JP2012027427A - 立体視ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】立体視時においても、非立体視時に対して垂直解像度劣化のない、偏光めがねを用いる直視型立体視ディスプレイを提供する。
【解決手段】ステレオ・ペアである左画像と右画像の走査線のうち奇数ラインを右画像，偶数ラインを左画像として合成したＲファースト画像と奇数ラインを左画像、偶数ラインを右画像として合成したＬファースト画像の２種類を作りこれらをＸｐｏｌを装着した倍速駆動の液晶ディスプレイに交互に表示する。このＸｐｏｌ装着液晶ディスプレイに透明かつ偏光方向のみを９０°変化させる偏光軸可変液晶板を重ね、Ｌファースト画像、Ｒファースト画像の書き換え位置に一致させて偏光方向を変える。またバックライトに消灯領域を設け、上記画像書き換え位置を消灯する。偏光めがねを使用するが、円偏光めがね式にする場合は偏光軸可変液晶板の前面に１／４波長板を装着する。かくして高解像度かつ左右同時表示の立体視が実現する。
【選択図】図７

Description

本発明は、テレビジョン受像機およびコンピュータ・ディスプレイとして用いられ、特殊めがねによって左右画像を分離する直視式立体視ディスプレイに関する。

薄型の直視式ディスプレイに両眼視差動画像を表示する手段として、従来より空間分割表示方式と時分割表示方式が存在する。それぞれ専用のめがねを使用して左右画像を分離し立体視を可能にしている。

空間分割表示方式とは１枚の画面に左右２つの画像を合成し、特殊めがねで分離するものである。現在主流となっているものはエックスポール（以後Ｘｐｏｌと表記する）方式と呼ばれるものである。これは奇数ラインと偶数ラインにそれぞれ右および左の画像を割り当て、偏光板と特殊位相板によってライン毎の偏光の向きを変え、偏光めがねで分離するものである。偏光方式として直線偏光を用いるものと円偏光を用いるものがある。

Ｘｐｏｌはラインごとに偏光方向を異にする直線偏光型と電場ベクトルの回転の向きを逆にする円偏光型がある。それぞれＸｐｏｌ（１／２波長板）、Ｘｐｏｌ（１／４波長板）と表記して区別する。

時分割表示方式とは画面上に左右画像を交互に表示し、かつリフレッシュ・レート（ｒｅｆｒｅｓｈ ｒａｔｅ＝１秒間に書き換える回数）を速くして、シャッタめがねで左右画像を分離する方式である。ディスプレイとして液晶方式とプラズマ方式の２通りある。シャッタめがねとしては一般に液晶シャッタが用いられ、画面と同期をとるため赤外線を利用した同期信号の送受信が行われる。

空間分割方式を代表するＸｐｏｌ方式の欠点は立体視時に垂直解像度が半分に落ちてしまうことである。

時分割方式は１２０Ｈｚ駆動または２４０Ｈｚ駆動にして画面自体のフリッカ（ｆｌｉｃｋｅｒ＝ちらつき）を解決したが、動画像表示の場合に原理的な欠点をかかえる。即ち同時に撮影またはＣＧ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｇｒａｐｈｉｃｓ）で作成した左右の画像を再生の時は左右交互に時間をずらして表示するので、被写体が動くとステレオ・ペア（ｓｔｅｒｅｏ ｐａｉｒ＝立体視目的の一対の左右画像）の画像として認識できない時があり立体視が崩れるという問題がある。

またシャッタめがねを必要とする。このめがねは左右交互に光学的に開閉し、かつ交互に表示される画像に同期させる必要がある。このため液晶シャッタ、駆動回路、同期信号受信回路、電源を必要とするので重く価格も高くなる。また左右画像の分離を良くするため開時間を少なくするなどの方法が取られるが、画面が暗くなるなどの欠点を生じる。

最大の欠点は蛍光灯との干渉である。蛍光灯下でのパソコン・ゲームなどはちらつきのため集中できない。液晶方式の立体視ディスプレイでは直線偏光方式にし、偏光めがねの表面偏光板を外して画面上の偏光板とめがねの液晶板および偏光板でシャッタを形成し、対応している所もある。

プラズマ方式の立体視ディスプレイでは、画面に偏光板を貼ると２Ｄ（２次元）の画像をめがねなしで見る時暗くなるので、同じ手は使えない。蛍光灯の光がなるべく眼に入らないような工夫をしているのが現状である。

本発明は、上述した空間分割表示方式の持つ垂直解像度劣化と時分割表示方式の持つ動画像表示時の問題およびシャッタめがねのかかえる問題を同時に解決し、より良い直視方式の立体視ディスプレイを実現することを目的とする。

