JP7240977B2 - 画像表示装置 - Google Patents
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Description
今後、多様な映像コンテンツを表示するためには、インテグラル方式の立体像の表示(以下、3D表示)だけでなく、高精細な二次元画像の表示(以下、2D表示)も可能であることが望ましい。
非特許文献1に記載の方法は、図13に示すように、光源201と、コリメータレンズ202と、PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal;高分子分散型液晶)203と、レンズアレイ204と、表示パネル205と、を備える画像表示装置200Aで、3D表示と2D表示とを切り替える。
図11(a)に示すように、画像表示装置200Aは、3D表示を行う場合、電圧制御により光の透過/拡散を制御可能なPDLC203を光が透過するように制御し、表示パネル205に要素画像eを表示する。
これによって、画像表示装置200Aは、光源201の光をコリメータレンズ202により平行光に変換し、PDLC203を透過させる。そして、画像表示装置200Aは、レンズアレイ204ごとに、平行光を集光させて集光位置に点光源Loとなる光を生成し、表示パネル205に投射することで、観察者Mに立体像を視認させることができる。
図12(a)に示すように、画像表示装置200Bは、3D表示を行う場合、LEDアレイ211の拡散板212の開口部にほぼ接する層のLEDを発光させ、表示パネル214に要素画像eを表示する。
これによって、画像表示装置200Bは、拡散板212の開口部を通過した光を、レンズアレイ213ごとに集光させて集光位置に点光源Loとなる光を生成し、表示パネル214に投射することで、観察者Mに立体像を視認させることができる。
図13(a)に示すように、画像表示装置200Cは、3D表示を行う場合、透過・拡散板222の光を透過させる透過領域Pに対応するLEDのみを発光させ、表示パネル223に要素画像eを表示する。
これによって、画像表示装置200Cは、点光源であるLEDの光を表示パネル223に投射することで、観察者Mに立体像を視認させることができる。
これによって、画像表示装置200Cは、拡散光を表示パネル223に照射することができ、表示パネル223に表示した二次元画像Gを観察者Mに視認させることができる。
これによって、画像表示装置200Cは、観察者Mに立体像と二次元画像とを領域を分けて視認させることができる。
そのため、非特許文献1,2に記載の方法は、3D表示と2D表示とを画面全体で切り替えることしかできない。
しかし、特許文献1に記載の方法は、3D表示のために使用するLEDと、2D表示のために使用するLEDとが分けられているため、3D表示時に使用しないLEDや2D表示時に使用しないLEDが存在することになる。
そのため、高精細な画像を表示するためには、さらなる工夫が求められていた。
この偏光状態が異なる平行光は、例えば、平行光源が発光するランダム偏光の平行光を、特定の偏光の光を通過させる偏光板と、偏光板を通過した光を異なる偏光状態に切り替える偏光切替素子とを通過させることで生成することができる。
このとき、偏光回折レンズを正の焦点距離のレンズ(凸レンズ)として機能させた場合、平行光は正の焦点距離の位置に集光することになる。また、偏光回折レンズを負の焦点距離のレンズ(凹レンズ)として機能させた場合、平行光は負の焦点距離の位置を基準とする発散した光となる。
これによって、正の焦点距離の位置に集光した光は、要素画像を照射するための点光源となり、負の焦点距離の位置を基準として発散した光は、二次元画像を照射するための拡散光となる。
そして、画像表示装置は、表示パネルによって、光拡散素子で拡散された光をバックライトとして、立体像を表示するためのインテグラル方式の要素画像群、または、二次元画像を表示する。
これによって、画像表示装置は、要素画像群を表示する領域に点光源の光を照射して、観察者に立体像を視認させることができ、二次元画像を表示する領域に拡散光を照射して、観察者に二次元画像を視認させることができる。
本発明によれば、立体像表示と二次元画像表示とを部分的に混在させて表示することができる。また、本発明によれば、立体像表示と二次元画像表示とを切り替える場合でも、立体像を表示するための光と二次元画像を表示するための光とを共用することができるため、従来よりも点光源の密度を高め、表示する画像を高解像度化することができる。
〔画像表示装置の概要〕
図1を参照して、本発明の実施形態に係る画像表示装置1の概要について説明する。
