JP2005091896A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】明るい表示が可能で、かつ、低コストで製造でき、立体画像表示装置として好適に用いられる画像表示装置を提供する。
【解決手段】本発明による画像表示装置は、光源を含む照明装置１０と、照明装置１０から出射された光を受け、偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２に分離し、直線偏光Ｐ１およびＰ２の主光線を互いに所定の分離角だけ異なる方向に出射する偏光分離素子２０と、偏光分離素子２０から出射された直線偏光Ｐ１およびＰ２を受け、直線偏光Ｐ１およびＰ２をそれぞれ集光し、２つの集光スポットを形成する集光素子３０と、２つの集光スポットの内の少なくとも一方の近傍に配置され当該直線偏光の少なくとも一部の偏光方向を変える第１偏光変換部４２を有する偏光変換素子４０と、偏光変換素子４０から出射された光を用いて画像を表示する表示パネル５０と、を備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、画像表示装置に関し、特に、立体画像を表示することができる画像表示装置に関する。

２次元画像を表示する画像表示装置を用いて立体映像を表示する代表的な方法の１つは、パララックスバリア方式である。パララックスバリア方式とは、画像表示装置の前面又は後面に、光透過部と遮光部とを交互に配置した帯（バリア）を設け、このバリアを通して表示面を観察することにより、立体視を実現させる方式である。

特許文献１は、液晶表示素子（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ：以下、「ＬＣＤ」と称する）の観察者側にパララックスバリアを備えた立体画像表示装置を開示している。

図１８に、特許文献１に開示されている画像表示装置５００を模式的に示す。画像表示装置５００は、図１６に示すように、観察者側から、パララックスバリア５０６、ＬＣＤ５０１およびバックライト５０２を備えている。ＬＣＤ５０１は、駆動用の電極や配線、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）やカラーフィルタ等を備える一対のガラス基板５０３および５０４によって、液晶層５０５が挟み込まれた構成を有している。ＬＣＤ５０１の光入射面および光出射面にはそれぞれ偏光板（図示せず）が配置されている。ＬＣＤ５０１は、複数の画素を有し、各画素の液晶層５０５に電圧を印加することにより光の偏光状態を変化させて、表示を行う。

図１８において、ＬＣＤ５０１は、『左』の文字を付した画素に左眼用の映像を、『右』の文字を付した画素に右眼用の映像を表示する。パララックスバリア５０６は、その遮光部でＬＣＤ５０１からの光を遮るため、ＬＣＤ５０１からの画像は、パララックスバリア５０６の光透過部を通してのみ観察者によって観察される。このとき、パララックスバリア５０６のパターンおよび配置を適切に設定することにより、観察者の右眼は『右』画素によって表示される映像のみ、左眼は『左』画素によって表示される映像のみを見ることができる。『左』画素および『右』画素によってそれぞれ表示される映像には視差が与えられているので、観測者は立体視を行うことができる。

なお、図１８では説明の便宜上、液晶層５０５の厚さを誇張して示しているが、実際の液晶層５０５の厚さは数μｍオーダーであり、ｍｍオーダーのガラス基板５０３、５０４の厚さと比較すると非常に小さい。また、パララックスバリア５０６は低反射膜をつけたメタルマスクなどによって作製されているので、実際のパララックスバリア５０６の厚さも図示する厚さよりも小さくなる。

また、特許文献２には、パララックスバリアの有無を光学的に制御することにより、立体表示と２次元表示とを切り替えることが可能な画像表示装置が開示されている。この画像表示装置におけるパララックスバリアは、ストライプ状の１／２波長板、直線偏光を円偏光に変換する液晶セル、及び偏光板を組み合わせた構成を有している。

図１９に、特許文献２に開示されている画像表示装置６００を模式的に示す。画像表示装置６００は、図１９に示すように、観察者側から、パララックスバリア６０６、偏光板６０２、液晶表示パネル６０１および偏光板６０３をこの順で備えている。パララックスバリア６０６は、偏光板６０７、液晶セル６０８および位相差板アレイ（ストライプ状１／２位相差板）６０９を観察者側からこの順に有している。

ここで、図１９および下記表１を参照しながら画像表示装置６００の動作原理を説明する。液晶表示パネル６０１からの直線偏光（便宜的に「直線偏光Ａ」と呼ぶ。）が位相差板アレイ６０９に入射すると、偏光方向が９０°回転させられ、もとの直線偏光Ａと偏光方向が直交する直線偏光（便宜的に「直線偏光Ｂ」と呼ぶ。）に変換されて出射される。一方、直線偏光Ａのうち位相差板アレイ１７の開口部を通過した光は、偏光状態が維持されるので、直線偏光Ａのまま出射される。

位相差板アレイ６０９から出射された２つの直線偏光Ａ、Ｂは、続いて液晶セル６０８に入射する。液晶セル６０８に電圧が印加されている（ＯＮ状態）時には、表１に示すように、液晶セル６０８に入射した直線偏光Ａ、Ｂは、それぞれそのままの偏光状態で出射される。その後、直線偏光Ａと直線偏光Ｂのうちいずれか一方の偏光方向が偏光板６０７の透過軸と一致するため偏光板６０７から出射し、もう一方の直線偏光は偏光板６０７によってカットされる。このように、この画像表示装置では、位相差板アレイ６０９自体をパララックスバリアとして機能させることができるので、立体画像を表示できる。

一方、液晶セル６０８に電圧が印加されていない（ＯＦＦ状態）時には、液晶セル６０８に入射した直線偏光ＡおよびＢは、互いに反対周りの円偏光（「円偏光ａ」および「円偏光ｂ」と呼ぶ。）に変換されて出射される。その後、これらの円偏光ａおよびｂのそれぞれの偏光板６０７の透過軸に一致した偏光成分のみが偏光板６０７から出射される。つまり、これらの円偏光ａおよびｂはいずれも部分的に偏光板６０７を通過することとなる。この場合には、ストライプ状１／２位相差板６０９はパララックスバリアとして機能しないので、２次元画像が表示される。

