JP4861180B2 - ３ｄディスプレイ装置用バックライト - Google Patents

Description

本発明は、３Ｄディスプレイ装置用のバックライトに係る。該バックライトは、平面の光ガイドを有し、該光ガイドを介して光が内部反射によって横方向に案内される。

近年、三次元（３Ｄ）画像ディスプレイに関する研究及び開発において、急速な進展がなされてきている。提案された異なる概念のうち多くが、ユーザが３Ｄ画像を見るよう特別な眼鏡を着用することに依存する。しかしながら、眼鏡は、ユーザにとって着用が便利ではなく、かかるシステムによっては、単一のユーザのみが常に３Ｄ画像をみることができる。したがって、コスト効率及びユーザの利便性より、ユーザが眼鏡を着用する必要がないディスプレイシステムが開発されてきている。かかるディスプレイシステムは、オートステレオスコピック・ディスプレイと称される。

オートステレオスコピック・ディスプレイは、ユーザの左目及び右目が一組の分光画像のうち適切な一方を確実に受けるよう必要なものであるパララックスを与える手段と組み合わせてＬＣＤ（液晶ディスプレイ）パネル等の従来のディスプレイパネルを、典型的に有する。このパララックスを備えることによって、ユーザは３Ｄ画像を見る。

オートステレオスコピック・ディスプレイのなかには、ユーザが３Ｄ画像を継続的に観るよう、ディスプレイ・パネルに対するユーザの位置を積極的に確定及び探知する。したがってこれらのディスプレイシステムは、依然として単一の観察者による使用に対して適切であるのみである。しかしながら、複数の観察者が３Ｄ画像を同時に見ることができるオートステレオスコピック・ディスプレイを与える既知の方法がある。マルチビュー３Ｄ画像を達成する最も単純な方法は、バリア構造を用いることである。

従来通りのバリアタイプのオートステレオスコピック・ディスプレイは、バックライト、バリア、及びディスプレイパネルを有する。典型的には、バリアは、バックライトとディスプレイパネルとの間に配列される。しかしながら、バリアは、ディスプレイの前方に位置付けられ得る。

バリアは、一定間隔で置かれた複数の平行なスリットを有する不透明なスクリーンである。バックライトが通電される際、そこから発された光は、バリアのスリットを介して複数の細長い光源（又は線光源）を形成して送られ、ディスプレイパネルを照射する。

ユーザに対して一組のステレオスコピック画像（又は２つのビュー）を表示することができる単純なバリアタイプのディスプレイにおいて、ディスプレイパネルのサブピクセルの代替列は、左目の加増及び右目の画像を夫々表示するよう駆動される。サブピクセルは、周期性Ｐ_ｄを有し、ディスプレイパネルは、バリアから距離ｃを位置付けられ、各線光源は一組のサブピクセルの列を照射するようにされる。バリアタイプのオートステレオスコピック・ディスプレイが、ディスプレイパネルから距離ｄをおいてユーザによって見られる際、ユーザの左目は左目の画像を受け、ユーザの右目は右目の画像を受ける。

２つのビューを有するオートステレオスコピック・ディスプレイの場合は、表示される３Ｄ画像は、１つの視点から見られ得るのみである。複数の視点から３Ｄ画像を見るよう、より多くのビューが必要とされる。必要とされる線光源の期間ｐ_１とビューの数ｍは、次の式（１）、

によって与えられ、式中、ｐ_ｄはサブピクセルの期間であり、ａはユーザの位置での各ビュー間の所望されるパララックスである。鑑賞距離ｄとパララックスａとバリア−パネル間の距離ｃとの間の関係は、次の式（２）、

によって与えられる。オートステレオスコピック・ディスプレイを生産する第２の方法は、ディスプレイパネルの前方に位置付けられたシリンドリカルレンズのシートを使用することである。これらのレンズは、サブピクセルの異なる列から空間の異なる領域への光を集束し、ディスプレイパネルから正しい距離に位置付けられたユーザが３Ｄ画像を見るようにする。

バリアタイプのディスプレイの原理の問題点は、光源によって生成された光の限られた量のみが、バリアを介して通ってディスプレイパネルに送られる、という点である。単純なステレオスコピック・ビューの場合、光源からの光のおよそ半分が損失される。したがって、バリア構造は、非常の光効率が悪い。ｍビューを有するマルチビュー・ディスプレイの場合は、バリアは光源からの光の１００／ｍ％のみを送る。

