(57)【要約】【課題】２次元画像の表示倍率を変換する光学素子を実現して、バックライトの光利用効率を向上させた３次元表示装置の提供を目的とする。【解決手段】観察者から見て遠距離側の画像となる遠距離画像と、近距離側の画像となる近距離画像とを表示して３次元像を提供する３次元表示装置において、遠距離画像と近距離画像を生成して交互に表示させる画像表示部ＤＰと、画像表示部ＤＰと同期して画像表示部ＤＰが表示する画像の表示倍率を変換する倍率変換手段ＭＤとを含み、倍率変換手段ＭＤは、Ｘ方向断面が共通のレンズ状空間に充填された第１液晶層ＬＸと、Ｘ方向に垂直なＹ方向断面が共通のレンズ状空間に充填された第２液晶層ＬＹを備え、第１液晶層ＬＸは電圧が印加されて屈折率を変換して近距離画像を遠距離画像よりもＸ方向に拡大し、第２液晶層ＬＹは電圧が印加されて屈折率を変換して近距離画像を遠距離画像よりもＹ方向に拡大する、ことを特徴とする。【選択図】図３
2010181645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察者から見て遠距離側の画像となる遠距離画像と、近距離側の画像となる近距離画像とを表示することにより該観察者に３次元像を提供する３次元表示装置において、
前記遠距離画像と前記近距離画像を生成して、これらを交互に表示させる画像表示部と、
前記画像表示部が前記遠距離画像と前記近距離画像とを切替えるタイミングと同期して、該画像表示部が表示する画像の表示倍率を変換する倍率変換手段と、を含み、
前記倍率変換手段は、
Ｘ方向に切断される断面が共通となるようなレンズ状の空間に充填された第１液晶層と、
前記Ｘ方向に垂直となるＹ方向の断面が共通となるようなレンズ状の空間に充填された第２液晶層を備え、
前記第１液晶層は、電圧が印加されることにより屈折率を変換して、前記近距離画像の前記Ｘ方向の表示倍率を前記遠距離画像よりも拡大し、
前記第２液晶層は、電圧が印加されることにより屈折率を変換して、前記近距離画像の前記Ｙ方向の表示倍率を前記遠距離画像よりも拡大する、
ことを特徴とする３次元表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の３次元表示装置であって、
前記第１液晶層が充填された前記レンズ状の空間には、前記Ｙ方向に一様となるように第１フレネルレンズ面が形成されて、前記第１液晶層は前記第１フレネルレンズ面に面して充填され、
前記第２液晶層が充填された前記レンズ状の空間には、前記Ｘ方向に一様となるように第２フレネルレンズ面が形成されて、前記第２液晶層は前記第２フレネルレンズ面に面して充填される、
ことを特徴とする３次元表示装置。
【請求項３】
請求項２に記載の３次元表示装置であって、
前記第１液晶層と前記第２液晶層は、前記観察者から見て重複するように配置され、
前記第１液晶層と前記第２液晶層との間には、第１透明導電膜が設けられ、
前記第１液晶層を基準として前記第１透明導電膜の反対側には、第２透明導電膜が設けられ、
前記第２液晶層を基準として前記第１透明導電膜の反対側には、第３透明導電膜が設けられ、
前記第１液晶層は、前記第１透明導電膜から前記第２透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換されて、
前記第２液晶層は、前記第１透明導電膜から前記第３透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換される、
ことを特徴とする３次元表示装置。
【請求項４】
請求項２に記載の３次元表示装置であって、
前記第１液晶層と前記第２液晶層は、前記観察者から見て重複するように配置され、
前記第１液晶層と前記第２液晶層との間には、第１透明導電膜が設けられ、
前記第１液晶層を基準として前記第１透明導電膜の反対側には、第２透明導電膜が設けられ、
前記第１液晶層は、前記第１透明導電膜から前記第２透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換されて、
前記第１液晶層と前記第２液晶層との間において、前記第１透明導電膜よりも前記第２液晶層の側に第３透明導電膜が設けられ、
前記第２液晶層を基準として前記第３透明導電膜の反対側には、第４透明導電膜が設けられ、
前記第２液晶層は、前記第３透明導電膜から前記第４透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換される、
ことを特徴とする３次元表示装置。
【請求項５】
請求項１に記載の３次元表示装置であって、
前記画像表示部は、液晶パネルと該液晶パネルに光源を提供するバックライトを含んで構成されて、前記液晶パネルが前記遠距離画像と前記近距離画像とを切替えるタイミングと同期して、該バックライトが消灯する、
ことを特徴とする３次元表示装置。
【請求項６】
請求項１に記載の３次元表示装置であって、
前記倍率変換手段は、透明導電膜及び透明樹脂層とともに透明基板を構成し、
前記第１液晶層と前記第２液晶層は、前記透明基板において前記観察者から見て重複するように配置され、
前記透明基板は、前記画像表示部から所定の間隔を置いて設けられて、前記透明基板と前記画像表示部との間には透明樹脂が充填される、
ことを特徴とする３次元表示装置。
【請求項７】
Ｘ方向に切断される断面が共通となるようなレンズ状の空間に充填された第１液晶層と、
