JP5581307B2

JP5581307B2 - 画像表示装置

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Publication number: JP5581307B2
Application number: JP2011288971A
Authority: JP
Inventors: 康弘田中; 克彦林; 真弘笠野; 宏基市橋
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: US9508291B2; US20130169704A1; JP2013137454A

Description

本発明は、例えば液晶ディスプレイ等、画像を表示させるため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画像表示装置が普及している。例えば、特許文献１には、複数の観測者のそれぞれの眼に右眼用画像の光と左眼用画像の光とを交互に提示することによって、映像を立体視させる自動立体視ディスプレイが開示されている。特許文献１の装置では、観測者の眼球位置移動に追従するように、偏向手段により、光の屈折の状態を変化させている。この偏向手段は、２種類の混合しない液体を内包する液滴制御（エレクトロウエッティング）セルによって構成されており、液滴制御セルに電圧を印加することによって液体の界面を変化させて、液滴制御セルにプリズム機能を発揮させている。

特表２０１０−５２９４８５号公報

ここで、特許文献１の液滴制御セルに代わる光学素子としては、一対の対向基板の間に、ストライプ状に延びる複数の三角プリズムと液晶とを封入して構成され、印加電圧に応じて出射光の偏向角を変化させることができる液晶プリズム素子が知られている。三角プリズム及び液晶層の界面における屈折角は、三角プリズムの屈折率と液晶層の屈折率の差によって定まるので、液晶層への印加電圧を変化させることによって、液晶プリズム素子からの光の出射角を所定の範囲内で制御することができる。したがって、視聴者の位置に集光位置を追従させる画像表示装置の用途では、集光位置の追従範囲を広くできるように、電圧の印加によって変化する屈折率範囲ができるだけ大きい液晶材料を採用することが好ましい。

しかしながら、現在利用できる液晶材料では、電圧の印加によって変化させることができる屈折率の範囲が限られているため、液晶プリズム素子への印加電圧の制御によって調整できる光の出射角の範囲も限定されてしまう。

それ故に、本発明は、視聴者の位置に追従して集光位置を制御可能であり、液晶プリズム素子のみを用いた場合と比べて、集光位置の追従範囲が広い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、画像表示パネルと、画像表示パネルの背面側に配置されるバックライト装置と、画像パネルとバックライト装置との間に配置され、入射した光を偏向させる第１の光学素子と、第１の光学素子と画像表示パネルとの間に配置され、第１の光学素子によって偏向された光を更に偏向させ、印可電圧に応じて出射光の偏向角を変化させる第２の光学素子と、第１の光学素子とバックライト装置との間に配置される複数の第１のレンズと、第２の光学素子と画像表示パネルとの間に配置される複数の第２のレンズと、視聴者の視聴位置を検出する位置検出部と、位置検出部によって検出された視聴位置に応じて第２の光学素子に印可する印可電圧を制御する制御部とを備える。第１のレンズと第２のレンズとが、アフォーカル光学系を構成する。

本発明によれば、第１の光学素子と第２の光学素子とアフォーカル光学系とを併用することにより、液晶プリズム素子のみを用いた場合と比べて、集光位置の追従範囲が広い画像表示装置を実現できる。

本発明の実施の形態に係る画像表示装置の概略構成図図１Ａに示す画像表示装置の一部の分解斜視図図１Ａに示した液晶プリズム素子及びアフォーカル光学系の拡大図実施の形態１に係る液晶プリズム素子及びアフォーカル光学系の光路図実施の形態２に係る液晶プリズム素子及びアフォーカル光学系の光路図実施の形態３に係る液晶プリズム素子及びアフォーカル光学系の光路図実施の形態４に係る液晶プリズム素子及びアフォーカル光学系の光路図

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。

＜１．画像表示装置の構成＞
図１Ａ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１Ｂは、図１Ａに示す画像表示装置１の一部の分解斜視図である。尚、図１Ａにおいては、図１Ｂに記載の電極４０ａ、４０ｂ、４１ａ、４１ｂの記載が省略されている。

