(57)【要約】【課題】液晶レンズの偏光特性を考慮した効率的なレンズ効果を得ることができ、良好な視認性の３次元表示を行うことができるようにする。【解決手段】レンズアレイ素子１における液晶分子の所定の配向方向と、表示パネル２の表示画像光の偏光方向とが平行となるように構成する。具体的には、表示パネル２の出射側にある第２の偏光板５２の第２の偏光方向６２と、レンズアレイ素子１における液晶分子の所定の配向方向（レンズ効果のある偏光方向６３）とが平行となるように構成する。【選択図】図６
2010211036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元的に画像表示を行い、その表示画像光が特定の方向に偏光したものとされている表示パネルと、
屈折率異方性のある液晶分子が所定の配向方向に複数配列された液晶層を有し、電気的に前記液晶分子の配列を変化させることでレンズ効果を発生させることが可能に構成され、前記表示パネルの表示面側に対向配置されて、前記表示パネルからの表示画像光の通過状態を選択的に変化させるようになされたレンズアレイ素子と
を備え、
前記レンズアレイ素子における前記液晶分子の前記所定の配向方向と、前記表示画像光の偏光方向とが平行となるように構成されている
立体表示装置。
【請求項２】
前記レンズアレイ素子は、
前記液晶層を挟み込むようにして互いに対向配置された第１および第２の基板と、
前記第１の基板における前記液晶層に接する側の表面に形成された第１の配向膜と、
前記第２の基板における前記液晶層に接する側の表面に形成された第２の配向膜と
をさらに有し、
前記第１の配向膜と前記第２の配向膜とが、互いに平行でかつ逆方向からラビング処理されたものであり、それらのラビング処理の方向によって前記液晶分子の前記所定の配向方向が規定されており、それらのラビング処理の方向が前記表示画像光の偏光方向に平行となるように構成されている
請求項１に記載の立体表示装置。
【請求項３】
前記表示パネルは、光出射側に偏光板を有する液晶表示パネルであり、
前記レンズアレイ素子における前記液晶分子の前記所定の配向方向と、前記液晶表示パネルの前記光出射側の偏光板の偏光方向とが平行となるように構成されている
請求項１に記載の立体表示装置。
【請求項４】
２次元的に画像表示を行い、その表示画像光が特定の方向に偏光したものとされている表示パネルと、
屈折率異方性のある液晶分子が所定の配向方向に複数配列された液晶層を有し、電気的に前記液晶分子の配列を変化させることでレンズ効果を発生させることが可能に構成され、前記表示パネルの表示面側に対向配置されて、前記表示パネルからの表示画像光の通過状態を選択的に変化させるようになされたレンズアレイ素子と、
前記表示パネルと前記レンズアレイ素子との間に配置され、前記表示画像光の偏光方向が、前記レンズアレイ素子における前記液晶分子の前記所定の配向方向と平行となるようにするための位相差板と
を備えた立体表示装置。
【請求項５】
前記レンズアレイ素子は、
前記液晶層を挟み込むようにして互いに対向配置された第１および第２の基板と、
前記第１の基板における前記液晶層に接する側の表面に形成された第１の配向膜と、
前記第２の基板における前記液晶層に接する側の表面に形成された第２の配向膜と
をさらに有し、
前記第１の配向膜と前記第２の配向膜とが、互いに平行でかつ逆方向からラビング処理されたものであり、それらのラビング処理の方向によって前記液晶分子の前記所定の配向方向が規定されており、
前記位相差板は、前記表示画像光に対して、その偏光方向が前記第１および第２の配向膜のラビング処理の方向と平行となるような位相差を生じさせる
ようになされている請求項４に記載の立体表示装置。
【請求項６】
前記表示パネルは、光出射側に偏光板を有する液晶表示パネルであり、
前記レンズアレイ素子における前記液晶分子の前記所定の配向方向と、前記液晶表示パネルの前記光出射側の偏光板の偏光方向とが異なるように構成されており、
前記位相差板は、前記表示画像光に対して、前記光出射側の偏光板の偏光方向と前記液晶分子の前記所定の配向方向との違いに相当する位相差を生じさせる
ようになされている請求項４に記載の立体表示装置。
【請求項７】
２次元的に画像表示を行う表示パネルと、
屈折率異方性のある液晶分子が所定の配向方向に複数配列された液晶層を有し、電気的に前記液晶分子の配列を変化させることでレンズ効果を発生させることが可能に構成され、前記表示パネルの表示面側に対向配置されて、前記表示パネルからの表示画像光の通過状態を選択的に変化させるようになされたレンズアレイ素子と、
前記表示パネルと前記レンズアレイ素子との間、または前記レンズアレイ素子の光出射側に配置され、前記レンズアレイ素子における前記液晶分子の前記所定の配向方向に平行な方向の光成分のみを透過する偏光板と
を備えた立体表示装置。
【請求項８】
前記レンズアレイ素子は、
前記液晶層を挟み込むようにして互いに対向配置された第１および第２の基板と、
前記第１の基板における前記液晶層に接する側の表面に形成された第１の配向膜と、
前記第２の基板における前記液晶層に接する側の表面に形成された第２の配向膜と
をさらに有し、
前記第１の配向膜と前記第２の配向膜とが、互いに平行でかつ逆方向からラビング処理されたものであり、それらのラビング処理の方向によって前記液晶分子の前記所定の配向方向が規定されており、
前記偏光板は、前記第１および第２の配向膜のラビング処理の方向に平行な方向の光成分のみを透過する
ようになされている請求項７に記載の立体表示装置。
【請求項９】
前記レンズアレイ素子は、レンズ効果の無い状態とレンズ効果を発生させた状態とに電気的に切り替え可能に構成され、前記レンズ効果を発生させた状態では、等価的に複数のシリンドリカルレンズを並列配置したようなレンズ効果を発生させるようになされ、
前記レンズアレイ素子を前記レンズ効果の無い状態として、前記表示パネルからの表示画像光を偏向させることなく透過させることで２次元表示を行い、
