WO2021166833A1 - 表示装置及び表示方法 - Google Patents

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WO2021166833A1
WO2021166833A1 PCT/JP2021/005461 JP2021005461W WO2021166833A1 WO 2021166833 A1 WO2021166833 A1 WO 2021166833A1 JP 2021005461 W JP2021005461 W JP 2021005461W WO 2021166833 A1 WO2021166833 A1 WO 2021166833A1
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microlens array
display
electrode
voltage
panel
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PCT/JP2021/005461
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French (fr)
Inventor
山田　泰美
崇文 小池
Original Assignee
日東電工株式会社
学校法人法政大学
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/12—Fluid-filled or evacuated lenses
    • G02B3/14—Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images

Definitions

  • the present invention relates to a display device and a display method, and more particularly to a display device and a display method capable of switching between a three-dimensional display and a two-dimensional display.
  • 3D three-dimensional
  • the 3D image refers to an image in which an object looks three-dimensional to the observer, or an image in which the object appears to pop out or the depth is felt.
  • a head-mounted display HMD: Head Mounted Display
  • displays virtual reality content in 3D is also widespread.
  • a naked-eye 3D display that gives the observer a three-dimensional effect with the naked eye without wearing glasses or an HMD has also been proposed.
  • a 3D display (see, for example, Patent Document 1) using a microlens array that changes the curvature of a liquid lens by placing droplets on the surface of a self-assembled monolayer (SAM), and a directional light emitting element.
  • SAM self-assembled monolayer
  • a configuration for example, Patent Document 2 for forming a display panel as pixels is known.
  • a microlens array is known in which the voltage applied to an electrode having an aperture is adjusted to change the optical characteristics of an optical scatterer formed in the aperture (see, for example, Patent Document 3).
  • Patent Document 1 suggests a configuration for switching from 3D observation to two-dimensional (hereinafter, appropriately referred to as "2D") observation by removing the lens of the lens array.
  • the means are not disclosed.
  • Patent Document 2 eliminates the need for a lens array by using a directional light emitting element as a pixel, but a light emitting element having a directivity in a predetermined direction is incorporated as a pixel of a display panel in advance, and a 3D display is performed. There are no plans to switch the 2D display.
  • An object of the present invention is to provide a display device capable of switching between 3D display and 2D display with a simple configuration.
  • the display device is With the panel A first microlens array arranged on the display surface side of the panel, the first electrode having a plurality of openings formed therein, the transparent electrode facing the first electrode, and the first electrode and the transparent electrode.
  • a control device that controls voltage application to the first microlens array, and With The first microlens array creates a concave lens in the aperture by applying a voltage.
  • the control device switches between 3D display and 2D display by controlling the voltage applied to the first microlens array to control the generation state of the concave lens.
  • FIG. 1 is a schematic view of the display device 1 of the embodiment.
  • the display device 1 includes a display 10 and an information processing device 50 that is connected to the display and controls switching between 3D display and 2D display.
  • the display 10 includes a panel 11, a first microlens array 20 arranged on the display surface 103 side of the panel 11, and a second microlens array 30 arranged on the light emitting surface 203 side of the first microlens array 20.
  • the first microlens array 20 is a varifocal lens array having a variable focal length.
  • the second microlens array 30 is a lens array in which the shape of each microlens, that is, the focal length is fixed, but the position of the second microlens array 30 can be adjusted as appropriate.
  • the panel 11 is an arbitrary medium for displaying an image, such as electronic paper or signage (electronic signage), and may be a still image or a moving image.
  • a plurality of openings 24 are formed in the first microlens array 20, and an array of concave lenses, which will be described later, appears in the openings 24 on the light emitting surface 203 side according to the on / off of voltage application.
  • the focal length changes by changing the curvature of the formed concave lens according to the level of the applied voltage.
  • the second microlens array 30 has an array of a plurality of convex lenses 35 on the surface opposite to the first microlens array 20. Unlike the concave lens of the first microlens array 20, the convex lens 35 of the second microlens array 30 is fixed and is designed to have a predetermined curvature and pitch.
  • the arrangement of the openings 24 of the first microlens array 20 and the arrangement of the convex lenses 35 of the second microlens array 30 correspond to each other, and the aperture diameter, the number, the arrangement position, and the like are the same.
  • the first microlens array 20 so that at least one of the distance between the panel 11 and the first microlens array 20 and the distance between the first microlens array 20 and the second microlens array is variable. , At least one position of the second microlens array may be controlled.
  • the information processing device 50 has a user interface 51 and a control device 52.
  • the information processing device 50 may have a drive device 53.
  • the information processing device 50 in which the display 10 is incorporated is an arbitrary electronic device having a display screen and an information processing function, such as a personal computer (PC), a smartphone, a tablet terminal, an electronic book reader, an ATM, and a ticket issuing machine.
  • PC personal computer
  • smartphone a smartphone
  • tablet terminal a tablet terminal
  • electronic book reader a book reader
  • ATM a ticket issuing machine
  • the information processing device 50 does not necessarily have to be integrally configured with the display 10.
  • the information processing device 50 may be a remote controller that remotely controls the display 10.
  • the drive device 53 may be incorporated in the display 10 so that the information processing device 50 and the display 10 have a wireless communication function.
  • the user interface 51 accepts command input from the user.
  • the command input includes an instruction to switch between 2D display and 3D display, or an instruction to change the pop-out amount of the 3D image recognized by the observer.
