立体画像表示装置
【課題】視差数が異なる２以上の３Ｄ画像の表示、及び、２Ｄ画像の表示を切り替えて行うディスプレイを、厚みを増大させることなく少ない部材で実現する立体画像表示装置を提供すること。
【解決手段】画素がマトリクス状に配列された画素面を有する要素画像表示部と、複数の一軸性の複屈折レンズがアレイ状に配列されたレンズアレイと、前記要素画像表示部と前記レンズアレイとの間に挟持され、異なる電源供給線に接続される複数の電極と、前記電極の一部を有する第一電極基板と、前記電極の他の一部を、前記第一基板に設けられた前記電極と略直交する方向に有する第二電極基板と、一対の前記第一電極基板と第二電極基板に挟持され、印加される電圧により屈折率の異方性を生じる媒質と、を有する立体画像表示装置。
【解決手段】画素がマトリクス状に配列された画素面を有する要素画像表示部と、複数の一軸性の複屈折レンズがアレイ状に配列されたレンズアレイと、前記要素画像表示部と前記レンズアレイとの間に挟持され、異なる電源供給線に接続される複数の電極と、前記電極の一部を有する第一電極基板と、前記電極の他の一部を、前記第一基板に設けられた前記電極と略直交する方向に有する第二電極基板と、一対の前記第一電極基板と第二電極基板に挟持され、印加される電圧により屈折率の異方性を生じる媒質と、を有する立体画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、眼鏡無し（裸眼）の立体ディスプレイの開発が進んでいる。これらの多くは通常の２次元の平面ディスプレイを用いる。ディスプレイの前面、あるいは背面に何らかの光線制御素子を置くことにより、両眼視差を利用し、観察者から見た時、あたかもディスプレイから前後数ｃｍの距離の物体から光線が出ているようにディスプレイからの光線の角度を制御することにより、立体映像を表示することができる。これは、ディスプレイの高精細化により、ディスプレイの光線を数種類の角度（視差と呼ぶ）に振り分けても、ある程度高精細の画像を得ることができるようになったためである。
【０００３】
ところで、表示するコンテンツによっては、３Ｄ画像よりも２Ｄ画像により表示を行うことが望ましい場合がある。そこで、１つのディスプレイにより、２Ｄ画像の表示と３Ｄ画像の表示とを切り替える技術がある。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ＧＲＩＮ（ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｎｄｅｘ ｌｅｎｓ）レンズにより、偏光方向を回転させて２Ｄ／３Ｄ切替を行い、１つのディスプレイで２Ｄ画像と３Ｄ画像とを表示する立体画像表示装置の発明が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、異方性レンズと偏光方向を制御する平面表示装置とを用いる２Ｄ／３Ｄ切り替え装置の発明が開示されている。特許文献２に開示の光切り替え装置では、複屈折を持つ物質をレンズ形状の中に入れ、対向する位置に等方性物質を入れることにより、屈折率差のある方向の光に関してはレンズにより集光して３Ｄ画像を表示させ、屈折率差のない方向の光に関しては２Ｄ画像を表示させる。
【０００６】
ところで、裸眼３Ｄディスプレイにおいては、視差数が少ない方が高解像度になるが、正常に３Ｄ画像を見ることのできる視域角が狭くなる。視差数が多くなると、正常に３Ｄ画像を見ることのできる視域角を広くすることができ、より多くの方向からの立体画像を見ることができるというメリットがある反面、視差数割り当てが多くなるため解像度の劣化が１／（視差数）と劣化する。一方で、眼鏡式立体ディスプレイの普及により、２視差のみで３Ｄ表示を行う方式のコンテンツが増大しつつある。
【０００７】
そこで、１つのディスプレイで、視差数が異なる２以上の３Ｄ画像の表示、及び、２Ｄ画像の表示を切り替えて行うことにより、コンテンツ毎に好ましい表示を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３９４０７２５号公報
【特許文献２】特表２００４−５３８５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１及び２に開示の発明では、２Ｄ／３Ｄ切替機能付き裸眼立体ディスプレイにおいて、部材の追加を極力少なくしつつ、かつ、多視差と２視差のコンテンツをほとんど解像度劣化なく表示することについては、考慮されていない。
【００１０】
ここで、２視差と多視差（以下、「Ｎ視差」という。）の３Ｄディスプレイを同一パネルで実現する方法を考える。２視差のレンズとＮ視差のレンズは、レンズピッチ方向の背面に存在するＬＣＤ画素の個数が、それぞれ、２個及びＮ個であり、レンズピッチは多視差レンズの方がＮ／２倍広くなる。
【００１１】
これを一のレンズで実現すると、要素画像を表示する背面ＬＣＤまでのギャップは等しいため、要素画像ひとつをひとつの方向に射出する裸眼立体ディスプレイの原理より、２視差と多視差のレンズの焦点距離は同一にしなければならない。そのため、２視差レンズの視域角よりも、多視差レンズの視域角が約Ｎ／２倍大きくなり、２種類のレンズの両方とも、それぞれの任意の視域角を実現できない。また、一のレンズで２視差のレンズとＮ視差のレンズを理想的に実現するためには、レンズ自体のレンズピッチをアクティブに変える必要がある。
【００１２】
また、レンズを２種類積層して、２視差のレンズとＮ視差のレンズとを用いると、両方のレンズを積層方向の任意の位置におくことにより、所望の視域角を実現することができる。しかし、２視差のレンズとＮ視差のレンズのそれぞれを独立に動作させるための機構が必要となる。
【００１３】
本発明は、上記の点に鑑みて、これらの問題を解消するために発明されたものであり、視差数が異なる２以上の３Ｄ画像の表示、及び、２Ｄ画像の表示を切り替えて行うディスプレイを、厚みを増大させることなく少ない部材で実現する立体画像表示装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の立体画像表示装置は、画素がマトリクス状に配列された画素面を有する要素画像表示部と、複数の一軸性の複屈折レンズがアレイ状に配列されたレンズアレイと、前記要素画像表示部と前記レンズアレイとの間に挟持され、異なる電源供給線に接続される複数の電極と、前記電極の一部を有する第一電極基板と、前記電極の他の一部を、前記第一基板に設けられた前記電極と略直交する方向に有する第二電極基板と、一対の前記第一電極基板と第二電極基板に挟持され、印加される電圧により屈折率の異方性を生じる媒質と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の立体画像表示装置によれば、視差数が異なる２以上の３Ｄ画像の表示、及び、２Ｄ画像の表示を切り替えて行うディスプレイを、厚みを増大させることなく少ない部材で実現する立体画像表示装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】II方式の表示原理を示す図。
【図２】２Ｄ／３Ｄ切替機能付き立体画像表示装置の構成の例を示す図。
【図３】平行平板のＧＲＩＮレンズのダイレクタ分布を示す図（その１）。
【図４】平行平板のＧＲＩＮレンズのダイレクタ分布を示す図（その２）。
【図５】ＧＲＩＮレンズを多層化した場合の例を示す図。
【図６】裸眼立体ディスプレイにおける視域角について説明する図。
【図７】液晶の厚みｔと視域角２θとの関係を示す図。
【図８】２視差レンズを実現している例を説明する図。
【図９】ダイレクタの傾きと屈折率とを示す図。
【図１０】Ｎ視差レンズを実現する例を説明する図。
【図１１】上部電極の２つの櫛型電極間に電圧２×ｖｔｈをかけた時のダイレクタ分布を示す図（その１）。
【図１２】上部電極の２つの櫛型電極間に電圧２×ｖｔｈをかけた時のダイレクタ分布を示す図（その２）。
【図１３】ダミー電極を設ける例を示す図。
【図１４】２Ｄモードの例を示す図。
【図１５】上部電極、及び、下部電極のそれぞれに対し、モード毎に電圧をかけるか否かを示す図。
【図１６】２視差モードにおいて、偏光切替セル３に印加する電圧を説明する概観図。
【図１７】Ｎ視差モードにおいて、偏光切替セル３に印加する電圧を説明する概観図。