画像表示装置1は、立体像I3Dと二次元画像I2Dとを切り替えて表示するものである。図1に示すように、画像表示装置1は、表示部10と、制御部20と、を備える。
制御部20は、表示部10における立体像I3Dの表示と、二次元画像I2Dの表示とを切り替える制御を行うものである。
以下、画像表示装置1の構成について詳細に説明する。
まず、図2を参照して、画像表示装置1の表示部10の構成について説明する。図2は、図1に示した画像表示装置1の符号Aで示す領域を透視した表示部10の構成を示す上面図である。
図2に示すように、表示部10は、平行光出射部11と、偏光回折レンズアレイ12と、光拡散素子13と、表示パネル14と、を備える。
図2に示すように、平行光出射部11は、平行光源111と、偏光板112と、偏光切替素子113と、を備える。
平行光源111は、平行光を偏光板112に照射する。
偏光板112を通過した平行光は、偏光切替素子113に照射される。
ここでは、偏光切替素子113は、制御部20の制御によって、水平偏光(一方の偏光状態)の光を水平偏光のまま通過させる状態と、水平偏光の光を垂直偏光(他方の偏光状態)の光に変換する状態とを切り替える。なお、偏光切替素子113の偏光切替の単位は、後記する偏光回折レンズ121に対応する照射範囲ごととする。
偏光切替素子113を通過した平行光(水平偏光または垂直偏光)は、偏光回折レンズアレイ12に照射される。
そして、平行光出射部11は、偏光切替素子113によって、水平偏光をそのまま通過させたり、偏光状態を垂直偏光に変換したりする処理を、偏光回折レンズ121単位で、画面全体あるいは部分的に切り替える。
これによって、平行光出射部11は、偏光回折レンズアレイ12に対して、偏光回折レンズ121単位で一定の偏光の光を照射することができる。
偏光回折レンズ121は、異なる2つの偏光状態に応じて、入射光を±1次光に回折し、正または負の焦点距離を持つレンズ(凸レンズまたは凹レンズ)として機能するものである。
また、偏光回折レンズ121は、入射面に対して垂直偏光の平行光が入射した場合、図4(b)に示すように、光の進行方向を正として、負の焦点距離f(<0)を持つレンズ(凹レンズ)として機能する。これによって、偏光回折レンズ121は、垂直偏光の平行光を、負の焦点距離の位置を基準として発散させることができる。
偏光回折レンズアレイ12は、偏光状態に応じて回折した光を、光拡散素子13に照射する。
(参考文献)Jihwan Kim, Yanming Li, Matthew N. Miskiewicz, Chulwoo Oh, Michael W. Kudenov, and Michael J. Escuti, “Fabrication of ideal geometric-phase holograms with arbitrary wavefronts”, Optical Society of America, optica, vol.2, No.11, pp.958-964, November 2015.
この光拡散素子13は、ガラス板等の光学素子に拡散加工処理を施したものを使用することができる。あるいは、光拡散素子13は、一般的な拡散板や拡散フィルムを用いてもよい。
光拡散素子13は、偏光回折レンズアレイ12に対向して、偏光回折レンズアレイ12から、偏光回折レンズ121の正の焦点距離だけ離間して配置する。
光拡散素子13に入射される光が水平偏光の場合、図5(a)に示すように、光拡散素子13には、偏光回折レンズアレイ12から正の焦点距離fだけ離間した入射面に光が集光される。
これによって、光拡散素子13は、正の焦点距離fに集光した光を点光源Loとして、表示パネル14に照射することができる。
また、入射光が垂直偏光の場合、図5(b)に示すように、光拡散素子13には、偏光回折レンズアレイ12から負の焦点距離fだけ離間した位置を仮想的に点光源とした光が入射面に照射される。
これによって、光拡散素子13は、入射面に拡がりをもって照射された入射光をさらに拡散して、表示パネル14に拡散光を照射することができる。
この表示パネル14は、立体像を表示する場合、制御部20を介して、インテグラル方式の要素画像群を表示する。また、表示パネル14は、二次元画像を表示する場合、制御部20を介して、二次元画像そのものを表示する。この表示パネル14が表示する画像は、静止画像であってもよいし、複数の画像が連続する動画像であってもよい。
図6に示すように、制御部20は、3D/2D画像入力手段21と、3D/2D画像表示手段22と、表示切替指示入力手段23と、偏光切替制御手段24と、を備える。
