JP2012058501A - 立体表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィールドシーケンシャル方式に円偏光方式を組み合わせた場合において、コントラストを確保し、混色を防止して観察画質の向上を図ることができる立体表示装置を提供する。
【解決手段】液晶パネル３は、複数原色用の左眼用画像と複数原色用の右眼用画像を面順次に表示する。バックライト装置２は、複数原色用の左眼用画像と複数原色用の右眼用画像に同期して光源の色を時間順次で切り替える。液晶シャッタ４は、左眼用画像と右眼用画像との切り替えに同期して液晶パネルから射出する偏光の偏光方向を９０度回転させる状態と回転させない状態に制御する。液晶位相差板５は、入射する前記複数原色の光の色に同期して前記複数原色の光の波長の１/４の位相差を持つように可変される。円偏光メガネは、液晶位相差板を射出する立体映像を観察するために用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、立体画像を表示するための立体表示装置に関する。

立体表示装置の方式の一つとして、フィールドシーケンシャルカラー方式を用いた偏光メガネ方式の立体表示装置が知られている。フィールドシーケンシャル方式とは、光源色を時間順次で切り替えるのに同期して、表示素子の映像を切り替えられた光源色の映像に切り替えることで、時分割による加法混色でカラー表示を行うものである。

特開２００３−２５９３９５公報には概ね以下の内容が開示されている。立体映像信号は画像処理部において、左眼用画像信号と右眼用画像信号とに処理された後、表示用モニタ駆動回路に送られる。左眼用画像信号と右眼用画像信号とが表示用モニタの画素部にフィールド毎に交互に割り当てられ、表示用モニタの同一画面上に、時間順次で左眼用画像と右眼用画像とが交互に書き込まれる。表示モニタへの書き込みの順序は、左眼用画像用のＲＬ、ＧＬ、ＢＬの各フィールドを順次書き込んだ後、右眼用画像用のＲＲ、ＧＲ、ＢＲの各フィールドを順次書き込む。以上の書き込みを１フレーム（１６．６ｍｓ）の間に行う。

表示用モニタの前面には、偏光板と、液晶シャッタが設けられる。液晶シャッタは、同期回路からの信号に応じて偏光板を射出した画像の偏光状態を切り替える。観察者は、偏光メガネを用い、左眼用画像を左眼で、右眼用画像を右眼で選択的に見ることにより立体画像を観察する。ここで位相差板は、液晶シャッタのリタデーションによる色あいを調整するためのものである。

特開２００３−２５９３９５公報

ところで、偏光メガネ方式には、左右両眼用画像を偏光方向が互いに９０°の角度をなす直線偏光にしておき、偏光板付きのメガネで左右両眼用画像を分離して見る方式と、円偏光の回転方向を互いに左右逆方向である円偏光にしておき、円偏光板付きのメガネで左右両眼用画像を分離して見る方式とがある。直線偏光を用いる方式は、鑑賞者が首を傾けると偏光方向がずれるため画質が変化してしまう不具合がある。円偏光を用いる方式は、鑑賞者が首を傾けても表示装置と円偏光メガネの光軸がずれることがなく、また軽くて安価な円偏光メガネが利用できるなど一般家庭用の立体表示方式として適した方式である。

円偏光方式の立体表示を行うためには、液晶パネルから出射された直線偏光を、λ/４の位相差を持つ位相差板を用いて円偏光に変換する必要がある。ここで、フィールドシーケンシャルカラー方式の場合、１フィールド毎に光源の色（波長）が変わるため、λ/４の位相差は波長毎に異なる。ところで、液晶パネルから出射された直線偏光を円偏光に変換する従来の位相差板は、その位相差は固定であり、波長によっては完全な円偏光とはならず、コントラストが低く混色の多い立体表示となってしまう課題があった。