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１Ａ及び１Ｂ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、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上下方向に一致している。Ｚ軸方向は、画像表示パネル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１Ａ及び１Ｂ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１Ａ及び１Ｂ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、光源切替型のバックライト２と、液晶プリズム素子３と、液晶プリズム素子３を挟んで構成されるアフォーカル光学系１１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画像表示パネル４と、画像表示装置１を使用しているユーザの位置検出を行う位置検出部３８と、検出されたユーザの位置情報に基づいて、液晶プリズム素子３へ出力する液晶駆動電圧を制御する制御部６とから構成される。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２は、互いに対向する光源７ａ及び７ｂと、反射フィルム８と、導光板９と、光制御フィルム１０とで構成される。反射フィルム８は導光板９の下面側に設けられており、光制御フィルム１０は導光板９の上面側に設けられている。

光源７ａ及び７ｂは、導光板９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７ａは、導光板９の左側面に配置されており、光源７ｂは導光板９の右側面に配置されている。光源７ａ及び７ｂ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７ａ及び７ｂは、画像表示パネル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、画像表示パネル４が右眼用画像を表示する場合は、光源７ａが点灯して光源７ｂが消灯し、画像表示パネル４が左眼用画像を表示する場合は、光源７ａが消灯して光源７ｂが点灯する。

光源７ａ及び７ｂから出射された光は、導光板９の上面と下面とで全反射を繰り返しながら導光板９内に広がる。導光板９内で全反射角度を超える角度を持った光が導光板９の上面から出射される。導光板９の下面は、図１Ａ及び１Ｂに示すように、複数の傾斜面３５により構成されている。これらの傾斜面３５により、導光板９内を伝搬する光は様々な方向に反射されるので、導光板９から出射する光の強度が上面全体にわたって均一になる。

反射フィルム８は、導光板９の下面側に設けられている。導光板９の下面に設けられた傾斜面３５の全反射角度を破った光は、反射フィルム８により反射され、再び導光板９内に入射し、最終的に上面から出射される。導光板９から出射された光は、光制御フィルム１０に入射する。

光制御フィルム１０の下面には、三角形状の断面及びＹ軸方向に延びる稜線を有する複数のプリズム３６が、Ｘ軸方向に並列に配置されている。すなわち、光制御フィルム１０の下面には、三角形状の断面を有するプリズム３６が１次元アレイ配置されている。また、光制御フィルム１０の上面には、Ｙ軸方向に延びる複数のシリンドリカルレンズ３７がＸ軸方向に並列に配置されている。すなわち、光制御フィルム１０の上面には、レンチキュラーレンズが形成されている。

光制御フィルム１０の下面に入射した光は、プリズム３６によりＺ軸方向に立ち上げられ、上面のレンチキュラーレンズにより集光され、液晶プリズム素子３に入射する。

図１Ｃは、図１Ａに示す液晶プリズム素子及びアフォーカル光学系の拡大図である。以下、図１Ａ〜１Ｃを併せて参照しながら、液晶プリズム素子３及びアフォーカル光学系１１の詳細を説明する。

液晶プリズム素子３は、左側の光源７ａから出射され、導光板９及び光制御フィルム１０を通じて入射した光が、ユーザの右眼の位置に集光するように、偏向方向を制御する。また、右側の光源７ｂから出射され、導光板９及び光制御フィルム１０を通じて入射した光が、ユーザの左眼の位置に集光するように、偏向方向を制御する。

より詳細には、液晶プリズム素子３は、一対の対向基板１３及び１４と、対向基板１３及び１４の間に封入される複数のプリズム１７及び液晶層２０と、対向基板１３の内面に設けられる電極４０ａ及び４０ｂと、対向基板１４の内面に設けられる電極４１ａ及び４１ｂと、電極４０ａ及び４０ｂ上に設けられる配向膜１８と、プリズム１７の斜面６１及び側面６２上に設けられる配向膜１９とを備える。図面には図示していないが、画像表示パネル４には透過軸をＹ軸方向とした、偏光子が設けられているので、Ｙ軸方向以外の振動方向成分の光は吸収される。なお、偏光子は対向基板１３及び１４の外面にそれぞれ設けてもよい。

