JP2015084005A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な画像を表示可能な画像表示装置を提供する。【解決手段】上記課題を解決する画像表示装置１は、導光板６と、光源２ａおよび２ｂと、指向性制御シート３と、液晶パネル４と、を備える。導光板６は、側面を光入射面とし、主面の一方を光出射面とする略平板状である。光源２ａおよび２ｂは、導光板６の入射面に光を入射する。指向性制御シート３は、導光板６から出射された出射光が入射され、所望の配光特性に変換して出射する。液晶パネル４は、指向性制御シート３の光出射側に設けられ、入射された光を映像信号に応じて空間変調して画像を形成する。指向性制御シート３は、光入射面にプリズムアレイ３１を有する。プリズムアレイ３１は、断面略三角形状のプリズムが複数配列して構成される。そして、プリズムの頂角の二等分線と、プリズムの底面に対する法線とのなす角度が、指向性制御シートの端部から中央部に向かって徐々に変化する。【選択図】図１

Description

本発明は、液晶ディスプレイなどの画像表示装置に関するものである。

近年、立体的な画像を表示することができる表示装置が普及している。

特殊なメガネを必要とせず、裸眼で立体映像を視認する方法としては、視差バリアを用いる方法、レンチキュラレンズを用いる方法が一般的である。しかし、いずれの方式も水平解像度が１／２に低下するという問題が有った。

比較的近年、異なる２種の指向性の光を照明可能なバックライトを用い、指向性が異なる光を交互に切り替えるとともにそれと同期して左右の視差に対応する映像を表示する方法が提案された（例えば特許文献１）。この方法によれば２次元表示と同等の解像力で立体表示が可能になる。

特開２００６−２６６２９３号公報

画面全体で良好な立体表示を実現するためには、左右の目にそれぞれに対応した正しい画像を伝達する必要がある。

視差バリアやレンチキュラレンズを用いた方式では、表示画素とバリアあるいはレンチキュラレンズの相対的な位置関係を調整することで適切な視点設定が可能になる。

一方、バックライトの指向性を切り替える方式では、左右の目に対応する照明光が、画面全体から左右夫々の視点に正しく集束する必要がある。その模様を図１１に示す。

図１１は、視聴者の左右の目に集光する光を説明するための概念図である。図１１（ａ）および（ｂ）は、３型の画面と視聴者との関係を示す概略図である。図１１（ｃ）は、１０型の画面と視聴者との関係を示す概略図である。

ここで、視聴者の目から表示画面までの距離である視距離は３００ｍｍとする。視聴者の左右の目の間隔は６５ｍｍとする。これは、大人の平均的な左右目間隔の値である。視聴者の左右の目の中心位置が、画面の中心を通る位置にあると想定する。ここで、画面の中心を通り、かつ、画面に垂直な垂線を基準軸Ｘとする。

まず、画面の中心から出射される光について説明する。

図１１（ａ）に示すように、画面の中心から出射した光は、基準軸Ｘに対して±６°の広がりをもって左右の目に到達する。視聴者は、画面の中心に対向して視聴しているので、画面の中心から出射する光の中心軸Ｘａは、基準軸Ｘと一致する。

次に、画面の端から出射される光について説明する。

図１１（ｂ）に示すように、画面の端から出射する光の中心軸Ｘｂは、基準軸Ｘに対して６°の傾きを有している。すなわち、画面の端から出射する光を視聴者の左右の目に到達させようとすると、出射角度を６°シフトさせる必要がある。

また、図１１（ｃ）に示すように、画面のサイズが１０型の場合は、画面の端から出射する光の中心軸Ｘｃは、基準軸Ｘに対して２０°の傾きを有している。すなわち、画面の端から出射する光を視聴者の左右の目に到達させようとすると、出射角度を２０°シフトさせる必要がある。

特許文献１では、対向するプリズムアレイとレンチキュラレンズアレイのピッチを僅かに異ならせることにより、周辺部でレンチキュラレンズを内側に寄せて。マクロに集光している。

