JP5320469B2

JP5320469B2 - 立体画像表示装置

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Publication number: JP5320469B2
Application number: JP2011531687A
Authority: JP
Inventors: 木正子柏; 首達夫最
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-09-16
Also published as: US8743113B2; JPWO2011033618A1; US20120200562A1; WO2011033618A1

Description

本発明は、立体画像表示装置に関する。

立体的な動画表示が可能な立体視画像表示装置、所謂３次元ディスプレイには、種々の方式が知られている。近年、特にフラットパネルタイプで、専用の眼鏡等を必要とせず、平面表示装置の画素位置が固定されている表示パネルからの光線を光線制御素子により制御して観察者に視差を発生させる立体視画像表示方式が知られている。平面表示装置には、直視型または投影型の液晶表示装置またはプラズマ表示装置等を用いる。

光線制御素子（パララクスバリア或いは視差バリアとも称せられる）は、光線制御素子上の同一位置でも角度により異なる画像が見えるように光線を制御している。例えば、左右視差（水平視差）を与える場合には、レンチキュラシート（シリンドリカルレンズアレイ）が用いられる。上下視差（垂直視差）も与える場合には、レンズアレイが用いられる。更に、２眼式、多眼式、超多眼式（多眼式の超多眼条件）、インテグラルフォトグラフィー（以下、ＩＰとも云う）方式に分類される。

レンズを用いることで、液晶表示装置の配線パターンを含む画素部が拡大され、輝度の明暗のムラ（モアレ）が生じることがある。この問題を解決するために、画素の形状を平行四辺形や、「くの字」にして、隣接するサブ画素に画素重なり部を儲ける方法が提案されている（特許文献１乃至３参照）。

しかし、隣接するサブ画素に画素重なり量を設けた場合、複数の視差画像が視認できる視差クロストーク量が一定量より高くなる場合がある。この場合、２重像やボケ感が許容できなくなり、これが表示妨害として生じることがある。さらに、レンズ特性上、収差が避けられない。多視差かつ視域が増加するほど、レンズ中央部と周辺部の視差クロストーク量が異なることになる。そして、レンズ中央部の視差クロストーク量を減らそうとすれば周辺部の視差クロストーク量が増加する。一方、レンズ周辺部の視差クロストーク量を減らそうとすれば中央部の視差クロストーク量が増加する。つまり、レンズ中央部と周辺部の視差クロストーク量はトレードオフの関係にあった。

特許第４０１０５６４号公報特許第４１９７７１６号公報特開２００８−２４９８８７号公報

このように従来技術では、多視差、広視域のレンズタイプの立体表示装置において、レンズ中央部と周辺部の視差クロストーク量の差を全体的に低減させることができなかった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、視差クロストーク量の差を低減させることのできる立体画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様による立体画像表示装置は、サブ画素を有する画素がマトリクス上に配列された表示面を有し、前記表示面が複数の要素画像に分割されて表示される要素画像表示部と、前記要素画像表示部の観察者側に設けられ、前記複数の要素画像に対応し前記表示面に対して周期的に配列された複数のレンズを有し、各レンズは、対応する要素画像を表示する前記画素からの光線を制御する光線制御素子と、を備え、各レンズに対応する要素画像を表示する前記サブ画素は、各レンズにおいて、各レンズの中央部と、周辺部では、隣接サブ画素の分離度が異なっていることを特徴とする。

