JP2012002898A - 立体画像認識装置 - Google Patents

Abstract

【課題】視角にあまり依存せず、優れた遮光性を有し、クロストークが抑制された良好な状態で立体像を視認させる。
【解決手段】右目用画像と左目用画像を所定周期で交互に表示する画像表示装置２と組み合わせて用いられる立体画像認識装置であって、１００ｎｍ〜１６０ｎｍの面内位相差を有し、画像表示装置の前面に配置される第１光学補償板１０と利用者に装着される一対のシャッター素子１１ａ、１１ｂと画像表示装置による右目用画像と左目用画像の切り替えに対応して一対のシャッター素子を選択的に動作させる駆動部を備える。一対のシャッター素子の各々は、電圧無印加時に垂直又は略垂直配向する液晶層を有する液晶素子１３と１００ｎｍ〜１６０ｎｍの面内位相差を有し、液晶素子を挟んで画像表示装置と対向配置される第２光学補償板１４と液晶素子及び第２光学補償板を挟んで画像表示装置と対向配置される偏光板１５を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、利用者が立体的な表示を感得し得るための画像表示技術に関する。

特開平５−２５７０８３号公報（特許文献１）には、偏光方向が９０°異なる偏光板をそれぞれ左右の目に合うように貼り合わせた偏光めがねを用いた立体表示技術について開示されている。また、特開平６−１７８３２５号公報（特許文献２）や特開２００２−８２３０７号公報（特許文献３）には、立体表示用の左右の画像に同期させて左右のシャッターを開閉させる液晶シャッターメガネを用いた立体表示技術について開示されている。

しかし、特許文献１に代表される先行例においては、液晶パネルにおいて画素列を１列おきに用いて右画像と左画像をそれぞれ形成しているため表示画像の解像度が低下するという不都合がある。また、このような偏光めがねを用いる立体表示技術の１つとして、微細偏光素子を規則正しく配列して構成された高価な光学フィルムを用いるものもある。しかし、その場合には液晶パネル等の表示装置の出射光側に上記の光学フィルムを高い精度で取り付ける必要があり、光学フィルムの設置が容易ではない。さらに、当該光学フィルムを用いる場合には、モアレを防ぐためにブラックマトリクスをより幅広に設ける必要があるため、表示装置からの出射光量が減少するという不都合もある。

一方、特許文献２、３に代表される先行例は、液晶表示装置以外の方式の表示装置にも広く適用できる優れた技術である。しかし、特許文献２には液晶シャッターメガネの具体的な構成については開示されていない。同様に、特許文献３においても液晶シャッターメガネの具体的な構成については開示されていないが、当該文献の段落００３７等における記載に鑑みると、当該シャッターメガネを構成する液晶封入ガラスの実体はＴＮ型の液晶素子であると推測される。

しかしながら、ＴＮ型の液晶素子を用いてシャッターメガネを構成した場合には、正面透過率を低くすることが比較的に難しい。すなわち、シャッターメガネの左右間における遮光性に劣る。このため、例えば左目用画像のみを視認させたいタイミングにおいて右目用画像も僅かに視認される状態（いわゆるクロストーク）を生じやすく、表示品位が低下する。また、当該シャッターメガネにおいては、視角に依存して大きな光抜けが見られる。このため、例えば画面中心では正常に視認できるが画面周縁部ではクロストークが発生したり、当該シャッターメガネを用いて立体的表示を視認する利用者が顔を振る、傾ける等によって視線を動かし液晶素子に対して傾いた方位で画面の視認を行った際に、視認される画像が入れ違い、あるいは混在するという不都合も生じやすい。

特開平５−２５７０８３号公報 特開平６−１７８３２５号公報 特開２００２−８２３０７号公報

本発明に係る具体的態様は、視角にあまり依存せず、優れた遮光性を有し、クロストークが抑制された良好な状態で利用者に立体像を視認させることを可能とする技術を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様の立体画像認識装置は、直線偏光を用いて右目用画像と左目用画像を所定周期で交互に表示する画像表示装置と組み合わせて用いられる立体画像認識装置であって、（ａ）１００ｎｍ〜１６０ｎｍの面内位相差を有し、前記画像表示装置の前面に配置される第１光学補償板と、（ｂ）利用者に装着される一対のシャッター素子と、（ｃ）前記画像表示装置による前記右目用画像と前記左目用画像の切り替えに対応して前記一対のシャッター素子を選択的に動作させる駆動部を備える。前記一対のシャッター素子の各々は、（ｄ）電圧無印加時において液晶分子が垂直又は略垂直配向する液晶層を有する液晶素子と、（ｅ）１００ｎｍ〜１６０ｎｍの面内位相差を有し、前記液晶素子を挟んで前記画像表示装置と対向配置される第２光学補償板と、（ｆ）前記液晶素子及び前記第２光学補償板を挟んで前記画像表示装置と対向配置される偏光板、を有する。