そこで、本発明は、フィールドシーケンシャル方式に円偏光方式を組み合わせた場合において、コントラストを確保し、混色を防止して観察画質の向上を図ることができる立体表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、複数原色用の左眼用画像と複数原色用の右眼用画像を面順次に表示する液晶パネル（３）と、前記複数原色用の左眼用画像と複数原色用の右眼用画像に同期して光源の色を時間順次で切り替えるバックライト装置（２）と、前記左眼用画像と右眼用画像との切り替えに同期して前記液晶パネルから射出する偏光の偏光方向を９０度回転させる状態と回転させない状態に制御する液晶シャッタ（４）と、入射する前記複数原色の光の色に同期して前記複数原色の光の主波長の１/４の位相差を持つように可変される液晶位相差板（５）と、を備えることを特徴とする立体表示装置を提供する。

また、複数原色光を有する左眼用画像と複数原色光を有する右眼用画像を面順次に表示する投射型表示装置（３１）と、投射型表示装置の射出する光を直線偏光にする偏光板（１１）と、前記左眼用画像と右眼用画像との切り替えに同期して前記偏光板から射出する偏光の偏光方向を９０度回転させる状態と回転させない状態に制御する液晶シャッタ（４）と、入射する前記複数原色の光の色に同期して前記複数原色の光の主波長の１/４の位相差を持つように可変される液晶位相差板（５）と、を備えることを特徴とする立体表示装置を提供する。

また、複数原色用の左眼用画像と複数原色用の右眼用画像を面順次に表示する液晶パネル（３）と、前記複数原色用の左眼用画像と複数原色用の右眼用画像に同期して光源の色を時間順次で切り替えるバックライト装置（２）と、前記左眼用画像と右眼用画像との切り替えに同期して前記液晶パネルから射出する偏光の偏光方向を９０度回転させる状態と回転させない状態に制御する液晶シャッタ（４）と、入射する前記複数原色の光の色に同期して、前記複数原色の光の波長を２で除した値から前記画像を視る際に使用する円偏光メガネを構成する１／４波長板の前記波長での位相差の値を差分した位相差を持つように可変される液晶位相差板（５）と、を備えることを特徴とする立体表示装置を提供する。

さらに、複数原色光を有する左眼用画像と複数原色光を有する右眼用画像を面順次に表示する投射型表示装置（３１）と、投射型表示装置の射出する光を直線偏光にする偏光板（１１）と、前記左眼用画像と右眼用画像との切り替えに同期して前記偏光板から射出する偏光の偏光方向を９０度回転させる状態と回転させない状態に制御する液晶シャッタ（４）と、入射する前記複数原色の光の色に同期して、前記複数原色の光の波長を２で除した値から前記画像を視る際に使用する円偏光メガネを構成する１／４波長板の前記波長での位相差の値を差分した位相差を持つように可変される液晶位相差板（５）と、を備えることを特徴とする立体表示装置を提供する。

また、前記液晶位相差板（５）の表示モードには、ＦＬＣモード、ＯＣＢモード、又はＥＣＢモードであることが好ましい。

本発明によれば、フィールドシーケンシャル方式に円偏光方式を組み合わせた場合において、コントラストを確保し、混色を防止して観察画質の向上を図ることができる。

本発明の第１の実施形態における立体表示装置の構成を示す斜視図である。 一般的位相差板の特性の例として、積層水晶波長板の位相差と波長との関係を示す図である。 本実施形態における立体表示装置で立体表示をする際のタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態における立体表示装置の構成を示す斜視図である。 第３の実施形態において装置の構成を第１の実施形態と同じにした立体表示装置で立体表示をする際のタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施形態における立体表示装置の構成を示す斜視図である。立体視用の画像信号源７からの画像信号は画像処理部８において、左眼用画像信号と右眼用画像信号とに処理された後、さらに赤、緑、青用の画像信号に分離される。分離された画像信号は、バックライト装置２の赤色光、緑色光、青色光の発光タイミングと同期するように液晶パネル駆動回路９に送られる。液晶パネル３の各々の画素部には左眼用画像信号と右眼用画像信号とがフィールド毎に交互に割り当てられて、時間順次で左眼用画像と右眼用画像とが液晶パネル３の同一画面上に交互に書き込まれる。