レンズ・ディスプレイの主な不利点は、切替え可能な３Ｄ／３Ｄディスプレイを作るようディスプレイを拡散器と組み合わせることが難しい点である。拡散器がディスプレイパネルとレンズのシートとの間に位置付けられる場合は、明暗のパターンが可視である。拡散器がレンズのシートの前方に位置付けられる場合は、感知されるスクリーン解像度は低減される。

本発明によれば、３Ｄディスプレイ装置用バックライトが与えられる。

該バックライトは、平面の光ガイドを有し、該光ガイドを介して光は内部反射によって横方向に案内される。光ガイドの領域は、光ガイド内で電波する光を複数の線光源を形成するよう光ガイドの面を出て
へ方向付けるよう構成される。

望ましくは、前出の領域は溝を有する。より望ましくは、溝は、光ガイドより高い屈折率を有する材料で充填される。

望ましくは、バックライトは、各溝の出入り口部に配列されたシリンドリカルレンズを有する。より望ましくは、シリンドリカルレンズは、溝を充填する材料を有して一体的に形成される。

望ましくは、該材料は、ポリ（ナフチルメタクリレート）である。

望ましくは、該材料は、複合材料である。

望ましくは、該材料は、複屈折性である。より望ましくは、該材料は、溝に対して垂直である偏光方向において光ガイドの屈折率と略同等の屈折率、及び、溝に対して平行である偏光方向において光ガイドの屈折率より大きい屈折率を有する。更により望ましくは、該材料は、高分子フィルムである。更により望ましくは、該材料は、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）又はポリエチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）である。

望ましくは、溝を充填する材料は、光ガイドの上方面を横断して延びる層として形成され、該層の厚さは、溝の周期に対して小さい。

望ましくは、溝はＶ字型の断面を有する。

望ましくは、光ガイドは、ポリ（メチルメタクリレート）から作られる。

望ましくは、バックライトは、光ガイドの少なくとも一側面に対して近接して配列された光源を有する。より望ましくは、光源は、ＬＥＤ又はＣＣＦＬである。

望ましくは、光ガイドは、非パターン基板及びミクロ構造のフォイルを有する。

望ましくは、本発明に従ったバックライト及びディスプレイパネルを有する３Ｄディスプレイ装置が与えられる。より望ましくは、光ガイドの溝は、ディスプレイパネルのサブピクセルの列に対するある角度によって歪曲される。更により望ましくは、３Ｄディスプレイ装置は、バックライトとディスプレイパネルとの間に配列された光拡散手段を有する。光拡散手段は、高散乱モードと低散乱モードとの間で切替え可能である。

本発明の実施例は、これより図面を例として参照して説明される。

図１及び図２を参照すると、オートステレオスコピック・ディスプレイ用バックライト５は、本発明に従って、光源６と光ガイド７を有する。

光ガイド７は、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）等の光学的に透明な材料のシートから形成される。望ましくは、光ガイド７は、板状且つ矩形であり、光ガイドの前面及び光面７ｆ、７ｂを形成する２つの主要な面及び４つの側面を有する。複数の平行なＶ断面の溝８は、一定の間隔で置かれ、光ガイドの前面７ｆを与えられる。光源６は、光ガイドの側面７ｓに対して近接して配列される。光源６は、ＬＥＤ（発光ダイオード）又はＣＣＦＬ（冷陰極蛍光灯）であり得る。

ポリ（ナフチルメタクリレート）等の光ガイド７より高い屈折率を有する材料９は、光ガイドの前面７ｆ上に配列され、溝８を充填する。一実施例では、材料９は、光ガイド７と同一の広がりを有する層の形状であり、層の後方部が光源の前面７ｆ上の溝８を充填するよう配置される。層の前面は、光ガイド７ｆの前面と平行である平面である。この場合、光ガイドの前面７ｆの上方の層の厚さは、溝８の周期ｐ_１より実質上小さい。これは、層の上方面で反射された光が、全内部反射によって溝８のうちいずれか１つの上に入射することなく光ガイド７へと直接戻る、ことを確実にする。