特開平１０−２６８２３０号公報 特開平１０−１２３４６１号公報

パララックスバリア方式は簡便な立体画像表示方式ではあるが、これを利用した従来の立体画像表示装置には、以下に示すような問題点がある。

特許文献１のパララックスバリア方式の立体画像表示装置では、ＬＣＤから出射した光の約半分がパララックスバリアの遮光部で吸収されるため、パララックスバリアが設置されていない表示装置と比べると、表示の明るさが半減する。この明るさの低下は、２次元画像表示時においても同様に発生する。

パララックスバリア方式の立体画像表示装置において、明るさを低下させずに２次元画像を表示するためには、２次元画像表示時にパララックスバリアを取り除く方法がある。しかしながら、この方法では２次元画像表示の後に再び立体画像を表示するためには、パララックスバリアを正確に所定の状態となるように設置する必要があり、実質上困難である。すなわち、パララックスバリアが液晶表示素子に対して、わずかに回転したりずれたりしたりするだけで、パララックスバリアのパターンと液晶表示素子の画素配列との間で干渉が生じてモアレ縞が形成され、その結果、立体視が妨げられる。モアレ縞が生じないように正確な位置合せを行なうための機構を製作することは可能であるが、そのためには画素ピッチよりもさらに高い精度が要求される設計や加工技術が必要となり、コスト高となるだけでなく、表示装置自体が大型化する。

次に、特許文献２のパララックスバリアの有無を光学的に制御する画像表示装置では、パララックスバリアを機能させずに２次元画像を表示する時は、全画素（右眼および左眼用画素）を両目で視認できる。そのため、解像度の高い２次元表示を実現できる。しかし、偏光板６０７によって円偏光ａおよびｂを直線偏光として観察者側へ出射する際、これらの円偏光ａおよびｂの１／２以上の光がカットされるので、表示の明るさが低下する。また、立体画像表示時にも光の約半分が偏光板６０７で吸収されるので明るさが低下する。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、明るい表示が可能で、かつ、低コストで製造でき、立体画像表示装置として好適に用いられる画像表示装置を提供することにある。

本発明による画像表示装置は、光源を含む照明装置と、前記照明装置から出射された光を受け、偏光方向が互いに直交する第１および第２直線偏光に分離し、前記第１および前記第２直線偏光の主光線を互いに分離角θだけ異なる方向に出射する偏光分離素子と、前記偏光分離素子から出射された前記第１および第２直線偏光を受け、前記第１および第２直線偏光をそれぞれ集光し、第１および第２集光スポットを形成する集光素子と、前記第１および第２集光スポットの内の少なくとも第１集光スポットの近傍に配置され当該直線偏光の少なくとも一部の偏光方向を変える第１偏光変換部を有する偏光変換素子と、前記偏光変換素子から出射された光を用いて画像を表示する表示パネルと、を備えており、そのことによって上記目的が達成される。

ある好適な実施形態において、本発明による画像表示装置は、前記表示パネルと前記偏光変換素子との間に設けられた偏光板をさらに備え、前記偏光変換素子は、前記第１集光スポットの中心を含む第１領域と、前記第２集光スポットの中心を含む第２領域とを有し、前記偏光変換素子の前記第１領域および前記第２領域から出射された直線偏光の偏光方向と、前記偏光板の透過軸とが略一致している。

ある好適な実施形態において、前記第１偏光変換部は前記第１領域のみに配置されている。

ある好適な実施形態において、前記偏光変換素子は、前記第１領域と前記第２領域との間に配置された第３領域をさらに有し、前記第３領域から出射した直線偏光の偏光方向と、前記偏光板の透過軸とが略直交している。

ある好適な実施形態において、前記偏光変換素子は、前記第３領域のうちの前記第１領域よりも前記第２領域に近い部分に配置され前記第２直線偏光のうちの一部の偏光方向を変える第２偏光変換部を有している。

ある好適な実施形態において、前記第２偏光変換部は位相差板である。

ある好適な実施形態において、前記第１偏光変換部は位相差板である。

ある好適な実施形態において、本発明による画像表示装置は、前記偏光分離素子と前記偏光変換素子との間に配置された光散乱素子をさらに備え、前記光散乱素子は、供給される電圧に応じて、入射した直線偏光の偏光方向を維持する状態と、入射した直線偏光を散乱してその偏光状態を乱す状態とをとり得る。

ある好適な実施形態において、前記照明装置は、前記光源から出射された光を受ける入射端面と前記入射端面に交差し前記入射端面から入射した光を前記偏光分離素子に向けて出射する出射面とを有する導光板を有し、前記入射端面の長手方向（延びる方向）と、前記偏光分離素子によって分離された前記第１および第２直線偏光の主光線によって規定される面とが略直交し、且つ、前記集光素子は前記第１および第２直線偏光の主光線によって規定される前記面内で前記第１および第２直線偏光を集光するように配置されている。

ある好適な実施形態において、前記導光板は、第１方向に略平行な第１辺と、前記第１方向に略直交する第２方向に略平行な第２辺とを有し、前記入射端面は前記第２方向に平行である。

ある好適な実施形態において、前記第１集光スポットと前記第２集光スポットとは、前記第１方向に沿って交互に配置されている。

ある好適な実施形態において、前記集光素子は複数のレンチキュラーレンズを備え、前記複数のレンチキュラーレンズのそれぞれの延設方向は前記第２方向と略平行である。

ある好適な実施形態において、前記複数のレンチキュラーレンズは前記第１方向にピッチＰで配列されており、前記分離角θは、前記レンチキュラーレンズと前記偏光変換素子との間の距離をｄ、前記レンチキュラーレンズと前記偏光変換素子との間に存在する媒体の屈折率をｎとすると、θ＝２×ｔａｎ^-1（ｎ×Ｐ／４ｄ）の関係を満足する。

