JP3585781B2 - 立体表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の立体表示装置は、観察者の左右眼に各々の視点からの画像（以下、視差像）を提示する二眼式が、一般的である。この観察者の左右眼に各々の視差像を提示する方法としては、大別して眼鏡を利用する方式と眼鏡無し方式の二つが挙げられる。
【０００３】
眼鏡を使用する方法としては、例えば、シャッタ眼鏡を使用する方法と、表示の偏光方向制御及び偏光眼鏡を使用する方法の２つが挙げられる。
【０００４】
シャッタ眼鏡を使用する方法では、表示装置に左右の視差像を交互に表示する。一方、観察者が装着している眼鏡には、左右眼の光の透過・不透過を制御する光シャッタが設けられている。この光シャッタは、表示に同期して駆動され、観察者の左右眼に各々の視差像が届くようにしている。
【０００５】
表示の偏光方向制御及び偏光眼鏡を使用する方法では、表示装置前面に光の偏光方向をスイッチングする素子が設けられ、一方で、観察者は偏光眼鏡を使用する。表示装置前面に設置したスイッチング素子は、表示の偏光方向を０度と９０度方位とに切り替える。表示装置には、シャッタ眼鏡の方法と同様に、左右の視差像を時間的に交互に表示する。それに同期して表示装置前面に配置したスイッチング素子を駆動することで特定の偏光方向を有する表示を行う。観察者は、左右の偏光方位が０度と９０度の偏光板をつけた偏光眼鏡を装着しているので、左右の視差像を各々の目で見ることができる。
【０００６】
眼鏡を使用しない方法としては、レンチキュラーレンズやパララックスバリアを使用する方法がある。この方法では、表示装置は垂直画素ライン毎に左右用の視差像を表示する。その各々の画素ラインより出射する光が、それぞれ観察者の左右眼に導かれるように、表示装置前面にレンチキュラーレンズやパララックスバリアを設置している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の様に、立体表示装置は大別して眼鏡を利用する方式と眼鏡無しの方式の二つがある。眼鏡を利用する方法は立体表示を観察者に提示するためには、観察者が眼鏡を装着しなければならず、観察者にとって、眼鏡装着による不快感や煩わしさの原因となる。
【０００８】
また、眼鏡を利用しない方式は、表示装置の垂直画素ライン毎に左右の視差像を表示する必要があるため、画像が表示装置の１行の画素数が右用、左用に分担され、半分の画素数の画像となってしまう。
【０００９】
そこで本発明は、眼鏡を利用することなく、表示装置の画素数と同数の画素数を有する立体画像の表示を実現する立体表示装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題に鑑み、本発明においては、第１辺における厚さが前記第１辺に対向する第２辺における厚さよりも厚く形成された第１楔型導光体及び第２楔型導光体を備え、前記第１楔型導光体の前記第１辺と前記第２導光体の前記第２辺を重ねあわせてなる導光体と、前記第１楔型導光体の第１辺に設けられた第１光源と、前記第２楔型導光体の第１辺に設けられた第２光源と、前記導光体上に設置され、前記導光体より出射する前記第１光源及び前記第２光源の光を、それぞれ第１、第２の視差に対応する角度に変換するプリズムフィルムと、前記プリズムフィルム上の透過型表示パネルと、前記第１光源及び前記第２光源に同期させて第１、第２の視差画像を前記表示パネルに表示させる同期駆動手段とを具備し、前記第１の視差画像の前記表示パネルへの表示に同期して、前記第１の光源を点灯し、前記第２の視差画像の前記表示パネルへの表示に同期して、前記第２の光源を点灯することにより、第１、第２の視差画像を時分割で前記表示パネルに表示することを特徴とする立体表示装置を提供する。
【００１１】
また、前記第１楔型導光体の第１辺に平行且つ前記表示パネル表示面に垂直な面を対称面として、前記第１光源及び前記第２光源の光が視差に対応する角度で前記パネルから出射することを特徴とする請求項１記載の立体表示装置を提供する。
【００１２】
前記プリズムフィルム上に設けられているプリズムの頂角は、前記第１楔型導光体の第１辺に平行な表示パネル中心線に対称に分布していることを特徴とする請求項１記載の立体表示装置を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
（実施例１）
図１に、本発明の基本的な構成を示す。
【００１４】
楔型導光体１０１、１０２を重ね合わせて導光体１とし、この導光体１の左右に光源２ａ、２ｂを設置する。本実施例では、便宜的に、図１の光源２ａ側を画面に向かって左側または単に左側、光源２ｂ側を画面に向かって右側または単に右側と表記するが、左右について限定するものではない。
【００１５】
２枚の重ね合わされた楔型導光体１０１、１０２の間には、例えば空気層といった楔型導光体１０１、１０２より屈折率の低い層を介在させる。ここで、楔型導光体１０１、１０２は、単体では、比較的指向性の強い出射光の角度分布を有する。
【００１６】
