(57)【要約】【課題】２次元表示と３次元表示とを切り替え可能であると共に、３次元表示の方式を裸眼方式と眼鏡方式とに切り替えることができるようにする。【解決手段】２次元表示部（表示パネル２）に２次元表示用の画像表示を行った状態で可変レンズアレイ素子１によるレンズ効果をオフ状態にすることで２次元表示を行う。２次元表示部に３次元表示用の左眼用画像と右眼用画像とを表示した状態で可変レンズアレイ素子１によるレンズ効果をオン状態にすることで、裸眼方式による３次元表示を行う。２次元表示部に３次元表示用の左眼用画像と右眼用画像とを表示した状態で可変レンズアレイ素子１によるレンズ効果をオフ状態にし、偏光状態変換部５によって左眼用画像による光を第１の偏光状態にすると共に右眼用画像による光を第２の偏光状態に変換して出射し、変換後の左眼用画像と右眼用画像とを偏光眼鏡を介して観察することで眼鏡方式による３次元表示を行う。【選択図】図１
2011107589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元表示用の画像表示と３次元表示用の画像表示とを行い、３次元表示用の画像表示を行う場合には、互いに視差のある左眼用画像と右眼用画像とを空間的に分割して１画面内に表示する２次元表示部と、
前記２次元表示部に対向配置され、前記２次元表示部に表示された画像による光を、所定の画像領域ごとに互いに偏光状態が異なる第１の偏光状態と第２の偏光状態とに変換する偏光状態変換部と、
前記偏光状態変換部の光出射側、または前記２次元表示部と前記偏光状態変換部との間に配置されると共に、前記２次元表示部に表示された画像による光線に対するレンズ効果をオン状態とオフ状態とに可変制御することが可能に構成された可変レンズアレイ素子と、
前記第１の偏光状態とされた光のみを透過する第１の偏光フィルタと前記第２の偏光状態とされた光のみを透過する第２の偏光フィルタとを有する偏光眼鏡と
を備え、
前記２次元表示部に２次元表示用の画像表示を行った状態で前記可変レンズアレイ素子によるレンズ効果をオフ状態にし、前記２次元表示部からの表示画像光を前記可変レンズアレイ素子で屈折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２次元表示部に３次元表示用の左眼用画像と右眼用画像とを表示した状態で前記可変レンズアレイ素子によるレンズ効果をオン状態にし、前記２次元表示部に表示された前記左眼用画像による光線と前記右眼用画像による光線とを裸眼による立体視が可能となるように屈折させて光学的に分離することで、裸眼方式による３次元表示を行い、
前記２次元表示部に３次元表示用の左眼用画像と右眼用画像とを表示した状態で前記可変レンズアレイ素子によるレンズ効果をオフ状態にし、前記可変レンズアレイ素子では前記左眼用画像による光線と前記右眼用画像による光線とを屈折させることなく透過させる一方、前記偏光状態変換部では前記左眼用画像による光を前記第１の偏光状態にすると共に前記右眼用画像による光を前記第２の偏光状態となるように変換して出射し、その変換後の左眼用画像と右眼用画像とを前記偏光眼鏡を介して観察することで眼鏡方式による３次元表示を行う
ようになされている立体表示装置。
【請求項２】
前記２次元表示部は、前記裸眼方式による３次元表示を行う場合には、前記左眼用画像と前記右眼用画像とが水平方向に交互に現れるような画像表示を行い、前記眼鏡方式による３次元表示を行う場合には、前記左眼用画像と前記右眼用画像とが垂直方向に交互に現れるような画像表示を行うようになされ、
前記偏光状態変換部は、前記２次元表示部に表示された画像による光を、前記眼鏡方式による３次元表示を行う場合における前記左眼用画像と前記右眼用画像とに対応する領域ごとに、垂直方向に交互に偏光状態の変換を行うようになされている
請求項１に記載の立体表示装置。
【請求項３】
前記２次元表示部は、前記裸眼方式による３次元表示を行う場合と前記眼鏡方式による３次元表示を行う場合とのいずれにおいても、前記左眼用画像と前記右眼用画像とが水平方向に交互に現れるような画像表示を行うようになされ、
前記偏光状態変換部は、前記２次元表示部に表示された画像による光を、前記眼鏡方式による３次元表示を行う場合における前記左眼用画像と前記右眼用画像とに対応する領域ごとに、水平方向に交互に偏光状態の変換を行うようになされている
請求項１に記載の立体表示装置。
【請求項４】
前記２次元表示部は、表示した画像による光を特定の方向に偏光した直線偏光の状態で出射するように構成され、
前記偏光状態変換部は、前記２次元表示部から出射された直線偏光の光を第１の円偏光に変換して前記第１の偏光状態として出射する第１の位相差板と、前記直線偏光の光を前記第１の円偏光とは回転方向が異なる第２の円偏光に変換して前記第２の偏光状態として出射する第２の位相差板とを有する
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の立体表示装置。
【請求項５】
前記２次元表示部は、表示した画像による光を第１の偏光方向に偏光した直線偏光の状態で出射するように構成され、
前記偏光状態変換部は、前記２次元表示部から出射された第１の偏光方向の直線偏光の光を偏光方向を変えることなくそのままの偏光状態で前記第１の偏光状態として出射する透過部と、前記第１の偏光方向の直線偏光の光を前記第１の偏光方向とは偏光方向が異なる第２の偏光方向の直線偏光に変換して前記第２の偏光状態として出射する位相差板とを有する
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の立体表示装置。
【請求項６】