前記レンズアレイ素子を前記レンズ効果を発生させた状態として、前記表示パネルからの表示画像光を前記シリンドリカルレンズによって所定方向に偏向させることで、所定方向に両眼を置いたときに立体感が得られるような３次元表示を行う
ようになされている請求項１、４、または７に記載の立体表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶レンズ方式の可変レンズアレイ素子を用いて、２次元表示と３次元表示とを電気的に切り替えることができる立体表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、観察者の両眼に視差のある視差画像を見せることで立体視を実現する２眼式または多眼式の立体表示装置が知られている。また、より自然な立体視を実現する方法として、空間像方式の立体表示装置がある。空間像方式では、放射方向の異なる複数の光線を空間中に放射することで、複数の視野角に対応した空間像を形成する。
【０００３】
これらの立体表示装置を実現する方法としては、例えば、液晶ディスプレイなどの２次元表示装置と、２次元表示装置からの表示画像光を複数の視野角方向に偏向させる３次元表示用の光学デバイスとを組み合わせたものが知られている。３次元表示用の光学デバイスとしては、例えば図１９に示したように、複数のシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）３０３を並列配置したシリンドリカルレンズアレイ３０２が用いられる。このシリンドリカルレンズアレイ３０２を２次元表示装置からなる表示パネル３０１の表示面に対して対向配置する。各シリンドリカルレンズ３０３は、表示パネル３０１の表示面に対して縦方向に延在し、左右方向に屈折力を有するように配置する。表示パネル３０１の表示面には、規則的に複数の表示画素が２次元配列されている。一つのシリンドリカルレンズ３０３の背面に２つ以上の画素を配置し、各画素からの光線をレンズの屈折力により異なる水平方向に出射させることで両眼視差を満たし、立体視が可能となる。
【０００４】
図１９では２眼式の立体表示の例を示しており、各シリンドリカルレンズ３０３に対して、表示パネル３０１の表示面における隣接する２本の画素列３０１Ｒ，３０１Ｌが割り当てられている。一方の画素列３０１Ｒには右視差画像を表示し、他方の画素列３０１Ｌに左視差画像を表示する。表示された各視差画像は各シリンドリカルレンズ３０３によって左右別々の光路４０２，４０３に振り分けられる。これにより、所定の位置、所定の方向から観察者４００が立体表示装置を見た場合、左右の視差画像が適切に観察者４００の左右の眼４０１Ｒ，４０１Ｌに到達し、立体像が知覚される。
【０００５】
同様にして、多眼式の場合、３つ以上の視点に相当する位置および方向において撮影した複数の視差画像を、シリンドリカルレンズ３０３の横方向のレンズピッチ内で等分して割り当てて表示する。これにより、３つ以上の視差画像が、シリンドリカルレンズアレイ３０２によって連続的な異なる角度範囲に出射され、結像される。この場合、観察者４００の視線の位置および方向の変化に応じて、複数の異なる視差画像が知覚される。視点変化に応じた視差画像の変化が多いほど、より現実に近い立体感を得ることができる。
【０００６】
ところで、シリンドリカルレンズアレイ３０２としては、例えば樹脂成型された、形状およびレンズ効果が固定のレンズアレイを用いることができるが、この場合、レンズ効果が固定なので３次元表示専用の表示装置となってしまう。一方、シリンドリカルレンズアレイ３０２として、液晶レンズによる切り替え式のレンズアレイ素子を用いることができる。液晶レンズによる切り替え式のレンズアレイ素子の場合、レンズ効果の有無を電気的に切り替えることができるため、２次元表示装置と組み合わせて、２次元表示モードと３次元表示モードとの２つの表示モードを切り替えることができる。すなわち、２次元表示モードでは、レンズアレイをレンズ効果の無い状態（屈折力の無い状態）とし、２次元表示装置からの表示画像光をそのままの状態で通過させる。３次元表示モードでは、レンズアレイをレンズ効果を発生させた状態とし、２次元表示装置からの表示画像光を複数の視野角方向に偏向させることで立体視を実現する。
【０００７】
図２０（Ａ），（Ｂ）、図２１および図２２は、液晶レンズによる切り替え式のレンズアレイ素子の構成例を示している。このレンズアレイ素子は、図２０（Ａ），（Ｂ）に示したように、例えばガラス材料よりなる透明な第１の基板１０１および第２の基板１０２と、それら第１の基板１０１および第２の基板１０２の間に挟まれた液晶層１０３とを備えている。第１の基板１０１と第２の基板１０２は、間隔ｄを空けて対向配置されている。
【０００８】
第１の基板１０１上における第２の基板１０２に対向する側には、図２１および図２２に示したように、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜などの透明な導電膜からなる第１の透明電極１１１がほぼ全面に一様に形成されている。また、第２の基板１０２上における第１の基板１０１に対向する側には、図２１および図２２に示したように、ＩＴＯ膜などの透明な導電膜からなる第２の透明電極１１２が部分的に形成されている。第２の透明電極１１２は、図２２に示したように、例えば幅Ｌの電極幅を有して例えば縦方向に延在している。そして、第２の透明電極１１２は、レンズ効果を発生させたときのレンズピッチｐに相当する周期間隔で複数、並列的に配置されている。隣り合う２つの第２の透明電極１１２間は間隔Ａの開口とされている。なお、図２２では、第２の透明電極１１２の電極配置を説明するため、第１の基板１０１を上側に、第２の基板１０２を下側にして、上下を逆にした状態で図示している。
【０００９】
なお、図示を省略するが第１の透明電極１１１と液晶層１０３との間には配向膜が形成されている。同様に、第２の透明電極１１２と液晶層１０３との間には配向膜が形成されている。液晶層１０３には、屈折率異方性を有する液晶分子１０４が配向膜で規定される配向方向に従って一様に分布している。
【００１０】
