JP2004144874A - 画像表示装置及び画像表示方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】二次元表示装置の画面に表示される画像を、その画像素子単位で、或いは画像素子グループ単位で所定位置に結像させ、観察者が二次元画像は勿論、三次元画像表示を含めた画像を視覚することが可能な画像表示装置及び画像表示方法を提供する。
【解決手段】画像表示装置は、二次元の画像表示手段の表示面１１と距離Ｓ１の位置に焦点可変のレンズ１２１からなるレンズアレイ１２を備え、またレンズ１２１の焦点距離を変化させる手段を備える。焦点可変のレンズ１２１として例えば液晶からなるレンズがあり、液晶を挟む２つの電極に電圧を印加することでその焦点距離が制御される。また、焦点距離を制御する情報は表示する画像信号と同時に与えられる。これらにより、レンズ毎に独立した位置に結像して全体像を形成することで、観察者１５は立体像を見ることが可能となる。
【選択図】 図１
【解決手段】画像表示装置は、二次元の画像表示手段の表示面１１と距離Ｓ１の位置に焦点可変のレンズ１２１からなるレンズアレイ１２を備え、またレンズ１２１の焦点距離を変化させる手段を備える。焦点可変のレンズ１２１として例えば液晶からなるレンズがあり、液晶を挟む２つの電極に電圧を印加することでその焦点距離が制御される。また、焦点距離を制御する情報は表示する画像信号と同時に与えられる。これらにより、レンズ毎に独立した位置に結像して全体像を形成することで、観察者１５は立体像を見ることが可能となる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像の結像位置を制御することが可能な三次元画像表示を可能とする画像表示装置及び画像表示方法の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、表示装置としてブラウン管、ＥＬ、液晶、プラズマ等の手段を用いたものがある。それらは表示装置の表示面に表示された画像を直接二次元画像として見る形態のものである。また一方ではこれら表示装置を用い画像を立体として視覚できる三次元画像を表示する三次元画像表示装置があり、種々の形態が提案され実施されてきている。この三次元画像は例えばエンタテイメント、デザイン、医療等の分野で活用され、更なる効果的な三次元画像表示手段が望まれているところである。
【０００３】
三次元画像表示装置の一例として、例えば液晶シャッタ眼鏡方式が良く知られている。この方式はカメラで三次元物体を異なる方向から撮影し、得られた視差情報を含む画像データを合成して１つの画像信号に合成し、二次元表示装置に入力し表示する。観察者は液晶シャッタ眼鏡をかけ、例えば奇数フィールド時に右目用の液晶シャッタを光透過状態とし左目用の液晶シャッタを光遮断状態とし、一方、偶フィールド時に左目用の液晶シャッタが光透過状態とし右目用の液晶シャッタを光遮断状態とする。このとき、奇数フィールドに右目用の画像を、偶フィールドに左目用の画像を同期して表示することで右目用、左目用の視差を含む画像を夫々の目で見ることにより立体像を得るものである。
【０００４】
また、観察者の視線に対して前後方向に複数の表示手段を設け、夫々に表示される物体の輝度から三次元画像を視覚する形態の三次元表示装置がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの方式には観察者に装着する装置や表示する画像の三次元表示用の信号処理を必要とし、或いは複数の表示装置を備えたり、または表示装置自体が複雑な構成になるものであった。また、視差を使う場合は目の疲労が大きいといわれている。更に、表示される画像を実際に凹凸感をつけて表示させることはできなかった。
【０００６】
従って本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、二次元表示装置の画面に表示される画像を、その画像素子単位で、或いは画像素子グループ単位で所定位置に結像させ、また、結像位置を表示する画像に対応して変動させ、観察者が二次元画像は勿論、三次元画像表示を含めた画像を視覚することが可能な比較的簡単な構成で効果的な画像表示装置及び画像表示方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、二次元画像表示手段と、前記二次元画像表示手段の表示面前方に、当該表示面と平行に設けられた複数の焦点可変レンズからなる画像結像手段と、前記二次元画像表示手段に表示される画像信号及び前記焦点可変レンズの焦点距離に関する情報を生成する画像信号生成手段と、前記焦点距離に関する情報に基き、前記焦点可変レンズの焦点距離を制御する焦点距離制御点手段とを備える画像表示装置であることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項１７に記載の発明は、二次元画像表示手段の表示面の前方に、当該表示面と平行に複数の焦点可変レンズからなる画像結像手段を設け、前記二次元画像表示手段に画像信号生成手段により生成された画像信号を入力して画像を表示し、且つ、前記焦点可変レンズの焦点距離を制御して、前記表示される画像を任意の位置に結像させる画像表示方法であることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について以下に説明する。
【００１０】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置は、二次元画像表示手段と、前記二次元画像表示手段の表示面前方に、当該表示面と平行に設けられた複数の焦点可変レンズからなる画像結像手段と、前記二次元画像表示手段に表示される画像信号及び前記焦点可変レンズの焦点距離に関する情報を生成する画像信号生成手段と、前記焦点距離に関する情報に基き、前記焦点可変レンズの焦点距離を制御する焦点距離制御点手段とを備える。
【００１１】
本発明の画像表示装置によれば、二次元画像表示手段の表示面の前方に置かれた画像結像手段により、表示面に表示される画像は表示面とは異なる位置に結像される。その結像位置は画像結像手段のレンズの焦点距離と、レンズと表示面との距離の関係に基づいて決定され、表示面から前方、或いは後方に結像される。観察者はこの結像された画像を見ることにより、表示面から前方、または後方に表示画像を立体視することができる。画像表示装置は、その表示面が平面であることが好ましい。また、画像結像手段と二次元画像表示手段との配置により、等倍の画像に限らず、表示面の大きさよりも大きく、或いは小さく結像させることもできる。
【００１２】
画像結像手段を構成するレンズは、その焦点距離が可変であって、二次元画像表示手段の表示面に表示される画像を任意の位置に結像させる。画像信号生成手段は、表示させる画像に関する情報と、画像を構成する画素夫々の結像位置を示す距離情報を生成する。焦点距離が可変のレンズを距離情報に基いて可変し、所定の画素の画像を目的とする位置に結像する。これら目的とする位置に結像された画素からなる画像を見ることにより、観察者は効果的な立体画像を見ることが可能となる。
【００１３】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の一態様として、前記焦点可変レンズは前記二次元画像表示手段の画素の夫々に対応して設けられている。
【００１４】
この態様によれば、焦点可変レンズは二次元画像表示手段の画素の夫々に対応して設けられるので、全ての画素について結像位置を制御することができ、また、表示する明るさや結像の品位にむらが生じない。
【００１５】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記焦点可変レンズは前記二次元画像表示手段の所定の画素ブロックに対応して設けられている。
【００１６】
この態様によれば、二次元画像表示手段の複数の画素に一つの焦点可変レンズを対応させるので、レンズアレイの構成が簡単になる。
【００１７】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記焦点可変レンズは液晶レンズである。
【００１８】
この態様によれば、焦点可変レンズは２つの電極間に液晶を充填し、その２つの電極間に電圧を印加することで焦点距離を制御することができる。従って、距離情報に対応した電圧を２つの電極間に印加することで、目的の位置に画像を結像させることが可能となると共に、その結像位置を自在に制御することが可能となる。
【００１９】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記液晶レンズは固定レンズを含むレンズ系である。
