(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インテグラル表示法を用いた３次元画像表示装置であって、
バックライトからの光が複数の要素レンズの配列した第１集光系アレイ、画像表示面、第２集光系を順に経て、観察者の目に入射するこうせいを備え、
第２集光系の焦点距離をｆａ、上記要素レンズの焦点距離をｆｂとし、上記バックライトと第１集光系アレイ間の距離がｆａｆｂ／（ｆａ−ｆｂ）、第１集光系アレイと第２集光系間の距離がｆａであるとき、
第２集光系を構成するそれぞれの要素レンズのレンズ形状に対して、それをｆｂ／（ｆａ−ｆｂ）倍した相似図形のそれぞれ範囲内でバックライトを発光させるものであることを特徴とする３次元画像の表示装置。
【請求項２】
上記画像表示面は複数の表示面で構成され、上記バックライトからの光は、順次複数の前記表示面を透過するものであることを特徴とする請求項１に記載の３次元画像の表示装置。
【請求項３】
上記観察者から見た奥行き情報は、上記画像表示面における複数の表示面によって表示することを特徴とする請求項２に記載の３次元画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、インテグラルイメジングにおいて、中でも特にフライアイレンズを構成する要素レンズを大きくし、観察者から見たときに１つのレンズから複数の画素が観測される粗インテグラルイメジングにおいて、偽像の発生を抑制することができる３次元画像の表示装置に関している。
【背景技術】
【０００２】
従来のインテグラルイメジング方式の３次元画像表示装置の概要を、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図１（ａ）の構成では、表示面の前に凸レンズアレイと大口径集光系としてのフレネルレンズを配置して、観察者に実像を提示する。図１（ｂ）の構成では、観察者の近くに表示面と凸レンズアレイと大口径集光系を配置して、観察者に虚像を提示する。図１（ｃ）では、観察者に複数の実像を提示して、より改善された臨場感を提示するものである。
【０００３】
粗インテグラルイメジング(CII:Coarse Integral Imaging)とは、インテグラルイメジングにおいて、フライアイレンズを構成する要素レンズを大きくし、観察者から見たときに１つのレンズから複数の画素が観測される方式である(非特許文献１)。この方式は、実像または虚像を生成するため、ディスプレイから浮き上がった、あるいは奥まった立体像の生成において有利であることが知られている(非特許文献２)。一方、この方式では、レンズにより生成される実像・虚像に光学歪みが発生することに起因する画質の問題が多くある。また、要素画像が大きいため、その継ぎ目の不連続性による立体像の品質低下も大きな問題となる。
【０００４】
本発明の発明者らは、インテグラルイメジングにおいて、フライアイレンズを構成する個々のレンズを大きくするとともに、ディスプレイパネル部を多層化する粗インテグラルボリューム表示法を特許文献１（特開２００８−０１５１２１号公報）で開示している。この方式では、ボリューム化された実像（または虚像）が観察されるので、輻輳調節矛盾が軽減される。また、多視点系を組み合わせるため、パネル数をある程度聞引いて斜めから見たときに前後のパネルで表示した像が分離することはない。さらに、オクルージョン（occlusion ; 物体間の隠蔽関係）や光沢面の表現も可能となる。
【０００５】
特に粗インテグラルイメジング法で実像生成を行う湯合、観察者の近くに立体像を提示するため、細かな視差提示が必要となる。そのため、上述した収差や継ぎ目の不連続性の問題が顕著になる。その解決方法として、多層モノクロパネルを使い映像のエッジ部分のみを表示するボリュームディスプレイを粗インテグラルイメジングで生成される実像の多視点映像に重ね合わせる方式(非特許文献３、４)と、インテグラルイメジングの表示部を多層化する方式とが提案されている（非特許文献５、６）。前者の場合、ボリュームディスプレイに光学歪みはないが、インテグラルイメジングによる多視点映像とボリュームディスプレイの間にずれが生じる。後者の場合、ボリュームディスプレイ自体に光学歪みが発生する。そのため、いずれの方法においても、提示する立体像は十分な画質を実現できなかった。
【０００６】
以上の問題を解決する方法として、本発明の発明者らは、生成される実像の歪みを計算し、歪んだディスプレイ面に対してレンダリングを行う方式を提案している（非特許文献７、８）。これにより、光学歪みによる画質の劣化が大幅に改善されることが確認されている。さらに、粗インテグラルイメジングにおいて、パネルを多層化し、その実像として生成される歪んだ多層面に対して、ＤＦＤ（Depth-fused 3D）による奥行き標本型（非特許文献９、１０）の表示を適用する手法を上記発明者らは提案しており、それを粗インテグラルボリューム表示(ＣＩＶＩ:Coarse Integral Volumetric Imaging)と呼んでいる（非特許文献１１、１２）。この手法により、隣り合うレンズ間で生じる両像の不連続性の解消、および輻輳調節矛盾の軽減が実現されることが確認されている。
【０００７】
このように、高画質の立体像が実現できる粗インテグラル表示方式であるが、偽像が発生するという問題がある。図２に示す通り、それぞれの要素画像が、対応する要素レンズではなく、隣の要素レンズを通しても結像するため、これが偽像となって表れる。
【０００８】
これに対処する方法として、これまでは実像が生成される部分のみを覗き窓とし、他の部分は壁にして偽像が隠されるようにする措置が取られてきた（図２）。しかしながら、覗き窓の設置は装置全体の嵩を大きくすることになる、という問題がある。
【０００９】
上記の様に、既存の粗インテグラル表示方式および、粗インテグラルボリューム表示方式では、提示する像の周辺に偽像が発生するという問題が残っていた。これまでは、偽像を隠す壁を設置するなどの対応をとってきたが、この方法では壁の取り付けのため装置全体が大きくなってしまう。そこで、本発明では、バックライ卜部を工夫することで、粗インテグラル表示および粗インテグラルボリューム表示における偽像を抑制した表示装置を提案する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−０１５１２１号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】H. Kakeya, "Coarse integral imaging and its applications, " SPIE proceedings Volume 6803 (2008). Opt. 46, 3766-3773 (2007).