プリズム１７は、三角形の断面とＹ軸方向に延びる稜線６４とを有する三角柱形状であり、斜面６１と、側面６２と、底面６３とを有する。

図１Ａ及び１Ｂから理解されるように、複数のプリズム１７が、電極４１ａ及び４１ｂ上にＸ軸方向に並べて設けられている。複数のプリズム１７の断面形状は、液晶プリズム素子３の全体で左右対称となるように構成されている。説明を容易にするために、プリズム１７の形成領域を図１Ａ及び１Ｂにおける左半分及び右半分に二分し、左側の領域をＲ１、領域Ｒ１とＸ軸方向に隣接する右側の領域をＲ２とする。また、領域Ｒ１及びＲ２の境界線（中央線）を通過し、かつ、画像表示パネル４の表示面と直交する平面を、Ｐ１とする。ＸＺ平面と平行な平面上で見たときに、領域Ｒ１に配置されるプリズム１７の断面形状と、領域Ｒ２に配置されるプリズム１７の断面形状とは、図１Ａ及び１Ｂに示すように、平面Ｐ１に対して対称となるように設計されている。

電極４０ａは、対向基板１３の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４０ｂは、対向基板１３の内面の領域Ｒ２に形成されている。同様に、電極４１ａは、対向基板１４の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４１ｂは、対向基板１４の内面の領域Ｒ２に形成されている。

更に、プリズム１７の表面上及び電極４０ａ及び４０ｂ上には、液晶分子の配向方向を所望の方向に制御するための配向処理を施した配向膜１８及び１９が設けられている。配向膜１８及び１９は、電極４０ａ、４０ｂ、４１ａ、４１ｂに電圧が印加されていない状態で、液晶分子の長軸がＹ軸方向となるように液晶分子を配向させる。ただし、液晶分子の配向が均一に保てるのであれば、配向膜１８及び１９はなくても良い。

尚、対向基板１３及び１４、プリズム１７の形成材料としては、ガラスまたは樹脂を用いることができる。プリズム１７の材料として樹脂を用いる場合、一例として、ガラス基板上にＵＶ硬化樹脂をインプリントすることによって、プリズム１７を形成することができる。液晶プリズム素子３は、電極４１ａ及び４１ｂを成膜した対向基板１４上にプリズム１７の一次元配列を形成した後、対向基板１４と、電極４０ａ及び４０ｂを成膜した対向基板１３とを貼り合わせ、対向基板１３及び１４の間に液晶を封入することによって作製できる。

液晶プリズム素子３は、外部からの印加電圧の大きさに応じて、透過する光の偏向角度の大きさを制御できる素子である。その原理を簡単に述べる。通常、液晶分子は楕円体形状をしており、長手方向と短手方向とで誘電率が異なる。このため、液晶層２０は、入射光の偏光方向毎に屈折率が異なる複屈折の性質を有する。また、液晶分子の配向（ダイレクタ）の向きが光の偏光方向に対して相対的に変化すれば、液晶層２０の屈折率も変化する。そのため、ある印加電圧を与えて発生させた電場により液晶の配向を変化させると、透過する光に対する屈折率が変わるため、光の屈折角である偏向角が変化する。

本実施の形態では、液晶層２０を構成する材料としては１軸性のポジ型液晶を用いた場合を考える。そして、前述のとおり、電圧が印加されていない場合には液晶分子をＹ軸方向に配向し、電圧が印加された場合は、液晶分子をＺ軸方向に配向する場合を考える。

画像表示パネル４の透過軸がＹ軸方向であるため、電圧が印加されていない場合の液晶層２０の屈折率は異常光屈折率、電圧が印加された場合の液晶層２０の屈折率は常光屈折率となる。

一般的に、液晶プリズム素子３等のアクティブ素子で光を偏向させる場合に、偏向角を大きくするためには、Δｎ（＝異常光に対する屈折率ｎｅ−常光に対する屈折率ｎｏ）が大きな液晶材料を用いることが望ましい。しかしながら、市販されている中でΔｎが大きな液晶材料は少なく、一般的に、Δｎは約０．２程度である。