  • the control device 52 switches between 3D display and 2D display by controlling the on / off of the voltage applied to the first microlens array 20 to control the generation of the concave lens at the aperture 24. Further, the level of the voltage applied to the first microlens array 20 is controlled to control the formation state of the concave lens, and the amount of protrusion of the 3D image is controlled.
  • the control device 52 is realized by a microprocessor having a built-in memory, a logic device such as an FPGA (Field Programmable Gate Array), or the like.
  • a piezoelectric actuator may be used as the drive device 53.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating switching between 2D display and 3D display by controlling the voltage applied to the first microlens array 20.
  • the first microlens array 20 has a first electrode 23 having an array of openings 24, a transparent electrode 21 facing the first electrode 23, and a high dielectric property arranged between the first electrode 23 and the transparent electrode 21. It has a three-layer structure of the molecular material 22.
  • the first microlens array 20 is arranged so that the transparent electrode 21 faces the panel 11 and the first electrode 23 faces the second microlens array 30.
  • the first electrode 23 and the transparent electrode 21 are connected to the variable voltage source 26.
  • the opening 24 utilizes the electrostrictive characteristics of the dielectric polymer material 22.
  • a light scatterer can be formed in.
  • the individual light scatterers formed in the aperture 24 function as the concave lens 25.
  • the concave lens 25 may be formed inside the opening 24, or a part of the concave lens 25 may protrude out of the opening 24.
  • the outer periphery of the lens may protrude from the opening 24, and the central portion of the lens may have a concave shape that is recessed from the outer periphery.
  • the polymer material 22 includes polyvinyl chloride (PVC), polymethylmethacryrate (PMMA), polyurethane (polyurethan), polystyrene (polystyrene), polyvinylacetate (polyvinylacetate), polyvinyl alcohol (polyvinylalchol), and polycarbonate.
  • PC polystyrene
  • PET polyethylene terephthalate
  • PAN polyacrylonitrile
  • silicone rubber silicone rubber
  • At least one of a plasticizer and an ionic liquid or an ionic surfactant may be added to the polymer material 22.
  • the plasticizer gives the polymer material 22 flexibility.
  • the ionic liquid or the ionic surfactant can promote the deformation of the polymer material 22 and reduce the applied voltage.
  • the thickness of the polymer material 22 is appropriately determined according to the size of the opening 24, the shape of the concave lens to be formed, the thickness of the first electrode 23 and the transparent electrode 21, and the like, but as an example, it is 1 mm or less, preferably 0. It is 1 mm to 0.5 mm.
  • the thickness of the polymer material 22 may be 0.1 mm or less.
  • the first electrode 23 is formed of an insulating material coated with a metal material or a conductive material.
  • the aperture 24 formed in the first electrode 23 has a size and shape in which a concave lens 25 can be formed in the aperture 24 when a voltage is applied.
  • the planar shape of the opening 24 can be designed according to the application of the lens, such as a circle, an ellipse, an oval, and a rectangle.
  • the polymer material 22 can be deformed in the opening 24.
  • the diameter is 1 mm or less.
  • planar shape of the opening 24 is an ellipse or an oval, the minor axis is 1 mm or less, and when the planar shape of the opening 24 is rectangular, the width is 1 mm or less.
  • the planar arrangement of the openings 24 can be freely set such as a lattice arrangement or a honeycomb arrangement.
  • the image quality of the displayed image depends on the amount of light entering through the lens 25 formed in the aperture 24, and the image quality can be obtained by arranging the arrangement so that the aperture ratio representing the area occupied by the aperture is high.
  • the aperture ratio is preferably 50% or more.
  • the thickness of the second microlens array is not limited as long as the positions of all the convex lenses match the aperture positions of the first microlens array. Further, if the convex lens itself is transparent, the other non-lens portion may be transparent or opaque.
  • the transparent electrode 21 is formed of a transparent oxide semiconductor material such as ITO (Indium Tin Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide: indium-zinc oxide), and ZnO (Zinc Oxide: zinc oxide).
  • a transparent conductive polymer may be used.
  • the polymer material 22 of the first microlens array 20 is not deformed, and the light rays emitted from each pixel on the panel 11 are the first microlens array. It passes through 20 as it is and is incident on the second microlens array 30. Through the convex lens 35 of the second microlens array 30, the incident light group forms a light spot and is incident on the observer's eyes. The observer recognizes it as a 3D image.
  • a light spot is a point that is virtually recognized as a light source or an image in a broad sense by collecting a plurality of light rays.
  • 3D display is performed in a state where the voltage applied to the first microlens array 20 is off.
  • the image displayed on the panel 11 is, for example, an image taken by a three-dimensional camera using the same microlens array as the second microlens array 30.
  • the polymer material 22 is deformed and the concave lens 25 is formed in the opening 24 of the first electrode 23.
  • the concave lens 25 diffuses the light flux emitted from each pixel on the panel 11.
  • the diffused light rays enter the second microlens array 30 and are refracted by the convex lens 35 to be converted into parallel light.
  • the observer recognizes the image displayed on the panel 11 as a 2D image.
  • FIG. 3 shows a change in the curvature of the concave lens 25 by controlling the applied voltage level.
  • the polymer material 22 is deformed in response to the applied voltage and becomes the opening 24.
  • the concave lens 25 is formed.
  • the transparent electrode 21 is used as a cathode
  • the first electrode 23 having an opening 24 is used as an anode. Electrons are injected from the transparent electrode 21 into the polymer material 22 to form a loaded electrode.
  • the polymer material 22 containing the charged species is raised to the outside of the opening 24 along the inner wall of the opening 24 of the first electrode 23, which is an anode, by electrical creep deformation, and light is emitted to the surface of the first electrode 23. Scatterers are formed.