前記可変レンズアレイ素子は、
電気的にレンズの屈折力を調整することが可能な複数の可変レンズを含む可変レンチキュラレンズと、
前記複数の可変レンズに対応して設けられた複数の固定レンズを含み、前記複数の固定レンズがそれぞれ、対応する可変レンズが所定の屈折力となったときのその所定の屈折力を相殺するような屈折力を有する固定レンチキュラレンズとを有するものである
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の立体表示装置。
【請求項７】
前記可変レンチキュラレンズは、印加電圧に応じてレンズ効果がオン・オフ制御されるエレクトロウェッティング方式の液体レンチキュラレンズであり、前記複数の可変レンズはそれぞれ、電気的にレンズ効果のオン・オフ制御がなされることにより、屈折力を、屈折力の無い状態と所定の屈折力を有する状態との２つの状態に調整することが可能に構成され、
前記固定レンチキュラレンズにおいて前記複数の固定レンズはそれぞれ、対応する可変レンズのレンズ効果がオン状態となり、前記所定の屈折力となったときのそのレンズ効果を相殺するような屈折力を有し、
前記可変レンチキュラレンズと前記固定レンチキュラレンズとを組み合わせた全体でのレンズ効果が、前記可変レンチキュラレンズのレンズ効果がオン状態となったときにオフ状態となり、前記可変レンチキュラレンズのレンズ効果がオフ状態となったときにオン状態となるように構成されている
請求項６に記載の立体表示装置。
【請求項８】
前記可変レンズアレイ素子は、複数の液晶分子を含む液晶層と、前記液晶層を介して互いに対向配置された第１の電極および第２の電極とを有し、前記第１の電極および前記第２の電極によって印加される電圧の変化に応じて電気的に前記液晶分子の配列を変化させることで、電気的にレンズ効果のオン・オフ制御がなされるものである
請求項１ないし３のいずれか１項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、両眼視差を利用した３次元表示を行う立体表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、観察者の左眼と右眼とに視差のある別々の画像（視差画像）を呈示することで立体視を実現する立体表示装置が知られている。このような立体表示装置の方式としては、眼鏡方式と裸眼方式とがある。眼鏡方式は、立体視用の特殊な眼鏡を装着することで立体視を実現する。特許文献３には、立体視用の眼鏡として、偏光フィルタを用いる方式が開示されている。
【０００３】
一方、裸眼方式は、特殊な眼鏡を装着することなく、裸眼で立体視が可能なものであり、例えばパララックスバリア方式やレンチキュラ方式が知られている。パララックスバリア方式では、視差分離手段としてパララックスバリアと呼ばれる構造物を２次元表示パネルに対向配置し、２次元表示パネルに表示された左右の視差画像をパララックスバリアによって水平方向に視差分離することで立体視が行われる。レンチキュラ方式では、視差分離手段としてレンチキュラレンズを２次元表示パネルに対向配置し、２次元表示パネルに表示された左右の視差画像をレンチキュラレンズによって水平方向に視差分離することで立体視が行われる。また、液晶レンズや液体レンズによる可変式のレンチキュラレンズを用いることで、２次元表示とレンチキュラ方式による３次元表示とを切り替え可能にした表示装置が知られている（特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１０２０３８号公報
【特許文献２】特表２００５−５１７９９１号公報
【特許文献３】特許第３７６７９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、パララックスバリア方式やレンチキュラ方式の場合、立体視できる範囲（視域）が狭いため、観賞する位置や距離が限定され、多人数で同時に観賞できないという問題がある。一方、眼鏡方式の場合、観賞する位置や距離の制約は小さく、多人数で同時に観賞できるものの、専用の眼鏡が必要になるという問題がある。従って、１つの立体表示装置で、観賞人数や視聴環境に応じて３次元表示の方式を切り替えることができれば便利である。
【０００６】
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、２次元表示と３次元表示とを切り替え可能であると共に、３次元表示の方式を裸眼方式と眼鏡方式とに切り替える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】
【０００７】
本発明による立体表示装置は、２次元表示用の画像表示と３次元表示用の画像表示とを行い、３次元表示用の画像表示を行う場合には、互いに視差のある左眼用画像と右眼用画像とを空間的に分割して１画面内に表示する２次元表示部と、２次元表示部に対向配置され、２次元表示部に表示された画像による光を、所定の画像領域ごとに互いに偏光状態が異なる第１の偏光状態と第２の偏光状態とに変換する偏光状態変換部と、偏光状態変換部の光出射側、または２次元表示部と偏光状態変換部との間に配置されると共に、２次元表示部に表示された画像による光線に対するレンズ効果をオン状態とオフ状態とに可変制御することが可能に構成された可変レンズアレイ素子と、第１の偏光状態とされた光のみを透過する第１の偏光フィルタと第２の偏光状態とされた光のみを透過する第２の偏光フィルタとを有する偏光眼鏡とを備えたものである。
