JP3570104B2

JP3570104B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP3570104B2
Application number: JP22083796A
Authority: JP
Inventors: 晶司佐藤; 純平井; 義樹城地
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-08-22
Filing date: 1996-08-22
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2016-08-22
Also published as: JPH1063199A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばビデオカメラ等で撮影した立体情報のある録画画像を特殊な眼鏡を使用することなく液晶ディスプレイを用いて３次元（３Ｄ＝３Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）画像、いわゆる立体画像として見ることのできる液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から３次元に画像を表現する技術は古くから試みられており、写真，映画，テレビジョン等多くの分野で３次元画像に関する表示方法が研究され実用化されてきた。そして、３次元画像の表示方式はメガネ式とメガネ無し式との２種類に分類される。
【０００３】
メガネ式の代表的なものとしては、いわゆる赤，青メガネを着用するアナグリフ方式や偏光メガネ方式がある。これらの方式は両眼視差のある画像を観察者の左右の眼に入力し立体映像として見ることができるものである。しかし、これらの方式は観察者がメガネを着用することが必要であるため煩わしいといった問題がある。
【０００４】
一方、メガネ無し式の代表的なものとしてはパララックスバリア方式やレンチキュラ方式がある。
【０００５】
図９に二眼式のパララックスバリア方式の原理を示す。図９において、液晶表示素子３１には右眼用の画素Ｒと左眼用の画素Ｌとが交互に縦列に配置されている。そして、液晶表示素子３１の前方にスリット３２を開口したバリア３３が配置されている。
【０００６】
すなわち、液晶表示素子３１のバリア３３を通して観察者３４が見たとき、観察者３４の右眼３４ａにはバリア３３のスリット３２を通して液晶表示素子３１のそれぞれの画素Ｒを見ることができ、観察者３４の左眼３４ｂにはバリア３３のスリット３２を通して液晶表示素子３１のそれぞれの画素Ｌを見ることができ、これによって、液晶表示素子３１の画像を観察者の両眼視差作用により立体映像として見ることができるものである。
【０００７】
また、図１０に二眼式のレンチキュラ方式の原理を示す。図１０において、液晶表示素子３１には上述したパララックスバリア方式と画素の配列は異なるが同様に右眼用の画素Ｒと左眼用の画素Ｌとが交互に縦列に配置されている。この液晶表示素子３１の前面にはレンチキュラレンズ３５が配置されている。詳しくはレンチキュラレンズ３５は１つのレンズ単体が右眼用の画素Ｒと左眼用の画素Ｌとの２画素に正確に一致するように構成されている。
【０００８】
すなわち、液晶表示素子３１を観察者３４が見たとき、観察者３４の右眼３４ａにはレンチキュラレンズ３５を通して液晶表示素子３１のそれぞれの画素Ｒを見ることができ、観察者３４の左眼３４ｂにはレンチキュラレンズ３５を通して液晶表示素子３１のそれぞれの画素Ｌを見ることができ、これによって、液晶表示素子３１の画像を観察者の両眼視差作用により立体映像として見ることができるものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した二眼式のパララックスバリア方式やレンチキュラ方式は、いずれの場合も立体視可能範囲が制限されているため、観察者の見る位置が多少でも左右にずれると立体画像が困難となるといった問題がある。また、両方式は液晶表示素子の画素を右眼と左眼とで二分割しているため、本来の液晶表示素子の水平解像度が半分となってしまい、このため立体画像精度が低下するといった問題もある。
【００１０】
