(57)【要約】  広い視域を確保することができる画像表示装置を提供する。画像表示装置は、画像表示パネルと、画像表示パネルの背面側に配置されるバックライトと、画像表示パネルとバックライトとの間に配置され、入射光を偏向させるプリズムと、印加される電圧に応じて屈折率を変化させることにより出射光の偏向方向を変化させる液晶層と、ユーザの位置を検出する位置検出部と、位置検出部によって検出されたユーザの位置情報に基づいて液晶層に印加する電圧を制御する制御部とを備える。
2013073147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示装置であって、
画像表示パネルと、
前記画像表示パネルの背面側に配置されるバックライト装置と、
前記画像表示パネルと前記バックライト装置との間に配置され、入射光を偏向させる第１の光学素子と、
前記画像表示パネルと前記バックライト装置との間に配置され、印加される電圧に応じて屈折率を変化させることにより出射光の偏向方向を変化させる第２の光学素子と、
ユーザの位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部によって検出されたユーザの位置情報に基づいて前記第２の光学素子に印加する電圧を制御する制御部とを備える、画像表示装置。
【請求項２】
前記第２の光学素子は、電圧が印加されたときに厚み方向の電界を発生させる液晶素子である、請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
一対の対向基板の間に、三角形の断面と前記画像表示パネルの一辺と平行な第１の方向に延びる稜線とを有し、前記第１の方向と直交する第２の方向に並列に配置される複数の第１のプリズムと、液晶とを封入した液晶プリズムを備えており、
前記第１の光学素子は、前記複数の三角プリズムであり、
前記第２の光学素子は、前記三角プリズムと前記対向基板の一方との間に形成される前記液晶層と、前記対向基板の各々の内面に設けられる電極とを含む、請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
液晶分子の配向回転軸が、前記画像表示パネルの表示面とほぼ平行である、請求項３に記載の画像表示装置。
【請求項５】
液晶分子の配向回転軸が、更に、前記第２の方向に延びる前記画像表示パネルの一辺と平行である、請求項４に記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記液晶プリズムは、電圧が印加されていない状態において、液晶分子を前記第１の方向に配向させる配向膜を更に含む、請求項３に記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記液晶プリズムを前記第２の方向に隣接する２つの領域に区分し、当該２つの領域を第１の領域及び第２の領域とすると、
前記画像表示パネルの表示面と直交し、かつ、前記第２の方向に延びる前記画像表示パネルの一辺と平行な第１の平面と平行な断面を見たときに、前記画像表示パネルの表示面と直交し、かつ、前記第１の領域及び前記第２の領域の境界を通過する第２の平面に対して、前記第１の領域に配置される前記第１のプリズムの断面と、前記第２の領域に配置される前記第１のプリズムの断面とが対称である、請求項３に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記バックライト装置は、
一対の側面を有し、前記側面から入射された光を出射面に導く導光板と、
前記側面の一方に対向するように配置される第１の光源と、
前記側面の他方に対向するように配置される第２の光源と、
前記導光板と前記液晶プリズムとの間に配置され、前記導光板側の面に、三角形の断面と前記第１の方向に延びる稜線とを有する複数の第２のプリズムが前記第２の方向に並列に設けられ、前記液晶プリズム側の面に、前記第１の方向に延びる複数のシリンドリカルレンズが前記第２の方向に並列に設けられる光制御シートとを含む、請求項３に記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記画像表示パネルには、視差が与えられた右眼用画像信号及び左眼用画像信号が時分割で交互に入力され、
前記第１の光源は、右眼用画像を表示するための照明光を出射し、
前記第２の光源は、左眼用画像を表示するための照明光を出射し、
前記右眼用画像信号と前記左眼用画像信号との切り替えに同期して、前記第１の光源及び前記第２の光源が交互に点灯する、請求項８に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、液晶ディスプレイなどの画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、立体的な画像を表示することができる表示装置が普及している。例えば、特許文献１は、画像表示装置とレンチキュラーレンズとプリズムシートとを備えた立体画像表示装置を開示している。より詳細には、特許文献１では、立体画像表示装置から見て斜め方向（ユーザ側）に表示光を偏向させることによって、画面がほぼ水平となるように配置した立体画像表示装置の表示像を良好な画質で視聴できるようにすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９３１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、広い視域を確保することができる画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示における画像表示装置は、画像表示パネルと、画像表示パネルの背面側に配置されるバックライト装置と、画像表示パネルとバックライト装置との間に配置され、入射光を偏向させる第１の光学素子と、画像表示パネルとバックライト装置との間に配置され、印加される電圧に応じて屈折率を変化させることにより出射光の偏向方向を変化させる第２の光学素子と、ユーザの位置を検出する位置検出部と、位置検出部によって検出されたユーザの位置情報に基づいて第２の光学素子に印加する電圧を制御する制御部とを備える。
【発明の効果】
【０００６】
本開示における画像表示装置は、従来よりも十分な視野角を得るのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】図１Ａは、実施の形態に係る画像表示装置の概略構成図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示す画像表示装置の一部の分解斜視図である。
【図２】図２は、実施の形態に係る液晶プリズム素子及び画像表示パネルの構成例を示す図である。
【図３】図３は、実施例１に係る液晶プリズム素子の構成を示す図である。
【図４】図４は、実施例１に係る液晶プリズム素子に関するダイレクタの計算結果を示す図である。
【図５】図５は、比較例１に係る液晶プリズム素子の構成を示す図である。
【図６】図６は、比較例１に係る液晶プリズム素子に関するダイレクタの計算結果を示す図である。
【図７】図７は、実施例２に係る液晶プリズム素子の構成を示す図である。
【図８】図８は、実施例２に係る液晶プリズム素子構成に関する屈折率の計算結果を示す図である。
【図９】図９は、比較例２に係る液晶プリズム素子構成に関する屈折率の計算結果を示す図である。
【図１０】図１０は、比較例３に係る液晶プリズム素子構成に関する屈折率の計算結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。また、図面は、理解しやすくするために、主要な構成要素を模式的に示している。