前記Ｘ方向に垂直となるＹ方向の断面が共通となるようなレンズ状の空間に充填された第２液晶層とを備え、
前記第１液晶層は、電圧が印加されることにより屈折率を変換して、前記Ｙ方向に直線状に形成される焦点の位置を制御し、
前記第２液晶層は、電圧が印加されることにより屈折率を変換して、前記Ｘ方向に直線状に形成される焦点の位置を制御する、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項８】
請求項７に記載の光学素子であって、
前記第１液晶層が充填されたレンズ状の空間には、前記Ｙ方向に一様となる第１フレネルレンズ面が形成され、前記第１液晶層は前記第１フレネルレンズ面に面して充填され、
前記第２液晶層が充填されたレンズ状の空間には、前記Ｘ方向に一様となる第２フレネルレンズ面が形成され、前記第２液晶層は前記第２フレネルレンズ面に面して充填される、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項９】
請求項８に記載の光学素子であって、
前記第１液晶層と前記第２液晶層は、前記観察者から見て重複するように配置され、
前記第１液晶層と前記第２液晶層との間には、第１透明導電膜が設けられ、
前記第１液晶層を基準として前記第１透明導電膜の反対側には、第２透明導電膜が設けられ、
前記第２液晶層を基準として前記第１透明導電膜の反対側には、第３透明導電膜が設けられ、
前記第１液晶層は、前記第１透明導電膜から前記第２透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換されて、
前記第２液晶層は、前記第１透明導電膜から前記第３透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換される、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項１０】
請求項８に記載の光学素子であって、
前記第１液晶層と前記第２液晶層は、前記観察者から見て重複するように配置され、
前記第１液晶層と前記第２液晶層との間には、第１透明導電膜が設けられ、
前記第１液晶層を基準として前記第１透明導電膜の反対側には、第２透明導電膜が設けられ、
前記第１液晶層は、前記第１透明導電膜から前記第２透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換されて、
前記第１液晶層と前記第２液晶層との間において、前記第１透明導電膜よりも前記第２液晶層の側に第３透明導電膜が設けられ、
前記第２液晶層を基準として前記第３透明導電膜の反対側には、第４透明導電膜が設けられ、
前記第２液晶層は、前記第３透明導電膜から前記第４透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換される、
ことを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定位置の観察者に立体的な表示を提供する３次元表示装置、及び３次元表示装置に用いる光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの透過型の液晶パネルを所定の間隔を置いて配置して、観察者の手前側にある液晶パネル（フロントパネル）と奥側にある液晶パネル（リアパネル）に近距離側の画像と遠距離側の画像を表示することにより、観察者に奥行き感のある立体的な表示を与える３次元表示装置がある。このような３次元表示装置は、例えば、観察者の視点位置が固定される車載用のディスプレイ等に用いられる。
【０００３】
図７は、上記のような３次元表示装置の構成の一例を示す図である。３次元表示装置は、同図で示すように、液晶パネルＦＰと液晶パネルＲＰとが所定の間隔を置いて重複して配置され、液晶パネルＦＰの前面側に偏光板ＰＬ２が、液晶パネルＲＰの背面側に偏光軸が偏光板ＰＬ２に対して垂直となる偏光板ＰＬ１が配置される。また、バックライトＢＬが液晶パネルＲＰの背面側に配置されて、これにより液晶パネルＲＰ及び液晶パネルＦＰに光源が提供される。
【０００４】
また、図８は、３次元表示装置と所定の位置における観察者の様子を示す図である。液晶パネルＦＰ及び液晶パネルＲＰは観察者から見て異なる距離で配置されて、バックライトＢＬからの光によって、これらに輝度の異なる近距離画像と遠距離画像とを表示させる。これにより、２つの液晶パネル間に立体画像が存在するような錯視（ＤＦＤ錯視）が観察者に与えられる。
【０００５】
また、特許文献１においては、２次元表示装置に表示させる２次元像を立体的に表示させる立体表示装置が開示されている。この立体表示装置は、２次元表示装置と観察者との間に可変焦点レンズを有し、可変焦点レンズによる結像位置の移動周期と２次元表示装置による２次元像の更新周期とを同期させることにより、観察者に立体像を提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０９−２４３９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、図７のような３次元表示装置においては、液晶パネルＦＰ及び液晶パネルＲＰのカラーフィルタ基板ＣＦに設けられたブラックマトリクスをバックライトの光が透過するため光の利用効率が悪くなり、３次元表示装置にて必要とされる輝度を確保するためにバックライトの輝度が要求される。
【０００８】