そこで、本発明は、液晶表示画面に対して観察者が見る位置が多少左右にずれても立体映像が損なわれることなく、且つ、本来の液晶表示素子の水平解像度を維持し高精度の立体画像が鑑賞できる液晶表示装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するための本発明の液晶表示装置は、液晶表示素子の背面側に配置され、互いに偏光方向が異なる右眼用偏光フィルタ部及び左眼用偏光フィルタ部を前面側の左右に配置した光源と、
前記右眼用偏光フィルタ部及び前記左眼用偏光フィルタ部を通過した各光を平行光にして前記液晶表示素子に照射する光学手段と、
液晶パネルとこの液晶パネルの両面にそれぞれ配置された２枚の偏光フィルタとを有し、この２枚の偏光フィルタが前記液晶パネルの１水平ライン毎に前記右眼用偏光フィルタ部からの光と前記左眼用偏光フィルタ部からの光とが交互に透光可能に構成された光透過型の前記液晶表示素子とを備え、
前記液晶表示素子の前記液晶パネルには、前記２枚の偏光フィルタの透光ラインに合わせて１水平ライン毎に右眼用と左眼用の映像情報を交互に表示し、前記右眼用偏光フィルタ部からの光が前記液晶表示素子を透過して観察者の右眼に、前記左眼用偏光フィルタ部からの光が前記液晶表示素子を透過して観察者の左眼にそれぞれ独立して入光するよう構成したものである。
【００１２】
即ち、右眼用偏光フィルタ部からの光は、光学手段を経て平行光となって液晶表示素子に達し、この光は右眼用の映像が映出される１ライン置きの水平ラインのみを通過して観察者の右眼に入光し、左眼用偏光フィルタ部からの光は、光学手段を経て平行光となって液晶表示素子に達し、この光は左眼用の映像が映出される１ライン置きの水平ラインのみを通過して観察者の左眼に入光して両眼視差に基づく３次元知覚により立体映像として見ることができ、上記右眼用偏光フィルタ部からの光と左眼用偏光フィルタ部からの光は、それぞれ明視距離において所定のゾーン幅を有するためにそのゾーンの範囲内であれば正常な立体映像が見える。又、液晶表示素子の１ライン置きの水平ラインには右眼用の映像と左眼用の映像が映出され、この右眼用の映像と左眼用の映像が全てそのまま観察者の右眼と左眼に選択的に入光するため水平解像度が損なわれない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１〜図３には本発明の第１実施形態が示されている。図２には液晶表示装置の側断面図、図３にはその正面図がそれぞれ示されている。図２及び図３において、液晶表示装置の筐体１内には液晶表示素子２が収納され、この液晶表示素子２の背面側には光学手段としてのフレネルレンズ３が所定の距離をおいて配置されている。このフレネルレンズ３は一側面に同心状の凹凸するレンズ面を有し、フレネルレンズ背面側の中心の焦点から入射した光をほぼ平行光として射出させる。液晶表示素子２の前面には拡散板４が取り付けられ、液晶表示素子２を通過した光は拡散板４を経て観察者側に射出される。この拡散板４はフレネルレンズ３の同心状縞部分が液晶表示素子２に干渉し合って発生するモアレ現象（映像上の縞状の模様）を解消するためのものである。
【００１４】
また、筐体１内の下方には液晶表示素子２を背面から照射するための光源としてバックライト５が配置されている。このバックライト５の前面側（照射側）には中央を境にして右眼用偏光フィルタ部６ａと左眼用偏光フィルタ部６ｂとが左右に配置されている。この右眼用偏光フィルタ部６ａと左眼用偏光フィルタ部６ｂとは互いに偏光方向が直交する直線偏光フィルタとして構成され、この実施形態では右上がり偏光面と左上がり偏光面とになっている。
【００１５】
さらに、筐体１内の後面側には第１反射板７と第２反射板８とが配置され、右眼用偏光フィルタ６ａと左眼用偏光フィルタ６ｂとを通過するバックライト５からの光は第１反射板７と第２反射板８を反射してフレネルレンズ３に入る。これによってバックライト５からの光は液晶表示素子２の背面全体に効率よく照射される。このように構成したことでバックライト５は図２及び図３の仮想線で示した見かけ上の位置から液晶表示素子２を照射させた状態となる。尚、図２及び図３にあって、９は音声を出力するスピーカである。
【００１６】