【０００９】
なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１０】
＜画像表示装置１の全体構成＞
図１Ａは、実施の形態に係る画像表示装置１の概略断面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示す画像表示装置１の一部の分解斜視図である。尚、図１Ａにおいては、図１Ｂに記載の電極４０ａ、４０ｂ、４１ａ、４１ｂの記載が省略されている。
【００１１】
本実施の形態では、画像表示装置１に対して３次元直交座標系を設定し、座標軸を用いて方向を特定する。図１Ａ及び１Ｂに示すように、Ｘ軸方向は、画像表示パネル４の表示面に対してユーザが正対したときの左右方向（水平方向）と一致している。Ｙ軸方向は、画像表示パネル４の表示面に対してユーザが正対したときの上下方向に一致している。Ｚ軸方向は、画像表示パネル４の表示面に対して垂直な方向に一致している。ここで、「正対」とは、例えば表示面に「Ａ」という文字が表示されている場合において、ユーザがこの「Ａ」という文字を正しい方向から見るように、表示面の真正面に向かって位置していることを意味する。また、図１Ａ及び１Ｂは、画像表示装置１の上側から見た図に相当する。したがって、図１Ａ及び１Ｂの左側が、視聴者から見た表示画面の右側となる。
【００１２】
画像表示装置１は、光源切替型のバックライト２と、液晶プリズム素子３と、右眼用画像及び左眼用画像を交互に切り替えながら表示する画像表示パネル４と、画像表示装置１を使用しているユーザの位置検出を行う位置検出部３８と、検出されたユーザの位置情報に基づいて、液晶プリズム素子３へ出力する液晶駆動電圧を制御する制御部６とから構成される。以下、各構成に対してそれぞれ詳細を述べる。
【００１３】
＜バックライト２の詳細構成＞
バックライト２は、互いに対向する光源７ａ及び７ｂと、反射フィルム８と、導光板９と、光制御フィルム１０とで構成される。反射フィルム８は導光板９の下面側に設けられており、光制御フィルム１０は導光板９の上面側に設けられている。
【００１４】
光源７ａ及び７ｂは、導光板９の一対の側面のそれぞれに沿って配置されており、Ｘ軸方向において互いに対向している。光源７ａは、導光板９の左側面に配置されており、光源７ｂは導光板９の右側面に配置されている。光源７ａ及び７ｂは、それぞれＹ軸方向に配列された複数のＬＥＤ素子を有している。光源７ａ及び７ｂは、画像表示パネル４に表示される左眼用画像及び右眼用画像の切り替えに同期して、交互に点灯及び点滅を繰り返す。すなわち、画像表示パネル４が右眼用画像を表示する場合は、光源７ａが点灯して光源７ｂが消灯し、画像表示パネル４が左眼用画像を表示する場合は、光源７ａが消灯して光源７ｂが点灯する。
【００１５】
光源７ａ及び７ｂから出射された光は、導光板９の上面と下面とで全反射を繰り返しながら導光板９内に広がる。導光板９内で全反射角度を超える角度を持った光が導光板９の上面から出射される。導光板９の下面は、図１Ａ及び１Ｂに示すように、複数の傾斜面３５により構成されている。これらの傾斜面３５により、導光板９内を伝搬する光は様々な方向に反射されるので、導光板９から出射する光の強度が上面全体にわたって均一になる。
【００１６】
反射フィルム８は、導光板９の下面側に設けられている。導光板９の下面に設けられた傾斜面３５の全反射角度を破った光は、反射フィルム８により反射され、再び導光板９内に入射し、最終的に上面から出射される。導光板９から出射された光は、光制御フィルム１０に入射する。
【００１７】
光制御フィルム１０の下面には、三角形状の断面及びＹ軸方向に延びる稜線を有する複数のプリズム３６が、Ｘ軸方向に並列に配置されている。すなわち、光制御フィルム１０の下面には、三角形状の断面を有するプリズム３６が１次元アレイ配置されている。また、光制御フィルム１０の上面には、Ｙ軸方向に延びる複数のシリンドリカルレンズ３７がＸ軸方向に並列に配置されている。すなわち、光制御フィルム１０の上面には、レンチキュラーレンズが形成されている。
【００１８】
光制御フィルム１０の下面に入射した光は、プリズム３６によりＺ軸方向に立ち上げられ、上面のレンチキュラーレンズにより集光され、液晶プリズム素子３に入射する。
【００１９】
＜液晶プリズム素子３の詳細構成＞
図２は、実施の形態に係る液晶プリズム素子及び画像表示パネルの構成例を示す図である。以下、図１Ａ、１Ｂ及び２を併せて参照しながら、液晶プリズム素子３の詳細を説明する。
【００２０】
液晶プリズム素子３は、左側の光源７ａから出射され、導光板９及び光制御フィルム１０を通じて入射した光が、ユーザの右眼の位置に集光するように、偏光方向を制御する。また、左側の光源７ｂから出射され、導光板９及び光制御フィルム１０を通じて入射した光が、ユーザの左眼の位置に集光するように、偏光方向を制御する。
【００２１】
より詳細には、液晶プリズム素子３は、一対の対向基板１３及び１４と、対向基板１３及び１４の間に封入される複数のプリズム１７及び液晶層２０と、対向基板１３の内面に設けられる電極４０ａ及び４０ｂと、対向基板１４の内面に設けられる電極４１ａ及び４１ｂとを備える。
【００２２】
プリズム１７は、三角形の断面とＹ軸方向に延びる稜線とを有する三角柱形状を有する。図１及び２から理解されるように、複数のプリズム１７が、電極４１ａ及び４１ｂ上にＸ軸方向に並べて設けられている。複数のプリズム１７の断面形状は、左右対称となるように構成されている。説明を容易にするために、プリズム１７の形成領域を図１Ａ及び１Ｂにおける左半分及び右半分に二分し、左側の領域をＲ１、領域Ｒ１とＸ軸方向に隣接する右側の領域をＲ２とする。また、領域Ｒ１及びＲ２の境界線（中央線）を通過し、かつ、画像表示パネル４の表示面と直交する平面を、Ｐ１とする。ＸＺ平面と平行な平面上で見たときに、領域Ｒ１に配置されるプリズム１７の断面形状と、領域Ｒ２に配置されるプリズム１７の断面形状とは、図１Ａ及び１Ｂに示すように、平面Ｐ１に対して対称となるように設計されている。
【００２３】
電極４０ａは、対向基板１３の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４０ｂは、対向基板１３の内面の領域Ｒ２に形成されている。同様に、電極４１ａは、対向基板１４の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４１ｂは、対向基板１４の内面の領域Ｒ２に形成されている。
【００２４】
更に、プリズム１７の表面上及び電極４０ａ及び４０ｂ上には、液晶分子の配向方向を所望の方向に制御するための配向処理を施した配向膜１８及び１９が設けられている。配向膜１８及び１９は、電極４０ａ、４０ｂ、４１ａ、４１ｂに電圧が印加されていない状態で、液晶分子の長軸がＹ軸方向となるように液晶分子を配向させる。ただし、液晶分子の配向が均一に保てるのであれば、配向膜１８及び１９はなくても良い。
【００２５】
尚、対向基板１３及び１４、プリズム１７の形成材料としては、ガラスまたは樹脂を用いることができる。一例として、ガラス基板上にＵＶ硬化樹脂をインプリントすることによって、プリズム１７を形成することができる。液晶プリズム素子３は、電極４１ａ及び４１ｂを成膜した対向基板１４上にプリズム１７の一次元配列を形成した後、対向基板１４と、電極４０ａ及び４０ｂを成膜した対向基板１３とを貼り合わせ、対向基板１３及び１４の間に液晶を封入することによって作製できる。
【００２６】