【非特許文献２】B. Lee, S. Jung, Si.-W. Min, and J.-H. Park, "Three-dimentional display by use of integral photography with dynamically variable image planes, " Opt Lett. 26, 1481-1482 (2001).
【非特許文献３】R. Yasui, I. Matsuda, H. Kakeya, "Combining volumetric edge display and multiview display for expression of natural 3D images, " SPIE Proceedings Volume 6055 (2006).
【非特許文献４】H. Ebisu, T. Kimura, H. Kakeya, "Realization of electronic 3D display combining multiview and volumentric solutions," SPIE Proceedings Volume 6490 (2007).
【非特許文献５】Y. Kim, J. H. Park, H. Choi, J. Kim, S.-W. Cho, and B. Lee, "Depth-enhanced three-dimensional integral imaging by use of multilayered display devices," Appl. Opt. 45, 4334-4343 (2006).
【非特許文献６】Y. Kim, H. Choi, J. Kim, S. -W. Cho, Y. Kim, J. Park, and B. Lee, "Depth-enhanced integral imaging display system with electrically variable image planes using polymer-dispersed liquid-crystal layers," Appl. Opt. 46, 3766-3773 (2007).
【非特許文献７】H. Kakeya and Y. Arakawa, "Autostereoscopic Display with Real-image Virtual Screen and Light Filters," SPIE Proceedings Volume 4660 (2002).
【非特許文献８】H. Kakeya, "Real-Image-Based Autostereoscopic Display using LCD, Mirrors, and Lenses," SPIE proceedings Volume 5006 (2003).
【非特許文献９】S. Suyama,  H. Takada, K. Uehira, S. Sakai and S. Ohtsuka, "A Novel Direct-Vision 3-D Display using Luminance-Modulated Two 2-D Images Displayed at Different Depths," SID'00 Digest of Technical Papers, 54.1, pp. 1208-l211 (2000).
【非特許文献１０】S. Suyama, H. Takada and S. Ohtsuka, "A Direct-Vision 3-D Display Using a New Depth-fusing Perceptual Phenomenon in 2-D Displays with Different Depth," IEICE Trans. on Electron., Vol. E85-C, No. 11, pp. 1911-1915 (2002).
【非特許文献１１】H. Kakeya, "lmproving image quality or coarse integral volumetric display," SPIE Proceedings Volume 7237 (2009).