  • the electric field distribution is lower in the central portion of the opening 24 than in the inner wall of the opening 24, the deformation of the polymer material 22 is small. As a result, the concave lens 25 having a relatively large curvature is formed in the opening 24.
  • Point of intersection with the optical axis OA when traversing toward the entrance side of the light diffused by the concave lens 25 is a focus f 1 of the light incident side of the concave lens 25.
  • FIG. 3B when a voltage V2 larger than V1 is applied, the deformation of the polymer material 22 becomes larger than in FIG. 3A. Due to the elasticity of the polymer material 22, the polymer material 22 rises not only on the side surface of the opening 24 but also near the center of the opening 24. The depression at the center of the opening 24 becomes shallower, the curvature becomes smaller, and the focal length becomes longer than that in FIG. 3 (A).
  • FIG. 3 (C) when a voltage V3 smaller than V1 is applied, the deformation of the polymer material 22 becomes smaller than in FIG. 3 (A). Since the applied voltage is small, the deformation of the polymer material 22 is also small. The polymeric material 22 is slightly pulled up along the sides of the opening 24, but the displacement of the polymeric material 22 in the central region within the opening 24 is very small.
  • the curvature of the concave lens 25 becomes smaller, and the focal length becomes longer than that in FIG. 3 (A).
  • the applied voltage is in the range of 100 to 1,000 V, preferably 100 to 800 V, although it depends on the thickness of the polymer material 22.
  • the deformation of the polymer material 22 is reversible, and by applying a voltage, a concave lens 25 having a shape that makes the emitted light of the convex lens 35 substantially parallel light is formed, and then the voltage is turned off to turn off the voltage (A) in FIG. ) Can be returned to the 3D display.
  • FIG. 4A and 4B show an example of the arrangement relationship between the pixel P of the panel 11 and the concave lens 25.
  • FIG. 4A is an example of using a concave lens 25A having a circular planar shape.
  • One concave lens 25A covers a plurality of pixels P.
  • Each pixel P includes, for example, a color filter such as red (R), green (G), blue (B), or a light emitting element.
  • the number of pixels P covered by the concave lens 25A is not limited to four, and the opening 24 can be designed to cover the pixels P.
  • the arrangement of the color filters is not limited to the examples of FIGS. 4A and 4B, and may be, for example, a Bayer arrangement of RGGB.
  • FIG. 4B is an example of using a concave lens 25B having a rectangular planar shape.
  • One concave lens 25A covers four pixels P, but the present invention is not limited to this example, and the opening 24 can be designed to cover the pixels P.
  • the embodiment has the following specifications. (Display 10) ⁇ Method: Liquid crystal display ⁇ Resolution: 750 x 1300 -Pixel density: 330 dpi (First Microlens Array 20) First electrode 23 ⁇ Aperture size: 150 ⁇ m x 500 ⁇ m ⁇ Pitch: 50 ⁇ m ⁇ Aperture ratio: 50% ⁇ Thickness: 30 ⁇ m Polymer material 22 -Composition: PVC with 83 wt% dibutyl adipate added as a plasticizer ⁇ Thickness: 0.3 mm Transparent electrode 21 -Material: ITO film-Thickness: 0.1 mm -Surface resistance: 30 ⁇ / sq or less-Light transmittance (wavelength 550nm): 85% or more Lens characteristics-Applied voltage: 300V -Focal length (f 1 ): 1.0 mm (2nd Microlens Array 30) ⁇ Lens size: 150 ⁇ m x 500 ⁇ m ⁇ Pitch: 50
  • FIG. 5 is an image of an opening pattern formed on the first electrode 23.
  • the short side of the opening 24 can be in the range of 10 to 500 ⁇ m
  • the long side can be in the range of 500 to 2000 ⁇ m
  • the pitch of the short side can be in the range of 50 to 550 ⁇ m.
  • a metal such as stainless steel or aluminum is used as the material of the first electrode 23, and the thickness is 10 to 100 ⁇ m.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a composite lens system of a concave lens 25 and a convex lens 35.
  • the concave lens 25 is a varifocal lens formed on the first microlens array 20 in response to a voltage.
  • the convex lens 35 is a second focus lens formed on the second microlens array 30. The distance between the centers of the concave lens 25 and the convex lens 35 is d.
  • f 1 is the focal point of the concave lens 25
  • f 2 is the focal point of the convex lens 35
  • S 1 and S 2 are the main surfaces of the composite lens.
  • Principal point S 1 and S 2 is that the major surface P 1 and P 2 of the composite lens is perpendicular to the optical axis OA.
  • the distance from the object (for example, an image) A 1 B 1 on the panel 11 to the concave lens 25 is a 1
  • the distance from the concave lens 25 to the imaginary light source A 2 B 2 is b 1
  • the distance from the imaginary light source A 2 B 2 to the convex lens 35 is a 2
  • the distance from the convex lens 35 to the real image A 3 B 3 formed by the composite lens is b 2 .
  • the light rays (i) parallel to the optical axis OA are refracted by the concave lens 25 and travel in the direction in which the focal point f 1 in front of the lens is used as an imaginary light source, and then the convex lens 35. Is refracted in the direction toward the optical axis OA.
  • the light ray (ii) passing through the center of the concave lens 25 goes straight as it is, and is refracted by the convex lens 35 in the direction toward the optical axis OA.
  • the light ray (iv) incident on the convex lens 35 at the same position as the light ray passing through the focal point f2 on the front side of the convex lens 35 passes through the convex lens 35 and then travels parallel to the optical axis OA.
