JP3568338B2 - 液晶立体表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、特殊な眼鏡を用いずに立体映像が観察できる液晶立体表示装置に係り、特に光源からの光の利用効率を向上させ、高輝度化が図れる液晶立体表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特殊な眼鏡を用いずに立体映像を観察できる、いわゆる、立体画像表示装置として、例えば、図５に示すように、平面状に発光するバックライト２の発光を開口部４０ａと遮光部４０ｂとを有する光学フィルタ４０でストライプ状に分割し、液晶パネル１に１ラインごとに左眼画像ＩＬと右眼画像ＩＲとを交互に形成させる方式のものがある。
【０００３】
この方式においては、液晶パネル１の画像形成面から立体映像が観察できる視点までの観察距離Ｌ１は、次の数式１に示すように、液晶パネル１の画像形成面と光学フィルタ４との間の光学距離ＬＤ１に比例し、人の眼間距離Ｅと液晶パネル１の画素ピッチ（ドットピッチ）Ｐとの比から１を減じた値に比例する。
【０００４】
【数１】
ＬＤ１＝ＬＤ１×〔（Ｅ／Ｐ）−１〕
【０００５】
ここで、液晶パネル１と光学フィルタ４０との間にスペースを設けず、光学フィルタ４の表面に液晶パネル１を密接させた場合、光学フィルタ４と液晶パネル１の画像形成面との間には液晶パネル１の入射側ガラス及び入射側偏光板とがあるので、ガラスの肉厚をＴ１、屈折率をｎ１とし、偏光板の肉厚をＴ２、屈折率をｎ２とすれば、光学距離ＬＤ１は次の数式２で表すことができる。
【０００６】
【数２】
ＬＤ１ ＝Ｔ１／ｎ１＋Ｔ２／ｎ２
【０００７】
画像の高精細化を図るため画素ピッチＰを小さくすると、観察距離Ｌ１が大きくなることは前記数式１から明らかであり、例えば現行の液晶パネル１ではガラス肉厚Ｔ１が１．１ｍｍ、ガラス屈折率ｎ１が１．５３、偏光板肉厚Ｔ２が０．２ｍｍ、偏光板屈折率ｎ２が１．４９であるので、眼間距離Ｅを６５ｍｍとして画素ピッチＰが７０μｍの高精細の液晶パネル１を用いた場合には観察距離が７８０ｍｍとなり、実用性に問題がある。
【０００８】
又、視点が横方向に移動する時に、右眼画像と左眼画像とが同時に視界に入るクロストークが生じ易く、特に高輝度化を図るために各画素の開口面積を大きくし、画素間のブラックマトリックスを細くする場合にはクロストークが一層生じ易くなるという問題がある。
【０００９】
逆に、クロストークを防止するためにブラックマトリックスを太くすると、視点が横方向に移動する時に、輝度が変化し易くなるという問題がある。
【００１０】
上記した問題点を解決し、画素ピッチが細かくても観察距離を短くでき、しかも、視点の横方向への移動時の輝度の均一化及びクロストークの削減が図れるようにした液晶立体表示装置が特開平８−１９４１９０号公報（ＩＰＣ：Ｇ０２Ｂ
２７／２２）に開示されている。
【００１１】
上記した液晶立体表示装置は、平面状に発光するバックライトと、カラー液晶パネルとの間に、バックライトの発光を立体画像の視点数の画素に対して１つ設けられ、カラー液晶パネルに内蔵したカラーフィルタの色順と逆の順に並び、画素数の視点数倍よりも少し大きい幅を有する赤、青、緑の各色の微小発光の集合に変換するカラーフィルタを設けたものである。
【００１２】
上記した液晶立体表示装置によれば、観察距離Ｌ１は従来の３分の１に近い短距離に短縮される。即ち、カラー液晶パネルには、各画素に１対１に対応させて所定の色順に並べられた３原色の色フィルタからなるカラーフィルタが内蔵されている。このカラー液晶パネルの各色のフィルタは同じ色の光を透過し、異なる色の光は吸収するので、色分離手段によって色分離された各微小発光のうちカラー液晶パネルのフィルタの色と異なる色の微小発光は遮光され、光源装置の発光は色ごとにその進行方向が限定される。