このようにすれば、左右端からの照明を集光して視点方向へ向けることが可能になる。

しかしながら、この方法では集光性能に限界があり、指向性を１０°程度シフトするのが限界であった。その結果、立体表示装置としては画面サイズ５型程度が限度で大画面に対応できないという課題が有った。

本発明は上記課題を解決するものであり、比較的大きな画面でも良好な画像を表示可能な画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る画像表示装置は、
側面を光入射面とし、主面の一方を光出射面とする略平板状の導光板と、
前記導光板の入射面に光を入射する光源と、
前記導光板から出射された出射光が入射され、所望の配光特性に変換して出射する指向性制御シートと、
前記指向性制御シートの光出射側に設けられ、入射された光を映像信号に応じて空間変調して画像を形成する画像表示パネルとを備え、
前記指向性制御シートは、光入射面にプリズムアレイを有し、
前記プリズムアレイは、断面略三角形状のプリズムが複数配列して構成され、
前記プリズムの頂角の二等分線と、前記プリズムの底面に対する法線とのなす角度が、前記指向性制御シートの端部から中央部に向かって徐々に変化するように構成したものである。

本発明によれば、比較的大きな画面でも画面の全域にわたって良好な立体像を表示可能な映像表示装置を提供することができる。

画像表示装置の概略構成図 画像表示装置の一部の分解斜視図 導光板から出射する光の角度に対する強度分布を示すグラフ 指向性制御シートの中央部の形状と、端部の形状を示す概略拡大図 指向性制御シート３の中央部および端部の形状を示す概略図 プリズムの傾斜角の変化を示すグラフ （ａ）中央部での光線追跡を示す概略図（ｂ）中央部での配光特性を示すグラフ （ａ）画面右端部における光線軌跡を示す概略図（ｂ）画面右端部での配光特性を示すグラフ （ａ）比較例の光線追跡を示す概略図（ｂ）比較例の配光特性を示すグラフ 指向性制御シートの変形例を示す概略図 視聴者の左右の目に集光する光を説明するための概念図

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするために、主要な構成要素を模式的に示している。

（実施形態１）
［１−１．画像表示装置］
図１は、実施の形態に係る画像表示装置１の概略断面図であり、図２は斜視図である。尚、図１においては、代表的な光線の軌跡を併記している。

本実施の形態では、画像表示装置１に対して３次元直交座標系を設定し、座標軸を用いて方向を特定する。図１及び２に示すように、Ｘ軸方向は、画像表示パネル４の表示面に対してユーザが正対したときの左右方向（水平方向）と一致している。Ｙ軸方向は、液晶パネル４の表示面に対してユーザが正対したときの上下方向に一致している。Ｚ軸方向は、液晶パネル４の表示面に対して垂直な方向に一致している。ここで、「正対」とは、例えば表示面に「Ａ」という文字が表示されている場合において、ユーザがこの「Ａ」という文字を正しい方向から見るように、表示面の真正面に向かって位置していることを意味する。また、図１及び２は、画像表示装置１の上側から見た図に相当する。したがって、図１及び２の左側が、視聴者から見た表示画面の右側となる。

画像表示装置１は主として、光源切替型のバックライト７と、右眼用画像及び左眼用画像を交互に切り替えながら表示する液晶パネル４と、で構成される。以下、各構成に対してそれぞれ詳細を述べる。

バックライト７は、互いに対向する光源２ａ及び２ｂと、反射フィルム５と、導光板６と、で構成される。反射フィルム５は、導光板６の下面側に設けられている。

光源２ａ及び２ｂは、導光板６の一対の側面のそれぞれに沿って配置されており、Ｘ軸方向において互いに対向している。光源２ａは、導光板６の左側面に配置されており、光源２ｂは導光板６の右側面に配置されている。光源２ａ及び２ｂは、それぞれＹ軸方向に配列された複数のＬＥＤ素子を有している。光源２ａ及び２ｂは、液晶パネル４に表示される左眼用画像及び右眼用画像の切り替えに同期して、交互に点灯及び点滅を繰り返す。すなわち、液晶パネル４が右眼用画像を表示する場合は、光源２ａが点灯して光源２ｂが消灯し、液晶パネル４が左眼用画像を表示する場合は、光源２ａが消灯して光源２ｂが点灯する。

