(57)【要約】【課題】屈折率分布レンズを使用するときに要素画像を有効に活用することができ、立体画像として認識できる領域を従来の装置より広くすることができる立体画像表示装置を提供すること。【解決手段】立体画像表示装置１は、インテグラルフォトグラフィ方式における撮像光学系により撮像した要素画像から屈折率分布レンズ３ａを用いる表示光学系により立体画像を表示する立体画像表示装置であって、前記立体画像の要素画像を表示する要素画像表示手段２と、この要素画像表示手段の前記要素画像ごとに対面して前記屈折率分布レンズ３ａを配置した屈折率分布レンズアレイ３と、この屈折率分布レンズアレイの光の射出端に対面して配置される大口径凸レンズ４と、を備える構成とした。【選択図】図１
2010266614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インテグラルフォトグラフィ方式における撮像光学系により撮像した要素画像から屈折率分布レンズを用いる表示光学系により立体画像を表示する立体画像表示装置において、
前記立体画像の要素画像を表示する要素画像表示手段と、
この要素画像表示手段の前記要素画像ごとに対面して前記屈折率分布レンズを配置した屈折率分布レンズアレイと、
この屈折率分布レンズアレイの光の射出端に対面して配置される大口径の凸レンズと、を備えることを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項２】
前記凸レンズがフレネルレンズであることを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。
【請求項３】
前記凸レンズがフレネルゾーンプレートであることを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。
【請求項４】
前記撮像光学系で使用した屈折率分布レンズの長さを、蛇行周期の３／４になるように形成したときに、前記表示光学系の屈折率分布レンズの長さを、蛇行周期が１／４になるように形成したことを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。
【請求項５】
前記撮像光学系で使用した屈折率分布レンズの長さを、蛇行周期が１／４になるように形成したときに、前記表示光学系の屈折率分布レンズの長さを、蛇行周期が３／４になるように形成したことを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インテグラルフォトグラフィ方式を用いて撮像した立体画像を表示する立体画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、任意の視点から自由に観測可能な３次元像表示方式として、立体画像表示装置では、レンズアレイやピンホールアレイあるいは屈折率分布レンズアレイを用いた、いわゆるＩＰ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ）方式が知られている。図５に、従来の屈折率分布レンズアレイを用いたＩＰ方式における表示光学系を用いた立体画像表示装置を示す。なお、ここで、Ｌは屈折率分布レンズアレイと観測者間の距離とし、ｇは屈折率分布レンズアレイの長さとし、Ｎは屈折率分布レンズアレイにおける水平方向のレンズの数とし、ｐは屈折率分布レンズアレイのピッチとし、θｍａｘは屈折率分布レンズの最大射出角とする。以下では、屈折率分布レンズアレイの長さを蛇行周期の１／４として説明する。また、以下では水平方向についてのみ述べるが、垂直方向についても同様のことが成立する。
【０００３】