本発明によれば、視差クロストーク量を低減させることができる。

本発明の一実施形態による立体画像表示装置の水平断面図。比較例の立体画像表示装置における、視差クロストーク量の視差番号依存性を示す図。各サブ画素から発せられる光線の輝度分布を示す図。図４（ａ）は第１具体例における立体画像表示装置の画素構造を示す図、図４（ｂ）は第１具体例の立体画像表示装置における各画素の垂直開口面積をプロットした図。図５（ａ）は第２具体例における立体画像表示装置の画素構造を示す図、図５（ｂ）は第２具体例の立体画像表示装置における各画素の垂直開口面積をプロットした図。図６（ａ）は第３具体例における立体画像表示装置の画素構造を示す図、図６（ｂ）は第３具体例の立体画像表示装置における各画素の垂直開口面積をプロットした図。図７（ａ）は第４具体例における立体画像表示装置の画素構造を示す図、図７（ｂ）は第４具体例の立体画像表示装置における各画素の垂直開口面積をプロットした図。第３および第４具体例において、モアレを防止するための構成を示す水平断面図。図９（ａ）乃至図９（ｂ）はカラーフィルタ配列（サブ画素配列）とレンズ傾き角の関係を示す図。図１０（ａ）乃至図１０（ａ）はカラーフィルタ配列（サブ画素配列）とレンズ傾き角の関係を示す図。図１１（ａ）は図４（ａ）に示すサブ画素形状を用いて、９視差において視差クロストーク量のシミュレーションを行った結果を示す図、図１１（ｂ）は図５（ａ）に示すサブ画素形状を用いて、９視差において視差クロストーク量のシミュレーションを行った結果を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について、詳細に説明する。
本発明の一実施形態による立体画像表示装置を図１に示す。図１は、本実施形態の立体画像表示装置の水平断面図である。本実施形態の立体画像表示装置は、要素画像表示部２と、観測者の左右の目に視差を発生させるための光線制御素子となる視差発生用レンズ４０とを備えている。本実施形態においては、視差発生用レンズ４０は、シリンドカルレンズアレイであり、このシリンドカルレンズアレイ４０は、長軸が垂直方向（紙面に垂直な方向）に延びている複数のシリンドリカルレンズ４０ａが水平方向（紙面に平行な方向）に配列された構成を有し、シリンドカルレンズ４０ａのピッチがＰ_Ｌである。要素画像表示部２は、各シリンドカルレンズ４０ａに対応した画像（要素画像）を表示する。この要素画像表示部２は、本実施形態においては液晶パネルを用いる。要素画像表示部２は、例えばガラス基板を用いた第１透明基板２０と、この第１透明基板２０上に設けられ複数の配線パターンを有する第１透明電極２１と、第１透明電極２１の上方に設けられ複数の配線パターンを有する第２透明電極２３と、第１透明電極２１と第２透明電極２３との間に挟持された液晶層２２と、第２透明電極２３上に設けられＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）のカラーフィルタがアレイ状に配置されたサブ画素部２４と、サブ画素部２４上に設けられ例えばガラス基板を用いた第２透明基板２５と、第１透明基板２０に対して第１透明電極２１とは反対側に設けられた第１偏光板２６ａと、第２透明基板２５に対してサブ画素部２４と反対側に設けられた第２偏光板２６ｂと、第１偏光板２６ａに対して第１透明基板２０と反対側に設けられ光を照射するバックライト２７とを備えている。液晶層２２は、液晶分子の初期配向が一方向に揃えられている。第１および第２偏光板２６ａ、２６ｂは、それぞれ所定方向に振動する光を透過し、透過する光の方向（偏光方向）が互いに直交するように構成される。

本実施形態では、視差発生用レンズ４０としてシリンドカルレンズアレイを用いたが、フライアイレンズを用いても良い。また、視差発生用レンズ４０のレンズ凸部も、要素画像表示部２側、または観測者側（視差発生用レンズ４０に対して要素画像表示部２とは反対側）のどちら側にあっても良いが、視域が広い構造においては、要素画像表示部側にあるほうが好ましい。

要素画像表示部２には、自発光タイプの表示装置、例えば、有機ＥＬパネル、プラズマ表示装置、或いは電界放出型表示装置等の表示装置でも良い。なお、このような自発光タイプの表示装置は、バックライトを設ける必要がない。

また、第１および第２偏光板２６ａ、２６ｂとして、直線偏光板、円偏光板、楕円偏光板等を用いることができる。バックライト２７は一般的な蛍光管もしくはＬＥＤバックライト、導光板と拡散板で構成されたもので良い。

