本発明の実施形態は、３次元映像表示装置に関する。

動画表示が可能な３次元映像表示装置、いわゆる、３次元ディスプレイには、種々の方式のものがある。 近年、フラットパネルタイプで、且つ、専用の眼鏡等を必要としない方式への要望が高くなっている。 専用の眼鏡等を必要としない方式の３次元映像表示装置の一つとして、表示パネルの直前に光線制御素子が設置され、表示パネルからの光線が制御されて観察者に向けられるものが知られている。 表示パネル（表示装置）としては、直視型若しくは投影型の液晶表示装置又はプラズマ表示装置等が用いられ、その画素位置は固定である。

光線制御素子には、光線制御素子上の同一位置を観察する角度に応じて異なる映像が見えるようにする働きがある。 左右視差（水平視差）のみを与える場合には、光線制御素子としてスリット（視差バリア）又はレンチキュラー・シート（シリンドリカル・レンズ・アレイ）が用いられる。 左右視差のみならず上下視差（垂直視差）も与える場合には、光線制御素子としてピンホール・アレイ又はレンズ・アレイが用いられる。

光線制御素子を用いる方式は、２眼式、多眼式、超多眼式（多眼式において超多眼条件を満たすもの）、インテグラル・イメージング（以下、ＩＩ方式とも云う）式に分類される。 ２眼式は、両眼視差に基づく立体視である。 多眼式以降の方式による映像は、程度の差はあれ運動視差を伴うことから、２眼式の立体映像と区別して「３次元映像」と呼ばれる。 ３次元映像を表示するための基本的な原理は、１００年程度前に発明され３次元写真に応用されるインテグラル・フォトグラフィ（ＩＰ）の原理と実質的に同一である。

３次元映像表示の方式のうち、ＩＩ方式は、視点位置の自由度が高く、視聴者が楽に立体視できるという特徴がある。 水平視差のみで垂直視差をなくした１次元のＩＩ方式では、解像度の高い表示装置を比較的容易に実現することができる（非特許文献１）。

さらに、近年、３次元映像表示装置に新たな機能をつけるため、光線制御素子として液晶レンズを適用する研究が盛んとなっている。 例えば特許文献１のように２次元映像と３次元映像を切換えて表示可能であって、従来よりも表示品位が高く、高速な切換えが可能であり、２次元画像と３次元画像の混在表示が任意の選択領域で表示可能な３次元映像表示装置が実現されている。

近年では、多眼式やＩＩ方式の３次元映像表示装置が実用化されつつあり、大型テレビやデジタルサイネージへの応用を考えて３次元映像表示装置の大型化が要望されている。 一方、光線制御素子としては、輝度低下が少なく、新機能が見込めることなどの理由から液晶レンズを用いることがある。 したがって、パネルサイズの拡大に伴い、そのような大型パネルに液晶レンズを適用できることが必要である。