導光板６は、略平板状の形状である。導光板６は、光源２ａおよび２ｂから出射された光が入射する光入射面と、側面から入射した光が出射する光出射面を有する。導光板６の側面が光入射面に相当する。また導光板６の上面が光出射面に相当する。

光源２ａ及び２ｂから出射された光は、導光板６の側面から入射する。導光板６の側面部から入射した光は、導光板の対向する主面（上面および下面）の間を全反射を繰り返しながら導光板６内を伝播する。導光板６の下面には微細な傾斜面が形成されており、伝播の過程で少しずつ角度が変化し、全反射条件から外れた光線が導光板６から出射する。これらの傾斜面の角度分布を適切に設定して、導光板６から出射する光の強度が上面全体にわたって均一にする。

図３は、導光板６から出射される光の光線強度の角度分布を示すグラフである。グラフの横軸は出射角度を示し、縦軸が光の強度を示す。横軸の０°は、導光板６の主面の法線方向を示す。横軸の符号のプラスは、導光板６の主面の法線から右方向に傾いていることを示す。また、横軸の符号のマイナスは、導光板６の主面の法線から左方向に傾いていることを示す。

図３に示されるように、導光板６から出射された光は、７０度近傍をピークとして出射される。すなわち、導光板６から出射された光は、液晶パネルの表示面に垂直な方向に対して、７０°傾斜した斜めの方向に多く出射する。

反射フィルム５は、導光板６の下面側に設けられている。導光板６の下面に設けられた傾斜面の全反射角度を破った光は、反射フィルム５により反射され、再び導光板６内に入射し、最終的に上面から出射される。導光板６から出射された光は、指向性制御シート３に入射する。

反射フィルムは例えば、表面に銀蒸着させたフィルムや、正反射を起こす多層膜などで構成される。

［１−２．指向性制御シート］
導光板６から出射した光は、指向性制御シート３に入射する。指向性制御シート３は、入射した光を、所望の配光特性に変換して出射する。指向性制御シート３は、図２の様な指向性を持つ光を、左目、右目夫々の視点方向を主指向方向とするとともに更に指向性の高い光に変換する機能を有する。ここで、「更に指向性の高い光」とは、図３に示すような光線強度のピークが高くなり、かつ、ピークの半値幅が狭くなる状態を意味する。

指向性制御シート３の入射面にはプリズムアレイ３１が、出射面側にはレンチキュラレンズアレイ３２が設けられている。指向性制御シート３は、ＰＥＴフィルムからなる基材に、ＵＶ樹脂でレンズ形状およびプリズム形状を転写することで形成される。

導光板６から出射した光は、プリズムアレイ３１で上方向（Ｚ軸の正方向）に反射される。具体的には、プリズムアレイ３１は導光板６からの光を全反射して主指向方向を変換する。上方向に反射された光は、レンチキュラレンズアレイ３２により集光される。具体的には、レンチキュラレンズ３２は入射した光を集束することで指向性を鋭くし、立体表示の際のクロストーク（右目用画像と左目用画像の干渉）を低減する。

図４を用いて、指向性制御シート３に詳細について説明する。図４は、指向性制御シート３の中央部の形状と、端部の形状を示す概略拡大図である。

プリズムアレイ３１は、断面三角形状およびＹ軸方向に延びる稜線を有する複数のプリズムにより構成されている。レンチキュラレンズ３２は、Ｙ軸方向に延び、かつ、Ｘ軸方向に並列に配置された複数のシリンドリカルレンズで構成されている。

プリズムアレイ３１のピッチは全面に渡って同一である。また、レンチキュラレンズアレイ３２のピッチも全面に渡って同一である。本実施形態では、レンチキュラレンズアレイ３２のピッチは、プリズムアレイ３１のピッチよりも小さい。これにより、詳細は後述するが、中央部と端部とで、プリズムとシリンドリカルレンズと対向する位置がシフトする。

