折率は電圧の印加により１．４か
ら１．７の範囲で変化する。第２の透明基板の材料とし
てポリ塩化ビニルを用い、また評価に用いたテーパの傾
きは３０度であるとすると、ポリ塩化ビニルの屈折率は
１．５５であり、各パラメータは下記のようになる。

【００２０】θ０＝３０ｎ１＝１．４〜１．７ｎ２＝１．５５ｎ３＝１（空気）ｎ１の値に最大値１．７と最小値１．４を代入すると、
θ２は下記の値が得られる。

【００２１】θ２ｍａｘ＝−５．７度 θ２ｍｉｎ＝５．０度このように第２の透明基板の法線に対して左右に５度振
らすことが可能となる。θ２ｍａｘ、θ２ｍｉｎの値
は、テーパの角度θ０を変えることによりさらに大きく
することが可能になる。また、第２の透明基板に使用で
きる材料としては、アクリル樹脂（ｎ＝１．５）、ポリ
スチレン（ｎ＝１．６）、ポリアミド（ｎ＝１．５〜
１．６）等を使用することができる。

【００２２】しかし、図３、図５に示すように、テーパ
の傾きが大きく、液晶の電極間距離が大きく異なる場合
は、液晶に印加される電界強度に分布が大きくなるた
め、液晶の屈折率に分布を生じ、屈折する方向が一様で
なくなる。

【００２３】この解決策として、２つの方法がある。１
つは透明電極をテーパの表面に形成するのではなく、フ
ラットな面に透明な共通電極を形成し、透明電極上にテ
ーパを形成することにより、電界はテーパ材料と液晶材
料の両方に均等にかかる。またこのときの誘電率の分布
はテーパ材料を選択すればよい。

【００２４】一般的なＴＮ液晶の誘電率は、液晶分子の
方向に垂直な方向に対してほぼ３．３であり、上述の透
明基板用樹脂はアクリル樹脂（３．０）、ポリスチレン
（ｎ＝２．５）、ポリアミド（３．４）、ポリ塩化ビニ
ル（３．２５）である。

【００２５】ポリアミド（３．４）、ポリ塩化ビニル
（３．２５）等が液晶とマッチングをとることが可能で
ある。

【００２６】もう一つは、テーパの周期を短くする方法
である。この方法によれば、液晶と対向電極間距離の差
を少なくし、電界強度の傾きを少なくすることができ
る。

【００２７】その一例を図６に示す。次に方向変換素子
の第２の実施の形態について、図７を用いて説明する。
図７は第２の透明基板のテーパの周期を小さくする代わ
りに、周期構造により透過光の方向を変えることができ
る方向変換素子である。グレーティングと呼ばれる周期
的溝構造により、光は回折を受け進行方向を変化させる
ことができる。

【００２８】しかし、一般に周期的溝構造により回折す
る光は、入射方向に対し対称に両側に生じるために、ク
ロストークとなる。そこで、図６に示すように一方向に
段差を有する周期構造にすると、回折光は段差の周期を
小さくすれば一方向成分のみとなる。このような周期構
造はバイナリーオプティクスと呼ばれ、フォトリソグラ
フィーと呼ばれる露光装置を用いた多数回露光プロセス
により形成することができる。この回折は、図３、図５
で示した界面の屈折よりも回折角を大きく取ることが可
能である。

【００２９】回折光学素子による光の屈曲は回折の法則
に従う。ここで、ｎは回折面に対する光の入射側の媒質
の屈折率、θは入射角、ｎ’・θ’は同じく出射側の媒
質の屈折率・出射角、ｍは回折光の次数、λは波長、ｐ
は回折面のピッチである。

【００３０】ｎｓｉｎθ−ｎ’ｓｉｎθ’＝ｍλ／ｐ（数５）入射角θを０度とし、回折光の次数ｍを１次とすると上
式は下記のようになる。

【００３１】ｓｉｎθ’＝λ／ｎ’・ｐ（数６） θ’＝ｓｉｎ^-1（λ／ｎ’・ｐ）（数７）このように角度θ’は透過する光の波長、出射側の媒質
の屈折率と回折面のピッチにより決定される。ここで、
入射角θを０度とすると、（数５）の左辺におけるｎｓ
ｉｎθの値が０となり、回折方向が入射側の屈折率に依
存しない式になるが、入射側の屈折率ｎと出射側の屈折
率ｎ’との大小の違いにより、回折する角度の方向が逆
転することが知られている。