実施形態によれば、第１の方向と第２の方向に複数のサブ画素がマトリクス状に配列された表示部と、視差数をＮとするとき、

で表される水平ピッチｐ以下で前記第１の方向に配列された液晶レンズと、を具備する。

一実施形態に係る３次元映像表示装置の表示部を拡大して概略的に示す図

液晶レンズ又は液晶ポリマーレンズを示す図

液晶ＧＲＩＮレンズを示す断面図

液晶ＧＲＩＮレンズを示す断面図

液晶ＧＲＩＮレンズを示す断面図

２Ｄ／３Ｄ切り替えディスプレイの一例を示す図

２Ｄ／３Ｄ切り替えディスプレイの別の例を示す図

２Ｄ／３Ｄ切り替えディスプレイのさらに別の例を示す図

２Ｄ／３Ｄ切り替えディスプレイのさらに別の例を示す図

ＲとＧとＢのトリプレットで構成される３Ｄ画素を示す図

ＲとＧとＢのトリプレットで構成される３Ｄ画素を示す図

レンズの水平ピッチを１．５サブ画素にした場合の画素と液晶レンズの関係を示す図

液晶パネルに垂直レンズを配置した例を示す図

液晶パネルに斜めレンズを配置した例を示す図

斜めレンズの傾き角度θがａｔａｎ（１／ｎ）、ｎ＝６、かつレンズの水平ピッチｐが３×視差数／ｎ（単位はサブ画素幅）の場合の説明図

別の実施形態を示す図

図１は、一実施形態に係る３次元映像表示装置の表示部を拡大して概略的に示す図である。 本装置は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）１と、レンズ基材部２と、光屈折部３とを有する。 ＬＣＤ１は、水平方向（第１の方向）及び垂直方向（第２の方向）にマトリックス状に配列された複数のサブ画素を有する表示部である。 １つのサブ画素の形状は、短辺と長辺の長さの比が１：３の長方形あるいは平行四辺形を基本としその外形および内部は適宜変形されている。 このようなサブ画素が第１の方向に３つ並んで１つの画素（ピクセル）を形成する。 ３つのサブ画素にはそれぞれ、Ｒ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）のいずれかを表示するようにカラー・フィルタが設けられる。 図示しないバックライトから射出された光は、カラー・フィルタにより色がＲＧＢのいずれかに定められた光線となり、レンズ基材部２を経由し、さらに光屈折部３（光線制御素子）を通過することで光線となって表示部の前方に照射され、３次元画像が表示される。

図１に示すように、光屈折部３は第２の方向に延びる略円筒形状を有し、このような光屈折部３が複数、第１の方向に沿って配列されている。 図１から分かるように、光屈折部部３は第１の方向に沿って傾斜して配置されてもよい。 この傾きは、光屈折部３の第１の方向の長さをｐとし、第２の方向の長さをｍとするとき、θ＝ａｔａｎ（ｐ／ｍ）で表される。

光屈折部３は、光線制御子として機能するものであり、これには液晶レンズあるいは液晶ポリマーレンズを用いることができる。 図２Ａを参照して液晶レンズ及び液晶ポリマーレンズについて説明する。 液晶レンズとは液晶を利用したレンズのことである。 例えば、図２Ａのように、液晶４をレンズ状の型枠５内に封入して作製することができる。 型枠５の材質としてはＵＶ（紫外線）硬化樹脂などが用いられる。 このような液晶レンズは偏光依存性を持つレンズとして使用することができる。 液晶ポリマーレンズとは、液晶ポリマーを利用したレンズであり、液晶レンズと同様に液晶ポリマー４をレンズ状の型枠５内に封入した構造を有する。 液晶ポリマーの状態としては固体の場合もある。

本実施形態では、光屈折部３として図２Ｂに示すような液晶ＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｅｄ ＩｎｄｅｘあるいはＧｒａｄｉｅｎｔ Ｉｎｄｅｘ）レンズ１０を用いる。 液晶ＧＲＩＮレンズ１０は、２枚の透明基板６の間に液晶７を封入した液晶レンズの１種であり、よく知られている。 液晶７は細長い分子構造をしており、液晶分子の長手方向をダイレクタと呼ぶ。 液晶７は複屈折性を持ち、ダイレクタに対して偏光方向が平行あるいは垂直であるかにより異なる屈折率（Ｎｅ，Ｎｏ）を発現する。

すなわち、２枚の透明基板６間で液晶７を一定方向に配向させた場合、ダイレクタが同一方向を向くためレンズピッチ内で屈折率が一定となり、液晶ＧＲＩＮレンズ１０はレンズ効果を持たない。 一方、液晶７の誘電体としての特徴を利用し、これに電圧を印加することによってダイレクタの傾きをレンズピッチ内で変化させることができる。 図２Ｂでは電圧を与えるための電極は図示していない。 一定の偏光方向においては液晶のダイレクタの傾きが屈折率分布となり、液晶ＧＲＩＮレンズ１０にレンズ効果を持たせることができる。 なお、電圧を印加する方法の違いによってレンズの焦点距離を変化させることも可能である。