ある好適な実施形態において、前記照明装置から出射される光の、前記第１および前記第２直線偏光の主光線を含む面内の配光分布の半値幅角は約３０°以下である。

ある好適な実施形態において、前記表示パネルは、第１の画像を表示するための第１画素群と、第２の画像を表示するための第２画素群とを有する。

ある好適な実施形態において、前記第１画素群が表示する前記第１の画像は右目用の画像であり、前記第２画素群が表示する前記第２の画像は左目用の画像である。

本発明による画像表示装置は、照明装置からの光を偏光方向が互いに直交する第１および第２直線偏光に分離し、第１および第２直線偏光の主光線を互いに所定の分離角だけ異なる方向に出射する偏光分離素子と、偏光分離素子から出射された第１および第２直線偏光をそれぞれ集光し、第１および第２集光スポットを形成する集光素子と、第１および第２集光スポットの内の少なくとも第１集光スポットの近傍に配置され当該直線偏光の少なくとも一部の偏光方向を変える第１偏光変換部を有する偏光変換素子と、を備えており、これらの偏光分離素子、集光素子および偏光変換素子が、協同的に視差バリア（パララックスバリア）として機能し得るので、立体表示を行うことができる。

本発明による画像表示装置では、従来のパララックスバリアのように遮光領域で光を遮るのではなく、集光スポットを形成することによって選択的に光を出射させるので、照明装置からの光を有効に利用することができ、明るい表示を実現することができる。また、明るい２次元表示を行うためにパララックスバリアを装置から取り外す必要もないので、パララックスバリアを高い位置精度で再び装置に取り付けるための複雑な機構も必要とせず、装置の小型化、低コスト化の点で有利である。さらに、従来の一般的な液晶表示装置では、照明装置から出射した光の約半分が表示パネルの光入射側に設けられる偏光板で吸収されて表示に用いることができないのに対して、本発明による画像表示装置では、照明装置からの光のほぼ全てを、表示パネルの光入射側に設けられた偏光板の透過軸に偏光方向が略一致した直線偏光として偏光変換素子から出射させることができるので、従来の一般的な液晶表示装置に比べても明るい表示を実現することができる。

このように、本発明によると、明るい表示が可能で、かつ、低コストで製造でき、立体画像表示装置として好適に用いられる画像表示装置が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１に、本実施形態における画像表示装置１００を模式的に示す。画像表示装置１００は、図１に示すように、照明装置１０、偏光分離素子２０、集光素子３０、偏光変換素子４０および表示パネル５０を背面側（観察者側とは反対側）からこの順で備えている。画像表示装置１００は、さらに、表示パネル５０と偏光変換素子４０との間に設けられた偏光板６１と、表示パネル５０の観察者側に設けられた偏光板６２とを有している。

照明装置１０は、少なくとも光源を含んでいる。照明装置１０としては、例えば、光源および導光板を有し、導光板の入射端面に光源が配置されたエッジライト方式の照明装置を用いることができる。

偏光分離素子２０は、図２（ａ）に示すように、照明装置１０から出射された光を受け、偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光Ｐ１（偏光方向が紙面に平行）およびＰ２（偏光方向が紙面に垂直）に分離し、これら２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２の主光線を互いに分離角θだけ異なる方向に出射する。偏光分離素子２０によって分離された２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２の主光線が規定する面は、紙面に平行である。

集光素子３０は、図２（ｂ）に示すように、偏光分離素子２０から出射された２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２を受け、２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２をそれぞれ集光し、２つの集光スポット（点状である必要はなく、線状であってもよい。）を形成する。直線偏光Ｐ１およびＰ２にそれぞれ対応した２つの集光スポットは、所定の間隔で形成される。具体的には、２つの集光スポットは、従来のパララックスバリアにおける光透過領域の位置に対応するように形成される。なお、本実施形態における集光素子３０は、２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２を偏光分離面（紙面に平行）内で集光する機能を有している。他の方向（例えば偏光分離面に直交する方向：紙面に垂直な方向）に集光作用を有していてもよいし、有していなくてもよい。

偏光変換素子４０は、図２（ｂ）に示すように集光素子３０によって形成される２つの集光スポットの内の少なくとも一方の近傍に配置され当該直線偏光（ここでは直線偏光Ｐ２）の少なくとも一部の偏光方向を変える第１偏光変換部４２を有している。第１偏光変換部４２は、遅相軸が所定の角度で配置された位相差板などであり、例えば直線偏光Ｐ１の偏光方向を９０°回転させるように配置されたλ／２板である。従って、第１偏光変換部４２は、直線偏光Ｐ１の偏光方向を変化させ、直線偏光Ｐ２の偏光方向と一致させる。

なお、ここで例示したように、第１偏光変換部４２は集光素子３０によって形成される２つの集光スポットの内の一方に配置すれば、一方の直線偏光の偏光方向を他方の偏光方向に一致させることができるが、これに限られない。例えば、２つの集光スポットのそれぞれに対応して第１偏光変換部４２を設けて、直線偏光Ｐ１およびＰ２の両方の偏光方向を変化させ、いずれの偏光方向とも異なる方向で偏光方向が互いに一致にするようにしてもよい。例えば、第１偏光変換部４２としてλ／２板を用いて、直線偏光Ｐ１の集光スポットに対応して設けられるλ／２板の遅相軸の方向と直線偏光Ｐ１の偏光方向とのなす角、および直線偏光Ｐ２の集光スポットに対応して設けられるλ／２板の遅相軸の方向と直線偏光Ｐ２の偏光方向とのなす角を適宜設定することによって、２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２の偏光方向をもとの偏光方向とは異なる方向で一致させることができる。構成を簡略化して製造コストを低減する観点からは、２つの集光スポットの一方のみに第１偏光変換部４２を設けることが好ましい。