【００３２】すなわち、（数７）は入射側の材質（基板
側）の屈折率ｎに対し出射側の材質（液晶）の屈折率
ｎ’が小さい値から大きい値に変化することにより、正
負の値が反対になり、入射角に対して両側に変化するこ
とを示している。

【００３３】以上、屈折と回折を用いる方向変換につい
て述べたが、何れも波長依存性を有する。透過液晶素子
が赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色を有する素子の
場合は、変換方向を大きくすると色収差が大きくなる。
この色収差を解消するためには、Ｒ，Ｇ，Ｂごとにテー
パまたはバイナリーオプティクスの周期構造を最適化す
ればよい。

【００３４】図８は照明光源、平行変換素子、液晶素
子、方向変換素子を重ね合わせた立体表示装置の概略構
成図である。図８には、観察者の位置情報を得るための
カメラは記していないが、前もって観察者の位置情報を
検出する。

【００３５】観察者が観察者１の位置に存在する場合
は、制御器により方向変換素子の各ラインに印加する電
圧を変化させて、液晶素子の奇数、偶数画素（右目、左
目に対応した視差画像）に対応した観察者の右目、左目
位置に光線方向が移動するようにする。また、観察者の
位置が変化し、観察者２の位置にある場合は、方向変換
素子の各ラインに印加する電圧を変化させて、波線で示
す方向に光線方向が移動するようにする。

【００３６】以上のように本実施の形態によれば、平行
変換素子によってランダムな方向の照明光を概ね平行な
照明光に変換することができ、この概ね平行な照明光を
液晶素子に照射し、液晶素子を透過した光線を偏光変換
素子によって、画素ごとに出射方向を変化させ、観察者
の両眼に入射させるようにすることができる。

【００３７】さらに、観察者の位置の変化に追従して光
線の出力方向を変化させることにより、めがねなしで観
察者の自由度を奪うことなく立体映像を見ることができ
る。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明は以下のような効果
を有する。

【００３９】１．平行変換素子により、ランダムな方向
の照明光を概ね平行な照明光に変換することができる。

【００４０】２．照明光を概ね平行にして液晶素子に照
射し、液晶素子を透過した光線を偏光変換素子により、
画素ごとに出射方向を変化させ、観察者の両眼に入射さ
せるようにすることができる。

【００４１】３．さらに、観察者の位置の変化に追従し
て光線の出力方向を変化させることにより、めがねなし
で観察者の自由度を奪うことなく立体映像を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の立体表示装置の基本構成を示す図

