JP2008089906A - レンズアレイユニットおよびそれを備えた立体映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズピッチ変動や反りが発生しにくく比較的低コストのレンズアレイユニットを提供する。
【解決手段】レンズアレイユニット２０は、均一な厚さのガラス基板２０２とレンズアレイ層２０１と平坦層２０３とからなる。レンズアレイ層２０１と平坦層２０３は樹脂材料からなる。レンズアレイ層２０１と平坦層２０３は、ガラス基板２０２を介して互いに対向するように、ガラス基板２０２の両側に接着層２０４によって貼り付けられている。レンズアレイ層２０１と平坦層２０３は略同一の厚さを有し、ガラス基板２０２より薄い。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レンズアレイユニットおよびそれを備えた立体映像表示装置に関する。

動画表示が可能な立体視画像表示装置、所謂、３次元ディスプレイには、種々の方式が知られている。近年、特にフラットパネルタイプで、且つ、専用の眼鏡等を必要としない方式の要望が高くなっている。このタイプの立体動画表示装置のうち、ホログラフィの原理を利用する方式はフルカラー動画の実現が難しいが、直視型或いは投射型の液晶表示装置やプラズマ表示装置などのような画素位置が固定されている表示パネル（表示装置）の直前に表示パネルからの光線を制御して観察者に向ける光線制御素子を設置する方式はフルカラー動画の実現が比較的易しい。

光線制御素子は、一般的にはパララクスバリア或いは視差バリアとも称せられ、光線制御素子上の同一位置でも角度により異なる画像が見えるように光線を制御している。具体的には、左右視差（水平視差）のみを与える場合には、スリット或いはレンチキュラーシート（シリンドリカルレンズアレイ）が用いられ、上下視差（垂直視差）も含める場合には、ピンホールアレイ或いはレンズアレイが用いられる。視差バリアを用いる方式にも、さらに２眼式、多眼式、超多眼式（多眼式の超多眼条件）、インテグラルフォトグラフィー（以下、ＩＰとも云う）に分類される。これらの基本的な原理は、１００年程度前に発明され立体写真に用いられてきたものと実質上同一である。

このうちＩＰ方式は、視点位置の自由度が高く、楽に立体視できるという特徴がある。水平視差のみで垂直視差のない１次元ＩＰ方式では、非特許文献１に記載されているように、解像度の高い表示装置の実現も比較的容易である。これに対し、２眼方式や多眼方式では、立体視できる視点位置の範囲、すなわち視域が狭く、見にくいという問題があるが、立体画像表示装置としての構成としては最も単純であり、表示画像も簡単に作成できる。
ＳＩＤ０４ Ｄｉｇｅｓｔ １４３８ （２００４）

このような直視型裸眼立体表示装置に使用されるレンチキュラーシートの材質の例として、樹脂製、ガラス製、ガラス基板に貼り付けた樹脂（ハイブリッドレンチキュラーシート）、ガラス基板上に樹脂でレンズ形状を直接形成（ハイブリッドレンチキュラーシート）などが知られている。樹脂の材質はＰＭＭＡやＰＣなどが一般的である。また、レンズ形状の例として、片凸、両凸、片凸２層構造、表側が片凸かつ裏側がプリズム形などが知られている。また、外光反射防止のため、レンズアレイ凸部表面を液晶パネル側に向ける方法が一般的であり、この場合、レンズアレイ表面（画像表示する領域）はレンズ効果確保のため液晶パネル表面とは接着しない。

十分な立体表示特性を得るためには、レンズピッチやレンズ・画素間距離の誤差、温度による変動、面内分布を抑制する必要がある。しかし、樹脂製レンチキュラーシートは、線膨張係数が大きいため、温度変化によるレンズピッチ変動が大きいうえ、平坦性やその安定性が悪い。ガラス製レンチキュラーシートは、レンズピッチ変動は小さく平坦性もよいが、高コストである。ハイブリッドレンチキュラーシートは、初期状態の平坦性はよいがガラスと樹脂の線膨張係数の違いから温度変化による反りが発生し、長期間使用後に反りが残留する。