前記液晶表示素子２は光透過型であり、図１（ｂ）に示すように、液晶パネル２０とこの液晶パネル２０の両面にそれぞれ配置された２枚の偏光フィルタ２１，２２とを有する。液晶パネル２０はこの実施形態では一対の配向膜内に９０度ねじれた液晶が収納され、一対の配向膜間に電圧を印加しないときには入射光を９０度回転させて射出し、一対の配向膜間に電圧を印加したときには入射光を回転させることなくそのまま射出させる。２枚の偏光フィルタ２１，２２は、それぞれ液晶パネルの１水平ライン毎に、互いに直交する直線偏光フィルタライン部Ｌ_ａ，Ｌ_ｂを交互に配置し、且つ、光源側（背面側）と観察側（前面側）の対向する直線偏光フィルタライン部Ｌ_ａ，Ｌ_ｂを直交する偏光方向に構成してある。従って、右眼用偏光フィルタ部６ａ若しくは左眼用偏光フィルタ部６ｂからの光は同一偏光面の直線偏光フィルタライン部Ｌ_ａ，Ｌ_ｂのみから入光するため、それぞれ１水平ラインおきに入光することになり、この入光した各光は電圧無印加のときに透光し、電圧印加のときにしゃ断される。
【００１７】
また、前記液晶表示素子２の液晶パネル２０には、２枚の偏光フィルタ２１，２２の透光ラインに合わせて１水平ライン毎に右眼用と左眼用の映像情報が交互に表示されるよう構成されている。
【００１８】
次に、上記構成の作用を説明する。図１（ａ）にはバックライト５で照射された液晶表示素子２が観察者の左右の眼に認識される様子の光学的な平面図であり、バックライト５は見かけ上の位置で示してある。図１（ａ），（ｂ）にあって、バックライト５からの光の内、右眼用偏光フィルタ部６ａを経た光はフレネルレンズ３を通過すると、平行光となって液晶表示素子２に達し、この光は右眼用偏光フィルタ６ａと同一偏光面を有する１水平ライン置きの直線偏光フィルタライン部Ｌ_ａのみから入光する。そして、この１水平ラインおきに入光した光は液晶パネル２０の駆動状態に応じて射出され、この射出光は観察者の右眼ゾーンにのみ照射される。又、バックライト５からの光の内、左眼用偏光フィルタ部６ｂを経た光は、上記と同様にして液晶表示素子２に達して左眼用偏光フィルタ６ｂと同一偏光面を有する１水平ライン置きの直線偏光フィルタライン部Ｌ_ｂのみから入光する。そして、前記とは異なるラインであるが、１水平ラインおきに入光した光は液晶パネル２０の駆動状態に応じて射出され、この射出光は観察者の左眼ゾーンにのみ照射される。
【００１９】
前記液晶パネル２０は、２枚の偏光フィルタ２１，２２の透光ラインに合わせて１水平ライン毎に右眼用の映像と左眼用の映像とを交互に表示されるために、観察者が明視距離（近点距離）において液晶表示素子２を見れば、右眼用の映像のみが右眼１０ａに、左眼用の映像のみが左眼１０ｂにそれぞれ独立に入光して両眼視差に基づく３次元知覚により立体映像として見ることができる。
【００２０】
そして、図１（ａ）に示す如く、右眼用偏光フィルタ部６ａからの光と左眼用偏光フィルタ部６ｂからの光は、それぞれ明視距離において所定のゾーン幅を有するためにそのゾーンの範囲内であれば正常な立体映像が見え、観察者の見る位置が多少左右にずれても立体映像が損なわれることがない。
【００２１】
また、液晶表示素子２の１ライン置きの水平ラインには右眼用の映像と左眼用の映像とが映出され、この右眼用の映像と左眼用の映像とが全くそのまま観察者の右眼と左眼に選択的に入光するため水平解像度が損なわれることがない。但し、垂直解像度は劣化するが、垂直解像度の劣化は人間の眼には認識されずらく、あまり目立たない。
【００２２】
さらに、右眼用の映像と左眼用の映像とが時分割（例えば１フィールド置き）ではなく全フィールドについて映出できるため、フィールド周波数を高くしなくてもフリッカーのない立体映像が得られる。
【００２３】
図４には液晶表示素子２′の第１変形例が示されている。図４において、この第１変形例の液晶表示素子２′は液晶パネル２０とこの両面にそれぞれ配置された２枚の偏光フィルタ２１′，２２′とを有する。液晶パネル２０の構成は前記実施形態のものと同じであるが、２枚の偏光フィルタ２１′，２２′の構成が異なる。即ち、各偏光フィルタ２１′，２２′は全面に亘って同一偏光面の直線偏光フィルタであるが、双方の偏光フィルタ２１′，２２′の偏光面は互いに直交する方向に設定されている。そして、光源側の偏光フィルタ２１′には液晶パネル２０の１水平ライン置きに１／２波長板２３が付設されている。この１／２波長板２３は、図５（ａ）に示す如く、入射光を９０度回転させて射出するように設置されている。
【００２４】
図５（ｂ）において、左上がり方向の偏光は１／２波長板２３のない偏光フィルタ２１′のラインを通過できないが、１／２波長板２３があると９０度回転して右上がり方向の偏光となるため偏光フィルタ２１′のラインを通過できる。逆に、右上がり方向の偏光は１／２波長板２３のない偏光フィルタ２１′のラインを通過できるが、１／２波長板２３があると９０度回転して左上がり方向の偏光となるため偏光フィルタ２１′のラインを通過できない。そして、光源側の偏光フィルタ２１′に入光した直後の光の偏光方向は全て右上がり方向となるので、観察側の偏光フィルタ２２′の偏光方向は全て左上がり方向で良く、コスト安である。