また、特許文献１のように２次元画像の結像位置を移動させる可変焦点レンズを、一層の液晶層を用いて実現する場合には、回転対称のフレネルレンズ等の固定焦点レンズに面して円巻状若しくは放射状に液晶分子の配向を揃えて液晶分子を充填する必要がある。しかし、液晶分子を回転対称にラビングすると、回転中心付近において液晶分子の配向が定まりにくく、一層の液晶層によって１点に集光する焦点を有したレンズを実現するのは困難であった。
【０００９】
そこで本発明は、上記課題に鑑みて、２次元画像のＸ方向の表示倍率と、Ｘ方向に直交するＹ方向の表示倍率を変換する光学素子を実現して、バックライトの光の利用効率を向上させた３次元表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明に係る３次元表示装置は、観察者から見て遠距離側の画像となる遠距離画像と、近距離側の画像となる近距離画像とを表示することにより該観察者に３次元像を提供する３次元表示装置において、前記遠距離画像と前記近距離画像を生成して、これらを交互に表示させる画像表示部と、前記画像表示部が前記遠距離画像と前記近距離画像とを切替えるタイミングと同期して、該画像表示部が表示する画像の表示倍率を変換する倍率変換手段と、を含み、前記倍率変換手段は、Ｘ方向に切断される断面が共通となるようなレンズ状の空間に充填された第１液晶層と、前記Ｘ方向に垂直となるＹ方向の断面が共通となるようなレンズ状の空間に充填された第２液晶層を備え、前記第１液晶層は、電圧が印加されることにより屈折率を変換して、前記近距離画像の前記Ｘ方向の表示倍率を前記遠距離画像よりも拡大し、前記第２液晶層は、電圧が印加されることにより屈折率を変換して、前記近距離画像の前記Ｙ方向の表示倍率を前記遠距離画像よりも拡大する、ことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る３次元表示装置の一態様では、前記第１液晶層が充填された前記レンズ状の空間には、前記Ｙ方向に一様となるように第１フレネルレンズ面が形成されて、前記第１液晶層は前記第１フレネルレンズ面に面して充填され、前記第２液晶層が充填された前記レンズ状の空間には、前記Ｘ方向に一様となるように第２フレネルレンズ面が形成されて、前記第２液晶層は前記第２フレネルレンズ面に面して充填される、ようにしてもよい。
【００１２】
また、本発明に係る３次元表示装置の一態様では、前記第１液晶層と前記第２液晶層は、前記観察者から見て重複するように配置され、前記第１液晶層と前記第２液晶層との間には、第１透明導電膜が設けられ、前記第１液晶層を基準として前記第１透明導電膜の反対側には、第２透明導電膜が設けられ、前記第２液晶層を基準として前記第１透明導電膜の反対側には、第３透明導電膜が設けられ、前記第１液晶層は、前記第１透明導電膜から前記第２透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換されて、前記第２液晶層は、前記第１透明導電膜から前記第３透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換される、ようにしてもよい。
【００１３】
また、本発明に係る３次元表示装置の一態様では、前記第１液晶層と前記第２液晶層は、前記観察者から見て重複するように配置され、前記第１液晶層と前記第２液晶層との間には、第１透明導電膜が設けられ、前記第１液晶層を基準として前記第１透明導電膜の反対側には、第２透明導電膜が設けられ、前記第１液晶層は、前記第１透明導電膜から前記第２透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換されて、前記第１液晶層と前記第２液晶層との間において、前記第１透明導電膜よりも前記第２液晶層の側に第３透明導電膜が設けられ、前記第２液晶層を基準として前記第３透明導電膜の反対側には、第４透明導電膜が設けられ、前記第２液晶層は、前記第３透明導電膜から前記第４透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換される、ようにしてもよい。
【００１４】
また、本発明に係る３次元表示装置の一態様では、前記画像表示部は、液晶パネルと該液晶パネルに光源を提供するバックライトを含んで構成されて、前記液晶パネルが前記遠距離画像と前記近距離画像とを切替えるタイミングと同期して、該バックライトが消灯する、ようにしてもよい。
【００１５】
また、本発明に係る３次元表示装置の一態様では、前記倍率変換手段は、透明導電膜及び透明樹脂層とともに透明基板を構成し、前記第１液晶層と前記第２液晶層は、前記透明基板において前記観察者から見て重複するように配置され、前記透明基板は、前記画像表示部から所定の間隔を置いて設けられて、前記透明基板と前記画像表示部との間には透明樹脂が充填される、ようにしてもよい。