【図１８】２視差モードを実現する電圧制御の例を示す図。
【図１９】Ｎ視差モードを実現する電圧制御の例を示す図。
【図２０】高精細の２Ｄ表示モードを実現する電圧制御の例を示す図。
【図２１】縦視差の有無を切り替える立体画像表示装置における２視差モードの例を示す図。
【図２２】縦視差の有無を切り替える立体画像表示装置におけるＮ視差モードの例を示す図。
【図２３】縦視差の有無を切り替える立体画像表示装置における高精細２Ｄモードの例を示す図。
【図２４】縦視差の有無を切り替える際に、上部電極、及び、下部電極のそれぞれに対し、モード毎に電圧をかけるか否かを示す図。
【図２５】補助電極を有する下部電極の例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１８】
〔本実施の形態〕
多数の視差画像を表示するインテグラルフォトグラフィー法（以下、ＩＰ法）あるいは光線再生法と呼ばれる、立体像を何らかの方法で記録しこれを立体像として再生する方法が知られている。左右の眼から物体を見たときに、近い距離にあるＡ点をみた時の左右の眼と成す角度をα、遠い距離にあるＢ点をみた時の左右の眼となす角度をβとすると、αとβはその物体と観察者の位置関係に応じて異なる。この（α―β）を両眼視差と呼び、人はこの両眼視差に敏感で立体視をすることができる。
【００１９】
ＩＰ法をディスプレイに適用した３Ｄ表示方法をＩＩ（インテグラルイメージング）方式と呼ぶ。ＩＩ方式において、ひとつのレンズから射出される光線は要素画像群の数に相当する。要素画像群の数を視差数と呼び、それぞれのレンズにおいて、視差光線は略平行に射出される。
【００２０】
図１は、ＩＩ方式の表示原理を示す図である。観測者の位置、あるいは、観測者の見る角度によって、１視差の画像であるγ、２視差の画像であるβ、３視差の画像であるαという異なる画像を見ることになる。そのため、観測者は右目と左目に入る視差により、立体を知覚する。レンチキュラーレンズを光線制御素子として用いた場合、スリットに比べて、光の利用効率が高いため輝度を高くできる。また、レンズアレイと画素間ギャップはレンズの略焦点距離ほど離した方がよく、そうするとひとつの画素をひとつの方向に射出することができ、見る角度によって異なる視差画像を見ることができる。
【００２１】
複屈折性をもつ物質として最も良く知られているものが方解石である。また、複屈折の光学的な応用として、位相差フィルムに使用される延伸フィルムがある。また、液晶も複屈折性をもつ。
【００２２】
液晶は分子が細長い形をしており、その分子の長手方向のダイレクタと呼ばれる分子の方向に屈折率の異方性が生じる。例えば、ネマティック液晶の分子の多くは細長い分子であり、その長軸方向をそろえ、配向しているが、分子の位置関係はランダムである。分子の配向方向がそろっているといっても、絶対零度ではないので完全に平行ではなく、ある程度ゆらぎがあるが、局所領域をみればほぼ一方向を向いているといえる。
【００２３】
そこで、巨視的には十分小さいが、液晶分子の大きさに比べれば十分に大きな領域を考えた時、その中での平均的な分子の配向方向は単位ベクトルｎを用いて表される。その配向方向を表すベクトルをダイレクタまたは配向ベクトルという。ダイレクタが基板にほぼ平行となる配向をホモジニアス配向という。液晶は、ダイレクタに平行な方向と垂直な方向での光学的な異方性を有する。結晶などの他の異方性媒質に比べて分子の配列の自由度が高いため、複屈折性の目安である長軸と短軸の屈折率の差が大きい。
【００２４】
図２は、本実施形態に係る２Ｄ／３Ｄ切替機能付き立体画像表示装置１００の構成の例を示す図である。図２の立体画像表示装置１００は、ＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）表示面１、偏光切替セル３、複屈折レンズ８、及び、電圧駆動装置２５を有する。複屈折レンズ８と偏光切替セル３との組み合わせにより、表示の２Ｄ／３Ｄ切替が可能となる。
【００２５】
ＦＰＤ表示面１は、例えばＦＰＤにＬＣＤを用いた場合、画素とその上部に輝度を調整するための偏光面を有する。複屈折レンズ８は、屈折率ｎのレンズ型枠と対向基板とを有し、レンズ型枠と対向基板との間のレンズ部に一軸性の複屈折性物質が充填されたレンズである。
【００２６】
レンズの稜線と平行な方向は屈折率ｎｅが発現し、ｎｅ＞ｎである。レンズの稜線と垂直な方向は屈折率ｎｏが発現し、ｎｏとｎは略同一の値である。レンズ部において、水平視差をＮ、サブピクセルピッチをｓｐとすると、Ｎ×ｓｐのレンズ型枠のピッチで形成されている。
【００２７】
偏光切替セル３は、ＦＰＤ表示面１の前面に設けられ、偏光面を可変にすることができる。偏光切替セル３は、上部透明基板２７及び下部透明基板２６を有する。上部透明基板２７は、複屈折レンズ８側に設けられ、下部透明基板２６は、ＦＰＤ表示面１側に設けられる。
【００２８】
上部透明基板２７及び下部透明基板２６は、それぞれ、透明基板上に複数の透明電極を有する。透明電極間の距離は、上部透明基板２７と下部透明基板２６との間の距離ｄより小さい。上部透明基板２７が有する電極（以下、「上部電極」ともいう。）の長手方向は複屈折レンズ８のレンズの稜線方向と直交する。下部透明基板２６が有する電極（以下、「下部電極」ともいう。）は、偏光切替セル３の上部長手方向と直行する方向に設置される。
【００２９】
上部電極、下部電極とも配向方向は複屈折レンズ８のレンズの稜線方向と直交する。下部電極のピッチは、サブピクセルピッチの整数倍である。
【００３０】
上部電極は、２７Ｃ及び２７Ｄの２系統の電極を有する。２７Ｃ及び２７Ｄは、上部透明基板２７上に交互に配置される。下部電極は、２６Ａ及び２６Ｂの２系統の電極を有する。２６Ａ及び２６Ｂは、下部透明基板２６上に交互に配置される。
【００３１】
電圧駆動装置２５は、ＡないしＤの４つの端子を有し、それぞれ、２６Ａ、２６Ｂ、２７Ｃ、及び、２７Ｄの４系統の電位を制御する。
【００３２】
複数種類のレンズをひとつのレンズで実現する方法の例について、説明する。この例では、液晶のダイレクタの軸方向による複屈折性を利用し、偏光方向をダイレクタに平行に合わせ、位置による屈折率分布を生じさせる。
【００３３】
平行平板にくし型電極を敷設することにより、水平方向と垂直方向の電界を生じさせる。次式（１）により、ｚ方向のリタデーションＲｅ（ｘ）をレンズピッチ方向ｘで考える。
【数１】
【００３４】
図３は、偏光切替セル３の断面を示す図であって、平行平板ＧＲＩＮレンズのダイレクタ分布を示す図である。図３では、３つ図示する下部電極の両端を電源、中央部をグラウンドとする。また、図視する上部電極は、グラウンドとする。
【００３５】
図３において、リタデーションをｘ方向で分布をとると、ｘ＝０付近では長軸方向の屈折率ｎｅでそろうため、（ｎｅ−ｎｏ）×ｄをとる。ｘ＝ｌｐ／２付近では短軸方向の屈折率ｎｏでそろうため、０となる。
【００３６】
ＧＲＩＮレンズの理想形は次式（２）に示す屈折率分布ｎ（ｒ）を持つことである。また、式（２）の屈折率分布を持つレンズの焦点距離はｆは、次式（３）で表される。
【数２】
【００３７】
図４は、図３と厚みが異なる平行平板のＧＲＩＮレンズのダイレクタ分布を示す図である。ダイレクタ分布に影響を及ぼす要因は主に、電界分布である。電界分布が式（２）を満たすようなダイレクタ分布になるような電界であるとよい。より詳細には、液晶にかける電圧、誘電率の異方性、電極構造（レンズピッチ／レンズ厚み）等が要因としてあげられる。
【００３８】
例えば、Ｋ１５という液晶を用いた場合、（レンズピッチ／レンズ厚み）＝３の時に、開口数が最も最大化される。この構造条件では、シミュレーションにより（レンズピッチ／レンズ厚み）が２から３の時に、レンズ性能が向上する傾向にある。最適値は液晶の種類、電極幅等によっても変化するため、実験、あるいはシミュレーションにより決定するとよい。
【００３９】
図３は、レンズピッチ５２０ｕｍ，液晶の厚み１００ｕｍの時で、（レンズピッチ／レンズ厚み）＝５．２０の液晶のダイレクタ分布を示した模式図である。レンズ中央部でダイレクタが水平方向を向いている領域が大きいため、レンズの理想形状との差分が大きくなっている。
【００４０】
一方、図４は、レンズピッチ５２０ｕｍ，液晶の厚み１５０ｕｍの時で、（レンズピッチ／レンズ厚み）＝３．４６の液晶のダイレクタ分布を示した模式図である。レンズ中央部でダイレクタが水平方向を向いている領域が図３より小さく、レンズの理想形状との差分が小さくなっている。