そして、２次元表示部に２次元表示用の画像表示を行った状態で可変レンズアレイ素子によるレンズ効果をオフ状態にし、２次元表示部からの表示画像光を可変レンズアレイ素子で屈折させることなく透過させることで２次元表示を行い、２次元表示部に３次元表示用の左眼用画像と右眼用画像とを表示した状態で可変レンズアレイ素子によるレンズ効果をオン状態にし、２次元表示部に表示された左眼用画像による光線と右眼用画像による光線とを裸眼による立体視が可能となるように屈折させて光学的に分離することで、裸眼方式による３次元表示を行うようにしたものである。さらに、２次元表示部に３次元表示用の左眼用画像と右眼用画像とを表示した状態で可変レンズアレイ素子によるレンズ効果をオフ状態にし、可変レンズアレイ素子では左眼用画像による光線と右眼用画像による光線とを屈折させることなく透過させる一方、偏光状態変換部では左眼用画像による光を第１の偏光状態にすると共に右眼用画像による光を第２の偏光状態となるように変換して出射し、その変換後の左眼用画像と右眼用画像とを偏光眼鏡を介して観察することで眼鏡方式による３次元表示を行うようにしたものである。
【０００８】
本発明による立体表示装置では、２次元表示部に２次元表示用の画像表示を行った状態で可変レンズアレイ素子によるレンズ効果をオフ状態にすることで、２次元表示が行われる。また、２次元表示部に３次元表示用の左眼用画像と右眼用画像とを表示した状態で可変レンズアレイ素子によるレンズ効果をオン状態にすることで、裸眼方式による３次元表示が行われる。また、２次元表示部に３次元表示用の左眼用画像と右眼用画像とを表示した状態で可変レンズアレイ素子によるレンズ効果をオフ状態にし、かつ、偏光状態変換部によって左眼用画像による光を第１の偏光状態にすると共に右眼用画像による光を第２の偏光状態となるように変換して出射し、その変換後の左眼用画像と右眼用画像とを偏光眼鏡を介して観察することで眼鏡方式による３次元表示が行われる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の立体表示装置によれば、偏光状態変換部と可変レンズアレイ素子と偏光眼鏡とを適切に組み合わせると共に、２次元表示部に表示された画像内容に応じて可変レンズアレイ素子のレンズ効果をオン状態とオフ状態とに可変制御するようにしたので、２次元表示と３次元表示とを切り替え可能であると共に、３次元表示の方式を裸眼方式と眼鏡方式とに切り替えることができる。これにより、視聴環境に適した３次元表示が可能となる。例えば観賞する人数が１人または２人以上の少数の場合には、裸眼方式による３次元表示で対応可能であり、この場合、３次元表示用の専用眼鏡が不要となる。また、眼鏡方式による３次元表示を行うことで、多人数での観賞や見る位置を自由に選んでの観賞が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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を示す構成図である。
【図２】可変レンズアレイ素子の構造を示す断面図であり、（Ａ）は可変レンズアレイ素子を全体としてレンズ効果をオフした状態、（Ｂ）は可変レンズアレイ素子を全体としてレンズ効果をオンにした状態での構成を示す。
【図３】エレクトロウェッティング方式の液体レンズの動作原理を示す断面図であり、（Ａ）はレンズ効果を発生させた状態、（Ｂ）はレンズ効果の無い状態を示す。
【図４】図１に示した立体表示装置において、眼鏡方式で３次元表示を行う場合の構成図である。
【図５】図１に示した立体表示装置において、裸眼方式で３次元表示を行う場合の構成図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る立体表示装置における可変レンズアレイ素子の構造を示す断面図である。
【図７】（Ａ）は図６に示した可変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）は図６に示した可変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８】図６に示した可変レンズアレイ素子におけるレンズ効果のオン・オフ状態を説明するための図であり、（Ａ）はレンズ効果の無い（レンズ効果がオフ）状態、（Ｂ）はレンズ効果を発生させた（レンズ効果がオン）状態を示す。
【図９】図１に示した立体表示装置の第１の変形例を示す構成図である。
【図１０】図１に示した立体表示装置の第２の変形例を示す構成図である。
【図１１】図１に示した立体表示装置の第３の変形例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
＜第１の実施の形態＞
［立体表示装置の基本構成］
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全体構成を示している。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つの表示モードへの切り替えが可能であると共に、さらに、３次元表示モードを裸眼方式と眼鏡方式とに切り替えることが可能となっている。図４は、この立体表示装置において眼鏡方式で３次元表示を行っている状態を模式的に示している。図５は裸眼方式で３次元表示を行っている状態を模式的に示している。この立体表示装置は、２次元表示部としての表示パネル２と、この表示パネル２の表示面側に対向するように配置された偏光状態変換部５と可変レンズアレイ素子１とを備えている。また、図４に示したように、眼鏡方式で３次元表示を行う際に使用される偏光眼鏡４０を備えている。
【００１３】