本実施形態においては、サブ画素部２４は分離度が、視差発生用レンズ４０の中央部と周辺部では異なる構造を有している。ここで、分離度とは、垂直方向における隣接サブ画素との重なり部の面積と元のサブ画素の面積との割合を示す。

比較例として、視差発生用レンズの中央部と周辺部で分離度が同じである以外は本実施形態の立体画像表示装置と同じ構成を有している立体画像表示装置を取る。この比較例の立体画像表示装置における、視差クロストーク量の視差番号依存性を図２に示す。図２においては、最大視差クロストーク量で規格化している。本明細書では、視差クロストーク量とは、任意視距離で視認できるメインの視差に対する隣接視差の輝度の割合である。画像の場合隣接視差の交わる量が許容値を超えると二重像あるいはボケ感につながる場合がある。図２のグラフａが中央視差（レンズ中央部の視差）の視差クロストーク量を最小にしたレンズ設計例である。グラフｂが周辺視差（レンズ周辺部の視差）の視差クロストーク量を最小にしたレンズ設計例である。グラフａの場合は周辺視差の視差クロストーク量が中央視差の視差クロストーク量に比べて大きくなっている。グラフｂの場合は中央視差の視差クロストーク量が周辺視差の視差クロストーク量に比べて大きくなっている。これは、レンズの収差特性があるためであり、レンズの中央部と周辺部の視差クロストーク量はトレードオフの関係にある。なお、図２においては、視差番号０がレンズ中央部に対応している。

また、グラフａ’とグラフｂ’は、本実施形態の立体画像表示装置において、比較例におけるレンズ設計例のグラフａとグラフｂの改善目標例をそれぞれ示している。

次に、本実施形態の立体画像表示装置において、レンズピッチ幅内の各サブ画素から発せられる光線の輝度分布を図３に示す。図３においては、９視差においてサブ画素の分離度がレンズの中央部と周辺部で異なっている場合を概要的に示している。各視差のピーク部が各視差画像を正確に視認する点である。図３に示す斜線で示す領域が隣接視差の視差クロストーク量であり、サブ画素の分離度が高いほど、この視差クロストーク量は減少する。

次に、本実施形態の立体画像表示装置において、サブ画素の分離度が、視差発生用レンズ４０の中央部と周辺部では異なる構造にするための具体例について説明する。

（第１具体例）
第１具体例による立体画像表示装置の各レンズにおける画素構造を図４（ａ）に示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す画素構造を有する第１具体例の立体画像表示装置における各画素の垂直開口面積をプロットした図である。図４（ａ）示す補助線は、水平１サブ画素幅、垂直１／３サブ幅を示している。

この第１具体例および後述する第２具体例においては、サブ画素の分離度がレンズの中央部と周辺部で異なるようにするために、サブ画素ピッチＰ_psubと、サブ画素の開口率は一定であるが、サブ画素の形状がレンズ中央部と周辺部で異なっている。つまり、垂直開口率に着目したときに、隣接するサブ画素の分離度を変化させるため、サブ画素の傾きがレンズ中央部と周辺部で異なっている。ここでサブ画素の分離度とは、垂直方向における隣接サブ画素との重なり部の面積と元のサブ画素の面積との割合を示す。

図４（ａ）、４（ｂ）に示す第１具体例においては、レンズ中央部のサブ画素の分離度が周辺部の分離度よりも大きくなるように構成した場合である。図４（ａ）からわかるように、第１具体例においては、レンズ中央部から周辺部に向かってサブ画素の傾き角（垂直方向に対する傾き角）θが減少している。レンズ中央部の画素の傾き角をθ_ｃ、レンズの右端の画素の傾き角をθ_Ｒ、レンズ左端の画素の傾き角をθ_Ｌとすると、θ_Ｒ＝θ_Ｌ＞θ_ｃの関係を満たす画素構造となっている。この場合は、つまりレンズ中央部のサブ画素位置である中央の視差位置の集光幅を最小にして設計したレンズを用いていることになる。ただし、各画素のサブ画素の開口面積はすべて一定になっている。