このレンズアレイ素子では、図２０（Ａ）に示したように、印加電圧が０Ｖの通常の状態では、液晶分子１０４が配向膜によって規定される所定の方向に一様に配列される。このため、通過光線の波面２０１は平面波となり、レンズ効果の無い状態となる。一方、このレンズアレイ素子では、第２の透明電極１１２が、図２１および図２２に示したように間隔Ａの開口を有して離間配置されているため、図２１に示したような状態で所定の駆動電圧を印加すると、液晶層１０３内での電界分布に偏りが生ずる。すなわち、第２の透明電極１１２が形成されている領域に対応する部分では駆動電圧に応じて電界強度が強くなり、間隔Ａの開口の中心部に行くほど電界強度が弱くなるような電界が発生する。このため、図２０（Ｂ）に示したように、液晶分子１０４の配列が電界強度分布に応じて変化する。これにより、通過光線の波面２０２が変化し、レンズ効果が発生する状態となる。
【００１１】
特許文献１には、図２１および図２２に示した電極構造における第２の透明電極１１２の部分を２層構造とした液晶レンズが開示されている。この液晶レンズでは、液晶層の片側に形成する透明電極の配置間隔を第１層目と第２層目とで変えることで、液晶層に形成される電界分布の制御をより最適化しやすくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−９３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図１９に示したような立体表示を実現する場合において、シリンドリカルレンズアレイ３０２が、アクリルなどの樹脂で形成された固定のレンズアレイである場合、偏光などの影響はほとんどない。一方、シリンドリカルレンズアレイ３０２を、液晶レンズによるレンズアレイ素子で構成した場合、液晶レンズ特有の偏光特性がある。
【００１４】
例えば、図２０（Ａ），（Ｂ）に示したレンズアレイ素子において、第１の基板１０１上の配向膜と第２の基板１０２上の配向膜とが、互いに平行でかつ逆方向からラビング処理された、いわゆるアンチパラレルとなる方向で構成されていたとする。この場合、電圧が印加されていない状態では、液晶層１０３において棒状の液晶分子１０４は図２３（Ａ）に示したようにラビング処理によって規定された所定の配向方向に配向する。図２３（Ａ）において、紙面横方向がラビング処理によって規定された所定の配向方向である。一方、電圧を印加した状態では、図２３（Ｂ）のように、印加電圧によって生じた電界に沿って液晶分子１０４が立ってくる。
【００１５】
このような液晶レンズ素子の場合、液晶分子１０４の長軸方向に沿った偏光成分についてレンズ効果を誘発する。ここで、電圧を印加した状態であっても、配向膜付近の液晶分子１０４はほぼ所定の配向方向に配列されているため、配向膜付近では液晶分子１０４の長軸方向は所定の配向方向に沿った方向となる。このため、レンズ効果は所定の配向方向（図２３（Ｂ）の例では紙面横方向）に沿った偏光成分に対して発生する。その一方で紙面に垂直な偏光成分（液晶分子１０４の長軸と直交する偏光成分）に対してはレンズ効果を誘発せず、単なる透過光として作用する。従って、このような液晶レンズ素子に、無偏光な光源から発せられた光が入射すると、出射光の成分は、レンズ効果によって集光される成分とそのまま透過してくる成分との重ね合わせとなる。
【００１６】
一方、液晶ディスプレイのような２次元表示装置は、その表示画像光が特定の方向に偏光したものとなっている。例えば液晶ディスプレイの場合、液晶パネル本体を、例えば互いの偏光方向がクロスニコルとなるように２枚の偏光板で挟んだ構造となっており、表示画像光は出射側の偏光板の偏光方向で規定される方向に偏光している。従って、立体表示装置を液晶ディスプレイと液晶レンズアレイ素子とを組み合わせて構成した場合、双方に偏光特性があるので、その偏光特性を考慮しないと、効率的なレンズ効果を得ることができないおそれがある。引いては良好な３次元表示の視認性を得ることができなくなるおそれがあり、例えば十分な視差分離ができずに、立体像がぼやけて見えてしまうような状態となるおそれがある。立体表示装置を構成する上で、従来では、上記のような液晶レンズアレイ素子の偏光特性（液晶レンズとしてのレンズ効果が生じる偏光方向）の影響が考慮されていなかった。
【００１７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、液晶レンズの偏光特性を考慮した効率的なレンズ効果を得ることができ、良好な視認性の３次元表示を行うことができるようにした立体表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の第１の観点に係る立体表示装置は、２次元的に画像表示を行い、その表示画像光が特定の方向に偏光したものとされている表示パネルと、屈折率異方性のある液晶分子が所定の配向方向に複数配列された液晶層を有し、電気的に液晶分子の配列を変化させることでレンズ効果を発生させることが可能に構成され、表示パネルの表示面側に対向配置されて、表示パネルからの表示画像光の通過状態を選択的に変化させるようになされたレンズアレイ素子とを備え、レンズアレイ素子における液晶分子の所定の配向方向と、表示画像光の偏光方向とが平行となるように構成されているものである。
【００１９】
本発明の第１の観点に係る立体表示装置では、レンズアレイ素子における液晶分子の所定の配向方向と表示画像光の偏光方向とが平行となることで、液晶レンズとしての偏光特性を考慮した効率的なレンズ効果が得られる。
【００２０】
本発明の第２の観点に係る立体表示装置は、２次元的に画像表示を行い、その表示画像光が特定の方向に偏光したものとされている表示パネルと、屈折率異方性のある液晶分子が所定の配向方向に複数配列された液晶層を有し、電気的に液晶分子の配列を変化させることでレンズ効果を発生させることが可能に構成され、表示パネルの表示面側に対向配置されて、表示パネルからの表示画像光の通過状態を選択的に変化させるようになされたレンズアレイ素子と、表示パネルとレンズアレイ素子との間に配置され、表示画像光の偏光方向が、レンズアレイ素子における液晶分子の所定の配向方向と平行となるようにするための位相差板とを備えたものである。