液晶プリズム素子３は、外部からの印加電圧の大きさに応じて、透過する光の偏向角度の大きさを制御できる素子である。その原理を簡単に述べる。通常、液晶分子は楕円体形状をしており、長手方向と短手方向とで誘電率が異なる。このため、液晶層２０は、入射光の偏光方向毎に屈折率が異なる複屈折の性質を有する。また、液晶分子の配向（ダイレクタ）の向きが光の偏光方向に対して相対的に変化すれば、液晶層２０の屈折率も変化する。そのため、ある印加電圧を与えて発生させた電場により液晶の配向を変化させると、透過する光に対する屈折率が変わるため、光の屈折角である偏向角が変化する。
【００２７】
一般的に、液晶プリズム素子３等のアクティブ素子で光を偏向させる場合に、偏向角を大きくするためには、Δｎ（＝常光に対する屈折率ｎｏ−異常光に対する屈折率ｎｅ）が大きな液晶材料を用いることが望ましい。しかしながら、市販されている中でΔｎが大きな液晶材料は少なく、一般的に、Δｎは約０．２程度である。
【００２８】
また、同じ液晶材料で用いて液晶プリズムを構成しても配向方向の設計、電場のかけ方が液晶プリズム素子の能力である偏向角や、電力や、スイッチングスピードなどといった素子性能を大きく左右する重要な項眼である。本開示では、最適な液晶の初期配向及び配向回転方向をシミュレーションによって導出した。
【００２９】
図２には、液晶プリズム素子３に電圧を印加した場合の液晶分子の配向（Ｖｏｎ）と、電圧を印加していない場合の液晶分子の初期配向（Ｖｏｆｆ）とが並べて模式的に示されている。電圧が印加されていない場合の初期配向方向は、Ｙ軸方向である。一方電圧が印加された場合は、液晶分子がＸ軸方向に並ぶ。このように、本実施の形態に係る液晶プリズム素子３では、液晶層２０内の液晶分子の配向が変化する際の配向回転軸Ｂは、Ｘ軸と平行、すなわち、画像表示パネル４の表示面と平行で、かつ、画像表示パネル４の左右方向の一辺と平行となる。ただし、プリズム１７の斜面上には配向膜１９が設けられ、電極４０ａ及び４０ｂ上には配向膜１８が設けられているため、これらの近傍の液晶分子の配向は、電圧が印加された場合でも変化はない。
【００３０】
尚、液晶プリズム素子３では、プリズム１７の斜面の傾斜方向が、画面の中心線（平面Ｐ１）を境界にして左右で異なっている。液晶プリズム素子３では、出射光をプリズム１７の傾斜面から遠ざける方向（図２における左上方向に相当）への偏向と比べて、出射光をプリズム１７の傾斜面に近づける方向（図２における右上方向）への偏向の効率が低いという性質がある。そこで、プリズム１７の傾斜面を平面Ｐ１に対して対称とし、プリズム１７の傾斜面を画面の中央部の前方に向けることによって、液晶プリズム素子３は、画面の左端近傍に入射した光を画面の右前方へと効率的に偏向することができ、画面の右端近傍に入射した光を画面の左前方へと効率的に偏向することができる。この場合、液晶プリズム素子３の左右の領域に異なる電圧が印加される。そのために、電極４０ａ及び４０ｂと、電極４１ａ及び４１ｂとは、画面中央で分離されている。
【００３１】
液晶プリズム素子３を透過した光は、画像表示パネル４に入射する。図２には、印加電圧に応じて回転軸Ａを中心に液晶分子が回転する、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ方式の画像表示パネル４が例示されているが、他の方式の画像表示パネルを採用することもできる。画像表示パネル４を透過した光は、指向性を持ち、視聴者の眼の位置に集光される。
【００３２】
画像表示装置１は、右眼用画像と左眼用画像の切り替えに同期させて、光源７ａ及び７ｂの切り替えを行っている。また、右眼用画像と左眼用画像との切り替えを１２０Ｈｚ以上の周波数で行うことで、ユーザは右眼用画像と左眼用画像とに基づいて立体画像を認識することができる。
【００３３】
＜位置検出部３８の詳細構成＞
位置検出部３８は、カメラ５と視聴位置算出部３９とを含む。カメラ５は、ユーザの画像を所定周期で撮影する。視聴位置算出部３９は、カメラ５によって撮影された画像を解析し、ユーザの視聴位置を表す視聴位置情報を算出する。カメラ５が行う画像解析には、顔や顔の一部（眼や鼻など）の位置を認識する公知のアルゴリズムを利用できる。また、視聴位置算出部３９が求める視聴位置情報は、ユーザの目の位置を表すものであることが好ましいが、眼の位置に代えて顔や鼻等の位置を表しても良い。
【００３４】
制御部６は、視聴位置算出部３９によって求められた視聴位置情報に基づいて、液晶プリズム素子３に印加する電圧値を制御する。より詳細には、ユーザの視聴位置が、図１Ａに示すように、画面中央から右方向に移動した場合、印加電圧を大きくし、液晶層２０の屈折率をプリズム１７の屈折率より小さくすることによって、プリズム１７からの出射光をユーザから見て右方向に偏向させる。このとき、領域Ｒ１への印加電圧を、領域Ｒ２への印加電圧より小さくすることによって、領域Ｒ１の偏向角と右側の偏向角とを揃えることができる。逆に、ユーザの視聴位置が、図１Ａに示すように、画面中央から右方向に移動した場合、印加電圧を大きくし、液晶層２０の屈折率をプリズム１７の屈折率より大きくすることによって、プリズム１７からの出射光をユーザから見て左方向に偏向させる。このとき、領域Ｒ２への印加電圧を、領域Ｒ１への印加電圧より大きくすることによって、領域Ｒ１の偏向角と右側の偏向角とを揃えることができる。
【００３５】
尚、印加電圧に対する液晶プリズム素子３の偏向角及び光の集光点の位置情報は設計段階で想定できるため、予め印加電圧と位置情報とを関連付けたデータを用意し、画像表示装置１が備える記憶装置に格納しておけば良い。また、製品完成後、キャリブレーションを行って、集光点の位置の補正を行っても良い。
【００３６】
以上で説明した視聴位置情報に基づく偏向制御を所定の周期毎に繰り返し行うことによって、画像表示装置１に対して視聴者が自由に移動した場合でも、任意の場所で、立体画像を視聴することが可能となる。よって、本開示によれば、視域の広い画像表示装置を実現できる。また、光を視聴者の目の位置に集光させることで、高輝度かつ省エネの画像表示装置１を実現できる。
【００３７】
＜その他の変形例＞
尚、本実施の形態では、光源７ａ及び７ｂで共用されているが、光源７ａ用の導光板と光源７ｂ用の導光板とを設け、２枚の導光板を重ねて配置しても良い。
【００３８】
また、プリズムとレンチキュラーレンズとが一体になった制御フィルム１０に代えて、プリズムシート及びレンチキュラーレンズシートを別個に設けても良い。
【００３９】
更に、バックライト２は、図１Ａ及び１Ｂに記載された構成に限定されず、左右の画像信号の切り替えと同期して、右眼用の光と左眼用の光とを時分割で交互に出射できるものであれば、他の構成を採用しても良い。
【００４０】
更に、本実施の形態では、液晶プリズム素子３内のプリズム１７の傾斜面の向きを領域Ｒ１及びＲ２で異ならせ、平面Ｐ１に対して対称となるように構成しているが、プリズムの傾斜面の向きを液晶プリズム素子３全体で一定としても良い。この場合、本実施の形態のように、液晶プリズム素子３の領域Ｒ１及びＲ２で電極を分ける代わりに、表示画面全領域にわたって、１つの電極を設ける。しかしながら、配向変化に対する光線の偏向角及び透過効率の面で、２つの領域Ｒ１及びＲ２に分けてプリズム１７及び電極を設けることがより好ましい。
【００４１】
更に、本実施の形態では、視差のある右眼用画像及び左眼用画像を時分割で表示する立体画像表示装置を例として説明したが、視差のない画像を表示しても良い。この場合、光源７ａ及び７ｂを交互に点滅させる代わりに、常時点灯させる。３次元画像に限らず、二次元画像を表示する際にも、視聴者の動きに追従して、視聴者の眼付近にのみ画像を縮小投影させることにより、省エネだけでなく、周辺の人から表示されている内容を覗かれることも防止でき、プライバシー保護も向上できる。
【００４２】