【００１３】
そして、３原色の画素が順に並ぶカラー液晶パネルでは、３画素ごとに同じ色の画像が形成されるので、各色ごとに考えると、画素ピッチＰに代えて同色の画素のピッチ（以下、同色画素ピッチという。）を用いて前記数式１により観察距離Ｌ１を求めることができる。
【００１４】
ここで、同色画素ピッチは画素ピッチＰの３倍であるので、観察距離Ｌ１は従来の３分の１に近い短距離に短縮されることになる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した液晶立体表示装置においては、画素ピッチが細かくても観察距離を短くでき、しかも、視点の横方向への移動時の輝度の均一化及びクロストークの削減を図ることができる。しかしながら、上記した立体表示装置においては、白色バックライトの光をカラーフィルタで３色の微小発光に分離しているので、バックライトの光を１／３しか利用できず、光の利用率が悪いという問題があった。
【００１６】
この発明は、上述した従来の問題点に鑑みなされたものにして、光の利用率を向上させた液晶立体表示装置を提供することをその目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、左眼用の画素と右眼用の画素とにより左眼用の映像と右眼用の映像とを表示するカラー液晶パネルと、赤色の発光素子アレイ、緑色の発光素子アレイ及び青色の発光素子アレイが所定のピッチで配置され、各色がストライプ状に発光される光源装置と、前記カラー液晶パネルと光源装置の間に配置され、各発光素子からの光を前記カラー液晶パネルの対応する画素に集光するレンチキュラレンズと、を備えることを特徴とする。
【００１８】
そして、この発明は、観察者の眼間距離をＥ、前記カラー液晶パネルの画素ピッチをＰ１、観察距離をＬ１、前記レンチキュラレンズのレンズピッチをＰ２、前記カラー液晶パネルの画素とレンチキュラレンズの主点間距離をｄ１、前記光源装置の発光素子アレイのピッチをＰ３、前記レンチキュラレンズの主点と前記光源装置の発光素子アレイの出射面距離をｄ２とするとき、
Ｅ／（２ｎ−１）Ｐ１＝（Ｌ１＋ｄ１）／ｄ１、
２Ｐ１／Ｐ２＝Ｌ１／（Ｌ１＋ｄ１）、
Ｅ／（Ｌ１＋ｄ１）＝Ｐ３／ｄ２、
（ここで、ｎは整数）
上記式を満足するように、前記カラー液晶パネルの画素ピッチ、観察距離、前記レンチキュラレンズのレンズピッチ、前記カラー液晶パネルの画素とレンチキュラレンズの主点間距離、前記光源装置の発光素子アレイのピッチ、前記レンチキュラレンズの主点と前記光源装置の発光素子アレイの出射面距離、とが決められている。
【００１９】
上記したように、この発明の液晶立体表示装置においては、所定のピッチで並ぶ赤、青、緑の各色の発光素子アレイからなる光源装置を備えるので、光源装置の各発光素子のうちカラー液晶パネルのフィルタの色と異なる色の発光素子からの光は遮光され、光源装置の発光は色ごとにその進行方向が限定される。
【００２０】
その結果、観察距離が画素ピッチに光源装置から出射される３原色を乗じた各色の同色画素ピッチによって決定され、画素ピッチが細かい高輝度、高解像度のカラー液晶パネルを用いても、３分の１に近い短距離に観察距離が短縮される。しかも、バックライトの発光をフィルタで３原色に分割する従来例に比べると、光の利用率が格段に向上する。さらに、レンチキュラレンズにより、所望の画素に光を集光させるので、隣接するカラー液晶パネルのカラーフィルタにより吸収、遮光される光を極力少なくでき、光の利用効率が一段と向上する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態に係る液晶立体表示装置を図１に基づいて具体的に説明する。