表示パネル２は、複数の画素がマトリクス状に配置され２次元的な画像表示を行うものである。表示パネル２は、表示した画像による光を特定の方向に偏光した直線偏光の状態で出射するように構成されている。図１等では、表示パネル２から、水平方向（図１のＸ軸方向）に直線偏光した状態で表示画像光が出射されている例を示している。表示パネル２は、例えば透過型の液晶表示ディスプレイで構成されている。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。なお、ディスプレイの構造自体が直線偏光の光を出射するものでなくとも、表示面に対向するように偏光板を配置すれば他の構造のディスプレイを用いても良い。例えば、表示パネル２として、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）ディスプレイ、またはプラズマディスプレイパネルなどを偏光板と組み合わせて用いるようにしても良い。
【００１４】
表示パネル２は、２次元表示用の画像表示と３次元表示用の画像表示とを行うようになっている。２次元表示用の画像表示は、通常の２次元画像データに基づいて２次元マトリクス表示を行う。３次元表示を行う場合には３次元画像データに基づく表示を行う。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。本実施の形態では、３次元画像データとして、互いに視差のある左眼用画像Ｌと右眼用画像Ｒとを含む視差画像データを用いる。表示パネル２は、３次元表示用の画像表示を行う場合には、互いに視差のある左眼用画像Ｌと右眼用画像Ｒとを空間的に分割して１画面内に合成して表示するようになっている。表示パネル２は、裸眼方式による３次元表示を行う場合には、図５に示したように、左眼用画像と右眼用画像とが水平方向に交互に現れるような画像表示を行うようになっている。眼鏡方式による３次元表示を行う場合には、図４に示したように、左眼用画像Ｌと右眼用画像Ｒとが垂直方向に交互に現れるような画像表示を行うようになっている。
【００１５】
偏光状態変換部５は、表示パネル２に表示された画像による光を、所定の画像領域ごとに互いに偏光状態が異なる第１の偏光状態と第２の偏光状態とに変換するものである。偏光状態変換部５は、表示パネル２に表示された画像による光を、眼鏡方式による３次元表示を行う場合における左眼用画像Ｌと右眼用画像Ｒとに対応する領域ごとに、垂直方向に交互に偏光状態の変換を行うようになっている。
【００１６】
偏光状態変換部５は、第１の位相差板５Ａと第２の位相差板５Ｂとを有している。第１の位相差板５Ａと第２の位相差板５Ｂは、水平方向に延在する短冊状の位相差板であり、垂直方向に交互に複数配置されている。第１の位相差板５Ａは、表示パネル２において眼鏡方式による３次元表示を行う場合に表示する左眼用画像Ｌの表示領域に対応する位置に設けられている。第２の位相差板５Ｂは、表示パネル２において眼鏡方式による３次元表示を行う場合に表示する右眼用画像Ｒの表示領域に対応する位置に設けられている。
【００１７】
第１の位相差板５Ａは、表示パネル２から出射された直線偏光の光を第１の円偏光に変換して第１の偏光状態として出射するようになっている。第２の位相差板５Ｂは、直線偏光の光を第１の円偏光とは回転方向が異なる第２の円偏光に変換して第２の偏光状態として出射するようになっている。より具体的には、第１の位相差板５Ａと第２の位相差板５Ｂは、１／４波長板で構成されている。そして、第１の位相差板５Ａの遅相軸Ａ１と第２の位相差板５Ｂの遅相軸Ｂ１とが、表示パネル２から出射された直線偏光の方向（Ｘ軸方向）に対して、互いに異なる方向に４５°傾いた状態とされている。例えば、第１の位相差板５Ａの遅相軸Ａ１が左肩上がりに４５°傾いた状態、第２の位相差板５Ｂの遅相軸Ｂ１が右肩上がりに４５°傾いた状態とされている。これにより、第１の位相差板５Ａでは表示パネル２から出射された直線偏光の光を左回りの円偏光に変換し、第２の位相差板５Ｂでは表示パネル２から出射された直線偏光の光を右回りの円偏光に変換するようになっている。第１の位相差板５Ａと第２の位相差板５Ｂは、眼鏡方式による３次元表示を行う場合に表示する左眼用画像Ｌと右眼用画像Ｒとに対応する領域に設けられているので、結果的に、左眼用画像Ｌは左回りの円偏光、右眼用画像Ｒは左回りの円偏光に変換される。
【００１８】
偏光眼鏡４０は、左眼９Ｌ用の第１の偏光フィルタ４１Ｌと、右眼９Ｒ用の第２の偏光フィルタ４１Ｒとを有している。第１の偏光フィルタ４１Ｌは、偏光状態変換部５の第１の位相差板５Ａによって第１の偏光状態とされた光のみを透過するものである。第２の偏光フィルタ４１Ｒは、第２の位相差板５Ｂによって第２の偏光状態とされた光のみを透過するものである。
【００１９】
［可変レンズアレイ素子１の全体構成］
図２（Ａ），（Ｂ）は可変レンズアレイ素子１の構造を示している。可変レンズアレイ素子１は、表示モードに応じてレンズ効果を電気的にオン・オフ制御することで、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ものである。図２（Ａ）は可変レンズアレイ素子１を全体としてレンズ効果をオフした状態、図２（Ｂ）は可変レンズアレイ素子１を全体としてレンズ効果をオンにした状態での構成を示している。可変レンズアレイ素子１は、表示パネル２に対向する側から順に、液体レンチキュラレンズ３と、固定レンチキュラレンズ４とを備えている。液体レンチキュラレンズ３は、電気的にレンズ効果のオン・オフ制御が可能な複数の可変レンズを有している。
【００２０】