上記の立体画像認識装置によれば、視角にあまり依存せず、優れた遮光性を有し、クロストークが抑制された良好な状態で利用者に立体像を視認させることが可能となる。また、各シャッター素子はそれぞれを遮光状態とした場合であっても比較的に高い透過率を実現できるので、フェールセーフの観点でも有用である。

上記した画像表示装置は、例えば、表側に配置された表面偏光板を有する液晶表示装置である。この場合に、上記の立体画像認識装置は、前記表面偏光板の吸収軸と前記一対のシャッター素子の各々の前記偏光板の吸収軸が互いに略直交して配置されることが好ましい。

上記の立体画像認識装置においては、前記第１光学補償板の面内遅相軸と前記第２光学補償板の面内遅相軸が互いに略直交して配置されることも好ましい。

上記の立体画像認識装置において、前記第１光学補償板及び前記第２光学補償板は、各々、正の一軸光学異方性を示す光学板、負の二軸光学異方性を示す光学板又は正の二軸光学異方性を示す光学板の何れかであることが好ましい。

一実施形態の立体画像認識装置の概略構成を示す模式的な斜視図である。 立体画像認識装置の構成を示す模式的な側面図である。 液晶セルの詳細構成を示す模式的な断面図である。 立体画像認識装置の各構成における光学軸の配置例を示す図である。 各シャッター素子の電気光学特性の過渡応答の測定例を示す図である。 視角特性における方位角の定義について示す図である。 シャッター素子の視角特性の測定例を示す図である。 シャッター素子の視角特性の測定例を示す図である。 シャッター素子の視角特性の測定例を示す図である。 シャッター素子の視角特性の測定例を示す図である。 立体画像認識装置を画像表示装置に同期して動作させたときのタイムチャートの一例を示す図である。 立体画像認識装置を画像表示装置に同期して動作させたときのタイムチャートの一例を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施形態の立体画像認識装置（立体表示装置）の概略構成を示す模式的な斜視図である。また、図２は、立体画像認識装置の構成を示す模式的な側面図である。各図に示す本実施形態の立体画像認識装置１は、光学補償板１０、一対のシャッター素子１１ａ、１１ｂ、当該シャッター素子１１ａ、１１ｂを駆動する駆動部１２を含んで構成されている。

本実施形態の立体画像認識装置１は、画像形成のための光として直線偏光を出射するタイプの画像表示装置２と組み合わせて用いることを想定している。図２に示すように、本実施形態の画像表示装置２は、一対の偏光板２ａ、２ｂとこれらの間に介在する液晶パネル２ｃを含んで構成された液晶表示装置である。なお、上記の前提を充足する限りにおいて、本実施形態の立体画像認識装置１と組みあわせ可能な画像表示装置２は液晶表示装置にのみ限定されない。

光学補償板１０は、画像表示装置２の画面の前方、より詳細には図２に示すように画像表示装置２の偏光板（表面偏光板）２ａの前方に配置される。この光学補償板１０は、面内位相差が１００ｎｍ〜１６０ｎｍ程度、好ましくは略１／４波長である光学板である。光学補償板１０の面内遅相軸は、画像表示装置２の偏光板２ａの吸収軸に対して略４５°の角度をなすように設定される。このように配置された光学補償板１０と偏光板２ａは全体として円偏光板として機能する。

一対のシャッター素子１１ａ、１１ｂは、人間の両目の平均的な間隔に対応して一方向に並べて配置されており、例えば図１に示すようにメガネ状に構成されている。各シャッター素子１１ａ、１１ｂは、それぞれ図２に示すように液晶セル（液晶素子）１３、光学補償板１４、偏光板１５を有して構成されている。

駆動部１２は、画像表示装置２の画像表示タイミングに同期して所定の駆動電圧を液晶セル１３に供給する。駆動部１２は、例えば駆動周波数１０００Ｈｚの矩形波電圧を液晶セル１３に供給する。駆動電圧は、例えばオフ電圧を０Ｖ、オン電圧を１０Ｖとすることができる（スタティック駆動）。駆動部１２による駆動電圧の供給方法についてはさらに後述する。なお、駆動部１２はシャッター素子１１ａ等と一体化されていてもよいし、画像表示装置２に内蔵されていてもよい。また、図１の例では駆動部１２と画像表示装置２の接続を有線で行っているが、電波や赤外線などを用いた無線通信による接続でも構わない。