図５に示すように、立体画像は、ＩＰ方式における表示光学系を用いた立体画像表示装置１００により表示されるものである。この立体画像表示装置１００は、撮影した要素画像を表示する要素画像表示手段１０１と、この要素画像表示手段１０１に対面して設置される屈折率分布レンズ１０２ａを複数備える屈折率分布レンズアレイ１０２とを備えている。立体画像表示装置１００は、要素画像表示手段１０１に表示された要素画像が、屈折率分布レンズアレイ１０２に入射され、この屈折率分布レンズアレイ１０２のそれぞれのレンズ内を蛇行しながら伝播する。ここで、要素画像表示手段１０１に表示された要素画像は、被写体の凹凸が反転したいわゆる偽立体像を避けるために、適切に処理されたものとする。そして、立体画像表示装置１００では、屈折率分布レンズアレイ１０２から射出された光は、自由空間を伝播し、観測者によって奥行方向の凹凸が被写体と同じ状態の立体画像として観測されるものである（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１５０６７５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、従来の立体画像表示装置では、以下に示すような改善の余地があった。
すなわち、立体画像表示装置では、屈折率分布レンズから射出される光の射出角は、屈折率分布レンズの最大射出角θｍａｘによって制限される。したがって、立体画像表示装置では、屈折率分布レンズアレイから距離Ｌ離れた位置において、すべての屈折率分布レンズからの射出光を観測できる範囲を視域Ｖ１とすると、以下の式（１）でその範囲を示すことができる。
Ｖ１＝２｛Ｌｔａｎθｍａｘ−（Ｎｐ／２）｝      式（１）
【０００６】
視域Ｖ１の外から立体画像表示装置１００を観察する場合、たとえば観察者が左側に歩いて視域Ｖ１の外に出たとすると、屈折率分布レンズアレイ１０２の屈折率分布レンズ１０２ａのうち、右から順に射出光が観察できなくなる（最大射出角以上の角度となるため。）一方それ以外の屈折率分布レンズ１０２ａからの射出光は、観察することができる。ここでインテグラルフォトグラフィ方式では、レンズアレイにおけるレンズ１つが従来の２次元表示素子の１画素に相当して見える。そのため、上記で述べたような右端が欠けて見える観測位置は不適であり、視域に含めることはできない。
したがって、このような立体画像表示装置における視域Ｖ１の範囲であると、各屈折率分布レンズに表示される要素画像に関して視域外に射出される領域が存在しているため、要素画像表示手段の画素を有効に活用できないことがわかる。
【０００７】
本発明は、前記した問題点に鑑み創案されたものであり、屈折率分布レンズを使用するときに、立体画像として認識できる領域を従来の装置より広くすることができる立体画像表示装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は前記した課題を解決するために、屈折率分布レンズアレイの最大射出角が小さいことに起因することに鑑み、屈折率分布レンズアレイの観察者側に大口径凸レンズを配置することで、屈折率分布レンズアレイからの射出光を、大口径凸レンズに入射させて、伝播方向を制御することができるようにしている。すなわち、立体画像表示装置は、インテグラルフォトグラフィ方式における撮像光学系により撮像した要素画像から屈折率分布レンズを用いる表示光学系により立体画像を表示する立体画像表示装置であって、前記立体画像の要素画像を表示する要素画像表示手段と、この要素画像表示手段の前記要素画像ごとに対面して前記屈折率分布レンズを配置した屈折率分布レンズアレイと、この屈折率分布レンズアレイの光の射出端に対面して配置される大口径の凸レンズと、を備える構成とした。
【０００９】
かかる構成により、立体画像表示装置は、要素画像表示手段から要素画像が表示されると、屈折率分布レンズのそれぞれを介して要素画像の光が屈折率分布レンズアレイから射出し、さらに、大口径な凸レンズにより要素画像の光の伝搬方向について、立体画像が認識できる視域が広がるようにしている。
【００１０】
さらに、前記立体画像表示装置において、前記大口径な凸レンズがフレネルレンズであることや、あるいは、大口径な凸レンズがフレネルゾーンプレートである構成としても構わない。
かかる構成により、立体画像表示装置は、屈折率分布レンズから射出された要素画像の光をフレネルレンズあるいはフレネルゾーンプレートから凸レンズと同等となるように射出する光の伝搬方向を制御して視域が広くなるようにしている。
【００１１】
また、前記立体画像表示装置において、前記撮像光学系で使用した屈折率分布レンズの長さを、蛇行周期の３／４になるように形成したときに、前記表示光学系の屈折率分布レンズの長さを、蛇行周期が１／４になるように形成することや、あるいは、前記撮像光学系で使用した屈折率分布レンズの長さを、蛇行周期が１／４になるように形成したときに、前記表示光学系の屈折率分布レンズの長さを、蛇行周期が３／４になるように形成した構成としてもよい。