以下では、集光素子３０として、複数の半円柱状のレンチキュラーレンズ３２を有する素子を用い、第１偏光変換部４２としてレンチキュラーレンズ３２と平行に延びる短冊状のλ／２板を用いた構成を例に本発明による実施形態を説明する。なお、図２（ｂ）では、透明基板（例えばガラス基板）３１の光入射側に集光素子３０が設けられるとともに、光出射側に偏光変換素子４０が設けられ、集光素子３０と偏光変換素子４０とが一体に構成されている場合を例示したが、勿論これに限定されず、集光素子３０と偏光変換素子４０とは別個の素子として分離されていてもよい。

表示パネル５０は、偏光変換素子４０から出射された光を用いて画像を表示する。表示パネル５０は、第１の画像を表示するための第１画素群と、第２の画像を表示するための第２画素群とを有している。第１画素群は複数の第１画素を含んでおり、第２画素群は複数の第２画素を含んでいる。ここでは、表示パネル５０は、偏光板６１を透過した直線偏光を変調する液晶表示パネルである。第１の画像および第２の画像は、例えば右目用の画像と左目用の画像である。第１画素および第２画素を含む複数の画素は、典型的には、行および列を有するマトリクス状に配列されており、行方向および列方向のいずれか一方に沿って第１画素と第２画素とが交互に配列され、他方に沿って第１画素または第２画素が連続して配列されている。つまり、表示パネル５０は、第１画素の列（または行）と第２画素の列（または行）とが交互に配置された構成を有している。従来のパララックスバリア方式の立体画像表示装置では、その光透過領域が第１画素の列（または第２画素の列）の配列ピッチとほぼ同じピッチで配列されるのに対して、本発明による画像表示装置１００では、集光素子３０によって形成される集光スポットが従来の方式のパララックスバリアにおける光透過部の位置に形成される。つまり、集光スポットが第１画素の列（または第２画素の列）の配列ピッチとほぼ同じピッチで配列されるように集光が行われる。

表示パネル５０の光入射側（照明装置側）に配置された偏光板６１の透過軸方向は、偏光変換素子４０を通過した光の偏光方向と一致するように配置されている。図示した例では、偏光板６１の透過軸は、紙面に垂直で、直線偏光Ｐ２を透過するように配置されている。観察者側の偏光板６２の透過軸は、液晶表示パネルの表示モード（液晶層の配向モードおよびＮＷまたはＮＢモード）などに応じて、偏光板６１の透過軸と所定の関係（例えば直交または平行）となるように配置されている。もちろん、偏光変換素子４０から出射される直線偏光の偏光方向はこれに限られず、上述したように第１偏光変換部４２を適宜変更することによって、任意の方向にすることができる。

次に、図３を参照しながら、画像表示装置１００の表示原理を説明する。

照明装置１０から出射した光は、偏光分離素子２０によって、偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２に分離され、２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２が集光素子３０に向けて互いに所定の分離角θだけ異なる方向に出射される。集光素子３０に入射した２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２は、それぞれ集光され、偏光変換素子４０上に２つの集光スポットが形成される。直線偏光Ｐ２の集光スポットは、偏光変換素子４０の第１偏光変換部４２が設けられていない部分に形成されるので、直線偏光Ｐ２は偏光方向が維持されたまま、偏光板６１に向けて出射され、偏光板６１を透過して表示パネル５０で表示に用いられる。一方、直線偏光Ｐ１の集光スポットは、偏光変換素子４０の第１偏光変換部４２に形成されるので、直線偏光Ｐ１は偏光方向が９０°回転し、直線偏光Ｐ２と偏光方向が同じ直線偏光として偏光板６１に向けて出射され、偏光板６１を透過して表示パネル５０で表示に用いられる。集光素子３０によって形成される集光スポットは、従来のパララックスバリアにおける光透過領域に対応した位置に形成されるので、偏光変換素子４０に入射した光は、偏光変換素子４０の一部から選択的に出射する。そのため、上記偏光分離素子２０、集光素子３０および偏光変換素子４０は、協同的にパララックスバリアとして機能し、表示パネル５０の第１画素群と第２画素群とに右目用の画像と左目用の画像とをそれぞれ表示することによって、立体表示が可能になる。

このように、本発明による画像表示装置１００は、協同的にパララックスバリアとして機能する偏光分離素子２０、集光素子３０および偏光変換素子４０を有しているので、立体表示を行うことができる。画像表示装置１００では、従来のパララックスバリアのように遮光領域で光を吸収するのではなく、集光スポットを形成することによって選択的に光を出射させるので、照明装置１０からの光を有効に利用することができ、明るい表示（立体表示および２次元表示の両方）を実現することができる。また、明るい２次元表示を行うためにパララックスバリアを装置から取り外す必要もないので、パララックスバリアを高い位置精度で再び装置に取り付けるための複雑な機構も必要とせず、装置の小型化、低コスト化の点で有利である。また、従来の一般的な液晶表示装置では、照明装置から出射した光の約半分が表示パネルの光入射側に設けられる偏光板で吸収されて表示に用いることができないのに対して、本発明による画像表示装置１００では、照明装置１０からの光のほぼ全てを、表示パネル１０の光入射側に設けられた偏光板６１の透過軸に偏光方向が略一致した直線偏光として偏光変換素子４０から出射させる事ができるので、従来の一般的な液晶表示装置に比べても明るい表示を実現することができる。

偏光分離素子２０としては、例えば、図４に示す素子を好適に用いることが出来る。図４に示す偏光分離素子２０は、一対の透明基板２２および２３と、これらの間に設けられたプリズム２１ａおよび光学的異方性物質層２１ｂとを有している。プリズム２１ａは、紙面の上下方向に規則正しく一定の周期的で設けられた三角プリズムであり、例えば透明基板２３に一体に形成され得る。

光学的異方性物質層２１ｂは、プリズム２１ａの周期方向の偏光方向を有する直線偏光（ここではＰ１）に対する屈折率は、プリズム２１ａの屈折率と異なっており、これに直交する偏光方向を有する直線偏光（ここではＰ２）に対する屈折率は、プリズムの屈折率と略一致している。