液晶セル１３は、電圧無印加時における液晶層の配向状態が略垂直な一軸配向状態を有するものである。液晶セル１３の詳細構成についてはさらに後述する。

光学補償板１４は、液晶セル１３の後方、より詳細には図２に示すように利用者の視認位置を基準として当該視認位置に近い側（画像表示装置２に遠い側）に配置される。すなわち、光学補償板１４は、液晶セル１３を挟んで画像表示装置２と対向配置される。この光学補償板１４は、面内位相差が１００ｎｍ〜１６０ｎｍ程度、好ましくは略１／４波長である光学板である。光学補償板１４の面内遅相軸は、偏光板１５の吸収軸に対して略４５°の角度をなすように設定される。このように配置された光学補償板１４と偏光板１５を組み合わせると、全体として円偏光板として機能する。

偏光板１５は、光学補償板１４の後方、より詳細には図２に示すように視認位置を基準として当該視認位置に近い側に配置される。すなわち、偏光板１５は、液晶セル１３および光学補償板１４を挟んで画像表示装置２と対向配置される。

図３は、液晶セル１３の詳細構成を示す模式的な断面図である。図３に示すように本実施形態の液晶セル１３は、上側基板（第１基板）２１、上側電極（第１電極）２２、配向膜２３、下側基板（第２基板）２４、下側電極（第２電極）２５、配向膜２６、液晶層２７を含んで構成されている。

上側基板２１および下側基板２４は、それぞれ、例えばガラス基板、プラスチック基板等の透明基板である。プラスチック基板は、軽い、割れにくい、曲げやすい等の長所を有するので、シャッター素子１１ａ、１１ｂをメガネ状に形成するにあたってより好ましい。この場合には、ガスバリア層などを有するプラスチック基板がより好ましい。上側基板２１と下側基板２４との相互間には、スペーサー（粒状体）が分散して配置されている。これらのスペーサーにより、上側基板２１と下側基板２４との間隙が所定距離（例えば２．０μｍ程度）に保たれる。

上側電極２２は、上側基板２１の一面上に設けられている。同様に、下側電極２５は、下側基板２４の一面上に設けられている。上側電極２２および下側電極２５は、それぞれ、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を適宜パターニングすることによって構成されている。

配向膜２３は、上側基板２１の一面側に、上側電極２２を覆うようにして設けられている。同様に、配向膜２６は、下側基板２４の一面側に、下側電極２５を覆うようにして設けられている。本実施形態においては、配向膜２３および配向膜２６としては、液晶層２７の初期状態（電圧無印加時）における配向状態を略垂直配向に規制するもの（垂直配向膜）が用いられている。各配向膜２３、２６には配向処理（例えばラビング処理）が施されている。各配向膜２３、２６は、液晶層２７の界面付近において当該液晶層２７の液晶分子にプレティルト角を与える。本実施形態では８９°程度のプレティルト角が与えられる。上側基板２１と下側基板２４は、各配向膜２３、２６に対する配向処理方向（例えばラビング方向）がアンチパラレル状態となるように位置合わせされる。これにより、液晶層２７は９０°より小さいプレティルト角を有する略垂直配向に制御される。なお、各配向膜２３、２６のうちの何れか一方にのみ配向処理が施されていてもよい。また、配向処理はラビング処理に限定されず、光配向法等であってもよい。

液晶層２７は、上側基板２１の上側電極２２と下側基板２４の下側電極２５の相互間に設けられている。本実施形態においては誘電率異方性Δεが負（Δε＜０）の液晶材料（ネマティック液晶材料）を用いて液晶層２７が構成されている。液晶層２７に図示された太線は、電圧無印加時における液晶分子の配向方向（ダイレクタ）を模式的に示したものである。本実施形態の液晶表示装置においては、液晶層２７の液晶分子の配向状態は初期状態（電圧無印加状態）において８９°程度のプレティルト角を有する略垂直配向に設定されている。液晶層２７に電圧が印加されると、液晶分子の長軸方向が電界方向と交差するように液晶層２７の配向状態が変化する。液晶層７のリターデーションは略３００ｎｍである。

図４は、立体画像認識装置１の各構成における光学軸の配置例を示す図である。各光学軸の方位の基準(０°)は図中に示された通りである。本実施形態では、画像表示装置２の偏光板２ａの吸収軸が１２時方位から反時計回りに略４５°に設定されている場合を想定する。また、シャッター素子１１ａ、１１ｂがほぼ水平方向（画像表示装置２の左右方向）に並んでいる状態を想定する。この状態は、例えば上記のようにシャッター素子１１ａ、１１ｂがメガネ状に構成されている場合においてはこれらを利用者がメガネと同様に装着し、かつ首を傾けずに画像表示装置２を正視した状態に相当する。

光学補償板１０は、その面内遅相軸が偏光板２ａの吸収軸に対して反時計回りに略４５°回転させた位置に配置される。本実施形態では、図示のように３時−９時方向に面内遅相軸が設定されている。