また、同じ液晶材料で用いて液晶プリズムを構成しても配向方向の設計、電場のかけ方が液晶プリズム素子の能力である偏向角や、電力や、スイッチングスピードなどといった素子性能を大きく左右する重要な項目である。

尚、液晶プリズム素子３では、プリズム１７の斜面の傾斜方向が、画面の中心線（平面Ｐ１）を境界にして左右で異なっている。液晶プリズム素子３では、出射光をプリズム１７の傾斜面から遠ざける方向（図１Ｃにおける左上方向に相当）への偏向と比べて、出射光をプリズム１７の傾斜面に近づける方向（図１Ｃにおける右上方向）への偏向の効率が低いという性質がある。そこで、プリズム１７の傾斜面を平面Ｐ１に対して対称とし、プリズム１７の傾斜面を画面の中央部の前方に向けることによって、液晶プリズム素子３は、画面の左端近傍に入射した光を画面の右前方へと効率的に偏向することができ、画面の右端近傍に入射した光を画面の左前方へと効率的に偏向することができる。この場合、液晶プリズム素子３の左右の領域に異なる電圧が印加される。そのために、電極４０ａ及び４０ｂと、電極４１ａ及び４１ｂとは、画面中央で分離されている。同一基板内にある電極を２つとも接地端子として用いる場合は中央で分離しなくても良い。

アフォーカル光学系１１は、液晶プリズム素子３とバックライト装置２との間に配置される複数の第１のレンズ３１と、液晶プリズム素子３と画像表示パネル４との間に配置される複数の第２のレンズ３２とによって構成される。第１のレンズ３１は、第２のレンズ３２に１：１で対応している。第１のレンズ３１及び第２のレンズ３２は、液晶プリズム素子３の一対の対向基板１３及び１４の外面に樹脂やガラス等を成型することによって形成しても良いし、対向基板１３及び１４と一体成型されていても良い。また、第１のレンズ３１と第２のレンズ３２を対向基板１３及び１４とは別体のシートとして形成しても良い。典型的には、第１のレンズ３１及び第２のレンズ３２として、Ｙ軸と平行な方向に延びるシリンドリカルレンズを用いることができるが、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に行列状に配列されるレンズアレイでも良い。

図１Ｃに示す例では、第１のレンズ３１は正のパワーを有し、第２のレンズ３２は負のパワーを有している。ただし、後述するように、第１のレンズ３１及び第２のレンズ３２の両方に、正のパワーを有するレンズを採用しても良い。

アフォーカル光学系１１は、第１のレンズ３１の光軸に対して所定角度をなす光が入射した場合、第２のレンズ３２の光軸に対して、当該所定角度にアフォーカル倍率を乗じた角度をなす光を出射する性質を有する。具体的には、アフォーカル倍率が１．５倍である場合、第１のレンズ３１の光軸に対して１０°の角度で入射した光は、第２のレンズ３２の光軸に対して１５°の角度で出射される。第１のレンズ３１に入射した光は、第２のレンズ３２から出射されるまでの間に、印加電圧に応じた偏向作用を液晶プリズム素子３から受けることに加えて、アフォーカル光学系１１の作用を受けるため、液晶プリズム素子３のみを用いて画像表示装置を構成した場合と比べて、出射光の出射角度の調整範囲を広くすることができる。

液晶プリズム素子３を透過した光は、画像表示パネル４に入射する。画素表示パネル４の一例として、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ方式のパネルが挙げられる。ただし、画像表示パネル４として他の方式の画像表示パネルを採用することもできる。画像表示パネル４を透過した光は、指向性を持ち、視聴者の眼の位置に集光される。

画像表示装置１は、右眼用画像と左眼用画像の切り替えに同期させて、光源７ａ及び７ｂの切り替えを行っている。また、右眼用画像と左眼用画像との切り替えを１２０Ｈｚ以上の周波数で行うことで、ユーザは右眼用画像と左眼用画像とに基づいて立体画像を認識することができる。

