(57)【要約】【課題】インテグラル表示法を用いた３次元画像表示装置で、その構成要素となる大口径凸レンズを大きくしても、観測される像の収差が周辺視野から大きくなり画質が低下するという問題を改善する。【解決手段】右目と左目それぞれ用の画像を表示する画像表示面と、前記画像表示面からの光を入射し右目用と左目用に画像を選別する選別光学系と、を備え、前記選別光学系が、前記表示面像の実像あるいは虚像を観察者に提示する構成のインテグラルディスプレイユニットを複数用いて構成する。それぞれのインテグラルディスプレイユニットを、上記画像表示面の法線が交点を有するように配置することで、視野角を大きくしたり画角を拡大したりするために大口径凸レンズを大きくしても、観測される像の収差が周辺視野から大きくなり画質が低下することを緩和する。【選択図】図１
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【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、
右目と左目それぞれ用の画像を表示する画像表示面と、前記画像表示面からの光を入射し右目用と左目用に画像を選別する選別光学系と、を備え、前記選別光学系が、前記表示面像の実像あるいは虚像を観察者に提示する構成のインテグラル表示単位の複数から成り、
それぞれのインテグラル表示単位を、上記画像表示面の法線が交点を有するように配置することを特徴とする３次元画像表示装置。
【請求項２】
上記選別光学系は、前記の画像表示面に沿って平面状に配列された集光系アレイであることを特徴とする請求項１に記載の３次元画像表示装置。
【請求項３】
上記の集光系アレイは、複数の屈折率分布レンズアレイであ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。
【請求項４】
上記画像表示面と上記集光系アレイの配列面とは、平面であることを特徴とする請求項２あるいは３のいずれか１つに記載の３次元画像表示装置。
【請求項５】
上記画像表示面と上記集光系アレイの配列面とは、円筒面あるいは球面であることを特徴とする請求項２あるいは３のいずれか１つに記載の３次元画像表示装置。
【請求項６】
上記選別光学系は、大口径集光系を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の３次元画像表示装置。
【請求項７】
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されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の３次元画像表示装置。
【請求項８】
上記インテグラル表示単位における配置が、上記画像表示面、集光系アレイ、実像、観察者の順であることを特徴とする請求項２から５のいずれか１つに記載の３次元画像表示装置。
【請求項９】
上記選別光学系は、大口径集光系を備え、
上記インテグラル表示単位における配置が、上記画像表示面、集光系アレイ、大口径集光系、実像、観察者の順であることを特徴とする請求項２から５のいずれか１つに記載の３次元画像表示装置。
【請求項１０】
上記選別光学系は、大口径集光系を備え、
上記インテグラル表示単位における配置が、上記虚像、画像表示面、大口径集光系、集光系アレイ、観察者の順であることを特徴とする請求項２から５のいずれか１つに記載の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、光線再生方式の３次元画像表示装置であって、特に視野角を大きくするためにあるいは画角を拡大するために構成要素となる大口径凸レンズを大きくすることで起こる問題、つまり観測される像の収差が周辺視野から大きくなり画質が低下するという問題を、解決できるようにした３次元画像表示装置に関している。
【背景技術】
【０００２】
立体ディスプレイ装置は、より実物に近い表示ができることから、展示用の表示の他に、コンピュータゲーム、訓練用シミュレータ、装置の遠隔操作の表示装置、などに用いられており、さらにその応用分野は拡大している。しかし、立体ディスプレイ装置を長時間使用すると、通常の平面ディスプレイ装置によるものとは異なる疲労が残ることが知られている。
【０００３】
空間上のある点を凝視した際における、目線の向き(輻輳：近くのものを見るときに寄り目になる動き)、左右の目に映る像のずれの量(両眼視差)、水晶体の厚さ(焦点距離)の３つによって立体が知覚されていることが知られている。例えば、メガネを使用する方式の立体ディスプレイでは、偏光フィルタや液晶シャッターなどを用いて左右の目それぞれに異なる画像を入力することにより、両眼視差と輻輳角の提示を実現している。しかし、これらの立体表示方式では、輻輳と焦点調節との間に生理的矛盾が生じるという問題があり、この立体視特有の目の疲労は、両眼の輻輳角と各眼の焦点調節の間に生じる輻輳調節矛盾によるところが大きいと言われている。この問題を解決する目的で、既に多くの手法が提案されている。
【０００４】
そのひとつは光線再現型解決法であり、その代表例として、ホログラムがある。しかし、ホログラムでは、処理すべき情報が膨大であるため、電子ディスプレイでこれを実現するのは現時点では困難である。また、電子的に細かな光線再現を実現する方法として、超多眼方式が知られている（非特許文献１、２）。
【０００５】
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。
【０００６】
しかし、従来の提案では、光線再生方式、特にインテグラルイメジング方式の３次元画像表示装置で、視野角を大きくするためにあるいは画角を拡大するためにその構成要素となる大口径凸レンズを大きくすると、観測される像の収差が周辺視野から大きくなり画質が低下するという問題がおきるので、これを解決することが求められている。
【０００７】
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７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図７（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７（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７（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提示するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−０１５１２１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】梶木善裕，吉川浩，本田捷夫, 集束化光源列(FLA)による超多眼式立体ディスプレイ，３次元画像コンファレンス1996 講演論文集，pp.108-113, 1996.