シャッター素子１１ａ（又は１１ｂ）の液晶セル１３は、液晶層２７の層厚方向の略中央における液晶分子の配向方向が１２時方向となるように配置される。なお、この液晶分子の配向方向については、左右の視角特性を重視すれば上記の１２時方向または６時方向とすることが好ましいが、この限りではない。シャッター素子１１ａとシャッター素子１１ｂの各液晶セル１３における液晶分子の配向方向を相互に異ならせてもよい。

光学補償板１４は、その面内遅相軸が偏光板１５の吸収軸に対して反時計回りに略４５°回転させた位置に配置される。本実施形態では、図示のように６時−１２時方向に面内遅相軸が設定されている。また、この光学補償板１４の面内遅相軸は、上記の光学補償板１０の面内遅相軸と互いに略直交するように配置される。

偏光板１５は、その吸収軸が１２時方位から時計回りに略４５°回転させた位置に配置されている。また、この偏光板１５の吸収軸は、上記した画像表示装置２の偏光板２ａの吸収軸と互いに略直交するように配置される。

なお、光学補償板１４の面内遅相軸と偏光板１５の吸収軸との相対的角度は４５°に限定されず、４３°〜４７°、より好ましくは４４°〜４６°くらいの数値範囲が許容される。

上記のように構成された各シャッター素子１１ａ、１１ｂは、それぞれ、液晶セル１３に対して電圧無印加状態（オフ電圧）であるときにおいて、単体で３５％前後の透過率を実現し得る。すなわち、各シャッター素子１１ａ、１１ｂは、電源無印加状態においても透過率３５％程度のメガネとして機能するということであり、フェールセーフの観点で有利である。なお、公知の反射防止膜などを組み合わせることにより、この透過率をさらに高めることが可能と考えられる。また、偏光板１５の選定によっても透過率は増減する。また、この透過率は、光学補償板１４の種類に対する依存性が低い。

ここで、各光学補償板１０、１４についてさらに説明する。画像表示装置２側に配置される光学補償板１０と画像表示装置２の出射側の偏光板２ａで構成される円偏光板から出射する円偏光の回転方向を第１回転方向とする。また、シャッター素子１１ａ（又は１１ｂ）の光学補償板１４と偏光板１５で構成される円偏光板において偏光板１５側から光を入射し、光学補償板１４から出射される円偏光の回転方向を第２回転方向とする。このとき、第１回転方向と第２回転方向とは互いに逆方向であることが好ましい。

また、各光学補償板１０、１４としては、例えばポリカーボネートやノルボルネン系環状オレフィン樹脂フィルムを一軸延伸または二軸延伸したもの、あるいは光学異方性を有するポリマー材料（例えば液晶ポリマー等の配向処理を施したもの）を用いることができる。そして、光学補償板１０、１４のそれぞれの面内屈折率分布については、遅相軸方位をｎｘ、進相軸方位をｎｙ、層厚方位をｎｚとしたときに、ｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚの関係にあるもの（いわゆる正のＡプレート）、ｎｘ＞ｎｙ＞ｎｚの関係にあるもの（負の二軸光学異方性を有するもの）、ｎｘ＞ｎｙ＜ｎｚの関係にあるもの（正の二軸光学異方性を有するもの）、またはｎｚ＝ｎｘ＞ｎｙの関係にあるもの（負のＡプレート）を採用することができる。光学補償板１０と光学補償板１４は同一の屈折率分布である必要性はないが、同じ材質であるほうがより良好な暗表示状態を観察しやすいと考えられる。両者が同じ材料、同じ屈折率分布であるとより好ましい。また、各光学補償板１０、１４は、それぞれ必ずしも単層の光学部材で構成される必要はない。例えば、略１／４波長板と略１／２波長板を適切な遅相軸配置とすることにより２枚で略１／４波長板を実現することも可能である。

図５は、各シャッター素子の電気光学特性の過渡応答の測定例を示す図である。図５（ａ）および図５（ｃ）は透過光を暗状態から明状態に変化させる場合の測定例である。電気的には、駆動部１２により液晶層２７に供給される駆動電圧をオフ電圧からオン電圧へ変化させている（図中、「電圧ＯＮ」と表記）。また、図５（ｂ）および図５（ｄ）は透過光を明状態から暗状態に変化させる場合の測定例である。電気的には、駆動部１２により液晶層２７に供給される駆動電圧をオン電圧からオフ電圧へ変化させている（図中、「電圧ＯＦＦ」と表記）。なお、図５（ａ）および図５（ｂ）の特性の測定に用いられたシャッター素子１１ａ等と、図５（ｃ）および図５（ｄ）の特性の測定に用いられたシャッター素子１１ａ等は、各光学補償板１０、１４および偏光板１５の材質等が異なっている。