偏光分離素子２０に透明基板２２の法線方向から入射した光の内の直線偏光Ｐ２にとっては、光学的異方性物質層２１ｂおよびプリズム２１ａの屈折率は互いに略一致しているので、これらの界面で屈折されること無く直進する。これに対し、直線偏光Ｐ１にとっては、光学的異方性物質層２１ｂおよびプリズム２１ａの屈折率は互いに異なるので、この界面で屈折される。その結果、直線偏光Ｐ１とＰ２とは、偏光分離素子２０の透明基板２３から異なる角度（分離角θ）で出射される。分離角θは、プリズム２１ａと光学的異方性物質層２１ｂとの界面における屈折角を調整することによって制御され得る。

なお、図４に示した偏光分離素子２０を用いて分離した２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２を、集光素子３０および偏光変換素子４０に対して互いに対称に入射させるために、図５に示すように、集光素子３０および偏光変換素子４０が設けられる基板３１の法線（図中の破線）が直線偏光Ｐ１とＰ２とのなす角（分離角）を二等分するように配置することが好ましい。このように配置することによって、液晶表示装置の視角依存の影響を最小限に抑えることができる。図５では、集光素子３０以降の構成要素を偏光分離素子２０の法線に対して傾ける構成としたが、表示パネル５０以降、または表示パネル５０のみを傾ける構成としてもよい。

また、図４に示す偏光分離素子２０以外の公知の偏光分離素子を用いることもできる。例えば、図６（ａ）および（ｂ）に示すような、方解石や水晶などの一軸性結晶から形成された２つのプリズムの光学軸を直交させて貼り合わせたウォラストン・プリズム２０’やロション・プリズム２０’’を用いてもよい。ウォラストン・プリズムおよびロション・プリズムは、例えば、辻内順平著、「光学概論ＩＩ」、ｐ１９３−１９４に開示されている。

図６（ａ）に示すウォラストン・プリズム２０’に常光線（ここではＰ１）と異常光線（ここではＰ２）とが入射すると、２つのプリズムの光学軸が直交しているので、２つのプリズムの境界において常光線と異常光線の進行方向が変わり、常光線および異常光線はウォラストン・プリズム２０’から互いに異なる方向に出射する。このとき、常光線および異常光線は、ウォラストン・プリズム２０’の光出射面に対して対称な角度で出射されるので、集光素子３０や表示パネル５０を光軸に対して傾けなくても、液晶表示装置の視角依存の影響を最小限に抑制することができる。

図６（ｂ）に示すロション・プリズム２０’’は、光入射側のプリズムの光学軸の方向が図６（ａ）に示すウォラストン・プリズム２０’とは異なっている。ロション・プリズム２０’’に常光線（ここではＰ１）と異常光線（ここではＰ２）とが入射すると、２つのプリズムの境界において異常光線のみが進行方向を変えられるので、常光線と異常光線とを互いに異なる方向に出射することができる。

次に、図７（ａ）および（ｂ）を参照しながら、集光素子３０および偏光変換素子４０の好ましい構成を説明する。

集光素子３０は、透明基板３１の光入射側にピッチＰで配列されたレンチキュラーレンズ３２を有し、偏光変換素子４０は、透明基板３１の光出射側にピッチＰで配列された第１偏光変換部（λ／２板）４２と、第１偏光変換部４２間に配置された開口部（λ／２板が設けられていない領域）とを有している。本実施形態では、レンチキュラーレンズ３２および第１偏光変換部４２の配列ピッチＰは、配列方向における画素ピッチの略４倍である。第１偏光変換部４２は、レンチキュラーレンズ３２の延設方向と略平行にストライプ状に形成されている。また、本実施形態では、個々のレンチキュラーレンズ３２の幅はピッチＰとほぼ一致しており、個々の第１偏光変換部４２の幅は略Ｐ／４（画素ピッチとほぼ同じ）である。

レンチキュラーレンズ３２に２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２が入射すると、レンチキュラーレンズ３２の集光機能によって、２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２に対応して２つの集光スポットが形成される。具体的には、一方の直線偏光Ｐ１は第１偏光変換部４２上にその集光スポットが形成され、他方の直線偏光Ｐ２は第１偏光変換部４２が設けられていない部分にその集光スポットが形成される。つまり、偏光変換素子４０は、直線偏光Ｐ１の集光スポットの中心を含む第１領域Ｒ１（例えば幅が略Ｐ／４）に第１偏光変換部４２を有し、直線偏光Ｐ２の集光スポットの中心を含む第２領域Ｒ２（例えば幅が略Ｐ／４）には第１偏光変換部４２を有していない。

図８に示すように、レンチキュラーレンズ３２および偏光変換素子４０は、レンチキュラーレンズ３２と偏光変換素子４０との間の距離をｄ、これらの間に存在する媒体の屈折率をｎとすると、θ＝２×ｔａｎ^-1（ｎ×Ｐ／４ｄ）の関係を満足するように配置されることが好ましい。なお、図８では簡単のために、透明基板３１を省略し、ｎ＝１の場合を図示しているが、透明基板３１として例えば屈折率が１．５２のガラス基板を用いると、θ＝２×ｔａｎ^-1（１．５２×Ｐ／４ｄ）の関係を満足するように配置される。

なお、集光スポットは収束点（光束の断面積が最も小さくなる点）と一致することを要しないが、第１偏光変換部４２における集光スポットの幅は、第１偏光変換部４２の幅よりも小さいことが好ましい。収束点は、例えば偏光変換素子４０の近傍から表示パネル５０の画素の近傍との間に形成されることが好ましい。また、偏光変換素子４０上での集光スポットの中心間の間隔は、レンチキュラーレンズ３２のピッチＰの２分の１と略等しいことが好ましい。

