(57)【要約】【課題】多重結像系内に設置される水平表示方向を制御する開口手段を設けることにより、画像の水平表示角度範囲が滑らかに切り替わるようになし、水平表示方向に対する光強度の変動を小さくすることができる開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置を提供する。【解決手段】開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記開口アレイに三次元像の水平表示方向に対する光強度変化を小さく抑えることができる開口手段を設ける。この開口手段は、開口アレイの水平方向に対向する対向縁が垂直線に対して傾斜する平行四辺形の変形開口３とする。【選択図】図２
2005284207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記開口アレイに三次元像の水平表示方向に対する光強度変化を小さく抑えることができる開口手段を設けることを特徴とする開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置。
【請求項２】
請求項１記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記開口手段が前記開口アレイの水平方向に対向する対向縁が垂直線に対して傾斜する変形開口であることを特徴とする開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置。
【請求項３】
請求項２記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記変形開口が平行四辺形であることを特徴とする開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置。
【請求項４】
請求項２記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記変形開口が六角形であることを特徴とする開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置。
【請求項５】
請求項２記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記変形開口が台形であることを特徴とする開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置。
【請求項６】
請求項２記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記変形開口が菱形であることを特徴とする開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置。
【請求項７】
請求項１記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記開口手段が前記開口アレイの水平方向に透過率が変わる透明板であることを特徴とする開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置。
【請求項８】
請求項７記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記透明板は、該透明板の表面に金属を蒸着してその金属膜の厚さを変えることで透過率を制御することを特徴とする開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置。
【請求項９】
請求項７記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記透明板は、該透明板の表面に微細な不透明ドットパターンを形成し、ドットの密度やドットの大きさを変えることで透過率を制御することを特徴とする開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置。
【請求項１０】
請求項１記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記開口手段が、一つの開口を複数に分割し、その分割した個々の開口の透過と不透過を独立に制御できるシャッターであることを特徴とする開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本願発明者は、既に、水平方向により多くの画像を表示可能にするとともに、隣り合う水平表示方向をもつ画像間に表示角度範囲の重なりを作ることで画像のとびをなくすことができる立体表示装置を提案している（下記特許文献１参照）。
【０００３】
図９はその従来の立体表示装置の構成図（その１）であり、図９（ａ）は全体の模式図、図９（ｂ）はその二次元画像表示装置アレイの平面図、図９（ｃ）はそのレンズアレイの平面図、図９（ｄ）はその開口アレイの平面図である。また、図１０はその立体表示装置の構成図（その２）であり、図１０（ａ）はその水平断面を示す模式図、図１０（ｂ）はその垂直断面を示す模式図である。
【０００４】
これらの図において、１１０は二次元画像表示装置アレイ、１１１は個々の二次元画像表示装置、１１２はレンズアレイ、１１３は個々のレンズ、１１４は開口アレイ、１１５は個々の開口、１１６は共有レンズ、１１７は垂直方向拡散板、１１８は共通像面、１１９は光軸である。
【０００５】
ここでは、画面単位で画像を多重表示する。すなわち、結像系を二次元配置して、水平方向と垂直方向に表示方向が異なる複数の画像を発生させ、垂直方向拡散板１１７により垂直表示方向の違いを解消する。すべての画像が異なる水平表示方向をもつように結像系を配置することで、水平方向に表示方向の異なる画像を結像系の数だけ発生できる。