（第２具体例）
第２具体例による立体画像表示装置の各レンズにおける画素構造を図５（ａ）に示す。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す画素構造を有する第２具体例の立体画像表示装置における各画素の垂直開口面積をプロットした図である。図５（ａ）示す補助線は、水平１サブ画素幅、垂直１／３サブ幅を示している。

この第２具体例の立体画像表示装置は、レンズ周辺部の視差のクロストーク量が最小になるように設計されたレンズを用いた場合のサブ画素の構造を有する。レンズ周辺部に行くにつれ、サブ画素の傾きが増加し、左右のサブ画素の分離度が増加している。レンズ中央の画素の傾き角をθ_ｃ、レンズ右端の画素の傾き角をθ_Ｒ、レンズ左端の画素の傾き角をθ_Ｌとすると、θ_Ｒ＝θ_Ｌ＜θ_ｃの関係を満たす画素構造を有している。

なお、第１および第２具体例において、垂直方向の偶数行のサブ画素形状は奇数行の画素形状を水平軸で反転した形状、すなわち２行で１つの「くの字」の画素形状にすればモアレは防げる。

（第３具体例）
第３具体例による立体画像表示装置の各レンズにおける画素構造を図６（ａ）に示す。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す画素構造を有する第３具体例の立体画像表示装置における各画素の垂直開口面積をプロットした図である。図６（ａ）示す補助線は、水平１サブ画素幅、垂直１／３サブ幅を示している。

この第３具体例および後述する第４具体例においては、ブラックマトリクスの幅、すなわちサブ画素の水平開口率によって、各サブ画素から射出する光線の輝度分布の視差クロストーク量が変化する。図６（ａ）、６（ｂ）に示す第３具体例の立体画像表示装置は、レンズ中央部の視差の集光幅を最小にして設計したレンズを用いた場合の画素形状を有する。レンズ中央部に位置するサブ画素の水平開口幅が広く、周辺部に行くにつれ水平開口幅が減少している。レンズ中央部の水平開口幅をＷ_Ｃ、レンズ左端の水平開口幅をＷ_Ｌ、レンズ右端の水平開口幅をＷ_Ｒとすると、Ｗ_Ｌ＝Ｗ_Ｒ＜Ｗ_Ｃの関係を満たす画素構造となっている。

（第４具体例）
第４具体例による立体画像表示装置の各レンズにおける画素構造を図７（ａ）に示す。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す画素構造を有する第４具体例の立体画像表示装置における各画素の垂直開口面積をプロットした図である。図７（ａ）示す補助線は、水平１サブ画素幅、垂直１／３サブ幅を示している。

この第４具体例の立体画像表示装置においては、周辺視差の集光幅を最小にして設計したレンズを用いた場合の画素形状であり、図７（ａ）、７（ｂ）に示すように、レンズ中央部から周辺部にかけてサブ画素の水平開口率が増加している。すなわち、レンズ中央部に位置するサブ画素の水平開口幅が狭く、周辺部に行くにつれ水平開口幅が増加している。

レンズ中央部の水平開口幅をＷ_Ｃ、レンズ左端の水平開口幅をＷ_Ｌ、レンズ右端の水平開口幅をＷ_Ｒとすると、Ｗ_Ｌ＝Ｗ_Ｒ＞Ｗ_Ｃの関係を満たす画素構造となっている。

なお、第３および第４具体例においては、レンズ効果によるサブ画素のブラックマトリクスが要因となる、輝度が周期的に変動するモアレを解消するために、図８に示すように、拡散フィルム２８を、第２偏光板２６ｂと、視差発生用レンズ４０との間に設ければ良い。

次に、レンズの稜線（長軸）に対するカラーフィルタ配列（サブ画素配列）の傾き角の関係を図９（ａ）乃至図１０（ｂ）を参照して説明する。前述したように画素の傾き角がレンズ中央と周辺部で異なる画素形状の場合でレンズの傾き角にも汎用性があることを示している。図９（ａ）、９（ｂ）はカラーフィルタを構成するＲ、Ｇ、Ｂが水平方向、垂直方向とも、交互に並ぶモザイク配列の例を示し、かつ図９（ａ）、９（ｂ）は、それぞれサブ画素が図４（ａ）、図５（ａ）に示す画素形状を有する場合の例を示す。この場合レンズの稜線方向が垂直である垂直レンズを用いる。なお、図９（ａ）、９（ｂ）はモザイク配列の例であったが、Ｒ、Ｇ、Ｂが水平方向に同一に並ぶ横ストライプ配列であってもよい。