【００２２】
図１に示すように、この液晶立体表示装置は、カラー液晶パネル１の背面側に配置した光源装置３から出射され、光源装置３の前面に配置されたレンチキュラレンズ５により対応する画素に集光して、カラー液晶パネル１を透過させ、その光をカラー液晶パネル１の正面側から観察者が観察するようにしている。
【００２３】
前記カラー液晶パネル１は、それぞれストライプ状に形成された青色用画素１ｂ、赤色用画素１ｒ、及び緑色用画素１ｇとを備える。なお、図においては、各画素１ｂ、１ｒ、１ｇ間のブラックマトリックスは省略している。
【００２４】
前記光源装置３は、図４に示すように、裏面にヒートシンク３２を備えた絶縁性基板３１上に赤色、緑色、青色の各発光ダイオード素子３３…をアレイ状に配置したものであり、発光ダイオード３３…の前面に拡散板３４が装着されている。各発光ダイオード３３…は色再現範囲で均一な表示ができる点光源であり、発光ダイオード３３…の発光点から出射された光が拡散板３４により拡散されて、赤色、緑色、青色のストライプ状の光（３ｒ、３ｇ、３ｂ）としてレンチキュラレンズ５に与えられる。このレンチキュラレンズ５は、各色の発光ダイオードアレイ３ｒ、３ｇ、３ｂからの拡散光を対応するカラー液晶パネル１の画素（１ｒ、１ｇ、１ｂ）に集光して与える。
【００２５】
なお、拡散板３４を設けることにより、各発光ダイオード３３…の発光ムラは解消され、赤色、緑色、青色のストライプ状光がレンチキュラレンズ５に与えられる。
【００２６】
この光源装置３は、カラー液晶パネル１の青色用画素１ｂ、赤色用画素１ｒ、及び緑色用画素１ｇと逆の順に並ぶように、赤色発光ダイオードアレイ３ｒ、青色発光ダイオードアレイ３ｂ、緑色発光ダイオードアレイ３ｇが所定ピッチで配列されている。
【００２７】
各色発光ダイオードアレイ３ｒ、３ｇ、３ｂは、視点数の画素１ｂ、１ｒ、１ｇに対して１つ、すなわち、視点数が２であるこの実施の形態においては、右眼用画素と左眼用画素の２画素に対して１つの各色発光ダイオードアレイ３ｒ、３ｇ、３ｂが対応するように配置される。
【００２８】
各色発光ダイオードアレイ３ｒ、３ｇ、３ｂの間にはブラックマトリックスなどの遮光部を設ける必要はなく、したがって、各色発光ダイオードアレイ３ｒ、３ｇ、３ｂの横方向の幅は各画素１ｒ、１ｇ、１ｂの横幅の２倍より少し大きくしている。
【００２９】
光源装置３の各色発光ダイオードアレイ３ｒ、３ｇ、３ｂからは、青、赤、緑の各色がカラー液晶パネル１の画素１ｒ、１ｇ、１ｂと逆の順に並ぶストライプ状の微小発光となって出射される。
【００３０】
図１に示す実施の形態においては、レンチキュラレンズ５と液晶パネル１の画素ピッチが約２の場合を示している。この図１における場合には、図中の各パラメータを次のように設定し、以下の式を満足するように決定すればよい。
【００３１】
即ち、観察者の眼間距離をＥ、前記カラー液晶パネルの画素ピッチをＰ１、観察距離をＬ１、前記レンチキュラレンズのピッチをＰ２、前記カラー液晶パネルの画素とレンチキュラレンズの主点間距離をｄ１、前記光源装置の発光素子アレイのピッチをＰ３、前記レンチキュラレンズの主点と前記光源装置の発光素子アレイの出射面距離をｄ２とするとき、以下の数式３を満足するように各構成パラメータを決定する。
【００３２】
【数３】
Ｅ／（２ｎ−１）Ｐ１＝（Ｌ１＋ｄ１）／ｄ１…（１）
２Ｐ１／Ｐ２＝Ｌ１／（Ｌ１＋ｄ１）…（２）
Ｅ／（Ｌ１＋ｄ１）＝Ｐ３／ｄ２…（３）
ここで、ｎは整数である。
【００３３】
眼間距離は、６５ｍｍとする。そして、液晶立体表示装置の仕様及び使用するカラー液晶パネル１から観察距離Ｌ１およびカラー液晶パネル１の画素ピッチが決定されるので、上記（１）式により、カラー液晶パネル１の画素とレンチキュラレンズ５の主点間距離ｄ１が求まる。