このように、樹脂製レンチキュラーシートはレンズピッチ変動が発生しやすいうえに平坦性やその安定性が悪く、平坦性がよくレンズピッチ変動が発生しにくいガラス製レンチキュラーシートは高コストであり、両者の利点を活かしたハイブリッドレンチキュラーシートは反りが発生しやすい。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、レンズピッチ変動や反りが発生しにくく比較的低コストのレンズアレイユニットおよびそれを用いた立体画像表示装置を提供することである。

本発明によるレンズアレイユニットは、平坦な第１の表面とこれに平行な平坦な第２の表面を有する均一な厚さのガラス基板と、ガラス基板の第１の表面に接着されたレンズアレイ層と、ガラス基板の第２の表面に接着された平坦層とからなる。平坦層とレンズアレイ層はガラス基板を介して対向する。レンズアレイ層は第１の樹脂材料からなり、ガラス基板より薄い。平坦層は第２の樹脂材料からなり、ガラス基板より薄く、レンズアレイ層と略同一の厚さを有する。

本発明による立体映像表示装置は、前述のレンズアレイユニットと、このレンズアレイユニットのレンズアレイ層側に対向して配置された、要素画像を表示するマトリクス状に配列された画素を有する表示ユニットとを含み構成される。

本発明によれば、レンズピッチ変動や反りが発生しにくく比較的低コストのレンズアレイユニットが提供される。また、それを用いた耐久性・信頼性の高い立体画像表示装置が提供される。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る立体映像表示装置を詳細に説明する。

図１と図２は、本発明の実施の形態によるレンズアレイユニットの斜視図である。図１は、レンズアレイが垂直方向に延びるシリンドリカルレンズのアレイである例である。図２は、レンズアレイが斜め方向に延びるシリンドリカルレンズのアレイである例である。レンズアレイユニット２０は、均一な厚さのガラス基板２０２とレンズアレイ層２０１と平坦層２０３とからなる。レンズの水平ピッチＰｓは、後述する表示ユニットの要素画像表示部の画素行方向に一致する方向のピッチである。レンズアレイ層２０１は樹脂からなり、プレス成型や射出成型や押し出し成型により安価に製造できる。樹脂は線膨張係数が大きいので、温度や経時変化によるＰｓの変動を抑制するために、レンズアレイ層２０１は厚いガラス基板２０２に貼り付けられている。さらに、ガラスと樹脂の線膨張係数の差による反りを防止するため、ガラス基板２０２のレンズアレイ層２０１の反対側に、ほぼ同じ厚さの平坦層２０３が貼り付けられている。レンズアレイ層２０１と平坦層２０３はガラス基板２０２を介して対向する。平坦層２０３も樹脂からなり、延伸法などにより安価に製造できる。レンズアレイ層２０１の各レンズ主点を基準にした各方向の光線によって立体表示を行うため、視差を考慮して、平坦層２０３の面積はレンズアレイ層２０１の面積よりやや大きくしてある。しかし、両者の面積はほぼ同一であってもよい。ガラス基板２０２の面積はレンズアレイ層２０１の面積よりやや大きくしてあり、余剰部分はレンズアレイユニット２０は表示ユニットに固定するための接着部として利用してよい。