【００４１】
図３の構造と図４の構造とにおいて、液晶セルの水平方向にかける電界は、レンズピッチが同一なため同じである。垂直方向は、厚みが異なるため、電界が異なる。液晶の櫛型電極によるＧＲＩＮレンズは、電界分布により液晶のダイレクタ分布が決まる。よって、（レンズピッチ／レンズ厚み）が一定値に近い方がレンズとしての性能が向上する。
【００４２】
式（２）において、（レンズピッチ／レンズ厚み）＝（２×ｒ０／ｔ）が一定とすると、焦点距離ｆはｒ０／（ｎｅ−ｎｏ）に比例する。ｒｏが２倍になると、焦点距離もｆも２倍となる。そのため、要素画像を構成する背面画像とレンズの距離をある位置に固定するとレンズピッチが異なる。よって、その焦点距離を一致させることは困難である。
【００４３】
ひとつのＧＲＩＮレンズで２視差とＮ視差を兼用すると、どちらかのレンズ性能を犠牲にすることになる。
そこで、ＧＲＩＮレンズの多層化すると良い。
【００４４】
図５は、ＧＲＩＮレンズを多層化した場合の例を示す図である。図５では、Ｎ（＞２）視差のＧＲＩＮレンズが、観測者側である上側に位置し、２視差のＧＲＩＮレンズが、観測者と反対側である下側に位置する。さらに、それぞれのレンズが３Ｄ画像を構成する要素画像を表示する２次元画像表示装置に光線が集光している様子を示す。
【００４５】
ギャップｇ１はＧＲＩＮレンズ（２視差）のレンズと要素画素との間の距離、ギャップｇ２はＧＲＩＮレンズ（多視差）のレンズと要素画素との間の距離、光線１８はレンズ効果によって屈折した光線、光線１７は視差光線、幅Ｗｐは背面ＦＰＤの１要素画像の幅、液晶の厚み２４は、ＧＲＩＮレンズ（多視差）の液晶の厚みである。
【００４６】
例えば、ＧＲＩＮレンズにおいて、Ｎ視差の裸眼３Ｄディスプレイを実現するためには、１サブピクセル幅Ｗｐが１要素画像の場合には、レンズピッチがＷｐ×Ｎになるようにするとよい。
【００４７】
図６は、裸眼立体ディスプレイにおける視域角について説明する図である。レンズと要素画素との間のギャップの空気換算長をｇとし、３Ｄが正常に見える視域角を２×θ４とすると、次式（４）が成り立つ。
【００４８】
【数３】
そのため、視差数が多くなればなるほど、レンズ端で屈折するパワーを要する。また、図５及び図６を比較してわかるように、ＧＲＩＮレンズ（多視差）の焦点距離がｆ２、ＧＲＩＮレンズ（２視差）の焦点距離がｆ１の場合に、ｇ２とｆ２とがほぼ等しくなる。さらに、ｇ１とｆ１とがほぼ等しい場合に、要素画像１画素分を所望の方向に、輝度劣化なしに射出することができる。
【００４９】
図７は、液晶の厚みｔと視域角２θとの関係を示す図である。図７では、横軸が液晶の厚みであり、縦軸が視域角である。図７より、レンズピッチｌｐが大きくなればなるほど、同じ視域角２θを実現するためには液晶が厚くなる。液晶の厚みが１００ｕｍより厚くなると、液晶の厚み方向における中央の液晶のダイレクタの向きの制御が困難になっていくため、液晶の厚みは薄い方が望ましい。
【００５０】
９視差以上のＧＲＩＮレンズで、自然で見やすいＩＩ方式立体ディスプレイを実現するための、液晶の厚みは、例えば視域角２θ＞２０度の場合、２２０ｕｍ以上である。これは、レンズの性能に影響が生じる場合がある。
【００５１】
そこで、本実施の形態では、９視差以上の多視差レンズをレンズ型枠から作成する複屈折レンズ、２視差のレンズをＧＲＩＮレンズで作成する。
【００５２】
図８ないし図１０は、一のレンズで、２視差レンズと９視差レンズとを切り替えることを説明する図である。図８は、２視差レンズを実現している例を説明する図である。
【００５３】
図８の構成は、ＦＰＤ表示面１、偏光切替セル３、及び、複屈折レンズ８を有する。ＦＰＤ表示面１は、要素画像を表示する２次元表示装置の表示面である。偏光切替セル３は、２視差モードと９視差モードとを切り替える。複屈折レンズ８は、レンズ型枠を有し、内部に液晶が充填されている。
【００５４】
ＦＰＤ表示面１に示す矢印４は、ＦＰＤ表示面１の外側の偏光方向を表す。また、偏光切替セル３に示す矢印５は、下部透明基板２６における配向方向（以下、「下側配向方向」という。）を表し、矢印６は、上部透明基板２７配向方向（以下、「上側配向方向」とい。）を表す。また、矢印７は、偏光切替セル３から出射した光の偏光方向である。
【００５５】
また、複数の楕円１０は、偏光切替セル３の内部の液晶における屈折率が最大となる長軸方向を表す。
【００５６】
複屈折レンズ８は、レンズ型枠１２を有する。レンズ型枠の内部は一軸性複屈折を示す物質２が充填される。また、矢印１１は、複屈折レンズ８から出射した光の偏光方向である。
【００５７】
偏光方向は、ＦＰＤ表示面１から射出される時は水平方向である。偏光切替セル３が有するＧＲＩＮレンズでは液晶の長軸方向に入射するようにすることにより、光線が屈折する。また、複屈折レンズ８の液晶の長軸方向を垂直方向にすることにより、光線が屈折しないようにする。
【００５８】
偏光切替セル３が有するＧＲＩＮレンズの下部電極を、２つの櫛形電極２６Ａと２６Ｂにし、互いに上と下とから挟み込む構成にするとよい。
【００５９】
次に、電圧のかけ方を説明する。櫛型電極２６Ａと２６Ｂとの間の電位差を、Ｖ−Ｇｒｏｕｎｄ１とし、Ｖ−Ｇｒｏｕｎｄ１に電圧をかける。さらに、下部電極と上部電極との間の電位差を、Ｖ−Ｇｒｏｕｎｄ２とし、Ｖ−Ｇｏｕｎｄ２に電圧をかける。ここで、Ｇｒｏｕｎｄ１−Ｇｒｏｕｎｄ２の間の電圧は同じ値でも異なる値でもよい。Ｇｒｏｕｎｄ１及びＧｒｏｕｎｄ２は、液晶が立ち上がりはじめるしきい値電圧Ｖｔｈ以下である必要がある。以上の電圧制御は、図２に示す電圧駆動装置２５が有する端子ＡとＢ、及び、ＡとＤのそれぞれに対する電位差を制御することにより、実現することができる。
【００６０】
なお、上部電極は全面電極、及び、櫛型電極の何れでもよいが、すべての電極に同一の電圧Ｇｒｏｕｎｄ２をかける。図８に示す例により、断面形状で図４に示すダイレクタ分布になり、偏光方向をレンズピッチ方向と水平方向にすることにより、断面形状に屈折率分布が生じる。
【００６１】
ここで、電圧の値について、図９を用いて説明する。図９は、ダイレクタの傾きと屈折率とを示す図である。実際に光線が複屈折性物質を通った時の屈折率は、次式（５）で表される。
【数４】
【００６２】
式（５）より、ダイレクタの傾きにより、屈折率分布を生じさせることができる。そこで、式（２）の屈折率分布を満たすように電圧を制御する。
【００６３】
図１０は、Ｎ視差レンズを実現する例を示す図である。Ｎ視差を発現するためには、ディスプレイを正面から見た場合の偏光方向を、水平方向から垂直方向に９０度回転する。偏光切替セル３で、偏光方向を９０度回転させることができる。図１０において、偏光切替セル３に示す楕円１０の向きが、下部透明基板２６では水平方向であり、上部透明基板２７では垂直方向である。
【００６４】
これを実現するために、上側電極間に電圧をかけて垂直方向に電界が生じさせる。この時、下部透明基板２６及び上部透明基板２７の間にかける電圧（以下、「対向基板間電圧」という。）を、液晶が垂直方向に立ち上がらないように、Ｖｔｈ以下にする。そこで、対向基板間電圧をＶｔｈ以下、２つの上側電極の間にかける電圧を２×Ｖｔｈとすることにより、液晶の立ち上がりによる光抜けが生じないようにすることができる。
【００６５】
以上の電圧制御は、図２に示す電圧駆動装置２５が有する端子ＡとＢ、ＡとＣ又はＤ、及び、ＣとＤのそれぞれに対する電位差を制御することにより、実現することができる。
【００６６】
図１１及び図１２は、偏光方向を９０度回転させるために、上部電極の２つの櫛型電極間に電圧２×ｖｔｈをかけた時のダイレクタ分布を示す図である。図１１及び図１２は、ディスプレイを正面から見た場合の、偏光切替セル３を垂直方向に切断した時の断面図である。図５は、下部にグラウンド電極がある場合であり、図６は、下部にグラウンド電極がない場合である。この偏光切替モードでは、対向基板間にかける電圧はしきい値電圧以下であるため、配向膜による液晶の配向力の方が高い。そのため、下側電極の有無による液晶のダイレクタ分布は変化しないため、パターンの有無による劣化はないといえる。
【００６７】
なお、２つの上部電極間の距離Ｓｐは、電極間距離をｔとすると、ＧＲＩＮレンズの時の条件よりピッチの狭いＳｐ＝ｔとするとよい。