液晶ディスプレイの前面にライン毎に遅相軸の方向を変えた１／２波長板を設ける。この光学素子をＸｐｏｌ（１／２波長板）と呼ぶ。これによってライン毎の偏光方向を９０°変えることが出来る。Ｘｐｏｌは透明であり、２Ｄ・３Ｄ（２次元・３次元）画像両用の液晶ディスプレイとして用いることが出来る。

立体画像を表示するときは、ステレオ・ペアの右画像を奇数ラインに、左画像を偶数ラインに割り当てて合成した画像と、左画像を奇数ラインに、右画像を偶数ラインに割り当てて合成した画像の２種類を用意し、これらを高速かつ交互に表示する。前者をＲファースト（走査画面のｆｉｒｓｔ ｌｉｎｅを右画像とする意）画像と呼び、Ｒｆと表記する。また後者をＬファースト（走査画面のｆｉｒｓｔ ｌｉｎｅを左画像とする意）画像と呼び、Ｌｆと表記する。

上記２Ｄ・３Ｄ両用の液晶ディスプレイの前面に、画面の横幅長の多数の横長パターンからなる偏光方向を９０°変化させるだけの機能を持つ液晶板（これを偏光軸可変液晶板と呼ぶ）を置き、上記ＲファーストとＬファーストの画像の書き換え位置に一致させて、画面の上から下へ順次偏光方向を９０°変化させる。このことにより偏光めがねを介してＲファースト画像およびＬファースト画像に分割された左右の元画像を得ることが出来る。

本立体視ディスプレイではバックライトとして高速点滅可能な白色ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ＝発光ダイオード）を用い、複数ラインから成る横長の消灯領域を設け、上記Ｒｆ画像・Ｌｆ画像の書き換え位置と偏光軸可変液晶板の偏光軸切り替え位置を含み、かつこれらに同調して消灯領域の位置を画面の上から下へ順次移動させることによって、液晶の遅い応答速度に起因する左右画像の分離不良を回避する。また同時に動画像のぼけの改善をはかる。

直線偏光のめがねを使用する方式は顔を傾けたときにゴースト（ｇｈｏｓｔ＝分離除去した他方の画像の洩れ）が発生するので、円偏光めがねを使用する方式の方が優れている。この場合は上記偏光軸可変液晶板前面に１／４波長板を置き、偏光軸と遅相軸のなす角を４５°にする。これにより左および右に回転する円偏光に変換することが出来る。左右互いに逆旋光の円偏光めがねを介して左右画像を分離し立体視出来る。

Ｘｐｏｌと偏光軸可変液晶板及び１／４波長板はいずれも無色透明であり、２Ｄ・３Ｄ共用のディスプレイとして十分使用に耐える。

使用するめがねは直線偏光または円偏光のフィルタを使用する。シャッタめがねのように複雑でも高価でもない。軽く人間への負担が少ない。

時分割方式ではステレオ・ペアの左右画像を時間をずらして交互に表示するため被写体に動きがある場合不自然さが目立つ場合がある。本方式はＸｐｏｌ方式を踏襲しており、ステレオ・ペアの左右画像は常に同時表示され立体視が崩れることはない。

ＬファーストとＲファーストの画像を倍速表示のディスプレイに時分割表示するためフリッカがなく、かつ走査線の欠落がない。そのため高解像度の立体視が可能になる。

立体視時における垂直解像度の改善を示す概念図 Ｌファースト画像とＲファースト画像のライン毎の偏光方向を示す図 ＬＣＤの書き換えに連動する偏光軸可変液晶板とバックライトの関係図 ＬＣＤの偏光透過軸とＸｐｏｌ（１／２波長板）の遅相軸を示す図 Ｘｐｏｌ（１／２波長板）の入射偏光軸、遅相軸、出射偏光軸の関係図 ＬＣＤと偏光軸可変液晶板の書き換え、バックライトの点滅の時間関係図 本発明の構成図

図１は従来の方式で立体視時に垂直解像度が半分になる欠点が新方式によって改良されることを示す概念図である。即ち左右の元画像１Ｌ、１Ｒをインターレース合成する時、Ｌファースト画像２ＬＲとＲファースト画像２ＲＬを作りこれらを高速かつ交互に表示し、立体視時に眼の残像によって垂直解像度を落とさないようにしたものである。