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明に係る光学素子は、Ｘ方向に切断される断面が共通となるようなレンズ状の空間に充填された第１液晶層と、前記Ｘ方向に垂直となるＹ方向の断面が共通となるようなレンズ状の空間に充填された第２液晶層とを備え、前記第１液晶層は、電圧が印加されることにより屈折率を変換して、前記Ｙ方向に直線状に形成される焦点の位置を制御し、前記第２液晶層は、電圧が印加されることにより屈折率を変換して、前記Ｘ方向に直線状に形成される焦点の位置を制御する、ことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る光学素子の一態様では、前記第１液晶層が充填されたレンズ状の空間には、前記Ｙ方向に一様となる第１フレネルレンズ面が形成され、前記第１液晶層は前記第１フレネルレンズ面に面して充填され、前記第２液晶層が充填されたレンズ状の空間には、前記Ｘ方向に一様となる第２フレネルレンズ面が形成され、前記第２液晶層は前記第２フレネルレンズ面に面して充填される、ようにしてもよい。
【００１８】
また、本発明に係る光学素子の一態様では、前記第１液晶層と前記第２液晶層は、前記観察者から見て重複するように配置され、前記第１液晶層と前記第２液晶層との間には、第１透明導電膜が設けられ、前記第１液晶層を基準として前記第１透明導電膜の反対側には、第２透明導電膜が設けられ、前記第２液晶層を基準として前記第１透明導電膜の反対側には、第３透明導電膜が設けられ、前記第１液晶層は、前記第１透明導電膜から前記第２透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換されて、前記第２液晶層は、前記第１透明導電膜から前記第３透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換される、ようにしてもよい。
【００１９】
また、本発明に係る光学素子の一態様では、前記第１液晶層と前記第２液晶層は、前記観察者から見て重複するように配置され、前記第１液晶層と前記第２液晶層との間には、第１透明導電膜が設けられ、前記第１液晶層を基準として前記第１透明導電膜の反対側には、第２透明導電膜が設けられ、前記第１液晶層は、前記第１透明導電膜から前記第２透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換されて、前記第１液晶層と前記第２液晶層との間において、前記第１透明導電膜よりも前記第２液晶層の側に第３透明導電膜が設けられ、前記第２液晶層を基準として前記第３透明導電膜の反対側には、第４透明導電膜が設けられ、前記第２液晶層は、前記第３透明導電膜から前記第４透明導電膜に電圧が印加されることにより屈折率が変換される、ようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、１つの液晶パネルによって交互に表示される遠距離画像と近距離画像の表示倍率を変換する倍率変換手段が実現されることにより、バックライトの光の利用効率を向上させた３次元表示装置の提供ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態における３次元表示装置の構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態の３次元表示装置において、液晶層に電圧が印加されない場合、及び、電圧が印加される場合に、画像表示部からの平行光が透過する様子を示す図である。
【図３】第２の実施形態における３次元表示装置の構成を示す図である。
【図４】第２の実施形態の３次元表示装置において、液晶層に電圧が印加されない場合、及び、電圧が印加される場合に、画像表示部からの平行光が透過する様子を示す図である。
【図５】第３の実施形態における３次元表示装置において、画像表示部と倍率変換手段との間に透明樹脂が充填されている様子を示す図である。
【図６】第４の実施形態における３次元表示装置の構成を示す図である。
【図７】従来の３次元表示装置の構成の一例を示す図である。
【図８】３次元表示装置を所定の位置から観察する観察者の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
[第１の実施形態]
以下において、本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図１は、本実施形態における３次元表示装置の構成を示す図である。同図で示すように、倍率変換手段ＭＤは、画像表示部ＤＰから不図示の観察者側に所定の距離を置いて設けられている。本実施形態における画像表示部ＤＰは、液晶パネルＬＰとバックライトＢＬによって構成される。
【００２４】
バックライトＢＬにおいては、複数の冷陰極蛍光ランプＣＬが所定の間隔を置いてメタルフレームＭＦ内に配置されて、冷陰極蛍光ランプＣＬによる発光が、拡散板ＤＢ、拡散シートＤＳ、プリズムシートＰＳを経て、輝度が均一化されて液晶パネルＬＰに提供される。また、メタルフレームＭＦの内側には、冷陰極蛍光ランプＣＬによる発光を拡散板ＤＢに向けて反射する反射シートＲＳが設けられる。
【００２５】
次に、液晶パネルＬＰは、同図で示すように、マトリクス状に画素回路が配置されたＴＦＴ基板ＳＵＢ、カラーフィルタ基板ＣＦ、液晶材ＬＣ、偏光板ＰＬ１及びＰＬ２を含んで構成される。バックライトＢＬから提供された光は、偏光板ＰＬ１によって直線偏光にされるとともに液晶材ＬＣを通過する際に画素毎に偏光状態を制御され、その偏向状態に応じて偏光板ＰＬ２を透過する。これにより液晶パネルＬＰは画像又は映像を表示する。特に、液晶パネルＬＰは、表示する画像を制御する表示制御部を有し、この表示制御部は、所定の周期において、観察者から見て遠距離側の画像となる遠距離画像と近距離側の画像となる近距離画像の２種類の画像を生成してこれらを交互に表示させる。本実施形態における所定の周期は、１フレーム期間（１／６０秒）であり、液晶パネルＬＰは１／１２０秒毎に遠距離画像と近距離画像とを切り替えて表示する。なお、遠距離画像と近距離画像を交互に表示する周期は、１フレーム期間でなくてもよいのは言うまでもない。