【００２０】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記固定レンズは前記液晶レンズの液晶側、又は液晶とは反対側、又はその両方に設けられている。
【００２１】
この態様によれば、焦点可変レンズは液晶レンズと固定レンズとで構成される複合レンズ系として、レンズ性能の向上や、レンズの仕様或いは設計の幅が広がると期待される。また、固定レンズは液晶側、又は液晶とは反対側、又はその両方に設けることが可能であり、特に、液晶側に設けられた固定レンズは液晶の分子は固定レンズの曲面に沿って配向するので、効果的な焦点距離の制御が行われる。
【００２２】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記固定レンズは非球面レンズ、フレネルレンズ、分布屈折率レンズの何れも用いることが可能である。また、固定レンズは凸レンズ、凹レンズの何れも使用可能である。
【００２３】
この態様によれば、装置の使用形態、条件等に基づいて固定レンズの形態を選択することができる。
【００２４】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記焦点可変レンズと前記二次元画像表示手段の間に所定の屈折率を有する部材を挿入する。
【００２５】
この態様によれば、焦点可変レンズと二次元画像表示手段の表示面との間に屈折率の高い透明部材を挿入することで、光学経路が短縮され、装置の小型化、薄型化が図れる。
【００２６】
尚、小型化或いは薄型化のためには、焦点可変レンズと二次元画像表示手段との間の距離を、レンズ自体で短くすることが好ましいが、これが困難な場合に、本態様を用いることによる効果が大きくなる。
【００２７】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記焦点可変レンズと前記二次元画像表示手段の間に、当該焦点可変レンズ間を光学的に分離する分離手段を設ける。
【００２８】
この態様によれば、隣接する画素や周囲からの光を遮断することができるので、結像する画像の品位が向上する。尚、各レンズ自体が隣の画素や周囲からの光の影響が無いレンズであることが好ましいが、これが困難な場合、本形態を用いることで効果が大きい。
【００２９】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記二次元画像表示手段はブラウン管表示手段、液晶表示手段、ＥＬ表示手段、プラズマ表示手段の何れも用いることが可能である。
【００３０】
この態様によれば、二次元画像表示手段として特に表示面が平坦であることが好適であり、ブラウン管表示手段、液晶表示手段、ＥＬ表示手段、プラズマ表示手段等による二次元画像表示手段を画像表示装置の使用形態、条件等に基づいて選択できる。
【００３１】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記画像信号生成手段は、前記表示面に表示される画像に付加される輝度情報及び色彩情報及び大きさに関する情報及びフォーカスに関する情報のうち、少なくとも１つの情報を備える。
【００３２】
この態様によれば、結像される位置に応じて、より効果的な立体像を得ることができる。即ち、表示内容に従い、輝度、色彩、大きさ、フォーカス感等に変化を付けて、これらの要素を組み合わせて奥行感、立体感をより感じさせる相乗的効果が得られる。例えば、輝度に関しては手前は明るく、奥は暗く陰影を付け、また、大きさに関しては手前は大きく、奥は小さくする。色彩に関しては黄色は手前に見え、青は奥に感じ、また、フォーカス感、即ちピントが合っている場合は手前に感じ、合っていない場合は奥に感じる。このように表示面に表示される画像に、輝度、色彩、大きさ、フォーカス感等の１つ、或いは複数の情報を結像させる位置に従って付加しておき、表示するときにこれらの情報に従って画像変換して出力させる。またはそれらの情報に基づいて変換した画像を蓄積しておいて、順次、出力するようにしても良い。上述した手法を導入することでより効果的な立体像が得られる。
【００３３】
本発明の実施の形態に係わる画像表示方法は、二次元画像表示手段の表示面の前方に、当該表示面と平行に複数の焦点可変レンズからなる画像結像手段を設け、前記二次元画像表示手段に画像信号生成手段により生成された画像信号を入力して画像を表示し、且つ、前記焦点可変レンズの焦点距離を制御して、前記表示される画像を任意の位置に結像させること方法である。
【００３４】
本発明の画像表示方法によれば、二次元画像表示手段の表示面の前方に置かれた画像結像手段により、表示面に表示される画像は表示面とは異なる位置に結像される。その結像位置は画像結像手段の焦点可変レンズの焦点距離と、焦点可変レンズと表示面との距離の関係に基づいて決定され、表示面から前方、或いは後方に結像される。観察者はこの結像された画像を見ることにより、表示面から前方、または後方に表示画像を視覚することができる。焦点可変レンズの焦点距離は表示する画像信号に、画素に対応した距離情報として設けられていて、この距離情報により焦点距離を制御する。目的とする画素の画像を、目的とする位置に結像するので、効果的な立体画像を得ることが可能となる。
【００３５】
本発明のこのような作用、及び他の利得は次に説明する実施例から明らかにされる。
【００３６】
【実施例】
（画像表示装置の実施例）
本発明に係わる画像表示装置の実施例について図１〜図３を参照して説明する。図１及び図２は表示画像が二次元表示手段の表示面の前方に結像する動作形態に関し、また、図３は表示画像が表示面の後方に結像する動作形態に関する図である。
【００３７】
図１に示すように本発明に係わる画像表示装置は、二次元の画像表示手段の表示面１１と距離Ｓ１の位置に焦点可変のレンズ１２１からなるレンズアレイ１２を備え、またレンズ１２１の焦点距離を変化させる手段を備える。焦点可変のレンズ１２１として例えば液晶からなるレンズがあり、液晶を挟む２つの電極に電圧を印加することでその焦点距離が制御される。また、焦点距離を制御する情報は表示する画像信号と同時に与えられる。焦点距離を制御する情報は表示する物体の距離に対応していて、表示する画素ごとに与えられていても良く、又、全体の画素に対して与えられていてもよい。
【００３８】
次に画像表示装置の表示形態について説明する。画像表示装置の表示面１１の前方に距離Ｓ１を離してレンズアレイ１２が配置される。レンズアレイ１２は焦点距離を変えることが可能なレンズ１２１が所定の規則に従って配置されている。レンズ１２１の焦点距離ｆと、レンズ１２１と表示面１１との距離Ｓ１に基いて、表示面１１に表示される画像、例えば画素１１１はレンズアレイ１２から距離Ｓｎ１の位置に実像の結像画素１３１として結像される。即ち、夫々のレンズ１２１に対応する画素１１１の画像は、夫々のレンズ１２１の焦点距離ｆに基いて決定される位置に結像する。レンズ１２１は各々個別に、例えば電気的手段によってその焦点距離ｆを変えることができるので、画素１１１の画像の結像位置は、夫々独立して決定することができる。
【００３９】
従って、表示面１１に表示される全体像において、前方に位置する物体像は観察者１５の方向に突出して結像させ、一方、遠くに位置する物体像は後退させて結像して全体像を形成することで、観察者１５はリアルな立体像を見ることが可能となる。図１はレンズ１２１の焦点距離ｆを中央部に向かって長くなるように制御したものであり、中央部を突出させて結像させた例である。
【００４０】
また、図２はレンズ１２１の焦点距離ｆを変化させて、中央部が表示面１１に近い位置に結像するように制御した表示形態であって、レンズ１２１の焦点距離ｆを中央部に向かって短くなるように制御したものである。
【００４１】
図１及び図２はレンズ１２１と表示面１１との距離がレンズ１２１の焦点距離ｆよりも長い状態であって、画像が表示面１１の前方、即ち、観察者１５の方向に結像される例である。
【００４２】
また、図３はレンズ１２１と表示面１１との距離がレンズ１２１の焦点距離ｆよりも短い状態であって、画像が表示面１１の後方、即ち、表示面１１を介して観察者１５とは反対側に結像される例である。レンズ１２１と表示面１１との距離Ｓ１はレンズ１２１の焦点距離ｆよりも短く、画素１１１の画像はレンズ１２１から距離Ｓｎ３の位置に虚像の結像画素１３１として、表示面１１の後方に結像される。
【００４３】
尚、全てのレンズ１２１の焦点距離ｆを同一に制御して、表示面１１の前方、または後方に結像される二次元の平面的な画像を得るようにすることも可能である。
【００４４】
また、焦点距離を変えることが可能なレンズ、即ち焦点可変レンズは、例えば液晶を用いた液晶レンズに固定焦点距離を有する固定レンズを複合した複合レンズの形態にしても良い。固定レンズとして例えば非球面レンズ、フレネルレンズ、分布屈折率レンズ等が用いられる。