【００１２】
かかる構成により、立体画像表示装置は、屈折率分布レンズアレイから大口径凸レンズを介して光が射出すると、立体画像の奥行方向に対する凹凸が被写体と同じ状態で表示することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る立体画像表示装置は、以下に示すような優れた効果を奏するものである。
立体画像表示装置は、屈折率分布レンズアレイからの射出光の伝播方向を、大口径の凸レンズにより制御することで、屈折率分布レンズからの射出光が全て視域内に伝搬することから、表示される立体画像の視域を広くすることができ、かつ要素画像表示手段を有効に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る立体画像表示装置及び立体画像撮像装置を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明に係る立体画像表示装置の構成における位置関係を模式的に示す側面図である。
【図３】本発明に係る立体画像表示装置の凸レンズをフレネルレンズにした場合の構成を模式的に示す側面図である。
【図４】本発明に係る立体画像表示装置の凸レンズをフレネルゾーンプレートにした場合の構成を模式的に示す側面図である。
【図５】従来の立体画像表示装置の構成を模式的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る立体画像表示装置を、図面を参照して説明する。なお、図２〜図４において観察者Ｋの位置は、本来Ｖ２の視域を示す線上に記載することが望ましいが、各線が複雑になるためＶ２より後ろに示している。また、屈折率分布レンズ３ａの直径は本来数ミリ程度と小さいが、デフォルメして分かり易いように表示している。
図１及び図２に示すように、立体画像表示装置１は立体画像撮影装置１０により撮影された被写体Ｗの要素画像を表示することで、観察者Ｋに立体画像Ｗｔを認識させるものである。この立体画像表示装置１は、要素画像表示手段２と、この要素画像表示手段２に対面して設置される屈折率分布レンズアレイ３と、この屈折率分布レンズアレイ３に対面して設置される大口径に形成された凸レンズである大口径凸レンズ４とを備えている。なお、観察者Ｋは大口径凸レンズ４の焦点距離と等しい視距離から、立体表示装置１を見る。
【００１６】
要素画像表示手段２は、立体画像撮影装置１０により撮影した被写体Ｗの要素画像を表示するものである。この要素画像表示手段２は、ここでは、例えば、液晶モニタ等の表示手段が用いられ、要素画像を平面状に一度に表示することができるように構成されている。なお、被写体Ｗの状態は静止画あるいは動画であっても要素画像として撮影されていれば、要素画像表示手段２よりその静止画あるいは動画に対応する要素画像を表示している。なお、要素画像表示手段２または屈折率分布レンズアレイ３には、要素画像の中心と屈折率分布レンズの中心を一致させるための調整機構を備えていることが望ましい。また、図１では、撮影カメラ１２と接続されて要素画像のデータを伝送するように示しているが、要素画像表示手段２にデータの入力手段及び記憶手段を備える構成であれば、撮影カメラ１２から独立した構成としても用いられることは勿論である。
【００１７】
屈折率分布レンズアレイ３は、要素画像表示手段２により表示される要素画像を観察者側に射出させるものである。この屈折率分布レンズアレイ３は、複数の屈折率分布レンズ３ａを同じ長さにして軸線方向に並行に設置している。屈折率分布レンズ３ａは、ここでは、光軸から半径方向に向かって屈折率の分布を有しており、長さが蛇行周期の１／４となるように形成されている。ここで、屈折率分布レンズの蛇行周期とは、光の入射位置と射出位置および入射角と射出角が等しくなる屈折率分布レンズの最小長を表す。屈折率分布レンズの長さが蛇行周期の１／４の場合、無限遠に設置された被写体は射出端面において結像される。
【００１８】
また、屈折率分布レンズ３ａは、隣の屈折率分布レンズ３ａとの間に光を遮る遮光体が設けられた状態で設置されていることが好ましい。屈折率分布レンズアレイ３は、要素画像表示手段２の表示面に対面（当接）して、それぞれの屈折率分布レンズ３ａの光軸中心が、要素画像の中心と対応して一致していることが望ましい。