3D/2D画像入力手段21は、図示を省略した外部のディスク装置や、通信回線を介して画像を入力する。
なお、3D/2D画像入力手段21は、要素画像群または二次元画像のいずれか一方を入力する場合と、表示する領域を分けて要素画像群と二次元画像とが混在した画像を入力する場合がある。
具体的には、切替指示は、偏光回折レンズ121の領域ごとに偏光切替素子113の偏光状態を切り替えるか否かを指示する信号である。この切替指示は、予め3D/2D画像入力手段21に入力される画像に対応し、要素画像群の画像領域と二次元画像の画像領域とで、異なる偏光状態を示す指示とする。
ここでは、切替指示は、3D表示(要素画像群の表示)を行う場合、偏光切替素子113の偏光状態を切り替えない旨を示す指示で、2D表示(二次元画像の表示)を行う場合、偏光切替素子113の偏光状態を切り替える旨を示す指示とする。
表示切替指示入力手段23は、入力した切替指示を、偏光切替制御手段24に出力する。
この偏光切替制御手段24は、図示を省略した信号線を介して、偏光切替素子113に接続され、電圧制御により、偏光状態を切り替える。
ここでは、偏光切替制御手段24は、切替指示により、偏光回折レンズ121に対応する光の偏光状態を切り替えない場合、その偏光回折レンズ121の照射範囲に対応する偏光切替素子113への電圧の印可を行わないこととする。
また、偏光切替制御手段24は、切替指示により、偏光回折レンズ121に対応する光の偏光状態を切り替える場合、その偏光回折レンズ121の照射範囲に対応する偏光切替素子113に電圧の印可を行う。
これによって、画像表示装置1は、3D表示と2D表示とを画面全面で切り替えたり、部分的に切り替えたりすることができる。
次に、図7~図9を参照(適宜図1~図6参照)して、本発明の実施形態に係る画像表示装置1における3D表示、2D表示、3D/2D混在表示を行う動作について説明する。
まず、図7を参照して、画像表示装置1の3D表示を行う動作について説明する。
画像表示装置1は、制御部20の表示切替指示入力手段23によって、3D表示を行う切替指示として、偏光切替素子113の偏光状態を切り替えない旨を示す指示を入力する。
そして、画像表示装置1は、偏光切替制御手段24によって、偏光板112を通過した水平偏光の平行光を、そのまま通過させるように偏光切替素子113を電圧制御する。具体的には、偏光切替制御手段24は、偏光切替素子113への電圧の印可を行わない、あるいは、印可状態である場合には電圧の印可を停止する。
これによって、偏光切替素子113に入射した水平偏光の平行光は、水平偏光のままで偏光切替素子113を通過する。
その後、光拡散素子13に集光した光は、光拡散素子13によって拡散され、点光源Loとして、表示パネル14に照射される。
そして、画像表示装置1は、制御部20の3D/2D画像入力手段21によって、要素画像群を入力し、3D/2D画像表示手段22によって、要素画像群を表示パネル14に表示する。
これによって、点光源Loから出射した光が要素画像eに対応する領域を背面から照射することになり、正面から表示パネル14を観察する観察者は、インテグラル方式の立体像を視認することができる。
次に、図8を参照して、画像表示装置1の2D表示を行う動作について説明する。
画像表示装置1は、制御部20の表示切替指示入力手段23によって、2D表示を行う切替指示として、偏光切替素子113の偏光状態を切り替える旨を示す指示を入力する。
そして、画像表示装置1は、偏光切替制御手段24によって、偏光板112を通過した水平偏光の平行光を、垂直偏光の光に変換するように偏光切替素子113を電圧制御する。具体的には、偏光切替制御手段24は、偏光切替素子113に電圧を印可する。
これによって、偏光切替素子113に入射した水平偏光の平行光は、垂直偏光に変換されて偏光切替素子113から出射される。
その後、光拡散素子13に照射された光は、光拡散素子13によって拡散され、表示パネル14に照射される。
そして、画像表示装置1は、制御部20の3D/2D画像入力手段21によって、二次元画像を入力し、3D/2D画像表示手段22によって、二次元画像を表示パネル14に表示する。
これによって、拡散光が二次元画像Gの表示領域全体を背面から照射することになり、正面から表示パネル14を観察する観察者は、二次元画像を視認することができる。
次に、図9を参照して、画像表示装置1の3D/2D混在表示を行う動作について説明する。
画像表示装置1は、制御部20の表示切替指示入力手段23によって、3D/2D混在表示を行う切替指示として、偏光切替素子113の偏光状態を切り替えない旨を示す指示、または、偏光切替素子113の偏光状態を切り替える旨を示す指示を、偏光回折レンズ121に対応する領域ごとに入力する。