光源６が通電される際、光は、光ガイド７の側面のうちの１つ７ｓを介して光ガイド７に入る。光ガイド７に入る光は、光ガイドの光面７ｂと材料９の層の上方面との間で、全内部反射を用いて、一般的には制約される。しかしながら、光は溝８上に入射する場合、光がある角度で材料９の層の上方面上に入射するよう配置される。該角度は、光が屈折され、バックライト５から出て外へと通るよう、全内部反射に対して臨界角を超えるものである。故に、光源６からの光は、溝８と一致する位置で光ガイド７を出て、複数の線光源をもたらす。

図３を参照すると、光ガイド７の厚さはｄ_１であり、光ガイドの前面７ｆの上方の材料９の層の厚さはｄ_２であり、溝８は光ガイドの前面７ｆから全体の深さｈを有し、また、溝９の周期性はｐ_１である。光ガイド７の屈折率はｎ_１であり、材料９の屈折率はｎ_２である。光ガイド７はＰＭＭＡから作られ、材料９はポリ（ナフチルメタクリレート）である場合は、夫々ｎ_１＝１．４９及びｎ_２＝１．６３−１.６４である。

他の実施例では、ｄ_２はゼロと同等である。この場合、材料９は、溝８において単独で配列され全内部反射は、光ガイドの前方面と後方面７ｆ，７ｂの間で起こる。

ｎ_１とｎ_２との間の差が大きいほど、線源の強度はより大きくなり、角分布はより狭くなる。これらはいずれも有利な特徴であるため、材料９は、実質的に可能な限り大きい屈折率を有することが所望される。

本発明の一実施例では、材料９は、複合材料である。複合材料は、高分子結合剤へと複合されるＴｉＯ_２又はダイアモンド等の高屈折率材料のナノ粒子を有する。この場合は、非散乱混合物の屈折率は、ナノ粒子及び結合剤の屈折率の平均である。

線源の輝度は、光ガイド７の対向する側面に沿って第１の光源６のそれに対して配列された第２の光源を用いて上昇され得る。この配置を有して、光ガイド７の中心の線源は、光ガイド７の端部での線源と同量の光を出力する。

線源からの光の分布は、各溝８から発される光の量を変化させるよう、光ガイド７に沿った位置に応じて溝８の幅ｗ及び／又は深さｄをグレイドすることによって均質化され得る。あるいは、例えば光ガイド７を中心部において端部よりも薄くすることによって、発される光の分布を均等にするよう、光ガイド７の厚さをグレイドすることが可能である。

図４を参照すると、本発明の他の実施例において、光ガイド７上の溝８は、光ガイド７の側部に対して平行であることから角度θによって歪曲される。この場合、線源の効果的な水平方向の周期は、以下の式（３）、

となる。式中ｐ_１は溝８に対して垂直であるよう測定された周期である。この配置を有して、角度θによって歪曲された複数の線源が作り出される。かかる歪曲された線源を有するバックライトは、オートステレオスコピック・ディスプレイを作り出すようディスプレイパネルと組み合され得る。該オートステレオスコピック・ディスプレイにおいては、垂直方向のバンディング等のマルチビューディスプレイに関連される視覚アーチファクトが低減され得る。

歪曲されていない線源を有するマルチビューディスプレイの場合は、水平方向におけるピクセルの数が異なるビューの間で分割されなければならない。これは、各ビューの画像解像度が、水平方向においては低下するが、垂直方向においては低下しない、ことを示す。例えば、８００×６００ピクセル及び９つのビューを有するディスプレイの場合、各ビューの解像度は、８９×６００ピクセルであり、水平解像度が非常に低い。しかしながら、線源を歪曲すること及びそれに応じてディスプレイパネルを駆動することによって、例えば９つのビュー夫々に対して２６７×２００ピクセルの水平及び垂直解像度を達成することが可能である。

図５を参照すると、カラーディスプレイは、９つのビュー（即ち、ｍ＝９）及び矩形のピクセルを有する。各ピクセルは、３つのサブピクセル（Ｒ，Ｇ及びＢ）を有し、線源は、θ＝ａｒｃｔａｎ（１／６）＝９．５^０である角度によってサブピクセルの列から歪曲される。対応する線源周期は、以下の式（４）、