【非特許文献１２】H. Kakeya, T. Kurokawa, Y. Mano, "Electronic realization of coarse integral volumetric imaging with wide viewing angle," SPIE proceedings Volume 6803 (2010).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
バックライ卜部を工夫することで、粗インテグラル表示および粗インテグラルボリューム表示における偽像を抑制することができる３次元画像の表示装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の覗き窓以外の偽像除去方法として、要素画像が隣の要素レンズを通らないように、要素画像表示面と要素レンズの間において、各要素画像の周囲を障壁で取り囲む方法が考えられる。しかし、この方法では障壁が立体構造をとることになり、加工・組み立てに精度も要求される。
【００１４】
そこで、本発明では、より簡便な構造で、かつ省電力化にもつながる偽像消去方法を提案する。提案する手法においては、図３に示す通り、バックライトの発光位置を限定するとともに、要素画像ごとに凸レンズを裏に配置する構成をとる。この構成をとれば、隣接するレンズヘの光路上にバックライトがないため、壁を設置しなくても偽像を抑制できる。また、正像の輝度を低下させることなく、バックライトの発光範囲を狭められることになる。
【００１５】
したがって、本発明は、インテグラル表示法を用いた３次元画像表示装置であって、バックライトからの光が複数の要素レンズの配列した第１集光系アレイ、画像表示面、第２集光系を経て、観察者の目に入射する構成をもつ。また、第２集光系の焦点距離をｆａ、上記要素レンズの焦点距離をｆｂ、上記バックライトと第１集光系アレイ間の距離がｆａｆｂ／（ｆａ−ｆｂ）、第１集光系アレイと第２集光系間の距離がｆａであるとき、第２集光系を構成するそれぞれの要素レンズのレンズ形状に対して、それをｆｂ／（ｆａ−ｆｂ）倍した相似図形のそれぞれの範囲内でバックライトを発光させるものである。
【００１６】
上記画像表示面は複数の表示面で構成され、上記バックライトからの光は、順次複数の前記表示面を透過するようにすることで、ボリューム感のある立体像を提示することができる。
【００１７】
また、上記観察者から見た奥行き情報は、上記画像表示面における複数の表示面によって表示することで、より深い奥行きがあり、ボリューム感のある立体像を提示することができる。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によって、偽像が抑制された３次元画像表示装置を実現でき、正面からずれた観察者にも偽像が抑制された画像を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来のインテグラルイメジング方式の３次元画像表示装置の概要を示す。（ａ）は、表示面の前に凸レンズアレイと大口径集光系としてのフレネルレンズを配置して、観察者に実像を提示し、（ｂ）は、観察者の近くに表示面と凸レンズアレイと大口径集光系を配置して、観察者に虚像を提示し、（ｃ）は、観察者に複数の実像を提示して、より改善された臨場感を提示するものである。
【図２】高画質の立体像が実現できる粗インテグラル表示方式であるが、偽像が発生するという問題がある。それぞれの要素画像が、対応する要素レンズではなく、隣の要素レンズを通しても結像するため、これが偽像となって表れる。これに対処する方法として、これまでは実像が生成される部分のみを覗き窓とし、他の部分は壁にして偽像が隠されるようにする措置が取られてきた。しかしながら、覗き窓の設置は装置全体の嵩を大きくすることになる、という問題がある。
【図３】本発明の提案する偽像消去方法を示す。提案する手法においては、バックライトの発光位置を限定するとともに、要素画像ごとに凸レンズを裏に配置する構成をとる。この構成をとれば、隣接するレンズヘの光路上にバックライトがないため、壁を設置しなくても偽像を抑制できる。また、正像の輝度を低下させることなく、バックライトの発光範囲を狭められることになる。（ａ）では、第２集光系の焦点距離をｆａ、上記要素レンズの焦点距離をｆｂ、上記バックライトと第１集光系アレイ間の距離がｆａｆｂ／（ｆａ−ｆｂ）、第１集光系アレイと第２集光系間の距離がｆａであるとき、第２集光系を構成するそれぞれの要素レンズのレンズ形状に対して、それをｆｂ／（ｆａ−ｆｂ）倍した相似図形のそれぞれの範囲内でバックライトを発光させる。また、（ｂ）では、観察者側のレンズアレイとして、厚みのあるものを配置している。こうすることで、要素レンズ間の継ぎ目で、光を遮断できる幅ができる。現実にバックライトの発光範囲を理論通りに設定しても、実機では加工誤差等が発生したり、レンズの収差が発生したりするため、光が一部隣の要素レンズに漏れる場合がある。しかし、この漏れを防ぐために、バックライトの発光範囲を制限しすぎると、逆に本来見せるべき正像までが欠けて暗くなる傾向にある。そこで、バックライトの発光範囲を若干広めにとりつつ、それによって漏れる光をレンズの継ぎ目部分の厚みで遮断することで、偽像消去と正像の維持を両立することができる。
【図４】観察者に複数の実像を提示して、より改善された臨場感のある画像を提示するものである。これは、より深い奥行きのある立体像を提示する場合に用いることができ、ボリューム感のある立体像を提示することができる。また、ボリュームのある像を提示することで、レンズの継ぎ目における映像の接続性を格段に改善することができる。