【００４５】
また、焦点可変レンズは凸レンズ、凹レンズの他にフラットな状態で使用可能とするものである。
【００４６】
また、レンズ１２１は複数の画素を１つの画素グループとしてカバーするように構成されていても良い。
【００４７】
更に、レンズに所定の画素以外からの外乱光が入射することを防止するために、光遮蔽部材をレンズ間に設けても良い。
【００４８】
尚、上述した実施例において、表示面１１を形成する装置は、例えばブラウン管、液晶、ＥＬ、プラズマ等のディスプレイが用いられる。また、その表示面は平面であることが好ましい。
【００４９】
尚、表示面１１とレンズアレイ１２との配置により、結像される画像は表示面の大きさと同一であることに限らず、表示面１１よりも大きく、或いは小さく結像させることも可能である。
【００５０】
次に、焦点可変レンズとしての液晶レンズについて図４〜図８を参照して説明する。ここで図４はその第一の例であり、図５は第二の例であり、図６は第三の例であり、図７は第四の例であり、図８は第五の例である。
【００５１】
図４（ａ）は第一の例である液晶レンズ１の平面を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面の図であり、図４（ｃ）は液晶レンズ１の屈折率分布について示す図である。液晶レンズ１は図４（ｂ）に示すように、液晶２１が透明基板２２と透明基板２３との間に封入され、透明基板２２には図４（ａ）に示すように中央部を円形状に除いて形成された透明電極２４が、また、透明基板２３には透明電極２５が液晶２１と接する面に形成されている。
【００５２】
透明電極２４と透明電極２５の間に電源２６により電圧が印加され、液晶２１の屈折率分布を変化させ、焦点可変レンズが形成される。印加される電圧によって図４（ｃ）に示すように屈折率分布が変化し、レンズとしての機能を生じる。曲線ａ、ｂ、ｃは夫々印加した電圧によって決定される屈折率分布の状態を示し、夫々中央部が最も屈折率が大きく、また印加する電圧が大きいほど屈折率分布の変化は大きくなる。従って、印加する電圧によって焦点距離を制御することが可能となり、距離情報に対応した電圧を印加することで、結像位置が制御される。
【００５３】
図５は液晶レンズ２の断面図であって、液晶２１は透明基板２２と透明基板２３との間に封入される。透明基板２２に透明電極２４が、また、透明基板２３には透明電極２５が液晶２１と接する側に形成されている。透明基板２３には液晶２１とは反対側に固定レンズ２７が設けられている。透明電極２４と透明電極２５の間に電源２６により電圧を印加して液晶２１の屈折率分布を変化させることで、焦点可変レンズが形成される。従って、印加する電圧によって焦点距離を制御することが可能となり、距離情報に対応した電圧を印加することで、結像位置が制御される。
【００５４】
図６は液晶レンズ３の断面図であって、液晶２１は透明基板２２と透明基板２３との間に封入される。透明基板２２に透明電極２４が、また、透明基板２３には透明電極２５が液晶２１と接する面に形成されている。透明基板２３には液晶２１と接する側に固定レンズ２８が設けられている。透明電極２４と透明電極２５の間に電源２６により電圧を印加して液晶２１の屈折率分布を変化させることで、焦点可変レンズが形成される。従って、印加する電圧によって焦点距離を制御することが可能となり、距離情報に対応した電圧を印加することで、結像位置が制御される。尚、液晶レンズ３は液晶２１と接する側に固定レンズ２８が設けられているので、電圧が印加された場合、液晶２１の分子は固定レンズ２８の曲面に沿って配向することになり、より効果的な屈折率分布の変化を得ることができる。
【００５５】
図７は液晶レンズ４の断面図であって、液晶２１は透明基板２２と透明基板２３との間に封入される。透明基板２２に透明電極２４が、また、透明基板２３には透明電極２５が液晶２１と接する側に形成されている。透明基板２３を挟んで両側に固定レンズ２８、３０が設けられている。透明電極２４と透明電極２５の間に電源２６により電圧を印加して液晶２１の屈折率分布を変化させることで、焦点可変レンズが形成される。従って、印加する電圧によって焦点距離を制御することが可能となり、距離情報に対応した電圧を印加することで、結像位置が制御される。
【００５６】
図８は液晶レンズ５の断面図であって、図４に示す液晶レンズ１の外側に、更に固定レンズ２９を配置した焦点可変レンズである。透明電極２４と透明電極２５の間に電源２６により電圧を印加して液晶２１の屈折率分布を変化させ、この屈折率分布の変化と固定レンズ２９によって焦点距離が決定される。従って、印加する電圧によって焦点距離を制御することが可能となり、距離情報に対応した電圧を印加することで、結像位置が制御される。
【００５７】
尚、上述した液晶レンズ１〜５において、透明電極２４の電極形状は、図４（ａ）に示した如き円形に限らず、更に、透明電極２４のように電極に形状を持たせるのも、透明電極２４の側に限らず、透明電極２５の側でも良く、或いは両側でも良く、最適な電極形状を仕様、条件、液晶の種類等に基づいて任意に設定することが可能である。更に、固定レンズ２７、２８、２９、３０は凸レンズに限ることなく、凹レンズであっても良い。
【００５８】
次に、図９及び図１０を参照し、表示面１１の前方に表示させる場合と後方に表示させる場合のレンズの焦点距離とレンズと表示面１１との位置関係ついて説明する。
【００５９】
まず、画像を表示面１１の前方に表示させる場合は図９に示すように、表示面１１を、レンズ１８を中心として観察者１５とは反対側に、レンズ１８の焦点距離ｆ以上に離れて配置する。これによりレンズ１８を介して観察者１５の方向に実像として画像１９が結像される。一方、画像を表示面１１の後方に表示させる場合は図１０に示すように、表示面１１を、レンズ１８を中心として観察者１５と反対側に、レンズ１８の焦点距離ｆ以内に配置する。これによりレンズ１８を介して観察者１５とは反対側に虚像として画像１９が結像される。従って図１及び図２は図９に示す状態であり、図３は図１０に示す状態である。
【００６０】
図１１は光学系を短くして表示装置をより小型化、薄型化にする手段について示す図であって、図１１の上段は表示面１１とレンズアレイ１２は距離Ｓ１１を離して配置している図である。この距離Ｓ１１を短くするための手段が図１１の下段に示す図であって、表示面１１とレンズアレイ１２との間に所定の屈折率を有する光学的に透明な部材を挿入する。従って部材の屈折率に基づいた表示面１１とレンズアレイ１２間の距離Ｓ１２が与えられ、Ｓ１２＜Ｓ１１となる。表示面１１とレンズアレイ１２間の距離を短くすることができ、表示装置の小型化、薄型化を実現する。挿入する部材として透明なガラスや、樹脂材が好適に用いられる。
【００６１】
次に、画素とレンズとの関係について図１２及び図１３を参照して説明する。まず、図１２はその一例であって、表示面１１はＸ、Ｙ方向に配置された画素１１１で構成され、レンズアレイ１２は夫々の画素１１１に対応したレンズ１２１で構成される。レンズ１２１の夫々は対応する画素１１１の画像を結像する形態である。また、図１３は他の例であって、に表示面１１はＸ、Ｙ方向に配置された画素１１１で構成されるが、レンズアレイ１２は複数の画素１１１に対応したレンズ１２１で構成される。図１３ではＸ、Ｙ方向の夫々２画素の合計４画素に対応している。更に多くの画素に対応させても良い。レンズ１２１の夫々は対応する複数の画素１１１の画像を結像する形態である。
【００６２】
（三次元画像表示の例）
次に、三次元画像表示の例について図１４及び図１５を参照して説明する。図１４に示すように表示面１１はＸ方向とＹ方向の夫々の方向に画素単位で画像情報が入力され表示される。レンズアレイ１２もＸ方向とＹ方向の夫々の方向に画素単位で設けられた焦点距離が可変のレンズ１２１で構成され、夫々の画素１１１に対応する。夫々の画素１１１は対応したレンズ１２１の焦点距離と、表示面１１とレンズアレイ１２との距離に基いた位置に結像画素１３１が形成される。従って、表示される物体、及びその物体の各部分の結像位置を独立して制御された像を得ることができる。
【００６３】
図１５は具体的な表示例であって、表示面１１に画像１３ａが表示され、レンズアレイ１２によって結像画像１３ｂが形成される。例えば結像画像１３ｂが樹木であって、前方に向いて生えている枝については、その枝を表示する画素１１１をレンズ１２１の焦点距離を変化して、その結像画素１３１を観察者１５に近づく位置に結像させ、一方、後方に向いて生えている枝については、その枝を表示する画素１１１をレンズ１２１の焦点距離を変化して、その結像画素１３１を観察者１５から遠ざかる位置に結像させる。このようにして結像された画像を観察者１５が見ることで、自然な立体画像を視覚することが可能となる。
【００６４】