  • a real image A 3 B 3 is formed by the composite lens at the position where the light rays (i) to (iv) intersect.
  • the point where the light ray (iv) intersects the optical axis OA on the front side of the composite lens is the focal point on the front side of the composite lens (indicated as "the focal position on the left side” in the figure).
  • the distance from the principal point S1 of the composite lens to the focal point on the front side is the focal length f of the composite lens.
  • the point where the light ray (i) intersects the optical axis OA on the rear side of the composite lens is the focal point on the rear side of the composite lens (indicated as the "right focal position" in the figure).
  • the distance from the principal point S2 of the composite lens to the focal point on the rear side is also the focal length f of the composite lens.
  • the display can be changed to 2D by combining the first microlens array 20 and the second microlens array 30 and determining the voltage conditions applied to the first microlens array 20 so as to satisfy the conditions shown in FIG. can.
  • it may be controlled so that the data of the original image supplied to the panel 11 is turned upside down.
  • Display device 10 Display 11 Panel 20 First microlens array 21 Transparent electrode 22 Polymer material 23 First electrode 24 Aperture 25, 25A, 25B Concave lens 30 Second microlens array 35 Convex lens 50 Information processing device 51 User interface 52 Control device 53 Drive device 103 Display surface 203 Light emission surface P pixel

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Abstract

簡単な構成で３次元表示と２次元表示の切り替えが可能な表示装置を提供する。表示装置は、パネルと、前記パネルの表示面側に配置される第１マイクロレンズアレイであって、複数の開口が形成された第１電極、前記第１電極と対向する透明電極、及び前記第１電極と前記透明電極の間に配置される誘電性の透明な高分子材料を有する第１マイクロレンズアレイと、前記第１マイクロレンズアレイの光出射側に配置され、複数の凸レンズの配列を有する第２マイクロレンズアレイと、前記第１マイクロレンズアレイへの電圧印加を制御する制御装置とを備え、前記第１マイクロレンズアレイは電圧の印加により前記開口に凹レンズを生成し、前記制御装置は、前記第１マイクロレンズアレイに印加される前記電圧を制御して前記凹レンズの生成状態を制御することで、３次元表示と２次元表示を切り替える。

Description

表示装置及び表示方法
　本発明は、表示装置及び表示方法に関し、特に、三次元表示と二次元表示の切り替えが可能な表示装置と表示方法に関する。
　近年、ゲーム、映画、テレビ放送などに三次元（以下、適宜「３Ｄ」とする）画像の表示が取り入れられている。３Ｄ画像とは、観察者から物体が立体的に見える画像、または物体が飛び出して見えたり奥行が感じられるような画像を指す。従来からのメガネ方式の３Ｄ表示だけではなく、バーチャルリアリティコンテンツを立体表示するヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Head Mounted Display）も普及している。
　一方で、メガネやＨＭＤなどを装着せずに、裸眼で観察者に立体感を与える裸眼方式の３Ｄ表示も提案されている。自己組織化膜（ＳＡＭ：self-assembled monolayer）の表面に液滴を置いて液体レンズの曲率を変えるマイクロレンズアレイを利用した３Ｄディスプレイ（たとえば、特許文献１参照）や、指向性の発光素子を画素とする表示パネルを形成する構成（たとえば、特許文献２）が知られている。開口を有する電極に印加される電圧を調整して開口内に形成される光学散乱体の光学特性を変化させるマイクロレンズアレイが知られている（たとえば、特許文献３参照）。