固定レンチキュラレンズ４は、複数の可変レンズに対応して設けられた複数の固定レンズを有し、複数の固定レンズがそれぞれ、対応する可変レンズのレンズ効果がオン状態となったときのそのレンズ効果を相殺するような屈折力を有している。より具体的には、固定レンチキュラレンズ４は、固定レンズとしてシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）４Ａを複数、並列配置したシリンドリカルレンズアレイの構成となっている。固定レンチキュラレンズ４において、各シリンドリカルレンズ４Ａは、表示パネル２の表示面に対して縦方向に延在し、左右方向に正の屈折力を有するように配置されている。各シリンドリカルレンズ４Ａの横方向のレンズピッチは、表示パネル２に表示する左眼用画像Ｌと右眼用画像Ｒとの１組分の画素幅（例えば２画素）の大きさに対応している。
【００２１】
［液体レンチキュラレンズ３の構成］
液体レンチキュラレンズ３は、間隔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体層とを備えている。液体層は、シリコーンオイル（絶縁オイル）１５と電解液１６とからなる。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と第２の基板２０との間の外周部には、隔壁１２および隔壁１３が形成されている。第１の基板１０と第２の基板２０との間において、シリンドリカルレンズ４Ａのレンズピッチに応じた位置にも隔壁１２が形成されている。このレンズピッチに応じた位置の隔壁１２は、その上下方向の長さが、第１の基板１０と第２の基板２０との間の間隔よりも短く形成され、第１の基板１０との間に所定間隔を空けて形成されている。そして隣接した２つの隔壁１２の間の液体層によって１つの可変レンズが形成されている。この１つの可変レンズが、固定レンチキュラレンズ４の１つのシリンドリカルレンズ４Ａに対応している。第１の基板１０の液体層に接する側の表面には、親水性導電膜１１がほぼ全面に一様に成膜されている。隔壁１２の表面には、後述するように隔壁１２側から順に、導電膜１４−１および絶縁・撥水膜１４−２が成膜されている。
【００２２】
この液体レンチキュラレンズ３は、印加電圧に応じてレンズ効果がオン・オフ制御されるエレクトロウェッティング方式の液体レンズアレイとなっている。図３（Ａ），（Ｂ）を参照して、この液体レンチキュラレンズ３の基本構造および動作原理について説明する。ここでは基本原理を説明するため、図３（Ａ），（Ｂ）では１つの可変レンズ（液体レンズ）についての構成を示す。なお、図２（Ａ），（Ｂ）に示した構造に対応する部分には同一の符号を付す。また、図３（Ａ）は液体レンズ単体でのレンズ効果がオンの状態（所定の負の屈折力が発生する状態）、図３（Ｂ）は液体レンズ単体でのレンズ効果がオフの状態（屈折力の無い状態）を示す。
【００２３】
エレクトロウェッティング方式の可変レンズでは、印加電圧に応じて液体と固体表面の間の濡れ性が変化することを利用し、屈折率の異なる２種類の液体の界面形状を変化させることによってレンズ効果の制御を行っている。図３（Ａ），（Ｂ）に示した可変レンズの構造では、第１の基板１０の表面に親水性導電膜１１が成膜されると共に隔壁１２の表面に導電膜１４−１および絶縁・撥水膜１４−２が成膜されている。絶縁・撥水膜１４−２は例えばパリレン膜からなる。そして、第１の基板１０と第２の基板２０との間において、第２の基板２０および絶縁・撥水膜１４−２側にシリコーンオイル１５が注入されると共に、親水性膜１１側に電解液１６が注入され、封止されている。親水性導電膜１１と導電膜１４−１は、電源６に電気的に接続されて電圧が印加されるようになっている。ここで、図３（Ｂ）は電源６によって電圧が印加されている状態（電気的にオンの状態）であり、図３（Ａ）は電圧が印加されていない状態（電気的にオフの状態）である。
【００２４】
電解液１６は印加電圧の２乗に比例して隔壁１２の表面（絶縁・撥水膜１４−２）に対する濡れ性が向上するという性質がある。このため、印加電圧が０のときの隔壁１２の表面との接触角をθ0、０でないときの隔壁１２の表面との接触角をθVとすると、θ0＞θVの関係が成り立つ。さらに、レンズ効果がゼロとなる（θV＝９０°、シリコーンオイル１５と電解液１６との界面形状が平面となる）ような所定の印加電圧Ｖ90を見い出すことができる。このことから、印加電圧を０と所定電圧Ｖ90とで切り替えることにより、レンズ効果のオン／オフの切り替え制御を行うことができる。ここで、電解液１６の屈折率ｎ２に対してシリコーンオイル１５の屈折率ｎ１が高いものとすると、図３（Ａ）に示した印加電圧が０のときに負の屈折力のレンズ効果が発生する。
【００２５】
すなわち、液体レンチキュラレンズ３による可変レンズは、印加電圧がゼロとされることによって電気的にオフ状態となったときにレンズ効果がオン状態（図３（Ａ））となる。また、印加電圧が所定電圧Ｖ90とされることによって電気的にオン状態となったときにレンズ効果がオフ状態（図３（Ｂ））となる。このような電気的なオン／オフ状態とレンズ効果のオン／オフ状態との関係は、エレクトロウェッティング方式の液体レンズに固有のものである。なお、シリコーンオイル１５と電解液１６の比重を等しくする等の方法により、２種類の液体に及ぼす重力の効果を等しくすることができるため、ここでは、印加電圧による濡れ性のみにより界面形状が決まるものとし、重力の影響は受けないものとする。
【００２６】
［可変レンズアレイ素子１全体としてのレンズ作用］
この可変レンズアレイ素子１では、図２（Ａ）に示したように電源６によって液体レンチキュラレンズ３に電圧が印加されていない状態（電気的にオフの状態）では、液体レンチキュラレンズ３における複数の可変レンズのレンズ効果がオン状態となる。この液体レンチキュラレンズ３における各可変レンズのレンズ効果は、固定レンチキュラレンズ４における対応する固定レンズ（シリンドリカルレンズ４Ａ）によって相殺される。すなわち、液体レンチキュラレンズ３と固定レンチキュラレンズ４とを組み合わせた全体でのレンズ効果がオフ状態となる。