指向性制御シート３の中央部では、プリズムは、左右対称の二等辺三角形状である。すなわち、中央部のプリズムの頂点Ａ１の頂角の二等分線Ｌ１（以下、線分Ｌ１と称する場合がある。）は、Ｚ軸方向と略平行になっている。また、プリズムの凹部の最底部Ｃを結んで形成される面をプリズムの底面Ｂとする。底面Ｂの法線を法線Ｍ１としたとき、法線Ｍ１と線分Ｌ１とは略平行になっている。

また、指向性制御シート３の中央部では、プリズムとシリンドリカルレンズとは互いに正対している。すなわち、線分Ｌ１と、シリンドリカルレンズの中心を通る線分Ｎとが略一致する。

指向性制御シート３の中央以外、すなわち端部側では、プリズムは、頂角の二等分線Ｌ２（以下、線分Ｌ２と称する場合がある。）が中央方向へ傾く様に形成されている。すなわち、底面Ｂの法線Ｍ２に対して、線分Ｌ２は所定の角度θで傾いている。この傾斜角θは、指向性制御シート３の中央部から端部に向かって徐々に変化する。具体的には、この傾斜角θは、中央部から端部に向かって大きくなる。すなわち、この傾斜角は、中央部からの距離が大きいほど大きい。

また、指向性制御シート３の端部側では、プリズムに対するシリンドリカルレンズ位置が、中央部側にシフトしている。このシフト量は、傾斜角θの大きさに応じて異なる。具体的には、傾斜角θが大きいほど、シフト量も大きくなる。

上述したように、本実施形態の指向性制御シート３は、プリズムの形状が中央部と端部とで異なる。しかし、プリズムの頂点の頂角φは、いずれの領域においても一定にしている。

プリズムの頂角を一定にしているので、プリズムを転写するための金型を加工する際に、同一形状のバイトを用いて加工できる。したがって、容易に指向性制御シート３を製造することができる。

なお、本実施形態では、プリズムの頂点Ａおよび最底部Ｂの形状を鋭角に示しているが、実際のプリズムを厳密に見ると鋭角ではなく、微少な曲率の曲面になっている場合もある。そのような場合は、曲面の最も先端部分を頂点とすればよい。

また、頂点Ａが曲面の場合は、プリズムを形成する２つの辺（斜面）を延長したときに交わる点を頂点としてもよい。

［１−３．まとめ］
上述したように、本実施形態の画像表示装置１は、導光板６と、光源２ａおよび２ｂと、指向性制御シート３と、液晶パネル４と、を備える。

導光板６は、側面を光入射面とし、主面の一方を光出射面とする略平板状である。

光源２ａおよび２ｂは、導光板６の入射面に光を入射する。

指向性制御シート３は、導光板６から出射された出射光が入射され、所望の配光特性に変換して出射する。

液晶パネル４は、指向性制御シート３の光出射側に設けられ、入射された光を映像信号に応じて空間変調して画像を形成する。

指向性制御シート３は、光入射面にプリズムアレイ３１を有する。

プリズムアレイ３１は、断面略三角形状のプリズムが複数配列して構成される。

そして、プリズムの頂角の二等分線と、プリズムの底面に対する法線とのなす角度が、指向性制御シートの端部から中央部に向かって徐々に変化する。

このような構成により、比較的大きな画面サイズの表示装置であっても、画面の左右端から出射された光を効率良く視聴者の左右の目に集光させることができる。その結果、画像表示装置１は、従来よりも良好な立体表示を行うことができる。

（実施例）
以下、実施例について説明する。本実施例では、最適視距離３００ｍｍ、画面サイズ１０型を想定し、視差６°で設計した指向性制御シートについてシミュレーションを行った。

図５は、指向性制御シート３の中央部および端部の形状と、設計データを示す概略図である。図６は、傾斜角φの変化を示すグラフである。

図５に示すとおり、指向性制御シート３の中央部では、プリズム形状は断面が二等辺三角形の形状とした。

プリズムの頂角θｐは６０°であり、中央部も端部も同じ角度とした。

プリズムのピッチＰｐは、０．１ｍｍであり、中央部も端部も同じピッチとした。

レンチキュラレンズＰＩのピットは、０．０９９９６７ｍｍであり、中央部の端部も同じピッチとした。

端部の最も端の部分における、プリズムに対するレンチキュラレンズのズレ量（最端部偏芯量）Δｘは、０．０３６ｍｍとした。すなわち、レンチキュラレンズは、プリズムのピッチに対して３６％分内側にシフトしている。