【００２５】
図６には液晶表示素子２″の第２変形例が示されている。図６において、この第２変形例の液晶表示素子２″は液晶パネル２０とこの両面にそれぞれ配置された２枚の偏光フィルタ２１，２２″とを有する。液晶パネル２０の構成及び光源側の偏光フィルタ２１の構成は前記実施形態のものと同じであるが、観察側の偏光フィルタ２２″は全面に亘って同一の偏光面（光源側の偏光フィルタ２１のいずれか一方の直線偏光フィルタ部Ｌ_ａ，Ｌ_ｂの偏光面）を有する直線偏光フィルタとして構成されている。そして、双方の偏光フィルタ２１，２２″において偏光方向が同一となるラインでは駆動条件（駆動電圧）を逆に設定する。図７に示す如く、具体的には、双方の偏光フィルタ２１，２２′の偏光方向が異なるラインは、「明」では電圧無印加、「暗」では電圧印加とし、双方の偏光フィルタ２１，２２′の偏光方向が同じラインは、「明」では電圧印加、「暗」では電圧無印加とする。この第２変形例においても、観察側の偏光フィルタ２２″は全体に亘って全て同一偏光方向に構成すれば良いため、コスト安である。
【００２６】
尚、上記第１実施形態及び第１・第２変形例においては、右眼用又は左眼用偏光フィルタ部６ａ，６ｂや液晶表示素子２，２′，２″の偏光フィルタ２１，２２，２１′，２２′，２２″を直線偏光のものを用いたが、円偏光のものを用いても略同様に構成できる。
【００２７】
また、図８には第２実施形態が示されている。この第２実施形態では、上述した第１実施形態の装置をそのまま利用し、例えば図８に示すように液晶表示画面に色の異なる２つのマーク２２，２３を横方向に表示し、左右の眼には１つずつしか見えない２つのマーク２２，２３がその中間部において重なるように一体視できる眼幅の状態が容易に得られるので、ランダムドットステレオグラム等を裸眼立体画像として見ることが可能となる。尚、所定の眼幅状態が得られた後はマーク２２，２３を消しても差し支えない。
【００２８】
また、本発明では、液晶表示画面に対して観察者の見る角度が大きくずれている場合の視野角補正手段として、観察者に対して液晶表示装置全体の角度方向またはバックライトと液晶表示素子との相対位置を手動あるいは自動で可変制御することが可能である。
【００２９】
例えば、視野角の補正を自動で行う場合の例としては、液晶表示装置側から超音波や赤外線等の信号波を発射し、その反射波の強度や遅れ時間等のパターンを認識することにより観察者の顔（眼）の方向を割り出し、観察者に対して液晶表示装置全体の角度変更あるいはバックライトと液晶表示素子との相対位置を制御することができる。
【００３０】
また、別の方法としては液晶表示装置側からＣＣＤ（固体撮像素子）等で観察者の顔の肌色検出を行い顔の方向を割り出したり、サーモセンサで顔の体温を検知して顔の方向を割り出すことによって上述した場合と同様に観察者に対して液晶表示装置全体の角度変更あるいはバックライトと液晶表示素子との相対位置を制御することもできる。
【００３１】
尚、図３，図８において液晶表示装置の筐体１に各種の切換えスイッチが備えてある。第１のスイッチ２５は上，下方向に切り換えることで３Ｄ（第１実施形態）と２Ｄ（第２実施形態及び第３実施形態の使用例）とに切り換えできるスイッチである。また、第２のスイッチ２７は画像信号の各フィールドの立体情報を左右の眼に対等させるスイッチである。
【００３２】
また、本発明の液晶表示装置は液晶画像を立体画像として見ることができる他、立体情報でないノーマルな映像信号を使用することで液晶表示装置で通常の画像としても見ることができる利点がある。
【００３３】