位置検出部３８は、カメラ５と視聴位置算出部３９とを含む。カメラ５は、ユーザの画像を所定周期で撮影する。視聴位置算出部３９は、カメラ５によって撮影された画像を解析し、ユーザの視聴位置を表す視聴位置情報を算出する。カメラ５が行う画像解析には、顔や顔の一部（眼や鼻など）の位置を認識する公知のアルゴリズムを利用できる。また、視聴位置算出部３９が求める視聴位置情報は、ユーザの目の位置を表すものであることが好ましいが、眼の位置に代えて顔や鼻等の位置を表しても良い。

制御部６は、視聴位置算出部３９によって求められた視聴位置情報に基づいて、液晶プリズム素子３に印加する電圧値を制御する。より詳細には、ユーザの視聴位置が、図１Ａに示すように、画面中央から左端側に移動した場合、領域Ｒ１では、液晶層２０の屈折率をプリズム１７の屈折率より小さく、領域Ｒ２では、液晶層２０の屈折率をプリズム１７の屈折率より大きくすることによって、プリズム１７からの出射光をユーザから見て右方向に偏向させる。このとき、光を偏向しない時の印加電圧に対して、領域Ｒ１への印加電圧をより大きく、領域Ｒ２への印加電圧より小さくすることによって、領域Ｒ１の偏向角と領域Ｒ２の偏向角とを揃えることができる。逆に、ユーザの視聴位置が、画面中央から右端側に移動した場合、領域Ｒ１では液晶層２０の屈折率をプリズム１７の屈折率より大きく、領域Ｒ２では、液晶層２０の屈折率をプリズム１７の屈折率より小さくすることによって、プリズム１７からの出射光をユーザから見て左方向に偏向させる。このとき、光を偏向しない時の印加電圧に対して、領域Ｒ１への印加電圧をより小さく、領域Ｒ２への印加電圧より大きくすることによって、領域Ｒ１の偏向角と領域Ｒ２の偏向角とを揃えることができる。

尚、印加電圧に対する液晶プリズム３の偏向角及び光の集光点の位置情報は設計段階で想定できるため、予め印加電圧と位置情報とを関連付けたデータを用意し、画像表示装置１が備える記憶装置に格納しておけば良い。また、製品完成後、キャリブレーションを行って、集光点の位置の補正を行っても良い。

以上説明した視聴位置情報に基づく偏向制御を所定の周期毎に繰り返し行うことによって、画像表示装置１に対して視聴者が自由に移動した場合でも、任意の場所で、立体画像を視聴する事が可能となる。よって、本発明によれば、アフォーカル光学系１１と液晶プリズム素子３とを併用することによって、液晶プリズム素子３のみを用いて画像表示装置を構成した場合と比べて、視域の広い画像表示装置を実現できる。また、光を視聴者の目の位置に集光させることで、高輝度かつ省エネの画像表示装置１を実現できる。

また、液晶層２０内の液晶分子の配向は一様ではなく、プリズム１７の斜面６１の稜線６４近傍と底辺６５近傍では液晶分子の配向が不均一になりやすい。本発明のように、第１のレンズ３１を用いて液晶プリズム素子３に入射する光を収束させることによって、液晶分子の配向状態が不均一な稜線６４近傍及び底辺６５近傍を通過する光を低減することができる。したがって、画像表示装置１から出射された光の集光位置のずれを低減し、画質を向上させることができる。

更に、画像表示パネル４の右側部前方または左側部前方に光を集光させる場合には、液晶プリズム素子３による偏向角度を大きくする必要があるが、この場合、あるプリズム１７から出射された光の一部が、隣接する他のプリズム１７によってケラレてしまう場合がある。本発明では、第１のレンズ３１を用いて液晶プリズム素子３に入射する光を収束させているので、液晶層２０を通過する光束の径が小さくなり、隣接する他のプリズム１７によるケラレを低減することができる。

尚、本実施の形態では、光源７ａ及び７ｂで共用されているが、光源７ａ用の導光板と光源７ｂ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、プリズムとレンチキュラーレンズとが一体になった制御フィルム１０に代えて、プリズムシート及びレンチキュラーレンズシートを別個に設けても良い。

更に、バックライト２は、図１Ａ及び１Ｂに記載された構成に限定されず、左右の画像信号の切り替えと同期して、右眼用の光と左眼用の光とを時分割で交互に出射できるものであれば、他の構成を採用しても良い。