更に、本実施の形態では、画像表示パネルとバックライト装置との間に配置され、入射光を偏向させる第１の光学素子として、液晶プリズム素子３内のプリズム１７を用い、画像表示パネルとバックライト装置との間に配置され、印加される電圧に応じて屈折率を変化させることにより出射光の偏向方向を変化させる第２の光学素子として、液晶プリズム素子内の液晶素子を用いている。ただし、プリズム１７等の光学素子と、液晶素子とは、必ずしも液晶プリズム素子として一体化されている必要はなく、それぞれを分離して設けても良い。また、第１の光学素子は、必ずしもプリズムである必要はなく、レンチキュラーレンズや液晶素子でも良い。
【実施例】
【００４３】
（実施例１）
図３は、実施例１に係る液晶プリズム素子の構成を示す図である。実施例１に係る液晶プリズム素子３は、対向基板１３及び１４の内面に電極４０及び４１が形成され、電圧印加時に厚み方向に電界Ｅを生じる構成である。【００４４】
図４は、図３に示す液晶プリズム素子に関するダイレクタの計算結果を示す図である。より詳細には、図４（ａ）、４（ｂ）、４（ｃ）は、それぞれ、印加電圧が０Ｖ、１０Ｖ、２０Ｖのときの液晶分子の配向分布（ダイレクタ）を示す。【００４５】
図４（ａ）に示すように、印加電圧が０Ｖの状態、すなわち、初期状態では、液晶分子は図４の紙面に垂直な方向（図３のＹ軸方向）に配向している。次に、１０Ｖまたは２０Ｖの電圧を印加すると、図４（ｂ）及び４（ｃ）に示すように、液晶分子が回転して配向状態が変化する。図４（ｂ）に示す状態と比べて、図４（ｃ）に示す状態では、液晶層２０のより広い範囲で液晶分子の配向を変化させることができる。したがって、印加電圧を大きくするほど、透過光に対する屈折率を大きくすることができ、この結果、偏向角を大きくすることができる。【００４６】
（比較例１）
図５は、比較例１に係る液晶プリズム素子の構成を示す図である。比較例１に係る液晶プリズム素子は、実施例１と同一の対向基板１３及び１４、プリズム１７、液晶層２０を備えるが、基板１３の内面に一対の電極４２及び４３が形成され、電圧印加時に液晶プリズム素子の平面方向（図５の左右方向）に電界Ｅ’を生じる点で実施例１と異なる。【００４７】
図６は、比較例１に係る液晶プリズム素子に関するダイレクタの計算結果を示す図である。より詳細には、図６（ａ）、６（ｂ）、６（ｃ）は、それぞれ、印加電圧が０Ｖ、１０Ｖ、５０Ｖのときの液晶分子の配向分布（ダイレクタ）を示す。【００４８】
実施例１と同様に、印加電圧が０Ｖの状態、すなわち、初期状態では、液晶分子は図６（ａ）に示すように、紙面に垂直な方向（図５のＹ軸方向）に配向している。次に、１０Ｖまたは５０Ｖの電圧を印加すると、図６（ｂ）及び６（ｃ）に示すように、液晶分子が回転して配向状態が変化する。このとき、液晶分子は、その長軸が電界Ｅ’の向きに沿うように配向するが、液晶層２０のうち、電極から離れた部分（破線で囲んだ部分）には、十分な電界が生じないため、液晶の配向が十分に変化していない。したがって、図５に示す比較例１の構成では、液晶層の屈折率変化を大きくすることが難しく、それ故、偏向角を大きくすることができない。【００４９】
（実施例２）
図７は、実施例２に係る液晶プリズム素子の構成を示す図である。図７に示す液晶プリズムは、対向基板２７及び２８と、対向基板２７の内面に設けられた電極２９と、対向電極２８の内面に設けられた電極３０と、電極３０上に形成されたプリズム３２と、プリズム３２と対向基板２７との間に封入された液晶層３１と、プリズム３２の表面に設けられた配向膜３３と、電極２９の表面に設けられた配向膜３４とを備える。【００５０】
図８は、実施例２に係る液晶プリズム素子構成に関する屈折率の計算結果を示す図である。より詳細には、図８（ａ）は、図７のＡ−Ａ’線上の位置と当該位置での液晶層の屈折率との関係を、電圧を様々に変えてシミュレーションした結果を示し、図８（ｂ）は、液晶分子の配向方向を図２と同様の記載方法で記載したものである。【００５１】
実施例２では、図８（ｂ）に示すように、印加電圧が０Ｖの初期状態では、液晶分子が対向基板２７及びプリズム３２の斜面の両方に対して平行で、かつ、紙面と直交する方向に配向されるように配向膜３３及び３４に配向処理が施されている。【００５２】
図８（ａ）に示すように、プリズム３２の材料屈折率は１．６であり、液晶層の屈折率は印加電圧に応じて変化している。印加電圧が０Ｖ及び１００Ｖのときに、プリズムの材料屈折率との差が大きくなり、透過光に対する偏向角を大きくすることができる。【００５３】
（比較例２及び３）
図９及び１０は、比較例２及び３に係る液晶プリズム素子構成に関する屈折率の計算結果を示す図である。より詳細には、図９（ａ）及び１０（ａ）は、図７のＡ−Ａ’線上の位置と当該位置での液晶層の屈折率との関係を、電圧を様々に変えてシミュレーションした結果を示し、図９（ｂ）及び１０（ｂ）は、液晶分子の配向方向を図２と同様の記載方法で記載したものである。【００５４】
比較例２に係る液晶プリズムの基本的な構成は、図７に示した実施例２と同じであるが、配向膜３３及び３４に代えて、配向膜２３及び２４を備える点で実施例２と異なる。具体的には、図９（ｂ）に示すように、配向膜２４は、液晶分子を対向基板２７に対して平行で、かつ、紙面の左右方向に配向させる。配向膜２３は、液晶分子をプリズム３２の斜面に対して垂直に配向させる。【００５５】
図９（ａ）に示すように、印加電圧が０Ｖの初期状態において、プリズム３２の斜面近傍の液晶層の屈折率は約１．６５であるが、対向基板２７近傍の液晶層の屈折率は約１．７である。したがって、印加電圧が０Ｖのときにおける液晶層３１による偏向角は、実施例２と比べて小さくなる。【００５６】
比較例３に係る液晶プリズムの基本的な構成は、図７に示した実施例２と同じであるが、配向膜３３及び３４に代えて、配向膜２５及び２６を備える点で実施例２と異なる。具体的には、配向膜２６は、図１０（ｂ）に示すように、液晶分子を対向基板２７に対して平行で、かつ、紙面の左右方向に配向させる。配向膜２５は、液晶分子をプリズム３２の斜面に対して平行で、かつ、紙面と平行な方向に配向させる。【００５７】
図１０（ａ）に示すように、印加電圧が０Ｖの初期状態において、プリズム３２の斜面近傍の液晶層の屈折率は約１．５２５であるが、対向基板２７近傍の液晶層の屈折率は約１．７である。したがって、印加電圧が０Ｖのときにおける液晶層３１による偏向角は、実施例２と比べて小さくなる。【００５８】
実施例２と比較例２及び３との対比から、印加電圧が０Ｖの初期状態において、液晶プリズムの稜線方向（図７のＹ軸方向）に液晶分子を配向させ、配向回転軸をプリズム３２の稜線と直交させた場合に、最も偏向角を大きくできることが確認された。【００５９】
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態及び実施例を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。【００６０】
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。【００６１】
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本開示は、高輝度、高効率、高解像度の画像表示装置に適用できる。また、本開示は、３次元画像の表示用途だけでなく、２次元画像の表示用途にも広く適用することができる。具体的には、本開示は、３Ｄ液晶表示装置やプライバシーディスプレイ等に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１  画像表示装置
２  バックライト
３  液晶プリズム素子
４  画像表示パネル
５  カメラ
６  制御部
７a、７ｂ  光源
８  反射フィルム
９  導光板
１０  光制御フィルム