【００２６】
遠距離画像（遠距離用の画像）と近距離画像（近距離用の画像）は、観察者に提供する３次元像を投影した２次元画像であって、当該３次元像において表示される３次元表示物が、それぞれにおいて輝度が異なって表示されるように、これらは生成される。観察者に対して近い場所にある３次元表示物は、遠距離画像よりも近距離画像で輝度が高くなるように２次元表示され、観察者に対して遠い場所にある３次元表示物は、近距離画像よりも遠距離画像で輝度が高くなるように２次元表示される。遠距離画像よりも近距離画像で輝度が高くなるように２次元表示された３次元表示物は、近距離画像よりも遠距離画像で輝度が高くなるように２次元表示された３次元表示物よりも、観察者から近い側で観察される。すなわち３次元像に表示する各表示物の輝度を、所定の周期で交互に表示される近距離画像と遠距離画像において制御して２次元表示することにより、３次元像の奥行きが表現される。
【００２７】
そして特に、所定の位置の観察者に対して画像表示部ＤＰが表示する画像の表示倍率を変換する倍率変換手段ＭＤが、画像表示部ＤＰから所定の距離を置いて設けられる。本実施形態における倍率変換手段ＭＤは、Ｘ方向の倍率を変換する第１液晶層ＬＸと、Ｘ方向に対して垂直となるＹ方向の表示倍率を変換する第２液晶層ＬＹを含んで構成される光学素子である。この光学素子は、透明樹脂層および透明導電膜を含む透明基板によって構成され、当該透明基板では、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹが重複して設けられる。
【００２８】
ここで、第１液晶層ＬＸは、レンズ状の空間に液晶分子が充填されることにより設けられる。この第１液晶層ＬＸは、透明導電膜ＴＲ２に被覆された透明樹脂層Ｐ２と、透明樹脂層ＰＸとによって形成された空間に充填され、透明樹脂層ＰＸの上層側には透明導電膜ＴＲ１が設けられる。同様に第２液晶層ＬＹも、レンズ状の空間に液晶分子が充填されることにより設けられる。第２液晶層ＬＹは、透明導電膜ＴＲ３に被覆された透明樹脂層Ｐ１と、透明樹脂層ＰＹとによって形成された空間に充填され、第２液晶層ＬＹの上層側には透明導電膜ＴＲ４と、透明導電膜ＴＲ４を保護するように透明樹脂層Ｐ３が設けられる。
【００２９】
図１においては、画像表示部ＤＰ及び倍率変換手段ＭＤをＸ方向（バックライトＢＬにおいて所定間隔を置いて平行に配置された冷陰極蛍光ランプＣＬに直交する方向）に切断した断面が示されている。透明樹脂層ＰＸには、同図で示すように、Ｘ方向に切断する各断面において共通となるように、中心部から鏡面対称にノコギリ状に配置されたプリズム部によってフレネルレンズ面が形成される。このフレネルレンズ面はＹ方向に一様となるように形成され、各プリズム部の間に設けられる溝や各プリズム部による稜線がＹ方向に直線状となる。一方、透明樹脂層ＰＹには、透明樹脂層ＰＸのフレネルレンズ面と直交するようにＸ方向に一様にフレネルレンズ面が形成され、透明樹脂層ＰＸと同様のノコギリ状の断面が、Ｙ方向に切断する各断面に共通して形成される。なお、透明導電膜は、例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ）が蒸着等されることによって設けられ、透明樹脂層ＰＸ等は、透明樹脂を射出成形すること等によって形成される。
【００３０】
また、第１液晶層ＬＸには、透明導電膜ＴＲ１から透明導電膜ＴＲ２に、第２液晶層ＬＹには、透明導電膜ＴＲ３から透明導電膜ＴＲ４に電圧が印加されて、各液晶層が駆動される。ここで図２は、第１液晶層ＬＸに電圧が印加されない場合と電圧が印加される場合の、画像表示部ＤＰからの平行光が第１液晶層ＬＸを透過する様子を示す図である。
【００３１】
Ｙ方向に一様なフレネルレンズ面が形成された透明樹脂層ＰＸの表面には、液晶分子をＹ方向に配向させるようにラビングされて、電圧が無印加時に、第１液晶層ＬＸの屈折率が透明樹脂層ＰＸの屈折率よりも大きくなるように液晶分子が配向される。第１液晶層ＬＸの屈折率が、図１及び図２に示すようなフレネルレンズ面を有した透明樹脂層ＰＸの屈折率よりも大きくなると、第１液晶層ＬＸは焦点がＹ方向に直線状となる凹レンズと等価の働きをして光を発散させる。画像表示部ＤＰにおける遠距離用の画像の表示と同期して、第１液晶層ＬＸにかかる電圧がＯＦＦになることで、当該遠距離用の画像をＸ方向に縮小した虚像が形成されて、当該虚像が所定位置の観察者によって観察される。
【００３２】
また透明樹脂層ＰＹにおいては、透明樹脂層ＰＸのフレネルレンズ面と同様のフレネルレンズ面が９０度回転されて形成され、さらにその表面に電圧無印加時にＸ方向に液晶分子が配向するようにラビングされる。第２液晶層ＬＹは、焦点がＸ方向に直線状となる凹レンズと等価の働きをし、画像表示部ＤＰにおける遠距離用の画像の表示と同期して電圧がＯＦＦにされることによって、当該遠距離用の画像をＹ方向に縮小した虚像が形成される。したがって、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹによって、表示倍率がＸ方向及びＹ方向に合成されて縮小された虚像が形成されることにより、遠距離用の画像が全体的に縮小されて観察者に表示される。また、画像表示部ＤＰが表示する画像に対する虚像の大きさ（表示倍率）は、Ｘ方向とＹ方向とで等しくなるようにするのが望ましい。表示倍率がＸ方向とＹ方向とで異なる場合には、画像表示部ＤＰにおける表示制御部において、表示する画像が調整されるようにしてもよい。