【００６８】
ここで、上部電極を櫛型電極にすることにより、２視差モードの際に、上部電極が存在しない部分が生じる。上部電極のない領域が広いと、電圧Ｖがかかっている下部電極の直上でも、その領域の液晶が立ち上がらなくなる。
【００６９】
図１３は、ダミー電極を設ける例を示す図である。２視差モードの際に、ダミー電極２８を、２つの上部電極２７Ｃ及び２７Ｄの間に設け、ダミー電極２８にＧｒｏｕｎｄ２をかける。Ｎ視差モードの際には、ダミー電極２８には電圧をかけずに、２つの櫛型電極の間の電位差を２×ｖｔｈとしてもよい。２視差モードの場合は、上側電極がない部分でも、左右対称な電界分布より、電圧Ｖがかかっている電極の直上は液晶のダイレクタが立ち上がる。
【００７０】
また、液晶の厚みは、モーガン条件といわれる偏光方向を９０度回転したときの光漏れが最も小さくなる条件にするとよい。すなわち、次式（６）及び式（７）を満たす厚さｄを求めるとよい。
【００７１】
【数５】
但し、λは、偏光切替セル３に入射する光の波長、
Δｎは、偏光切替セル３内の液晶の長軸方向と短軸方向との屈折率の差、である。
【００７２】
図１４は、２Ｄモードの例を示す図である。下部電極２６Ａ及び２６Ｂの電位差は０であり、上部電極２７Ｃ及び２７Ｄの電位差も０である。図１３に示すように、偏光切替セル３の上部電極、及び、下部電極の両方に電圧をかけないことにより、偏光方向が変化せず、また、屈折率分布も生じない。これにより、複屈折レンズ８に、液晶のダイレクタ方向の垂直方向の偏光が入射し、複屈折レンズ８では光線は屈折せず、背面にある高精細２Ｄの画像をそのまま見ることができる。
【００７３】
図１５は、偏光切替セル３の上部電極、及び、下部電極のそれぞれに対し、モード毎に電圧をかけるか否かを示す図である。図１５において、電圧をかける場合を「ＯＮ」、電圧をかけないＧｒｏｕｎｄの場合を「ＯＦＦ」と表記する。偏光切替セル３の上部電極、下部電極のそれぞれにかける電圧のＯＮ，ＯＦＦにより、Ｍ（＜Ｎ）視差モード、Ｎ視差モード、及び、２Ｄ表示モードの３つのモードを一のディスプレイで実現することができる。
【００７４】
図１６及び図１７は、偏光切替セル３に印加する電圧を説明する概観図である。図１６は、２視差モードの例であり、図１７は、Ｎ視差モードの例である。図１６では、２つの上部電極２７Ｃ及び２７Ｄの電位をＧｒｏｕｎｄとし、下部電極２６Ａの電位をＶ、下部電極２６Ｂの電位をＧｒｏｕｎｄとする。これにより、液晶のダイレクタの向きが矢印で示すようになり、ＧＲＩＮレンズを実現することができる。
【００７５】
図１７では、上部電極２７Ｃ及び２７Ｄの間の電位差をＶとし、下部電極２６Ａ及び２６Ｂの間の電位差を、Ｖ／２とする。これにより、Ｎ視差モードの複屈折レンズを実現することができる。
【００７６】
図１８ないし図２０は、電圧駆動装置２５が有する端子毎に印加する電位を説明する図である。図１８は、２視差モードを実現する電圧制御の例を示す図である。図１８に示すように、下部電極２６Ａの電位を、表示画面の１フレームを周期とする、振幅Ｖの矩形信号とし、他の端子ＢないしＤの電位をＧｒｏｕｎｄとすることにより、左右の視差を有する表示を実現することができる。
【００７７】
図１９は、Ｎ視差モードを実現する電圧制御の例を示す図である。図１９では、端子Ａ及びＢにより、下部電極２６Ａ及び２６Ｂの電位を、表示画面の１フレームを周期とする、振幅Ｖｔｈ／２の矩形信号とする等電位に制御する。さらに、端子Ｃにより、上部電極２７Ｃの電位を、振幅Ｖの矩形信号とし、端子Ｄにより、上部電極２７Ｄの電位をＧｒｏｕｎｄにする。これらの制御により、Ｎ視差の表示を実現することができる。
【００７８】
図２０は、高精細の２Ｄ表示モードを実現する電圧制御の例を示す図である。図２０では、全ての端子の電位をＧｒｏｕｎｄとする。
【００７９】
図２１ないし図２４は、縦視差の有無を切り替える立体画像表示装置の例を示す図である。図２１ないし図２３は、それぞれ、２視差モード、Ｎ視差モード、及び、２Ｄ表示モードの例である。図２１ないし図２３では、下部透明基板２６及び上部透明基板２７が有する櫛形電極が、それぞれ、図８、図１０、及び図１４に示す立体画像表示装置１００が有する櫛形電極に対して、９０度回転した位置に設けられている。その他の構成は、図８ないし図１４で説明した構成と同一であるので、ここでは説明を省略する。
【００８０】
図２４は、偏光切替セル３の上部電極、及び、下部電極のそれぞれに対し、モード毎に電圧をかけるか否かを示す図である。図２４において、電圧をかける場合を「ＯＮ」、電圧をかけないＧｒｏｕｎｄの場合を「ＯＦＦ」と表記する。偏光切替セル３の上部電極、下部電極のそれぞれにかける電圧のＯＮ，ＯＦＦにより、縦視差のＭ（＜Ｎ）視差モード、縦視差のＮ視差モード、及び、２Ｄ表示モードの３つのモードを一のディスプレイで実現することができる。
【００８１】
図２５は、補助電極を有する下部電極の例を示す図である。図２５の下部電極は、図１ないし図２４で説明した櫛形電極に加えて、補助電極を有する。図２５では、下部電極２６Ａ及び２６Ｂの間に、下部電極２６Ａに近い側から順に、３つの補助電極２６ｃないし２６ｅが設けられている。
【００８２】
２視差モードの際には、例えば、下部電極２６Ａの電位がＶであり、下部電極２６Ｂの電位がＧｒｏｕｎｄとなる。さらに、補助電極２６ｃないし２６ｅの電位をＶとＧｒｏｕｎｄの間の値とし、下部電極２６Ａに近いほど、大きい電位を有するように制御する。すなわち、Ｖ≧（２６ｃの電位）≧（２６ｄの電位）≧（２６ｅの電位）≧Ｇｒｏｕｎｄとする。これにより、下部電極２６Ａと下部電極２６Ｂとの間の電位差をより細かく制御することができ、ダイレクタを好適に制御することができる。
【００８３】
なお、下部電極の間毎の補助電極の個数は、一定にするとよい。図２５では、間隔毎に、３個の補助電極が設けられている。間隔毎の補助電極の個数をｋ個とすると、一のＧｒｉｎレンズに含まれる下部透明基板２６の電極は、（２ｋ＋３）個となる。
【００８４】
なお、上部電極にも、補助電極を設けてもよい。
【００８５】
（コンピュータ等による実現）
なお、本発明の実施の形態に係る立体画像表示装置１００の電圧駆動装置２５は、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等で実現されてもよい。また、本発明の実施形態に係る立体画像表示装置１００の表示を制御する方法は、例えば、ＣＰＵがＲＯＭやハードディスク装置等に記憶されたプログラムに従い、ＲＡＭ等のメインメモリをワークエリアとして使用し、実行される。
【００８６】
なお、本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
以上のように、本発明に係る立体画像表示装置は、視差が互いに異なる複数のコンテンツを表示する際に有用である。
【符号の説明】
【００８８】
１ ＦＰＤ表示面
３ 偏光切替セル
８ 複屈折レンズ
１２ レンズ型枠
２５ 電圧駆動装置
２６Ａ 下部電極
２６Ｂ 下部電極
２６ 下部透明基板
２７Ｃ 上部電極
２７Ｄ 上部電極
２７ 上部透明基板
２８ ダミー電極
１００ 立体画像表示装置
Ａ 端子
Ｂ 端子
Ｃ 端子
Ｄ 端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、眼鏡無し（裸眼）の立体ディスプレイの開発が進んでいる。これらの多くは通常の２次元の平面ディスプレイを用いる。ディスプレイの前面、あるいは背面に何らかの光線制御素子を置くことにより、両眼視差を利用し、観察者から見た時、あたかもディスプレイから前後数ｃｍの距離の物体から光線が出ているようにディスプレイからの光線の角度を制御することにより、立体映像を表示することができる。これは、ディスプレイの高精細化により、ディスプレイの光線を数種類の角度（視差と呼ぶ）に振り分けても、ある程度高精細の画像を得ることができるようになったためである。
【０００３】
