JP4981394B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は表示装置に係り、特に２枚の液晶パネルを使用して３次元画像を得る装置に関する。

３次元画像を表示する方法のひとつとして、２枚の透過型表示パネルを間隔をもって配置し、２枚の透過型表示パネルに同様な画像を形成し、２枚の画像の輝度を制御することによって奥行き感を出して３次元画像を形成する技術がある。このような方式を開示したものとして「特許文献１」を上げることができる。このような透過型表示装置の代表は液晶表示パネルである。

液晶表示パネルには、多数の走査線、ビデオ信号線が交差して配置されている。そして、走査線、ビデオ信号線で囲まれた部分に画素が形成されている。したがって、画面を微視的に見れば明るい部分と暗い部分が規則的に生じていることになる。２枚の液晶表示パネルを距離を隔てて重ねて配置して画像を形成すると、各液晶表示パネルに規則的に形成される暗い部分と明るい部分とが、干渉を起こし、いわゆるモアレを発生する。このような構成において発生するモアレを対策するために、２枚の液晶パネルの間に光を拡散する層を配置することが「特許文献２」に記載されている。

特開２００１−５４１４４号公報 特許第３３３５９９８号

特許文献２に記載のように、２枚の液晶表示パネルの間に拡散層を配置すると、モアレは低減することができるが、副作用として、正面輝度の低下、コントラストの低下、画像のにじみ（画像の輪郭のぼやけ）等が発生する。

本発明の課題は、２枚の液晶表示パネルを距離を置いて配置して、２枚の液晶パネルへの画像信号を制御することによって３次元画像を得る方式において、上記のようなモアレを低減するとともに、正面輝度の低下、コントラストの低下、画像のにじみ等の副作用を防止する表示装置を提供することである。

２枚の液晶表示パネルを距離を置いて配置して、２枚の液晶表示パネルへの画像信号を制御することによって３次元画像を得る方式において、２枚の液晶表示パネルの間に特定方向よりも特定方向に直角の方向に光の集束作用が強いレンズアレイを配置することにより、モアレおよび画像のにじみを抑制する。具体的手段は次のとおりである。

（１）第１の液晶表示パネルと前記第１の液晶表示パネルの後方に所定の間隔を隔てて第２の液晶表示パネルが設置され、前記第２の液晶表示パネルの後方にはバックライトが設置されて、前記第１の液晶表示パネルの前方から画像を視認する表示装置であって、前記第１の液晶表示パネルと前記第２の液晶表示パネルとの間には特定方向よりも、前記特定方向と直角方向に光を強く集束するレンズアレイが設置されていることを特徴とする表示装置。
（２）前記レンズアレイは前記特定方向には光を集束しないレンズアレイであることを特徴とする（１）に記載の表示装置。
（３）前記特定方向は前記第１液晶表示パネルおよび前記第２の液晶表示パネルの外形に対して角度を有していることを特徴とする（１）に記載の表示装置。
（４）前記傾斜角度は略々４５度であることを特徴とする（１）に記載の表示装置。
（５）前記レンズアレイの前記特定方向と直角方向のレンズピッチは前記第１の液晶表示パネルまたは前記第２の液晶表示パネルの走査線ピッチよりも小さいことを特徴とする（１）に記載の表示装置。
（６）前記レンズアレイは前記第２の液晶表示パネルに接して設置されていることを特徴とする（１）に記載の表示装置。
（７）前記レンズアレイはレンチキュラーレンズアレイであることを特徴とする（１）に記載の表示装置。
（８）前記レンチキュラーレンズアレイの各レンズ間には平坦部が存在することを特徴とする（７）に記載の表示装置。
（９）前記レンズアレイのレンズ断面は波状であることを特徴とする（１）に記載の表示装置。
（１０）前記レンズアレイのレンズ断面は３角形であることを特徴とする（１）に記載の表示装置。
（１１）前記レンズアレイのレンズ断面は３角形であり、かつ、前記３角形の頂角は９０度よりも大きいことを特徴とする（１）に記載の表示装置。
（１２）前記レンズアレイのレンズ断面は台形であることを特徴とする（１）に記載の表示装置。
（１３）前記レンズアレイのレンズ断面は先端が頂点となっている５角形であることを特徴とする（１）に記載の表示装置。
（１４）前記５角形の角部は所定の半径を有する円に略々内接することを特徴とする（１３）に記載の表示装置。
（１５）前記レンズアレイは小さな凸レンズが多数形成されたマイクロレンズアレイであり、前記小さな凸レンズは前記特定方向へのピッチは前記特定方向とは直角方向のピッチよりも小さいことを特徴とする（１）に記載の表示装置。
（１６）前記バックライトは拡散シートとバックライトを所定の方向に強く集束するプリズムシートを含むことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
（１７）前記バックライトは拡散シートとバックライトを所定の方向に強く集束するプリズムシートとバックライトを前記所定の方向と直角方向に強く集束するプリズムシートを含むことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
（１８）第１の液晶表示パネルと前記第１の液晶表示パネルの後方に所定の間隔を隔てて第２の液晶表示パネルが設置され、前記第２の液晶表示パネルの後方にはバックライトが設置されて、前記第１の液晶表示パネルの前方から画像を視認する表示装置であって、前記第１の液晶表示パネルの前方には第１の偏光板が貼り付けられており、前記第２の液晶表示パネルの後方には第２の偏光板がはりつけられており、前記第１の液晶表示パネルと前記第２の液晶表示パネルとの間には特定方向よりも、前記特定方向と直角方向に光を強く集束するレンズアレイが設置されていることを特徴とする表示装置。
（１９）前記レンズアレイの前記特定方向は、前記第１の偏光板または前記第２の偏光板の偏光軸と略々一致することを特徴とする（１８）に記載の表示装置。
（２０）前記レンズアレイはレンチキュラーレンズアレイであり、レンチキュラーレンズの特定方向は前記第１の偏光板または前記第２の偏光板の偏光軸と略々一致することを特徴とする（１８）に記載の表示装置。