【００３３】
一方、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹに所定電圧が印加される場合には、液晶層に電界がかけられる方向に液晶分子が配向する。この際、第１液晶層ＬＸの屈折率と透明樹脂層ＰＸの屈折率、及び、第２液晶層ＬＹの屈折率と透明樹脂層ＰＹの屈折率とがほぼ等しくなるように設けられ、画像表示部ＤＰが表示する画像の表示倍率が等倍のまま観察者によって観察される。画像表示部ＤＰが近距離用の画像を表示するのと同期して、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹに印加される電圧がＯＮにされることで、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹは、近距離用の画像の表示倍率を等倍のままで観察者に表示する。
【００３４】
倍率変換手段ＭＤを構成する光学素子は、その内部に設けられたレンズ状の空間に第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹを充填させて屈折率を電気的に制御することにより、当該液晶層の焦点距離を制御する。これにより当該光学素子は、画像表示部ＤＰの画像に対して形成される虚像の位置を変動させつつ表示倍率を変換する。また当該光学素子には、画像表示部ＤＰが遠距離画像と近距離画像とを切り替えるタイミングと同期して、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹに電圧を印加させる電圧制御部が接続される。第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹには、電圧制御部から、画像表示部ＤＰの表示制御部と同期してＯＮ状態とＯＦＦ状態とが交互に繰り返される矩形波形の電圧が提供される。そして電圧制御部によって第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹの屈折率を電気的に制御されて焦点距離が変動し、近距離用の画像を遠距離用の画像よりも拡大するように表示倍率を変換する。これにより、３次元表示装置を観察する観察者に、ＤＦＤ錯視が与えられて３次元像が提供される。
【００３５】
また、本実施形態における３次元表示装置は、画像表示部ＤＰにおける２つの画像の切り替えと倍率変換手段ＭＤの倍率の変換とが同期されるとともに、さらに、バックライトＢＬもこれらと同期して消灯される。具体的には、バックライトＢＬが消灯される期間中に、画像表示部ＤＰにおける各画素を駆動させて遠距離画像と近距離画像を切り替えるとともに、倍率変換手段ＭＤにおける第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹの屈折率を変換する。本実施形態では１フレーム期間（１／６０秒）において画像が切り替えられる。したがって、第１液晶層ＬＸおよび第２液晶層ＬＹには、透明導電膜ＴＲ１及びＴＲ２から矩形電圧が供給されて、１／１２０秒間ずつＯＮ状態の期間とＯＦＦ状態の期間が設けられ、また、バックライトＢＬは１／１２０秒周期で発光・消灯を繰り返す。これにより、３次元表示装置における画質が向上する。
【００３６】
また、本実施形態における３次元表示装置は、倍率変換手段ＭＤにおける第１液晶層ＬＸ及びＬＹ、フレネルレンズ面が形成された透明樹脂層ＰＸ及びＰＹが重複して設けられている。そして第１液晶層ＬＸを挟むように透明導電膜ＴＲ１及び透明導電膜ＴＲ２が、第２液晶層ＬＹを挟むように透明導電膜ＴＲ３と透明導電膜ＴＲ４が設けられる。第１液晶層ＬＸと第２液晶層ＬＹとの間において、透明導電膜ＴＲ１が第１液晶層ＬＸ側に、透明導電膜ＴＲ３が第２液晶層ＬＹ側に設けられて、透明導電膜ＴＲ１から透明導電膜ＴＲ２に、透明導電膜ＴＲ３から透明導電膜ＴＲ４に電圧が印加される。すなわち、倍率変換手段ＭＤを構成する光学素子の内部側に設けられた透明導電膜ＴＲ１及び透明導電膜ＴＲ３が高電位となって、外部側に設けられた透明導電膜ＴＲ２及びＴＲ４に向けて電圧がかけられ、倍率変換手段ＭＤの外部に突発的に発生する電界から第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹが保護される。また、透明導電膜ＴＲ２及び透明導電膜ＴＲ４がアースされてもよい。
【００３７】
なお、本実施形態では、倍率変換手段ＭＤを透明導電膜及び透明樹脂層を含む透明基板によって構成されるとしており、図１で示すように、当該透明基板は、フレネルレンズ面が形成された透明樹脂層ＰＸ及び透明樹脂層ＰＹ、薄板状の透明樹脂層Ｐ１〜Ｐ３を含んで形成される。ここで、例えば、透明樹脂層ＰＸをなくして、透明導電膜ＴＲ１にフレネルレンズ面が形成されるようにしてもよいし、透明樹脂層Ｐ２をなくして透明導電膜ＴＲ２が厚く形成されるようにしてもよい。また、第１液晶層ＬＸに面して透明導電膜ＴＲ２を薄板状に形成せず、透明樹脂層Ｐ２の内側に形成するようにしてもよい。或いは、透明導電膜ＴＲ１を、透明樹脂層ＰＸのフレネルレンズ面において薄膜状に形成し、さらに、透明樹脂層ＰＸと透明樹脂層Ｐ１とを共通する樹脂層として設けてもよい。