更に、視覚的な効果を増すために、画素１１１を結像させる位置に対応した輝度情報、色彩情報、大きさ、フォーカス感の情報を表示すべき画像信号に付加するようにしても良い。例えば遠くにある物体については輝度を低減することで、遠くにあることがより効果的に視覚され、一方、近くにある物体については輝度を高くすることで、近くにあることがより効果的に視覚される。
【００６５】
（画像表示装置の実施例）
図１６は本発明の画像表示装置に係わるブロック構成を示す図であって、映像情報３２と奥行情報３３を含む画像信号源３１と、映像情報３２を処理する信号処理部３４と、焦点距離の情報を電圧に変換する焦点距離−電圧変換処理部３５と、画像を表示するディスプレイ３６と、ディスプレイ３６の前方に設けられる焦点可変レンズアレイ３７を備えて構成される。
【００６６】
画像信号源３１は本発明の画像表示装置で表示される画像信号であって、映像に関する情報、即ち映像情報３２と、画像を構成する画素の夫々の奥行きに関する情報、即ち奥行情報３３を備える。
【００６７】
映像情報３２は表示すべき画像に関する情報であって、例えば放送されてくる映像、ビデオ再生映像、カメラ撮影映像、コンピュータグラフィック等、種々のものが画像源として想定できる。
【００６８】
奥行情報３３は画像を構成する画素の夫々の奥行きに関する情報であって、物体の距離情報に対応する。画素ごとに、そこに表示される物体の距離に対応した情報が記録されている。例えば映像情報３２中に画素データと共に奥行きデータを一体化し、１つの画素情報として扱い、表示するときに奥行情報を分離して、映像情報と奥行情報を１対１に対応させ表示させる方法や、表示面全体を１つのブロックとして扱い、各部分を所定の規則で、例えば演算によって、或いはプログラムによって奥行き情報を発生させる方法等が考えられる。
【００６９】
信号処理部３４は、例えば表示するディスプレイ３６に対応した入力信号形態に変換する。
【００７０】
焦点距離−電圧変換処理部３５は奥行情報、即ち距離情報に基き、焦点可変レンズの焦点距離を制御する電圧に変換する。
【００７１】
ディスプレイ３６は信号処理部３４で処理された画像信号を表示する装置であって、例えばブラウン管、液晶、ＥＬ、プラズマ等のディスプレイが用いられる。また、その表示面は平面であることが好ましい。
【００７２】
焦点可変レンズアレイ３７は、ディスプレイ３６の表示画素の夫々に対応して焦点可変レンズが設けられたアレイであって、例えば液晶レンズ等が用いられる。この焦点可変レンズは奥行情報、即ち距離情報に基いて、焦点距離−電圧変換処理部３５で変換された電圧が印加され、結像すべ位置に夫々の画素が結像するように焦点距離が制御される。
【００７３】
図１７は本発明に係わる画像表示装置であって、記録再生機能を備えた構成例を示す図である。記録系の構成として物体４１を撮影する撮影部４２、物体４１までの距離を測定する距離測定部４３、撮影された画像情報と測定された距離情報とを合成する画像情報／距離情報合成部４４、合成された情報を記録媒体４５に記録する記録部４６等を備え、一方、再生系の構成として記録媒体４５を再生する再生部４７、再生された信号からディスプレイ３７に表示する画像情報を抽出する画像情報再生部４８、再生された信号から距離情報を抽出する距離情報再生部４９、距離情報に基いて焦点可変レンズアレイ３６を駆動する駆動部５０を備える。
【００７４】
記録動作としては、撮影部４２は例えばビデオカメラであって物体４１を撮影し、立体画像として表示される画像情報となる。距離測定部４３は撮影と同時に物体４１までの距離を測定する。測定方法として超音波を用いる方法、赤外線を用いる方法等があり、測定された距離が距離情報となる。画像情報／距離情報合成部４４において撮影部４２で撮影された画像情報と距離測定部４３で測定された距離情報は対応付けられて合成される。この合成された情報は記録部４６において記録媒体４５に記録される。
【００７５】
再生動作としては、上述したようにして画像情報と距離情報とが記録されている記録媒体４５が再生部４７で再生される。記録媒体からの再生情報は画像情報再生部４８において画像情報が分離抽出され、距離情報再生部４９で距離情報が分離抽出される。画像情報再生部４８において分離抽出された画像情報はディスプレイ３７で表示される。また、距離情報再生部４９で分離抽出された距離情報は駆動部５０に入力され、焦点可変レンズアレイ３６を駆動し、焦点可変レンズの焦点距離を制御する。ディスプレイ３７の画素が表示する画像と、その画素が対応する焦点可変レンズ、及び画素が表示する画像の距離情報、即ち焦点可変レンズの制御量は一義的に対応付けられているので、物体４１の正確な立体画像を得ることができる。
【００７６】
記録媒体４５としては磁気記録媒体、光記録媒体、半導体記録媒体等が用いられる。このように記録媒体４５を介在させることで三次元画像ソフトを蓄積させ、また、広範に頒布することが可能となる。
【００７７】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う画像表示装置及び画像表示方法もまた本発明の技術思想に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる画像表示装置の実施例であって、その作動状態を示す図である。
【図２】図１に示す画像表示装置の他の作動状態を示す図である。
【図３】図１に示す画像表示装置の他の作動状態を示す図である。
【図４】本発明に係わる画像表示装置に適用される焦点可変レンズの構成を示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａにおける断面図であり、（ｃ）は印加される電圧と屈折率分布の関係を示す図である。
【図５】焦点可変レンズの他の構成を示す図である。
【図６】焦点可変レンズの他の構成を示す図である。
【図７】焦点可変レンズの他の構成を示す図である。
【図８】焦点可変レンズの他の構成を示す図である。
【図９】画像の結像位置について説明するための図である。
【図１０】画像の結像位置について説明するための図である。
【図１１】画像表示装置の小型化、薄型化について示す図である。
【図１２】表示する画像素子とレンズの関係を示す図である。
【図１３】表示する画像素子とレンズの関係を示す図である。
【図１４】画像の表示形態の一例について示す図である。
【図１５】具体的な画像の表示形態について示す図である。
【図１６】本発明に係わる画像表示装置の概念を示すブロック図である。
【図１７】本発明に係わる画像表示装置の具体的構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、２、３、４、５・・・液晶レンズ
１１・・・表示面
１１１・・・画素
１２・・・レンズアレイ
１２１・・・レンズ
１３・・・結像画像
１３１・・・結像画素
１５・・・観察者
１６・・・光透過部材
１７・・・光遮蔽部材
２１・・・液晶
２２、２３・・・透明基板
２４、２５・・・透明電極
２６・・・電源
２７、２８、２９、３０・・・固定レンズ
３１・・・画像信号源
３２・・・映像情報
３３・・・奥行情報
３４・・・信号処理部
３５・・・焦点距離変換処理部
３６・・・ディスプレイ
３７・・・焦点可変レンズアレイ
４１・・・物体
４２・・・撮影部
４３・・・距離測定部
４４・・・画像情報／距離情報合成部
４５・・・記録媒体
４６・・・記録部
４７・・・再生部
４８・・・画像情報再生部
４９・・・距離情報再生部
５０・・・駆動部
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像の結像位置を制御することが可能な三次元画像表示を可能とする画像表示装置及び画像表示方法の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、表示装置としてブラウン管、ＥＬ、液晶、プラズマ等の手段を用いたものがある。それらは表示装置の表示面に表示された画像を直接二次元画像として見る形態のものである。また一方ではこれら表示装置を用い画像を立体として視覚できる三次元画像を表示する三次元画像表示装置があり、種々の形態が提案され実施されてきている。この三次元画像は例えばエンタテイメント、デザイン、医療等の分野で活用され、更なる効果的な三次元画像表示手段が望まれているところである。
【０００３】
三次元画像表示装置の一例として、例えば液晶シャッタ眼鏡方式が良く知られている。この方式はカメラで三次元物体を異なる方向から撮影し、得られた視差情報を含む画像データを合成して１つの画像信号に合成し、二次元表示装置に入力し表示する。観察者は液晶シャッタ眼鏡をかけ、例えば奇数フィールド時に右目用の液晶シャッタを光透過状態とし左目用の液晶シャッタを光遮断状態とし、一方、偶フィールド時に左目用の液晶シャッタが光透過状態とし右目用の液晶シャッタを光遮断状態とする。このとき、奇数フィールドに右目用の画像を、偶フィールドに左目用の画像を同期して表示することで右目用、左目用の視差を含む画像を夫々の目で見ることにより立体像を得るものである。