（２１）第１の液晶表示パネルと前記第１の液晶表示パネルの後方に所定の間隔を隔てて第２の液晶表示パネルが設置され、前記第２の液晶表示パネルの後方にはバックライトが設置されて、前記第１の液晶表示パネルの前方から画像を視認する表示装置であって、前記第１の液晶表示パネルの前方には第１の偏光板が貼り付けられ、後方には第３の偏光板がはりつけられており、前記第２の液晶表示パネルの前方には第４の偏光板が貼り付けられ、後方には第２の偏光板がはりつけられており、前記第１の液晶表示パネルと前記第２の液晶表示パネルとの間には特定方向よりも、前記特定方向と直角方向に光を強く集束するレンズアレイが設置されていることを特徴とする表示装置。
（２２）前記レンズアレイの前記特定方向は、前記第１の偏光板または前記第２の偏光板の偏光軸と略々一致することを特徴とする（２１）に記載の表示装置。
（２３）前記レンズアレイの前記特定方向は、前記第３の偏光板または前記第４の偏光板の偏光軸と略々一致することを特徴とする（２１）に記載の表示装置。

本発明の効果を上記手段ごとに記載すると次のとおりである。

手段（１）によれば、第１の液晶表示パネルと第２の液晶表示パネルの間に特定方向と直角方向に強く集束するレンズアレイを用いることにより、モアレ、画像のにじみを抑制するとともに、画像の輝度、コントラストの低下を防止することが出来る。

手段（２）によれば、特定方向には集束せず、特定方向と直角の方向に集束するレンズアレイを用いるので、本発明の効果がより際立って現れる。

手段（３）ないし手段（４）によれば、レンズアレイの特定方向を第１の液晶表示パネルまたは第２の液晶表示パネルとは角度をもって配置することにより、モアレ、画像のにじみを抑制するとともに、画像の輝度、コントラストの低下をより効果的に防止することが出来る。前記傾斜角は４５度であると最も効果が大きい。

手段（５）によれば、レンズアレイによるモアレ低減の効果をより強く発揮することができる。

手段（６）によれば、特に第２の液晶表示パネルの画像のにじみがより低減でき、３次元画像全体として優れた画像を形成することができる。

手段（７）および（８）によれば、レンズアレイとして特定方向に集束する代表的なレンズアレイであるレンチキュラーレンズアレイを用いるので安定した特性をもって本発明を実施することが出来る。

手段（９）によれば、レンズアレイとして各レンズの断面が滑らかに変化するいわゆるウェーブシートを使用するので、レンズアレイ自身による他の光学部材等との干渉を抑制することができる。

手段（１０）によれば、レンズアレイとしてバックライトですでに仕様実績のあるプリズムシートを使用するので、部材コストの低減を図ることができる。

手段（１１）によれば、プリズムシートの各プリズムの断面の頂角を９０度以上とするので、本発明の主たる効果である、モアレ、画像のにじみをより抑制することができる。

手段（１２）によれば、レンズアレイの各レンズの断面を台形とするので、レンズアレイ製作のための型の製作コストを小さくでき、レンズアレイのコストを抑制することが出来る。また、断面が台形であるため、断面が円弧である通常のレンチキュラーレンズに近い特性を得ることが出来る。さらに、断面が台形であるために、レンズアレイの強度を上げることができる。

手段（１３）によれば、プリズムシートの各レンズの断面を先端が頂点となっている５角形とするので、レンズアレイの製作が容易となるとともに、通常のレンジキュラーレンズに近い光学特性を得ることが出来る。

手段（１４）によれば、プリズムシートの各レンズの断面を先端が頂点となっている５角形とし、かつ、５角形の各頂点を特定の円に内接するように形成するので、通常のレンチキュラーレンズと同等な特性を得ることが出来るとともに、レンズアレイの製作コストを低減することができる。

手段（１５）によれば、レンズアレイを多数のマイクロレンズで構成するために、表示装置の構成によっては、他の光学部材との干渉をレンチキュラーレンズの場合よりも和らげることが出来る
手段（１６）によれば、バックライトに所定の方向にバックライトの集光作用を持つプリズムシートを使用するので、本発明の効果、特に、輝度とコントラスト向上に対して効果がある。

手段（１７）によれば、バックライトに所定の方向にバックライトの集光作用を持つプリズムシートと、所定の方向と直角方向に集光作用を持つプリズムシートを使用するので、手段（１６）の場合よりも、輝度、コントラストに対してさらに優れた効果を得ることができる。

手段（１８）によれば、上液晶表示パネルの上側に偏光板、下液晶表示パネルの下側に偏光板を使用し、表示装置として２枚の偏光板しか使用しないため、表示装置全体としてバックライトの光の利用効率を上げることができる。そして、上液晶表示パネルと下液晶表示パネルとの間にレンズアレイを配置することにより、モアレと画像のにじみを抑制する場合の輝度とコントラストの低下を抑えることができる。本構成では、拡散フィルムを用いた場合に比較して、本発明のレンズアレイを用いることによる輝度、コントラストの向上の効果は著しい。

手段（１９）によれば、レンズアレイの特定方向を液晶表示パネルの偏光板の偏光軸と一致させるので、本発明の効果を一層発揮できる。

手段（２０）によれば、レンズアレイにレンチキュラーレンズを使用し、レンチキュラーレンズの特定方向を液晶表示パネルの偏光板の偏光方向と一致させるので、本発明の効果をさらに発揮できる。

手段（２１）によれば、上液晶表示パネルの上側と下側に偏光板を貼り付け、下液晶表示パネルの上側と下側に偏光板を貼り付ける構成とし、上液晶表示パネルと下液晶表示パネル各々に独立した画像を形成して３次元表示する表示装置に対しても本発明を用いることにより、モアレ、画像のにじみを抑制するとともに、輝度の低下、コントラストの低下等を抑えることができる。このような表示装置の構成であってもレンズアレイを用いることにより、拡散フィルムを使用した場合よりも優れた特性を得ることができる。

手段（２２）によれば、レンズアレイの特定方向を上液晶表示パネルの上偏光板、または、下液晶表示パネル偏光板と一致させるので、モアレ、画像にじみを解消するとともに、輝度、コントラストの劣化を防止できる。