図５（ｂ）および図５（ｄ）においては、オン電圧からオフ電圧への変化による透過率の変化は比較的に速いことが分かる。具体的には、透過率の最大値Ｔ_１００（本例では２５〜２７％程度）からその１０％の値であるＴ_１０へ変化するまでの時間ｔ_ｏｆｆは２ミリ秒間を下回っており、それぞれ約１．９ミリ秒間、約１．２ミリ秒間である。一方、図５（ａ）および図５（ｃ）においては、オフ電圧からオン電圧への変化による透過率の変化が相対的に遅いことが分かる。具体的には、透過率の最小値Ｔ_０からその９０％の値であるＴ_９０へ変化するまでの時間ｔ_ｏｎは２ミリ秒間を上回っており、それぞれ約３．２ミリ秒間、約２．４ミリミリ秒間である。

次に、明状態と暗状態の切り替わりに要する時間（切り替わり時間）について注目する。具体的には、透過率の最大値Ｔ_１００の１０％の値であるＴ_１０から透過率の最大値Ｔ_１００の９０％の値であるＴ_９０へ変化するまでの時間ｔ_ｒと、透過率の最大値Ｔ_１００の９０％の値であるＴ_９０から透過率の最大値Ｔ_１００の１０％の値であるＴ_１０へ変化するまでの時間ｔ_ｆのそれぞれを切り替わり時間とする。図５（ａ）および図５（ｂ）においては、切り替わり時間ｔ_ｒは約１．６６ミリ秒間であり、切り替わり時間ｔ_ｆは１．７６ミリ秒間である。また、図５（ｃ）および図５（ｄ）においては、切り替わり時間ｔ_ｒは約１．３１ミリ秒間であり、切り替わり時間ｔ_ｆは１．１４ミリ秒間である。すなわち、いずれの切り替わり時間もほとんど差がないといえる。

次に、明状態から暗状態または暗状態から明状態へ実際に透過率が変化し始めるまでに要する時間について注目する。具体的には、透過率の最小値Ｔ_０からＴ_１０へ変化するまでの時間ｔ_ｄｒと、透過率の最大値Ｔ_１００からＴ_９０へ変化するまでの時間ｔ_ｄｆのそれぞれに注目する。図５（ａ）および図５（ｃ）に示すように、立ち上がりの時間ｔ_ｄｒがそれぞれ約１．６ミリ秒間、１．１ミリ秒間を要している。これに対して、図５（ｃ）および図５（ｄ）に示すように、立ち下がりの時間ｔ_ｄｆについてはそれぞれ約０．１４ミリ秒間、０．０６ミリ秒間である。すなわち、立ち上がりの時間ｔ_ｄｒと立ち下がりの時間ｔ_ｄｆには大きなタイムラグが存在することが分かる。このタイムラグにおける透過率を図５（ａ）、図５（ｃ）のそれぞれで確認すると、透過率が変化し始めるまでの間はほぼ０％であることが分かる。この現象は後述するように有効に利用できる。

次に、本実施形態の立体画像認識装置１に用いられるシャッター素子１１ａ（又は１１ｂ）の視角特性の測定例について説明する。駆動条件としては、駆動周波数を１０００Ｈｚ、オフ電圧を０Ｖ、オン電圧を１０Ｖのスタティック駆動とした。なお、視角特性における方位角の定義については図６に示す通りである。

なお、測定に際しては市販の測定装置を用いており、画像表示装置２の偏光板２ａに相当する偏光板と光学補償板１０を当該測定装置の投光器側に配置した。従って、視角を測定する場合には、投光器は極角方向に移動するため、測定時において投光器側の偏光板とシャッター素子１１ａ側の偏光板１５とは極角方向が変化することになる。さらに方位角に関する測定を行う場合には、投光器はそのままであるのに対し、液晶セル１３を回転させることによって相対的に方位角を変化させるため、投光器側の偏光板とシャッター素子１１ａの偏光板１５とは方位角が変化することになる。従って、以下の図７〜図１０に示す視角特性の測定例においては、視角方向かつ０°のデータのみ偏光板および光学補償条件が理想的な形態となっており、それ以外については偏光板の角度がずれている状態や光学補償条件が最適ではない状態に相当する。しかしながら、このような状態は、画像表示装置２とそれを視認する利用者（観察者）が用いるシャッター素子１１ａ、１１ｂとの実際上の位置関係を再現したものとなる。すなわち、利用者が画像表示装置２の真正面に位置し、目の位置が水平になるようにした状態（顔をまっすぐにした状態）が図７〜図１０において視角方向でかつ０°の関係に相当し、目の位置を斜めにしたときは４５°方向や１２５°方向でかつ０°の関係に相当し、目の位置を平行になるようにして画像表示装置２を斜めに見たときは視角方向で視角が左右に振られたときの状態に相当する。ここでは目の位置を斜めにした状態として４５°の状態を示しているが、利用者が立体的表示を見ながら４５°以上に顔を傾けることは実用上想定されにくいので、この状態を最も条件の悪い状態と考えて視角特性を示した。