（２Ｄ／３Ｄ切替）
一般に、裸眼式３Ｄディスプレイでは表示解像度が元パネルより低下するが、従来の２Ｄコンテンツを高解像度のままで見ることが要求される。 図２Ｂを参照して上述したように、液晶ＧＬＩＮレンズ１０は、ダイレクタに対して偏光方向が平行あるいは垂直であるかにより異なる屈折率（Ｎｅ，Ｎｏ）を発現する。 ２枚の透明基板間で液晶を一定方向に配向させた場合、ダイレクタが同一方向を向くためレンズピッチ内で屈折率が一定となり２Ｄ表示を行うことができる。 一方、電圧を与えることによりダイレクタの傾きをレンズピッチ内で変化させた場合、一定の偏光方向においては液晶のダイレクタの傾きが屈折率分布となり、レンズ効果を持たせることができる。 液晶ＧＬＩＮレンズ１０の焦点距離ｆと、同レンズ１０と表示用画素（ＬＣＤ１）の間の距離ｄとを概略一致させると、図３Ａに示すようにレンズピッチｐ内の１視差分の画素（例えば５番の画素）からの光がレンズピッチｐまで拡大されて射出する。 これにより、所望の方向に応じて異なる画素からの光線を観測することができるため、裸眼３Ｄ表示を実現することができる。 図３Ｂに液晶ＧＲＩＮレンズ１０の断面図を示す。 この例では２本の電源線８の間にグラウンド線９を置いた３線構造が示されているが、電極構造は適宜、変更可能である。

図４Ａに、２Ｄ／３Ｄ切り替え機構を備えた３次元映像表示装置の実施形態を示す。 図４Ａに示す装置は、偏光切り替えのための液晶スイッチングセルとしてＴＮ（ねじれネマティック（ｔｗｉｓｔｅｄ ｎｅｍａｔｉｃ））液晶セル１１を用い、３Ｄ表示用光学素子として液晶ＧＲＩＮレンズ１０を用いる。 ＬＣＤ１はバックライト１２により照射される。 ＬＣＤ１からの光はＴＮ液晶セル１１を経て液晶ＧＲＩＮレンズ１０に入射する。 図４Ａの構成では、２Ｄ／３Ｄの両モードにおいて液晶ＧＲＩＮレンズ１０には常に電圧Ｖが印加される。 ３ＤモードではＴＮ液晶セル１１に電圧を印加し、偏光方向が液晶ダイレクタと平行になるようにする。 一方、２ＤモードではＴＮ液晶セル１１には電圧を印加しない。 この場合、偏光方向はＴＮモードのため９０度回転する。 このようにＴＮ液晶セル１１によって液晶ＧＲＩＮレンズ１０のレンズ効果をオン・オフすることができる。

また、別の構成として、図４Ｂに示すように、液晶ＧＲＩＮレンズ１０に印加する電圧Ｖを２Ｄモードと３Ｄモードの間でオン・オフすることにより、レンズ効果をオン・オフする構成を採用してもよい。

以上のように光線制御素子として液晶ＧＲＩＮレンズ１０を用いる実施形態では、電圧を印加することでダイレクタの傾きが屈折率分布状となったとき、液晶ＧＲＩＮレンズ１０にレンズ効果を持たせることができ、これにより３Ｄ映像が観察可能である。 また、電圧を印加しないときには液晶ＧＲＩＮレンズ１０はレンズ効果を持たず、ＬＣＤ１（すなわちベースとなる２Ｄパネル）が直接観察され、高精細な２Ｄ表示が可能である。