【０００４】
また、観察者の視線に対して前後方向に複数の表示手段を設け、夫々に表示される物体の輝度から三次元画像を視覚する形態の三次元表示装置がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの方式には観察者に装着する装置や表示する画像の三次元表示用の信号処理を必要とし、或いは複数の表示装置を備えたり、または表示装置自体が複雑な構成になるものであった。また、視差を使う場合は目の疲労が大きいといわれている。更に、表示される画像を実際に凹凸感をつけて表示させることはできなかった。
【０００６】
従って本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、二次元表示装置の画面に表示される画像を、その画像素子単位で、或いは画像素子グループ単位で所定位置に結像させ、また、結像位置を表示する画像に対応して変動させ、観察者が二次元画像は勿論、三次元画像表示を含めた画像を視覚することが可能な比較的簡単な構成で効果的な画像表示装置及び画像表示方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、二次元画像表示手段と、前記二次元画像表示手段の表示面前方に、当該表示面と平行に設けられた複数の焦点可変レンズからなる画像結像手段と、前記二次元画像表示手段に表示される画像信号及び前記焦点可変レンズの焦点距離に関する情報を生成する画像信号生成手段と、前記焦点距離に関する情報に基き、前記焦点可変レンズの焦点距離を制御する焦点距離制御点手段とを備える画像表示装置であることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項１７に記載の発明は、二次元画像表示手段の表示面の前方に、当該表示面と平行に複数の焦点可変レンズからなる画像結像手段を設け、前記二次元画像表示手段に画像信号生成手段により生成された画像信号を入力して画像を表示し、且つ、前記焦点可変レンズの焦点距離を制御して、前記表示される画像を任意の位置に結像させる画像表示方法であることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について以下に説明する。
【００１０】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置は、二次元画像表示手段と、前記二次元画像表示手段の表示面前方に、当該表示面と平行に設けられた複数の焦点可変レンズからなる画像結像手段と、前記二次元画像表示手段に表示される画像信号及び前記焦点可変レンズの焦点距離に関する情報を生成する画像信号生成手段と、前記焦点距離に関する情報に基き、前記焦点可変レンズの焦点距離を制御する焦点距離制御点手段とを備える。
【００１１】
本発明の画像表示装置によれば、二次元画像表示手段の表示面の前方に置かれた画像結像手段により、表示面に表示される画像は表示面とは異なる位置に結像される。その結像位置は画像結像手段のレンズの焦点距離と、レンズと表示面との距離の関係に基づいて決定され、表示面から前方、或いは後方に結像される。観察者はこの結像された画像を見ることにより、表示面から前方、または後方に表示画像を立体視することができる。画像表示装置は、その表示面が平面であることが好ましい。また、画像結像手段と二次元画像表示手段との配置により、等倍の画像に限らず、表示面の大きさよりも大きく、或いは小さく結像させることもできる。
【００１２】
画像結像手段を構成するレンズは、その焦点距離が可変であって、二次元画像表示手段の表示面に表示される画像を任意の位置に結像させる。画像信号生成手段は、表示させる画像に関する情報と、画像を構成する画素夫々の結像位置を示す距離情報を生成する。焦点距離が可変のレンズを距離情報に基いて可変し、所定の画素の画像を目的とする位置に結像する。これら目的とする位置に結像された画素からなる画像を見ることにより、観察者は効果的な立体画像を見ることが可能となる。
【００１３】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の一態様として、前記焦点可変レンズは前記二次元画像表示手段の画素の夫々に対応して設けられている。
【００１４】
この態様によれば、焦点可変レンズは二次元画像表示手段の画素の夫々に対応して設けられるので、全ての画素について結像位置を制御することができ、また、表示する明るさや結像の品位にむらが生じない。
【００１５】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記焦点可変レンズは前記二次元画像表示手段の所定の画素ブロックに対応して設けられている。
【００１６】
この態様によれば、二次元画像表示手段の複数の画素に一つの焦点可変レンズを対応させるので、レンズアレイの構成が簡単になる。
【００１７】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記焦点可変レンズは液晶レンズである。
【００１８】
この態様によれば、焦点可変レンズは２つの電極間に液晶を充填し、その２つの電極間に電圧を印加することで焦点距離を制御することができる。従って、距離情報に対応した電圧を２つの電極間に印加することで、目的の位置に画像を結像させることが可能となると共に、その結像位置を自在に制御することが可能となる。
【００１９】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記液晶レンズは固定レンズを含むレンズ系である。
【００２０】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記固定レンズは前記液晶レンズの液晶側、又は液晶とは反対側、又はその両方に設けられている。
【００２１】
この態様によれば、焦点可変レンズは液晶レンズと固定レンズとで構成される複合レンズ系として、レンズ性能の向上や、レンズの仕様或いは設計の幅が広がると期待される。また、固定レンズは液晶側、又は液晶とは反対側、又はその両方に設けることが可能であり、特に、液晶側に設けられた固定レンズは液晶の分子は固定レンズの曲面に沿って配向するので、効果的な焦点距離の制御が行われる。
【００２２】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記固定レンズは非球面レンズ、フレネルレンズ、分布屈折率レンズの何れも用いることが可能である。また、固定レンズは凸レンズ、凹レンズの何れも使用可能である。
【００２３】
この態様によれば、装置の使用形態、条件等に基づいて固定レンズの形態を選択することができる。
【００２４】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記焦点可変レンズと前記二次元画像表示手段の間に所定の屈折率を有する部材を挿入する。
【００２５】
この態様によれば、焦点可変レンズと二次元画像表示手段の表示面との間に屈折率の高い透明部材を挿入することで、光学経路が短縮され、装置の小型化、薄型化が図れる。
【００２６】
尚、小型化或いは薄型化のためには、焦点可変レンズと二次元画像表示手段との間の距離を、レンズ自体で短くすることが好ましいが、これが困難な場合に、本態様を用いることによる効果が大きくなる。
【００２７】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記焦点可変レンズと前記二次元画像表示手段の間に、当該焦点可変レンズ間を光学的に分離する分離手段を設ける。
【００２８】
この態様によれば、隣接する画素や周囲からの光を遮断することができるので、結像する画像の品位が向上する。尚、各レンズ自体が隣の画素や周囲からの光の影響が無いレンズであることが好ましいが、これが困難な場合、本形態を用いることで効果が大きい。
【００２９】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記二次元画像表示手段はブラウン管表示手段、液晶表示手段、ＥＬ表示手段、プラズマ表示手段の何れも用いることが可能である。
【００３０】
この態様によれば、二次元画像表示手段として特に表示面が平坦であることが好適であり、ブラウン管表示手段、液晶表示手段、ＥＬ表示手段、プラズマ表示手段等による二次元画像表示手段を画像表示装置の使用形態、条件等に基づいて選択できる。
【００３１】