手段（２３）によれば、レンズアレイの特定方向を上液晶表示パネルの下偏光板または、下液晶表示パネルの上偏光板と一致させることにより、バックライトを効率よく利用することができる。

以下の実施例に基づいて本発明を詳細に開示する。

図１は本発明による３次元表示装置の概略断面図である。図１において、上液晶表示パネル１と下液晶表示パネル２には別個に画像信号が加えられ、画像が形成される。上液晶表示パネル１と下液晶表示パネル２とは関連する画像が形成されるが、各画像には、深さ方向の情報を加えることによって、各パネルの２次元画像を人間が見た場合、擬似的に３次元画像に見えるようにしている。具体的には、深さ方向の情報信号によって、上液晶表示パネル１に形成される画像と下液晶表示パネル２に形成される画像の輝度に差を設けることによって、奥行き感を出す。

本実施例での液晶表示パネルの有効画面の大きさは対角で９インチである。上液晶表示パネル１は一般にはガラスで形成される上基板１０１と下基板１０２、および、下基板１０２と上基板１０１との間に挟持される液晶から成る。下基板１０２には、図５に示すように、多数の走査線５１と、走査線５１と直角方向に延びる多数のビデオ信号線５２が形成され、走査線５１とビデオ信号線５２とに囲まれた部分に画素が形成される。そして、画素部に加えられる画像信号によって液晶の透過率が変化し、画像が形成される。

上基板１０１には下基板１０２に形成される画素部に対応して、図６に示すように、赤、緑、青の３色のカラーフィルタが形成されてカラー画像が形成される。カラーフィルタの間はコントラスを向上させるためのブラックマトリクス４４が形成されている。このブラックマトリクス４４は下基板１０２に形成される走査線５１およびビデオ信号線５２を覆って形成されることになる。下液晶表示パネル２の構成も下基板２０２と上基板２０１と、これらに挟持される液晶とからなり、基本的な構成は上液晶表示パネル１と同じである。

液晶はバックライトからの光を変調することによって画像を形成するが、この液晶によって変調される光は偏光されている必要がある。このために、下液晶表示パネル２の下に下偏光板２１を設置し、バックライトからの光を偏光する。下液晶表示パネル２を出た光は、後に述べるレンズアレイ３を通って上液晶表示パネル１に入射し、上液晶表示パネル１による変調を受ける。下液晶表示パネル２、上液晶表示パネル１によって変調を受け、画像形成された光のみを取り出すために上偏光板１１が設置される。上液晶表示パネル１、下液晶表示パネル２、レンズアレイ３、および、それらの付属部材はサイドフレーム４内に収容される。液晶表示画面が９インチの場合、２枚の液晶表示パネルの液晶層間の距離ＤＤは、例えば、７．５ｍｍである。液晶表示パネルの各基板の厚さは０．６ｍｍであり、上液晶表示パネル１と下液晶表示パネル２の間隔Ｄは６．３ｍｍとなる。レンズアレイ３の厚さは０．６ｍｍである。図１ではレンズアレイ３は下液晶表示パネル２からＤ１の距離離れたところに設置されているが、必要に応じて上液晶表示パネル１または、下液晶表示パネル２の間のどこに置いても良い。レンズアレイ３に近い方の液晶表示パネルの画像がレンズアレイ３の影響をより受けることになる。

液晶表示パネルは自らは発光しないため、バックライトが必要である。図１において、下フレーム５内には光源としての蛍光管６が配設されている。本方式では液晶表示パネルを２枚使用する。各液晶表示パネルの光透過率は１０％以下である。したがって、液晶表示パネル２枚の光透過率は１％以下となってしまう。よって、本方式でのバックライトは大きな輝度を持つことが必要である。図１では光源としての蛍光管６は３本設置されているが、輝度を十分取るためには、９インチ程度の画面の場合であっても９本程度の蛍光管６が必要とされる場合もある。

下フレーム５の内側は光反射面となっている。光源である蛍光管６の上には光を出来るだけ液晶パネルの主面側に集めるために、光学シート群７が形成されている。図１において、光学シート群７は下拡散シート７１、下プリズムシート７２、上プリズムシート７３、上拡散シート７４で形成されている。これらの光学シート群７は常にすべて必要というわけではなく、画面の必要な輝度、画質、コスト等を考慮して、必要に応じて設置される。

光学シート群７の下には拡散板７５が設置される。拡散板７５の役割は光源である蛍光管６の光を拡散させて均一な光とすることと同時に、光学シート群７を支える役割をする。拡散板７５はポリカーボネイトで形成され、板厚２ｍｍ、透過率は約７０％である。拡散板７５には例えば、タキロン製ＰＣＤＳＤ４７１Ｇが使用される。

図１の光学シート群７の分解斜視図を図２に示す。下拡散シート７１は光源が蛍光管６で形成されているために、各蛍光管６の位置のみが明るくなって、バックライトからの光が不均一になるのを防止するために設置される。下拡散シート７１には例えば、(株)ツジデンの商品名Ｄ１２４が使用される。下拡散シート７１の上には下プリズムシート７２が設置される。下プリズムシート７２のＡ―Ａ断面は図３のようになっており、多数の小さなプリズムが形成されている。このプリズムのピッチは例えば５０μｍである。この下プリズムシート７２は、図２に示すａ方向に広がろうとするバックライトからの光を液晶パネル方向に集光する役割を持つ。下プリズムシート７２には例えば、３Ｍ製のＢＥＦIII９０／５０−Ｔ（Ｈ）が使用される。

下プリズムシート７２の上には上プリズムシート７３が形成される。上プリズムシート７３のＢ−Ｂ断面は図３のようになっており、下プリズムシート７２と同様にピッチは例えば、５０μｍである。上プリズムシート７３は、図２に示すｂ方向に広がろうとするバックライトからの光を液晶パネル方向に集光する役割を持つ。上プリズムシート７３には、例えば、３Ｍ製のＢＥＦIII９０／５０−Ｔ（Ｖ）が使用される。上プリズムシート７３の上には上拡散シート７４が設置される。プリズムシートから出てくる光をさらに均一にするためである。上拡散シート７４には例えば、(株)ツジデンの商品名Ｄ１１７ＶＧが使用される。