【００２１】
本発明の第２の観点に係る立体表示装置では、表示画像光の偏光方向が、位相差板によって、レンズアレイ素子における液晶分子の所定の配向方向に平行となるように偏光される。これにより、液晶レンズとしての偏光特性を考慮した効率的なレンズ効果が得られる。
【００２２】
本発明の第３の観点に係る立体表示装置は、２次元的に画像表示を行う表示パネルと、屈折率異方性のある液晶分子が所定の配向方向に複数配列された液晶層を有し、電気的に液晶分子の配列を変化させることでレンズ効果を発生させることが可能に構成され、表示パネルの表示面側に対向配置されて、表示パネルからの表示画像光の通過状態を選択的に変化させるようになされたレンズアレイ素子と、表示パネルとレンズアレイ素子との間、またはレンズアレイ素子の光出射側に配置され、レンズアレイ素子における液晶分子の所定の配向方向に平行な方向の光成分のみを透過する偏光板とを備えたものである。
【００２３】
本発明の第３の観点に係る立体表示装置では、偏光板によって、最終的に、レンズアレイ素子における液晶分子の所定の配向方向に平行な方向の光成分のみが出射される。これにより、液晶レンズとしての偏光特性を考慮した効率的なレンズ効果が得られる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の第１の観点に係る立体表示装置によれば、レンズアレイ素子における液晶分子の所定の配向方向と表示画像光の偏光方向とが平行になるようにしたので、液晶レンズの偏光特性を考慮した効率的なレンズ効果を得ることができる。これにより、良好な視認性の３次元表示を行うことができる。
【００２５】
本発明の第２の観点に係る立体表示装置によれば、位相差板によって、表示画像光の偏光方向が、レンズアレイ素子における液晶分子の所定の配向方向と平行となるようにしたので、液晶レンズの偏光特性を考慮した効率的なレンズ効果を得ることができる。これにより、良好な視認性の３次元表示を行うことができる。
【００２６】
本発明の第３の観点に係る立体表示装置によれば、偏光板によって、レンズアレイ素子における液晶分子の所定の配向方向に平行な方向の光成分のみを透過するようにしたので、液晶レンズの偏光特性を考慮した効率的なレンズ効果を得ることができる。これにより、良好な視認性の３次元表示を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る立体表示装置の全体構成の一例を示す断面図である。
【図２】（Ａ）は液晶表示パネルにおける偏光板の第１の配置例を示し、（Ｂ）は液晶表示パネルにおける偏光板の第２の配置例を示す構成図である。
【図３】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るレンズアレイ素子の電極部分の構成例を示す斜視図であり、（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態に係るレンズアレイ素子によって形成されるレンズ形状を光学的に等価に示した斜視図である。
【図４】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るレンズアレイ素子における配向膜の第１の配置例を示し、（Ｂ）は本発明の第２の実施の形態に係るレンズアレイ素子における配向膜の第２の配置例を示す構成図である。
【図５】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るレンズアレイ素子における液晶分子の初期の配向状態を示し、（Ｂ）は電圧を印加した場合の液晶分子の配向状態を示す構成図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る立体表示装置の第１の構成例を示す斜視図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る立体表示装置の第２の構成例を示す斜視図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る立体表示装置の第３の構成例を示す斜視図である。
【図９】表示品位の評価に用いた測定系の構成を模式的に示す説明図である。
【図１０】比較例に係る立体表示装置の構成を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る立体表示装置の第１の構成例での光強度分布を示す特性図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る立体表示装置の第２の構成例での光強度分布を示す特性図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る立体表示装置の第３の構成例での光強度分布を示す特性図である。
【図１４】比較例に係る立体表示装置での光強度分布を示す特性図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態に係る立体表示装置の構成例を示す斜視図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係る立体表示装置の光強度分布を示す特性図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態に係る立体表示装置の構成例を示す斜視図である。
【図１８】本発明の第３の実施の形態に係る立体表示装置の光強度分布を示す特性図である。
【図１９】シリンドリカルレンズを用いた立体表示の概念を示す説明図である。
【図２０】液晶レンズによる切り替え式のレンズアレイ素子の構成例を示す断面図であり、（Ａ）はレンズ効果の無い状態、（Ｂ）はレンズ効果を発生させた状態を示す。
【図２１】図２０に示した液晶レンズにおける電極部分の構成例を示す断面図である。
【図２２】図２０に示した液晶レンズにおける電極部分の構成例を示す斜視図である。