本発明の実施の形態に係わる画像表示装置の他の態様として、前記画像信号生成手段は、前記表示面に表示される画像に付加される輝度情報及び色彩情報及び大きさに関する情報及びフォーカスに関する情報のうち、少なくとも１つの情報を備える。
【００３２】
この態様によれば、結像される位置に応じて、より効果的な立体像を得ることができる。即ち、表示内容に従い、輝度、色彩、大きさ、フォーカス感等に変化を付けて、これらの要素を組み合わせて奥行感、立体感をより感じさせる相乗的効果が得られる。例えば、輝度に関しては手前は明るく、奥は暗く陰影を付け、また、大きさに関しては手前は大きく、奥は小さくする。色彩に関しては黄色は手前に見え、青は奥に感じ、また、フォーカス感、即ちピントが合っている場合は手前に感じ、合っていない場合は奥に感じる。このように表示面に表示される画像に、輝度、色彩、大きさ、フォーカス感等の１つ、或いは複数の情報を結像させる位置に従って付加しておき、表示するときにこれらの情報に従って画像変換して出力させる。またはそれらの情報に基づいて変換した画像を蓄積しておいて、順次、出力するようにしても良い。上述した手法を導入することでより効果的な立体像が得られる。
【００３３】
本発明の実施の形態に係わる画像表示方法は、二次元画像表示手段の表示面の前方に、当該表示面と平行に複数の焦点可変レンズからなる画像結像手段を設け、前記二次元画像表示手段に画像信号生成手段により生成された画像信号を入力して画像を表示し、且つ、前記焦点可変レンズの焦点距離を制御して、前記表示される画像を任意の位置に結像させること方法である。
【００３４】
本発明の画像表示方法によれば、二次元画像表示手段の表示面の前方に置かれた画像結像手段により、表示面に表示される画像は表示面とは異なる位置に結像される。その結像位置は画像結像手段の焦点可変レンズの焦点距離と、焦点可変レンズと表示面との距離の関係に基づいて決定され、表示面から前方、或いは後方に結像される。観察者はこの結像された画像を見ることにより、表示面から前方、または後方に表示画像を視覚することができる。焦点可変レンズの焦点距離は表示する画像信号に、画素に対応した距離情報として設けられていて、この距離情報により焦点距離を制御する。目的とする画素の画像を、目的とする位置に結像するので、効果的な立体画像を得ることが可能となる。
【００３５】
本発明のこのような作用、及び他の利得は次に説明する実施例から明らかにされる。
【００３６】
【実施例】
（画像表示装置の実施例）
本発明に係わる画像表示装置の実施例について図１〜図３を参照して説明する。図１及び図２は表示画像が二次元表示手段の表示面の前方に結像する動作形態に関し、また、図３は表示画像が表示面の後方に結像する動作形態に関する図である。
【００３７】
図１に示すように本発明に係わる画像表示装置は、二次元の画像表示手段の表示面１１と距離Ｓ１の位置に焦点可変のレンズ１２１からなるレンズアレイ１２を備え、またレンズ１２１の焦点距離を変化させる手段を備える。焦点可変のレンズ１２１として例えば液晶からなるレンズがあり、液晶を挟む２つの電極に電圧を印加することでその焦点距離が制御される。また、焦点距離を制御する情報は表示する画像信号と同時に与えられる。焦点距離を制御する情報は表示する物体の距離に対応していて、表示する画素ごとに与えられていても良く、又、全体の画素に対して与えられていてもよい。
【００３８】
次に画像表示装置の表示形態について説明する。画像表示装置の表示面１１の前方に距離Ｓ１を離してレンズアレイ１２が配置される。レンズアレイ１２は焦点距離を変えることが可能なレンズ１２１が所定の規則に従って配置されている。レンズ１２１の焦点距離ｆと、レンズ１２１と表示面１１との距離Ｓ１に基いて、表示面１１に表示される画像、例えば画素１１１はレンズアレイ１２から距離Ｓｎ１の位置に実像の結像画素１３１として結像される。即ち、夫々のレンズ１２１に対応する画素１１１の画像は、夫々のレンズ１２１の焦点距離ｆに基いて決定される位置に結像する。レンズ１２１は各々個別に、例えば電気的手段によってその焦点距離ｆを変えることができるので、画素１１１の画像の結像位置は、夫々独立して決定することができる。
【００３９】
従って、表示面１１に表示される全体像において、前方に位置する物体像は観察者１５の方向に突出して結像させ、一方、遠くに位置する物体像は後退させて結像して全体像を形成することで、観察者１５はリアルな立体像を見ることが可能となる。図１はレンズ１２１の焦点距離ｆを中央部に向かって長くなるように制御したものであり、中央部を突出させて結像させた例である。
【００４０】
また、図２はレンズ１２１の焦点距離ｆを変化させて、中央部が表示面１１に近い位置に結像するように制御した表示形態であって、レンズ１２１の焦点距離ｆを中央部に向かって短くなるように制御したものである。
【００４１】
図１及び図２はレンズ１２１と表示面１１との距離がレンズ１２１の焦点距離ｆよりも長い状態であって、画像が表示面１１の前方、即ち、観察者１５の方向に結像される例である。
【００４２】
また、図３はレンズ１２１と表示面１１との距離がレンズ１２１の焦点距離ｆよりも短い状態であって、画像が表示面１１の後方、即ち、表示面１１を介して観察者１５とは反対側に結像される例である。レンズ１２１と表示面１１との距離Ｓ１はレンズ１２１の焦点距離ｆよりも短く、画素１１１の画像はレンズ１２１から距離Ｓｎ３の位置に虚像の結像画素１３１として、表示面１１の後方に結像される。
【００４３】
尚、全てのレンズ１２１の焦点距離ｆを同一に制御して、表示面１１の前方、または後方に結像される二次元の平面的な画像を得るようにすることも可能である。
【００４４】
また、焦点距離を変えることが可能なレンズ、即ち焦点可変レンズは、例えば液晶を用いた液晶レンズに固定焦点距離を有する固定レンズを複合した複合レンズの形態にしても良い。固定レンズとして例えば非球面レンズ、フレネルレンズ、分布屈折率レンズ等が用いられる。
【００４５】
また、焦点可変レンズは凸レンズ、凹レンズの他にフラットな状態で使用可能とするものである。
【００４６】
また、レンズ１２１は複数の画素を１つの画素グループとしてカバーするように構成されていても良い。
【００４７】
更に、レンズに所定の画素以外からの外乱光が入射することを防止するために、光遮蔽部材をレンズ間に設けても良い。
【００４８】
尚、上述した実施例において、表示面１１を形成する装置は、例えばブラウン管、液晶、ＥＬ、プラズマ等のディスプレイが用いられる。また、その表示面は平面であることが好ましい。
【００４９】
尚、表示面１１とレンズアレイ１２との配置により、結像される画像は表示面の大きさと同一であることに限らず、表示面１１よりも大きく、或いは小さく結像させることも可能である。
【００５０】
次に、焦点可変レンズとしての液晶レンズについて図４〜図８を参照して説明する。ここで図４はその第一の例であり、図５は第二の例であり、図６は第三の例であり、図７は第四の例であり、図８は第五の例である。
【００５１】
図４（ａ）は第一の例である液晶レンズ１の平面を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面の図であり、図４（ｃ）は液晶レンズ１の屈折率分布について示す図である。液晶レンズ１は図４（ｂ）に示すように、液晶２１が透明基板２２と透明基板２３との間に封入され、透明基板２２には図４（ａ）に示すように中央部を円形状に除いて形成された透明電極２４が、また、透明基板２３には透明電極２５が液晶２１と接する面に形成されている。
【００５２】
透明電極２４と透明電極２５の間に電源２６により電圧が印加され、液晶２１の屈折率分布を変化させ、焦点可変レンズが形成される。印加される電圧によって図４（ｃ）に示すように屈折率分布が変化し、レンズとしての機能を生じる。曲線ａ、ｂ、ｃは夫々印加した電圧によって決定される屈折率分布の状態を示し、夫々中央部が最も屈折率が大きく、また印加する電圧が大きいほど屈折率分布の変化は大きくなる。従って、印加する電圧によって焦点距離を制御することが可能となり、距離情報に対応した電圧を印加することで、結像位置が制御される。
【００５３】
図５は液晶レンズ２の断面図であって、液晶２１は透明基板２２と透明基板２３との間に封入される。透明基板２２に透明電極２４が、また、透明基板２３には透明電極２５が液晶２１と接する側に形成されている。透明基板２３には液晶２１とは反対側に固定レンズ２７が設けられている。透明電極２４と透明電極２５の間に電源２６により電圧を印加して液晶２１の屈折率分布を変化させることで、焦点可変レンズが形成される。従って、印加する電圧によって焦点距離を制御することが可能となり、距離情報に対応した電圧を印加することで、結像位置が制御される。
【００５４】