図４は、本実施例の要部を示す分解斜視図である。上液晶表示パネル１の上には上偏光板１１が、下液晶表示パネル２の下には下偏光板２１が設置される。上液晶表示パネル１と下液晶表示パネル２の間にレンズアレイ３が設置される。このレンズアレイ３は、１方向に光を集束し、直角方向には集束をしない例えば、レンチキュラーレンズアレイのようなものが使用される。ただし、１方向と直角方向には全く光を集束しない場合のみでなく、１方向のほうが直角方向よりも光の集束効果が強い場合も本発明の効果を得ることができる。

本実施例では、図４に示すように、上液晶表示パネル１の上に設置される偏光板の偏光方向ＰＦは時計方向４５度である。また、下偏光パネルの下に設置される偏光板の偏光方向ＰＲは反時計方向４５度である。バックライトからの光は下液晶表示パネル２の下偏光板２１によって偏光され、偏光された光の偏光面は下液晶表示パネル２および上液晶表示パネル１によって回転し、上液晶表示パネル１の上偏光板１１によって偏光されて出射することになる。この場合の構成は、下偏光板２１を通った偏光光は下液晶表示パネル２で９０度回転し、上液晶表示パネル１でさらに９０度回転することになるので、液晶に画像信号が加わらない状態においては画面が白となる、いわゆるノーマリホワイトのモードである。

図４の構成をさらに簡略化して表示したものが図５である。図５において、上液晶表示パネル１と下液晶表示パネル２には説明を簡単にするために走査線５１とビデオ信号線５２のみが記載してある。上液晶表示パネル１と下液晶表示パネル２の間にはレンチキュラーレンズアレイ３が設置されている。レンズアレイ３が無い場合、上液晶表示パネル１と下液晶表示パネル２の走査線５１どうし、あるいは、ビデオ信号線５２どうしが干渉をしてモアレを発生する。本発明は上液晶表示パネル１と下液晶表示パネル２の間にレンチキュラーレンズアレイ３を設置することによってモアレを防止するものである。

モアレを防止する手段として、バックライトで使用するような拡散シート、または、拡散フィルムを上液晶表示パネル１と下液晶表示パネル２の間に使用する方法もあるが、この方法では光が拡散されてしまうため、正面輝度、コントラスト等が低下する。本発明はレンチキュラーレンズアレイ３を適切に設置することによってモアレを防止するとともに、正面輝度の低下、コントラストの低下を防止するものである。レンチキュラーレンズアレイ３は一定方向に延びた蒲鉾状のレンズ３１が多数配列されたものである。このレンズ３１の延びている方向と、液晶表示パネルの走査線５１あるいはビデオ信号線５２とのなす角度が、モアレ、輝度、コントラス等に対して大きく影響する。以後この角度の影響を、図５に示すように、走査線５１の方向とレンチキュラーレンズ３１の延びている方向のなす角度θで代表して評価する。

図６は液晶表示パネルの上基板に形成されるカラーフィルタおよびブラックマトリクスとレンチキュラーレンズアレイ３との関係を示す図である。カラーフィルタは赤フィルタ４１、緑フィルタ４２、青フィルタ４３が横方向に順に配列されている。各フィルタのピッチは８２μｍで、同一フィルタ同士のピッチは２４６μｍである。一方カラーフィルタの縦ピッチは２４６μｍである。したがって、Ｒ、Ｇ、Ｂ３色のセットでくくると、縦ピッチ、横ピッチとも同一となる。カラーフィルタの縦ピッチは走査線５１ピッチに対応し、カラーフィルタの横ピッチはビデオ信号線５２のピッチに対応する。

図６においては、表現を簡単にするために、レンチキュラーレンズアレイ３のうち、２つのレンチキュラーレンズ３１がカラーフィルタとの関係を示すために記載されている。レンチキュラーレンズ３１は、図６のＹｏｐｔの方向に光を集束するが、Ｘｏｐｔの方向には光を集束しない。レンチキュラーレンズ３１の延びている方向とカラーフィルタの横配列方向との角度がθである。

図７はレンチキュラーレンズ３のバリエーションである。図７の例は、レンチキュラーレンズ３１の間に平坦部Ｆが存在する場合である。レンチキュラーレンズアレイ３の効果を評価するために、図７に示すようなレンチキュラーレンズアレイ３を例として評価した。変化させたパラメータはレンチキュラーレンズ３１の高さＨ、レンチキュラーレンズ３１のピッチＰである。レンチキュラーレンズ３１の曲率半径Ｒを８０μｍとすると、平坦部Ｆの幅は必然的に決まってくる。なお、レンチキュラーレンズアレイ３の厚さは０．６ｍｍである。レンチキュラーレンズアレイ３の材質はアクリル樹脂（屈折率１．５）である。レンチキュラーレンズアレイ３の材質はアクリルに限らず、例えば、ガラス（屈折率１．５３）等でも良い。レンチキュラーレンズ材料として、その他に有力な材料としてはＴＡＣ（セルローストリアセテート）、ポリカーボネート等である。

評価したレンチキュラーレンズアレイ３は図７に示すように、２種類である。レンチキュラーレンズアレイ３の板厚Ｔ、レンチキュラーレンズ３１の曲率半径Ｒ、レンズ間のフラット部はほぼ一定にして、レンチキュラーレンズピッチＰとレンチキュラーレンズの高さＨを変化させて評価した。２つのレンチキュラーレンズアレイの名前は図７に示すようにＬＡ＃１、ＬＡ＃３である。ＬＡ＃１はレンズピッチ７６．５μｍ、レンズの高さは８μｍ、ＬＡ＃３では、レンズピッチ８４μｍ、レンズ高さは１０μｍである。その他の構成はほぼ同一で、平坦部Ｆは６．６μｍ〜６．８μｍ、レンズの曲率半径は８０μｍ、レンズアレイ３の厚さは０．６ｍｍである。