　特許文献１では、レンズアレイのレンズを除くことで３Ｄ観察から二次元（以下、適宜「２Ｄ」とする）観察に切り替える構成が示唆されているが、レンズアレイのレンズを除くための具体的な手段は開示されていない。特許文献２は、指向性の発光素子を画素に用いることでレンズアレイを不要にしているが、あらかじめ所定の方向に指向性を有する発光素子が表示パネルの画素として組み込まれており、３Ｄ表示と２Ｄ表示の切り替えは予定されていない。
　本発明は、簡単な構成で３Ｄ表示と２Ｄ表示を切り替えることのできる表示装置を提供することを目的とする。
　本発明の一つの態様では、表示装置は、
　パネルと、
　前記パネルの表示面側に配置される第１マイクロレンズアレイであって、複数の開口が形成された第１電極、前記第１電極と対向する透明電極、及び前記第１電極と前記透明電極の間に配置される誘電性の透明な高分子材料を有する第１マイクロレンズアレイと、
　前記第１マイクロレンズアレイの光出射側に配置され、複数の凸レンズの配列を有する第２マイクロレンズアレイと、
　前記第１マイクロレンズアレイへの電圧印加を制御する制御装置と、
を備え、
　前記第１マイクロレンズアレイは、電圧の印加により前記開口に凹レンズを生成し、
　前記制御装置は、前記第１マイクロレンズアレイに印加される前記電圧を制御して前記凹レンズの生成状態を制御することで、３Ｄ表示と２Ｄ表示を切り替える。
　簡単な構成で３Ｄ表示と２Ｄ表示を切り替えることができる。
実施形態の表示装置の模式図である。 印加電圧の制御による２Ｄ表示と３Ｄ表示の切り替えを説明する図である。 印加電圧の制御による凹レンズの曲率の変更を示す図である。 パネルの画素とマイクロレンズの配置関係の例を示す図である。 パネルの画素とマイクロレンズの配置関係の別の例を示す図である。 第１電極に形成された開口パターンの一例を示す図である。 凹レンズと凸レンズの複合レンズ系を説明する図である。
　図１は、実施形態の表示装置１の模式図である。表示装置１は、ディスプレイ１０、及び、ディスプレイに接続されて３Ｄ表示と２Ｄ表示の切り替え制御を行う情報処理装置５０を有する。
　ディスプレイ１０は、パネル１１と、パネル１１の表示面１０３側に配置される第１マイクロレンズアレイ２０と、第１マイクロレンズアレイ２０の光出射面２０３側に配置される第２マイクロレンズアレイ３０を含む。第１マイクロレンズアレイ２０は、焦点距離が可変の可変焦点レンズアレイである。第２マイクロレンズアレイ３０は、各マイクロレンズの形状、すなわち焦点距離が固定のレンズアレイであるが、第２マイクロレンズアレイ３０の位置は適宜調整可能である。
　パネル１１は、電子ペーパー、サイネージ（電子看板）など、画像を表示する任意の媒体であり、静止画像であってもよいし、動画像であってもよい。
　第１マイクロレンズアレイ２０には複数の開口２４が形成されており、電圧印加のオン・オフに応じて、その光出射面２０３側で、開口２４に後述する凹レンズの配列を出現させる。印加される電圧のレベルに応じて、形成される凹レンズの曲率が変化することで焦点距離が変化する。
　第２マイクロレンズアレイ３０は、第１マイクロレンズアレイ２０と反対側の面に、複数の凸レンズ３５の配列を有する。第１マイクロレンズアレイ２０の凹レンズと異なり、第２マイクロレンズアレイ３０の凸レンズ３５は固定であり、所定の曲率とピッチに設計されている。
　第１マイクロレンズアレイ２０の開口２４の配列と、第２マイクロレンズアレイ３０の凸レンズ３５の配列は対応しており、開口径、個数、配列位置等は、同じである。
　パネル１１と第１マイクロレンズアレイ２０の間の距離と、第１マイクロレンズアレイ２０と第２マイクロレンズアレイの間の距離の少なくとも一方が可変となるように、パネル１１、第１マイクロレンズアレイ２０、第２マイクロレンズアレイのうちの少なくともひとつの位置を制御してもよい。
　情報処理装置５０は、ユーザインタフェース５１と制御装置５２を有する。ディスプレイ１０が情報処理装置の表示画面に組み込まれている場合は、情報処理装置５０が駆動装置５３を有していてもよい。
　ディスプレイ１０が組み込まれた情報処理装置５０は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、スマートフォン、タブレット端末、電子書籍リーダー、ＡＴＭ、発券機など、表示画面と情報処理機能を有する任意の電子機器である。
　情報処理装置５０は、必ずしも、ディスプレイ１０と一体的に構成されていなくてもよい。たとえば、情報処理装置５０は、ディスプレイ１０を遠隔操作するリモートコントローラであってもよい。この場合、駆動装置５３をディスプレイ１０に組み込んで、情報処理装置５０とディスプレイ１０に無線通信機能を持たせてもよい。
　ユーザインタフェース５１は、ユーザからのコマンド入力を受け付ける。コマンド入力は、２Ｄ表示と３Ｄ表示の切り替え指示、あるいは観察者が認識する３Ｄ画像の飛び出し量の変更指示を含む。
　制御装置５２は、第１マイクロレンズアレイ２０に印加される電圧のオン・オフを制御して開口２４での凹レンズの生成を制御することで、３Ｄ表示と２Ｄ表示を切り替える。また、第１マイクロレンズアレイ２０に印加される電圧のレベルを制御して、凹レンズの形成状態を制御し、３Ｄ画像の飛び出し量を制御する。制御装置５２は、メモリ内蔵のマイクロプロセッサや、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のロジックデバイスなどで実現される。駆動装置５３として、たとえば圧電アクチュエータを用いてもよい。
　図２は、第１マイクロレンズアレイ２０への印加電圧の制御による２Ｄ表示と３Ｄ表示の切り替えを説明する図である。図２の（Ａ）は、電圧が印加されない（Ｖ＝０）状態、図２の（Ｂ）は、電圧Ｖ１が印加された（Ｖ＝Ｖ１）状態である。