【００２７】
一方、図２（Ｂ）に示したように電源６によって液体レンチキュラレンズ３に所定電圧が印加された状態（電気的にオンの状態）では、液体レンチキュラレンズ３における複数の可変レンズのレンズ効果がオフ状態となる。この状態では、液体レンチキュラレンズ３において液体層を構成するシリコーンオイル１５と電解液１６との界面形状が、個々の可変レンズの部分において平面となるように電圧値が調整されている。この状態では、液体レンチキュラレンズ３のレンズ効果が単独で無効とされ、固定レンチキュラレンズ４によるレンズ効果のみが有効となる。すなわち、液体レンチキュラレンズ３と固定レンチキュラレンズ４とを組み合わせた全体でのレンズ効果がオン状態となる。
【００２８】
このように、可変レンズアレイ素子１では、液体レンチキュラレンズ３のレンズ効果を相殺するような屈折力を有する固定レンチキュラレンズ４を備えるようにしたので、液体レンチキュラレンズ３のレンズ効果の電気的なオン／オフ特性を反転させることができる。この可変レンズアレイ素子１では、液体レンチキュラレンズ３と固定レンチキュラレンズ４とを組み合わせた全体でのレンズ効果が、液体レンチキュラレンズ３のレンズ効果がオン状態（所定の負の屈折力が発生する状態）となったときにオフ状態（屈折力の無い状態）となる。かつ、液体レンチキュラレンズ３のレンズ効果がオフ状態となったときに全体でのレンズ効果がオン状態となる。すなわち、可変レンズアレイ素子１全体でのレンズ効果の電気的なオン／オフ特性が、液体レンチキュラレンズ３単体での特性とは反転した状態となる。
【００２９】
［立体表示装置の動作および効果］
この立体表示装置では、以下のようにして、２次元表示モードでの表示と、眼鏡方式による３次元表示モードでの表示と、裸眼方式による３次元表示モードでの表示との切り替え表示を行う。
【００３０】
（１）２次元表示モード
表示パネル２に２次元表示用の画像表示（２次元マトリクス表示）を行った状態で可変レンズアレイ素子１によるレンズ効果をオフ状態にする。表示パネル２からの表示画像光を可変レンズアレイ素子１で屈折させることなく透過させることでそのまま２次元表示を行う。なお、表示パネル２の表示画像からの光は、偏光状態変換部５において第１の位相差板５Ａと第２の位相差板５Ｂとが設けられた領域に対応する画素領域ごとに偏光状態が第１の偏光状態（左回り円偏光）と第２の偏光状態（右回り円偏光）とに変換される。しかしながら、裸眼ではこの偏光の差は認識されないので、２次元表示の観察には影響を与えない。
【００３１】
（２）眼鏡方式による３次元表示モード（図４）
表示パネル２に左眼用画像Ｌと右眼用画像Ｒとが垂直方向に交互に現れるように表示する。可変レンズアレイ素子１によるレンズ効果はオフ状態にする。偏光状態変換部５では左眼用画像Ｌによる光を第１の偏光状態（左回り円偏光）にすると共に右眼用画像Ｒによる光を第２の偏光状態（右回り円偏光）となるように変換して出射する。可変レンズアレイ素子１では、その変換後の左眼用画像Ｌによる光線と右眼用画像Ｒによる光線とを屈折させることなく透過させる。その透過した左眼用画像Ｌと右眼用画像Ｒとを偏光眼鏡４０を介して観察することで、眼鏡方式による３次元表示が行われる。より具体的には、偏光状態変換部５の第１の位相差板５Ａにおいて第１の偏光状態とされた光のみが偏光眼鏡４０の第１の偏光フィルタ４１Ｌを透過することで、観察者の左眼９Ｌには左眼用画像Ｌのみが知覚される。また、偏光状態変換部５の第２の位相差板５Ｂにおいて第２の偏光状態とされた光のみが偏光眼鏡４０の第２の偏光フィルタ４１Ｒを透過することで、観察者の右眼９Ｒには右眼用画像Ｒのみが知覚される。これにより、両眼視差での立体視が可能となる。
【００３２】
（３）裸眼方式による３次元表示モード（図５）
表示パネル２に左眼用画像Ｌと右眼用画像Ｒとが水平方向に交互に現れるように表示する。可変レンズアレイ素子１によるレンズ効果はオン状態にする。可変レンズアレイ素子１では、表示パネル２に表示された左眼用画像Ｌによる光線と右眼用画像Ｒによる光線とを裸眼による立体視が可能となるように屈折させて光学的に分離する。すなわち、可変レンズアレイ素子１では、左眼用画像Ｌと右眼用画像Ｒとがそれぞれ、適切に観察者９の左眼９Ｌと右眼９Ｒとに選択的に入射するように、屈折により光学的に光線分離を行う。これにより、両眼視差での立体視が可能となる。なお、この裸眼方式による３次元表示モードにおいても、表示パネル２の表示画像からの光は、偏光状態変換部５において第１の位相差板５Ａと第２の位相差板５Ｂとが設けられた領域に対応する画素領域ごとに偏光状態が第１の偏光状態と第２の偏光状態とに変換される。しかしながら、裸眼ではこの偏光の差は認識されないので、裸眼方式による３次元表示の観察には影響を与えない。また、仮に偏光眼鏡４０を使用していたとしても３次元表示の観察には影響を与えない。この場合、既に可変レンズアレイ素子１によって左右の視差分離がなされているので、偏光眼鏡４０を介して観察者９の左眼９Ｌには左眼用画像Ｌのみが、右眼９Ｒには右眼用画像Ｒのみが選択的に入射することで立体像が知覚される。
【００３３】