１３、２８  対向基板
１４、２７  対向基板
１７、３２  プリズム
１８、１９、２３、２４、２５、２６、３３、３４  配向膜
２０、３１  液晶層
【図１Ａ】
2013073147.tif 000003
【図１Ｂ】
2013073147.tif 000004
【図２】
2013073147.tif 000005
【図３】
2013073147.tif 000006
【図４】
2013073147.tif 000007
【図５】
2013073147.tif 000008
【図６】
2013073147.tif 000009
【図７】
2013073147.tif 000010
【図８】
2013073147.tif 000011
【図９】
2013073147.tif 000012
【図１０】
2013073147.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成26年4月30日(2014.4.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示パネルと、前記画像表示パネルの背面側に配置されるバックライト装置と、前記画像表示パネルと前記バックライト装置との間に配置され、入射光を偏向させる第１の光学素子と、前記画像表示パネルと前記バックライト装置との間に配置され、印加される電圧に応じて屈折率を変化させることにより出射光の偏向方向を変化させる第２の光学素子と、ユーザの位置を検出する位置検出部と、前記位置検出部によって検出されたユーザの位置情報に基づいて前記第２の光学素子に印加する電圧を制御する制御部とを備え、
前記第１の光学素子及び第２の光学素子は液晶プリズム素子により構成され、
前記液晶プリズム素子において、第１の光学素子は、一対の対向基板の間に配置され、かつ三角形状の断面及び前記画像表示パネルの一辺と平行な第１の方向に延びる稜線を有する複数のプリズムが、前記第１の方向と直交する第２の方向に並列に配置されることにより構成され、
前記液晶プリズム素子において、第２の光学素子は、前記複数のプリズムと前記対向基板の一方との間に形成される液晶層と、前記対向基板の各々の内面に設けられる電極とを含み、電圧が印加されたときに厚み方向の電界を発生させる液晶素子により構成され、
さらに前記液晶プリズム素子は、前記第２の方向に隣接する第１の領域及び第２の領域に区分し、前記第１の領域に配置される前記プリズムの断面形状と、前記第２の領域に配置される前記プリズムの断面形状は、前記画像表示パネルの表示面と直交し、第１の領域及び第２の領域の境界を通過する平面に対して対称となるように構成した画像表示装置。
【請求項２】
前記バックライト装置は、一対の側面を有し、前記側面から入射された光を出射面に導く導光板と、前記側面の一方に対向するように配置される第１の光源と、前記側面の他方に対向するように配置される第２の光源とを備えた請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記画像表示パネルは、視差が与えられた右眼用画像信号及び左眼用画像信号が時分割で交互に入力され、前記第１の光源は、右眼用画像を表示するための照明光を出射し、前記第２の光源は、左眼用画像を表示するための照明光を出射し、前記右眼用画像信号と前記左眼用画像信号との切り替えに同期して、前記第１の光源及び前記第２の光源が交互に点灯するように構成した請求項２に記載の画像表示装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、液晶ディスプレイなどの画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、立体的な画像を表示することができる表示装置が普及している。例えば、特許文献１は、画像表示装置とレンチキュラーレンズとプリズムシートとを備えた立体画像表示装置を開示している。より詳細には、特許文献１では、立体画像表示装置から見て斜め方向（ユーザ側）に表示光を偏向させることによって、画面がほぼ水平となるように配置した立体画像表示装置の表示像を良好な画質で視聴できるようにすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９３１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、広い視域を確保することができる画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示における画像表示装置は、画像表示パネルと、画像表示パネルの背面側に配置されるバックライト装置と、画像表示パネルとバックライト装置との間に配置され、入射光を偏向させる第１の光学素子と、画像表示パネルとバックライト装置との間に配置され、印加される電圧に応じて屈折率を変化させることにより出射光の偏向方向を変化させる第２の光学素子と、ユーザの位置を検出する位置検出部と、位置検出部によって検出されたユーザの位置情報に基づいて第２の光学素子に印加する電圧を制御する制御部とを備え、第１の光学素子及び第２の光学素子は液晶プリズム素子により構成され、液晶プリズム素子において、第１の光学素子は、一対の対向基板の間に配置され、かつ三角形状の断面及び画像表示パネルの一辺と平行な第１の方向に延びる稜線を有する複数のプリズムが、第１の方向と直交する第２の方向に並列に配置されることにより構成され、液晶プリズム素子において、第２の光学素子は、複数のプリズムと対向基板の一方との間に形成される液晶層と、対向基板の各々の内面に設けられる電極とを含み、電圧が印加されたときに厚み方向の電界を発生させる液晶素子により構成され、さらに液晶プリズム素子は、第２の方向に隣接する第１の領域及び第２の領域に区分し、第１の領域に配置されるプリズムの断面形状と、第２の領域に配置されるプリズムの断面形状は、画像表示パネルの表示面と直交し、第１の領域及び第２の領域の境界を通過する平面に対して対称となるように構成したものである。
【発明の効果】
【０００６】
本開示における画像表示装置は、従来よりも十分な視野角を得るのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】実施の形態に係る画像表示装置の概略構成図
【図１Ｂ】図１Ａに示す画像表示装置の一部の分解斜視図
【図２】実施の形態に係る液晶プリズム素子及び画像表示パネルの構成例を示す図
【図３】実施例１に係る液晶プリズム素子の構成を示す図
【図４】実施例１に係る液晶プリズム素子に関するダイレクタの計算結果を示す図
【図５】比較例１に係る液晶プリズム素子の構成を示す図
【図６】比較例１に係る液晶プリズム素子に関するダイレクタの計算結果を示す図
【図７】実施例２に係る液晶プリズム素子の構成を示す図
【図８】実施例２に係る液晶プリズム素子構成に関する屈折率の計算結果を示す図
【図９】比較例２に係る液晶プリズム素子構成に関する屈折率の計算結果を示す図
【図１０】比較例３に係る液晶プリズム素子構成に関する屈折率の計算結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。また、図面は、理解しやすくするために、主要な構成要素を模式的に示している。
【０００９】
なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１０】
＜画像表示装置１の全体構成＞
図１Ａは、実施の形態に係る画像表示装置１の概略断面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示す画像表示装置１の一部の分解斜視図である。尚、図１Ａにおいては、図１Ｂに記載の電極４０ａ、４０ｂ、４１ａ、４１ｂの記載が省略されている。