【００３８】
なお、本実施形態では、電圧制御部からＯＮ／ＯＦＦを交互に繰り返す矩形波形の電圧を、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹに共通に印加して、Ｘ方向及びＹ方向の表示倍率が等しくなるように変換している。ここで、第１液晶層ＬＸと第２液晶層ＬＹとで屈折率やフレネルレンズ面の形状が異なる場合には、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹとで異なる電圧を同期して印加するようにしてもよい。また、倍率変換手段ＭＤにより２種類の表示倍率で画像表示部ＤＰの画像を表示できるのであれば、電圧制御部が印加する電圧はＯＮ／ＯＦＦの矩形波形電圧ではなく、２種類の所定電圧を切り替えるようにしてもよい。また、電圧制御部が複数種類の所定電圧を印加して、倍率変換手段ＭＤにより複数種類の表示倍率で画像表示部ＤＰの画像を表示させてもよい。
【００３９】
[第２の実施形態]
上記の第１の実施形態では、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹが、透明樹脂層ＰＸ及びＰＹよりも電圧無印加時に屈折率が大きくなるように配向された液晶分子によって、電圧無印加時に凹レンズと等価の働きをするようにフレネルレンズ面を形成している。一方、第２の実施形態では、図３及び図４に示すように、凸レンズと等価の働きをするようにフレネルレンズ面を透明樹脂層ＰＸ及び透明樹脂層ＰＹに形成している点で、第１の実施形態と異なっている。以下において、第２の実施形態について説明するが、第１の実施形態と第２の実施形態においてほぼ同様となっている点については説明を省略する。
【００４０】
図３は、第２の実施形態における３次元表示装置の構成を示す図である。また図４は、第１液晶層ＬＸに電圧が印加されない場合と電圧が印加される場合の、画像表示部ＤＰからの平行光が第１液晶層ＬＸを透過する様子を示す図である。第１液晶層ＬＸは、電圧無印加時には、透明樹脂層ＰＸよりも屈折率が大きくなって、Ｙ方向に直線状となる焦点を有した凸レンズと等価の働きをして光を集光させる。同様に、第２液晶層ＬＹもＸ方向に直線状となる焦点を有した凸レンズと等価の働きをして、画像表示部ＤＰからの平行光を同様に集光させる。そして、画像表示部ＤＰにおける近距離用の画像の表示と同期して第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹに印加される電圧をＯＦＦにすることにより、当該近距離用の画像が全体的に拡大されて虚像が形成されて、所定位置の観察者によって観察される。
【００４１】
また、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹに所定電圧が印加される場合には、電界がかかる方向に液晶分子が配向する。この際、第１液晶層ＬＸの屈折率と透明樹脂層ＰＸの屈折率、及び第２液晶層ＬＹの屈折率と透明樹脂層ＰＹの屈折率がほぼ等しくなるようにされ、画像表示部ＤＰが表示する画像の表示倍率が等倍のまま観察者によって観察される。画像表示部ＤＰにおける遠距離用の画像の表示と同期して、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹに印加される電圧がＯＮにされることで、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹは、遠距離用の画像の表示倍率を等倍のままで観察者に表示する。画像表示部ＤＰが遠距離画像と近距離画像とを切り替えるタイミングと同期して、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹの屈折率を電気的に制御することにより、近距離用の画像を遠距離用の画像よりも拡大するように表示倍率を変換する。
【００４２】
なお、第２の実施形態では、上述のように、電圧がＯＦＦとなる際に虚像が形成されるとしているが、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹによる焦点が画像表示部ＤＰよりも倍率変換手段ＭＤの近くに形成されるようにして、電圧がＯＦＦとなる際に実像が形成されるようにしてもよい。この場合には、電圧がＯＮの場合と電圧がＯＦＦの場合のいずれかのうち表示倍率が大きくなるタイミングで、近距離用の画像が画像表示部ＤＰに表示される。
【００４３】
[第３の実施形態]
上記の第１の実施形態では、画像表示部ＤＰから所定の間隔を置いて、倍率変換手段ＭＤが設けられた透明基板が配置されているが、第３の実施形態では、画像表示部ＤＰと倍率変換手段ＭＤが設けられた透明基板との間に透明樹脂が充填される。かかる点で、第３の実施形態と第１の実施形態は異なっている。かかる点以外では第１の実施形態とほぼ同様となっており、第１の実施形態とほぼ同様となる点については説明を省略する。
【００４４】
図５は、画像表示部ＤＰと倍率変換手段ＭＤとの間に透明樹脂ＰＴが充填されている様子を示す図である。画像表示部ＤＰからの光は、透明樹脂ＰＴを経て倍率変換手段ＭＤにおける透明樹脂層Ｐ２に至り、倍率変換手段ＭＤによって画像表示部ＤＰからの画像の表示倍率が変換される。ここで透明樹脂ＰＴは、透明樹脂層Ｐ２と同じ屈折率となるように充填されるのが望ましい。画像表示部ＤＰからの光が透明樹脂ＰＴから透明樹脂層Ｐ２に入射する際の屈折率の変化が少なくなると、透明樹脂層Ｐ２によって反射されて迷光となる光が減少する。これにより、黒表示時の輝度を明るくする迷光が減少し、第１の実施形態の場合と比べてコントラストが向上する。