偏光変換素子４０の第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２から出射される直線偏光の偏光方向と、偏光板６１の透過軸とは略一致している。集光素子３０の集光機能が十分に高ければ、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間の第３領域Ｒ３（例えば幅が略Ｐ／４）からは光はほとんど出射しないが、集光素子３０の集光機能が十分ではない場合、第３領域Ｒ３からも光が出射し、この光が表示パネル５０に入射すると、ゴースト（二重像）の原因となる。そのため、ゴーストの発生を抑制して表示品位を向上する観点からは、第３領域Ｒ３から出射する光の偏光方向が、偏光板６１の透過軸と略直交するような構成を採用することが好ましい。

具体的には、図９に示すように、偏光変換素子４０が、第３領域Ｒ３のうちの第１領域Ｒ１よりも第２領域Ｒ２に近い部分（例えば幅が略Ｐ／８）に配置され直線偏光Ｐ２のうちの一部の偏光方向を変える第２偏光変換部４４を有していることが好ましい。第２偏光変換部４４は、遅相軸が所定の角度で配置された位相差板などであり、例えば直線偏光Ｐ２の偏光方向を９０°回転させるように配置されたλ／２板である。

このような第２偏光変換部４４を有していない場合、図１０（a）に示すように、第３R領域R３に入射した直線偏光P１およびP２のうち、直線偏光P１は偏光方向が偏光板６１の透過軸と略直交しているので偏光板６１で吸収されるものの、直線偏光P２は偏光方向が偏光板６１の透過軸と略一致しているので偏光板６１を透過して表示パネル５０に入射し、ゴーストの原因となってしまう。

これに対して、第３領域Ｒ３の第２領域Ｒ２に近い部分に第２偏光変換部４４を有していると、図１０（ｂ）に示すように、第３領域R３に入射した直線偏光P２の偏光方向は９０°回転して偏光板６１の透過軸と略直交する。そのため、第３領域R３に入射した直線偏光P２は、偏光板６１で吸収されるので、ゴーストの発生が抑制された高品位の表示が可能になる。

次に、図１１を参照しながら、本発明による他の画像表示装置２００を説明する。

図１１に示す画像表示装置２００は、偏光分離素子２０と集光素子３０との間に配置された光散乱素子７０を備えている点において、図１などに示す画像表示装置１００と異なっている。

画像表示装置２００が備える光散乱素子７０は、供給される電圧に応じて、入射した直線偏光の偏光方向を維持する状態と、入射した直線偏光を散乱してその偏光状態を乱す状態とをとり得る。

光散乱素子７０としては、図１２（ａ）および（ｂ）に示すような高分子分散型液晶セルを用いることができる。図１２（ａ）および（ｂ）に示す高分子分散型液晶セル７０は、一対の透明基板（例えばガラス基板）７１および７２と、これらの間に設けられた高分子マトリクス（例えば樹脂から形成されている）７３と、高分子マトリクス中に分散され液晶分子を含むドロップレット７４とを有している。一対の透明基板７１および７２の高分子マトリクス７３側の表面には、高分子マトリクス７３およびドロップレット７４に電圧を印加するための電極がそれぞれ形成されている。

液晶セル７０の電極間に電圧が印加されていないとき、図１２（ａ）に示すように、ドロップレット７４内の液晶分子はドロップレット７４の界面に沿うように配向し、ドロップレット７４の屈折率と高分子マトリクス７３の屈折率とが異なっている。そのため、液晶セル７０に入射した直線偏光は散乱され、その偏光状態を乱されてランダムな偏光となる。

液晶セル７０の電極間に十分に大きな電圧が印加されると、図１２（ｂ）に示すように、ドロップレット７４内の液晶分子は透明基板７１および７２の法線方向に沿って配向し、ドロップレット７４の屈折率と高分子マトリクス７３の屈折率とがほぼ一致する。そのため、液晶セル７０に入射した直線偏光はその偏光方向を維持される。

光散乱素子７０を備えた画像表示装置２００では、光散乱素子７０が図１２（ｂ）に示すように直線偏光の偏光方向を維持する状態をとっているとき、図１３（ａ）に示すように画像表示装置１００と同様の立体表示を行うことができる。勿論、この状態で２次元表示を行うこともできる。

一方、光散乱素子７０が図１２（ａ）に示すように直線偏光を散乱する状態をとっていると、図１３（ｂ）に示すように、偏光分離素子２０から出射された２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２は、光散乱素子７０によって散乱されてランダムな偏光となるので、集光素子３０によって集光スポットは形成されず、偏光変換素子４０にはランダムな偏光が到達する。偏光変換素子４０に到達したランダムな偏光は、第１偏光変換部４２や第２偏光変換部４４を通過してもランダムな偏光のままであるので、偏光板６２には偏光変換素子４０のほぼ全面から出射されたランダムな偏光が到達する。つまり、この状態では、偏光分離素子２０、集光素子３０および偏光変換素子４０は、パララックスバリアとして機能しない。そのため、この状態では、表示パネル１０の画素の全てを両眼のそれぞれで視認することができ、解像度の高い２次元表示が可能になる。なお、この状態では、偏光変換素子４０から偏光板６２に向けて出射される光の約半分が偏光板６１で吸収されるので、図１３（ａ）に示す状態で行う２次元表示に比べれば明るさ自体は低下する。しかしながら、一般的な液晶表示装置と同様の明るさを確保できるので、パララックスバリアを備えた従来の画像表示装置に比べれば、明るく、且つ、解像度の高い２次元表示を行うことができる。

なお、ここでは光散乱素子７０が偏光分離素子２０と集光素子３０との間に配置されている場合を例示したが、光散乱素子７０は偏光分離素子２０と偏光変換素子４０との間であればどこに配置してもよい。

次に、照明装置１０、偏光分離素子２０および集光素子３０の好ましい配置関係を説明する。

照明装置１０としては、光源が導光板の少なくとも一方の端面（入射端面）側に配置されたエッジライト方式の照明装置を用いることができる。

図１４（ａ）および（ｂ）に、エッジライト方式の照明装置１０を模式的に示す。照明装置１０は、図１４（ａ）および（ｂ）に示すように、光源１２と導光板１４とを有している。光源１２としては例えば冷陰極管を用いることができる。導光板１４は、光源１２から出射された光を受ける入射端面１４ａと、入射端面１４ａに交差し、入射端面１４ａから入射した光を偏光分離素子２０に向けて出射する出射面１４ｂとを有している。