【００１１】
本実施の形態では、画像表示装置１に対して３次元直交座標系を設定し、座標軸を用いて方向を特定する。図１Ａ及び１Ｂに示すように、Ｘ軸方向は、画像表示パネル４の表示面に対してユーザが正対したときの左右方向（水平方向）と一致している。Ｙ軸方向は、画像表示パネル４の表示面に対してユーザが正対したときの上下方向に一致している。Ｚ軸方向は、画像表示パネル４の表示面に対して垂直な方向に一致している。ここで、「正対」とは、例えば表示面に「Ａ」という文字が表示されている場合において、ユーザがこの「Ａ」という文字を正しい方向から見るように、表示面の真正面に向かって位置していることを意味する。また、図１Ａ及び１Ｂは、画像表示装置１の上側から見た図に相当する。したがって、図１Ａ及び１Ｂの左側が、視聴者から見た表示画面の右側となる。
【００１２】
画像表示装置１は、光源切替型のバックライト２と、液晶プリズム素子３と、右眼用画像及び左眼用画像を交互に切り替えながら表示する画像表示パネル４と、画像表示装置１を使用しているユーザの位置検出を行う位置検出部３８と、検出されたユーザの位置情報に基づいて、液晶プリズム素子３へ出力する液晶駆動電圧を制御する制御部６とから構成される。以下、各構成に対してそれぞれ詳細を述べる。
【００１３】
＜バックライト２の詳細構成＞
バックライト２は、互いに対向する光源７ａ及び７ｂと、反射フィルム８と、導光板９と、光制御フィルム１０とで構成される。反射フィルム８は導光板９の下面側に設けられており、光制御フィルム１０は導光板９の上面側に設けられている。
【００１４】
光源７ａ及び７ｂは、導光板９の一対の側面のそれぞれに沿って配置されており、Ｘ軸方向において互いに対向している。光源７ａは、導光板９の左側面に配置されており、光源７ｂは導光板９の右側面に配置されている。光源７ａ及び７ｂは、それぞれＹ軸方向に配列された複数のＬＥＤ素子を有している。光源７ａ及び７ｂは、画像表示パネル４に表示される左眼用画像及び右眼用画像の切り替えに同期して、交互に点灯及び点滅を繰り返す。すなわち、画像表示パネル４が右眼用画像を表示する場合は、光源７ａが点灯して光源７ｂが消灯し、画像表示パネル４が左眼用画像を表示する場合は、光源７ａが消灯して光源７ｂが点灯する。
【００１５】
光源７ａ及び７ｂから出射された光は、導光板９の上面と下面とで全反射を繰り返しながら導光板９内に広がる。導光板９内で全反射角度を超える角度を持った光が導光板９の上面から出射される。導光板９の下面は、図１Ａ及び１Ｂに示すように、複数の傾斜面３５により構成されている。これらの傾斜面３５により、導光板９内を伝搬する光は様々な方向に反射されるので、導光板９から出射する光の強度が上面全体にわたって均一になる。
【００１６】
反射フィルム８は、導光板９の下面側に設けられている。導光板９の下面に設けられた傾斜面３５の全反射角度を破った光は、反射フィルム８により反射され、再び導光板９内に入射し、最終的に上面から出射される。導光板９から出射された光は、光制御フィルム１０に入射する。
【００１７】
光制御フィルム１０の下面には、三角形状の断面及びＹ軸方向に延びる稜線を有する複数のプリズム３６が、Ｘ軸方向に並列に配置されている。すなわち、光制御フィルム１０の下面には、三角形状の断面を有するプリズム３６が１次元アレイ配置されている。また、光制御フィルム１０の上面には、Ｙ軸方向に延びる複数のシリンドリカルレンズ３７がＸ軸方向に並列に配置されている。すなわち、光制御フィルム１０の上面には、レンチキュラーレンズが形成されている。
【００１８】
光制御フィルム１０の下面に入射した光は、プリズム３６によりＺ軸方向に立ち上げられ、上面のレンチキュラーレンズにより集光され、液晶プリズム素子３に入射する。
【００１９】
＜液晶プリズム素子３の詳細構成＞
図２は、実施の形態に係る液晶プリズム素子及び画像表示パネルの構成例を示す図である。以下、図１Ａ、１Ｂ及び２を併せて参照しながら、液晶プリズム素子３の詳細を説明する。
【００２０】
液晶プリズム素子３は、左側の光源７ａから出射され、導光板９及び光制御フィルム１０を通じて入射した光が、ユーザの右眼の位置に集光するように、偏光方向を制御する。また、右側の光源７ｂから出射され、導光板９及び光制御フィルム１０を通じて入射した光が、ユーザの左眼の位置に集光するように、偏光方向を制御する。
【００２１】
より詳細には、液晶プリズム素子３は、一対の対向基板１３及び１４と、対向基板１３及び１４の間に封入される複数のプリズム１７及び液晶層２０と、対向基板１３の内面に設けられる電極４０ａ及び４０ｂと、対向基板１４の内面に設けられる電極４１ａ及び４１ｂとを備える。
【００２２】
プリズム１７は、三角形の断面とＹ軸方向に延びる稜線とを有する三角柱形状を有する。図１及び２から理解されるように、複数のプリズム１７が、電極４１ａ及び４１ｂ上にＸ軸方向に並べて設けられている。複数のプリズム１７の断面形状は、左右対称となるように構成されている。説明を容易にするために、プリズム１７の形成領域を図１Ａ及び１Ｂにおける左半分及び右半分に二分し、左側の領域をＲ１、領域Ｒ１とＸ軸方向に隣接する右側の領域をＲ２とする。また、領域Ｒ１及びＲ２の境界線（中央線）を通過し、かつ、画像表示パネル４の表示面と直交する平面を、Ｐ１とする。ＸＺ平面と平行な平面上で見たときに、領域Ｒ１に配置されるプリズム１７の断面形状と、領域Ｒ２に配置されるプリズム１７の断面形状とは、図１Ａ及び１Ｂに示すように、平面Ｐ１に対して対称となるように設計されている。
【００２３】
電極４０ａは、対向基板１３の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４０ｂは、対向基板１３の内面の領域Ｒ２に形成されている。同様に、電極４１ａは、対向基板１４の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４１ｂは、対向基板１４の内面の領域Ｒ２に形成されている。
【００２４】
更に、プリズム１７の表面上及び電極４０ａ及び４０ｂ上には、液晶分子の配向方向を所望の方向に制御するための配向処理を施した配向膜１８及び１９が設けられている。配向膜１８及び１９は、電極４０ａ、４０ｂ、４１ａ、４１ｂに電圧が印加されていない状態で、液晶分子の長軸がＹ軸方向となるように液晶分子を配向させる。ただし、液晶分子の配向が均一に保てるのであれば、配向膜１８及び１９はなくても良い。
【００２５】
尚、対向基板１３及び１４、プリズム１７の形成材料としては、ガラスまたは樹脂を用いることができる。一例として、ガラス基板上にＵＶ硬化樹脂をインプリントすることによって、プリズム１７を形成することができる。液晶プリズム素子３は、電極４１ａ及び４１ｂを成膜した対向基板１４上にプリズム１７の一次元配列を形成した後、対向基板１４と、電極４０ａ及び４０ｂを成膜した対向基板１３とを貼り合わせ、対向基板１３及び１４の間に液晶を封入することによって作製できる。
【００２６】
液晶プリズム素子３は、外部からの印加電圧の大きさに応じて、透過する光の偏向角度の大きさを制御できる素子である。その原理を簡単に述べる。通常、液晶分子は楕円体形状をしており、長手方向と短手方向とで誘電率が異なる。このため、液晶層２０は、入射光の偏光方向毎に屈折率が異なる複屈折の性質を有する。また、液晶分子の配向（ダイレクタ）の向きが光の偏光方向に対して相対的に変化すれば、液晶層２０の屈折率も変化する。そのため、ある印加電圧を与えて発生させた電場により液晶の配向を変化させると、透過する光に対する屈折率が変わるため、光の屈折角である偏向角が変化する。
【００２７】