【００３４】
更に、カラー液晶パネル１の画素ピッチとレンチキュラレンズ５のピッチである上記（２）式に、カラー液晶パネル１の画素とレンチキュラレンズ５の主点間距離ｄ１、観察距離Ｌ１、カラー液晶パネル１の画素ピッチＰ１を代入することによりレンチキュラレンズ５のレンズピッチＰ２が求めることができる。
【００３５】
また、レンチキュラレンズ５の主点から観察者までの距離Ｌ２（＝Ｌ１＋ｄ１）、光源装置３の発光素子アレイのピッチＰ３、レンチキュラレンズ５の主点と光源装置３の発光素子アレイの出射面との距離ｄ２の間には上記（３）式の関係があり、（３）式からｄ２＝Ｌ２・Ｐ３／６５が成り立つ。これをカラー液晶パネル１と光源装置３の発光ダイオードアレイピッチの関係式である上記（３）式に代入し、ｄ２を消去することにより、光源装置３の発光素子アレイのピッチＰ３が求まり、更にレンチキュラレンズ５の主点と光源装置３の発光素子アレイの出射面との距離ｄ２を決定することができる。
【００３６】
このようにして決定された液晶立体表示装置においては、カラー液晶パネル１に設けられた各色用画素１ｒ、１ｇ、１ｂは、例えば赤色用画素１ｒは発光ダイオードアレイ３ｒから出射された同色の光、すなわち、赤色光はカラー液晶パネル１に設けられた透過させるが、他の青色光及び緑色光は吸収してしまうので、観察者から見れば、青色及び緑色の微小発光は遮光され、光源装置３の微小発光は色ごとにその進行方向が限定される。
【００３７】
したがって、カラー液晶パネル１の１ラインの赤色用画素１ｒごとに左眼画像と右眼画像とを交互に形成することにより赤色の立体画像を観察できるようになる。
【００３８】
同様にして、赤色の他の青色及び緑色の立体画像が観察できるので、観察者は青色、赤色及び緑色の３原色が合成された立体カラー画像を観察できる。
【００３９】
各色の立体画像の観察距離Ｌ１は、各色の画素ピッチ、すなわち、同色ピッチによって数式１に従って決定されるので、数式１の画素ピッチＰに代えて３画素ピッチ３Ｐを代入して観察距離が決定され、観察距離Ｌ１は従来の３分の１に近い短距離に短縮されることになる。
【００４０】
又、光源装置３の各色発光ダイオードアレイ３ｒ、３ｇ、３ｂから出射された光が、レンチキュラレンズ５を介在させない場合には、図３の破線で示すように隣接する画素まで光が拡散される。これに対して、この発明によれば、レンチキュラレンズ５により、光源装置３の各色発光ダイオードアレイ３ｒ、３ｇ、３ｂから出射された光は、それぞれカラー液晶パネル１の対応する色の画素に集光され、隣接するカラー液晶パネル１のカラーフィルターにより吸収、遮光される光量は格段に減少し、光の利用効率が大幅に向上する。レンチキュラレンズ５が介在させない場合には、
【００４１】
又、光源装置３の各色発光ダイオードアレイは３ｒ、３ｇ、３ｂの間に遮光部が設けられないので、バックライト２の発光を光学フィルタ４０でストライプ状に分割する従来例に比べると各色の微小発光の幅が広く、頭を横に移動させた時の輝度の均一性が高められる。
【００４２】
更に、各色ごとに左右分離するので、左右分離する画素が密接せず、クロストークが発生しない。
【００４３】
なお、この実施例において、カラー液晶パネル１によって２Ｄ画像を形成することは可能である。
【００４４】
図２に示すこの発明の第２の実施の形態は、上記数式３におけるｎが２の場合であり、レンチキュラレンズ５及び光源装置３の発光ダイオードアレイのピッチをより荒くして構成し、製造を容易にしたものである。
【００４５】
この実施の形態においても上記（１）〜（３）に対応した下記の数式４により各構成部品のピッチ及び間隔を決定すればよい。
【００４６】
【数４】
６５／（２・２−１）Ｐ１＝（Ｌ１＋ｄ１）／ｄ１…（４）
２Ｐ１／Ｐ２＝Ｌ１／（Ｌ１＋ｄ１）…（５）