【０００６】
詳細に説明すると、図１０（ａ）の水平断面図および図１０（ｂ）の垂直断面図に示すように、複数個のアフォーカル光学系を多重化した構成である。通常のアフォーカル光学系は二枚のレンズで構成されるが、この実施例では、像側のレンズを共通化した一枚の共有レンズ１１６を用いて複数のアフォーカル光学系を多重化する。それぞれのアフォーカル光学系の物体面に二次元画像表示装置１１１を配置する。それぞれの二次元画像表示装置には三次元物体を異なる水平方向に射影した二次元画像を表示する。すべてのアフォーカル光学系の像は、共通像面１１８の同一位置に結像される。それぞれのアフォーカル結像系の光軸１１９に対する水平距離と垂直距離に応じて、共通像面１１８での画像の水平表示方向と垂直表示方向が決まる。アフォーカル光学系は水平位置が一致しないように変形二次元配置されるため、水平方向にはすべての画像は異なる方向に表示される。さらに、垂直方向拡散板１１７により、光線が垂直方向に拡散されるため、画像の垂直表示方向の違いは解消される。したがって、すべての画像は異なる水平方向に表示されることになる。
【０００７】
また、大口径の凸レンズを利用する「メガネなし」の立体ディスプレイ装置において、従来排除が困難だった立体像再生時の射出瞳の切れ目を解消して、視差画像の「ぬけ」領域の発生しない高画質な立体画像の観察ができる立体画像表示装置が開示されている（下記特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１４００８３号公報
【特許文献２】特開平８−２４０７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の変形二次元配置した多重結像系を用いた三次元表示方式では、多重結像系内に設置される水平表示方向を制御する開口は、矩形形状であり、光学系の収差などの理想結像状態からのずれに起因して、水平表示方向に対する光強度の変化が大きいことが問題点であった。
【０００９】
図１１は従来の矩形形状の開口を有する多重結像系を用いた三次元表示方式における開口アレイとそれによる三次元像の水平表示方向に対する光強度を示す図である。
【００１０】
この図において、開口アレイ２０１（図９および図１０の１１４に対応）には、個々の矩形形状の開口２０２（図９および図１０の１１５に対応）が形成されている。
【００１１】
このように構成されているので、図１１（ａ）に示す一つの開口２０２を通る画像の水平表示方向と画像の光強度の関係は図１１（ｂ）に示したようになる。画像を表示する光線の水平進行方向をθで表した。このように、開口２０２の水平幅に対応して水平表示角度域は階段形状になる。そこで、図１１（ｃ）に示すように、開口２０２の水平幅および水平間隔を決める。図１１（ｄ）にそれぞれの開口を通った画像の水平表示角度域を重ねて示したが、これらの画像の合成である三次元像の水平表示方向に対する強度は、それぞれの開口２０２が作る水平表示角度域の合成として、これらを足し合わせて図１１（ｅ）のようになる。このように、理想的な状況では、三次元像の水平表示方向に強度の変化はない。
【００１２】
ここで、結像系の収差や開口の作製誤差により、個々の画像の水平表示角度域が設計値と異なった場合について考える。
【００１３】
図１２は従来の理想結像系からのずれに起因する表示方向による強度変化を示す図である。
【００１４】
水平表示角度域が設計値より大きくなった場合には、ある水平表示方向で重なりが多くなり、図１２（ａ）に示すように、この水平方向への光の強度が急激に増加する。また、水平表示角度域が小さくなった場合には、ある水平表示方向で重なりが少なくなり、図１２（ｂ）に示すように、この水平方向への光の強度が急激に減少する。いずれの場合でも、三次元像の水平表示方向に対する光強度が階段状に変化することになり、三次元像に明確な強度むらが生じることになる。
【００１５】
本発明は、上記状況に鑑みて、多重結像系内に設置される水平表示方向を制御する開口手段を設けることにより、画像の水平表示角度範囲が滑らかに切り替わるようにし、水平表示方向に対する光強度の変動を小さくすることができる開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記開口アレイに三次元像の水平表示方向に対する光強度変化を小さく抑えることができる開口手段を設けることを特徴とする。
【００１７】
〔２〕上記〔１〕記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記開口手段が前記開口アレイの水平方向に対向する対向縁が垂直線に対して傾斜する変形開口であることを特徴とする。
【００１８】
〔３〕上記〔２〕記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記変形開口が平行四辺形であることを特徴とする。
【００１９】
〔４〕上記〔２〕記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記変形開口が六角形であることを特徴とする。
【００２０】
〔５〕上記〔２〕記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記変形開口が台形であることを特徴とする。
【００２１】
〔６〕上記〔２〕記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記変形開口が菱形であることを特徴とする。
【００２２】