【非特許文献２】高木康博, 64眼式三次元カラーディスプレイとコンピューター合成した三次元物体の表示 ,3次元画像コンファレンス2002講演論文集, pp. 85-88, 2002.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明では、その構成要素となる大口径凸レンズを大きくしても、観測される像の収差が周辺視野から大きくなり画質が低下するという問題が抑制された３次元画像表示装置を実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、右目と左目それぞれ用の画像を表示する画像表示面と、前記画像表示面からの光を入射し右目用と左目用に画像を選別する選別光学系と、を備え、前記選別光学系が、前記表示面像の実像あるいは虚像を観察者に提示する構成のインテグラルディスプレイユニットの複数から成り、それぞれのインテグラルディスプレイユニットを、上記画像表示面の法線が交点を有するように配置することで、視野角を大きくしたり画角を拡大したりするために大口径凸レンズを大きくしても、観測される像の収差が周辺視野から大きくなり画質が低下することを緩和するものである。
【００１２】
上記選別光学系は、例えば、前記の画像表示面に沿って平面状に配列された集光系アレイである。
【００１３】
上記の集光系アレイは、例えば、複数の屈折率分布レンズアレイである。
【００１４】
また、例えば、上記画像表示面と上記集光系アレイの配列面とは、平面である。
【００１５】
上記画像表示面と上記集光系アレイの配列面とが、円筒面あるいは球面であってもよい。観察者を取り囲む配置でもよい。
【００１６】
上記選別光学系は、大口径集光系を備えることで観察者に実像を提示するものであってもよい。
【００１７】
上記観察者から見た奥行き情報の一部は、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。
【００１８】
上記インテグラルディスプレイユニットにおける配置は、例えば、上記画像表示面、集光系アレイ、実像、観察者の順である。
【００１９】
上記選別光学系が大口径集光系を備える場合、上記インテグラルディスプレイユニットにおける配置は、例えば、上記画像表示面、集光系アレイ、大口径集光系、実像、観察者の順である。
【００２０】
また、上記選別光学系が大口径集光系を備える場合、上記インテグラルディスプレイユニットにおける配置が、上記虚像、画像表示面、大口径集光系、集光系アレイ、観察者の順である。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によって、視野角を大きくするためにあるいは画角を拡大するためにその構成要素となる大口径凸レンズを大きくしても、観測される像の収差が周辺視野から大きくなり画質が低下するという問題が抑制された３次元画像表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のインテグラル表示法を用いた３次元画像表示装置を示す図である。右目と左目それぞれ用の画像を表示する画像表示面としてのディスプレイパネルと、前記画像表示面からの光を入射し右目用と左目用に画像を選別する選別光学系としてのレンズアレイと、該レンズアレイからの光を集光する大口径集光板を備え、前記選別光学系が、前記表示面像の実像を観察者に提示するインテグラルディスプレイユニットを３組備えるものである。それぞれのインテグラルディスプレイユニットを、上記画像表示面の法線が交点を有するように配置することで、大口径集光系に大口径凸レンズを用いても、観測される像の収差が大きくなることはなく、つまり画質が低下することがない。実像は、上記の交点周りに提示される。
【図２】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３６０度の３次元画像を提示するようにした例を示す図である。
【図３】図２の構成でインテグラルディスプレイユニット数をさらに増やし、ほぼ円筒形または球状に配置したものを示す図である。この場合、円筒または球の中心に集光させることによって、大口径集光系を省く事が出来る例を示す。
【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例を示す図である。これは、ボリューム感のある立体像を提示することができ、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】観察者から遠ざかる順に、凸レンズアレイ、大口径レンズ、表示面を同心円状に配置した３次元画像表示装置を示す図である。この例では、同心円の中心に虚像の立体像を提示することができる。
【図６】図６の構成では、観察者を中心に、同心円状に凸レンズアレイ、大口径レンズ、表示面を配置した３次元画像表示装置を示す図である。この例では、観察者の周り３６０度に虚像の立体像を提示することができる。