　第１マイクロレンズアレイ２０は、開口２４の配列を有する第１電極２３と、第１電極２３と対向する透明電極２１と、第１電極２３と透明電極２１の間に配置される誘電性の高分子材料２２の三層構造を有する。第１マイクロレンズアレイ２０は、透明電極２１がパネル１１と対向し、第１電極２３が第２マイクロレンズアレイ３０と対向するように配置される。
　第１電極２３と透明電極２１は、可変電圧源２６に接続されている。第１電極２３と透明電極２１の間に印加される電圧のオン・オフ、または印加される電圧のレベルを制御することで、誘電性の高分子材料２２の電歪特性を利用して開口２４に光散乱体を形成することができる。開口２４に形成される個々の光散乱体は、凹レンズ２５として機能する。
　凹レンズ２５は、開口２４の内部に形成されてもよいし、凹レンズ２５の一部が開口２４の外へ突出していてもよい。たとえば、レンズ外周が開口２４から突出し、レンズ中心部が外周よりもくぼんだ凹形状であってもよい。
　高分子材料２２は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ：polyvinyl chloride）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ：polymethylmethacryrate）、ポリウレタン（polyurethan）、ポリスチレン（polystyrene）、ポリ酢酸ビニル（polyvinylacetate）、ポリビニルアルコール（polyvinylalchol）、ポリカーボネート（ＰＣ：polycarbonate）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ：polyethylenetelephtalate）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ：polyacrylonitrile）、シリコーンゴム（silicone elastomer）等、可視光に対して透明で電圧応答性の良好な材料を適宜選択することができる。実施形態では、電場の作用による変形が大きく、取扱いが容易なＰＶＣを用いる。
　高分子材料２２に、可塑剤とイオン液体またはイオン性界面活性剤の少なくとも一方を添加してもよい。可塑剤は高分子材料２２に柔軟性を与える。イオン液体またはイオン性界面活性剤は高分子材料２２の変形を促進し、印加電圧を低減することができる。
　高分子材料２２の厚さは、開口２４のサイズ、形成したい凹レンズの形状、第１電極２３と透明電極２１の厚さ等に応じて適宜決定されるが、一例として、１ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ～０．５ｍｍである。微細な多数の凹レンズ２５を有する第１マイクロレンズアレイ２０を作製する場合は、高分子材料２２の厚さが０．１ｍｍ以下になる場合もあり得る。
　第１電極２３は金属材料または導電性材料で被覆した絶縁材料で形成されている。第１電極２３に形成される開口２４は、電圧が印加されたときに開口２４に凹レンズ２５が形成され得るサイズと形状を有する。開口２４の平面形状は、円、楕円、長円、矩形など、レンズの用途に応じて設計可能である。開口２４の大きさは、開口２４内で高分子材料２２が変形することができる。開口２４の平面形状が円のときは、径が１ｍｍ以下である。開口２４の平面形状が楕円または長円のときは、短径が１ｍｍ以下で、開口２４の平面形状が矩形のときは、幅が１ｍｍ以下である。開口２４の平面的な配列は格子配列やハニカム配列など自由に設定される。表示画像の画質は開口２４に形成されるレンズ２５を通して入る光量に依存しており、開口が占める面積を表す開口率を高くなるような配列にすることで高画質を得ることができる。好ましくは開口率５０％以上である。
　第２マイクロレンズアレイは、全ての凸レンズの位置が第１マイクロレンズアレイの開口位置と合致していれば、厚さは限定されない。また凸レンズ自体が透明であればその他の非レンズ部分は透明でも不透明でもよい。
　透明電極２１は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム－スズ酸化物）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide：インジウム－亜鉛酸化物）、ＺｎＯ（Zinc Oxide：酸化亜鉛）等の透明な酸化物半導体材料で形成してもよいし、透明な導電性ポリマーを用いてもよい。
　図２の（Ａ）で、電圧の印加が無い状態では、第１マイクロレンズアレイ２０の高分子材料２２は変形せず、パネル１１の上の各画素から出射する光線は、第１マイクロレンズアレイ２０をそのまま透過して、第２マイクロレンズアレイ３０に入射する。第２マイクロレンズアレイ３０の凸レンズ３５を介して、入射した光線群は光点を形成し観察者の目に入射する。観察者は、それを３Ｄ画像として認識する。なお光点とは複数の光線が集まることで仮想的に光源、広義での画像として認識される点のことである。
　ディスプレイ１０では、第１マイクロレンズアレイ２０への印加電圧がオフの状態で、３Ｄ表示が行われる。なお、パネル１１に表示されている画像は、一例として、第２マイクロレンズアレイ３０と同様のマイクロレンズアレイを用いた立体カメラで撮影された画像である。
　図２の（Ｂ）で、第１マイクロレンズアレイ２０に電圧Ｖ１が印加されると、高分子材料２２が変形して、第１電極２３の開口２４に凹レンズ２５が形成される。凹レンズ２５は、パネル１１上の各画素から出射された光束を拡散する。拡散された光線は、第２マイクロレンズアレイ３０に入射し、凸レンズ３５で屈折して平行光に変換される。観察者は、パネル１１に表示されている画像を、２Ｄ画像として認識する。