〔７〕上記〔１〕記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記開口手段が前記開口アレイの水平方向に透過率が変わる透明板であることを特徴とする。
【００２３】
〔８〕上記〔７〕記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記透明板は、その透明板の表面に金属を蒸着してその金属膜の厚さを変えることで透過率を制御することを特徴とする。
【００２４】
〔９〕上記〔７〕記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記透明板は、その透明板の表面に微細な不透明ドットパターンを形成し、ドットの密度やドットの大きさを変えることで透過率を制御することを特徴とする。
【００２５】
〔１０〕上記〔１〕記載の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、前記開口手段が、一つの開口を複数に分割し、その分割した個々の開口の透過と不透過を独立に制御できるシャッターであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置において、開口アレイに三次元像の水平表示方向に対する光強度変化を小さく抑えることができる開口手段を設けるようにしたので、三次元像の水平表示方向に対する強度むらを小さくすることができる。
【００２７】
また、開口手段を透明板とし、開口アレイの水平方向に透過率が変わるようにすることができる。
【００２８】
更に、開口を水平方向に分割し、分割した開口をシャッターで置き換えることで、多重結像系で表示できる画像の数を増やすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
多重結像系内に設置される水平表示方向を制御する開口を、従来の矩形形状から変形させて、例えば、開口アレイの水平方向に対向する対向縁が垂直線に対して傾斜する変形開口である平行四辺形とする。矩形開口の場合は三次元像を構成する多数の画像の水平表示角度範囲が急激に切り替わったが、変形開口を用いると画像の水平表示角度範囲が滑らかに切り替わるようになるため、水平表示方向に対する光強度の変動を小さくすることができる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明のアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置の開口と画像の水平表示方向を示す模式図である。ここでは、変形二次元配置した多重結像系を構成する多数の結像系のうちの一つの結像系を示している。
【００３２】
この図において、１は二次元画像表示装置、２は第１のレンズ、３は開口アレイの開口、４は第２のレンズ（共有レンズ）、５は垂直方向拡散板、６は像面、７は第２のレンズ４の中心軸を示している。
【００３３】
このように、このアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置では、二次元画像表示装置１に表示した画像が、像面６である垂直方向拡散板５上に結像される。第１のレンズ２の二つの焦点位置の一方に二次元画像表示装置１が、他方に開口アレイの開口３が配置される。第２のレンズ（共有レンズ）４の二つの焦点位置の一方に開口アレイの開口３が、他方に垂直方向拡散板５が配置される。このように、二つのレンズ２，４の焦点位置の一方を一致させたアフォーカル光学系において、その一致位置に開口アレイの開口３を設置することで、像を表示する光線の角度範囲を制御することができる。
【００３４】
二次元画像表示装置１と第１のレンズ２の組合せに対応する開口３が、第２のレンズの中心軸７に対してもつ水平距離で、画像の水平表示方向が決まる。また、開口は水平方向に幅を有するため、画像はただ一つの水平表示方向に表示されるのではなく、開口３の水平幅に対応した水平表示角度域に表示される。
【００３５】
図２は本発明の実施例を示す三次元表示装置の変形開口を有する開口アレイとそれによる三次元像の水平表示方向に対する光強度を示す図である。
【００３６】
ここでは、従来は矩形形状の開口であったものを、例えば、図２（ａ）に示すように水平方向Ｈに対向する対向縁が垂直線に対して傾斜する変形開口である平行四辺形の開口１２とする。このように構成すると、開口形状の水平方向Ｈに対する開口の垂直幅の変化に応じて、水平表示方向に対する光強度は、図２（ｂ）に示すようになだらかに変化するようになる。変形開口では、開口部の垂直幅が周辺に行くほど小さくなるため、透過する光量も周辺にいくほど小さくなる。したがって、水平方向に対する光強度の分布も図２（ｂ）に示すように周辺部で光強度が減少する台形型の分布になる。そして、複数の画像の水平表示角度域は図２（ｄ）のようになり、これらを重ね合わせた三次元像の水平表示方向Ｈに対する強度は図２（ｅ）のように一定にすることができる。
【００３７】
このように水平方向Ｈに対向する対向縁が垂直線に対して傾斜する変形開口を用いると、結像系の収差や開口の作製誤差などによる個々の画像の水平表示角度域が設計値と異なった場合でも、三次元像の水平表示方向Ｈに対する強度変化を小さく抑えることができ、したがって、三次元像の水平表示方向Ｈに対する強度むらを小さくすることができる。
【００３８】
図３は本発明の三次元表示装置の変形開口を有する開口アレイによる理想結像系からのずれに起因する表示方向における強度変化を示す図であり、一つの開口が担う水平表示角度域が設計値よりも大きい場合が図３（ａ）に、水平表示角度域が小さい場合が図３（ｂ）に示されている。
【００３９】