プリズムの底面からレンチキュラレンズの底面までの厚さｔは、０．１２１ｍｍとした。

レンチキュラレンズの曲率半径ＲＩは、０．０９１ｍｍであり、中央部も端部も同じ曲率半径とした。

指向性制御シート３の端部の最も端の部分における傾斜角φは、９°とした。傾斜角φとは、プリズムの頂角の二等分線と、プリズムの底面に対する法線とのなす角度である。

また、図６に示すように、指向性制御シート３の中央部と端部との中間部における傾斜角φは、徐々に変化するように設計した。図６の縦軸は、プリズムの傾斜角φを示している。横軸は、指向性制御シート３の中央部から所定の位置までの長さを、中央部から端部までの長さで規格化したものであり、中央部を「０」とし、右側の最端部を「１」とし、左側の最端部を「−１」としている。

図６に示すように、中央部から端部にかけてプリズム傾斜角をリニアに変化させている。なおレンチキュラレンズ位置のシフト量（偏芯量）も同様にリニアに変化させる。

図７（ａ）は、中央部での光線追跡図であり観察者から向かって右側に配置した光源２ａからの代表光線を破線で、同じく左側に配置した光源２ｂからの代表光線を実線で表示している。図７（ｂ）は、中央部での配光特性を示す。

図７（ｂ）に示すように、右側光源２ａを点灯した場合（破線）は右目の視点方向であるマイナス６°でピークとなった。また、左側光源２ｂを点灯した場合（実線）は右目の視点方向であるプラス６°でピークとなった。

図８（ａ）は画面右端部における光線軌跡を示す概略図であり、図８（ｂ）は、その配光特性を示すグラフである。図８（ａ）に示すように、左端部でプリズムの傾斜角（プリズム底面に対するプリズム頂角の２等分線がなす角度）が９°傾くように設定されている。

図８（ａ）に示すように、プリズムの傾斜により右光源２ａからの光（破線）は、マイナス側（すなわち、画面中央に向かって）大きな角度で反射される。また、左光源２ｂからの光線（実線）は、中央部（図７（ａ）参照）とは反対のマイナス側に反射される。図８（ａ）に示すように、左側端部でレンチキュラレンズは、プリズムのピッチに対して３６％分内側にシフトさせている。これにより、右側端部のプリズムで反射された光を効率良く集束することができる。その結果、右側端部における光の指向性を高めることができる。

図８（ｂ）に示すように、右側光源２ａを点灯した場合（破線）は右目の視点方向であるマイナス２６°でピークとなった。また、右側光源２ｂを点灯した場合（実線）は右目の視点方向であるマイナス１４°でピークとなった。すなわち、右側端部から出射された右目用および左目用の光は、それぞれ２０°マイナス側（画面中央部側）にシフトした。したがって、１０型のディスプレイであっても、画面中央部で視聴している視聴者の左右の目に十分な光量の光を集光することができる。

（比較例）
次に比較例について説明する。比較例として、いずれの場所でも同一形状のプリズムを用いた。また、レンチキュラレンズについては、実施例と同様に最端部で36%内側にシフトさせた。このような指向性制御シートについてシミュレーションを行った。

図９（ａ）は、比較例の指向性制御シートにおける最端部での光線軌跡を示す概略図であり、図９（ｂ）は、その配光特性である。

図９（ｂ）に示すように、指向性のピークは確認できたが、出射角度０°からのシフト量は１０°と小さな値であった。また、右目用の光の配光特性と左目用の光の配光特性の対称性も悪い。さらに、図９（ａ）および（ｂ）に示すように、本来入射すべきレンチキュラレンズと隣接するレンチキュラレンズに入射するイレギュラーな光が多く発生し不要光になっている。