によって与えられる。式中、ｐ_ｄはサブピクセルの幅である（１５’’ＸＧＡディスプレイに対してｐ_ｄ＝０．２９７／３ｍｍであり、その場合ｐ_１＝０．４４０ｍｍである）。

図６を参照すると、他の実施例では、溝８は、連続的ではなくセグメントに分割され、各セグメントは、ディスプレイパネル上で長さにおいてサブピクセルに対して同等である。分割された溝は、サブピクセルの列に対して平行であるよう整列されるが、サブピクセルの列に対して垂直である方向においてずらされる。

図７を参照すると、上述された単純な三角形の溝の代わりに使用され得る多くの他の溝形状及び材料パラメータがある。光ガイド７のマイクロ溝構造は、正（ａ）又は負（ｂ）のレンズ等の追加的な構造を増やされ得、光ガイド７又は溝８を充填するよう使用される材料９とは異なり得る屈折率を有する。溝８の異なる形状（ｃ），（ｄ）及び追加的層（ｅ），（ｆ）はまた可能である。

図８を参照すると、本発明の更なる実施例では、切替え可能な拡散器１１は、バックライト５とディスプレイパネル１０との間に配列される。拡散器１１は、低散乱状態と高散乱状態との間で切替え可能である。低散乱状態においては、バックライト５からの光は、影響を受けずに拡散器を介して通過し、高散乱状態においては、光は、従来通りの２Ｄディスプレイとして機能し得るようディスプレイパネル１０の全体範囲にわたって拡散される。拡散器１１は、分割及び制御され得、３Ｄ画像を表示するウィンドウは、２Ｄ画像内に表示され得るか又はその逆も同様である。

光ガイド７及び溝８を充填する材料９が等方性材料である場合、バックライト５を出る光は偏光されない。ＬＣＤが偏光を求めるため、バックライト５からでる光の半分は損失される。本発明の他の実施例では、溝８は複屈折性材料で充填され、その屈折率は、通過する光の偏光方向に依存する。この実施例では、一軸の材料が使用され、該材料は、溝８に対して垂直である方向において光ガイド７と同等の屈折率、及び溝８に対して平行である方向において光ガイド７より高い屈折率を有する。この配置を有して、溝８に対して垂直である光ガイド７における光伝播の偏光構成要素は、溝８を「見る」ことはなく、光ガイド７へと反射し戻される。反対に、溝８に対して平行である偏光構成要素は、光ガイド７と材料９との間の屈折率における差を見込んで、バックライト５を出るようにする。故に、誤った偏光を有する光は、バックライト５を出ることができない。実際には、光ガイド５は不完全性を有するため、誤った偏光の方向を最初に有する光の構成要素は、バックライト５をでるよう必要とされる正しい偏光方向を有するまで徐々に回転される。また、光ガイド７における光伝播が行われる多くの内部反射が偏光方向を回転させる。この実施例の変形では、徐々に偏光方向を回転させる工程は、追加的な複屈折性の層を用いて増やされる。

溝８を充填する材料９は、この材料９の膜を引き延ばし、溝８へと加熱圧搾することによって、複屈折性とされる。例えば、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）又はポリエチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）から作られた引き延ばされた高分子フィルムは、夫々１．７１及び１．８５の高さであるｎ_２の値を有する。

図９を参照すると、本発明の更なる一実施例では、光ガイド１２は、非パターン基板１３、及び基板１３の主要な面上へとラミネート加工されたミクロ構造のフォイル１４を有する。フォイル１４は、基板１３と同一の広がりを有し且つ平行である平面である。光ガイド１２より高い屈折位率を有する材料１５は、フォイル１５の上部上に配列される。光ガイド１２内の光伝播の全内部反射は、フォイル１４上のミクロ構造で妨げられ、ミクロ構造は、線光源を作り出すよう配置される。

本開示を読むことにより、他の変形及び修正は当業者にとって明らかである。かかる変形及び修正は、同等及び他の特徴を有し得、該特徴は、オートステレオスコピック・ディスプレイ及びその構成部品の設計、製造、及び使用において既知であり、本願中既に説明された特徴の代わりに又は特徴に加えて使用され得る。