【００１９】
大口径凸レンズ４は、屈折率分布レンズアレイ３に対面して設置されその屈折率分布レンズアレイ３から射出される光を全て入射するような大きさに形成されている。この大口径凸レンズ４は、屈折率分布レンズアレイ３からの要素画像の光を屈折させて立体画像の視域が広がるように機能している。また、大口径凸レンズ４は、その光軸中心と屈折率分布レンズアレイ３の中心とが一致するように互いに当接して配置されることが望ましい。大口径凸レンズ４の周縁部では、屈折率分布レンズアレイ３と当接していない部分が発生するが、機能は中央側と変わらない。
【００２０】
そのため、観察者Ｋから立体画像を観察する場合、視距離Ｌにおいて、すべての屈折率分布レンズからの射出光を観察できる視域をＶ２とし、屈折率分布レンズ３ａの光の最大射出角をθｍａｘとし、屈折率分布レンズ３ａの長さをｇとし、屈折率分布レンズ３ａにおけるレンズの水平方向の数をＮとし、屈折率分布レンズ３ａのピッチをＰとし、大口径凸レンズ４の焦点距離をＦとしたときに、大口径凸レンズの焦点距離Ｆだけ離れた位置から観察する場合、すなわちＬ＝Ｆのもとでつぎの式（２）が成り立つ。
Ｖ２＝２Ｌｔａｎθｍａｘ      式（２）
【００２１】
この式は、大口径凸レンズ４が設置されていない状態の式（１）と比較して、右辺のＮｐの項がなく、視域が拡大されていることが分かる。そして、要素画像表示手段２からの射出角はすべて視域内に伝播することから、要素画像表示手段２の画素を有効に活用できることが分かる。
【００２２】
つぎに、立体画像表示装置１の動作について説明する。
立体画像表示装置１は、被写体Ｗを立体画像撮影装置１０により撮影された要素画像を使用して立体画像Ｗｔを表示する。立体画像撮影装置１０は、例えば、図１に示すように、被写体Ｗと撮影手段である撮影カメラ１２の間に撮影光学系１１を配置して、被写体Ｗの要素画像を撮影する。なお、被写体Ｗと撮影カメラ１２の間に配置される撮影光学系１１は、例えば、屈折率分布レンズを複数本設置して形成したアレイブロックが使用され、長さは蛇行周期の３／４のものが使用される。撮影カメラ１２は、撮影光学系１１の端面に形成される被写体Ｗの要素画像を撮影する。
【００２３】
なお、図１では、立体画像撮影装置１０の撮影カメラ１２と立体画像表示装置１の要素画像表示手段２とが接続されている構成として説明するが、要素画像表示手段２を立体画像撮影装置１０から独立して構成しても構わない。立体画像表示装置１は、要素画像表示手段２で表示される要素画像の中心と、屈折率分布レンズ３ａの光軸中心とが位置合わせされた状態で設定されている。なお、要素画像の中心と屈折率分布レンズ３ａの光軸中心との位置合わせは、要素画像表示手段２の要素画像の表示位置を移動させることで合わせるか、あるいは、要素画像表示手段２または屈折率分布レンズアレイ３を支持している図示しない支持フレームに調整手段を設置してその調整手段（図示せず）により要素画像の中心と屈折率分布レンズ３ａの中心を一致させることが可能となる。なお、立体画像表示装置１では、位置合わせの作業は、予め行われて調整されている。
【００２４】
立体画像表示装置１は、立体画像撮影装置１０により撮影された被写体Ｗの要素画像を、要素画像表示手段２により表示すると、表示された要素画像の光が屈折率分布レンズ３ａの一端からそれぞれ入射して、屈折率分布レンズ３ａの他端からそれぞれ射出する。そして、立体画像表示装置１は、要素画像の光が屈折率分布レンズアレイ３から射出して大口径凸レンズ４に入射し、その大口径凸レンズ４から射出するときに曲げられる。したがって、屈折率分布レンズアレイ３から射出された光は、大口径凸レンズ４によって曲げられ、自由空間内を伝播し、観測者によって立体画像Ｗｔとして観測される。なお、立体画像Ｗｔは、撮影状態により奥行方向において所定の位置に観察されることになる。
【００２５】
そのため、図２に示すように、観察者Ｋから立体画像Ｗｔを観察する場合には、Ｖ２で示す範囲であれば、どの位置から観察者Ｋが観察しても全ての屈折率分布レンズ３ａからの射出光を観察できるので、立体画像Ｗｔとして認識することが可能となる。