即ち従来方式ではＲファースト画像２ＲＬから奇数ラインを分離した画像３Ｒと偶数ラインを分離した画像３Ｌをそれぞれ右および左画像としていた。

新方式では従来方式で使用しなかったＬファーストの画像２ＬＲを時分割多重で利用することにより垂直解像度の劣化を解決し、左画像４Ｌと右画像４Ｒを得る。

図２は合成した左右画像の分離を可能にするＸｐｏｌ方式の模式図である。偏光方式は顔を傾けた時ゴーストの出ない円偏光を用いた場合で説明する。従来は右側のＲファースト画像２ＲＬ（奇数ラインに右画像、偶数ラインに左画像）のみをディスプレイに表示し、それを左右が互いに逆向きの円偏光めがねを使用して左右画像を分離し、立体視を可能にしていた。立体視時には左画像Ｌおよび右画像Ｒの情報は１ラインおきにしか得られないから当然垂直解像度は元の画像の半分になってしまう。

図２の左側に示した図はＬファースト画像２ＬＲ（奇数ラインに左画像、偶数ラインに右画像）である。Ｌファースト画像２ＬＲではライン毎の円偏光の向きをＲファースト画像２ＲＬと逆にする必要がある。ＬファーストとＲファーストの画像を交互に表示することにより円偏光めがねを通して垂直解像度劣化のない立体視画像を得ることが出来る。

液晶表示画像は次の画像で書き換えられるまで保持される。今１２０Ｈｚ駆動のディスプレイを想定すると画面の上から下まで１／１２０ｓｅｃかけて書き換える。図３に従って説明するとＬＣＤ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ＝液晶ディスプレイ）６上に設けたＸｐｏｌ７のライン毎の偏光方向の変更は液晶画像の書き換えと同調して行う必要がある。

この目的のため偏光軸可変液晶板８と称する画面の上から下まで順次偏光方向を９０°変える素子を用意し、液晶ディスプレイの書き換えのタイミングと同調させる。即ちＲｆ（Ｒファースト）の画像とＬｆ（Ｌファースト）の画像の境界９で直線偏光の方向を９０°回転させる。即ち偏光軸可変液晶板の偏光方向の境界１０と画像の境界９を完全一致させ、２枚の液晶板を１／１２０ｓｅｃかけて書き換えるわけである。

図３ではバックライトとしてＬＥＤを用い、かつ液晶ディスプレイの書き換えに同調させて点灯および消灯領域を移動させている。これは眼の残像を少なくして動画表示時のぼけを軽減する手段であるが、画像および偏光方向の境界近傍を消灯することにより、液晶の応答速度の遅れに起因する左右画像の分離不良を回避出来、又偏光軸可変液晶板の分割パターン数を少なくできる。また蛍光管ではなくＬＥＤを使用する理由は応答速度を問題にするからである。また消灯時間と点灯時間の割合は明るさや動画のぼけを考慮して実験的に決められる。

偏光軸可変液晶板としてＴＮ（ｔｗｉｓｔｅｄ ｎｅｍａｔｉｃ＝ねじれネマティック）型液晶を用いるのは好ましくない。理由はノーマリーホワイト（ｎｏｒｍａｌｌｙ ｗｈｉｔｅ＝電界をかけない時白を表示）とノーマリーブラック（ｎｏｒｍａｌｌｙ ｂｌａｃｋ＝電界をかけない時黒を表示）の２つのモードを切り替えて用いるからである。ノーマリーブラック・モードでは強い着色現象があり、２つのモードを使うため対応策がない。

このような偏光方向を高速で変える液晶素子としてパイセル（π ｃｅｌｌ）液晶板が公知である。これは横電界方式を採用しており、液晶分子は同一平面で回転する。その結果、高速応答、広視野角、高コントラスト比などの特長があり、ＴＮ液晶の持つ着色の問題がない。従って本発明の構成部品としてパイセル液晶板を用いるのは選択肢の１つである。

偏光軸可変液晶板８を使って偏光方向を変えるためにはＸｐｏｌ７を出射する光は直線偏光である必要がある。従って図３で使用するＸｐｏｌ７は１／２波長板である。図４にＸｐｏｌのライン毎の１／２波長板の遅相軸１２を示す。

図５はＬＣＤの偏光透過軸１１がＸｐｏｌによってライン毎に＋４５°、−４５°に振る分けられる様子を示す。出射偏光軸（＋４５°）１３ａの場合は、入射偏光軸１１と１／２波長板の遅相軸１２ａのなす角θａを０°にする。出射偏光軸（−４５°）１３ｂの場合は、入射偏光軸１１と１／２波長板の遅相軸１２ｂのなす角θｂを４５°にする。
目的はライン毎の出射偏向角を互いに直交させることなので、θａ・θｂの値はいろいろな組み合わせがある。製造を考慮すると単純な方が良いであろう。

