JP2011085790A - 電気光学装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】レンチキュラーレンズの結像仕様を規定することにより、明るく歪みを抑えた表示品質の高い立体虚像を表示できるとともに、小型化された電気光学装置及び電子機器を提供する。
【解決手段】本発明の電気光学装置１は、複数の画素１５を有する液晶パネル５と、液晶パネル５の視認側に配置され、画素１５を空間的に分離するレンチキュラーレンズ１０と、レンチキュラーレンズ１０よりも視認側に配置された観察レンズ４と、を備え、レンチキュラーレンズ１０による画素１５の像が、観察レンズ４と該観察レンズ４の前方焦点位置との間に形成されることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気光学装置及び電子機器に関するものである。

表示パネルに表示された画像の虚像を遠方に表示して観察する立体虚像表示装置において、表示パネルの前面に視差バリアを配置して左右の画像を振り分ける構成が開示されている（特許文献１）。しかしながら、視差バリアを配置すると吸収あるいは遮蔽される光が多くなるため表示画像が暗くなる。また、視差バリアは屈折力を持たないので、表示パネルの虚像の位置や倍率が、観察レンズあるいは観察ミラーの焦点距離と表示パネルとの位置関係だけで決まっていた。

そこで、光の利用効率を向上させて明るい立体虚像を表示する手段として、視差バリアの代わりにレンチキュラーレンズを表示パネルの前面に配置する構成が提案されている（特許文献２，３）。視差画像を左右に振り分けるためにレンチキュラーレンズを用いた場合は、観察レンズあるいは観察ミラーに加えて屈折力を持つレンチキュラーレンズがさらに配置されるため、レンチキュラーレンズの焦点位置に対して表示パネル（画素）をどこに配置するかによって、観察レンズあるいは観察ミラーによる虚像がどこにできるかが違ってくる。

特開平７−２８７１９３号公報 特開平７−２７０７２２号公報 特開平９−１０５８８５号公報

しかしながら、特許文献２，３では、レンチキュラーレンズの焦点に対する画素の位置については開示されていない。しいて言えば、特許文献２の図２では、レンチキュラーレンズから出射した光が発散光となっているので、画素はレンチキュラーレンズの焦点よりレンズに近い位置にあると推察できる。しかしながら、レンチキュラーレンズで生成される画素の像が、観察レンズあるいは観察ミラーの焦点位置よりも観察レンズあるいは観察ミラー側にないと虚像を観察することができない。

したがって、従来の構成ではレンチキュラーレンズの焦点に対する画素の位置、およびレンチキュラーレンズによる画素の像の位置と観察レンズあるいは観察ミラーの焦点位置との関係が規定されていないため、眼前の所定の距離に生成される虚像を観察するための光学的条件が明確になっていない、という課題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、レンチキュラーレンズの結像仕様を規定することにより、明るく歪みを抑えた表示品質の高い立体虚像を表示できるとともに、小型化された電気光学装置及び電子機器を提供することを目的の１つとしている。

本発明の電気光学装置及び電子機器は、上記課題を解決するために、複数の画素を有する表示素子と、前記表示素子の視認側に配置され、前記画素を空間的に分離するレンチキュラーレンズと、前記レンチキュラーレンズよりも視認側に配置された観察光学系と、を備え、前記レンチキュラーレンズによる前記画素の像が前記観察光学系と前記観察光学系の前側焦点との間に形成されることを特徴とする。

本発明によれば、レンチキュラーレンズによる表示素子の画素の像が、観察光学系とその前方焦点位置との間に形成されることとしたので、明るく歪みを抑えた表示品質の高い立体虚像を表示することができる。

また、前記レンチキュラーレンズと該レンチキュラーレンズの前側焦点との間に前記画素が位置することが好ましい。
本発明では、レンチキュラーレンズと該レンチキュラーレンズの焦点との間に画素が位置することとしたので、レンチキュラーレンズによって画素の虚像が形成され、その画素の虚像が観察光学系の前側焦点に対して観察レンズ側に形成されることにより、その虚像の虚像が観察光学系によって形成される。このように、レンチキュラーレンズにより画素の虚像を形成する場合、レンチキュラーレンズによって画素の実像を形成する構成よりも画素の位置変動に対する像の倍率変動が小さくなる。これにより、歪みの小さい立体虚像が得られることとなる。