本発明に従ったオートステレオスコピック・ディスプレイ用バックライトの一実施例の斜視図である。 図１中のバックライトの断面図である。 光ガイドにおける溝の寸法及び光ガイドを介して伝播する光線の典型的な経路を図示する図１中のバックライトの部分断面図である。 光ガイド上の溝が歪曲される本発明に従ったバックライトの一実施例を図示する。 図４中のバックライトがどのようにディスプレイパネルと組み合わされるかを図示する。 溝が分割され且つずらされる本発明に従ったバックライトの一実施例を図示する。 光ガイド上の追加的な層、追加的な光学的部材、及び異なる溝の形状を有する本発明に従ったバックライトの更なる実施例を図示する。 ２Ｄモードと３Ｄモードとの間を切り替えるよう切替え可能な拡散器を有する本発明の一実施例を図示する。 非パターン基板上にラミネート加工されたミクロ構造のフォイルを有する本発明に従ったバックライトの一実施例を図示する。

Claims (18)

1. バックライトとディスプレイパネルを有する３Ｄディスプレイ装置であって、
   平面の光ガイドを有し、該光ガイドを介して光は内部反射によって横方向に案内され、
   前記光ガイドの領域は、複数の線光源を形成するよう、前記光ガイド内で伝播する光を前記光ガイドの面から出て外へ方向付けるよう構成され、
   前記バックライトと前記ディスプレイパネルとの間に配列された光拡散手段を有し、
   前記光拡散手段は、高散乱モードと低散乱モードとの間で切替え可能である、
   ３Ｄディスプレイ装置。
2. 前記領域は、溝を有する、
   請求項１記載の3Dディスプレイ装置。
3. 前記溝は、前記光ガイドより高い屈折率を有する材料で充填される、
   請求項２記載の3Dディスプレイ装置。
4. 各溝の出入り口部において配列されたシリンドリカルレンズを有する、
   請求項２又は３記載の3Dディスプレイ装置。
5. 前記シリンドリカルレンズは、前記溝を充填する前記材料と一体的に形成される、
   請求項４記載の3Dディスプレイ装置。
6. 前記材料は、ポリ（ナフチルメタクリレート）又は複合材料である、
   請求項３乃至５のうちいずれか一項記載の3Dディスプレイ装置。
7. 前記材料は、複合材料である、
   請求項３乃至５のうちいずれか一項記載の3Dディスプレイ装置。
8. 前記材料は、複屈折性である、
   請求項３記載の3Dディスプレイ装置。
9. 前記材料は、前記溝に対して垂直である偏光方向において前記光ガイドの屈折率に対して略同等である屈折率と、前記溝に対して平行である偏光方向において前記光ガイドの屈折率より大きい屈折率と、を有する、
   請求項８記載の3Dディスプレイ装置。
10. 前記材料は、引き延ばされた高分子フィルムである、
    請求項８又は９記載の3Dディスプレイ装置。
11. 前記材料は、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）又はポリエチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）である、
    請求項１０記載の3Dディスプレイ装置。
12. 前記溝を充填する前記材料は、前記光ガイドの上方面を横断して延びる層として形成され、
    前記層の厚さは、前記溝の周期に対して小さい、
    請求項３乃至１１のうちいずれか一項記載の3Dディスプレイ装置。
13. 前記溝は、Ｖ字型断面を有する、
    請求項２乃至１２のうちいずれか一項記載の3Dディスプレイ装置。
14. 前記光ガイドは、ポリ（メチルメタクリラート）から作られる、
    請求項１乃至１３のうちいずれか一項記載の3Dディスプレイ装置。
15. 前記光ガイドの少なくとも一側面に対して近接して配列される光源を有する、
    請求項１乃至１４のうちいずれか一項記載の3Dディスプレイ装置。
16. 前記光源は、ＬＥＤ又はＣＣＦＬである、
    請求項１５記載の3Dディスプレイ装置。
17. 前記光ガイドの前記溝は、前記ディスプレイパネルのサブピクセルの列に関連する角度によって歪曲される、
    請求項１乃至１６のうちいずれか一項記載の3Dディスプレイ装置。
18. 前記光ガイドは、非パターン基板と、ミクロ構造フォイルとを有する、
    請求項１記載の3Dディスプレイ装置。

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