一般的に、液晶プリズム素子３等のアクティブ素子で光を偏向させる場合に、偏向角を大きくするためには、Δｎ（＝常光に対する屈折率ｎｏ−異常光に対する屈折率ｎｅ）が大きな液晶材料を用いることが望ましい。しかしながら、市販されている中でΔｎが大きな液晶材料は少なく、一般的に、Δｎは約０．２程度である。
【００２８】
また、同じ液晶材料で用いて液晶プリズムを構成しても配向方向の設計、電場のかけ方が液晶プリズム素子の能力である偏向角や、電力や、スイッチングスピードなどといった素子性能を大きく左右する重要な項眼である。本開示では、最適な液晶の初期配向及び配向回転方向をシミュレーションによって導出した。
【００２９】
図２には、液晶プリズム素子３に電圧を印加した場合の液晶分子の配向（Ｖｏｎ）と、電圧を印加していない場合の液晶分子の初期配向（Ｖｏｆｆ）とが並べて模式的に示されている。電圧が印加されていない場合の初期配向方向は、Ｙ軸方向である。一方電圧が印加された場合は、液晶分子がＸ軸方向に並ぶ。このように、本実施の形態に係る液晶プリズム素子３では、液晶層２０内の液晶分子の配向が変化する際の配向回転軸Ｂは、Ｘ軸と平行、すなわち、画像表示パネル４の表示面と平行で、かつ、画像表示パネル４の左右方向の一辺と平行となる。ただし、プリズム１７の斜面上には配向膜１９が設けられ、電極４０ａ及び４０ｂ上には配向膜１８が設けられているため、これらの近傍の液晶分子の配向は、電圧が印加された場合でも変化はない。
【００３０】
尚、液晶プリズム素子３では、プリズム１７の斜面の傾斜方向が、画面の中心線（平面Ｐ１）を境界にして左右で異なっている。液晶プリズム素子３では、出射光をプリズム１７の傾斜面から遠ざける方向（図２における左上方向に相当）への偏向と比べて、出射光をプリズム１７の傾斜面に近づける方向（図２における右上方向）への偏向の効率が低いという性質がある。そこで、プリズム１７の傾斜面を平面Ｐ１に対して対称とし、プリズム１７の傾斜面を画面の中央部の前方に向けることによって、液晶プリズム素子３は、画面の左端近傍に入射した光を画面の右前方へと効率的に偏向することができ、画面の右端近傍に入射した光を画面の左前方へと効率的に偏向することができる。この場合、液晶プリズム素子３の左右の領域に異なる電圧が印加される。そのために、電極４０ａ及び４０ｂと、電極４１ａ及び４１ｂとは、画面中央で分離されている。
【００３１】
液晶プリズム素子３を透過した光は、画像表示パネル４に入射する。図２には、印加電圧に応じて回転軸Ａを中心に液晶分子が回転する、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎ
ｇ方式の画像表示パネル４が例示されているが、他の方式の画像表示パネルを採用することもできる。画像表示パネル４を透過した光は、指向性を持ち、視聴者の眼の位置に集光される。
【００３２】
画像表示装置１は、右眼用画像と左眼用画像の切り替えに同期させて、光源７ａ及び７ｂの切り替えを行っている。また、右眼用画像と左眼用画像との切り替えを１２０Ｈｚ以上の周波数で行うことで、ユーザは右眼用画像と左眼用画像とに基づいて立体画像を認識することができる。
【００３３】
＜位置検出部３８の詳細構成＞
位置検出部３８は、カメラ５と視聴位置算出部３９とを含む。カメラ５は、ユーザの画像を所定周期で撮影する。視聴位置算出部３９は、カメラ５によって撮影された画像を解析し、ユーザの視聴位置を表す視聴位置情報を算出する。カメラ５が行う画像解析には、顔や顔の一部（眼や鼻など）の位置を認識する公知のアルゴリズムを利用できる。また、視聴位置算出部３９が求める視聴位置情報は、ユーザの目の位置を表すものであることが好ましいが、眼の位置に代えて顔や鼻等の位置を表しても良い。
【００３４】
制御部６は、視聴位置算出部３９によって求められた視聴位置情報に基づいて、液晶プリズム素子３に印加する電圧値を制御する。より詳細には、ユーザの視聴位置が、図１Ａに示すように、画面中央から右方向に移動した場合、印加電圧を大きくし、液晶層２０の屈折率をプリズム１７の屈折率より小さくすることによって、プリズム１７からの出射光をユーザから見て右方向に偏向させる。このとき、領域Ｒ１への印加電圧を、領域Ｒ２への印加電圧より小さくすることによって、領域Ｒ１の偏向角と領域Ｒ２の偏向角とを揃えることができる。逆に、ユーザの視聴位置が、図１Ａに示すように、画面中央から左方向に移動した場合、印加電圧を大きくし、液晶層２０の屈折率をプリズム１７の屈折率より大きくすることによって、プリズム１７からの出射光をユーザから見て左方向に偏向させる。このとき、領域Ｒ２への印加電圧を、領域Ｒ１への印加電圧より大きくすることによって、領域Ｒ１の偏向角と領域Ｒ２の偏向角とを揃えることができる。
【００３５】
尚、印加電圧に対する液晶プリズム素子３の偏向角及び光の集光点の位置情報は設計段階で想定できるため、予め印加電圧と位置情報とを関連付けたデータを用意し、画像表示装置１が備える記憶装置に格納しておけば良い。また、製品完成後、キャリブレーションを行って、集光点の位置の補正を行っても良い。
【００３６】
以上で説明した視聴位置情報に基づく偏向制御を所定の周期毎に繰り返し行うことによって、画像表示装置１に対して視聴者が自由に移動した場合でも、任意の場所で、立体画像を視聴することが可能となる。よって、本開示によれば、視域の広い画像表示装置を実現できる。また、光を視聴者の目の位置に集光させることで、高輝度かつ省エネの画像表示装置１を実現できる。
【００３７】
＜その他の変形例＞
尚、本実施の形態では、導光板９は、光源７ａ及び７ｂで共用されているが、光源７ａ用の導光板と光源７ｂ用の導光板とを設け、２枚の導光板を重ねて配置しても良い。
【００３８】
また、プリズムとレンチキュラーレンズとが一体になった制御フィルム１０に代えて、プリズムシート及びレンチキュラーレンズシートを別個に設けても良い。
【００３９】
更に、バックライト２は、図１Ａ及び１Ｂに記載された構成に限定されず、左右の画像信号の切り替えと同期して、右眼用の光と左眼用の光とを時分割で交互に出射できるものであれば、他の構成を採用しても良い。
【００４０】
更に、本実施の形態では、液晶プリズム素子３内のプリズム１７の傾斜面の向きを領域Ｒ１及びＲ２で異ならせ、平面Ｐ１に対して対称となるように構成しているが、プリズムの傾斜面の向きを液晶プリズム素子３全体で一定としても良い。この場合、本実施の形態のように、液晶プリズム素子３の領域Ｒ１及びＲ２で電極を分ける代わりに、表示画面全領域にわたって、１つの電極を設ける。しかしながら、配向変化に対する光線の偏向角及び透過効率の面で、２つの領域Ｒ１及びＲ２に分けてプリズム１７及び電極を設けることがより好ましい。
【００４１】
更に、本実施の形態では、視差のある右眼用画像及び左眼用画像を時分割で表示する立体画像表示装置を例として説明したが、視差のない画像を表示しても良い。この場合、光源７ａ及び７ｂを交互に点滅させる代わりに、常時点灯させる。３次元画像に限らず、二次元画像を表示する際にも、視聴者の動きに追従して、視聴者の眼付近にのみ画像を縮小投影させることにより、省エネだけでなく、周辺の人から表示されている内容を覗かれることも防止でき、プライバシー保護も向上できる。
【００４２】
更に、本実施の形態では、画像表示パネルとバックライト装置との間に配置され、入射光を偏向させる第１の光学素子として、液晶プリズム素子３内のプリズム１７を用い、画像表示パネルとバックライト装置との間に配置され、印加される電圧に応じて屈折率を変化させることにより出射光の偏向方向を変化させる第２の光学素子として、液晶プリズム素子内の液晶素子を用いている。ただし、プリズム１７等の光学素子と、液晶素子とは、必ずしも液晶プリズム素子として一体化されている必要はなく、それぞれを分離して設けても良い。また、第１の光学素子は、必ずしもプリズムである必要はなく、レンチキュラーレンズや液晶素子でも良い。