また、前記レンチキュラーレンズと前記画素との間に前記レンチキュラーレンズの前側焦点が位置することが好ましい。
本発明では、レンチキュラーレンズと画素との間にレンチキュラーレンズの前側焦点が位置することとしたので、レンチキュラーレンズによって画素の実像が形成され、その画素の実像が観察レンズの前側焦点に対して観察光学系側にあることにより、その実像の虚像が観察光学系によって形成される。

また、前記観察光学系が凸レンズ作用を有する光学系であることが好ましい。
本発明によれば、観察光学系が凸レンズ作用を有する光学系であるため光軸に対して対称な光学系を構成することができ、像の歪みが少ない立体虚像を得ることができる。

また、前記レンチキュラーレンズの倍率が２倍以下であることが好ましい。
本発明によれば、レンチキュラーレンズの倍率が２倍以下であることから、サイズの小さい観察レンズあるいは観察ミラーを採用することができる。これにより、装置を小型化することができるとともに、歪みの少ない立体虚像を得ることができる。

また、前記表示素子は、電気光学層を一対の基板で挟持してなる液晶パネルと、前記液晶パネルの外面側にそれぞれ配置される一対の偏光板と、を備え、前記レンチキュラーレンズは、前記表示素子の視認側に配置される一方の前記基板と一方の前記偏光板との間に配置されることが好ましい。

本発明によれば、表示素子の液晶パネルと一方の偏光板との間にレンチキュラーレンズが配置された構成としたことで、液晶パネルの画素とレンチキュラーレンズとの間隔を短くすることができる。これによって、立体表示を行うための視点画像の分離を適正に行なうことができ、見やすい立体虚像を形成することが可能となる。

本発明の電子機器は、本発明の電気光学装置を備えることが好ましい。
本発明によれば、先に記載の電気光学装置を備えることとしたので、明るく歪みを抑えた表示品質の高い立体虚像を得ることが可能な電子機器となる。

実施例１における電気光学装置の構成を示す平面図。 電気光学装置の光学系についての説明図。 虚像観察を目的とした表示装置の基本的な光学系についての説明図。 画素とレンチキュラーレンズと観察レンズとの光学的な配置を示す図。 実施例２における電気光学装置の光学系についての説明図。 電子機器の一例であるヘッドアップディスプレイの概略構成図。 ヘッドアップディスプレイの画像を車両運転席から見た図。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１（ａ）は、本発明の一実施例における電気光学装置１の概略構成を示す図であり、図１（ｂ）は液晶パネル及びレンチキュラーレンズの要部拡大図である。また、図２は電気光学装置１の光学系についての説明図である。
図１（ａ）に示すように、本実施例の電気光学装置１は、光変調表示素子２と、光変調表示素子２の背面側に配置され光変調表示素子２を照明する照明装置３と、光変調表示素子２で形成された光学像を観測者の目に結像させる観察レンズ４（観察光学系）と、を備えている。

光変調表示素子２は、液晶パネル５を備えたアクティブマトリクス型の透過型表示装置であって、液晶パネル５と、一対の偏光板６ａ，６ｂと、レンチキュラーレンズ１０と、を備えて構成されている。
液晶パネル５は、一対の透明なガラス基板７，８間に液晶層９を挟持してなり、入光側ガラス基板７の液晶層９側には透明電極からなる画素電極やスイッチング素子等（いずれも不図示）が形成されている。表示領域には、図１（ｂ）に示すように左眼用の画素１５Ｌと右眼用の画素１５Ｒとが列毎に交互に配列されており、これら左眼用画素列によって左眼用の画像が形成され、右眼用画素列によって右眼用の画像が形成されることから、観測者は左右の視差によって立体映像を認識することとなる。本実施例で用いる液晶パネル５の表示領域の大きさは対角２インチである。
このような液晶パネル５の出光側ガラス基板８の外面側（視認側）にはレンチキュラーレンズ１０が配置されている。

レンチキュラーレンズ１０は、液晶パネル５の各画素１５によって形成された画像を空間上に結像させる機能を有するもので、半円柱状の凸レンズ１１を互いに平行に複数並設してストライプ状とされている。各凸レンズ１１は、図１（ｂ）に示すように液晶パネル５の２画素分（右眼用画素及び左眼用画素）に対応して配置される。そのピッチは、液晶パネル５の２画素分のピッチより若干大きくしてある。これは、観察レンズで立体虚像を遠方に形成するために必要な構成である。そして、このようなレンチキュラーレンズ１０は、液晶パネル５の画素１５との間隔を狭くするために液晶パネル５の出光側ガラス基板８の外面に貼り付けられている。

