有機ELテレビの3D方式における偏光板の役割


2015年4月30日 LGディスプレイ・ブログ

TVは目で見る世界をよりリアルな表現をするために継続して発展してきました。画面をより明るくすることで対象を区別できる階調表現をより細かくして、コントラスト比と色表現力もより高めきました。しかし、いくら良い画質を示すことができるディスプレイであっても、実際に目が物事を認識するのと同じ経験を提供することはできません。長方形囲みの2次元平面という限界からです。目が認知する立体的な映像を平面では表現することがないです。一方、これを克服するために多くの努力がありました。今回の記事では、偏光板を用いて薄型TVで立体的な経験を提供することができる技術について説明します。

物事を立体的に見る原理を説明しましょう

フラットなスクリーンでどのように立体画面を表示することができますか?この質問に答えをするためには、まず目が物体を立体的に見る原理について知っておくべきでしょう。目は大きく以下のような4つの要因によって物事を立体的に認識します。

1)焦点調節(Accommodation) - 水晶体の厚さに応じた、焦点距離。
2)視線暴走(Convergence) - 物体との距離に応じて、間の角度が異なる。
3)両眼視差(Binocular disparity) - 二つの目の位置の差に見えるものの姿が異なる。
4)運動視差(Motion parallax) - 動く物体との距離に応じて速度が異なる。

そこで、ディスプレイでは、物事を二つ目に認知したかのように、同じ経験を提供するため、二つの画面を視聴者に配信します。この中で目によって発生する両眼視差(Binocular disparity)は、立体(遠近)であるか主な原因となって、3Dと呼ばれる技術」を作る基本となりますね。2次元画面に左眼映像(左眼で見たもの)と右眼映像(右眼で見たもの)を表示して、それぞれの左、右の目のみ適用される映像が見えるようにして両眼視差による奥行き感が感じられるようにする。

二つの異なる映像を見せるためのディスプレイ方法

さて、ディスプレイで3Dを実装する方法について具体的に調べてみましょうか?いくつかの方法がありますが、この章では、TVで主に使用される偏光板を用いた映像分離方法に対して説明します。3D TVは、2つの画面を左、右区別するために眼鏡を使用します。まさに偏光板が付着された眼鏡ですね。このメガネは、ディスプレイから出てくる二つの画面を効果的に分離して、それぞれ左右の目に送られます。

ディスプレイでは、このメガネに合わせて二つの映像を送ってくれるんです。ここでは、大きく二つの方法があります。まず、空間的に映像を分離する方法と、時間で映像を分離する方法です。

空間的に映像を分離する方法は、同じ時間内に二つの映像を同時に送信する方法でFPR(Film-type Patterned Retarder)と呼ばれる技術が代表的に使用されます。

時間的に映像を分離する方法は2つの別のフレームを時間に応じて送信する方法で、シャッターグラスと呼ばれる技術が代表的に使用されます。

どちらの方法も偏光板を用いて映像を分離します。いくつかの原理で実装されているので、見てみましょう。

偏光板は、どのように左右の映像を区分しているのか?

1)FPRの偏光原理

*上の図は、原理を表現するために説明した図で、実際の実装とは異なる場合があります

FPR方式は、映像を空間的に分割して、同じ時間内の人の目に送られます。上の図を一度見れば、既存のディスプレイとの違いを感じることができると思いますが。まさに線偏光板の上に位相が反対の位相遅延フィルムが付いているFPR Filmを使用しているのです。画面の縦のラインごとに左右の映像を区分して送ってくれて、その映像は、それぞれ位相が反対のフィルムを通過していくことになります。その時、目の前にある3Dメガネで映像を区分して、右の目には、右側映像が、左目には左側映像のみ送信されているのです。

もう少し詳しい例を挙げましょう。偏光されない光(OLEDは発光した後)が偏光フィルムを通過して90度偏光がされて、右側映像は、位相遅延フィルム45度を通過して135度になります。左側映像は、-45度の位相遅延フィルムを通過して45度になります。3Dメガネの右側では、位相遅延フィルム45度が貼付されています。右側映像は、135度から180度となって、左側映像は、45度から90度になります。その後ろにはすぐに180度偏光フィルムがあって、180度の右側映像は、通過して、目に入るようになって、左側映像は、90度なので、目に入りません。

FPRは、位相がライン別に区分されたフィルムを使用して、精巧に製作するのは難しい技術です。とても高いレベルのフィルムが要求されます。しかし、従来のディスプレイ駆動方式をそのまま使用できるという利点とメガネがとても軽くて、目が楽だという利点があります。そして、位相遅延フィルムを使用しているので、横になっても、3Dを見ることができます。

2)シャッターグラスの偏光原理

*上の図は、原理を表現するために説明した図で、実際の実装とは異なる場合があります

他の一つは、シャッターグラス方式です。シャッターグラス方式は、時間に応じて左、右の目に該当する映像を繰り返し示しています。ここで重要なのは、3Dメガネです。ディスプレイに画面が左、右点滅し出てくると、目の前にある3Dメガネで左、右を点滅しながら、その映像だけ表示します。

3Dメガネに液晶が含まれているので、可能な方式(関連内容:LCDとOLED -発光原理で見る構造の違い)で3Dメガネも、液晶と偏光板を用いて映像を遮断して通過させます。もう少し詳しく説明触れるLCDとOLEDから出力された画面は3Dメガネで90度偏光板に会っ偏光されます。そして、液晶を通過するようになるが、このとき、右側映像であると仮定すると、右側の眼鏡では、液晶を反転することなくそのまま通過させ、その次の90度の偏光板を通過させ、左の眼鏡では、液晶に光の方向を90度ほどずれた180度偏光にし、その次の90度線の偏光板で完全にブロックします。

シャッターグラスでは3Dメガネが重要な役割を果たします。しかし、液晶が入っていて、これを電気的に制御するために、バッテリーが要るので重量があります。さらにずっと点滅であるため、目に疲労を与えます。利点は、従来のディスプレイと同じフィルムで実装が可能であり、パネルの製作が容易であるという点です。OLEDの場合、従来のLCDシャッターグラス方式を適用したときに問題になった遅い液晶の動き(映像を区分したとき3D画面区分が難しかった部分)を確実に向上させることができるというのが利点です。

横になって見ても 3D が見えるか?

先に位相遅延フィルムを使用するFPRでは、横になっても3D画面を見ることができるとしています。シャッターグラス方式では、横になって3Dを見るのが不可能でしょうか?位相遅延フィルムを使用すれば可能です。既存のシャッターグラスの実装方式でパネルに付着する偏光板の上に位相遅延フィルムを貼ってシャッターグラスメガネの上からも位相遅延フィルムを追加でつける実装が可能です。しかしこの場合、ディスプレイもメガネもすべて変えなければならなので値上げの問題と一緒に、既存の製品との互換性がない問題が発生します。消費者の立場では、お金を払って買ったメガネがどのようなTVでも使えないなら、問題になるでしょう。