レンチキュラーレンズアレイ３の効果を見るために比較としてレンチキュラーレンズアレイ３の替わりに、同じ位置に拡散シートを使用して比較評価した。評価の内容は、正面輝度、コントラスト、モアレ、画像のにじみである。各特性の評価にはバックライトの構成の影響も出るため、バックライトの光学シート群の構成も変化させて評価をした。

レンチキュラーレンズアレイ３の効果を評価するに際しては、レンズアレイ３の方向θが影響を持つ。これについては、偏光板１１または２１の偏光軸の方向とレンズアレイ３の方向θを一致させるのが各特性に対して最もよい。光は電磁波であるが、電磁波の電界(横波)の振動方向がレンズアレイ３の方向θと一致する場合が偏光解消がもっとも起こりにくいと考えられるからである。上偏光板１１の偏光方向は時計方向に４５度、下偏光板２１の偏光方向は反時計方向に４５度である。したがってレンズアレイ３の方向も、時計方向４５度、および、反時計方向４５度について評価した。ここで。４５度は設定誤差等も考慮して、４５度±５度を含むものとする。

各評価項目については、バックライトの構成も影響する。したがって、各特性の評価には光学シート類の構成を変化させた評価も行った。すなわち、拡散シートを１枚のみ使用した場合、２枚使用した場合、プリズムシートを１枚使用した場合、２枚使用した場合等、５種類のバックライト仕様について評価をした。なお、拡散板７５は蛍光管６の光を均一にするために必須のものであるから、比較したバックライト構成すべてについて共通に使用している。

レンチキュラーレンズとの比較例として、拡散フィルムを使用した。拡散フィルムもモアレ、画像のにじみに対して効果があるからである。拡散フィルムは透明なプラスチックフィルム内に光を拡散させる粒子が分散されたものであり、ヘイズ値が８７．５である。モアレを実用レベルまで低減するために、拡散フィルムは２枚重ねて使用している。比較はレンチキュラーレンズアレイ３、拡散フィルムとも下液晶表示パネル２の直上に設置して評価した。下液晶表示パネル２の直上にレンズアレイ３を設置すると下液晶表示パネル２の画像のにじみ等がとくに改善され、結果として３次元画像全体として優れた画像が得られた。

以上のように、評価は本発明に係るレンズアレイ４種類と、比較のための拡散フィルムの計５種類に対して５種類のバックライトを使用して行なった。評価項目は、モアレ、画像のにじみ、白輝度、黒輝度、コントラストである。評価順序としては、まず、モアレが実用レベルにまで低減されていることを確認し、その後、画像のにじみのレベルを評価した。モアレ、画像のにじみが一定のレベルにまで低減されていることを確認した後、各仕様に対して白輝度、黒輝度、コントラストを評価した。

図８はモアレおよび、画像にじみの評価結果である。モアレの評価は目視評価によった。図８のモアレ評価において、◎はモアレが視認できなかった場合、○はわずかに視認できるが軽微であり、実用的には問題がない場合である。図８において、ＣＣＷはレンチキュラーレンズを反時計回り４５度に設置した場合で、ＣＷはレンチキュラーレンズを時計回りに４５度に設置した場合である。図８からわかるように、ＬＡ＃１のレンチキュラーレンズを使用した場合は、モアレは視認できず、非常に良い結果が得られていが、他の仕様の場合もモアレは実用的には問題の無いレベルである。

図８において、画像にじみの評価としてＡＲ値を用いている。ＡＲ値の定義を図９に示す。ＡＲ値は、図９（ａ）に示すような、２Ｌの幅をもつ白黒ストライプを周期的に表示するデータを信号として入力した場合に、実際の光量がどのようになるかを評価したものである。ここで、Ｌは赤、緑、青の画素の１セットの幅である。赤、緑、青の幅は０．０８２ｍｍであるから、Ｌは０．２４６ｍｍであり、２Ｌは０．４９２ｍｍである。

実際のＡＲの定義を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）において、空間的に白に対応する信号Ｉｍａｄと黒に対応する信号Ｉｍｉｄを周期的に繰り返すパルス状の信号ｄａｔａを入力する。これに対応する画面上の光の出力は、例えば、図９（ｂ）に示す波状の曲線ｌｉｇｈｔとなり、最大はＩｍａｒ、最小はＩｍｉｒである。この場合、ＡＲをＡＲ＝（Ｉｍａｒ−Ｉｍｉｒ）／（Ｉｍａｄ−Ｉｍｉｄ）と定義する。ＡＲ値が大きいほど、画像にじみが小さいということになる。

図９で示すようなパターンで画像にじみを評価した場合、ＡＲ値が９０％程度以上であれば、画像にじみは実用上問題にならないと評価することができる。図８に示すように、各仕様とも実用レベルでは問題ないと考えてよい。

モアレおよび画像のにじみを評価した後、各仕様について、白輝度、黒輝度、コントラストを評価した。本表示装置においては、表示パネルは図１に示すように、上液晶表示パネル１と下液晶表示パネル２の２枚存在するため、各々について各特性を評価した。

図１０は下液晶表示パネル２についての評価結果である。図１０において、ＬＡ＃１、ＬＡ＃３等は図７に示す構成である。また、ＣＣＷ４５度はレンズアレイ３が反時計回りに４５度傾斜した場合、ＣＷ４５度はレンズアレイ３が時計回りに４５度傾斜した場合である。図１０は２種類のレンズアレイ、ＬＡ＃１とＬＡ＃３に対してレンズの向きをＣＷ４５度とＣＣＷ４５度に変えた場合の４種類の仕様と、拡散フィルムを使用した場合の計５種類について比較している。拡散フィルムは角度のついての指向性は無いため、角度を変えて比較する必要は無いことはいうまでもない。図１０は白輝度、黒輝度、およびコントラスト（ＣＲ）の評価結果を示す。白輝度は高いほどよく、黒輝度は低いほど良い。コントラスは白輝度／黒輝度であり、高いほどよい。

図１１は上液晶表示パネル１についての評価結果である。評価する仕様、評価項目、評価内容は下液晶表示パネル２についての図１０の場合と同じである。

図１０に示す下液晶表示パネル２についての評価結果と図１１に示す上液晶表示パネル１の評価結果とはほぼ同様な傾向を示している。図１０および図１１からわかるように、レンチキュラーレンズアレイ３を使用した４仕様の場合と拡散シートを使用した場合を比較すると、白輝度、黒輝度、コントラストすべての特性についてレンチキュラーレンズアレイ３を使用した場合のほうが卓越した特性を示している。これは評価したバックライトすべての仕様についていえることである。