光源１２から出射され導光板１４の入射端面１４ａから導光板１４内に入射した光は、導光板１４中を第１の方向（図中の矢印参照）に伝播しながら、出射面１４ｂから偏光分離素子２０に向けて出射される。線状の光源１２は第２の方向（図中の矢印参照）に沿って配置されており、第１の方向は第２の方向に直交する。一般に導光板１４は、第１の方向を長手方向とする長方形である。つまり、第１方向に略平行な辺と、第１方向に略直交する第２方向に略平行な辺とを有している。導光板１４のＢ−Ｂ’線（第１の方向）に沿った断面の形状は、例えば図１４（ｂ）に示すような楔型であるが、これに限られない。特に、光源１２を両側に配置した導光板はＢ−Ｂ’線に沿った断面形状が一般に左右対称である。

エッジライト方式の照明装置１０から出射される光の強度分布（配光分布）は、図１５に示すように方向依存性を有している。図１５の横軸は出射面法線と出射光とが成す角度であり、縦軸は出射光強度である。ここでは、取り込み角が±６０度で測定した結果を例示している。

図１５に示したように、光の伝播方向である第１方向（図１４（ａ）中Ｂ−Ｂ’線方向）においては、出射光の平行度は高く、第１方向に直交する第２方向（図１４（ａ）中Ａ−Ａ´線方向）においては、出射光の平行度が低い。特に、出射光の平行度が、図１４の配光分布を示すグラフにおける半値幅（ＦＷＨＭ）角が３０°（±１５°）以下であると、レンチキュラーレンズなどの集光素子で効率良く集光することが出来る。

導光板１４から出射される光の強度分布は上述したような方向依存性を有しているので、導光板１４の入射端面１４ａの長手方向（延びる方向；すなわち第２方向）と、偏光分離素子２０によって分離された２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２の主光線によって規定される面とが略直交し、且つ、集光素子３０がその面内で直線偏光Ｐ１およびＰ２を集光するように配置されている構成を採用することによって、照明装置１０から出射される光の内で平行度が高い方の光を効率的に利用することができ、その結果、光源１２から出射される光全体の利用効率を向上することができる。

具体的には、図４に示す偏光分離素子２０を用いる場合には、プリズム２１ａの周期方向を第１方向に略平行（第２方向に略直交）とすることによって、２つの直線偏光Ｐ１およびＰ２の主光線によって規定される面を第２方向に略直交させることができる。また、図７（ａ）および（ｂ）に示すように集光素子３０が複数のレンチキュラーレンズ３２を備えている場合には、それぞれのレンチキュラーレンズ３２の延設方向（延びる方向）を第２方向と略平行とすることによって、偏光分離素子２０で分離された直線偏光Ｐ１およびＰ２の主光線を含む面内でそれぞれの直線偏光Ｐ１およびＰ２を集光することができる。なお、このとき、第１集光スポットと第２集光スポットとは、第１方向に沿って交互に配置（形成）される。

なお、エッジライト方式の照明装置としては、上述した冷陰極管を用いるタイプに限られず、発光ダイオード等を用いるタイプでもよい。例えば、図１６（ａ）および（ｂ）に示す照明装置１０’のように、発光ダイオード１２ａを入射端面１４ａに線状に複数個配列してもよい。あるいは、図１７（ａ）および（ｂ）に示す照明装置１０’’のように、２つの発光ダイオード１２ａの間に、導光板１４の入射端面１４ａに対向する出射端面を有する線状の導光体１２ｂを配置した照明装置１０’’を用いてもよい。

また、本実施形態では、第１画素群および第２画素群の一方を右目に視認させ、他方を左目に視認させることによって立体画像を表示する場合を例に本発明を説明したが、本発明による画像表示装置は、第１画素群および第２画素群の一方をある観察者（例えば乗用車の運転席に座っている人）に視認させ、他方を他の観察者（例えば乗用車の助手席に座っている人）に視認させることによって、複数の観察者に対して別々の画像表示を行う用途にも用いることができる。