更に、本実施の形態では、液晶プリズム３内のプリズム１７の傾斜面の向きを領域Ｒ１及びＲ２で異ならせ、平面Ｐ１に対して対称となるように構成しているが、プリズムの傾斜面の向きを液晶プリズム３全体で一定としても良い。この場合、本実施の形態のように、液晶プリズム３の領域Ｒ１及びＲ２で電極を分ける代わりに、表示画面全領域にわたって、１つの電極を設ける。しかしながら、配向変化に対する光線の偏向角及び透過効率の面で、２つの領域Ｒ１及びＲ２に分けてプリズム１７及び電極を設けることがより好ましい。

更に、本実施の形態では、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７ａ及び７ｂを交互に点滅させる代わりに、常時点灯させる。３次元画像に限らず、二次元画像を表示する際にも、視聴者の動きに追従して、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。

更に、本実施の形態では、プリズム１７と液晶層２０とを対向基板１３及び１４の間に封入することによって液晶プリズム素子３が構成されているが、入射光を偏向させるプリズムと、印加電圧に応じて出射光の偏向角を変化させる液晶素子とを別個に設けても良い。

更に、図１Ｃに示した例では、対向基板１４の内面に電極層が設けられているが、プリズム１７の斜面６１及び側面６２上に電極層を設けても良い。

＜２．液晶光学素子及びアフォーカル光学系の詳細構成＞
以下、図２〜５を参照しながら、実施の形態１〜４に係る液晶光学素子及びアフォーカル光学系の構成の詳細を説明する。

（実施の形態１）
図２は、実施の形態１に係る液晶プリズム素子及びアフォーカル光学系の光路図である。図２において、左列には、液晶プリズム素子を透過する光の光路図が示され、右列には、実施の形態１に係る液晶プリズム素子及びアフォーカル光学系を透過する光の光路図が示されている。また、図２において、上段には、プリズムと液晶層の屈折率が等しい場合の光路図が示され、中段には、プリズムと比べて液晶層の屈折率が低い場合の光路図が示され、下段には、プリズムと比べて液晶層の屈折率が高い場合の光路図が示されている。ここで、液晶プリズム素子の基板の法線に対して出射光がなす出射角度の符号は、プリズムと比べて液晶層の屈折率が低い場合を正とする。

図２に示す液晶プリズム素子３において、プリズム１７の屈折率は１．６であり、液晶層２０の屈折率の変化範囲は１．５〜１．７であり、プリズム１７の斜面６１の傾斜角度は６０°である。また、図２（ｄ）〜（ｆ）に示すアフォーカル光学系１１において、第１のレンズ３１は曲率半径が０．１２ｍｍの凸面を有する平凸レンズであり、第２のレンズ３２は曲率半径が０．０８９１５ｍｍの凹面を有する平凹レンズである。図２（ａ）〜（ｃ）においては、第１のレンズ３１及び第２のレンズ３２の代わりに、パワーのない一対の平行平板が液晶プリズム素子３を挟むように設けられている。

図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、液晶プリズム素子３のみを用いた場合、出射光の出射角度は、−５．４°〜＋７．５°である。これに対して、図２（ｄ）〜（ｆ）に示すように、液晶プリズム３とアフォーカル光学系１１とを併用した場合、出射光の出射角度は、−７．８°〜＋１０．８°である。実施の形態１に係るアフォーカル光学系１１を用いることによって、液晶プリズム素子３に電圧を印加することによって制御できる出射角度の範囲を拡げることが可能となる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係る液晶プリズム素子及びアフォーカル光学系の光路図である。図３において、左列には、液晶プリズム素子を透過する光の光路図が示され、右列には、実施の形態２に係る液晶プリズム素子及びアフォーカル光学系を透過する光の光路図が示されている。また、図３において、上段には、プリズムと液晶層の屈折率が等しい場合の光路図が示され、中段には、プリズムと比べて液晶層の屈折率が低い場合の光路図が示され、下段には、プリズムと比べて液晶層の屈折率が高い場合の光路図が示されている。ここで、液晶プリズム素子の基板の法線に対して出射光がなす出射角度の符号は、プリズムと比べて液晶層の屈折率が低い場合を正とする。