このようにレンチキュラーレンズアレイ３を使用した場合に白輝度、黒輝度、コントラストに卓越した特性を示すのは、レンチキュラーレンズアレイ３では、下液晶表示パネル２から出てきた偏光光の偏光方向を変えない、すなわち、偏光解消を生じないからと考えることができる。一方、拡散シートを使用した場合は、下液晶表示パネル２から出てきた偏光光の偏光の向きが拡散によって変えられるいわゆる偏光解消が生ずる。また、拡散シートは光を拡散させるものであるので、本質的に、白輝度を下げ、黒輝度を上げ、コントラストを低下させるものである。

白輝度、コントラストが各仕様についてどのように変化するかをわかりやすく表示したものが、図１２から図１４である。図１０および、図１１からわかるように、上液晶表示パネル１について評価した場合も、下液晶表示パネル２について評価した結果もほぼ同様な傾向を示しているので、図１２から図１４に示すグラフは上液晶表示パネル１についての測定結果について示すものである。

図１２はレンズの各仕様に対して白輝度がどのように変化するかを示したものである。図をわかりやすくするために、バックライト仕様はＢ１（下拡散シート７１のみ使用した場合）とＢ５（下拡散シート７１、下プリズムシート７２、上プリズムシート７３および上拡散シート７４を使用した場合）の２仕様のみを載せた。図１２からわかるように、レンチキュラーレンズアレイ３を使用した場合は、拡散フィルムを使用した場合に比して、いずれの仕様も白輝度は大幅に上昇している。特にバックライトの光学シート類として、上下拡散シート、上下プリズムシートを使用した場合における差が、下拡散シートだけを使用した場合における差よりも顕著である。すなわち、白輝度に対しては、バックライトの光学シートの影響が、レンチキュラーレンズアレイ３を使用した場合のほうが拡散シートを使用した場合よりも大きいということがいえる。

図１３はレンズの各仕様に対してコントラストがどのように変化するかを示したものである。図をわかりやすくするために、図１２と同様に、バックライト仕様はＢ１（下拡散シート７１のみ使用した場合）とＢ５（下拡散シート７１、下プリズムシート７２、上プリズムシート７３および上拡散シート７４を使用した場合）の２仕様のみを載せた。図１３からわかるように、コントラストに対してはレンチキュラーレンズアレイ３の場合と拡散フィルムの場合とで、白輝度の場合よりもさらに大きな差がついている。

コントラストについては、レンチキュラーレンズアレイ３の効果は極めて大きいといえる。コントラストが良いのは、レンチキュラーレンズアレイ３の場合は、同じ条件で黒の沈みが大きいからである。逆に言えば、拡散フィルムを使用した場合は、光の拡散効果のために、黒が浮いてしまい、そのためにコントラストが低下するものと考えられる。白輝度の場合は、レンチキュラーレンズアレイ間の仕様に対しては大きな差は見られないが、コントラストに対しては、差がみられる。ＣＷ４５度の場合のほうがＣＣＷ４５度の場合のよりもコントラストがよい。すなわち、ＣＷ４５度の場合のほうが黒の沈みが大きいからである。

図１４は各レンズ仕様に対して、バックライトの仕様がどのような影響を持つかを記載したものである。代表特性としては、画質に特に影響の大きいコントラスで比較した。また、バックライト仕様では特にプリズムシートの影響を見るために、３つのバックライト仕様、すなわち、Ｂ１（下拡散シート７１のみ）、Ｂ２（下拡散シート７１＋下プリズムシート７２）、および、Ｂ４（下拡散シート７１＋下プリズムシート７２＋上プリズムシート７３）の場合について比較した。バックライトにプリズムシートを加えることによってコントラストは増加するが、その増加の割合はレンチキュラーレンズアレイ３を使用した場合のほうが拡散フィルムを使用した場合よりも大きい。また、レンチキュラーレンズアレイの仕様間でも、バックライトにプリズムシートを加える効果はＣＷ４５度の場合のほうが、ＣＣＷ４５度の場合よりも、コントラスト向上の割合が大きい。なお、レンチキュラーレンズの仕様、すなわち、ＬＡ＃１とＬＡ＃３との間では顕著な差は見られない。レンズアレイ３の角度をＣＣＷ４５度とした場合はＬＡ＃１の場合のほうがＬＡ＃３よりもコントラストがよい。一方、レンズアレイ３の角度をＣＷ４５度とした場合は、ＬＡ＃３の場合のほうがＬＡ＃１よりも若干コントラストがよい。

以上の評価では、レンチキュラーレンズとして、図７に示すような、レンズ間に平坦部Ｆが存在する場合についておこなった。しかし、レンチキュラーレンズとしては図１５に示すように、平坦部Ｆが存在しないものであっても同様な効果をあげられることはいうまでもない。

以上のように、上液晶表示パネル１と下液晶表示パネル２との間に光学部材を設置することにより、モアレ、画像のにじみを低減することができるが、このときの輝度とコントラストが問題となる。光学部材として、本実施例のように、レンチキュラーレンズを使用することにより、モアレ、画像のにじみを小さくすることができるとともに、拡散フィルムを使用した場合に比較して、輝度、コントラスの低下を大幅に抑制することができる。

実施例１では、断面が円の一部である通常のレンチキュラーレンズについて説明をした。しかし、本発明は、通常のレンチキュラーレンズにのみ適用されるものではない。すなわち、本発明は、１方向に集束作用があるが、１方向と直角方向には集束作用が無いレンズが周期的に配列されたレンズアレイであればよい。あるいは、１方向のレンズ作用が、１方向と直角な方向のレンズ作用よりも大きいレンズが周期的に配列されたレンズアレイでもよい。