図３〜図５は、本発明の実施の形態によるレンズアレイユニット２０の水平断面図である。図中、同一の参照符号で示された部材は同様の部材である。

図３のレンズアレイユニット２０では、レンズアレイ層２０１と平坦層２０３がガラス基板２０２の両側に接着層２０４によって貼り付けられている。レンズアレイ層２０１と平坦層２０３はガラス基板２０２より薄く、略同一の厚さを有し、略同一の膨張率を有する。ガラス基板２０２の厚さは、レンズアレイ層２０１の厚さ（平坦層２０３の厚さ）より厚いことが望ましい。ガラス基板２０２の厚さがレンズアレイ層２０１と平坦層２０３の厚さの合計より厚ければ、反りに対する安定性は向上するが、重量は増大する。接着層は、望ましくは、同一の材料であるとよい。これにより、ガラス基板２０２の両側で接着強度や柔軟性がつり合い、反り防止に有効である。レンズアレイ層２０１と平坦層２０３は、望ましくは、同一の材料であるとよい。これにより、ガラス基板２０２の両側で線膨張係数がつり合い、反り防止に有効である。ガラス基板の厚さは、例えば一般的な０．７ｍｍや１．１ｍｍのものや、さらに厚い数ｍｍのものを必要に応じ選択する。レンズアレイ層の厚さは、例えば０．２ｍｍから０．５ｍｍ程度、レンズの間の掘り込みが０．０５ｍｍから０．１ｍｍ程度のものを、設計に応じ選択する。平坦層の厚さはレンズアレイ層と同じ、例えば０．２ｍｍから０．５ｍｍ程度のものを選択する。

図４のレンズアレイユニット２０では、平坦層２０３が多層構造であり、複数の樹脂材料層からなる。平坦層２０３は樹脂層２０３ａと樹脂層２０３ｂとからなり、反り防止のために望ましくは、そのうち少なくとも１層がレンズアレイ層２０１と同一材料であるとよい。また、表側の樹脂層２０３ｂは反射防止機能を持つ層、例えばＡＲ（アンチリフレクション）コート層やＡＧ（アンチグレア）層などであってもよい。また、内側の樹脂層２０３ａは偏光フィルム層などであってもよい。ただし偏光フィルム層は、表示ユニットとレンズアレイ層２０１の間に位置するようにしないと、樹脂レンズの位相差による偏光解消の影響を受ける。また、偏光フィルムを含める場合は、レンズアレイとの角度合わせが必要になる。

図５のレンズアレイユニット２０は、図３のレンズアレイユニット２０とほぼ同一であるが、ガラス基板２０２とレンズアレイ層２０１と平坦層２０３がほぼ同一の面積を有している。このレンズアレイユニット２０では、要素画像表示部の表示範囲より大きい面積にレンズアレイ層が形成されており、すべてのレンズを表示に使用するとは限らず、周辺部のレンズは表示ユニットとの固定部として使用してもよい。

このようなレンズアレイユニット２０は、レンズ表面の凹凸などの細部を無視すれば厚さ方向にほぼ対称構造であることにより反りが防止されるとともにレンズピッチ変動が抑制されるため、耐久性・信頼性が向上する。またハイブリッド構造であるため、比較的低コストで製作できる。

比較例として、反りが発生しやすいレンズアレイユニットを図１３に示す。図１３のレンズアレイユニット２０では、ガラス基板２０２の片側だけにレンズアレイ層２０１が接着されている。このレンズアレイユニット２０では、ガラスと樹脂の線膨張係数の違いのため、温度により反りが発生しやすく、長期間使用後に反りが残留する場合もある。ガラス基板２０２を非常に厚くすれば反りは発生しなくなるが、全体の重量が増大するため好ましくない。

比較例として、反りが発生しやすい別のレンズアレイユニットを図１４に示す。図１４のレンズアレイユニット２０では、ガラス基板２０２の両側にレンズアレイ層２０１と平坦層２０３が設けられているが、レンズアレイ層２０１に比べて平坦層２０３が薄い。このレンズアレイユニット２０では、レンズアレイ層２０１と平坦層２０３のつり合いが悪いため、反りが発生しやすい。

比較例として、また別のレンズアレイユニットを図１５に示す。図１５のレンズアレイユニット２０では、ガラス基板２０２の両側にレンズアレイ層２０１が接着されている。このレンズアレイユニット２０は対称構造であるため、反りは発生しにくい。しかし、両側のレンズアレイ層２０１の製造時の位置合わせが困難であるうえ、立体表示特性においても視差の制約から視域が十分に確保できない。