図３に示す液晶プリズム素子３において、プリズム１７の屈折率は１．６５であり、液晶層２０の屈折率の変化範囲は１．５〜１．８であり、プリズム１７の斜面６１の傾斜角度は４５°である。また、図３（ｄ）〜（ｆ）に示すアフォーカル光学系１１において、第１のレンズ３１は曲率半径が０．０６ｍｍの凸面を有する平凸レンズであり、第２のレンズ３２は曲率半径が０．０２６８ｍｍの凹面を有する平凹レンズである。図３（ａ）〜（ｃ）においては、第１のレンズ３１及び第２のレンズ３２の代わりに、パワーのない一対の平行平板が液晶プリズム素子３を挟むように設けられている。

図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、液晶プリズム素子３のみを用いた場合、出射光の出射角度は、−４．６°〜＋６．８°である。これに対して、図３（ｄ）〜（ｆ）に示すように、液晶プリズム素子３とアフォーカル光学系１１とを併用した場合、出射光の出射角度は、−１１．８°〜＋１５．９°である。実施の形態２に係るアフォーカル光学系１１を用いることによって、液晶プリズム素子３に電圧を印加することによって制御できる出射角度の範囲を拡げることが可能となる。

（実施の形態３）
図４は、実施の形態３に係る液晶プリズム素子及びアフォーカル光学系の光路図である。図４において、左列には、液晶プリズム素子を透過する光の光路図が示され、右列には、実施の形態３に係る液晶プリズム素子及びアフォーカル光学系を透過する光の光路図が示されている。また、図４において、上段には、プリズムと液晶層の屈折率が等しい場合の光路図が示され、中段には、プリズムと比べて液晶層の屈折率が低い場合の光路図が示され、下段には、プリズムと比べて液晶層の屈折率が高い場合の光路図が示されている。ここで、液晶プリズム素子の基板の法線に対して出射光がなす出射角度の符号は、プリズムと比べて液晶層の屈折率が低い場合を正とする。

図４に示す液晶プリズム素子３において、プリズム１７の屈折率は１．５７であり、液晶層２０の屈折率の変化範囲は１．５２〜１．６２であり、プリズム１７の斜面６１の傾斜角度は４５°である。また、図４（ｄ）〜（ｆ）に示すアフォーカル光学系１１において、第１のレンズ３１は曲率半径が０．０２５ｍｍの凸面を有する平凸レンズであり、第２のレンズ３２は曲率半径が０．００９２３ｍｍの凸面を有する平凸レンズである。図４（ａ）〜（ｃ）においては、第１のレンズ３１及び第２のレンズ３２の代わりに、パワーのない一対の平行平板が液晶プリズム素子３を挟むように設けられている。

図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、液晶プリズム素子３のみを用いた場合、出射光の出射角度は、−２．８°〜＋２．９°である。これに対して、図４（ｄ）〜（ｆ）に示すように、液晶プリズム素子３とアフォーカル光学系１１とを併用した場合、出射光の出射角度は、−７．１°〜＋６．５°である。実施の形態３に係るアフォーカル光学系１１を用いることによって、液晶プリズム素子３に電圧を印加することによって制御できる出射角度の範囲を拡げることが可能となる。

（実施の形態４）
図５は、実施の形態４に係る液晶プリズム素子及びアフォーカル光学系の光路図である。より詳細には、図５（ａ）は、プリズムと液晶層の屈折率が等しい場合の光路図を示し、図５（ｂ）は、プリズムと比べて液晶層の屈折率が低い場合の光路図を示し、図５（ｃ）は、プリズムと比べて液晶層の屈折率が高い場合の光路図を示す。図５においては、紙面の左側が画像表示装置の中央側に相当する。

バックライト装置２は、出射光が画像表示パネル４の中央に対峙する視聴者の右眼位置及び左眼位置に交互に集光するように構成されているため、液晶プリズム素子３の右側縁近傍及び左側縁近傍において、バックライト装置２からの光が斜め方向から入射する。そこで、本実施の形態においては、液晶プリズム素子３の中央部より側方側部分において、第２のレンズ３２の光軸を第１のレンズ３１の光軸よりも中央側にオフセットさせている。このように第２のレンズ３２を配置することによって、画面の中央部より側方部における光の利用効率を向上させることができる。