ここでは、3D表示を行う領域の偏光回折レンズ121に対応する偏光切替素子113には、偏光状態を切り替えない旨を指示し、2D表示を行う領域の偏光回折レンズ121に対応する偏光切替素子113には、偏光状態を切り替える旨を指示する。
具体的には、偏光切替制御手段24は、偏光状態を切り替えない旨を指示された偏光切替素子113については電圧を印可せず、偏光状態を切り替える旨を指示された偏光切替素子113については電圧を印可する。
そして、偏光切替素子113を通過した水平偏光の光は、偏光回折レンズアレイ12の偏光回折レンズ121によって、偏光回折レンズ121ごとに光拡散素子13に集光する。
その後、光拡散素子13に集光した光は、光拡散素子13によって拡散され、点光源Loとして、表示パネル14に照射される。
そして、偏光切替素子113で垂直偏光に変換された平行光は、偏光回折レンズアレイ12の偏光回折レンズ121によって、偏光回折レンズ121ごとに発散されて、光拡散素子13に照射される。
その後、光拡散素子13に照射された光は、光拡散素子13によって拡散され、表示パネル14に照射される。
これによって、要素画像eを表示した表示パネル14の領域には、点光源Loから出射した光が背面照射され、正面から表示パネル14を観察する観察者は、インテグラル方式の立体像を視認することができる。
また、二次元画像Gを表示した表示パネル14の領域には、拡散光が背面照射され、正面から表示パネル14を観察する観察者は、二次元画像を視認することができる。
以上、本発明の実施形態に係る画像表示装置1の構成および動作について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。
平行光出射部11は、図10に示す平行光出射部11Bの構成としてもよい。
図10(a)に示すように、平行光出射部11Bは、平行光源111と、透過・遮光素子114と、偏光回折素子115A,115Bと、λ/2波長板116と、を備える。
透過・遮光素子114は、平行光源111が出射する平行光の一部を遮光するものである。透過・遮光素子114が光を透過する透過領域の幅W1と光を遮光する遮光領域の幅W2は同じとし、後記するλ/2波長板116と同じ幅とする。この透過・遮光素子114は、例えば、液晶パネルで構成することで、部分的に透過領域を形成したり、遮光領域を形成したりすることができる。
透過・遮光素子114の透過領域を透過した光は、偏光回折素子115Aに照射される。
それぞれの偏光回折素子115A,115Bは、水平偏光または垂直偏光の入射光を、偏光状態に応じて、異なる方向に±1次光として回折させるものである。
この偏光回折素子115A,115Bは、水平偏光または垂直偏光の入射光の偏光状態に応じて、回折格子の溝方向を上下方向としたとき、左右方向に入射光を回折させる。
ここでは、偏光回折素子115A,115Bは、射出光線の位相を180度ずらして対向させ、光軸が透過領域の幅W1の1/2ずれるように予め定めた距離だけ離間して配置する。
なお、偏光状態に応じて、回折方向を変える偏光回折素子115A,115Bには、公知の素子を用いればよい。例えば、特開2008-233539号公報、特開2016-136165号公報、特開2006-106726号公報等で開示されている偏光回折素子を用いることができる。
ここでは、偏光回折素子115Aは、入射した平行光のうち、垂直偏光の光を水平偏光に変換し、-1次光として、偏光回折素子115Bに照射する。
また、偏光回折素子115Aは、入射した平行光のうち、水平偏光の光を垂直偏光に変換し、+1次光として、偏光回折素子115Bに照射する。
偏光回折素子115Bは、偏光回折素子115Aから照射される水平偏光の光を垂直偏光の光に変換し、+1次光として、λ/2波長板116に照射する。
また、偏光回折素子115Bは、偏光回折素子115Aから照射される垂直偏光の光を水平偏光の光に変換し、-1次光として、偏光回折レンズアレイ12(図2)に照射する。
ここでは、λ/2波長板116は、透過・遮光素子114の透過領域の幅W1と同じ幅で、透過・遮光素子114の透過領域に対して幅W1の1/2だけ水平方向(x方向)にずらして配置する。
λ/2波長板116は、偏光回折素子115Bから照射される垂直偏光の光を水平偏光の光に変換し、偏光回折レンズアレイ12(図2)に照射する。
これによって、偏光回折レンズアレイ12(図2)に照射される光は、すべて水平偏光の光となり、平行光出射部11Bは、水平偏光の平行光を生成することができる。