比較例として、さらに別のレンズアレイユニットを図１６に示す。図１６のレンズアレイユニット２０はすべて樹脂材料からなるため、温度によるレンズピッチ変動が大きく、平坦性やその安定性も悪いため、立体表示性能が安定しない。

図６〜図８は、前述のレンズアレイユニット２０を表示ユニット１０と組み合わせた立体映像表示装置１の水平断面図である。図６〜図８に示すように、立体映像表示装置１は、レンズアレイユニット２０と、要素画像を表示するマトリクス状に配列された画素を有する表示ユニット１０とを有する。表示ユニット１０は、レンズアレイユニット２０のレンズアレイ層２０１側に対向して配置されている。表示ユニット１０はガラス基板１０１と偏光フィルム１０２などから構成され、透過型液晶表示パネルなどの場合はバックライトユニット１０３も含む。

レンズアレイユニット２０は、レンズアレイ層２０１側が表示ユニット１０側に面するように配置されているが、平坦層２０３側が表示ユニット１０に面するように配置された構造においても立体表示は可能である。しかし、耐久性や信頼性の確保のために厚いガラス基板２０２を用いた場合、レンズ焦点距離が長くなるためにレンズ設計に制約が出る。また、レンズ凸面による外光反射を防止するためにさらに外側にフェースガラスを設置させると部材点数や重量が増大する。

図６の立体映像表示装置１では、レンズアレイユニット２０と表示ユニット１０は、レンズアレイ層２０１が表示ユニット１０表面に接することなく、周辺部のみで固定されている。周辺部において、レンズアレイユニット２０と表示ユニット１０の間の距離を保持するためのスペーサ５０２を介して、レンズアレイユニット２０のガラス基板２０２と表示ユニット１０のガラス基板１０１とが接着剤５０１によって固定されている。スペーサ５０２は、金属板、樹脂板、ガラス板などが使用できるが、板状でなく棒状や小片であってもよい。接着剤５０１は、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂などが使用可能である。

図７の立体映像表示装置１では、周辺部において、レンズアレイユニット２０と表示ユニット１０の間の距離を保持するためのスペーサ５０３を混入した接着剤５０１によって、レンズアレイユニット２０のガラス基板２０２と表示ユニット１０のガラス基板１０１とが固定されている。この例でも、レンズアレイユニット２０と表示ユニット１０は、レンズアレイ層２０１が表示ユニット１０表面に接することなく、周辺部のみで固定されている。スペーサ５０３は、スペーサビーズやカットファイバ、ミルドファイバなどが使用可能である。接着剤５０１は、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂などが使用可能である。

図８の立体映像表示装置１では、レンズアレイユニット２０のレンズアレイ層２０１と表示ユニット１０のガラス基板１０１とが、スペーサ５０２を介して接着剤５０１によって固定されている。この例では、レンズアレイユニット２０と表示ユニット１０は、画像表示範囲において互いに接着されず、周辺部のみで固定されている。

図６〜図８に示すように、レンズアレイユニット２０と表示ユニット１０とを直接固定することにより、両者の間の距離が安定的に固定され、立体表示性能の安定性が確保される。

図９は、本発明による、前述のレンズアレイユニット２０を表示ユニット１０と組み合わせた立体映像表示装置１の水平断面図の別の例である。図９の立体映像表示装置１では、レンズアレイユニット２０と表示ユニット１０は、直接固定されておらず、筐体などを介して固定されている。レンズアレイユニット２０には枠部５１０が取り付けられており、枠部５１０はねじ５１１などによって筐体６０に固定されている。表示ユニット１０もベゼルと筐体がねじ６１などによって筐体６０に固定されている。この立体映像表示装置１では、枠部５１０は位置が調整可能であり、これにより、レンズアレイユニット２０の位置を微調整できる。また、枠部５１０を取り外し可能であるため、レンズアレイユニット２０を着脱でき、表示ユニット１０単体で表示装置として使用できる。