【図５】この図に示すように、例えば８組の上記インテグラルディスプレイユニットで観察者を取り囲む構成にすることで、観察者に偽像の抑制された３６０度の３次元画像を提示することができる。
【図６】（ａ）バックライトの発光範囲を限定しない場合と、（ｂ）限定した場合での観察画像を示す。バックライトの範囲を限定することで、偽像を抑制できることが分かる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【００２１】
図３（ａ）に本発明の３次元画像の表示装置の主要部を示す。バックライトからの光は、第１集光系アレイ、画像表示面、第２集光系を順に経て、観察者の目に入射する。第１集光系アレイは、それを構成する要素レンズの集合であり、第２集光系もそれを構成する要素レンズの集合で構成されている。また、画像表示面は、単数または複数の表示面を備え、その表示面は、図示しない表示制御器で制御される。
【００２２】
ここで、観察者側の第２集光系である凸レンズアレイの焦点距離をｆａ、第１集光系アレイである裏側のレンズの焦点距離をｆｂ、要素レンズの径をｄとし、上記バックライトと第１集光系アレイ間の距離がｆａｆｂ／（ｆａ−ｆｂ）、第１集光系アレイと第２集光系間の距離がｆａであるとする。この場合、偽像を発生させないための発光範囲は、幾何光学の計算により、第２集光系を構成する要素レンズのレンズ形状に対して、それをｆｂ／（ｆａ−ｆｂ）倍した相似図形の範囲内でバックライトを発光させればよいことが分かる。通常、要素レンズは正方形か正六角形を使用するので、レンズ形状が一辺ｄの正方形なら、バックライトは一辺ｄｆｂ／（ｆａ−ｆｂ）の正方形、レンズ形状が一辺ｄの正六角形なら、バックライトは一辺ｄｆｂ／（ｆａ−ｆｂ）の正六角形になり、このとき、発光範囲の面積は（ｆｂ／（ｆａ−ｆｂ））2倍となるので、ｆｂを小さくすると大幅な省電力化が期待でき、かつバックライト部も薄くすることができる。
【００２３】
また、図３（ｂ）の例では、観察者側のレンズアレイとして、厚みのあるものを配置している。こうすることで、要素レンズ間の継ぎ目で、光を遮断できる幅ができる。現実にバックライトの発光範囲を理論通りに設定しても、実機では加工誤差等が発生したり、レンズの収差が発生したりするため、光が一部隣の要素レンズに漏れる場合がある。しかし、この漏れを防ぐために、バックライトの発光範囲を制限しすぎると、逆に本来見せるべき正像までが欠けて暗くなる傾向にある。そこで、バックライトの発光範囲を若干広めにとりつつ、それによって漏れる光をレンズの継ぎ目部分の厚みで遮断することで、偽像消去と正像の維持を両立することができる。この遮断は、継ぎ目部分に遮断層を設けることで積極的に行ってもよい。
【００２４】
ただし、この単純な幾何光学の近似が成立するのは焦点距離ｆａ、ｆｂがレンズの径ｄに比べ比較的大きい場合に限られる。収差のため、ｆｂを過度に小さくしても、さらなる電力効率の向上(輝度を一定に保ちつつのバックライトの面積削減)は実現できない。
【実施例１】
【００２５】
上記の原理に基づき製作した実機例の外観を図５に示す。要素画像とレンズアレイを構成するレンズはともに一辺３０ｍｍの正方形で、観察者側のレンズアレイには焦点距離１００ｍｍのレンズ、要素画像の裏側には複数のレンズを重ねることで合成焦点距離約３３ｍｍのレンズアレイを配置している。
【００２６】
図６に、（ａ）バックライトの発光範囲を限定しない場合と、（ｂ）限定した場合での観察画像を示す。バックライトの範囲を限定することで、偽像を抑制できることが分かる。ただし、偽像が完全に消えているわけではない。これは光の漏れなどによるものと考えられる。
【００２７】
なお、この本実施例では、バックライトの発光範囲をバリアの設置により限定した。この場合は、実際に省電力化は実現できない。しかし、バリアの開口部のみ発光するバックライト、例えば上記相似図形の形状の小面積の光源を多数配列したバックライト等を用いることで無駄になる光を削減でき、省電力化できることは明らかである。
【００２８】
図４は、観察者に複数の実像を提示して、より改善された臨場感のある画像を提示するものである。これは、より深い奥行きのある立体像を提示する場合に用いることができ、ボリューム感のある立体像を提示することができる。また、ボリュームのある像を提示することで、レンズの継ぎ目における映像の接続性を格段に改善することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
図５に示すように、例えば８組の上記インテグラルディスプレイユニットで観察者を取り囲む構成にすることで、観察者に偽像の抑制された３６０度の３次元画像を提示することができる。
【００３０】
また、上記の説明では、観察者として１名を図示したのみであるが、この観察者の位置を変えても、上記の説明は、成立するので、多数の観察者にとって、本発明の多視点立体ディスプレイ装置の立体画像を同時に観察できる事は明らかである。
【符号の説明】
【００３１】
１  画像表示面
２  第１集光系アレイ
３  第２集光系
４  結像面
５  観察者
６  表示制御器
７  バックライト
【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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