　図３は、印加される電圧レベルの制御による凹レンズ２５の曲率の変更を示す。図３の（Ａ）で、第１マイクロレンズアレイ２０に印加される電圧ＶがＶ１のときは（Ｖ＝Ｖ１）、高分子材料２２は印加される電圧に応答して変形し、開口２４に凹レンズ２５が形成される。
　一例として、透明電極２１を陰極、開口２４を有する第１電極２３を陽極とする。透明電極２１から高分子材料２２に電子が注入され、負荷電種が形成される。その荷電種を含む高分子材料２２は、電気的なクリープ変形により、陽極である第１電極２３の開口２４の内壁を沿うように開口２４の外部に隆起し、第１電極２３の表面に光散乱体が形成される。一方で、開口２４の内壁に比べ開口２４の中心部分は電界分布が低いため高分子材料２２の変形は小さい。これにより、開口２４に、比較的曲率の大きい凹レンズ２５が形成される。
　凹レンズ２５によって拡散された光を入射側に向かってたどったときに光軸ＯＡと交わる点が、この凹レンズ２５の光入射側の焦点ｆ１である。
　図３の（Ｂ）で、Ｖ１よりも大きい電圧Ｖ２が印加されると、高分子材料２２の変形が図３の（Ａ）よりも大きくなる。高分子材料２２の弾性により、開口２４の側面だけではなく、開口２４の中心の近傍でも高分子材料２２がせりあがる。開口２４の中心の窪みが浅くなって、曲率が小さくなり、焦点距離が図３の（Ａ）よりも長くなる。
　図３の（Ｃ）で、Ｖ１よりも小さい電圧Ｖ３が印加されると、高分子材料２２の変形が図３の（Ａ）よりも小さくなる。印加される電圧が小さいので、高分子材料２２の変形も小さい。高分子材料２２は、開口２４の側面に沿ってわずかに引き上げられるが、開口２４内の中心領域での高分子材料２２の変位は非常に小さい。
　この場合も凹レンズ２５の曲率が小さくなって、焦点距離が図３の（Ａ）よりも長くなる。消費電力低減の観点からは、図３の（Ｃ）のように、印加電圧を小さくすることで焦点距離を長くするのが望ましい。印可電圧は高分子材料２２の厚さにもよるが１００～１，０００Ｖの範囲であり、好ましくは１００～８００Ｖである。
　高分子材料２２の変形は可逆的であり、電圧の印加により、凸レンズ３５の出射光をほぼ平行光にする形状の凹レンズ２５を形成した後に、電圧をオフにすることで、図２の（Ａ）の３Ｄ表示に戻すことができる。
　図４Ａ、及び図４Ｂは、パネル１１の画素Ｐと凹レンズ２５の配置関係の例を示す。図４Ａは、平面形状が円形の凹レンズ２５Ａを用いる例である。一つの凹レンズ２５Ａは複数の画素Ｐをカバーしている。各画素Ｐは、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）などのカラーフィルタもしくは発光素子を含む。
　凹レンズ２５Ａによってカバーされる画素Ｐの数は４個に限定されず画素Ｐをカバーするように開口２４を設計することができる。カラーフィルタの配列は図４Ａ及び図４Ｂの例に限定されず、たとえば、ＲＧＧＢのベイヤ配列であってもよい。
　図４Ｂは、平面形状が矩形の凹レンズ２５Ｂを用いる例である。一つの凹レンズ２５Ａは、４つの画素Ｐをカバーしているが、この例に限定されず、の画素Ｐをカバーするように開口２４を設計することができる。
　実施形態は以下の仕様である。
（ディスプレイ１０）
　　・方式：液晶ディスプレイ
　　・解像度：７５０×１３００
　　・画素密度：３３０ｄｐｉ
（第１マイクロレンズアレイ２０）
第１電極２３
・開口サイズ：１５０μｍ×５００μｍ
・ピッチ：５０μｍ
・開口率：５０％
・厚さ：３０μｍ
高分子材料２２
・組成：可塑剤アジピン酸ジブチル８３ｗｔ％添加ＰＶＣ
・厚さ：０．３ｍｍ
透明電極２１
・材質：ＩＴＯフィルム
・厚さ：０．１ｍｍ
・表面抵抗：３０Ω／ｓｑ以下
・光線透過率（波長５５０ｎｍ）：８５％以上
レンズ特性
　　・印加電圧：３００Ｖ
　　・焦点距離（ｆ１）：１．０ｍｍ
（第２マイクロレンズアレイ３０）
・レンズサイズ：１５０μｍ×５００μｍ
・ピッチ：５０μｍ
・焦点距離（ｆ２）：０．５ｍｍ
・第１マイクロレンズアレイとの間隔（ｄ）：０．８ｍｍ
　図５は、第１電極２３に形成された開口パターンの画像である。開口２４の短辺は、１０～５００μｍ、長辺は５００～２０００μｍ、短辺のピッチは、５０～５５０μｍの範囲とすることが可能である。第１電極２３の材料にステンレス、アルミなどの金属を用い、厚さは１０～１００μｍである。
　図６は、凹レンズ２５と凸レンズ３５の複合レンズ系を説明する図である。凹レンズ２５は、電圧に応答して第１マイクロレンズアレイ２０に形成される可変焦点のレンズである。凸レンズ３５は、第２マイクロレンズアレイ３０に形成されている第２焦点のレンズである。凹レンズ２５と凸レンズ３５の中心間の距離はｄである。
　光軸ＯＡ上で、ｆ１は凹レンズ２５の焦点、ｆ２は凸レンズ３５の焦点、Ｓ１とＳ２は複合レンズの主面である。主点Ｓ１及びＳ２は、複合レンズの主面Ｐ１及びＰ２が光軸ＯＡと直交する点である。
　パネル１１上の物体（例えば画像）Ａ１Ｂ１から凹レンズ２５までの距離はａ１、凹レンズ２５から、虚光源Ａ２Ｂ２までの距離はｂ１である。虚光源Ａ２Ｂ２から凸レンズ３５までの距離はａ２、凸レンズ３５から複合レンズによって形成される実像Ａ３Ｂ３までの距離はｂ２である。
　物体Ａ１Ｂ１から出射する光線のうち、光軸ＯＡと平行な光線（i）は、凹レンズ２５で屈折されて、レンズ前方の焦点ｆ１を虚光源とする方向に進み、その後、凸レンズ３５で光軸ＯＡに向かう方向に屈折される。
　凹レンズ２５の中心を通る光線（ii）はそのまま直進し、凸レンズ３５で光軸ＯＡに向かう方向に屈折する。
　レンズ後方の焦点ｆ１に向かう光線（iii）は、凹レンズ２５を通った後、光軸ＯＡと平行に進み、凸レンズ３５で屈折されて凸レンズ３５の後ろ側の焦点ｆ２を通過する。
　凸レンズ３５の前側の焦点ｆ２を通る光線と同じ位置で凸レンズ３５に入射する光線（iv）は、凸レンズ３５を通った後、光軸ＯＡと平行に進む。