【図２３】（Ａ）は液晶レンズにおける液晶分子の初期の配向状態を示し、（Ｂ）は電圧を印加した場合の液晶分子の配向状態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
＜第１の実施の形態＞
［立体表示装置の全体構成］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る立体表示装置の一構成例を示している。この立体表示装置は、２次元的に画像表示を行う表示パネル２と、表示パネル２の表示面２Ａ側に対向するように配置されたレンズアレイ素子１とを備えている。この立体表示装置は、２次元表示モードと３次元表示モードとの２つの表示モードを切り替えることが可能とされている。レンズアレイ素子１は、後述するように液晶レンズ方式による可変レンズアレイであり、電気的にレンズ効果のオン・オフ制御を行うことが可能なものである。レンズアレイ素子１は、表示モードに応じてレンズ効果を制御することで、表示パネル２からの光線の通過状態を選択的に変化させるようになっている。表示パネル２は、２次元表示を行う場合には２次元画像データに基づく映像表示を行い、３次元表示を行う場合には３次元画像データに基づく映像表示を行うようになっている。なお、３次元画像データとは、例えば、３次元表示における複数の視野角方向に対応した複数の視差画像を含むデータである。例えば２眼式の３次元表示を行う場合、右眼表示用と左眼表示用の視差画像のデータである。
【００３０】
なお、本実施の形態では、レンズアレイ素子１における各基板面または表示パネル２の各基板面に平行な面内で横方向（水平方向）をＸ方向、縦方向（垂直方向）をＹ方向として説明する。基本的には、表示パネル２の表示面２Ａの横方向がＸ方向、縦方向がＹ方向である。
【００３１】
［表示パネル２の構成］
表示パネル２は、例えばＲ（赤色）用画素、Ｇ（緑色）用画素、およびＢ（青色）用画素からなる画素を複数有し、それら複数の画素がマトリクス状に配置されている。表示パネル２の画素は、レンズアレイ素子１によって形成されるシリンドリカルレンズのピッチｐに対してＮ個（２以上の整数）分、配置されている。３次元表示モードでは、このＮ個分、３次元表示における光線数（視線数）を提示することになる。表示パネル２は、例えば液晶表示ディスプレイで構成することができる。表示パネル２を例えば透過型の液晶表示ディスプレイで構成した場合、バックライトからの光を画像データに応じて画素ごとに変調させることで２次元的な画像表示を行う。
【００３２】
図２（Ａ），（Ｂ）は、表示パネル２を透過型の液晶表示ディスプレイで構成した場合の構成例を示している。この構成例では、表示パネル２は、液晶部（パネル本体５０）を、第１の偏光板５１と第２の偏光板５２とで挟んだ構造とされている。第１の偏光板５１はバックライト側に配置され、第２の偏光板５２は観察者側（光出射側）に配置されている。また、第１の偏光板５１と第２の偏光板５２は、例えば互いの偏光方向６１，６２がクロスニコルとなるように配置されている。第１の偏光板５１と第２の偏光板５２とをクロスニコルの配置とする場合、表示面２Ａに平行な面内で互いの偏光方向６１，６２が斜めとなる配置と、横方向および縦方向となる配置とが考えられる。
【００３３】
図２（Ａ）は、互いの偏光方向６１，６２が斜めとなる配置の代表例を示している。図２（Ａ）の構成例では、第１の偏光板５１の第１の偏光方向６１が第１の斜め方向（斜め４５°方向、Ｙ＝Ｘ方向）となり、第２の偏光板５２の第２の偏光方向６２が第２の斜め方向（斜め−４５°方向、Ｙ＝−Ｘ方向）となるように対向配置されている。
【００３４】
図２（Ｂ）は、互いの偏光方向６１，６２が横方向および縦方向となる配置の代表例を示している。図２（Ｂ）の構成例では、第１の偏光板５１の第１の偏光方向６１が横方向（Ｘ方向）となり、第２の偏光板５２の第２の偏光方向６２が縦方向（Ｙ方向）となるように対向配置されている。
【００３５】
表示パネル２をこのような液晶表示ディスプレイで構成した場合、表示画像光は出射側の第２の偏光板５２の第２の偏光方向６２で規定される方向に偏光する。図２（Ａ）の構成例では斜め−４５°方向、図２（Ｂ）の構成例では縦方向に偏光した表示画像光が出射される。
【００３６】
［レンズアレイ素子１の全体構成］
レンズアレイ素子１は、図１に示したように間隔ｄを空けて互いに対向配置された第１の基板１０および第２の基板２０と、それら第１の基板１０および第２の基板２０の間に配置された液晶層３とを備えている。第１の基板１０および第２の基板２０は、例えばガラス材料または樹脂材料よりなる透明基板である。第１の基板１０上における第２の基板２０に対向する側には、ＩＴＯ膜などの透明な導電膜からなる第１の電極１１がほぼ全面に一様に形成されている。第１の基板１０上にはまた、第１の電極１１を介して液晶層３に接するように第１の配向膜１３が形成されている。第２の基板２０上における第１の基板１０に対向する側には、ＩＴＯ膜などの透明な導電膜からなる第２の電極２１Ｙが部分的に形成されている。第２の基板２０上にはまた、第２の電極２１Ｙを介して液晶層３に接するように第２の配向膜２３が形成されている。
【００３７】
液晶層３は、液晶分子５を含み、第１の電極１１と第２の電極２１Ｙとに印加される電圧に応じて液晶分子５の配列方向が変化することでレンズ効果が制御されるようになっている。液晶分子５は、屈折率異方性を有し、例えば長手方向と短手方向とで通過光線に対して屈折率の異なる屈折率楕円体の構造を有している。液晶層３は、第１の電極１１と第２の電極２１Ｙとに印加される電圧の状態に応じて、レンズ効果の無い状態と、レンズ効果が発生する状態とに電気的に切り替わるようになっている。なお、このレンズアレイ素子１において、そのレンズ効果発生の基本原理は、図２０（Ａ），（Ｂ）に示した液晶レンズと同様である。
【００３８】
［レンズアレイ素子１の電極構造］