このように構成された導光体１の出射光分布を図２に示す。ここで、左側光源２ａ点灯時および右側光源２ｂ点灯時のそれぞれの出射光角度分布が示されている。横軸は導光体１出射面法線方向からの角度を示し、法線方向が０度である。また、左側を正、右側を負と表示する。
【００１７】
左側光源２ａからの光は導光体１０２内を進み、正面より右方向に出射し、出射光は−７０度近傍で強度が最大となる。一方、右側光源２ｂからの光はからの光は導光体１０１内を進み、正面より左方向に出射し、出射光は＋７０度近傍で強度が最大となる。このように、出射光強度が最大となる角度は正負側とも同じ角度となる。出射光強度が最大となる角度は、楔型導光体１０１、１０２のテーパー角度、両楔型導光体１０１、１０２の屈折率等による。例えば、導光体材料として用いられる光学材料であるポリメタクリル酸メチルやポリカーボネートでは、通常約６０度から約８０度である。
【００１８】
観察者の左右眼３、４の距離を約６５ｍｍとし、液晶パネル５から観察者までの視距離を約３００ｍｍとすると、液晶パネル５の中心と右目４もしくは左目３を結ぶ直線と、液晶パネル５の法線方向とのなす角は、約６度となる。そのため、図２で示される７０度の出射光ピーク角度を約６度に変換するプリズムフィルム６が必要となる。
【００１９】
プリズムフィルム６は光源と平行方向にプリズムが作られており、導光体１側にプリズム面が向くように、導光体１上に設置する。これにより、図３に示すような出射光分布が得られる。
【００２０】
このプリズムフィルム６の設計方法の一例を以下に示す。
【００２１】
図４に、導光体１より出射した光がプリズムフィルム６中を通り左目３に入射する過程を示す。導光体１より出射する光強度が最大となる角度をφ、プリズムフィルムの頂角の導光体１からの光の入射面側の角度をａ１、反射面側をａ２、プリズムフィルムの屈折率をｎとする。導光体１より出射して、プリズムフィルム６入射面よりプリズムフィルム６内に入射した光について、入射面法線方向と入射光の進行方向のなす角ｘは、
ｘ＝ａｒｃｓｉｎ（（ｓｉｎ（φ＋ａ１−π／２））／ｎ） （１）
と表される。さらにプリズムフィルム６反射面により反射し、プリズムフィルム６出射面に達した光について、プリズムフィルム６出射面法線方向とのなす角ｙは、
ｙ＝３×ａ２−π／２−ｘ （２）
と表される。よって、プリズムフィルム６出射面より出射する角度θは、
θ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ×ｓｉｎ（ｙ）） （３）
と表される。本実施例では、φ＝７０度とし、プリズムフィルム６の屈折率を、例えば、ｎ＝１．５７、頂角の角度を、例えば、ａ１＝ａ２＝３４．５度とすると、プリズムフィルム６からの出射角度をθ＝６．８度とすることができる。右目４の場合にも、プリズムフィルム６の頂角の角度が左右対称であるため、同様である。
【００２２】
上記の方法により求められる頂角の角度を有するプリズムフィルム６により出射角度を変換された光は、液晶パネル５に入射する。液晶パネル５を出射する光は、θにほぼ等しい出射角を有する。
【００２３】
左側光源２ａが点灯した時は、右目４に入射する光がプリズムフィルム６より出射しているため、液晶パネル５に右目用の画像を表示する。逆に右側光源２ｂが点灯した時は、左目３に入射する光がプリズムフィルム６より出射しているため、左目用の画像を表示する。これを、左右光源２ａ、２ｂと液晶パネル５が接続されている同期駆動装置７により、時間的に左右光源２ａ、２ｂの点灯と液晶パネル５への画像の表示とを同期して行うことにより、観察者に立体表示を提示することができる。
（実施例２）
液晶パネル５の左右幅が左右眼３、４の距離と同程度以上の場合について、実施例２を説明する。
【００２４】
このような場合には、画面中心に対して実施例１のようにプリズムフィルム６の頂角の角度を決定すると、画面左右端では、正確な立体像を観察者が得ることができない。これは、図５に示すように、画面の左右端から観察者の左右眼を結ぶ直線の、表示面法線とのなす角が、画面中心とは、大きく異なっているためである。そのため、画面中心から画面左右端方向で、プリズムフィルム６の頂角の角度を変化させる必要がある。この時のプリズムフィルム６の頂角の角度の設計方法の一例を以下に示す。
【００２５】
上記と同様な条件で、左右眼３、４の距離を約６５ｍｍ、視距離を約３００ｍｍとし、液晶パネル５の左右幅を左右眼３、４距離と同じ約６５ｍｍとすると、画面中心におけるプリズムフィルム６の頂角の角度は、ａ１＝ａ２＝３４．５度とすれば良い。
【００２６】
これに対し、図５に示すように、右端では、右目４と画面右端を結ぶ直線と、液晶パネル５法線方向がなす角は０度である。一方、左目３と画面右端を結ぶ直線と、液晶パネル５法線方向がなす角は約１２度である。
【００２７】
この時の導光体１から出射した光がプリズムフィルム６内を通り、左右眼３、４にそれぞれに入射する過程を図６に示す。
【００２８】
式（１）から式（３）に示されるｘ、ｙ、θを、右目４に入射する光線の過程をｘｒ、ｙｒ、θｒ、左目３に入射する光線の過程をｘｌ、ｙｌ、θｌと置き直すと、式（１）から式（３）は、以下のように書き直すことができる。