次に、１次元ＩＰ方式や多眼方式の立体映像表示について図１０〜図１２を用いて説明する。

図１０は、立体映像表示装置の全体を概略的に示す斜視図である。要素画像表示部を含む表示ユニット１０は、画素がマトリクス状に配列された高精細液晶パネルモジュールである。要素画像表示部は、画素がマトリクス状に配列されたものであれば、プラズマ表示パネル、有機ＥＬ表示パネル、電界放出型表示パネルなどであってもよく、種類は問わない。観察者の想定位置４４において、水平視角４１と垂直視角４２の範囲で、レンズアレイユニット２０の前面及び背面の近傍に立体映像が観察される。

図１１は、図１０に示した立体映像表示装置の表示部を基準にして垂直面内及び水平面内における光線再生範囲を概略的に示す展開図である。図１１（ａ）に表示ユニット１０およびレンズアレイユニット２０の正面図、図１１（ｂ）に立体映像表示装置の画像配置を示す平面図、図１１（ｃ）に立体映像表示装置の側面図を示す。図１１において、レンズアレイユニット２０と視距離面４３との間の視距離Ｌ、光線制御素子水平ピッチＰｓ、光線制御素子と画素面とのギャップｄが定められれば、要素画像水平ピッチＰｅが視距離面４３上の視点からアパーチャ中心（またはレンズ主点）を要素画像表示面（画素面）上に投影した間隔により決定される。符号４６は、視点位置と各アパーチャ中心（レンズ主点）とを結ぶ線を示し、視域幅Ｗは画素面上で要素画像同士が重なり合わないという条件から決定される。平行光線の組を持つ条件の１次元ＩＰ方式の場合は、要素画像の水平ピッチの平均値がサブ画素水平ピッチの整数倍よりわずかに大きく、かつ光線制御素子の水平ピッチがサブ画素水平ピッチの整数倍に等しい。多眼方式の場合は、要素画像の水平ピッチがサブ画素水平ピッチの整数倍に等しく、かつ光線制御素子の水平ピッチがサブ画素水平ピッチの整数倍よりわずかに小さい。

図１２は、本発明による立体映像表示装置の一部分の構成を概略的に示す斜視図である。液晶パネルなどの平面状の要素画像表示部の前面に、シリンドリカルレンズアレイ（レンチキュラーシート）２０が配置されている場合を示している。図１２に示されるように要素画像表示部には、縦横比が３：１のサブ画素３１が横方向及び縦方向に夫々直線状にマトリクス状に配置され、サブ画素３１は、行方向および列方向に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）が交互に並ぶように配列されている。この色配列は、一般にモザイク配列と呼ばれる。９列３行のサブ画素３１で１つの立体映像表示時の実効画素３２（黒枠で示されている）が構成される。このような表示部の構造では、立体映像表示時の実効画素３２が２７サブ画素からなることから、１視差に３色成分が必要であるとすると、水平方向に９視差を与える立体画像・映像表示が可能となる。なお、実効画素とは立体表示時の解像度を決定する最小単位のサブ画素群をさし、要素画像とは１つのレンズに対応する視差成分画像の集合をさす。したがってシリンドリカルレンズを使用する構成の立体映像表示装置の場合は、１つの要素画像は、縦方向に並ぶ多数の実効画素を含む。

本実施形態のレンズアレイユニットでは、対称構造によりガラス基板の両側でつり合いがとれるため、レンズアレイ層の反りが抑制される。また、このようなレンズアレイユニットを用いた立体映像表示装置においては、耐久性・信頼性が向上する。