ところで、表示するコンテンツによっては、３Ｄ画像よりも２Ｄ画像により表示を行うことが望ましい場合がある。そこで、１つのディスプレイにより、２Ｄ画像の表示と３Ｄ画像の表示とを切り替える技術がある。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ＧＲＩＮ（ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｎｄｅｘ ｌｅｎｓ）レンズにより、偏光方向を回転させて２Ｄ／３Ｄ切替を行い、１つのディスプレイで２Ｄ画像と３Ｄ画像とを表示する立体画像表示装置の発明が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、異方性レンズと偏光方向を制御する平面表示装置とを用いる２Ｄ／３Ｄ切り替え装置の発明が開示されている。特許文献２に開示の光切り替え装置では、複屈折を持つ物質をレンズ形状の中に入れ、対向する位置に等方性物質を入れることにより、屈折率差のある方向の光に関してはレンズにより集光して３Ｄ画像を表示させ、屈折率差のない方向の光に関しては２Ｄ画像を表示させる。
【０００６】
ところで、裸眼３Ｄディスプレイにおいては、視差数が少ない方が高解像度になるが、正常に３Ｄ画像を見ることのできる視域角が狭くなる。視差数が多くなると、正常に３Ｄ画像を見ることのできる視域角を広くすることができ、より多くの方向からの立体画像を見ることができるというメリットがある反面、視差数割り当てが多くなるため解像度の劣化が１／（視差数）と劣化する。一方で、眼鏡式立体ディスプレイの普及により、２視差のみで３Ｄ表示を行う方式のコンテンツが増大しつつある。
【０００７】
そこで、１つのディスプレイで、視差数が異なる２以上の３Ｄ画像の表示、及び、２Ｄ画像の表示を切り替えて行うことにより、コンテンツ毎に好ましい表示を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３９４０７２５号公報
【特許文献２】特表２００４−５３８５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１及び２に開示の発明では、２Ｄ／３Ｄ切替機能付き裸眼立体ディスプレイにおいて、部材の追加を極力少なくしつつ、かつ、多視差と２視差のコンテンツをほとんど解像度劣化なく表示することについては、考慮されていない。
【００１０】
ここで、２視差と多視差（以下、「Ｎ視差」という。）の３Ｄディスプレイを同一パネルで実現する方法を考える。２視差のレンズとＮ視差のレンズは、レンズピッチ方向の背面に存在するＬＣＤ画素の個数が、それぞれ、２個及びＮ個であり、レンズピッチは多視差レンズの方がＮ／２倍広くなる。
【００１１】
これを一のレンズで実現すると、要素画像を表示する背面ＬＣＤまでのギャップは等しいため、要素画像ひとつをひとつの方向に射出する裸眼立体ディスプレイの原理より、２視差と多視差のレンズの焦点距離は同一にしなければならない。そのため、２視差レンズの視域角よりも、多視差レンズの視域角が約Ｎ／２倍大きくなり、２種類のレンズの両方とも、それぞれの任意の視域角を実現できない。また、一のレンズで２視差のレンズとＮ視差のレンズを理想的に実現するためには、レンズ自体のレンズピッチをアクティブに変える必要がある。
【００１２】
また、レンズを２種類積層して、２視差のレンズとＮ視差のレンズとを用いると、両方のレンズを積層方向の任意の位置におくことにより、所望の視域角を実現することができる。しかし、２視差のレンズとＮ視差のレンズのそれぞれを独立に動作させるための機構が必要となる。
【００１３】
本発明は、上記の点に鑑みて、これらの問題を解消するために発明されたものであり、視差数が異なる２以上の３Ｄ画像の表示、及び、２Ｄ画像の表示を切り替えて行うディスプレイを、厚みを増大させることなく少ない部材で実現する立体画像表示装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の立体画像表示装置は、画素がマトリクス状に配列された画素面を有する要素画像表示部と、複数の一軸性の複屈折レンズがアレイ状に配列されたレンズアレイと、前記要素画像表示部と前記レンズアレイとの間に挟持され、異なる電源供給線に接続される複数の電極と、前記電極の一部を有する第一電極基板と、前記電極の他の一部を、前記第一基板に設けられた前記電極と略直交する方向に有する第二電極基板と、一対の前記第一電極基板と第二電極基板に挟持され、印加される電圧により屈折率の異方性を生じる媒質と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の立体画像表示装置によれば、視差数が異なる２以上の３Ｄ画像の表示、及び、２Ｄ画像の表示を切り替えて行うディスプレイを、厚みを増大させることなく少ない部材で実現する立体画像表示装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】II方式の表示原理を示す図。
【図２】２Ｄ／３Ｄ切替機能付き立体画像表示装置の構成の例を示す図。
【図３】平行平板のＧＲＩＮレンズのダイレクタ分布を示す図（その１）。
【図４】平行平板のＧＲＩＮレンズのダイレクタ分布を示す図（その２）。
【図５】ＧＲＩＮレンズを多層化した場合の例を示す図。
【図６】裸眼立体ディスプレイにおける視域角について説明する図。
【図７】液晶の厚みｔと視域角２θとの関係を示す図。
【図８】２視差レンズを実現している例を説明する図。
【図９】ダイレクタの傾きと屈折率とを示す図。
【図１０】Ｎ視差レンズを実現する例を説明する図。
【図１１】上部電極の２つの櫛型電極間に電圧２×ｖｔｈをかけた時のダイレクタ分布を示す図（その１）。
【図１２】上部電極の２つの櫛型電極間に電圧２×ｖｔｈをかけた時のダイレクタ分布を示す図（その２）。
【図１３】ダミー電極を設ける例を示す図。
【図１４】２Ｄモードの例を示す図。
【図１５】上部電極、及び、下部電極のそれぞれに対し、モード毎に電圧をかけるか否かを示す図。
【図１６】２視差モードにおいて、偏光切替セル３に印加する電圧を説明する概観図。
【図１７】Ｎ視差モードにおいて、偏光切替セル３に印加する電圧を説明する概観図。
【図１８】２視差モードを実現する電圧制御の例を示す図。
【図１９】Ｎ視差モードを実現する電圧制御の例を示す図。
【図２０】高精細の２Ｄ表示モードを実現する電圧制御の例を示す図。
【図２１】縦視差の有無を切り替える立体画像表示装置における２視差モードの例を示す図。
【図２２】縦視差の有無を切り替える立体画像表示装置におけるＮ視差モードの例を示す図。
【図２３】縦視差の有無を切り替える立体画像表示装置における高精細２Ｄモードの例を示す図。
【図２４】縦視差の有無を切り替える際に、上部電極、及び、下部電極のそれぞれに対し、モード毎に電圧をかけるか否かを示す図。
【図２５】補助電極を有する下部電極の例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１８】
〔本実施の形態〕
多数の視差画像を表示するインテグラルフォトグラフィー法（以下、ＩＰ法）あるいは光線再生法と呼ばれる、立体像を何らかの方法で記録しこれを立体像として再生する方法が知られている。左右の眼から物体を見たときに、近い距離にあるＡ点をみた時の左右の眼と成す角度をα、遠い距離にあるＢ点をみた時の左右の眼となす角度をβとすると、αとβはその物体と観察者の位置関係に応じて異なる。この（α―β）を両眼視差と呼び、人はこの両眼視差に敏感で立体視をすることができる。
【００１９】
ＩＰ法をディスプレイに適用した３Ｄ表示方法をＩＩ（インテグラルイメージング）方式と呼ぶ。ＩＩ方式において、ひとつのレンズから射出される光線は要素画像群の数に相当する。要素画像群の数を視差数と呼び、それぞれのレンズにおいて、視差光線は略平行に射出される。
【００２０】
図１は、ＩＩ方式の表示原理を示す図である。観測者の位置、あるいは、観測者の見る角度によって、１視差の画像であるγ、２視差の画像であるβ、３視差の画像であるαという異なる画像を見ることになる。そのため、観測者は右目と左目に入る視差により、立体を知覚する。レンチキュラーレンズを光線制御素子として用いた場合、スリットに比べて、光の利用効率が高いため輝度を高くできる。また、レンズアレイと画素間ギャップはレンズの略焦点距離ほど離した方がよく、そうするとひとつの画素をひとつの方向に射出することができ、見る角度によって異なる視差画像を見ることができる。
【００２１】
複屈折性をもつ物質として最も良く知られているものが方解石である。また、複屈折の光学的な応用として、位相差フィルムに使用される延伸フィルムがある。また、液晶も複屈折性をもつ。