　光線（i）～（iv）の交わる位置に、複合レンズにより実像Ａ３Ｂ３が形成される。複合レンズの前側で光線（iv）が光軸ＯＡと交わる点が、複合レンズの前側の焦点（図中で「左側の焦点位置」と表記されている）である。複合レンズの主点Ｓ１から、前側の焦点までの距離が複合レンズの焦点距離ｆである。
　複合レンズの後ろ側で光線（i）が光軸ＯＡと交わる点が、複合レンズの後ろ側の焦点（図中で「右側の焦点位置」と表記されている）である。複合レンズの主点Ｓ２から、後ろ側の焦点までの距離も、同様に、複合レンズの焦点距離ｆである。
　凹レンズ２５から複合レンズの主点Ｓ１までの距離σ１は、（ｆ×ｄ）／ｆ２である。凸レンズ３５から複合レンズの主点Ｓ２までの距離σ２は、（ｆ×ｄ）／ｆ１である。ｆ１が無限大のときが、図２（Ａ）の初期状態である。
　図５の条件を満たすように、第１マイクロレンズアレイ２０と、第２マイクロレンズアレイ３０を組み合わせ、第１マイクロレンズアレイ２０に印加する電圧条件を決定することで、２Ｄ表示に変更することができる。なお、２Ｄ表示を行う際に、パネル１１に供給される元画像のデータの上下を逆にするように制御してもよい。
　このように、第１マイクロレンズアレイ２０に印加される電圧のオン・オフを制御することで、２Ｄ表示と３Ｄ表示を切り替えることができる。また、印加する電圧のレベルを制御することで、観察者が認識する３Ｄ画像の飛び出し量を変えることができる。
　この出願は、２０２０年２月１９日に日本国特許庁に出願された特許出願第２０２０－０２６３５９号、及び、２０２１年２月４日に日本国特許庁に出願された特許出願第２０２１－０１６７１５号を優先権の基礎とし、その全内容を参照により含むものである。
１　表示装置
１０　ディスプレイ
１１　パネル
２０　第１マイクロレンズアレイ
２１　透明電極
２２　高分子材料
２３　第１電極
２４　開口
２５、２５Ａ、２５Ｂ　凹レンズ
３０　第２マイクロレンズアレイ
３５　凸レンズ
５０　情報処理装置
５１　ユーザインタフェース
５２　制御装置
５３　駆動装置
１０３　表示面
２０３　光出射面
Ｐ　画素
特表平１１－５１３１２９号公報 特許第５７６７５３１号 特開２０１９－１２０９４７号公報

Claims (8)

  1. 　パネルと、
    　前記パネルの表示面側に配置される第１マイクロレンズアレイであって、複数の開口が形成された第１電極、前記第１電極と対向する透明電極、及び前記第１電極と前記透明電極の間に配置される誘電性の透明な高分子材料を有する第１マイクロレンズアレイと、
    　前記第１マイクロレンズアレイの光出射側に配置され、複数の凸レンズの配列を有する第２マイクロレンズアレイと、
    　前記第１マイクロレンズアレイへの電圧印加を制御する制御装置と、
    を備え、
    　前記第１マイクロレンズアレイは、電圧の印加により前記開口に凹レンズを生成し、
    　前記制御装置は、前記第１マイクロレンズアレイに印加される前記電圧を制御して前記凹レンズの生成状態を制御することで、３次元表示と２次元表示を切り替える、
    ことを特徴とする表示装置。
  2. 　前記制御装置は、前記第１マイクロレンズアレイへの前記電圧の印加をオフにすることで３次元表示を行い、前記電圧の印加をオンにすることで、２次元表示することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
  3. 　前記制御装置は、前記第１マイクロレンズアレイに印加される電圧を調整することで、前記第１マイクロレンズアレイの焦点距離を変えて、前記３次元表示の飛び出し量を変化させる、ことを特徴とする請求項１または２に記載の表示装置。
  4. 　前記制御装置は、前記第１マイクロレンズアレイに印加される前記電圧のレベルを上げることで、前記凹レンズの前記焦点距離を長くし、前記第１マイクロレンズアレイに印加される前記電圧のレベルを下げることで、前記凹レンズの前記焦点距離を短くすることを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
  5. 　前記パネル、前記第１マイクロレンズアレイ、及び前記第２マイクロレンズアレイの少なくともひとつに接続される駆動装置、
    をさらに有し、
    　前記駆動装置は、前記制御装置の制御の下で、前記第１マイクロレンズアレイに印加される前記電圧に応じて、前記パネル、前記第１マイクロレンズアレイ、及び前記第２マイクロレンズアレイのうちの少なくとも一つを駆動して、前記パネル、前記第１マイクロレンズアレイ、及び前記第２マイクロレンズアレイの位置関係を調整することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の表示装置。
  6. 　パネルの表示面側に、第１マイクロレンズアレイと第２マイクロレンズアレイをこの順で配置し、前記第１マイクロレンズアレイは、複数の開口が形成された第１電極、前記第１電極と対向する透明電極、及び、前記第１電極と前記透明電極の間に配置される誘電性の透明な高分子材料で形成されており、前記第２マイクロレンズアレイは複数の凸レンズの配列を有し、
    　前記第１マイクロレンズアレイに印加される電圧を制御して、前記開口における凹レンズの生成を制御することで、３次元表示と２次元表示を切り替える、
    ことを特徴とする表示方法。
  7. 　前記電圧の印加をオンにすることで、前記パネル上の画像を２次元表示し、
    　前記電圧の印加をオフにすることで、前記第２マイクロレンズアレイの出射側の空間に画像を３次元表示する、ことを特徴とする請求項６に記載の表示方法。
  8. 　前記第１マイクロレンズアレイに印加される前記電圧のレベルを調整することで、前記凹レンズの焦点距離を変えて、前記３次元表示の前記第２マイクロレンズアレイからの飛び出し量を変化させる、ことを特徴とする請求項６または７に記載の表示方法。
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