一対の偏光板６ａ，６ｂは、液晶パネル５の入光側及び出光側にそれぞれ配置されている。ここで、出光側偏光板６ｂにおいてはレンチキュラーレンズ１０の外側（観測者側）に配置されており、液晶パネル５の出光側ガラス基板８との間にレンチキュラーレンズ１０を挟み込む構成となっている。

観察レンズ４は、レンズの曲面が屈折面として作用する両凸レンズからなる拡大光学系であって、レンチキュラーレンズ１０による虚像を拡大して表示する。なお、観察レンズ４としては、フレネルレンズや、像の解像度を高める、あるいは歪みを抑えるために複数のレンズから構成されるレンズ系を用いることができる。

このような構成において、液晶パネル５の各画素１５から発した光束はレンチキュラーレンズ１０の空間分離作用によって、観測者の左眼Ｌ、右眼Ｒにそれぞれ到達する。観測者は、観察レンズ４を通して画素１５の虚像Ｎ（レンチキュラレンズによる虚像Ｍの拡大された虚像）を観察することになる。つまり、適視位置にいる観測者は、左眼用の画素１５Ｌを観察することで左目用映像を認識し、右眼用の画素１５Ｒを観察することで右眼用映像を認識し、これら両眼視差によって拡大された立体映像を認識する。

図２に示すように本実施例における電気光学装置１では、液晶パネル５の画素１５がレンチキュラーレンズ１０の前側焦点Ｐ１よりもレンチキュラーレンズ１０側に位置している。すなわち、レンチキュラーレンズ１０とその前側焦点Ｐ１との間に画素１５（液晶パネル５）が位置する構成となっている。さらに、レンチキュラーレンズ１０によって形成される画素１５の虚像Ｍが観察レンズ４の前側焦点Ｑ１よりも観察レンズ４側に形成されるため、虚像Ｍの虚像Ｎが観察レンズ４によって眼前遠方位置に形成されることとなる。

ここで、図３を用いて虚像観察を目的とした表示装置の基本的な光学系について述べる。
図３に示すように、観察レンズ４から見たい画像Ｘの位置までの距離をａ、観察レンズ４からその前側焦点Ｑ１までの距離をｆとすると、観察レンズ４の前側焦点Ｑ１よりも遠方に見たい画像Ｘの虚像Ｔが形成される。ａ＞０、ｂ＜０、１／ｆ＝（１／ａ＋１／ｂ）とすると、観察レンズ４によって得られる見たい画像Ｘに対する虚像の倍率ｍはｂ／ａとなる。

次に、本実施例の電気光学装置１における具体的な構成について述べる。図４に、画素とレンチキュラーレンズ１０と観察レンズ４との光学的な配置を示す。ここで、観察レンズ４からレンチキュラーレンズ１０によって形成される画素１５の虚像Ｍまでの距離をａ、観察レンズ４からその前側焦点Ｑ１までの距離をｆとすると、レンチキュラーレンズ１０によって得られる虚像Ｍに対する虚像Ｎの倍率ｍはｂ／ａとなる。
なお、空気換算の距離で表わすために液晶パネル５のガラス基板や偏光板などは省略してある。また、液晶パネル５の位置を画素の位置を中心に規定する。

図４に示すような本実施形態では、画素からレンチキュラーレンズ１０までの距離ａ’は約０．２３ｍｍであり、レンチキュラーレンズ１０の焦点距離ｆ’は約０．５ｍｍとなっている。画素１５は、レンチキュラーレンズ１０の前側焦点Ｐ１よりもレンチキュラーレンズ１０側に位置している。したがって、レンチキュラーレンズ１０により画素１５の像は虚像Ｍとなり、その虚像Ｍとレンチキュラーレンズ１０との距離ｂ’は約０．４２ｍｍとなる。なお、画素１５に対する虚像Ｍの倍率は約１．８倍である。