【図２】(a)，(b)本実施の形態における偏光変換素子を
示す図

【図３】本実施の形態における方向変換素子を示す図

【図４】同方向変換の原理を示す図

【図５】同屈折率を変化させたときの方向変換素子を示
す図

【図６】本実施の形態における第２の方向変換素子を示
す図

【図７】本実施の形態における第３の方向変換素子を示
す図

【図８】本実施の形態における視差画像を観察者に提供
する原理を示す図

【符号の説明】

１照明光源２平行変換素子３液晶素子４方向変換素子５カメラ６カメラ７制御器８観察者

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＧ０９Ｆ 9/00 ３６１Ｇ０９Ｆ 9/00 ３６１ (72)発明者足達克己大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者魚森謙也大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】照明光を照射する照明光源と、前記照明光
をおおむね平行光に変換する平行変換素子と、透過型液
晶素子と、光の進行方向を変化させる方向変換素子を備
え、前記平行変換素子により平行光となった照明光を前
記透過型液晶素子に照射し、透過した平行光を前記方向
変換素子を用いて特定位置に収束させることを特徴とす
る立体表示装置。
【請求項２】平行変換素子は、２組のシリンドリカルレ
ンズプレートとそれらの中間位置に配置されたスリット
からなり、前記平行変換素子に入射した光は第１のシリ
ンドリカルレンズプレートにより集光され、前記スリッ
トを透過した光のみを第２のシリンドリカルレンズプレ
ートにより平行光に変換されることを特徴とする請求項
１記載の立体表示装置。
【請求項３】平行変換素子に用いるスリットの第一のシ
リンドリカルレンズプレートに面した側がミラーであ
り、前記スリットを透過しなかった照明光を前記ミラー
により照明光源に戻すことを特徴とする請求項２記載の
立体表示装置。
【請求項４】平行変換素子が２組のマイクロレンズプレ
ートとそれらの中間位置に配置されたピンホールプレー
トからなり、前記平行変換素子に入射した光は第１のマ
イクロレンズプレートにより集光され、前記ピンホール
プレートを透過した光のみを第２のマイクロレンズプレ
ートにより平行光に変換されることを特徴とする請求項
１記載の立体表示装置。
【請求項５】平行変換素子に用いるスリットの第一のマ
イクロレンズプレートに面した側がミラーであり、前記
スリットを透過しなかった照明光を前記ミラーにより照
明光源に戻すことを特徴とする請求項４記載の立体表示
装置。
【請求項６】平行変換素子は、ランダム光を平行光に変
換するホログラム素子からなることを特徴とする請求項
１記載の立体表示装置。
【請求項７】平行変換素子は、ホログラム素子と請求項
１から５のいずれかに記載の平行変換素子を組み合わせ
てなることを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
【請求項８】方向変換素子が分割された透明電極を有す
る第１の透明基板と、分割された透明電極に対向してテ
ーパ状に一方向に厚さに傾きを有し全面に透明電極を有
する第２の透明基板との間隙に液晶が配置されてなるこ
とを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
【請求項９】方向変換素子が分割された透明電極を有す
る第１の透明基板と、分割された透明電極に対向して階
段状に一方向に厚さに傾きを有し全面に透明電極を有す
る第２の透明基板との間隙に液晶が配置されてなること
を特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
【請求項１０】方向変換素子が分割された透明電極を有
する第１の透明基板と、分割された透明電極に対向しグ
レーティングを有し全面に透明電極を有する第２の透明
基板との間隙に液晶が配置されたことを特徴とする請求
項１記載の立体表示装置。
【請求項１１】方向変換素子が分割された透明電極を有
する第１の透明基板と、分割された透明電極に対向し階
段状の周期構造を有し全面に透明電極を有する第２の透
明基板との間隙に液晶が配置されたことを特徴とする請
求項１記載の立体表示装置。
【請求項１２】方向変換素子の第１の透明基板の分割さ
れた透明電極ごとに印加する電圧を変化させることによ
り、透過する光の方向を分割された透明電極ごとに透過
光の方向を変化させることを特徴とする請求項８〜１１
のいずれかに記載の立体表示装置。
【請求項１３】方向変換素子の第１の透明基板の分割さ
れた透明電極が奇数と偶数の組に分けられ、奇数の組と
偶数の組の透明電極とに印加する電圧を独立に変化させ
ることにより、透過する光の方向を２つの組に分けるこ
とを特徴とする請求項８〜１２のいずれかに記載の立体
表示装置。
【請求項１４】方向変換素子の第１の透明基板の分割さ
れた透明電極が奇数と偶数の組に分けられ、奇数、偶数
それぞれの組は表示装置から特定の距離上で１直線状に
交差するように奇数、偶数のそれぞれの透明電極に印加
する電圧を制御することを特徴とする請求項８〜１２の
いずれかに記載の立体表示装置。
【請求項１５】照明光を照射する照明光源と、前記照明
光をほぼ平行光に変換する平行変換素子と、前記変換さ
れた平行光を透過させる透過型液晶素子と、前記透過型
液晶素子からでる光の進行方向を変化させる方向変換素
子を有する表示素子と、被検出部の３次元位置を検出す
る３次元位置検出器と、前記３次元位置検出器により検
出した位置に前記表示素子から出力する映像を収束する
ように制御を行う制御器を備えたことを特徴とする立体
表示装置。
【請求項１６】３次元位置検出器が２台のカメラからな
り、観察者の顔もしくは目の位置を立体的に検出し、表
示素子の方向変換素子から出力される方向を制御器によ
り制御して検出された観察者の位置に収束することを特
徴とする請求項１５記載の立体表示装置。
【請求項１７】方向変換素子に使用される液晶の屈折率
の変化が偏光光に対し１．４から１．７の範囲で変化す
ることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の
立体表示装置。
【請求項１８】方向変換素子に使用される第２の透明基
板に使用される材料がアクリル系樹（ＰＭＭＡ）、ポリ
アミド系、ポリ塩化ビニル系およびポリスチレン系の中
からなることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに
記載の立体表示装置。