液晶パネル３の入口と出口には、図示されていないがそれぞれ偏光板が配置されている。バックライト装置２の射出光は、液晶パネル３の入口の偏光板で直線偏光とされる。画像信号がオンの場合、液晶パネル３の射出光の偏光方向と出口偏光板の偏光方向が一致する結果、たとえばＰ波（電界ベクトルが水平方向を向いている）が出口偏光板を透過する。画像信号がオフの場合液晶パネル３の射出光は出口偏光板で遮断される。このようにして画像信号の輝度に応じた偏光（Ｐ波）が出口偏光板を射出する。透過したＰ波は、液晶シャッタ４に入射する。液晶シャッタ４は、ＴＮ（Twisted Nematic）モードの液晶シャッタであり、液晶シャッタ４がオンの場合にはＰ波のまま透過し、オフの場合には、ＴＮモードの旋光性によってＳ波に変換するよう、その配向軸が設定される。ここで液晶シャッタ４のオン・オフの切り替えは、同期回路１０により左眼用画像と右眼用画像との切り替えに同期して行われる。

液晶シャッタを射出した偏光は、液晶シャッタの前方に４５°方向に配設された液晶位相差板５に入射する。液晶位相差板５は液晶を含んで構成されている。この位相差板に対して、Ｐ波が入射した場合には、右回り円偏光に、Ｓ波が入射した場合には、左回り円偏光となる。つまり、液晶シャッタによって切り替えられた偏光状態が、この位相差板を透過することによって、左眼用画像と右眼用画像に応じた円偏光状態となる。円偏光メガネ６は図示されていない１／４波長板と直線偏光板で構成されている。ここで、円偏光メガネ６を用いて、左眼用画像を左眼で、右眼用画像を右眼で選択的に見ることにより立体画像を観察できる。

第１の実施形態に係る液晶位相差板５を具体的に説明する前に、まず一般的な位相差板について説明する。位相差板は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）やポリカーボネートフィルム等からなる高分子材料を一軸方向に延伸して製造される。使用上の便宜から、このような高分子フィルムは、その片側または両側にガラス基板が接着されるのが一般的である。また、結晶軸に平行な平面で切り出した２枚の水晶板の結晶軸を直交させて接着した積層型水晶波長板も用いられる。２枚の水晶板の厚み差Ｔを所定の厚みにして１／４波長の位相差を得る。

高分子材料の位相差板や積層水晶板等すべての位相差板は波長依存性を有する。図２は、一般的位相差板の特性の例として、積層水晶波長板の位相差と波長との関係を示す図である。５４６ｎｍで１／４波長（位相差は１３７ｎｍ）となるように各水晶板の厚み差Ｔを１４．７μｍとした例である。図２に示すように、短波長側では位相差が大きく、長波長側では位相差が少なくなる傾向を示す。このような波長依存性を有する位相差板を図１における位相差板５として用いると、たとえば、緑色画面で最適であっても、赤色画面、青色画面では１／４波長（角度で表すと９０度）にはならない。

次にバックライト装置２の赤色光、緑色光、青色光について説明する。バックライト装置２の光源が発光ダイオードである場合、例えば、赤色光用としてピーク波長６２０ｎｍ、６３５ｎｍ、６４７ｎｍ、６５０ｎｍ、６６０ｎｍ、７００ｎｍの赤色発光ダイオードを、緑色光用として、ピーク波長５２０ｎｍ、５３０ｎｍ、５５０ｎｍ、５６０ｎｍ、５６５ｎｍの緑色発光ダイオードを、青色光として、ピーク波長４６５ｎｍ、４６０ｎｍの青色発光ダイオードを用いることができる。ここでピーク発光波長とは、発光強度が最大となる波長のことである。ピーク波長の光強度に対して相対強度が５０％になる波長の幅をスペクトル半値幅という。スペクトル半値幅は３０〜５０ｎｍである。冷陰極管をバックライト装置２の光源に用いることもできる。冷陰極管の発光原理は蛍光灯と同様であり水銀の発光スペクトル４３６ｎｍ（青）、５４６ｎｍ（緑）のほかに蛍光体の蛍光が加わった複雑なスペクトルからなる。以上の結果、発光ダイオードや冷陰極管をバックライト装置２に用いる場合、赤色光として６２０ｎｍ〜７００ｎｍ、緑色光として５２０〜５８０ｎｍ、青色光として４３０〜４８０ｎｍの光を使用することができる。