観察レンズ４の焦点距離ｆは４００ｍｍであり、レンチキュラーレンズ１０による画素の虚像から観察レンズ４までの距離ａを約３５０ｍｍとすると、レンチキュラーレンズ１０による画素１５の虚像Ｍが観察レンズ４の前側焦点Ｑ１よりも観察レンズ４側にある。したがって、レンチキュラーレンズ１０による画素１５の虚像Ｍの像は観察レンズ４によって虚像Ｎとなり、その虚像Ｎから観察レンズ４までの距離ｂは約２８００ｍｍとなる。

したがって、観察レンズ４の後方からレンチキュラーレンズ１０を有した液晶パネル５を観察すると、その拡大された虚像Ｎが観察レンズ４の前方約２．８ｍのところに見えることになる。
また、レンチキュラーレンズ１０によって視差を持つ画像が生成されるので、観察レンズ４を通して見る虚像にも視差が生じて立体画像を認識することができる。

先の実施例では、画素の虚像を一旦形成し、その虚像を観察レンズ４によって遠方に拡大虚像として表示する光学系を用いた電気光学装置の構成を説明したが、本実施例では、レンチキュラーレンズ１０が画素の実像を一旦形成し、その実像を観察レンズ４によって遠方に拡大虚像として表示する光学系を備えた電気光学装置について説明する。なお、実施例２における電気光学装置の基本構成は上記実施例１と略同様であるが、レンチキュラーレンズ１０に対する液晶パネル５（画素）の位置が異なっている。図５は、実施例２における電気光学装置の光学系についての説明図である。

図５に示す電気光学装置２０は、液晶パネル５の画素１５がレンチキュラーレンズ１０の前側焦点Ｐ１よりもレンチキュラーレンズ１０から離れた所に位置する構成となっている。つまり、画素１５とレンチキュラーレンズ１０との間に該レンチキュラーレンズ１０の前側焦点Ｐ１が位置している。

この場合、レンチキュラーレンズ１０によって画素１５の実像Ｓ（レンチキュラーレンズ１０の作用によって反転した像）が形成され、その画素１５の実像Ｓが観察レンズ４の前側焦点Ｑ１よりも観察レンズ４側にあることにより、その画素１５の実像Ｓの虚像Ｎが観察レンズ４によって眼前遠方に形成される。

このように本実施例によれば、レンチキュラーレンズ１０によって形成される画素１５の実像Ｓが、観察レンズ４の焦点距離よりも観察レンズ４寄りに形成されるように構成することにより、画素１５の実像Ｓの虚像Ｎを観察することができる。

ただし、上述した実施例１のように、レンチキュラーレンズ１０で画素１５の虚像Ｍを形成する構成の方が画素１５の位置変動に対する像の倍率変動が小さいので、レンチキュラーレンズ１０で画素１５の虚像Ｍを形成する構成の方が好ましい。

レンチキュラーレンズ１０を用いた通常の裸眼立体表示装置では、画素の像を観察位置に平均眼間幅（約６５ｍｍ）の大きさに形成するので、画素の大きさを５０μｍとすると、レンチキュラーレンズ１０による倍率は約１３００倍にもなる。

上記実施例１，２のように、画素１５の虚像あるいは実像を観察レンズ４を通して拡大虚像として得る表示装置では、レンチキュラーレンズ１０による画素１５の虚像あるいは実像の倍率を２倍以下と非常に低くすることが望ましい。レンチキュラーレンズ１０によって拡大しすぎると、レンチキュラーレンズ１０による像の解像度が低下し、観察レンズ４で生成される虚像も解像度の低い像となってしまう。また、レンチキュラーレンズ１０で生成される虚像の倍率が高いと、観察レンズ４による歪曲など像のゆがみが顕著となるため、そのゆがみを抑えるために観察光学系の構成が複雑になる。

これに対し本実施例では、レンチキュラーレンズ１０による拡大倍率を低く抑えていることから、観察光学系の構成を複雑化する必要がないばかりか、サイズの小さい観察レンズ４を用いることができるため、装置全体を小型化することが可能である。

このように、レンチキュラーレンズ１０の焦点に対する画素の位置、およびレンチキュラーレンズ１０による画素の像の位置と観察レンズ４の焦点位置との関係を規定して、眼前の所定距離に生成される虚像を観察するための光学的条件を明確にすることにより、表示品質の高い立体画像を得ることができる。また、立体表示のための視差を生成するために視差バリアを用いることなくレンチキュラーレンズ１０を用いているので、明るい立体画像を観察することができる。