【００４５】
[第４の実施形態]
上記の第１の実施形態では、倍率変換手段ＭＤにおける第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹ、フレネルレンズ面が形成された透明樹脂層ＰＸ及び透明樹脂層ＰＹが重複して設けられて、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹを挟持するように、それぞれに一対の透明導電膜が設けられる。ここで図６は、第４の実施形態における３次元表示装置の構成を示す図である。一方、第４の実施形態では、図６で示すように、第１液晶層ＬＸと第２液晶層ＬＹとの間に、透明導電膜ＴＲ１（第１透明導電膜）が設けられて、第１液晶層ＬＸを基準として透明導電膜ＴＲ１が設けられている側の反対側に透明導電膜ＴＲ２（第２透明導電膜）が設けられる。そして、第２液晶層ＬＹに電圧を印加する透明導電膜として透明導電膜ＴＲ１が兼用されて、第２液晶層ＬＹを基準として透明導電膜ＴＲ１が設けられている側の反対側に透明導電膜ＴＲ３（第３の透明導電膜）が設けられる。これ以外の点では、第３の実施形態は第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００４６】
倍率変換手段ＭＤを構成する光学素子の内部側に設けられた透明導電膜ＴＲ１は、外部側に設けられた透明導電膜ＴＲ２及びＴＲ３よりも高電位となって、外部において突発的に発生する電界から第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹが保護される。また、透明導電膜ＴＲ２及び透明導電膜ＴＲ３はアースされてもよい。
【００４７】
なお、本発明の各実施形態に係る液晶パネルＬＰにおける液晶の駆動方式は、ＩＰＳ（In-plane Switching）であってもよいし、ＶＡ（Vertical Aligned）方式であってもよいし、ＴＮ（Twisted Nematic）方式であってもよい。また、各実施形態では画像表示部ＤＰを液晶パネルＬＰとバックライトＢＬによって構成されるとしているが、画像表示部ＤＰに、有機ＥＬパネル、無機ＥＬパネル、プラズマディスプレイパネル、ないしはフィールドエミッションディスプレイ等の自発光パネルを用いてもよい。
【００４８】
なお、上記の第１の実施形態をはじめとする各実施形態においては、電圧が印加された状態で、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹの屈折率が透明樹脂層ＰＸ及び透明樹脂層ＰＹと等しくなるようにしているが、必ずしも等しくする必要は無い。少なくとも電圧が印加される場合とされない場合とで倍率変換手段ＭＤによる表示倍率が変化しさえすればよい。
【００４９】
なお、上記の第１の実施形態をはじめとする各実施形態においては、第１液晶層ＬＸ及びＬＹをフレネルレンズ面が形成された透明樹脂層ＰＸ及び透明樹脂層ＰＹの下層側に設けているが、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹの下層側にフレネルレンズ面を形成した透明樹脂層を設けるようにしてもよいし、第１液晶層ＬＸ及び第２液晶層ＬＹの上層側及び下層側の双方に設けるようにしてもよい。また、図１等で示すように、フレネルレンズ面を有した透明樹脂層ＰＸ及びＰＹは、溝部の底と透明導電膜ＴＲ１とが近接するように薄く形成されているが、フレネルレンズ面を安定的に形成するため等の理由により、余分な厚みを設けてもよい。
【００５０】
以上説明した本発明の各実施形態に係る３次元表示装置は、上記の実施形態によっては限定されず、その技術的思想の範囲内において異なる形態にて実施されてよい。なお、倍率変換手段ＭＤを含んだ上記の光学素子は、３次元表示装置に用いる以外にも遠近両用メガネや、視力を回復させるためのトレーニング用装置に用いてよい。これらの際には、画像表示部ＤＰと同期を取る必要がなく、遠近両用メガネに備え付けたスイッチ等によって手動で２つの液晶層に印加させる電圧を切り替えて屈折率を変換する。
【符号の説明】
【００５１】
ＤＰ  画像表示部、ＢＬ  バックライト、ＬＰ  液晶パネル、ＰＬ１，ＰＬ２  偏光板、ＳＵＢ  ＴＦＴ基板、ＬＣ  液晶材、ＣＦ  カラーフィルタ基板、ＭＤ  倍率変換手段、ＬＸ  第１液晶層、ＬＹ  第２液晶層、ＰＸ，ＰＹ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，透明樹脂層、ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３，ＴＲ４  透明導電膜、ＭＦ  メタルフレーム、ＣＬ  冷陰極蛍光ランプ、ＲＳ  反射シート、ＤＢ  拡散板、ＤＳ  拡散シート、ＰＳ  プリズムシート、ＦＰ  フロントパネル、ＲＰ  リアパネル、ＰＴ  透明樹脂。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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