図１６は他のレンズアレイ３の１例で、いわゆるウェーブシートと呼ばれているものである。図１６（ａ）はレンズアレイ３の平面図であり、図１６（ａ）は各レンズが角度θの方向に延びていることを示す。図１６（ｂ）は図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。このレンズアレイ３は、図１６（ｂ）のウェーブの頂点の方向に集束作用があり、レンズの延びる方向、すなわち、図１６（ａ）のθの方向には集束作用が無い。そして、この細長い集束作用をもつレンズが一定ピッチで配列されている。このようなレンズアレイ３も５０μｍピッチ程度で形成することは可能である。図１６に示すようなレンズアレイ３も実施例１で示すような位置に配置することにより、実施例１におけるような効果を得ることができる。このレンズアレイ３の利点は、レンズアレイ３の各レンズは断面が滑らかに、波状に変化するために、レンズアレイ３と他の光学部材との光学的干渉を防止できることである。

図１７はレンズアレイ３の他の例である。図１７はバックライトに使用されているプリズムシートと同様なものをレンズアレイ３として使用する例である。図１７（ａ）はこのレンズアレイ３の平面図であり、図１７（ａ）の斜線は各レンズの延びる方向を示す。図１７（ｂ）は図１７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。このレンズアレイ３は、図１７（ｂ）の３角形の頂点の方向に集束作用があり、レンズの延びる方向、すなわち、図１７（ａ）のθの方向には集束作用が無い。そして、この細長い集束作用をもつレンズが一定ピッチで配列されている。このようなレンズアレイ３は５０μｍピッチ程度のものが実用的に使用されている。ここで用いられるレンズアレイ３は光の集光は主目的ではないため、図１７（ｂ）に示す頂角ＴＡは９０度よりも大きいほうが良い。図１７に示すようなレンズアレイ３も実施例１で示すような位置に配置することにより、実施例１におけるような効果を得ることができる。

図１８はレンズアレイ３のさらに他の例である。図１８のレンズアレイでは、各レンズの断面形状が図１８（ｂ）に示すように台形となっている。このように台形とすることで、図１７の例等に比較して他の光学部材との光学的干渉を小さくすることができるとともに、断面が円弧である通常のレンチキュラーレンズに近い光学的特性を得ることができる。また、断面を台形とすることによって、レンズアレイの機械的強度を上げることが出来る。さらに、断面が台形であることにより、レンズアレイを製造するための型の製作を容易にし、レンズアレイの製造コストを抑制することが出来る。

図１９はレンズアレイ３のさらに他の例である。図１９の例は各レンズの断面は図１９（ｂ）に示すように、先端が頂点となっている５角形をしている。一般的なレンズアレイの製作方法としては、先ず型を製作し、その型に樹脂等を流しこむことことが行なわれている。型の製作はバイトによって機械加工されることが多い。バイトで型を切削する場合は、レンズ断面が円形であるよりも多角形であるほうが作りやすい。

一般のレンチキュラーレンズは断面が円弧であるが、円弧では機械加工が難しい場合がある。この場合、図１９（ｃ）に示すように、レンズ断面を５角形として各頂点を特定の円に内接するようにすれば、通常のレンチキュラーレンズとほぼ同様な特性を得ることができる。図１９の例によれば、製作が容易で製造コストの抑えつつ、通常のレンチキュラーレンズと同様な特性を得ることが出来る。

図２０はレンズアレイ３のさらに他の例である。図２０はレンズアレイ３が小さな凸レンズが多数配列されたマイクロレンズアレイで形成されている場合である。図２０（ａ）はマイクロレンズアレイ平面図であり、マイクロレンズ３２が一定の方向に配列されている状態を示す。マイクロレンズ３２は図２０（ａ）のθの方向には一定の間隔で密に配列され、θと直角方向には一定の間隔で疎に配列されている。この状況を図２０（ｂ）および図２０（ｃ）に示す。

個々のマイクロレンズはθ方向、θと直角方向とも等しく集束する。しかし、θ方向にはレンズが密に配置されているために、マクロ的に見るとθの方向には集束作用は無い。一方、θと直角方向にはマイクロレンズが疎に配列されているために、マクロ的に見ると、マイクロレンズ上には光が集束し、マイクロレンズとマイクロレンズの間には光が集まらないという現象を呈する。すなわち、この場合のレンズアレイ３も、レンチキュラーレンズアレイと同様に、１方向には光の集束作用があり、１方向と直角方向には光の集束作用が無いという作用を奏する。

このようなマイクロレンズアレイも液晶表示パネルの走査線５１ピッチよりも小さくなるよう、１００μｍピッチ以下で形成することも実用的に可能である。このようなマイクロレンズアレイを実施例１のような位置に設置することにより、実施例１におけるような効果を得ることができる。

図２１は本発明の第３の実施例の構成を示す概略断面図である。実施例１の図１と同じ部材は同じ番号を示す。図２１におけるＤＤ、Ｄ、Ｄ１等の意味およびディメンジョンも図１と同様である。図２２は本実施例の要部である光学部材の配列を示すものである。実施例３が実施例１と異なる点は、上液晶表示パネル１と下液晶表示パネル２の各々が下偏光板と上偏光板を有している点である。すなわち、上液晶表示パネル１には上偏光板１１と下偏光板１２が貼り付けられ、下液晶表示パネル２には上偏光板２２と下偏光板２１が貼り付けられている。ここで、下液晶表示パネル２の上偏光板２２の偏光方向と上液晶表示パネル１の下偏光板１２の偏光方向とは一致している。バックライトからの光を有効に利用するためである。

実施例１の構成では、例えば下液晶表示パネル２から出てきた光は上偏光板での偏光作用を受けておらず、上液晶表示パネル１の上偏光板１１を通って完全な画像を形成する。したがって、下液晶表示パネル２を通った偏光された光に対して偏光解消の作用をすると、上液晶表示パネル１を通過する光の量が減ることになり、輝度が減少する。

これに対して、図２１に示す実施例３の構成では、上下液晶表示パネル各々に上下偏光板が貼り付けられているので、上液晶表示パネル１、下液晶表示パネル２において完結した画像を形成する。一方実施例３の構成の問題点は偏光板を実施例１の場合に比して２枚余分に使用することになるため、表示装置全体としてバックライドからの光の透過率が減少するということである。すなわち、偏光板の光透過率を５０％とすると２枚では２５％にまで減少することになる。