図６はＬＣＤの表示１４、偏光軸可変液晶板の動作１５、ＬＥＤバックライトの消灯位置の移動１６について画面の上下位置と時間の関係を示したものである。縦軸は画像の上から下までを表し、横軸は時間軸である。画像表示時間は現行システムで一般化している数字を表記した。即ちＬｆ、Ｒｆを１／１２０ｓｅｃで表示し、１フレーム１／６０ｓｅｃとする。即ち６０Ｈｚ表示なのでフリッカの問題はない。偏光軸可変液晶板は画像のライン数と同じだけのパターンを持つ必要はないが、図では画像の書き換えに同調して動作することを示すため直線で表現した。

ＬＣＤの表示１４の図の右に示したライン数はデジタル・ハイビジョンの規格である。すなわち総ライン数１１１５本、有効本数１０８０本である。１０８１から１１１５ラインは垂直ブランキング（ｂｌａｎｋｉｎｇ）期間であり、画像は黒である。
本立体視ＬＣＤはテレビジョン受像機としての用途だけでなく、パソコンのディスプレイ端末を強く意識しているので、ここに書いた数字はあくまで参考値である。

図７は本発明の立体視ディスプレイの構成図である。即ちＬＥＤバックライト５、ＬＣＤ６、Ｘｐｏｌ（１／２波長板）７、偏光軸可変液晶板８、１／４波長板１７でディスプレイを構成する。偏光軸可変液晶板８を出た偏光軸±４５°の直線偏光は、１／４波長板１７の水平の遅相軸１８によって右旋、左旋の円偏光に変えられる。これを円偏光めがね１９で左右画像を分離し立体視する。

本ディスプレイは２Ｄ・３Ｄ両用に用いることができる。一般には２Ｄの時は、円偏光めがねは不要であるが、パソコンを使った作画作業などの場合、円偏光めがねをかけたままで２Ｄ・３Ｄ両作業をこなすことが出来る。従来のように垂直解像度が変化することはないからである。

１Ｌ 元画像（左）
１Ｒ 元画像（右）
２ＬＲ Ｌファースト画像
２ＲＬ Ｒファースト画像
３Ｌ 従来方式再生画像（左）
３Ｒ 従来方式再生画像（右）
４Ｌ 新方式再生画像（左）
４Ｒ 新方式再生画像（右）
５ ＬＥＤバックライト
６ ＬＣＤ（液晶表示装置）
７ Ｘｐｏｌ（１／２波長板）
８ 偏光軸可変液晶板
９ ＲｆとＬｆの境界
１０ 偏光方向の境界
１１ ＬＣＤの偏光透過軸＝Ｘｐｏｌへの入射偏光軸
１２ Ｘｐｏｌ（１／２波長板）のライン毎の遅相軸
１２ａ 遅相軸（θ＝０°）
１２ｂ 遅相軸（θ＝４５°）
１３ａ 出射偏光軸（＋４５°）
１３ｂ 出射偏光軸（−４５°）
１４ ＬＣＤの表示
１５ 偏光軸可変液晶板の動作
１６ ＬＥＤバックライト消灯領域の移動
１７ １／４波長板
１８ 遅相軸
１９ 円偏光めがね

Claims (4)

1. 液晶画面の前面に１／２波長板を設け、ライン毎に遅相軸の方向を変えた２Ｄ・３Ｄ両用液晶ディスプレイにおいて、ステレオ・ペアの右画像を奇数ラインに、左画像を偶数ラインに割り当てた画像（これをＲファースト画像と呼ぶ）と、左画像を奇数ラインに、右画像を遇数ラインに割り当てた画像（これをＬファースト画像と呼ぶ）の２種類を用意し、これらを高速のフレーム・レートで交互に表示する立体視ディスプレイ。
2. 上記立体視ディスプレイの前面に、画面の横幅長の多数の横長パターンからなる偏光方向を９０°変化させる液晶板（これを偏光軸可変液晶板と呼ぶ）を置き、上記Ｒファースト画像とＬファースト画像の書き換え位置に一致させて、画面の上から下へ順次偏光方向を９０°変化させる立体視ディスプレイ。
3. 上記Ｒファースト画像とＬファースト画像の書き換え位置および偏光軸可変液晶板の偏光方向の切り替え位置を含み、複数ラインからなる横長の消灯領域を設け、これを前２者の動きに同調して画面の上から下へ順次移動させるバックライトを有した立体視ディスプレイ。
4. 上記偏光軸可変液晶板前面に１／４波長板を置き、右旋、左旋の円偏光に変換して左右互いに逆旋光の円偏光めがねで左右画像を分離する立体視ディスプレイ。

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