図３（Ａ）はレンズアレイ素子１の電極部分の平面構成例を示している。図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示した電極構造である場合に形成されるレンズ形状を光学的に等価に示している。第２の電極２１Ｙは。幅Ｌｘの電極幅を有して縦方向に延在している。そして、図３（Ａ）に示したように第２の電極２１Ｙは、レンズ効果を発生させたときのレンズピッチｐに相当する周期間隔で複数、並列的に配置されている。レンズ効果を発生させる場合には、液晶層３を挟む上下の電極間で、液晶分子５の配列に変化を生じさせることが可能となるような所定の電位差を与えるようにする。第１の電極１１は全面に形成され、第２の電極２１Ｙは横方向に間隔を空けて部分的に形成されているので、第２の電極２１Ｙに所定の駆動電圧を印加すると、図２０（Ｂ）に示した場合と同様の原理で、液晶層３内での電界分布に偏りが生ずる。すなわち、第２の電極２１Ｙが形成されている領域に対応する部分では駆動電圧に応じて電界強度が強くなり、第２の電極２１Ｙから横方向に離れるほど電界強度が弱くなるような電界が発生する。すなわち、横方向（Ｘ方向）にレンズ効果が発生するように電界分布が変化する。すなわち、等価的には、図３（Ａ）に示したように、Ｙ方向に延在しＸ方向に屈折力のあるシリンドリカルレンズ３１Ｙが、Ｘ方向に複数、並列配置されたようなレンズ状態となる。
【００３９】
［レンズアレイ素子１における液晶分子５の配向方向］
レンズアレイ素子１では、第１の基板１０上の第１の配向膜１３と第２の基板２０上の第２の配向膜２３とが、基板面内で互いに平行でかつ逆方向からラビング処理された、いわゆるアンチパラレルとなる方向で構成されている。図４（Ａ）は、第１の配向膜１３の第１のラビング処理方向１３Ａと第２の配向膜２３の第２のラビング処理方向２３Ａとが基板面内で斜め−４５°方向（Ｙ＝−Ｘ方向）で、かつ互いに逆方向とされている例である。図４（Ｂ）は、第１のラビング処理方向１３Ａと第２のラビング処理方向２３Ａとが基板面内で縦方向（Ｙ方向）で、かつ互いに逆方向とされている例である。なお、ラビング処理は、例えばポリイミド等の高分子化合物を配向膜の材料とし、その配向膜を布で一方向に擦るような方法で行われる。
【００４０】
レンズアレイ素子１において、液晶層３内には、図５（Ａ）に示したように液晶分子５が所定の配向方向に複数配列されている。この所定の配向方向は、第１の配向膜１３と第２の配向膜２３とにおけるラビング処理の方向によって規定される。液晶層３内に電圧が印加されていない状態では、棒状の液晶分子５は図５（Ａ）に示したようにラビング処理によって規定された所定の配向方向に配向する。一方、電圧を印加した状態では、図５（Ｂ）のように、印加電圧によって生じた電界に沿って液晶分子５が立ってくる。なお、図４（Ａ）の構成の場合、液晶分子５は所定の配向方向として基板面内で斜め−４５°方向に配列される。図４（Ｂ）の場合、液晶分子５は所定の配向方向として基板面内でＹ方向に配列される。レンズアレイ素子１において、レンズ効果は所定の配向方向（図５（Ｂ）の例では紙面横方向）に沿った偏光成分に対して生ずるようになっている。
【００４１】
［表示パネル２の偏光方向とレンズアレイ素子１の偏光方向との関係］
本実施の形態に係る立体表示装置は、図６〜図８に示したように、レンズアレイ素子１におけるレンズ効果のある偏光方向６３と、表示パネル２から出射される表示画像光の偏光方向とが平行となるように構成されている。ここで、レンズ効果のある偏光方向６３は、上述したように液晶分子５の所定の配向方向（ラビング処理の方向）と同じ方向である。また、表示パネル２から出射される表示画像光の偏光方向は、出射側の第２の偏光板５２の第２の偏光方向６２で規定される方向である。
【００４２】
図６の第１の構成例において、表示パネル２の構成は図２（Ａ）と同様であり、第２の偏光板５２の第２の偏光方向６２は、斜め−４５°方向となっている。レンズアレイ素子１におけるレンズ効果のある偏光方向６３もこれに合わせるように、斜め−４５°方向となっている。
【００４３】
図７の第２の構成例では、表示パネル２が、第１の偏光板５１の第１の偏光方向６１が縦方向（Ｙ方向）となり、第２の偏光板５２の第２の偏光方向６２が横方向（Ｘ方向）となるように対向配置された構成となっている。レンズアレイ素子１におけるレンズ効果のある偏光方向６３は第２の偏光方向６２に合わせるように、Ｘ方向となっている。
【００４４】
図８の第３の構成例において、表示パネル２の構成は図２（Ｂ）と同様であり、第２の偏光板５２の第２の偏光方向６２は、Ｙ方向となっている。レンズアレイ素子１におけるレンズ効果のある偏光方向６３もこれに合わせるように、Ｙ方向となっている。
【００４５】
なお、図６〜図８に示した構成例は、表示パネル２の偏光方向とレンズアレイ素子１の偏光方向とを一致させた構成の代表的な例である。このように２つの偏光方向を一致させる構成は他にも考えられ、図示した構成例に限定されるものではない。
【００４６】
［立体表示装置の動作］
この画像表示装置では、レンズアレイ素子１を、レンズ効果の無い状態と、レンズ効果の発生する状態とに切り替えることにより、２次元表示と３次元表示との電気的な切り替えを行う。すなわち、レンズアレイ素子１をレンズ効果の無い状態として、表示パネル２からの表示画像光を偏向させることなく透過させることで２次元表示を行う。また、レンズアレイ素子１をレンズ効果が発生する状態として、表示パネル２からの表示画像光をＸ方向に偏向させることで、Ｘ方向に両眼を置いたときに立体感が得られるような３次元表示を行う。
【００４７】
特に、この立体表示装置では、図６〜図８に示したように表示パネル２から出射される表示画像光の偏光方向がレンズ効果のある偏光方向６３と平行となることで、液晶レンズとしての偏光特性を考慮した効率的なレンズ効果が得られる。これにより、良好な視認性の３次元表示が行われる。
【００４８】
［立体表示装置の表示品位の評価］
この立体表示装置の表示品位の評価を、図６〜図８に示した各構成例に対して行った。図９はその表示品位の評価に用いた測定系の概念を示している。図９に示したように、レンズアレイ素子１によって形成されるシリンドリカルレンズ３１Ｙのレンズ幅に対して、表示パネル２の画素が４画素分配置されるような構成にした。表示パネル２の１画素はＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３つのサブピクセルからなる。このような構成の立体表示装置に対して、１０ｍｍ離れたところに光強度を観測できるフォトダイオード８０を配置し、表示パネル２に対して平行に移動できるような測定系とした。そして、４画素それぞれについて、緑色だけを表示させるような条件において、フォトダイオード８０の移動方向に応じた光強度を計測した。