実施例３の構成では、下液晶表示パネル２を通った時点で完全な画像が形成されているため、上液晶表示パネル１と下液晶表示パネル２の間で偏光解消するような作用を有する光学部材が設置されても偏光解消による透過率の減少は考えなくとも良い。しかしながら、このような構成であっても、１方向に光の集束作用のあるレンズアレイ３を使用して、モアレ、画像のにじみ等を解消することは、拡散フィルムを用いてモアレ、画像にじみを解消することに比べて大きなメリットがある。

すなわち、拡散フィルムは光を拡散するものであるから、本質的に正面輝度を低下させるとともに、黒レベルの浮き上がりを生ずるものである。これに対して、レンチキュラーレンズアレイ３のような１方向に光を集束するレンズアレイ３を使用すれば、その集束方向の向きを制御することによって、輝度、コントラストの低下を大幅に抑制することができるからである。

したがって、実施例３のような構成においても、下液晶表示パネル２と上液晶表示パネル１の間に、特定方向に強く集光し、特定方向と直角方向には集束しないレンズアレイ３を用いれば、モアレ、画像のにじみを抑制するとともに、正面輝度、コントラストの減少を抑えることができる。上記レンズアレイ３は特定方向に強く集光し、特定方向と直角方向には弱い集光作用をもつレンズアレイ３についても本発明の効果を得ることができる。

以上の実施例は、バックライトとして、光源が液晶表示パネルの直下にあるいわゆる直下型バックライトの場合について説明した。しかし、本発明は直下型バックライトのみでなく、光源がサイドにあるサイド型バックライトについても適用できる。サイド型バックライトの場合は、図１に示した光学シート群７に加えて光をサイドから液晶表示パネルの主面方向に導く導光板が必要になる。

実施例１の概略断面図である。 バックライトの光学シートの斜視図である。 プリズムシートの断面図である。 画像形成部の分解斜視図である。 液晶表示パネルとレンチキュラーレンズの配置図である。 カラーフィルタ面とレンチキュラーレンズの関係を示す平面図である。 レンチキュラーレンズの斜視図である。 モアレと画像にじみの評価結果である。 画像にじみの定義である。 下液晶表示パネルの輝度とコントラストの評価結果である。 上液晶表示パネルの輝度とコントラストの評価結果である。 白輝度の比較評価結果である。 コントラストの比較評価結果である。 コントラストに対するバックライトの影響評価結果である。 レンチキュラーレンズの他の仕様である。 ウェーブシートの概念図である。 レンズアレイの他の仕様である。 レンズアレイのさらに他の仕様である。 レンズアレイのさらに他の仕様である。 レンズアレイのさらに他の仕様である。 実施例３の概略断面図である。 実施例３の画像形成部の分解斜視図である。

符号の説明

１…上液晶表示パネル、２…下液晶表示パネル、 ３…レンズアレイ、 ４…サイドフレーム、 ５…下フレーム、 ６…蛍光管、 ７…光学シート群、 １１…上偏光板、 １２…上液晶表示パネルの下偏光板、 ２１…下偏光板、 ２２…下液晶表示パネルの上偏光板、 ３１…レンズ、 ３２…マイクロレンズ、４１…赤フィルタ ４２…緑フィルタ、 ４３…青フィルタ、 ４４…ブラックマトリクス、 ５１…走査線、５２…ビデオ信号線。

Claims (16)

1. カラー画像を表示可能な第１の液晶表示パネルと前記第１の液晶表示パネルの後方に所定の間隔を隔ててカラー画像が表示可能な第２の液晶表示パネルが設置され、前記第２の液晶表示パネルの後方にはバックライトが設置されて、前記第１の液晶表示パネルの前方から画像を視認する表示装置であって、
   前記第１の液晶表示パネルの前方には第１の偏光板が貼り付けられ、後方には偏光板は貼り付けられておらず、前記第２の液晶表示パネルの後方には第２の偏光板が貼り付けられ、前方には偏光板は貼り付けられておらず、
   前記第１の液晶表示パネルと前記第２の液晶表示パネルとの間には特定方向よりも、前記特定方向と直角方向に光を強く集束するレンズアレイが設置されおり、
   前記特定方向は前記第１液晶表示パネルおよび前記第２の液晶表示パネル外形に対して角度を有しており、
   前記特定方向は、前記第１の偏光板または前記第２の偏光板の偏光軸と５度以内で一致することを特徴とする表示装置。
2. 前記レンズアレイは前記特定方向には光を集束しないレンズアレイであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記角度は略々４５度であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
4. 前記レンズアレイの前記特定方向と直角方向のレンズピッチは前記第１の液晶表示パネルまたは前記第２の液晶表示パネルの走査線ピッチよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
5. 前記レンズアレイは前記第２の液晶表示パネルに接して設置されていることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
6. 前記レンズアレイはレンチキュラーレンズであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
7. 前記レンチキュラーレンズの各レンズ間には平坦部が存在することを特徴とする請求項６に記載の表示装置。
8. 前記レンズアレイのレンズ断面は波状であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
9. 前記レンズアレイのレンズ断面は３角形であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
10. 前記レンズアレイのレンズ断面は３角形であり、かつ、前記３角形の頂角は９０度よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
11. 前記レンズアレイのレンズ断面は台形であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
12. 前記レンズアレイのレンズ断面は先端が頂点となっている５角形であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
13. 前記５角形の角部は所定の半径を有する円に略々内接することを特徴とする請求項１２に記載の表示装置。
14. 前記レンズアレイは小さな凸レンズが多数形成されたマイクロレンズアレイであり、前記小さな凸レンズは前記特定方向へのピッチは前記特定方向とは直角方向のピッチよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
15. 前記バックライトは拡散シートとバックライトを所定の方向に強く集束するプリズムシートを含むことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
16. 前記バックライトは拡散シートとバックライトを所定の方向に強く集束するプリズムシートとバックライトを前記所定の方向と直角方向に強く集束するプリズムシートを含むことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。

Images