本発明によると、明るい表示が可能で、かつ、低コストで製造でき、立体画像表示装置として好適に用いられる画像表示装置が提供される。

本発明は、特に立体表示を行う液晶表示装置に好適に用いられ、透過型液晶表示装置にも透過反射両用型液晶表示装置にも好適に用いられる。

本発明による画像表示装置を模式的に示す図である。 （ａ）は、本発明による画像表示装置に用いられる偏光分離素子の機能を説明するための図であり、（ｂ）は、本発明による画像表示装置に用いられる集光素子および偏光変換素子の機能を説明するための図である。 本発明による画像表示装置を模式的に示す図である。 本発明による画像表示装置に用いられる偏光分離素子の構成を模式的に示す断面図である。 偏光分離素子と集光素子および偏光変換素子との好ましい配置関係を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明による画像表示装置に用いられる他の偏光分離素子の構成を模式的に示す断面図である。 本発明による画像表示装置に用いられる集光素子および偏光変換素子の構成を模式的に示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図である。 本発明による画像表示装置に用いられる集光素子と偏光変換素子の好適な配置を模式的に示す図である。 本発明による画像表示装置に用いられる他の集光素子および偏光変換素子の構成を模式的に示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、第２偏光変換部を有する偏光変換素子の作用を説明するための図である。 本発明による他の画像表示装置を模式的に示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明による他の画像表示装置に用いられる光散乱素子を模式的に示す断面図であり、（ａ）は電圧無印加時、（ｂ）は電圧印加時に相当する。 （ａ）および（ｂ）は、本発明による他の画像表示装置を模式的に示す図であり、（ａ）は光散乱素子が入射直線偏光の偏光方向を維持する状態をとっているときを示し、（ｂ）は光散乱素子が入射直線偏光を散乱する状態をとっているときを示している。 本発明による画像表示装置に用いられるエッジライト方式の照明装置を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。 図１３に示す照明装置から出射される光の配光分布を示すグラフである。 本発明による画像表示装置に用いられる他のエッジライト方式の照明装置を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 本発明による画像表示装置に用いられるさらに他のエッジライト方式の照明装置を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 パララックスバリアを備えた従来の立体画像表示装置を模式的に示す断面図である。 パララックスバリアを備えた従来の他の立体画像表示装置を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０、１０’、１０’’ 照明装置
１２ 光源
１２ａ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
１４ 導光板
１４ａ 入射端面
１４ｂ 出射面
２０ 偏光分離素子
２０’ ウォラストン・プリズム（偏光分離素子）
２０’’ ロション・プリズム（偏光分離素子）
２１ａ プリズム
２１ｂ 光学的異方性物質層
２２、２３ 透明基板
３０ 集光素子
３１ 透明基板
３２ レンチキュラーレンズ
４０ 偏光変換素子
４２ 第１偏光変換部
４４ 第２偏光変換部
５０ 表示パネル（液晶表示パネル）
６１、６２ 偏光板
７０ 光散乱素子（高分子分散型液晶セル）
７１、７２ 透明基板
７３ 高分子マトリクス
７４ ドロップレット
１００、２００ 画像表示装置

Claims (16)

1. 光源を含む照明装置と、
   前記照明装置から出射された光を受け、偏光方向が互いに直交する第１および第２直線偏光に分離し、前記第１および前記第２直線偏光の主光線を互いに分離角θだけ異なる方向に出射する偏光分離素子と、
   前記偏光分離素子から出射された前記第１および第２直線偏光を受け、前記第１および第２直線偏光をそれぞれ集光し、第１および第２集光スポットを形成する集光素子と、
   前記第１および第２集光スポットの内の少なくとも第１集光スポットの近傍に配置され当該直線偏光の少なくとも一部の偏光方向を変える第１偏光変換部を有する偏光変換素子と、
   前記偏光変換素子から出射された光を用いて画像を表示する表示パネルと、を備えた画像表示装置。
2. 前記表示パネルと前記偏光変換素子との間に設けられた偏光板をさらに備え、
   前記偏光変換素子は、前記第１集光スポットの中心を含む第１領域と、前記第２集光スポットの中心を含む第２領域とを有し、
   前記偏光変換素子の前記第１領域および前記第２領域から出射された直線偏光の偏光方向と、前記偏光板の透過軸とが略一致している、請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１偏光変換部は前記第１領域のみに配置されている、請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記偏光変換素子は、前記第１領域と前記第２領域との間に配置された第３領域をさらに有し、
   前記第３領域から出射した直線偏光の偏光方向と、前記偏光板の透過軸とが略直交している、請求項２または３に記載の画像表示装置。
5. 前記偏光変換素子は、前記第３領域のうちの前記第１領域よりも前記第２領域に近い部分に配置され前記第２直線偏光のうちの一部の偏光方向を変える第２偏光変換部を有している、請求項４に記載の画像表示装置。
6. 前記第２偏光変換部は位相差板である、請求項５に記載の画像表示装置。
7. 前記第１偏光変換部は位相差板である、請求項１から６のいずれかに記載の画像表示装置。
8. 前記偏光分離素子と前記偏光変換素子との間に配置された光散乱素子をさらに備え、
   前記光散乱素子は、供給される電圧に応じて、入射した直線偏光の偏光方向を維持する状態と、入射した直線偏光を散乱してその偏光状態を乱す状態とをとり得る、請求項１から７のいずれかに記載の画像表示装置。
9. 前記照明装置は、前記光源から出射された光を受ける入射端面と前記入射端面に交差し前記入射端面から入射した光を前記偏光分離素子に向けて出射する出射面とを有する導光板を有し、
   前記入射端面の長手方向と、前記偏光分離素子によって分離された前記第１および第２直線偏光の主光線によって規定される面とが略直交し、且つ、前記集光素子は前記第１および第２直線偏光の主光線によって規定される前記面内で前記第１および第２直線偏光を集光するように配置されている、請求項１から８のいずれかに記載の画像表示装置。
10. 前記導光板は、第１方向に略平行な第１辺と、前記第１方向に略直交する第２方向に略平行な第２辺とを有し、前記入射端面は前記第２方向に平行である、請求項９に記載の画像表示装置。
11. 前記第１集光スポットと前記第２集光スポットとは、前記第１方向に沿って交互に配置されている、請求項１０に記載の画像表示装置。
12. 前記集光素子は複数のレンチキュラーレンズを備え、前記複数のレンチキュラーレンズのそれぞれの延設方向は前記第２方向と略平行である、請求項１０または１１に記載の画像表示装置。
13. 前記複数のレンチキュラーレンズは前記第１方向にピッチＰで配列されており、
    前記分離角θは、前記レンチキュラーレンズと前記偏光変換素子との間の距離をｄ、前記レンチキュラーレンズと前記偏光変換素子との間に存在する媒体の屈折率をｎとすると、θ＝２×ｔａｎ^-1（ｎ×Ｐ／４ｄ）の関係を満足する、請求項１２に記載の画像表示装置。
14. 前記照明装置から出射される光の、前記第１および前記第２直線偏光の主光線を含む面内の配光分布の半値幅角は約３０°以下である、請求項９から１３のいずれかに記載の画像表示装置。
15. 前記表示パネルは、第１の画像を表示するための第１画素群と、第２の画像を表示するための第２画素群とを有する、請求項１から１４のいずれかに記載の画像表示装置。
16. 前記第１画素群が表示する前記第１の画像は右目用の画像であり、前記第２画素群が表示する前記第２の画像は左目用の画像である、請求項１５に記載の画像表示装置。

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