【実施例】
【００４３】
（実施例１）
図３は、実施例１に係る液晶プリズム素子の構成を示す図である。実施例１に係る液晶プリズム素子３は、対向基板１３及び１４の内面に電極４０及び４１が形成され、電圧印加時に厚み方向に電界Ｅを生じる構成である。
【００４４】
図４は、図３に示す液晶プリズム素子に関するダイレクタの計算結果を示す図である。より詳細には、図４（ａ）、４（ｂ）、４（ｃ）は、それぞれ、印加電圧が０Ｖ、１０Ｖ、２０Ｖのときの液晶分子の配向分布（ダイレクタ）を示す。
【００４５】
図４（ａ）に示すように、印加電圧が０Ｖの状態、すなわち、初期状態では、液晶分子は図４の紙面に垂直な方向（図３のＹ軸方向）に配向している。次に、１０Ｖまたは２０Ｖの電圧を印加すると、図４（ｂ）及び４（ｃ）に示すように、液晶分子が回転して配向状態が変化する。図４（ｂ）に示す状態と比べて、図４（ｃ）に示す状態では、液晶層２０のより広い範囲で液晶分子の配向を変化させることができる。したがって、印加電圧を大きくするほど、透過光に対する屈折率を大きくすることができ、この結果、偏向角を大きくすることができる。
【００４６】
（比較例１）
図５は、比較例１に係る液晶プリズム素子の構成を示す図である。比較例１に係る液晶プリズム素子は、実施例１と同一の対向基板１３及び１４、プリズム１７、液晶層２０を備えるが、基板１３の内面に一対の電極４２及び４３が形成され、電圧印加時に液晶プリズム素子の平面方向（図５の左右方向）に電界Ｅ’を生じる点で実施例１と異なる。
【００４７】
図６は、比較例１に係る液晶プリズム素子に関するダイレクタの計算結果を示す図であ
る。より詳細には、図６（ａ）、６（ｂ）、６（ｃ）は、それぞれ、印加電圧が０Ｖ、１０Ｖ、５０Ｖのときの液晶分子の配向分布（ダイレクタ）を示す。
【００４８】
実施例１と同様に、印加電圧が０Ｖの状態、すなわち、初期状態では、液晶分子は図６（ａ）に示すように、紙面に垂直な方向（図５のＹ軸方向）に配向している。次に、１０Ｖまたは５０Ｖの電圧を印加すると、図６（ｂ）及び６（ｃ）に示すように、液晶分子が回転して配向状態が変化する。このとき、液晶分子は、その長軸が電界Ｅ’の向きに沿うように配向するが、液晶層２０のうち、電極から離れた部分（破線で囲んだ部分）には、十分な電界が生じないため、液晶の配向が十分に変化していない。したがって、図５に示す比較例１の構成では、液晶層の屈折率変化を大きくすることが難しく、それ故、偏向角を大きくすることができない。
【００４９】
（実施例２）
図７は、実施例２に係る液晶プリズム素子の構成を示す図である。図７に示す液晶プリズム素子は、対向基板２７及び２８と、対向基板２７の内面に設けられた電極２９と、対向基板２８の内面に設けられた電極３０と、電極３０上に形成されたプリズム３２と、プリズム３２と対向基板２７との間に封入された液晶層３１と、プリズム３２の表面に設けられた配向膜３３と、電極２９の表面に設けられた配向膜３４とを備える。
【００５０】
図８は、実施例２に係る液晶プリズム素子構成に関する屈折率の計算結果を示す図である。より詳細には、図８（ａ）は、図７のＡ−Ａ’線上の位置と当該位置での液晶層の屈折率との関係を、電圧を様々に変えてシミュレーションした結果を示し、図８（ｂ）は、液晶分子の配向方向を図２と同様の記載方法で記載したものである。
【００５１】
実施例２では、図８（ｂ）に示すように、印加電圧が０Ｖの初期状態では、液晶分子が対向基板２７及びプリズム３２の斜面の両方に対して平行で、かつ、紙面と直交する方向に配向されるように配向膜３３及び３４に配向処理が施されている。
【００５２】
図８（ａ）に示すように、プリズム３２の材料屈折率は１．６であり、液晶層の屈折率は印加電圧に応じて変化している。印加電圧が０Ｖ及び１００Ｖのときに、プリズムの材料屈折率との差が大きくなり、透過光に対する偏向角を大きくすることができる。
【００５３】
（比較例２及び３）
図９及び１０は、比較例２及び３に係る液晶プリズム素子構成に関する屈折率の計算結果を示す図である。より詳細には、図９（ａ）及び１０（ａ）は、図７のＡ−Ａ’線上の位置と当該位置での液晶層の屈折率との関係を、電圧を様々に変えてシミュレーションした結果を示し、図９（ｂ）及び１０（ｂ）は、液晶分子の配向方向を図２と同様の記載方法で記載したものである。
【００５４】
比較例２に係る液晶プリズムの基本的な構成は、図７に示した実施例２と同じであるが、配向膜３３及び３４に代えて、配向膜２３及び２４を備える点で実施例２と異なる。具体的には、図９（ｂ）に示すように、配向膜２４は、液晶分子を対向基板２７に対して平行で、かつ、紙面の左右方向に配向させる。配向膜２３は、液晶分子をプリズム３２の斜面に対して垂直に配向させる。
【００５５】
図９（ａ）に示すように、印加電圧が０Ｖの初期状態において、プリズム３２の斜面近傍の液晶層の屈折率は約１．６５であるが、対向基板２７近傍の液晶層の屈折率は約１．７である。したがって、印加電圧が０Ｖのときにおける液晶層３１による偏向角は、実施例２と比べて小さくなる。
【００５６】
比較例３に係る液晶プリズムの基本的な構成は、図７に示した実施例２と同じであるが、配向膜３３及び３４に代えて、配向膜２５及び２６を備える点で実施例２と異なる。具体的には、配向膜２６は、図１０（ｂ）に示すように、液晶分子を対向基板２７に対して平行で、かつ、紙面の左右方向に配向させる。配向膜２５は、液晶分子をプリズム３２の斜面に対して平行で、かつ、紙面と平行な方向に配向させる。
【００５７】
図１０（ａ）に示すように、印加電圧が０Ｖの初期状態において、プリズム３２の斜面近傍の液晶層の屈折率は約１．５２５であるが、対向基板２７近傍の液晶層の屈折率は約１．７である。したがって、印加電圧が０Ｖのときにおける液晶層３１による偏向角は、実施例２と比べて小さくなる。
【００５８】
実施例２と比較例２及び３との対比から、印加電圧が０Ｖの初期状態において、液晶プリズムの稜線方向（図７のＹ軸方向）に液晶分子を配向させ、配向回転軸をプリズム３２の稜線と直交させた場合に、最も偏向角を大きくできることが確認された。
【００５９】
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態及び実施例を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
【００６０】
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【００６１】
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本開示は、高輝度、高効率、高解像度の画像表示装置に適用できる。また、本開示は、３次元画像の表示用途だけでなく、２次元画像の表示用途にも広く適用することができる。具体的には、本開示は、３Ｄ液晶表示装置やプライバシーディスプレイ等に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１  画像表示装置
２  バックライト
３  液晶プリズム素子
４  画像表示パネル
５  カメラ
６  制御部
７a、７ｂ  光源
８  反射フィルム
９  導光板
１０  光制御フィルム
１３、２８  対向基板
１４、２７  対向基板
１７、３２  プリズム
１８、１９、２３、２４、２５、２６、３３、３４  配向膜
２０、３１  液晶層
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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