図７は、上記した図５（ａ）および図５（ｂ）の特性の測定に用いられたシャッター素子における視角特性を示す図である。オン透過率（透過状態）に注目すると、視角方向（利用者が顔を傾けていない状態）では視角依存性が小さく、画像表示装置２を斜めから見ても明るい表示を視認できることが分かる。一方、４５°方向や１２５°方向では明状態に視角依存性があり、利用者が顔を４５°傾けた状態で斜め方向から画像表示装置２を見ると、見る方向により明るさの違いがあることが分かる。ただし、画像表示装置２を見る範囲が±３０°の範囲では、一番悪い条件でも正面の７４％程度の低下であり、許容範囲であると考えられる。

図９は、上記した図５（ｃ）および図５（ｄ）の特性の測定に用いられたシャッター素子における視角特性を示す図である。オン透過率（透明状態）に注目すると上記した図７に示す結果とほぼ同様であり、視角方向（利用者が顔を傾けていない状態）では視角依存性が小さく、画像表示装置２を斜めから見ても明るい表示を視認できることが分かる。一方、４５°方向や１２５°方向では明状態に視角依存性があり、利用者が顔を４５°傾けた状態で斜め方向から画像表示装置２を見ると、見る方向により明るさの違いがあることが分かる。ただし、画像表示装置２を見る範囲が±３０°の範囲では、一番悪い条件でも正面の６０％程度の低下であり、許容範囲であると考えられる。

本実施形態の立体画像認識装置１では円偏光技術が用いられているが、その特徴の１つは画像表示装置２から出射する光の偏光軸方向とシャッター素子１１ａ等の入射側の偏光軸方向がずれたとしても透過率がそれほど変化しない点である。図７に示した視角特性における視角方向の０°視角における透過率と、４５°方向や１２５°方向の０°視角における透過率を比較してもそれほど差がなく、その差は８％未満である。また、図９に示した視角特性における視角方向の０°視角における透過率と、４５°方向や１２５°方向の０°視角における透過率においてはほとんど差がないことが分かる。これにより利用者は、多少顔を傾けても視認される画像の明るさにほとんど差を生じないため、リラックスして画像表示装置２の画面を見ることができるようになる。

次に、オフ透過率（遮光状態）に注目する。図８は、図７に示した視角特性におけるオフ透過率を拡大して示した図である。視角方向（顔を傾けていない状態）では視角依存性が小さく、画像表示装置２を斜めから見ても優れた遮光性を示すことが分かる。具体的には、画像表示装置２の画面を見る範囲が±３０°の範囲でのオフ透過率はほぼ０．４％である。一方、４５°方向や１２５°方向では遮光状態に視角依存性があり、顔を４５°傾けた状態で斜め方向から画像表示装置２を見ると徐々に遮光性が低下することが分かる。ただし、画像表示装置２の画面を見る範囲が±３０°の範囲でのオフ透過率は０．９％以下であり、実用上許容範囲であると考えられる。

図１０は、図９に示した視角特性におけるオフ透過率を拡大して示した図である。遮光性については図８の視角特性よりも優れており、視角方向（顔を傾けていない状態）では画像表示装置２の画面を見る範囲が±３０°の範囲でのオフ透過率は０．２％程度である。また、４５°方向や１２５°方向では遮光状態に視角依存性があるものの、画像表示装置２の画面を見る範囲が±３０°の範囲でのオフ透過率は０．８％以下であり、さらに斜めから画面を見てもそれほど光抜けしないことが分かる。

ところで、上記した実施形態においてはシャッター素子１１ａ等の液晶セル１３や光学補償板１０、１４の視角特性は考慮されていない。これに対して、液晶セル１３の視角特性を改善するには、光学補償板１０、１４の一方または双方を負の二軸光学異方性を有する光学補償板（二軸プレート）に置き換えることが有効である。負の二軸光学異方性を有する光学補償板を用いることにより、その厚さ方向の位相差によって液晶セル１３の液晶層２７のリターデーションを補償することができる。また、シャッター素子１１ａ等の液晶セル１３と光学補償板１４の間に、負の一軸光学異方性（ｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚ）を有する光学補償板（いわゆるＣプレート）を配置することも有効である。それらにおける厚さ方向の位相差Ｒｔｈはシャッター素子１１ａ等の液晶セル１３の液晶層２７のリターデーションの０．５倍〜１倍であることが好ましい。

以上のような本実施形態によれば、視角特性に優れ、かつ暗状態の透過率が著しく低いシャッター素子を実現することができる。このシャッター素子を備えた立体画像認識装置を画像表示装置と組み合わせて用いることにより、良好な立体表示を実現することが可能となる。