尚、少なくとも画面の右側縁近傍及び左側縁近傍において、第２のレンズ３２の光軸を第１のレンズ３１の光軸に対してオフセットさせれば、画面の側方部における光の利用効率を向上させることができるが、この光軸のオフセット量を液晶プリズム素子３の全面にわたって変化させても良い。具体的には、水平方向において液晶プリズム素子３の中央部から側方部にかけて、第１のレンズ３１の光軸に対する第２のレンズ３２の光軸のオフセット量が連続的または段階的に大きくなるように、第２のレンズ３２を液晶プリズム素子３の中央部に寄せて配置すれば良い。

このように構成することによって、液晶プリズム素子３の側方部を透過する光の出射角の調整範囲を大きくすることができるので、集光範囲を広くすることができると共に、液晶プリズム素子３の側方部における光の利用効率を向上させることができる。

本発明は、視聴者の位置情報に基づき自動的に光線を視聴者の位置に偏向させるので、高輝度、高効率、高解像度の画像表示装置を実現でき、３次元画像の表示用途だけでなく、２次元画像の表示用途にも広く適用することができる。また、本発明は、簡便な構成で３Ｄ液晶表示装置やプライバシーディスプレイ等に適用することが可能である。

１画像表示装置
２バックライト
３液晶プリズム素子
４画像表示パネル
５カメラ
６制御部
７a、７ｂ光源
８反射フィルム
９導光板
１０光制御フィルム
１１アフォーカル光学系
１３対向基板
１４対向基板
１７プリズム
２０液晶層
３１第１のレンズ
３２第２のレンズ
６１、６２斜面
６３底面

Claims

画像表示装置であって、
画像表示パネルと、
前記画像表示パネルの背面側に配置されるバックライト装置と、
前記画像パネルと前記バックライト装置との間に配置され、入射した光を偏向させる第１の光学素子と、
前記第１の光学素子と前記画像表示パネルとの間に配置され、前記第１の光学素子によって偏向された光を更に偏向させ、印可電圧に応じて出射光の偏向角を変化させる第２の光学素子と、
前記第１の光学素子と前記バックライト装置との間に配置される複数の第１のレンズと、
前記第２の光学素子と前記画像表示パネルとの間に配置される複数の第２のレンズと、
視聴者の視聴位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部によって検出された前記視聴位置に応じて前記第２の光学素子に印可する印可電圧を制御する制御部とを備え、
前記第１のレンズと前記第２のレンズとが、アフォーカル倍率が１より大きいアフォーカル光学系を構成する、画像表示装置。
前記第１のレンズの各々と前記第２のレンズの各々とが互いに対応するように配置され、
前記画像表示パネルの中央の領域より側方側の領域において、前記第１のレンズは、前記第１のレンズの光軸が前記第２のレンズの光軸より前記側方側にオフセットするように配置される、請求項１に記載の画像表示装置。
前記第１のレンズは、正のパワーを有し、
前記第２のレンズは、負のパワーを有する、請求項１に記載の画像表示装置。
前記第１のレンズ及び前記第２のレンズは、正のパワーを有する、請求項１に記載の画像表示装置。
前記画像表示パネルには、視差が与えられた右眼用画像信号及び左眼用画像信号が時分割で交互に入力され、
前記バックライト装置は、
一対の側面を有し、前記側面から入射された光を出射面に導く導光板と、
前記側面の一方に対向するように配置され、右眼用画像を表示するための照明光を出射する第１の光源と、
前記側面の他方に対向するように配置され、左眼用画像を表示するための照明光を出射する第２の光源と、
前記第１の光源および前記第２の光源から出射された光を前記表示パネル中央の前方に偏向する光制御シートとを含み、
前記右眼用画像信号と前記左眼用画像信号との切り替えに同期して、前記第１の光源及び前記第２の光源が交互に点灯する、請求項１に記載の画像表示装置。