【００２２】
液晶は分子が細長い形をしており、その分子の長手方向のダイレクタと呼ばれる分子の方向に屈折率の異方性が生じる。例えば、ネマティック液晶の分子の多くは細長い分子であり、その長軸方向をそろえ、配向しているが、分子の位置関係はランダムである。分子の配向方向がそろっているといっても、絶対零度ではないので完全に平行ではなく、ある程度ゆらぎがあるが、局所領域をみればほぼ一方向を向いているといえる。
【００２３】
そこで、巨視的には十分小さいが、液晶分子の大きさに比べれば十分に大きな領域を考えた時、その中での平均的な分子の配向方向は単位ベクトルｎを用いて表される。その配向方向を表すベクトルをダイレクタまたは配向ベクトルという。ダイレクタが基板にほぼ平行となる配向をホモジニアス配向という。液晶は、ダイレクタに平行な方向と垂直な方向での光学的な異方性を有する。結晶などの他の異方性媒質に比べて分子の配列の自由度が高いため、複屈折性の目安である長軸と短軸の屈折率の差が大きい。
【００２４】
図２は、本実施形態に係る２Ｄ／３Ｄ切替機能付き立体画像表示装置１００の構成の例を示す図である。図２の立体画像表示装置１００は、ＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）表示面１、偏光切替セル３、複屈折レンズ８、及び、電圧駆動装置２５を有する。複屈折レンズ８と偏光切替セル３との組み合わせにより、表示の２Ｄ／３Ｄ切替が可能となる。
【００２５】
ＦＰＤ表示面１は、例えばＦＰＤにＬＣＤを用いた場合、画素とその上部に輝度を調整するための偏光面を有する。複屈折レンズ８は、屈折率ｎのレンズ型枠と対向基板とを有し、レンズ型枠と対向基板との間のレンズ部に一軸性の複屈折性物質が充填されたレンズである。
【００２６】
レンズの稜線と平行な方向は屈折率ｎｅが発現し、ｎｅ＞ｎである。レンズの稜線と垂直な方向は屈折率ｎｏが発現し、ｎｏとｎは略同一の値である。レンズ部において、水平視差をＮ、サブピクセルピッチをｓｐとすると、Ｎ×ｓｐのレンズ型枠のピッチで形成されている。
【００２７】
偏光切替セル３は、ＦＰＤ表示面１の前面に設けられ、偏光面を可変にすることができる。偏光切替セル３は、上部透明基板２７及び下部透明基板２６を有する。上部透明基板２７は、複屈折レンズ８側に設けられ、下部透明基板２６は、ＦＰＤ表示面１側に設けられる。
【００２８】
上部透明基板２７及び下部透明基板２６は、それぞれ、透明基板上に複数の透明電極を有する。透明電極間の距離は、上部透明基板２７と下部透明基板２６との間の距離ｄより小さい。上部透明基板２７が有する電極（以下、「上部電極」ともいう。）の長手方向は複屈折レンズ８のレンズの稜線方向と直交する。下部透明基板２６が有する電極（以下、「下部電極」ともいう。）は、偏光切替セル３の上部長手方向と直行する方向に設置される。
【００２９】
上部電極、下部電極とも配向方向は複屈折レンズ８のレンズの稜線方向と直交する。下部電極のピッチは、サブピクセルピッチの整数倍である。
【００３０】
上部電極は、２７Ｃ及び２７Ｄの２系統の電極を有する。２７Ｃ及び２７Ｄは、上部透明基板２７上に交互に配置される。下部電極は、２６Ａ及び２６Ｂの２系統の電極を有する。２６Ａ及び２６Ｂは、下部透明基板２６上に交互に配置される。
【００３１】
電圧駆動装置２５は、ＡないしＤの４つの端子を有し、それぞれ、２６Ａ、２６Ｂ、２７Ｃ、及び、２７Ｄの４系統の電位を制御する。
【００３２】
複数種類のレンズをひとつのレンズで実現する方法の例について、説明する。この例では、液晶のダイレクタの軸方向による複屈折性を利用し、偏光方向をダイレクタに平行に合わせ、位置による屈折率分布を生じさせる。
【００３３】
平行平板にくし型電極を敷設することにより、水平方向と垂直方向の電界を生じさせる。次式（１）により、ｚ方向のリタデーションＲｅ（ｘ）をレンズピッチ方向ｘで考える。
【数１】
【００３４】
図３は、偏光切替セル３の断面を示す図であって、平行平板ＧＲＩＮレンズのダイレクタ分布を示す図である。図３では、３つ図示する下部電極の両端を電源、中央部をグラウンドとする。また、図視する上部電極は、グラウンドとする。
【００３５】
図３において、リタデーションをｘ方向で分布をとると、ｘ＝０付近では長軸方向の屈折率ｎｅでそろうため、（ｎｅ−ｎｏ）×ｄをとる。ｘ＝ｌｐ／２付近では短軸方向の屈折率ｎｏでそろうため、０となる。
【００３６】
ＧＲＩＮレンズの理想形は次式（２）に示す屈折率分布ｎ（ｒ）を持つことである。また、式（２）の屈折率分布を持つレンズの焦点距離はｆは、次式（３）で表される。
【数２】
【００３７】
図４は、図３と厚みが異なる平行平板のＧＲＩＮレンズのダイレクタ分布を示す図である。ダイレクタ分布に影響を及ぼす要因は主に、電界分布である。電界分布が式（２）を満たすようなダイレクタ分布になるような電界であるとよい。より詳細には、液晶にかける電圧、誘電率の異方性、電極構造（レンズピッチ／レンズ厚み）等が要因としてあげられる。
【００３８】
例えば、Ｋ１５という液晶を用いた場合、（レンズピッチ／レンズ厚み）＝３の時に、開口数が最も最大化される。この構造条件では、シミュレーションにより（レンズピッチ／レンズ厚み）が２から３の時に、レンズ性能が向上する傾向にある。最適値は液晶の種類、電極幅等によっても変化するため、実験、あるいはシミュレーションにより決定するとよい。
【００３９】
図３は、レンズピッチ５２０ｕｍ，液晶の厚み１００ｕｍの時で、（レンズピッチ／レンズ厚み）＝５．２０の液晶のダイレクタ分布を示した模式図である。レンズ中央部でダイレクタが水平方向を向いている領域が大きいため、レンズの理想形状との差分が大きくなっている。
【００４０】
一方、図４は、レンズピッチ５２０ｕｍ，液晶の厚み１５０ｕｍの時で、（レンズピッチ／レンズ厚み）＝３．４６の液晶のダイレクタ分布を示した模式図である。レンズ中央部でダイレクタが水平方向を向いている領域が図３より小さく、レンズの理想形状との差分が小さくなっている。
【００４１】
図３の構造と図４の構造とにおいて、液晶セルの水平方向にかける電界は、レンズピッチが同一なため同じである。垂直方向は、厚みが異なるため、電界が異なる。液晶の櫛型電極によるＧＲＩＮレンズは、電界分布により液晶のダイレクタ分布が決まる。よって、（レンズピッチ／レンズ厚み）が一定値に近い方がレンズとしての性能が向上する。
【００４２】
式（２）において、（レンズピッチ／レンズ厚み）＝（２×ｒ０／ｔ）が一定とすると、焦点距離ｆはｒ０／（ｎｅ−ｎｏ）に比例する。ｒｏが２倍になると、焦点距離もｆも２倍となる。そのため、要素画像を構成する背面画像とレンズの距離をある位置に固定するとレンズピッチが異なる。よって、その焦点距離を一致させることは困難である。
【００４３】
ひとつのＧＲＩＮレンズで２視差とＮ視差を兼用すると、どちらかのレンズ性能を犠牲にすることになる。
そこで、ＧＲＩＮレンズの多層化すると良い。
【００４４】
図５は、ＧＲＩＮレンズを多層化した場合の例を示す図である。図５では、Ｎ（＞２）視差のＧＲＩＮレンズが、観測者側である上側に位置し、２視差のＧＲＩＮレンズが、観測者と反対側である下側に位置する。さらに、それぞれのレンズが３Ｄ画像を構成する要素画像を表示する２次元画像表示装置に光線が集光している様子を示す。
【００４５】
ギャップｇ１はＧＲＩＮレンズ（２視差）のレンズと要素画素との間の距離、ギャップｇ２はＧＲＩＮレンズ（多視差）のレンズと要素画素との間の距離、光線１８はレンズ効果によって屈折した光線、光線１７は視差光線、幅Ｗｐは背面ＦＰＤの１要素画像の幅、液晶の厚み２４は、ＧＲＩＮレンズ（多視差）の液晶の厚みである。
【００４６】
例えば、ＧＲＩＮレンズにおいて、Ｎ視差の裸眼３Ｄディスプレイを実現するためには、１サブピクセル幅Ｗｐが１要素画像の場合には、レンズピッチがＷｐ×Ｎになるようにするとよい。
【００４７】
図６は、裸眼立体ディスプレイにおける視域角について説明する図である。レンズと要素画素との間のギャップの空気換算長をｇとし、３Ｄが正常に見える視域角を２×θ４とすると、次式（４）が成り立つ。
【００４８】
【数３】