また、開口の形状としては、水平方向Ｈに対向する対向縁が垂直線に対して傾斜する変形開口であればよいので、図２に示した平行四辺形１２以外にも、図４に示すような六角形の開口１３や、図５に示すような台形の開口１４や、図６に示すような菱形の開口１５などの様々な形状が考えられる。
【００４０】
また、水平方向Ｈに対向する対向縁が垂直線に対して傾斜する開口を用いる代わりに、図７に示すような、水平方向に透過率が変わる透明板２１を用いることで、同様の効果を得ることができる。この透過率の変化は、例えば、透明基板表面に金属を蒸着してその金属膜の厚さを変えることでも制御することができる。また、透明基板の表面に微細な不透明ドットパターンを形成し、ドットの密度やドットの大きさを変えることでも透過率を制御することができる。
【００４１】
図８は一つの開口を複数に分割し、その分割した個々の開口の透過と不透過をそれぞれの分割開口ごとに独立に制御できるシャッターで置き換えるようにした開口を示す図である。
【００４２】
図８（ａ）に示すように、一つの開口３１を２分割し、その分割した個々の開口３２，３３の透過と不透過を独立に制御できるシャッターで置き換えるようにする。この場合、分割開口３２，３３はそれぞれ異なる水平表示方向を担当することになる。例えば、分割開口３２を透過状態にし、他の分割開口３３は不透過状態になるように制御し、透過状態にある分割開口３２の水平表示方向に対応した画像を二次元画像表示装置に表示する。このように制御することで、一つの結像系で複数の画像を異なる水平方向に表示できるようになり、多重結像系を構成する結像系の数を増やさなくても、多数の画像を表示することが可能になる。
【００４３】
図８（ａ）では２分割した開口３２，３３を示したが、図８（ｂ）では１つの開口４１を４分割した開口４２〜４５を示している。
【００４４】
分割開口には透過状態と不透過状態を切り替えるシャッターとしての機能が必要である。透過状態と不透過状態の切り替えの周波数は、ビデオレート（３０Ｈｚ）と開口の分割数を掛け合わせた値が必要になり、高速な切り替えが要求される。このような高速なシャッターデバイスとしては、機械的なシャッターの他に強誘電性液晶パネルを用いることができる。また、二次元画像表示装置も同じ周波数で画像を切り替える必要がある。このような高速な二次元画像表示装置としては、強誘電性液晶ディスプレイやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いることができる。
【００４５】
また、上記のように構成したので、三次元画像表示装置の画質の向上を図ることができる。特に、分割開口によれば、三次元画像表示装置の小型化、低価格化をも達成することができる。
【００４６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の開口アレイを有するアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置は、画質が向上し、小型化された三次元表示装置として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のアフォーカル光学系を備えた三次元表示装置の開口と画像の水平表示方向を示す模式図である。
【図２】本発明の実施例を示す三次元表示装置の変形開口を有する開口アレイとそれによる三次元像の水平表示方向に対する光強度を示す図である。
【図３】本発明の三次元表示装置の変形開口を有する開口アレイによる理想結像系からのずれに起因する表示方向による強度変化を示す図である。
【図４】本発明の三次元表示装置の変形開口の変形例（その１）を示す図である。
【図５】本発明の三次元表示装置の変形開口の変形例（その２）を示す図である。
【図６】本発明の三次元表示装置の変形開口の変形例（その３）を示す図である。
【図７】本発明の三次元表示装置の開口に代わる水平方向に透過率が変わる透明板を示す図である。
【図８】本発明の三次元表示装置の開口を複数に分割して制御する例を示す図である。
【図９】従来の立体表示装置の構成図（その１）である。
【図１０】従来の立体表示装置の構成図（その２）である。
【図１１】従来の矩形形状の開口を有する多重結像系を用いた三次元表示方式における開口アレイとそれによる三次元像の水平表示方向に対する光強度を示す図である。
【図１２】従来の理想結像系からのずれに起因する表示方向による強度変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１    二次元画像表示装置
２    第１のレンズ
３    開口アレイの開口
４    第２のレンズ（共有レンズ）
５    垂直方向拡散板
６    像面
７    第２のレンズの中心軸
１１    開口アレイ
１２    平行四辺形の開口
１３    六角形の開口
１４    台形の開口
１５    菱形の開口
２１    水平方向に透過率が変わる透明板
３１，４１    一つの開口
３２，３３，４２〜４５    分割した個々の開口
【図１】
2005284207.tif 000003
【図２】
2005284207.tif 000004
【図３】
2005284207.tif 000005
【図４】
2005284207.tif 000006
【図５】
2005284207.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005284207.tif 000009
【図８】
2005284207.tif 000010
【図９】
2005284207.tif 000011
【図１０】
2005284207.tif 000012
【図１１】
2005284207.tif 000013
【図１２】
2005284207.tif 000014