また、図１０（ａ）、１０（ｂ）では垂直方向に同色が並ぶストライプ配列を用いた例を示し、かつ図１０（ａ）、１０（ｂ）は、それぞれサブ画素が図４（ａ）、図５（ａ）に示す画素形状を有する場合の例を示す。この図１０（ａ）、１０（ｂ）の例は、レンズ稜線方向が視差数に応じて傾きをもつ斜めレンズを用いる。解像度低下を抑制し、視差クロストーク量が抑制されたカラー表示が行える。

なお、図９（ａ）乃至図１０（ｂ）は、垂直方向の偶数行のサブ画素形状は奇数行の画素形状を水平軸で反転した形状、すなわち２行で１つの「くの字」の画素形状となっている。モアレを防止することができる。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、それぞれ図４（ａ）および図５（ａ）に示すサブ画素形状を用いて、９視差において視差クロストーク量のシミュレーションを行った結果を示す図である。各視差番号に対する規格化された視差クロストークを示している。黒三角がすべての画素構造が同一である従来の場合を、黒菱形が本実施形態の場合による画素形状を用いた結果である。図１１（ａ）は中央視差の視差クロストーク量を最小にしたレンズ設計であるため、サブ画素の傾き角がレンズ中央部になるほど大きくなる画素形状である。レンズ周辺部のサブ画素の分離度が高いため、輝度の視差クロストーク量が従来の場合に対して１０％以上改善している。また、図１１（ｂ）は周辺視差の視差クロストーク量を最小にしたレンズ設計であるため、画素の傾き角がレンズ中央部になるほど小さくなる画素形状である。この場合、視差クロストーク量が従来の場合に比べて７％以上の改善が見られている。なお、画素形状やサブ画素幅などパネルの仕様の変化に応じて改善する視差クロストーク量が異なることに注意されたいが、従来の画素形状に対して、本実施形態の画素形状が視差クロストーク量の低減において効果が高いことは明らかである。

以上説明したように、本実施形態によれば、視差クロストーク量の差を低減させることができる。

２要素画像表示部
２０第１透明基板
２１第１透明電極
２２液晶層
２３第２透明電極
２４サブ画素部
２５第２透明基板
２６ａ第１偏光板
２６ｂ第２偏光板
２７バックライト
２８拡散板
４０視差発生用レンズ
４０ａレンズ

Claims

サブ画素を有する画素がマトリクス上に配列された表示面を有し、前記表示面が複数の要素画像に分割されて表示される要素画像表示部と、
前記要素画像表示部と対向して設けられ、前記要素画像表示部の水平方向に沿って周期的に配列し、前記水平方向と直交する垂直方向に延びる複数のレンズを有し、各レンズは、前記画素からの光線を制御する光線制御素子と、
を備え、前記垂直方向における隣接サブ画素の重なり部の面積と元のサブ画素の面積との割合を示す、サブ画素の分離度が、各レンズの中央部と、周辺部では、異なっている立体画像表示装置。
各レンズに対応する要素画像を表示する前記サブ画素は等間隔に配列され、開口率が略均一で、サブ画素の形状が各レンズの中央部と周辺部で異なる請求項１記載の立体画像表示装置。
前記画素は、Ｒ、Ｇ、Ｂのサブ画素を有し、Ｒ、Ｇ、Ｂのサブ画素が前記垂直方向と直交する水平方向及び前記垂直方向に交互に並ぶ配列または、Ｒ、Ｇ、Ｂのサブ画素が、前記垂直方向にはＲ、Ｇ、Ｂが交互に並び、前記水平方向には同じ色のサブ画素が並ぶ配列である請求項２記載の立体画像表示装置。