【００４９】
比較のために、図１０に示した比較例の構成での計測も行った。図１０に示した比較例は、レンズアレイ素子１におけるレンズ効果のある偏光方向６３と、表示パネル２から出射される表示画像光の偏光方向とが一致していない構成の代表例である。図１０に示した比較例では、表示パネル２の構成は図２（Ａ）と同様であり、第２の偏光板５２の第２の偏光方向６２は、斜め−４５°方向となっている。レンズアレイ素子１におけるレンズ効果のある偏光方向６３は、第２の偏光方向６２と一致せずＹ方向となっている。
【００５０】
図１１〜図１３は、図６〜図８に示した各構成例についての光強度分布の測定結果を示している。図１４は、図１０に示した比較例についての光強度分布の測定結果を示している。図１１〜図１４において、横軸はフォトダイオード８０による光強度の検出位置（ｍｍ）であり、縦軸は光強度（arbitrary unit(任意単位)）となっている。図１１〜図１４において、光強度がピークとなる位置が４つあるが、これは図９に示した４つの画素からの光がシリンドリカルレンズ３１Ｙによってそれぞれ、異なる位置に結像することによるものであり、立体表示を行う場合の視線位置に対応する
【００５１】
図１４から分かるように、比較例の構成では、４つの位置で視線数に対応する強度ピークが観測されるものの、強度ピーク成分以外に全体的にオフセット成分が重なった形で観測されていることがわかる。このような光強度分布では、立体表示の知覚としては、像がぼけた状態として視認されてしまう。この全体的なオフセット成分は、レンズアレイ素子１におけるレンズ効果がない偏光成分の影響と考えられる。
【００５２】
一方、図１１〜図１３から分かるように、図６〜図８に示した各構成例については、ほぼ同様の測定結果が得られている。いずれの構成例でも、４つの位置で視線数に対応する強度ピークが観測されるだけでなく、強度ピークの山が非常にシャープ（コントラストが良好）で、かつ隣あうピーク成分との重なりが非常に少ない。このような光強度分布は、表示パネル２から出射される表示画像光の偏光方向とレンズ効果のある偏光方向６３とが平行となっていることで、レンズ効果がない偏光成分の影響がほとんどないためと考えられる。このような光強度分布では、立体表示の知覚としては、十分な視差分離が可能であり、非常に良好な状態として立体像を視認できる。
【００５３】
以上説明したように、本実施の形態に係る立体表示装置によれば、レンズアレイ素子１における液晶分子５の所定の配向方向と表示画像光の偏光方向とが平行になるようにしたので、液晶レンズの偏光特性を考慮した効率的なレンズ効果を得ることができる。これにより、良好な視認性の３次元表示を行うことができる。
【００５４】
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態に係る立体表示装置について説明する。なお、上記第１の実施の形態に係る立体表示装置と実質的に同一の構成部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００５５】
上記第１の実施の形態では、表示パネル２から出射される表示画像光の偏光方向とレンズアレイ素子１におけるレンズ効果のある偏光方向６３とを平行となるようにした。これに対し、本実施の形態は、表示画像光の偏光方向とレンズ効果のある偏光方向６３とが一致していない場合の改善に関する。本実施の形態に係る立体表示装置において、表示パネル２の偏光方向とレンズアレイ素子１の偏光方向との関係が異なるのみで、表示パネル２およびレンズアレイ素子１の単体の基本構成は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００５６】
本実施の形態に係る立体表示装置は、図１５に示したように、レンズアレイ素子１におけるレンズ効果のある偏光方向６３と、表示パネル２から出射される表示画像光の偏光方向（第２の偏光板５２の第２の偏光方向６２）とが異なるように構成されている。かつ、表示パネル２とレンズアレイ素子１との間に波長位相差板７１が配置されている。図１５の構成例では、表示パネル２の構成は図２（Ａ）と同様であり、第２の偏光板５２の第２の偏光方向６２は、斜め−４５°方向となっている。レンズアレイ素子１におけるレンズ効果のある偏光方向６３は、第２の偏光方向６２と一致せずＹ方向となっている。
【００５７】
なお、図１５に示した構成例は、表示パネル２の偏光方向とレンズアレイ素子１の偏光方向とが一致していない構成の代表的な例である。このように２つの偏光方向が一致していない構成は他にも考えられ、図示した構成例に限定されるものではない。
【００５８】
波長位相差板７１は、表示パネル２からの表示画像光の偏光方向が、レンズアレイ素子１における液晶分子５の所定の配向方向（レンズ効果のある偏光方向６３）と平行となるようにするためのものである。波長位相差板７１は、表示画像光に対して、第２の偏光板５２の第２の偏光方向６２とレンズ効果のある偏光方向６３との違いに相当する位相差を生じさせるようになっている。図１５の構成例では、λ／８の位相差を生じさせれば良い。
【００５９】
図１５に示した立体表示装置の表示品位の評価を、上記第１の実施の形態と同様の測定系（図９）で行った。図１６は、その光強度分布の測定結果を示している。図１６から分かるように、図１５に示した構成例では、比較例の構成（図１０）での測定結果（図１４）と比較して、全体的にオフセット成分が少なくなり、４つのピーク成分は良好に分離されている。また、強度ピークの山がシャープ（コントラストが良好）で、かつ隣あうピーク成分との重なりが少ない。このような光強度分布は、表示パネル２から出射される表示画像光の偏光方向が、波長位相差板７１の作用により、結果的にレンズ効果のある偏光方向６３と平行となることで、レンズ効果がない偏光成分の影響がほとんどなくなったためと考えられる。このような光強度分布では、立体表示の知覚としては、十分な視差分離が可能であり、良好な状態として立体像を視認できる。