実施形態ではバックライト５の光を液晶表示素子２の背面に平行光として照光する光学手段としてフレネルレンズ３を使用した場合について説明したが、例えば、フレネルレンズ３の代わりに第１の反射板６を横方向の凹面鏡にし、第２の反射板７を縦方向の凹面鏡にすることで、バックライト５の光をほぼ平行な光束にすることができ、このようにしてもフレネルレンズ３と同様な作用を得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、液晶表示素子の背面側に配置され、互いに偏光方向が異なる右眼用偏光フィルタ部及び左眼用偏光フィルタ部を前面側の左右に配置した光源と、前記右眼用偏光フィルタ部及び前記左眼用偏光フィルタ部を通過した各光を平行光にして前記液晶表示素子に照射する光学手段と、液晶パネルとこの液晶パネルの両面にそれぞれ配置された２枚の偏光フィルタとを有し、この２枚の偏光フィルタが前記液晶パネルの１水平ライン毎に前記右眼用偏光フィルタ部からの光と前記左眼用偏光フィルタ部からの光とが交互に透光可能に構成された光透過型の前記液晶表示素子とを備え、前記液晶表示素子の前記液晶パネルには、前記２枚の偏光フィルタの透光ラインに合わせて１水平ライン毎に右眼用と左眼用の映像情報を交互に表示し、前記右眼用偏光フィルタ部からの光が前記液晶表示素子を透過して観察者の右眼に、前記左眼用偏光フィルタ部からの光が前記液晶表示素子を透過して観察者の左眼にそれぞれ独立して入光するよう構成したので、液晶表示画面に対して観察者の見る位置が多少左右にずれても立体映像が損なわれることなく、且つ、本来の液晶表示素子の水平解像度を維持し高精度の立体映像が鑑賞できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は液晶表示装置の光学系の平面図、（ｂ）は液晶表示素子の分解斜視図（第１実施形態）。
【図２】液晶表示装置の側断面図（第１実施形態）。
【図３】液晶表示装置の正面図（第１実施形態）。
【図４】液晶表示素子の分解斜視図（第１変形例）。
【図５】（ａ）は１／２波長板の偏光状態を示す図、（ｂ）は光源側の偏光フィルタの入光状態を示す図（第１変形例）。
【図６】液晶表示素子の分解斜視図（第２変形例）。
【図７】液晶表示素子の駆動電圧と映像表示状態の関係を示す図（第２変形例）。
【図８】液晶表示装置の正面図（第２実施形態）。
【図９】従来の二眼式パララックスバリア方式の原理図。
【図１０】従来の二眼式レンチキュラ方式の原理図。
【符号の説明】
２，２′，２″…液晶表示素子、３…フレネルレンズ（光学手段）、５…バックライト（光源）６ａ…右眼用偏光フィルタ部、６ｂ…左眼用偏光フィルタ部、２０…液晶パネル、２１，２１′，２２，２２′，２２″…偏光フィルタ、Ｌ_ａ，Ｌ_ｂ…直線偏光フィルタライン部、２３…１／２波長板。

Claims

液晶表示素子の背面側に配置され、互いに偏光方向が異なる右眼用偏光フィルタ部及び左眼用偏光フィルタ部を前面側の左右に配置した光源と、
前記右眼用偏光フィルタ部及び前記左眼用偏光フィルタ部を通過した各光を平行光にして前記液晶表示素子に照射する光学手段と、
液晶パネルとこの液晶パネルの両面にそれぞれ配置された２枚の偏光フィルタとを有し、この２枚の偏光フィルタが前記液晶パネルの１水平ライン毎に前記右眼用偏光フィルタ部からの光と前記左眼用偏光フィルタ部からの光とが交互に透光可能に構成された光透過型の前記液晶表示素子とを備え、
前記液晶表示素子の前記液晶パネルには、前記２枚の偏光フィルタの透光ラインに合わせて１水平ライン毎に右眼用と左眼用の映像情報を交互に表示し、前記右眼用偏光フィルタ部からの光が前記液晶表示素子を透過して観察者の右眼に、前記左眼用偏光フィルタ部からの光が前記液晶表示素子を透過して観察者の左眼にそれぞれ独立して入光するよう構成したことを特徴とする液晶表示装置。
前記２枚の偏光フィルタは、それぞれ前記液晶パネルの１水平ライン毎に、互いに直交する直線偏光フィルタライン部を交互に配置し、且つ、光源側と観察側の対向する前記直線偏光フィルタライン部を直交する偏光方向に構成したことを特徴とする請求項１に記載する液晶表示装置。
前記２枚の偏光フィルタは、それぞれ全面に亘って同一の偏光方向であるが互いに直交する直線偏光フィルタであり、且つ、光源側の直線偏光フィルタには前記液晶パネルの１水平ライン置きに１／２波長板を設けた構成としたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記光源側の偏光フィルタは、前記液晶パネルの１水平ライン毎に、互いに直交する直線偏光フィルタライン部を交互に配置して構成し、前記観察側の偏光フィルタは、前記光源側の偏光フィルタのいずれか一方の前記直線偏光フィルタ部と同一方向の直線偏光フィルタにて構成し、前記２つの偏光フィルタの偏光方向が同一方向である１水平ラインについては、前記液晶パネルの駆動状態を逆に設定したことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。