なお、図４Ｃ又は図４Ｄに示すように、液晶ＧＲＩＮレンズ１０に代えて図２Ａに示した液晶レンズ１３を用いる構成としてもよい。

専用の眼鏡等を必要としないで３Ｄ表示が可能な３次元映像表示装置のパネルサイズを大型化する場合、これに適用する液晶レンズも大型化することになる。 この場合、レンズ厚が大きくなることによりレンズ内の液晶の配向が乱れてレンズ特性が劣化し、ひいては３Ｄ画質が低下する。 一般に、液晶のダイレクタの向きを安定させるために、液晶をはさみこむガラスや樹脂の基板、型枠には、それらの表面にポリイミドなどの配向膜が形成され、布を用いて一方向にこすりつけるなどしてラビング処理がなされる。 配向膜に配向性が存在することにより、液晶もその影響を受けてダイレクタの向きが揃う。 ところが、液晶が厚くなると配向膜の配向規制力が届かなくなり、ダイレクタの向きが乱れてしまう。 液晶レンズの場合には、レンズとしての作用を持たなくなってしまう。 液晶材料の種類にもよるが、液晶の厚さが１００［ミクロン］程度を超えると配向が乱れることが多い。 そこで本実施形態では、以下で具体的に説明するようにレンズピッチに上限及び／又は下限を規定し、これを従来のおよそ半分程度にし、これにより液晶の厚さを半分程度にして安定した液晶レンズを実現する。

（液晶レンズの水平ピッチの上限）
まず、従来の平行光線インテグラル・イメージング方式の場合、液晶レンズの水平ピッチとして視差数の整数倍がよく用いられてきた。 例えば９視差の場合、液晶レンズの水平ピッチは９［サブ画素幅］としていた。 また、多眼式の場合の液晶レンズの水平ピッチｐとしては、視差数をＮ、視距離をＬ、レンズと画素との間のギャップをｇとしたとき、次式（１）のように規定していた。

例えばＬ＝２．５［ｍ］、ｇ＝３［ｍｍ］のとき、ｐ＝８．９９９［サブ画素幅］である。 しかしながら、このような従来設計では画面サイズともに液晶レンズが大型化し、液晶層の厚さが安定領域を越えてしまうことがあった。

そこで、本実施形態では液晶レンズの水平ピッチの上限を、次式（２）で示されるｐ以下に規定する。

例えば９視差の場合、液晶レンズの水平ピッチの上限をｐ＝８．８３［サブ画素幅］以下にする。 そうすると、液晶層の厚さは実効的に薄くなり、良好な液晶レンズ特性が得られる。

従来のレンズピッチでは、図５Ａに示すように１つの液晶レンズ３内にＲとＧとＢのトリプレットで構成される３Ｄ画素が存在する。 図５Ａにおいて、１つのトリプレットが丸印で付与された３つのサブ画素で構成されることを示す。 この３つのサブ画素は、水平方向に傾斜した１つの液晶レンズ３内に収まっている。

ここで、上記（２）の条件に従う場合を図５Ｂに示す。 図５Ｂから分かるように、ＲとＧとＢのトリプレットで構成される３Ｄ画素が、２つ以上の液晶レンズ３ａと３ｂにまたがって存在することになる。 すなわち、１つのトリプレットを構成する２つのサブ画素が液晶レンズ３ａに存在し、残りの１つのサブ画素が液晶レンズ３ｂに存在する。 このことは、複数の３Ｄ画素が画面全体にわたって入れ子状に配置されることを意味し、解像感が向上する効果もある。 さらにＲとＧとＢのトリプレットで構成される３Ｄ画素が、３つの液晶レンズにまたがって存在するようにしてもよい。

（液晶レンズピッチ）
ここで、液晶レンズのピッチについて説明する。 液晶や液晶ポリマーをレンズ状の多数の型枠内に封入した構造の場合、このレンズ状の型枠は一定の周期を有する。 この周期を液晶レンズあるいは液晶ポリマーレンズの「レンズピッチ」と呼ぶ。 なお、レンズピッチはレンズの稜線に対して垂直な方向のピッチであるが、レンズを斜めに傾けて配置する場合は、特に水平方向のピッチ（図１のｐ）を「水平レンズピッチ」と呼ぶ。