尚、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものでなく、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できる。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施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。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明によるレンズアレイユニットの斜視図である。 本発明による別のレンズアレイユニットの斜視図である。 本発明によるレンズアレイユニットの水平断面図である。 本発明による別のレンズアレイユニットの水平断面図である。 本発明によるまた別のレンズアレイユニットの水平断面図である。 本発明による立体映像表示装置の水平断面図である。 本発明による別の立体映像表示装置の水平断面図である。 本発明によるまた別の立体映像表示装置の水平断面図である。 本発明によるさらに別の立体映像表示装置の水平断面図である。 本発明による立体画像表示装置の全体構成を概略的に示す斜視図である。 本発明による立体画像表示装置の全体構成を概略的に示す展開図である。 本発明による立体画像表示装置の一部の構成を概略的に示す斜視図である。 比較例によるレンズアレイユニットの水平断面図である。 比較例による別のレンズアレイユニットの水平断面図である。 比較例によるまた別のレンズアレイユニットの水平断面図である。 比較例によるさらに別のレンズアレイユニットの水平断面図である。

符号の説明

１ 立体映像表示装置
１０ 表示ユニット
２０ レンズアレイユニット
３１ 表示ユニットのサブ画素
３２ 立体映像表示時の実効画素
４１ 水平視角
４２ 垂直視角
４３ 視距離面
４４ 観察者の想定位置
４６ 視点とアパーチャ中心を結ぶ線
６０ 筐体
６１ ねじ
１０１ 表示ユニットのガラス基板
１０２ 偏光フィルム
１０３ バックライトユニット
２０１ レンズアレイ層
２０２ ガラス基板
２０３ 平坦層
２０３ａ 樹脂層
２０３ｂ 樹脂層
２０４ 接着層
５０１ 接着剤
５０２ スペーサ
５０３ スペーサ
５１０ 枠部
５１１ ねじ

Claims (11)

1. 平坦な第１の表面とこれに平行な平坦な第２の表面を有する均一な厚さのガラス基板と、
   前記ガラス基板の第１の表面に接着され、前記ガラス基板より薄い第１の樹脂材料からなるレンズアレイ層と、
   前記ガラス基板の第２の表面に、前記レンズアレイ層に対向して接着され、前記ガラス基板より薄く、前記レンズアレイ層と略同一の厚さを有する第２の樹脂材料からなる平坦層とからなることを特徴とするレンズアレイユニット。
2. 平坦な第１の表面とこれに平行な平坦な第２の表面を有する均一な厚さのガラス基板と、
   前記ガラス基板の第１の表面に接着され、第１の樹脂材料からなるレンズアレイ層と、
   前記ガラス基板の第２の表面に、前記レンズアレイ層に対向して接着され、前記レンズアレイ層と略同一の膨張率を有する第２の樹脂材料からなる平坦層とからなることを特徴とするレンズアレイユニット。
3. 前記レンズアレイはシリンドリカルレンズアレイであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレンズアレイユニット。
4. 前記第１の樹脂材料と第２の樹脂材料は同一材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかひとつに記載のレンズアレイユニット。
5. 前記第２の樹脂材料は複数の樹脂材料層からなり、うち少なくとも１層は第１の樹脂材料と同一材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかひとつに記載のレンズアレイユニット。
6. 前記第２の樹脂材料は複数の樹脂材料層からなり、うち１層は偏光フィルム層であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかひとつに記載のレンズアレイユニット。
7. 前記平坦層は、前記レンズアレイ層より面積が大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかひとつに記載のレンズアレイユニット。
8. 前記ガラス基板の第１の表面の接着層と第２の表面の接着層は、ともに同一の接着材料からなることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかひとつに記載のレンズアレイユニット。
9. 前記平坦層の、ガラス基板側と異なる側の表面に、反射防止層が積層されている、
   請求項１ないし請求項８のいずれかひとつに記載のレンズアレイユニット。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれかひとつに記載のレンズアレイユニットと、このレンズアレイユニットのレンズアレイ層側に対向して配置された、要素画像を表示するマトリクス状に配列された画素を有する表示ユニットとを含むことを特徴とする立体映像表示装置。
11. 前記レンズアレイユニットおよび前記表示ユニットは、要素画像表示範囲のレンズアレイ層表面において互いに接着されず、周辺部のみ固定されていることを特徴とする請求項１０に記載の立体映像表示装置。

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