また、本実施例では、観察レンズ４として両凸レンズを採用しているため、光軸に対して対称な光学系を構成することができ、像の歪みが少ない立体虚像を得ることができる。
なお、両凸レンズに代えて凹面鏡を採用することもできる。以下に、観察光学系として凹面鏡を備えた電気光学装置を具備する電子機器の一実施形態について述べる。

［電子機器］
図６は、電子機器の一実施形態であるヘッドアップディスプレイ１７００の概略構成図である。図７は、ヘッドアップディスプレイ１７００の画像を車両運転席から見た図である。

図６において車両７０はセダンタイプの乗用自動車である。ヘッドアップディスプレイ１７００は、電気光学装置１００と、電気光学装置１００から射出された光Ｌ（画像光）をフロントウィンドウ７２上に投射する凹面鏡（観察光学系）７１と、フロントウィンドウ７２上に投射された光を運転席に向けて反射するハーフミラー７４と、を備えている。

電気光学装置１００はダッシュボード７３の内部に収納されている。ダッシュボード７３には、フロントウィンドウ７２の下部に、光Ｌを透過するための開口部７３Ｈが設けられており、該開口部７３Ｈを介して、凹面鏡７１で反射された光Ｌがハーフミラー７４上に投影されるようになっている。投影された画像は虚像Ｉとして車両の乗員Ｃに視認される。

ハーフミラー７４は、例えばシート状の膜として構成されるが、フロントウィンドウ７２の表面を処理することにより光Ｌの一部を反射させるようにしても良い。図７に示すように、ハーフミラー７４は運転席の正面に配置されている。ハーフミラー７４上には、速度メータやガソリン残量、警告等の情報が表示される。乗員Ｃは運転中に視線を大きく動かさずにこれらの情報を視認することができる。

また、電気光学装置１００は狭いダッシュボード７３に設置されるため、小型高精細で発熱の少ない表示装置が望ましいが、本実施形態の電気光学装置１００は、パララックスバリアを用いることなくレンチキュラーレンズを用いて高精細且つ高光利用効率を実現しているため、ヘッドアップディスプレイとしては最適な構成である。また、小型化された電気光学装置を具備する電子機器においても小型化が実現できるため、車両７０内に搭載する場所の確保も容易になる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、本発明の電気光学表示装置をヘッドアップディスプレイだけでなく、ヘッドマウントディスプレイにも応用することが可能である。さらに、表示素子としては、液晶パネル以外の表示素子を適用することも可能である。

１…電気光学装置、３…照明装置、４…観察レンズ（観察光学系）、５…液晶パネル（表示素子）、６ａ，６ｂ…偏光板（表示素子）、９…液晶層（電気光学層）、１０…レンチキュラーレンズ、１５…画素、１７００…ヘッドアップディスプレイ（電子機器）、Ｍ，Ｎ，Ｔ…虚像、Ｓ…実像、Ｐ１…レンチキュラーレンズの前側焦点、Ｑ１…観察レンズの前側焦点

Claims (7)

1. 複数の画素を有する表示素子と、
   前記表示素子の視認側に配置され、前記画素を空間的に分離するレンチキュラーレンズと、
   前記レンチキュラーレンズよりも視認側に配置された観察光学系と、を備え、
   前記レンチキュラーレンズによる前記画素の像が前記観察光学系と前記観察光学系の前側焦点との間に形成されることを特徴とする電気光学装置。
2. 前記レンチキュラーレンズと該レンチキュラーレンズの前側焦点との間に前記画素が位置することを特徴とする請求項１記載の電気光学装置。
3. 前記レンチキュラーレンズと前記画素との間に前記レンチキュラーレンズの前側焦点が位置することを特徴とする請求項１記載の電気光学装置。
4. 前記観察光学系が凸レンズ作用を有する光学系であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電気光学装置。
5. 前記レンチキュラーレンズの倍率が２倍以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電気光学装置。
6. 前記表示素子は、
   電気光学層を一対の基板で挟持してなる液晶パネルと、
   前記液晶パネルの外面側にそれぞれ配置される一対の偏光板と、を備え、
   前記レンチキュラーレンズは、前記表示素子の視認側に配置される一方の前記基板と一方の前記偏光板との間に配置されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電気光学装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の電気光学装置を備えることを特徴とする電子機器。

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