第１の実施形態における液晶位相差板５は、液晶を含んで構成され、位相差を可変することができる。具体的には、液晶位相差板５は３原色の各色光の波長の１/４の位相を持つように可変される。例えば、赤色光の波長が６６０ｎｍである場合、位相差は１６５ｎｍに、緑色光の波長が５６０ｎｍである場合、位相差は１４０ｎｍに、青色光の波長が４６０ｎｍである場合、位相差は１１５ｎｍに設定される。発光ダイオード、冷陰極管は上述の通り広がったスペクトルを有するので、液晶位相差板５の位相差は広がったスペクトルの波長の１／４であればよい。結果的に、６２０ｎｍ〜７００ｎｍの赤色光、５２０〜５８０ｎｍの緑色光、４３０〜４８０ｎｍの青色光に対して、液晶位相差板５の位相差をそれぞれ、１６５ｎｍ±１０ｎｍ、１３７．５ｎｍ±７．５ｎｍ、１１２．５ｎｍ±７．５ｎｍの値に設定することができる。

さらに具体的には、液晶位相差板５の位相差は、液晶パネルに用いる液晶材料の屈折率異方性（Δｎ)と液晶層の厚み（ｄ）で決まるリタデーション（Δｎ×ｄ）で決定される。つまり、最大１６５ｎｍの位相差を持つためには、Δｎが０．１の液晶材料を用いる場合、厚みｄは１．６５μm以上必要であるということである。また、液晶分子の配向方向は、４５°方向の配向であればよい。使用する液晶モードは、ＦＬＣ(Ferroelectric Liquid Crystal）モード、ＯＣＢ(Optically Compensated Bend Mode）モード、ＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence）モードの何れでもよい。液晶位相差板５の位相差設定は、光源の切り替えと同期して切り替えられる。

図３は、第１の実施形態における立体表示装置で立体表示をする際のタイミングチャートである。１フレームは６フィールドからなる。１フレームの前半の３フィールドでは左眼用画像が、後半の３フィールドでは右眼用画像が表示される。

１フレームの前半の３フィールドにおいては、バックライト装置２は１フィールド毎に赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）の順に発光する。液晶パネル３は左画像（Ｌ）として赤用、緑用、青用の３枚の画像を順次に書き込まれて表示する。液晶シャッタはオフ（Ｓ波に変換される）状態を保つ。液晶位相差板５は、位相差が、赤色光の場合、位相差は１６５ｎｍに、緑色光の場合、位相差は１４０ｎｍに、青色光の場合、位相差は１１５ｎｍに変化する。結果的に、立体表示装置は、左回り円偏光であるＲＬ、ＧＬ、ＢＬを射出する。

１フレームの後半の３フィールドでは右眼用画像が表示される。前半の３フィールドとの相違点は、液晶パネル３は左画像（Ｌ）として赤用、緑用、青用の３枚の画像を順次に書き込まれて表示する。液晶シャッタはオン（Ｐ波のまま）状態を保つ。結果的に、立体表示装置は、右回り円偏光であるＲＲ、ＧＲ、ＢＲを射出する。

＜第２の実施の形態＞
図４は本発明の第２の実施形態における立体表示装置の構成を示す斜視図である。立体視用の画像信号７が入力された画像処理部８において、左眼用画像信号と右眼用画像信号とに処理された後、さらに赤、緑、青用の画像信号に分離される。分離された画像信号は、投射型表示装置２の赤色光、緑色光、青色光の発光タイミングと同期するように液晶パネル駆動回路９に送られる。投写型表示装置３１の各々の画素部には左眼用画像信号と右眼用画像信号とがフィールド毎に交互に割り当てられて、時間順次で左眼用画像と右眼用画像とが投写型表示装置３１の同一画面上に交互に書き込まれる。