そのため、視差数が多くなればなるほど、レンズ端で屈折するパワーを要する。また、図５及び図６を比較してわかるように、ＧＲＩＮレンズ（多視差）の焦点距離がｆ２、ＧＲＩＮレンズ（２視差）の焦点距離がｆ１の場合に、ｇ２とｆ２とがほぼ等しくなる。さらに、ｇ１とｆ１とがほぼ等しい場合に、要素画像１画素分を所望の方向に、輝度劣化なしに射出することができる。
【００４９】
図７は、液晶の厚みｔと視域角２θとの関係を示す図である。図７では、横軸が液晶の厚みであり、縦軸が視域角である。図７より、レンズピッチｌｐが大きくなればなるほど、同じ視域角２θを実現するためには液晶が厚くなる。液晶の厚みが１００ｕｍより厚くなると、液晶の厚み方向における中央の液晶のダイレクタの向きの制御が困難になっていくため、液晶の厚みは薄い方が望ましい。
【００５０】
９視差以上のＧＲＩＮレンズで、自然で見やすいＩＩ方式立体ディスプレイを実現するための、液晶の厚みは、例えば視域角２θ＞２０度の場合、２２０ｕｍ以上である。これは、レンズの性能に影響が生じる場合がある。
【００５１】
そこで、本実施の形態では、９視差以上の多視差レンズをレンズ型枠から作成する複屈折レンズ、２視差のレンズをＧＲＩＮレンズで作成する。
【００５２】
図８ないし図１０は、一のレンズで、２視差レンズと９視差レンズとを切り替えることを説明する図である。図８は、２視差レンズを実現している例を説明する図である。
【００５３】
図８の構成は、ＦＰＤ表示面１、偏光切替セル３、及び、複屈折レンズ８を有する。ＦＰＤ表示面１は、要素画像を表示する２次元表示装置の表示面である。偏光切替セル３は、２視差モードと９視差モードとを切り替える。複屈折レンズ８は、レンズ型枠を有し、内部に液晶が充填されている。
【００５４】
ＦＰＤ表示面１に示す矢印４は、ＦＰＤ表示面１の外側の偏光方向を表す。また、偏光切替セル３に示す矢印５は、下部透明基板２６における配向方向（以下、「下側配向方向」という。）を表し、矢印６は、上部透明基板２７配向方向（以下、「上側配向方向」とい。）を表す。また、矢印７は、偏光切替セル３から出射した光の偏光方向である。
【００５５】
また、複数の楕円１０は、偏光切替セル３の内部の液晶における屈折率が最大となる長軸方向を表す。
【００５６】
複屈折レンズ８は、レンズ型枠１２を有する。レンズ型枠の内部は一軸性複屈折を示す物質２が充填される。また、矢印１１は、複屈折レンズ８から出射した光の偏光方向である。
【００５７】
偏光方向は、ＦＰＤ表示面１から射出される時は水平方向である。偏光切替セル３が有するＧＲＩＮレンズでは液晶の長軸方向に入射するようにすることにより、光線が屈折する。また、複屈折レンズ８の液晶の長軸方向を垂直方向にすることにより、光線が屈折しないようにする。
【００５８】
偏光切替セル３が有するＧＲＩＮレンズの下部電極を、２つの櫛形電極２６Ａと２６Ｂにし、互いに上と下とから挟み込む構成にするとよい。
【００５９】
次に、電圧のかけ方を説明する。櫛型電極２６Ａと２６Ｂとの間の電位差を、Ｖ−Ｇｒｏｕｎｄ１とし、Ｖ−Ｇｒｏｕｎｄ１に電圧をかける。さらに、下部電極と上部電極との間の電位差を、Ｖ−Ｇｒｏｕｎｄ２とし、Ｖ−Ｇｏｕｎｄ２に電圧をかける。ここで、Ｇｒｏｕｎｄ１−Ｇｒｏｕｎｄ２の間の電圧は同じ値でも異なる値でもよい。Ｇｒｏｕｎｄ１及びＧｒｏｕｎｄ２は、液晶が立ち上がりはじめるしきい値電圧Ｖｔｈ以下である必要がある。以上の電圧制御は、図２に示す電圧駆動装置２５が有する端子ＡとＢ、及び、ＡとＤのそれぞれに対する電位差を制御することにより、実現することができる。
【００６０】
なお、上部電極は全面電極、及び、櫛型電極の何れでもよいが、すべての電極に同一の電圧Ｇｒｏｕｎｄ２をかける。図８に示す例により、断面形状で図４に示すダイレクタ分布になり、偏光方向をレンズピッチ方向と水平方向にすることにより、断面形状に屈折率分布が生じる。
【００６１】
ここで、電圧の値について、図９を用いて説明する。図９は、ダイレクタの傾きと屈折率とを示す図である。実際に光線が複屈折性物質を通った時の屈折率は、次式（５）で表される。
【数４】
【００６２】
式（５）より、ダイレクタの傾きにより、屈折率分布を生じさせることができる。そこで、式（２）の屈折率分布を満たすように電圧を制御する。
【００６３】
図１０は、Ｎ視差レンズを実現する例を示す図である。Ｎ視差を発現するためには、ディスプレイを正面から見た場合の偏光方向を、水平方向から垂直方向に９０度回転する。偏光切替セル３で、偏光方向を９０度回転させることができる。図１０において、偏光切替セル３に示す楕円１０の向きが、下部透明基板２６では水平方向であり、上部透明基板２７では垂直方向である。
【００６４】
これを実現するために、上側電極間に電圧をかけて垂直方向に電界が生じさせる。この時、下部透明基板２６及び上部透明基板２７の間にかける電圧（以下、「対向基板間電圧」という。）を、液晶が垂直方向に立ち上がらないように、Ｖｔｈ以下にする。そこで、対向基板間電圧をＶｔｈ以下、２つの上側電極の間にかける電圧を２×Ｖｔｈとすることにより、液晶の立ち上がりによる光抜けが生じないようにすることができる。
【００６５】
以上の電圧制御は、図２に示す電圧駆動装置２５が有する端子ＡとＢ、ＡとＣ又はＤ、及び、ＣとＤのそれぞれに対する電位差を制御することにより、実現することができる。
【００６６】
図１１及び図１２は、偏光方向を９０度回転させるために、上部電極の２つの櫛型電極間に電圧２×ｖｔｈをかけた時のダイレクタ分布を示す図である。図１１及び図１２は、ディスプレイを正面から見た場合の、偏光切替セル３を垂直方向に切断した時の断面図である。図５は、下部にグラウンド電極がある場合であり、図６は、下部にグラウンド電極がない場合である。この偏光切替モードでは、対向基板間にかける電圧はしきい値電圧以下であるため、配向膜による液晶の配向力の方が高い。そのため、下側電極の有無による液晶のダイレクタ分布は変化しないため、パターンの有無による劣化はないといえる。
【００６７】
なお、２つの上部電極間の距離Ｓｐは、電極間距離をｔとすると、ＧＲＩＮレンズの時の条件よりピッチの狭いＳｐ＝ｔとするとよい。
【００６８】
ここで、上部電極を櫛型電極にすることにより、２視差モードの際に、上部電極が存在しない部分が生じる。上部電極のない領域が広いと、電圧Ｖがかかっている下部電極の直上でも、その領域の液晶が立ち上がらなくなる。
【００６９】
図１３は、ダミー電極を設ける例を示す図である。２視差モードの際に、ダミー電極２８を、２つの上部電極２７Ｃ及び２７Ｄの間に設け、ダミー電極２８にＧｒｏｕｎｄ２をかける。Ｎ視差モードの際には、ダミー電極２８には電圧をかけずに、２つの櫛型電極の間の電位差を２×ｖｔｈとしてもよい。２視差モードの場合は、上側電極がない部分でも、左右対称な電界分布より、電圧Ｖがかかっている電極の直上は液晶のダイレクタが立ち上がる。
【００７０】
また、液晶の厚みは、モーガン条件といわれる偏光方向を９０度回転したときの光漏れが最も小さくなる条件にするとよい。すなわち、次式（６）及び式（７）を満たす厚さｄを求めるとよい。
【００７１】
【数５】
但し、λは、偏光切替セル３に入射する光の波長、
Δｎは、偏光切替セル３内の液晶の長軸方向と短軸方向との屈折率の差、である。
【００７２】
図１４は、２Ｄモードの例を示す図である。下部電極２６Ａ及び２６Ｂの電位差は０であり、上部電極２７Ｃ及び２７Ｄの電位差も０である。図１３に示すように、偏光切替セル３の上部電極、及び、下部電極の両方に電圧をかけないことにより、偏光方向が変化せず、また、屈折率分布も生じない。これにより、複屈折レンズ８に、液晶のダイレクタ方向の垂直方向の偏光が入射し、複屈折レンズ８では光線は屈折せず、背面にある高精細２Ｄの画像をそのまま見ることができる。
【００７３】
図１５は、偏光切替セル３の上部電極、及び、下部電極のそれぞれに対し、モード毎に電圧をかけるか否かを示す図である。図１５において、電圧をかける場合を「ＯＮ」、電圧をかけないＧｒｏｕｎｄの場合を「ＯＦＦ」と表記する。偏光切替セル３の上部電極、下部電極のそれぞれにかける電圧のＯＮ，ＯＦＦにより、Ｍ（＜Ｎ）視差モード、Ｎ視差モード、及び、２Ｄ表示モードの３つのモードを一のディスプレイで実現することができる。
【００７４】
図１６及び図１７は、偏光切替セル３に印加する電圧を説明する概観図である。図１６は、２視差モードの例であり、図１７は、Ｎ視差モードの例である。図１６では、２つの上部電極２７Ｃ及び２７Ｄの電位をＧｒｏｕｎｄとし、下部電極２６Ａの電位をＶ、下部電極２６Ｂの電位をＧｒｏｕｎｄとする。これにより、液晶のダイレクタの向きが矢印で示すようになり、ＧＲＩＮレンズを実現することができる。