このように本実施の形態によれば、偏光状態変換部５と可変レンズアレイ素子１と偏光眼鏡４０とを適切に組み合わせると共に、表示パネル２に表示された画像内容に応じて可変レンズアレイ素子１のレンズ効果をオン・オフ制御するようにしたので、２次元表示と３次元表示とを切り替え可能であると共に、３次元表示の方式を裸眼方式と眼鏡方式とに切り替えることができる。これにより、視聴環境に適した３次元表示が可能となる。例えば観賞する人数が１人または２人以上の少数の場合には、裸眼方式による３次元表示で対応可能であり、この場合、３次元表示用の専用眼鏡が不要となる。また、眼鏡方式による３次元表示を行うことで、多人数での観賞や見る位置を自由に選んでの観賞が可能となる。
【００３４】
＜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。
【００３５】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る立体表示装置における可変レンズアレイ素子１Ａの構造を示している。本実施の形態に係る立体表示装置は、図１における液体レンズを用いた可変レンズアレイ素子１に変えて、液晶レンズ方式による可変レンズアレイ素子１Ａを備えたものである。可変レンズアレイ素子１Ａの構造が異なるのみで、その他の構成は上記第１の実施の形態と同様である。
【００３６】
［可変レンズアレイ素子１Ａの全体構成］
可変レンズアレイ素子１Ａは、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。可変レンズアレイ素子１Ａ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。
【００３７】
可変レンズアレイ素子１Ａは、図６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１０Ａおよび第２の基板２０Ａと、それら第１の基板１０Ａおよび第２の基板２０Ａの間に配置された液晶層３０とを備えている。第１の基板１０Ａおよび第２の基板２０Ａ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１０Ａ上における第２の基板２０Ａ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２１がほぼ全面に一様に形成されている。第１の基板１０Ａ上にはまた、第１の電極２１を介して液晶層３０に接するように第１の配向膜２３が形成されている。第２の基板２０Ａ上における第１の基板１０Ａ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２２Ｙが部分的に形成されている。第２の基板２０Ａ上にはまた、第２の電極２２Ｙを介して液晶層３０に接するように第２の配向膜２４が形成されている。
【００３８】
この可変レンズアレイ素子１Ａにおいて、そのレンズ効果発生の基本原理を、図８（Ａ），（Ｂ）に示す。なお、図８（Ａ），（Ｂ）では基本原理を説明するため、可変レンズアレイ素子１Ａの構成を簡略化して示している。液晶層３０は、液晶分子３１を含み、第１の電極２１と第２の電極２２Ｙとに印加される電圧に応じて液晶分子３１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３１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３０は、第１の電極２１と第２の電極２２Ｙ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。
【００３９】
この可変レンズアレイ素子１Ａでは、図８（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３１が第１の配向膜２３および第２の配向膜２４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、この可変レンズアレイ素子１Ａでは、複数の第２の電極２２Ｙが、所定の間隔で離間配置されているため、第１の電極２１と第２の電極２２Ｙとの間に所定の駆動電圧を印加すると、液晶層３０内での電界分布に偏りが生ずる。すなわち、第２の電極２２Ｙ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、複数の第２の電極２２Ｙ間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８（Ｂ）に示したように、液晶分子３１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。
【００４０】
［可変レンズアレイ素子１Ａの電極構造］
図７（Ａ）は可変レンズアレイ素子１Ａの電極部分の平面構成例を示している。図７（Ｂ）は図７（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２２Ｙ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７（Ａ）に示したように第２の電極２２Ｙ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３０を挟む上下の電極間で、液晶分子３１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２１は全面に形成され、第２の電極２２Ｙ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２２Ｙに所定の駆動電圧を印加すると、図８（Ｂ）に示した原理で、液晶層３０内での電界分布に偏りが生ずる。すなわち、第２の電極２２Ｙ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２２Ｙ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軸方向）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７（Ｂ）に示したように、Ｙ軸方向に延在しＸ軸方向に屈折力のあるシリンドリカルレンズ３１Ｙが、Ｘ軸方向に複数、並列配置されたようなレンズ状態となる。