以下に、本実施形態の立体画像認識装置１の駆動方法について例示する。

上記した画像表示装置２は、立体的表示を行うために、右目用画像と左目用画像を所定周期で切り替えながら交互に表示する。表示切り替え周波数は、例えば１２０Ｈｚである。この場合、約８．３ミリ秒間ごとに右目用画像と左目用画像が切り替わる。画像表示装置２がいわゆる倍速表示を行うものである場合には、表示切り替え周波数は２４０Ｈｚとなる。この場合には、約４．２ミリ秒間ごとに右目用画像と左目用画像が切り替わる。

このとき、立体画像認識装置１は、駆動部１２が画像表示装置２の表示切り替えタイミングに対応してシャッター素子１１ａ、１１ｂを駆動する。例えば、右目用画像が表示されているフレームでは、利用者の右目に対応付けられたシャッター素子１１ｂには駆動部１２からオン電圧が印加され、利用者の左目に対応付けられたシャッター素子１１ａには駆動部１２からオフ電圧が印加される。それにより、シャッター素子１１ｂは光透過状態となり、シャッター素子１１ａは遮光状態となるので、利用者は右目でのみ右目用画像を視認できる状態となる。逆に、左目用画像が表示されているフレームでは、利用者の左目に対応付けられたシャッター素子１１ａには駆動部１２からオン電圧が印加され、利用者の右目に対応付けられたシャッター素子１１ｂには駆動部１２からオフ電圧が印加される。それにより、シャッター素子１１ａは光透過状態となり、シャッター素子１１ｂは遮光状態となるので、利用者は左目でのみ左目用画像を視認できる状態となる。これらの動作を画像表示装置２による右目用画像と左目用画像の切り替えタイミングに同期して実行することにより、利用者は立体的な表示を視認することができる。

図１１は、立体画像認識装置を画像表示装置に同期して動作させたときのタイムチャートの一例を示す図である。本例では画像表示装置２における１フレームの時間が１６．７ミリ秒間であり、当該１フレームが２つのサブフレームＳＢ１、ＳＢ２に分割されている。各サブフレーム時間はそれぞれ約８．３３ミリ秒間である。サブフレームＳＢ１が右目用画像の表示期間であり、サブフレームＳＢ２が左目用画像の表示期間である。各サブフレーム時間は、画像形成時間とバックライト点灯時間に分けられる。これは、本実施形態の画像表示装置２として液晶表示装置を想定しており、右目用、左目用の各画像を形成するのに数ミリ秒間の時間を要することを考慮したためである。画像が形成されたタイミングで画像表示装置２のバックライトが点灯することにより、右目用または左目用の画像が選択的に表示される。これに対して、本実施形態の立体画像認識装置１における各シャッター素子１１ａ、１１ｂは、画像表示装置２における各画像形成時間に対して十分に速い応答特性を有している。従って、どのような条件で表示が行われる場合であってもバックライトの点灯に合わせてシャッター素子１１ａ、１１ｂの各液晶セル１３を選択的に光透過状態または遮光状態に制御できる。

図１２は、立体画像認識装置を画像表示装置に同期して動作させたときのタイムチャートの他の例を示す図である。本例では、画像表示装置２における液晶パネル２ｃの応答速度が極めて速く、右目用、左目用の各画像形成時間が短い場合を想定している。この場合には、各シャッター素子１１ａ、１１ｂの液晶セル１３の応答速度が律速となる。

上記した図５（ａ）および図５（ｂ）の特性の測定に用いられたシャッター素子１１ａ等を前提とした場合には、各シャッター素子１１ａ等の立ち上がり特性は駆動電圧をオン電圧としても約１．５ミリ秒間のタイムラグの間は透過率がほとんど変化しない状態である。これを前提とすると、例えば左目に対応する画像が表示されている期間に対して１〜１．５ミリ秒間だけ重畳して右目に対応するシャッター素子１１ｂの駆動電圧をオン電圧としても、右目には左目用画像が視認されない状態とすることができる。一方、各シャッター素子１１ａ等の立ち下がり特性については、駆動電圧をオフ電圧としてから１．９ミリ秒間〜３ミリ秒間経過後に光遮断状態となる。この場合に、光透過状態とすべきシャッター素子の透過率上昇が１．７ミリ秒間〜２．２ミリ秒間経過後に飽和し、かつ遮光状態とすべきシャッター素子の透過率低下が飽和した状態となれば、バックライトを点灯することが可能となる。図示の例では、サブフレームの切り替えタイミングから１．７ミリ秒間〜３ミリ秒間にはバックライトを点灯させることができる。つまり、サブフレーム時間の８．３３ミリ秒間のうち、５．３〜６．６ミリ秒間をバックライト点灯時間に充てることが可能となる。このように、各シャッター素子１１ａ、１１ｂの応答特性を利用して最適化することにより、画像をより明るく表示することが可能となる。