一方、液晶ＧＲＩＮレンズなどの場合、レンズ型枠を持たないため、上述の定義はできない。 しかしながら、液晶ダイレクタの向きは周期的に変化している。 従って、液晶ダイレクタの周期を液晶レンズのレンズピッチとして定義することができる。 このレンズピッチは周期的に配置した電極のピッチと強い相関を持つ。 なお、この場合も、レンズを斜めに傾けて配置する場合は、特に水平方向のピッチを「水平レンズピッチ」と呼ぶ。

（レンズの水平ピッチの下限を規定）
水平レンズピッチが小さければ小さいほど、液晶レンズの大きさを小さくすることができる。 従って、液晶レンズの厚さも薄くすることができる。 しかしながら、水平レンズピッチが小さすぎると副作用が生じるため、水平レンズピッチには下限が存在する。

例えば、水平レンズピッチが小さくなるにつれ液晶レンズから射出する光線の広がりが小さくなるため視域が狭くなる。 この効果を補償するには、３Ｄパネルの各層の厚さを調整し、画素と液晶レンズとの距離を小さくするなど適切な設計が必要となる。 一方、真の下限は、立体視が機能する最小のレンズピッチである。 立体視が可能となるためには１本の液晶レンズから少なくとも２本以上の光線が出る必要がある。 １本のレンズから１本の光線しか出ない場合は、どこから見ても同じ画素が見えるため２Ｄ表示となるからである。 水平レンズピッチが１サブ画素幅より少しでも大きければ、液晶レンズからは２本の光線が射出する。 従って、レンズの水平ピッチの下限は１サブ画素幅より大となることがわかる。

そこで、レンズの水平ピッチを１．５［サブ画素］にした液晶レンズを試作した。 この場合、視域は狭いものの良好な立体視が可能であった。 液晶レンズの水平ピッチを１．５サブ画素にした場合の画素と液晶レンズの関係を図６に示す。 本例では、視差数を３とした。

（垂直レンズと斜めレンズ）
図７は、液晶パネルに垂直レンズ７０を配置した例である。 ２Ｄ表示する液晶パネルとしてはモザイクカラーフィルター配列のものが、よく使用される。 一方、図８は液晶パネルに斜めレンズ８０を配置した例である。 ２Ｄ表示する液晶パネルとしては縦ストライプフィルター配列のものが、よく使用される。 縦ストライプフィルター配列は２Ｄモニターなどで通常使用されており、特殊な２Ｄパネルを作製することなく、汎用の２Ｄパネルが使用できるというメリットを有する。 ただし、レンズの傾き角度やレンズの水平ピッチはモアレ抑圧などの観点から適切に選ぶ必要がある。

本実施形態はレンズの配置が垂直でも斜めでも有効であるが、斜めレンズ配置の場合、特に有効である。 ２Ｄ／３Ｄ切替型の場合、レンズ効果をオフにした２Ｄ表示では元の２Ｄパネルを直接観察することになる。 そのため、２Ｄパネルは汎用的なものを使えることが要求されるからである。 上述したように、斜めレンズ配置ではベースとなる２Ｄ表示液晶パネルとして縦ストライプフィルター配列のものが使用される。 縦ストライプフィルター配列は２Ｄモニターなどで通常使用されており、特殊な２Ｄパネルを作製することなく、汎用の２Ｄパネルが使用できる。 垂直レンズでは設計パラメータがレンズピッチの一つであるのに対し、斜めレンズでは設計パラメータがレンズピッチと傾き角度の２つであるため、設計の自由度が高く、用途に合わせて様々な設計をすることができる。