【図７】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図である。
【図８】インテグラルディスプレイユニット例のブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【実施例１】
【００２４】
本発明は、インテグラルボリューム表示を行う３次元画像表示装置であることから、大枠では、図８に示す構成を有する。図８は、インテグラルディスプレイユニット例のブロック図である。つまり、画素を表示する表示面１と、前記表示面１からの光を入射して概ね平行である平行光線を出射する集光系の複数が前記の表示面に沿って隣接して形成された集光系アレイ２と、前記の集光系アレイ２からの概ね平行である平行光線を入射して、観察者５の両眼のそれぞれに向かって出射する大口径集光系３と、とを備え、前記の大口径集光系３は、大口径集光系３と前記の観察者５との間の結像面４上に結像させるものである。但し、ここでいう結像面は、表示面上の画像の結像点の張る仮想的な２次元面である。また、概ね平行である平行光線とは、上記の集光系アレイ２と大口径集光系３との間では結像せず、大口径集光系３と観察者５の間で結像する範囲にある平行光線である。表示面１は、表示制御器６で制御される。
【００２５】
また、図８において、観察者５を結像面４と大口径集光系３との間に配置することで、観察者５に提示する像を虚像とし、その位置を表示面１の背後にすることができる。
【００２６】
本発明の一例を図１に示す。これは、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、右目と左目それぞれ用の画像を表示する画像表示面としてのディスプレイパネルと、前記画像表示面からの光を入射し右目用と左目用に画像を選別する選別光学系としてのレンズアレイと、該レンズアレイからの光を集光する大口径集光板を備え、前記選別光学系が、前記表示面像の実像を観察者に提示するインテグラルディスプレイユニットを３組備えるものである。それぞれのインテグラルディスプレイユニットを、上記画像表示面の法線が交点を有するように配置することで、大口径集光系に大口径凸レンズを用いても、観測される像の収差が大きくなることはなく、つまり画質が低下することがない。実像は、上記の交点周りに提示される。
【実施例２】
【００２７】
図２は、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３６０度の３次元画像を提示するものである。
【実施例３】
【００２８】
図３は、図２の構成でインテグラルディスプレイユニット数をさらに増やし、ほぼ円筒形または球状に配置したものである。この場合、円筒または球の中心に集光させることによって、大口径集光系を省く事が出来る。
【実施例４】
【００２９】
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。図４の構成をインテグラルディスプレイユニットとして、図２または図３と同様な構成にする事によって、広い視野角で臨場感のすぐれた画像を提示することができる。
【実施例５】
【００３０】
図５の構成では、観察者から遠ざかる順に、凸レンズアレイ、大口径レンズ、表示面を同心円状に配置した３次元画像表示装置である。この例では、同心円の中心に虚像の立体像を提示することができる。
【実施例６】
【００３１】
図６の構成では、観察者を中心に、同心円状に凸レンズアレイ、大口径レンズ、表示面を配置したものである。この例では、観察者の周り３６０度に虚像の立体像を提示することができる。
【実施例７】
【００３２】
上記の表示面としては、カラー液晶ディスプレイの他に、プラズマディスプレイや、カラー陰極管ディスプレイ、リアプロジェクションディスプレイ、などを用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
上記の説明においては、集光系アレイや大口径集光系は、固定された焦点距離をもつものとすると理解し易い。しかし、これらの集光系は、可変焦点の集光系であっても何ら問題はない。可変焦点の集光系を用いることによって、また、場面ごとに焦点特性を僅かに変えることによって、さらに適した表示を行なうことができる。
【００３４】
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】
【００３５】
１  表示面
２  集光系アレイ
３  大口径集光系
４  結像面
５  観察者
６  表示制御器
【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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【図７】
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【図８】
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