Ｅ／Ｌ２＝Ｐ３／ｄ２…（６）
ｄ２＝Ｌ２・Ｐ３／６５…（７）
（２・２−１）Ｐ１／ｄ１＝Ｐ３／ｄ２…（７’）
【００４７】
上記した各実施の形態においては、赤色、緑色、青色の発光素子として、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、青色発光ダイオードを用いたが、発光素子としては発光ダイオードに限らず、有機又は無機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）を用いて、発光素子アレイを構成してもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明の液晶立体表示装置においては、所定のピッチで並ぶ赤、青、緑の各色の発光素子アレイからなる光源装置を備えるので、光源装置の各発光素子のうちカラー液晶パネルのフィルタの色と異なる色の発光素子からの光は遮光され、光源装置の発光は色ごとにその進行方向が限定される。
【００４９】
その結果、観察距離が画素ピッチに光源装置から出射される３原色を乗じた各色の同色画素ピッチによって決定され、画素ピッチが細かい高輝度、高解像度のカラー液晶パネルを用いても、３分の１に近い短距離に観察距離が短縮される。しかも、バックライトの発光をフィルタで３原色に分割する従来例に比べると、光の利用率が格段に向上する。さらに、レンチキュラレンズにより、所望の画素に光を集光させるので、隣接するカラー液晶パネルのカラーフィルタにより吸収、遮光される光を極力少なくでき、光の利用効率が一段と向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態に係る液晶立体表示装置の原理図である。
【図２】この発明の第２の実施の形態に係る液晶立体表示装置の原理図である。
【図３】この発明の要部を示す模式図である。
【図４】この発明に用いられる発光ダイオードアレイからなる光源装置を示す概略断面図である。
【図５】従来の液晶立体表示装置の原理図である。
【符号の説明】
１ カラー液晶パネル
２ バックライト
３ 光源装置
５ レンチキュラレンズ
３１ 絶縁性基板
３３ 発光ダイオード

Claims (2)

1. 左眼用の画素と右眼用の画素とにより左眼用の映像と右眼用の映像とを表示するカラー液晶パネルと、赤色の発光素子アレイ、緑色の発光素子アレイ及び青色の発光素子アレイが所定のピッチで配置され、各色がストライプ状に発光する光源装置と、前記カラー液晶パネルと光源装置の間に配置され、各発光素子アレイからの光を前記カラー液晶パネルの対応する画素に集光するレンチキュラレンズと、を備えることを特徴とする液晶立体表示装置。
2. 観察者の眼間距離をＥ、前記カラー液晶パネルの画素ピッチをＰ１、観察距離をＬ１、前記レンチキュラレンズのレンズピッチをＰ２、前記カラー液晶パネルの画素とレンチキュラレンズの主点間距離をｄ１、前記光源装置の発光素子アレイのピッチをＰ３、前記レンチキュラレンズの主点と前記光源装置の発光素子アレイの出射面距離をｄ２とするとき、
   Ｅ／（２ｎ−１）Ｐ１＝（Ｌ１＋ｄ１）／ｄ１、
   ２Ｐ１／Ｐ２＝Ｌ１／（Ｌ１＋ｄ１）、
   Ｅ／（Ｌ１＋ｄ１）＝Ｐ３／ｄ２、
   （ここで、ｎは整数）
   上記式を満足するように、前記カラー液晶パネルの画素ピッチ、観察距離、前記レンチキュラレンズのレンズピッチ、前記カラー液晶パネルの画素とレンチキュラレンズの主点間距離、前記光源装置の発光素子アレイのピッチ、前記レンチキュラレンズの主点と前記光源装置の発光素子アレイの出射面距離、とが決められていることを特徴とする請求項１に記載の液晶立体表示装置。

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