図９（図５Ｂと同じ例に相当）に示すように、斜めレンズの傾き角度θがａｔａｎ（１／ｎ）であり、ｎ＝６であり、かつレンズの水平ピッチｐが３×視差数／ｎ（単位はサブ画素幅）の場合、表示画像に周期的な明暗、すなわちモアレが生じてしまう。 ただし、ｎ＝１／ｔａｎθである。 またはｎ＝ｍ／ｐである。

例えば、９視差の場合、ｎ＝６であり、かつ水平ピッチが３×９／６＝４．５（サブ画素幅）程度でモアレが生じる。 従ってこのような水平ピッチの領域は本実施形態の効果はあるもののモアレの観点から良好な３Ｄ映像が得られない。 製造誤差を考慮すると、実質的には水平ピッチｐが３×視差数／ｎの０．９９９倍から１．００１倍の範囲を除いて設計することが望ましい。

また、斜めレンズの傾き角度θがａｔａｎ（１／ｎ）、ｎ＝３、かつレンズの水平ピッチｐが３×視差数／ｎ（単位はサブ画素幅）の場合も、表示画像に周期的な明暗、すなわちモアレが生じてしまう。 この場合も、製造誤差を考慮すると、実質的には水平ピッチｐが３×視差数／ｎの０．９９９倍から１．００１倍の範囲を除いて設計することが望ましい。

（別の実施形態）
対角４０インチを越えるような２Ｄ／３Ｄ切り替え型大画面３Ｄディスプレイの場合、ベースとなる２Ｄパネルとして水平画素数が４０００程度のパネルを用いることができる。 立体感を増すためには、視差数は多いほうがよいが、３Ｄ解像度が低下してしまう。 そのため、バランスの良い設計が求められる。 例えば、３Ｄ解像度としてハイビジョン相当を得るためには９視差程度が適当である。 このとき、液晶レンズを斜めに配置したレンズの水平レンズピッチを９サブ画素とすると、液晶レンズ内の液晶層の厚さは２００［ミクロン］程度になってしまい、安定したレンズ効果が得られない。

そこで、本実施形態を適用し、図１０に示すようにレンズの水平レンズピッチを略半分とした。 具体的にはレンズの傾き角度θがａｔａｎ（１／ｎ）のときレンズの水平ピッチｐは３×視差数／ｎ（単位はサブ画素幅）程度とすることができる。 ただし、視差数Ｎ＝９、ｎ＝１／ｔａｎθであり６よりやや小さい値である。 これにより、レンズ内の液晶層の厚さは１００［ミクロン］程度とすることができる。 視差情報の画素への割り当ては図１０に示すように行うことができる。 このような構成により、レンズがオン状態では良好な３Ｄ映像が、レンズがオフ状態では高精細な２Ｄ映像が観察できた。

以上説明した実施形態によれば、パネルを大型化する場合において、レンズのピッチを従来の半分程度にして、液晶の厚さも半分程度にし、安定した液晶レンズを実現することができる。 従って、パネルを大型化する場合の３Ｄ画質低下を抑制した３次元映像表示装置を提供することができる。 また、上述したような２Ｄ／３Ｄの切替え構成とする場合、３Ｄは立体感豊かに、２Ｄは高精細に表示可能となる。 さらに本実施形態によれば、液晶の厚さを半分程度にできることから、液晶材料の使用量を大幅に削減することができ、製造時の低コスト化を図ることも可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。 例えば視差数Ｎは上記の実施形態において自然数としたが、実数であってもよい。 これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。 これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…ＬＣＤ、２…レンズ基材部、３…光屈折部、４…液晶または液晶ポリマー、５…型枠、６…透明基板、７…液晶（ダイレクタ）、８…電源線、９…グラウンド線、１０…液晶ＧＲＩＮレンズ、１１…ＴＮ液晶セル、１２…バックライト、１３…液晶レンズ、７０…垂直レンズ、８０…斜めレンズ