図６は液晶レンズ３の断面図であって、液晶２１は透明基板２２と透明基板２３との間に封入される。透明基板２２に透明電極２４が、また、透明基板２３には透明電極２５が液晶２１と接する面に形成されている。透明基板２３には液晶２１と接する側に固定レンズ２８が設けられている。透明電極２４と透明電極２５の間に電源２６により電圧を印加して液晶２１の屈折率分布を変化させることで、焦点可変レンズが形成される。従って、印加する電圧によって焦点距離を制御することが可能となり、距離情報に対応した電圧を印加することで、結像位置が制御される。尚、液晶レンズ３は液晶２１と接する側に固定レンズ２８が設けられているので、電圧が印加された場合、液晶２１の分子は固定レンズ２８の曲面に沿って配向することになり、より効果的な屈折率分布の変化を得ることができる。
【００５５】
図７は液晶レンズ４の断面図であって、液晶２１は透明基板２２と透明基板２３との間に封入される。透明基板２２に透明電極２４が、また、透明基板２３には透明電極２５が液晶２１と接する側に形成されている。透明基板２３を挟んで両側に固定レンズ２８、３０が設けられている。透明電極２４と透明電極２５の間に電源２６により電圧を印加して液晶２１の屈折率分布を変化させることで、焦点可変レンズが形成される。従って、印加する電圧によって焦点距離を制御することが可能となり、距離情報に対応した電圧を印加することで、結像位置が制御される。
【００５６】
図８は液晶レンズ５の断面図であって、図４に示す液晶レンズ１の外側に、更に固定レンズ２９を配置した焦点可変レンズである。透明電極２４と透明電極２５の間に電源２６により電圧を印加して液晶２１の屈折率分布を変化させ、この屈折率分布の変化と固定レンズ２９によって焦点距離が決定される。従って、印加する電圧によって焦点距離を制御することが可能となり、距離情報に対応した電圧を印加することで、結像位置が制御される。
【００５７】
尚、上述した液晶レンズ１〜５において、透明電極２４の電極形状は、図４（ａ）に示した如き円形に限らず、更に、透明電極２４のように電極に形状を持たせるのも、透明電極２４の側に限らず、透明電極２５の側でも良く、或いは両側でも良く、最適な電極形状を仕様、条件、液晶の種類等に基づいて任意に設定することが可能である。更に、固定レンズ２７、２８、２９、３０は凸レンズに限ることなく、凹レンズであっても良い。
【００５８】
次に、図９及び図１０を参照し、表示面１１の前方に表示させる場合と後方に表示させる場合のレンズの焦点距離とレンズと表示面１１との位置関係ついて説明する。
【００５９】
まず、画像を表示面１１の前方に表示させる場合は図９に示すように、表示面１１を、レンズ１８を中心として観察者１５とは反対側に、レンズ１８の焦点距離ｆ以上に離れて配置する。これによりレンズ１８を介して観察者１５の方向に実像として画像１９が結像される。一方、画像を表示面１１の後方に表示させる場合は図１０に示すように、表示面１１を、レンズ１８を中心として観察者１５と反対側に、レンズ１８の焦点距離ｆ以内に配置する。これによりレンズ１８を介して観察者１５とは反対側に虚像として画像１９が結像される。従って図１及び図２は図９に示す状態であり、図３は図１０に示す状態である。
【００６０】
図１１は光学系を短くして表示装置をより小型化、薄型化にする手段について示す図であって、図１１の上段は表示面１１とレンズアレイ１２は距離Ｓ１１を離して配置している図である。この距離Ｓ１１を短くするための手段が図１１の下段に示す図であって、表示面１１とレンズアレイ１２との間に所定の屈折率を有する光学的に透明な部材を挿入する。従って部材の屈折率に基づいた表示面１１とレンズアレイ１２間の距離Ｓ１２が与えられ、Ｓ１２＜Ｓ１１となる。表示面１１とレンズアレイ１２間の距離を短くすることができ、表示装置の小型化、薄型化を実現する。挿入する部材として透明なガラスや、樹脂材が好適に用いられる。
【００６１】
次に、画素とレンズとの関係について図１２及び図１３を参照して説明する。まず、図１２はその一例であって、表示面１１はＸ、Ｙ方向に配置された画素１１１で構成され、レンズアレイ１２は夫々の画素１１１に対応したレンズ１２１で構成される。レンズ１２１の夫々は対応する画素１１１の画像を結像する形態である。また、図１３は他の例であって、に表示面１１はＸ、Ｙ方向に配置された画素１１１で構成されるが、レンズアレイ１２は複数の画素１１１に対応したレンズ１２１で構成される。図１３ではＸ、Ｙ方向の夫々２画素の合計４画素に対応している。更に多くの画素に対応させても良い。レンズ１２１の夫々は対応する複数の画素１１１の画像を結像する形態である。
【００６２】
（三次元画像表示の例）
次に、三次元画像表示の例について図１４及び図１５を参照して説明する。図１４に示すように表示面１１はＸ方向とＹ方向の夫々の方向に画素単位で画像情報が入力され表示される。レンズアレイ１２もＸ方向とＹ方向の夫々の方向に画素単位で設けられた焦点距離が可変のレンズ１２１で構成され、夫々の画素１１１に対応する。夫々の画素１１１は対応したレンズ１２１の焦点距離と、表示面１１とレンズアレイ１２との距離に基いた位置に結像画素１３１が形成される。従って、表示される物体、及びその物体の各部分の結像位置を独立して制御された像を得ることができる。
【００６３】
図１５は具体的な表示例であって、表示面１１に画像１３ａが表示され、レンズアレイ１２によって結像画像１３ｂが形成される。例えば結像画像１３ｂが樹木であって、前方に向いて生えている枝については、その枝を表示する画素１１１をレンズ１２１の焦点距離を変化して、その結像画素１３１を観察者１５に近づく位置に結像させ、一方、後方に向いて生えている枝については、その枝を表示する画素１１１をレンズ１２１の焦点距離を変化して、その結像画素１３１を観察者１５から遠ざかる位置に結像させる。このようにして結像された画像を観察者１５が見ることで、自然な立体画像を視覚することが可能となる。
【００６４】
更に、視覚的な効果を増すために、画素１１１を結像させる位置に対応した輝度情報、色彩情報、大きさ、フォーカス感の情報を表示すべき画像信号に付加するようにしても良い。例えば遠くにある物体については輝度を低減することで、遠くにあることがより効果的に視覚され、一方、近くにある物体については輝度を高くすることで、近くにあることがより効果的に視覚される。
【００６５】
（画像表示装置の実施例）
図１６は本発明の画像表示装置に係わるブロック構成を示す図であって、映像情報３２と奥行情報３３を含む画像信号源３１と、映像情報３２を処理する信号処理部３４と、焦点距離の情報を電圧に変換する焦点距離−電圧変換処理部３５と、画像を表示するディスプレイ３６と、ディスプレイ３６の前方に設けられる焦点可変レンズアレイ３７を備えて構成される。
【００６６】
画像信号源３１は本発明の画像表示装置で表示される画像信号であって、映像に関する情報、即ち映像情報３２と、画像を構成する画素の夫々の奥行きに関する情報、即ち奥行情報３３を備える。
【００６７】
映像情報３２は表示すべき画像に関する情報であって、例えば放送されてくる映像、ビデオ再生映像、カメラ撮影映像、コンピュータグラフィック等、種々のものが画像源として想定できる。
【００６８】
奥行情報３３は画像を構成する画素の夫々の奥行きに関する情報であって、物体の距離情報に対応する。画素ごとに、そこに表示される物体の距離に対応した情報が記録されている。例えば映像情報３２中に画素データと共に奥行きデータを一体化し、１つの画素情報として扱い、表示するときに奥行情報を分離して、映像情報と奥行情報を１対１に対応させ表示させる方法や、表示面全体を１つのブロックとして扱い、各部分を所定の規則で、例えば演算によって、或いはプログラムによって奥行き情報を発生させる方法等が考えられる。
【００６９】
信号処理部３４は、例えば表示するディスプレイ３６に対応した入力信号形態に変換する。
【００７０】
焦点距離−電圧変換処理部３５は奥行情報、即ち距離情報に基き、焦点可変レンズの焦点距離を制御する電圧に変換する。
【００７１】
ディスプレイ３６は信号処理部３４で処理された画像信号を表示する装置であって、例えばブラウン管、液晶、ＥＬ、プラズマ等のディスプレイが用いられる。また、その表示面は平面であることが好ましい。
【００７２】
焦点可変レンズアレイ３７は、ディスプレイ３６の表示画素の夫々に対応して焦点可変レンズが設けられたアレイであって、例えば液晶レンズ等が用いられる。この焦点可変レンズは奥行情報、即ち距離情報に基いて、焦点距離−電圧変換処理部３５で変換された電圧が印加され、結像すべ位置に夫々の画素が結像するように焦点距離が制御される。
【００７３】