このように、立体画像表示装置１は、簡単な構成で立体画像Ｗｔを観察できる範囲を従来よりも屈折率分布レンズアレイ３の大きさ分だけ広げることが可能となる。このことは、今後立体画像表示装置が大画面化されたときに、特に効果を発揮する。
【００２６】
つぎに、図３、図４を参照して、他の形態の立体画像表示装置１Ａ、１Ｂをそれぞれ説明する。なお、すでに説明した構成は、同じ符号を付して説明を省略する。
図３に示すように、立体画像表示装置１Ａは、要素画像表示手段２と、屈折率分布レンズアレイ３と、フレネルレンズ４Ａとを備えている。
フレネルレンズ４Ａは、屈折率分布レンズアレイ３の端面に対面（当接）した状態で配置される。このフレネルレンズ４Ａは、図２の大口径凸レンズ４と同じ機能を有しているので、前記したように式（２）で示すような屈折率分布レンズ３ａからの射出光を観察する範囲を視域Ｖ２として広くすることができる。
【００２７】
また、図４に示すように、立体画像表示装置１Ｂは、要素画像表示手段２と、屈折率分布レンズアレイ３と、フレネルゾーンプレート４Ｂとを備えている。フレネルゾーンプレート４Ｂは、屈折率分布レンズアレイ３の端面に対面（当接）した状態で配置される。したがって、前記したように式（２）で示すような屈折率分布レンズ３ａからの射出光を観察する範囲を視域Ｖ２として広くすることができる。
【００２８】
フレネルゾーンプレート４Ｂは、形状的に平坦な板状に形成することができるので、屈折率分布レンズアレイ３に対面（当接）して配置するときの位置合わせが容易となる。
【００２９】
以上説明したように、立体画像表示装置１、１Ａ、１Ｂでは、各要素画像の端から射出された光は、屈折率分布レンズ３ａ内を蛇行しながら伝播し、同レンズアレイから角度θｍａｘで射出される。そして、大口径凸レンズ４（４Ａ、４Ｂ）によって曲げられ、距離Ｌ＝Ｆにおいて、すべての屈折率分布レンズ３ａからの射出光を観測できる範囲を視域Ｖ２として広げることが可能となる。
【００３０】
なお、立体画像表示装置１、１Ａ、１Ｂでは、立体画像撮影装置１０は、撮影光学系１１として屈折率分布レンズを使用したときには、その長さは蛇行周期の３／４として説明したが、屈折率分布レンズ３ａの長さを蛇行周期の１／４とした構成としても構わない。立体画像撮影装置１０の撮影光学系１１において屈折率分布レンズ３ａの長さを蛇行周期の１／４である構成とした場合には、立体画像表示装置１、１Ａ、１Ｂでは、屈折率分布レンズ３ａの長さが蛇行周期の３／４である構成とすることで、奥行方向の凹凸状態が被写体Ｗと同じ状態として表示することができる。
または、撮影光学系１１で撮影した要素画像を要素画像表示手段３に表示するまでの過程で、電子的に各要素画像を１８０度回転させる等の処理を行うことで、撮影側と表示側で屈折率分布レンズ３ａの長さが共に蛇行周期の１／４のレンズアレイを用いて、奥行方向の凹凸状態が被写体Ｗと同じ状態として表示することも可能である。
【００３１】
また、立体画像撮影装置１０の撮影光学系１１は、要素画像が撮影できるものであれば、特にその構成を限定されるものではない。
さらに、要素画像表示手段の具体的な例としては、液晶モニタ、プロジェクタにより表示される表示スクリーンを使用することができる。つまり、要素画像を表示するために使用できる表示手段であれば、液晶モニタ、プラズマディスプレイ等でも、プロジェクタのよう投射タイプであっても構わない。
【符号の説明】
【００３２】
１      立体画像表示装置
１Ａ    立体画像表示装置
１Ｂ    立体画像表示装置
２      要素画像表示手段
３      屈折率分布レンズアレイ
３ａ    屈折率分布レンズ
４      大口径凸レンズ
４Ａ    フレネルレンズ
４Ｂ    フレネルゾーンプレート
１０    立体画像撮影装置
１１    撮影光学系
１２    撮影カメラ（撮像手段）
Ｆ      焦点距離
Ｋ      観察者
Ｌ      距離
Ｖ１    視域
Ｖ２    視域
Ｗ      被写体
Ｗｔ    立体画像
【図１】
2010266614.tif 000003
【図２】
2010266614.tif 000004
【図３】
2010266614.tif 000005
【図４】
2010266614.tif 000006
【図５】
2010266614.tif 000007