また、上記した図５（ｃ）および図５（ｄ）の特性の測定に用いられたシャッター素子１１ａ等を前提とした場合には、各シャッター素子１１ａ等の立ち上がり特性は駆動電圧をオン電圧としても約１．１ミリ秒間のタイムラグの間は透過率がほとんど変化しない状態である。これを前提とすると、例えば左目に対応する画像が表示されている期間に対して０．８〜１．１ミリ秒間だけ重畳して右目に対応するシャッター素子１１ｂの駆動電圧をオン電圧としても、右目には左目用画像が視認されない状態とすることができる。一方、各シャッター素子１１ａ等の立ち下がり特性については、駆動電圧をオフ電圧としてから１．２ミリ秒間〜１．８ミリ秒間経過後に光遮断状態となる。この場合に、光透過状態とすべきシャッター素子の透過率上昇が１．３ミリ秒間〜１．６ミリ秒間経過後に飽和し、かつ遮光状態とすべきシャッター素子の透過率低下が飽和した状態となれば、バックライトを点灯することが可能となる。図示の例では、サブフレームの切り替えタイミングから１．３ミリ秒間〜１．８ミリ秒間にはバックライトを点灯させることができる。つまり、サブフレーム時間の８．３３ミリ秒間のうち、６．５〜７．０ミリ秒間をバックライト点灯時間に充てることが可能となる。このように、各シャッター素子１１ａ、１１ｂの応答特性を利用して最適化することにより、画像をより明るく表示することが可能となる。

以上のような本実施形態によれば、視角にあまり依存せず、優れた遮光性を有し、クロストークが抑制された良好な状態で利用者に立体像を視認させることが可能となる。また、各シャッター素子はそれぞれを遮光状態とした場合であっても比較的に高い透過率を実現できるので、フェールセーフの観点でも有用である。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。

例えば、上記した実施形態においては画像表示装置の一例として液晶表示装置を挙げていたが、これに限定されない。画像表示装置は、直線偏光を出射して画像形成を行うものであればよい。

また、上記した実施形態では、液晶素子として、９０°より小さいプレティルト角を有する略垂直配向の液晶層を有するものを例示していたが、液晶素子はこれに限定されない。例えば、略９０°のプレティルト角を有する垂直配向の液晶層を有し、スリットや突起部などを用いて発生させた斜め電界により配向制御を行う液晶素子が用いられてもよい。

また、上記した実施形態では、液晶素子の外形については特段に言及していなかったが、矩形状、五角形などの多角形や任意の曲線形状など所望の形状を選択することができる。

１…立体画像認識装置 ２…画像表示装置 ２ａ、２ｂ…偏光板 ２ｃ…液晶パネル １０…光学補償板 １１ａ、１１ｂ…シャッター素子 １２…駆動部 １３…液晶セル（液晶素子） １４…光学補償板 １５…偏光板 ２１…上側基板（第１基板） ２２…上側電極（第１電極） ２３…配向膜 ２４…下側基板（第２基板） ２５…下側電極（第２電極） ２６…配向膜 ２７…液晶層

Claims (4)

1. 直線偏光を用いて右目用画像と左目用画像を所定周期で交互に表示する画像表示装置と組み合わせて用いられる立体画像認識装置であって、
   １００ｎｍ〜１６０ｎｍの面内位相差を有し、前記画像表示装置の前面に配置される第１光学補償板と、
   利用者に装着される一対のシャッター素子と、
   前記画像表示装置による前記右目用画像と前記左目用画像の切り替えに対応して前記一対のシャッター素子を選択的に動作させる駆動部、
   を含み、
   前記一対のシャッター素子は、各々、
   電圧無印加時において液晶分子が垂直又は略垂直配向する液晶層を有する液晶素子と、
   １００ｎｍ〜１６０ｎｍの面内位相差を有し、前記液晶素子を挟んで前記画像表示装置と対向配置される第２光学補償板と、
   前記液晶素子及び前記第２光学補償板を挟んで前記画像表示装置と対向配置される偏光板、
   を有する、立体画像認識装置。
2. 前記画像表示装置は、表側に配置された表面偏光板を有する液晶表示装置であり、
   前記表面偏光板の吸収軸と前記一対のシャッター素子の各々の前記偏光板の吸収軸が互いに略直交して配置される、請求項１に記載の立体画像認識装置。
3. 前記第１光学補償板の面内遅相軸と前記第２光学補償板の面内遅相軸が互いに略直交して配置される、請求項１又は２に記載の立体画像認識装置。
4. 前記第１光学補償板及び前記第２光学補償板は、各々、正の一軸光学異方性を示す光学板、負の二軸光学異方性を示す光学板又は正の二軸光学異方性を示す光学板の何れかである、請求項１〜３の何れか１項に記載の立体画像認識装置。

Images