ここで、投写型表示装置２から出射される無偏光光は、投写型表示装置２がオンの画像信号の場合にのみ、Ｐ波が透過するように偏光板１１が設置される構成となっている。偏光板を透過したＰ波は、同じ配向軸を持つように配設された液晶シャッタ４に入射する。液晶シャッタは、ＴＮ（Twisted Nematic）モードの液晶シャッタであり、オンの場合にはＰ波に、オフの場合には、ＴＮモードの旋光性によってＳ波に交互に分離される。ここで液晶シャッタ４のオン・オフの切り替えは、同期回路１０により左眼用画像と右眼用画像との切り替えに同期して行われる。

液晶シャッタを射出した偏光は、液晶シャッタ４の前方に４５°方向に配設された液晶位相差板５に入射する。この液晶位相差板５に対して、Ｐ波が入射した場合には、右回り円偏光に、Ｓ波が入射した場合には、左回り円偏光となる。つまり、液晶シャッタ４によって切り替えられた偏光状態が、この液晶位相差板５を透過することによって、左眼用画像と右眼用画像に応じた円偏光状態となる。スクリーン１２に投射された映像を、円偏光メガネ６を用いて、左眼用画像を左眼で、右眼用画像を右眼で選択的に見ることにより立体画像を観察できる。

投写型表示装置２の３原色のスペクトルとしては、赤色光６２０ｎｍ〜７００ｎｍ、緑色光５２０〜５８０ｎｍ、青色光４３０〜４８０ｎｍの光が使用される。したがって、対応する位相差は、１６５ｎｍ±１０ｎｍ、１３７．５ｎｍ±７．５ｎｍ、１１２．５ｎｍ±７．５ｎｍの値に設定される。

ここで、投写型表示装置２が透過型又は反射型液晶プロジェクターの場合、表示装置２からは偏光が出射するので、偏光がＰ波となるよう設定することで偏光板１１は不要である。

＜第３の実施形態＞
第１の実施形態、第２の実施形態における立体表示装置の場合、円偏光メガネ６は図示されていない１／４波長板と直線偏光板で構成されていることを説明した。ところで、第１の実施形態と第２の実施形態については、円偏光メガネの１／４波長板について位相差の波長依存性を考慮していない。第３の実施形態における立体表示装置においては、使用する円偏光メガネの１／４波長板の位相差が既知の場合、１／４波長板の位相差を考慮した液晶位相差板５０の位相差設定とする。そうすることで、よりコントラストが高く、混色の少ない立体表示装置が可能である。

図５は、第３の実施形態において装置の構成を第１の実施形態と同じにした立体表示装置で立体表示をする際のタイミングチャートである。図５と、図３との相違点は、液晶位相差板５０の位相差の値が異なることである。具体的には、液晶位相差板５０の位相差を、出射光の波長の１／２波長（１８０度）から、円偏光メガネを構成する１／４波長板の同じ波長（出射光の波長）での位相差を差分した値、として設定する。

例えば、円偏光メガネの１／４波長位相差板に図２の特性を有する積層水晶波長板を用いた場合を考える。積層水晶波長板の青色の波長４６０ｎｍでの位相差は１３９．３ｎｍ（１０９度）であるので、差分した値は、４６０／２−１３９．３＝９０．７ｎｍ（１８０度−１０９度＝７１度）である。積層水晶波長板の緑色の波長５６０nmでの位相差は１３６ｎｍ（８７．５度）であるので、差分した値は、５６０／２−１３６＝１４４ｎｍ（１８０度−８７．５度＝９２．５度）である。積層水晶波長板の赤色の波長６６０nmでの位相差は１３４ｎｍ（７３．３度）であるので、差分した値は、６６０／２−１３４＝１９６ｎｍ（１８０度−７３．３度＝１０６．７度）である。よって、３原色の波長が４６０ｎｍ、５６０ｎｍ、６６０ｎｍであれば、液晶位相差板５０の位相差として９０．７ｎｍ、１４４ｎｍ、１９６ｎｍの位相差を与えればよい。図５の液晶位相差板５０は上記の位相差を有する。さらに、赤色光として、６２０ｎｍ〜７００ｎｍ、緑色光として、５２０〜５８０ｎｍ、青色光として４３０〜４８０ｎｍの光を使用する場合、上記の要領で計算した位相差の液晶位相差板を用いることができる。