この様な状態では左右の映像の明るさがアンバランスになって良好な立体表示が出来ない。また、この状態を許容するとしてもシフト角１０°では視距離３００ｍｍで５型程度の画面にしか対応できない。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、２つの光源２ａおよび２ｂを用い立体映像表示をおこなう場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らない。光源は、導光板６の片方の側面にのみ配置して2次元映像を表示してもよい。この場合は光を視野方向に集めることにより少ない光量で明るい映像を得ることが期待できる。このような構成の場合、指向性制御シート３のプリズムアレイ３１の形状は、図１０に示す適宜設計されうる。図１０に示すように、プリズムアレイ３１の中央部の形状は、必ずしも対称な形状（二等辺三角形）でなくてもよい。要するに、全領域からの光が視点方向に向かうように中央部から端部に向かって徐々に形状を変化させる。例えば図１０に示すように、左側端部のプリズムは断面二等辺三角形で、右側端部に向かうに従って、プリズムの頂点が右側にシフトするような構成であってもよい。

また、上述の実施形態では、光源としてＬＥＤを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らない。光源として例えば、冷陰極管や、レーザダイオードを用いてもよい。

また、上述の実施形態では、導光板６は光源２ａ及び２ｂで共用されているが、光源２ａ用の導光板と光源２ｂ用の導光板とを設け、２枚の導光板を重ねて配置しても良い。

また、上述の実施形態では、プリズムアレイ３１とレンチキュラレンズアレイ３２とが一体になった指向性制御シートを例に挙げて説明したが、本発明はこれには限らない。プリズムアレイが形成されたプリズムシート及びレンチキュラレンズが形成されたレンチキュラレンズアレイシートを別個に設けても良い。

更に、上述の実施形態では、視差のある右眼用画像及び左眼用画像を時分割で表示する立体画像表示装置を例として説明したが、視差のない画像を表示しても良い。この場合、光源２ａ及び２ｂを交互に点滅させる代わりに、常時点灯させればよい。３次元画像に限らず、二次元画像を表示する際にも、視聴者の眼付近にのみ画像を縮小投影させることにより、省エネだけでなく、周辺の人から表示されている内容を覗かれることも防止でき、プライバシー保護も向上できる。

本発明は、液晶ディスプレイなどの画像表示装置に好適に利用される。

１ 画像表示装置
２ａ、２ｂ 光源
３ 指向性制御シート
３１ プリズムアレイ
３２ レンチキュラレンズアレイ
４ 液晶パネル
５ 反射フィルム
６ 導光板
７ バックライト

Claims (5)

1. 側面を光入射面とし、主面の一方を光出射面とする略平板状の導光板と、
   前記導光板の入射面に光を入射する光源と、
   前記導光板から出射された出射光が入射され、所望の配光特性に変換して出射する
   指向性制御シートと、
   前記指向性制御シートの光出射側に設けられ、入射された光を映像信号
   に応じて空間変調して画像を形成する画像表示パネルとを備え、
   前記指向性制御シートは、光入射面にプリズムアレイを有し、
   前記プリズムアレイは、断面略三角形状のプリズムが複数配列して構成され、
   前記プリズムの頂角の二等分線と、前記プリズムの底面に対する法線とのなす角度が、前記指向性制御シートの端部から中央部に向かって徐々に変化する画像表示装置。
2. 前記プリズムアレイは、前記指向性制御シートの中央部から端部に向かって前記角度が大きくなる、
   請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記複数のプリズムの頂角は、一定である、
   請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記指向制御シートの前記プリズムアレイを形成した入射面と対向する出射面には、それぞれのプリズムに対向するシリンドリカルレンズからなるレンチキュラレンズアレイが形成され、
   前記レンチキュラレンズアレイは、前記シリンドリカルレンズが複数配列して構成され、
   前記プリズムに対応する前記レンチキュラレンズの配列方向の位置が、前記プリズムの前記角度に応じて、中央部側にシフトしている、
   請求項１に記載の画像表示装置。
5. 前記光源は、
   前記導光板の対向する２つの側面のそれぞれに光を入射する第１の光源および第２の光源と、を有し、
   前記画像表示パネルは、
   前記第１の光源および第２の光源を交互に点灯するとともに、前記画像表示パネルの表示映像を前記第１の光源および第２の光源の点灯と同期して切り替える請求項１に記載の映像表示装置。