図１７は本発明に係わる画像表示装置であって、記録再生機能を備えた構成例を示す図である。記録系の構成として物体４１を撮影する撮影部４２、物体４１までの距離を測定する距離測定部４３、撮影された画像情報と測定された距離情報とを合成する画像情報／距離情報合成部４４、合成された情報を記録媒体４５に記録する記録部４６等を備え、一方、再生系の構成として記録媒体４５を再生する再生部４７、再生された信号からディスプレイ３７に表示する画像情報を抽出する画像情報再生部４８、再生された信号から距離情報を抽出する距離情報再生部４９、距離情報に基いて焦点可変レンズアレイ３６を駆動する駆動部５０を備える。
【００７４】
記録動作としては、撮影部４２は例えばビデオカメラであって物体４１を撮影し、立体画像として表示される画像情報となる。距離測定部４３は撮影と同時に物体４１までの距離を測定する。測定方法として超音波を用いる方法、赤外線を用いる方法等があり、測定された距離が距離情報となる。画像情報／距離情報合成部４４において撮影部４２で撮影された画像情報と距離測定部４３で測定された距離情報は対応付けられて合成される。この合成された情報は記録部４６において記録媒体４５に記録される。
【００７５】
再生動作としては、上述したようにして画像情報と距離情報とが記録されている記録媒体４５が再生部４７で再生される。記録媒体からの再生情報は画像情報再生部４８において画像情報が分離抽出され、距離情報再生部４９で距離情報が分離抽出される。画像情報再生部４８において分離抽出された画像情報はディスプレイ３７で表示される。また、距離情報再生部４９で分離抽出された距離情報は駆動部５０に入力され、焦点可変レンズアレイ３６を駆動し、焦点可変レンズの焦点距離を制御する。ディスプレイ３７の画素が表示する画像と、その画素が対応する焦点可変レンズ、及び画素が表示する画像の距離情報、即ち焦点可変レンズの制御量は一義的に対応付けられているので、物体４１の正確な立体画像を得ることができる。
【００７６】
記録媒体４５としては磁気記録媒体、光記録媒体、半導体記録媒体等が用いられる。このように記録媒体４５を介在させることで三次元画像ソフトを蓄積させ、また、広範に頒布することが可能となる。
【００７７】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う画像表示装置及び画像表示方法もまた本発明の技術思想に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる画像表示装置の実施例であって、その作動状態を示す図である。
【図２】図１に示す画像表示装置の他の作動状態を示す図である。
【図３】図１に示す画像表示装置の他の作動状態を示す図である。
【図４】本発明に係わる画像表示装置に適用される焦点可変レンズの構成を示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａにおける断面図であり、（ｃ）は印加される電圧と屈折率分布の関係を示す図である。
【図５】焦点可変レンズの他の構成を示す図である。
【図６】焦点可変レンズの他の構成を示す図である。
【図７】焦点可変レンズの他の構成を示す図である。
【図８】焦点可変レンズの他の構成を示す図である。
【図９】画像の結像位置について説明するための図である。
【図１０】画像の結像位置について説明するための図である。
【図１１】画像表示装置の小型化、薄型化について示す図である。
【図１２】表示する画像素子とレンズの関係を示す図である。
【図１３】表示する画像素子とレンズの関係を示す図である。
【図１４】画像の表示形態の一例について示す図である。
【図１５】具体的な画像の表示形態について示す図である。
【図１６】本発明に係わる画像表示装置の概念を示すブロック図である。
【図１７】本発明に係わる画像表示装置の具体的構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、２、３、４、５・・・液晶レンズ
１１・・・表示面
１１１・・・画素
１２・・・レンズアレイ
１２１・・・レンズ
１３・・・結像画像
１３１・・・結像画素
１５・・・観察者
１６・・・光透過部材
１７・・・光遮蔽部材
２１・・・液晶
２２、２３・・・透明基板
２４、２５・・・透明電極
２６・・・電源
２７、２８、２９、３０・・・固定レンズ
３１・・・画像信号源
３２・・・映像情報
３３・・・奥行情報
３４・・・信号処理部
３５・・・焦点距離変換処理部
３６・・・ディスプレイ
３７・・・焦点可変レンズアレイ
４１・・・物体
４２・・・撮影部
４３・・・距離測定部
４４・・・画像情報／距離情報合成部
４５・・・記録媒体
４６・・・記録部
４７・・・再生部
４８・・・画像情報再生部
４９・・・距離情報再生部
５０・・・駆動部
Claims (17)
- 二次元画像表示手段と、
前記二次元画像表示手段の表示面前方に、当該表示面と平行に設けられた複数の焦点可変レンズからなる画像結像手段と、
前記二次元画像表示手段に表示される画像信号及び前記焦点可変レンズの焦点距離に関する情報を生成する画像信号生成手段と、
前記焦点距離に関する情報に基き、前記焦点可変レンズの焦点距離を制御する焦点距離制御点手段と
を備えることを特徴とする画像表示装置。 - 前記焦点可変レンズは前記二次元画像表示手段の画素の夫々に対応して設けられていること
を特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 - 前記焦点可変レンズは前記二次元画像表示手段の所定の画素ブロックに対応して設けられていること
を特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 - 前記焦点可変レンズは液晶レンズであること
を特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 - 前記液晶レンズは固定レンズを含むレンズ系であること
を特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。 - 前記固定レンズは前記液晶レンズの液晶側、又は液晶とは反対側、又はその両方に設けられていること
を特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。 - 前記固定レンズは非球面レンズであること
を特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。 - 前記固定レンズはフレネルレンズであること
を特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。 - 前記固定レンズは分布屈折率レンズであること
を特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。 - 前記焦点可変レンズと前記二次元画像表示手段との間に所定の屈折率を有する部材を挿入すること
を特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 - 前記焦点可変レンズと前記二次元画像表示手段の間に、当該焦点可変レンズ間を光学的に分離する分離手段を設けること
を特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 - 前記二次元画像表示手段はブラウン管表示手段であること
を特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 - 前記二次元画像表示手段は液晶表示手段であること
を特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 - 前記二次元画像表示手段はＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示手段であること
を特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 - 前記二次元画像表示手段はプラズマ表示手段であること
を特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 - 前記画像信号生成手段は、前記表示面に表示される画像に付加される輝度情報及び色彩情報及び大きさに関する情報及びフォーカスに関する情報のうち、少なくとも１つの情報を備えること
を特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 - 二次元画像表示手段の表示面の前方に、当該表示面と平行に複数の焦点可変レンズからなる画像結像手段を設け、前記二次元画像表示手段に画像信号生成手段により生成された画像信号を入力して画像を表示し、且つ、
前記焦点可変レンズの焦点距離を制御して、前記表示される画像を任意の位置に結像させること
を特徴とする画像表示方法。
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20061031 |