図５に示す液晶位相差板５０の位相差は、円偏光メガネの１／４波長板に積層水晶波長板を用いた場合の一例であり、これらの値に限定されるものではない。
また、第１、第２、第３の実施形態において、原色の数は３つであったが、４原色以上であってもよい。

１ 立体表示装置、２ バックライト装置、
３ 液晶パネル ３１ 投射型表示装置、
４ 液晶シャッタ、５、５０ 液晶位相差板、６ 円偏光メガネ、
７ 画像信号源、８ 画像処理部、９ 液晶パネル駆動回路、
１０ 同期回路、
１１ 偏光板、１２ スクリーン

Claims (5)

1. 複数原色用の左眼用画像と複数原色用の右眼用画像を面順次に表示する液晶パネルと、
   前記複数原色用の左眼用画像と複数原色用の右眼用画像に同期して光源の色を時間順次で切り替えるバックライト装置と、
   前記左眼用画像と右眼用画像との切り替えに同期して前記液晶パネルから射出する偏光の偏光方向を９０度回転させる状態と回転させない状態に制御する液晶シャッタと、
   入射する前記複数原色の光の色に同期して前記複数原色の光の波長の１/４の位相差を持つように可変される液晶位相差板と、
   を備えることを特徴とする立体表示装置。
2. 複数原色光を有する左眼用画像と複数原色光を有する右眼用画像を面順次に表示する投射型表示装置と、
   投射型表示装置の射出する光を直線偏光にする偏光板と、
   前記左眼用画像と右眼用画像との切り替えに同期して前記偏光板から射出する偏光の偏光方向を９０度回転させる状態と回転させない状態に制御する液晶シャッタと、
   入射する前記複数原色の光の色に同期して前記複数原色の光の波長の１/４の位相差を持つように可変される液晶位相差板と、
   を備えることを特徴とする立体表示装置。
3. 複数原色用の左眼用画像と複数原色用の右眼用画像を面順次に表示する液晶パネルと、
   前記複数原色用の左眼用画像と複数原色用の右眼用画像に同期して光源の色を時間順次で切り替えるバックライト装置と、
   前記左眼用画像と右眼用画像との切り替えに同期して前記液晶パネルから射出する偏光の偏光方向を９０度回転させる状態と回転させない状態に制御する液晶シャッタと、
   入射する前記複数原色の光の色に同期して、前記複数原色の光の波長を２で除した値から前記画像を視る際に使用する円偏光メガネを構成する１／４波長板の前記波長での位相差の値を差分した位相差を持つように可変される液晶位相差板と、
   を備えることを特徴とする立体表示装置。
4. 複数原色光を有する左眼用画像と複数原色光を有する右眼用画像を面順次に表示する投射型表示装置と、
   投射型表示装置の射出する光を直線偏光にする偏光板と、
   前記左眼用画像と右眼用画像との切り替えに同期して前記偏光板から射出する偏光の偏光方向を９０度回転させる状態と回転させない状態に制御する液晶シャッタと、
   入射する前記複数原色の光の色に同期して、前記複数原色の光の波長を２で除した値から前記画像を視る際に使用する円偏光メガネを構成する１／４波長板の前記波長での位相差の値を差分した位相差を持つように可変される液晶位相差板と、
   を備えることを特徴とする立体表示装置。
5. 前記液晶位相差板の表示モードは、ＦＬＣモード、ＯＣＢモード、又はＥＣＢモードであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の立体表示装置。
   

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