【００６０】
このように、本実施の形態に係る立体表示装置によれば、波長位相差板７１の作用によって、液晶レンズの偏光特性を考慮した効率的なレンズ効果を得ることができる。これにより、良好な視認性の３次元表示を行うことができる。
【００６１】
＜第３の実施の形態＞
次に、本発明の第３の実施の形態に係る立体表示装置について説明する。なお、上記第１の実施の形態に係る立体表示装置と実質的に同一の構成部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００６２】
上記第１の実施の形態では、表示パネル２から出射される表示画像光の偏光方向とレンズアレイ素子１におけるレンズ効果のある偏光方向６３とを平行となるようにした。これに対し、本実施の形態は、表示画像光の偏光方向とレンズ効果のある偏光方向６３とが一致していない場合の改善に関する。本実施の形態に係る立体表示装置において、表示パネル２の偏光方向とレンズアレイ素子１の偏光方向との関係が異なるのみで、表示パネル２およびレンズアレイ素子１の単体の基本構成は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００６３】
本実施の形態に係る立体表示装置は、図１７に示したように、レンズアレイ素子１におけるレンズ効果のある偏光方向６３と、表示パネル２から出射される表示画像光の偏光方向（第２の偏光板５２の第２の偏光方向６２）とが異なるように構成されている。かつ、レンズアレイ素子１の光出射側に偏光板７２が配置されている。図１７の構成例では、表示パネル２の構成は図２（Ａ）と同様であり、第２の偏光板５２の第２の偏光方向６２は、斜め−４５°方向となっている。レンズアレイ素子１におけるレンズ効果のある偏光方向６３は、第２の偏光方向６２と一致せずＹ方向となっている。
【００６４】
なお、図１７に示した構成例は、表示パネル２の偏光方向とレンズアレイ素子１の偏光方向とが一致していない構成の代表的な例である。このように２つの偏光方向が一致していない構成は他にも考えられ、図示した構成例に限定されるものではない。また、偏光板７２を、レンズアレイ素子１の光出射側ではなく、表示パネル２とレンズアレイ素子１との間に配置するようにしても良い。
【００６５】
偏光板７２は、レンズアレイ素子１における液晶分子５の所定の配向方向（レンズ効果のある偏光方向６３）に平行な方向の光成分のみを透過するものである。偏光板７２の偏向方向６４は、レンズアレイ素子１におけるレンズ効果のある偏光方向６３に平行となっている。図１７の構成例では、偏光方向６３はＹ方向となっている。
【００６６】
図１７に示した立体表示装置の表示品位の評価を、上記第１の実施の形態と同様の測定系（図９）で行った。図１８は、その光強度分布の測定結果を示している。図１８から分かるように、図１７に示した構成例では、比較例の構成（図１０）での測定結果（図１４）と比較して、全体的にオフセット成分が少なくなり、４つのピーク成分は良好に分離されている。また、強度ピークの山がシャープ（コントラストが良好）で、かつ隣あうピーク成分との重なりが少ない。このような光強度分布は、最終的にレンズアレイ素子１から出射される光の成分が、偏光板７２の作用により、結果的にレンズ効果のある偏光方向６３のみの成分となることで、レンズ効果がない偏光成分の影響がほとんどなくなったためと考えられる。ただし、最終的に得られる光成分の強度ピークが、比較例の測定結果（図１４）と比較して、約半分になってしまっている。このため、全体として暗い表示になってしまうが、立体表示の知覚としては、十分な視差分離が可能であり、良好な状態として立体像を視認できる。
【００６７】
このように、本実施の形態に係る立体表示装置によれば、偏光板７２の作用によって、液晶レンズの偏光特性を考慮した効率的なレンズ効果を得ることができる。これにより良好な視認性の３次元表示を行うことができる。
【００６８】
なお、この第３の実施の形態に係る立体表示装置は、表示パネル２として、液晶表示ディスプレイ以外のディスプレイを用いた場合にも有効である。例えば、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）ディスプレイやフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）に代表されるような、偏光特性のない自発光型のディスプレイを用いた場合にも有効である。
【００６９】
＜その他の実施の形態＞
本発明は、上記各実施の形態に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば上記各実施の形態では、レンズアレイ素子１が、シリンドリカルレンズ状のレンズ効果を発生させる場合について説明したが、その他の形状のレンズ効果を発生させるものであっても良い。本発明は、偏光特性のあるレンズ効果が発生するようなレンズアレイ素子を用いる場合に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１…レンズアレイ素子、２…表示パネル、２Ａ…表示面、３…液晶層、５…液晶分子、１０…第１の基板、１１…第１の電極、１３…第１の配向膜、１３Ａ…第１のラビング処理方向、２０…第２の基板、２１Ｙ…第２の電極（Ｙ方向電極）、２３…第２の配向膜、２３Ａ…第２のラビング処理方向、３１Ｙ…シリンドリカルレンズ、５０…パネル本体、５１…第１の偏光板、５２…第２の偏光板、６１…第１の偏光方向、６２…第２の偏光方向、６３…レンズ効果のある偏光方向、７１…波長位相差板、７２…偏光板。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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