【００４１】
なお、２次元表示と３次元表示との切り替え動作、および３次元表示の裸眼方式と眼鏡方式との切り替え動作は、基本的に上記第１の実施の形態と同様である。
【００４２】
＜変形例＞
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、偏光状態変換部５の光出射側に可変レンズアレイ素子１，１Ａを配置するものとして説明したが、図９に示したように、表示パネル２と偏光状態変換部５との間に可変レンズアレイ素子１，１Ａを配置するようにしても良い。
【００４３】
また、上記各実施の形態では、眼鏡方式による３次元表示を行う場合に、表示パネル２において左眼用画像Ｌと右眼用画像Ｒとが垂直方向に交互に現れるような表示にしたが、裸眼方式による３次元表示と同様の表示を行うようにしても良い。すなわち、表示パネル２において左眼用画像Ｌと右眼用画像Ｒとが水平方向に交互に現れるような表示にしても良い。この場合、図１０に示したように、左眼用画像Ｌと右眼用画像Ｒとの表示領域に対応するように、偏光状態変換部５における第１の位相差板５Ａと第２の位相差板５Ｂとを水平方向に交互に配置する。この場合、偏光状態変換部５によって、表示パネル２に表示された画像による光の偏光状態が、左眼用画像Ｌと右眼用画像Ｒとに対応する領域ごとに、水平方向に交互に第１の偏光状態と第２の偏光状態とに変換される。その後、図４の表示例と同様に、偏光眼鏡４０を介して観察することで、観察者の左眼９Ｌには左眼用画像Ｌのみが知覚され、右眼９Ｒには右眼用画像Ｒのみが知覚されることで、両眼視差での立体視が可能となる。
【００４４】
また、上記各実施の形態では、眼鏡方式による３次元表示を行う場合に、表示パネル２から出射された直線偏光の光を、偏光状態変換部５によって互いに回転方向の異なる円偏光に変換するようにしたが、これとは異なる変換を行うようにしても良い。例えば、互いに偏光方向が異なる直線偏光に変換するようにしても良い。図１１に、その変形例の一例を示す。図１１の変形例では、図４の構成に対して偏光状態変換部５に代えて偏光状態変換部５１を備えている。また、偏光眼鏡４０に代えて偏光眼鏡４０Ａを備えている。
【００４５】
偏光状態変換部５１は、透過部５Ｄと位相差板５Ｃとを有している。透過部５Ｄと位相差板５Ｃは、水平方向に延在する短冊状となっており、垂直方向に交互に複数設けられている。透過部５Ｄは、表示パネル２において眼鏡方式による３次元表示を行う場合に表示する左眼用画像Ｌの表示領域に対応する位置に設けられている。位相差板５Ｃは、表示パネル２において眼鏡方式による３次元表示を行う場合に表示する右眼用画像Ｒの表示領域に対応する位置に設けられている。なお、右眼用画像Ｒの表示領域に対応する位置に透過部５Ｄを設け、左眼用画像Ｌの表示領域に対応する位置に位相差板５Ｃを設けるようにしても良い。ここで、表示パネル２に表示した画像による光を、第１の偏光方向（Ｘ軸方向）に偏光した直線偏光とすると、透過部５Ｄは表示パネル２から出射された第１の偏光方向の直線偏光の光を、偏光方向を変えることなくそのままの偏光状態で第１の偏光状態として出射するようになっている。位相差板５Ｃは、１／２波長板で構成されている。位相差板５Ｃは、表示パネル２から出射された第１の偏光方向の直線偏光の光を、第１の偏光方向とは偏光方向が９０°異なる第２の偏光方向（Ｙ軸方向）の直線偏光に変換して第２の偏光状態として出射するようになっている。これにより、左眼用画像Ｌは透過部５Ｄによって第１の偏光方向の直線偏光、右眼用画像Ｒは位相差板５Ｃによって第２の偏光方向の直線偏光に変換される。これに合わせて、偏光眼鏡４０Ａにおける左眼９Ｌ用の第１の偏光フィルタ４１Ｌを第１の偏光方向の直線偏光のみを透過するフィルタとし、右眼９Ｒ用の第２の偏光フィルタ４１Ｒを第２の偏光方向の直線偏光のみを透過するフィルタとする。これにより、偏光眼鏡４０Ａを介して観察者９の左眼９Ｌには左眼用画像Ｌのみが、右眼９Ｒには右眼用画像Ｒのみが選択的に入射することで立体像が知覚される。
【符号の説明】
【００４６】
１，１Ａ…可変レンズアレイ素子、２…表示パネル、３…液体レンチキュラレンズ（可変レンチキュラレンズ）、４…固定レンチキュラレンズ、４Ａ…シリンドリカルレンズ（固定レンズ）、５，５１…偏光状態変換部、５Ａ…第１の位相差板（１／４波長板）、５Ｂ…第２の位相差板（１／４波長板）、５Ｃ…位相差板（１／２波長板）、５Ｄ…透過部、Ａ１，Ｂ１…遅相軸、６…電源、Ｌ…左眼用画像、Ｒ…右眼用画像、９Ｌ…左眼、９Ｒ…右眼、１０，１０Ａ…第１の基板、１１…親水性導電膜、１２，１３…隔壁、１４−１…導電膜、１４−２…絶縁・撥水膜、１５…シリコーンオイル、１６…電解液、２０，２０Ａ…第２の基板、２１…第１の電極、２２Ｙ…第２の電極、２３…第１の配向膜、２４…第２の配向膜、３０…液晶層、３１…液晶分子、４０，４０Ａ…偏光眼鏡、４１Ｌ…第１の偏光フィルタ、４１Ｒ…第２の偏光フィルタ。
【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】
2011107589.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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