この透過・遮光素子114の切り替えは、図6で説明した制御部20の偏光切替制御手段24で行えばよい。
また、画像表示装置1が2D表示を行う場合、偏光切替制御手段24は、図10(b)に示すような透過領域と遮光領域となるように透過・遮光素子114を制御する。
また、画像表示装置1が3D表示と2D表示とを混在して表示する場合、偏光切替制御手段24は、3D表示を行う領域に対しては、図10(a)に示すような透過領域と遮光領域となるように透過・遮光素子114を制御する。また、偏光切替制御手段24は、2D表示を行う領域に対しては、図10(b)に示すような透過領域と遮光領域となるように透過・遮光素子114を制御する。
このように、平行光出射部11Bは、平行光出射部11(図2)で示した偏光板112がなく、光効率のロスが少ないため、高輝度な画像を表示することができる。
以上説明した実施形態において、一方の偏光状態を垂直偏光、他方の偏光状態を水平偏光としても構わない。
また、ここでは、水平偏光および垂直偏光で光の回折を制御したが、一方の偏光状態を左円偏光、他方の偏光状態を右円偏光、または、一方の偏光状態を右円偏光、他方の偏光状態を左円偏光として、光の回折を制御しても構わない。
10 表示部
11,11B 平行光出射部
111 平行光源
112 偏光板
113 偏光切替素子
114 透過・遮光素子
115A,115B 偏光回折素子
116 λ/2波長板
12 偏光回折レンズアレイ
121 偏光回折レンズ
13 光拡散素子
14 表示パネル
20 制御部
21 3D/2D画像入力手段
22 3D/2D画像表示手段
23 表示切替指示入力手段
24 偏光切替制御手段
Lo 点光源
Claims (5)
- 立体像と二次元画像とを、切り替えて、または、領域別に区分して表示する画像表示装置であって、
平行光を一方の偏光状態と他方の偏光状態とに切り替えて出射する平行光出射部と、
前記偏光状態に応じて、光の進行方向に対して正または負の焦点距離のレンズとして機能する偏光回折レンズを二次元平面上に配列した偏光回折レンズアレイと、
前記偏光回折レンズの正の焦点距離だけ前記偏光回折レンズアレイから離間して配置され、入射光を拡散させる光拡散素子と、
前記光拡散素子で拡散された光をバックライトとして、前記立体像を表示するためのインテグラル方式の要素画像群、または、前記二次元画像を表示する表示パネルと、
前記要素画像群を照射対象とする前記平行光を前記偏光回折レンズが正の焦点距離のレンズとして機能する前記一方の偏光状態とし、前記二次元画像の表示領域を照射対象とする前記平行光を前記偏光回折レンズが負の焦点距離のレンズとして機能する前記他方の偏光状態とするように、前記平行光出射部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする画像表示装置。 - 前記平行光出射部は、
ランダム偏光の平行光を発光する平行光源と、
前記平行光源が発光する特定の偏光の光を通過させる偏光板と、
前記偏光板を通過した光を、予め定めた照射範囲ごとに、前記一方の偏光状態または前記他方の偏光状態に切り替える偏光切替素子と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。 - 前記平行光出射部は、
ランダム偏光の平行光を発光する平行光源と、
前記平行光を、透過する領域と遮断する領域とを交互に配列した透過・遮光素子と、
前記透過・遮光素子を透過した前記平行光を偏光状態に応じて順次回折させて、前記一方の偏光状態および前記他方の偏光状態の光として、光軸を2方向にシフトさせる2枚の偏光回折素子と、
前記2方向のうちの前記一方の偏光状態の光の偏光方向を90度回転させるλ/2波長板と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。 - 前記一方の偏光状態は水平偏光であり前記他方の偏光状態は垂直偏光である、または、前記一方の偏光状態は垂直偏光であり前記他方の偏光状態は水平偏光であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の画像表示装置。
- 前記一方の偏光状態は左円偏光であり前記他方の偏光状態は右円偏光である、または、前記一方の偏光状態は右円偏光であり前記他方の偏光状態は左円偏光であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の画像表示装置。
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