【００７５】
図１７では、上部電極２７Ｃ及び２７Ｄの間の電位差をＶとし、下部電極２６Ａ及び２６Ｂの間の電位差を、Ｖ／２とする。これにより、Ｎ視差モードの複屈折レンズを実現することができる。
【００７６】
図１８ないし図２０は、電圧駆動装置２５が有する端子毎に印加する電位を説明する図である。図１８は、２視差モードを実現する電圧制御の例を示す図である。図１８に示すように、下部電極２６Ａの電位を、表示画面の１フレームを周期とする、振幅Ｖの矩形信号とし、他の端子ＢないしＤの電位をＧｒｏｕｎｄとすることにより、左右の視差を有する表示を実現することができる。
【００７７】
図１９は、Ｎ視差モードを実現する電圧制御の例を示す図である。図１９では、端子Ａ及びＢにより、下部電極２６Ａ及び２６Ｂの電位を、表示画面の１フレームを周期とする、振幅Ｖｔｈ／２の矩形信号とする等電位に制御する。さらに、端子Ｃにより、上部電極２７Ｃの電位を、振幅Ｖの矩形信号とし、端子Ｄにより、上部電極２７Ｄの電位をＧｒｏｕｎｄにする。これらの制御により、Ｎ視差の表示を実現することができる。
【００７８】
図２０は、高精細の２Ｄ表示モードを実現する電圧制御の例を示す図である。図２０では、全ての端子の電位をＧｒｏｕｎｄとする。
【００７９】
図２１ないし図２４は、縦視差の有無を切り替える立体画像表示装置の例を示す図である。図２１ないし図２３は、それぞれ、２視差モード、Ｎ視差モード、及び、２Ｄ表示モードの例である。図２１ないし図２３では、下部透明基板２６及び上部透明基板２７が有する櫛形電極が、それぞれ、図８、図１０、及び図１４に示す立体画像表示装置１００が有する櫛形電極に対して、９０度回転した位置に設けられている。その他の構成は、図８ないし図１４で説明した構成と同一であるので、ここでは説明を省略する。
【００８０】
図２４は、偏光切替セル３の上部電極、及び、下部電極のそれぞれに対し、モード毎に電圧をかけるか否かを示す図である。図２４において、電圧をかける場合を「ＯＮ」、電圧をかけないＧｒｏｕｎｄの場合を「ＯＦＦ」と表記する。偏光切替セル３の上部電極、下部電極のそれぞれにかける電圧のＯＮ，ＯＦＦにより、縦視差のＭ（＜Ｎ）視差モード、縦視差のＮ視差モード、及び、２Ｄ表示モードの３つのモードを一のディスプレイで実現することができる。
【００８１】
図２５は、補助電極を有する下部電極の例を示す図である。図２５の下部電極は、図１ないし図２４で説明した櫛形電極に加えて、補助電極を有する。図２５では、下部電極２６Ａ及び２６Ｂの間に、下部電極２６Ａに近い側から順に、３つの補助電極２６ｃないし２６ｅが設けられている。
【００８２】
２視差モードの際には、例えば、下部電極２６Ａの電位がＶであり、下部電極２６Ｂの電位がＧｒｏｕｎｄとなる。さらに、補助電極２６ｃないし２６ｅの電位をＶとＧｒｏｕｎｄの間の値とし、下部電極２６Ａに近いほど、大きい電位を有するように制御する。すなわち、Ｖ≧（２６ｃの電位）≧（２６ｄの電位）≧（２６ｅの電位）≧Ｇｒｏｕｎｄとする。これにより、下部電極２６Ａと下部電極２６Ｂとの間の電位差をより細かく制御することができ、ダイレクタを好適に制御することができる。
【００８３】
なお、下部電極の間毎の補助電極の個数は、一定にするとよい。図２５では、間隔毎に、３個の補助電極が設けられている。間隔毎の補助電極の個数をｋ個とすると、一のＧｒｉｎレンズに含まれる下部透明基板２６の電極は、（２ｋ＋３）個となる。
【００８４】
なお、上部電極にも、補助電極を設けてもよい。
【００８５】
（コンピュータ等による実現）
なお、本発明の実施の形態に係る立体画像表示装置１００の電圧駆動装置２５は、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等で実現されてもよい。また、本発明の実施形態に係る立体画像表示装置１００の表示を制御する方法は、例えば、ＣＰＵがＲＯＭやハードディスク装置等に記憶されたプログラムに従い、ＲＡＭ等のメインメモリをワークエリアとして使用し、実行される。
【００８６】
なお、本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
以上のように、本発明に係る立体画像表示装置は、視差が互いに異なる複数のコンテンツを表示する際に有用である。
【符号の説明】
【００８８】
１ ＦＰＤ表示面
３ 偏光切替セル
８ 複屈折レンズ
１２ レンズ型枠
２５ 電圧駆動装置
２６Ａ 下部電極
２６Ｂ 下部電極
２６ 下部透明基板
２７Ｃ 上部電極
２７Ｄ 上部電極
２７ 上部透明基板
２８ ダミー電極
１００ 立体画像表示装置
Ａ 端子
Ｂ 端子
Ｃ 端子
Ｄ 端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素がマトリクス状に配列された画素面を有する要素画像表示部と、
複数の一軸性の複屈折レンズがアレイ状に配列されたレンズアレイと、
前記要素画像表示部と前記レンズアレイとの間に挟持され、異なる電源供給線に接続される複数の電極と、
前記電極の一部を有する第一電極基板と、
前記電極の他の一部を、前記第一基板に設けられた前記電極と略直交する方向に有する第二電極基板と、
一対の前記第一電極基板と第二電極基板に挟持され、印加される電圧により屈折率の異方性を生じる媒質と、
を有することを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項２】
前記第一電極基板と第二電極基板が有する複数の電極の間の距離は、前記第一電極基板と第二電極基板の間の距離以下であることを特徴とする請求項１記載の立体画像表示装置。
【請求項３】
異なる前記電源供給線に接続される前記複数の電極毎に、電位を制御する電位制御部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の立体画像表示装置。
【請求項４】
前記電位制御部は、前記第一電極基板が有する電極の電位を等電位とし、前記第二電極基板が有する電極の間に電位差を生じる制御をすることを特徴とする請求項３記載の立体画像表示装置。
【請求項１】
画素がマトリクス状に配列された画素面を有する要素画像表示部と、
複数の一軸性の複屈折レンズがアレイ状に配列されたレンズアレイと、
前記要素画像表示部と前記レンズアレイとの間に挟持され、異なる電源供給線に接続される複数の電極と、
前記電極の一部を有する第一電極基板と、
前記電極の他の一部を、前記第一基板に設けられた前記電極と略直交する方向に有する第二電極基板と、
一対の前記第一電極基板と第二電極基板に挟持され、印加される電圧により屈折率の異方性を生じる媒質と、
を有することを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項２】
前記第一電極基板と第二電極基板が有する複数の電極の間の距離は、前記第一電極基板と第二電極基板の間の距離以下であることを特徴とする請求項１記載の立体画像表示装置。
【請求項３】
異なる前記電源供給線に接続される前記複数の電極毎に、電位を制御する電位制御部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の立体画像表示装置。
【請求項４】
前記電位制御部は、前記第一電極基板が有する電極の電位を等電位とし、前記第二電極基板が有する電極の間に電位差を生じる制御をすることを特徴とする請求項３記載の立体画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１０−２２４１９１（Ｐ２０１０−２２４１９１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７０９５５（Ｐ２００９−７０９５５）
【出願日】平成２１年３月２３日（２００９．３．２３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２３日（２００９．３．２３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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