ｘｒ＝ａｒｃｓｉｎ（（ｓｉｎ（φ＋ａ２−π／２））／ｎ） （４）
ｙｒ＝３×ａ１−π／２−ｘｒ （５）
θｒ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ×ｓｉｎ（ｙｒ）） （６）
ｘｌ＝ａｒｃｓｉｎ（（ｓｉｎ（φ＋ａ１−π／２））／ｎ） （７）
ｙｌ＝３×ａ２−π／２−ｘｌ （８）
θｌ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ×ｓｉｎ（ｙｌ）） （９）
式（４）から式（９）より、所望のθｒ、θｌについてａ１、ａ２を求めることにより、プリズムフィルム６の頂角を求めることができる。本実施例の場合、φ＝７０度、ｎ＝１．５７とすると、θｒ＝０度、θｌ＝１２度となるａ１、ａ２は、それぞれ、ａ１＝３３．５度、ａ２＝３５．５度となる。
【００２９】
図７に、両眼距離６５ｍｍ、ディスプレイと観察者の距離を３００ｍｍとした場合のプリズムフィルム６の頂角ａ１、ａ２の分布を示す。ここに、図の横軸は画面中心からの右方向への距離を示し、縦軸はプリズムフィルム６の頂角の角度を表わす。
【００３０】
プリズムフィルム６の中心では、ａ１＝ａ２＝３４．３度であり、左右対称となっている。中心から右に離れるに従って、ａ１は減少し、逆にａ２は増加する。この結果、プリズムフィルム６上の個々のプリズムは、中心では左右対称の二等辺三角形形状だが、右方向にゆくにつれて頂角が左寄りの分布となる（図６参照）。
【００３１】
実施例１と同様に、左右の光源２ａ、２ｂの点灯と液晶画面の左右視差像を同期させて表示させることにより、観察者は特殊な眼鏡を用いること無く立体像を見ることができる。
【００３２】
上記方法により、観察者が液晶パネルを見るそれぞれの位置について、ａ１、ａ２を求め、プリズムフィルム６の頂角を形成することにより、液晶パネル５全面にわたり、観察者に立体表示を提示することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、眼鏡を利用することなく、表示装置の画素数と同数の画素数を有する立体画像の表示を実現する立体表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の基本的な構成を示す図。
【図２】本実施例における楔型導光体からの出射光角度分布を表す図。
【図３】本実施例における導光体に、プリズムフィルムを設置した時のプリズムフィルムからの出射光角度分布を表す図。
【図４】本実施例における導光体より出射した光がプリズムフィルム内を通り、観察者の目までの光の導光過程を表す図。
【図５】本実施例における立体表示装置の異なる表示位置から観察者の目までの光の出者方向を示す図。
【図６】本実施例における導光体より出射した光がプリズムフィルム内を通り、観察者の目までの光の導光過程を表す図。
【図７】本実施例における、画面中心から画面端方向におけるプリズムフィルムの頂角の角度分布を表す図。
【符号の説明】
１ 導光体、
１０１、１０２ 楔型導光体
２ａ 左側光源
２ｂ 右側光源
３ 観察者の左目
４ 観察者の右目
５ 液晶パネル
６ プリズムフィルム
７ 光源と液晶パネル同期駆動装置

Claims (3)

1. 第１辺における厚さが前記第１辺に対向する第２辺における厚さよりも厚く形成された第１楔型導光体及び第２楔型導光体を備え、前記第１楔型導光体の前記第１辺と前記第２導光体の前記第２辺を重ねあわせてなる導光体と、
   前記第１楔型導光体の第１辺に設けられた第１光源と、
   前記第２楔型導光体の第１辺に設けられた第２光源と、
   前記導光体上に設置され、前記導光体より出射する前記第１光源及び前記第２光源の光を、それぞれ第１、第２の視差に対応する角度に変換するプリズムフィルムと、
   前記プリズムフィルム上の透過型表示パネルと、
   前記第１光源及び前記第２光源に同期させて第１、第２の視差画像を前記表示パネルに表示させる同期駆動手段とを具備し、
   前記第１の視差画像の前記表示パネルへの表示に同期して、前記第１の光源を点灯し、前記第２の視差画像の前記表示パネルへの表示に同期して、前記第２の光源を点灯することにより、第１、第２の視差画像を時分割で前記表示パネルに表示することを特徴とする立体表示装置。
2. 前記第１楔型導光体の第１辺に平行且つ前記表示パネル表示面に垂直な面を対称面として、前記第１光源及び前記第２光源の光が視差に対応する角度で前記パネルから出射することを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
3. 前記プリズムフィルム上に設けられているプリズムの頂角は、前記第１楔型導光体の第１辺に平行な表示パネル中心線に対称に分布していることを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。

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